CN101501166A - 包括竖直相继布置的处理区域的气化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于将含碳原料转化为气体的竖向的气化器，其包括竖直相继布置的处理区域。该气化器包括：一个或更多个处理室，其具有分布在所述一个或更多个处理室内的两个或更多个竖直相继布置的处理区域，其中的每一个处理区域至少部分有利于选自由干燥、挥发和碳转化组成的组的相应工艺。通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别所述处理区域。一个或更多个助剂输入元件与处理区域相关联，用于输入助剂以促进其中每个所述至少部分有利化的工艺。此外，气化器包括一个或更多个物料移置控制模块，其适于控制原料通过所述处理区域的竖向移动，以改善每个所述至少部分有利化的工艺；一个或更多个原料输入口，其位于所述处理区域中的第一处理区域附近；以及一个或更多个气体输出口和一个或更多个残余物输出口。

Description

包括竖直相继布置的处理区域的气化器

技术领域

[0001]本发明涉及气化领域，具体地，本发明涉及用于将含碳原料转化为气体的竖向的气化器。

背景技术

[0002]气化是能够将诸如城市固体废物(MSW)、生物体或煤的含碳原料转化为可燃产物气体的工艺。产物气体可用于发电或者作为基础原材料来生产化学制品和液体燃料。

[0003]通常，气化反应包括将含碳原料连同受控量和/或受限量的氧气/空气和任选的蒸汽进给到加热的气化器中。与用过量氧反应以产生CO₂、H₂O、SO_x和NO_x的焚化或燃烧相比，气化反应产生包括CO、H₂、H₂S和NH₃的未净化气体组合物。在净化和适当的处理后，主要目标气化产物是H₂和CO。

[0004]来自气化反应的产物气体的可能应用包括：在锅炉中燃烧以生成蒸汽，用于内部加工和/或其它外用应用目的，或者用于通过蒸汽轮机发电；在燃气轮机或燃气发动机中直接燃烧用于发电；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生产诸如塑料和肥料的化学制品；提取氢气和一氧化碳作为独立的工业燃料气体；以及其它工业应用。

[0005]已经提议了许多系统用于捕获气化反应所产生的热，并且利用这样的热来发电，通常称为组合循环系统。产物气体中的能量，与整个气化系统中工艺所产生的大量可回收显热(焓)相关联，通常可产生足够的电以驱动工艺处理，由此减轻当地电消耗的开支。

[0006]有用的原料可包括城市废物、工业活动所产生的废物和生物医学废物、污水污泥、煤、重油、石油焦炭、重质精炼残余物(heavyrefinery residual)、炼油厂废物、烃污染的土壤、生物体和农业废物、轮胎，以及其它有害废物。取决于原料的来源，挥发物可包括H₂O、H₂、N₂、O₂、CO₂、CO、CH₄、H₂S、NH₃、C₂H₆、诸如乙炔的不饱和烃、烯烃、芳香族化合物、焦油、烃类液体(烃油)和烧焦物(碳黑和灰分)。

[0007]实现气化反应的手段能够在许多方面变化，但是依赖于四个关键工程因素：气化器中的气氛(氧或空气或蒸汽含量水平)，气化器的配置和尺寸，内部和外部加热装置，以及用于所述工艺的操作温度。影响产物气体质量的因素包括：原料组成、制备和颗粒大小；气化器加热速率；停留时间；物料进给方法(干式或浆料式进给系统)，原料—反应物流动布置，干灰或炉渣去除系统的设计；是使用直接的还是间接的热产生以及移动方法；以及合成气净化系统。通常，在大约650℃至1200℃范围的温度、在真空下、在大气压下或高达大约100个大气压的压力下实施气化。

[0008]随着加热原料，水是首先离析出的组分。随着干原料的温度上升，发生挥发。在挥发期间，原料被热分解以释放焦油和轻质挥发性烃类气体，同时形成烧焦物，烧焦物是由有机物质和无机物质组成的残余固体。在高温(例如高于1200℃)，无机矿物质熔化或者玻璃化，以形成熔融的玻璃状物质，称为炉渣。通常，炉渣是无害的，并且可作为无害物质通过废渣填埋来处置，或者作为矿石、路基或其它建筑材料来销售。

[0009]如果在气化反应中产生的气体包括很多种挥发物，例如“低品质”含碳原料在低温气化器中产生的气体类型，通常称作废气。如果气化器中的原料特性和条件产生的气体中CO和H₂是主要化学物种类，那么这种气体称作合成气。任选地，在通过气体调整系统(GCS)冷却和净化之前，在气体重整系统(GRS)中，未净化的废气或者未净化的合成气被转化为更精制的气体组成。

[0010]GRS可使用等离子体热，通过添加或不添加其它输入或反应物，将较长链挥发物和焦油转化、重组或者重整为较小分子，以重整废气/合成气。当气态分子与等离子体热相接触时，气态分子离解为其构成原子。这些原子中的许多原子与其它输入分子反应以形成新的分子，同时这些原子中的其它原子可与类似的原子重新结合(例如，一个氢原子与其它氢原子结合)。当与等离子体热相接触的分子的温度降低时，所有原子完全重新结合。因为输入气体可以化学计量地控制，所以可以控制输出气体，从而，例如，产生大量的一氧化碳和少量的二氧化碳。可选择地，等离子体加热可用于气化反应本身。

[0011]等离子体是至少部分地电离的高温发光气体，并且由气体原子、气体离子和电子组成。按这种方法可用任何气体生产等离子体。由于气体可以是中性的(例如氩气、氦气、氖气)，还原性的(例如氢气、甲烷、氨气、一氧化碳)，或氧化性的(例如氧气、二氧化碳)，这将等离子体中的化学反应置于很好的控制之中。从体相上说，等离子体是电中性的。

[0012]来自GRS的重整气体可含有少量的不需要的化合物，需要进一步处理，以将其转化为可用的产物。可将不期望的物质如金属、硫化物和灰分从气体中去除。这通常在气体调整系统(GCS)中进行。例如，干式过滤系统和湿式净化器经常用在GCS中，以从气体中去除颗粒物质和酸性气体。

[0013]在多种不同系统的设计中已经考虑了这些因素，这些系统描述在例如下述文献中：美国专利第6,686,556、6,630,113、6,380,507；6,215,678、5,666,891、5,798,497、5,756,957号，以及美国专利申请第2004/0251241、2002/0144981号中。还有许多涉及不同的煤气化技术用以生产用于各种应用中的合成气的专利，包括美国专利第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号。

[0014]本领域已知许多种转化器，然而，实际有效的系统尚未达到有意义的商业应用。这些转化器中的大多数在挥发阶段被热转移问题所影响，热转移问题会带来原料组成和湿分含量的较大变化。为了获得相对稳定状态的操作，必须使挥发温度接近无机物料在气化器内发生渣化的温度。然而，实际应用中，由于原料的含量和湿度的变化，气化器中的温度经常升到高于渣化温度。这导致在气化器暴露于废物的所有表面上形成顽固粘附的炉渣覆盖层，该覆盖层包括废物熔体的无机组分。

[0015]已知的竖向的气化器已利用固定床处理室和移动床处理室，由于后者无需玻璃化即可处理残余物，所以后者较好，并且气化器包括重力作用的竖直处理室、机械辅助流处理室、夹带流处理室(气流床处理室entrained flow processing chamber)、流化床处理室及其任意组合。所有已知设计中输入空气的流动方向逆流于反应物物料的流动方向。

[0016]竖向气化器的现有系统和工艺没有充分解决在连续变化的基础上必须解决的问题。因此，在本领域中，以加工和/或含有全部加工的步骤的总效率最大化的方式，提供能有效气化含碳原料的系统是重要的改进。

[0017]上述背景信息是申请人认为与本发明相关的信息，并非意味着承认上述信息皆构成本发明的现有技术。

发明内容

[0018]本发明的目的是提供用于将含碳原料转化为气体的竖向的气化器。

[0019]根据本发明的一个方面，提供了一种用于将含碳原料转化成气体和残余物的气化器，所述气化器包括：一个或更多个处理室，两个或更多个竖直相继布置的处理区域分布在所述一个或更多个处理室内，在其中的每一个处理区域内使选自干燥、挥发和碳转化的相应工艺至少部分有利化，通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别所述处理区域；一个或更多个助剂输入元件，其与所述处理区域相关联，用于输入助剂以促进其中每一个所述至少部分有利化的工艺；一个或更多个物料移置控制模块，其适于控制原料通过所述处理区域的竖向移动，以改善每一个所述至少部分有利化的工艺；一个或更多个原料输入口，其位于所述处理区域中的第一处理区域附近；一个或更多个气体输出口；以及一个或更多个残余物输出口。

[0020]根据本发明的另一方面，提供了一种用于将含碳原料转化成气体和残余物的竖向的气化器，所述气化器包括：一个或更多个处理室，其中每一个处理室包括一个或更多个助剂输入元件，用于将助剂输入到处理室中，其中所述一个或更多个处理室的组合以及所述一个或更多个助剂输入元件在处理室中的定位，促进在所述气化器内产生两个或更多个竖直相继布置的处理区域，在其中每个处理区域内使相应的工艺至少部分有利化，通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别所述处理区域；一个或更多个原料输入口，其接近于所述处理区域中的第一处理区域；一个或更多个物料移置控制模块，其适于控制原料竖向移动通过所述处理区域，以改善每一个所述至少部分有利化的工艺；一个或更多个气体输出口；以及一个或更多个残余物输出口。

[0021]根据本发明的另一方面，提供了一种用于将含碳原料转化成气体和残余物的方法，所述方法包括下列步骤：提供气化器；在所述气化器内产生两个或更多个竖直相继布置的处理区域，在其中的每一个处理区域内使选自干燥、挥发和碳转化的相应工艺至少部分有利化，通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别所述处理区域；在所述气化器内输入助剂以促进每个所述至少部分有利化的工艺；控制原料向下移动通过所述处理区域，由此使每一个所述至少部分有利化的工艺最优化；以及将气体和残余物从所述气化器输出。

附图说明

[0022]图1示出根据本发明一种实施方案的竖向的气化器的概略示意图。

[0023]图2示出根据本发明另一种实施方案的竖向的气化器的概略示意图。

[0024]图3示出根据本发明一种实施方案的竖向的气化器的概略示意图，所述竖向的气化器包括使反应物物料从一个室竖直相继布置移动到下一个室的多个处理室，每一个室具有自己的成套的一个或更多个助剂和废气抽气口(extraction point)。

[0025]图4是根据本发明一种实施方案的气化器中处理区域的图示，所述气化器包括单一处理室，具有对称布置的助剂输入元件。

[0026]图5是根据本发明一种实施方案的气化器中处理区域的图示，所述气化器包括单一处理室，具有非对称布置的助剂输入元件。

[0027]图6是根据本发明一种实施方案的理想气化器中处理区域的图示，所述气化器包括三个处理室，每一个处理室具有对称布置的助剂输入元件，以能够形成单独的用于干燥、挥发和碳转化的处理区域。

[0028]图7是根据本发明一种实施方案的气化器中处理区域的图示，所述气化器包括三个处理室，每一个处理室具有对称布置的助剂输入元件以能够形成处理区域，在所述处理区域中发生不同比例的干燥、挥发和碳转化工艺。

[0029]图8是根据本发明一种实施方案的气化器中处理区域的图示，所述气化器具有两个处理室，第一个处理室包含干燥区域和挥发区域，而第二处理室主要包含碳转化区域。

[0030]图9是根据本发明一种实施方案的气化器中处理区域的图示，所述气化器具有两个处理室，第一个处理室主要包含干燥区域，而第二处理室包含挥发和碳转化区域。

[0031]图10示出根据本发明一种实施方案的气化系统的示意图，该气化系统具有：具有横向物料移置控制模块的气化器、随后的具有竖向物料移置控制模块的气化器。

[0032]图11示出根据本发明一种实施方案的气化系统的示意图，该气化系统具有：具有竖向物料移置控制模块的气化器、随后的具有横向物料移置控制模块的气化器。

[0033]图12是根据本发明一种实施方案具有基于旋转臂的物料移置控制模块的处理室的横截面示意图。图12B是基于旋转臂的物料移置控制模块的俯视图。

[0034]图13A是根据本发明一种实施方案采用基于提取器螺杆的物料移置控制模块的处理室的轴测剖视图。图13B示出根据本发明一种实施方案略有不同的处理室的横截面视图，其中，残余物出口设置为远离主处理室，以避免残余物直接落下。

