本发明一般涉及处理材料以生成合成气，更具体地说，涉及用于处理材料以在模块化结构中生成合成气的系统和设备。
背景技术：
在全世界范围内，尤其是发达国家，城市固体废物(MSW)和城市固体污泥(MSS)的处理是非常重要的问题。掩埋或焚烧MSW和MSS的传统技术会导致产生重大问题。由于公众不愿意在附近一带填埋垃圾，因此垃圾填埋场的空间越来越不足，因此将大量MSW/MSS运送到偏远地区的需求日益增大。
倾倒MSW和MSS和/或以传统方式焚烧MSW和MSS产生的环境影响极大，毒素会渗入垃圾填埋场周围的土壤中，并且在焚烧过程中产生的潜在致癌元素会进入空气中。公众对环境可接受解决方案的兴趣日益增长，大多数发达国家已推行减少、重复使用和循环利用方法，以限制送入垃圾填埋场的MSW，并降低对其进行处理时所使用的能耗。
在某些情况下，已在处理MSW和MSS的过程中获益。在焚烧期间，通常会重复使用产生的热量发电或加热一个或多个设施。在垃圾填埋场处，已成功尝试回收MSW随时间推移分解而释放的甲烷。然后，可在燃烧室内使用这种甲烷产生热能或在化学过程中使用这种甲烷形成更复杂的化合物。问题是此类解决方案并未解决潜在的环境问题，且并不能正确适当地收集MSW和MSS的能量。
一种已开发用于更好地处理MSW的技术称为等离子弧气化。在等离子弧气化中，使用电能产生成等离子弧，以将复杂的含碳分子还原成较小的组成分子。这种分子分解在无氧气存在的情况下发生，确保不会发生燃烧。该过程使用等离子弧的能量将复杂的碳化合物分子分解成更简单的气体化合物，例如一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)、短链碳氢化合物和固体废物(炉渣)。该过程专用于减少送入垃圾填埋场的MSW量，并生成合成气-一种作为产物的有用气体混合物。
合成气是一种气体混合物，其包含通过气化含碳化合物而产生的不同量的氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。尽管其能量密度通常低于天然气的一半，但合成气为可燃气体。合成气可用作燃料源或生成其他化学品的中间产品。用作燃料时，通常通过以下反应将煤炭用作碳源：
C+O2→CO2
CO2+C→2CO
C+H2O→CO+H2
这是一项成熟的技术，相比于传统的使用固体煤的方法，作为燃烧煤炭的更清洁的方法，该项技术已重新引起了人们的兴趣。用作生成氨等其他化学品的中间产品时，由于甲烷有四个氢原子，适用于制取合成气，且甲烷占天然气的90％以上，因此通常将天然气用作进料。商业上使用以下蒸汽重整反应：
CH4+H2O→CO+3H2
由于在控制氧环境中进行传统合成气生成技术，而在无氧环境中进行等离子弧气化，因此使用煤和天然气作为进料输入的传统合成气生成技术不同于等离子弧气化。尽管规定无氧，但通过输入材料的分子分解，在该过程中会产生少量的氧气。此外，煤和天然气技术使用一致的产生一致合成气组分的输入材料，而到目前为止，等离子弧气化实现则通常使用MSW作为输入材料，其中给料变化会导致合成气变化。
不幸的是，到目前为止，该技术存在很多限制方面内容。首先，大多数技术实现尚未设计用于管理商业设施所需的MSW的高流速。此外，所使用的转化技术导致产生大量污染物化合物，例如焦油，而非完全转化为氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和碳氢化合物(C1与C4s)。不一致的MSW输入材料性质导致生成的合成气质量高度分化。此外，在产生等离子弧时消耗了大量能量，且在某些情况下，由于输入材料的水分限制需要在处理前干燥MSW，而生成的合成气具有较低的热值，通常低于天然气英热单位内容的一半。尽管将MSW转化为合成气等有价值产品具有显著的效益，但这些问题限制了该项技术。
目前实现技术的一个首要问题就是建造处理MSW所需反应器的资本成本。特别是，在某些实现中，反应腔由需要固化的铸造件制成。这些元件可能会增加成本。此外，反应腔通常处于较高的压力下，这需要额外投资以强化反应腔和周边设备内使用的材料，同时也需要花费维护费用，以保持系统内的密封情况。
在这样的背景下，需要能够缓解上述问题中的至少一个问题的解决方案，特别是能够通过MSW和/或MSS等输入材料有效生成合成气。
