包括优化气体转化的效率的装置的气体再形成系统的制作方法

专利名称：包括优化气体转化的效率的装置的气体再形成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体再形成(gas reformulation)领域。具体地，本发明涉及包括优化气体转化的效率的装置的气体再形成系统。
背景技术：
废气(合成气)由诸如气化、等离子体气化和/或等离子体熔化等等各种物质转 化工艺产生。这些气体可被用于恰当的下游应用(例如，电力产生、化学和液体燃料的工业 合成)中、被存储用于后续使用或烧掉。在一些情况下，有对再形成气体的兴趣，该气体被 产生，以便改进化学组成，从而在下游应用中有效地使用。在气化工艺中，含碳进料(carbonaceous feedstock)与受控和/或受限量的氧 气且有时候是蒸气一起被供入气化器，以产生原料气体(raw gas)。来自气化工艺的废气 取决于进料组成，并可包括H20、H2、N2、02、CO2, CO、CH4, H2S, NH3> C2H6以及其他碳氢化合物， 例如炔烃、烯烃、芳烃、酚类和焦油。用于气化的有用进料包括城市垃圾、工业活动产生的 废弃物和生物医药废弃物、污水、污泥、煤、重油、石油焦、重精炼厂残余物(heavy refinery residual)、精炼厂废料、碳氢化合物污染的土壤、生物体、农业废弃物、轮胎和其他危险废 弃物。影响气化工艺中产生的气体的质量的因素包括进料特性，如颗粒尺寸；气化器 加热速率；停留时间；工厂配置，其包括是否采用了干或浆进料系统、进料反应剂流动几何 结构、灰或渣矿物移除系统的设计；是否使用直接或间接热产生和转移方法；以及合成气 清洁系统。有些气化设施采用气体处理系统，以在气体通过气体质量调节系统进行冷却和清 洁之前，将气体转化成更加可接受的气体组成。经处理后的气体可经历进一步的处理步骤， 以便去除不想要的化合物，如金属、硫化合物和精细颗粒。例如，干过滤系统和湿涤气器可 用于去除颗粒物质和酸性气体。等离子体已被工业用于两种主要能量源一种作为强烈的热源，而第二种作 为自由电子源，该自由电子源可用于启动和驱动要求把分子分解成(活性)分解碎片 (dissociation fragment)的许多化学工艺。电子影响可以激发分子的任何游离状态，并将 其减小成碎片，这是一个重要的机制，通过该机制，自由基和分子碎片在许多环境中产生。等离子体是一种发光气体，其被至少部分电离，并由包括电子和离子的激发气体 物质构成。等离子体可用很多气体来产生，从而在工作气体是中性的(如氩、氦、氖)、还原 性的(如氢气、甲烷、氨、一氧化碳)，或氧化性的(如氧气、二氧化碳)时，优秀地控制等离 子体的化学反应。不同的等离子体根据其温度和密度来分类。术语“等离子体密度”本身通常是指 电子密度，即，每单位体积的自由电子数目。等离子体的电离程度是已经损失(或获得)电 子的原子的比例，并主要由温度控制。等离子体温度通常以开氏或电子伏特的方式测量，且是每个粒子的平均热动能的 非正式测量。由于质量上的大的差异，电子之间到达热力学平衡的速度远远超过他们与离子或中性原子的平衡。由于这个原因，“离子温度”可能会非常不同于(通常低于)“电子 温度”。基于电子、离子和中性物的相对温度，等离子体被分类为“热的”或“非热的”。热等 离子体的电子和重粒子处于相同的温度，即，它们彼此热平衡。另一方面，非热等离子体的 离子和中性物处于低得多的温度，而电子“热”得多。低温非热等离子体是在本领域中已知的，以破坏处于大气压的挥发性有机化合物的相对低浓度，而且对低水平废弃物浓度的处理具有特别吸引力，并对处理抵抗标准化学 方法的处理的化合物具有特别吸引力。这些低温等离子体处理技术一般涉及高能量电子束 照射或放电方法，如脉冲电晕、介电阻挡、毛细管、空心阴极、表面以及填充床电晕放电。所 有这些技术都依赖于以下事实电能量可以产生具有比周围气相离子和分子高得多的平均 动能的电子。这些高能电子可与背景气体相互作用，以产生高活性物类(即，自由基、阴离 子、阳离子和二次电子)，该高活性物类将优先摧毁污染物。在废弃物管理领域，等离子炬已作为热源使用，以通过将危险废弃物转化为废气 (即，合成气)并将主要包括无机物质的残余物熔化为渣，来驱动气化、熔化并破坏危险废 弃物。一些等离子体气化系统不仅使用等离子炬来驱动气化工艺，而且还通过在添加或不 添加其他输入或反应剂的情况下，将较长链挥发物转化、再造或再形成为更小的分子，来处 理气化室中的原料废气。等离子体源也被用来作为活性物类的源。这些活性物类已被用于启动和驱动将有 害气体分子转化成毒性较低的物类。一个例子是由美国专利No. 6，810，821提供的，其描述 了一种设计用于减少来自石墨电极等离子弧炉的废气中存在的炭黑/烟灰的气旋氧化剂。 气旋氧化剂使用等离子炬来电离包括二氧化碳和氧气的混合物的工作气体，该混合物不包 括氮气。当气体混合物在等离子体弧区域中被电离时，二氧化碳转化为一氧化碳和原子氧， 该原子氧是非常有活性的。气旋氧化剂室切向接收其上游端部附近的非常高速的废气，从 而创造气旋氧化剂内的气旋条件。结合活性原子氧的存在和气旋氧化剂中的增强的紊流环 境，副产物气体中的炭黑/烟灰和游走的有毒物质可被有效地转化和破坏。美国专利No. 6，810，821还教导，额外氧化剂通过喷射雾化氧气和蒸气来提供，该 雾化氧气和蒸气通过抗高温雾化喷嘴雾化，并作为氧化剂喷射进入室中。氧化反应效率通 过副产物气体和喷射的雾化氧气和蒸气之间的激烈的内部混合来提高，而该激烈的内部混 合由气旋氧化剂内的气旋活动的活力引起。对于低热值废弃物，气旋氧化剂将副产物气 体完全转化成水和二氧化碳。对于高热值废弃物，最终的副产物气体可以是用于产生电 力的高品质可燃合成气体。虽然该气旋氧化剂可通过氧化污染物来处理(即，清洁)废 气，但它不被设计成将气体再形成为具有设计化学组成的产物气体。它不使用等离子炬来 创建气体再形成区域，该气体再形成区域可用于将废气再形成为具有定义组成(defined composition)的气体。另一个例子由美国专利No. 6，030, 506提供，其描述了一种用于将外源性非热等 离子体激活物类(activated specie)输送到主题液体(subject fluid)的方法和装置，其 包括(a)在激励装置中产生激活物类；以及(b)将激活物类通过高速喷射装置引入主题液 体。该发明涉及空气污染控制，并提供了一种执行用于漂白的大型化学作用、提高化学反应 以及清除污染的设备和方法。美国专利申请No. 11/745，414提供了气体再形成系统的第一例子，其中，系统内等离子炬的定位在每个炬的前面提供了活性领域，由此，废气可再形成。这些等离子炬和空 气喷射器的定位被设计成优化流动模式和气体在室中的停留时间。上述系统并不能优化高能机构和将大多数原料合成气再形成为具有设计化学组 成的气体的总效率。寻求以总体上最具成本效益的方式将含碳进料转化为诸如电力的能量 的商业设施，需要用于将合成气有效转化成具有设计用于下游应用的组成的气体的系统。 因此，提供一种优化工艺和/或包括将初始气体转化成具有定义组成的气体的总体工艺的 步骤的总体效率的气体再形成系统，将是本领域中的一大进步。发明概述
本发明提供了一种包括一个或多个能量源的系统，该一个或多个能量源通过发动 分子分解成活性分解碎片(中间物)来开始气体再形成工艺。能量源与气体操纵器组合， 该气体操纵器被设计成通过优化气体再形成工艺整个过程中的能量转移，并优化再形成的 气体相对于输入系统的气体的量的量(气体再形成比)，来优化气体再形成工艺的效率。本发明的一个目的是提供一种包括优化气体转化的效率的装置的气体再形成系 统。根据本发明的一个方面，提供了一种用于将初始气体再形成为具有设计特征的再形成 气体的系统，其包括用于感测初始气体的至少一个特征的装置；用于基于初始气体的至 少一个特征并基于再形成气体的设计特征，来修改用于再形成的工艺输入的装置；用于施 加足以将初始气体的实质上大多数气体分子再形成为再形成气体的一个或多个能量源的 装置；用于促进再形成的装置；用于稳定再形成气体的装置；以及控制系统。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将初始气体再形成为具有期望特征的 再形成气体的工艺，其包括下列步骤中的一个或多个感测初始气体的至少一个特征；修 改工艺输入，以便基于初始气体的所感测的特征并基于输出气体的期望特征进行再形成； 施加足以将大多数气体分子再形成为其构成成分的气体激励场；促进有效工艺加速，以便 将构成成分再形成为具有设计特征的再形成气体；促进新形成的分子的去能和稳定，以维 持设计特征；以及管理初始气体到输出气体的有效转化。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于气体的再形成的系统，其包括用于启 动气体再形成工艺的一个或多个能量源；以及用于在气体再形成工艺的整个过程中优化能 量转移的一个或多个气体操纵器；其中，一个或多个能量源和一个或多个气体操纵器形成 整体，以优化气体再形成比。根据本发明的另一个方面，提供了一种气体再形成系统，其包括一个或多个气体 再形成区域；一个或多个气体稳定区域；包括控制系统，其调节总体工艺；可选地，一个或 多个气体添加剂区域，和/或可选地，一个或多个气体清洁区域，其中，系统的区域被布置 和控制成使得，大多数初始气体被再形成为具有设计组成(designed composition)的气 体。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将初始气体再形成为再形成气体的方 法，其包括步骤将初始气体输送到气体再形成室；将输入气体与至少一种工艺添加剂混 合，以产生预形成气体；将预形成气体暴露于气体激励场，由此使气体内的分子分解成其构 成元素；将构成元素再形成为具有设计的化学组成的分子物类，并由此产生再形成气体； 以及从室移除再形成气体。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将初始气体再形成为再形成气体的系统，其包括一个或多个耐火材料衬里的室，其包括用于接收初始气体的一个或多个输入； 用于释放再形成气体的一个或多个输出；与室流体连通的一个或多个工艺添加剂输入；位 于一个或多个室中的一个或多个气体操纵器；用于在一个或多个室内产生气体激励场的装置。特别地，该系统已经被设计成优化能量转移，该能量转移将能量从一个或多个源转移到具有初始化学组成的气体(预形成气体)并贯穿再形成工艺，使得气体以有效的方 式再形成为具有设计化学组成的气体。该系统包括体现在气体操纵器内的设计策略，该设 计策略起到在气体通过气体再形成室时，有助于再形成反应的速度、效率和彻底性的作用， 以最小化再形成气体总体上所需的能量的量，并最大化气体再形成为具有设计化学组成的 气体的百分比。因此，再形成系统包括一个或多个“气体再形成区域”和一个或多个“气体稳定区 域”。该系统可可选地进一步包括一个或多个“气体添加剂区域”，和/或一个或多个“气体 清洁区域”，其中，该一个或多个“气体添加剂区域”一般位于气体再形成区域的上游，具有 或不具有完成气体与添加剂的混合的装置，该混合一般通过增加气体内的紊流来完成，而 该一个或多个“气体清洁区域” 一般位于气体稳定区域的下游。气体稳定区域可选地包括 热转移装置，以当气体冷却时从气体捕获热。系统的区域被布置和控制成使得，大多数初始 气体在通过本发明的系统之后被再形成为具有设计组成的气体。气体再形成形体还包括调 节总体工艺的控制系统。附图简述

图1至77示出了本发明和/或其组成部件的各种实施方式。图1、2A和2B示出了气体再形成系统的各种区域。虚线示出了可选择的区域。气 体可经历在串联区域或图2BA和2BB中描绘的平行阵列中的处理。图3是根据本发明的一个实施方式的气体再形成系统的示意图。图4是本发明的连接到一个气化器的气体再形成系统的一个实施方式的示意图。图5是本发明的连接到两个气化器的气体再形成系统的一个实施方式的示意图。图6是本发明的连接到两个气化器的气体再形成室的一个实施方式的示意图，其 通过公共初始气体入口。图7、8、13和14示出了下列类型的气体激励源氢燃烧器、射频(RF)和微波等离 子体、激光等离子体、电晕等离子体(coronaplasma)。图9示出了下列类型的等离子体源非转移弧炬、转移弧炬、感应耦合等离子炬、 微波等离子炬。图12示出了氢燃烧器。图10和11图解了在根据本发明的各种实施方式的气体再形成系统中的感应耦合 等离子炬、微波等离子炬和氢燃烧器的使用。图15示出了气体再形成通道的各种实施方式。图16示出了气体再形成通道的各种实施方式。图17示出了气体再形成通道的各种实施方式。图18示出了气体再形成通道的各种实施方式。图19示出了使用混合器装置的气体再形成通道。
图20A-B示出了根据本发明的两个实施方式的用于增强气体混合的气体再形成室中的缩窄的使用。图21A_B、22和23示出了各种气体再形成室设计。图24示出了气体再形成系统的各种实施方式，其中，气体流被分成经历平行再形 成的较小流。图25示出了面对初始气体流的气体激励源的各种布置。图26A-C示出了根据本发明的各种实施方式的插入到气体再形成室中的流量限 制器的不同形状。图27A-B和42示出了根据本发明的三个实施方式的延伸实质上气体再形成室的 整个长度的流量限制器。图28A-B示出了根据本发明的两个实施方式的装备有延伸实质上室的整个长度 的流量限制器的气体再形成室的三维图。图29A-G示出了流量限制器的不同实施方式。图30A示出了根据本发明的一个实施方式的带有多个盘的旋转轴。图30B示出了 可用于旋转轴以便得到带有激励场的气体的增强的相互作用的不同盘结构。图31A-C示出了根据本发明的各种实施方式的用于轴和盘的不同旋转方法。图32和33示出了根据本发明的两个实施方式的分别用于导向气体激励场的偏转 器和柯安达效应偏转器(Coanda-effect deflector)的使用。图34A-B示出了根据本发明的两个实施方式的用于等离子体卷流的空间分布的 主动控制的一个或多个空气喷嘴的使用。图35A-D示出了用于重新导向气体再形成室中的等离子体卷流的不同偏转器的 使用。图36A-D示出了根据本发明的各种实施方式的非对称旋转轴对象偏转器的使用。图37是给出炬安装系统的细节并根据本发明的一个实施方式的气体再形成系统 的一部分的示意图。图38A示出了根据本发明的一个实施方式的定位成将气体激励场逆流导向至气 体流的流动的气体激励源。图38B示出了气体从顶部附件进入并朝向底部离开的图38B的 实施方式。图38C是图解了一个实施方式的入口和等离子炬的定向的示意图。图39和40示出了面对气体再形成室和输入气体流的气体激励源的各种布置。图41图解了气体再形成室中的挡板的布置。图41A图解了包括桥壁挡板(bridge wall baffle)的气体再形成室内的气体流动。图41B图解了包括紊流器或阻塞环挡板 (choke ring baffle)的气体再形成室内的气体流动。图43A-B示出了包含用于增强的再形成的紊流区域。图43C示出了紊流生成器的例子。图44示出了将被再形成的气体切向地进入产生漩涡的再形成反应器，该漩涡由 等离子炬和气体操纵器处理。图45和46示出了用于产生紊流的示例性装置。图47是图解了空气流动离开类型A喷嘴的图。图48是图解了空气流动离开类型 B喷嘴的图。
