CN101278034A - 用于将煤转化为特定组分的气体的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供带有集成控制子系统的煤的气化系统。所述系统大致包括(以各种组合)：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容器(或转换器)、固体残渣处理子系统、气体质量调节子系统、及用于对煤到能量的转化的总体能量流动和转换进行控制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

用于将煤转化为特定组分的气体的系统

发明领域

[01]本发明涉及煤的气化，尤其涉及将煤转化为具有特定成分的气体的方法和装置。

发明背景

[02]不同级别的煤可以用作气化的主要原料。这包括低级别高硫煤，此种煤由于产生具有高硫含量的排放物而不适于用在燃烧煤的发电机中。采掘、储存、洗涤煤后残留的废弃煤颗粒和煤粉对于气化也是有用的。煤通常可以用氧和蒸汽来气化以产生含有一氧化碳、氢、二氧化碳、气态硫化物和颗粒的所谓的“合成气体”。气化步骤通常在约650℃至1200℃的温度范围内，在或大气压，或是更通常地在从约20至约100个大气压的高压下进行。

[03]有几种不同类型的煤，每一种都由于地质学历史而展示不同特性。煤的发展级别被称为煤“等级”。泥煤是煤形成环境的直接在生长区域之下的植物材料层。植物材料显示很小的变化并含有活植物的根。褐煤在地质学上非常年轻(少于40,000年)。它可以是柔软、纤维性的并含有大量水分(通常在70％左右)并具有低的能量含量(8-10MJ/kg)。次烟煤是一种特征在褐煤特性到烟煤特性范围内的煤，并主要用作蒸汽-电力发电的燃料。其在所述范围的下端处可以是黯淡、深棕至黑色的、柔软易碎的，至所述上端处是明亮、深黑、坚硬、及相对是坚固的。次烟煤含有20至30重量百分比的固有水分。次烟煤的热含量范围是从20至28MJ/kg(在恒湿无矿物质的基础上)。黑煤在从65-105百万年直到260百万年的范围内。这些更坚硬更有光泽，水分少于3％并可以具有直到约24-28MJ/kg的能量含量。无烟煤实际上不含水分并含有很少的挥发物质，因此其燃烧产生很少或没有烟。其可以具有直到约32MJ/kg的能量含量。

[04]根据1917年产生的哈贝尔-伯士法(Haber Bosch Process)制造合成气体。此方法在碳(例如煤)与蒸汽的初级反应中反应生成氢和一氧化碳的基本重整反应上操作。合成气体的氢/一氧化碳比例根据所供煤的特性广泛变化。

但是，如果用蒸汽重整一摩尔甲烷，将产生富氢的合成气体，例如三摩尔氢和一摩尔一氧化碳，即氢/一氧化碳的比例为1/3。还发生称为水煤气转换反应的竞争性二级反应，其中一氧化碳与蒸汽反应来形成二氧化碳和额外的氢。此水煤气转化反应是二级反应，因为高温和低压有助于初级反应。

[05]因为煤常含有硫化物，人们试图提供一种用于煤的气化以产生清洁气体产物燃料的方法，其中所述气体产物燃料在使用之前去除硫，例如在燃气涡轮机发电中。此外，来自气化区域的气体可以被纯化以去除煤的粉尘和煤渣及许多其它杂质，例如汽化的煤渣、碱等。

[06]等离子炬技术已用于煤的气化方法中。等离子炬技术取得实质性的进步在1960年代取得实质发展，当时模拟由宇宙飞船再次进入地球大气层而产生的极高温条件而开发出新的等离子体发生器。与燃烧喷灯火焰不同，等离子弧炬可以在无氧条件下操作。等离子弧炬是通过将工作气体电分离和离子化而形成等离子弧中线处的高温来产生。可购买的等离子炬(torch)可以在施用点适当地产生时间持久的高温，并且型号从约100kW到6MW以上的输出功率上是可得的。

[07]等离子体是高温发光气体，其是至少部分电离的，并由气体原子、气体例子和电子构成。等离子体可以用这样的方式以任何气体生成。这提供了等离子体内对化学反应的良好控制，由于所述气体可以是中性的(例如氩、氦、氖)、还原性的(例如，氢、甲烷、铵、一氧化碳)或氧化性的(例如，氧、二氧化碳)。在黯淡阶段中，等离子体是电中性的。热等离子体可以通过使气体穿过电弧而形成。通过在穿过所述弧的微秒内来抗性及辐射加热至非常高的温度，电弧将迅速加热所述气体。通常的等离子炬由拉长导管及所述导管内同轴中心定位的电极构成，所述工作气体通过所述导管。上述弧的一个类型中，横跨作为阳极的中心电极的端部和作为阴极的外部电极之间的缝隙而施用高直流电压。通过阳极和阴极之间缝隙中的气体流动的电流导致形成了包含电离气体分子的高温电磁波能量的弧。气体的任何气体或混合物(包括空气)可以通过所述等离子炬。

[08]还有许多专利涉及产生各种用途中使用的合成气体的煤的气化的不同技术，其包括美国专利号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。

[09]煤的气化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，湿式除尘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。已经发现许多气化系统，其包括处理气化方法过程中产生的气体的系统。

[10]煤的气化系统和先进燃料电池技术的整合需要适应性的、稳定及连续操作的重整系统，所述系统适用于各种煤的燃料特性。结合等离子体技术的气化系统提供了接受品种多样的煤供应，包括高硫含量煤的可能性。在反应容器中使能量需要最小化的同时，通过优化气体燃料组分，反应容器内的部分氧化条件的混合被希望提供最好的气化构造。

[11]合成气体(Syngas)可被开发用于多种用途，诸如将气体转化为电或化学应用形式的能量，例如燃料电池或化学原料。用于将合成气体直接转化为电的设备目前包括燃气涡轮机和气体发动机。这些设备设计为在非常严格的特征范围内起作用且常对于气体特性的变化非常敏感。除了影响发动机操作效率外，气体特性的偏差甚至可以对发动机操作具有负面影响。例如，气体特性的变化可以影响发动机中润滑油的防腐特性，同样其可以影响排放物、效率、爆震和燃烧稳定性。因此，这些利用合成气体的装置在气体特性被维持在特定界限内时工作得最有效率。

[12]提供背景信息用于使已知信息通过可能相关于本发明的申请人传递。无需准许，也不应逐字翻译，任何在先的信息构成抵触本发明的现有技术。

发明概述

[13]本发明的一个目的是提供将煤转化为特定组分气体的系统，其包括：气化反应容器，所述气化反应容器包括一个或更多处理区域、一个或更多等离子体热源、用于以可调节的煤供给速度将煤添加到所述气化反应容器的一个或更多煤输入装置、用于以可调节的处理添加剂供给速度将处理添加剂添加到所述气化反应容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；固体残渣处理子系统；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。

