具有改进的碳床和降低的焦炭需求的等离子体气化反应器的制造方法

具有改进的碳床和降低的焦炭需求的等离子体气化反应器的制造方法
【专利摘要】反应器中的碳质床包括含碳材料，所述含碳材料不是焦炭，而是包括天然木块或者砖块，所述砖块由在粘结剂中的非焦炭碳质材料以及任选的其它成分如催化剂和助熔剂形成。该床减少了在工艺(如用于合成气生产)中所需的焦炭量。这种非焦炭单元可应用于反应器中的原始碳质床，也可用于补充原始床中反应的碳。该床可在非焦炭砖块中或者所应用的其它材料中包含与气化反应器的气体反应产物分离的未气化的碳微粒物质，而其它碳质材料可能经常被认为是废料，例如来自制铝的废电解槽内衬材料以及来自气化反应器的烟灰水。某些反应器结构改进也可导致床中的碳消耗减少。
【专利说明】具有改进的碳床和降低的焦炭需求的等离子体气化反应器
【技术领域】
[0001]本发明涉及可应用于种类繁多的材料的气化或玻璃化并且具有碳质材料反应床的反应器。等离子体气化反应器是可应用本发明的这类反应器的一种形式。
【背景技术】
[0002]此【背景技术】的提供是为了简要描述本发明的总体背景。
[0003]等离子体气化反应器(有时也被称作PGR)是一类已知的热解反应器，并且用于处理范围广泛的材料中的任一种，包括例如废金属、有害废料、其它城市或工业废料和垃圾填埋材料、以及植物性废料或生物质，以得到可用物质如金属或合成气(“syngas”)，或者使不希望的废料玻璃化以更易于处置。(在本发明的说明书中，“等离子体气化反应器”和“PGR”用来指相同总类型的反应器，无论是应用于气化还是应用于玻璃化，或者应用于二者。除非另外指出，在本文中使用的术语如“气化器”或“气化”可被理解为可替代地或者另外地应用于“玻璃化器”或者“玻璃化”，反之亦然。)
[0004]PGR及其各种各样的用途被描述于例如以下的文献中:2005年或不迟于2005年出版的 Industrial Plasma Torch Systems, Westinghouse Plasma Corporation,Descriptive Bulletin27_501 ；Dighe 在 2008 年 5 月 19-21 日的 Proceedings ofNAWTEC16 中的题为 “Plasma Gasification:A Proven Technology” 的论文(ExtendedAbstract#NAWTEC16-1938) ；ffillerton 在 Air & Waste Management Association 赞助的 2008 年 5 月 12-16 日的 Proceedings of the27th Annual International Conferenceon Thermal Treatment Technologies 中的题为“Plasma Gasification-Proven andEnvironmentalIy Responsible” (2008)的论文；2009 年 12 月 15 日公布的 Dighe 等的题为 “System and Process for Upgrading Heavy Hydrocarbons” 的美国专利 7，632，394 ;2008年6月14日提交的Dighe等的序列号为12/157，751且题为“System and Processfor Reduction of Greenhouse Gas and Conversion of Biomass，，的美国专利申请，(公布的专利申请20090307974，2009年12月17日)，以及2009年2月11日提交的Dighe等白勺题为“Plasma Gasification Reactor”的专利申请S.N.12/378，166,(公布的专利申请20100199557，2010年8月12日)，所有所述文献均以引用的方式并入本文，以获得它们对于PGR及利用其实施的方法的描述。
[0005]设置和操作这种PGR是已知的，所述PGR在反应器容器的下部具有碳质床，其中该床布置有等离子体炬，所述等离子体炬提高床温度(例如达到至少大约100(TC )以用于与要被气化或玻璃化的添加的材料进行热反应。尽管已经建议用于这种碳质床的碳材料可以是各种各样的其它含碳材料，但在过去还是严重依赖焦炭的使用以用于此目的，因为它具有大约90%的纯碳并且其所具有的化学、热和强度性能有利于在这种反应器中实施的许多工艺。“焦炭(coke)”是下述这样的术语，该术语用于经历了干燥(例如通过烘烤)以脱除挥发性成分的化石燃料如煤或石油的产品。
