CN101326268A - 在高温下且用外部能源的生物质和有机废物的气化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于材料气化的设备，所述设备包括：用于混合等离子体和待处理材料的室(1)，室(1)包括用于定位喷射所述材料流的装置且用于定位至少一个等离子体源的开口(12、12’、13、13’、14)，并形成用于所述材料流和至少一个等离子体流(200、200’)的均匀混合的区(300)；用于所述材料和等离子体的混合物的反应的区(5a、5b)，所述区与所述室的开口连通且轴向延伸。

Description

在高温下且用外部能源的生物质和有机废物的气化设备
技术领域
本发明涉及预处理过或未预处理过的生物质、和/或固体和/或液体和/或气体有机废物的气化设备，以产生高质量合成气体，即具有非常少的杂质且富含氢气和一氧化碳。
背景技术
许多过程涉及生物质和有机废物能量转换以产生可转换气体。该气体可以用于供给下游热电联产过程，或如果气体的质量允许，可用作化学过程的反应剂，例如燃料合成(尤其是费-托(Fischer-Tropsch)型)。
许多出版物描述了用于产生合成气体的各种生物质气化技术。
因而，顺流或逆流和增压或非增压固定床反应器是已知的。以下专利可以作为示例：US 4643109、US 5645615或US 4187672。一定量的可替换方案已特别展望用于增加用于该类型设备的碳装料的转换水平。然而，这些技术不能优化该转换，尤其是不能最小化甲烷和较重有机物质的形成，例如焦油。
在文献GB 2160219中提供了另一示例。
该文献描述了采用等离子体炬的气化过程以从诸如煤和泥煤的碳材料产生主要包括CO2和H2的热气体。该碳材料以粉末形式与氧化剂同时引入燃烧室。碳材料通过围绕等离子体发生器设置的环形导管或通过喷洒器引入气化室，其中环形导管对应于与等离子体流同心的装料的喷射模式，喷洒器对应于相对于等离子体流的装料的横向喷射模式。在该文献中，气化室具有圆柱形形状。
填充有固体碳材料床的罐具有几乎垂直于气化室轴的轴。它用于减少来自气化室的气体混合物的CO2和H2O的含量。
专利GB 2160219中阐述的设备的缺陷为设备与过程相关的显著热惯性。整个设备必须用大量耐火材料隔离，这导致显著的附加成本，且增加设备的尺寸。该设备也具有显著的惯性，导致等离子体炬的大的灵活性和反应区域的非常大的惯性之间的分离。
此外，对该类型圆柱形气化室，等离子体流和材料之间的混合是非常有限的，因为具有非常高粘度的等离子体流不穿透或几乎不穿透所喷射的材料。由于具有非常高的温度(和比等离子体平均温度更高的温度，即比非转移弧等离子体炬中的5000K高很多，这由于用在炬内部对中的电子弧对气体加热引起)且因而具有非常高的粘度的等离子体流的中心轴向部分以先前已知的气化室形状保持“不能接近”所喷射的材料，该混合物更加不理想。
另外，上述一个或另一个类型的反应器的外推限于一定的尺寸和因而一定的处理容量。具体而言，气体的热点或优选通道的发生构成超出一定尺寸的有害限制，这取决于许多参数，尤其是待处理的装料的性质。
增压或未增加的、集成再循环回路或未集成再循环回路的流化床反应器也是已知的。例如，文献US2004/0045279提出在气化区和燃烧区之间产生差别的这种系统，其中，碳装料和/或气化产生的气体的部分用于供给吸热气化变换所需要的能量。
对应于该类技术的大多数过程具有与床的可能粘聚相关的温度限制(～1000℃)，尤其是根据待气化材料的灰分含量。另一问题由于热载体流体或流化剂的再循环的系统腐蚀。因而，由于它们的生物质供应系统，这些过程遭受压力限制。此外，它们受限的操作温度不利于氢气和一氧化碳的最优产生。有必要进一步增加温度，以促进氢气和一氧化碳的形成。已经提出了一些其它技术，例如在专利US6808543中描述的技术，但在效能方面它们仍相对有限。此外，为了控制使得待处理的料几乎不可能流化的灰粘聚现象，该类型的反应器操作在适度的温度，即低于灰的熔化温度的温度。在温度上的该处理条件实际上导致了由该类型反应器产生的合成气体的有限质量。
具有主要由盐或金属熔池构成的反应媒介的反应器也是已知的。
这些设备，如US6110239中所述的设备，利用这种池将碳装料转换成主要由一氧化碳和氢气构成的气体的能力。然而，这种过程需要使用通常难以控制且昂贵的耐火材料。此外，这种反应器在起动和停止时具有热惯性，这导致有时对该过程使用非常有害的使用预防措施。
