本发明的实施例总体上涉及下吸式生物量气化的区域。更具体地， 本发明的实施例涉及模块化的便携分布式生物量气体发生器，它能够 生成低焦油燃气，该低焦油燃气具有低的排放物并且没有有毒的废气 流。

气化通常涉及碳基生物量给料到气体或其它可用燃料的氧化或转 换。生成的气体可以被用于发电，或是作为原材料以生成化学制品和 液体燃料。通常地，给料例如木屑或其它生物量被筛滤以除去不希望 的材料。进料被干燥并且在气体发生器处理以生成燃料。
用于生物量气化的通常使用的技术通常受制于不能控制气化的变 量，并因此导致生成的燃气被高水平的焦油污染。在许多当前的气体 发生器系统中，这种高水平的焦油需要使用气体清扫系统，气体清扫 系统通常包含水基洗涤器和/或大的锯末或沙床过滤器。这些部件会增 加成本、复杂性并且增大系统覆盖区的尺寸。另外，一般在许多国家， 并且尤其是在美国，载满焦油的排出水或被焦油污染的大体积的沙或 锯末通常需要被清洁或是作为危险的废水流处理。
另外，用于气化的当前方法通常不会提供有效的空气冷却，这会 导致不清洁的燃气。从实践的观点上来看，热的发生炉气体的冷却是 个非常难的热传递问题。当操作时两个液流之间具有较大温差时，不 相等的温度和管-壳式换热器的不同部分生成的热膨胀和收缩通常需 要为应力消除做准备。当前的技术还通常涉及水洗来从发生炉气体中 去除残留的焦油和炭。不幸的是，这些材料是非常细小的气溶胶和颗 粒，使用该方法很难除去它们。
分布式燃气生成系统的另一个缺点是，当增大能力来诊断和实现 快修时，不能通过通讯网络控制它们以监视操作和优化性能。无法通 过通讯网络在局部或广域监视和控制燃气，就会增大操作的人工成本 而同时减少收入，这是由于增加了时间来从系统中断中恢复。
所需要的是用于气化的系统和方法可以精确地控制气化的变量， 提供有效的空气冷却，不使用洗涤液的操作，并且适应网络组的模块 生物供电系统的计算机控制。本发明的实施例提供了至少这些需求中 的一些的解决方案。

本发明的实施例提供了更好地适用于自动化和控制各个气化变量 例如冷却和过滤的气体系统和方法。还提供了用于控制热解区域位置 的技术，并且包括炭空气在气化腔室中的喷射。炉篦部件可以按照需 要移动以执行各种功能，并且气体发生器可以被振动以针对气体生产 生成期望的状况。在一些实施例中，所有炭都经过换热器，并且在一 些实施例中，炭吸收焦油。换热器管被设计成用于自由运动，提供了 过滤器，并且公开了包括可以使用因特网用于远程控制的能力的自动 化方面。
在第一个方面，本发明的实施例提供了一种用于在气化反应器腔 室中将固体含碳材料转换为低焦油燃气的自动化方法。该方法包括将 含碳材料导入腔室中，在燃烧的热解区域将含碳材料的第一部分转换 为炭材料，通过在气化反应器腔室的多个层级处喷射氧化气体而控制 沿着腔室的长度的多个温度，控制从多个层级中的至少一个中喷射的 氧化气体的量，通过增大或减小在热解区域上游或下游喷射的氧化气 体的量来改变腔室内燃烧的热解区域的位置，通过向腔室施加至少一 个力来控制气化反应器腔室中炭材料和含碳材料的第二部分的孔隙 率；并且在气化反应器腔室中将炭材料和含碳材料的第二部分转换为 低焦油燃气。该方法还可包括控制燃烧的热解区域的位置以使对于规 定范围的燃气流速的焦油减少最大化。该方法还可包括控制炭材料和 含碳材料的第二部分的孔隙率以使对于规定范围的燃气流速的焦油减 少最大化且具有最小的压降。在一些情形下，含碳材料包括大于大约 每立方英尺3磅的容积密度。在某些情形下，含碳材料包括木质生物量、 非木质生物量、纤维质产品、纸板、纤维板、纸张、塑料和食物。该 方法也可以包括使用一个或多个可变速风扇或鼓风机、使用一个或多 个阀或使用一个或多个流量限制器控制在气化腔室中两个或更多层级 处喷射的氧化气体的量。
在另一个方面中，本发明的实施例提供了一种用于从燃气生成设 备中除去焦油的自动化方法。该方法包括使未燃烧的固体材料减小为 大小可以在气化反应器腔室的下游的流动燃气中夹带的颗粒，在流动 的燃气中夹带颗粒以允许颗粒刮擦倾向于焦油积聚的燃气生成设备的 表面，控制流动燃气的温度以提高焦油流动燃气中夹带颗粒的表面上 的凝聚和吸附，从而形成载满焦油的颗粒，并且从燃气生成设备中收 集和释放载满焦油的颗粒。流动燃气的温度可以由换热器、加热器、 鼓风机、风扇等控制。在某些情形下，该方法还可包括从流动的燃气 中去除载满焦油的颗粒。
在另一个方面中，本发明的实施例提供了一种用于将固体含碳材 料转换为燃气的自动气化反应器装置。该装置可以包括设计成点燃固 体含碳材料以形成燃气的热源，在超过两个层级处穿过气化反应器壁 的多个喷射管，这样喷射管就设计成以在燃料床内均匀地分配氧化气 体的模式、在与气化反应器壁相距不同距离处向气化反应器腔室内部 输送氧化气体。该装置还可包括位于气化反应器腔室的出口下游的可 移动炉篦，该炉篦设计成可以将易碎的炭或灰压碎成其尺寸可以经过 网筛的颗粒。多个喷射管可以包括多个喷嘴，喷嘴设计成可以沿总体 上不垂直于燃气流动方向的方向输送氧化气体。用于点火的热源可以 包括例如电阻加热器或气体燃烧器。在某些情形下，该装置还包括配 置成将氧化气体喷射到气化腔室中的鼓风机装置。鼓风机装置可以包 括具有多个控制阀的单个鼓风机或是多个鼓风机。多个喷嘴可以设置 在向内朝气化反应器伸出的多个喷射器管中。该装置还可包括用于移 动炉篦的装置，例如电动机、驱动器、螺线管等。在某些情形下，该 装置还包括振动装置，该振动装置设计成通过使组合的炭材料和含碳 材料的桥和槽塌陷而控制组合的炭材料和含碳材料的孔隙率。在某些 情形下，该装置还包括管-壳式换热器，该管-壳式换热器设计成控 制载满焦油的气体的温度以提高焦油在流动的气体流中的所有夹带颗 粒的表面上的收集。管-壳式换热器中的管可以配置成抵抗由流动的 气体流的冷却所导致的极端差异膨胀，并且该管通过管板中的密封单 独地消除应力。该装置还可包括从流动的气体流中除去载满焦油的颗 粒的过滤器。
