CN107995921A

CN107995921A - 气化系统

Info

Publication number: CN107995921A
Application number: CN201680035328.4A
Authority: CN
Inventors: J.格赖因格; G.史密斯
Original assignee: Saint Time LP
Current assignee: Aitero Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2018-05-04
Also published as: GB201510555D0; WO2016203232A1; GB201518108D0; RU2017144016A3; GB2539518B; GB2539447B; CN117946767A; GB2539447A; US20180142174A1; GB2539518A; US11248184B2; RU2711498C2; RU2017144016A; EP3310881A1

Abstract

提供了一种将含碳原料转化成反应气体和合成气的过程和系统，涉及在热解室中热解和甲烷化原料来产生反应气体的步骤，以及在反应物存在时气化未转化的原料来产生合成气的步骤。

Description

气化系统

技术领域

本发明涉及气化领域。更具体而言，本发明涉及用于含碳原料的气化的热解系统(pyrolysis system)。

背景技术

存在许多处理家庭和工业有机废物的方式，包括填埋和焚化。然而，填埋需要专用的土地，且通常引起负面的社会和环境影响，而通过焚化处理涉及显著的能量成本。此外，两种途径都从分解或燃烧中产生温室气体。作为备选，含碳废物可由需氧和厌氧消化转化成生物燃料。然而，两种途径的缺陷在于低过程效率，即，其停留时间通常是以天和周计。此外，需氧消化需要用于构建和保持可收放的泻湖(lagoon)的显著投资。

另一方面，高温热解是将含碳进料转化成甲烷和其它燃料气体的高效连续过程。尽管高温热解需要显著的能量输入来达到所需的过程温度，但其由产生的甲烷气体的部分来达成，且因此该过程是可持续发展的。当生物质用作含碳原料时，其也是碳中性的。部分或完全的含碳原料热解是本领域中公知的，例如，US4759300 (Hansen)和WO2014/090574A(Beech等人)。US8282787B和US2013/0004409A (Tucker)教授了一种热解系统，其使用以螺旋钻构成的温度受控的反应罐室，其中从热解过程产生的活性炭用于过滤和隔离有害气体。在另一应用中，US2014/0301934 (Tucker)教授了一种具有用于促进甲烷化过程的涂有催化剂的钻的热解系统，以及用于产生碳纳米管的方法。

除有机废物外，诸如煤和沥青的化石燃料可用作含碳进料来用于热解/气化过程，以产生高质量的甲烷气体。例如，通常具有小于5mm的粒径且所以在储存和运输中存在显著的爆炸风险的来自矿渣的煤粉可使用气化过程处理。然而，由常规气化过程产生的产物气体通常具有不利的低甲烷浓度。

在将含碳原料裂解成短链烃、氢和三次焦油之前，热解中的高温环境将含碳原料转化成长链烃(例如，一次焦油和二次焦油)。

一次焦油大体上特征为直接源自有机原料的热处理(本例中是热解)的化合物，例如，环己酮、愈创木酚或甲酸。二次焦油大体上特征为酚类和烯烃。三次焦油特征为没有氧组分的芳族化合物，其可为碱化的(例如，甲苯、茚)或'浓缩'产物，诸如没有取代基的多环芳香烃(例如，萘、菲)。

在高于1000℃的温度下高效的长链烃的热裂解导致了氢池的增大，以及甲烷形成。然而，通常是热解室中的热点的略微升高的温度(即，＞1100℃)下，产生的任何甲烷都可热解。结果，过高温度下的热解产生产物气体中的大量废焦油，降低了气体纯度。

甲烷化可限定为由热化学气化中的各种气体的混合物生成甲烷的物理化学过程。焦油的热裂解在镍催化剂存在时在950到1100℃下是高效的，但大多数热解技术目前在较低温度下操作；然而，在该较低温度下操作降低了热解效率，即，其减少了所述一次、二次和三次焦油的裂解，有效地减少了可用于随后的甲烷化的碳和氢的量。

EP2440633和US8784616B(Tucker)教授了一种反应罐筒，其中加热室分成了多个区段来提供沿筒变化的温度轮廓。在所示实例中，分隔壁可沿轴向方向移动；因此各个区段中的原料和产物气体的停留时间可通过改变区段长度来调整。改变温度轮廓允许了甲烷化与热解和裂解阶段的分离，因此导致了较好的产量。然而，由于甲烷化室中的低温，其中释放的任何一次焦油和二次焦油，以及一些三次焦油连同产物气体从反应室取得。即使焦油在后续分离单元中可从产物气体洗除，但此系统导致了较低的产量和较高的焦油处理成本。

结果，产生高甲烷浓度的产物气体和裂解任何残余焦油来用于进一步甲烷化的高产量过程是很期望的。

发明内容

本申请人通过提供气化系统和设计使用该系统的过程来缓解以上问题。

根据本发明的过程针对将含碳原料转化成反应。该过程包括以下步骤：

i)热解和甲烷化原料来在至少一个热解室中产生反应气体，其中至少一个热解室在处于或高于850℃的温度下操作(优选处于或高于950℃)。

作为优选，含碳原料包括煤。作为优选，反应气体包括甲烷。

根据本发明的一些过程还包括以下步骤：

ii)从至少一个热解室除去反应气体，

iii)气化来自至少一个热解室的未转化的原料来在至少一个气化室中产生合成气，其中至少一个气化室包括一个或更多个反应物喷射端口来用于喷射反应物以允许气化，且在700℃到1100℃之间的温度下操作。

iv)从至少一个气化室除去合成气。

在此过程中，作为优选，合成气包括焦油、氢和一氧化碳中的至少一者。在此过程中，作为优选，反应物包括蒸汽、氢、氧和空气中的至少一者。在此过程中，作为优选，该过程包括将具有至少为二的碳数的烃从反应物气体和合成气分离来分别形成产物气体和净化的合成气的步骤。在此情况下，烃优选为焦油。烃优选引入热解室和/或气化室的入口端口中。

当产生净化的合成气的情况下，优选的是，产物气体和/或净化的合成气的该部分供应至至少一个热解室和/或至少一个气化室来用于加压所述热解和/或气化室。

在产生净化的合成气的情况下，优选反应物气体和合成气在分离烃的步骤之前组合。

根据本发明的一些过程使用包括催化表面且在从850℃到1100℃的温度(优选950℃到1100℃)下操作的热解室进行，且还包括以下步骤：

ii)从热解室的至少一个出口中的至少一个除去反应气体，

iii)将反应气体分成产物气体部分和用于进一步处理的部分，

iv)将用于进一步处理的部分循环至热解室的至少一个入口中的至少一个来用于进一步处理，

v)回收产物气体部分。

在此情况下，优选反应气体还包括至少一种具有碳数至少为二的烃(优选是焦油；在其为焦油的情况下，优选产物气体包括大致高于反应气体的甲烷含量，且用于进一步处理的该部分包括大致高于反应气体的焦油含量)。

在使用此过程的情况下，优选的是，产物气体的一部分供应至热解室来用于加热所述热解室。在此情况下，优选的是，产物气体的该部分在供应至热解室之前预热。

根据本发明的一些过程还包括在热解之前调节原料的步骤；其中所述调节步骤包括进料准备系统中的原料的拣选、过滤、破碎和干燥中的任何。

本发明还涉及用于执行如上文所述的过程的系统，具体是系统包括一次室、二次室和三次室的系统；其中至少一个热解室包括一次室；其中一次室、二次室和三次室串联连接；以及其中三次室在处于或高于850℃(优选高于950℃)下操作，以促进原料的热解和焦油的裂解。

根据本发明的一些系统还包括至少一个气化室，其中至少一个气化室包括三次室；其中热解室或气化室中的任一个还包括二次室；以及其中所有室的模块大小根据吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求和催化剂与原料和气体的总表面接触面积要求选择。

在根据本发明的一些系统中，二次室在700℃到900℃之间操作，以促进反应气体的甲烷化；以及其中三次室在700℃到1100℃之间操作，以促进未转化的原料的气化。在此情况下，优选二次室包括可操作成允许除去反应气体的出口，且三次室包括可操作成允许除去气体的出口，且优选一次室在850℃到1100℃之间(优选950℃到1100℃之间)操作，以促进原料的热解和焦油的裂解。在一次是在此系统中在此温度下操作的情况下，优选所有室的模块大小根据吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求和催化剂与原料和气体的总表面接触面积要求来选择。在此情况下，优选反应气体从用于将反应气体分成产物气体和用于进一步处理的一部分的二次室的出口除去；且用于进一步处理的部分经由三次室的入口引入。还优选的是，从三次室的出口除去的反应气体和焦油在一次室的入口处再引入系统中。