技术实现要素：
根据第一个广泛方面，本发明涉及一种系统，包括：多个一次反应腔和一个二次反应腔。可操作一次反应腔容纳材料；每个一次反应腔包括多个至少部分伸入相应一次反应腔内的电极。可操作该电极产生电弧，在电极通电时，电弧能够通过分解相应一次反应腔内的材料生成第一级气体。可操作二次反应腔容纳在多个一次反应腔的每个反应腔内生成的第一级气体并容纳水蒸汽。在多个一次反应腔内生成的气体与水蒸汽组合在一起并与其相互作用，形成第二级气体。
在本发明的某些实施例中，系统还包括至少一个连接在每个一次反应腔和二次反应腔之间的第一级气体管道。可通过相应的第一级气体管道将在每个一次反应腔内生成的第一级气体输出到二次反应腔内。每个第一级气体管道可以包括伸入二次反应腔内的部分，伸入二次反应腔内的第一级气体管道部分适用于引导从一次反应腔输出的第一级气体流动，以在二次反应腔内生成湍流，在二次反应腔内生成循环模式和/或在二次反应腔内生成气体混合干扰模式。在某些情况下，每个第一级气体管道可以包括伸入二次反应腔内的改变从一次反应腔输出的第一级气体流向的部分，例如将从一次反应腔输出的第一级气体流向从大体上垂直流动变为大体上水平流动。在某些实现中，系统可以包括多个连接在每个一次反应腔和二次反应腔之间的第一级气体管道。在这种情况下，通过相应的第一级气体管道将在每个一次反应腔内生成的第一级气体输出到二次反应腔内。
在本发明的某些实施例中，在单一壳体内将一次反应腔连接在一起。该壳体可以是一个长方形棱柱，并可与二次反应腔相连。可将二次反应腔集成在壳体上方。在某些实现中，在材料分解期间，会在每个一次反应腔内生成骨料，且系统还包括一个单独的适用于每个一次反应腔的骨料去除系统。骨料去除系统可以包括一个集成在所有多个一次反应腔下方的输送机。在一个实施例中，在二次反应腔下方连接多个一次反应腔，且每个一次反应腔与至少一个用于使材料流入相应一次反应腔的材料管道相连。每个与一次反应腔相连的材料管道均可穿过二次反应腔。
在本发明的某些实施例中，每个一次反应腔内的多个电极包括两个可在电流从一个电极流向另一个电极时进行操作以生成电弧的电极。可通过不同相位的多相电源为多个一次反应腔内的电极供电。在一种情况下，多个一次反应腔包括三个一次反应腔，且多相电源包括一个具有三相输出的三相电源。在这种情况下，可使用每个相输出为不同一次反应腔中一个反应腔内的电极供电。在另一种情况下，多相电源包括一个具有三相输出的三相电源，且可使用每个相输出为多个一次反应腔中大约三分之一的一次反应腔内的电极供电。
根据第二个广泛方面，本发明包括一种系统，包括：至少一个一次反应腔、多个与一次反应腔相连的第一级气体管道和一个二次反应腔。可操作一次反应腔容纳材料，且一次反应腔包括多个至少部分伸入一次反应腔内的电极。可操作该电极产生电弧，在电极通电时，电弧能够通过分解一次反应腔内的材料生成第一级气体。可操作二次反应腔，容纳来自于一次反应腔的通过第一级气体管道的第一级气体并进一步容纳水蒸汽。在一次反应腔内生成的气体与水蒸汽组合在一起并与其相互作用，形成第二级气体。每个第一级气体管道包括伸入二次反应腔内的部分，伸入二次反应腔内的第一级气体管道部分适用于引导从一次反应腔输出的第一级气体流动，以在二次反应腔内生成湍流。
在某些实现中，伸入二次反应腔内的第一级气体管道部分适用于引导从一次反应腔输出的第一级气体流动，以在二次反应腔内生成循环模式和/或在二次反应腔内生成气体混合干扰模式。在某些情况下，每个伸入二次反应腔内的第一级气体管道部分均包括一个改变从一次反应腔输出的第一级气体流向的弯管。与每个第一级气体管道相对应的弯管适用于大体上水平手动调整和/或大体上垂直手动调整。每个伸入二次反应腔内的第一级气体管道部分可以包括一个将从一次反应腔输出的第一级气体流向从大体上垂直流动变为大体上水平流动的弯管。在某些实现中，系统包括第一和第二一次反应腔。
根据第三个广泛方面，本发明涉及一种系统，包括：多个一次反应腔。可操作一次反应腔以容纳材料。每个一次反应腔包括两个至少部分伸入相应一次反应腔内的电极，可操作该电极产生电弧，在电流从一个电极流向另一个电极时，电弧能够通过分解相应一次反应腔内的材料生成第一级气体。通过不同相位的多相电源为多个一次反应腔内的电极供电。
