CN101233215B - 用于将含碳原料转化为特定成分气体的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供带有集成控制子系统的含碳原料气化系统。所述系统大致以各种组合包括：具有一个或更多处理区域和一个或更多等离子体热源的气化反应器(或转换器)、固体残余物处理子系统、气体质量调节子系统、以及用于控制含碳原料到能量的转化的总体能量流动和转换并将气化过程的所有方面维持在最适设定点的集成控制子系统。所述气化系统还可以可选地包括热量回收子系统和/或气体产物调节子系统。

Description

用于将含碳原料转化为特定成分气体的系统

发明领域

  本发明涉及含碳原料的气化，且尤其涉及用于将含碳原料转化为具有特定成分的气体的方法和装置。

发明背景

  气化是使得能够以称为含碳原料的碳基原料来制造易燃或合成气体(例如H₂、CO、CO₂、CH₄)的过程。所述气体能够用于发电或作为基本原材料来制造化学制品或液体燃料。该处理使得能够生产气体--所述气体能够用于发电或作为化学制品生产商的初级构成材料或运输燃料。

  特别地，所述气体能够用于：在锅炉中燃烧用于生成用于内处理的蒸汽和/或其它外部目的；用于通过蒸汽轮机发电；直接在燃气涡轮或燃气发动机中燃烧用于发电；燃料电池；制造甲醇和其它液体燃料；作为进一步的原料用于制造诸如塑料或肥料的化学制品；提取氢气和一氧化碳作为独立的工业燃料气体；以及需要的其它工业热需求。

  因为用于气化处理的有用原料能够是任何含碳材料，原料的类型能够具有很宽的范围。有用的原料能够包括，但不限于，任何废弃材料、煤、石油焦、重油、生物物质和农业废弃物。

  通常，气化处理包括：将含碳材料填料至加热室(气化装置)，以及控制和限制氧和蒸汽的量。在由气化装置内的状态产生的高工作温度下，化学键由于热能和部分氧化而断裂，并且无机矿物质熔化或变成玻璃状而形成称为熔渣(slag)的熔化玻璃状物质。

  气化(含碳原料至废气(off-gas)然后至合成气体的完全转化)能够在高温或低温下进行，并且在一个步骤中进行，或者阶段在一定条件(温度、反应添加剂)下分离到一定的程度，其方式为某些反应受益于其它反应。其能够在单个室内、单个室内的多个区域或多个室内进行。由于原料通过气化反应器，取决于反应器设计方案和原料的组分，能够接续地或同时地发生物理的、化学的和热的处理。随着在原料被加热及其温度升高，发生干燥，水是首先散发的部分。

  随着干的原料的温度上升，发生高温分解。在高温分解期间，原料被热解而释放焦油、苯酚和轻的挥发性碳氢气体，同时原料转化为炭。取决于原料的本源，所述挥发性物质可包括H₂O、H₂、N₂、O₂、CO₂、CH₄、H₂S、NH₃、C₂H₆以及非常低水平的非饱和碳氢化合物，诸如乙炔、烯烃、芳香物族化合物和焦油。一旦含碳材料转化为气态，诸如硫化合物和灰(ash)的不需要物质可以从气体去除。

  炭包括残余固体，所述残余固体包括有机和无机材料。在热解后，炭比干燥的原料具有更高的炭浓度，并且可以用作活性碳的来源。

  气化产物是炭中的碳和容器中的蒸汽、CO₂和H₂之间化学反应及得到的气体之间的化学反应的结果。气化反应由热(热解)驱动。这能够通过添加电或化石燃料(例如丙烷)以加热反应室或添加空气作为反应物来驱动放热气化反应而得以驱动。一些气化处理还使用间接加热，避免气化反应器中馈给材料的燃烧，以及避免气体产物被氮气和过量的CO₂稀释。

  完成气化的装置在许多方面变化，但是取决于四个主要工程因素：反应器中的环境(氧或空气或蒸汽含量水平)、反应器的设计、内外加热装置、以及用于所述处理的工作温度。所述产物包括碳氢气体(也称为合成气体)、碳氢液体(油)以及炭(碳黑和灰)。

  某些气化系统采用等离子体技术。等离子体是物质的第四种状态：例如由放电得到的离子化气体。等离子体炬将气体分子加热到一个高的温度，使得所述分子分解为其构成原子。从离开等离子体发生器的原子热蒸汽回收反应热量，并且原子蒸汽的温度下降到一些原子开始重组的温度。由于输入的气体在化学计量学上具有不足的氧，从而具有足够的氧形成大量的一氧化碳，而没有足够的氧形成大量的二氧化碳。

  以等离子体炬能够得到的极高的温度(3000℃至7000℃)使得能够实现气化处理，其中所述气化处理实际上能够适应任何输入原料，包括接收环境(as-received condition)中的废弃物，包括任何形式或组合的液体、气体和固体。原料的范围能够从诸如家庭器具、轮胎、床的弹簧的市政固体废弃物到诸如低水平发射性废弃物的废弃物材料。

  等离子炬(技术)能够设置为使得所有的反应同时进行，或者能够设置在反应容器内使得所述反应接续地进行。在任一结构中，由于在反应器中包含等离子体炬，热解反应的温度(技术)升高。

  完成气化的装置在许多方面变化，但是取决于四个主要工程因素：反应器中的环境(氧、空气或蒸汽含量水平)、反应器的设计、热源的设计、以及用于所述处理的工作温度。影响气体产物质量的因素包括：原料组分、备料和微粒尺寸；反应器加热率；驻留时间；设备构造，包括其是采用干式还是浆式填料系统，填料-反应物流动几何参数，干灰或熔渣矿物去除系统的设计；是使用直接还是间接热产生和传送系统；以及合成气体清洁系统。

  这些因素已经在各种不同系统中考虑，已经建议采用等离子体弧发生器来以具有能量效率的方式将废弃物转化为电。这些系统例如在下列文件中公开：美国专利6,686,556，6,631,113，6,380,507，6,215,678，5,666,891，5,798,497，5,756,957，以及美国专利申请2004/0251241、2002/0144981。

  还有多个专利涉及煤的气化用于在不同的应用领域生成合成气体，所述专利包括美国专利4,141,694；4,181,504；4,208,191；4,410,336；4,472,172；4,606,799；5,331,906；5,486,269和6,200,430。

  含碳原料气化作用过程中产生的气体通常非常热并且脏，并需要进一步处理以将其转化为可用产品。例如，湿式净化器和干式过滤系统经常用于从气化期间产生的气体中去除颗粒物质和酸性气体。已经开发出许多气化系统，其包括处理气化作用过程中产生的气体的系统。

  美国专利第6,810,821号描述了一种用于对使用等离子体炬的废弃物处理系统的气体副产品进行处理的装置和方法，其采用无氮工作气体。美国专利第5,785,923号描述了用于连续的填料材料熔化的装置，其包括废气接收室，所述废气接收室具有废气加热装置，诸如等离子体炬，用于破坏挥发性材料。

  此背景信息提供用于公开本发明的申请人确信与本发明可能相关的信息。无需许可，也不应解释为任何先前的信息构成抵触本发明的现有技术。

发明概述

  本发明的一个目的是提供将含碳原料转化为特定组分气体的系统，其包括：包括一个或更多处理区域、一个或更多等离子体热源的气化作用反应器；用于以可调节的含碳原料供给速度将含碳原料添加到所述气化作用反应器的一个或更多含碳原料输入装置，用于以可调节处理添加剂供给速度将处理添加剂添加到所述气化作用反应器的一个或更多处理添加剂输入装置，及用于输出所述气体的一个或更多出口、固体残余物处理子系统；气体质量调节子系统；整合控制系统，其包括：用于测量一个过更多系统参数以产生数据的系统监控装置、用于收集并分析由所述系统监控装置产生的数据的计算装置，及发射适当信号以影响位于系统各处的的一个或更多系统调节器中变化的输出装置，其中所述控制系统监控一个或更多系统参数并发射信号到适当心痛调节器以影响一个或更多系统调节器中的变化并因此产生特定组分的气体产物。本发明的一个实施方式中，气化作用系统还可以选择性地包括热量回收子系统和/或气体产物调节系统。

附图简要说明

  本发明的这些和其它特征在以下参考附图所作的详细说明中将更加清晰。

  图1至3是描述根据本发明各种示范性实施方式的用于将含碳原料转化为特定组分气体的系统的示意图。

  图4至9是描述图1至3的系统的各种下游应用的示意图。

  图10是流程图，示出图1至9的系统和操作地偶联到所述系统的集成系统控制子系统之间的监控和调节信息的流动。

  图11是描述图10的集成系统控制子系统的示意图。

  图12是示意图，示出通过图10的集成系统控制子系统而分别发送至图1至9的系统或从其接收的示范性监控和调节信号。

  图13是示意图，示出图10的集成系统控制子系统到图1至9的系统的各种设备、模块和子系统的示范性监控和调节通路点。

  图14和15示意图，示出用于控制对图1至9的系统的等离子体气化作用容器的输入的图10至13的集成系统控制子系统的示范性实施方式。

  图16至20是示出与图1至9的系统一同使用的各种等离子体气化容器的示意图。

  图21和23是示出与图1至9的系统一同使用的示范性热量回收子系统的示意图。

  图24是更加详细地示出图23的气体到气体式热交换器的示意图。

  图25是更加详细地示出图23的热量回收蒸汽发生器的示意图。

  图26是示出用于处理来自图1至9(尤其是图1)的热量回收蒸汽发生系统(Heat Recovery Steam Generation System)的蒸汽/水输出的可选蒸汽/水处理子系统的示意图。

  图27是示出用于与图1-9的系统一同使用的气体质量调节套件的实施方式的示意图。

  图28是示意图，示出选择性地用于与图10至15的集成控制子系统一同使用的等离子体气化处理模拟与系统参数优化和模型化装置的各种数据输入和输出。

  图29是示意图，示出根据本发明一实施方式的水平三区域气化容器内发生的各种处理。

  图30和31是示意图，示出用于与图1至9的系统一同使用的各种竖直等离子体气化作用容器。

  图32A和32B是示意图，示出根据本发明一实施方式的竖直三区域气化容器内发生的各种处理。

发明详述

  除非另外限定，所有用于本文的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同意义。

  如用于本文的，术语“约”是指从额定数值的+/-10％的变动。应当理解，这样的变动常被包括在本文提供的任何给定数值中，而无论其是否被特别提到。

  用于本发明的目的，术语合成气(或合成气体)是指气化处理的产品，且在诸如甲烷和水等其它气态成分外，可以包括一氧化碳、氢和二氧化碳。

  如用于本文的，术语“原料”和“含碳原料”能够是适于在本发明的气化处理中气化的含碳材料，并且能够包括但不限于任何废弃材料、原料(包括不适于在燃烧原料的电力发电机中使用的低级的、高硫的原料)、石油焦炭、重油、用作燃料或能源的生物废弃物、垃圾废物或农业废弃物。适用于气化作用的废弃材料包含危险或无危险废弃物，诸如市政废弃物、以及由工业活动产生的废弃物与生物医学废弃物。可用于气化作用的生物废弃物的例子包括，但不限于，废木材或新鲜木材，水果、蔬菜和谷物处理的残余物，造纸厂残余物，稻杆，草以及肥料。

  术语“固体残余物”意思为含碳原料气化作用的固体副产品。上述固体残余物通常包括存在于含碳材料中的无机的、不可燃烧的材料，诸如硅、铝、铁和氧化钙。固体残余物的例子包括炭、灰和熔渣。

  “熔渣”意为非可滤取的、非危害性的、玻璃状材料，其由存在于炭质材料中的无机的、不可燃烧的材料构成。高温条件下(1300℃-1800℃)，矿物物质被熔化。一旦淬火或冷却，熔化的熔渣形成玻璃状物质。此材料适用于许多商业用途。

  如用于本文的，术语“交换空气”是指使用根据本发明的气体到气体式热交换器、使用来自热产物气体的焓将空气加热后的空气。

  现参考图1至9，本发明提供了含碳原料气化系统，该系统大体上使用数字10标记，带有集成控制子系统200，其示范性实施方式在图10至15中示意性说明。所述系统10大致包括(在不同组合中)气化反应器容器14(或转换器)，所述容器具有一个或更多处理区域及一个或更多等离子体热源(如15中的)、固体残余物处理子系统16、气体质量调节子系统20、及集成控制子系统200，所述子系统200用于管理含碳原料转化为能量的整体能量流动和转换(energetics)，以及维持气化过程的所有方面处于优化的设定点(图10至15的说明性描述)。气化系统还可以可选地包括热量回收子系统18和/或气体产物调节子系统22(例如，如图1A的实施方式中的均化作用室25、如图1A和1B的实施方式中的气体压缩机21、和/或如图1D的实施方式中的气体存储设备23等等)。

  带有集成控制子系统200的含碳原料的气化系统10的各种实施方式将含碳原料转化为特定组分的气体。特别是，本发明提供的系统允许将含碳原料有效地转化为具有适用于下游应用的组分的气体产物(在图4至9中示意性示出了数个例子)。例如，如果气体产物将用于在燃气涡轮(即图1至6中的24)中通过燃烧而发电、或在燃料电池(即图2和5至9中的参考数字26)的用途中使用，于是希望获得的制品在相应能量发生器中能够用作染料。或者，如果气体产物在进一步的化学过程中用作原料(即图2中的选项28)，所述组分将是对特定的合成用途最有用的。

  参考图10至15，集成控制子系统200包括：用于测量一个或更多系统参数(例如，气体组分(％CO、％CO₂、％H₂等)，气体温度、气体流速等)并从所述测量的系统参数值生成数据的系统监控装置202；及用于收集和分析从系统监控装置202产生的所述数据并将适当信号输出至一个或更多系统调节器206(即，图14和15的调节器206-1、206-2、206-3和206-4)的计算装置204(通过图15中的示范性逻辑框30、32和34示意性图解)。

  通过由监控装置202监控一个或更多系统参数，并向适当的系统调节器206发送信号以根据维持反应设定点的需要做出调整，集成控制子系统200管理含碳原料转换到能量的能量流动和转换并将所述过程维持在优化的设定点。使用根据系统10的各个实施方式的控制子系统200允许生成具有特定组分的气体产物。

  参考图11，集成控制子系统200，尤其是其计算装置204通常包括一个或更多压缩机208；用于从各个监控装置202接收当前系统参数值的一个或更多监控器输入端210；和用于将新的或更新的系统参数值连通到各个调节装置206的一个或更多调节器输出端212。计算装置204可以还包括一个或更多本地和/或远程存储设备214(例如，ROM、RAM、可移动介质、本地和/或网络接入介质等)，用于在其中存储各种预定的和/或重新调节的系统参数、设定的或优选的系统操作范围、系统监控和控制软件，操作数据等等。可选地，计算装置204还可以具有直接或通过不同数据存储设备通向等离子体气化过程模拟数据和/或系统参数优化和模型化装置216的入口，其示意图提供于图28中。此外，计算装置204可以配备有用于提供通向控制系统200的管理入口(系统升级、维护、修改，对新系统模块和/或设备的适应等)的一个或更多图形用户接口和输入外部设备218，及用于实现与外源(例如，调制解调器、网络连接、打印机等)的数据与信息连接的各种输出外部设备220。

  参考图12至15，本发明的控制子系统200确保来自反应器容器14(可选地在整个系统10内)的气流和气体组分保持在预先定义的公差范围内，以导致气体产物和系统副产物(商业上的熔渣、气体回收、蒸汽生成等)的最佳生成，而不论含碳原料的不同类型的组分或同类原料源中的任何天然差异性。

  本发明的控制方面识别并可以进行调整以补偿上述差异性。对气体产物的诸如温度、流速和组分等参数进行检测，并改变反应物(例如通过调节装置206)以将气体产物参数保持在由合成气体的终端使用而限定的预定公差之内。

