CN102316974B - 等离子体气化反应器 - Google Patents

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Abstract

等离子体气化反应器容器具有上部部分，上部部分具有从底部部分向上延伸到容器的顶部的圆锥形壁，底部部分容纳碳质层，等离子体由等离子体炬喷射到碳质层中，该容器以可对有利于反应的完全性和可用反应产物的产量的气流和固体停留时间特性有用的方式布置。在一些例子中，这样的圆锥形壁与其他特征在布置方案中结合，所述其他特征例如为一个或多个布置用于得到更均匀分布的进料端口，包括具有带分布式进料机构的进料端口的示例。容器顶部在一些示例中具有竖直的出口端口，其包括靠近上部部分的圆锥形壁进入到反应器内部容积中的侵入部。具有侵入部的出口端口构造和用于原料更均匀分布的进料端口构造也可用于具有其他几何形状的反应器容器。

Description

等离子体气化反应器
技术领域
本发明涉及等离子体气化反应器，其具有可促进例如合成气制备的工艺的特征，特别是包括反应器容器上部部分构造；反应器出口端口构造；和/或反应器进料端口构造，与其中使用所述这些特征的等离子体气化反应器和系统的其他方面结合。
背景技术
介绍背景技术来简要描述本发明的来龙去脉。
等离子体气化反应器(有时称为PGR)是已知的，并且用于处理各种不同材料中的任何一种，包括例如废金属、有害废物、其他市政或工厂废物和垃圾填埋材料，以获得例如金属等可用材料，或使不期望的废物玻璃化，以更易于处置。对此类应用的关注还在继续。(在本发明的说明书中，“等离子体气化反应器”和“PGR”用来指同一一般类型的反应器，无论用于气化还是用于玻璃化，或者既用于气化又用于玻璃化)。
除了上述用途之外，PGR还适用于进行燃料改良或产生适用作燃料的气化反应产物，具有或不具有后序处理。
PGR及其多种用途描述于例如2005年中或末出版的IndustrialPlasma Torch System，Westinghouse Plasma Corporation，DescriptiveBulletin 27-501；Dighe的2008年5月19-21日NAWTEC16会议论文集中的名称为“Plasma Gasification：A Proven Technology”的论文(长摘要#NAWTEC16-1938)；Willerton的2008年5月12-16日由Air &Waste Management Association赞助的第27届Annual InternationalConference on Thermal Treatment Technologies论文集中的名称为“Plasma Gasification-Proven and EnvironmentallyResponsible”(2008)的论文；Dighe等人的2008年12月4日公布的名称为“Systemand Process for Upgrading Heavy Hydrocarbons”的美国专利申请2008/0299019；Dighe等人的2008年6月14日提交的名称为“Systemand Process for Reduction of Greenhouse Gas and Conversion ofBiomass”的美国专利申请序列号No.12/157,751，所有上述文献以引用的方式并入本文中，以获得其对PGR及它们的用途的描述。
发明内容
本发明内容简要描述了本发明的一些方面的特征。进行的说明旨在总体上提供信息，但是并非如所附权利要求一样具有限制性。
在各方面中，本发明涉及反应器容器的特征和组合，包括反应器容器几何形状、出口端口(或排放端口)构造和材料进料端口构造，其还具有独立的实用性。
本发明部分涉及PGR，特别地但是不限于，主要用作能够制备可用作燃料的合成气体(或合成气)的气化器的PGR，在具有竖直构造的容器中，其特征在于具有特定几何形状和结构特征的底部部分、上部部分和在所述上部部分上方的顶部部分。在一些公开实施例中，可为圆柱形的底部部分容纳碳质层，一个或多个等离子体炬将等离子体气体喷射在所述碳质层中，以形成至少约600℃(并且通常高达约2000℃)的操作温度，所述上部部分作为圆锥形壁从所述底部部分基本上连续地向上延伸到容器的顶部，不具有任何大的圆柱形或其他构造的部分，所述圆锥形壁倒置取向，即，其最窄横截面直径在底部部分处，其在这里与底部部分连接，并且有时本文称为具有截头倒置圆锥形状。
虽然一些之前公开的PGR构造具有上部部分，其在所述上部部分的下端和所述上部部分的上端之间加大，但是本发明公开的PGR的实施例不是之前已知的。
这样的示例性实施例还以其总体组合包括一个或多个用于将原料引入反应器容器中的进料端口的创新性布置方案，所述布置方案可有助于材料的更均匀分布。这样的分布式进料端口构造也可用于具有其他容器几何形状的PGR。