[0035]图14A是根据本发明一种实施方案采用基于推动器推杆的物料移置控制模块的处理室的轴测剖视图。图14B和图14C示出根据本发明一种实施方案采用基于推动器推杆的物料移置控制模块的两种不同处理室的横截面视图。

[0036]图15A和图15B示出根据本发明不同实施方案可用于物料移置控制模块中的旋转栅的实施方案。

[0037]图16(图16A和图16B)示出用于在两处理室的气化器中将反应物物料从一个处理室移动到另一处理室的多种实施方案。所使用的物料移置控制模块包括(A)重力；(B)带有侧向顶阀(sideways top valve)的重力；(C)带有料斗的重力；(D)带有螺杆的重力；(E)竖向螺杆；(F)水平提取器螺杆；(G)带有料斗的竖向螺杆；(H)带有螺杆和料斗的重力；和(I)水平提取器螺杆和料斗。

[0038]图17是根据本发明一种实施方案，根据本发明一种实施方案的夹带流处理室的示意图。

[0039]图18是根据本发明一种实施方案，根据本发明一种实施方案的流化床处理室的示意图。

[0040]图19是根据本发明一种实施方案，根据本发明一种实施方案的移动床处理室的示意图。

[0041]图20A到图20D示出根据本发明一种实施方案用于在处理室周围布置助剂输入元件的不同实施方案，并示出在每种情况下的处理区域。

[0042]图21A和图21B示出根据本发明一种实施方案，根据本发明不同实施方案的处理室的不同形状。

[0043]图22示出原料输入装置到气化器的不同的实施方案：(A)二次进给，被进给到初次进给螺杆；(B)初次和二次进给，被进给到混合料斗中，并经由螺杆输送到气化器；以及(C)两个或更多个进给流。

[0044]图23(图23A到图23C)示出根据本发明的一种实施方案，单一室或多个室的竖向的气化器与气体调整系统(GCS)的连接，可通过气体重整系统(GRS)或者没有气体重整系统(GRS)。

[0045]图24(图24A和图24B)示出根据本发明的一种实施方案，与图23系统类似的系统，进一步连接到残余物调整系统。

[0046]图25(图25A和图25B)示出与图23和图24系统类似的系统，进一步将产物气体从残余物调整系统传输到GRS或者GCS。

[0047]图26A示出根据本发明的一种实施方案，使用GCS用于残余物调整系统中所产生的产物气体。

[0048]图26B示出根据本发明的一种实施方案，在残余物调整系统中所产生的产物气体输送到主GCS之前，使用小型GCS用于该产物气体。

[0049]图27示出用于建立包括具有独立GRS和GCS的两个并行流的气化设施的模块化方法。

[0050]图28是具有单一处理室的气化器与基于等离子体的残余物调整系统相串联(cascade)的横截面示意图。

[0051]图29是具有两个处理室的气化器与基于等离子体的残余物调整系统相串联(cascade)的横截面示意图。

[0052]图30示出用于气化设施的分布式控制系统的一种实施方案，该气化设施采用气化器、GRS、GCS、GHS和上游所产生输出合成气的下游应用。

[0053]图31至图34示出气化设施不同功能块工艺如何构建的多种组合，其中“1”表示功能块1(气化器)、“2”表示功能块2(残余物调整系统)，而“3”表示功能块3(气体重整系统)。

具体实施方式

定义

[0054]如用于本文的，术语“大约”是指与标称值有+/-10％的变动。应当理解，这样的变动总是包括在本文提供的任何给定值中，而无论其是否被特别提到。

[0055]术语“含碳原料”和“原料”在本文中是可互换地使用的，限定成指能用于气化工艺中的含碳物料。合适原料的例子包括但不局限于：有害废料和无害废料，包括城市废物；工业活动所产生的废物；生物医学废物；不适合再循环的含碳物料，包括不可再循环的塑料；污水污泥；煤；重油；石油焦炭；重质精炼残余物；炼油厂废物；烃污染的固体；生物体；农业废物；城市固体废物；有害废物和工业废物。用于气化的生物体的例子包括但不局限于：废木料；新木料；水果、蔬菜和谷物的加工残余物；造纸厂残余物；麦杆；草和肥料。

[0056]术语“反应物物料”限定成指任何原料，包括但不限于，部分地或完全地处理的原料。

[0057]如用于本文的，术语“输入”表示将要进入或被传递到任何系统或其组件，当前正进入或正被传递到任何系统或其组件，或者先前已经进入或已经被传递到任何系统或其组件。输入包括但不局限于：物质组成、信息、数据和信号，或其任意组合。关于物质组成，输入可包括但不局限于流入物、反应物、试剂、燃料、物体或其任意组合。关于信息，输入可包括但不局限于，系统的规格和操作参数。关于数据，输入可包括但不局限于，由系统中产生的或收集的结果、度量、观察、描述、统计或其任意组合。关于信号，输入可包括但不局限于，气动的、电的、声的、光的(视觉的和非视觉的)、机械的或其任意组合。可根据系统或其组件来限定输入，所述的系统或其组件是输入将要进入或被传递到的，当前正进入或正被传递到的，或者先前已经进入或已经被传递到的，从而，给定系统或系统组件的输入还可以是关于另一个系统或系统组件的输出。输入也可表示进入系统或与系统相通的动作或工艺。

[0058]如用于本文的，术语“输出”表示将要离开任何系统或其组件或者从任何系统或其组件传递出，当前正离开任何系统或其组件或正从任何系统或其组件传递出，或者先前已经离开任何系统或其组件或已经从任何系统或其组件传递出。输出包括但不局限于，物质组成、信息、数据和信号，或其任意组合。关于物质组成，输出可包括但不局限于流出物、反应产物、工艺废物、燃料、物体或其任意组合。关于信息，输出可包括但不局限于，系统的规格和操作参数。关于数据，输出可包括但不局限于，由系统中产生的或收集的结果、度量、观察、描述、统计或其任意组合。关于信号，输出可包括但不局限于，气动的、电的、声的、光的(可视的和非可视的)、机械的或其任意组合。可根据系统或其组件来限定输出，所述的系统或其组件是输出将要离开或从其中传递出的，当前正离开或正从其中传递出的，或者先前已经离开或已经从其中传递出的，从而，给定系统或系统组件的输出还可以是另一个系统或系统组件的输入。输出也可表示离开系统或与系统相通的动作或工艺。

[0059]术语“残余物”通常是指在含碳原料的气化或焚化工艺期间所产生的残余物料。这些残余物料包括固态和半固态的工艺副产物。这样的残余物通常由存在于含碳物料中的无机的、不可燃的物质(诸如氧化硅、氧化铝、氧化铁和氧化钙)以及一定比例的未反应或未完全转化的碳组成。这样，残余物可包括炭、灰和/或从气化室输送的任何未完全转化的原料。残余物还可包括从下游气体调整工艺回收的物料，例如，气体过滤步骤中收集的固体，诸如袋式过滤器中收集的固体。残余物还可包括含碳原料焚化工艺的固体产物，可以是焚化炉底灰的形式和在焚化炉的污染消除套件中收集的粉煤灰的形式。

[0060]术语“感测元件”限定成描述系统中配置用于对工艺、工艺设备、工艺输入或工艺输出的特性进行感测的任何元件，其中这样的特性可由特性值表示，特性值可用于对系统的一个或更多个局部的、区域的和/或全局工艺进行监测、调节和/或控制。可用在气化系统的感测元件可包括但不局限于：传感器、检测器、监测器、分析仪或其任意组合，用于对工艺、流体和/或物料温度、压力、流量、组成和/或其它这样的特性进行感测，以及对系统内任意给定位置的物料位置和/或布置进行感测，以及，对系统内所使用的任何工艺设备的任何操作特性进行感测。本领域普通技术人员应该理解，虽然每个感测元件例子适合用于气化系统，但是感测元件并不限于本文公开的内容，因此，本文中被标识为感测元件的元件不应该限制于这些例子和/或不适当地解释。

[0061]术语“响应元件”限定成描述系统中的这样的元件，该元件被配置成对感测的特性进行响应，以便根据一个或更多个预先确定的、计算的、固定的和/或可调节的控制参数，来操作与该响应元件可操作地相关联的工艺设备，其中所述一个或更多个控制参数被限定成提供所期望的工艺结果。可用于气化系统的响应元件可包括但不局限于：静态的、预设的和/或动态可变的驱动器、动力源和可配置成基于一个或更多个控制参数对设备给予动作的任何其它元件，所述动作可以是机械的、电的、磁的、气动的、液压的或其组合。可用于气化系统并与一个或更多个响应元件可操作地连结的工艺设备，可包括但不局限于：物料和/或原料输入装置、诸如等离子体热源的热源、助剂输入装置、各种鼓风机和/或其它这样的气体循环设备、各种气体流量和/或压力调节器，以及可操作以影响气化系统内任何局部的、区域的和/或全局工艺的其它工艺设备。本领域普通技术人员应该理解，虽然上述响应元件的例子适用于气化系统，但是响应元件并不限于本文公开的内容，因此，本文中称为响应元件的元件不应该受限于这些例子和/或不适当地解释。

[0062]如用于本文的，术语“实时”用来限定一种动作，这种动作基本上反映与该动作相关联的系统或工艺的现在或当前状态、或其特性。实时动作可包括但不局限于：工艺、重复、测量、计算、响应、反应、获取数据、响应所获取数据来操作设备、以及在系统内实施的其它这样的动作或在其中实施的给定工艺。应当理解，相比于与相对快速变化的工艺或特性相关的实时动作的时间范围或周期(例如1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒)，与相对缓慢改变的工艺或特性有关的另一同样的实时动作的实施时间范围或周期(例如秒、分钟、小时等等)要长得多。

[0063]如用于本文的，术语“连续的”用于限定定期地或以给定速率或频率实施的任何动作。连续动作可包括但不局限于：工艺、重复、测量、计算、响应、反应、经由感测元件获取数据、响应所获取数据来操作设备、以及在系统内或与在其中实施的给定工艺相联合的其它这样的动作。应当理解，相比于与相对快速变化的工艺或特性相关的连续动作所实施的速率或频率(例如1KHz、100Hz、10Hz、1Hz)，与相对缓慢改变工艺或特性有关的另一个同样的连续动作所实施的速率或频率(例如一次/秒、一次/分钟、一次/小时等等)要慢得多。

[0064]除非另有限定，本文中所有的技术和科学术语具有与本发明所属领域中普通技术人员通常地理解相同的含义。

[0065]本发明提供了包括两个或更多个竖直相继布置的处理区域的气化器，在每个处理区域内使诸如干燥、挥发或碳转化的某种工艺至少部分有利化。处理区域通过它们的不同温度范围来识别，这些不同的温度范围允许处理区域中不同的工艺。气化器包括了一个或更多个处理室；竖直相继布置的处理区域被贯穿分布于一个或更多个处理室。助剂输入元件与处理区域相关联，以促进处理区域中的至少部分有利化的工艺。因此，可以考虑通过一个或更多个处理室的组合和/或通过将一个或更多个助剂输入元件定位在各所述处理室，促进处理区域可以考虑。气化器包括一个或更多个原料输入口(定位成靠近第一处理区域)、一个或更多个气体输出口、一个或更多个残余物输出口、一个或更多个物料移置控制模块和任选地包括全局控制系统。

[0066]在下述论述中，整个气化工艺视为由三个工艺按顺序组成：干燥、挥发和碳转化。应当理解，这些工艺仅仅是示例性的，并且不应该考虑成由实施例构成限定，这是由于气化工艺可限定成由任何两个或更多个工艺组成，任何这样的工艺可被限定成由一个或更多个适合的子工艺组成。为了清楚和一致性的目的，下面将集中描述本发明的多种实施方案，其中气化工艺由下述三种示例性的工艺组成。

