工程燃料原料的制作方法
【专利说明】工程燃料原料
[0001] 本申请是中国发明专利申请（申请日：2009年6月25日；【申请号】 200980125168. 2(国际【申请号】PCT/US2009/048719);发明名称：工程燃料原料）的分案申 请。
[0002] 参照相关申请
[0003] 本申请要求在35U. S. C. 119(e)下在2008-6-26提交的题为"工程燃料颗粒"的 美国申请61/076, 025及在2008-6-26提交的题为"工程的惰性燃料颗粒"的美国申请 61/076, 020的优先权，其公开的全部内容被并于此以作参考。 发明领域
[0004]本申请与代用燃料相关。尤其是与适合于特殊应用的工程燃料原料，包括如供燃 烧的化石燃料替代品、用于生产高质量合成气体的气化的原料。原料可被工程处理以控制 由燃烧或气化引起的气体排放情况（如二恶英类、排放硫、以及其它污染物）和避免造渣。 在此描述的原料包括至少一种处理过的城市固体垃圾组分，以及可选择的其它组分。
【背景技术】
[0005]对加热、运输、制造化学品及石油化工产品有用的化石燃料资源变得越来越稀少 和昂贵。诸如制造能量和石油化工产品的工业都在积极地寻找成本有效的工程燃料原料的 替代品，以用于生产那些产品以及许多其他产品。此外，由于化石燃料的价格不断增长，运 输用于制造能量和石油化工产品的交通费用正在迅速的上升。
[0006]这些能源和石油化工产品的制造工业及其他都依赖化石燃料，如煤、石油、天然 气，用于制造能源的燃烧，气化过程，用于加热和转换为电能，用于制造下游的化学品和液 体燃料的合成气的生产，以及用于气轮机的能源。
[0007]燃烧和气化是用于释放储藏在燃料资源中的能量的热化学过程。燃烧发生在有过 量的空气或过量氧气存在的反应器中。一般通过燃烧产生蒸汽，用蒸汽给涡轮机提供动力， 从而产生电能。然而，燃料燃烧的强力的性质导致生成的气体中产生显著量的污染物。例 如，在氧化性的气体中的燃烧，如化石燃料如煤、石油、天然气，释放氮氧化物，一种地面臭 氧的前体，其能刺激引发哮喘。燃烧也是二氧化硫的最大来源，二氧化硫转而生成硫酸盐， 其是极小的微粒。每年来自美国发电厂的微粒污染缩短超过30000人的生命。几十万的美 国人遭受与来自发电厂的微粒有关的哮喘发作，心脏问题，上下呼吸道问题。
[0008]气化也可在无空气，或在低于化学计量的氧气存在的反应器内发生。在缺乏氧气 下或在低于化学计量的氧气下发生的热化学反应不导致氮氧化物或硫氧化物的形成。因 此，气化能消除在燃料燃烧时的形成的大部分污染物。
[0009]气化产生气体的，燃料富足的产品如已知的合成气体（syngas)。在气化中，发生将 燃料资源转化为有用的燃料气体的两个过程。在第一阶段，在低于600°C (1112°F)下，热 解释放挥发的燃料组分，此过程也称为去挥发作用。热解也产生炭，其主要由碳或木炭及灰 分组成。在气化的第二阶段，在热解后留下来的碳与蒸汽，或是氢，或是纯氧反应。与纯氧 的气化由于没有空气中的氮气的稀释因而产生高质量的一氧化碳与氢气的混合物。
[0010] 发展了多种气化器，其主要分为四种主要类别：向上通风的固定床，向下通风的 固定床，鼓泡流化床，循环的流化床。差异基于反应器槽体的支持燃料资源的方式，燃料及 氧化剂流动的方向，提供给反应器的加热方式。这些气化器设计的优劣势被很好的记载在 文献里，如Rezaiyan，J.andNicholasP.Cheremisinoff,GasificationTechnology,A PrimerforEngineersandScientists.BocaRaton:CRCPress，2005,其内容被作为参考 并于此。
