TW201446960A - 用於生產再生能源之如生質等有機材料之一段式大氣壓力熱催化電漿氣化及玻化技術 - Google Patents

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Abstract

一種用於有機材料之一段式熱催化電漿氣化及玻化技術的裝置，其包含：一個大體而言為漏斗形的反應器，其具有上區段和下區段，該下區段包含第一、較廣闊的部件，其由圓錐形的變口體(frustoconical transition)連接至第二、較狹窄的部件，且適合容納觸媒床，以及該上區段具有至少一個氣體排出口；供用於來自多個方向的該材料之多個入口，座落於該下區段的上部處，用於導入材料至該下區段的該上部處；環繞該下區段配置的氣體入口系統，以經由該下區段內的一個或多個進口提供氣體至該下區段之內；以及架置於該下區段之多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及材料，連同一種生質的電漿處理方法。

Description

用於生產再生能源之如生質等有機材料之一段式大氣壓力熱催化電 漿氣化及玻化技術 發明領域
本揭示係有關於一種藉著使用非轉移電漿電弧加熱技術來氣化的技術，而從有機材料，尤其是燃料之生質來源，例如廢棄物，包括城市固體廢棄物(MSW)以及工業廢棄物、農業廢棄物等等，來製造一種用於生產再生能源之合成性氣體(synthetic gas)(合成氣(syngas))的裝置以及方法，該等再生能源包括：電、運輸的液態燃料、蒸汽等等。
發明背景
來自UN、IPCC、EPA以及其他的公共機構之研究證實，因為消耗量以驚人的速度增加且加上增加的人口以及工業化，能量需求在全世界變成了一個嚴重且決定性的議題。不幸地，多數的世界能量係從煤燃燒或是其他化石燃料來生產，其等已經證實會導致溫室氣體驚人的增加以及隨後的全球暖化。再結合例如中國和印度，人口眾多 的國家之快速的發展與能源的需求，此情況已經導致油和煤氣激增至記錄位準。此外，因多數的油和煤氣位處於地理政治不安定的國家，對於美國及多數西方國家而言為了能源安全的原因，有進一步的誘因要從原地的原料開發替代方案。
對於所有以上的議題而言，清楚且無可置疑的解決方案為發展綠色以及替代的能源。此已經導致全世界的風能以及太陽能之快速發展；然而，此等二種能源在本質上為時斷時續的，以及取決於地理以及天氣，但是最重要地，其等並沒有滿足運輸燃料的議題。能提供可靠的能量之再生能源的唯一來源，不管是電或是液態燃料的形式，是生質。
在全世界，越來越多的生質，不管是城市或工業的生質、農業的殘餘物、生質等等，被拋棄或是仍然未加利用，釋放甲烷於大氣中。估計甲烷對環境有害的影響力為二氧化碳的二十一倍。再者，由於過去的數十年低劣的生質管理方法，連同污染性能源生產技術，例如燒煤，二氧化碳和溫室氣體排放持續地增加導致全球的生命週期評析變得惡化。
生質亦於一般的焚化爐內燃燒，引起污染物的排放，包括致癌的物質，例如半揮發性的有機化合物(SVOCs)、戴奧辛(dioxin)、呋喃(furans)等等，其等為低溫燃燒的產物。
頒佈給Camacho且讓渡給本申請案的受讓人，索 里那燃料公司(Solena Fuels Corporation)之美國專利號碼5,544,597和5,634,414，在某種程度上已經滿足對於一種用於分配各種各樣形式的生質及其他有機材料，以及提供容易再生的電能來源之裝置及方法之需要。此等專利揭示一種系統，其中生質或其他有機材料被壓實以移除空氣且以連續量遞送至具有爐床的反應器。接而使用一種電漿焊炬作為熱源來熱解(pyrolyze)有機組份，同時移除如玻化的熔渣之無機組份。
最近，以上用於有機材料，例如生質之熱解、氣化及玻化的專利之裝置及方法的改良，已經揭示於頒佈給Do等人且亦讓渡給索里那燃料公司(Solena Fuels Corporation)之美國專利6,987,792之內。美國專利6,987,792提供改進的材料進料系統，俾以進一步提升該方法的效率，以及增加該系統的可撓性(flexibility)，增加材料處理系統的簡易操作，及使該氣化器得以容納更多樣化且不相同的材料系統。
美國專利6,987,792之裝置及方法保證可以維持該床區域內的高溫，其係通過使用電漿焊炬且結合觸媒床。此外，已經設計有數個風口環(rings of tuyeres)於該床的各種高度以從該反應器的側邊注入，舉例而言，氧濃化的空氣(oxygen enriched air)至其中央，俾以沿著該氣化器全部的橫截面維持(i)高溫以及(ii)有效且完全的氣化條件，同時觀察到亞化學計量的(sub-stoichiometric)條件。
此方法生產一種主要包含氫及一氧化碳的合成 氣，其存在於提高溫度的該氣化器的頂部。於典型實施的條件下，可以確實地從各種各樣的有機原料生產合成氣，以及沒有不飽和烴。此生質衍生的合成氣接而使用作為天然氣的燃料氣代替物用於生產之熱、蒸汽或電的形式之清潔的再生能源。
