專利名稱：包括優(yōu)化氣體轉(zhuǎn)化的效率的裝置的氣體再形成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體再形成(gas reformulation)領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及包括優(yōu)化氣體轉(zhuǎn)化的效率的裝置的氣體再形成系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
廢氣(合成氣)由諸如氣化、等離子體氣化和/或等離子體熔化等等各種物質(zhì)轉(zhuǎn) 化工藝產(chǎn)生。這些氣體可被用于恰當?shù)南掠螒?yīng)用(例如，電力產(chǎn)生、化學(xué)和液體燃料的工業(yè) 合成)中、被存儲用于后續(xù)使用或燒掉。在一些情況下，有對再形成氣體的興趣，該氣體被 產(chǎn)生，以便改進化學(xué)組成，從而在下游應(yīng)用中有效地使用。在氣化工藝中，含碳進料(carbonaceous feedstock)與受控和/或受限量的氧 氣且有時候是蒸氣一起被供入氣化器，以產(chǎn)生原料氣體(raw gas)。來自氣化工藝的廢氣 取決于進料組成，并可包括H20、H2、N2、02、CO2, CO、CH4, H2S, NH3> C2H6以及其他碳氫化合物， 例如炔烴、烯烴、芳烴、酚類和焦油。用于氣化的有用進料包括城市垃圾、工業(yè)活動產(chǎn)生的 廢棄物和生物醫(yī)藥廢棄物、污水、污泥、煤、重油、石油焦、重精煉廠殘余物(heavy refinery residual)、精煉廠廢料、碳氫化合物污染的土壤、生物體、農(nóng)業(yè)廢棄物、輪胎和其他危險廢 棄物。影響氣化工藝中產(chǎn)生的氣體的質(zhì)量的因素包括進料特性，如顆粒尺寸；氣化器 加熱速率；停留時間；工廠配置，其包括是否采用了干或漿進料系統(tǒng)、進料反應(yīng)劑流動幾何 結(jié)構(gòu)、灰或渣礦物移除系統(tǒng)的設(shè)計；是否使用直接或間接熱產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移方法；以及合成氣 清潔系統(tǒng)。有些氣化設(shè)施采用氣體處理系統(tǒng)，以在氣體通過氣體質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行冷卻和清 潔之前，將氣體轉(zhuǎn)化成更加可接受的氣體組成。經(jīng)處理后的氣體可經(jīng)歷進一步的處理步驟， 以便去除不想要的化合物，如金屬、硫化合物和精細顆粒。例如，干過濾系統(tǒng)和濕滌氣器可 用于去除顆粒物質(zhì)和酸性氣體。等離子體已被工業(yè)用于兩種主要能量源一種作為強烈的熱源，而第二種作 為自由電子源，該自由電子源可用于啟動和驅(qū)動要求把分子分解成(活性)分解碎片 (dissociation fragment)的許多化學(xué)工藝。電子影響可以激發(fā)分子的任何游離狀態(tài)，并將 其減小成碎片，這是一個重要的機制，通過該機制，自由基和分子碎片在許多環(huán)境中產(chǎn)生。等離子體是一種發(fā)光氣體，其被至少部分電離，并由包括電子和離子的激發(fā)氣體 物質(zhì)構(gòu)成。等離子體可用很多氣體來產(chǎn)生，從而在工作氣體是中性的(如氬、氦、氖)、還原 性的(如氫氣、甲烷、氨、一氧化碳)，或氧化性的(如氧氣、二氧化碳)時，優(yōu)秀地控制等離 子體的化學(xué)反應(yīng)。不同的等離子體根據(jù)其溫度和密度來分類。術(shù)語“等離子體密度”本身通常是指 電子密度，即，每單位體積的自由電子數(shù)目。等離子體的電離程度是已經(jīng)損失(或獲得)電 子的原子的比例，并主要由溫度控制。等離子體溫度通常以開氏或電子伏特的方式測量，且是每個粒子的平均熱動能的 非正式測量。由于質(zhì)量上的大的差異，電子之間到達熱力學(xué)平衡的速度遠遠超過他們與離子或中性原子的平衡。由于這個原因，“離子溫度”可能會非常不同于(通常低于)“電子 溫度”。基于電子、離子和中性物的相對溫度，等離子體被分類為“熱的”或“非熱的”。熱等 離子體的電子和重粒子處于相同的溫度，即，它們彼此熱平衡。另一方面，非熱等離子體的 離子和中性物處于低得多的溫度，而電子“熱”得多。低溫非熱等離子體是在本領(lǐng)域中已知的，以破壞處于大氣壓的揮發(fā)性有機化合物的相對低濃度，而且對低水平廢棄物濃度的處理具有特別吸引力，并對處理抵抗標準化學(xué) 方法的處理的化合物具有特別吸引力。這些低溫等離子體處理技術(shù)一般涉及高能量電子束 照射或放電方法，如脈沖電暈、介電阻擋、毛細管、空心陰極、表面以及填充床電暈放電。所 有這些技術(shù)都依賴于以下事實電能量可以產(chǎn)生具有比周圍氣相離子和分子高得多的平均 動能的電子。這些高能電子可與背景氣體相互作用，以產(chǎn)生高活性物類(即，自由基、陰離 子、陽離子和二次電子)，該高活性物類將優(yōu)先摧毀污染物。在廢棄物管理領(lǐng)域，等離子炬已作為熱源使用，以通過將危險廢棄物轉(zhuǎn)化為廢氣 (即，合成氣)并將主要包括無機物質(zhì)的殘余物熔化為渣，來驅(qū)動氣化、熔化并破壞危險廢 棄物。一些等離子體氣化系統(tǒng)不僅使用等離子炬來驅(qū)動氣化工藝，而且還通過在添加或不 添加其他輸入或反應(yīng)劑的情況下，將較長鏈揮發(fā)物轉(zhuǎn)化、再造或再形成為更小的分子，來處 理氣化室中的原料廢氣。等離子體源也被用來作為活性物類的源。這些活性物類已被用于啟動和驅(qū)動將有 害氣體分子轉(zhuǎn)化成毒性較低的物類。一個例子是由美國專利No. 6，810，821提供的，其描述 了一種設(shè)計用于減少來自石墨電極等離子弧爐的廢氣中存在的炭黑/煙灰的氣旋氧化劑。 氣旋氧化劑使用等離子炬來電離包括二氧化碳和氧氣的混合物的工作氣體，該混合物不包 括氮氣。當氣體混合物在等離子體弧區(qū)域中被電離時，二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳和原子氧， 該原子氧是非常有活性的。氣旋氧化劑室切向接收其上游端部附近的非常高速的廢氣，從 而創(chuàng)造氣旋氧化劑內(nèi)的氣旋條件。結(jié)合活性原子氧的存在和氣旋氧化劑中的增強的紊流環(huán) 境，副產(chǎn)物氣體中的炭黑/煙灰和游走的有毒物質(zhì)可被有效地轉(zhuǎn)化和破壞。美國專利No. 6，810，821還教導(dǎo)，額外氧化劑通過噴射霧化氧氣和蒸氣來提供，該 霧化氧氣和蒸氣通過抗高溫霧化噴嘴霧化，并作為氧化劑噴射進入室中。氧化反應(yīng)效率通 過副產(chǎn)物氣體和噴射的霧化氧氣和蒸氣之間的激烈的內(nèi)部混合來提高，而該激烈的內(nèi)部混 合由氣旋氧化劑內(nèi)的氣旋活動的活力引起。對于低熱值廢棄物，氣旋氧化劑將副產(chǎn)物氣 體完全轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳。對于高熱值廢棄物，最終的副產(chǎn)物氣體可以是用于產(chǎn)生電 力的高品質(zhì)可燃合成氣體。雖然該氣旋氧化劑可通過氧化污染物來處理(即，清潔)廢 氣，但它不被設(shè)計成將氣體再形成為具有設(shè)計化學(xué)組成的產(chǎn)物氣體。它不使用等離子炬來 創(chuàng)建氣體再形成區(qū)域，該氣體再形成區(qū)域可用于將廢氣再形成為具有定義組成(defined composition)的氣體。另一個例子由美國專利No. 6，030, 506提供，其描述了一種用于將外源性非熱等 離子體激活物類(activated specie)輸送到主題液體(subject fluid)的方法和裝置，其 包括(a)在激勵裝置中產(chǎn)生激活物類；以及(b)將激活物類通過高速噴射裝置引入主題液 體。該發(fā)明涉及空氣污染控制，并提供了一種執(zhí)行用于漂白的大型化學(xué)作用、提高化學(xué)反應(yīng) 以及清除污染的設(shè)備和方法。美國專利申請No. 11/745，414提供了氣體再形成系統(tǒng)的第一例子，其中，系統(tǒng)內(nèi)等離子炬的定位在每個炬的前面提供了活性領(lǐng)域，由此，廢氣可再形成。這些等離子炬和空 氣噴射器的定位被設(shè)計成優(yōu)化流動模式和氣體在室中的停留時間。上述系統(tǒng)并不能優(yōu)化高能機構(gòu)和將大多數(shù)原料合成氣再形成為具有設(shè)計化學(xué)組 成的氣體的總效率。尋求以總體上最具成本效益的方式將含碳進料轉(zhuǎn)化為諸如電力的能量 的商業(yè)設(shè)施，需要用于將合成氣有效轉(zhuǎn)化成具有設(shè)計用于下游應(yīng)用的組成的氣體的系統(tǒng)。 因此，提供一種優(yōu)化工藝和/或包括將初始氣體轉(zhuǎn)化成具有定義組成的氣體的總體工藝的 步驟的總體效率的氣體再形成系統(tǒng)，將是本領(lǐng)域中的一大進步。發(fā)明概述
本發(fā)明提供了一種包括一個或多個能量源的系統(tǒng)，該一個或多個能量源通過發(fā)動 分子分解成活性分解碎片(中間物)來開始氣體再形成工藝。能量源與氣體操縱器組合， 該氣體操縱器被設(shè)計成通過優(yōu)化氣體再形成工藝整個過程中的能量轉(zhuǎn)移，并優(yōu)化再形成的 氣體相對于輸入系統(tǒng)的氣體的量的量(氣體再形成比)，來優(yōu)化氣體再形成工藝的效率。本發(fā)明的一個目的是提供一種包括優(yōu)化氣體轉(zhuǎn)化的效率的裝置的氣體再形成系 統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于將初始氣體再形成為具有設(shè)計特征的再形成 氣體的系統(tǒng)，其包括用于感測初始氣體的至少一個特征的裝置；用于基于初始氣體的至 少一個特征并基于再形成氣體的設(shè)計特征，來修改用于再形成的工藝輸入的裝置；用于施 加足以將初始氣體的實質(zhì)上大多數(shù)氣體分子再形成為再形成氣體的一個或多個能量源的 裝置；用于促進再形成的裝置；用于穩(wěn)定再形成氣體的裝置；以及控制系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于將初始氣體再形成為具有期望特征的 再形成氣體的工藝，其包括下列步驟中的一個或多個感測初始氣體的至少一個特征；修 改工藝輸入，以便基于初始氣體的所感測的特征并基于輸出氣體的期望特征進行再形成； 施加足以將大多數(shù)氣體分子再形成為其構(gòu)成成分的氣體激勵場；促進有效工藝加速，以便 將構(gòu)成成分再形成為具有設(shè)計特征的再形成氣體；促進新形成的分子的去能和穩(wěn)定，以維 持設(shè)計特征；以及管理初始氣體到輸出氣體的有效轉(zhuǎn)化。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于氣體的再形成的系統(tǒng)，其包括用于啟 動氣體再形成工藝的一個或多個能量源；以及用于在氣體再形成工藝的整個過程中優(yōu)化能 量轉(zhuǎn)移的一個或多個氣體操縱器；其中，一個或多個能量源和一個或多個氣體操縱器形成 整體，以優(yōu)化氣體再形成比。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種氣體再形成系統(tǒng)，其包括一個或多個氣體 再形成區(qū)域；一個或多個氣體穩(wěn)定區(qū)域；包括控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)總體工藝；可選地，一個或 多個氣體添加劑區(qū)域，和/或可選地，一個或多個氣體清潔區(qū)域，其中，系統(tǒng)的區(qū)域被布置 和控制成使得，大多數(shù)初始氣體被再形成為具有設(shè)計組成(designed composition)的氣 體。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于將初始氣體再形成為再形成氣體的方 法，其包括步驟將初始氣體輸送到氣體再形成室；將輸入氣體與至少一種工藝添加劑混 合，以產(chǎn)生預(yù)形成氣體；將預(yù)形成氣體暴露于氣體激勵場，由此使氣體內(nèi)的分子分解成其構(gòu) 成元素；將構(gòu)成元素再形成為具有設(shè)計的化學(xué)組成的分子物類，并由此產(chǎn)生再形成氣體； 以及從室移除再形成氣體。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于將初始氣體再形成為再形成氣體的系統(tǒng)，其包括一個或多個耐火材料襯里的室，其包括用于接收初始氣體的一個或多個輸入； 用于釋放再形成氣體的一個或多個輸出；與室流體連通的一個或多個工藝添加劑輸入；位 于一個或多個室中的一個或多個氣體操縱器；用于在一個或多個室內(nèi)產(chǎn)生氣體激勵場的裝置。特別地，該系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計成優(yōu)化能量轉(zhuǎn)移，該能量轉(zhuǎn)移將能量從一個或多個源轉(zhuǎn)移到具有初始化學(xué)組成的氣體(預(yù)形成氣體)并貫穿再形成工藝，使得氣體以有效的方 式再形成為具有設(shè)計化學(xué)組成的氣體。該系統(tǒng)包括體現(xiàn)在氣體操縱器內(nèi)的設(shè)計策略，該設(shè) 計策略起到在氣體通過氣體再形成室時，有助于再形成反應(yīng)的速度、效率和徹底性的作用， 以最小化再形成氣體總體上所需的能量的量，并最大化氣體再形成為具有設(shè)計化學(xué)組成的 氣體的百分比。因此，再形成系統(tǒng)包括一個或多個“氣體再形成區(qū)域”和一個或多個“氣體穩(wěn)定區(qū) 域”。該系統(tǒng)可可選地進一步包括一個或多個“氣體添加劑區(qū)域”，和/或一個或多個“氣體 清潔區(qū)域”，其中，該一個或多個“氣體添加劑區(qū)域”一般位于氣體再形成區(qū)域的上游，具有 或不具有完成氣體與添加劑的混合的裝置，該混合一般通過增加氣體內(nèi)的紊流來完成，而 該一個或多個“氣體清潔區(qū)域” 一般位于氣體穩(wěn)定區(qū)域的下游。氣體穩(wěn)定區(qū)域可選地包括 熱轉(zhuǎn)移裝置，以當氣體冷卻時從氣體捕獲熱。系統(tǒng)的區(qū)域被布置和控制成使得，大多數(shù)初始 氣體在通過本發(fā)明的系統(tǒng)之后被再形成為具有設(shè)計組成的氣體。氣體再形成形體還包括調(diào) 節(jié)總體工藝的控制系統(tǒng)。附圖簡述

圖1至77示出了本發(fā)明和/或其組成部件的各種實施方式。圖1、2A和2B示出了氣體再形成系統(tǒng)的各種區(qū)域。虛線示出了可選擇的區(qū)域。氣 體可經(jīng)歷在串聯(lián)區(qū)域或圖2BA和2BB中描繪的平行陣列中的處理。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的氣體再形成系統(tǒng)的示意圖。圖4是本發(fā)明的連接到一個氣化器的氣體再形成系統(tǒng)的一個實施方式的示意圖。圖5是本發(fā)明的連接到兩個氣化器的氣體再形成系統(tǒng)的一個實施方式的示意圖。圖6是本發(fā)明的連接到兩個氣化器的氣體再形成室的一個實施方式的示意圖，其 通過公共初始氣體入口。圖7、8、13和14示出了下列類型的氣體激勵源氫燃燒器、射頻(RF)和微波等離 子體、激光等離子體、電暈等離子體(coronaplasma)。圖9示出了下列類型的等離子體源非轉(zhuǎn)移弧炬、轉(zhuǎn)移弧炬、感應(yīng)耦合等離子炬、 微波等離子炬。圖12示出了氫燃燒器。圖10和11圖解了在根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的氣體再形成系統(tǒng)中的感應(yīng)耦合 等離子炬、微波等離子炬和氫燃燒器的使用。圖15示出了氣體再形成通道的各種實施方式。圖16示出了氣體再形成通道的各種實施方式。圖17示出了氣體再形成通道的各種實施方式。圖18示出了氣體再形成通道的各種實施方式。圖19示出了使用混合器裝置的氣體再形成通道。
圖20A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個實施方式的用于增強氣體混合的氣體再形成室中的縮窄的使用。圖21A_B、22和23示出了各種氣體再形成室設(shè)計。圖24示出了氣體再形成系統(tǒng)的各種實施方式，其中，氣體流被分成經(jīng)歷平行再形 成的較小流。圖25示出了面對初始氣體流的氣體激勵源的各種布置。圖26A-C示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的插入到氣體再形成室中的流量限 制器的不同形狀。圖27A-B和42示出了根據(jù)本發(fā)明的三個實施方式的延伸實質(zhì)上氣體再形成室的 整個長度的流量限制器。圖28A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個實施方式的裝備有延伸實質(zhì)上室的整個長度 的流量限制器的氣體再形成室的三維圖。圖29A-G示出了流量限制器的不同實施方式。圖30A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的帶有多個盤的旋轉(zhuǎn)軸。圖30B示出了 可用于旋轉(zhuǎn)軸以便得到帶有激勵場的氣體的增強的相互作用的不同盤結(jié)構(gòu)。圖31A-C示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的用于軸和盤的不同旋轉(zhuǎn)方法。圖32和33示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個實施方式的分別用于導(dǎo)向氣體激勵場的偏轉(zhuǎn) 器和柯安達效應(yīng)偏轉(zhuǎn)器(Coanda-effect deflector)的使用。圖34A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個實施方式的用于等離子體卷流的空間分布的 主動控制的一個或多個空氣噴嘴的使用。圖35A-D示出了用于重新導(dǎo)向氣體再形成室中的等離子體卷流的不同偏轉(zhuǎn)器的 使用。圖36A-D示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的非對稱旋轉(zhuǎn)軸對象偏轉(zhuǎn)器的使用。圖37是給出炬安裝系統(tǒng)的細節(jié)并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的氣體再形成系統(tǒng) 的一部分的示意圖。圖38A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的定位成將氣體激勵場逆流導(dǎo)向至氣 體流的流動的氣體激勵源。圖38B示出了氣體從頂部附件進入并朝向底部離開的圖38B的 實施方式。圖38C是圖解了一個實施方式的入口和等離子炬的定向的示意圖。圖39和40示出了面對氣體再形成室和輸入氣體流的氣體激勵源的各種布置。圖41圖解了氣體再形成室中的擋板的布置。圖41A圖解了包括橋壁擋板(bridge wall baffle)的氣體再形成室內(nèi)的氣體流動。圖41B圖解了包括紊流器或阻塞環(huán)擋板 (choke ring baffle)的氣體再形成室內(nèi)的氣體流動。圖43A-B示出了包含用于增強的再形成的紊流區(qū)域。圖43C示出了紊流生成器的例子。圖44示出了將被再形成的氣體切向地進入產(chǎn)生漩渦的再形成反應(yīng)器，該漩渦由 等離子炬和氣體操縱器處理。圖45和46示出了用于產(chǎn)生紊流的示例性裝置。圖47是圖解了空氣流動離開類型A噴嘴的圖。圖48是圖解了空氣流動離開類型 B噴嘴的圖。
