CN101479365A - 用于与气化器一起使用的热量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供将从含碳原料气化过程的热的产物回收的热量再循环返回至所述气化过程的系统。所述热的气态产物用来加热诸如空气和水的工作流体，以产生热的空气、热的水或蒸汽。所述经加热的流体用来将热量返回至所述气化过程。所述系统也包括控制系统，所述控制系统通过使所述过程的能量消耗最小化以及同时使能量产生最大化而优化气化过程的效率。

Description

用于与气化器一起使用的热量回收系统

技术领域

本发明涉及含碳原料的气化，尤其是涉及以下系统：回收由气化过程产生的热量并将其再循环用于系统内使用和任选地用于外部应用。

背景技术

气化是使含碳原料例如市政固体垃圾(MSW)或煤能够转化为可燃气体的过程。该气体可被用来产生电、蒸汽或者作为生产化学品和液体燃料的基本原料。对该气体可能的使用包含：在锅炉中燃烧来生产蒸汽，以用于内部处理和/或其它外部目的，或者用于通过蒸汽涡轮产生电；直接在气体涡轮或气体引擎中燃烧用于生产电；燃料电池；生产甲醇和其它液体燃料；作为进一步原料用于生产诸如塑料和肥料的化学品；提取氢气和一氧化碳作为离散工业燃料气体；以及其它工业应用。

通常，所述气化过程由以下步骤组成：将含碳原料连同控制量的和/或限制量的氧气和任选地蒸汽一起加入加热室(所述气化器)。与焚化和燃烧形成对比，所述焚化和燃烧以过量的氧运行来产生CO₂、H₂O、SO_x和NO_x，气化过程产生包括CO、H₂、H₂S和NH₃的粗气体组分。清洁之后，感兴趣的初级气化产物是H₂和CO。

有用的原料可包含：任何市政垃圾、由工业活动产生的垃圾和生物医药垃圾、污水、污泥、煤、重油、石油焦炭、重精炼残余物、精炼厂垃圾、烃污染的土壤、生物质和农业垃圾、轮胎和其它危险垃圾。根据原料的来源，挥发物可包含：H₂O、H₂、N₂、O₂、CO₂、CO、CH₄、H₂S、NH₃、C₂H₆、不饱和烃如乙炔、石蜡、芳族化合物、焦油、烃类液体(油)和烧焦物(tar)(炭黑和灰分)。当原料被加热时，水是第一种析出的成分。当所述干原料的温度升高时，高温分解发生。在高温分解期间，原料被热分解释放焦油、苯酚和轻质挥发性烃类气体，同时所述原料被转化为烧焦物。

烧焦物包括由有机和无机材料组成的残余物固体。高温分解之后，所述烧焦物与所述干原料相比有较高浓度的碳，且可用作活性碳的来源。在高温(>1,200℃)运转的气化器中或在具有高温区的系统中，无机矿物质被熔融化或玻璃化以形成熔化的玻璃样物质，称为熔渣。

因为所述熔渣是熔融、玻璃状态的，通常发现是无危险的，且可作为无危险材料在垃圾填埋场处理，或者作为矿石、路基或其他建筑材料出售。由于燃料在加热过程的极端浪费以及作为残余物垃圾、材料(其能够被转化为有用的合成气和固体材料)处理过程的进一步的浪费，通过焚化处理垃圾材料变得较不如意。

实现气化过程的手段以多种方式变化，但是依赖四个关键的工程因素：气化器中大气(氧气的水平或者空气或蒸汽的含量)；气化器的设计；内部和外部加热装置；以及所述过程的操作温度。影响产物气体的质量的因素包含：原料组分、制备和颗粒大小；气化器加热速率；停留时间(residence time)；工厂结构，包含其是否采用干式或泥浆给料系统、原料反应物流量几何学、干灰分的设计或熔渣矿物移除系统；其是否使用直接或间接热产生和传送方法；以及合成气清理系统。气化通常在以下条件下执行：温度范围约650℃至1200℃，或者真空下、大气压下或者压力达约100个大气压。

已有多个系统被提议用来捕获气化过程产生的热，并且利用这样的热产生电，这通常被称为组合的循环系统。

在通过所述方法和整个气化体系产生的大量可回收的显热(sensibleheat)耦合的产物气体中的能量，通常能够产生足够的电以驱动该过程，从而减缓地方电消耗的开支。气化一吨含碳原料必需的电能的量直接取决于原料的化学组成。

如果在气化过程中产生的气体包括宽范围的挥发物，诸如趋于用“低质量”的含碳原料在低温气化器中产生的气体种类，其通常被称为排出气。如果气化器中的原料的特征和条件产生CO和H₂是主要化学物种类的气体，该气体被称为合成气。在通过气体质量调节系统冷却和清洁之前，一些气化设备采用技术将原排出气或原合成气转化为更精炼气体组分。

利用等离子体加热技术来气化材料是已被商业上应用许多年的技术。等离子体是高温发光气体，其至少部分被电离并且由气体原子、气体离子和电子组成。等离子体能够以这种方式使用任何气体来生产。因为气体可以是中性的(例如，氩气、氦气、氖气)、还原性的(例如，氢气、甲烷、氨、一氧化碳)或氧化性的(例如，空气、氧气、二氧化碳)，这对等离子体中的化学反应给了良好的控制。在体相(bulk phase)中，等离子体是电中性的。

一些气化体系采用等离子体热以在高温下推动气化过程和/或通过以下来精制排出气/合成气：添加或不添加其它输入或反应物的情况下，将较长链的挥发物和焦油转化、重组或重整为较小的分子，当气态分子与等离子体热接触时，它们将离解为它们的组成原子。这些原子中的许多将与输入分子反应形成新的分子，而其它的可以与它们自己再组合。随着与等离子体热接触的分子温度的降低，所有原子完全再组合。当输入气体可被化学计算地控制时，输出气体可被控制例如生产大量水平的一氧化碳和少量水平的二氧化碳。

以等离子体加热可实现的非常高的温度(3000至7000℃)使高温气化过程能够进行，其中实际上可提供任何以下输入原料：包括在接收条件下的废物，其包括任何形式的液体、气体和固体或可提供的组合。等离子体技术可置于初级气化室中以使所有反应同时发生(高温气化)，可置于系统内以使它们连续发生(低温气化，伴随高温精炼)，或者它们的一些组合。

含碳原料的气化期间产生的气体通常是非常热的，但是可含有少量的不需要的化合物，需要进一步的处理将其转化为可用的产物。一旦将含碳材料转化为气态后，不需要的物质诸如金属、硫的化合物和灰分可从气体中除去。例如，干式过滤系统和湿式洗涤器通常用来从气化期间产生的气体中除去颗粒物质和酸性气体。已经开发的许多气化系统，包括处理气化过程期间产生的气体的系统。

这些因素已经在以下描述的各种不同系统的设计中进行了考虑：例如，在美国专利第6,686,556、6,630,113、6,380,507；6,215,678、5,666,891、5,798,497、5,756,957号和美国专利申请第2004/0251241、2002/0144981号中。也存在许多专利涉及在多种应用中使用的、用于产生合成气体的煤的气化的不同技术，其包含美国专利第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。

现有系统和过程还没有充分地解决必须在连续变化的基础上处理的问题。一些这些类型的气化系统描述用于调节从气化反应产生有用的气体的过程的装置。因此，重要的进步是：在本领域以最大化过程和/或包括全部过程的步骤的总效率的方式，提供能有效气化含碳原料的系统。

提供该背景信息的目的是申请人相信已知信息是与本发明可能相关的。并不企图承认，也不应当解释任何前述信息组成本发明的现有技术。

发明内容

本发明提供用于通过以下方法来优化气化含碳原料的效率的系统：从气化过程回收显热并将其再循环用于系统内使用和任选地用于外部应用。

本发明提供再循环从热气体回收的热量并将所述回收的热量返回气化器的系统。尤其是，所述系统包括将所述热气体传送到气体-流体热交换器的装置，在所述热交换器中，来自热气体的热量被传送至流体来产生加热的流体和冷却的气体；以及将所述加热的流体传送至所述气化器的装置。所述加热的流体被传送至所述气化器来提供驱动所述气化过程要求的热量。所述加热的流体也可任选地用来直接或间接地预热或预处理要气化的原料。

根据本发明的一个实施方式，所述系统也包括控制系统，该控制系统包括用于监控所述系统的运转参数的传感元件和用于调节所述系统内的运转条件以优化所述气化过程的响应元件，其中所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据来调节所述系统内的运转条件，从而通过最小化所述过程的能量消耗，同时也最大化能量产生来最优化气化过程的效率。

根据本发明的一个方面，提供以下方法：用于通过使用气体-流体热交换器将气化过程产生的显热再循环返回所述气化过程来提高含碳原料气化过程的效率。所述方法包括以下步骤：通过所述气体-流体热交换器传送热的产物气体；通过所述气体-流体热交换器传送所述冷的流体；将来自所述热的产物气体的热经由所述气体-流体热交换器传送至所述冷的流体，以产生经由冷却的产物气体出口从所述热交换器排出的冷却的产物气体和经由加热的流体出口从所述热交换器排出的加热的产物气体；以及使用所述加热的流体来为所述含碳原料气化过程提供热。

附图说明

本发明的这些和其它特征在以下参考所附附图的详细描述中将变得更加清楚。

图1是根据本发明的一个实施方式用于再循环热的系统的方块流程图，所述热从气化过程的热气体产物返回气化器中回收。

图2是根据本发明的一个实施方式使用热交换器和热量回收式蒸汽发生器(heat recovery steam generator)从气化过程的气体产物中回收热的方块流程图。