图49和50示出了用作再形成室中的催化剂的炭的固定床。图51示出了结合气 体再形成室的气化器，其中，在气化器中产生的炭导致催化裂化。图52至54示出了用于结合催化剂床和激励场的各种构造，以便再形成气化器内 产生的气体。图55至57示出了各种位置，其中，催化床可放置在根据本发明的一个实施方式的气体再形成室内。图58和59是关于根据本发明的一个实施方式的在气体再形成系统的稳定区域内 使用的热交换系统。图60A是气体再形成室的一个实施方式的示意图。图60B是给出耐火垫板 (refractory support)的细节的图60A的气体再形成室的横截面图。图61至64示出了气体再形成室、气化器和碳转化器的各种构造。图65示出了气化器，该气化器可被连接到本发明的气体再形成系统。图66至68、74和77示出了示例性气体操作器的各种视图，该示例性气体操作器 被设计成将被改进成柱状气体再形成室。图69、70、72、73、75、76示出了图66的安装在柱状气体再形成室中的示例性气体 操作器的各种视图。图71示出了没有图66的示例性气体操作器的气体再形成室的俯视图。图78示出了用在图1至77中的气体激励源的各种代表性例子。所有代表性例子 是等同的，并可用于指示这里所具体指出的任何气体激励源，或作为本领域技术人员所已 知的。发明详述除非另有定义，否则这里所使用的所有技术和科学术语具有与本领域技术人员所 共同理解的相同含义。如这里所使用的，词“大约”指的是名义值士 10%的变化。应理解，这种变化总是 被包含在这里所提供的任何给定值中，而不管它是否被具体地指出。术语“活性物类(reactive specie) ”，指的是整个再形成过程中形成的有活力的 物类。非限制性例子包括由诸如等离子体或基本的或游离的中间物(感应中间物)的能量 源产生的自由电子，该基本的或游离的中间物(感应中间物)在废气(例如，合成气)中产 生，将能量转移到预形成气体(“预形成分子”)的其他分子和/或游离的中间物/段，使它 们能够再形成为具有设计规格的化学组成。本领域技术人员应领会，随着能量转移过程的 继续，预形成分子中的一些将轮流变成活性物类，从而将它们所需要的能量转移到气体再 形成区域中的其他分子。术语“原料废气(raw off-gas) ”指的是在将进料转化成炉渣的整个过程中离开进 料的气体。在工业中，该类型和质量的气体通常被称为“合成气”。术语“部分处理的原料废气(partially processed raw off-gas) ”指的是由于诸 如高温或活性物类的情况而已经被有些处理的原料废气(原料合成气)，该高温或活性物 类在诸如等离子体熔化系统的气化系统中产生，该气化系统为废弃物的破坏以及转化成气 体和炉渣而设计。这种处理可包括将原料废气暴露于等离子体或其他能量源。术语“初始气体(initial gas) ”指的是将被再形成为化学组成的气体，该化学组成为一个或多个下游应用而设计。它包括原料废气(原料合成气)和/或部分处理的原料废气。术语“预形成气体(preformulated gas) ”被用来表示当其进入气体再形成区域时的气体。除了任何可选择的工艺添加剂之外，该气体包括初始气体，该可选择的工艺添加剂 在它再形成为所设计的化学组成之前已经被添加，以调整气体的化学组成。例如，如果气体 需要增加量级的氢气，则可在气体再形成区域上游添加作为工艺添加剂的蒸气，使得再形 成气体将包含足够量的氢气物类，以提供最终再形成气体产物的恰当的化学组成。如果未 添加可选择的工艺添加剂，则“预形成气体”具有与“初始气体”相同的组成。术语“再形成气体(reformulated gas) ”指的是离开气体再形成系统的气体。术语“气体再形成率(gas reformulation ratio) ”被用于描述再形成的气体相对
于输入到系统中的气体的量的量。它可由公式描述
再形成气体的量ι^ 、
-X 100 =气体再形成的百分比
预形成气体的量可选地，并且特别是，如果没有使用工艺添加气体，则可由公式描述
再形成气体的量
-X 100 二气体再形成的百分比
初始气体的量气体再形成率可直接或间接获得。气体再形成率的间接获得可通过比较再形成气 体和预形成气体的下游能量产生来实现。下游能量产生是再形成气体的百分比反映。下游 能量产生的增加指示再形成气体的百分比的增加。术语“气体操作器(gas manipulator) ”表示并入本发明的系统的特征，其起到有 助于气体再形成工艺的作用。术语“含碳进料(carbonaceousfeedstock) ” 和“进料(feedstock) ” 在这里被可 互换地使用，它们被定义成指的是含碳材料，该含碳材料可用于气化工艺中。合适的进料 的例子包括但不限于有害的和无害的废弃物材料，其包括城市垃圾；由工业活动产生的 废弃物；生物医疗废弃物；不适合于再循环的含碳材料，其包括不可再循环塑料；下水道污 泥；煤；重油；石油焦炭；浙青；重精炼厂残余物；碳氢污染固体；生物体；农业废弃物；城市 固体垃圾；有害废气物以及工业废弃物。有利于气化的生物体的例子包括但不限于废木 料；新鲜木材；来自水果、蔬菜和谷物处理的剩余物；造纸厂残渣；稻草；草以及肥料。术语“气体激励源(gas energizing source) ”指的是本领域技术人员已知的任何 能量源，其可被用于将能量施加到预形成气体，使其能够再形成为所定义组成的气体。例子 包括但不限于等离子体产生源、辐射源、氢燃烧器、电子束枪等。术语“气体激励场(gas energizing field) ”被用于表示由气体激励源中的一个 或多个产生的场效应，该气体激励源在本系统内使用，以对需要发生再形成工艺的气体提 供能量。例如，由等离子炬产生的气体激励场将呈现出三维空间，该三维空间将随着炬能 量、工作气体组成、炬位置、炬方向等而变化。如这里所使用的，术语“感测元件(sensing element) ”使用的是最广泛的意思，以描绘关于气体再形成系统的被设置成感测、检测、读取、监测等输入和/或输出系统的一个 或多个特征、参数和/或信息的任何元件的方面。如这里所使用的，术语“响应元件(response element) ”被用于描绘关于气体再形 成系统的能够响应于信号的任何元件的方面。气体再形成系统本发明包括一种用于从含碳进料的气化中获取气体的有效再形成的系统。将被输 入到该系统的初始气体将一般地包括变化长度的碳氢分子的复杂混合物。气体的化学组成 和污染物质量将取决于进料的组成、用于产生气体的工艺，以及气化系统中的环境。一些气 化器被设计用于一个步骤工艺，其中，各种形式的热被用于在单个室中产生气体。在一个室 的不同区域或不同室或其一些组合中，其他气化器在多个步骤工艺中产生气体。任一系统 可包括一些预处理的原料废气，这一般是由于气化室中的热源。这些设计策略中的一个主要目标是使原料合成气和/或预形成气体的量有效暴 露于气体激励区域中的活性物类最优化。有效暴露的程度越大，能量转移的效率就越大，并 因此，以总体最具成本效益的方式使预形成气体转化成具有设计的化学组成的气体的百分 比越大。设计策略的例子包括整个系统的设计。例如，重要设计策略包括预形成气体相对 于气体激励场的流动模式(紊流)和特别地在时间的特定量下通过该场的气体的量。这些 策略的一个例子是系统设计，通过该系统设计，预形成气体通过等离子体产生电弧。另一个 例子是系统设计，其中，等离子炬以等离子体卷流逆流流动并直接进入预形成气体的方式 来定位。在另一个实施方式中，预形成气体通过顺次的或平行的气体激励场。本发明的再形成系统被设计成使再形成为产物气体的预形成气体的量最优化。在 一个实施方式中，该工艺的效率由术语“气体再形成率”表示，术语“气体再形成率”包括再 形成产物气体的量除以预形成或初始反应剂气体的量再Xioo =%。在一个实施方式中， 气体再形成率为95%或更大。在一个实施方式中，气体再形成率为90%或更大。在一个 实施方式中，气体再形成率为85%或更大。在一个实施方式中，气体再形成率为80%或更 大。在一个实施方式中，气体再形成率为75%或更大。在一个实施方式中，气体再形成率为 70%或更大。在一个实施方式中，气体再形成率为65%或更大。在一个实施方式中，气体再 形成率为60%或更大。在一个实施方式中，该概念被表示成再形成气体的值与初始气体相 比的比率。在一个实施方式中，该值是从电产生方面来说的高能值(energetic value) 0为了将初始气体有效地再形成为具有设计组成的气体，本发明包括一个或多个 “气体再形成区域”，以及一个或多个“气体稳定区域”。气体稳定区域可选地包括热转移装 置，以当气体冷却时从其捕获热量。该系统可选地包括一个或多个“气体添加剂区域”，其一 般地位于气体再形成区域的上游，混合或没有混合。它还可选地包括一个或多个“气体清洁 区域”，其一般地位于气体稳定区域的下游。为了清楚的目的，这些区域被分别描述。然而，应理解，这些区域在系统内是邻接 且相互关联的，该系统不限于包括分立的物理上分开的区域，尽管这仍然是一个选择性方 案。根据特定实施方式的设计，它们将被或多或少地分开。此外，仅为了容易参考，这些区 域已经根据在该区域主要发生的工艺步骤来命名。然而，本领域技术人员应领会，由于再形 成工艺的性质，其他工艺步骤也可在该区域中较小程度地发生。
有效再形成气体的系统必须能够提高初始气体分子的能量，使得它们开始再形 成。尤其是，反应中间物被引发。反应的高能工艺由诸如下面所示的曲线示出。
<image>image see original document page 12</image>如本领域技术人员将领会的，箭头指向能量表象，该能量表象是诱发具有初始化 学组成的气体分子开始再形成为具有设计化学组成的分子所需的。虚线表示当使用催化剂 来降低引起分子再形成所需的能量的量时所需的能量。本领域技术人员应领会，在一般量 级下，将需要足够的能量来施加到初始气体分子，以驱动它们断裂它们的化学键并再形成 为再形成分子和原子。在恰当的条件下，如果再形成分子和/或原子被允许彻底混合，则这 些原子将根据存在的物类的相对浓度来重新组合。此外，如果显著量的预形成气体通过激 励场，则显著量的气体将被再形成。为了实现有效再形成气体的目标，本领域技术人员可理解，贯穿气体的再形成，将 发生下列四种化学工艺1)中间物的引发；2)中间物的至少一部分的传播；3)中间物的终 止；以及4)产物气体稳定化。一种气体再形成工艺可被预想成需要四种一般工艺。在第一工艺中，诸如初始气 体分子的反应剂和能量源(包括但不限于自由电子，以及诸如原子和自由基的激励或激活 物类)通过混合被带到一起，并达到物类对物类接触的状态。这种接触以及足够能量级的 混合的结果是，反应剂的作用导致化学中间物的形成。虽然一些中间物可一起反应并终止， 但中间物的至少一部分经历另一步骤，在该步骤中，在反应剂参与或不参与的情况下，中间 物在它们之间反应，以产生其他中间物，从而导致一连串化学反应。在另一工艺中，中间物 由化学和/或物理装置终止，并产生特定的产物。在第四且最后的步骤中，在维持特定的化 学和/或物理环境时，所形成的产物被稳定化。因此，中间物的引发可被认为是主导工艺，该主导工艺在气体再形成区域内早先 发生，在该气体再形成区域内，中间物诱发装置(能量源)被提供并与进入气体再形成区域 的气体接触。混合、能量转移和/或辐射使反应剂能够转化成初始中间物。反应剂可被认 为是被激发。中间物传播步骤可被认为是发生在气体再形成区域中的另一主要工艺，在该气体 再形成区域中，初始中间物在它们自身之间反应，以产生其他中间物。这些中间物可能形成 一连串反应剂，其中一组中间物从先前的一组中间物获得。
