本发明一般地涉及烃的气化。更具体地，本发明的实施方案涉及基于 煤的原料、废聚合物材料、和/或生物量材料的气化。

气化是通常在高压下进行的将含碳的材料转化成一氧化碳和氢气的 高温过程。由于该气体经常用于化学品或合成烃燃料的合成，所以该气体 经常被称为"合成气"。合成气可以被用作产生电力或蒸汽的燃料和用作 氢源。
用于气化的一般进料包括纯的或为加工材料残渣的基于石油的材料， 例如重质原油、从焦油砂、回收的沥青、来自油页岩的油母质、焦炭、和其 它高硫和/或高含金属的残渣、气体、和各种碳质的废材料。干燥的或浆状 的原料在高温和（通常）高压下，在还原（缺氧）气氛中，在气化器中反
应。得到的合成气一般含有以一氧化碳形式的大约85%的进料碳量，余量 为二氧化碳和曱烷的混合物。
固定床、流化床和气流床(entrained flow)为三种基本类型的气化器。 与其它两种类型的气化器相比，固定床气化器在相对低的出口温度（425 aC-600°C )下操作且需要更少量的氧；然而，产物合成气含有许多未转化 的曱烷、以及副产物焦油和油。与可比较的固定床气化器相比，流化床气 化器在更中等的出口温度（900°C-1050°C )下操作且需要更大量的氧。尽 管来自流化床气化器的合成气具有较高的纯度，但是碳的转化率低于可比 较的气流床汽化器，所述可比较的气流床汽化器在高得更多的温度（1250 °C-1600°C )下操作且需要显著更高的能量输入，但从该气流床汽化器可获 得具有最高纯度的合成气。
气流床气化器和特定固定床气化器较低区域中的高温将进料中的无 机材料转化成熔融玻璃化的材料，所述熔融玻璃化的材料当从气化器中去 除时固化，生成类似粗砂的材料且通常称为炉渣。流化床气化器生成不被玻璃化但仅被固结或附聚的干灰。取决于气化器，期望在较低的温度下（不 成渣气化器）去除灰分，或在高温下（成渣气化器）作为低粘度的液体去 除灰分。该惰性炉渣或灰分在建造和建筑工业中具有许多应用。
可以利用已证实的工业技术处理原合成气，以去除痕量元素和其它杂 质，用于回收或再循环至气化器。硫可以作为适于销售的元素硫或硫酸来 回收。除了燃料源之外，合成气可以在燃料、化学品、肥料和工业气体的 生产中用作原材料。
附图简述
以上筒单概括了本发明，其更具体的描述可以参照实施方案，其中一 些实施方案由附图阐释，使得上述本发明实施方案的特征可以以这种形式 详细地被理解。附图仅仅阐释一般的实施方案且因此不被认为是限制本发 明的范围，因为本发明可以允许其它等效的实施方案。
图1描述了根据一个或多个实施方案的说明性的气化系统。
图2描述了根据一个或多个实施方案的说明性的气化器。 图3描述了根据一个或多个实施方案的另 一个说明性的气化系统。 图4描述了根据一个或多个实施方案的又一个说明性的气化系统。 以下将参照列举的附图详述本发明的这些实施方案。
实施方案的详述
现在将提供详述。各个附加的权利要求限定了单独的发明，其为了侵 权目的被认为是包括权利要求中说明的各种元素或限定的等同物。取决于 上下文，"本发明，，以下的全部参考在一些情况下可以仅仅是指某些具体 的实施方案。在其它情况下，将被认为"本发明"的参照会是指在一个或 多个，但不必是全部权利要求中记载的主题。本发明的各个方面现将被更 详细地描述，包括具体的实施方案、描述和实施例，但是发明并不限于这 些实施方案、描述或实施例，当本专利的信息与可利用的信息和技术组合 起来时，包括这些实施方案、描述或实施例使得本领域普通技术人员能够 制造和使用本发明。
在一个或多个实施方案中，提供了将原料转化成合成气的气化系统和 方法。所述的气化系统和方法在灵活性、效率和安全性上提供了极好的平 衡，且伴随低排放至无排放。该系统和方法可以制备具有降低杂质、降低的氧气消耗、和较高冷气效率的合成气物流。制备的合成气可以被进一步 加工成适于销售的产品，包括但不限于电、燃料、化学品、蒸汽、和氢。
在一个或多个实施方案中，可以在流化反应区将一种或多种原料和一 种或多种氧化剂结合。 一种或多种吸附剂是任选的。可以将反应区加热至
1050。F-1卯0。F的温度（即相对低的温度）以提供包含二氧化碳、 一氧化 碳和氬的合成气。可以将至少一部分合成气通至或进料至一个或多个燃气 透平或燃气轮机中以产生动力和/或电。可以将至少一部分合成气通至一个 或多个气体转化器中以产生一种或多种费-托（Fischer-Tropsch)产物、化 学品、和/或原料曱醇、其衍生物、和/或其组合，包括氨和甲醇。
在一个或多个实施方案中，运至气化器中的氢源和一氧化碳源来自气 化工艺本身。在一个或多个实施方案中，氬和一氧化碳可以独立地按要求 进料至气化器中。在一个或多个实施方案中，可以使用第二材料以清除进 入气化器中的氧，如在气化器进料中断期间，从而防止氧浓度积聚到足以 支持与气化器中存在的氢的不可控制反应的水平。在一个或多个实施方案 中，所述第二材料可以包括含有可以清除残余氧的活性碳的灰。
参照附图，图1描述了根据本发明一个或多个实施方案的说明性的气 化系统。在一个或多个实施方案中，气化系统可以包括一个或多个气化器 200、微粒去除系统300、和气体纯化系统400以制备包含85%或更多的组 合的一氧化碳和氢及余量物质主要为二氧化碳和曱烷的合成气物流410。 在一个或多个实施方案中，气化系统可以包括一个或多个气体转化器500 以制备一种或多种费-托产物、化学品、和/或原料曱醇、其衍生物、和/或 其组合，包括氨和曱醇。在一个或多个实施方案中，气化系统可以包括一 个或多个氢分离器600、燃料室（fuel cell) 650、燃气轮机700、蒸汽4仑才几 800、废热锅炉850、和发电机775、 875以制备燃料、动力、蒸汽和/或能 量。在一个或多个实施方案中，气化系统可以包括一个或多个空气分离装 置("ASU")900用于基本不含氮的合成气的生产。