图3是根据本发明的一个实施方式用于冷却热气体产物的系统的方块流程图，包含用于从气化过程的气体产物中回收热的热交换器，以及用于进一步产物气体冷却的淬火步骤。

图4A是示出根据本发明的一个实施方式气体-空气热交换器的功能需求的示意图。

图4B是描述根据本发明的一个实施方式气体-空气热交换器的示意图。

图5是描述根据本发明的一个实施方式气体-空气热交换器的示意图。

图6是根据本发明的一个实施方式的转化器及其各种输入的示意图。

图7是描述根据本发明的一个实施方式的交换蒸汽的可能的最终用途的示意图，所述交换蒸汽通过从热回收蒸汽发生器中的产物气体回收热而产生。

图8是示出根据本发明的一个实施方式的将交换空气传送到转化器的管道系统的示意图。

图9是描述根据本发明的一个实施方式的系统内各种温度控制的高水平构思(high level concept)的示意图。

图10是示出根据本发明的一个实施方式的气体流量/压力控制子系统的高水平视角的示意图。

图11A至11I是描述本发明的各种实施方式的概况的方块流程图。

图12是穿过气化器的一个实施方式的剖面视图，其根据本发明的一个实施方式详细设计原料输入、气体出口、固体残余物出口和交换空气进口的位置。

图13是穿过气化器的一个实施方式的中心纵向剖视图，其详细设计原料输入、气体出口和空气箱(air boxes)的位置。

图14详述装配有图13中图示的气化器的空气箱。

具体实施方式

除非另外指出，本文使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的具有相同的含义。

如本文使用的，术语“大约”指离额定值+/-10％的变差。应该理解这种变差总是包含在本文所提供的任何给定值中，无论其是否被明确指出。

用于本发明的目的，术语“合成气(或合成气体)”指气化过程的产物，且除其它诸如甲烷、氮气和水蒸气的气态成分之外，可包含一氧化碳、氢气和二氧化碳。

如本文使用的，术语“交换空气”指已经使用显热(sensible heat)加热之后的空气，所述显热来自使用根据本发明的气体-空气热交换器的产物气体。使用如本文所述的系统加热气体而不是空气在本发明的范围之内，所述气体包含，但不限于，氧气或富氧空气。

如本文使用的，术语“转化器”指用于将含碳原料转化为粗合气体产物(也称为产物气体)的仪器。所述转化器包含气化器和等离子体气体重整器。

如本文使用的，术语“(含碳)原料”可是任何适合用于本气化过程中气化的含碳材料，其可包含，但不限于：废料、煤(包含不适合用在燃煤动力发生器中的低级、高硫煤)、石油焦炭、重油、生物质、污水污泥、来自制浆造纸厂(pulp and paper mills)的污泥以及农业废物。适合气化的废料既包含有危险的又包含无危险的废物，诸如市政废物、由工业活动产生的废物(涂料污泥、不合格涂料产物、失效吸附剂(spent sorbents)、汽车废物、废旧轮胎和生物医药废物；任何不适合用于再循环的含碳材料，包含不可再循环的塑料、污水污泥、煤、重油、石油焦炭、重精炼厂残余物、精炼厂废物、烃污染的固体废物和生物质、农业废物、轮胎、危险废物、工业废物和生物质。对气化有用的生物质的实例包括，但不限于：废木材或新鲜木材、来自水果的残留物、蔬菜和谷物的加工、造纸厂残余物、稻草、草和肥料。

如本文使用的，术语“产物气体”通常意指通过用于除去污染物的方法在冷却和清洁之前由气化设备产生的气体。依赖气化设备的设计，其能够用来指例如粗排出气、粗合成气、经重整排出气或重整合成气。

如本文使用的，术语“气体-空气热交换器”和“气体热交换器”是可互换的，且指用来使显热从热气体传送至空气的热交换器。

“传感元件”被定义为描述系统的任何元件，所述系统被配置以感测过程、过程输入或过程输出的特征，其中这样的特征可由特征值来表示，所述特征值可用在监控、调节和/或控制所述系统的一种或多种局部、区域和/或全局过程。传感元件可包含，但不限于，用于以下的传感器、检测器、监控器、分析仪或它们的任意组合：感测过程，流体和/或材料温度、压力、流量、组分和/或其它这样的特征，以及在所述系统内的任何给定点处的材料位置和/或安置，和用在所述系统内的任何过程装置的任何运转特征。

“响应元件”被定义为描述被配置以响应感测的特征的任何元件，以便根据一个或多个预先确定的或计算的控制参数，来操作与之可操作性地连接的过程装置，其中所述一个或多个控制参数被定义以提供预期的过程结果。响应元件可包含，但不限于，驱动器、静态的和/或动力学可变功率源、感应器(inducers)和任何其它可基于一个或多个控制参数配置以影响装置物理行为的元件。响应元件可操作性地耦合至各种过程装置，其可包含，但不限于，材料输入机构、等离子体热源、添加剂输入工具、气体鼓风机、添加剂输入鼓风机、气流调节器、添加剂输入流调节器、固体残余物调节器、残余物输入调节器和等离子体热源调节器，以及其它可运转来影响任何局部、区域和/或全局过程的过程装置。

本发明提供用于通过最小化过程中的能量消耗同时也最大化能量产生而优化含碳原料气化为气态产物的过程的效率的系统。尤其是，本发明提供与气化器一起使用的热再循环系统，其中来自气化过程的显热被有效回收，且其中所述回收的热被传送到所述系统内的一个或多个过程，以及任选地传送到所述系统外的过程。

所述系统包括用于从热的产物气体回收热的热交换系统，其中所述热交换器将显热从所述产物气体传送至合适的流体。适合用于本热交换过程的流体包含，但不限于，空气、水、油、或其它气体，诸如氮气或二氧化氮。尤其是，所述系统包括用于将气化过程的热的产物气体传送到气体-流体热交换器的管道系统，其中来自所述热的产物气体的热被传送到流体，以产生加热的流体和冷却的产物气体。所述系统进一步包括用于将所述加热的流体传送到所述气化过程的另外的管道系统。

在一个实施方式中，所述气体-流体热交换器是气体-空气热交换器，其中，将热从所述产物气体传送给空气，以产生加热的交换空气。在一个实施方式中，所述气体-流体热交换器是热回收蒸汽发生器，其中将热传送给水，以产生加热的水或蒸汽。

根据本发明的一个实施方式，如图1示意性描述的，提供用于将气化过程期间产生的热传送回转化器1000以驱动气化反应的热再循环系统5000。在本实施方式中，这通过以下来完成：用来自气体-空气热交换器5100中的转化器1000中产生的热的产物气体5020的热加热空气5010，以产生加热的空气产物(以下简称交换空气5015)和冷却的产物气体5025；以及将加热的交换空气5015送回所述转化器1000。

能量效率之所以通过该系统优化，是因为回收的显热再循环返回气化过程减少了用于以下的要求从外界来源进行能量输入的量：干燥、挥发和气化所述原料的步骤。所述经回收的显热也可用于最小化达到规定的产物气体质量要求的等离子体热的量。这样，本发明允许含碳原料的有效气化，其中气化要求的热由热的交换空气来提供，其中所述热的交换空气已经使用从所述热的产物气体回收的显热加热。

从产物气体传送至加热的交换空气的显热也能够用于外部加热应用，以及气化过程中其它地方的加热应用。

例如，加热的交换空气能够被直接地或间接地用于预热或预处理将要气化的原料。在直接加热/预处理步骤的情况下，交换空气直接穿过所述原料来加热和/或移除水分。在间接加热/预处理步骤的情况下，热从加热的交换空气传送至油(或水以产生蒸汽)，其中加热的油(或蒸汽产物)用来加热原料干燥器/预热器的壁。在任何情况下，显热的再循环最小化这些加热应用要求的能量输入的量。

因此，将来自加热的交换空气的热传送至任何感兴趣(of interest)的工作流体在本发明的范围内。这样的感兴趣的工作流体包含，但不限于，油、水或其它这样的气体，诸如氮气或二氧化碳。当热被传送给工作流体而不是空气时，使用合适的热交换系统。

热在气体-空气热交换器中回收之后，尽管产物气体被冷却，但是可能仍含有太多的热，以至于不能过滤和调节步骤，如本领域已知的。本发明因此也任选地在这样的后续过滤和调节步骤之前，提供产物气体的进一步冷却。

在图2所述的实施方式中，热再循环系统5001用来自气体-空气热交换器5102中的热产物气体5020的热加热空气5010，以产生加热的空气产物(以下简称交换空气5015)和部分冷却的产物气体5023，以及将加热的交换空气送回转化器1000。

热再循环系统5001也包含用于在其已经穿过气体-空气热交换器5102之后，从部分冷却的产物气体5023回收额外的热的子系统。因此，系统5001进一步包括热回收蒸汽发生器5302，借此从产物气体回收的额外的热用于将水5030转化为蒸汽(简称为交换蒸汽5035)，从而也产生完全冷却的产物气体产物5025。

在热回收蒸汽发生器中产生的交换蒸汽能够用于驱动诸如蒸汽涡轮的下游能量发生器，和/或用在直接驱动涡轮中，和/或能够加到气化过程。交换蒸汽也能够用在其它系统中，例如，用于从沥青砂中提取油或在局部加热应用中，或其能够供给当地工业客户用于他们的目的。在一个实施方式中，使用从产物气体产生的蒸汽是饱和蒸汽。在另一个实施方式中，使用从产物气体产生的蒸汽是超热蒸汽，其能够直接通过水和产物气体之间或者饱和蒸汽和产物气体之间的热交换而产生。

本发明的系统用于与转化器一起使用，原料在所述转化器中转化(经由排出气媒介)为热的粗气态产物。与本发明一起使用的典型的转化器包括原料进口，用于输入要气化的原料；一个或多个交换空气进口，用于提供加热的交换空气以驱动该气化过程；热的产物气体出口；以及任选地一个或多个过程添加剂进口。所述转化器也包括一个或多个等离子体热源，用来将所述气化过程的所述排出气媒介转化为粗产物气体。