而且，在具有圆锥形壁的进一步的示例中，具有一个或多个出口端口，其每一个具有管道，所述管道从所述顶部延伸到所述容器外部，并且还通过侵入部而延伸到容器内部。这样的具有侵入部的出口端口也可用于PGR的其他位置和容器几何形状中。
PGR的这些和其他方面可与所述的圆锥形壁一起选择地用于PGR的一般用途中的任一个，特别地包括但不限于，制备在通过所述出口端口离开所述容器后可用于燃料应用的合成气的PGR。一些公开的示例利用了对反应器结构特征可怎样影响例如气流和反应物停留时间等特征的更深的理解，这些特征可有助于获得所供给材料的更完全的反应，以提高所需生产产品的产量。
下面的说明展示了关于本发明示例性实施例的更多方面和信息。
附图说明
图1是根据本发明的等离子体气化反应器的一个示例的部分剖视正视图；
图2和图3是其他示例PGR的外形视图；
图4是根据本发明的一个示例的PGR的顶部的平面视图；
图5-8是可用于本发明一些示例中的进料端口布置方式的局部示意视图；
图9是根据本发明一个示例的PGR系统的外形示意视图。
具体实施方式
图1示出例如用于气化碳原料和非碳原料(例如煤和生物质的混合物)来制备合成气、熔渣和金属的示例性PGR。“合成气”是指通常得自与氧气(例如来自空气)和水(例如蒸汽)一起经受气化的包括碳材料(例如煤)或烃材料(例如生物质或重油)等原料的“合成气体”的术语。所得的合成气通常包含可用的氢气和一氧化碳。另外，根据供给的固态和气态材料，可能在合成气中出现大量的气化烃。所制备的合成气可用作燃料，例如作为气轮机的燃料，或进一步处理来形成液体燃料，例如用于交通目的的乙醇。例如图1的PGR也可用于例如金属废物利用等目的，其中气态产物排出而经过或不经过后序处理。
图1的以其左半部分为完整正视图、右半部分竖直剖开显示的反应器具有反应器容器10，其通常为耐火材料衬里的钢(衬里在图中没有具体示出)，其主要部分包括上部部分12、底部部分14和顶部16。上部部分12的下端和上端分别以气密方式连接到底部部分14和顶部16。图1实施例中一个特别引人关注的方面是，上部部分12具有从底部部分14(较小的横截面)延伸到顶部16(较大的横截面)的圆锥形壁18。壁18在基本上其整个延伸长度上相对于反应器容器10的竖直轴成角度(α，图1中)(例如在约5°到约25°范围内的角度)。这是可辅助操作气体流的构造(下面进一步讨论)的一个实例。但是，如果进行较小的改变也可获得可用构造和有益效果，例如类似于壁18的壁，但是在沿其延伸长度的任意位置处，圆锥形斜面在其沿壁18向上行进时相对于竖直方向以不超过约5°的变化而改变为较大的角度，或改变为较小的角度，或其中所述壁无论任何原因包括不超过其总长的约10％到20％的较小部分为变型或非圆锥形(例如为圆柱形)形状(其中，最高达总长的约20％的圆柱形状的使用可特别用于进料端口的位置，如将参照图6进一步说明)。
图2和图3示出作为其他合适的创新型布置方式的实例的实施例，其中上部部分的下部12a的圆锥形壁部18a呈与上部部分的上部12b的圆锥形壁部18b略微不同的角度。图2中，下部12a的壁18a比上部12的壁18b更向外倾斜。图3中，变化在于壁18b比壁18a更向外倾斜。图2和图3的其他方面将在下面讨论。
返回到图1，反应器容器10的底部部分14的示例可以是任何传统构造，并且通常为圆柱形。其直接与上部部分12的圆形底部配合，但是具有小的圆锥形过渡部13，圆锥形过渡部13具有比壁18的大部分更大的角度。因而，底部部分14的顶部和上部部分12的底部具有类似的构造，或在其间具有小长度的过渡部。
通常是有利的是，在容器的竖直延伸长度上，上部部分12及其基本上圆锥形壁18在水平高度处具有圆形横截面。另一个变化是上部部分12的横向横截面不是圆形的情况，例如，正交横向尺寸比率在大于1∶1范围内的椭圆形横截面是合适的，包括高达约3∶1的椭圆形横截面。所描述的任何示例可具有圆形或非圆形横截面结构，以及PGR的其他所述方面。
如图1中所示并且在其他PGR示例中进行了一些改变的壁18的几何特征总结如下：
壁18或其至少约80％到90％具有相对于竖直轴成在约5°和约25°之间的角度α的斜面；
壁角度α全部相同或随壁从底部部分14到顶部16向上而递增地变得更宽，或在α变得更小的示例中，随着壁竖直向上行进，具有从较大α到较小α的过渡部，任何这样的过渡部具有不超过约5°的角度，并且上部仍具有大于零的角度α；
圆锥形壁18可具有圆形横截面(最典型的例子)，或另一些包括椭圆形横截面，例如两个正交直径比例高达约3∶1的椭圆形横截面；和
PGR上部部分12的侧壁的从底部部分14到顶部16的不符合任何上述标准的任何部分，例如关于竖直方向成零度角度的圆柱形壁，限于不超过上部部分竖直高度的约10％，但设置有一个或多个横向进料端口的圆柱形侧壁的情况除外，其可占上部部分竖直高度的约20％。