[0006]尽管碳质床在PGR操作中是一个重要的组成部分，但气化反应器的另一种已知形式是使用(焦炭)的碳质床但不使用等离子体炬的气化器。这种反应器的碳质床起到了如它在PGR中一样的完全相同的功能(在气体分布和熔融材料的运动方面)。但是，另外，该碳床也用于提供本来由等离子体炬提供的气化用热能。这种反应器的碳质床可通过例如供应给该床的天然气的短暂点燃而被初始启动到用于气化的温度。
[0007]在PGR及其它反应器的碳质床的希望的标准当中，包括其由在形状上足够不规则的颗粒构成，以留出空隙，以允许气体流动到反应在该处发生的颗粒表面并且允许气体反应产物从该床上升。所述空隙还允许熔融金属和由在该反应器中进行的工艺所产生的其它液体向下流动到金属和渣料出口。该床的空隙和该床的颗粒的多孔性可有助于所希望的反应和流动特性。焦炭允许形成这种床并且具有对于许多工艺来说足够的颗粒强度，以在运行过程中不会被沉积在该床顶部的工作材料的负荷压碎。
[0008]尽管焦炭经常提供令人满意的性能，但有时多种因素如焦炭的费用以及对其影响环境的生产和使用的关注(因为其是化石燃料)的情况可能会阻碍和限制其在某些反应器场所在一些工艺中的使用。
[0009]在已知的现有技术中，1989年5月9日公布的Dighe等的题为“Replacement ofCoke in Plasma-Fired Cupola”的美国专利4，828，607公开了一种方法,包括用煤(尽管仍是一种化石燃料)替代焦炭与金属废料和助熔材料一起提供到等离子体燃烧的化铁炉以产生铁或铁合金。这表明了相当早地对在这种应用中尽可能减少焦炭使用的兴趣，不过焦炭仍是在运行具有碳质床的反应器时被广泛使用的碳材料的唯一形式。木材或木材产品(如木炭)是已知的碳源，但还未发现在热解反应器中作为有意义的焦炭替代物的实际应用。

【发明内容】

[0010]本
【发明内容】
简要表征了本发明的一些方面。所进行的说明旨在总体上提供关于本发明实例的信息，但并非如所附权利要求一样具有限制性。
[0011]本发明以各种形式并且通过各种工艺提供反应器和碳质床，其要求比在过去情况下通常所需更少的焦炭。所需的碳可至少部分地通过替代焦炭的含碳替代物获得。实例包括以下这样的床，所述床具有至少大约25% (其可显著地更高，直到100%)的由非焦炭单元制成的床碳含量，所述非焦炭单元可以是天然木材的木块或者砖块(bricks)任一或者二者，所述砖块包含含碳颗粒或细屑和一种或多种粘结剂和可能的催化剂。任何这种材料可应用在也包含焦炭(不过在一些应用中焦炭可被完全替代)的床中。该床的碳可另外包含，如果需要的话，例如如果被包括在到碳质床的供料材料中，其它非焦炭材料如原煤(无烟煤或烟煤)、木炭或包含生物质的工艺材料(任何含碳材料)。
[0012]本发明的一些实施方案利用并且使用了作为废料由任意的各种其它工艺获得的碳材料(例如来自任何气化反应器的带出物(carryover)、来自燃煤锅炉的飞灰，以及其它材料)，这有助于减少在床中对焦炭的需求。首先在制造上述砖块时它们可有利地用作颗粒或细屑。这种废碳材料也可被包含在提供给反应器的原料中，而不是形成砖块。
[0013]关于使用在此所指的外来废碳材料，这些碳原子在以前是否为任何焦炭形式并不是重要的。因此，包含非焦炭单元如木块和具有碳材料的砖块的床的实例通常意指该碳床具有范围为25% -100%的这种非焦炭单元和大约0-75%的焦炭(指在各自材料中的碳原子的量)，其中该0-75%的焦炭中的一些可由供料材料的碳(并非上述非焦炭单元)替代，直到例如总碳的大约10%。在一些工艺中，可有利地如之前使用的一样启动具有焦炭床的反应器。随着启动之后的操作继续以及焦炭被消耗，可添加不断增加的量的非焦炭单元。
[0014]上述实例的具有非焦炭单元的碳质床据信适合在各种各样的热解工艺中使用。仅作为更为特别的实例，它们适合于但并不限于用在生物质或城市废料的气化的PGR工艺中以产生合成气。
[0015]非焦炭单元具有各种各样或者不规则的形状和尺寸，以在床中留出气体流到碳反应性位置以及在该床内上升和离开该床所需的空隙。另外，所述空隙允许包括熔融渣料和熔融金属的液体下降经过该床到达在底部的出口。
