用于产生合成气的增强型等离子体气化器的制造方法
【专利摘要】一种等离子体气化反应器及其操作方法，具有以下中的一个或全部：第一，反应器顶段的上部部分内的骤冷区，第二，穿过反应器中段的侧壁的进料口，进料口用于将进料供给到中段中的进料床，进料口位于靠近进料床处。骤冷区设有喷嘴，用于引入流体以充分降低熔融实心块的温度从而使在外部管道系统内的粘附最小化。中段进料口的设置有助于进料中的轻颗粒更加彻底地反应，否则轻颗粒将与气体产物一起排出。对于进料口，其可位于进料床之上并且向上倾斜以能够紧挨着进料床上表面而没有严重的辐射加热，或者其可位于某一高度处以将物料侧向直接供送到进料床中，在这种情况下，可提供冷却装置和进料机构，以有利于进料的通过。
【专利说明】用于产生合成气的增强型等离子体气化器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子体气化器(本文有时也称为PGs，其也可称为等离子体气化反应器或PGRs)，其具有可促进诸如合成气产生的过程的特征。
【背景技术】
[0002]在大量专利和其它类型的文献中都论述了用于对各类进料(包括例如，诸如城市固体废弃物(MSW)的废料)进行处理以产生合成气体或合成气的等离子体气化器的结构和操作。这种技术在废弃物处理以及弃置废弃物转化以形成用作燃料的合成气方面都是很有利的。
[0003]用于这种目的的技术的一些示例包含于或参考了由Dighe等人转让给Alter Nrg公司的2010年8月12日的公开美国专利申请第20100199557号以及由WestinghousePlasma公司于2005年公开在描述性公告27-501中的《工业等离子体火炬系统(IndustrialPlasma Torch Systems)》,所有这些描述都将以引用的方式并入本文。
[0004]在本说明书中，“等离子体气化反应器”和“PGR”意在指无论是适用于气化或是玻璃化或者适用于这两者的总体类型相同的反应器。除非文中指明，否则本文中使用的术语例如“气化器”或“气化”可以理解为替代性地或附加地应用于“玻璃化装置”或“玻璃化”，反之亦然。
[0005]现有实践具有一定程度上的成功运行，持续地希望对该运行进行改进。
【发明内容】
`[0006]本申请展示了用于改进性能的创新，以实现以下之一或全部:(1)使颗粒进料更加彻底地气化，和(2)使进料的与合成气一起排出反应器容器并沉积在从反应器容器出口出发的外部管道系统的内壁上的未反应的熔融颗粒的存在最少化。
[0007]部分地，本发明在于提供一种等离子体气化器和用于操作等离子体气化器的方法，以便通过涵盖一种或全部下面的技术而将诸如废料转换为合成气。尽管通常的情况是PGRs可单独利用下面的技术，但将它们结合使用可以是优选的。
[0008]尤其是当结合使用时，可增加从各种各样的进料组分中更多地输出优质合成气的机会。
[0009]一种技术是在所述反应器容器的顶段的上部部分(例如，顶盖)中提供骤冷流体入口装置，并注入流体，所述流体例如但不限于水、蒸汽或水和蒸汽的混合物，以充分冷却未反应进料的软性或熔融块以使排出所述反应器容器并且可能沉积在外部管道系统内的这些软性或熔融块的量最小化。所述骤冷流体入口装置(本文有时称为骤冷系统(或部分骤冷系统))最好与具有额外体积(称为骤冷区)的反应器容器结合，所述额外体积为来自骤冷流体入口的膨胀的流体的体积留有余地以便使对从所述骤冷区下的稀相区域(freeboardregion)到合成气出口的合成气流动的任何不利影响最小化。在现有实践中，从合成气出口出发的管道系统经常遭受沉积物的聚积，且很难在管道中建造具有良好性能的骤冷系统。[0010]前述的同伴专利申请中还公开了另一种技术(没有骤冷系统)的一个实施例，该技术提供了一种具有底段、中段和顶段的反应器容器，所述底段用于容纳碳质床，所述中段用于容纳沉积进料床，所述顶段包括稀相区域和在稀相区域上方的顶盖，并且该反应器容器具有穿过所述中段的侧壁的一个或多个进料口，所述进料口接近进料床的上表面并且位于该上表面之上、或者通入所述床本身中。这使得所述进料能够:(a)对于较重的部分，快速直接地沉积在进料床上以便反应以及(b)对于被上升的热气保持在进料床上方的较轻的颗粒(或“悬浮物”)，在容器内具有较长的停留时间，所述较长的停留时间促进了所述颗粒更加完全的反应(气化)。通入所述床本身中的进料口，有时也称为下部进料，可大大地防止悬浮物。对比申请也解释了这种装置如何有助于在所述底段的碳质床中更少地使用碳。这种装置与具有仅位于远高于进料床的顶段中的一个或多个进料口的PGRs的一些现有实践形成了对比。这里，所包括的实施例通过使进料口的位置不高于进料床之上一段短距离同时使所述顶段中的气体出口远离进料床，而使进料口和气体出口之间的距离较大。