—般来说，中间物终止工艺可被认为是发生在气体再形成区域的末端，并且在一些实施方式中，可甚至被认为是界定该区域的外边缘，其中，化学和/或物理环境被改变， 使得链式反应因此停止进一步前进。然而，应理解，该终止工艺可在气体再形成区域的其他 区域中发生，这取决于该工艺的物类、反应剂/中间物以及最终产物的稳定性。在链式反应 的由受控终止或由未受干扰的行进达到的末端，形成了特定产物。气体稳定区域可被认为位于产物稳定化是主导工艺的位置处，并可被定义成这样 的区域，在该区域中，特定环境被维持，以便稳定在中间物的重新组合的终止时形成的产 物。这些产物一般期望用于特定应用。如果需要不同产物，可做出努力来调整中间物终止 点，因为链式反应过程的不同点对应于不同中间物，其进而在终止和稳定化之后产生不同产物。有很多中间物诱发装置。这些中间物诱发装置包括热加热、等离子体卷流、氢燃烧 器、电子束、激光、辐射等。在存在催化剂时，在反应剂分子具有足够能量来重新布置并与这 种催化剂接触的情况下，催化剂可被认为扮演中间物诱发装置的角色。提供中间物诱发装 置的能量源的公共特征是对反应剂引起化学变化，以及沿着通向最终产物的通路前进。因 此，所形成的中间物在不同中间物诱发装置之间改变，并具有不同量级的激活。有一些提高初始气体的能量的方法，该方法将初始气体的能量提高到一个量级， 使得分子将再形成为具有所设计的化学组成的分子。可向初始气体添加热。激活物类，例 如可在等离子体中发现或从氢气源产生的电子和阳离子，可被用于转移所需的能量，以引 起初始气体和工艺添加剂即“预形成气体”中的分子，再形成为再形成分子和原子。如上面所说明的，本领域技术人员已知各种催化剂可被用于降低能量的量，该能 量的量是必须的，以引起分子再形成。催化剂，例如白云石、橄榄石、氧化锌和炭是一些通常 使用的催化剂的例子。本发明提供了一种小的集成的气体再形成系统，以便将带有特征性特征(例如， 化学组成)的初始气体有效地特意计划地再形成为带有设计用于特定下游目的的特征性 特征的输出气体。优化包括以总体最具成本效益的方式完成再形成，包括诸如电的前期成 本和诸如受工艺污染的催化剂的下游成本。气体再形成系统工艺(1)直接或间接感测初始气体的特征参数的适合性，这些特征参数包括但不限于 化学组成、湿度、流速等。可选地，该系统可感测上游和/或下游系统或其输入或输出的特 征和/或参数；(2)根据初始气体的被感测的特征参数和输出气体的期望参数，对再形成工艺改 变各种输入参数(例如，可选地增加或减少工艺添加剂的恰当量、改变电量等)；(3)产生包括足够高能物类的一个或多个气体再形成区域，该高能物类可与废气 分子(初始气体或预形成气体)反应，以转移能量到气体分子，使得绝大多数气体分子再形 成为再形成分子和原子；(4)在再形成区域中，促进被引发的气体分子构成(被引发的中间物)的有效混 合，使得它们重新组合成由再形成气体中存在的物类的相对浓度确定的化学组成。(5)提供稳定区域，由此，新形成的分子被去能，例如，被冷却或离开催化剂或气体 激励源的影响，并因此被稳定成维持期望的特征；以及
(6)提供一种用于总体控制气体再形成工艺的控制系统。气体再形成系统和方法可用于将诸如由含碳进料的气化产生的大量废气再形成为再形成气体，该再形成气体包括诸如一氧化碳和氢气的分子的最佳量级和不想要的分子 的最小量级。在接下来的描述中，将更详细地考虑气体再形成系统的以下部件。将以“气体再形 成区域；”和“气体稳定区域”的描述为开始来教导基本工艺。用于优化气体再形成的程度 和效率的策略和手段将通过包括催化剂的气体操纵器和其他气体操纵器的讨论来描述。用 于包含在系统中的可选特征包括“气体添加剂区域，”和“气体清洁区域”。最后，本描述将 讨论气体再形成室和用于管理所有上述工艺的控制系统的设计。气体再形成区域再形成区域是位于系统内的区域，其中，发生了预形成分子被足够激励以再形成 为具有设计化学组成的分子物类。一般来说，该区域被设计成使得它包含用于在再形成工 艺过程中引起紊流和混合的装置。气体激励源气体激励源提供了克服气体再形成系统(预形成气体)内的初始气体和工艺添加 剂的化学键能量所需的初始能量，从而用于将这些分子再形成为再形成分子，且最终为具 有设计化学组成的分子，例如0)和压。这些激励源用于提供用于活性中间物的引发的能量， 并且当需要时，提供支持中间物的传播的能量。在本发明中，预想了各种元件，以便提供气体激励区域。满足气体再形成能量的 要求所需的能量级取决于各种因素，包括但不限于初始气体、工艺添加剂的特征(例如，组 成)以及催化剂的存在。用于增加温度、停留时间和/或紊流和混合的装置也被预想包含 在设计和创建该区域中。用于气体激励以便诱发中间物变成活性的所需的能量可由各种源来提供，各种源 被称为激励源、热加热、等离子体、氢燃烧器、电子束、激光、辐射等。它们的公共特征是对反 应剂引起化学变化，以及沿着通向最终产物的通路前进。等离子体源等离子体主要以可与预形成气体相互作用以对分子提供气体再形成能量的电子 和阳离子的形式提供能量源。在本发明的一个实施方式中，结合或不结合其他气体激励源操作的一个或多个基 于等离子体的源(例如，等离子炬)用于将初始气体的能量提高到足够高以便气体再形成 的量级，并因此提供气体激励区域。恰当能量级取决于各种因素，包括但不限于初始气体和 工艺添加剂的特征，并由本领域技术人员容易地确定。尽管热有助于工艺，但大多数能量的显著部分由等离子体中的活性物类提供。在 本发明的一个实施方式中，温度处于大约800°C到大约1200°C之间。所需的源的能量的量 可通过使用催化剂来降低。一个或多个等离子体源可从各种类型中选出，该各种类型包括但不限于非转移弧 和转移弧、交流电(AC)和直流电(DC)、等离子炬、高频感应等离子设备，以及感应耦合等离 子炬(ICP)。在所有弧产生系统中，该弧在阴极和阳极之间引发。恰当等离子体源的选择在 本领域技术人员的技能之内。
转移弧和非转移弧(AC和DC)炬可采用恰当选择的电级材料。本领域已知的适用 于电极的材料包括铜、钨合金、铪等。电极寿命取决于各种因素，如电极上的弧工作区域，其 又取决于等离子炬的设计和电极的空间布置。小的弧工作区域一般在较短的时间内耗尽电 极，除非电极被设计成通过热电子发射来冷却。电极可被空间调整，以减小它们之间的空隙 的任何变化，其中该变化随着电极在它们的寿命期间耗尽而引起。各种气体可被用作用于等离子炬的载运气体(carrier gas)，其包括但不限于空 气、氩、氦、氖、氢气、甲烷、氨、一氧化碳、氧气、氮气、二氧化碳、C2H2以及C3H6。载运气体可 以是中性的、还原性的或氧化性的，并基于对气体再形成工艺和气体的电离电势的需要来 选择。恰当的载运气体的选择和对将载运气体引入等离子炬的装置可影响其效率的理解是 在本领域技术人员内的。尤其是，载运气体的不良设计的引入可导致等离子体卷流的冷热 区域的不均勻。在一个实施方式中，气体再形成系统包括一个或多个非转移的反极性DC等离子 炬。在一个实施方式中，气体再形成系统包括一个或多个水冷却的铜电极NTAT DC等离子 炬。在一个实施方式中，气体再形成系统包括一个或多个AC等离子炬。AC等离子炬可以是单阶段或多阶段(例如，3阶段)，其具有弧稳定性方面的相关 变化。3阶段AC等离子炬可由传统的公用网络或由发电机系统直接供电。还可使用高阶段 AC系统(例如，6阶段)，以及混合式AC/DC炬或使用但不限于氢燃烧器、激光、电子束枪或 电离气体的其他源的其他混合式设备。多阶段AC等离子炬一般在电力供应方面具有较低损失。此外，弧由于轨道炮效应 (rail gun effect)而沿着电极的快速运动可导致电极之间的热载荷的改进的再分布。该 热载荷的再分布与用于电极的任何冷却结构一起，允许使用具有相对低熔点而具有高热传 导性的用于电极的材料，如铜合金。等离子源可包括各种商业上可得的等离子炬，该等离子炬在应用时提供持久的合 适的高火焰温度。一般来说，这种等离子炬在输出功率为大约IOOkW到超过6MW时尺寸上 是可行的。在一个实施方式中，等离子炬为两个300kW的等离子炬，其中，每个等离子炬以 所需的(部分)容量操作。氢燃烧器在本发明的一个实施方式中，气体激励场至少部分地由氢燃烧器提供，其中氧气 和氢气反应，以形成超高温度蒸气(> 1200°C )。在这些高温下，该蒸气可以电离形式存在， 其增强了气体再形成工艺。氢燃烧器可结合或不结合诸如等离子炬的气体激励源来操作。 激活的氢气物类包括活性物类的快速分散和大规模蒸气裂化(extensive steamcracking) 的益处，它们都导致初始气体以低于用等离子体实现的温度的温度的高转化。在本发明的一个实施方式中，氢燃烧器提供了激励能量的显著部分，从而用作主 要激励场元件。用于氢燃烧器的氢气可通过电解作用获得。氧气源可以是纯氧气或空气。还可使用本领域技术人员容易已知的用于氢气和氧气的其他源。燃烧器的设计可利用标准建模工 具，例如，基于计算流体力学(CFD)的工具。燃烧器还可被调整成或被尺寸设计成满足考虑 各种因素的气体再形成系统的要求，各种因素包括但不限于用于再形成的气体的数量、室 几何结构等。
在本发明的一个实施方式中，氢燃烧器包括柱状喷嘴主体，其中上盖和下盖分别 耦合到其上端和下端，并且在主体中界定预定的环状空间S。气体供应管被连接到主体的侧 壁，使得管从其向下倾斜。上盖与主体形成为单个结构，并设有热转移部分，该热转移部分 具有足够用于热的容易耗散的厚度。将氢气排到大气中的多个喷嘴孔被形成通过热转移部 分，同时在其上表面上形成暴露的凹坑，以与每个喷嘴孔连通。在主体上还界定了气流室， 使得空气通过该室。在空间的内表面上形成有导向突出部，以将空间中的氢气气体流导向 至期望的方向。此外，与喷嘴孔的下端连通的环状空间S的上端被设置成圆顶形状，从而界 定圆顶的导向件，以将氢气气体导向至孔。氢燃烧器以较低温度操作并通常将氢气与空气混合。它们还可使用以显著的较高 温度运行的氧气-氢气混合物。该较高温度可放出更多基和离子；它还将使气体与碳氢蒸 气和甲烷高度反应。
在本发明的一个实施方式中，氢燃烧器用作高温化学基的源，其可加速气体碳氢 化合物再形成为合成气。氢燃烧器与氧化剂一起操作，其中空气和氧气是两种通常的选择。 本领域技术人员应理解氢气和所需的氧化剂的相对比例。除了产生高温基之外，氢燃烧器 还产生可控制量的蒸气。典型地，氢燃烧器可以类似于等离子炬的效率来供能。电子束枪电子束枪通过诸如热离子发射、光电阴极发射以及冷发射的发射机构，或通过使 用纯静电或具有磁场的聚焦以及通过一些电极，来产生具有实质上精确动态能量的电子
束ο电子束枪可通过添加或从原子移除电子而被用于电离粒子。本领域技术人员应容 易知道，这种电子电离工艺已经被用在质谱学中，以电离气体粒子。在本领域中容易已知电子束枪的设计。例如，DC静电热电离电子枪由多个部件形 成，该多个部件包括热阴极，其被加热，以经由热电离发射来产生电子流；电极，其产生电 场以聚焦束，例如调制极(Wehnelt cylinder)；以及一个或多个阳电极，其加速并进一步聚 焦电子。因为阴极和阳极之间的较大电压差，电子经历较高的加速。放置在阳极和阴极之 间的排斥环将电子聚焦在阳极上的小点上。该小点可被设计成孔，在这种情况下，电子束在 到达被称为收集器的第二阳极之前被校准。辐射电离辐射是指可电离原子或分子的高能粒子或波。该电离能力是辐射的各个束 (用于电磁辐射的光子)的能量的函数。电离辐射的例子是高能贝塔粒子、中子以及阿尔法 粒子。电离原子或分子的电磁辐射的能力在电磁光谱上变化。X射线和伽玛射线将电离 几乎任何分子或原子；远紫外线将电离许多原子和分子；近紫外线和可见光将电离极少分 子。电离辐射的恰当源在本领域中是已知的。回收的能量维持气体再形成工艺的外部能量还可通过利用由工艺产生的任何热来降低。由气 体再形成工艺产生的热的量取决于初始气体和再形成气体的特征。在一个实施方式中，在 碳分子或多碳分子主要再形成为CO和H2的过程中释放的热通过优化喷射进入气体再形成 系统的工艺添加剂的量和类型(例如，空气、O2)来最大化。
在离开再形成区域的气体中存在的可感热可使用气体稳定区域中的热交换器来 捕获。并被回收，以提高再形成工艺的外部效率。还可使用基于热能量或激光的其他激励源，如本领域技术人员将显而易见的。气体操纵器气体操纵器表示用于优化气体再形成工艺的设计策略的实施方式。气体操纵器包 括，它们包括室的设计，该室优化预形成气体相对于气体激励场的流动模式，以及特定地在 特定量的时间内通过该场的气体的量。气体操纵器的另一个例子是系统设计，其中，能量提 供源(如等离子炬)以相对于进入的再形成气体的方式被定向，该方式使进入的气体和能 量源中的高能物类之间的混合最大化。另一个例子是被设计成增加紊流和混合的工艺添加 剂喷嘴的位置和定位。另一个例子可能包括顺次气体再形成区域对平行气体再形成区域的 布置。气体操纵器包括结构设备，该结构设备已经被设计和并入到系统中，以增加气体 再形成工艺的效率。例子包括但不限于诸如更有效地导向预形成气体朝向并通过气体激励 场的挡板和偏转器的结构设备。其他例子包括在增加激励源和再形成气体的混合的工艺的 整个过程中增加紊流的结构设备。气体操纵器还包括系统的各方面，该各方面导向激励源的物理方向以改变激励场 的尺寸，例如，等离子体卷流导向装置，和/或对供应到等离子体产生源的能量、工作气体 的流速等的改变是本发明的系统的各方面的非限制性例子，其可被改变以适应预形成激励 场的尺寸的有效变化。催化气体操纵器能增加能量转移的效率，并包括催化剂。气体操纵器的一个例子 是系统设计，由此，预形成气体通过等离子体产生电弧。包含气体操纵器的目的是使在对预 形成气体提供能量的工艺中消耗的能量的量和足以使系统能够将合成气再形成为具有设 计化学组成的气体的输出之间的平衡最优化。有不同类别的气体操纵器。一个类别的气体操纵器被称为源能量暴露操纵器(source energyexposure manipulator)。本发明的该方面的主要设计策略是使支持再形成反应所必需的预形成气体 的量暴露于初始能量源最优化。另一个类别的气体操纵器被称为混合操纵器。本发明的该方面的主要设计策略是 使活性物类的混合最优化，以增强贯穿再形成工艺的能量转移。另一个类别的气体操纵器被称为催化操纵器。本发明的该方面的主要设计策略是 使系统内的催化活动最优化，以增强再形成工艺的总体效率。总体效率是指除了实现再形成的总体成本之外的再形成工艺的彻底性(由气体再形成率所表示)。例如，总体效率考虑了使用在工艺过程中可能变成“被毒害”的催化剂 的成本以及替换它的成本。还考虑了能量源的成本。本发明的气体再形成系统被设计成提高再形成工艺的效率。实现该目的的各种装 置被称为“气体操纵器”，并且它们能提高再形成工艺的效率、效果和彻底性。在预形成气体 通过系统的室时，再形成工艺发生，因此停留时间是决定工艺的效率和转化的彻底性的关 键方面。加速贯穿预形成气体分子的能量转移的速率和程度以及再形成物类的混合的因素 在气体离开系统之前优化转化的彻底性。