[0016]所提及的非焦炭单元据信在以下方面优于作为重要的床成分的焦炭替代物如无烟煤或木炭:实现更好的性能，更接近于焦炭的性能以实现反应的效率，同时保持支撑工作材料的强度而不被压碎，否则往往会封闭床中的空隙并且阻碍所希望的反应以及熔融渣料和金属流过所述床。与焦炭或在此提供的非焦炭单元比，用于烹饪的传统木炭块被认为在强度方面相对较弱。
[0017]另外，在焦炭替代单元(即上述的块或砖块)中的非碳成分可被设计成对于气化和/或玻璃化工艺来说有用的添加物。作为一个实例，木材典型地包含大约35-40%重量的氧，其可替代作为气体供应给气化器的氧化剂的一部分。另外，在其中供料包含惰性材料(将作为渣料离开该工艺)的玻璃化或气化工艺中，助熔或改变该惰性材料以产生所希望的渣料化学性所需的添加剂可与碳源一起添加，而不是添加到砖块配方中。例如，可选择砖块中的一种或多种粘结剂以满足那些添加剂的要求，其中水泥型粘结剂将典型地提供用于助熔性能的钙，而硅酸盐粘结剂将用作对于渣料化学性的改性剂。
[0018]在其中渣料化学性是最终金属化学性的组成部分的金属熔化应用中，砖块配方可被设计成引入渣料制成成分，从而导致较少需要单独供应这些成分并且提供这些材料与碳还原剂的更密切接触。
[0019]除了上述之外，除了使用所述非焦炭单元之外或者与使用所述非焦炭单元无关，本发明包括可有助于减少碳床所需焦炭量(以及消耗一些另外的废材料)的构造或者操作反应器的各种其它方式。它们包括以下任一:
[0020]-使用来自铝工业的废电解槽内衬(potliner)材料。该电解槽内衬的碳内衬具有非常高的碳含量。它与耐火材料如陶瓷结合。废电解槽内衬材料是列出的有害废料，对它的处置是困难或昂贵的。通过本发明，在反应器碳床中有许多种方式来使用该材料。该碳可作为颗粒应用于上述的砖块中(就象其它任何含碳材料可以的那样)，但电解槽内衬碳材料也可被用在替代床中的焦炭的颗粒或者厚块中。电解槽内衬的耐火材料部分(有时可由铝制造商与碳内衬混杂而得到，或者单独地得到)可以以颗粒或者厚块的形式置于砖块中或者床中(除了碳之外并且是有益的渣料添加剂(当以对于在该床中发生的反应来说满足组成要求的量使用时))。
[0021]-提供具有装载床(或供料床)支撑物的反应器，所述支撑物也是气体分布器和渣料筛。这种支撑栅网可在一个或多个主供料槽之下并且在其中形成等离子体加热的气体的区域之上、横跨反应器内部体积而水平放置。该栅网在一些实施方案中具有紧密隔开的耐火材料的栅网元件，其被冷却以延长寿命，例如经由在所述栅网元件中用于水冷却的内部通道。反应器的操作被进行以使得该冷却允许该耐火材料在有用的时间周期内可用，而不会使狭槽或其它栅网开孔变得被凝固的渣料或其中的金属封闭。经过栅网开孔来自栅网之下的区域的热气体流将在该栅网的顶部上气化装载床材料并且来自气化的装载床材料的所产生的渣料将向下流过所述开孔。(在这种特殊的实例中，非常少(如果有的话)的未气化的装载床材料会经过该栅网的小开孔。)。这种布置允许使用较少的碳床材料(焦炭或其它)以及没有碳床的所希望的反应器和它们的操作的实施方案。而且，并且更为一般地，在碳床之上的用于装载床材料的任何支撑物，包括具有允许一些显著量(但不是全部)的装载床材料下降到碳床上的开孔的支撑物，将仍然在一定程度上降低在碳床上的装载床的负担，并且因而降低用于支撑装载床的碳床材料所需的强度。这进而允许从更宽范围的碳材料颗粒或非焦炭单元中选择，包括可能不具有焦炭颗粒的强度的那些。
[0022]-具有创新性的供料布置的PGR，所述布置设计用于增强非焦炭供料材料的供应，其可是相对连续的和可靠的。在这种类别中的实例是使用用于将碳细屑注射到碳床的喷射器。
[0023]-其它反应器配置，其可有助于较少消耗所述床中的碳，例如通过允许在等离子体炬喷嘴处在较低温度下操作。在不大于就在装载床的顶部水平之上的高度处配置有一个或多个供料槽的PGR是一般用途并且具有利用较低床温度(如果希望的话)操作的能力的反应器形式。在一些情况下，反应器被操作以气化供料材料，所述供料材料是未压实的且成块的，它们在尺寸和重量上是多种多样的。(例如，碎裂的生物质或包含纸产品的城市废料。)较高百分数的重量轻的供料材料块可通过从装载床升起的热气体反应，其中供料槽接近于加载床表面(或在加载床表面之下)的程度大于以前的实践，在以前的实践中，供料槽显著地在装载床之上而位于反应器的上部并且其中更多的较轻供料材料块不会下降到足以达到足够热的气体以用于反应。大百分数的较轻块在该情况下可能与废气一起离开。在新的布置中，不直接下降到装载床上的任何轻供料材料更确定地会紧接在装载床之上漂浮并且由从附近的装载床升起的气体达到高温，因此它们被气化。这有助于反应器的顶部气体或合成气的生成并且允许对碳床的较低需求，只要碳床温度会仍然足以保持熔融渣料流动。这种布置可以例如且非限制性地应用于下面的情况，在该情况中，在与装载床表面和供料槽处于大致相同的高度处，反应器还具有一个或多个用于氧气(空气)的气体入口，所述氧气(空气)参与漂浮的供料材料的反应并且被调节以有助于由该供料材料形成一氧化碳。
