用于处理含碳原料的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月29日提交的美国临时专利申请号62/752,081的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术：

一氧化碳通常与氢气一起通过天然气或其他轻质烃的蒸汽重整产生。对于一氧化碳提取，这通常需要氢化/脱硫反应器、由燃料燃烧(或由过程气体)提供能量的热交换重整器，和低温分离器、变压吸附(psa)单元或一氧化碳膜分离器。氢气和一氧化碳在重整反应中产生，额外的氢气由水煤气变换反应器产生。氢气进一步通过psa单元分离。

这类的处理从重整器产生合成气，该合成气是一氧化碳、氢气、二氧化碳、烃和水的复杂混合物。混合物中的氢气可以通过用催化进行部分氧化来最小化。

在过去的几十年中，已经开发了许多不同的方法来热分解和气化生物质，以生产木炭、生物炭、活性炭以及液体有机燃料和气体燃料。最近，在高压下生产纯氧气和氢气的电解系统的容量和效率已经显著增加。

此外，燃气轮机(也称为气轮机)是通常用于产生电力或电能的发动机形式。这样的燃气轮机通常通过将大气压缩到相对高的压力，然后将燃料注射到空气中并点燃燃料来工作。燃气轮机可以包括发电机，以将涡轮叶片的旋转转换为电能。用于压缩大气的压缩机通常消耗轮机产生的大部分能量。

技术实现要素：

一方面，一种方法包括在电解单元中产生加压氧气。该方法进一步包括将加压氧气提供至燃气轮机。该方法进一步包括将液体燃料提供至燃气轮机，使得液体燃料与加压氧气混合并在燃气轮机内燃烧。

另一方面，一种方法包括提供热解反应器、电解单元、燃气轮机和气化炉。该方法进一步包括将原料引入热解反应器中。该方法进一步包括用热解反应器生产液体燃料和炭。该方法进一步包括将水引入电解单元。该方法进一步包括用电解单元生产氧气和氢气。该方法进一步包括将热解反应器产生的液体燃料引入燃气轮机。该方法进一步包括将电解单元产生的氧气提供至燃气轮机。该方法进一步包括用燃气轮机产生电力。该方法进一步包括将燃气轮机产生的电力供应至电解单元。该方法进一步包括将炭引入气化炉。该方法进一步包括用气化炉生产一氧化碳。

另一方面，一种系统包括热解反应器、气化炉、电解单元和燃气轮机。热解反应器被配置为接收原料并产生炭和液体燃料。气化炉被配置为接收炭并产生一氧化碳和活性炭。电解单元被配制为将水转化为氧气和氢气。燃气轮机被配置为接收由热解单元产生的液体燃料和接收由电解单元产生的氧气，并产生供电解单元使用的电力。

另一方面，一种方法包括将炭引入气化炉中，该气化炉具有气化区。该方法进一步包括在气化区的多个位置处将二氧化碳和氧气注入气化炉的气化区，以使二氧化碳和氧气与炭反应形成一氧化碳。该方法进一步包括从气化炉回收一氧化碳。

另一方面，气化炉包括限定气化区的主体和通向主体的气化区的多个入口。所述多个入口沿着主体垂直间隔开。所述多个入口被配置为使二氧化碳和氧气进入主体的气化区。

另一方面，一种方法包括提供用于接收炭的气化炉，该气化炉具有气化区。该方法进一步包括将炭引入气化炉。该方法进一步包括使炭连续地移动通过气化炉并从气化炉向外移动。该方法进一步包括预热二氧化碳和氧气。该方法进一步包括在多个位置处将二氧化碳和氧气注入气化炉的气化区。该方法进一步包括使炭与二氧化碳和氧气反应以形成一氧化碳。该方法进一步包括使产生的一氧化碳通过预热的碳的高温床。该方法进一步包括从气化炉回收一氧化碳。

该方法进一步包括从气化炉回收活性炭。

在一个实施方案中，活性炭的表面积为约600m²/g至约1100m²/g。

在一个实施方案中，当被引入气化炉时，炭处于至少300华氏度的温度。

在一个实施方案中，该方法进一步包括将二氧化碳注入气化区垂直下方的气化炉冷却区。

在一个实施方案中，第一气体混合物在第一位置处以第一流速注入气化区，第二气体混合物在第二位置处以第二流速注入，并且其中第一位置在第二位置下方，且第一流速大于第二流速。

在一个实施方案中，该方法进一步包括将气化区保持在等温状态。

在一个实施方案中，气化区中的温度为约1700℉至约1900℉。

在一个实施方案中，二氧化碳注入的总速率为每磅炭1.0至2.0磅。在一个实施方案中，二氧化碳注入的总速率为每磅炭约1.4磅。

在一个实施方案中，氧气注入的总速率为每磅炭0.25至0.75磅。在一个实施方案中，氧气注入的总速率为每磅炭约0.5磅。

在一个实施方案中，注入的二氧化碳与氧气的比率为约2:1至约4:1。在一个实施方案中，注入的二氧化碳与氧气的比率为约2.8:1。

另一方面，提供了一种生产高纯度一氧化碳和氢气的方法。该方法包括提供热解反应器、电解单元、燃气轮机和气化炉。该方法进一步包括将原料引入热解反应器。该方法进一步包括用热解反应器生产液体燃料和炭。该方法进一步包括将h2o引入电解单元。该方法进一步包括用电解单元生产o2和h。该方法进一步包括将热解反应器产生的液体燃料引入燃气轮机。该方法进一步包括将电解单元产生的o2供应至燃气轮机。该方法进一步包括用燃气轮机产生电力。该方法进一步包括将炭引入气化炉。该方法进一步包括用气化炉生产co。

