JP2010533742A - Gas reforming system including means for optimizing the efficiency of gas conversion - Google Patents

Gas reforming system including means for optimizing the efficiency of gas conversion Download PDF

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Abstract

本発明は、実質的に密閉、包覆、制御された環境において、関連する特徴を有する初期ガスを、所望の特徴パラメータを有する産出ガスに効率的に改質するためのシステムおよび方法を提供する。当該ガス改質システムは、ガス賦活領域を使用して、初期ガスの分子および注入される適切な種類および量のプロセス添加剤の分子を、後に再結合して、所望されるパラメータを有する産出ガスを形成するそれらの構成原子に解離させる。当該ガス改質システムは、プロセスを調整し、それによって該プロセスの最適化を可能にする制御システムをさらに含む。該ガス賦活領域は、少なくとも部分的に、水素バーナまたはプラズマトーチによって提供され得る。The present invention provides a system and method for efficiently reforming an initial gas having relevant characteristics into a product gas having desired characteristic parameters in a substantially sealed, encased, controlled environment. . The gas reforming system uses a gas activation region to later recombine the molecules of the initial gas and the appropriate type and amount of process additive molecules to be injected to produce the output gas having the desired parameters. Dissociate into their constituent atoms to form The gas reforming system further includes a control system that regulates the process and thereby allows optimization of the process. The gas activation region may be provided at least in part by a hydrogen burner or a plasma torch.

Description

本発明はガス改質の分野に関する。具体的には、本発明は、ガス変換の効率を最適化するための手段を含むガス改質システムに関連する。 The present invention relates to the field of gas reforming. Specifically, the present invention relates to a gas reforming system that includes means for optimizing the efficiency of gas conversion.

オフガス(合成ガス)は、ガス化、プラズマガス化および/またはプラズマ溶融等の様々な材料変換プロセスから生成される。これらのガスは、適切な下流用途(例えば、発電、化学物質および液体燃料の工業合成)に利用するか、後の使用のために貯蔵するか、または燃焼することができる。時として、下流用途における有効利用に向けて化学組成を改善するために、生成されるガスを改質することに関心が寄せられる。
ガス化プロセスでは、炭素質原料が、制御および/または制限された量の酸素、また時には蒸気とともにガス化装置に供給され、原料ガスを生成する。ガス化プロセスからのオフガスは、原料組成物によって、HO、H、N、O、CO、CO、CH、HS、NH、C、ならびにアセチレン、オレフィン、芳香族化合物、フェノール、およびタール等の他の炭化水素を含む可能性がある。ガス化に有用である原料には、都市廃棄物、産業活動によって生成される廃棄物および生物医学廃棄物、下水、汚泥、石炭、重油、石油コークス、重油精製残渣、精製廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、農産廃棄物、タイヤ、ならびに他の有害廃棄物を含む。
ガス化プロセスにおいて生成されるガスの品質に影響を与える要因には、粒度等の原料の特徴;ガス化装置の加熱率;滞留時間;乾燥またはスラリー供給システム、原料‐反応物の流動形状、灰またはスラグ鉱物除去システムの設計を利用するかどうか含むプラント構成;直接的または間接的な発熱および運搬方法を用いるかどうか;ならびに合成ガス浄化システムを含む。
ガス化設備の中には、ガス品質調整システムを介して、冷却および浄化の前に、ガスをより許容できるガス組成に変換するためのガス処理システムを利用するものもある。処理されたガスは、金属、硫黄化合物、および微粒子等の望ましくない化合物を除去するための、さらなる処理ステップを経ることができる。例えば、乾式濾過システムや湿式スクラバーを用いて、粒状物質および酸性ガスを除去することができる。
プラズマは、2つの主要なエネルギー源のために業界で用いられてきた。1つ目は強力な熱源としてのエネルギー源、また2つ目は、分子を(反応性の)解離断片に解離させることを必要とする、多くの化学プロセスを開始および促進するために用いることができる自由電子源としてのエネルギー源である。電子衝突は、任意の解離状態にある分子を励起して断片に微細化することができ、これは、ラジカルおよび分子の断片が多くの環境において生成される、重要な機構である。
プラズマは、少なくとも部分的にイオン化された発光ガスであり、電子およびイオンを含む励起されたガス状物質で構成されている。プラズマは多くのガスで生成することができ、従って、作動ガスが中性(例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン)、還元性(例えば、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素)、または酸化性(例えば、酸素、二酸化炭素)であり得るので、プラズマ内の化学反応に対して優れた制御を行う。
異なるプラズマは、それらの温度および密度に従って分類される。「プラズマの密度」という用語は、通常はそれ自体で電子の密度、つまり、単位体積あたりの自由電子の数を意味する。プラズマのイオン化の程度は、電子を損失した(または獲得した)原子の割合であり、大抵は温度によって制御される。
プラズマの温度は、通常ケルビンまたは電子ボルトで測定され、粒子あたりの平均熱動力学エネルギーの非公式な基準である。質量が大きく異なるため、電子は、イオンまたは中性原子と平衡状態になるよりも、電子同士で非常に迅速に熱力学的平衡状態になる。この理由から、「イオンの温度」は、「電子の温度」とは非常に異なる可能性がある(通常、それよりも低い)。電子、イオン、および中性原子の相対温度に基づいて、プラズマは「熱プラズマ」または「非熱プラズマ」に分類される。熱プラズマは、同じ温度で電子および重粒子を有する、すなわち、それらは互いに熱力学的平衡状態にある。一方、非熱プラズマは、非常に低い温度でイオンおよび中性原子を有するのに対して、電子はそれよりも非常に「熱い」温度を有する。
非熱、低温のプラズマは、大気圧下で比較的低い濃度の揮発性有機化合物を破壊するため、低レベル廃棄物濃度の処理、および標準的な化学手段による処理に耐性を持つ化合物の取り扱いに特に魅力的であることが、当技術分野で知られている。これらの低温プラズマ処理技術は、一般に、高エネルギー電子ビーム照射か、またはパルスコロナ、誘電体バリア、キャピラリー、中空陰極、表面、および充填層型コロナ放電等の放電方式のいずれか一方を伴う。これらすべての技術は、電気エネルギーが、周囲の気相イオンおよび分子よりも非常に高い運動エネルギーで電子を生成することができる、という事実に依存している。これらのエネルギー電子は、背景ガスと相互作用して、汚染物質を選択的に破壊する、高度に反応性である種(すなわち、ラジカル、陰イオン、陽イオン、および二次電子)を生成することができる。
廃棄物管理の分野において、有害な廃棄物をオフガス(すなわち合成ガス)に変換し、主に無機物質を含む残渣を溶融してスラグにすることによって、有害な廃棄物のガス化、溶融、および破壊を促進するための熱源として、プラズマトーチが使用されてきた。プラズマガス化システムの中には、ガス化プロセスを促進するためだけでなく、他の投入物または反応物質を添加して、または添加せずに、長鎖の揮発性物質をより小さな分子に変換、再構成、または改良することによって、ガス化チャンバ内の原料オフガスを処理するためにも、プラズマトーチを使用するものがある。
プラズマ源は、活性種の源としても用いられてきた。これらの活性種は、有害な気体分子から毒性の少ない種への変換を開始および促進するために使用されてきた。その一例は、黒鉛電極プラズマアーク炉からのオフガスに存在する炭素のカーボンブラック/煤を減少させるために設計されたサイクロン式酸化装置を記載する、米国特許第6,810,821号によって提供される。サイクロン式酸化装置は、窒素を含まない、二酸化炭素と酸素の混合物を含む作動ガスをイオン化するために、プラズマトーチを使用する。ガス状混合物がプラズマアークゾーンでイオン化されると、二酸化炭素は、一酸化炭素と非常に反応性の高い原子状酸素とに変換される。サイクロン式酸化装置のチャンバは、その上流端付近で、非常に高速で接線方向にオフガスを受けるため、サイクロン式酸化装置内にサイクロン状態を形成する。反応性の原子状酸素の存在とサイクロン式酸化装置における強化した乱流環境を組み合わせることで、カーボンブラック/煤および副生ガス中の一過性の毒性物質を、効果的に変換および破壊することができる。
米国特許第6,810,821号も、耐高温噴霧ノズルによって噴霧され、酸化剤としてチャンバ内に注入される噴霧酸素および蒸気の注入により、追加の酸化剤が提供されると教示している。酸化反応効率は、サイクロン式酸化装置内の激しいサイクロン作用の力によって生じる、副生ガスおよび注入された噴霧酸素と蒸気との内部の激しい混合によって増加する。低発熱量の廃棄物では、サイクロン式酸化装置は、副生ガスを完全に水と二酸化炭素に変換する。高発熱量の廃棄物では、最終的な副生ガスは、発電向けの高品質な燃焼性合成ガスとなり得る。このサイクロン式酸化装置は、汚染物質を酸化することによりオフガスを処理(すなわち浄化)することが可能だが、設計された化学組成の生成ガスにガスを改質するようには設計されていない。該装置は、オフガスを規定の組成のガスに改質するために用いることができるガス改質ゾーンを形成するために、プラズマトーチを使用しない。
別の例は、外因性の非熱プラズマで活性化された種を対象となる液体に送達するための方法および装置を記載する米国特許第6,030,506号によって提供され、(a)賦活手段により活性化された種を作製するステップと、(b)高速注入手段を用いて、活性化された種を、対象となる液体に導入するステップとを含む。この発明は、空気汚染規制、ならびに、漂白、化学反応の強化、および汚染除去のための大規模化学を実行する装置および方法の提供に言及している。
米国特許出願第11/745,414号は、システム内にプラズマトーチを配置することで各トーチの前に反応領域を提供し、それによってオフガスが改質され得る、ガス改質システムの最初の例を提供している。これらのプラズマトーチおよびエアジェットの配置は、チャンバ内でのガスの流れのパターンおよび滞留時間を最適化するように設計される。
上述のシステムは、大部分の原料合成ガスを、設計された化学組成のガスに改質することの、エネルギー機構および全体的な効率を最適化するものではない。炭素質原料を全体的な費用効率の最も高い様式で電気等のエネルギーへと変換しようとする商業施設には、合成ガスを下流用途のために設計された組成のガスを効果的に変換するためのシステムが必要である。したがって、プロセスの全体的な効率を最適化するガス改質システム、および/または初期ガスを規定の組成のガスに変換する全体的なプロセスを含むステップを提供することは、当該技術分野における著しい進歩である。
Off-gas (syngas) is generated from various material conversion processes such as gasification, plasma gasification and / or plasma melting. These gases can be utilized for appropriate downstream applications (eg, power generation, industrial synthesis of chemicals and liquid fuels), stored for later use, or combusted. Occasionally, there is interest in modifying the gas produced to improve the chemical composition for effective use in downstream applications.
In a gasification process, a carbonaceous feed is supplied to a gasifier along with a controlled and / or limited amount of oxygen, and sometimes steam, to produce a feed gas. Off-gas from the gasification process depends on the raw material composition, H 2 O, H 2 , N 2 , O 2 , CO 2 , CO, CH 4 , H 2 S, NH 3 , C 2 H 6 , and acetylene, olefin , Aromatics, phenols, and other hydrocarbons such as tar. Raw materials useful for gasification include municipal waste, industrial waste and biomedical waste, sewage, sludge, coal, heavy oil, petroleum coke, heavy oil refinery residue, refined waste, hydrocarbon contamination Includes soil, biomass, agricultural waste, tires, and other hazardous waste.
Factors affecting the quality of the gas produced in the gasification process include: feedstock characteristics such as particle size; gasifier heating rate; residence time; drying or slurry feed system, feed-reactant flow profile, ash Or plant configuration including whether to utilize the design of a slag mineral removal system; whether to use direct or indirect heat generation and transportation methods; and a syngas purification system.
Some gasification facilities utilize a gas processing system to convert the gas to a more acceptable gas composition prior to cooling and purification via a gas quality control system. The treated gas can undergo further processing steps to remove undesirable compounds such as metals, sulfur compounds, and particulates. For example, particulate matter and acid gas can be removed using a dry filtration system or a wet scrubber.
Plasma has been used in the industry for two major energy sources. The first is an energy source as a powerful heat source, and the second is used to initiate and facilitate many chemical processes that require dissociating molecules into (reactive) dissociated fragments. It is an energy source as a possible free electron source. Electron collisions can excite molecules in any dissociated state and refine them into fragments, an important mechanism by which radicals and molecular fragments are generated in many environments.
Plasma is a luminescent gas that is at least partially ionized and is composed of an excited gaseous material containing electrons and ions. The plasma can be generated with many gases, so the working gas is neutral (eg, argon, helium, neon), reducible (eg, hydrogen, methane, ammonia, carbon monoxide), or oxidative (eg, , Oxygen, carbon dioxide), so that excellent control over the chemical reaction in the plasma is performed.
Different plasmas are classified according to their temperature and density. The term “plasma density” usually means itself the density of electrons, ie the number of free electrons per unit volume. The degree of ionization of the plasma is the fraction of atoms that have lost (or gained) electrons and are often controlled by temperature.
Plasma temperature is usually measured in Kelvin or eV and is an informal measure of average thermodynamic energy per particle. Due to the large difference in mass, electrons are in a thermodynamic equilibrium between electrons much more quickly than they are in equilibrium with ions or neutral atoms. For this reason, the “ion temperature” can be very different from the “electron temperature” (usually lower). Based on the relative temperature of electrons, ions, and neutral atoms, plasmas are classified as “thermal plasmas” or “non-thermal plasmas”. A thermal plasma has electrons and heavy particles at the same temperature, ie they are in thermodynamic equilibrium with each other. On the other hand, non-thermal plasma has ions and neutral atoms at a very low temperature, whereas electrons have a much "hot" temperature.
Non-thermal, low-temperature plasma destroys relatively low concentrations of volatile organic compounds at atmospheric pressure, making it possible to handle compounds that are resistant to low-level waste concentration processing and processing by standard chemical means. It is known in the art to be particularly attractive. These low temperature plasma processing techniques generally involve either high energy electron beam irradiation or a discharge scheme such as pulse corona, dielectric barrier, capillary, hollow cathode, surface, and packed bed corona discharge. All these techniques rely on the fact that electrical energy can generate electrons with much higher kinetic energy than surrounding gas phase ions and molecules. These energetic electrons interact with the background gas to produce highly reactive species (ie radicals, anions, cations, and secondary electrons) that selectively destroy pollutants. Can do.
In the field of waste management, hazardous waste is gasified, melted, and converted into off-gas (ie, synthesis gas) and the residue containing mainly inorganic substances is melted into slag. Plasma torches have been used as a heat source to promote destruction. Some plasma gasification systems not only facilitate the gasification process, but also convert long-chain volatiles into smaller molecules with or without the addition of other inputs or reactants. Some also use plasma torches to treat the raw off-gas in the gasification chamber by reconfiguring or improving.
Plasma sources have also been used as a source of active species. These active species have been used to initiate and facilitate the conversion of harmful gas molecules to less toxic species. One example is provided by US Pat. No. 6,810,821, which describes a cyclonic oxidizer designed to reduce the carbon black / soot of carbon present in the off-gas from a graphite electrode plasma arc furnace. . The cyclonic oxidizer uses a plasma torch to ionize a working gas that does not contain nitrogen and contains a mixture of carbon dioxide and oxygen. When the gaseous mixture is ionized in the plasma arc zone, carbon dioxide is converted to carbon monoxide and very reactive atomic oxygen. Since the chamber of the cyclonic oxidizer receives off-gas in the tangential direction at a very high speed near the upstream end thereof, a cyclone state is formed in the cyclonic oxidizer. Combines the presence of reactive atomic oxygen with the enhanced turbulent environment in the cyclonic oxidizer to effectively convert and destroy transient toxic substances in carbon black / soot and by-product gases Can do.
US Pat. No. 6,810,821 also teaches that additional oxidant is provided by injection of sprayed oxygen and steam sprayed by a high temperature resistant spray nozzle and injected into the chamber as oxidant. Oxidation reaction efficiency is increased by vigorous internal mixing of by-product gases and injected atomized oxygen and steam caused by the intense cyclone action forces within the cyclonic oxidizer. For waste with low calorific value, the cyclonic oxidizer completely converts by-product gas into water and carbon dioxide. For waste with high calorific value, the final by-product gas can be a high quality combustible synthesis gas for power generation. Although this cyclonic oxidizer can treat (i.e. purify) off-gas by oxidizing pollutants, it is not designed to reform the gas to a product gas of a designed chemical composition. The apparatus does not use a plasma torch to form a gas reforming zone that can be used to reform off-gas to a defined composition gas.
Another example is provided by US Pat. No. 6,030,506, which describes a method and apparatus for delivering an exogenous non-thermal plasma activated species to a liquid of interest, comprising: (a) activation Creating a species activated by the means, and (b) introducing the activated species into the liquid of interest using a fast injection means. The present invention refers to air pollution regulations and the provision of apparatus and methods for performing large scale chemistry for bleaching, chemical reaction enhancement, and decontamination.
US patent application Ser. No. 11 / 745,414 provides the first example of a gas reforming system where a plasma torch is placed in the system to provide a reaction zone in front of each torch so that off-gas can be reformed. Is provided. These plasma torch and air jet arrangements are designed to optimize the gas flow pattern and residence time in the chamber.
The system described above does not optimize the energy mechanism and overall efficiency of reforming most of the raw synthesis gas to a designed chemical composition gas. For commercial facilities that want to convert carbonaceous feedstock into energy, such as electricity, in the most cost-effective manner overall, to effectively convert synthesis gas into a gas designed for downstream applications. System is required. Accordingly, it is a significant advancement in the art to provide a gas reforming system that optimizes the overall efficiency of the process and / or a step that includes the overall process of converting an initial gas to a gas of a defined composition. It is.

本発明は、分子から反応性解離断片(中間体)への解離を開始させることによって、ガスの改質プロセスを開始する1つもしくは複数のエネルギー源を組み込んだシステムを提供する。エネルギー源(複数を含む)は、システム内に投入されるガスの量に対する改質されるガスの量(ガス改質率)を最適化することに加えて、ガス改質のプロセス全体を通してエネルギー移動を最適化することにより、ガス改質プロセスの効率を最適化するように設計されたガスマニピュレータと組み合わされる。
本発明の目的は、ガス変換の効率を最適化するための手段を含むガス改質システムを提供することである。本発明の一態様によれば、初期ガスを、設計された特徴を有する改質ガスに改質するためのシステムであって、初期ガスの少なくとも1つの特徴を検知するための手段と、初期ガスの少なくとも1つの特徴と、改質ガスの設計された特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するための手段と、初期ガスの気体分子の実質的大部分を改質ガスに改質するのに十分である、1つもしくは複数のエネルギー源を適用するための手段と、改質を促進するための手段と、改質ガスを安定化するための手段と、制御システムと、を含む、システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスを、所望の特徴を有する改質ガスに改質するためのプロセスであって、初期ガスの少なくとも1つの特徴を検知するステップと、初期ガスの検知された特徴と、産出ガスの所望の特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するステップと、気体分子の大部分を、それらの構成原子に改質するために十分であるガス賦活領域を適用するステップと、構成原子を設計された特徴を有する改質ガスに改質するための、効率的なプロセスの加速を促進するステップと、新しく形成された分子の非励起および安定化を促進して、設計された特徴を維持するステップと、初期ガスの産出ガスへの効率的な変換を管理するステップのうちの1つもしくは複数のステップを含む、プロセスが提供される。
本発明の別の態様によれば、ガスの改質のためのシステムであって、ガス改質プロセスの開始のための1つもしくは複数のエネルギー源と、ガス改質のプロセス全体を通したエネルギー移動の最適化のための1つもしくは複数のガスマニピュレータと、を含み、1つもしくは複数のエネルギー源および1つもしくは複数のガスマニピュレータが、ガス改質率を最適化するように統合される、システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、ガス改質システムであって、1つもしくは複数のガス改質ゾーンと、1つもしくは複数のガス安定化ゾーンと、全体的なプロセスを調整する制御システムと、任意選択的に1つもしくは複数のガス添加剤ゾーン、および/または、任意選択的に1つもしくは複数のガス浄化ゾーンと、を含み、システムのゾーンが、初期ガスの大部分が設計された組成のガスに改質されるように配設および制御される、ガス改質システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスを改質ガスへ改質するための方法であって、初期ガスをガス改質チャンバに送達するステップと、投入ガスを少なくとも1つのプロセス添加剤と混合して、事前配合ガスを作製するステップと、事前配合ガスをガス賦活領域に曝露することによって、ガス内の分子をそれらの構成原子に解離させるステップと、構成原子を、設計された化学組成の分子種に改良することによって、改質ガスを生成するステップと、チャンバから改質ガスを除去するステップと、を含む、方法が提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスの改質ガスへの改質のためのシステムであって、1つもしくは複数の耐火物で内張りされたチャンバであって、初期ガスを受け取るための1つもしくは複数の入口と、改質ガスを放出するための1つもしくは複数の出口と、チャンバと流体連通する1つもしくは複数のプロセス添加剤入口と、1つもしくは複数のチャンバ内に配置される1つもしくは複数のガスマニピュレータと、を有するチャンバと、1つもしくは複数のチャンバ内のガス賦活領域を形成するための手段と、を含む、システムが提供される。
具体的には、本システムは、ガスが、設計された化学組成のガスに効果的な様式で改質するように、1つもしくは複数の源から初期化学組成のガス(事前配合ガス)への、および改質プロセス全体を通しての、エネルギーの移動を最適化するように設計されている。本システムは、ガスを改質するために全体的に必要とされるエネルギーの量を最小限に抑えるため、そして設計された化学組成のガスへのガス改質の割合を最大化するために、ガスがガス改質チャンバを通過する際の改質反応の速度、効率、および徹底を促進するために機能するガスマニピュレータ内に具現化された設計戦略を含む。
したがって、ガス改質システムは、1つもしくは複数の「ガス改質ゾーン」、および1つもしくは複数の「ガス安定化ゾーン」を含む。本システムは、通常、ガス改質ゾーンの上流に位置する1つもしくは複数の「ガス添加物ゾーン」(ガスと添加剤との混合を実現するための手段を持つかまたは持たず、通常、混合はガス内の乱流を増加することによって実現される)、および/または、通常、ガス安定化ゾーンの下流に位置する1つもしくは複数の「ガス浄化ゾーン」を任意選択的にさらに含んでもよい。ガス安定化ゾーンは、ガスが冷却する際にガスから熱を捕捉するための熱交換手段を任意選択的に含む。本システムのゾーンは、本発明のシステムを通過した後に、大部分の初期ガスが設計された組成のガスに改質されるように、配設および制御されている。当該ガス改質システムは、全体的なプロセスを調整する制御システムをさらに含む。
The present invention provides a system incorporating one or more energy sources that initiate a gas reforming process by initiating dissociation of molecules into reactive dissociation fragments (intermediates). The energy source (s) transfer energy throughout the gas reforming process in addition to optimizing the amount of gas reformed (gas reforming rate) relative to the amount of gas input into the system Is combined with a gas manipulator designed to optimize the efficiency of the gas reforming process.
It is an object of the present invention to provide a gas reforming system that includes means for optimizing the efficiency of gas conversion. According to one aspect of the invention, a system for reforming an initial gas into a reformed gas having designed characteristics, the means for detecting at least one characteristic of the initial gas, and the initial gas A means for modifying the process input for reforming based on at least one feature of the reforming gas and the designed feature of the reforming gas, and substantially reforming the gas molecules of the initial gas Means for applying one or more energy sources, means for promoting the reforming, means for stabilizing the reformed gas, and a control system, which are sufficient to reform A system is provided.
According to another aspect of the invention, a process for reforming an initial gas into a reformed gas having a desired characteristic, the method comprising detecting at least one characteristic of the initial gas, and detecting the initial gas. Sufficient to modify the majority of the gas molecules to their constituent atoms and to modify the process input for modification based on the developed characteristics and the desired characteristics of the output gas Applying a gas activation region, facilitating efficient process acceleration to reform constituent atoms into a reformed gas with designed characteristics, and de-excitation and stability of newly formed molecules A process is provided that includes one or more of the following steps to promote design and maintain designed characteristics and to manage efficient conversion of initial gas to output gas.
In accordance with another aspect of the present invention, a system for gas reforming comprising one or more energy sources for initiating a gas reforming process and energy throughout the gas reforming process. One or more gas manipulators for optimizing movement, the one or more energy sources and one or more gas manipulators are integrated to optimize the gas reforming rate, A system is provided.
In accordance with another aspect of the present invention, a gas reforming system comprising one or more gas reforming zones, one or more gas stabilization zones, and a control system that coordinates the overall process; Optionally, one or more gas additive zones, and / or optionally one or more gas purification zones, the zone of the system being designed with the majority of the initial gas A gas reforming system is provided that is arranged and controlled to be reformed into a gas of composition.
According to another aspect of the present invention, a method for reforming an initial gas into a reformed gas, the method comprising delivering the initial gas to a gas reforming chamber, the input gas with at least one process additive. Mixing to produce a pre-compounded gas; exposing the pre-compounded gas to a gas activation region to dissociate molecules in the gas into their constituent atoms; and the constituent atoms to a designed chemical composition A method is provided that includes generating a reformed gas and removing the reformed gas from the chamber.
In accordance with another aspect of the present invention, a system for reforming an initial gas to a reformed gas, the chamber lined with one or more refractories, for receiving the initial gas One or more inlets, one or more outlets for releasing the reformed gas, one or more process additive inlets in fluid communication with the chamber, and disposed in the one or more chambers. A system is provided that includes a chamber having one or more gas manipulators and means for forming a gas activation region in the one or more chambers.
Specifically, the system converts from one or more sources to a gas of an initial chemical composition (pre-blended gas) so that the gas is modified in an effective manner to a gas of the designed chemical composition. And designed to optimize energy transfer throughout the reforming process. The system is designed to minimize the overall amount of energy required to reform a gas and to maximize the rate of gas reforming to a gas of a designed chemical composition. It includes a design strategy embodied in a gas manipulator that functions to facilitate the speed, efficiency, and thoroughness of the reforming reaction as the gas passes through the gas reforming chamber.
Thus, the gas reforming system includes one or more “gas reforming zones” and one or more “gas stabilization zones”. The system typically has one or more “gas additive zones” located upstream of the gas reforming zone (with or without means for achieving gas and additive mixing, usually mixing May be realized by increasing turbulence in the gas) and / or optionally further comprising one or more “gas purification zones” usually located downstream of the gas stabilization zone . The gas stabilization zone optionally includes heat exchange means for capturing heat from the gas as it cools. The zones of the system are arranged and controlled so that after passing through the system of the present invention, the majority of the initial gas is reformed to a designed gas composition. The gas reforming system further includes a control system that coordinates the overall process.

図1〜77は、本発明および/またはその構成部位の様々な実施形態を示す図である。
ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図2BAおよび2BBに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。 ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図2BAおよび2BBに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。 ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図2BAおよび2BBに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。 本発明の実施形態に従った、ガス改質システムの略図である。 ガス化装置に連結された、本発明のガス改質システムの一実施形態の略図である。 2つのガス化装置に連結された、本発明のガス改質システムの一実施形態の略図である。 共通の初期ガス注入口を介して2つのガス化装置に連結された、本発明のガス改質チャンバの一実施形態の略図である。 以下の種類のガス賦活源を示す図である:水素バーナ、高周波(RF)およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。 以下の種類のガス賦活源を示す図である:水素バーナ、高周波(RF)およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。 以下の種類のプラズマ源を示す図である:非移行型アークトーチ、移行型アークトーチ、誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ。 本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質システムにおける誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ、および水素バーナの使用を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質システムにおける誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ、および水素バーナの使用を示す図である。 水素バーナを示す図である。 以下の種類のガス賦活源を示す図である:水素バーナ、高周波(RF)およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。 以下の種類のガス賦活源を示す図である:水素バーナ、高周波(RF)およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。 ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。 ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。 ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。 ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。 混合デバイスを用いたガス改質チャネルを示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、ガスの混合を促進するためのガス改質チャンバ内のくびれ部の使用を示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、ガスの混合を促進するためのガス改質チャンバ内のくびれ部の使用を示す図である。 様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。 様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。 様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。 様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。 ガス流が、より小さなガス流に分けられ、並行して改質を受ける、ガス改質システムの様々な実施形態を示す図である。 初期ガス流に対するガス賦活源の様々な配置を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。 本発明の3つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。 本発明の3つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、実質的にチャンバの全長分だけ延在する流量制限器を装備するガス改質チャンバの三次元図である。 本発明の2つの実施形態に従った、実質的にチャンバの全長分だけ延在する流量制限器を装備するガス改質チャンバの三次元図である。 流量制限器の異なる実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態に従った、複数のディスクを持つ回転軸を示す図である。 ガスと賦活領域との相互作用を強化するために、回転軸とともに用いることができる、異なるディスク構造を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、軸およびディスクの異なる回転方法を示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、ガス賦活領域を方向付けるための偏向器およびコアンダ効果に基づく偏向器の使用を、それぞれ示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、ガス賦活領域を方向付けるための偏向器およびコアンダ効果に基づく偏向器の使用を、それぞれ示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、プラズマプルームの空間分布を能動制御するための、1つもしくは複数のエアノズルの使用を示す図である。 本発明の2つの実施形態に従った、プラズマプルームの空間分布を能動制御するための、1つもしくは複数のエアノズルの使用を示す図である。 ガス改質チャンバ内のプラズマプルームを方向転換させるための、異なる偏向器の使用を示す図である。 本発明の様々な実施形態に従った、非対称回転軸型の対象物偏向器の使用を示す図である。 トーチ搭載システムの詳細を示す、本発明の実施形態に従ったガス改質システムの一部の略図である。 本発明の一実施形態に従った、ガス流の流れに逆行するガス賦活領域を方向付けるように配置されたガス賦活源を示す図である。 ガスが上部付近に流入して下部に向かって流出する、図38Aの実施形態を示す図である。 一実施形態の注入口およびプラズマトーチの配向を示す略図である。 ガス改質チャンバおよび注入ガス流に対する、ガス賦活源の様々な配置を示す図である。 ガス改質チャンバおよび注入ガス流に対する、ガス賦活源の様々な配置を示す図である。 ガス改質チャンバ内のバッフルの配置を示す図である。図41Aは、仕切り壁バッフルを備えるガス改質チャンバ内の空気流を示す。図41Bは、タービュレータまたはチョークリングバッフルを備える、ガス改質チャンバ内の空気流を示す図である。 ガス改質チャンバ内のバッフルの配置を示す図である。図41Aは、仕切り壁バッフルを備えるガス改質チャンバ内の空気流を示す。図41Bは、タービュレータまたはチョークリングバッフルを備える、ガス改質チャンバ内の空気流を示す図である。 本発明の3つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。 強化された改質のための乱流ゾーンの封入を示す図である。 強化された改質のための乱流ゾーンの封入を示す図である。 乱流発生器の例を示す。 プラズマトーチおよびガスマニピュレータによって処理される、渦を形成しながら改良反応器の中に接線方向に進入していく、改質されるべきガスを示す図である。 乱流を発生させるための例示的手段を示す図である。 乱流を発生させるための例示的手段を示す図である。 A型ノズルから流出する空気流を示す図である。 B型ノズルから流出する空気流を示す図である。 改質チャンバ内で触媒として用いられるチャーの固定床を示す図である。 改質チャンバ内で触媒として用いられるチャーの固定床を示す図である。 ガス改質チャンバと組み合わせたガス化装置を示し、ガス化装置内で形成されるチャーは触媒クラッキングを引き起こす。 ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。 ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。 ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。 本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。 本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。 本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。 本発明の一実施形態に従った、ガス改質システムの安定化ゾーン内で用いられる熱交換システムに関連する図である。 本発明の一実施形態に従った、ガス改質システムの安定化ゾーン内で用いられる熱交換システムに関連する図である。 ガス改質チャンバの一実施形態の略図である。 耐火性支持部を詳細に示す、図60Aのガス改質チャンバの断面図である。 ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。 ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。 ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。 ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。 本発明のガス改質システムに結合することができるガス化装置を示す図である。 円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 図66の例示的なガスマニピュレータを有しないガス改質チャンバの上面図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図66の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。 図1〜77で用いたガス賦活源の様々な表現を示す図である。すべての表現は同等物であり、本明細書に具体的に示すガス賦活源のうちのいずれかを示すために用いることができるか、または当業者には既知であろう。
1-77 are diagrams illustrating various embodiments of the present invention and / or its components.