[0011]仅仅以示例的方式，反应器容器的提及的段，尤其是所述中段和所述顶段，可具有倒置的截头圆锥形，其上端较宽，这有助于对在所述容器中上升的气体的增加的量实现大体上恒定的气体速度(对于这种圆锥形结构，参见上述公开的专利申请)。顶段圆锥形壁相对于所述反应器容器的中心轴线所成的角度可比中段圆锥形壁相对于所述反应器容器的中心轴线所成的角度小；所述顶段具有额外的上体积，称为骤冷区，在所述骤冷区中(即，在一个图示的示例中，在所述顶段的圆锥形部分之上的圆柱形部分中)骤冷流体入口是有效的。
[0012]具体的，但不只是，在具有上面提及的圆锥形特征的反应器容器中，本发明的实施例可将下列特征结合:底段(可为圆柱形)，所述底段具有碳质床(焦炭的或在同伴申请中展示的)和等离子体喷嘴；中段(圆锥形)，所述中段具有多个(例如，两个或三个)侧向进料口，以将处理物料供给到所述碳质床上或所述碳质床正上方，并且使处理物料在所述中段的内部具有良好的分布；所述中段上方的顶段，所述顶段具有稀相区域(具有圆锥形结构，其角度可小于所述中段)和位于所述稀相区域上方的骤冷区(可具有圆柱形结构)这两者，在所述骤冷区中，注入的流体至少`部分地对与气态反应产物一起从下面上升到一个或多个位于骤冷区顶部或接近骤冷区顶部的出口的实心块状物质骤冷(即，硬化或使其软度变小)。
[0013]下面的说明和附图将帮助理解这些创新及其各种实施例和变体。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1和图2分别是等离子体气化器的示例的正视图和俯视图；
[0015]图3和图4是反应器中的产物气体流和骤冷流体流的示例图；
[0016]图5至图8是具有位于进料床的顶部表面之下的进料口的气化器的示例的截面正视图。
【具体实施方式】
[0017]图1和图2图示了具有合成气骤冷系统和进料口这两者的等离子体气化器的一个示例，所述进料口将进料引到气化器反应器容器的中段中。
[0018]图1和图2中的气化器示例包括带耐火材料衬里的反应器容器10，反应器容器10具有三个主要的区段，从下至上是底段12、中段22、顶段32。
[0019]底段12包括碳质床13、一个或多个等离子体炬风口 14、渣和熔融金属放出口 15(可以有多个放出口)、下部启动燃烧器口(也用作紧急放出口)16和一个或多个碳床风口17。
[0020]底段的碳质床13 (有时也称为C床)可为冶金焦炭或从化石燃料或从非化石源(例如，从如上面提到的同伴申请中公开的各种类型的生物质)提取的其它碳质材料。在本示例中，等离子体炬风口 14和C床风口 17的数量可均为六个；它们围绕底段的圆柱形壁18对称地布置，从水平面向下倾斜大约15%，并且向中心地指向C床13中。等离子体炬风口 14用于将等离子体注入到C床13中。还另外地提供C床风口 17以可选地用于将诸如空气或氧气的气体引入C床13中。下部燃烧器口 16可用于通过天然气(或其它燃料)燃烧器加热沿着反应器容器的壁的耐火材料，以提供高于被引入容器中的诸如碳、氢、CO和合成气的可燃物的自燃温度的容器内部温度。这样，等离子体、进料和其它反应物的供给可以在更加安全并具有低爆炸风险的情况下进行。
[0021]所述中段22具有穿过所述中段的圆锥形的向上扩展(有助于使气体的速度更加恒定)的壁24的一个或多个(例如三个)进料口 23。所述底段12的圆柱形壁18和所述中段14的圆锥形壁24在可拆卸式底部法兰接头25处连接。进料口 23从水平面向上成大约15°的角，这有助于使来自潮湿进料中的水分的进入最小化并且在如下所述的其它方面也会是有利的。在一些实施例中，水平或向下定向的进料口也是可接受的。进料是通过理想地有助于实现大体上均匀而且连续的进料流量的机构(这里未显示)从外部供应源通过进料口 23供给的，所述机构例如是在商业上已知的类型的压缩螺旋进料器。引入的进料在所述底段12的C床13的上方的中段22中形成进料床26。所述中段22还具有多个(例如，均为12至24个)进料床下风口 27和进料床上风口 28、以及在进料床26上方的一个或多个气室风口 29，所述进料床下风口和所述进料床上风口可用于将气体直接注入到所述进料床26中。本示例中还另外图示了用于观察进料床26内的观察镜29和检修门31，所述检修门用于在所述容器(未运行)需要内部检查或维修时让人员进入。