圖49和50示出了用作再形成室中的催化劑的炭的固定床。圖51示出了結(jié)合氣 體再形成室的氣化器，其中，在氣化器中產(chǎn)生的炭導(dǎo)致催化裂化。圖52至54示出了用于結(jié)合催化劑床和激勵場的各種構(gòu)造，以便再形成氣化器內(nèi) 產(chǎn)生的氣體。圖55至57示出了各種位置，其中，催化床可放置在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的氣體再形成室內(nèi)。圖58和59是關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的在氣體再形成系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi) 使用的熱交換系統(tǒng)。圖60A是氣體再形成室的一個實施方式的示意圖。圖60B是給出耐火墊板 (refractory support)的細節(jié)的圖60A的氣體再形成室的橫截面圖。圖61至64示出了氣體再形成室、氣化器和碳轉(zhuǎn)化器的各種構(gòu)造。圖65示出了氣化器，該氣化器可被連接到本發(fā)明的氣體再形成系統(tǒng)。圖66至68、74和77示出了示例性氣體操作器的各種視圖，該示例性氣體操作器 被設(shè)計成將被改進成柱狀氣體再形成室。圖69、70、72、73、75、76示出了圖66的安裝在柱狀氣體再形成室中的示例性氣體 操作器的各種視圖。圖71示出了沒有圖66的示例性氣體操作器的氣體再形成室的俯視圖。圖78示出了用在圖1至77中的氣體激勵源的各種代表性例子。所有代表性例子 是等同的，并可用于指示這里所具體指出的任何氣體激勵源，或作為本領(lǐng)域技術(shù)人員所已 知的。發(fā)明詳述除非另有定義，否則這里所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本領(lǐng)域技術(shù)人員所 共同理解的相同含義。如這里所使用的，詞“大約”指的是名義值士 10%的變化。應(yīng)理解，這種變化總是 被包含在這里所提供的任何給定值中，而不管它是否被具體地指出。術(shù)語“活性物類(reactive specie) ”，指的是整個再形成過程中形成的有活力的 物類。非限制性例子包括由諸如等離子體或基本的或游離的中間物(感應(yīng)中間物)的能量 源產(chǎn)生的自由電子，該基本的或游離的中間物(感應(yīng)中間物)在廢氣(例如，合成氣)中產(chǎn) 生，將能量轉(zhuǎn)移到預(yù)形成氣體(“預(yù)形成分子”)的其他分子和/或游離的中間物/段，使它 們能夠再形成為具有設(shè)計規(guī)格的化學(xué)組成。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會，隨著能量轉(zhuǎn)移過程的 繼續(xù)，預(yù)形成分子中的一些將輪流變成活性物類，從而將它們所需要的能量轉(zhuǎn)移到氣體再 形成區(qū)域中的其他分子。術(shù)語“原料廢氣(raw off-gas) ”指的是在將進料轉(zhuǎn)化成爐渣的整個過程中離開進 料的氣體。在工業(yè)中，該類型和質(zhì)量的氣體通常被稱為“合成氣”。術(shù)語“部分處理的原料廢氣(partially processed raw off-gas) ”指的是由于諸 如高溫或活性物類的情況而已經(jīng)被有些處理的原料廢氣(原料合成氣)，該高溫或活性物 類在諸如等離子體熔化系統(tǒng)的氣化系統(tǒng)中產(chǎn)生，該氣化系統(tǒng)為廢棄物的破壞以及轉(zhuǎn)化成氣 體和爐渣而設(shè)計。這種處理可包括將原料廢氣暴露于等離子體或其他能量源。術(shù)語“初始氣體(initial gas) ”指的是將被再形成為化學(xué)組成的氣體，該化學(xué)組成為一個或多個下游應(yīng)用而設(shè)計。它包括原料廢氣(原料合成氣)和/或部分處理的原料廢氣。術(shù)語“預(yù)形成氣體(preformulated gas) ”被用來表示當其進入氣體再形成區(qū)域時的氣體。除了任何可選擇的工藝添加劑之外，該氣體包括初始氣體，該可選擇的工藝添加劑 在它再形成為所設(shè)計的化學(xué)組成之前已經(jīng)被添加，以調(diào)整氣體的化學(xué)組成。例如，如果氣體 需要增加量級的氫氣，則可在氣體再形成區(qū)域上游添加作為工藝添加劑的蒸氣，使得再形 成氣體將包含足夠量的氫氣物類，以提供最終再形成氣體產(chǎn)物的恰當?shù)幕瘜W(xué)組成。如果未 添加可選擇的工藝添加劑，則“預(yù)形成氣體”具有與“初始氣體”相同的組成。術(shù)語“再形成氣體(reformulated gas) ”指的是離開氣體再形成系統(tǒng)的氣體。術(shù)語“氣體再形成率(gas reformulation ratio) ”被用于描述再形成的氣體相對
于輸入到系統(tǒng)中的氣體的量的量。它可由公式描述
再形成氣體的量ι^ 、
-X 100 =氣體再形成的百分比
預(yù)形成氣體的量可選地，并且特別是，如果沒有使用工藝添加氣體，則可由公式描述
再形成氣體的量
-X 100 二氣體再形成的百分比
初始氣體的量氣體再形成率可直接或間接獲得。氣體再形成率的間接獲得可通過比較再形成氣 體和預(yù)形成氣體的下游能量產(chǎn)生來實現(xiàn)。下游能量產(chǎn)生是再形成氣體的百分比反映。下游 能量產(chǎn)生的增加指示再形成氣體的百分比的增加。術(shù)語“氣體操作器(gas manipulator) ”表示并入本發(fā)明的系統(tǒng)的特征，其起到有 助于氣體再形成工藝的作用。術(shù)語“含碳進料(carbonaceousfeedstock) ” 和“進料(feedstock) ” 在這里被可 互換地使用，它們被定義成指的是含碳材料，該含碳材料可用于氣化工藝中。合適的進料 的例子包括但不限于有害的和無害的廢棄物材料，其包括城市垃圾；由工業(yè)活動產(chǎn)生的 廢棄物；生物醫(yī)療廢棄物；不適合于再循環(huán)的含碳材料，其包括不可再循環(huán)塑料；下水道污 泥；煤；重油；石油焦炭；浙青；重精煉廠殘余物；碳氫污染固體；生物體；農(nóng)業(yè)廢棄物；城市 固體垃圾；有害廢氣物以及工業(yè)廢棄物。有利于氣化的生物體的例子包括但不限于廢木 料；新鮮木材；來自水果、蔬菜和谷物處理的剩余物；造紙廠殘渣；稻草；草以及肥料。術(shù)語“氣體激勵源(gas energizing source) ”指的是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何 能量源，其可被用于將能量施加到預(yù)形成氣體，使其能夠再形成為所定義組成的氣體。例子 包括但不限于等離子體產(chǎn)生源、輻射源、氫燃燒器、電子束槍等。術(shù)語“氣體激勵場(gas energizing field) ”被用于表示由氣體激勵源中的一個 或多個產(chǎn)生的場效應(yīng)，該氣體激勵源在本系統(tǒng)內(nèi)使用，以對需要發(fā)生再形成工藝的氣體提 供能量。例如，由等離子炬產(chǎn)生的氣體激勵場將呈現(xiàn)出三維空間，該三維空間將隨著炬能 量、工作氣體組成、炬位置、炬方向等而變化。如這里所使用的，術(shù)語“感測元件(sensing element) ”使用的是最廣泛的意思，以描繪關(guān)于氣體再形成系統(tǒng)的被設(shè)置成感測、檢測、讀取、監(jiān)測等輸入和/或輸出系統(tǒng)的一個 或多個特征、參數(shù)和/或信息的任何元件的方面。如這里所使用的，術(shù)語“響應(yīng)元件(response element) ”被用于描繪關(guān)于氣體再形 成系統(tǒng)的能夠響應(yīng)于信號的任何元件的方面。氣體再形成系統(tǒng)本發(fā)明包括一種用于從含碳進料的氣化中獲取氣體的有效再形成的系統(tǒng)。將被輸 入到該系統(tǒng)的初始氣體將一般地包括變化長度的碳氫分子的復(fù)雜混合物。氣體的化學(xué)組成 和污染物質(zhì)量將取決于進料的組成、用于產(chǎn)生氣體的工藝，以及氣化系統(tǒng)中的環(huán)境。一些氣 化器被設(shè)計用于一個步驟工藝，其中，各種形式的熱被用于在單個室中產(chǎn)生氣體。在一個室 的不同區(qū)域或不同室或其一些組合中，其他氣化器在多個步驟工藝中產(chǎn)生氣體。任一系統(tǒng) 可包括一些預(yù)處理的原料廢氣，這一般是由于氣化室中的熱源。這些設(shè)計策略中的一個主要目標是使原料合成氣和/或預(yù)形成氣體的量有效暴 露于氣體激勵區(qū)域中的活性物類最優(yōu)化。有效暴露的程度越大，能量轉(zhuǎn)移的效率就越大，并 因此，以總體最具成本效益的方式使預(yù)形成氣體轉(zhuǎn)化成具有設(shè)計的化學(xué)組成的氣體的百分 比越大。設(shè)計策略的例子包括整個系統(tǒng)的設(shè)計。例如，重要設(shè)計策略包括預(yù)形成氣體相對 于氣體激勵場的流動模式(紊流)和特別地在時間的特定量下通過該場的氣體的量。這些 策略的一個例子是系統(tǒng)設(shè)計，通過該系統(tǒng)設(shè)計，預(yù)形成氣體通過等離子體產(chǎn)生電弧。另一個 例子是系統(tǒng)設(shè)計，其中，等離子炬以等離子體卷流逆流流動并直接進入預(yù)形成氣體的方式 來定位。在另一個實施方式中，預(yù)形成氣體通過順次的或平行的氣體激勵場。本發(fā)明的再形成系統(tǒng)被設(shè)計成使再形成為產(chǎn)物氣體的預(yù)形成氣體的量最優(yōu)化。在 一個實施方式中，該工藝的效率由術(shù)語“氣體再形成率”表示，術(shù)語“氣體再形成率”包括再 形成產(chǎn)物氣體的量除以預(yù)形成或初始反應(yīng)劑氣體的量再Xioo =%。在一個實施方式中， 氣體再形成率為95%或更大。在一個實施方式中，氣體再形成率為90%或更大。在一個 實施方式中，氣體再形成率為85%或更大。在一個實施方式中，氣體再形成率為80%或更 大。在一個實施方式中，氣體再形成率為75%或更大。在一個實施方式中，氣體再形成率為 70%或更大。在一個實施方式中，氣體再形成率為65%或更大。在一個實施方式中，氣體再 形成率為60%或更大。在一個實施方式中，該概念被表示成再形成氣體的值與初始氣體相 比的比率。在一個實施方式中，該值是從電產(chǎn)生方面來說的高能值(energetic value) 0為了將初始氣體有效地再形成為具有設(shè)計組成的氣體，本發(fā)明包括一個或多個 “氣體再形成區(qū)域”，以及一個或多個“氣體穩(wěn)定區(qū)域”。氣體穩(wěn)定區(qū)域可選地包括熱轉(zhuǎn)移裝 置，以當氣體冷卻時從其捕獲熱量。該系統(tǒng)可選地包括一個或多個“氣體添加劑區(qū)域”，其一 般地位于氣體再形成區(qū)域的上游，混合或沒有混合。它還可選地包括一個或多個“氣體清潔 區(qū)域”，其一般地位于氣體穩(wěn)定區(qū)域的下游。為了清楚的目的，這些區(qū)域被分別描述。然而，應(yīng)理解，這些區(qū)域在系統(tǒng)內(nèi)是鄰接 且相互關(guān)聯(lián)的，該系統(tǒng)不限于包括分立的物理上分開的區(qū)域，盡管這仍然是一個選擇性方 案。根據(jù)特定實施方式的設(shè)計，它們將被或多或少地分開。此外，僅為了容易參考，這些區(qū) 域已經(jīng)根據(jù)在該區(qū)域主要發(fā)生的工藝步驟來命名。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會，由于再形 成工藝的性質(zhì)，其他工藝步驟也可在該區(qū)域中較小程度地發(fā)生。
有效再形成氣體的系統(tǒng)必須能夠提高初始氣體分子的能量，使得它們開始再形 成。尤其是，反應(yīng)中間物被引發(fā)。反應(yīng)的高能工藝由諸如下面所示的曲線示出。
<image>image see original document page 12</image>如本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會的，箭頭指向能量表象，該能量表象是誘發(fā)具有初始化 學(xué)組成的氣體分子開始再形成為具有設(shè)計化學(xué)組成的分子所需的。虛線表示當使用催化劑 來降低引起分子再形成所需的能量的量時所需的能量。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會，在一般量 級下，將需要足夠的能量來施加到初始氣體分子，以驅(qū)動它們斷裂它們的化學(xué)鍵并再形成 為再形成分子和原子。在恰當?shù)臈l件下，如果再形成分子和/或原子被允許徹底混合，則這 些原子將根據(jù)存在的物類的相對濃度來重新組合。此外，如果顯著量的預(yù)形成氣體通過激 勵場，則顯著量的氣體將被再形成。為了實現(xiàn)有效再形成氣體的目標，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，貫穿氣體的再形成，將 發(fā)生下列四種化學(xué)工藝1)中間物的引發(fā)；2)中間物的至少一部分的傳播；3)中間物的終 止；以及4)產(chǎn)物氣體穩(wěn)定化。一種氣體再形成工藝可被預(yù)想成需要四種一般工藝。在第一工藝中，諸如初始氣 體分子的反應(yīng)劑和能量源(包括但不限于自由電子，以及諸如原子和自由基的激勵或激活 物類)通過混合被帶到一起，并達到物類對物類接觸的狀態(tài)。這種接觸以及足夠能量級的 混合的結(jié)果是，反應(yīng)劑的作用導(dǎo)致化學(xué)中間物的形成。雖然一些中間物可一起反應(yīng)并終止， 但中間物的至少一部分經(jīng)歷另一步驟，在該步驟中，在反應(yīng)劑參與或不參與的情況下，中間 物在它們之間反應(yīng)，以產(chǎn)生其他中間物，從而導(dǎo)致一連串化學(xué)反應(yīng)。在另一工藝中，中間物 由化學(xué)和/或物理裝置終止，并產(chǎn)生特定的產(chǎn)物。在第四且最后的步驟中，在維持特定的化 學(xué)和/或物理環(huán)境時，所形成的產(chǎn)物被穩(wěn)定化。因此，中間物的引發(fā)可被認為是主導(dǎo)工藝，該主導(dǎo)工藝在氣體再形成區(qū)域內(nèi)早先 發(fā)生，在該氣體再形成區(qū)域內(nèi)，中間物誘發(fā)裝置(能量源)被提供并與進入氣體再形成區(qū)域 的氣體接觸?；旌?、能量轉(zhuǎn)移和/或輻射使反應(yīng)劑能夠轉(zhuǎn)化成初始中間物。反應(yīng)劑可被認 為是被激發(fā)。中間物傳播步驟可被認為是發(fā)生在氣體再形成區(qū)域中的另一主要工藝，在該氣體 再形成區(qū)域中，初始中間物在它們自身之間反應(yīng)，以產(chǎn)生其他中間物。這些中間物可能形成 一連串反應(yīng)劑，其中一組中間物從先前的一組中間物獲得。