FIG. 2 shows various zones of a gas reforming system. Dashed lines indicate optional zones. The gas can be processed in a series of continuous zones, or in a parallel arrangement, as shown in FIGS. 2BA and 2BB. FIG. 2 shows various zones of a gas reforming system. Dashed lines indicate optional zones. The gas can be processed in a series of continuous zones, or in a parallel arrangement, as shown in FIGS. 2BA and 2BB. FIG. 2 shows various zones of a gas reforming system. Dashed lines indicate optional zones. The gas can be processed in a series of continuous zones, or in a parallel arrangement, as shown in FIGS. 2BA and 2BB. 1 is a schematic diagram of a gas reforming system according to an embodiment of the present invention. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a gas reforming system of the present invention coupled to a gasifier. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a gas reforming system of the present invention coupled to two gasifiers. 1 is a schematic illustration of one embodiment of a gas reforming chamber of the present invention coupled to two gasifiers via a common initial gas inlet. FIG. 2 shows the following types of gas activation sources: hydrogen burner, radio frequency (RF) and microwave plasma, laser plasma, corona plasma. FIG. 2 shows the following types of gas activation sources: hydrogen burner, radio frequency (RF) and microwave plasma, laser plasma, corona plasma. FIG. 1 shows the following types of plasma sources: non-transfer arc torch, transfer arc torch, inductively coupled plasma torch, microwave plasma torch. FIG. 2 illustrates the use of an inductively coupled plasma torch, a microwave plasma torch, and a hydrogen burner in a gas reforming system, according to various embodiments of the present invention. FIG. 2 illustrates the use of an inductively coupled plasma torch, a microwave plasma torch, and a hydrogen burner in a gas reforming system, according to various embodiments of the present invention. It is a figure which shows a hydrogen burner. FIG. 2 shows the following types of gas activation sources: hydrogen burner, radio frequency (RF) and microwave plasma, laser plasma, corona plasma. FIG. 2 shows the following types of gas activation sources: hydrogen burner, radio frequency (RF) and microwave plasma, laser plasma, corona plasma. FIG. 3 illustrates various embodiments of gas reforming channels. FIG. 3 illustrates various embodiments of gas reforming channels. FIG. 3 illustrates various embodiments of gas reforming channels. FIG. 3 illustrates various embodiments of gas reforming channels. It is a figure which shows the gas reforming channel using a mixing device. FIG. 4 illustrates the use of a constriction in a gas reforming chamber to facilitate gas mixing, according to two embodiments of the present invention. FIG. 4 illustrates the use of a constriction in a gas reforming chamber to facilitate gas mixing, according to two embodiments of the present invention. FIG. 6 shows various gas reforming chamber designs. FIG. 6 shows various gas reforming chamber designs. FIG. 6 shows various gas reforming chamber designs. FIG. 6 shows various gas reforming chamber designs. FIG. 6 illustrates various embodiments of a gas reforming system in which the gas stream is divided into smaller gas streams and undergoes reforming in parallel. It is a figure which shows various arrangement | positioning of the gas activation source with respect to an initial stage gas flow. FIG. 3 shows different shapes of a flow restrictor inserted into a gas reforming chamber, according to various embodiments of the present invention. FIG. 3 shows different shapes of a flow restrictor inserted into a gas reforming chamber, according to various embodiments of the present invention. FIG. 3 shows different shapes of a flow restrictor inserted into a gas reforming chamber, according to various embodiments of the present invention. FIG. 5 shows a flow restrictor extending substantially the entire length of the gas reforming chamber, according to three embodiments of the present invention. FIG. 5 shows a flow restrictor extending substantially the entire length of the gas reforming chamber, according to three embodiments of the present invention. FIG. 3 is a three-dimensional view of a gas reforming chamber equipped with a flow restrictor that extends substantially the entire length of the chamber, in accordance with two embodiments of the present invention. FIG. 3 is a three-dimensional view of a gas reforming chamber equipped with a flow restrictor that extends substantially the entire length of the chamber, in accordance with two embodiments of the present invention. It is a figure which shows different embodiment of a flow restrictor. FIG. 4 is a diagram illustrating a rotating shaft having a plurality of disks according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows different disk structures that can be used with a rotating shaft to enhance the interaction between gas and activation region. FIG. 6 illustrates different ways of rotating the shaft and disk according to various embodiments of the present invention. FIG. 3 shows the use of a deflector for directing a gas activation region and a deflector based on the Coanda effect, respectively, according to two embodiments of the invention. FIG. 3 shows the use of a deflector for directing a gas activation region and a deflector based on the Coanda effect, respectively, according to two embodiments of the invention. FIG. 3 illustrates the use of one or more air nozzles to actively control the spatial distribution of a plasma plume, according to two embodiments of the present invention. FIG. 3 illustrates the use of one or more air nozzles to actively control the spatial distribution of a plasma plume, according to two embodiments of the present invention. FIG. 5 shows the use of different deflectors to redirect the plasma plume in the gas reforming chamber. FIG. 6 illustrates the use of an asymmetric rotational axis type object deflector according to various embodiments of the present invention. 1 is a schematic diagram of a portion of a gas reforming system according to an embodiment of the present invention showing details of a torch mounted system. FIG. 3 is a diagram illustrating a gas activation source arranged to direct a gas activation region that runs counter to a gas flow according to an embodiment of the present invention. FIG. 38B shows the embodiment of FIG. 38A where gas flows near the top and flows out toward the bottom. 1 is a schematic diagram showing the orientation of the inlet and plasma torch of one embodiment. FIG. 5 shows various arrangements of gas activation sources for the gas reforming chamber and injection gas flow. FIG. 5 shows various arrangements of gas activation sources for the gas reforming chamber and injection gas flow. It is a figure which shows arrangement | positioning of the baffle in a gas reforming chamber. FIG. 41A shows the air flow in a gas reforming chamber with a partition baffle. FIG. 41B is a diagram showing air flow in a gas reforming chamber with a turbulator or choke ring baffle. It is a figure which shows arrangement | positioning of the baffle in a gas reforming chamber. FIG. 41A shows the air flow in a gas reforming chamber with a partition baffle. FIG. 41B is a diagram showing air flow in a gas reforming chamber with a turbulator or choke ring baffle. FIG. 5 shows a flow restrictor extending substantially the entire length of the gas reforming chamber, according to three embodiments of the present invention. FIG. 4 shows the inclusion of a turbulent zone for enhanced reforming. FIG. 4 shows the inclusion of a turbulent zone for enhanced reforming. An example of a turbulent flow generator is shown. FIG. 2 shows a gas to be reformed that is processed by a plasma torch and a gas manipulator and that enters the modified reactor tangentially while forming a vortex. FIG. 3 shows an exemplary means for generating turbulence. FIG. 3 shows an exemplary means for generating turbulence. It is a figure which shows the airflow which flows out out of an A type nozzle. It is a figure which shows the airflow which flows out out of a B type nozzle. It is a figure which shows the fixed bed of the char used as a catalyst within a reforming chamber. It is a figure which shows the fixed bed of the char used as a catalyst within a reforming chamber. FIG. 2 shows a gasifier combined with a gas reforming chamber, and the char formed in the gasifier causes catalyst cracking. It is a figure which shows the various structures for combining a catalyst bed and an activation area | region for the modification | reformation of the gas generated within the gasifier. It is a figure which shows the various structures for combining a catalyst bed and an activation area | region for the modification | reformation of the gas generated within the gasifier. It is a figure which shows the various structures for combining a catalyst bed and an activation area | region for the modification | reformation of the gas generated within the gasifier. Fig. 4 illustrates various positions where a catalyst bed can be installed in a gas reforming chamber, according to one embodiment of the present invention. Fig. 4 illustrates various positions where a catalyst bed can be installed in a gas reforming chamber, according to one embodiment of the present invention. Fig. 4 illustrates various positions where a catalyst bed can be installed in a gas reforming chamber, according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram related to a heat exchange system used in a stabilization zone of a gas reforming system, according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram related to a heat exchange system used in a stabilization zone of a gas reforming system, according to one embodiment of the present invention. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a gas reforming chamber. FIG. 60B is a cross-sectional view of the gas reforming chamber of FIG. 60A showing the refractory support in detail. It is a figure which shows various structures of a gas reforming chamber, a gasifier, and a carbon converter. It is a figure which shows various structures of a gas reforming chamber, a gasifier, and a carbon converter. It is a figure which shows various structures of a gas reforming chamber, a gasifier, and a carbon converter. It is a figure which shows various structures of a gas reforming chamber, a gasifier, and a carbon converter. 1 is a diagram illustrating a gasifier that can be coupled to the gas reforming system of the present invention. FIG. FIG. 2 is various views of an exemplary gas manipulator designed to be incorporated into a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 2 is various views of an exemplary gas manipulator designed to be incorporated into a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 2 is various views of an exemplary gas manipulator designed to be incorporated into a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is a top view of a gas reforming chamber without the exemplary gas manipulator of FIG. 66. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 2 is various views of an exemplary gas manipulator designed to be incorporated into a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 67 is various views of the exemplary gas manipulator of FIG. 66 attached to a cylindrical gas reforming chamber. FIG. 2 is various views of an exemplary gas manipulator designed to be incorporated into a cylindrical gas reforming chamber. It is a figure which shows various expressions of the gas activation source used in FIGS. All expressions are equivalent and can be used to indicate any of the gas activation sources specifically set forth herein or will be known to those skilled in the art.

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。
本明細書で用いられる場合、「約」という用語は、基準値から±10%の変動を意味する。そのような変動は、具体的に言及されているかどうかにかかわらず、本明細書に提供される任意の所与の値に常に含まれると理解される。
「反応種」という用語は、改質プロセス全体を通して形成されるエネルギー種を意味する。非限定的な例は、プラズマ等のエネルギー源によって生成される自由電子、または、他の分子にエネルギーを移動するオフガス(例えば合成ガス)中で形成されるラジカルもしくは解離された中間体(誘導された中間体)、および/または事前配合ガスの他の分子解離された中間体/断片(「事前に配合された分子」)を含み、設計された規格の化学組成にそれらを改質することができる。当業者は、エネルギー移動プロセスが持続するにつれて、事前に配合された分子の中には、順に反応種になり、それらの取得したエネルギーをガス改質ゾーン内の他の分子に移動するものがあることを理解する。
「原料オフガス」という用語は、スラグに変換するプロセス全体を通して原料から生じるガスを意味する。この種類および品質のガスは、当業界において「合成ガス」と称されることが多い。
「部分的に処理された原料オフガス」という用語は、廃棄物の破壊、ならびにガスおよびスラグへの変換のために設計されたプラズマ溶融システム等のガス化システムにおいて生成される、強力な熱または反応種等の条件によって、何らかの形で処理された原料オフガス(原料合成ガス)を指す。そのような処理には、原料オフガスをプラズマまたは他のエネルギー源に曝露することを含んでもよい。
「初期ガス」という用語は、1つもしくは複数の下流用途のために設計された化学組成に改質されるべきガスを指す。それには原料オフガス(原料合成ガス)および/または部分的に処理された原料オフガスを含む。
「事前配合ガス」という用語は、ガス改質ゾーンに進入するガスを表すために用いられる。このガスは、設計された化学組成に改質する前にガスの化学組成を調節するために添加された、任意の選択的なプロセス添加剤の他に、初期ガスを含む。例えば、ガスが水素レベルの増加を必要とする場合は、改質中のガスが、最終的な改質ガス生成物の適切な化学組成を提供するのに十分である量の水素種を含有するように、ガス改質ゾーンの上流で、蒸気がプロセス添加剤として添加され得る。任意選択的なプロセス添加剤が添加されなかった場合には、「事前配合ガス」は「初期ガス」と同じ組成を有する。
「改質ガス」という用語は、ガス改質システムから流出するガスを指す。
「ガス改質率」という用語は、システムに投入されるガスの量に対する改質されたガスの量について説明するために用いられる。以下の式によって表すことができる。
代替として、また特に、プロセス添加ガスが使用されない場合は、以下の式で表すことができる。
ガス改質率は、間接的または直接的に評価することができる。ガス改質率の間接的評価は、改質ガスの下流のエネルギー生成と、事前配合ガスとを比較することによって、行うことができる。下流のエネルギー生成は、改質されたガスの割合を反映する。下流のエネルギー生成の増加は、改質されたガスの割合が増加したことを示唆する。
「ガスマニピュレータ」という用語は、ガス改質のプロセスを促進するために機能する、本発明のシステムに組み込まれた特徴部分を意味する。
「炭素質原料」および「原料」という用語は、本明細書において交換可能に使用され、ガス化プロセスで用いることができる炭素質材料を指すと定義される。好適な原料の例には、都市廃棄物を含む有害および非有害な廃材、産業活動によって生成される廃棄物、生物医学廃棄物、再利用不可能なプラスチックを含む再利用に不適切な炭素質材料、下水汚泥、石炭、重油、石油コークス、ビチューメン、重油精製残渣、精製廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、農産廃棄物、都市固体廃棄物、有害廃棄物および産業廃棄物を含むが、これらに限定されない。ガス化に有用であるバイオマスの例には、廃木材、生木材、果物や野菜や穀物の加工の残りかす、製紙工場のくず、藁、草、および糞尿を含むが、これらに限定されない。
「ガス賦活源」という用語は、事前配合ガスにエネルギーを付与して、規定の組成のガスに改質することを可能にするために用いることができる、当業者に既知である任意のエネルギー源を指す。その例には、プラズマ発生源、照射源、水素バーナ、電子ビーム銃等を挙げることができるが、それらに限定されない。
「ガス賦活領域」という用語は、改質プロセスが起こるのに必要なエネルギーをガスに提供するために、本システム内で使用される1つもしくは複数のガス賦活源によって生じさせられる電界効果を表すために用いられる。例えば、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域は、トーチの出力、作動ガスの組成、トーチの位置、トーチの配向等によって異なる三次元空間を表す。
本明細書で用いられる場合、「検知要素」という用語は、システム、投入物および/または産出物の1つもしくは複数の特徴、パラメータ、および/または情報を検知、検出、読解、監視等するために構成される、ガス改質システムに関連する任意の要素の態様を説明するために広義で用いられる。
本明細書で用いられる場合、「応答要素」という用語は、信号に応答することができるガス改質システムに関連する任意の要素の態様を説明するために用いられる。
ガス改質システム
本発明は、炭素質原料のガス化に由来するガスの効果的な改質のためのシステムを含む。本システムに投入されるべき初期ガスは、通常、様々な長さの炭化水素分子の複合混合物を含む。ガスの化学組成および汚染物質の品質は、原料の組成、ガスを生成するために用いられるプロセス、およびガス化システム内の条件に依存する。あるガス化装置は、単一チャンバ内でガスを生成するために様々な形の熱が用いられる、1段階プロセス用に設計される。他のガス化装置は、1つのチャンバの異なる部分または異なるチャンバ、またはそれらのある組み合わせにおいて、複数段階プロセスでガスを生成する。いずれのシステムも、通常、ガス化チャンバ内の熱源によって、原料オフガスの前処理をある程度含む可能性がある。
これらの設計戦略の主な目的の1つは、ガス賦活ゾーンにおける原料合成ガスおよび/または事前配合ガスの、反応種への効果的な曝露の量を最適化することである。効果的な曝露の程度が大きいほど、エネルギー移動の効率が高くなるため、事前配合ガスが、設計された化学組成のガスに最も費用効率の高い様式で変換される割合が高くなる。
設計戦略の例には、全体的なシステムの設計を含む。例えば、重要な設計戦略は、ガス賦活領域に対する事前配合ガスの流れのパターン(乱流)、特に、特定の時間内にその領域を通過するガスの量を含む。これらの戦略の一例は、事前配合ガスが、電気アーク(複数を含む)を生成するプラズマを通過するシステム設計である。別の例は、プラズマプルームが逆流して、事前配合ガスに直接流れ込むようにプラズマトーチが配置される、システム設計である。別の実施形態では、事前配合ガスは、連続するまたは並列するガス賦活領域を通過する。
本発明の改質システムは、生成ガスに改質される事前配合ガスの量を最適化するように設計される。一実施形態では、本システムの効率は、改質された生成ガスの量を、事前配合ガスまたは初期ガスの量で除したものに100を乗じたパーセンテージである、ガス改質率という用語によって表される。一実施形態では、改質率は95%以上である。一実施形態では、改質率は90%以上である。一実施形態では、改質率は85%以上である。一実施形態では、改質率は80%以上である。一実施形態では、改質率は75%以上である。一実施形態では、改質率は70%以上である。一実施形態では、改質率は65%以上である。一実施形態では、改質率は60%以上である。一実施形態では、この概念は、初期ガスと比較した改質ガスの値の比率として表される。一実施形態では、当該値は、発電に関するエネルギー値である。
初期ガスを、設計された組成のガスに効果的に改質するために、本発明は、1つもしくは複数の「ガス改質ゾーン」および1つもしくは複数の「ガス安定化ゾーン」を含む。ガス安定化ゾーンは、ガスが冷却する際にガスから熱を捕捉するための熱交換手段を任意選択的に含む。本システムは、通常はガス改質ゾーンの上流に位置する、混合するまたは混合しない、1つもしくは複数の「ガス添加物ゾーン」を任意選択的に含む。また本システムは、通常、ガス安定化ゾーンの下流に位置する1つもしくは複数の「ガス浄化ゾーン」を任意選択的に含む。
明瞭にする目的で、これらのゾーンを別々に説明する。しかしながら、これらのゾーンは、通常、システム内に隣接して相互に関連しており、代替オプションとして残っているものの、本システムは、別個の、物理的に分離されたゾーンを含むことに限定されるものではないことを理解されたい。特定の実施形態の設計に依存して、多少の違いこそあれ、それらは分離される。また、参照し易くするためにのみ、これらのゾーンは、主にそのゾーン内で起こるプロセスの段階に従って名付けられている。しかしながら、当業者は、改質プロセスの性質によって、他のプロセスの段階が、より少ない程度でそのゾーン内で起こり得ることを理解する。
ガスを効果的に改質するシステムは、初期ガス分子が改質を始めるように、それらのエネルギーを上昇させることができる必要がある。具体的には、反応中間体が開始される。反応のエネルギープロセスは、下に示すような曲線によって表される。
当業者が理解するように、矢印は、初期化学組成の気体分子が、設計された化学組成の分子へと改質を始めるのを誘導するために必要なエネルギーを指し示している。破線は、分子の改質を引き起こすのに必要とされるエネルギー量を減少させるために、触媒が用いられる時に必要なエネルギーを表す。当業者は、一般的なレベルで、結合を破壊して改質された分子および原子に改質するように促進するために、初期ガスに付与されるための十分なエネルギーが必要とされることを理解する。適切な条件下では、改質された分子および/または原子が完全に混合することが可能とされる場合、存在する種の相対濃度に従って原子が再結合する。さらに、相当量の事前配合ガスが賦活領域を通過する場合、相当量のガスが改質される。
ガスを効果的に改質するという目的を達成するために、当業者は、ガスの改質全体を通して以下の4つの化学的プロセスが起こることを理解することができる:1)中間体の開始、2)中間体の少なくとも一部の成長、3)中間体の停止、および4)生成ガスの安定化。
ガス改質プロセスは、4つの一般的なプロセスを伴うと想定することができる。第1のプロセスでは、初期気体分子等の反応物とエネルギー源(自由電子、およびイオンまたはフリーラジカル等の他の賦活または活性化された種を含むが、これに限定されない)とが、混合を介して統合され、種対種の接触状態に到達する。そのような接触および十分なエネルギーレベルでの混合の結果として、反応物の相互作用が化学中間体の形成をもたらす。中間体の中には、ともに反応して停止するものもあるが、少なくとも中間体の一部はもう1つの段階に進み、他の中間体を生成するための反応物の関与の有無にかかわらず中間体同士が反応して、連鎖の化学反応を引き起こす。もう1つのプロセスでは、中間体は、化学的および/または物理的手段によって停止され、特定の生成物を生じる。4番目にして最後の段階では、特定の化学的および/または物理的条件が維持される場合に、形成された生成物が安定化される。
ゆえに、中間体の開始は、中間体誘導手段(エネルギー源)が提供され、ガス改質ゾーンに進入するガスと接触させられる、ガス改質ゾーン内で早期に起こる主なプロセスであると考えることができる。混合、エネルギー移動、および/または反応物が初期中間体へと変化することを可能にする照射。反応物は励起されていると言える。
中間体の成長段階は、初期中間体同士が反応して他の中間体を生成する、ガス改質ゾーン内で起こる別の重要なプロセスであると考えることができる。これらの中間体は、前の中間体から派生する中間体の一群と一連の反応を形成することが可能である。
一般に、中間体の停止プロセスは、ガス改質ゾーンの終端部で起こると考えることができ、いくつかの実施形態では、そのために連鎖反応がさらに進むのを阻止するように化学的および/または物理的条件が変更される、ゾーンの外縁部を定義するとさえ考えられてもよい。しかしながら、プロセスの特質、反応物/中間体、および最終生成物の安定性に依存して、停止プロセスはガス改質ゾーンの他の部分で起こり得ることを理解されたい。制御された停止、または中断されずに進行することのいずれかによって連鎖反応が終了した時点で、特定の生成物が形成される。
ガス安定化ゾーンは、生成物の安定化が主なプロセスである場所に位置すると考えることができ、中間体の再結合が停止した時点で形成される生成物を安定化するために、特定の条件が維持されるゾーンとして定義することができる。これらの生成物は、通常特定の用途に所望される。連鎖反応過程の異なるポイントが、停止および安定化した時点で異なる生成物を生じる異なる中間体に対応するため、異なる生成物が必要とされる場合は、中間体の停止ポイントを調節するための努力をすることが必要かもしれない。
多くの中間体誘導手段が存在する。それらには、加熱、プラズマプルーム、水素バーナ、電子ビーム、レーザ、照射等が含まれる。反応物の分子が、触媒の存在下で再編成するのに十分なエネルギーを有し、そのような触媒と接触させられる状況下では、触媒が中間体誘導手段としての役割を果たすのを見ることができる。中間体誘導手段を提供するエネルギー源の一般的な特徴は、反応物に化学的変化をもたらして、最終生成物への経路を進むことである。したがって、形成される中間体は、異なる中間体誘導手段で異なり、異なるレベルの活性化を有する。
初期ガスのエネルギーを、分子が設計された化学組成の分子へと改質するレベルまで上昇させるいくつかの方法が存在する。初期ガスに熱を加えることができる。初期ガスおよびプロセス添加剤である「事前配合ガス」中の分子を、改質された分子および原子に改質させるために必要なエネルギーを移動するために、プラズマ内に見られる、または水素源から生成される電子および陽イオン等の活性化種を用いることができる。
上述の通り、分子を改質させるために必要とされるエネルギー量を減少させるために用いることができる、当業者に既知である様々な触媒が存在する。ドロマイト、オリビン、酸化亜鉛、およびチャー等の触媒は、一般的に使用される触媒のいくつかの例である。
本発明は、関連する特徴的な特徴(例えば、化学組成)を持つ初期ガスの、特定の下流の目的のために設計された特徴的な特徴を持つ産出ガスへの、効率的な、意図的に計画された改質のための、高性能な、統合型ガス改質システムを提供する。最適化は、電気等の先に発生するコストおよび汚染された触媒の処理等の下流コストを含む、全体的な費用効率の最も高い様式で改質を達成することを含む。
ガス改質システムのプロセス
(1)化学組成、湿度、流速等を含むがこれらに限定されない初期ガスの特徴パラメータの妥当性を、直接的または間接的に識別する。任意選択的に、当該システムは、上流および/もしくは下流のシステム、またはその投入物もしくは産出物の、特徴および/またはパラメータを検知することができる。
(2)検知された初期ガスの特徴パラメータおよび所望の産出ガスのパラメータに基づいて、改質プロセスに合わせて様々な投入パラメータを改変する(例えば、任意選択的に適切なプロセス添加剤の量を増加または減少させる、電力量を改変する等)。
