CN101743293A - 废物至液体烃精炼系统 - Google Patents

Abstract

一种废物至液体烃精炼系统，其将任何城市固体废物和危险工业废物、生物质或任何含碳原料转化为合成烃，特别地但不排他地，柴油和汽油和/或电力和联产热量，该废物至液体烃精炼系统包括三个主要子系统：i)焦电热转换器(PETC)(10)和等离子弧(PA)废物和生物质气化子系统(1)；ii)烃合成子系统(2)；和iii)发电及热联产子系统(3)。

Description

废物至液体烃精炼系统

1-现有技术

出发点配置是常规的气至液(GTL)或煤至液(CTL)精炼系统，其中分别地，天然气(甲烷)或煤被提供到气化过程以生产SYNGAS(合成气)(氢气和一氧化碳)。使用最终与蒸馏塔和加氢裂化反应器结合的费托(FT)反应器，合成气用于合成液体烃物质。这样的常规的精炼系统不允许混合原料类型并且具有典型的6∶1的合成燃料收率(即，1吨的天然气或煤将允许生产约0.17吨的FT产品)。如Syntroleum、MossGas和Shell等公司从事于GTL技术。如Sasol和Rentech等公司特别地从事于CTL工艺，但也从事于GTL。此外，ExxonMobil、Marathon和ConocoPhillips宣布了对新的GTL设备的未来投资。

石油(oil)和燃料价格已经造成对GTL和CTL项目的引人注目的经济方案。许多国家正寻求用于提高来自其(天然)气和/或煤储量的收益的办法。然而，因为GTL用天然气作为其原料和CTL使用煤，尽管已经认识到其相对于化石原油的优点，但是问题在于通过GTL或者CTL，我们将不会获得相对于化石燃料的自由性和非依赖性。这还意味着目前的GTL和CTL装置将不会防止全球性气候变化。

技术上，GTL和CTL系统所需要的气化步骤必须被改变以便处理新的原料如废物和可再生的生物质，而费托烃类合成步骤需要比目前的6∶1更好的收率以便获得经济可行性。此外，常规的GTL和CTL装置具有不好于65％的碳转化比率，即原始原料(天然气(NG)或煤)中所含的全部的碳的35％将不会被转化到FT产品中(它将以二氧化碳的形式损失到大气中)。

Choren Group已经涉及建立基于专有气化技术(Carbo-V气化)的合成生物燃料业务，而其FT合成方案基于Shell GTL技术。Choren气化工艺能够处理相对洁净的生物质，主要地，预处理的木材和类似的生物质原料(生物质至液体-BTL)。Choren气化系统不能处理城市或有害废物原料(MSW或HW)或者其它多样化的含碳原料。Choren BTL预计收率类似于Shell收率，即6∶1。常规的GTL(100)或CTL(200)(图1)系统由气化单元(GTL案例(101)中的蒸汽/甲烷重整和CTL案例中的蒸汽/煤气化(201))组成，其中形成合成气(300)。往下游，合成气将被冷却(400)，骤冷和洗气(500)(所得的废水(501)被除去以便进一步去杂质)，而较洁净的合成气(600)被压缩(1100)并且在费托反应器(700)被注入用于合成原油的形成。所得的合成烃将前往精馏蒸馏塔(800)进行柴油(910)和石脑油(920)分离，同时较重的蜡将进一步进行加氢裂化(900)以进一步产生更多的柴油和石脑油。在FT工艺处形成的蒸汽(2000)在气化步骤被再利用，而源于合成气冷却的蒸汽(3000)可被用于兰金(Rankine)循环蒸汽轮机(1000)(具有冷凝器(3100))从而在发电机(1001)处产生电力来卖给公用电网。在除去其CO2(4001)后，未反应的尾气(4000)在GTL气化(101)处被再注入。

在所产生的合成气中H2与CO的GTL化学计量比是这样的，使得H2过量存在，其可以被利用(103)，与一部分NG和常压O2(104)一起，以便将热量通过燃烧传递到重整器。这部分的NG原料将不会产生合成气，这意味着较大(significant)百分比(约30％)的原料中的初始C将不会被转化为合成烃产品。在CTL案例中，相对于CO，存在着H2的化学计量不足。常规的方案是除去C(以CO2的形式)以便提高H2/CO比。此外，如果在蒸馏后将使用加氢裂化的话，将需要氢气。在GTL案例中，其可以从合成气物流(105)中转移，但是对于CTL案例，通常产生了平行的煤气化(虽然以较小的规模)以便形成所需要的H2。

明显地，常规的GTL和CTL系统往往放松对C的要求以便建立用于FT反应器的足够的化学计量的H2/CO比。这是为什么使用常规系统仅仅能够获得有用的合成燃料的6∶1的最大的典型收率的主要原因。

另一关于常规的GTL、CTL和乃至BTL系统的主要考虑是最佳可实现的合成气纯度，以免催化剂中毒。

2-发明内容

本文件描述了一种系统，其能够使用任何含碳原料产生合成烃燃料。这是合成和可再生的烃类燃料生产精炼。如果含碳原料是可再生来源的，如任何类型的生物质，那么所得的烃类燃料将是可再生的烃类燃料。如果含碳原料是任何类型的非生物质废物，城市或工业废物(危险的或非危险的)，最终的烃类燃料将不是可再生的烃类燃料，但是环境污染的潜在问题将被本发明系统解决，同时形成了高价值产品。本发明的精炼系统-废物至液体烃精炼系统(WTLH)-能够处理任何类型的废物，其中全部气体、液体或固体排放物完全低于由欧洲议会的EU-指令2000/76/CE对焚化案例所规定的最大限度。

新WTLH精炼是一种集成系统，其包括i)用于合成气生产(CO和H2)的两阶段的原料煤气化系统，在第一阶段中的熔融铁床反应器和在第二阶段中的等离子弧旋风反应器，ii)合成气冷却和净化(洗气、骤冷和ZnO与活性C过滤)反应器，其中分别地，从合成气中取出热量和污染物，iii)费托反应器，用于将合成气转化为合成烃粗产物，iv)蒸馏和加氢裂化装置，其中合成柴油和汽油将作为主要输出产物被精馏。过热蒸汽将在合成气冷却装置和FT反应器处产生。其将被用于进料发电用的蒸汽轮机。所产生的电力足以满足全部自身消耗需要，而过量的电力可卖给电网。整个系统的收率被优化以便使合成柴油、汽油和电力生产最大化。这可以使用数种策略来实现，例如i)将可再生的氢气化学计量的注入到合成气物流，ii)在蜡加氢裂化阶段，化学计量注入氢气，iii)注入可再生的沼气作为等离子弧火炬用的工作流体，iv)在合成气冷却阶段和在FT反应器的蒸汽产生以便蒸汽轮机进料，v)未反应的合成气的完全循环，vi)将本地产生的纯水分解而形成合成气生成用的氢气和氧气并且进行富集，vii)回收全部的金属和硅石类组分，分别以金属锭或结核和非浸出玻璃化的熔渣的形式，viii)将洗气和骤冷的输出物转化为工业有用的化学品或者也将其循环到第一阶段气化过程以便捕获和中和不希望有的元素到玻璃化熔渣中。

当与现有技术相似的工艺相比时，能够看出我们目前所提出的WTLH精炼相比于常规的GTL、CTL或BTL工艺来说获得了数方面的改进。气化被改变以便应对任何类型的含碳原料(无论是废物、生物质或化石燃料来源)，同时FT产物收率将从常规的6∶1提高直至2∶1至1∶1之间的值(每吨原料将允许生产出0.5至1吨的FT产物)。这意味着我们新提出的WTLH精炼将具有接近于100％的碳转化比率(而不是常规的65％)。此外，我们的WTLH精炼将是一种无排放物的精炼(没有气体、液体或固体排放物)，因为全部原料组分将以商业有用的产物的形式出来，这使得其相对于任何环境保护和维护指令和/或公约来说是自动适应的方案。

这意味着使用我们的WTLH方案，特别地通过其等离子气化阶段，我们将确保所得的合成气的所需要的纯度，因此去除了有关催化剂中毒或环境污染的担心。

最后，WTLH精炼是：i)一种解决对任何类型的(城市的、工业的、危险的或非危险的)含碳废物进行废物加工的现代社会问题的方法和方案，没有任何超出EPA(US)和欧洲环境法律和指令所规定的限度的环境排放物并且没有进一步形成任何类型的二次废物。ii)将有助于解决化石燃料依赖性的现代社会问题的方法和方案，这是通过降低对燃料进口的需要，降低对有限的库存燃料资源的依赖性和提高库存安全可靠性来实现的。iii)将有助于立即在运输和工业市场引入合成柴油和汽油的方法和方案，而没有对现有的和目前使用的设备的任何改变的需要。iv)将有助于解决在干燥地区中的夏季火灾问题的方法和方案，这是通过形成任何类型的生物质和森林残余物转化为合成烃的有用的市场来实现的。v)将有助于解决化石燃料的国际市场价格的不稳定性的方法和方案，这是通过在本地形成使用本地的原料并且在甚至更好的技术规格(相比于其化石燃料对应方案来说)的情况下生产的燃料替代物实现的。vi)用于生产高质量合成烃燃料的方法和方案，其中在目前使用化石燃料柴油和石脑油产品的全部通常设备(例如运输设备，但不排他地)中，最终合成的柴油和石脑油物质可以被直接使用，而不需要技术变化，其性能在涉及ASTM(美国测试和材料学会)D975标准规格(柴油燃料)，EPA(环境保护局)要求和EU(欧盟)EN590标准规格(柴油燃料)的方面上表现得比化石燃料对应方案好很多，也就是说，废物至液体烃精炼系统柴油产品没有硫，没有芳族化合物和十六烷值几乎是相应的化石燃料对应方案的两倍。vii)用于生产高质量燃料的方法和方案，其中相比于其化石燃料对应方案，具有显著更低的环境排放物，特别当用可再生的原料产生的时候，在该情况下，合成燃料本身是可再生的。viii)用于生产可再生的合成烃燃料的方法和方案，当原料为可再生来源的时候(例如生物质)。ix)用于生产可再生的合成烃燃料的方法和方案，其中最终合成的柴油和石脑油物质收率具有显著的提高，当与常规方法相比时，其中例如对于生物质和MSW原料来说，约150％收率增加。x)用于生产可再生的合成烃燃料的方法和方案，其中自然地源于在全部系统中其使用的废物减少顺应了对于任何特别专用的废物加工和减少装置所建议和规定的循环和废物减少的措施。xi)用于生产可再生的合成烃燃料的方法和方案，其中合成烃、电力、热量和玻璃化和金属子产品是全部市场有价值的输出物并且其中没有从全部系统中出来的环境排放物或者残余物，使得其成为一种合乎环境要求且可持续的第四代(tetra-generation)方案。