压力流反应器，例如专利US5620487和US4680035中所述的反应器，具有提供克服使用固定和流化床反应器的局限的方案的益处。这些设备通常需要对待处理的装料的制备(例如固体进入材料的颗粒尺寸)非常好的控制，以在它进入气化反应器时确保足够的转化率。对反应器中温度的处理和控制以及因而对耐火材料的选择也必须给予特别的注意。
文献US5968212或DE4446803描述了可以控制双组分耐火区和冷却区的技术，以考虑热约束。
除了技术之间的该区别之外，已知的过程可以归类为两个主要的类别，即自热设备(即，使用生物质和/或有机废物的一些加热动力以确保吸热转换的设备)和所谓的外热过程(即，在此限定为使用包括生物质的系统外部的能量以确保转换的过程)。
外热过程可以增加一氧化碳和氢气的产量。
所谓的外热气化过程可以使用例如天然气的燃料或电。
如果更适当地至少部分使用电作为能源(除了成本因素之外，温室气体的排放最小可以为决定因素)，尤其可以设想两个加热工具，即：
电弧，和
带有转移或非转移弧的等离子体炬。
因而，已经提出基于使用这些加热工具的一些设备。例如，对电弧和等离子体炬可以分别引用专利US6173002和US5544597。
这些设备的主要不利之一在于在气化反应器出口处的普通气体质量的持续性至少对于使用合成气体作为实际反应剂供给化学过程是不能令人满意的。该局限性主要由于难以确保生物质和/或有机废物与以弧或炬水平产生的等离子体媒介的满意的接触。
更具体而言，该接触并不包括待转换的整个流，且不构成与等离子体气体媒介的充分混合物以完全有效。
所有现有技术在使用和/或潜在能力局限性方面具有一定限制。
总而言之，对每个当前已知的设备，遇到以下问题的至少一个，通常更多：
低材料产出(氢气和一氧化碳)，
需要使用昂贵的反应剂，例如氧气，以防止所产生的合成气体的任何稀释(氮气)，
在所产生的合成气体中从生物质或有机废物的分解得到的副产物(焦油，等)的大量存在。于是，该气体混合物的质量对用作下游化学过程(例如费-托过程)的合成反应剂来说太差，
关于H2/CO比的控制的小的范围，
难以实施，尤其是在起动和停止阶段，
用过(磨损)的耐火材料对合成气体的可能的污染，
复杂控制，
需要大量耐火元件以保护气化反应器，
关于耐火材料选择的约束，以实现满意的寿命/成本比，该选择通常取决于灰分组分和反应器控制模式(热周期的频率)，
在压力下工作的难度，和转换需要的高的反应媒介体积，这导致有害的反应器尺寸(就热平衡和/或用于包装反应器必要的耐火材料量而言)，
和转换凝固相(固体或液体)以及气体的可能小的灵活性(这可能潜在地由于生物质和/或有机废物的预处理引起)。
发明内容
本发明提出可以克服现有技术设备遇到的所有或一些问题的设备。
根据本发明的第一方面，它涉及通过热等离子体气化材料的设备以产生高质量合成气体，所述设备包括混合室或装置，混合室或装置允许至少一个等离子体喷流与待处理的装料的均匀混合。为了考虑产生等离子体/材料混合物的难度(实际上，尤其是等离子体喷流的高粘度)，本发明采用用于确保待处理材料在等离子体媒介中的穿透和最长路径的装置。
材料的喷射在趋于与等离子体媒介均匀化的区域中进行(待均匀化的是等离子体和待处理材料的混合物)。该喷射相对于等离子体喷流进行，从而穿透等离子体流或多个等离子体流(在多个炬的情况下)。
例如，待处理材料的整个流以等离子体喷流的“水平”喷射。
此外，在喷射器(或数个喷射器)出口处的一个或更多的喷射轨道可以为线性或涡流(或二者的组合)，从而控制材料的停留时间。
因而，根据本发明的用于喷射材料的过程基本上不同于现有技术所述的、尤其是专利GB2160219中所述的过程。
如上所述，混合或气化室优选为球形或卵形，以实现等离子体和待处理材料在该室的有效均匀化且最小化热损失。
该形状允许比用圆柱形形状明显更好的均匀性。
通过与现有技术的结构相比，根据本发明的设备优化等离子体反应媒介且减少转换碳装料必要的停留时间。因而，混合区中在壁处的损失可以在等离子体喷流的反应性(其中局部温度水平非常高，存在不相关的或离子化分子)最佳地用于转换的情况下是可接受的。在该技术水平，相对于现有技术设备，根据本发明的设备提出具有减少的尺寸和耐火材料的数量的反应区。
本发明的设备的其它益处之一在于由该设备产生的残余物体积等于或小于现有技术所述设备产生的残余物体积。此外，由于它在原处玻璃化，残余物是惰性的，因而使得能够二次使用或较便宜的处置。
本发明也提出两个主要子组件的组合，即混合子组件或装置(也部分确保装料的预处理或至少装料的预热)和反应子组件或装置。
混合装置包括用于定位用于喷射材料流的装置和用于定位至少一个等离子体源以形成至少一个等离子体喷流的装置，且形成所述材料流和至少一个等离子体喷流的均匀混合区。