[14]在本发明的一个实施方式中，气化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

[15]本发明的这些和其它特征在参考附图的以下详细说明中将更加清晰。

[16]图1至4是示意图，示出根据本发明各种示范性实施方式的用于将煤转化为特定组分的气体的系统。

[17]图5至10是示出图1至4的系统的各种下游应用的示意图。

[18]图11的流程图，示出在图1至10的所述系统和可操作地偶联到其上的集成系统控制子系统之间的监控和调节信息的流动。

[19]图12是示出图11的集成系统控制子系统的示意图。

[20]图13是示出通过图11的集成系统控制子系统而分别发送至图1至10的系统或从其接收信号的示范性监控和调节的示意图。

[21]图14是示意图，示出图11的集成系统控制子系统到图1至10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。

[22]图15和16是示意图，示出用于对图1至10的系统的等离子体气化容器的输入进行控制的图11至14的集成系统控制子系统的示范性实施方式。

[23]图17至19是示意图，示出与图1至10的系统一同使用的各种携流(entrained flow)等离子体气化容器。

[24]图20和21是示出与图1至10的系统一同使用的各种液化流动等离子体气化容器的示意图。

[25]图22和23是示意图，示出与图1至10的系统一同使用的带有等级选项的移动床流等离子体气化容器。

[26]图24是示出与图1至10的系统一同使用的示范性热量回收子系统的示意图。

[27]图25是更加详细地示出图24的气体到气体式热交换器的示意图。

[28]图26是更加详细地示出图24的热量回收蒸汽发生器的示意图。

[29]图27是描述用于处理来自图1至10(尤其是图2)的热量回收蒸汽发生系统(Heat Recovery Steam Generation System)的蒸汽/水输出的选择性蒸汽/水处理子系统的示意图。

[30]图28是示出选择性地与图11的集成控制子系统一同使用的，等离子体气化方法模拟的各种数据输入和输出，及系统参数优化和模型化装置的示意图。

[31]图29和30是示出与图1至10的系统一同使用的另一示范性热量回收子系统的示意图。

发明详述

[32]除非另外限定，所有用于本文的科技术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的相同的意义。

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

[34]用于本发明的目的，术语“合成气体”或“合成气”是指气化方法的产品，且除了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。

[35]如用于本文的，术语“原料”包括但不限于任何级别的煤(包括不适用于在燃烧煤的电力发电机中使用的低级的、高硫的煤)。

[36]术语“固体残渣”意思为煤的气化的固体副产品。上述固体残渣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。固体残渣的例子包括炭、煤渣和熔渣。

[37]“熔渣”意为非可滤取的(non-leachable)、非危害性的、玻璃状材料，其由存在于含碳材料中的无机的、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。

[38]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，使用来自热气体产物的焓将空气加热后的空气。

[39]现参考图1至10，本发明提供了带有集成控制子系统200的煤的气化系统，通常参考使用数字10，其示范性实施方式在图11至16中示意性说明。所述系统通常包括(不同组合的)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)、固体残渣处理子系统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用于管理煤转化为能量的整体能量流动和转换并维持气化过程的所有方面处于优化的设定点(图11至16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1的实施方式中的均化作用室25、如图1和2的实施方式中的气体压缩机21、和/或如图4的实施方式中的气体存储设备23等)。

[40]带有集成控制子系统200的煤的气化系统10的各种实施方式将煤转化为特定组分的气体。特别是，本发明提供的系统允许将煤有效转化为具有适用于下游应用的组分的气体产物。例如，如果气体产物将用于在燃气涡轮机中通过燃烧而发电(即图1至7中的参考数字24)或在燃料电池的用途中使用(即图4和6至10中的参考数字26)，于是被希望的是在各自能量发生器中得到可用作燃料的产物。或者，如果在进一步化学过程中气体产物用作原料(即图4中的选项28)，所述组分将是对特定的合成用途最有利的。

[41]参考图11至16，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15和16的示范性调节器206-1、206-2、206-3和206-4)的计算装置204(通过图16中的示范性逻辑框30、32和34示意性图解)。集成控制子系统200管理煤转换到能量的能量学并维持所述方法处在优化的设定点，这是通过由监控装置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。使用根据系统10的各个实施方式的控制子系统200允许生成具有特定流量和组分的气体产物。

[42]参考图12，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还可以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)用于在此处存储各种预定的和/或微调的系统参数、设置或优选系统操作范围，系统监控和控制软件，可操作数据等。可选的，计算装置204还可以具有或直接或是通过不同数据存储制备通向等离子体气化法模拟数据和/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还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，新系统模块和/或设备的适应等)的一个或更多图解用户界面和输入外部设备218，及用于将数据与信息同外源(例如，调制解调器、网络连接、打印机等)连接的各种输出外部设备220。

[43]参考图11至14，本发明的控制子系统200确保来自反应器容器14的气流和气体组分，可选地遍及系统10，保持在预先定义的公差范围内以致在最适条件生成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)，不论煤的不同级的组分或同类煤源中的任何天然差异性。例如本领域技术人员已广泛熟知的许多不同的煤级。甚至在单一的级别内，煤是可能呈现丰富差异性的复杂材料。本发明的控制方面识别并可以调整以补偿上述差异性。监控气体产物的诸如温度、流速和组分等参数，并改变反应物的弧以将气体产物参数保持在根据合成气体的终端使而被定义的预定公差之内。

[44]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，并对煤输入速度、氧输入速度、蒸汽输入速度和供应到等离子体热源的总电量的一个或更多做出校正。所述调节是根据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，选择气体产物的流速、温度和/或组分的范围来优化用于特定下游用途的气体。

[45]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，即使煤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界限内。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中的任一个监控和/或调节发生进程。

[46]煤的气化发生于本发明的气化反应容器14中，其各种示范性实施方式在图17至23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中的用于将煤输入到气化反应容器14中的装置，和如38的用于添加诸如蒸汽或氧化剂添加剂等的一种或更多处理添加剂的装置，所述添加剂如用于将气化过程保持在优化设定点所需要的。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。

[47]一个实施方式中，等离子体加热的应用，与诸如蒸汽和/或氧的处理添加剂的输入相结合，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煤气化和/或熔化副产物煤渣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。

[48]本发明的煤的气化系统10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，所述发明提供了用于将产自煤到能量的转化过程的固体副产物或残渣转化为低可滤取性的玻璃化的均质物质的固体残渣处理子系统16。气化过程的固体副产物的形式可以是炭、煤渣、熔渣或其一些组合。

