CN102144126B - 具有等离子熔融功能的多段碳转化系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种将处理过的原料转化成合成气和熔渣的多段碳转化器，其包括：腔室，包括和熔渣段连通的碳转化段，以通过施加等离子热量来将灰熔融成熔融的熔渣/或者用于将熔渣保持为熔融状态。所述碳转化段和所述熔渣段由段间区域隔开，所述段间区域包括阻滞体以阻止或限制物质在两个段之间的运动。所述段间区域也可以提供通过影响来自熔渣段的等离子热量的传递来将灰初始熔融为熔融的熔渣。
Description
技术领域
本发明涉及含碳原料气化的领域，特别是涉及多段碳转化器。
背景技术
气化是能够将含碳原料(例如城市固体废物(MSW)或煤)转化成可燃气体的过程。气体可以用来产生电、蒸汽或者用作基本原材料来生产化学品和液体燃料。
气体的可能用途包括：在锅炉中燃烧以生产用于内加工和/或其它外部目的的蒸汽，或通过蒸汽轮机发电；在燃气轮机或内燃机中直接燃烧来发电；燃料电池；生产甲醇和其它液体燃料；作为另外的原料以生产化学品，例如塑料和化肥；提取氢气和一氧化碳作为离散的工业燃气；和其它的工业应用。
通常气化过程包括向加热腔室(气化炉)中加入含碳原料与控制的和/或有限量的氧气和可选择的蒸汽。对比焚烧或者燃烧(其利用多余的氧气来产生CO2、H2O、SOx和NOx)，气化过程产生包含CO、H2、H2S和NH3的粗气体组合物。经过净化后，目标主要气化产物是H2和CO。
有用的原料可以包括任何城市废物、由工业活动所产生的废物和生物医药废物、污水、污泥、煤、重油、石油焦、炼油厂残余物、炼油厂废物、碳氢化合物污染的土壤、生物质、和农业废物、轮胎、和其它的有害废物。取决于原料的来源，挥发物可能包括H2O、H2、N2、O2、CO2、CO、CH4、H2S、NH3、C2H6、不饱和碳氢化合物，例如炔烃、烯烃、芳香烃、焦油、碳氢化合物液体(油)和焦炭(碳黑和灰)。
当原料被加热时，水是首先转化的成分。随着干原料的温度增加，开始发生裂解。在裂解的过程中，原料热分解以释放焦油、酚、和挥发性碳氢化合物气体，同时原料转化成焦炭。
焦炭包含剩余固体，所述剩余固体包括有机物和无机物。在裂解后，焦炭中的碳浓度比干原料中的高，并且可以起到活性炭来源的作用。在以较高温度(大于1200℃)运行的气化炉或有高温段的系统中，无机物熔合或玻璃化以形成熔融玻璃样物质，称为熔渣。
由于熔渣处于熔合玻璃化的状态，因此通常发现它是无毒的，并且可以在填埋厂作为无毒物质处理，或者作为炼矿原料、路基材料、或其它的建筑材料出售。由垃圾焚烧来处理废物越来越不受欢迎，因为在加热过程中燃料的特别废物和处理物质的其它废物(以剩余废物的形式)可转化成有用的熔渣和固体物质。
发明内容
本发明的目的是提供一种将处理过的原料转化成合成气和熔渣的多段碳转化器。按照本发明的方面，提供一种多段碳转化器，其包括：碳转化段，其具有一个或多个处理过的原料入口、一个或多个合成气出口和热空气入口，所述碳转化段与熔渣段相连以将灰熔融和/或将熔渣保持为熔融状态，所述熔渣段包括等离子热源和熔渣出口。碳转化段和熔渣段由段间区域(inter-zonal region)或段间(inter-zone)隔开，其包括阻滞体以阻止或限制物质在碳转化段和熔渣段之间运动。
按照本发明的其它的方面，提供一种将处理过的原料转化成合成气和熔渣的多段碳转化器，其包括：腔室，包括和熔渣段相连的碳转化段，其中碳转化段和熔渣段由段间区域或段间隔开；碳转化段包括用于从来源接收处理过的原料的处理过的原料入口、合成气出口和热空气入口；段间区域或段间，包括阻滞体以通过部分或间歇性地阻止所述段间区域或段间来限制物质在所述碳转化段和所述熔渣段之间流动，并且可任选地包括热传递元件以提供初始灰熔融；熔渣段，包括等离子热源和熔渣出口；其中处理过的原料在碳转化段中转化成合成气和灰，所述灰在段间区域或段间和/或熔渣段通过施加来自等离子热源的热量而转化成熔融的熔渣。
附图说明
下面将通过参照附图只以例子的方式来描述本发明的实施方式，其中：
图1是方块流程图，示出泛指的多段碳转化器的不同段，即示出和熔渣段相连的碳转化段，以熔融灰和/或将熔渣保持为熔融的状态。
图2是方块流程图，示出多段碳转化器的入口，所述多段碳转化器包括和熔渣段相连的碳转化段，以在联合含碳原料气化炉的情况下熔融灰和/或将熔渣保持为熔融的状态。
图3是泛指多段碳转化器的示意图，即示出碳转化段、段间区域或段间和熔渣段的一般特征。
图4示意性示出与主气化腔室相联的多段碳转化器的一个实施方式。
图5描述了多段碳转化器的法兰式腔室设计，其促进阻滞体的替换，并允许使用多个阻滞体构造。
图6是多段碳转化器一个实施方式的部分纵向截面图，其中阻滞体包括多个陶瓷球。
图7示出多段碳转化器的一个实施方式的段间区域或段间、和熔渣段的纵向截面图，其详细描述了齿轮形的拱形阻滞体。
图8A是多段碳转化器的一个实施方式的部分纵向截面图，其详细描述了多个处理空气的端口、启动燃烧器的端口、来自高温气体发生器的气体端口、熔渣排出口和阻滞体。图8B是图8A中实施方式的A-A方向的横向截面图。图8C是阻滞体和支撑楔的俯视图。
图9是多段碳转化器的一个实施方式的横截面图，其中阻滞体包括一系列相互连通的砖。
图10描述了包括炉排的阻滞体。
图11示出多段碳转化器的一个实施方式的多段碳转化器的段间区域或段间、和熔渣段的纵向截面图。
图12示出多段碳转化器的一个实施方式的纵向截面图，其中阻滞体包括移动炉排。图12A和12B详细描述了移动炉排的设计。
图13A详细示出多段碳转化器的一个实施方式的熔渣段的端口的纵向截面图，包括氧气和/或空气入口(O)、碳入口(C)、等离子炬端口(P)和燃气燃烧器(G)的端口。图13B是在图13A中所示的多段碳转化器的实施方式的部分纵向截面图。
图14是图13B的放大图。
图15示出双段碳转化器的一个实施方式的部分纵向截面图，其详细描述了具有等离子挡热板的熔渣段。
图16描述了改进的多段碳转化器，其中熔渣段进一步包括堰板以形成熔渣池，从而促进熔渣混合。
图17示出多段碳转化器的一个实施方式的部分纵向截面图，其详细描述了熔渣冷却系统的一个实施方式，其中包括喷水装置和拖拉链条。
图18示出多段碳转化器的一个实施方式的透视图，其详细描述了处理过的原料入口和各种端口。
图19示出在图18中描述的多段碳转化器的实施方式的可替代的透视图，其详细描述了处理过的原料入口、合成气出口和等离子炬。
图20示出在图18和19中所示的多段碳转化器的纵向截面图，其详细描述了在碳转化段和熔渣段之间的阻滞体。
图21详细描述了在图18到20中的多段碳转化器的碳转化段和熔渣段之间的阻滞体。
图22示出通过在图18到21中所示多段碳转化器的气箱的横截面图。
图23示出通过在图18到22中所示的多段碳转化器在等离子炬水平的横截面图，其详细描述了以切向设置的空气入口和等离子炬。
图24示出在图18到23中所示的多段碳转化器的在燃烧器水平的横截面图。
图25显示了图18到23的多段碳转化器的可选择的视图。
图26示出多段碳转化器的一个实施方式的透视图，其详细描述了处理过的原料入口和包括炉排式阻滞体的各种端口。
图27示出多段碳转化器的一个实施方式，其中阻滞体包括一系列相互连通的砖。
图28示出多段碳转化器的一个实施方式，其中阻滞体包括垂直取向的炉排。
图29示出多段碳转化器的一个实施方式，其中阻滞体包括齿轮形的拱体。