儘管由美國專利6,987,792的發明提供之改良，仍然有進一步改良的空間。舉例來說，已經觀察到由於圖1內顯示的14附近內之耐火襯裏上滾動之有機進料(feed material)持續磨耗，保護漏斗形的上區段殼之耐火襯裏的生命期期望值較短。
發明概要
本揭示處理以上關於耐火襯裏的問題。特別地，依據本揭示，生質或其他有機進料係於該裝置的下區段之上部處導入至該裝置之內。
本揭示之一個態樣係關於用於生質或其他的有機來源之電漿氣化及玻化的裝置，其包含一個大體而言為漏斗形的反應器，其具有上區段和下區段。該下區段包含第一、較廣闊的部件，其由圓錐形的變口體(frustoconical transition)連接至第二、較狹窄的部件，且適合或能夠容納觸媒床。該上區段具有至少一個氣體排出口(gas exhaust port)。生質或其他的有機原料之多個入口係座落於該觸媒床的頂部上方、該下區段的上部處，用於由多個方向導入該生質或其他的有機原料至該下區段的該上部處。一個氣 體入口(gas inlet)系統係環繞該下區段配置，以經由該下區段內的一個或多個進口(intake port)提供氣體至該下區段之內。多個電漿電弧焊炬架置於該下區段來加熱該觸媒床及待加工的材料。
本揭示之另一個態樣係有關於一種經由電漿氣化及玻化技術來轉化材料的方法，該材料包含廢棄物、生質或是其他碳質的材料。該方法包含於反應器的下區段之內提供觸媒床，提供來自多個方向的一個或多個連續量之待加工的材料至該觸媒床的上方、該反應器之下區段的上部內，該上部具有連接至一個風扇的至少一個氣體排出口，該待加工的材料在該觸媒床的頂上形成一個床(bed)；使用架置於該下區段之內的多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及該材料床；以及導入氣體氧化劑至該下區段之內。
從下列簡單地舉例說明預期的最佳模式來顯示及描述較佳具體例之詳細說明，熟悉此藝者會容易明白本揭示之再其他的目的及優點。會瞭解到本揭示能有(is capable of)其他的及不同的具體例，以及其幾個細節能於各種明顯的著眼點上予以修飾，而不背離本揭示。因此，詳細說明在本質上視為闡釋性且非視為限制性的。
10‧‧‧氣化器
12‧‧‧耐火襯裏
16‧‧‧熱裂解區域/區域/上區段
16‧‧‧裂解區域
18‧‧‧中間區段/床區域/區段/區域
19‧‧‧玻化區段
20‧‧‧側壁
22‧‧‧側壁
24‧‧‧圓錐形的部件
30‧‧‧出口
32‧‧‧輸入口
34‧‧‧輸入口
37‧‧‧熔渣分接頭
37‧‧‧熔渣分接頭孔
38‧‧‧二次風口
39‧‧‧一次風口
40‧‧‧二次風口
41‧‧‧一次風口
50‧‧‧材料遞送系統/進料系統
52‧‧‧收容器
54‧‧‧撕碎及壓實單元
56‧‧‧轉移單元
58‧‧‧生質材料
60‧‧‧底部系統
70‧‧‧觸媒床
P3‧‧‧壓力感測器
P4‧‧‧壓力感測器
P7‧‧‧壓力感測器
P11‧‧‧壓力感測器
T1‧‧‧溫度感測器
T2‧‧‧溫度感測器
TT4‧‧‧溫度感測器
T5‧‧‧溫度感測器
T6‧‧‧溫度感測器
T8‧‧‧溫度感測器
T9‧‧‧溫度感測器
T10‧‧‧溫度感測器
圖1為一個先前技藝的裝置之正視圖。
圖2為本揭示的一個具體例所使用的氣化器之正視圖。
圖3為依據本揭示(the prevent disclosure)所使用 之原料的壓力降相對於直徑大小的圖。
圖4為本揭示的一個具體例所使用的氣化器之正視部分圖，其闡釋代表的壓力和溫度感測器。
圖5A-5C為圖4之橫截面圖，其闡釋代表的壓力和溫度感測器的位置。
進行揭示的最佳及各種模式之詳細說明
現在將呈現本揭示的細節。為了容易查詢，本詳細說明將討論作此裝置及方法待處理的材料，如生質，因為使用此等材料提供減少溫室氣體及碳足跡二者的好處，其藉由生產生質衍生的合成氣(生合成氣(Bio-syngas))生產電、蒸汽、運輸液態燃料及類似物。然而，此裝置及方法能作用於任何的有機材料。
氣化器
本裝置及方法中使用的一種典型的一段式大氣壓力熱催化電漿氣化器，可以按尺寸製作成每小時加工5至24公噸混合來源的有機廢棄物及/或生質，但是可以使用更大或更小尺寸的氣化器；確實的生產量會取決於進料之組成及發電廠所欲的總生產量。
此氣化器於大約大氣壓力或稍微低於大氣壓力以及高溫(大於1,200℃)下操作，以確保合成性產物內沒有未轉化的烴分子，其可以由此論據而與其他的生質電漿氣化反應器作區分。特別地，該氣化器10較佳操作於大約大氣壓力(大約101325Pa)或稍微低於大氣壓力下，稍微低於 大氣壓力典型為低於大氣壓力多至大約500Pa，且更典型為低於大氣壓力大約200Pa至大約500Pa。此一段式氣化方法為獨特的，因為和每種其他的生質氣化系統相反，此一段式氣化方法生產無溚的合成氣產物，其不需要於二次的合成氣裂解室內加工。