—般來說，中間物終止工藝可被認為是發(fā)生在氣體再形成區(qū)域的末端，并且在一些實施方式中，可甚至被認為是界定該區(qū)域的外邊緣，其中，化學(xué)和/或物理環(huán)境被改變， 使得鏈式反應(yīng)因此停止進一步前進。然而，應(yīng)理解，該終止工藝可在氣體再形成區(qū)域的其他 區(qū)域中發(fā)生，這取決于該工藝的物類、反應(yīng)劑/中間物以及最終產(chǎn)物的穩(wěn)定性。在鏈式反應(yīng) 的由受控終止或由未受干擾的行進達到的末端，形成了特定產(chǎn)物。氣體穩(wěn)定區(qū)域可被認為位于產(chǎn)物穩(wěn)定化是主導(dǎo)工藝的位置處，并可被定義成這樣 的區(qū)域，在該區(qū)域中，特定環(huán)境被維持，以便穩(wěn)定在中間物的重新組合的終止時形成的產(chǎn) 物。這些產(chǎn)物一般期望用于特定應(yīng)用。如果需要不同產(chǎn)物，可做出努力來調(diào)整中間物終止 點，因為鏈式反應(yīng)過程的不同點對應(yīng)于不同中間物，其進而在終止和穩(wěn)定化之后產(chǎn)生不同產(chǎn)物。有很多中間物誘發(fā)裝置。這些中間物誘發(fā)裝置包括熱加熱、等離子體卷流、氫燃燒 器、電子束、激光、輻射等。在存在催化劑時，在反應(yīng)劑分子具有足夠能量來重新布置并與這 種催化劑接觸的情況下，催化劑可被認為扮演中間物誘發(fā)裝置的角色。提供中間物誘發(fā)裝 置的能量源的公共特征是對反應(yīng)劑引起化學(xué)變化，以及沿著通向最終產(chǎn)物的通路前進。因 此，所形成的中間物在不同中間物誘發(fā)裝置之間改變，并具有不同量級的激活。有一些提高初始氣體的能量的方法，該方法將初始氣體的能量提高到一個量級， 使得分子將再形成為具有所設(shè)計的化學(xué)組成的分子?？上虺跏細怏w添加熱。激活物類，例 如可在等離子體中發(fā)現(xiàn)或從氫氣源產(chǎn)生的電子和陽離子，可被用于轉(zhuǎn)移所需的能量，以引 起初始氣體和工藝添加劑即“預(yù)形成氣體”中的分子，再形成為再形成分子和原子。如上面所說明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知各種催化劑可被用于降低能量的量，該能 量的量是必須的，以引起分子再形成。催化劑，例如白云石、橄欖石、氧化鋅和炭是一些通常 使用的催化劑的例子。本發(fā)明提供了一種小的集成的氣體再形成系統(tǒng)，以便將帶有特征性特征(例如， 化學(xué)組成)的初始氣體有效地特意計劃地再形成為帶有設(shè)計用于特定下游目的的特征性 特征的輸出氣體。優(yōu)化包括以總體最具成本效益的方式完成再形成，包括諸如電的前期成 本和諸如受工藝污染的催化劑的下游成本。氣體再形成系統(tǒng)工藝(1)直接或間接感測初始氣體的特征參數(shù)的適合性，這些特征參數(shù)包括但不限于 化學(xué)組成、濕度、流速等?？蛇x地，該系統(tǒng)可感測上游和/或下游系統(tǒng)或其輸入或輸出的特 征和/或參數(shù)；(2)根據(jù)初始氣體的被感測的特征參數(shù)和輸出氣體的期望參數(shù)，對再形成工藝改 變各種輸入?yún)?shù)(例如，可選地增加或減少工藝添加劑的恰當量、改變電量等)；(3)產(chǎn)生包括足夠高能物類的一個或多個氣體再形成區(qū)域，該高能物類可與廢氣 分子(初始氣體或預(yù)形成氣體)反應(yīng)，以轉(zhuǎn)移能量到氣體分子，使得絕大多數(shù)氣體分子再形 成為再形成分子和原子；(4)在再形成區(qū)域中，促進被引發(fā)的氣體分子構(gòu)成(被引發(fā)的中間物)的有效混 合，使得它們重新組合成由再形成氣體中存在的物類的相對濃度確定的化學(xué)組成。(5)提供穩(wěn)定區(qū)域，由此，新形成的分子被去能，例如，被冷卻或離開催化劑或氣體 激勵源的影響，并因此被穩(wěn)定成維持期望的特征；以及
(6)提供一種用于總體控制氣體再形成工藝的控制系統(tǒng)。氣體再形成系統(tǒng)和方法可用于將諸如由含碳進料的氣化產(chǎn)生的大量廢氣再形成為再形成氣體，該再形成氣體包括諸如一氧化碳和氫氣的分子的最佳量級和不想要的分子 的最小量級。在接下來的描述中，將更詳細地考慮氣體再形成系統(tǒng)的以下部件。將以“氣體再形 成區(qū)域；”和“氣體穩(wěn)定區(qū)域”的描述為開始來教導(dǎo)基本工藝。用于優(yōu)化氣體再形成的程度 和效率的策略和手段將通過包括催化劑的氣體操縱器和其他氣體操縱器的討論來描述。用 于包含在系統(tǒng)中的可選特征包括“氣體添加劑區(qū)域，”和“氣體清潔區(qū)域”。最后，本描述將 討論氣體再形成室和用于管理所有上述工藝的控制系統(tǒng)的設(shè)計。氣體再形成區(qū)域再形成區(qū)域是位于系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域，其中，發(fā)生了預(yù)形成分子被足夠激勵以再形成 為具有設(shè)計化學(xué)組成的分子物類。一般來說，該區(qū)域被設(shè)計成使得它包含用于在再形成工 藝過程中引起紊流和混合的裝置。氣體激勵源氣體激勵源提供了克服氣體再形成系統(tǒng)(預(yù)形成氣體)內(nèi)的初始氣體和工藝添加 劑的化學(xué)鍵能量所需的初始能量，從而用于將這些分子再形成為再形成分子，且最終為具 有設(shè)計化學(xué)組成的分子，例如0)和壓。這些激勵源用于提供用于活性中間物的引發(fā)的能量， 并且當需要時，提供支持中間物的傳播的能量。在本發(fā)明中，預(yù)想了各種元件，以便提供氣體激勵區(qū)域。滿足氣體再形成能量的 要求所需的能量級取決于各種因素，包括但不限于初始氣體、工藝添加劑的特征(例如，組 成)以及催化劑的存在。用于增加溫度、停留時間和/或紊流和混合的裝置也被預(yù)想包含 在設(shè)計和創(chuàng)建該區(qū)域中。用于氣體激勵以便誘發(fā)中間物變成活性的所需的能量可由各種源來提供，各種源 被稱為激勵源、熱加熱、等離子體、氫燃燒器、電子束、激光、輻射等。它們的公共特征是對反 應(yīng)劑引起化學(xué)變化，以及沿著通向最終產(chǎn)物的通路前進。等離子體源等離子體主要以可與預(yù)形成氣體相互作用以對分子提供氣體再形成能量的電子 和陽離子的形式提供能量源。在本發(fā)明的一個實施方式中，結(jié)合或不結(jié)合其他氣體激勵源操作的一個或多個基 于等離子體的源(例如，等離子炬)用于將初始氣體的能量提高到足夠高以便氣體再形成 的量級，并因此提供氣體激勵區(qū)域。恰當能量級取決于各種因素，包括但不限于初始氣體和 工藝添加劑的特征，并由本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地確定。盡管熱有助于工藝，但大多數(shù)能量的顯著部分由等離子體中的活性物類提供。在 本發(fā)明的一個實施方式中，溫度處于大約800°C到大約1200°C之間。所需的源的能量的量 可通過使用催化劑來降低。一個或多個等離子體源可從各種類型中選出，該各種類型包括但不限于非轉(zhuǎn)移弧 和轉(zhuǎn)移弧、交流電(AC)和直流電(DC)、等離子炬、高頻感應(yīng)等離子設(shè)備，以及感應(yīng)耦合等離 子炬(ICP)。在所有弧產(chǎn)生系統(tǒng)中，該弧在陰極和陽極之間引發(fā)。恰當?shù)入x子體源的選擇在 本領(lǐng)域技術(shù)人員的技能之內(nèi)。
轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧(AC和DC)炬可采用恰當選擇的電級材料。本領(lǐng)域已知的適用 于電極的材料包括銅、鎢合金、鉿等。電極壽命取決于各種因素，如電極上的弧工作區(qū)域，其 又取決于等離子炬的設(shè)計和電極的空間布置。小的弧工作區(qū)域一般在較短的時間內(nèi)耗盡電 極，除非電極被設(shè)計成通過熱電子發(fā)射來冷卻。電極可被空間調(diào)整，以減小它們之間的空隙 的任何變化，其中該變化隨著電極在它們的壽命期間耗盡而引起。各種氣體可被用作用于等離子炬的載運氣體(carrier gas)，其包括但不限于空 氣、氬、氦、氖、氫氣、甲烷、氨、一氧化碳、氧氣、氮氣、二氧化碳、C2H2以及C3H6。載運氣體可 以是中性的、還原性的或氧化性的，并基于對氣體再形成工藝和氣體的電離電勢的需要來 選擇。恰當?shù)妮d運氣體的選擇和對將載運氣體引入等離子炬的裝置可影響其效率的理解是 在本領(lǐng)域技術(shù)人員內(nèi)的。尤其是，載運氣體的不良設(shè)計的引入可導(dǎo)致等離子體卷流的冷熱 區(qū)域的不均勻。在一個實施方式中，氣體再形成系統(tǒng)包括一個或多個非轉(zhuǎn)移的反極性DC等離子 炬。在一個實施方式中，氣體再形成系統(tǒng)包括一個或多個水冷卻的銅電極NTAT DC等離子 炬。在一個實施方式中，氣體再形成系統(tǒng)包括一個或多個AC等離子炬。AC等離子炬可以是單階段或多階段(例如，3階段)，其具有弧穩(wěn)定性方面的相關(guān) 變化。3階段AC等離子炬可由傳統(tǒng)的公用網(wǎng)絡(luò)或由發(fā)電機系統(tǒng)直接供電。還可使用高階段 AC系統(tǒng)(例如，6階段)，以及混合式AC/DC炬或使用但不限于氫燃燒器、激光、電子束槍或 電離氣體的其他源的其他混合式設(shè)備。多階段AC等離子炬一般在電力供應(yīng)方面具有較低損失。此外，弧由于軌道炮效應(yīng) (rail gun effect)而沿著電極的快速運動可導(dǎo)致電極之間的熱載荷的改進的再分布。該 熱載荷的再分布與用于電極的任何冷卻結(jié)構(gòu)一起，允許使用具有相對低熔點而具有高熱傳 導(dǎo)性的用于電極的材料，如銅合金。等離子源可包括各種商業(yè)上可得的等離子炬，該等離子炬在應(yīng)用時提供持久的合 適的高火焰溫度。一般來說，這種等離子炬在輸出功率為大約IOOkW到超過6MW時尺寸上 是可行的。在一個實施方式中，等離子炬為兩個300kW的等離子炬，其中，每個等離子炬以 所需的(部分)容量操作。氫燃燒器在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體激勵場至少部分地由氫燃燒器提供，其中氧氣 和氫氣反應(yīng)，以形成超高溫度蒸氣(> 1200°C )。在這些高溫下，該蒸氣可以電離形式存在， 其增強了氣體再形成工藝。氫燃燒器可結(jié)合或不結(jié)合諸如等離子炬的氣體激勵源來操作。 激活的氫氣物類包括活性物類的快速分散和大規(guī)模蒸氣裂化(extensive steamcracking) 的益處，它們都導(dǎo)致初始氣體以低于用等離子體實現(xiàn)的溫度的溫度的高轉(zhuǎn)化。在本發(fā)明的一個實施方式中，氫燃燒器提供了激勵能量的顯著部分，從而用作主 要激勵場元件。用于氫燃燒器的氫氣可通過電解作用獲得。氧氣源可以是純氧氣或空氣。還可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員容易已知的用于氫氣和氧氣的其他源。燃燒器的設(shè)計可利用標準建模工 具，例如，基于計算流體力學(xué)(CFD)的工具。燃燒器還可被調(diào)整成或被尺寸設(shè)計成滿足考慮 各種因素的氣體再形成系統(tǒng)的要求，各種因素包括但不限于用于再形成的氣體的數(shù)量、室 幾何結(jié)構(gòu)等。
在本發(fā)明的一個實施方式中，氫燃燒器包括柱狀噴嘴主體，其中上蓋和下蓋分別 耦合到其上端和下端，并且在主體中界定預(yù)定的環(huán)狀空間S。氣體供應(yīng)管被連接到主體的側(cè) 壁，使得管從其向下傾斜。上蓋與主體形成為單個結(jié)構(gòu)，并設(shè)有熱轉(zhuǎn)移部分，該熱轉(zhuǎn)移部分 具有足夠用于熱的容易耗散的厚度。將氫氣排到大氣中的多個噴嘴孔被形成通過熱轉(zhuǎn)移部 分，同時在其上表面上形成暴露的凹坑，以與每個噴嘴孔連通。在主體上還界定了氣流室， 使得空氣通過該室。在空間的內(nèi)表面上形成有導(dǎo)向突出部，以將空間中的氫氣氣體流導(dǎo)向 至期望的方向。此外，與噴嘴孔的下端連通的環(huán)狀空間S的上端被設(shè)置成圓頂形狀，從而界 定圓頂?shù)膶?dǎo)向件，以將氫氣氣體導(dǎo)向至孔。氫燃燒器以較低溫度操作并通常將氫氣與空氣混合。它們還可使用以顯著的較高 溫度運行的氧氣-氫氣混合物。該較高溫度可放出更多基和離子；它還將使氣體與碳氫蒸 氣和甲烷高度反應(yīng)。
在本發(fā)明的一個實施方式中，氫燃燒器用作高溫化學(xué)基的源，其可加速氣體碳氫 化合物再形成為合成氣。氫燃燒器與氧化劑一起操作，其中空氣和氧氣是兩種通常的選擇。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解氫氣和所需的氧化劑的相對比例。除了產(chǎn)生高溫基之外，氫燃燒器 還產(chǎn)生可控制量的蒸氣。典型地，氫燃燒器可以類似于等離子炬的效率來供能。電子束槍電子束槍通過諸如熱離子發(fā)射、光電陰極發(fā)射以及冷發(fā)射的發(fā)射機構(gòu)，或通過使 用純靜電或具有磁場的聚焦以及通過一些電極，來產(chǎn)生具有實質(zhì)上精確動態(tài)能量的電子
束ο電子束槍可通過添加或從原子移除電子而被用于電離粒子。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容 易知道，這種電子電離工藝已經(jīng)被用在質(zhì)譜學(xué)中，以電離氣體粒子。在本領(lǐng)域中容易已知電子束槍的設(shè)計。例如，DC靜電熱電離電子槍由多個部件形 成，該多個部件包括熱陰極，其被加熱，以經(jīng)由熱電離發(fā)射來產(chǎn)生電子流；電極，其產(chǎn)生電 場以聚焦束，例如調(diào)制極(Wehnelt cylinder)；以及一個或多個陽電極，其加速并進一步聚 焦電子。因為陰極和陽極之間的較大電壓差，電子經(jīng)歷較高的加速。放置在陽極和陰極之 間的排斥環(huán)將電子聚焦在陽極上的小點上。該小點可被設(shè)計成孔，在這種情況下，電子束在 到達被稱為收集器的第二陽極之前被校準。輻射電離輻射是指可電離原子或分子的高能粒子或波。該電離能力是輻射的各個束 (用于電磁輻射的光子)的能量的函數(shù)。電離輻射的例子是高能貝塔粒子、中子以及阿爾法 粒子。電離原子或分子的電磁輻射的能力在電磁光譜上變化。X射線和伽瑪射線將電離 幾乎任何分子或原子；遠紫外線將電離許多原子和分子；近紫外線和可見光將電離極少分 子。電離輻射的恰當源在本領(lǐng)域中是已知的。回收的能量維持氣體再形成工藝的外部能量還可通過利用由工藝產(chǎn)生的任何熱來降低。由氣 體再形成工藝產(chǎn)生的熱的量取決于初始氣體和再形成氣體的特征。在一個實施方式中，在 碳分子或多碳分子主要再形成為CO和H2的過程中釋放的熱通過優(yōu)化噴射進入氣體再形成 系統(tǒng)的工藝添加劑的量和類型(例如，空氣、O2)來最大化。
在離開再形成區(qū)域的氣體中存在的可感熱可使用氣體穩(wěn)定區(qū)域中的熱交換器來 捕獲。并被回收，以提高再形成工藝的外部效率。還可使用基于熱能量或激光的其他激勵源，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的。氣體操縱器氣體操縱器表示用于優(yōu)化氣體再形成工藝的設(shè)計策略的實施方式。氣體操縱器包 括，它們包括室的設(shè)計，該室優(yōu)化預(yù)形成氣體相對于氣體激勵場的流動模式，以及特定地在 特定量的時間內(nèi)通過該場的氣體的量。氣體操縱器的另一個例子是系統(tǒng)設(shè)計，其中，能量提 供源(如等離子炬)以相對于進入的再形成氣體的方式被定向，該方式使進入的氣體和能 量源中的高能物類之間的混合最大化。另一個例子是被設(shè)計成增加紊流和混合的工藝添加 劑噴嘴的位置和定位。另一個例子可能包括順次氣體再形成區(qū)域?qū)ζ叫袣怏w再形成區(qū)域的 布置。氣體操縱器包括結(jié)構(gòu)設(shè)備，該結(jié)構(gòu)設(shè)備已經(jīng)被設(shè)計和并入到系統(tǒng)中，以增加氣體 再形成工藝的效率。例子包括但不限于諸如更有效地導(dǎo)向預(yù)形成氣體朝向并通過氣體激勵 場的擋板和偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)備。其他例子包括在增加激勵源和再形成氣體的混合的工藝的 整個過程中增加紊流的結(jié)構(gòu)設(shè)備。氣體操縱器還包括系統(tǒng)的各方面，該各方面導(dǎo)向激勵源的物理方向以改變激勵場 的尺寸，例如，等離子體卷流導(dǎo)向裝置，和/或?qū)?yīng)到等離子體產(chǎn)生源的能量、工作氣體 的流速等的改變是本發(fā)明的系統(tǒng)的各方面的非限制性例子，其可被改變以適應(yīng)預(yù)形成激勵 場的尺寸的有效變化。催化氣體操縱器能增加能量轉(zhuǎn)移的效率，并包括催化劑。氣體操縱器的一個例子 是系統(tǒng)設(shè)計，由此，預(yù)形成氣體通過等離子體產(chǎn)生電弧。包含氣體操縱器的目的是使在對預(yù) 形成氣體提供能量的工藝中消耗的能量的量和足以使系統(tǒng)能夠?qū)⒑铣蓺庠傩纬蔀榫哂性O(shè) 計化學(xué)組成的氣體的輸出之間的平衡最優(yōu)化。有不同類別的氣體操縱器。一個類別的氣體操縱器被稱為源能量暴露操縱器(source energyexposure manipulator)。本發(fā)明的該方面的主要設(shè)計策略是使支持再形成反應(yīng)所必需的預(yù)形成氣體 的量暴露于初始能量源最優(yōu)化。另一個類別的氣體操縱器被稱為混合操縱器。本發(fā)明的該方面的主要設(shè)計策略是 使活性物類的混合最優(yōu)化，以增強貫穿再形成工藝的能量轉(zhuǎn)移。另一個類別的氣體操縱器被稱為催化操縱器。本發(fā)明的該方面的主要設(shè)計策略是 使系統(tǒng)內(nèi)的催化活動最優(yōu)化，以增強再形成工藝的總體效率。總體效率是指除了實現(xiàn)再形成的總體成本之外的再形成工藝的徹底性(由氣體再形成率所表示)。例如，總體效率考慮了使用在工藝過程中可能變成“被毒害”的催化劑 的成本以及替換它的成本。還考慮了能量源的成本。本發(fā)明的氣體再形成系統(tǒng)被設(shè)計成提高再形成工藝的效率。實現(xiàn)該目的的各種裝 置被稱為“氣體操縱器”，并且它們能提高再形成工藝的效率、效果和徹底性。在預(yù)形成氣體 通過系統(tǒng)的室時，再形成工藝發(fā)生，因此停留時間是決定工藝的效率和轉(zhuǎn)化的徹底性的關(guān) 鍵方面。加速貫穿預(yù)形成氣體分子的能量轉(zhuǎn)移的速率和程度以及再形成物類的混合的因素 在氣體離開系統(tǒng)之前優(yōu)化轉(zhuǎn)化的徹底性。