[49]用作说明的，固体残渣处理子系统16包括固体残渣调节室42、等离子体加热装置44、熔渣输出装置46、和控制装置(其可操作地连接到系统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、混合并以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，所述发明提供了固体残渣调节室，其中的固体残渣到熔渣的转化使用集成控制子系统被优化以控制等离子体的加热速度和固体残渣的输入速度以促进完全熔化和均质化。

[50]本发明的煤的气化系统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24至26、29、30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，由此所述热的气体产物被用于加热空气或其它氧化剂，诸如氧或富含氧的空气。以热空气(或其它氧化剂)为形式的所述回收的热量之后可以选择性的用于对气化过程提供热量(见图24和25)，因此而减少必须由一个或更多等离子体热源提供的以驱动气化进程的热量。所述回收的热量还可以被用于工业或住宅的采暖应用。

[51]可选的，热量回收子系统18还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，所述蒸汽可以例如用作气化反应中的处理添加剂(见图24和26)，或驱动蒸汽涡轮机发电。

[52]此外，如见于图29和30中的，热量回收子系统18还可包括从各种其它系统部件和方法可操作地吸出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，该反馈控制系统可操作地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13和14)。

[53]本发明的煤的气化系统10的各个实施方式还提供了气体质量调节子系统(GQCS)20，或其它上述气体质量调节装置(其示范性实施方式在图1中更加详细的说明)以将煤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，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。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(例如通过袋滤室等)、酸性气体(例如，H₂S去除装置56和可选的用于可能的少量HCl的HCl去除装置，例如HCl洗涤器57)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。处理步骤的存在和顺序取决于煤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，该子系统可操作地连接到系统10的总集成控制子系统200以优化GQCS处理(例如，见图13和14)。

[54]本发明的煤的气化系统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，所述调节例如通过使气体产物的化学组分均匀化并调节其它特征，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使限定特征的气流能够连续并稳定地传递至下游应用，诸如燃气涡轮机24或发动机、燃料电池应用26等。

[55]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1)或类似装置(图1、2的压缩机21，图4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输出组分均匀的均质化气体的气体驻留时间。本气体产物调节系统的其它部件被设计为满足下游应用的气体性能的需要。所述气体调节系统22还可以包括集成反馈控制系统，该控制系统可操作地连接到系统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和产量(例如，见图13和14)。

[56]现参考图5至10，本领域技术人员将能够理解的是本系统10和集成控制子系统200，在不同的实施方式中，可以被用于具有众多独立和/或组合下游应用的许多能量产生和转化系统。例如，图5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机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(s)50，由对所述合成气体和与燃气涡轮机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)。

[57]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)系统与固体氧燃料电池系统26S组合，其后者使用合成气体的富含氢的副产物来制造能量(例如电)。

[58]图7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，其后者(如图6中)使用合成气体的富含氢的副产物来产生能量(例如电)。

[59]图8的示范性实施方式中，所述系统10将如图6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物恢复的热量而产生的蒸汽来激励。

[60]图9的示范性实施方式中，水-气体转化器58被添加到图8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。

[61]图10的示范性实施方式中，图9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。

[62]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不意为限定性的，由于本领域技术人员将理解的是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

[63]如以上简要说明的，本系统包括集成控制子系统200。所述控制子系统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，图16的逻辑框30、32、34)，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(即，图15和16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以根据关于系统10内的被测参数所得数据做出反应所需的对各种操作参数和条件做出实时调节。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煤转化到能量的能量学并维持反应设置点，因此允许气化方法在最优化的反应条件下进行以产生特定组分的气体。

[64]煤转化为气体的整体能量学使用本气化系统可以被测定并实现。影响净总体能量学(net overall energetics)测定的一些因素是：BTU值和煤的组分，气体产物的特定组分、气体产物允许的差异度，和输入成本对输出值的比。对反应物进行调节(例如，用于等离子体热源15和/或44的功率，诸如氧和蒸汽等处理添加剂38，煤中的吸着剂百分比)可以用根据设计规定评估和优化净总能量流动和转换的方式来执行。

[65]因此，本发明的控制子系统200提供了所述方法的所有方面的实时控制以确保在管理能量学并将发应设置点维持在某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。

[66]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量控制在预定义公差内。温度被控制在大气压力下以确保注入反应容器14的煤在尽可能稳定的环境下交会。本发明的控制子系统200提供了控制被输送到反应容器14中的煤、蒸汽和氧的量的装置。

[67]可被调节以维持反应设定点的操作参数包括煤的填料速率、处理添加剂填料速率、电感鼓风机以维持特定压力的动力，及等离子体热源(例如...等离子炬15、44)的设置和动力。这些控制方面将涉及每个参数进一步讨论。

[68]具体参考图13和14，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、各种系统参数来监控，及通过调节装置206、各种对参数的修饰而实施管理能量学并将所述方法的每个方面维持在某些公差内。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方法：等离子体气化容器14、固体残渣处理子系统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端38、初级和/或次级原料输入端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。

[69]此外，由于具有通向这些参数的入口，及通过计算装置204的各种本地和/或远程存储设备214通向许多预定和/或微调的系统参数、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方法模拟数据和/或系统参数最优化的入口和模型化装置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

[70]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操作。发明的一个实施方式中，装置202设置为实时监控所述参数，因此其提供了系统10是否在设定点的允许/耐受的差异内操作的瞬时指示器。可以被监控的参数包括但不限于，化学组分、气体产物流速和温度、系统10内的不同点的温度、系统压力、和各种涉及等离子体热源15、44的不同参数(即，动力和/或位置)。

[71]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)，是否煤的输入速度需要被调节(例如，通过调节装置206-1)，或是否系统中的任何部件中的温度或压力需要调节。

[72]系统监控装置可以根据需要而定位于GQCS 20的热量回收子系统18、固体残渣处理装置16、和气体产物处理子系统22(如果上述子系统存在)的任何部件中。

气体产物的组分

[73]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能量发生器的燃料。此情况下，通过用所制造的气体而生成能量的效率来测量最优的能量学。

[74]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。

[75]通过调节例如被施用的等离子体加热15、氧化剂和/或蒸汽处理添加剂38之间的平衡，合成气体产物的组分可以被优化用于特定用途(例如，用于发电的燃气涡轮机24和/或燃料电池应用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了转化的化学作用，理想的是提供用于监控合成气体组分的如监控装置202中的装置。例如通过调节装置206改变反应物的上述输入，以将合成气体参数维持在预定公差内，所述公差由合成气体的终端使用定义。

[76]使用诸如气体监测器和气体流量计等不同监控装置202可以实现气体产物的监控。气体监测器可被用于测定合成气体的氢、一氧化碳和二氧化碳含量，其数值在各个控制步骤中是可使用的，如图16的示范性逻辑框30和32所图解描述的。通常在所述气体冷却后，且所述气体经历调节步骤去除颗粒物质后测量气体产物的组分。