3-附图说明

现在借助于附图来详细描述本发明，其中：

图1：GTL和CTL常规精炼系统。

图2：WTLH-废物至液体烃精炼的气化子系统(基础案例)。

图3：WTLH-废物至液体烃精炼的烃合成子系统(基础案例)。

图4：WTLH精炼的发电及热联产子系统(基础案例)。

图5：WTLH-废物至液体烃精炼系统基础案例。可以产生任何烃族成员，但是将对柴油和石脑油进行特别着重。

图6：WTLH-废物至液体烃精炼系统基础案例的子系统选择的整体(ensemble)(具有选择的基础案例)

图7：具有选择的WTLH-废物至液体烃系统案例。可以产生任何烃族成员，但是将对柴油和石脑油进行特别着重。选择可以单独地或整体地实现。选择内容将导致生产率和总收率增加。

图8：WTLH-废物至液体烃精炼系统收率模拟器。对于特定的原料组成选择(40％木材，57％MSW，0％生物气(Biogas)，2％旧轮胎，0％甘油，1％矿物油，0％煤)并且没有氢气被添加到合成气(和/或水被添加到PETC)，我们看出500吨/天的含碳原料(或477.9吨/天，在除去熔渣和金属后)，将允许产生167.5toe/天或1222boe/天的当量。这种模拟相应于案例2-的4-i)，方程(3)和(4)。质量通量，吨/天，呈现在白色六边形中(输入质量实线，输出质量虚线)，而内部具有数字的白色箭头代表功率通量，MW(在蒸汽管线上的热功率和在电线上的电功率)。

图9：WTLH-废物至液体烃精炼系统收率模拟器。对于特定的原料组成选择(40％木材，57％MSW，0％生物气(Biogas)，2％旧轮胎，0％甘油，1％矿物油，0％煤)并且有氢气被添加到合成气(和/或水被添加到PETC)，我们看出500吨/天的含碳原料(或477.9吨/天，在除去熔渣和金属后)，现将允许产生290.9toe/天或2123.7boe/天的当量。这种模拟相应于案例3-的4-i)，方程(5)和(6)。质量和功率通量如图8中所表示的。

图10：WTLH-废物至液体烃精炼系统收率模拟器，现在包括2％的生物气(大约9.3吨/天)作为等离子炬的工作气体。H2也被添加到合成气。总FT收率现在增加到299toe/天。质量和功率通量如图8中所表示的。

4-发明的详细说明

4.1-WTLH基础系统描述

WTLH精炼基础系统由三个主要子系统组成：i)焦电热转换器(PETC)和等离子弧(PA)废物和生物质气化子系统(1)(图2)，ii)烃合成子系统(2)(图3)和iii)发电及热联产子系统(3)(图4)。各个子系统在市场上已经单独存在，但是三个的整体组合不存在。受让人具有充分接触授权设备供应商的权力。对于气化子系统阶段和烃合成子系统(包括费-托合成)，在授权供应商处可以得到烃蒸馏塔和加氢裂化、相应的设备。发电及热联产子系统基于市场标准蒸汽轮机并且在正常市场采购后将被包括在内，因此没有特别的专利需要被声明。

i)WTLH的焦电热转换器(PETC)和等离子弧(PA)废物和生物质气化子系统(1)是由以下功能元件组成的(图2)：

废物和生物质原料接收库，其将被维持在与室外大气压力相比的负表压下，以免废物气味在精炼厂周围扩散。原料可以由多种集装箱化的设备(4)(卡车、火车、轮船、驳船、等等)来运输并随后在传送带(5)上卸料进行预加工(图2)。预加工的第一步(6)将在于全部铁磁材料的磁分离来进行回收。第二步(7)将包括涡流电流分离器以便从原料物流中提取全部非铁质金属。第三步(8)是密度分离器(振动或不振动)，以便从进料物流中除去全部玻璃和硅石类材料。源于这些预加工的子产品(金属和玻璃类材料)将被回收。剩余的含碳废物原料将进行第四步(9)，其在于进料物流材料的挤压和粉碎(size reduction)。此外，空气将从进料-物流中被取出以便降低其氧含量。如果原料只是生物质，一些预加工步骤是不必要的。例如，如果原料是木材，那么可以直接进行到步骤四(9)，挤出机进料器，因为预计不存在金属或硅石等。例如，如果原料由森林残余物组成，那么可以在步骤叁处开始该过程，因为与残余生物质(主要由各种尺寸的树枝、叶、草等组成)一起，预计有小的陆地野外岩石和沙存在(即使以小的百分比)。

在如所述的预处理原料之后，剩余材料将在熔融床焦电热转换器反应器(PETC)(10)在高温(1200℃至1500℃)厌氧的熔融铁环境中被注入，其中原料将进行气化过程。原料氢和碳元素将从PETC反应器中出来，作为粗合成气(11)-合成气，主要由氢气(H2)和一氧化碳(CO)组成。存在于PETC原料物流中的全部其它化学元素将被熔融床(10)保留，处于表面漂浮的熔融熔渣层(例如硅酸盐、氯、硫等)或者处于熔融铁床(例如全部金属元素)。漂浮的熔融熔渣将以预定的周期被自动除去，以非浸出玻璃化熔渣(13)的形式，其可以用于土木建筑。通过除去过量金属并且将其分成不同的金属锭(12)(考虑各个金属物质的不同的熔点温度)进行回收，金属床将被自动地保持在恒定体积。如果需要的话，在PETC反应器中可以注入氧气以便获得CO形成的恰当的化学计量比。从PETC反应器(10)出来的粗合成气(11)(主要地H2和CO)可以仍然包含，尽管以小百分比的形式，其它不希望有的与氧和氮相结合的较重的C和H物质。这些不希望有的物质的实例是焦油化合物(CxHyOz或CxHyNz)。为了确保这些最终形成的物质将不存在并且同时提高合成气收率，粗合成气(11)将在等离子管(Plasmatron)(14)处进行进一步加工，所述等离子管是旋风颗粒/灰分离器和等离子弧反应器(PR)的组合。电等离子弧将彻底地消除全部不希望的在旋风分离器处分离的化合物，通过将其转化为物质(mater)的等离子态(在固、液和气之后的物质(mater)的第四种状态，其中全部化学化合物将被分解并且元素完全电离)，其中温度到处高于5000℃并且仅仅元素离子和电子可以继续存在。PETC(10)和等离子管(14)反应器的组合使用具有在当今市场中可得的最高性能能力，以便产生高体积和高纯度合成气和彻底地从输出的合成气物流中消除任何污染物。没有飞灰(fly)或炉底灰，没有二恶英和呋喃或其它持久性有机污染物(POP)可以存在于我们的最终的合成气物流(15)中。对这些的全部规定限制，或者由2001UN Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants(2001年联合国关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约，一个全球性条约，其使参与国有义务最小化某些POPs，包括二恶英和呋喃，其已知引起癌症、抑制免疫系统和引起先天缺陷并且确认焚烧作为二恶英和呋喃的主要源头)，或者欧洲议会关于焚化案例的欧洲议会的EU-指令2000/76/CE，将在我们的气化子系统中被良好地满足实现。

因此，当与其它废物加工系统(包括焚烧炉、标准气化器和简单的等离子反应器)相比时，我们的组合的PETC(10)和等离子管(14)废物和生物质煤气化系统是高优异品质的。

从等离子管反应器(14)出来的改进的合成气物流(15)将在气体热交换器(16)处被冷却(冷却流体(50))，其中可以容易地形成过热蒸汽(17)。这样的过热所得蒸汽(17)可以以高效率用于例如蒸汽轮机的类似兰金(Rankine)的热力学循环以便产生机械功率。

在冷却合成气后，其将进一步被送到骤冷器和涤气器净化工艺反应器(18)以便进一步洗涤和除去任何仍然存在的非H2或CO物质。来自这个净化步骤的全部所得废物将被在等离子管(14)或PETC(10)处再注入以便进行分解和玻璃化并且因此，同样地，将没有产生环境排放物。最终的净化和合成气提纯步骤将在活性碳氧化锌过滤系统(19)处进行。到这时，我们将确保最终的合成气(51)将符合环境和在我们的WTLH精炼烃合成子系统中的催化剂保护所要求的纯度。这在合成气分析器(48)处进行不断监控。

WTLH气化子系统(1)需要用于PETC(10)和等离子管(14)反应器的电力。所需要的合成气冷却过程(16)将足以进料兰金循环(图4)和与发电机(21)连接的蒸汽轮机组件(20)。自发的电力(22)将进一步在(44)处被转化为足够的电流(41)，其足以维持放热的PETC(10)和等离子管(14)的正常运转并且同时具有过量的电力，其可以被卖给电网(图4)。这样的发电和进料系统构成了发电及热联产子系统(图4)。

通过我们的焦电热转换器(PETC)(10)和等离子弧(PA)(14)气化子系统处理废物和生物质的若干技术和环境益处可以被看出。

纯燃烧的目标是使含碳原料与氧气反应。这样的化学反应将形成CO2、水蒸气并且释放热量。气化过程的目标是将废物中碳和氢转化为由CO和H2组成的可燃气体，并非燃烧任何废物。气化化学反应需要乏氧环境来发生。气化(40)所需要的氧气小于燃烧所需要的氧气的30％。

通过气化形成的燃料气体，称为合成气，仍然包含废物的大部分的化学和热能。实现纯气化将需要外部热源。一般说来，气化器利用部分燃烧以便形成气化所需的热量。然而，这引起在燃料气体中的焦油和二恶英的形成和能量的损失，即，较差的燃料气体，CO2和各种污染物含量高。使用我们提出的焦电热转换器(PETC)(10)和等离子弧(14)(PA)气化子系统，仅仅最大5％的碳将被转化为CO2，相比之下，通常的气化器是35％-55％，而新型的焚烧炉是95％。这正是我们将能够获得比通常的气化器的温度高很多的温度的原因。使我们的气化子系统运转所需要的电力将通过一体化的发电及热联产子系统获得，其将在下文进行描述并且将不需要进一步损失碳。