在另一个方面中，本发明的实施例提供了一种集成的自动化动力 系统。该动力系统可以包括在操作中与燃料气化反应器、气体冷却器、 气体过滤器、化石燃料能量转换设备和过程自动化控制器相关联的过 程自动化控制器。能量转换设备可以配置成将低焦油燃气转换为能量 输出，例如机械能输出、电能输出、热能输出或化学能输出。在某些 情形下，气化反应器、气体冷却器或气体过滤器适于向化石燃料能量 转换设备提供燃气。在某些情形下，化石燃料能量转换设备包括固体 氧化物燃料电池、斯特林发动机、燃气轮机、内燃机、热力发电机、 蜗杆式开幅器、气体燃烧器、气液转化设备或热光电设备。化石燃料 能量转换设备可以配置成从低焦油燃料生成能量输出。在一些方面中， 化石燃料能量转换设备包括设计成从低焦油燃料生成能量输出的压缩 点火内燃机。过程自动化控制器是包括例如分布式客户服务器、电信 链路和中心客户服务器的网络的一部分。本发明的实施例还包住自动 的模块化分布式体系结构。例如，分布式体系结构可以包括中心客户 服务器和至少一个集成的自动化动力系统。该集成的自动化动力系统 可以包括在操作中与燃料气化反应器、气体冷却器、气体过滤器、化 石燃料能量转换设备和过程自动化控制器相关联的过程自动化控制 器。
在一些方面中，本发明的实施例提供了用于将固体含碳材料转换 为低焦油燃料的方法。方法可以包括，例如，提供装置来将气化反应 器腔室下游的表面(并且在一些情形中为所有表面)的加热控制为水 的露点之上的预定温度，以终止下游表面的加热，并且使用热源点火 来启动气化过程并且燃烧存储在反应器腔室中的炭。方法还可以包括 提供装置来沿着充满固体含碳材料的反应器腔室的轴长在几个层级处 控制氧化气体的喷射，并且提供装置来控制氧化气体进入反应器腔室 的喷射，其方式为以连续的方式将喷射的氧化气体与从任意其它入口 接收到气化反应器腔室中的环境氧化气体的比率从0％的喷射氧化气体 改变为100％的环境空气，或是从100％的喷射氧化气体改变为0％的环境 空气。方法也可以包括控制氧化空气进入反应器腔室的喷射，其方式 为将单个轴向层级处喷射的氧化气体的比率从所需总氧化气体的0％改 变为100％，控制氧化气体在几个层级处的喷射，和以增大或降低设置 在喷嘴下游的含碳材料的温度的方式喷射氧化气体。另外，方法可以 包括控制氧化气体在多个层级处的喷射，以在喷射点下游生成多个总 体上平行于腔室纵轴的多个热卷流的方式喷射氧化气体，并且通过控 制在燃烧的热解区域上游或下游喷射的总氧化气体的百分比来控制反 应器腔室中燃烧热解区域沿上游或下游方向的运动。方法也可以包括 控制燃烧的热解区域在反应器腔室中沿下游方向的运动，其方式为控 制炭和灰在燃料床的最远下游部分之前的移除，并且通过控制施加到 气化反应器的外部结构上的力具有足够大的值、频率和持续时间以导 致燃料床中的材料移动以在应用力之后占用更小的体积，从而增大燃 料床的容积密度(以每单位体积中的重量测量)。方法还可以包括将 所需的固体含碳材料供应到腔室中以补充由于含碳材料的燃烧、空隙 空间的收缩、燃料床容积密度的受控的增大或是从反应器腔室中移除 炭和/或灰而导致的体积减小的固体含碳材料的量，并且将可再生的燃 气从反应器腔室输出。
在一些方面中，气化腔室的横截面面积或气化腔室的长度或两者 都选取成使在规定范围的燃气流速内的焦油减少最大化。可以从固体 含碳燃料中生成总体上具有大于每立方英尺3磅的容积密度的低焦油 燃料。例如，切碎的大批废物可以具有每立方英尺6磅的容积密度。在 某些情形下，可以从固体含碳材料中制造低焦油燃料，固体含碳材料 例如为木质生物量；非木质生物量；纤维质产品例如纸板、纤维板和 纸张；特定的塑料和食物；及其混合物。点火的热源可以应用在气化 腔室的输出上游处的点上的固体含碳燃料床的底部附近。氧化气体的 流量可以使用一个或多个可变速风扇或鼓风机或通过一个或多个阀或 流量限制器在两个或更多层级上进行控制。在一些方面中，大部分未 燃烧的固体材料(炭、灰、污垢、卵石等等)作为夹带在流动的燃气 中的颗粒离开气化腔室。气体中夹带的炭、灰、污垢和卵石可以刮擦 暴露的热交换表面以使污染的堆积物减小到最低。在一些方面中，燃 气被换热器冷却然后被过滤以除去颗粒。冷却的燃气中夹带的材料可 以在过滤器表面上以可以随后被除去以进行处理的方式在过滤器表面 上堆积。
在另外一个方面中，本发明的实施例提供了一种用于将固体含碳 材料转换为低焦油燃料的气化反应器。该装置可以包括，例如，固体 含碳材料输送通过的端口，气化反应器内接收固体含碳材料的腔室， 点燃固体含碳材料的热源，和穿过气化反应器壁的多个氧化剂喷射管， 氧化气体通过氧化剂喷射管流动到腔室内部。多个氧化剂喷射管中的 几个层级可以穿过气化反应器壁并且每个层级可以沿从燃气流动的上 游到下游的方向相继地布置。装置还可包括多个管或喷嘴，管或喷嘴 布置成以可在燃料床内均匀地分配氧化气体的模式、在与气化反应器 壁相距不同距离处输送氧化气体。多个喷射管可以沿总体上不垂直于 燃气流动的总方向的方向输送氧化气体。装置还可包括具有固体含碳 材料在该其中被氧化的内部腔室的气化反应器、用于向气化反应器施 加可变外力的装置和位于腔室出口下游的炉篦，该炉篦可以移动以将 易碎的炭和灰粒压碎成允许压碎的炭和灰穿过网筛的颗粒尺寸。在一 些方面中，用于点火的热源是电阻加热器或气体燃烧器。用于将氧化 气体输送到气化腔室中的装置可以由单个鼓风机或多个鼓风机实现。 多个喷嘴可以设置在向内朝气化反应器伸出的多个氧化剂喷射管中。 施加可变外力的装置包括振动器、螺线管等。在一些方面中，管-壳 式换热器被用于冷却燃气。通过管板中的密封，允许管-壳式换热器 中的每个管独立于其它管沿轴向方向热膨胀和收缩。在一些方面中， 可透过的过滤器除去在气化腔室中生成的燃气中夹带的炭和灰。气体 发生器和换热器可以被弹簧安装以避免在热的机械部件中生成会损坏 它们的应力。重力提供动力的门可以用于立即切断氧化气体和给料流 动进入气化腔室。