(3)大部分の気体分子が改質された分子および原子に改質するようにエネルギーを気体分子に移動するために、オフガス分子(初期ガスまたは事前配合ガス)と相互作用することができる十分なエネルギー種を含む、1つもしくは複数のガス改質ゾーンを生成する。
(4)改質ゾーンにおいて、開始された気体分子成分が結合して、改質ガス中に存在する種の相対濃度によって決定される化学組成になるように、開始された気体分子成分(開始された中間体)の効率的な混合を促進する。
(5)新しく形成された分子が不活化され(例えば、冷却される、または触媒もしくはガス賦活源の影響を受けないようにする)、従って所望の特徴を維持するように安定化される、安定化ゾーンを提供する。
(6)ガス改質プロセスの全体的な制御のための制御システムを提供する。
ガス改質のシステムおよび方法は、炭素質原料のガス化から生成される等の相当量のオフガスを、最適レベルの一酸化炭素および水素等の分子ならびに最低レベルの望ましくない分子を含む改質ガスに改質するために、用いることができる。
次の説明では、ガス改質システムの以下の部分がより詳細に考察される。「ガス改質ゾーン」および「ガス安定化ゾーン」の説明から始まる基本的なプロセスが教示される。ガス改質の程度および効率を最適化するための戦略および方策が、触媒および他のガスマニピュレータを含むガスマニピュレータについて考察することで説明される。当該システムに含まれる任意選択的な特長には、「ガス添加剤ゾーン」および「ガス浄化ゾーン」が含まれる。最後に、本説明は、上記すべてのプロセスを管理するためのガス改質チャンバおよび制御システムの設計について検討する。
ガス改質ゾーン
改質ゾーンは、設計された化学組成の分子の種に改質するように十分に賦活された事前に配合された分子が生じる、システム内のゾーンである。一般に、このゾーンは、改質プロセスの間に、乱流および混合を引き起こすための手段を組み込むように設計される。
ガス賦活源
ガス賦活源は、ガス改質システム内の初期ガスとプロセス添加剤(事前配合ガス)との分子結合エネルギーに打ち勝つために必要とされる初期エネルギーを提供することによって、これらの分子を改質された分子に改質し、最終的にはCOおよびH等の設計された化学組成の分子に改質する役目を果たす。これらの賦活源は、反応性中間体の開始のためのエネルギーを提供する役目を果たし、必要な場合には、中間体の成長を支持するためのエネルギーを提供する役目を果たす。
ガス賦活ゾーンの提供のために、本発明内で様々な要素が想定される。ガス改質エネルギーの要件を満たすために必要とされるエネルギーレベルは、初期ガスの特徴(例えば組成)、プロセス添加剤、および触媒の存在を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。温度、滞留時間および/または乱流、ならびに混合を増加させるための手段も、このゾーンの設計および作製に含まれることが想定される。
中間体を誘導して反応的にするためにガス賦活に必要なエネルギーは、加熱、プラズマ、水素バーナ、電子ビーム、レーザ、照射等の、賦活源と称される様々な源によって提供され得る。これらの一般的な特徴は、反応物に化学的変化をもたらして、最終生成物への経路を進むことである。
プラズマの源
プラズマは、主に、事前配合ガスと相互作用して分子にガス改質エネルギーを供給することができる電子および正電荷を持つイオンの形態で、エネルギー源を提供する。
本発明の一実施形態では、他のガス賦活源と組み合わせて、または組み合わせずに操作される、1つもしくは複数のプラズマ系の源(例えばプラズマトーチ)が、ガス改質のために十分である高いレベルまで初期ガスのエネルギーを上昇させるために用いられるので、ガス賦活ゾーンを提供することになる。適切なエネルギーレベルは、初期ガスおよびプロセス添加剤の特徴を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存し、当業者によって容易に決定され得る。
熱はプロセスに寄与するものの、相当量のエネルギーの大半はプラズマ中の反応種によって供給される。本発明の一実施形態では、温度は約800℃〜約1200℃の間である。源に必要とされるエネルギーの量は、触媒の使用によって減少することができる。
非移行型および移行型アーク、交流電流(AC)および直流電流(DC)、プラズマトーチ、高周波誘導プラズマデバイス、および誘導結合プラズマトーチ(ICP)等を含むが、これらに限定されない様々な種類から、1つもしくは複数のプラズマ源が選択され得る。すべてのアーク発生システムにおいて、アークは陰極と陽極との間で開始される。適切なプラズマ源の選択は、当業者の技術の範囲内である。
移行型アークおよび非移行型アーク(ACおよびDCの両方)のトーチは、適切に選択された電極材料を用いることができる。当該技術分野において既知である電極に好適な材料には、銅、タングステン合金、ハフニウム等を含む。電極の寿命は電極上のアーク作動領域等の様々な要因に依存して、次にはプラズマトーチの設計および電極の空間的配置に依存する。小さなアーク作動領域では、熱イオン放出によって電極が冷却されるように設計されていない限り、一般的に短期間で電極が消耗する。寿命期間中に電極が消耗するにつれて電極の間隔に変動が生じるが、電極を空間的に調節することでいずれの変動をも低減させることができる。
プラズマトーチ用のキャリアガスとして、空気、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素、酸素、窒素、二酸化炭素、C、およびC等を含むが、これらに限定されない様々なガスを用いることができる。キャリアガスは、中性、還元性、または酸化性であってもよく、改質プロセスの要件およびガスのイオン化ポテンシャルに基づいて選択される。適切なキャリアガスの選択、およびその効率に影響を及ぼす可能性のあるキャリアガスをプラズマトーチに導入する手段を理解することは、当業者の通常の技術の範囲内である。具体的には、不十分に設計されたキャリアガスの導入は、熱いゾーンと冷たいゾーンを持つ不均一なプラズマプルームを結果的にもたらす場合がある。
一実施形態では、ガス改質システムは、1つもしくは複数の非移行型の逆極性DCプラズマトーチを含む。一実施形態では、ガス改質システムは、1つもしくは複数の水冷式、銅電極、NTAT DCプラズマトーチを含む。本発明の一実施形態では、ガス改質システムは、1つもしくは複数のACプラズマトーチを含む。
ACプラズマトーチは、関連するアーク安定性の変動を伴う、単相または多相(例えば、3相)のいずれかであり得る。3相ACプラズマトーチに、従来のユーティリティネットワークまたはジェネレータシステムから直接電力が供給され得る。より高い相のACシステム(例えば、6相)、およびハイブリッドAC/DCトーチ、または水素バーナ、レーザ、電子ビーム銃、もしくは他のイオン化ガス源を用いる他のハイブリッドデバイスが使用され得るが、これらに限定されない。
多相ACプラズマトーチは、一般的に電力供給の損失がより少ない。さらに、レールガン効果による電極に沿ったアークの迅速な動きは、電極間の熱負荷の再分布の改善をもたらす。この任意の電極冷却機構に沿った熱負荷の再分布により、比較的溶融点は低いが熱伝導率の高い、銅合金等の材料を電極に使用することが可能である。
プラズマ源は、適用された際に長時間にわたって好適に高い火炎温度を提供する、様々な市販のプラズマトーチを含むことができる。一般的に、そのようなプラズマトーチは、出力約100kWから6MWを超えるサイズで入手可能である。一実施形態では、プラズマトーチは、各々が、要求される(部分的な)能力で作動する、2つの300kWプラズマトーチである。
水素バーナ
本発明の一実施形態では、ガス賦活領域は水素バーナによって少なくとも部分的に提供され、酸素と水素が反応して超高温蒸気(>1200℃)を形成する。このような高温では、ガス改質プロセスを強化するイオン化された形態で蒸気が存在できる。水素バーナは、プラズマトーチ等の他のガス賦活源と組み合わせて、または組み合わせずに、動作させることができる。活性化された水素種は、反応種の迅速な分散および広範囲にわたる蒸気クラッキングという利点を有し、その両方が、プラズマを用いて達成されるよりも低い温度で初期ガスの高変換率をもたらす。
本発明の一実施形態では、水素バーナはエネルギー賦活の相当な部分を担うため、主要な賦活領域の要素としての役割を果たす。
水素バーナ用の水素は、電気分解によって得ることができる。酸素源は、純粋な酸素または空気であり得る。当業者には既知であるように、水素および酸素の他の源も使用することができる。バーナの設計には、例えば数値流体力学(CFD)に基づくツール等の、標準的なモデリングツールを利用することができる。改質用のガス量、チャンバの形状等を含むが、これらに限定されない様々な要因を考慮に入れて、ガス改質システムの要件に合うようにバーナの構成およびサイズ変更をすることができる。
本発明の一実施形態では、水素バーナは円筒状のノズル本体を含み、上カバーおよび下カバーが、その上端および下端にそれぞれ連結され、該本体中の所定の環状空間Sを画定する。ガス供給パイプは、側壁からパイプが下向きに傾斜するように本体の側壁に接続されている。上カバーは、本体と統合させて単一の構造にすることができ、熱が容易に消散するのに十分な厚さを有する熱移動部を備える。大気中に水素を放出する複数のノズルオリフィスは、それぞれのノズルオリフィスと連通するようにその上部表面に形成された露呈する陥凹部を有する熱交換部を介して形成される。気流チャンバも、空気がチャンバを通過するように画定される。ガイド突起部は、空間の内部表面上に形成され、水素ガスの流れを空間内の所望の方向に誘導する。さらに、ノズルオリフィスの下端部と連通する環状空間Sの上端部はドーム型に構成されており、水素ガスをオリフィスに誘導するためのアーチ型ガイドを画定する。
水素バーナは、より低い温度で動作し、通常、水素を空気と混合する。それらは、著しくより高い温度で動作する酸素‐水素混合物を用いることもできる。このより高い温度は、より多くのラジカルおよびイオンを生じさせることが可能であり、また、該ガスを炭化水素の蒸気およびメタンと非常に反応し易くする。
本発明の一実施形態では、水素バーナは、ガス状炭化水素の合成ガスへの改質を加速させることができる、高温の化学的ラジカルの源としての役割を果たす。水素バーナは、空気および酸素が2つの一般的な選択肢である、酸化剤を用いて操作される。当業者は、水素と必要とされる酸化剤の相対的な比率を理解するであろう。高温ラジカルを生成することの他に、水素バーナは、制御可能な量の蒸気も生成する。典型的には、水素バーナは、プラズマトーチと類似する効率で電力供給され得る。
電子ビーム銃
電子ビーム銃は、熱イオン放出、光電陰極放出、および電界放出等の放出機構、純粋な静電界を用いたもしくは磁場を用いた集束、ならびにいくつかの電極の使用、のいずれかによって、実質的に精確な動的エネルギーを有する電子ビームを生成する。
電子ビーム銃は、原子に電子を追加すること、または原子から電子を除去することによって、粒子をイオン化するために用いることができる。当業者は、そのような電子イオン化プロセスは、質量分析において気体粒子をイオン化するために用いられてきたことを容易に理解する。
電子ビーム銃の設計は、当該技術分野において容易に知られている。例えば、DC、静電気型熱電子銃は、加熱されるとイオン放出による電子流を生成する加熱陰極、電界を形成してビームを収束させるウェーネルト円筒等の電極、および電子を加速させてさらに収束させる1つもしくは複数の陽極電極を含む、いくつかの部位から形成される。陰極と陽極の間の大きな電圧差のために、電子はより早く加速する。陰極と陽極の間に位置する反発リングは、陽極上の小さな点に電子を収束させる。小さな点は孔であるように設計されてもよく、その場合、コレクタと称される第2の陽極に到達する前に、電子ビームの視準が合わせられる。
放射線
電離性放射線とは、原子または分子をイオン化することができる高エネルギー性の粒子または波を指す。電離能は、放射線の個々のパケット(電磁放射のための光子)のエネルギーの関数である。電離性放射線の例は、エネルギー性のベータ粒子、中性子、およびアルファ粒子である。
原子または分子を電離する電磁放射の能力は、電磁スペクトル全体にわたって異なる。X線およびガンマ線は、ほぼすべての分子または原子を電離し、遠紫外線は多くの原子および分子を電離し、近紫外線および可視光線は、ほとんど分子を電離しない。電離性放射線の適切な源は、当該技術分野において既知である。
エネルギーの再利用
ガス改質プロセスを維持するために必要な外部エネルギーは、当該プロセスによって生成されるあらゆる熱を利用することによっても減少することができる。ガス改質プロセスによって生成される熱の量は、初期ガスおよび改質ガスの特徴によって左右される。一実施形態では、炭素または多炭素(multi−carbon)の分子を主にCOおよびHに改質する間に放出される熱は、ガス改質システムに注入されるプロセス添加剤の量および種類(例えば、空気、O)を最適化することによって最大化される。
改質ゾーンを出ようとするガス中に存在する検知可能な熱は、ガス安定化ゾーン内の熱交換器を用いて捕捉することができ、改質プロセスの外部効率を向上するために再利用される。
当業者には明白であるように、熱エネルギーまたはレーザに基づく他の賦活源が用いられ得る。
ガスマニピュレータ
ガスマニピュレータは、ガス改質のプロセスの最適化を追求する設計戦略の実施形態を表す。それらは、事前配合ガスの流れのパターンをガス賦活領域に対して最適化するチャンバの設計、特に、特定の時間内にこの領域を通過するガスの量を含む。ガスマニピュレータの別の例は、エネルギー供給源(プラズマトーチ等)が、流入ガスとエネルギー源中のエネルギー種との混合を最大化する流入する改質中のガスに対して配向されるシステム設計である。別の例は、乱流および混合を増加するように設計される、プロセス添加剤ノズルの位置および配置である。別の例は、連続するガス改質ゾーン対並列するガス改質ゾーンの配設を含む可能性がある。
ガスマニピュレータは、ガス改質プロセスの効率を増加させるために設計され、システムに組みこまれた、構造デバイスを含む。例には、ガス賦活領域に向かって、また該領域を通して、事前配合ガスをより効果的に方向付けるバッフルおよび偏向器等の構造デバイスが挙げられるが、これらに限定されない。他の例は、賦活源と改質中のガスとの混合を増加させる、プロセス全体を通して乱流を増加する構造デバイスを含む。
また、ガスマニピュレータは、例えばプラズマプルーム方向決定デバイス等の、賦活領域の寸法を変更するために賦活源の物理的配向を決定するシステムの態様も含み、および/または、プラズマ発生源へのエネルギー供給、動作ガスの流速等に対する変更は、事前配合ガスの賦活領域の寸法の変更をもたらすように改変され得る、本発明のシステムの非限定的な態様の例である。
触媒ガスマニピュレータは、エネルギー移動の効率を増加させ、触媒を含む。ガスマニピュレータの一例は、事前配合ガスがプラズマを発生する電気アーク(複数を含む)を通過するシステム設計である。ガスマニピュレータを含むことは、当該システムが合成ガスを設計された化学組成のガスに改質するのに十分である産出量の事前配合ガスにエネルギーを供給するプロセスにおいて、消費されるエネルギー量のバランスを最適化することを意図している。
多様なカテゴリーのガスマニピュレータが存在する。
ガスマニピュレータの1つのカテゴリーは、ソースエネルギー曝露マニピュレータ(Source Energy Exposure Manipulators)と称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質反応を支持するために必要な量の事前配合ガスの、初期エネルギー源への曝露を最適化することである。
ガスマニピュレータの別のカテゴリーは、混合マニピュレータと称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質プロセス全体を通してエネルギー移動を促進するために、反応種の混合を最適化することである。
ガスマニピュレータの別のカテゴリーは、触媒マニピュレータと称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質プロセスの全体的な効率を高めるために、当該システム内の触媒活性を最適化することである。
全体的な効率は、改質を達成する全体的な費用に加えて、改質プロセスの徹底(ガス改質率によって表される)も意味する。例えば、全体的な効率について、プロセスの最中に「毒性」となる可能性がある触媒を使用する費用およびその交換費用を考慮する。また、エネルギー源の費用も考慮する。
本発明のガス改質システムは、改質プロセスの効率を高めるように設計される。これを達成する様々な手段は「ガスマニピュレータ」と称され、それらは効率、有効性、および改質プロセスの徹底を促進する。改質プロセスは、事前配合ガスが当該システムのチャンバを通過する際に起こるため、滞留時間は、当該プロセスの効率および転換の徹底を判定する重要な態様である。事前配合ガスの分子全体にわたるエネルギー移動の速度および程度を加速させる要因ならびに改質種の混合が、ガスが当該システムから流出する前の変換の徹底を最適化する。
プラズマ中に提供されるおよび/または熱等のエネルギーを提供する活性種の源に対する気体分子の近接性は、気体分子が該源に曝露される時間の長さに依存する。事前配合ガスの分子全体にわたってエネルギー移動のプロセスを促進し、それによって改質を始めるようにシステム内に提供される手段は、改質される分子の数を最大化する。さらに、それらが新しい化学種(その組成は、改質ガス中に存在する種の相対的濃度に大きく依存する)に再編されるように、活性種/反応中間体の混合量を増加させる手段も、生成される設計された分子の量を最大化する。
ガスマニピュレータは、改質プロセスの効率を高めるように設計、配置、および操作される。いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、当該システム内の高い乱流を増加させるように設計される。乱流の増加は、賦活されるべきガス分子および新しい分子に改質するプロセスにあるガス分子を完全に混合してガスに影響を与え、その化学組成は、ガス改質ゾーン内の個々の化学種の相対的濃度によって大きく決定される。
ガスマニピュレータは、ガス賦活ゾーン、初期ガス、プロセス添加剤、およびその構成成分のうちの少なくとも1つの標的とする方向転換によって、それらの相対的な空間分布およびその力学的進化の変化をもたらし、位置ガス改質システム内の流体力学を変更するように設計することができる。ガスマニピュレータは、賦活および改質プロセスを補助するために、標的化した位置において高乱流環境が形成されることを保証するように設計され得る。
ガス賦活領域(例えばプラズマプルーム)の初期ガスおよびプロセス添加剤への曝露を向上することにより、賦活および改質のため反応プロセスの向上が、可能な限り低い温度で達成される。
当業者は、ガス賦活源およびプロセス添加剤の注入口の位置、チャンバの全体的な設計に基づいて、ガスマニピュレータが設計および配置されなければならないことを、容易に理解する。
曝露マニピュレータ
いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、事前配合ガスの改良ゾーンへの曝露を実質的に促進するように設計および構成される。前述したように、これらのガスマニピュレータは、ガス改質チャンバ(複数を含む)に付属する別個の構造のデバイスであり得るか、またはガス改質チャンバ内に統合され得る。
曝露操作のためのチャンバ設計
一実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域に対する事前配合ガスの流れのパターン、特に、特定の時間内にその領域を通過するガスの量を最適化するチャンバの設計を含む。これは、ガス改質チャネル、すなわちチャンバ内のガス流経路における違いをもたらす、チャンバの内部壁の適切な設計によって達成される。ガス改質チャネルは、以下の種類を含むがこれに限定されない様々な種類であり得る:直線、曲線、分岐−集中型、およびラビリンス型。
ガス改質チャネルの様々な実施形態を図25〜28に示す。当業者は、例えば、空気注入用ポール等の、チャンバの追加的特徴の設計に基づいて、図25〜28の各実施形態にはいくつかの設計変更が可能であることを容易に理解する。ガス改質チャネルに関する設計上の考察は、エネルギー源への曝露、断面積、温度プロファイル、速度プロファイル、速度プロファイル、ガス滞留時間、混合、および圧力降下を含むが、これらに限定されない。
図15Aを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバは直線的であり、プラズマトーチが位置するくびれたスロート部を含む。くびれたスロート部を通過するガスは、反応性のイオン化プラズマのキャリアガス(ガス賦活ゾーン)と混合させられ、それによって改質を促進する。スロート部は、プラズマプルームの可視部ほどの大きさであり、2000℃を超える温度を伴う。キャリアガスは、そのような温度にあるイオン化相の状態で流出するため、はるかにより活性である。チャネルの大きさ(例えば、その断面積)、速度プロファイル、および温度プロファイル等の設計基準は、ガス改質の促進のために必要とされる化学プロセスによって決定される。スロート部でのより高い速度のために、改質ガス中に存在する粒状物質のどれも、引き込まれてチャンバの第2の部位で堆積する可能性がある。
チャンバは、粒状物質の分離を容易にするためにさらに設計され得る。図15Bを参照すると、また本発明の一実施形態によると、粒状物質が下部で分離して運ばれ得るように、チャンバの第2の部位は下向きに位置している。代替として、チャンバの第2の部位は、生じる旋回流がガス流からの粒状物質の分離を促進できるように、チャンバの主要部分から接線方向にガスが導入されるように設計することができる。
図15Aおよび15Bの設計の利点は、内部に構造デバイスを適切に設置することにより、簡略化された機械的設計を用いて達成することもできる。図15Cを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバの形状はその長さ全体を通して変化しておらず、チャネルは、オフガスを通過させるために、実質的にチャンバの中央に位置している。チャンバの直径が固定されているため、耐火物の設置ならびにチャンバの製造および設置が簡略化される。内部の構造デバイスは、追加の冷却用配管、ファン、およびコントローラ等の当該技術分野で既知である方法を用いて、最適な性能のために十分に断熱および冷却することができる。
単一のプラズマトーチを用いて発生させるプラズマプルームは、数ミリ秒間で特定の有限長であり、その後で温度が約2000℃未満に低下して、イオン化されたガスが非プラズマ状態に戻る。当業者は、その後でイオン化されたガスが非プラズマ状態に戻る時間は、トーチのエンタルピー、ガスの流れ、周囲のガスの温度、およびアンペア数を含むが、これらに限定されないプラズマトーチの様々なパラメータに依存することを理解する。湾曲した種類のチャネルを有するガス改質チャンバ内では、流入するオフガスとの相互作用のために反応性イオン化ガスの連続的な流れを提供し、その結果、タールのクラッキングプロセスの効率を高めるように、2つ以上のプラズマトーチを適切に配置することができる。
湾曲したチャネルには、図16A〜16Cの実施形態に限定されない、様々な設計が可能である。本発明の一実施形態によると、チャンバの第2の部分は、チャンバの主要部分からガスが接線方向に導入されることを可能にし、そうすることで、生じる旋回流が、ガス流からの粒状物質の分離を促進する。当業者は、例えば、曲線の角度の違いに基づいて、数多くの湾曲したチャネルの設計が可能であることを容易に理解する。
図17を参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャネルは先細末広型であり、チャネルの形状は、必要に応じて、速度、圧力等の局所的な条件における変動を可能にする。
図18を参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャネルはラビリンス型である。当業者は、このチャネル設計が、必要に応じて、より長い滞留時間に対応できることを容易に理解する。
本発明の一実施形態では、チャンバは、垂直に配向されたコネクタを介してガスの源(例えばガス化装置)に動作可能に連結された、直線的な、実質的に水平な、円筒状の構造である。該チャンバおよび/またはコネクタの壁は、ガスマニピュレータとしての役割を果たすように、すなわち、事前配合ガス流を精確に方向転換させて、ガス賦活領域および任意選択的にプロセス添加剤との相互作用を促進するように、設計することができる。
本発明の一実施形態では、チャンバは、事前配合ガスと、ガス賦活領域(例えば、プラズマプルーム)および/またはプロセス添加剤との相互作用を促進させるのに適した位置でくびれている。図20Aを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバ3202内のくびれ部3999は、2つのプラズマトーチ3208のやや上の方に設置される。図20Bを参照すると、また本発明の一実施形態によると、くびれ部3999はより緩やかであり、プラズマトーチ3208がチャンバ3202のくびれた部分内に来るように配置される。当業者は、プラズマトーチに対するくびれ部の異なる配置の影響を容易に理解する。
本発明の一実施形態では、それ自体のインジェクタの流れをキャリアガスとして用いるインジェクタプラズマトーチは、多層AC電流によって駆動される電極を含むチャンバ内で、イオン化された領域を生成するために用いられ、改質されるべき事前配合ガスで充填されている。事前配合ガスが直接チャンバを通過すると、賦活および改質プロセスが促進される。以下に記載するガスマニピュレータの様々な実施形態は、インジェクタプラズマトーチのプルームが一次電極の隙間内に精確に方向付けられることを確実にするためにさらに利用され得る。
図21Aおよび21Bを参照すると、賦活源、添加剤の流れ、ならびにガス投入物および産出物の構成に基づいて、ガス改質システムの様々な実施形態が考えられ得る。
ガス改質システムは、ガス流がより小さな流れに分けられ、並行して改質を受けるように設計することもできる。図24Aおよび24Bを参照すると、より小さなガス流のそれぞれが、独立した賦活源によって形成される専用の改質ゾーンを通過する。図24Bは、移動されたアークトーチの使用を示す。図24Cは、それぞれ別個のガス流のための専用の改質ゾーンが、複数のガス賦活源によって形成され得ることを示す。図24Dは、混合要素がより小さなガス流のそれぞれの経路に導入される、図24Aおよび24Bの実施形態を示す。
図25A〜Cは、ガス賦活源が角度をつけて改質チャンバに配置される、3つのガス改質システムを示す。該源は、その賦活領域を、ガスの流れに向かってもしくは対抗して、またはその組み合わせのいずれかに方向付けることができる。
チャンバは、チャンバの予熱またはトーチによる加熱を補助するための、二次的なトーチの熱源用の1つもしくは複数のポートをさらに含み得る。
事前配合ガス方向決定デバイス
ガスマニピュレータは、能動的もしくは受動的手段または両方を用いて、直接的または間接的に、チャンバ(複数を含む)内での事前配合ガスの空間分布およびその力学的進化を操作することによって、事前配合ガスのガス賦活領域への曝露を促進することができる。そのようなガスマニピュレータは、別個の構造デバイスであり得る。例には、ガス賦活領域に向かって、および該領域を通して、事前配合ガスをより効果的に方向付けるバッフルおよび偏向器等の構造デバイスが含まれるが、それに限定されない。他の例には、特定の所望の流体力学的な流路を形成するためのチャンバの設計が含まれる。
本発明の一実施形態では、ガスマニピュレータは、初期ガスがより均一な組成および/または温度であること、プロセス添加剤と適切に混合されることを確実にするために、初期ガス注入口にまたはその近くに位置づけられる。
図26A〜Cを参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガスマニピュレータは、チャンバ3202に進入するガスの流れを変更する流量制限器3999を含む。当業者は、ガス流のパターンに対する相違は、流量制限器3999のサイズおよび形状、ならびにそれらの配置を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存することを容易に理解する。
流量制限器は、様々な係止手段を用いてチャンバに取り付けることができる。本発明の一実施形態では、流量制限器はチャンバの上部(下流端)から懸垂される。本発明の一実施形態では、流量制限器は、ブラケットを用いてチャンバの壁に取り付けられる。
図27Aおよび27Bを参照すると、また本発明の一実施形態によると、流量制限器3999は、実質的にチャンバ3202の全長分だけ延在し、結果としてガス改質が起こる環状空間を形成している。図42に示すように、流量制限器3999は、オフガス流の直接的な操作のための動的手段の使用例である、モータ7001を用いて回転させることが可能である。流量制限器の回転は、任意選択的に、全体的なガス改質プロセスを調整および最適化するように設計される制御システムとともに、動的に制御され得る。
図28Aおよび28Bは、流量制限器を含み、横方向に配向されたガス化装置に直接連結したチャンバの三次元図を示す。流量制限器は、典型的にチャンバ内に存在する高温に耐えるように設計されなければならない。
図29A〜Gは、本発明の様々な実施形態に従った、異なる流量制限器を示す。これらの図中、プラズマトーチは同じ高度になるように示されている。代替として、該流量制限器は、プラズマトーチより上または下に設置することができる。空気および蒸気等のプロセス添加剤の注入のための添加剤ポートも、トーチの下に示されている。
本発明の一実施形態では、図29Aに示すように、流量制限器は、流入するオフガスとプラズマプルームとの、より循環型の流れの混合を誘発するように設計される、2つのらせん状の羽根を有する。図29Bは、本発明の一実施形態に従った、2つのらせん状の羽根を有するが形状は異なる流量制限器を示す。本発明の一実施形態では、図29Dに示すように、流量制限器の一方のらせん状の羽根は他方よりも大きく、循環型の流れおよびオフガスとプラズマプルームの混合をさらに誘発する。本発明の一実施形態では、図29Gに示すように、新しい2つの羽根として開始する前は、羽根のスパイラルは制限器の半分のみをカバーする。
本発明の一実施形態では、図29C〜Fに示すように、流量制限器は、冷却用配管に取り付けられ、冷却媒体(例えば、空気、水、熱油)が流量制限器の温度を制御する。図29Eに示す本発明の一実施形態では、添加剤(例えば、空気、蒸気等)は、オフガス流に進入する前に、支持棒の上部から流量制限器の下部へと流れる。この設計により、添加剤を注入する前に添加剤を予熱している間に、流量制限器の冷却が可能となる。
図30Aを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバは、モータに取り付けられた1つもしくは複数の回転軸の形態でガスマニピュレータを含み、各軸は、安定した回転のために注意深く重さを調節できる1つもしくは複数のディスクを含む。軸上に複数のディスクを有する実施形態では、ディスクをオフセット状に配設することができる。当業者は、ディスクは冷却を組み入れることができると容易に理解する。上記のような流量制限器は、回転軸の端部に取り付けることができる。
図30Bは、回転軸に取り付けることができる異なる種類のディスクを示す。図30BAを参照すると、ディスクは、ガスがディスクの一方の側から他方の側へと流れることができるようにするセクションを有する。図30BBを参照すると、ガスを引き上げてチャンバの中央に入るように設計される、スパイラル状のセクションを有する。代替として、スパイラル状のセクションは、ガスを上に押し上げてチャンバの周縁部に押し出すように設計され得る。図30BCおよび30BDを参照すると、回転ディスクは、複数の翼のスポークである。当業者は、安定した回転のために、翼の配向および重量分布の均衡が保たれるべきであることを容易に理解するであろう。
図31A〜Cは、図42に示す回転軸の異なる実施形態を示しており、上部のディスクはボールベアリング上で回転することが可能であり、支持部によって定位置に保たれている。任意選択的に、冷却液または添加剤は軸の中心を通って配管され得る。本発明の一実施形態では、図31Aに示すように、回転するホイール(スプロケット)に取り付けられた駆動軸を有する、1つもしくは複数の支持部の上にモータがある。力学的エネルギーがディスクを回転させるため、軸はチャンバ内に突出している。
図31Bを参照すると、回転を生じさせるために、支持部の間で、または支持部の一部として、電磁石が用いられる。図31Cを参照すると、また本発明の一実施形態によると、電磁石は、チャンバ内の軸を安定させるために使用される。電磁石は、軸およびディスク内で回転モーメントを形成するための一次的または二次的な手段として使用することができる。本発明の一実施形態では、ディスクは軸とは独立して回転し、例えば、軸は静止していても、または別のスピードで回転していても、またさらには別の方向で回転してもよい。本発明の一実施形態では、ディスクは永久磁石を有し、熱流体で冷却されたボールベアリングがシャフトに接続した状態でそれはほとんど空洞であるため、冷却はディスク平面上で行われる。
賦活源方向決定デバイス
賦活源方向決定デバイスは、例えばプラズマプルーム方向決定デバイス等のガス賦活領域の寸法を変更するために、賦活源の物理的配向を方向付けるガスマニピュレータであり、および/またはプラズマ発生源に供給されるエネルギーに対する変更、作動ガスの流速等は、ガス賦活領域の寸法の変更に影響を与えるように改変され得る本発明のシステムの態様の非制限的な例である。
また、ガスマニピュレータは、能動的もしくは受動的手段または両方を用いて、直接的または間接的に、チャンバ(複数を含む)内でのガス賦活領域(例えばプラズマプルーム)の空間分布およびその力学的進化を操作することによって、事前配合ガスのガス賦活領域への曝露を促進する。本発明の一実施形態では、賦活源(例えばプラズマトーチ)の配置および配向によって、これが達成され得る。
本発明の一実施形態では、図33Aに示すように、ガスマニピュレータは、プラズマトーチ3208からのプラズマプルーム3997を方向転換させる偏向器3998である。プラズマプルームの適切な方向転換は、プラズマトーチ3208からの距離、プラズマプルームの方向に対する配向の角度、プラズマプルームの幅と比較したサイズ、およびその構成材料を含むが、これらに限定されない、偏向器3998の様々な設計上の要因に依存する。耐熱材料は、偏向器がプラズマトーチ3208の近位で生じる高温に耐えられることを確実にする。当業者は、高いプラズマ温度に耐えるために使用することができる異なる材料を容易に理解する。
図33Bを参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガスマニピュレータは、プラズマプルーム3997を操作するために用いられる、コアンダ効果に基づく偏向器3996である。
図34Aおよび34Bを参照すると、また本発明の一実施形態によると、1つもしくは複数の流体ジェット3208(例えばエアノズル)が、プラズマトーチ(複数を含む)3208によって生成されるプラズマプルーム3997を方向転換させるために使用される。流体ジェットは、プラズマプルームの直接的な操作のために用いられる動的手段の一例である。本発明の一実施形態では、流体ジェットは、任意選択的に、全体的なガス改質プロセスを調整および最適化するように設計される制御システムとともに、動的に制御される。
図35A〜Dは、ガス改質チャンバ内のプラズマプルームを方向転換させるために使用することができる偏向器の実施形態を示す。本発明の一実施形態では、図35A〜Bに示すように、偏向器はプラズマトーチのケーシングに取り付けられる。偏向器の形状を調節することによって、プラズマプルームの分散の広がりを制御することができる。例えば、図35Bの偏向器は、図35Aの偏向器よりも広いプルームの分散をもたらす。
図35C〜Dは、偏向器がプラズマトーチのケーシングに取り付けられていない、本発明の実施形態を示す。本発明の一実施形態では、図35Dに示すように、偏向器は回転軸に取り付けられる。当業者は、偏向器表面の仕上げ(例えば、滑らか、粗い、または勾配がある)が、プルームの分散に影響を与えることを理解する。
図36A〜Dは、回転軸のオブジェクトが平坦ではない表面を有する、本発明の異なる実施形態を示す。エッジの数、トーチ、およびトーチの角度は、プラズマプルームを最適化するために、および/またはプラズマプルームを均等に拡散するために使用することが可能であり、それによってプルームとオフガスとの接触を最大化する。本発明の一実施形態では、プラズマトーチは、チャンバの中心をまっすぐ向いている。
図36Aに示す本発明の一実施形態では、プラズマトーチに勾配があるため、プラズマプルームの少なくとも一部が中心のオブジェクトに命中する。代替として、プラズマプルームは、中心のオブジェクトから離れて方向付けることができる。図36Bに示す本発明の一実施形態では、軸のオブジェクトがトーチとは反対の角度に回転させられるため、プラズマプルームをチャンバの外側に押し出すことになる。
図36C〜Dに示す本発明の一実施形態では、プラズマプルームは偏向器から中心軸に向かって跳ね返される。偏向器は、図36Cに示すようにプラズマトーチのケーシングに取り付けることができるか、または、図36Dに示すようにチャンバの壁に取り付けることができる。図36C〜D中の軸は、いずれの方向にも回転させることが可能である。
任意選択的に、プラズマトーチを取り付けるためのポートは、プラズマトーチ(複数を含む)のチャンバへの挿入およびチャンバからの取り外しを容易にし、プラズマトーチ(複数を含む)を引き出した後にポートを封止するための自動ゲートバルブを含み得る、摺動機構とともに嵌合されることができる。本発明の一実施形態では、接線方向に取り付けられたプラズマトーチのためのポートは、プラズマトーチに最大曝露を提供するように空気注入口の上に位置する。このような取付機構は、ガス賦活源の配置を調節できるように改変され得る。
図38Aを参照すると、また本発明の一実施形態によると、プラズマトーチ3208は、チャンバ3202に注入されるガスが、そこで生成されるプラズマプルームに対して逆流するように配置される。当業者は、プラズマトーチの配向および配置が異なる場合、プラズマプルームの空間分布の変動を容易に理解するべきである。
本発明の一実施形態では、ガス賦活源(例えば、プラズマトーチ)は、生じるゾーン(例えば、プラズマプルーム)が初期ガスの流れの方向に対して垂直に方向付けられるように設置される。本発明の一実施形態では、チャンバは実質的に円筒状であり、プラズマプルームは、初期ガス流の実質的に軸方向である流れに対して、軸方向に垂直に方向付けられる。代替として、初期ガス流は軸方向に方向付けることができ、一方プラズマプルームは、実質的に円筒状であるガス精製チャンバに沿って軸線方向に方向付けることができる。本発明の一実施形態では、チャンバは実質的に円筒状であり、プラズマプルームは、初期ガス流の実質的に軸線方向である流れに対して、接線方向に垂直に方向付けられる。
図39は、生じるガス賦活領域の形状および寸法に関連する変化をもたらす、様々な配設のガス賦活源を有する円筒状のガス改質チャンバの断面図を示す。本発明の一実施形態では、使用されるガス賦活源は、ACまたはDCプラズマトーチのいずれか一方であってもよい。図39Aは、チャンバ内に接線方向に方向付けられた2つのガス賦活源を示す。図39Bを参照すると、チャンバは、アークが電極の間を通過する3つの電極を含む。ガスがこのアークを通過してプラズマが形成され、ガスが改質される。図39Cは、壁の電極からのアークがアークをなす中央の接地電極があること以外は、図39Bと類似する実施形態を示す。当業者は、接地電極は接触点を除いて電気的に遮蔽されていることを理解する。図39Dは、チャンバが、チャンバを通過する実質的にすべてのガスが確実に賦活されるのに十分である複数のガス賦活源(図示するようにまっすぐ中央に向かって、または渦パターンのいずれか)を含む、例示的な実施形態の1つを示す。図39Eおよび39Fは、それぞれ図39Bおよび39Cの実施形態と類似するが、6つのトーチを含む(3または6相)。より多数のトーチも、図39B、39C、39E、および39Fの実施形態に検討され得る。
図40は、本発明の2つの例示的な実施形態を示し、初期ガスおよび/または事前配合ガスの流れは、ガス賦活源によって形成されるガス賦活領域を介して、改質チャンバに直接導入される。
ガスマニピュレータは、事前配合ガスおよびガス賦活領域の互いに対する空間分布、ならびにそれらの力学的進化を少なくとも部分的に操作する。
混合マニピュレータ
いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域内の改質中のガスとエネルギー種の混合を実質的に促進するように設計および構成される。また、ガスマニピュレータは、プロセス全体を通して乱流を促進することもでき、混合の向上をもたらす。
本発明の一実施形態では、乱流および混合を増加させるように設計されるプロセス添加剤ノズルの位置および配置。
一実施形態では、ガスマニピュレータは、乱流、ひいては改質中のガスの混合を誘発するためにチャンバ内に位置する1つもしくは複数のバッフルである。異なるバッフルの配設が当該技術分野において既知であり、それには、クロスバーバッフル(cross bar baffles)、仕切り壁ワッフル(bridge wall baffles)、チョークリングバッフル(choke ring baffle)の配設等を含むが、これらに限定されない。またバッフルは、初期ガスがより均一な組成および/または温度であること、ならびにプロセス添加剤と適切に混合されることを確実にするために、初期ガス注入口またはその近くに位置してもよい。