  本发明的集成控制子系统200提供校正反馈，通过该反馈来监控气体产物的流速、温度和组分之一或更多，并对含碳原料的输入速度、氧输入速度、蒸汽输入速度、富碳添加剂和供应到等离子体热源15的总功率中的一个或更多做出校正。所述调节是基于测量的气体产物的流速、温度和/或组分的变化，以确保这些保持在可接受的范围内。通常，气体产物的流速、温度和/或组分的范围选择为优化用于特定下游用途的气体。

  一个实施方式中，本发明的方法同时使用等离子体加热的可控制性来驱动气化过程，并确保所述过程的气流和组分保持在可接受的范围内--即使含碳原料的组分呈现天然的差异性。另一个实施方式中，所述过程允许每单位时间处理的碳的总量将尽量保持恒定，并利用等离子体加热以确保每单位时间进入和离开反应容器14的总热量保持在所述过程的限度内。集成控制子系统200还可以被构造为：通过如图14中示意性图解的固体残留处理子系统16、气体质量调节子系统20、热量回收子系统18和/或气体产物调节子系统22中的任一个来监控和/或调节发生的进程。

  参考图1至9，含碳原料的气化大致发生于本发明的气化反应容器14中，气化反应容器14的各种示范性实施方式在图16至20中图解说明。气化反应容器14，除一个或更多处理区域和一个或更多等离子体热源15外，还包括如36的用于将原料(其可以包括单一原料、主原料和辅助原料、以及/或者混合原料)输入到气化反应容器14中的装置，和如38和/或39的用于添加诸如蒸汽、氧化剂、和/或富碳材料添加剂(后者可选地提供作为辅助原料39)的一种或更多处理添加剂的装置，所述添加是根据将气化过程保持在优化设定点的需要而进行的。气态产物通过如40的一个或更多输出气体出口离开气化反应容器14。

  在一个实施方式中，等离子体加热(例如，通过诸如等离子体焰炬(torch)的离子体热15源等等)的应用，与输入的诸如蒸汽和/或氧和/或富碳材料(诸如辅助原料39等)的处理添加剂相结合，有助于控制气体组分。系统10还利用等离子体加热来提供使含碳原料气化和/或熔化副产物灰并将其转化为具有商业价值的玻璃状产物所需的高温加热。

  本发明的不同实施方式还提供了用于管理气化过程的固体副产物的装置。特别是，本发明提供了用于将产自含碳原料到能量的转化过程的固体副产物或残余物转化为低可滤取性的玻璃化的均质物质的固体残余物处理子系统16。气化过程的固体副产物可以是炭、灰、熔渣或其某种组合的形式。

  用作说明的，固体残余物处理子系统16包括固体残余物调节室或区域42、等离子体加热装置44、熔渣输出装置46、和控制装置(其可以以可操作的方式连接到系统10的总控制子系统200)，借助这些，等离子体加热被用于使固体熔化、混合并通过化学方法反应形成稠密的硅-金属(silicometallic)玻璃质材料，当流出所述室或区域42时，所述材料冷却为稠密的、非可滤取性的、硅金属固体熔渣。特别是，本发明提供了固体残余物调节室或区域42，其中固体残余物到熔渣的转化使用集成控制子系统而得到优化以控制等离子体的加热速度和固体残余物的输入速度以促进完全熔化和均质化。

  本发明的含碳原料的气化系统10的各个实施方式还提供了用于从热的气体产物回收热量的装置。此热量回收子系统18(其示范性实施方式在图21至25中示意性说明)包括将热的气体产物转移到一个或更多气体到空气式热交换器48的装置，凭借此交换器48所述热的气体产物被用于对空气或诸如氧或富氧空气(oxygen enriched air)的其他氧化剂进行加热。热空气(或其它氧化剂)形式的所述回收热量然后可以选择性地用于对气化过程提供热量(见图23和24)，因此而减少必须由一个或更多等离子体热源提供来驱动气化进程的热量。所述回收的热量还可以用于工业加热应用。

  可选地，热量回收子系统18附加地包括可以产生蒸汽的一个或更多热量回收蒸汽发生器(HRSG)50，所述蒸汽例如可以用作气化反应中的处理添加剂(见图23和25)，或驱动如52的蒸汽涡轮机来发电。

  此外，如见于图21和22中的，热量回收子系统18还可包括从各种其他系统部件和过程可操作地提取热量的附加热量回收子系统，诸如通过等离子体热源冷却方法53、熔渣冷却和处理方法55、GQCS冷却方法61等。热量回收系统18还包括反馈控制系统，该反馈控制系统以可操作的方式连接到系统的总控制子系统200，以在整个所述系统10中优化能量传递(例如，见图12和13)。

  本发明的含碳原料的气化系统10的各个实施方式还提供了气体质量调节子系统(GQCS)20，或其他上述气体质量调节装置(其示范性实施方式在图3和5中更加详细地说明)以将含碳原料的气化过程的产物转化为特定特征的输出气体。将所述气体产物直接引导至GQCS 20，在此处所述气体产物经受特定顺序的处理步骤以制造具有下游应用所需特征的输出气体。GQCS 20包括实施处理步骤的部件，所述步骤可以包括：例如从合成气体中去除颗粒物质54(例如通过袋滤室、旋风器(图5)等)、酸性气体(HCl、H₂S)和/或重金属58，或当气体通过系统10时调节所述气体的湿度和温度。处理步骤的存在与否和顺序取决于含碳原料的组分和用于下游应用的输出气体的特定组分。气体质量调节系统20还可以包括集成控制子系统，该集成控制子系统以可操作的方式连接到系统10的总集成控制子系统200以优化GQCS处理(例如，见图12和13)。

  本发明的含碳原料的气化系统10的各个实施方式还选择性地提供如22的用于调节气体产物的装置，所述调节例如通过均匀化处气体产物的化学组分并调节其他特征，诸如气体产物的流量、压力和温度，以符合下游需要。此气体产物调节子系统22使得能够将限定特征的气流连续并稳定地传递至下游应用，诸如燃气涡轮24或发动机、燃料电池应用26等。

  特别是，本发明的气体产物调节子系统22提供了气体均质化室25(图3)或类似装置(图3的压缩机21，图2的气体存储设备23等)，所述装置所具有的尺寸被设计为提供足以获得均匀输出组分的均质化气体的气体驻留时间。本气体产物调节系统的其他部件被设计为满足下游应用的气体性能的需要。气体调节系统22还可以包括集成反馈控制系统，该控制系统以可操作的方式连接到系统10的总体集成控制子系统200来优化此处理的能量流动和转换及输出(例如，见图12和13)。

  现参考图4至9，本领域技术人员将能够理解的是本系统1 0和集成控制子系统200在不同的实施方式中可以被用于具有数种独立和/或组合下游应用的许多能量产生和转化系统。例如，在图4的示范性实施方式中，所述系统10--集成的气化组合循环(IGCC)系统--通过既提供用于在一个或更多燃气涡轮24中使用的合成气体，还提供用于在一个或更多蒸汽涡轮机52中使用的、通过一个或更多HRSG 50由对所述合成气体和与燃气涡轮24相关联的排出气进行冷却而产生的蒸汽，而可以产生输出能量(例如电)。

  在图5的示范性实施方式中，系统10将集成的气化组合循环(IGCC)系统与固体氧燃料电池系统26S组合，后者使用合成气体的富含氢的副产物来产生能量(例如电)。

  在图6的示范性实施方式中，所述系统10将集成的气化组合循环(IGCC)系统与融熔碳酸盐型燃料电池系统26M组合，后者(如图5中)使用合成气体的富含氢的副产物来产生能量(例如电)。

  在图7的示范性实施方式中，所述系统10将如图5中的固体氧燃料电池系统26S与一个或更多蒸汽涡轮机52组合，所述蒸汽涡轮机52通过由一个或更多HRSG 50从合成气体和燃料电池输出回收的热量而产生的蒸汽来激励。

  在图8的示范性实施方式中，水-气体转化器59被添加到图7的实施方式中以提供用于固体氧燃料电池系统26S中的富含氢的合成气体。

  在图9的示范性实施方式中，图8的固体氧燃料电池系统26S由融熔碳酸盐型燃料电池系统26M取代。

  如对于本领域技术人员显而易见的，系统10的以上示范性实施方式并非限定性的，如本领域技术人员将理解的，可以提供其它这样的系统结构和组合而不偏离本公开的总体范围和主旨。

集成控制子系统

  参考图1至3和图10至15，本系统包括集成控制子系统200。控制子系统200包括：用于测量一个或更多系统参数以产生数据的系统监控装置202；用于收集和分析由系统监控装置202产生的数据的计算装置204(例如，由图15的示例逻辑框30、32、34示意性示出)；以及发送适当信号以影响遍及所述系统设置的一个或更多系统调节器206(即，图14和15的调节器206-1、206-2、206-3和206-4)中的变化的输出装置。集成控制子系统200监控系统参数并发送信号至适当的系统调节器206，以根据需要响应于与系统10内的被测参数相关所得数据而对各种操作参数和条件做出实时调节。在一个实施方式中，集成控制子系统200提供反馈控制系统来管理含碳原料转化到能量的能量流动和转换并维持反应设置点，由此允许气化过程在最优反应条件下进行以产生特定组分的气体。

  使用本气化系统，能够确定并实现含碳原料转化为气体的整体能量流动和转换。影响净总体能量流动和转化(net overall energetics)测定的一些因素是：BTU值和原料的组分；气体产物的特定组分；气体产物允许的差异度；和输入对输出值的成本。对反应物(例如，用于等离子体热源15和/或44的功率，诸如氧、蒸汽和/或富碳材料的处理添加剂38，富碳材料选择性地提供作为辅助原料39)进行调节，可以通过根据设计规格来评估和优化净总能量流动和转换的方式来执行。

  因此，本发明的控制子系统200提供对所述方法的所有方面进行实时控制的装置，以确保在管理能量流动和转换并将反应设置点维持在一定公差内的同时使所述方法以有效的方式进行。因此，实时控制器能够以集成的方式同步控制所述方法的所有方面。

  通过控制反应环境而将来自反应容器14的气体产物的组分和流动控制在预定义公差内。温度被控制为在大气压力下确保注入反应容器14的原料在尽可能稳定的环境下交汇。本发明的控制子系统200提供了对被输送到反应容器14中的原料、蒸汽和氧和富碳材料的量进行控制的装置。

  可被调节以维持反应设定点的操作参数包括：原料的填料速率、处理添加剂填料速率、诱导增压器的维持特定压力的功率，以及等离子体热源(例如…等离子炬15、44)的位置和功率。这些控制方面将结合每个参数进一步讨论。

  参考图12和13，如以上简要讨论的，集成控制子系统200可以遍及所述系统10而集成，以通过监控装置202来监控各种系统参数，以及通过调节装置206来对这些参数进行各种修改而管理能量流动和转换并将所述过程的每个方面维持在一定公差内。将在下文详细讨论的这些参数可以产生自与以下之一或更多相关联的过程：等离子体气化容器14、固体残余物处理子系统16、等离子体热源15和熔渣处理热源44、热量回收子系统18(例如，气体到空气式热交换器48和/或HRSGB 50)及与其关联的处理添加剂输入38、初级和/或次级原料输入36、39(例如富含碳的添加剂)、GQCS 20、均质作用室25、和系统10的任何其它处理部件或模块。

此外，由于具有通向这些参数的入口，通过计算装置204的各种本地和/或远程存储设备214，通向许多预定和/或重新调整的系统参数、系统操作范围、系统监控和控制软件、运算数据、和可选等离子体气化过程模拟数据和/或系统参数优化和模型化装置216(例如，见图28)，集成控制子系统200还可以进一步与系统10反应以便优化系统输出。

系统监控装置

  参见图10至15，使用控制子系统200的系统监控装置202，可以有规律地或连续地监控许多操作参数，以确定系统10是否在最佳设定点内运行。在本发明的一个实施方式中，装置202设置为实时监控所述参数，因此提供系统10是否在设定点的允许/耐受的差异内运行的瞬时指示器。可以被监控的参数包括但不限于，化学组分、气体产物的流速和温度、系统10内不同点处的温度、系统的压力、和各种涉及等离子体热源15、44的不同参数(即，功率和/或位置)。

  所述参数被实时监控并且所得数据被用于确定，例如是否需要向系统中注入(例如，通过调节装置206-2)更多蒸汽/氧(或其它氧化剂)，是否需要调节原料的输入速率(例如，通过调节装置206-1)，或是否需要调节系统中的任何部件中的温度或压力。

  系统监控装置可以根据需要而设置于GQCS 20、热量回收子系统18、固体残余物处理装置16、和气体产物处理子系统22(如果存在上述子系统)的任何部件中。

气体产物的组分

  如之前讨论的，如果气体产物被设计为在发电中使用，那么理想的是得到的产物可以被用作发电机的燃料。在此情况下，通过用所制造的气体可以生成能量的效率来测量最优的能量流动和转换。

  当输出气体离开反应容器14时其主要成分是一氧化碳、二氧化碳、氢和蒸汽，及少量氮。

  也可以存在更少量的甲烷、乙炔和硫化氢。输出气体中的一氧化碳或二氧化碳的比例依赖于输送到反应容器14中的氧的量。例如，当控制氧的流量以便排除碳到二氧化碳的化学计量转化时产生一氧化碳，且所述过程运行为主要产生一氧化碳。

  通过调节例如施用的等离子体加热15、氧化剂和/或蒸汽和/或处理添加剂38之间的平衡，合成气体产物的组分可以被优化为用于特定应用(例如，燃气涡轮24和/或用于发电的燃料电池应用26)。因为在气化过程期间添加氧化剂和/或蒸汽处理添加剂影响转化的化学作用，理想的是提供诸如监控装置202的装置用于监控合成气体组分。反应物的上述输入是变化的，例如通过调节装置206，以将合成气体的参数维持在预定公差内，所述公差由合成气体的终端使用来限定。

  使用诸如气体监测器和气体流量计等不同监控装置202可实现对气体产物的监测。气体监测器可以用于测定合成气体的氢、一氧化碳和二氧化碳含量，如图15的示范性逻辑框30和32所说明描述的，其数值在各控制步骤中是可使用的。通常在气体冷却后并在其已经经历调节步骤以去除颗粒物质后，测量气体产物的组分。

  可以使用本领域技术人员已知的方法对所述气体产物进行取样和分析。可被用于测定气体产物的化学组分的一种方法是通过气相色谱(GC)分析。这些分析的样本点可以遍及所述系统设置。在一个实施方式中，使用测量气体的红外光谱的傅立叶变换红外(FTIR)分析仪测量气体的组分。

  在一个实施方式中，诸如温度、流速和组分等的气体产物参数可以通过位于反应容器14的轴向排出口40处的监控装置202来监控。在另一个实施方式中，取样口还可以被安装在气体产物处理系统的任何位置。如之前讨论的，调节装置206被设置为改变反应物输入以将气体产物的参数维持在由气体产物的终端使用限定的预定公差之内。

  本发明的一个方面可以是通过测定输出蒸汽的组分并相应调节所述过程而确定气化过程期间被添加的氧是否过多或过少。在一个优选实施方式中，分析器、传感器或其它这样的监控装置202在一氧化碳流中检测二氧化碳或其它适当参考富含氧材料的存在和浓度。

  明显的是，其它技术可以用于测定是否主要生成一氧化碳。在一个替换方案中，可以测定二氧化碳对一氧化碳的比例。在另一个替换方案中，传感器可以被设置为测定氧的量和等离子体发生器下游的碳量，计算一氧化碳和二氧化碳的比例，之后据此做出工艺调整。在一个实施方式中，测量CO和H₂的值并将其与目标值或范围进行比较。在另一个实施方式中，测量气体产物加热值并将其与目标值和范围进行比较。

  本领域技术人员将理解，这些和其它上述气体产物组分测量通过以上或其它监控装置202可以遍及系统10的给定实施方式而进行，可以用于通过调节装置206来监控和调节正在进行的所述过程，以使过程的输出和有效性最大化，并因此应当通过以上列出的实施例而限定以及通过附图中示出的说明性系统和控制子系统结构提供。