在本发明的某些实施例中，系统包括多相电源。多个一次反应腔可以包括三个一次反应腔，且多相电源可以包括一个具有三相输出的三相电源。在这种情况下，可使用每个相输出为不同一次反应腔中一个反应腔内的电极供电。在另一种情况下，多相电源包括一个具有三相输出的三相电源，且可使用每个相输出为多个一次反应腔中大约三分之一的一次反应腔内的电极供电。在某些实现中，系统还包括一个可操作的用于容纳在多个一次反应腔的每个反应腔内生成的第一级气体并容纳水蒸汽的二次反应腔。在多个一次反应腔内生成的气体可以与水蒸汽组合在一起并与其相互作用，形成第二级气体。
在审查本发明的某些实施例的以下描述和附图后，本发明的这些方面和其他方面对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
关于附图，下文仅通过举例提供了本发明的实施例的详细描述，其中：
根据本发明的一个实施例，图1A为材料处理系统的系统图；
根据本发明的一个实施例，图1B为在图1A材料处理系统内实现的给料系统图；
根据本发明的一个实施例，图2A为图1A材料处理系统内模块化反应腔的逻辑描述；
根据本发明的一个实施例，图2B为说明材料和气体流动的图1A材料处理系统内一次反应腔的逻辑描述；
根据本发明的一个实施例，图3A和3B分别为模块化反应腔的顶角视图和横断面侧视图；
根据本发明的一个实施例，图3C为一次反应腔顶部和二次反应腔部分的横断面侧视图；
根据本发明的备选实施例，图3D和3E为模块化反应腔的顶角视图，其中，二次反应腔与一次反应腔实际分离；
根据本发明的一个实施例，图4A为从一个一次反应腔进入一个二次反应腔的第一级气体管道配置的顶视图；
根据本发明的一个实施例，图4B为从多个一次反应腔进入一个二次反应腔的第一级气体管道配置的顶视图；
图5A、5B和5C为从一次反应腔进入二次反应腔的第一级气体管道替代配置的顶视图；和
根据本发明的第一个和第二个实施例，图6A和6B为说明用于为反应腔内电极供电的结构的电气图。
具体实施方式
本发明涉及用于处理材料以在模块化结构中生成合成气的系统和设备。如下文所述，本发明中的系统包括多个截然不同的一并适用于有效工艺流程(从材料输入到合成气输出)的机械元件。根据本发明的某些实施例，系统专用于通过管理过程的不同方面，包括但不限于自由基生成、水煤气变换、气体流量控制和电弧电源管理，以可控制方式处理材料。
需要生成合成气的关键材料输入为含碳材料(即包含碳基分子的材料)。在不同实施例中，输入材料可以为各种不同的含碳材料或与外来非碳材料相混合的含碳材料。如本文所述，输入材料为材料混合物时，可挑选出外来材料或将其加工成废物产物。在某些实施例中，输入材料可以为城市固体废物(MSW)和/或城市固体污泥(MSS)。在其他实施例中，输入材料可以包括建筑废物(例如木材、胶合板、木屑压合板和墙面板等)、农业废物(例如木屑、植物物质、覆膜和其他生物质等)、橡胶轮胎、医疗废物、煤炭、油、蜡状物、焦油、包含含碳材料的液体和/或二氧化碳等气体。在某些实施例中，可能包含液体和/或气体的材料的比例可能存在限制。尽管提供了输入材料示例，但应了解的是，本发明的范围并不局限于此类示例材料。其他材料也可用作本发明中系统的输入材料，包括但不限于固体含碳材料、半固体含碳材料、液体含碳材料和可能有助于合成气生成的其他材料(固体、液体或气体)。
输入材料为MSW或可能含有含碳材料和外来材料混合物的另一种输入材料时，可进行预先分拣。例如，可以预先挑选出可回收利用材料(例如金属、玻璃和可用塑料等)和危险材料(例如放射性材料、电池和荧光灯泡等)。如本文所述，作为系统输入材料的外来材料会产生附加废物。例如，如本文所述，金属可能会融化并形成小球，其他无机材料(例如玻璃和陶瓷等)可能会融化并形成可能封装重金属的陶瓷颗粒材料。