在另一个方面中，本发明的实施例提供了一种用于将固体含碳材 料转换为低焦油燃料的自动的模块化系统。系统可以包括，例如，分 离的自动子系统来向气化反应器输送固体含碳燃料，分散的自动子系 统来将固体含碳燃料转换为低焦油燃料，分散的自动子系统来将低焦 油燃料的温度降低到水的露点之上的预定层级，和分散的自动子系统 来将固体颗粒和焦油从燃气中去除并且将固体颗粒排放到料仓中从而 以燃气的流动不被干扰的方式进行收集。该系统也可以包括过程自动 化控制器来操作由分散的自动子系统的相互连接形成的集成系统，和 包括或排除分散的自动子系统以形成独特的自动的模块化系统的装 置，这些自动的模块化系统以符合不同类型的基于气体的能量转换设 备的需要的方式输送低焦油燃料。包含在燃气中的焦油可以低于大约 百万分之25。不同类型的基于气体的能量转换设备包括固体氧化物燃 料电池、斯特林发动机、微涡轮机、内燃机、热力发电机、蜗杆式开 幅器、气体燃烧器、热光电设备或气液转化设备。在某些情形下，两 个或更多气化反应器的输出气体可以组合以向包括气体冷却器、气体 清洁器和基于气体的能量转换设备的下游子系统供应低焦油燃料。在 一些集成的系统实施例中，低焦油燃料可以代替固体氧化物燃料电池、 斯特林发动机、燃气轮机、火花点火内燃机、热力发电机、蜗杆式开 幅器、气体燃烧器、气液转化设备或热光电设备中多达100％的化石燃 料。类似地，低焦油燃料可以代替压燃式内燃机中的大部分化石燃料。 在某些情形下，通过管板中的密封，允许管-壳式换热器中的每个管 独立于其它管沿轴向方向热膨胀和收缩。各个管密封可以是设置在位 于具有较低温度的换热器的端部上的管板中。密封可以使用O形环、方 形环或具有类似功能的其它预成形设备制成。密封可以使用填充材料 和填料盖制成。在一些实施例中，壳侧上的流体在管侧出口附近进入 换热器并且相对于管侧液流逆流流动到管侧流体入口。在一些实施例 中，壳侧上的流体在换热器中部附近壳流体将与管中朝管侧入口的流 逆流的另一个位置上进入；并且朝管侧出口顺流流动。相关地，壳侧 上的流体可以在两个位置进入且壳侧流体与管侧流体逆流流动：一个 在换热器的中部附近；并且一个在管侧出口附近。换热器中的冷却剂 可以是空气、水、乙二醇、油、多种工程冷却剂中的任一种或是其混 合物。
为了完全理解本发明的性质和优点，必须参照随后结合附图的详 细说明。

图1A和B提供了依照本发明的实施例的气体生产模块的装配图。
图2提供了下吸式气体发生器的横截面视图，显示了依照本发明的 实施例的多个空气喷嘴的配置。
图3A和B显示了依照本发明的实施例的气体发生器的下部，该下部 包括炉篦和气体出口通道。
图4显示了依照本发明的实施例的换热器，该换热器具有换热器 管，换热器管穿入固定管板中，且具有密封来为管道由于差异热膨胀 导致的运动做准备。
图5提供了依照本发明的实施例的模块生物电系统的过程图。
图6显示了用于依照本发明的实施例的生物量发电系统的网络的 体系结构。
图7显示了用于依照本发明的实施例的现场分布的客户系统的体 系结构。
图8显示了用于依照本发明的实施例的现场分布的客户系统的体 系结构。
图9显示了依照本发明的实施例的分层下吸式气体发生器。

许多下吸式气体发生器由处在不同温度、压力和材料组成和流动 下的材料的不同区域或层构成。在某些情形下，下吸式气体发生器的 最高区域可以包括最近添加到气体发生器的新鲜进料。下一个区域可 以包括干燥区域，其中当进料被下一个更低的区域加热时，初级燃烧 空气会干燥进料，其中初级燃烧空气燃烧由热分解热的进料形成的烟 或焦油蒸汽。这可以是被称作热解区域。在燃烧的热解区域之下是炭 氧化区域，其中蒸汽和二氧化碳使热炭氧化，直到这些吸热的化学反 应使炭的温度下降得低于特定点。可以向炭氧化区域添加氧化剂来提 高温度并且保持蒸汽和二氧化碳在氧化炭中活化。
取决于层中变量参数的控制方式，结果可能会显著地不同。例如， 手动操作的小型下吸式气体发生器缺少对气化区域温度、燃料转换速 率、气体停留时间、压差、料床孔隙率和穿过气体发生器的热气体燃 烧产物的流量的正闭环控制。因此人工操作不能生成始终如一的高质 量、低焦油的原料气体。自动检测和工艺变量控制的缺乏导致不均匀 的气化速率、易变的气体质量、高焦油水平、不一致水平的料床孔隙 率、输送脏气、灰渣等的高倾向、过于局部化的热点、在出现“鼠穴” 时的高焦油水平或在缺乏控制条件保证时最终导致系统停机。在没有 有效的装置来按照各层所需控制空气或氧气喷射的量、位置和持续时 间并且没有装置来监视和控制料床孔隙率、料床的均一性和火焰前锋 位置的下吸式气体发生器中，通常控制气化速率、气体质量或焦油水 平的能力极低。手动控制的结果可以是层中的部分变得过热、过冷、 具有太多的孔或是被过密地填充。
将换热器弄脏会导致它们将过程流冷却到适于传统的过滤的温度 的能力的损失。换热器的手动清洁是耗时的脏活，尽管已经为此而在 长杆或缆绳上制作了旋转刷。已经报告自清洁换热器使用液体，液体 中具有故意向其中添加的1.5毫米至3毫米直径的颗粒，这些颗粒会刮 擦热传递表面。在经过换热器之后，将固体从液体中除去并且返回到 用于固体的闭环中的换热器的入口。