系统中各处的温度

  在本发明的一个实施方式中，提供了如监控装置202中的装置来监控所述系统10各处的温度，其中上述数据是连续或间歇地获得。用于监控反应容器14中的温度的监控装置202，例如，可以位于反应容器14的外壁上，或位于反应容器14的顶部、中间和底部的耐火材料内。

  用于监控气体产物温度的监控装置202可设置于气体产物的排出口40处，以及设置在气体产物调节系统的各个位置处(例如，GQCS 20内)。可将多个热电偶用于监控反应容器14周围的临界点的温度。

  如果采用用来回收由气化过程产生的焓的系统(诸如热交换器或类似技术)，如18中，则还可集成用于监控热量回收系统中的各点处(例如，在冷却剂流体的入口和出口处)的温度的监控装置202。在一个实施方式中，气体到空气式热交换器48、热量回收蒸汽发生器50(HRSG)或二者一起用于从由气化过程产生的热气回收热量。在使用热交换器的实施方式中，设置温度传感器来测量例如热交换器入口和出口处的气体产物温度。温度传感器还可以被设置为测量在所述热交换器中加热后的冷却剂的温度。

  可以使用这些温度传感器的测量值来确保当气体产物进入下相应的热交换器时其温度不超过所述设备的理想操作温度。例如，在一个实施方式中，如果用于气体到空气式热交换器48的设计温度是1050℃，位于气流到热交换器48的入口上的温度传感器可被用于控制通过所述系统的冷却剂空气流速和等离子体热能以便维持最佳的气体产物温度。此外，气体产物出口温度的测量有助于在所有热回收阶段确保已从气体产物回收的焓的最佳量。

  安装在空气出口流上以测量加热的交换空气温度的温度传感器确保所述过程在下述条件下进行：所述条件确保处理空气被加热到适于在气化过程中使用的温度。在一个实施方式中，冷却剂空气出口温度是例如约625℃，因此安装在空气出口流上的温度传感器将提供数据--所述数据用于确定是否应对通过系统的空气流速和等离子体气化容器14中的炬功率二者或之一做出调节(例如，通过图14和15的调节装置206-4)以便维持最适气体产物输入温度，所述温度又可以被用于控制冷却剂空气的温度。

  根据本发明的一个实施方式，控制方案对于最适冷却剂空气输出温度设置固定的设定点，例如约600℃，及用于HRSG气体出口温度的固定值，例如约235℃。因此，根据本实施方式，当减少气体产物流量时，在气体到空气式热交换器48的出口处的气体产物温度变冷，因为所述GRSG气体出口温度也被设置为固定值从而导致蒸汽产量降低。

  当通过系统的气流减少时应用相同概念。根据本发明的一个实施方式，出口的冷却剂空气温度保持固定，因此气体到空气式热交换器48的出口气体产物的温度更热，因此在HRSG 50中产生更多蒸汽。但是，当通过系统的气流减少时，产物气流将因此也减少，所以HRSG 50的增加的入口温度将仅是暂时升高。例如，如果气流减少到50％，HRSG 50将暂时看到的最大入口气体温度是近似800℃，这是在所述热交换器设计的温度限度内。

  在本发明的一个实施方式中，用于监控温度的监控装置202由根据需要安装在系统10中各位置的热电偶来提供。此后，通过如图15中示范性逻辑框34图解说明的集成控制子系统200可以使用如上所述的温度测量法。本领域技术人员将理解的是，其它类型的温度测量可以通过以上或其它上述监控装置202贯穿系统10给定的实施方式进行，所述测量可被用于通过调节装置206来监控和调节正在进行的进程以使进程的输出量和效率最大化，并因此不应由以上列出的和通过附图描述的说明性的系统和控制子系统构造而提供的实施例限制。

系统压力

  在本发明的一个实施方式中，设置监控装置202来监控反应容器14内及整个系统10各处的压力，其中在连续或间歇的基础上获得上述数据。在另一个实施方式中，这些压力监控装置202包括压力传感器，诸如位于竖直容器壁上的压力转换器。涉及系统10的压力数据由控制子系统200使用以在实时基础上确定是否需要调节(例如，通过图14和15的调节装置206-1和206-4)诸如等离子体热源功率或原料或处理添加物的添加速率的参数。

  被气化的原料量的差异可以导致快速气化，结果是反应容器14内的压力显著变化。例如，如果加入反应容器14中的原料的数量增加，所述容器14内的压力急剧增加是非常可能的。上述情况中，有利的是有监控装置202连续监控压力，因此提供了所需的数据来通过调节装置206对参数(例如，感应式鼓风机的速度)进行实时监控以减少系统压力。

  在另一个实施方式中，提供遍布整个系统10的差压的连续读数，例如，通过许多压力监控装置202。以这种方式可监控横跨各个单独部件的压力差以快速地查明处理过程中发生的问题。本领域技术人员将理解的是，以上和其他上述系统压力监控和控制装置，可以通过以上或其它上述监控装置202在系统10的各种不同实施方式中进行，以通过调节装置206来监控和调节所述正在进行的进程以使进程的输出量和效率最大化，并因此不应由以上列出的和通过附图描述的说明性的系统和控制子系统构造而提供的实施例来限制。

气体流速

  在本发明的一个实施方式中，提供监控装置202来监控遍布系统10定位的位置处的气体产物流速，其中在连续或间歇基础上获得数据。

  通过系统不同部件的气体流速会影响气体在特定部件中的驻留时间。如果通过气化反应容器14的重整区域的气体流速过快，可能没有足够的时间使气态成分达到平衡，这导致非最适条件的气化过程。本领域技术人员将理解的是，这些和其他上述气体流动监控和控制装置，可以通过以上或其它上述监控装置202在系统10的各种不同实施方式中进行，以通过调节装置206来监控和调节正在进行的进程以使进程的输出量和效率最大化--通过诸如图14和15中所描述示范性控制子系统200的集成控制子系统。

计算装置

  控制子系统200包括控制反应条件并管理原料到输出气体的化学和动力学转化的装置。此外，控制子系统200可测定并维持操作条件以保持理想的、最适的或否的气化反应条件。理想操作条件的测定依赖于所述过程的整体能量流动和转换，所述整体能量流动和转换包括诸如含碳原料的组分和气体产物的特定组分等因素。原料的组分可以是均匀的或可以在某程度内波动。当原料的组分变化时，某些系统参数可能通过调节装置206需要连续或有规律的调节以维持理想操作条件。

  集成控制子系统200可以包括许多部件，每一个部件可被设计为执行专门任务，例如一种添加剂的流速的控制、气化系统的等离子体热源(例如，18、44)之一或多个的位置和功率输出的控制、或副产物回收的控制。控制子系统200还可以包括处理系统，如计算装置204的处理装置208。在一个实施方式中，处理系统204可以包括许多子处理系统。

  在一个实施方式中，每个子处理系统可以被设计为实施可模拟等离子体重整反应的至少一个方面的反应模型。各反应模型可以具有其自己的模型输入和模型输出参数，并可被用于将模型输出参数的变化计算为模型输入参数变化的影响。各个反应模型可以被用于执行评价以有助于在影响系统的任何控制部件之前预测气化系统操作条件的变化。值得注意的是，各反应模型可以仅在操作条件的预定范围内使用，在所述条件下的模拟预测有效准确地模拟了(真实)等离子体重整系统的过程。

  所述处理系统还可被设计为带有气化系统的反应过程的部分模型或完全模型。由完全模型超越(topped)的部分模型可能非常复杂并可被用于预测数量渐增的操作条件的变化或可被用于扩大操作条件的范围--在该围内所述模型充分精确或有效。描述反应过程的抽象水平和完整性越高，处理系统的预测越有效。但是，完全模型的复杂性的增加可以影响用于预测对气化系统的操作条件的某些影响的模型的实用性。他们的有效性可以被限制为预测小的参数变化或短时期内的影响。

  图28提供了上述系统模型的示范性实施方式，其可被用于与集成控制子系统200结合使用以限定不同操作参数，和此基础上的预测结果，用作实施系统10的不同进程的起始点。在一个实施方式中，临时或有规律地使用这些和其它上述模型以在进行的基础上再评估和/或更新不同的系统操作范围和/或参数。在一个实施方式中，NCR HYSYS模拟平台被使用并认为输入，任何输入进料化学组分、热化学特征、含水量、填料速度、处理添加剂等的组合。所述模型还可用来提供不同的可选互动工艺过程优化以考虑，例如，位置和原料类型的具体细节、能量回收最大化、排放量最小化、投资和成本最小化等。最终，根据所选类型的选择，模型可以提供，例如不同操作特征、可得到的处理量、系统设计特征、气体产物特征、排放量水平、可回收能量、可回收副产物和优化的低成本设计。

  每种反应模型可以在硬件或软件和硬件的任何组合中独自实施。如图28中说明的一种反应模型可以使用可以由所述处理系统处理的算法、公式或公式组的任何组合来描述。如果反应模型在硬件中独自实施，其可以成为所述处理系统的重要部分。

  所述处理系统和任一种子处理系统可以独自地包括硬件或软件和硬件的任何组合。任一种子处理系统可以包括一个或更多的比例(P)、积分(I)或微分(D)控制器，例如P-控制器，I-控制器、PI-控制器、PD-控制器、PID-控制器等。对于本领域技术人员显而易见的是，P、I和D控制器的组合的理想选择将依赖于气化系统的反应进程部分和组合将要控制的操作条件范围的动力学和延迟时间，及组合控制器的动力学和延迟时间。

   组合控制器的设计中的重要方面可以是从初始到额定值调节各控制变量或控制参数时的过渡时间的微小振动及短的过渡期间。对于本领域技术人员显而易见的在于，这些组合可以用类似物硬连线接(analog hardwired)形式实施，所述形式可以通过监控装置202连续地监控控制变量或控制参数的数值并将其与额定值比较以影响各控制部件而通过调节装置204做出充分调节来减少实测值和额定值之问的差异。

  还对本领域技术人员显而易见的是，所述组合可以在混合的数字软硬件环境中实施。附加的任意取样、数据获得、和数字处理的相关影响对于本领域技术人员是公知的，P、I、D的组合控制可以在前馈和反馈控制线路中实施。

校正控制

  在校正或反馈控制中，由适当的监控装置202来监控的控制参数或控制变量的数值的与额定值比较。根据两数值之间的偏差来确定控制信号，并将之提供给控制元件以便减少偏差。例如，当输出气体超过预定的H₂∶CO的比例时，诸如计算装置204中的反馈控制装置可以确定对输出变量之一的适当调节，诸如增加添加剂氧的量以将H₂∶CO的比例恢复到额定值。通过适合的调节装置206来影响控制参数和控制变量的变化的延迟时间有时称为环形时间(loop time)。调节例如等离子体热源15、44的功率、系统中的压力、和氧及蒸汽流速的环形时间可总计为30到60秒。

  在一个实施方式中，气体产物的组分是用于在以上所述的反馈控制设计中进行对比的额定值，由此气体产物中的CO和H₂的量的固定值(和数值范围)是指定的。在另一个实施方式中，额定值是用于气体产物加热数值的固定值(或数值范围)。

  对于需要直接监控或是模型预测是令人满意的所有控制变量和控制参数，需要反馈控制。存在着适于在反馈控制设计中使用的气化系统10的许多控制变量和控制参数。反馈设计可以在控制子系统206的各方面中有效实施，用于可以直接被感知并控制并且他们的控制(出于实践目的)不依赖于其它控制变量或控制参数的那些控制变量或控制参数。

前馈控制

  前馈控制处理进料参数来影响(无需检测)控制变量和控制参数。气化系统可以对许多控制参数使用前馈控制，所述控制参数诸如是被提供至一个或多个等离子体热源(15、44)之一的功率的量。等离子体热源(15、44)的弧的功率输出可以用不同途径控制，例如，通过对施加到炬以维持弧的电流进行脉冲调制，改变电极之间的距离变化，限制炬电流、或影响等离子体的组分、方向或位置。

  添加剂的供应速率，例如可以用前馈途径中的某些控制元件控制，所述添加剂能够以气态或液态修饰或以粉末形式被供应到气化反应容器14，或能够以喷射或以其它方式通过喷嘴注入。但是，添加剂的温度或压力的有效控制可能需要监控和闭环的反馈控制。

模糊逻辑控制和其它类型的控制

  模糊逻辑控制及其它类型的控制可等同地用于前馈和反馈控制设计。这些类型的控制可能在如下方面基本偏离经典的P、I、D组合控制：模型化及模拟等离子体重整反应动力学以预测如何改变输入变量或输出参数以影响特定结果。模糊逻辑控制通常仅需要反应动力学(一般而言的系统动力学)的模糊或经验说明或系统操作条件。模糊逻辑和其它类型的控制的各方面和实施的考虑事项对于本领域技术人员是公知的。

  可以理解的是，本发明的前述实施方式是示范性的并可以在许多程度上有所不同。上述目前的或将来的差异将不被认为偏离了本发明的主旨和范围，且所有这样的修改对于本领域技术人员来说显而易见的是将被包括在以下权利要求的范围之内。

与此系统一同使用的气化反应容器

  现参考图1至3，和图16至20，本发明的原料的气化系统10包括具有一个或更多处理区域和一个或更多等离子体热源的气化反应容器14，如15中的。气化反应容器14还包括如36中的用于将原料输送到反应容器中的装置，以及如38中的用于添加诸如蒸汽和/或氧/氧化剂和/或富碳添加剂等一种或更多处理添加剂的装置--根据维持气化反应过程在最佳设定点的需要。

  气化反应容器14可以具有大范围的长度对直径比并可以竖直地或水平地定向。气化反应容器将具有一个或更多气体排出装置40，以及用于去除固体残余物(例如，炭、灰、熔渣或其一些组合)的装置16，该装置通常是设置在沿所述室(例如，熔渣室42)底部某处的排出口，以能够使用重力流动去除残留物。在一个实施方式中，气化反应容器14将使用物理转移装置从容器底部去除固体残余物。例如，热螺丝(hot screw)可以用于将灰副产物转移至熔渣处理室42中。加工和处理熔渣的装置将稍后更加详细的描述。值得注意的在于，熔渣也可以在发生气化(图16至19)的相同的室中处理，或在分离的室中处理，如图20的熔渣室42中。

  在本发明的一个实施方式中，一个或更多等离子体加热源15有助于原料到气体的转化过程。在本发明的一个实施方式中，与蒸汽和/或氧处理添加剂38的进料相结合，等离子体热源15的使用有助于控制气体组分。等离子体热还可用于确保由气化过程产生的废气完全转化为他们的组成元素，允许这些组成元素重整为具有特定组分的气体产物。然后，所述气体产物可以通过一个或更多输出气体出口40离开所述气化反应容器14。

  含碳原料的气化(即，含碳原料到合成气体的完全转化)发生于气化反应容器14中，并可以在高的或低的温度下，或在高的或低的压力下进行。在将原料转化为合成气体产物的过程中发生许多反应。由于原料在反应容器中气化，气化所需的物理的、化学的和热的处理可以根据反应器的设计而连续地或同时地发生。

  在气化反应容器14中将原料加热，借此来干燥原料以去除任何残留水分。随着干原料的温度升高而发生热解。热解过程中，挥发性组分被挥发，且当原料转化为炭的同时，原料被热分解以减少焦油、酚类和轻挥发性碳氢化合物气体。炭包括由有机和无机材料组成的残留固体。

  可对所得的炭进一步加热，以确保到其气态组分的完全转化，保留稍后转化至熔渣的灰副产物。在一个实施方式中，原料的气化发生在存在受控氧量的条件下，使可能发生的燃烧的量最小化。