氣體分子接近于對諸如等離子體和/或熱中提供的那些激活物類的激活物類提 供能量的源的接近度，取決于氣體分子暴露于源的時間量。系統(tǒng)內(nèi)提供的增強貫穿預(yù)形成 氣體分子的能量轉(zhuǎn)移的工藝的裝置能最大化將被再形成的分子的數(shù)量，其中預(yù)形成氣體分 子通過能量轉(zhuǎn)移開始再形成。此外，增加混合激活物類/活性中間物使得它們再形成為新 的化學(xué)物類的量的裝置，還能最大化將被產(chǎn)生的設(shè)計分子的量，其中新的化學(xué)物類的組成 主要取決于再形成氣體中存在的物類的相對濃度。氣體操縱器被設(shè)計、定位和操作來提高再形成工藝的效率。在一些實施方式中，氣體操縱器被設(shè)計成增加系統(tǒng)內(nèi)的高紊流。增加紊流能通過提供將被激勵的氣體分子和再形 成為新的分子的工藝中的那些分子的徹底混合，來影響氣體，新的分子的化學(xué)組成將主要 由氣體再形成區(qū)域中的各個化學(xué)物類的相對濃度來決定。氣體操縱器可被設(shè)計成通過氣體激勵區(qū)域、初始氣體、工藝添加劑和其構(gòu)成中的至少一個的目標重新導(dǎo)向來改變氣體再形成系統(tǒng)內(nèi)的流動動力學(xué)，從而導(dǎo)致它們的相對空 間分布和其動力演變的改變。氣體操縱器可被設(shè)計成在目標位置產(chǎn)生高紊流環(huán)境，以輔助 激勵和再形成工藝。通過改進氣體激勵場(如，等離子體卷流)與初始氣體和工藝添加劑的暴露，在最低可能溫度下實現(xiàn)了用于激勵和再形成的改進的反應(yīng)工藝。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解，必須基于氣體激勵源和用于工藝添加劑的入口的位置并基于室的總體設(shè)計來設(shè)計和定位氣體操縱器。暴露操縱器在一些實施方式中，氣體操縱器被設(shè)計和構(gòu)造成實質(zhì)上增強預(yù)形成氣體對于再形成區(qū)域的暴露。如先前所提到的，這些氣體操縱器可以是連接到再形成室的單獨的結(jié)構(gòu)設(shè) 備，或與氣體再形成室形成一體。用于暴露操縱器的室設(shè)計在一個實施方式中，氣體操縱器包括室設(shè)計，該室設(shè)計優(yōu)化預(yù)形成氣體相對于氣體激勵場的流動模式，以及特定地在特定的時間量內(nèi)通過該場的氣體的量。這可通過 室的內(nèi)壁的恰當設(shè)計來實現(xiàn)，導(dǎo)致氣體再形成通路，即室內(nèi)的氣體流動路徑的差別。氣 體再形成通路可以為各種類型，包括但不限于下列類型直的、彎曲的、發(fā)散_收斂式 (diverger-converger)禾口迷宮式(labyrinth) 0圖25至28示出了氣體再形成室的各種實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解，基 于室的附加特征，諸如例如用于空氣噴射的口的設(shè)計，對于圖25至28的每個實施方式，若 干設(shè)計變化是可能的。用于氣體再形成通路的設(shè)計考慮包括但不限于對于能量源的暴露、 橫截面面積、溫度分布、速度分布、氣體停留時間、混合以及壓力降。參照圖15A并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，室是直的，并包括等離子炬位于其中 的窄喉道。通過窄喉道的氣體被迫與活性電離等離子體載運氣體(氣體激勵區(qū)域)混合， 從而促進再形成。喉道大約為等離子體卷流的與2000°C以上的溫度相關(guān)聯(lián)的可見部分的尺 寸。載運氣體存在于該溫度下的電離階段，并因此更具活性。諸如通路的尺寸(例如，其橫 截面面積)、速度和溫度分布等的設(shè)計設(shè)計標準由用于增強的氣體再形成所需的化學(xué)工藝 來確定。存在于再形成氣體中的任何顆粒物質(zhì)可由于喉道處的較高速度而進入并在室的次 級部分中積累。
室可另外地被設(shè)計用于容易分離顆粒物質(zhì)。參照圖15B并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，室的次級部分被向下定位，使得顆粒物質(zhì)可在底部分離并被帶走?？蛇x地，室的次級 部分可被設(shè)計成具有氣體從室的初級部分的切向引入，使得所產(chǎn)生的渦流可促進顆粒物質(zhì) 與氣體流的分離。圖15A和15B的設(shè)計的優(yōu)點還可通過內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)備的恰當放置用簡化機械設(shè)計 來實現(xiàn)。參照圖15C并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，室的形狀貫穿其長度是未改變的，并且 通路實質(zhì)上位于室的中央，以迫使廢氣通過。當室直徑固定時，耐熔物質(zhì)(refractory)的 安裝以及室的制造和安裝被簡化。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)備可使用本領(lǐng)域中已知的方法，諸如外部冷 卻管道、風扇和控制而被良好地絕緣和冷卻，以便得到最佳性能。在若干毫秒時間期間內(nèi)，由單個等離子炬產(chǎn)生的等離子體卷流具有某個有限長 度，在這之后，當其溫度降到大約2000°C以下時，電離氣體返回到非等離子體氣體狀態(tài)。本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在電離氣體返回到非等離子體氣體狀態(tài)之前的時間取決于等離子炬 的各種參數(shù)，包括但不限于炬的熱函、氣體流動、周圍氣體的溫度和安培數(shù)。在帶有彎曲類 型的通路的氣體再形成室中，兩個或多個等離子炬可被恰當?shù)囟ㄎ?，以提供用于與進入的 廢氣反應(yīng)的活性電離氣體的連續(xù)流，從而導(dǎo)致焦油裂化工藝的增強的效力。對于彎曲通路，各種設(shè)計是可能的，而不限于圖16A至16C的實施方式。根據(jù)本發(fā) 明的一個實施方式，室的次級部分允許氣體從室的初級部分的切向引入，使得所產(chǎn)生的渦 流促進顆粒物質(zhì)與氣體流的分離。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解，多種彎曲通路設(shè)計是可能 的，例如，基于彎曲的角度的差別。參照圖17并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，通路是發(fā)散-收斂類型，其中，在必要 時，通路的形狀允許局部環(huán)境，諸如速度、壓力等的變化。參照圖18并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，通路是迷宮類型，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容 易理解，在必要時，該通路設(shè)計可適合于較長的停留時間。在本發(fā)明的一個實施方式中，室是通過豎直定位的連接器可操作地連接到氣體源 (例如，氣化器)的直的實質(zhì)上水平的柱狀結(jié)構(gòu)。室和/或連接器的壁可被設(shè)計成起到氣體 操縱器的作用，即，被設(shè)計成精確地重新導(dǎo)向預(yù)形成氣體流，并增強其與氣體激勵場以及可 選地工藝添加劑的相互作用。在本發(fā)明的一個實施方式中，室在恰當?shù)奈恢檬湛s，以增強預(yù)形成氣體流與氣體 激勵場(例如，等離子體卷流)和/或工藝添加劑的相互作用。參照圖20A并根據(jù)本發(fā)明 的一個實施方式，室3202內(nèi)的縮窄3999被設(shè)置在兩個等離子炬3208的稍微上方。參照圖 20B并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，縮窄3999更加漸進，并定位成使得等離子炬3208落入 室3202的縮窄區(qū)域。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解縮窄的不同位置對等離子炬的影響。在本發(fā)明的一個實施方式中，帶有其自身的噴射器流作為載運氣體的噴射器等離 子炬被用于在包括由多相AC電流驅(qū)動的電極并充滿將被再形成的預(yù)形成氣體的室中產(chǎn)生 電離場。當預(yù)形成氣體直接通過室時，激勵和再形成工藝被增強。如下面所描述的氣體操 縱器的各種實施方式可仍被用于確保噴射器等離子炬的卷流被精確地導(dǎo)向至初級電極的 空隙中。參照圖21A和21B，可基于激勵源、添加劑流以及氣體輸入和氣體輸出來設(shè)想氣體 再形成系統(tǒng)的各種實施方式。
氣體再形成系統(tǒng)還可被設(shè)計用于將氣體流分成經(jīng)歷平行再形成的較小的流。參照 圖24A和24B，每個較小的氣體流通過由獨立的激勵源產(chǎn)生的專用再形成區(qū)域。圖24B示出 了轉(zhuǎn)移弧炬的使用。圖24C示出了專用再形成區(qū)域，每個單獨的氣體流可由多個氣體激勵 源產(chǎn)生。圖24D示出了圖24A和24B的實施方式，其中，混合元件被引入每個較小的氣體流 的路徑中。圖25A-C示出了三種氣體再形成系統(tǒng)，其中，在再形成室中，氣體激勵源成角度地 定位。源可導(dǎo)向其激勵場朝向氣體的流動或逆著氣體的流動；或其組合。室還可包括用于次級炬熱源一個或多個口，以輔助室的預(yù)加熱或炬加熱。預(yù)形成氣體導(dǎo)向設(shè)備氣體操縱器可通過直接或間接操縱，使用主動或被動裝置或兩者，來提高預(yù)形成 氣體與氣體激勵場的暴露、室內(nèi)的預(yù)形成氣體的空間分布和其動力演變。這種氣體操縱器 可以是單獨的結(jié)構(gòu)設(shè)備。例如，但不限于諸如更有效地導(dǎo)向預(yù)形成氣體朝向并通過氣體激 勵場的擋板和偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)備。其他例子包括室的設(shè)計，以產(chǎn)生某期望流體動力流動路徑。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體操縱器還位于初始氣體入口處或附近，以確保 初始氣體具有更均勻的組成和/或溫度，并與工藝添加劑恰當混合。參照圖26A-C并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，氣體操縱器包括流量限制器3999， 該流量限制器3999改變進入室3202的氣體的流量。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解，氣體流 動模式的差別取決于各種因素，包括但不限于流量限制器3999的尺寸和形狀以及它們的 位置。流量限制器可使用各種緊固裝置連接到室。在本發(fā)明的一個實施方式中，流量限 制器從室的頂部(下游端)懸掛。在本發(fā)明的一個實施方式中，流量限制器使用支架連接
到室的壁。參照圖27A和27B并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，流量限制器3999延伸實質(zhì)上室 3202的整個長度，導(dǎo)致環(huán)狀空間的形成，在此處發(fā)生氣體再形成。如圖42所示，流量限制器 3999可使用電動機7001而被旋轉(zhuǎn)，電動機7001是用于廢氣流的直接操縱的主動裝置的使 用的一個例子。流量限制器的旋轉(zhuǎn)可被動態(tài)控制，可選地結(jié)合控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被設(shè)計 成調(diào)節(jié)和優(yōu)化總體的氣體再形成工藝。圖28A和28B示出了包括流量限制器并連接到橫向定位氣化器的室的三維圖。流 量限制器必須被設(shè)計成承受典型地存在于室中的高溫。圖29A-G示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的不同流量限制器。在這些圖中，等 離子炬被示出為位于相同的高度。可選地，流量限制器可被放置在等離子炬的上方或下方。 附加的口也被示出在炬的下方，以用于噴射工藝添加劑，諸如空氣和蒸氣。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖29A所示，流量限制器具有被設(shè)計成引入混合 進入的廢氣和等離子體卷流的更多循環(huán)流量的兩個螺旋形行程(helical flight)。圖29B 示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有兩個螺旋形行程但具有不同形狀的流量限制器。 在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖29D所示，流量限制器的一個螺旋形行程比另一個大，并 還引入循環(huán)流量并混合廢氣和等離子體卷流。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖29G所示， 在以兩個新的行程為開始之前，螺旋形行程僅覆蓋半個限制器。
在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖29C-F所示，流量限制器被連接到冷卻管道，其 中冷卻媒介(例如，空氣、水、熱油(thermal oil))控制流量限制器的溫度。在本發(fā)明的一 個實施方式中，如圖29E所示，添加劑(例如，空氣、蒸氣等)在其進入廢氣流之前，從支撐 桿的頂部流動到流量限制器的底部。該設(shè)計允許在添加劑的噴射之前對它們進行預(yù)加熱的 同時，冷卻流量限制器。參照圖30A并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，室包括以連接到電動機的一個或多個旋轉(zhuǎn)軸的形式的氣體操縱器，每個軸包括一個或多個盤，其可被仔細地配重，以便得到穩(wěn)定 的旋轉(zhuǎn)。對于具有位于軸上的多個盤的實施方式，盤可以按偏置的模式布置。本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)容易理解，盤可包含冷卻。流量限制器，如上面所描述的，可被連接到旋轉(zhuǎn)軸的端部。圖30B示出了可被連接到旋轉(zhuǎn)軸的各種類型的盤。參照圖30BA，盤具有截面，該截 面允許氣體從盤的一側(cè)流動到另一側(cè)。參照圖30BB，盤具有螺旋截面，該螺旋截面被設(shè)計成 向上拉動氣體，并使其進入室的中央。可選地，螺旋截面可被設(shè)計成向上拉動氣體，并使其 離開至室的邊緣。參照圖30BC和30BD，旋轉(zhuǎn)盤是具有多個葉片的輻條。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 容易理解，葉片的方向和重量分布應(yīng)被平衡，以便得到穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。圖31A-C示出了諸如圖42中示出的旋轉(zhuǎn)軸的不同實施方式，其中，頂部盤被允許 在球軸承上旋轉(zhuǎn)，并通過支撐物而被保持在適當位置?？蛇x地，冷卻流體或添加劑可通過管 道輸送通過軸的中央。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖31A所示，在一個或多個支撐物上 具有電動機，其中驅(qū)動軸連接到轉(zhuǎn)動的輪(鏈輪)。機械能量使盤轉(zhuǎn)動，并因此，軸突出進入 室。參照圖31B，電磁體被用于支撐物之間或用作支撐物的一部分，以引起旋轉(zhuǎn)。參照 圖31C并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，電磁體被用于穩(wěn)定室中的軸。電磁體可被用作初級 或次級裝置，以便在軸和盤中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動量。在本發(fā)明的一個實施方式中，盤獨立于軸來旋 轉(zhuǎn)；例如，軸可以是靜態(tài)的或以另一速度或甚至另一方向旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一個實施方式 中，盤具有永久磁體，并且冷卻是在盤面上完成的，因為它是大部分中空的，熱流體冷卻連 接到軸的球軸承。激勵源導(dǎo)向設(shè)備激勵源導(dǎo)向設(shè)備是氣體操縱器，其導(dǎo)向激勵源的物理方向，以改變氣體激勵場的 尺寸，例如等離子體卷流導(dǎo)向設(shè)備，和/或?qū)μ峁┙o等離子體產(chǎn)生源的能量、工作氣體的流 速等的改變是本發(fā)明的系統(tǒng)的各方面的非限制性例子，其可被改變以引起氣體激勵場的尺 寸的變化。氣體操縱器還可通過直接或間接操縱，使用主動或被動裝置或兩者，來提高預(yù)形 成氣體與氣體激勵場的暴露、室內(nèi)的氣體激勵場(例如，等離子體卷流)的空間分布和其動 力演變。在本發(fā)明的一個實施方式中，這可通過激勵源(例如，等離子炬)的定位和定向來 實現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖33A所示，氣體操縱器是偏轉(zhuǎn)器3998，該偏轉(zhuǎn)器 3998重新導(dǎo)向來自等離子炬3208的等離子體卷流3997。等離子體卷流的恰當?shù)闹匦聦?dǎo)向 取決于偏轉(zhuǎn)器3998的各種設(shè)計因素，包括但不限于其與等離子炬3208的距離、其相對于等 離子體卷流的方向的方向角度、其與等離子體卷流的寬度相比的尺寸，以及其構(gòu)造材料?？?熱材料能確保偏轉(zhuǎn)器可承受等離子炬3208附近出現(xiàn)的高溫。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易知道，不同材料可被用于承受高等離子體溫度。參照圖33B并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，氣體操縱器是用于操縱等離子體卷流 3997的基于柯安達效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)器3996。參照圖34A和34B并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，一個或多個流體噴射器 3208(例如，空氣噴嘴)被用于重新導(dǎo)向由等離子炬3208產(chǎn)生的等離子體卷流3997。流體 噴射器是用于直接操縱等離子體卷流的主動裝置的一個例子。在本發(fā)明的一個實施方式 中，流體噴射器是動態(tài)控制的，可選地結(jié)合控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被設(shè)計成調(diào)節(jié)和優(yōu)化總體 的氣體再形成工藝。圖35A-D示出了可用于重新導(dǎo)向室中的等離子體卷流的偏轉(zhuǎn)器的其他實施方式。 在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖35A-B所示，偏轉(zhuǎn)器連接到等離子炬外殼。