(a)物料的干燥

[0067]输送到气化器中的原料在介于25℃与200℃的温度范围下经历干燥工艺。在此温度范围，干燥也可伴有少量挥发。

(b)物料的挥发

[0068]该工艺主要发生在350℃和800℃之间，并且也可伴有少量剩余的干燥操作以及显著量的碳转化。在该区域中所供应空气的组成通常根据所供应的原料而改变(例如富氧的空气或贫氧的空气)。

(c)碳转化

[0069]在介于900℃与1000℃的温度，发生的主要工艺反应是碳转化，伴有剩余的挥发。到此时，大多数水分已经被从物料去除。取决于所供应的反应物物料，可改变所供应的空气的流速。任选地，在该区域中还添加蒸汽。

[0070]本领域技术人员容易理解，在给定的温度范围内，虽然取决于温度范围这些工艺中的一种工艺至少部分有利化，在某种程度上，所有的这三种工艺同时地和连续地发生。

[0071]在本发明的一种实施方案中，气化器包括了三个竖直相继布置的处理区域，第一处理区域使至少部分有利于干燥，第二处理区域至少部分有利于挥发，而第三处理区域至少部分有利于碳转化。本领域技术人员容易理解，气化器通常可包括许多处理区域，在每一个处理区域中发生不同比例的干燥、挥发或碳转化。因此，处理区域的数目可以如所期望的较多或较少，而不丧失一般性。

[0072]本发明提供了用于将含碳原料转化为燃料气体的竖向的气化器。通常地，气化器包括了一个或更多个处理室，每一个处理室包括用于将助剂输入其中的一个或更多个助剂输入元件，其中一个或更多个处理室的组合和一个或更多个助剂输入元件(或元件组)的定位，允许气化器内的两个或更多个竖直相继布置的处理区域，在其中的每一个处理区域内至少部分有利于相应的工艺。气化器还包括：一个或更多个原料输入口，用于将原料输入到所述处理区域的第一处理区域中；一个或更多个物料移置控制模块，用于控制原料向下移置通过处理区域，以改善每个的相应工艺；一个或更多个气体输出口，用于从气化器输出气体；以及一个或更多个残余物输出口，用于从气化器输出残余物。

[0073]例如，参照图1的实施方案，具有单一处理室20的气化器10可包括两个或更多个不同的助剂输入元件30(或元件组)，助剂输入元件30定位成分别促进或有利于单一处理室20内相应的竖直相继布置处理区域40内的工艺。原料输入口50将原料提供到处理区域40的第一处理区域，气体输出口60用于从气化器10输出气体，而残余物输出口70用于从气化器10输出残余物。在图1中用于原料、助剂、残余物和气体的输入元件和输出元件的方向和位置仅仅是示例性的，其方向和位置的任何变化都在本文所公开的发明范围和特性之内。

[0074]还提供了可操作地控制一个或更多个工艺设备和/或机械装置(未示出)的物料移置控制模块，其被配置成控制物料通过竖直相继布置处理区域的竖向位移或竖向移置速率，由此促进有效处理这些处理区域中的每个处理区域内的物料，在所述处理区域中至少部分有利于某种工艺过程。例如，如以下将更详细地描述的，各种设备和/或机械装置可以通过物料移置控制模块来控制，或者通过直接控制在每一个处理区域之间的物料移置，或者通过从最底下的处理区域对物料进行受控提取，由此间接地控制物料在重力作用下从最上面的处理区域向最底下的处理区域的向下移置，或者通过使用其任意组合，以实施物料的向下移置。

[0075]如图1中助剂输入和废气输出假想线所描绘的，应当理解助剂可输入每个处理区域中，例如经由适合的助剂输入元件的适当定位，或可被提供到选定数量的处理区域中，以适合于气化器10的给定设计和实施方案。应当理解，助剂输入元件可通过公共的响应元件来主动地控制，公共的响应元件被配置成：对于给定的感测工艺特性(例如工艺温度、压力、通过量等等；产物气体质量、量、组成、压力、流量、热值等等；原料输入速率、质量、组成等等；和类似工艺特性)，提供预定量或输入速率的助剂(例如，设定绝对或相对输入)；或者另一方面，可通过可操作地经由相同局部的、区域的和/或全局的控制系统连接的不同的响应元件，来控制助剂输入元件。

[0076]类似地，气体输出口可独立地提供给每个处理区域，或者通过一个或更多个共同作用的气体输出口来提供，以容许从多于一个处理区域同时从处理室20输出废气。

[0077]在图2的实施方案中，气化器110可包括竖向地并可操作地连结的两个或更多个处理室120，每个处理室120包括一个或更多个助剂输入元件130(或元件组)，助剂输入元件130被定位成分别地促进或有利于每个处理室120的各处理区域140内的工艺，由此当处理室120组合时，提供竖直相继布置排列的两个或更多个处理区域140。原料输入口150将原料提供到处理区域140的第一处理区域，气体输出口160提供从气化器110的气体输出，而残余物输出口170提供从气化器110的残余物输出。图2中用于原料、助剂、残余物和气体的输入元件和输出元件的方向和位置仅仅是示例性的，其方向和位置的任何变化都在本文所公开的发明的范围和特性之内。

[0078]还提供了可操作地控制一个或更多个工艺设备和/或机械装置(未示出)的物料移置控制模块，其被配置成控制物料通过竖直相继布置处理区域(即，在室之间和/或通过同一室的处理区域)的竖向移置，由此促进对每个处理区域内物料的有效处理，所述处理区域内至少部分有利于特定的工艺。例如，如以下将更详细地描述的，各种设备和/或机械装置可以通过物料移置控制模块来控制，或者通过直接控制在各处理区域之间的物料移置，或者通过从最底下的处理区域对物料进行受控提取，由此间接地控制物料在重力作用下从最上面的处理区域向最底下的处理区域的向下移置，或者通过使用其任意组合，以实施物料的向下移置。

[0079]如图2的助剂输入实线和假想线所描绘的，应当理解，助剂通常被输入进每一个处理室中，但不排除也可选在多个位置将助剂输入到给定的处理室，以促进界定处理室中两个或更多个处理区域。还应当理解，助剂输入元件可通过公共的响应元件来主动地控制，公共的响应元件被配置成对于给定的感测工艺特性(例如工艺温度、压力、通过量等等；产物气体质量、量、组成、压力、流量、热值等等；原料输入速率、质量、组成等等；和类似工艺特性)，提供预定的量或输入速率的助剂(例如设定绝对或相对输入)；或者另一方面，可通过可操作地经由相同的局部、区域和/或全局的控制系统连接的不同响应元件，来控制助剂输入元件。

[0080]类似地，废气输出口可独立地提供给每个处理室，或者通过一个或更多个共同作用的废气输出口来提供，以容许从多于一个处理室120同时输出气体。

[0081]如将参照本发明许多说明性实施方案更详细地描述的，处理室及其助剂输入元件的各种组合可适于提供如本文预期的两个或更多个竖直相继布置的处理区域，其中适当的物料移置控制模块可适用于给定的实施方案，以使物料能够受控移置通过这些处理区域，以改善对物料的处理。这样的控制可单独施加到气化器的一个或更多个处理室中的每一个处理室，任选地使物料间接移置通过同一处理室(其中限定了多于一个处理区域)的相继处理区域，和/或使物料从气化器(包括多于一个处理室)的第一处理室移置到其后的竖直相继布置处理室。可选择地，可对各种共同作用的控制设备和/或机械装置进行控制，这些控制设备和/或机械装置配置成直接控制物料从一个处理区域到另一个处理区域的移置，这些处理区域可能处在在同一处理室内。

[0082]在一种实施方案310中，参照图4，三套助剂输入元件(或元件组)330围绕一个处理室320对称布置，从而促进了所得的三个处理区域340之间界面的大致水平的平面特性。

[0083]在一种实施方案410中，参照图5，三套助剂输入元件(或元件组)430非对称地围绕处理室420放置，在所得的三个处理区域440之间产生非水平的平面界面。

[0084]通常情况下应当理解为，对称的处理区域可促进最优化的气化，并且通常可采用混合/搅拌装置(例如参见图19)来提供改善的效果。这样的搅拌装置可包括，例如，使用机动化驱动装置控制的转轴。在一种实施方案中，这些搅拌器轴也可作为集成的全局控制系统的感测元件来操作，其中在这些轴上的转矩测量可作为物料堆高度的指示，尤其要是搅拌器具有多级叶片时。为减少由于在叶片上形成结块而导致的误报，可使用两个搅拌器轴，当它们旋转时互相清理，这样敲掉结块物。本领域技术人员容易理解，可考虑其它这样的搅拌器而不背离本公开内容的总体范围和本质。

[0085]在本发明的一种实施方案中，气化器包括两个或更多个处理室，其中的每一个处理室包括一个或更多个助剂输入元件。所述的两个或更多个处理室中的每一个处理室提供不同的处理区域，且这些不同的处理室被排列成竖直相继布置的方式。

[0086]在一种实施方案中，参照图6，气化器510包括三个处理室520，每一个处理室520具有自己的助剂输入元件(或元件组)530，助剂输入元件定位成促进每个处理室520中的一个处理区域540的界定，其中分别有利于三种气化工艺(干燥、挥发和碳转化)中的每一种工艺。本领域技术人员容易理解，图6中的情形是理想的，实际中，气化工艺的每种气化工艺将以不同比例在每个处理区域发生，例如，如图7中所示的。

[0087]不同的处理室也可分别最优化到最大效率。在本发明的一种实施方案中，参照图8，气化器710包括两个处理室720，其中第一处理室主要用于干燥和挥发，而第二处理室主要用于碳转化。在此实施方案中，气化器710中的每个处理室720通过出口760排出其废气流，出口760可保持为分开的或合并的。这些废气流可送到储罐，或者用于在气体重整系统(GRS)中进一步处理。在可选择的实施方案中，参照图9，第一处理室主要用于干燥，而第二处理室主要用于挥发和碳转化。

[0088]如果原料具有高含量的塑料，还可使用多个处理室。在此情况下，可应用第二处理室来回收额外的有价值化合物，诸如石蜡和蜡。这可通过使第一处理室的工作温度低于第二处理室来实现。

[0089]本领域技术人员应理解，尽管我们已经将竖向的气化器描述为收进含碳原料并输出残余物，但它也可从另一个气化器收进经部分处理的含碳反应物物料和/或将其残余物输出到另一个气化器。在本发明的一种实施方案中，参照图10，水平(横向)定向的气化器后面跟着竖向的气化器。在本发明的可选实施方案中，参照图11，竖向的气化器后面跟着水平(横向)定向的气化器。本领域技术人员容易理解，图10和图11中所示的气化器输入和输出方向和位置仅仅是示例性的，并非有意将输入的方向和位置限制于这些系统的实际实施。

物料移置控制模块

[0090]与依赖于逐渐消耗气化器中反应物物料以向下移动物料的标准下降床(descending bed)气化器相比，本发明的竖向气化器通过物料移置控制模块主动地控制反应物物料通过气化器的移动，这样，即使对于一套给定的工艺条件来说不是最优化的，但是使整个气化工艺得到改善。

[0091]如以下将更详细地描述的，物料移置控制模块还可与局部的、区域的和/或全局控制系统相关联，或被集成在局部的、区域的和/或全局控制系统内，适于响应感测的一个或更多个气化器内或者外部的工艺特性来主动地控制气化器的各种元件，例如，在产物气体的下游工艺或应用中。在物料移置控制模块与局部的、区域的和/或全局工艺控制系统相关联地主动操作的实施方案中，可实现物料的进一步精炼处理以满足下游需要，例如，当产物气体或其进一步处理的衍生物被用于选定的下游应用时。可选择地，或与其组合，可实施气化工艺的组合控制以使物料的气化最大化，例如以符合现有环境法规的要求，和/或以使工艺的能量影响最小化。