図43A〜Bを参照すると、乱流は、ガス賦活源の前または後で形成され得る。図43Cは、乱流を形成するための手段の3つの例示的な実施形態を示す:(i)受動的グリッド、(ii)回転軸を利用する能動的グリッド、および(iii)せん断発生器。図45および46は、乱流を発生させるための手段の追加の例示的な実施形態を示す。
一実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域内の改質中のガスとエネルギー種の混合に寄与し得る、賦活源を配置する設計を含む。よって、賦活源はガス改質プロセスを最適化するように配置されてもよく、該配置は、ガス改質チャンバ(チャンバ)の設計を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。本発明の一実施形態では、空気および/または酸素の入口と同じように渦の方向を形成するように、2つのプラズマトーチが接線方向に配置される。本発明の一実施形態では、2つプラズマトーチは、チャンバの周縁部に沿った対向する位置に配置される。
プロセス添加剤(後に考察される化学組成の寄与)用の入口の配設は、チャンバの設計、所望の流れ、ジェットの速度、浸透、および混合を含むが、これらに限定されない様々な要因に基づく。プロセス添加剤ポートおよびガス賦活源のためのポートの様々な配設が、本発明によって企図される。
例えば、酸素の入口またはポート、蒸気の入口またはポート、およびガス賦活源のポートは、チャンバの周縁部の周りに層状に配設することができ、ガス賦活ゾーン、酸素、および蒸気の接線方向および層状の注入を可能にする。一実施形態では、チャンバの周縁部の周りに3層状に配設される9つの酸素源ポートが提供される。一実施形態では、チャンバの周縁部の周りに2層状に配設される、対向して配置される2つの蒸気入口ポートが提供される。空気および/または酸素の入口ポートが層状に配設される実施形態では、それらは混合効果を最大化するように配設することができる。
本発明の一実施形態では、空気および/または酸素入口ポートは接線方向に配置されているため、下のレベルの入口ポートがガスを予め混合し、トーチがそれを加熱して、ガス中に旋回運動を開始させることが可能になる。上のレベルの空気入口ポートは旋回運動を加速させることが可能であり、それによって渦パターンが展開および持続されるように再循環させることができる。
図44を参照すると、また本発明の一実施形態によると、改質されるべきガスは接線方向に改質チャンバに進入するため、渦が形成される。また本実施形態は、ガス流のガス賦活源への曝露を促進するように成形および配置される例示的なガスマニピュレータを示している。
一実施形態では、最も下のレベルの空気入口ポートは、下方のガス化装置から生成されるガスを予め混合する4つのジェットから構成され、トーチがそれを加熱する。他の上の2つのレベルのエアノズルは、ガスを混合するための主な運動量および酸素を提供し、トーチが要求される温度まで加熱する。蒸気の入口またはポートの配設は、最適化された温度制御能力を提供する位置に配置される限り、それらの数、レベル、配向、および角度は自由である。
酸素および/または蒸気の入口ポートは、それらが酸素および蒸気をチャンバの内壁に対して角度をつけてチャンバ内に注入するように配置することもでき、ガスの乱流または旋回を促進する。該角度は、チャンバの直径ならびに設計された空気入口ポートの流れおよび速度に基づいて、十分なジェットの浸透を達成するように選択される。該角度は、約50°〜70°の間で異なり得る。
空気入口ポートは同じ平面内にあるように配設され得るか、または連続的な平面内にあるように配設され得る。一実施形態では、空気入口ポートは下のレベルおよび上のレベルに配設される。一実施形態では、下のレベルに4つの空気入口ポート、そしてさらに6つの空気入口ポートが上位にあり、交差噴流式混合効果を形成するために、そのうち3つの入口ポートは他の3つよりもやや高くなっている。
任意選択的に、空気がチャンバを通過するガスの回転つまりサイクロン運動を形成するように、空気はチャンバ内に角度をつけて吹き込まれてもよい。さらなる流れの回転を提供するために、ガス賦活源(例えばプラズマトーチ)が角度をつけられてもよい。
本発明の一実施形態では、空気および/または酸素および/または蒸気の入口は、耐高温性の噴霧ノズルまたはジェットを含む。適切なエアノズルは当該分野において既知であり、図47〜48に示されるA型ノズルおよびB型ノズル等の市販されている種類を含み得る。該ノズルは単一の種類または異なる種類であり得る。ノズルの種類は機能要件に基づいて選択され得、例えば、A型ノズルは、空気流の方向を変更して所望の渦を形成するために、B型ノズルは、高速の空気流を形成して特定の浸透および最大の混合を達成するために選択される。
当該ノズルは、空気を所望の角度に方向付けるように設計することができる。一実施形態では、空気ジェットは、接線方向に配置される。一実施形態では、入口ノズルの先端に偏向器を有することにより角度のついた送風が達成され、それによって注入口のパイプおよびフランジをチャンバと直角にすることができる。
本発明の一実施形態では、1つもしくは複数の空気ジェット(例えば、空気旋回ジェット)が初期ガス注入口またはその近くに配置され、初期ガス中に少量の空気を注入して、その注入された空気の速度を利用することにより、初期ガス流に旋回運動を形成する。空気旋回ジェットの数は、ジェットがチャンバの中心まで浸透できるように、設計された空気流および流出速度に基づいて、実質的に最大の渦を提供するように設計することができる。
触媒マニピュレータ
触媒マニピュレータは触媒を含み、エネルギー移動の効率を増加させる。触媒は、平衡に達するために必要な時間を短縮することによって、化学反応の速度を増加する。触媒は、様々な機構を用いて、反応物から生成物への代替のより容易な経路を提供することによって作用するが、いずれの場合も、反応の活性化エネルギーを減少させることによるものである。均一触媒は反応物と同じ相に存在し、反応中の分子またはイオンと組み合わせることにより機能して、不安定な中間体を形成する。これらの中間体は、他の反応物と結合して所望の生成物を生じ、触媒を再生成する。不均一触媒は、反応物および生成物の相とは異なる相に存在する。それらは、ガス状または液状の反応物の存在下では、通常は固体である。不均一触媒の表面で反応が起こる。この理由から、触媒は微細に分割された固体であるか、または高い表面積対体積比を提供する粒子形状を有する。石油のクラッキングおよび炭化水素の改良は、不均一触媒の使用の一般的な産業上の応用である。不均一触媒の使用における困難の1つは、それらのほとんどが容易に「汚染」され、反応物中の不純物が触媒を非反応性の材料で被覆するか、またはその表面を改変するため、触媒活性が失われてしまうことである。必ずではないが、汚染された触媒は精製され、再び使用され得ることが多い。
代替の反応経路を提供することにより、ガス改質システムにおける適切な触媒の使用は、ガス改質プロセスに必要であるエネルギーレベルを減少させることができる。触媒によって提供される精確な経路は、使用される触媒に依存する。ガス改質システムにおける触媒使用の実現可能性は、一般的に、それらの寿命に依存する。触媒の寿命は、「汚染」、すなわち、ガス中の不純物による触媒能力の劣化によって、短縮される可能性がある。
ガス改質システムは、触媒の交換が容易にできるように設計することができる。本発明の一実施形態では、触媒は、摺動機構上に取り付けられた触媒床の形態で、ガス改質チャンバ内に組み込まれる。摺動機構は、触媒床の容易な取り外しおよび交換を可能にする。触媒床は、ガス改質システム内の様々な場所に挿入され得る。
本発明の一実施形態では、ガス化チャンバからの高温のオフガスは、ガス改質に必要であるエネルギー閾値を効果的に低下させる触媒に接触し、オフガス流が、ガス賦活領域に曝露される前に改質するようにする。本発明の一実施形態では、したがって、ガス改質システムは、ガス賦活源(複数を含む)の上流の位置に触媒を含む。一実施形態では、図57に開示されるように、触媒床はガス賦活源(例えば、プラズマトーチ)の前および/または後に挿入される。
また触媒能力は、動作の温度に依存する。適切な動作温度は、当該技術分野で既知である様々な触媒によって異なる。当該ガス改質システムは、触媒が最適な動作温度の範囲内に確実に維持されるように適切な冷却機構を組み入れることができる。蒸気、空気、酸素、または再循環させられた改質ガス等の添加剤を、触媒床付近の温度を上昇または低下させる補助のために加えることができる。当業者は、温度を制御するために選択される特定の添加剤は、触媒床の位置およびそこのガス温度に依存することを理解する。
触媒表面の不規則性、および大きな有機分子と表面との間の良好な接触は、HおよびCO等のより小さな分子へと改質する機会を増加させる。
使用され得る触媒は、オリビン、焼成オリビン、ドロマイト、酸化ニッケル、酸化亜鉛、およびチャーを含むが、これらに限定されない。オリビン中の鉄およびマグネシウムの酸化物の存在は、より長い炭化水素分子を改質する能力を付与する。当業者は、本システムのガス環境において、急激に劣化しない触媒を選択することを理解する。
非金属および金属触媒の両方が、改質プロセスの促進のために使用され得る。焼成された形態のドロマイトは、バイオマスガス化プロセスからのガスの改質のために最も広く使用される非金属触媒である。それらは比較的安価であり、使い捨てであると考えられる。蒸気を用いてドロマイトを操作すると、触媒の効率は高い。また、最適温度範囲は約800℃〜約900℃の間である。触媒の活性およびドロマイトの物理的特性は、より高い温度で劣化する。
ドロマイトは、一般的な化学式CaMg(COを有するカルシウムマグネシウム鉱石であり、重量ベースで約20%のMgO、約30%のCaO、および約45%のCOを、他の微量な鉱物不純物とともに含む。ドロマイトの焼成には、COを除去してMgO−CaOを形成する炭酸塩鉱物の分解を伴う。完全なドロマイトの焼成は非常に高い温度で起こり、通常は800℃〜900℃で行われる。したがって、ドロマイトの焼成温度によって、この触媒の効果的な使用は、これらの比較的高温に限定される。
別の自然発生する鉱物であるオリビンも、焼成ドロマイトとに類似する触媒活性を示した。オリビンは、典型的には焼成ドロマイトよりも強力である。
使用することができる他の触媒材料には、炭酸塩岩、石灰ドロマイト、および炭化ケイ素(SiC)を含むが、これらに限定されない。
チャーは低温で触媒として作用することができる。本明の一実施形態では、ガス改質システムはガス化装置に動作可能に連結されており、ガス化装置内で形成されるチャーの少なくとも一部はガス改質システムに移動され、触媒として使用される。触媒としてチャーを用いる実施形態では、触媒床は、典型的にはプラズマトーチによって提供される等、賦活ゾーンの前に設置される。
図49は、改質チャンバ内で触媒として使用されるチャーの固定床を示す。触媒として使用されるチャーは、図50に示すようにガス化装置から得ることができる。これは、ガス改質チャンバがガス化装置に動作可能に連結され、そこから生成されるガスを改質するために使用される場合に、特に適用され得る。チャーは、その触媒特性を失った時点で、残渣調整チャンバまたは炭素変換器に移動させることができる。
図51は、プラズマトーチベースのガス改質チャンバに動作可能に連結されたガス化装置の例示的な構成を示し、ガス化装置内で形成されるチャーは、ガス化によって形成されるオフガスの触媒クラッキングを補助する。ガス化装置の後半の段階で達成される触媒クラッキングの後に、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域にガスを曝露することにより、さらなるガス改質が続く。流動床ガス化装置および巻き込み流ガス化装置等、当業者には容易に理解され得る様々な種類のガス化装置も利用され得る。
本発明の一実施形態では、初期ガスは900〜950℃の温度まで加熱され、ニッケル系触媒上を通過させられ、それによってタール組成物およびメタンを含む軽質炭化水素がCOおよびHに変換される。ニッケル系触媒は、初期ガスが、例えば、バイオマスのガス化によって生成されるガス等の最少量の硫黄種(硫化水素等)を含有する場合に、特に有用となり得る。ニッケル系触媒の寿命は、希少金属等の促進剤の使用によって延長することが可能である。
図52に示す本発明の一実施形態では、触媒床がガス化装置のすぐ後に取り付けられ、揮発性物質の大部分を変換する。触媒床の注入口の温度は、微量の揮発性物質を燃焼させることによって、600〜950℃まで上昇させることができる。触媒床の排出口の温度は850℃まで下降することが予想され、排出ガスはさらなる改質のためにガス賦活領域に供給される。ガス賦活ゾーンはこの目的のために1000℃で操作することができ、得られる合成ガスは後続するガス浄化プロセスを開始するためにレキュペレータに送られる。
図53に示す本発明の一実施形態では、ガス化装置からの揮発性物質は、約900℃〜約1000℃の間の温度であるガス賦活ゾーンを通過する。さらなる改質のために触媒床が用いられる。合成ガスの温度は、触媒床の出口で850℃まで下降することが予想される。その後、ガスは、熱交換器またはガス安定化ゾーンの一部を形成するレキュペレータに送られる。
図54に示す本発明の一実施形態では、熱回収は触媒床の前で達成される。ガス化装置からの揮発性物質の大部分は、ガス賦活ゾーンにおいて約1000℃の温度で改質される。熱い産出ガスは、熱交換器(つまりレキュペレータ)を通過してプロセス空気を予熱し、その時点でその温度は約700℃まで降下する。その後、冷却された合成ガスは、その微量を燃焼させることによって900℃まで加熱され、触媒床に供給される。850℃で得られる合成ガスは、任意選択的に、さらなるガス浄化のために送られる。
触媒床が賦活領域の前に設置される実施形態では、ガスの温度は、典型的には高い触媒活性に適している。しかしながら、触媒床が賦活領域(プラズマトーチによって生成される等)の後にある実施形態では、オリビン、ドロマイト、および他の多数のほとんどの典型的な触媒には、ガス温度が高すぎる可能性がある。図55に示すように、冷却液の循環によって、ガス温度を適切なレベルまで低下させることができる(触媒床の劣化を避けるため)。適切な冷却液は、再循環させられた改質ガス(図56の実施形態に示す)、水、および蒸気を含み得るが、これらに限定されない。
触媒床がレキュペレータ(熱交換器)の後にある実施形態では、改質ガスの再循環させられた蒸気は、レキュペレータの前または後のいずれか一方に挿入され得る。
本発明の一実施形態では、改良ゾーンは触媒床を含み、また触媒マニピュレータは、事前配合ガスおよび/または改質中のガスの触媒床への曝露を促進するように設計される。
ガス安定化ゾーン
本システムは1つもしくは複数の安定化ゾーンを提供し、それによって、設計された化学組成等の所望の特徴を維持することを確実にするために、新しく形成される分子が不活性化(例えば、冷却される、または触媒もしくは賦活源の影響を受けないように)される。
安定化ゾーンに進入するガスの温度は、約400℃から、1000℃を超える範囲まで異なる。改質ガスから熱を回収し、ひいては改質ガスを冷却する、ガス改質システムの安定化ゾーン内にある熱交換システムによって、任意選択的に該温度を低下させることができる。ガス温度のそのような低下が、下流の用途および構成部品に必要とされる可能性がある。
図22Bを参照すると、安定化ゾーンのガス改質チャンバ3002は、新しく形成される分子の不活性化および安定化を促進するように、特異的に成形することができる。ガス改質チャンバ3002は、一般的に、プラズマの下流または任意選択的に1つもしくは複数の改質ガス排出口3006の近位に球根状の拡張部を有する、円筒型のチャンバである。球根状の拡張部はガスの不活性化を可能にすることで、新しく形成される分子を安定化させる。
任意選択的な熱再利用手段
熱は、安定化ゾーンにおいて、または安定化ゾーンの下流で回収することができる。回収された熱は、以下の目的を含むが、これらに限定されない様々な目的のために使用することが可能である:ガス改質プロセスのためのプロセス添加剤(例えば空気、蒸気)の加熱、複合循環システム内での発電。回収された電気は、ガス改質プロセスを駆動するために使用することができ、したがって局所的な電力消費の費用を軽減する。捕捉される熱の量は、初期ガスおよび改質ガスの特徴(例えば、化学組成、流速)を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。
本発明の一実施形態では、ガス改質システムの安定化ゾーンから回収された熱は、ガス改質システムとともに動作するガス化システムに供給される。熱交換器は、効率の向上のためにエネルギー消費を最小限に抑え、エネルギーの生成/回収を最大化するように任意選択的に構成される制御システムとともに動作させることができる。
本発明の一実施形態では、改質ガスから液体に熱を移動するために、ガス‐液体熱交換器が安定化ゾーンにおいて使用され、加熱された液体および冷却されたガスを生じさせる。熱交換器は、改質されたガスおよび液体を熱交換器におよび熱交換器から移動するための手段(例えば、導管システム)を含む。好適な液体は、空気、水、油、または窒素もしくは二酸化炭素等の別のガスを含むが、これらに限定されない。
導管システムは、任意選択的に、改質ガスおよび液体の流速を管理するために適切に位置する1つもしくは複数のレギュレータ(例えば、送風機)を用いることができる。これらの導管システムは、改質ガスから回収可能な顕熱の量を増加させるために、熱損失を最小限に抑えるように設計することができる。熱損失は、例えば、導管の周りに当該技術分野において既知である断熱材を含む断熱バリアを使用することによって、および/または、導管の表面積を減少させることによって、最小限に抑えることが可能である。
本発明の一実施形態では、ガス‐液体熱交換器はガス−空気熱交換器であり、熱が改質ガスから空気に移動され、加熱された交換空気を生成する。本発明の一実施形態では、ガス‐液体熱交換器は熱回収蒸気発生器であり、熱が水に移動され、加熱された水または蒸気を生成する。
シェルアンドチューブ型熱交換器(直線的な単一経路設計およびU字型の複数経路設計の両方)、およびプレート式熱交換器を含む、様々な分類の熱交換器が使用され得る。適切な熱交換器の選択は、当業者の知識の範囲内である。
粒状物質がガス中に存在する可能性があるため、ガス−空気熱交換器は典型的には高度な粒子負荷のために設計される。粒子サイズは、典型的には約0.5〜約100ミクロンで異なり得る。図58に示す一実施形態では、熱交換器は単一経路の垂直熱交換器5104Bであり、改質ガス5020はチューブ側に流れ、空気5010はシェル側を流れる。改質ガス5020は「貫流」設計の中を垂直方向に流れ、粒状物質から堆積および浸食が生じる可能性のあるエリアを最小限に留める。改質ガスの速度は、自己浄化に十分でありながら、浸食を最小限に抑える速さで維持されるべきであり、約3000〜約5000mm/秒で異なり得る。
空気入口温度と熱い生成ガスに大きな温度差があるため、ガス‐空気熱交換器のそれぞれのチューブは、好ましくは、チューブの破裂を避けるために個々の拡張ベローズを有する。チューブの破裂は、単一のチューブが詰まったために、それ以上は残りの管束とともに拡張/伸縮できなくなると起こる可能性がある。改質ガスの圧力よりも空気圧の方が高いこれらの実施形態では、チューブの破裂は、ガス混合物に進入する空気が原因となる問題による大きな危険を意味する。
ガス‐液体熱交換器で熱が回収された後、冷却された改質ガスは、さらに下流のシステムにとってはまだ多すぎる熱を含んでいる可能性がある。調整の前に生成ガスをさらに冷却するための適切なシステムの選択は、当業者の知識の範囲内である。
一実施形態では、図59に示すように、熱い改質ガス5020は、ガス‐空気熱交換器5103を通過して、部分的に冷却された改質ガス5023および加熱された交換空気5015を生成する。熱交換器への空気の投入は、プロセス空気送風機によって供給され得る。部分的に冷却された改質ガス5023は乾式消火ステップ6103を行い、制御された量の噴霧水6030の添加によって、さらに冷却された生成ガス5025を生じる。
改質ガスの冷却は、湿式、乾式、またはハイブリッドの冷却システムを用いて達成することもできる。該湿式および乾式の冷却システムは、直接的または間接的であり得る。適切な冷却システムは当該技術分野において既知であるため、当業者はシステムの要件を考慮して、適切なシステムを選択することができるであろう。
一実施形態では、冷却システムは湿式冷却システムである。該湿式冷却システムは、直接的または間接的であり得る。間接的な湿式冷却を用いる冷却システムでは、改質ガスから熱を吸収する循環式の冷却水システムが提供される。熱は、1つもしくは複数の冷却タワーを介した蒸発によって大気中に放出される。代替として、節水を促進するために、水蒸気が凝縮され、閉ループ内で該システムに戻される。
一実施形態では、冷却システムは乾式冷却システムである。乾式冷却システムは直接的または間接的であり得る。一実施形態では、該乾式冷却システムは通風乾式冷却システムである。乾式冷却は多少の設備費用が掛かるが、水の供給が限られた地域では好ましい可能性がある。
一実施形態では、合成ガス冷却器は放射型ガス冷却器である。様々な放射型ガス冷却器が当該技術分野において既知であり、それには米国特許出願第20070119577号および米国特許第5,233,943号に記載されるものを含む。
改質ガスは、クエンチ剤等の蒸発したXXXXにおける直接的な水の蒸発によって冷却されてもよい。
改質ガスの出口温度は、新しく生成された改質ガスと混合するために、適切に位置する注入口を介して、ガス改質システムの安定化ゾーンまで冷却された改質ガスを再循環させることによって、冷却することもできる。
任意選択的なガス添加剤ゾーン
チャンバは、酸素源、二酸化炭素、他の炭化水素、または追加のガス等のプロセス添加剤をチャンバ内に注入するための1つもしくは複数のプロセス添加剤用のポートを、任意選択的に有してもよい。当該技術分野において既知である酸素源は、当業者によって容易に理解され得る、酸素、酸素富化空気、空気、酸化媒体、蒸気、および他の酸素源を含むが、これらに限定されない。一実施形態では、チャンバは、空気および/または酸素投入のための1つもしくは複数のポートを有し、蒸気投入のための1つもしくは複数のポートを任意選択的に有する。
空気、蒸気、および他のガス等のプロセス添加剤の任意選択的な添加は、それらの注入専用の注入口なしで達成することもできる。本発明の一実施形態では、ガス改質システムがその初期ガス流を得るガスの源または導管内に、プロセス添加剤を添加することが可能である。プロセス添加剤は、プラズマトーチ等のガス賦活源を介してチャンバに添加することもできる。
任意選択的に、品質標準を満たさない改質ガスが、さらに処理されるべくチャンバ内に再循環させられるように、ポートまたは注入口が提供され得る。そのようなポートまたは注入口は、チャンバ内での物質の乱流混合を促進するように、様々な角度でおよび/または位置に位置し得る。
1つもしくは複数のポートが、プロセス温度、圧力、ガス組成、および他の該当する条件の測定を可能にするように含まれ得る。
任意選択的に、プラグ、カバー、バルブおよび/またはゲートは、チャンバ3002のポートまたは注入口のうちの1つもしくは複数を封止するように提供される。適切なプラグ、カバー、バルブおよび/またはゲートは当該技術分野において既知であり、手動操作または自動のものを含み得る。該ポートは、シーリンググランド等の適切な封をさらに含んでもよい。
任意選択的なガス浄化ゾーン
本システムは、ガス安定化ゾーンの下流に位置する1つもしくは複数のガス浄化ゾーンを任意選択的に含む。1つもしくは複数のガス安定化ゾーンを含む本発明の実施形態には、本システムから流出する前にガスを浄化する物質をチャンバ内に注入する手段が組み込まれる。例えば、酸素および/または蒸気は、安定化された改質ガスを浄化するために、耐高温噴霧ノズルによって噴霧され、チャンバに注入されてもよい。
任意選択的な追加の処理
安定化された改質ガス流は、下流用途において利用されるか、貯蔵されるか、または燃焼させられる前に、さらに処理されることが可能である。例えば、改質ガスは、ガス調整システムを通過させることができ、そこでは粒状物質、酸性ガス(HCl、HS)および/または重金属が除去され得、該ガスの温度および/または湿度が調節され得る。例えば、粉塵が存在する場合、電気フィルタまたは布製のバグハウスフィルタを含む、画期的な洗浄集じん装置を用いて、該ガスから除去することができる。
改質ガスは、均質化チャンバを通過させることも可能であり、その滞留時間および形状は、改質ガスの混合を促進して、該ガスの特徴の変動を軽減するように設計される。
ガス改質チャンバ
図3を参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガス改質システム3000のチャンバ3002は、1つもしくは複数の初期ガス注入口3004、1つもしくは複数の改質ガス排出口3006、1つもしくは複数のガス賦活源(例えばプラズマ源)3008、ならびに任意選択的に1つもしくは複数のプロセス添加剤(例えば酸素)入口3010、ガスマニピュレータ(図示せず)、および制御システムを含む。
図4に示す実施形態では、ガス改質システム3000は、チャンバ3002が直接ガスの源(例えばガス化装置、ガス貯蔵タンク)に連結され、気体連通するように設計される。維持または修復を容易にするために、ガス改質システム3000は、必要に応じてガス改質システム3000が除去され得るように、任意選択的に、可逆的にガス化装置に連結されてもよい。
図5によって示される一実施形態では、ガス改質システム3000は、別個の配管または導管を介して、2つのガスの源から初期ガスを受け取る自立型ユニットである。図6に示す実施形態では、独立したガス流は、ガス改質システム3000に注入される前に統合される。自立型ユニットにおいて、当該ガス改質システムは、適切な支持構造をさらに含み得る。
誘導送風機は、チャンバの圧力を所望の圧力、例えば、約0〜5mbarの圧力で維持するために、チャンバの下流に気体連通するように提供され得る。
チャンバ内で起こるガス改質プロセスの効率は、チャンバの内部容積および形状、ガス流速、チャンバを通ってガスが移動する距離および/またはガスの経路(すなわち、直線状の経路であるか、または旋回する、サイクロン式、らせん、もしくは他の非直線状の経路であるか)を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。したがって、該チャンバは、その中で所望のガスの流体力学を得るように成形され、サイズが決定されなければならない。例えば、ガスの通り道が非直線状であるように、エアジェットを用いてチャンバを通るガスの旋回流を促進することができる。特定のチャンバ設計が、所望のガス改質に必要である条件(例えば、プロセス投入物の適切な相互作用)を促進することを確実にするために、全体的なガス改質システムの流れのモデルを用いることができる。
ガス改質システムの1つもしくは複数のチャンバは、当業者には容易に理解されるように、様々な形状で設計することができ、様々な場所に配置することができる。該チャンバは、実質的に垂直に、実質的に水平にまたは傾斜して、配向され得る。
本発明の一実施形態では、当該チャンバは、第1の(上流)端部および第2の(下流の)端部を含み、実質的に垂直位置に、または実質的に水平位置に配向される、直線的な管状またはベンチュリ型の構造である。本発明の一実施形態では、当該チャンバは約2:約6の範囲の長さ対直径比を有する直線的な円筒であり、達成可能なガス速度に対して関連する影響を与える。一実施形態では、当該チャンバの長さ対直径の比は3:1である。
図60Aに示される一実施形態では、チャンバ3202はガス化装置に直接連結されるように構成され、直線的な、実質的に垂直な、耐火物で内張りされた、蓋付きの、円筒状の構造であり、開放底(上流)の端部3204と、該チャンバの上(下流)端部の近位または該端部に1つの改質ガス出口3206を有する。該チャンバの上(下流)端部は、維持または修復を容易にするために、該チャンバに取り外しできるように封止され得る、耐火物で内張りされた蓋3203で覆われていてもよい。
該チャンバの壁は、耐火物材質で内張りされているか、あるいは高温に耐えるように製造され得る。該チャンバは、蒸気の冷却および/もしくは生成、または使用可能なトーチの熱の回収のために、水ジャケットで覆われていてもよい。該チャンバは、熱回収のための冷却機構とともに、複数の壁を有することが可能であり、該ガス改質システムは、高圧/高温の蒸気生成のための熱交換器、または他の熱回収機能を含み得る。
高温の非加圧チャンバでの使用に好適である従来の耐火物材料は当業者に既知であり、高温焼成セラミックス、すなわち酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、窒化ホウ素、リン酸ジルコニウム、ガラスセラッミク、主にシリカ、アルミナ、クロミアおよびチタニアを含む高アルミナれんが、セラミックブランケット、および耐火断熱れんがを含むが、これらに限定されない。Didier Didoflo 89CRおよびRadex Compacflo V253等の材料が、より強靭な耐火物材料が必要とされる場合に用いることができる。
一実施形態では、耐火物の設計は、高温、浸食、およびチャンバ内に存在する腐食に耐えるように、内側に高密度層を伴う複数の層を有し、ガスの特性の変動を軽減するためのヒートシンクを提供する。高密度材料の外側は、浸食耐性は低めだが高めの断熱係数を有する低密度材料である。任意選択的に、この層の外側は、チャンバ内に存在する可能性のある腐食性環境に曝露されないがゆえに使用することができる、非常に高い断熱係数を持つ外側の超低密度発砲板材料である。多層設計は、固形耐火物と容器シェルとの間で異なる膨張を可能にするための柔軟層を提供するように、発砲板とセラミックブランケットの材料である容器シェルとの間にさらに外側の層を任意選択的に含む。多層耐火物内の使用のために適切な材料は、当該技術分野において周知である。
一実施形態では、当該多層耐火物は、耐火物の膨張を可能にするために非圧縮性耐火物のセクションを分離する圧縮性耐火物のセグメントをさらに含み得る。圧縮性の層は、任意選択的に、重複する拡張可能な高密度耐火物によって浸食から保護することができる。一実施形態では、当該多層耐火物は内側に配向されたクロミア層、中央のアルミナ層、および外側のINSULBoard層を含み得る。
本発明のいくつかの実施形態では、当該チャンバは、処理中に形成される反応中間体の化学反応に影響されない一方で、処理熱を最大に保持することを確実にするために、チャンバ全体にわたる特別に選択された耐火物の内張りの、約17インチまで、またはそれ以上の層を含む。
チャンバ底部の耐火物の内張りは、動作中のプラズマトーチの熱源からのより高い温度に耐えなければならないため、より磨耗および劣化する傾向にあり得る。したがって、一実施形態では、下部の該耐火物は、チャンバの壁および上部の耐火物よりも耐久性の高い「稼動面」用の耐火物を含むように設計される。例えば、壁および上部の耐火物は、DIDIER RK30れんがで作製することができ、下部用の異なる「稼動面」用の耐火物は、RADEX COMPAC−FLO V253で作製することができる。
当該チャンバが耐火物で内張りされた実施形態では、チャンバの壁には、耐火物の内張りまたは耐火物アンカーのための支持部が任意選択的に組み込まれる。
当該チャンバは、固体粒状物質のためのコレクタを有し得る。当該チャンバがガス化装置とともに操作される実施形態では、収集されるあらゆる物質が、さらなる処理のためにガス化装置に供給されてもよく、またはさらなる処理のために固形残渣調整チャンバに供給されてもよい。当該技術分野において既知である固体粒状物質のためのコレクタは、遠心分離機、内部衝突バッフル、およびフィルタを含むが、これらに限定されない。ガス改質システムがガス化装置に直接連結される実施形態では、形成される粒子が、一部、ガス化装置に直接戻ることができるため、追加の固体粒状コレクタは必要でない可能性がある。
チャンバのポート、注入口、および排出口
当該チャンバは、改質のために初期ガスをチャンバ内に供給する1つもしくは複数の初期ガス注入口と、改質ガスをさらに下流に通過させるための1つもしくは複数の改質ガス排出口とを含む。該注入口は、開口部を含むことができるか、または代替として、初期ガスのチャンバ内への流れを制御するためのデバイスおよび/または初期ガスをチャンバ内に注入するためのデバイスを含むことができる。当該デバイスは、改質の促進のために初期ガスを適切に注入するためのガスマニピュレータを含むことができ、および/または、初期ガスの様々な特徴を測定するための検知要素を含むことができる。
該初期ガス注入口は、並流、逆流、放射状、接線方向、または他の供給流の方向を促進するために、組み入れることができる。一実施形態では、単一の初期ガス注入口は、徐々に円錐形をしている。
該初期ガス注入口は、チャンバの第1または上流端部に、またはその近くに位置し得る。一実施形態では、該注入口は、ガス源(例えば、ガス化装置)と直接的に気体連通する、チャンバの開放された第1の端部を含む。一実施形態では、該注入口は、チャンバの閉じられた第1の(上流)端部に位置する、開口部を含む。一実施形態では、該注入口は、第1の(上流)端部の近位のチャンバの壁に、1つもしくは複数の開口部を含む。
ガス化装置とガス改質システムとが直接連結される実施形態では、ガス改質システムを連結するためのガス化装置側にある取付場所は、チャンバに進入する前にガス流を最適化するように、および/または初期ガスの混合を最大化するように、戦略的に位置し得る。一実施形態では、当該チャンバはガス化装置の中心に位置する。
当該チャンバが1つもしくは複数のガス化装置に接続される実施形態では、チャンバの1つもしくは複数の初期ガス注入口は、共通の開口部を介して1つもしくは複数のガス化装置と直接連通し得るか、または図5に示すように配管3009を介して、もしくは適切な導管を介して、ガス化装置と接続され得る。
改質反応で生成される改質ガスは、第2または下流端部に位置する、またはその近くの1つもしくは複数の改質ガス排出口を介してチャンバから流出する。該排出口は、開口部を含むことができるか、または代替として、チャンバを出る改質ガスの流れを制御するためのデバイスを含むことができる。該デバイスは、改質ガスの様々な特徴を測定するための検知要素を含むことができる。
一実施形態では、該排出口は、チャンバの開放された第2の(下流)端部を含む。一実施形態では、該排出口は、チャンバの閉じられた第2の(下流)端部に位置する1つもしくは複数の開口部を含む。一実施形態では、該排出口は、第2の(下流)端の近くのチャンバの壁にある、1つもしくは複数の開口部を含む。
当該チャンバは、任意選択的に、1つもしくは複数のプロセス添加剤ポート、ガス賦活源のための1つもしくは複数のポート、任意選択的に1つもしくは複数のアクセスポート、観察ポートおよび/または計装ポートを含む、様々なポートを含む。ガス賦活源は、プラズマ系の源(例えばプラズマトーチ)、水素バーナ、および任意選択的な二次的源を含むが、これらに限定されない。ポート、注入口、および排出口は、チャンバ内での反応物流の相互作用を促進するように、様々な角度でおよび/または位置に組み込まれることができる。
制御システム
制御システムは、本明細書に開示される様々なシステムおよび/もしくはサブシステムにおいて実施されるおよび/もしくはそれらによって実施される、1つもしくは複数のプロセスを制御するため、ならびに/またはそのようなプロセスに影響を与えるために本明細書に企図される1つもしくは複数のプロセスデバイスの制御を提供するために、提供され得る。一般的に、当該制御システムは、所与のシステム、サブシステム、またはその構成要素と関連する、および/または、その中でまたはそれと連携して本発明の様々な実施形態が操作され得るガス化システム等のより大きなシステム内で実施される1つもしくは複数の大域的プロセスに関連する、様々な局所的および/または領域的プロセスを動作可能に制御することが可能であり、それによって、これらのプロセスに影響を与えて定義された結果になるように適合された、その様々な制御パラメータを調節する。したがって、様々な検知要素および応答要素をコントロールシステム(複数を含む)の至るところに、またはその1つもしくは複数の構成要素と関連させて分布することができ、様々なプロセス、反応物、および/または生成物の特徴を取得し、これらの特徴を、所望の結果を達成するのに役立つ好適な範囲のそのような特徴と比較して、1つもしくは複数の制御可能なプロセスデバイスを介して進行中のプロセスのうちの1つもしくは複数において変更を実施することにより応答するために使用することができる。
当該制御システムは、一般的に、例えば、システム(複数を含む)に関連する1つもしくは複数の特徴、そこで実施されるプロセス(複数を含む)、それに提供される投入物(複数を含む)、および/またはそれによって生成される産出物(複数を含む)を検知するための、1つもしくは複数の検知要素を含む。1つもしくは複数の計算プラットフォームは、検知された特徴(複数を含む)を代表する特徴値にアクセスするために、これらの検知要素と通信可能に連結されており、特徴値(複数を含む)を、これらの特徴を選択された動作および/または下流の結果に好適であると特徴付けるように定義された所定の範囲のそのような値と比較して、この所定の範囲で特徴値を維持するのに役立つ1つもしくは複数のプロセス制御パラメータを計算するように、構成される。複数の応答要素は、システム、プロセス、投入物および/または産出物に影響を与えるように作動する1つもしくは複数のプロセスデバイスに、動作可能なように連結され得、それによって検知された特徴を調節し、また、計算されたプロセス制御パラメータ(複数を含む)にアクセスし、それに従ってプロセスデバイス(複数を含む)を操作するために、計算プラットフォーム(複数を含む)に通信可能に連結され得る
一実施形態では、当該制御システムは、フィードバック、フィードフォワード、および/または炭素質原料のガスへの変換に関連する様々なシステム、プロセス、投入物および/もしくは産出物の予測制御を提供し、それに関連して実施される1つもしくは複数のプロセスの効率を高める。例えば、様々なプロセスの特徴を評価して、これらのプロセスに影響を与えるように制御可能に調節することができ、それらには、熱量および/または原料の組成、生成ガスの特徴(例えば、熱量、温度、圧力、流れ、組成、炭素含有量等)、そのような特徴に容認される変動の程度、および投入物の費用対産出物の値を含み得るが、これらに限定されない。熱源出力、添加剤供給量(例えば、酸素、酸化剤、蒸気等)、原料供給量(例えば、1つもしくは複数の別個のおよび/または混合された供給物)、ガスおよび/またはシステムの圧力/流量調節器(例えば、送風機、リリーフおよび/または制御バルブ、フレア等)等を含み得るが、これらに限定されない、様々な制御パラメータに対する継続的および/またはリアルタイムでの調節は、1つもしくは複数のプロセスに関連する特徴が設計および/または下流の規格に従って評価および最適化される様式で実行することができる。
純粋なフィードフォワード制御を用いるシステムでは、所望の状態のシステムを維持するために、フィードバック制御を用いるシステムとは対照的に、測定された外乱という形でのシステム環境の変化は予め定義された応答をもたらす。したがって、フィードフォワード制御は、フィードバック制御の安定性の課題を有さない可能性がある。
以下の必要条件が満たされる場合、フィードフォワード制御は非常に効果的であり得る。外乱は測定可能でなければならず、システムの出力に対する外乱の影響が分からなければならず、外乱が出力に影響を与えるのに掛かる時間は、フィードフォワード制御が出力に影響を与える時間よりも長くなければならない。
フィードフォワード制御は、既知および測定可能な外乱にはより迅速に応答することができるが、新規の外乱には大して役に立たない。反対に、フィードバック制御は、所望のシステム挙動からのいかなる逸脱にも対応するが、逸脱に気付くために外乱に反応するには、測定されたシステムの変数(出力)を必要とする。
フィードフォワードおよびフィードバック制御は互いに排他的ではなく、フィードフォワード制御によって迅速な応答が提供され、一方では、フィードバックシステムは、フィードフォワードシステムによって作製された所定の調節におけるいかなる誤差にも対処するよう、それらを組み合わせることができる。
本発明の一実施形態では、モデル予測制御技術を使用することができる。
是正、またはフィードバック制御において、適切な検知要素を介して監視される制御パラメータの値または制御変数は、規定の値または範囲と比較される。制御信号は、2つの値間の偏差に基づいて決定され、その偏差を減少させるために制御要素に提供される。従来のフィードバックまたは応答制御システムは、適応および/または予測可能な構成要素を含むようにさらに構成されてもよく、所与の条件に対する応答は、検知された特徴に反応する応答を提供するために、モデル化されたおよび/または以前に監視された反応に従って調整することが可能である一方、補償作用における潜在的なオーバーシュートを制限することが理解される。例えば、所与のシステム構成のために提供される取得および/または履歴データは、所望の結果を提供するために以前の応答が監視および調節されてきた最適な値からの所与の範囲内になるべく検知されるシステムおよび/またはプロセスの特徴に対する応答を調節するように、協調的に使用することができる。このような適応可能および/または予測可能な制御スキームは、当該技術分野において周知であり、それ自体は、本開示の一般的な範囲および主旨から逸脱するとは見なされない。
代替として、またそれに加えて、当該制御システムは、適切な動作を保証するため、また任意選択的に、規制基準が適用される場合は、実施されるプロセス(複数を含む)がそれによって該規制基準の範囲内であることを確実にするために、所与のシステムの様々な構成要素の動作を監視するように構成することができる。