  干燥、挥发和炭到灰的转化步骤的组合副产物提供了中间体废气产物。可对此中间体废气气体进一步施以加热，通常通过一个或更多等离子体热源并在可控蒸汽量存在的条件下进行，以完成原料到合成气体的转化。该最终步骤也称为重整步骤。

  所述一个或更多等离子体热源可以设置为使所有反应同时发生，或可以设置在反应容器内以使它们相继发生。在任一构造中，由于在反应器中包含等离子体热源，热解过程的温度升高。

  由热来驱动气化反应，其可以通过添加电或矿物燃料(例如甲烷)供以燃料以加热反应室或添加空气作为反应物来驱动放热的气化反应，其为反应提供热量。一些气化发应过程还使用间接加热，避免了输送材料在气化反应器中的燃烧，以及避免了用氮和过量的CO₂稀释气体产物。

  一些气化反应容器14的设计是这样的：将原料转化为合成气体的过程可以发生一步的反应过程，即气化和重整步骤都通常发生在容器内的单个区域中。在这样的情况中，离开气化反应容器14的气体产物将是合成气体产物。

  在本发明的一实施方式中，所述一步的反应过程在单室反应容器中发生，即气化和重整步骤都在同一室中发生。例如，在图16-19中示出的反应容器能够说明包括单个室，以及可选地单个区域(即特别地图16和18的实施方式)反应室，其中气化和重整过程在容器14的主室内发生，并且，在单区域容器的情况下，接近所述一个或多个等离子体热源15。

  在本发明的一个实施方式中，转化过程分两阶段发生，首先是原料到废气(offgas)阶段，随后是废气到合成气体(重整)阶段。在这样的两阶段过程中，设想的是在单室反应容器内需要至少两个不同区域(用于气化步骤的第一区域和用于重整步骤的第二区域)。

  其它气化反应容器14的设计是这样的：将原料转化为合成气体的过程在多于一个的区域中发生，即气化和重整步骤彼此分开到一定的程度并且在系统中的不同区域内发生。在这些种类的气化反应容器中，反应在一个室(例如图17和19的实施方式能够代表多区域、单室容器)中多于一个的区域内发生，在分离的室(例如图20的实施方式)或其某些组合，所述区域彼此流体连通。注意，熔渣也可以在发生气化(图16至19)的相同的室中处理，或在分离的室中处理，如图20的熔渣室42中。

  在多区域气化反应容器中，第一或初级区域用于加热原料以将原料干燥(如果存在残留水分)，吸出原料的挥发性组分，并可选地将所得炭转化为气态产物和灰，因此产生废气产物，而第二区域用于施加等离子体加热以确保废气完全转化为气体产物。如果两个或更多不同区域用于原料的气化和废气到合成气体的转化，离开气化反应容器的最终区域的气体是合成气体。

  本发明的气化反应容器14可选地包括一个或更多气化反应容器可选地包括一个或更多处理添加剂输入装置38，该装置38设置为将对气化过程有用的诸如氧气、空气、富含氧的空气、蒸汽或其它气体等气体添加到气化反应容器14中。处理添加剂输入装置38还可以提供装置用于将富碳处理添加剂添加至气化容器内，所述所述富碳处理添加剂还可以通过辅助原料输入装置39(图16至30限定混合的原料输入装置，其示例意性地组合主原料输入装置36和可选的辅助原料输入装置39)。从而，处理添加剂输入装置38能够包括空气(或氧气)输入口和/或蒸汽输入口和/或富碳材料输入口，后者可选地通过辅助(或混合的)原料选项39提供。这些口被设置在反应容器内用于将处理添加剂遍布容器优化分布。处理添加剂的添加将在下文详细描述。

  在一个实施方式中，富碳添加剂/原料被加至主要的或初级的原料中，从而混合原料通过输入装置36(组合输入36和39)进入气化容器14。本领域的普通技术人员将理解，可以考虑各种输入构造来输入主原料、可选的辅助原料(例如富碳添加剂)以及混合原料(组合的主要和辅助原料/富碳添加剂)。

  所述富碳添加剂(或辅助原料)可以是任何材料，所述材料是能够添加至经受气化的原料以增加气化处理可用碳量的碳源。对气化中的原料添加富碳材料有助于确保形成具有特定组分的气体产物。能够根据本发明使用的富碳添加剂的例子可以包括，但是不限于，轮胎、塑料或高等级的煤。

  在一个实施方式中，驱动含碳原料的气化所需的热量由加热空气提供。在这样的实施方式中，气化反应容器14包括用于将加热空气添加到气化区域的一个或更多加热空气输入装置。所述加热空气输入装置包括交换空气入口。这些入口设置在反应容器内以将加热空气遍布反应容器14分布来启动并驱动原料到气态产物的转化。

  参考图25的示例实施方式，在此说明的气化反应容器14包括水平取向的气化室，所述气化室分成三个气化区域(例如14-1、14-2、14-3)，所述气化区域提供从含碳原料提出气态分子的优化--通过接续地促进干燥、挥发和炭至灰转化(或炭碳转化)--各自在相应的区域内。这通过允许在移动至第二区域14-2之前在第一区域14-1内于一定的温度范围内进行原料干燥而实现，而挥发在另一温度范围内进行--在将材料移动至第三区域14-3之前，在第三区域炭至灰的转化(或碳转化)在另一以温度范围内进行。

  所述三个区域在图29中示意性示出，其中示例反应率示出为从第一区域开始，在第一区域内干燥处理相对于挥发和碳转化处理是最显著的；在第二区域内挥发处理接替(take over)，在第三区域内材料实际上完全干燥，并且碳转换处理接替。

  通过响应于图20的反应容器14中的特定位置处的原料材料的特征而区域地促进气化处理的一个或更多阶段，气化处理的水平扩展允许优化气化处理的优化。对于本领域的普通技术人员来说明显的是，该反应容器14因此能够根据使用的原料的特制而分为两个、三个、四个或更多步骤。下面的讨论描述将反应容器分成三个步骤。然而，图20的容器14提供的示例实施方式在技术上不限于三个步骤。

  在一个实施方式中，提供装置来将材料移过气化反应器，以利于气化处理的的特定步骤(干燥、挥发、炭到灰的转化)。为了使得能够控制气化处理，还提供用于控制材料通过反应容器的运动的装置。材料通过反应容器的侧向运动能够通过使用一个或更多侧向传送单元而获得。这通过下述方式以侧向传送装置获得：改变运动速度，各侧向传送装置移动的距离，以及多个侧向传送装置相对于彼此的移动顺序。所述一个或更多侧向传送装置能够以协调的方式动作或单个侧向传送装置能够独立地动作。为了优化材料流率以及堆高度的控制，各侧向传送装置能够各自地移动--以不同的速度、以不同的运动距离、以不同的运动频率。侧向传送装置必须能够有效地在反应容器的严酷情况下工作，特别是能够在高温下工作。

  原料被传送至第一步骤14-1。对于第一步骤的温度范围(在材料堆的底部处测量)在300和900℃之间。此处的主要处理是干燥，带有一些挥发和一些碳至灰转化。这些处理主要在25和400℃之间进行。随着干燥的量逐渐减少，温度升高且侧向传送装置根据集成控制系统200或其子系统的指令将材料朝着第二步骤14-2移动。

  在第二步骤14-2中，材料由处理添加剂处理并且底部温度范围在400和950℃之间。此处的主要处理是挥发，带有剩余的干燥以及大量的碳转化(炭燃烧)。这些处理主要在400和700℃之间进行。随着挥发的量逐渐减少，温度升高且侧向传送装置将材料朝着第三步骤14-3移动。

  第三步骤温度范围在600和1000℃之间。第三步骤14-3中的主要处理是碳转化，带有剩余的挥发。此时，已经从所述材料去除大多数水分，并且通常温度范围主要在600和1000℃之间。随着炭转化量逐渐减少，温度升高且侧向传送装置使得固体残余物(主要是灰)运动经过室内的出口到达固体残余物处理系统16用于进一步处理。

  侧向传送装置包括侧向传送单元、马达装置和致动器。各个侧向传送单元包括移动元件和引导元件。在一个实施方式中，所述移动构件是架或平台，其中材料主要通过处在架/平台的顶部而被移动经过气化反应器。材料的一部分还可以由可运动架/平台的前边缘推动。

  引导接合构件能够包含一个或更多轮或辊--尺寸设置为以可运动的方式接合引导元件。在本发明的一个实施方式中，引导接合构件是滑动构件，滑动构件包括适于沿着引导轨的长度滑动的靴。可选地，所述靴进一步包括至少一个可替代的磨损片。

  驱动侧向传送装置的动力由马达装置提供，所述马达装置包括马达和驱动系统。在一个实施方式中，所述马达装置是电动可变速马达，其沿正向或反向驱动马达输出轴。

  侧向传送装置的运动能够由液压系统、链和链轮驱动装置、或齿条和活塞驱动装置实现。将马达旋转运动转化为线性运动的这些方法具有下述优点：能够在单元的各侧以同步的方式施加，以协助将单元保持对齐以及由此使得出现机械轧住的可能性最小化。

  在一个实施方式中，室的侧壁朝底部倾斜，以获得小的足够宽度用于空气良好地穿过同时仍然具有所需的材料量。倾斜的角度陡峭得足以在处理期间确保材料将朝着室的底部掉落。

  在一个实施方式中，气化室14是水平容器，其横截面可选地包含半圆形拱顶或弧形顶以及锥形的下部。

  参考图30到32，上述的干燥、挥发和炭到灰的转化也能够在竖直定向的气化反应容器14(如在图32A和32B中示出的)中进行。

  在此种实施方式中，气化反应容器14包括一个或更多气化室，至少一个气化室是竖直取向的，并且包括可控制的固体去除装置，如旋转轮130，允许对从含碳原料提取气体分子进行优化(例如，单室-图30；多室-图31)。

  如图30和31中大体所示，竖直取向的气化容器14包括：接近气化室顶部的原料输入36、39；一个或多个接近所述室底部的空气入口38；气体出口40；固体残余物出口16和可控制的固体去除装置130，其位于所述室的基部用于将所述残余物送出所述室。气化室通常由一个或更多加热装置加热。从而竖直取向的气化反应容器内定材料实质上经过一系列劣的区域，每个区域具有不同的温度范围促进气化处理的一定阶段。

  随着室中的材料通过固体残余物去除装置130的运动而竖直地从上部原料输入区域向下朝着固体残余物出口端移动，其经过不同程度的干燥、挥发和炭至灰转化。这通过在原料材料向下通过所述室的受控运动和预加热空气被从基部馈送至所述室的向上运动的逆向形式而实现。这样，在竖直取向的材料的顶部处温度最低，这允许干燥在很大程度上在材料向下移动到另一区域之前进行，在所述另一区域处温度将较高而允许挥发。最后，材料将向下移动到再一区域，在该区域温度更高足以允许进行大量的炭至灰转化。一旦所述炭至灰转化基本上完成，通过固体去除装置将固体从气化室去除。

  在一个实施方式中，气化反应容器包括一个以上的室。在另一实施方式中，各所述温度区域位于不同的室中。

  为了确保达到设计目的，固体残余物出口的竖直尺寸小。固体排出所述室的构造取决于接续室的设计和功能，并且能够由本领域的普通技术人员容易地确定。

  所述气化室是难熔的直线式室，其内部容积设置为容纳适当量的材料用于所需的固体驻留时间。在本发明的一个实施方式中，气化室室管状的或圆形的。在另一实施方式中，在固体残余物之上，内壁的下部向内倾斜。在再一实施方式中，气化室的高度在其直径的1到3倍之间。在又一实施方式中，气化室的高度在其直径的1到2倍之间。在再又一实施方式中，气化室的高度为其直径的大约1.5倍。

  在处理期间，原料通过原料输入被在一端处导入反应容器内并且从填料端朝着固体残余物输出端移动通过气化反应容器中的不同区域。随着所述填料材料经过所述容器，其失去质量和体积，其挥发部分挥发而形成废气，得到的炭反应而形成附加的废气和灰。在一个实施方式中，所述灰接着被加热以形成熔渣。在处理期间，空气(氧气)通过位于反应容器接近基部的侧部处的一个或多个空气入口38而被导入。

  提供装置来将材料移动通过气化反应器，以利于气化处理的的特定步骤(干燥、挥发、炭到灰的转化)。为了使得能够控制气化处理，还提供用于控制材料通过反应容器的运动的装置。材料通过反应容器的侧向运动速度通过使用可控制的固体去除装置(例如轮130)而调节。

  所述固体去除装置130能够是多种现有技术的设备中的一种。例子包括，但是不限于，螺杆、推动器推杆(pusher ram)、水平旋转桨、水平旋转臂、水平旋转轮。

  在一个实施方式中，所述固体去除设备是将固体残余物移出所述室的带有薄轮辐的旋转桨。在另一实施方式中，固体去除设备是将固体残余物移出所述室的一套螺杆。在此情况下，侧部的底部倾斜，使得固体残余物可以被朝着所述螺杆被引导。在再一实施方式中，固体去除设备是将固体残余物移出所述室的单个薄推杆。在此情况下，侧部的与所述推杆相对的底部倾斜，使得固体残余物可以被朝着所述推杆被引导留出空间用于排出孔。

  在本发明的再一实施方式中，所述固体残余物去除设备包括移动元件和引导元件。适当的移动元件，包括但不限于，架/平台，推动器推杆，犁形工具，螺杆元件或带。所述引导元件能够包括一个或多个位于气化室底壁内的引导通道、引导轨或轨道、引导槽或引导链。所述引导接合构件包括尺寸设置为适于以可运动的方式接合至所述引导元件的一个或更多轮或辊。在本发明的一实施方式中，所述引导接合构件是滑动构件，该滑动构件包括适于沿着引导轨的长度滑动的靴。可选地，所述靴进一步包括至少一个可替代的磨损片。

  气化反应容器14能够基于现有技术中已知的一个或数个标准反应器。现有技术中已知的反应容器的例子包括，但不限于，携流(entrained flow)反应器容器、移动床(moving bed)反应器、流化床(fluidizedbed)反应器，和回转炉反应器，其每一种都适于通过原料输入装置36、39而接受固体、特别是浆状、液体、气体或器组合的形式的原料。所述原料通过一个或更多入口添加，所述入口设置为提供对加热的最佳暴露，用于完全和有效地将所述原料转化为气体产物。

  此外，根据本发明的一个实施方式，所述气化反应容器壁镶衬以耐火材料。所述耐火材料可以是适于在用于高温(例如，约1100℃到1400℃的温度)非加压反应的容器中使用的本领域已知的常规耐火材料的一种或组合。上述耐火材料的例子包括，但不限于，高温煅烧陶瓷制品(诸如氧化铝、氮化铝、硅酸铝、一氮化硼、磷酸锆)、玻璃陶瓷、铬耐火材料和含有铝、钛和/或铬的高氧化铝耐火材料。

  如本领域的普通技术人员所理解的，气化反应容器的不同区域可以根据特定区域的温度和耐腐蚀需要而镶嵌不同的耐火材料。例如，如果存在熔渣，可以有利地使用不润湿的耐火材料。

  参考图16-20，29-31，通过移动一个或更多等离子体热源15，通过添加其它热源等，图解的容器14可被操作为单或多区域反应容器14而不偏离本申请的通常范围和主旨。此外，将被理解的在于带有集成控制子系统200的本申请的原料的气化系统10可以用以上或其它上述气化容器结构的任一种来实施。实际上，通过监控在给定类型的反应容器内实施的关于气化和/或重整过程的一个或更多直接或间接的过程参数，这些过程是否发生在单室反应容器内的单个区域或多个区域，可以通过监控装置202，使用本系统10的控制子系统200通过调节装置206来监控和调节正在进行的过程以使进程输出和效率最大化。

  本领域的普通技术人员将进一步理解，尽管以上描述提供了数种示例反应容器类型、构造和其所用的材料，但是，可以使用其它的应容器类型、构造和其所用的材料，而不脱离本发明的范围。