在我们的等离子弧反应器(14)的这些较高温度下，全部焦油、炭和二恶英将完全不形成，或者如果形成的话，在等离子弧反应器(14)组件处它们将被完全分解。这是使用我们的子系统可实现的非常重要的环境益处。实际上，有机物质的分解生产了焦油，其由碳、氢和氧或氮的分子(CxHyOz或CxHyNz化合物)组成。常见的焦油实例是呋喃类(呋喃C4H4O、2-甲基呋喃C5H6O、呋喃酮C4H4O2)、苯酚类(苯酚C6H6O、甲酚C7H8O)、醛类(甲醛CH2O、乙醛C2H4O)、酮类(2-丁烯酮C4H6O、环己酮C6H10O)和含氮的焦油如1H-吡咯(C4H5N)、吡啶(C5H5N)、甲基吡啶(C6H7N)、苯并喹啉(C13H9N)、等等。这些焦油化合物将在反应器内冷凝，如果其温度不足够高的话(低于1000℃)并且进一步污染炭(即尚未转化为CO的碳)。在通常的气化器中以及在新型的焚烧炉中，焦油冷凝下来并且附着到炭。被污染的炭变成炉底灰的一部分，使得其有毒性。塑料、氯化溶剂和其它氯化化学物质在低于1000℃的温度下的分解还将生产二恶英。然而，在高于1100℃的温度下，将不形成炭、焦油和二恶英，这使得我们的等离子弧反应器(14)(其中高于5000℃的温度成为规则)成为容易的任务。总之，我们建议的焦电热转换器(PETC)(10)和等离子弧(PA)(14)气化子系统(1)分解了全部的焦油、不留下炭，没有产生有毒性的灰，不留下二恶英，使清洁合成气生产最大化，使碳的损失最小化，以及与我们的一体化发电及热联产子系统(2)(将在下文中进行描述)一起，将是能量自足的。

ii)WTLH的烃合成子系统(2)由以下功能元件组成(图3)：

从前述的气化子系统(1)出来的清洁的合成气(51)现将构成我们的WTLH精炼烃合成子系统(2)的原料。在这个子系统中的第一步是在(39)压缩合成气并且在恰当的压力将其输送(38)到费托(FT)合成反应器(26)，其中通过由铁/钴主宰的催化剂催化的化学反应，合成气将让位于烃类和水和/或CO2。当目标是长链产物时，在FT反应器处使用约25-60bar的压力和约200-250℃的温度。FT烃类合成需要高水平的合成气纯度(例如H2S+COS+CS2＜1ppmv；NH3+HCN＜1ppmv；HCl+HBr+HF＜10ppbv；碱金属(Na+K)＜10ppbv；颗粒(煤烟、灰)“几乎被完全去除”；在有机组分(包括S、N、O)＜1ppmv)。这可以容易地通过我们的前述合成气气化和净化子系统(图2)来实现。目前的合成烃子系统组件是将在授权供应商处可得的设备放到一起的结果并且在这种WTLH精炼中将被实现。在第二步中，从FT反应器出来的烃类产品将经受标准精炼分馏(27)以便分离目标烃如柴油(46)和汽油(47)(从石脑油组中)。较重的蜡产品将进一步进行加氢裂化过程(28)，其中较重的烃将被分解为柴油和汽油较轻的产品。加氢裂化是石油化学工业中使用的标准技术用来回收精炼废物。加氢裂化需要额外的氢气，其通常来自合成气侧物流(synthetic gas side stream)，其通过WGS(水煤气变换)反应被完全变换成氢气。蒸馏(27)和加氢裂化(28)步骤还将由在市场上在授权供应商处可得的设备支持。从这些子系统单元出来的未反应的合成气或不希望有的产品，共同称为尾气(29)，将在我们的气化子系统(1)的等离子弧反应器(14)处被再注入，以便将它们再次转化为清洁的合成气用于进一步用作合成烃原料。放热的FT合成将进一步形成大量的蒸汽(30)，其可以与已经形成的气化蒸汽一起被添加和使用。

iii)WTLH的发电及热联产子系统(3)由以下功能元件组成(图4)：

源于累积在我们的WTLH精炼气化子系统(1)的合成气冷却过程(17)处形成的蒸汽和在我们的WTLH精炼烃合成子系统(2)处形成的蒸汽(30)的全部蒸汽，将进料兰金类热力学循环的蒸汽轮机(20)以产生机械能和低焓。取决于来自合成气冷却(16)和FT(26)反应器的过热蒸汽的压力和温度，每一种可以在蒸汽轮机的高压或低压段中被注入。这样的机械能将在发电机(21)处被进一步转化为电力(22)，在(44)处将其转化后，其将被用于供给整个WTLH精炼的全部电力需要(41)并且其过剩部分可以进一步被卖给电网。源于热力学循环的冷凝器(23)组件的最终的低焓将进一步在子系统壹中的有机原料的预加工阶段联产和利用，以便降低其水含量。兰金循环配套以冷凝器(23)，其接收来自透平(20)的低压蒸汽(33)并且提供水(50)，其在(53)处压缩后将被再送入气体热交换器(16)。这种冷凝器(23)接收冷水(24)进行冷凝并且提供热水(25)，其可以用于合适的目的。

将全部前述的子系统组合在一起，完全的WTLH精炼基础系统被形成并且示于图5。可以产生任何烃族成员，但是将对柴油和石脑油进行特别着重。完全的基础案例WTLH-废物至液体烃精炼系统是通过将全部图2、图3和图4中所述的组件集成在一起而构成的。三个子系统组件之间的连接是这样实现的：i)从气化子系统出来的被提纯的合成气被压缩并且输送到FT反应器，ii)从FT反应器和从合成气冷却出来的蒸汽被输送到蒸汽轮机进行发电，iii)本地所发的电力被输送到PETC和等离子管反应器(以及到其它低消耗电设备)，同时过多的被卖给共用电网。IV)来自不同的烃合成装置的尾气被循环回到等离子管中(尽管其还可能到PETC或到合成气物流)。

4.2-基础系统的改变或备选方案：具有优化选择的案例。

前述的WTLH-废物至液体烃精炼系统基础案例可以被改变和升级，借助于若干选择，这将进一步提高最终的合成烃产品的其总收率和/或在流程物流中引入新产品。通过改变原料组成、操作温度、操作压力、催化剂组成和助催化剂的类型与数量、进料合成气组成、设备类型(对于FT反应或加氢裂化)以及优化整个精炼的不同的能量循环，可以改变碳数产品中的分布。待描述的选择将直接地或间接地影响最终的烃生产速率。这些创新的选择被认为是同样目前所建议的WTLH精炼系统的一部分。

在这种WTLH精炼系统中包括的选择将分成以下几类：

i)在本地产生的或者来自外部来源的H2RE(可再生的氢气)直接地用于FT反应器(26)中或者用作事前的(a priori)合成气富集。

ii)在加氢裂化阶段(28)使用在本地产生的或者来自外部来源的H2RE。

iii)在PETC(10)使用包括HIW(危险工业废物)的废物混合原料。这种废物混合物也可包括使用煤，如任何煤至液系统所做的和/或使用生物气。

iv)使用生物气(31)作为等离子炬气体(32)或者在等离子反应器(PR)(14)内使用。

v)使用烃合成尾气(29)作为等离子炬气体(32)或者在PR内使用。

vi)使用骤冷器和涤气器残余物作为等离子炬(32)工作流体或者在PR(14)内使用。

vii)使用来自FT反应器(30)或者来自合成气冷却(17)的过热蒸汽来在其高或低压段进料蒸汽轮机，

viii)使用在本地蒸汽轮机子系统(3)产生的电力来满足全部本地的精炼需要，包括氢气的本地形成。

ix)在PETC水平处，代替O2，利用化学计量的水注入，从而都输送了CO形成用的氧，并且在最终的合成气中提高氢含量。

x)使用从蒸汽轮机循环排空的过量的水，从而在PETC(10)中将其注入和/或将其电解和产生H2(用于i)和ii)和O2以便在本地在PETC(10)处使用。

xi)使用来自环境和本地联产系统的低焓能量输入以在本地产生氢气。

xii)为FT-柴油和FT-汽油的可变的生成％而定制FT反应器(26)、蒸馏塔(27)和加氢裂化反应器(28)。

这些WTLH精炼选择种类的整体示于图6中。

i)在本地产生的或者来自外部来源(36)并且在(37)存储的H2RE直接地用于FT反应器(26)中或者用作事前的(a priori)合成气富集(35)。

非常重要的是在FT反应器(26)中将合成气转化为烃类产品是尽可能有效的，即，消耗尽可能多的反应物(CO和H2)以便提供有用的烃。直接形成的原料合成气具有这样的氢气相对于CO的比例，该比例小于烃类合成所要求的。在由下式给出的烷烃合成反应的情况下：

nCO+(2n+1)H₂→C_nH_(2n+2)+nH₂O，

期望的FT烷烃的理论使用比例是(2n+1)/n。例如，对于柴油族成员C12H26来说，使用比例是2.083。同样地，对于烯烃来说，我们知道：

nCO+2nH₂→C_nH_2n+nH₂O

并且期望的FT烯烃的理论使用比例现在是2。表1总结了原料组成的若干实例以及其理论的合成气收率和H2/CO比。如可以在表1中看出的(最右栏)，最初的原料的气化，如由以下方程所表示的：

$z\left(C_{r_1}{H}_{r_2}{O}_{r_3}\right)+x{O}_2\→s_s\mathrm{CO}+y_s{H}_2$

其中，r1、r2、r3分别是输入原料的C、H和O的比例，对于不同原料类型将产生H2/CO比(Ys/Ss)，其低于理想使用比例。为了使最初的合成气比例接近于理想使用比例，我们可以降低CO含量，包括形成CO2和H2以及消耗CO和在烃类合成反应时形成的H2O，或者提高H2含量，包括将其注入(35)到最初的合成气中。这两种选择可以以许多不同的方式实现并且全部这些将被任务是我们的WTLH精炼系统的一部分。

物质(比例)	C(r1)	H(r2)	O(r3)	熔渣	金属	Z	X	Ys	Ss	R＝H2/CO
											干木材(生物质)	1,00	1,50	0,70	1,00％	1,00％	1,00	0,15	0,75	1,00	0,75
MSW	1,00	1,60	0,60	2,00％	4,00％	1,00	0,20	0,80	1,00	0,80
											生物气	1,00	3,92	0,04	1,00％	1,00％	1,00	0,48	1,96	1,00	1,96
旧轮胎	1,00	1,01	0,02	3,00％	5,00％	1,00	0,49	0,50	1,00	0,50
											甘油	1,00	2,67	1,00	1,00％	1,00％	1,00	0,00	1,33	1,00	1,33
矿物油(平均：C25H52)	1,00	2,08	0,00	3,00％	1,00％	1,00	0,50	1,04	1,00	1,04
											煤	1,00	0,71	0,07	5,00％	1,00％	1,00	0,47	0,36	1,00	0,36

质量％    质量％

表1：待用于WTLH-废物至液体烃精炼系统中的原料化学计量组成的实例和根据如下的合成气形成方程的相应的合成气比例收率：

$z\left(C_{r_1}{H}_{r_2}{O}_{r_3}\right)+x{O}_2\→s_s\mathrm{CO}+y_s{H}_2.$

三种通用案例可以被考虑以便使最初的合成气比例接近于理想使用比例：

案例1-仅仅给出最初的原料合成气作为FT反应器(26)的输入：

降低相对的CO含量是进行的常规方式。减少CO遵循标准的水煤气变换反应(WGS)：

并且将与烃(烷烃、烯烃等)一起操作合成反应。在平衡下，CO+H2的消耗速率独立于WGS反应的程度，因为CO和H2在WGS方程的相对两侧，但是所产生的烷烃和烯烃的量依赖于合成气中存在的H2的量。在这样的案例中，预期的烃收率，由C12H26收率表示的(p1＝12和p2＝26)，由下述方程决定：