[0022]所示出的进料床26分别具有上表面线26a和下表面线26b，这两条线仅代表所述进料床26的范围。在本示例中，将进料床26内进料的供给流量和进料的消耗流量调节成使所述上表面26a保持在所述进料口 23之下以使所述进料床26不干扰进料的进入的程度。(也可提供进料床料位传感器和可视口以确保不会发生堵塞)。另外，希望所述进料口 23和所述进料床上表面26a相互接近，对于进料中的可以很轻以至于不会下落到进料床26上的颗粒，这将促使这些颗粒在所述容器10内停留时间更长。在所述容器内更长的停留时间将提高这种颗粒在所述进料床26之上的所述中段22中和在所述顶段32中气化的可能性。所述进料中的较重的部分立即落下以形成进料床26并在所述进料床中反应(气化)。通常，在具有中段进料口的实施例中，在不会遭遇进料口堵塞或遭遇进料口中的物料遇到来自所述进料床的辐射加热的问题的情况下，希望所述进料口和所述进料床的上表面在竖直方向上尽合理可能地相互“靠近”或接近。本示例中所述进料口的向上倾角有助于上述避免遇到来自所述进料床的辐射加热的目的。有时所涉及的所述中段22具有包含所述进料床26的下部部分和带有一个或多个进料口 23的上部部分，但是仍然认为它们相互接近。该布置在进料口和气体出口之间提供了较大的距离，将在下文中描述。使该距离最大化有利于被引入进料中的细颗粒的气化，其中所述进料可以是各种各样的物料中的任何物料。为了产生合成气以用作燃料或燃料源，希望所述进料包含一些碳氢化合物；例如，MSW和各种类型的生物质(和它们的任何混合物)，它们可包括大量细颗粒，这些细颗粒通过具有对于所述反应器而言的较长的停留时间而被更好地气化。
[0023]在下面参照图5至图8讨论的其它实施例也具有将进料直接供应到进料床中的进料口。
[0024]回到图1和图2，所述反应器容器的顶段32被支撑在固定支撑件33内并在线34处与所述中段22接合。如图所示，所述顶段32在所述反应器容器10的上壳体内，所述中段22在所述反应器容器10的下壳体中。所述顶段32内的体积在竖直方向上较大(例如，至少大约等于所述底段12和所述中段22 二者竖向范围之和)以便在稀相区域35内进一步气化反应以及以便具有上骤冷区35a。在本示例中，所述顶段32具有邻近中段22的第一部分，该第一部分具有向上扩大的圆锥形壁36 (其角度比所述中段22的壁24的角度小)，该圆锥形壁在线37处与具有圆柱形壁38的第二部分接合，所述顶段32具有在第二部分上方的、从线或侧向支撑件39处开始的圆形或穹状顶盖40。
[0025]顶段32的壁部分36和38的所示的结构有利于所述容器10的配置。一般来说，不需改变所述顶段的壁角。例如，其整个范围可大体上为完全的圆锥形。如上面提及的公开的专利申请中所解释的，扩展的圆锥形侧壁可有利于将气体流动保持在理想水平。扩展的圆锥形段减小了气体速度因而气体具有较长的停留时间；而且其还有助于使颗粒沉积出来。在本发明中，具有顶段骤冷系统，不管壁的形状如何，都在所述顶段内为骤冷区35a提供有增加的体积。即，所述稀相区域35的尺寸和形状理想地被设计成可用于使与来自所述进料床26的热气体一同上升的物料进一步气化。气化在所述稀相区域35中可基本上完成至在高度37处可存在产物合成气的程度，
[0026]在过去该合成气典型地立即从在其它方面与容器10大体上相同但在所述稀相区域上方不具有没有骤冷区(例`如骤冷区35a)的反应器容器中排出；相反，在过去，顶盖紧邻地位于稀相区域的顶部，一个或多个排气口在稀相区域的侧壁的上部部分上穿过所述顶盖。如下文讨论的，在一些情况下，在骤冷区35a中可发生某些进一步气化，这可有助于提高输出的合成气的质量。
[0027]顶段32内的被指定为骤冷区35a的体积是顶段中的被骤冷流体穿过并且被骤冷流体影响的体积，而下方的体积在此被称为稀相区域。为了此目的，所述稀相区域35和所述骤冷区35a通常被认为是一个位于另一个之上地设置的两个区域。将术语“稀相”用于全部顶段体积，而使稀相的上部部分内具有骤冷区的术语定义也是可适用的。在这两种情况下，骤冷区对于其它类似的先前反应器都是额外的体积。