等离子体加热装置

  现参考图1到3和16到20、29到31，本发明的系统使用一种或更多等离子体加热装置，如15中的，确保完全转化由气化过程产生的废气以产生具有特定组分的气体产物。如15中的等离子体加热装置也可以可选地设置为将原料加热以驱动气化过程的开始。

  在本发明的一个实施方式中，一个或更多等离子体热源15将被设置为优化废气到特定气体产物的转化。根据气化系统的设计，例如，根据所述系统是使用一阶段还是两阶段的气化过程，来选择所述一个或更多等离子体热源的位置。例如，在使用两阶段气化过程的实施方式中，等离子体热源可以设置在相对于废气入口的位置并指向废气入口的方向。在使用一阶段气化过程的另一实施方式中，所述一个或更多等离子体热源15可以向气化反应容器的中心延伸。就一切情况而论，根据系统的要求选择等离子体热源的位置，并用于优化所述废气到特定气体产物的转化。

  在使用多于一个等离子体热源的情况下，热源的位置还被选择为确保两个或更多热源之间没有冲突，例如，没有热源受到来自另一个的直接热量，或没有从一个等离子体热源到另一个的弧。

  此外，选择所述一个或更多等离子体热源的位置以避免撞击带有等离子体羽流(plasma plume)的反应容器壁，因此避免形成“热斑”。

  可在施用点处持久产生适当高温的各种商业可获得的等离子体热源可被用于所述系统中。通常，这样的等离子体热源可使用的型号是输出功率从约100kW至6MW以上。等离子体热源或炬可以使用适当操作气体的一种或组合。适当操作气体的例子包括，但不限于，空气、氩气、氦气、氖气、氢气、甲烷、铵、一氧化碳、氧气、氮气和二氧化碳。在本发明的一个实施方式中，等离子体加热装置连续操作以便产生将废气转化为合成气体产物所需的超过约900到约1100℃的温度。

  在这个方面，许多可选等离子体炬技术适于在本系统中使用。例如，被理解的在于可以使用电感耦合等离子炬(ICP)。还被理解的在于使用适当选择的电极材料的传递电弧和非传递电弧炬(AC和DC)也可以使用。电极材料可以选自，但不限于，铜及其合金、不锈钢和钨。石墨炬也可以使用。适当等离子体加热装置的选择在本领域技术人员的普通技能范围之内。

  在一个实施方式中，等离子体热源15设置于靠近一个或更多空气/氧气和/或蒸汽进料口38的位置，如此所述空气/氧气和/或蒸汽添加剂被注入到等离子体热源15的等离子体排放通道中。

  在另一个实施方式中，等离子体热源15是可运动的、固定的或其任何组合。

  本发明的过程使用等离子体加热的可控性驱动转化过程并确保转换器的气流和气体组分维持在预定的紧密公差内。不论不同原料源的组分，或同类原料源的任何天然差异，等离子体加热的控制还有助于有效产生气体产物。

  在一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置调节等离子体热源15的功率以管理反应的净总动力学并维持最适设定点。不论原料组分的任何波动和蒸汽及空气/氧化剂的相应填料速率，为了管理反应动力学可以调节等离子体热源15的功率以维持恒定的气化系统温度。

  控制子系统200相对于所测定参数控制等离子体热源15的额定功率，所述参数诸如是将原料和处理添加剂添加到气化反应容器14中的速率，及由温度传感器和遍布系统10的重要位置设置的其它上述监控装置202而测定的系统温度。等离子体热源15的额定功率必须足以补偿例如气化反应容器14中的热量损失并足以有效处理添加的原料。

  例如，当反应容器14温度过高时，控制子系统200可指令降低等离子体热源15的额定功率(例如，通过图14和15的调节装置206-4)；相反地，当熔化温度过低时，控制子系统200可指令增加等离子体热源15的额定功率。

  在本发明的一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，以控制炬的位置而确保维持最适高温处理区域以及诱导围绕整个反应容器14的有利气流型态。

  一个或更多等离子体热源(如44中的)还可选地设置为确保气化过程的固体残余物的完全处理，这将稍后讨论。

原料的输入装置

  仍参考图1到3和16到20、29至31，本发明包括如输入装置36中的用于将含碳原料添加到气化反应容器14的装置。定位输入装置36以确保将原料放置于反应容器中的适当位置，用于最适地暴露于气化热源。

  在一个实施方式中，输入装置36还设置有调节装置206用于调节填料速率以确保原料以最适速率输送到反应容器14中，用于将气化反应维持在最适设定点。

  在一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置206调节原料的进料速度以管理反应的净总动力学。例如，可以调节原料添加到气化反应容器14的速率以促进原料有效转化为气体产物。添加原料的速率被选择为根据系统10的设计规范而管理系统的总动力学，同时将反应设定点维持在某公差内。

  根据填料的分散、操作压力和原料颗粒尺寸的要求进行对输入装置36的选择。输入装置36可以包括例如螺旋钻、气动运输系统、活塞系统、冲压系统、旋转阀系统或顶部重力填料系统。

  在一个实施方式中，市政废物能够用作用于气化处理的原料。市政废物可以固体或液体形式提供。对于固体废物的气化，废物被通过固体废物进入馈给口导入反应容器14。反应容器还可以设计为可选地包括液体废物馈给进入口用于处理液体废物。将废物馈送至反应容器14推荐通过固体废物口和/或液体废物口(处决于所处理的废物类型)。

  还可以利用调节处理来在原料添加到反应容器前制备所述原料。在一个实施方式中，取决于其特性以及为了增加效率和获得特定的气体制品成分和能量输出，能够对所述原料进行预处理，例如通过切碎、粉碎、剪切而减小其体积或增大其表面面积与体积比。在另一实施方式中，原料还可以经历预干燥步骤以根据需要去除任何残余的水分。

处理添加剂输入装置

  仍参考图1到3和16到20、29至31，处理添加剂可以可选地添加到反应容器14以促进原料有效转化为气体产物。非常认真地选择处理添加剂的类型和数量以使原料的转化优化，同时保持符合官方的排放量限制并使操作成本最小化。蒸汽输入确保足量的游离氧和氢以使进料废物的分解成分最大化地转化为气体燃料和/或无毒害的化合物。空气/氧化物的进料有助于处理化学平衡以使碳最大化地转化为气体燃料(最小程度的游离碳)并维持最适处理温度，同时使相对高成本的等离子体弧输入热最小化。也可以添加富碳添加剂(其也可以通过辅助原料输入装置39提供)而补充经受气化的原料的碳含量。根据处理的废物的输出而确定并严格控制各添加剂的量。非常小心地确立氧化剂注入的量以确保最大程度地权衡相对高成本的等离子体弧进料加热，同时确保总过程不达到与燃烧相关的任何不期望的处理特征，并同时满足并优于本区域的排放标准。

  对于那些以产生电能作为目的的实施方式，制造具有高燃烧热值的气体是有利的。高品质气体燃料的制造可通过控制反应条件完成，例如通过在转化过程中不同步骤对添加到处理添加剂的量进行控制。

  因此，气化反应容器14可以包括多个处理添加剂进料口38，所述进料口设置为添加对气化过程有用的诸如氧气、空气、富含氧的空气、蒸汽或其它气体等气体。处理添加剂输入装置38可以包括空气进料口和蒸汽进料口。这些口设置在反应容器内用于在反应容器14内优化处理添加剂的分布。蒸汽进料口可以策略性地定位以将蒸汽引导至高温处理区域，并在所述蒸汽离开反应容器前将其引导至气体产物物质中。空气/氧化剂进料口可以策略性地定位反应容器内的四周以确保处理添加剂覆盖处理区域。

  处理添加剂进料口38还可以包括输入口，用于富碳材料的添加，所述富碳材料也可以通过第二原料输入装置39添加。对于本发明的气化处理有用的原料可以是任何含碳原料，诸如其本身的含碳量可以是十分不同的。在本发明的以实施方式中，系统提供如38和/或39的装置，用于添加富碳原料以补充经受气化的原料的含碳量。提供具有高含碳量的的原料增加其它制品的碳平衡。

  在一个实施方式中，还提供装置用于将富碳材料添加至气化反应容器14。所述富碳材料可以通过在加入反应容器14内之间与原料混合而添加(混合输入)，或其可以通过如38和/或39的特定富碳添加剂口添加。

  在一个实施方式中，控制子系统200包括装置来控制富碳材料的添加以管理反应的总能量流动和转化，而在一定的范围内维持优化的反应设定点(例如通过图4和15的调节装置206-1)。

  在一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置206调节反应物以管理反应的净总动力学。例如，处理添加剂可以添加到反应容器14以促进原料有效转化为气体产物。非常认真地选择处理添加剂的类型和数量以根据系统的设计规范来管理系统总动力学，同时将反应设定点维持在某公差内。在发明的另一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置206控制处理添加剂的添加以维持最适的反应设置点。在控制子系统200的另一个实施方式中，设置调节装置206来控制两种或更多处理添加剂的添加以维持反应设置点。在另一个实施方式中，设置调节装置206来控制两种或更多处理添加剂的添加以维持反应设置点。

  在包括一阶段处理的那些实施方式中，气化和重整步骤皆发生在单室气化反应容器14中，有利的是策略地将添加剂进料口设置于气化反应容器14中的四周以确保加将工添加剂全部覆盖处理区域。在所述过程以两个阶段发生的那些实施方式中，气化和重整发生于系统内的不连续区域中，有利的是将某些添加剂口(例如蒸汽入口)靠近下述区域定位：所述区域通过等离子体炬、或其它上述等离子体热源15而进行重整。

  在另一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置206用于根据从由各个监控装置202和计算装置204监控和分析气体产物的组分所得的数据而调节添加剂的进料--这些数据用于估计原料的组分。可以在连续或间歇的基础上获得气体产物组分的数据，因此允许在实时的基础上(例如通过图14和15的调节装置206-1、206-2和206-3)对诸如空气、蒸汽和富含碳的添加剂等的添加剂的进料做出调节。还可以在间歇的基础上获得气体产物的组分的数据。

  本发明的控制子系统200包括如调节装置206中的装置，所述装置用于当某些气体产物的浓度不是根据预定目标水平的最适水平时将添加剂加入到系统中，所述目标水平由不同的监控装置202监控。例如，在气体传感器检测到过多二氧化碳的情况下，控制子系统200可以减少氧化剂到转换器中的传递，以减少二氧化碳的产生(例如，通过图15和16中举例说明的调节装置206-3)。

  在本发明的一个实施方式中，调节所述过程以主要产生一氧化碳，而不是二氧化碳。为了在上述实施方式中加快一氧化碳的产生，所述系统将包括用于测定气体输出流中的含氧量的传感器、分析器或其它上述监控装置202。如果将蒸汽或空气/氧化剂输出物的正确氧量用于所述气化过程中，气体产物将主要是一氧化碳。如果氧过少，可能形成大量的元素碳或碳黑，它们将最终堵塞反应容器14的下游区域。如果系统中的氧过多，将产生过多的无实质价值的二氧化碳，如果所述过程的目的是制造气体燃料，这将是不期望的。响应于所述系统中过多的二氧化碳，通过来自控制子系统200的适当信号，减少或消除将被注入的蒸汽或空气/氧化剂的任一种(例如，通过图调节装置206-2和/或206-3)。

  气化反应容器14内的原料转化为气体燃料的是吸热反应，即需要将能量提供给反应物使其能够重整为特定的气体燃料产物。在本发明的一个实施方式中，气化过程所需能量的一部分由反应容器14内的初始气体产物或含碳原料的氧化部分提供。

  将氧化剂加入反应容器14形成了反应容器14内的部分氧化作用条件。在部分氧化作用中，原料中的碳与少于完成整个氧化作用所需的化学量的氧反应。因可得的氧量有限，固体碳因此而转化为一氧化碳和少量二氧化碳，从而提供气体形式的碳。

  上述氧化作用还释放热能，从而减少了需要通过等离子体加热而引入气化反应容器中的能量的量。接着，此增加的热能减少了由等离子体热源15所消耗的为在反应容器14内产生特定反应条件的电功率的量。因此，在电功率发生设备(例如，燃料电池应用26、燃气涡轮机24等)中由气体燃料转化为电功率而产生的更大比例的电可被提供至用户或输出作为电功率，因为等离子体热源需要来自采用氧化剂添加的系统中的电功率产生设备的更少的电。

  因此，使用氧化剂进料作为处理添加剂有助于使碳到气体燃料的转化最大化并在使相对高成本的等离子体电弧输入热量最小化的同时维持所需的最适处理温度。非常小心地确定氧化剂的注入量以确保最大化去除气体形式的碳(CO和CO₂)。同时，因为碳反应(与氧组合)的气化是放热的而产生大量的热量。这使在对相对高成本的等离子体电弧输入热的需要最小化的同时，确保总过程不接近与燃烧相关的任何不期望的处理特征。在本发明的一个实施方式中，氧化剂是空气。

  即使当部分氧化条件存在时(因为一些气体燃料或碳的氧化释放热能，并因此电功率发生设备中可用的气体燃料更少)，将在反应容器内产生的气体燃料更少，通过减少等离子体热源15、44的电消耗抵消了电能产生的可能损失。在本发明的一个实施方式中，控制子系统200包括调节处理添加剂的添加以维持最适反应设置点的设备(例如通过调节装置206-2和/或206-3)。

  在发明的一个实施方式中，氧化添加剂选自空气、氧气、富含氧的空气、蒸汽和二氧化碳。在二氧化碳用作氧化处理添加剂的那些实施方式中，二氧化碳可以从气体产物中回收并循环加至处理添加剂流中。

  根据转化过程的经济目的选择适当的氧化添加剂。例如，如果经济目的是产生电，将选择氧化添加剂为给定的能量生成技术提供最适的输出气体组分。对于采用气体发动机从气体产物生成能量的那些系统，气体产物的组分中的较高比例的氮是可接受的。在这样的系统中，空气将是一种可接受的氧化剂添加剂。但是，对于采用燃气涡轮机24产生能量的那些系统，气体产物在使用前必须经过压缩。在这样的实施方式中，气体产物中的较高比例的氮将导致增加与压缩气体产物相关的能量耗损，所述耗损部分不能用作产生能量。因此，在某些实施方式中，有利的是使用含有较少部分氮的氧化剂，例如氧气或富含氧的空气。

  在本发明的欲使用由所述气化过程产生的气体燃料而使电能的产生最大化的实施方式中，有利的是使在气化反应容器中发生的气体燃料的氧化作用最小化。为了抵消由于部分氧化作用条件的生成气体燃料的任何减少，可将蒸汽用作氧化添加剂。将蒸汽进料作为处理添加剂使用确保足量的游离氧和氢以使进料的原料的分解组分最大化地转化为气体燃料和/或无毒害化合物。

  对于将产生电能作为目的的实施方式，有利的是产生高燃烧热值的气体。将蒸汽用作处理添加剂在本领域中是已知的。存在蒸汽的条件下，原料的气化产生主要由氢和一氧化碳组成的合成气体。化学领域中的普通技术人员将认识到的在于气体燃料中的氢和一氧化碳的相对比例可以通过将不同量的处理添加剂引入转换器中来操控。

  蒸汽进料口可被策略性地定位，以将蒸汽导入高温处理区域中和/或在所述蒸汽离开反应容器14之前将其导入气体产物物质中。

固体残余物处理子系统

  仍参考图1到3和16到20、29至31，本发明的原料气化系统还提供用于控制气化过程的固体副产物的装置。特别是，本发明提供固体残余物处理子系统16，用于将产自原料转化为能量的过程的固体副产物或残余物转化为低可滤取性的玻璃状、均质物质。