$s_s\mathrm{CO}+y_s{H}_2\→z{C}_{p_1}{H}_{p_2}+x{H}_{2}O+\mathrm{rCO}$

$\mathrm{wC}{O}_2+t{H}_2$

其中Ss和Ys是由特定的最初的原料合成气给出的定值(参见表1)。在给出Ss和Ys的情况下，(z，x，r)可以如下计算：

$(z=\frac{2y_s}{(p_2+2p_1)},x=p_{1}z,r=s_s-x)---\left(2\right)$

一旦水开始在FT反应器(26)形成，铁催化剂还将促进WGS并且WGS反应物H2O和CO与WGS产物CO2和H2之间的平衡情况将被确定。如果没有水进料到FT反应器中，仅仅在烃类合成本身开始以后，WGS才可能开始。全部CO和H2将被消耗，但仅仅其一部分，恰当的化学计量比将产生合成烃。对于这种常规的案例1-，对于不同的所考虑的原料，所得的C12H26收率总结在表2中。例如，在这种案例1-中的干木材原料来说，预计每吨原料，最高收率是206kg的C12H26。

表2：案例1-在我们的WTLH-废物至液体烃精炼系统中的作为最初的原料合成气的函数的烃FT产物收率(C12H26)的总结。绿色的值是原料归一化的质量平衡。头5个数值栏是方程(1)的化学计量系数；栏6和7是合成气输入比例，单位为吨/吨的原料；栏8、9和10分别是从右手边方程(1)的C12H26、H2O和损失的CO(到FT产品形成)，单位为吨/吨的原料；栏11和12是WGS平衡，最后一栏是主要的尾气物质(除了C4和较小的化合物如CH4以外的)

案例2-与最初的原料合成气一起，蒸汽作为FT反应器的输入反应物来注入：

为了降低在FT反应器(26)的烃合成中损失的C，案例1-可被改变，包括添加外部蒸汽，例如来自于子系统3的蒸汽轮机(20)。由于在FT反应器H2O含量的增加，勒夏特列原理(Le Chatelier principle)将在WGS反应造成平衡偏离，朝着形成更多的H2方向，这因此增加了H2/CO比例并且最小化了合成气CO的进一步的损失。此外，在WGS平衡时，CO+H2的消耗速率与WGS反应的程度无关，因为CO和H2在WGS方程的相对两侧，但是由于比通过最初的合成气进来的更多的H2现在可得，可以形成的烷烃和烯烃的数量现在也大于案例1-中的。在这样的案例中，所预期的烃收率，由C12H26收率表示的，由下述方程决定：

$s_s\mathrm{CO}+(y_s+\mathrm{ds})H_2+\mathrm{ds}{H}_{2}O\→z{C}_{p_1}{H}_{p_2}+x{H}_{2}O+\mathrm{ds}{\mathrm{CO}}_2+\mathrm{ds}{H}_2$

$\mathrm{ds}{H}_{2}O+\mathrm{dsCO}$

其中Ss和Ys是由特定的最初的原料合成气给出的定值(参见表1)。在给定Ss(原料中的C比例)和Ys(原料中的H2比例)的情况下，(z，x，ds)可以如下计算：

$(z=\frac{s_s-\mathrm{ds}}{p_1},x=p_{1}z,\mathrm{ds}=\frac{s_s{p}_2+2(s_s-y_s)p_1}{p_2+4p_1})---\left(4\right)$

对于在目前建议的WTLH精炼系统中的这种创新的案例2-，所得的C12H26收率大于案例1-中的并且对于所考虑的不同的原料，总结在表3中。例如，对于在这种案例2-中的干木材原料来说，预期每吨的原料，最高收率是326kg的C12H26，这与前面的案例1-的206kg的收率形成对比，即，从案例1-到2-，我们可以具有58％的C12H26收率增加。

表3：案例2-在我们的WTLH-废物至液体烃精炼系统中的作为最初的原料合成气的函数的烃FT产物收率(C12H26)的总结。绿色的值是原料归一化的质量平衡。第一个数值栏是注入到WGS反应的外部的H2O，单位为吨/吨的原料；栏2、3和4分别是C12H26、输出H2O和CO2，单位是吨/吨的原料。

案例3-与最初的原料合成气一起，注入氢气(可再生的或非可再生的)作为FT反应器(26)的输入反应物：

为了最小化在FT反应器(26)的烃合成中的C损失，案例1-和2-可以被案例3-代替其中外部的H2(36)，优选地是可再生来源的(或者在本地产生，借助于水(45)和电力(42)和热量(56)，或者不是)，在(37)处存储的，被添加(35)到最初的合成气，因此提高了H2/CO比并且进一步最小化了合成气CO的损失。在这种案例中，WGS将不具有有利的进行条件并且理论上将没有C损失发生。可以形成的烷烃和烯烃的量现在也大于案例1-和2-中的。在这样的案例中，所预期的烃收率，由C12H26收率表示的，由下述方程决定：

$s_s\mathrm{CO}+y_{\mathrm{new}}{H}_2\→z{C}_{p_1}{H}_{p_2}+x{H}_{2}O---\left(5\right)$

其中Ss，它是由特定的最初的原料合成气给出的定值(参见表1)。在给定Ss(原料中的C比例)的情况下，(y_new，z，x)值可以如下计算：

$(y_{\mathrm{new}}=\frac{s_s(p_2/p_1+2)}{2},z=s_s/p_1,x=p_{1}z)$

根据方程(6)，必须被添加的氢气是y_injecled＝y_new-y_s，其中Ys是H2的最初的合成气比例(参见表1)。对于在目前建议的WTLH精炼系统中的这种创新的案例3-，所得的C12H26收率大于案例1-和2-中的并且对于所考虑的不同的原料，总结在表4中。例如，对于在这种案例3-中的干木材原料来说，预期每吨的原料，最高收率是574kg的C12H26，这与前面的案例1-的206kg的收率和案例2-的326kg的收率形成对比，即，从案例2-到3-，我们可以具有76％的C12H26收率增加和从案例1-到3-，我们可以具有178％的C12H26收率增加。例如，这与以下形成了对比：每吨的木材原料预计更常规的收率是2101(或165kg)(ECN，2003)和每吨的煤216kg的FT柴油(Rentech Inc，2005)。

表4：案例3-在我们的WTLH精炼系统中的作为最初的原料合成气的函数的烃FT产物收率(C12H26)的总结。绿色的值是原料归一化的质量平衡。第一个数值栏是参考原料；栏5是注入到合成气的外部的H2，栏2和3分别是C12H26与输出的H2O，栏4是合成气的最终质量，在添加新的H2之后的，全部单位是吨/吨的原料。

作为创新的方案，认为将H2注入WTLH精炼系统，以便提高合成气中的氢气的总含量。可再生的氢气(H2RE)是优选的输入。表5总结并比较了全部三种所介绍的案例的C12H26收率。

表5：对于所分析的三种WTLH-废物至液体烃精炼系统选择的烃FT产品收率(C12H26)的比较(绿色栏)，单位为吨/吨原料。蓝色栏是和案例1-相比的FT-柴油收率的百分比增加(头两个蓝色栏)，从相对于案例2-的案例3-来看。还显示了每个案例的最终的水收率，单位为吨的水/吨的原料。

案例2-已经表示FT产品收率的显著的增加。特别地，对于轮胎和煤原料来说，增加分别优于100％和150％。从案例2-至案例3-的进一步的升级也将表示显著的增加。从案例1-到3-的最终的增加是特别高，在生物质和城市固体废物(MSW)的案例中分别是178％和160％，并且在HIW轮胎和矿物油案例中(分别是314％和100％)。在案例3和1之间，然而，增加记录对于煤原料来说是性能收率增加高达486％。

ii)在加氢裂化阶段(28)使用在本地产生的或者来自外部来源的H2RE。

备选地或者与在FT反应器(26)中使用氢气(如4-i)所述平行地，在加氢裂化反应器(28)中也可使用(34)氢气。其中，离开蒸馏塔(27)塔底的重烃产物，主要是蜡族，将被分解成轻质产物，特别对柴油和石脑油族的形成进行强调。将使用输入氢气来实现新近得到的产物的恰当的化学计量比(加氢作用)。使用由下述方程描述的蜡至柴油实例：

C₃₆H₇₄+2H₂→3C₁₂H₂₆，

能够看出需要7.9kg的H2来裂化1吨的C36H74并且获得1007.9kg的C12H26。

iii)在PETC(10)使用包括HIW(危险工业废物)的废物混合原料。这种废物混合物也可包括使用煤，如任何煤至液系统所做的和/或使用生物气。

正如前面提到的那样，我们的气化子系统(1)能处理任何类型的生物质和/或任何类型的废物，来自MSW(城市固体废物)或者来自HIW(危险工业废物)类型的，而没有任何类型的进入环境中的排放物。无论原料类型，其具有是含碳原料的特质，那么与合成烃子系统相结合的这种独特的气化子系统使得能够首次从任何类型的含碳废物和/或生物质生产合成烃产物(特别地柴油和石脑油族)。

iv)使用生物气作为等离子炬气体(32)或者在等离子反应器(PR)(14)内使用。

生物气是一种气体，其组成主要是甲烷(高达75％的CH4，5％的CO2，15％的N2和5％的其它气体)。其可以从动物粪便、污水或粪肥中产生，在为特定目的建造的浆料消化器中，使用至多95％的水。生物气，其是在35℃-50℃的温度在厌氧环境中由甲烷生成的细菌活性产生的。所得的气体可以进一步被提纯以提高其甲烷浓度直至接近于99％并进行脱硫。

将提纯的生物气注入到气化物流中，即使以小的百分比，将显著地提高氢气/CO比，这改善了最终合成气的总比值，使其更接近于如前所述的在FT反应器的H2/CO使用比例。将生物气注入气化物流将因此降低对额外的氢气的需要。富集的生物气可以被引入，在PETC(10)水平处，或者作为等离子炬(32)的工作气体，在PR(14)处。在任何案例中，它将被气化成合成气并且整合在普通的合成气物流(15)中。在等离子炬(32)引入其的优点在于它将添加到最终的合成气，没有改变PETC能力，同时仍然存在的任何杂质(如残余硫)将容易地通过等离子进行分类并且在骤冷器与涤气器反应器(18)处被除去。一般地，通过在等离子炬(32)的富集生物气注入，一般地在原料质量方面的x％提高，将引起最终约x％的最终的合成烃总质量收率提高。

v)使用烃合成尾气(29)作为等离子炬气体(32)或者在PR(14)内使用。

类似于前述的将生物气注入到气化物流中，从FT反应器(26)或者蒸馏塔(27)或者加氢裂化反应器(28)出来的尾气(29)(未反应的气体或者不期望的新近形成的气体)将被回收到合成气生产阶段。尾气(29)很可能作为等离子炬气体(32)、作为PR原料或者在PETC(10)的水平(作为系统原料)被引入。回收尾气(29)是其它FT系统中的惯例，因为它导致新鲜进料的较高的总转化率。除此之外，这样的程序有助于取出热量，特别地在固定床反应器中，以及有助于除去水和避免过高的水分压的需要，否则将限制单程转化率。然而，在等离子炬(32)注入尾气(29)作为工作气体是创新的并且以前从没有这样做过。这种程序将应对保持原料C和H组分的需要和保持不存在任何类型的环境排放物的需要。

vi)使用骤冷器和涤气器残余物作为等离子炬(32)工作流体或者在PR(14)内使用。

类似于前述的将生物气(31)和尾气(29)注入到气化物流中，从合成气的最终的清洗步骤出来的骤冷器和涤气器残余物(主要地处于液相)可以被回收到合成气生产阶段或者定期地作为商业上有用的产品而取出。如果其被回收到合成气生产阶段，其可以被引入作为等离子炬(32)的工作流体，作为PR原料或者在PETC的水平(作为系统原料)。此外，这种程序将应对保持原料C和H组分的需要和保持不存在任何类型的环境排放物的需要。

vii)使用来自FT反应器(26)或者来自合成气冷却(16)的过热蒸汽(30，17)来在其高或低压段进料蒸汽轮机(20)。

合成气的冷却过程和烃合成的放热反应将允许蒸汽产生。FT烃合成工艺能产生一定量的蒸汽重量，其在表5中以吨的水/吨的原料为单位并且对于上述三种生产案例给出。所形成的蒸汽能够在蒸汽轮机中一起使用，考虑其不同的焓含量并且将其注入在最合适的透平段(在其低压或者在其高压段中)。

