等离子电弧炉和应用的制作方法

等离子电弧炉和应用的制作方法
【专利摘要】一种使用任意甲烷、城市固体废物、农场或森林废物、来自油页岩生产的煤岩或焦炭岩、石化烃、（含电荷的任意碳）、水和/或城市污水作为源材料形成有用燃料（诸如甲醇）的等离子电弧重整器。高温等离子电弧将所述源材料解聚为原子，其在部分冷却时形成富含CO和H2（合成气）的气流。系统中的后续分子过滤器和催化剂级移除污染物并且产生输出燃料。所述系统是关于所述合成气生产的闭合环路，其中其再利用残余的未转化气体且甚至在需要时再利用废气。使用超临界CO2兰金（Rankin）循环捕获所产生的大量热并且将其转化为电力，得到潜在的高效率。
【专利说明】等离子电弧炉和应用
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]本申请案要求于2011年8月4日申请且以引用的方式并入本文中的美国临时申请案第 61/515，048 号(Photovoltaic Cell Substrate Wafer and Basalt Plasma ArcFurnace)的权益。此外，本申请案还要求于2012年6月13日申请且以引用的方式并入本文中的美国临时专利申请案第61/659，124号(Plasma Arc Furnace and Applications)的权益。
[0003]发明背景
[0004]本发明属于用于形成合成气体的等离子电弧炉领域。此外，本发明使用化学工艺，其结合使用催化剂将一种或多种合成气体转化为甲醇。此外，本发明属于废热发电领域。此夕卜，本发明涉及污水形式和/或任意含碳材料(包括填埋前或填埋后材料)的城市废物的处理。
[0005]将等离子电弧炉用于形成合成气(CO和H2)是一种通常适合大型设施的技术，所述大型设施占据数英亩的土地，资本成本达数千万至数亿美元。这些成本和实体规模由所选择的系统组件限定。这些转而基于电能成本、废热回收方法、气体净化工艺和最终产物价值。典型的等离子电弧炉采用空气作为工艺气体，其在等离子电弧炬中被电加热以使炉容器中的材料升高至大约摄氏750至1400度的解聚温度。空气的使用引入氮至炉的高温环境中，在废物流中产生氮和金属氧化物。如果存在排放，那么这些污染局部环境空气。
[0006]处理城市污水的问题是市政部门的重大负担。目前的做法是在不同阶段中将废物生物中和。这通常包括生物反应器，其中细菌用于消耗及转化最简单的营养素以及灭杀病原体。残余物在不同的沉淀池中分离。来自污水处理厂的最终输出通常是三种产物的形式。第一种是理论上可饮用的近纯水，第二种是浓缩污泥且第三种是硝基腐殖质肥料，其被送往包装并且销售至苗圃和园林。
[0007]等离子电弧炉系统的最新技术的改进是有用的，尤其是其中一个或多个上述问题得以缓解的改进。
发明概要
[0008]提出一种等离子电弧重整系统，其以清洁及高效的方式产生输出燃料(诸如甲醇)作为一种产物选择。甲醇的碳和水可来自数个不同源，每个源将在下文中简述。第一种是使用任意烃气(例如，诸如沼气)作为碳源及使用蒸馏水作为氧源(两者都供应氢)。已开发出使用这种技术加热甲烷，注入水支持蒸汽重整或蒸汽重整反应，但是本发明增加高效方式以回收工艺中产生的大量废热。第二种是使用城市固体废物作为附加碳源。第三种是使用城市用水或城市污水作为水源。这些方法中的每一种均需要修改系统以处理存在的其它材料(被认为是污染物)。
[0009]本文中讨论的系统主要通过使用甲烷取代空气作为工艺气体而得到促进。甲烷的电性质非常接近空气且其可用在等离子电弧炬中。甲烷(CH4)和水(H2O)的组合允许产生高度受控的化学计量混合物2H2+C0。通过使用甲烷取代空气，较少氮或无氮被引入炉环境中以导致氮基污染物。
[0010]利用超临界CO2 (SCO2)混合废热回收技术(例如，见美国临时申请案第61/636，236号)，高百分比的废热被回收为电以运行系统。这通过减少电力消耗而提高效率并且降低成本。这种改进通过在气体引入至羰基分子过滤器且随后引入重整催化剂反应器之前的下一个过滤器之前在系统的不同位置中(诸如，例如在炉容器表面、高温导管、粒子沉淀器和工艺气体降温单元上)采用热交换器而实现。
[0011]因此，提供一种使用重整器将源燃料转化为输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤:
[0012]将源燃料输入至重整器；
[0013]将水输入重整器；