即使具有这样的可能的修改形式，所述修改形式全部应被认为落在本发明的“圆锥形上部部分”或“圆锥形壁”或“连续的圆锥形壁”的范围内，无论有没有术语“基本上”或类似术语与其相伴，圆锥形壁18仍与现有PGR的容器构造，例如具有大的(至少约25％)圆柱形部分或底端比顶端更宽的圆锥形部分的容器结构形成对照。
本文所述的上部部分壁的几何形状为例如图1中的壁18的内表面的几何形状。通常，上部部分壁的外表面平行于内表面，但是这对于符合所关注的标准并不是必要的。
对于该典型示例，底部部分14的其他特征及其目的如下所述。底部部分14容纳用于碳质层20(有时称为炭层或焦炭层)的空间，其可以具有例如碎铸造焦炭、石油焦炭或混合的煤和焦炭的成分。通过进一步示例，层20可具有平均横截面尺寸为约5-10cm的上述成分的颗粒或碎片，或具有其他粒度或形状，以具有充足的反应表面积，同时允许供给材料和反应产物流动通过层20，通常全部与过去的PGR实施方式一致。
底部部分14具有壁15，壁15具有一个或多个(通常两个到四个)喷嘴、端口或风嘴22(可替代术语)，用于设置相同数量的等离子体炬24(没有详细示出)。等离子体端口22可如图所示关于水平方向呈向下倾斜的角度，或例如为水平的(这也是下面讨论的上部部分的进料端口28和附加风嘴30的一般情况)。
底部部分14还配备有数个(一个或多个，通常为一个或两个)熔化液体出口26，用于从反应器去除金属和/或熔渣。
现在返回来进一步描述上部部分12的方面，圆锥形壁18设置有数个(至少一个，通常一个到三个)横向(即贯穿壁18)进料端口28。横向进料端口28使得通常不需要具有贯穿顶部16的任何进料端口，但是不排除贯穿顶部16具有进料端口的形式，作为附加的或替代的进料端口。横向进料端口28使原料靠近反应器的主反应区进入，并且可减少未反应原料在顶部中或附近通过出口端口吹出的可能性。下面图5-8的后续描述包括对获得材料的基本上均匀的分布以及反应完全性的方法的描述。根据关于图8进一步描述的一个示例，进料端口配备有分布式进料机构，以辅助获得原料在反应器上部部分内部的更均匀的分布。
另外，图1的上部部分12具有数个风嘴30(例如两排中的每一排中高达约12个)，根据需要或期望用于进行另外的通常气态材料供给的任何特定工艺中。风嘴30在该示例中通常贯穿圆锥形壁18靠近底部部分14设置在进料端口28下方。底部部分14的等离子体端口22有时称为主风嘴，而上部部分12的风嘴30有时称为第二风嘴(在靠近底部部分14的排中的风嘴)和第三风嘴(在所述第二风嘴上方的排中)。
顶部16覆盖上部部分12的圆锥形壁18的上端。壁18的上端的外周相对于顶部16气密密封。顶部16具有数个、一个或多个、通常二到六个出口端口32。出口端口32构成管道，用于使气态产物(例如合成气)从反应器容器10排出。在本发明的PGR的一些示例中，如图1中所示，出口端口32仅贯穿反应器容器10的顶部16，进料端口28仅贯穿圆锥形壁18。
在图1的示例中，出口端口32直接竖直延伸贯穿顶部16。在可替代布置方式中，任何数量的顶部出口端口可布置成使其轴线关于竖直方向成角度；一个示例是出口端口的轴线成基本上与壁18的角度相同的角度，并且与壁18平行。更一般地，贯穿屋顶的出口端口的轴线可以成任何角度，并且在一些例子中可以与贯穿顶部16所示的不同，例如横向贯穿壁18自身的上部外周，例如在图3中，同时容器的顶部不具有或也具有一个或多个出口。通常，具有可去除盖的检修孔也设置在顶部16中。
在所关注的一些示例中，如图1中所示，出口端口32靠近壁18的内表面设置在顶部16中。无论使用任何出口端口构型，根据其数量、尺寸、位置和角度，其可为仅有的贯穿容器10的顶部(或壁)的开口，具有合适的外部管道系统，或如图1中所示，出口端口32可布置有从容器10内部的位置通到容器10外部的管道34。管道34的内部称为侵入部或侵入端口36。侵入部36在如图1中所示的一些示例中延伸到靠近上部部分12的侧壁18内侧的空间内。
图1和上述包括多种修改形式的说明提供了PGR的多个示例，其每一个使用具有如上所述的基本上连续的圆锥形壁18的上部部分12，与现有已知PGR的相当部分和用途形成对比，现有已知PGR在容纳碳质层的部分上方的一个或多个部分中具有为圆柱形或其他构造的相当大的部分。
本领域的技术人员可在其他传统结构的PGR中，例如在靠近容器顶部的任何位置具有通常重力进给进料端口和出口端口和不具有侵入部的PGR中，使用和利用基本上连续的圆锥形壁18。而且，连续的圆锥形壁18可以是总体改变的GPR设计中的部分，包括例如如上所述的具有用于增强原料分布的装置的一个或多个进料端口，以及具有带侵入部的管道的一个或多个出口端口。
图2中，出口端口32显示为贯穿顶部116。这里顶部116为拱顶形状。
图3中显示了具有从上部部分的最上部分12c横向延伸的出口端口132的变形形式，所述上部部分在该示例中还显示具有使壁18仍保持整体基本上圆锥形结构的小长度的圆柱形结构。替代地，壁18自身的圆锥形形状可持续向上，并且横向出口端口132贯穿其设置。