其中，所述系统不包含用于在其已经穿过气体-空气热交换器之后从部分冷却的产物气体回收额外的热的系统，用于在可提供调节之前进一步冷却产物气体的另一个系统。在一个实施方式中，如图3所述，所述系统5003，除冷却气体-空气热交换器5102中的热的产物气体5020，以产生部分冷却产物气体5023和加热的交换空气5015之外，还包括在调节之前用于进一步冷却产物气体的干法淬火步骤6103。该淬火步骤通过添加控制量的雾化水(atomized water)6030提供来从产物气体中除去过多的热量，以在可能要求后续过滤和调节步骤时提供冷却的产物气体5025。选择合适的系统用于在调节之前进一步冷却产物气体在本领域工作人员的知识范围内。

根据本发明的一个实施方式，本系统也包括：控制子系统，包括用于监控所述系统的运转参数的传感元件；以及响应元件，用于在所述系统之内调节运转条件以优化气化过程；其中，所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据在所述系统内调节所述运转条件，从而通过最小化所述过程的能量消耗同时也最大化能量产生来优化气化过程的效率。

控制子系统也可用来优化产生的产物气体的组分(即，热值)，且任选地以确保所述系统维持在安全运转参数范围内。

热交换器

本发明提供用于以下的系统：将气化过程中产生的热传送回气化器以驱动气化反应。这能够通过以下来实现：使用热交换系统(例如，气体-流体热交换器)从热的产物气体回收显热而将来自产物气体的热传送给合适的工作流体，从而产生加热的流体和冷却的产物气体。在一个实施方式中，在气体-流体热交换器中产生的加热的流体被送回气化器中。

在一个实施方式中，所述气体-流体热交换器包括一个或多个气体-空气热交换器。

对气体-空气热交换器的功能性要求在图4A中示出，其中热的产物气体5020和空气5010各自穿过所述气体-空气热交换器5104A，从而显热从所述热的产物气体5020传送给所述空气5010(通过过程空气鼓风机5012来鼓风)，以提供加热的交换空气5015和冷却的产物气体5025。

不同种类的热交换器可用在本系统中，其包含壳管式热交换器，既有直的单程设计，又有U管的多程设计，以及板式热交换器。选择合适的热交换器在本领域普通技术人员的知识范围内。

一些颗粒物将存在于产物气体中，这样所述气体-空气热交换器被特定地设计用于高水平的颗粒负荷。颗粒大小典型地在0.5至100微米之间。在图4B中描述的一个实施方式中，所述热交换器是单程竖值流动热交换器5104B，其中产物气体5020在管侧流动，而空气5010在壳侧流动。在单程竖值流动实施方式中，产物气体5020以“一次通过”的设计竖值流动，其最小化了颗粒物可能发生堆积或腐蚀的区域。

产物气体速度应该维持在足够的高度，用于自清洁同时仍然最小化腐蚀。在一个实施方式中，气体速度在3000至5000m/min之间。在正常流动条件下，气体速度从约3800m/min到约4700m/min。

由于空气输入温度和热的产物气体显著不同，因此，所述气体-空气热交换器中的各管有单独的膨胀风箱(individual expansion bellows)以避免管破裂。管破裂可在以下情况发生：单个管变的堵塞，且因此不再随剩余的管束膨胀/收缩。在那些实施方式中，过程空气压力比过程气体压力大，管束由于空气进入气体混合雾造成的问题而表现高度危险。

在本发明的一个实施方式中，所述系统间隙式运行，即根据要求，使之经历多次起动(和关闭循环。因此，重要的是设备必需设计以经受重复的热膨胀和收缩。

为了最小化管泄漏引起的危险潜在性，本发明的系统进一步包括一个或多个单独的温度传送器(transmitters)，如图5所述，例如，温度传送器5581位于产物气体进口5521处，且温度传送器5582位于气体-空气热交换器的产物气体出口5526处，以及温度传送器5583位于交换空气出口5517处。其中，温度传送器与气体-空气热交换器5105的产物气体出口5526相联合，所述温度传送器被安置以检测由以下造成的温度上升：如果交换空气泄漏进入产物气体管道中发生的燃烧。检测这样的温度上升将早场所述过程空气鼓风机5012自动关闭，从而消除氧气来源。

其中，温度传送器与气体-空气热交换器5105的交换空气出口5517相联合，该温度传送器用来确保交换空气的温度维持在气化过程要求的设置温度范围内。为了避免向所述气化过程提供太多的加热的交换空气(或交换空气太热)，其可造成过度加热原料，所以控制阀5590被打开以将过量的交换气体排出到大气。

此外，根据要求，提供带有用于以下的端口的热交换器：使用仪器、检查合维护，以及管道的修理和/或清洁。

在一个实施方式中，气体-流体热交换器是热回收蒸汽发生器，其使用回收的热产生交换蒸汽。在一个实施方式中，水以低温蒸汽的形式提供入热交换器中。在另一个实施方式中，产生的交换蒸汽是饱和的或过热蒸汽。

如此产生的交换蒸汽能够用作气化过程的过程蒸汽添加剂，或用来驱动涡轮以产生电或驱动旋转式过程设备，例如，气体鼓风机。

在转化过程内未用来产生电或驱动旋转过程设备的蒸汽，可用于其它商业目的，诸如局部加热应用，或用于对从沥青砂提取油进行改进。交换蒸汽也能够用来间接地加热原料容器中的原料，从而在转化器中气化之前干燥原料。

本发明的一个实施方式中所采用的热回收蒸汽发生器是壳管式热交换器，其中产物气体竖值地流过管，且水在壳侧煮沸。

用于热回收蒸汽发生器的热交换系统基于下述理解而设计：一些颗粒物将存在于产物气体。另外，此处产物气体速度也被维持在用于所述管的自清洁，同时最小化腐蚀的足够高的水平。

用于与该系统一起使用的转化器

本系统包含用于将原料转化未气态产物的转化器。该转化经由原料的气化和媒介气态产物的重整而发生。原料气化阶段包含：i)干燥原料以移除残留水分，ii)挥发所述干燥的原料的挥发性成分以产生烧焦物(char，炭)中间体，以及iii)将所述烧焦物转化未排出气和灰分。气化过程的气态产物因此包含挥发性成分和排出气，任选地使其经历重整步骤以提供气态产物。在一个实施方式中，所述重整步骤是等离子体辅助的重整步骤。

所述转化器因此包括：具有至少一个原料进口的内衬耐火材料的室、一个或多个交换空气进口、气体出口以及固体残余物出口。任选地，所述转化器也包括一个或多个过程添加剂进口以及一个或多个等离子体热源。

在一个实施方式中，所述转化器是水平取向气化器，其中原料通过位于所述气化器一端的原料进口进入所述气化器。当其向位于所述气化器相对端的固体残余物出口传送时，所述原料经历气化。

所述气化过程也可以在本领域已知的多个标准气化器中的一个中执行。本领域已知的气化器的实例包含，但不限于，夹带流反应器、流化床反应器和旋转窑反应器，其中每一个适合接收以下述形式的原料：固体、颗粒、泥浆、流体、气体或它们的组合。所述气化器可具有宽范围的长度与直径的比，且可能被竖值地或水平地取向。

根据本发明，在这些实施方式中的每一个，所述气化过程通过经由合适的加热的流体的进口将加热的流体适当地引入而促进(is facilitated by)。在一个实施方式中，气化过程通过经由交换空气进口将加热的交换空气引入而促进。

根据本发明，所述加热的流体可根据要求通过独立的加热的流体的进料和分配系统提供给不同区域的气化器。

在一个实施方式中，所述加热的流体的进料和分配系统包括允许将加热的交换空气引入所述气化区域的交换空气进口。

这些进口被安置在转化器内部，以分配整个转化器的加热的交换空气来启动和驱动原料的气化。在一个实施方式中，所述交换空气进口包括位于气化器底板中的穿孔。在一个实施方式中，所述交换空气进口包括位于气化器壁中的穿孔。

在一个实施方式中，所述交换空气进口包括每个区域分离的空气箱，从该空气箱热的交换空气能够穿过转化器的地板中的穿孔进入那个区域。在一个实施方式中，所述交换空气进口是用于每个区域的独立地控制的分散器(spargers)。

任选地，为了避免在处理期间交换空气进口堵塞，这样选择进口孔大小使得其产生限制并从而穿过每个孔的压力下降。该压力下降足以防止废物颗粒进入进口孔。所述进口孔可任选地是朝向上面的向外的锥形，以排除在孔中堵住。

可这样设计所述转化器使得用于将原料转化为产物气体(气化和重整步骤)的过程均一般发生在在所述系统内的单一区域或室中。

也可这样所述气化器使得原料向产物气体的转化过程在一个以上区域中发生，即，其中所述气化和重整步骤在一定程度上彼此分离，并发生在所述系统内的非连续区域中。在这些种类的转化器中，所述过程发生在分离的室中的一个室内的一个以上的区域中，或它们的某种组合，其中该区域相互流体连通。

在多区转化器中，第一个或主要的区域或室(也称为气化器)用来加热原料以干燥原料，提取原料的挥发性的成分，并将产生的烧焦物转化为气态产物和灰分，从而产生排出气产物，而第二区域或室(也称为重整器)用来将等离子体热和其它过程添加剂应用于确保将排出气和挥发物完全转化为产物气体。其中，两个或更多的不同区域用于气化原料并将排出气转化为产物气体，排出所述转化器的最后区域的气体是产物气体。

在一个实施方式中，气化过程的不同阶段可发生在气化器的不同区域。本领域技术人员将理解，从概念上来说，在任何位置的气化器中的条件可根据(in response to)那个特殊位置处的原料的特征通过将所述气化器分隔为非限定数量的区域而优化。然而，此概念的实践实施方式是根据较大范围的一般或普遍的原料特征将气化器分隔为无限个经优化的区域。本领域技术人员应当清楚，气化器依赖原料的特征可因而被分隔为两个、三个、四个或五个区域。

根据本发明的一个实施方式，气化过程的每个阶段通过经由合适的交换空气进口将合适量的加热的交换空气适当地引入。

原料经由一个或多个原料进口引入，其被处理以对加热的交换空气或其它加热的流体提供最佳原料暴露，用于将原料完全和有效地转化为气态产物。

在一个实施方式中，本系统允许在引入所述转化器之前与原料结合或穿过专用的HCF进口而供应诸如切碎的塑料的高碳原料，从而使得能够对较高或较低碳的输入的过程要求快速响应以满足要求的气体品质。