可以将一种或多种原料经由物流210以及一种或多种氧化剂经由物流 205引入至一个或多个气化器200以制备原合成气物流280。在一个或多 个实施方案中，氧化剂的类型和量可以决定合成气的组成和物理性质，并 因此决定由其制备的下游产物。 一种或多种氧化剂可以包括但不限于空 气、氧、基本的氧、富含氧的空气、氧和空气的混合物、氧和惰性气体如 氮和氩的混合物等。在一个或多个实施方案中，氧化剂可以含有大约65体积％的氧或更多、或大约70体积％的氧或更多、或大约75体积°/。的氧 或更多、或大约80体积％的氧或更多、或大约85体积％的氧或更多、或 大约90体积％的氧或更多、或大约95体积％的氧或更多、或大约99体积 %的氧或更多。如本文所用的术语"基本的氧"指的是含有51体积°/。或更 多氧的氧物流。如本文所用的术语"富含氧的空气"指的是含有21体积％ 或更多氧的空气。例如，可以从空气的低温蒸馏、变压吸附、膜分离或其 组合获得富含氧的空气。
在一个或多个实施方案中，氧化剂物流205可以是不含氮的或基本不 含氮的。"基本不含氮"意思是氧化剂物流205含大约5体积％的氮或更少、 4体积％的氮或更少、3体积％的氮或更少、2体积％的氮或更少、或l体 积％的氮或更少。
本文所使用的术语"原料"指的是原材料，不论是固体、气体或液体。 例如，原料可以包括一种或多种碳质材料。在一个或多个实施方案中，碳 质材料可以包括但不限于生物量（即，植物和/或动物物质或植物和/或动 物衍生的物质）、煤（例如高钠褐煤、低钠褐煤、褐煤、次烟煤、和/或无 烟煤）、油页岩、焦炭、焦油、沥青质、低灰或无灰聚合物、基于烃的聚 合物材料、生物量衍生材料、或来自制造操作的副产物。基于烃的聚合物 材料可以包括，例如，热塑性塑料、弹性体、橡胶，包括聚丙烯、聚乙烯、 聚苯乙烯、包括其它聚烯烃、均聚物、共聚物、嵌段共聚物、及其共混物； PET (聚对苯二曱酸乙二酯）、高分子共混物、含氧的聚烃 (poly-hydrocarbons );来自石油精炼厂和石油化工厂的重烃淤渣和底部产 物如烃蜡；其摻合物、其衍生物；及其组合。
在一个或多个实施方案中，原料可以包括两种或更多种碳质材料（即， 含碳的材料）的混合物或组合物。在一个或多个实施方案中，原料可以包 括两种或更多种低灰或无灰聚合物、生物量衍生材料或源自制造操作的副 产物的混合物或组合物。在一个或多个实施方案中，原料可以包括与一种 或多种丟弃的消费品结合的 一种或多种碳质材料，所述丟弃的消费品例如 地毯和/或汽车塑料部件/组件，包括保险杠和仪表板。这种丢弃的消费品 优选适当地降低尺寸以拟合在气化器200中。在一个或多个实施方案中， 原料可以包括一种或多种再生的塑料如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、其衍 生物、其共混物、或其任意组合。因此，该方法可以用于适应先前制造的 材料的适当处理的要求。在一个或多个实施方案中，原料物流210可以为干燥进料或以浆状或 悬浮物输送至气化器200。在一个或多个实施方案中，可以将原料干燥， 例如干燥至18%的水分，并且然后通过研磨装置如一个或多个平行的球磨 机在进料至气化器200之前将原料粉碎。在一个或多个实施方案中，原料 可以具有大约50微米-大约500微米，或大约50微米-大约400微米的平 均粒径。在一个或多个实施方案中，原料的平均粒径可以为大约150微米 -大约45(M鼓米，或大约25(H数米-大约40(H鼓米。
原合成气物流280流出一个或多个气化器200。该原合成气物流280 可以含有85%或更多的一氧化碳和氢，且余量物质主要为二氧化碳和曱 烷。在一个或多个实施方案中，原合成气物流280可以含有90°/。或更多的 一氧化碳和氢、95%或更多的一氧化碳和氢、97%或更多的一氧化碳和氢、 或99%或更多的一氧化碳和氢。在一个或多个实施方案中，原合成气物流 280的一氧化碳含量可以低至大约10体积％、 20体积％、或30体积％， 至高达大约50体积％、 70体积％或85体积％。在一个或多个实施方案中， 原合成气物流280的一氧化碳含量可以低至大约15体积％、 25体积％、 或35体积％，至高达大约65体积％、 75体积％或85体积％。在一个或多 个实施方案中，原合成气物流280的氢含量可以低至大约1体积％、 5体 积％、或10体积％,至高达大约30体积％、 40体积％或50体积％。在一 个或多个实施方案中，原合成气物流280的氢含量为大约20体积％-大约 30体积％。
在一个或多个实施方案中，原合成气物流280可以含有少于25体积％ 的结合的氮、曱烷、二氧化碳、水、疏化氢、和氯化氢。在一个或多个实 施方案中，原合成气物流280可以含有少于20体积％的结合的氮、曱烷、 二氧化碳、水、硫化氢、和氯化氢。在一个或多个实施方案中，原合成气 物流280可以含有少于15体积％的结合的氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化 氢、和氯化氢。在一个或多个实施方案中，原合成气物流280可以含有少 于10体积％的结合的氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化氢、和氯化氢。在一 个或多个实施方案中，原合成气物流280可以含有少于5体积％的结合的 氮、曱烷、二氧化碳、水、硫化氬、和氯化氬。