此外，熱催化電漿氣化方法(gasification process)，就其可能連續不斷地控制及監測觸媒床組成和高度的意義來說，也是獨特的，其之目的為多重的(multifold)。首先，其之成分典型主要為碳、二氧化矽及氧化鈣，以滿足特定的氣化/玻化方法操作條件。
與生質之高揮發性物質含量相比，碳係由於其之高固碳量(fixed-carbon content)而被使用，例如利用煤焦，是以能確保反應器的橫截面各處之電漿熱分布。使用二氧化矽及氧化鈣以在分接離開反應器之前，維持適合的且足夠的熔岩灘化學性質(lava pool chemistry)。此等觸媒在經由特定的進料系統注入至氣化反應器之前，持續地一起混合，以使得碳對二氧化矽對氧化鈣比率(C：SiO2：CaO)可使氣化方法操作條件最佳化。
如圖2內顯示的，氣化器10較佳由高級鋼所製造。該氣化器之內殼層處處均具有耐火襯裏12。典型地，該氣化器的上部三分之二係用多至四層的耐火材料作襯裏，以及較佳為三層，且各層大約4至6英吋厚或是大約10至14英吋厚。典型地，該氣化器的下部三分之一係用總厚度大約20至30英吋、多至四層，以及較佳為三層的耐火磚作襯裏。 取決於應用，可以使用其他的耐火構形。二個區段均使用典型商業的耐火產品，其等為反應器工業已知的該等耐火產品。
該氣化器10為漏斗形的，以及劃分成三個區段。該氣化器的頂部三分之一稱為熱裂解區域16。典型地，氣體通過區域16的頂部中央之單一出口30而離開該氣化器。任擇地，可以提供多個出口氣體出口於區域16的頂部附近。
該氣化器的中間區段18，亦稱為床區域(bed zone)，係由側壁20來界定，其具有比區域16的圓周更小的圓周。於該區段18的上部及該觸媒床的上方內，為二個相對的進料生質輸入口(feed biomass inputs)32及34，但可以提供更多數量的進料生質輸入口。典型地，該輸入口32及34係位於區段18的上部50%處，以及更典型為位於區段18的上部20%處。而且，該輸入口32及34相對於該氣化器10的垂直軸，典型為大約45至大約90度的角度，以及更典型為大約60至大約85度的角度。
區段18亦環繞二個或更多個氣體氧化劑環，例如氧濃化的空氣或是氧環。各環通過等距分佈的輸入口，稱為二次風口38及40，而注入，舉例而言氧濃化的空氣及/或氧至床區域(依據生質的組成來預定的)。然而，濃化的空氣或是氧之最重要的餾分係通過水冷的銅製造的一次風口，參照39及41，而注入床區域下方。覆蓋非轉移電漿電弧焊炬之一次風口的數量範圍典型由二個至六個。氣體風口的 數量範圍典型可由六個至十個，取決於該氣化器的大小以及系統的生產量，但是可以使用更大或是更小數量的氣體風口。
環的數量範圍典型可由二個至三個，取決於觸媒及生質床的高度；但可以使用更大或更小的數量。
關於氧化劑，氮被認為是合成氣內的惰性分子，以及因而不會促進位處於氣化反應器下游的任何製程，包括了化學合成或是電生產。再者，合成氣之內有越多的氮-或是更大程度的惰性-隨後的系統加工之合成氣的體積越大。
因此，由於沒有商業上可得的系統能從合成氣移除氮，所以位於該一段式熱催化電漿氣化反應器下游的大型系統會需要處理合成氣，此因而提高了該設備的資本支出。
於是，既然空氣主要由氮組成(~79% v/v)以及較少的氧(~21% v/v)，所以就空氣而言不是偏好的氧化劑，因為本揭示的目標是要降低合成氣內氮的含量。同樣地，濃化的空氣應該有足夠高的氧含量，典型為至少大約80%，以及更典型為至少大約95%才能稱作有活力的(viable)氧化劑。以下的表提供二(2)種不同位準的空氣濃化之合成氣的組成及體積之比較。
如預期的，合成氣的體積顯著地減少。於此特定實例中，設若濃化的空氣內之氧純度的位準從50%增加至99%，則其減少20%。此外，合成氣的熱值隨著氧濃化的位準增加。於此特定實例中，熱值增加40%。
一般而言，等於或大於95% v/v之氧純度的位準是較佳的。
該氣化器的底部三分之一為玻化區段19，其係由側壁22來界定，其具有比區域18的圓周更小的圓周。側壁20及22係由圓錐形的部件24連接。玻化區段19覆蓋一個或多個分接頭孔(tap hole)，熔融的熔渣液體由流出口持續流出，典型地分接至耐火襯裏的砂庫(未顯示)，其於砂庫內冷卻成適合供再使用作為結構材料之惰性的熔渣材料。(可以使用之此熔渣的結構材料包括瓷磚、屋頂用的顆粒，以及磚塊。)於某些構形中含有熔融的熔渣之該氣化器的此底部，可以經由凸緣配件(flanged fitting)而附著至該氣化器，以使得在耐火材料替換或修補的情況中能快速替換此區段。
插在一次風口39及41之各個非轉移電漿電弧焊炬通常經由來自適當的來源(未顯示)之供應電路來供應電力、冷卻去離子水和電漿氣體。焊炬和一次風口的數量、各個焊炬的功率額定值、生質進料系統的容量、觸媒的組成、觸媒的量、氧化劑的氧純度、氧化劑的量、氣化器的大小、合成氣冷卻、淨化、壓縮及調節系統的大小及容量全部都是可變的，要根據系統要加工的生質的種類及體積來決定。典型地有至少3個，以及更典型為至少4個電漿焊炬環繞該反應器10的周邊。