可选的过程添加剂进口提供向转化器添加气体，诸如氧气、空气或富氧空气或其它对气化过程有用的气体。所述过程添加剂进口可包含空气输入端口、蒸汽输入端口、交换空气输入端口和交换蒸汽输入端口。这些端口被安置在所述转化器内，用于整个过程添加剂的最佳分配。所述蒸汽添加剂可由热回收蒸汽发生器来提供。

在所述交换空气中的氧气也用来平衡产生要求产物气体和移除最大量的碳的化学行为。氧气也启动或增加产生一氧化碳、二氧化碳、氢气或其它大的碳氢化合物颗粒的放热反应速度。来自所述放热反应的热与由加热的交换空气和/或其它加热的流体提供的热，一起增加了转化器中的过程温度。

图6是示意性视图，概述与用于和本发明的系统一起使用的转化器的一个实施方式相关的各种输入和输出。该实施方式是包括具有原料进口2604的水平取向气化器2006的转化器1006，其中所述原料包括市政固体废物MSW和高碳原料HCF(诸如塑料)的组合。所述转换器1006具有多个交换空气进口2619A、2619B和2619C，其被定位以根据气化反应的要求提供交换空气5015。所述转化器也在最接近于等离子体焰炬3008处具有交换空气进口3616和蒸汽进口3630，以根据等离子体重整反应提供空气和蒸汽添加剂。所述转化器1006具有与固体残余物调节室4620流动连通的固体残余物出口2608。

材料被横向移动穿过所述气化器，以便促进气化过程(干燥、挥发、烧焦物-灰分转化)的特定阶段。该材料穿过气化器的横向运动经由使用一个或多个横向传送单元来实现，其可包含，但并不限于，可移动架、可移动平台、推动器滑枕(pusher ram)、犁状件、螺旋元件或带。

所述一个或多个横向传送单元能够以协调方式起作用，或单独的横向传送单元能够独立地起作用。为了优化控制材料流速和堆高度，单独的横向传送元件能够以变化的速度、变化的移动距离、变化的移动频率单独移动。所述横向传送单元必须能够在所述气化器的恶劣条件下，尤其是必须能够在高温下有效地运转。

所述转化器具有耐火材料衬里，其可是本领域已知的常规耐火材料中的一种或组合，该材料适合用于高温(例如，约1100℃至1400℃的温度)、不加压反应的容器中。这样的耐火材料的实例包含，但不限于，高温烧结陶瓷(诸如，氧化铝、氮化铝、硅酸铝、氮化硼、磷酸锆、氧化铬)、玻璃陶瓷和主要含有二氧化硅(silica)、氧化铝和氧化钛的高氧化铝砖。

所述固体残余物出口被定位以允许从所述转化器移除气化反应的固体副产物。气化过程的固体残余物副产物也称为固体残余物，可表现为烧焦物、灰分、熔渣或它们的某些组合的形式，其通过合适的出口从所述转化器连续地或间隙地被移除。烧焦物能够在完全转化为气态产物之前被移除，或其能够留在气化器中用于进一步向灰分转化。所述灰分产物然后通过所述固体残余物出口移除到，例如灰分收集室，或固体残余物调节室用于进一步处理。根据系统和将要移除的副产物的种类的要求，使用相关技术领域工作人员的知识选择所述转化器中合适的固体残余物移除出口的设计和位置。

所述固体残余物出口通常安置在所述室底部处或所述室底部附近，使所述残余物能够使用重力流而消极地移除。一些系统任选地采用固体残余物移除系统以积极地从所述转化器的底部输送残余物。这样的积极的固体残余物移除能够由本领域已知的各种装置中的一种来提供。实例包括，但不限于，螺旋、推动器滑枕、水平旋转桨、水平旋转臂以及水平旋转轮。

在那些实施方式中，气化过程的固体残余物(例如，灰分副产物)进一步转化为熔渣，该灰分-熔渣的转化发生在固体残余物调节室中。等离子体热源可用在所述固体残余物调节室以将灰分熔化为残余物。熔化的熔渣(molten slag)，例如在温度约1100℃至约1600℃处可被周期性地或连续地从所述固体残余物调节室排出，且然后被冷却形成固体熔渣材料。这样的熔渣材料可意图用于填埋处理。所述固体产物可进一步被破碎成团聚体供常规使用。可选择地，所述熔化的熔渣能够被倾入容器以形成坯料、砖、瓦或类似的建筑材料。

其中气化过程的固体残余物含有一些未转化的碳，所述熔渣调节步骤的等离子体热确保所述未转化的碳完全转化为热的具有燃料值的气态产物。该气态产物称为残余物气体。在一个实施方式中，使用专用残余物气体-空气热转换器从热的残余物气体中回收热，从而产生加热的空气产物和冷却的残余物气体。冷却的残余物气体任选地进一步在专用的气体调节器子系统中被调节，以产生能够与主要气化过程的气态产物相结合的气体产物。

用于在调节步骤之前进一步冷却产物气体的系统

除气体-流体热交换器之外，本发明任选地包含用于在调节步骤之前进一步冷却产物气体的系统。在一个实施方式中，用于在清洁和调节步骤之前进一步冷却产物气体的系统也提供附加热量的回收。其中从产物气体回收进一步显热是目标，所述热从气体传送到另外的工作流体，例如水、油或空气。这样的实施方式的产物可分别包含加热的水(或蒸汽)、加热的油或附加的热空气。

在一个实施方式中，本发明的系统使用热交换器将来自部分冷却的产物气体的热传送至水来进一步从产物气体中回收显热，从而产生加热的水或蒸汽以及已经被进一步冷却的气体。在一个实施方式中，在该步中采用的热交换器是热回收蒸汽发生器，其使用经回收的热产生交换蒸汽。在一个实施方式中，水以低温蒸汽的形式提供给热交换器。在另一个实施方式中，产生的交换蒸汽是饱和的或过热蒸汽。

图7描述了根据本发明的一个实施方式的气体-空气热交换器5107和热回收蒸汽发生器5307之间的关系。在热回收蒸汽发生器5307中产生的交换蒸汽5035能够用在各种下游应用中。图7描述了根据本发明的不同的实施方式的使用热回收蒸汽发生器产生的交换蒸汽的不同的可能的最终用途(由A至G标记)。

例如，如选项D所述，在本发明的一个实施方式中，产生的交换蒸汽5035能够送入转化器1007作为过程蒸汽添加剂。交换蒸汽5035能够在气化过程期间用作过程蒸汽添加剂，以确保足够的自由氧和氢来最大化原料向产物气体的转化。使用作为含有过程添加剂的氧的蒸汽是优选的，这是因为其成本低且运转容易。蒸汽也包含氧，其可能是气化过程的预期产物。

产生的交换蒸汽也可穿过涡轮5715，从而驱动旋转过程设备，例如交换空气鼓风机5712(选项B)或产物气体鼓风机5722(选项C)。

围在转化过程中使用的蒸汽或未用来驱动旋转过程设备的蒸汽，可用于其它商业目的，诸如，通过使用蒸汽涡轮5705而产生电(选项A)，或在局部加热应用5710中(选项E)，或其能够供应给地方工业客户用于他们的目的，或其能够用于对从沥青砂5780中提取油(选项F)进行改进。交换蒸汽也能够用于在原料调节器5767中间接加热原料，从而在转化器中气化之前干燥原料(选项G)。

在一个实施方式中，用于在调节之间进一步冷却产物气体的系统不包含附加热的回收，所述冷却步骤包括干法淬火步骤，其中产物气体的温度通过直接控制的(绝热饱和)雾化水注射来降低。

在一个实施方式中，当要求不同系统或过程的冷却时，通过水冷却步骤移除(和回收)来余热。产生的加热的水可以转而用来加热供气化过程的其它地方使用的工作流体。加热的水蒸气来自各种来源，其包括，但不限于，气体调节系统或等离子体热源冷却系统中的气体冷却过程。加热的水也能够用来预热用于各种应用的油。

管道系统

采取管道系统将气体从系统的一个元件传送至另一个元件。因此，所述系统包括产物气体管道系统，用来将热的产物气体产物传送给热交换器用于回收显热。所述系统也包括交换空气管道系统，用来将加热的交换空气传送给转化器，其中，其经由交换空气进口引入所述转化器。所述管道系统典型地采用一个或多个管或线，气体由此来传送。

其中，所述系统包括热回收蒸汽发生器，所述系统也将包括交换蒸汽管道系统以传送加热的交换蒸汽用于之前列出的一个或多个应用中。所述交换蒸汽管道系统可包括多个平行的管，或分支管道系统，其中给定的分支被指派专门的应用。

管道系统气体线的材料和大小的说明根据提供气体的安全和有效的运输来选择。当运输的气体是高温产物气体，选择耐火材料的设计厚度和种类以确保壳壁温度是约200℃，以便维持在酸性气体露点之上以防止腐蚀。在一个实施方式中，所述热的产物气体线是碳素钢且是耐火材料衬里的。在一个实施方式中，加热的交换空气线包括不锈钢管。

为了最大化能够从热的产物气体回收的显热的量，或为了最小化冷却加热的交换空气或交换蒸汽，所述管道系统任选地具有最小化向周围环境热损失的装置。热损失例如可通过使用所述管道周围的绝缘层(包括本领域已知的绝缘材料)以及通过设计工厂以最小化管道长度来最小化。这对高温管道来说是尤其重要的。

在一个实施方式中，加热的交换空气以单管排出气体-空气热交换器，其然后被分成若干较小直径的管，以便根据要求向不同区域的转化器提供加热的交换空气。所述管道系统的各分支包含空气流量控制阀，以控制进入所述转化器的不同区域的加热的空气流。

