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通过等离子体气化生产的合成气
申请号	CN201180054232.X	申请日	2011-11-10	公开(公告)号	CN103314082A	公开(公告)日	2013-09-18
申请人	气体产品与化学公司; 奥尔特NRG公司;			发明人	G.克里什纳墨菲; C.P.克雷茨; C.R.希顿三世; A.戈罗德特斯基; J.桑托亚尼;
摘要	一种合成气流组合物，基于干基准，包含至多约50,000mg/Nm3颗粒；5-39体积%H2；5-39体积%CO；15-50体积%CO2；8-30体积%N2；0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积% 水分。所述流包括约0.3-2的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。还公开了一种气化的废物流和形成气化的废物流的方法。
权利要求	1. 一种合成气流组合物，所述合成气流组合物包含，基于干基准： 3 至多约50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 8-30体积% N2； 0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 2. 权利要求1的组合物，其中所述合成气流包括气化的废物。 3. 权利要求2的组合物，其中所述废物包含10-35重量%纸和卡片、5-15重量%塑料、 2-7重量%纺织品、2-17重量%玻璃和金属、15-30重量%厨房废物、15-25重量%生物质和 0-20重量%其它废物材料。 4. 权利要求2的组合物，所述组合物还包含选自以下的气化的废物：气化的MSW、气化的商业废物、气化的建筑和拆除废物、气化的工业废物、气化的危险废物和它们的组合。 5. 权利要求4的合成气流，其中所述MSW包含10-35重量%纸和卡片、5-15重量%塑料、2-7重量%纺织品、2-17重量%玻璃和金属、15-30重量%厨房废物、15-25重量%生物质和0-20重量%其它废物材料。 6. 权利要求4的合成气流，其中所述商业废物包含20-70重量%纸和卡片、5-30重量%塑料、0-5重量%纺织品、2-15重量%玻璃和金属、5-15重量%有机废物和15-25重量%其它生物质。 7. 权利要求1的组合物，其中所述合成气流包括等离子体气化的废物。 8. 权利要求7的合成气流，所述合成气流还包含选自以下的气化的废物：气化的MSW、气化的商业废物、气化的建筑和拆除废物、气化的工业废物、气化的危险废物和它们的组合。 9. 权利要求7的合成气流，其中所述MSW包含10-35重量%纸和卡片、5-15重量%塑料、2-7重量%纺织品、2-12重量%玻璃和金属、15-30重量%厨房废物、15-25重量%生物质和0-10重量%其它废物材料。 10. 权利要求7的合成气流，其中所述商业废物包含20-70重量%纸和卡片、5-30重量%塑料、0-5重量%纺织品、2-15重量%玻璃和金属、5-15重量%有机废物和15-25重量%其它生物质。 11. 权利要求1的组合物，其中所述组合物包含10-35体积% H2。 12. 权利要求11的组合物，其中所述组合物包含15-39体积% CO。 13. 权利要求12的组合物，其中所述组合物包含15-40体积% CO2。 14. 权利要求13的组合物，其中所述组合物包含8-15体积% N2。 3 15. 权利要求14的组合物，其中所述组合物包含5,000-29,500 g/Nm 或 3 30,500-50,000 mg/Nm。 16. 权利要求1的组合物，其中所述组合物包含8-15体积% N2。 17. 权利要求1的组合物，其中所述组合物包含15-40体积% CO2。 3 18. 权利要求1的组合物，其中所述组合物包含约5,000-29,500 g/Nm 或约 3 30,500-50,000 g/Nm 颗粒。 19. 权利要求1的组合物，所述组合物还包含1000-5000 ppm HCl。 20. 权利要求1的组合物，所述组合物还包含1000-5000 ppm NH3。 21. 权利要求1的组合物，所述组合物还包含1000-5000 ppm HCl和1000-5000 ppm NH3。 22. 权利要求1的组合物，其中至少30重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 23. 权利要求1的组合物，其中至少50重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 24. 一种合成气流组合物，所述合成气流组合物包含，基于干基准： 3 至多约50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 10-60体积% N2； 0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 25. 一种用于形成合成气流的方法，所述方法包括：提供废物；在氧燃烧条件下气化所述废物，以形成合成气流，所述合成气流包含，基于干基准： 3 至多约50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 8-30体积% N2； 0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 26. 权利要求25的方法，还包含选自以下的气化的废物：气化的MSW、气化的商业废物、气化的建筑和拆除废物、气化的工业废物、气化的危险废物和它们的组合。 27. 权利要求26的方法，其中在MSW中包含10-35重量%纸和卡片、5-15重量%塑料、 2-7重量%纺织品、2-12重量%玻璃和金属、15-30重量%厨房废物、15-25重量%生物质和 0-20重量%其它废物材料。 28. 权利要求26的方法，其中所述商业废物包含20-70重量%纸和卡片、5-30重量%塑料、0-5重量%纺织品、2-15重量%玻璃和金属、5-15重量%有机废物和15-25重量%其它生物质。 