在根据本发明的一些系统中，一次室在处于或高于850℃(优选处于或高于950℃)下操作，以促进原料的热解和焦油的裂解；且二次室和三次室在700℃到1100℃之间操作来促进未转化的原料的气化。在此情况下，优选一次室包括可操作成允许反应气体除去的出口；以及其中二次室和/或三次室包括可操作成允许除去合成气的出口。

在根据本发明的一些系统中，一次室、二次室和三次室中的各个均包括至少一个筒，且各个筒均包括用于在各个筒内传送原料和反应气体的钻。在此情况下，优选系统还包括各个串联连接的筒之间的生成物室以提供缓冲能力，且优选各个筒均包括与彼此流体连通的加热夹套。在使用加热夹套的情况下，优选系统还包括各个加热夹套和筒，以及各个筒和生成物室之间的连接处的减振机构。在此情况下，优选减振机构是或包括波纹管。

在根据本发明的系统中，优选系统还包括环带，其包括：

a)包括耐火材料的壁；以及

b)包括燃烧器的燃烧器箱；

构造成以便在使用中，一致的气流在室的外部上从二次室按顺序流至一次室，或从三次室按顺序流至二次室，至一次室。

附图说明

本公开案的其它特征和方面将参照附图从示范性和非限制性实施例的以下详细描述中清楚，在附图中：

图1a和1b绘出了根据本公开案的气化系统。

图2绘出了根据本公开案的流程图。

图3a和3b绘出了根据本公开案的包括减振机构的接头。

图4绘出了根据本公开案的另一个气化系统。

图5a和5b以简化形式绘出了包括环带的根据本公开案的系统。

具体实施方式

图1a,图1b中示出了根据本公开案的气化系统10的实施例；系统能够在根据图2的流程图的过程中使用来用于由含碳原料12生成产物气体14。气化系统10包括用于调节原料的准备系统20(为了清楚，图1a和1b中未示出)、用于将调节的原料给送至多个串联连接的圆柱室40,50,60的给送系统30，以及用于将汽化焦油与产物气体分离的分离单元90。各个圆柱室40,50,60均包括螺杆42,52,62，其用于经由圆柱40,50,60传送原料。串联连接的圆柱室40,50,60中的各个中的温度由其自身的加热夹套44,54,64独立地控制，以便提供有利的处理状态来促进热解或甲烷化过程。随着生成更多产物气体，室40,50,60加压。产物气体74包括焦油和甲烷，且可从二次室50的出口处的气体取得点70取至下游分离单元90。在下游分离单元90处，大部分焦油和杂质从产物气体除去，且结果产生高纯度的甲烷产物14。

在该特定实施例中，串联连接的圆柱室包括一次室40、二次室50和三次室60，各个均有特定任务。一次室40提供用于含碳原料热解和热解过程期间释放的焦油裂解的高温(＞850℃，优选＞950℃)的环境。然而，大部分甲烷产生在二次室50中在较低温度(＜900℃)下执行。从下游分离单元90处的产物气体剥离的再循环焦油76(一次、二次和三次)流在三次室60的入口72处再引入过程。连同从二次室50排放的残余固体，取得的焦油76在高温三次是60中进一步热解、裂解和甲烷化。少量清洁产物气体14给送至三次室60和/或一次室40和二次室50来提供反应室40,50,60的压力控制。所有清洁气体都在喷射到室中之前经由燃烧气体排放歧管预热来最小化室内的温度下降。产物气体78具有富焦油含量，且流出三次室60而在入口处再引入一次室40来进一步裂解。无机物含量高的未转化原料79的其余部分在系统出口69处弃置。

受制于气体质量的首先在三次室60，随后在一次室40和/或二次室50的焦油再循环允许了较长停留时间，且释放更多焦油来裂解以随后甲烷化。除去和再循环焦油也提高了甲烷气体的纯度，且降低了焦油处理的成本。

该过程在准备系统20处开始，以便通常具有波动质量的原料可调节至一致的质量。在其进入给送系统30之前，含碳原料首先在准备系统20中准备来除去所有金属成分和巨大惰性物体，例如，通过使用磁性筛和/或感应分拣系统，或本领域的技术人员已知的任何装置。准备系统20还将原料破裂成一致的粒径，例如，使用破裂器和/或制粒机，且在该过程中，放出和除去更多金属内容物和巨大惰性物体；这最小化出自惰性材料的能量消耗。破裂的原料然后经由热控制的干燥机处理，导致了＜5%水分成分的原料；具有低水分含量的原料减小了室40,50,60中的蒸汽生成，且有助于控制惰性气体，以及降低有效气体转化的氧水平。

热控制的干燥机可包括以天然气、产物气体或合成气运行的气体燃烧器，或其可特征为本领域的技术人员已知的任何特征，例如，其可包括电加热元件、微波或红外辐射器，或使用来自气化系统10或任何其它热源的废热的集成换热器。在一些实例中，热控制的干燥机还包括用于根据系统要求调整原料流速和水分水平的集成水分控制系统。

发现准备和控制原料粒径和水分含量允许了有效传热和气体转化。

在一些实施例中，中间系统进料料斗安装成从准备系统20收集干燥和破裂的原料。如果对给送系统30的原料输出中断，则中间系统进料料斗的使用提供了缓冲能力。给送系统30使用悬臂钻螺杆压缩装置来产生空气锁；这通过压缩进入的原料形成压缩的塞来达成。其操作是关键的，因为对一次室40的任何空气卷吸影响气化过程的效率，且减少了多种最终产物气体。例如，加热室中的氧的存在导致燃烧，这继而又产生副产物，如，一氧化碳和二氧化碳。连同卷吸的氮，副产物和杂质减小产物气体的热值。

给送系统30还包括在其出口处的压力液压控制翻片34，其将原料释放到垂直进料喉部35中。高速进料钻螺杆36提供成用于原料受控输送至一次室40，考虑了过程参数如原料流速、体积密度和传热性质。这用于向一次室40给送适合的进料流来用于最佳的气体转化。

在所示实施例中，如图1a和1b中所示，室40,50,60垂直地堆叠以有助于相邻室的加热夹套44,54,64之间的热气体有效循环。此外，重力有助于以垂直堆叠的构型传送原料和剩余产物至随后的室；结果，传送器件如钻可在相邻的室之间省略，降低了过程复杂性和与其相关联的维护成本。此外，连接相邻室的生成物室46,56a,56b提供了附加的缓冲能力；在生成物室46,56a,56b中构成的原料质量产生压头，以确保原料适当地给送至随后的钻。

各个室40,50,60中的操作温度由其自身的加热夹套44,54,64控制。在所示实施例中，多个加热器48位于一次室的加热夹套内，而加热空气或燃烧气体随后使用下游的引风机来经由二次室54和三次室64按顺序吸收来提供其中的加热。多个室加热器48的位置确保了热涡旋围绕筒的外表面形成，因此消除了潜在的热点或死区。加热器48的轴向定位允许了沿一次室40的长度的燃烧气体的均匀分布和循环。

反应器室44,54,64的各个加热夹套使用高级陶瓷纤维或本领域的技术人员已知的任何绝热材料来独立地绝热。为了便于热分布，排气端口安装成将一次室44的加热夹套连接到二次室54上，以及将二次室54的加热夹套连接到三次室64上；所述排气端口提供了足够的截面面积来最小化热燃烧气流的限制。

加热器48可为由如图1a中所示的产物气体供燃料的气体燃烧器，以允许过程的自给自足，或通过丙烷或民用燃气(通常家庭供应的燃料气体)的外部供应，或其可为本领域的技术人员已知的任何加热元件，例如，电加热元件、微波或红外辐射器，以及使用来自其它过程的废热的换热器，如，热电联产(CHP)发电机。由于用于热解的大部分所需的热能在一次室40的第一半内发生，以便将进入原料的温度升高到所需的设置点，故加热器48朝筒40的入口定位；这导致了沿筒40的长度的线性温度轮廓。然而，加热器48的轴向位置不一定是如图1a中所示的。加热速率通过使用包括安装在各个室内的一个或更多个温度传感器的反馈控制系统来控制，且根据包括原料吞吐、原料类型和过程要求的过程条件来控制。

在所示系统中，一次室40在高于二次室50的温度下操作。例如，一次室40的内部温度控制在850℃到1100℃或左右，优选950℃到1100℃或左右(例如，1050℃)，以促进高温热解和裂解，其中原料释放一次焦油、二次焦油和/或三次焦油。此外，包括来自三次室60的焦油和甲烷的反应气体78在一次室的入口38处再引入，以便任何再循环焦油或三次室60中释放的焦油可在一次室40中再处理。在规定条件下，释放的一次焦油的一部分裂解成二次焦油和三次焦油，其形成原材料的一部分来随后甲烷化。此外，三次焦油的部分裂解和部分甲烷化在此发生。由于高温对于有效裂解起到重要作用，故在一些实施例中，致密铸造的陶瓷耐火端盖39安装在一次室40的入口处，其用作容纳隔层来最小化从一次室40到前进的给送系统30中的原料的热损失。