图3可以是不具有内部侵入部的出口端口132的示例，但是侵入部也可适用于那里。图2和图3出于简明没有示出进料端口，只是图3的顶部116’的顶中心特征116a'可代表中心重力进给进料端口或检修孔除外。为了简明，省略图2和图3中反应器的上部部分和整个底部部分中的进料端口和风嘴。其可例如为基本上如关于图1或本文其他示例所述的构造。
具有侵入部的PGR出口端口，如图1的具有带侵入部36的管道34的出口端口32不限于用于具有例如壁18的基本上圆锥形壁的PGR中。这样的出口端口可有利地与其他侧壁几何形状一起使用或用于与所示特定示例不同的其他位置中。
下面以进一步说明和示例的方式给出影响圆锥形上部部分设计构造的因素。
所公开的布置方式特别适宜用于竖直取向的大气气化容器。这些是用于在或接近大气压力下操作的(即可在略微负压到略微正压范围内操作的)气化容器，其在其整个操作过程中经受具有高温的气流和气体携带的固体成分流。可能重要的是反应器构造怎样影响如图1中的反应器10的自由空域区38中的气体和颗粒的运动。
上部部分12的内部可被认为容纳两个主要区域。气化区29为处于或靠近风嘴30的区域，其中供给的材料被(至少部分)气化。(水套31可根据需要用于缓和壁温度。)自由空域区38为上部部分12中的在风嘴30上方的空间，气化的材料上升通过它。通过计算机流体动力学研究可模拟气化器容器在自由空域区38中的热传递和流体流动，以辅助实现提高的性能。可根据例如速度流场、气体停留时间分布和携带固体到出口端口的情况等几个标准来评估替代备选设计。这样的研究可表明可怎样通过具有如上所述的用于壁18的圆锥形扩展来获得有益效果。可获得的一个特征是使从反应器壁的流分离最小化，并且使由于流分离形成的低速再循环区最小化。附带的有益效果是，由于圆锥形壁18比较简单，因此能够在一些例子中获得容器所需的钢及其耐火衬里的较低成本。
关于速度流场，认为如果反应器横截面的速度越均匀，则反应器横截面的速度越好，因为这使得用于进行反应的反应器容积的利用更有效。
气体停留时间分布曲线显示了平均气体停留时间。通常，停留时间更长更有利于反应器出口处的产物组分的更加恒定。而且，原料需要足够高的温度持续足够长的时间，以使反应更完全，即因此不期望数量的未反应原料不会离开反应器。这可能对于一些例如焦油等重材料特别重要。通常期望的特征是，反应器基本上类似于塞流式反应器来运转，这意味着输入的固体材料主要竖直地下降，并且输出的气体主要竖直地上升。
因此，反应器中产生的气体应当具有至少足够长的最小停留时间，以获得满意性能。
根据上述考虑因素，实际情况是，具有例如壁18的圆锥形上部部分壁(包括所述的较小改变)的反应器的性能通常比上部部分12的任何更大部分具有圆柱形或其他构造的反应器更好。
另外，无论是与具有圆锥形壁的上部部分一起使用还是与具有一些较大圆柱形的传统上部部分一起使用，出口端口的构造可在携带速度以及停留时间方面造成显著差异。
除固体物理性能外，固体携带主要是沿主流路径的轴向速度的函数。沿主气流路径到出口的平均轴向速度称为“携带速度”。期望携带速度尽可能低，以使固体携带最小化。
已经评估了多种出口结构。发现，通常，如果具有两个或多个单独的出口，例如至少四个，则产生更好的流动和效率特征。进一步举例来说，如图4中所示，六个出口可以是一种有效的布置方式。这里显示了反应器容器的拱顶顶部116，其具有围绕或靠近顶部116的外周均匀布置的六个出口端口32，不再有中心布置的出口。为了与圆锥形壁18的圆顶连接，顶部116可以是圆形的。如图所示，出口端口32横截面可以是圆形的，或具有一些其他横截面。在任意数量的出口端口32贯穿顶部116设置的情况下，通常适当的是使其靠近顶部116的外周设置。
PGR顶部可以具有多种形状，包括例如横跨圆锥形壁18的上端的顶基本上为平的，或如图1中所示的顶部16，从壁118的顶向上突出，或者具有各自为平面的连接的顶部部分，例如部分16a和16b，或者为图2和图4中顶部116所示的连续的外弓曲面。
任何数量或位置的各个出口端口32可有用地在其管道系统中包括侵入部，类似于图1的侵入部36。侵入部可例如从顶部(即从顶部的内表面)延伸到容器中约0.5-1.0米。至少在一些分析中已经发现，这些有助于从出口排出的气流稳定。
图1的附加的风嘴30包括一排第二风嘴和一排第三风嘴。第二风嘴通常在下排中，数量为大约十二，比相同(或更大)数量的第三风嘴的排更靠近煤层20。风嘴30用于接纳材料，通常气态的材料，例如空气(或其它含氧气体)和蒸汽(或其他形式的水)。粒状固体也可通过风嘴30引入。类似于图2或图3的实施例可具有以类似方式布置的附加的风嘴，其出于简明从这些图中省略。