[0024]在上述实例中所述的碳床通常可应用于具有固定或静止床的气化(或玻璃化)反应器并且不必局限于此，因为它们也可应用于流化床。另外，除了 PGR之外的其它热反应器的碳质床可类似地被改进以降低焦炭需求。
[0025]上文仅仅是简要地描述了本发明的一些实例的一些方面。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是根据本发明的等离子体气化反应器的一个实例的部分剖视的正视图；
[0027]图2是碳质床的一个实例的部分正视图；
[0028]图3是具有非焦炭木块的床的一个实例的正视图；
[0029]图4是具有非焦炭碳质砖块的床的一个实例的正视图；
[0030]图5是作为在PGR中使用非焦炭碳的一个实例的系统的框图；[0031]图6是具有支撑装载床的板或栅网实例的PGR的部分剖视的正视图；
[0032]图7A和7B分别是在或接近于装载床顶部处具有供料槽的PGR实例的正视图和俯视图；并且
[0033]图8是用于将颗粒或细屑注入到气化器的碳床中的系统实例的示意图。
【具体实施方式】
[0034]图1是用于气化和玻璃化各种工艺材料的一般能力的PGR实例。操作这种PGR的一种方式是用于气化材料以由供料材料产生合成气。该供料材料可包括例如任何一种或多种材料如生物质、城市固体废料(MSW)、煤、工业废料、医学废料、有害废料、轮胎和焚化炉灰。该合成气可包含有用量的氢气和一氧化碳以随后用作燃料。
[0035]图1的以其左半部分为完整正视图、右半部分竖直剖开显示的反应器具有反应器容器10，其通常为耐火材料衬里的钢(衬里在图中没有具体示出)，其主要部分包括或包含碳质床20，在其上方是用于工艺材料如生物质的装载床30的部分，在该装载床30之上具有干舷(freeboard)区域40,并且该干舷区域一直延伸到器顶50。
[0036]反应器容器10的围绕碳质床20的部分具有一个或多个(典型地具有两个至四个)喷嘴22(有时可选地被称作端口或风口)用于定位类似数目的等离子体炬24(未详细示出)，所述等离子体炬24用于将高温等离子体加热的气体注入到床20中。等离子体喷嘴22可另外被布置为与装载床30的材料一起引入可能是希望的另外的工艺材料如气体或液体(如蒸汽)或者某些固体微粒，用于在床20内的反应。(这种另外的工艺材料也可通过不具有等离子体炬的喷嘴直接添加到床20中。)反应器容器10还在底部具有熔融渣料和熔融金属出口 26。
[0037]反应器容器10围绕装载床30并且在碳质床20之上的一部分进一步包括一些另外的喷嘴或风口 32，所述另外的喷嘴或风口 32通常不包含等离子体炬但允许在需要时引入另外的工艺材料到装载床30中，所述另外的工艺材料例如是气体、液体或者固体微粒的形式。
[0038]该反应器容器的上部供料部分或者干舷区域40布置有一个或多个工艺材料供料槽42。这里，在侧壁上示出一个供料槽42。更通常地，一个或多个供料槽可处于器顶50或反应器容器10的侧壁中的任意位置，用于将供料材料初始沉积到碳质床20上以及在反应器的操作过程中在装载床30的工艺材料由于在反应器中发生的反应而减少时添加到装载床30。
[0039]器顶50围住反应器容器10的顶部，除了一个或多个气体反应产物(如合成气)从反应器容器10离开的出口 52。气体出口可以以不同的形式在器顶50或者反应器容器10的侧壁中提供。至少在其中经过供料槽的供料材料包括微粒时，通常希望任何气体出口 52的位置足够远离供料材料的进入点，以避免未反应的微粒物质通过气体出口而过度排出。
[0040]在图1中所示的PGR构造通常根据2009年2月11日提交的S.N.12/378，166的Dighe等的共同待审申请(公布的专利申请20100199557，2010年8月12日)的一个示例性实施方案，它尤其包括反应器容器10的通常向上且连续扩大的圆锥形壁12，其可以在装载床30和干舷区域40中提供有益的气体流动特性。所述申请以引用的方式并入本文，以获得其对于反应器构造(包括图1中所示那些的变化形式)及其操作的描述。但本发明并不限于具有这种构造的反应器。