另一方面，二次室50在范围从700℃到900℃的范围的大概温度下操作(例如，大约800℃)，以有助于由热解过程产生的化学成分所释放的含碳和氢的类别的甲烷化。二次室50中的较低操作温度意味着来自一次室40中的加热夹套的排出空气可吸收且用于后续室50,60中的加热。这里，垂直叠层形成允许热空气经由多个室按顺序吸收。在一些实施例中，二次室50和三次室60还包括加热器来用于可能出现的附加能量要求；例如，在气化系统以高比热容处理原料时，或如果系统10遇到过大的热损失。在一些实施例中，二次室50和/或三次室60的外壁包括翅片80，以有助于从燃烧气体的热吸收。

在一些实施例中，室筒40,50,60和钻42,52,62由Inconel617合金、镍合金230或具有适合的热、催化和抗腐蚀性质的任何适合的含镍合金制成。例如，Inconel617和镍合金230在较宽温度范围内保持其抗拉强度；因此，在操作条件下，钻和筒不会在负载下变形或退化。此外，这些合金含有大量镍，使得它们的催化性质有助于焦油处理和甲烷化。

在一些实施例中，一次室40中的钻42包括搅拌器43，以促进原料循环和气体转化，因此有助于热传递且最大化原料、催化表面和气体之间的接触。搅拌器43可为本领域的技术人员已知的任何混合器，例如，桨和指。为了有助于混合，桨定位在钻的前缘上，钻运转来使原料在室内有效循环。在操作中，搅拌器43还减小了沉积在内筒壁上的炭的厚度，提高了总体传热效率。除桨之外，在一次室40的入口处再引入热和加压的产物气体增大了气体湍流，这通过对流增大热传递。循环桨和产物气体再循环的组合效果通过最大化给定停留时间内的传热来极大地加强热解转化。在一些实施例中，高表面面积镍合金刷安装在螺杆的边缘处，螺杆运转来刮表面壁，且除去沉积在其中的任何碳。

钻杆42和一次室筒40的热膨胀速率可由于若干原因而不同。例如，它们可由不同材料制成，或它们可由于到来原料的热损失而在不同温度下操作。为了补偿和放置设备破坏，钻和筒仅刚性地固定在具有原料输入口的端部，因此热膨胀仅沿水平方向发生。钻杆42支承在朝室出口的另一端处；由膨胀引起的任何移动都引起钻杆滑动穿过一组轴承41，而不会在如图3a和3b中所示的系统中产生任何应力点。沿水平方向和径向方向的任何热膨胀由双收缩/膨胀波纹管系统45a,45b吸收。波纹管还提供了不透气体的密封，以防止加热夹套44中的排出气体与室40中的产物气体之间的交叉污染。由于它们并未经历与钻和筒同样高的温度，波纹管45a,45b可由较廉价的材料制成，如，不锈钢316或任何适合的材料。波纹管系统还包括陶瓷绝热物45c，以便最小化波纹管45a,45b处的热损失；较低的波纹管温度减小热膨胀，且因此提高了波纹管45a,45b的寿命。

在离开一次室40时，剩余材料、未转化的原料和产物气体在给送到二次室50之前传送到绝热一次生成物室46中。如同一次室40，连接一次生成物室的接头与附加的波纹管47配合来补偿热膨胀。

第二室50中的操作温度降低到700℃到900℃的范围中的温度(例如，800℃)；在此较低温度下，从热解过程产生的化学成分释放的含碳和氢种类的甲烷化在相比于850℃到1100℃(优选950℃到1100℃)时更有效。

由于一次室40中的热解转化，故进入二次室50的固体原料的吞吐显著低于进入一次室40的。因此，在所示实施例中，二次室50构造成具有较小开孔来解决固体流的减少；筒尺寸的减小允许两个串联连接的室筒50安装成垂直叠层构型；这延长了甲烷化过程以及任何未转化的含碳原料的进一步热解以及焦油裂解的停留时间。两个二次室50包括相比于安装在一次室40处的螺杆42减小飞行螺距的螺杆52，以便最大化原料和催化剂的接触。

在二次室50a中的第一个的出口处，剩余材料、产物气体和未转化的原料穿过级间生成物室56a，且给送到两个二次室50b中的第二个中。两个二次室50a,50b大小和设计相同，但它们可根据过程要求独立地确定尺寸。在两个二次室50b中的第二个的出口上，剩余材料、产物气体和未转化的原料在进入三次室60之前进入二次生成物室56b。二次生成物室56结合气体输出阀/端口70来取得产物气体。由于室40,50,60在正压下操作，故产生的大部分产物气体由压差传送到下游分离单元90。气体输出阀/端口70用于从气化系统获得气体的唯一出口端口。如同一次室40，双收缩/膨胀波纹管系统应用于二次室50来补偿水平和径向热膨胀。

可选地，在此阶段，剩余的气态材料可输送至相关联的模块来进一步处理。相关联的模块可为任何分离器，包括气体调节器、催化转化器、分馏装置、气体洗涤器、吸收装置、膜片气体分离器、气体集中器、冷凝器，或用于处理气体的任何其它设备。作为备选，其余气态材料可经由排气系统释放，例如，气体火炬。

所有剩余的固体材料借助于重力穿过二次生成物室72而进入高温陶瓷双倾泄阀(但也可使用本领域的技术人员已知的任何其它获取装置，例如，旋转阀)。双倾泄阀根据剩余材料流速设计来将固体材料释放到三次室，而不会卷吸可污染二次室50中的惰性气氛的其任何气体。

三次室60在950℃到1100℃(例如，1050℃)的范围内的温度下操作来优化气体甲烷化、一次焦油、二次焦油和三次焦油的裂解，以及执行所有其余的剩余材料的末级热解。或作为备选，三次室60可在700℃到900℃的较低温度范围下操作来优化甲烷化。

三次室60包括室的入口处的附加入口端口72，以将与产物分离的焦油再引入回系统10。在一些实施例中，入口端口72还可包括用于引入清洁气体来控制气化系统的内部压力的入口；所述内部压力控制在大约0.3barg或高于大气压力的任何压力下。三次室60还包括用于蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望输入的受控引入，以便按需要再调节剩余原料。附加的气体输出端口67可安装成在气化操作下除去合成气产物。

三次室加热夹套64使用从二次室加热夹套54排出的任何废热。在一些实施例中，其还包括至少一个加热器68，以用于将三次室60中的温度升高到所需的设置点。正如一次室加热夹套40中的加热器48，燃烧空穴64内的加热器68成角且定位成确保燃烧气体经由围绕三次室筒60的外表面的气体旋流产生相等的能量分布。这消除了热点或死区的可能性。

三次室60还包括与主一次室40连接的产物气体进料管77；可选地，所述产物气体进料管还包括烧结镍过滤器75，或具有催化性质的任何过滤器，以进一步过滤产物气体且促进甲烷化。三次室加热夹套64结合排气歧管和抽空室来从反应器室系统取得燃烧气体。三次室加热夹套64还可包括预热产物气体管，以在进入任何室40,50,60之前预热产物气体。

排气歧管和抽空室包括下游的独立流动控制翻片和内部温度监测系统来监测和控制相对于所有室40,50,60中的温度读数的燃烧气体流速。

三次室60还收纳高温双倾泄阀或本领域的技术人员已知的任何其它获取装置，以除去其出口69处的任何残余物和惰性物质，而不会卷吸下游的任何环境空气。

气化系统可作为备选用于来自矿渣的废煤或具有相对较高固定碳含量的任何其它含碳原料的热解和气化。所述固定碳组分的粒径通常范围从微米到5mm，且可使用准备系统20和给送系统30调节和给送到气化系统。气化系统允许粉煤的挥发性成分在将其余的固定碳含量经由后续气化阶段转化成合成气之前，加入诸如氧或蒸汽的试剂来转化成高质量甲烷气体。在该实施例中，三次室可设计成执行气化，而二次室能够取决于过程条件和原料成分(即，原料中的固定碳含量)来在甲烷化与气化操作之间切换。例如，在原料中的固定碳含量很高的情况下，二次室能够提供附加空间来执行气化。

如图4中所示，二次室和/或三次室还可包括用于输送蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望输入物的喷射端口65,65a和/或65b，以便允许穿过之前的室中的高温热解级的固定碳和剩余含碳成分气化；二次室/三次室内的气化过程的操作温度范围从700℃到1100℃，以适应较宽范围的原料。