[0092]通常，物料移置控制模块可配置成在预先设定的操作参数下操作，例如，容许在每个处理区域中大致恒定的物料停留时间，或者，物料移置控制模块可配置成在动态更新的或产生的操作参数下操作，适于使物料处理最优化以达到给定结果。在任一情形中，物料移置控制模块和可操作地连结到其的任何控制系统可包括一个或更多个感测元件，用于感测一个或更多个工艺特性，诸如工艺温度、压力、反应物组成、产物气体组成、以及对一个或更多个工艺设备的调节，诸如由物料移置控制模块可操作地控制的机械装置和/或设备，用于响应于这些特性，实现物料通过气化器内处理区域的受控移置。

[0093]通常，物料移置控制模块的主要功能是促进反应物物料按主动地受控方式通过气化器不同的处理区域的向下移动，以便有助于有效的整个气化。物料移置控制模块还可任选地设置有打碎残余结块物的装置，该结块物可导致气化器残余物出口堵塞。物料移置控制模块可配置成操作本领域多种已知机械装置或设备中的一种，用于实现物料从一个区域到另一个区域的移置。例子包括但不局限于，旋转臂、旋转轮、旋转叶片、移动架子、推动器推杆、螺杆、输送器及其组合。

[0094]除了控制物料通过气化器的移置以外，物料移置控制模块还可以特定地被最优化，以另外使残余物中的碳含量最小化。在本发明的一种实施方案中，采用反应物物料移动的塞式流动模式(plugflow pattern)和对残余物去除速率的总控制来实现这种最优化。

[0095]选择由物料移置控制模块所操作的设备或机械装置的具体类型时要考虑的因素包括但不局限于：(a)可控制性和速度：对反应物物料通过气化器的流动能够准确控制到何种程度；(b)反应器流动变化：如果在物料移置控制模块下方添加助剂，是否对流动有破坏，以及，这种破坏是否可管理；和/或(c)能量需求和耐久性：需要多少能量和维护以适当地操作设备或机械装置，例如在适当设计时，旋转栅比螺杆和推动器推杆需要更多维护。

[0096]图12描绘了本发明的一种实施方案，其中物料移置控制模块包括在每个处理室20底部的旋转叶片81，旋转叶片81通过小的残余物出口70将反应物物料移出处理室20。为避免经部分处理/未处理的反应物物料通过残余物出口70直接落下造成浪费，将帽覆盖物82放置在残余物出口70上方。可选限位开关用于控制棒旋转速度，并由此控制残余物的去除速度。本领域技术人员容易理解，在多个处理室可操作连结的实施方案中，旋转叶片可仅用在最底下处理室的底部，并且反应物物料通过重力作用从最上面的处理室输送到最底下的处理室。

[0097]图13A描绘了本发明的一种实施方案，其中物料移置控制模块包括在每个处理室20底部的一套提取器螺杆83，提取器螺杆83将残余物移出处理室20。提取器螺杆螺纹的边缘上的锯齿状突起帮助打碎残余物结块，否则结块会堵塞气化器10的残余物出口70。如图13B中所示的实施方案，如果处理室20不使用残余物出口70，则不需要帽覆盖物82。限位开关可任选地用于控制螺杆的速度，并由此控制残余物的去除速度。本领域技术人员容易理解，在多个处理室可操作连结的实施方案中，一套提取器螺杆可仅用在最底下处理室的底部，并且反应物物料通过重力作用从最上面的处理室输送到最底下的处理室。

[0098]图14描绘了本发明的一种实施方案，其中物料移置控制模块包括用于每个处理室20的单一且较细的推动器推杆85，推动器推杆85通过小的残余物出口70将残余物移出处理室20。取决于残余物出口70的位置，可需要或不需要帽覆盖物82，如图14中所示。限位开关可任选地用于控制推动器推杆往复运动的距离，并由此控制随每次往复运动去除的残余物的量。使用细的推动器推杆85与横向转移气化器不相似，横向转移气化器所使用的推杆通常是载运器推杆，载运大量的反应物物料从一个处理区域到另一个处理区域。由于使用的推动器推杆85是细的，仅仅少量的残余物被移出处理室20。本领域技术人员容易理解，在多个处理室可操作连结的实施方案中，推动器推杆可仅用在最底下处理室的底部，并且反应物物料通过重力作用从最上面的处理室输送到最底下的处理室。

[0099]在本发明的一种实施方案中，在每个处理室内，一个或更多个处理区域被一个或更多个助剂输入元件所促进，物料移置控制模块可在每个处理室内包括一个或更多个推动器推杆的阵列，其中每个推动器推杆用于主动地控制反应物物料从一个处理区域到下一个区域的移动，直到最后的推动器推杆将残余物推出处理室。于是，在单一处理室的整个长度内主动控制反应物物料。本领域技术人员容易理解，这样的物料移置控制模块允许在不同处理区域设定不同的“停留时间”，即使这些不同处理区域是在同一个处理室内。

[00100]在物料移置控制模块包括移动元件和导引元件的实施方案中，适合的移动元件包括但不局限于：架子/平台、推动器推杆、开沟器(plow)、螺杆元件或带。导引元件可包括一个或更多个导引通道(位于处理室底壁中)、导轨或导杆、导引槽或导引链。可选择地，导引元件可包括大小适合于可移动方式接合导引元件的一个或更多个轮或辊。在本发明的一种实施方案中，导引接合构件是滑动构件，该滑动构件包括适于沿导轨的长度滑动的底座(shoe)。任选地，底座还包括至少一个可更换的耐磨垫。

[0100]可使用发动机和驱动系统或者本领域容易已知的其它这样的装置，提供动力给物料移置控制模块。在一种实施方案中，发动机装置是电动变速发动机，其可选择地正向或反向驱动发动机输出轴。任选地，滑动离合器可设置在发动机和发动机输出轴之间。发动机还可包括齿轮箱。

[0101]可选择地，可通过液压或气动系统、链和链轮传动、或齿条和小齿轮传动来实施物料移置控制模块的操作。这些方法将发动机旋转运动转变为线性运动，优点是，它们可以同步方式应用在物料移置控制模块(例如推动器推杆)的每侧，以有助于保持机械装置对齐，从而使堵塞的可能性最小化。在一种实施方案中，使用两条链提供了一种维持角对准而无需精密导引件的装置。

[0102]对于使用两个处理室的实施方案，图16显示了许多种不同设备和/或机械装置，可通过用于将反应物物料从一个处理室移置到另一个处理室的物料移置控制模块，来使用这些设备和/或机械装置。本领域技术人员容易理解，该图中的选项仅仅是示例性的，针对这样设备/机械装置的其它适当设计也在此处所公开的本发明的范围和特性之内。

处理室

[0103]竖向的气化器包括一个或更多个处理室。处理室可选自固定床处理室、重力作用的竖向处理室、机械辅助流处理室、夹带流处理室和流化床处理室，上述类型的处理室仅是举出的几个例子。

[0104]在本领域技术人员已知的固定床处理室中，原料从顶部进入系统并搁在一表面上，通过该表面可传递诸如加热的空气或蒸汽(或其它助剂)的输入气体。输入气体按逆流方式从底部输送通过原料床，并且，通过处理室顶部的通气口或其它出口，包括废气、合成气、冷却的空气和蒸汽、或挥发物的所有输出气体离开处理室。诸如灰或烧焦物的任何残余物穿过可传递表面，并通过底部离开处理室。

[0105]在夹带流处理室22中，参照图17，输入气体相对于原料逆流行进。此处，通过助剂的移动使原料至少部分悬浮，由此促进在输入和原料之间更分散的接触。随着反应物物料受重力驱动而相反于助剂传送方向向下移动，发生反应，助剂的流动具有足够的力以使正在下降的原料部分地悬浮。包括废气、合成气、冷却空气、冷却蒸汽、和其它挥发物的输出气体在处理室的顶部离开，并且所得的残余物从底部离开。

[0106]在流化床处理室24中，参照图18，原料悬浮于向上移动的助剂中，类似于夹带流处理室。然而原料在床中的行为存在区别。在流化床中，助剂以显著克服重力作用的速度进入处理室，并且原料床以更强湍流作用的方式移动，由此促成更均质的反应区域，并且，即使原料实际上可以是固体，其行为方式也类似于湍流流体的行为方式。助剂从底部进入处理室，逆流地输送到原料，并且，包括废气、合成气、冷却空气和蒸汽、或挥发物的输出气体从顶部离开处理室。

[0107]在本发明使用移动床处理室26的一种实施方案中，处理室26包括：原料输入口，其靠近处理室顶部；两个或更多个助剂输入元件，用于注入预热空气，并且上述两个或更多个助剂输入元件定位成使得每个助剂输入元件促进不同处理区域的确定；产物气体出口；残余物出口；和主动控制的物料移置控制模块，位于处理室基部。在一种实施方案中，参照图19，分开的助剂输入元件还用于将蒸汽添加到处理室中。此外，可使用混合机械装置27，以促进处理室内助剂与反应物物料之间增强的相互作用。

[0108]在本发明使用移动床处理室的一种实施方案中，气化器包括两个或更多个移动床处理室，每个移动床处理室具有助剂输入元件或元件组，用于在处理室的底部注入预热的空气。从底部注入预热的空气能够氧化处理室底部附近形成的烧焦物。预热空气相对于原料的逆流流动也增强了能量利用。随着预热空气输送通过移动的原料床而温度降低，在处理室内形成温度梯度，这与气化后面的工艺所需的较高温度相一致。

[0109]在本发明使用移动床处理室的一种实施方案中，用于每个处理室的一个或更多个助剂输入元件全部分布在处理室周围。多个输入元件的这种分布容许更好地控制气化工艺。图20A至图20D示出了本发明的其它实施方案，不同点是助剂输入元件的布置和类型。还示出了各情况下处理区域的大致形状。

[0110]使用的处理室可以具有任何形状，只要内部体积足够容纳适量反应物物料持续设定停留时间，并且足以达到适当的气体表观速度即可。在本发明的一种实施方案中，处理室是内衬耐火材料的圆筒，并且它的长度是其直径的大约1倍至3倍之间。在一种实施方案中，处理室的长度是其直径的大约1倍至2倍之间。在一种实施方案中，处理室的长度是其直径的大约1.5倍。

[0111]在本发明的一种实施方案中，处理室具有圆筒状的外壁和内衬耐火材料并向下倾斜的内壁。图21A和图21B示出了处理室的一些可能的形状。本领域技术人员容易选择其它适合的形状。

[0112]耐火材料衬里保护处理室不受高温和腐蚀性气体的影响，并使工艺的不必要热损失最小化。耐火材料是常规的耐火材料，是本领域技术人员所熟知的，适合用于高温例如高达大约1800℃、不加压的反应。这种耐火材料的例子包括但不局限于：高温烧制陶瓷，即，氧化铝、氮化铝、硅酸铝、氮化硼、磷酸锆、玻璃陶瓷和主要包含二氧化硅、氧化铝、氧化铬和二氧化钛的高铝砖。为了进一步保护处理室不受腐蚀性气体的影响，可以用膜来加衬。这样的膜是本领域已知的，因此，本领域技术人员能够容易地基于气化器的要求来确定适合的膜。

[0113]处理室的顶或上部也应该针对气体的最优化流动和停留时间进行设计。顶部可以是平的、圆顶状的或促进气体流动通过处理室的其它实用结构，于是避免了死点(dead spot)(也称作“冷”点)。

[0114]由本领域技术人员能容易确定的许多因素来确定处理室的结构设计特点。例如，通过分析待处理输入原料的化学组成，由操作特性来确定处理室的内部结构和大小。其它设计因素包括所使用的加热装置的类型和所使用的加热装置的位置和方向。这些加热装置通常放置在处理室内期望深度位置处，以便集中其最有效的高温处理区域，同时使热损失最小化。有时，除了预热的空气以外，还将诸如蒸汽的其它助剂添加到气化器中，以改进产物合成气的品质。这些附加助剂注射口的位置、方向和数目也必须考虑在处理室的设计中，以确保其注入位置能促进有效的反应以达到期望的转化结果。