在一些工艺操作中，原料仅通过贯穿反应器顶部的开口供给可能是令人满意的，但是借助于仅通过例如贯穿侧壁例如壁18的进料端口28等横向进料斜槽供给原料，可通常更有助于提高固体的停留时间。用于其他壁布置方式的一个或多个这样的进料斜槽包括在PGR的现有技术示例中。进一步的创新可包括用于将原料更均匀地分布进入所述容器的上部部分中的一些装置，如关于图5-8更充分描述的。例如，并且不具有限制性地，如果进料斜槽(即使是仅使用一个斜槽的情况)从水平方向向下倾斜，例如图1中所示的进料端口28，可获得合理的均匀的原料分布。而且，与这样的倾斜斜槽结合或者独立地，在进料斜槽内具有分布式进料机构可能是有帮助的。变形形式可包括可被编程或调节来改变施加到原料的力(以实现其例如沿径向向内方向注入距离的变化)和/或从注入原料的进料斜槽改变角度或方向的机构。图8进一步示出该方面。
下面的补充信息涉及本发明可采用的实施例的一些其他方面。
可用于图1中的等离子体炬端口22的等离子体炬24可与现有技术一致，例如Dighe等人的美国专利4,761,793中显示和描述的，其在此以引用的方式以并入本文中以获得其对等离子体炬的特性和操作及它们可怎样用于PGR的说明。
本发明的特征可适用的PGR可以具有宽范围的尺寸。仅出于示例，并且类似于一些过去的技术，反应器容器的总竖直长度可以是约10-12米，并且容纳碳质层的底部部分可具有约3-4米的宽度和约1-4米的深度。上部部分可以从例如类似于底部部分的直径(约3-4米)的底部直径扩大到顶部处约7-8米的上部直径。其他尺寸示例参照图9的说明给出。
也是举例来说，已发现，以下特征在各种应用中是有帮助的：使原料在碳质层之上形成装料层，其向上延伸超过两排风嘴30的高度(例如超过约0.5到1.0米)。关于反应器的几何形状，还应注意的是，反应器容器10可作为示例构造为具有设置在从底部部分的顶端向上到顶部的距离的约5-15％处的第二风嘴，设置在从底部部分的顶端向上的距离的约10-30％位置处的第三风嘴，和设置在向上的距离的至少约40-60％位置处的一个或多个横向进料斜槽。
图5-8总体示出用于通过端口向反应器容器(例如具有圆锥形壁18的反应器容器)的上部部分12中分布式地引入原料的一些装置，但是这些装置也可用于其它构造。应意识到，将原料比较均匀地分布在反应器容器中对于反应过程的完全性和性能的均匀性是有利的。以上是可应用的装置中的一些，这些装置可导致比贯穿侧壁的单个重力进料端口获得更好的分布，所述侧壁例如但是不限于圆锥形壁18。这些装置还比仅通过顶部中的开口降落材料具有优越性，通过顶部中的开口降落材料是通常可行的技术，但是存在相当大的风险使未反应材料通过附近的出口端口吹出。
图5是具有多个(这里为两个，通常可使用两个到四个)贯穿壁18(仅示出其一部分)的进料端口128的示例。进料端口128可以仅为重力进料式，不具有其他分布增强装置(其可根据需要另外设置)，并且不同点的材料引入有助于分布原料。应承认，多个横向进料端口之前已经在等离子体反应器中公开，例如在Dighe等人的美国专利5,728,193和Do等人的美国专利5,987,792中。这里所公开的是多个横向端口128和反应器上部部分12的基本上连续圆锥形壁18的组合。但是，这样的多个侧部原料进入位置不是仅有的获得有利分布进料的装置，但是通常有效并且构造简单。
图6、7和8示出用于进料分布的其他装置。这些是适用于与甚至仅一个进料端口一起使用的用于进料分布的装置，但是不限于此。
图6中，原料通过横向进料端口228供给，横向进料端口228具有朝向容器中心轴线延伸到容器中的突出部229(例如为具有耐火衬里的钢，其可另外水冷)。突出部229也可例如在水平线下方向下倾斜，例如以约60°的角度倾斜，并且使得用于下落原料的端部更靠近容器10的中心轴线而不是更靠近侧壁，所述侧壁在该示例中为基本上圆锥形壁218，其包括圆柱形部分218a(不超过上部部分高度的约20％)。原料将大致沿所示的虚线轨迹通过重力下降到反应器下部的中心区域。这样的贯穿侧壁的进料端口228和突出部229也可应用到其他壁构造。
在关于图6的特别示例的值得注意的点中，并且返回参照图1，突出部229可选择成从圆锥形壁18延伸到反应器容器的上部部分12中任何所需距离。在希望形成更均匀的装料层的场合，或者在希望使原料在壁18的内表面(壁18的内表面通常具有耐火材料层)上的冲击进一步最小化的场合，其可朝向容器中心进一步延伸。
而且，即使具有非常有限的突出部229，或甚至没有超出壁18进入容器中的进料端口的突出部，图6显示了壁218的构造的示例，其仍可有助于使进料斜槽228下方的内壁表面上的磨损最小化。在该实施例中，壁218具有向外延伸的圆锥形部分218b和218c，进料端口228设置在部分218b和217c之间的圆柱形壁部分218a上。圆柱形壁部分218a在其与圆锥形壁部218b相交之前在进料端口228下方延伸。与图1相对比，这意味着从进料端口228进入容器的材料不立即下降到圆锥形壁的内表面上。这里，在图6中，来自进料端口228的材料通常采用弧形路径，并且分散到一定程度，以使在内壁表面218b上的冲击最小化，并且减小其磨损。