气化室，即，二次室和/或三次室，以及热解室可由高温双倾泄阀或本领域的技术人员已知的任何其它获取装置分离，以在气化级之前允许在获取点70,70a或70b处获取产物气体74。这消除了各个单独的室内的环境气体的交叉污染，同时允许了固体残余物和转化的原料的传递。在该实施例中，在气化室内产生的合成气74a包括焦油、氢和二氧化碳。在进料管77隔离的情况下，合成气74a可从获取端口67,67a或67b获取或转移，且与产物气体74组合来用于下游气体调节和处理。作为备选，合成气74a和产物气体74可在组合在一起之前调节和处理，或合成气74a可独立于产物气体74获取和调节来用于进一步使用。此外，焦油76可在一次室38、二次室72a或72b或三次室72的入口处引入来进一步热解/气化或裂解。

如上文设计的系统和过程基于发生在反应室内的化学反应而允许使用者创造出最佳条件来用于热解或气化。热焦油裂解是指在没有氧的情况下将较大的有机化合物分解成较小的有机化合物、碳和氢。焦油的热裂解导致氢和碳的池增大，由此，甲烷可形成，且具有甲基的焦油通常可裂解来直接地形成甲烷。用于焦油裂解的接受的机构是自由基形成作为初始步骤的链反应(还有针对反应速率的限制因素)，且包括可涉及甲烷形成的终止步骤。

温度越高，则自由基形成速率越高。高于850℃(且优选高于950℃)，一次焦油、二次焦油和三次焦油分解成三次焦油、碳、氢和较小的烃是很有效的。在此温度下，三次焦油还可部分地分解来形成固定碳和较小的烃。尽管许多一次焦油和二次焦油在这些条件下通常'裂解'且形成较大的更耐火的焦油，但这仍导致甲烷化所需的氢的净释放。

由于热解过程最初需要高温以便最小化产物气体中的问题焦油的浓度，但超过1100℃的温度将开始热解甲烷且因此不是期望的。

更多焦油裂解发生在气态，因此延长气体停留时间和与催化剂的最大化接触对于有效热裂解是重要的。镍基催化剂是协助焦油裂解公知的，且还报道了炭(碳)可通过用作适合的基底来有助于焦油的热裂解，所以气体-碳接触面积应当最大化。

有可能将反应物引入室中来有助于焦油裂解。加入蒸汽来产生蒸汽气化据报道会提高裂解速率，使得需要较低温度来转化焦油。加入CO₂具有类似的效果。

然而，这可对通过室中的其它反应的气体的甲烷含量具有冲击效果。

氢是可引入来允许加氢气化的另一可能的气态反应物。氢的加入抑制焦油分解速率，但有助于甲烷产生，还有可能以其它气相甲烷化反应来协助，且所以可为比蒸汽更期望的添加物。氢与自由基反应来形成稳定的焦油分子和氢自由基，引起稳定AHs/PAHs的较大浓度，如，萘和苯。

通过蒸汽重整反应和Sabatier反应的逆转的甲烷化形成在反应器室的条件下发生的一组反应；

反蒸汽重整：

1.

水-气体反应：

2.

Sabatier反应：

3.

Boudouard反应：

4.

甲烷化反应：

5. 。

作为优选，反应室内的条件选择和控制成使得反应1有最高重要性。由于热解期间的惰性气体，故这在一氧化碳浓度大于二氧化碳浓度时发生(因此，即使考虑反应4，反应3也不太重要)。此外，反应5在反应器的操作温度下不太明显。反应条件的优化基于这些效率，且考虑到由一氧化碳产生甲烷是费托过程的一个典型，这是由一氧化碳和氢产生烃：

6. 。

在此反应中，较高温度增大反应速率，且有益于优先于较长的烃的甲烷形成。此外，催化剂与高氢解活动的使用(如，镍基催化剂)将导致优选甲烷形成。此外，具有高H2:CO比将加强甲烷形成。

碳与蒸汽(反应2)的反应形成可用于转化成甲烷的更多氢，这还降低了蒸汽浓度，因此按照勒夏特列原理朝蒸汽(和甲烷)产生转移反应1。(尽管由于化学上不均一的原料的引入、产物气体吸离室和同时发生的反应的复杂性，反应物室中的反应不可假定成到达平衡状态，但合理的是假定反应将朝平衡点不断进行。因此，有可能优化室内的状态以便最大化甲烷产生。)。

因此，反应条件的优化通过连同通过费托过程的甲烷形成使用勒夏特列原理而发生，可评估反应的最佳条件。

较高的温度导致在费托过程中优先于较长的烃形成甲烷的较大趋势，且极大地提高了反应速率。然而，由于此类甲烷的放热性质，故较高温度也引起朝反应1和3中的氢形成而移离甲烷形成。这通过强吸热的反应2来略微平衡，且因此温度升高导致了反应2中的氢和一氧化碳的较高产量，因此对反应1具有冲击效果。因此，必须小心平衡温度来最大化甲烷化。

在镍基催化剂存在的情况下，在过程中实现的停留时间下，估计700℃到900℃的温度对于该系统中的气体的甲烷化是最佳的。该温度还将有助于裂解焦油，但这在该过程中不如＞950℃的温度有效。

还必须管理室内的气态反应物。通过减小原料的水分含量，蒸汽的浓度减小，且反应1和3朝甲烷产生转移。此外，较大的蒸汽含量将发生在室中的反应类型从热解变为蒸汽生成。然而，从原料完全除去所有水分不是期望的，因为其为通过反应2的氢和一氧化碳的来源，且多余的氢和一氧化碳的浓度将导致较高的甲烷产量。蒸汽还提高了裂解的效率，因为其还气化焦油。

氢浓度可通过焦油的裂解以及通过将氢气加入室中提高。尽管氢的加入将降低焦油裂解的效率，但其件沟通过反应1,3和5加强甲烷的形成，且还重要的是具有尽可能高的H₂:CO比，因为这将产生甲烷相对于较大的烃的形成的又一个优先性。因此，将氢加入室中的能力很重要，且应当研究来在增大的甲烷产量与降低的焦油裂解效率之间平衡，以获得关于下游过程的最期望的气体含量。

需要通过减少进入反应器室中的环境气体来产生惰性或无氧的气氛，因为任何氧都将容易与甲烷反应来形成二氧化碳和一氧化碳。此外，氮进入室的任何引入都将稀释气体质量，且提供氮源，与此，氢和烃可反应来形成非期望的气态产物。

甲烷的产量(且还有焦油的裂解)可通过延长反应器室内的气态和固体停留时间来进一步最大化。通过延长固体停留时间，将热传递至原料的能力较大地提高，且因此最大化热解的原料的百分比。通过再引入热气体来在室中产生湍流也通过加强对流效果来加强传热。

固体和气体停留时间对于允许反应朝动态平衡动很重要，因为室内的条件选择成允许最大甲烷产量。此外，气体停留时间的延长将允许用于表面催化剂接触的更多时间，且因此最大化费托甲烷产生和加强焦油的裂解。

加强炭与气体的接触将导致可用于反应2和5的碳的增加。这还对于焦油裂解很重要，因为碳据报道有助于热焦油裂解。炭和原料的循环将加强该效果，且还加强室的传热特征，因此是气体质量最大化的重要因素。

镍基催化剂具有很高的氢解作用活性，且因此趋于在费托过程中优先于较长烃形成甲烷。这是因为氢容易吸附在催化剂的表面上，因此提高了氢解作用的速率。镍基催化剂还对焦油裂解具有效果，从而允许了较少能量用于自由基形成且因此加强链反应。具有抗腐蚀、结构熟知和经得起反应器模块中的温度的能力的催化剂的要求导致了选择Inconel617或镍合金230。

该催化剂与热解气体的表面面积接触必须最大化来确保焦油的裂解和甲烷化，与催化剂-气体接触相关联的停留时间也必须最大化。此外，镍催化剂的低温操作提高了硫中毒的可能性，因此室中的高操作温度有助于防止催化剂的化学失活。

在一些情况下，可能期望将等量比提高到高于0，以便产生气化条件。这将减小所得的合成气的甲烷含量，但增大原料的转化比，且在此应用中，如果原料具有高的固定碳含量，则这是期望的。

反应1至5所有都是气化套件中相关的，然而反应2通常是固定碳的转化中最大活性的，且反应1趋于朝氢形成，尤其是在蒸汽气化中。附加的转移转化反应在气化条件中也是很重要的：

7. 。

该反应趋于以一氧化碳为代价增大合成气中的氢量，然而由于该反应是温和放热的，故较高温度导致朝比较低温度下更多一氧化碳形成转移。

在离开气化反应器时的合成气的准确组分将高度取决于气化剂，但将包括较大部分的氢、一氧化碳和二氧化碳，以及较小百分比的烃。这是因为引入来产生气化条件的反应物通常将反应1至5推离甲烷形成。气化剂可包括但不限于氢、氧、蒸汽、二氧化碳和空气。在该实施例中，由于与焦油裂解效果组合的蒸汽的可及性和低成本，故识别到了蒸汽气化。蒸汽的加入还有助于通过反应7的氢形成而优于一氧化碳形成，这通常是期望的。