[77]使用本领域技术人员已知的方法可对所述气体产物进行取样和分析。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定位。一个实施方式中，使用测量气体红外光谱的傅立叶变换红外(FTIR)分析仪测量气体的组分。

[78]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。另一个实施方式中，取样口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出量以将气体产物的参数维持在由气体产物的终端使用而定义的预定公差之内。

[79]本发明的一个方面在于通过测定输出蒸汽的组分并据此调节所述方法而确定气化过程期间正在被添加的氧是否过多或过少。一个优选实施方式中，分析器、传感器或其它上述监控装置202在一氧化碳流中检测二氧化碳或其它标准富含氧的材料的存在和浓度。

[80]明显的是，其它技术可被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。另一个替换方案中，传感器可被设置为测定氧的量和等离子发生器下游的碳量，计算一氧化碳和二氧化碳的比例，之后据此做出工艺调整。一个实施方式中，测量CO和H₂的值并将其与目标值或范围比较。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比较。

[81]本领域技术人员将理解的在于这些和其它上述气体产物组分的测量，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。

系统中各处的温度

[82]发明的一个实施方式中，提供了如监控装置202中的装置来监控遍及系统10定位的各处的温度，其中在连续或间歇的基础上获得上述数据。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。

[83]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的位置，及遍布气体产物调节系统的各个位置(例如，GQCS 20内)。可将多个热电偶用于监控反应容器14周围的临界点温度。

[84]采用用来容纳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，还可结合用于监控热量回收系统中的各点(例如，在冷却液的入口和出口处)的温度的监控装置202。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)或二者皆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。

[85]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各自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℃，在气流到热交换器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适的气体产物温度。此外，气体产物出口温度的测量有助于确保在所有热回收阶段的已从气体产物回收的焓的最适量。

[86]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方法在某条件下进行，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。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15和16的调节装置206-4)以便维持最适气体产物输入温度，所述温度依次可以被用于控制冷却剂空气的温度。

[87]根据发明的一个实施方式，控制方案为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得更冷，因为所述GRSG气体出口温度也被设置为固定值而导致蒸汽产量降低。

[88]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，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。

[89]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中的各位置的热电偶来提供。此后，通过如图16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在于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。

系统压力

[90]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内及遍布整个系统10的压力，其中在连续或间歇的基础上获得上述数据。另一个实施方式中，这些压力监控装置202包括压力传感器，诸如位于垂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15和16的调节装置206-1和206-4)参数，诸如等离子体热源或煤的添加速率。

[91]被气化的煤量的差异性可以导致快速气化，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中的煤的数量增加，所述容器14内的压力急剧增加是非常可能的。上述情况中，有利的是监控装置202连续监控压力，因此提供了通过调节装置206而对参数(例如，电感鼓风机的速度)进行实时监控以减少系统压力所需的数据。

[92]另一个实施方式中，例如，通过许多压力监控装置202提供遍布整个系统10的差压的连续读数。以这种方式可监控横跨各个单独部件的压力差以快速地精确定位处理过程中发生的问题。本领域技术人员将理解的在于以上和其它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贯穿系统10的不同实施方式进行，所述正在进行的进程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

[93]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定位的位置上的气体产物流速，其中在连续或间歇基础上获得数据。

[94]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在于这些和其它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贯穿系统10的不同实施方式进行，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，通过集成控制子系统，诸如图11至16中描述的示范性控制子系统200。

计算装置

[95]控制子系统200包括控制反应条件并管理煤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、最适的或非气化反应条件。理想操作条件的测定依赖于所述过程的整体动力学，所述动力学包括诸如煤的组分和气体产物的特定组分等因素。煤的组分可以是均匀的或可以在某程度内波动。当煤的组分变化时，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。

[96]集成控制子系统200可以包括许多部件，其每一个可被设计为执行专门任务，例如添加剂的一种的流速的控制、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208，如计算装置204的处理装置208。

[97]在一个实施方式中，处理系统204可以包括许多子处理系统。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。值得注意的在于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。

[98]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。以完全模型为顶部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。它们的有效性可以被限制为预测短时期内的影响或小的参数变化。

[99]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。一个实施方式中，NCR HYSYS模拟平台被使用并被认为是输入任何组合输入化学组分、热化学特征、含水量、填料速度、处理添加剂等。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，位置和煤类型的具体细节、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、可完成的处理量、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。

[100]每种反应模型可以在硬件或软件和硬件的任何组合中独占实施。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、公式或一组公式的任何组合来描述。如果反应模型在硬件中独占实施，其可以成为所述处理系统的整体部分。

[101]所述处理系统和任一种子处理系统可以独占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在于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，及控制器组合的动力学和延迟时间。

[102]组合控制器的设计中的重要方面可以是短的过渡期间及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。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通过调节装置204做出充分调节来减少实测值和额定值之间的差异。

[103]还对本领域技术人员显而易见的在于所述组合可以在混合的数字硬件软件环境中实施。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已知的，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

[104]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校正或反馈控制与额定值比较。控制信号根据两数值之间的偏差来确定，并设置为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，如计算装置204中的反馈控制装置可以测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。

[105]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线路中对比的额定值，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。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)。

[106]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线路中使用的许多气化系统10的控制变量和控制参数。反馈线路可以在控制子系统206的各方面中有效实施，其用于可以直接被感知并控制并且它们的控制(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

[107]前馈控制处理输入参数来影响(无检测)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，所述控制参数诸如被提供至一个或多个等离子体热源(15、44)之一的能量的量。等离子体热源(15、44)的炬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所述弧的脉冲调节电流进行调节，改变电极之间的距离，限制炬的电流、或影响炬的组分、方向或位置。

[108]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，所述添加剂可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，或可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

[109]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线路。这些类型的控制可能在如下意义上基本偏离经典的P、I、D组合控制：模仿并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方面和实施的考虑事项对于本领域技术人员是已知的。

[110]将被理解的在于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是显而易见的：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

[111]现参考图1至4，和图17至23，本发明的煤的气化系统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中的用于将煤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或氧/氧化剂等一种或更多处理添加剂的装置，所述添加剂如维持气化反应过程在最佳设定点所需的。

[112]本发明的一个实施方式中，一个或更多等离子体加热源15有助于煤到气体的转化过程。特别的，与蒸汽和/或氧处理添加剂38的输入相结合，等离子体热源15的使用有助于控制气体组分。等离子体加热还可用于确保由气化过程产生的废气(offgas)完全转化为它们的组成元素，使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。

[113]煤的气化(即，煤到合成气体的完全转化)发生于气化反应容器14中，并可以于高的或低的温度下，或于高的或低的压力下进行。许多反应发生在将煤转化为合成气体产物的过程中。由于煤在反应容器中气化，气化所需的物理的、化学的和热的处理可以根据发应器的设计而连续或同时地发生。