图30详细示出多段碳转化器的可选择的实施方式。
图31A和31B示出在多段碳转化器的一个实施方式中的空气流动。
图32详细示出多段碳转化器的可选择的实施方式。
图33详细示出多段碳转化器的可选择的实施方式。
具体实施方式
定义
除非另有规定，本文所使用的所有技术和科学术语和本发明所属领域的普通技术人员通常意义上的理解相同。
如本文所使用的，术语“处理过的原料”包括焦炭，具有固定碳和灰分的低和非常低挥发性原料，含碳原料气化或裂解过程的副产品，含碳原料的未完全燃烧的产物，或者是从带有等离子炬热源输入的气体处理/净化系统收集到固体。
如本文所使用的，术语“合成气”是指气体的混合物，其含有不同量的通过含碳燃料气化成具有热值的气体产物而产生的一氧化碳和氢气。合成气主要包括一氧化碳、二氧化碳和氢气，能量密度不到天然气的一半。合成气是可燃的，而且往往用作燃料源，或作为加工其它化学品的原料。
“加工过合成气”是指精制合成气或重新组合的，经过等离子体热气体精炼/或重组系统处理过的气体。
如本文所使用的，术语“感应元件”是指任何设计系统中的元件，能够感知到过程的特性，工艺装置，工艺的输入和输出，其中这些特性可以由一些特征值来代表，用来监视，调节和/或控制一个或多个本地，区域性的和/或整体性的工艺系统。在此种情况下考虑到的感应元件，包括但不限于，传感器，探测器，监测器，分析仪，或是以上的各种组合，来感应工艺过程，像流体和/或材料的温度，压力，流量，成分和/或其它的特征参数，以及材料的位置和/或性质在所给定的系统中的任何点和在系统中的任何工艺设备的所有运行状态。在本领域普通技术人员也能领会到以上所述的感应元件的例子，虽然每个元件和所述系统相关，但是可能不会和现在的专利公开有具体的关联，就此，对所列举的作为感应元件的元件不应该局限于和/或作出不适当的解释。
如本文所使用的，术语“响应元件”是指任何在系统中的元件被设计成能够响应感应特征而去操作工艺设备，并且按照事先设定好的，计算机化的，固定和/或可调节的控制参数来运作，从而，单个或多个控制参数就被定义下来提供所想要的工艺结果。在系统内的相应元件可以包括但不限于静态的，预设定的和/或动态变量的驱动机构，电源，和任何其它的可组态的元件，基于一个或多个控制参数来作用到设备，可以是机械的，电力的，磁力的，气动的，液压的或是它们的组合。在这个系统中考虑到的工艺设备，对它一个或多个响应元件可以耦合在一起操作，可以包括但不限于，物料和/或原料的给料装置，热源，例如等离子的热量，添加原料的给料装置，各种气体风机和/或其它的气体循环设备，各种气体流量和/或压力的调节阀，和其它的工艺设备用来影响系统中本地，局部和/或整体工艺过程。在本领域普通技术人员也能领会到以上所述的响应元件的例子，虽然每个元件和所述系统相关，但是可能不会和现在的专利公开有具体的关联，就此，所列举的作为响应元件的元件不应该局限于和/或作出不适当的解释。
系统概述
以图1为参考，提供用于将处理过的原料转化成合成气和惰性熔渣产物的多段碳转化器。多段碳转化器包括多段的以耐火材料为内衬的腔室，具有一个或多个接收经过处理过的物料的入口，一个或多个气体出口，熔渣出口，加热的空气入口用来促进经过处理物料转化成合成气和灰，和等离子热源用来提供所需的热量把灰熔融成熔渣，和可任选的蒸汽或工艺添加剂的入口。可选择地，处理过的物料在被送到转化器之前被预处理(被均匀调和、压碎、切碎和/或磨成粉)。应特别指出的是，多段的碳转化器包括一个第一级区域或者碳转化段和第二级熔渣段相连，第二级熔渣段用来熔融基本上不含碳的固体残余物而形成熔融态的熔渣和/或来维持其熔融状态。碳转化段和熔渣段由段间区域或段间隔开，在这个区域里含有阻滞体，用来阻止或是限制物质在两个区域之间的流动，在一些实施方式中，也可以把不含碳的物质(即，灰)初始熔融成熔渣。
本发明的多段碳转化器可选性地和从含碳原料产生处理过的原料的系统联合使用。例如，多段碳转化器10可以接收来自经低温气化炉15处理过的原料(参看图2和图4)。在这些组合中，多段碳转化器可以被考虑成气化炉的进一步拓展，因为第三级的气化过程(即，碳转化)实质上已经在多级碳转化器中完成。
通常含碳原料的气化过程可以被分化为三个阶段，即干燥，挥发和焦炭到灰(或碳)的转化过程。
第一级：物料的干燥
气化过程的第一个阶段是干燥，主要发生在25℃到400℃之间。一些挥发过程和一些碳到灰的转化过程也有可能在这些低温范围发生。
第二级：物料的挥发
气化过程的第二个阶段是挥发过程，主要发生在400℃到700℃之间。少量的(剩下的被干燥物料)干燥和碳转化过程(焦炭到合成气)也有可能在这个温度下发生。
第三级：焦炭到灰的转化
气化过程的第三个阶段是碳转化过程，发生在600℃到1000℃之间。少量的(剩余的挥发过得物料)挥发过程也在这个温度下发生。在经过此阶段后，主要的产物是基本上不含碳的固体残余物(灰)和合成气。为了避免灰的结块，在此阶段的最高温度应不超过约950℃。
在气化过程中，为了增加想要的合成气的产量，需要使含碳物料的转化最大化，来产生所需要的气体产品。多段碳转化器提供系统，它能够确保把经过处理物料中残余的碳彻底转化成合成气，同时也能够回收合成气和熔渣。多段碳转化器也能提供热空气，和可任选的工艺添加剂，例如蒸汽和/和含碳量高的气体/或碳，来促进碳的转化过程而得到所要的合成气。多段碳转化器也可提供等离子热量，来促进把残余的无机物(灰)彻底转化成玻璃状物体或熔渣。
这个多段碳转化器包括多段的以耐火材料为内衬的腔室，具有一个或多个接收经过处理过的物料的入口，气体出口，加热的空气入口，熔渣出口，和等离子热源，例如等离子炬，和可任选的一个或多个工艺添加剂的入口或端口。多段碳转化器也能够可选性的包括控制子系统来检测运行参数和调节运行工况，优化在转化器中的转化反应。感应和响应元件和转化器紧密相联，响应元件根据由感应元件得到的数据来调节转化器的运行工况。
多段的碳物质转化器包括第一级区域或者碳转化段并和第二级熔渣段相连，第二级熔渣段用来熔融基本上不含碳的固体残余物(灰)而形成熔融态的熔渣和/或来维持其熔融状态。碳转化段和熔渣段由段间区域或段间隔开，在这个区域里含有阻滞体以引导或是限制物质在两个区域之间的流动。这个区域也可以把不含碳的物质(即，灰)初始熔融成熔渣和/或促进空气的扩散和/或混合。
图3是多段碳转化器10的实施方式的示意图。多段碳转化器10包括处理后原料的入口20到在以耐火材料作内衬的腔室15中的碳转化段11，其中输入的热空气35把处理后的原料中的未反应的碳转化成合成气。剩余的几乎不含碳的固体(灰)随即便在段间区域或段间被转化成熔渣，所需热量直接或间接地(即通过传热元件)由等离子热来提供。可选择地，段间区域或段间的阻滞体可以作为传热元件把来自等离子的热量传送给剩余固体材料(即灰)而影响它的初始熔融。段间区域或段间还可以包括其它的传热元件来有效的传输等离子热量。熔融状的渣来自多段碳转化器的熔渣段，并被输送到可任选的熔渣冷却子系统来冷却。合成气是转化器的输出并且被可选择性的回流到主气化腔室，在那里和在主腔室气化过程产生的气体混合，或者进一步接受在下游的处理和/或在储藏罐中储藏。
被送进多段碳转化器的经处理的原料可以有不同的来源，包括气化后或裂解后含有碳原料的副产品，含碳原料的未完全燃烧的产物，或者是从带有等离子炬热源的气体处理/净化系统收集到固体。
通过提高碳的转化和不含碳的剩余物(即灰)的熔融，多段碳转化器则能促进合成气和熔渣的生产。实现的方法是在灰进入更高温度区域之前，让碳的转化发生在一定的温度范围内。多段碳转化器使残留在熔渣中的碳量最少或者使其为零。
