CN102057222A - 具有加工过的原料/焦炭转化和气体重组的气化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供设计用于将含碳原料完全转化为合成气和熔渣的系统。该系统包括初级室，其用于原料挥发，从而产生初级室气体(尾气)；次级室，其用于进一步转化加工过的原料为次级室气体(合成气)和残渣；用于加工在一个或多个室内产生的气体的气体重组区；以及用于使残渣玻璃化的熔融室。初级室包括直接或间接的原料添加功能，以调节原料的含碳量。该系统还包括控制系统，其用于气化系统以监测和调节不同阶段的过程，从而确保完全有效地转化含碳原料为合成气产品。

Description

具有加工过的原料/焦炭转化和气体重组的气化系统
技术领域
本发明涉及气化领域，特别是涉及一种用于发电的含碳原料气化系统。
背景技术
气化是能够从碳基原料(称为含碳原料)生产可燃气体或合成气体(如H2、CO、CO2、CH4)的过程。该气体可用于发电或作为基础原料以生产化学产品和液体燃料。该过程能够生产这样的气体，该气体既可用于发电，也可作为主要基础原料以制造化学产品及运输燃料。
该气体可特别用于：在锅炉内燃烧生产蒸汽，以供内部加工和/或其他外部用途使用；或供蒸汽汽轮机发电；在燃气轮机或发动机内直接燃烧来发电；燃料电池；生产甲醇和其他液体燃料；作为另外的原料来生产化学产品，如塑料和化肥；提取氢气和一氧化碳作为离散的工业燃气；以及如果需要，其他工业热量需要。
气化不是焚烧或燃烧过程。焚烧和燃烧过程运行以使用过量氧气来热破坏含碳原料，从而产生二氧化碳、水、二氧化硫、二氧化氮及热量。焚烧也产生底部灰渣和粉煤灰，在大多数情况下，它们必须作为危险物料收集、处理和处置。与此相比，气化过程则在缺氧或限氧条件之下运行，并且产生原料气体组合物，其包含H2、CO、H2S和NH2。经过清洗，初级气化产物为H2和CO。
与焚烧相比(其使用过量空气操作以完全转化输入原料为能量和灰渣)，气化通过在受控制条件下加热含碳原料而将其转化为高能燃料。气化过程有意限制转化程度，使其不直接发生燃烧。气化过程运行所需氧气供应量控制在亚化学计量条件下(一般在理论上完全燃烧需氧量的35％或更少)，使气化过程能够转化含碳原料成为有价值中间体，并可进一步加工处理以用于物料再循环或能量回收。一些气化过程也采用间接加热方式，从而避免在气化反应器中燃烧含碳原料，并且避免氮气和过量二氧化碳稀释产品气体。
一般情况下，这样的气化过程包括输送含碳材料进入加热室(气化反应器)，同时伴随控制和限量氧气和蒸汽。在气化反应器中的条件所产生的高温运行条件下，热能和部分氧化使化学键断裂，并且无机矿物质熔融或玻璃化以形成熔融的玻璃状物质(称为熔渣)。
除城市固体废物、危险废物等，各种等级煤炭也可作为原料。这包括低级高硫煤，由于其产生高含硫量的排放物，该煤炭不适用于燃煤发电机。煤炭开采、分类和清洗后，残留的废煤渣和淤泥也适用于气化。煤炭可以与氧气和水蒸气气化生成所谓“合成气体”，其主要含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、气态硫化合物和颗粒物。气化步骤通常在约650℃至1200℃的温度范围内、在大气压或更常见在从约20大气压至约100大气压的高压下进行。
常见有几种不同类型煤，由于地质历史其表现出不同性能。煤进展程度被称为煤的“等级”。泥炭是植物材料层，其直接在构成成煤环境的成长区之下。植物材料几乎没有显示变化，并包含有活体根。褐煤在地质上非常年轻(小于40,000年)。它可以是松软、纤维质、含有大量水分(通常约70％)和有较低含量的能量(8-10兆焦耳/公斤)。黑煤年龄范围是从0.65至1.05亿年至高达2.60亿年。它们更硬，更亮的光泽，具有低于3％的水分，并且可以具有高达约24至28MJ/kg的能量含量。无烟煤完全不含水分和有极低挥发物含量，因此其燃烧很少或根本没有烟雾。无烟煤的能量含量可高达约32MJ/kg。
由于煤炭通常含有硫化物，因此尝试提供用于煤炭气化的方法，以生产清洁燃气产品，其中在使用(如燃气涡轮机中使用以发电)前，从产品燃料气体中清除硫。此外，来自气化区的气体可被净化以消除煤尘和粉煤灰，并且还可除去其他杂质，如汽化灰渣、碱等。
多件专利涉及煤炭气化来生产合成气以用在各种应用中的不同技术，包括美国专利号：4,141,694、4,181,504、4,208,191、4,410,336、4,472,172、4,606,799、5,331,906、5,486,269和6,200,430。
多种不同类型的生物质适于用作气化工艺的原料来生产合成气。例如，可用于气化的生物质包括纸浆和废纸、木材制品如碎树皮、木屑或锯末、污水和污泥、食品废弃物、植物物质、稻草、农业和动物废料、和纤维素类工业废料(例如，建筑废物)。如在本文中使用的，事实上生物质被定义为包括任何生物源的物质，其可以被用作能源或工业原料。因为生物质是通过太阳能、并通过空气、水、土壤或类似天然物质的共同作用而产生，因此它可以被无限生产，因而提供无限碳源以在生产合成气的气化过程中使用。
多件专利涉及生物质气化来生产合成气以用在多种应用中的不同技术，包括美国专利号：6,948,436、6,987,792、6,923,004、6,991,769、6,808,543、6,830,597、6,680,137、6,685,754、6,615,748、6,032,456、5,425,792和4,699,632。
煤炭和生物质气化过程中还采用等离子火炬技术。等离子电弧火炬是通过工作气体电分解和电离以在等离子电弧中心线建立高温而产生。市售等离子火炬可在使用点持续地展示适当高的火焰温度，并且可获得大小从约100KW到超过6MW的输出功率。
等离子体是高温发光气体，其是至少部分电离的，并且是由气体原子、气体离子和电子组成。任何气体都可以用这种方式产生等离子体。由于气体可以是中性的(例如，氩体、氦体、氖体)、还原性的(例如，氢气、甲烷、氨、一氧化碳)或氧化性的(例如，氧气、氮、二氧化碳)，因此其可优异地控制等离子体内的化学反应。在整个相体内，等离子体是电中性的。热等离子体可以由气体穿过电弧生成。电弧通过电阻加热和辐射加热方式，在微秒级时间范围内将穿过电弧气体迅速加热至极高温度。典型的等离子火炬是由细长管道组成，管内有加工气体流过，并在管内中心同轴装有电极。在这种形式火炬内，直流高压施加在阴阳两级间隙之间，其中心电极作为阳极，外部电极则作为阴极。通过阴阳两极间隙内气体的电流形成具有高温电磁能量电弧，该电弧是由电离气体分子组成。任何气体或气体混合物，包括空气，可以通过该等离子火炬。
由煤炭和生物质气化生成的气体产品统称“合成气体”(或合成气)，其含有一氧化碳、氢气、二氧化碳、气态硫化合物以及颗粒物。气化过程通常在约650℃至1200℃的温度范围内、在大气压或更常见在从约20大气压至约100大气压的高压下进行运行。
在1300F(700℃)或更高的高温气化过程中，气化过程通常涉及碳与空气、氧气、水蒸气、二氧化碳、或这些气体的混合物的化学反应，以生产气体产品。一旦含碳材料转化成气体状态，可从气体中清除有害物质如硫化合物和灰渣。该过程的产品可包括气态烃(也称合成气)、液态烃(油)、和加工过的原料/焦炭(碳黑和灰渣)、热和熔渣。
熔渣是高温气化过程的副产品，其是一种非浸、不危险、不挥发、玻璃状的无机材料。在高温条件下，矿物质熔融，并且作为熔渣被排出，经过淬火或冷却后，其形成玻璃状物质。这种副产品适合用作建筑材料。例如，该材料可以被粉碎并混入沥青以用于铺路及类似使用。另外，该材料可利用代替煤渣或建筑预制块，从而减少预制块内部吸水。更进一步，该材料可固化成最后形态，其适宜丢弃而不对健康或环境产生风险。
工艺化学
气化过程(先将含碳原料完全转化为尾气，然后加工成合成气)可以在高温或低温、高压或低压下运行，一步完成或多步骤不同程度分阶段完成，在最后一种运行方式中，运行条件(温度，加工添加剂)可有利于某特定气化反应而不利于其他气化反应。气化过程可以发生在一个室、或一个或多个室内的多个区域中。当煤炭通过气化反应器时，物理、化学、热过程可能顺续发生或同时发生，完全取决于反应器设计和煤炭组成。
当加热原料、温度上升时产生干燥过程，水是第一个逸出成分。
当干燥原料温度继续上升时，热裂解产生。在热裂解过程中，煤炭和生物质热分解以释放出焦油、酚和挥发性轻质碳氢化合物气体，煤炭同时转化为焦炭。加工过的原料/焦炭由固体残余物组成，包括有机和无机材料。根据原料的来源，挥发物可包括H2O、H2、N2、O2、CO2、CO、CH4、H2S、NH3、C2H6、和非常低含量不饱和烃如乙炔，烯烃，芳香烃和焦油。含碳物料一旦转化成气体状态，有害物质如硫化物和灰渣就能够从气体中清除。
气化产品是加工过的原料/焦炭内所含碳与室内水蒸汽，二氧化碳和氢气之间化学反应的结果，以及由该反应所产生气体之间再次化学反应的结果。热气化反应是由热量驱动的(热解)。加速气化反应可以通过增加电力或燃料(如丙烷)供应，直接加热反应室或增加空气作为反应物供应，推动放热气化反应，提供反应所需热量。一些气化过程也采用间接加热方式，避免煤炭直接在气化反应器内燃烧，避免氮气和过量二氧化碳气体稀释产品气体。
提供这些背景资料目的是公开申请人认为可能与当前本发明相关信息。任何先前信息不应当被理解为或者解释为对抗本发明当前现有技术。
发明内容
本发明提供设计用于将含碳原料完全转化为合成气和熔渣的系统。该气化系统包括初级室，其用于原料挥发，从而产生初级室气体(尾气)；次级室，其用于进一步转化加工过的原料为次级室气体(合成气)和残渣；用于加工在一个或多个室内产生的气体的气体重组区；以及用于使残渣玻璃化的熔融室。初级室包括直接或间接的原料添加功能，以调节原料的含碳量。
所述系统还包括控制系统，其用于气化系统以监测和调节不同阶段的过程，从而确保完全有效地转化含碳原料为合成气产品。控制系统还确保合成气产品生产有一致和/或确定组成。该控制系统包括一个或多个传感元件，用于监测和获取系统内有关运行参数的数据，同时还包括一个或多个响应元件以调整系统内的运行条件。传感元件和响应元件全部集成于系统之内，根据传感元件所获得数据，响应元件相应调整系统内运行状况。
本发明目的是提供具有加工过的原料/焦炭转化和气体重组的气化系统。依据本发明一方面规定，提供将含碳原料转化为合成气和熔渣的多室系统，其包括：一个或多个初级室，其用于转化含碳原料为加工过的原料/焦炭和初级室气体，其中每个初级室包含有原料入口、第一空气输入装置、任选的加工添加剂入口、初级室气体出口和加工过的原料/焦炭出口；一个或多个次级室，其用于转化加工过的原料/焦炭为残渣和次级室气体，其中每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、第二空气输入装置、任选的加工添加剂入口、次级室气体出口和残渣出口；一个或多个气体重组室，每个重组室包括气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中该区包括任选的加工添加剂入口、合成气出口和一个或多个重组热源；一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及调节所述系统运行的控制系统。
本发明所涉及另一方面规定，提供将含碳原料转化为合成气和熔渣的多室系统，其包括：一个或多个初级室，其用于转化所述含碳原料为加工过的原料/焦炭和初级室气体，每个初级室包括有原料入口、初级室气体出口、第一空气输入装置和加工过的原料/焦炭出口；一个或多个次级室，其用于转化所述加工过的原料/焦炭为残渣和和次级室气体，每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、次级室气体出口、第二空气输入装置和残渣出口；其中至少一个上述初级室包含气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中所述气体重组区包括合成气出口和一个或多个重组热源；一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及调节所述系统运行的控制系统。
本发明所涉及另一方面规定，提供将含碳原料转化为合成气和熔渣的多室系统，其包括：一个或多个初级室，其用于转化上述含碳原料为加工过的原料/焦炭和初级室气体，每个初级室包含原料入口、初级室气体出口、第一空气输入装置和加工过的原料/焦炭出口；一个或多个次级室，其用于将所述加工过的原料/焦炭转化为残渣和次级室气体，每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室通过它们的加工过的原料/焦炭出口接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、次级室气体出口、第二空气输入装置和残渣出口；其中至少一个次级室包括气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中所述气体重组区包括合成气出口和一个或多个重组热源；一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及调节所述系统运行的控制系统。
附图简要说明
本发明实施方案现仅通过举例方式并参照附图予以说明。
图1是依据本发明的一个实施方案的示意图，其描述多室含碳原料气化系统的一个实施方案。
图2是依据本发明一个实施方案的横截面示意图，其描述有旋转臂固体清除装置的室。
图3依据本发明一个实施方案是图2中所示旋转臂固体清除装置的顶视示意图。
图4依据本发明一个实施方案是横截面透视图，其中室有提取螺旋杆固体清除装置。
图5依据本发明一个实施方案显示修改后横截面图，室使用基于提取螺旋杆机制的固体清除装置，其中固体残渣出口从主加工室移开，避免残渣直接落入。
图6依据目前本发明的一个实施方案是室的剖面透视图，其中室有推杆固体清除装置。
图7依据本发明一个实施方案是横截面透视图，其中室有基于推杆机制的固体清除装置。
图8依据本发明一个实施方案显示修改后横截面图，其中室有基于推杆机制的固体清除装置。
图9显示一个水平取向初级室实施方案。
图10根据本发明一个实施方案是气流夹带室示意图。
图11根据本发明一个实施方案是流化床室示意图。
图12根据本发明一个实施方案是移动床室示意图。
图13A和图13B依据本发明不同实施方案，描述移动床室内可使用旋转炉篦实施方案。
图14依据本发明一个实施方案是移动床室相对于固体残渣熔融室和气体重组室的示意图。
图15是固定床碳室与等离子加热残渣熔融室串联剖面示意图，。
图16A至图16F依据本发明实施方案，描述在固定床碳室内使用各种障碍物原理。
图17根据本即时发明实施方案是热量回收子系统应用示意图，描述从气体精制室生产的合成气中回收热量。
图18至图21分别描述双原料气化设施，它们是由不同功能的工艺模块形成各种组合，其中“1”代表工艺模块1(挥发室)，“2”代表工艺模块2(碳室)，“3”代表工艺模块3(固体残渣熔融室)，与“4”代表工艺模块4(气体重组系统)。
图22是依据本发明一个实施方案的工艺总流程图，其中描述的低温气化设施包含有示范气体精制系统，并与下游燃气发动机相结合。
图23显示城市固体废料贮存建筑的设计布局。图23A表示废料管理系统简图。图23B表示塑料管理系统示意图。
图24是一个气化器实施方案的透视图，其中详细描述原料输入，气体输出，残渣排出，输送杆保护罩，和连通端口。
图25是图24所示气化炉的侧视图，其中详细介绍空气箱，残渣罐，和集尘器。
图26是图24和25所示气化炉的纵向中心截面图，其中详细描述原料输入，气体输出，残渣排出，横向移动设备，热电偶，和连通端口。
图27说明分解剖面图，其中详细描述空气箱，搬运推杆，残渣提取螺旋杆，和第三阶段C齿形边缘。
图28是一个图24和图25气化炉的剖面图，其中详细描述耐火材料。
图29详细描述在图24至图28所示气化炉中，第一阶段A和第二阶段B的空气箱组装。
图30说明在图24至图28所示气化炉中，第三阶段C空气箱剖面图。
图31说明在图24至图28中详细描述的空气箱剖面图。
图32详细说明在图24至图28所示气化炉中，多指搬运推杆防尘密封。
图33显示图24至图28所示气化炉实施方案的除尘系统，详细介绍灰渣推、灰渣罐附件、闸板、操作手柄和连条机制。
图34说明图24至图28所示气化炉搬运推杆防护罩，及搬运推杆详细结构。
图35是本发明一个实施方案图解，详细说明其中料位开关位置。
图36是一个多区碳转化器实施方案透视图，详细介绍加工过的原料输入和各种端口。
图37A是多区碳转化器实施方案的局部纵向剖面图，详细介绍输入工艺空气的各种端口，启动燃烧器端口，从热气体发生器输入的气体端口，残渣出口，和障碍物。图37B是图37A所示实施方案在AA截面俯视图。图37C是障碍物和其支撑楔子的顶视图。
图38是图36所示多区碳转化器位于火炬横截面的一个剖面图，详细说明切向位置空气输入和等离子火炬。
图39是图36所示多区碳转化器在燃烧器横截面的一个剖面图。
图40是一个气体重组室示意图
图41是一个重组室内壁视图。
图42是一个重组室顶视图，显示火炬，空气，和水蒸汽喷嘴位置。
图43显示重组室内部周围涡流进气道分布排列。
图44显示重组室等离子火炬附件。
图45A是图40所示重组室一个纵向剖面图。图45B是气化炉内空气流动图解说明，气化炉包括本发明气体重组系统，并含有图40所示重组室。图45C阐述空气从进口射入图40所示重组室和对其周围空气流动影响。
图46是一个残渣熔融系统功能模块图。
图47是一个描绘整个系统工艺流程图，特别是气体精制系统(GCS)。
图48是一张更详细热交换器工艺蓝图，显示采用工艺空气压缩机控制空气输入换热器。
图49描述一个干燥喷射系统，活性炭或其他吸附剂保存在储料斗内，通过螺旋杆装置送入合成气流体中。合成气输送管道倾斜一定角度，使碳颗粒不被气流夹带进入布袋。
图50显示干式注入系统与袋式除尘器相结合的一个范例示意图。
图51显示盐酸洗涤器和其相关组成的一个示意图。
图52显示一个收集来自气体精制系统废水的储存系统。
图53依据本发明一个实施方案描述一个采用脱硫工艺(Thiopaq)生物反应器，完成清除硫化氢加工处理的工艺流程图。
图54是一个气体均质系统图解说明，依据本发明一个实施方案，其中来自单个气源的气体进入均质室加工后，传送给多个引擎，其中，每个引擎自身都拥有气/液分离器和加热器。
图55依据本发明一个实施方案是一个固定体积均质室图解说明。
图56是一个气化系统和其高层控制系统示意图。
图57是图58所示气化和控制系统的另一个替代示意表达图。
图58是一个用于控制图49和图58所示气化系统的控制方案流程图。
图59是一个用于控制图49和图58所示气化系统的替代控制方案流程图，其中给该系统在其气化过程中进一步修改加工添加剂，并使用蒸汽。
图60是范例2中所描述的上游加工单元示意图。
图61是范例3中所描述的上游加工单元示意图。
发明详述
除非另有规定，这项发明属于，此处使用所有技术和科学术语与一般普通技艺理解具有相同含义。
定义
对于本发明，术语“合成气”(或合成气体)是指气化过程产物，该产物除其他气体成分如甲烷和水外，还可包括一氧化碳、氢气和二氧化碳。
术语“含碳原料”和“原料”，由于这里交替使用，是定义为特指可在气化过程中使用的含碳材料。适宜原料样品包括但不限于煤炭，生物质，危险和非危险废物包含城市固体废物(MSW)；工业活动产生废物；生物医疗废弃物；不宜回收含碳材料包含不可回收塑料；污水瘀泥；重油；石油焦炭；重炼油残渣；炼油废物；烃污染的固体；农业废物；和其任何混合物。提供原料可以是两个或以两个上的上述原料，以任何比例相对混合形成混合物。
“煤炭”是指任何品质或等级煤。这可包括但不限于低等级高含硫煤炭，但由于其产生高含硫废气，不适合于燃煤发电机使用。
“生物质”是指任何有机源材料，包括但不限于纸浆和废纸、木制品如碎树皮、木屑或锯末、污水和淤泥、食品废弃物、植物、稻草、农业和动物废弃物如粪便等、纤维类工业废物如建筑废物、废木材、鲜木材、和青草、以及来自水果、蔬菜和粮食加工的残余物。
“初级原料”是指经历当前气化系统加工的主要含碳原料。如果仅有一个原料气化加工，该原料就称为初级原料。凡超过一个以上原料经历气化加工，混合原料中构成主要比例的原料称为初级原料。
“次级原料”是指不同于初级原料的辅助含碳原料，该原料与初级原料共同经历气化加工。次级原料可提供作为加工添加剂以调整被气化的初级原料含碳量。
“加工过的原料”或“加工过的原料/焦炭”可包括一种或多种焦炭，低和超低挥发性含有固定碳元素和灰渣的原料，是含碳原料气化或热解过程的副产品，是从含碳原料不完全燃烧获得的产品，或者从等离子火炬热源输入气体精制和/或净化系统收集固体。
“初级室”是指接收含碳原料的室，其中主要过程是干燥和挥发，即气化过程的第一阶段和第二阶段。
“次级室”是指该室接收由初级室排出的加工过的原料，完成碳的基本转化过程。
“初级室气体”是指在初级室产生气体。该气体包括原料挥发成分，原料中水分产生水蒸气，和可能由少量碳转化生成气态产品。该气体也被称作尾气。
“次级室气体”是指在次级室产生气体。该气体包括由碳转化反应生成的产品，以及经挥发阶段处理后，加工过的原料/焦炭中残余任何挥发性气体。该气体也被称作合成气。
“加工合成气”是指在气体重组区内进一步重新加工组合的尾气或合成气。
“气体重组区”是指在该区域内，尾气和/或合成气分解为单独气体成分，并重新改造组合成为理想产品，例如一氧化碳和氢。重组区可设置在初级室，次级室，或专用气体重组室，或两者兼而有之。
“可控固体清除设备”是指用一个或多个设备按照可控制方式从气化室中清除固体物料。该装置包括但不限于旋转手臂，旋转轮，旋转桨，移动架，推杆，螺旋杆，输送机，以及它们的组合。
术语“传感元件”定义为系统配置的任何元件对某个对象特征进行检测，这个对象可以是工艺、工艺设备和工艺输入或输出，其中这个特征可以由一个特征值代表，它可用于监测、调节和/或控制系统的一个或多个局部，区域乃至整个系统全部过程。在气化系统范围内的传感元件包括但不限于传感器、探测器、监测仪、分析仪或其任意组合，监测气化过程中流体和/或物料温度、压力、流量、组成和/或其他类似特征、以及材料位置和/或相对于系统内任何指定点位置，和系统内使用的任何工艺设备任何运行特征。普通技术人员能够理解上述传感元件范例，虽然每个传感元件都与气化系统有关，但可能并不与在本文中所披露内容具体相关，因此，传感元件关键要素不应受到这些范例不适当限制和/或解释。