[0014]在重整器中提供一个或多个热源用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合；
[0015]使用一种或多种催化剂将水和源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；和
[0016]从重整器输出所述输出燃料。
[0017]还提供一种使用重整器将碳基输入燃料转化为期望输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤:
[0018]将碳基输入燃料输入至重整器；
[0019]在重整器中提供一个或多个热源用于将所述输入燃料分解为一种或多种构成组分和/或其组合；
[0020]压缩所述一种或多种构成组分和/或其组合用于输入至催化剂子系统；
[0021]使用一种或多种催化剂将水和源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；
[0022]将污染物从所述输出燃料移除；
[0023]将从所述输出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循环回所述催化剂子系统；和
[0024]从重整器输出所述输出燃料。
[0025]进一步提供一种用于将源燃料转化为输出燃料的重整器，其包括:输入端，其用于接收源燃料；输入端，其用于接收水；热源，其用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合用于放置至流中；热交换器，其用于从所述流提取废热；发动机，其用于将所述废热转化为有用能；压缩机，其用于压缩接收自所述热交换器的所述流；一个或多个催化剂罐，其包括至少一种催化剂，其用于接收来自所述压缩机的压缩流用于将所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；和输出口，其用于输出所述输出燃料。
[0026]还提供一种用于将源燃料转化为输出燃料的重整器，其包括:输入端，其用于接收源燃料；热源，其用于将所述源燃料分解为一种或多种构成组分和/或其组合用于放置至流中；热交换器，其用于从所述流提取废热；发动机，其用于将所述废热转化为有用能；滤床，其用于将催化剂中毒污染物从所述流移除；一个或多个催化剂罐，其包括至少一种催化齐U，其用于接收来自所述压缩机的压缩流用于将所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为输出燃料流；污染物移除子系统，其用于将污染物从所述输出燃料流移除用于将所述污染物的至少一部分再循环回所述催化剂罐；和输出口，其用于输出所述输出燃料。
[0027]还提供附加的示例性实施方案，其一些但非所有在下文中更详细地描述。
[0028]附图简述
[0029]为了更全面地理解本发明的本质，应参考结合附图进行的以下详细描述。
[0030]图1示出从甲烷/水混合物形成甲醇的基本系统的框图，其中有用于回收废热的主要位置；
[0031]图2示出当将城市固体废物用作附加碳源或将城市污水用作水源时对基本系统的修改；
[0032]图3示出用在上述系统中的数个位置中的超临界CO2废热回收系统的框图；和
[0033]图4是示出示例性系统效率的一系列曲线。
【具体实施方式】
[0034]提供一种用于使用任意甲烷、城市固体废物、农场或森林废物、来自油页岩生产的煤岩或焦炭岩、石化烃、(含电荷的任意碳)、水和/或城市污水作为源材料形成有用燃料(诸如甲醇)的等离子电弧重整系统。高温等离子电弧将源材料解聚为原子，其在部分冷却时形成富含CO和H2 (合成气)的气流。系统中的后续分子过滤器和催化剂级移除污染物并且产生输出燃料。系统是涉及合成气产生的闭合环路，其中其再利用残余的未转化气体且甚至在需要时再利用废气。使用超临界CO2兰金(Rankin)循环将所产生的大量热捕获并且转化为电力，得到潜在的高效率。
[0035]重整系统能够产生甲醇，其除被用作便携式燃料外，可以减小或消除对大气空气的污染并且还包括对废热回收系统的改进。这些改进减小系统规模和成本。还提供一种用于解聚污水和/或城市固体废物以形成合成气并且最终形成升级的经催化烃(其实例是甲烷或甲醇)的结构和工艺。