在一个实施方案中，该方法进一步包括将电解单元产生的一部分o2提供至气化炉。

在一个实施方案中，该方法进一步包括在将原料引入热解反应器之前干燥原料。在一些实施方案中，该方法进一步包括用锅炉产生加热的排气，并在将原料引入热解反应器之前用来自锅炉的加热的排气干燥原料。

附图说明

通过以下对本发明的某些示例性实施方案的详细描述，本文描述的系统和方法的这些和其他特征将更充分地公开，或变得显而易见，该描述将与附图一起考虑，其中相同的附图标记指代相同的部件，并且其中：

图1是示出根据本文所述实施方案的用于处理含碳原料的系统的图；

图2示出了根据本文所述的至少一个实施方案的气化炉和相关部件的示意图；

图3示出了图2的气化炉的图；

图4是使用气化炉生产一氧化碳和活性炭的方法的流程图；和

图5是用热解反应器供应的氧气操作燃气轮机的方法的流程图。

具体实施方式

优选实施方案的描述旨在结合附图阅读，附图被认为是本发明整个书面描述的一部分。附图不必要按比例绘制，并且为了清楚和简明，本发明的某些特征可以以比例放大或稍微示意性的形式示出。在说明书中，例如“水平”、“垂直”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”的相关术语及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被理解为是指在讨论中随后描述的或在附图中所示的方向。除非在说明书中清楚，否则这些相关术语是为了描述方便，并且通常不旨在要求特定的方向。包括“向内”对“向外”、“纵向”对“横向”等的术语应适当地相对于彼此或相对于伸长轴、旋转轴或旋转中心进行解释。关于附接、联接等的术语，例如“连接”和“互连”，是指一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，以及可移动或刚性的附接或关系，除非另有明确说明。术语“可操作地(operatively)或可操作地(operably)连接”是这样一种附接、联接或连接，其允许相关结构根据该关系按预期进行操作。

本公开提供了用于由含碳原料生产燃料气体和液体燃料的设备、系统和方法。另外，本文所述的系统和方法可用于生产高纯一氧化碳和氢气。这种高纯的一氧化碳和氢气可以用于多种目的，包括生产合成气体(“合成气”)。另外，该设备、系统和方法还可以生产活性炭。

整体系统说明

图1示出了根据至少一个实施方案的用于处理含碳原料的系统100的图。系统100可以包括热解反应器104、燃气轮机108、电解单元109、气化炉110、锅炉114、蒸汽轮机115和联合循环单元116。在一些实施方案中，系统100进一步包括第二热解反应器118。应当理解，系统100可以进一步包括许多其他部件和系统，如本文所述以及本领域技术人员将理解的。

将原料102提供至热解反应器104。原料102可以是任何含碳原料。在一个实施方案中，原料102是颗粒状木材或任何其他合适的木材源。在至少一个实施方案中，原料102是废料。使用废料作为原料可以提供环境效益并潜在地减少运营费用。例如，原料102可以是农场残余物、林产品、城市固体废物或其他合适的含碳原料。在其他实施方案中，原料102是煤或另一种可燃材料。上文提供的一种或多种潜在原料可适用于本文所述的某些工艺，而不适用于其他工艺。例如，某些原料可能不适合生产用于燃气轮机的液体燃料。

在一些实施方案中，在引入热解反应器104之前，原料102在干燥器103中干燥，以最小化原料102中的水分含量。干燥器103可以使用来自锅炉114的排气153，如将在本文中更详细地描述的。附加地或替代地，干燥器103可以使用由燃气轮机108、气化炉110、联合循环单元116或系统100的任何其他部分产生的热量。

将原料102引入热解反应器104。热解反应器104将原料102转化为炭106。炭106随后被引入气化炉110，如将在本文中进一步描述的。在一些实施方案中，原料102是可以提供所得炭的一致性的均匀生物质的单一料流。热解反应器104还生产用于发电的液体燃料120和气体燃料122，如将在本文中进一步描述的。

将热解反应器104中产生的燃料120、122提供至一个或多个发电单元。发电单元可以是例如利用液体燃料120的燃气轮机108，以及利用液体燃料120和/或气体燃料122的锅炉114。发电单元(例如，燃气轮机108和/或锅炉114)可以产生用于运行电解和其他过程的电力。例如，电力156可由燃气轮机108产生并提供至电解单元109。另外，如上所述，在将原料引入热解反应器104中之前，由发电单元(例如，燃气轮机108和/或锅炉114)产生的热排气可以用于干燥原料102，以改善热解反应器104的性能并增加从发电单元回收的能量的量。因为高纯度燃料(例如，液体燃料120和气体燃料122)由热解反应器104产生，所以燃烧单元产生的排气可以不含污染物，使得排气可以用于干燥原料102，而不会将不需要的污染物引入原料102中。

蒸汽轮机115可以可操作地联接至蒸汽锅炉114，使得来自锅炉114的蒸汽124被提供至蒸汽轮机115。蒸汽轮机115可以产生用于电解单元109的电力126。蒸汽轮机115中产生的冷凝物128可返回锅炉114以继续使用。联合循环单元116还可以使用燃气轮机108的排气130来加热提供至锅炉114的热给水132。此外，联合循环单元116可以使水从用于加热给水132的轮机排气130中冷凝出来。通过从联合循环单元116经过锅炉114到燃气轮机108的连续管线，由轮机排气130加热的给水132可以保持与主锅炉水分离，以保持高水平的纯度，如图1所示。如本文所述，这种相对纯的给水132可在锅炉114中转化为蒸汽124，并反馈至燃气轮机108，以控制燃气轮机108内的燃烧。联合循环单元116对给水132的预热可以降低锅炉114的能量输入需求。