术语“响应元件”定义为系统配置元件对于检测参数响应，即依据一个或多个预定、计算、固定和/或可调节控制的工艺参数，以有效地控制和运行与气化系统相关工艺设备，其中一个或多个控制参数定义为提供理想工艺结果。气化系统范围内的响应元件可包括但不限于静态、预先设定、和/或动态变化的驱动器、动力装置和其他任何可配置赋予操作行动的元件，该元件根据一个或多个控制参数将操作行动赋予执行设备，操作行动可以是机械的、电力的、磁力的、气动的、液压的或几者兼而有之。气化系统范围内工艺设备可能与一个或多个响应元件有效耦合，该工艺设备可包括但不限于物料和/或原料输入设备，热源如等离子热源，附加输入设备，各种气体压缩机和/或其他类似气体循环设备，各种气体流量和/或压力调节器，和能够影响气化系统内任何局部、区域、以至全部的其他可运行工艺设备。普通技术人员能够理解上述响应元件范例，虽然每个响应元件都与气化系统有关，但它们可能并不与在本文中所披露内容具体相关，因此，响应元件关键要素不应受到这些范例不适当限制和/或解释。
这里使用术语“约”是指从标称值+/-10％变化。可以理解这种变化总是包括在此处给定的任何数值内，不论它是否专门提及。
概述
本发明提供将含碳原料完全转化为合成气和熔渣的系统。该系统包括将原料挥发以生产尾气的初级室；为进一步转化加工过的原料为合成气和固体残渣的次级室；用于加工在一个或多个室内产生的气体的气体重组区；以及使固体残渣玻璃化的熔融室。初级室还包括直接或间接次级原料添加能力，用于调整其初级原料含碳量。
气化系统还包括控制系统，用于监测和调节气化系统内气化运行各个阶段，确保含碳原料完全有效地转化为合成气产品。控制系统还确保合成气产品生产有一致和/或确定组成。该控制系统包括一个或多个传感元件，用于监测和获取系统内有关运行参数数据，同时还包括一个或多个响应元件，用于调整系统内运行条件。传感元件和响应元件全部集成于系统之内，根据传感元件所获得数据，响应元件相应调整系统内运行状况。
当今含碳原料气化系统允许气化过程在更低温度下运行，其运行温度低于此前气化技术所需要温度。原料首先在初级室低温加热(例如低于800℃)，其主要目的是消除原料中任何水分残余，迅速有效地挥发原料中挥发性成分。由此产生的加工过的原料产品(如焦炭)主动或被动地输送至次级室，在那里经历更高温度加工处理(约1000-1200℃)，因而获得更高碳转化率，完全转化加工过的原料/焦炭为气态产品和灰渣。次级室还包括有停留时间控制设备，确保足够停留时间，获得完全和有效碳转化。
适合当今多室系统使用的气化原料包括任何含碳物料，例如城市固体废物(MSW)、煤炭、生物质或它们的混合物。当今气化系统可以根据被气化原料要求进行调整或修改。例如，用于加工高游离碳含量原料的气化系统与处理低碳含量原料的气化系统相比，前者需要更大体积的次级室。另外，对于主要气化具有高挥发性物质原料的气化系统与气化具有较低挥发物含量原料的系统相比，前者用于挥发阶段气化室可能需要更大体积以适应其相应挥发量。
当今气化系统也易于适应气化初级原料和次级原料以任何要求比例制成的混合物。次级原料作为加工添加剂功能是控制初级原料含碳量，为保持最终气体生产一致性，而调节初级原料含碳量。例如，当气化系统加工较低含碳量初级原料如生物质或城市固体废物(MSW)时，可提供高含碳次级原料如煤炭或塑料，作为高含碳加工添加剂，增加初级原料中碳的比例。此外，如果高含碳原料(如煤炭)是主要气化原料，可以设想需要提供低含碳次级原料(如生物质)，以抵消其高含碳量效应。
两种原料进入初级室之前，可以预先合并混合，通过共同原料入口输入，或每种原料可以单独通过专用初级原料入口和次级原料入口，分别进入初级室。
在一个实施方案中，加工过的原料/焦炭转化阶段与挥发阶段气态产品共同输入气体重组区，在那里气体经受热源如等离子热源进一步加热，可以选择同时输入蒸汽，共同形成气态热合成气产品。在一个实施方案中，仅仅初级室产生尾气被输入气体重组区。
热合成气产品在进一步清理和精制之前，需要经过冷却步骤。在一个实施方案中，冷却步骤发生在热量回收子系统内，从热合成气中回收热量任选地利用于气化过程或其下游应用中。在这样一个实施方案中，热回收子系统可以包括热交换器，将显热热量传递给流体，用于气化系统其他地方。在一个实施方案中，热回收子系统是合成气空气换热器(也称为回热器)，该换热器从热合成气回收显热热量，并传递给室内空气，提供热空气产品。在此实施方案中，热空气任选地分别输送至初级室和/或次级室，至少提供部分驱动高温气化过程一个或多个阶段所需热量。热回收子系统任选地包括生产蒸汽的热回收蒸汽发生器，例如，蒸汽可用于驱动蒸汽涡轮机，或作为气化反应的加工添加剂。
合成气一旦经过足够冷却，可以选择通过气体质量精制子系统(GQCS)来加工处理，以清除其污染物如颗粒物、重金属和硫化合物。经过质量精制，合成气任选地送入气体调整和/或均质子系统，然后送至下游应用使用。
加工过的原料/焦炭转化为合成气后，剩余固体残渣(灰渣)从次级室选择输入固体残渣熔融室，室内等离子热源将灰渣加热熔融/玻璃化，转化为玻璃化非浸熔渣。
图1描述多室含碳原料气化系统的一个实施方案。在本实施方案中，原料和热空气输进初级室，原料在室内经历干燥和挥发过程。所产生焦炭被传送至次级室，在次级室内进一步受到输入热空气加热，并任选地加入蒸汽添加剂。焦炭中所含碳元素转化为气态产物，而残余灰渣则送入等离子热源加热熔融室，在那里经历熔融和玻璃化处理。上述两个阶段气态产品则被送至气体重组室，在那里经历等离子热源加热，并任选地加入加工添加剂如空气和/或蒸汽，生产出热合成气产品。热合成气通过热交换器，除去合成气显热热量。冷却的合成气再次通过进一步冷却系统，如热回收蒸汽发生器或干淬火工序。采用热回收蒸汽发生器冷却合成气时，所产生蒸汽可利用于下游应用，如蒸汽涡轮机发电。这时活性炭可注入至进一步冷却合成气中，然后经过过滤工序，消除其颗粒物，例如通过布袋除尘过滤器。从合成气产品中清除的颗粒物被送入熔融室，在那里与原料气化灰渣产物一起经过等离子热源熔融处理。过滤后合成气产品还要经过进一步净化和精制加工工序，然后送至下游应用使用。
气化系统还任选地包括控制系统以监控系统内各种不同运行参数，并调整气化过程各种运行条件。控制系统对通过气化过程不同阶段物料运动提供主动控制。例如，控制系统允许调节从初级室输送至次级室固体物料(焦炭)的数量和流量。该控制系统还选择调节从次级室底部排出固体残渣(灰渣)的流量。例如，该控制系统因控制固体清除设备而可调节系统内的物料运动。当气化系统包括水平取向并含有横向输送装置的初级室，控制系统还控制横向输送装置运行，确保物料有效地输送通过初级室。控制物料通过气化系统不同阶段的输送允许对原料气化过程的各个阶段进行优化。
控制系统还要按照含碳原料至合成气转化反应所要求的运行参数提供控制，确保转化反应完全和有效地进行，如一个或多个初级原料和次级原料进料流量，加热空气输入流量和输入地点，等离子热源的功率和位置，和加工添加剂输入数量和类型。控制初级原料和次级原料输入，以及控制热空气和任选的加工添加剂蒸汽输入，可确保获得原料转化为一致和/或确定合成气产品所需化学元素。
本控制系统使用安置在整个系统各个需要地点的传感元件，根据测量参数(如温度、压力和合成气组成)所获得信息来控制上述参数。
本发明因此是多室含碳原料气化系统，它优于已知技术的单级气化系统。例如，多室系统可以提供更高处理量，由于在较低温度的第一气化阶段，快速热解和气化高活性物质(挥发性物质)，同时在加工过的原料/焦炭转化阶段，允许提供不同室设计如纳入移动床室或流化床室，增加有较高温度次级室运行模式灵活性。例如，可以控制气化过程每个阶段的原料停留时间，确保初级室内干燥/挥发进行的完全彻底，或优化次级室内碳转化过程。多室系统还允许更大燃料灵活性和更简易原料输入。
在专门室内完成不同气化阶段允许各个阶段分离运行，可使每个阶段运行参数保持在该特定阶段最佳状态，而无相邻阶段施加的干扰或限制。多室系统还提供空气分配控制，分配输入初级室和次级室的空气流量，因而分别控制该气化室运行温度，通过选择使用加工添加剂如蒸汽、空气或高/低含碳次级原料，提供更多优化合成气产品(或冷气体效率)组成的机会(注入点)。
因此，本发明提供一种气化系统，采用多个气化室系统和控制物料在气化过程不同阶段停留时间设备，允许优化从原料直至气态产品和炉渣的转化过程。一般来说，本发明提供含碳原料转化为合成气过程，该过程优化可由顺序推动干燥，挥发，和焦炭到灰渣转化，以及利用等离子热源加热重组气化阶段生成的气态产品，制成热合成气产品。在一个实施方案中，灰渣最终在固体残渣熔融室转化为熔渣。
物料经主动或被动输送，通过不同气化室，经历不同程度干燥，挥发，和焦炭至灰渣转化反应。因此，气化系统内物料基本都通过一系列区域，每个区域都提供工作温度范围，促进气化过程中某一阶段进行。技术人员很容易理解，在一堆反应物原料中，气化过程所有阶段似乎同时和连续不断地发生，但在指定温度范围内，某特定阶段受到青睐。显而易见，为描述目的，这些区域数量可以与预期或多或少相同，这对熟练工作人员是显而易见的。但是，为易于理解，气化过程的三个阶段详细介绍如下。
第一阶段：原料干燥
气化过程第一阶段是干燥，主要发生在25℃至400℃之间。少量挥发和少量碳至灰渣转化反应也可能发生在此低温阶段。
第二阶段：原料挥发
气化过程第二阶段是气体挥发，主要发生在400℃至700℃之间。一小部分(剩余)干燥过程以及少量碳转化反应也在此温度区间发生。
第三阶段：焦炭至灰渣转化反应
气化过程第三阶段是碳转化反应与极少量(残余)气体挥发，主要发生在温度范围从600℃至1000℃。经此阶段后，其主要产品是一个固体残渣(灰渣)和气态碳转化反应产品。
初级室
初级室的主要功能是干燥原料和挥发含碳原料中挥发性成分。采用初级室利用低质量热量诸如预热空气在相对较低温度下，以快速和经济方式驱离原料中所有水分和挥发物。在一个实施方案中，此工序中使用的空气首先通过热交换器预热，获取合成气显热热量，然后输入初级室。剩余加工过的原料/焦炭(去除大部分水分和挥发物)随后由输送设备被动(如重力)或主动地输入次级室，该主动输送设备允许对输入气化过程下一阶段物料输送进行控制。
按照本发明规定，初级室具有原料入口，需要气化的初级原料通过该入口输入该气化室。在一个实施方案中，次级原料添加剂在进入初级室之前先与初级原料混合。在一个实施方案中，次级原料添加剂通过次级原料入口进入初级室。
初级室还包括热空气入口，输入驱动干燥和挥发阶段所需热空气，第一气化室气体出口，排出初级室产生的气体，以及残渣/加工过的原料/焦炭出口，通过该出口，残渣/加工过的原料/焦炭产品排出初级室输入次级室。初级室产生的气体(称为第一气化室气体产品)包括原料中挥发成分，原料中水分产生的水蒸气，和少量碳转化反应生成的气态产品。
本气化系统也能够适应按照任何要求比例混合原料。在一个实施方案中，原料是由初级原料与次级原料混合而成。在一个实施方案中，次级原料是作为加工添加剂提供，用于调整需要气化初级原料含碳量。例如，高碳原料如煤炭或塑料可用于补充低碳初级原料中碳含量，如城市固体废物(MSW)或生物质。另外，如果需要，低碳次级原料可用于降低高碳初级原料中碳的比例。
在一个实施方案中，当初级原料和次级原料进行气化时，这两种原料预先混合，通过一个共同原料入口输入初级室。
在一个实施方案中，当初级原料和次级原料进行气化时，每种原料分别通过专用初级原料和次级原料入口，输入初级室。
在一个实施方案中，当两种不同原料的混合物进行气化时，两种原料交替输入初级室。
在一个实施方案中，当两种原料进行气化时，每种原料在各自相应初级室内，分别经历最初挥发阶段，其各自相应加工过的原料/焦炭产品混合后，输入同一个次级室，转化为气态产品和灰渣。
在一个实施方案中，气化系统包括进料子系统，该子系统与输入原料物理特性相适应，并与初级室原料入口相结合。例如，螺旋推进器、推杆、进料斗、旋转阀或顶部重力加料都可纳入进料系统，促进原料输入气化系统。
在本发明的一个实施方案中，进料机子系统包括一个螺旋推进器，向初级室原料入口直接输入颗粒物料。
在本发明的一个实施方案中，进料机子系统安装在初级室上，该子系统由矩形进料斗和液压助力推杆组成。进料机行程开关控制推杆行程长度，从而控制每一行程输入室原料数量。
在原料被输入第一个气化室之前，可利用进料系统中预精制加工工序，预先加工精制原料。在一个实施方案中，原料在被送入初级室之前，加工处理原料，控制其颗粒大小。在一个实施方案中，原料在被送入初级室之前，原料经过预干燥工序，除掉过多水分。
按照本发明规定，输入热空气提供挥发和干燥过程所需要热量。因此，热空气入口设置在气化室各个适宜地点，将原料最佳地暴露于热空气中，确保原料充分加热干燥和挥发原料中挥发性成分。在一个实施方案中，热空气入口设置在该室靠近底部墙壁，以确保热空气进入和通过物料堆，获得最佳暴露。在一个实施方案中，热空气入口位于气化室底部，使热空气向上通过物料堆，确保其进入并穿透物料堆。在一个实施方案中，热空气入口位于气化室墙壁和底部。
在一个实施方案中，驱动气化过程的热空气在热交换器内预热，利用从含碳原料气化生成的热合成气产品中回收显热热量。
为易于初次启动气化系统，气化室包括有通入端口，可以容纳各种不同规格尺寸的常规燃烧器，例如天然气或丙烷燃烧器，预先加热气化室。
适宜低温气化加工的初级室可以是任何几何形状与尺寸。
在一个实施方案中，初级室垂直取向，其顶部附近有原料入口，底部附近有加工过的原料/焦炭出口。在这样一个实施方案中，原料从顶部进入并积累成堆，与此同时，热空气加热堆积原料，驱动干燥和挥发过程。随着水分和挥发物被驱除，原料逐步转化为焦炭。所产生加工过的原料/焦炭通过设在初级室底部加工过的原料/焦炭出口，主动或被动地排出初级室，输入次级室。
在一个实施方案中，气化室内无机械搅拌或固体主动运动通过该室，原料堆在热空气作用下，逐步转化为加工过的原料/焦炭，初级室内加工过的原料/焦炭产品允许被动地自由下降，通过两室之间开通端口，落入次级室。
在一个实施方案中，气化室底部逐渐向下倾斜，形成向加工过的原料/焦炭出口方向斜坡，物料由重力被动地牵至加工过的原料/焦炭出口。
在一个实施方案中，原料在水平旋转机械如旋转桨、旋转车轮或旋转臂杆的搅拌作用下，经历机械混合，确保最佳地暴露于热空气中。该混合设备作为可以控制方式用于主动输送加工过的原料/焦炭产品至其出口。
控制加工过的原料/焦炭向其出口输送和从初级室排出能够优化在该气化室的停留时间，确保原料进入次级室之前，排除其中水分和挥发物。从初级室排出和进入次级室物料的流量是通过可控固体清除设备调节。该固体清除设备可以是各种已知工艺装置之一。该设备包括但不仅限于螺旋、推杆、水平旋转桨、水平旋转臂和水平旋转轮。
在一个实施方案中，固体清除装置是一个薄辐叶旋转桨，该装置促使加工过的原料/焦炭向其出口移动，排出气化室。图2描述本发明的一个实施方案，其固体清除装置包括初级室(20)底部的一个旋转桨(81)，该桨移动加工过的原料/焦炭，通过狭小加工过的原料/焦炭出口(70)，排出初级室(20)。为避免部分加工过的原料/焦炭通过其出口(70)直接下落漏出，障碍物(82)放置在含加工碳原料出口(70)上方。任选地使用限速开关控制桨的旋转速度，因而控制残留物排出流量。图3是图2所示旋转桨固体清除装置的顶视图，显示障碍物(82)和加工过的原料/加工过的原料/焦炭出口(70)之间的关系。
在一个实施方案中，固体清除装置是一套螺旋杆，输送固体物料从气化室排出。在这样一个实施方案中，选择使部分气化室墙壁底部向气化室底部的螺旋杆倾斜，引导加工过的原料/加工过的原料/焦炭流向螺旋杆。图4描述本发明一个实施方案，其中固体清除装置包括初级室(20)底部的提取螺旋杆(83)，该套提取螺旋杆推动加工过的原料/焦炭排出该气化室(20)。提取螺旋杆锯齿状边缘选择有助于破碎结块，否则有可能导致堵塞加工过的原料/焦炭出口(70)。障碍物(82)放置在含加工碳原料出口(70)上方，避免部分加工过的原料/焦炭直接通过加工过的原料/焦炭出口(70)下落漏出。如果残留物出口(70)从加工气化室(20)移开，如在图5中所示的实施方案，该方案不需要有障碍物。任选地使用限速开关控制螺旋杆转速，从而控制残留物排出流量。
在一个实施方案中，固体清除装置是一根单独细推杆，该推杆将加工过的原料/焦炭推向其出口，排出气化室。在这样一个实施方案中，与推杆相对一侧底部是向推杆倾斜，使加工过的原料/焦炭向推杆堆积，为出口留出空间。图6和图7描绘的实施方案中，固体清除装置包括初级室(20)的单独细推杆(85)，该推杆推动加工过的原料/焦炭通过其狭小出口(70)，排出气化室(20)。根据加工过的原料/焦炭出口(70)的位置，有可能会需要障碍物体(82)如图8所示。任选地使用限位开关控制推杆行程长度，从而控制每次行程推动加工过的原料/焦炭排出的数量。
在一个实施方案中，初级室水平取向，该气化室一侧有原料入口，另一侧是加工过的原料/焦炭出口。随着原料从水平气化室一侧向另一侧移动，该原料逐渐失去水分和挥发性成分，最终形成加工过的原料/焦炭产品。在这样一个实施方案中，气化室选择包括一个或多个横向输送设备，横向输送固体物料通过气化室，从原料进口一侧至加工过的原料/焦炭出口另一侧。使用一个或多个横向输送单元，控制物料通过初级室的横向输送，对于一个在初级室内运行的气化过程，控制物料在每个阶段停留时间可允许对该气化过程干燥和挥发阶段实行优化。
在一个实施方案中，横向输送单元是一个或多个推杆，物料主要是经过推送通过初级室。在一个实施方案中，横向输送单元是可移动货架/平台，堆放在货架/平台上的物料主要是移动通过初级室，一小部分物料也可由移动货架/平台的前沿推行通过初级室。改变移动速度，每个横向输送单元移动距离，和多个横向输送单元移动顺序，可实现对货架/平台类横向输送单元横向输送的控制。一个或多个横向输送单元可以协调合作方式运行，或单个横向输送单元也可独立运行。为优化物料输送和堆积高度控制，单个横向输送单元可独立运行在不同输送速度，不同输送距离，和不同输送频率。
图9A是水平梯级式初级室示意图，箭头指示通过气化室的固体横向输送方向。图9B是斜底水平初级室的示意图，箭头标明通过气化室的固体横向输送方向。
在一个实施方案中，横向输送单元是沿初级室底部安装的螺旋杆机械，即物料通过一个或多个螺旋杆旋转横向输送至加工过的原料/焦炭出口。改变化螺旋杆转速可以实现对螺旋杆式横向输送单元横向输送的控制。
技术人员很容易理解，横向输送单元如螺旋杆或推杆，除输送原料通过初级室，也可配置输送加工过的原料/焦炭产品从其出口排出。
次级室
次级室是将从初级室接收的加工过的原料/焦炭有效地转化为第二气化室气体产品和灰渣。加工过的原料/焦炭在次级室内经历比初级室更高温度加工处理。例如，所使用加工温度倚赖于灰渣材料熔融温度，可高达1000℃(或更高)。
在一个实施方案中，次级室包括靠近其顶部的加工过的原料/焦炭入口，接收来自初级室的加工过的原料/焦炭，一个或多个热空气入口，气体出口，固体残渣(即灰渣)出口，一个或多个任选的加工添加剂(如蒸汽)入口，以及任选地控制加工过的原料/焦炭在次级室内停留时间的设备。在一个实施方案中，一个或多个空气入口位于气化室底部附近。
次级室产生的气体，也可称为第二气化室气体产品，它包括碳转化反应产物，以及挥发阶段后，加工过的原料/焦炭中残余的挥发性成分。
在一个实施方案中，次级室是垂直取向的气化室。适用于本系统的已知垂直取向气化室包括但不限于移动床气化器、固定床气化器、气流夹带气化器和流化床气化器。在那些实施方案中，使用热空气转化加工过的原料/焦炭为气体产品和灰渣，气化器包括有热空气入口，其位置将加工过的原料/焦炭最佳地曝露于热空气，并确保热空气输入覆盖整个加工区域。
次级室选择包括机械搅拌设备，确保有效地将加工过的原料/焦炭曝露于热空气和任何加工添加剂，由于该加工添加剂可能是加工过的原料/焦炭转化为灰渣和所希望的气态产品需要的。机械搅拌设备还可以防止气体短路和物料结块。
在尽可能高的温度接收加工过的原料/焦炭进入次级室，导致最有效的气化过程，产生最多的一氧化碳(CO)和氢气(H2)与最少二氧化碳(CO2)和水(H2O)。选择尽可能高的运行温度，进一步获得最高的一氧化碳和氢气产量，同时仍然保持运行温度低于加工过的原料/焦炭熔点温度。在一个实施方案中，直接从初级室获得加工过的原料/焦炭，从而使原料传输过程中热损失降至最低。
如同初级室，由热空气入口输入的热空气加热，至少部分加热加工过的原料/焦炭。在一个实施方案中，空气通过热交换器，利用来自热合成气产品的显热预热。热空气入口策略地设置在气化室内部及其周围，确保热空气完全覆盖加工区域。
焦炭部分氧化提供另一部分加工过的原料/焦炭转化过程所需热量。热空气输入除提供显热热量，还提供碳转化成一氧化碳(CO)和一些二氧化碳(CO2)气体所需氧气。碳与氧产生化学反应，无论生成一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)，都是放热反应。这些放热反应也因此提供一定比例从碳至灰渣转化反应所需热量。因此，从碳至灰渣转化反应部分程度上是自我驱动，但该反应也可能导致非稳态反应，造成温度失控(例如接近灰渣熔融温度)，意外地在次级室生成熔渣。在一个实施方案中，控制输入次级室空气流量，避免造成温度失控。
在一个实施方案中，向次级室提供蒸汽添加剂，最大可能地将碳转化为化学热能，同时避免加工温度升高至危险水平，危及该气化室运行的主要目的(即加工过的原料/焦炭转化为气态产品和灰渣)。因此，次级室还可以选择包括有加工添加剂(蒸汽)入口，允许加入其他加工添加剂，促进加工过的原料/焦炭中所含碳元素有效地转化为产品气体。在一个实施方案中，次级室包括策略地布置多个蒸汽入口，引导蒸汽直接进入高温区域。
选择加工添加剂类型和数量，优化加工过的原料/焦炭转化为次级室气体产品和灰渣，同时尽量降低营运成本和保持遵守监管机构排放限制。蒸汽输入确保产生足够游离氧和氢，最大限度地转化加工过的原料/焦炭为具有一定热值次级室气体产品和灰渣。空气输入有助于气化运行的化学平衡，最大限度地转化碳为燃料气体(减少游离碳)，保持最佳运行温度，同时尽量减少热量输入成本。这两个添加剂使用数量的确定和控制是由被加工处理原料输出所决定。确定注入空气数量，确保交换最大相对高成本热量输入，同时确保整个气化过程没有产生与焚化过程相关任何不良特征，并同时满足和超过当地废气排放标准。
在一个实施方案中，热空气和蒸汽入口可包括商用耐高温雾化喷嘴。
在一个实施方案中，热空气入口安置于靠近次级室底部。
与初级室相同，为便于初始启动次级室，气化室包括有通入端口，可以容纳各种不同规格尺寸的常规燃烧器，例如天然气或丙烷燃烧器，预先加热气化室。
在本发明使用气流夹带次级室(22)的一个实施方案中，参照图10，热空气输入(任选的蒸汽)与加工过的原料/焦炭输入同向流动。这里加工过的原料/焦炭至少部分是由添加剂流动而悬浮，从而促使热空气和焦炭之间更加分散接触。当反应物料由于重力牵引与添加剂共同向下运动时，发生气化反应。第二气化室气体产品通过气体出口排出，由此产生的固体残渣(灰渣)通过固体残渣出口，由底部排出。
在本发明使用流化床次级室(24)的一个实施方案中，参照图11，加工过的原料/焦炭是悬浮在向上流动添加剂之中。在流化床中，添加剂输入次级室的流速极大地克服任何重力阻碍，加工过的原料/焦炭床在更加湍动的方式中运动，导致更加均相反应区域，其行为类似于湍动流体，即使加工过的原料/焦炭事实上是固体物料。热空气和蒸汽添加剂从底部进入次级室，并与焦炭相向流动。产生的固体残渣(灰渣)通过固体残渣出口排出，第二气化室气体产品通过顶部的排气口从次级室排出。