29. 权利要求25的方法，其中所述组合物包含10-35体积% H2。 30. 权利要求29的方法，其中所述组合物包含15-39体积% CO。 31. 权利要求30的方法，其中所述组合物还包含15-40体积% CO2。 32. 权利要求31的方法，其中所述组合物包含8-15体积% N2。 3 3 33. 权利要求32的方法，其中所述流包含5,000-29,500g/Nm 或30,500-50,000 g/Nm颗粒。 34. 权利要求25的方法，还包含1000-5000 ppm HCl和1000-5000 ppm NH3。 35. 权利要求25的方法，其中至少30重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 36. 权利要求25的方法，其中至少50重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 37. 一种用于形成合成气流的方法，所述方法包括：提供废物；在氧燃烧条件下气化所述废物，以形成合成气流，所述合成气流包含，基于干基准： 3 至多约50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 10-60体积% N2； 0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 38. 一种等离子体气化的合成气流，所述合成气流包含，基于干基准： 3 3 约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 8-30体积% N2； 0-2体积%氩气； 1000-5000 ppm HCl； 1000-5000 ppm NH3；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 39. 一种等离子体气化的合成气流，所述合成气流包含，基于干基准： 3 3 约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/Nm 颗粒； 5-39体积% H2； 5-39体积% CO； 15-50体积% CO2； 10-60体积% N2； 0-2体积%氩气； 1000-5000 ppm HCl； 1000-5000 ppm NH3；和基于湿基准，15-50体积%水分；和其中H2/CO比率为约0.3-2，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。
说明书全文	通过等离子体气化生产的合成气 [0001] 相关申请的交叉引用本申请要求2010年11月10日提交的美国申请号61/412078的权益。申请号61/412078 的公开内容通过引用结合到本文中。 [0002] 发明背景本发明涉及一种用于产生和处理合成气的工艺和系统。具体地讲，本公开涉及一种合成气流和用于生产通过等离子体气化废物(包括市政固体废物(MSW))而生产的合成气流的方法。 [0003] 有效管理和利用废物是全球问题。监管部门例如环境保护署(EPA)提出的当前的废物管理技术包括：首先，源头减少，第二，再循环和堆肥，最后，在垃圾填埋场或废物燃烧器中处置。管理废物的其它技术包括将废物转化为能量，包括工艺例如焚烧和热解。存在许多类型的废物，包括市政固体废物、商业和工业废物、建筑和拆除废物、固体回收燃料(SRF)、垃圾衍生燃料(RDF)、污水污泥、电子废物、医疗废物、核废物和危险废物。市政固体废物(MSW)也称为城市固体废物、垃圾(trash)、废弃物(rubbish)或废料(garbage)，主要包含家庭/家用废物。MSW通常为固体/半固体形式，并且包括纸和卡片、塑料、纺织品、玻璃、金属、可生物降解的废物(厨房废物、庭院清扫物/修剪物、木材废物)、惰性废物(灰尘、岩石)并且可包括少量的混杂材料例如电池、灯泡、药物、化学品、肥料等。通常发现MSW主要为纸/卡片和厨房废物，但是精确组成可能在一个区域与另一个区域不同，这取决于家庭和中转站和/或加工设备完成的再循环程度。 [0004] 一种形式的废物管理包括气化。气化为将碳质原料(例如煤、石油、生物燃料、生物质、市政固体废物(MSW)和其它废物)转化为可燃气体(例如合成气体)的工艺。合成气体，通常称为合成气，为不同量的一氧化碳和氢气的混合物(CO+H2)，并且具有多种应用。合成气可用于通过在燃气轮机、锅炉或往复式发动机中直接燃烧而发电，并且废热可用于产生蒸汽，该蒸汽通过蒸汽涡轮可提供另外的动力。合成气还可用于生产氢气或液体燃料或化学品，其可用作原料用于制造其它化学品，例如塑料。因此，气化为由有机材料生产有附加值的产品和/或能量的工艺。来自各种主要基于碳的原料在氧中的气化的典型的气体组成呈现于表1。 [0005] 表1：来自各种主要基于碳的原料的气化的代表性合成气组成天然气沥青质煤石油焦炭体积%，干气体，O2燃烧体积%，干气体，O2燃烧体积%，干气体，O2燃烧体积%，干气体，O2燃烧H2(v/v%) 63.0 44.7 38.0 33.0 CO(v/v%) 33.5 45.0 45.0 53.2 CO2(v/v%) 3.0 10.0 15.0 12.0 N2(v/v%) 0.2 0.3 2.0 0.6 CH4(v/v%) 0.3 500ppm 250ppm 0.2 H2S(ppm) 0 1.3 0.9 1.5 H2/CO 1.8 1.0 0.9 0.6 当前的废物管理技术，例如EPA提出的废物管理技术，包括，首先源头减少，第二再循环和堆肥，和最后，在垃圾填埋场或废物燃烧器中处置。管理废物的其它技术包括利用工艺(例如焚烧或热解)将废物转化为能量。气化不同于这些工艺，涉及在气化器中受控的氧水平和温度，从而导致更加富含合成气的气体流。 [0006] 具体形式的气化包括等离子体气化。等离子体气化为一种废物处理技术，其使用由等离子体电弧产生的电能和高温，以在称为等离子体气化反应器的容器中将废物破坏成为含有合成气的气态产物和熔融的玻璃样副产物(熔渣)。等离子体为部分电离的高温发光气体，并且由气体离子、原子和电子组成。