根据本发明的一个实施例，图1A为材料处理系统100的系统图。如图所示，材料处理系统100包括多个单独的与作为水煤气变换腔室操作的普通二次反应腔104偶联的一次反应腔102a、102b和102c。每个一次反应腔102a、102b、102c与给料系统106的单独的管道偶联，并进一步与骨料去除系统108偶联。下文中详述了一次反应腔102a、102b、102c以及二次反应腔104的操作情况，如图2A和2B所示。通常，系统内的操作流程包括：通过给料系统106将给料输入到一次反应腔102a、102b和102c内，通过骨料去除系统108从一次反应腔102a、102b和102c内去除骨料，并从一次反应腔102a、102b和102c提取第一级气体，输出到二次反应腔104内。二次反应腔104包括用于以气态形式(即蒸汽)将水添加到二次反应腔104(也称为水煤气变换腔室)内的水蒸汽入口管道110和用于从二次反应腔104中去除第二级气体的第二级气体管道112。
通过流量控制阀114(可保持反应器系统内的所需压力)和鼓风机元件118(可操作用于以所需速度沿着系统运输气体)控制从二次反应腔104中去除第二级气体。可以提取并储存从材料处理系统100输出的最终合成气，以便日后使用，或可将其用管道输送给更多系统使用。可在流量控制阀114和鼓风机元件118之间的处理元件116内完成第二级气体处理，并可在鼓风机元件118后部的处理元件120内进一步完成第二级气体处理。处理元件116和120可进行多种操作，包括但不限于降低气体温度、降低气体中微粒含量和从气体中去除污染物。在一个实施例中，处理元件116和/或处理元件120包括一个降温装置，例如一个或多个降低气体温度并通过冷凝去除水蒸汽的热交换器、一个可以包括旋风分离器的颗粒去除装置和/或一个用于去除氯化合物、部分去除硫化合物和去除金属的污染物去除装置。污染物去除装置可以包括一个酸性气体洗涤器和烧结金属滤芯。在其他实施例中，污染物去除装置可以包括本行业中已经存在的用于从气体中去除污染物的其他元件。酸性气体洗涤器也可间接去除微粒物质。
如图1A所示，给料系统106是一种包括适用于每个一次反应腔102a、102b和102c的主管道元件和单独管道的管道系统。给料系统106可以包括一个用于在给料进入后压缩给料的压缩元件(未显示)和一个或多个用于将给料从存储元件(未显示)运送到多个一次反应腔102a、102b和102c并可进一步压缩给料的输送机装置(描述参见图1B)。在某些实施例中，如图1A所示，通过二次反应腔104偶联与一次反应腔102a、102b和102c偶联的给料管道。该管道结构允许给料利用重力落入一次反应腔102a、102b和102c内，同时仍使二次反应腔104垂直处于一次反应腔102a、102b和102c上方。
根据本发明的一个实施例，图1B为实现的给料系统106，其中，在分离每个一次反应腔102a、102b和102c的单独管道前，在给料系统106内实现一次输送机装置107，且每个单独的管道包括控制给料输入到一次反应腔102a、102b和102c内的相应二次输送机装置107a、107b和107c。可操作一次输送机装置107，将给料材料运送至中心位置，并可在充分的速度下操作该一次输送机装置107，以确保二次输送机装置107a、107b和107c有充足的给料材料，以将给料充分分配给相应一次反应腔102a、102b和102c。在一个实施例中，在速度是二次输送机装置107a、107b和107c的速度和的条件下操作一次输送机装置107。配置每个二次输送机装置，以控制输入到相应一次反应腔102a、102b和102c的材料，以使能量输入与一次反应腔相匹配。如本文所述，将能量用于每个一次反应腔102a、102b和102c内的电极，以产生相应电弧(可操作用于分解输入到腔室内的给料材料)。通过使用相应的二次输送机装置107a、107b和107c使给料材料输入与输入到一次反应腔102a、102b和102c的能量相匹配，可以减少能量损耗，同时确保在处理期间充分分解所有给料材料。