除了在下吸式气化领域中的大量工作，世界上还存在很少的商业 系统。此外，并未显示出用于通过计算机网络控制的无人值守操作的 自动化程度。自动化的缺少是由装置及其操作方法的设计中的缺点造 成的。这种缺点会将用户/使用者操作和维修劳动量增大至其中系统操 作被认为是繁重或过于昂贵的程度。大部分已经在商业上出售的小型 下吸式气体发生器设置在乡下，其中有充裕的低成本劳力和对投资费 用的强烈的降低的压力。这两个因素的组合导致了具有最小自动化的 装置，它需要大量劳动力来操作和维护，并且依赖于过时的清洁技术， 这些技术会生成有毒的废水例如载满焦油的水。下吸式气化涉及多个 相互联系的过程，这些过程可以被同时控制以实现最大的生物量转换 效率、过程稳定性和燃气清洁度。然而，许多相互联系的过程如此复 杂，通常只有经过高级培训的、不断观察并且连续关注的专家才能跟 踪所有的参数，并且及时或一致的基础上做出所需的工艺变体以保持 低的焦油水平，而不会出现可能会损坏气体发生器系统的过高的温度 或其它参数。
因此，即使在具有大量低成本劳动力的乡村，最小的自动化也是 大规模商业化的屏障，因为它通常会限制系统的操作、经济和环境的 有效性。手动操作实际上消除了实现对关键的相关联参数的实时控制 的能力，这些参数例如为温度、压差、给料补充速率、给料尺寸、给 料湿度、炭转换速率、料床孔隙率、炭/灰移除、气体质量(焦油、颗 粒和水蒸气水平和能含量)和用于通槽和桥接的倾向。继而，这些被 很差地控制的参数会导致高的焦油、水在气体中的凝聚、差的/易变的 气体质量、低的系统效率、由于桥接、料床填塞和料床通槽导致的短 的运行持续时间、增加的维修、危险的废水、高排放物和增大的不安 全状态的潜在性。但是即使过程是自动化的，也不能保证气化系统以 稳定、高效、有效的方式操作。除非已经开发出基于对基础变量的完 全理解的控制算法，否则过程不会实现其目标。
下吸式气化系统的成功操作的一个目标是有效算法组合的自动 化。本发明的实施例装置通过使用多个次级空气喷嘴而使自动化能力 最大化。一些人已经提出，由于会生成多个热点和冷点并且形成灰熔 渣和渣块，并不希望使用多个喷嘴。通过使用大量炭-空气喷射管和 每个管上以广泛分散的方式导入次级炭-空气的每个管上的多个喷 嘴、位置和在与初级空气相比的规定比例以生成能够形成对于焦油的 破裂非常理想的炭床的热管理系统，本发明的实施例可以避免这些缺 陷。
一些当前的气化方法会减少很多成本和性能改进例如自动方法的 机会以使用多种生物量给料和适应每种给料的尺寸、湿度和能量密度 可变性而不需要对装置做出物理改变。这些方法还会降低下列机会： 会降低所消耗生物量材料的量和成本的系统效率增大，允许燃气在现 有的内燃机中安全地使用的气体质量改进，和形成基于气体的动力设 备，例如燃料电池、斯特林发动机、热光电、微涡轮机、小型燃气轮 机和热电式发电机。另外，这些方法降低了下列机会：一个按钮起动/ 停止自动操作周期，它允许系统由受到最低程度训练的操作者操作或 是以无人值守方式操作，响应包括一旦检测到不安全的运行状况就紧 急停机的自动失效模式，和分散的集成模块，这些模块可以很容易地 重新布置以追随电、电和热或是仅仅热的市场。此外，这些方法提供 了很少的机会用于分散集成的标准模块，这些模块利用潜力进行批量 生产并且设计允许使用最小劳动力快速维修的改进。
一些当前用于气化的方法通常不会提供有效的空气冷却，而这会 导致不清洁的燃气。从实践的观点上来看，热的发生炉气体的冷却是 个非常难的热传递问题。当操作时两个液流之间具有较大温差时，不 相等的温度和管-壳式换热器的不同部分生成的热膨胀和收缩通常需 要为应力消除做准备。一些当前技术涉及将管永久地装接到两个管板 上，固定一个管板，并且允许另一个管板在换热器内部移动以解除应 力。O形环密封通常被用在滑动的管板和固定壳之间。然而，如果一个 或多个管变得堵塞，堵塞的管或多个管会迅速地接近壳侧上流体的温 度，这会导致堵塞的管与其它仍然具有液流的管不同地膨胀和收缩。 该差速增长会在管板和管分界面上形成危险应力，这会导致焊接点在 该位置失效。
当前的技术还通常涉及水洗来从发生炉气体中去除残留的焦油和 炭。不幸的是，这些材料是非常细小的气溶胶和颗粒，使用该方法很 难除去它们。此外，为了高效的洗涤，用于洗涤的水还采用了雾的形 式。水洗的使用会生成废水处理问题。聚结过滤器通常被用于通过布 朗运动除去这些细小材料，但是会向系统添加很明显的不希望的压降。 如果焦油不具有流动性能，聚结过滤器就必须被周期性地维护以除去 焦油或是过滤器必须被替换。
本发明的实施例包括气体发生器、气体冷却和清洁系统和这些子 系统的自动控制的创新设计。顶部开口的下吸式气体发生器包含独特 的多层次级氧化剂(空气)喷射系统，在每个层上进行温度检测，和 基于微处理器的控制算法，控制算法不断地调节气体发生器温度和其 它运行状况以实现始终如一的高气体质量和在很宽范围的气体流速中 的超低焦油水平。气体发生器设计的实施例显著地扩大了气体流速的 可用范围，即，传统气体发生器的“甜区(sweet spot)”。这一扩 大的“甜区”允许在扩大的动力范围内生产高质量、超低焦油气体和 使用比以前可能的更广泛范围的给料类型、尺寸、配置、混合物和湿 度含量的能力。
实施例还提供了一种气化系统，该气化系统设计成对于流经气体 发生器的材料和气体发生器床的孔隙率(压差)进行正控制。这些控 制参数是新颖的往复运动的炉篦机构的结果，该炉篦机构与检测连接 到气体发生器系统的嵌入式微处理器控制系统相连的气体发生器压差 的检测结合。如同现有技术中一样，在冷却之前，本发明的一些实施 例会在除去夹带的固体炭和灰粒之前冷却发生炉气体，而不是在旋风 分离器中除去它们。夹带的炭颗粒具有大的表面积，残留的焦油区域 在该表面积上凝聚，而不是在换热器的更小的表面上凝聚。另外，夹 带的颗粒被证明可以刮擦换热器表面以使污垢最小化。本发明的实施 例还包括壳管式换热器以允许所有管独立于彼此地膨胀和收缩，以及 使用两个冷却空气流来以较低的鼓风机能量要求实现冷却空气的更高 流速。