电解单元109用于将水134转化为氢气136和氧气138。氢气136可以储存在输出存储单元112中以供后续使用。氧气138的一部分被提供至炭气化炉110，在那里它用于将co2和炭加工成高纯度co，如将在本文中进一步描述的。电解单元109产生的额外氧气138可用于其他过程。例如，可以将氧气138注入燃气轮机108中(如本文所述)，以确保液体燃料120在燃气轮机108中完全燃烧，并从联合循环单元116中产生富氧排气，然后该排气可以用于锅炉114中的燃烧。在一个实施方案中，供应至燃气轮机108的氧气138也增加了燃气轮机108的效率，如将在本文中描述的。另外，联合循环单元116的富氧排气中的过量氧气可被引导至锅炉114以减少空气需求，或用于其他应用。

气化炉110将炭106转化为包括一氧化碳140的气体输出。除了生产一氧化碳140之外，在至少一个实施方案中，气化炉110还生产活性炭142。将氧气138从电解单元109提供至气化炉110。当提供至气化炉110时，氧气138优选地几乎不包含水分或不包含水分。另外，将二氧化碳144提供至气化炉。系统100可以进一步包括热交换器146，以在将氧气138和二氧化碳144注入气化炉110之前，允许离开气化炉110的一氧化碳140加热氧气138和二氧化碳144。

二氧化碳144可以例如从附近设施的烟囱中捕获和/或清除，通过大气捕获系统收集，或者在商品市场上购买。在本文所述的方法中使用二氧化碳可以减少大气中存在的二氧化碳的量，并使二氧化碳再循环以产生高纯度的co，高纯度的co可以用于产生液体燃料或用于其他目的。这样，在一些实施方案中，废料原料102被热解，并且由原料102产生的炭106与捕获的二氧化碳144和氧气138一起用于生产两种有用的产品，一氧化碳140和活性炭142。一氧化碳140可以存储在存储单元112中。尽管一氧化碳和氢气在单个存储单元中示出，但是应该理解，一氧化碳和氢气可以存储在任何合适的位置和任何数量的容器中，或者直接用于催化或其他过程。

可选地，可以使用第二热解反应器118，如图1所示。第二热解反应器118可以产生炭150、液体燃料152和气体燃料154。包含第二热解反应器118可以允许增加液体燃料和气体燃料的生产率。附加地或可替代地，第二热解反应器118还可以允许在该过程中使用多种原料。例如，一些类型的原料是用于产生液体燃料或气体燃料的良好来源，而不适合于产生用于气化的足够均匀质量的炭。因此，在一些实施方案中，液体燃料和气体燃料由两个反应器(例如热解反应器104和第二热解反应器118)产生，而只有一个反应器(例如热解反应器104)产生用于气化的材料。基于生产系统的尺寸、目的和操作参数，第二热解反应器118的使用是任选的。

在一个实施方案中，第一反应器(例如热解反应器104)产生具有15％湿基水分含量(mcw)的液体燃料，而第二反应器(例如热解反应器118)产生较低水分的液体燃料，例如具有13％mcw的液体燃料。后者将具有较高的干热值，并且可以以一定比例混合两种燃料，以使混合的燃料具有恒定的干热值，而水分含量仅有很小的变化。该混合物可以是强乳液，并且如果被适当地处理和存储，可以用作燃气轮机燃料。

尽管本文描述了第一热解反应器102和第二热解反应器118，并且在图1所示的示例性实施方案中示出，但是应当理解，系统100可以包括任何数量的热解反应器。例如，可以使用多个较小的反应器代替一个较大的反应器。可以在项目计划期间基于项目需求确定所用的热解反应器的数量。

热解反应器

如上所述，用于发电单元(例如燃气轮机108和/或锅炉114)的燃料120、122和用于气化炉110的炭106可以在一个或多个热解反应器(例如热解反应器104)中产生。在一个实施方案中，热解反应器104可以是立轴连续逆流反应器。热解反应器104可以在蒸汽注入的情况下在缺乏空气状态下运行，并使用多种含碳原料(如上所述)来生产液体燃料120、气体燃料122和炭106。

如上所述，原料材料可以是任何合适的含碳材料。在一个实施方案中，原料材料包含木材颗粒。可选地，为了提高由热解反应器104产生的燃料的质量，在进入热解反应器104之前，首先将木材颗粒干燥(例如，在干燥器103中使用由锅炉114产生的废热153)并缓慢加热。例如，原料102可以被干燥至8％至10％水分含量。在其他实施方案中，原料102(例如木材颗粒)在到达时以8％至10％的水分含量提供，并且可以在不首先干燥的情况下直接用于热解反应器104。在热解过程中，将原料102的颗粒完全干燥并加热至400℉至500℉，在该温度下，原料102经历高度放热的分解过程，产生水蒸气(基于干燥的木材原料约20％的产率)、排气混合物和木炭。排出的木炭可以处于约300℉或更高的温度。可以处理通常为350-400℉的排气以去除夹带的固体和污泥，其可以循环至热解反应器104。如图1所示，排气被冷却以产生液体燃料120和气体燃料122。

在放热反应后，木炭缓慢向下流经温度升高的深层区域，同时添加空气和蒸汽。这样，材料在大约1400℉时去挥发为零挥发炭。在一个实施方案中，热解单元在约1400-1900℉的最高温度下产生挥发性游离炭，典型地表面积最高达440平方米每克，而无灰产率大于或等于0.21lb无灰炭/lb干进料。在一个实施方案中，热解温度为1800℉，且炭粒的表面积为大约400至440平方米每克。