在一个实现中，每个输送机装置107、107a、107b和107c可以包括一个电动机驱动螺旋输送机。在这种情况下，可进一步操作输送机装置107、107a、107b和107c，压缩给料材料。在某些实施例中，可单独控制输送机装置107a、107b和107c的控件；例如，使进入一次反应腔102a、102b和102c内的给料材料的速度与输入到一次反应腔102a、102b和102c的能量相匹配。在其他实施例中，通常可控制输送机装置107、107a、107b和107c的速度，因此在所有一次反应腔102a、102b和102c内，输入给料材料的速度相同。此外，在某些实施例中，可拆除一次输送机装置107，且每个二次输送机装置107a、107b和107c可以将给料材料从中央存储设备(未显示)运送至相应的一次反应腔102a、102b和102c内。在其他实施例中，可以拆除二次输送机装置107a、107b和107c，且可操作一次输送机装置107，将给料材料运送入所有一次反应腔102a、102b和102c内。
将给料输入一次反应腔102a、102b和102c内后，使用图2A和2B中描述的每个一次反应腔102a、102b和102c内的两个电极之间产生的电弧将给料分解成第一级气体。通过分解给料材料生成的第一级气体可以包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、短链碳氢化合物(C1-C4)、少量氧气和氮气、炭颗粒物、硫化合物和氯化合物等污染物。通过至少一个相应第一级气体管道122a、122b和122c将来自于每个一次反应腔102a、102b和102c的第一级气体输送给二次反应腔104。第一级气体管道122a、122b和122c可以采用不同结构。如本文所述，在某些实施例中，可以配置第一级气体管道122a、122b和122c，增加二次反应腔104内的气体速度。
在操作期间，来自于一次反应腔102a、102b和102c的第一级气体与来自于二次反应腔104内水蒸汽入口管道110的水蒸汽相混合在一起。水蒸汽增加会使得氢气的摩尔量增大，同时消耗碳，化学方程式为：C+H2O→CO+H2，并消耗一氧化碳，化学方程式为：CO+H2O→CO2+H2。水蒸汽也会降低第一级气体的温度。最终结果为：通过第二级气体管道112排出二次反应腔104的第二级气体包括更多氢气和二氧化碳、更少的一氧化碳和碳等颗粒物，相比于进入二次反应腔104的第一级气体，第二级气体的温度更低。
根据本发明的一个实施例，图2A为图1A材料处理系统内模块化反应腔的逻辑描述。如图2A所示，在彼此邻近位置处和二次反应腔104下方实现一次反应腔102a、102b和102c。使用二次反应腔104和每个一次反应腔102a、102b和102c之间的管道实现给料系统106，并在一次反应腔102a、102b和102c下方实现骨料去除系统108。每个一次反应腔102a、102b和102c均有相应的热区202a、202b和202c，这使得在操作时，在操作的多个电极之间形成电弧。热区202a、202b和202c的尺寸会受到能量输入和产生的电弧的特性的影响。热区202a、202b和202c确保将每个一次反应腔102a、102b和102c内的给料分解成第一级气体。热区202a、202b和202c的体积对能够处理的一次反应腔102a、102b和102c内的给料材料的吞吐量具有决定性影响，热温度区的体积越大，在一段时间内可处理的材料就越多。
根据本发明的一个实施例，图2B为说明材料和气体流动的图1A材料处理系统内一次反应腔102a的逻辑描述。如图所示，一次反应腔102a包括第一和第二电极204a和206a(在腔室外部从对面延伸到腔室下部)。以在电流从第一电极204a流向第二电极206a时能够在电极204a和206a之间形成电弧208a的所需距离或距离范围，分离一次反应腔102a中心内的两个电极204a和206a的端部。在伸入一次反应腔102a的电极204a和206a之间形成的电弧208a产生热区202a。热区202a可以包括多个热剖面(越接近电弧208a，其温度就越高，与电弧208a的距离越远，热量越低)。
在操作中，通过在一次反应腔102a顶部附近的给料系统106将给料材料210输入一次反应腔102a，给料210因重力掉落入一次反应腔102a内。随着给料210掉落，其进入处于适当温度下能够化学分解给料210部分的热区202a部分。化学分解使得形成气体211组分和骨料212。在热区202a内的多个温度区内，随着混合气体211内的不同组分，可能会发生不同的化学分解，这取决于热区202a内的给料材料和温度。骨料212因重力掉落入一次反应腔102a内，经一次反应腔102a进入骨料去除系统108，通过管道122a等第一级气体管道将在一次反应腔102a内生成的气体211排入二次反应腔104。