气体分子接近于对诸如等离子体和/或热中提供的那些激活物类的激活物类提 供能量的源的接近度，取决于气体分子暴露于源的时间量。系统内提供的增强贯穿预形成 气体分子的能量转移的工艺的装置能最大化将被再形成的分子的数量，其中预形成气体分 子通过能量转移开始再形成。此外，增加混合激活物类/活性中间物使得它们再形成为新 的化学物类的量的装置，还能最大化将被产生的设计分子的量，其中新的化学物类的组成 主要取决于再形成气体中存在的物类的相对浓度。气体操纵器被设计、定位和操作来提高再形成工艺的效率。在一些实施方式中，气体操纵器被设计成增加系统内的高紊流。增加紊流能通过提供将被激励的气体分子和再形 成为新的分子的工艺中的那些分子的彻底混合，来影响气体，新的分子的化学组成将主要 由气体再形成区域中的各个化学物类的相对浓度来决定。气体操纵器可被设计成通过气体激励区域、初始气体、工艺添加剂和其构成中的至少一个的目标重新导向来改变气体再形成系统内的流动动力学，从而导致它们的相对空 间分布和其动力演变的改变。气体操纵器可被设计成在目标位置产生高紊流环境，以辅助 激励和再形成工艺。通过改进气体激励场(如，等离子体卷流)与初始气体和工艺添加剂的暴露，在最低可能温度下实现了用于激励和再形成的改进的反应工艺。本领域技术人员应容易理解，必须基于气体激励源和用于工艺添加剂的入口的位置并基于室的总体设计来设计和定位气体操纵器。暴露操纵器在一些实施方式中，气体操纵器被设计和构造成实质上增强预形成气体对于再形成区域的暴露。如先前所提到的，这些气体操纵器可以是连接到再形成室的单独的结构设 备，或与气体再形成室形成一体。用于暴露操纵器的室设计在一个实施方式中，气体操纵器包括室设计，该室设计优化预形成气体相对于气体激励场的流动模式，以及特定地在特定的时间量内通过该场的气体的量。这可通过 室的内壁的恰当设计来实现，导致气体再形成通路，即室内的气体流动路径的差别。气 体再形成通路可以为各种类型，包括但不限于下列类型直的、弯曲的、发散_收敛式 (diverger-converger)禾口迷宫式(labyrinth) 0图25至28示出了气体再形成室的各种实施方式。本领域技术人员应容易理解，基 于室的附加特征，诸如例如用于空气喷射的口的设计，对于图25至28的每个实施方式，若 干设计变化是可能的。用于气体再形成通路的设计考虑包括但不限于对于能量源的暴露、 横截面面积、温度分布、速度分布、气体停留时间、混合以及压力降。参照图15A并根据本发明的一个实施方式，室是直的，并包括等离子炬位于其中 的窄喉道。通过窄喉道的气体被迫与活性电离等离子体载运气体(气体激励区域)混合， 从而促进再形成。喉道大约为等离子体卷流的与2000°C以上的温度相关联的可见部分的尺 寸。载运气体存在于该温度下的电离阶段，并因此更具活性。诸如通路的尺寸(例如，其横 截面面积)、速度和温度分布等的设计设计标准由用于增强的气体再形成所需的化学工艺 来确定。存在于再形成气体中的任何颗粒物质可由于喉道处的较高速度而进入并在室的次 级部分中积累。
室可另外地被设计用于容易分离颗粒物质。参照图15B并根据本发明的一个实施方式，室的次级部分被向下定位，使得颗粒物质可在底部分离并被带走。可选地，室的次级 部分可被设计成具有气体从室的初级部分的切向引入，使得所产生的涡流可促进颗粒物质 与气体流的分离。图15A和15B的设计的优点还可通过内部的结构设备的恰当放置用简化机械设计 来实现。参照图15C并根据本发明的一个实施方式，室的形状贯穿其长度是未改变的，并且 通路实质上位于室的中央，以迫使废气通过。当室直径固定时，耐熔物质(refractory)的 安装以及室的制造和安装被简化。内部结构设备可使用本领域中已知的方法，诸如外部冷 却管道、风扇和控制而被良好地绝缘和冷却，以便得到最佳性能。在若干毫秒时间期间内，由单个等离子炬产生的等离子体卷流具有某个有限长 度，在这之后，当其温度降到大约2000°C以下时，电离气体返回到非等离子体气体状态。本 领域技术人员应理解，在电离气体返回到非等离子体气体状态之前的时间取决于等离子炬 的各种参数，包括但不限于炬的热函、气体流动、周围气体的温度和安培数。在带有弯曲类 型的通路的气体再形成室中，两个或多个等离子炬可被恰当地定位，以提供用于与进入的 废气反应的活性电离气体的连续流，从而导致焦油裂化工艺的增强的效力。对于弯曲通路，各种设计是可能的，而不限于图16A至16C的实施方式。根据本发 明的一个实施方式，室的次级部分允许气体从室的初级部分的切向引入，使得所产生的涡 流促进颗粒物质与气体流的分离。本领域技术人员应容易理解，多种弯曲通路设计是可能 的，例如，基于弯曲的角度的差别。参照图17并根据本发明的一个实施方式，通路是发散-收敛类型，其中，在必要 时，通路的形状允许局部环境，诸如速度、压力等的变化。参照图18并根据本发明的一个实施方式，通路是迷宫类型，本领域技术人员应容 易理解，在必要时，该通路设计可适合于较长的停留时间。在本发明的一个实施方式中，室是通过竖直定位的连接器可操作地连接到气体源 (例如，气化器)的直的实质上水平的柱状结构。室和/或连接器的壁可被设计成起到气体 操纵器的作用，即，被设计成精确地重新导向预形成气体流，并增强其与气体激励场以及可 选地工艺添加剂的相互作用。在本发明的一个实施方式中，室在恰当的位置收缩，以增强预形成气体流与气体 激励场(例如，等离子体卷流)和/或工艺添加剂的相互作用。参照图20A并根据本发明 的一个实施方式，室3202内的缩窄3999被设置在两个等离子炬3208的稍微上方。参照图 20B并根据本发明的一个实施方式，缩窄3999更加渐进，并定位成使得等离子炬3208落入 室3202的缩窄区域。本领域技术人员应容易理解缩窄的不同位置对等离子炬的影响。在本发明的一个实施方式中，带有其自身的喷射器流作为载运气体的喷射器等离 子炬被用于在包括由多相AC电流驱动的电极并充满将被再形成的预形成气体的室中产生 电离场。当预形成气体直接通过室时，激励和再形成工艺被增强。如下面所描述的气体操 纵器的各种实施方式可仍被用于确保喷射器等离子炬的卷流被精确地导向至初级电极的 空隙中。参照图21A和21B，可基于激励源、添加剂流以及气体输入和气体输出来设想气体 再形成系统的各种实施方式。
气体再形成系统还可被设计用于将气体流分成经历平行再形成的较小的流。参照 图24A和24B，每个较小的气体流通过由独立的激励源产生的专用再形成区域。图24B示出 了转移弧炬的使用。图24C示出了专用再形成区域，每个单独的气体流可由多个气体激励 源产生。图24D示出了图24A和24B的实施方式，其中，混合元件被引入每个较小的气体流 的路径中。图25A-C示出了三种气体再形成系统，其中，在再形成室中，气体激励源成角度地 定位。源可导向其激励场朝向气体的流动或逆着气体的流动；或其组合。室还可包括用于次级炬热源一个或多个口，以辅助室的预加热或炬加热。预形成气体导向设备气体操纵器可通过直接或间接操纵，使用主动或被动装置或两者，来提高预形成 气体与气体激励场的暴露、室内的预形成气体的空间分布和其动力演变。这种气体操纵器 可以是单独的结构设备。例如，但不限于诸如更有效地导向预形成气体朝向并通过气体激 励场的挡板和偏转器的结构设备。其他例子包括室的设计，以产生某期望流体动力流动路径。在本发明的一个实施方式中，气体操纵器还位于初始气体入口处或附近，以确保 初始气体具有更均勻的组成和/或温度，并与工艺添加剂恰当混合。参照图26A-C并根据本发明的一个实施方式，气体操纵器包括流量限制器3999， 该流量限制器3999改变进入室3202的气体的流量。本领域技术人员应容易理解，气体流 动模式的差别取决于各种因素，包括但不限于流量限制器3999的尺寸和形状以及它们的 位置。流量限制器可使用各种紧固装置连接到室。在本发明的一个实施方式中，流量限 制器从室的顶部(下游端)悬挂。在本发明的一个实施方式中，流量限制器使用支架连接
到室的壁。参照图27A和27B并根据本发明的一个实施方式，流量限制器3999延伸实质上室 3202的整个长度，导致环状空间的形成，在此处发生气体再形成。如图42所示，流量限制器 3999可使用电动机7001而被旋转，电动机7001是用于废气流的直接操纵的主动装置的使 用的一个例子。流量限制器的旋转可被动态控制，可选地结合控制系统，该控制系统被设计 成调节和优化总体的气体再形成工艺。图28A和28B示出了包括流量限制器并连接到横向定位气化器的室的三维图。流 量限制器必须被设计成承受典型地存在于室中的高温。图29A-G示出了根据本发明的各种实施方式的不同流量限制器。在这些图中，等 离子炬被示出为位于相同的高度。可选地，流量限制器可被放置在等离子炬的上方或下方。 附加的口也被示出在炬的下方，以用于喷射工艺添加剂，诸如空气和蒸气。在本发明的一个实施方式中，如图29A所示，流量限制器具有被设计成引入混合 进入的废气和等离子体卷流的更多循环流量的两个螺旋形行程(helical flight)。图29B 示出了根据本发明的一个实施方式的具有两个螺旋形行程但具有不同形状的流量限制器。 在本发明的一个实施方式中，如图29D所示，流量限制器的一个螺旋形行程比另一个大，并 还引入循环流量并混合废气和等离子体卷流。在本发明的一个实施方式中，如图29G所示， 在以两个新的行程为开始之前，螺旋形行程仅覆盖半个限制器。
在本发明的一个实施方式中，如图29C-F所示，流量限制器被连接到冷却管道，其 中冷却媒介(例如，空气、水、热油(thermal oil))控制流量限制器的温度。在本发明的一 个实施方式中，如图29E所示，添加剂(例如，空气、蒸气等)在其进入废气流之前，从支撑 杆的顶部流动到流量限制器的底部。该设计允许在添加剂的喷射之前对它们进行预加热的 同时，冷却流量限制器。参照图30A并根据本发明的一个实施方式，室包括以连接到电动机的一个或多个旋转轴的形式的气体操纵器，每个轴包括一个或多个盘，其可被仔细地配重，以便得到稳定 的旋转。对于具有位于轴上的多个盘的实施方式，盘可以按偏置的模式布置。本领域技术 人员应容易理解，盘可包含冷却。流量限制器，如上面所描述的，可被连接到旋转轴的端部。图30B示出了可被连接到旋转轴的各种类型的盘。参照图30BA，盘具有截面，该截 面允许气体从盘的一侧流动到另一侧。参照图30BB，盘具有螺旋截面，该螺旋截面被设计成 向上拉动气体，并使其进入室的中央。可选地，螺旋截面可被设计成向上拉动气体，并使其 离开至室的边缘。参照图30BC和30BD，旋转盘是具有多个叶片的辐条。本领域技术人员应 容易理解，叶片的方向和重量分布应被平衡，以便得到稳定的旋转。图31A-C示出了诸如图42中示出的旋转轴的不同实施方式，其中，顶部盘被允许 在球轴承上旋转，并通过支撑物而被保持在适当位置。可选地，冷却流体或添加剂可通过管 道输送通过轴的中央。在本发明的一个实施方式中，如图31A所示，在一个或多个支撑物上 具有电动机，其中驱动轴连接到转动的轮(链轮)。机械能量使盘转动，并因此，轴突出进入 室。参照图31B，电磁体被用于支撑物之间或用作支撑物的一部分，以引起旋转。参照 图31C并根据本发明的一个实施方式，电磁体被用于稳定室中的轴。电磁体可被用作初级 或次级装置，以便在轴和盘中产生旋转动量。在本发明的一个实施方式中，盘独立于轴来旋 转；例如，轴可以是静态的或以另一速度或甚至另一方向旋转。在本发明的一个实施方式 中，盘具有永久磁体，并且冷却是在盘面上完成的，因为它是大部分中空的，热流体冷却连 接到轴的球轴承。激励源导向设备激励源导向设备是气体操纵器，其导向激励源的物理方向，以改变气体激励场的 尺寸，例如等离子体卷流导向设备，和/或对提供给等离子体产生源的能量、工作气体的流 速等的改变是本发明的系统的各方面的非限制性例子，其可被改变以引起气体激励场的尺 寸的变化。气体操纵器还可通过直接或间接操纵，使用主动或被动装置或两者，来提高预形 成气体与气体激励场的暴露、室内的气体激励场(例如，等离子体卷流)的空间分布和其动 力演变。在本发明的一个实施方式中，这可通过激励源(例如，等离子炬)的定位和定向来 实现。在本发明的一个实施方式中，如图33A所示，气体操纵器是偏转器3998，该偏转器 3998重新导向来自等离子炬3208的等离子体卷流3997。等离子体卷流的恰当的重新导向 取决于偏转器3998的各种设计因素，包括但不限于其与等离子炬3208的距离、其相对于等 离子体卷流的方向的方向角度、其与等离子体卷流的宽度相比的尺寸，以及其构造材料。抗 热材料能确保偏转器可承受等离子炬3208附近出现的高温。本领域技术人员应容易知道，不同材料可被用于承受高等离子体温度。参照图33B并根据本发明的一个实施方式，气体操纵器是用于操纵等离子体卷流 3997的基于柯安达效应的偏转器3996。参照图34A和34B并根据本发明的一个实施方式，一个或多个流体喷射器 3208(例如，空气喷嘴)被用于重新导向由等离子炬3208产生的等离子体卷流3997。流体 喷射器是用于直接操纵等离子体卷流的主动装置的一个例子。在本发明的一个实施方式 中，流体喷射器是动态控制的，可选地结合控制系统，该控制系统被设计成调节和优化总体 的气体再形成工艺。图35A-D示出了可用于重新导向室中的等离子体卷流的偏转器的其他实施方式。 在本发明的一个实施方式中，如图35A-B所示，偏转器连接到等离子炬外壳。通过调整偏转 器的形状，可以控制等离子体卷流分散的分布。例如，图35B的偏转器给出比图35A的偏转 器更广的卷流分散。图35C-D示出了本发明的实施方式，其中，偏转 器不连接到等离子炬外壳。在本发 明的一个实施方式中，如图35D所示，偏转器连接到旋转轴。本领域技术人员应理解，偏转 器表面的光洁度(例如，光滑、粗糙或带有角度)将影响卷流分散。图36A-D示出了本发明的不同实施方式，其中旋转轴对象具有不平坦表面。边缘 的数量、炬和炬角度可被用于优化等离子体卷流和/或均勻地分布等离子体卷流，从而使 卷流与废气的接触最大化。在本发明的一个实施方式中，等离子炬直接指向室的中央。在本发明的一个实施方式中，如图36A所示，等离子炬成一定角度，使得等离子体 卷流的至少一部分撞击中央对象。可选地，等离子体卷流可被导向离开中央对象。在本发 明的一个实施方式中，如图36B所示，轴对象以与炬相反的角度旋转，导致迫使等离子体卷 流朝向室的外侧。在本发明的一个实施方式中，如图36C-D所示，等离子体卷流从偏转器反弹下来 并朝向中央轴。偏转器可安装在等离子炬外壳上，如图36C所示，或安装在室的壁上，如图 36D所示。图36C-D中的轴可在任何方向上旋转。可选地，用于安装等离子炬的口可用滑动安装机构来装配，以便于插入和从室移 除等离子炬，并可包括自动门阀，以便在抽出等离子炬之后密封该口。