[0115]本领域技术人员容易理解，竖向的气化器中使用的一个或更多个处理室中的每一个处理室可使用不同的耐火材料、不同的形状、不同的大小和不同的物料移置控制模块，以适于在该室内进行的处理。

[0116]通过考虑诸如有效热转移、气体流动、助剂的混合等因素，各种基于计算机的模拟和建模工具可有助于处理室的结构设计。基于计算机的工具几乎消除了在初步系统设计之前的实验需求，并实现了快速确定任意输入废气流的工艺特性和效率。基于计算机的工具还容许交互式的重复，以在系统试运转之前使任意特定系统的操作特性最优化，而且有助于基于作为输入的产物气体特性对非均质物料的工艺进行实时最优化。

[0117]一种这样的模拟器是化工过程模拟器，如美国专利6，817,388中所述的(以引用方式并入)。该模拟器使用吉布斯自由能最小化的原理，以容许预测特定温度和特定输入参数设定时的产物气体组成。通常，模拟器由三个主要计算块组成：

a.理想反应模型：其通过使在绝热等压平衡中的产物化学物种的吉布斯自由能最小化，计算产物气体的理想稳定状态平衡组成。在此处使用通用的吉布斯最小化方法以发现任意较大系统的平衡组成，而无需写出平衡反应。

b.碳沉积模型：其通过比较输入组成与平衡曲线，计算形成的煤烟(固体碳C)的量或为消除煤烟形成所需蒸汽的量。该模型还可用于递归地解决为了减少所形成固体碳的量所必须添加的水的量。

c.非理想反应模型：其确定在超过由系统中碳量乘以实验导出比所计算理想值时所形成的甲烷、乙炔和乙烯的量。这近似于长链烃或聚合物非全部分解的结果。

[0118]除了使用化工过程模拟器以外，在工艺设计中还可使用处理室的流动建模，以确保工艺输入的恰当混合，分析动力学效应的影响，并调节模拟器内的反应温度曲线。由于能够容易地被识别耐火材料表面的所有操作特性，流动建模结果也有助于耐火材料设计。

[0119]任选地，如前文提及的，气化器的一个或更多个处理室中的一个或更多个处理室可包括混合装置，用于确保将反应物物料有效地暴露于预热的空气，从而容许有效的气化。混合装置防止气体沟流(channelling)，气体沟流是诸如预热空气的助剂输入燃烧出贯穿床的通路的情形，导致更多的预热空气沿着那条“沟道”行进而完全地避开反应物物料。预热空气进入气相的通道，也称作“贯穿”，会引起与气相可燃物的快速燃烧、反应物物料的结块和沟道燃烧。良好的混合还稳定了气体组成并减少了下游气体爆炸的风险。

[0120]气化需要热和诸如氧或蒸汽的氧化剂。可通过原料部分氧化所释放的热而直接进行加热，或者通过使用本领域已知的热源而间接进行加热。

[0121]在本发明的一个实施方案中，热源是通过助剂输入元件添加到处理室中的预热空气。空气是从空气加热器或热交换器所获得的，这两者都是本领域技术人员已知的，并且使用独立的空气进给和分布系统，诸如风箱，将空气输送到每个处理区域。可选择地，间接的热源可以是循环热砂或电加热元件。

[0122]为了有助于气化器的初始启动，处理室可包括进入口，其大小适合容纳例如天然气或丙烷燃烧器的各种常规燃烧器，以预热气化器。

[0123]另外，处理室还可包括一个或更多个检修端口，以容许进入来维护和修理。这样的端口是本领域已知的，并且可包括具有各种尺寸的可密封端口孔。在一种实施方案中，通过在一端的人孔来提供进入处理室的通道，在操作期间，可通过可密封的耐火材料加衬盖关闭该人孔。在本发明的一种实施方案中，人孔设置在处理室的两端用于维护。

助剂输入元件

[0124]如前文提及的，可将助剂添加到竖向气化器的一个或更多个处理室中的每个处理室，以有助于将原料有效地转化成产物气体。在保持遵守监管机构的排放限制并使运行成本最小化的同时，选择助剂的类型和数量以使工艺反应最优化。不同类型的助剂输入元件包括但不局限于，空气、富氧空气、氧气、蒸汽和臭氧。在确定处理室内的温度时，以及，在确定处理区域(不同工艺至少部分占主导)的范围时，助剂输入元件起关键作用。

[0125]可使用空气或氧气输入，以在使输入热的成本最小化的同时，使碳转化最大化(即，使游离碳最小化)并维持最优化的处理温度。如通过正处理原料的输出所确定的，可确定并严格地控制两种助剂的量。确定空气注射的量，以确保整个工艺不接近与焚化相关的不期望特征中的任何一个(诸如在产物气体中的有害的二噁英、呋喃、NO_x、SO_x，灰分中的金属和较低的碳转化)，并且满足当地的排放标准要求，同时使加热的成本最小化。

[0126]蒸汽输入促进了足够的游离氧和氢，以使原料的分解元素最大程度转化为产物气体和/或无害的化合物。由于反应物物料经由与蒸汽反应而转换成气体的过程是吸热的，它可用来抵消经由空气反应的吸热性质。另外，蒸汽提供了额外的氢，用于恰当地平衡C、H、O反应。

[0127]在本发明的一些实施方案中，还引入二次原料流作为工艺助剂。取决于感测元件所感测的诸如产物气体品质、压力等的气化器下游参数，通过全局控制系统可动态地操纵该原料流。代表性的二次原料是高碳原料，诸如塑料。

[0128]因此，所述处理室中的每个处理室可包括多个助剂输入元件，助剂输入元件包括用于蒸汽注射和/或空气注射的入口。蒸汽入口可战略性地设置，以导引蒸汽进入高温区域中，并在产物气体物质刚要从处理室离开之前将蒸汽导引入其中。

[0129]助剂输入元件可战略性地设置，以确保完全覆盖进入处理区域。在一种实施方案中，助剂输入元件定位成靠近处理室的底面。可选择地，助剂输入元件位于处理室的底面中，或者都围绕处理室的壁分布。在预热空气用作气化器加热装置的实施方案中，任选地，可包括附加的空气/氧注射输入元件。

[0130]可基于任意数量的下述因素确定助剂输入元件的实际位置：(a)使热转移最大化；(b)使与碳的接触最大化；(c)使压力损失最小化；(d)避免堵塞；(e)使气体沟流的可能性最小化。

[0131]对于本发明从处理室的顶部添加助剂的实施方案，在顶部添加的气体可帮助使床顶部的湿含碳原料干燥，或者通过使用喷口(通过围绕堆顶部喷洒物料，而不是使用机械搅拌装置)帮助分布物料。如果在顶部添加空气或热蒸汽，那么产物气体的温度升高，导致气相中的焦油分解。可选择地，低温蒸汽或氮气(或其它液态流体)的添加降低了气体温度，并保护了下游设备。然而，在该室的顶部上具有助剂输入元件的主要缺点是产物气体被稀释的风险。

[0132]对于本发明从处理室底部添加助剂的实施方案，助剂在处理室中的停留时间最大化，这对反应较慢的低温系统是有利的。虽然差的设计会有产生炉渣、结块等干扰操作的高风险，但是适当的设计可减少这些问题的可能性。在底部注射助剂促进了对整个处理室产生影响，并且在灰分离开处理室前将碳从中去除。

[0133]对于本发明从处理室侧面添加助剂的实施方案，促进了助剂的均匀分布，并从而促进了更稳定的反应。这种设计也使处理区域均匀，并减少了一些助剂(诸如氧气或臭氧)的浓度，以避免局部的燃烧或结块。然而，主要缺点是沿侧面所注射的助剂达不到处理室的中部，除非使用高流速，而高流速往往使床流体化或者在壁附近产生热点。可使用搅拌器以促进中间的反应物物料与侧面的反应物物料相混合。

原料输入装置

[0134]竖向的气化器包括物料进料器系统，物料进料器系统包括适合于输入原料的任意物理特性的一个或更多个输入进料口，每个进料口直接地进给到气化器中。在本发明的一种实施方案中，物料进给子系统由进料斗和用于将原料传送到气化器的螺杆输送器组成。在本发明的一些实施方案中，进给到竖向气化器中的物料可以是来自上游气化器的经部分处理的反应物物料。进料斗作为待进给到气化器中的物料的缓冲器。料斗可任选地具有高料位和低料位指示器，以控制进入到料斗的流量，并且任选地，料斗处在工艺控制器的控制下，以使进给速率满足工艺需求。

[0135]任选地，参照图22A，物料进给子系统还可包括附加的入口，以接收二次进给(通常为诸如碎塑料的高碳原料)，由此允许快速响应于较高或较低碳输入的工艺需求，以满足下游应用所需的气体品质。

[0136]参照图22，本发明可实施为多种实施方案，通过这些实施方案，不同的进给流在进入气化器之前在公共料斗中被混合在一起，或者不混合在一起。任选地，气化器具有分开的进给子系统，用于将高碳原料进给到气化器中。同样地，还可考虑具有多于两条进给流的更普通的例子。

[0137]在本发明的一种实施方案中，物料进给系统由矩形的进料斗和液压辅助推杆组成。闸门可安装在进料槽的中间，以作为处理室和进料斗之间的热屏蔽。进料器上的限位开关控制推杆的往复运动距离，以控制每次往复运动进给到处理室中的物料的量。

[0138]在本发明的一种实施方案中，初级物料进给系统也可改变成适应于箱式进给(feeding of boxes)，在这种形式中，提供医院生物医学类型废物用于处理。矩形的双门料口容许这些箱进给入初级进料斗中，在那里液压推杆可将它们输入处理室中。

[0139]在本发明的一种实施方案中，螺旋推运器可液压方式插入到处理室中，以提供颗粒状废物物料进给。此外，推杆、旋转阀、顶部重力进给是可用在本文中以有助于引入期望原料的其它进料器例子。此外，液体和气体可通过其自己的专用料口同时进给到处理室中。

[0140]任选地，在进给到原料输入装置中之前，原料将输送通过预处理系统。预处理子系统可包括粉碎机，以将所收到的原料弄碎成更适于处理的大小。因为原料的组成可包括大到足以堵塞粉碎机的物料，所以粉碎机任选地设置成在感测到堵塞时中止，自动反转以清除堵塞，然后重新启动。如果仍旧检测到堵塞，那么粉碎机停机，并发送警告信号给控制器。适合的粉碎机和粉碎机设计是本领域已知的。

[0141]预处理子系统还可包括位于输送器上方的磁性检拾器，以避免过量金属不期望地进给通过气化器。适合的磁性检拾器是本领域已知的，并且由检拾输送器带上方的强力磁体组成，以吸引可能存在于粉碎废物中的任意含铁金属。任选地，无磁性的带可横贯于检拾输送器的方向在磁体和原料之间运行，以便将吸引到磁体的任意金属横向地从原料流移出。当金属已经从磁体移出时，该金属可落下成为堆料以待处置或销售。

气体出口

[0142]在本发明的一种实施方案中，使用位于处理室20顶部的气体出口60，取出每个处理室20中所产生的废气。在被传送到储罐用于进一步使用或者用于在气体重整系统(GRS)92中进一步处理之前，来自不同的处理室20的废气流可以保持分开或者合并，如图23C所示。可选择地，在处理室底部处设置气体出口，并且使用保持在下游的风箱或本领域已知的其它抽吸装置将产物气体抽出。本领域技术人员容易理解，在处理室内其它位置处设置气体出口都在本发明的范围内，即使在本文中未明确提及。

[0143]在本发明的一种实施方案中，气化器直接地或者经由管系连接到气体重整系统(GRS)92，用于将得自含碳原料气化的输入气体重整为具有限定化学组成的重整气体。特别地，气体重整系统使用来自一个或更多个等离子体焰炬的焰炬热，离解气态分子，由此容许它们重组成对于诸如能量产生的下游应用有用的更小分子。在由等离子体焰炬提供的高温，通常为900℃—1200℃的高温下，通常还发生“焦油裂解”，以消除焦油。系统还可包括气体混合装置、工艺助剂装置和控制系统，该控制系统具有一个或更多个传感器、一个或更多个工艺效应器(process effectors)和计算装置，以监测和/或调节重整反应。参照图23，在GRS中生产的合成气可以传送到气体调整系统(GCS)90和/或气体均化系统(GHS)和/或储罐。