  特别是，本发明提供固体残余物处理子系统16，其中通过控制等离子体加热速率和固体残余物进料速度以促进完全熔化和均质化作用来优化固体残余物到熔渣的转化。在一个实施方式中，固体残余物处理子系统包括固体残余物监控室42(或熔渣室)，固体残余物监控室42具有固体残余物入口、等离子体加热装置、熔渣排出口、可选地一个或更多入口、和用于将熔渣冷却并固化为其最终形式的下游冷却装置。本发明的集成控制子系统200还包括调节装置206，该调节装置206通过提供监控装置202监控整个固体残余物处理子系统16的温度和压力来调节固体残余物到熔渣的有效转化，及包括控制上述如等离子体热源44的能量和固体残余物进料速度的操作参数的装置。

  本发明的固体残余物处理子系统16适于处理来自将原料转化为不同形式能量的任何过程的固体残余物流。这种固体残余物通常是颗粒状并可以来自一个或更多源头，诸如气化反应容器14和可选的气体质量调节子系统20。在所有情况中，将固体残余物加热到固体转化为玻璃状均质物质所需的温度，当允许冷却和固化时所述物质呈极低可滤取性。因此，固体残余物处理子系统16确保固体残余物提高到使所述固体残余物熔化并均质化的足够温度。固体残余物子系统16还促进熔渣中的污染固体物(即重金属)的捕获，及清洁、均质化(和潜在地经济上有价值)的熔渣产物的形成。

  为了确保固体残余物的完全处理，固体残余物处理子系统16被设计为在熔渣室42中提供充分的驻留时间。在一个实施方式中，系统16提供至少10分钟的驻留时间。在另一个实施方式中，固体残余物处理子系统提供长达1小时的驻留时间。在另一个实施方式中，固体残余物处理子系统16提供长达2小时的驻留时间。

  根据本系统的要求和将被去除的副产物类型，可采用炭、灰、熔渣或其一些组合形式的固体残余物将通过适当采用(adapted)如本领域技术人员已知的排出口和运输装置连续地或间歇地从一个或更多上游过程被去除。在一个实施方式中，固体残余物通过漏斗和运输螺杆系统被推进熔渣室42。

  固体残余物可通过使用旋转螺杆或螺旋钻装置以连续的方式添加。例如，在一实施方式中，采用螺旋输送器将灰传递至熔渣室42。

  可选地，固体残余物可以用不连续的方式添加。在本发明的一个实施方式中，连接到固体残余物调节室的固体残余物输入装置可由运输压头(ram)系统组成。在这样的实施方式中，采用限位开关控制压头撞击的长度，如此可以控制每次撞击输送到容器中的材料的量。

  固体残余物输入装置还将包括控制装置，如此可以控制固体残余物的进料速度以确保固体残余物材料的最适熔化和均质化作用。

  在一个实施方式中，使用等离子体热源44将灰加热并熔化为熔渣。温度处于例如约1300℃到约1700℃的熔化熔渣可以周期性或连续地从熔渣室42排出，且于此后冷却形成固体熔渣材料。这样的固体熔渣材料可用于垃圾填埋处理。可选地，熔化的熔渣可以被倾倒于容器中以形成铸块、砖瓦或类似建筑材料。固体产物还可被打碎为常规用途的集料。

  因此，固体残余物处理子系统16包括熔渣输出装置，通过该装置熔化的熔渣从熔渣室42排出。输出装置可包括熔渣排出口46，所述排出口46通常位于室42的底部处或附近以促进熔化熔渣池(pool)自然流出所述室。可以用对本领域技术人员显而易见的许多方式来控制熔化熔渣流出熔渣室的速度。例如，在一个实施方式中，可以调节接近等离子体加热装置的位置和出口位置之间的温度差异，以控制熔化熔渣的再凝固时间，例如通过调整允许在室中形成池的固体残余物材料的体积。

  熔渣输出装置还适于通过保持熔渣室42密封而使加热的要求最小化。在一个实施方式中，输出装置包括倒出槽或S-弯(S-trap)。

  如之前所讨论的，还可能有利的是将一个或更多等离子体热源44的羽流对准处于或围绕熔渣排出口46的熔渣池，以维持熔化熔渣的温度并确保在整个熔渣吸出期间熔渣排出口始终保持打开。此实践还将有助于尽可能保持熔渣的均质化以防止一些未完全处理的材料在熔渣吸出过程中不利地离开固体熔渣处理子系统16的可能性。

  可以用本领域技术人员理解的许多不同方法从固体熔渣处理子系统吸出熔化熔渣。例如，通过处理期间结束时的分批倾注或贯穿整个处理期间的连续倾注来吸出熔渣。来自任一种倾注方法的熔渣可以被倾注倒水浴中，此处的水作用为外部环境和气化系统之间的密封。熔渣还可以被倒入板车(carts)丢弃、倒入硅砂床或倒入模子。

  熔渣室42的壁镶衬以耐火材料，所述材料是适于在用于极高温(例如约1300℃到1800℃的温度)非增压反应的室中使用的本领域已知的常规耐火材料的一种或组合。上述耐火材料的例子包括，但不限于，铬耐火材料和含有铝、钛和/或铬的高氧化铝耐火材料。根据所述材料的化学组分及其抵抗熔渣的腐蚀特性的能力，利用它们的高密度(低孔隙率)微结构选择适当的材料镶衬熔渣室。较低的温度或减少重金属污染可以降低腐蚀速度。有利的是选择存在灰化的非潮湿防火材料。

  固体残余物调节室被设计为在熔化并均质化处理固体残余物时在等离子气体和固体残余物之间的高效传热。因此，在设计固体残余物调节室时，要考虑诸如有效的热传递、足够的加热温度、驻留时间、熔化熔渣的流量、进料固体残余物的体积和组分等因素。

  如上所述，固体残余物调节室的物理设计特征取决于许多因素。这些因素例如包括将被处理的固体残余物的组分和体积。可以从多于一个的源头同时收集进入所述室的固体残余物。因此，固体残余物调节室的内部构造和尺寸由待处理的进料固体残余物的操作特征来规定。

  在固体残余物调节室的设计中要被考虑的另一个因素是，确保固体残余物被提高到使所述固体残余物熔化并均质化的足够高的温度所需的驻留时间。

  所用等离子加热装置的类型，以及所述等离子加热装置的位置和方向是在固体残余物调节室的设计中待考虑的另一个因素。等离子体加热装置必须满足用于将固体残余物加热到使所述固体残余物熔化并均质化的所需水平的所需温度的同时允许所得熔化的固体残余物流出所述室。

  在一种实施方式中，固体残余物处理子系统包括能够方便地移除并替换以使得由于损坏和磨损的停工时间最小化的熔渣室。

  本发明的控制子系统200通过提供监控装置202在固体残余物处理系统16各处位置监控温度和可选地压力，以调节固体残余物到熔渣的有效转化，其中在连续或间歇的基础上获得上述数据。用于监控所述室中的温度的监控装置202，例如，可位于所述室的外壁上、或所述室的顶部、中间和底部的防火材料的内部。本发明的控制子系统200还提供调节装置206用于控制操作参数，诸如等离子体热源44的能量和固体残余物进料速度。

  例如，当熔化温度过高时，控制子系统200可以指令降低等离子体热源44的额定功率；相反地，当熔化温度过低时，控制子系统200可以指令升高等离子体热源44的额定功率。

  在一个实施方式中，固体残余物处理子系统16还可包括用于回收热量的装置(例如，图29、30的等离子体热源冷却装置53和熔渣冷却装置55)，它们可减少废热产生的量。例如，上述热量回收装置可包括热交换器。在这样的一个实施方式中，控制系统还可以控制热交换器的操作条件。所述热交换器，例如，可以具有许多温度传感器、流动控制元件、和其它上述监控和调节装置202、206。

  所述熔渣室还可包括一个或更多口以调节可以是非必要的附加结构元件/装置。例如，可包括多个闭路电视口来保持操作人员在处理过程的所有方面的完全可见性的视口，所述处理过程包括监控用于形成封闭的熔渣排出口46。在另一个实施方式中，熔渣室可包括允许进入室中擦洗/清洁、维护和修理的服务口。上述口在技术领域中是已知的并可包括各种尺寸的可密封的孔洞。

热量回收子系统

  现参考图1到3、21到25，本发明的原料气化系统10还提供如18的装置，用于从热气体产物的热回收。此热量回收子系统18包括将热气体产物传递到一个或更多气体到空气式热交换器48的装置--所述热气体产物用于加热空气。回收的热量(以加热的交换空气为形式)之后可以可选地用于对气化过程提供热量，如图23和24中特别说明的，从而减少驱动所述气化过程而需要的必须由一个或更多等离子体热源15提供的热量。所述回收的热量还可以用于工业或住宅采暖的用途。

  在另一个实施方式中，所述气体到空气式热交换器48用于加热诸如氧或富含氧的空气等的氧化剂，所述热交换器之后可选地为所述气化过程提供热量。

  不同类型的气体到空气式热交换器48可以用于本系统中，其包括套管和管状热交换器，二者皆是垂直、单通(single-pass)设计，及多通(multiple pass)设计的U型管的热交换器，及平板型热交换器。适当热交换器的选择是本领域技术人员的常识。

  由于环境空气的进料温度和热合成气体的显著差异，气体到空气式热交换器48的每个管优选地具有其各自的膨胀波纹管以避免管破裂。由于空气进入气体混合物而产生的问题，管的破裂存在高危险性。单管被堵塞并因此不再随着管束的其余部分膨胀/收缩的情况下，可能发生管的破裂。

  为了使管泄漏的危险可能性降到最低，本发明的系统还包括与气体到空气式热交换器48的气体产物出口相关联的一个或更多的单独温度传感器。设置这些温度传感器来检测在交换空气泄漏到合成气体管道中的情况下因燃烧引起的温度升高。检测到这样的温度升高将导致电感鼓风机的自动关闭，所述鼓风机使冷却空气穿过所述热量回收系统。

  所述气体到空气式热交换器48被设计为使气体产物在管道中流动而非在套管侧面上。在一个实施方式中，气体产物以“一过性(oncethrough)”的设计垂直流动，这使可能发生不溶性微粒的积累和腐蚀的区域降到最少。在一个实施方式中，所述处理空气在气体到空气式热交换器48的套管侧面上逆流。

  可选地，热量回收子系统还包括产生蒸汽的一个或更多热量回收蒸汽发生器(如50中的)，如图24和26中特别说明的，所述蒸汽可以用作气化反应中的处理添加剂以驱动蒸汽轮机52，或驱动诸如电感鼓风机等旋转处理设备。使用诸如热量回收蒸汽发生器HRSG(图1、2、22)或废热锅炉(图23)等的热交换装置50，将来自气体产物的热量用于加热水以产生蒸汽。在一个实施方式中，使用来自气体产物的热量而产生的蒸汽是过热蒸汽。

  具体参考图23到25，如4中的气体到空气式热交换器和如50的热量回收蒸汽发生器之间的关系根据发明的一个实施方式描述。所述交换蒸汽还可用作气化过程的处理蒸汽添加剂以确保足量的游离氧和氢而使原料最大程度地转化为合成气体产物。

  没有被用于转化过程或驱动旋转处理设备的蒸汽可以被用于其它经济目的，诸如通过使用如52中的蒸汽涡轮来产生电，或本地加热用途或其可以提供给本地的工业客户用于他们目的，或其可以被用于提高从焦油砂中吸出油。

  在一个实施方式中，热量回收蒸汽发生器(或HRSG)50位于气体到空气式热交换器48的下游。在另一个实施方式中，使用于本发明中的HRSG 50是套管和管状热交换器。所述GRSG 50被设计为合成气体通过管道垂直流动，且水在套管侧面上沸腾。

]243]  所述气体到空气式热交换器48和HRSG 50在一些颗粒状物质将存在于所述气体产物中的理解而设计。颗粒的尺寸通常在0.5到350微米之间。在一个实施方式中，所述气体产物在此处的速率保持在使腐蚀最小化的同时对于管道自身清洁的足够高的水平。

  如果排放气体产物的温度超过预定界限，这可能表明管道正开始堵塞，此时所述系统应当关闭来维护。根据需要设置热交换器，所述热交换器带有的口用于探测、检查和维护，及修理和/或清洁管道。

  在本发明的一个实施方式中，系统间歇地运转，即根据需要经过许多启动和关闭循环。因此，重要的在于设备必须被设计为经得住重复热膨胀和收缩。

  为了使可从气体产物中回收的焓的量，及由所述热量回收系统产生的加热的交换空气和蒸汽的量最大化，部件之间的管道可选地设置有使对周围环境的热量损失降到最小的装置。热量损失可以被降到最低，例如，通过使用包括本领域中已知的绝缘材料的围绕管道的绝缘阻挡层，或通过设计使管道长度最小化的装置。

  参考图2和26，本系统10的一个实施方式中，从各种蒸汽涡轮机52(例如，由HRSG 50产生的蒸汽来操作的蒸汽涡轮机被用于冷却合成气体(线路86)，由HRSG 50产生的蒸汽来操作的蒸汽涡轮机用于冷却气体涡轮机/发动机24并排放因此而产生的气体(线路88)，或其任何组合)回收的蒸汽通过附加的由冷却塔泵等填料的热交换器90冷却。一旦离开交换器90，冷却的蒸汽/水通过排气设备92泵出，供以带有适当化学制品的软水以从中去除空气和过量的氧，处理后送回至排气HRSG50(线路94)的锅炉供给水、合成气体GRSG 50(线路96)等。

  如上所述，本气化系统10还包括集成控制装置202，该装置使整个系统的能量转移优化，因此而控制原料转化到能量的动力学。原料转化到能量的动力学可以使用本系统来优化，因为回收的焓回到气化过程的重复利用减少了用于原料的干燥和挥发步骤所需的来自外源的热量的进料量。回收的焓还可用于使完成特定质量的合成气体所需的等离子体加热的量降到最低。因此，本发明使原料有效气化，其中气化热源可选地由使用从气化产物回收的焓加热的空气来补充。

  为了优化本发明的效率，所述集成控制子系统200还设置用于控制实施本进程的条件并根据本发明的系统的操作条件而操作的装置。这些可结合到整个系统控制装置200的控制装置被设置为监控一个或更多参数，所述参数包括，但不限于，遍布系统的特定位置的温度和气体流速，并据此调节参作条件以便将系统维持在确定的参数内。可通过控制装置，由调节装置206调节的操作条件的例子包括一个或更多的交换空气流速、气体产物流速、原料的进料速度、诸如蒸汽等处理添加剂的进料速度，和供给等离子体热源15、44的能量等。

  例如，温度传感器(和其它这样的监控装置202)可被安装于整个系统10的特定位置。温度传感器可以被安装以测量，例如气体到空气的热转换器的入口和出口处的气体产物的温度，及HRSG入口和出口处的气体产物的温度。温度传感器还可以被设置以测量在气体到空气式热交换器48中被加热后的处理空气的温度，并测量蒸汽离开HRSG 50时的温度。

  温度测量可以被用于确保当合成气体进入各个热交换器时，其温度不超过该设备的理想操作温度。例如，如果气体到空气式热交换器48的设计温度是1050℃，所述热交换器的入口气流上的温度传感器可以被用于控制通过系统的交换空气的流速和等离子体热能二者以便维持最适的合成气体温度。此外，气体产物出口温度的测量对确保从两个热量回收阶段的气体产物焓回收的最佳数量是有用的。

  安装在空气出口流上的温度传感器测量被加热的交换空气的温度，所述交换空气确保所述过程在保证处理空气被加热到适于在气化过程中使用的温度的条件下实施。在一个实施方式中，交换空气的排出温度是，例如约600℃，因此安装在空气排出流上的温度传感器将被用于控制系统空气流速和等离子体重整室中的等离子体热源功率的二者或之一以便维持最适的合成气体进料温度，其依次可被用于控制加热的交换空气的温度。

  根据发明的一个实施方式，控制方案为加热的交换空气的最适排出温度设置了固定设置点，例如约600℃，及HRSG气体的出口温度固定值，例如约235℃。因此，根据本实施方式，当合成气体流量减少时，气体到空气式热交换器48的出口气体温度变冷，因为HRSG气体的出口温度也被设置为固定值而导致蒸汽产量减少。