通过在垂直床中使用缓慢的热解反应，可以生产具有低浓度的污染物例如钾的液体燃料120。如本文所述，这样的液体燃料可以在很少或没有额外处理的情况下用于燃气轮机108中。热解反应器还可产生用于锅炉114的气体燃料122。多余的液体燃料120也可以提供至锅炉114。

燃气轮机

在至少一个实施方案中，如上所述，将来自热解反应器104的液体燃料120提供至燃气轮机108。燃气轮机108可以包括或联接至发电机以产生将由电解单元109使用的电156。如上所述，燃气轮机108还可以产生用于联合循环单元116中的废热130，从而增加锅炉114的效率。在一些实施方案中，可以将过量的氧气供应至燃气轮机108以更完全地燃烧燃料。在这样的实施方案中，来自联合循环单元116的排气可以是高氧的并且可以用于锅炉114或其他应用中。

任选地，在将液体燃料120供应至燃气轮机108之前，可以将少量的醇添加到液体燃料120中并溶解在其中。例如，可以将甲醇或其他合适的醇添加到液体燃料120中。醇的添加影响液体燃料120的热值并且可以降低液体燃料120的粘度。在一个实施方案中，将液体燃料120提供至燃气轮机108，并通过在即将注入燃气轮机108的燃烧室之前将燃料加热到80℉至150℉，以降低液体燃料120的粘度。这可以显著改善液体燃料120的雾化，而不在燃料中产生可能在较高温度下发生的化学变化。

燃气轮机通常以热循环运行。该循环的第一步是压缩大气。在典型的系统中，由轮机产生的能量的高达30％至50％或更多被压缩机用于压缩空气。在本文所述的系统100的一个实施方案中，将加压的氧气138从电解单元109供应至燃气轮机108。虽然低压电解通常用于产生氢气，但它也产生副产物氧气。高压电解装置可以在高压下生产产品。通过在系统100中使用这种高压电解单元109，来自电解单元109的加压氧气可用于通过显著减少或消除由燃气轮机108的压缩机使用的能量来提高燃气轮机108的效率。电解单元109可以被配置为在期望的压力，例如400磅每平方英寸(psi)或更高下产生氧气。

任选地，在用于燃气轮机108和气化单元110中之前，可以使由电解单元109产生的氧气穿过吸收床以除去任何微量的水。这对于其中水分的引入可能是有害的气化炉110可能尤其重要。

另外，将高压过热蒸汽124从锅炉114供应至燃气轮机108，以进行温度控制并增加燃烧气体的焓。已知如果忽略解离，则热解液体燃料120与化学计量的空气燃烧会导致非常高的温度，通常约为4000℉或更高。这些高温是由于这种燃料的化学计量空燃比低。这种低的空燃比导致在该燃烧过程中存在少量的惰性氮，从而导致较高的温度。这种少量的氮气不足以降低燃烧气体的温度。在本文所述的燃气轮机108的情况下，可以由锅炉114供应加压的过热蒸汽124，以控制燃烧气体的温度，以向整个过程提供额外的能量，并降低燃烧气体的平均分子量。可以在选择的压力、温度和质量流速下供应蒸汽124，以实现期望的结果。

在一些实施方案中，蒸汽124由使用热轮机排气130在联合循环单元116中加热的给水132产生。该加热的给水132可以保持与锅炉114中使用的主锅炉水隔离，以确保维持蒸汽124的纯度。给水132的加热可以包括冷凝来自轮机排气130的液体。在联合循环单元116中轮机排气130的使用增加了由燃气轮机108中的燃烧产生的能量的利用率，并进一步提高了系统100的效率。

可以将过量的氧气(即高于化学计量的氧气)供应至燃气轮机108，以确保液体燃料120的完全燃烧并降低燃烧温度。燃气轮机108中过量氧气的使用还可以造成联合循环单元116的排气160富含氧气。联合循环单元116的水和气态排气160可用于预热燃气轮机108或其他燃烧应用中使用的蒸汽124。

蒸汽124、液体燃料120和加压氧气138的组合可以允许使用没有压缩机的燃气轮机108。可选地，在其他实施方案中，可以使用更小(即对能量要求更低)的压缩机。通过减少或消除压缩机使用的能量，燃气轮机108产生的可用功显著增加。考虑到泵送至高压电解单元109的水和泵送至高压锅炉114的水，产生加压氧气138和蒸汽124所需的能量可能仅为压缩机对气体加压通常所需能量的大约3％。此外，液体燃料120仅需要少量的能量以在燃气轮机108的燃烧室中注射和雾化液体燃料120。

液体燃料120的特性，包括其热值和其中存在的污染物，对于燃气轮机108的长期性能至关重要。在一些实施方案中，通过控制或处理液体燃料120中的污染物、将液体燃料120的热值保持在一定限度内，以及平衡高压氧气138、高压蒸汽124和液体热解燃料120的质量流量，来满足燃烧要求。可以实时调节氧气138、蒸汽124和液体燃料120的质量流量，以实现期望的燃烧性能。可以自动或手动进行这种调节。可以使用一个或多个传感器监测液体燃料120、氧气138和蒸汽124，以确保跨越涡轮叶片的恒定焓降，监测轮机的性能，并提供用于控制涡轮的输入。在一个实施方案中，锅炉中用于产生过热蒸汽的水基本上不含会对燃气轮机有害的污染物。