以所述混合物流动方向在混合区下游设置的装置形成所述材料和等离子体混合物的反应区。
因而，反应器包括混合室和反应区或室。操作中，等离子体占据混合室体积的大部分，且在转换期间，等离子体/热气体/热颗粒的混合物行进到限定的反应区，从而防止可能引起不希望物质(例如甲烷或焦油)形成的密集温度梯度的出现。
根据具体实施例，装置可以感测或监测反应区中的温度，且温度的该测量值可以用于在混合区中控制产品的喷射，以根据反应区的温度形成对混合区和反应区内壁的保护层。
本发明也涉及通过热等离子体气化材料的设备，以产生高质量合成气体，所述设备包括：
用于混合等离子体和待处理材料的室，包括用于定位喷射所述材料流的装置和用于定位至少一个等离子体源的开口，且形成用于混合所述材料流和至少一个等离子体喷流的区，
用于所述材料和等离子体的混合物的反应的区，所述区与所述室的开口连通且从该开口轴向延伸，
用于测量反应区中温度的装置，
用于控制混合区中至少一种产品的喷射的装置，使得可以根据反应区中测量的温度形成对混合区和反应区内壁的保护层。
本发明可以产生最小化或避免用于混合区和反应区的壁的常规和昂贵的耐火材料的使用的设备。实际上，适当的和受控的保护层的形成使得可以减少壁处的热损失和壁的腐蚀现象，而不使用具体的耐火材料。
反应区优选地具有给予待处理装料足够的停留时间以完成化学反应的形状和体积。该反应区也考虑由于这些转换引起的气体流的增加。混合区和反应区优选为具有减少尺寸的物体。冷却的壁也可以确保过程中非常低的惯性且因而改进的安全条件。
反应区和/或混合区的壁可以包括或由金属耐火材料构成。
如前所述，混合区可以包括带有具体形状的室，尤其是球形或卵形，尤其适于最小化混合区的体积且因而最小化与外部的热交换。
反应区的出口可以配备有产生压力释放的装置，例如喷嘴，以固定合成气体。
根据本发明的设备有利地包括至少一个或两个等离子体源，等离子体源设置为将待处理材料和等离子体的混合物流朝反应区引导。
根据上述实施例之一的设备也可以包括至少部分地用从气化操作获得的至少一种气体供给至少一个等离子体源的装置(气体的再循环)。
可以设置用于冷却混合区和/或反应区的装置。
混合区和/或反应区也可以用构成保护层的材料涂层，例如耐火材料。
用于净化和/或清洁合成气体的装置可以设置在反应区的出口处。
净化和/或清洁装置可以包括预浸区。
这些装置可以包括用于捕获可冷凝材料的装置。
根据实施例，根据本发明用于材料气化的设备可以包括分级设置的第一和至少一个第二气化设备，其中这些设备中的至少一个是根据本发明的设备。
本发明也涉及用于材料气化的方法，所述方法包括：
将所述材料和至少一个等离子体喷流喷入混合区，其中所述材料和所述等离子体喷流相遇且混合，
形成所述材料和等离子体的反应，然后在位于混合区下游的反应区中维持该反应。
可以在反应区中测量温度。根据反应区中的该温度，可以控制产品在混合区中的喷入，以形成混合和反应区内壁的保护层。
待处理材料可以为至少部分固体和/或液体和/或气体。例如，其为固体生物质和/或有机废物和/或液体残余物和/或气体。该材料可以至少部分来自热解和/或例如根据本发明的气化处理，或来自其它已知类型过程。
等离子体喷流可以通过至少一个非转移弧炬形成。
至少一个等离子体炬可以至少部分地由通过从气化过程获得的至少一种气体供应，例如根据本发明的方法。
用于形成混合区内壁保护层的产品包括例如氧化物或碳化物。
反应在混合区中起动且通过等离子体气体分解促进。
可以使用至少两个等离子体喷流，从而将材料和等离子体的混合物朝反应区引导。
混合区出口处的平均温度可以在1000℃和2000℃之间，其中喷流的局部温度可以在例如3000K和8000K之间。反应区中的温度也在1000℃和2000℃之间。
根据本发明的气化操作可以添加反应剂气体进行，反应剂气体包括空气和/或氧气和/或蒸汽和/或一氧化碳和/或甲烷或这些不同物质的组合。
因而，对根据本发明的设备的各种操作模式可以进行各种调节。
由于外部电源系统，根据本发明的设备和方法可以使氢气和一氧化碳的产量加倍(与常规FICFB过程相比)。该技术也防止与氧气气化相关的二氧化碳和蒸汽的形成。
本发明能够从生物质和/或有机废物生产气体产物，该产物具有低于1mg/Nm3、甚至低于0.5mg/Nm3或0.1mg/Nm3的有机污染物(尤其是焦油)浓度。该纯度水平使得它可用于合成，尤其是燃料合成。
附图说明
图1显示了根据本发明的设备。
图2A和2B显示了根据本发明的设备的反应区的替换方案。
图3显示了以非对称结构的根据本发明的另一设备。