在本发明使用移动床次级室(26)的一个实施方案中，参考图12，气化室(26)包括靠近其顶部的原料入口、多个空气入口、出气口、残渣出口和在次级室底部主动控制旋转炉排。该气化室也选择提供加工添加剂入口，将蒸汽输入次级室。此外，混合搅拌机械(27)可以用于强化次级室内添加剂和加工过的原料/焦炭之间相互作用。产生的固体残渣(灰渣)通过残渣出口排出，第二气化室气体产品通过其顶部的排气口，从次级室排出。图13A及图13B描绘出旋转炉排的实施方案，依据本发明不同的实施方案，该炉排可用于移动床次级室。
图14简略地描述一个移动床气化室和有关固体残渣熔融室与气体重组室的实施方案。在所描述的实施方案中，该气化室包括加工过的原料/焦炭入口，多个热空气入口，电机安装在外部的搅拌器，与等离子加热残渣熔融室沟通的残渣出口，和与等离子气体重组室沟通的第二气化室气体产品出口。该气体重组室也从挥发室收到第一气化室气体产品，并使用等离子热加工处理这两种气体产品的混合气体，转化其成为合成气。焦炭气化室包括旋转炉排，调节控制物料从碳转化区至固体残渣熔融室的流量。固体残渣物料进入固体残渣熔融室后，受到等离子热源加热处理，玻璃化，与其他固体残渣融合。
在本发明的一个实施方案中，次级室是固定床气化室。在固定床系统中，加工过的原料/焦炭从顶部进入气化室，落在固定床面上，输入热空气和任选的蒸汽(或其他添加剂)则通过该床面引入。输入气体与原料相向流动，从底部穿过加工过的原料/焦炭床。产生的固体残渣(灰渣)通过残渣出口排出，第二气化室气体产品则通过顶部的排气口，从次级室排出。
按照本发明的规定，次级室选择提供有控制该气化室内加工过的原料/焦炭停留时间的设备。控制次级室内加工过的原料/焦炭停留时间，确保有充足的时间达到焦炭，热空气，和蒸汽最佳混合，从而最大限度地转化加工过的原料/焦炭成为第二室气体产品和灰渣。
在一个实施方案中，任何适宜调控输送固体排出气化室的机械可提供作为固定床次级室的物料排出设备，控制其中加工过的原料/焦炭停留时间。在这样的一个实施方案中，一旦加工过的原料/焦炭在气化室内有足够的停留时间转化为第二气化室气体产品和灰渣，灰渣产品就被主动地排出气化室。这样的机制包括但不限于，任何可调控的固体清除设备，该设备也可用于主动输送加工过的原料/焦炭排出初级室。因此，控制次级室内加工过的原料/焦炭停留时间的设备可以包括螺旋杆，推杆，水平旋转桨，水平旋转杆，或水平旋转轮。在一个实施方案中，控制次级室内加工过的原料/焦炭停留时间的设备是任何用于固体清除装置，如同在图2至图9中所描绘的任何装置。
图15描述固定床次级室的一个实施方案和该次级室与固体残渣熔融室之间的关系，该固定床次级室还包括旋转轮固体清除装置。
在一个实施方案中，灰渣产品以适当的速度连续排出，确保有足够的停留时间完成碳转化反应。在一个实施方案中，一旦达到碳转化反应完成的足够停留时间，间歇性地排出灰渣产品。
在一个实施方案中，任何阻碍加工过的原料/焦炭排出气化室的机制是控制加工过的原料/焦炭在次级室停留时间的设备，该阻碍机制保留固体物料在气化室有足够停留时间，确保加工过的原料/焦炭转化为第二气化室气体产品和灰渣。在一个实施方案中，随着加工过的原料/焦炭逐渐转化为灰渣，灰渣产品被动地从次级室排出。因此，控制加工过的原料/焦炭在次级室停留时间的设备可以包括阻碍机制，使得加工过的原料/焦炭被保留足够长的时间，确保加工过的原料/焦炭转化反应，然后剩余灰渣产品从次级室排出。阻碍机制部分或间歇性地阻断固体残渣出口，限制或调节排出次级室的物料流动，或形成库池，用于暂时积累加工过的原料/焦炭。
参考图16，阻碍机制安装在次级室底部，可以是任何适宜形状或设计合理的物理屏障，该阻碍机制包括但不限于圆形顶、锥形体、炉篦、移动炉排、砖炉排、多个陶瓷球、多个管道等。阻碍机制形状和大小可部分由气化室形状和取向决定。
参考图16A条至图16F，其中详细介绍各种非限制性阻碍机制的替代方案。在一个实施方案中，如图16A所示，阻碍机制是耐火材料固体圆顶(145)，用楔型安装砖(150)固定在次级室底部。耐火材料固体圆顶的外缘与气化室内壁之间保有一定间距(155)。耐火材料固体圆顶还可进一步选择包括有多个圆孔(160)。
参考图16B，阻碍机制包括固体耐火砖炉排。耐火砖炉排(245)每个砖之间保有一定间距(255)，允许碳室与固体残渣熔融室之间相互沟通。
参考图16C，阻碍机制包括炉排结构，它是由耐火材料衬钢管(345)固定在一个安装圆环(350)上制造，安装在次级室底部。
在一个如图16D所示的实施方案中，阻碍机制是耐火材料锥形固体(145)，用安装砖固定在次级室底部。
参考图16E，阻碍机制包括多个陶瓷球。
参考图16F，阻碍机制包括圆顶齿轮。
阻碍机制和任何相关安装构件必须能够有效地在次级室苛刻条件下运行，尤其必须能够在高温下运行。因此，阻碍机制要设计使用耐高温材料建造。或者，阻碍机制涂有耐火材料层或是直接用固体耐火材料制造。
挥发气化室和次级室都是耐火材料内衬气化室，其内部体积为获得所需要停留时间应可以容纳适量固体物料。采用耐火材料是众所周知的传统耐火材料，适用于高温(如高达约1000℃)和非加压气化反应。该传统耐火材料包括高温烧制陶瓷，即氧化铝、氮化铝、氮化铝硼硅酸盐、磷酸锆、玻璃陶瓷和主要包含有硅、氧化铝和二氧化钛的高铝砖。
加工过的原料/焦炭转化反应工序产生的灰渣产品，无论是否主动或被动地由次级室排出，都随后输入熔融室。熔融室可以是单独室或次级室扩展区域。
在熔融室是次级室扩展区域的实施方案中，次级室包括碳转化区和连通区或中间区，该连通区或中间区与熔融室连续相接。其中碳转化区域要适应于1)输入需要加工处理原料，2)输入热空气，将原料中未反应碳加工转化为具有一定热值合成气和基本无碳固体残渣，3)输入任选的加工添加剂如蒸汽和/或富碳气体，4)输出合成气和排出固体残渣。连通区域或中间区域设计将碳转化区和熔融室分离，调节控制两区之间存在的物料流动，和通过影响等离子热源对固体残渣热传递，任选地对固体残渣提供初始熔融，转化其成为熔渣。因此，次级室和熔融室全部容纳于单独耐火内衬通常垂直气化室中，该气化室包括加工过的原料入口、多个加热空气入口、出气口、残渣出口和等离子热源、以及一个或更多任选的加工添加剂入口。
熔融室
熔融室的主要功能是接收从次级室输送的固体残渣(即灰渣)，将固体残渣温度提高至熔融与融合所需水平，并促使其与固体残渣发生化学反应，形成致密硅金属类玻璃化材料。在熔融室内，使用热源(如等离子热源)获得固体残渣玻璃化所需要的超高加工温度(约1400-1500℃，取决于灰渣的特性)，将熔渣充分融合均化后，排出熔融室冷却，形成致密、非浸、硅金属类固体。
因此，本发明气化系统选择包括熔融室，该室有固体残渣入口、一个或多个热源、任选的空气输入设备以及残渣出口。有多种热源可以用于熔融固体残渣。
根据各种技术，适合熔融的等离子系统包括但不限于微波等离子体、电感耦合等离子体、电弧等离子体和热等离子体。在一个实施方案中，由等离子火炬构成的等离子系统提供热量。著名等离子火炬系统包括但不限于转移弧火炬(TAT)和非转移弧火炬(NTAT)系统。这两种火炬系统(TAT，NTAT)的运行都需要有正和负电极。在NTAT系统中，两个电极都是金属，而在TAT系统，这两个电极则视“工件”而定。由于可以获得非常高的温度，系统运行通常需要有效冷却技术，例如快速水冷却。火炬系统可以设计运行在单相和多相交流电(AC)模式，或直流电(DC)模式。
在本发明利用NTAT火炬系统的实施方案中，两个磁场线圈可以用于旋转火炬电弧。技术人员很容易理解，调整磁场线圈位置和改变等离子火炬系统使用电极材料可调整火炬系统的运行。在这些火炬系统中，电极使用的材料包括但不限于钢、钨、石墨、钍钨、铜、和与锆(Zr)、铬(Cr)或银(Ag)的铜合金。
为等离子火炬系统选择载气将对熔融室内化学反应产生极严重影响。例如，载气可以是还原性、氧化性或惰性气体。典型火炬系统载气包括但不限于空气、氮气、氦气、氩气、氧气、一氧化碳、氢气和甲烷。
选择用于固体熔融的特殊等离子火炬系统取决于多种因素，该因素包括但不限于：电热效率，对工质热传递；电极寿命；电极成本；电极更换简易性；温度分布；等离子气体热焓；支持系统设计和制造简易性，如电源和控制系统；经营者资格要求；载气类型要求；去离子水需求；可靠性；资本和经营成本；熔融室内移动能力；和插入室内接近工质能力。
在本发明的一个实施方案中，残渣熔融热源是焦耳加热元件。焦耳加热是指电流通过导体产生热量，是由于导体内部带电粒子运动和原子离子之间相互作用产生的热量。产生热量与电阻乘以电流平方成正比。
在本发明的一个实施方案中，残留熔融热源是一个或多个气体燃烧器系统。
气体燃烧器使用气体燃料如乙炔，天然气或丙烷产生火焰。或者，空气入口可适当用作一些气体燃烧器，燃料气体与空气混合后获得完全燃烧。例如，常用乙炔与氧气混合。为气体燃烧器选择适当燃料气体取决于各种因素，例如，包括期望的火焰温度。
熔融残渣可以周期性地或连续地从熔融室排净，冷却后形成固体熔渣材料。该渣料可供垃圾填埋处理。另外，熔融渣可倒入容器，冷却成块，砖瓦，或类似建筑材料。固体产品可以进一步分成各种类别供日常使用。
在一个实施方案中，固体残渣熔融室内加工处理的固体残渣包括来自下游过程的固体物料，例如，来自下游气体精制过程中由布袋除尘过滤器回收的固体物料。
固体残渣熔融室设计确保有足够停留时间，确保加热固体残渣至适当温度，使残渣熔融并均化融合。
使用热源类型，以及其位置和方向，都是固体残渣熔融室设计中要考虑的附加因素。热源必须满足温度要求，加热固体残渣至所需要温度，熔融和均化固体残渣，同时允许熔融废渣流出气化室。
熔融室内壁上衬有耐火材料，该耐火材料它可以是一种或已知传统耐火材料组合，适合使用于极高温度(如约1100℃的温度到1800℃)和非加压反应气化室。该耐火材料包括但不限于高温烧制陶瓷(如氧化铝、氮化铝、铝硅酸盐、氮化硼、磷酸锆陶瓷)、玻璃陶瓷和主要包含氧化硅，氧化铝和二氧化钛的高铝砖。
气体重组区
气体重组区主要功能是将第一气化室气体产品和第二气化室气体产品重新组合成为合成气体。根据系统设计，气体重组区可设置在初级室顶部、或次级室顶部、或单独室内。
因此，气体重组区接收从初级室输送的第一气化室气体产品(尾气)，在一些实施方案中，也接收从次级室输送的第二气化室气体产品，进行加热处理如等离子热源加热，完全有效地转化该气体成为合成气产品。气体重组区也将消除或分解原始气态产物中存在的污染物质(如焦油，微粒)，减轻下游气体质量精制加工过程负荷。如果需要调整合成气化学组成，该系统可提供加工添加剂输入如空气或水蒸汽，通过加工添加剂入口提供重组所需分子种类，重新组合加工气体为含有理想成分合成气。
按照本发明规定，气体重组区与初级室或选择次级室气体出口流体相连，该重组区包括一个或多个热源(如等离子热源或氢气燃烧器)、一个或多个任选的加工添加剂入口和合成气出口。任选的一个或多个加工添加剂入口将空气/氧气和/或蒸汽注入重组区。在等离子重组工序生成的合成气通过合成气出口，排出气体重组室。
在一个实施方案中，气体重组区设置在初级室内或与其连体相通室内，即无中间段分离两个室。在该实施方案中，气体重组工序和气体挥发工序同时发生在单独室内分别两个区域。在这样一个实施方案中，可以理解，从次级室输送的第二气化室气体产品是通过专门第二气化室气体入口输入该单独室。
为重组反应产生，气体重组室必须加热至足够高温度。在本发明的一个实施方案中，温度是从约800℃至约1200℃。在发明的另一个实施方案中，温度是从约950℃至约1050℃。在另一个实施方案中，温度是从约1000℃至1200℃。在一个实施方案中，重组室内运行温度是约1000℃。排出重组室合成气温度范围是从400℃至1000℃以上。使用热交换系统冷却合成气，合成气温度可以降低，并回收合成气热量，这将在以后讨论。
在一个实施方案中，仅有初级室产生气体输入气体重组区。
在一个实施方案中，气体重组区位于其独立室内，初级室气体产品和次级室气体产品在输入重组室前预先混和，通过共同入口进入重组室。在一个实施方案中，初级室气体产品和次级室气体产品在进入重组室前并无预先混和，因而两个分离流体通过单独入口分别进入重组室。
气体重组室一般是有足够体积的耐火材料内衬室，其完全可以满足产生转化反应所需停留时间。气体重组室可以是任何几何形状，只要其允许有适当停留时间，使原料气体能够与选择加工添加剂充分化学反应，转化为合成气。例如，气体重组室可能是直管式或文氏管结构(文丘里管)。只要能适当混合原料气体与选择加工添加剂和维持其停留时间，气体重组室可放置于各种不同位置。
由一个或多个气体入口输送第一气化室气体产品和第二气化室气体产品进入重组室可以组合为输入方式，允许有同向、逆向、径向、切向或其他方向输入。进入等离子加热重组室的原料气体由气体搅拌设备任意混合。重组室可以包含一个或多个室，该室可垂直或水平取向，可拥有各种内部构件如挡板，促进返混与扰动。挡板通过制造扰动引导气体混合。已知挡板布局技术包括但不限于桥壁隔板和排列阻塞环挡板。在一个实施方案中，混合设备可以包括一个或更多在原料入口或其附近的空气喷嘴，该喷嘴将少量空气注入原料气体，从而在原料气流中制造一个旋涡运动或扰动，达到气体混合目的。
气体重组热量可以由多种热源提供，如等离子类加热系统或氢气燃烧器。
基于各种技术，适合气体重组的等离子系统可包括但不限于微波等离子体、电感耦合等离子体、电弧等离子体和热等离子体。等离子热源可以从下列等离子体加热装置中选择，例如非转移弧交流和直流等离子火炬，转移弧交流和直流等离子火炬，和无电极高频感应等离子体加热装置。等离子火炬使用的各种气体工质包括但不限于空气、氧气、氮气、氩气、甲烷、乙炔和丙烯。技术人员可以轻易确定本发明气体重组室所用等离子热源类型。
在本发明的一个实施方案中，气体重组热量是由含有等离子火炬的等离子系统提供。著名等离子体火系统包括但不限于转让弧火炬(TAT)和非转移弧火炬(NTAT)系统。这两种火炬系统(TAT，NTAT)的运行都需要有正和负电极。在NTAT系统中，两个电极都是金属，而在TAT系统，这两个电极则视“工件”而定。由于可以获得非常高的温度，系统运行通常需要有效的冷却技术，例如快速水冷却。火炬系统可以设计运行在单相和多相交流电(AC)模式或直流电(DC)模式。
在本发明利用NTAT火炬系统的实施方案中，两个磁场线圈可以用于旋转火炬电弧。技术人员很容易理解，调整磁场线圈位置和改变等离子火炬系统使用电极材料可调整火炬系统运行。在这些火炬系统中，电极使用材料包括但不限于钢、钨、石墨、钍钨、铜、和与锆(Zr)、铬(Cr)或银(Ag)的铜合金。
为等离子火炬系统选择载气将对熔融室内化学反应产生极严重影响。例如，载气可以是还原性、氧化性或惰性气体。典型火炬系统载气包括但不限于空气、氮气、氦气、氩气、氧气、一氧化碳、氢气和甲烷。
选择用于固体熔融的特殊等离子火炬系统取决于多种因素，它们包括但不限于：电热效率，对工质热传递；电极寿命；电极成本；电极更换简易性；温度分布；等离子气体热焓；支持系统设计和制造简易性，如电源和控制系统；经营者资格要求；载气类型要求；去离子水需求；可靠性；资本和经营成本；熔融室内移动能力；和插入室内接近工质能力。
在本发明的一个实施方案中，气体重组热量是由氢气燃烧器提供。在本发明的一个实施方案中，气体重组热量是由一个或多个氢气燃烧器与一个或多个等离子系统共同提供。
在本发明的一个实施方案中，使用氢气燃烧器获得氧气和氢气燃烧反应，产生超高温蒸汽(＞1200℃)。该蒸汽可用于加热尾气，分解其中焦油和增加其热值。该技术与等离子火炬类似，有相同能量效率。但是，不良燃烧可导致氧与尾气反应，产生低温水(H2O)及二氧化碳(CO2)。因此，如下面所述，这项技术最好利用在气化器的最后工序生产添加剂，而不是尾气本身。
在一个实施方案中，利用氢气燃烧器产生高温蒸汽，该蒸汽随后与热物料气体混合与分配。高温蒸汽可设想由两阶段工艺产生，第一阶段，输入水流在电解槽内分解成氢气和氧气，第二阶段，所产生氧气和氢气在氢气燃烧器中燃烧，产生高温蒸汽(温度可高达2500℃至3000℃)。高温蒸汽含有大量高活性自由基，促进碳转化反应，部分有益于气化器最终加工区域。
重组室有多个备用端口，可允许安装超过一个以上等离子热源，任选的轴向，径向，切向，或其他促进等离子气体流动方向安装，利用等离子火炬提供向上或向下气流。
重组室内壁可衬有耐火材料，和/或使用水套封装重组反应器，即冷却反应器同时又可生产蒸汽。多个壁面可包括冷却同时回收热量机制，重组系统还可能包括生产高压/高温蒸汽换热器，或其他热回收能力。
热量回收子系统
热量回收子系统有助于从高温合成气产品中有效回收显热热量，加热空气，供气化过程中使用。
图16是本即时发明使用的热量回收子系统示意图，描述从气体重组室生产的高温合成气中回收热量。在此实施方案中，热量回收子系统是合成气/空气换热器，使用等离子气体重组室生产的高温合成气体加热室温空气，导致空气加热和合成气冷却。该热空气可输送至挥发室和/或次级室，用于驱动气化过程。回收的显热热量由热空气携带，输送至气化过程各个阶段，冷却的合成气准备继续进行下一步气体精制加工。
本系统采用不同类型换热器，包括壳式和管式换热器，这两种换热器可以是直管单程式设计和U型管多程式设计，以及板式换热器。选择适当换热器是在熟练工人知识范围之内。
热量回收子系统采用管道系统，高温合成气通过该管道系统输送至热交换设备，回收合成气中显热热量。该管道系统选择使用一个或多个分布于整个系统的压力调节器和/或气体压缩机，提供合成气产品流量管理手段。
在一个实施方案中，热量回收子系统采用管道系统，输送热空气至初级室和/或次级室，通过空气入口进入相应气化室。在一个实施方案中，该管道系统包括有控制设备，控制热空气分配至初级室和次级室相对数量，确保提供足够热空气分别进行相应挥发阶段和加工过的原料/焦炭转化阶段加工处理。因此，空气管道系统选择采用一个或多个调节器，流量计和/或压缩机，配置于整个系统所需任何位置，提供流量控制和/或热空气分配手段。热空气管道也任选地包括热空气分流设备，例如，输送热空气至排气口或至任选的附加热交换系统。
热回收子系统任选的进一步从热合成气中回收显热热量，采用热交换设备将合成气热量传递至水，从而生产水蒸汽和进一步冷却合成气。通过二次热交换设备从合成气中进一步回收显热热量，例如，热回收蒸汽发生器或废热锅炉，该设备回收热量同时生产蒸汽。蒸汽在气化过程中可作为水蒸气加工添加剂，确保有足够游离氧和游离氢，最大限度地将原料转化为合成气产品。产生的蒸汽还可以用于驱动旋转加工设备，例如，空气压缩机，以及合成气压缩机。
在一个实施方案中，热回收子系统包括热回收蒸汽发生器(余热锅炉HRSG)，设置在合成气至空气热交换器下游。在这样一个实施方案中，余热锅炉(HRSG)是管壳式设计换热器，合成气从垂直管内流过，而水在管壳侧沸腾蒸发。
气体质量精制系统(GQCS)
经过冷却步骤，合成气送入气体质量精制子系统(GQCS)，准备继续下一步气体精制加工。GQCS系统旨在消除合成气中微颗粒和其他杂质，如酸性气体(氯化氢(HCl)、硫化氢(H2S))，和/或重金属。精制过程所需加工步骤和顺序是由合成气组成和其呈现污染物决定。合成气组成和污染物呈现类型部分取决于进行气化原料的组成。例如，如果高含硫煤炭是初级原料，合成气产品将含有大量硫成分，必须从合成气产品中将其除后，才能供下游应用使用。合成气一旦完成清洁和精制加工后，气体产品任选地储存或直接输至所需下游应用使用。
任选的下游单元
采用本发明气化系统生产的合成气适宜在下游应用中使用，如电力生产。因此，气化系统任选地包括任何这类应用所需下游单元。在一个实施方案中，气化系统包括气体均化子系统。该气体均化子系统包括气体均质室，接收由气化系统生产的合成气，允许合成气混合，削弱均质室内任何合成气化学成分波动。在合成气混合过程中，同样可以减少其他气体特性波动，如压力，温度和流量。气体均质室是专门设计从气化过程接收合成气，保持气体有一定混合停留时间，实现一定体积合成气具有一致和/或确定的化学成分。
在一个实施方案中，气化系统包括气体存储系统，存储清洁和精制的合成气，用于发电系统。
合成气产品下游应用包括电力生产，例如，燃气涡轮机发电或燃气发动机发电。合成气也可以在蒸汽锅炉内燃烧产生蒸汽，所产生蒸汽用于驱动蒸汽涡轮机发电。
控制系统
本发明气化系统包括供气化系统使用的控制系统，监测和调节气化过程不同的运行阶段，确保含碳原料有效和完全地转化为合成气产品。该控制系统还任选地提供一致和/或有确定组成的合成气产品生产。
控制系统包括一个或多个传感元件和一个或多个响应元件，实时监测系统运行参数，调整系统内运行条件，优化转化反应，其中传感元件和响应元件全部集成于系统内，该系统内响应元件根据传感元件获得数据，调整系统运行状况。
在本发明的一个实施方案中，控制系统可用于控制本发明披露各种气化系统和/或子系统内执行和/或实施的一个或多个工艺过程，和/或控制一个或多个预计能够对这些工艺过程产生影响的工艺装置。一般来说，控制系统可有效地控制各种局部和/或区域工艺过程，该过程关系到一个指定系统，或其子系统或组件，和/或关系到一个系统如气化系统内执行的一个或多个全局工艺过程，本发明各种实施方案在该控制系统中或与其合作中，协同调整其各种控制参数，为实现确定的结果而调整这些工艺过程。各种传感元件和响应元件因此分布于整个控制系统，或与其中一个或多个组件相关，用于获取各种工艺，反应物和/或产品特性参数，并将获得参数与能促使实现预期结果的适当特性范围比较，通过一个或多个可控工艺设备，对一个或多个正在运行的过程作出积极变化反应。
控制系统一般包括一个或多个检测相关特征的传感元件。该特征相关于一个或多个气化系统，该系统内运行过程，为该系统提供输入，和/或由该系统产生输出。一个或多个计算平台与传感元件信息沟通，获取检测特征的特征代表值，并将该特征代表值与其预先确定的范围比较，该范围代表特征适宜于获得所选择的运行结果和/或下游加工结果，计算出一个或多个工艺控制参数，有助于维持特征值处于该预定范围内。许多响应元件因此可与一个或多个工艺设备有效连接，该工艺设备可影响系统，过程，输入，和/或输出运行，从而调整检测特征。该响应元件与计算平台信息沟通，获取其计算出的工艺控制参数，对工艺设备执行相应操作。
在一个实施方案中，控制系统对含碳原料转化为合成气相关的各种气化系统，过程，输入，和/或输出，提供反馈，前馈和/或预测控制，促进一个或多个与此有关正在运行的工艺过程效率。例如，可以测定各种工艺特征值，控制并调整该特征值影响这些过程，其中包括但不限于，原料含热量和/或组成，产品气体特征(如含热量、温度、压力、流量、成分、含碳量等)，特征允许变异程度，以及投入成本与产出价值的比值。连续和/或实时调整各种控制参数可包括但不限于热源功率，添加剂(如氧气、氧化剂、蒸汽等)输入流量，原料(例如，一个或多个不同原料和/或混合原料进料)输入流量，气体和/或系统压力/流量调节器(如压缩机、减压阀和/或控制阀、火炬等等)，以及类似控制参数。连续和/或实时调整控制工艺参数可以按照一种执行方式，即测定一个或多个工艺相关特征，根据设计要求和/或下游加工所需规格，优化过程参数。