一実施形態によると、当該制御システムは、所与のシステムの全体的なエネルギー的影響の監視および制御においてさらに使用することができる。例えば、所与のシステムは、例えば、それによって実施されるプロセスのうちの1つもしくは複数を最適化することによって、またはこれらのプロセスによって生成されるエネルギーの回収(例えば廃熱)を増加させることによって、そのエネルギー的影響が減少される、または再度最小限に抑えられるように、操作することができる。代替として、またそれに加えて、当該制御システムは、制御されたプロセスを介して生成される生成ガスの組成および/または他の特徴(例えば、温度、圧力、流れ等)を、そのような特徴が下流の使用に好適であるだけでなく、効率的および/または最適な使用のために実質的に最適化されるように調節するために、構成することができる。例えば、電気の生成のための所与の種類のガスエンジンを駆動するために生成ガスが使用される実施形態では、これらの特徴がそのようなエンジンのための最適な投入物の特徴に最も適するように、生成ガスの特徴を調節することができる。
一実施形態では、様々な構成要素における反応物および/または生成物の滞留時間に関する、あるいは全体的なプロセスの様々なプロセスに関する制限または性能ガイドラインが満たされるおよび/または最適化されるように、所与のプロセスを調節するために、当該制御システムを構成することができる。例えば、上流プロセスの速度は、1つもしくは複数の後続する下流プロセスと実質的に一致するように制御することができる。
さらに、様々な実施形態において、当該制御システムは、連続的および/またはリアルタイムの形式で、所与のプロセスの様々な態様の逐次的および/または同時制御に適合され得る。
一般に、当該制御システムは、手元のアプリケーションに好適である任意の種類の制御システムアーキテクチャを含むことができる。例えば、当該制御システムは、実質的に集中型の制御システム、分散型の制御システム、またはその組み合わせを含むことができる。集中型制御システムは、通常、様々な局所的および/または遠隔の検知デバイスと通信するように構成される集中コントローラと、制御されたプロセスに関連する様々な特徴を別個に検知して、制御されたプロセスに直接的または間接的に影響を与えるように構成される1つもしくは複数の制御可能なプロセスデバイスを介してそれに応答するように構成される応答要素と、を含む。集中型アーキテクチャを用いて、集中型のプロセッサ(複数を含む)を介してほとんどの計算が中央で実施されるため、プロセスの制御を実施するために必要なハードウェアおよび/またはソフトウェアのほとんどが、同じ場所に位置する。
分散型制御システムは、通常、局所的および/または領域的特徴を監視するために、それぞれが別個の検知および応答要素と通信することができ、局所的なプロセスまたはサブプロセスに影響を与えるように構成される局所的および/または領域的プロセスデバイスを介してそれに応答する、2つ以上の分散型コントローラを含む。通信は、分散型コントローラの間で様々なネットワーク構成を介して行うことができ、第1のコントローラを介して検知される特徴は、そこでの応答のために第2のコントローラと通信することが可能であり、そのような遠位応答は、第1の位置で検知された特徴に影響を与える可能性がある。例えば、下流生成ガスの特徴は、下流監視デバイスによって検知することが可能であり、上流のコントローラによって制御されるコンバータに関連する制御パラメータを調節することによって、調節され得る。分散型アーキテクチャにおいて、制御ハードウェアおよび/またはソフトウェアもコントローラの間に分散され、同じではあるがモジュール構成された制御スキームが各コントローラに実装され得るか、または様々な協調的なモジュール式制御スキームがそれぞれのコントローラに実装され得る。
代替として、当該制御システムは、別個ではあるが通信可能に連結された局所的、領域的、および/または大域的な制御サブシステムに細分することができる。そのようなアーキテクチャは、所与のプロセス、または一連の相互に関連するプロセスが起こることを可能にし、他の局所的なサブシステムとの最低限の相互作用で、局所的に制御され得るようにする。そうすることで、大域的なマスター制御システムは、それぞれ別個の局所的な制御サブシステムと通信して、大域的な結果のための局所的なプロセスに必要な調節を支持する。
本発明の制御システムは、上記のどのアーキテクチャも用いることができ、または、本開示の一般的な範囲および主旨の範囲であると見なされる、当該技術分野において一般的に知られる他のどのアーキテクチャを用いてもよい。例えば、本発明の文脈において制御および実施されるプロセスは、適用可能である場合は、関連する上流または下流プロセスのために用いられる任意の集中および/または遠隔制御システムとの、任意選択的な外部通信を有する、専用の局所的な環境において制御することができる。代替として、当該制御システムは、領域的および/または大域的なプロセスを協調的に制御するように設計された、領域的および/または大域的な制御システムの副構成要素を含むことができる。例えば、モジュール式制御システムは、制御モジュールがシステムの様々な副構成要素をインタラクティブに制御する一方で、領域的および/または大域的な制御のために必要に応じて、モジュール間の相互通信を提供するように設計することができる。
当該制御システムは、一般的に、集中型のネットワーク化されたおよび/または分散型の1つもしくは複数のプロセッサ、様々な検知要素から検知された最新の特徴を受け取るための1つもしくは複数の入力、および新しいまたは更新された制御パラメータを様々な応答要素に伝えるための1つもしくは複数の出力を含む。当該制御システムの1つもしくは複数の計算プラットフォームは、様々な所定のおよび/または再調節された制御パラメータ、設定されたまたは好ましいシステムおよびプロセスの特徴的な動作範囲、システム監視および制御ソフトウェア、動作データ等をコンピュータ可読媒体の中に保存するための、1つもしくは複数の局所的および/または遠隔のコンピュータ可読媒体(例えば、ROM、RAM、取り外し可能な媒体、局所的および/またはネットワークアクセス媒体等)を含むこともできる。任意選択的に、計算プラットフォームは、直接的にまたは様々なデータ保存デバイスを介して、シミュレーションデータおよび/またはシステムパラメータの最適化およびモデル化手段を処理するためのアクセスを有することもできる。また、計算プラットフォームは、制御システムに管理アクセス(システムアップグレード、維持、改変、新しいシステムモジュールおよび/または設備等への適応)を提供するための1つもしくは複数の任意選択的なグラフィカルユーザーインターフェースおよび入力周辺機器、および外部の源(例えば、モデム、ネットワーク接続、プリンタ等)と、データおよび情報を通信するための様々な任意選択的な出力周辺機器を備えることもできる。
該処理システム、および副処理システムのうちの任意の1つは、ハードウェアまたはハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを排他的に含むことができる。副処理システムのどれも、例えば、P−コントローラ、I−コントローラ、Pi−コントローラ、PDコントローラ、PIDコントローラ等の、1つもしくは複数の比例(P)、積分(I)、または微分(D)コントローラの任意の組み合わせを含んでもよい。当業者には、P、I、およびDコントローラの理想的な組み合わせは、ガス化システムの反応プロセスの一部の力学および遅延時間、その組み合わせが制御することを意図する動作条件の範囲、そして組み合わせたコントローラの力学および遅延時間に依存することを理解するであろう。当業者は、観察された値と規定値との差を減少するために、これらの組み合わせが、検知要素を介して特徴の値を継続的に監視し、十分な調節を行うためにそれぞれの制御要素に影響を与えるように、応答要素を介してそれを規定値と比較することができる、アナログの配線接続の形態で実装され得ることは明白であろう。当業者には、混在するデジタルハードウェアソフトウェア環境において、上記組み合わせが実装され得ることは、さらに明白であろう。追加的な任意のサンプリング、データ取得、およびデジタル処理の関連効果は、当業者には周知である。P、I、Dの組み合わせ制御は、フィードフォワードおよびフィードバック制御スキームにおいて実装することが可能である。
制御要素
上記で定義および説明されるように、本文脈内において企図される検知要素は、ガスの化学組成、生成ガスの流速および温度を監視する要素、温度を監視する要素、圧力を監視する要素、ガスの不透明度およびガス賦活源に関連する様々なパラメータ(例えば、出力および位置)を監視する要素を含むことができるが、これらに限定されない。
改質ガス中で得られるH:CO比は、動作状況(熱分解、または十分なO/空気を有する)、処理温度、水分含量、および初期ガスのH:C0比に限定されない様々な要素に依存する。ガス化技術は、通常、最高で約6:1から最低で約1:1まで変化するH:CO比の生成ガスを生じ、下流用途が最適なH:CO比を左右する。一実施形態では、得られるH:COの比は、約1.1〜約1.2まで異なる。一実施形態では、得られるH:COの比は1.1:1である。
1つもしくは複数の上記要因を考慮に入れて、本発明の制御システムは、適用されるガス賦活領域(例えば、プラズマトーチの熱)とプロセス添加剤(例えば、空気、酸素、炭素、蒸気)とのバランスを調節することによって、改質ガスの組成が特定の下流用途のための最適化を可能にして、改質ガスの組成を可能なH:CO比の範囲で調整する。
いくつかの動作パラメータは、ガス改質システムが最適な設定点の範囲で動作しているかどうかを判断するために、定期的または継続的に監視される。監視されるパラメータは、化学組成、改質ガスの流速および温度、システム内の様々なポイントでの温度、システムの圧力、およびガス賦活源(例えば、プラズマトーチの出力および位置)に関連する様々なパラメータを含むことができるが、これらに限定されず、データはシステムパラメータに調節が必要かどうかを判断するために用いられる。
改質ガスの組成および不透明度
生成ガスは、当業者に周知である方法を用いてサンプルとして抽出して分析することができる。生成ガスの化学組成を判定するために使用することができる方法の1つは、ガスクロマトグラフィ(GC)の分析である。これらの分析のための抽出ポイントは、該システムの至るところに位置し得る。一実施形態では、ガスの組成は、ガスの赤外線スペクトルを測定するフーリエ変換赤外(Fourier Transform Infrared:FTIR)分析器を用いて測定される。
本発明の一環は、改質ガス流に存在する酸素が多過ぎるまたは少な過ぎるかどうかを判断して、それに応じてプロセスを調節することである。一実施形態では、一酸化炭素流中の分析器またはセンサは、二酸化炭素または他の好適な基準となる酸素富化材料の存在および濃度を検出する。一実施形態では、酸素は直接測定される。
本発明の一実施形態では、熱重量分析器(thermogravimetric analyzer:TGA)を使用することができる。
一実施形態では、該センサは、一酸化炭素、水素、炭化水素、および二酸化炭素について、改質ガスの組成を分析する。分析されたデータに基づいて、コントローラは、チャンバ内に注入される酸素および/または蒸気の量を制御するために、酸素および/または蒸気注入口に信号を送り、かつ/またはガス賦活源(複数を含む)へ信号を送る。
一実施形態では、不透明度のリアルタイムのフィードバックを提供するために、1つもしくは複数の任意選択的な不透明度モニタが当該システム内に搭載され、それによって、最大許容濃度を下回るように粒状物質のレベルを維持するために、プロセス添加剤(主に蒸気)の投入量の自動化のための任意選択的な機構が提供される。
システム内の様々な位置での温度
一実施形態では、改質ガスの温度および当該システムの至るところに位置する場所での温度を監視するための手段が提供され、そのようなデータは継続的に取得される。チャンバ内の温度を監視するための手段は、例えば、チャンバの外壁、または上部の耐火物の内側、チャンバの中部および下部に位置することができる。また、改質ガスガスの出口温度を監視するためのセンサが提供される。
ある実施形態では、温度を監視するための手段は、要求どおり当該システム内の数箇所に搭載されたサーモカップルを用いる。
システムの圧力
一実施形態では、チャンバ内の圧力を監視するための手段が提供され、そのようなデータは、継続的にリアルタイムベースで取得される。さらなる実施形態では、これらの圧力監視手段は、反応容器上のどこに(例えば、反応容器の垂直壁)位置してもよい、圧力トランスデューサまたは圧力タップ等の圧力センサを含む。
ガス流量
ある実施形態では、当該システムの至るところに位置する場所で改質ガスの流速を監視するための手段が提供され、そのようなデータは連続的に取得される。
ガス流における変動は、不均一な条件(例えば、トーチの故障、電極の変化による不調、または他の支持設備の故障)の結果である可能性がある。応急処置として、ガス流の変動は、送風機のスピード、材料の供給流、二次原料、空気、蒸気、およびトーチの出力のフィードバック制御によって是正することができる。ガス流の変動が持続する場合は、問題が解決するまでシステムをシャットダウンしてもよい。
プロセス添加剤の添加
ある実施形態では、当該制御システムは、初期ガスの改質ガスへの化学的改質を管理するために、任意のプロセス添加剤を含む、反応物を調節するための応答要素を含む。例えば、プロセス添加剤は、特定の化学組成の初期ガスが異なる所望の化学組成の改質ガスへ効率的に改質することを促進するように、チャンバに供給することができる。
一実施形態では、センサが改質ガス中に余分な二酸化炭素を検出した場合、蒸気および/または酸素の注入が減少する。
上記で定義および説明したように、本文脈において企図される応答要素は、所与のプロセスに関連する所与の制御パラメータの調節によって、所与のプロセスに影響を与えるように構成されるプロセス関連デバイスに、動作可能に連結された様々な制御要素を含むことができるが、これらに限定されない。例えば、本文脈における1つもしくは複数の応答要素を介した動作可能なプロセスデバイスは、酸素源(複数を含む)投入物およびガス賦活源(複数を含む)を調整する要素を含むことができるが、これらに限定されない。
ガス賦活領域の調節(例:トーチへの電力供給)
ガス賦活領域は変更することができる。一実施形態では、プラズマトーチの熱は、反応を促進させるために制御される。チャンバ内への空気の添加も、改質ガスを燃焼してトーチの熱エネルギーを放出することにより、トーチの熱負荷の一部を負担する。プロセス空気の流速は、トーチの出力を好適な動作範囲に保つように調節される。
一実施形態では、プラズマトーチの出力は、改質ガスの出口温度を設計上の設定点で安定化させるように調節される。一実施形態では、設計上の設定点は、ガス中のタールおよび煤の完全分解を促進するように、1000℃を上回る。
システム内での圧力調整
一実施形態では、当該制御システムは、チャンバの内圧を制御するための応答要素を含む。一実施形態では、内圧は、陰圧で、すなわち大気圧をやや下回る圧力で維持される。例えば、チャンバの圧力は、約1〜3mbarの真空下で維持することが可能である。一実施形態では、当該システムの圧力は、陽圧で維持される。
内圧を制御するためのそのような手段の例示的な実施形態は、ガス改質システムと気体連通する誘導送風機によって提供される。このように、用いられる誘導送風機は、当該システムを陽圧で維持する。陽圧が維持されるシステムでは、陰圧の場合よりも低いRPMで動作するように指令を受けるか、またはコンプレッサが用いられてもよい。
当該システムの至るところに位置する圧力センサによって取得されるデータに応じて、システム内の圧力が増加しているか(ファンが加速しているか)または減少しているか(ファンが減速しているか)によって、誘導送風機のスピードが調節される。
さらに、本発明のプロセスによると、ガスが環境に放出されるのを防ぐために、大気圧よりもやや陰圧で当該システムを維持することができる。
圧力は、改質ガス送風機のスピードを調節することにより安定化することができる。任意選択的に、送風機の最小動作周波数を下回るスピードで、二次制御が優先されて、代わりに再循環バルブを調節する。再循環バルブがいったん完全に閉じた状態に戻ると、一次制御が再び関与する。
実施例1
本例は、既存のガス改質チャンバの設計に組み込まれるように設計されたガスマニピュレータの例を示す。図60Aは、水平に配向され、耐火物で内張りされたガス化装置に直接結合されるように設計された、ガス改質システム(GRS)3200を示す。
ガスは、ガス化装置のガス排出口を通って、ガス化装置のガス排出口をGRSの単一円筒型投入ガス注入口に直接接続する取付フランジ3214を介してガス化装置に密閉可能に連結されたGRS3200の中に流出する。旋回ポート3212を介して空気が投入ガス流に注入され、投入ガス流内に旋回運動つまり乱流を形成し、それによって投入ガスを混合して、GRS内に再循環する渦を形成する。GRS内でのガスの滞留時間は約1.2秒である。
図60Aを参照すると、GRSは、長さ対直径比が約3:1であり、取付フランジ3214を介してガス化装置が接続された単一円筒型投入ガス注入口を有する、実質的に垂直に取り付けられた、耐火物で内張りされた円筒状のチャンバを有する。該チャンバは耐火物で内張りされた蓋3203で覆われており、それによって密閉されたガス改質チャンバ3202を形成する。
ガス改質チャンバは、ヒーター3216のための1つもしくは複数のポート、1つもしくは複数の酸素源3210のための1つもしくは複数のポート、ならびに任意選択的に1つもしくは複数のアクセスもしくは観察ポート3326および/または計装ポート3226を含む、様々なポートを有する。また、該ガス改質チャンバは、持上げポイント3230を備えている。
該チャンバの壁に使用される耐火物は、チャンバ内に存在する高温、浸食、および腐食に耐性を持つ内側の高密度層、耐性は低めだが高めの断熱係数を持つ中間の低密度材層、および非常に高い断熱係数を持つ外側の超低密度発砲板層を有する、多層設計である。発砲板と容器鋼シェルとの間にある外側の層は、固形耐火物と容器シェルとの間の異なる膨張を可能にするための柔軟層を提供する、セラミックブランケットの材料である。耐火物の上下方向への膨張は、非圧縮性耐火物の部分を分離する圧縮性耐火物の層によって提供される。該圧縮性の層は、重複しているが拡張可能である高密度耐火物によって、浸食から保護される。
図60Bを参照すると、ガス改質チャンバは一連の周方向拡張棚3220を含む耐火物支持システムをさらに有する。各棚は分割されており、膨張を可能にするための隙間を含む。各棚セグメント3222は、一連の支持ブラケット3224によって支持されている。
このGRSの実施形態では、1つもしくは複数の酸素源のための1つもしくは複数の投入物は、空気および蒸気の投入物を含む。
GRSは、接線方向に配置された3段階エアノズル、接線方向に位置する2つのプラズマトーチ、6つの熱電対ポート、2つのバーナポート、2つの圧力トランスミッタポート、およびいくつかの予備ポートをさらに備える。
空気は、下のレベルの4つのジェット3212と、より良好な混合を達成するための交差噴流式混合効果を形成するように、3つのジェットが他の3つよりもやや高い、上のレベルの別の6つのジェット3211を含む、3段階エアノズルによってガス流に注入される。
GRSは、摺動機構上に接線方向に取り付けられた300kW、水冷式、銅電極、NTAT DCプラズマトーチ2つをさらに含む。2つのプラズマトーチは、プラズマトーチの熱への最大曝露を提供するために、エアノズルより上に位置する。
プラズマ電源は、各プラズマトーチの3相AC電力をDC電力に変換する。中間ステップとして、該ユニットは、最初に3相AC入力を単一の高周波相に変換する。これにより、チョッパー部における最終的なDC電力のより良好な線形化が可能になる。該ユニットは、安定したDC電流を維持するために、出力DC電圧が変動され得るようにする。
図37を参照すると、各プラズマトーチ3208は、トーチ3208を動かしてガス改質チャンバから出し入れすることが可能な摺動機構上に取り付けられている。トーチ3208は、シーリンググランドによってガス改質チャンバ3202に封止されている。このグランドはゲートバルブに対して封止されており、ひいては、容器上に取り付けられ、またそこに密封されている。トーチ3208を取り外すには、摺動機構によって改質チャンバ3202からトーチ3208が引き出される。スライドの最初の動きが、安全目的のために高電圧トーチ電源を切る。トーチ3208が引き出されてバルブを通り過ぎると、ゲートバルブが自動的に閉じ、冷却剤の循環が停止される。ホースおよびケーブルがトーチ3208から切断され、グランドがゲートバルブから解放されて、トーチ3208が巻上げ機によって持ち上げられる。
トーチ3208の交換は、上記手順の逆を用いて行われ、トーチ3208の挿入深度を変化させるために摺動機構が調節されてもよい。動作が自動になるように、ゲートバルブは機械的に操作される。冷却システムが故障した場合には、トーチを自動的に回収するために、空気圧アクチュエータ3233が用いられる。たとえ停電の場合でも常に電力が入手可能であるように、アクチュエータを操作するための圧縮空気が専用の空気溜めから供給される。同じ空気溜めが、ゲートバルブ3234のための空気を提供する。高電圧トーチの接続部への接近を防ぐことによって、さらなる安全機能として電気的に連動したカバーが用いられる。
GRS内の改質ガスの温度が約1000℃で維持されるように、熱電対がガス改質チャンバ内の様々な位置に配置され、この温度を下回った場合は、プラズマトーチへの電力または空気注入が増加される。
この実施例では、GRSに流入する空気流は、ガス化装置および/またはGRSの各段階で発生する温度およびプロセスを調節するために、動的に変化させてもよい。
ガス改質チャンバ内のガス状混合物中の分子は、プラズマアークゾーンでそれらの構成元素へと解離し、その後改質ガスに改良される。熱い改質ガスは、改質ガス排出口3206を通ってGRSから流出する。
ガスマニピュレータは、プラズマトーチによって形成される反応種への曝露、およびそのような曝露によって生成される反応中間体の混合を強化することにより、ガス改質プロセスを強化するように、また大きな炭化水素分子の最高分解率を達成するように設計された。
図69および70を参照すると、ガスマニピュレータは、実質的には、ガス改質チャンバの中心、エアノズルおよび2つのプラズマトーチより上に位置している。したがって、ガス化装置から受け取る初期ガスは、エアノズルを介して導入される空気と高い注入速度で混合される。
ガスマニピュレータの形状を図66〜68に示す。ガス化装置からの初期ガスと注入された空気とを混合することによって得られる事前配合ガス、そしてプラズマトーチのイオン化ガスは、ガスマニピュレータの設計によって、その2つのチャネルを通過することを余儀なくされる。プラズマトーチは、実質的には該チャネルの入口に位置するため、事前配合ガスは、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域へ最大に曝露される。
ガスマニピュレータのチャネル内にあるガスの温度は約1100℃である。これらのチャネルを通過するガスは、図66に示す偏向器に当たるとその流れの方向を変更するので、連続的な混合をもたらす結果になる。また偏向器は、ガスマニピュレータのチャネル内の熱を維持するのに役立つため、ガス改質反応速度の強化を可能にする。
図67を参照すると、ガスマニピュレータの入口の傾斜のついた表面が、ガス流からの粒状物質の分離を促進する。
ガスマニピュレータは、図68に示すように、耐火物で内張りされた鋼構造から成る。鋼構造は空気によって冷却される。冷却用の空気は3つの支持パイプを介して導入される。冷却用の空気は内部にある空のチャンバを通過して、鋼構造を冷却する。加熱された冷却用の空気は、ガスマニピュレータのチャンバ下部にあるノズルを介して、基本プロセスへと戻る。
冷却用の空気の流速は、鋼の表面をできる限り熱く(煙突に近い)、しかし、それでいて鋼の強度がかなり良好な温度である550℃未満に維持するために、制御される。
このように本発明を説明してきたが、本発明は、多くの様式で変更されてもよいことは明白である。そのような変更は、本発明の主旨および範囲からの逸脱として見なされるものではなく、当業者には明白であろうそのようなすべての改変は、以下の特許請求の範囲の範疇に含まれることを意図するものである。
独占的な所有権または特権を主張する本発明の実施例を、以下に定義する。
Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
As used herein, the term “about” means ± 10% variation from the reference value. It is understood that such variations are always included in any given value provided herein, whether or not specifically mentioned.
The term “reactive species” refers to energy species that are formed throughout the reforming process. Non-limiting examples include free electrons generated by an energy source such as plasma, or radicals or dissociated intermediates that are formed in off-gas (eg, synthesis gas) that transfers energy to other molecules. Intermediates) and / or other molecularly dissociated intermediates / fragments (“pre-formulated molecules”) of the pre-compounding gas and modifying them to the designed standard chemical composition it can. One skilled in the art will recognize that some pre-compounded molecules will in turn become reactive species and transfer their acquired energy to other molecules in the gas reforming zone as the energy transfer process continues. I understand that.
The term “raw off-gas” refers to the gas that results from the raw material throughout the process of converting to slag. This type and quality of gas is often referred to in the art as “syngas”.
The term “partially treated feed off-gas” refers to the powerful heat or reaction produced in gasification systems such as plasma melting systems designed for waste destruction and conversion to gas and slag. It refers to a raw material off gas (raw material synthesis gas) that has been treated in some form depending on the conditions such as the species. Such processing may include exposing the source offgas to a plasma or other energy source.
The term “initial gas” refers to a gas that is to be modified to a chemical composition designed for one or more downstream applications. It includes a raw material off gas (raw material synthesis gas) and / or a partially processed raw material off gas.
The term “pre-blended gas” is used to describe a gas that enters the gas reforming zone. This gas includes an initial gas, in addition to any optional process additives that are added to adjust the chemical composition of the gas prior to modification to the designed chemical composition. For example, if the gas requires increased hydrogen levels, the gas being reformed contains an amount of hydrogen species that is sufficient to provide the proper chemical composition of the final reformed gas product. As such, steam may be added as a process additive upstream of the gas reforming zone. If the optional process additive is not added, the “pre-formulated gas” has the same composition as the “initial gas”.
The term “reformed gas” refers to the gas exiting the gas reforming system.
The term “gas reforming rate” is used to describe the amount of reformed gas relative to the amount of gas input to the system. It can be represented by the following formula:
As an alternative and in particular when no process additive gas is used, it can be represented by the following equation:
The gas reforming rate can be evaluated indirectly or directly. The indirect evaluation of the gas reforming rate can be performed by comparing the energy generation downstream of the reformed gas with the pre-blended gas. Downstream energy production reflects the proportion of reformed gas. An increase in downstream energy production suggests that the proportion of reformed gas has increased.
The term “gas manipulator” means a feature incorporated into the system of the present invention that functions to facilitate the process of gas reforming.
The terms “carbonaceous feedstock” and “feedstock” are used interchangeably herein and are defined to refer to a carbonaceous material that can be used in a gasification process. Examples of suitable raw materials include hazardous and non-hazardous waste materials including municipal waste, waste produced by industrial activities, biomedical waste, carbonaceous materials that are inappropriate for reuse, including non-reusable plastics Materials, including sewage sludge, coal, heavy oil, petroleum coke, bitumen, heavy oil refinery residue, refined waste, hydrocarbon contaminated soil, biomass, agricultural waste, municipal solid waste, hazardous waste and industrial waste It is not limited to. Examples of biomass useful for gasification include, but are not limited to, waste wood, raw wood, residue from processing of fruits, vegetables and grains, paper mill litter, firewood, grass, and manure.
The term “gas activation source” is any energy source known to those skilled in the art that can be used to impart energy to a pre-blended gas to allow it to be reformed to a gas of a defined composition. Point to. Examples thereof include, but are not limited to, a plasma generation source, an irradiation source, a hydrogen burner, and an electron beam gun.
The term “gas activation region” refers to the electric field effect produced by one or more gas activation sources used in the system to provide the gas with the energy necessary for the reforming process to occur. Used for. For example, the gas activation region formed by the plasma torch represents a three-dimensional space that varies depending on the output of the torch, the composition of the working gas, the position of the torch, the orientation of the torch and the like.
As used herein, the term “sensing element” is used to sense, detect, read, monitor, etc. one or more characteristics, parameters, and / or information of a system, input and / or output. Are used in a broad sense to describe aspects of any element associated with a gas reforming system.
As used herein, the term “responsive element” is used to describe aspects of any element associated with a gas reforming system that can respond to a signal.
Gas reforming system
The present invention includes a system for effective reforming of gas derived from the gasification of a carbonaceous feedstock. The initial gas to be input to the system typically includes a complex mixture of hydrocarbon molecules of various lengths. The chemical composition of the gas and the quality of the pollutants depend on the raw material composition, the process used to produce the gas, and the conditions in the gasification system. Some gasifiers are designed for single-stage processes where various forms of heat are used to generate gas in a single chamber. Other gasifiers produce gas in a multi-stage process in different parts of one chamber or different chambers, or some combination thereof. Either system may involve some degree of raw material off-gas pre-treatment, usually by a heat source in the gasification chamber.
One of the main objectives of these design strategies is to optimize the amount of effective exposure of the raw syngas and / or pre-blended gas to the reactive species in the gas activation zone. The greater the degree of effective exposure, the greater the efficiency of energy transfer, and the higher the rate at which pre-blended gas is converted to the designed chemical composition gas in the most cost effective manner.
Examples of design strategies include overall system design. For example, important design strategies include the premixed gas flow pattern (turbulence) for the gas activation region, in particular, the amount of gas that passes through that region within a particular time. An example of these strategies is a system design in which a pre-blended gas passes through a plasma that generates an electric arc (s). Another example is a system design in which the plasma torch is arranged so that the plasma plume flows backward and flows directly into the pre-blended gas. In another embodiment, the pre-blended gas passes through a continuous or parallel gas activation region.