图2A中的每个一次反应腔102a、102b和102c均包括一对相应的第一和第二电极(从腔室102a、102b和102c外部伸入腔室102a、102b和102c下部的中心位置处)。在操作中，每个一次反应腔102a、102b和102c均有单独的电弧(形成于电流从腔室102a、102b和102c内的一个电极流向另一个电极时)。此类电弧产生相应的热区202a、202b和202c，此类热区用于将每个一次反应腔102a、102b和102c内的给料分解成第一级气体和骨料。在图2B的模块化结构中，来自于每个一次反应腔102a、102b和102c的骨料掉入在一次反应腔102a、102b和102c之间共用的骨料去除系统108内，并用管道将在腔室102a、102b和102c内生成的第一级气体单独送入普通二次反应腔104内。如图2A所示，第一壁214a在一次反应腔102a和102b之间形成屏障，第二壁214b在一次反应腔102b和102c之间形成屏障。在某些实施例中，可以拆除此类壁214a和214b，以形成单独的更大的一次反应腔(包括多个单独的能够生成多个电弧以分解给料材料的电极组)。
根据本发明的一个实施例，图3A和3B分别为模块化反应腔的顶角视图和横断面侧视图。图3A和3B所示为图1和2A描述的模块化结构的一个样例机械实现。在该设计中，在与二次反应腔104相连的也作为长方形棱柱实现的单独的长方形棱柱壳体300内实现一次反应腔102a、102b和102c。在本实施例中，骨料去除系统108包括一个输送机系统。
如本文所述，给料系统106包括与每个一次反应腔102a、102b和102c相对应的用于将给料材料送入一次反应腔102a、102b和102c内的给料管道302a、302b和302c。如上述所述，给料管道302a、302b和302c穿过二次反应腔104，但不会释放出二次反应腔104内的任何给料。该结构允许给料进入腔室顶部的一次反应腔102a、102b和102c内，并允许气体流入集成在一次反应腔102a、102b和102c正上方的二次反应腔104。这考虑到了紧凑设计，同时最大化利用重力使给料经过一次反应腔102a、102b和102c。在备选实施例中，应了解的是，由于不会在一次反应腔102a、102b和102c顶部实现给料管道302a、302b和302c和/或不会在一次反应腔102a、102b和102c正上方实现二次反应腔104，因此给料管道302a、302b和302c不会穿过二次反应腔104。
每个一次反应腔102a、102b和102c包括用于固定用于形成相应电弧的电极对的管道。图3A中描述了在壳体300侧的电极管道304a、304b和304c。每个电极管道304a、304b和304c确保每个一次反应腔102a、102b和102c内的第一电极伸入相应腔室内。在壳体300的另一侧，实现更多电极管道，以确保每个一次反应腔102a、102b和102c内的第二电极伸入相应腔室内。确保第二电极伸入一次反应腔102a的电极管道306a如图3B所示。
根据本发明的一个实施例，图3C为一次反应腔102a顶部和二次反应腔104部分的横断面侧视图。如图所示，可使用砖块建造一次反应腔102a和二次反应腔104的壁面。相比于需要铸造件的结构，该结构考虑了更多节约性设计。此外，图3C展示了穿过二次反应腔104的给料管道302a的一个实现，并展示了作为弯管的用于引导从一次反应腔102a排出的气体从垂直方向流动变为水平方向流动的第一级气体管道122a的实现。
应将图3A、3B和3C中所示的机械设计视为本发明的唯一样例实现。可在本发明范围内对反应腔的形状、尺寸、结构和配置进行修改。特别是，可对某些实施例中的一次和二次反应腔的形状和构造进行修改。同时，也可对一次和二次反应腔的相对位置进行修改。例如，如图3D所示，可在与一次反应腔102a、102b和102c的壳体物理分离的单独壳体内实现二次反应腔104。在这种情况下，可以延长第一级气体管道122a、122b和122c，并从一次反应腔102a、102b和102c经由空气或其他壳体元件延伸到二次反应腔104。此外，相比于一次反应腔102a、102b和102c，可在其他相对位置处实现二次反应腔104。在某些非限制性实施例中，如图3E所示，可在一次反应腔102a、102b和102c邻近位置处实现二次反应腔104，或在一次反应腔102a、102b和102c斜上方(即上方但并非正上方)实现二次反应腔104。在可使用鼓风机运送第一级气体的某些实施例中，甚至可以在一次反应腔102a、102b和102c正下方或斜下方或远离一次反应腔102a、102b和102c的位置处实现二次反应腔。