此外，控制系统可配置保证其正常运行的监视器，监视指定系统内各种部件正常运行，或者，当监管标准适用时，确保过程运行满足监管标准。
根据一个实施方案，控制系统可进一步用于监测和控制一个指定系统的全部能量效果。例如，一个指定系统可以某种方式运行使其能量效果减少，或再次降至最低，例如，优化一个或多个正在运行过程，或者增加回收该过程中产生的能量(如废热)。另外，控制系统可配置调整被控制过程生产的气体产品组成和/或其他特性(如温度、压力、流量)，这些特性不仅适宜于下游使用，而且极大地优化有效和/或最佳利用。例如在一个实施方案中，气体产品用于驱动指定类型汽油发动机生产电力，可以调整该气体产品特性，使其匹配该发动机最佳输入特性。
在一个实施方案中，控制系统可配置调整指定过程，满足各种组成中关于反应物和/或产物停留时间限制，和/或优化整个过程中关于各个工艺性能指标。例如，控制上游工艺生产速度，使其基本匹配一个或多个下游后续生产过程。
此外，在各种实施方案中，控制系统可适应于连续和/或实时地对指定过程各个方面提供顺序和/或同步控制。
一般来说，控制系统可包括任何现有适合应用的控制系统结构类型。例如，控制系统可包括中央集中式控制系统，分布式控制系统，或者两者兼而有之。中央集中式控制系统一般包括中央控制器，该控制器配置分别与各种本地和/或远程传感装置和响应元件通迅联系，传感装置检测受控制过程各种有关特征参数，而响应元件通过一个或多个可控工艺设备随之做出反应，直接或间接地影响受控制过程。使用集中式架构，多数计算工作是集中通过一个集成处理器或多个处理器完成，这样大多数必要硬件和/或实施过程控制软件都可集中处于同一地点。
分布式控制系统一般包括两个或多个分散布置的控制器，每个分布式控制器能够与各自相应传感元件和响应元件通迅联系，监测局部和/或区域的特征，并通过局部和/或区域工艺设备做出反应，该设备可配置影响局部过程或子过程。通信可通过各种网络结构建立在分布式控制器之间，其中检测特征通过第一个控制器与第二个控制器通迅联系，为获得那里做出的反应，远程反应可在检测特征第一个现场产生影响。例如，下游监测设备检测到下游气体产品特征，通过上游控制器调整转化器相关工艺参数，最终调整该气体产品特征参数。在分布式结构中，控制硬件和/或软件也分布在各个控制器之中，其中相同但模块化配置控制方案可以实施每个控制器上，或各种模块合作控制方案可实施在相应控制器上。
另外，控制系统可细分为独立然而有互相通讯联络的局部，区域和/或全局控制子系统。这种控制架构可以允许特定过程或一系列相互关联过程运行在与其他局部控制子系统最少交互作用的情况下，受到局部控制。全局控制主系统可以与每个相应局部控制子系统通讯联络，为获得全局最终结果而对局部过程传达必要调整。
本发明控制系统可以使用上述任何结构或其他任何已知技术结构系统，该系统一般被认为是在本发明披露范围和性质之内。例如，在本发明范围内工艺控制和运行可在专门局部环境中完成，在适当的时候，任选地与上游或下游工艺控制相关的任何中央和/或远程控制系统通讯联络。另外，控制系统可包括区域和/或全局控制系统子部件，旨在协同控制区域和/或全局进程。例如，模块化控制系统可以这样设计，控制模块相互控制系统的各种子部件，同时提供区域和/或全局控制所需要的跨模块通信。
控制系统一般包括一个或多个中央，网络化和/或分布式处理器，一个或多个信号输入，和一个或多个信号输出。该信号输入接收来自各种传感元件的实时检测特征信号，信号输出则对各个响应元件传达新的或更新的各种工艺控制参数。控制系统的一个或多个计算平台还可包括一个或多个本地和/或远程计算机可读存储介质(如光盘(ROM)，内存(RAM)，可移动存储介质，本地方和/或网络访问存储介质等)，用于这里储存各种预定和/或更新的控制参数，已设置或选择的系统和工艺特征运行范围，系统监视资料和控制软件，以及运行数据等等。另外，计算平台也可直接或通过各种数据存储设备访问工艺模拟数据，和/或系统优化参数，和模拟设备。此外，计算平台可配备一个或多个任选的用户图形界面和提供管理访问控制系统的外设输入设备(系统升级，维修，改装，适应新的系统模块和/或设备等)，以及各种任选的外设输出设备，与外部资源传递数据和信息(如调制解调器，网络连接，打印机等)。
加工系统和任何子加工系统可专门包括硬件或任何硬件与软件的组合。任何子加工系统可包括比例(P)，积分(I)，或微分(D)处理器的任何组合，例如，P比例控制器，I积分控制器，PI比例积分控制器，PD比例微分控制器，和PID比例微积分控制器等。对技术人员显而易见，理想P，I，和D控制器组合的选择取决于气化系统工艺反应部分的动力与延迟时间，和组合控制器预计运行条件的控制范围，以及该组合控制器的动力和延迟时间。这对技术人员是显而易见，这些组合可以在模拟电路中实现，通过传感元件连续检测特征值，并将其与给定值比较，比较结果作用于相应的控制单元使其作出充分调整，最后通过响应元件作用，减少观测值和给定值之间的差额。这对技术人员将更加显而易见，该组合也可以在数字硬件软件混合环境中得以实现。有关附加随机采样影响，数据采集，和数字处理对技术人员是众所周知的。PID组合控制能够实现前馈和反馈控制方案。
在矫正或反馈控制中，通过适当传感元件监测获得的控制参数值或控制变量值需要与给定值或给定范围相比较。根据两个值之间的偏差，确定提供给控制元件的控制信号，用于减少偏差。可以理解，传统反馈或反应式控制系统可进一步包含适应和/或预测单元，其针对给定条件反应显然是根据模拟和/或先前监测的反应，对监测特征提供对抗反应，同时又限制在补偿行为中过度反应的可能。例如，对于特定系统配置，获得数据和/或提供的历史数据可协同调整对系统和/或工艺检测特征反应，该历史数据包括最佳值指定范围，其中先前的反应受到监视和调整以提供理想的结果。这种适应和/或预测控制方案是众所周知的技术，因此，不认为该方案偏离本资料披露的一般范围和性质。
控制单元
本文所考虑的传感元件包括但不限于监测工艺运行参数的装置，如系统内各不同地点气体流量，温度和压力，以及分析合成气产品化学成分装置。
从传感元件获得的数据用于确定是否对气化系统内运行条件和参数需要做出任何调整，优化气化过程效率和合成气产品组成。持续调整反应物(例如，初级原料和次级原料输入流量和数量，热空气和/或蒸汽输入)以及某些运行条件，如系统内各个部件温度和压力，使气化工艺能够在高效和一致地条件下生产合成气。
控制系统以优化气化工艺效率和减轻其对环境造成影响为目标进行设计与配置。同时，设计要求该控制系统在连续生产条件下运行气化系统。
传感元件可间歇或连续地监测下列运行参数，所获得数据用于确定系统是否运行在最佳设置点，例如，是否需要火炬提供更多能量，或者更多空气或蒸汽输入气化系统，以及是否需要调整原料输入流量。
温度
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括遍布于整个气化系统各需要地点的温度监测装置，例如，挥发气化室内，加工过的原料/焦炭气化室内，或气体重组室内。监测温度装置可以是安装在系统要求位置的热电偶温度计或光学温度计。
热合成气产品的温度监测装置可安置在等离子气体重组室合成气出口。在一个实施方案中，如果使用热量回收子系统(如换热器或类似技术)从等离子气体重组工艺生产的热合成气中回收显热热量，可以结合热量回收子系统内温度监测装置，获得合成气产品温度变化。例如，可以监测冷却液入口和出口温度，以及合成气入口和出口温度。
系统压力
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括整个气化系统各个位置的压力监测装置。压力监测装置可包括压力传感元件，如压力传感器，压力变送器，或压力开关，该装置可安置于气化系统内任何地点，例如，次级室垂直壁上或热量交换子系统内。
在一个实施方案中，监测系统内不同部件的压力。在这种监测方式中，可以监测到从一个部件至另一个部件压力下降，或其之间的压力差，有助于迅速确定系统运行中正在发展的问题。
气体流量
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括整个气化系统各个位置的气体流量监测装置。气体流量波动可能是由非均匀条件引起的后果(例如火炬故障或原料输入中断)，因此如果气体流量持续波动，系统可能会被关闭，直到问题得到解决。
气体组成
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括合成气产品组成监测设备。对气化过程中产生气体采样和分析使用的方法是技术人员所熟知的。
在一个实施方案中，气体监视器测定合成气化学成分，例如，合成气体中氢气、一氧化碳和二氧化碳含量。在一个实施方案中，通过气相色谱(GC)分析，测定合成气产品化学成分。该仪器分析采样点可以遍布整个系统。在一个实施方案中，采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析仪，通过测量合成气红外光谱，测定气体成分。
虽然存在高温气体分析方法，技术人员能够理解在分析气体组成之前，可能需要将气体冷却，这取决于所使用气体分析系统类型。
响应元件
本文所考虑的响应元件包括但不限于与各种相关工艺设备有效耦合的控制元件，该工艺设备配置调整一个特定控制参数和影响一个特定工艺过程。例如，本文中通过一个或多个响应元件可运行的工艺设备包括但不限于调整运行参数的设备，如初级原料和次级原料输入流量，空气和/或蒸汽输入，以及运行条件如火炬功率和火炬位置。
等离子热源
本气化系统利用等离子热量的可控制性能驱动气体重组过程，并在使用固体残渣熔融子系统时，利用其可控性确保灰渣完全熔融，玻璃化成为熔渣。
在一个实施方案中，控制系统包括调整火炬功率或其他等离子热源的控制装置。为控制反应动力和/或温度，调节等离子火炬功率，保持重组温度恒定不变，无论重组气体组成有任何波动或蒸汽与空气输入流量有任何波动。
在一个实施方案中，控制系统管理和调整等离子热源功率相对于测量参数，如第一气化室气体产品和第二气化室气体产品输入气体重组室流量，以及由整个系统关键地点温度传感器测定的室温度。等离子热源功率必须足以弥补室热量损失，有效地重组加工气体为合成气。
在采用固体残渣熔融子系统的实施方案中，控制系统选择包括调整等离子热源功率和/或位置的控制装置。例如，当熔渣温度过低时，控制系统可指令增加等离子热源功率，相反，当该室温度过高时，控制系统可指令降低该等离子热源功率。
在一个实施方案中，火炬功率保持与固体残渣输入流量成正比，即增加固体残渣输入流量导致火炬功率相应增加。调整火炬功率也可反应残渣特性和组成变化，例如残渣熔融特性，如温度，比热容，或融合热。
在一个实施方案中，等离子体热源位置也可以调整，确保其完全覆盖熔融池，消除区域内存在的不完全反应物料。
含碳原料输入流量
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括调整含碳原料输入初级室流量的原料供应设备，确保在热空气输入流量一定的条件下，原料输入流量不超过初级室挥发和干燥处理量。这样可确保加工过的原料/焦炭输送至次级室之前，原料中挥发成分被彻底清除。原料可以连续方式输入，例如，使用一个旋转螺杆或螺旋加料机，或者以不连续方式输入，例如，周期和分散添加。
在一个实施方案中，次级原料可作为加工添加剂供应，调整被气化原料的含碳量。在这样一个实施方案中，控制系统提供一种方法调整次级原料和初级原料输入流量，确保原料最佳含碳量，控制合成气最终组成。
固体输送流量
控制系统还包括控制通过气化工艺不同阶段的固体输送设备。在一个实施方案中，控制系统包括调整加工过的原料/焦炭率从初级室排出和输入次级室流量的输送设备。在这样一个实施方案中，控制加工过的原料/焦炭产品输送流量，确保完全挥发原料中挥发成分，同时也防止挥发过程后，加工过的原料/焦炭在初级室内积累。
在一个实施方案中，控制系统包括调整灰渣从次级室排出流量的输送设备，控制加工过的原料/焦炭在次级室内停留时间。
根据需要调整输送流量，保证在挥发或加工过的原料/焦炭转化阶段的控制是可接受的，防止不完全挥发或转化的加工过的原料从其各自相应室输出。
固体物料可使用上述任何固体清除设备，连续或间断地通过相应室。在一个实施方案中，当原料/加工过的原料/焦炭输入设备包括一系列推杆时，控制系统可使用限位开关或其他行程控制装置，如电脑控制的变速电机驱动器，控制推杆行程长度，速度和/或频率，控制其每一行程输入相应室原料的数量。在一个实施方案中，输送设备包括一个或多个螺旋输送机，通过调整电机变频驱动器控制输送机速度，控制原料输入相应室的流量。
在一个使用水平取向初级室的实施方案中，控制系统选择包括在初级室内控制一个或多个横向输送单元移动的输送设备，从而控制通过初级室的物料输送，并控制物料在气化室内每个阶段的停留时间，优化干燥和挥发阶段。
热空气输入
在本发明的一个实施方案中，控制系统包括调整热空气输入挥发气化室和次级室流量和/或数量的流量控制设备。
加工添加剂输入
在本发明的一个实施方案中，为确保等离子气体重组阶段的加工处理，将含炭加工过的原料挥发产品和气体产品完全转化为一种有用的气体产品，控制系统包括调整蒸汽和/或空气加工添加剂输入等离子气体重组室的流量控制设备。在本发明的一个实施方案中，控制系统包括调整蒸汽和/或空气加工添加剂输入次级室的流量控制设备，确保达到碳转化反应所需游离氧和游离氢浓度水平，优化合成气产品化学成分。在一个实施方案中，确定所需加工添加剂数量及类型是根据监测和分析合成气产品组成所获得的数据。
系统模块化
模块化工厂是使用预制功能块组件建造的设施，它允许在工厂内制造组件，并将该组件送至工地，组合装配建成工厂。这些组件(或模块)包括所有准备运行的设备和控制器，并通过出厂检验。模块通常是用钢架建造，一般包括有各种可能加工阶段，如：气化器模块，气体精制系统模块，动力模块等。一旦抵达现场，这些模块仅需与其他模块连接，控制系统已为工厂投产做好准备。该设计允许缩短施工时间和减少现场施工成本，即经济又节省。
模块厂有各种不同类型配置方案。大型模块厂纳入“骨干”设计渠道中，其中大部分渠道允许捆绑有更小标注。在模块运行立场，模块可串联运行或也可并联运行。有类似功能的设备可以分享负荷或先后对产品流水线提供加工服务。
模块化设计应用之一是该技术允许在多种原料气化中有更多选择。该技术允许大型设施使用多条气化生产线。其中每条气化系统允许选择协同或单独进行原料加工处理；也可以根据原料优化其结构配置。
如果由于模块设施负荷增加而需要扩展，模块化设计允许替换或增加其处理模块，提高工厂处理能力，而不是新建第二家工厂。模块和模块化工厂也可以搬迁至其他地方，所需模块可以在一个新地点迅速集成组装。
功能块合并
不同气化列车(系列设备)的功能合并是可能的，共同功能可在功能模块中完成，该功能模块从超过一条生产线中输入气体或物料。下面图表显示，功能合并概念适用于含碳原料气化
在下面的实施方案中，有两条气化列车，虽然这种列车间功能合并设置可以发生于任何数量列车和每条列车使用任何原料(即使列车使用合并原料)。一条生产线一旦被合并，它仍然可以选择并行处理下游设备，并行生产线不需要大小相同，即使处理同样气体。
图18至图21中，GQCS是指上述气体质量精制系统，而数字代表下列系统：(1)初级室，(2)次级室，(3)熔融室，(4)气体重组室。
图18至图21描述本气化系统中不同的实施方案，该方案全部属于本发明范围。特别是图18至图21描述的气化系统实施方案，即独立的初级原料和次级原料输入直至最终合成气产品。
图18所示实施方案描述初级原料和次级原料分别在各自单独的初级室挥发，从每个初级室产生的加工过的原料/焦炭在一个共同次级室汇合。从每个初级室产生的第一气化室气体产品和从次级室产生的第二气化室气体产品在一个共同气体重组室汇合。
图19所示实施方案描述初级原料和次级原料分别在各自单独的初级室挥发，从每个初级室产生的加工过的原料/焦炭送入一个单独的固体残渣精制气化室加工。从每个初级室产生的第一气化室气体产品和从固体残渣精制气化室产生的第二气化室气体产品在一个共同气体重组室汇合。
图20所示实施方案描述初级原料和次级原料分别在各自单独的初级室挥发，从每个初级室产生的加工过的原料/焦炭送入各自相应的次级室加工。从每条初级原料和次级原料气化生产线产生的第一气化室气体产品和第二气化室气体产品在一个独立的气体重组室汇合重组。
图21所示实施方案描述初级原料气化生产线和次级原料气化生产线是分别通过挥发，加工过的原料/焦炭气化，固体残渣熔融，气体重组等加工步骤进行的，其中合成气产品汇合是发生在气体质量精制步骤之前。
本发明上述实施方案是典型示范，能够在许多方面发生变化。现实或将来的变化并不被认为脱离本发明精神和范围，所有这些显而易见修改是包含在下面指定专利范围之内。
本说明参考的所有专利，出版物，包括公布的专利申请，和数据库条目披露是专门将其整体全部纳入参考，同样程度，犹如每一个这样专利，出版物，和数据库条目被明确和单独地表示要纳入参考。
例1
可以理解，本范例意图描述适合于用上述方法和系统制造气化设施的一个说明性实施方案。本范例并不意图在任何方面限制本发明范围。
参考图22至图61，该范例提供包括各种选择气化设施的一个实施方案具体细节。该范例展示设施中每个子系统具体细节，并显示它们作为一个集成系统如何协同工作，将城市固体废物(MSW)转化成电力。然而，技术人员能够理解，每个子系统本身可被认作是一个系统。包括该实施方案的子系统是：城市固体废物管理系统；塑料管理系统；气化炉系统；双区碳转化器；气体重组系统；热循环系统；气体精制系统；气体均质系统；及控制系统。
图22显示整个气化系统(120)的一个功能块概况图，其主要设计功能是将城市生活垃圾(MSW)转化为合成气，经使用相关加工工艺如重组，精制，和同质化，加工的合成气在燃气发动机(9260)内发电。
城市固体废弃物(MSW)管理系统
在城市固体废弃物(MSW)管理系统初步设计(9200)中应当考虑：(a)4天供应量的存储能力；(b)避免垃圾长期保有和过度分解；(c)防止碎片被风吹散，落至周围；(d)控制气味；(e)垃圾车卸载通道和折反空间；(f)装载机(9218)运送垃圾，从垃圾储存堆放地(9202)至垃圾粉碎系统(9220)，驾驶人员要求的最短驾驶距离和最少折返数量；(g)避免装载机车(9218)和运输卡车之间运行干扰；(h)允许工厂扩张，增加更多气化生产线的可能性；(i)卡车进入工厂设施的次数最低，尤其是危险区；(j)使用最少工作人员安全运行；(k)输送料斗(9221)中为装载机操作者指示填满程度标尺；(l)粉碎垃圾至大小适宜加工的颗粒；(m)城市固体废物(MSW)输入处理器流量远程控制性和塑料输入流量的独立控制(详见下文)。
城市固体废物(MSW)管理系统9200包括垃圾储存建筑(9210)，装载机(9218)，城市固体废物(MSW)粉碎系统(9220)，磁分离器(9230)，和原料输送机(9240)。另一个独立系统(9250)是设计为储存，粉碎，堆放，和输送高碳原料(在本例中，非可回收塑料)，该原料在气化过程中作为添加剂使用。所有垃圾储存和处理直至进入气化系统(120)是限制在垃圾储存建筑(9210)之内，包括所有碎片和气味。
采用先入先出(FIFO)调度方案来尽量减少城市固体废物(MSW)的过度分解。实现先入先出方案是在城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)两侧设立卡车和装载机(9218)进入通道。城市固体废物(MSW)在该建筑(9210)一侧从卡车上卸下，同时在城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)的另一侧，由装载机(9218)输送物料，因而允许装载机(9218)安全运行，免除卡车干扰。装载机(9218)移出所有物料，约回到城市固体废物(MSW)储堆(9202)的中间位置(9203)，即所有“老”物料被使用干净，在此之后，城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)两侧的运行相互交换。
为尽量缩小城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)尺寸，卡车的机动空间设在城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)之外。因为仅允许一辆卡车直接倒车进入，这也可减小门(9212)所需尺寸，从而提供碎片和气味逃逸的最佳控制。无论在任何时间，仅需要门(9212)打开供卡车实际卸货。通常接收城市固体废物(MSW)每天会发生一次，所以每天仅需开放门(9212)约一小时。
图23显示一个城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)规划图。城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)有储料仓壁(9214)，分隔储存料堆(9202)与运输通道(9216)，装载机(9218)经过该通道抵达进料输送机(9222)，输送机则通往城市固体废物(MSW)粉碎系统(9220)。储料仓壁(9214)距城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)的侧壁不远，允许装载机(9218)从垃圾储存料堆(9202)行使至进料输送机(9222)而无需离开城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)。因此，城市固体废物(MSW)储存建建筑(9210)一侧的门(9212)可在任何时候保持关闭，而另一侧的门仅在卡车卸货或装载机(如下所述)转运物料时开放。在转运物料时，该装载机需要外出从储存料堆运送塑料至粉碎系统。
由于城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)位置与道路(9204)相邻并且平行，允许卡车在其两侧机动，空间要求和卡车在建筑设施内活动都将因此减少。空间布局设计将允许一辆卡车驶入设施，反向进入城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)，卸下载荷，直接驶出返回道路(9204)。任何时候他们不能靠近任何工艺设备或人员。两个道路入口概念也避免了设施内需要一条道路，使卡车能够直接进入城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)两侧。
机械化斗型装载机(9218)担负从垃圾储存料堆至粉碎系统的运输。采用滑移转向装载机设计是由于其体积小，机动性能高，和易于操作。一辆标准商用滑移转向装载机有足够能力输送城市固体废物(MSW)和卡车卸载后清理库存，并担负废塑料系统粉碎机和气化系统原料输入。