在一个或多个实施方案中，原合成气物流280的二氧化碳含量为大约 25体积％或更少、20体积％或更少、15体积％或更少、10体积％或更少、 5体积％或更少、3体积％或更少、2体积。/。或更少、或1体积％或更少。在一个或多个实施方案中，原合成气物流280的曱烷含量为大约15体积％ 或更少、10体积％或更少、5体积％或更少、3体积％或更少、2体积％或 更少、或1体积％或更少。在一个或多个实施方案中，原合成气物流280 的水含量为大约40体积％或更少、30体积％或更少、25体积％或更少、 20体积％或更少、15体积％或更少、10体积％或更少、5体积％或更少、3 体积％或更少、2体积％或更少、或1体积％或更少。在一个或多个实施方 案中，原合成气物流280不含氮或基本不含氮，例如含有少于0.5体积％ 的氮。
可以使用 一种或多种微粒去除系统300来部分地或完全从原合成气物 流280中去除任何樣史粒以提供微粒物流305和分离的合成气物流310。在 一个或多个实施方案中，可以利用一个或多个冷却器275 ("—级冷却器"） 将原合成气物流280冷却以在进入微粒去除系统300之前提供冷却的原合 成气物流290。例如可以将原合成物流280冷却至大约1000。F或更低。在 一个或多个实施方案中，可以将原合成物流280冷却至大约900。F或更j氐、 800。F或更低、700。F或更低、600。F或更低、500°F或更低、400。F或更 低、或300。F或更低。在一个或多个实施方案中，在一个或多个微粒去除 系统之前将原合成气物流280冷却是任选的。例如，原合成气物流280可 以直接进料至微粒去除系统300,使得去除热气体微粒（例如 1050°F-1900°F)。
一个或多个微粒去除系统300可以包括一个或多个分离装置如常规的 沉降器（disengager)和/或旋风分离器（未示出）。还可以使用能够提供低 于大约O.lppmw的检出限的出口微粒浓度的微粒控制装置（"PCD")。说 明性的PCDs可以包括但不限于烧结的金属过滤器、金属烛式过滤器、和/ 或陶瓷烛式过滤器（例如，铁铝化物（iron aluminide )过滤器材料）。
可以将来自物流305的固体微粒再循环至气化器200 (未示出）或从 所示的系统中清除。可以利用一个或多个冷却器375 ("二级冷却器，，）将 分离的合成气物流310冷却以提供冷却的、分离的合成气物流3卯。分离 的合成气物流390可以具有大约650°F或更低的温度，例如300°F-550°F。 该冷却的、分离的合成气物流390可以在一个或多个气体纯化系统400中 被处理来去除污染物且提供废物流405和处理过的合成气物流410。 一个 或多个气体纯化系统400可以包括系统、方法和装置以去除在分离的合成 气物流390中的硫和/或含硫的化合物。说明性的催化气体纯化系统400可以包括，但不限于，利用钛酸锌、铁酸锌、氧化锡、氧化锌、氧化铁、 氧化铜、氧化铈或其混合物的系统。说明性的基于工艺流程的气体纯化系
统400可以包括，^f旦不限于，SelexolTM方法、Rectisol⑧方法、CrystaSul從) 方法、和Sulfmol® Gas Treatment方法。
在一个或多个实施方案中，可以使用一种或多种胺溶剂如甲基-二乙醇 胺(MDEA)以从合成气物流390中去除任何酸性气体。还可以使用物理溶 剂如Selexol (聚乙二醇的二曱基醚）或Rectisol® (冷曱醇）。如果合成气 物流390含有碌u化碳(COS)，那么石克化石友可以在催化剂上通过与水反应水 解转化成硫化氢，且然后利用上述方法吸收。如果合成气物流390含有汞， 那么可以利用被石危浸过的活性炭床将汞去除。
在一个或多个实施方案中，可以将钴-钼（"Co-Mo")催化剂引入至一 个或多个处理装置400中以进行合成气的酸变换。Co-Mo催化剂可以在大 约"0。F的温度下在H2S存在下起作用，如大约100 ppmw的H2S。如果 Co-Mo催化剂用于进行酸变换，那么随后硫的下游去除可以利用任何上述
的^5克去除方法和/或:l支术来完成。
从气体纯化系统400中得到的处理过的合成气物流410可以燃烧以制 备或产生动力和/或蒸汽。在一个或多个实施方案中，处理过的合成气物流 410可以作为商品出售。在一个或多个实施方案中，可以使用处理过的合 成气物流410以生成费-托产物、化学品、和/或原料。在一个或多个实施 方案中，可以将氢从处理过的合成气物流410中分离出来并用于氢化工艺、 燃料室能量工艺、氨生产和用作燃料。在一个或多个实施方案中，可以将 一氧化碳从处理过的合成气物流410中分离出来并用于化学品的生产，例 如乙酸、光气/异氰酸酯、曱酸、和丙酸。
仍然参照图1，可以使用一个或多个气体转化器500来将处理过的合 成气物流410转化成一种或多种经由物流510的费-托产物、化学品、和/ 或原料（"转化的气体物流510")。在一个或多个实施方案中， 一个或多个 气体转化器500中的至少一个可以包括一个或多个转换反应器（shift reactor)以通过将CO转化成C02来调整合成气体中氢对一氧化碳的比率 (H2:CO)。在一个或多个转换反应器中，水煤气转换反应是使处理过的合 成气物流410中的至少一部分一氧化碳与水在催化剂和/或高温存在下反 应以生成氢和二氧化碳。 一个或多个转换反应器可以包括，但不限于，单 级绝热固定床反应器、带有中间级冷却、蒸汽生成或冷却淬火反应器的多级绝热固定床反应器、带有蒸汽生成或冷却的管状固定床反应器，流化床 反应器、或其任意组合。在一个或多个实施方案中，可以使用利用具有装
有转换催化剂和高温（大约1900。F) 二氧化碳吸附剂的多级固定床反应器 的变压吸附装置的吸附加强的水煤气转换(SEWGS)方法。可以利用各种转 换催化剂。
在至少一个具体的实施方案中，转换反应器可以包括两个串联设置的 反应器。可以在高温（大约650。F-大约750。F)下操作第一反应器以利用 铁-铬催化剂以相对高的反应速率将存在于处理过的合成气物流410中的 大量CO转化成C02。可以在相对低的温度（大约300。F-大约400°F )下 操作第二反应器以利用氧化铜和氧化锌的混合物完成CO到C02的转化。