[0041]PGR实践以及使用具有碳质床的其它类型热解反应器的实践至少几乎总是使用基本上全部由焦炭构成的床。煤有时与焦炭混合，但任何其它含碳材料均是非常次要的并且对于反应器的结构和操作来说是不重要的。焦炭具有高碳含量(大约90%重量)的组成，它可形成为各种各样的形状和尺寸，因此焦炭的颗粒(例如具有大约10-15cm的平均横截面尺寸)可具有对于反应来说充足的碳表面，为向上的气体流和向下的液体流提供空隙，并且提供在整个操作过程中足以保持空隙的强度。使用焦炭的碳床的颗粒的实际尺寸分布或变化优选大于大约5cm以防止空隙空间对于合适的液体流来说太小，并且小于大约25cm以尽可能减少材料处理问题。当在床20中的碳的最高大约10%由较细的碳颗粒构成时(例如直接注入到床20中)，对于液体流来说足够的空隙可被保持。
[0042]在图1的PGR中，碳质床20 (下文中有时被称作C床)在其操作的至少一部分的过程中包括显著程度的非焦炭材料，例如所述床的C原子的至少大约25%不在焦炭单元中。由于该原因，在图1中，碳质床20进一步用图标“具有非焦炭的C床”来标识。
[0043]用作床20的至少一部分的非焦炭材料的实例是天然木块，以及包含具有一种或多种粘结剂的含碳材料颗粒的砖块。非焦炭材料形成为不规则尺寸和形状的颗粒或单元，以便当被放置于或装配于床中时，它们具有由它们中的一部分之间出现的空隙所导致的暴露的表面。床20的非焦炭单元通常与如上讨论的用于反应器床的焦炭颗粒具有相同的尺寸范围，但其并不限于此。
[0044]PGR的初始碳质床20,如图1中所示的碳质床,通常在使用供料材料或启动等离子体炬的反应器操作之前在反应器容器10的底部中建立。然后，一旦初始床20就位，则开始利用活性等离子体炬24的操作和沉积供料材料以形成装载床30。大多数的这些工艺在施加另外的供料材料的情况下在至少许多个小时的周期内是基本上连续的，可能是连续的或者至少频繁间歇量的。等离子体加热的气体与C床20的反应固有地消耗来自C床的碳。但是，底部碳床20中的碳被消耗的速率远低于供料材料被气化的速率。因此，在处理大得多的量的供料材料的过程中，初始C床20仅要求碳材料的较少添加。添加碳材料到初始C床的一些方面在下文中描述。
[0045]典型的操作(例如用于合成气的产生)包括通过经由供料槽42沉积原料而在C床20的顶部上形成装载床30，其中所述原料可以例如是生物质、城市废料、煤或者其混合物。在形成延伸到另外的喷嘴32之上的初始装载床30的过程中或者之后，在等离子体炬24利用火炬气体如空气操作的同时，这些喷嘴被用来注入流体如空气、氧气或者蒸汽到装载床30，并且有可能一些蒸汽或其它流体或小固体颗粒经由喷嘴22注入到C床20中。
[0046]为了生产经过出口 52离开的合成气，希望以产生一氧化碳和氢气的方式操作。可在一定程度上产生二氧化碳，但在相对于反应器中的碳限制空气或氧气的条件下有利于一氧化碳。
[0047]如上所述，在这种操作中，该反应器将消耗C床20的碳并且碳按希望补充，因此碳的量不会有可察觉地下降。对于焦炭床来说，在过去这样做的方式是添加焦炭到焦炭床顶部上的原料装载床。例如，在由生产质材料生产合成气时，焦炭与生物质一起添加，即与生物质混合或者与生物质以交替的批料的方式添加。已经进行了其中这种添加的焦炭达到包含焦炭的原料总重量的大约5%的工艺。[0048]这种碳补充也是一种考虑，其中C床20包括所述的非焦炭材料。因此，根据一种实施方案，被提供来补充C床20的碳材料可类似于具有非焦炭的原始C床的性质，并且包括至少大约25%的添加的碳来自非焦炭材料。在一些情况下，例如，由于可被使用的非焦炭单元的较低碳含量(相比于焦炭)，希望的是以比以前仅使用焦炭的操作要大的量制备C床的全部材料，这样在该床中则具有相等量的碳原子。
[0049]在此描述的C床改进，如使用木块或含碳砖块作为该床中的一些或者全部(替代焦炭)，也可应用于没有等离子体炬的反应器中的C床。在这些反应器中，C床可通过简短时间供应的燃料如天然气的点燃进行初始活化，如在利用这种反应器的100%焦炭床以前所实践的。
[0050]图2显示了图1的设备的仅仅一部分的放大图。图1的C床20以一些另外的细节显示，以显示床20内的个体颗粒21以及在大量颗粒21内由于所述颗粒的混杂的尺寸和不规则的构型而出现的空隙23。颗粒21的尺寸和形状可以广泛地变化。仅作为实例，颗粒21可具有的尺寸平均值的范围为大约5cm至大约25cm，其中大约IOcm至15cm为焦炭颗粒的平均尺寸的实例并且大约IOcm至25cm为非焦炭颗粒的平均尺寸。