該氣化器典型會，以大約三英尺或更小的間隔遍及其之軸，含有感測器以偵測該氣化器內之壓力和溫度，以及含有氣體取樣口和適當的氣體分析設備於該氣化器之策略位置處，以監測氣化方法。此等感測器和氣體分析設備之使用為本技藝熟知的。見圖4，其為氣化器10之正視部分圖，其闡釋代表的壓力感測器P3、P4和P11，以及溫度感測器T1、T2、TT4、T5、T6、T8、T9和T10。並且，見圖5A-5C，其為圖4之橫截面圖，其闡釋代表的壓力感測器P3、P7和P11以及溫度感測器T1、T2、TT4、T5、T6、T8、T9和T10的位置。該等感測器之噴嘴等距分佈環繞該氣化器的周邊。所顯示之該等感測器之噴嘴的數量及感測器的種類僅僅用於闡釋的目的。
生質及生質進料系統
可以使用如先前於以上確認的索里那燃料公司(Solena Fuels Corporation)專利中所說明及揭示的一種壓實 生質遞送系統，其操作係經由液壓缸及/或螺釘來減少生質的體積，以及在饋入至床區域的頂部之前，先移除生質內的空氣和水。
可以使用一種非常堅固耐用的進料系統俾以適應生質和生質殘餘物，按照UNFCC1之定義，來自多種及混合來源的有機再生原料生質，例如RDF(廢物衍生燃料)、散放的城市固體廢棄物(MSW)、工業生質，以及儲存於容器，例如鋼或塑膠圓桶、袋子及罐子內的生質。可以取得原始形式的生質，以及不經分類且不移除其之容器而直接饋入至進料系統。有此操作能力的生質撕碎機和壓實機為物料搬運領域熟悉此藝者已知的。生質進料可以在處理之前間歇地取樣以判定其之組成。
於US專利6,987,792中，提及壓實系統應該用氮氣沖洗。具有氮氣沖洗系統，而不是空氣的原因之一為要避免螺釘在朝反應器運送原料時發生逆火。用鈍氣沖洗該系統是至關重要的，但不必然是用氮。使用氮的優點是生產氮氣不昂貴。另一方面，主要的不利是會增加氣體合成中氮的量(其他的氮來源為通過電漿焊炬系統的空氣及原料內含的氮)。
依據本揭示，作為沖洗劑之氮的替代方案是二氧化碳。雖然不可避免地會增加合成氣中CO2的量，但是不像是氮，商業上可取得從合成氣萃取二氧化碳之現有的系統，例如Rectisol、Selexol或是胺裝置。於無論如何都會使用CO2移除裝置的方案中，此替代方案為特別引起興趣的，因其現在提供一個便宜的替代方案來減少合成氣中鈍氣的含量。
所有的生質和有機材料，有時包括其之容器，均透過一系統(未顯示)如同連續的塊體予以壓碎、撕碎、混合、壓實以及推進電漿反應器內。生質可以被研磨成預設大小的粉末以確保該氣化器最佳的性能。亦可以預設進料速率，以保證該氣化器最佳的性能。
典型地，注入至該反應器之內的有機材料具有直徑不小於大約2cm的實際尺寸，以避免壓力降的效應。同樣地，其之尺寸的直徑典型不會超過5cm，以保證該床的高度不會超過具體指定的最大值，因而限制了該反應器軸的高度。
舉例而言，設若粒度為直徑1cm，則橫越該床的壓力降大約會是900Pa/m；反之，直徑5cm的粒度僅僅為10Pa/m。然而，該床的高度隨粒度依函數而變化，且設若粒度為直徑1cm，該床的高度大約會是0.5m；反之，設若粒度為直徑5cm，該床的高度是2.5m。因而，總壓力降各別是400Pa與25Pa。
因而，粒度以及進一步的程度，壓力降，對於萃 取合成氣、位於反應器下游的抽氣通風之設計以及從而對於成本，有顯著的影響。結果，粒度越大，發生的壓力降越小，但是該床的高度越高。如圖3內顯示的，依據本揭示已經判定最佳的粒度為直徑大約3至大約5cm。直徑超過5cm的粒度結果必定會增加反應器軸的高度。
生質的塊體持續地從該氣化器的區域18內之多個位置遞送至該氣化器之內，以確保均等的分布於該氣化器內，直到可消耗的觸媒床上方達到特定的生質床的高度為止。可以同時地饋入二個生質的塊體至氣化器10的直徑上相對邊處提供的輸入口滑槽之內。可以提供超過二個的滑槽來接受額外的塊體。只要可避免不平整的生質堆積(build-up)於該氣化器的區域18內之任何一個位置，任何一種配置都是合適的。
耐火材料的生命期以及反應器的操作條件係藉由注入有機原料至床區域18的頂部而不是該氣化器的上區段16而提升。
此外，為了可靠性的目的，反應器典型應該覆蓋至少二(2)個生質原料的進料系統以及至少一(1)個觸媒材料的進料系統。此係由於觸媒材料不能與生質材料壓實在一起，因為其等不同的密度。
沿著該氣化器的壓力感測器及溫度感測器，以及於該氣化器的頂部之微波感測器，可以使用來測量床的高度及控制生質的進料速率。可以於某些位置提供視孔作為後備，以驗證該氣化器內部的活動。所有來自該等感測器 的資訊均饋入至數位控制系統(DCS)，其協調整個工廠的操作的效益。經由使用感測器及DCS作為氣化器之製程控制的一部份來協調及監測進料系統，係正常的協定以及為熟悉此藝者容易明白的。
不同的材料可以使用任擇的進料系統構形。舉例來說，細微的粉末或液態生質可以直接注入至氣化器之內。細微的固體，例如煤粉(coal fines)，可以使用氣體輸送。液體可以使用標準的泵。此等系統為物料搬運從業人員熟知的。
SPGV反應器之操作