在一个或多个实施方案中，可以将来自转换反应器500的回收的二氧 化碳用于燃料回收工艺以增强油和气体的回收。在说明性的油回收工艺 中，可以将二氧化碳注射并沖洗到"搁浅"油所处的现有井下面的区域。 然后可以分离和再循环从原油中去除的水和二氧化碳。
在一个或多个实施方案中，可以利用一个或多个气体转化器500中的 至少一个以生成一种或多种费-托（"F-T")产物，包括精炼厂/石油化工原 料、运输燃料、合成的原油、液体燃料、润滑剂、a-烯烃、蜡等。该反应 可以利用基于铜、钌、铁或钴的催化剂，或其组合，取决于反应器构型， 在大约190。C-大约45(TC的条件下，在任意类型的反应器中进行，所述反 应器例如固定床、移动床、流化床、浆态床、沸腾床等。另外的反应和催 化剂详情可见第20050284797号美国专利申请和第5,621,155号、第 6,682,711号、第6，331,575号;、第6,313,062号、第6,284, 807号、第6，136，868 号、第4,568663号、第4,663,305号、第5,348,982号、第6,319,960号、笫 6，124，367号、第6,087,405号、第5,945,459号、第4,992,406号、第6,117,814 号、第5,545,674号和第6,300，268号美国专利。
F-T产物为液体，其可以被运送至精炼厂用于进一步的化学反应并升 级为多种产物。某些产物，例如，C4-C5烃，可以是高质量的链烷烃溶剂， 如果期望的话，其可以被加氢处理以去除烯烃杂质，或在没有被加氢处理 的情况下使用以生成各种各样的蜡产物。可以将C16+液体烃产物通过各 种加氢转化反应来升级，例如氢化裂解、加氢异构化催化脱蜡、异构脱蜡 (isodewaxing)等，或其组合，以生成中间馏分、柴油、喷气式发动才几燃料例如低冰点喷气式发动机燃料、高十六烷值喷气式发动机燃料等、异链 烷属溶剂、润滑剂例如适合运输车辆的润滑油掺合组分和润滑油基原料、 适用于钻探泥浆的无毒钻探油、技术和医药级白油、化学原材料，以及各 种特种产品。
在至少一个具体的实施方案中， 一个或多个气体转化器500中的至少 一个可以包括一个或多个浆态泡罩塔反应器以生成一种或多种F-T产物。 可以利用载在二氧化钛上的用铼促进的钴催化剂，其中Re:Co的重量比率 大约为0.01:1，且含有大约2%重量-50%重量的钴，在小于220。C的温度下， 在大约10-大约60psia或在大约250-350psia下运4亍浆态泡罩;荅反应器。在 一个或多个实施方案中，在浆态泡罩塔反应器中的催化剂可以包括，但不 限于，用催化铜或铁族金属的盐、多羟基化合物或多元醇、以及任选地铼 化合物或盐浸过的二氧化钛载体。多羟基化合物或多元醇的例子包括乙二 醇、丙三醇、丁四醇（derythritol )、苏丁醇（threitol )、核糖醇、阿糖醇 (arabinitol )、木糖醇、蒜糖醇、卫矛醇、葡萄糖醇（gluciotol )、山梨醇 和甘露醇。作为浓缩盐水溶液的催化金属，铜或铁族金属，例如硝酸钴或 乙酸钴，可以与多羟基化合物且任选地与高铼酸混合，同时调整水的量来 获得溶液中15重量％的钴，并任选地使用初期湿润技术来将催化剂浸渍到 金红石或锐钛矿二氧化钛载体上，任选地进行喷雾干燥并煅烧。该方法降 低了铼助催化剂的需求。另外的详情可见第5,075,269号和第6,331,575号 美国专利。
在一个或多个实施方案中，可以使用一个或多个气体转化器500中的 至少一个来制备曱醇、曱酸烷基酯、二曱基醚、氨、乙酸酐、乙酸、乙酸 曱酯、乙酸酯、乙酸乙烯酯和聚合物、烯酮、曱醛、二曱基醚、烯烃、其 衍生物，和/或其组合。对于曱醇的生产而言，例如可以使用液相甲醇方法 (LPMEOHTM)。在该方法中，利用浆态泡罩塔反应器和在惰性烃油反应 介质中的催化剂可以将合成气物流410中的一氧化碳直接转化成曱醇，所 述惰性烃油反应介质在大量非高峰期间空转时可以长时间保存反应热，同 时保持好的催化剂活性。另外的详情可见第2006/0149423号美国专利申 请，和以前出版的Heydorn， E. C, Steet, B.T.,和Kornosky, R.M., "Liquid Phase Methanol (LPMEOH™) Project Operational Experience,"(于1998年 10月4-7日，在旧金山气化技术理事会会议（Gasification Technology Council Meeting )上发表的）。也可以使用气相方法来制备曱醇。例如，可以<吏用已4口的基于铜j崔4b剂的方法，Imperial Chemical Industries方法、 Lurgi方法和Mitsubishi方法。
对于氨的生产而言，可以调整一个或多个气体转化器500中的至少一 个来进行LeBanc 等人在 "Ammonia ，， ， Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,第二巻，第三版，1978年，第494-500页中所述的 Haber-Bosch方法。对于曱酸烷基酯的生产而言，例如曱酸曱酯，可以利 用 一氧化碳和曱醇在碱性催化剂或者碱金属或碱土金属曱醇盐催化剂存 在下的液相或气相反应的任何方法。另外的详情可见第3,716,619号、第 3,816,513号和第4,216,339号美国专利。