可以表明在使用富集氢气的合成气的FT反应期间形成的蒸汽可以是过热蒸汽，其适用于蒸汽轮机使用。实际上，使用H2RE的FT柴油方程可以写为：

在T＝250℃的情况下并且对于在平衡条件下的反应，我们得到：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{G}^0=-\mathrm{RT}\log K_p\⇔K_p=e^{-\frac{\mathrm{\Δ}{G}^0}{\mathrm{RT}}}\\ K_p=\frac{P_{C_{P_1}{H}_{P_2}}^z{P}_{H_{2}O}^x}{P_{\mathrm{CO}}^{s_s}{P}_{H_2}^{y_{\mathrm{new}}}}\end{array}\right.$ 即： $\frac{P_{C_{P_1}{H}_{P_2}}^z{P}_{H_{2}O}^x}{P_{\mathrm{CO}}^{s_s}{P}_{H_2}^{y_{\mathrm{new}}}}=e^{-\frac{\mathrm{\Δ}{G}^0}{\mathrm{RT}}}$

如果气体反应物的初压是Pini，那么在平衡下，分压将由下式表示：

P_CO＝(P_ini-s_sw)； $P_{H_2}=(P_{\mathrm{ini}}-y_{\mathrm{new}}w);$ $P_{C_{12}{H}_{16}}=\mathrm{zw};$ $P_{H_{2}O}=\mathrm{xw}$

这样，待解方程是超多项式的形式：

$\frac{{\left(\mathrm{zw}\right)}^z{\left(\mathrm{xw}\right)}^x}{{(P_{\mathrm{ini}}-s_{s}w)}^{s_s}{(P_{\mathrm{ini}}-y_{\mathrm{new}}w)}^{y_{\mathrm{new}}}}=e^{-\frac{\mathrm{\Δ}{G}^0}{\mathrm{RT}}}$

其中w是未知的，由f(w)＝0来求解，其中：

$\mathrm{\Δ}{H}_r^0=-155.54\mathrm{kJ};$ $\mathrm{\Δ}{S}_r^0=-220.25J/K;$ T＝273+250℃＝523K

我们得到：

$\mathrm{\Δ}{G}_r^0=\mathrm{\Δ}{H}_r^0-\mathrm{T\Δ}{S}_r^0=-35.119\mathrm{kJ}$

即， $\mathrm{\&Delta;}{G}_r^0<0$ 意味着FT-柴油反应在T＝523K下是自发的。

现在，考虑R＝8.314J/K.mol；s_s＝x＝1；z＝0.083；y_new＝2.083，并且重新整理方程来求解，我们得到：

$\frac{{\left(\mathrm{zw}\right)}^z{\left(\mathrm{xw}\right)}^x}{{(P_{\mathrm{ini}}-s_{s}w)}^{s_s}{(P_{\mathrm{ini}}-y_{\mathrm{new}}w)}^{y_{\mathrm{new}}}}=e^{-\frac{\mathrm{\&Delta;}{G}^0}{\mathrm{RT}}}=e^{8.077}\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{aw}}^{(1+a)}-3219(P_{\mathrm{ini}}-w){(P_{\mathrm{ini}}-(2+a)w)}^{(2+a)}=0\\ a=0.083\end{array}\right.$

其中f(w)＝0的w值总结在表6中。

W	14,3991	16,799	19,199	24
					Pi(bar)	30	35	40	50
PCO	15,6009	18,201	20,801	26
					PH2	0,006675	0,007683	0,008483	0,008
PC12H26	1,195125	1,394317	1,593517	1,992
					PH2O	14,3991	16,799	19,199	24

表6：在P_ini＝30bar，我们得到P_CO＝15.6bar，P_H2＝0.0067bar，P_C12H26＝1.2bar，P_H2O＝14.4bar.

在250℃并且根据饱和蒸汽-水的热力学性质，只有当PH2O＞39.7巴，蒸汽将液化(在平衡下→P_H2O从分压的方程中消失)。甚至在Pini＝50bar，PH2O＝24巴，低于液化阈值→，在这个压力和T下，FT反应器也输送蒸汽(非液体水)。如果T≥374.15℃，无论压力如何，H2O总是蒸汽(H2O临界点是T_c＝374.15℃，P_c＝220.9bar，V_c＝0.0568m³/kmol)。在T＝250℃，仅仅对于Pini＞82.7巴，我们得到P_H2O＞39.7巴，即水将液化。

图7中的管线(17、30和33)显示了在FT-反应器和合成气冷却系统与蒸汽轮机之间的这种蒸汽连接。对于相关的能量(焓)和质量平衡，参见以下4.3节的更详细的说明。

viii)使用在本地蒸汽轮机子系统(3)产生的电力来满足全部本地的精炼需要，包括氢气的本地形成。

子系统3的发电站处所产生的电，与合成烃一起，是本发明WTLH精炼系统的最有用的输出产物之一。这种电力可以在本地使用以便对付WTLH精炼需要和/或外卖的电网。当在本地使用时，这种电力可以完全地满足(feed)PETC(10)和等离子炬(14)需要，以及全部其他较小的需要(像控制系统，光等)，并且其的过量可以进一步用于本地制氢(例如电解氢形成)。

ix)在PETC水平处，代替O2，利用化学计量的水注入，从而都输送了CO形成用的氧(如O2注入进行的)，并且在最终的合成气中提高氢含量。

代替在PETC水平处的O2的标准注入，(为促进化学计量的形成CO)，我们可以注入水(以蒸汽或液态水的形式)，两者都促进了CO的化学计量的形成以及合成气富集H2。这种程序可以容易地提高FT反应器的H2/CO的使用比率并且可以用作备选方案或者同时地注入纯H2，如4.2i)的案例3-中所述的。在能量平衡观点来看，这意味着更多能量将在PETC(10)和/或等离子反应器(14)水平被消耗，因为水分子需要在这里分离。实际上，在2H₂O(l)→2H₂(g)+O₂(g)中对于两水摩尔的水分解反应焓是 $\mathrm{\&Delta;}{H}_r^0=571.6\mathrm{kJ}.$ 进一步计算反应熵和吉布斯能，我们得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}^0\left(H_{2}O\left(l\right)\right)=69.9J/K.\mathrm{mol}\\ S^0\left(O_2\left(g\right)\right)=205.0J/K.\mathrm{mol}\\ S^0\left(H_2\left(g\right)\right)=131.0J/K.\mathrm{mol}\\ \mathrm{\&Delta;}{S}_r^0=2S^0\left(H_2\left(g\right)\right)+S^0\left(O_2\left(g\right)\right)-2S^0\left(H_{2}O\left(l\right)\right)\\ =327.2J/K\\ \mathrm{\&Delta;}{G}_r^0=\mathrm{\&Delta;}{H}_r^0-\mathrm{T\&Delta;}{S}_r^0=420.09\mathrm{kJ}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由于 $\mathrm{\&Delta;}{G}_r^0>0,$ 这意味着水分解是吸热的、非自发过程。对于反应的发生，我们需要输送能量或者作为电力和/或热能，直至(571.6/2)kJ/mol＊1000k9/0.018kg/mol＝15.877MJ/ton H₂O＝4.4MWh/ton H₂O.因为1吨H2O具有111.11kg的H2或111.11kg/0.0899kg/Nm³H₂＝1236Nm³H₂，这意味着3.56kWh/Nm³H₂(4400kWh/1236Nm³H₂)的理论值为水分解所需要的。如果使用PETC进行水分解，那么需要最小温度

℃(当 $\mathrm{\&Delta;}{G}_r^0\&le;0$ 时)。

x)使用从蒸汽轮机循环排空的过量的水，从而在PETC中将其注入和/或将其电解和产生H2(用于i)和ii)和O2以便在本地在PETC处使用。

子系统(3)的蒸汽轮机(20)所使用的蒸汽(17和30)(图4)都来自于合成气冷却(16)和FT反应器(26)。因为FT反应器(26)从合成气形成水，以及合成烃产物(参见方程(1)、(3)和(5))，预计在冷凝器组件(23)水平处水必须从兰金循环排空(54)。这种纯水可以被使用用于再次注入和分解到PETC(10)中(如前在ix中所述的)或者用于本地水电解，使用子系统(3)蒸汽轮机所发出的过多的电力。如果水电解是选择路线以便分离水并且产生H2(g)进行合成气富集，那么所产生的O2(g)也可在PETC处被用于化学计量的CO形成。

xi)使用来自环境和本地联产系统的低焓能量输入以在本地产生氢气。

在WTLH精炼系统的不同组件处，特别地在子系统3的冷凝器阶段(图4)，低焓(56)是可得的。分离水和形成氢气所需要的总能量是至少3.56kWh/Nm3H2。它可以使用电力(电解)、热能(热水分解)或两者的组合来获得。从兰金循环的联产热量可以用于有助于积累所需要的水分解能。

xii)为FT-柴油和FT-汽油的可变的生成％而定制FT反应器(26)、蒸馏塔(27)和加氢裂化反应器(28)。

在子系统(2)(图3)中，合成气(富集或未富集的)将被用于形成合成烃。这样的子系统的从FT-反应器(26)、蒸馏塔(27)和加氢裂化(28)组分的通常输出是烃族的混合物，但是在原料组成的水平、操作温度、操作压力、催化剂组成和助催化剂、合成气组成和设备类型上进行选择，有可能定制所形成的烃物质的分布输出。虽然我们的WTLH精炼系统可以被微调以便产生特别的烃物质，如柴油和石脑油，但是清楚的是并且认为的是其可以产生任何类型的烃(包括聚合物物质)，实现了恰当的上述的定制选择。