The reforming system of the present invention is designed to optimize the amount of pre-blended gas that is reformed to product gas. In one embodiment, the efficiency of the system is expressed by the term gas reforming rate, which is the percentage of the amount of product gas reformed divided by the amount of pre-blended gas or initial gas multiplied by 100. Is done. In one embodiment, the modification rate is 95% or more. In one embodiment, the modification rate is 90% or more. In one embodiment, the modification rate is 85% or more. In one embodiment, the modification rate is 80% or more. In one embodiment, the modification rate is 75% or more. In one embodiment, the modification rate is 70% or more. In one embodiment, the modification rate is 65% or more. In one embodiment, the modification rate is 60% or more. In one embodiment, this concept is expressed as a ratio of the value of the reformed gas compared to the initial gas. In one embodiment, the value is an energy value related to power generation.
In order to effectively reform the initial gas to a gas of the designed composition, the present invention includes one or more “gas reforming zones” and one or more “gas stabilization zones”. The gas stabilization zone optionally includes heat exchange means for capturing heat from the gas as it cools. The system optionally includes one or more “gas additive zones” that are usually mixed upstream or non-mixed upstream of the gas reforming zone. The system also optionally includes one or more “gas purification zones” typically located downstream of the gas stabilization zone.
For purposes of clarity, these zones are described separately. However, although these zones are usually interrelated in the system and remain as an alternative option, the system is limited to including separate, physically separated zones. Please understand that it is not. Depending on the design of the particular embodiment, they are separated, with minor differences. Also, for ease of reference only, these zones are named primarily according to the process steps that take place within the zone. However, those skilled in the art will appreciate that depending on the nature of the reforming process, other process steps may occur within the zone to a lesser extent.
A system that effectively reforms the gas needs to be able to raise their energy so that the initial gas molecules begin to reform. Specifically, the reaction intermediate is initiated. The energy process of the reaction is represented by a curve as shown below.
As will be appreciated by those skilled in the art, the arrows point to the energy required to induce gas molecules of the initial chemical composition to begin reforming to molecules of the designed chemical composition. The dashed line represents the energy required when the catalyst is used to reduce the amount of energy required to cause molecular modification. Those of ordinary skill in the art will need sufficient energy to be imparted to the initial gas at a general level to facilitate breakage of bonds and modification to modified molecules and atoms. To understand the. Under appropriate conditions, when the modified molecules and / or atoms are allowed to mix thoroughly, the atoms recombine according to the relative concentrations of the species present. Furthermore, when a considerable amount of pre-blended gas passes through the activation region, a substantial amount of gas is reformed.
In order to achieve the goal of effectively reforming the gas, one skilled in the art can understand that the following four chemical processes occur throughout the gas reforming: 1) the initiation of the intermediate, 2) Growth of at least a portion of the intermediate, 3) Stopping of the intermediate, and 4) Stabilization of the product gas.
The gas reforming process can be assumed to involve four general processes. In the first process, reactants such as initial gas molecules and an energy source (including but not limited to free electrons and other activated or activated species such as ions or free radicals) are mixed. To reach species-to-species contact. As a result of such contact and mixing at a sufficient energy level, reactant interactions result in the formation of chemical intermediates. Some intermediates react and stop together, but at least some of the intermediates go to another stage, with or without the involvement of reactants to produce other intermediates. The intermediates react to cause a chain chemical reaction. In another process, the intermediate is stopped by chemical and / or physical means to yield a specific product. In the fourth and final step, the product formed is stabilized if specific chemical and / or physical conditions are maintained.
Therefore, the initiation of the intermediate is considered to be the main process that takes place early in the gas reforming zone where an intermediate guiding means (energy source) is provided and brought into contact with the gas entering the gas reforming zone Can do. Mixing, energy transfer, and / or irradiation that allows the reactants to turn into an initial intermediate. It can be said that the reactant is excited.
The intermediate growth stage can be thought of as another important process that takes place within the gas reforming zone where the initial intermediates react to form other intermediates. These intermediates can form a series of reactions with a group of intermediates derived from previous intermediates.
In general, the intermediate termination process can be considered to occur at the end of the gas reforming zone, and in some embodiments, chemical and / or physical so as to prevent further chain reaction. It may even be thought of as defining the outer edge of the zone where the dynamic conditions are changed. However, it should be understood that depending on the nature of the process, the reactants / intermediates, and the stability of the final product, the shutdown process can occur in other parts of the gas reforming zone. A specific product is formed when the chain reaction is terminated, either by controlled stop or proceeding uninterrupted.
The gas stabilization zone can be thought of as being where product stabilization is the main process, and in order to stabilize the product formed when the recombination of intermediates ceases, It can be defined as a zone where conditions are maintained. These products are usually desired for specific applications. Since different points in the chain reaction process correspond to different intermediates that produce different products when stopped and stabilized, efforts to adjust the intermediate stop points when different products are required It may be necessary to do.
There are many intermediate induction means. These include heating, plasma plumes, hydrogen burners, electron beams, lasers, irradiation, and the like. Seeing that the reactant molecules have sufficient energy to reorganize in the presence of a catalyst, and in a situation where they are contacted with such a catalyst, the catalyst serves as an intermediate inducing means. Can do. A common feature of an energy source that provides an intermediate inducing means is to cause a chemical change in the reactants to follow the path to the final product. Thus, the intermediate formed is different in different intermediate induction means and has different levels of activation.
There are several ways to raise the energy of the initial gas to a level that modifies the molecules to molecules of the designed chemical composition. Heat can be applied to the initial gas. In order to transfer the energy required to modify the molecules in the “pre-compounded gas” that is the initial gas and process additive into modified molecules and atoms, it is found in the plasma or from a hydrogen source. Activated species such as electrons and cations generated can be used.
As noted above, there are a variety of catalysts known to those skilled in the art that can be used to reduce the amount of energy required to modify the molecule. Catalysts such as dolomite, olivine, zinc oxide, and char are some examples of commonly used catalysts.
The present invention provides an efficient, intentional approach to the production of an initial gas with associated characteristic features (eg, chemical composition), with characteristic features designed for a particular downstream purpose. Provide a high performance, integrated gas reforming system for planned reforms. Optimization involves achieving reformation in an overall cost-effective manner, including upfront costs such as electricity and downstream costs such as processing of contaminated catalysts.
Process of gas reforming system
(1) Identify the appropriateness of the initial gas characteristic parameters, including but not limited to chemical composition, humidity, flow rate, etc., directly or indirectly. Optionally, the system can sense characteristics and / or parameters of the upstream and / or downstream system, or its inputs or outputs.
(2) Modify various input parameters for the reforming process based on the detected initial gas characteristic parameters and the desired output gas parameters (e.g., optionally, the appropriate amount of process additive). Increase or decrease, change the amount of power, etc.).
(3) Sufficient to interact with off-gas molecules (initial gas or pre-blended gas) to transfer energy to gas molecules so that most gas molecules are modified into modified molecules and atoms One or more gas reforming zones are created that contain various energy species.
(4) In the reforming zone, the initiated gas molecular components (initiated) are combined so that the chemical composition determined by the relative concentration of species present in the reformed gas is combined. Promote efficient mixing of intermediates).
(5) Stabilized, newly formed molecules are deactivated (eg, cooled or made unaffected by the catalyst or gas activation source) and thus stabilized to maintain the desired characteristics Provide a zone.
(6) Provide a control system for overall control of the gas reforming process.
The gas reforming system and method includes a substantial amount of off-gas, such as produced from gasification of a carbonaceous feedstock, a reformed gas containing optimal levels of molecules such as carbon monoxide and hydrogen and a minimum level of undesirable molecules It can be used to modify.
In the following description, the following parts of the gas reforming system will be considered in more detail. The basic process is taught starting from the description of “gas reforming zone” and “gas stabilization zone”. Strategies and strategies for optimizing the extent and efficiency of gas reforming are illustrated by considering gas manipulators including catalysts and other gas manipulators. Optional features included in the system include a “gas additive zone” and a “gas purification zone”. Finally, this description considers the design of a gas reforming chamber and control system to manage all the above processes.
Gas reforming zone
A modification zone is a zone in the system where pre-formulated molecules are generated that are sufficiently activated to modify into molecular species of a designed chemical composition. Generally, this zone is designed to incorporate means for causing turbulence and mixing during the reforming process.
Gas activation source
The gas activation source modifies these molecules by providing the initial energy required to overcome the molecular binding energy between the initial gas and the process additive (pre-formulated gas) in the gas reforming system. And finally CO and H2It plays the role of modifying the molecule to the designed chemical composition. These activation sources serve to provide energy for the initiation of the reactive intermediate and, if necessary, provide energy to support the growth of the intermediate.
Various elements are contemplated within the present invention to provide a gas activation zone. The energy level required to meet gas reforming energy requirements depends on a variety of factors including, but not limited to, initial gas characteristics (eg, composition), process additives, and the presence of catalysts. It is envisioned that temperature, residence time and / or turbulence, and means for increasing mixing are also included in the design and fabrication of this zone.
The energy required for gas activation to induce and react intermediates can be provided by various sources called activation sources, such as heating, plasma, hydrogen burner, electron beam, laser, irradiation, and the like. These general features are to bring chemical changes to the reactants and follow the path to the final product.
Plasma source
The plasma primarily provides an energy source in the form of electrons and positively charged ions that can interact with the pre-formulated gas to provide gas reforming energy to the molecules.
In one embodiment of the present invention, one or more plasma-based sources (eg, plasma torches) operated in combination with or without other gas activation sources are sufficient for gas reforming. Since it is used to raise the energy of the initial gas to a high level, it will provide a gas activation zone. Appropriate energy levels depend on various factors including, but not limited to, the characteristics of the initial gas and process additive, and can be readily determined by one skilled in the art.
Although heat contributes to the process, most of the substantial amount of energy is supplied by the reactive species in the plasma. In one embodiment of the invention, the temperature is between about 800 ° C and about 1200 ° C. The amount of energy required for the source can be reduced by the use of a catalyst.
From various types including, but not limited to, non-transitional and transitional arcs, alternating current (AC) and direct current (DC), plasma torches, high frequency induction plasma devices, and inductively coupled plasma torches (ICP), etc. One or more plasma sources may be selected. In all arc generation systems, the arc is initiated between the cathode and the anode. The selection of an appropriate plasma source is within the skill of one skilled in the art.
Transfer arcs and non-transfer arcs (both AC and DC) torches can use appropriately selected electrode materials. Suitable materials for electrodes known in the art include copper, tungsten alloys, hafnium, and the like. The life of the electrode depends on various factors such as the arc working area on the electrode, which in turn depends on the design of the plasma torch and the spatial arrangement of the electrodes. In small arc operating regions, the electrode typically wears out in a short period of time unless the electrode is designed to be cooled by thermionic emission. As the electrodes are consumed during the lifetime, the electrode spacing varies, but any variation can be reduced by spatially adjusting the electrodes.
Carrier gas for plasma torch: air, argon, helium, neon, hydrogen, methane, ammonia, carbon monoxide, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, C2H2And C3H6Various gases including, but not limited to, can be used. The carrier gas may be neutral, reducing or oxidizing and is selected based on the requirements of the reforming process and the ionization potential of the gas. It is within the ordinary skill of one of ordinary skill in the art to understand the selection of an appropriate carrier gas and the means for introducing a carrier gas that may affect its efficiency into the plasma torch. In particular, the introduction of poorly designed carrier gases may result in a non-uniform plasma plume with hot and cold zones.
In one embodiment, the gas reforming system includes one or more non-migrating reverse polarity DC plasma torches. In one embodiment, the gas reforming system includes one or more water-cooled, copper electrodes, NTAT DC plasma torches. In one embodiment of the invention, the gas reforming system includes one or more AC plasma torches.
AC plasma torches can be either single phase or multiphase (eg, three phases) with associated arc stability variations. The three-phase AC plasma torch can be powered directly from a conventional utility network or generator system. Higher phase AC systems (eg, 6 phase) and hybrid AC / DC torches, or other hybrid devices using hydrogen burners, lasers, electron beam guns, or other ionized gas sources may be used. It is not limited.
Multiphase AC plasma torches generally have less loss of power supply. In addition, the rapid movement of the arc along the electrodes due to the railgun effect results in improved redistribution of the thermal load between the electrodes. Due to the redistribution of the thermal load along this arbitrary electrode cooling mechanism, a material such as a copper alloy having a relatively low melting point but a high thermal conductivity can be used for the electrode.
The plasma source can include a variety of commercially available plasma torches that provide a suitably high flame temperature over time when applied. Generally, such plasma torches are available in sizes from about 100 kW to over 6 MW. In one embodiment, the plasma torches are two 300 kW plasma torches, each operating at the required (partial) capacity.
Hydrogen burner
In one embodiment of the invention, the gas activation region is provided at least in part by a hydrogen burner, where oxygen and hydrogen react to form ultra high temperature steam (> 1200 ° C.). At such high temperatures, steam can be present in an ionized form that enhances the gas reforming process. The hydrogen burner can be operated in combination with or without other gas activation sources such as a plasma torch. Activated hydrogen species have the advantage of rapid dispersion of reactive species and extensive vapor cracking, both of which result in high initial gas conversion at lower temperatures than can be achieved using plasmas.
In one embodiment of the present invention, the hydrogen burner plays a significant part of the energy activation and therefore serves as the element of the main activation area.
Hydrogen for the hydrogen burner can be obtained by electrolysis. The oxygen source can be pure oxygen or air. Other sources of hydrogen and oxygen can be used as is known to those skilled in the art. For the burner design, standard modeling tools such as tools based on computational fluid dynamics (CFD) can be used. The burner can be configured and sized to meet the requirements of the gas reforming system, taking into account various factors including but not limited to the amount of gas for reforming, the shape of the chamber, and the like.
In one embodiment of the present invention, the hydrogen burner includes a cylindrical nozzle body, and an upper cover and a lower cover are connected to the upper and lower ends, respectively, to define a predetermined annular space S in the body. The gas supply pipe is connected to the side wall of the main body so that the pipe is inclined downward from the side wall. The top cover can be integrated with the main body into a single structure and includes a heat transfer portion having a thickness sufficient to dissipate heat easily. The plurality of nozzle orifices that release hydrogen into the atmosphere are formed through a heat exchanging section that has an exposed recess formed on the upper surface thereof so as to communicate with each nozzle orifice. The airflow chamber is also defined so that air passes through the chamber. The guide protrusion is formed on the inner surface of the space and guides the flow of hydrogen gas in a desired direction in the space. Further, the upper end portion of the annular space S communicating with the lower end portion of the nozzle orifice is formed in a dome shape, and defines an arch type guide for guiding hydrogen gas to the orifice.
Hydrogen burners operate at lower temperatures and typically mix hydrogen with air. They can also use oxygen-hydrogen mixtures that operate at significantly higher temperatures. This higher temperature is capable of producing more radicals and ions and makes the gas very reactive with hydrocarbon vapors and methane.
In one embodiment of the invention, the hydrogen burner serves as a source of high temperature chemical radicals that can accelerate the reforming of gaseous hydrocarbons to synthesis gas. Hydrogen burners are operated with oxidants, where air and oxygen are two common options. One skilled in the art will understand the relative ratio of hydrogen to the required oxidant. In addition to generating hot radicals, the hydrogen burner also generates a controllable amount of steam. Typically, the hydrogen burner can be powered with similar efficiency as a plasma torch.
Electron beam gun
Electron beam guns can be made practical by either emission mechanisms such as thermionic emission, photocathode emission, and field emission, focusing using pure electrostatic fields or magnetic fields, and the use of several electrodes. An electron beam having a precise dynamic energy is generated.
An electron beam gun can be used to ionize particles by adding electrons to or removing electrons from atoms. Those skilled in the art will readily appreciate that such electron ionization processes have been used to ionize gas particles in mass spectrometry.
The design of electron beam guns is readily known in the art. For example, DC and electrostatic thermoelectric guns are heated cathodes that generate an electron flow by ion emission when heated, electrodes such as Wehnelt cylinders that form an electric field to focus the beam, and accelerate and further focus the electrons. It is formed from several sites including one or more anode electrodes. Due to the large voltage difference between the cathode and anode, the electrons accelerate faster. A repelling ring located between the cathode and anode focuses the electrons to a small point on the anode. The small spot may be designed to be a hole, in which case the electron beam is collimated before reaching the second anode, called the collector.
radiation
Ionizing radiation refers to high energy particles or waves that can ionize atoms or molecules. Ionizing power is a function of the energy of individual packets of radiation (photons for electromagnetic radiation). Examples of ionizing radiation are energetic beta particles, neutrons, and alpha particles.
The ability of electromagnetic radiation to ionize atoms or molecules varies across the electromagnetic spectrum. X-rays and gamma rays ionize almost every molecule or atom, far ultraviolet rays ionize many atoms and molecules, and near ultraviolet and visible light hardly ionize molecules. Suitable sources of ionizing radiation are known in the art.
Energy reuse
The external energy required to maintain the gas reforming process can also be reduced by utilizing any heat generated by the process. The amount of heat generated by the gas reforming process depends on the characteristics of the initial gas and the reformed gas. In one embodiment, carbon or multi-carbon molecules are predominantly CO and H2The heat released during reforming to the amount of process additive is the amount and type of process additive injected into the gas reforming system (eg, air, O2) Is optimized.
Detectable heat present in the gas leaving the reforming zone can be captured using a heat exchanger in the gas stabilization zone and reused to improve the external efficiency of the reforming process Is done.
As will be apparent to those skilled in the art, other activation sources based on thermal energy or lasers can be used.
Gas manipulator
A gas manipulator represents an embodiment of a design strategy that seeks to optimize the process of gas reforming. They include the design of the chamber that optimizes the pre-blended gas flow pattern for the gas activation region, in particular the amount of gas that passes through this region within a specific time. Another example of a gas manipulator is a system design in which an energy source (such as a plasma torch) is oriented with respect to an incoming reforming gas that maximizes mixing of the incoming gas with the energy species in the energy source. is there. Another example is the location and placement of process additive nozzles that are designed to increase turbulence and mixing. Another example may include the arrangement of consecutive gas reforming zones versus parallel gas reforming zones.
The gas manipulator includes a structural device designed and incorporated into the system to increase the efficiency of the gas reforming process. Examples include, but are not limited to, structural devices such as baffles and deflectors that direct the pre-blended gas more effectively toward and through the gas activation region. Other examples include structural devices that increase turbulence throughout the process, increasing the mixing of the activation source and the gas being reformed.
The gas manipulator also includes an aspect of the system that determines the physical orientation of the activation source to change the size of the activation region, such as a plasma plume orientation determination device, and / or provides energy to the plasma source. Changes to the working gas flow rate, etc. are examples of non-limiting aspects of the system of the present invention that can be modified to result in changes in the dimensions of the pre-blended gas activation region.
The catalytic gas manipulator increases the efficiency of energy transfer and includes a catalyst. An example of a gas manipulator is a system design where a pre-blended gas passes through an electric arc (s) that generates a plasma. The inclusion of a gas manipulator balances the amount of energy consumed in the process of supplying energy to a production pre-blended gas that is sufficient for the system to reform the synthesis gas to a gas of the designed chemical composition. Is intended to optimize.
There are various categories of gas manipulators.
One category of gas manipulators is referred to as Source Energy Exposure Manipulators. The main design strategy of this aspect of the invention is to optimize the exposure of the required amount of pre-blended gas to the initial energy source to support the reforming reaction.
Another category of gas manipulators is referred to as mixing manipulators. The main design strategy of this aspect of the present invention is to optimize the mixing of reactive species to facilitate energy transfer throughout the reforming process.
Another category of gas manipulators is referred to as catalyst manipulators. The main design strategy of this aspect of the invention is to optimize the catalyst activity within the system in order to increase the overall efficiency of the reforming process.
Overall efficiency also means thorough reformation process (represented by gas reforming rate) in addition to the overall cost of achieving reformation. For example, for overall efficiency, consider the cost of using a catalyst that can become “toxic” during the process and its replacement cost. Also consider the cost of energy sources.
The gas reforming system of the present invention is designed to increase the efficiency of the reforming process. Various means to achieve this are referred to as “gas manipulators”, which promote efficiency, effectiveness, and thorough reformation processes. Since the reforming process occurs as the pre-blended gas passes through the system chamber, residence time is an important aspect that determines the efficiency of the process and the thoroughness of conversion. Factors that accelerate the rate and extent of energy transfer throughout the molecules of the pre-blended gas and the mixing of the reforming species optimize the thorough conversion before the gas exits the system.
The proximity of a gas molecule to a source of active species provided in the plasma and / or providing energy such as heat depends on the length of time that the gas molecule is exposed to the source. Means provided within the system to facilitate the process of energy transfer across the pre-blended gas molecules and thereby initiate reforming maximizes the number of molecules being reformed. There is also a means of increasing the active species / reaction intermediate mix so that they are reorganized to new species (the composition of which depends largely on the relative concentrations of species present in the reformed gas). Maximize the amount of engineered molecules produced.
The gas manipulator is designed, arranged and operated to increase the efficiency of the reforming process. In some embodiments, the gas manipulator is designed to increase high turbulence in the system. The increase in turbulence affects the gas by thoroughly mixing the gas molecules to be activated and the gas molecules in the process of reforming into new molecules, whose chemical composition depends on the individual chemistry within the gas reforming zone. It is largely determined by the relative concentration of the species.
Gas manipulators bring about changes in their relative spatial distribution and their mechanical evolution through targeted reorientation of at least one of the gas activation zone, initial gas, process additive, and its components, It can be designed to change the fluid dynamics in the gas reforming system. The gas manipulator can be designed to ensure that a highly turbulent environment is created at the targeted location to assist in the activation and modification process.
By improving exposure of the gas activation region (eg, plasma plume) to the initial gas and process additives, an improvement of the reaction process for activation and modification is achieved at the lowest possible temperature.
Those skilled in the art will readily understand that the gas manipulator must be designed and arranged based on the location of the gas activation source and process additive inlet, and the overall design of the chamber.
Exposure manipulator
In some embodiments, the gas manipulator is designed and configured to substantially facilitate exposure of the pre-blended gas to the improved zone. As described above, these gas manipulators can be separate structural devices attached to the gas reforming chamber (s) or can be integrated within the gas reforming chamber.
Chamber design for exposure operations
In one embodiment, the gas manipulator includes a chamber design that optimizes the premixed gas flow pattern for the gas activation region, particularly the amount of gas that passes through the region within a particular time. This is achieved by a suitable design of the internal walls of the chamber, which makes a difference in the gas reforming channel, ie the gas flow path within the chamber. The gas reforming channel may be of various types including but not limited to the following types: linear, curved, bifurcated-concentrated, and labyrinth type.
Various embodiments of gas reforming channels are shown in FIGS. Those skilled in the art will readily appreciate that several design changes are possible for the embodiments of FIGS. 25-28 based on the design of additional features of the chamber, such as, for example, an air injection pole. Design considerations for gas reforming channels include, but are not limited to, exposure to energy sources, cross-sectional areas, temperature profiles, velocity profiles, velocity profiles, gas residence times, mixing, and pressure drops.
Referring to FIG. 15A, and according to one embodiment of the present invention, the chamber is straight and includes a constricted throat where the plasma torch is located. The gas that passes through the constricted throat is mixed with a reactive ionized plasma carrier gas (gas activation zone), thereby promoting reforming. The throat portion is as large as the visible portion of the plasma plume and involves a temperature in excess of 2000 ° C. The carrier gas is much more active because it flows out in an ionized phase at such temperatures. Design criteria such as channel size (eg, its cross-sectional area), velocity profile, and temperature profile are determined by the chemical processes required to promote gas reforming. Because of the higher speed at the throat, any particulate material present in the reformed gas can be drawn and deposited at the second portion of the chamber.
The chamber can be further designed to facilitate the separation of particulate material. Referring to FIG. 15B, and in accordance with one embodiment of the present invention, the second portion of the chamber is positioned downward so that the particulate material can be carried separately at the bottom. Alternatively, the second portion of the chamber can be designed such that gas is introduced tangentially from the main portion of the chamber so that the resulting swirling flow can facilitate the separation of particulate matter from the gas flow.
The advantages of the designs of FIGS. 15A and 15B can also be achieved using a simplified mechanical design by properly installing the structural device therein. Referring to FIG. 15C, and according to one embodiment of the present invention, the shape of the chamber has not changed throughout its length, and the channel is located substantially in the center of the chamber for passing offgas. ing. Because the chamber diameter is fixed, refractory installation and chamber manufacture and installation are simplified. Internal structural devices can be sufficiently insulated and cooled for optimal performance using methods known in the art such as additional cooling piping, fans, and controllers.
The plasma plume generated using a single plasma torch is of a certain finite length in a few milliseconds, after which the temperature drops below about 2000 ° C. and the ionized gas returns to the non-plasma state. Those skilled in the art will appreciate that the time after which the ionized gas returns to the non-plasma state includes various parameters of the plasma torch including, but not limited to, enthalpy of torch, gas flow, ambient gas temperature, and amperage. Understand that depends on. In a gas reforming chamber with curved types of channels, to provide a continuous flow of reactive ionized gas for interaction with the incoming off-gas, thus increasing the efficiency of the tar cracking process Two or more plasma torches can be properly positioned.
Various designs are possible for the curved channel, not limited to the embodiment of FIGS. According to one embodiment of the present invention, the second part of the chamber allows gas to be introduced tangentially from the main part of the chamber, so that the resulting swirl flow is granular from the gas stream. Promotes material separation. Those skilled in the art will readily appreciate that numerous curved channel designs are possible, for example, based on the difference in the angle of the curves.
Referring to FIG. 17, and according to one embodiment of the present invention, the channel is tapered and the shape of the channel allows for variations in local conditions such as speed, pressure, etc., as needed.
Referring to FIG. 18, and according to one embodiment of the present invention, the channel is labyrinth type. Those skilled in the art will readily understand that this channel design can accommodate longer residence times if desired.
In one embodiment of the present invention, the chamber is a linear, substantially horizontal, cylindrical, operatively coupled to a source of gas (eg, a gasifier) via a vertically oriented connector. Structure. The chamber and / or connector walls serve as a gas manipulator, i.e., precisely redirect the pre-blended gas flow to interact with the gas activation region and optionally with process additives. Can be designed to facilitate.
In one embodiment of the invention, the chamber is constricted at a suitable location to facilitate the interaction of the pre-blended gas with the gas activation region (eg, plasma plume) and / or process additive. Referring to FIG. 20A, and according to one embodiment of the present invention, the constriction 3999 in the chamber 3202 is located slightly above the two plasma torches 3208. Referring to FIG. 20B, and according to one embodiment of the present invention, the constriction 3999 is more gradual and the plasma torch 3208 is positioned within the constricted portion of the chamber 3202. Those skilled in the art will readily understand the effect of different arrangements of the constriction on the plasma torch.
In one embodiment of the invention, an injector plasma torch that uses its own injector flow as a carrier gas is used to create an ionized region in a chamber containing electrodes driven by a multilayer AC current, Filled with pre-blended gas to be reformed. When the pre-blended gas passes directly through the chamber, the activation and reforming process is facilitated. Various embodiments of the gas manipulator described below may be further utilized to ensure that the injector plasma torch plume is accurately oriented within the primary electrode gap.
Referring to FIGS. 21A and 21B, various embodiments of the gas reforming system may be considered based on the activation source, additive flow, and gas input and output configurations.
The gas reforming system can also be designed so that the gas stream is divided into smaller streams and undergoes reforming in parallel. With reference to FIGS. 24A and 24B, each smaller gas stream passes through a dedicated reforming zone formed by an independent activation source. FIG. 24B shows the use of the moved arc torch. FIG. 24C shows that a dedicated reforming zone for each separate gas stream can be formed by multiple gas activation sources. FIG. 24D shows the embodiment of FIGS. 24A and 24B where mixing elements are introduced into the respective paths of the smaller gas flow.
FIGS. 25A-C show three gas reforming systems in which the gas activation source is placed in the reforming chamber at an angle. The source can direct its activation region either towards or against the gas flow, or any combination thereof.
The chamber may further include one or more ports for a secondary torch heat source to assist in preheating or heating the chamber with the torch.
Pre-blending gas direction determination device
Gas manipulators can be used in advance by manipulating the spatial distribution of pre-blended gas and its mechanical evolution within the chamber (s), either directly or indirectly, using active or passive means or both. Exposure of the gas mixture to the gas activation region can be facilitated. Such a gas manipulator can be a separate structural device. Examples include, but are not limited to, structural devices such as baffles and deflectors that more effectively direct the pre-blended gas toward and through the gas activation region. Other examples include the design of a chamber to create a particular desired hydrodynamic flow path.
In one embodiment of the present invention, a gas manipulator is provided at the initial gas inlet or to ensure that the initial gas has a more uniform composition and / or temperature and is properly mixed with the process additive. It is positioned near it.
Referring to FIGS. 26A-C and according to one embodiment of the present invention, the gas manipulator includes a flow restrictor 3999 that alters the flow of gas entering the chamber 3202. Those skilled in the art will readily appreciate that the differences to the gas flow pattern depend on a variety of factors including, but not limited to, the size and shape of the flow restrictor 3999 and their arrangement.
The flow restrictor can be attached to the chamber using various locking means. In one embodiment of the invention, the flow restrictor is suspended from the top (downstream end) of the chamber. In one embodiment of the invention, the flow restrictor is attached to the chamber wall using a bracket.
Referring to FIGS. 27A and 27B, and according to one embodiment of the present invention, the flow restrictor 3999 extends substantially the entire length of the chamber 3202, resulting in an annular space in which gas reforming occurs. Yes. As shown in FIG. 42, the flow restrictor 3999 can be rotated using a motor 7001, which is an example of the use of dynamic means for direct manipulation of off-gas flow. The rotation of the flow restrictor can optionally be controlled dynamically, along with a control system designed to tune and optimize the overall gas reforming process.
FIGS. 28A and 28B show a three-dimensional view of a chamber that includes a flow restrictor and is directly connected to a laterally oriented gasifier. The flow restrictor must be designed to withstand the high temperatures typically present in the chamber.
Figures 29A-G show different flow restrictors according to various embodiments of the present invention. In these figures, the plasma torches are shown to be at the same altitude. Alternatively, the flow restrictor can be installed above or below the plasma torch. Also shown below the torch is an additive port for injection of process additives such as air and steam.
In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 29A, the flow restrictor is designed with two spirals designed to induce more circulating flow mixing of the incoming off-gas and the plasma plume. Has wings. FIG. 29B shows a flow restrictor with two helical vanes but different shapes according to one embodiment of the present invention. In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 29D, one helical vane of the flow restrictor is larger than the other, further inducing a circulating flow and mixing of off-gas and plasma plume. In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 29G, before starting as two new vanes, the vane spiral covers only half of the restrictor.
In one embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 29C-F, the flow restrictor is attached to a cooling pipe and a cooling medium (eg, air, water, hot oil) controls the temperature of the flow restrictor. . In one embodiment of the invention shown in FIG. 29E, the additive (eg, air, steam, etc.) flows from the top of the support bar to the bottom of the flow restrictor before entering the off-gas stream. This design allows the flow restrictor to cool while preheating the additive prior to injecting the additive.
Referring to FIG. 30A, and according to one embodiment of the present invention, the chamber includes a gas manipulator in the form of one or more rotating shafts attached to a motor, each shaft being carefully selected for stable rotation. Includes one or more discs with adjustable weight. In embodiments having multiple disks on the shaft, the disks can be arranged in an offset fashion. Those skilled in the art will readily appreciate that the disk can incorporate cooling. The flow restrictor as described above can be attached to the end of the rotating shaft.
FIG. 30B shows different types of disks that can be attached to the rotating shaft. Referring to FIG. 30BA, the disk has a section that allows gas to flow from one side of the disk to the other. Referring to FIG. 30BB, it has a spiral section designed to pull up the gas and enter the center of the chamber. Alternatively, the spiral section can be designed to push the gas up and out to the periphery of the chamber. Referring to FIGS. 30BC and 30BD, the rotating disk is a plurality of winged spokes. One skilled in the art will readily understand that for stable rotation, the wing orientation and weight distribution should be balanced.
FIGS. 31A-C show different embodiments of the rotating shaft shown in FIG. 42, the upper disk being able to rotate on the ball bearing and held in place by the support. Optionally, a coolant or additive can be piped through the center of the shaft. In one embodiment of the invention, as shown in FIG. 31A, the motor is on one or more supports having a drive shaft attached to a rotating wheel (sprocket). The shaft projects into the chamber as the mechanical energy rotates the disk.
Referring to FIG. 31B, an electromagnet is used between or as part of the supports to cause rotation. Referring to FIG. 31C and according to one embodiment of the present invention, an electromagnet is used to stabilize the shaft in the chamber. Electromagnets can be used as a primary or secondary means for creating a rotational moment in the shaft and disk. In one embodiment of the present invention, the disc rotates independently of the shaft, for example, the shaft may be stationary, rotated at another speed, or even rotated in another direction. Also good. In one embodiment of the present invention, the disk has a permanent magnet and the cooling is done on the disk plane because it is almost hollow with a ball bearing cooled with a hot fluid connected to the shaft.