熔渣由通常在废物中所含的无机矿物质(例如玻璃和金属)的玻璃化产生。取决于MSW的组成和气化工艺，挥发物通常包含CO、H2、H2O、CO2、N2、O2、CH4、H2S、COS、NH3、HCl、Ar、Hg、HCN、HF、饱和及不饱和烃(焦油)和炭(灰分)。 [0007] 无论生产合成气的目的是发电或生产化学品，存在于来自气化器的原料气体中的各种杂质都需要在使用前被除去。它们和其它组分的去除程度高度取决于产生有用的产物的下一步骤，需要非常特定的要求以使动力的产生最大化。 [0008] 用于气化市政固体废物(MSW)以及其它生物质(例如木材)的一种已知的工艺公开于Faaij等人，Biomass and Bioenergy，12(6)，387-407 (1997)，下文中称为“Faaij参考”。在Faaij参考中公开的组合物描述了MSW和其它生物质的空气-燃烧气化。然而，Faaij的粗合成气以湿合成气计含有13.98体积% CO (以干气体计16体积% CO)，与来自废物气化系统的期望的合成气组成相比，不合宜地低。Faaij参考包括仅局限于空气-燃烧气化的工艺。此外，Faaij参考利用得自TPS技术的特定类型的循环流化床(ACFB类型)气化器。此外，Faaij参考未公开COS或HCl作为合成气的一部分。在Faaij参考中公开NH3浓度为1.00体积% (湿基准)，相应于11,700 ppm NH3。除了以上其它缺点以外，对于已知的废物气化和清洁系统，在Faaij中NH3的浓度不合期望地高。 [0009] 另一种已知的合成气生产方法公开于TPS Termiska Processer AB，NykoÈping，Sweden的M. Morris等人， Waste Management. 1998，18 (6-8)，557-564，下文中称为“TPS Termiska参考”，其中提供了由MSW和生物质生产的合成气的组成。如在Faaij参考中的情况，对于常规的废物气化和清洁系统，CO浓度不合期望地低。在TPS Termiska参考中公开的在合成气流中CO的组成以湿气体计为8.8体积%(以干气体计，9.74体积%)和48 ppm的H2S。TPS Termiska参考未公开COS、HCl、NH3或HCN。如在Faaij参考中的情况，TPS Termiska参考未公开等离子体气化器，而是局限于循环流化床气化器。此外，TPS Termiska参考局限于空气-燃烧气化。除了以上缺点以外，TPS Termiska参考需要在气化之前预先分选和加工MSW，这提高成本和能量要求。 [0010] 另一种已知的气化工艺公开于Jae Ik Na等人，Applied Energy，2003，75，275-285，下文中称为“Jae Ik Na参考”。Jae Ik Na参考公开了MSW在固定床气化器中的气化。在 Jae Ik Na参考中的图9和10公开了在合成气中20-60%的CO2组成和5-20% CH4，其不合期望地高，从而，由于与去除这些物类相关的专门过程，导致较高的成本。Jae Ik Na参考未公开N2、H2S、COS、HCl、NH3、HCN或除CH4以外的烃。此外，Jae Ik Na参考未公开颗粒载荷。此外，Jae Ik Na参考的固定床气化器涉及在气化器内的干燥、热解、气化和燃烧区，其中，每个区需要不同的温度，供复杂的加工和另外的控制和/或能耗。 [0011] 一种已知的等离子体气化工艺公开于University of Cassino，Italy的M. Minutillo等人的出版物，Energy Conversion and Management 50 (2009) 2837-2842，下文中称为“University of Cassino参考”。University of Cassino参考公开了关于通过垃圾衍生燃料(RDF)的等离子体气化生产的合成气的信息。对于常规的废物气化和清洁系统，在University of Cassino参考中公开的CO的量(因此降低H2/CO比率)不合期望地高。另外，University of Cassino参考未说明来自MSW的合成气组成。他们的研究改为涉及利用垃圾衍生燃料(RDF)，其通过分选和加工由MSW产生，以尽可能消除不可燃材料，从而显著提高与过程相关的成本和能量。 [0012] 另一种等离子体气化工艺描述于Vaidyanathan等人的出版物Journal ofEnvironmental Management 82 (2007)77-82，下文中称为“Vaidyanathan参考”。 Vaidyanathan参考公开了工业废物和来自美国军队的固体废物的等离子体气化。 Vaidyanathan参考未公开烃、HCl、NH3、HCN、H2S和COS浓度或颗粒载荷。在Vaidyanathan参考中，在他们的实验室气化实验中形成代用品固体废物流以模拟美国军队废物流。在Vaidyanathan参考中报道的固体废物流的组成与通常的MSW组成非常不同。例如，纸和卡片含量为约55重量%，其远远高于10-35重量%的通常范围。美国军队废物的塑料含量为 25重量%，其也显著高于在通常的MSW中的5-15重量%的通常范围。 [0013] 美国专利号6,987,792公开了具有至少40-45% H2和至少40-45% CO的合成气组合物，但是未公开任何其它组分。 [0014] 除了合成气的化学组成以外，合成气流的品质集中于颗粒载荷和粒径分布方面。更具体地，用于测量合成气流的品质的两个颗粒性质包括颗粒载荷和低于1微米的颗粒百分比。如颗粒去除领域技术人员可认识到的，低于1微米的颗粒变得越加难以除去。因此，低于1微米的颗粒的浓度和/或量提供过程流可被处理的容易或困难的量度。 [0015] 颗粒载荷和尺寸的实例公开于EPA的Emission Standards and Engineering group（排放标准和工程团体），其发布题为“Control Techniques for Particulate Emissions from Stationary Sources (来自固定来源的颗粒排放的控制技术)”的两卷报道，下文中称为EPA报道。EPA报道提供了对于各种工业应用颗粒和尺寸分布的实例。