正如热解那样，气化期间温度越高，则焦油产量越低，且由于甲烷含量通常已经很低，故对最大化甲烷形成的考虑可较低。因此，温度的主要功能是减少合成气的焦油含量，且增大原料的转化。此外，气化过程内的停留时间应当平衡，以便达成原料的最大转化。

实例

下文是根据本公开案的气化系统及过程和其构件的详细实例。该实例涉及模块化系统和用于将准备的含碳原料的质量通过高温热解转化成一致的高甲烷含量产物的模块化系统和过程。

作为变型，模块化系统和过程还可涉及经由固定碳和剩余含碳成分的温度受控的气化过程产生的合成气。

在论述实例中，使用了以下定义。

反应器室

受控的惰性气体允许原理在热处理条件下的热解。利用集成进料系统和自动碳残余物除去由高催化镍合金构成。通过加入蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入来启动气化的室环境控制的能力。

生成物室

绝热的垂直室，由此连接单独的反应器室。原料经由钻杆传送出反应器室，且经由绝热垂直生成物室引导至下一处，与波纹管配合，在该处适合解决热膨胀。

反应器模块

反应器模块以垂直集成方式构成，由Inconel617或镍合金230一次室(1x36''直径反应罐)、二次室(2x16''反应罐)和三次室(1x16''反应罐)构成。这允许了热气体的循环，以及原料、固定碳和残余材料的重力协助流动。

热解叠层热/热要求由2.8MW容量的气体燃烧系统供应。衬有陶瓷的炉使用排气器控制翻片来循环能量。热能输入应用于一次室，其大部分应用于反应罐的第一半。燃烧气体设计成经由二次室和三次室，经由排气器吸力控制翻片而流动，翻片监测流速来允许能量的有效使用。附加的3个燃烧器围绕三次室定位来将更多能量输入提供至该过程。

产物气体

'产物气体'是指旨在用于进一步下游使用的从反应器室取得的气态产物。其可由气化气态排放物和热解气态排放物或的混合物构成，或仅由热解气态排放物构成。这些气体与大气和任何其它可能的气态污染物隔绝，且在整个过程中保持在恒定的正压下，以便降低污染风险。所述的过程预计产生需要清洁的高甲烷含量(＞50%体积)的产物气体。该气体在下游分离单元之前和之后成为产物气体，且可再循环到室中，在发动机中燃烧，在过程内的燃烧器中燃烧，或用于其它过程。用语"反应气体"在所附权利要求中用于明确表示在热解和甲烷化步骤中产生的气体。

合成气

'合成气'是指在反应物或气化剂引入其中时仅来自气化室的气态排放物。合成气的准确组分极大取决于反应物，但将包括较大部分的氢、一氧化碳和二氧化碳，以及较小百分比的烃。反应物可包括但不限于氢、氧、蒸汽、一氧化碳和空气。由于可及性和低成本，以及相关联的焦油裂解效果，故蒸汽可在一些实施例中用作反应物。蒸汽的加入还有助于氢形成优于一氧化碳形成。合成气可与产物气体混合，或与产物气体隔离，且取得来用于其它使用。通常，这具有比产物气体更低的甲烷含量，以及高一氧化碳和氢水平。

燃烧气体

'燃烧气体'是指来自反应器模块内的燃烧器的排出气体，其围绕燃烧空穴中的反应器室外界循环，以便将室加热至期望的温度。此气体不与产物气体混合，且其在穿过热氧化器之后经由排气翻片取得。

原料

原料可为用于反应器室中的热解的任何燃料。这通常是指垃圾衍生燃料(RDF)，但也可表示城市固体废物(MSW)、木屑、特定回收燃料(SRF)、轮胎碎片、煤或废煤。

废煤

具有相对较大固定碳含量的含碳原料。废煤通常由范围从微米到5mm的很小的颗粒构成。废煤可通过已知的分离方法(如旋风分离器)从矿渣获取，由此，通常由污染物聚集成的较大尺寸的颗粒的一部分将进一步处理来用于环境处理，如，酶处理。相对没有污染物的来自矿渣的煤颗粒然后适合作为废煤原料。

焦油，一次、二次和三次

用语'焦油'是很宽泛的用语，广泛认作是意指由不包括固体含碳材料或典型气态组分(甲烷、氢、一氧化碳、二氧化碳)且在操作条件下浓缩的有机原料的热处理产生的有机产物(通常是芳族化合物)。许多文献将焦油分成不同的部分；一次、二次和三次焦油。

一次焦油大体上特征为直接源自有机原料的热处理(本例中是热解)的化合物，例如，左旋葡聚糖、乙醇醛、糠醛和甲氧基苯酚。二次焦油大体上特征为酚类和烯烃。三次焦油特征为没有氧组分的芳族化合物，其可为碱化的(例如，甲苯或茚)或'浓缩'产物，如，没有取代基的多环芳香烃或芳族烃(例如，苯、萘、苊烯、菲、蒽)。

步骤1：原料制备

在示例性系统和过程中，原料的制备使用设计成除去所有金属和巨大物体且将残余材料破碎成大约30mm直径的一致粒径的设备。根据过程中所需的每小时的原料流速、反应器室的机械操作和室温度的原料的热特征的计算中发现这是允许热解一次室内的有效热渗透的最佳粒径。原料的均一性避免任何过程干扰，且破碎还从原料放出金属成分和其它较大(≥30mm)惰性材料，因此减少了来自惰性材料的能量消耗。

30mm颗粒通过热控制的干燥机处理，以允许水分含量控制成≤5%的水平。≤5%的水分含量优选成在有效气体转化中控制惰性气氛和氧水平，且在室内提供适合的气体成分。过高水平的水分将导致蒸汽释放，这将影响室内的化学反应。

干燥机设计成由气体燃烧器(由天然气、产物气体或合成气)或由来自系统的废热供应的集成换热器供能。集成水分控制系统包括在内来按系统要求调整流速和水分水平。

中间系统进料料斗定位成向反应器室供应连续原料(如果需要前端停机时间)。

原料从中间料斗使用悬臂钻杆压缩装置传送至热解叠层进料喉部机构，因此产生空气锁。空气锁设计成使用原料作为压缩塞。其结果在于使用通过原料压缩的获取，以除去可污染热解室的环境气体。污染产物气体的任何环境气体都将通过污染和稀释产物气体而导致较低的产物气体质量。氧的引入将导致含碳原料的不需要的氧化，从而增加了一氧化碳和二氧化碳水平，且降低了产物气体中的甲烷浓度。氮的引入将通过以惰性氮稀释其来稀释产物气体的热值。

液压控制翻片然后释放原料到垂直进料喉部，且从该处到高速进料钻杆。液压翻片根据原料流速、体积密度和传热性质校准，以向一次室给送适合的进料流来用于最佳气体转换。确立的是进入反应器的高进料流速将有助于克服进入室之间由于材料的熔化或固化引起的原料固化的问题。

实例的总体反应器设计允许不同反应器室之间的热气体的有效循环，以及原料和残余产物的重力协助的移动和流动控制。净结果是垂直反应器塔。

反应器模块垂直室所有都经由水平管互连，水平管设计成使用由六个气体供能的燃烧器借助于具有由下游引风机控制的循环压力的燃烧气体垂直循环来供应至一次室的最大输入能量。六个一次室气体燃烧器的位置优化来确保热涡流围绕反应罐筒形成，因此消除了潜在热点。

各个燃烧器反应室均包括燃烧空穴，其设计成允许燃烧气体的相等分布和循环，且由陶瓷纤维壁独立地绝热。将一次室连接到二次燃烧气体室的排气端口具有足够的截面面积，以有助于热燃烧气体从一次室流至二次室，且从二次室流至三次室。

燃烧器可由产物气体(对于此系统，目前计算是产物气体产量的10%)供能，以允许过程的自给自足或丙烷或民用燃气(通常家庭供应的燃料气体)的外部供应。用于转化的大部分所需的热能在一次室的第一半内供应。燃烧器定位成根据原料的流速来供应所需能量。

温度测量装置插入室内的各种位置处，以确保室温度保持在恒定值。在30mmRDF原料或通常具有小于5mm的粒径的来自矿渣的煤粉的情况下，850℃到1100℃之间，优选950℃到1100℃(例如，1050℃)的恒定温度是整个一次室中执行原料的最佳热解转化所需的。致密的铸造陶瓷耐火端盖应用至一次室的输入端；这用作容纳隔层来防止从反应器室到进料喉部系统中的原料的传热。

围绕一次室生成的燃烧气体围绕两个二次室吸收和循环。这将调制包括附接到反应罐上的翅片的二次室内的700℃到900℃(例如，850℃)之间的一致温度，以便提高热能的吸收。热气体进一步循环至三次室，其具有附加的顶部向上的燃烧器来在热解和气化操作中给予700℃到1100℃之间的一致温度范围，且可包括附加的冷却机构，如，引风机，以提供室内的过程的放热性质引起的气化操作下的温度控制。