特别的是，碳的转化过程是这样完成的，即通过设定合适的氧量给处理过的原料，把原料的温度提高到碳转化所需的水平来产生合成气，并把原料暴露给特定的碳转化段。在转化过程中产生的合成气由气体出口排出腔室。
所产生的合成气可能含有重金属和颗粒污染物。所以，在一个实施方式中，多段碳转化器有选择性的进一步包括气体净化子系统来冷却和净化残余气体以满足下游应用的需要。另外，多段碳转化器还可以和下游的气体净化和/或气体储藏系统相连。
经处理的原料来源可以是但不限于低温的或高温的气化炉或裂解反应器，储藏在漏斗中的残余物，来自气体净化系统中的固体颗粒分离器，例如，袋式除尘器或旋风分离器。多段碳转化器可以直接或间接的和处理过的原料相连。经处理的原料被连续地或间断性地传输，可以通过合适的出口和/或传输方式输送到腔室的原料入口，并按照系统和清除副产品的种类要求，这些为技术人员所熟知。可选择地，经处理的原料在进入腔室之前可以预处理。预处理可以包括但不限于均匀调和，压碎，磨成粉，切碎，分类或磁铁分离去除。
熔融的渣在例如1200℃到1800℃的温度下可以连续地从多段碳转化器排出，然后冷却形成固体的熔渣材料。这种熔渣可以作填埋处理或可以进一步的被破碎成具有常规用途的碎块。
另外，熔渣可倒入容器，形成块、砖头瓦片或类似的建筑材料。由此产生的炉渣材料也可以用来作为补充胶凝材料在混凝土中，用在生产轻质骨料或矿棉生产中，用在泡沫玻璃中，或用在包装材料的开发生产中。
因此，多段碳转化器还可包括冷却熔渣而形成固体的子系统。渣冷却子系统提供适当的冷却负荷而得到所需形式的产品。
多段碳转化器还包括可任选的控制系统来管理碳转化和熔融过程。特别是，多段碳化换器包括的控制系统，其中含有具有感应元件的控制子系统来检测系统的运行参数，和响应元件来调节系统中的运行条件，从而管理转化过程，其中响应元件根据由感应元件得到的数据来调节转化器的运行工况，从而促进有效的和彻底的碳转化和熔融。可调的运行参数包括，例如，等离子的热量输入率(电能)和位置，处理过的物料的流量，和空气和/或蒸汽和/或含碳量高的气体和/或含碳气体的输入和/或碳输入。
多段碳转化器
现在参照图3，多段碳转化器10包括耐磨材料内衬的腔室15，其具有第一端或称处理过的物料的输入端，和第二端或称熔渣的输出端。转化器还包括经处理的物料的入口20，合成气出口25和熔渣出口30，等离子热源40，热空气入口35，一个或多个添加剂入口(未显示)和可任选的控制系统。
现在参照图4，它是典型的多段碳转化器的示意图，其与主气化腔室相连接。多段碳转化器10包括经处理的物料的入口20到碳的转化区11，在此输入的热空气35将处理过的物料转化成合成气和几乎不含碳的剩余固体(即灰)。合成气经由合成气出口25输出。剩余的固体(即灰)在段间12或熔渣段13被间接(即经由热传递元件)或直接的等离子热熔融成熔渣。熔融状的渣来自多段碳转化器的熔渣段，并被输送到可任选的熔渣冷却子系统来冷却。合成气是气化腔室的输出并且被可选择性的回流到主气化腔室，在那里和在主气化过程产生的气体混合，或者在下游净化处理和/或到储藏系统。
腔室的设计考虑
多段碳转化器的腔室的设计要求提供密封、绝热的空间，来作为加工处理过的物料而产生合成气，并使其输送到下游的冷却和精炼或其它的工艺，还要把灰转化成熔渣。该室的设计促进了两个区域的形成，反映了这些区域各自的具体要求。该设计选择性地考虑到了对多段碳转化器内部的检查，保养和维修。参考图5，此腔室是可任选的法兰室，以方便更换单个区域或段间区域或部分区域。
多段碳转化器包括碳转化段，段间区域和熔渣段。碳转化段被改进从而(一)输入处理过的原料来进一步的加工，(二)输入热空气来把处理过的原料中的未反应的碳转化成具有热值的合成气，和几乎不含碳的灰，(三)输入可任选的工艺添加剂，如蒸汽和/或富碳的气体，(四)输出合成气和固体残余物。段间区域或段间的设计是用来隔开碳转化段和熔渣段，从而调节物质在两个区域之间的流动，并可选性的提供把固体残余物熔融成熔渣的初始热量，其热量可以从改变等离子传递到固体残余物热量而得到。熔渣段是用输入热量把来自碳转化段的基本上不含碳的固体残余物变成熔融状的熔渣(和可选性的把残余的碳转化为气体)或者来维持熔渣的熔融状态，并输出熔渣和相应的气体产物。可任选地，熔渣段还可以包括或连接熔渣冷却子系统来加速熔渣的固化过程。所以，有两个区域的碳转化器的主腔室是以耐火材料作内衬，一般是垂直安放的腔室，并带有处理过的物料的入口，热空气入口，气体出口，熔渣出口，和等离子的热源，和可任选的一个或多个工艺添加剂入口。
在决定单个区域的尺寸时，要考虑到单个区域的功能。在碳的转化区，应把碳尽可能多的转化成气体。熔渣段把灰彻底熔融。碳转化段的尺寸由空气的流量来决定，以获得最多的碳转化率，同时又要保持在理论的当量配比之下，并尽可能的选择最高的运行温度。横截面的选取是基于表面流速的大小，以满足固定床的运行调节，而避免流化状态。熔渣段的尺寸是基于热量平衡的计算而得，来维持高温水平并保证等离子的热量能够熔融灰。
多段碳转化腔室的设计主要是确保碳的转化过程能够有效和彻底的进行，以最低的能量消耗来有效地完成这些过程。因此，设计因素，例如，有效的热传递，足够高的温度，停留时间，熔渣的流量，输入物料的体积和成分，和腔室的尺寸和绝热，都是在设计腔室时要考虑的因素。腔室在设计时也要确保过程能够安全地进行。因此，多段的碳转化段设计应能够把过程氛围和外部氛围隔离开来。通常，腔室位于上游端，设计在接近处理过原料的入口，是经过具体的改进来满足碳的转化过程，并且靠近熔渣的出口也是对熔融过程具体情况所做的改进。
或者，腔室的设计也考虑到了让碳转化段位于中心区域，而熔渣段则环绕碳转化段。在这些实施方式中，碳转化段和熔渣段的隔离可以通过升高碳转化段相对与熔渣的高度，例如用带斜坡的底层。
可任选地，腔室要有合适的形状来促进或加速碳转化段和熔渣段之间的分离。因此，在一个实施方式中，段间区域或中间区域就形成了紧缩的腔室(参考图20)。
材质
多段碳转化器腔室是以耐磨材料内衬的腔室，其体积的大小正好和合适量的物料所需停留时间相匹配。
腔室通常有多层的材料按照需要制造而成。例如，腔室的外层或者外壳通常为钢。进一步说，在内耐火材料层和外层钢壳之间还有一层或多层的绝热材料是对降低铸造钢的温度有益的。在熔渣池的外表面环绕绝热的板也会帮助降低铸钢的温度。可任选地，陶瓷材料层也可以作为绝热材料。为防止耐火材料膨胀而引起破裂，就需要一些间隙，可压缩的材料，像陶瓷材料垫层就可以和钢壳直接相连放置在一起。绝热材料的选择要让外壳的温度高到酸性气体不凝结，如果有可能发生，但又不能太高而损坏外壳的完整性。
耐火材料对腔室进行对高温和有腐蚀气体的保护，并使在过程中不必要的热损失最小化。这些耐火材料可以为传统的耐火材料，在本领域普通技术人员所熟知，适合于温度范围在1100℃到1800℃之间，非高压的化学反应。当选择耐火材料系统时，有如下因素要考虑，包括内部温度，磨损；侵蚀和腐蚀；所要的热容量/外部容器的温度限制；耐火材料的寿命。适当的耐火材料可以包括高温炼制的陶瓷材料，即，氧化铝，氮化铝，氮化铝硼硅酸盐，磷酸锆，玻璃陶瓷，和主要含有硅，氧化铝，氧化铬和二氧化钛的高铝砖。为了进一步的保护腔室不受到腐蚀气体的侵蚀，腔室可任选地，部分或全部由保护膜作内衬。这些保护膜皆为业内的技术人员所熟知，可以很快按照系统的要求选定合适的保护膜，例如Sauereisen高温49号膜。