图7总结了具有若干选择的整个WTLH-废物至液体烃精炼系统案例。可以产生任何烃族成员，但是将对柴油和石脑油进行特别着重。选择可以单独地或整体地实现。选择内容将导致生产率和总产品体积增加。其它有用的输出产物将是联产的电力和热量以及PETC玻璃化的熔渣(13)和金属锭(12)。因此，WTLH精炼系统可被看作一种多产系统。

4.3-有或者没有其变化的情况下，所建议的WTLH精炼系统的能量和质量平衡

将支配WTLH精炼系统功能的整组方程放在一起，可以模拟其作为原料选择函数的预期的生产。图8总结了部分富集的合成气案例的这样的模拟的实例，其中水被进料到FT-反应器(26)以便允许WGS反应而以H2的更多形成来进行(4.2i)的案例2-)。然而没有产生H2或生物气的直接输入。例如，对于特定的原料组成选择，即，40％木材，57％MSW，0％生物气，2％旧轮胎，0％甘油，1％矿物油，0％煤，并且没有将氢气添加到合成气(和/或水添加到PETC)，我们看到500吨/天的PETC含碳原料将允许生产出的当量为167.5toe/天(每天油当量吨数)或1222boe/天(每天油当量的桶数)。也可以认为，到达WTLH精炼的最初的原料包含最多7％(大约37.6吨)的非含碳材料(金山、玻璃等)并且仅仅95.6％的PETC原料可以被转化为合成气。剩余4.4％的非合成气输入材料将通过PETC以玻璃化熔渣(8.2吨/天)和金属锭(14吨/天)的形式输送。也就是说，仅仅477.9吨/天的原料将被转化为最初的合成气。在PETC中注入129吨/天的O2将允许产生575吨/天的CO和31.8吨/天的H2，即，从气化子系统1(图2)的全部合成气输出是606.9吨/天，或者1710m3合成气/吨的原料。添加156.9吨/天的H2O用于WGS将允许生产167.5toe/天的FT产物，383.5吨/天的CO2和212.8吨/天的H2O(蒸汽形式)。

检验质量平衡(606.9吨/天的合成气+156.9吨/天的H2O(用于WGS)＝167.5toe/天的FT产物+383.5吨/天的CO2+212.8吨/天的H2O(蒸汽形式)＝763.8吨/天的总质量)。关于涉及能量平衡的内容，应当注意的是WTLH精炼系统具有两个主要的热源和两个主要的热阱。有关的热源是合成气冷却交换器和FT反应器。有关的热阱是PETC/PR和在蒸汽轮机后的兰金蒸汽循环冷凝器。借助于合成气冷却产生过热蒸汽可用于的总焓可以这样评估，使用原料至合成气的反应焓，或者原料的低热值(LHV)含量和全部合成气的低热值之间的差加上被输送到PETC/PR的能量。表7总结了图8中的操作值的这种估算。根据表7和图8，可获自合成气冷却至子系统3的总热功率由以下给出：(496.1MWh/天)/24h＝20.7MWt。

表7：对在图8中考虑的WTLH精炼参数的使用合成气冷却产生过热蒸汽可得的总焓第一数值栏是原料的LHV，单位MWh/吨。对如图8中的原料贡献假定相同的百分比率，有可能估计每日的LHV原料对合成气的贡献(栏2的数值，单位MWh/天)。栏5是对每日所产生的合成气的LHV的总贡献。栏6是输送至PETC/PR的每日能量(电力)。子系统3的可得的热能由(栏2-栏5+栏6)给出，得到578.8MWH/天，在当前的实例中。假定合成气从2200K冷却到550K并且CO的比热是1.08kJ/kg.K，对于H2是14.5kJ/kg.K，在合成气冷却系统，可以交换496.1MWh/天的值。从原料到合成气的热效率是(2802.6MWh/天)/(3313.6MWh/天)＝84.6％，而从热合成气到冷却交换器的效率是约100*496.1/578.8＝85.7％.

使用合成气到FT-产物的反应方程焓或者输入合成气的LHV和输出FT-产物的LHV之间的差可以估计从FT-反应器(26)(子系统2)至子系统3(兰金循环)的焓贡献。考虑对于目前的原料比例选择，CO含量是1.203吨/吨原料，最初的H2含量(在添加用于WGS的H2O前)是0.067吨/吨原料，获得了5864kWh/吨原料的合成气LHV(其中CO的LHV是10.9MJ/kg，H2的LHV是120.1MJ/kg)。使用仅仅C12H26作为FT-产物输出基准，具有44.12MJ/kg的LHV，获得了73.2％的合成气至C12H26的总能量效率是([44.12MJ/kg*167.5toe/day*1000/3.6]/[5864kWh*477.9ton/day]＝0.732)。因此，100％-73.2％＝26.8％被留下来用于作为联产热功率，或31.3MWt。这相当于估算以上案例2-的方程(3)的反应焓。实际上，这可写为：

$\mathrm{\&Delta;}{H}_r^0=$

$[\mathrm{z\&Delta;}{H}_f^0\left(C_{12}{H}_{26}\left(l\right)\right)+\mathrm{x\&Delta;}{H}_f^0\left(H_{2}O\left(g\right)\right)+\mathrm{ds\&Delta;}{H}_f^0\left({\mathrm{CO}}_2\left(g\right)\right)+\mathrm{ds\&Delta;}{H}_f^0\left(H_2\left(g\right)\right)]----\left(8\right)$

$-[s_s\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(\mathrm{CO}\left(g\right)\right)+(y_s+\mathrm{ds})\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(H_2\left(g\right)\right)+\mathrm{ds\&Delta;}{H}_f^0\left(H_{2}O\left(g\right)\right)]$

其中：

$\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(C_{12}{H}_{26}\left(l\right)\right)=-290.9\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

$\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(H_{2}O\left(g\right)\right)=-241.8\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

$\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left({\mathrm{CO}}_2\left(g\right)\right)=-393.5\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}---\left(9\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(H_2\left(g\right)\right)=0$

$\mathrm{\&Delta;}{H}_f^0\left(\mathrm{CO}\left(g\right)\right)=-110.5\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

使用方程(8)和(9)，我们可以计算每个原料类型的ΔH_r ⁰(表8)。对于钴基催化剂，WGS反应是微不足道的，但是对于铁催化剂，WGS可以对FT反应器内部的气体的组成具有显著的影响并且将进行到取决于FT条件的程度。对于较低的温度(210至240℃)，WGS反应的速率慢并且仅仅形成少量的CO2。然而，在较高的温度(高于300℃)，WGS快速进行到平衡。就本发明模拟实例目的而言，我们将假定仅仅55％的H2O和CO将反应而产生平衡的CO2和H2，即逆WGS反应存在，产生回CO，其然后进一步在FT反应中反应。这是将CO2转化为FT产物的方式。这样，55％的WGS将H2O和CO转化成CO2和H2将释放它的生成热到FT反应器中，并且方程(8)的两个WGS项dsΔH_f ⁰(CO₂(g))+dsΔH_f ⁰(H₂(g))应乘以0.55。这样，对于每种类型的原料，表8中的数值栏6是ΔH_r ⁰，单位为kJ加权平均值(根据我们选择的废物组成)是 $\mathrm{\&Delta;}{H}_r^0=-134.5\mathrm{kJ},$ 或4.58MWh/吨的C12H26(栏7)或766.6MWh/天的总每日废热(栏8)。可用于在子系统3的蒸汽轮机组件进行的电联产的FT形成的热功率于是为766.6/24h＝31.9MWt，这与先前使用的LHV论据所获得的31.3MWt的值可比，(如果WGS转化进行到53.5％的程度，那么获得了相同的值)。

表8：上述的案例2-的反应焓和可用于WTLH子系统3的总热功率(最后一行)。

如果这个FT热功率转化为蒸汽并且在子系统3注入，可以获得[20.7MWt(来自合成气冷却)+31.3MWt(来自FT)]＝52MWt的总热功率。假定热电转化效率为32.5％，预计在蒸汽轮机的总发电功率为16.9MWe(2.8MWe用于自身消耗而剩余的用于本地的氢气形成或者用于卖给电网)。

类似地进行4.2i)的案例3-，其中H2被添加到最初的合成气代替促进WGS，结果将朝着显著的提高FT产物形成而变化。图9总结了这些模拟结果，与图8中相同的废物组成。

气化导致这种合成气富集的情况产生了与图8中完全相同的结果。即，同样的477.9吨/天的原料将转变为最初的合成气。在PETC中注入129吨/天的O2，将允许产生575吨/天的CO和31.8吨/天的H2。然而，额外的H2现在被添加来富集最初的合成气(53.7吨/天)并且子系统1的最终的输出变为660.6吨/天，或者2970m3合成气/吨的原料。没有WGS现将被允许进行。现在，可以实现总共生产290.9toe/天的FT产物和369.7吨/天的H2O(蒸汽)。

使用方程(5)和(6)，我们可以计算每个原料类型的ΔH_r ⁰(表9)。加权平均值(根据我们选择的废物组成)现在是 $\mathrm{\&Delta;}{H}_r^0=-155.5\mathrm{kJ}$ 或3.05MWh/吨的C12H26(栏7，表9)或886.7MWh/天的总每日废热(栏8).可用于在子系统3的蒸汽轮机组分的电联产的FT所形成的热功率于是为886.7/24h＝36.9MWt。

表9：上述的4.2i)的案例3-的反应焓(富集有额外的H2的合成气)，和可用于WTLH子系统3的总热功率(最后一行)。

如果这个FT热功率转化为蒸汽并且在子系统(3)注入，可以获得[20.7MWt(来自合成气冷却)+36.9MWt(来自FT)]＝57.6兆瓦的总热功率。假定热电转化效率为32.5％，预计在蒸汽轮机的总发电功率为18.7MWe(2.8MWe用于自身消耗而剩余的用于本地的氢气形成或者用于卖给电网)。

如果新模拟现在进行，其包括生物气(31)(图6)作为在等离子炬(32)的工作气体，FT产物的进一步增加将发生，在不提高预先安装(PETC/PR)气化能力的情况下(图10)。

假定总共更多2％的原料，提纯的生物气，有98％的甲烷，进入WTLH精炼作为等离子炬气体(约9.3吨/天的提纯的生物气)，最终的当量原料将变为102％。总合成气现在是678.9吨/天，总FT产量是299.0toe/天或2182.5boe/天。蒸汽轮机可得的总热能现在是21.6MWt(来自气化)和38.7MWt(来自FT合成)，或总计60.3MWt。所产生的电力现在可以获得19.6MWe的值。

比较三个模拟(图8-10)，我们总结出，添加水、额外的氢气和/或生物气通过等离子炬将显著地提高废物至FT-柴油的收率(在实例中，从167.7toe/天直至299.0toe/天或约80％的提高).我们认为所建议的对WTLH基础精炼的选择表现了明显的创新优点。