Activation source direction determination device
The activation source direction determining device is a gas manipulator that directs the physical orientation of the activation source and / or supplied to the plasma source, for example, to change the dimensions of the gas activation region, such as a plasma plume direction determination device. Changes to energy, working gas flow rates, etc. are non-limiting examples of aspects of the system of the present invention that can be modified to affect changes in the dimensions of the gas activation region.
In addition, the gas manipulator can directly or indirectly use the active or passive means or both to spatially distribute the gas activation region (eg, plasma plume) within the chamber (s) and its mechanical evolution. To promote exposure of the pre-blended gas to the gas activation area. In one embodiment of the invention, this can be achieved by the placement and orientation of the activation source (eg, plasma torch).
In one embodiment of the invention, the gas manipulator is a deflector 3998 that redirects the plasma plume 3997 from the plasma torch 3208, as shown in FIG. 33A. Appropriate turning of the plasma plume includes deflector 3998, including but not limited to the distance from the plasma torch 3208, the angle of orientation relative to the direction of the plasma plume, the size compared to the width of the plasma plume, and its constituent materials. Depends on various design factors. The refractory material ensures that the deflector can withstand the high temperatures that occur proximal to the plasma torch 3208. Those skilled in the art will readily understand the different materials that can be used to withstand high plasma temperatures.
Referring to FIG. 33B, and in accordance with one embodiment of the present invention, the gas manipulator is a Coanda effect based deflector 3996 used to manipulate the plasma plume 3997.
Referring to FIGS. 34A and 34B, and in accordance with one embodiment of the present invention, one or more fluid jets 3208 (eg, air nozzles) redirect a plasma plume 3997 generated by a plasma torch (s) 3208. Used to make. A fluid jet is an example of a dynamic means used for direct manipulation of the plasma plume. In one embodiment of the invention, the fluid jet is dynamically controlled, optionally with a control system designed to tune and optimize the overall gas reforming process.
FIGS. 35A-D show an embodiment of a deflector that can be used to redirect a plasma plume in a gas reforming chamber. In one embodiment of the invention, the deflector is attached to the casing of the plasma torch, as shown in FIGS. By adjusting the shape of the deflector, the spread of the dispersion of the plasma plume can be controlled. For example, the deflector of FIG. 35B provides a wider plume dispersion than the deflector of FIG. 35A.
FIGS. 35C-D show an embodiment of the present invention in which the deflector is not attached to the casing of the plasma torch. In one embodiment of the present invention, the deflector is attached to a rotating shaft, as shown in FIG. 35D. One skilled in the art understands that the finish of the deflector surface (eg, smooth, rough, or sloped) affects the distribution of the plume.
Figures 36A-D show different embodiments of the present invention in which the object of rotation axis has a non-planar surface. The number of edges, torch, and torch angle can be used to optimize the plasma plume and / or to spread the plasma plume evenly, thereby reducing the contact between the plume and off-gas. maximize. In one embodiment of the invention, the plasma torch is pointing straight to the center of the chamber.
In one embodiment of the invention shown in FIG. 36A, because the plasma torch has a gradient, at least a portion of the plasma plume hits the central object. Alternatively, the plasma plume can be directed away from the central object. In one embodiment of the invention shown in FIG. 36B, the axis object is rotated to the opposite angle to the torch, thus pushing the plasma plume out of the chamber.
In one embodiment of the invention shown in FIGS. 36C-D, the plasma plume is bounced from the deflector toward the central axis. The deflector can be attached to the casing of the plasma torch as shown in FIG. 36C, or it can be attached to the chamber wall as shown in FIG. 36D. The axes in FIGS. 36C-D can be rotated in either direction.
Optionally, a port for attaching the plasma torch facilitates insertion and removal of the plasma torch (s) into the chamber and seals the port after withdrawing the plasma torch (s) Can be fitted with a sliding mechanism, which may include an automatic gate valve to do. In one embodiment of the present invention, a port for a tangentially mounted plasma torch is located above the air inlet so as to provide maximum exposure to the plasma torch. Such an attachment mechanism can be modified so that the arrangement of the gas activation source can be adjusted.
Referring to FIG. 38A, and in accordance with one embodiment of the present invention, the plasma torch 3208 is arranged such that the gas injected into the chamber 3202 flows back against the plasma plume generated therein. Those skilled in the art should readily understand variations in the spatial distribution of the plasma plume when the orientation and arrangement of the plasma torch is different.
In one embodiment of the invention, the gas activation source (eg, plasma torch) is installed such that the resulting zone (eg, plasma plume) is oriented perpendicular to the direction of initial gas flow. In one embodiment of the invention, the chamber is substantially cylindrical and the plasma plume is oriented perpendicular to the axial direction with respect to a flow that is substantially axial of the initial gas flow. Alternatively, the initial gas flow can be directed axially, while the plasma plume can be directed axially along a gas purification chamber that is substantially cylindrical. In one embodiment of the invention, the chamber is substantially cylindrical and the plasma plume is oriented perpendicular to the tangential direction with respect to a flow that is substantially axial of the initial gas flow.
FIG. 39 shows cross-sectional views of cylindrical gas reforming chambers with various arrangements of gas activation sources that result in changes related to the shape and dimensions of the resulting gas activation region. In one embodiment of the invention, the gas activation source used may be either an AC or DC plasma torch. FIG. 39A shows two gas activation sources oriented tangentially into the chamber. Referring to FIG. 39B, the chamber includes three electrodes where an arc passes between the electrodes. Gas passes through this arc, plasma is formed, and the gas is reformed. FIG. 39C shows an embodiment similar to FIG. 39B except that there is a central ground electrode where the arc from the wall electrode forms an arc. One skilled in the art understands that the ground electrode is electrically shielded except at the point of contact. FIG. 39D shows a plurality of gas activation sources where the chamber is sufficient to ensure that substantially all of the gas passing through the chamber is activated (either straight to the center as shown or in a vortex pattern). ) Includes one example embodiment. 39E and 39F are similar to the embodiment of FIGS. 39B and 39C, respectively, but include 6 torches (3 or 6 phases). A larger number of torches can also be considered in the embodiments of FIGS. 39B, 39C, 39E, and 39F.
FIG. 40 illustrates two exemplary embodiments of the present invention where the initial gas and / or pre-blended gas flow is introduced directly into the reforming chamber via a gas activation region formed by a gas activation source. The
The gas manipulator at least partially manipulates the spatial distribution of the pre-blended gas and the gas activation region relative to each other and their mechanical evolution.
Mixing manipulator
In some embodiments, the gas manipulator is designed and configured to substantially facilitate mixing of gas and energy species during reforming in the gas activation region. Gas manipulators can also promote turbulence throughout the process, resulting in improved mixing.
In one embodiment of the present invention, the location and placement of process additive nozzles designed to increase turbulence and mixing.
In one embodiment, the gas manipulator is one or more baffles located within the chamber to induce turbulence and thus mixing of the gas being reformed. Different baffle arrangements are known in the art, including cross bar baffles, partition wall baffles, choke ring baffle arrangements and the like. However, it is not limited to these. The baffle may also be located at or near the initial gas inlet to ensure that the initial gas is of a more uniform composition and / or temperature and is properly mixed with the process additive. .
Referring to FIGS. 43A-B, turbulence can be formed before or after the gas activation source. FIG. 43C shows three exemplary embodiments of the means for creating turbulent flow: (i) a passive grid, (ii) an active grid utilizing a rotational axis, and (iii) a shear generator. Figures 45 and 46 show additional exemplary embodiments of means for generating turbulence.
In one embodiment, the gas manipulator includes a design that places an activation source that can contribute to the mixing of the gas and energy species being reformed in the gas activation region. Thus, the activation source may be arranged to optimize the gas reforming process, which arrangement depends on various factors including, but not limited to, the gas reforming chamber (chamber) design. In one embodiment of the invention, two plasma torches are arranged tangentially to form a vortex direction similar to the air and / or oxygen inlet. In one embodiment of the present invention, the two plasma torches are arranged at opposing positions along the periphery of the chamber.
Inlet placement for process additives (chemical composition contributions discussed below) is based on a variety of factors including, but not limited to, chamber design, desired flow, jet velocity, permeation, and mixing. . Various arrangements of process additive ports and ports for gas activation sources are contemplated by the present invention.
For example, the oxygen inlet or port, the steam inlet or port, and the gas activation source port may be arranged in layers around the periphery of the chamber, and the tangential direction of the gas activation zone, oxygen, and vapor and Allows layered injection. In one embodiment, nine oxygen source ports are provided that are arranged in three layers around the periphery of the chamber. In one embodiment, two opposing vapor inlet ports are provided that are arranged in two layers around the periphery of the chamber. In embodiments where the air and / or oxygen inlet ports are arranged in layers, they can be arranged to maximize the mixing effect.
In one embodiment of the invention, the air and / or oxygen inlet port is tangentially arranged so that the lower level inlet port premixes the gas and the torch heats it to swirl into the gas It becomes possible to start exercise. The upper level air inlet port can accelerate the swirl movement and thereby be recirculated so that the vortex pattern is deployed and sustained.
Referring to FIG. 44, and according to one embodiment of the present invention, the gas to be reformed enters the reforming chamber in a tangential direction, thus forming a vortex. The present embodiment also illustrates an exemplary gas manipulator that is shaped and arranged to facilitate exposure of a gas stream to a gas activation source.
In one embodiment, the lowest level air inlet port consists of four jets that premix the gas produced from the lower gasifier and the torch heats it. The other two levels of air nozzles provide the main momentum and oxygen to mix the gas and heat the torch to the required temperature. The arrangement of the steam inlets or ports is free in their number, level, orientation, and angle as long as they are placed in positions that provide optimized temperature control capabilities.
The oxygen and / or steam inlet ports can also be arranged such that they inject oxygen and steam into the chamber at an angle to the inner wall of the chamber, facilitating gas turbulence or swirling. The angle is selected to achieve sufficient jet penetration based on the chamber diameter and the designed air inlet port flow and velocity. The angle can vary between about 50 ° and 70 °.
The air inlet ports can be arranged to be in the same plane or can be arranged to be in a continuous plane. In one embodiment, the air inlet ports are disposed at a lower level and an upper level. In one embodiment, there are four air inlet ports at the lower level, and six more air inlet ports, of which three inlet ports are more than the other three to form a cross-jet mixing effect. Slightly higher.
Optionally, air may be blown into the chamber at an angle so that the air forms a rotational or cyclonic motion of the gas through the chamber. A gas activation source (eg, a plasma torch) may be angled to provide further flow rotation.
In one embodiment of the present invention, the air and / or oxygen and / or steam inlet includes a high temperature resistant spray nozzle or jet. Suitable air nozzles are known in the art and may include commercially available types such as the A and B nozzles shown in FIGS. The nozzle can be a single type or different types. The type of nozzle can be selected based on functional requirements, for example, type A nozzles change the direction of air flow to form the desired vortex, type B nozzles form a high speed air flow, Selected to achieve specific penetration and maximum mixing.
The nozzle can be designed to direct the air at a desired angle. In one embodiment, the air jet is arranged tangentially. In one embodiment, an angled blast is achieved by having a deflector at the tip of the inlet nozzle, thereby allowing the inlet pipe and flange to be perpendicular to the chamber.
In one embodiment of the present invention, one or more air jets (eg, air swirl jets) are positioned at or near the initial gas inlet and injected with a small amount of air into the initial gas. By utilizing the velocity of air, a swirl motion is formed in the initial gas flow. The number of air swirling jets can be designed to provide a substantially maximum vortex based on the designed air flow and outflow velocity so that the jet can penetrate to the center of the chamber.
Catalyst manipulator
The catalyst manipulator includes a catalyst and increases the efficiency of energy transfer. The catalyst increases the rate of chemical reaction by reducing the time required to reach equilibrium. Catalysts work by using various mechanisms to provide an alternative easier path from reactant to product, in each case by reducing the activation energy of the reaction. . A homogeneous catalyst exists in the same phase as the reactants and functions by combining with the molecules or ions in the reaction to form unstable intermediates. These intermediates combine with other reactants to produce the desired product and regenerate the catalyst. The heterogeneous catalyst is present in a different phase than the reactant and product phases. They are usually solids in the presence of gaseous or liquid reactants. The reaction takes place on the surface of the heterogeneous catalyst. For this reason, the catalyst is a finely divided solid or has a particle shape that provides a high surface area to volume ratio. Petroleum cracking and hydrocarbon improvement are common industrial applications of the use of heterogeneous catalysts. One of the difficulties in using heterogeneous catalysts is that most of them are easily “contaminated” and the impurities in the reactants coat the catalyst with non-reactive materials or modify its surface. The activity is lost. Although not necessarily, contaminated catalysts are often purified and can be used again.
By providing an alternative reaction path, the use of a suitable catalyst in the gas reforming system can reduce the energy level required for the gas reforming process. The exact pathway provided by the catalyst depends on the catalyst used. The feasibility of using catalysts in gas reforming systems generally depends on their lifetime. The lifetime of the catalyst can be shortened by "contamination", i.e. degradation of the catalyst capacity due to impurities in the gas.
The gas reforming system can be designed to facilitate catalyst replacement. In one embodiment of the present invention, the catalyst is incorporated into the gas reforming chamber in the form of a catalyst bed mounted on a sliding mechanism. The sliding mechanism allows easy removal and replacement of the catalyst bed. The catalyst bed can be inserted at various locations within the gas reforming system.
In one embodiment of the present invention, the hot offgas from the gasification chamber contacts a catalyst that effectively lowers the energy threshold required for gas reforming, before the offgas stream is exposed to the gas activation region. To be modified. In one embodiment of the invention, therefore, the gas reforming system includes a catalyst at a location upstream of the gas activation source (s). In one embodiment, as disclosed in FIG. 57, the catalyst bed is inserted before and / or after the gas activation source (eg, plasma torch).
The catalytic capacity also depends on the temperature of operation. The appropriate operating temperature depends on the various catalysts known in the art. The gas reforming system can incorporate a suitable cooling mechanism to ensure that the catalyst is maintained within an optimal operating temperature range. Additives such as steam, air, oxygen, or recirculated reformed gas can be added to help raise or lower the temperature near the catalyst bed. One skilled in the art understands that the particular additive selected to control the temperature depends on the location of the catalyst bed and the gas temperature therein.
The irregularity of the catalyst surface and good contact between the large organic molecules and the surface2And the opportunity to modify to smaller molecules such as CO.
Catalysts that can be used include, but are not limited to, olivine, calcined olivine, dolomite, nickel oxide, zinc oxide, and char. The presence of iron and magnesium oxides in olivine imparts the ability to modify longer hydrocarbon molecules. One skilled in the art understands that in the gas environment of the system, one selects a catalyst that does not degrade rapidly.
Both non-metallic and metal catalysts can be used to facilitate the reforming process. The calcined form of dolomite is the most widely used non-metallic catalyst for the reforming of gases from biomass gasification processes. They are relatively inexpensive and are considered disposable. When the dolomite is operated using steam, the efficiency of the catalyst is high. The optimum temperature range is between about 800 ° C and about 900 ° C. The activity of the catalyst and the physical properties of the dolomite degrade at higher temperatures.
Dolomite has the general chemical formula CaMg (CO3)2Calcium magnesium ore with about 20% MgO, about 30% CaO, and about 45% CO on a weight basis2In addition to other trace mineral impurities. For dolomite firing, CO2Accompanied by decomposition of carbonate minerals to form MgO-CaO. Complete dolomite calcination occurs at very high temperatures, usually at 800 ° C to 900 ° C. Thus, depending on the dolomite calcination temperature, the effective use of this catalyst is limited to these relatively high temperatures.
Another naturally occurring mineral, olivine, also showed catalytic activity similar to calcined dolomite. Olivine is typically more powerful than calcined dolomite.
Other catalyst materials that can be used include, but are not limited to, carbonate rock, lime dolomite, and silicon carbide (SiC).
Char can act as a catalyst at low temperatures. In one embodiment of the present invention, the gas reforming system is operably coupled to the gasifier and at least a portion of the char formed in the gasifier is transferred to the gas reforming system and used as a catalyst. Is done. In embodiments using char as the catalyst, the catalyst bed is placed in front of the activation zone, such as typically provided by a plasma torch.
FIG. 49 shows a fixed bed of char used as a catalyst in the reforming chamber. The char used as the catalyst can be obtained from a gasifier as shown in FIG. This can be particularly applied when the gas reforming chamber is operably connected to the gasifier and used to reform the gas produced therefrom. When the char loses its catalytic properties, it can be moved to a residue conditioning chamber or carbon converter.
FIG. 51 shows an exemplary configuration of a gasifier operably coupled to a plasma torch-based gas reforming chamber, wherein the char formed in the gasifier is an off-gas catalyst formed by gasification. Assist with cracking. The catalyst cracking achieved in the latter stage of the gasifier is followed by further gas reforming by exposing the gas to the gas activation region formed by the plasma torch. Various types of gasifiers that can be readily understood by those skilled in the art, such as fluidized bed gasifiers and entrained flow gasifiers, can also be utilized.
In one embodiment of the present invention, the initial gas is heated to a temperature of 900-950 ° C. and passed over a nickel-based catalyst whereby light hydrocarbons including tar composition and methane are converted to CO and H.2Is converted to Nickel-based catalysts can be particularly useful when the initial gas contains a minimal amount of sulfur species (such as hydrogen sulfide) such as, for example, gas produced by biomass gasification. The life of the nickel-based catalyst can be extended by using a promoter such as a rare metal.
In one embodiment of the present invention shown in FIG. 52, a catalyst bed is attached immediately after the gasifier to convert most of the volatile materials. The temperature of the catalyst bed inlet can be raised to 600-950 ° C. by burning a small amount of volatile material. The temperature at the catalyst bed outlet is expected to drop to 850 ° C. and the exhaust gas is fed to the gas activation zone for further reforming. The gas activation zone can be operated at 1000 ° C. for this purpose, and the resulting synthesis gas is sent to a recuperator to initiate the subsequent gas purification process.
In one embodiment of the invention shown in FIG. 53, volatile material from the gasifier passes through a gas activation zone that is at a temperature between about 900 ° C. and about 1000 ° C. A catalyst bed is used for further reforming. The temperature of the synthesis gas is expected to drop to 850 ° C. at the catalyst bed outlet. The gas is then sent to a recuperator that forms part of a heat exchanger or gas stabilization zone.
In one embodiment of the invention shown in FIG. 54, heat recovery is achieved before the catalyst bed. Most of the volatile material from the gasifier is reformed at a temperature of about 1000 ° C. in the gas activation zone. The hot output gas passes through a heat exchanger (ie, a recuperator) to preheat the process air, at which point the temperature drops to about 700 ° C. Thereafter, the cooled synthesis gas is heated to 900 ° C. by burning a minute amount thereof and supplied to the catalyst bed. The synthesis gas obtained at 850 ° C. is optionally sent for further gas purification.
In embodiments where the catalyst bed is installed before the activation zone, the temperature of the gas is typically suitable for high catalyst activity. However, in embodiments where the catalyst bed is after the activation zone (such as generated by a plasma torch), the gas temperature may be too high for olivine, dolomite, and many other typical catalysts. . As shown in FIG. 55, the circulation of the coolant can reduce the gas temperature to an appropriate level (to avoid deterioration of the catalyst bed). Suitable coolants may include, but are not limited to, recycled reformed gas (shown in the embodiment of FIG. 56), water, and steam.
In embodiments where the catalyst bed is after the recuperator (heat exchanger), the recirculated steam of the reformed gas can be inserted either before or after the recuperator.
In one embodiment of the invention, the improvement zone includes a catalyst bed and the catalyst manipulator is designed to facilitate exposure of the pre-blended gas and / or gas during reforming to the catalyst bed.
Gas stabilization zone
The system provides one or more stabilization zones, whereby newly formed molecules are deactivated (eg, to ensure that desired characteristics such as the designed chemical composition are maintained). , Cooled, or unaffected by the catalyst or activation source).
The temperature of the gas entering the stabilization zone varies from about 400 ° C. to over 1000 ° C. The temperature can optionally be lowered by a heat exchange system in the stabilization zone of the gas reforming system that recovers heat from the reformed gas and thus cools the reformed gas. Such a decrease in gas temperature may be required for downstream applications and components.
Referring to FIG. 22B, the gas reforming chamber 3002 in the stabilization zone can be specifically shaped to facilitate inactivation and stabilization of newly formed molecules. The gas reforming chamber 3002 is generally a cylindrical chamber having a bulbous extension downstream of the plasma or optionally proximal to one or more reformed gas outlets 3006. The bulbous extension stabilizes newly formed molecules by allowing gas inactivation.
Optional heat recycling means
Heat can be recovered in the stabilization zone or downstream of the stabilization zone. The recovered heat can be used for a variety of purposes including, but not limited to: heating of process additives (eg, air, steam) for gas reforming processes; Power generation in a complex circulation system. The recovered electricity can be used to drive the gas reforming process, thus reducing the cost of local power consumption. The amount of heat that is captured depends on various factors including, but not limited to, characteristics of the initial gas and reformed gas (eg, chemical composition, flow rate).
In one embodiment of the present invention, heat recovered from the stabilization zone of the gas reforming system is supplied to a gasification system that operates with the gas reforming system. The heat exchanger can be operated with a control system that is optionally configured to minimize energy consumption and maximize energy production / recovery for increased efficiency.
In one embodiment of the invention, a gas-liquid heat exchanger is used in the stabilization zone to transfer heat from the reformed gas to the liquid, producing a heated liquid and a cooled gas. The heat exchanger includes means (eg, a conduit system) for moving the reformed gas and liquid to and from the heat exchanger. Suitable liquids include, but are not limited to air, water, oil, or another gas such as nitrogen or carbon dioxide.
The conduit system can optionally use one or more regulators (e.g., blowers) located appropriately to manage the reformate gas and liquid flow rates. These conduit systems can be designed to minimize heat loss in order to increase the amount of sensible heat that can be recovered from the reformed gas. Heat loss can be minimized, for example, by using a thermal barrier including a thermal insulation material known in the art around the conduit and / or by reducing the surface area of the conduit. is there.
In one embodiment of the present invention, the gas-liquid heat exchanger is a gas-air heat exchanger and heat is transferred from the reformed gas to air to produce heated exchange air. In one embodiment of the present invention, the gas-liquid heat exchanger is a heat recovery steam generator, where heat is transferred to water to produce heated water or steam.
Various classes of heat exchangers can be used, including shell and tube heat exchangers (both straight single path designs and U-shaped multiple path designs), and plate heat exchangers. The selection of a suitable heat exchanger is within the knowledge of those skilled in the art.
Because particulate matter can be present in the gas, gas-air heat exchangers are typically designed for high particle loading. The particle size can typically vary from about 0.5 to about 100 microns. In one embodiment shown in FIG. 58, the heat exchanger is a single path vertical heat exchanger 5104B, with reformed gas 5020 flowing to the tube side and air 5010 flowing to the shell side. The reformed gas 5020 flows vertically through the “through-flow” design, minimizing areas where deposition and erosion can occur from particulate matter. The rate of the reformed gas should be maintained at a rate that minimizes erosion while being sufficient for self-cleaning and can vary from about 3000 to about 5000 mm / sec.
Due to the large temperature difference between the air inlet temperature and the hot product gas, each tube of the gas-air heat exchanger preferably has an individual expansion bellows to avoid tube rupture. Tube rupture can occur when a single tube is clogged and cannot be further expanded / stretched with the remaining tube bundle. In these embodiments where the air pressure is higher than the pressure of the reformed gas, tube rupture represents a greater risk due to problems caused by air entering the gas mixture.
After heat is recovered in the gas-liquid heat exchanger, the cooled reformed gas may still contain too much heat for further downstream systems. The selection of a suitable system for further cooling the product gas prior to conditioning is within the knowledge of those skilled in the art.
In one embodiment, as shown in FIG. 59, hot reformed gas 5020 passes through gas-air heat exchanger 5103 to produce partially cooled reformed gas 5023 and heated exchange air 5015. To do. The input of air to the heat exchanger can be supplied by a process air blower. The partially cooled reformed gas 5023 undergoes a dry fire extinguishing step 6103 and the addition of a controlled amount of spray water 6030 results in a further cooled product gas 5025.
Cooling of the reformed gas can also be achieved using wet, dry, or hybrid cooling systems. The wet and dry cooling systems can be direct or indirect. Appropriate cooling systems are known in the art, and those skilled in the art will be able to select an appropriate system in view of system requirements.
In one embodiment, the cooling system is a wet cooling system. The wet cooling system can be direct or indirect. A cooling system using indirect wet cooling provides a circulating cooling water system that absorbs heat from the reformed gas. Heat is released into the atmosphere by evaporation through one or more cooling towers. Alternatively, water vapor is condensed and returned to the system in a closed loop to promote water saving.
In one embodiment, the cooling system is a dry cooling system. The dry cooling system can be direct or indirect. In one embodiment, the dry cooling system is a ventilated dry cooling system. Dry cooling costs some equipment but may be preferable in areas where water supply is limited.
In one embodiment, the syngas cooler is a radiant gas cooler. Various radiant gas coolers are known in the art, including those described in US Patent Application No. 20070119577 and US Patent No. 5,233,943.
The reformed gas may be cooled by direct water evaporation in evaporated XXXX, such as a quenching agent.
The reformed gas outlet temperature recirculates the cooled reformed gas to the stabilization zone of the gas reforming system via an appropriately located inlet for mixing with the newly generated reformed gas. Depending on the situation, it can also be cooled.
Optional gas additive zone
The chamber optionally has one or more process additive ports for injecting process additives such as oxygen sources, carbon dioxide, other hydrocarbons, or additional gases into the chamber. May be. Sources of oxygen known in the art include, but are not limited to, oxygen, oxygen-enriched air, air, oxidizing media, steam, and other oxygen sources that can be readily understood by those skilled in the art. In one embodiment, the chamber has one or more ports for air and / or oxygen input, and optionally one or more ports for steam input.
Optional addition of process additives such as air, steam, and other gases can also be achieved without an inlet dedicated to their injection. In one embodiment of the present invention, it is possible to add process additives into the gas source or conduit from which the gas reforming system obtains its initial gas flow. Process additives can also be added to the chamber via a gas activation source such as a plasma torch.
Optionally, a port or inlet can be provided so that reformed gas that does not meet quality standards is recirculated into the chamber to be further processed. Such ports or inlets may be located at various angles and / or locations to facilitate turbulent mixing of materials within the chamber.
One or more ports may be included to allow measurement of process temperature, pressure, gas composition, and other relevant conditions.
Optionally, plugs, covers, valves and / or gates are provided to seal one or more of the ports or inlets of chamber 3002. Suitable plugs, covers, valves and / or gates are known in the art and can include manual or automatic. The port may further include a suitable seal such as a sealing gland.
Optional gas purification zone
The system optionally includes one or more gas purification zones located downstream of the gas stabilization zone. Embodiments of the present invention that include one or more gas stabilization zones incorporate means for injecting a substance into the chamber that purifies the gas prior to exiting the system. For example, oxygen and / or steam may be atomized by a high temperature resistant spray nozzle and injected into the chamber to purify the stabilized reformed gas.
Optional additional processing
The stabilized reformed gas stream can be further processed before being utilized, stored or burned in downstream applications. For example, the reformed gas can be passed through a gas conditioning system where particulate matter, acid gases (HCl, H, H2S) and / or heavy metals can be removed and the temperature and / or humidity of the gas can be adjusted. For example, if dust is present, it can be removed from the gas using an innovative cleaning dust collector including an electrical filter or a cloth baghouse filter.
The reformed gas can also be passed through a homogenization chamber, and its residence time and shape are designed to facilitate mixing of the reformed gas and reduce variations in the characteristics of the gas.
Gas reforming chamber
3, and according to one embodiment of the present invention, the chamber 3002 of the gas reforming system 3000 includes one or more initial gas inlets 3004, one or more reformed gas outlets 3006, 1 One or more gas activation sources (eg, plasma sources) 3008, and optionally one or more process additive (eg, oxygen) inlets 3010, a gas manipulator (not shown), and a control system.
In the embodiment shown in FIG. 4, the gas reforming system 3000 is designed such that the chamber 3002 is directly connected to a gas source (eg, a gasifier, gas storage tank) and is in gas communication. To facilitate maintenance or repair, the gas reforming system 3000 may optionally be reversibly coupled to the gasifier so that the gas reforming system 3000 can be removed as needed. .
In one embodiment, illustrated by FIG. 5, gas reforming system 3000 is a self-supporting unit that receives initial gas from two gas sources via separate piping or conduits. In the embodiment shown in FIG. 6, the independent gas streams are integrated before being injected into the gas reforming system 3000. In a self-supporting unit, the gas reforming system can further include a suitable support structure.
An induction blower may be provided in gas communication downstream of the chamber to maintain the chamber pressure at a desired pressure, for example, a pressure of about 0-5 mbar.
The efficiency of the gas reforming process that occurs in the chamber depends on the internal volume and shape of the chamber, the gas flow rate, the distance that the gas travels through the chamber, and / or the path of the gas (ie, a straight path or swirl). Whether it is a cyclonic, spiral, or other non-linear path). Thus, the chamber must be shaped and sized to obtain the desired gas hydrodynamics therein. For example, an air jet can be used to facilitate the swirling flow of gas through the chamber so that the gas path is non-linear. An overall gas reforming system flow model to ensure that the specific chamber design facilitates the conditions required for the desired gas reforming (eg, proper interaction of process inputs). Can be used.
The one or more chambers of the gas reforming system can be designed in a variety of shapes and placed in a variety of locations, as will be readily appreciated by those skilled in the art. The chamber may be oriented substantially vertically, substantially horizontally or tilted.
In one embodiment of the invention, the chamber includes a first (upstream) end and a second (downstream) end and is oriented in a substantially vertical position or a substantially horizontal position. A straight tubular or venturi-type structure. In one embodiment of the present invention, the chamber is a linear cylinder having a length to diameter ratio in the range of about 2: 6, with a related effect on the achievable gas velocity. In one embodiment, the chamber length to diameter ratio is 3: 1.
In one embodiment shown in FIG. 60A, the chamber 3202 is configured to be directly coupled to the gasifier and is a straight, substantially vertical, refractory lined, lidded, cylindrical shape. The structure has an open bottom (upstream) end 3204 and one reformed gas outlet 3206 proximal or at the top (downstream) end of the chamber. The upper (downstream) end of the chamber may be covered with a refractory lined lid 3203 that may be removably sealed to the chamber to facilitate maintenance or repair.
The chamber walls may be lined with a refractory material or manufactured to withstand high temperatures. The chamber may be covered with a water jacket for cooling and / or generation of steam, or recovery of usable torch heat. The chamber can have multiple walls, along with a cooling mechanism for heat recovery, and the gas reforming system can be a heat exchanger for high pressure / high temperature steam generation, or other heat recovery function. Can be included.
Conventional refractory materials that are suitable for use in high temperature unpressurized chambers are known to those skilled in the art and include high temperature fired ceramics, ie, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum silicate, boron nitride, zirconium phosphate, glass ceramic, High alumina bricks, mainly including silica, alumina, chromia and titania, include but are not limited to ceramic blankets and refractory insulating bricks. Materials such as Didier Didoflo 89CR and Radex Compacflo V253 can be used when a tougher refractory material is required.
In one embodiment, the refractory design has multiple layers with dense layers inside to withstand high temperatures, erosion, and corrosion present in the chamber, to reduce variations in gas properties Provide heat sink. The outside of the high density material is a low density material that has a low coefficient of erosion but has a high thermal insulation coefficient. Optionally, the outside of this layer is an outer ultra-low density foam material with a very high thermal insulation coefficient that can be used because it is not exposed to the corrosive environment that may be present in the chamber. is there. The multilayer design provides an outer layer between the foam plate and the container shell, which is the material of the ceramic blanket, to provide a flexible layer to allow different expansion between the solid refractory and the container shell. Optionally include. Suitable materials for use in multilayer refractories are well known in the art.
In one embodiment, the multi-layer refractory may further include a compressible refractory segment that separates sections of the incompressible refractory to allow expansion of the refractory. The compressible layer can optionally be protected from erosion by overlapping expandable high density refractories. In one embodiment, the multilayer refractory may include an inwardly oriented chromia layer, a central alumina layer, and an outer INSULBoard layer.
In some embodiments of the invention, the chamber is spanned throughout the chamber to ensure that process heat is kept maximal while being unaffected by chemical reactions of reaction intermediates formed during processing. Includes layers of up to about 17 inches or more of a specially selected refractory lining.
The refractory lining at the bottom of the chamber may tend to wear and deteriorate because it must withstand higher temperatures from the operating plasma torch heat source. Thus, in one embodiment, the lower refractory is designed to include a “working surface” refractory that is more durable than the chamber walls and upper refractory. For example, the refractories for the walls and the top can be made of DIDIER RK30 brick, and the refractories for the different “working surfaces” for the bottom can be made with RADEX COMPAC-FLO V253.
In embodiments where the chamber is lined with refractory, the walls of the chamber optionally incorporate a support for the refractory lining or refractory anchor.