尽管图1A、2A、3A和3B中描述了三种一次反应腔102a、102b和102c，但应了解的是，本发明中的材料处理系统100可以包括2、3或多个共用一个二次反应腔104和/或一个骨料去除系统108的模块化一次反应腔。在某些实施例中，二次反应腔104内的第一级气体管道配置考虑到待实现发明的各个方面，仅单独的一次反应腔与二次反应腔相连。
尽管描述仅在每个一次反应腔内实现两个电极，但在某些实施例中可增加电极数量。增加一次反应腔内的电极数量会形成多个电弧，进而潜在增加形成热区的尺寸。增加热区会增加在一定时间内处理的给料材料数量。在每个一次反应腔内仅使用两个电极的优势为容易触发形成电弧。使用多个电极时，可能需要对每对电极之间的距离和输入到电极的电力进行调整，以触发每个电弧，且很难同时触发多个电弧。需要形成的电弧越多，调整电极和输入电力的过程越复杂。
在一个实施例中，反应器系统内的所需压力为低于15psi的低压级。由于在高压系统中使用材料的强度更大，因此该低压方面使得元件(包括一次和二次反应腔)成本更低。此外，高压系统中所需的密封剂成本和密封剂维护会增加操作成本。
二次反应腔104内的第一级气体管道配置可能会对产生的第二级气体的质量产生影响。在二次反应腔104内生成湍流可能会进一步促进来自于一次反应腔102a、102b和102c的第一级气体与水蒸汽相混合。促进混合会促进发生化学反应，进而增加产生氢气量，并减少炭颗粒物。有很多可实现的用于增加二次反应腔104内气体流内湍流的第一级气体管道配置。
根据本发明的一个实施例，图4A为从一个一次反应腔102a进入二次反应腔104的第一级气体管道配置的顶视图。如图所示，一次反应腔102a和二次反应腔104之间的壁402a带有一个孔404a，可通过该孔，实现给料管道302a。此外，在图4A的实现中，描述了两个第一级气体管道，每个第一级气体管道包括一个上部406a和一个下部408a。下部408a延伸到一次反应腔102a内的热区202a区域。第一级气体管道的上部为弯管，引导排出一次反应腔102a的第一级气体流向从垂直方向变为大体上水平流动。使用两个第一级气体管道时，可使用一次反应腔内的两个除气位置。此外，可配置两个第一级气体管道上部，以在循环模式下通过引导二次反应腔104内的气流产生湍流。在其他实施例中，可通过产生其他流，包括气体混合干扰模式(气体第一部分流干扰气体第二部分流)，产生湍流。用于产生气体混合干扰模式的结构可以包括配置两个或多个第一级气体管道，以引导两个或更多第一级气体流彼此接触，以增加不同气流内分子组分之间相接触。
根据本发明的一个实施例，图4B为从多个一次反应腔102a、102b和102c进入二次反应腔104的第一级气体管道配置的顶视图。在这种情况下，与图4A的配置相类似，每个一次反应腔102a、102b和102c的第一级气体管道配置为重复配置。特别是，在该配置中，每个一次反应腔102a、102b和102c在二次反应腔104中有两个第一级气体管道，且每个第一级气体管道均包括一个对应的上部406a、406b和406c和一个对应的下部408a、408b和408c。在该实现中，可操作每个一次反应腔，以从相应热区202a、202b和202c内的两个位置输出第一级气体，并配置第一级气体管道上部406a、406b和406c，以可以产生湍流的循环模式引导二次反应腔104内的气体。如图所示，图4B中二次反应腔104内的气体流动为逆时针方向。通过配置第一级气体管道，可使二次反应腔104内的气体以不同方向和方式流动。在一个实施例中，可通过产生其他流，包括气体混合干扰模式(气体第一部分流干扰气体第二部分流)，产生湍流。水蒸汽进入二次反应腔104时，二次反应腔104内的气体流动确保促进第一级气体与水蒸汽相混合并促进发生化学反应。相比于输入到二次反应腔104的第一级气体，促进混合能够提高从二次反应腔104输出的第二级气体质量。