[0028]在图1中的实施例中，所述顶段32的顶盖40具有一个或多个(如图2所示，此处为两个)合成气出口 41和在顶盖40上对称地设置的多个骤冷流体入口 42。变形例可包括仅单个用于将流体注入到所述骤冷区中的骤冷喷嘴，尽管对于更有效地骤冷而言，通常更优选的是设置多个骤冷喷嘴，尤其是设置关于出口对称的喷嘴阵列。(通常，除非文中另外指明，否则在本申请中提及的任何进料口、骤冷喷嘴或气体出口都表示这种元件中的任何一个或多个)。
[0029]在本示例中，所述骤冷流体入口 42的数量为六个，并在顶段的位于稀相区域35的上方的上部部分中的骤冷区35a内组成有效的合成气骤冷系统。所述骤冷区35a可被认为是在所述顶段32的大约顶部三分之一内并且是这样的区域:在该区域中，通过入口 42引入的流体(例如，水、蒸汽或水和蒸汽的混合物、或者可能的循环利用的合成气或诸如氮气的惰性气体)提供雾化雾，所述雾化雾降低了所述骤冷区35a内的温度以使与合成气一同上升进入骤冷区的颗粒不太可能以熔融(或软化)的状态通过所述出口 41排出并粘附或凝结从所述出口 41出发的外部管道系统(未显示)的内部。
[0030]通过入口 42进行骤冷的所述骤冷区35a构造有容纳被注入的流体的体积，所述被注入的流体将在容器中热膨胀，以便不会明显影响合成气从所述稀相区域35到所述出口41的前进。在骤冷区35a中可发生某些额外的气化，但其增加的体积主要用于部分骤冷的功能，如图3和图4进一步所述。在许多示例中，优选的是，骤冷系统流体就其温度和数量而言被限制为仅将上升的合成气和颗粒混合物冷却到仅足以部分地使软性或熔融颗粒骤冷，从而它们变得更加固态化而不会“粘”到排放管道表面。通常不希望引起骤冷区内温度的任何大幅度下降，因为骤冷区内的较大温度下降可在所述反应器容器中的下部具有不利的热效应。骤冷喷嘴和骤冷区的额外效果是被注入的流体(例如，水)可使一些颗粒在骤冷区内结块并形成较大颗粒，这些较大颗粒向下落回到稀相区域中，也可能落回到进料床中，而不是通过出口排出。这对于降低运行费用和降低用于所述出口下游的设备的资金花费会是令人满意的。下面将进一步讨论骤冷系统和骤冷区的这些方面。
[0031]所述顶段32还具有上启动燃烧器口 43，该上启动燃烧器口如对下启动燃烧器口16所描述的那样使用。两个启动燃烧器口 16和43的使用为所述容器内部提供了更均匀的加热，并且可燃气体在等离子体热解开始之前被除去。
[0032]通过进一步的示例，图1和图2的气化器实施例大体上按比例被示出。作为一个示例，其总高度可大约为22. 5m，最大宽度大约为9m，但较大变化范围的反应器尺寸都可适合于包含本创新的反应器。作为一个示例，圆锥形壁24和36与垂直轴所成的角度分别大约为20°和5°。尺寸和结构可与本示例中所示的尺寸和结构有很大差别。
[0033]在其它变形例中，(使用与图1和图2中相应元件相同的附图标记)具有如上面所述的骤冷区35a和骤冷流体入口 42的气化器可设有具有任何壁结构的容器。另外，这种骤冷系统可设在具有其它物料进料口的气化器中，所述其它物料进料口例如是通入所述顶段内的一个或多个进料口 ；或者，在中段和顶段二者中的每一个中都可有一个或多个进料口。所述骤冷系统可实现的益处并不需要同时具有骤冷系统和中段进料口。
[0034]骤冷区35a和入口 42构成的骤冷系统可以例如进行部分骤冷，例如，在稀相区域中上升的合成气混合物的温度从大约1000°C至1150°C减少到在出口 41处的大约850°C，这可使熔融或软性颗粒粘在从出口 41出发的管道系统的内部上的情况减少到最少。典型的适当骤冷的例子是，在熔融颗粒到达出口 41之前，将从稀相区域35上升的熔融颗粒的温度减小大约150°C到300°C。另外，参见下面关于图3和图4的阐述，其进一步描述了顶段骤冷区的某些方面及它是如何运行的。
[0035]在具有接近进料床26的中段进料口 23的实施例中，不总是需要具有通入到稀相区域上方的骤冷区中的骤冷流体入口。即，即使没有骤冷系统，也可利用中段进料口。例如，骤冷装置可不存在或可仅仅存在于从合成气出口出发的外部管道系统中。如在上面提及的同伴专利申请案中公开的，接近进料床的进料口的布置可有利于减少C床中的碳消耗，并且在具有或不具有骤冷系统或任何特定形式的骤冷系统的情况下应用。