进料输送机(9222)从城市固体废物(MSW)储存建筑内(9210)向上输送城市固体废物(MSW)，并将其投入垃圾粉碎系统(9220)。进料输送机(9222)加料斗(9221)全部位于城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)内，防止杂物被吹至设施之外。进料输送机(9222)有深地槽，与加料斗(9221)容量相加，可拥有物料足够运行一小时。城市固体废物(MSW)储存建筑(9210)外面的部分地槽加以覆盖，控制碎片和气味的逃逸。工艺控制器远程控制进料输送机(9222)与工艺需求匹配。安装的镜子允许装载机操作人员从任一侧目视料斗(9221)内城市固体废物(MSW)装填程度。地槽内安装的探测器向工艺控制器提供物料耗尽警告。
城市固体废物(MSW)粉碎系统(9220)由输入料斗(9223)，粉碎器(9224)，挑拣输送机，和接续磁性挑拣输送机组成。粉碎器(9224)要确保接收的城市固体废物(MSW)要适宜加工，其工作是破碎任何袋子，将较大块废物切割成能够处理的大小。由于接收的垃圾可能包括过大材料，以致粉碎器(9224)难以处理，从而导致粉碎器堵塞，粉碎器(9224)配备自动停止装置，一旦检测到堵塞，自动反转以清除堵塞，随后重新启动。如果仍然检测到堵塞，粉碎器(9224)将关闭，并向控制器发出警告信号。
粉碎的垃圾落到一个皮带输送机上，在磁性挑拣系统下输送，然后落入螺旋输送机(9240)进料斗(9239)，将垃圾送至初级室(2200)。为避免无意输入过量黑色金属通过初级室(2200)，磁性挑拣系统(9230)安置在挑拣输送机上方，吸引粉碎垃圾中可能存在的黑色金属。非磁性输送带横跨挑选输送机，运行在磁铁和垃圾之间，受到磁铁吸引的黑色金属获得横向移动，离开垃圾输送主流。黑色金属然后被从磁铁上清除，掉落至一个废料堆等待处理。
城市固体废物(MSW)进料输送系统由加料斗(9239)和螺旋输送机(9240)组成，该系统将粉碎垃圾从垃圾粉碎系统(9220)输送至气化室(2202)。粉碎垃圾从垃圾粉碎机系统(9220)落入加料斗(9239)，该料斗提供准备送入处理器的过渡物料。加料斗有高和低存料显示器，用于控制从粉碎系统进入料斗的流量。工艺控制器控制输送机(9240)提供满足工艺需求的垃圾输入流量。使用备有集成加料斗(9239)的整体螺旋输送机(9240)也为处理器提供气体密封。加料斗(9239)连接至有盖的城市固体废物(MSW)粉碎系统，可以控制碎片和气味。螺旋输送机(9240)有接收粉碎塑料的附加入口。
塑料管理系统
气化系统(120)将塑料作为加工添加剂加入。塑料与城市固体废物(MSW)分开处理，然后被输入初级室(2200)。塑料管理系统(9250)设计为接收的废塑料捆包提供存储，将废塑料粉碎，粉碎的塑料堆放在储料堆(9254)上，在独立控制下输入处理器。塑料管理系统(9250)包括塑料仓库储存设施(9255)，自备加料斗(9251)粉碎机(9252)，撤出输送机(9253)，和储料堆(9254)，所有设备全部位于同一个仓库(9255)之内，以控制碎片。进料输送机(9240)输送粉碎塑料至处理器。
塑料仓库设施(9255)拥有可达两卡车装载量的塑料捆包存储能力。该仓库是三面封闭，一面开放，提供容纳物料的同时，也提供堆放和运出包捆的通道。该仓库还为粉碎机(9252)提供保护，并控制碎片和保护粉碎物料。
粉碎机有利于使塑料物料满足工艺要求。使用装载机将接收的废塑料装入粉碎机(9252)加料斗(9251)。粉碎的塑料落入撤出输送机(9253)，将其输送向上，并投入储料堆(9254)。
装载机将粉碎塑料拾起，投入进料输送机加料斗。由于该输送机全部处于室外，料斗采用整体顶盖和向上延伸墙壁，尽量减少料斗填充时废塑料逃逸。输送机沟槽密封直至城市固体废物(MSW)输送机沟槽，减少沟槽至初级室(2200)的开口，粉碎塑料通过城市固体废物(MSW)输送机输入初级室(2200)。输送机是一种带有密封料斗的螺旋输送机，当其含有物料时，料斗可提供气体密封。料斗内探测器指示装载高低程度，镜子也可供滑移转向装载机操作人员监测装载程度。工艺控制器控制该进料输送机运行。
转化器
转化器(1200)包括初级室(2200)、次级室和气体重组系统(GRS)(3200)。次级室直接与熔融室(RCC)相连。城市生活垃圾(MSW)和塑料送入初级室(2200)，产生的气体送至GRS系统(3200)加工重组。全部次级室残渣送入熔融室(4200)。
初级室(2200)设计需要考虑下列要求：(一)提供密封和绝热的废物初级处理空间；(二)控制和分配热空气和水蒸汽输入通过初级室(2200)；(三)实现对通过初级室(2200)废料堆高度和其运动的控制；(四)提供控制气化过程的仪器；(五)输送气体进入GRS系统(3200)；(六)排出次级室残渣，作进一步处理；(七)提供进入内部检查和维修通道。
参考图26至图29，初级室(2200)是耐火材料内衬水平气化室(2202)，包括有原料入口(2204)，加热气化室的多个热空入口，作为一种加工添加剂的蒸汽入口，直接连通GRS系统的气体出口(2206)，残渣出口(2208)，以及各种服务(2220)和连通(2222)端口。初级室(2202)是用钢铁焊接装配制造，有多层梯级地板(2212，2214，2216)。搬运推杆(2228，2230，2232)组成的输送系统促使原料横向运动，通过初级室(2200)。同时，仪器安装准备已经完成，如热电偶、物料高度探测器、压力传感器和视窗口。
气化室(2202)的耐火材料内衬保护其免受高温和腐蚀性气体伤害，同时减少运行中不必要热损失。参考图30，耐火材料是多层设计，含有高密度氧化铬内层(2402)，中密度氧化铝层(2404)，和极低密度隔热外层板(2406)。耐火材料内衬气化室的金属外壳(2408)。气化室(2402)还进一步衬有一层保护膜，保护其免受腐蚀性气体伤害。
气化室(2402)分层梯级地板每一级(2212，2214，2216)都有一个穿孔地板(2270)，热空气通过该孔引入。可以这样选择孔洞尺寸，空气通过该孔时将产生一个限制，在每个孔两侧产生的压降足以防止废料进入该孔。孔洞锥形开口向上，以免颗粒为孔洞卡住。
三级地板的运行条件是专为不同程度的干燥，挥发和碳转化而分别设计。原料进入初级室(2202)，通过原料入口到达第一级(2204)。第一级目标温度范围(物料堆底部测量)介于300℃和900℃之间。第二级设计底部温度范围是在400℃至950℃之间。第三级设计温度范围是在600℃至1000℃之间。
分级地板的三个分级(2212，2214，2216)将初级室(2202)分成三个加工阶段，每个阶段拥有各自独立控制的供气机制。通过使用单独空气进气箱(2272，2274，2276)，可以获得独立的供气机制，并由其构成每一级穿孔地板(2270)。使用搬运推杆系统(2228，2230，2232)输送初级室(2202)内物料，妨碍空气管道从下部连通至第一级和第二级地板(2212，2214)。因此，该阶段的第一级和第二空气进气箱(2272，2274)是从侧面插入。然而第三级空气进气箱(2276)则是从下部插入，如图27&图28所示。
空气进气箱(2272，2274，2276)穿孔顶板(2302)是有防弯曲或屈曲加强筋肋或支撑结构的相对薄板(2304)，本设计中参考图31及32。为尽量减少箱体前部和后部应力，两片穿孔板在其之间接触一侧连接。为允许在箱内热膨胀，穿孔板只与箱体一边固定，而任其他三边自由伸缩。
如图31所示，第一级和第二级地板空气进气箱(2272，2274)的固定边缘也是空气输入管道(2278)连接点。连接法兰(2280)因此将处于高温之下，同时还必须与初级室(2200)的凉壁进行密封。如图31所示，使用管套可以实现这一目标，而没有产生应力和使用复杂的伸缩缝。热空气进气箱(2272)和管道(2278)与管套(2282)一端固定连接，而该管套(2282)另一端则与初级室(2200)凉壁固定连接。由于温度梯度仅仅呈现于纵跨管套(2282)长度上，在连接的两端几乎没有或根本没有任何应力。这项安排的另一个优点是，进气箱坚固地安装在所需要位置而没有产生应力。管套(2282)和进气箱内部管道(2272)之间的空间填充有绝热保温材料，确保温度纵跨管套产生梯度。当进气箱安装在初级室(2202)其工作地点，与空气连接相对的顶板伸出进气箱，放置在耐火材料架上。这对运行中的进气箱提供支持，同时作为密封，防止物料落入下部的进气箱。如图33所示，顶板允许自由移动，以方便进气箱热膨胀。
下游进气箱的边缘也采用相同处理方式。上游进气箱的边缘是用弹性密封片(2306)在搬运推杆和进气箱顶板(2302)之间进行密封。
进气箱使用水平法兰与热空气供应管道连接。因此，只有断开法兰才能移开进气箱。
第三级进气箱(2276)是从下面插入，并采用管套概念，密封和固位进气箱在初级室(2200)上。
实现第三级进气箱(2276)周边密封防尘是将其安置在第二级(2214)耐火材料边缘突出部之下。边缘可以被从耐火材料边缘下部凹槽处伸出的突出部分柔性密封。这些密封位于箱体顶部，在壁面和箱体之间密封。空气箱下游边缘至提取器槽采用柔性防尘密封。进气箱利用钢筋和多孔腹板加强其各个表面平板，因而允许其使用金属薄板。
断开管道热风管连接后，由于该连接是垂直的，允许移开第三级进气箱2276。
参考图37，一系列搬运推杆系统(2228，2230，2232)用于确保城市固体废物(MSW)在初级室(2200)内横向输送，在三个加工阶段(2212，2214，2216)的每个阶段进行适当加工处理，最终耗尽残渣输送至残渣出口(2208)。三个加工阶段每级输送操作由本级搬运推杆完成。搬运推杆控制每个阶段料堆高度，以及在初级室总停留时间。每个搬运推杆还能够在该阶段全程或部分行程以不同速度运动，因此如果需要，也可以彻底清除所有地板。
每个搬运推杆包括外装引导部分，附带选择引导配件的搬运推杆，外装驱动系统，和外装控制系统。搬运推杆多指条设计允许进气箱这样安排气孔分布形态，使搬运推杆运行不干扰空气通过气孔。
在多指条搬运推杆设计中，搬运推杆是完整结构，其中指条固定于推杆本体骨架，根据其位置每个指条有不同宽度。在多指条搬运推杆设计中，指条间距要选择避免反应物颗粒搭桥。单个指条是约2至3英寸宽，约0.5至1英寸厚，和指条间距约有0.5至2英寸宽。
空气进气箱气孔分布形态是这样安排，搬运推杆运行不干扰空气通过气孔。例如，气孔分布形态可以是这样，当加热时，气孔在指条之间(间隙)，是相互抵销的箭头图案。另外，气孔分布形态也可以是混合形态，一些气孔开通而其他则被遮盖，使得空气均匀分布达到最大化(即完全没有空气输入地板面积最少)。在选择气孔分布形态时，要考虑的因素包括避免过高速度产生流化床，避免气孔过于靠近气化室墙壁和边缘，以避免空气沿耐火墙形成通道，确保气孔间距没有超过原料颗粒标称大小约(2”)，确保可接受的化学反应动力。
多指条搬运推杆可以有独立固有的灵活性，每个指条的指尖能够紧密地顺从空气进气箱顶面的起伏。使用肩螺栓将指条安装在搬运推杆骨架上可提供所需柔顺性，该螺栓并不是紧固指条。这个概念允许指条易于更换。
搬运推杆指条末端向下弯屈，在搬运推杆和进气箱相对位置变化时(例如，由于热膨胀)，确保指条尖端与空气箱顶部保持接触。这一特点还缓解了搬运推杆覆盖气孔时产生的不利影响，空气可继续通过搬运推杆和进气箱之间保有的间隙。
参考图33，推杆引导部分包括一对通常水平并且平行的细长轨道(2240)，该轨道安装在一个框架上。每条轨道有一个L形横截面。移动构件包括搬运推杆骨架(2326)和一条或多条细长矩形搬运推杆指条(2328)，该指条可滑行通过气化室壁上可密封相应开口。
搬运推杆指条采用适宜高温使用的材料制造。这些材料在技术上是众所周知的，可包括不锈钢，低碳钢，和部分或全部耐火材料保护低碳钢。或者，特定单独搬运推杆指条或所有搬运推杆指条可以部分或全部用耐火材料保护覆盖。或者，可从气化室(2202)外部向搬运推杆指条内部提供循环冷却液体(空气或水)。
搬运推杆指条要适合气化室壁密封配合，避免空气失控进入初级室(2200)，干扰气化运行或造成爆炸性气氛。同时，也要避免危险有毒和易燃气体从初级室(2202)泄漏，以及过多碎片逃逸。将搬运推杆装置限制在密封箱内可防止气体外泄至大气。该箱有氮气吹扫装置，避免在箱内形成爆炸性气体混合物。搬运推杆每个指条都装有碎片密封和气体密封，采用柔韧条带(2308)紧密压迫每个搬运推杆指条表面，如图34所示。此外，每个搬运推杆指条的气体和碎片密封可由填料封盖承担。
该密封设计为每个搬运推杆指条提供良好的气体和碎片密封，并能容忍搬运推杆纵向和横向运动。指条侧面密封是最大的挑战，因为它们必须兼容搬运推杆的纵向和横向运动，同时保持与搬运推杆密切接触，密封其上和下两个表面。碎片泄漏可以通过密封箱内窗口监视，如果碎片积累过多，提供有除尘设施清除。完成清除工作可以不破坏搬运推杆箱的密封完整，如图35所示。
参考图35，除尘设施(2310)是金属托盘(2312)，该托盘包括残渣出口(2314)和手动链条(2320)，该残渣出口装备有闸门(2316)和附件安装位(2318)，该附件安装位可容纳储尘罐(2332)，该手动链条则用于驱动灰尘刷(2322)。使用操纵手柄(2324)驱动制灰尘刷(2322)，将尘渣推至残渣出口(2314)。
参考图36，电动机提供移动搬运推杆(2228，2230，2232)的动力，该电动机通过一个变速箱和滚轮链条系统驱动搬运推杆。简单地说，外部安装变速电机(2256)提供推动搬运推杆沿轨道运动的动力，该电机驱动马达输出轴(2258)任选地沿正向或反向运转，使搬运推杆用可以控制的速度伸出和收缩。位置传感器(2269)将搬运推杆位置信息传递至控制系统。或者，电机可以进一步包括齿轮箱。两个驱动链轮(2260)安装在电机输出轴上。主动驱动链轮(2260)和相应安装在定轴(2264)上被动驱动链轮(2262)与链条(2266)有效啮合，并由支撑架(2268)固定在加长矩形块(2244)上。
整个系统主控制器控制该推杆电机的运转，可以指令控制其启动和停止位置，移动速度和频率。每个搬运推杆系统可以被单独控制。采用滚轮链条执行该操作是由于其能提供高强度耐受力和容忍严酷运行环境。每个搬运推杆系统使用两个连条可保持搬运推杆角度校准而不需精确定位。当搬运推杆被回收时，搬运推杆上物料也有随之撤回趋势。这可用调整搬运推杆运行顺序的方式解决，其中底部搬运推杆(2232)首先伸出，中部搬运推杆(2230)然后伸出，将物料推向底部搬运推杆(2232)，填补由最低搬运推杆运动造成空隙；底部搬运推杆(2232)随后首先收回；上部搬运推杆(2228)伸出填补中部搬运推杆(2230)背后空隙；中间搬运推杆(2230)随后收回；从顶部进料口落下的新物料填补上部搬运推杆(2228)背后任何空隙，最后顶部搬运推杆(2228)收回。系统控制设备在对其仪器数据响应中自动和独立控制所有这些活动。
参考图36和图37，为便于搬运推杆顺利运行，执行一套交错顺序搬运推杆控制策略，总结如下：
底部搬运推杆C(2232)移动固定距离(可调设定点)，在台阶C(2216)起始端建立空槽。
一旦底部搬运推杆C(2232)通过触发距离(通过调节触发点，设定触发距离)，中部搬运推杆B(2230)随后开始移动。中部搬运推杆B推动和携带物料立即堆填台阶C(2230)起始端空槽。反馈控制是使推杆行程尽量达到最大，直至关闭料位开关C(2217)，或如果已经关闭，行程达到最低设定距离，或如果没有关闭，行程达到最高设定距离。中部搬运推杆B(2230)堆填台阶C(2216)起始端空槽的同时，也在台阶B(2230)起始端建立空槽。
一旦中部搬运推杆B(2230)通过触发距离，顶部搬运推杆A(2228)就随后开始移动。顶部搬运推杆A(2228)推动和携带物料立即堆填台阶B(2214)起始端空槽。反馈控制是使推杆行程尽量达到最大，直至关闭料位开关C(2215)，或如果已经关闭，行程达到最低设定距离，或如果没有关闭，行程达到最高设定距离。顶部搬运推杆A(2228)堆填台阶B(2214)起始端空槽同时，在台阶A(2212)起始端建立空槽。该空槽建立通常会触发加料器开始运行，填充初级气化(2200)室，直到料位开关A(2213)再次关闭。
所有搬运推杆同时返回初始位置。
气化室一侧人孔提供一条工作人员进入初级室(2200)的通道。运行时，由耐火材料内衬密封盖封闭。移开第三级空气进气箱(2276)，也可获得另一个通道。
经过这一阶段处理后，残余焦炭必须从初级室(2200)排出，输入次级室。由于物料在初级室(2200)内加工处理和移动，物料堆内产生的热量可能使其熔融，产生固体结块。烧结固体已显示能够引起沉降式残渣出口阻塞。为确保任何固体结块不能阻塞初级室(2200)残渣出口，采用螺旋输送机(2209)提取从初级室(2200)排出焦炭。
搬运推杆先将焦炭推入提取器螺旋输送机(2209)，由该螺旋输送机进一步将焦炭排出初级室(2202)，输入输送系统。焦炭被送入输送系统之前，提取器螺杆(2209)的旋转粉碎其中聚集体。提取器螺旋叶片的锯齿形边缘进一步加强粉碎作用。
为实施工艺控制，必须要监测初级室(2202)内各种参数。例如，需要监测气化工艺每个阶段不同地点和不同高度的温度。温度监测可通过使用热电偶实现，但其在运行过程中往往需要更换。为更换热电偶而不关闭系统，每个热电偶通过端口封闭的管道插入进初级室(2202)，并与容器外壳保持密封。这种设计允许采用柔软连线比密封管更长的热电偶，使热电偶连接点(温度检测点)紧密贴压管道的密封端，以保证准确和快速响应温度变化。密封管对初级室(2202)是密封的，并使用填料压盖机械固定，这种固定方式还允许密封管伸入气化室(2202)的长度调整。为测量城市固体废物(MSW)堆内温度，密封管可阻碍垃圾堆的移动。为避免阻碍问题，密封管一端可安装导流板，防止城市固体废物(MSW)堆运动被热电偶管道阻碍。
从初级室排出残渣输入两区碳转化器(110)，该转化器是由连通区域(112)将其划分为上部碳转化区(111)和下部灰渣熔融区(113)。碳转化区(111)温度保持在约950℃至约1000℃左右，灰渣熔融区温度则保持在约1350℃至约1800℃。
参考图38至图41所示实施方案说明，双区碳转化器(110)是耐火材料内衬垂直室(115)，该室包括焦炭入口(120)，气体出口(125)，残渣出口(130)，和特定区域加热系统(即一个系统内可以设立两个温度区)，其中该加热系统包括空气进气箱(135)和等离子火炬(140)。如果需要，任选的焦炭入口安装粉碎机(未显示)，同质化输入物料大小。
室(115)是有顶圆柱形、耐火材料内衬钢焊接件。室直径在连通区域开始收缩，并向残渣出口方向进一步收缩形成锥形。室是分段建造，便于包括连通区在内的部件更换。
参考图38至图41，加热空气通过靠近本区下游末端的空气进气箱(135)输入碳转化区。可以控制空气输入空气箱对转化过程进行调整。或者，蒸汽可通过蒸汽喷射口(136)注入碳转化区。
碳转化区(111)锥形收缩至联通区域(112)。联通区包括物理障碍物(145)，引导物料从碳转化区流向熔渣区。参考图39A至图39C，物理障碍物包括固体耐火材料预制穹顶(145)，使用四个楔形耐火砖(150)将该穹顶安装在联通区内。耐火材料穹顶要求双区碳转化换器内壁与穹顶之间保持一定间距(155)或空间，允许两区之间物料通过该间隙传递。多个直径介于20mm至100mm之间的氧化铝陶瓷球(165)坐落于耐火材料穹顶，形成床层，促使热空气扩散，加速等离子热量向灰渣转递，灰渣在联通区内开始熔融成为熔渣。在此实施方案中，随着灰渣熔融，熔渣流过穹顶外缘与气化室内壁之间的间隙(155)，穿过联通区进入熔渣区。
熔渣区(113)坐落于联通区下游。该熔渣区(113)是耐火材料内衬圆筒，有单独锥形残渣出口(130)。
熔渣区包括各种端口，其中有等离子火炬端口，可容纳气化室预热燃烧器的端口，以及各种加工添加剂输入端口，其中包括热空气和碳输入端口。参考图40，熔渣区配备有等离子火炬(140)和切向安装空气喷嘴。或者，可使用碳输入器将碳注入。
经气化后剩余残渣在处理前须经无害化处理，加工成惰性和有用材料。这可通过从次级室提取灰渣，送入以等离子为基础的熔融室(RCC)(4220)，将灰渣熔融和无害化处理成惰性熔渣(4202)，使用淬火罐(4240)将熔渣(4202)冷却和粉碎成为固体颗粒，然后转移至储渣堆4204)，准备从场地清除。最终副产品适用于道路填充或混凝土制造。
熔融渣进入淬火罐(4240)后，被迅速冷却和粉碎成为颗粒形态。然后，灰渣输送机从淬火容器(4240)中清除颗粒灰渣，并输送至灰渣堆(4204)等待下一步处理或进一步使用。沉降残渣出口使用水陷阱对环境密封，该水陷阱是由管套组成，管套顶部与RCC系统(4220)密封连接，其下部侵入淬火介质中。同样的淬火介质也用于密封RCC系统中灰渣输送机。
气体重组系统
初级室和次级室产生的气体输送进入气体重组系统(GRS)(3200)。GRS系统(3200)设计需要满足各种要求：(一)提供气体重组停留时间所需体积；(二)提供热量绝缘，保存热量和保护容器钢外壳；(三)提供空气和水蒸汽添加入口；(四)混合气体；(五)使用等离子火炬(3208)高温加工处理工艺气体；(六)提供监测气体成分仪器，加强工艺控制和强化等离子火炬(3208)性能；(七)输出工艺气至下游换热器(5200)。
气体重组系统(GRS)(3200)提供有附加安装和连接功能的密封环境，该附加安装和连接功能可应用于工艺空气、蒸汽、等离子火炬(3208)和火炬管理装制，仪器，和合成气输出废气排放。如图42所示，GRS系统(3200)是基本垂直安装的耐火材料内衬圆筒或管状气体重组室(3202)，该系统有单独锥形尾气入口(3204)，通过安装法兰(3214)与初级室(2200)连接。GRS系统(3200)长宽比约是3∶1。在GRS系统(3200)内停留时间是1.2秒。GRS系统(3200)进一步包括有三层切向安装空气喷嘴，二个切向安装等离子火炬(3208)，6个热电偶端口，两个燃烧器端口，两个压力传感器端口，和几个备用端口。等离子火炬(3208)在GRS系统(3200)内产生的高温确保尾气分子分解成其组成元素，重新结合产生合成气。粗高温合成气由合成气出口(3206)从GRS系统(3200)排出。
参考图43，如前所述，GRS系统(3200)包含有耐火材料内衬的支撑结构。耐火材料支撑结构的主要特点是一系列GRS系统(3200)内部环绕支架(3222)。系统运行期间，这些支架(3222)需承受比该气体重组室(3202)外壳温度更高的运行温度。因此，要尽量避免任何热量传导至GRS系统(3200)外壳造成浪费，同时提供余量许可，允许支架局部膨胀。此外，支架(3222)必须能够承担耐火材料相当重量。为满足这些条件，需将支架(3222)分割成段并留有膨胀间隙，以利热膨胀。此外，支架(3222)和墙壁之间留有一定缝隙，避免热量传递。要承担耐火材料重量，每段支架由数个焊接在墙壁的角板(3224)支持，如图43所示。支架(3222)沿其长度膨胀会产生应力，如果支架被焊接至角板(3224)，则可能造成角板(3224)支撑失败。然而，支架(3222)放置在角板(3224)上而无焊接，允许支架(3222)自由膨胀。为能保持支架段处于正确位置，仅将支架段中心与角板(3224)焊接，因为只有该处膨胀最小，即使这样，也仅有支架外层部分被焊接。最大限度降低任何支架对角板(3224)施加的应力和支架(3222)自身潜在的屈曲压力。