[0011] 向上通风的气化器，也称为逆流气化，是最古老的及最简单的气化器形式，仍被用 于煤炭气化。燃料从反应器的顶部引入，在反应器底部的炉栅支持反应床。以空气或氧气 和/或蒸汽的形式的氧化剂被从炉栅的下方引入，流过装有燃料和炭的床体。炭的完全燃 烧发生在床体底部，放出二氧化碳和水。这些热的气体（?1000°c)流过在上方的床体，在 那里他们被还原成氢气和一氧化碳，并冷至大约750°c。继续往反应器上行，还原气体（H2 andCO)热解下行的干燃料，最后干燥任何进来的湿的燃料，在低温（?500°C)离开反应 器。向上通风的气化是一种简单的低成本的过程，它能处理那些含有高水分和高无机组分 的燃料。向上通风的气化的最主要的劣势是合成的气体包含10-20%重量的焦油，需要在用 于引擎、涡轮机或合成应用前进行广泛的合成气体清洁。
[0012] 向下通风气化，也称为顺流气化，与向上通风的气化器具有相同的机械构造，区 别是氧化剂和产物气体向下流过反应器，与燃料的方向相同，能燃烧高达99. 9%的所形成 的焦油。低水分燃料（〈20% )和空气或氧气在反应器顶部的反应区被引燃，产生热解气 体/蒸汽，其剧烈燃烧，释放5 - 15 %的炭和热的燃烧气体。这些气体向下流动，与炭在 800 - 1200°C反应，产生更多的一氧化碳和氢气并冷至800°C以下。最后，未转化的炭和灰分 通过炉栅的底部，被送至处理。向下通气的气化的优势是形成的焦油高达99. 9%被消耗，需 要最低的或不需要焦油清洁。矿物与炭/灰分留下来，减少对气旋的需求。向下通气的气 化的劣势是它需要供给干燥到低水分含量的（〈20%)的燃料。从反应器出去的合成气体的 温度高，需要次级的热恢复系统；以及4-7%的碳未转化。
[0013] 鼓泡流化床包含细小的惰性微粒沙子或巩土（alumina)，其被选择以适合尺寸，密 度和热量特征。由于气体（氧气，空气或蒸汽）被迫通过这些惰性的颗粒，当颗粒与气体之 间的摩擦力与固体的重力平衡，达到一个点。在此气体速度（最低流化作用）下，固体颗粒 悬浮起，通过媒介可能发生鼓泡和气体的窜流，那些颗粒保持在反应器中，并且显示出"沸 腾状态"。最低流化作用速度不等于最低鼓泡速度和窜流速度。对于粗糙颗粒，最低鼓泡速 度和窜流速度很接近或几乎相等，但窜流速度有可能由于气体分布问题而差别很大。流态 化的颗粒倾向于打破加入床体的燃料，并确保在通过反应器时的好的热量交换。鼓泡流化 床气化的优势是它产生一致的产物气体，并且在反应器内各处，显示出几乎一致的温度分 布。它也能接受一个宽的燃料颗粒大小的范围，包括细小的；提供惰性矿物、燃料和气体之 间的高速的热交换。
[0014] 循环流化床气化器在气体速度高于所谓的运输速度或者是循环流化开始速度下 操作，在此速度下床体上的颗粒的夹带显著地增加，以至于要求连续的进料或回收夹带的 颗粒至床体以便维持床体上的稳定的气体-固体系统。循环流化床气化适合于提供高的热 量交换速率的快速反应，由于床体材料的高热容。高转化率伴随低焦油和未转化碳是可能 的。
[0015] 通常这些气化器使用同类的燃料来源。一种恒定的不变的燃料来源允许气化器被 校准始终如一地形成需要的产物。每一种气化器的类型仅在某些燃料性质范围内能对稳定 性、气体质量、效率以及的压力损耗进行满意地操作。要考虑的一些燃料的性质是能量含 量、水分含量、挥发性物质、灰分含量以及灰分化学组成、反应活性、尺寸以及尺寸分布、体 积密度、炭化性质。在挑选适合于任何个别的燃料的气化器之前，重要的是确保燃料符合气 化器的需求，或者是它能被处理后符合那些需求。需要操作测试，燃料是否没有被预先成功 地气化。
[0016] 通常地，气化器使用同类的燃料来源以制造合成气体。一种恒定的不变的燃料来 源允许气化器被校准始终如一地形成需要的产物。每一种气化器的类型仅在某种燃料性质 范围内能对稳定性、气体质量、效率以及压力损耗进行满意地操作。对燃烧和气化需考虑的 一些燃料的性质是高热值（highheatingvalue，HHV)含量，碳（C)、氢（H)和氧（0)的含 量，BTU值，水分含量，挥发性物质含量，灰分含量以及灰分化学组成，硫含量，氯含量，反应 活性，尺寸以及尺寸分布，体积密度。在挑选适合于任何个别的燃料的气化器之前，重要的 是确保燃料符合气化器的需求，或者是它能被处理后符合那些需求。需要操作测试，燃料是 否没有被预先成功地气化。
