CN104498098A - 用于取代烧煤工厂中的煤的工程燃料原料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于取代烧煤工厂中的煤的工程燃料原料，公开了新型工程燃料原料、由所述过程生产的原料以及制造该燃料原料的方法。由处理过的城市固体废物流衍生的组分可用于制造这类实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物的原料。这些原料具有多种用途，其中包括与煤的共同燃烧以及作为煤的替代物。

Description

用于取代烧煤工厂中的煤的工程燃料原料

本申请是中国发明专利申请(申请日：2009年6月25日；申请号：200980125169.7(国际申请号：PCT/US2009/048718)；发明名称：用于取代烧煤工厂中的煤的工程燃料原料)的分案申请。

相关专利申请的互相参照

根据美国专利法第35条第119款的规定，本专利申请要求享有共同待决的2008年6月28日提交的、标题为《用于取代烧煤工厂中的煤的工程燃料小球》的申请号为61/076,027的美国专利申请和2008年6月28日提交的、标题为《工程惰性燃料小球》的申请号为61/076,020的美国专利申请的优先权利益，这些申请的公开内容整体以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及替代燃料。特别地，本发明涉及含有足够的高热值且包含处理过的城市固体废物流的组分的工程燃料原料，其能够补偿或者部分地补偿烧煤厂对煤用于发电的使用，并且在燃烧时，其排放比燃烧煤的排放更好。

背景技术

对供热、运输以及生产化学品和石油化学产品都非常有用的化石燃料来源越来越缺乏，其成本也越来越高。那些生产能源和石油化学制品的行业正积极地寻找经济有效的工程燃料原料替代品，以用于生产那些产品和许多其他产品。另外，由于化石燃料成本的不断增加，用于生产能源和石油化学制品的工程燃料原料的运输成本也在急剧攀升。

这些生产能源和石油化学制品的行业以及其他行业，在用于能源生产、供热和电能的燃烧和气化过程上、以及合成气体(用于化学制品和液态燃料以及涡轮机能源的下游操作)的产生上，已经对化石燃料(例如煤、油和天然气)的使用形成依赖。

燃烧和气化是热化学工艺，用来释放储存在燃料源中的能量。当存在有过剩的空气或者过剩的氧气时，在反应器中发生燃烧。燃烧通常用来产生蒸汽，而蒸汽对涡轮机提供动力来发电。然而，燃料燃烧的强力特性(brute focrenature)导致生成的气体中含有大量的污染物。例如，化石燃料(例如煤、油和天然气)在氧化气氛中进行燃烧，会释放氮氧化物，而氮氧化物是地面臭氧的前身，会引起哮喘发作。燃烧还是二氧化硫产生的最大源头，而二氧化硫依次产生形状为细小颗粒的硫酸盐。每年，美国的燃煤电厂造成的颗粒污染缩短了30000多人的寿命。数十万的美国人受到哮喘、心脏疾病以及上呼吸道和下呼吸道疾病的困扰，这些都与电厂排放的细小颗粒物有关。

煤燃烧对环境的影响

预计到2030年，全世界的电力需求将上升60％(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2004/weo2004.pdf)。随着世界范围内仍在进行生产的燃煤电厂总量达到50000多家并且还在不断上升，国际能源署(InternationalEnergy Agency，IEA)估计，化石燃料在2030年将仍然占到能源市场的85％(http://www.sciencedaily.com/releases/2007/11/071114163448.htm)。让世界组织以及国际能源署等国际机构担心的是，燃烧化石燃料对环境的影响。依据生产每单位的电产生的二氧化碳水平来看，燃煤发电站对碳的利用效率最低。由于化石燃料的杂质和化学组分的缘故，它的燃烧将导致酸雨、全球变暖和空气污染(美国人为的二氧化碳排放中有41％是由发电引起的)(http://www.epa.gov/climatechange/emissions/co2_human.html)。氮氧化物和二氧化硫被排放到了空气中，这导致酸雨的形成。这些氮氧化物和二氧化硫本身的酸性可能很适度，但当它们与大气发生反应后，会产生酸性化合物，例如亚硫酸、硝酸和硫酸，这些酸是以雨水的形式落下，所以术语是酸雨。在欧洲和美国，更严格的排放法律已经降低了该问题引起的环境危害。

煤还含有少量的铀、钍和其他天然形成的放射性同位素，它们释放到环境中去会导致放射性污染。虽然这些物质以非常小的微量杂质的形式存在，但只要燃烧足够的煤就会大量释放出这些物质。一家1000兆瓦的燃煤电厂每年将释放出多达5.2吨的铀(包含74磅铀-235)和12.8吨的钍。这家燃煤电厂的放射性排放量是有着同样发电量、规模相当的核电厂的100倍；算上加工的输出量，燃煤电厂的辐射输出量超过3倍还多(http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev26-34/text/colmain.html)。

煤和其他化石燃料中存在有微量的汞(http://www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/pollutioncontrols/overview_mercurycontrols.html)。这些燃料燃烧时，会释放出有毒的汞，汞积聚在食物链中并且对水生生态系统尤其有害。据估计，1995年全球范围内自然和人为因素形成的汞的排放量达到5500吨。美国的燃煤电厂估计每年排放48吨的汞，这大约占到美国因为人为活动而排放到空气中的所有汞的三分之一。

即使没有空气或者只有低于化学计量的氧气存在，气化也能在反应器中发生。在没有空气或者低于化学计量的氧气的情况下发生的热化学反应不会形成氮氧化物和硫氧化物。因此，气化能够消除燃料燃烧时形成的大量污染物，尤其是例如煤的含硫的燃料。

气化产生气态的、富含燃料的产物，被称为合成气体(合成气)。气化期间发生两个将燃料源转化为可用燃气的过程。在第一个阶段，在低于600℃(1112°F)的温度下热解，释放出燃料的挥发性组分，这个过程被称作脱挥发。热解还产生主要由碳、木炭和灰分组成的炭。在第二个气化阶段，热解后剩余的碳与蒸汽、氢气或纯氧发生反应。采用纯氧的气化由于没有来自空气中的氮气的稀释，可获得一氧化碳和氢气的高质量混合物。

已经发展了各种各样的气化器。它们可以归为四个主要的类别：向上通风固定床、向下通风固定床、鼓泡式流化床以及循环流化床。其差别主要是在于反应容器中对燃料源的支持方式、燃料和氧化剂的流向以及反应器的供热方式。这些气化器设计上的优点和缺点已经在文献中作出了详细的记载，例如，Rezaiyan,J.and Nicholas P.Cheremisinoff,Gasification Technology,A Primer for Engineers and Scientists.Boca Raton:CRC Press,2005，这篇文章的内容以参考的方式并入本文。

向上通风气化器，也被称作逆流气化，是最古老也最简单的气化器形式；而且现在它仍然用于煤的气化。从反应器的顶部引入燃料，在反应器底部设置有炉排，对反应床进行支撑。空气或氧气和/或蒸汽形式的氧化剂从炉排下方引入并向上流动，通过燃料和炭的反应床。炭的完全燃烧发生在反应床的底部，释放出CO₂和H₂O。这些热气体(约1000℃)穿过上面的反应床，并在那里还原成H₂和CO，并冷却至约750℃。还原气体(H₂和CO)继续进入反应器，热解下降的干燥燃料并且最后对任何进入的湿燃料进行干燥，使得反应器的温度较低(约500℃)。向上通风气化是简单且低成本的工艺，能够处理高水分和高无机物含量燃料。向上通风气化最主要的缺点在于，合成气体含有10-20％重量的焦油，这就要求应用在引擎、涡轮机或合成之前，要进行大范围的合成气清洁。

向下通风气化器，也被称作顺流气化，具有和向上通风气化器相同的机械构造，除了一点，向下通风气化的氧化剂和产物气体沿着反应器流动(方向与燃料方向相同)，并且能够燃烧所形成的99.9％的焦油。在反应器顶部的反应区，引燃低水分燃料(低于20％)和空气或者氧气，产生热解气体/蒸汽，其强烈燃烧后留下5-15％的炭和热燃烧气体。这些气体向下流动并在800-1200℃下与炭发生反应，在冷却至800℃以下的同时产生更多的CO和H₂。最后，未转化的炭和灰分穿过炉排底部，被送至处理。向下通风气化的优点在于消耗了所形成的焦油的99.9％，这就使得对焦油可以简单的清除也可以不进行清除。矿物质和炭/灰分留下来，减少对气旋的需求。向下通风气化的缺点在于：需要将原料干燥成湿度较低(低于20％)；反应器中的合成气温度很高，使得需要次级热量回收系统；并且4至7％的碳未被转化。

起泡式流化床由沙或矾土(alumina)的细小惰性颗粒构成，且已经在粒度、密度和热特性方面对这些颗粒进行了选择。由于使气体(氧气、空气或蒸汽)强制性地通过惰性颗粒，那么当颗粒和气体之间的摩擦力抵消固体物的重量时，就实现了目的。在该气体速度(最小流态化)下，固体颗粒物悬浮起来，可能发生起泡以及气体窜流通过介质，从而使得颗粒保留在反应器中并看起来是处于“沸腾态”。最低流态化速度与最小起泡速度和窜流速度并不相等。对于粗颗粒来说，最低起泡速度和窜流速度相近或几乎相等，但是由于气体分布的缘故，窜流速度可能完全不同。流态化颗粒易于中断送至流化床的燃料并且保证了整个反应器内良好的热传递。起泡流化床的优点在于生成了均匀的产物气体并且实现了整个反应器内几乎均匀的温度分布。起泡流化床还能接受各种各样的燃料颗粒粒度，其中包括细微颗粒；另外，还在惰性气体、燃料和气体之间实现了高速率的热传递。

循环流化床式气化器的工作气体速度高于所谓的传输速度或者循环流态化的起点速度，在此速度下，带走的流化床颗粒大大增加，使得需要连续不断地将带走的颗粒供应或循环回至流化床，以在流化床中维持稳定的气体-固体体系。由于流化床材料的高热容量，循环流化床气化适合于提供高传热率的快速反应。循环流化床式气化器能够实现高转化率，而同时低焦油和未转化的碳。

正常情况下，这些气化器采用同质的燃料源。一个恒定不变的燃料源能使气化器被校准，以始终如一地形成所需产物。每种气化器只对一定范围内的燃料特性，如稳定性、气体质量、效率和压力损失等，能实现令人满意的运转。其中一些燃料特性是能量含量、含水量、挥发物质含量、灰分含量和灰分化学组分、反应性、粒度和粒度分布、堆积密度以及炭性质。在为任一单独的燃料选择气化器之前，重要的是要保证燃料满足气化器的要求，或者保证燃料经过处理后能满足要求。如果燃料之前还没有被成功气化过，那么需要进行操作测试。

正常情况下，气化器采用同质的燃料源来生成合成气体。一个恒定不变的燃料源能校准气化器，使其始终如一地形成所需产物。每种气化器只对于一定范围内的燃料特性，如稳定性、气体质量、效率和压力损失等，能实现令人满意的运转。一些用于燃烧和气化的燃料的特性是高热值(high heatingvalue，HHV)含量、碳(C)含量、氢(H)含量和氧(O)含量、BTU值、含水量、挥发物质含量、灰分含量和灰分化学组分、硫含量、氯含量、反应性、粒度和粒度分布以及堆积密度。在为任一单独的燃料选择气化器之前，重要的是要保证燃料满足气化器的要求，或者保证燃料经过处理后能满足要求。如果燃料之前还没有被成功气化过，那么需要进行实际测试。

用于燃烧和气化的大量原料的一个潜在来源就是废弃物。废弃物，例如城市固体废弃物(municipal solid waste，MSW)，通常被处理或用于燃烧过程以产生用于涡轮机的热和/或蒸汽。上文已经对燃烧的缺点进行了描述，这些缺点包括污染物的产生，例如破坏环境的氮氧化物、硫氧化物、颗粒物质和氯产物。

煤燃烧引起的温室气体对环境的影响

当今环境面临的最大的威胁之一在于燃料(例如煤)燃烧将污染物和温室气体(greenhouse gases，GHG)释放到大气中。温室气体(例如二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、水蒸汽、一氧化碳、氧化氮、二氧化氮和臭氧)从射入的太阳辐射中吸收热量，但并不允许长波辐射通过，而将其反射回天空。大气中的温室气体俘获吸收的热量和并使地表变暖。在美国，温室气体的排放大多来自于因经济增长而需要大量用于能源、发电所用的燃料以及受天气模式影响的供暖与降温需求。与能量相关的二氧化碳排放来源于石油和天然气，占到美国人为温室气体排放量的82％。另一种温室气体，甲烷，来源于填埋场、煤矿、石油和气体操作以及农业；它占到总排放量的9％。同时，一氧化二氮(占到总排放量的5％)来源于燃烧的化石燃料以及某些肥料的使用和工业过程。在2001至2025年间，整个世界的二氧化碳排放量预计要以每年1.9％的速度增长。预计这些气体排放量的增长大多都发生在发展中国家，例如中国和印度，其新兴经济的发展需要化石燃料。在2001至2025年间，预计发展中国家的排放量每年的增长高于世界平均水平的2.7％，并且在2018年来临之前超过工业化国家的排放量。

垃圾填埋场也是温室气体排放的重要源头，主要是因为在废弃物(例如城市固体废弃物)分解期间会释放出甲烷。甲烷的温室气体特性比与二氧化碳高出二十多倍，并且垃圾填埋场也需要对人为排放中的约4％负责。燃烧废弃物或在垃圾填埋处收集甲烷都能极大地减少甲烷气体的排放。从垃圾填埋处收集的甲烷气体能直接用于能源生产或烧掉，换而言之，即通过燃烧排放而没有产生能源。参见科学日报2007年12月8号出版的《燃烧废弃物能减少温室气体的排放》(Combustion Of Waste May Reduce Greenhouse GasEmissions,ScienceDaily,Dec.8,2007)。

根据人类活动产生的温室气体的量来衡量人类活动对环境的影响，方法之一是检测碳印迹，即以二氧化碳(CO₂)为单位进行检测。碳印迹可看作是一个产品或一种服务整个生命周期排放的二氧化碳和其他温室气体的总量。正常情况下，碳印迹通常表述为CO₂当量(单位通常为千克或吨)，其说明了不同温室气体的对全球变暖产生同样的影响。可采用“生命周期评价”方法来对碳印迹进行计算，或者可将碳印迹限定为使用化石燃料的能量所带来的直接排放。