所有室的模块化大小根据吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求和催化剂与原料和气体的总表面接触面积要求来选择。有利的是使用反应器的构造中使用的材料的催化效果(Inconel617或镍合金230)，其针对其热和催化性质来具体选择。

一次室规格/操作

对于2500kg/hr的原料流速，一次室的大小根据850℃到1100℃(优选950℃到1100℃)的所需热解转化温度选择。其由Inconel617或镍合金230的36''直径的反应罐筒(12英尺长，具有9mm的壁厚)构成。室内收纳钻杆，其设有正确的步级和螺距来有效传送原料和残余物流速。步级设计成具有气流端口，以及与反应罐筒的17mm的空隙。刷清洁可使催化剂失活的累积的任何残余物的反应罐筒的内侧。

选择的原料流速覆盖入口上的内反应罐筒的表面面积的大约25%。原料层的厚度是28mm。热解转化发生时，形成碳；这可形成绝热层，其防止对未转化的原料的有效传热。为了防止其，循环和搅拌桨根据室尺寸和原料吞吐提供。这些桨定位在步级的前缘上来有效循环室内的原料，以便减小炭的绝热层厚度(因此增大从反应罐筒表面到未覆盖的原料的传热的传导效果)，循环整个室内的未转化的原料(增大固体-气体传热)，且增大催化剂-气体接触表面面积。

除桨的引入外，在室的入口处再引入热的加压产物气体和三次室气体增大气体湍流，这通过从室内的人气体到固体原料的对流而增大传热。这还形成了闭环加压系统的一部分。循环桨和产物气体再循环的组合效果通过最大化室内的停留时间内的传热来极大地提高热解转化速率。

保持在850℃到1100℃，优选950℃到1100℃(例如，1050℃)的恒定温度下的一次室主要在由钻杆的rpm控制的停留时间内热解大部分原料，具有如上文详述的附加改变。在生成物产物气体的温度和停留时间下，一次室还将裂解热解过程中形成的一次焦油和二次焦油。三次焦油的部分裂解和部分甲烷化也将发生。

催化剂的表面面积通过可用于包括壁和钻杆步级的反应器中可用的所有接触表面上的高镍合金的完全使用来最大化。此外，特定高表面面积合金刷提供成清洁任何碳沉积物的表面壁。由Inconel提供的热性质是耐高温和抗熔化和变形。

使用的所有材料选择成拥有操作极限内且足以允许延长的处理周期的热膨胀性质。例如，系统设计成补偿钻杆和一次反应罐室的热膨胀。这些刚性地固定在原料输入端处，以便水平热膨胀仅沿一个方向发生。钻杆受支承，且由穿过轴承的滑移和反应罐筒膨胀构成的膨胀在水平上和径向上由双收缩/膨胀波纹管系统补偿。波纹管系统还提供了不透气体的密封来用于阻止燃烧气体进入加热室，以及产物气体从惰性热解室散逸。波纹管由不锈钢316或类似的制成，且具有计算的热陶瓷绝热，以便在操作温度下保持与镍合金反应罐筒相同量的热膨胀。

在离开热解室时，残余材料、未转化的原料和产物气体输送到生成物室，其构造成且绝热来包含所需的温度，且最小化从残余材料和产物气体两者的热能损失。这些与附加的波纹管配合来补偿热膨胀。

二次室规格/操作

对于2500kg/hr的原料流速(包括热解转化引起的体积减小的计算)，二次室的大小根据700℃到900℃(例如，850℃)的优选温度范围选择来最大化气体甲烷化。二次室由以垂直构型定位的两个Inconel617或镍合金230的16''直径(12英尺长，具有9mm的壁厚)的反应罐筒构成。室具有围绕外侧缘的翅片，以便有助于从循环燃烧气体的传热。生成物室连结两个热解室，以允许残余材料、未转化的原料和产物气体在室之间的重力协助流动。在第一二次室的出口处，残余材料、产物气体和未转化的原料穿过生成物室，且给送到两个二次室中的第二个中(第一个的相同的复制物)。在两个二次室中的第二个的出口上，残余材料、产物气体和未转化的原料在进入三次室之前进入生成物室中。

二次室提供任何未转化的原料的进一步热解的延长停留时间，且允许一次室内产生的气体的附加停留时间，以及附加的气体-催化剂接触表面面积，它们所有都有助于甲烷化和焦油裂解。700℃到900℃的温度范围允许了比850℃到1100℃之间达成的更有效的产物气体甲烷化。基于连同催化剂表面面积和气体停留时间的气体调节的化学和热要求，发现相比于一次室具有钻杆步级之间的减小螺距的两个二次室在前述大小下是优选的，以满足期望的气体质量。

如同一次室，双收缩/膨胀波纹管系统应用于二次室来补偿水平和径向的热膨胀，校准成使得膨胀速率等于一次室，因此允许了生成物室一直保持与反应器室成直角。

气化操作下的二次室：

在气化操作下，经由高温双倾泄泵离开热解室的所有剩余的残余材料经由高速钻杆引入二次室。在二次室的入口上，残余物与下游分离单元中的产物气体除去的处理的焦油的喷射组合。蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入的另一次喷射引入，以便气化来自一次和/或初始二次热解室的残余材料和从下游分离单元再引入的焦油。这些经由室在计算的速度下传送来给予最佳停留时间来完成气化。

系统设计成具有引入试剂类型中的灵活性。任何蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入的组合可经由气体喷射端口引入。这允许了气体质量的优化、抽空的残余材料的体积的最小化，以及三次室中的焦油裂解的最大化。

附加气体输出端口安装成在气化操作下除去合成气产物。

二次到三次生成物室

连接到两个二次反应器室中的第二个的出口上的生成物室设计成结合气体输出阀/端口，使得在闭环正压条件下，从热解转化中产生的所有产物气体都从反应器模块穿至下游的分离单元。所有剩余的固体材料在重力的协助下穿过具有嵌入的膨胀波纹管的生成物室，进入高温陶瓷双倾泄阀。阀根据残余材料流速设计成从闭环加压热解惰性气氛获取，而没有来自三次室的污染。该生成物室充分绝热来最小化从残余材料和气体的能量损失。

三次室规格/操作

对于2500kg/hr的原料流速(解决热解转化引起的体积减小)，三次室设计成具有根据700℃到1100℃的所需温度范围校准的大小，以优化以下所有；气体甲烷化、焦油裂解，以及来自之前的一次和二次热解室的所有剩余的残余材料的进一步热解。三次室由Inconel617或镍合金230的16''直径的反应罐筒(12英尺长，具有9mm壁厚)构成。室结合附加的入口端口来用于再引入从下游分离单元中的产物气流除去的焦油。

室具有还作为气化单元操作的能力，具有独立于以上热解反应器室的蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入的受控引入。

三次室设计类似于一次室，收纳三个独立控制的气体燃烧器，以将所需的热能施加至室反应罐。燃烧器和燃烧空穴的角和定位设计成确保燃烧气体经由围绕三次室反应器筒的外表面的气体涡流产生相等的能量分布。这消除了热点的可能性。三次室具有链接回主一次室的直接产物气体；这还包含烧结镍过滤器/催化器来允许进一步的甲烷化。三次室还收纳高温双倾泄阀，以除去室中未转化的任何残余物和惰性物质。

三次燃烧室结合排气歧管和抽空室来用于反应器室系统的燃烧气体。这收纳附加的产物气体进料管，这可直接地连接到一次室、二次室和三次室中的任一个的入口上，以允许引入室之前预热产物气体。这具有下游的独立流动控制翻片，其通过使用内部温度监测系统来监测和控制连同所有室温度的燃烧气体流速。

在热解操作下，经由高温双倾泄泵离开一次和二次热解室的所有剩余的残余材料经由高速钻杆引入三次室。在主三次室的入口上，残余物与从下游分离单元中的产物气流除去的处理的焦油/气体的喷射组合。这些在期望的温度下传送穿过室，以最大化可仍存在于流内的焦油裂解和任何未转化原料的热解转化。三次室出口点结合气体输出和另一个高温双倾泄阀。产生的所有气体经由烧结镍过滤器再循环回一次室的输入。这有助于进一步甲烷化，且除去了气流内的任何颗粒。留下的任何固体材料(惰性固定碳和任何其它固体材料)经由高温双倾泄阀排空来进一步处理。

气化操作下的三次室：

在气化操作下，经由高温双倾泄泵离开一次和二次热解室的所有剩余的残余材料经由高速钻杆引入三次室。在三次室的入口上，残余物与下游分离单元中的产物气体除去的处理的焦油的喷射组合。蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入的另一次喷射引入，以便气化来自一次和二次热解室的残余材料和从下游分离单元再引入的焦油。这些经由室在计算的速度下传送来给予最佳停留时间来完成气化。