[114]气化反应容器14中将煤加热，借此来干燥煤以去除任何残留水分。由于干煤的温度升高而发生热解。热解过程中，挥发性组分被挥发，且当煤转化为炭的同时，煤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。

[115]可进一步加热所得的炭以确保到其气态组分的完全转化，保留稍后转化至熔渣的煤渣副产物。在一个实施方式中，煤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。

[116]干燥、挥发和炭到煤渣的转化步骤的组合产物提供了中间体废气产物。此中间体废气气体可进一步被施以加热——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以完成煤到合成气体的转化。最终步骤也称为重整步骤。

[117]可以设置一个或更多等离子体热源以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。

[118]由加热来驱动气化反应，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作为反应物的空气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，避免输送材料在气化反应器中的燃烧，以及避免用氮和过量的CO₂稀释气体产物。

[119]所述气化反应容器14可以基于现有技术中已知的许多标准反应器之一。现有技术中已知的反应容器的例子包括，但不限于，携流反应容器(图17至19)、移动床(moving bed)反应器(图22和23、流化床(fluidized bed)反应器(图20和21)，和回转炉反应器(未示出)，其每一中都适于通过如36中的煤输入装置接受煤。通过一个或更多入口添加煤，所述入口设置为最佳条件暴露于加热，用于完全并有效的将煤转化为气体产物。

[120]一个实施方式中，气化反应容器14被设计为在或接近于大气压下操作。另一个实施方式中，反应容器在加压条件下操作——气化反应在2到10atm之间的压力下进行。另一个实施方式中，反应容器在高压下操作——气化反应在高达30atm的压力下进行。

[121]气化反应容器可以具有大范围的长度对直径的比例并可以垂直地或水平地定向。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渣(例如，炭、煤渣、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，气化反应容器将使用物理转移装置从容器底部去除固体残渣。例如，热螺丝(例如图20的部件60)可以用于将煤渣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，如在图20的熔渣室42中。

[122]根据本发明，将煤转化为合成气体产物的所有步骤在单个的分室反应容器中发生。

[123]一些气化反应容器14的设计是这样的：将煤转化为合成气体的过程可以发生一步的反应过程，即此处的将煤转化为合成气体的所有步骤通常发生在容器内的单个区域中。在一个这样的实施方式中，人们设想的在于一步反应过程发生在反应容器14中的单个区域内，此处所有的气化步骤发生在相同区域中。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。

[124]其它气化反应容器14的设计是这样的：煤到合成气体的转化步骤发生于所述室中的多于一个的区域中，即其中气化和重整步骤在某程度上彼此分离并发生在容器内的不同区域中。

[125]在发明的一个实施方式中，转化过程分两阶段发生，首先是煤到废气阶段，随后是废气到合成气体(重整)阶段。在这样的两阶段过程中，人们设想的是需要在单个分室反应容器内的至少两个不连续区域(用于气化步骤的第一区域和用于重整步骤的第二区域)。

[126]多区域气化反应容器中，第一或初级区域用于加热煤以将煤干燥(如果存在残留水分)，吸出煤的挥发性组分，并可选地将所得炭转化为气态产物和煤渣，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。此处两个或更多不同区域用于煤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。

[127]在一个实施方式中，驱动煤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分布来启动并驱动煤到气态产物的转化。

[128]参考图22到23，可以认为本文描述的反应容器14包括多区域容器，其中气化过程发生在第一区域66中，重整过程发生在容器14的第二区域68内。用作说明的，在第一区域中启动气化过程所需的热量由图23的实施方式中的等离子体热源70、及由图22的实施方式中的可替换热源(例如，加热空气等)来提供。在这两个实施方式中，在第二区域中使用等离子体热源72来根据特定的输出气体组分重整所产生气体的特性，用于随后的通过气体输出40的处理。

[129]现回到图17至23，本领域技术人员将理解的在于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的本申请的煤的气化系统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。

[130]此外，仍参考图17至23，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中。所述处理添加剂输入装置可以包括空气(或氧气)输入口、蒸汽输入口和/或吸着剂口。这些口被设置在反应容器14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。

[131]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。

[132]如本领域技术人员理解的，根据特定区域的温度和腐蚀要求，气化反应容器的不同区域可以被嵌入不同的耐火材料。例如，如果存在渣化，有利的是使用非潮湿的耐火材料。

[133]本领域技术人员将进一步理解的在于，即使以上说明提供了反应容器的类型、结构、对其使用的材料的很多例子，但其它反应容器的类型、结构和/或材料也可使用而不偏离本发明的通常范围和本质。

等离子体加热装置

[134]现参考图1到4和17到23，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煤加热以驱动气化过程的开始。

[135]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，根据所述系统是否使用一阶段或两阶段的气化过程，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一个实施方式中，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个实施方式中，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。

[136]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以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电弧。

[137]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的反应容器壁，因此避免形成“热斑”。

[138]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。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。

[139]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。

[140]在一个实施方式中，等离子体热源1 5设置于靠近一个或更多空气/氧气和/或蒸汽输入口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。

[141]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。

[142]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。不论不同煤源的组分，或同类煤源的任何天然差异，等离子体加热的控制还有助于有效产生气体产物。

[143]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。不论煤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。

[144]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，所述参数诸如将煤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煤。

[145]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15和16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。

[146]在发明的一个实施方式中，控制子系统200包括调节装置206，所述调节装置206控制炬的位置以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。

[147]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渣的完全处理处理，如稍后讨论的。

煤输入装置

[148]仍参考图1到4和17到23，本发明包括如输入装置36的用于将煤添加到气化反应容器14的装置。输入装置36定位为确保将煤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。

[149]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煤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。

[150]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调节煤的输入速度以管理反应的净总能量流动和转换。例如，可以调节煤添加到气化反应容器14的速率以促进煤有效转化为气体产物。添加煤的速率被选择以根据系统10的设计规范管理系统的总动力学，同时将反应设定点维持在某公差内。

[151]根据填料的分散、操作压力和煤颗粒尺寸的要求做出输入装置36的选择。输入装置206可以包括螺旋钻、气力运输系统、活塞系统、冲压系统、旋转阀系统或顶部重力填料系统。

[152]可以利用调节系统，在煤添加到反应容器前制备所述煤。例如，煤可以被雾化为提供必要快速反应的大小。通常，煤的颗粒尺寸应当是0.75英寸或更小。煤可以可选地通过预热器填料，此处添加到反应容器前将煤加热。这样的预热的成粉末状的煤可通过加热煤的线路输送到反应容器。