在本发明的一个实施 方式中，用于切向安装的等离子炬的口位于空气入口上方，以提供对等离子炬热的最大暴 露。这种安装机构可被改变，以允许气体激励源的位置的可调性。参照图38A并根据本发明的一个实施方式，等离子炬3208被定位成使得喷入室 3202的气体逆流流动到由此产生的等离子体卷流。本领域技术人员应容易理解，当等离子 炬的方向和位置改变时，等离子体卷流的空间分布也发生变化。在本发明的一个实施方式中，气体激励源(例如，等离子炬)被放置成使得所得到 的区域(例如，等离子体卷流)被定向成与初始气体的流动方向垂直。在本发明的一个实 施方式中，室是实质上柱状的，并且等离子体卷流被径向定向成与初始气体流的实质上轴 向流动垂直。可选地，初始气体流可被径向定向，而等离子体卷流被沿着实质上柱状气体提 炼室轴向定向。在本发明的一个实施方式中，室是实质上柱状的，并且等离子体卷流被切向 定向成与初始气体流的实质上轴向流动垂直。图39示出了柱状气体再形成室的横截面图，其具有气体激励源的各种布置，该各种布置导致所产生的气体激励场的形状和尺寸的相关变化。在本发明的一个实施方式中， 所使用的气体激励源可以是AC或DC等离子炬。图39A示出了切向导向进入室的两个气体 激励源。参照图39B，室包括三个电极，且弧在它们之间通过。气体通过该弧，并且等离子 体被形成，且气体被再形成。图39C示出了类似于图39B的实施方式，不同之处在于具有中 央接地电极，其中弧来自壁上的电极。本领域技术人员应理解，接地电极被电屏蔽，除了接 触点处。图39D示出了一个示例性实施方式，其中室包括多个气体激励源(直接指向中间， 如所示的，或以旋涡模式)，该多个气体激励源足以确保通过室的实质上所有气体被激励。 图39E和39F分别类似于图39B和39C的实施方式，但具有六个炬(3相或6相)。对于图 39B、39C、39E和39F的实施方式，较高数量的炬还可被类似地考虑。图40示出了本发明的两个示例性实施方式，其中，初始气体和/或预形成气体流 通过由气体激励源产生的气体激励场被直接引入再形成室。气体操纵器至少部分地操纵预形成气体的空间分布和相对于彼此的气体激励场， 以及它们的动力演变。混合操纵器在一些实施方式中，气体操纵器被设计和构造成实质上增强预形成气体和气体激 励场中的高能物类的混合。此外，气体操纵器还可增强贯穿工艺的紊流，从而导致提高的混
I=I O在本发明的一个实施方式中，工艺添加剂喷嘴的位置和定位被设计成增加紊流和
混合ο在一个实施方式中，气体操纵器为位于室中的一个或多个挡板，以诱发紊流以及 因此预形成气体的混合。不同挡板布置是本领域已知的，且包括但不限于横杆挡板、桥壁挡 板、阻塞环挡板布置以及类似布置。挡板还可位于初始气体入口处或附近，以确保初始气体 具有更均勻的组成和/或温度，并与工艺添加剂恰当地混合。参照图43A-B，紊流可在气体激励源之前或之后产生。图43C示出了用于产生紊流 的三个示例性实施方式⑴被动网格；(ii)利用旋转轴的主动网格；以及(iii)剪切发生 器。图45和46示出了用于产生紊流的装置的另外的示例性实施方式。在一个实施方式中，气体操纵器包括激励源的定位的设计，其可有助于预形成气 体和气体激励场中的高能物类的混合。激励源可因此被定位成优化气体再形成工艺；该定 位取决于各种因素，包括但不限于气体再形成室的设计。在本发明的一个实施方式中，两个 等离子炬被切向定位，以产生与空气和/或氧气输入产生的涡流方向相同的涡流方向。在 本发明的一个实施方式中，两个等离子炬被定位在沿着室的周边的直径位置处。工艺添加剂(上面讨论了其化学组成贡献)输入的布置基于各种因素，包括但不限于室的设计、期望的流量、喷射速度、穿透和混合。本发明考虑了工艺添加剂口和用于气 体激励源的口的各种布置。例如，氧气输入或口、流输入或口以及用于气体激励源的口可沿着室的周边成层 布置，从而允许气体激励区域、氧气和流的切向和成层喷射。在一个实施方式中，提供有沿 着室的周边布置成三层的九个氧气源口。在一个实施方式中，提供有沿着室的周边布置成 两层并直径定位的两个流输入口。在空气和/或氧气输入口成层布置的实施方式中，它们 可被布置成使混合效应最大化。
在本发明的一个实施方式中，空气和/氧气输入口被切向定位，从而允许较下水平输入口预混合气体，使其加热，以及开始气体中的涡流运动。上水平空气输入口可加速涡 流运动，由此允许再循环涡流模式被发展和维持。参照图44并根据本发明的一个实施方式，将被再形成的气体切向进入再形成室，导致涡流的形成。该实施方式还示出了被形状设计和定位成增强气体流和气体激励源的暴 露的示例性气体操纵器。在一个实施方式中，最下水平的空气输入口由四个喷射器构成，该四个喷射器将 预混合由下气化器产生的气体，并用炬使其加热。其他两个上水平的空气喷嘴提供主要动 量和氧气，以混合气体并使其炬加热到所需的温度。流输入或口的布置在数量、水平、方向 和角度方面是灵活的，只要它们位于能提供最佳能力来进行温度控制的位置就可以了。氧气和/或流输入口还可被定位成使得它们以与室的内壁成一个角度喷射氧气 和流进入室，这促进紊流或气体涡流。基于室直径和设计空气输入口流量和速度，该角度被 选择成实现足够的喷射穿透。该角度可在大约50°和70°之间变化。空气输入口可被布置成使得它们位于相同平面上，或被布置在顺次平面上。在一 个实施方式中，空气输入口被布置在下水平和上水平。在一个实施方式中，在下水平有四个 空气输入口，而在上水平有另外六个空气输入口，在该另外六个空气输入口中，三个输入口 稍微高于另外三个，以产生交叉喷射混合效应。可选地，空气可以按某一角度吹入室中，使得空气产生通过室的气体的旋转或循 环运动。气体激励源(例如，等离子炬)可被布置成某一角度，以提供流的进一步旋转。在本发明的一个实施方式中，空气和/或氧气和/或流输入包括抗高温的雾化喷 嘴或喷射器。恰当的空气喷嘴在本领域中是已知的，并可包括商业上可得到的类型，诸如图 47-48中图解的A类型喷嘴和B类型喷嘴。喷嘴可以是单个类型或不同类型。可基于功能 需求来选择喷嘴的类型，例如，A类型喷嘴用于改变空气流动的方向，以便产生期望的涡流， 而B类型喷嘴用于产生高速空气流动，以实现某种穿透以及最大混合。喷嘴可被设计成以期望的角度来导向空气。在一个实施方式中，空气喷射器被切 向定位。在一个实施方式中，通过在输入喷嘴的末端具有偏转器，来实现斜吹，从而允许入 口管道和凸缘与室成直角。在本发明的一个实施方式中，一个或多个空气喷射器(例如，空气涡流喷射器)被 定位在初始气体入口处或附近，以将少量空气喷射进入初始气体，并通过利用喷射空气的 速度来产生初始气体流的涡流运动。空气涡流喷射器的数量可基于设计空气流量和离开速 度而被设计成提供实质上最大涡流，使得射流可穿透至室的中央。催化操纵器催化操纵器包括催化剂，并增加能量转移的效率。催化剂通过减少达到平衡所需 的时间，来增加化学反应的速率。催化剂通过由各种机构提供从反应剂到产物的可选的以 及更容易的路径来工作，但在每种情况中，通过降低反应的激活能量来工作。均相催化剂存 在于反应剂相同的阶段中，并通过与反应分子或离子结合来起作用，以形成不稳定的中间 物。这些中间物与其他反应剂结合，以给出期望的产物并再生催化剂。非均相催化剂存在 于与反应剂和产物的阶段不同的阶段中。在气体或液体反应剂存在的情况下，它们通常是 固体。反应发生在非均相催化剂的表面。为此，催化剂通常为细颗粒固体，或具有提供高表面对体积比的颗粒形状。石油的裂解和碳氢化合物的再形成是非均相催化剂的使用的普通 工业应用。非均相催化剂的使用中的一个困难是它们中的大多数容易被“毒害”，其中反应 剂的不纯用非活性材料覆盖催化剂，或修改其表面，使得催化活性被丢失。经常，但不总是， 被毒害的催化剂可被纯化并被再次使用。气体再形成系统中的恰当催化剂的使用可通过提供可选的反应路径，来降低气体 再形成工艺所需的能量级。由催化剂提供的精确路径将取决于所使用的催化剂。气体再形 成系统中的催化剂的使用的可行性一般取决于它们的寿命。催化剂的寿命可通过“毒害”， 即，它们的催化能力由于气体的不纯而降级，被缩短。气体再形成系统可被设计成允许催化剂的简单替换。在本发明的一个实施方式 中，催化剂以安装在滑动机构上的床的形式被并入气体再形成室。滑动机构允许催化剂床 的简单移除和替换。该床可被插入在气体再形成系统中的各种位置。在本发明的一个实施方式中，来自气化室的处于高温的废气与催化剂接触，使得 废气流在暴露于气体激励场之前经历再形成，该催化剂有效降低气体再形成所需的能量阙 值。因此，在本发明的一个实施方式中，气体再形成系统包括位于气体激励源的上游位置处 的催化剂。在一个实施方式中，如图57所公开的，催化床在气体激励源(例如，等离子炬) 之前和/或之后被插入。催化能力还将取决于操作温度。对于各种催化剂，恰当的操作温度的范围在本领 域中是已知的。气体再形成系统可包括足够的冷却机构，以确保催化剂被维持在它们的最 佳操作温度范围内。诸如蒸气、水、空气、氧气或再循环再形成气体的添加剂可被添加，以帮 助增加或降低催化剂床附近的温度。本领域技术人员应理解，被选择来控制温度的特定添 加剂将取决于催化剂床的位置和那里的气体温度。催化剂表面的不规则以及大的有机分子和该表面之间的良好接触将增加再形成 为较小分子，诸如H2和CO的机会。可被使用的催化剂包括但不限于橄榄石、煅烧橄榄石(calcinedolivine)、白云 石、氧化镍、氧化锌和炭。橄榄石中的铁和镁的氧化物的存在使它具备再形成较长的碳氢分 子的能力。本领域技术人员应理解，要选择在系统的气体环境中不快速降级的催化剂。非金属催化剂和金属催化剂都可被用于提高再形成工艺。煅烧形式的白云石是最 广泛使用的非金属催化剂，其用于来自生物体气化工艺的气体的再形成。它们是相对便宜 的，并被考虑为可丢弃的。当白云石与蒸气一起操作时，催化效率是高的。而且，最佳温度 范围在大约800°C和大约900°C之间。在较高温度时，白云石的催化活性和物理属性降级。白云石是钙镁矿石(calcium magnesium ore)，其一般化学式为CaMg(C03)2，在重 量基础上包含20% Mg0,30% CaO以及45% C02，并具有其他较小的矿物不纯度。白云石的 煅烧涉及含碳矿物的分解，从而消除C02以形成MgO-CaO。白云石的完全煅烧发生在相当高 的温度下，并通常在800°C -900°C时预形成。因此，白云石的煅烧温度将该催化剂的有效使 用限制在这些相对高的温度。作为另一种自然发生的矿物的橄榄石也被证明具有与煅烧白云石相似的催化活 性。典型地，橄榄石比煅烧白云石更坚固。可被使用的其他催化材料包括但不限于碳酸盐岩、白云质石灰岩以及碳化硅 (SiC)。
炭在低温时可起到催化剂的作用。在本发明的一个实施方式中，气体再形成系统 可操作地连接到气化器，并且气化器内产生的至少一部分炭被移动到气体再形成系统，以 用作催化剂。对于利用炭作为催化剂的实施方式，催化剂床被典型地放置在诸如由等离子 炬提供的激励区域之前。图49示出了用作再形成室中的催化剂的固定炭床。用于催化的炭可从如图50所 示的气化器中获得。当气体再形成室可操作地连接到气化器并用于再形成从其产生的气体 时，这可以是特定的可适用的。一旦炭失去其催化属性，则该炭可被移动到残余物调节室 (residueconditioning chamber)或炭转化器。图51示出了可操作地连接到基于等离子炬的气体再形成室的气化器的一个示例 性构造，其中，气化器中产生的炭有助于由气化产生的废气的催化裂化。在气化器的较后阶 段中实现的催化裂化之后是由于气体与由等离子炬产生的气体激励场的暴露的进一步气 体再形成。还可使用如将被本领域技术人员容易已知的各种类型的气化器，如流化床气化 器以及气流床气化器(entrained flow gasifier)。在本发明的一个实施方式中，初始气体被加热至900-950 °C的温度，并通过基于镍 的催化剂，由此，包括甲烷的焦油组成和轻碳氢化合物被转化成CO和H2。在初始气体包含 最少量的硫物类(诸如硫化氢)时，基于镍的催化剂可以是特定有用的，其中初始气体诸如 例如，由生物体的气化产生的气体。基于镍的催化剂的寿命可通过使用诸如稀有金属的促 进剂而被提高。在本发明的一个实施方式中，如图52所示，催化床刚好被安装在气化器之后，并 转化大多数挥发物。催化床的入口温度可通过燃烧小馏分的挥发物而被从600°C升高到 950°C。催化床的出口温度预期会降到850°C，且出口气体被供入气体激励场，以便进一步再 形成。为此，气体激励区域可在1000°C下被操作，并且所得到的合成气被送到换热器，以开 始接下来的气体清洁工艺。在本发明的一个实施方式中，如图53所示，来自气化器的挥发物通过气体激励区 域，在该气体激励区域，温度在大约9oo°c和大约iooctc之间。催化床被用于进一步再形 成。合成气的温度被预期在催化床的出口处降到850°c。它随后被送到形成气体稳定区域 的一部分的热交换器或换热器。在本发明的一个实施方式中，如图54所示，在催化床之前实现热收回。在大约 1000°c的温度下，在气体激励区域中，来自气化器的挥发物中的大部分被再形成。热输出气 体通过热交换器(或换热器)，以预加热工艺空气，之后其温度降到大约700°c。被冷却的 合成气随后通过燃烧其小馏分而被加热到900°C，并被供入催化床。在850°C下所得到的合 成气被可选地输送，以便进行进一步气体清洁。对于催化床被放置在激励场之前的实施方式，气体温度典型地适合用于高催化活 性。然而，对于催化床位于诸如由等离子炬产生的激励场之后的实施方式，对于大多数典型 的催化剂，诸如橄榄石、白云石以及很多其他催化剂，气体温度可能太高。气体温度可通过 冷却流体的循环，如图55所示，而被降低到恰当的水平(以避免催化剂床的降级)。恰当的 冷却流体可包括但不限于再循环再形成气体(如图56的实施方式中所示)、水和蒸气。对于催化剂床位于换热器(热交换器)之后的实施方式，再形成气体的再循环流 可被插入在换热器之前或之后。
