用于处理包含焦油的粗合成气的等离子体辅助方法和系统与流程

发明领域

本发明涉及合成气处理领域。具体而言，本发明涉及用于处理包含焦油的粗合成气的等离子体辅助方法和系统。

发明背景

气化是能够使诸如城市固体废物(msw)或生物质的碳质原料转化成可燃气体的工艺。对msw进行气化的产物气体往往包括大量的焦油。

在使用前，来自气化的产物气体往往被精制。精制系统包括将产物气体暴露于等离子体的系统。通过热分解和等离子体催化的工艺，等离子体精制将产物气体中的较大烃分子还原至氢气、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽与一些痕量污染物的组合。被称为合成气体(合成气)的氢气和一氧化碳混合物可在一个或多个内燃发电机中燃烧，所述内燃发电机将合成气的化学能转化成电能。汽轮发电机使用燃烧的副产物热量来产生额外的电。

生产精制合成气的有效和可靠工艺可显著影响废物或生物质设备的经济学。鉴于当前对可再生能源、废物管理和氢气/合成气燃料的兴趣，在精制工艺和相关机构上的改进是许多研究设施的持续努力工作。

例如，如advancedplasmapower(app)的公司已开发了用来生产精制合成气的二阶段热gasplasma^tm工艺，可将该精制合成气直接进料至燃气发动机中以有效回收能量。在这种工艺中，等离子体处理步骤在单个室中用于废气和固体残渣两者，并且具有一个用于气体和惰性处理的单元的问题是对气体/惰性物质处理缺乏单独控制。

hadidi等人在2003年12月17日“plasmacatalyticreformingofbiofuels”中公开了来自生物燃料部分氧化的燃料重整实验，其中将计算量的氧气添加于反应器中，以便将燃料中的每个碳原子捕获为一氧化碳，因此释放氢分子形式的氢。通过使用等离子管重整技术来产生等离子体允许燃料-空气混合物的稳健和大体积反应启动。该工作描述了使用低电流等离子体放电的生物燃料重整的程序、结果和分析。hadidi还讨论了向反应器限制空气供应的可能性，以控制反应动力学和随后其流出物的组成。另外，hadidi描述了将空气的边界层用来保护反应器壁免受反应器的核心反应区中存在的高温。

在hadidi的工艺中，燃料经过具有三个空气入口的热等离子体焰炬，并且最终结果是一切都转化成等离子体；混合仅是用来确保具有稳定等离子体场的边注。

在一些现有技术系统中，空气和合成气组分的差的混合导致反应器主体内反应物混合物分层，因此在反应器中形成富燃料、贫燃料或化学计量的动态区域。这从工程学观点来看产生了挑战，因为其不允许使用用于点燃空气-燃料混合物的特定静态策略，因为混合物摩尔分数不断演化。随后，其在反应器中产生不稳定火焰，导致不一致的温度剖面(profile)和差的焦油转化。

这些上述挑战降低了精制室的焦油转化效率。

虽然在减少焦油污染、等离子体上有效，但由高反应性物质组成的高温介质可能不合需要地引起反应器壁腐蚀。

出于提出与本发明有可能相关性的申请人相信的已知信息的目的而提供此背景信息。不必然意图承认，也不应解释为先前信息的任何者构成针对本发明的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于处理包含焦油的粗合成气的等离子体辅助方法和系统。根据本发明的方面，提供用于处理包含焦油的粗合成气的等离子体辅助系统，所述系统包括：(a)用于精制合成气的精制室，其包括一个或多个入口，所述入口被配置成促进以下至少两个流动区：核心反应区，其中合成气和空气/工艺添加剂以旋涡模式流动，以在高温中央合成气流动区中混合并燃烧；在反应器内的至少一个周边区，其沿着反应器壁形成缓冲流的边界层，(b)一个或多个等离子体焰炬，其将等离子体注入核心反应区，以及(c)空气注入模式，其产生再循环区以促进容器的核心反应区处高温产物与缓冲层之间的混合；其中在核心反应区中，在紧靠近等离子体弧处点燃合成气和空气/工艺添加剂混合物，同时在反应室的进口处彼此接触。

附图简述

现将仅以举例方式参考附图来描述本发明的实施方案，在图中：

图1示出系统的一个实施方案，详示了粗合成气输入200和粗合成气沿着反应器室500的内部周边800注入，工艺空气/添加剂输入300，等离子体施用400和混合区600，以及已加工合成气输出700。