碳印迹的另一定义是在一年期间，个体行动(主要是通过能量使用)产生的CO₂的总量。该定义解释了对个体碳的计算。这个术语源自于这样一种想法，即个人活动后所剩下的就是印迹。碳印迹可以只考虑直接排放(通常由家庭中和移动中的能量使用所引起，包括开车、坐飞机、乘火车和乘坐其他公共交通工具进行旅行)，或者也包括间接排放，其中包括消费商品和享受服务所导致的CO₂排放以及随之而来产生的垃圾。

通过执行下列步骤，可有效减少碳印迹：(i)进行生命周期评价，以准确确定当前的碳印迹；(ii)根据能量消耗和与其相关的CO₂排放，确认热点；(iii)优化能量效率，并由此生产过程使得CO₂排放和其他温室气体排放量减少；以及(iv)确认解决办法以处理节能措施无法消除的CO₂排放。最后一个步骤包括碳抵消以及目的在于减少CO₂排放的工程的投资。

购买碳补偿是另一种减少碳印迹的方法。一个碳补偿可减少一吨CO₂当量。出售碳补偿的公司对可再生能源研究、农业和填埋场的气体捕获以及植树等工程进行投资。

购买和取回排放交易信用额的行为也是存在的，这就在自愿的碳市场和管制的碳市场之间建立了联系。排放交易方案为组织和公司提供了降低其碳印迹的经济刺激。那些方案存在于限额交易体系，在这一体系中，某一国家、地区或部门的总碳排放量为一定值，且准许组织的排放量为总排放量的一部分。那些排放的碳低于其排放目标值的组织可以出售他们“多出来的”碳排放量。

对于许多废弃物来说，经过处理的材料表现为经过一系列步骤后所剩下的东西，这些步骤包括：(i)原材料的提取和处理；(ii)产品制造；(iii)运输材料和产品至市场；(iv)消费者使用；以及(v)废弃物管理。实际上在“生命周期”的每一步骤中，都存在温室气体(GHG)的潜在影响。废弃物管理对温室气体的影响是通过影响与制造、运输、使用以及处理变为废弃物的产物或材料相关的能量消耗(特别地，化石燃料的燃烧)以及影响来自垃圾填埋场中的废弃物的温室气体排放。

焚化通常减少了约90％的城市固体废弃物，剩余的10％的原始城市固体废弃物仍然需要进行填埋。这类焚化过程产生大量的温室气体，二氧化碳。通常情况下，焚烧期间排出的每当量CO₂产生的能量非常少，这样就使得焚烧城市固体废弃物以用于能量生产成为产生温室气体并释放至大气中的的罪魁祸首之一。因此，如果需要避免温室气体的排放，那么还需要除了填埋和焚烧以外的新的废弃物(例如，城市固体废弃物)处理办法。

每种经过被作为废弃物处理的材料都会产生不同的温室气体影响，这取决于制造和处理方式。废弃物管理的目标中最重要的温室气体是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和全氟碳。在这些温室气体中，二氧化碳(CO₂)是目前为止美国排放的最常见的温室气体。大多数二氧化碳的排放都来源于能量的使用，特别是化石燃料的燃烧。二氧化碳是测量热捕获潜能值(heat-trappingpotential)(也被称作全球变暖潜能值(GWP))的参比气体。一千克二氧化碳的GWP定义为1。甲烷的GWP是21，也就是说一千克甲烷的热捕获潜能值与21千克的CO₂一样。一氧化二氮的GWP是310。全氟碳的GWP最高，其中CF₄的GWP达到6500以及C₂F₆的GWP达到920。二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和全氟碳的排放量通常以“碳当量”来表示。由于CO₂按重量算是碳的12/44，所以一公吨CO₂等于12/44或者0.27公吨碳当量(metric tons ofcarbon equivalent,MTCE)。一公吨其他气体的MTCE值是通过将其GWP与因子12/44相乘而确定的(The Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC),Climate Change 1995:The Science of Climate Change,1996,p.121)。在无氧(厌氧的)环境中，例如填埋场中，有机废弃物分解时会产生GWP更高的甲烷(CH₄)。在美国，填埋场是产生甲烷的最大源头。

当回收的废弃材料经过处理后用于取代化石燃料时，通常会更好地实现温室气体排放的减少。如果被取代的材料具有生物性(来源于活生物体的材料)，那么并不总是能降低排放量。即使是其他因素(例如废弃材料的处理和使用过的产品的处理)也会影响排放平衡。例如，由回收织物制造的吸油面纸，与使用新的塑料相比，会降低排放。另一个例子发现，将回收的塑料用作建筑材料的原料比采用浸渍木材要好。这是因为对于减少排放，塑料的燃烧比起浸渍木材会导致更多的排放。如果被取代的材料是基于化石燃料的，或者是混凝土或钢，结果可能会对回收塑料更有利。

考虑到温室气体对环境的影响，各级政府正考虑，在一些情况下已经启动以降低在燃料转化为能量时释放至大气中的温室气体为目的的项目。其中一个倡议就是“区域温室气体倡议”(Regional Greenhouse Gas Initiative，RGGI)。RGGI是面向市场的计划，旨在降低东北地区发电厂造成的全球变暖性污染。美国的不同片区在联盟水平考虑了其他的如是倡议。RGGI是一个在美国东北部的强制性的温室气体交易体系。例如，该项目将要求燃煤发电厂平均每年积极地减少其2.5％的温室气体排放。实现该目的的其中一个方式就是更换燃料来源或清洗排放物以减少污染物。另一个替代方式就是向那些能够补偿其大气排放的其他公司购买碳信用额。

另外还需要避免硫和氯的排放。应该避免使含有大量硫和氯的燃料和废弃物进行燃烧和气化反应。“大量”的定义是当这些量加入最终燃料原料后，使得最终燃料原料含有超过2％的硫和超过1％的氯。当燃烧材料(例如煤、使用过的轮胎、地毯和橡胶)时，会释放出不被容许量的含有硫和氯的有害气体。

因此，需要一种能够有效且干净地进行燃烧并且还能用于生产能量和/或化学制品的替代燃料。同时还需要废弃物管理系统，以执行通过利用此类废弃物来降低废弃物的温室气体排放的方法。特别地，需要通过影响材料的生命周期末期管理来降低其碳印迹。通过治理和使用包含在废物中的能量，在废物处理和有效利用那些由商业和住宅的消费者产生的废物的过程中,有可能减少产生的温室气体排放

本发明的目的是提供一种具有特定的化学分子特性(例如碳含量、氢含量、氧含量、硫含量、灰分含量、含水量以及用于含碳材料(例如煤)的热转化的高热值(HHV))的工程燃料原料(engineered fuel，EF)。本文所述的工程燃料原料具有多种用途，包括但不限于，补偿或取代煤来作为燃煤发电厂的原料。本发明的另一个目的是提供新型原料，其燃烧的排放比燃烧煤的排放更好。

发明内容

本发明描述了一种包括至少一种由处理过的城市固体废物流衍生的组分的工程燃料原料，该原料具有一系列能使其具有多种燃烧和气化用途的化学分子特性。本文中描述了原料的用途，例如，作为煤的替代物或者煤的补充物进行能量的生产，以及作为用于气化和生产合成气体的原料源。该原料的形式可以是松散的材料、致密的立方体、坯块、小球或其他合适的形状和形式。描述了一种生产工程燃料原料的方法，其包括这样的过程，在此过程中大量的废物流，包括固体和液体废物被加工，以及如果必要，在材料回收中心先进行分离以便对废物流包含的组分进行分类整理。在一些实施例中，包含在材料回收设备中的废物流的材料被按化学分子特征分类整理，但并不分离；这些分类整理过的材料可以被储藏用于随后的生产理想的具有特别化学分子组成的工程燃料原料。在其他实施例中，含有废物流的材料进入材料回收设施中，然后根据其化学分子特性进行分离并分别进行分类以用于生产工程燃料原料。这些含有废物流的材料进入材料回收设施后，能够在分离期间根据(例如)BTU燃料含量、碳含量、氢含量、灰分含量、氯含量或其他任何适合的特性进行正面地或反面地选取，以用于气化和燃烧。本发明还描述了用于制造本文所述的工程燃料原料的方法。

公开了设计HHV燃料的算法。例如，HHV燃料可设计来具有最高的合理热含量以及可接受的灰分含量，以阻止出渣的发生。这些燃料具有与煤相当的能量密度(BTU/lb)，却没有出渣、熔结和硫污染的问题，并且还能用作煤的替代物或补充物。而且，通过例如在气化之前对原料中的碳、氢、氧的含量进行优化，工程燃料原料还可设计来产生高质量的合成气。那些工程的燃料原料生产高质量合成气体，依据HHV值，决定合成气体是否被用于电力生产应用；或者依据H2/CO比例以及存在于产品合成气体中的CO和H2的量，决定合成气体是否被用于化学合成应用。工程燃料原料还可设计来最小化有害排放，例如工程燃料原料含有不到2％的硫。不同的废物流组分，包括可回收材料和回收残渣，都能用于生产所需的工程燃料原料。进入材料回收设备的废物的生命周期的任何假设时间，对废物流中的一些或全部组分，可能确定的是，对全部或一部分废物流的最有效和最好的利用就是回收利用。

相应地，本发明一方面提供了一种工程燃料原料，其包括至少一种由处理过的城市固体废物流所衍生的组分，该原料还含有超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物。

在一些实施例中，原料还包括低于约15％的含水量。在一些实施例中，含水量为约5％至约10％。在一些实施例中，原料的高热值为约9,000BTU/lb至约15,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约40％至80％。在一些实施例中，原料的碳含量为约60％至约70％。在一些实施例中，原料的碳含量为约70％至约80％。在一些实施例中，原料的碳含量超过约80％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约5％。在一些实施例中，原料的高热值为约10,000BTU/lb至约14,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的H/C比例为约0.06至0.1。在一些实施例中，原料的O/C比例为约0.01至0.05。在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的原料生产合成气体，其包括：约25％体积至约30％体积的H₂；约42％体积至约48％体积的N₂；约12％体积至约17％体积的CO；约2％体积至约5％体积的CH₄；约5％体积至约10％体积的CO₂；以及约160BTU/scf至约200BTU/scf的高热值。在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约40％至80％。工程燃料原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物(除了那些使得工程燃料原料赋予惰性所必须的)。

在一些实施例中，原料的碳含量为约50％至约60％。在一些实施例中，原料的碳含量为约60％至约70％。在一些实施例中，原料的碳含量为约70％至约80％。在一些实施例中，原料的碳含量为约65％。在一些实施例中，原料的碳含量为约75％。

在一些实施例中，原料的氢含量为约5％至8％。在一些实施例中，原料的氢含量为约6％至7％。

在一些实施例中，原料的含水量为约12％至20％。在一些实施例中，原料的含水量为约18％至20％。

在一些实施例中，原料的灰分含量低于约10％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约9％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约8％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约7％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约6％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约5％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约4％。在一些实施例中，原料的灰分含量低于约3％。

在一些实施例中，原料的高热值HHV为约9,000BTU/lb至约15,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的HHV值为约10,000BTU/lb至约14,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的HHV值为约11,000BTU/lb至约13,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的HHV值为约10,000BTU/lb。

在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约50％至70％。在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约60％。

在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.025至约0.20。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.05至约0.18。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.07至约0.16。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.09至约0.14。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.10至约0.13。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.11至约0.12。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.13。在一些实施例中，工程燃料原料的H/C比例为约0.08。

在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.01至约1.0。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.1至约0.8。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.2至约0.7。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.3至约0.6。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.4至约0.5。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.9。在一些实施例中，工程燃料原料的O/C比例为约0.01。

在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的原料生产的合成气体，其包括：约6％体积至约30％体积的H₂；约14％体积至约25％体积的CO；约0.3％体积至约6.5％体积的CH₄；约6.5％体积至约13.5％体积的CO₂；以及约44％体积至约68％体积的N₂。

在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的工程燃料原料生产的合成气体，其H₂/CO比为约0.3至约2.0。在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的工程燃料原料生产合成气体，其H₂/CO比为约0.5至约1.5。在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的工程燃料原料生产合成气体，其H₂/CO比为约0.8至约1.2。在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的工程燃料原料生产合成气体，其H₂/CO比为约1.0。

在一些实施例中，在850℃和ER为0.34时进行气化的工程燃料原料生产合成气体，其包括约20％体积的H₂；约46％体积的N₂；约25％体积的CO；约1％体积的CH₄；约8％体积的CO₂；以及BTU/scf值为约160。

在一些实施例中，燃烧此工程燃料原料产生的有害排放低于燃烧煤所产生。在一些实施例中，燃烧此工程燃料原料产生的硫排放低于燃烧煤所产生。在一些实施例中，燃烧此工程燃料原料产生的HCl排放低于燃烧煤所产生。在一些实施例中，燃烧此工程燃料原料产生的重金属(例如汞)排放低于燃烧煤所产生。在一些实施例中，工程燃料原料设计来避免排放颗粒物质、NOx、CO、CO2、挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)和卤素气体。

在一些实施例中，与燃烧煤所产生的温室气体排放相比，工程燃料原料设计来减少了温室气体排放。在一些实施例中，工程燃料原料设计来减少了燃烧生物物质(例如木材、柳枝稷等)引起的温室气体排放。

在一些实施例中，原料为松散、非致密的形式。在其他实施例中，工程燃料原料为致密的形式。在一些实施例中，致密形式为立方形。在一些实施例中，致密形式为矩形。在其他实施例中，致密形式为圆柱形。在一些实施例中，致密形式为球形。在一些实施例中，致密形式为坯块。在其他实施例中，致密形式为小球。在一些实施例中，致密的燃料被切成不同厚度的片。在一些实施例中，厚度为约0.19英寸至约0.75英寸。在一些实施例中，工程燃料原料，除了来自处理过的城市固体废物流的所衍生的组分之外，还包括至少一种提升燃料小球气化的废弃材料。在一些实施例中，提升是降低了灰分。在其他实施例中，提升是有助于温度控制。还在其他实施例中，提升是减低硫排放。还在其他实施例中，提升是降低氯排放。还在其他实施例中，提升是降低重金属排放。