[0036]可用于实现这些特征的组分在2012年3月20日申请且以引用的方式并入本文中的美国临时申请案第 61/636，236 号(Improved Performance of a Transcritical orSupercritical CO2Rankin Cycle Engine)(其公开可用于热回收的发动机)、在2011年3月29日申请且也以引用的方式并入的美国专利申请案第13/074,510号(OscillatingPiston Engine)中的材料、和2012年4月18日申请的公开一种多边形摆缸式发动机且也以引用的方式并入的美国临时申请案第61/625，940号(其讨论可用于如本文中提供的热回收目的的附加发动机设计)中讨论。
[0037]第一示例性构造
[0038]图1示出用于从甲烷和水形成甲醇的基本系统中的主要元件。主要工作元件是等离子炬3，其中工作气体甲烷在高压下在输入端I被引入且在下游水2被混入其中。输出端4含有非常高的温度(>摄氏750度)下的碳、氢和氧原子的混合物。此组合在热交换器6中冷却，其中冷却流体(诸如针对非加压热传输系统的多元醇酯油或甚至压力A下的水)循环至下文描述的热回收系统。输出端8处的流体现在是一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物(合成气体或合成气)，其具有少量二氧化碳(CO2)。这种材料在提供至歧管20之前被压缩机17压缩。歧管输入端18处的气体为下一个催化转化器22所需的大约摄氏200至250度。这种温度通过控制热交换器6中的冷却流体A的流速而建立。此时，设计者可选择在催化剂之前包括一个或多个高容量压缩机。在这种结构中，合成气产物温度被降低为废热回收系统的最低排放温度，为大约35C。随后，通过使用上述压缩机，温度被升高为催化剂的输入温度。这将在降温热交换器之后，以允许炉区段在催化剂之前在环境压力下或低于环境压力运行，其在较高压力下增加效率。这可提供系统运行的显著改进，因为较易于在合成气处理气体回路中提供使热区段在允许由蛭石(作为一个实例)制成的简单和低成本密封的压力下运行的自由度。
[0039]设计包括歧管20，其分流并且将其引导至针对个别催化剂塔22的串联旁通回路元件(催化剂阵列以串联回路运行，将被切换出来进行维护的罐被连接至歧管，其允许平行切换或旁通以隔离所述罐或任意个别罐)。每个催化剂容器可从歧管气体回路中个别移除进行维护(诸如催化剂更换)，同时总体系统继续产生产物。催化剂罐中的反应是发热的且仅在窄的温度范围内运行。因此，每个罐具有其自身的热交换系统，其中冷却流体(聚酯或矿物油(作为一个实例)或加压水)B循环至第二热回收系统。该热回收系统因相当大的温度差异而与使用流体A的系统分离，允许热回收系统的局部优化。催化剂塔22在下文中更详细描述。
[0040]收集歧管(诸如将合成气馈送至压缩机中的单个管)21经由单个输出管收集来自每个催化剂塔的输出。该出口歧管现含有气态或汽化甲醇、一些未转化的合成气和含催化剂粒子的油浆液滴。该输出被引导24至旋风分离器25。旋风将多数粒子从气体中分离。粒子(油滴和催化剂粒子)从底部28离开并且返回输入歧管20。气体穿过26至冷凝器27。该冷凝器将任意剩余油蒸汽从甲醇和合成气分离并且将温度降低至大约摄氏70度(甲醇仍是气体)，此后输出28被压缩机23冷凝。冷凝油经由压缩机23恢复为催化剂塔22中的催化剂浆料至输入歧管20用于再使用/再处理。
[0041]冷凝器27的输出主要是甲醇(?96%)，但其确实含有碳、氢和氧的一些合成气和一些较高重量化合物。这种混合物经由输出30发送至甲烷精制塔32，其通常经由摄氏67度或低于摄氏67度的冷凝在输出34中从其它气体中分离出最终甲醇产物。经由输出35的合成气通过输入歧管20返回系统用于再使用/处理。设计者此时在气体回路中具有将所有未冷凝气体产物引导至发电机系统的选择。较高重量化合物经由输出36提供并且通过进水口 2返回系统以分解并且再次流动穿过系统。
[0042]第二示例性构造
[0043]图2示出当用于处理城市固体废物或城市污水时对上述基本系统的一些期望改变。在这个实例变型中，变化主要在歧管20引至催化剂塔之前提供在前端中。对于处理城市固体废物的情况，进料(切碎的固体废物)经由输入端5馈送至更经典的等离子电弧炉9中。这个碳源改变输入端I处甲烷与进口 2处水的流量比，使得化学计量混合物仍在炉10的输出端处产生。来自城市废物的炉渣元素被收集在炉的底部并且经由输出端7被提取。