[0144]在本发明的其它实施方案中，可使用低温气体重整系统，该系统不导致焦油裂解，而是使气体转化为适于特定下游应用的不同组成。

[0145]GCS 90用于从合成气去除颗粒物质和其它杂质，而GHS用于通过在均化室内提供适合的混合装置和停留时间，来使合成气的组成和压力的任何时间变化平缓。如果经调节的均化合成气需要存储用于进一步使用，那么任选地使用储罐。否则，经调节的均化合成气可用于下游应用，诸如气体发动机、锅炉等。过剩的合成气也可使用燃烧组(flare stack)安全地处理掉。

残余物出口

[0146]残余物出口70用于从气化器10的最后处理区域40去除残余物。残余物离开处理室的构型取决于后序工艺的设计和功能，并且可容易地由本领域技术人员确定。

[0147]如前文提及的，通过物料移置控制模块从气化器去除残余物。在本发明的不同实施方案中，残余物可去除并进入例如灰收集气化器或者进入本领域已知的用于冷却的水箱，从这里在阀的控制下通过导管将残余物传送到排放点。在本发明的一种实施方案中，来自竖向气化器的残余物被传送到另一个气化器用于进一步气化。如果竖向的气化器不能达到彻底的挥发和碳转化，前述方式是有利的。

[0148]在本发明的一种实施方案中，参照图24，残余物移到残余物调整系统94，残余物调整系统94或者直接地连接到气化器10或者经由输送器连接到气化器10。在残余物调整系统94中，使用等离子体弧加热，通过提高残余物的温度到完全熔融和均化所需要程度，将残余物(烧焦物、灰分)转化成炉渣，以保证没有故障、连续且自动(即无人看管)的炉渣去除。其它加热机械装置也可使用在残余物调整系统的其它实施方案中。熔渣在水箱中骤冷以形成玻璃状固体炉渣，该炉渣可用于建筑工业，或者按无害方式丢弃在垃圾填埋场。参照图25，在残余物调整系统94中所产生的任意产物气体，在输送通过GRS 92之后或者以另外的方式，被传送到GCS 90。

[0149]此外，参照图26，在GCS 90中所收集的残余颗粒可送回到残余物调整系统94，用于转化成熔渣和骤冷。对于产物气体从残余物调整系统94传送到GCS 90而没有输送通过GRS 92的情形，气体可直接或者通过次级GCS 96到达GCS 90，如图26中所示。

[0150]在本发明的一种实施方案中，参照图27，使用模块方法构建整个系统，其中，没有将来自气化器多个处理室20的产物气体输出口合并以输送通过单一GRS和GCS，而是分成两条平行流，每条流具有自己的GRS 92和GCS 90。本领域技术人员容易理解，图27仅仅是示例性的，并且使用多个平行处理流中不同组件相互连接的整个系统的其它设计也在本文所公开的本发明的范围和特性之内。

[0151]图28和图29示出气化器的具体实施，其中基于等离子体焰炬95的残余物调整系统94按竖直相继布置的方式接合到包括一个或两个竖直相继布置处理室20的气化器。

[0152]如前文提及的，本发明的气化器10可与各种其它系统组合以形成完整的气化设施，上述其它系统诸如残余物调整系统94、气体重整系统92、气体调整系统90、气体均化系统。该设施将接收含碳原料并将其转化为精制的、经调整和均化的合成气，该合成气可用于各种下游应用。使用如上所述的全局控制系统98可控制整个气化设施，以确保整个工艺满足特定下游应用和相关规章标准所设定的要求。用于整个气化设施的控制系统的一种实施方案显示在图30中。

控制系统

[0153]控制系统98通常设置成控制在竖向的气化器中实施的和/或由竖向的气化器实施的一个或更多个工艺，或者影响所生产气体的任何下游工艺或应用，和/或提供对本文所设想用于影响这样的工艺的一个或更多个工艺设备的控制。通常，控制系统可以可操作地控制与竖向气化器有关的各种工艺，和/或与在包括这样的气化器的气化系统内所实施的一个或更多个全局、上游和/或下游工艺有关的各种工艺，从而调节这些工艺中适于影响这些工艺以获得限定结果的各种控制参数。因此，各种感测元件和响应元件可分布遍及受控的系统，或者与其一个或更多个组件相关联，并且用于获取各种工艺、反应物和/或产物特性，将这些特性与这种特性有助于达到期望结果的适当范围相比较，并且，经由一个或更多个可控制的工艺设备，在正在进行的工艺中的一个或更多个工艺中实施改变，来进行响应。

[0154]控制系统通常包括例如一个或更多个感测元件，用于感测与系统、系统中所实施工艺、为系统提供的输入、和/或由系统产生的输出有关的一个或更多个特性。一个或更多个计算平台通信地连接到这些感测元件，用于获取代表所感测特性的特性值，并且配置成将特性值与这种值的预定范围(限定为表示适于选定操作和/或下游结果)相比较，并且计算一个或更多个工艺控制参数，这样的参数有助于将特性值维持在该预定范围内。这样，可将多个响应元件可操作地连接到可操作来影响该系统、工艺、输入和/输出从而调节感测特性的一个或更多个工艺设备，并通信地连接到计算平台，用于获取所计算的工艺控制参数，并且根据该参数操作工艺设备。

[0155]在一种实施方案中，控制系统提供与将含碳原料转化成气体有关的各种系统、工艺、输入和/或输出的反馈、前馈和/或预测控制，以便提高相应实施的一个或更多个工艺的效率。举例来说，可评价和可控制地调节各种工艺特性，以影响这些工艺，这些工艺特性可包括但不局限于：原料的热值和/或组成、产物气体的特性(例如热值、温度、压力、流量、组成、碳含量等)、对于这种特性的允许变化程度、以及输入成本与输出价值的比值。各种控制参数被连续调节和/或实时调节，这些控制参数可包括但不局限于：热源功率、助剂(例如氧气、氧化剂、蒸汽等)进给速率、原料进给速率(例如一个或更多个不同的进给和/或混合进给)、气体和/或系统压力/流量调节器(例如鼓风机、安全阀和/或调节阀、火炬(flare)等)、气化器内的物料移置(例如在竖直相继布置的处理区域之间)及类似的控制参数，这些连续调节和/或实时调节可按这样一种方式来执行，使得根据设计和/或下游规格来评价和最优化一个或更多个与工艺有关的特性。

[0156]可选择地，或除上述之外，控制系统可配置成监测给定系统的各种组件的操作，用于保证正确的操作，以及，可任选地，用于在应用规章标准时确保实施的工艺处在这种标准范围内。

[0157]根据一种实施方案，控制系统还可用于监测和控制给定系统的总能量冲击。举例来说，可以操作给定系统以便其能量冲击被减少或者最小化，例如，通过最优化所实施工艺中的一个或更多个工艺，或者通过增加由对这些工艺所产生能量(例如废热)的同流换热。可选择地，或除上述以外，控制系统可配置成调节经由受控工艺所产生的产物气体的组成和/或其它特性(例如温度、压力、流量等)，以便这些特性不仅适于下游使用，而且对于有效的和/或最适使用，基本上是最优化的。例如，在产物气体用于驱动发电用给定类型气体发动机的实施方案中，可调节产物气体的特性，以便这些特性与这种发动机的最适输入特性最优匹配。

[0158]在一种实施方案中，控制系统可配置成调节给定工艺，以便满足和/或最佳化关于各种组件中反应和/或产物停留时间或关于整个工艺中各种工艺的限制或性能原则。例如，上游工艺速率可控制成基本上匹配一个或更多个后续的下游工艺。即，通过物料移置控制模块，可设定和/或动态地调节物料在气化器内和/或在气化器处理区域内的停留时间，该物料移置控制模块可独立地、共同作用地和/或作为整个或全局控制系统的子模块来操作，以满足下游工艺和/或应用的某种偏好和/或需求。

[0159]控制系统可适合于维持适于本地和/或下游需求的条件，例如，可以控制温度、原料输入速率、物料的位移等，来满足诸如废物快速处理的本地需求和/或满足诸如适当气体组成的下游需求。

[0160]此外，在各种实施方案中，控制系统可适合于按连续和/或实时方式对给定工艺的各方面进行顺序和/或同时控制。

[0161]通常，控制系统可包括适于即将的应用的任意类型控制系统结构。例如，控制系统可包括大致集中式控制系统、分布式控制系统或其组合。集中式控制系统通常包括中央控制器，中央控制器配置成与各种本地和/或远程的感测设备和响应元件通信，感测设备和响应元件配置成分别感测与受控工艺有关的各种特性，并经由适合于直接或间接影响该受控工艺的一个或更多个可控制的工艺设备对所感测特性做出响应。采用集中式结构，大多数计算经由一个集中式处理器或多个处理器集中执行，以便用于执行工艺控制的必需硬件和/或软件中的大部分位于同一位置中。

[0162]分布式控制系统通常包括两个或更多个分布式控制器，每个分布式控制器可与各自的感测元件和响应元件通信，用于监测局部和/或区域的特性，并经由配置成影响局部工艺或子工艺的局部和/或区域的工艺设备对所监测特性做出响应。经由各种网络配置，通信也可发生在分布式控制器之间，其中经由第一控制器感测的特性可通信到第二控制器用于在那里获得响应，其中这样的远端响应可对第一位置处所感测的特性产生影响。例如，可以通过下游监测设备感测下游产物气体的特性，并且，通过调节与受上游控制器所控制的转化器相关联的控制参数，调节下游产物气体的特性。在分布式结构中，控制硬件和/或软件也分布在控制器之间，其中相同但模块化配置的控制方案可在每个控制器上执行，或者各种共同作用的模块化控制方案可在相应的控制器上执行。

[0163]可选择地，控制系统可分成分开但通信地连接的局部、区域和/或全局控制子系统。这样的结构可容许进行给定工艺或者相互关联的一系列工艺，并且用与其它局部控制子系统相互作用最小的方式来局部对这些工艺进行控制。然后全局主控制系统可与每个相应的局部控制子系统通信，以为了全局结果而对局部工艺进行必要的调节。

[0164]本发明的控制系统可使用以上结构中的任意结构，或者本领域通常已知的任意其它结构，这些都在本文公开内容的总范围和特性之内。举例来说，可用在本发明的受控的和所实施的工艺可以控制在专用的局部环境中，任选地与用于有关上游或下游工艺(如果应用这些系统)的任意中央和/或远程控制系统进行外部通信。可选择地，控制系统可包括区域和/或全局控制系统的子组件，这些子组件设计成共同作用地控制区域和/或全局的工艺。举例来说，模块化控制系统可设计成控制模块交互地控制系统的各种子组件，同时提供区域和/或全局控制所需的模块间通信。

[0165]控制系统通常包括：一个或更多个中央的、网络式和/或分布式处理器；用于从各种感测元件接收当前感测特性的一个或更多个输入；和用于将新的或更新的控制参数通信到各种响应元件的一个或更多个输出。控制系统的一个或更多个计算平台也可包括一个或更多个本地的和/或远程的计算机可读介质(例如ROM、RAM、可移动介质、本地的和/或网络访问介质等)，用于在其中存储各种预先确定的和/或校正的控制参数、设定的或优选的系统和工艺特性操作范围、系统监测和控制软件、操作数据及类似物。任选地，计算平台也可具有直接地或者经由各种数据存贮设备的入口，通到过程模拟数据和/或系统参数最优化和建模装置。同样地，计算平台可装有一个或更多个任选的图形用户接口和输入外围设备，用于提供到控制系统的管理入口(系统升级、维护、改进、新系统模块和/或装置的调试等)，以及各种任选的输出外围设备，用于将数据和信息与外部源(例如调制解调器、网络连接、打印机等)通信。