  通过系统的气流减少时应用相同概念。根据本发明的一个实施方式，出口的交换空气温度保持固定，因此气体到空气式热交换器48的出口气体产物的温度更热，因此在HRSG 50中产生更多蒸汽。但是，通过系统的气流减少时，产物气流将因此也减少，所以HRSG 50的增加的入口温度将仅是暂时升高。例如，如果气流减少到50％，HRSG 50将暂时看到的最大入口气体温度是近似800℃，其是在所述热交换器设计的温度限度内。

  此外，如果被预热的空气比气化过程所需的多，用于控制将处理空气排到大气中的自动阀的调节装置206也可选地被设置并结合到整个系统控制装置200中。例如，一些情况下，因为设备的注意事项(例如，启动和关闭程序)，必要的是加热比过程所需的更多的空气。在这样的例子中，过量的交换空气可以根据需要被排出。

  所述系统还可包括用于监控合成气体组分、原料的进料速度和处理添加剂的进料速度(见图15和16)之一或多个的装置以便提供更多信息，如可能是实施维持最适处理条件的校正步骤所需的。各种上述监控装置202是本领域已知的并可以被使用于本发明的系统中。

  参考图21和22，以上所述的热量回收子系统18还可根据随后的过滤和调节步骤所需来提供气体产物的冷却，即关于GQCS 20(例如，GQCS冷却装置61)，及提供等离子体热源15、44(例如，热源冷却装置53)、熔渣处理和处理装置(例如，熔渣冷却装置55)等的冷却。

气体质量调节子系统

  现参考图3和27，本发明的原料的气化系统10还提供气体质量调节子系统(GQCS)20，或其它这样的气体调节装置，其将原料的气化过程的产物转化为输出气体的特定特征。

  使气体产物通过GQCS 20将确保气体产物不含有化学的和颗粒状污染物，并因此可用于能量发生系统或用于制造化学制品。在发明的那些不以生成能量或制造化学制品为目的的实施方式中，此调节步骤也可以是必须的。例如，用气体质量调剂子系统20处理气体产物可以确保通过排气装置释放所述气体产物的同时保持严格遵守当地的排放标准。

  在一个实施方式中，本发明的气化系统10的一个目的是制造具有特定特征(即，组分、产热的热值、纯度和压力)的适于输送到燃气涡轮机24产生可再生电能的气体燃料。因为通过本文所述过程通过原料的热解/气化而产生燃料，这将存在一定量的废物杂质、颗粒和/或酸性气体，这些不适用于燃气涡轮机正常并安全的操作。

  将所述气体产物直接引导至GQCS 20，此处所述气体产物须经特定顺序的处理步骤以制造具有下游应用所需特征的输出气体。如以上简述的，GQCS 20包括实施处理步骤的部件，所述步骤可以包括，但不限于，从合成气体中去除颗粒物质54、酸性气体(HCl、H₂S)56和/或重金属58，或当气体通过所述系统时调节所述气体的湿度和温度。所需处理步骤的存在和顺序取决于合成气体的组分和用于下游应用的输出气体的特定组分。如以上所述，系统10还包括集成控制子系统200以优化GQCS过程。

  在一个实施方式中，在气化系统的电感风扇的真空吸出条件下，热的气体产物通过气化系统的排气出口40被连续地从气化系统抽出。诸如导管或其它管道等的气体传递装置被用于将气体从气化室14传递至GQCS 20。

  还被仔细考虑的在于可以使用一个或更多GQCS 20，诸如主GQCS和次GQCS。这种情况下，所述次GQCS可被用于处理从主GQCS中移出的诸如颗粒物和重金属等材料。来自GQCS 20的输出气体可被储存于气体储存罐23(图2)中，通过诸如均质化室25(图3)等深处理装置填料，或直接填料至其被设计(即图1)用于的下游应用。

  如以上所述，有利的是提供在上述调节步骤之前冷却热气体产物的装置。对于防止系统中热敏部件的损坏，此冷却步骤可能是必要的。在一个实施方式中，通过热量回收子系统18进行冷却步骤--从气体产物回收的热量还可选地被回收并再循环用于在气化系统中(见图23到25)。

  在另一个实施方式中，来自气化系统的气体首先通过在诸如冷却池(图3)等蒸发器中的直接水分蒸发而被冷却。在另一个实施方式中，蒸发冷却塔(干燥冷却-图3)可被用于冷却从气化系统进入GQCS 20的合成气体。蒸发冷却塔能够冷却合成气体的温度从约740℃至约150-200℃。此过程可以使用绝热饱和法完成，所述方法包括以受控的方式将水直接注入气流中。所述蒸发冷却过程是一种干燥冷却过程，并可以被监控以确保冷却气体不湿，即在冷却温度下冷却气体的相对湿度仍旧低于100％。

  如以上所述，GQCS 20可以包括如54中的装置，所述装置用于可选地从冷却气体、及与气体产物的下游用途不一致的气体污染物中去除颗粒物，所述用途诸如在燃气涡轮机24中燃烧以产生电或在进一步的化学生产过程中用作原料28(图2)。添加颗粒去除系统54以去除可能被夹带在离开转换器的气体燃料中的颗粒。颗粒去除系统54广泛可得，且可以包括例如，高温(陶瓷)过滤器、气旋分离器(图6)、文丘里净化器(scrubber)(图6)、电子过滤器、烛形过滤器、交叉流滤器、粒料过滤器、水净化器、织物袋滤室过滤器(图3)等，这些对于气体调节的专业人员来说是广泛熟知的。

  如本领域中已知的，颗粒根据其尺寸可以用许多方法去除。例如，使用气旋分离器或过滤器可以去除粗颗粒。更小或更细的颗粒可使用Wet ESP或袋滤室过滤器(图3)去除。在一个实施方式中，对于多达10g/Nm³的颗粒负载，需要将以99.9％的效率去除颗粒的物理障碍。WetESP由静电场驱动并可能不适于与高含氧量的气流一同使用，所述气流不带有如含氧量到达特定水平时的断开电流的控制装置。

  在一个实施方式中，第一颗粒去除装置被用于去除粗颗粒，且第二颗粒去除装置被用于去除更小或更细的颗粒。在一个实施方式中，第一颗粒去除装置是气旋过滤器，其可以去除尺寸大于5-10微米的颗粒。在另一个实施方式中，第二颗粒去除装置是袋滤室过滤器。

  可替换的实施方式可以改变不同气体净化步骤的顺序以更有效地使用可替换的气体净化装置的特征。但根据所采用的特定颗粒去除系统，理想的是在气体燃料进入前述的颗粒去除系统54之前，使离开反应容器14的所述气体燃料冷却。如果袋型的过滤器被用于颗粒去除，气体燃料的冷却可能是特别重要的，因为袋型过滤器经常基于纤维素或有机高分子，且不能抵抗极度高温。

  之后，粉尘被收集并可以被送回至气化反应容器，如此在气体调节系统中制造或产生无毒害的固体废物。或者，所述颗粒可以被引导至熔渣储存器(见图3)以使擦洗器固体被玻璃化未非可渗出的熔渣。在一些情况下，根据设备的注意事项和本地规章，来自气体净化系统的固体物可被送至厂外用于安全处理。

  还可以设置如58的装置，所述装置用于从气体产物中去除汞或其它重金属。例如，干进料系统利用计算量的活性碳，所述活性碳以充足的驻留时间注入气流，如此以致细微的重金属颗粒和气体可以被吸收于活性碳表面中。被吸收于活性碳上的重金属可被收集于袋滤室过滤器中。或者，Wet ESP系统可用于收集被吸收在活性碳上的重金属。在本发明的一个实施方式中，被吸收在活性碳上的重金属颗粒被收集于袋滤室中。

  酸净化系统也是收集重金属的有效技术。此系统需要使含重金属的气体的通道穿过具有低pH(通常1-2)的溶液环流的填充柱。重金属和重金属化合物与酸反应形成它们的稳定化合物。使用此技术，环流溶液中的重金属浓度将增加并因此需要处理所得废水。在一个实施方式中，GQCS 20包括去除重金属的酸净化系统。

  在一个实施方式中，由活性碳汞润饰机(polisher)(图3)提供汞去除装置。活性碳滤床可被用作用于重金属的最终润饰设备。气体产物通过活性碳床，所述床将从气流中吸收重金属(主要是汞)。通常地，活性碳隔过滤器被用于实现99.8-99.9％以上的汞去除，并用作带有7-8英寸的WC压力差的最终润饰设备(polishing device)。

  酸回收子系统56被结合到气体调节系统20来回收可能具有市场价值的硫或硫酸(从高硫原料中)和盐酸(从氯化烃中)。酸去除系统56可以包括净化器系统、酸去除系统和涉及硫和/或酸去除系统的其它常规设备。

  在本气化系统中产生的气体产物将包括诸如HCl和H₂S等的酸性气体。气体产物中的这些酸性气体的浓度的范围为：HCl的范围是从约0.05到约0.5％，而H₂S的范围是从约100ppm到约1000ppm。在一个实施方式中，HCl的期望浓度是约0.178％，而H₂S的期望浓度是约666ppm(0.07％)。HCl的排放量限制是约5ppm，而对于SO₂，所述限制是约21ppm。

  去除酸性气体可通过干燥净化(scrubbing)和湿法净化实现。干燥净化的主要元件是袋滤室过滤之前的喷雾干燥吸收器和碳酸钠或石灰粉注射。通常干燥净化难于实现超过99％的酸去除效率。

  如果氯的量是经济上显著的规模，所述氯可以被回收。如果氯以无意义的量存在，用任何适合的方式将其去除(例如，水或湿法净化器，活性矾土吸收等)。气体可以被处理以去除气/液净化器-接触器中的诸如氯的成分。最有利的湿法净化是热量传递的大接触面积和小压力差的质量传递，这将有助于气体冷却。氢氧化钠是用于湿法净化的常规碱溶液。在一个实施方式中，填充柱被用于净化酸性气体。

  硫的化合物是首先重新组合的，或作为元素硫，或作为硫-氧化合物或作为硫-氢化合物。在一个实施方式中，硫化合物的量证明成本合理，如76中的硫回收设备沿着管道在靠近热交换器的位置被设置，温度达到的地方硫化合物变得稳定。硫回收设备76的种类和型号依赖于入口气流中的期望的流量。

  如果预期的硫量十分低，如在低硫级的原料中所预期的，铁填充技术可以被用于使硫与元素铁反应生成硫化铁。这通过在管道中的室和回收室之间循环铁丸而被实现。

  对于含有高硫量的原料，第二阶段液体净化过程被用于从气体中去除硫的化合物。通过任何适当的技术，根据入口气流中的预期的硫的量，可以将硫去除。进一步的下游区域，胺净化器从气流中去除硫化氢和二氧化硫，留下主要含有氢气、一氧化碳和惰性气体的气流。这样的胺净化器在本领域中是已知的并通常包括胺的处理，其中单乙醇胺(monoethanoloamine)、二乙醇胺(diethanoloamine)或甲基二乙醇胺的水溶液被用于从处理气体中去除H₂S。回收硫的其它方法可包括，例如，克劳斯(Claus)设备、Resox还原过程、冷等离子体硫化氢分离过程等。

  此外，去除硫的适当方法包括，例如，使用NaOH或三嗪的湿法吸收，使用Sufatreat的干法吸收，诸如Thiopaq(一种生物脱硫技术)等生物方法，或包括液体氧化还原剂(低CAT)的选择氧化法。在一个实施方式中，使用Thiopaq(见图3)将H₂S从合成气体中去除。

Thiopaq是两步法，其中以弱碱溶液(pH 8.5到9)净化酸气，且硫随后被回收(通过生物过程，HS-被氧化为元素硫)。其它方法可以包括，但不限于，移动床钛酸锌或铁氧体吸收法，氧化化学反应过程(例如，Stretford和SuLFerox)，和Slexol酸去除方法，这些方法的后者通常包括在高压(例如，300-1000psi)下使用物理溶剂(例如，聚乙二醇二甲醚)。

  此外，即使等离子体气化条件被已知为阻碍二垩英的形成，但存在碳的条件下，碳作为催化剂，二垩英可以在250-350℃的温度下形成。另外为了二垩英形成的最小化，冷却合成气体通常在冷却器或喷雾干燥吸收器中完成以确保在上述温度范围之间完成快速冷却。在合成气体中注入活性碳将在碳表面吸收二垩英和呋喃，随后在袋滤室过滤器中去除。

  还可以结合除雾器或再热器用于去除湿气和/或防止冷凝。还可以包括热交换器以将气体燃料再加热到由下游发电设备所需的入口温度。还可选地包括压缩器以将气体燃料压缩到下游发电设备所需的入口压力。

  在另一个实施方式中，湿度控制装置可以是GQCS 20的一部分。湿度控制装置作用为确保输出气体的湿度适于所采用的下游应用。例如，湿度控制装置可以包括冷却装置以冷却气流并因此从气流中冷凝出一些水分。这些水分可以通过气/液分离器去除。在一个实施方式中，这样处理气流确保离开GQCS 20的气流在26℃下具有约80％的湿度。所述气体之后可以被储存，例如，存储在气体存储设备23(图2)中。

  在另一个实施方式中，气体处理子系统可包括回收二氧化碳的装置和/或回收铵的装置。适当的装置在本领域中已知。

  气体产物还被取样用于气相色谱(GC)分析以确定化学组分。这些分析的样本点遍布气体产物的处理/污染减轻子系统而分布。

  在一个实施方式中，控制子系统200包括调节转化系统中的操作条件的装置，包括GQCS 20中的操作条件，因此控制转化过程的净总动力学，并在含碳原料转化为具有特定化学和物理组分的气体产物期间，将反应条件的设定点维持在可变性的特定范围内。此系统可以是自动化的并适用于各种气化系统。

  控制子系统200可以包括如下功能。在一个实施方式中，控制子系统200可以感知效率的降低或在GQCS 20过程中的交替的功能缺陷，并将气流转向备用过程或备用调节系统。在另一个实施方式中，控制子系统200可提供装置用于微调GQCS 20的步骤的，以及从最适条件提供最小偏移。

  本发明的控制子系统200可以包括用于分析通过GQCS 20的气流的化学组分的监控装置202，所述过程的气体流量和热参数；及调节装置206，用于调节GQCS 20内的条件以优化处理效率和输出气体的组分。进行的对反应物(例如，带有充足驻留时间的活性碳注入、对于HCl净化器的pH控制)的调节可以用能够使此过程有效进行并根据设计规定被优化的方式进行。

用于调节气体产物的子系统

  本发明的气化系统还可选地提供用于调节气体产物的装置，例如，通过均质化处理气体产物的化学组分并调节其它特征，诸如气体产物的流量、压力和温度以满足下游的要求。此气体产物调节子系统22使限定特征的连续并稳定的气流被传递至下游应用，诸如燃气涡轮机24或发动机。

  如本领域技术人员理解的，气化过程可以产生组分、温度或流速波动的气体。为了使气体产物的特征波动最小化，设置以收集装置形式的气体调节系统22，其用于对下游设备传递具有恒定特征的气体产物。

  在一个实施方式中，本发明提供气体调节系统22，该系统收集气化过程的气体产物并减弱均质化室25等中的气体组分的化学波动。系统的其它部件可选地调节气体特征，所述特征诸如流量、温度和压力以使其落入下游应用可接受的范围内。系统藉此调节气体产物的特征以产生带有恒定特征的连续气流，用于传递至下游应用，诸如气体发动机或燃气涡轮机24。

  特别地，本发明的可选气体产物调节子系统22提供气体均质化室25(图3)或类似设备(例如，图3的气体压缩机21、图2的气体存储设备23等)，它们的尺寸被设计为提供足以获得恒定输出组分的均质化气体的驻留时间。本气体调节系统的其它部件被设计为满足下游应用的气体性能要求。系统还包括控制子系统200以优化过程的能量流动和转换以及过程的输出。