[0036]附加的要点例如是，进料除了待处理的诸如MSW的废料以外还包括或伴随有额外的碳质材料(其可保留在进料床中并在进料床中被消耗，或其可通过进料床下降到所述底段的C床13中)，并且还熔化以调节渣的碱性、粘性和熔融温度，所述渣形成并下降到所述底段中的放出口 15中。另外，任何与输出合成气一起带出反应器的颗粒都可在外面被捕获并与进料一起被送回到里面。
[0037]等离子体炬风口设有等离子体炬，该等离子体炬的一个示例是市售的来自“Westinghouse Plasma公司”的MARC-1lLtm等离子体炬。为了这些目的，这种炬除了可使用炬气体和氧气或空气以外，还可使用罩气(shroud gas),以及其它气体(见Dighe等人的美国专利4，761，793，其以引用方式并入本文，以用于描述等离子体炬装置)。由炬引入的气体可被过热到超过10000 0F (大约5500°C)的温度，该温度远远超过传统的燃烧温度。
[0038]等离子体炬风口有时被称为主风口。所述中段22的下风口 27和上风口 28有时分别被称为第二风口和第三风口。风口 27和28可用于传送氧气以进一步帮助控制合成气温度和其它可能的功能。
[0039]旨在发生例如在公开的专利申请20100199557中所描述的化学反应。得到的合成气的含量(包括CO和H2，以及可能的其它气体)以及进料床和C床的消耗率受通过各段中的风口引入的氧气(或空气)和可能的蒸汽的影响。
[0040]可选择性地与所公开的创新一同使用的变形例是合成气的出口，所述出口具有反应器容器内的侵入式管道。另外，进料口在性质上的变化可包括进入反应器容器中的进料口侵入部和/或用以改变进料从进料口进入的角度和距离的机构。这样的特征的进一步的信息可参考所提及的公开的专利申请。
[0041]在很大程度上，整`个气化器设计和操作的许多方面可根据等离子体气化器中的以往实践而改变，且仍然包含本文展示的创新，例如但不限于，顶段骤冷系统或接近进料床的中段中的一个或多个进料口的设置。
[0042]具有顶段骤冷系统的等离子体气化器与已知的PG实践不同，已知的PG实践有时涉及将慢化气体直接引入PG的稀相区域中以使稀相区域中的气化停止或最小化。例如，在Dighe等人的2009年12月15日的美国专利7，632，394中公开了将蒸汽引入到稀相区域以将温度减小至大约450°C或更低以使在进行减少重质碳氢化合物的过程中石油馏分的进一步裂解最少化。
[0043]通过本发明，尤其是意在用于将不同的废料转化为合成气的过程(尽管不是必须限于这种过程)，骤冷流体被引入骤冷区中，所述骤冷区是另外于稀相区域的区域并且位于稀相区域的上方，在稀相区域中气化基本上完成。此处的骤冷区是例如为了避免飞灰中的软性颗粒的排出，其中所述飞灰包含例如金属氧化物这样的具有大约为900°C或更高熔点的物质。如这里所公开的骤冷系统能够降低它们的温度至大约850°C。骤冷系统不必须并且通常不需要进一步地冷却气体。骤冷区中的某些进一步气化可以是有利的；其中包含在骤冷流体中的蒸汽可以是附加的，因为蒸汽可有助于裂解重质碳氢化合物。但是，与使软性颗粒的排出最少化这一目的相比，在骤冷区中进一步气化通常不是主要目的。更加重要的考虑是骤冷区体积(除了稀相区域的体积以外的体积)容纳所有来自被引入的骤冷流体的膨胀气体，因而从稀相区域到出口的合成气的流动是顺畅的。[0044]提供图3和图4以进一步解释本发明的具有骤冷系统的一些实施例。这些视图显示了反应器容器I的某些部分(对于与图1和图2中相应的元件使用相同的附图标记，尽管它们不是必须相同)，包括(在图3中)中段22和顶段32，所述中段包括进料床26 (在本图中未完全勾画出，但其是通过穿过一个或多个进料口(未显示)被引入的进料形成的，所述进料口可与图1中的进料口 23相似，或者不相似)；所述顶段包括直接在中段22上方的稀相区域35和在稀相区域35上方的骤冷区35a这两者。骤冷区35a具有骤冷流体入口或喷嘴42 (可如图2所示地设置)。
[0045]图3中仅部分地图示了所述反应器，没有具有C床和等离子体炬的底段，例如结合图1所示及所描述的底段。所图示的是，来自进料床26的上升的热气体固有地是不均匀的或者位置不稳定；热气体就像壁炉里的火焰一样四处移动。图3中的示例的模型示出了从左喷嘴42注入的流体42a如何遇到一股由箭头50表示的上升的、非常热的烟流，并且在骤冷区35a中比从右喷嘴42被注入并遇到气体流的较冷部分的流体42b更快地消耗。由于较热气体改变位置，因此入口 42的阵列中的不同入口类似地受到影响。入口 42的阵列的更全面的图示与骤冷流体一起显示在了图4中，所述骤冷流体相当程度地渗透到所述骤冷区35a中，并根据遇到的气体温度而可变化地消耗。因此，如图所见，来自所述入口 42的可见喷雾的范围不必须是均匀的。然而，在其它实施例中，喷嘴42的阵列可配备有气体温度感测和流体流量调节系统，使得当在特定喷嘴处遇到较热气体时被注入的流体的体积可增加。