[0166]处理系统和子处理系统中的任一子处理系统可以包括专用硬件或软件和硬件的任何组合。所述子处理系统中的任意子处理系统可包括一个或更多个比例(P)控制器、积分(I)控制器或微分(D)控制器中的任意组合，例如P控制器、I控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器等。本领域技术人员容易理解，P控制器、I控制器和D控制器的组合的理想选择取决于：气化系统的反应工艺部分和该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。本领域技术人员容易理解的是，可按模拟硬接线的形式来实现这些组合，这些组合可以经由感测元件连续地监测特性的值，并将该值与指定的值比较，以影响相应的控制元件，从而经由响应元件做出适当的调节，以减少观测值与指定值之间的差异。本领域技术人员还应理解的是，组合可以在混合的数字软硬件环境中实施。附加离散取样、数据获取和数字处理的相关影响对于本领域技术人员是熟知的，P、I、D的组合控制可以以前馈和反馈控制方案来实施。

[0167]在校正或反馈控制中，将经由适当感测元件所监测的控制参数或控制变量的值与指定值或范围进行比较。基于两个值之间的偏差来确定控制信号，并将信号提供到控制元件以便减少偏差。应当理解的是，常规的反馈或响应控制系统还可适于包括自适应和/或预测组件，其中对给定条件的响应可以是根据模型和/或在先所监测反应来定制的，以提供针对感测特性的反应性响应，同时限制补偿动作中可能的过冲。举例来说，针对给定系统配置所获取的和/或提供的历史数据，可共同作用地用于调节对于被感测的系统和/或工艺特性的响应，使其处在最优化值的给定范围内，针对所述给定范围，先前响应已经进行了监测和调节以提供期望的结果。这样的自适应和/或预测控制方案是本领域所熟知的，因此都在本文公开内容的总范围和特性之内。

[0168]如以上所限定和所述的，可用在本发明的感测元件可包括但不限于，温度感测元件、位置传感器、近程传感器(proximitysensor)、堆高度传感器和用于监测气体的装置。

[0169]在一种实施方案中，气化器包括具有一个或更多个可拆装热电偶的温度传感器阵列。热电偶可战略性地布置成监测气化器每个处理区域内的各个位置点的温度。

[0170]适当的热电偶是本领域已知的，并且包括裸线热电偶、表面探针、包括接地热电偶的热电偶探针、未接地热电偶和开放式热电偶或其组合。

[0171]在本发明的一种实施方案中，单独的热电偶经由端部密封管(sealed end tube)(热电偶套管)插入室中，然后被密封到容器壳体，容许使用比密封管更长的软线热电偶，以便热电偶的接合处(温度感测点)压抵密封管的端部，以保证对温度变化的准确且快速响应。任选地，为防止物料被热电偶管阻挡，密封的管帽端装有偏转器。在一种实施方案中，偏转器是方形平板，具有接触耐火材料并与反应物物料流顺行(in-line)的弯曲角，以使颗粒滑流过热电偶套管。

[0172]此外，本发明可包括用于监测产物气体排出的设备。这些设备可包括但不局限于，气体组成监测器和气体流量计。例如，如图30中所示的，在该实施方案中，在产物气体为用于下游而均化之前，为了调节气化工艺的各个方面，在气化器下游设置了气体分析仪，以允许对产物气体进行分析。例如，当确定产物气体的碳含量不足时，如果可行的话，相应提高高碳进料进给速率的增量(例如原料输入中的塑料)。在另一个例子中，当确定产物气体的热值(例如高热值、低热值)太低时，可调节进给速率和助剂输入比，或者，同样地，调节高碳进料进给速率与MSW进给速率的比率。

[0173]类似地，气体流量/压力的变化和/或绝对值波动不利地影响了选定下游应用的实施方案中，可使用气体流量或压力监测器。例如，响应于所感测到的产物气体压力变化，可调节助剂输入进给速率，从而调节气化器的气体输出。响应于这样的调节，还可调节其它工艺特性，诸如原料输入速率、HCF输入速率、工艺温度等，以使工艺再平衡，并基本上维持期望的输出特性。

[0174]此外，通过测量整个物料堆的工艺温度、在堆上方的气相温度，以及，通过测量生成的废气流速和分析废气组成，可以最优化空气的注射量使效率最大化，并使不期望的工艺特性和产物最小化，由此满足或优于当地排放标准，上述不期望的工艺特性和产物包括灰分渣化、燃烧、差的废气热值、过多的颗粒物质和二噁英/呋喃的形成。在气化器的初始启动或初始测试期间可进行这样的测量，在气化器的操作期间周期性地或频繁地进行，并且可任选地实时地进行这样的测量。

[0175]在本发明的一种实施方案中，气化器可任选地包括在气化器内的压力传感器或监测器。

[0176]气化器也可包括高度开关或监测器来估计堆高度。适当的高度开关、传感器和监测器是本领域已知的。在本发明的一种实施方案中，高度装置包括点源高度开关(point-source level switch)。在本发明的一种实施方案中，高度开关是微波设备，在处理室的一侧上具有发射器并在处理室另一侧上具有接收器，该微波设备探测在处理室内该位置点处是否存在固体物料。

[0177]本领域技术人员可容易地确定高度开关、传感器和监测器的适当布局，以便可获得所期望的反应物物料堆型。在一种实施方案中，气化器还包括接近度传感器或位置传感器。

[0178]如以上所限定和所述的，可用在本发明的响应元件可包括但不限于，可操作地连结到工艺有关的设备的各种控制元件，该设备配置成通过调节与其有关的给定控制参数来影响给定工艺。举例来说，可用在在本发明的经由一个或更多个响应元件可操作的工艺设备，可包括但不局限于：控制室加热的元件，控制助剂、原料和其它工艺成分的输入的元件，以及物料移置控制模块的元件，这些仅是举出的几个例子。

[0179]物料移置控制模块可用在这样的实施方案中，以在气化器的给定室之内调节堆高度。原料堆高度较低时会因预热空气的注入而导致反应物物料流态化，而原料堆高度较高时会因受限制空气流而导致整个反应物物料堆的温度分布较差。因此，使用一系列高度开关的高度控制系统可用于在气化器内维持稳定的堆高度。维持稳定的高度也维持了在气化器中恒定的停留时间。

[0180]必要时，物料移置控制模块可用于确保堆高度被控制在所期望的水平。为在物料移置控制模块包括推动器推杆的实施方案中实现此目的，推动器推杆按可存在许多控制参数的一系列程序化步骤来移动，所述控制参数可包括但不局限于：特定的移动顺序、速度、距离和顺序频率。

[0181]在一些实施方案中，推动器推杆移出到设定点距离，或者直到控制的高度开关被解扣(tripped)；同时或者按预先确定的顺序。高度开关的控制动作可基于解扣或空或满的单极开关，或者可需要解扣、空或满的多路转换开关(multiple switch)，或其任意组合。然后，推动器推杆移回以结束此周期，并且重复此过程。由于工艺和气化器所需停留时间的要求，在周期之间有任选的延迟。

[0182]在本发明的一种实施方案中，物料移置控制模块在每个处理室中包括推动器推杆的阵列，处理室中反应物物料堆的高度是输入进给速率和推动器推杆运动的函数。任选地，一个处理室具有三个处理区域，并且物料移置控制模块具有三个推动器推杆，其中三个处理区域中的每个处理区专用一个推动器推杆，用于将反应物物料/残余物移出那个处理区域。第三推动器推杆控制将残余物移出处理室的第三处理区域，通过按固定的往复运动长度和频率移动，以将残余物排出处理室，设定第三推动器推杆通过量。第二推动器推杆跟随并移动，且其移动的距离需要将反应物物料推到第三处理区域上，并将第三处理区域的阶段启动(start-of-stage)高度开关状态改变成“满”。第一推动器推杆跟随并移动，且其移动的距离需要将反应物物料推到第二处理区域上，并将第二处理区域的阶段启动高度开关状态改变成“满”。然后所有三个推动器推杆同时退回，并且在整个顺序被重复之前执行规定的延迟。可使用附加的配置来将相继的往复运动长度变化限制到小于高度开关所要求的，以避免过度的推杆引起的扰动。始终需要推动器推杆相当频繁地移动，以便防止处理室底部的过热温度条件。

[0183]本领域技术人员容易理解到，当三个处理区域分布在三个处理室上且每个处理区域具有一个推动器推杆时，也可以应用上文提及的相同推动器推杆顺序。针对气化器的不同实施方案，可容易地使用适当的推动器推杆顺序，这也在本发明的范围内。

[0184]类似于在处理区域和/或室之间受控的推动器推杆顺序，不同的物料移动单元(例如机械装置、设备等)也可按给定顺序和/或根据至少部分受堆高度读数所影响的物料移动控制模块的控制参数而被使用。如本领域技术人员所知的，类似于以上例子中其它例子的情况，例如，控制物料在不同室之间移动的旋转臂配置可以同步地使用，以调节相应处理区域内的堆高度。控制系统还可配置，考虑物料在每个区域内的最优停留时间、堆高度限制和有利的条件，以及本文所述能获得给定工艺结果的其它特性，估定最优处理特性。

[0185]任选地，控制系统还可提供对气化器内温度的控制。例如，为了促进转化率的最优化，原料应该尽可能长时间地保持在尽量高的温度。然而，在非常高的温度，物料开始熔化并且结块形成“渣块”，其在多方面影响气化性能：(1)它减少了可用的表面积，并由此降低了转化率；(2)它使反应物物料堆中的空气流围绕结块的渣块而转向，加剧温度问题并进一步加速结块过程；(3)它干扰了物料移置控制模块的正常操作；以及(4)它会堵塞残余物去除机械装置，从而潜在地引起系统停机。

[0186]为了得到尽可能好的转化效率，可稳定并控制气化器中温度以及贯穿所述堆的温度分布。贯穿反应物物料堆的稳定温度分布也可用来防止第二种结块，在其中塑料熔化并作为其余反应物物料的粘合剂。

[0187]在一种实施方案中，通过改变进入给定区域中的工艺空气的流量(即更多的或更少的燃烧)，来实现堆内的温度控制。例如，可通过控制系统来调节供到气化器中各处理区域的工艺空气流动，以稳定在那个区域的温度。利用移置单元的温度控制也可用于打破热点，并且避免架桥(bridging)。

[0188]在一种实施方案中，在每个处理区域的空气流动是预先设定的，以维持大致恒定的温度范围和处理区域之间的比。可选择地，空气输入比可动态地改变，以调节发生在气化器各处理区域内和/或在所述GRS内的温度和工艺。

[0189]用于控制反应条件以管理原料气化的化学和力能学(energetics)的装置包括主集成处理器以及用于监测系统状态的一系列传感器，并且，该装置对用于控制例如原料和/或助剂添加速率的各种操作参数以及操作条件的系统进行控制，操作条件诸如处理室中的压力。主集成处理器接收关于气化反应当前状态并从传感器所获得的数据，并且处理这些数据以产生适当的一套输出指示来管理转化反应的化学和力能学，借此维持最优的反应设定点。

[0190]响应于信息输入，可手动地或自动地调节气化器内的条件。通过一系列启动或关闭开关(on/off switch)和装置可调节气化器。计算装置可任选地包括各种输出装置。可使用以下所概述的不同类型的控制方案。

a)模糊逻辑控制及其它类型的控制：

[0191]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方案。这些类型的控制与经典P、I、D组合控制的基本不同在于：对反应动力学进行建模及模拟，以预测如何改变输入变量或输入参数以产生期望的结果。模糊逻辑控制通常仅需要反应动力学(一般而言，系统动力学)或系统操作条件的模糊或经验说明。模糊逻辑及其它类型控制的各方面和实施的考虑事项对于本领域技术人员是熟知的。

b)前馈控制：

[0192]前馈控制对输入参数进行处理，以无需监测地影响控制变量和控制参数。气化设施可以对许多控制参数使用前馈控制，所述控制参数诸如提供给气体重整室(GRS)中一个或更多个等离子体焰炬之一的功率量。等离子体焰炬电弧的功率输出可用各种途径控制，例如，通过对施加到焰炬以维持弧的电流进行脉冲调制，改变电极之间的距离，限制焰炬电流，或影响等离子体的组成、方向或位置。