图2示出系统的一个实施方案的侧视图，该系统被配置成使得入口将粗合成气进料309分流成两个体积流：302(中央合成气流动区)和306(周边合成气流动区)，并且将合成气进料至反应室中，同时将工艺空气经过空气进口端口301送入，所述空气进口端口301垂直于该室并与主流相切。图2还示出低温区305，热区312，核心反应区/混合区304和反应室外壁303，反应器入口壁307和一个或多个等离子体焰炬308的定位。集中的等离子体312也示于图2中。该室还包括平截头体形部分。气体的再循环路径315是由中央区域304和边界区域305的温度、压力和速度上的差异引起。

图3示出精制室区域的俯视图，空气进口端口301位于其中。

图4a-4b示出系统的一个实施方案的气体温度的等值线和空气流的流线连同其温度。等值线示出核心反应区/混合区304和周边合成气流动区306以及在反应器中它们彼此的差异。

图5a-5b示出一个实施方案的俯视图和侧视图，显示与精制室相切定位的多个空气进口端口301。反应器入口壁307也示于该图中。室303和等离子体焰炬布置与图2中所描绘的相同。

图6a-6b示出图5的实施方案的俯视图的温度等值线。截面位于反应器的进口。图6a-6b还示出在反应器中两个不同截面定位处一个或多个热区域区312和一个或多个冷区域区313。图6a的定位在图6b的定位上游。

图7a和7b示出精制室进口的第三实施方案的侧视图和俯视图，其中空气经过空气进口端口301轴向注入容器，而粗合成气经过切向合成气进口端口309注入。

图8示出对于图7a和7b中所描绘的精制室进口设计的气体流动料流的模型结果。它示出核心反应区/混合区域304与周边合成气流动306之间的明显分离。

图9示出图7a和7b中所描绘精制室进口设计的温度分布。在图中可见相异的温度区，连同核心反应区/混合区域304与周边合成气流动306之间温度的明显差异。

图10示出对于图7a和7b中所描绘的精制室进口设计而言在精制室中集中等离子体314的定位。在此设计中，将等离子体在壁的边缘处注入气流路径，即，等离子体焰炬并不突出至反应室中。等离子体焰炬308如该图中所示定位。

图11示出图10中所描绘实施方案的等离子体质量分数。该图示出等离子体在气体料流中的分布并且指示集中等离子体314的定位。

图12示出对于第四实施方案中缺乏平截头体形进口部分的简单精制室进口设计而言反应器内反应物混合物的流速和分布。

图13示出与运行图12中所示设计相关联的等离子体浓度。该图使用灰度阴影示出在反应器内存在于混合物中的等离子体物质的定位。集中等离子体314、热区域312和冷区域313见于该图中。

图14示出与图12中相似、但存在平截头体形进口部分的精制室进口设计的流速和分布。在此设计中等离子体进口定位在平截头体形部分中，突出超过反应器内壁。

图15示出图7中所示设计的温度剖面的视图。

图16示出彼此水平偏移定位的等离子体进口。在该图中示出等离子体焰炬308和集中等离子体314。

发明详述

定义

除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员所通常理解的相同的含义。

如本文中所使用的，术语“粗合成气”大体上意指在气化工艺期间生成的尚未处理的气体。

如本文中所使用的，术语“焦油”意指高分子量烃，其大体上定义为产物气体中的下游可冷凝烃组分。

如本文中所使用的术语“工艺添加剂”包括可以促进合成气部分氧化的任何化合物，并且包括空气、o2、富集空气、蒸汽、co2、o3、h2o2、h2s以及它们的组合。

发明概述

本发明提供用于处理包含焦油的粗合成气的系统和方法。所述系统包括精制室，所述精制室包括用于粗合成气的一个或多个入口，所述入口被配置成提供包括以下的至少两个流动区：中央区，其中合成气和空气/工艺添加剂以旋涡模式流动以混合并燃烧；和至少一个周边区，其沿着反应器壁形成缓冲流的边界层。系统进一步包括将等离子体注入中央区的一个或多个等离子体焰炬。系统被进一步配置成使得在再循环区中产生流动模式，以促进在核心反应区处高温产物与缓冲层之间的混合，从而促进完全加工。系统被配置成使得在中央区中，在紧靠近等离子体弧处点燃合成气和空气/工艺添加剂混合物。

本发明进一步提供用于处理包括焦油的粗合成气的方法，所述方法包括：在中央合成气流动区中以旋涡模式混合合成气和空气/工艺添加剂以燃烧，并同时将等离子体生成的自由基、电子和离子注入此中央合成气流动区；将周边合成气料流再循环至通过中央注入的合成气与工艺空气/添加剂燃烧产生的核心反应区/混合区中，并同时将等离子体生成的自由基、电子和离子注入所述中央合成气流动区；在包含富燃料:空气比的反应器中产生稳定火焰，以促进粗合成气的等离子体催化和焦油分解成低级烃，并且在中央区中点燃近化学计量或氧化混合物，其中合成气、工艺添加剂和等离子体彼此接触。