  进入本发明调节系统的气体产物的组分在气化过程中被测定。气化过程期间做出调节允许气体产物被优化用于特定用途(例如，燃气涡轮机24或用于发电的燃料电池应用26)。因此，气体产物的组分可以被制定为用于特定的能量生成技术(例如，用于特定气体发动机或燃气涡轮机24)，及根据所用的原料和处理添加剂的不同类型，通过调节气化过程的操作参数用于最佳总转化效率。

  离开气化系统的气体产物可以在目标组分的限定范围内，但是，由于气化过程的可变性，诸如原料组分和填料速度，及空气流和温度波动，气体产物的特性可以随着时间波动。

  类似于气体产物组分的控制，气体产物的流速和温度可以被监控，例如通过监控装置202，并受控于气化系统中，例如通过调节装置206，以便将气体参数维持在由终端用途限定的预定公差内。不论这些控制，气体产物的流速和温度的波动将随着时间发生。在流速的情况中，这些波动可以发生在秒到秒的基础上，并且温度在每分钟的基础上。通常的流速(flow rate)变化范围为7200Nm³至9300Nm³。

  气体产物向具有满足特定应用设备的要求的特定组分的气体的转化在本发明的调节系统中可以被影响。调节系统包括一个或更多气体均质化室25，该均质化室25包括气体产物入口装置、调节气体出口装置，以及可选地紧急出口。

  气体产物的均质化室25接收由气化系统产生的气体产物并促进气体产物的混合以减弱均质化室25中的气体产物的化学组分的任何波动。其它气体特征，诸如压力、温度和流速的波动也将在气体产物混合过程中被减少。

  以使所述室或所述尺寸尽可能最小化为目的，根据上游气化系统的性能特征和下游机械装置的要求来设计所述室的尺寸。所述气体均质化室25被设计为接收来自气化过程的气体产物，并将气体保留足以混合气体的某一驻留时间以实现带有恒定化学组分的气体体积。

  驻留时间是气体产物被引导至下游设备前保留在均质化室25中的时间的量。驻留时间与相关气化系统的反应时间成比例以校正气化反应中变量的波动，以便实现落入可接受公差值范围内的气体组分。例如，气体产物被保留在均质化室25中足够长的时间以确定其是否落入气体组分的公差之内，所述公差供特定下游应用，并对气化过程做出任何调节以校正偏离。

  此外，气体产物在均质化室25中的驻留时间取决于气体产物特征中的变量的量。也就是说，气体产物特征中的变化越小，在均质化室25中校正所述变化所需的驻留时间越短。

  例如，燃气发电机可以选择用于与本气化系统一同使用以发电。所选择的燃气发电机将具有

  排出本发明的所述调节系统的经调节气体将具有稳定化的特征，这些特征满足下游应用的规定。通常，机械制造商将提供特定机械装置允许的、且本领域技术人员已知的要求和公差。

气化系统/所述过程的用途

  根据本发明的系统使用用于原料的气化方法而使含碳原料气化，所述方法通常包括以下步骤：将原料传递至气化反应容器14，所述原料于此处被加热、干燥，且干燥原料中的挥发性组分被挥发。在本发明的一个实施方式中，加热的空气被用于进一步驱动所得的炭完全转化为其气态组分，留下灰副产物。干燥、蒸发和燃烧步骤的组合产物提供废气，所述废气还进一步由等离子体热源15施以加热以将所述废气转化为包含一氧化碳、二氧化碳、氢气和蒸汽的热气体产物。蒸汽和/或空气/氧化剂处理添加剂可以在气化阶段和/或废气转化阶段选择性地添加(例如通过添加剂输入装置38)。

  在本发明的一个实施方式中，所述过程还包括通过第二等离子体热源44对副产物灰施以加热以形成熔渣产物。

  本发明的过程还包括将热的气体产物通过热交换子系统18传递的步骤，将热量从热气传递至冷却剂。在一个实施方式中，冷却剂是空气。在另一个实施方式中，冷却剂是选自氧或富含氧的空气的氧化剂。

  本发明的过程可选地包括将冷却气体产物传递到第二热交换器18中的步骤，此步骤热量从冷却气体传递至冷却剂，所述冷却剂是水以生成进一步冷却的气体产物和蒸汽。

  本发明的过程通过抵消将被消耗的电量而使净转化效率最大，例如所述电量用形成成驱动气化过程的热量、驱动旋转机械装置，以及对等离子体热源15、44供能。对于以产生电为目的应用，通过将由总气化过程消耗的能量与使用气体产物(例如，对燃气涡轮机24或在电池燃料技术26供能)生成的能量相比来测定效率，并通过敏热回收来生成蒸汽以对蒸汽涡轮机52供能。

  气化过程还可包括校正(或反馈)控制步骤，所述控制步骤根据气体产物的流速、温度和/或组分所测得的变化，调节原料进料速度、气体产物流速、空气/氧化剂和/或蒸汽处理添加剂进料速度、系统压力、和供应到等离子体热源的能量中的一个或更多。反馈控制步骤因此使气体产物的流速、温度和/或组分被保持在可接受的范围内。

  在本发明的一个实施方式中，所述过程还包括在原料添加到气化反应容器14之前将其预热的步骤。

  在一个实施方式中，根据本发明的气化过程采用了来自气体到空气式热交换器48的加热空气或其它氧化剂的将气化反应容器14加热到适于使原料气化的温度的用途。在这个实施方式中，将空气输送至系统中是通常在系统10的启动阶段使用的--通过等离子体加热而加热空气以提供热的启动气体，所述气体之后进入气体-空气热交换器48以产生加热空气。加热的空气被传递到加热空气入口装置以将气化反应容器14加热，如此整个过程可以不使用矿物燃料而运行。

  所述发明现在将参考具体实施例来描述。将被理解的在于以下实施例意为描述发明的实施方式并不以任何方式限制发明。

实施例

  通常，使用本发明系统是通过将含碳原料与来自诸如等离子体热源15、加热空气或可能适合的任何其它热源等的源的热量一起输送至气化反应容器14中，在该容器中原料被施以充分的热量以允许气化反应发生。

  原料的加热导致去除任何残留水分并蒸发任何挥发性组分，因此提供部分氧化的炭产物。进一步加热部分氧化炭产物，使炭完全转化为其气态组分，留下灰副产物，该副产物之后可被进一步加热并转化至熔渣。

  额外的氧可被注入气化反应容器中以使产生一氧化碳、二氧化碳和碳颗粒的放热反应开始或加速。放热反应与可选地由加热处理空气提供的热量一起增加气化反应容器14中的处理温度。

  在一个实施方式中，处理温度在约100℃到约1000℃之间，尽管更低或更高的温度也可被考虑。在本发明的一个实施方式中，所述过程使用的气化反应容器内的平均气化温度是约700℃+/-100℃。

重整

  在气化反应容器14中形成的废气可以用等离子体热源15进一步加热并可选地以蒸汽处理。这些反应主要是吸热反应。在本发明的一个实施方式中，温度被维持在对于将反应保持在确保完全转化为特定气体产物的同时使污染的产生最小化的适当水平来说是足够高的范围。在一个实施方式中，温度范围是从约900℃到约1300℃。适当温度范围可容易地由熟练工人确定。

  被加入重整步骤中的蒸汽作用为确保形成具有特定组分的气体产物，同时还降低气体的排出温度。在一个实施方式中，气体产物的排出口温度被降低至约900℃到约1200℃之间。在另一个实施方式中，气体产物的排出口温度被降低至1000℃+/-100℃的平均温度。

  气体产物以约800℃到约1100℃的温度排出等离子体重整区域。热合成气体的流速为约6000Nm³/hr至9500Nm³/hr，优选地约7950Nm³/hr。然后热气体产物通入气体至空气式热交换器48。

  在本发明的一实施方式中，热交换器48用于对热气体产物进行冷却，空气以环境温度进入气体至空气式热交换器48，即以约-30℃到约40℃的温度进入。所述空气通过使用空气风机使在所述系统中循环，进入气体至空气式热交换器的速度为约3000Nm³/hr至6000Nm³/hr，优选地为约4000Nm³/hr至4500Nm³/hr，更优选地为4350Nm³/hr。

  在一个示范性实施方式中，在监控排出口合成气体流速、排出口合成气体的排出口温度和排出口气体的组分的基础上，确定原料、氧、蒸汽和供应到等离子体热源15的能量的量。

  具体参考图14和15，通过线路100和102的出口气体中的一氧化碳和二氧化碳的流速数值与线路104中的原料的填料速度数值(例如，通过调节装置206-1获得的)一同被输入第一处理器(由逻辑框30说明)中。第一处理器30估计气化反应容器40中的碳量并相应地调节煤填料速度。

  来自提供百分比一氧化碳和百分比二氧化碳的数值测量的第一处理器30的通过线路106的输出值与通过线路108的百分比氢气的数值，和通过线路110的蒸汽(例如，通过调节装置206-2)和氧气(例如，通过调节装置206-3)数值一起被输入第二处理器(由逻辑框32说明)。第二处理器32估计新的氧和蒸汽的输入量以获得特定气体组分。

  来自第二处理器32的输出值通过线路112，与通过线路114的出口气体温度的进料代表数值一同被输入第三处理器34中。第三处理器34计算新的等离子体热源(例如，等离子炬)，所述输出量作为通过116的输出功率(例如，发送至调节装置206-4)。

  回头参考图1至3，在本发明的一实施方式中，空气在热交换器48内被加热以产生经加热的空气，该经加热的空气的温度为约500℃到约800℃，优选地为约600℃。热的气体产物被冷却至下述温度：约500℃到约800℃，优选地为约730℃。如上所述，经加热的空气可选地在气化反应容器1中使用以气化含碳原料。

  在气体产物从气体至空气式热交换器48离开后，通过使用热量回收蒸汽发生器(HRSG)50从气体产物进一步回收焓。气体产物进入HRSG 50的温度为约500℃到约800℃，优选地为约730℃。

 HRSG 50将热量从热的气体产物传递至水输入，以产生饱和蒸汽，所述饱和蒸汽的温度为约180℃到约250℃，优选地为约235℃，其压力为约250psig至约350psig，优选地为约300psig。在一实施方式中，输入蒸汽发生器的水的温度可以为约50℃到约95℃，优选地为约90℃。

  在一实施方式中，冷却的合成气体进一步经过气体调节阶段(例如GQCS 20)。因此，气体产物在HRSG出口处的温度应该优选地不超过235℃。

  在气体调节阶段后，气体产物可选地存储在均质化室25(图3)等中。

副产物灰的熔化

  在本发明的一个实施方式中，炭燃烧步骤的固体灰副产物还通过以第二等离子体热源44熔化而进一步可选地处理。当颗粒被夹带到熔渣池中时，允许充足时间，以确保所有挥发物和碳被完全去除。如本领域技术人员可认识到的，驻留时间是颗粒尺寸的函数。由第二等离子体热源44产生的热量使熔渣均质化并允许其在热的时候被提取。等离子体热源44将熔渣加热到约1100℃到约1600℃之间的温度。在一个实施方式中，温度在约1400℃到约1650℃之间。此温度范围的操作能够有助于避免浪费热量及之后用于冷却气化反应容器14底部中的熔渣的水。

  尽管已参考某些具体实施方式而描述本发明，但在不偏离如所附权利要求所概括的本发明主旨和范围的情况下，对于本领域技术人员来说本发明各种修改是显而易见的。

  整体引用于本说明书中的所有专利和公开文本--包括公开的专利申请和本说明书中参引的数据库被特别地以其全文作为参考引入本文，其程度类似于各个上述单独的专利、公开出版物和数据库特别地并各自的通过参考号引入本文。

Claims (17)

1.一种用于将含碳原料转化为特定组分的气体的系统，其包括：

气化反应容器，其包括：

一个或更多处理区域，

一个或更多等离子体热源，

一个或更多的含碳原料输入装置，用于以可调节的含碳原料填料速度将所述含碳原料添加到所述气化反应容器，

一个或更多处理添加剂输入装置，用于以可调节的处理添加剂填料速度将处理添加剂添加到所述气化反应容器，

一个或更多富碳材料添加剂输入装置，用于以可调节的富碳材料添加剂填料速度将富碳材料添加剂添加到所述气化反应容器，以及

一个或更多用于所述输出气体的出口；

固体残余物处理子系统，所述固体残余物处理子系统包括固体残余物调节室、等离子体加热装置和熔渣输出装置；

气体质量调节子系统；以及

集成控制系统，其包括：

系统监控装置，用于测量一个或更多系统参数而产生数据，

计算装置，用于收集及分析由所述系统监控装置产生的所述数据，以及

输出装置，其发送适当信号以影响遍布所述系统定位的一个或更多系统调节器中的变化，

其中，所述控制系统监控所述一个或更多系统参数并发送信号至所述适当系统调节器以影响所述一个或更多系统调节器中的变化，并由此产生特定组分的气体产物。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括热量回收子系统，其中所述热量回收子系统包括一个或更多气体到空气式热交换器，以及将所述气体产物传递至所述一个或更多气体到空气式热交换器的传递装置，其中所述传递装置与所述一个或更多输出气体出口流体连通。 

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述热量回收子系统进一步包括一个或更多热量回收蒸汽发生器，以及将所述气体产物传递至所述一个或更多热量回收蒸汽发生器的装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体质量调节子系统包括下列装置中的一个或更多：颗粒物去除装置、酸性气体去除装置、重金属去除装置、和用于当所述气体穿过所述气体质量调节子系统时调节所述气体的湿度和温度的装置。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述气体质量调节子系统包括下列装置中的一个或更多：颗粒物去除装置、酸性气体去除装置、重金属去除装置、和用于当所述气体穿过所述气体质量调节子系统时调节所述气体的湿度和温度的装置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，进一步包括气体产物调节子系统。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述气体产物调节子系统是均质化作用罐。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述处理添加剂输入装置是一个或更多蒸汽入口、一个或更多氧化剂入口或者包括前述二者。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理添加剂输入装置是一个或更多蒸汽入口、一个或更多氧化剂入口或者包括前述二者。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理添加剂输入装置是一个或更多蒸汽入口、一个或更多氧化剂入口或者包括前述二者。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述氧化剂是空气、氧或富 含氧的空气。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述氧化剂是空气、氧或富含氧的空气。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述氧化剂是空气、氧或富含氧的空气。

14.一种用于将含碳原料转化为具有特定组分的气体产物的方法，所述方法包括以下步骤：

以含碳原料输入速度将所述含碳原料传送到气化区域中；

以处理添加剂输入速度将处理添加剂传送到所述气化区域中；

以富碳材料添加剂填料速度将富碳材料添加剂传送到所述气化区域中；

使所述含碳原料须经受加热以提供废气和副产物灰；

将所述废气传送至重整区域；

以等离子体热源加热所述废气；

以蒸汽输入速度将蒸汽添加到所述废气以将所述废气转化为合成气体；

将所述副产物灰传递至熔化区域；

通过熔渣调节式等离子体热源使所述副产物灰经受加热，以将所述副产物灰转化为熔渣并将所述熔渣维持在熔化状态；

将所述熔化熔渣从所述熔化区域排出；以及

允许所述熔化熔渣冷却以提供所述玻璃质熔渣。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括校正反馈步骤，所述校正反馈步骤包括下述步骤中的一个或更多：监控所述气体产物的组分的步骤、监控所述气体产物的流动的步骤以及监控所述气体产物的温度的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述校正反馈步骤还包括下 述步骤：调节所述含碳原料输入速度、所述富碳材料添加剂填料速度、所述氧输入速度和所述蒸汽输入速度中的一个或更多以提供特定气体产物组分。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述校正反馈步骤进一步包括下述步骤：调节所述含碳原料输入速度、所述富碳材料添加剂填料速度、所述氧输入速度和所述蒸汽输入速度中的一个或更多以应对所述合成气体组分中测得的变化。 

Images