通過調(diào)整偏轉(zhuǎn) 器的形狀，可以控制等離子體卷流分散的分布。例如，圖35B的偏轉(zhuǎn)器給出比圖35A的偏轉(zhuǎn) 器更廣的卷流分散。圖35C-D示出了本發(fā)明的實施方式，其中，偏轉(zhuǎn) 器不連接到等離子炬外殼。在本發(fā) 明的一個實施方式中，如圖35D所示，偏轉(zhuǎn)器連接到旋轉(zhuǎn)軸。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，偏轉(zhuǎn) 器表面的光潔度(例如，光滑、粗糙或帶有角度)將影響卷流分散。圖36A-D示出了本發(fā)明的不同實施方式，其中旋轉(zhuǎn)軸對象具有不平坦表面。邊緣 的數(shù)量、炬和炬角度可被用于優(yōu)化等離子體卷流和/或均勻地分布等離子體卷流，從而使 卷流與廢氣的接觸最大化。在本發(fā)明的一個實施方式中，等離子炬直接指向室的中央。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖36A所示，等離子炬成一定角度，使得等離子體 卷流的至少一部分撞擊中央對象?？蛇x地，等離子體卷流可被導(dǎo)向離開中央對象。在本發(fā) 明的一個實施方式中，如圖36B所示，軸對象以與炬相反的角度旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致迫使等離子體卷 流朝向室的外側(cè)。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖36C-D所示，等離子體卷流從偏轉(zhuǎn)器反彈下來 并朝向中央軸。偏轉(zhuǎn)器可安裝在等離子炬外殼上，如圖36C所示，或安裝在室的壁上，如圖 36D所示。圖36C-D中的軸可在任何方向上旋轉(zhuǎn)?？蛇x地，用于安裝等離子炬的口可用滑動安裝機構(gòu)來裝配，以便于插入和從室移 除等離子炬，并可包括自動門閥，以便在抽出等離子炬之后密封該口。在本發(fā)明的一個實施 方式中，用于切向安裝的等離子炬的口位于空氣入口上方，以提供對等離子炬熱的最大暴 露。這種安裝機構(gòu)可被改變，以允許氣體激勵源的位置的可調(diào)性。參照圖38A并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，等離子炬3208被定位成使得噴入室 3202的氣體逆流流動到由此產(chǎn)生的等離子體卷流。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)容易理解，當?shù)入x子 炬的方向和位置改變時，等離子體卷流的空間分布也發(fā)生變化。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體激勵源(例如，等離子炬)被放置成使得所得到 的區(qū)域(例如，等離子體卷流)被定向成與初始氣體的流動方向垂直。在本發(fā)明的一個實 施方式中，室是實質(zhì)上柱狀的，并且等離子體卷流被徑向定向成與初始氣體流的實質(zhì)上軸 向流動垂直?？蛇x地，初始氣體流可被徑向定向，而等離子體卷流被沿著實質(zhì)上柱狀氣體提 煉室軸向定向。在本發(fā)明的一個實施方式中，室是實質(zhì)上柱狀的，并且等離子體卷流被切向 定向成與初始氣體流的實質(zhì)上軸向流動垂直。圖39示出了柱狀氣體再形成室的橫截面圖，其具有氣體激勵源的各種布置，該各種布置導(dǎo)致所產(chǎn)生的氣體激勵場的形狀和尺寸的相關(guān)變化。在本發(fā)明的一個實施方式中， 所使用的氣體激勵源可以是AC或DC等離子炬。圖39A示出了切向?qū)蜻M入室的兩個氣體 激勵源。參照圖39B，室包括三個電極，且弧在它們之間通過。氣體通過該弧，并且等離子 體被形成，且氣體被再形成。圖39C示出了類似于圖39B的實施方式，不同之處在于具有中 央接地電極，其中弧來自壁上的電極。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，接地電極被電屏蔽，除了接 觸點處。圖39D示出了一個示例性實施方式，其中室包括多個氣體激勵源(直接指向中間， 如所示的，或以旋渦模式)，該多個氣體激勵源足以確保通過室的實質(zhì)上所有氣體被激勵。 圖39E和39F分別類似于圖39B和39C的實施方式，但具有六個炬(3相或6相)。對于圖 39B、39C、39E和39F的實施方式，較高數(shù)量的炬還可被類似地考慮。圖40示出了本發(fā)明的兩個示例性實施方式，其中，初始氣體和/或預(yù)形成氣體流 通過由氣體激勵源產(chǎn)生的氣體激勵場被直接引入再形成室。氣體操縱器至少部分地操縱預(yù)形成氣體的空間分布和相對于彼此的氣體激勵場， 以及它們的動力演變?；旌喜倏v器在一些實施方式中，氣體操縱器被設(shè)計和構(gòu)造成實質(zhì)上增強預(yù)形成氣體和氣體激 勵場中的高能物類的混合。此外，氣體操縱器還可增強貫穿工藝的紊流，從而導(dǎo)致提高的混
I=I O在本發(fā)明的一個實施方式中，工藝添加劑噴嘴的位置和定位被設(shè)計成增加紊流和
混合ο在一個實施方式中，氣體操縱器為位于室中的一個或多個擋板，以誘發(fā)紊流以及 因此預(yù)形成氣體的混合。不同擋板布置是本領(lǐng)域已知的，且包括但不限于橫桿擋板、橋壁擋 板、阻塞環(huán)擋板布置以及類似布置。擋板還可位于初始氣體入口處或附近，以確保初始氣體 具有更均勻的組成和/或溫度，并與工藝添加劑恰當?shù)鼗旌稀⒄請D43A-B，紊流可在氣體激勵源之前或之后產(chǎn)生。圖43C示出了用于產(chǎn)生紊流 的三個示例性實施方式⑴被動網(wǎng)格；(ii)利用旋轉(zhuǎn)軸的主動網(wǎng)格；以及(iii)剪切發(fā)生 器。圖45和46示出了用于產(chǎn)生紊流的裝置的另外的示例性實施方式。在一個實施方式中，氣體操縱器包括激勵源的定位的設(shè)計，其可有助于預(yù)形成氣 體和氣體激勵場中的高能物類的混合。激勵源可因此被定位成優(yōu)化氣體再形成工藝；該定 位取決于各種因素，包括但不限于氣體再形成室的設(shè)計。在本發(fā)明的一個實施方式中，兩個 等離子炬被切向定位，以產(chǎn)生與空氣和/或氧氣輸入產(chǎn)生的渦流方向相同的渦流方向。在 本發(fā)明的一個實施方式中，兩個等離子炬被定位在沿著室的周邊的直徑位置處。工藝添加劑(上面討論了其化學(xué)組成貢獻)輸入的布置基于各種因素，包括但不限于室的設(shè)計、期望的流量、噴射速度、穿透和混合。本發(fā)明考慮了工藝添加劑口和用于氣 體激勵源的口的各種布置。例如，氧氣輸入或口、流輸入或口以及用于氣體激勵源的口可沿著室的周邊成層 布置，從而允許氣體激勵區(qū)域、氧氣和流的切向和成層噴射。在一個實施方式中，提供有沿 著室的周邊布置成三層的九個氧氣源口。在一個實施方式中，提供有沿著室的周邊布置成 兩層并直徑定位的兩個流輸入口。在空氣和/或氧氣輸入口成層布置的實施方式中，它們 可被布置成使混合效應(yīng)最大化。
在本發(fā)明的一個實施方式中，空氣和/氧氣輸入口被切向定位，從而允許較下水平輸入口預(yù)混合氣體，使其加熱，以及開始氣體中的渦流運動。上水平空氣輸入口可加速渦 流運動，由此允許再循環(huán)渦流模式被發(fā)展和維持。參照圖44并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，將被再形成的氣體切向進入再形成室，導(dǎo)致渦流的形成。該實施方式還示出了被形狀設(shè)計和定位成增強氣體流和氣體激勵源的暴 露的示例性氣體操縱器。在一個實施方式中，最下水平的空氣輸入口由四個噴射器構(gòu)成，該四個噴射器將 預(yù)混合由下氣化器產(chǎn)生的氣體，并用炬使其加熱。其他兩個上水平的空氣噴嘴提供主要動 量和氧氣，以混合氣體并使其炬加熱到所需的溫度。流輸入或口的布置在數(shù)量、水平、方向 和角度方面是靈活的，只要它們位于能提供最佳能力來進行溫度控制的位置就可以了。氧氣和/或流輸入口還可被定位成使得它們以與室的內(nèi)壁成一個角度噴射氧氣 和流進入室，這促進紊流或氣體渦流?；谑抑睆胶驮O(shè)計空氣輸入口流量和速度，該角度被 選擇成實現(xiàn)足夠的噴射穿透。該角度可在大約50°和70°之間變化?？諝廨斎肟诳杀徊贾贸墒沟盟鼈兾挥谙嗤矫嫔?，或被布置在順次平面上。在一 個實施方式中，空氣輸入口被布置在下水平和上水平。在一個實施方式中，在下水平有四個 空氣輸入口，而在上水平有另外六個空氣輸入口，在該另外六個空氣輸入口中，三個輸入口 稍微高于另外三個，以產(chǎn)生交叉噴射混合效應(yīng)。可選地，空氣可以按某一角度吹入室中，使得空氣產(chǎn)生通過室的氣體的旋轉(zhuǎn)或循 環(huán)運動。氣體激勵源(例如，等離子炬)可被布置成某一角度，以提供流的進一步旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一個實施方式中，空氣和/或氧氣和/或流輸入包括抗高溫的霧化噴 嘴或噴射器。恰當?shù)目諝鈬娮煸诒绢I(lǐng)域中是已知的，并可包括商業(yè)上可得到的類型，諸如圖 47-48中圖解的A類型噴嘴和B類型噴嘴。噴嘴可以是單個類型或不同類型。可基于功能 需求來選擇噴嘴的類型，例如，A類型噴嘴用于改變空氣流動的方向，以便產(chǎn)生期望的渦流， 而B類型噴嘴用于產(chǎn)生高速空氣流動，以實現(xiàn)某種穿透以及最大混合。噴嘴可被設(shè)計成以期望的角度來導(dǎo)向空氣。在一個實施方式中，空氣噴射器被切 向定位。在一個實施方式中，通過在輸入噴嘴的末端具有偏轉(zhuǎn)器，來實現(xiàn)斜吹，從而允許入 口管道和凸緣與室成直角。在本發(fā)明的一個實施方式中，一個或多個空氣噴射器(例如，空氣渦流噴射器)被 定位在初始氣體入口處或附近，以將少量空氣噴射進入初始氣體，并通過利用噴射空氣的 速度來產(chǎn)生初始氣體流的渦流運動。空氣渦流噴射器的數(shù)量可基于設(shè)計空氣流量和離開速 度而被設(shè)計成提供實質(zhì)上最大渦流，使得射流可穿透至室的中央。催化操縱器催化操縱器包括催化劑，并增加能量轉(zhuǎn)移的效率。催化劑通過減少達到平衡所需 的時間，來增加化學(xué)反應(yīng)的速率。催化劑通過由各種機構(gòu)提供從反應(yīng)劑到產(chǎn)物的可選的以 及更容易的路徑來工作，但在每種情況中，通過降低反應(yīng)的激活能量來工作。均相催化劑存 在于反應(yīng)劑相同的階段中，并通過與反應(yīng)分子或離子結(jié)合來起作用，以形成不穩(wěn)定的中間 物。這些中間物與其他反應(yīng)劑結(jié)合，以給出期望的產(chǎn)物并再生催化劑。非均相催化劑存在 于與反應(yīng)劑和產(chǎn)物的階段不同的階段中。在氣體或液體反應(yīng)劑存在的情況下，它們通常是 固體。反應(yīng)發(fā)生在非均相催化劑的表面。為此，催化劑通常為細顆粒固體，或具有提供高表面對體積比的顆粒形狀。石油的裂解和碳氫化合物的再形成是非均相催化劑的使用的普通 工業(yè)應(yīng)用。非均相催化劑的使用中的一個困難是它們中的大多數(shù)容易被“毒害”，其中反應(yīng) 劑的不純用非活性材料覆蓋催化劑，或修改其表面，使得催化活性被丟失。經(jīng)常，但不總是， 被毒害的催化劑可被純化并被再次使用。氣體再形成系統(tǒng)中的恰當催化劑的使用可通過提供可選的反應(yīng)路徑，來降低氣體 再形成工藝所需的能量級。由催化劑提供的精確路徑將取決于所使用的催化劑。氣體再形 成系統(tǒng)中的催化劑的使用的可行性一般取決于它們的壽命。催化劑的壽命可通過“毒害”， 即，它們的催化能力由于氣體的不純而降級，被縮短。氣體再形成系統(tǒng)可被設(shè)計成允許催化劑的簡單替換。在本發(fā)明的一個實施方式 中，催化劑以安裝在滑動機構(gòu)上的床的形式被并入氣體再形成室?；瑒訖C構(gòu)允許催化劑床 的簡單移除和替換。該床可被插入在氣體再形成系統(tǒng)中的各種位置。在本發(fā)明的一個實施方式中，來自氣化室的處于高溫的廢氣與催化劑接觸，使得 廢氣流在暴露于氣體激勵場之前經(jīng)歷再形成，該催化劑有效降低氣體再形成所需的能量闕 值。因此，在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體再形成系統(tǒng)包括位于氣體激勵源的上游位置處 的催化劑。在一個實施方式中，如圖57所公開的，催化床在氣體激勵源(例如，等離子炬) 之前和/或之后被插入。催化能力還將取決于操作溫度。對于各種催化劑，恰當?shù)牟僮鳒囟鹊姆秶诒绢I(lǐng) 域中是已知的。氣體再形成系統(tǒng)可包括足夠的冷卻機構(gòu)，以確保催化劑被維持在它們的最 佳操作溫度范圍內(nèi)。諸如蒸氣、水、空氣、氧氣或再循環(huán)再形成氣體的添加劑可被添加，以幫 助增加或降低催化劑床附近的溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，被選擇來控制溫度的特定添 加劑將取決于催化劑床的位置和那里的氣體溫度。催化劑表面的不規(guī)則以及大的有機分子和該表面之間的良好接觸將增加再形成 為較小分子，諸如H2和CO的機會。可被使用的催化劑包括但不限于橄欖石、煅燒橄欖石(calcinedolivine)、白云 石、氧化鎳、氧化鋅和炭。橄欖石中的鐵和鎂的氧化物的存在使它具備再形成較長的碳氫分 子的能力。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，要選擇在系統(tǒng)的氣體環(huán)境中不快速降級的催化劑。非金屬催化劑和金屬催化劑都可被用于提高再形成工藝。煅燒形式的白云石是最 廣泛使用的非金屬催化劑，其用于來自生物體氣化工藝的氣體的再形成。它們是相對便宜 的，并被考慮為可丟棄的。當白云石與蒸氣一起操作時，催化效率是高的。而且，最佳溫度 范圍在大約800°C和大約900°C之間。在較高溫度時，白云石的催化活性和物理屬性降級。白云石是鈣鎂礦石(calcium magnesium ore)，其一般化學(xué)式為CaMg(C03)2，在重 量基礎(chǔ)上包含20% Mg0,30% CaO以及45% C02，并具有其他較小的礦物不純度。白云石的 煅燒涉及含碳礦物的分解，從而消除C02以形成MgO-CaO。白云石的完全煅燒發(fā)生在相當高 的溫度下，并通常在800°C -900°C時預(yù)形成。因此，白云石的煅燒溫度將該催化劑的有效使 用限制在這些相對高的溫度。作為另一種自然發(fā)生的礦物的橄欖石也被證明具有與煅燒白云石相似的催化活 性。典型地，橄欖石比煅燒白云石更堅固?？杀皇褂玫钠渌呋牧习ǖ幌抻谔妓猁}巖、白云質(zhì)石灰?guī)r以及碳化硅 (SiC)。
炭在低溫時可起到催化劑的作用。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體再形成系統(tǒng) 可操作地連接到氣化器，并且氣化器內(nèi)產(chǎn)生的至少一部分炭被移動到氣體再形成系統(tǒng)，以 用作催化劑。對于利用炭作為催化劑的實施方式，催化劑床被典型地放置在諸如由等離子 炬提供的激勵區(qū)域之前。圖49示出了用作再形成室中的催化劑的固定炭床。用于催化的炭可從如圖50所 示的氣化器中獲得。當氣體再形成室可操作地連接到氣化器并用于再形成從其產(chǎn)生的氣體 時，這可以是特定的可適用的。一旦炭失去其催化屬性，則該炭可被移動到殘余物調(diào)節(jié)室 (residueconditioning chamber)或炭轉(zhuǎn)化器。圖51示出了可操作地連接到基于等離子炬的氣體再形成室的氣化器的一個示例 性構(gòu)造，其中，氣化器中產(chǎn)生的炭有助于由氣化產(chǎn)生的廢氣的催化裂化。在氣化器的較后階 段中實現(xiàn)的催化裂化之后是由于氣體與由等離子炬產(chǎn)生的氣體激勵場的暴露的進一步氣 體再形成。還可使用如將被本領(lǐng)域技術(shù)人員容易已知的各種類型的氣化器，如流化床氣化 器以及氣流床氣化器(entrained flow gasifier)。在本發(fā)明的一個實施方式中，初始氣體被加熱至900-950 °C的溫度，并通過基于鎳 的催化劑，由此，包括甲烷的焦油組成和輕碳氫化合物被轉(zhuǎn)化成CO和H2。在初始氣體包含 最少量的硫物類(諸如硫化氫)時，基于鎳的催化劑可以是特定有用的，其中初始氣體諸如 例如，由生物體的氣化產(chǎn)生的氣體。基于鎳的催化劑的壽命可通過使用諸如稀有金屬的促 進劑而被提高。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖52所示，催化床剛好被安裝在氣化器之后，并 轉(zhuǎn)化大多數(shù)揮發(fā)物。催化床的入口溫度可通過燃燒小餾分的揮發(fā)物而被從600°C升高到 950°C。催化床的出口溫度預(yù)期會降到850°C，且出口氣體被供入氣體激勵場，以便進一步再 形成。為此，氣體激勵區(qū)域可在1000°C下被操作，并且所得到的合成氣被送到換熱器，以開 始接下來的氣體清潔工藝。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖53所示，來自氣化器的揮發(fā)物通過氣體激勵區(qū) 域，在該氣體激勵區(qū)域，溫度在大約9oo°c和大約iooctc之間。催化床被用于進一步再形 成。合成氣的溫度被預(yù)期在催化床的出口處降到850°c。它隨后被送到形成氣體穩(wěn)定區(qū)域 的一部分的熱交換器或換熱器。在本發(fā)明的一個實施方式中，如圖54所示，在催化床之前實現(xiàn)熱收回。在大約 1000°c的溫度下，在氣體激勵區(qū)域中，來自氣化器的揮發(fā)物中的大部分被再形成。熱輸出氣 體通過熱交換器(或換熱器)，以預(yù)加熱工藝空氣，之后其溫度降到大約700°c。被冷卻的 合成氣隨后通過燃燒其小餾分而被加熱到900°C，并被供入催化床。在850°C下所得到的合 成氣被可選地輸送，以便進行進一步氣體清潔。對于催化床被放置在激勵場之前的實施方式，氣體溫度典型地適合用于高催化活 性。然而，對于催化床位于諸如由等離子炬產(chǎn)生的激勵場之后的實施方式，對于大多數(shù)典型 的催化劑，諸如橄欖石、白云石以及很多其他催化劑，氣體溫度可能太高。氣體溫度可通過 冷卻流體的循環(huán)，如圖55所示，而被降低到恰當?shù)乃?以避免催化劑床的降級)。恰當?shù)?冷卻流體可包括但不限于再循環(huán)再形成氣體(如圖56的實施方式中所示)、水和蒸氣。對于催化劑床位于換熱器(熱交換器)之后的實施方式，再形成氣體的再循環(huán)流 可被插入在換熱器之前或之后。