撕碎且壓實的生質材料58係透過進料系統持續地饋入至氣化器10之內。為了簡化之故，從該氣化器的相對邊持續的饋入可保證生質進料均勻的分布遍及該氣化器的橫截面各處。當生質進料形成生質床時，生質進料分布的均勻性確保了來自電漿加熱的觸媒床之均勻、向上的熱氣體流(flow of hot gas)。朝向電漿氣化器的底部之觸媒床係由多個電漿焊炬羽狀物(plumes)不斷地加熱，均勻地分布加熱的氣體及原料粒子向上遍及氣化器的橫截面各處。當熱及熱氣體均勻地向上分布時，會加熱且乾燥向下流動的生質進料以及使氣化方法有效率地發生。向上均勻的熱分布及存在的觸媒床亦防止熱的溝流效應(channeling)，此又避免生質進料的橋接(bridging)，橋接為其他熱生質處理方法中典型遇到的問題。
該氣化器的漏斗形狀及上升氣體的進料速率(來 自焊炬及其他的氣體入口)設計成保證上升熱的氣體最小的表面速度。此低的表面速度使得進入的生質進料完全地下降至生質床，以及不會如未經加工的生質或微粒留存物(particulate carryover)，向上擠入至離去氣體之內。此外，該氣化器的裂解區域16供使用來保證所有的烴材料在離開該氣化器之前，以超過2-3秒的滯留時間接觸高溫。此區域完成熱裂解方法，以及確保完全的氣化和較高的烴轉化成CO和H2。
隨著冷廢棄物進料持續地饋入至一段式熱催化電漿氣化器，以及於氣化器的底部、事先加熱的可消耗的觸媒床之頂部形成生質床，下降的冷廢棄物及來自可消耗的觸媒床之上升的加熱氣體創造了逆流流動，其允許生質均勻地橫越反應器之完全的熱解作用/氣化作用。
此方法中應用及使用之可消耗的觸媒床不像典型的冶金鼓風爐中使用的可消耗的觸媒床一樣，以及氣化方法包含其供作為至少下列數種功能：(1)其使電漿產生的熱之分布得以均勻地遍及電漿氣化器，以及因而預防耐火材料過度的磨耗和撕扯，此為在使用強烈的局部熱源，例如電漿焊炬時通常會遭遇到的情況；(2)其藉由提供促進出口頂部氣體熱值之關鍵組份，亦即CO(一氧化碳)，來起始氣化反應；(3)其於氣化器的底部處提供多孔但堅固的支撐框架，生質床可以沈積在其上；(4)其使熱氣體分子得以均勻地向上移動至生質床之內且通過生質床，同時使生質內無機的材料，例如金屬和鐵，得以融化且向下流動至氣化 器的底部處之熔化池之內；以及(5)其於最內部的耐火層內部提供一層保護，以及因而減少氣化器的熱損失同時延長耐火材料的壽命。
此外，連續不斷地控制及監測觸媒床組成和高度，其之目的為多重的(multifold)。首先，其之成分典型主要為碳、二氧化矽及氧化鈣，以滿足特定的氣化/玻化方法操作條件。與生質之高揮發性物質含量相比，碳係由於其之高固碳量而被使用，例如利用煤焦，是以能確保反應器的橫截面各處之電漿熱分布。使用二氧化矽及氧化鈣以在被分接離開反應器之前，維持適合的且足夠的熔岩灘化學性質(lava pool chemistry)。此等觸媒在經由特定的進料系統注入至氣化反應器之前，持續地一起混合，以使得碳對二氧化矽對氧化鈣比率(C：SiO2：CaO)能使氣化方法操作條件最佳化。
觸媒床係藉由注入典型為大約2%至大約10%的比率之觸媒來維持，以及更典型為大約3%至大約5%的生質重量比率。其以比生質床更緩慢的比率被不斷地消耗，因為其比生質更高密度的固碳量、更高的熔化溫度，以及堅固的物理性質。如同生質床一樣，可消耗的觸媒床的高度不斷地經由位處環繞該氣化器周圍以及沿著軸各種高度，的溫度及壓力感測器來監測。當生質床及觸媒床70在方法的整個期間消耗掉時，該等感測器會在氣化器的各處偵測溫度及壓力梯度，以及自動地觸發進料系統增加或減少床的高度以穩態操作，俾以維持最佳的合成氣功率。
觸媒床和熔化材料的交互作用為熟知的現象。於熔化的金屬流動於熱煤焦上的情況中，如同於鑄造廠熔鐵爐熔化器的情況中一樣，熔化的鐵不會黏住熱的床而是流動於其上。在非金屬材料熔化的整個期間，亦即熔渣之玻化，觀察到同樣的現象。不像金屬熔化，因可以忽略來自煤焦的碳的溶解至熔化的熔渣，所以熔渣玻化不涉及碳的溶解。
生質的烴部分於剝奪氧的(相對於碳完全的氧化成CO2)環境中、於氣化器之部分減低的大氣壓下會氣化。因而，氣化器內沒有發生燃燒製程來產生通常預期來自焚化爐的污染物，例如半揮發性的有機化合物(SVOCs)、戴奧辛(dioxin)以及呋喃，其等為致癌化合物。
經控制的導入氧及/或氧濃化的空氣及/或蒸汽至電漿氣化器內來產生經控制的氣化之部分氧化反應，會產生具有更高的發熱含量(calorific content)之出口頂部合成氣，同時減低特定的能量需求，也就是，電漿焊炬氣化生質所消耗的能量。此依次導致從有機生質氣化生產更高的淨能。
生質床由於來自可消耗的觸媒床之上升熱氣體而持續地減少，以及持續地由進料系統補足，俾以維持床的高度。此順序導致從氣化器的底部處至少大約3000℃至出口合成氣出口處至少大約1200℃之溫度梯度。以此方式建立的上升的逆流系統供用來乾燥進入的生質，以及因而使該系統得以處理具有高達90%水分含量之生質物流，於 該情況中，使用高水分生質而不會如其他熱燃燒系統一樣造成停工。當然，生質進料之高水分含量會導致合成氣具有較低熱值，因為生質進料較低的烴含量。