在本发明的一个实施方式中，再形成区域包括催化剂床，且催化操纵器还被设计 成增强预形成和/或再形成气体对催化剂床的暴露。气体稳定区域该系统提供了一个或多个稳定区域，由此，新形成的分子被去能(例如，被冷却或 从催化剂或激励源的影响移除)，以确保它们维持设计的特征，例如，设计的化学组成。进入稳定区域的气体的温度的范围从大约400°C到1000°C以上。温度可可选地通 过气体再形成系统的稳定区域中的热交换系统降低，该热交换系统从再形成气体收回热， 并因此冷却再形成气体。为了下游的应用和部件，这种气体温度的降低可以是必要的。参照图22B，气体再形成室3002的稳定区域的形状可被特定地设计成促进去能以 及新形成的分子的稳定。气体再形成室3002是一般的柱形室，其具有位于等离子体的下游 或可选地邻近一个或多个再形成气体出口 3006的球状膨胀。球状膨胀允许气体的去能，并 从而稳定新形成的分子。可选的热回收装置在稳定区域或稳定区域的下游，热可被收回。收回的热可被用于各种用途，包括但 不限于以下用途加热工艺添加剂(例如，空气、蒸气)，以便进行气体再形成工艺；在结合 的循环系统中生产电力。再生的电可被用于驱动气体再形成工艺，由此减少本地电消耗的 花费。所捕获的热的量取决于各种因素，包括但不限于初始气体和再形成气体的特征(例 如，化学组成、流速)。在本发明的一个实施方式中，从气体再形成系统的稳定区域收回的热被供应到与 气体再形成系统一起操作的气化系统。热交换器可结合控制系统来操作，该控制系统可选 地被设置成最小化能量消耗并最大化能量产生/再生，以便得到提高的效率。在本发明的一个实施方式中，气体对流体热交换器被用于稳定区域中，以将热从 预形成气体转移到流体，导致加热的流体和冷却的气体。热交换器包括用于转移预形成气 体和流体到热交换器以及从热交换器转移预形成气体和流体的装置(例如，导管系统)。合 适的流体包括但不限于空气、水、油或其他气体，诸如氮气或二氧化碳。导管系统可可选地采用一个或多个调节器(例如，鼓风机)，该一个或多个调节器 被恰当地定位，以管理预形成气体和流体的流速。这些导管系统可被设计成最小化热损失， 以提高可从预形成气体收回的可感热的量。热损失可例如通过使用围绕导管的绝缘屏障和 /或通过减小导管的表面积而被最小化，该绝缘屏障包括本领域中已知的绝缘材料。在本发明的一个实施方式中，气体对流体热交换器是气体对空气热交换器，其中， 热从预形成气体转移到空气，以产生被加热的交换空气。在本发明的一个实施方式中，气体 对流体热交换器是热收回蒸气发生器，其中，热被转移至水，以产生被加热的水或蒸气。可使用不同种类的热交换器，包括壳式和管式热交换器(shell andtube heat exchanger)，它们是直的单通设计和U管多通设计，并包括盘型热交换器。对恰当的热交换 器的选择是在本领域技术人员的知识范围内的。因为在气体中可存在颗粒物质，因此气体对空气热交换器典型地被设计用于高量 级的颗粒加载。典型地，颗粒尺寸的范围为从大约0.5到大约100微米。在图58所描绘的 一个实施方式中，热交换器是单通竖直流动热交换器5104B，其中，预形成气体5020在管侧 中流动，且空气5010在壳侧上流动。预形成气体5020以“一次通过”设计的方式竖直流动，
27这使可发生堆积颗粒物质或由于颗粒物质而腐蚀的区域最小化。再形成气体的速度应被维 持在足够高以便自清洁，同时仍然使腐蚀最小化，并且范围可从大约3000到大约5000mm/
seco由于空气输入温度和热产物气体的显著差别，气体对空气热交换器中的每个管道 优选地具有各自的膨胀式风箱，以避免管道破裂。在单个管道变得塞紧时，可发生管道破 裂，并且因此剩余管束不在膨胀/收缩。在空气压力大于预形成气体压力的那些实施方式 中，由于空气进入气体混合物而引起的问题，管道破裂呈现出高度危害性。在热被收回在气体对流体热交换器中之后，对于位于进一步下游的系统而言，被 冷却的再形成气体可仍包含太多的热。在调节之前选择恰当的系统以便进一步冷却产物气 体是在本领域技术人员的知识范围内的。在一个实施方式中，如图59所示，热再形成气体5020通过气体对空气热交换器 5103，以产生部分冷却的再形成气体5023和加热的交换空气5015。输入热交换器的空气 可通过工艺空气鼓吹机来提供。部分冷却的再形成气体5023经历干淬火步骤6103 (dry quench step)，其中，受控量的雾化水6030的增加导致进一步冷却的产物气体5025。再形成气体的冷却还可使用湿式、干式或混合冷却系统来实现。湿式和干式冷却 系统可以是直接的或间接的。恰当的冷却系统在本领域中是已知的，且因此，本领域技术人 员鉴于系统的需要，将能够选择恰当的系统。在一个实施方式中，冷却系统是湿式冷却系统。湿式冷却系统可以是直接的或间 接的。在使用间接湿式冷却的冷却系统中，提供了从再形成气体吸收热的循环冷却水系统。 通过经过一个或多个冷却塔的蒸发，热被排出到大气。可选地，为了促进水节约，水蒸汽被 冷凝并以闭环而返回到系统。在一个实施方式中，冷却系统是干式冷却系统。干式冷却系统可以是直接的或 间接的。在一个实施方式中，干式冷却系统是通风干式冷却系统(draft dry cooling system)。尽管干式冷却将适度地增加设备的成本，但它可能在领域中是优选的，因为它具 有有限的水供应。在一个实施方式中，合成气冷却器是辐射气体冷却器。各种辐射气体冷却器在本 领域中是已知的，并包括美国专利申请No. 20070119577以及美国专利No. 5，233，943中公 开的那些辐射气体冷却器。再形成气体还可通过诸如急冷器(quencher)的蒸发中的直接水蒸发而被冷却。再形成气体的离开温度还可通过再循环通过恰当定位的入口来降低，冷却的再形 成气体到达再形成系统的稳定区域，以便与新产生的再形成气体混合。可选的气体添加剂区域可选地，室可包括用于将工艺添加剂，诸如氧气源、二氧化碳、其他碳氢化合物或 附加的气体喷射进入室的一个或多个工艺添加剂口。本领域中已知的氧气源包括但不限于 氧气、富有氧气的空气、空气、氧化媒介、蒸气以及如本领域技术人员将容易理解的其他氧 气源。在一个实施方式中，室包括用于空气和/或氧气输入的一个或多个口以及可选地用 于蒸气输入的一个或多个口。诸如空气、蒸气和其他气体的工艺添加剂的可选添加还可在没有专用于它们的喷 射到入口的情况下实现。在本发明的一个实施方式中，工艺添加剂可添加到气体源或导管中，气体再形成系统从该气体源或导管获得其初始气体流。工艺添加剂还可通过诸如等离子炬的气体激励源添加到室。 可选地，可提供口或入口，使得不满足质量标准的再形成气体可被再循环进入室， 以便进一步处理。这种口或入口可以按各种角度和/或位置定位，以促进室内的物质的紊 流混合。可包括一个或多个口，以允许工艺温度、压力、气体组成和感兴趣的其他条件的测量。可选地，提供塞子、盖、阀和/或门，以密封室3002中的一个或多个口或入口。恰 当的塞子、盖、阀和/或门在本领域中是已知的，并可包括手动操作或自动的塞子、盖、阀和 /或门。口还可包括恰当的密封件，诸如密封盖(sealing gland)。可选的气体清洁区域可选地，系统包括一个或多个气体清洁区域，其位于气体稳定区域的下游。本发明 的包括一个或多个气体清洁区域的实施方式包括在气体离开系统之前将清洁气体的物质 喷射进入室的装置。例如，氧气和/或蒸气可通过抗高温雾化喷嘴来雾化，并被喷射进入室 以清洁稳定的再形成气体。可选的进一步处理在被在下游应用中利用、存储或烧掉之前，稳定的再形成气体流可经历进一步处 理。例如，再形成气体可通过气体调节系统，在该气体调节系统中，颗粒物质、酸性气体 (HC1、H2S)和/或重金属可被移除，且气体的温度和/或湿度可被调节。例如，灰尘颗粒，如 果存在，则可使用包括电过滤器或纤维袋式过滤器(fabric baghouse filter)的文氏涤气 器(venture scrubber)从气体中被移除。再形成气体还可通过均化室，其停留时间和形状被设计成鼓励再形成气体的混 合，以减弱其波动特征。气体再形成室参照图3并根据本发明的一个实施方式，气体再形成系统3000的室3002包括一 个或多个初始气体入口 3004、一个或多个再形成气体出口 3006、一个或多个气体激励源 (例如，等离子体源)3008，以及可选地一个或多个工艺添加剂(例如，氧气)输入3010、气 体操纵器(图中未示出)，和控制系统。在一个实施方式中，如图4所示，气体再形成系统3000被设计成使得室3002被直 接连接到气体源(例如，气化器、气体存储箱)并与其气体连通。为了便于维护和维修，气 体再形成系统3000可可选地被可逆地连接到气化器，使得在必要时，气体再形成系统3000 可被移除。在一个实施方式中，如图5所示，气体再形成系统3000为独立单元，其经由单独的 管或管道从两个气体源接收初始气体。在一个实施方式中，如图6所示，单独的气体流在它 们被喷射进入气体再形成系统3000之前组合。在独立单元中，气体再形成系统可进一步包 括恰当的支撑结构。感应鼓风机可设置在室的下游，并与其气体连通，以将室的压力维持在期望的压 力，例如大约0到-5毫巴的压力。发生在室内的气体再形成工艺的效率取决于各种因素，包括但不限于室内部容积和几何机构、气体流速、气体行进距离和/或气体通过室的路径(即，直的线性通路或涡流 的、气旋的、螺旋的或其他非线性路径)。因此，室的形状和尺寸必须被设计成获得其中的气 体的期望的流动动力学。例如，空气喷射器可被用于促进通过室的气体的涡流流动，使得气 体的通路是非线性的。总的气体再形成系统的流动模型可被用于确保，特定的室设计促进 设计的气体再形成所需的条件(例如，工艺输入的恰当的相互作用)。气体再形成系统的一个或多个室可被设计成各种形状，并被设置在各种位置，如本领域技术人员将容易理解的。室可被实质上竖直地、实质上水平地或成某一角度地定向。在本发明的一个实施方式中，室是直的管状或文氏状结构，其包括第一(上游)端 部和第二(下游)端部，并被定向在实质上竖直位置或实质上水平位置。在本发明的一个 实施方式中，室是直的柱体，其长度对直径比的范围在大约2到大约6之间，并具有对可实 现的气体速度的相关作用。在一个实施方式中，室的长度对直径比是3 1。在一个实施方式中，如图60A所示，室3202被构造成直接连接到气化器，并且是直 的实质上竖直的耐火材料衬里的加盖的柱状结构，且具有开放的底部(上游)端部3204和 邻近或位于室的顶部(下游)端部的一个再形成气体出口 3206。室的顶部(下游)端部 可加盖有耐火材料衬里的盖子3203，该盖子3203可被可移除地密封到室，以便于维护或维 修。室的壁可衬有耐火材料或以其他方式制造成耐高温。室可封装有水套，以便冷却 和/或产生蒸气或收回可使用的炬热。室可具有多个壁，以及用于热收回的冷却机构，且气 体再形成系统还可包括热交换器，以便实现高压/高温蒸气产生，或气体热收回能力。适于用作高温未加压室的传统的耐火材料对于本领域技术人员是公知的，并包括 但不限于高温烧制的陶瓷，即氧化铝、氮化铝、硅酸铝、氮化硼、磷酸锆、玻璃陶瓷以及高铝 砖，高铝砖主要包括硅石、氧化铝、色素(chromia)和二氧化钛、陶瓷毯和隔热耐火砖。诸如 DidierDidoflo 89CR和Radex Compacflo V253的材料可用于需要更坚固的耐火材料的情 况下。在一个实施方式中，耐火材料设计具有多层，该多层在内侧上具有高密度层，以抵 抗室内存在的高温、腐蚀和侵蚀，并提供散热装置以减小气体属性的波动。在高密度材料 的外侧是较低密度材料，该较低密度材料具有较低的抗腐蚀属性但具有较高的隔热因子。 可选地，该层外侧是非常低密度的泡沫板材料，该非常低密度的泡沫板材料具有可被使用 的非常高的隔热因子，因为它将不会被暴露于可存在于室内的侵蚀性环境。多层设计可进 一步可选地包括外层，该外层位于泡沫板和容器壳之间，其是陶瓷毯材料，以提供顺应层 (compliant layer)，以允许固体耐火材料和容器壳之间的不同膨胀。用于多层耐火材料的 恰当材料在本领域中是公知的。在一个实施方式中，多层耐火材料可进一步包括不可压缩的耐火材料的可压缩的 耐火材料分离部分的片段，以允许耐火材料的膨胀。可选地，可压缩层可通过重叠可延伸到 高密度耐火材料，而被保护免受腐蚀。在一个实施方式中，多层耐火材料可包括内部定向的 色素层；中间氧化铝层和外部隔离板层。在本发明的一个实施方式中，室包括达到大约17英寸或更多的贯穿整个室的特 定选择的耐火衬里的层，以确保最大保存正在处理的热，而不受处理过程中形成的活性中 间物的化学反应的影响。