图5是示出如本文所述的运行燃气轮机的方法500的流程图。在步骤502，使用电解单元(例如电解单元109)产生加压氧气。在步骤504，将加压氧气提供至燃气轮机(例如燃气轮机108)。在步骤506，将液体燃料提供至燃气轮机，使得液体燃料与加压氧气混合并在燃气轮机内燃烧。任选地，该方法可以进一步包括，在步骤508，使用锅炉产生蒸汽并将蒸汽供应至燃气轮机。如本文所述，蒸汽可用于控制燃烧温度。任选地，该方法可以进一步包括，在步骤510，用燃气轮机产生电力，并向电解单元提供电力以运行电解过程。

气化炉

在另一方面，提供气化炉和气化方法，用于气化材料，例如由热解反应器104产生的木炭，以产生(1)高纯一氧化碳和(2)活性炭。可以以特定表面积和吸附特性产生活性炭，如将在本文中进一步描述的。在一个实施方案中，该方法在直接燃烧的、逆流流动的、移动填充床的、立轴的气化炉中进行。

气化炉是根据使用例如从木材片或颗粒形成的炭的材料来描述的，然而，如上所述，预期在本公开中可以使用多种原料。如上所述，可以例如在立轴逆流热解单元中由原料生产炭。

图2示出了气化炉系统200。如本文所述，气化炉系统200被配置成产生一氧化碳217和活性炭219。如图2所示，将炭202(例如从热解反应器104输出的)供给至气化炉系统200。在一个实施例中，热解反应器104以20lbs/ft³的堆积密度将松木粒的原料转化为炭粒。炭粒202的温度可以是300℉或更高，以防止蒸汽被引入或形成在气化炉206中。在一些实施方案中，炭202可以在包括双闸阀218的真空室203中脱气。炭202可以在低压下分批脱气并填充有co气体。在一些实施方案中，可以将提取的脱气材料(如果有的话)和少量的co提供至锅炉114的燃烧室。在脱气后，将每批炭202排入填充有co气体(来自脱气过程)的炭粒的原料储存箱204中。可为粒状或其他形式的炭202以指定的速率从原料箱204被供应至气化炉206的垂直床的顶部。气化炉系统200可以包括可变进料输出机构216，以控制原料引入气化炉206的速率。通过经由这种布置将炭引入气化炉206，防止或最小化了水分或大气污染物引入气化炉206。在一个实施方案中，当引入气化炉206时，炭的温度在约250℉至约400℉之间。在另一个实施方案中，当引入气化炉206时，炭的温度在约250℉至约300℉之间。在一个实施方案中，炭以约50至5000磅每小时的速率引入。在另一个实施方案中，炭以约1,800至5,000磅每小时的速率引入。引入的速率可以例如基于炭的堆积密度来确定(以片和颗粒的形式)。

如图2所示，气化炉系统200还可以包括热交换器207、固体分离器208、固体冷却器210、气体冷却器212和气体过滤器214。在其他实施方案中，这些部件中的一个或多个被省略或修改。如本文所述，热交换器207用于使用从气化炉206输出的一氧化碳来加热进入气化炉206的二氧化碳和氧气。这可以显著改善气化炉206的效率。另外，冷却离开气化炉206的一氧化碳可以降低系统中其他部件的成本，例如固体分离器208和气体冷却器212，因为降低了这些部件所暴露的最高温度。

固体分离器208可用于分离离开气化炉206的任何固体材料与一氧化碳。固体冷却器210可用于冷却固体的温度。由固体分离器208分离的细粉220可以任选地返回到热解反应器104。在一些实施方案中，在引入热解反应器104之前，将细粉220与油混合。

离开气化炉206的气体可以任选地在气体冷却器212中冷却，然后在使用或存储(例如在存储单元112中)之前在气体过滤器214中过滤，以产生高纯一氧化碳217。

图3示出了气化炉300的一个实施方案，其被配置为由炭334产生一氧化碳330和活性炭332。气化炉300包括主体302。主体302限定了预热区304、气化区306和冷却区308。布置预热区304、气化区306和冷却区308，使得预热区304在气化区306上方，而气化区306在冷却区308上方。来自热解反应器104的炭334被引入主体302的顶部(例如，从图2中所示的储存箱204)，并通过一个或多个调平装置314在指定的速率下分布在床的顶部。调平装置314是例如机械调平装置，其包括可旋转地安装在轴上并支撑在驱动夹具中的长柄耙头，如美国专利号4,230,602所述，该专利通过整体引用并入本文。如此引入的炭作为填充床并以预定的输入速率基本上连续地从气化炉300的底部向下通过并向外移动，同时气体从其中向上通过并向外排出，如将在本文中描述的。

当引入到气化炉300时，炭进入预热区304。如图3所示，预热区304位于气化区306的上方。结果，在气化区306中产生的一氧化碳(如本文中更详细地描述)从气化区306向上流动，并穿过在预热区304中的炭。在一些实施方案中，预热区304的横截面积大于气化区306的横截面积。在这样的实施方案中，这种横截面积的差异可导致一氧化碳的速度随着其流过预热区304而降低。这通过减小穿过预热区304的压降来减少向外流动的一氧化碳中的颗粒夹带。在一个实施方案中，预热区304的横截面积为约25平方英尺至约50平方英尺。在另一个实施方案中，预热区304的横截面积为约75平方英尺至约175平方英尺。在另一个实施方案中，预热区304的横截面积为约100平方英尺至约150平方英尺。在另一个实施方案中，预热区的横截面积为约25平方英尺至约100平方英尺。在另一个实施方案中，预热区的横截面积为约50平方英尺至约100平方英尺。在一个实施方案中，预热区304和气化区306的横截面积都为50平方英尺。