图4显示了以分级结构的根据本发明的另一设备。
具体实施方式
结合图1描述本发明的第一实施例。
根据本发明的设备包括第一子组件1，或第一装置，第一子组件1形成用于将待处理材料3、3’与一个或更多的等离子体产生设备2、2’的流(或喷流200、200’)混合的区。
待处理材料可以为固体、液体或气体。例如，它可以是细分的固体生物质和/或热解产物和/或有机废物和/或液体残余物和/或气体。该材料(尤其是在气体的情况下)可以至少部分地来自待处理材料的处理或是待处理材料处理的副产物。当气体再循环供给等离子体发生器2和2’就是如此，图1的箭头210和210’表示。气体的再循环也可以来自本过程下游的步骤(例如，从费-托操作头部气体(head gas)再循环的情况下)。
开口13、13’可以使用喷射装置130、130’将待处理材料流喷射。在适于施加在该设备上的状况的压力时，将考虑它们的温度性能和它们输送受控流的能力。例如，在液体供应的情况下，这些喷射装置可以包括喷雾器或能够增压的直喷嘴端。作为另一示例，在待转换的固体情况下，可以使用增压气动输运装置。
喷射装置可以产生用于喷射待处理材料的轨道，该轨道是线性的、或涡流、或螺旋式；或从线性和旋转运动的组合获得的该材料喷射的轨道。
优选地带有非转移弧的一个或更多的等离子体炬2、2’设置在室周围，以便能够将等离子体喷入室中。
该炬优选地用直接从根据本发明的处理获得的气体(在可行的处理和/或再处理之后)和/或从与它组合的下游过程获得的气体(再循环)操作。也可以使用选定的反应剂(尤其是H2O和/或CO2和/或O2和/或空气)，可选地与先前气体组合，以便在关于由本发明产生的气体组分的可接受性(H2/CO比、再循环气体体积)和过程的收益性(尤其是关于材料平衡和能量平衡)的各种标准之间寻找满意的折衷。
例如，具体地，至少一个炬的供应可以用合成气体流的小部分提供，合成气体流在设备的出口处从根据本发明的处理获得(由箭头210和210’用虚线表示)，或通过从费-托反应获得的所谓的“头部”气体(尤其是甲烷)获得。根据炬的可接受性，也可以选择以蒸汽形式或直接以液体形式的水。
优选地，炬2、2’为非转移弧类型。这种炬实际上不需要炬外部的反电极，且因而可以更换而不干涉混合子组件内部。等离子体喷流水平处的温度在几千摄氏度量级(2000℃到3000℃或更多)。
等离子体源和一个或更多喷射器可以设置为将待处理材料和等离子体混合物流向反应区引导。
多个炬的使用可以在设备内产生更大的功率且/或利用关于位于混合区下游的反应区5a、5b的XX’轴线的对称性。该反应区可以提供对装料转换来说足够的停留时间，以便实现希望的转换水平。这种对称可以控制混合现象的复杂性且最小化壁上等离子体流的热冲击。可选地，可以简化导致等离子体气体和待处理流的混合优化的进口参数。然而，系统的非对称性不应当禁止，因为它利于流的均匀性。
装置1和等离子体源的设置也可以将由炬输送的等离子体流改向，以便等离子体气体和待处理材料的混合物大体上在喷射子组件的出口处跟随反应区5a、5b的纵轴线XX’。
对称也可以限制磨损的不对称性，即区1内壁遭受等离子体气体流的腐蚀和/或磨损现象的不均匀分布。
为了实现连续的优化操作，可以提供能够接收多个炬的设备、和可以隔热进口12、12’之一的隔热装置。该结构可以维持炬，且同时允许导入混合子组件1的其它炬的操作。
混合区1向下游通向反应区的第一部分5a。
混合区的出口15通向该反应区5a，该反应区5a具有可以为例如来自炬的等离子体喷流200、200’汇合(在使用多个炬的情况下)获得的共同等离子体流的轴线XX’。在其它实施例中，该轴线XX’可以从供应待处理流动的设备的轴线移开：在仅使用一个等离子体炬的结构中尤其如此，例如图2所示。
例如，高温计类型的装置50可以感测或测量该反应区5a中的温度。
使用该温度测量，例如在为此进行编程的电子设备或微型计算机52的控制下，以控制在混合区1中用于喷射产品4的装置140，例如氧化物(例如特定地，MgO和/或FeO和/或CaO和/或Al2O3和/或SiO2)，以根据反应区5a中的温度形成对混合区1和反应区5a的内壁的保护层。箭头55表示该控制。
尤其是在待处理装料的流率或性质波动情况下，或在构成待转换装料的灰分的熔化温度和设备的目标温度之间缺乏对应的情况下，可以使用该控制。应用于该设备的电力的调节可以为另一控制装置。
在没有该喷射时，自然沉积物将在设备的内壁上形成，尤其是在含有灰分的装料的情况下。
该区5a中的温度降低引起子组件1和5a、5b(而且60)的内壁上的沉积物厚度的增加。形成的沉积物因而将引起壁处热损失的降低。倘若沉积物的熔化温度对相同的组分固定，该降低将继而引起沉积物厚度的降低。