4.4-所建议的WTLH精炼系统和其改变的经济影响

作为原料和原料混合物函数的柴油和汽油的生产成本表明加入我们所建议的选择将降低生产成本(表10中的数值栏4)至低于目前国际市场成本的值，参考2006年6月(表10中的数值栏5)，其是当量化石燃料精制对应方案的。

表10：最为不同的原料选择的函数的FT柴油生产成本。

获得表10中的值，假定典型的基建费用为约

，设备典型的运行成本是

，折旧率8％，整个WTLH精炼的每年利用率是90％和无盈亏周期是10年。还假定全部本地发电在本地使用，不卖给电网，并且原料以平均市价购买，为

的原料。市价为

的FT柴油，对于非可再生的合成气原料来说，

的FT柴油，对于可再生的来源的原料来说。这种生产成本(表10的栏4)与其他预期的生产成本进行了比较，从生物质的FT柴油(生物质至液体)为(Harold B.，2003)，和来自煤的FT柴油(煤至液体)为(rentech公司，2005)。

4.5-本发明的WTLH精炼系统可以解决的问题和预期的积极效果。

1-通过其内原性的合成生产，更好地确保烃类燃料的安全储备。安全储备提供了在补充存货所花费的时间期间用完库存的防范。

2-有助于降低温室气体排放和符合京都议定书。化石燃料是温室气体排放的直接贡献者并且还对大部分的酸雨事件和海洋黑潮负责。来自生物质来源的合成烃燃料将传递短周期二氧化碳并且基于京都议定书没有排放物的净效益。来自生物质来源的合成烃燃料是100％可再生的燃料。这样形成的合成柴油和汽油具有比其化石燃料对应方案更好的燃烧性能。这些合成柴油和汽油燃料分别将具有比其化石燃料对应方案更高的十六烷值和辛烷值指数，将是用于任何汽车发动机的优质燃料，同时没有造成气候变化的CO2被释放，NOx排放量将比目前来自化石燃料中的最好的低30％。

3-有助于解决由城市固体废物(MSW)和危险工业废物(HIW)造成的环境问题，这是通过下述方式实现的，消除垃圾堆积的需要，同时避免垃圾焚化的需要，并且进一步消除了由那些造成的大气、水、和陆地的污染问题。MSW和HIW将是合成烃形成的直接原料。引起争论的用于消除废物的焚烧方法通常产生二恶英和呋喃毒素。我们的精炼系统将彻底地消除任何不可再循环的废物物流，不会产生二恶英或呋喃，将与欧洲议会和委员会的EU排放物指令2000/76/EC完全兼容，将产生增值产品，主要地合成烃燃料，特别地柴油和汽油，金属锭和非浸出玻璃化熔渣(用于土木建筑)。

4-有助于降低我们的获自化石燃料和化石燃料进口的能量依赖性，即我们对石油生产商和其市场价格的依赖性。内原性的合成烃燃料生产将是独立于化石燃料生产成本并且如果在国内销售的话，市场将降低对石油进口的需要。

5-在农村和林地中有助于降低人类活动造成的沙漠化。用于内原性的合成烃生产的生物质森林废物(BFW)的密集使用将有助于防止林火和在农村地区产生新的就业机会(用于作为可再生的合成烃原料的BFW输送)。

6-用于产生合成烃燃料生产的新行业和商业，使用含碳废物和可再生的生物质作为原料，用于直接取代它的化石燃料对应方案。目前建议的WTLH精炼系统将是这样的新工业和商业的中心。

7-有助于顺应欧洲议会和委员会的关于促进使用用于汽车的生物燃料和其他可再生的燃料的EU指令2003/30/EC。当使用生物质和废物的生物可降解的组分时，所得的合成烃将是完全与该指令兼容的并且可被称为第二代生物燃料。因为运输部门考虑在EU中多于30％的最终的能量消耗，并且这个EU指令设定到2020年20％的生物燃料突破目标(基于到2020年12月31日投放在EU市场上的用于运输目的全部汽油和柴油的能量含量计算的)，将需要每年总共约150Mtoe的生物燃料/年。预期本发明的WTLH精炼将变得至关重要，对于实现这样的目标来说。

我们的WTLH FT柴油相对其化石燃料等价物的其它优点可以概括如下：

i)没有硫，芳族化合物或金属，和高十六烷值(表11)。

性能	当前的ASTM D975标准对柴油燃料的规格(US)	2006-10后EPA柴油要求(US)	当前的EU-EN590标准对柴油燃料的规格(EU)	本发明WTLH FT柴油
					硫(ppm)	500	15	50	0

性能	当前的ASTM D975标准对柴油燃料的规格(US)	2006-10后EPA柴油要求(US)	当前的EU-EN590标准对柴油燃料的规格(EU)	本发明WTLH FT柴油
					芳族化合物(wt％)	35	35	N/A	0
16烷值	40	40	51	＞75

表11：柴油标准规格与WTLH FT柴油性能的比较。

ii)是无毒的和生物可降解的。

iii)是无色的流体和水不混溶的(＜0.1％)。

iv)是与目前市场和现有的基础设施(管道、存储终端设备、零售泵)完全兼容的。

v)在现有发动机中，性能优于常规的柴油(十六烷值几乎是常规的两倍)。

vi)可以由任何含碳原料生产，平均收率是其他相当FT生产者(GTL、CTL和BTL)的3-5倍。

在葡萄牙的案例中，柴油和汽油消耗的年平均参考值分别是5.1Mtoe/年和1.8Mtoe/年(大约75％柴油和25％汽油)。可用的葡萄牙含碳废物原料和森林生物质残余物可以获得分别9Mton/年(INPRI，2003)和2Mton/年(来自森林残余物)的年平均参考值。目前所建议的精炼系统将能处理平均0.5toe/吨的原料，或年平均总计高达11*0.5＝5.5Mtoe/年，即100*5.5/(5.1+1.8)＝80％的目前总的葡萄牙的柴油和汽油需要。此外，目前所建议的WTLH精炼将允许不仅燃料生产成本不大于平均化石燃料对应方案，而且还将具有作为技术提供者的对本地工业的协同效应。所以，本专利具有对葡萄牙经济和化石燃料的库存安全的巨大积极影响的潜能。对于任何其它国家，可以预期相似的影响。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种废物至液体烃精炼系统，其将任何城市固体废物和危险工业废物、生物质或任何含碳原料转化为合成烃，特别地但不排他地，柴油和汽油和/或电力和联产热量，或甲醇或任何其它醇，包括两个主要的常规的子系统：i)废物和生物质气化子系统(1)；ii)费托烃合成子系统(2)；和两个其它子系统：i)用于过程的能量自可持续的发电及热联产子系统(3)和ii)氢气(主要地可再生的)形成和注入子系统(36)，其是常规的气至液的主要的变体，其中获得了提高的合成燃料输出。

2.根据权利要求1的废物至液体烃精炼系统，其中气化子系统(1)具有焦电热转换器(10)和等离子弧(14)的结合，这是大规模加工废物和生物质所需要的并且同时确保没有环境排放物，整个气化子系统(1)由以下组成：

i)具有负表压环境的废物和生物质原料接收库，其中废物和生物质原料被卸料在传送带(5)上，用于通过磁分离(6)全部铁磁材料来预加工而进行回收；涡流电流分离器(7)，其用于从原料物流中提取全部非铁质金属进行回收；密度分离器(8)，用于从进料物流中除去全部玻璃和硅石类材料进行回收；剩余的含碳废物原料进行第四步骤(9)，其在于进料物流材料的挤压和粉碎。

ii)在直至1500℃的高温和直至25巴的高压的厌氧的熔融铁环境中的熔融床焦电热转换器反应器(10)，其将无机材料转化为玻璃化熔渣(13)和金属锭/瘤节(12)，并且其中含碳原料将经历第一气化过程；

iii)旋风颗粒/灰分离器和等离子弧反应器(14)的组合，其中在直至5000℃的高温中从熔融床反应器(10)出来的合成气通过电等离子弧处理和净化，其将进行第二阶段气化并且彻底地消除全部不希望的在旋风分离器处分离的化合物，由该电等离子释放的热量可以进一步用于熔渣过热和玻璃化；

iv)气体净化作业线，其中从等离子弧反应器(14)出来的改进的合成气物流(15)将在气体热交换器(16)处被冷却，并且进一步经受骤冷器和涤气器净化工艺反应器(18)以便进一步洗涤和除去任何仍然存在的非H2或CO物质并且其中来自这个净化步骤的全部所得废物将被进一步转化为增值产品如酸和/或被再注入等离子弧反应器(14)以便通过玻璃化进行分解；最终的净化和合成气提纯步骤通过活性碳氧化锌过滤系统(19)进行。

3.根据权利要求1的废物至液体烃精炼系统，其中新的氢气形成和注入子系统(36)被引入并且其中氢气在本地形成直至适宜的预定量，并且在气体混合缓冲器(35)中与从气体净化作业线流出的合成气预混，其中两气体在适宜的压力下注入以便获得在进入费托反应器(26)之前的对于目标烃类产品最有利的分压比。

4.根据权利要求1和3的废物至液体烃精炼系统，其中氢气是通过将从费托反应器(26)出来的和从生物气形成过程(31)出来的副产物水分解而在本地形成的；水分解所需要的能量部分源自于发电及热联产子系统(3)的电力输出(42)，而其余来自气化热交换器(16)和动力循环冷凝器焓(45)以及环境低焓(24)。

5.根据权利要求1和4的废物至液体烃精炼系统，其中空气从进料-物流取出以便降低合成气稀释剂含量并且通过氢气形成子系统(36)直接地输送(40)气化所需要的氧，因此避免了对昂贵的氧气发生器设备的需要。

6.根据权利要求1至3的废物至液体烃精炼系统，其中费托烃合成子系统(2)由以下组成：

i)费托合成反应器(26)，其中通过由钴/铁主宰的催化剂催化的化学反应，合成气将产生烃化合物与水和/或CO2；并且这个费托合成反应器(26)还具有作为发电及热联产子系统(3)的锅炉的功能。

ii)标准精炼分馏(27)，以便分离从反应器(26)出来的烃类产品与目标烃如柴油和汽油；

iii)标准加氢裂化过程(28)，其中较重的蜡产品将进一步被分解成较轻的柴油和汽油产品。

7.根据权利要求1、3和6的废物至液体烃精炼系统，其中对于加氢裂化(28)来说，在(36)处形成了所需要的额外的氢气。

8.根据权利要求1、2、6和7的废物至液体烃精炼系统，其中从精炼烃合成子系统出来的未反应的合成气或不希望有的产品，共同称为尾气(29)，将被再注入气化子系统(1)的等离子弧反应器(14)，以便将它们再次转化为清洁的合成气用于进一步用作合成烃原料。