从MSW的焚烧引出两个说明性应用用于讨论。第一个指导性实例利用对于典型的大规模、推料器(stroker)状、燃烧大约38,200 kg/hr的固体废物的MSW炉提供的颗粒载荷和粒径分布数据。参考的炉典型地为在二十世纪四十年代在欧洲建立的那些，在美国在发行该报道的1982年有5个或6个运行。结果显示不受控的颗粒物质(PM)排放，在颗粒清洁之前的流中 3 存在的颗粒的载荷为2,360 mg/Nm，并且粒径分布为小于20重量%的尺寸小于1微米。相反地，具有焚烧MSW的分阶段的燃烧途径的较小的模块系统的第二实例得到小颗粒高得多 3 的颗粒载荷，其中大于90重量%的PM排放物低于1微米，具有180-3,340 mg/Nm 的类似的载荷。EPA报道还详述了高炉尾气的颗粒载荷和粒径分布。在制备生铁时产生气体，并且生 3 产富含颗粒(27,500 mg/Nm)的顶部气体，其中小于10重量%的颗粒小于74微米。具有高颗粒载荷和高浓度的低于约1微米的细颗粒的合成气和尾气组成通常在本领域未知。本领域期望由气化的废物或等离子体气化的废物形成的高品质合成气组合物，其适于有效清洁和能量生产，并且不会遭受现有技术的缺点。 [0016] 发明概述本公开的一方面包括合成气流组合物，所述合成气流组合物包含：基于干基准，至多约 3 50,000 mg/Nm 颗粒、5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、10-60体积% N2和 0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分。所述流包括约0.3-2.0的H2/CO比率，包括至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0017] 本公开的另一方面包括合成气流组合物，所述合成气流组合物包含：基于干基准，3 3 约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-约50,000 mg/Nm 颗粒、10-30体积% H2、15-39体积% CO，15-35体积% CO2、10-30体积% N2、和0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-30体积%水分。所述流包括约0.6-1.5的H2/CO比率，包括至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0018] 本公开的另一方面包括通过氧燃烧气化得到的合成气流组合物，所述合成气流组3 合物包含：基于干基准，至多约50,000 mg/Nm 颗粒、5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、8-30体积% N2和0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分。所述流包括约0.3-2.0的H2/CO比率，包括至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0019] 在本发明的另一实施方案中，基于干基准，由氧燃烧气化引起的合成气流组合物3 3 包含约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/Nm 颗粒、10-35体积% H2、15-39体积% CO、15-40体积% CO2、8-15体积% N2和0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-30体积%水分。所述流包括约0.6-1.5的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0020] 本公开的另一方面包括一种合成气流，包括由氧燃烧气化引起的气化的废物组合3 物，所述组合物包含：基于干基准，至多约50,000 mg/Nm 颗粒、5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、8-30体积% N2和0-2体积%氩气；基于湿基准，包括15-50体积%水分。所述流包括约0.3-2.0的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0021] 在本发明的另一实施方案中，基于干基准，由氧燃烧气化引起的气化的废物组合3 3 物包含约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/Nm 颗粒、10-35体积% H2、15-39体积% CO、15-40体积% CO2、8-15体积% N2和0-2体积%氩气，和基于湿基准，15-30体积%水分。所述流包括约0.6-1.5的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0022] 本公开的另一方面包括合成气流，所述合成气流包括由氧燃烧气化引起的等离子3 体气化的废物组合物，所述组合物包含：基于干基准，至多约50,000 mg/Nm 颗粒、5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、8-30体积% N2和0-2体积%氩气；和基于湿基准，15-50体积%水分。所述流包括约0.3-2的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0023] 在本发明的另一实施方案中，基于干基准，由氧燃烧气化引起的等离子体气化的3 3 废物组合物包含约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/Nm 颗粒、10-35体积% H2、15-39体积% CO、15-40体积% CO2、8-15体积% N2和0-2体积%氩气；和基于湿基准， 15-30体积%水分。所述流包括约0.6-1.5的H2/CO比率，并且至少15重量%的颗粒的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米。 [0024] 本公开的另一方面为经由废物的等离子体气化产生本发明的合成气组合物的方法。不希望束缚于任何理论或解释，据信本发明的合成气的组成可取决于采用的废物的组成、在气化期间存在的氧的量和在气化器内的温度而变化。总的来说，较高的等离子体气化器操作温度允许使用宽范围的原料，同时生产良好限定的合成气组成范围。在气化期间氧的使用可变化，以便使来自高度可变的废物的合成气的能量值最大化，同时保持相对一致的合成气组成范围。例如，提高在等离子体气化期间存在的氧的量(或使用氧燃烧气化)可生产具有提高的CO2水平和较低的N2水平的合成气。就本发明的目的而言，术语“氧燃烧”是指将氧引入等离子体气化器，目的是有助于将废物有效转化为合成气和改进合成气的能含量，如果期望，可与引入等离子体焰炬或者作为围绕等离子体焰炬的罩的氧和/或空气组合使用。氧可作为富含氧的空气或作为商业级别氧(例如，至少约90%纯度(基于质量)氧)引入气化器。作为代表性而不是限制性实例，在气化器中氧的浓度可在约1-约50质量%的范围。 [0025] 本公开的另一方面包括由氧燃烧气化引起的等离子体气化的合成气流，所述等离3 子体气化的合成气流包含：基于干基准，至多约50,000 mg/Nm 颗粒、5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、8-30体积% N2、0-2体积%氩气、1000-5000 ppm HCl、1000-5000 ppm NH3；基于湿基准，15-50体积%水分，并且H2/CO比率为约0.3-2。 [0026] 本公开的另一方面包括由氧燃烧气化引起的等离子体气化的合成气流，所述等离3 子体气化的合成气流包含：基于干基准，约5,000-29,500 mg/Nm 或约30,500-50,000 mg/ 3 Nm 颗粒、10-35体积% H2、15-39体积% CO、15-40体积% CO2、8-15体积% N2、0-2体积%氩气、1000-5000 ppm HCl、1000-5000 ppm NH3；基于湿基准，15-30体积%水分，并且H2/CO比率为约0.6-1.5。 [0027] 本公开的实施方案的另一个优点在于，使用等离子体气化器，废物可有效气化，以形成高品质合成气。 [0028] 本公开的实施方案的再一个优点为高颗粒载荷、HCl浓度和NH3浓度的独特的组合，以允许有效清洁粗合成气。 [0029] 本公开的实施方案的再一个优点为在合成气组合物中存在的高H2/CO比率。 [0030] 本公开的实施方案的再一个优点在于，在氧存在下，废物可受控和有效地气化。 [0031] 本公开的实施方案的再一个优点包括在气化之前撕碎废物而无需分选，这降低或消除在气化之前预先分选或加工废物的需要，这可降低系统的成本和能量要求。 [0032] 本公开的实施方案的再一个优点包括等离子体气化器，在气化器内不需要干燥、热解、气化和燃烧区，每一个区需要不同的温度，提供控制和设备的更大的简化。 [0033] 各个方面、实施方案、特征和优点可单独采用或彼此组合。结合附图，由以下优选实施方案的更详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中附图通过举例的方式说明本发明的原理。 [0034] 附图概述图1显示根据本公开的一个实施方案的示例性气化系统。 [0035] 图2显示根据本公开的一个实施方案的示例性气体处理系统。 [0036] 发明详述本公开提供了一种由气化的废物或等离子体气化的废物形成的高品质合成气组合物，其适于有效清洁和能量生产。 [0037] 图1显示本公开的一个实施方案，其中处理系统100包括用于气化废物、去除杂质和发电的一系列系统。该系统包括气化器103、气体处理系统105和发电系统107。 [0038] 如图1所示，气化器103可为等离子体或另一种类型的气化器，其接受和加工废物进料111。废物的等离子体气化条件包括高温，稍高于、处于或稍低于大气压的反应容器和氧化剂进料113，例如空气和/或氧。当废物用作进料流时，在气化之前，废物可预先分选或者可能不预先分选以除去可再循环的材料，例如玻璃、塑料和金属，并且，如果期望，可与高碳含量原料115(例如煤/冶金焦炭/石油焦炭)共同燃烧。可顺应气体处理过程的废物的类型为MSW、商业废物、工业废物、建筑和拆除废物、固体回收燃料(SRF)、垃圾衍生燃料(RDF)、污水污泥、危险废物、汽车撕碎机残余物、轮胎或它们的组合。在一种实施方案中，适用于本发明的废物流可含有至多约40-100重量% MSW和商业废物或至多约40-100% MSW和/或RDF和/或商业废物，其余部分的废物包括工业废物、建筑和拆除废物，并且可包括危险废物。可存在小于约15重量%工业废物、小于约30重量%建筑和拆除(C&D)废物和小于约15%危险废物。 [0039] 进料至等离子体气化器的废物的组成影响生产的产物合成气流的组成。此处评价的一种主要类型的废物为市政固体废物。MSW组成的变化显著改变生产的合成气流的组成。对于多个地点，测定了各种MSW来源的最后(即，化学)分析，并且已进行报道。描述来自纽约市、整个美国和整个英国的MSW的特征报道提出MSW组成，例如示于表2的那些。 [0040] 表2：在NYC、US和UK的MSW的组成MSW可包含10-35重量%纸和卡片、5-15重量%塑料、2-7重量%纺织品、2-17重量%玻璃和金属、15-30重量%厨房废物、15-25重量%生物质(包括庭院废物、切割的草、木材碎片)和0-20重量%杂项其它材料(例如电池、家庭清扫物、轮胎、橡胶和皮革)(表3)。灰分占MSW的约10-25重量%，基于该组合物。 [0041] 表3：MSW的组成组分重量%，在MSW中纸和卡片 10-35% 塑料 5-15% 纺织品 2-7% 玻璃和金属 2-17% 厨房废物 15-30% 其它生物质 15-25% 杂项 0-20% 在一些实施方案中，MSW在等离子体气化器中燃烧之前可预先分选，并且包含10-50重量%纸和卡片、0-4重量%塑料、2-7重量%纺织品、0-4重量%玻璃/金属、20-35重量%厨房废物、15-30重量%生物质(包括切割的草、木材碎片)和0-20重量%杂项材料(例如电池和家庭清扫物)，如表4所示。 [0042] 表4：预先加工的MSW的组成组分重量%，在MSW中纸和卡片 10-50% 塑料 0-4% 纺织品 2-7% 玻璃和金属 0-4% 厨房废物 20-35% 其它生物质 15-30% 杂项 0-20% C&D废物的组成通常包括但不限于泥、石头、砖、块、石膏墙板、混凝土、钢、玻璃、灰泥、木材、木瓦、铅管类、沥青屋顶、暖气装置和电气零件。然而，由于建筑材料随着时间推移而变化的性质，这些材料通常不断地变化。C&D废物可含有约5-30重量% MSW。大体上，C&D废物主要由木材产品、沥青、干式墙和砖石建筑组成；通常以显著量存在的其它组分包括金属、塑料、土、木瓦、绝缘材料以及纸和卡纸板。 [0043] 本发明基于C&D废物，所述C&D废物包含10-50重量%木材、10-60重量%混凝土、10-30重量%砖石建筑(砖、石头、瓦)、5-10重量%塑料、5-15重量%金属、5-15重量%纸和卡片和0-20重量%杂项材料(例如庭院废物) (表5)。 [0044] 表5：C&D废物的组成组分重量% 木材 10-50% 混凝土 10-60% 砖石建筑 10-30% 塑料 5-10% 金属 5-15% 纸和卡片 5-15% 杂项 0-20% 商业废物的组成与MSW类似，并且包含纸和卡片、塑料、纺织品、玻璃、有机废物、金属和其它材料。[12]本发明基于商业废物，所述商业废物包含20-70重量%纸和卡片、5-30重量%塑料、0-5重量%纺织品、2-15重量%玻璃和金属、5-15重量%有机废物(食品、花园)和0-20重量%杂项材料(例如电池和清扫物)(表6)。 [0045] 表6：商业废物的组成组分重量% 纸和卡片 20-70% 塑料 5-30% 纺织品 0-5% 玻璃和金属 2-15% 有机废物 5-15% 其它生物质 15-25% 杂项 0-20% 等离子体气化过程生产具有来自等离子体气化器的一部分的熔融金属/无机物的熔渣流117，和来自等离子体气化器的另一部分的产物合成气流119。“产物合成气流”是指该合成气流为废物气化过程(例如等离子体气化)的流出物，并且可包含CO、H2、H2O、CO2、N2、O2、CH4、H2S、COS、NH3、HCl、Ar、Hg、CxHy和更重的烃(焦油)、包含炭、灰分和/或未转化的燃料的颗粒。 [0046] 为了提供废物的支撑床和使熔渣流动和气体输送可行，可提供任选的高碳含量原料115，例如焦炭或煤进料。也可加入蒸汽109，以助于气体输送或熔渣流动或用于温度缓和。 [0047] 本公开的某些实施方案涉及通过废物(尤其是市政固体废物(MSW)和商业废物)的等离子体气化生产的多相合成气流的组成。合成气在高温下离开等离子体气化器，并且首先在气化器中或在与气化器直接连接的弯管(elbow duct)中冷却。在气化器的稀相空间(freeboard)区域中冷却可任选地认为是在气化器中冷却的一部分。随后通过实施骤冷步骤连同颗粒和其它杂质去除，将合成气进一步冷却。当其从气化器出来时，除了CO和H2以外，经冷却的流还含有若干气相组分，包括NH3、HCl、CO2、N2、Ar、COS、H2S、惰性物质、水蒸汽和烃。存在于气体流中的其它杂质包括金属杂质(例如汞)和大量的颗粒物质。本发明鉴定在等离子体气化器的出口处的气体流的组成。该流的独特的性质在确定纯化该流所需的适当的清洁系列(train)中是重要的，所述纯化使得合成气可用于使用燃气轮机、往复式发动机或内燃机发电。产物合成气流的一些独特的特征为高颗粒含量和高浓度的氨和HCl。HCl和氨以可比的浓度存在，从而允许独特的清洁技术，例如共同洗涤。H2S和COS组合物也为气体流提供独特性。 [0048] 如图1所示，将产物合成气流119进料至气体处理系统105，其中从合成气除去杂质，例如颗粒、焦油、HCl、NH3、水、汞、H2S、COS、惰性物质、烃和其它杂质，以形成清洁的合成气流121。“清洁的合成气流”是指对于发电用燃烧、燃料或化学品制造、氢气生产中的使用和/或对于利用CO和/或H2的应用，合成气充分不含杂质。具体而言，如果进料至用于发3 电的燃气轮机，清洁的合成气流121的颗粒含量为1-3 mg/Nm。 [0049] 清洁的合成气流121可为用于动力生产的清洁的合成气流，将其进料至发电系统107，其中合成气燃烧或以另外的方式用于发电。在本发明的一种实施方案中，将产物合成气流进料至清洁系统和发电系统中，这些系统设计以使由气化的废物的动力生产最大化。在其它实施方案中，发电系统107可用化学品或液体燃料制造工艺替代，例如费托工艺、氢气分离单元或系列单元以生产清洁的氢气，或利用合成气用于化学合成的其它单元或装置或利用CO和/或H2的其它工艺。 [0050] 图2显示用于从产物合成气流119除去杂质的气体处理系统105的示意图。将来自等离子体气化器103的颗粒满载的产物合成气流119在骤冷子系统201中冷却，该骤冷子系统201为合成气处理或清洁系统105的一部分。 [0051] 与本公开一起使用的等离子体气化器的示例性但非限制性配置包括具有垂直构造的容器，其具有底部部分、上部部分和在上部部分之上的屋顶。在某些实施方案中，可为圆柱形的底部部分含有碳质床，一个或多个等离子体焰炬向碳质床中注射等离子体气体，以产生至少约600℃(例如至多约2000℃)的操作温度。尽管等离子体焰炬本身可达到约2000-约3000℃或更高的温度，但是废物或原料经受的温度可在约800-约1500℃范围，而离开气化器的合成气的温度可在约800-约1200℃温度范围。上部部分作为圆锥形壁从底部部分实质上连续地向上延伸到容器的屋顶，而没有任何大的圆柱形或其它构造的部分，圆锥形壁倒转地取向，即，其最窄的横截面直径在底部并在此处与底部部分接合，本文中有时称为具有截头反圆锥形式。美国专利申请公布2010/0199557A1公开了一种等离子体气化反应器，并通过引用结合到本文中。 [0052] 本发明的一个合意的方面在于用于气化的较高的温度能每单位废物生产较高百分比的合成气，具有较少的焦油和其它烃副产物，从而使用所得到的合成气可得到更有效的动力生产。例如，本发明的合成气可含有小于约14%焦油和其它烃。 [0053] 用于本公开的等离子体气化器的另一个示例性但非限制性配置包括具有焦炭床的底部部分，其中氧/空气/蒸汽风口的混合物和等离子体焰炬对准焦炭床。在底部部分之上为较低的进料床部分，其中氧/空气/蒸汽风口位于高出焦炭床至少一层处，并且在此处流对准居于焦炭床上的废物材料床。较低的进料床部分包括侧进料口。在较低的进料床部分之上为稀相空间部分，其为热气体提供停留时间。在气化器内的稀相空间部分之上为任选的部分冷却部分，其经由仅喷雾水、经由蒸汽注射或经由二者的组合来冷却气体。合成气或其它流体的任选的再循环也可用于在气化器内冷却合成气。在气化器中的部分冷却部分之上为弯管。 [0054] 通过气化器形成的合成气具有通过废物(尤其是市政固体废物(MSW))的等离子体气化生产的合成气流的独特的组成。合成气在高温例如800-1200℃ (~1500-2200℉)下离开等离子体气化器，并且可任选在气化器的出口冷却至约1000℃、900℉或甚至800℉，随后通过实施骤冷来冷却至低得多的温度。任选地，辐射冷却器可用于废热回收。 [0055] 来自加工废物并且以空气燃烧或氧燃烧模式操作的等离子体气化器的产物3 合成气流具有至多约1500-2200℉的温度，并且可含有至多约50,000 mg/Nm 或约 3 3 30,500-50,000 mg/Nm 或5,000-29,500 mg/Nm 颗粒。此外，存在于来自气化器的合成气流中的颗粒物质的粒径分布包括至少15重量%或至少30重量%或至少50重量%的空气动力学颗粒直径小于或等于1微米的颗粒。在一种实施方案中，等离子体气化器加工一种废物流，该废物流包含40-100重量%MSW和商业废物，小于约15重量%工业废物，小于约30重量%建筑和拆除(C&D)废物和小于约15重量%危险废物，并且以空气燃烧模式操作。基于干基准，该气体还包含4-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、10-60体积% N2和0-2体积%氩气。气体流可含有15-50体积%水分。H2/CO比率为约0.3-2，如表7所示。骤冷后的合成气流为水饱和的。 [0056] 在本发明的另一实施方案中，基于干基准，气体包含10-30体积% H2、15-39体积% CO、15-35体积% CO2、10-30体积% N2和0-2体积%氩气，并且H2/CO比率为约0.6-1.5。 [0057] 在氧燃烧模式中，产物合成气流包含15-50体积%水分。基于干基准，该气体还包含5-39体积% H2、5-39体积% CO、15-50体积% CO2、8-30体积% N2 (由于空气进入)和0-2体积%氩气。H2/CO比率为约0.3-2，如表7所示。骤冷后的合成气流为水饱和的。 [0058] 在氧燃烧模式的另一实施方案中，产物合成气流包含15-30体积%水分。基于干基准，该气体还包含10-35体积% H2、15-39体积% CO、15-40体积% CO2、8-15体积% N2 (由于空气进入)和0-2体积%氩气。H2/CO比率为约0.6-1.5，如表7所示。骤冷后的合成气流为水饱和的。 [0059] 产物合成气流还包括少量的甲烷和其它气态烃。基于干基准，可发现0-10体积% CH4和0-4体积%除CH4以外的饱和或不饱和烃。固相中的任何烃有望在骤冷步骤中被除去。 [0060] 粗合成气流含有约1000-约3000 ppm或约1000-5000 ppm HCl和约1000-约3000 ppm或约1000-5000 ppm NH3，量高于在合成气中通常观察到的。 [0061] 汞以痕量存在于产物合成气流以及经骤冷的合成气流中。至多约250 ppm汞可存在于流中。硫主要以H2S和COS形式存在于合成气流中。通常在产物合成气流中预期约500-2000 ppm的硫。1-20%的硫以COS形式存在，余量作为H2S存在。 [0062] 表7：来自废物的气化的粗合成气组合物体积%，干气体，空气燃烧体积%，干气体，空气燃烧体积%，干气体，氧燃烧体积%，干气体，氧燃烧H2(v/v%) 5-39 10-30 5-39 10-35 CO(v/v%) 5-39 10-39 5-39 15-39 CO2(v/v%) 15-50 15-35 15-50 15-40 N2(v/v%) 10-60 10-30 8-30 8-15 CH4(v/v%) 0-10 0-10 0-10 0-10 CxHy(v/v%) 0-4 0-4 0-4 0-4 H2S(ppm) 400-2000 400-2000 400-2000 400-2000 COS(ppm) 5-400 5-400 5-400 5-400 HCl(ppm) 1000-5000 1000-5000 1000-5000 1000-5000 NH3(ppm) 1000-5000 1000-5000 1000-5000 1000-5000 Ar(v/v%) 0-2 0-2 0-2 0-2 H2/CO 0.3-2 0.6-1.5 0.3-2 0.6-1.5 H2O(v/v%)以湿气体计 15-50 15-30 15-50 15-30 颗粒物质(mg/Nm3) 至多50,000 5,000-29,500 或至多50,000 5,000-29,500或30,500-50,000 30,500-50,000 如图2所示，通过使产物合成气流119与骤冷液体流203接触进行湿骤冷，骤冷液体流203可包括水，但是也可使用其它溶剂。骤冷液体流203可包括在环境温度和大气压下的水。该过程可在任何适当的洗涤设备中进行，并且取决于骤冷液体流203输入的量，可显著降低气体温度。例如，进入骤冷子系统201的产物合成气流119可在1500-2000℉ (816-1093℃)温度。经骤冷的合成气流207可在小于约212 ℉ (100℃)或约150℉ (66℃)-约200℉ (93℃)或约170℉ (77℃)-约200℉ (93℃)的温度。一部分颗粒、焦油或不饱和烃，如果存在于气体流中，则也以固态/液态被除去在骤冷流出物流205中。可将骤冷流出物流205再循环到骤冷液体流203和/或可用过量的水冲洗并处置。 [0063] 合成气以取决于骤冷方法和操作条件的温度离开骤冷步骤。