在一些实施例中，工程燃料原料被赋予惰性。在一些实施例中，工程燃料原料还包括至少一种赋予原料惰性的添加剂。在一些实施例中，添加剂可以混入处理过的城市固体废弃物中，赋予所得原料惰性。一些湿的城市固体废弃物含有比较多的生存能力强的细菌细胞，这些细胞在潮湿的条件下能够在发酵期间产生热和氢气，例如，在长时间的储存和运输期间。例如，可将添加剂(例如氢氧化钙)添加到城市固体废弃物中，从而阻止食物残渣的腐烂并且加速固体废弃物的干燥。在一些实施例中，使得原料赋予惰性的添加剂是氧化钙。添加剂的不受限制的其他实例是硫铝酸钙和其他硫酸盐化合物，只要它们不会干扰其中使用了小球的下游操作。

替代地，可通过任何已知的能使生物材料变得不活泼的方法来使城市固体废弃物变得生物学上惰性。例如，X射线可用于城市固体废弃物处理之前或之后使其变得不活泼。干燥可用于去除有机体(例如微生物)生长必需的水。以高热并且优选地以压力下(高压灭菌法)的高热来处理城市固体废弃物也会使其变得生物学上不活泼。在一个实施例中，由工程小球供给燃料的往复式蒸汽机或涡轮机产生的多余的热能够通过系统进行重定向，并且能用于使城市固体废弃物赋予惰性。在其他实施例中，借助微波辐射等措施来赋予原料惰性。

在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的直径为约0.25英寸至约1.5英寸。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的长度为约0.5英寸至约6英寸。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的表面体积比为约20:1至约3:1。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的堆积密度为约10lb/ft³至约75lb/ft³。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的孔隙率为约0.2至约0.6。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的纵横比为约1至约10。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的导热率为约0.023BTU/(ft·hr·°F)至约0.578BTU/(ft·hr·°F)。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的比热容为约4.78×10^-5BTU/(lb·°F)至约4.78×10^-4BTU/(ft·hr·°F)。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式的热扩散率为约1.08×10^-5ft²/s至2.16×10^-5ft²/s。

在一些实施例中，至少一种提升燃料小球气化的废弃材料是选自脂肪、油和油脂(fats，oils and grease，FOG)。在一些实施例中，至少一种提升燃料小球气化的废弃材料是淤泥。在一些实施例中，工程燃料原料的致密形式实质上在内部封装了FOG组分。在一些实施例中，使封装层形成刻痕。在另外的实施例中，工程燃料原料的封装致密形式的刻痕使得燃料能在气化过程中比没有刻痕的燃料更有效地进行脱挥发。

另一方面，描述了由包含下列步骤的过程来生产的工程燃料原料，该原料含有超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物：

a)从材料回收设施接收大量的城市固体废弃物供料；

b)当步骤a)中的大量城市固体废弃物供料通过材料回收设施时，根据组分的化学分子特性，对其组分进行分类；

c)将在步骤b)中分类的大量城市固体废弃物供料的组分的化学分子特性与工程燃料原料的化学分子特性进行对比；

d)d)可选择性的加入额外的具有特定化学分子特征的工程燃料原料组分，这些组分与由步骤b)分类整理出的组分的总和等于工程燃料原料的化学分子特征。在一些实施例中，原料的高热值为约9000BTU/lb至约15,000BTU/lb。在一些实施例中，燃料原料的挥发性物质的含量在约40％至约80％之间。在一些实施例中，减小工程燃料原料的尺寸以使其变得均匀。在一些实施例中，对工程燃料原料进行致密。在一些实施例中，致密的工程燃料原料的形式为坯块。在一些实施例中，致密的原料的形式为小球。在一些实施例中，致密的原料的形式为立方体。

另一方面，描述了由包含下列步骤的过程生产的工程燃料原料：

a)根据化学分子特性，将材料回收设施的大量城市固体废弃物供料分离为大量城市固体废弃物组分；

b)为工程燃料原料设计化学分子特性：超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；

c)选择步骤a)中的城市固体废弃物组分，其化学分子特性的总和等于在步骤b)中选择的化学分子特性；

d)如果步骤c)中选择的城市固体废弃物组分的化学分子特性不等于步骤b)中选择的化学分子特性，那么选择性地将其他的燃料组分加入至步骤c)中选择的城市固体废弃物组分中；以及

e)将步骤c)中的组分与步骤d)中选择性加入的组分混合。

在一些实施例中，减小步骤e)中的混合物的尺寸有助于使工程燃料原料变得均匀。在一些实施例中，为步骤e)中的混合物的致密形式或步骤e)中的尺寸减小的混合物确定尺寸和形状。在其他实施例中，对步骤e)中的尺寸减小的混合物进行致密。在一些实施例中，工程燃料原料的高热值为约9000BTU/lb至约15,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约40％至80％。

另一方面，描述了制造由处理过的城市固体废物流衍生的的工程燃料原料的方法，其包括下列步骤：

a)从处理过的城市固体废物流中选择多种组分，这些组分共同地具有如下的化学分子特性：超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物；

b)将步骤a)中选择的组分进行结合和混合以形成原料；

c)将步骤b)中的原料的所得化学分子特性与步骤a)中的化学分子特性进行对比；

d)如果步骤b)中选择的城市固体废弃物组分的化学分子特性不等于步骤a)中的化学分子特性，那么选择性地将其他的燃料组分加入至步骤b)中选择的组分中。

在一些实施例中，减小步骤b)或步骤d)中的混合物的尺寸有助于使工程燃料原料变得均匀。在一些实施例中，为步骤b)中的混合物或步骤b)或d)中的尺寸减小的混合物的致密形式确定尺寸和形状。在一些实施例中，对步骤b)中的混合物进行致密。在其他实施例中，对步骤e)中的尺寸减小的混合物进行致密至约10lbs/ft³至约75lbs/ft³.。在一些实施例中，工程燃料原料的高热值为约9000BTU/lb至约15,000BTU/lb。在一些实施例中，原料的挥发物质含量为约40％至80％。

另一方面，描述了制造工程燃料原料的方法，其包括下列步骤：

a)接收多种城市固体废物流；

b)为工程燃料原料选择化学分子特性：超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及，其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物；

c)根据组分的化学分子特性，对城市固体废物流的组分进行分类；

d)将步骤c)中多个城市固体废物流的已分类组分的化学分子特性与步骤b)中选择的化学分子特性进行对比；

e)选择性地将其他的燃料组分加入至步骤c)中已分类组分要求的化学分子特性中，以满足步骤b)中工程燃料原料需要的化学分子特性。在一些实施例中，对步骤c)或e)的工程燃料原料进行混合。在一些实施例中，减小步骤c)或e)的工程燃料原料的尺寸。在一些实施例中，对步骤c)或e)的工程燃料原料进行致密。在一些实施例中，对步骤c)或e)的尺寸减小的工程燃料原料进行致密。在一些实施例中，对工程燃料原料进行致密，使得密度为约10lbs/ft³至约75lbs/ft³.。

在一些实施例中，对工程燃料原料进行致密以形成坯块。在其他实施例中，对工程燃料原料进行致密以形成小球。

本发明具体涉及以下方面：

1.一种工程燃料原料，包括至少一种由处理过的城市固体废物流衍生的组分，该原来包含：超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物。

2.根据项1所述的原料，还包括低于约15％的含水量。

3.根据项2所述的原料，其中含水量为约5％至约10％。

4.根据项1所述的原料，其中原料的高热值为约9,000BTU/lb至约15,000BTU/lb。

5.根据项1所述的原料，其中原料的挥发物质含量为约40％至80％。

6.根据项1所述的原料，其中原料的碳含量为约60％至约70％。

7.根据项1所述的原料，其中原料的碳含量为约70％至约80％。

8.根据项1所述的原料，其中原料的碳含量超过约80％。

9.根据项1所述的原料，其中原料的氢含量为约6％至9％。

10.根据项1所述的原料，其中原料的灰分含量低于约5％。

11.根据项1所述的原料，其中原料的高热值为约10,000BTU/lb至约14,000BTU/lb。

12.根据项1所述的原料，其中原料的H/C比例为约0.06至0.1。

13.根据项1所述的原料，其中原料的O/C比例为约0.01至0.05。

14.根据项26所述的原料，其中工程燃料原料在850℃和ER为0.34时进行气化生产合成气体，该合成气体包括：约25％体积至约30％体积的H₂；约42％体积至约48％体积的N₂；约12％体积至约17％体积的CO；约2％体积至约5％体积的CH₄；约5％体积至约10％体积的CO₂；以及具有约160BTU/scf至约200BTU/scf的高热值。

15.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的有害排放低于燃烧煤的有害排放已知水平。

16.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的硫排放低于燃烧煤的硫排放已知水平。

17.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的氯排放低于燃烧煤的氯排放已知水平。

18.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的重金属排放低于燃烧煤的重金属排放已知水平。

19.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的颗粒物质排放低于燃烧煤的颗粒物质排放已知水平。

20.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的NOx排放低于燃烧煤的已知NOx排放水平。

21.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的CO排放低于燃烧煤的CO排放已知水平。

22.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的CO₂排放低于燃烧煤的CO₂排放已知水平。

23.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的挥发性有机化合物(VOCs)排放低于燃烧煤的VOCs排放已知水平。

24.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的卤素气体排放低于燃烧煤的卤素气体排放已知水平。

25.根据项1所述的原料，其中燃烧此工程燃料原料产生的温室气体排放低于燃烧煤的GHG排放已知水平。

26.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料为松散、非致密的形式。

27.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料为致密的形式。

28.根据项1所述的原料，其中致密形式为立方体。

29.根据项1所述的原料，其中致密形式为小球。

30.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料还进一步包括至少一种提升燃料原料的气化的组分。

31.根据项1所述的原料，其中提升是使产生的硫排放减少。

32.根据项1所述的原料，其中提升是使产生的氯排放减少。

33.根据项1所述的原料，其中提升是使产生的重金属排放减少。

34.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料被赋予惰性。

35.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料还进一步包括至少一种赋予原料惰性的添加剂。

36.根据项1所述的原料，其中至少一种赋予原料惰性的添加剂为氢氧化钙。

37.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的直径为约0.25英寸至约1.5英寸。

38.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的长度为约0.5英寸至约6英寸。

39.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的表面体积比为约20:1至约3:1。

40.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的堆积密度为约10lb/ft³至约75lb/ft³。

41.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的孔隙率为约0.2至约0.6。

42.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的纵横比为约1至约10。

43.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的导热率为约0.023BTU/(ft·hr·°F)至约0.578BTU/(ft·hr·°F)。

44.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的比热容为约4.78×10^-5BTU/(lb·°F)至约4.78×10^-4BTU/(lb·°F)。

45.根据项1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的热扩散率为约1.08×10^-5ft²/s至2.16×10^-5ft²/s。

附图说明

下面结合附图中所示的实施例对本发明进行说明，其中:

图1显示了通常可获得的燃料原料，例如，煤、FOG、木材、淤泥、黑液、橡胶和城市固体废物废物流，它们所处的位置是根据其氢含量和碳含量的比值(H/C)(lb/lb)以及其氧含量和碳含量的比值(O/C)(lb/lb)来确定的。

图2显示了一些新型工程燃料原料，其通过选择点线中已知的工程燃料原料并直接混合所选的燃料原料，以及在某些情况下，增加或减少含水量来制造。

图3显示了燃料原料直接燃烧的示意图。

图4显示了湿的燃料原料在不减少其含水量的情况下直接燃烧的示意图。

图5显示了在恒定的空气当量(ER)比(ER＝0.34)时，水分对典型的煤原料的气化温度、碳转化以及H₂+CO生产率的预测影响。

图6显示了对于典型的木材原料在800℃时，具有不同含水量的原料在合成气组成上的预测变化。

图7显示了对于典型的煤原料在850℃时，燃料含水量对碳转化、冷煤气效率冷煤气效率以及CO+H₂生产率的预测影响。

图8显示了对于纯碳在1000℃时，燃料含水量对碳转化、冷煤气效率冷煤气效率以及CO+H₂生产率的预测影响。

图9显示了对于通常的木材原料在850℃时，生产H₂/CO＝2.0的合成气所需要的预测的总供水量和外部供水量。

图10显示了对于通常的木材原料在850℃以及ER＝30时的预测CO+H₂生产率、冷煤气效率和H₂/CO比值。

图11提供了等式2的图解表示，显示了依据链增长参数α的不同产品的重量分数。

图12提供了生产具有各种的H₂/CO比值的合成气所需要的预测的所用原料中C/H和C/O比值。

图13提供了图表，其显示了与球形度、圆柱体长度和比表面积相对应的圆柱体直径。

图14提供了图表，其显示了具有不同碳含量和氢含量的原料以及其在空气气化中预测产生CO和H₂的量。

图15提供了图表，其显示了具有不同碳含量和氢含量的燃料进料以及其在空气/蒸汽气化中预测产生CO和H₂的量。

具体实施方式

本发明提供了新型工程燃料原料，其包括至少一种由城市固体废弃流衍生的组分，例如属于可回收材料中的不可回收部分的回收残渣，这些原料设计来具有预定的化学分子特性。这些原料可具有生物物质燃料(例如木材、柳枝稷)的化学分子特性，并且还可具有含高BTU的燃料(例如煤)的积极特性，同时却没有煤的消极属性，例如有害的硫排放。本发明还描述了具有在天然燃料(例如生物物质、煤或者石油燃料)中观察不到的化学分子特性的新型工程燃料原料。这些新型燃料含有，例如独特的碳、氢、硫和灰分比值，从而与已知燃料相比，它们的燃烧或气化大不相同。由于这些新型原料的燃烧或气化不同，因此能为许多不同种类的燃烧器和气化器提供新型燃料。由于天然燃料的均匀性，那些燃烧器和气化炉可充分运行，但不能最佳地运行，这是由于天然燃料的具有较少的优化化学分子特征。依据在此公开的方法，能工程化及合成那些工程燃料原料，其对于生产热能，电，生物燃料，石油，以及化学品都很有用。。