[0044]对于处理城市污水的替代情况，进料现为液体，其主要组分是水。这需要不同期望量的甲烷从输入端I提供且不同量的水从进口 2提供(若有，这是因为所有水可能在污水中)且元素的不同混合物在炉渣输出7中提供。但是进气(水和甲烷)比被设定以在炉10的输出中生成尽可能接近的化学计量混合物。对于污水，比率是CH4+H20=C0+3H2，其中来自有机材料的碳是非常非常小的分率，但是碳可能通过将CH4调整为更低而解释。对于城市固体废物、森林或农场废物，通过使用纤维素作为进料实例(其为C6HltlO5)而存在近似的输入电荷。这还可被视作(6C+5H20)+8CH4+9H20=14C0+58H+140。氧原子和氢原子随后将趋向组合以形成702和29?。由于甲醇(CH3OH)的平衡合成气输入比可能是C0+4H或C0+2H2，所以可能具有13CH30H+6H的前期形式。额外氢气将是后续发电机选项的主燃料。
[0045]由于炉中进料中的材料，来自图2中的电弧炉9的蒸汽输入10通常将与来自图1的实施方案的等离子炬的蒸汽输出4不同。在这些废物处理实例的情况中，这些元素的一些可能使塔22中的催化剂中毒，因此期望包括催化剂滤床，其充当分子过滤器14用于将可能使22中的催化剂中毒的任意元素从流中移除的目的。这个新的滤床14中提供的温度应低于分离器输出10以适应分子过滤器的封闭容器中所使用的金属，这通常在500C的范围中但高于歧管20中的温度。因此，提供图2中添加的两个热交换器11和16，其与图1中热交换器6的不同在于冷却流体C和D处于与冷却流体A不同的温度。可接受的冷却流体的实例包括多元醇酯油，其具有油的最高工作温度，矿物油可高至350C且甚至可使用液态金属，诸如汞，加压的水也适用。此外，压缩机17现从过滤器14输出端15输入流，并且将压缩流输出至热交换器16中。线路12中输入的气体仅在较低温度下与输出10中的气体相同，且可包含催化剂毒物，诸如硫、砷和/或氯。滤床14的输出端15处的气体主要是合成气的组分(CO和H2),因为任意毒物已被催化剂滤床14移除。
[0046]经由图2中的输入端18至催化剂歧管20的输入通常在与经由图1中的输入端18相同的温度下提供。因此，系统的其余部分的运行与上文参考图1描述的相同。
[0047]热回收系统 [0048]图3展示可结合示例性炉使用的热回收系统的元件。这样一种系统的实例描述于美国临时申请案第 61/636，236 号(Improved Performance of a Transcritical orSupercritical CO2Rankin Cycle Engine)中，其在2012年3月20日申请且以引用的方式并入本文中。系统具有压缩机41，其将超临界CO2从高于临界压力(>74巴)的压力压缩至~200巴(或更小)的压力。CCV流动穿过压力/流量控制装置47，其调节流速，随后穿过用于低温加热的任选的热交换器48 (其例如可能来自图1中的冷凝器27)。热回收系统的关键元件是内部热交换器45，其将热从高温低压侧移动至较低温高压侧。随后，超临界CO2进入主加热器46，且该加热器被馈送图1中的热流A或B或图2中的热流B、C或D。这针对来自A或C的流的情况将超临界CO2的温度升高至摄氏~450度且针对来自B或D的流的情况将温度升高至摄氏~250度。
[0049]热交换器46用于加热C02。经加热的CO2随后进入膨胀器42，其驱动永磁交流发电机43并且将热能转化为电能。这种电能用于补充等离子电弧炬阵列所需的电力且由此增大甲醇生产的总效率。较低压CO2随后通过在返回压缩机41之前穿过内部热交换器45和冷却器44而完成循环。
[0050]热回收系统的效率取决于压力和温度的特定选择。对于较低温度热交换器，效率可为~25%且对于较高温度热交换器，效率可超过40%。经验证的实例分别使用80%和85%的压缩机和膨胀器效率。由于使用油作为润滑剂和密封的示例性系统中的这两个组件的运行的选项，效率可各为大约92%。图4示出这些效率相对于系统低侧压力的实例的曲线。
[0051]等离子电弧炉[0052]在基本的示例性系统中，等离子电弧炉主要由阵列形式的等离子电弧炬构成(无炉渣)。可利用电弧炬加热或电感耦合等离子炬加热。所有等离子电弧炬被馈送高压甲烷气(CH4),得到大约摄氏5500度的火焰，其由碳和氢离子组成。在等离子发电机区段下游，注入水(H2O),其立即分解为氧离子和氢离子。气流和水流被设定来在大约摄氏750度至1400度的温度下赋予一个碳离子对一个氧离子和四个或更多个氢离子的近化学计量混合物。多数热还原来自气体膨胀，但是腔室壁也被冷却，其中冷却液体用于驱动下文描述的废热回收系统。所得气体混合物主要是CO和H2，其中具有少量CO2。