图7显示了一种替代方案，其中进料端口328至少靠近顶部316的中心，并且具有突出部329，所述突出部329形状类似于图6的突出部229，但是这里竖直向下充分延伸到上部部分12中，即，使材料远低于出口端口332进入，这也是图6中的情况。因而，突出部329可在或靠近中心轴线处至少向下贯穿上部部分12延伸三分之一的路程。自然地，进料端口突出部，例如229或329，需要结构强度和/或冷却以适合其暴露于高温的情况。
图7显示了原料在反应器中的装料层上任意堆积的大约最大尺寸的外形360。图7中显示了线322和330，作为对示例性反应器的主风嘴和附加风嘴位置的示意性表示。图7的实施例可将原料对中地放置在装料层上。具有侵入部336的出口端口332也显示在图7的示例中。
图8显示了用于进料分布的另一种装置。侧壁18中的进料端口428布置成具有分布式进料机构450，其具有从供给源452供到其的原料，并且通过机械力将材料喷射或投掷到容器内部中。
组合布置的分布式进料机构450可以与此前用来在用于例如农业和矿业等场合中的设备中使材料受迫分布的机构类似或相似。一种这样的机构通常称为抛料式输送机。可使用其他机构；出于本发明的目的，分布式进料机构可以是将机械力施加到原料的任何机构。吹风机是另一种这样的设备，但是最好用于原料具有尺寸和重量基本上恒定的大量物料的情况下。
作为与分布式进料机构450结合的选择，图8还另外显示了力和方向控制器454，其可进行下述两件事中之一或两者：控制器454可布置成使进料机构450将大小变化的力施加到原料，以随时间过去提供比通过恒定力更好的分布。而且，控制器454可布置成使进料机构450或在水平面中或竖直地或既在水平面中又竖直地以变化角度施加力(例如，通过机构450的一定范围的运动)，从而比材料以相同角度连续进入获得更好的分布。特定的机构450和控制器454可由用于其它场合中的材料处理设备技术改造。
图6-8中公开的装置每一个显示用于反应器容器的仅一个进料端口。这一般是令人满意的，但是可使用其他数量的这样的装置或这样的装置的组合。还应理解的是，具有如图6、7和8中所示的增强原料分布的进料端口布置方式不必限于与具有基本上圆锥形壁的上部部分的反应器一起使用，但是这样的壁可能通常是优选的。
在本文所述的任何进料端口的情况中，它们或者可开放来容许空气与原料一起进入，例如在通常大气条件下，或者进料供给源和进料端口可限制成限制空气进入，这可能有时对于一些反应有利。
图9以略图和示意形式显示了根据本发明的一个示例，其包括呈如前面所述形状并且可进行之前描述的那些改变的等离子体气化反应器容器510。
仅进一步举例给出了用于容器510的一些元件的适当的近似尺寸的一些示例。除非另外说明，给出的尺寸仅指内部尺寸。容器510没有显示壁厚，但是包括钢和耐火材料的壁通常可在约0.3-0.6米范围内。在圆锥形壁518内，容器510的上部部分512可在底部水平面512a(在底部部分514和该上部部分512之间的过渡部513上方)处具有约3.5到4.5米的横截面直径，并且在顶部水平面512b处具有约7到8米的横截面直径，形成约12°的角度。在靠近并且略高于一些辅助风嘴530的水平面512c处(其可如之前公开的在第二和第三风嘴两个水平面中)，容器的横截面直径可以为约4到5米，并且这将是从进料端口528供到容器中的原料的装料层529的顶表面的近似直径，所述进料端口528可以是根据所有前面描述的示例的进料端口，数量可以是一个或多个。
图9不旨在显示装料层529的顶面的特定构造，其不必一定是水平的，但是近似水平是有利的，并且在更靠近(例如直接在下方)不具有分布式进料机构的反应器具有的任何重力进给进料端口的一个或多个位置处，其通常略微更高。
上部部分512的从水平面512a到水平面512b的总高度可以是约11到13米；装料层529可具有在水平面512a和512c之间的约2到3米的高度。
容器510还具有底部部分514。其可具有约1到2米的圆柱直径，和约3到4米的高度。底部部分514容纳如关于图1描述的碳材料层520(标为C层)。
底部部分520在这里显示具有等离子体炬喷嘴或将等离子体气体喷射到层520中的用于等离子体炬524的主风嘴522，其在层520中形成合适的高温。如图所示，等离子体炬524被提供以可方便地为空气的炬气，但是其他气体和其他混合物也是合适的。在任何实施例中的等离子体炬可具有其他的材料供给源(未示出)，所述材料例如为蒸汽、油或在层520中与炬气反应的其他材料。另外的材料可供给到等离子体产生炬524前面的喷嘴522或靠近喷嘴522的位置的C层520的区域。参照上述美国专利No.4,761,793，以进一步理解可用于例如图9所示系统的系统的等离子体炬喷嘴的示例，并且其具有围绕等离子体炬的等离子体羽施加的罩气。
C层520不需要填充反应器510的底部部分514到底部部分514的顶，装料层524可在底部部分514的顶内部分地延伸。
图9还显示了用于来自C层520底部的熔融金属和熔渣的出口526。
显示了与供给源531相连的第二和第三风嘴530，其在反应器的气化区域中供给装料层529，供给源531(其代表一种或多种相同或不同材料的供给源)显示为例如将如空气或蒸汽等一种或多种流体引入装料层529中。