应了解的是，在备选实施例中，可对图4A和4B的配置进行修改。例如，可增加每个一次反应腔的第一级气体管道数量或将管道数量潜在限制为仅一个。图5A描述了备选实现，其中，一次反应腔带有四个从一次反应腔和二次反应腔之间的壁502伸出的第一级气体管道504a、504b、504c和504d。这四个管道504a、504b、504c和504d引导输入二次反应腔的第一级气体流动，以增加湍流。在这种情况下，气体从管道504a逆时针流向管道504b、504c和504d，并以循环模式继续流动。可在仅有一个单独的一次反应腔与二次反应腔相连的结构中实现该第一级气体管道配置。也可在有多个一次反应腔与一个单独的二次反应腔相连的结构中实现该第一级气体管道配置。图5B和5C为第一级气体管道替代配置的顶视图。在图5B中，可在角度A范围内水平旋转第一级气体管道506，以改变进入二次反应腔的第一级气体的水平方向。在图5C中，可在角度B范围内垂直旋转第一级气体管道508，以改变进入二次反应腔的第一级气体的垂直方向。在这两种情况下，可根据二次反应腔内预期流的分析，决定第一级气体的流向，或可根据用于最大化在二次反应腔内混合的试凑法，决定第一级气体的流向。在某些实施例中，可监测第二级气体的含量，以评估二次反应腔内的气体流动差异。
根据本发明的第一个和第二个实施例，图6A和6B为说明用于为反应腔内电极供电的结构的电气图。在这两个实施例中，使用三相电源为材料处理系统供电。特别是，如图2A和2B所示，每个一次反应腔102a、102b和102c均包括相应的第一电极204a、204b和204c和相应的第二电极206a、206b和206c。为了在每个一次反应腔内的第一和第二电极之间生成电弧，电流必须从一个电极流向另一个电极。通过在图6A和6B的系统中使用三相电源并使用包括三个一次反应腔的模块化结构，能够实现平衡用电。用于在每个一次反应腔内生成电弧的电力可能很大，因此如果管理不当可能影响电网内的平衡。通过在不同电力阶段平衡一次反应腔内的每组电极，平衡用电，减轻管理电网的公用事业公司的压力，并潜在降低整个系统的电力成本。
图6A所示为在Y配置中连接三组电极的结构。在这种情况下，将第一电极204a、204b和204c连接在一起，并可将其与中性线相连，且将每个第二电极206a、206b和206c与电源供电相L1、L2和L3中的一个相连。如图所示，L1相为0°，L2相为+120°，L3相为-120°。图6B所示为在delta配置中连接三组电极的结构。在这种情况下，将第二电极206a和206b与电源供电相1L1相连；将第一电极204a和第二电极206c与电源供电相2L2相连；并将第一电极204b和204c与电源供电相3L3相连。与图6A相类似，L1相为0°，L2相为+120°，L3相为-120°。应了解的是，每个电极组有不同的供电相与相应的电极相连时，可使用其他delta配置。此外，应了解的是，根据本发明的实施例，可使用其他电气配置，将多相电源与一次反应腔内的多个电极组相连，进而促进在电源相间平衡用电。
尽管描述了可用于为三个一次反应腔供电的三相电源，但也可使用替代配置。例如，在某些实施例中，通过由三相电源输入的每相为三分之一或大约三分之一的一次反应腔供电，实现三个以上一次反应腔。理想情况下，在电源相间均匀分布或接近均匀分布一次反应腔时，通常可使用多相电源。
尽管专门描述本发明的实施例适用于分解含碳材料以生成合成气，但系统可用于其他用途。例如，与一个二次反应腔偶联的多个一次反应腔的系统可用于分解酸等无机材料。此外，可配置使用多个第一级气体管道，以在二次反应腔内生成湍流。此外，可使用多相电源为多个一次反应腔内的多个电极组和接受不同电源相供电的每组电极供电。本发明的结构方面可适用于生成合成气之外的情况，且本发明的范围不限于含碳材料分解和生成合成气。
尽管已描述并举例说明本发明的不同实施例，但在不违背附件权利要求中所述的本发明范围的情况下，该领域的专业人员可对所述的实施例做出多次修改和改动。