现可对高度多变且异质的废物流进行控制处理，并且多种由此所得的组分重新结合为一种表现为恒定且同质的燃料的工程燃料原料，以用于后续的转化过程。这些后续过程包括热解、气化和燃烧。工程燃料原料可单独使用来产生热能、电力、生物燃料或化学制品，或者还可用作其他燃料的补充物，与其它燃料一起用于这些和其他用途。描述了从天然异质的多种废物流加工同质的工程燃料原料的方法及过程，以及不同的燃料原料本身；这些燃料包含多种的最佳的物理和化学特征，可用于不同的转换过程。

根据使用燃料的转化过程的类型，可以将化学特征设计到所得的工程燃料原料中。原料可设计来用作燃料，包括其他有用燃料中的合成燃料、含高BTU的燃料(HHV燃料)以及用于生产高质量合成气的燃料。例如，工程燃料可设计来具有与已知固体燃料(例如木材、煤、焦炭等)相同或相似的化学分子特性，并且用作用于燃烧和气化的燃料的替代物或补充物。设计和合成其他的燃料，其具有与天然形成的燃料不同的化学分子特性。例如，含高BTU的燃料可设计来具有最高的合理热含量以及可接受的灰分含量，以阻止出渣的发生。这些燃料具有与煤相当的能量密度(例如碳含量和氢含量)，却没有出渣、熔化和硫污染的问题(灰分含量、硫含量和氯含量)，能用作煤的替代物或补充物。通过优化(例如)工程燃料原料中的碳含量、氢含量、氧含量、含水量和灰分含量，燃料可设计来生成高质量的合成气。依据合成气热值、H₂/CO比值以及CO、H、CO₂和CH₄的量，这类燃料生产了高质量的合成气。由于没有形成或者形成的熔渣很少以及形成的焦油最少，这些生产高质量合成气的燃料使得气化器能够稳定地运转(在合适的气化器温度下)。在本领域中，描述了热转换设备，其被设计为适合于自然界发现的特定的燃料，在这些情况下，当使用非设计燃料共同燃烧时，经常会遇到操作的问题或者需要改善设备。本发明提供了一种最理想的燃料，它能出色地与已知热转化装置相适应并且不需要对设备进行任何改进。

此处所述的工程燃料原料提供了一种有效的方式，其通过(例如)降低工作温度、减少对氧气供应或蒸汽供应的需求、或放宽排放控制来使热转化装置的工作条件变得适中。此处所述的方法提供了一种高效的方式，能将低等燃料(例如淤泥、庭院废物、食物垃圾等)进行升级，以转化为高质量燃料。

下面的说明书更加详细地描述本发明。

术语

术语“空气当量比”(ER)是指供应至气化器的空气量除以完全燃料燃烧所需的空气量而得到的比值。空气当量比，“ER”，可用下列等式来表达：

术语“英制热量单位”(BTU)是指将一磅水的温度提高一华氏度所需的热量。

术语“碳界限”是指当加入正好够的氧以实现完全气化或碳转化时所获得的温度。在此温度以上不存在固体碳。

术语“碳含量”是指固定碳(见下方定义)和原料中所有挥发物质含有的所有碳。

术语“碳转化”是指将燃料原料中的固体碳转化为含碳气体，例如在大多数气化操作中出现的CO、CO₂和CH₄。

术语“商业废弃物”是指商店、办公室、饭店、仓库和其他非制造、非加工活动产生的固体废弃物。商业废弃物不包括家庭、处理、工业或特殊废弃物。

术语“建筑和拆卸废弃物”(“construction and demolition debris”，C&D)是指公用设施、建筑物和道路的建造、重建、修理和拆除引起的未污染的固体废弃物；以及地面清理引起的未污染的固体废弃物。这类废弃物包括，但不限于，砖、混凝土和其他砖石材料、泥土、岩石、木材(包括着色的、处理过的和涂覆过的木材和木质产品)、地面清理废料、墙面材料、石膏、干板墙、卫生器具、非石棉绝缘物、屋顶木瓦和其他屋面覆盖层、沥青路面、玻璃、无密封来掩盖其他废弃物的塑料、容量为十加仑或更少且底部留下的残渣不高于一英寸的空桶、不含危险液体的电线和电子元件以及任何上述附带的管子和金属。不是建筑和拆卸废料的固体废弃物(即使是由公用设施、建筑物和道路的建造、重建、修理和拆除引以及地面清理所引起的)包括，但不限于，石棉废弃物、垃圾、瓦楞箱纸板、含有危险液体的电气设备(例如日光灯镇流器或变压器)、荧光灯、毛毯、家具、家用电器、轮胎、桶、容量超过十加仑的容器、底部留下的残渣高于一英寸的容器以及燃料罐。特别地，由任何能使个体废弃物组分难以识别的加工技术(例如磨粉或者撕碎)制造的固体废弃物(包括那些否则是建筑和拆卸废料的废弃物)不属于建筑和拆卸废弃物的定义。

术语“脱挥发”是指从工程燃料原料去除挥发性材料以增加工程燃料原料中的碳的相对量的过程。

术语“固定碳”是指通过近似分析确定除去水分、灰土和挥发物质后的材料平衡。

术语“垃圾”是指从食品的处理、储存、销售、制备、烹饪或供应中产生的包括动物和蔬菜废料的易腐烂的固体废料。垃圾主要来源于家庭厨房、商店、市场、饭店和其他存储、制作或供应食物的地方。

术语“气化”是指采用非燃烧热过程将固体废弃物转化为干净的燃烧燃料以用于产生(例如)电力、液体燃料和柴油馏出物的技术。非燃烧是指在热过程中不会使用空气或氧气或低于化学计量的氧气。

术语“有害废弃物”是指表现出有害废弃物的四种特性(反应性、腐蚀性、可燃性和/或毒性)或者由环境保护局(Environmental Protection Agency EPA)在40CFR的第262部分中特别指定的固定废弃物。

术语“热值”定义为当燃料在稳定流动过程中完全燃烧并且产物返回到反应物状态时释放的能量。热值取决于燃烧产物中的水的状态。如果H₂O是液体形式时，热值被称作HHV(较高热值)。当H₂O是水蒸气形式时，热值被称作LHV(较低热值)。

术语“较高热值”(HHV)是指产物为液态水的完全燃料燃烧所释放的热值。在不含水分的情况下，任何燃料的较高热值都可采用下面的等式进行计算：

HHV_燃料＝146.58C+568.78H+29.4S–6.58A-51.53(O+N)

其中，C、H、S、A、O和N分别是以重量百分比表示的碳含量、氢含量、硫含量、灰分含量、氧含量和氮含量。

术语“城市固体废弃物”(municipal solid waste，MSW)是指住宅区、商业或工业区以及公共机构产生的固体废弃物，还包括伴随建筑和拆除废弃物的所有可处理组分的可处理废物，但并不包括有害废弃物、废旧汽车和其他机动车辆废弃物、传染性废弃物、石棉废弃物、被污染的泥土和其他吸收媒介以及除了来自家用炉的灰尘外的灰分。使用过的轮胎也不属于城市固体废弃物的定义。城市固体废弃物的组分包括但不限于塑料、纤维、纸、庭院废物、橡胶、皮革、木材以及回收残渣，回收残渣是是一种城镇固体废物被处理且大量成份被从城市固体废物整理分类过后，在可回收材料中包含的不可回收部分的残余物组分。

术语“不可处理废弃物”(也被称作不可燃烧废弃物)是指在气化系统中不能轻易地进行气化的废弃物并且它在气化中不释放任何碳或氢到产生的合成气体中。不可处理废弃物包括，但不限于，电池(例如干电池、汞电池和车辆用蓄电池)；冰箱；火炉；冷冻柜；洗衣机；干燥机；床用弹簧；车架零件；曲轴箱；传动装置；引擎；割草机；吹雪机；自行车；文件柜；空调；热水加热器；储水箱；水软化器；炉子；储油箱；金属家具；丙烷储罐和庭院废物。

术语“处理过的城市固体废物流”是指经过处理后城市固体废物，例如经过材料回收设备，被依据MSW组分的类型进行分类后。城市固体废弃物的组分种类包括，但不限于，塑料、纤维、纸、庭院废物、橡胶、皮革、木材以及回收残渣。回收残渣是一种城镇固体废物被处理且大量成份被从城市固体废物整理分类过后，在可回收材料中包含的不可回收部分的残余物组分。处理过的城市固体废弃物实质上不含玻璃、金属、砂砾或不燃物。砂砾包括污垢、尘土和粒状废弃物诸如咖啡渣和沙子，以及那些包含本质上无咖啡渣的处理过的MSW。

术语“可处理废弃物”是指在气化系统中能轻易地进行气化并且在气化中释放碳或氢到产生的合成气体中的废弃物。可处理废弃物包括，但不限于，报纸、垃圾邮件、瓦楞纸板、办公用纸、杂质、书籍、纸板、其他纸类、橡胶、织物、以及仅来自住宅、商业和公共机构的皮革、木材、食物垃圾和废物流中其他可燃烧部分。

术语“热解”是指一种在缺乏氧或无氧的环境中利用加热来对固体废弃物进行化学分解的过程。

术语“回收残渣”是指在经过回收设备将其可回收部分从进来的废物处理过后留下的残留物，从回收利用的观点，其不再具有经济价值。

术语“淤泥”是指任何由市镇的、商业的或工业的废水处理工厂或者过程，水供应处理工厂，空气污染控制设备所产生的固体、半固体或液体；或任何其他具有类似特征或效应的那些废物。

术语“固体废弃物”是指其液体含量不足以使其自由流动的、不需要或丢弃的固体材料，其包括，但不限于，废物、垃圾、废料、废旧物品、废渣、惰性充填材料和园林废料，但不包括有害废弃物、生物医药废弃物、化粪池淤泥或农业废弃物，另外还不包括动物粪便和用于及用于工业排放的土壤富集、或固体或溶解的物质的吸收剂层。固体废弃物或其组分可能具有价值、能被有效地利用、能有其他用途，或者用于出售或交换，，这个事实并不将其从此定义中排除。

术语“蒸汽/碳比值”(S/C)是指注入到气化器/燃烧器中的蒸汽的总摩尔数除以原料中碳的总摩尔数而得到的比值。蒸汽/碳比值，(S/C)，可用下列等式来表达：

术语“热效率”(“thermal efficiency”)(也称为冷煤气效率(cold gasefficiency))是指得到的产物气体包含的HHV总值除以燃料输入包含的HHV总值的比值。热效率，“Eff”，可由下面的等式表示：

术语“挥发材料”(也被称作挥发性有机化合物)是指在通常条件下具有足够高的蒸汽压力以显著蒸发并进入大气的有机化合物。挥发材料不受限制的实例包括乙醛、酮、甲烷和其他轻质烃。

本文描述了包括城市固体废弃物的新型工程燃料原料，其具有许多理想化学分子特性的任意一种，包括但不限于，碳含量、氢含量、氧含量、氮含量、灰分含量、硫含量、含水量、氯含量和HHV含量。该原料适用于各种化学转化过程。本文还描述了用于制造工程燃料原料的过程和方法。

工程燃料原料的一个丰富的来源就是城市固体废弃物。城市固体废弃物是指住宅区、商业或工业区以及各种机构产生的固体废弃物，并且包括所有与拆建废料的可处理组分一起的可处理废弃物，但并不包括有害废弃物、废旧汽车和其他机动车辆废弃物、传染性废弃物、石棉废弃物、被污染的泥土和其他吸收媒介以及除了来自家用炉的灰尘外的灰分。它还包括淤泥、废渣和其他由生活的、商业的和社区的活动产生的废弃材料。城市固体废弃物的组分范围十分广，这取决于收集的时间、收集的季节、在任何给定日期收集的城市固体废弃物的消费者类型等。城市固体废弃物可能包含多种多样的废弃物或废弃材料。例如，废弃物可能包括可生物降解的废弃物、不可生物降解的废弃物、铁质材料、非铁质材料、各种形式的纸或者纸板、各种塑料(其中一些可能含有少量用作催化剂、稳定剂或其他添加剂的毒性金属)、颜料，漆和溶剂、织物、木质品、玻璃、包括药物在内的化学制品、杀虫剂等、不同种类的固体废弃物以及各种各样的其他材料。废弃物包括家庭废弃物和工业废弃物。本文所涵盖的工业废弃物毒性低或者有害物质少。然而，工程化在此描述的工程燃料原料之前，MSW被预处理以便于移除不可处理的组分。

根据城市固体废弃物的组分种类，已经对处理过的城市固体废弃物进行分类整理。城市固体废弃物的组分种类包括，但不限于，塑料、纤维、纸、庭院废物、橡胶、皮革、木材以及回收残渣，回收残渣是在处理城市固体废弃物已将多种组分从中分类整理出来之后剩下的一种含在可回收材料中的不可回收部分的残留组分。处理过的城市固体废弃物实质上不含玻璃、金属、砂砾或不燃物。砂砾包括污垢、尘土和粒状废弃物，例如咖啡末和沙以及这类实质上不含咖啡末的处理过的城市固体废弃物。此处所用的术语“实质上不含”是指那些存在于城市固体废弃物的组分中不超过0.01％的材料。

另外一种工程燃料原料的燃料来源就是FOG。通常可在这些东西中找到FOG，肉、酱油、肉汁、调料、油炸食品、烘焙品、奶酪、黄油等。许多不同的商业机构通过加工和供应食物都会产生FOG，这些商业机构包括饮食单位、食物筹办机构、医院、护理院、日托中心、学校和食品杂货店。FOG已经成为市区的主要问题。研究证明，FOGs是引起卫生下水道堵塞的一个主要原因，其导致卫生下水道系统的泛滥(sanitary sewer systemoverflows，SSOs)。这些溢出已经给一些市区造成了许多问题，其中包括水从下水管道以及维修孔(检查孔)中溢出并流入雨水排泄管道中去。雨水排泄管道中的水流进水道并且最终流进大海。卫生下水道系统的泛滥对公共健康构成了威胁，对水生生物产生了消极的影响，并且清理费用还很昂贵。造成卫生下水道系统的溢出最普遍的原因就是FOG累积在连接食物供应单位的小型至中型下水管道中。因此，作为燃料使用将提供一种处理FOGs的方法，其防止了由于将FOGs丢弃进废水中引起的SSOs。