[0053]对于使用城市固体废物作为附加碳源的示例性应用，炉结构是绝缘的立式气缸，其内衬有耐火砖，其具有闭合的顶端和底端和围绕其下区段的炬阵列。甲烷和水在进入炉容器时被等离子炬加热。因此，含电荷的碳被加热至非常高的温度，其中其分解为其构成原子。甲烷、水和城市固体废物的体积混合物被设定来产生化学计量H2和CO气体混合物。该工艺还具有来自废物的其它原子种类。其中一些表现为积累在炉底部的炉渣。其它保持气态且在系统的后一级中分离。
[0054]对于使用城市污水的情况，与涉及等离子电弧炉的惯例的一个不同在于不存在对大型炉容器的实际需求。而是，本文中公开的系统可制作为比传统系统小得多，使得可能存在炬喷嘴的阵列而非更传统的大型立式气缸。与上文提供的其它实例的主要不同在于用于保持合成气的化学计量混合物所使用的材料比和所收集的炉渣产物的数量。
[0055]在每个情况中，优选的实施方案是炉壳由高温钢或含镍合金(诸如不锈钢或因科镍合金(Inconel))制成,其在内部内衬有一层耐火砖且冷却管接合至炉容器的外壁。此后紧跟第二壳，其用内壳与外壳之间的隔离肋部充当绝缘或热保持隔焰炉而保持为远离内壳。接合至内壳的冷却管用于捕获来自炉的废热并且经由泵送的流动油将其传送至热回收系统。
[0056]热回收系统
[0057]经加热合成气可通过用作超临界CO2膨胀器兰金循环发动机(见申请案第13/074，510号，其以引用的方式并入本文中)的部分的热交换器再利用以捕获废热并且将其转化为电以补充主电源。热还原中的每个步骤是超临界二氧化碳兰金循环发动机废热回收系统的潜在位置。以此方式，高分率的废热被转化为电力以运行系统并且提高其效率。或者，如美国临时申请案第61/625，940号(其以引用的方式并入本文中)中公开，回收发动机可在多边形发动机之后成型。
[0058]热回收系统的效应是提高总体系统效率以及还相对于传统精炼厂或等离子电弧炉系统减小重整厂的规模。
[0059]甲醇形成催化剂
[0060]催化剂的优选示例性实施方案已在别处开发并且在2004年由Air Products andChemicals, Inc与Eastman Chemical Company合作展不,其中其成功展不液相甲醇生产工艺。这些催化剂可包括氧化铜、氧化锌和/或镍或甚至钴和/或锰。化学计量平衡气流通常加压泵送至反应器容器，其中其与催化剂浆料混合并且被转化为甲醇蒸汽。催化剂浆料通常由悬浮在矿物油中的氧化铜和氧化锌组成。
[0061]反应是发热的且通常将维持在摄氏215度与摄氏270度之间。在这种情况下，合成气转化为甲醇释放热并且若未被冷却将驱动催化剂温度上升直到转化过程停止。热将被反应器中的热交换管移除并且是废热回收系统的另一个热源。温度由在反应器中流动的冷却流体(油)的速率控制。转化过程产生大于96%的甲醇。
[0062]离开反应器的是甲醇、未转化合成气、多余氢气和含催化剂的一些浆料的混合物。其随后在旋风分离器中分离，浆料被返回催化剂反应器且气体继续进行进一步处理。
[0063]在经转化和未转化合成气离开旋风分离器之后，其是高温气体。温度在冷凝器中降低，但是保持高于甲醇的冷凝温度。在甲醇的情况中，温度是大约摄氏65度。以此方式，较重的反应剂产物被分离并且被返回至等离子电弧炉或被引导至发电机。
[0064]防护滤床式过滤器
[0065]大量努力被提供来将来自城市固体废物或城市污水的气流中的催化剂毒物移除。存在用于处理这个问题的洗涤器，所以可利用现成技术。这些洗涤器可在等离子电弧炉的输出与至产生甲醇的催化剂的输入的中间的温度下运行，工作温度通常由用于制作封闭容器的材料决定，对于500°C的合成气的典型输入温度通常使用额定为480° C或更高的钢。
[0066]热交换器用于将来自炉的气体温度降低至防护滤床式分子过滤器的可接受温度(其通常是摄氏?500度)。防护滤床式过滤器类似于催化剂，但是并非形成期望的化合物，其目的是与随后可能在系统中中和甲醇催化剂材料的污染物反应、将其捕获并且移除。这种过滤器的示例性组成物可能是分布在活性炭基质上的氧化锰，但是存在其它替代物。这种过滤器会吸收可能存在于给料中的微量砷、硫和/或氯。
[0067]在防护滤床式过滤器之后，通常将提供另一个热交换器以将合成气降低为压缩机的可接受温度，随后是催化剂转化器的可接受温度。这种接受温度取决于催化剂，但是对于设计用于产生甲醇的较小液相催化剂反应器，输入温度可为摄氏235±15度。