該氣化器由於出口氣體不斷地抽取離開該氣化器，舉例來說，藉由抽氣風扇(ID風扇)或鼓風機(未顯示)，所以典型地於大約大氣壓力或更典型為稍微低於大氣壓力下操作。如上先前提及的，該氣化器條件在本質上降低成部分氧化，包括適合氣化方法之最有限的氧氣條件。該方法考慮到的方法之獨立控制變數為(1)生質進料速率，(2)可消耗的觸媒床高度，(3)焊炬功率，(4)氧化劑氣體流量，以及(5)觸媒材料的C：SiO2：CaO混合比率。
於氣化器10的底部處之無機材料的熔化池持續地經由熔渣分接頭(slag tap)37被分接離開反應器至耐火襯裏的砂箱之內，以及鑄造成大的塊體以使減容(volume reduction)達到最大。
為了保證熔渣流為一致固定的，以及為了預防熔渣分接頭孔(slag tap hole)37的堵塞，從該氣化器底部熱耦系統的溫度所反映的熔渣溫度和熔渣的黏度，可以獨立地由電漿焊炬功率，以及透過已知關係添加之C：SiO2：CaO觸媒的量予以控制。熔岩灘的高度亦可藉由使用熱感測器來測量。
所有此等關於溫度、壓力、氣體組成，以及氣體流量率及熔化材料的監測的參數均提供為輸入資料至電腦化的DCS系統之內，其又進行匹配以處理獨立變數的控制， 例如焊炬功率、空氣/氣體流量、生質以及觸媒進料速率等等。
取決於先前分析的廢棄物進料，特定的氣化及玻化條件係預先決定，以及由DCS控制系統來預設參數。當實際的生質材料饋入至該系統內時，在操作起動的期間會產生及調整出額外的和最佳化的條件。
操作原理
一般而言，本文說明之電漿氣化-玻化裝置及方法係根據幾個主要的原理來作用及操作。
生質進料之變化會影響方法的結果以及會需要調整獨立控制變數。舉例而言，假定為固定的材料進料速率，較高水分含量的生質進料會降低出口頂部合成氣溫度；必須增加電漿焊炬功率以使出口合成氣溫度增加至設定點值。而且，較低烴含量的生質會導致出口氣體之一氧化碳和氫含量降低，造成較低的出口頂部合成氣的高熱值(HHV)；必須增加入口氣體及/或電漿焊炬功率之濃化因數以達到所欲的HHV設定點。此外，生質較高的無機含量會導致產生的熔渣量增加，導致增加的熔渣流及減少的熔化的熔渣溫度；必須增加焊炬功率以使熔渣溫度在其標的設定點。因此，藉由調整各種各樣的獨立變數，該氣化器能適應進入的材料進料之變化，同時維持各種各樣的控制因數所欲的設定點。
起動
定義的起動程序之目標是要產生逐步的加熱電 漿氣化器，以保護並延長耐火材料和氣化器設備的壽命，以及使該氣化器準備好要容納生質進料。該氣化器之起動與任何複合高溫處理系統之起動相似，以及熱處理工業之熟悉此藝者一旦知道本揭示會明白的。主要的步驟為：(1)向天然氣啟動氣體渦輪機以產生電；(2)藉由使用天然氣燃燒器來逐步地加熱該氣化器(執行此步驟主要要藉由使熱震減到最少來使耐火材料的生命期達到最大值)，且一旦到達合適的內部溫度便轉換成電漿焊炬；以及(3)啟動合成氣淨化系統且首先啟動抽氣通風扇。該可消耗的觸媒床70接而藉由添加材料來製造以便形成床。該床最初於該氣化器的底部處開始形成，但是隨著最接近焊炬之最初的觸媒消耗掉，該床最後於該氣化器之圓錐形的部件電漿焊炬上方處或是接近該氣化器之圓錐形的部件24電漿焊炬上方處形成一層。
接而可以添加生質或其他進料。為了安全考量，較佳的操作模式是限制生質的含水量至低於5%，直到形成的合適的生質床為止。該可消耗的觸媒床和操作的生質床之高度取決於氣化器的大小、進料的物理化學性質、操作設定點，以及所欲的處理率。然而，如同提到的，較佳的具體例會維持該可消耗的觸媒床高度於電漿焊炬入口的位準之上。
穩態操作
當該生質床和該觸媒床二者都到達所欲的高度時，認為該系統準備好要穩定操作。此時，操作者可以開 始把混合的廢棄物進料從工廠裝入至進料系統之內，進料系統設定在預定的生產率(throughput rate)。獨立變數亦如同預定的，根據生質進料的組成來設定位準。SPGV氣化器的操作之獨立變數典型為：
A.電漿焊炬功率
B.氣體流量率
C.氣體流量分布(Gas Flow Distribution)
D.生質及觸媒床的高度
E.生質進料速率
F.觸媒進料速率
在穩態的整個期間，操作者典型會監測系統的相關參數，該等參數包括：
A.出口頂部氣體溫度(於出口氣體出口處測量)
B.出口頂部氣體組成及流量率(於以上說明之出口處藉由氣體取樣和流量計來測量)
C.熔渣熔化溫度及流量率
D.熔渣流失性
E.熔渣黏度
在操作的整個期間以及根據以上說明之原理，操作者可以根據應變數之波動來調整獨立變數。此方法可以用根據設計程式至電漿氣化器和整個工廠的DCS系統、該氣化器之控制監測器的輸入和輸出來預設的調整，而完全自動化。預設的位準通常在把實際的生質進料裝入至系統內且測量並記錄合成的出口頂部氣體和熔渣運轉狀態時， 工廠的試運轉時期的整個期間予以最佳化。DCS將設定在於穩態下操作，以具體指定的生質進料速率來生產特定的出口氣體條件和熔渣條件。進料生質組成之變化會導致監測的相關參數的變化，以及DCS及/或操作者將於獨立變數做出對應的調整以維持穩態。