尽管没有显示于图1中，可以将二氧化碳从转化的气体物流510中分 离和/或回收。在一个或多个实施方案中，可以使用物理吸附技术。适当的 吸附剂和技术包括，但不限于，碳酸异丙烯酯物理吸附剂溶剂以及其它碳 酸烷基酉旨、具有2-12个乙二醇单元的聚乙二醇二曱基醚（SelexolTM方法）、 正-曱基-吡咯烷酮、环丁砜、Sulfinol® Gas Treatment方法的4吏用。
至少一部分的转化的气体物流510可以被销售或利用未示出的进一步 的下游过程来升级。在一个或多个实施方案中，至少一部分的转化的气体 物流510可以被运送至一个或多个氢分离器600中。在一个或多个实施方 案中，至少一部分的处理过的合成气物流410可以绕开上述的一个或多个 气体转化器500，并可直接进料至一个或多个氢分离器600中。
一个或多个氢分离器600可以包括任何系统或装置来选择性地从合成 气中分离氢以提供一种或多种纯化的氢物流以及一种或多种废气物流。在 一个或多个实施方案中，氢分离器600可以提供富含二氧化碳的物流605 和富含氢的物流615。在一个或多个实施方案中，可以使用至少一部分富 含氢的物流615作为运至一个或多个燃料室650的原料，并且可以将至少 一部分富含氢的物流615在用作一个或多个燃烧室750中的燃料之前与处 理过的合成气物流410结合。在一个或多个实施方案中，氢分离器600可 以利用变压吸收、低温蒸馏、和半透膜。适当的吸收剂可以包括苛性钠、 碳酸钾或其它无积^咸、和/或链烷醇胺（alanolamines )。
在一个或多个实施方案中，可以在一个或多个燃烧室750中燃烧至少 一部分处理过的合成气物流410以提供高压/高温废气物流720。在一个或 多个实施方案中，可以将废气物流720引入到一个或多个燃气轮机700中 以提供废气物流810和机械轴动力以驱动一个或多个发电机775。在一个或多个实施方案中，可以将废气物流810引入到一个或多个热回收系统850 中以提供经由物流820的蒸汽。在一个或多个实施方案中，可以将物流820 中的第一部分蒸汽引入到一个或多个蒸汽轮机800中以提供机械轴动力来 驱动一个或多个发电机875。在一个或多个实施方案中，可以将物流820 中的第二部分蒸汽引入到气化器200中，和/或其它辅助工艺设备中。在一 个或多个实施方案中，来自 一个或多个蒸汽轮机800的较低压蒸汽可以再 循环至一个或多个经由物流830的热回收系统850。
在一个或多个实施方案中，来自ASU900的纯氧可以被提供至气化器 200中，在一个或多个实施方案中，ASU卯0可以向一个或多个气化器200 中提供贫氮富氧的物流910，从而将系统中的氮浓度最小化。使用几乎纯 氧的物流允许气化器200制备基本不含氮的合成气物流280，例如含有少 于0.5%的氮/氩。在一个或多个实施方案中，ASU 900可以是高压低温型 分离器，其可以用空气经由物流905来补充。可以将来自ASU的废气氮 物流915加入到燃气轮机中，正如以下更详细解释的或用于实际的用途。
在一个或多个实施方案中，进料至气化器200的最高达50%的总氧化 剂可以由ASU900经由物流910来提供。在一个或多个实施方案中，进料 至气化器200的最高达40%的总氧化剂可以由ASU 900经由物流910来提 供。在一个或多个实施方案中，进料至气化器的最高达30%的总氧化剂可 以由ASU卯0经由物流910来提供。在一个或多个实施方案中，进料至气 化器的最高达20%的总氧化剂可以由ASU 900经由物流910来提供。在一 个或多个实施方案中，进料至气化器的最高达10%的总氧化剂可以由ASU 900经由物流910来提供。
图2描述了根据本发明的一个或多个实施方案的说明性的气化器。气 化器200可以包括单反应器装置或者串联或并联设置的两个或多个反应器 装置。各个反应器装置可以包括一个或多个混合区215、提升管220、和 沉降器230、 240。各个反应器装置可以彼此独立地构造或可以共享任意一 个或多个混合区215、提升管220、沉降器230、 240地来构造。为了简化 和描述的方便，气化器200的实施方案将在单反应器装置的上下文中进行 进一步描述。
在一个或多个实施方案中，可以将一种或多种原料（经由物流210) 和一种或多种氧化剂（经由物流205 )在混合区215中混合以提供气体混 合物。在一个或多个实施方案中，如所示可以将原料和氧化剂分别注射到
1混合区215或在注射到混合区之前将其混合（未示出）。在一个或多个实 施方案中，可以将原料和氧化剂相继注射到气化器200中。在一个或多个 实施方案中，可以将原料和氧化剂同时注射到气化器200中。向气化器200 中的进料（即，原料和氧化剂的引入）取决于期望的产物类型和等级可以 是连续的或间歇的。
气体悬浮物向上移动通过混合区215进入提升管220，在此需要额外 的停留时间使得发生烧焦气化、曱烷/蒸汽重整、焦油裂化、和/或水煤气 转换反应。提升管220可以在比混合区215高的温度下进行，且可以具有 比混合区215小的直径。在一个或多个实施方案中，在提升管220中的表 面的气体速度可以为大约10ft/s-大约90ft/s、或大约20ft/s-大约80ft/s、或 大约30ft/s-大约70ft/s、或大约30ft/s-大约40ft/s、或大约35ft/s-大约60ft/s。 提升管220中的适当温度可以为大约600°F-2000°F。
气体混合物流出提升管220并进入沉降器230、 240中，在此处可以 将较大的微粒从气体中分离并通过一个或多个导管再循环回至混合区215 中，所述导管包括，但不限于，竖管250和/或j-支管255。 j-支管255可 以包括非机械的"j-阀，，以增加有效的固体停留时间，提高碳的转化，并 将用于固体再循环至混合区215的充气要求最小化。在一个或多个实施方 案中，沉降器230、 240可以为旋风分离器。在一个或多个实施方案中， 一个或多个孩"立转移装置245，例如一个或多个回路密封，可以位于沉降 器230、 240的下游以收集分离的微粒细物。在原合成气物流280中的任 何夹带或残留的微粒可以利用一个或多个微粒去除系统300 (示于图1) 来去除。