在一些实施例中，所生成的可再生燃气足够清洁，可以在设计成 使用气态或液态的化石燃料操作的多种电、热和化学设备中使用。此 外，模块化的便携分布式生物量气体发生器实施例满足通过计算机网 络控制实现的无人值守操作所需的自动化程度。
本发明的气体发生器系统和方法实施例提供了具有多级位置的次 级空气喷射系统，和最优地布置并且很容易地调节的空气喷嘴。每个 空气喷射管的长度和其中的空气喷射点以及空气喷嘴的数目可以很容 易地改变，例如，通过将空气喷射管交换成另一个空气喷射管。次级 空气喷射的轴向位置的数目可以改变，并且在每个层级的二次风的量 也可以被精确地调节。空气的均匀或非均匀分布是通过空气喷嘴的布 置实现的。实施例通过使用可控门和次级空气喷射系统实现了极高水 平的炭转换(例如＞98％)。可以在规定距离上控制和维持希望的温度 范围以使焦油破裂和将炭和H2O转换为H2和CO，并且将炭和CO2转换为CO。 可以通过管理温度并且防止温度偏移来保护部件。气体发生器温度可 以被管理成降低形成大的熔融灰粒的潜在性，尤其是在使用高的灰/硅 石给料时。实施例提供了自动的灰移除和管理系统。可以很容易地打 碎气体发生器的炉篦上的熔融灰，并且可以控制和保持气体发生器中 期望的压差。灰和熔融的灰可以从料床的底部与料床的安放(settle) 无关地除去。实施例提供了操作炉篦而不会受到由于气压加料床的重 量导致的沿着炉篦的力而影响的能力。实施例包括有利于编译气体发 生器中最大焦油转换、简单的清洁、维护与修理和允许使用低成本、 轻重量材料的炉篦设计。气体发生器温度可以被控制成消除对重的、 很难制造的、高维护和昂贵耐火材料的需要。在停止运转时，气体发 生器可以自动隔离，并且气流停止以保持炭床用于将来的操作。相关 地，气体发生器的开口顶部可以在停止运转时使用势能和动能自动闭 合，甚至是在发生电力故障时。实施例提供了给料和炭流量的自动控 制、炭床的一致密度的保持和炭床中通槽的消除。气体发生器的嵌入 式点火器允许气体发生器的按命令和远程起动。在一些实施例中，气 体在颗粒被除去之前被冷却。实施例还提供了一种管-壳式换热器， 其中每个管都允许独立于其它管进行膨胀和收缩。
给料灵活性
本发明的实施例包括能够使用由软木以及硬木物种制造的木屑进 行操作的气体发生器。适当的给料的非限制性清单包括挤压出的葡萄 浮石(pumice)、杏仁壳、山核桃壳、椰子壳、草球、干草球、木球、 切碎的纸板、切碎的塑料涂覆纸张、切碎的纸张与塑料的混合物、相 对均质的纸张和形成球或其它形状的塑料的混合物、切碎的木头、皮 革、橡胶和布的混合物。这些进料物质通常具有的颗粒形状和尺寸能 够形成具有足够的孔隙率以允许气体通过而仅有适度压降的料床。适 当的颗粒尺寸和形状的非限制性实例包括球、木屑、山核桃壳、杏仁 壳、压碎的椰子壳等等。适当的颗粒包括或不包括粉末和棒形形状。 进料制备
进料制备通常包括筛选以除去很容易在气体发生器中桥接或堵塞 供给系统的过大片的给料，以及趋于经过料床形成高压降并且还趋于 包括不希望的污垢和小岩石的不希望的材料。然后使用从热气中回收 的废热和在气体发生器中形成的炭对进料进行干燥。
进料
进料通过系统的运动可以是自动的。在非限制性实施例中，安装 在干燥器仓上的一系列三级传感器、进料器仓和气体发生器被用于导 引进料从储料仓穿过分选器进入干燥器仓、通过干燥器进入缓冲仓并 且通过进料器进入气体发生器。当气体发生器需要更多进料时，输送 设备就会从缓冲仓移动干燥的进料。当缓冲仓的燃料水平很低时，干 燥运输器就起动以重新装满缓冲仓。当干燥仓较浅时，储料仓就将新 鲜的材料供给到分选器中，适当尺寸的进料在此处输送到干燥仓中。 在一个非限制性实施例中，通向干燥器的分选器和输送器是连续运行 的。
气体发生器
当气体发生器实施例使用空气作为氧化剂形成燃气时，气体发生 器的顶部可以对大气开放以允许生物量进料自由地落入气体发生器 中。该开口的顶部还允许初级燃烧空气进入气体发生器。当以此方式 形成燃气时，气体发生器系统可以在稍微低于大气的压力下操作。如 果该气体发生器被用于使用氧气形成合成气体，进料可以下降通过旋 转阀或是闸斗仓进入气体发生器以防止空气进入；部分氧气或富氧空 气可以通过气体发生器顶部附近的端口或多个端口添加，并且气体发 生器系统可以在高于大气的压力下操作。
在一些气体发生器实施例中，燃烧空气的剩余部分、富氧空气或 气化中使用的氧气在多个位置喷射到多个层级的炭床中，该喷射是通 过每个层级中几个喷射管中的每一个中的多个喷嘴进行的。一个非限 制性实施例使用多个层级和角位置处的水平、径向喷射管。如果使用 氧气，它可以被水蒸气或二氧化碳稀释以避免过高的温度。
现在转向附图，图1A和1B显示了依照本发明的一个实施例的气体 发生器装置50。气体发生器装置包括本质上可以为圆柱形的气体发生 器主体101。气体发生器主体101可以在气体发生器的主动部分不包括 圆锥形气体发生器形状。其他人已经描述了在气体发生器的主动部分 使用圆锥形状，圆锥形状通常把发生炉气体集中到更小的横截面积上 来利用单级空气喷射进行更有效的空气喷射。然而，这种圆锥部分可 以增大通过气体发生器床的压降，而这会降低发动机的效率或是需要 更多的能量来穿过发生器系统抽出气体。进料与初级空气一起穿过气 体发生器的顶部开口。产物气体通过位于气体发生器底部的凸缘112离 开气体发生器。
如图1A和1B所示，气体发生器可以包括水平的径向管102，径向管 102穿入气体发生器主体101的圆柱形壁以将次级空气吹入炭床中。可 以有多级(例如五级)这种空气喷射管。喷射管通过卫生设备配件或 穿过长的高脚管102的法兰装到热气体发生器壁101的外部，从而允许 使用弹性垫片并且易于移除炭-空气喷射管以进行检查和维修。因此， 这些喷嘴的数目和位置就很容易改变，即可以在需要时进行替换。一 个非限制性的实施例使用硅酮橡胶垫片以密封通向气体发生器的炭- 空气喷射管。气体发生器可以在凸缘105处被打开以进行维修。