在一些实施方案中，所述方法和/或系统被配置成使焦油转化率和产物合成气的能量密度达到最大，并同时任选地使寄生功率消耗和/或维修停机时间减到最少。

系统被配置成在反应室内产生各种区，所述区包括被配置成通过暴露于等离子体来优化焦油转化的区，以及用来防护反应器壁免受暴露于反应器核心反应区处的高温等离子体和引起反应器壁腐蚀的反应物质的至少一个区。

在一些实施方案中，此多区系统被配置成允许反应器壁耐受更低的等离子体运行温度(+800℃)。

在本发明中，混合预热的空气/合成气/等离子体以实现多个目标；这包括使部分粗合成气氧化，因此提供热量来促进粗合成气剩余部分的精制。通过这种气体进料方法实现的另一目标是产生再循环区，一旦它已起到其缓冲邻近于反应器的高温核心反应区的反应器壁的目的，则最终与缓冲层组合至反应器的核心反应区中以用于气体重组。以一种方式将等离子体加入合成气，该方式使得它重整未完全氧化的合成气；它还帮助维持反应器中心中的火焰，其中反应机制从氧化转移至还原。

在一些实施方案中，使精制室中的空气和合成气的混合物为亚化学计量的，以使焦油转化反应最大化，并同时使作为加热燃料的合成气使用降到最低。

需要+800℃的温度以将一些较重焦油分子分解成所需气态较低分子量烃。精制室中的升高的温度可通过以下两种方法的平衡组合来实现：

1.预热进料至精制室中的空气。

这种方法的优点是将来自下游工艺的废热通过预热空气再循环，进而降低对外部能源的要求或对进一步消耗氢气和co的要求。这有助于使工艺的总能量效率达到最大。使用空气的缺点是，用来升高合成气温度的来自空气和合成气燃烧的热能现在被用来使主要为氮气(精制工艺中的惰性物质)的空气温度升高。这种额外燃烧将产生来自所得精制合成气的更小热值并且将降低工艺效率。空气中存在的氮气具有另一缺点：还稀释反应室中的合成气并且因此进一步减少精制合成气的低热值(lhv)。合成气的减少的lhv是不期望的。

2.在精制室中使用等离子体焰炬将热的反应性等离子体气体注入反应物混合物。

等离子体焰炬的主要优点是它产生的高反应性自由基和电子，这与燃烧生成的离子组合提供有效的焦油转化系统。超出等离子体作为反应催化剂的用途，其作为热源的用途具有需要外部电源的主要缺点，即，它消耗电，这提高了工艺内的寄生功率损耗，从而降低工艺的电效率。这种方法的优点是它不稀释合成气-空气反应物混合物。

利用在精制室的运行中方法1、2或方法1和2的组合来实现最佳平衡以对反应物提供热能。

可调整精制系统的设计参数以实现对于任何特定工艺体积流、原料中的组分浓度、工艺温度、原料停留时间或其他工艺参数的所需结果(焦油转化或类似目标)。可调整的关键设计参数是：

1.进料至反应器中的主要和次要燃料(粗合成气)料流分流的比率。次要料流(中央料流)可为主要的粗合成气进料流的5％至50％，余量是主要料流(周边料流)。

2.进料至系统中的空气的量和温度可为在环境温度至800℃的温度进入系统的粗合成气体积的40％至100％。

3.等离子体焰炬的定位、位置、功率和类型。

进料至反应器中的流动料流分流之比决定边界层的尺寸和定位并且允许调节具有不同低热值(lhv)的粗合成气。进料至系统中的空气的量和温度允许控制反应器的氧化电位并且允许调节各种工艺条件和原料组成。等离子体焰炬的定位、位置和功率有助于限定反应器内等离子体状况的形状和定位。对于大多数工艺条件而言，一个或多个焰炬的定位将使得高能等离子体区与氧化区一致以便利用两种现象的协同作用。

上述三个参数可针对范围广泛的工艺条件、利用各种组成的原料来优化，从而实现：

·明显的较低温度边界层，其保护反应器壁的暴露免受反应器的核心反应区中存在的高温。

·等离子体气化反应器，其可在它的核心反应区中自维持稳定火焰，即使平均空气-燃料混合物比不是化学计量的。

·经济型精制室，其使工艺粗合成气的lhv和总可用能通量达到最大。

发明详述

图1示出精制系统的一个实施方案的总图，显示了粗合成气输入200和沿着反应器室的内部周边800注入的粗合成气，工艺空气/添加剂输入300，等离子体施用400以及粗合成气、空气和等离子体混合区600，反应器主体500和已加工合成气产物700。