在一个或多个实施方案中，可以将原料的平均颗粒直径用作控制变量 以将通过竖管250再循环至混合区的固体微粒密度最优化。在一个或多个 实施方案中，原料颗粒大小可以变化以将微粒的质量循环速率最优化，且 改进了混合区215和提升管220中的气体混合物的流动特性。
还可以将一种或多种吸附剂加入到气化器200中。在一个或多个实施 方案中，可以将吸附剂加入以捕获合成气中的污染物，例如在气化器200 的气相中的钠蒸汽。在一个或多个实施方案中，可以将吸附剂以一定速率 和水平加入来清除氧，所述的速率和水平足以延迟或防止氧达到可以导致 与来自混合区215内的原料的氢（例如，水）的不期望的副反应的浓度。 在一个或多个实施方案中，可以使用吸附剂将气化器中的原料颗粒除尘或涂覆以降低微粒附聚的趋势。在一个或多个实施方案中，可以将一种或多
种氧化剂在混合区215的底部引入以通过燃烧任何包含于再循环微粒中的 碳形成灰（"炭"）来提高混合区215和提升管220中的温度。在一个或多 个实施方案中，可以将吸附剂研磨至大约5jLim-100iim的平均粒径，或大 约10nim-75jam的平均粒径。说明性的吸附剂可以包括，但不限于，富碳 灰、石灰石、白云石和焦屑。从原料中释放的残余硫可以被进料中的天然 钙或被基于钙的吸附剂捕获以形成硫化钙。
在一个或多个实施方案中，可以将一种或多种氧化剂以适于控制混合 区215温度的速率引入到混合区215中。在一个或多个实施方案中， 一种 或多种氧化剂可以包括过量的空气。在一个或多个实施方案中， 一种或多 种氧化剂可以为亚化学计量的空气，其中氧对碳的摩尔比率可以维持在亚 化学计量浓度下，以有利于在混合区215中形成一氧化碳而不是二氧化碳。 在一个或多个实施方案中，向混合区215中通过氧化剂提供的氧可以小于 将供应至混合区215的全部碳完全燃烧所需氧的化学计算量的5%。如果 有的话，空气中过量的氧和蒸汽可以通过在进料中断操作过程中和期间稳 定反应器温度的再循环固体来消耗。
气化器200中的停留时间和温度应当足够使水煤气转换反应达到平 衡。在一个或多个实施方案中，混合区215中原料的停留时间大于大约2 秒。在一个或多个实施方案中，混合区215中原料的停留时间大于大约5 秒。在一个或多个实施方案中，混合区215中原料的停留时间大于大约10 秒。在一个或多个实施方案中，气化器200的操作温度为大约500。F、750。F、 或1000。F至大约1200°F、 1500°F、或1800°F。在一个或多个实施方案中， 气化器200的操作温度为大约700。F-大约1750°F。在一个或多个实施方案 中，气化器200的操作温度为大约900。F-大约1600°F。在一个或多个实施 方案中，气化器200的操作温度为大约1200。F-大约1600°F。
在一个或多个实施方案中，气化器200可以在足够且不熔化灰的温度 范围下操作，例如大约1050。F-大约1卯0。F，或大约1540。F-大约1710°F。 在再循环固体接触进入的原料之前，可以通过在混合区215的下部燃烧再 循环固体中的碳来提供热量。在一个或多个实施方案中，可以通过将混合 区215的温度提高到大约950。F-大约1200°F,且任选地通过向混合区215 进料焦屑或等同物以进一步将混合区215的温度提高到大约1650。F来引 发启动。在一个或多个实施方案中，可以通过提升管220中固体的再循环速率 和停留时间、通过在再循环至混合区215之前降低灰的温度、通过向混合 区215中加入蒸汽、和/或向混合区215中加入氧化剂来控制气化器200 的操作温度。再循环固体还可以用于迅速加热进料，这也使得焦油的形成 最小化。
在一个或多个实施方案中，可以在大约0psig-大约650psig的压力下 操作混合区215以增加每单位反应器截面面积的热输出并增强任意随后的 动力循环中的能量输出。在一个或多个实施方案中，可以在大约lOOpsig-大约550 psig的压力下操作混合区215。在一个或多个实施方案中，可以 在大约100 psig-大约450 psig的压力下操作混合区215。在一个或多个实 施方案中，可以在大约100psig-大约350 psig的压力下操作混合区215。
在一个或多个实施方案中，气化器200中生成的合成气可以包括一氧 化碳、氢、氧、烃、硫、固体、其混合物、其衍生物或其组合。在一个或 多个实施方案中，气化器200中生成的合成气可以基本不含氮。在一个或 多个实施方案中，该方法将来自原料的至少约85%、或90%、或95%、或 98%、或99。/o的^f友转化为合成气。
在一个或多个实施方案中，气化器200中生成的合成气可以含有大约 5体积％到大约50体积％的一氧化碳。在一个或多个实施方案中，合成气 可以含有大约15体积％到大约40体积％的一氧化^谈。在一个或多个实施 方案中，合成气可以含有大约20体积％到30体积°/。的一氧化碳。
在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约5体积°/。到25体积％ 的氢。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约10体积°/。到25体 积％的氢。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约10体积％到大 约20体积％的氬。