随着气体向上流过预热区304并流向主体302的出口312，气体中存在的任何二氧化碳都可以在气化区306的上方即刻与深层高温炭反应。这确保高纯度一氧化碳气体流至出口312。可以选择预热区304的深度以确保基本上所有的二氧化碳与炭反应。例如，在一个实施方案中，预热区304的深度为约10英尺至约20英尺，这取决于炭的密度、颗粒的形状以及期望的活性炭的量。在另一个实施方案中，预热区304的深度为约6英尺至约8英尺。预热区304的深度可以大于使炭流化所需的深度，使得在气化区306的上方即刻形成高温区域。可替代地或附加地，穿过预热区304的气体可以再循环，使得它多次向上穿过预热区304，以允许与预热区304中存在的炭进行额外的反应。这在不可能或不希望使预热区304足够深以允许所有的二氧化碳与其中存在的炭反应的实施方式中可能是有用的。

在预热区304中，可以将炭加热至任何期望的温度，使得炭以合理的速率与co2反应，并且不过度加热预热区304中的碳。例如，在一个实施方案中，将炭预热至约1800℉的温度。在另一个实施方案中，将炭预热至约1500℉至约1800℉的温度。

通过出口312排出的一氧化碳气体(在例如1000℉至1100℉下)可用于在热交换器207(如图2所示)中预热co2和o2(作为混合物或单独地)(例如，至约900℉)。热交换器207可以包括预热区304(如图3所示)中的管336，co2和o2可以通过管336流动。预热区304中管336的存在可以降低向上流过管336的co的速度(由于温度的降低)，从而降低排出气体中可能的固体夹带。管336可以与喷管316(下文描述)流体连通，用于注入气化区306中。在一些实施方案中，管336位于冷却区304的顶部附近。如上所述，可以控制能量交换以允许炭达到期望的温度(例如1800℉)，从而允许在气化区306上方即刻微量除去co2。可替代地或附加地，热交换器207可以包括布置在主体302外部的排气管中的管。

在流过预热区304之后，炭进入气化区306。另外，二氧化碳和氧气通过入口，例如通过喷管316引入气化区306。在气化区306内，发生几个反应。注入的氧气主要与一氧化碳反应生成二氧化碳。生成的二氧化碳和注入的二氧化碳一起与炭反应生成一氧化碳。

气体-气体反应通过喷管316的布置而增强。将氧气和二氧化碳以多个水平引入气化区306，以在气化区306中保持恒定温度。在一个实施方案中，使用在气化区306内垂直间隔约一英尺的喷管316引入氧气和二氧化碳。从气化区306的顶部看，相邻注射水平的喷管316可以彼此偏移，以将二氧化碳和氧气混合物更充分地分布在气化区306内。如本领域技术人员将理解的，喷管316可以包括许多小孔，这些小孔允许co2和o2在许多位置进入气化区306。

与扩散到固体碳表面相比，注入的o2与气化区306中存在的co气体快速反应。除了在气化区306的最低部分，与注入的相对少量的o2相比，存在持续过量的co。因此，所有的o2通过与co反应而被迅速消耗，从而在气-气反应中形成co2气体。然而，当气体向上流动时，co2与固体碳反应将产生大量的co，导致co2的摩尔浓度较低。

尽管为了便于讨论和说明，以离散区域的形式描述了气化区306，但是应当理解，化学反应可以在整个气化区306中发生。在气化区306内，可以形成多个注射水平。co2和o2可以通过位于每个注射水平的喷管316注入气化区306。喷管316可以在气化区内交错，以在气化区306内提供较均匀的反应分布并保持气化区306的等温性质。在一个实施方案中，喷管316垂直间隔大约1英尺。例如，在图3所示的实施方案中，气化区306示出了四个注射水平。应当理解，这仅是示例性的，并且气化区306可以包括任何数量的注射水平，并且将可能包括大幅多于四个的注射水平。每个注射水平可以等距间隔，或者一个或多个注射水平可以间隔不同的距离。在每个注射水平内，二氧化碳和氧气的气体混合物以受控的浓度通过喷管316引入，以影响炭的气化。二氧化碳和氧气的这种混合物的引入降低了气化区306局部过热的可能性。通过这样在整个气化区306中分布吸热气化反应和放热气相氧化反应，炭固体颗粒和气体可以保持在特定的温度水平，而温度变化很小。在各种注射水平下二氧化碳和氧气的引入速率可以使得气化区中的固体和气体保持在大约1800华氏度或者在大约1700℉至1900℉之间的均匀温度。通过使用多个水平，氧气和二氧化碳分布在整个气化区，从而使气化区基本上等温。

在一个实施方案中，气化区的横截面积最高达大约50平方英尺。在一个实施方案中，横截面积为大约50平方英尺。在另一个实施方案中，气化区306的横截面积在大约20平方英尺至大约50平方英尺之间。气化区306的横截面积可以基于炭密度、压力和处理速率来确定。

炭可以以受控的速率移动通过气化区306，使得可以控制炭在气化区306内的停留时间。在一个实施方案中，停留时间在大约50分钟至大约200分钟之间。当与co2反应时，控制停留时间以允许炭转化为co的最佳量。随着炭移动通过气化区，炭的表面积增加。

如上所述，氧气和二氧化碳通过喷管316以多个水平注入床中，所述多个水平从气化炉300的气化区306的底部到顶部彼此垂直间隔。氧气和二氧化碳的注入速率可以独立控制。在一个实施方案中，氧气注入的总速率高达每磅引入气化炉300的炭约0.6磅。在另一个实施方案中，氧气注入的总速率为每磅引入气化炉300的炭约0.5磅。在一个实施方案中，在每个注射水平均等地注入氧气。或者，在另一个实施方案中，在一个或多个注射水平以不同的量注射氧气。