产物气体管道气筒任选地采用一个或多个流量调节装置和/或鼓风机，其位于整个系统以提供用于管理气态产物的流率的装置。

交换空气管道系统将任选地采用一个或多个流量调节装置、流量仪表和或鼓风机，其根据要求位于整个系统以控制交换空气的流率。在一个实施方式中，如图8所述，交换空气流量控制阀5890A、5890B和5890C被提供以控制气化区域各水平的交换空气5015的流量。控制阀控制气化器2008的交换空气流向空气进口2812、2814和2816。在一个实施方式中，所述控制阀5890A、5890B和5890C对调节引入各区域的气化器的交换空气5015的量是独立可控的。

在一个实施方式中，有一个交换空气流量控制阀5892，以控制交换空气流到重整器3008。在该实施方式中，交换空气被提供作为过程添加剂。

交换空气管道也任选地包括用于下述的装置：例如，将交换空气传送到排气出口或传送到可选的附加热交换系统。

所述流量调节装置和/或鼓风机和/或传送装置可任选地由控制子系统来控制，如以下详细讨论的。

所述管道系统也将任选地包括向所述系统提供通路的服务端口，目的是实现常规维护以及所述管道的修理和/或清洁。

等离子体热源

本发明的系统采用一个或多个等离子体热源来将通过气化过程产生的排出气转化为产物气体。等离子体热源也被提供在所述固体残余物调节器以熔化和调节固体残余物。

各种商业可行的等离子体热源(其能够适当地增强(develop)应用时的高火焰温度持续一段期间)能够用于所述系统中。通常，这样的等离子体热源可利用的尺寸约100kW至6MW以上的输出功率。所述等离子体热源能够采用一个或合适的工作气体的组合。合适的工作气体的组合的实例包含，但不限于，空气、氩气、氦气、氖气、氢气、甲烷、氨、一氧化碳、氧气、氮气和二氧化碳。在本发明的一个实施方式中，所述等离子体热源使用空气作为等离子体媒介来连续运转，以便在气化器中产生超过将排出气转化为产物气体所要求的约900至约1300℃的温度。

在这方面，许多选择性的等离子体技术适合用在本系统中。例如，人们理解，可采用使用适当地选择的电极材料的传送弧焰炬和非传送弧焰炬(既为AC又为DC)。人们也理解也可采用电感耦合等离子体焰炬。选择合适的等离子体热源在本领域工作人员普通技术范围之内。

在本发明的一个实施方式中，一个或多个等离子体热源将被安置以优化排出气向产物气体的转化。一个或多个等离子体热源的位置根据气化系统的设计来选择，例如，根据所述系统采用一个阶段还是两个阶段的气化过程来选择。例如，在一个采用两个阶段的气化过程的实施方式中，所述等离子体热源可安置在相对于进口方向并指向进口方向的位置，排出气通过所述进口进入重整室或重整区。在那些采用一个阶段的气化过程的实施方式中，一个或多个等离子体热源可向气化器的核心延伸。在任何情况下，等离子体热源的位置根据系统的要求来选择，并用于排出气向产物气体的最佳转化。

在一个实施方式中，用在等离子体重整器中的等离子体热由DC非传送弧来提供。

在一个实施方式中，等离子体热源位于一个或多个空气和/或蒸汽输入端口附近，这样使得空气和/或蒸汽添加剂被注射入等离子体热源的等离子体放电通道。

在进一步的实施方式中，等离子体热源可以是可移动的、固定的或它们的组合。

在一个实施方式中，用在固体残余物调节器中的等离子体热由DC非传送弧焰炬来提供。在另一个实施方式中，用在固体残余物调节器中的等离子体热由DC传送弧焰炬来提供。

控制系统

为了优化本发明的效率，也可选择提供用于控制本过程执行的条件以及根据本发明的系统的运转条件的系统。当气体产物的终端只用产生电时，控制系统也通过确保气体组分和压力维持在用来产生电的气体引擎/发生器的容受范围内而提供最佳能量产生。

在本发明的一个实施方式中，控制系统可被提供以控制实施在和/或通过各种系统和/或本文所公开的子系统的一个或多个过程；和/或提供本文所涵盖的用于影响这样的过程的一个或多个过程装置的控制。通常，控制系统可操作性地控制以下各种局部和/或区域过程：与给定系统、子系统或其元件相关，和/或与诸如气化系统的系统内实施的一个或多个全局过程相关，在所述系统内或与所述系统协作可运转本发明的各种实施方式，并从而调节其的各种适合影响指定结果的这些过程的控制参数。各种传感元件和响应元件因此分布在整个控制系统中，或与其的一个或多个元件相关，并用来获得各种过程、反应物和/或产物特征，将这些特征与有助于实现预期结果的这种特征的适合范围相比，以及经由一个或多个可控过程装置通过在一个或多个进行的过程中实施变化来响应。

通常，所述控制系统通常包括，例如，一个或多个用于感测与系统相关的一个或多个特征的传感元件，在所述系统中实施过程，因而提供输入，和/或从而产生输出。一个或多个计算平台互通地连接于这些传感元件用于访问(accessing)表示感测的特征的特征值，且配置该计算平台以将所述特征值与限定以表征这些特征适合用于选择的操作和/或下游结果的这样的值的预定范围相比较，并计算一个或多个有助于维持所述特征值在该预定范围之内的一个或多个过程控制参数。多个反应元件可因此可操作性地连接至一个或多个过程装置，所述过程装置可操作来影响所述系统、过程输入和/或输出并因而调整气体的所述感测的特征，以及互通地连接至所述计算平台用于访问计算出的控制参数并随之运转过程装置。

在一个实施方式中，所述控制系统提供与含碳原料向气体转化相关的各种系统、过程、输入和/或输出的反馈、前馈和/或预测控制，以促进一个或多个与其相关所实施的过程的效率。例如，可评估各种过程特征，并可控制地调节之以影响这些过程，其可包含，但不限于，原料的热值和/或组分，产物气体的特征(例如，热值、温度、压力、流量、组分、碳含量等)、考虑这种特征的变化程度，以及输入成本与产出价值的比。连续地和/或实时地对各种控制参数进行调整，其可包括，但不限于，热源功率、添加剂进给率(例如氧气、氧化剂、蒸汽等)、原料进给率(例如，一个或多个不同的和/或混合的给料)、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、火花(flares)等)等等，其能够以以下方式来执行：根据设计和/或下游技术条件评估并优化一个或多个与过程相关的特征。

可选择地，或除此之外，可以配置所述控制系统来监控给定系统的各种元件的运转，用于确保适当的运转，用于确保所述过程在法律标准内实施(当这样的标准适用时)。

根据一个实施方式，所述控制系统可进一步用在监控和控制给定系统的总能量冲击。例如，可这样操作给定系统使得其能量冲击减少，或再次优化，例如通过优化一个或多个所实施的过程，或再次通过增加由这些过程所产生的能量(例如，废热)的回收。可选择地，或除此之外，可以配置所述控制系统来调整经由所述控制的过程产生的产物气体的组分和/或其它特征(例如，温度、压力、流量等)，这样使得这种特征不仅仅适应于下游使用，而且对有效的和/或最佳使用也基本上是最佳的。例如，在所述产物气体用于驱动给定种类的气体引擎来产生电的实施方式中，可这样调节所述产物气体的特征使得这些特征与这种引擎的最佳输入特征最佳地匹配。

在一个实施方式中，可以配置所述控制系统来调整给定过程，这样使得关于各种元件中反应物和/或产物的停留时间，和/或关于整个过程中各个过程的限制或性能指标被满足和/或最优化。例如，可控制上游过程速率来基本上匹配一个或多个后续的下游过程。

此外，在不同的实施方式中，控制系统可适用于以连续和/或实时方式的给定过程的各方面的顺序和/或同时控制。

通常，所述控制系统可以包括适用于现有的应用(the application athand)的任何种类的控制系统结构。例如，所述控制系统可以包括基本上集中的控制系统、分布式的控制系统或它们的组合。集中控制系统一般将包括中央控制器，该中央控制器被配置以与各种局部和/或远程传感装置互通；和响应元件，该响应元件被配置以分别感测与控制过程有关的各种特征并通过一个或多个适用于直接或间接地影响所述控制过程的控过程装置来对此响应。使用集中结构，经由一个或多个集中处理器(centralizedprocessor)在中央实施大多数计算，这样使得用于实施所述过程的控制的大多数必需硬件和/或软件位于同一个位置。

分布式的控制系统将通常包括两个或多个分布式控制器，其可以各自与各个传感和响应元件连通用于监控局部和/或区域特征，且经由局部和/或区域过程装置(其被配置以影响局部过程或子过程)来对其反应。连通也可以经由各种网络配置发生在分布式控制器之间，其中经由第一控制器感测的特征可传达至第二控制器用于在那里进行响应，其中这种远端响应可以对在第一位置感测的特征起作用。例如，下游产物气体的特征可以通过下游监控装置感测，且通过调整控制参数来调整，所述控制参数与通过下游控制器控制的转化器相关。在一个分布式结构中，控制硬件和/或软件也分布在控制器之间，其中同样的但模块化(modularly)配置的控制方案(control scheme)可以在各个控制器上实施(implemented)，或者各种合作的模块化控制方案可以在各自的控制器上实施。

另外，所述控制系统可以再分为分离的但是连通地连接的局部、区域和/或全局控制子系统。这种结构可以允许进行给定过程或相关过程系列发生并具有与其它局部控制子系统最小相互作用而局部地被控制。全局主控制系统随后可以与各自的局部控制子系统连通来向局部过程引导必要的调整用于全局结果。

本发明的控制系统可以使用任何上述结构，或任何其它本领域普遍已知的结构，其被视为在本公开内容的总的范围和本质中。例如，在本发明的上下文内控制的和实施的过程可在专门的局部环境中控制，当可适用时，可选地外部连通至用于相关上游或下游过程的任何中央和/或远程控制系统。另外，所述控制系统可包括设计以协作控制区域和/或全局过程的局部和/或全局控制系统的子元件。例如，可这样设计模块化控制系统使得控制模块交互式地控制系统的各种子元件，同时根据局部和/或全局控制的需要提供模块间连通。