在一个实施方式中，耐火材料是多层的设计，其具有高密度的内层来抵御高温，磨损，腐蚀和腐蚀。在高密度材料的外面有抵抗性较低的轻质材料，但具有较高的绝热效果。可任选地，在这层的外层可以应用密度非常低的泡沫板材，但具有非常高的绝热效果，因为它不必要被暴露给腐蚀磨损的环境。适当的多层耐火材料的选用在本领域普通技术人员所熟知。
在一个实施方式中，多层耐火材料包括内向氧化铬层；氧化铝中间层和外部保温层。
可任选地，在各个区域或范围的耐火材料可以根据某一个腔室的具体环境而定。例如，考虑到高温的运行条件，在腔室底部可以选取密度较高的耐火材料。以及在熔渣段，耐火材料可以被改进来抵抗高温和限制熔渣渗透到耐火材料里面，从而减少对耐火材料的腐蚀。
腔室的墙可以可选性的和耐火材料的内衬或耐火材料的支撑连接相合为一体。适当的耐火材料的支撑和连接在行业里众所周知。
由于非常严苛的运行条件，可以预测到保温材料可能需要定期的维护。因此，在一个实施方式中，腔室被像法兰式的隔成可以分开的上部和下部，在腔室下部(为储存池所在)可以从腔室上部被移去。
在一个实施方式中，腔室被悬挂在支撑结构上面，使得腔室的下部可以从上部掉下来，从而加速检修维护。这个实施方式提供了移去腔室下部而不干扰上部腔室和上游或下游的系统元件的连接。
碳转化段
碳转化过程是这样完成的，即通过设定合适的氧量给处理过的原料，把原料的温度提高到碳转化所需的水平来产生合成气，并把原料暴露给特定的碳转化段。在转化过程中产生的合成气由气体出口排出腔室。在一个实施方式中，合成气被送回气化腔室，在那里与在主气化过程产生的气体相混合。
参考图4，碳转化段11包括一个或多个入口20来接收处理过的物料，一个或多个合成气出口25并通过段间区域/段间12和熔渣段13相连接。
碳转化段11具有热空气入口35来提供把任何剩余挥发物和碳转化成合成气所需要的温度。腔室的设计也会确保热空气和剩余物高效的接触以使合成气的显热损失最小。所以，热空气入口的位置和方向是在碳转化段设计中应考虑的另外因素。
处理过原料的入口
多段碳转化段包括和转化腔室相连的处理过原料的入口。处理过原料的入口是经过改进从而接收来自碳转化段的处理过的原料。处理过的原料到腔室的入口可以是被动式的(即依靠重力)或主动的。可任选地，处理过的原料入口可以把处理过的原料主动的输送到转化室的入口。适当的主动传送机理在行业里众所周知，包括双锁式料斗，螺旋输送机，拖链，气动推动装置及其它已知的技术手段。
到腔室的经处理的原料可以有一个或多个来源。经处理的原料来源可以是但不限于低温的或高温的气化炉，储藏在料斗中的残余物，来自上游气体净化系统中的固体颗粒分离器，例如，袋式除尘器或旋风分离器。
在处理过的原料有多于一个的输入，或有多个来源时，不同的物料可以通过专门入口而进入腔室，或者在进入腔室之前以混合。后者，处理过的物料由入口而提供。因此，腔室可以具有共同的或多个入口。
处理过的原料的来源可以直接与多段碳转化器的腔室连通，即每一个物料来源可以直接从来源送到腔室。或者，原料的来源可以间接的和腔室相连，固体剩余物可以由传送装置的系统来把原料从来源处送到腔室。
多段碳转化器的腔室和处理过的物料来源间接相连时，物料的入口包括一个或多个把物料从物料来源传送到腔室的装置。例如，经处理的物料可以采用单螺杆输送机或螺旋输送机，传送带，移动杆，犁状物，旋转臂，旋转链，移动链条及推杆。
多段碳转化器腔室可任选的具有气体密封装置，并和处理过的原料入口相连。可任选的气体密封装置可以在原料来源和腔室内部之间提供阻滞体(通过周围空气来防止大量的空气漏入)。
处理过的原料输入可选择的包括控制机理，其可以控制处理过的原料的投入率，以确保最佳的碳转化率和剩余材料的融化和同质化。
处理过的原料可选择的包括输入或可选择的接到预处理模块。预处理包括例如均质或减少颗粒大小，还包括研磨，粉碎，均质。合适的研磨机，粉碎机和均质器都是为人熟知的装置。
碳转化段的加热系统
碳转化过程需要热量。热量的加入，可以直接由加工过原料的部分氧化提供(即碳加工过原料中的碳，挥发份和空气中的氧进行放热反应)，或由一个或更多的通常的热源来间接提供。
转化处理过的原料中的碳所需要的热量可以由热空气来提供(至少部分)。
热空气可以来自，例如，气箱，空气加热器或换热器，皆为本领域内为人熟知的技术。
在一个实施方式中，热空气由空气输入和传输系统来加入到碳转化段，入口和段间区域或内部区相接近。合适的空气输入方法和传输系统为大家所熟知，包括空气气箱，在不同的阶段，热空气可以由它而通过腔室墙壁上的小孔到达腔室，或者通过空气喷嘴或喷射器来实现。
其它的或辅助的热源可以是一个或多个在本领域普通技术人员熟知的装置，但不限于燃气的燃烧器。
在一个实施方式中，外加热源可以是循环的热沙。
在一个实施方式中，外加热源可以是电加热器或电加热元件。
为了加速多段碳转化器的起始阶段的启动，腔室包括了各种大小的端口以适合不同的传统型燃烧器，例如天然气，油/气或丙烷燃烧器，来预加热腔室。并且，木材/生物质，内燃机排气，电加热器也可以被用来预加热腔室。
过程的添加剂输入
过程添加剂可以有选择性的被加入到碳转化段从而提高原料转化成合成气的效率。蒸汽可以用来确保有足够的自由氧和氢，从而使分解后的元素转化成合成气或无毒害成分的过程最大化。空气的加入可以帮助达到化学平衡而得到最大的碳变成合成气的转化率(尽可能减少自由碳)和保持最优化的过程温度来使输入的热量花费最小。另外，氧气和/或臭氧也可以通过添加剂端口加入到碳转化段。
或者，其它添加剂也可用于优化碳转化过程，从而改善其排放。
或者，富碳的气体可以用作过程添加剂。
碳转化段，因此，可以包含一个或多个添加剂输入。这些措施包括蒸汽喷射和输入和/或空气喷射和/或富碳的气体。蒸汽输入位置可以有策略地把蒸汽引到入高温区，和引入到合成气区，在其从转化器排出之前。空气输入可以有策略的分布在腔室内部或环绕腔室，以确保将添加剂区全面覆盖到整个碳转化段。
在一个实施方式中，过程添加剂输入的位置和段间区域或内区域相接近。
在一个实施方式中，过程添加剂的输入具有扩散的，低速的输入。
在以热空气加热腔室的实施方式中，也可以包括额外的空气/氧气的射入。
段间区域或跨区域
段间区域的功能是把碳转化段和熔渣段在空间上分隔开，通过有效的传递等离子的热量，也可以初步熔融固体残余物(灰)。段间区域给两个区域之间提供了通道/连接。段间区域里含有阻滞体，通过部分或间歇性的阻断段间区域，用来阻止或是限制物质在两个区域之间的流动，并阻止大量的未反应的碳进入熔融区，可选择地，也可以具有一些传热元件。
参看图6，在一个实施方式中，段间区域可以和熔渣段非常接近。
阻滞体
阻滞体部分或间歇性地阻止或限制物质在碳转化段和熔渣段之间的流动，也可以具有提供热传递的功能。
阻滞体安装在跨区域内，可以又不同的形状或设计，包括但不限于拱体形，锥体形，炉排，移动炉排，炉排砖，陶瓷球层，多排管道，齿轮形等。阻滞体带的形状和大小部分取决于腔室的形状和方位。
阻滞体和其它的任何安装元件都应能够在多段碳转化器的苛刻环境下有效运行，特别是在高温在运行。因此，阻滞体是由耐高温的材料构成。可选择地，阻滞体可以是以耐火材料为内衬或由固体的耐火材料制造而成。
参考图6到10，详细描述了各种其它的无限制的阻滞体。
在图6展示的实施方式中，阻滞体由多个陶瓷球构成。
在图7展示的实施方式中，阻滞体由齿轮状的耐热材料的拱体构成。