[0051]图3示出了具有颗粒121和空隙123的C床120的另外的放大部分，其中颗粒121是天然木块。
[0052]天然木块或颗粒121例如是来自先前工业来源工艺的废料，例如来源于木托盘的生产，或者是专门成形用在C床120中。通常没必要干燥或处理木块颗粒(例如通过在将它们应用于床120之前烧焦它们的任何表面部分)，不过在放置于床120中之前如果希望的话可进行一定的干燥和烧焦操作中的任一种或者二者。木块颗粒121可添加到包含焦炭颗粒的床120中，所述焦炭颗粒混杂或不混杂所述材料以产生任何特定程度的均匀性。
[0053]用于木块121的木材可以是各种植物或树木的。硬木如橡木是一种合适的木材。这种木材以及木块121具有大约50%重量的典型碳含量。
[0054]图4示出了具有颗粒221和空隙223的C床220的另外的放大部分，其中颗粒221是由含碳微粒材料(例如木屑、碳细屑(fines)或者含碳材料微粒的混合物)形成的砖块。砖块221有时可被称作“团块(briquettes) ”，但其不同于常见的木炭团块，这将在下文中
进一步解释。
[0055]图2-4主要给出了所提到的颗粒和空隙的外观的仅仅大概的想法。相应的C床20,120和220不需要总是完全占据反应器的底部部分。通常，在等离子体反应器中讨论的任何碳床将延伸到至少越过等离子体炬的位置，如可位于图4的等离子体喷嘴222中的位置。
[0056]图4的砖块221可由碳微粒与一种或多种粘结剂的混合物模制，不需要任何施加的压力或者热。波特兰水泥是一种合适的粘结剂。其它成分也可被包括，例如作为粘结剂，或者作为助熔剂或玻璃形成剂，和/或作为催化剂。砖块221的一些实例由一种混合物形成，所述混合物以大致的重量百分数包含40份的碳细屑、8份的波特兰水泥、4份的膨润土、4份的砂(SiO2)、12份的硅酸钠以及32份的水。制成的这种砖块具有大约66%重量的碳含量7基于干重。
[0057]其它的砖块221由以下的混合物形成，所述混合物以大致的重量百分数包含23份的碳细屑、21份的波特兰水泥、11份的砂和剩余量的(45份)的水。[0058]砖块221可被模制成任何尺寸(通常类似于焦炭颗粒的尺寸)和形状，具有在整体床中提供所希望的空隙的特性。不必改变作为床颗粒(如图4的颗粒221)使用而形成的砖块的尺寸或形状。如果希望的话，可合适且经济地使用单一模具尺寸和形状。相同尺寸的圆柱形(或球形)单元将固有地在该床中提供空隙。如果希望的话，也可制成多种尺寸的单元并且一起使用，优选具有大约5-25cm的横截面尺寸分布，以用于几乎所有的单元和仅仅少量的任何较小的含碳单元(其往往减少空隙)。
[0059]压力和/或热也是合适的措施来形成具有足够强度的砖块，使用小用量的粘结剂或者不使用粘结剂。通常并且非限制性地，利用水泥粘结剂形成的砖块的实例在其中砖块的强度是重要因素的情况下是有利的。
[0060]砖块221中的碳微粒可以是来自气化反应器的“携带(carryover) ”颗粒,并且以此方式提供用于再循环本来会丢弃的碳到该工艺的措施，从而导致提高的碳利用以及因此的更高效率。携带颗粒是未反应的或部分反应的颗粒，它们与来自反应器的气体一起离开反应器。它们通常是希望被尽可能减少的，但其中的一些将几乎肯定由任何气化工艺产生。携带颗粒可被用在砖块中作为C床的非焦炭含量的一部分或者被引入到反应器中作为供料材料的一部分(在供料槽处，如图1中的42)或者其它(例如经由图1中的等离子体喷嘴24或喷嘴32)。
[0061]通常，在制造砖块221时使用的碳微粒(或“细屑”)是下述这样的颗粒，所述颗粒具有范围为大约一微米至一厘米的平均横截面尺寸，并且共同地具有至少大约50%的总重量百分数的碳。所提及的平均尺寸范围并不是要排除在该范围之外的颗粒；细于一微米的颗粒可以是相当合适的。
[0062]包括锅炉和焚化炉的燃烧工艺也产生携带颗粒如飞灰，并且这些材料可包含有用量的碳，其可用作用于碳床砖块的碳源。另外，飞灰的性能也有利于砖块形成工艺，从而允许减少所需的钙基水泥粘结剂的量。
[0063]起到催化剂作用的材料(例如但不限于镍或铁)向砖块221的添加是所述砖块相对于焦炭单独作为碳床材料的另一个优点。以此方式，所述砖可被设计为不仅提供功能碳源给等离子体气化工艺以及所需的助熔剂以合适地玻璃化在被气化的供料中所含的惰性材料，而且还提供催化剂以使得发生某些希望的化学反应。