所述控制系统通常包括一个或多个中央、网络和/或分布式处理器；一个或多个输入，用于接收当前从所述各种传感元件感测的特征；以及一个或多个输出，用于将新的或更新的控制参数传达至各种响应元件。所述控制系统的一个或多个计算平台也可包括一个或多个局部和/或远程计算机可读媒体(例如，ROM、RAM、可移动媒体、局部和/或网络访问媒体等)，用于在其中存储各种预定和/或再调整的控制参数、设置或优选的系统和过程特征运转范围、系统监控和控制软件、操作数据等等。任选地，所述计算平台也可直接地或经由各种数据存储装置访问过程模拟数据和/或系统参数优化和建模装置。另外，所述计算机平台可装备一个或多个可选图形用户界面和输入外围设备，用于向所述控制系统提供管理访问(系统升级、维护、修改、针对新系统模块和/或设备的适应修改，等等)，以及各种可选输出外围设备，用于连通外源(例如，现代、网络连接、打印机等)数据与信息。

所述处理系统和任何一个所述子处理系统能够包括专有硬件或任何硬件和软件的组合。任何子处理系统能够包括以下的任何组合：无或多个比例(P)、积分(I)或微分(D)控制器，例如P控制器、I控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器等。对于本领域技术人员显而易见的是P、I和D控制器组合的理想选择依赖于所述气化系统部分反应过程的动力学和延迟时间和所述组合意图控制的运转条件的范围，以及所述组合控制器的动力学和延迟时间。对于本领域中技术人员显而易见的是所述组合能够以模拟硬连线的形式来实施，其能够经由传感元件连续地监控特征值，并经由响应元件将其与指定值进行比较来影响各自的控制元件以作适当的调整来降低所述观察值和指定值之间的差异。对于本领域中技术人员更为显而易见的是，所述组合能够在混合数字硬件软件环境中实施。附加的任意采样(additionally discretionary sampling)、数据获取和数字处理的相应效应对本领域技术人员是已知(well known)的。P、I、D组合控制能够在前馈和反馈控制方案中实施。

在校正或反馈控制中，经由合适的传感元件监控的控制参数或控制变量值与指定值或范围相比较。控制信号基于两个值之间的偏差来确定，并将其提供给控制元件，以便降低所述偏差。应当理解常规反馈或响应控制系统可进一步适合于包括适应的和/或预测性的元件，其中对给定条件的响应可以根据模拟的和/或先前监控的反应来定制以对感测的特征提供响应，同时限制补偿作用中潜在的过冲(overshoot)。例如，提供给给定系统配置的获得的和/或历史的数据可以合作地用来调整对系统和/或过程特征的响应，所述特征从最优值中感测、在给定的范围中，先前对最优值的响应已经被监控且调整以提供理想的结果。这种适应的和/或预测的控制方案是本领域已知的，且同样地不认为脱离本公开内容的总的范围和本质。

控制元件

涵盖在本文中的传感元件，如以上所限定和描述的，被提供来监控一个或多个参数，其包含，但不限于，整个系统指定位置处的温度和气体流率、气体压力、气化器中原料堆的高度、气体组合物和热值。

涵盖在本文中的响应元件，如以上所限定和描述的，可能包含，但不限于，各种操作性地耦合至过程相关的装置的控制元件，所述过程相关的装置被配置以通过调整与之相关的给定控制参数影响给定过程。例如，可在本文内经由一个或多个响应元件操作的过程装置可包含，但不限于，空气和产物气体鼓风机、原料输入、压力和温度调节器、横向移动单元和等离子体热源。因此，可由所述控制子系统的响应元件调整的操作性条件的实例包含一个或多个交换空气流率(即，过程空气鼓风机速度)、原料输入速率、原料输入率(例如，MSW比高碳原料)、系统压力、横向移动单元的运动、过程添加剂(诸如蒸汽)的输入速率和等离子体热源的功率。

在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括温度传感元件，以监控位于整个系统位置的温度。用于监控所属温度的温度传感元件可以是根据需要安装在所述系统中特定区域的温度传送器，诸如热电偶或光学温度计。

图9描述了用于监控和控制所述系统内的温度、指示温度传送器和流量调节器在整个系统所安装的特定区域的各种装置的概况。例如，温度传送器5982被定位来监控在气体-空气热交换器产物气体出口5923处的产物气体的温度。温度传送器5981也被定位来监控在所述气体-空气热交换器5109的交换空气出口5917处的加热的交换空气5015的温度。

温度传送器也可被定位于整个转化器中，以便监控气化过程和重整过程期间过程的温度。例如，监控气化过程在其中发生的转化器的区域的温度，通过维持原料堆在尽可能高的温度尽可能长的时间且没有达到将熔化或团聚原料的温度，来确保优化转化效率。为了根据气化过程不同阶段的要求稳定所述温度，所述堆内的温度控制通过调节控制阀5994A、5994B和5994C调整加热的交换空气流入气化器2009的给定区域来实现。分别通过温度传送器5984A、5984B和5984C来测量不同阶段的温度。控制气化过程的不同阶段的温度也可通过以下来实现：原料通过所述横向移动单元受控运动穿过所述气化器。

所述转化器的重整区域3009的温度由温度传送器5983来监控。等离子体焰炬2980的功率根据需要来调节，以便稳定所述重整区域3009中的温度从而维持用于将排出气、挥发物、焦油和煤烟完全重整指定气体产物的最佳温度。

安装在所述交换空气出口5917处以测量加热的交换空气的温度的温度传送器5981，确保所述热循环过程在以下条件下执行：确保将所述空气加热至用在气化过程的合适的温度。例如，如果用在气化器中的交换空气的最佳温度是约600℃，安装在空气流出口的温度传送器将用来确保所述交换空气的温度不超过例如625℃。为了避免向所述气化过程提供太多的加热的交换空气(或太热的交换空气)，其可能造成过热所述原料，打开控制阀5990以将额外的交换空气排出大气。

因此，也可任选地提供用于控制用于将交换空气排出大气的控制阀5990的装置。例如，在一些情况下，由于设备的考虑(例如，当启动关闭程序时)加热比所述过程要求更多的空气是必需的。在这样的情况下，根据要求所述交换空气能够被排出。

根据本发明的一个实施方式，所述控制策略为最适宜的加热交换空气输出温度设置固定设置点，例如，约600℃。在这样的实施方式中，甚至当穿过气体-空气热交换器的交换空气流减少时，所述气体-空气热交换器的排出气体温度将保持相同。穿过所述气体-空气热交换器的减少的空气流将因而引起以下产物气体增加的温度：从所述气体-空气热交换器排出，并进入下一阶段的过程，例如，热回收蒸汽发生器。当穿过系统的气流被减少时，然而，产物气流将因而减少，因此，所述热回收蒸汽发生器的增加的产物气体进口的温度将仅仅暂时是高的。例如，如果空气流减少至50％，所述蒸汽发生器的最大产物气体进口温度将暂时显示约800℃，其在本设计的温度限制内。

监控所述气体-空气热交换器进口处的产物气体的温度也能够确保当其进入各自的热交换器中时产物气体的温度不超过那个装置的理想运转温度。例如，如果对所述气体-空气热交换器的设计温度是1050℃，那么从温度转送器获得的关于所述空气流进入所述热交换器的温度数据能够用来控制穿过所述系统的交换空气流率和等离子体热源，以便维持最佳产物气体温度。此外，在所述气体-空气热交换器的产物气体出口处的产物气体温度的测量对以下是有用的：确保最适宜量的显热已经从热回收阶段的产物气体被回收。

如果排出所述转化器的气体的温度超过预确定限制，这可能暗示：管正开始堵塞，此时应该关闭所述系统用于维护。因而，所述热交换器根据需要具有用于方便检查和维护的端口。

在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括监控整个气化系统压力和气体流率的传感元件。这些压力传感元件可包含位于例如气化器的竖值壁或与所述气化系统(诸如气体存储槽)的下游元件相关联的系统中的诸如压力转换器的压力传感器、压力传送器或压力计接头。

与所述系统中的压力和气流相关的的数据由所述控制子系统用来确定调节诸如焰炬功率或固体残余物材料的添加率的参数是否是必需的。

在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括响应元件，所述响应元件用于调节所述系统内的压力，从而维持所述系统中的预期压力在某个指定的承受范围内。例如当调节所述产物气体鼓风机速度或交换空气输入率时造成的任何压力变化，通过调整由所述控制子系统确定的某些操作参数来校正。

图10描述用于监控和控制整个系统的产物气体压力和流量的各种装置的概况。在下游气体储存槽7010上的压力转送器7095发射信号给所述转化器1010处的交换空气流量控制阀，在那里，例如气体储存槽压力的下降发送信号来增加进入所述气化器2010的交换空气流量，反之亦然。进入气化器2010的交换空气流量使用控制阀5994A、5994B和5994C来控制。传递给所述气化器2010的增加量的交换空气5015造成原料气化的速率增加，从而产生增加流量的产物气体5020(以及增加了所述系统的压力)。

对所述气化器2010中的交换空气5015要求的任何变化影响由压力传送器5095测量的过程空气鼓风机的排出压力，其然后调整所述过程空气鼓风机5012上的可变频率驱动(VFD)的速度。当在所述储存槽7010中检测为低压时，所述过程空气鼓风机5012的速度增加，当在所述储存槽中检测为高压时，所述速度降低。当产生增加量的气体时，所述控制子系统也可自动调整气体鼓风机VFD的速度来缓解该压力增加，传送更多的气体给所述储存槽造成所述储存槽的压力增加。

由位于整个系统的压力传感器响应获得的数据，根据所述系统中的压力正增加(由此风扇将降低速度)还是下降(由此风扇将降低速度)来调整所述下游感应鼓风机的速度。在一个实施方式中，连续获得与整个系统点压力(pressure at points)相关的数据，从而允许所述控制子系统对所述风扇速度进行频繁调整，以将所述系统压力维持在预确定设置点内。