The chamber can have a collector for solid particulate material. In embodiments where the chamber is operated with a gasifier, any collected material may be supplied to the gasifier for further processing or supplied to a solid residue conditioning chamber for further processing. Also good. Collectors for solid particulate material known in the art include, but are not limited to, centrifuges, internal impingement baffles, and filters. In embodiments in which the gas reforming system is directly connected to the gasifier, additional solid particulate collectors may not be necessary because the particles that are formed can partly return directly to the gasifier.
Chamber ports, inlets, and outlets
The chamber includes one or more initial gas inlets for supplying initial gas into the chamber for reforming, and one or more reformed gas outlets for passing the reformed gas further downstream. including. The inlet can include an opening, or alternatively can include a device for controlling the flow of initial gas into the chamber and / or a device for injecting the initial gas into the chamber. it can. The device can include a gas manipulator to properly inject the initial gas to promote reforming and / or can include sensing elements to measure various characteristics of the initial gas. .
The initial gas inlet can be incorporated to facilitate co-current, reverse flow, radial, tangential, or other feed flow directions. In one embodiment, the single initial gas inlet is gradually conical.
The initial gas inlet may be located at or near the first or upstream end of the chamber. In one embodiment, the inlet includes an open first end of the chamber in direct gas communication with a gas source (eg, a gasifier). In one embodiment, the inlet includes an opening located at the closed first (upstream) end of the chamber. In one embodiment, the inlet includes one or more openings in the wall of the chamber proximal to the first (upstream) end.
In embodiments where the gasifier and the gas reforming system are directly connected, the mounting location on the gasifier side for connecting the gas reforming system is such that the gas flow is optimized before entering the chamber. And / or strategically so as to maximize mixing of the initial gas. In one embodiment, the chamber is located in the center of the gasifier.
In embodiments where the chamber is connected to one or more gasifiers, the one or more initial gas inlets of the chambers are in direct communication with the one or more gasifiers via a common opening. Or it can be connected to the gasifier via piping 3009 as shown in FIG. 5 or via a suitable conduit.
The reformed gas produced in the reforming reaction exits the chamber through one or more reformed gas outlets located at or near the second or downstream end. The outlet can include an opening or, alternatively, can include a device for controlling the flow of reformed gas exiting the chamber. The device can include a sensing element for measuring various characteristics of the reformed gas.
In one embodiment, the outlet includes an open second (downstream) end of the chamber. In one embodiment, the outlet includes one or more openings located at the closed second (downstream) end of the chamber. In one embodiment, the outlet includes one or more openings in the chamber wall near the second (downstream) end.
The chamber optionally includes one or more process additive ports, one or more ports for a gas activation source, optionally one or more access ports, an observation port and / or a meter. Various ports are included, including device ports. Gas activation sources include, but are not limited to, plasma-based sources (eg, plasma torches), hydrogen burners, and optional secondary sources. Ports, inlets, and outlets can be incorporated at various angles and / or locations to facilitate reaction stream interactions within the chamber.
Control system
A control system controls and / or controls one or more processes implemented and / or performed by various systems and / or subsystems disclosed herein. May be provided to provide control of one or more process devices contemplated herein to affect In general, the control system is associated with a given system, subsystem, or component thereof, and / or a gasification in which various embodiments of the invention may be operated in or in conjunction with. It is possible to operatively control various local and / or regional processes associated with one or more global processes that are performed within a larger system, such as a system. Adjust its various control parameters, adapted to influence the process and to have a defined result. Accordingly, various sensing and response elements can be distributed throughout the control system (s) or in conjunction with one or more components thereof, and various processes, reactants, and / or Or obtain product features and compare these features to a suitable range of such features to help achieve the desired result and proceed through one or more controllable process devices It can be used to respond by implementing changes in one or more of the processes within.
The control system typically includes, for example, one or more features associated with the system (s), the process (s) performed therein, the input (s) provided thereto, And / or one or more sensing elements for sensing the product (s) produced thereby. One or more computing platforms are communicatively coupled to these sensing elements to access feature values that are representative of the detected feature (s), and the feature value (s) are Comparing these features to a predetermined range of such values defined to be suitable for the selected action and / or downstream outcome, and maintaining the feature values in this predetermined range It is configured to calculate one or more process control parameters useful for: The plurality of response elements may be operatively coupled to one or more process devices that operate to affect the system, process, input and / or output, thereby detecting the detected feature. May be communicatively coupled to the computing platform (s) for adjusting and accessing the calculated process control parameter (s) and operating the process device (s) accordingly
In one embodiment, the control system provides predictive control of various systems, processes, inputs and / or outputs related to feedback, feedforward, and / or conversion of carbonaceous feedstock to gas, Increase the efficiency of one or more processes performed in conjunction. For example, various process characteristics can be evaluated and controllably adjusted to affect these processes, including heat and / or feed composition, product gas characteristics (e.g., heat Temperature, pressure, flow, composition, carbon content, etc.), the degree of variation allowed for such characteristics, and input cost versus output values. Heat source output, additive feed (eg, oxygen, oxidant, steam, etc.), feed feed (eg, one or more separate and / or mixed feeds), gas and / or system pressure / Continuous and / or real-time adjustments to various control parameters may include, but are not limited to, flow regulators (eg, blowers, relief and / or control valves, flares, etc.) Process-related features can be implemented in a manner that is evaluated and / or optimized according to design and / or downstream standards.
In systems using pure feedforward control, changes in the system environment in the form of measured disturbances are pre-defined responses to maintain the system in the desired state, as opposed to systems using feedback control. Bring. Therefore, feedforward control may not have the problem of stability of feedback control.
Feedforward control can be very effective if the following requirements are met. The disturbance must be measurable, the effect of the disturbance on the system output must be known, and the time it takes for the disturbance to affect the output is longer than the time that the feedforward control affects the output. There must be.
While feedforward control can respond more quickly to known and measurable disturbances, it is not very useful for new disturbances. Conversely, feedback control accommodates any deviation from the desired system behavior, but requires a measured system variable (output) to react to disturbances in order to notice the deviation.
Feedforward and feedback control are not mutually exclusive and feedforward control provides a quick response, while the feedback system allows them to handle any errors in a given adjustment made by the feedforward system. Can be combined.
In one embodiment of the invention, model predictive control techniques can be used.
In corrective or feedback control, the value of a control parameter or control variable monitored via an appropriate sensing element is compared to a specified value or range. A control signal is determined based on the deviation between the two values and provided to the control element to reduce the deviation. A conventional feedback or response control system may be further configured to include adaptive and / or predictable components, the response to a given condition providing a response that is responsive to the sensed feature It is understood that while being able to be adjusted according to the modeled and / or previously monitored response, it limits potential overshoots in the compensation action. For example, acquired and / or historical data provided for a given system configuration is within a given range from the optimal value whose previous response has been monitored and adjusted to provide the desired result. It can be used cooperatively to adjust the response to the system and / or process characteristics to be detected as much as possible. Such adaptive and / or predictable control schemes are well known in the art and as such are not considered to depart from the general scope and spirit of the present disclosure.
Alternatively and in addition, the control system may ensure that proper operation is performed and, optionally, if regulatory standards are applied, the process (s) performed thereby will thereby regulate the regulation. To ensure that it is within the criteria, it can be configured to monitor the operation of various components of a given system.
According to one embodiment, the control system can be further used in monitoring and controlling the overall energy impact of a given system. For example, a given system may increase the recovery (eg, waste heat) of energy generated by, for example, or by optimizing one or more of the processes performed thereby. Can be manipulated so that its energy impact is reduced or minimized again. Alternatively, and in addition, the control system may determine the composition and / or other characteristics (eg, temperature, pressure, flow, etc.) of the product gas produced through the controlled process Not only is it suitable for downstream use, but can be configured to adjust to be substantially optimized for efficient and / or optimal use. For example, in embodiments where the product gas is used to drive a given type of gas engine for the generation of electricity, these features are best suited for optimal input features for such engines. As such, the characteristics of the product gas can be adjusted.
In one embodiment, the limits or performance guidelines relating to the residence times of the reactants and / or products in the various components or to the various processes of the overall process are met and / or optimized. The control system can be configured to regulate a given process. For example, the speed of the upstream process can be controlled to substantially match one or more subsequent downstream processes.
Further, in various embodiments, the control system can be adapted for sequential and / or simultaneous control of various aspects of a given process in a continuous and / or real-time format.
In general, the control system can include any type of control system architecture that is suitable for the application at hand. For example, the control system can include a substantially centralized control system, a distributed control system, or a combination thereof. A centralized control system is usually controlled by separately detecting a centralized controller configured to communicate with various local and / or remote sensing devices and various features associated with the controlled process. A response element configured to respond to it via one or more controllable process devices configured to directly or indirectly affect the process. Most of the hardware and / or software required to implement process control is achieved because most calculations are performed centrally through a centralized processor (s) using a centralized architecture. Located in the same place.
Distributed control systems typically can communicate with separate sensing and response elements to monitor local and / or regional features, so as to affect local processes or sub-processes It includes two or more distributed controllers responsive to it via configured local and / or regional process devices. Communication can occur between the distributed controllers via various network configurations, and features detected via the first controller can communicate with the second controller for a response therein And such a distal response can affect the feature sensed at the first location. For example, the characteristics of the downstream product gas can be detected by a downstream monitoring device and can be adjusted by adjusting control parameters associated with the converter controlled by the upstream controller. In a distributed architecture, control hardware and / or software is also distributed among the controllers, and the same but modular control scheme can be implemented on each controller, or various collaborative modular control schemes can be implemented. It can be implemented in each controller.
Alternatively, the control system can be subdivided into separate but communicatively coupled local, regional, and / or global control subsystems. Such an architecture allows a given process or series of interrelated processes to occur and can be controlled locally with minimal interaction with other local subsystems. To do. In doing so, each global master control system communicates with a separate local control subsystem to support the adjustments necessary for local processes for global results.
The control system of the present invention can use any of the above architectures or any other architecture generally known in the art that is considered to be within the general scope and spirit of the present disclosure. It may be used. For example, the processes controlled and implemented in the context of the present invention are optional external to any centralized and / or remote control system used for the associated upstream or downstream process, if applicable. It can be controlled in a dedicated local environment with communication. Alternatively, the control system can include regional and / or global control system sub-components designed to coordinately control regional and / or global processes. For example, a modular control system provides interactive communication between modules as needed for regional and / or global control while the control module interactively controls various subcomponents of the system. Can be designed to
The control system is typically a centralized networked and / or distributed one or more processors, one or more inputs for receiving the latest features detected from various sensing elements. , And one or more outputs for communicating new or updated control parameters to various response elements. One or more computing platforms of the control system may include various predetermined and / or readjusted control parameters, characteristic operating ranges of set or preferred systems and processes, system monitoring and control software, operating data One or more local and / or remote computer readable media (eg, ROM, RAM, removable media, local and / or network access media, etc.) Can also be included. Optionally, the computing platform can also have access to process simulation data and / or system parameter optimization and modeling means, either directly or via various data storage devices. The computing platform also includes one or more optional graphical user interfaces and inputs to provide management access to the control system (system upgrades, maintenance, modifications, adaptation to new system modules and / or equipment, etc.) Various optional output peripherals for communicating data and information with peripherals and external sources (eg, modems, network connections, printers, etc.) may also be provided.
Any one of the processing system and the sub-processing system can exclusively include hardware or any combination of hardware and software. Any of the sub-processing systems may be one or more proportional (P), integral (I), or differential (D) controllers, such as, for example, a P-controller, I-controller, Pi-controller, PD controller, PID controller, etc. Any combination of the above may be included. For those skilled in the art, the ideal combination of P, I, and D controllers is the dynamics and delay times of some of the reaction processes of the gasification system, the range of operating conditions and combinations that the combination is intended to control It will be understood that it depends on the dynamics of the controller and the delay time. Those skilled in the art will recognize that these combinations continuously monitor the value of the feature via the sensing element and control each to make sufficient adjustments to reduce the difference between the observed value and the specified value. It will be apparent that it can be implemented in the form of an analog wiring connection that can be compared to a specified value via the response element so as to influence the element. It will be further apparent to those skilled in the art that the above combinations can be implemented in a mixed digital hardware software environment. The additional optional sampling, data acquisition, and related effects of digital processing are well known to those skilled in the art. Combination control of P, I, and D can be implemented in feedforward and feedback control schemes.
Control element
As defined and explained above, sensing elements contemplated within this context include gas chemical composition, product gas flow rate and temperature monitoring elements, temperature monitoring elements, pressure monitoring elements, gas Can include, but is not limited to, elements that monitor various parameters associated with opacity and gas activation sources (eg, power and position).
H obtained in reformed gas2: CO ratio depends on operating conditions (pyrolysis or sufficient O2/ With air), processing temperature, moisture content, and initial gas H2: Depends on various factors not limited to C0 ratio. Gasification techniques typically vary from a maximum of about 6: 1 to a minimum of about 1: 1 H.2: Generates CO ratio gas and is ideal for downstream applications2: Determines the CO ratio. In one embodiment, the resulting H2The ratio of: CO varies from about 1.1 to about 1.2. In one embodiment, the resulting H2The ratio of: CO is 1.1: 1.
Taking into account one or more of the above factors, the control system of the present invention can apply an applied gas activation region (eg, plasma torch heat) and a process additive (eg, air, oxygen, carbon, steam). By adjusting the balance of the reformed gas, the reformed gas composition can be optimized for a particular downstream application, allowing the reformed gas composition to be H2: Adjust within the range of CO ratio.
Several operating parameters are monitored periodically or continuously to determine whether the gas reforming system is operating at an optimal set point range. The monitored parameters vary according to chemical composition, reformate gas flow rate and temperature, temperature at various points in the system, system pressure, and gas activation source (eg, plasma torch power and position). The parameters can include, but are not limited to, the data is used to determine whether the system parameters require adjustment.
Reformed gas composition and opacity
The product gas can be extracted and analyzed as a sample using methods well known to those skilled in the art. One method that can be used to determine the chemical composition of the product gas is gas chromatography (GC) analysis. Extraction points for these analyzes can be located throughout the system. In one embodiment, the composition of the gas is measured using a Fourier Transform Infrared (FTIR) analyzer that measures the infrared spectrum of the gas.
Part of the present invention is to determine whether there is too much or too little oxygen present in the reformed gas stream and adjust the process accordingly. In one embodiment, an analyzer or sensor in the carbon monoxide stream detects the presence and concentration of carbon dioxide or other suitable reference oxygen-enriched material. In one embodiment, oxygen is measured directly.
In one embodiment of the present invention, a thermogravimetric analyzer (TGA) can be used.
In one embodiment, the sensor analyzes the reformed gas composition for carbon monoxide, hydrogen, hydrocarbons, and carbon dioxide. Based on the analyzed data, the controller sends a signal to the oxygen and / or steam inlet and / or gas activation source (s) to control the amount of oxygen and / or steam injected into the chamber. Signal).
In one embodiment, one or more optional opacity monitors are mounted within the system to provide real-time feedback of opacity, thereby reducing the particulate matter below the maximum allowable concentration. In order to maintain the level, an optional mechanism for automation of process additive (primarily steam) input is provided.
Temperature at various locations in the system
In one embodiment, means are provided for monitoring the temperature of the reformed gas and temperatures throughout the system, and such data is continuously acquired. The means for monitoring the temperature in the chamber can be located, for example, on the outer wall of the chamber, or inside the upper refractory, in the middle and lower part of the chamber. A sensor for monitoring the outlet temperature of the reformed gas is also provided.
In one embodiment, the means for monitoring the temperature uses thermocouples installed in several places in the system as required.
System pressure
In one embodiment, means are provided for monitoring the pressure in the chamber, and such data is continuously acquired on a real-time basis. In further embodiments, these pressure monitoring means include pressure sensors, such as pressure transducers or pressure taps, which may be located anywhere on the reaction vessel (eg, the vertical wall of the reaction vessel).
Gas flow rate
In certain embodiments, means are provided for monitoring reformate flow rates throughout the system, such data being acquired continuously.
Variations in gas flow may be the result of non-uniform conditions (eg, torch failure, malfunction due to electrode changes, or other support equipment failure). As a first aid, gas flow fluctuations can be corrected by feedback control of blower speed, material feed flow, secondary feed, air, steam, and torch output. If gas flow fluctuations persist, the system may be shut down until the problem is resolved.
Addition of process additives
In certain embodiments, the control system includes a response element for adjusting the reactants, including any process additives, to manage chemical reforming of the initial gas to the reformed gas. For example, process additives can be supplied to the chamber to facilitate efficient reforming of an initial gas of a particular chemical composition into a reformed gas of a different desired chemical composition.
In one embodiment, steam and / or oxygen injection is reduced when the sensor detects excess carbon dioxide in the reformed gas.
As defined and explained above, response elements contemplated in this context are process-related that are configured to affect a given process by adjusting a given control parameter associated with the given process. The device can include, but is not limited to, various control elements operably coupled. For example, an operable process device via one or more response elements in the present context may include elements that regulate the oxygen source (s) input and the gas activation source (s). However, it is not limited to these.
Adjustment of gas activation area (eg power supply to torch)
The gas activation area can be changed. In one embodiment, the heat of the plasma torch is controlled to promote the reaction. The addition of air into the chamber also bears a portion of the torch's thermal load by burning the reformed gas and releasing the torch's thermal energy. The process air flow rate is adjusted to keep the torch power in a suitable operating range.
In one embodiment, the output of the plasma torch is adjusted to stabilize the reformed gas outlet temperature at a design set point. In one embodiment, the design set point is above 1000 ° C. to promote complete decomposition of tar and soot in the gas.
Pressure adjustment in the system
In one embodiment, the control system includes a response element for controlling the internal pressure of the chamber. In one embodiment, the internal pressure is maintained at a negative pressure, i.e., slightly below atmospheric pressure. For example, the chamber pressure can be maintained under a vacuum of about 1-3 mbar. In one embodiment, the system pressure is maintained at a positive pressure.
An exemplary embodiment of such means for controlling internal pressure is provided by an induction blower in gas communication with a gas reforming system. In this way, the induction fan used maintains the system at positive pressure. In systems where positive pressure is maintained, a command may be given to operate at a lower RPM than in the case of negative pressure, or a compressor may be used.
Depending on data acquired by pressure sensors located throughout the system, depending on whether the pressure in the system is increasing (fan is accelerating) or decreasing (fan is decelerating) The speed of the induction fan is adjusted.
Furthermore, the process of the present invention allows the system to be maintained at a slightly negative pressure rather than atmospheric pressure to prevent gas being released into the environment.
The pressure can be stabilized by adjusting the speed of the reformed gas blower. Optionally, at a speed below the blower's minimum operating frequency, secondary control takes precedence and adjusts the recirculation valve instead. Once the recirculation valve is fully closed, primary control is again involved.
Example 1
This example shows an example of a gas manipulator designed to be incorporated into an existing gas reforming chamber design. FIG. 60A shows a gas reforming system (GRS) 3200 designed to be directly coupled to a gasifier that is horizontally oriented and lined with refractory.
The gas passes through the gas outlet of the gasifier and is hermetically coupled to the gasifier via a mounting flange 3214 that connects the gas outlet of the gasifier directly to the GRS single cylinder input gas inlet. Into the GRS3200. Air is injected into the input gas stream through the swivel port 3212, creating a swirling motion or turbulence in the input gas stream, thereby mixing the input gas and forming a vortex that recirculates in the GRS. The residence time of the gas in the GRS is about 1.2 seconds.
Referring to FIG. 60A, the GRS has a length-to-diameter ratio of about 3: 1 and has a substantially cylindrical input gas inlet with a gasifier connected through a mounting flange 3214. And has a cylindrical chamber lined with refractory and attached to the. The chamber is covered with a refractory lined lid 3203, thereby forming a sealed gas reforming chamber 3202.
The gas reforming chamber includes one or more ports for heater 3216, one or more ports for one or more oxygen sources 3210, and optionally one or more access or observation ports. It has various ports, including 3326 and / or instrumentation port 3226. The gas reforming chamber also includes a lifting point 3230.
The refractory used on the walls of the chamber is an inner high density layer that is resistant to the high temperatures, erosion, and corrosion present in the chamber, an intermediate low density material layer that is less resistant but has a higher thermal insulation coefficient, And a multilayer design with an outer ultra-low density foam plate layer with a very high thermal insulation coefficient. The outer layer between the foam plate and the container steel shell is a ceramic blanket material that provides a flexible layer to allow different expansion between the solid refractory and the container shell. The up and down expansion of the refractory is provided by a layer of compressible refractory that separates portions of the incompressible refractory. The compressible layer is protected from erosion by a high density refractory that is overlapping but expandable.
Referring to FIG. 60B, the gas reforming chamber further includes a refractory support system that includes a series of circumferential expansion shelves 3220. Each shelf is divided and includes a gap to allow for expansion. Each shelf segment 3222 is supported by a series of support brackets 3224.
In this GRS embodiment, the one or more inputs for the one or more oxygen sources include air and steam inputs.
The GRS further comprises a three-stage air nozzle arranged tangentially, two plasma torches located tangentially, six thermocouple ports, two burner ports, two pressure transmitter ports, and several spare ports.
The air is in the upper level, with the three jets slightly higher than the other three so as to form a cross jet mixing effect to achieve better mixing with the lower level four jets 3212. It is injected into the gas stream by a three stage air nozzle containing another six jets 3211.
The GRS further includes a 300 kW, water-cooled, copper electrode, two NTAT DC plasma torches mounted tangentially on the sliding mechanism. Two plasma torches are located above the air nozzle to provide maximum exposure to the heat of the plasma torch.
The plasma power source converts the three-phase AC power of each plasma torch into DC power. As an intermediate step, the unit first converts the three-phase AC input to a single high frequency phase. This allows better linearization of the final DC power in the chopper section. The unit allows the output DC voltage to be varied in order to maintain a stable DC current.
Referring to FIG. 37, each plasma torch 3208 is mounted on a sliding mechanism that can move the torch 3208 in and out of the gas reforming chamber. The torch 3208 is sealed in the gas reforming chamber 3202 by a sealing gland. This gland is sealed with respect to the gate valve and thus is mounted on and sealed to the container. In order to remove the torch 3208, the torch 3208 is pulled out of the reforming chamber 3202 by a sliding mechanism. The first movement of the slide turns off the high voltage torch power for safety purposes. When the torch 3208 is withdrawn and past the valve, the gate valve automatically closes and the coolant circulation is stopped. The hose and cable are disconnected from the torch 3208, the gland is released from the gate valve, and the torch 3208 is lifted by the hoist.
The replacement of the torch 3208 may be performed using the reverse of the above procedure, and the sliding mechanism may be adjusted to change the insertion depth of the torch 3208. The gate valve is mechanically operated so that the operation is automatic. A pneumatic actuator 3233 is used to automatically retrieve the torch if the cooling system fails. Compressed air for operating the actuator is supplied from a dedicated air reservoir so that power is always available even in the event of a power failure. The same reservoir provides air for the gate valve 3234. By preventing the high voltage torch from approaching the connection, an electrically interlocked cover is used as an additional safety feature.
Thermocouples are placed at various positions in the gas reforming chamber so that the temperature of the reformed gas in the GRS is maintained at about 1000 ° C., and below this temperature, power or air to the plasma torch Injection is increased.
In this example, the airflow entering the GRS may be dynamically changed to adjust the temperature and process generated at each stage of the gasifier and / or GRS.
Molecules in the gaseous mixture in the gas reforming chamber dissociate into their constituent elements in the plasma arc zone and are subsequently improved to the reformed gas. Hot reformed gas flows out of the GRS through the reformed gas outlet 3206.
Gas manipulators are also designed to enhance gas reforming processes by enhancing exposure to reactive species formed by plasma torches and mixing of reaction intermediates produced by such exposure, as well as large hydrocarbons. Designed to achieve the highest molecular degradation rate.
69 and 70, the gas manipulator is located substantially above the center of the gas reforming chamber, the air nozzle and the two plasma torches. Thus, the initial gas received from the gasifier is mixed with the air introduced through the air nozzle at a high injection rate.
The shape of the gas manipulator is shown in FIGS. The pre-blended gas obtained by mixing the initial gas from the gasifier and the injected air, and the ionized gas of the plasma torch are forced to pass through the two channels by the design of the gas manipulator. . Since the plasma torch is located substantially at the inlet of the channel, the pre-blended gas is exposed to the maximum in the gas activation region formed by the plasma torch.
The temperature of the gas in the channel of the gas manipulator is about 1100 ° C. The gas passing through these channels changes the direction of the flow when hitting the deflector shown in FIG. 66, resulting in continuous mixing. The deflector also helps maintain the heat in the channel of the gas manipulator, thus allowing for enhanced gas reforming reaction rates.
Referring to FIG. 67, the beveled surface of the gas manipulator inlet facilitates the separation of particulate matter from the gas stream.
As shown in FIG. 68, the gas manipulator has a steel structure lined with a refractory. The steel structure is cooled by air. Cooling air is introduced through three support pipes. Cooling air passes through an empty chamber inside to cool the steel structure. The heated cooling air returns to the basic process via a nozzle at the bottom of the gas manipulator chamber.
The cooling air flow rate is controlled to keep the steel surface as hot as possible (close to the chimney) but still maintain the strength of the steel below a fairly good temperature of 550 ° C.
Having described the invention in this way, it will be apparent that the invention may be varied in many ways. Such modifications are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the invention, and all such modifications that would be apparent to a person skilled in the art are included within the scope of the following claims. Is intended.
Embodiments of the invention that claim exclusive ownership or privilege are defined below.

Claims (15)

初期ガスを、設計された特徴を有する改質ガスに改質するためのシステムであって、
a)前記初期ガスの少なくとも1つの特徴を検知するための手段と、
b)前記初期ガスの前記少なくとも1つの特徴と、前記改質ガスの前記設計された特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するための手段と、
c)前記初期ガスの気体分子の実質的大部分を前記改質ガスに改質するのに十分である、1つもしくは複数のエネルギー源を適用するための手段と、
d)前記改質を促進するための手段と、
e)前記改質ガスを安定化するための手段と、
f)制御システムと、
を含む、システム。
A system for reforming an initial gas into a reformed gas having designed characteristics,
a) means for detecting at least one characteristic of the initial gas;
b) means for modifying a process input for reforming based on the at least one characteristic of the initial gas and the designed characteristic of the reformed gas;
c) means for applying one or more energy sources sufficient to reform substantially the majority of gas molecules of the initial gas to the reformed gas;
d) means for promoting the reforming;
e) means for stabilizing the reformed gas;
f) a control system;
Including the system.
プロセス投入物を改変するための前記手段が、適量のプロセス添加剤を添加するための手段を含む、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the means for modifying a process input comprises means for adding an appropriate amount of a process additive. 初期ガスを、所望の特徴を有する改質ガスに改質するためのプロセスであって、以下のステップ、
a)前記初期ガスの少なくとも1つの特徴を検知するステップと、
b)前記初期ガスの前記検知された特徴と、産出ガスの所望の特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するステップと、
c)気体分子の大部分を、それらの構成原子に改質するために十分であるガス賦活領域を適用するステップと、
d)前記構成原子を設計された特徴を有する改質ガスに改質するための、効率的なプロセスの加速を促進するステップと、
e)新しく形成された分子の非励起および安定化を促進して、前記設計された特徴を維持するステップと、
f)初期ガスの産出ガスへの効率的な変換を管理するステップ
のうちの1つもしくは複数のステップを含む、プロセス。
A process for reforming an initial gas into a reformed gas having desired characteristics, comprising the following steps:
a) detecting at least one characteristic of the initial gas;
b) modifying a process input for reforming based on the detected characteristics of the initial gas and the desired characteristics of the output gas;
c) applying a gas activation region that is sufficient to modify the majority of the gas molecules to their constituent atoms;
d) facilitating efficient process acceleration to reform the constituent atoms into a reformed gas having designed characteristics;
e) promoting de-excitation and stabilization of newly formed molecules to maintain the designed features;
f) A process comprising one or more of the steps of managing the efficient conversion of the initial gas to the output gas.
改質のためのプロセス投入物を改変するステップが、適量のプロセス添加剤を添加するステップを含む、請求項3に記載のプロセス。 4. The process of claim 3, wherein modifying the process input for reforming comprises adding an appropriate amount of process additive. ガスの改質のためのシステムであって、
a)ガス改質プロセスの開始のための1つもしくは複数のエネルギー源と、
b)前記ガス改質のプロセス全体を通したエネルギー移動の最適化のための1つもしくは複数のガスマニピュレータと、
を含み、
前記1つもしくは複数のエネルギー源および前記1つもしくは複数のガスマニピュレータは、ガス改質率を最適化するように統合される、システム。
A system for gas reforming, comprising:
a) one or more energy sources for initiation of the gas reforming process;
b) one or more gas manipulators for optimization of energy transfer throughout the gas reforming process;
Including
The system wherein the one or more energy sources and the one or more gas manipulators are integrated to optimize the gas reforming rate.
ガス改質システムであって、
a)1つもしくは複数のガス改質ゾーンと、
b)1つもしくは複数のガス安定化ゾーンと、
c)全体的なプロセスを調整する制御システムと、
d)任意選択的に1つもしくは複数のガス添加剤ゾーン、および/または
e)任意選択的に1つもしくは複数のガス浄化ゾーンと、
を含み、
前記初期ガスの大部分が設計された組成のガスに改質されるように、前記システムの前記ゾーンが配設および制御される、ガス改質システム。
A gas reforming system,
a) one or more gas reforming zones;
b) one or more gas stabilization zones;
c) a control system that coordinates the overall process;
d) optionally one or more gas additive zones, and / or e) optionally one or more gas purification zones;
Including
A gas reforming system in which the zones of the system are arranged and controlled such that a majority of the initial gas is reformed to a designed composition gas.
初期ガスの改質のための方法であって、以下のステップ、
(a)前記初期ガスをガス改質チャンバに送達するステップと、
(b)投入ガスを少なくとも1つのプロセス添加剤と混合して、事前配合ガスを作製するステップと、
(c)前記事前配合ガスをガス賦活領域に曝露することによって、前記ガス内の分子をそれらの構成原子に解離させるステップと、
(d)前記構成原子を、設計された化学組成の分子種に改良することによって、前記改質ガスを生成するステップと、
(e)前記チャンバから前記改質ガスを除去するステップと、
を含む、ステップ。
A method for reforming an initial gas comprising the following steps:
(A) delivering the initial gas to a gas reforming chamber;
(B) mixing the input gas with at least one process additive to produce a pre-blended gas;
(C) dissociating molecules in the gas into their constituent atoms by exposing the pre-blended gas to a gas activation region;
(D) generating the reformed gas by modifying the constituent atoms to molecular species of a designed chemical composition;
(E) removing the reformed gas from the chamber;
Including steps.
前記ガス賦活領域が、1つもしくは複数のプラズマトーチによって形成される、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the gas activation region is formed by one or more plasma torches. 前記チャンバから前記改質ガスを除去する前に、前記改質ガスをガス安定化ゾーンに曝露するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, further comprising exposing the reformed gas to a gas stabilization zone prior to removing the reformed gas from the chamber. 前記改質が、ガスマニピュレータによって強化される、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the modification is enhanced by a gas manipulator. 初期ガスの改質ガスへの改質のためのシステムであって、
1つもしくは複数の耐火物で内張りされたチャンバであって、
前記初期ガスを受け取るための1つもしくは複数の入口と、
前記改質ガスを放出するための1つもしくは複数の出口と、
前記チャンバと流体連通する1つもしくは複数のプロセス添加剤入口と、
前記1つもしくは複数のチャンバ内に配置される1つもしくは複数のガスマニピュレータと、を有するチャンバと、
前記1つもしくは複数のチャンバ内のガス賦活領域を形成するための手段と、
を含む、システム。
A system for reforming an initial gas to a reformed gas,
A chamber lined with one or more refractories,
One or more inlets for receiving said initial gas;
One or more outlets for releasing the reformed gas;
One or more process additive inlets in fluid communication with the chamber;
One or more gas manipulators disposed within the one or more chambers;
Means for forming a gas activation region in the one or more chambers;
Including the system.
前記ガス賦活領域を形成するための手段が、1つもしくは複数のプラズマトーチである、請求項11に記載のシステム。 The system of claim 11, wherein the means for forming the gas activation region is one or more plasma torches. 前記1つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記チャンバ内で乱流を増加させる、請求項11または12に記載のシステム。 13. A system according to claim 11 or 12, wherein the one or more gas manipulators increase turbulence in the chamber. 前記1つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記チャンバ内の流体力学を変更する、請求項11または12に記載のシステム。 13. A system according to claim 11 or 12, wherein the one or more gas manipulators alter fluid dynamics in the chamber. 前記1つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記事前配合ガスの、前記ガス賦活領域への曝露を改善する、請求項11または12に記載のシステム。 13. A system according to claim 11 or 12, wherein the one or more gas manipulators improve the exposure of the pre-blended gas to the gas activation area.
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