[0068]其它元件
[0069]存在粒子旋风分离器，其用于移除甲醇催化剂塔中带出的粒子和一些油滴。这种分离器还可具有内建于壁中的热输送管，以使其也作为热交换器。旋风分离器将捕获多数油滴，但一些油蒸汽将通过。这种旋风分离器通过在底侧引入带粒子的气体并且在顶部取回而工作。气体在从底部移动至顶部时以龙卷风状涡流移动。较重的粒子被抛至壁上。通过与壁接触的摩擦力降低粒子的动量且重力将其牵引至收集阱所处的底部。气体出口在中心顶部。在示例性实施方案中，焊接管被提供在外侧且单独的阻隔层被提供来首先移除壳的金属锥体中的热且其次将热捕获在内壁与外壁之间的气隙中。
[0070]随后，在旋风之后是冷凝器，其将温度降低至刚好高于甲醇液体温度(取决于此级上的系统中的精确压力)。该冷凝器将移除所有重分子和剩余的油蒸汽。
[0071]最后一级是甲醇精炼。该阶段是将甲醇净化至客户期望的纯度。这种精炼将返回仍未转化至催化剂循环或发电机输入的任意合成气和任意较重的非甲醇产物至炉以被再利用。
[0072]替代产物和使用
[0073]催化剂的选择将决定所产生的烃产物。根据需要甲醇、乙醇、甲烷或聚芳香族烃(诸如烯烃)均可产生，但是本文中提供的实例重点关注甲醇的产生。但是许多这些或其它烃类燃料可用于运行系统的主发电机。此外，所产生的合成气可被馈送至发电机发动机(若如此构造)。因此，哪种源作为运行等离子电弧和所需泵的主电力并不重要。
[0074]来自本文中提供的示例性系统的主产物是甲醇，其是最清洁的液体燃料之一。如果大型发电机以这种燃料运行，那么仅来自空气的C02、H2O和氮气(其对工艺是中性的)作为来自发电机的废气而产生。如果期望的产物还是CO2，那么这种废气可被冷却和压缩，水蒸气可被移除和再利用且CO2可被压缩并且冷凝为其液态。这种液体可在浙青砂和油回收点上使用，因为液体CO2是环保清洁剂。这种应用取代这些场合的水和蒸汽使用并且由此在减小或消除环境污染问题的同时提高油回收。还可能回收废气产物，将其与氮气分离以随后通过重整系统将其再利用。
[0075]潜在应用
[0076]重整意指通过电加热烃气以及水和高温等离子解聚为合成气体而转化所有碳，其主要包括一个一氧化碳分子(CO)与2个或更多个氢气分子(2?)的比率。催化转化基本上使用催化剂，其将取得合成气产物并且将气体组分关联至任意数量的产物，甲醇可为其一，还有甲烷、乙烷、烯烃、二甲醚。
[0077]发电是使用来自剩余合成气的燃料气体排放和额外氢气用作发电机(其可为任意发电机但是具体地使用申请案中引述的发动机之一)燃料的发电中产生的副产物。
[0078]污水(作为水源)重整为合成气，随后催化转化为甲醇一具有废物电力输出是有用的应用。
[0079]城市固体废物(MSW)单独(经由使用气体至等离子进料的等离子电弧炉)或结合污水重整为合成气且随后催化转化，主要产生甲醇和废物发电是另一个应用。
[0080]农场或森林废物重整为合成气随后催化转化，具有污水或MSW和废物发电是另一个应用。
[0081]煤重整为合成气随后使用污水催化转化和废物发电是另一个应用。
[0082]来自页岩油加工的碳酸盐岩层处理为合成气随后催化转化是另一个应用。
[0083]二氧化碳，作为来自上述示例性气体给料的液体产生。CO可经由压缩和从氢气低温分离而冷凝，随后燃烧以产生CO2和电力并且压缩且低温处理为液体。
[0084]来自上述工艺的CO2可经由液体CO2中的页岩搅动而作为页岩油回收中的液体使用。这将以比其它工艺低的成本得到较高回收率。CO2将被注入枯竭油井、低生产率的油田或老油田中，高水力压裂法作为一选项。这种方法在CO2在储存器中是液体时最多产，此时产油量通常比基准输出高20%。
[0085]船上(例如，油井平台)应用包括:重整为合成气，随后将天然气矿床中的海上甲烷催化转化是一种应用；和重整为合成气，随后经由上述工艺将天然气转化为CO2 ；
[0086]平台上应用包括:重整为合成气，随后将天然气催化转化为甲醇；在平台上，油经由重整为合成气而升级，随后在岸上或海上催化转化为其它期望的产物；在平台上生产用于海底注入的CO2作为水力压裂剂以协助海底页岩油、浙青砂矿床的油回收或作为用于提高油田回收率的分散剂。
[0087]用未转化的合成气重整且将氢气作为单独的等离子电弧炉中的还原工艺气体用于熔炼矿石和或还原为金属坯料是另一个应用。这将允许后续处理为期望形式的合金和矿石。在这个版本中，重整器仍如描述部分中要求的使用，但是第二种用途针对主要是用于金属回收或生产的氢气的生产，作为电厂(其也有关联的金属冶炼厂)的组合废物。