处理添加剂的输入装置

[153]仍参考图1到4和图17到23，处理添加剂可以可选地添加到反应容器14以促进煤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煤的转化优化，同时保持符合调控当局的排放量限制并使操作成本最小化。蒸汽输入确保了足量的游离氧和氢以使输入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/氧化物的输入有助于处理化学平衡以使碳最大化转化为气体燃料(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电弧输入热最小化。两种添加剂的数量被确定并非常严格地受控于将被处理的废气的输出量。非常小心地确立氧化剂注入的量以确保最大程度权衡相对高成本的等离子体电弧输入热，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，并同时满足并优于本地区域的排放标准。

[154]在那些以产生电能作为目的的实施方式中，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，例如通过控制被添加到转化过程中不同步骤的处理添加剂的量。

[155]因此，气化反应容器14可以包括多个处理添加剂输入口38，所述输入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可以包括空气输入口和蒸汽输入口。这些口设置在反应容器内用于优化遍布反应容器14的处理添加剂的分布。蒸汽输入口可以策略性地定位以将蒸汽引导至并围绕高温处理区域，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/氧化剂输入口可以被计划性地定位于并围绕反应容器以确保处理添加剂覆盖到处理区域中。

[156]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能量流动和转换。例如，处理添加剂可以添加到反应容器14以促进煤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。

[157]在包括一阶段过程的那些实施方式中，即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输入口设置于气化反应容器14中并围绕所述反应容器以确保加将工添加剂全部覆盖到处理区域中。在所述过程以两个阶段发生的那些实施方式中，即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)靠近某区域定位，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。

[158]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调节添加剂的输入——使用这些数据估计原料的组分。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15和16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输入做出调节。还可以在间歇的基础上获得气体产物的组分的数据。

[159]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，所述目标水平通过不同的监控装置202监控。例如，在气体传感器检测出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)。在发明的一个实施方式中，调节所述过程主要产生一氧化碳，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设备的下游区域。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。对所述系统中过多的二氧化碳做出反应，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15和16中举例说明的调节装置206-2和/或206-3)。

[160]气化反应容器14内的煤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。在发明的一个实施方式中，气化过程所需能量的比例由反应容器14内的初始气体产物或煤的氧化部分提供。

[161]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，煤中的碳与少于完成整个氧化作用所需的化学量的氧反应。因可用的氧量有限，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。

[162]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。依次，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206、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15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。

[163]因此，使用氧化剂输入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。这在使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。在发明的一个实施方式中，氧化剂是空气。

[164]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的电消耗抵消了电能产生的可能损失。在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(例如图15和16的调节装置206-3、206-3)。

[165]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在处理添加剂流中再循环。

[166]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。

[167]因此，某些实施方式中，有利的是使用含有较低比例的氮的氧化剂，诸如氧或富含氧的空气。

[168]在本发明的欲使电能的产生最大化的实施方式中，所述电能的产生是使用由所述气化过程产生的气体燃料，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。蒸汽输入作为处理添加剂的使用，确保足量的游离氧和氢，以使输入的煤的分解组分最大化地转化为气体燃料和/或无毒化合物。

[169]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，煤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。

[170]蒸汽输入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。

[171]在一个实施方式中，还提供用于将吸着剂加入气化反应容器14的装置。由于煤含有硫化物，将吸着剂(诸如颗粒状石灰石或白云石)与所述煤一起输送至反应容器14中，以吸附煤被气化时释放的硫。可以添加所述吸着剂，在其添加到反应容器14中以前与煤预混合，或其可以通过专用吸着剂口添加。可以使用集成控制子系统200，通过适当的监控装置202和调节装置206来监控和调节反应容器14所使用的吸着剂。

固体残渣处理子系统

[172]仍参考图1到4和17到23，本发明的煤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，本发明提供用于将产自煤转化为能量的过程的固体副产物或残渣转化为低可滤取性的玻璃状、均质物质。

[173]特别是，本发明提供固体残渣处理子系统16，其中通过控制等离子体加热速率和固体残渣输入速度以促进完全熔化和均质化作用来优化固体残渣到熔渣的转化。在一个实施方式中，固体残渣处理子系统包括固体残渣监控室42(或熔渣室)，它具有固体残渣入口、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监控整个固体残渣处理子系统16的温度和压力来调节固体残渣到熔渣的有效转化，及包括控制上述如等离子体热源44的能量和固体残渣输入速度的操作参数的装置。

[174]本发明的固体残渣处理子系统16适于处理来自将煤转化为不同形式能量的任何过程的固体残渣流。这种固体残渣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。所有情况中，将固体残渣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的可滤取性。

[175]因此，固体残渣处理子系统16确保固体残渣提高到使所述固体残渣熔化并均质化的足够温度。固体残渣子系统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。

[176]为了确保固体残渣的完全处理，固体残渣处理子系统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，固体残渣处理子系统16提供至多1小时的驻留时间。在另一个实施方式中，固体残渣处理子系统16提供至多2小时的驻留时间。

[177]根据本系统的要求和将被去除的副产物类型，可采用炭、煤渣、熔渣或其一些组合形式的固体残渣将通过适当采用(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，固体残渣通过漏斗和运输螺杆的系统被推进熔渣室42。

[178]固体残渣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，在图20的实施方式中，采用螺旋输送器60将煤渣传递至熔渣室42。

[179]可选地，固体残渣可以用不连续的方式添加。在发明的一个实施方式中，连接到固体残渣调节室的固体残渣输入装置可由运输压头系统组成。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。

[180]固体残渣输入装置还将包括控制装置，如此可以控制固体残渣的输入速度以确保固体残渣材料的最优熔化和均质化作用。

[181]在一个实施方式中，使用等离子体热源44将煤渣加热并熔化为熔渣。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。固体产物还可被粉碎成常规用途的集料。

[182]因此，固体残渣处理子系统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。可以用将对本领域技术人员显而易见的许多方式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渣材料的体积。

[183]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。

[184]如之前讨论的，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完整的熔渣吸出期间熔渣排出口始终保持打开。此实践还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可能在熔渣吸出过程中不经意地离开固体熔渣处理子系统16的可能性。

[185]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。

[186]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)显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。有利的是选择存在渣化的非潮湿防火材料。

[187]固体残渣调节室被设计为在熔化并均质化处理固体残渣时在等离子气体和固体残渣之间的高效传热。因此，在设计固体残渣调节室时，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、输入固体残渣的体积和组分等因素。

[188]如以上所述，固体残渣调节室的物理设计特征取决于许多因素。这些因素包括，例如，将被处理的固体残渣的组分和体积。可以由多于一个的源头同时收集进入所述室的固体残渣。因此，固体残渣调节室的内部构造和尺寸由待处理的输入固体残渣的操作特征来规定。