除了直接将FOG排入污水系统中，当前丢弃FOG的方法还包括填埋。虽然这些种类的废弃物一般不受欢迎，但是它们的高碳含量能够转化为燃料源。

本发明中适用的其他种类的油和油脂是石油废品。石油废品的非限制的实例包括废弃发动机油。

另一种适用于生产工程燃料原料的废弃物是生物物质废弃物，也被称作生物性废弃物。生物物质指的是具有活性的和刚失去活性的生物材料，其能够用作工业生产的燃料。大多数情况下，生物物质指的是生长用作生物燃料的植物物质，但是它还包括用于纤维、化学制品或热量生产的植物或动物物质。生物物质可能还包括能够将其作为燃料燃烧的可生物降解废弃物。生物物质不包括由地质作用已将其转化成煤、石油或其他物质的有机材料。生物物质废弃物的不受限制的实例包括木材、庭院废物和植物(其中包括细叶芒、柳枝稷、麻、玉米、白杨、柳、甘蔗、油棕(棕榈油)、椰子壳和坚果壳。

另一种适用于生产工程燃料原料的废弃物是淤泥。淤泥是在处于处理过程的不同阶段的从废水中去除出来的固体废弃物和细菌的混合物。可将其分类为“初级淤泥”和“次级淤泥”。初级淤泥含有约4％的固体和96％的水。它是由在细菌分解之前，从初级沉淀池中的废水沉淀出来的材料构成。次级或活性淤泥包含更多的液体，约1％的固体和99％的水。次级淤泥是由细菌和供给细菌的有机物质构成。产生的大约30％的次级淤泥返回到曝气池中，从而促进污水处理的生物学过程；而剩余的70％的淤泥必须处理掉。

本发明所涵盖的淤泥是城市淤泥亦称有机固体。城市淤泥不包括造纸厂的淤泥或其他工业/农业的淤泥。决定淤泥热值或BTU值的关键因素是其表述为在湿重基础上的总固体量(或者反之为含水量)的干燥度以及其挥发性固体含量(在干重基础上表述为总挥发性固体(Total Volatile Solids)或者TVS)。存在两种不同的淤泥:1)原淤泥(只在初级和次级有氧澄清池中处理的淤泥)和2)消化淤泥(在第一种淤泥的处理上增加了厌氧消化)。厌氧淤泥的TVS通常为60％，而原淤泥的TVS通常为75-80％。淤泥饼(脱水淤泥)的TS随着处理工厂对淤泥进行脱水采用的方法而变化，范围是10％至97％。一磅挥发性固体具有大约10,000-12,000BTU，举例来说，需要1200BTU才能将一磅(1lb)水变成蒸汽。

适用于生产本文所述的工程燃料原料的其他种类的材料是动物废物(例如粪便)、动物生物物质(肉和骨头组织)、家禽垃圾和化石燃料(例如煤、煤副产品、石油焦炭、黑液和碳黑)。

已经知道燃料的化学组分影响反应器的性能，无论是燃烧还是气化，并且由此影响合成气的生成以及质量。大多数气化器都被构造来能够对一种燃料(同质的燃料，例如木球或煤)进行有效燃烧。尽管天然燃料(例如木材或煤)是同质的且能为反应器提供可预知燃料的恒定供应，但是由于这些燃料的化学分子特性不是最理想的，因此不能让反应器最出色地发挥作用。

此外，气化过程生成的合成气能被用来生产，例如柴油馏分物和液体燃料。用于生产此类制品的合成气应含有至少一定量的能量(通常以BTU/ft³的形式表述)，从而能被有效地用于液体燃料的生产，而此过程对合成气的其他要求可能还包括合适的氢碳比(H₂/CO)以及合成气纯度。

在此描述的工程燃料原料，其包括至少一种来自处理过的城市固体废物流的组分并且包含使燃料在特定的热转化过程中发挥最佳作用的预定化学分子特性。通过从城市固体废弃物中选择废弃物组分以去除对气化过程不起作用或产生有害排放(例如二恶英、汞、硫和氯等)的污染废弃物，并且还通过现在性地加入其他提升气化或燃烧过程的材料，以获得具有合适的化学分子特性且用于工程燃料原料生产的材料。

图1示出了通常可用的原料，例如，煤、FOG、木材、淤泥、黑液、橡胶和城市固体废物流，它们所处的位置是根据其氢含量和碳含量的比值(H/C)(lb/lb)以及其氧含量和碳含量的比值(O/C)(lb/lb)来确定的。当图表中的这些天然原料用实线圈起来时，就形成了一个围圈，其表明了天然形成材料的H/C和O/C的范围。图1还绘制了对应于O/C比例值的碳界限，而斜线区域表明了H/C比例值的变化。碳界限温度是指当加入正好够的氧以实现完全碳转化时所获得的温度。对于生物物质的气化来说，通常的温度为约850℃，而对干煤的气化来说，通常的温度为约1500℃。燃料(例如无烟煤、半无烟煤以及高挥发性和低挥发性烟煤)都具有较低的H/C比例值(约0.03至0.07)以及较低的O/C比例值(约0.05至约0.12)。由于O/C比例值较低，所以这些燃料需要较高的温度，而且这些燃料需要注入蒸汽，从而在气化期间促进碳的完全转化。其他原料(例如各种木材、杂质、混合纸和瓦楞纸板)都具有相对较高的H/C比例值(约0.1至0.14)以及O/C比例值(约0.8至约1.0)，在实践中就需要较低的气化温度。从图1中可以看出，对于要在约850℃完全气化的原料，其O/C比例值应在约0.55至0.6之间。对于O/C比例值为约0.75至0.90的木质生物物质原料，该温度下可能发生过度氧化(或者增加的氧化)，并且由此预计合成气体将含有更高的CO₂。因此工程燃料原料的优点在于，可以调节燃料的O/C和H/C比例值，以实现最佳的气化操作和性能。

通过图1还能发现，H₂/CO的产量随着H/C的含量而变化，但是随着O/C含量的增加只是稍微有点变化。同样图1还显示了伴随H/C比例的增加和O/C比例的下降，热值(Heating Value)以及H₂+CO生产率都增加。

通过根据(例如)其H/C比例值、O/C比例值、灰分含量和含水量对工程燃料原料进行审慎的选择，本发明发现了新型工程燃料原料，其既能模拟天然形成的燃料(例如木材和煤)，还对在此以前未知的新型工程燃料原料(它的气化不同于其他已知工程燃料原料的气化)填充了碳界限。图2示出了一些新型工程燃料原料，其通过选择虚线中已知的工程燃料原料且直接混合所选的原料，以及在某些情况下，增加或减少含水量来制造。这些新型原料填入了碳温度边界中实线区域内的区域。例如根据产物合成气中的H₂/CO含量、H₂+CO生产率以及合成气的热值，选择图表碳界限中经过确认的原料特性，以此来设计工程燃料原料，这表明了特定工程燃料所需的H/C比例值和O/C比例值应出色地适合特定应用，针对各种应用，例如用于能量产生的气化、用于Fischer-Tropsch燃料生产的气化、热解以及燃烧，可能还需要不同的HHV含量、CO+H₂生产率或者H₂/CO比值。

影响燃料气化和燃烧的燃料化学特性

燃烧和气化过程采用含有足够能量的燃料，其在燃烧时释放存储的化学能量。存储在燃料中的能量能够以碳、氢和氧的百分比，以及其他组分(例如硫、氯和氮)和形式为H₂O的水分的影响来表示。

作为合理的燃料源，城市固体废弃物的特征可能在于其化学分子构成，例如，碳含量、氢含量、氧含量和灰分含量。然而，城市固体废弃物正常情况下都由各种组分构成，它们都能够单独地或者共同地以各种参数为特征；用于燃料，这些参数包括，但不限于，碳含量、氢含量、氧含量、含水量、灰分含量、硫含量、氯含量和HHV含量。尽管城市固体废弃物的许多组分本质上是不同的，但都能用作制造各种工程燃料原料(能够用于各种不同的热转化过程)的原材料。这些材料可设计来生产包含有已知燃料(例如，木材和煤)的化学特征的工程燃料原料，而其他原料可设计来生产大自然中没有发现的且具有独特的燃烧和气化的燃料。例如，表1中给出了大多数生物物质(例如木材)的碳含量和氢含量。从表1还能轻易地看出，生物物质(例如木材)中碳的范围只是轻微地产生变化，氢含量也是如此。

表1

同样地，从表2可以看出，大多数煤的碳含量不会发生大范围的变化，并且煤的大多数实例具有相似的(如果不相同的话)碳含量和氢含量。

表2

¹Lindner，E.，Chemie für Ingenieure，Lindner Verlag Karlsruhe，(2007)p.258.

当用作(例如)气化中的燃料源时，碳含量和氢含量对合成气的化学特征产生重要的影响。因此，由于(例如)木材的碳含量和氢含量不会发生大的变化，因此气化过程一定会发生变化，从而使得合成气的化学特征也发生变化。与此相比，本发明能对工程燃料原料进行设计，使其不仅包含木材或煤的碳含量，还包含一定量的生物物质(例如木材)或燃料(例如煤)不包含的碳和氢，从而为气化和燃烧反应提供了新燃料。因此，本发明使工程燃料原料设计来包含多种碳量和氢量，其超过天然形成的燃料中含有的量。

原料水分对气化和燃烧的影响

燃烧应用

一般说来，随着原材料中含水率的上升，燃烧器的效率也会随之降低，这是因为将水蒸发会消耗原料释放的某部分热量。然而，为了解原料水分对燃烧效率的影响，必须建立基于整个系统的视角。

现有技术已经了解的是，水分应该，如果不是的话，必须降低到低水平，例如，低于10％，这是为了获得能让燃烧反应器有效地燃烧的燃料(见美国专利US 7252691的实例)。然而，对过程(图3)进行考虑，在该过程中，首先借助能量流Q₁对湿燃料进行干燥，而一般情况下，除了干燥器的热量损失之外，Q₁还等于蒸发燃料中的水所需要的热量以及原料进口温度和出口温度之差引起的合理热量变化。干燥之后，排出水蒸汽并将具有降低的含水量的原料送入燃烧器中，应用加热负荷Q₂。可得到的总的净能量是Q_净＝Q₂-Q₁，表示的是整个系统需要的额外能量对降低燃料的含水量的影响。

通过对照，图4显示了湿原料在不减少其含水量的情况下直接燃烧的简略图。可实现的热量利用为Q₃。为了解水分对工程燃料原料的影响，在以下参数存在的情况下，采用HYSYS(AspenTech,Inc.,Burlington MA)进行模拟。含水量为30％体积或40％体积的原料以每小时一吨的速度进行干燥，使得含水量降低到10％体积，即，去除了445lbs/hr(lbs/hr为磅/小时)或667lbs/hr的水(在约250°F时加热蒸发)。这就要求分别输入大约0.64mmBTU/hr或0.873mmBTU/hr的能量。假如对加热负荷进行调节以将烟气温度控制为预定温度，那么随后在锅炉中燃烧含水量为10％体积的原料。根据锅炉或者热交换器的设计，该预定温度可能会比烟气中水的温度更高(非凝结，150°F)或者更低(凝结，150°F)。结果显示于表3和表4中。

表3

表4

表3和表4中的数据证明了下列各项：

1.不进行原料干燥时，过程一般能实现更好的整体热利用。当考虑干燥器和燃烧器的热量损失时，不进行原料干燥的过程表现得却更好，这是因为采用干燥器和燃烧器时将会出现更大的热量损失，由于会使用各自的元件，因此同时使用干燥器和燃烧器与只使用燃烧器相比，会因增加的表面积而造成更大的热量损失。

2、烟气中存在的水蒸汽较多时，由于对流气体(烟气)的质量流率增加，因此对流传热可以得到改善，从而改善热利用。

3、水蒸汽较多且CO₂浓度较低时，由于排放率增加，因此烟气和热传递表面之间的辐射传热也可能会增加。

4、由于在不干燥的情形下原料中含水量较高，因此与干燥的情形相比，火焰温度较低。因此，如果是直接燃烧湿原料，那么可能会极大地减少CO和NO_x的产生。

5、当采用原料干燥器时，总体基建费用和运转成本都会增加。

因此，必须从整个系统的角度来评估水分对燃烧过程的影响。燃烧之前进行原料的干燥不会必然导致整体可用能量的节约或者增长，或者整体能量利用效率的增加。另外，增加另外的降低燃料含水量的步骤也会增加额外的基建费用以及操作和管理成本。燃烧干原料增加了产生空气污染物(包括CO和NO_x)的可能性。这与行业中通常采用的对策是一致的，将水喷射入燃烧器，降低火焰温度，从而减少出渣(形成灰分)以及，除此之外，产生CO和NO_x的消极影响。

相反地，如果燃料中的含水量太高(例如，超过约50％体积)，那么维持稳定的燃烧的困难度将会极大地增加。因此，确定了约10％体积至约40％体积的含水量是维持效率和反应器运转之间的平衡的最佳量。

气化应用

水分能以很多方式影响气化。例如，如果将水分在气化之前从原料中去除，那么气化效果可能会，也可能不会，得到改善，这取决于观察是哪个气化参数。从能量利用效率来看，干燥可能会改善气化的整体效率，这与上文描述的干燥原料对燃烧应用的影响有所不同。

可根据气化应用采用氧化剂，例如空气、纯氧或者蒸汽。在通常于1500℃进行的含氧大规模煤气化的情况下，氧的消耗量非常高，使得灰分的出渣和熔化成为操作上的一大困难。这种困难使得只对极少量的要求气化的原料进行气化，这是因为降低了每单位产物气体中的氧量。然而，由于作为氧化剂的氧的减少，那么有必要加入更多的蒸汽。由于需要更多的水分，水分可以引入气化单元或者如本发明一样，存在于原料中。原料中水分的增加，不但降低了气化期间需要的氧量，还能对气化温度进行更多的控制，从而增强了碳转化并且由此改善了整体气化性能。