[0088]许多其它示例性实施方案可通过上述特征的不同组合而提供。虽然上文描述的实施方案使用特定实例和替代例，但是本领域技术人员将了解可使用各种附加的替代例且等效例可取代本文中描述的元件和/或步骤，而不偏离本申请案的预期范畴。可能需要修改以使本实施方案适于特定情况或特定需求而不脱离本申请案的预期范畴。申请案不旨在受限于本文中描述的特定示例性实施和示例性实施方案，而是权利要求被赋予其最广泛的合理解释以涵盖由此涵盖的所有新颖和暗含的、字面或等效的、公开或未公开的实施方案。
【权利要求】
1.一种使用重整器将源燃料转化为输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤: 将源燃料输入至所述重整器； 将水输入所述重整器； 在所述重整器中提供一个或多个热源以用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合； 使用一种或多种催化剂将所述水和所述源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；和从所述重整器输出所述输出燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括使用兰金发动机将所述重整器的废热转化为电的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述重整器的废热转化为电的所述步骤包括发电机，且其中所述兰金发动机是适于驱动所述发电机的摆动盘式活塞发动机。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述兰金发动机由二氧化碳驱动。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述兰金发动机由超临界二氧化碳驱动。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述输出燃料包括甲醇。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述源燃料包括甲烷。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述催化剂包括氧化铜、氧化锌和/或镍的一种或多种。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热源是等离子电弧源。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其包括步骤。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法提供所有CO2和其它废气产物的完全回收，由此提供零排放发电和所述CO2的再利用。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法经由合成气产生提供燃料形成。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括使用，例如，旋风分离器将污染物从所述转化步骤移除的步骤。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个热源将所述甲烷和水输入升高至摄氏750度或更高的解聚温度。
15.一种使用重整器将甲烷转化为甲醇的方法，所述方法包括下列步骤: 将甲烷输入所述重整器； 将水输入所述重整器； 在所述重整器中提供一个或多个热源用于将所述甲烷和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合； 使用一种或多种催化剂将所述水和所述源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述甲醇；和从所述重整器输出所述甲醇。