在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约0.5体积％到大约3.0 体积％的氮。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约0.5体积％ 到大约2.0体积％的氮。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约 1.5体积％到大约3.0体积°/0的氮。
在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约1体积％到20体积％ 的曱烷。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约5体积％到大约 15体积％的曱烷。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有大约5体积 %到大约10体积％的曱烷。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有小于大约30体积％的二氧 化碳。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有小于大约25体积％的二 氧化碳。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有小于大约20体积％ 的二氧化碳。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有小于大约15体 积％的二氧化碳。在一个或多个实施方案中，合成气可以含有小于大约10 体积％的二氧化碳。
在一个或多个实施方案中，离开气化器200的合成气的作热损失和稀 释效应方面4交正的热值可以为：大约50Btu/scf-大约75Btu/scf、或大约 50Btu/scf-大约100Btu/scf、或大约50Btu/scf-大约110Btu/scf、或大约 50Btu/scf-大约140Btu/scf、或大约50Btu/scf-大约180Btu/scf、或大约 50Btu/scf-大约200Btu/scf、或大约50Btu/scf-大约250Btu/scf、或大约 50Btu/scf-大约275Btu/scf。
可以将蒸汽提供至气化器200以控制气化器200中氢对一氧化碳的比 率（H2:CO)。由于气化器200的出口温度成比例地小于可比较的气化器（即 矿渣型），热力热（thermal heat)相对于合成气中化学热(chemical heat) 的量在气化器200中同等地较低。因此，通过改变H2:CO的比率，可以利 用蒸汽以小于其它在更高温度下操作的气流床气化器的能量损失进行调 节。由于降低了气化器中的操作温度（即，小于2900°F),所以控制并将 H2:CO的比率最优化消耗较少的能量，于是在不相应增加气化器200中的 蒸汽需求的情况下可以增加氢的产量。例如，离开气化器200的合成气的 H2:C0的比率可以为至少0.2。在一个或多个实施方案中，H2:C0的比率 为至少0.5。在一个或多个实施方案中，H2:CO的比率为大约0.25-大约2.5。 在一个或多个实施方案中，H2:C0的比率为大约0.4-大约2.0。在一个或 多个实施方案中，H2:CO的比率为大约0.5-大约1.5。在一个或多个实施 方案中，H2:CO的比率为大约0.8-大约1.0。
图3描述了根据本发明的一个或多个实施方案的另 一个说明性的气化 系统。在一个或多个实施方案中，气化系统可以包括一个或多个集成的燃 气轮机730以进一步提高效率。 一个或多个气化器200、微粒去除系统300、 气体处理系统400、气体转化器500、氢分离器600、蒸汽轮机800、热回 收系统850、发电机775、 875、以及空气分离装置900可以与以上描述的 相同。
在一个或多个实施方案中，至少一部分合成气物流410可以与至少一部分富含氩的物流615混合以为一个或多个燃气轮机730提供燃料气体。 所述燃气轮机730可以生成高温废气（物流810)和轴动力以驱动一个或 多个发电机775。在一个或多个实施方案中，来自燃气轮机废气物流810 的热量（一般大约是UOO。F)可以利用一个或多个热量回收系统850来回 收以产生随后用于蒸汽轮机800的蒸汽（物流820 )，所述蒸汽轮机800可 以提供轴动力来驱动一个或多个发电机875。来自蒸汽轮机800的较低压 力蒸汽可以（经由物流830 )返回到热回收系统850中。
在一个或多个实施方案中，热回收系统850为闭合回路加热系统，例 如废热锅炉、壳管式热交换器等，其能够在较高温废气体（经由物流810) 和较低压力的蒸汽（物流830 )之间交换热量以产生较高压力的蒸汽（物 流820)。该热回收系统850可以提供最高达1500psig, 1000°F的过热/再 热蒸汽且不需要补充燃料。
在一个或多个实施方案中，可以将环境空气经由物流705吸入燃气轮 机730中以提供直接运至气化器200和/或ASU 900的经由物流710的压 缩空气。在一个或多个实施方案中，在ASU900中分离的氮可以被净化和 /或返回至一个或多个燃气轮机730 (物流915 ),以通过降低燃气轮机730 中的燃烧温度来减少NOx的排放。氮用作没有热值的稀释剂，即冷源（heat sink)。为了进一步将NOx的形成最小化，可以将进入燃气轮机730的合 成气物流410用水饱和（未示出）。
可以将物流820中的至少一部分高压蒸汽引入至一个或多个气化器 200中，和/或其它辅助的蒸汽消耗工艺设备中（未示出）。在一个或多个 实施方案中，来自物流820的残余热可以排至本领域、忮术人员所熟知的冷 凝系统或出售给当地的蒸汽消费者。