而且，在气化反应期间，其热力学和动力学还会受到含水量的影响。下面给出了气化期间发生的两个反应：

(a):C+1/2O2＝CO

(b):C+H₂O＝CO+H₂

虽然热力学和动力学决定了大部分气化将通过反应(a)完成，但是(b)给出的反应使得通过蒸汽气化的每个碳都能在每个含有蒸汽的碳原子中产生两分子的合成气，这与通过氧气的反应(a)(更加昂贵)中唯一一个碳相比范围要小。存在有足够的水分对于让反应(b)在气化期间处于主导地位很重要。

明显的是，产生含有甲烷含量比较高的合成气且由此实现高冷煤气效率的过程可用于电力应用中。然而，这类合成气构成对于需要最佳H₂/CO产量的不同的合成气应用来说可能不是最佳的选择。通过改变原料中的含水量，可改善合成气的生产率和构成，从而有利于或者不利于一个特定的应用。水分可对气化器性能产生影响，并且合成气特性也会随着原料的特征而变化。例如，化学结合的含水量和碳含量是两个能够在气化期间影响原料的参数。对于碳含量高的燃料来说，例如干煤(其中化学结合水分较低)，增加含水量会刺激上面的反应(b)的发生从而改善合成气生产率，并且改善合成气发热值。相比起来，对于具有高化学结合水分的原料来说，例如木材，进一步提高含水量会导致更低的气化效率，尽管这通过促进水-气转移反应(上面的反应(b))从而增加了氢含量以及H₂/CO比值。在较低的气化温度时，含水量也可能会增加甲烷产量，从而获得适用于发电应用的合成气。如果高气化温度下存在有水分，那么甲烷的产量将会减少。

因此，要实现气化的原料所(蒸汽注入气化器)适合的含水量，需要一种有用且经济的气化调节器，其能够实现下列各项功能的至少一种：

(a)控制气化器温度：

图5显示了在恒定的空气当量(ER)比(ER＝0.34)时，水分对通常的煤原料的气化温度、碳转化以及H₂+CO生产率的预测影响。含水量较高的原料在气化时，能够降低气化温度，使得灰分含量较高的原料能被气化。气化器在较低温度工作时，优先适用于这样的工程燃料原料，这是因为这些原料倾向于出渣或灰分熔结。原料中存在有水分，也会增强碳的转化，使得气化能够在低温度时进行，同时仍然还能够降低灰分出渣或熔结的潜在风险。

(b)改变合成气产量

经常需要注入蒸汽来控制气化温度以及调节合成气构成，特别是甲烷生产和H₂/CO比值，从而使合成气适合特定的合成气应用(发电或者化学合成)。图6显示了在800℃时，含水量不同的原料的合成气构成对于通常的木材原料的预测变化。

(c)增强碳转化

由于促进了水-气转换反应(CO+H₂O＝CO₂+H₂)，因此在降低的气化温度下，可以实现更高或者完全的碳转化。这不仅实现了较低温度的操作，还改善了CO+H₂生产率和气化效率。然而，当水分太高时，由于燃烧增加(为了提供达到同样的气化温度所必须的热量)，CO+H₂生产率和冷煤气效率可能会减少。图7显示了在850℃.时，燃料含水量对通常的煤原料的碳转化、冷煤气效率以及CO+H₂生产率的预测影响。图8显示了在1000℃.时，燃料含水量对纯碳的碳转化、冷煤气效率以及CO+H₂生产率的预测影响。

(d)作为氧化剂

图9显示了通常的木材原料在850℃时生产H₂/CO＝2.0的合成气所需要的预测总供水量和外部供水量。在蒸汽用作氧化剂(这种情况在可获得外部热量的情况下经常发生)和/或需要节约氧的情况下，原料中的水分能够取代外部蒸汽供应。原料中的水取代空气或者氧气作为氧化剂，从而使得由于氮稀释的减少以及水-气反应(b)的增强，能够生产出BTU高的合成气。除了H₂/CO比值增长之外，H₂+CO生产率和冷煤气效率都将在恒定的气化温度和空气当量比(图8)下，随着水分的增长而略微增长。图10显示了通常的木材原料在850℃以及ER＝30时的预测CO+H₂生产率、冷煤气效率和H₂/CO比值。

根据(例如)以上描述的参数审慎选择城市固体废弃物的组分且从城市固体废物流中消极地或者积极地选择组分，随后将这些组分共混，并且以正确的配比选择性地加入其他任何认为有必要的添加剂，这样能够设计出有着特定用途的工程燃料原料。例如，表5列出了城市固体废弃物中能找到的常见组分、其碳含量、氢含量、氧含量、氮含量、硫含量、灰分含量和HHV含量，以及完全燃烧需要的ER值。这些组分可以根据(例如)它们的碳含量分为任何不同的类别。例如，城市固体废弃物可分为两个、三个、四个、五个或者甚至六个类别。在一个实施例中，表5a列出了四种单独的类别：类别#1的碳含量为约45％，类别#2的碳含量为约55％，类别#3的碳含量为约60％以及类别#4的碳含量为约75％。

表5

为了设计具有某些特定参数的燃料，可以利用等式1，以从表5a列出的四个类别中选择数量并且进行数量分配。

等式1

$f\left(x\right)=\sqrt{f_c{(\mathrm{\Σ}{x}_i{C}_i-C_w)}^2+f_h{(\mathrm{\Σ}{x}_i{H}_i-H_w)}^2+f_o{(\mathrm{\Σ}{x}_i{O}_i-O_w)}^2+f_n{(\mathrm{\Σ}{x}_i{N}_i-N_w)}^2+f_z{(\mathrm{\Σ}{x}_1{S}_1-S_w)}^2+F_z{(\mathrm{\Σ}{x}_i{A}_i-A_w)}^2}$

其中

0＜＜X_i＜＜1并且Σx_i＝1

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{C}_i+\underset{i=l}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{H}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{S}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{A}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{O}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{N}_i=100$

例如，由城市固体废弃物制造的工程燃料原料可设计来具有与天然木屑相同的化学构成。表6中列出了天然木屑的化学构成。设计具有与天然木屑相同的化学构成的合成燃料所需要表5中列出的分类城市固体废弃物的不同类别的精确量，并且根据等式1确定这些精确量是类别#1中的88.1％和类别#2中的11.9％。这种特别的合成工程燃料原料不需要类别#3和类别#4中的组分。

表6

表7列出了木屑和FS#4的最终化学分析和近似化学分析。

表7

气化试验是在实验室规模的分层向下通风气化器中进行。该气化器的内部直径为4英寸且穿孔炉排上的高度为24英寸。四个K型热电偶沿着气化器安装，分别是炉排上方1”、7”、和19”的位置以及炉排下方4”的位置。由数据记录温度计(OMEGA，HH309A)记录实时温度。由两个水洗器和一个真空泵构成的合成气采样器用于合成气采样，样本由HP5890A气体色谱仪进行分析，以获得H₂、N₂、CO、CO₂和CH₄的体积分数。干气体测试仪表安装于空气入口处从而测量进气率。在类似的操作条件下，以空气作为氧化剂，进行木材和模拟木材的试验。表8中列出了结果。

表8

参数	木材	模拟木材(FS#4)
			H2	20.3	19.8
N2	44.8	46.4
			CO	24.1	24.7
CH4	2.0	1.2
			CO2	8.7	8.0
H2/CO	0.84	0.80
			BTU/scf值	167.4	159.2

正如可从表8中所看到的那样，由木屑的气化产生的H₂、N₂、CO、CO₂和CH₄的量非常接近由原料#4的气化产生的H₂、N₂、CO、CO₂和CH₄的量。此外，H₂/CO和BTU/scf比值都在约5％之内。这种工程燃料原料证明了，采用本文所述的方法，可制造出接近天然燃料(例如木材)的原料。

具有相似能含量的燃料不一定会表现出相似的气化和燃烧

然而，这不是说，两种具有相同能含量(例如HHV或者BTU/lb)的燃料将会以相同的反应率进行燃烧或者气化，或者形成相同的热转化情况。例如，制备两种含大约14,000BTU/lb的原料。原料#2(FS#2)的能含量为13991BTU/lb以及原料#7(FS#7)的能含量为14,405BTU/lb，两者差异约3％。表9中列出了这两种原料的化学分子特性。通过对比可知，它们的含水量、碳含量、氢含量、氧含量以及H/C和O/C的比值都相互不同。

表9

采用下列工序对原料进行气化。气化试验是在实验室规模的分层向下通风气化器中进行。该气化器的内部直径为4英寸且穿孔炉排上的高度为24英寸。四个K型热电偶沿着气化器安装，分别是炉排上方1”、7”、和19”的位置以及炉排下方4”的位置。由数据记录温度计(OMEGA，HH309A)记录实时温度。由两个水洗器和一个真空泵构成的合成气采样器用于合成气采样，样本由HP5890A气体色谱仪进行分析，以获得H₂、N₂、CO、CO₂和CH₄的体积分数。干气体测试仪表安装于空气入口从而测量进气率。在类似的操作条件下，以空气作为氧化剂，进行木材和模拟木材的试验。下表列出了结果。可以看出的是，两种工程燃料原料的合成气构成、H₂/CO比值和合成气HHV相互之间相当接近。表10中列出了原料FS#2和FS#7进行气化的结果。

表10

参数	FS#2	FS#7	差异％
				H2％	21.9	28.6	30.4
N2％	45.6	45.2	0.8
				CO％	18.9	15.6	17.2
CH4％	6.4	2.7	57.3
				CO2％	7.3	7.9	8.6
H2/CO	1.16	1.83	57.4
				合成气HHV值(BTU/scf)	200.21	173.8	13.2
CO+H2％	40.8	44.2	8.4

从表10的数据可以看出，尽管两种燃料具有非常相似的能含量(差异仅为约3％)，但是合成气构成的差异却非常大。在H₂％体积和CH₄％体积方面，差异超过30％，以及在两种原料的H₂/CO比值方面，差异超过了50％，这就意味着，得自这两种燃料的合成气不能用于生产相似的费-托燃料。两种燃料之间的合成气能含量差异为13％并且CO产量的差异为17％。该实验表明了，仅考虑原料的BTU/lb值并不会表明原料具有什么类型的合成气。

燃烧

对于理论原料也进行了同样的计算，除了一点，条件为燃烧期间而不是气化期间。假设所有的原料都具有10,000BTU/lb的相同HHV，并且随后发生了变化，将碳含量、氢含量、氧含量、灰分含量和含水量结合起来。表11列出了结果。

表11

燃烧产物

过剩空气比例	28.5％	29.5％	30.0％	31.0％	32.0％
						O2(scf/lb)	4.7	5.2	5.5	6.0	6.5
N2(scf/lb)	80.0	85.2	90.1	95.4	100.8
						CO2(scf/lb)	9.5	12.7	15.8	19.0	22.1
H2O(scf/lb)	26.2	20.1	14.1	8.0	2.0
						SO2(scf/lb)	0.012	0.012	0.012	0.012	0.012
总计(scf/lb)	120.4	123.1	125.5	128.4	131.4

烟道气(dry％)

O2(dry％体积)	5.0	5.0	5.0	5.0	5.0
						N2(dry％体积)	84.9	82.7	80.8	79.2	77.9
CO2(dry％体积)	10.1	12.3	14.2	15.8	17.1
						SO2(dry，ppmv)	126	115	106	99	92

正如表11所看到的那样，理论原料#1至#5全部具有10,000BTU/lb的相同HHV，但是其碳含量却在30％至70％的范围之间变化(H和O也会随之发生变化)。根据列出的数字，完全燃烧的化学计量的空气要求在每磅原料的78.8-96.7scf的范围之间变化。由于这种差异，燃烧产物也会随之变化，而且明显地如果操作者正在检测堆积的O₂，那么过剩空气比例一定要在实际燃烧操作中进行调节。在以上的计算中，如果堆积的目标O₂为5％，那么不得不对过剩空气进行调节，从原料#1的28.5％调节至原料#5的32％。

表12

燃烧产物

过剩空气比例	30.0％	30.5％	31.0％	31.0％
					O2(scf/lb)	5.5	5.4	5.3	5.0
N2(scf/lb)	90.1	86.9	83.8	80.3
					CO2(scf/lb)	15.8	15.8	15.8	15.8
H2O(scf/lb)	14.1	12.8	11.6	10.3
					SO2(scf/lb)	0.012	0.012	0.012	0.012
总计(scf/lb)	125.5	121.0	116.4	111.4

烟道气(dry％)

O2(dry％体积)	5.0	5.0	5.0	5.0
					N2(dry％体积)	80.8	80.4	79.9	79.4
CO2(dry％体积)	14.2	14.6	15.1	15.6
					SO2(dry，ppmv)	106	110	113	117

表12中，理论原料各具有10,000BTU/lb的能量值，但是其含水量却在5％至20％之间的范围内变化。完全燃烧的化学计量的空气要求在每磅原料#3(水分5％)的87.7sc至每磅原料#10(水分20％)的77.6scf的范围之间变化。因此，对于燃烧操作来说，仅考虑原料的BTU含量对于了解具体的燃烧概况是不够的。具有相同BTU值、但化学分子特性却不同的原料会显现出不同的燃烧现象并且需要的燃烧控制也不同。还可以预料的是，燃烧器温度甚至还会随着具有相同BTU值、但化学分子特性却不同的原料而变化。

高BTU燃料的设计

为了设计含有最大BTU值的燃料，同时还使出渣的风险降到最低，必须考虑对灰分量进行限制。据报道，对于生物物质燃料来说，含有的灰分低于约5％的燃料不会像含有的灰分多余约5％的燃料那样出渣(见Reed,T.B.,and A.Das,Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems.Golden:SERI,1988)。灰分能引起各种问题，特别是在向上通风或向下通风气化器中。反应器中，灰分熔结和结块导致的出渣或者熔渣生成最好也只不过是极大地增加了操作气化器所需要的劳动量。如果不采取特别措施的话，那么出渣能够形成过量的焦油和/或完全堵塞反应器。