[189]在固体残渣调节室的设计中要被考虑的另一个因素是确保固体残渣被提高到使所述固体残渣熔化并均质化的足够高的温度所需的驻留时间。

[190]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渣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渣加热到使所述固体残渣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渣流出所述室。

[191]本发明的控制子系统200通过提供监控装置202监控温度和可选地遍布固体残渣处理系统16的位置的压力来调节固体残渣到熔渣的有效转化，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的能量和固体残渣输入速度。

[192]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。

[193]在一个实施方式中，固体残渣处理子系统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。

[194]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。

热量回收系统

[195]现参考图1到4、24到26、29、30，本发明的煤气化系统10还提供如18中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24和25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。

[196]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。

[197]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，二者皆是直的、单通(single-pass)设计，及多通(multiplepass)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。

[198]由于环境空气的输入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。

[199]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。

[200]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(once through)”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。

[201]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(图1、3、4)或废热锅炉(图24)等热交换装置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。

[202]具体参考图24到26，如48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煤最大程度地转化为合成气体产物。

[203]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其目的，或其可以被用于提高从焦油砂中吸出油。

[204]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HRSG50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。

[205]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。

[206]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。

[207]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。

[208]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。

[209]参考图2和27，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HRSG 50(线路94)的锅炉供给水、合成气体GRSG 50(线路96)等。

[210]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，因此而控制煤转化到能量的动力学。煤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煤的干燥和挥发步骤所需的来自外源的热量的输入量。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，本发明使煤有效气化，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。

[211]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、煤的输入速度、诸如蒸汽等处理添加剂的输入速度，和供给等离子体热源15、44的能量等。

[212]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。

[213]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。

[214]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输入温度，其依次可被用于控制加热的交换空气的温度。

[215]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。

[216]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。

[217]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。

[218]所述系统还可包括用于监控合成气体组分、煤的输入速度和处理添加剂的输入速度(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。

[219]参考图29和30，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

[220]现参考图1至4，本发明的煤的气化系统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，其将煤的气化过程的产物转化为输出气体的特定特征。

[221]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。

[222]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煤的热解/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。

[223]将所述气体产物直接引导至GQCS20，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，GQCS20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(例如，H₂S去除装置56和可选的用于可能的少量HCl的HCl去除装置，例如HCl洗涤器57)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。

[224]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。

[225]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(tank)23(图4)中，通过诸如均质化室25(图1)等深处理装置填料，或直接填料至其被设计的下游应用(即，图2和3)。

[226]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24到26)。

[227]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(未示出)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)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％。

[228]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。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、文丘里洗涤器、电子过滤器、烛形滤器、交叉流滤器、粒料过滤器、水洗涤器、织物袋滤室过滤器(图1)等，这些对于气体调节的专业人员来说是广泛熟知的。

[229]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1)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。Wet ESP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。

[230]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。

[231]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之前，将离开反应容器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。

[232]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，所述颗粒可以被引导至熔渣储存器(见图1)以使清洁出的固体(scrubber solid)被玻璃化为非可滤取的熔渣。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。

[233]还可以设置如58中的装置，所述装置用于从气体产物中去除汞或其它重金属。例如，干注入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，Wet ESP系统可用于收集被吸收在活性碳上的重金属。在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。

[234]酸洗涤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洗涤系统。

[235]在一个实施方式中，由活性碳的汞打磨机提供汞去除装置。活性碳滤床可被用作用于重金属的最终打磨设备。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，活性碳滤池被用于实现99.8-99.9％以上的汞去除，并用作带有7-8英寸的WC压力差的最终打磨设备。

[236]酸去回收系统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(从高硫煤中)和盐酸(从氯化烃中)。酸去除系统56可以包括洗涤器系统、酸去除系统和涉及硫和/或酸去除系统的其它常规设备。

以下段落将以待提供的新数据取代

[237]在煤的气化系统中产生的气体产物将包括诸如HCl和H₂S等酸性气体。气体产物中的这些酸性气体的浓度：HCl的范围是从约0.05到约0.5％，和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％，和H₂S的期望浓度是约666ppm(0.07％)。对于HCl的排放量限制是约5ppm，而对于SO₂，所述限制是约21ppm。

[238]去除酸性气体可通过干燥洗涤和湿法洗涤实现。干燥洗涤的主要部分是在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器。正常的干燥洗涤难于实现超过99％的酸去除效率。

[239]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，水或湿法洗涤器，活性矾土吸收等)。气体可以被处理以去除气/液洗涤器-接触器中的诸如氯的成分。最有利的湿法洗涤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洗涤的常规碱溶液。在一个实施方式中，填充柱被用于洗涤酸性气体。

[240]硫的化合物是首先组合的，或作为元素硫、作为硫-氧化合物或是硫-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。

[241]如果预期的硫量十分低，如在低硫级的煤中所预期的，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。

[242]对于含有高硫量的煤，第二阶段液体洗涤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，胺洗涤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。这样的胺洗涤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，克劳斯设备(图1)、Resox还原过程、冷等离子体硫化氢分离过程等。

[243]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1)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)洗涤酸气，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)。

[244]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。

[245]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。

[246]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，在气体存储设备23中)。

[247]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。

[248]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。

[249]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，并在煤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。

[250]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可提供微调GQCS 20步骤的装置并提供最小偏移的最适条件。

[251]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、酸性气体洗涤器的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。

调节气体产物的子系统

[252]本发明的煤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。

[253]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。

[254]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。

[255]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1)或类似设备(例如，图1和2的气体压缩机21、图4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以优化过程的动力学和输出。

[256]进入本发明调节系统22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)，及根据所用的煤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。

[257]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，诸如煤组分和填料速度，及空气流和温度波动，气体产物的特性可以随着时间波动。

[258]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。

[259]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、调节气体出口装置和可选地紧急出口。

[260]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。

[261]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。

[262]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。

[263]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。

[264]可选的气体调节子系统22被设计为在均质化室25中提供充足的驻留时间。在一个实施方式中，气体调节子系统22提供至少1秒的驻留时间。在另一个实施方式中，气体调节子系统22提供不多于2秒的驻留时间。在又另一个实施方式中，气体调节子系统22提供2到10秒的驻留时间。在又另一个实施方式中，气体调节子系统22提供长达30秒的驻留时间。

[265]排出本发明的可选调节系统22的调节的气体将具有稳定化特征，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/所述处理的用途

[266]所述系统根据本发明使用煤的气化方法而使煤气化，所述方法通常包括将煤传递至气化反应容器14中的步骤，所述煤于此处被加热、干燥，且干燥原料中的挥发性组分被挥发。在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，留下煤渣副产物。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38在气化阶段和/或废气转化阶段可以被选择性地添加。