装料层524由从进料端口528供到容器510中的材料形成，所述进料端口528示出为位于圆锥形壁518中所并且仅为前面所述的进料端口的代表。进料端口528从原料供给源529提供原料，所述原料供给源529提供例如煤或其他碳材料、可以是市政固体废物或工业废物的废物、可以是任何木材或得自用于其他农业活动的系统或副产物的植物材料的生物质、或这样的材料的一些组合。
大部分原料下降到装料层524，但是一些可与装料层529上方的自由空域中的上升热气体反应。另外，来自装料层524的上升气体可进一步在自由空域538中反应。
在类似于图9系统的系统中进行的反应通常包括燃料颗粒表面反应和气相反应。燃料颗粒表面反应可包括气化反应C+1/2O2→CO，Boudouard反应C+CO2→2CO，和水煤气反应C+H2O→CO+H2。
气相反应可包括燃烧反应CO+1/2O2→CO2，CO变换反应CO+H2O→CO2+H2，和蒸汽改良反应CH4+H2O→CO+3H2。
全部反应导致在自由空域538中，特别是在来自进料端口528的材料进入点上方的区域中，形成合成气。合成气可具有大量的一氧化碳和氢气以及来自供到反应器的空气中的氮气。合成气中可能存在少量的二氧化碳和其他化合物。
在容器510的上部部分512的顶端处是具有某些数量的出口端口532的顶部516，合成气从所述出口端口532排出，作为燃料用于后续使用或用于其他处理。
连同上面给出的其他尺寸示例一起，顶部516覆盖上部部分512的最大宽度，并且还在上部部分512的顶水平面512b上方具有约1到2米的升高中部，其之间具有斜面(成例如约30°角)，所述斜面中靠近圆锥形壁518处具有出口端口532。出口端口532可例如具有约1到1.5米的直径，其每一个具有约0.5到1米的侵入部536。
通过更具体的举例说明，反应器容器510可具有四个带有等离子体炬524的等离子体炬端口522、每一种十二个的第二和第三风嘴530和六个出口端口532，其中多种元件每一个可与一个或多个进料端口528一起围绕反应器结构的圆形外周间隔开。
因此，可看出PGR可怎样构造有一个或多个创新型特征。在对性能水平没有特别限制的情况下，据信，可使用创新型特征的方法中有在反应的完全性方面和所需反应产物的产量方面对总效率有贡献的方法。
在一些描述的示例中，显示提出的创新型特征与现有PGR技术的一些方面结合。可根据需要利用任何现有设备和技术的公开知识，以便于实施所提出的创新型特征。
本申请以引用的方式合并有上面指出的共同待审的同族申请的所有内容，以便获得对没有包含在本文中的PGR的所有说明。
在描述过程中提出了多种实施例以及一些变形形式和修改形式，其全部作为布置方式的示例，但不是唯一的或排他的布置方式，本领域的技术人员可采用落在权利要求范围内的布置方式。

Claims (18)

1.一种等离子体气化反应器，包括：
带有耐火衬里的反应器容器，所述反应器容器包括底部部分和上部部分；
所述底部部分容纳碳质层，并且布置有具有一个或多个等离子体炬端口的侧壁，在每一个等离子体炬端口中容纳等离子体炬，所述一个或多个等离子体炬具有在所述碳质层中建立至少600℃的高温的能力；并且
所述上部部分从所述底部部分延伸到在所述上部部分上方的顶部；
所述上部部分包括圆锥形壁，所述圆锥形壁的横截面直径从所述圆锥形壁的与所述底部部分连接的底端连续地增大，所述上部部分包括下部和上部，该下部具有第一圆锥形壁，该第一圆锥形壁相对于所述上部部分的中心竖直轴线以从5度到25度的范围内的第一角度定位，所述上部具有第二圆锥形壁，所述第二圆锥形壁相对于所述上部部分的中心竖直轴线以第二角度定位，所述第二角度小于第一角度，其中所述上部部分的圆锥形壁包括一个或多个进料端口，用于供给经受来自等离子体炬的高温的固体的原料。
2.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
在所述圆锥形壁的顶端上方并且与所述圆锥形壁的顶端连接的所述顶部具有用于将气体从所述反应器排出的一个或多个出口端口；并且
所述底部部分具有用于熔融的熔渣和金属的一个或多个出口端口。
3.根据权利要求2所述的等离子体气化反应器，其中：
所述上部部分的第一圆锥形壁在其整个延伸长度上具有斜面。
4.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个进料端口包括具有分布式原料供给机构的至少一个所述进料端口，所述原料供给机构能在所述上部部分中相对于所述圆锥形壁中的进料端口的位置变化的位置处供给原料，并且所述容器的顶部不具有用于将原料供给到所述容器中的进料端口。
5.根据权利要求4所述的等离子体气化反应器，其中：
能控制所述分布式原料供给机构的操作来针对离所述进料端口的距离、或与所述进料端口所成的角度、或离所述进料端口的距离和与所述进料端口所成的角度两者而改变原料到所述上部部分的内部的位置。