在本發(fā)明的一個實施方式中，再形成區(qū)域包括催化劑床，且催化操縱器還被設(shè)計 成增強預(yù)形成和/或再形成氣體對催化劑床的暴露。氣體穩(wěn)定區(qū)域該系統(tǒng)提供了一個或多個穩(wěn)定區(qū)域，由此，新形成的分子被去能(例如，被冷卻或 從催化劑或激勵源的影響移除)，以確保它們維持設(shè)計的特征，例如，設(shè)計的化學(xué)組成。進入穩(wěn)定區(qū)域的氣體的溫度的范圍從大約400°C到1000°C以上。溫度可可選地通 過氣體再形成系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域中的熱交換系統(tǒng)降低，該熱交換系統(tǒng)從再形成氣體收回熱， 并因此冷卻再形成氣體。為了下游的應(yīng)用和部件，這種氣體溫度的降低可以是必要的。參照圖22B，氣體再形成室3002的穩(wěn)定區(qū)域的形狀可被特定地設(shè)計成促進去能以 及新形成的分子的穩(wěn)定。氣體再形成室3002是一般的柱形室，其具有位于等離子體的下游 或可選地鄰近一個或多個再形成氣體出口 3006的球狀膨脹。球狀膨脹允許氣體的去能，并 從而穩(wěn)定新形成的分子?？蛇x的熱回收裝置在穩(wěn)定區(qū)域或穩(wěn)定區(qū)域的下游，熱可被收回。收回的熱可被用于各種用途，包括但 不限于以下用途加熱工藝添加劑(例如，空氣、蒸氣)，以便進行氣體再形成工藝；在結(jié)合 的循環(huán)系統(tǒng)中生產(chǎn)電力。再生的電可被用于驅(qū)動氣體再形成工藝，由此減少本地電消耗的 花費。所捕獲的熱的量取決于各種因素，包括但不限于初始氣體和再形成氣體的特征(例 如，化學(xué)組成、流速)。在本發(fā)明的一個實施方式中，從氣體再形成系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域收回的熱被供應(yīng)到與 氣體再形成系統(tǒng)一起操作的氣化系統(tǒng)。熱交換器可結(jié)合控制系統(tǒng)來操作，該控制系統(tǒng)可選 地被設(shè)置成最小化能量消耗并最大化能量產(chǎn)生/再生，以便得到提高的效率。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體對流體熱交換器被用于穩(wěn)定區(qū)域中，以將熱從 預(yù)形成氣體轉(zhuǎn)移到流體，導(dǎo)致加熱的流體和冷卻的氣體。熱交換器包括用于轉(zhuǎn)移預(yù)形成氣 體和流體到熱交換器以及從熱交換器轉(zhuǎn)移預(yù)形成氣體和流體的裝置(例如，導(dǎo)管系統(tǒng))。合 適的流體包括但不限于空氣、水、油或其他氣體，諸如氮氣或二氧化碳。導(dǎo)管系統(tǒng)可可選地采用一個或多個調(diào)節(jié)器(例如，鼓風機)，該一個或多個調(diào)節(jié)器 被恰當?shù)囟ㄎ?，以管理預(yù)形成氣體和流體的流速。這些導(dǎo)管系統(tǒng)可被設(shè)計成最小化熱損失， 以提高可從預(yù)形成氣體收回的可感熱的量。熱損失可例如通過使用圍繞導(dǎo)管的絕緣屏障和 /或通過減小導(dǎo)管的表面積而被最小化，該絕緣屏障包括本領(lǐng)域中已知的絕緣材料。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體對流體熱交換器是氣體對空氣熱交換器，其中， 熱從預(yù)形成氣體轉(zhuǎn)移到空氣，以產(chǎn)生被加熱的交換空氣。在本發(fā)明的一個實施方式中，氣體 對流體熱交換器是熱收回蒸氣發(fā)生器，其中，熱被轉(zhuǎn)移至水，以產(chǎn)生被加熱的水或蒸氣?？墒褂貌煌N類的熱交換器，包括殼式和管式熱交換器(shell andtube heat exchanger)，它們是直的單通設(shè)計和U管多通設(shè)計，并包括盤型熱交換器。對恰當?shù)臒峤粨Q 器的選擇是在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識范圍內(nèi)的。因為在氣體中可存在顆粒物質(zhì)，因此氣體對空氣熱交換器典型地被設(shè)計用于高量 級的顆粒加載。典型地，顆粒尺寸的范圍為從大約0.5到大約100微米。在圖58所描繪的 一個實施方式中，熱交換器是單通豎直流動熱交換器5104B，其中，預(yù)形成氣體5020在管側(cè) 中流動，且空氣5010在殼側(cè)上流動。預(yù)形成氣體5020以“一次通過”設(shè)計的方式豎直流動，
27這使可發(fā)生堆積顆粒物質(zhì)或由于顆粒物質(zhì)而腐蝕的區(qū)域最小化。再形成氣體的速度應(yīng)被維 持在足夠高以便自清潔，同時仍然使腐蝕最小化，并且范圍可從大約3000到大約5000mm/
seco由于空氣輸入溫度和熱產(chǎn)物氣體的顯著差別，氣體對空氣熱交換器中的每個管道 優(yōu)選地具有各自的膨脹式風箱，以避免管道破裂。在單個管道變得塞緊時，可發(fā)生管道破 裂，并且因此剩余管束不在膨脹/收縮。在空氣壓力大于預(yù)形成氣體壓力的那些實施方式 中，由于空氣進入氣體混合物而引起的問題，管道破裂呈現(xiàn)出高度危害性。在熱被收回在氣體對流體熱交換器中之后，對于位于進一步下游的系統(tǒng)而言，被 冷卻的再形成氣體可仍包含太多的熱。在調(diào)節(jié)之前選擇恰當?shù)南到y(tǒng)以便進一步冷卻產(chǎn)物氣 體是在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識范圍內(nèi)的。在一個實施方式中，如圖59所示，熱再形成氣體5020通過氣體對空氣熱交換器 5103，以產(chǎn)生部分冷卻的再形成氣體5023和加熱的交換空氣5015。輸入熱交換器的空氣 可通過工藝空氣鼓吹機來提供。部分冷卻的再形成氣體5023經(jīng)歷干淬火步驟6103 (dry quench step)，其中，受控量的霧化水6030的增加導(dǎo)致進一步冷卻的產(chǎn)物氣體5025。再形成氣體的冷卻還可使用濕式、干式或混合冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)。濕式和干式冷卻 系統(tǒng)可以是直接的或間接的。恰當?shù)睦鋮s系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是已知的，且因此，本領(lǐng)域技術(shù)人 員鑒于系統(tǒng)的需要，將能夠選擇恰當?shù)南到y(tǒng)。在一個實施方式中，冷卻系統(tǒng)是濕式冷卻系統(tǒng)。濕式冷卻系統(tǒng)可以是直接的或間 接的。在使用間接濕式冷卻的冷卻系統(tǒng)中，提供了從再形成氣體吸收熱的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。 通過經(jīng)過一個或多個冷卻塔的蒸發(fā)，熱被排出到大氣。可選地，為了促進水節(jié)約，水蒸汽被 冷凝并以閉環(huán)而返回到系統(tǒng)。在一個實施方式中，冷卻系統(tǒng)是干式冷卻系統(tǒng)。干式冷卻系統(tǒng)可以是直接的或 間接的。在一個實施方式中，干式冷卻系統(tǒng)是通風干式冷卻系統(tǒng)(draft dry cooling system)。盡管干式冷卻將適度地增加設(shè)備的成本，但它可能在領(lǐng)域中是優(yōu)選的，因為它具 有有限的水供應(yīng)。在一個實施方式中，合成氣冷卻器是輻射氣體冷卻器。各種輻射氣體冷卻器在本 領(lǐng)域中是已知的，并包括美國專利申請No. 20070119577以及美國專利No. 5，233，943中公 開的那些輻射氣體冷卻器。再形成氣體還可通過諸如急冷器(quencher)的蒸發(fā)中的直接水蒸發(fā)而被冷卻。再形成氣體的離開溫度還可通過再循環(huán)通過恰當定位的入口來降低，冷卻的再形 成氣體到達再形成系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域，以便與新產(chǎn)生的再形成氣體混合?？蛇x的氣體添加劑區(qū)域可選地，室可包括用于將工藝添加劑，諸如氧氣源、二氧化碳、其他碳氫化合物或 附加的氣體噴射進入室的一個或多個工藝添加劑口。本領(lǐng)域中已知的氧氣源包括但不限于 氧氣、富有氧氣的空氣、空氣、氧化媒介、蒸氣以及如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解的其他氧 氣源。在一個實施方式中，室包括用于空氣和/或氧氣輸入的一個或多個口以及可選地用 于蒸氣輸入的一個或多個口。諸如空氣、蒸氣和其他氣體的工藝添加劑的可選添加還可在沒有專用于它們的噴 射到入口的情況下實現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施方式中，工藝添加劑可添加到氣體源或?qū)Ч苤?，氣體再形成系統(tǒng)從該氣體源或?qū)Ч塬@得其初始氣體流。工藝添加劑還可通過諸如等離子炬的氣體激勵源添加到室。 可選地，可提供口或入口，使得不滿足質(zhì)量標準的再形成氣體可被再循環(huán)進入室， 以便進一步處理。這種口或入口可以按各種角度和/或位置定位，以促進室內(nèi)的物質(zhì)的紊 流混合?？砂ㄒ粋€或多個口，以允許工藝溫度、壓力、氣體組成和感興趣的其他條件的測量?？蛇x地，提供塞子、蓋、閥和/或門，以密封室3002中的一個或多個口或入口。恰 當?shù)娜?、蓋、閥和/或門在本領(lǐng)域中是已知的，并可包括手動操作或自動的塞子、蓋、閥和 /或門?？谶€可包括恰當?shù)拿芊饧?，諸如密封蓋(sealing gland)。可選的氣體清潔區(qū)域可選地，系統(tǒng)包括一個或多個氣體清潔區(qū)域，其位于氣體穩(wěn)定區(qū)域的下游。本發(fā)明 的包括一個或多個氣體清潔區(qū)域的實施方式包括在氣體離開系統(tǒng)之前將清潔氣體的物質(zhì) 噴射進入室的裝置。例如，氧氣和/或蒸氣可通過抗高溫霧化噴嘴來霧化，并被噴射進入室 以清潔穩(wěn)定的再形成氣體?？蛇x的進一步處理在被在下游應(yīng)用中利用、存儲或燒掉之前，穩(wěn)定的再形成氣體流可經(jīng)歷進一步處 理。例如，再形成氣體可通過氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在該氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，顆粒物質(zhì)、酸性氣體 (HC1、H2S)和/或重金屬可被移除，且氣體的溫度和/或濕度可被調(diào)節(jié)。例如，灰塵顆粒，如 果存在，則可使用包括電過濾器或纖維袋式過濾器(fabric baghouse filter)的文氏滌氣 器(venture scrubber)從氣體中被移除。再形成氣體還可通過均化室，其停留時間和形狀被設(shè)計成鼓勵再形成氣體的混 合，以減弱其波動特征。氣體再形成室參照圖3并根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，氣體再形成系統(tǒng)3000的室3002包括一 個或多個初始氣體入口 3004、一個或多個再形成氣體出口 3006、一個或多個氣體激勵源 (例如，等離子體源)3008，以及可選地一個或多個工藝添加劑(例如，氧氣)輸入3010、氣 體操縱器(圖中未示出)，和控制系統(tǒng)。在一個實施方式中，如圖4所示，氣體再形成系統(tǒng)3000被設(shè)計成使得室3002被直 接連接到氣體源(例如，氣化器、氣體存儲箱)并與其氣體連通。為了便于維護和維修，氣 體再形成系統(tǒng)3000可可選地被可逆地連接到氣化器，使得在必要時，氣體再形成系統(tǒng)3000 可被移除。在一個實施方式中，如圖5所示，氣體再形成系統(tǒng)3000為獨立單元，其經(jīng)由單獨的 管或管道從兩個氣體源接收初始氣體。在一個實施方式中，如圖6所示，單獨的氣體流在它 們被噴射進入氣體再形成系統(tǒng)3000之前組合。在獨立單元中，氣體再形成系統(tǒng)可進一步包 括恰當?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)。感應(yīng)鼓風機可設(shè)置在室的下游，并與其氣體連通，以將室的壓力維持在期望的壓 力，例如大約0到-5毫巴的壓力。發(fā)生在室內(nèi)的氣體再形成工藝的效率取決于各種因素，包括但不限于室內(nèi)部容積和幾何機構(gòu)、氣體流速、氣體行進距離和/或氣體通過室的路徑(即，直的線性通路或渦流 的、氣旋的、螺旋的或其他非線性路徑)。因此，室的形狀和尺寸必須被設(shè)計成獲得其中的氣 體的期望的流動動力學(xué)。例如，空氣噴射器可被用于促進通過室的氣體的渦流流動，使得氣 體的通路是非線性的?？偟臍怏w再形成系統(tǒng)的流動模型可被用于確保，特定的室設(shè)計促進 設(shè)計的氣體再形成所需的條件(例如，工藝輸入的恰當?shù)南嗷プ饔?。氣體再形成系統(tǒng)的一個或多個室可被設(shè)計成各種形狀，并被設(shè)置在各種位置，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解的。室可被實質(zhì)上豎直地、實質(zhì)上水平地或成某一角度地定向。在本發(fā)明的一個實施方式中，室是直的管狀或文氏狀結(jié)構(gòu)，其包括第一(上游)端 部和第二(下游)端部，并被定向在實質(zhì)上豎直位置或?qū)嵸|(zhì)上水平位置。在本發(fā)明的一個 實施方式中，室是直的柱體，其長度對直徑比的范圍在大約2到大約6之間，并具有對可實 現(xiàn)的氣體速度的相關(guān)作用。在一個實施方式中，室的長度對直徑比是3 1。在一個實施方式中，如圖60A所示，室3202被構(gòu)造成直接連接到氣化器，并且是直 的實質(zhì)上豎直的耐火材料襯里的加蓋的柱狀結(jié)構(gòu)，且具有開放的底部(上游)端部3204和 鄰近或位于室的頂部(下游)端部的一個再形成氣體出口 3206。室的頂部(下游)端部 可加蓋有耐火材料襯里的蓋子3203，該蓋子3203可被可移除地密封到室，以便于維護或維 修。室的壁可襯有耐火材料或以其他方式制造成耐高溫。室可封裝有水套，以便冷卻 和/或產(chǎn)生蒸氣或收回可使用的炬熱。室可具有多個壁，以及用于熱收回的冷卻機構(gòu)，且氣 體再形成系統(tǒng)還可包括熱交換器，以便實現(xiàn)高壓/高溫蒸氣產(chǎn)生，或氣體熱收回能力。適于用作高溫未加壓室的傳統(tǒng)的耐火材料對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，并包括 但不限于高溫燒制的陶瓷，即氧化鋁、氮化鋁、硅酸鋁、氮化硼、磷酸鋯、玻璃陶瓷以及高鋁 磚，高鋁磚主要包括硅石、氧化鋁、色素(chromia)和二氧化鈦、陶瓷毯和隔熱耐火磚。諸如 DidierDidoflo 89CR和Radex Compacflo V253的材料可用于需要更堅固的耐火材料的情 況下。在一個實施方式中，耐火材料設(shè)計具有多層，該多層在內(nèi)側(cè)上具有高密度層，以抵 抗室內(nèi)存在的高溫、腐蝕和侵蝕，并提供散熱裝置以減小氣體屬性的波動。在高密度材料 的外側(cè)是較低密度材料，該較低密度材料具有較低的抗腐蝕屬性但具有較高的隔熱因子。 可選地，該層外側(cè)是非常低密度的泡沫板材料，該非常低密度的泡沫板材料具有可被使用 的非常高的隔熱因子，因為它將不會被暴露于可存在于室內(nèi)的侵蝕性環(huán)境。多層設(shè)計可進 一步可選地包括外層，該外層位于泡沫板和容器殼之間，其是陶瓷毯材料，以提供順應(yīng)層 (compliant layer)，以允許固體耐火材料和容器殼之間的不同膨脹。用于多層耐火材料的 恰當材料在本領(lǐng)域中是公知的。在一個實施方式中，多層耐火材料可進一步包括不可壓縮的耐火材料的可壓縮的 耐火材料分離部分的片段，以允許耐火材料的膨脹?？蛇x地，可壓縮層可通過重疊可延伸到 高密度耐火材料，而被保護免受腐蝕。在一個實施方式中，多層耐火材料可包括內(nèi)部定向的 色素層；中間氧化鋁層和外部隔離板層。在本發(fā)明的一個實施方式中，室包括達到大約17英寸或更多的貫穿整個室的特 定選擇的耐火襯里的層，以確保最大保存正在處理的熱，而不受處理過程中形成的活性中 間物的化學(xué)反應(yīng)的影響。