根据此实施方案，用于精制合成气的反应器包括一个或多个入口，所述入口被配置成促进反应器内包括中央区和周边区的至少两个流动区。流动区可由入口的形状和几何结构实现；例如将入口流分流成两个相等子料流可通过将入口在内部分成具有相等横截面面积的两个区段来实现。在中央区中，合成气和空气/工艺添加剂的近化学计量或氧化混合物以作为火焰稳定策略的旋涡模式流动；在周边区中，合成气的边界层提供沿着反应器壁的缓冲流，从而保护反应器壁免受暴露于接近其熔点的温度和引起反应器壁腐蚀的反应物质。从热的观点和随后从经济观点来看，此边界保护层是重要的，因为它规定对用来构造/衬覆(line)反应器壁/主体的材料类型的决定。由于其构造中所用材料的成本差异，针对更高温度设计的反应器将比针对更低运行温度设计的反应器花费明显更多。反应器被设计成使得其中的流体动力学促进曾形成边界层的气体最终迁移至中央区中，这是通过中央区与边界层之间的压力差异实现的，这又由所述区域之间的速度差异实现。现在新鲜的粗合成气形成新的缓冲层，而先前的缓冲层移动至反应器的核心反应区并且在离开反应器之前暴露于焦油转化工艺。等离子体注入的定位被优化，因此等离子体夹带于再循环混合物中，进而促进其中的所需转化反应并且使反应器的转化效率达到最大。

反应器内流动区的数量与反应器内相异温度区的数量相关，对于任何给定设计而言数量可为两个或更多个。

在中央区(混合区域)中点燃近化学计量或氧化混合物，其中合成气、空气和等离子体同时在反应室的进口处彼此接触。此混合区域允许在包含总富燃料:空气比的反应器中实现稳定火焰和一致温度，进而促进粗合成气的可预测等离子体催化和焦油分解成低级烃、氢气和一氧化碳。要尽可能考虑在工艺产物中焦油的组成百分比，这使废物至能量工艺对某些应用有资格而将它排除在其他者外。反应器中所述区的另一功能是，通过限制边界区域处空气/氧气的可得性，将空气/氧气导向至反应器的核心反应区，从而导致缓冲层处温度更低，来保护反应器内壁免受反应器的核心反应区处的高温(+800℃)和引起反应器壁腐蚀的反应物质。

本发明可以以各种反应器几何结构实施，这些中每一者可针对特定工艺条件和目标优化，即，工艺条件规定对于给定组结果而言最佳的反应器几何结构。

在图2中所示的实施方案中，将次要料流经过中央合成气流动区302向核心反应区/混合区304方向送入，而合成气流动的主要料流沿着形成周边合成气流动区306的室的周界引入。中央合成气流动区302与进料至工艺空气/添加剂进口端口301中的进入的工艺空气组合，导致在核心反应区/混合区304中产生近化学计量或氧化可燃合成气-空气混合物，其中在所述混合物到达一个或多个等离子体焰炬308附近时点燃所述混合物。在周边合成气流动区306中，低温区305(在图2中为清楚起见放大)中合成气的边界层提供沿着反应室外壁303的缓冲流，从而保护它免受核心反应区/混合区304中的高温和引起反应器壁腐蚀的反应物质，之后被牵引至等离子体焰炬更远下游的燃烧区中。

在此实施方案中，空气引入由彼此位于水平面上反应器的相对侧面(图3)的两个进口端口301组成。将预热空气料流经过空气进口端口301切向引入，这随着空气料流进入反应室而产生空气中的旋涡流动模式。

图4a-b示出在利用此设计的运行精制室内的静温等值线以及以下两个区之间的合成气料流的分流：中央合成气流动区302和周边合成气流动区306。由一个或多个空气进口端口301促进的输入空气料流中的旋涡运动在反应器内等离子体焰炬308附近产生核心反应区/混合区304，从而提供近化学计量或氧化合成气-空气混合物。结果是在精制室区域中的稳定火焰和再循环以及可接受的焦油转化反应，从而使产物气体中的焦油含量降到最低。

对进口的这种修改连同所得流线示于图14中。如图15的所得温度分布中所示，该设计允许反应物流体经由反应器的平截头体形部分从输入逐渐过渡至反应器中，进而提供均匀的温度剖面、反应器的核心反应区中的热等离子体区域，以减少因所捕获等离子体物质所致的对反应器内壁的侵蚀。