系统设计成具有引入试剂类型中的灵活性。任何蒸汽、氢、氧、空气或任何其它期望的输入的组合可经由气体喷射端口引入。这将允许气体质量的优化、抽空的残余材料的体积的最小化，以及三次室中的焦油裂解的最大化。

附加气体输出端口安装成在气化操作下除去合成气产物。

产物气体储存且按需要除去来通过燃气轮机燃烧，用于反应器中的气体燃烧器，用于经由闭环压力系统的压力控制，用于干燥系统中的燃烧器，或用于其它最终使用。

逆流操作下的备选设计特征环带

除前文所述的构造外，所需的热处理可利用备选设计来实现，其中将热能经由环带106输送至室所需的多个燃烧器的设计和构造中的逆流烟道气体输送构成了使用，其中壁包括耐火材料。此布置的实例在图5a和5b中绘出。

在期望逆流烟道气体输送的实施例中，多个燃烧器将位于燃烧器箱100内，且等距间隔开来确保烟道气体的一致流动。燃烧器箱100将垂直地定位在二次室60和/或三次室50下方，且烟道气体将成计算的输送角引导来确保各个室内的烟道气体的一致流动，按顺序从二次50到一次40或三次60到二次50到一次40。各个室均具有平行于烟道气流垂直地排列的预定大小的翅片80，以确保各个室内的一致流动且最大化传热。沿各个室的轴线的各个翅片之间的截面面积计算成确保一致流动和特定期望的速度。流按照前文所述的其它实施例控制来作为实现至各个室的所需传热的进一步加强。在点102处从环带106排出时，烟道(如果期望)可再循环到燃烧器箱100，或标称是在点104处的燃烧器箱之后，以减小所需的燃烧气体消耗。

因此，在系统设计成用于逆流操作时，垂直室的设置在相比于如前文所述的类似实施例示不会改变。使用逆流操作的实施例与并未涉及环带截面面积、翅片设计、烟道气体排放和燃烧器的位置及烟道气流之间的主要差别。在逆流操作下，在流出和/或再循环之前，燃烧器垂直地定位在热解和气化室下方，且烟道气体从三次室60或下方的二次室50垂直地向上循环至一次室。

在图5a和5b中所示的实施例中，翅片80和环带截面面积根据沿各个室轴线的烟道气体的一致流动和标称为15m/s的恒定速度来设计。翅片大小进一步优化来最大化烟道气体与室之间的传热。燃烧器定位在单独的燃烧器箱100中，其附接到三次室60上，且以确保流动沿轴向一致的方式定位。在最下方的室60之前但在燃烧器箱100之后的用于再循环的烟道气体或加热空气的另一个入口端口104包括在内，其允许(如果期望)加热的气体与燃烧气体混合来降低燃烧气体的要求。

利用气化条件的该设计实施例和三次室60和/或二次室50，气化反应物将选择成确保放热气化反应不会将室的温度升高到高于期望温度(例如，将蒸汽用作气化反应物，因为涉及蒸汽的气化类型主要是放热的)。

优选的操作条件

在如上文公开的适合的操作温度下，通过室的模块化大小，获得了室中的适合的压力、气体停留时间和固体原料停留时间。例如，在系统中，优选施加略微的正压(0＜压力＜1.5bar规格)，且在适合的温度和操作条件下，热解系统中的气体停留时间(一次室和二次室，如果其用作热解室)是1到4秒(热解系统上的温度分布越低，则停留时间越长)，且热解系统中的固体停留时间将＞2分钟。

特征清单

单独的和与彼此组合成任何组合的以下特征适用于结合目前提出的发明使用，且可独立地或组合地提供除目前提出的发明外的或不同与其的发明。

1. 一种用于将含碳原料转化成产物气体的过程，包括以下步骤：

i)热解和甲烷化原料来产生至少一个反应室中的气体，其中至少一个反应室包括至少一个入口和至少一个出口。

2. 特征1的过程，还包括以下步骤：

iii)从至少一个反应室的出口除去气体。

3. 特征2的过程，还包括以下步骤：

iii)将除去的产物气体的一部分再循环至至少一个反应室的入口来进一步处理，

可选还包括以下步骤：

iv)接收除去的气体的一部分来形成产物气体。

4. 任何前述特征中的特征化的过程，其中产物气体包括甲烷和具有至少为二的碳数的长链烃；可选地，长链烃可包括焦油。

5. 特征4中特征化的过程，还包括将气体分成产物气体和再循环部分的步骤；其中产物气体包括大致高于气体的甲烷含量；以及其中再循环部分包括大致高于气体的焦油含量。

6. 特征5中特征化的过程，还包括将再循环部分再循环至反应室的至少一个入口的步骤。

7. 前述特征中的任一个中的特征化的过程，还包括热解之前调节原料的步骤。

8. 特征7中特征化的过程，其中所述调节步骤包括进料准备系统中的原料的拣选、过滤、破碎和干燥中的任何。

9. 特征8中特征化的过程，其中干燥过程通过热控制的干燥机实现。

10. 特征9中特征化的过程，其中热控制的干燥机包括气体燃烧器、集成换热器或集成水分控制系统中的任何。

11. 一种执行前述特征中任一个中特征化的过程的系统。

12. 特征11中特征化的系统，其中至少一个反应室包括一次室，可选包括双收缩/膨胀波纹管系统。

13. 特征12中特征化的系统，其中至少一个反应室还包括串联连接到一次室上的二次室，二次室的壁可选包括翅片，二次室可选包括双收缩/膨胀波纹管系统。

14. 特征13中特征化的系统，其中至少一个反应室还包括串联连接到二次室上的三次室，三次室的壁可选包括翅片，三次室可选包括用于焦油的再引入的入口端口或用于蒸汽、氢、氧或空气的受控引入的喷射端口中的任何。

15. 特征12-14中任一个中的特征化的系统，其中一次室包括至少一个筒。

16. 特征13-14中任一个中的特征化的系统，其中二次室包括至少一个筒。

17. 特征14中的特征化的系统，其中三次室包括至少一个筒。

18. 特征13-14或16-17中的任一个中的特征化的系统，其中一次室和二次室两者包括至少一个筒。

19. 特征14或17中的任一个中的特征化的系统，其中一次室、二次室和三次室中的各个均包括至少一个筒。

20. 特征15至19中的任一个中的特征化的系统，其中至少一个筒包括用于在所述筒内传送原料和产物气体的钻。

21. 特征20中特征化的系统，其中各个筒均包括用于在各个相应的筒内传送原料和产物气体的钻，钻可选包括螺杆步级，其包括在其边缘处的镍合金刷，一次室中的钻可选包括搅拌器，二次室中的钻可选包括相比于一次室中的钻减少步级的螺距。

22. 特征21中特征化的系统，其中各个筒中的钻由含有便于甲烷化过程期间的催化转化的含镍材料制成，其中可选地，含镍材料是奥氏体镍铬基超级合金(例如，Inconel716^TM)。

23. 特征14或特征15-22中任一个的取决于特征14的特征化的系统，其中一次室和三次室在高于二次室的温度下操作。

24. 特征14或特征15-23中任一个的取决于特征14的特征化的系统，其中一次室和三次室在处于或高于1000℃下操作来促进原料热解和焦油裂解。

25. 特征13或特征15-24中任一个的取决于特征13的特征化的系统，其中二次室在大致850℃下操作来促进焦油的甲烷化。

26. 特征13或特征15-25中任一个的取决于特征14的特征化的系统，其中气体从二次室的出口除去来将气体分成产物气体和再循环部分。

27. 特征26中的取决于特征14或特征15-25中任一个的特征化的系统，其中再循环部分再引入三次室的入口。

28. 特征14或特征15-27中任一个的取决于特征14的特征化的系统，其中从三次室的出口除去的气体和焦油在一次室的入口处再引入系统。

29. 特征15-19中的任一个或特征20-28中的任一个取决于特征15-19的特征化的系统，其中至少一个筒包括加热夹套，其可选使用高级陶瓷纤维来绝热。

30. 特征29中特征化的系统，其中各个筒均包括加热夹套，可选使用高级陶瓷纤维独立地绝热。

31. 特征29或30中特征化的系统，其中所述加热夹套与彼此流体连通，可选通过安装成将一次室的加热夹套连接到二次室的那些上(其中二次室存在)和将二次室的加热夹套连接到三次室的那些上(其中三次室处在)的排气端口。