在非限制性实例中，图2显示了气体发生器装置200的一部分，该 气体发生器装置200包括短的喷射管203，短的喷射管203与长的喷射管 204交替，总共有十根管，气体发生器中的五级均有十根管，总共50根 这样的管。实施例包含具有任意数目的管和层级的气体发生器。短管 也可以沿垂直方向与长管交替。如在此所示，每个层级中的十根管之 一205长于其它的管从而覆盖每个层级的中心区域，且短管203位于它 的每一侧上。在一个非限制性实施例中，气体发生器的直径为20英寸， 且轴向层级之间相隔6英寸。
在一些实施例中，该图案在五个层级的每一个上重复，但是从一 个层级到另一个层级偏移36°的倍数，这样短管就与长管垂直地交替并 且格外长的管就会更均匀地分布。超长管的角位置在每个邻近的层级 中是不同的。喷嘴在喷射管上间隔开，从而在每个层级上均具有相对 均匀的空气分布。有五个层级的炭空气喷射，且水平的炭-空气喷射 管具有十个角位置。在每个超长管205中有十六个喷嘴，在每个长管204 中有十个喷嘴，并且在每个短管203中有四个喷嘴，总共有380个喷嘴。 管穿过反应器腔壁207。喷嘴的轴线与垂直线成45°，从而以与发生炉 气体的总体上轴向方向成45°实现空气的总体上向下的流动。在一个非 限制性实施例中，会垂直于构成喷嘴的炭-空气喷射管的轴线钻设1/8 英寸直径的孔。喷射管和喷嘴的数量和位置是非限制性的。
在一个非限制性实施例中，由于发生炉气体流动通过气体发生器 导致的压降提供了压差来将空气通过每个空气喷射管吹到炭床中。空 气的相对流动可以使用阀对每个层级或每个炭-空气喷射管进行控 制。在另一个非限制性实施例中，将被喷射到炭床(炭-空气)中的 空气经过所有层级共用的歧管，然后通过管和阀进入环形辅助歧管中， 该辅助歧管将炭-空气供给到几个层级之一上的所有空气喷射管中。 气体发生器中的负压导致空气流入次级空气喷嘴中。在一个非限制性 优选实施例中，机械鼓风机向炭-空气喷射管供给炭空气。计算机控 制气体发生器中每个层级的炭-空气喷射管上的可变阀。在另一个非 限制性实施例中，阀控制空气从歧管向每个炭-空气喷射管的流动， 且使用单个鼓风机略微加压以实现期望的温度控制。在该优选实施例 的另一个非限制性变体中，五个层级的炭-空气喷射管中的每一个均 装备有其自己的鼓风机并且每个鼓风机的速度均由计算机进行控制。
炭-空气喷射管穿入外壳的一个优点是使进入不同层级以及进入 不同的各个炭-空气喷射管的氧化剂具有不同速度的能力。这就允许 对炭床的温度控制的前所未有的程度。该设计优于气体发生器中的中 心轴向歧管的附加优点是炭-空气喷射管之间空间的相对开阔使出现 使进料和炭的桥接和通槽的可能性减小至最低。炭-空气喷射管以这 种方式穿入气体发生器外壳的使用的另一个优点是，通过在炭床中深 入地喷射燃烧空气以消除冷点而同时为焦油的破裂和为二氧化碳、水 蒸气和炭变为可燃气体的吸热转化维持均匀地高炭床温度，就具备了 操作非常大直径的气体发生器的能力。更大直径的气体发生器的一个 实施例可以添加至少一个附加的更长长度的炭-空气喷射管，从而能 够通过更大直径的炭床均匀地分配炭空气。
气体发生器可以从上一个操作留下的木炭床开始。空气流动穿过 气体发生器是由机械设备例如鼓风机、内燃机或启动设备例如气动喷 射器引起的。在一个非限制性实施例中，电加热的黑钨矿杆(cal-rod) 永久地安装在炭床的下部，它用于点燃炭床。因此，气体发生器可以 自动地启动，甚至远程地启动。黑钨矿杆在气体发生器点燃之后会自 动关闭以避免因为过热导致的损坏。
在一些当前的点燃气体发生器中炭床顶部的系统中，较高层级的 炭会变得过热，因为它始终与新鲜空气接触，而下部的炭床仅仅由燃 烧气体加热。点燃炭床底部的一个优点是避免了点燃期间的过高的温 度，因为空气中的氧被炭消耗，这仅仅能够点燃并且不是非常热。在 点燃之后，炭床中的温度马上就可以通过穿过空气喷射管在各个层级 中添加次级空气来进行调节。
在其它实施例中，炭-空气喷射管之一(图2中的203、204或205) 可以除去，并且手持式火炬、黑钨矿杆或其它热源可以用于引燃炭床， 然后炭-空气喷射管重新插入，在另一个实施例中，气体燃烧器永久 地安装在点火器位置并且通过电子打开气阀来供给气体，这是电子点 火。在实现炭引燃之后，燃烧器被关掉。在另一个实施例中，可燃气 体喷射器供给到喷射器子系统中并且点火以促进炭床的引燃。
在一些实施例中，温度测量设备例如热电偶或其它设备可以插入 位于图2中任意或所有炭-空气喷射管的封闭端206的短热电偶套管 中。喷射到每个层级中的空气量是基于每个层级的温度测量独立进行 控制的。为了在热电偶失效时提供持续的气体发生器控制，在每个层 级中可以使用两个或更多热电偶来控制该层级上的气流。例如，可以 为每个层级提供空气鼓风机(或连接到使用一个鼓风机进行加压的公 共歧管上的可控阀)来向每个层级提供改变量的炭-空气。依照本发 明的实施例制造的气体发生器已经成功地使用具有1％和25％之间的湿 度含量的木屑进行了操作，并且对于具有多达33％湿度(湿基准)的木 头可以操作半小时的时段。通过气体发生器的周期性地自动振动以使 新鲜进料和炭颗粒流体化，就可以阻碍气体发生器顶部附近的新鲜进 料和炭床中槽和桥接的存在。该流体化可以使进料和炭床中的槽和桥 的塌陷。气体发生器和换热器可以采用弹簧安装以允许最小的振动能 量来有力地摇动它们并且避免向热机械部件中生成可能会损坏它们的 应力。