[0046]下面是对侧进料式的多个进料口的一些方面的其它一些评论，并且可涉及通常甚至没有骤冷区的反应器，尽管通常希望结合有骤冷区。已知当进料从顶部进入时，进料床的多孔结构(例如26)通常更高地沿着侧壁或在该侧壁附近。如果使用侧向进料口，更多的物料将因为壁与进料口邻近而沉积在壁附近。这就导致沿壁的气体流动阻力更大。至少有时气体也通过壁注入(例如，通过风口 33和34)。因为环绕(bypassing)所述床，侧向进料口使从C床上升的气体不与进料发生反应地沿着壁前进的可能性很小。现在，因为有了侧进料式进料口，任何这种倾向都被减到最小并且迫使更多气体流向所述容器的中心。因此，由于进料床在所述容器的壁上积聚得比中央更多，这有时可以是下部侧进料式进料口的另外的有利方面。因此尽管通常情况是期望进料床物料跨中段22基本上均匀，但进料口 23导致更多进料积聚在壁24上的程度没有严重的危害并且优选使更多的进料积聚在容器的中央。
[0047]图1中进料口 23向上倾斜是创新的示例，该创新允许进料口在进料床26的上表面的上方但又接近该上表面，而进料口中的进料不会遭受辐射加热引起堵塞(例如，通过熔化)。否则可能期望为进料口提供冷却装置。侧向进料口具有进料机构(例如，柱塞式进料器、阀瓣系统、锁料斗系统、离散进料器和螺旋进料器)也是有用的。
[0048]至于骤冷系统，在一些应用中，可以存在进料中复杂碳氢化合物含量高的过程，并且会引起对不期望出现的焦油形成的关注。然而，当被注入的流体中包含水和/或蒸汽时，骤冷系统将有助于使从稀相区域上升到骤冷区中的任何多环芳烃(PAHs)转换为C0、C02、H2和&0。多相流体(例如，水和蒸汽一起)可很好地作为骤冷流体工作。蒸汽可用作动力气体以便比仅具有喷水更好地雾化水。与在注入时可更冷的某些其它气体相比，无论哪种形式的水、H2CK水在被注入时将快速变为蒸汽)，由于其蒸发潜热，都可提供允许使用更少质量的流体的优点。另外，值得注意的是，反应器中骤冷区的体积可随着被注入或在骤冷区形成的流体滴的尺寸而变化。更细小的水滴将比更大的水滴更快地蒸发且在容器中下降更小的距离。
[0049]骤冷通常最佳的是根据被引入的进料的流量来进行调节。系统可设计为使得进料流量的降低导致骤冷流体的注入流量降低，以便控制气体温度。
[0050]相关的反应器可具有任何数量的出口管道，出口管道位于顶盖或上侧壁中的任何位置。但是在管道中监测的温度可表示温度差的情况下(该温度差能用来调节流过相应的喷嘴的骤冷流体以便在在一个管道中形成优先流的情况下帮助使管道输出更加均匀)，两个或两个以上的管道也是有利的。
[0051]如在所讨论的示例中，多个进料口可各自以不同的流量运行以调节可发生在整个进料床中的变化。
[0052]前面的示例中的在本发明的更广泛范围内的潜在变形例是这样的实施例，其中，一个或多个中段进料口穿过进料床(26)的上表面(图1中的26a)之下的侧壁定位。即，与先前描述相反，这种超低进料口(未在图1中显示)用于直接将物料进给到进料床(26)中，并且进料床有意地继续向上超过那些超低进料口。
[0053]图5-图8图示了具有这种超低进料口(有时称为下部进料口)的气化器反应器的示例。图5具有与图1的容器10相似的反应器轮廓110。尽管其它部分与图1中的反应器相似，但在此侧向进料口 123位于中段122中接近底段112的C床的很低的高度，以至于进料床126向上延伸到进料口的高度之上。在图5中，进料口 123向下成角，以便可使某些重力有助于进料的进入。
[0054]像图5—样，图6-图8具有某些变形例。在图6中，进料223向上成角。在图7中，进料口 323是水平的，在 图8中，图示了单个进料口 423分别具有进料床下风口 427和进料床上风口 428。(结合图1的描述，无论进料口的属性、位置、方向或数量如何，这种风口都可设置成通入到进料床内)。
[0055]超低进料口或下部进料口，例如图5-图8中所示的进料口优选地设有如之前所述的进料机构。另外，在大多数情况下都重要的是，每个这种进料口设有冷却装置(例如，供有冷却剂的线圈，所述冷却剂例如是环绕进料口的水)以便使所述进料保持足够冷以容易地运动通过进料口。