位于室的底部部分的耐火襯里可更易于磨損和惡化，因為它必須承受來自等離 子炬熱的操作源的更高的溫度。因此，在一個實施方式中，較低部分中的耐火材料被設(shè)計 成包括比室壁和頂部上的耐火材料更持久的“熱面”耐火材料。例如，壁和頂部上的耐火 材料可以由DIDIERRK30磚制成，且用于較低部分的不同的“熱面”耐火材料可以用RADEX C0MPAC-FL0 V253 制成。在室是耐火材料襯里的實施方式中，室的壁可可選地包括用于耐火材料襯里或耐 火材料錨件的支撐物。室可還具有用于固體顆粒物質(zhì)的收集器。對于室是結(jié)合氣化器來操作的實施方 式，被收集的任何物質(zhì)可被供入氣化器以便進一步處理或供入固體殘余物調(diào)節(jié)室，以便進 一步處理。本領(lǐng)域已知的用于固體顆粒物質(zhì)的收集器包括但不限于離心分離器、慣性碰撞 擋板或過濾器。對于氣體再形成系統(tǒng)被直接連接到氣化器的實施方式，可不需要附加的固 體顆粒收集器，因為所形成的顆?？刹糠值刂苯勇浠氐綒饣髦?。用于室的口、入口和出口室包括將初始氣體供入室以便再形成的一個或多個初始氣體入口，以及使再形成 氣體進一步前進到下游的一個或多個再形成氣體出口。入口可包括開口，或可選地，可包括 控制進入室的初始氣體的流量的設(shè)備和/或?qū)⒊跏細怏w噴射進入室的設(shè)備。設(shè)備可包括用 于初始氣體的恰當噴射的氣體操縱器，以便實現(xiàn)提高的再形成，和/或包括用于測量初始 氣體的各種特征的感測元件。初始氣體入口可被并入，以提高順流、逆流、徑向、切向或其他供給流動方向。在一 個實施方式中，單個初始氣體入口具有漸增的錐形形狀。初始氣體入口可位于室的第一端部或上游端部處或附近。在一個實施方式中，入 口包括室的開放的第一端部，由此，它與氣體源例如氣化器直接氣體連通。在一個實施方式 中，入口包括位于室的閉合的第一(上游)端部的開口。在一個實施方式中，入口包括一個 或多個開口，該一個或多個開口位于室的壁中，并鄰近于第一(上游)端部。在氣化器和氣體再形成系統(tǒng)被直接連接的實施方式中，位于氣化器上的用于連接 到氣體再形成系統(tǒng)的連接部位可被有策略地定位，以在初始氣體進入室之前優(yōu)化氣體流動 和/或最大化初始氣體的混合。在一個實施方式中，該室位于氣化器的中央。在室被連接到一個或多個氣化器的實施方式中，室的一個或多個初始氣體入口可 通過公共開口或如圖5所示的開口與一個或多個氣化器直接連通，可經(jīng)由管道3009或經(jīng)由 恰當?shù)膶?dǎo)管而被連接到氣化器。再形成反應(yīng)中產(chǎn)生的再形成氣體通過位于第二或下游端部處或附近的一個或多 個再形成氣體出口離開室。出口可包括開口，或可選地，可包括控制離開室的再形成氣體的 流量的設(shè)備。設(shè)備可包括用于測量再形成氣體的各種特征的感測元件。在一個實施方式中，出口包括室的開放的第二(下游)端部。在一個實施方式中， 出口包括位于室的閉合的第二(下游)端部的一個或多個開口。在一個實施方式中，出口 包括一個或多個開口，該一個或多個開口位于室的壁中，且接近第二(下游)端部。室可選地包括各種口，該各種口包括一個或多個工藝添加劑口、用于氣體激勵源 的一個或多個口、可選地一個或多個進入口、觀察口和/或儀器口。氣體激勵源包括但不限 于基于等離子體的源(如，等離子炬)、氫燃燒器和可選的次級源?？?、入口和出口可以按各種角度和/或位置被并入，以增強室內(nèi)的反應(yīng)劑流量的相互作用。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)可被提供，以控制各種系統(tǒng)和/或這里所公開的子系統(tǒng)中和/或由各種系統(tǒng)和/或這里所公開的子系統(tǒng)實施的一個或多個工藝，和/或提供對這里所考慮的一個 或多個工藝設(shè)備的控制，以便影響這些工藝。一般來說，控制系統(tǒng)可可操作地控制與給定 系統(tǒng)、子系統(tǒng)或其部件相關(guān)的，和/或與諸如氣化系統(tǒng)的較大系統(tǒng)內(nèi)實施的一個或多個全 局的工藝相關(guān)的各種局部和/或區(qū)域工藝，并由此調(diào)節(jié)其適于影響這些工藝的各種控制參 數(shù)，以便得到定義的結(jié)果，其中本發(fā)明的各種實施方式可在該較大系統(tǒng)內(nèi)被操作或與該較 大系統(tǒng)配合來操作。各種感測元件和響應(yīng)元件可因此貫穿該受控系統(tǒng)被分布，或關(guān)于其一 個或多個部件被分布，并用于取得各種工藝、反應(yīng)劑和/或產(chǎn)物特征，并將這些特征與這些 特征的有助于實現(xiàn)期望的結(jié)果的合適的范圍進行對比，并通過經(jīng)由一個或多個可控制的工 藝設(shè)備實施一個或多個行進的工藝的改變來響應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)一般包括，例如，一個或多個感測元件，該一個或多個感測元件用于感測 與系統(tǒng)、其中實施的工藝、由此提供的輸入和/或由此產(chǎn)生的輸出相關(guān)的一個或多個特征。 一個或多個計算平臺被可通信地連接到這些感測元件，以便得出代表所感測的特征的特征 值，并被構(gòu)造成將特征值與這些值的預(yù)定的范圍進行對比，并計算出有助于用該預(yù)定的范 圍維持特征值的一個或多個工藝控制參數(shù)，其中該預(yù)定的范圍被定義成表示這些特征適于 被選擇的可操作的和/或下游結(jié)果的特征。多個響應(yīng)元件可因此被可操作地連接到一個或 多個工藝設(shè)備，并可通信地連接到計算平臺以便得出所計算的工藝控制參數(shù)，并根據(jù)其來 操作工藝設(shè)備，其中，該一個或多個工藝設(shè)備可操作，以影響系統(tǒng)、工藝、輸入和/或輸出， 并由此調(diào)節(jié)所感測的特征。在一個實施方式中，控制系統(tǒng)提供了與含碳進料轉(zhuǎn)化成氣體相關(guān)的各種系統(tǒng)、工 藝、輸入和/或輸出的反饋、前饋和/或預(yù)測控制，以便提高關(guān)于其實施的一個或多個工藝 的效率。例如，各種工藝特征可被評估和可控制地調(diào)整，以影響這些工藝，該各種工藝特征 可包括但不限于進料的加熱值和/或組成、產(chǎn)物氣體的特征(例如，加熱值、溫度、壓力、流 量、組成、碳含量等)、允許這些特征的變化的程度，以及輸入的成本對輸出的值。對各種控 制參數(shù)的連續(xù)的和/或?qū)崟r調(diào)整，可以按一種方式被執(zhí)行，由此，一個或多個工藝相關(guān)的特 征被得到并根據(jù)設(shè)計和/或下游規(guī)格而被優(yōu)化，其中各種控制參數(shù)可包括但不限于熱源功 率、添加劑供給速率(例如，氧氣、氧化物、流等)、進料供給速率(例如，一個多個分離的和 /或混合的供給)、氣體和/或系統(tǒng)壓力/流量調(diào)節(jié)器(例如，鼓風機、減壓和/或控制閥、 錐形孔等)，以及類似物。在利用純前饋控制的系統(tǒng)中，系統(tǒng)環(huán)境以測量擾動的形式的改變導(dǎo)致與利用反饋 控制的系統(tǒng)形成對比的預(yù)定的響應(yīng)，以維持系統(tǒng)的期望狀態(tài)。因此，前饋控制可不具有反饋 控制的穩(wěn)定性問題。在遇到以下前提時，前饋控制可以是極其有效的擾動必須是可測量的、對系統(tǒng)的 輸出的擾動的效應(yīng)必須是已知的，以及擾動影響輸出所花的時間必須比前饋控制器影響輸 出所花的時間長。前饋控制可對已知的和可測量的類型的擾動作出更快速的響應(yīng)，而不能對新的擾 動作出快速的響應(yīng)。相反，反饋控制處理期望系統(tǒng)行為的任何偏差，而要求系統(tǒng)的被測變量(輸出)對擾動作出反應(yīng)，以便注意到該偏差。前饋控制和反饋控制并非相互排他的；它們可組合，使得由于前饋控制可提供快 速響應(yīng)，而反饋系統(tǒng)清除由前饋系統(tǒng)作出的預(yù)定調(diào)整的任何誤差。在本發(fā)明的一個實施方式中，可使用模型預(yù)測控制技術(shù)。在矯正或反饋控制中，經(jīng)由恰當?shù)母袦y元件監(jiān)測的控制參數(shù)或控制變量的值與規(guī) 定值或范圍相對比?？刂菩盘柣趦蓚€值之間的偏差而被確定，并被提供給控制元件，以 便減小該偏差。應(yīng)領(lǐng)會，傳統(tǒng)的反饋或響應(yīng)控制系統(tǒng)可進一步被改變以包括適應(yīng)性和/或 預(yù)測性部件，其中，對給定條件的響應(yīng)可根據(jù)模型的和/或先前監(jiān)測的反應(yīng)來修改，以對所 感測的特征提供反應(yīng)性響應(yīng)，同時限制補償動作中的潛在逸出。例如，為給定系統(tǒng)構(gòu)造提供 的獲得的和/或歷史的數(shù)據(jù)可被合作性地用于調(diào)整對系統(tǒng)和/或工藝特征的響應(yīng)，系統(tǒng)和 /或工藝特征被感測以處于從最佳值的給定范圍內(nèi)，為了實現(xiàn)該最佳值，先前的響應(yīng)已被監(jiān) 測和調(diào)整，以提供希望的結(jié)果。這些適應(yīng)性和/或預(yù)測性的控制方案在本領(lǐng)域中是公知的， 并因此，不被認為背離本公開內(nèi)容的一般范圍和本質(zhì)?？蛇x地，或其附加，控制系統(tǒng)可被構(gòu)造成監(jiān)測給定系統(tǒng)的各種部件的操作，以便確 保恰當?shù)牟僮鳎⒖蛇x地，以便確保由此實施的工藝在受控的標準內(nèi)，當這種標準實施時。根據(jù)一個實施方式，控制系統(tǒng)可進一步被用在監(jiān)測和控制給定系統(tǒng)的總的高能沖 擊。例如，給定系統(tǒng)可被操作，以使得其高能沖擊例如，通過優(yōu)化由此實施的一個或多個工 藝，或再次通過增加由這些工藝產(chǎn)生的能量(例如，廢熱)的再生而被降低，或再次被最小 化。可選地，或其附加，控制系統(tǒng)可被設(shè)置成調(diào)整經(jīng)由受控工藝產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體的組成和/ 或其他特征(例如，溫度、壓力、流量等)，使得這些特征不僅適合于下游使用，而且實質(zhì)上 被優(yōu)化，以便實現(xiàn)有效和/或最佳使用。例如，在產(chǎn)物氣體被用于驅(qū)動給定類型的氣體引擎 以便生產(chǎn)電力的實施方式中，產(chǎn)物氣體的特征可被調(diào)整，使得這些特征與最佳輸入特征最 佳匹配，以用于這種引擎。在一個實施方式中，控制系統(tǒng)可被設(shè)置成調(diào)整給定工藝，使得關(guān)于反應(yīng)劑和/或 產(chǎn)物在各種部件中的停留時間，或關(guān)于總工藝的各種工藝的限制或性能綱要被滿足和/或 優(yōu)化。例如，上游工藝速率可被如此控制，以實質(zhì)上匹配一個或多個接下來的下游工藝。此外，在各種實施方式中，控制系統(tǒng)可被調(diào)整以便適應(yīng)給定工藝的各種方面的以 連續(xù)和/或?qū)崟r方式的順次和/或同時控制。一般來說，控制系統(tǒng)可包括適合于手邊的應(yīng)用的任何類型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如， 控制系統(tǒng)可包括實質(zhì)上集中的控制系統(tǒng)、分布的控制系統(tǒng)或其組合。集中的控制系統(tǒng)將一 般地包括中央控制器和響應(yīng)元件，該中央控制器被設(shè)置成與各種本地和/或遠程感測設(shè)備 相通信，該響應(yīng)元件被設(shè)置成分別感測與受控工藝相關(guān)的各種特征，并經(jīng)由適于直接或間 接影響受控工藝的一個或多個可控制的工藝設(shè)備來對其作出響應(yīng)。使用集中的結(jié)構(gòu)，大多 數(shù)計算經(jīng)由集中的處理器來集中實施，使得用于實施工藝的控制的大多數(shù)必要的硬件和/ 或軟件位于相同的位置。分布的控制系統(tǒng)將一般地包括兩個或更多個分布控制器，該兩個或更多個分布控 制器可分別與相應(yīng)的感測和響應(yīng)元件相通信，以便監(jiān)測局部和/或區(qū)域特征，并經(jīng)由被設(shè) 置成影響局部工藝或子工藝的局部和/或區(qū)域工藝設(shè)備對其作出響應(yīng)。通信還可經(jīng)由各種 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造在分布的控制器之間發(fā)生，其中，經(jīng)由第一控制器感測的特征可被通信至第二控制器，以便由此作出響應(yīng)，其中，這種遠程響應(yīng)可對在第一位置感測的特征具有影響。例如， 下游產(chǎn)物氣體的特征可通過下游監(jiān)測設(shè)備感測，并通過調(diào)整與由上游控制器控制的轉(zhuǎn)化器 相關(guān)聯(lián)的控制參數(shù)而被調(diào)整。在分布的結(jié)構(gòu)中，控制硬件和/或軟件也分布在控制器之間， 其中，相同但模塊化設(shè)置的控制方案可在每個控制器上實施，或各種合作性模塊化控制方 案可在各自的控制器上實施?？蛇x地，控制系統(tǒng)可被細分成獨立的但通信地連接的局部、區(qū)域和/或全局控制 子系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)可允許給定工藝或系列相關(guān)工藝發(fā)生，并被局部地控制，同時與其他局部 控制子系統(tǒng)的相互作用最小。全局總控制系統(tǒng)可隨后與每個相應(yīng)的局部控制子系統(tǒng)相通 信，以對局部工藝作出必要的調(diào)整，以便得出全局的結(jié)果。本發(fā)明的控制系統(tǒng)可使用任何以上結(jié)構(gòu)，或本領(lǐng)域中公知的任何其他結(jié)構(gòu)，它們 被認為在本公開內(nèi)容的一般范圍和本質(zhì)內(nèi)。例如，受控的并在本發(fā)明的環(huán)境內(nèi)實施的工藝 可在專門的局部環(huán)境中控制，該專門的局部環(huán)境具有與用于相關(guān)的上游或下游工藝的任何 中央和/或遠程控制系統(tǒng)的可選的外部通信，當適用時?？蛇x地，控制系統(tǒng)可包括區(qū)域和/ 或全局控制系統(tǒng)的子部件，該子部件被設(shè)計成配合地控制區(qū)域和/或全局工藝。例如，模塊 化控制系統(tǒng)可被設(shè)計成使得控制模塊相互作用地控制系統(tǒng)的各種子部件，同時提供區(qū)域和 /或全局控制所需的相互模塊通信?？刂葡到y(tǒng)一般地包括一個或多個中央的、網(wǎng)絡(luò)化的和/或分布的處理器、用于從 各種感測元件接收當前感測的特征的一個或多個輸入，以及用于使新的或升級的控制參數(shù) 通信至各種響應(yīng)元件的一個或多個輸出?？刂葡到y(tǒng)的一個或多個計算平臺還可包括用于 在其中存儲各種預(yù)定的和/或再調(diào)整的控制參數(shù)的一個或多個本地和/或遠程計算機可讀 取媒介(例如，ROM、RAM、可移除的媒介、本地和/或網(wǎng)絡(luò)接近媒介等)、設(shè)定的或優(yōu)選的系 統(tǒng)和工藝特征操作范圍、系統(tǒng)監(jiān)測和控制軟件、操作數(shù)據(jù)以及類似物。可選地，計算平臺還 可具有直接或經(jīng)由各種數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的入口，以處理模擬數(shù)據(jù)和/或系統(tǒng)參數(shù)最佳化和建 模裝置。并且，計算平臺還裝備有一個或多個可選的圖解的使用者界面和輸入外部設(shè)備，以 便提供通向控制系統(tǒng)的管理入口(系統(tǒng)升級、維護、修改、對新的系統(tǒng)模塊和/或設(shè)備的適 應(yīng)等)，以及各種可選的輸出外部設(shè)備，以便與外部源(如，調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)連接、打印機 等)進行數(shù)據(jù)和信息通信。處理系統(tǒng)和子處理系統(tǒng)中的任何一個可包括排他性硬件或硬件和軟件的任何組 合。子處理系統(tǒng)中的任何一個可包括比例(P)、積分(I)或微分(D)控制器中的一個或多個 的任何組合，例如P控制器、I控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器。對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員將明顯的是，P、I和D控制器的組合的理想選擇取決于氣化系統(tǒng)的反應(yīng)工藝部分的動 力學(xué)和延遲時間和該組合要控制的操作條件的范圍，以及該組合控制器的動力學(xué)和延遲時 間。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是，這些組合可以按模擬硬連線的形式而被實施，該模擬 硬連線的形式可經(jīng)由感測元件連續(xù)地監(jiān)測特征的值，并將其與規(guī)定值進行對比，以影響相 應(yīng)的控制元件來經(jīng)由響應(yīng)元件作出足夠的調(diào)整，以減小觀察值和規(guī)定值之間的差。對于本 領(lǐng)域技術(shù)人員將進一步明顯的是，該組合可以在混合的數(shù)字硬件軟件環(huán)境中實施。附加地 任意取樣、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)字處理(digital processing)的相關(guān)效應(yīng)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 是公知的。P、I、D組合控制可在前饋和反饋控制方案中實施?？刂圃?br> 本環(huán)境內(nèi)考慮的感測元件，如以上所定義和描述的，可包括但不限于監(jiān)測產(chǎn)物氣 體的氣體化學(xué)組成、流速和溫度的元件；監(jiān)測溫度的元件；監(jiān)測壓力的元件；監(jiān)測氣體的不 透明度以及與氣體激勵源相關(guān)的各種參數(shù)(例如，功率和位置)的元件。在再形成氣體中所得到的H2 CO比取決于不限于操作方案的各種因素，以及處 理溫度、濕度和初始氣體的H2 CO比。氣化技術(shù)一般產(chǎn)生從高至6 1到低至1 1的 H2 CO比的產(chǎn)物氣體，最佳H2 CO比由下游應(yīng)用來規(guī)定。在一個實施方式中，所得到的 H2 CO比的范圍為從大約1.1到大約1.2。在一個實施方式中，所得到的吐CO比為 1. 1 1?？紤]到以上因素中的一個或多個，本發(fā)明的控制系統(tǒng)通過調(diào)整所施加的氣體激 勵場(例如，等離子炬熱)和工藝添加劑(例如，空氣、氧氣、碳、蒸氣)之間的平衡，來在 H2 C0比的可能范圍中調(diào)整再形成氣體的組成，從而允許再形成氣體組成被優(yōu)化，以便用 于特定的下游應(yīng)用。許多操作參數(shù)可被規(guī)律地或連續(xù)地監(jiān)測，以確定氣體再形成系統(tǒng)是否在最佳設(shè)定 點內(nèi)操作。被監(jiān)測的這些參數(shù)可包括但不限于再形成氣體的化學(xué)組成、流速和溫度；系統(tǒng) 內(nèi)的各種點處的溫度；系統(tǒng)的壓力；以及與氣體激勵源相關(guān)的各種參數(shù)(例如，等離子炬的 功率和位置)，并且數(shù)據(jù)被用于確定是否需要對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。再形成氣體的組成和不透明度產(chǎn)物氣體可使用技術(shù)人員公知的方法被取樣和分析?？捎糜诖_定產(chǎn)物氣體的化學(xué) 組成的一種方法是通過氣體色層(GC)分析。用于這些分析的取樣點可貫穿系統(tǒng)來定位。在 一個實施方式中，氣體組成使用測量氣體的紅外光譜的傅里葉變換紅外(FTIR)分析儀來測量。本發(fā)明的一部分是確定再形成氣體流中是否存在太多或太少的氧氣，并相應(yīng)地調(diào) 整工藝。在一個實施方式中，一氧化碳流中的分析儀和感測器檢測二氧化碳或其他合適的 參考富氧的物質(zhì)的存在和濃度。在一個實施方式中，氧氣被直接測量。在本發(fā)明的一個實施方式中，可使用熱重分析儀(TGA)。在一個實施方式中，感測器分析再形成氣體對于一氧化碳、氫氣、碳氫化合物以及 二氧化碳的組成?；谒治龅臄?shù)據(jù)，控制器發(fā)送信號到氧氣和/或蒸氣入口，以控制噴射 進入室的氧氣和/或蒸氣的量，和/或發(fā)送信號到氣體激勵源。在一個實施方式中，一個或多個可選的不透明度監(jiān)測器被安裝在系統(tǒng)內(nèi)，以提供 不透明度的實時反饋，由此提供可選的機構(gòu)，以便使工藝添加劑輸入速率，主要為蒸氣，自 動維持在最大可允許的濃度以下的顆粒物質(zhì)的量級。系統(tǒng)中的各種位置處的溫度在一個實施方式中，提供了監(jiān)測再形成氣體的溫度和位于貫穿系統(tǒng)的部位處的溫 度的裝置，其中，這些數(shù)據(jù)在連續(xù)基礎(chǔ)上獲得。用于監(jiān)測室中的溫度的裝置，例如，可位于室 的外側(cè)壁上，或室的頂部、中間和底部的耐火材料內(nèi)部。此外，提供了用于監(jiān)測再形成氣體 的離開溫度的感測器。在一個實施方式中，根據(jù)需要，用于監(jiān)測溫度的裝置通過安裝在系統(tǒng)中的位置處 的熱電偶來提供。系統(tǒng)壓力