在图8展示的实施方式中，阻滞体由固体的耐火材料拱体145构成，在段间区域，其上面安装了契形的砖块150。固体的耐火材料拱顶的大小的选取考虑到了拱体外边缘和腔室内腔之间的间隙155。可选择地，耐火材料的拱体可具有多个孔160。
在展示的实施方式中，可选择性的多个氧化铝或陶瓷球165具有20mm到100mm的直径，坐落在耐火材料拱体的上面，形成了床体，从而使得热空气得到扩散并促进等离子的热量向灰传递，把灰初始熔融成熔渣。在这个实施方式中，灰在过段间区域熔融并通过拱体145外墙和腔室内壁的间隙160流到熔渣段。
参看图9，阻滞体具有固体的耐火砖炉排。耐火砖炉排245在单个砖体之间形成间隙255，从而使得碳转化段和熔渣段通过段间区域相连。
参考图10，阻滞体包括了炉排式的结构，由以耐火材料为内衬的管子345制成，安装在圆环内350。
参考图12，阻滞体由移动的炉排构成。
传热元件和扩散元件
可选择地，段间区域可以包括热传递或扩散元件来促进从等离子到灰的热量传递。热传递的元件皆为业内所熟知，包括陶瓷球、碎石、砖块。
在一个实施方式中，传热元件包括多个氧化铝或陶瓷球165具有20mm到100mm的直径，坐落在耐火材料拱体的上面，形成了床体，从而使得热空气得到扩散并促进等离子的热量向灰传递，把灰初始熔融成熔渣。
可选择地，阻滞体可以是或包括热传递的元件。
可选择的加热元件
可选择地，段间区域或跨区域可以备有热源。合适的热源可以包括空气加热风口、电加热器或加热元件、燃烧器或等离子热源，还包括等离子炬。
可选取的等离子炬可以被放置在段间区域和/或在碳转化段/跨区域端口和/或段间区域/熔渣段界面。
可选择地，任何在灰中残余的碳，通过在段间区域的等离子热量，都可以被转化成合成气。
因此，段间区域的腔室内壁可以含有不同尺寸的端口以便接受不同的热量来源。
熔渣段
熔融过程是通过把基本上不含碳的物料(灰)加热到熔融所需要的温度水平，并在段间区域和/或熔渣段发生。熔融所需要的热量可以来自一个或多个等离子热源。这个热源可以直接或间接的通过热传递元件来完成。在经过热空气作用下的碳转化后，等离子的热也会把残余在灰中的任何少量的碳转化。其它的或辅助的热源可以是一个或多个在本领域普通技术人员熟知的装置，但不限于热传导式的加热或焦耳加热。
熔渣段具有等离子热源，其能够满足加热和促进熔融灰所需要温度水平(直接或间接地)，并能够使剩余固体均匀化，让熔渣在足够高的温度下流出多段碳转化器。可选择地，任何残留在灰里的碳皆被转化成合成气。熔渣段的设计确保等离子气体和剩余物或熔渣之间的高效热传递，来使显热的损失最小。所以，使用的等离子热源的种类，以及等离子加热装置的位置和方位，是在设计熔渣段时要考虑的附加因素。
熔渣段的设计确保剩余物具有足够的停留时间，从而把剩余物加热到足够的温度来彻底地熔融和均匀化残留的无机物。
参考图13和16，可选择地，熔渣段具有存储区，在那里残余物累积起来的同时并被等离子热源加热。存储区也使得在处理时固体和熔融状的物体相混合。足够的停留时间和充分的混合确保了处理过程彻底地完成，并且所得到的熔渣也具有所想要的成分。
熔渣段可以向熔渣出口倾斜或者拥有带有斜坡的底层来促进熔融状的渣的排出。
熔渣段可以设计成连续排出熔渣的方式。连续的渣去除方式使得加工过程得以连续地进行，而剩余物的输入可以是连续地并被等离子热量处理，熔渣的去除不需要定期的被打断。
在一个实施方式中，连续的熔渣排出由在一边与堰板33相连的储存池来完成，这使得熔渣池积蓄熔渣，直到它超过一定水平，熔融状的渣便会溢出堰板体而流出腔室。
对于含有大量金属的处理过的物料，熔渣段包括和堰板体相连的储存池，由于它具有较高的熔点和密度，金属通常会沉积于储存池中直到被移去。因此，在多段转化器的实施方式中，储存池可选择的具有金属排出孔，这个孔被软质的耐火材料泥堵塞，定期的用氧枪的热量来疏通排出。当熔渣排出孔和腔室的温度达到足够的水平而熔融积存的金属，则熔融的金属就会从储存池的底部流出。出口可以用耐火材料或其它合适的材料再次密封起来。
由于工作在要求把灰熔融成渣，并把金属也熔融的非常高的温度下，腔室的墙和熔渣段的底层可以有选择的使用耐火材料来抵御这些非常苛刻的条件。熔渣段的材料的选取在设计中考虑到一些因素，例如通常的剩余物的处理温度，对热应力的抵抗，在熔融过程中，对熔渣和/或热气体带来的磨损和腐蚀/腐蚀的抵抗。在熔渣段的材料选取时也应该考虑到材料的疏松度。
熔渣段也可以包括一个或多个端口来容纳更多的结构性的元件或测量装置。在一个实施方式中，端口可以是观察口，并安装封闭回路的监控器来使运行人员全面地观看到灰的加工过程，包括监测在熔渣的出口结块的形成。腔室还具有一些检修和维护的端口以供进入或靠近腔室。这些端口为本领域普通技术人员所熟知，还包括可以封闭的各种尺寸的孔洞。
等离子热
熔渣段利用了一个或多个等离子的热源来把从碳转化过程来的灰转化成渣。等离子的热源可以是可移动的，固定的或它们的组合。
等离子热源包括各种在市场上可以购买到的等离子炬，在要求的时间内和应用地点提供合适的高温气体。通常，这些等离子炬具有100kW到6MW的功率。等离子炬可以使用一个或多种工作气体的混合体。这些例子包括但不限于空气、氩气、氦气、氖气、氢气、甲烷、氨气、一氧化碳、氧气、氮气和二氧化碳。在本发明的一个实施方式中，等离子的加热装置是以连续的运行方式来产生900℃到1800℃非常高温的气体，以满足把剩余物转化成惰性熔渣的要求。
在这方面，也有一些其它合适的等离子技术可以应用到熔渣段。例如，可以理解的，如果选择合适的电极材料，也可以使用转移弧形和非转移弧形火炬(AC和DC)。传导性的耦合等离子炬(ICP)也可以被采用。选择合适的等离子热源为本领域普通技术人员所熟知。
采用可转移弧式的火炬而不使用非转移弧式的火炬主要是考虑到，可转移弧式火炬具有较高的电热效率，以及热等离子气体和所要熔融物质之间较高的热传递效率，因为电弧直接通过熔渣。当使用可转移弧式的火炬时，要保证熔渣段是电绝缘的，因为熔渣段的外壳是和电源直接连在一起的。
在一个实施方式中，等离子热源是直流的非转移弧式的火炬。
在一个实施方式中，等离子炬是以石墨为电极的火炬。
在一个多段碳转化器的实施方式中，一个或多个等离子热源被安装用来优化从剩余物到惰性熔渣的转化。等离子热源的安装位置是按照剩余物处理腔室的设计要求来选择的。例如，在使用单个等离子热源时，等离子热源可以安装到腔室的顶部，并和在腔室底部的熔渣池相对应，以确保足够的热量传递到剩余物并使其熔融，而且使熔渣排出。在一个实施方式中，等离子热源是一个垂直安装在腔室顶部的等离子炬。
所有等离子热源的功率是可控的，可选择地，其位置(可移动的热源被采用)也是如此。在一个实施方式中，等离子热源的出力是根据剩余物的输入量的不同而变化的。等离子热源的出力也可以根据剩余物熔融温度的特性的不同而变化。
等离子热源的出力可以是基于连续或非连续的方式运行，由操作人员根据变化的剩余物输入量和熔融温度特性来谨慎判断。
可选择地，熔融区也可以装反射器61来反射或引导等离子热量(参考图15和16)。
过程的添加剂
过程添加剂可以有选择性的被加入到熔渣段，其中包括蒸汽、空气、碳黑和/或富碳的气体和/或富氧的气体和/或由袋式除尘器收集的灰。因此，熔渣段可以配备有各种输入和/或在熔渣段的腔室还可以包括数个这样输入的端口。
熔渣输出
熔渣段具有熔渣出口。熔渣的输出包括熔渣被排出腔室的出口。出口通常位于或接近于腔室的底部，以便加速熔融态的渣由于重力作用而从熔渣池流出腔室。熔渣的出口可选择性的安装熔渣冷却系统来加速熔融状态的渣的固化。这样的冷却系统可以包括例如水池或喷水。