为了消除该相关性，有利地根据上述模式和控制喷射产品，以调节沉积物的熔化温度。该沉积物可以增加区或室1和区5a、5b的隔热且防止热损失。
区1和5a、5b的内壁的保护层也可以提供对腐蚀的保护。
如图1所示，装置1可以具有配备有接口或开口或孔12、12’、13、13’、14的室的形状，该形状可以限制待处理材料和由一个或更多炬2、2’输送的一个或更多等离子体流200、200’的流量。
为了均匀化材料3、3’的供应，装置或室1可以实现待处理材料流和等离子体喷流200、200’之间的最优接触。具体而言，室的形状可以在由等离子体炬产生的喷流200、200’的体积中提供待处理和/或待转换材料3、3’最亲密的接触。该亲密接触尤其由于引向或引入等离子体喷流200、200’的待处理材料的强制喷射。因而，在混合室中提供喷射，将材料轨道施加在由炬产生的离子化媒介中(温度和组分的特性、和热传导性(轴向和径向非均匀)使得它为非常活性的媒介)。
由于由等离子体气体流动通过待处理材料的悬浮和由等离子体喷流200、200’与该材料的汇合产生的紊流，装置1也可以均匀化等离子体气体和待处理材料的混合物。
此外，该均匀化通过通道截面(炬的截面和喷射子组件的截面之间)增加而增强，使得等离子体气体的流速梯度均匀。
待处理材料3、3’的流和等离子体喷流200、200’的流在相同的汇合区300中相遇，以便促使这两个流的混合。在产生的混合物进入位于下游的反应区或子组件5a、5b之前，这也导致等离子体室1中反应的起动。
等离子体媒介的分解的动力性质可以通过光学装置确定或监测。例如，该装置可以考虑等离子体媒介中颗粒的密度。
优选地，该室也可以支持热流中的可能的变化。这种变化可以在室内壁上出现，且可能由于待处理材料流动供应中的可能的非均匀性和/或不连续性或由于系统的主动停止或由于系统的再起动。该主动停止应当具有相对快的动力性质，以便最小化整个设备不可利用的时间(年不可利用时间优选为低于10％)。一个或更多等离子体炬2、2’的停止也可能发生，例如在加热系统的旋转维护的情况下。因而，该室优选为支持内表面100上预期的热流变化的材料制成。例如，由金属耐火材料制成，例如冷却的耐火钢。由常规耐火材料制成的室，例如砖块或混凝土，将具有过高的制造成本(由于需要周期性更换)和过高的热惯性，且将不可能快速地停止或再起动系统。
室1可以配备有冷却装置。这些装置优选地围绕室设置。例如，它们包括具有冷却流体41循环的双层外壳，例如增压水。
如下所述，这些冷却装置也可以用于冷却反应区，尤其是该区的部分5a。
必要时，该结构可以有利地用补充耐火材料(例如，碳化硅SiC)覆盖，但由于在系统操作时保护壁的沉积物的存在而具有有限的厚度。该补充覆盖物可以吸收任何显著的和突然的热变化。
室内部和周围环境之间的交换表面(与热损失成比例的表面)优选地尽可能小或至少选择为使得设备的热损失(包括室1的水平处的损失)不大于喷入功率的15％(且甚至10％)。从这点来说，球形形状(在图1的情况下)或卵形形状是最优的。如下结合图3所述，该球形或该卵形形状的直径或最大尺度可以为例如几百毫米量级，例如对几兆瓦量级的功率在200mm和400mm或500mm之间。
本发明可以在压力下操作。这可以减少室1的体积(工业使用可获得的或相容的体积可以基于上述提供的直径指标计算)，且因而减少热损失，且在与在下游采用增压合成气体的过程(例如，对操作在30bar左右压力处的费托合成过程)组合的情况下可以节省可能的压缩步骤。
该供应装置优选地植入室的各个喷射孔12、12’、13、13’、14上，以便待处理流动与由炬输送的等离子体流(或使用多个炬得到的总体流)的入射角可以最大化子组件的性能。特定地，例如，图1显示了可行的结构：供应设备和炬位于相同的平面中，且供应系统和炬之间的角均为大约30°。
也通向混合子组件1的开口14可以定位装置140，使得化合物(或化合物的混合物)能够与待处理装料结合，该化合物具有确保在喷射子组件的内壁上和反应子组件(部分5a和/或5b)内壁上形成保护膜(或层)的物理化学属性。如上所述，这些装置40可以用直接基于子组件或反应媒介5a的温度的反馈控制来控制。该化合物的添加尤其适于装料的特性不能够在满意情况下被处理的情况，例如构成待处理流动的灰分不具有足够靠近气化反应器中必须使用的温度的熔化温度。
反应装置5a、5b或反应区紧邻混合区1。混合区1的出口15直接终止于如图1所示的所述反应区5a的进口处。