输出温度可在100℉ (38℃)-212℉ (100℃)。3 [0064] 在本公开的一种实施方案中，使用高体积的水(例如200-300m/h)实施湿骤冷，以允许快速冷却。 [0065] 当过程温度在约250℃(482℉)-约350℃(662℉)范围时，在氧存在下，当碳在颗粒中，并且当所有这些以足够的停留时间存在以提供足以生产二噁英和/或呋喃的条件时，可发生二噁英和呋喃形成。可在受控的温度(例如低于250℃(482℉)的温度)、停留时间和受控的氧含量下实施湿骤冷，以防止二噁英/呋喃形成。 [0066] 在本公开的另一实施方案中，干骤冷替代或补充湿骤冷过程。通过水在受控的温度下的蒸发冷却，可实施干骤冷。在本公开的另一实施方案中，可将经骤冷的合成气流207再循环，以与产物合成气流119交换热量，以降低合成气流119的气体温度。 [0067] 用于废物的等离子体气化的标准条件涉及高温、稍高于、处于或稍低于大气压的压力和进入气化器的空气和/或氧输入。在气化之前废物可能经过预先分选或者可能不经过预先分选以除去可再循环的材料，例如玻璃、塑料和金属，并且如果需要，可与高碳含量原料如煤/冶金焦炭/石油焦炭共同燃烧。如图1所示，该过程在等离子体气化器的底部生产具有熔融金属/无机物的熔渣流，并且由等离子体气化器的上部生产热的合成气流。等离子体气化器可在氧或空气或它们的组合的存在下操作。 [0068] 来自等离子体气化器的热的颗粒-满载的气体首先在初步冷却步骤中冷却，其可在气化器中或在与气化器直接连接的弯管中发生。稍冷却的粗合成气在骤冷步骤中进一步冷却。如图2所示，通过使产物合成气流与骤冷液体流接触，进行湿骤冷，该骤冷液体流可包括水，但是也可使用其它溶剂。骤冷液体流可包括在环境温度和大气压下的水。该过程可在任何适当的洗涤设备中进行，并且取决于骤冷液体流输入的量，可显著降低气体温度。例如，进入骤冷子系统的产物合成气流可在1500-2000℉ (816-1093℃)温度。骤冷后的合成气流207可在小于约212℉ (100℃)或约150℉ (66℃)-约200℉ (93℃)或约 170℉ (77℃)-约200℉ (93℃)温度。一部分颗粒、焦油或不饱和烃，如果存在于气体流中，则也以固态/液态被除去在骤冷流出物流205中。可将骤冷流出物流205再循环到骤冷液体流和/或可用过量的水冲洗并处置。 [0069] 在本发明的另一实施方案中，干骤冷替代或补充湿骤冷过程。通过水在受控的温度下的蒸发冷却，可实施干骤冷。在本发明的另一实施方案中，可将冷却器下游合成气再循环，以与热的合成气交换热量，以显著降低合成气温度。在又一实施方案中，可将蒸汽加入到热的合成气中，以降低合成气温度。 [0070] 如图2所示，将骤冷后的合成气流207提供到二次清洁系列200，其可进一步加工骤冷后的合成气流207。二次清洁系列200可例如加工骤冷后的合成气流207用于发电(参见例如图1)。 [0071] 使用来自在线质谱仪的结果得到合成气的组成，通过在离开气化器之后取合成气的弹式样品并使用气相色谱法分析，证实这些结果。 [0072] 根据用于颗粒载荷的经修改的EPA方法5进行颗粒分析，并经由CARB 501用于粒径分布(PSD)。 [0073] 颗粒载荷-可过滤的颗粒物质(FPM)-EPA方法5 (经修改)。使用USEPA方法5程序的取样经修改，以收集在接近合成气温度下的可过滤的颗粒物质(FPM)排放物，而不是在EPA方法5 指定的248 ±25℉下。根据在EPA方法5B中的分析程序来分析所有样品；将过滤器在160℃下烘焙。 [0074] 粒径分布(PSD)-CARB 501。将颗粒物质等动力学地从来源取出，并且在温度、压力等的取样点排气条件下，在原位级联冲击器中通过尺寸分隔。测得的粒径的所得指标惯常通过由每一个喷射阶段以50%收集效率收集的颗粒直径分离，并且该直径通常称为“分割粒径(cut diameter)”，并且通过符号“D50”表征。空气动力学分割粒径为通过特定冲击器喷射阶段以50%效率收集的等价单位密度球体的直径。每一个尺寸级分的质量通过重量分析来测定。粒径测定测试与标准质量测试不同，在于太多的材料可收集、缺乏样品以及太少的材料，因此不存在规定的测试长度。基于方法5 (经修改)数据，使用10毫克目标最小总样品捕捉。颗粒定大小的通常取样速率为0.3-0.5立方英尺/分钟(cfm)。 [0075] 实施例1在冶金焦炭存在下，以氧燃烧模式，在等离子体气化器中燃烧包含垃圾衍生燃料的废 3 物，生产含有32,000mg/Nm 的颗粒的产物合成气流，65重量%的颗粒的尺寸小于1微米，在 1800℉ (982℃)温度和0 psig压力下。基于干基准，H2、CO、CO2和N2的浓度分别为28体积%、26体积%、29体积%和16体积%，并且水分含量为20体积%。NH3和HCl的浓度分别为1800 ppm和1800 ppm。粗合成气流含有1500 ppm H2S和170 ppm COS。 [0076] 实施例2在冶金焦炭存在下，以氧燃烧模式，在等离子体气化器中燃烧包含垃圾衍生燃料的废 3 物，生产含有28,000mg/Nm 的颗粒的产物合成气流，35重量%的颗粒的尺寸小于1微米，在 1800℉ (982℃)温度和0 psig压力下。基于干基准，H2、CO、CO2和N2的浓度分别为17体积%、17体积%、38体积%和28体积%，且水分含量为22体积%。NH3和HCl的浓度分别为 1800 ppm和1800 ppm。粗合成气流含有1500 ppm H2S和170 ppm COS。 [0077] 虽然已参考优选的实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应理解的是，可进行各种变化，并且等价物可替代其要素，而不偏离本发明的范围。此外，可进行许多修改以使具体状况或材料适应于本发明的教导，而不偏离本发明的本质范围。因此，旨在本发明不局限于作为进行本发明预期的最佳模式所公开的具体实施方案，而是本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

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