16.一种使用重整器将源燃料转化为期望输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤: 将所述源燃料输入至所述重整器； 将水输入所述重整器； 在所述重整器中提供一个或多个热源用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合； 压缩所述一种或多种构成组分和/或其组合以用于输入至催化剂子系统； 使用一种或多种催化剂将所述水和所述源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料； 将污染物从所述输出燃料移除； 将从所述输出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循环回所述催化剂子系统；和 从所述重整器输出所述输出燃料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述污染物包括合成气。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的方法，其还包括将废热从所述一种或多种构成组分和/或其组合移除以用于提供至能量捕获装置的步骤；
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中所述方法提供所有CO2和其它废气产物的完全回收，由此提供零排放发电和所述CO2的再利用。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述输出燃料包括甲醇。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中所述源燃料包括甲烷。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述源燃料包括污水废物。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中所述源燃料包括纤维素。
24.—种用于实施上述权利要求的任意方法的重整器。
25.一种使用重整器将碳基源燃料转化为期望输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤: 将所述碳基源燃料输入至所述重整器； 在所述重整器中提供一个或多个热源以用于将所述源燃料分解为一种或多种构成组分和/或其组合； 压缩所述一种或多种构成组分和/或其组合以用于输入至催化剂子系统； 使用一种或多种催化剂将所述水和所述源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料； 将污染物从所述输出燃料移除； 将从所述输出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循环回所述催化剂子系统；和 从所述重整器输出所述输出燃料。
26.一种用于将源燃料转化为输出燃料的重整器，其包括: 输入端，其用于接收所述源燃料； 输入端，其用于接收水； 热源，其用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合用于放置至流中； 热交换器，其用于从所述流提取废热； 发动机，其用于将所述废热转化为有用能； 压缩机，其用于压缩接收自所述热交换器的所述流； 一个或多个催化剂罐，其包括至少一种催化剂，其用于接收来自所述压缩机的所述压缩流以用于将所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；和输出口，其用于输出所述输出燃料。
27.一种用于将源燃料转化为输出燃料的重整器，其包括: 输入端，其用于接收所述源燃料； 热源，其用于将所述源燃料分解为一种或多种构成组分和/或其组合以放置至流中； 热交换器，其用于从所述流提取废热； 发动机，其用于将所述废热转化为有用能； 滤床，其用于将催化剂中毒污染物从所述流移除； 一个或多个催化剂罐，其包括至少一种催化剂，其用于接收来自所述压缩机的所述压缩流用于将所 述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为输出燃料流； 污染物移除子系统，其用于将污染物从所述输出燃料流移除用于将所述污染物的至少一部分再循环回所述催化剂罐；和 输出口，其用于输出所述输出燃料。
【文档编号】H05B7/18GK103765986SQ201280041337
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】S·L·坎宁安, M·A·斯图尔特 申请人:S·L·坎宁安, M·A·斯图尔特