如上所述，反应可以已经在区1中起动。但材料和等离子体之间的反应的基本部分在第二区5a、5b中发生，其中材料比在相同区1中保持较长的时间。换句话说，该区可以主要改善在混合子组件1中开始的待处理流的转换。为此，第二反应体积5b，优选为显著大于第一反应区5a的体积(例如，大10n倍量级，其中n大于或等于1)，可以附接到第一体积5a。该第二体积可以延长反应区且因而延长希望的停留时间。
取决于待处理或转换材料流的性质，该反应子组件或该反应区5a、5b可以具有多个形状。例如，它可以包括：
压力流反应器，
或自动坩埚式反应器，
或旋风式反应器。
优选地，最少的常规耐火材料用于该反应子组件，且优选为金属耐火材料。该反应区可以被冷却，以便允许从待处理装料的处理形成残余沉积物且保存受保护的金属耐火材料。从这些沉积物获得的固体硬皮或层形成热保护且也形成腐蚀保护厚度。该冷却可以用双层外壳40、41和流体42的循环实现，如上对区1所述。
有趣地注意到，反应区5a、5b的冷却原理上应当导致显著的热损失。实际上，冷却首先用作从待处理材料通量形成保护层或硬皮的装置，保护层或硬皮提供隔热和腐蚀保护，如上所述。
该机制大致上限制了耐火材料的使用，在不使用该沉积现象时，耐火材料的数量将更大。
反应区的部分5a可以具有发散形状，如图2A和2B所示。发散部分可以考虑待处理装料的转换产生的气体体积的增加。
可选地，根据待处理流动的目的和性质，浸渍装置可以从合成气体净化无机部分且固定其组分。这些浸渍装置或子系统60位于补充本发明的元件70上游，使得能够净化和/或清洁由本发明设备产生的气体。
例如，装置60包括发散喷嘴式元件61或具体的“淬火”系统(例如专利US6613127中所述的系统)，其可以包含或可以不包含雾化系统，从而捕获可冷凝材料(尤其是灰分)。惯性分离器70允许所产生气体的净化和/或清洁。
以简化的非对称结构、带有一个炬的本发明的替换方案在图3中显示。使用与图1相同的附图标记表示与图1相同或类似的元件。在该图3中，图1的其它元件(用于供应待处理材料的装置130、130’；用于供应可以形成保护膜的化合物的装置140；回路210、210’；温度测量装置50；反馈回路55等)未示出，但也是该实施例的部分。
在该图中表示的尺寸作为500kW量级产生功率的指标提供如下：
d1在150和200mm之间，
d2在300和400mm之间，
L1在500和3000mm之间，
L2在1000和5000mm之间。
炬的体积流率优选为尽可能低(还是为了确保足够的加热功率同时限制使用大量的气体)。作为指标，例如，该流率为低于100Nm3/h的目标值量级。如上文所述，该流率可以有利地由设备产生的气体构成(再循环)。
对于该功率，该设备能够转换200kg/h量级的生物质流率(基于干标准)。
对于几MW的炬功率，例如大于2MW或5MW或甚至10MW，可以每小时处理几吨材料，例如5吨/小时或更高，例如10吨每小时或更高。该设备的尺寸基于上文提供的指标调节。
对于从第一常规气化级(常规FICFB自热过程)得到的气体的后处理，施加的功率为1MW每吨待处理气体量级。
作为指标，对于具有大约5000K到7000K温度的等离子体喷流，功能子组件中的平均温度可以为大约1300℃到1500℃。
如图1所示，作为指标，具有两个炬的对称设备的尺寸可以为对非对称型式(图3)提到的这些量级。炬的数量主要影响设备产生的功率，在该情况下，单个附加的炬配备混合子组件。更具体而言，炬的数量可以根据过程要求(待产生的功率、容积管理(bulk management)和维护等)调节。对大于实施例示例中提到的炬数，前述系统的大小量级应当考虑炬的单位功率和质量和热流约束重新计算。
其它可替换方案和结构是可行的。例如，根据该过程有关的具体约束，可以有利地产生单个或多个炬叠层，单级或多级供应，具有两或三或大于三级。
图4显示了具有多级供应的单炬组件。
该组件实际上包括各根据本发明实施例之一产生的两级230、250。也可以具有包括根据现有技术的级和下游的根据本发明的级的设备。该组件可以增加待处理材料的处理容量。此外，第二级250可以完成第一级230可能未完成的转换或处理。每一级包括待处理材料的开口13、13’、131、131’。图1或3的其它元件未在该图4中显示，但每一级230、250具有图1或3的结构。
此外，每个混合子组件的炬数主要仅由子组件水平处的容积限定，因而可以实现相对高的功率。作为指标，可以使用各具有大约2MW或以上功率的炬(例如10或15MW量级)。