从热分析观点来看，反应器的温度剖面被分成至少两个相异的温度区，包括核心反应区和一个或多个边界区。这些中的每一者起到特定目的。核心反应区可被设计为反应器中的最热区(图15)并且允许另外的富燃料:空气混合物中的稳定火焰。此区还是高温焦油分解的重要功能的发生处。在此情况下一个或多个较冷温度区被设计成沿着反应器壁。这些区的关键功能是保护反应器壁免受暴露于极端高温(诸如反应器的核心反应区中的那些)和免受由等离子体引入、可引起反应器壁腐蚀的反应物质。如果壁温度保持低于核心反应区温度，则它通过减少反应器壁的热分解来延长反应器的可用寿命。它还减少施用于反应器内壁的耐高温(通常为陶瓷)材料的量，进而减少其用于修理/替换耐高温材料的成本和工艺停机时间。反应器被设计成使得其中的流体动力学促进曾形成边界层的气体最终迁移至中央区中。现在新鲜的粗合成气形成新的缓冲层，而先前的缓冲层移动至反应器的核心反应区并且在离开反应器之前暴露于焦油转化工艺。等离子体注入的定位被优化，因此等离子体夹带于再循环混合物中，进而促进其中的所需转化反应并且使反应器的转化效率达到最大。

图2的实施方案的实际运行的焦油转化性能示于下方：

在替代实施方案中，突出至容器中的空气通道被多个外部空气进口端口301(图5)替换，其允许工艺空气横向注入合成气。在具有4个空气进口端口301(图5)的实施例中，在相对于合成气流的横向方向上将热空气切向注入反应器，这在所得空气-合成气混合物中产生旋涡流动模式，从而增强混合。

由空气注入产生的火焰通过由每个相邻空气喷射(图5)产生的火焰所提供的自由基来稳定。将焰炬气体尽可能近地注入反应区以升高自由基的浓度和提高加热速率以及使温度达到最大来促进焦油转化。图6a和6b示出来自计算流体动力学(cfd)模拟的实施例，显示了空气注入平面处(图6a)和低于空气注入平面大约5-6英寸的平面处(图6b)的温度分布。等离子体进口的定位(焰炬定位)可在精制室进口的设计期间变化，以基于特定粗合成气条件和所需结果来优化装置性能。

在本发明的替代实施方案中，将空气沿中央轴竖直向下进料至反应室中，而将粗合成气经过粗合成气进料端口309送入。作为结果，随着合成气进入反应室，在合成气中引发旋涡流动模式。在反应室中，空气和旋涡合成气与由位于反应器进口处的流动路径中的一个或多个等离子体焰炬提供的热等离子体接触。此实施方案的流动料流和温度示于图8和9中。

进入精制室中的等离子体进口的设计定位可针对精制室性能而优化。等离子体进口几何结构可用来产生反应室性能的不同结果。

图16示出彼此水平偏移定位的等离子体进口。在该图中示出等离子体焰炬308和集中等离子体314。

此实施方案被配置成向进入反应器的混合物中引发旋涡动量，这产生混合物的充分混合的核心反应区区域，进而增强等离子体分布和有效分解焦油。图10示出没有旋涡设计的等离子体分布并且图11示出具有旋涡反应物混合物的等离子体分布。

或者，空气输入可经由一个或多个切向端口。所得修改的流动料流和等离子体夹带示于图12和图13中。

任选地，可通过其中使反应物进入反应室处的反应器区段的几何条件平稳来修改设计。

在精制室的各种实施方案中，粗合成气进料309可在进料至反应器中之前分流成两个或更多个相等或不等料流。料流的数量和它们的各自体积是包括但不限于以下的工艺条件的函数：由上游工艺条件规定的入口温度，由所需出口组成限定的出口温度，工艺压力，原料组成，料流组合物的流速和热值。

在实施方案的一个实施例中，将料流分流成次要料流和主要料流(在试验案例中体积比为大约25％和75％，以在反应器的核心反应区中生成近化学计量或氧化燃料:空气比)，之后分别进料至中央合成气流动区302和周边合成气流动区306中。在本发明的此一般实施方案中，次要料流可为主要的粗合成气进料309料流的5％至50％，余量是主要料流。

因此描述了本发明，将明显的是本发明可以多种方式变化。此类变化不应视为对本发明的精神和范围的偏离，并且将对本领域技术人员显而易见的所有此类修改意图被包括在以下权利要求书的范围内。