來自電漿氣化器的出口頂部氣體之冷卻及洗滌
如上提及的，SPGV系統操作的一個目標是要生產合適提供至多種工業應用、具有特定的條件之合成氣(亦即，組成、發熱熱值、純度及壓力)，該工業應用包括但不限於：用於生產再生電能之氣體渦輪機、用於生產運輸液態燃料之費雪-缺卜夕(Fischer-Tropsch)合成、用於生產區域熱及電之熱電共生系統、化學工業系統，等等。
因為合成氣係透過有機生質材料經由本文說明之方法的熱解作用/氣化作用來產生，會存在某些量的生質雜質、微粒及/或酸氣，其等不適合此等系統正常及安全的操作。以上提及的索里那(Solena)專利中說明了淨化出口氣體的程序。
本揭示的例示性具體例包括：
具體例1.一種用於有機材料之一段式熱催化電漿氣化及玻化技術的裝置，其包含：一個大體而言為漏斗形的反應器，其具有上區段和下區段，該下區段包含第一、較廣闊的部件，其由圓錐形的變口體(frustoconical transition)連接至第二、較狹窄的部件，且適合容納觸媒床，以及該上區段具有至少一個氣體排出口；供用於來自多個 方向的該材料之多個入口，座落於該下區段的上部處，用於導入該材料至該下區段的該上部處；環繞該下區段配置的氣體入口(gas inlet)系統，以經由該下區段內的一個或多個進口(intake port)提供氣體至該下區段之內；以及架置於該下區段之多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及該有機材料。
具體例2.如具體例1之裝置，其進一步包含：一材料遞送系統，以經由該多個進口提供該材料至該反應器，該遞送系統包含：用於容納該材料之一收容器，一撕碎及壓實單元，配置用於從該收容器接受該材料及用於撕碎及壓實該材料，以及一轉移單元，用於遞送該經撕碎及壓實的材料至該反應器。
具體例3.如具體例2之裝置，其中該材料包含碳質的材料。
具體例4.如具體例3之裝置，其中該有機材料包含源自工廠(plants)的產物、副產物及殘餘物、城市固體廢棄物、農業廢棄物、林業廢棄物以及其等相關工業之非化石的及生物可降解的有機材料。
具體例5.如具體例3或具體例4之裝置，其中該觸媒床的高度為大約1公尺。
具體例6.如具體例2-5中任一項之裝置，其進一步包含多個感測器，其配置遍及該反應器以感測下列之一者或多者：該觸媒床的高度、該有機材料床的高度、該反應器的溫度、該反應器內氣體的流量率，以及從該反應器 經由該排出口(exhaust port)所排出合成氣的溫度。
具體例7.如具體例1-6中任一項之裝置，其中該下區段於其底部具有一個或多個分接頭孔(tap hole)。
具體例8.一種經由電漿氣化及玻化技術來轉化有機材料的方法，該方法包含：於反應器的下區段內提供觸媒床，提供來自多個方向的一個或多個連續量之該材料至反應器之下區段的上部內，該上部具有連接至風扇的至少一個氣體排出口，該材料在該觸媒床頂上形成一個床(bed)；使用架置於該下區段之多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及該生質材料床；以及導入氣體氧化劑至該下區段之內。
具體例9.如具體例8之方法，其中該觸媒床包含碳、二氧化矽及氧化鈣。
具體例10.如具體例8或具體例9之方法，其中該氣體氧化劑包含氧濃化的空氣或是氧。
具體例11.如具體例10之方法，其中該氧濃化的空氣包含至少大約80%(v/v)的氧。
具體例12.如具體例10之方法，其中該氧濃化的空氣包含至少大約95%(v/v)的氧。
具體例13.如具體例8至12中任一項之方法，其中該有機材料具有大約2cm至大約5cm之粒徑大小。
具體例14.如具體例8至13中任一項之方法，其中該有機材料具有大約3cm至大約5cm之粒徑大小。
具體例15.如具體例8至14中任一項之方法，其中 該下區段之內的該觸媒床的溫度大於3000℃。
當使用於本文，術語“包含(comprising)”(及其文法的變化)係以“具有(having)”或“包括(including)”之包括在內的意思來使用，以及不是以“僅由...構成(consisting only of)”之不包括的意思來使用。當使用於本文，要明白術語“一個(a)”以及“該(the)”包含複數形，以及單數形。當使用於本文，術語“大氣壓力”係提及大氣壓力(大約101325Pa)以及低於大氣壓力的壓力，其中稍微低於(slightly below)典型為低於大氣壓力多至大約500Pa，以及更典型為低於大氣壓力大約200Pa至大約500Pa。
本說明書引述之所有的刊物、專利及專利申請案係併入本文以作為參考資料，以及為了任何及所有的目的，猶如明確且個別地表明各個個別的刊物、專利或專利申請案被併入作為參考資料。如果發生不一致，以本揭示優先。