本发明可以在高温条件(例如在设备或气化区5的核心处平均为1200℃到1500℃之间)下转换生物质和/或有机废物，从而最小化相对于热动力平衡的偏差。该转换用气化剂(也称为反应剂)进行，气化剂通过开口3和/或3’和/或4引导或作为等离子体气体通过炬2、2’引导。该剂可以为空气、氧气、蒸汽、二氧化碳或这些不同物质的组合，优选为以可以在气化设备中提供总体上减少的大气的比例。
可以估计根据本发明的外热过程相对于常规自热过程的益处，尤其是在为了经由费-托过程产生合成燃料的生物质气化的情况下。取决于氢气是否在下游设备的水平处增加(以便调节H2/CO摩尔比)，可以考虑两个外热结构。
表I表示根据所使用的转换过程获得的材料产量(柴油燃料质量对为了产生该燃料需要的干生物质的比)。
它对各种生物质气化过程结构的大小量级比较材料平衡(相对于用于该过程的干生物质的量产生的石油等价物)。该表显示根据本发明的外热过程提供的益处。
在表I中提到的用于比较的各个过程[1]到[4]如下：
[1]：FICFB或Choren过程，
[2]：与第一步骤中产生的气体合作、由根据本发明的后处理级完成的过程[1]，
[3]：根据本发明的过程，且其中输入直接从生物质获得，
[4]：过程[3]，其中引入补充氢气流，以对大约2的H2/CO摩尔比优化H2+CO的数量。
对表I的情况[3]，表I的值基于CO和H2气化反应器的生物质的LHV(低热值，例如15到20MJ/kg)的三分之一平均需要量提供，其中该能量来自生物质本身(相应地折衷材料产出)或来自外部源(外热过程)。为了能够进行燃料合成，H2/CO摩尔比大约为2，这通过“气体变换”或初始系统外部的氢气供应引起调节。
表I
  常规自热过程[1]   分级外热过程[2]   根据本发明的直接外热过程[3]   根据本发明的外热过程，添加氢气[4]
  15％   20％   30％   45％
本发明可以产生具有低于1mg/Nm3、甚至低于0.5mg/Nm3或0.1mg/Nm3的有机污染物(尤其是焦油)浓度的气体产物。该最终纯度水平使得它可用于合成，尤其是燃料或甲烷合成。
最后，本发明可以高温工作，这防止二恶英的形成，尤其是在废物处理情况下。
根据本发明的设备可以以非常少的耐火材料工作，但具有少的损失(小于20％或15％或10％)。
特定地，本发明可以产生包含非常少的杂质且富含氢气和一氧化碳的高质量合成气体。

Claims (32)

1.一种设备，通过热等离子体气化材料以产生高质量合成气体，其特征在于，所述设备包括：
用于混合等离子体和待处理材料的室(1)，室(1)包括用于定位喷射所述材料流的装置且用于定位至少一个等离子体源的开口(12、12’、13、13’、14)，并形成用于所述材料流和至少一个等离子体喷流(200、200’)的均匀混合的区(300)，
用于所述材料和等离子体的混合物的反应的区(5a、5b)，所述区与所述室的开口连通且轴向延伸。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，它也包括：
用于测量反应区中温度的装置(50)，
用于控制混合区(1)中至少一种产品(4)的喷入的装置(52、140)，使得可以根据反应区测量的温度形成混合区(1)和反应区(5a、5b)内壁的保护层。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，反应区具有可以控制从混合区流出的材料和等离子体的混合物的压力和温度的形状。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的设备，其特征在于，反应区在出口处可以配备有产生压力释放的装置(60、61)，以固定合成气体。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，固定装置(60、61)包括预浸区。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的设备，其特征在于，反应区的内壁由金属耐火材料制成，有利地用保护层涂覆。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的设备，其特征在于，混合区(1)的内壁(100)由金属耐火材料制成，用保护层涂覆。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的设备，其特征在于，混合区(1)包括带有球形或卵形形状的室。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的设备，其特征在于，它也包括用于喷射待处理材料的装置(130、130’)，使得可以形成待处理材料的喷射轨道，该轨道是线性的、或涡流的、或螺旋式；或从线性和旋转运动的组合获得的材料喷射轨道。