气体重组室(3202)顶部安装耐火材料内衬盖板(3203)，从而建立完全密封外壳。整个GRS系统(3200)内部覆盖有一层耐高温保护膜，防止未加工尾气腐蚀。设备外部表面涂有一种热敏变色颜料，可揭示因耐火材料失效或其他故障原因产生热点。
GRS系统(3200)内使用的耐火材料采用多层设计，其高密度内层可抵御高温侵蚀和腐蚀。高密度材料之外是低密度和低耐热性能材料，但有较高隔热系数。该层以外又是非常低密度而同时又有非常高隔热系数的泡沫材料板，因为它不会受到磨损的侵蚀。更外面，泡沫板与容器钢外壳之间是一层陶瓷材料耐热毯，柔顺层，允许固体耐火材料和容器外壳之间局部膨胀。可压缩耐火材料层可容纳耐火材料垂直膨胀，并独立于不可压缩耐火材料。由于可压缩耐火材料层获得高密度耐火材料延伸扩展部分覆盖保护，可免受侵蚀。
如图44，图45，和图47所示，空气通过三层空气喷嘴注入尾气流，其中包括4个低层喷口和另外6个高层喷口，其中后者3个喷口略高于其他3个，创建跨射流效果，以求达到更好混合。空气进入GRS系统(3200)的喷射角度是采用喷头上安装导流器获得，在获取更好混合效果同时，也允许入口管道和法兰与重组室(3202)成直角安装。改进GRS系统(3200)气体混合也改善合成气重组。这是通过利用在重组室(3202)底部空气流速诱导产生涡流运动得以实现。空气通过涡流端口(3212)注入尾气流，建立涡流运动或扰动尾气流，实现尾气混合，在GRS系统(3200)内建造一个重复循环涡流模式。
如前所述，GRS系统(3200)还包括两个切向安装，300kW，水冷，铜电极，NTAT，直流电等离子火炬(3208)，分别安装在如图46所示滑动机械上。直流电等离子火炬(3208)由直流电源供电。安装在GRS系统(3200)内各个位置的热电偶确保合成气温度维持在约1000℃。
等离子火炬(3208)需要定期维修保养，能够在运行中更换是最理想的结果。如前所述，实现更换这个目标可在GRS系统(3200)中使用两只火炬(3208)，而严格地讲气化运行只需要一个。等离子火炬(3208)拆除和更换工作必须在GRS系统(3200)内高温有毒和易燃气体中完成。此外，等离子火炬(3208)还需要在冷却系统故障时拆除，保护火炬免受GRS系统(3200)高温损害。
火炬(3208)安装在能够进入和离开重组室(3202)的滑动机械上可以满足定期维修保养要求。使用密封压盖将火炬(3208)封闭在重组室(3202)内。该密封压盖是对门阀(3209)进行密封，反过来，密封压盖也安装在容器上，并对容器密封。拆除火炬(3208)时，使用滑动机械将火炬是退出重组室(3202)。为安全起见，滑动机械初始运动将关闭高电压火炬电源。火炬(3208)通过门阀(3209)后，门阀(3209)自动关闭，冷却剂循环停止运转。软管和电缆与火炬(3208)分离脱开，密封压盖从门阀(3209)释放，最后火炬(3208)由升降机吊离。
更换新火炬(3208)使用与上述相反的操作过程；调整滑动机械可以变化火炬(3208)插入深度。
为简单和安全起见，所有上述操作除关闭门阀(3209)都是手动执行。门阀(3209)则是机械自动操作。当冷却系统发生故障时，气动执行器(3210)控制火炬自动退出。专用空气储罐提供操作气动执行器(3210)使用的压缩空气，即使在电力故障时，也可始终保持供应压缩空气。同样的空气储罐也提供压缩空气供门阀(3209)使用。电动联锁盖用作进一步安全措施提供安全保护，防止接近火炬连接的高电压。
参考图50，转化器(1200)排出的粗合成气通过一个热回收系统。在本实施方案中，热回收系统使用合成气/空气换热器(HX)(5200)，热量从粗合成气转递至空气。因此，合成气冷却而空气加热，由此产生的热空气回馈作为加工添加剂输入转化器(1200)。冷却的合成气然后输入气体精制系统(GCS)(6200)，进一步冷却并顺序清除合成气中微粒，金属，和酸性气体。清洁精制的合成气(含有理想湿度)送至气体调节系统(SRS)(7200)加工处理，最后送入燃气发动机(9260)发电。经过气化器(1200)和RCS系统(4200)加工处理，气化系统内主要设备功能按照其对合成气处理顺序概括在表1中。
表1气化器1200和RCS系统4200处理后的加工步骤
  子系统或设备   主要功能
  热交换器5200   冷却合成气和回收显热热量
  蒸发冷却器6210   布袋除尘过滤器处理前进一步冷却合成气
  干式注入系统6220   重金属吸附
  布袋除尘过滤器6230   收集颗粒和灰渣
  盐酸洗涤器6240   清除盐酸成分和冷却精制合成气
  碳过滤床6260   进一步清除汞元素
  硫化氢清除系统6270   清除硫化氢和回收硫元素
  残渣气体精制器RGCS 4250   残渣气体净化和冷却
  合成气储存7230   合成气储存和均质
  冷凝器7210；气液分离器7220   控制湿度
  内燃机9260   发电主要驱动器
  火炬塔9299   系统启动时，燃烧合成气
合成气/空气换热器
GRS系统(3200)输出的合成气温度约是从900℃至1100℃。为回收合成气中热量，由GRS系统(3200)排出的粗合成气被输送至一个合成气/空气管壳式换热器(HX)(5200)。输入HX系统(5200)的空气温度是室温，即约从-30℃至40℃。使用压缩机(5210)驱使空气在系统内流动，输入HX系统(5200)的空气流量约是从1000Nm3/hr至5150Nm3/hr之间，通常流量约为4300Nm3/hr。
参考图50，合成气从管内垂直通过而空气则沿逆时针方向从管壳通过。合成气温度从1000℃下降到500℃至800℃(最好约740℃)，同时空气温度则由常温上升到500℃至625℃(最好约600℃)。参考图22，热交换空气循环返回气化器(1200)用于气化反应。
HX系统(5200)是专为高颗粒物含量合成气设计。合成气和空气流向设计要尽量减少产生颗粒物堵塞或侵蚀的区域。此外，气体流速设计要高达足以保持自我清洁，同时保持对管壁侵蚀最小。
由于空气与合成气之间存在相当大温差，HX系统(5200)中每条管道(5220)都装有各自独立膨胀波纹管。这是避免管道破裂的基本要求，因为空气一旦进入合成气形成混合物，将是极其危险。一条单独管道堵塞时，因为不再与其余管道共同膨胀/收缩，该管道破裂性可能性升高。
多个温度传感器安装在合成气/空气换热器(5200)气体出口箱上。温度传感器用于检测任何一个空气泄漏可能，导致合成气燃烧而产生的温度升高。在该情况下，空气压缩机(5210)会自动关闭。
考虑到合成气中硫含量以及其高温化学反应，必须精心挑选HX系统(5210)中合成气管道材料，避免腐蚀问题。在本实施方案中，所选择材料是合金625。
气体精制系统(GCS)
在一般情况下，气体调节系统(GCS)(6200)是指经过换热器(5200)冷却的粗合成气通过一系列加工工序，转化成一种适合下游最终应用的形态。在本实行方案中，GCS系统(6200)可分解成两个主要阶段。第一阶段设备成员包括：(a)蒸发式冷却器(干式淬火)(6210)；(b)干式注入系统6220；(c)布袋除尘过滤器(6230)(用于清除颗粒/重金属)。第二阶段设备成员包括：(d)盐酸洗涤器(6240)；(e)合成气(工艺气体)压缩机(6250)；(f)碳过滤床(汞深度清除器)(6260)；(g)硫化氢(硫)清除系统(6270)；(h)使用冷凝器(7210)和气/液分离器(7220)控制湿度。
GCS系统(6200)之前的换热器(5200)有时被作为是GCS系统(6200)第一阶段部分。合成气(工艺气体)压缩机(6250)特别包括气体冷却器(6252)，该冷却器有时在GCS系统(6200)第二阶段设备中被单独提及。此外，这里上述作为GCS系统(6200)第二阶段湿度控制部分也常常被认为是GCS系统(6200)下游SRS系统(7200)的一部分。
图49显示本系统实施的GCS系统(6200)功能方块图。这是一个工艺融合范例，GCS系统(6200)与任选的残渣气体精制器(RGCS)(4250)相结合。
经过热交换器(5200)初步冷却，输入合成气被干式淬火(6210)进一步冷却，降低合成气温度同时又防止结露。干式淬火可通过使用蒸发冷却塔(6210)(又名“干式淬火法”)实现，控制水对合成气流的注入方式(绝热饱和)。水雾化后，与合成气流同向喷入合成气。由于该过程冷却没有液体存在，也被称为干式淬火。水蒸发时从合成气吸收显热热量，将其温度由740℃降低到150℃至300℃之间(通常约250℃)。需要对该过程加以控制，确保液态水不呈现在排出气体之中。因此在排出气体温度，相对湿度仍然低于100％。
参考图51和图52，气体一旦排出蒸发冷却塔(6210)，存放在料斗中的活性炭就被气动机械注入合成气流中。活性炭有非常高孔隙率，该特点有利于对大分子如汞和二恶英的表面吸附。所以，气流中含有的多数重金属(镉、铅、汞等)和其他污染物被吸附在活性炭表面。被使用过的活性炭颗粒由布袋除尘过滤器(6230)统一收集，循环返回RCS系统(4200)作进一步能量回收处理，如在下一步中描述。为获得有效吸附，要确保合成气在该阶段有足够停留时间。其他材料，如长石、石灰和其他吸附剂，也可用作干式注入阶段(6220)活性炭替代物或补充材料，捕获合成气流中重金属和焦油而不阻碍流动。
参考图52，布袋除尘过滤器(6230)从合成气流中清除微颗粒和表面吸附有重金属的活性炭，其清除具有极高效率。该工艺要求调整运行参数，避免任何水汽凝结。所有从合成气流中清除颗粒物在布袋上形成滤饼，进一步提高布袋除尘过滤器(6230)效率。因此，尽管新式无涂层布袋有99.5％清除效率，布袋除尘过滤器(6230)设计微颗粒物清除效率通常为99.9％。布袋除尘过滤器(6230)使用玻璃纤维内衬除尘袋，无衬玻璃纤维袋，或P84玄武岩袋，其运行温度在200℃至260℃之间。
当布袋除尘过滤器(6230)压降上升达到一定界限，使用氮气脉冲射流清洁布袋。选用氮气而不使用空气是由于安全原因。布袋外表面残留物落入底部收集料斗，送至熔融室(4200)作进一步转化或处理。为保护布袋除尘过滤器(6230)，可使用特别试剂吸收高分子烃类化合物(焦油)。图52显示相应布袋除尘过滤器示意图。布袋除尘过滤器使用圆柱形过滤器，其中布袋不需要支撑。
一个典型布袋除尘过滤器(6230)技术要求(假设输入灰渣与重金属)如下：
设计气体流量9500Nm3/hr
负荷灰渣含量7.4g/Nm3
镉2.9mg/Nm3
铅106.0mg/Nm3
汞1.3mg/Nm3
过滤系统出口保证：
颗粒11mg/Nm3(约99.9％清除率)
镉15μg/Nm3(约99.65％清除率)
铅159μg/Nm3(约99.9％清除率)
汞190μg/Nm3(约90％清除率)
大量受重金属污染的残渣从布袋除尘过滤器(6230)排出。因此，该残渣被送至以等离子火炬为加工基础的RCC系统(4220)高温处理，转化为玻璃化熔渣(4203)。参考图49，由RCC系统(4220)产生的二级气体选择通过独立残渣气体精制器RGCS(4250)加工处理，其第一阶段加工过程如下：间接空气/合成气换热器(4252)冷却；小型布袋除尘过滤器(4254)除去微颗粒物质和重金属。该小型布袋除尘过滤器(4254)是专门用于加工从RCC系统(4220)产生的二级气体。如图49所示，RGCS系统(4250)执行额外步骤包括使用气体冷却器(4256)进一步冷却气体和碳床(4258)除掉重金属和微颗粒。参考图22，经RGCS系统处理后，二级合成气返回与输入主合成气流汇合，输入布袋除尘过滤器(6230)，回馈进入GCS系统(6200)。
RGCS系统(4250)中小型布袋除尘过滤器(4254)与GCS系统(6200)中布袋除尘过滤器(6230)相比，前者清除残渣数量大大减少。小型布袋除尘过滤器(4254)充当作为重金属清洗器。从RGCS系统(4250)排出重金属数量取决于其在城市固体废物(MSW)原料组成中含量。当重金属积聚达到规定界限时，必须定期吹扫清除这些危险物质，作为废物处理。
一个典型小型布袋除尘过滤器(4254)技术要求如下，再次假设输入灰渣与重金属：
设计气体流量150Nm3/hr
负荷灰渣含量50g/Nm3
镉440mg/Nm3
铅16.6mg/Nm3
汞175mg/Nm3
过滤系统出口保证：
颗粒10mg/Nm3(约99.99％清除率)
镉13μg/Nm3(约99.997％清除率)
铅166μg/Nm3(约99.999％清除率)
汞175μg/Nm3(约99.9％清除率)
GCS系统(6200)可包括直接和间接反馈或监测系统。在本实施方案中，GCS系统和RGCS系统布袋除尘过滤器都装有出口颗粒传感器(直接监测)，显示布袋破裂。如果布袋发生破裂，系统会关闭等待维护。或者，分析盐酸洗涤器(6240)启动时水流，确定微颗粒物清除效率。
参考图53，从布袋除尘过滤器(6230)排出的无颗粒物合成气在填料塔中用循环碱溶液清洗，消除任何盐酸成分存在。该盐酸洗涤器(6240)提供充分接触面积冷却合成气体至温度约35℃。碳床过滤器(6260)用于分离液体溶液和潜在可溶污染物质，如金属，氰化氢，氨等。设计盐酸洗涤器(6240)保持其出口盐酸浓度约为5ppm。产生的废水泄流被送至废水储罐(6244)，如图54所示。
从冶金学方面考虑，盐酸洗涤器(6240)位于气体压缩机(6250)上游。盐酸洗涤器(6240)包括相关部件如热交换器(6242)示范的示意图如图53所示。图54表示一个示范系统，从GCS系统(6200)收集和储存废水。碳床过滤器加入废水排放处理，清除废水中焦油和重金属。典型盐酸洗涤器(6240)技术要求如下：
设计气体流量        9500Nm3/hr
一般输入/最大输入洗涤器盐酸浓度0.16％/0.29％
出口盐酸浓度        5ppm
清除盐酸后，使用气体压缩机(6250)提供驱动力，驱使气体通过整个气化系统(120)，从转化器(1200)至下游燃气发动机(9260)。该压缩机(6250)位于汞清除器(6260)上游，因为加压情况下后者有更高汞清除效率。这可减少汞清除器(6260)体积。图22表示整个气化系统(120)示意图，包括该工艺气体压缩机(6250)的位置。
压缩机(6250)设计采纳所有上游容器设计压降。该设计还提供下游设备所需压力，补充压力损失，HC系统(7230)中达到最终压力是约2.1psig至3.0psig(通常2.5psig)。由于气体通过压缩机(6250)时压力增加，气体温度上升至约77℃。因为硫化氢(H2S)清除系统(6270)最高运行温度是约40℃，该压缩机使用内置气体冷却器(6252)，降低气体温度返回35℃。
碳床过滤器(6260)是最终清除设备，清除合成气流中任何残存重金属。当系统处于加压而不是真空，处于较低温度，气体饱和，盐酸成分被彻底清除而不是遗留蚀损碳床，该过滤系统清除效率将得到改善。该过程也具有吸收其他有机污染物能力，例如合成气中存在的二恶英等。碳床过滤器(6260)汞的设计清除效率超过99％。
通过定期分析气体汞含量测定该系统性能。调整碳输入流量，监测过滤器(6260)压降，和取样分析确定碳床清除效率，做出相应修正。
典型碳床过滤器(6260)技术要求如下：
设计气体流量9500Nm3/hr
正常/最高负荷汞含量190μg/Nm3/1.3mg/Nm3
碳床寿命3-5年
碳床除汞系统出口汞含量保证19μg/Nm3(99％)
硫化氢(H2S)清除系统(6270)设计基于二氧化硫环境排放标准，加拿大安大略省环境部指导A7概述：合成气在燃气发动机内燃烧，产生二氧化硫排放量低于15ppm。本硫化氢清除系统(6270)设计输出硫化氢浓度约20ppm。图55显示硫化氢清除系统(6270)具体细节。
本硫化氢清除系统(6270)选择使用壳牌帕克斯生物技术(ShellPaques Biological technology)。该技术包括有两个步骤：(1)经碳床过滤器(6260)处理后，合成气通过碱性洗涤器(6272)，碱性再循环溶液清除合成气中所含硫化氢。(2)含硫溶液送至生化反应器(6274)，进行碱溶液再生加工，硫化物氧化为硫元素，过滤分离出硫元素，彻底清除溶液中硫元素和排泄满足监管要求废液。该硫化氢清除系统(6270)设计硫化氢出口浓度是20ppm。
生物反应器(6274)中硫杆菌(Thiobacillus)将硫化物通过空气氧化转化成硫元素。控制系统控制输入生物反应器空气流量，保持该系统硫元素存量。一条支流从生物反应器(6274)引出，送入压滤机(6276)过滤。压滤机(6276)排出的滤液返回该生物反应器，其中小部分滤液分支作为废液排放。该废液分别导致固液两个排放源；固体排放源是硫元素与部分生物质，而液体排放源则是水与硫酸盐，碳酸盐以及部分生物质。两个排放源两个都是经过消毒灭菌后才实行排放。
典型硫化氢清除系统(6270)技术要求如下：
设计气体流量8500Nm3/hr
正常/最高负荷硫化氢(H2S)含量353ppm/666ppm
系统出口硫化氢(H2S)含量保证20ppm
脱硫化氢(H2S)后，使用冷凝器(7210)将合成气中所含水分凝结分离，所得合成气再度加热至适合燃气发动机(9260)使用温度。冷凝器(7210)深度冷却合成气从35℃降至26℃。气/液分离器(7220)清除从输入气体中冷凝分离的水。保证气体离开储气库被送至燃气发动机(9260)之前，合成气再加热至40℃(发动机要求)有相对湿度80％。
下例表格给出整个GCS系统(6200)主要技术要求：
Figure BPA00001250593500781
如上所述，GCS系统(6200)将输入气体转化成有理想特性气体输出。图49描述GCS系统(6200)综合工艺流程图，该GCS系统与气化系统(120)和下游应用集合形成综合系统。该图中，从RCS系统(4200)产生的二级气体输入GCS系统(6200)。
残渣气体精制器(RGCS)
如前所述，GCS系统布袋除尘过滤器(6230)收集的残渣含有活性炭和金属，该残渣需要用氮气定期吹扫，并输送至RCC系统(4220)进行玻璃化加工。RCC系统(4220)排出的气体直接通过残渣气体精制器(RGCS)(4250)布袋除尘过滤器(4254)，清除气体中微颗粒，该气体再由热交换器(4256)冷却，然后进入活性炭床(4258)。该布袋除尘过滤器(4254)要根据整个系统压降定期吹扫清洗。RGCS系统布袋除尘器过滤器收集的残渣(4254)要通过适当方式处理。同时，从RGCS系统(4250)排出可燃气体作为次级原料返回GCS主系统(6200)，充分利用回收的能量。
合成气调节系统
来自GCS系统(6200)清洁和冷却合成气输入气体调节系统。该范例中，气体调节系统是合成气调节系统(SRS)(7200)，设计要求确保输入下游燃气发动机(9260)的合成气质量保持一致。SRS系统(7200)旨在消除气体组成(主要是低热值，LHV)及其压力的短期变化。下游(9260)燃气发动机连续运行生产电力时，即使合成气低热值或压力短期变化，由于不良燃烧或不良燃料与空气比值，该电力生产可能会偏离其排放门槛限定值。
参考图56，SRS系统(7200)包括冷凝器(7210)、气/液分离器(7220)、和均质室(HC)(7230)。合成气从储罐排出后被加热，满足发动机(9260)对燃气温度要求，该合成气送入燃气发动机。
两种类型均质室(HC)可供选择：固定体积HC室和可变体积HC室。后者一般更有利于减少流量和压力波动，而前者比较有利于减少低热值波动。由于作为气化原料的城市固体废物性质，低热值波动在本应用中影响更显突出。在建造和维修方面，固定体积HC室比可变体积HC室也通常更加可靠。
图57显示在本实施方案中使用的均质室(HC)(7230)示意图。均质室设计容量为约2分钟合成气流量。该保持时间符合气体发动机关于低热值波动技术保障规范要求，1％LHV波动/30秒。样品至气体分析仪(8130)停留时间通常约为30秒(包括分析和反馈)。最大低热值波动通常是10％左右。因此，将上述这些平均，获得3％低热值波动和大于1.5分钟存储要求。2分钟存储容量已允许一定余量。
HC室(7230)运行压力在2.2psig至3.0psig范围之间，满足下游燃气发动机(9260)的燃气技术要求。使用压力控制阀，保持排出气体压力恒定。HC室(7230)最大设计压力是5psig，安装安全阀处理非正常超压情况。
HC室(7230)2分钟停留时间也提供足够缓冲容量减少压力波动。对于本设计，燃气发动机(9260)允许压力波动是0.145PSI/秒。当下游燃气发动机(9260)发生故障时，需要缓冲器(取决于控制系统响应时间和30-35秒气体停留时间)，提供降低气化运行速度或大量集中燃烧多余气体的时间。
一般合成气输入HC室(7230)流量是约8400Nm3/hr。因此，对于一个2分钟停留时间，其相应HC室体积约必须是280m3。
由于合成气可以凝结出水，HC室(7230)设计底部有排水管。为利于排水，有意采用不平坦HC室(7230)底部设计，该底部设计是锥形裙底。追溯/绝缘排水管道用于制成排水法兰。由于HC室(7230)中水是依靠重力排入地漏，该HC室(7230)相对位置要保持略有升高。
HC室(7230)设计需要满足下列设计要求。
  正常/最高入口温度   35℃/40℃
  正常/最大运行压力   1.2psig/3.0psig
  正常/最高气体输入流量   7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
  正常/最高气体输出流量   7000Nm3/hr/8400Nm3/hr
  相对湿度   60％-100％
  储存体积   290m3
  机械设计温度   -40℃至50℃
  机械设计压力   5.0psig
HC室(7230)使用材料既要考虑以上机械设计要求，一般也要考虑下列气体成分。尤其值得关注水，盐酸，以及硫化氢等存在引起腐蚀。
  N2   47.09％
  CO2   7.44％
  H2S   20ppm
  H2O   3.43％
  CO   18.88％
  H2   21.13％
  CH4   0.03％
  HCl   5ppm
燃气发动机(9260)设计要求在特定相对湿度下输入气体有一个具体组成范围。因此，排出硫化氢清洗器(6270)的清洁气体通过一个冷凝器(7210)，将温度从35℃深冷至26℃。任何由气体内所含水份凝结形成冷凝水通过气/液分离器(7220)清除。确保合成气一旦加热至40℃有80％相对湿度，这是一个燃气发动机(9260)典型技术要求。
使用一个气体压缩机(6250)提供足够吸力通过所有设备和管道如下列每条详细说明，从气化系统中抽出合成气。气体压缩机设计广泛采用优良工程实践和所有适用省级和国家级法规，标准，和OSHA指引。保证气体压缩机(6250)正常运行的电力供应是600V，3相，60Hz。
气体压缩机(6250)设计旨在满足以下功能要求。