[0064]砖块221中的催化剂内含物的一个实例是以大约几个重量百分数的量添加镍或铁到砖块中以催化C+N0反应，以将合成气中的NO还原为N2+02。这在将合成气转化为液体燃料的生物反应器中是特别重要的。在以前，这些催化剂在用于将NOx最小化时必须与供料材料一起添加到装载床。
[0065]下表给出了用于非焦炭砖块(如图4的砖块221)的配方的另外实例。
[0066]表I
[0067]
【权利要求】
1.等离子体气化或玻璃化反应器设备，包括:反应器容器，该反应器容器包含碳质床并且具有一个或多个用于在该床内建立升高的温度的等离子体炬；该反应器容器还具有在该床之上的一个或多个用于将来自该容器外部的工艺材料沉积到该床上的供料材料入口，在该床之上的一个或多个气体产物从该容器离开的排气口，以及在该床底部的一个或多个熔融渣料和金属从该容器离开的渣料出口 ；并且，该碳质床包含大量颗粒，所述颗粒包含碳并且具有各种尺寸和形状，从而在颗粒之间留出空隙，并且其中所述颗粒的强度足以在该床上的工艺材料的压力下保持颗粒之间的空隙，并且该包含碳的大量颗粒具有其碳含量的至少25%的不同于焦炭的颗粒，选自天然木材的木块、包含含碳细屑和一种或多种粘结剂的砖块及其混合物。
2.权利要求1的设备，其中:该碳质床的不是焦炭的颗粒包含从在该床之上的供料材料入口添加到工艺材料或者注入到该碳质床中的一定量的含碳物质。
3.权利要求2的设备，其中:添加到该床中的含碳物质包括碳细屑。
4.权利要求1的设备，其中:不同于焦炭的床颗粒包括由至少大约50%重量碳的含碳细屑和一种或多种粘结剂构成的砖块。
5.权利要求1的设备，其中:包含碳的不同于焦炭的床颗粒包括包含一定量的碳细屑和波特兰水泥的砖块。
6.权利要求5的设备,其中:所述砖块另外包含一定量的膨润土、砂、硅酸钠、飞灰、氢氧化铝中的一种或多种，以及一种或多种催化剂。
7.权利要求1的设备，其中:包含碳的不同于焦炭的床颗粒包括包含一定量的碳细屑和一种或多种粘结剂的砖块并且所述砖块中的碳细屑是含碳材料小块，具有大约一微米至一厘米的平均横截面尺寸。
8.权利要求7的设备，其中:碳细屑是先前气化或燃烧工艺的产物并且具有至少大约50%的总碳重量％。
9.权利要求1的设备，其中:该反应器容器包括包含碳质床的第一部分，以及在该第一部分之上一直到排气口的第二部分，在其整个高度的至少80%上具有圆锥形侧壁构造，其所围绕的体积从该第二部分的底部到顶部在扩大；并且该一个或多个供料材料入口包括多个在该碳质床之上延伸通过该反应器容器的侧壁的所述入口。
10.权利要求9的设备，其中:该一个或多个供料材料入口穿过该反应器容器的侧壁而定位于不大于从反应器容器的最底部开始向上大约一半并且不大于沉积到碳质床上的工艺材料的顶部表面之上大约Im的水平处。
11.用于形成和保持适合用在热解工艺中的具有焦炭替代单元的碳质床的方法，包括以下的步骤:形成多个非焦炭单元，所述非焦炭单元是以下形式中的任一种或者二者:不规则形状的天然木块，以及包含含碳细屑和一种或多种粘结剂的砖块；通过一定量的焦炭颗粒形成初始碳质床，其中该初始床的碳含量的至少大约25%由所述量的非焦炭单元提供并且该初始床的碳含量的最高达大约75%由所述量的焦炭颗粒提供；使用该碳质床进行热解工艺，包括使该床中的碳与其它添加的工艺材料在该床中在升高的温度下反应，并且在该热解工艺的过程中通过添加另外的碳材料来补充碳材料，所述另外的碳材料的至少25%不是焦炭。
12.权利要求11的方法，其中:形成多个非焦炭单元之后是所述在反应器容器中放置，在所述在反应器容器中放置之前不进行所述单元的干燥或烧焦。
13.权利要求11的方法，其中:形成多个非焦炭单元之后是进行以下操作中的任一种或者二者:在所述在反应器容器中放置之前至少一些所述单元的表面的一定的干燥和烧焦。
14.权利要求11的方法，其中:热解工艺的实施在热反应器中进行，在该热反应器中，床中的升高的温度通过将等离子体加热的气体注入到该床中来产生或者该床通过燃料的点燃而被初始活化以产生升高的温度；并且在实施热解工艺的过程中碳材料的补充包括在初始床的顶部与添加的工艺材料一起或者散布有添加的工艺材料来添加碳材料。
15.权利要求14的方法，其中:初始床的形成包括该初始床的碳含量的至少大约50%是非焦炭单元的并且该初始床的碳含量的最高达大约50%由所述量的焦炭提供；初始床形成并保持在反应器容器中最高达大约2m的深度处；并且添加到该床的工艺材料包括至少大约50 %重量的生物质材料。