[0056]这种超低进料口可以是通入反应器容器的唯一的进料口，或者也可以是一个或多个其它进料口的补充，所述其它进料口可与进料口 23相似或不相似。超低进料口可与设备一起设置，因此可有效地迫使进料进入所述进料床中。
[0057]超低进料口可设在反应器容器中以根据需要使用。其使用的一个示例可以是当进料包含较大量的细颗粒时。通过使这种物料浸在所述进料床中，该物料将被最初在进料床中的上升的热气体携带以便在进料床本身中或在进料床上方进行更彻底的气化。
[0058]某些合适实施例的另一个方面是通常将细粒或通常的颗粒从通过出口排出的合成气中分离出来，并使它们通过任何一个或多个进料口或风口回收到反应器中，所述细粒或通常的颗粒包括那些进给到C床中或直接进入到进料床中(通过超低进料口)或进料床上方的细粒或通常的颗粒。
[0059]考虑到出口远离顶盖中心导致气体流向容器的侧壁以及防止漏斗式流或中心流的产生，多个合成气出口比`单个的、中央气体出口更好，从而更好地利用了反应器的体积。
【权利要求】
1.一种等离子体气化器，包括: 带耐火材料衬里的反应器容器，该反应器容器在运行期间包括底段、中段和顶段，所述底段包含碳质床，所述中段包含沉积进料床，所述顶段包括所述顶段的下部部分中的稀相区域、所述顶段的上部部分中的骤冷区和所述骤冷区上方的顶盖； 所述顶段的特征还在于包括一个或多个与外部管道系统连接的合成气出口以及由多个骤冷流体入口构成的装置，所述由多个骤冷流体入口构成的装置用于将流体注入到所述骤冷区中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述一个或多个合成气出口位于所述顶盖中。
3.根据权利要求2所述的设备，其中: 所述多个骤冷流体入口位于所述顶盖中。
4.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述多个骤冷流体入口基本上对称地靠近所述一个或多个合成气入口设置。
5.根据权利要求4所述的设备，其中: 所述多个骤冷流体入口均与流体的外部供应源连接，所述流体包括水、蒸汽或水和蒸汽的混合物(或者其它一种或多种流体)。
6.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述中段具有倒置截头圆锥体的整体形状，所述倒置截头圆锥体在邻近所述顶段处比在邻近所述底段处要更宽。
7.根据权利要求6所述的设备，其中: 所述顶段具有包括圆锥形部分的整体形状，所述圆锥形部分从邻近整体形状为截头圆锥体的中段开始，所述顶段的第一部分的较高端比邻近所述中段处要更宽。
8.根据权利要求7所述的设备，其中: 所述中段的倒置截头圆锥体相对于所述容器的中心线的壁角大于所述顶段的圆锥形部分相对于所述容器的中心线的壁角。
9.根据权利要求7所述的设备，其中: 所述顶段的骤冷区位于所述顶段的圆锥形部分和所述顶盖之间的圆柱形部分中。
10.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述多个骤冷流体入口均与流体的外部供应源相连，所述流体包括水、蒸汽或水和蒸汽的混合物、和/或其它流体，让所述流体以使流过合成气出口并沉积在所述外部管道系统内的熔融颗粒实质上最少的量进入所述骤冷区中。
11.根据权利要求10所述的设备，其中: 所述顶段的所述骤冷区包含在圆柱形结构中，所述圆柱形结构从所述顶段的位于所述骤冷区之下的圆锥形部分处向上延伸。
12.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述容器的所述中段具有一个或多个进料口，所述进料口延伸穿过所述容器的侧壁。
13.根据权利要求12所述的设备，其中: 所述一个或多个进料口包括延伸穿过所述中段的锥形侧壁的多个进料口，并且所述一个或多个进料口围绕所述锥形侧壁设置在基本上对称的位置处。
14.根据权利要求12所述的设备，其中: 所述一个或多个进料口包括从沉积进料床之上的水平面处向上倾斜定向的至少一个进料口。
15.根据权利要求12所述的设备，其中: 所述一个或多个进料口包括至少一个位于沉积进料床的上表面之下的进料口。
16.根据权利要求12所述的设备，其中: 每个所述进料口均被设置成以大体上连续且均匀的方式或以不同批量接收进料。