位于室的底部部分的耐火衬里可更易于磨损和恶化，因为它必须承受来自等离 子炬热的操作源的更高的温度。因此，在一个实施方式中，较低部分中的耐火材料被设计 成包括比室壁和顶部上的耐火材料更持久的“热面”耐火材料。例如，壁和顶部上的耐火 材料可以由DIDIERRK30砖制成，且用于较低部分的不同的“热面”耐火材料可以用RADEX C0MPAC-FL0 V253 制成。在室是耐火材料衬里的实施方式中，室的壁可可选地包括用于耐火材料衬里或耐 火材料锚件的支撑物。室可还具有用于固体颗粒物质的收集器。对于室是结合气化器来操作的实施方 式，被收集的任何物质可被供入气化器以便进一步处理或供入固体残余物调节室，以便进 一步处理。本领域已知的用于固体颗粒物质的收集器包括但不限于离心分离器、惯性碰撞 挡板或过滤器。对于气体再形成系统被直接连接到气化器的实施方式，可不需要附加的固 体颗粒收集器，因为所形成的颗粒可部分地直接落回到气化器中。用于室的口、入口和出口室包括将初始气体供入室以便再形成的一个或多个初始气体入口，以及使再形成 气体进一步前进到下游的一个或多个再形成气体出口。入口可包括开口，或可选地，可包括 控制进入室的初始气体的流量的设备和/或将初始气体喷射进入室的设备。设备可包括用 于初始气体的恰当喷射的气体操纵器，以便实现提高的再形成，和/或包括用于测量初始 气体的各种特征的感测元件。初始气体入口可被并入，以提高顺流、逆流、径向、切向或其他供给流动方向。在一 个实施方式中，单个初始气体入口具有渐增的锥形形状。初始气体入口可位于室的第一端部或上游端部处或附近。在一个实施方式中，入 口包括室的开放的第一端部，由此，它与气体源例如气化器直接气体连通。在一个实施方式 中，入口包括位于室的闭合的第一(上游)端部的开口。在一个实施方式中，入口包括一个 或多个开口，该一个或多个开口位于室的壁中，并邻近于第一(上游)端部。在气化器和气体再形成系统被直接连接的实施方式中，位于气化器上的用于连接 到气体再形成系统的连接部位可被有策略地定位，以在初始气体进入室之前优化气体流动 和/或最大化初始气体的混合。在一个实施方式中，该室位于气化器的中央。在室被连接到一个或多个气化器的实施方式中，室的一个或多个初始气体入口可 通过公共开口或如图5所示的开口与一个或多个气化器直接连通，可经由管道3009或经由 恰当的导管而被连接到气化器。再形成反应中产生的再形成气体通过位于第二或下游端部处或附近的一个或多 个再形成气体出口离开室。出口可包括开口，或可选地，可包括控制离开室的再形成气体的 流量的设备。设备可包括用于测量再形成气体的各种特征的感测元件。在一个实施方式中，出口包括室的开放的第二(下游)端部。在一个实施方式中， 出口包括位于室的闭合的第二(下游)端部的一个或多个开口。在一个实施方式中，出口 包括一个或多个开口，该一个或多个开口位于室的壁中，且接近第二(下游)端部。室可选地包括各种口，该各种口包括一个或多个工艺添加剂口、用于气体激励源 的一个或多个口、可选地一个或多个进入口、观察口和/或仪器口。气体激励源包括但不限 于基于等离子体的源(如，等离子炬)、氢燃烧器和可选的次级源。口、入口和出口可以按各种角度和/或位置被并入，以增强室内的反应剂流量的相互作用。控制系统控制系统可被提供，以控制各种系统和/或这里所公开的子系统中和/或由各种系统和/或这里所公开的子系统实施的一个或多个工艺，和/或提供对这里所考虑的一个 或多个工艺设备的控制，以便影响这些工艺。一般来说，控制系统可可操作地控制与给定 系统、子系统或其部件相关的，和/或与诸如气化系统的较大系统内实施的一个或多个全 局的工艺相关的各种局部和/或区域工艺，并由此调节其适于影响这些工艺的各种控制参 数，以便得到定义的结果，其中本发明的各种实施方式可在该较大系统内被操作或与该较 大系统配合来操作。各种感测元件和响应元件可因此贯穿该受控系统被分布，或关于其一 个或多个部件被分布，并用于取得各种工艺、反应剂和/或产物特征，并将这些特征与这些 特征的有助于实现期望的结果的合适的范围进行对比，并通过经由一个或多个可控制的工 艺设备实施一个或多个行进的工艺的改变来响应。控制系统一般包括，例如，一个或多个感测元件，该一个或多个感测元件用于感测 与系统、其中实施的工艺、由此提供的输入和/或由此产生的输出相关的一个或多个特征。 一个或多个计算平台被可通信地连接到这些感测元件，以便得出代表所感测的特征的特征 值，并被构造成将特征值与这些值的预定的范围进行对比，并计算出有助于用该预定的范 围维持特征值的一个或多个工艺控制参数，其中该预定的范围被定义成表示这些特征适于 被选择的可操作的和/或下游结果的特征。多个响应元件可因此被可操作地连接到一个或 多个工艺设备，并可通信地连接到计算平台以便得出所计算的工艺控制参数，并根据其来 操作工艺设备，其中，该一个或多个工艺设备可操作，以影响系统、工艺、输入和/或输出， 并由此调节所感测的特征。在一个实施方式中，控制系统提供了与含碳进料转化成气体相关的各种系统、工 艺、输入和/或输出的反馈、前馈和/或预测控制，以便提高关于其实施的一个或多个工艺 的效率。例如，各种工艺特征可被评估和可控制地调整，以影响这些工艺，该各种工艺特征 可包括但不限于进料的加热值和/或组成、产物气体的特征(例如，加热值、温度、压力、流 量、组成、碳含量等)、允许这些特征的变化的程度，以及输入的成本对输出的值。对各种控 制参数的连续的和/或实时调整，可以按一种方式被执行，由此，一个或多个工艺相关的特 征被得到并根据设计和/或下游规格而被优化，其中各种控制参数可包括但不限于热源功 率、添加剂供给速率(例如，氧气、氧化物、流等)、进料供给速率(例如，一个多个分离的和 /或混合的供给)、气体和/或系统压力/流量调节器(例如，鼓风机、减压和/或控制阀、 锥形孔等)，以及类似物。在利用纯前馈控制的系统中，系统环境以测量扰动的形式的改变导致与利用反馈 控制的系统形成对比的预定的响应，以维持系统的期望状态。因此，前馈控制可不具有反馈 控制的稳定性问题。在遇到以下前提时，前馈控制可以是极其有效的扰动必须是可测量的、对系统的 输出的扰动的效应必须是已知的，以及扰动影响输出所花的时间必须比前馈控制器影响输 出所花的时间长。前馈控制可对已知的和可测量的类型的扰动作出更快速的响应，而不能对新的扰 动作出快速的响应。相反，反馈控制处理期望系统行为的任何偏差，而要求系统的被测变量(输出)对扰动作出反应，以便注意到该偏差。前馈控制和反馈控制并非相互排他的；它们可组合，使得由于前馈控制可提供快 速响应，而反馈系统清除由前馈系统作出的预定调整的任何误差。在本发明的一个实施方式中，可使用模型预测控制技术。在矫正或反馈控制中，经由恰当的感测元件监测的控制参数或控制变量的值与规 定值或范围相对比。控制信号基于两个值之间的偏差而被确定，并被提供给控制元件，以 便减小该偏差。应领会，传统的反馈或响应控制系统可进一步被改变以包括适应性和/或 预测性部件，其中，对给定条件的响应可根据模型的和/或先前监测的反应来修改，以对所 感测的特征提供反应性响应，同时限制补偿动作中的潜在逸出。例如，为给定系统构造提供 的获得的和/或历史的数据可被合作性地用于调整对系统和/或工艺特征的响应，系统和 /或工艺特征被感测以处于从最佳值的给定范围内，为了实现该最佳值，先前的响应已被监 测和调整，以提供希望的结果。这些适应性和/或预测性的控制方案在本领域中是公知的， 并因此，不被认为背离本公开内容的一般范围和本质。可选地，或其附加，控制系统可被构造成监测给定系统的各种部件的操作，以便确 保恰当的操作，并可选地，以便确保由此实施的工艺在受控的标准内，当这种标准实施时。根据一个实施方式，控制系统可进一步被用在监测和控制给定系统的总的高能冲 击。例如，给定系统可被操作，以使得其高能冲击例如，通过优化由此实施的一个或多个工 艺，或再次通过增加由这些工艺产生的能量(例如，废热)的再生而被降低，或再次被最小 化。可选地，或其附加，控制系统可被设置成调整经由受控工艺产生的产物气体的组成和/ 或其他特征(例如，温度、压力、流量等)，使得这些特征不仅适合于下游使用，而且实质上 被优化，以便实现有效和/或最佳使用。例如，在产物气体被用于驱动给定类型的气体引擎 以便生产电力的实施方式中，产物气体的特征可被调整，使得这些特征与最佳输入特征最 佳匹配，以用于这种引擎。在一个实施方式中，控制系统可被设置成调整给定工艺，使得关于反应剂和/或 产物在各种部件中的停留时间，或关于总工艺的各种工艺的限制或性能纲要被满足和/或 优化。例如，上游工艺速率可被如此控制，以实质上匹配一个或多个接下来的下游工艺。此外，在各种实施方式中，控制系统可被调整以便适应给定工艺的各种方面的以 连续和/或实时方式的顺次和/或同时控制。一般来说，控制系统可包括适合于手边的应用的任何类型的控制系统结构。例如， 控制系统可包括实质上集中的控制系统、分布的控制系统或其组合。集中的控制系统将一 般地包括中央控制器和响应元件，该中央控制器被设置成与各种本地和/或远程感测设备 相通信，该响应元件被设置成分别感测与受控工艺相关的各种特征，并经由适于直接或间 接影响受控工艺的一个或多个可控制的工艺设备来对其作出响应。使用集中的结构，大多 数计算经由集中的处理器来集中实施，使得用于实施工艺的控制的大多数必要的硬件和/ 或软件位于相同的位置。分布的控制系统将一般地包括两个或更多个分布控制器，该两个或更多个分布控 制器可分别与相应的感测和响应元件相通信，以便监测局部和/或区域特征，并经由被设 置成影响局部工艺或子工艺的局部和/或区域工艺设备对其作出响应。通信还可经由各种 网络构造在分布的控制器之间发生，其中，经由第一控制器感测的特征可被通信至第二控制器，以便由此作出响应，其中，这种远程响应可对在第一位置感测的特征具有影响。例如， 下游产物气体的特征可通过下游监测设备感测，并通过调整与由上游控制器控制的转化器 相关联的控制参数而被调整。在分布的结构中，控制硬件和/或软件也分布在控制器之间， 其中，相同但模块化设置的控制方案可在每个控制器上实施，或各种合作性模块化控制方 案可在各自的控制器上实施。可选地，控制系统可被细分成独立的但通信地连接的局部、区域和/或全局控制 子系统。这种结构可允许给定工艺或系列相关工艺发生，并被局部地控制，同时与其他局部 控制子系统的相互作用最小。全局总控制系统可随后与每个相应的局部控制子系统相通 信，以对局部工艺作出必要的调整，以便得出全局的结果。本发明的控制系统可使用任何以上结构，或本领域中公知的任何其他结构，它们 被认为在本公开内容的一般范围和本质内。例如，受控的并在本发明的环境内实施的工艺 可在专门的局部环境中控制，该专门的局部环境具有与用于相关的上游或下游工艺的任何 中央和/或远程控制系统的可选的外部通信，当适用时。可选地，控制系统可包括区域和/ 或全局控制系统的子部件，该子部件被设计成配合地控制区域和/或全局工艺。例如，模块 化控制系统可被设计成使得控制模块相互作用地控制系统的各种子部件，同时提供区域和 /或全局控制所需的相互模块通信。控制系统一般地包括一个或多个中央的、网络化的和/或分布的处理器、用于从 各种感测元件接收当前感测的特征的一个或多个输入，以及用于使新的或升级的控制参数 通信至各种响应元件的一个或多个输出。控制系统的一个或多个计算平台还可包括用于 在其中存储各种预定的和/或再调整的控制参数的一个或多个本地和/或远程计算机可读 取媒介(例如，ROM、RAM、可移除的媒介、本地和/或网络接近媒介等)、设定的或优选的系 统和工艺特征操作范围、系统监测和控制软件、操作数据以及类似物。可选地，计算平台还 可具有直接或经由各种数据存储设备的入口，以处理模拟数据和/或系统参数最佳化和建 模装置。并且，计算平台还装备有一个或多个可选的图解的使用者界面和输入外部设备，以 便提供通向控制系统的管理入口(系统升级、维护、修改、对新的系统模块和/或设备的适 应等)，以及各种可选的输出外部设备，以便与外部源(如，调制解调器、网络连接、打印机 等)进行数据和信息通信。处理系统和子处理系统中的任何一个可包括排他性硬件或硬件和软件的任何组 合。子处理系统中的任何一个可包括比例(P)、积分(I)或微分(D)控制器中的一个或多个 的任何组合，例如P控制器、I控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器。对于本领域技术 人员将明显的是，P、I和D控制器的组合的理想选择取决于气化系统的反应工艺部分的动 力学和延迟时间和该组合要控制的操作条件的范围，以及该组合控制器的动力学和延迟时 间。对于本领域技术人员将明显的是，这些组合可以按模拟硬连线的形式而被实施，该模拟 硬连线的形式可经由感测元件连续地监测特征的值，并将其与规定值进行对比，以影响相 应的控制元件来经由响应元件作出足够的调整，以减小观察值和规定值之间的差。对于本 领域技术人员将进一步明显的是，该组合可以在混合的数字硬件软件环境中实施。附加地 任意取样、数据采集以及数字处理(digital processing)的相关效应对于本领域技术人员 是公知的。P、I、D组合控制可在前馈和反馈控制方案中实施。控制元件
本环境内考虑的感测元件，如以上所定义和描述的，可包括但不限于监测产物气 体的气体化学组成、流速和温度的元件；监测温度的元件；监测压力的元件；监测气体的不 透明度以及与气体激励源相关的各种参数(例如，功率和位置)的元件。在再形成气体中所得到的H2 CO比取决于不限于操作方案的各种因素，以及处 理温度、湿度和初始气体的H2 CO比。气化技术一般产生从高至6 1到低至1 1的 H2 CO比的产物气体，最佳H2 CO比由下游应用来规定。在一个实施方式中，所得到的 H2 CO比的范围为从大约1.1到大约1.2。在一个实施方式中，所得到的吐CO比为 1. 1 1。考虑到以上因素中的一个或多个，本发明的控制系统通过调整所施加的气体激 励场(例如，等离子炬热)和工艺添加剂(例如，空气、氧气、碳、蒸气)之间的平衡，来在 H2 C0比的可能范围中调整再形成气体的组成，从而允许再形成气体组成被优化，以便用 于特定的下游应用。许多操作参数可被规律地或连续地监测，以确定气体再形成系统是否在最佳设定 点内操作。被监测的这些参数可包括但不限于再形成气体的化学组成、流速和温度；系统 内的各种点处的温度；系统的压力；以及与气体激励源相关的各种参数(例如，等离子炬的 功率和位置)，并且数据被用于确定是否需要对系统参数进行调整。再形成气体的组成和不透明度产物气体可使用技术人员公知的方法被取样和分析。可用于确定产物气体的化学 组成的一种方法是通过气体色层(GC)分析。用于这些分析的取样点可贯穿系统来定位。在 一个实施方式中，气体组成使用测量气体的红外光谱的傅里叶变换红外(FTIR)分析仪来测量。本发明的一部分是确定再形成气体流中是否存在太多或太少的氧气，并相应地调 整工艺。在一个实施方式中，一氧化碳流中的分析仪和感测器检测二氧化碳或其他合适的 参考富氧的物质的存在和浓度。在一个实施方式中，氧气被直接测量。在本发明的一个实施方式中，可使用热重分析仪(TGA)。在一个实施方式中，感测器分析再形成气体对于一氧化碳、氢气、碳氢化合物以及 二氧化碳的组成。基于所分析的数据，控制器发送信号到氧气和/或蒸气入口，以控制喷射 进入室的氧气和/或蒸气的量，和/或发送信号到气体激励源。在一个实施方式中，一个或多个可选的不透明度监测器被安装在系统内，以提供 不透明度的实时反馈，由此提供可选的机构，以便使工艺添加剂输入速率，主要为蒸气，自 动维持在最大可允许的浓度以下的颗粒物质的量级。系统中的各种位置处的温度在一个实施方式中，提供了监测再形成气体的温度和位于贯穿系统的部位处的温 度的装置，其中，这些数据在连续基础上获得。用于监测室中的温度的装置，例如，可位于室 的外侧壁上，或室的顶部、中间和底部的耐火材料内部。此外，提供了用于监测再形成气体 的离开温度的感测器。在一个实施方式中，根据需要，用于监测温度的装置通过安装在系统中的位置处 的热电偶来提供。系统压力