在一个实施方案中，注入气化区306的二氧化碳的量大幅多于注入的氧气的量。在一个实施方案中，二氧化碳注入的总速率为每磅引入气化炉300的炭约1.0至2.0磅。在一个实施方案中，二氧化碳注入的总速率为每磅引入气化炉300的炭约1.4磅。在一个实施方案中，氧气和二氧化碳注入的总量小于每磅引入气化炉300的进料炭约2.0磅。注入的二氧化碳与氧气的比率在整个气化区中可以是恒定的。在一个实施方案中，注入的总二氧化碳与注入的总氧气之比为约2.8:1。在另一个实施方案中，注入的总二氧化碳与注入的总氧气之比为约2:1至约4:1之间。通过保持注入气化区306中的二氧化碳与氧气的比率，从而防止了局部过热。co从较低区域向较高区域的移动导致气化炉中能量向上的显著转移。以刚好足以主要与一氧化碳燃烧的速率注入氧气，从而为二氧化碳与碳的吸热反应提供足够的热能。

在一个实施方案中，在每个注射水平中二氧化碳与氧气的比率是相同的。在另一个实施方案中，在最低区域注入的二氧化碳与氧气的比率低于较高水平注入的二氧化碳与氧气的比率。此最低区域可受到引入冷却区308的二氧化碳的影响。因此，可以在最低注射水平处注入较少的二氧化碳。

在气化区306内发生多个化学反应。这些反应包括：

co+1/2o2→co2(i)适度放热

c+co2→2co(ii)高度吸热

c+1/2o2→co(iii)适度放热

c+o2→co2(iv)高度放热

气化区的每个区域内的反应将在此描述，从图3所示的第四个最低区域306d开始。热活性炭从第三区域306c向下流至第四区域306d。从冷却区308向上移动的一氧化碳也进入第四区域306d。另外，将保持气化区306在选定温度的所需量的二氧化碳和氧气引入腔室。最快的反应将是一氧化碳和氧气(反应i)，因为它是气体/气体反应。然而，在一些实施方案中，将没有足够的一氧化碳进入第四区域306d以与维持期望气化温度所需的所有氧气反应。因此，在这样的实施方案中，将有一些氧气与固体活性炭的反应(反应iv)。

从第四区域306d向上离开的气体是一氧化碳，条件是引入适量的氧气和二氧化碳以维持选定的温度并为吸热反应提供热能。来自第四区域306d的排出气体在大约等于来自较高的第三区域306c的活性炭颗粒向下流动的温度的温度下向上流动。在一个实施方案中，从第四区域306d进入第三区域306c的一氧化碳的量超过将与注入第三区域306c的所有氧气反应的量，以保持温度并提供吸热反应能量。因此，一部分一氧化碳将与注入的氧气反应(反应i)产生二氧化碳。这是对注入第三区域306c的二氧化碳量的补充。

在较高区域(例如306a，306b)中可以发生相同的局部反应，从而导致该过程向上移动通过每个区域时一氧化碳的量显著增加。

冷却区308位于气化区306下方。气化炉300可以包括固体流动增强装置318，以确保材料从气化区306流至冷却区308。少量的二氧化碳可以通过冷却喷管320引入冷却区308。二氧化碳起到冷却向下流动的活性炭的作用。反过来，当二氧化碳向上流过冷却区308并流向气化区306时，该二氧化碳被加热。这允许二氧化碳与活性炭反应，从而产生向上流经气化区306最低部分的一氧化碳。

在冷却区308中，活性炭的温度降低。如上所述，该降低可以是二氧化碳流入的结果。这可以提供几个优点：(1)从活性炭产物中回收能量，从而在活性炭从气化炉300排出之前部分冷却活性炭；(2)使二氧化碳与活性炭反应生成一氧化碳；(3)完成活化过程；和(4)通过将一氧化碳引入最低气化区306d来稳定气化。另外，冷却的表面或冷却的颗粒可以在冷却区接触活性炭，以进一步降低活性炭的温度。

在一些实施方案中，活性炭产生的相对少量的热能不足以与引入冷却区308的二氧化碳完全反应。引入冷却区308的二氧化碳被冷却区中的活性炭加热，然后向上流入气化区306，在气化区306中与注入该区的气体混合。

活性炭332通过具有上下阀324的双闸门单元310从气化炉300的底部回收。随后可以用通过二氧化碳入口326引入的二氧化碳吹扫单元310。该吹扫程序预防水分和大气污染物进入气化炉300。在一个实施方案中，当上阀324打开时，引入单元310的二氧化碳向上流过冷却区308并流入气化区306。气化炉300可进一步包括输出计量装置322，以控制进入单元310的活性炭的流量。

气化炉300还可以包括压力控制通风口328，以允许控制气化炉300的主体302内的压力。

来自气化和活化反应的一氧化碳产物330作为单一排气料流通过出口312从气化炉300排出。可以使用固体分离器208(如图2所示)将一氧化碳与任何排出的固体分离。在一个实施方案中，排出预热区304的一氧化碳的温度为大约800至1100华氏度。气体冷却器212(如图2所示)可以用于冷却排出的一氧化碳。附加地或可替代地，co可由热交换器207冷却，如上所述，包括通过预热区304中的管336。