出渣是否发生，取决于燃料中灰分的含量、灰分的熔结特性以及气化器的温度影响范围。氧化区域中燃料层空隙的局部高温是由燃料层的联接以及气体和固体流动的分布不均匀导致的，即使采用具有高灰分熔结温度的燃料，这种高温也可能会导致出渣。一般情况下，灰分含量低于5至6％的燃料，观察不到出渣。灰分含量为12％以及以上的燃料可能会出现严重的出渣。对于灰分含量在6至12％之间的燃料，出渣现象在很大程度上取决于灰分熔结温度，而该温度受到导致低熔点低共熔混合物形成的痕量元素的存在的影响。

当设计HHV较高的燃料原料以用于和煤的共烧或者甚至用作煤的替代物时，应该要考虑排放问题。新型原料可以根据本文所述的方法进行合成，使得在燃烧时，其排放相比燃烧煤的排放要好。煤燃烧带来的排放取决于燃料的等级和构成，以及设备的维护级别。由于锅炉的大小、燃烧条件、负荷、控制技术的类型和设备级别等缘故，烟煤和次烟煤燃烧引起的主要污染物问题也随之而来。这些污染物包括颗粒物质(particulate matter,PM)、氧化硫(SO_x)和氧化氮(NO_x)。就算是在合适的锅炉操作条件下，一些未经过燃烧的可燃物(包括一氧化碳(CO)和许多有机化合物)一般情况下还是会排放出去。表13列出了在加煤机式燃烧器中(最常见的煤燃烧器的一种)烟煤和次烟煤燃烧排放出的不同量的污染物。环境保护局将表13中列出的信息进行编写并于文献AP-42中公开(http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch01/final/c01s01.pdf)。

表13

本文所述的原料在燃烧时的排放与环境保护局报道的、表13中列出的排放相比更低。

下面的等式2说明了燃料能含量(HHV)和工程燃料原料含有的灰分量之间的关系。

等式2

最大化

(以将出渣风险降到最低)

(低于预定值)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{C}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{H}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{S}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{A}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i+O_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{N}_i+100$

采用上述等式，可以设计具有约10000BTU/lb至约15000BTU/lb的HHV的工程燃料原料，而其中的灰分保持在最低量，例如，低于约5％或者低于约4％。从得自表5列出的城市固体废弃物的组分的四个类别中选择城市固体废弃物组分，用来设计约10000BTU/lb的燃料。表14列出了用于设计这些燃料和其对应的碳含量、氢含量、硫含量、灰分含量以及工程燃料的HHV值的城市固体废弃物组分的数量。

表14

在一些实施例中，在生产工程燃料原料的致密形式期间，可以确定的是，致密形式的化学分子特性低于特定气化器的要求，其他加强气化过程的材料的数量可能会在过程期间增长，使得工程燃料原料的致密形式的化学分子特性在期望的燃料规格范围之内。在其他实施例中，可在压缩之前或期间加入其他加强气化过程的材料，从而调整工程燃料原料的所得致密形式的化学分子特性。在一些实施例中，加入至原料中的其他材料为FOG。表15列出了某些FOG的含热量以及其碳含量和氢含量。

表15

另一种可加入至原料的材料是淤泥。表16给出了淤泥的碳含量和氢含量。

表16

基于目标合成气构成来设计用于下游费-托化学反应的工程燃料原料

最著名的由合成气体生成碳氢化合物的技术是费-托合成技术。萨巴提和桑德朗在采用镍催化剂将一氧化碳(CO)氢化为甲烷之后，于1902年在德国第一次演示了该技术。1926年，费希尔和托罗普歇因为发现了可以将合成气体转化为类似于石油的液态碳氢化合物的催化技术而获得了专利。

费-托合成的基本反应为：

烷烃:

(2n+1)H₂+nCO→C_nH_2n+2+nH₂O

烯烃:

2n H2+nCO→C_n H_2n+n H₂O

乙醇:

2nH₂+nCO→C_n H_2n+1OH+(n-1)H₂O

在费-托合成期间还可能发生其他反应，这取决于采用的催化剂和条件:

水-气转换:

CO+H₂O→CO₂+H₂

布多阿尔歧化:

2CO→C(s)+CO₂

表面碳沉积:

$\left(\frac{2x+y}{2}\right)H_2+\mathrm{xCO}\→C_x{H}_y+x{H}_{2}O$

催化剂氧化还原:

yH2O+xM→M_xO_y+yH2

yCO2+xM→M_xO_y+yCO

形成块状碳化物:

yC+xM→M_xC_y

其中，M表示为催化金属原子。

采用传统费-托催化剂生成碳氢化合物是由链增长或者聚合动力学所支配。等式3描述了碳氢化合物的生成，该等式通常称为Anderson-Schulz-Flory等式。

等式3

$\log \left(\frac{W_2}{n}\right)+\log \mathrm{\α}+\log \left[\frac{{(1+\mathrm{\α})}^2}{\∂}\right]$

其中，W_n＝碳数为n的产物的重量分数，并且α＝链增长概率，即，催化剂表面上的碳链是通过增加另一个碳原子，而不是通过终止来增长的概率。一般情况下，α取决于CO和H₂的浓度或者局部压力、温度、压力以及催化剂构成，但是不受链长度的影响。随着α的增大，产物的平均碳数也会增加。当α等于0时，只会形成甲烷。当α接近1时，产物主要为蜡。

图11提供了等式2的图示，显示了随链增长参数a变化的不同产品的重量分数。图11显示了会最大化所需产物的产量的特定α，例如汽油或柴油燃料。等式4给出了碳数在m和n(包括在内的)之间的材料的重量分数：

W_mn＝mα^m-1-(m-1)α^m-(n+1)αⁿ+nαⁿ⁺¹等式4

等式5给出了将碳数在m和n之间最大化的α。

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{opt}}={\left(\frac{m_{2}m}{n_2+n}\right)}^{\frac{1}{n-m+1}}$   等式5

通过对蜡产物的进一步精炼(例如加氢裂化或者催化裂化)，可以生成另外的汽油和柴油燃料。

表17列出了(得自合成气的各目标产物所对应的)适合的且需要的H₂/CO比值。得到该比值的一种方式是控制用于生成合成气的原料中的C、H和O的量。例如，图12显示了原料中用来生成具有必要H₂/CO比值的合成气所需要的预测C/H和C/O比值。

表17

通过首次选择需要的合成气H₂/CO比值，能够确定工程燃料原料的构成中合适的H/C和O/C比例值，以及合适的含水量和灰分含量。一旦确定了这些比值之后，就可以选择合适的城市固体废弃物组分并将其结合在一起，从而形成在气化时会生成具有需要的H₂/CO比值的合成气的原料。

影响燃料颗粒的有效气化或者燃烧的物理特性

向上通风和向下通风气化器被限制在原料可接受的燃料粒度范围内。细粒的原料和/或松软的原料可能在气化器的仓库部分引起流动问题，而且还可能在还原区域上方造成不能允许的压力下降以及带来气体当中大量的灰分。较大的压力下降会降低向下通风设备的气体负荷，从而导致低温度并且产生焦油。颗粒或者块的过大的粒度会降低燃料的反应率，从而带来启动问题和较差的气体质量，并且还会导致设备中的运输问题。原料大范围的粒度分布一般情况下会加剧上述现象。过大的颗粒粒度可导致气体的输送问题，尤其是在向上通风气化器中。气化系统可以接受的燃料粒度在一定程度上取决于设备的设计。

燃料中颗粒的粒度分布影响燃烧器和气化器操作的多个方面，其中包括燃料与氧和其他气体发生反应的速率。燃料中较小的颗粒容易以比较大的颗粒要快的速率被消耗。颗粒粒度是基于面积-体积平均值(d_pv)(等式6)。d_pv给出了颗粒群体的粒度分布(等式7)：

$d_p=\left(\frac{6V_p}{\mathrm{\π}}\right)$   等式6

$d_p=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{w_i}{d_{\mathrm{pv}.1}}}$   等式7

工程燃料原料颗粒的形状以及工程燃料原料的致密形式也会对气体-固体反应以及颗粒和携带颗粒的气流之间的动量传递产生较大影响。描述颗粒形状的一个参数是球形度，其影响气化/燃烧过程期间颗粒的流动性。在通过气化器中的颗粒来避免输送和联接方面，流动性相当重要，从而降低了转化过程的效率。通过下列公式，可以对球形度进行定义：

关系中的颗粒粒度d_pv和球形度对燃烧器或者气化器中的颗粒的水动力特性产生影响。这些水动力特性包括压差、最小流态化速度、终点速度和动量传递。举例来说，煤、石灰石和沙的颗粒的球形度范围为0.6至0.9之间。例如，木屑颗粒的球形度为约0.2。

气体-固体反应的速率取决于可得到的颗粒表面面积。因此，对于具有相似体积的颗粒来说，具有更大的表面积的颗粒将以更快的速率更加有效地被消耗，并且由此影响气化过程。等式8和等式9分别描述了球体和圆柱体的体积。

$d_p=\frac{S_p}{V_p}=\frac{6}{d_{\mathrm{pv}}}$   等式8

${\mathrm{\α}}_p=\frac{S_p}{V_p}=\frac{2\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2+\mathrm{\πdh}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^{2}h}$  等式9

下面的表18列出了具有相同体积(0.524in³)、但具有不同的表面积(in²)和比表面积(in²/in³)的不同圆柱体和一个球体。

表18

在具有相同体积的形状中(例如圆柱体和球体)，球体具有最低的比表面积。随着圆柱体的球形度接近于1，它在气化/燃烧过程中就更像球体。然而，在球体形状中，并不使得对应体积的表面积最大化，这意味着转化过程的效率不会是最理想状态。圆柱体形状有着最小的比表面积和最大的球形度，这取决于其直径和长度。为工程燃料确定的这种形状对于其中采用了燃料的转化过程来说是最理想的。图13显示了，当绘制了与球形度、圆柱体长度和比表面积相对应的圆柱体直径时，能够确定小球的最佳尺寸。

在给定的当量直径下(图13)，当圆柱体直径几乎等于其长度时，对应于最大球形度的比表面积最小。除此之外，球形度降低的同时比表面积却增大，这就意味着，在流动性降低的同时，气体-固体反应的速率变得有利。在将球形度值维持来足够高以保证优良的流动性的同时，最佳的小球粒度能够实现最大的合理比表面积。该参数最小化或者甚至阻止气化器内部的小球的联接和输送，从而降低了转化过程的效率。

如上所述，工程燃料原料应为相同的体积提供最大的表面积，从而有利于气体-固体反应，该反应通过将等式10中的αp最大化来确定。

最大化 ${\mathrm{\α}}_p=\frac{2\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2+\mathrm{\πdh}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^{2}h}$ 等式10

将特定原料的αp最大化，以在转化过程期间实现更好的水动力性能以及更经济有效地制备(缩小粒度和制粒)工程燃料(与其他天然燃料相比)。

可以确定工程燃料原料的尺寸和形状，以及(在一些实施例中)球形度，以进一步对燃烧或气化性能进行优化。例如，为设计一种燃料(其具有会产生与气化和燃烧过程中天然木屑相似的结果的致密形式)，天然木屑的球形度提供了自然起点。天然木屑的球形度()为约0.2。设计出球形度为0.25的工程燃料颗粒，该球形度略微好于天然木屑的球形度，但却含有相同的HHV。等式11描述了工程燃料颗粒的粒度，并且表19列出了这类工程颗粒的合理尺寸。

等式11

φ_pd_pv≥预定值

表19

整体颗粒粒度(in)	1.0	1.5	2.0
				直径(in)	0.83	1.35	1.91
长度(in)	1.67	1.93	2.21
				比表面积(ft2/ft3)	72	48	36

根据表18显示的值，最小的颗粒实际上具有最大的比表面积(72ft²/ft³分别对应48ft²/ft³和36ft²/ft³)。

许多作为催化剂的元素(例如少量的钾、钠或者锌)能够积极地影响燃料小球的气化率。

堆积密度定义为零散倾倒燃料的每单位体积的重量。堆积密度高的燃料表现出较高的体积能量值，因而比较有利。堆积密度低的燃料在重力作用下有时候会引起流动不充分，从而导致低气体加热值并且最终导致还原区域中木炭的燃烧。固体燃料(例如木材、煤和泥煤)的平均堆积密度范围为约10lb/ft³至约30lb/ft³。如果一些用于本发明小球的组分的堆积密度太低，那么可以通过制粒来改善整体的堆积密度。堆积密度随着含水量和燃料颗粒粒度的变化而产生较大变化。

一种用于气化系统的废弃物原料的示例性规格范围可以包括，但不限于，约0.25英寸至约1.5英寸的直径；约0.5英寸至约6英寸的长度；约20:1至约3:1的表面体积比；约10lb/ft³至约75lb/ft³的堆积密度；约0.2至约0.6的孔隙率；约1至约10的纵横比；约0.023BTU/(ft·hr·°F)至约0.578BTU/(ft·hr·°F)的导热率；约4.78×10^-5BTU/(lb·°F)至约4.78×10^-4BTU/(lb·°F)的比热容；约1.08×10^-5ft²/s至2.16×10^-5ft²/s的热扩散率；约3000BTU/lb至约15000BTU/lb的HHV；约10％至约30％的含水量；约30％至约80％的碳含量；约3％至约10％的氢含量；低于2％的硫含量；低于1％的氯含量；以及低于约10％的灰分含量。

根据图14显示的结果可知，可以根据城市固体废弃物原料的碳含量以及其在热转化时所得合成气中产生CO和H₂量的能力，对其进行分类。表19显示了根据碳含量对燃料类别进行的一种分类：低热燃料(碳低于45wt％)；中热燃料(碳为45至60wt％)；以及高热燃料(碳超过60wt％)。

表19

低热燃料的特征在于，在低于约10scf/lbs以及低于约120BTU/scf的HHV时，生成含CO和H₂的合成气。由于气化器出于低碳量的缘故要求超过0.35的空气当量比，因此气化器温度不会上升到约850℃以上，引起碳的非完全转化以及甲烷和焦油的形成。这些燃料可用于生成具有所有用途的合成气以及用于与其他燃料(包括中热和高热燃料以及LFG)共气化。

中热燃料的特征在于，在约10至约20scf/lbs以及低于约120至约200BTU/scf的HHV时，生成含CO和H₂的合成气。由于气化器要求空气当量比为约0.1至约0.35以及碳含量为约45wt％至约60wt％，因此气化器的温度维持在约850℃至约900℃之间，从而引起碳的完全转化，最少的CH₄和焦油形成以及低出渣风险。这些燃料可用于生成具有所有用途的合成气、液体燃料和化学制品。