在一个实施方式中，提供了监测室内的压力的装置，其中，这些数据在连续基础、 实时基础上获得。在另一个实施方式中，这些压力监测装置包括位于反应容器上的任何地 方，例如，反应容器的竖直壁上的诸如压力传感器或压力计接口(pressure tap)的压力感 测器。气体流动速率在一个实施方式中，提供了监测位于贯穿系统的部位处的再形成气体的流速的装 置，其中，这些数据在连续基础上获得。气体流动的波动可能是不均勻条件(例如，炬故障或停转而需要进行电极更换或 其它支持设备故障)的结果。气体流动中的暂时测量波动可通过鼓风机速度、物质的供给 速率、次级进料、空气、蒸气和炬功率的反馈控制来纠正。如果气体流动的波动仍存在，则系 统可被停止运转，直到问题被解决。工艺添加剂的添加在一个实施方式中，控制系统包括响应元件，以调整包括任何工艺添加剂的反应 剂，从而管理初始气体化学再形成为再形成气体。例如，工艺添加剂可被供入室中，以促进 具有某化学组成的初始气体有效再形成为具有不同的期望化学组成的再形成气体。在一个实施方式中，如果感测器检测到再形成气体中的二氧化碳过量，则降低蒸 气和/或氧气喷射。本环境内考虑的响应元件，如以上所定义和描述的，可包括但不限于，可操作地连 接到工艺相关设备的各种控制元件，该各种控制元件被设置成通过调整与其相关的给定控 制参数来影响给定工艺。例如，在本环境内经由一个或多个响应元件可操作的工艺设备可 包括但不限于调整氧气源输入和气体激励源的元件。调整气体激励场(例如，炬的功率)气体激励场可被改变。在一个实施方式中，等离子炬热被控制以驱动反应。将空 气添加到室中也承受通过释放炬热能量与燃烧再形成气体加载的炬热的一部分。工艺气体 的流速被调整，以将炬功率保持在合适的操作范围中。在一个实施方式中，等离子炬功率被调整，以将再形成气体离开温度稳定在设计 设定点。在一个实施方式中，设计设定点在1000°C以上，以促进气体中的焦油和烟灰的完全 分解。调整系统内的压力在一个实施方式中，控制系统包括用于控制室的内部压力的响应元件。在一个实 施方式中，内部压力被维持在负压，即，稍微低于大气压力的压力。例如，室的压力可被维持 在大约1-3毫巴真空。在一个实施方式中，系统的压力被维持在正压。用于控制内部压力的这种装置的一个示例性实施方式通过与气体再形成系统气 体连通的感应鼓风机来提供。由此采用的感应鼓风机将系统维持在负压。在维持正压的系 统中，鼓风机被指令控制，以在比负压情况低的RPM下操作，或可使用压缩机。为了响应由位于贯穿系统的压力感测器所获得的数据，感应鼓风机的速度将根据 系统中的压力是否在增加(由此，风扇速度将增加)或是否在减小(由此，风扇速度将减 小)来进行调整。此外，根据本发明的工艺，系统可被维持在相对于大气压力的稍微负压下，以防止气体被排出进入到环境中。压力可通过调整再形成气体鼓风机的速度来稳定。可选地，在鼓风机的最小操作 频率以下的速度，次级控制重载并调整再循环阀。一旦再循环阀返回到完全闭合状态，则初 级控制重新接合。例子1该例子示出了被设计成将被改进到现有气体再形成室设计的气体操纵器的一个 例子。图60A示出了气体再形成系统(GRS)3200，其被设计成直接连接到水平定向的耐火材 料衬里的气化器。气体离开通过气化器的气体出口进入GRS 3200，该GRS 3200经由安装凸缘3214 可密封地连接到气化器，该安装凸缘3214将气化器气体出口直接连接到GRS的单个锥形形 状的输入气体入口。空气通过涡流口 3212被喷射进入输入气体流中，以在输入气体流中产 生涡流运动或紊流，由此混合输入气体并在GRS内产生再循环涡流模式。GRS内的气体的停 留时间大约为1.2秒。参照图60A，GRS包括实质上竖直安装的耐火材料衬里的柱状室以及单个锥形形 状的输入气体入口，该柱状室具有大约3 1的长度对直径比，气化器经由安装凸缘3214 连接到该输入气体入口。室加盖有耐火材料衬里的盖子3203，从而创建密封的气体再形成 室 3202。气体再形成室包括各种口，该各种口包括用于加热器3216的一个或多个口、用于 一个或多个氧气源3210的一个或多个口，以及可选地一个或多个接近或观察口 3326和/ 或仪器口 3226。此外，气体再形成室装备有提升点3230。在室的壁上使用的耐火材料是多层设计，该多层设计具有高密度层、中间较低密 度材料层和外部非常低密度泡沫板层，其中，该高密度层位于内侧上以抗室中存在的高温、 腐蚀和侵蚀，该中间较低密度材料层具有较低抵抗属性，但具有较高隔热因子，该外部非常 低密度泡沫板层具有非常高的隔热因子。位于泡沫板和容器钢壳之间的外层是陶瓷毯材 料，以提供顺应层，以允许固体耐火材料和容器壳之间的不同膨胀。耐火材料的竖直膨胀通 过不可压缩的耐火材料的可压缩的耐火材料层分离部分来提供。可压缩层通过重叠但可延 伸的高密度耐火材料，而被保护免受腐蚀。参照图60B，气体再形成室还包括耐火材料支撑系统，该耐火材料支撑系统包括一 系列圆周延伸的支架3220。每个支架被分割成几个部分，并包括间隙以允许膨胀。每个支 架部分3222由一系列支撑托架3224支撑。在GRS的该实施方式中，用于一个或多个氧气源的一个或多个输入包括空气和蒸 气输入。GRS还包括三层切向定位的空气喷嘴、两个切向定位的等离子炬、六个热电偶口、 两个燃烧器口、两个压力传递器口和若干备用口。空气通过三层空气喷嘴而被喷射进入气体流，该三层空气喷嘴包括位于下层3212 的四个喷射器和位于上层3211的另外六个喷射器，在该另外六个喷射器中，三个喷射器稍 微高于另外三个，以产生交叉喷射混合效应来实现更好的混合。GRS还包括安装在滑动机构上的两个切向安装的300kW的水冷却的铜电极的NTAT 的DC等离子炬。这两个等离子炬位于空气喷嘴上方，以提供最大暴露于等离子炬热。
对于每个等离子炬，等离子体电力供应将三相AC电能转化成DC电能。作为中间 步骤，单元首先将三相AC输入转化成单一高频相。这允许断续器部分(chopper section) 中的实际上DC输出的更好的线性化。该单元允许输出DC电压波动，以便维持稳定的DC电流。参照图37，每个等离子炬3208被安装在滑动机构上，该滑动机构3208可使炬 3208移动进入和离开气体再形成室。炬3208通过密封装置而被密封到气体再形成室3202。 该密封装置被密封抵靠门阀，该门阀又安装在容器上并密封到容器。为了移除炬3208，它通 过滑动机构而被拉离再形成室3202。为了安全目的，该滑动件的初始运动切断高电压炬电 力供应。当炬3208已经收缩通过阀并且冷却剂循环停止时，门阀自动关闭。软管和电缆与 炬3208分离，密封装置从门阀释放，并且炬3208通过吊升机械被抬走。利用以上程序的逆向来完成炬3208的替换；滑动机构可被调整，以允许炬3208的 插入深度的变化。门阀是机械操作的，使得操作是自动的。在冷却系统失效时，气动致动器 3233被用于自动抽出炬。用于操作致动器的压缩空气从专用空气储器供应，使得动力总是 可用的，甚至在电力失效时。相同的空气储器提供了用于门阀3234的空气。电互锁盖是另 一个安全特征，其通过防止接近高电压炬连接机构来使用。热电偶位于气体再形成室中的各种位置，使得GRS中的再形成气体的温度维持在 大约1000°c，并且如果它降到该温度以下，则提供等离子炬的电力或空气喷射被增加。在该实施方式中，流动进入GRS的空气可被动态改变，以调整气化器和/或GRS的 每个步骤内发生的温度和工艺。气体再形成室内的气体混合物内的分子分离进入等离子弧区域中的它们的组成 元素，并随后再形成为再形成气体。热的再形成气体经由再形成气体出口 3206离开GRS。气体操纵器被设计成增强气体再形成工艺，并通过提高再形成气体对由等离子炬 产生的活性物类的暴露以及由这种暴露所产生的活性中间物的混合，来实现大的碳氢分子 的最大分解率。参照图69和70，气体操纵器实质上位于气体再形成室的中央，并位于空气喷嘴和 两个等离子炬的上方。因此，从气化器接受的初始气体与以高喷射速度通过空气喷嘴引入 的空气相混合。气体操纵器的形状在图66至68中示出。由来自气化器的初始气体和被喷射的空 气的混合获得的再形成气体，与等离子炬的电离气体一起被气体操纵器的设计迫使通过它 的两个通道。因为等离子炬实质上位于通道的入口，所以再形成气体经历对由等离子炬产 生的气体激励场的最大暴露。气体操纵器的通道内的气体的温度为大约1100°C。通过通道的气体当其撞击图 66中所示的偏转器时改变流动方向，导致连续的混合。偏转器还帮助维持气体操纵器通道 内的热，从而允许增强的气体再形成动力。参照图67，位于气体操纵器入口处的倾斜表面增强了来自气体流的颗粒物质的分罔。气体操纵器由耐火材料衬里的钢结构制成，如图68所示。钢结构由空气冷却。冷 却空气通过三个支撑管道被引入。它通过内部空室冷却钢结构。加热的冷却空气通过位于 气体操纵室的底部的喷嘴回到主工艺。
冷却空气流速被控制，以维持最热的钢表面成为可能(接近烟囱)，但仍低于 550°C，在该温度下，钢的强度是相当好的。虽然本发明被这样描述了，但应明显的是，本发明可以以很多方式来改变。这些变化不被认为背离本发明的精神和范围，并且所有这些修改，如对于本领域技术人员来说将 是明显的，被意图包括在接下来的权利要求书的范围内。
权利要求
一种用于将初始气体再形成为具有设计特征的再形成气体的系统，包括a)感测装置，其用于感测所述初始气体的至少一个特征；b)修改工艺输入的装置，其用于修改工艺输入，以便基于所述初始气体的所述至少一个特征，并基于所述再形成气体的所述设计特征进行再形成；c)施加装置，其用于施加一个或多个能量源，所述一个或多个能量源足以将所述初始气体的实质上大多数气体分子再形成为所述再形成气体；d)促进装置，其用于促进所述再形成；e)稳定装置，其用于稳定所述再形成气体；以及f)控制系统。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述修改工艺输入的装置包括用于添加恰当量的 工艺添加剂的装置。
3.一种用于将初始气体再形成为具有期望特征的再形成气体的工艺，包括一个或多个 以下步骤a)感测所述初始气体的至少一个特征；b)修改工艺输入，以便基于所述初始气体的所感测的特征并基于输出气体的期望特征 进行再形成；c)施加足以将大多数气体分子再形成为其构成成分的气体激励场；d)促进有效工艺加速，以便将所述构成成分再形成为具有设计特征的再形成气体；e)促进新形成分子的去能和稳定，以维持所述设计特征；以及f)管理所述初始气体到所述输出气体的有效转化。
4.如权利要求3所述的工艺，其中，修改工艺输入以便进行再形成的步骤包括添加恰 当量的工艺添加剂。
5.一种用于再形成气体的系统，包括a)一个或多个能量源，其用于启动气体再形成工艺；以及b)一个或多个气体操纵器，其用于在所述气体再形成工艺的整个过程中优化能量转移；其中，所述一个或多个能量源和所述一个或多个气体操纵器形成整体，以优化气体再 形成比。
6.一种气体再形成系统，包括a)一个或多个气体再形成区域；b)一个或多个气体稳定区域；c)包括控制系统，所述控制系统调节总体工艺；d)可选地，一个或多个气体添加剂区域，和/或e)可选地，一个或多个气体清洁区域，其中，所述系统的所述区域被布置和控制成使得，大多数初始气体被再形成为具有设 计组成的气体。
7.一种用于将初始气体再形成为再形成气体的方法，包括步骤(a)将所述初始气体输送到气体再形成室；(b)将输入气体与至少一种工艺添加剂混合，以产生预形成气体；(C)将所述预形成气体暴露于气体激励场，由此使气体内的分子分解成它们的构成元素；(d)将所述构成元素再形成为具有设计的化学组成的分子物类，并由此产生所述再形 成气体；以及(e)从室移除所述再形成气体。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述气体激励场由一个或多个等离子炬产生。
9.如权利要求7所述的方法，还包括步骤在从室移除所述再形成气体之前，将所述再 形成气体暴露于气体稳定区域。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述再形成由气体操纵器增强。
11.一种用于将初始气体再形成为再形成气体的系统，包括 一个或多个耐火材料衬里的室，其包括一个或多个输入，其用于接收所述初始气体； 一个或多个输出，其用于释放所述再形成气体； 一个或多个工艺添加剂输入，其与所述室流体连通； 一个或多个气体操纵器，其位于一个或多个室中； 在所述一个或多个室内产生气体激励场的装置。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述产生气体激励场的装置是一个或多个等离子炬。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述一个或多个气体操纵器增加所述室内 的紊流。
14.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述一个或多个气体操纵器改变所述室内 的流动动力学。
15.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述一个或多个气体操纵器提高所述再形 成气体对所述气体激励场的暴露。
全文摘要
本发明提供了一种用于在实质上密封的容纳的以及受控的环境内将具有相关特征的初始气体有效再形成为具有期望特征参数的输出气体的系统和方法。气体再形成系统使用气体激励场来将初始气体分子和恰当类型和量的喷射的工艺添加剂的分子分解成它们的构成成分，随后，它们的构成成分重新组合以形成具有期望参数的输出气体。气体再形成系统还包括一种调节工艺并由此使工艺最佳化的控制系统。气体激励场可至少部分由氢燃烧器或等离子炬提供。
文档编号B01J7/00GK101801515SQ200880107371
公开日2010年8月11日 申请日期2008年5月12日 优先权日2007年7月17日
发明者安德烈亚斯·昌加里斯, 斯塔夫罗斯·塔武拉里斯, 申志远, 马克·培根 申请人:普拉斯科能源Ip控股公司毕尔巴鄂-沙夫豪森分公司