[0193]助剂以气态或液体形式或以能够经由喷嘴喷射或以其它方式注入的粉末形式供给，可以用某种前馈方式的控制元件，对助剂供给到气化器和/或气体重整器的速率进行控制。然而，助剂的温度或压力的有效控制可能需要监测和闭环的反馈控制。

c)反馈控制：

[0194]在反馈控制中，将控制参数或控制变量的值与期望值比较。基于两个值之间的偏差来确定控制信号，并将信号提供给控制元件以便减少偏差。例如，当输出气体超过预先确定的H₂：CO比时，反馈控制系统可以确定对输入变量之一进行适当调节，诸如增加助剂空气的量以将H₂：CO比恢复到期望值。影响控制参数或控制变量变化的延迟时间有时被称为回路时间(loop time)。例如，调节等离子体弧的功率、空气或蒸汽流速的回路时间可达到30秒到60秒。

[0195]对于使用直接监测或者模型预测效果满意的所有控制变量和控制参数，可使用反馈控制。气化器具有许多适于在反馈控制方案中使用的控制变量和控制参数。反馈方案可以在控制系统的各方面中有效地实施，涉及的控制变量或控制参数可以直接感测并控制，并且，出于实用目的，对他们的控制不取决于其它控制变量或控制参数。

系统的模块化

[0196]模块化的工厂是每个功能块预先建成组件的设施。这容许组件以制造厂的设定来建造，然后发送到设施场所。这些组件(或模块)包括待起作用的所有装置和控制，并且在离开制造厂前被检测。模块经常用钢架建造，并且通常包括各种可能的部分，诸如：气化器块、气体调整系统块、动力块等。一旦到现场，仅仅需要将这些模块连接到其它模块和控制系统，为工厂的试运转作好准备。由于减少的现场建造成本，这种设计容许更短的建造时间并且经济更节约。

[0197]存在不同类型的模块化工厂结构。较大的模块化工厂并入了“主干”管道设计，在那里大多数管道被聚在一起，以容许更小的覆盖区域(footprint)。从运行角度来看，模块也可串联地或并联地放置。这样，类似任务的装置可分担负荷或者相继地对产物流提供处理。

[0198]在本技术中，模块化设计的一种可能应用是它容许在多种废物的气化中提供更多的可选项。本技术可容许多个气化器用在单一的大容量设施中。这容许各气化器一起或分别地共同处理废物；该配置可基于废物而最优化。

[0199]如果由于增加负荷而需要扩建，模块化设计容许本技术更换模块或向工厂增加模块以增大工厂产量，而不是建造第二个工厂。模块和模块化的工厂可重新安置到其它场所，在那里能快速地将模块和模块化的工厂集成到新的位置。

功能块合并

[0200]可以组合不同气化链(装置的系列)的功能，以便能够以功能块来实现从多于一个流接收气体或物料的常规功能。下列图示这个概念运用于含碳原料气化。

[0201]在这些实施方案中，示出有两条链，尽管这种链之间组合功能的结构可发生在任意数目的链和每链任意原料的情况(即使一条链具有合并的原料)。即使一条流已经被合并，其仍可以选择并行的处理装置下游；即使处理相同的气体，并行的流也无需具有相同大小。

[0202]在下列描述中，GCS指的是以上提及的气体调整系统，并且数字代表下列系统：

1.气化器

2.残余物调整系统

3.气体重整系统

[0203]未合并，图31

在此实施方案中，存在两个分开的系统，其可使气体流混合用于下游系统；如均化罐或发动机。

[0204]GCS合并

在此实施方案中，来自每一链的功能块2和功能块3的气体一起输送到单一GCS中，该GCS大小适于气体流动。

[0205]功能2合并，图32

在此实施方案中，这些链的不同仅在功能块1，且所有其它功能通过同一个合并的装置链来处理。

[0206]功能3合并，图33

在此实施方案中，来自功能块1的气体引向合并的功能块3；功能块是大小适合的。

[0207]功能2和3合并，图34

在此实施方案中，来自功能块1的气体引向合并的功能块2，并且来自功能块1的物料引向合并的功能块3；功能块是大小适合的。然后来自合并的功能块2和3的气体移动到合并的GCS。

[0208]本领域技术人员容易理解到，尽管在以上部分我们已经提及气化系统包括功能块1、功能块2、功能块3和GCS，但它还可被细分成其它更小的功能块。例如，功能块1、功能块2、功能块3可分别代表干燥区域、挥发区域和碳转化区域，以便通过这些功能块的组合可形成单一气化器。本领域技术人员容易理解，对于功能块的各种选定方案，根据装置序列的布置地点和需要，所述装置序列可组合为更大的装置布置组合。

[0209]本文提及的全部专利、出版物(包括专利申请公开)和数据输入的公开内容以全文引用的方式并入本文，如同各专利、出版物和数据输入在本文中记载并单独说明将其以引用的方式并入一样。

[0210]虽然本文结合具体实施方式说明了本发明，但是本领域技术人员容易理解，可以对其进行多种修改和变化，所有这些变化都包括在所附权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种气化器，其用于将含碳原料转化成气体和残余物，所述气化器包括：

一个或更多个处理室，在所述一个或更多个处理室内分布有两个或更多个竖直相继布置的处理区域，在所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中的每一个处理区域内，使选自干燥、挥发和碳转化的相应工艺至少部分有利化，所述处理区域通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别；

一个或更多个助剂输入元件，其与所述处理区域相关联，用于输入助剂以促进在所述处理区域中的每一个所述至少部分有利化的工艺；

一个或更多个物料移置控制模块，其适于控制原料通过所述处理区域的竖向移动，以改善每一个所述至少部分有利化的工艺；

一个或更多个原料输入口，其位于所述处理区域中的第一处理区域附近；

一个或更多个气体输出口；以及

一个或更多个残余物输出口。

2.如权利要求1中所述的气化器，其中，通过所述一个或更多个处理室的组合，以及，通过所述一个或更多个助剂输入元件在所述处理室中的每一个处理室中的定位，促进所述处理区域。

3.如权利要求1中所述的气化器，所述气化器用于包括控制系统的气化系统，所述气化器被配置成根据由所述控制系统提供的控制参数来操作，所述控制参数响应于表示所述气化系统的一个或更多个工艺特性变化的一个或更多个感测特性而确定。

4.如权利要求3中所述的气化器，其中所述一个或更多个物料移置控制模块可操作地连接到所述控制系统，以及，至少部分地受所述控制系统控制，以影响所述一个或更多个感测特性中的变化。

5.如权利要求4中所述的气化器，其中所述一个或更多个特性包括产物气体的碳含量、产物气体的热值、产物气体的氢含量和产物气体的一氧化碳含量中的一个或更多个，以及，其中所述一个或更多个物料移置控制模块配置成，响应于所述一个或更多个特性中的感测变化，调节原料通过所述处理区域的所述竖向移动，以影响所述一个或更多个特性中的变化。

6.如权利要求1中所述的气化器，所述气化器包括两个或更多个竖直相继布置的处理室，所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中的一个或更多个处理区域限定在所述两个或更多个处理室中的每一个处理室内。

7.如权利要求1中所述的气化器，所述气化器包括一个处理室，所述一个处理室包括两个或更多个助剂输入元件，所述两个或更多个助剂输入元件中的每一个助剂输入元件被定位和操作，以便促进所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中相应的一个处理区域。

8.如权利要求1中所述的气化器，其中所述气体输出口是与气体重整系统流体相通的，所述气体重整系统用于重整来自所述气化器的所述气体输出的至少一些气体输出。

9.如权利要求1中所述的气化器，其中所述气体输出口经由管系连接到气体重整系统，用于重整来自所述气化器的所述气体输出的至少一些气体输出。

10.如权利要求1中所述的气化器，其中所述气体输出口是与气体储罐流体相通的，用于存储来自所述气化器的所述气体输出的至少一些气体输出。

11.如权利要求1中所述的气化器，其中所述残余物输出口是与残余物处理系统可操作地相通的，用于进一步处理所述残余物。

12.如权利要求1中所述的气化器，其中所述残余物包括经部分处理的含碳原料，以及，其中所述残余物输出口是与第二气化器可操作地相通的，用于转化所述经部分处理的含碳原料。

13.如权利要求12中所述的气化器，其中所述第二气化器是如权利要求1中所述的竖向的气化器。

14.如权利要求13中所述的气化器，其中所述第二气化器是横向定向的气化器。

15.如权利要求1中所述的气化器，所述原料是由上游气化器提供的经部分处理的原料，以及，其中所述原料输入口是与所述上游气化器的残余物输出口可操作地相通的，用于进一步处理所述经部分处理的含碳原料。

16.如权利要求1中所述的气化器，其中所述物料移置控制模块是主动受控制的，用于有助于残余物离开所述处理区域中的最后一个处理区域，由此间接地控制反应物物料向下移动通过所述处理区域中的其它处理区域，使其到达所述处理区域中的所述最后一个处理区域。

17.如权利要求1中所述的气化器，其中所述物料移置控制模块包括旋转臂、旋转轮、旋转叶片、旋转栅、移动架、推动器推杆、提取器螺杆和输送器中的一个或更多个。

18.如权利要求1中所述的气化器，其中所述气化器是采用分开的、独立受控的装置来加热的，用于加热所述处理区域。

19.如权利要求18中所述的气化器，其中用于加热的所述装置包括所述助剂输入元件中的一个或更多个助剂输入元件，用于注入预热空气。

20.如权利要求1中所述的气化器，其中机械装置插入到所述处理室中，并且适于将所述含碳原料与所述助剂输入混合。

21.如权利要求1中所述的气化器，其中所述原料输入口是与可控制的原料输入系统可操作地相通的。

22.如权利要求21中所述的气化器，其中所述可控制的原料输入系统是与原料预处理系统可操作地相通的。

23.如权利要求1中所述的气化器，其中所述一个或更多个处理室选自包括固定床处理室、重力作用的竖向处理室、机械辅助流处理室、流化床处理室和夹带流处理室的组。

24.一种竖向的气化器，其用于将含碳原料转化成气体和残余物，所述气化器包括：

一个或更多个处理室，其中的每一个处理室包括用于向所述处理室中输入助剂的一个或更多个助剂输入元件，其中所述一个或更多个处理室的组合及所述一个或更多个助剂输入元件在所述处理室的定位促进了在所述气化器内产生两个或更多个竖直相继布置的处理区域，所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中的每一个处理区域内，使相应的工艺至少部分有利化，所述处理区域是通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别的；

一个或更多个原料输入口，其接近于所述处理区域中的第一处理区域；

一个或更多个物料移置控制模块，其适于控制原料竖向地移动通过所述处理区域，以改善每一个所述至少部分有利化的工艺；

一个或更多个气体输出口；以及

一个或更多个残余物输出口。

25.一种用于将含碳原料转化成气体和残余物的方法，所述方法包括下列步骤：

提供气化器；

在所述气化器内产生两个或更多个竖直相继布置的处理区域，在所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中的每一个处理区域内，使选自干燥、挥发和碳转化的相应工艺至少部分有利化，通过分别允许每个所述相应工艺的温度范围来识别所述处理区域；

在所述气化器内输入助剂，以促进每一个所述至少部分有利化的工艺；

控制原料向下移动通过所述处理区域，由此使每一个所述至少部分有利化的工艺最优化；以及

将气体和残余物从所述气化器输出。

26.如权利要求25中所述的方法，所述气化器包括两个或更多个竖直相继布置的处理室，在所述两个或更多个处理室中的每一个处理室内，产生所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中的一个或更多个处理区域。

27.如权利要求25中所述的方法，所述气化器包括一个处理室，所述输入助剂步骤包括经由两个或更多个助剂输入元件输入助剂，其中的每一个助剂输入元件被定位和被操作，以便促进所述两个或更多个竖直相继布置的处理区域中相应的一个处理区域。

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