在整个过程中，熔融的渣可以以连续的方式被排出。熔融的渣可以被不同的方式冷却并收集起来，并制成密实的，非渗漏的，固体熔渣，这些都是为业内认识所熟知。
另外，当灰被等离子热量处理时，所产生的熔渣在储存池里积累起来。所产生的熔渣被以连续的方式排出，即，当熔渣的体积在储存池里增加时，它会溢流过堰板体而通过出口流出加工腔室。
连续的排渣方式的实施方式特别适合需要连续运行的系统。
在一个实施方式中，熔渣的排出装置也包括熔渣的冷却子系统，用于把熔渣冷却成固体的熔渣产品。在另一个实施方式中，熔融状的渣被倒入骤冷水池78。水池提供了有效的系统来冷却熔渣并使其破碎成小颗粒，适合于销售，例如用作制造水泥或铺路的材料。水池也可以提供密封的环境，就像罩子从熔渣腔室底部延伸到水池下，从而提供了阻碍物，防止气体进入剩余物的加工腔室。固体熔渣产物可以从水池中用传送带系统来移去。另外，熔渣冷却系统也可以包括喷水器。
在熔渣冷却的实施方式中，熔渣被扔进带有厚墙壁的钢容器内冷却。在另一个实施方式中，熔渣被接收到密封的装有石英沙的床体上或铸造模具里来提供固体的熔渣，这适合于小型的加工过程或用于检验一些特定的参数。小型的模具可以提前在炉中加热。
在熔渣冷却子系统的实施方式中，熔渣被转化成可售的产品，例如玻璃棉。
控制
在多段碳转化器的一个实施方式中，控制系统可以被提供以在多段碳转化器中和/或通过多段碳转化器控制一个或多个过程。通常，控制系统会检测和调节不同的过程来确保有效和彻底的把处理过的物料变成合成气，并有效的把剩余固体(即灰)转化成熔渣。
控制系统包括了一个或多个感应元件来实时检测系统运行的参数；和一个或多个响应元件来调节运行参数从而优化转化反应，感应和响应元件和转化器紧密相联，响应元件根据由感应元件所得到的数据来调节运行工况。
控制元件
在现有状况下考虑到的感应元件，可以包括但不限于检测运行参数的装置，例如在系统内不同地点的气体流量，温度和压力，还有一些分析合成气化学成分的装置。
从感应元件得到的数据可以用来决定是否要调整在多段碳转化器中的任何条件和运行参数，以便优化过程转化效率和合成气的成分。对反应物所做的调整(例如，物料的加入流量，热空气和/或蒸汽的输入)，还有对某些运行条件的调节，例如在系统里各个部分的压力，这样就可使得工艺过程在连续一致的条件生产合成气。
控制系统的设计和组合可以考虑到对转化过程的效率优化和减轻由过程带来的对环境的影响。控制系统的设计还考虑到要满足多段碳转化器连续运行的需要。
下面提到的运行参数可以间歇性地或连续地被感应元件来检测，采集的数据可以用来判断系统是否运行在最佳的点，和是否，例如需要更多的火炬电力，更多的空气或蒸汽射入到系统，或者处理过原料的输入率应该被调节。
温度
在一个实施方式中，控制系统包括各种方式去检测在多段碳转化器中的各个地点所需要测量的温度，例如，在碳转化段内，段间区域，或熔渣段。检测温度的装置可以按照系统各个地点的需要安装热电偶或光感测温仪。
检测热合成气温度的装置可以安装在多段碳转化段的合成气出口。
系统压力
在一个实施方式中，控制系统具有一些监测在多段碳转化器各个部位的压力的装置。这些压力监测装置可以包括压力变送器例如压力转化器，压力传感器，或者在系统任何位置的压力接头，例如安装在垂直腔室墙壁上。
气体流量
在一个实施方式中，控制系统包括监测合成气流量的装置。气体流量的波动可能是由于不均匀的条件所致(即火炬故障或物料输入中断)，所以如果这种气体流量波动持续进行，系统则不得不被迫停止知道问题得到解决。
气体的成分
在一个实施方式中，控制系统含有监测合成气的成分的装置。在转化过程中产生的气体采样并分析的装置为本领域技术人员所熟知。
在一个实施方式中，合成气的成分用气体监测器来测量，以便用来决定合成气的化学成分，例如，在合成气中的氢气，一氧化碳和二氧化碳。在一个实施方式中，合成气的成分用气体色谱分析仪来测量。分析取样点可以布置到系统的各个部位。在一个实施方式中，气体的成分是通过傅立叶变换红外光谱分析仪来测量，其中气体的红外光谱受到测量。
虽然存在高温气体的成分分析的装置，但是熟练技术人员可能会意识到在分析气体成分之前，取决于气体分析系统的种类，气体还是要先被冷却后才可分析。
响应元件
在现有状况下考虑到的响应元件，可以包括但不限于各种和过程有关的装置相耦合的控制元件，这些过程可以通过给定的控制参数来调节。例如，通过一个或多个响应元件来操作的现有状况下的装置，可以包括但不限于，调节各种运行参数的装置，例如调节处理过的物料的给料量，空气和/或蒸汽，还有运行条件，例如火炬的功率和位置。
等离子热源
本发明的碳转化器采用等离子热源的可控性来确保灰完全熔融和玻璃化为熔渣。
在发明的实施方式中，控制系统包括调节等离子热源功率，并可选择的调节其位置的各种装置。例如，当熔融温度太低时，控制系统会发出增加电功率的指令；相反的，当腔室温度太高时，控制系统可以发出降低等离子热源电功率的指令。
在一个实施方式中，火炬的电功率水平是维持在和剩余物的输入量成比例，即剩余物的加入量的增加便会增加火炬的功率。火炬的功率也可以根据剩余物的特性和成分而定，例如，考虑到物料的熔融温度，热比容，和熔融热。
在一个实施方式中，等离子的位置是可以调节的，来确保对熔融池的全面覆盖，并防止出现未完全反应物料的区域。
处理过物料的输入率
在本发明的一个实施方式中，控制系统包括调节处理后物料向碳转化段的输入率。处理过的物料可以连续地被加入，例如，用旋转杆或螺旋输送装置，或以不连续的方式输入。
对于每一种情况，例如处理过物料的输入装置包括一系列的推进杆，控制系统可以有选择的采用极限开关或其它移动控制装置，例如用计算机控制的变速马达来控制移动的长度，速度和/或推进杆的移动频率，以便控制在每一个推进运动后，传送到各个腔室物料的输入率。当输入装置包括一个或多个螺旋输送装置时，物料到碳转化段的输入率可以通过调节输送器变速马达的频率来改变。
物料输入率的调节要确保对处理过物料的转化步骤的可控性，以避免未完全转化的物料从碳转化段中流出。
过程添加剂的输入
在一个发明的实施方式中，控制系统包括了调节到碳转化段和/或熔渣段的空气输入率和输入量的装置，还包括其它的添加剂例如碳黑和蒸汽。
加热过的空气可以用来维持最佳的处理过物料的转化温度。
在一个实施方式中，控制系统包括过程控制的装置，并根据对合成气成分的监测和分析所得到的数据来调节过程添加剂。得到气体成分数据的方式可以是连续的，这样使得对添加剂的输入的控制，例如空气和蒸汽，实现实时调节。对处理过物料的种类和质量的选取是要非常仔细的，以便优化合成气的化学成分，同时维持对排放要求和法规的遵守，并使运行成本最低。
实施方式说明
例1
参考图8，11，18到25，多段碳转化器110被区域性地由段间区域112分隔成上部碳转化段111和下部熔渣段113。碳转化段111的温度维持在大概950℃到1100℃之间，熔渣段的温度维持在1350℃到1600℃之间。
参考图8，11，18，到25，在所描述的实施方式中，多段碳转化器110包括了由耐火材料作内衬的垂直取向的腔室115，它具有处理后的物料入口120，气体出口125，熔渣出口130，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其中包括气箱135和等离子炬140。如有需要，处理过的物料的输入可以选择性的配备磨碎机(未显示)来使得输入材料的尺寸均匀化。