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的设备，其特征在于，它也包括至少一个等离子体源(2、2’)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，至少一个等离子体源具有非转移或转移弧。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，它也包括至少两个等离子体源，至少两个等离子体源设置为将待处理材料和等离子体的混合物流朝反应区引导。
13.根据权利要求10或11或12所述的设备，其特征在于，它包括一个或更多的等离子体源和一个或更多的相应地设置的喷射器，以便将待处理材料和等离子体的混合物流朝反应区引导。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的设备，其特征在于，它也包括至少部分地用从气化操作获得的至少一种气体供应至少一个等离子体源的装置(210、210’)。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的设备，其特征在于，它还包括用于冷却混合区和/或反应区的装置(40、41)。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的设备，其特征在于，混合区和/或反应区也用耐火材料覆盖。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的设备，其特征在于，它也包括在反应区的出口处净化和/或清洁或分离有机和无机相的装置(70)。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述净化和/或清洁装置(70)包括用于捕获可冷凝材料的装置。
19.一种用于材料气化的设备，其特征在于，它包括分级设置的第一和至少一个第二气化设备(230、250)，其中这些设备中的至少一个是根据权利要求1到18中任一项所述的设备。
20.一种用于材料(3)气化的方法，其特征在于所述方法包括：
将所述材料(3)和至少一个等离子体喷流(200、200’)喷入混合区(1)，其中所述材料和所述等离子体喷流相遇且均匀地混合，
起动所述材料和等离子体的反应，然后在位于混合区下游的反应区(5a、5b)中实际维持该反应。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，它也包括：
测量反应区中的温度，
根据反应区中的该温度，控制产品在混合区中的喷射，以形成混合区内壁的保护层。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，待处理材料至少部分为固体和/或液体和/或气体。
23.根据权利要求20到22中任一项所述的方法，其特征在于，待处理材料为固体生物质和/或有机废物和/或液体残余物和/或气体。
24.根据权利要求20到23中任一项所述的方法，其特征在于，该材料至少部分来自待处理材料的处理。
25.根据权利要求20到24中任一项所述的方法，其特征在于，等离子体喷流通过至少一个非转移弧炬(2、2’)形成。
26.根据权利要求20到25中任一项所述的方法，其特征在于，等离子体喷流由至少一个等离子体炬形成，所述至少一个等离子体炬至少部分地或全部通过从根据权利要求20到25中任一项所述的气化方法获得的至少一种气体供应。
27.根据权利要求20到26中任一项所述的方法，其特征在于，用于形成混合区内壁保护层的产品包括氧化物。
28.根据权利要求20到27中任一项所述的方法，其特征在于，反应区在混合区中起动。
29.根据权利要求20到28中任一项所述的方法，其特征在于，它包括喷射至少两个等离子体喷流，从而将材料和等离子体的混合物朝反应区引导。
30.根据权利要求20到29中任一项所述的方法，其特征在于，混合区的温度在1000℃和2000℃之间。
31.根据权利要求20到30中任一项所述的方法，其特征在于，反应区中的温度在1000℃和2000℃之间。
32.根据权利要求20到31中任一项所述的方法，其特征在于，气化操作借助于反应剂进行，反应剂包括空气和/或氧气和/或蒸汽和/或二氧化碳或这些不同物质的组合。
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