在一个实施方式中，所述系统维持在相对于大气压力的略负的压力，以防止气体排入环境。

在一个实施方式中，使用位于所述气化器下游的感应鼓风机调整内压，所述感应鼓风机通过从所述气化器中拉出产物气体而运转。因而采用的感应鼓风机维持所属系统在大气压力或负压下。在一个实施方式中，控制阀被提供在气体出口线上，以增加或限制由所述下游气体鼓风机移除的气体流量。

在维持正压的系统中，这样操作鼓风机使得所述产物气体的移除率降低，或甚至切断，因此迫使所述气体从所述系统“推”出，从而造成更高的(正的)压力。

由于所述气化过程(例如，焰炬故障、气体线堵塞、或原料输入中断)中的非均一条件，气流可能发生波动。如果气流波动持续，所述系统可能切断直到问题解决。

因为在气化过程期间添加高碳原料、空气和/或蒸汽过程添加剂影响转化化学，所以监控产物气体组分是值得的。在本发明的一个实施方式中，所述控制系统包括传感元件，以监控所述气体产物的组分。监控所述产物气体的组分能够，例如，采用气体分析仪来实现。气体分析仪能够确定，例如，产物气体的氢气、一氧化碳和/或二氧化碳的含量。能够用来确定所述产区气体的化学组分的一种方法是通过气体色谱(GC)分析。用于这些分析的样品点遍及整个系统中。在一个实施方式中，所述气化组分使用傅立叶变换红外(FTIR)分析仪来测量，其测量气体的红外光谱。

尽管高温分析装置存在，但是组分通常在所述产物气体冷却之后并且在其经历移除颗粒物和其它污染物的调节步骤之后进行测量。

所述产物气体组分能够通过控制气化原料(MSW与HCF的比率)的组分以及添加到所述气化和重整反应的空气和/或蒸汽过程添加剂的量来控制。因此，所述控制系统提供装置来控制MSW与HCF的比率、原料蒸汽的添加率、以及添加到转化器的空气和/或蒸汽过程添加剂的量。

在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括调节输入所述气化器和/或所述重整器的空气的速率和/或量的装置。在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括调节输入所述重整器的蒸汽的速率和/或量的装置。

在本发明的一个实施方式中，所述控制系统包括以下装置：调节输入所述气化器的高碳原料(HCF)的添加率，对较高或较低碳输入的过程要求响应以提供理想的气体组分。

在本发明的一个实施方式中，所述控制系统包括调节MSW向所述气化器的添加率的装置。所述MSW和任选地所述HCF的输入使用许多选择的并适合材料添加形式的要求的可能的输入装置添加到所述气化器中。所述材料可以连续的方式添加，例如，通过使用旋转螺旋或螺旋钻机构。另外，所述材料可以不连续的方式添加，例如，通过使用推动器滑枕来根据要求按部分添加材料。

在一个实施方式中，原料输入率经由传动马达可变频率驱动器(VDF)通过调节给料螺旋输送器速度来控制。输入率将根据所述加热的交换空气输入的加热能力的要求来调节。

所述系统可进一步包括用于监控和控制堆高度(或水平)的装置，以便在所述转化器内维持稳定的处理条件。这提供在所述转化器内部维持稳定的堆高度的能力。控制所述堆高度防止来自交换空气注射的材料流化(其可能在低水平发生)，同时也防止由受限的气流造成的所述堆不良的温度分布(其将可能在高水平发生)。维持稳定的堆高度也确保一致的转化器停留时间。

气化器中的一系列水平开关测量堆高度。在一个实施方式中，所述水平开关是在气化器的一侧带有发射器且在另一侧带有接收器的微波装置，其检测在所述转化器内部那点处的固体材料的存在与否。

在本发明的一个实施方式中，提供横向移动单元来移动穿过所述气化器的不同区域的气化材料。在所述气化器中的原料的量和位置是所述横向移动单元的给料速率和运动的函数。因此，在这样一个实施方式中，所述控制子系统包括控制材料根据要求移动穿过所述气化器的不同区域的装置。

在一个实施方式中，所述横向移动单元是滑枕，其中所述原料以由所述冲程长度(stroke length)和频率确定的速率传送穿过所述气化器的不同区域。例如，所述控制子系统可采用限位开关或其他移动控制方式(诸如，计算机控制可变速度马达驱动器)来控制所述滑枕行程的长度、速度和/或频度，从而能够控制使用每个冲程移动材料的量。

在一个实施方式中，所述横向移动单元包括一个或多个螺旋输送器，其中穿过气化器的材料的移动率经由传送马达可变频率驱动器通过调节输送器速度来控制。

在本发明的一个实施方式中，所述控制子系统包括调节等离子体热源的功率和任选地位置的装置。例如，当在所述转化器的气体出口处产物气体的温度太高时，所述控制子系统可支配等离子体热源的额定功率下降。

气化系统/过程的使用

根据本发明，所述系统使用用于气化原料的过程气化原料，所述过程通常包括将原料送入使其经过热交换空气热效应的转化器的步骤。一旦通过交换空气加热，原料被干燥，且所述干燥的原料中的挥发成分被挥发。在本发明的一个实施方式中，热交换空气进一步驱动生成的烧焦物完全转化为其气态的组分，丢弃灰分副产物。所述干燥、挥发和燃烧步骤的合并的产物提供排出气，其进一步使来自等离子体热源的热来将排出气转化为热的包括以下的气体产物：一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸气(和由于在气化过程使用空气产生的氮气)。蒸汽和/或空气过程添加剂可优选地在气化阶段和/或气化转化阶段添加。

在本发明的一个实施方式中，所述过程进一步包括以下步骤：使副产物灰分通过第二等离子体热源加热来形成熔渣产物。

本发明的过程进一步包括以下步骤：通过热交换器传送所述热气体产物，将热从所述热的产区气体传送至空气以产生加热的交换空气和冷却的产区气体，以及使用所述含碳原料的气化中的加热的交换空气。

本发明的过程进一步包括以下步骤：将所述冷却的气体产物传送至第二热交换器，将热从第一冷却的气体传送至水以产生进一步冷却的气体和蒸汽。

本发明的过程通过补偿电量来使得净转化率最大化，其中所述电量被消耗以产生热量来驱动所述气化过程、驱动旋转机器和激励等离子体热源。对于具有产生电为目的的应用，功率通过以下来测量：比较由整个气化过程所消耗的能量和使用所述产物气体所产生的能量数，以及通过回收显热来产生蒸汽以激励蒸汽涡轮。

所述气化过程可能进一步包括以下原料控制步骤：基于产物气体的流率/压力、温度和/或组分的变化来调节供应给等离子体热源的一个或多个原料输入率、交换空气流率、产物气体流率、蒸汽过程添加剂输入率和功率量。所述原料控制步骤因而允许所述合成气的流率、温度和/或组分维持在可接受的范围内。

在本发明的一个实施方式中，所述过程进一步包括以下步骤：在加入所述转化器之前预热所述含碳原料。

在一个实施方式中，根据本发明的气化过程采用交换空气加热气化器至合适气化原料的温度。在另一个实施方式中，该实施方式典型地用在所述系统的启动阶段，空气被投料进入所述系统，借此其能够使用等离子体热加热，或从所述气化过程中的其他阶段回收热，以提供热的启动气体，该热的启动气体然后进入所述气体-空气热交换器来产生加热的交换空气。所述加热的交换空气被传送到所述交换空气进口以加热所述气化器，这样使得整个过程能够不使用化石燃料而运行。

图11A至图11I描述各种用于根据本发明再循环热的选项。

图11A是描述本发明的一个实施方式的方块流程图，其中热的产物气体5020A通过气化转化器1000A中的含碳原料来产生。所述热的产物气体5020A经过热交换器5100A，在那里所述热从所述热的产物气体5020A传送至空气5010A，所述空气5010A由空气鼓风机5012A吹过热交换器以产生加热的交换空气5015A和冷却的产物气体5025A。加热的交换空气5015A然后返回转化器1000A来驱动所述气化过程。所述冷却的产物气体5025A然后在穿过气体调节系统6000A之前由干法淬火步骤6111A进一步冷却。所述产物气体在冷却和清洁之后，然后在气体引擎5060A中燃烧，且所述热的燃烧气体5061A被排到大气。

图11B是描述本发明的一个实施方式的方块流程图，其中热的产物气体5020B通过气化转化器1000B中的含碳原料来产生。所述热的产物气体经过热交换器5100A，在那里所述热从所述热的产物气体5020B传送至空气5010B，所述空气5010B由空气鼓风机5012B吹过热交换器以产生加热的交换空气5015B和冷却的产物气体5023B。加热的交换空气5015B然后返回转化器1000A来驱动所述气化过程。附加热然后被传送到水5030B以产生蒸汽5035B。所述产物气体在冷却和清洁之后，然后在气体引擎5060B中燃烧，且所述热的燃烧气体5061B被排到大气。

图11C是描述图11B的实施方式的方块流程图，其中，来自气体引擎的热的燃烧气体5061B穿过第二热回收蒸汽发生器5300C，在那里来自热的燃烧气体的热被传送至水5030C来产生蒸汽5030C。

图11D是描述图11B的实施方式的方块流程图，其中，在热回收蒸汽发生器5300B中产生的蒸汽5035B用来激励蒸汽涡轮5065D来产生电。

图11E是描述图11C的实施方式的方块流程图，其中，合并热回收蒸汽发生器(5300B和5300C)中产生的蒸汽(5035B和5035C)，并用来激励蒸汽涡轮5065E来产生电。

图11F是图11B的实施方式的方块流程图，其中所述加热的交换空气5015B也被传入原料调节器5067F以在被投入转化器1000B用于气化之前预干燥原料5088F。

图11G是描述图11B的实施方式的方块流程图，其中在热回收蒸汽发生器5300B产生的蒸汽5035B用来间接地加热原料调节器5067G，从而在投入转化器1000B用于气化之前预干燥原料5088G。