如图3A和3B所示，气体发生器的实施例包括气体发生器311的下 部，该下部具有金属丝网炉篦303，炉篦303位于气体发生器的底部上， 低于最低层级的空气喷嘴。炉篦支撑炭床并且具有小于平均炭颗粒的 孔尺寸。炉篦的位置选取成允许热的发生炉气体部分地被蒸汽和二氧 化碳与炭的吸热反应冷却。在炉篦的一个非限制性实施例中，金属丝 网具有1/4″的开口并且由304型不锈钢(T304)制成。为了支撑炉篦303， 炭和新鲜进料的重量和由压力生成的力经过气体发生器和炉篦下降， 设置了开口结构302。气体发生器系统可以包括偏转板306，偏转板306 就位于炉篦上方以允许它下方的炉篦机构封装在圆柱形气体发生器 中，但是该区域可以免于空气喷射。在一个非限制性实施例中，气体 发生器具有圆锥形底部307以在材料经过炉篦之后助于将炭、灰、污垢 和卵石夹带出气体发生器。气体发生器也可以包括围绕圆柱形侧和气 体发生器的底部的厚的绝缘层(未显示)。
一些实施例可以就在炉篦上方包括水平往复运动的机构305，该机 构305可以使炭颗粒移动到金属丝网炉篦303和彼此之上，直至它们被 磨碎或是被打碎得足够小以与气体经过金属丝网炉篦303。该往复运动 机构具有短的移动周期并且由两个细辊304或低摩擦滑动块支撑。在一 个非限制性实施例中，辊或滑动块由陶瓷材料制成。该机构覆盖炉篦， 但是具有大的孔，炭和灰以及渣块、岩石和夹杂金属穿过这些大孔进 入炉篦。该炉篦机构将通常可在生物量给料中发现的小岩石以及趋于 在气体发生器的更热的较低部分中形成的烧结或熔融的渣块磨成粉 末。如果往复运动机构变得被堵塞，连接驱动杆中的弹簧加压的减振 器就可以防止机构被损坏。热气从气体发生器中夹带出小的炭、灰和 岩石碎片并且高速进入空气清洗设备。
该往复运动机构非常善于去除炭和灰，并且在一些实施例中它可 以仅仅间歇地操作。因此，气体发生器可以主要地在间歇脉动中生成 炭，此时炉篦机构被启动。振动气体发生器还会从炭床释放出穿过炉 篦的炭细屑。启动炉篦和炉篦动作持续时间之间的间隔可以被用于控 制通过气体发生器和炉篦的压差，允许从炉篦去除混杂物料的维护之 间有较长的操作时间，混杂物料例如为铁或不锈钢物体，它们阻碍了 往复运动机构在炉篦上方的研磨动作。炉篦系统的该创新特征允许使 用包含一些污垢、岩石等的污染物的给料而不需要频繁地关闭气体发 生器来去除它们。当前使用的气体发生器设计通常不能如此程度地自 动除去混杂物料，并且因此不能连续地操作延长时间，除非使用非常 清洁的给料，而这种给料并不是典型的。在一个非限制性实施例中， 往复运动机构305可以包括侧边大约为13/4″的正方形开口，这些开口大 约11/2″深，且壁厚大约为1/4″。
在一些实施例中，当气体发生器停止运转时，进料器被关闭并且 通过减少炭-空气而促使火焰前锋朝新鲜进料升高，这会导致更多空 气穿过气体发生器的顶部被吸入。参见图1A，在最后的进料转换为炭 之后，重力驱动的进料闸门103就会磁性地自动释放，在它的轮子上向 下滚动到短的斜坡104上，并且在气体发生器100的顶部上方滑过。进 料闸门可以形成足够的密封以有效地使炭床与大气隔离。在没有新鲜 空气时，炭会缓慢地冷却。这会在气体发生器中留下炭，炭会保持在 适当的位置并且用于在下一个操作周期启动气体发生器。如果不允许 气体发生器在炭的自动点火温度之下冷却，打开进料闸门并且开始空 气进入气体发生器的流动可能会导致炭的自动点火。因此能够进行间 歇或半连续操作以生成气体和炭。
气体冷却
在一些实施例中，在热的发生炉气体和夹带的炭在大约700℃到 800℃下离开气体发生器之后，它们立即进入新颖的壳管式换热器的管 侧。环境空气被吹到壳侧以间接冷却发生炉气体。这些进入过程气体 的温度远远高于一些商业上可用的换热器所标称和可用的温度。
给定了换热器管暴露在换热器的热端中的高的气体温度，通常会 允许加热的管自由地膨胀以避免翘曲或断裂。如果管中的一个变得被 焦油或炭弄得很脏或是堵塞，它就会变得较冷，并且相对于仍然承担 其热气和夹带的炭的全部份额的其它管收缩。本发明的实施例的换热 器的设计允许每个管独立于其它管膨胀或收缩，因此缓解了每个管中 的热感应应力。管可以在热端全部焊接到公共的管板上。管的内径的 大小可以设计成允许最大的期望炭颗粒经过管而不会有堵塞它的危 险。
在一些已知系统中，冷端的设计包括将所有管焊接到冷端管板上 并且允许管作为一个单元膨胀或收缩。然而，当所有管被相同地约束 时，当一个或多个管变得堵塞时，会导致断开的焊接点、管或管板。 在本发明的换热器的实施例中，允许每个管的冷端在前后移动通过冷 端管板中的各个密封时自由并且独立地膨胀和收缩。在非限制性实施 例中，图4显示了换热器管板400，它包括放入O形环槽403中冷端管板 401中的O形环密封402。在非限制性实施例中，短的铜管或套筒404设 置在O形环槽403的下游并且热冷缩装配到适当的位置中。换热器管穿 过O形环402和铜管404，且O形环402形成管和冷端管板401之间的密封。 铜套筒支撑管并且保持它们放在O形环密封的中心以控制O形环的变形 量。O形环密封和铜管在装配过程中使用油脂进行润滑。该油脂还充当 屏障来使炭和灰粒不能到达O形环密封。冷端的温度保持得足够低以允 许使用弹性橡胶O形环。O形环材料的非限制性实例是硅橡胶、氯丁橡 胶、Buna-N或材料氟化橡胶以幸免于在冷却鼓风机临时故障时可能会 发生的适度的温度偏移。
调节到换热器的壳侧的冷却空气的流速可以控制发生炉气体的出 口温度。在一个非限制性实施例中，空气的流速由向换热器供给冷却 空气的鼓风机的变速控制。在另一个实施例中，冷却空气由固定速度 的鼓风机供给，且冷却空气的流速由可控阻尼器或多个阻尼器控制。 在一个实施例中，冷却空气流在冷端进入换热器并且总体上与发生炉 气体流反向地移动。壳侧中的挡板可以生成冷却空气以沿着换热器管 来回很多次。