9.根据权利要求1、2和6的废物至液体烃精炼系统，其中源于累积由气化子系统(1)的合成气冷却过程(16)而形成的蒸汽(17)和以其锅炉功能由烃合成反应器(26)形成的蒸汽(30)的全部蒸汽将进料兰金类热力学循环的蒸汽轮机(20)以产生机械能和低焓，其可以在发电机(21)处被转化为电力，这将被用于满足整个精炼系统的全部电力需要并且其过剩能量，热量和电力两者，可以用于确保整个废物至液体烃精炼系统的能量自可持续或者可以被卖给电网。

10.根据权利要求1、2和9的废物至液体烃精炼系统，其中源于热力学动力循环的冷凝器组件(23)的最终的低焓将进一步在子系统(1)中的有机原料的预加工阶段联产和利用，以便降低其水含量。

11.根据权利要求1、2、3和9的废物至液体烃精炼系统，其中在动力子系统(3)中，添加根据权利要求3的氢气，即在费托合成工艺所释放的额外的热能的数量足以获得能够操作常规蒸汽轮机的蒸汽产生，而不需要任何特别形成的建造的专用设备，即使对于原料量低达仅仅每天数吨。

12.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中为了使最初的合成气比例接近于在费托反应器(26)中的理想使用比例，通过形成CO2来降低CO含量，气化所形成的来自烃类合成反应的H2O，或者通过将其注入到最初的合成气中提高H2含量。

13.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中任何废物混合物原料，包括危险工业废物，可以被使用而没有任何类型的排放物进入环境，因为全部副产物将被再用(29)或者除去(12)、(13)并且来自(18)气体净化化学溶液作为市场有用的产品，在全部子系统中从其它单元反复地返回到等离子反应器(14)的不变的残余物可以定期地被除去并且被注入到焦电热转换器(10)以便被特定地转化为玻璃化的非可浸出的且惰性的熔渣(13)。

14.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中生物气形成装置(31)可以输送生物气以便在等离子炬(32)中或在等离子反应器(14)内部被用作原料或工作气体，或者直接用在焦电热转换器(10)内部。

15.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，气体净化过程中使用的水被完全循环并且在提纯后被再用于氢气形成和再注入涤气器-骤冷反应器(18)。

16.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中自动控制系统将限定原料混合物组成以便优化目标合成烃物质的最终收率。

Claims (30)

1.一种废物至液体烃精炼系统，其将任何城市固体废物和危险工业废物、生物质或任何含碳原料转化为合成烃，特别地但不排他地，柴油和汽油和/或电力和联产热量，该废物至液体烃精炼系统包括三个主要子系统：i)焦电热转换器(PETC)(10)和等离子弧(PA)(14)废物和生物质气化子系统(1)；ii)烃合成子系统(2)；和iii)发电及热联产子系统(3)。

2.根据权利要求1的废物至液体烃精炼系统，其中焦电热转换器(10)和等离子弧(14)废物和生物质气化子系统(1)由以下组成：

具有负表压环境的废物和生物质原料接收库，其中废物和生物质原料被卸料在传送带(5)上进行预加工；

-在高温(1200℃至1500℃)厌氧的熔融铁环境中的熔融床焦电热转换器反应器(10)，其能够分离含碳原料与非碳原料，将无机材料转化为玻璃化熔渣(13)和金属锭/瘤节(12)，并且其中含碳原料将经历气化过程；

-旋风颗粒/灰分离器和等离子弧反应器(14)的组合，其中从熔融床反应器(10)出来的合成气通过电等离子弧处理，该电等离子弧将彻底地消除全部不希望的在旋风分离器处分离的化合物，通过将其转化为物质(mater)的等离子态。

3.根据权利要求1和2的废物至液体烃精炼系统，其中预加工将由以下步骤组成：第一步骤(6)，包括全部铁磁材料的磁分离来进行回收；第二步骤(7)，在涡流电流分离器上从原料物流中提取全部非铁质金属进行回收；在第三步骤(8)中，在密度分离器中从进料物流中除去全部玻璃和硅石类材料进行回收；剩余的含碳废物原料进行第四步骤(9)，其在于进料物流材料的挤压和粉碎。

4.根据权利要求1和2的废物至液体烃精炼系统，其中空气将从进料物流中被取出以便降低其氧含量。

5.根据权利要求1至4的废物至液体烃精炼系统，其中剩余材料将被注入在1200℃至1500℃的高温厌氧的熔融铁环境中的熔融床焦电热转换器反应器(10)中，其中原料将经历第一阶段气化过程。

6.根据权利要求1至5的废物至液体烃精炼系统，其中从熔融床反应器(10)出来的粗合成气(11)构成旋风颗粒/灰分离器和其中温度到处高于5000℃的等离子弧反应器(14)的组合的原料，其中该电等离子弧将彻底地消除全部不希望的在旋风分离器处分离的化合物，通过将其转化为物质(mater)的等离子态，并且其中仍未气化的含碳化合物将确定地(definitively)在第二阶段等离子气化中被转化为合成气。

7.根据权利要求1至6的废物至液体烃精炼系统，其中从等离子弧反应器(14)出来的改进的合成气物流(15)将在气体热交换器(16)处被冷却，其中可以容易地形成过热蒸汽(17)。所得的过热蒸汽(17)以高效率用于蒸汽轮机(20)的类似兰金的热力学循环以便产生机械功率。

8.根据权利要求1-7的废物至液体烃精炼系统，其中合成气在冷却后将进一步经受骤冷器和涤气器净化工艺反应器(18)以便进一步洗涤和除去任何仍然存在的非H2或CO物质并且其中来自这个净化步骤的全部所得废物将被进一步转化为增值产品如酸和/或被再注入等离子弧反应器(14)以便通过玻璃化进行分解。

9.根据权利要求1至8的废物至液体烃精炼系统，其中最终的净化和合成气提纯步骤通过活性碳氧化锌过滤系统(19)进行。

10.根据权利要求1的废物至液体烃精炼系统，其中从气化子系统(1)出来的清洁的合成气现将被压缩并且构成精炼烃合成子系统(2)的原料，其中的第一步是费托合成反应器(26)，其中通过由钴/铁主宰的催化剂催化的化学反应，合成气将产生烃化合物与水和/或CO2，并且在第二步中，从反应器(26)出来的烃类产品将经受标准精炼分馏(27)以便分离目标烃如柴油和汽油，较重的蜡产品被进一步进行加氢裂化过程(28)，其中较重的烃将被分解为较轻的柴油和汽油产品。

11.根据权利要求1和10的废物至液体烃精炼系统，其中对于加氢裂化(28)来说，需要额外的氢气，其通常来自合成气侧物流，其通过水煤气变换反应被完全变换成氢气。

12.根据权利要求1和10的废物至液体烃精炼系统，其中当目标是长链产物时，在FT反应器(26)中使用约25-60bar的压力和约200-250℃的温度。

13.根据权利要求1和10的废物至液体烃精炼系统，其中从精炼烃合成子系统出来的未反应的合成气或不希望有的产品，共同称为尾气(29)，将被再注入气化子系统(1)的等离子弧反应器(14)，以便将它们再次转化为清洁的合成气用于进一步用作合成烃原料。

14.根据权利要求1、7和10的废物至液体烃精炼系统，其中放热的FT合成将进一步形成大量的蒸汽(30)，其可以与已经形成的气化蒸汽一起被添加和使用。

15.根据权利要求1和2的废物至液体烃精炼系统，其中源于累积由气化子系统(1)的合成气冷却过程(16)而形成的蒸汽(17)和由烃合成子系统(2)形成的蒸汽(30)的全部蒸汽将进料兰金类热力学循环的蒸汽轮机(20)以产生机械能和低焓，其可以在发电机(21)处被进一步转化为电力，这将被用于满足整个精炼系统的全部电力需要并且其过剩部分可以进一步被卖给电网。

16.根据权利要求1、2和15的废物至液体烃精炼系统，其中源于热力学循环的冷凝器组件(23)的最终的低焓将进一步在子系统(1)中的有机原料的预加工阶段联产和利用，以便降低其水含量。

17.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中为了使最初的合成气比例接近于在FT反应器(26)中的理想使用比例，可以降低CO含量，包括形成CO2和H2以及消耗CO和由烃类合成反应形成的H2O，或者提高H2含量，包括将其注入到最初的合成气中。

18.根据权利要求17的废物至液体烃精炼系统，其中H2被注入到精炼系统以便提高合成气中的氢气的总含量，可再生的氢气是优选的输入(35)，其可以本地产生或者来自外部来源。

19.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中氢气(34)，优选地可再生来源的，用于加氢裂化反应器(28)中，离开蒸馏塔(27)塔底的重烃产物，主要是蜡族，将被分解成轻质产物，特别对柴油和石脑油族的形成进行强调，并且将使用输入氢气来实现新近得到的产物的恰当的化学计量比。

20.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中任何废物混合物原料，包括危险工业废物，可以被使用，而没有任何类型的排放物进入环境。

21.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中全部子系统的残余物可以被转化为增值产品或者在等离子炬(32)中或在等离子反应器(14)内部被用作原料。

22.如前所述的权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中在全部子系统中从其它单元反复地返回到等离子反应器(14)的不变的残余物可以定期地被除去并且被注入到焦电热转换器(10)以便被特定地转化为玻璃化的非可浸出的且惰性的熔渣(13)。

23.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中生物气(31)可在等离子炬(32)中或在等离子反应器(14)内部被用作原料或工作气体，或者可直接用在焦电热转换器(10)内部。

24.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中使用来自FT反应器(26)或者来自合成气冷却(16)的过热蒸汽(30和17)来在其高或低压段进料蒸汽轮机(20)。

25.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中使用在本地蒸汽轮机子系统(3)产生的电力来满足全部本地的精炼需要，包括氢气的本地形成。

26.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中在熔融床反应器(10)的水平处，代替O2，利用化学计量的水注入，从而输送了CO形成用的氧，如O2注入进行的，并且在最终的合成气中提高氢含量。

27.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中从汽轮机循环排空的过量的水被注入到熔融床反应器(10)和/或电解(本地或非本地)以便形成H2和O2，所述H2待在费托反应器(26)处引入或者用作于合成气富集或在加氢裂化阶段(28)中引入，而所述O2待在本地被用于熔融床反应器(10)中。

28.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中来自环境和本地的联产系统的低焓能输入，其在不同组件处，特别地在发电子系统3的冷凝器阶段(23)处是可得的，被用来在本地产生氢气。

29.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中对于原料组成、操作温度、操作压力、催化剂组成和助催化剂、合成气组成、设备类型进行选择，能够为柴油或汽油的可变的生成％来而定制FT反应器(26)、蒸馏塔(27)和加氢裂化反应器(28)以便形成烃物质的分布输出。

30.根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中自动控制系统将限定原料混合物组成以便优化目标合成烃物质的最终收率。

30. 根据前述权利要求的废物至液体烃精炼系统，其中其原料容量可以是任何高于1吨/天的任何类型的含碳原料，最终产品可以是任何烃和醇族和/或电力和蒸汽并且包括在各个WTLH子系统中的任何设备部件可以是描述于正文主体中的部件或者能够具有等价功能的任何其它部件。

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