高热燃料的特征在于，在超过约20scf/lbs以及超过约200BTU/scf时，生成含CO和H₂的合成气。由于气化器要求仅低于约0.1的空气当量比以及超过约60wt％的碳含量，因此气化器温度一般情况下超过约900℃，从而引起碳的完全转化，不会形成CH₄和焦油以及带来高出渣风险。这些燃料可用于生成具有所有用途的合成气、液体燃料和化学制品。

因此，根据将要制造的合成气的最终用途，可以选择碳含量不同的工程燃料原料并且可以设计以及合成具有特定的最终用途的燃料。这些选择使得能对由不同的异质原料(例如，城市固体废弃物、FOG、淤泥等)生产的工程燃料进行微调。工程燃料可用于生成包含所需CO和H₂含量的合成气。

任何能够根据材料类型(例如塑料、纤维、织物、一切形式的纸、纸板、橡胶、庭院废物、食物垃圾和皮革)对组分进行确认和分离的方法都可以用来处理城市固体废弃物。分离方法(例如美国专利7431156、2006/0254957、2008/0290006以及2008/0237093中所公开的方法，其公开内容整体以引用的方式并入本文)可用于分离废弃物的组分。

可以理解的是，能够对上述公开的分离方法进行修改，这些修改能使城市固体废弃物的单独组分得以回收，以用于设计本文所述的工程燃料原料。

在一些实施例中，对工程燃料原料的组分或者多种组分进行混合。在一些实施例中，采用已知的技术，例如撕碎、研磨和破裂等，以减小混合组分的尺寸。用于减小城市固体废弃物组分的尺寸的方法已为我们所熟知并且在美国专利5888256中进行了公开，公开内容整体以引用的方式并入本文。在其他实施例中，单独组分在与其他组分混合之前先减小其尺寸。在一些实施例中，采用已知的致密方法(例如，美国专利5916826中描述的方法，其公开内容整体以引用的方式并入本文)，对工程燃料原料的混合组分进行致密。在一些实施例中，采用制粒机(例如Pasadena手动压机，其能够实施高达40000磅的力)，借助致密来形成小球。

在一些实施例中，是直接将FOG组分加入至混合槽中。在其他实施例中，是在混合之后、将废弃物放入造粒模具之前加入FOG组分。

在合适的条件下使用造粒机，从而生产出具有尺寸范围的小球。这些小球的直径至少应为约0.25英寸，尤其是在约0.25英寸至约1.5英寸的范围内。这些小球的长度至少应为约0.5英寸，尤其是在约0.5英寸至约6英寸的范围内。

选择适合与造粒机配套使用的模具，从而使得小球的封装表面形成刻痕。这种刻痕可能作为识别标记，还可对脱挥发过程产生影响，从而使得有刻痕的小球以比没有刻痕的小球更高的速率进行挥发。

在一些实施例中，本文所述的工程燃料原料在生物学上、化学上以及毒物学上都具有惰性。术语生物惰性、化学惰性以及毒物惰性是指，本文所述的工程燃料原料不会超出EPA的限定值以达到本身所含生物试剂、化学试剂和毒物试剂的容许限值。这些术语还指，工程燃料原料在生产之后或者长时间存储之后不会释放出毒性产物。例如，本文所述的任何形式的工程燃料原料可设计来具有充足的含水量，从而不会促进有机体的生长。工程燃料原料可设计来作为反吸收剂，意味着它在生产之后或者长时间存储之后不会吸收任何明显量的水。工程燃料原料在空气中还是稳定的，意味着在空气的存在下，它不会进行分解，从而释放出明显量的挥发性有机化合物。可根据已知的方法对本文所述的工程燃料原料进行测试，以确定它们是否满足惰性的定义所要求的限定。例如，以标题《40-环境保护》发布的《美国联邦法规》第40章的第239至259部分包含所有环境保护局的管理固体废弃物条例的规章。环境保护局的公开文件SW-846(标题为《评估固体废弃物的测试方法》、《物理/化学方法》)是咸水淡化处的关于固体废弃物的分析和采样方法的法定文件，另外，已经对这些方法进行评价并且批准用于遵照美国联邦法规》第40章的第239至259部分，该公开文件整体以引用的方式并入本文。

实施例

下面提供了其中一些用于阐述本发明的特定实例的参考。应当理解的是，提供的实施例是对优先实施例进行阐述，而不是意图限制本发明的范围。

一般的合成工序

选择工程燃料原料的组分之后，在低速撕碎机中将其撕成碎片并且随后进行机械混合。然后，采用制粒机将混合物致密。如果需要增加含水量，那么在混合步骤期间加入水。取原料的较小样品，在温控通风炉中进行干燥，以确定含水量。随后对混合的工程燃料原料进行如上所述的气化。

原料木材(对照)

原料#1

原料#1气化器输出

氢气，％体积	14.9
		氮气，％体积	51.6
一氧化碳，％体积	18.9
		甲烷，％体积	2.3
二氧化碳，％体积	12.3
		氢气/一氧化碳	0.79
BTU/scf值	134.79
		一氧化碳+氢气	33.8

原料#2

原料#2气化器输出

氢气，％体积	21.9
		氮气，％体积	45.6
一氧化碳，％体积	18.9
		甲烷，％体积	6.4
二氧化碳，％体积	7.3
		氢气/一氧化碳	1.16
BTU/scf值	200.21
		一氧化碳+氢气	40.8

原料#3

原料#3气化器输出

氢气，％体积	6.5
		氮气，％体积	64.6
一氧化碳，％体积	19.3
		甲烷，％体积	0.3
二氧化碳，％体积	9.3
		氢气/一氧化碳	0.3
BTU/scf值	88.6
		一氧化碳+氢气	25.7

原料#4

原料#4气化器输出

氢气，％体积	19.8
		氮气，％体积	46.4
一氧化碳，％体积	24.7
		甲烷，％体积	1.2
二氧化碳，％体积	8.0
		氢气/一氧化碳	0.80
BTU/scf值	159.2
		一氧化碳+氢气	44.5

原料#5

原料#5气化器输出

氢气，％体积	14.9
		氮气，％体积	51.6
一氧化碳，％体积	17.0
		甲烷，％体积	3.4
二氧化碳，％体积	13.1
		氢气/一氧化碳	0.88
BTU/scf值	140.56
		一氧化碳+氢气	31.8

原料#6

原料#6气化器输出

氢气，％体积	8.65
		氮气，％体积	68.2
一氧化碳，％体积	14.5
		甲烷，％体积	0.71
二氧化碳，％体积	6.9
		氢气/一氧化碳	0.60
BTU/scf值	83.7
		一氧化碳+氢气	23.2

原料#7

原料#7气化器输出

氢气，％体积	28.6
		氮气，％体积	45.2
一氧化碳，％体积	15.6
		甲烷，％体积	2.7
二氧化碳，％体积	7.9
		氢气/一氧化碳	1.83
BTU/scf值	173.8
		一氧化碳+氢气	44.2

实施例1

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
					D 3302，5142	总水分，％重量	21.04	---	---
D 5142	剩余水分，％重量	---	7.04	---
					D 5142	灰分，％重量	12.91	15.20	16.35
D 5142	挥发性物质，％重量	58.81	69.24	74.49
					计算	固定碳，％重量	7.24	8.52	9.16
	总计	100.00	100.00	100.00
					D 4239	硫％	0.18	0.21	0.23
D 5865	HHV
						Btu/lb(总的)	10890	12821	13792
D 3176	氢气，％重量	4.24	4.99	5.37
					D 3176	碳，％重量	33.84	39.84	42.86
D 3176	氮气，％重量	0.24	0.29	0.31
					计算	％氧气差异	27.55	32.42	34.88

¹美国材料试验协会

实施例2

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
					D 3302，5142	总水分，％重量	13.26	---	---
D 5142	剩余水分，％重量	---	6.09	---
					D 5142	灰分，％重量	14.39	15.58	16.59
D 5142	挥发性物质，％重量	63.33	68.57	73.02
					计算	固定碳，％重量	9.02	9.76	10.40
	总计	100.00	100.00	100.00
					D 4239	硫％	0.20	0.22	0.23
D 5865	HHV Btu/lb(总的)	11165	12088	12872
					D 3176	氢气，％重量	5.55	6.01	6.40
D 3176	碳，％重量	41.68	45.12	48.05

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
					D 3176	氮气，％重量	0.21	0.23	0.24
计算	％氧气差异	24.71	26.75	28.49

¹美国材料试验协会

实施例3

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
					D 3302，5142	总水分，％重量	15.06	---	---
D 5142	剩余水分，％重量	---	4.16	---
					D 5142	灰分，％重量	11.67	13.17	13.74
D 5142	挥发性物质，％重量	64.60	72.89	76.05
					计算	固定碳，％重量	8.67	9.78	10.21
	总计	100.00	100.00	100.00
					D 4239	硫％	0.09	0.11	0.11
D 5865	HHV Btu/lb(总的)	6188	6982	7285
					D 3176	氢气，％重量	4.93	5.56	5.80
D 3176	碳，％重量	34.90	39.38	41.09
					D 3176	氮气，％重量	0.07	0.08	0.08
计算	％氧气差异	33.28	37.55	39.18
					D4208	氯，％重量	0.75	0.84	0.88

¹美国材料试验协会

实施例4

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
					D 3302，5142	总水分，％重量	14.99	---	---
D 5142	剩余水分，％重量	---	1.88	---
					D 5142	灰分，％重量	16.48	19.03	19.39
D 5142	挥发性物质，％重量	62.84	72.53	73.92
					计算	固定碳，％重量	5.69	6.56	6.70

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气	干基
						总计	100.00	100.00	100.00
D 4239	硫％	0.06	0.07	0.07
					D 5865	HHV Btu/lb(总的)	6782	7828	7978
D 3176	氢气，％重量	4.48	5.17	5.27
					D 3176	碳，％重量	31.94	36.96	37.57
D 3176	氮气，％重量	0.08	0.09	0.09
					计算	％氧气差异	31.97	36.80	37.61
D 4208	氯，％重量	1.17	1.35	1.38

实施例5

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气
					小球构成：80％纤维/20％塑料
E 939	总水分，％重量	13.26	---
				E 830	灰分，％重量	5.24	6.04
E 897	挥发性物质，％重量	62.97	72.60
				D 3172	固定碳，％重量	18.53	21.36
	总计	100.00	100.00
				D 4239	硫％	0.15	0.17
E 711	HHV Btu/lb(总的)	8806	10152
				D 6373	氢气，％重量	6.66	7.67
D 6373	碳，％重量	48.4	55.8
				D 5373	氮气，％重量	0.15	0.18
计算	％氧气差异	26.14	30.14
				D 4208	氯，％重量	0.06	0.07

¹美国材料试验协会

实施例6

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气
					小球构成：塑料#2，and#4-7
E 939	总水分，％重量	2.1	---
				E 830	灰分，％重量	7.82	7.98
E 897	挥发性物质，％重量	89.32	91.24
				D 3172	固定碳，％重量	0.76	0.78
	总计	100.00	100.00
				D 4239	硫％	0.17	0.17
E 711	HHV Btu/lb(总的)	17,192	17,560
				D 6373	氢气，％重量	13.57	13.86
D 6373	碳，％重量	78.85	80.54
				D 5373	氮气，％重量	0.01	0.01
D 4208	氯，％重量	0.33	0.34

¹美国材料试验协会

实施例7

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气
					小球构成：纸
E 939	总水分，％重量	5.16	---
				E 830	灰分，％重量	41.79	44.06
E 897	挥发物，％重量	48.27	50.90
				D 3172	挥发性物质，％重量	4.78	5.04
	总计	100.00	100.00
				D 4239	硫％	0.17	0.18

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气
				E 711	HHV Btu/lb(总的)	5146	5426
D 6373	氢气，％重量	3.65	3.85
				D 6373	碳，％重量	30.55	32.21
D 5373	氮气，％重量	0.43	0.45
				计算	％氧气差异	18.25	19.25
D 4208	氯，％重量	0.47	0.50

¹美国材料试验协会

实施例8

测试方法ASTM1#	参数	按来样计算	干燥的空气
					小球构成：10％纤维/90％塑料
E 939	总水分，％重量	2.53	---
				E 830	灰分，％重量	12.64	12.97
E 897	挥发性物质，％重量	83.50	85.67
				D 3172	固定碳，％重量	1.33	1.36
D 4239	硫％	0.17	0.17
				E 711	HHV Btu/lb(总的)	15,482	15,885
D5373	氢气，％重量	12.16	12.48
				D5373	碳，％重量	71.99	73.86
D5373	氮气，％重量	0.07	0.07
				计算	％氧气差异	0.44	0.45
D4208	氯，％重量	0.35	0.36

¹美国材料试验协会

尽管对本文所述的特定实施例进行了阐述和说明，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下作出其他各种变化和修改。因此，意图在附加项中覆盖本发明范围之内的所有这类变化和修改。

Claims (10)

1.一种工程燃料原料，包括至少一种由处理过的城市固体废物流衍生的组分，该原来包含：超过约60％的碳含量；约5％至约10％的氢含量；低于约20％的含水量；低于2％的硫含量；低于约15％的灰分含量；以及其中，原料实质上不含玻璃、金属、砂砾和不燃物。

2.根据权利要求1所述的原料，还包括低于约15％的含水量。

3.根据权利要求2所述的原料，其中含水量为约5％至约10％。

4.根据权利要求1所述的原料，其中原料的高热值为约9,000BTU/lb至约15,000BTU/lb。

5.根据权利要求1所述的原料，其中原料的挥发物质含量为约40％至80％。

6.根据权利要求1所述的原料，其中原料的碳含量为约60％至约70％。

7.根据权利要求1所述的原料，其中原料的碳含量为约70％至约80％。

8.根据权利要求1所述的原料，其中原料的碳含量超过约80％。

9.根据权利要求1所述的原料，其中原料的氢含量为约6％至9％。

10.根据权利要求1所述的原料，其中原料的灰分含量低于约5％。