图11H是描述本发明的实施方式的方块流程图，其中热的产物气体5020H通过气化转化器1000H中的含碳原料来生产。所述热的产物气体5020H穿过热交换器5100H，在那里热从所述热的产区气体5020H传送至空气(其通过空气鼓风机5025H吹过热交换器)，以生产加热的交换空气5015H和冷却的产物气体5025H。所述加热的交换空气5015H然后返回所述转化器1000H来驱动所述气化过程。所述冷却的产物气体然而穿过气体调节系统。所述产物气体，在冷却和清洁之后，然后在气体引擎5060H中燃烧，且所述热的燃烧气体5061H被排出大气。该实施方式包含固体残余物调节步骤，其中在固体残余物调节器4020H中产生的热气体也穿过热交换器5105H，其中来自热气体的热被传送至空气5110H(被吹过所述热交换器5105H)以生产第二加热的空气产物5115H。第二加热的空气产物5115H然后用来间接地加热原料调节器5067H，从而在给料进入所述气化器1000H用于气化之前预干燥所述原料5088H。

图11I是描述本发明的一个实施方式的方块流程图，其中热的产物气体5020I通过气化转化器1000I中的含碳原料来生产。所述热的产物气体5020I穿过热交换器5100I，在那里热从所述热的产物气体5020I传送至空气，所述空气由空气鼓风机5012I吹过所述热交换器，以生产加热的交换空气5015I喝冷却的产物气体5025I。所述加热的交换空气5015I然后返回转化器1000I以驱动所述气化过程。所述冷却的产物气体5025I然后穿过气体调节系统6000I，并进入用于储存和均化所述气体产物7000I的系统。然后在气体引擎5060I中燃烧部分产物气体5125I，并将所述热的燃烧气体5061I排到大气中，同时在气体燃烧器中燃烧另一部分产物气体5225I，以为预热另一个气化系统的转化器1005I提供热。

本发明现在将结合具体实施例进行描述。应当理解以下实施例意图描述本发明的实施方式，并不意图以任何方式限制本发明。

实施例

通常，本发明的系统通过将交换空气投入转化器来使用，在所述转化器中使原料经历足够的热以允许气化反应发生。

在图12和13所描述的示例性的实施方式中，所述气化器2100和2200各自具有三个底板水平或阶梯的阶梯式底板。任选地，每个底板水平倾斜在约5和约10度之间。在一个阶梯气化器中，单独的阶梯(底板水平)提供适合于气化过程的各自的干燥、挥发和烧焦物-灰分转化阶段的条件，从而允许最优化所述气化过程。

在每一个这些示例性气化器中，原料被投到第一个阶梯上，在该阶梯提供条件使得此处的主要过程是干燥过程，其具有一些挥发和烧焦物-灰分转化。该阶梯的正常温度范围(当在材料堆的底部测量时)是在300和900℃之间。

所述干燥的原料然后传送至第二阶梯，在该阶梯提供条件这样使得此处的主要过程是挥发所述干燥的原料以形成烧焦物的过程，其具有小程度(残余物)的干燥操作以及一些烧焦物-灰分转化。该阶梯的正常的温度范围是在400和950℃之间。

所述烧焦物然后被传送到第三阶梯，在该阶梯提供条件这样使得此处的主要过程是具有较少量(残余物)挥发的烧焦物-灰分转化过程。正常的温度范围是在600和1000℃之间。

跨过所述阶梯的运动由横向传送单元实现，且每个阶梯任选地由独立控制的横向传送单元来服务。

在图12所述的气化器的实施方式中，所述气化器2100包括具有原料输入2104的耐火材料衬里的水平取向气化室2102、气体出口2106和固体残余物出口2108。所述气化室2102具有多个底板水平2112、2114和2116的阶梯式底板。每个底板水平具有一系列位于最接近于所述底板水平侧壁的交换空气进口2126，以允许添加交换空气。调节交换空气的输入来促进反应物材料的气化。

在图13描述的气化器的实施方式中，所述气化器2200包括具有原料输入2204的耐火衬里水平取向气化室2202、气体出口2206和固体残余物出口2208。所述气化室2202具有多个底板水平2212、2214、2216的阶梯底板。

每个水平或阶梯具有穿孔的底板，通过该穿孔的底板能够引入加热的空气。每个水平或阶梯的空气给料是独立可控制的。穿过所述穿孔的底板2270的独立的空气给料和分布通过在每个阶梯形成底板的分隔的空气箱2272、2274和2276来实现。

图14图示了代表性的空气箱，其清楚地示出所述空气箱的穿孔的顶板2302，以及用于连接至所述交换空气管道系统的连接法兰2280。

在所述气化器中形成的排出气然后进一步使用等离子体热源和任选地使用蒸汽和附加的加热交换空气在重整室进行处理。这些添加剂任选地在重整步骤中添加，以确保形成具有定义组分的产物气体。重整步骤期间的温度维持在足够保持反应处于合适水平的高度的范围内，以确保完全转化为所述定义气体产物，通知最小化污染生产。在示例性的实施方式中，重整阶段的温度范围是约900℃至约1300℃。

如果，在形成阶段之后，产物气体的温度太高，任选地加入蒸汽以降低所述产物气体的排出温度。在温度约900℃至约1100℃下，所述产物气体从等离子体重整区排出。在所述示例性实施方式中，产物气体的排出温度是约1000℃+/-100℃。热的产物气体的流率是约6000Nm3/hr至约9500

Nm3/hr，典型地约7950Nm3/hr。然后所述热的产物气体传入气体-空气热交换器。

在本实施例中，空气在环境温度(即，约-30至约40℃)下进入所述气体-空气热交换器。所述空气使用空气鼓风机循环穿过所述系统，以约1000Nm3/hr至5150Nm3/hr的速率，典型地以4300Nm3/hr的速率进入所述气体-空气热交换器。

在本实施例中，在所述热交换器中加热所述空气以产生具有温度约500℃至约625℃的交换空气。在所述示例性的实施方式中，所述交换空气温度是约600℃。所述热的产物气体，转而被冷却至温度约500℃至约800℃。在所述示例性的实施方式中，所述产物气体的温度约740℃。所述加热的交换空气通过所述交换空气进口传入所述气化器以气化所述原料，如以上所讨论的。

所述示例性实施方式的气体-空气热交换器是壳管型热交换器，其被具体设计用于负荷在所述产物气体中的高水平的颗粒物，其中所述产物气体在管侧流动，而当前所述空气在壳侧相反地流动。

在所述示例性的实施方式中，所述冷却的产物气体进一步使用干法淬火步骤来冷却，以移除来自所述产物气体的余热，从而根据后续的过滤和调节步骤的要求提供冷却的产物气体。所述冷却的产物气体然后进一步穿过气体调节阶段而移除酸性气体、重金属、颗粒物和其它污染物。

气化过程的残余物副产物通过使用专门的等离子体热源在残余物调节室中调节。所述残余物调节步骤的产物是惰性熔渣材料和热气体。

尽管本发明已经结合某些具体实施方式进行了描述，但是本领域技术人员将清楚它的各种修改未脱离本发明的精神和范围，如所附权利要求列出的。

在本说明书中提及的所有专利、出版物的公开内容，包括公布的专利申请和数据输入在此整体具体引用作为参考，其相同程度如同各自这样的单独专利、出版物和数据输入被具体地和分别地表明引用作为参考。

Claims (10)

1.一种将从热气体回收的热量再循环至含碳原料气化器的系统，所述系统包括：

将所述热气体传送至气体-流体热交换器的装置，其中来自所述热气体的热量被传送至流体以产生经加热的流体和经冷却的气体；

将所述加热的流体传送至所述气化器的装置；以及

控制系统，其包括用于监控所属系统的运转参数的传感元件，和用于调节所述系统内的运转条件以优化所述气化过程的响应元件；

其中所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据调节所述系统内的所述运转条件，从而通过使所述过程的能量消耗最小化同时也使得能量产生最大化来优化气化过程的效率。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述热气体是在含碳原料气化过程期间产生的气体。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述流体是空气、水、油、氮气或二氧化碳。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述流体是空气，以及所述气体-流体热交换器是气体-空气热交换器。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述流体是水，以及所述气体-流体热交换器是热回收式蒸汽发生器。

6.一种将从热气体回收的热量再循环进入含碳原料气化器的系统，所述系统包括：

将所述热气体传送至气体-空气热交换器的装置，其中来自所述热气体的热量被传送至空气以产生经加热的空气和经冷却的气体；以及

将所述加热的空气传送至所述气化器的装置。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述热气体是在含碳原料气化过程期间在气化器中产生的气体。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述将热气体传送至所述气体-空气热交换器的装置包括：在所述气化器上的热气体出口和所述气体-空气热交换器上的热气体进口之间提供流体连通的热气体管道系统，以及所述将所述经加热的空气传送至所述气化器的装置包括：在所述气体-空气热交换器上的热空气出口和所述气化器上的空气进口之间提供流体连通的空气管道系统，其中所述热气体通过所述热气体管道从所述气化器传送至所述气体-空气热交换器，以及所述经加热的空气通过所述空气管道系统从所述气体-空气热交换器传送至所述气化器上的所述空气进口中。

9.一种方法，其用于通过使用气体-流体热交换器将来自气化过程所产生热气体的显热再循环返回至所述气化过程而提高含碳原料气化过程的效率，其中所述气体-流体热交换器包括与经冷却产物气体出口相连通的热产物气体进口，以及与经加热流体出口连通的冷流体进口，所述方法包括以下步骤：

将所述热产物气体通过所述热产物气体进口传送至所述气体-流体热交换器内；

将所述冷流体通过所述冷流体进口传送至所述气体-流体热交换器内；

将来自所述热产物气体的热量经由所述气体-流体热交换器传送至所述冷的流体，以产生经由经冷却产物气体出口从所述热交换器排出的经冷却产物气体，以及经由经加热流体出口从所述热交换器排出的经加热产物气体；以及

使用所述经加热流体为所述含碳原料气化过程提供热量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述流体是空气，以及所述气体-流体热交换器是气体-空气热交换器。

Images