在一個實施方式中，提供了監(jiān)測室內(nèi)的壓力的裝置，其中，這些數(shù)據(jù)在連續(xù)基礎(chǔ)、 實時基礎(chǔ)上獲得。在另一個實施方式中，這些壓力監(jiān)測裝置包括位于反應(yīng)容器上的任何地 方，例如，反應(yīng)容器的豎直壁上的諸如壓力傳感器或壓力計接口(pressure tap)的壓力感 測器。氣體流動速率在一個實施方式中，提供了監(jiān)測位于貫穿系統(tǒng)的部位處的再形成氣體的流速的裝 置，其中，這些數(shù)據(jù)在連續(xù)基礎(chǔ)上獲得。氣體流動的波動可能是不均勻條件(例如，炬故障或停轉(zhuǎn)而需要進行電極更換或 其它支持設(shè)備故障)的結(jié)果。氣體流動中的暫時測量波動可通過鼓風機速度、物質(zhì)的供給 速率、次級進料、空氣、蒸氣和炬功率的反饋控制來糾正。如果氣體流動的波動仍存在，則系 統(tǒng)可被停止運轉(zhuǎn)，直到問題被解決。工藝添加劑的添加在一個實施方式中，控制系統(tǒng)包括響應(yīng)元件，以調(diào)整包括任何工藝添加劑的反應(yīng) 劑，從而管理初始氣體化學(xué)再形成為再形成氣體。例如，工藝添加劑可被供入室中，以促進 具有某化學(xué)組成的初始氣體有效再形成為具有不同的期望化學(xué)組成的再形成氣體。在一個實施方式中，如果感測器檢測到再形成氣體中的二氧化碳過量，則降低蒸 氣和/或氧氣噴射。本環(huán)境內(nèi)考慮的響應(yīng)元件，如以上所定義和描述的，可包括但不限于，可操作地連 接到工藝相關(guān)設(shè)備的各種控制元件，該各種控制元件被設(shè)置成通過調(diào)整與其相關(guān)的給定控 制參數(shù)來影響給定工藝。例如，在本環(huán)境內(nèi)經(jīng)由一個或多個響應(yīng)元件可操作的工藝設(shè)備可 包括但不限于調(diào)整氧氣源輸入和氣體激勵源的元件。調(diào)整氣體激勵場(例如，炬的功率)氣體激勵場可被改變。在一個實施方式中，等離子炬熱被控制以驅(qū)動反應(yīng)。將空 氣添加到室中也承受通過釋放炬熱能量與燃燒再形成氣體加載的炬熱的一部分。工藝氣體 的流速被調(diào)整，以將炬功率保持在合適的操作范圍中。在一個實施方式中，等離子炬功率被調(diào)整，以將再形成氣體離開溫度穩(wěn)定在設(shè)計 設(shè)定點。在一個實施方式中，設(shè)計設(shè)定點在1000°C以上，以促進氣體中的焦油和煙灰的完全 分解。調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的壓力在一個實施方式中，控制系統(tǒng)包括用于控制室的內(nèi)部壓力的響應(yīng)元件。在一個實 施方式中，內(nèi)部壓力被維持在負壓，即，稍微低于大氣壓力的壓力。例如，室的壓力可被維持 在大約1-3毫巴真空。在一個實施方式中，系統(tǒng)的壓力被維持在正壓。用于控制內(nèi)部壓力的這種裝置的一個示例性實施方式通過與氣體再形成系統(tǒng)氣 體連通的感應(yīng)鼓風機來提供。由此采用的感應(yīng)鼓風機將系統(tǒng)維持在負壓。在維持正壓的系 統(tǒng)中，鼓風機被指令控制，以在比負壓情況低的RPM下操作，或可使用壓縮機。為了響應(yīng)由位于貫穿系統(tǒng)的壓力感測器所獲得的數(shù)據(jù)，感應(yīng)鼓風機的速度將根據(jù) 系統(tǒng)中的壓力是否在增加(由此，風扇速度將增加)或是否在減小(由此，風扇速度將減 小)來進行調(diào)整。此外，根據(jù)本發(fā)明的工藝，系統(tǒng)可被維持在相對于大氣壓力的稍微負壓下，以防止氣體被排出進入到環(huán)境中。壓力可通過調(diào)整再形成氣體鼓風機的速度來穩(wěn)定。可選地，在鼓風機的最小操作 頻率以下的速度，次級控制重載并調(diào)整再循環(huán)閥。一旦再循環(huán)閥返回到完全閉合狀態(tài)，則初 級控制重新接合。例子1該例子示出了被設(shè)計成將被改進到現(xiàn)有氣體再形成室設(shè)計的氣體操縱器的一個 例子。圖60A示出了氣體再形成系統(tǒng)(GRS)3200，其被設(shè)計成直接連接到水平定向的耐火材 料襯里的氣化器。氣體離開通過氣化器的氣體出口進入GRS 3200，該GRS 3200經(jīng)由安裝凸緣3214 可密封地連接到氣化器，該安裝凸緣3214將氣化器氣體出口直接連接到GRS的單個錐形形 狀的輸入氣體入口?？諝馔ㄟ^渦流口 3212被噴射進入輸入氣體流中，以在輸入氣體流中產(chǎn) 生渦流運動或紊流，由此混合輸入氣體并在GRS內(nèi)產(chǎn)生再循環(huán)渦流模式。GRS內(nèi)的氣體的停 留時間大約為1.2秒。參照圖60A，GRS包括實質(zhì)上豎直安裝的耐火材料襯里的柱狀室以及單個錐形形 狀的輸入氣體入口，該柱狀室具有大約3 1的長度對直徑比，氣化器經(jīng)由安裝凸緣3214 連接到該輸入氣體入口。室加蓋有耐火材料襯里的蓋子3203，從而創(chuàng)建密封的氣體再形成 室 3202。氣體再形成室包括各種口，該各種口包括用于加熱器3216的一個或多個口、用于 一個或多個氧氣源3210的一個或多個口，以及可選地一個或多個接近或觀察口 3326和/ 或儀器口 3226。此外，氣體再形成室裝備有提升點3230。在室的壁上使用的耐火材料是多層設(shè)計，該多層設(shè)計具有高密度層、中間較低密 度材料層和外部非常低密度泡沫板層，其中，該高密度層位于內(nèi)側(cè)上以抗室中存在的高溫、 腐蝕和侵蝕，該中間較低密度材料層具有較低抵抗屬性，但具有較高隔熱因子，該外部非常 低密度泡沫板層具有非常高的隔熱因子。位于泡沫板和容器鋼殼之間的外層是陶瓷毯材 料，以提供順應(yīng)層，以允許固體耐火材料和容器殼之間的不同膨脹。耐火材料的豎直膨脹通 過不可壓縮的耐火材料的可壓縮的耐火材料層分離部分來提供?？蓧嚎s層通過重疊但可延 伸的高密度耐火材料，而被保護免受腐蝕。參照圖60B，氣體再形成室還包括耐火材料支撐系統(tǒng)，該耐火材料支撐系統(tǒng)包括一 系列圓周延伸的支架3220。每個支架被分割成幾個部分，并包括間隙以允許膨脹。每個支 架部分3222由一系列支撐托架3224支撐。在GRS的該實施方式中，用于一個或多個氧氣源的一個或多個輸入包括空氣和蒸 氣輸入。GRS還包括三層切向定位的空氣噴嘴、兩個切向定位的等離子炬、六個熱電偶口、 兩個燃燒器口、兩個壓力傳遞器口和若干備用口。空氣通過三層空氣噴嘴而被噴射進入氣體流，該三層空氣噴嘴包括位于下層3212 的四個噴射器和位于上層3211的另外六個噴射器，在該另外六個噴射器中，三個噴射器稍 微高于另外三個，以產(chǎn)生交叉噴射混合效應(yīng)來實現(xiàn)更好的混合。GRS還包括安裝在滑動機構(gòu)上的兩個切向安裝的300kW的水冷卻的銅電極的NTAT 的DC等離子炬。這兩個等離子炬位于空氣噴嘴上方，以提供最大暴露于等離子炬熱。
對于每個等離子炬，等離子體電力供應(yīng)將三相AC電能轉(zhuǎn)化成DC電能。作為中間 步驟，單元首先將三相AC輸入轉(zhuǎn)化成單一高頻相。這允許斷續(xù)器部分(chopper section) 中的實際上DC輸出的更好的線性化。該單元允許輸出DC電壓波動，以便維持穩(wěn)定的DC電流。參照圖37，每個等離子炬3208被安裝在滑動機構(gòu)上，該滑動機構(gòu)3208可使炬 3208移動進入和離開氣體再形成室。炬3208通過密封裝置而被密封到氣體再形成室3202。 該密封裝置被密封抵靠門閥，該門閥又安裝在容器上并密封到容器。為了移除炬3208，它通 過滑動機構(gòu)而被拉離再形成室3202。為了安全目的，該滑動件的初始運動切斷高電壓炬電 力供應(yīng)。當炬3208已經(jīng)收縮通過閥并且冷卻劑循環(huán)停止時，門閥自動關(guān)閉。軟管和電纜與 炬3208分離，密封裝置從門閥釋放，并且炬3208通過吊升機械被抬走。利用以上程序的逆向來完成炬3208的替換；滑動機構(gòu)可被調(diào)整，以允許炬3208的 插入深度的變化。門閥是機械操作的，使得操作是自動的。在冷卻系統(tǒng)失效時，氣動致動器 3233被用于自動抽出炬。用于操作致動器的壓縮空氣從專用空氣儲器供應(yīng)，使得動力總是 可用的，甚至在電力失效時。相同的空氣儲器提供了用于門閥3234的空氣。電互鎖蓋是另 一個安全特征，其通過防止接近高電壓炬連接機構(gòu)來使用。熱電偶位于氣體再形成室中的各種位置，使得GRS中的再形成氣體的溫度維持在 大約1000°c，并且如果它降到該溫度以下，則提供等離子炬的電力或空氣噴射被增加。在該實施方式中，流動進入GRS的空氣可被動態(tài)改變，以調(diào)整氣化器和/或GRS的 每個步驟內(nèi)發(fā)生的溫度和工藝。氣體再形成室內(nèi)的氣體混合物內(nèi)的分子分離進入等離子弧區(qū)域中的它們的組成 元素，并隨后再形成為再形成氣體。熱的再形成氣體經(jīng)由再形成氣體出口 3206離開GRS。氣體操縱器被設(shè)計成增強氣體再形成工藝，并通過提高再形成氣體對由等離子炬 產(chǎn)生的活性物類的暴露以及由這種暴露所產(chǎn)生的活性中間物的混合，來實現(xiàn)大的碳氫分子 的最大分解率。參照圖69和70，氣體操縱器實質(zhì)上位于氣體再形成室的中央，并位于空氣噴嘴和 兩個等離子炬的上方。因此，從氣化器接受的初始氣體與以高噴射速度通過空氣噴嘴引入 的空氣相混合。氣體操縱器的形狀在圖66至68中示出。由來自氣化器的初始氣體和被噴射的空 氣的混合獲得的再形成氣體，與等離子炬的電離氣體一起被氣體操縱器的設(shè)計迫使通過它 的兩個通道。因為等離子炬實質(zhì)上位于通道的入口，所以再形成氣體經(jīng)歷對由等離子炬產(chǎn) 生的氣體激勵場的最大暴露。氣體操縱器的通道內(nèi)的氣體的溫度為大約1100°C。通過通道的氣體當其撞擊圖 66中所示的偏轉(zhuǎn)器時改變流動方向，導(dǎo)致連續(xù)的混合。偏轉(zhuǎn)器還幫助維持氣體操縱器通道 內(nèi)的熱，從而允許增強的氣體再形成動力。參照圖67，位于氣體操縱器入口處的傾斜表面增強了來自氣體流的顆粒物質(zhì)的分罔。氣體操縱器由耐火材料襯里的鋼結(jié)構(gòu)制成，如圖68所示。鋼結(jié)構(gòu)由空氣冷卻。冷 卻空氣通過三個支撐管道被引入。它通過內(nèi)部空室冷卻鋼結(jié)構(gòu)。加熱的冷卻空氣通過位于 氣體操縱室的底部的噴嘴回到主工藝。
冷卻空氣流速被控制，以維持最熱的鋼表面成為可能(接近煙囪)，但仍低于 550°C，在該溫度下，鋼的強度是相當好的。雖然本發(fā)明被這樣描述了，但應(yīng)明顯的是，本發(fā)明可以以很多方式來改變。這些變化不被認為背離本發(fā)明的精神和范圍，并且所有這些修改，如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將 是明顯的，被意圖包括在接下來的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于將初始氣體再形成為具有設(shè)計特征的再形成氣體的系統(tǒng)，包括a)感測裝置，其用于感測所述初始氣體的至少一個特征；b)修改工藝輸入的裝置，其用于修改工藝輸入，以便基于所述初始氣體的所述至少一個特征，并基于所述再形成氣體的所述設(shè)計特征進行再形成；c)施加裝置，其用于施加一個或多個能量源，所述一個或多個能量源足以將所述初始氣體的實質(zhì)上大多數(shù)氣體分子再形成為所述再形成氣體；d)促進裝置，其用于促進所述再形成；e)穩(wěn)定裝置，其用于穩(wěn)定所述再形成氣體；以及f)控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述修改工藝輸入的裝置包括用于添加恰當量的 工藝添加劑的裝置。
3.一種用于將初始氣體再形成為具有期望特征的再形成氣體的工藝，包括一個或多個 以下步驟a)感測所述初始氣體的至少一個特征；b)修改工藝輸入，以便基于所述初始氣體的所感測的特征并基于輸出氣體的期望特征 進行再形成；c)施加足以將大多數(shù)氣體分子再形成為其構(gòu)成成分的氣體激勵場；d)促進有效工藝加速，以便將所述構(gòu)成成分再形成為具有設(shè)計特征的再形成氣體；e)促進新形成分子的去能和穩(wěn)定，以維持所述設(shè)計特征；以及f)管理所述初始氣體到所述輸出氣體的有效轉(zhuǎn)化。
4.如權(quán)利要求3所述的工藝，其中，修改工藝輸入以便進行再形成的步驟包括添加恰 當量的工藝添加劑。
5.一種用于再形成氣體的系統(tǒng)，包括a)一個或多個能量源，其用于啟動氣體再形成工藝；以及b)一個或多個氣體操縱器，其用于在所述氣體再形成工藝的整個過程中優(yōu)化能量轉(zhuǎn)移；其中，所述一個或多個能量源和所述一個或多個氣體操縱器形成整體，以優(yōu)化氣體再 形成比。
6.一種氣體再形成系統(tǒng)，包括a)一個或多個氣體再形成區(qū)域；b)一個或多個氣體穩(wěn)定區(qū)域；c)包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)總體工藝；d)可選地，一個或多個氣體添加劑區(qū)域，和/或e)可選地，一個或多個氣體清潔區(qū)域，其中，所述系統(tǒng)的所述區(qū)域被布置和控制成使得，大多數(shù)初始氣體被再形成為具有設(shè) 計組成的氣體。
7.一種用于將初始氣體再形成為再形成氣體的方法，包括步驟(a)將所述初始氣體輸送到氣體再形成室；(b)將輸入氣體與至少一種工藝添加劑混合，以產(chǎn)生預(yù)形成氣體；(C)將所述預(yù)形成氣體暴露于氣體激勵場，由此使氣體內(nèi)的分子分解成它們的構(gòu)成元素；(d)將所述構(gòu)成元素再形成為具有設(shè)計的化學(xué)組成的分子物類，并由此產(chǎn)生所述再形 成氣體；以及(e)從室移除所述再形成氣體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述氣體激勵場由一個或多個等離子炬產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括步驟在從室移除所述再形成氣體之前，將所述再 形成氣體暴露于氣體穩(wěn)定區(qū)域。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述再形成由氣體操縱器增強。
11.一種用于將初始氣體再形成為再形成氣體的系統(tǒng)，包括 一個或多個耐火材料襯里的室，其包括一個或多個輸入，其用于接收所述初始氣體； 一個或多個輸出，其用于釋放所述再形成氣體； 一個或多個工藝添加劑輸入，其與所述室流體連通； 一個或多個氣體操縱器，其位于一個或多個室中； 在所述一個或多個室內(nèi)產(chǎn)生氣體激勵場的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述產(chǎn)生氣體激勵場的裝置是一個或多個等離子炬。
13.如權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個氣體操縱器增加所述室內(nèi) 的紊流。
14.如權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個氣體操縱器改變所述室內(nèi) 的流動動力學(xué)。
15.如權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個氣體操縱器提高所述再形 成氣體對所述氣體激勵場的暴露。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在實質(zhì)上密封的容納的以及受控的環(huán)境內(nèi)將具有相關(guān)特征的初始氣體有效再形成為具有期望特征參數(shù)的輸出氣體的系統(tǒng)和方法。氣體再形成系統(tǒng)使用氣體激勵場來將初始氣體分子和恰當類型和量的噴射的工藝添加劑的分子分解成它們的構(gòu)成成分，隨后，它們的構(gòu)成成分重新組合以形成具有期望參數(shù)的輸出氣體。氣體再形成系統(tǒng)還包括一種調(diào)節(jié)工藝并由此使工藝最佳化的控制系統(tǒng)。氣體激勵場可至少部分由氫燃燒器或等離子炬提供。
文檔編號B01J7/00GK101801515SQ200880107371
公開日2010年8月11日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者安德烈亞斯·昌加里斯, 斯塔夫羅斯·塔武拉里斯, 申志遠, 馬克·培根 申請人:普拉斯科能源Ip控股公司畢爾巴鄂-沙夫豪森分公司