[267]在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对副产物煤渣施以加热以形成熔渣产物。

[268]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。

[269]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。

[270]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。

[271]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，调节煤输入速度、气体产物流速、空气/氧化剂和/或蒸汽处理添加剂输入速度、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。

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

[273]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加热到适于使煤气化的温度的用途。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。

[274]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

[275]通常，使用本发明系统是通过将煤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，该容器中原料被施以充分的加热以使气化反应发生。

[276]煤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，留下煤渣副产物，该副产物之后可被进一步加热并转化成熔渣。

[277]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中的加工处理温度。

[278]在一个实施方式中，加工处理温度在约1000℃到约1300℃之间，即使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1100℃+/-100℃。

重整

[279]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技术人员确定。

[280]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。

[281]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，确定煤、氧、蒸汽和供应到等离子体热源15的能量的量。

[282]具体参考图15和16，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中的煤的填料速度数值(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14中的碳量并据此调节煤的填料速度。

[283]来自提供一氧化碳和二氧化碳的百分比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的氢气的百分比数值，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实现特定气体组分。

[284]来自第二处理器32的输出值通过线路112，与通过线路114的出口气体温度的输入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)。

副产物煤渣的熔化

[285]在发明的一个实施方式中，炭燃烧步骤的固体煤渣副产物还可选地通过用第二等离子体热源44的熔化来处理。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。如将由本领域技术人员认识到的，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吸出。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。此温度分布的操作可有助于避免浪费热量及之后冷却气化反应容器14的底部中的熔渣的水。

[286]即使发明已参考某些具体实施方式而被描述，其不同修改对于本领域技术人员是显而意见的并没有偏离如所附权利要求所概要出的发明的主旨和范围。

[287]以下实施例已被设置为比较两种低级煤——褐煤和次烟煤(见表1)产生的合成气体，所述气体具有适于集成气化组合循环(IGCC)发电的热值。

[288]以下两个实施例被设置为证明提供适于在IGCC中使用的合成气体所需的操作参数，其中所述组合循环包括一个燃气涡轮机(42MW)和一个蒸汽涡轮机。在本实施例中，选择GE MS6001B组合循环作为用于这两种情况的目标模型：净的设备功率输出是约64MW。根据本实施例，组合循环的总效率可以到达45％以上，远高于传统的燃煤发电设备(30-33％)。

[289]气化反应容器可以基于或携流(entrained flow)或是流动床类型的反应器，空气分离设备(ASU)将提供95％的氧作为主要氧化剂。固体残渣将通过等离子炬在高温下被转化为熔渣。从转换器出来的原料气体在进一步的诸如细颗粒和硫去除等气体净化步骤之前被冷却并洗涤。清洁和被调节的合成气体将被输送到燃气涡轮机中并燃烧产生电。高温燃烧的烟道气体被引入热量回收蒸汽发生器(HRSG)，它为蒸汽涡轮机提供蒸汽，提高产生电的能力。

[290]表1褐煤和次烟煤的组分

煤的类型	C	H	O	N	S	湿度	HHV Btu/lb
								褐煤	40.6％	6.9％	45.1％	0.6％	0.9％	36％	7000
次烟煤	50.5％	6.2％	35.5％	0.7％	0.3％	25％	8560

注：C、H、O......部分是根据重量

褐煤作为原料

[291]气化反应容器在从1000℃到1100℃的范围内的温度下，从2atm到10atm的范围内的压力下操作。煤的输入速度被控制在1309T/天并预先干燥至湿度低于10％。采用的氧化剂是95％纯度的氧，设置约205 SCFM(463T/天)的氧化剂输入速度。净化和冷却后的合成气体由35.6％的H₂和31.4％的CO组成，具有9.1MJ/m³的热值。干燥洁净的合成气体的体积流速是约47,323m³/hr。把有多少能量从固体燃料转移至合成气体计入，冷却气体的效率是约85％。

次烟煤作为原料

[292]气化反应容器在1100℃的平均温度下，2atm到10atm的范围内的压力下操作。煤的输入速度被控制在617T/天并被预先干燥至低于10％的湿度。所采用的氧化剂是95％纯度的氧，设置约85 SCFM(127T/天)的输入速度。净化和冷却后的合成气体由45.0％的H₂和30.5％的CO组成，具有10.2MJ/m³的热值。干燥合成气体的体积流速是约51,400m³/hr。气化系统的冷却气体的效率是约86％。

[293]如被指出的，使次烟煤和褐煤气化以产生类似热值的气体的比较证明了褐煤的气化将消耗更多的作为氧化剂的氧并产生更少的合成气体用于燃气涡轮机；这意味着与次烟煤比较，更多的褐煤将被需要以产生相同量的电。褐煤作为原料的冷却气体效率也低于次烟煤所预期的效率。但是，本实施例指出本气化系统可被用于将低级煤转化为具有适用于IGCC能量产生的热值的合成气体。

[294]整体引用于本说明书中的所有专利、包括公开的专利申请和基本数据的公开出版物的公开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、公开出版物和基本数据特别的并单独地指出通过参考引入本文。

Claims (14)

1. 一种用于将煤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、用于以可调节的煤填料速度将煤添加到所述气化反应容器的一个或更多煤输入装置，以及一个或更多用于所述输出气体的出口；

固体残渣处理子系统；

气体质量调节子系统；

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，用于收集并分析由所述系统监控装置产生的所述数据，及

输出装置，其发送适当信号以影响定位于所述系统内各处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，并因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，和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，和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或2的所述系统，其中所述气体质量调节子系统包括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、和用于在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1至4中任一项所述的系统，进一步包括气体产物调节子系统。

6. 根据权利要求5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。

7. 根据权利要求1至6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包括前述两者。

8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述氧化剂是空气、氧或富含氧的空气。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述固体残渣处理子系统包括固体残渣调节室、等离子体加热装置和熔渣输出装置。

10. 一种用于将煤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：

以煤输入速度将煤传递到气化区域中；

以处理添加剂输入速度将处理添加剂传递到所述气化区域中；

使所述煤经受加热以提供废气和副产物煤渣；

将所述废气传递至重整区域；

用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。

11. 根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：

将所述副产物煤渣传递至熔化区域；

通过熔渣调节的等离子体热源使所述副产物煤渣接受加热以将所述副产物煤渣转化为熔渣并将所述熔渣维持在熔化条件；

将所述熔化熔渣从所述熔化区域排出，及

允许所述熔化熔渣冷却以提供所述玻璃质熔渣。

12. 根据权利要求10或11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列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和监控所述气体产物的温度的步骤。

13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述校正反馈步骤进一步包括下述步骤：调节所述煤输入速度、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。

14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述校正反馈步骤进一步包括下述步骤：调节所述煤输入速度、所述氧输入速度和所述蒸汽输入速度中的一个或更多以解决所述合成气体组分中测得的变化。

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