腔室115是由耐火材料作内衬的钢焊接体，它有基本上是圆筒形的形状，并带有顶部，在最宽点长度和直径的比大约为3.6比1。腔室的直径在段间区域喉部逐渐变窄，并继续向熔渣出口延伸。腔室有不同的部分构筑而成，这样可以便利于元件的替换，也包括跨区域中的元件。
耐火材料包括三层，内层是氧化铬和氧化铝型的可铸材料，以抵御高温，中间层和外层分别是绝热并可铸的耐火填料和板块。对于腔室的下半部分，由于高温的要求，应使用比较厚的耐火材料，如190mm的Shamrock 493，115mm厚的LWI-28填料，和76mm厚的绝热板2300HD，和25mm的绝热板。在顶部的耐火材料是由190mm的Hymor 2800填料，114mm IFB和100mm Legrit特轻CD构成。
参考图22，加热空气经由靠近这个区域下游的气箱135被引入到碳转化段。空气的输入量是可调的，使得转化过程得到控制。空气的流量是根据原料/空气比和运行温度范围来控制。可选择地，蒸汽可以通过蒸汽射入口136被注入碳的转化区域。
参考图21，碳转化段111逐渐向狭窄的段间区域112延伸。段间区域包括阻滞实体145用来引导物料从碳转化段流到熔渣段。参考图8和11，阻滞体包括了固体的预铸耐火材料拱体145，通过四个楔形的耐火砖150被固定到段间区域。耐火材料拱体的尺寸大小使得多段碳转化器的内壁和拱体之间形成了间隙，并允许物料在区域之间传递。空隙的大小正好适合熔渣的通过。可选择地，耐火材料拱体也可具有多个孔洞151。
多个氧化铝或陶瓷球165具有20mm到100mm的直径，坐落在耐火材料拱体的上面，形成了床体，从而使得热空气得到扩散并促进等离子的热量向灰传递，把灰初始熔融成熔渣。在这个实施方式中，灰通过段间区域熔融并通过拱体外墙和腔室内壁之间的间隙155流到熔渣段。
熔渣段113位于段间区域的下游。熔渣段113是以耐火材料为内衬的圆筒形容器，并具有单一的锥形熔渣出口130。
熔渣段包括各种端口，如等离子炬的端口，容纳用来预热腔室的燃烧器139的端口，和各种过程添加剂的端口，包括热空气和碳黑和/或从布袋收集的灰。参考图23，渣的熔融区配备等离子炬140和以切向安装的空气喷口141，还配有气动传输气体和热空气喷口。热空气，碳黑和/或由布袋收集到的灰，以及等离子炬，构成了热气发生器(HGG)来产生高温气体(＞1600℃)并增强灰的熔融。等离子炬的功率选定为300kW，水冷却、铜电极、NTAT、直流电等离子。可选择地，碳黑和/或从布袋收集到的灰可以由碳入口或通过空气喷嘴加入。参考图24，腔室还包括一个端口来容纳用来促进启动的燃烧器139。
参考图25，熔融的渣流出熔渣段并通过喷水器113立即固化成小块。渣块经由链条被拖出移去。
等离子炬140安装在滑轨上，以便把火炬140插进和拔出熔渣段。可任选地，火炬位置可以非常贴近从而增加热强度。火炬140通过一个密封压盖和腔室密封在一起。这个压盖和门阀紧密结合在一起，门阀侧安装密封在容器之上。如需要移去火炬140，则可以把火炬从腔室115由滑轨抽出。为了安全起见，当滑轨有初始移动时，高压电源则被中断。当火炬140抽出并经过阀门和冷却剂循环停止时，门阀会自动关闭。冷却水管和电缆等和火炬140断开，压盖从门阀释放，火炬140被一个起重设备提起。
火炬140的替换可以采用和以上步骤相反的方法来实现；滑轨可以用来调节并允许火炬140有不同的插入深度。
门阀被机械的操作以便实现自动化。气动的执行器用来把火炬抽出来一旦冷却系统发生故障。用来操作执行器的压缩空气来自专门的空气储存罐，以确保需要的动力，即使在出现电力故障的情况下。门阀的气动空气具有同样的空气储存罐。电动互锁盖被用来作为进一步的安全措施，以避免和高压火炬连接的接触。
在碳转化段的各个部位布满了热电偶以便监测在各个区域的温度都维持在预先设定的温度范围，如果它低于设定值，则增加火炬的功率或空气的输入。
例2
以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。参考图10和26，在所展示的多段碳转化器310包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室315，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口325，熔渣出口315，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)和等离子炬340。
参考图10和26，段间区域包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括一系列的基本上平行的以耐火材料为内衬的管子345安装在固定的环体350上。管子之间留有一定的间隙355。可选择地，多个氧化铝或陶瓷球具有20mm到100mm的直径，坐落在耐火材料拱体的上面，形成了床体，从而使得热空气得到扩散并促进等离子的热量向灰传递，把灰初始熔融成熔渣。
通过基本上平行的，以耐火材料为内衬的管子345上表面的小孔，热空气被加入碳转化段。
例3
以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。参考图27，在所展示的多段碳转化器210包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室315，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口(未显示)，熔渣出口230，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)和等离子炬240。
参考图27，段间区域包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括了一系列的相互连接的砖块245。这些砖块被安装在装配元件上，并使得相邻的砖块之间有一定的间隙。
例4
参考图28，在所展示的多段碳转化器(部分显示)包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室415，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口(未显示)，熔渣出口430，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口435和等离子炬440和可选择的出渣小口446。
参考图28，多段碳转化段被放置在中心，熔渣段则指向腔室周边。腔室的低层具有一定的坡度，使得碳转化段在熔渣段的上游，并促进物料在这两个区域之间的单向流动。两个区域被段间区域所隔开。段间区域包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括一系列垂直并基本上平行的以耐火材料为内衬的管子445。加热的空气通过管子上面的小孔进入碳转化段，并接触到处理过物料的堆积的中心，从而转化和加热处理过物料中的碳。当空气从底部上升时，被稍微加热，来冷却管排。通过在熔渣段的空气入口441空气被喷射到管排的外面来保持管子的外表面的热度从而避免熔渣凝固。
熔渣段底部的斜坡有使得剩余物向腔室方向流动的作用，在腔室里装配有等离子炬并把剩余物熔融成熔渣。当熔渣排出时，它经过喷水器然后落入在下面的漏斗。
例5