  正常气体输入温度   35℃
  正常气体抽压   -1.0psig
  正常气体流量   7200Nm3/hr
  最高气体流量   9300Nm3/hr
  最高气体吸入温度   40℃
  正常排出气体压力   3.0psig
  正常排出气体温度(通过气体冷却器后)   ＜35℃
  机械设计压力   5.0psig
  压缩机入口气体相对湿度   100％
  气体分子量   23.3
  冷却水温度(气体产品冷却器)   29.5℃
  最高可接受排出气体温度(气体产品经冷却器后)   40℃
  拒绝率   10％
典型气体组成(湿基)如下：
  CH4   0.03％
  CO   18.4％
  CO2   7.38％
  H2   20.59％
  正常/最高H2S   354/666ppm
  H2O   5.74％
  正常/最高HCl   5ppm/100ppm
  N2   47.85％
由于合成气是易燃气体，很容易与空气形成爆炸性混合物，压缩机(6250)配置需要即无空气从环境中摄入，也无合成气泄漏。对所有工艺流体采用氮气吹扫密封和无泄漏轴封。采用先进泄漏检测系统监测任何方面泄漏。
由于压缩机(6250)运行于可能存在爆炸性气体环境中，所有仪器和电器设备安装在合成气管道上或与其相距约2米以内是根据2区第1分类而设计。
为确保可靠性，提供适当检查和维修通道，以便迅速确定和纠正故障。虽然压缩机(6250)可连续工作(24小时/7天)，仍然需要考虑其在过程稳定阶段频繁的启动/停止操作。
施工材料选择是基于设计条件和气体成分。例如，电路板，连接器，和外部元件的涂层保护或其他方式保护，尽量减少由于灰尘，水分，和化学品造成的潜在问题。控制面板和开关采用坚固耐用结构，工作人员戴手套操作。
一般来说，在10％至100％流量范围内，使用变速驱动器(VSD)控制电机。过压保护和过载保护包括在内。使用分布式控制系统(DCS)远程监测和控制该电机状态，开/关操作，和速度变化。
经过调节的合成气一旦排出HC室(7230)，迅速被加热至发动机要求温度，送入燃气发动机(9260)。
燃气发动机
五个通用电气颜巴赫(GE Jenbacher)往复式燃气发动机(9260)用于发电，其中每个燃气发动机拥有1兆瓦容量。总发电能力为5兆瓦。或者根据总体要求，可以关闭其中任何燃气发动机(9260)。该燃气发动机(9260)能够使用中或低燃烧值合成气，具有高效率和低排放特点。但是，由于合成气热值相对较低(相比燃料如天然气)，燃气发动机(9260)额定功率在其最佳工作点附近运行已被降级至约700kW。或者，下游应用可以扩容包括另外一个燃气发动机(9260)，以致发动机总数达到6个。
火炬塔
封闭的火炬塔(9299)用于在启动，关闭，和稳定生产工艺阶段燃烧合成气。生产工艺一旦获得稳定，火炬塔(9299)仅在紧急时刻使用。该火炬塔(9299)设计销毁率约是99.99％。
控制系统
在本实施方案中，本范例气化系统(120)包括一个集成控制系统，控制实施的气化工艺，可包括各种独立和相关局部过程，区域过程，和全局总过程。该控制系统可配置强化和尽可能优化各种工艺，获得理想前端和/或后端结果。
一个从前至后控制方案有利于稳定原料处理量，例如气化系统配置气化城市固体废物(MSW)，同时又可满足这类系统管理标准。优化从前至后控制方案可以使系统实现其既定结果，为实现该既定结果，可以专门设计和/或实施一个系统，或者子系统的一部分，或更大控制系统的一个简化版本，例如在过程启动或关机阶段，或缓和各种异常或紧急情况。
一个从后至前控制方案可包括为所选择的下游应用优化气体产品质量或特性，如下游燃气发动机(9260)发电。控制系统可配置优化该后端结果同时，可以提供监测和调节前端特征，在监管标准适用时，确保气化系统遵照该标准适当和连续运行。
该控制系统也可配置提供互补结果，该结果可定义为前端和后端结果的一个最佳组合，或者再次从气化系统(120)内任何前端和后端结果组合得出的一个结果。
在本实施方案中，当气化过程启动时，控制系统是设计作为一个从前至后控制系统运行，随着系统初始启动扰动有效衰减，控制系统逐渐发展成为一个从后至前控制系统。在这个特例中，使用控制系统控制气化系统(120)，将原料转化成一种气体，适合所选择的下游应用，即一种适合燃气发动机(9260)生产电力使用的气体。一般来说，控制系统通常包括：[1]一个或多个传感元件，检测气化系统(120)各种系统特征参数；[2]一个或多个计算平台，计算出各种工艺控制参数，有助于该检测系统特征参数代表值保持在适合下游应用的预定范围内，[3]一个或多个响应元件，按照工艺控制参数，运行气化系统(120)工艺设备。
例如，一个或多个传感元件分布在整个气化系统(120)各个控制点，检测合成气工艺特征参数。一个或多个计算平台与该传感元件连接通讯，配置获取其检测的特征代表值，并将该检测特征值与相应特征值预先确定范围比较，该范围表示气体产品特征适合于所选择的下游应用，计算出有利于保持检测特征值在该预定范围内的一个或多个工艺控制参数。多个响应元件与气化系统内一个或多个工艺设备和/或模块有效连接，该设备和/或模块运行能够影响气化工艺运行和因此调整一个或多个气体产品特征。响应元件能够与该一个或多个计算平台连接通讯，获取其一个或多个工艺控制参数计算结果，并配置根据该有关计算结果运行一个或多个工艺设备。
控制系统还可以配置强化前端效果，例如，强化或稳定原料消耗量和处理量，或在气化系统启动，关机，和/或紧急情况下，作为处理程序一部分，或配置执行完成气化系统(120)的气化加工运行，并在前端利益和后端利益之间实现预定平衡，例如转化原料生产适合指定下游应用的气体产品，同时最大限度地增加转化器原料处理量。其他或进一步系统强化措施可包括但不限于，优化系统能量消耗，例如尽量减少系统对环境能量效应，因而通过选择下游应用最大限度地增加能量生产，或支持生产附加或替代下游产品，如可消费气体产品(多种气体)，化合物，残渣等类似产品。
图58中所示是为本范例提供的一个高层工艺控制原理图，其中需要控制的气化过程就是上述气化系统(120)。图59提供气化系统(120)备用描绘图和图22所示控制系统确定的示范特征参数和与该特征参数相关的传感元件。如上所述，气化系统(120)是转化器(1200)，转化一个或多个原料(如城市固体废物(MSW)和塑料)成为合成气和残渣产品。根据本范例，该转化器包括初级室，次级室，和GRS系统(3200)。气化系统(120)还进一步包括熔融室(RCS)(4200)和热交换器(5200)，该热交换器有助于从合成气中回收热量，在本范例中利用回收热量加热空气添加剂，将热空气输入转化器(1200)供其使用。气体精制系统(GCS)(6200)对合成气提供各种精制加工(如冷却，净化和/或清洁)，和SRS系统(7200)用于至少均质部分合成气供下游应用使用。正如本文所示，来自转化器(1200)和GCS系统(6200)的残渣可送入RCS系统(4200)进行精制加工处理，该混合物生产出固体产品(如玻璃化熔渣(4203))和合成气，该合成气精制加工后，与转化器生产的合成气汇合，进行下一步精制加工和均质处理供下游使用。
图58和59中描述和配置各种传感元件和响应元件为气化系统(120)提供各层次控制。正如以上讨论，某些控制元件可用于局部和/或区域系统控制，例如，影响部分工艺和/或其子系统，因而对整体性能可能影响不大或根本没有影响。例如，虽然GCS系统(6200)可为合成气提供精制加工和制备处理供下游使用，其运行和吸收量变化可能对气化系统(120)一般性能和生产率影响不大。
另一方面，某些控制元件可用于区域和/或全局系统控制，例如作为一个整体，基本上影响整个气化工艺和/或气化系统(120)。例如，通过城市固体废物(MSW)管理系统(9200)和/或塑料管理设备(9250)的输入原料变化可能对下游气体产品产生重大影响，即影响气体产品组成和/或流量，以及影响该转化器(1200)内局部过程。同样，添加剂输入流量变化，无论是整体还是分布于转化器各个不同部分(1200)，也可能对下游气体产品产生重大影响，即影响气体产品组成分和/或流量。其他控制操作，如反应物在(1200)转化器内转换顺序，调整气流分布，等离子热源功率变化等其他因素也可能影响气体产品特性，因而可用作对此特性控制的一个手段，或考虑作为其他手段以减少其对下游应用影响。
在例图58和59中，使用本范例描述的各种传感元件控制局部，区域，和全局气化工艺特征。例如，气化系统(120)包括各种温度传感元件，检测整个气化工艺不同地点的温度。在图58中，一个或多个温度传感元件分别检测转化器(1200)内有关等离子热源(3208)和RCS系统(4200)内有关灰渣熔融过程的温度变化。例如，独立传感元件(一般由图58中温度变送器和温度控制显示器(8102)确定)可检测初级室(2200)内分别与第一，第二，第三阶段气化过程相关的温度T1，T2，和T3(参见图59)。额外温度传感元件(8104)可用检测与GRS系统(3200)有关重组过程温度(如见图59)，特别与等离子热源(3208)输出功率有关。在该范例中，温度传感元件(8106)检测RCC系统(4220)内温度(例如图59中温度T5)，其中该温度与熔融室内等离子热源(4230)输出功率至少部分有关。可以理解其他温度传感元件也可用于转化器(1200)下游各个地点，参与局部，区域。和/或全局不同气化过程。例如，温度传感元件可与换热器(5200)结合，确保热量传递和提供充分热空气添加剂至转化器(1200)。温度显示器也可与GCS系统(6200)结合，确保精制后合成气对确定子过程不过热。其他类似应用对技术人员应该是显而易见的。
气化系统(120)进一步包括分布于整个气化系统(120)的压力传感元件。例如，压力传感元件(图58中描述的压力变送器和控制显示器(8110))检测转化器(1200)内压力(图59特别与GRS系统(3200)相关范例中描述)，并通过转速控制显标器，变频驱动器，和相关电机组装(8113)与气体压缩机(6500)关联，保持整个转化器(1200)内压力低于大气压力；在该殊范例的一个实施方案中，连续在约20Hz频率下采样监测转化器(1200)内压力，并作相关应调整。在另一个实施方案中，压缩机根据运行需要保持采样频率在约20Hz或以上，当压缩机运行需要该频率低于20Hz时，可暂时使用一个置换阀。压力传感元件(8116)也提供换热器(5200)输入空气压力监测，并通过转速控制显标器(5210)，变频驱动器，电机组装与气体压缩机(8120)关联，调节整个气化系统内压力。当合成气压缩机(6250)转速低于其最低运行频率时，压力控制阀(8115)作为二级备用控制将介入调整气化系统内压力。
SRS系统(7200)还进一步装备有另外一个压力传感元件(8114)，该压力传感元件与控制阀(7500)有效关联，控制由于压力过高而导致合成气通过火炬塔(9299)排放和/或紧急释放，例如，在系统启动和/或紧急情况运行期间。该压力感应元件(8114)还通过流量变送器和控制显示器(8124)与一个控制阀(8122)进一步关连，例如，当向SRS系统(7200)提供合成气不足以保持燃气发动机(9260)连续运转时，增加加工添加剂至转化器(1200)的输入流量。当控制系统是根据从后至前控制方案运行时，这一点尤为重要，其详细内容将在下文予以说明。注意图44，使用空气流量传感元件(8124)和控制阀(8122)调节空气添加剂输入初级室(2200)第一，第二，第三阶段流量，其相应各自流量分别表示为F1，F2，和F3，和空气添加剂输入GRS系统(3200)流量表示为F4，其中相对流量按照预定比率设置，该比率定义为每个工艺阶段加工温度基本保持在预定温度范围内。例如，一个预定流量比率F1∶F2∶F3∶F4约是36∶18∶6∶40，可用于保持T1，T2，和T3相对温度范围分别相应是约300℃至600℃，500℃至900℃，和600℃至1000℃，或选择温度范围分别相应是约500℃至600℃，700℃至800℃和800℃至900℃，特别是因为体积增加而需要更多原料投入，以弥补燃烧量提高，如下所述。
气化系统(120)还包括多个有效分布于整个气化系统(120)的流量传感元件。例如，如上所述，测量输入转化器(1200)空气添加剂流量的传感元件(8124)与控制阀(8122)有效关联，调节该空气流量，例如为响应通过传感元件(8114)在SRS系统(7200)内检测的压降。流量传感元件(8126)还提供合成气输入SRS系统(7200)的流量检测，为保持长期稳定运行，所获检测值用于调整空气添加剂输入流量，作为一个快速反应对于合成气流量降低，同时调节原料输入流量，例如，按照当前燃料空气比定义(垃圾+塑料∶空气添加剂总输入)分别通过城市生活垃圾输入设备(9200)和/或废塑料输入设备(9250)；当系统按照一个从后至前控制方案运行时，这又显得特别有用，如下所述。该范例中，空气与燃料比一般是0至4公斤/公斤，而正常运行一般约为1.5公斤/公斤。流量传感元件(8128)也可提供多余气体至火炬塔(9299)的气体流量监测，例如在启动，紧急情况，和/或从前至后控制方案调整运行期间，如下所述。
图43和图44描述气体分析仪(8130)，合成气到达SRS系统(7200)后，分析合成气气体组成，控制系统配置使用该气体成分分析结果，确定合成气燃烧值和碳含量，分别调整相应燃料空气比和城市固体废物(MSW)塑料比，从而有助于分别调节城市固体废物(MSW)和塑料各自相应输入流量。再一次证明，此特点在控制系统执行从后至前控制方案情况下特别有用，更加详细说明如下。
图58和图59中无描绘，但在以上初级室(2200)的实施方案参考范例描述中包含有各种传感元件，该传感元件配置检测初级室(2200)内不同地点的反应物高度，即在第一阶段(2212)，第二阶段(2214)，和第三阶段(2216)。该传感元件也可用于控制横向输送设备运动，如搬运推杆系统(2228，2230，2232)，强化初级室(2200)内气化工艺加工效果。该范例中，一个搬运推杆程序控制器可影响实际原料输入流量计算，同时还需将原料输入流量与理想值偏差传达给搬运推杆程序控制器。即搬运推杆程序控制器可以用于调整原料输入流量，控制系统与搬运推杆程序控制器通信联系，补偿由搬运推杆程序变化引起的偏差(例如针对由于被检测反应物各种分布提出的问题)。
图45提供一个控制流程图，描述各种检测特征值，控制器(如响应元件)，和本范例控制系统使用的运行参数，以及导致原料适当加工和有效处理之间相互关系。在该图中：
转化器固体高度检测模块(8250)配置协同控制输送单元控制器(8252)，该输送单元控制器配置控制输送单元(8254)运动，并协同控制城市固体废物(MSW)+高碳原料(HCF)输入总流量(8256)；
合成气(产品气体)碳含量检测模块(8258)(例如，从气体分析仪(8130)衍生)与一个城市固体废物(MSW)∶高碳原料(HCF)比例控制器(8260)耦合配置，协同控制一个城市固体废物(MSW)/高碳原料(HCF)分配器(8262)，分别控制相应城市固体废物(MSW)(8264)和高碳原料(HCF)(8266)输入流量；
合成气(气体产品)热值测定模块(8268)(如LHV＝C1*[H2]+C2*[CO2]，其中C1和C2是常量，[H2]和[CO2]是分别从合成气分析仪(8130)获得氢气和二氧化碳浓度)与一个燃料∶空气比例控制器(8270)耦合配置，协同控制城市固体废物(MSW)+高碳原料(HCF)输入总流量(8256)，该总流量信息被传达至城市固体废物(MSW)/高碳原料(HCF)分配器(8262)和输送单元控制器(8252)；
合成气流量检测模块(8272)与一个空气总流量控制器(8274)耦合配置(8276)，控制空气总流量和协同控制城市固体废物(MSW)+高碳原料(HCF)输入总流量(8256)；
工艺温度检测模块(8278)与一个温度控制器(8280)耦合配置，控制空气流量分配(8282)(如图2，F1，F 2，F3，和F4)和等离子热源(8284)(通过PHS系统(1002))。
在该结构中，为确定输入气化系统(120)空气添加剂流量，获得合成气组成在适合下游应用范围内，或在导致增加能量效率和/或气体产品消费范围内，控制系统可配置根据检测特征参数，获得低热值(如从合成气中氢气和一氧化碳浓度分析计算)，计算出控制参数。例如，设置温度和压力恒定，或在一系列期望值，全局系统参数可以经验性定义使用下列线性计算式，该式估算空气输入参数可有足够精度：
[LHV]＝a[Air]
其中α是对于某一特定系统设计和期望输出特性的一个经验常数。已经证明使用上述方法，本范例气化系统(120)可有效连续运行并满足监管标准，同时还优化工艺效率和产品一致性。
图46提供一种替代控制流图，其中描述各种检测特征值，控制器(如响应元件)，和运行参数，该运行参数可被略微修改结构的控制系统使用和导致原料适当加工和有效处里之间相互作用所利用。
在该图中：
转化器固体高度检测模块(8350)配置协同控制输送单元控制器(8352)，该输送单元控制器配置控制输送单元(8354)运动和协同控制城市固体废物(MSW)+高碳原料(HCF)输入总流量(8356)；
合成气(气体产品)碳含量检测模块(8358)(例如，从气体分析仪(8130)衍生)与城市固体废物(MSW)∶高碳原料(HCF)比例控制器(8360)耦合配置，并协同控制城市固体废物(MSW)/高碳原料(HCF)分配器(8362)，分别控制城市固体废物(MSW)(8364)和高碳原料(HCF)(8366)相应输入流量；
合成气(气体产品)氢含量检测模块(8367)(例如，从合成气分析仪(8130)衍生)与燃料∶空气比例控制器耦合配置，协同控制城市固体废物(MSW)和高碳原料(HCF)输入总流量(8356)，并进一步协同控制传递单元控制器(8370)，城市固体废物(MSW)/高碳原料(HCF)分配器(8362)，计算蒸汽流量和空气总流量；
合成气(气体产品)一氧化碳含量检测模块(8369)(例如，从合成气分析仪(8130)衍生)与燃料∶蒸汽比例控制器(8371)耦合配置，协同控制蒸汽流量计算，控制蒸汽输入流量(注：控制蒸汽添加剂输入设备可与转化器(1200)耦合配置(没在图1和图2中显示)，并补充空气添加剂和参与合成气化学组成精制)；
合成气流量检测模块(8372)与空气流量总控制器(8374)耦合配置，协同控制空气总流量(8376)和协同控制城市固体废物(MSW)+高碳原料(HCF)输入总流量(8356)；
工艺温度检测模块(8378)与温度控制器(8380)耦合配置，控制空气流量分配器(8382)(如图44中F1，F2，F3，和F4)和等离子热源(8384)(如通过PHS系统(1002))。
在此结构中，为确定输入气化系统(120)空气添加剂和蒸汽添加剂数量，为下游应用获取适当范围内的合成气组成，或在一定范围内提高能量效率和/或气体产品消费，控制系统可以配置根据获取特征值氢浓度[H2]和一氧化碳浓度[CO]计算得出控制参数。例如，保持温度和压力不变，或为设定数值，全局系统参数可以根据经验定义空气和蒸汽输入参数可采用如下线性计算式，该式估算空气输入参数可有足够精度：
H 2 CO = a b c d Air Steam
其中α，b，c和d是一个特定系统设计经验常数和期望输出特性。技术人员可以理解，虽然输入参数计算简化为一个线性系统，以上范例可以扩展包括附加特征值，从而提供附加控制参数线性运算。高阶计算也可被视为进一步完善控制参数计算，为更严格下游应用进一步限制气化工艺波动所需要。已经证明使用上述方法，本范例气化系统(120)可有效连续运行并满足监管标准，同时还优化工艺效率和产品一致性。
可以理解，控制系统各种控制器一般是并联平行运行，调整各自相应参数值，该参数值可包括绝对参数值(如空气总流量)和相对参数值(如原料输入与空气的比值)，虽然也有可能部分或所有控制器顺序运行。
如上所述，当转化器(1200)运行在城市固体废物(MSW)输入流量固定时，本范例气化系统(120)启动运行采用从前至后(或供给驱动)控制方案。使用该控制方案，气化系统(120)允许过程变化被下游设备如燃气发动机(9260)和火炬塔(9299)等吸收。制造小合成气过剩缓冲器，因而可连续使用火炬塔。任何超出正常处理量额外生产合成气可被送至火炬，增加燃烧量。合成气生产中任何不合格产品首先送入缓冲器，最终可能会导致发电机输出功率有所降低(通过可调节功率设置点，发电机可在50-100％功率输出区间运行)或控制系统实施进一步系统调整，如下所述。该控制方案特别适合于启动和调试阶段。
从前至后控制方案工艺控制的主要目的包括稳定HC系统(7230)压力，稳定正已生产合成气组成，控制初级室(2202)内物料堆高度，稳定气化室(2202)温度，控制重组室(3202)温度，以及控制转化器运行压力。
当使用通用电气颜巴赫(GE Jenbacher)燃气发动机(9260)时，气体产品最低压力约是150mbar(2.18psig)，最高压力是约是200mbar(2.90psig)，燃料气体压力允许波动范围是±10％约(±17.5mbar，±0.25psi)，而气体产品压力波动允许最高速率为10mbar/s(0.145psi/s)。该气体发动机拥有一个进气道(9260)稳压器，可处理供气压力微小波动，并在管道容纳和HC系统共同作用下缓和消除波动。但控制系统仍然使用快速控制回路采取行动，保持适当压力。如上所述，本控制方案中转化器(1200)在充足城市固体废物(MSW)供应下运行，而仅生产小缓冲器过剩合成气，供小火炬连续燃烧。因此，HC系统(7230)压力控制变成简单压力控制回路，从HC系统(7230)至火炬塔(9299)输送线上的压力控制阀可以按照要求调整，保持HC系统压力在一个适当范围内。
控制系统一般作用是稳定所生产合成气组成。燃气发动机(9260)可以在一个较宽的燃料热值范围内运行，只要热值变化速率不是过大。本范例中有关合成气低热值(LHV)允许波动速率要求是在30秒内低于1％。对以氢基础燃料，燃料气体本身氢含量可低至15％，其低热值则可低至50btu/scf(1.86MJ/Nm3)。系统体积和HC系统(7230)有利于稳定低热值和缓其变化率，可提供缓冲容量相当于约2分钟合成气生产量。
在该控制方案中，安装在HC系统(7230)入口或其附近气体分析仪(8130)可以测量该气体产品组成。在此测量基础上，控制系统可以调整燃料空气比(即稍微增加/减少城市固体废物(MSW)输入流量相对空气添加剂输入量)，稳定气体燃料热值。无论是增加城市固体废物(MSW)或塑料垃圾相对空气输入流量，都可增加气体燃料热值。但是可以理解，气化系统可能需要相对较长响应时间完全依赖于该系统(120)实施全部控制行为，因此，可对系统进行微调防止长期漂移，而不是应对其短期的变化。