在一个实施方案中，产生的一氧化碳330将为每磅引入气化炉300的炭334大约0.7磅。在一个实施方案中，排出的活性炭332的bet表面积为至少600m²/克。在另一个实施方案中，排出的活性炭332的bet表面积为大约971m²/克。在另一个实施方案中，排出的活性炭332的bet表面积在约600m²/g至约1100m²/克之间。

如图4所示，提供了生产一氧化碳和活性炭的方法400。在框402处，提供具有气化区的气化炉。在框404处，将炭引入气化炉。在框406处，将炭连续移动通过气化炉并从气化炉向外移动。在框408处，预热二氧化碳和氧气。在框410处，将预热的二氧化碳和氧气的混合物在多个位置处注入气化炉的气化区。在框412处，使炭与一氧化碳和氧气反应生成一氧化碳。在框414处，使在气化区产生的一氧化碳通过碳的高温床。在框414处，从气化炉中回收一氧化碳。在框416处，从气化炉中回收活性炭。

气化炉的实验实施例

表1提供了示例性气化炉的特性。表1所示的气化炉原料是在垂直床逆流热解单元中生产的炭粒，所述垂直床逆流热解单元最高运行温度为1800℉。从佛罗里达州巴拿马市佛罗里达州立大学进行的活化试验中，以及从在论文activationofaspenwoodwithcarbondioxideandphosphoricacidforremovaloftotalorganiccarbonfromoilsandsproducedwaters:increasingtheyieldwithbio-oilrecycling,表1,materials2016,9,2,a.veksha等人中公开的有关二氧化碳和碳的高燃尽值反应的数据中，获得了co2与炭松木粒反应的实验数据。这些实验数据涵盖了作为co2和co浓度函数的燃尽。

炭粒处理速率为每小时每平方英尺反应器横截面面积36.44磅300℉干炭粒原料。将二氧化碳和氧气的混合物预热至900℉。将少量77℉的二氧化碳注入气化区下方的冷却区。碳排放温度由注入气化区下方冷却区的77℉co2的量确定。在示例性气化炉中，碳排放温度为1518℉，输入co2为22lb/hr。利用表1中汇总的信息，确定了作为碳产物表面积的函数的相关性质的值。

结果如表2所示。为了表2的目的，如上所述，在最高温度1800℉下在热解反应器中生产炭粒。另外，由于使用了非冷却的inconel喷管，因此系统中没有热损失。过程co2、过程o2、碳产率和co产量的值是每磅输入进料(在300℉下)的材料输入磅数。此外，为了使给出的值与其他数据(lb/lbc)一致，以lb/lbco为单位的化学计量co2的值基于以下反应乘以co比率：

c(s)+co2＝2co(g)。

从这些计算中，可以看出一旦已知产品表面积、气化区温度和预热值，就可以确定所需的co2和o2的量。此外，因为产生大量的co，所有的o2立即与co反应(气体/气体反应)，从而产生co2。由于在此示例性气化炉的冷却区中注入的co2量低，这除了在最低注射水平外都会发生。值得注意的是在表2中，在最高的表面积下，注入气体的预热显著降低了o2需求。在整个气化区中，包括氧气反应产生的co2在内，co2的总量几乎等于化学计量的co2。

表1：示例性气化炉的特性值

表2：使用1822lb/hr炭粒进料的气化炉实施例

本实施例的速率常数由实验确定，对于所测的炭密度和燃尽，单位为磅碳燃尽每磅碳进料每大气压每平方英尺每分钟。通过实验确定了不同浓度(atm)的影响，并确定了在1800℉时本实施例的最佳拟合指数表达式。在处理速率保持恒定的情况下，碳粒在燃烧区或活化区中的深度与停留时间之间存在关系。所述区的深度与处理速率成正比，而与速率常数、颗粒堆积密度和反应物速率成反比。

还应注意，与进入的炭原料的相互作用将离开气化区的co气体冷却至仅1032℉。进入的炭粒的堆积密度为20至21lb/ft³，且空隙率为约0.44。炭加热区的深度大于否则将所需的深度，使得高温区就位于气化区的上方，使得排气中的任何co2将与炭反应形成co。

气化区的化学动力学分析允许确定所述区域中合适的co2/o2混合物。尽管例如速率常数、过程co2和o2以及炭粒原料处理速率等参数可以影响所述分布，但表2中给出的co2/o2分布在床深度方面说明了显著程度的均匀性，这是由于预热注入的气体以及由从较低水平到下一个较高水平增加的co质量所携带的不断增加的能量。可以根据co2浓度的降低以及进入和离开每个水平的质量和能量来调节注入的流速。

化学动力学分析的另一个输出是对气化区的期望深度的计算。对于表1和2的实施例，具有可变的碳堆积密度，低至6.4lbs每立方英尺，并且实验确定的速率常数为7.979×10^-9磅碳每大气压每分钟每平方英尺，对于1800℉的碳co2反应，计算气化区的深度。结果在表2中给出。因为在所述实施例中处理速率恒定，所以在所述深度与活性炭粒在气化区中的停留时间之间存在简单的关系。所述停留时间也在表2中给出。

为了进一步说明这种方法的灵活性，化学动力学分析表明，气化区的深度与处理速率成正比，与速率常数、炭粒堆积密度和处理co2/o2混合物速率成反比。如果将更多的co2引导至冷却碳排放区，则可以通过更改过程co2/o2混合物来稍微改变气化区的深度。

尽管已经根据示例性实施方案描述了系统和过程，但是它们不限于此。相反，所附权利要求应被宽泛地解释为，包括本领域技术人员在不脱离权利要求的等同方案的范围的情况下可以做出的所述系统和过程的其他变型和实施方案。