32. 特征29-31中任一个中的特征化的系统，其中各个加热夹套均包括可选沿轴向定位的加热器。

33. 特征32中特征化的系统，其中加热器具有使用由过程生成的气体或产物气体的一部分或外部天然气供应的气体燃烧器。

34. 特征29-33中任一个中的特征化的系统，还包括在加热夹套与筒之间的连接处的减振机构。

35. 特征15至34中任一个中的特征化的系统，其中各个室均沿大致水平方向延伸。

36. 特征35中的特征化的系统，其中室垂直地层叠来形成塔。

37. 特征13或特征14-36中任一个的取决于特征13的特征化的系统，还包括各个串联连接的室之间的生成物室来提供缓冲能力。

38. 特征37中特征化的系统，还包括各个筒与生成物室之间的连接处的减振机构。

39. 特征34或38中任一个中的特征化的系统，其中减振机构是或包括波纹管。

40. 特征12或特征13-39中任一个的取决于特征12的特征化的系统，还包括用于将含碳原料从进料准备系统给送到一次室的给送机构。

41. 特征40的系统，其中所述给送机构包括钻。

42. 特征40或41中特征化的系统，其中给送机构还包括提供缓冲能力的料斗。

43. 一种适用于根据特征11-42中任一项的系统的给送机构。

44. 一种适用于根据特征11-42中任一项的系统的钻。

45. 特征44中的钻，其尤其用于根据特征41或特征42的取决于特征41的系统的给送机构，可选包括液压控制翻片。

46. 特征45的钻，其中钻是悬臂钻杆压缩装置或高速进料钻杆。

47. 用于根据特征11-42中任一个的系统中的减振机构。

48. 特征45中的减振机构，其中减振机构是或包括波纹管。

49. 一种适用于根据特征11-42中任一个的系统的加热器。

50. 一种适用于根据特征11-42中任一个的系统的加热夹套。

51. 一种适用于根据特征11-42中任一个的系统的室。

52. 一种适用于根据特征11-42中任一个的系统的进料准备系统。

53. 一种适用于根据特征52的进料准备系统的热控制的干燥机。

54. 一种适用于根据特征53的热控制的干燥机的加热器。

55. 特征54中的加热器，其中加热器是气体燃烧器或集成换热器。

56. 一种适用于根据特征53的热控制的干燥机的集成水分控制系统。

57. 根据特征53的热控制的干燥机，包括特征54-56中的任何特征。

58. 一种执行特征1-10中任一个中特征化的过程的系统，其中系统包括特征43-57中的至少一个特征。

上文描述了各种实施例和特征。应当认识到，这些实施例仅示出了当前提出的发明，且自身可与创造性主题分开或组合。本领域的技术人员将容易清楚其许多改型和变型，而并未脱离提出的发明的范围，或在性质上可基于本公开案来提出。

Claims

1.一种用于将含碳原料转化成反应气体的过程，包括以下步骤：

i) 热解和甲烷化原料来在至少一个热解室中产生反应气体，其中所述至少一个热解室在处于或高于850℃的温度下操作。

2.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，所述至少一个热解室在处于或高于950℃的温度下操作。

3.根据任何前述权利要求所述的过程，其特征在于，所述含碳原料包括煤。

4.根据任何前述权利要求所述的过程，其特征在于，所述反应气体包括甲烷。

5.根据任何前述权利要求所述的过程，其特征在于，还包括以下步骤：

ii) 从所述至少一个热解室除去所述反应气体，

iii) 气化来自所述至少一个热解室的未转化的原料来在至少一个气化室中产生合成气，其中所述至少一个气化室包括一个或更多个反应物喷射端口来用于喷射反应物以允许气化，且在700℃到1100℃之间的温度下操作，

iv) 从所述至少一个气化室除去所述合成气。

6.根据权利要求5所述的过程，其特征在于，所述合成气包括焦油、氢和一氧化碳中的至少一者。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的过程，其特征在于，所述反应物包括蒸汽、氢、氧和空气中的至少一者。

8.根据权利要求5至7中的任一项所述的过程，其特征在于，还包括将具有至少为二的碳数的烃从所述反应气体和所述合成气分离来分别形成产物气体和净化合成气的步骤。

9.根据权利要求8所述的过程，其特征在于，所述烃为焦油。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的过程，其特征在于，所述烃被引入所述热解室和/或气化室的入口端口。

11.根据权利要求8至10中的任一项所述的过程，其特征在于，所述产物气体和/或净化合成气的一部分供应至所述至少一个热解室和/或所述至少一个气化室来用于加压所述热解和/或气化室。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的过程，其特征在于，所述反应气体和所述合成气在分离所述烃的步骤之前组合。

13.根据权利要求1至4中的任一项所述的过程气体，其特征在于，所述热解室包括催化表面，且在从850℃到1100℃的温度下操作，且还包括以下步骤：

ii) 从所述热解室的至少一个出口中的至少一个除去所述反应气体，

iii) 将所述反应气体分成产物气体部分和用于进一步处理的部分，

iv) 将所述用于进一步处理的部分循环至所述热解室的至少一个入口中的至少一个来用于进一步处理，

v) 回收所述产物气体部分。

14.根据权利要求13所述的过程，其特征在于，所述热解室在950℃到1100℃的温度下操作。

15.根据权利要求13或14所述的过程，其特征在于，所述反应气体还包括至少一种具有至少为二的碳数的烃。

16.根据权利要求15所述的过程，其特征在于，所述烃包括焦油。

17.根据权利要求16所述的过程，其特征在于，所述产物气体包括与所述反应气体相比显著地更高的甲烷含量；以及其中所述用于进一步处理的部分包括与所述反应气体相比显著地更高的焦油含量。

18.根据权利要求13至17中的任一项所述的过程，其特征在于，所述产物气体的一部分供应至所述热解室来用于加压所述热解室。

19.根据权利要求18所述的过程，其特征在于，所述产物气体的部分在供应至所述热解室之前预热。

20.根据任何前述权利要求所述的过程，其特征在于，还包括热解之前调节所述原料的步骤；其中所述调节步骤包括进料准备系统中的原料的拣选、过滤、破碎和干燥中的任何。

21.一种用于执行根据任何前述权利要求所述的过程的系统，其特征在于，所述系统包括一次室、二次室和三次室；其中所述至少一个热解室包括所述一次室；其中所述一次室、二次室和三次室串联连接；以及其中所述一次室在处于或高于850℃的温度下操作，以促进原料热解和焦油裂解。

22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述一次室在处于或高于950℃下操作来促进原料热解和焦油裂解。

23.根据权利要求21或22所述的系统，其特征在于，还包括至少一个气化室，其中所述至少一个气化室包括所述三次室；其中所述热解室或所述气化室还包括所述二次室；以及其中所有室的模块大小按照吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求、以及催化剂与所述原料和气体的总表面接触面积来选择。

24.根据权利要求21至23中的任一项所述的系统，其特征在于，所述二次室在700℃到900℃之间操作，以促进反应气体的甲烷化；以及其中所述三次室在700℃到1100℃之间操作来促进未转化的原料的气化。

25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述二次室包括可操作成除去反应气体的出口；以及其中所述三次室包括可操作成允许除去合成气的出口。

26.根据权利要求21至23中的任一项所述的系统，其特征在于，所述二次室和三次室在700℃到1100℃之间操作来促进未转化的原料的气化。

27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述一次室包括可操作成除去反应气体的出口；以及其中所述二次室和/或所述三次室包括可操作成允许除去合成气的出口。

28.根据权利要求21或权利要求22所述的系统，其特征在于，所述一次室在850℃到1100℃之间操作来促进原料热解和焦油裂解。

29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，所述一次室在950℃到1100℃之间操作来促进原料热解和焦油裂解。

30.根据权利要求28或29所述的系统，其特征在于，所有室的模块大小按照吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求、以及催化剂与所述原料和气体的总表面接触面积要求来选择。

31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述反应气体从所述二次室的所述出口除去，以用于将反应气体分成产物气体和用于进一步处理的部分；以及其中所述用于进一步处理的部分经由所述三次室的入口引入。

32.根据权利要求30或31所述的系统，其特征在于，从所述三次室的出口除去的所述反应气体和焦油在所述一次室的入口处再引入所述系统中。

33.根据权利要求21至32中的任一项所述的系统，其特征在于，所述一次室、二次室和三次室中的各个均包括至少一个筒；以及其中所述筒中的每一个包括用于在所述筒中的每一个内传送所述原料和反应气体的钻。

34.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，还包括串联连接的各个筒之间的生成物室来提供缓冲能力。

35.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述筒中的每一个包括加热夹套；其中所述加热夹套与彼此流体连通。

36.根据权利要求35所述的系统，其特征在于，还包括所述加热夹套中的每一个和筒、以及所述筒中的每一个与生成物室之间的连接处的减振机构。

37.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述减振机构是或包括波纹管。

38.根据权利要求20至35中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括环带，其包括：

a)包括耐火材料的壁；以及

b)包括燃烧器的燃烧器箱；

其构造成使得在使用中，一致的气流在所述室的外部上从二次室按顺序流至一次室，或从三次室按顺序流至二次室，至一次室。