塑料原料本身是更加丰富的燃料资源(例如其低热值LHV是城市固体废物(MSW)约两倍)，通常与城市固体废物(MSW)按照约1∶20(0至14％)比例添加，因此根据本范例，塑料原料不是输入气化系统的主要燃料。因为对气化系统(120)输入过多塑料可能是不经济的，塑料原料可被用作修饰添加剂而不是作为主要控制原料。一般来说，选择调整塑料原料在总输入原料中比例，稳定排出气化系统(120)合成气中碳含量，其碳含量由气体分析仪(8130)测定。因此，添加塑料可影响抑制城市固体废物(MSW)燃烧值波动。
此外，使用物料堆高度控制系统可保持转化器(1200)内反应物料堆的高度稳定。稳定均匀的高度控制可防止物料堆低处由于工艺空气喷射而产生物料流态化，和防止物料堆高处由于空气流动受到限制而出现不良料堆温度分布。保持稳定均匀高度还有助于维持一致转化器停留时间。例如，初级室(2202)使用一系列料位开关测量物料堆深度。在该范例中，料位开关可包括但不限于微波设备，发射器件位于转化器一侧和接收器在其另一侧，探测转化器(1200)内某一个点是否存在物料。初级室(2200)内存料一般是输入流量和搬运推杆运动(如搬运推杆的运动)的函数，和在较低程度上是转化效率的函数。
在该范例中，第三阶段搬运推杆按照固定行程长度和频率移动从初级室(2200)排放焦炭，确定转化器处理量。第二阶段搬运推杆随后移动尽可能远，将物料推至第三阶段，直至第三阶段料位启动开关状态改变为“满”。第一阶段搬运推杆随后移动尽可能远，将物料推至第二阶段，直至第二阶段料位启动开关状态改变为“满”。然后所有搬运推杆同时撤回，经过一定延迟时间，整个运行程序被再次重复执行。使用附加结构限制连续行程变化低于料位开关所要求长度，避免推杆搬运引起的过多扰动。搬运推杆可相当频繁移动，防止在转化器底部温度过高。此外，可以编程随机执行搬运推杆全行程伸展，直至每个阶段末端，防止物料在阶段末端附近停滞积聚和烧结成块。对技术人员显而易见，可以认为其他搬运推杆顺序并没有离开本发明披露技艺的一般范围和性质。
为优化转化效率，根据本发明一个实施方案，要在尽可能长时间内保持尽可能高物料温度。设置温度上限，避免物料开始熔融和聚结(如熔渣)，减少其可用表面积，因此降低转化效率，致使料堆内气流转移至聚集块周围，加剧温度恶化问题和加速物料聚集形成块状，妨碍搬运推杆正常运行，并可能堵塞螺旋排渣器(2209)而导致系统关闭。控制调节物料堆温度分布，可以避免形成第二类集聚物；在该情况下，熔融塑料是其余材料的粘合剂。
在一个实施方案中，获得物料堆内温度控制是通过改变一个特定阶段(即或多或少燃烧阶段)工艺空气流量。例如，控制系统可通过调整气化室底部输入每个阶段工艺空气流量，稳定该阶段温度。温度控制可利用搬运推杆附加行程打破温度热点。在一个实施方案中，预先设定每个阶段空气流量，大体保持温度恒定和各阶段之间温度比例。例如，约36％空气总流量输入第一阶段，约18％输入第二阶段，约6％输入第三阶段，和其余输入GRS系统(如40％空气总流量)。或者，空气输入比例可以动态改变，调整初级室每个阶段，次级室，和/或GRS系统(3200)内温度和加工过程。
可调整等离子体热源功率(如等离子火炬功率)稳定GRS系统(3200)出口温度(如重组室出口)在其设计值约1000℃。该高温可确保初级室(2202)内形成的焦油和烟尘完全分解。输入重组室(3202)工艺空气可与合成气燃烧释放热量，承担一部分热负荷。因此，控制系统可配置调整工艺空气流量，保持火炬功率在一个良好运行范围。
此外，可通过调整合成气压缩机(6250)速度稳定转化器压力，该压缩机位于均质子系统输入端附近。当压缩机速度低于其最低运行频率，二级控制可以强行介入，调整再循环控制阀代替。该回流阀一旦返回至完全封闭状态，主要控制重新恢复正常使用。一般来说，压力传感器(8110)通过控制系统与压缩机(6250)耦合配置，该控制系统被配置监控气化系统内压力，例如在约20Hz运行频率，通过适当耦合配置响应元件(8113)调整压缩机速度，保持系统压力在理想值范围之内。
残渣熔融操作是在熔融室内的连续加工运行过程中完成，该熔融室直接与次级室残渣出口相连。来自布袋除尘过滤器(6230)的少量微颗粒可通过空气喷嘴或专用端口注入熔融室，进行进一步加工处理。
RCS系统(4200)是小型耐火材料内衬熔融室(RCC)(4220)，该熔融室安装有300千瓦等离子火炬(4230)和熔渣出口(4226)。在该范例中，残渣直接落入RCC系统(4220)与等离子火炬(4230)火舌密切接触熔融。
在控制残渣加工过程中，可根据所需温度调节等离子火炬(4230)功率，保持熔融操作有足够温度。例如，RCC系统(4220)温度仪表(如温度传感元件(8106))可包括两个测量其瞄准表面的光学温度计(OT’s)、三个安装在熔融池上陶瓷热井汽相热电偶和五个安装容器金属外壳上铠装热电偶。RCC系统(4220)可能还包括压力变送器(如压力传感元件(8112))，测量RCC系统(4220)内部工艺压力。
直接测量光学(OT)温度是熔融温度控制策略中一个设想。从1400℃至1800℃温度范围内设定温度输入控制器，已知该设定温度高于绝大部分城市固体废物(MSW)成分的熔融温度。然后根据需要调整火炬功率满足该设定温度。
一般来说，物料存量高度不是直接测量，而是通过光学温度计和汽相热电偶测量温度后推断获得。如果温度低于设定温度，表明存在未融化物料，采用联锁装置暂时减缓残渣输送速度或关闭RCS系统(4200)作为最后手段。例如，可通过驱动马达变频驱动器(变频器VFD’s)调整螺旋输送机转速，控制物料流动速度。输送速度根据需要进行调整，确保温度控制处于等离子火炬(4230)熔融速率可以接受范围之内，防止未熔融物料在RCC系统(4220)内积存过高。在一般情况下，次级室有一定残渣储存能力，但持续运行取决于RCC系统(4220)有足够残渣熔融加工处理能力，能够满足残渣稳定生产。
与容器汽相连通的压力变送器(如元件(8112))监测RCC系统(4220)内运行压力。一般来说，RCC系统(4220)运行压力与次级室压力大体匹配，但保持有尽可能小的驱动压力，允许气体通过螺旋输送机向任何方向流动(仅固体残渣颗粒流动)。控制阀(8134)安装气体排出管上，可以限制气体流动，该气体则由下游真空制造者(合成气压缩机)排出。DCS系统PID控制器计算所需阀门位置，以获得预期运行压力。
除启动阶段外，采用一个从后至前控制方案，也是以需求为主控制方案，气化系统(120)末端的燃气发动机(9260)驱动整个系统进程。该燃气发动机(9260)每小时消耗一定体积燃料取决于气体燃料(如：气体产品)含热量和电力生产。因此，控制系统最高目标是确保有足够城市固体废物(MSW)/塑料原料输入气化系统(120)，转化为有充分含热量合成气，驱动发电机连续满负荷运行，同时充分协调合成气生产与合成气消费，减少甚至消除燃烧过剩合成气，使每吨城市固体废物(MSW)消耗所产生电力获得增加和较好优化。
一般来说，上述从前至后的控制方案包括一个从后至前控制方案子系列设置。例如，大多数如果不是所有上述方案中列出工艺控制目标已基本获得保持，但仍要进一步完善控制系统，减少燃烧过剩合成气，同时增加每吨城市固体废物(MSW)或其他原料消耗所生产电力。为提供对工艺强化控制，实现提高工艺效率和下游应用利用率，生产合成气流量应大体匹配燃气体发动机(9260)燃料消耗量，因而减少气化系统(120)生产过量气体产品进行火炬燃烧或处理，同时也降低由于气体产量不足难以维持下游应用正常运行可能性。从概念上讲，控制系统因此实施从后至前控制方案(或需求控制驱动)，下游应用(例如燃气发动机/发电机)驱动整个气化过程。
一般来说，为短期内稳定从转化器(1200)排出合成气流量，可以调整输入转化器(1200)空气添加剂流量，这可对由于原料质量变化(如原料湿度/或热值的变化)而导致气体流量波动提供一个快速响应。一般来说，调整空气流量导致的影响一般在系统内以声速传播扩散。相反，尽管调整城市固体废物(MSW)和/或塑料输入流量也对气化系统输出(如合成气流量)产生显著影响，由于原料在转化器(1200)内有相对较长停留时间(例如对本特例达到45分钟或更长的时间)，与此调整相关系统响应时间一般在10至15分钟范围内，这些可能在短期内不足以及时影响产品气体避免不必要运行条件(如燃烧过量气体，气体供应不足以维持优化运行和连续运行)。尽管依然有比增加空气流量更慢响应，增加城市固体废物(MSW)输入流量比增加塑料输入流量可产生更快反应结果，因为城市固体废物(MSW)含水量可在约2至3分钟之内产生蒸汽。
因此，调整空气总流量通常是控制压力最快反应回路，满足下游应用关于输入流量要求。此外，由于转化器(1200)内部有大量存料，更多空气或其他同类添加剂输入转化器底部，不会按比例稀释气体。额外空气进一步渗透料堆，与物料气化反应高速增长。相反，添加少量空气会立即增加气体浓度，但最终会导致温度下降，反应速度/合成气流量减少。
因此，空气总流量与城市固体废物(MSW)和塑料原料总流量一般呈比例输入，如图60所示，增加添加剂输入量将导致原料输入量相应增加。因此，控制系统相应这样调整可立即显示空气增加的效果，与此相反，添加原料供应的效果最终可被显现，提供一个稳定合成气流量长期解决方案。根据系统动力学，可以考虑暂时降低发电机输出功率以度过停滞时间，该停滞时间是指从增加城市固体废物(MSW)/塑料原料输入流量至显示合成气输出流量增加之间所消耗时间，但这是不必要也是不期望的，除非面临不寻常的原料供应条件。虽然本范例所建议采用调整空气流量(最快反应控制回路)，燃料空气比例，和调整燃料总流量(包括长期的反应)，保持适合下游应用的气体特性，控制城市固体废物(MSW)与塑料原料间比例是没有必要的，但可作为一个附加控制使用，协助理顺长期自由波动。
在本范例中，城市固体废物(MSW)一般含水率是从0％至80％，其热值变化约从3000kJ/kg至33000kJ/kg之间，HC系统停留时间有2分钟，其压力通常约为210mbar。约±60mbar压力变化可能没有超出发动机最低供气压力约150mbar下限。无控制系统，压力可变化上升高达约1000mbar，因此，控制系统主动地降低长期流量波动高达4times(or 75％)，为保证燃气发动机(9260)在所期望恒定负荷下运行。此外，转化器气体无控制系统的压力波动可高达约25mbar/s，约是本范例最大压力波动2.5倍，而本范例发动机相应压力波动约为10mbar/s(即约60％)。因此，本发明控制系统可减少短期波动至少2.5倍(60％)和长期波动约4倍(75％)。本范例采用HC系统(7230)可有助于降低短期波动。
例2：
气化设备结构和设计如上所述，其中城市固体废物(MSW)管理系统，塑料管理系统，气体重组系统(GRS)，合成气空气换热器，燃气精制系统(GCS)，合成气调节系统，燃气发动机，和火炬塔等与范例1中所描述的设备基本相同。
参考图62，城市固体废物(MSW)和塑料输入旋转窑初级室(已知技术)(2200)，该气化室有原料入口(2204)和连通两区碳转化系统的出口。加工过的原料(如焦炭)和气体产品从该旋转窑排出，并送入该二区碳转化系统。在碳转化系统中，焦碳中未反应的碳在碳转化区(111)内转化为气态产品，并与旋转窑初级室产生气体汇合。该汇合气体通过两区碳转化系统排气口排出，通过一条输送管道，该管道任选地装备一个或多个等离子热源(3208)，最后进入气体重组系统(GRS)(3200)(如上所述)。无碳固体残渣(即灰渣)在两区碳转化器的熔渣区(113)内接受等离子火炬加热处理，在排出该转化器之前全部熔融。
例3：
气化设备结构和设计除气化器外与范例1相同，气化器描述如下。
参考图63，初级室(2200)是水平取向耐火材料内衬气化室(2202)，该气化室包括原料入口(2204)、气体出口(2206)、焦炭出口(2208)及各种服务端口(2220)和连通端口(2222)。该初级室(2202)是耐火材料内衬焊接钢构件，并有倾斜地板。
焦炭出口装备有螺旋提取器(2209)，从初级室提取焦炭原料，直接送入二区碳转化系统。
耐火材料是多层设计，其内层是高密度氧化铬，可抗高温，耐磨损，侵蚀和腐蚀，中间层是有中度热阻和绝缘系数的高密度氧化铝介质，和超低密度同时具有超高隔热系数的陶瓷纤维外层，采用该外层是因为它不会受到磨损的侵蚀。该气化室金属壳内衬有耐火材料。
热空气通过部分穿孔地板(2270)引入。为避免在加工过程中堵塞空气孔，任选的空气孔大小建立流动阻力，在每个跨孔形成压力降。该压降足以防止垃圾颗粒进入。孔洞是朝上一面锥形向外，防止颗粒卡住洞口。此外，横向输送单元移动可除掉任何孔洞堵塞物质。
横向输送设备促进物料沿地板运动。一种横向移动系统可包括一个拖链或输送带系统。一台外部安装电动机提供拖链或输送带系统输送所需动力，该电动机通过一个齿轮箱和滚轮链条系统(如例1所述)驱动推杆。总控制系统控制该电动机，可指挥其处于启动和停止位置，和其运动速度和频率。

Claims (49)

1.一种将含碳原料转化为合成气和残渣的多室系统，该系统包括：
一个或多个初级室，其将含碳原料转化为加工过的原料/焦炭和初级室气体，其中每个初级室包括原料入口、第一空气输入装置、任选的加工添加剂入口、初级室气体出口和加工过的原料/焦炭出口；
一个或多个次级室，其将所述加工过的原料/焦炭转化为残渣和次级室气体，其中每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、第二空气输入装置、任选的加工添加剂入口、次级室气体出口和残渣出口；
一个或多个气体重组室，每个重组室包括气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中该区包括任选的加工添加剂入口、合成气出口和一个或多个重组热源；
一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及
调节所述系统运行的控制系统。
2.权利要求1所述的多室系统，其中至少一种所述重组热源是等离子系统。
3.权利要求1所述的多室系统，其中至少一种所述重组热源是氢气燃烧器。
4.权利要求1至3中任一项所述的多室系统，其中所述原料入口包括初级和次级原料入口，其中所述次级原料入口用于输入原料添加剂。
5.权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述第一输入设备和所述第二空气输入设备中的至少一个接收来自合成气空气换热器的热空气。
6.权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述第一空气输入设备和所述第二空气输入设备是热空气入口。
7.权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述初级室和次级室中的至少一个进一步包括控制其停留时间的装置。
8.权利要求7所述的系统，其中所述控制停留时间的装置包括可控固体清除设备。
9.权利要求8所述的系统，其中所述可控固体清除设备包括旋转臂、推杆或一套螺杆。
10.权利要求10所述的多室系统，其中至少一个所述熔融热源是等离子系统、气体燃烧器或焦耳电加热元件。
11.权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述含碳原料选自煤炭、生物质和其混合物。
12.权利要求12所述的系统，其中所述生物质是纤维素材料。
13.权利要求13所述的系统，其中所述纤维素材料是柳枝稷。
14.权利要求1至14中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室是水平取向的，并且至少一个所述次级室是垂直取向的。
15.权利要求1至15中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室包括一个或多个横向输送单元以用作可控固体清除装置。
16.权利要求1至16中任一项所述的系统，其中所述控制系统包括：
一个或多个传感元件，其用于检测和获取所述系统内有关运行参数的数据；
一个或多个响应元件，其用于调整所述系统内的运行条件；
其中所述传感元件和所述响应元件集成在所述系统内，并且其中所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据来调整所述系统内的运行条件。
17.一种将含碳原料转化为合成气和残渣的多室系统，该系统包括：
一个或多个初级室，其用于将所述含碳原料转化为加工过的原料/焦炭和初级室气体，每个初级室包括原料入口、初级室气体出口、第一空气输入装置和加工过的原料/焦炭出口；
一个或多个次级室，其用于将所述加工过的原料/焦炭转化为残渣和次级室气体，每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、次级室气体出口、第二空气输入装置和残渣出口；
其中至少一个所述初级室包括气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中所述气体重组区包括合成气出口和一个或多个重组热源；
一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及
调节所述系统运行的控制系统。
18.权利要求17所述的多室系统，其中至少一个所述重组热源是等离子系统。
19.权利要求17所述的多室系统，其中至少一个所述重组热源是氢气燃烧器。
20.权利要求17至19中任一项所述的多室系统，其中所述原料入口包括初级和次级原料入口，其中所述次级原料入口用于输入原料添加剂。
21.权利要求17至20中任一项所述的系统，其中所述第一输入设备和所述第二空气输入设备中的至少一个接收来自合成气空气换热器的热空气。
22.权利要求17至21中任一项所述的系统，其中所述第一空气输入装置和所述第二空气输入装置是热空气入口。
23.权利要求17至22中任一项所述的系统，其中所述初级室和次级室中的至少一个进一步包括用于控制其停留时间的装置。
24.权利要求23所述的系统，其中所述控制停留时间的装置包括可控固体清除设备。
25.权利要求24所述的系统，其中所述可控固体清除设备包括旋转臂、推杆或一套螺杆。
26.权利要求25所述的多室系统，其中至少一个所述熔融热源是等离子系统、气体燃烧器或焦耳电加热元件。
27.权利要求17至26中任一项所述的系统，其中所述含碳原料选自煤炭、生物质和其混合物。
28.权利要求27所述的系统，其中所述生物质是纤维素材料。
29.权利要求29所述的系统，其中所述纤维素材料是柳枝稷。
30.权利要求17至29中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室是水平取向的，并且至少一个所述次级室是垂直取向的。
31.权利要求17至30中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室包括一个或多个横向输送单元以用作可控固体清除设备。
32.权利要求17至31中任一项所述的系统，其中所述控制系统包括：
一个或多个传感元件，其用于检测和获取所述系统内有关运行参数的数据；
一个或多个响应元件，其用于调整所述系统内的运行条件；
其中所述传感元件和所述响应元件集成在所述系统内，并且其中所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据来调整所述系统内的运行条件。
33.一种将含碳原料转化为合成气和残渣的多室系统，该系统包括：
一个或多个初级室，其用于将所述含碳原料转化为加工过的原料/焦炭和初级室气体，每个初级室包括原料入口、初级室气体出口、第一空气输入装置和加工过的原料/焦炭出口；
一个或多个次级室，其用于将所述加工过的原料/焦炭转化为残渣和次级室气体，每个次级室包括用于从至少从一个所述初级室通过它们的加工过的原料/焦炭出口接收加工过的原料/焦炭的加工过的原料/焦炭入口、次级室气体出口、第二空气输入装置和残渣出口；
其中至少一个所述初级室包括气体重组区，该区与所述初级室和所述次级室气体出口中的至少一个流体相连，以将由此接收的所述初级室气体和/或所述次级室气体转化成加工过的合成气，其中所述气体重组区包括合成气出口和一个或多个重组热源；
一个或多个熔融室，其用于将来自所述次级室的残渣转化为熔渣，其中每个所述熔融室包括与所述次级室的所述残渣出口相连的残渣入口、一个或多个熔融热源和熔渣出口；以及
调节所述系统运行的控制系统。
34.权利要求33所述的多室系统，其中至少一个所述热源是等离子系统。
35.权利要求34所述的多室系统，其中至少一个所述热源是氢气燃烧器。
36.权利要求33至35中任一项所述的多室系统，其中所述原料入口包括初级和次级原料入口，其中所述次级原料入口用于输入原料添加剂。
37.权利要求33至36中任一项所述的系统，其中所述第一输入设备和所述第二空气输入设备中的至少一个接收来自合成气空气换热器的热空气。
38.权利要求33至37中任一项所述的系统，其中所述第一空气输入设备和所述第二空气输入设备是热空气入口。
39.权利要求33至38中任一项所述的系统，其中所述初级室和次级室中的至少一个进一步包括控制其停留时间的装置。
40.权利要求39所述的系统，其中所述控制停留时间的装置包括可控固体清除设备。
41.权利要求40所述的系统，其中所述可控固体清除设备包括旋转臂、推杆或一套螺杆。
42.权利要求41所述的多室系统，其中至少一个所述熔融热源是等离子系统、气体燃烧器或焦耳电加热元件。
43.权利要求33至42中任一项所述的系统，其中所述含碳原料选自煤炭、生物质和其混合物。
44.权利要求43所述的系统，其中所述生物质是纤维素材料。
45.权利要求44所述的系统，其中所述纤维素材料是柳枝稷。
46.权利要求33至45中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室是水平取向的，并且至少一个所述次级室是垂直取向。
47.权利要求33至46中任一项所述的系统，其中至少一个所述初级室包括一个或多个横向输送单元以用作可控固体清除装置。
48.权利要求33至47中任一项所述的系统，其中所述控制系统包括：
一个或多个传感元件，其用于检测和获取所述系统内有关运行参数的数据；和
一个或多个响应元件，其用于调整所述系统内的运行条件；
其中所述传感元件和所述响应元件集成在所述系统内，并且其中所述响应元件根据从所述传感元件获得的数据来调整所述系统内的运行条件。
49.一种使用权利要求1、17和33中任一项所述的系统来将含碳原料转化为合成气的方法，该方法包括下列步骤：
将所述含碳原料输入所述初级室；
将热空气和任选的加工添加剂输入所述初级室，以将所述含碳原料转化为加工过的原料/焦炭和初级室气体；
输送所述加工过的原料/焦炭进入所述次级室；
输入热空气和任选的加工添加剂至所述次级室，以将所述加工过的原料/焦炭转化为次级室气体和残渣；
输送来自所述初级室的初级室气体和来自所述次级室的次级室气体进入所述气体重组区；
施加来自一个或多个重组热源的热量以将所述初级和/或次级室气体转化成加工过的合成气。
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