6.根据权利要求2所述的等离子体气化反应器，其中：
所述顶部的一个或多个出口端口在所述端口的至少一个中具有穿过所述顶部竖直延伸到所述容器外部的管道，并且还具有在所述顶部下方在所述容器内竖直延伸一段距离的侵入部。
7.根据权利要求6所述的等离子体气化反应器，其中：
所述出口端口的数量为至少两个端口，其每一个具有在所述顶部下方在所述容器内延伸一段距离的侵入部；并且
所述侵入部从所述顶部延伸的所述距离至少为0.5米。
8.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
在所述圆锥形壁的顶端上方并且与所述圆锥形壁的顶端连接的所述顶部具有用于将气体从所述反应器排出的一个或多个出口端口；
所述底部部分具有一个或多个用于熔融的熔渣和金属的出口端口；
所述一个或多个进料端口包括具有分布式原料供给机构的至少一个所述进料端口，所述分布式原料供给机构能在所述上部部分中相对于所述圆锥形壁中的进料端口的位置变化的位置处供给原料，并且所述容器的顶部不具有用于将原料供给到所述容器中的进料端口；并且
所述顶部的一个或多个出口端口在所述端口的至少一个中具有穿过所述顶部竖直延伸到所述容器外部的管道，并且还具有在所述顶部下方在所述容器内竖直延伸一段距离的侵入部。
9.根据权利要求8所述的等离子体气化反应器，其中：
所述上部部分的圆锥形壁的下部在整个延伸长度上具有相同的斜面；
能控制所述分布式原料供给机构的操作来针对离所述进料端口的距离、或与所述进料端口所成的角度、或离所述进料端口的距离和与所述进料端口所成的角度两者而改变原料到所述上部部分的内部的位置；
所述出口端口的数量至少为两个端口，其每一个具有在所述顶部下方在所述容器内延伸一段距离的侵入部；并且
所述侵入部从所述顶部延伸的距离至少为0.5米。
10.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个进料端口具有分布式进料机构，其有助于使原料在所述容器中分布均匀。
11.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个出口端口延伸穿过在所述上部部分上方的顶部，并且还在所述顶部下方的空间中延伸。
12.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个进料端口具有分布式进料机构，其有助于使原料在所述容器中分布均匀；并且
一个或多个出口端口延伸穿过在所述上部部分上方的顶部，并且还在所述顶部下方的空间中延伸。
13.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个进料端口布置成用于从所述容器外部的一个或多个供给源接纳原料，所述原料被传送到所述上部部分中。
14.根据权利要求13所述的等离子体气化反应器，其中：
通过所述一个或多个进料端口传送到所述上部部分中的所述原料包括煤或固体废物或生物质，或其混合物。
15.根据权利要求14所述的等离子体气化反应器，其中：
所述反应器容器具有贯穿所述上部部分的下部的、在所述进料端口下方的一个或多个风嘴，其用于供给包括空气、氧气、蒸汽和水中的至少一种或多种的气体或液体成分。
16.根据权利要求12所述的等离子体气化反应器，其中：
所述一个或多个进料端口布置成用于从所述容器外部的一个或多个供给源接纳原料，所述原料被传送到所述上部部分中，
通过所述一个或多个进料端口传送到所述上部部分中的所述原料包括煤或固体废物或生物质，或其混合物，
所述反应器容器具有贯穿所述上部部分的下部的、在所述进料端口下方的一个或多个风嘴，其用于供给包括空气、氧气、蒸汽和水中的至少一种或多种的气体或液体成分，
所述容器中的条件使得原料和所述气体及液体成分在一个或多个阶段中反应，以产生在所述上部部分的第一和第二圆锥形壁中上升并且膨胀的气态产物，具有足够的停留时间来形成至少部分包含氢气和一氧化碳的、通过所述出口端口排出的合成气。
17.根据权利要求1所述的等离子体气化反应器，其中：
所述上部部分具有与一个或多个原料供给源相关的一个或多个进料端口，所述原料包括煤、固体废物和生物质中的一种或多种；
所述上部部分的侧壁具有与一个或多个工艺材料供给源相关的一个或多个风嘴，所述工艺材料包括空气、氧气、蒸汽和水中的一种或多种；
一个或多个出口端口穿过所述顶部设置；并且
来自所述进料端口的原料沉积在所述底部部分的碳质层上，到达在所述上部部分风嘴上方延伸的一定深度，并且由原料、工艺材料和等离子体燃烧的碳质层的反应产生的气态反应产物包含通过顶部出口端口排出的合成气中的一氧化碳和氢气。
18.根据权利要求12所述的等离子体气化反应器，其中：
所述进料端口包括用于提供比较均匀材料分布的装置，并且所述出口端口包括在所述顶部下方进入容器中的侵入部。
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