图4描述了根据本发明的一个或多个实施方案的又一个说明性的气化 系统。该说明性的气化系统利用用于气化的含氮的氧化剂物流203。物流 203中的一种或多种含氮氧化剂可以包括空气、富含氧的空气、氧和空气 的混合物、氧和氮的混合物等。在一个或多个实施方案中，含氮的氧化剂 可以含有大约20体积％或更多的氧、或大约25体积％或更多的氧、或大 约30体积°/。或更多的氧。在一个或多个实施方案中，含氮的氧化剂可以含 有至少5体积％的氮。在一个或多个实施方案中，含氮的氧化剂的氮含量 可以低至大约5体积％、 10体积％、或20体积％至高达大约25体积％、 50体积％、或80体积％。在一个或多个实施方案中，可以利用一个或多个冷却器275来冷却含 有一种或多种微粒和氮的原合成气物流283来提供冷却的原合成气物流 298。可以利用一个或多个微粒去除系统300来部分地或完全地从冷却的 合成气物流298中去除微粒以提供微粒物流305和分离的合成气物流313。 可以利用一个或多个二级冷却器375将分离的合成气物流313冷却以提供 冷却的、分离的合成气物流393。冷却的、分离的合成气物流393可以在 一个或多个气体纯化系统400中被处理以提供废物流405、和处理过的合 成气物流413。
可以将含氮的处理过的合成气物流413在一个或多个气体转化器500 中转化以提供物流510。在一个或多个实施方案中， 一个或多个气体转化 器500可以包括低温或膜型系统，其用于从处理过的合成气物流413中去 除氮以提供含有量为大约20ppbv或更少，或大约10ppbv或更少的HCN 和NH3的费-托进料物流。氮去除系统还可以用于维持系统中的氮浓度。 可以经由物流503将氮从系统中回收和/或净化。
可以将至少 一部分转化过的气体物流510销售或利用进一步的下游过 程升级（未示出）。在一个或多个实施方案中，可以将至少一部分转化过 的气体物流510直接运至一个或多个氢分离器600。在一个或多个实施方 案中，至少一部分处理过的合成气物流413可以绕过上述一个或多个气体 转化器500,并可以直接进料至一个或多个氢分离器600。
至少一部分的富含氬的物流615可以被用作运至一个或多个燃料室 650的原料，并且至少一部分的富含氢的物流615可以在被用作一个或多 个燃烧器750中的燃料之前与处理过的合成气物流413混合。富含氢的物 流615可以耳又决于转化的气体物流510和/或处理过的合成气物流413的氮 含量而包括不同量的氮。
在一个或多个实施方案中，氬分离器600可以包括至少一个氮分离装 置以去除或至少基本去除氮，提供不含氮或基本不含氮但富含氢的物流 615、和/或不含氮或基本不含氮但富含二氧化碳的物流605。可以经由物 流503将分离的氮从系统中回收和/或净化。
在一个或多个实施方案中，至少一部分的合成气物流413可以与至少 一部分的富含氢的物流615结合以提供用于一个或多个燃气轮机730的燃 料气体，所述燃气轮机730可以向一个或多个发电机775提供轴动力。在 一个或多个实施方案中，可以利用一个或多个热回收系统850将来自燃气轮机废气物流810 (—般大约为1100°F)的热回收以生成随后用于蒸汽轮 机800的蒸汽（物流820)，该蒸汽轮机800可以向一个或多个发电机875 提供轴动力。来自蒸汽轮机800的较低压力蒸汽可以（经由物流830)返 回至热回收系统850。
在一个或多个实施方案中，可以将环境空气经由物流705吸入燃气轮 机730中以提供直接运至气化器200的经由物流710的压缩空气。虽然未 示出，但是可以将经由物流503的分离的氮净化和/或返回至一个或多个燃 气轮机730，以通过降低燃气轮机730中的燃烧温度来减少NOx的排放。 氮用作没有热值的稀释剂，即冷源。为了进一步将NOx的形成最小化， 可以将进入燃气轮机730的合成气物流413用水饱和（未示出）。
可以将物流820中的至少一部分高压蒸汽引入至一个或多个气化器 200中，和/或其它辅助的蒸汽消耗工艺设备中（未示出）。在一个或多个 实施方案中，来自物流820的残余热可以排至本领域技术人员所熟知的冷 凝系统或出售给当地的蒸汽消费者。
上述实施方案中的任何一个或多个可以与另 一个组合。所述气化系统 提供在灵活性、效率和安全性上提供了极好的平衡，且伴随低的排放至无 排放。与其它循环或流化床气化器相比，各种实施方案中的气化器在显著 较高的循环速率、速度和提升管密度下操作。这导致更高的产量、更好的 混合、以及增加的热和质量转移速率。该气化器还提供了相对于矿渣气化 器的主要的效率改进，因为煤灰的成渣需要大量的能量，该能量不能被回 收。此外，不成渣条件更有益于长的耐火寿命。单级操作还提供了进一步 的效率增益。优于目前气化器的其它优点包括由于极好的气体/固体接触 的高碳转化率，以及低的水消耗、高百分比的固体再循环、高的硫捕获， 高产量、以及高热释放速率，这有助于小的足迹和简单的机械设计。
已经用一组数字上限和一组数字下限描述了某些实施方案和特征。应 当理解的是，除非另外指出，任何下限至任何上限的范围都是预期的。某 些下限、上限和范围出现在以下的一项或多项权利要求中。所有数值都是 指示值的"大约"或"近似"值，并且考虑到实验误差和本领域普通技术 人员会预料到的变化。
以上已经定义了各种术语。在某种程度上，上述内容没有定义权利要 求所使用的术语，该术语应当给出相关领域技术人员如至少一部印刷出版 物或授权专利反映的那样所赋予的最广泛的定义。此外，本申请所述的所有专利、试验步骤和其它文献被全部引入作为参考，使得这种公开内容与 本申请不存在不一致之处，并且对于所有的管辖权，这样的引入是被允许 的。
尽管上述涉及本发明的实施方案，但是可以在不脱离本发明的基础范 围和所附权利要求书确定的范围的情况下设计本发明的其它及进一 步的 实施方案。