[0017] -种用于气化的原料的大量潜在来源是废弃物。废弃物，如城市固体废弃物(municipalsolidwaste，MSW) -般是被处理，或是用在燃烧过程以产生用于祸轮机的热 和/或蒸汽。伴随燃烧的缺点在上文中已有描述，包括产生损害环境的污染物如氮氧化物、 硫氧化物、微粒和含氯产物。
[0018] 今天环境面临的一个最重要的威胁就是通过燃料燃烧释放的污染物和进入大气 的温室气体（greenhousegases，GHGs)。温室气体，例如二氧化碳、甲烧、一氧化二氮、水蒸 汽、一氧化碳、氧化氮、二氧化氮以及臭氧，从射入的太阳辐射吸收热量但不允许长波辐射， 而反射其到太空中。大气中的温室气体导致了吸收热量的俘获以及地球表面的变暖。在美 国，温室气体排放主要来自于受经济增长驱动的能源使用，用于发电的燃料，以及影响加热 和冷却需求的天气模式。来自于石油和天然气的能量相关的二氧化碳释放，代表了美国总 的人为温室气体排放的百分之八十二。另外一个温室气体甲烷，来自于垃圾堆、煤炭矿山、 油和气操作，以及农业；它占了总释放的百分之九。同时，一氧化二氮（占总释放的5%)， 是在燃烧化石燃料时以及通过使用特定化肥和工业过程释放的。在2001至2025之间，预 计世界二氧化碳的释放将以每年1. 9%上升。以及这些释放的大量增长发生在发展中国家， 在那里经济新起，如中国和印度，伴随化石能源的燃料经济的发展。在2001至2025年，预 计发展中国家的释放超过世界平均水平的2. 7%，在接近2018年超过工业化国家的释放。
[0019] 废物填埋地也是温室气体释放的重要来源，主要是由于废物分解时放出甲烷，例 如MSW。对比二氧化碳，甲烷作为一种温室气体比二氧化碳强20倍，废物填埋地是大约 4%的人为释放的来源。甲烷释放的大量减少可由燃烧废物或者从填埋地中收集甲烷来实 现。从填埋地中收集的甲烷可直接用于能量生产或者发散开，如通过无能量生成的燃烧消 除掉°(CombustionOfWasteMayReduceGreenhouseGasEmissions,ScienceDaily, Dec. 8, 2007) 〇
[0020] 一种测量人类活动对环境的影响就产生的温室气体的量而言是碳印记，以二氧化 碳（co2)单位测量。碳印记可被看作在一个产品或服务的完全的生命周期里，总的二氧化碳 量及其他温室气体释放量。通常地，碳印记被表达为二氧化碳的等价物（通常以千克或吨 计），其具有不同温室气体的同样的全球变暖效应。碳印记能使用生命周期评估方法计算， 或可以限制为直接归结于化石燃料的能量使用的释放。
[0021] 一个可替换的碳印记定义是归结于在一年的一段时间的个体行为（主要通过他 们的能量使用）的总co2。此定义是个人碳计算的基础。这个词归于其起源的观念，印记是 在个体行为后留下的。碳印记可或者仅仅考虑直接的释放（典型为在家及在交通中，包括 通过汽车、飞机、铁路和其他公共交通，使用的能量），或者包括非直接释放，包括作为物品 或服务消耗的结果，伴随附属废物产生的二氧化碳释放。
[0022] 碳印记能被高效的以及有效的还原，通过应用以下的步骤：⑴生命周期评估以 准确的确定通用的碳印记；（ii)依据能量消耗和与相关的co2-释放确认热点；（iii)能量 效率最优化以及，因此，降低C02-释放和降低由于生产过程产生的其他GHG释放；以及（iv) 确认通过能源节省措施不能消除的抵消C02释放的方法。最后一步包括碳补偿，以及投资 以降低C02-释放为目标的项目。
[0023] 碳补偿的购置是降低碳印记的另一方法。一个碳补偿代