以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。参考图29，在所展示的多段碳转化器510包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室515，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口(未显示)，熔渣出口(未显示)，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)和等离子炬540。
参考图29，段间区域包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括了齿轮状的拱形拱体545。
例6
以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，除了熔渣段的设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。参照图30(描述了部分碳转化段，段间区域和熔渣段)，在熔渣段的腔室包括了分枝或者热气发生器622，由等离子炬640，碳黑和/或布袋收集的灰的入口642和热空气入口641构成。
例7
参考图6，以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。参考图6，其描述了部分的碳转化段，段间区域和熔渣段，多段碳转化器610中包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室615，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口(未显示)，熔渣出口630，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)和等离子炬640。
参考图6，段间区域(接近熔渣段)包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括了多个陶瓷球645。
例8
参考图32，以上描述的多段碳转化器的整体结构和设计，和例子1中的碳转化段和熔渣段基本上一样。熔渣段的底部包括了旋转的并倾斜的耐火材料桌面。桌面顶部的旋转可以加速熔融状态渣的排出。可任选地，桌面也可以包括多个陶瓷球来促进等离子热量的传递。熔渣段的底部可以被抬起并从加工区域抽出。
参考图32，其描述了部分的碳转化段，段间区域和熔渣段，多段碳转化器810中包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室815，它具有处理后的物料入口(未显示)、气体出口(未显示)、熔渣出口830和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)、等离子炬640和阻滞体845。
由耐火材料作内衬的桌面顶部安装在驱动转轴上846，其与外装的电动马达847相连接。熔渣底部的装置可以方便的从段间区域和碳转化段分开，并安装在可以提升的桌面上，此桌面安装在轨道上来加速清理过程。大量的陶瓷球848可以促进等离子热量的传递。
可任选地，熔渣在流出熔渣出口830后即被用水喷淋冷却，固化后的渣落在拖链上被清除。
例9
参考图33，其描述了部分的碳转化段，段间区域和熔渣段，多段碳转化器910中包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室915，它具有处理后的物料入口(未显示)，气体出口(未显示)，熔渣出口930，和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口(未显示)、等离子炬940、丙烷或天然气燃烧器937和阻滞体945。
阻滞体包括旋转耐火材料锥形体921，安装在驱动基座上，其与以外装马达942为驱动的旋转轴933相连。旋转的耐火材料锥形体的下部有井978，熔渣在从腔室排出之前可以在井内积聚。段间区域/熔渣底部的装置可以方便的从段间区域和碳转化段分开，并安装在可以提升的桌面上，此桌面安装在轨道上来加速清理过程。
可任选地，熔渣在流出熔渣出口930后即被用水喷淋冷却，固化后的渣落在拖链上被清除。
例10
参考图12，其描述了多段碳转化器1010的实施方式，其包括耐火材料为内衬的垂直取向的腔室1015，它具有处理后的物料入口1020，和和等离子重整腔室1066相连的合成气出口1025，熔渣出口1030，和外装马达装置相连的搅拌器1031和划分为不同区域的加热系统(即具有两个温度区域的系统)，其包括空气入口1041，和等离子炬1040。
段间区域包括实体阻滞体来控制从碳转化段到熔渣段的物料流动。在这个实施方式里，阻滞体包括了旋转炉排1045，安装在段间区域。剩余固体物料经过段间区域在熔渣段里熔融。图12A和B举例说明了炉排的设计。
Claims (15)
1.一种将处理过的原料转化成合成气和熔渣的多段碳转化器，其包括：
单一腔室，包括和熔渣段连通的碳转化段，其中所述碳转化段和所述熔渣段由段间区域隔开，所述段间区域形成所述腔室的颈缩；
所述碳转化段包括用于从来源接收处理过的原料的处理过的原料入口、合成气出口和空气入口；
所述段间区域包括安装在其中的以耐火材料为内衬的或者由固体的耐火材料制成的阻滞体，所述阻滞体被配置成部分阻止所述段间区域，并由此限制物质在所述碳转化段和所述熔渣段之间流动，其中所述阻滞体包括一个或多个热传递元件并且被配置成提供初始灰熔融；
所述熔渣段包括等离子热源和熔渣出口；
其中，所述处理过的原料在所述碳转化段中转化成所述合成气和灰，所述灰在所述段间区域被初始熔融并且在所述段间区域和/或所述熔渣段中通过从所述等离子热源施加的热量而转化成熔融的熔渣。
2.权利要求1所述的多段碳转化器，其中所述空气入口是热空气入口。
3.权利要求1所述的多段碳转化器，其中所述空气入口是一个或多个气箱。
4.根据权利要求1所述的多段碳转化器，其中所述阻滞体包括多个孔洞。
5.根据权利要求1、2或3所述的多段碳转化器，其中所述阻滞体是设置在所述段间区域中的固体预铸耐火材料拱体。
6.权利要求1、2或3所述的多段碳转化器，其中所述阻滞体是通过四个楔形耐火砖设置到所述段间区域中的固体预铸耐火材料拱体，并且尺寸设置成在所述多段碳转化器的内壁和所述拱体之间提供空隙或间隔。
7.权利要求6所述的多段碳转化器，其中所述腔室是基本上垂直取向的圆筒状腔室。
8.权利要求7所述的多段碳转化器，其中所述熔渣段向锥形熔渣出口锥形化。
9.权利要求1、2或3所述的多段碳转化器，其中所述阻滞体是砖炉排。
10.权利要求1、2、3或4所述的多段碳转化器，其中所述段间区域还包括将等离子热量从所述熔渣段传送到所述段间区域的其他的热传递元件；以及其中所述热传递元件是陶瓷球。
11.权利要求1、2、3或4所述的多段碳转化器，还包括控制系统。
12.权利要求1、2、3或4所述的多段碳转化器，还包括处理过原料的预处理模块。
13.权利要求1、2、3或4所述的多段碳转化器，还包括熔渣冷却模块。
14.权利要求1、2、3或4所述的多段碳转化器，其中所述等离子热源是等离子炬。
15.权利要求1所述的多段碳转化器，其中所述阻滞体是拱体形、锥体形或齿轮形。
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