17.根据权利要求12所述的设备，其中: 其中一个所述进料口包括被设置成与进料机构结合的至少一个进料口，所述进料机构选自由柱塞式进料器、阀瓣系统、锁料斗系统、离散进料器和螺旋进料器组成的组。
18.根据权利要求1所述的设备，其中: 所述反应器容器的底段另外还具有直接穿过侧壁进入碳质床的一个或多个等离子体炬，并且还具有用于熔融金属和渣的放出口 ； 所述反应器容器还设有任何一个或多个额外入口，所述额外入口包括: 碳床风口，所述碳床风口用于将气体注入所述底段中； 通到所述底段中的下部启动燃烧器口`，； 通到所述顶段中的上部启动燃烧器口，； 一个或多个进料床下风口，所述进料床下风口位于所述中段的邻近进料床的较低区域中； 一个或多个进料床上风口，所述进料床上风口位于所述中段的邻近进料床的较高区域中； 在进料床上方通入所述中段中的气室风口，所述气室风口用于通过引入氧气和/或空气进行温度控制，以使气体温度升高到超过1000°c。
19.一种用于对固体进料进行气化以产生合成气的方法，所述方法包括以下步骤: 在反应器容器的底段中提供等离子加热的碳质床； 将进料供送到所述反应器容器的中段中，以在底段中的所述碳质床的顶部上形成沉积进料床； 使进料与从所述底段上升的热气反应； 在所述中段形成合成气混合物，所述合成气混合物含有变化量的未反应进料颗粒；使所述合成气混合物朝着位于所述顶段的顶部的一个或多个合成气出口上升到所述反应器容器的顶段中； 保持所述容器中的环境，使得来自所述中段的未反应颗粒在位于所述顶段中的下部的第一部分中经历进一步反应；以及 通过注入水、蒸汽或其混合物，在位于所述顶段中的上部的第二部分中，对所述合成气混合物的未反应颗粒中的至少一些熔融碎块进行至少部分地骤冷，使得这些熔融碎块充分固化从而不会粘在源自所述合成气出口的外部管道系统的壁上。
20.根据权利要求19所述的方法，其中: 所述将进料供送到所述反应器容器的中段中包括:从一个或多个外部进料源通过所述容器的中段的侧壁的一个或多个进料口供应进料，所述进料口位于不高于沉积进料床上表面之上但靠近该上表面的位置； 通过所述中段的侧壁进料口供应进料并保持所述反应器容器的其它环境以以下方式进行:通过靠近所述进料床、延长未反应颗粒物质的停留时间、并在合成气混合物到达出口前促进未反应颗粒物质的额外反应来提高进料中的颗粒物质的反应性。
21.根据权利要求20所述的方法，其中: 所述进料的进给以大体上连续且均匀的方式进行。
22.根据权利要求19所述的方法，其中: 用通过所述中段的侧壁的一个或多个进料口供应的另外的碳质材料代替所述底段中已反应过的碳质材料。
23.根据权利要求20所述的方法，其中: 进料的进给包括:使用紧邻地位于所述沉积进料床上方并向上倾斜的一个或多个进料口，以避免被进料口中进料在进料床上的反应过度加热。
24.根据权利要求20所述的方法，其中: 进料的进给包括:使用被定位成将物料直接侧向地进给到沉积进料床中的一个或多个进料口，来自所述进料口的进料的实质反应在沉积进料床本身中进行。
25.一种等离子体气化器，包括: 底段，所述底段具有碳质床和一 个或多个等离子体炬入口 ； 中段，所述中段具有一个或多个侧向进料口，所述侧向进料口用于供应进料以在所述底段的碳质床顶上形成进料床，所述进料口被定位为成向上的角度，并且位于所述进料床上表面之上且与该上表面接近。
26.一种等离子体气化器，包括: 底段，所述底段具有碳质床和一个或多个等离子体炬入口 ； 中段，所述中段具有一个或多个侧向进料口，所述侧向进料口用于供应进料以在所述底段的碳质床顶上形成进料床，所述进料口包括位于所述进料床上表面之下某一高度处的一个或多个进料口。
27.根据权利要求26所述的设备，还包括: 冷却装置，该冷却装置位于进料床上表面之下某一高度处的各个进料口处，以避免进料口中的进料被加热到堵塞进料口的状态。
28.根据权利要求26所述的装置，还包括: 进料机构，所述进料机构位于各个进料口处，以迫使进料进入进料床中。
【文档编号】C10J3/72GK103502400SQ201280012949
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年1月12日 优先权日:2011年2月5日
【发明者】A·戈罗德斯基, J·圣扬尼, S·恰夫达, S·库卡迪亚 申请人:阿尔特Nrg公司