上述本揭示的詳細說明闡示及描述了本揭示。此外如上提及的，本揭示僅僅顯示及描述較佳的具體例，但是要瞭解到，本揭示能使用各種其他的組合、修飾及環境，以及能於本文表達的概念之範疇內變化或修飾，與如上的教示及/或相關技藝的技術或知識相稱。
在上文說明之具體例想要進一步解釋實施其之最佳模式，以及使其他的熟悉此藝者能夠使用本揭示於此等或其他的具體例，且包括特定的應用或用途所需之各種各樣的修飾。於是，本說明不想要限制其在本文揭示的形式。並且，附隨的申請專利範圍打算解釋成含括任擇的具 體例。各項申請專利範圍定義一個獨立的發明，為了侵權的目的，其認定為含括申請專利範圍內明確說明的各種各樣的元件或限制之均等物。
以上已經定義各種各樣的術語。倘若申請專利範圍內使用的術語不是以上定義的，應該給予有關的技藝中的人已經提供該術語之最廣泛的定義，如同至少一個印刷刊物或頒佈的專利內所反映的。再者，本申請案引述之所有的專利、測試程序及其他的文件完全地併入以作為參考資料，倘若此等揭示沒有與本申請案不一致以及允許此等併入之所有的管轄權。
10‧‧‧氣化器
12‧‧‧耐火襯裏
16‧‧‧熱裂解區域/區域/上區段
16‧‧‧裂解區域
18‧‧‧中間區段/床區域/區段/區域
19‧‧‧玻化區段
20‧‧‧側壁
22‧‧‧側壁
24‧‧‧圓錐形的部件
30‧‧‧出口
32‧‧‧輸入口
34‧‧‧輸入口
37‧‧‧熔渣分接頭
37‧‧‧熔渣分接頭孔
38‧‧‧二次風口
39‧‧‧一次風口
40‧‧‧二次風口
41‧‧‧一次風口
50‧‧‧材料遞送系統/進料系統
52‧‧‧收容器
54‧‧‧撕碎及壓實單元
56‧‧‧轉移單元
58‧‧‧生質材料
60‧‧‧底部系統
70‧‧‧觸媒床

Claims (15)

  1. 一種用於有機材料之一段式熱催化電漿氣化及玻化技術的裝置，其包含：一個大體而言為漏斗形的反應器，其具有上區段和下區段，該下區段包含第一、較廣闊的部件，其由圓錐形的變口體(frustoconical transition)連接至第二、較狹窄的部件，且適合容納觸媒床，以及該上區段具有至少一個氣體排出口(gas exhaust port)；供用於來自多個方向的該材料之多個入口，位於該下區段的上部處，用於導入該材料至該下區段的該上部處；環繞該下區段配置的氣體入口(gas inlet)系統，以經由該下區段內的一個或多個進口(intake port)提供氣體至該下區段之內；以及架置於該下區段之多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及該材料。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一材料遞送系統，以經由該多個進口提供該材料至該反應器，該遞送系統包含：用於容納該材料之一收容器，一撕碎及壓實單元，配置用於從該收容器接受該材料及用於撕碎及壓實該材料，以及一轉移單元，用於遞送該經撕碎及壓實的材料至該反應器。
  3. 如請求項2之裝置，其中該材料包含生質材料。
  4. 如請求項3之裝置，其中該生質材料包含源自工廠(plants)產物、副產物及殘餘物、城市固體廢棄物、農業廢棄物以及林業廢棄物的非化石的及生物可降解的有 機材料。
  5. 如請求項5之裝置，其中該觸媒床的高度為大約1公尺。
  6. 如請求項2之裝置，其進一步包含多個感測器，其配置遍及該反應器以感測下列之一者或多者：該觸媒床的高度、該材料床的高度、該反應器的溫度、該反應器內氣體的流量率，以及從該反應器經由該排出口(exhaust port)所排出氣體的溫度。
  7. 如請求項1之裝置，其中該下區段於其底部具有一個或多個分接頭孔(tap hole)。
  8. 一種藉由一段式大氣壓力熱催化電漿氣化及玻化技術來轉化有機材料的方法，該方法包含：於反應器的下區段內提供觸媒床，該觸媒床主要由碳、二氧化矽(silica)及氧化鈣組成；提供來自多個方向的一個或多個連續量之該材料至該反應器之該下區段的上部內，該上部具有連接至風扇的至少一個氣體排出口(gas exhaust port)，該材料在該觸媒床頂上形成一個床(bed)；使用架置於該下區段之多個電漿電弧焊炬，來加熱該觸媒床及該材料床；以及導入氣體氧化劑至該下區段之內。
  9. 如請求項8之方法，其中該觸媒床包含碳、二氧化矽及氧化鈣。
  10. 如請求項8之方法，其中該氣體氧化劑包含氧濃化的空氣或是氧。
  11. 如請求項10之方法，其中該氧濃化的空氣包含至少大約80%(v/v)的氧。
  12. 如請求項10之方法，其中該氧濃化的空氣包含至少大約95%(v/v)的氧。
  13. 如請求項8之方法，其中該有機材料具有大約2cm至大約5cm之粒徑大小。
  14. 如請求項8之方法，其中該有機材料具有大約3cm至大約5cm之粒徑大小。
  15. 如請求項8之方法，其中該下區段之內的該碳觸媒床(carbon catalyst bed)的溫度大於3000℃。
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