16.权利要求11的方法，其中:多个非焦炭单元的形成包括形成包含含碳细屑和波特兰水泥的砖块。
17.权利要求16的方法，其中:砖块的形成进一步包括添加膨润土、砂、硅酸钠、飞灰、氢氧化铝中的一种或多种以及一种或多种催化剂到含碳细屑和波特兰水泥的混合物中。
18.权利要求16的方法，其中:砖块的形成包括回收并与波特兰水泥混合一定量的碳细屑，所述碳细屑是在等离子体存在或不存在的情况下使用碳的热解工艺的未反应的副产物。
19.权利要求16的方法，其中:砖块的形成包括回收并与波特兰水泥混合一定量的碳细屑，所述碳细屑是使用碳的燃烧工艺的未反应的副产物。
20.权利要求14的方法，其中:碳材料的补充进一步包括将含碳细屑注入到该床中。
21.气化和玻璃化反应器设备，包括:反应器容器，该反应器容器包含碳质床并且具有用于在该床内建立升高的温度的装置；该反应器容器还具有在该床之上的一个或多个用于将来自该容器外部的工艺材料沉积到该床上的供料材料入口，在该床之上的一个或多个用于气体产物从该容器离开的排气口，以及在该床底部的一个或多个用于熔融和玻璃质材料从该容器离开的渣料出口 ；并且，该碳质床包含大量颗粒，所述颗粒包含碳并且具有各种尺寸和形状，其中该床的总碳含量的至少25%在选自以下的颗粒中:天然木材的木块，包含含碳细屑和一种或多种粘结剂的砖块，来自铝加工的废电解槽内衬材料，来自气化反应器的烟灰水残渣，及其混合物。
22.权利要求21的设备，其中: 该一个或多个供料材料入口穿过该反应器容器的侧壁而定位于不大于从反应器容器的最底部开始向上大约一半并且不大于沉积到碳质床上的工艺材料的顶部表面之上大约Im的水平处。
23.权利要求21的设备，进一步包括:用于将碳细屑注入到碳质床的穿过反应器容器的侧壁的另外的入口。
24.权利要求21的设备，其中:经过碳质床之上的供料材料入口提供的工艺材料的一部分，以及经过另外的入口提供的碳细屑，它们二者之一或者二者包含另外的非焦炭的碳材料。
25.权利要求22的设备，其中:所述另外的非焦炭的碳材料包括作为处理碳质材料的未反应产物的碳细屑。
26.权利要求23的设备，其中:非焦炭材料包括选自煤、灰、烟灰微粒及其混合物的材料。
27.权利要求21的设备，其中:所述另外的入口包括至少一个下述这样的入口，所述入口被布置为接受来自包含喷射器的布置的碳细屑，所述喷射器接受处于第一压力的固体的运载气体以及处于更高的第二压力的加压气体，以将来自第一气体的固体注入到碳质床中。
28.权利要求21的设备，进一步包括:在供料材料入口之下并且在碳质床之上横跨反应器容器的栅网，该栅网具有有助于支撑在碳质床之上的沉积的工艺材料的固体元件，并且还在所述固体元件之间具有开孔，所述开孔允许气体从碳质床向上流动并且允许熔融和玻璃质材料向下流动到碳质床。
29.用于形成在热反应器的碳质床的颗粒之间使用的碳质制品的原材料，其包括:以除了水的大致重量％包含以下物质的组成:含碳颗粒，40-95份，二氧化硅,0-30份，碳酸钙，0-25份，飞灰0-40份，波特兰水泥，0-20份，硅酸钾水泥，0-20份，硅酸铝水泥，0-20份，高岭土，0-20份，钠膨润土，0-20份，钙膨润土，0-20份，钾膨润土，0-20份，硅酸钠，0-20份氢氧化招，0-10份，镍，0-5份，以及铁，0-5份。
30.用于利用权利要求29的 材料生产在热反应器的碳质床中使用的碳质材料的单元的方法，包括以下步骤:将该材料与一定量的水混合以形成可模制混合物；将该可模制混合物倒入具有在碳质床中使用的预定尺寸和形状的模具中；并且使在模具中的可模制混合物凝固并且风干，或者施加热和压力二者之一或二者。
31.权利要求30的方法，进一步包括通过包括以下的步骤形成碳质床:从模具中移出模制的单元，所述模具被成形为向所述单元提供大约10cm-25cm的平均横截面尺寸， 将一定量的模制的单元引入到热反应器中以形成碳质床，其中床碳含量的至少大约25%是模制的单元的碳。
【文档编号】C04B35/52GK103958046SQ201280050768
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年1月5日 优先权日:2011年9月9日
【发明者】J·桑托伊恩尼, P·范尼尔洛普, M·E·赫伊尔, A·戈罗德斯基, S·利瑟, K·O·希克斯 申请人:阿尔特Nrg公司