在另一个实施例中，冷却空气被分隔，其中一部分进入换热器的 冷端并且离开换热器的壳的中部。冷却空气的其它部分进入换热器的 中部并且离开换热器壳的热端。冷却空气中两个流中的挡板都导致它 以总体上与发生炉气体反向的方式在换热器管中前后经过。给定的气 体鼓风机通常可以在更低的压力下生成空气的更大的流动。该实施例 的优点是极大地降低了沿着壳的两半的压降，这允许冷却空气鼓风机 以更低的动力要求生成更多的冷却空气。该更大的空气流还消除了对 于避免过高的排出空气温度而使用单独空气鼓风机的需要。在另一个 实施例中，冷却空气在换热器的中部附近进入并且部分冷却空气逆流 移动到热端并且其它部分顺流移动到冷端。该配置还允许给定鼓风机 具有冷却空气的更大吞吐量并且生成适于干燥给料的中间温度的空 气。
在一些实施例中，电加热的导管加热器可以设置在冷却空气进气 管道中，它会在气体发生器中的炭床点火之前将换热器预热到发生炉 气体的露点温度之上。在加热的空气经过换热器之后，它被临时地输 送到过滤器外壳中以辅助对过滤器外壳进行预热。另外，在点火之前， 空气被抽吸穿过气体发生器和换热器以在它进入过滤器外壳对它加热 之前对它进行预热。这些预防措施可以防止在起动过程中水冷凝在过 滤器介质上。在启动之后，导管加热器被断开。
在换热器的另一个非限制性实施例中，冷却流体是水或乙二醇/ 水溶液。通过与空气冷却换热器一样的冷管板中相同类型的密封，可 以允许各个管在温度作用下自由地膨胀。水冷换热器海在气体发生器 点火之前预热以防止水从发生炉气体中冷凝出来。一些已知系统要求 在旋风分离器冷却之前去除它们中夹带的炭颗粒，在本发明的一些实 施例中，不会在冷却之前去除夹带的炭和灰粒。夹带的炭和灰的小颗 粒的大的表面积可以用作冷却气体中冷凝的少量残留焦油蒸汽的凝结 核。在一些示例性实施例中，夹带的炭颗粒在经过换热器而被冷却时 会在它们的表面上吸收残留的焦油。
较大的炭和灰粒也可以具有刮擦作用，从而可以在焦油、游离炭 和灰沉积物被发生炉气体的湍流夹带时保持传热表面上没有这些物 质。在当前已知的包括在具有旋风分离器的换热器之前去除较大炭颗 粒的途径中，与在此描述的实施例相比，换热器管通常需要被更加频 繁地清洁。在一些实施例中，来自换热器的加热的空气或流体可以用 于干燥生物量或有机给料或是用于其它低温加热应用。
气体过滤
在一些当前气体发生器实施例中，发生炉气体被制成具有低焦油 含量。具有其少量被吸附焦油的炭可以具有干燥、非粘性的外观。这 种结构允许过滤冷却气体以去除夹带的炭，生成适用于向内燃机供给 燃料而不用担心发动机中焦油沉积的清洁的发生炉气体。可以使用可 透过的过滤器将炭细屑从气体流中滤出。用于本发明的实施例的适当 的过滤器包括在2006年6月28日提交的申请号为____的公开未审 美国专利申请(Method and Apparatus for a Self-Cleaning Fluid Filter；代理编号为026353-000200US)，其内容在此引入作为参考。
气体使用
传统的内燃机、其它原动机例如涡轮机、燃料电池、斯特林发动 机或蜗杆式开幅器可以使用发生炉气体作为燃料。如果包括鼓风机或 是设置了喷射器，那么气体就可以同时在发动机中和气体燃烧器或火 舌管中燃烧。两个或多个气体发生器可以平行地垂直连接在一起以在 很宽的功率输出范围上高效地操作几台平行的原动机或燃烧器。该将 允许几个小型系统作为非常通用的大型系统进行响应，而不会有开发 这种大型系统的花费和风险。发动机可以与为燃烧器应用提供燃气的 鼓风机并联操作，因此提供热和功率同时不必回收发动机的废热。使 用该配置，发动机和燃烧器可以彼此独立地操作。对于系统启动，使 用机械鼓风机或气动喷射器起动气体发生器以提供穿过气体发生器系 统的抽力。由炭生成的第一气体的燃料值较低并且被送到火舌管中。 在一个非限制性实施例中，在火舌管设置了(例如，永久地)炽热的 电加热元件，从而一旦发生炉气体燃烧就自动点燃发生炉气体。在气 体发生器被点燃并且开始给料之后，发动机就可以很容易地使用发生 炉气体起动。
在一个非限制性实施例中，可以最初使用传统燃料使用发动机起 动系统，然后由系统控制从点火之前吸入纯粹的空气通过气体发生器 系统进入发动机自动地过渡到在气体发生器点火过程中吸入不可燃烧 的氧气已经耗尽的空气，再过渡到稳态操作过程中吸入易燃的发生炉 气体。该清洁的燃气可以用作给料来转换为氨水、醇类或费-托法合 成得到的液体燃料和化学制品。在一些实施例中，所生成的气体甚至 更适于转换为醇类或费-托法合成得到的液体，如果它是使用氧气而 不是空气制造的话(即，作为具有很少或没有氮含量的合成气)。
自动控制
在一些实施例中，整个系统由一个嵌入式可编程自动控制器(PAC) 控制，该可编程自动控制器又由远程设置的计算机控制，使用局域网 (LAN)或因特网进行通信。嵌入在控制程序中的是“专家”算法，“专 家”算法使系统以与专家人类操作者相同或类似的方式对改变的工艺 操作条件做出反应。这种改变的工艺操作条件包括改变进料湿度、发 动机载荷、穿过气体发生器的压降等等。该允许系统由兼职操作者来 操作和监视，他们的主要工作是周期性地重新装填进料储料仓。如果 系统出现严重的故障或是通过操作者的简单的命令，计算机就将以安 全的方式使系统停止运行。
在许多已知系统中，下吸式气体发生器中的温度在燃烧的热解区 域最高并且随着产物气体与炭床吸能地反应而降低。一些已知的系统 仅仅使用一或两级炭-空气喷射来提高炭床的温度。这会导致炭-空 气喷射点附近非常短的热区域。在本发明的一些实施例中，广泛的炭 -空气控制提供了独特的能力来将整个高度的炭床的温度保持在某些 温度下，这些温度足够高以使残留的焦油快速破裂并且将水蒸汽、二 氧化碳和炭转化为一氧化碳和氢，但是这些温度又足够低从而可以将 便宜的不锈钢用于气体发生器的构建，而不是使用特殊的金属或很重 的陶瓷。这会生成轻便的气体发生器，该气体发生器可以被迅速地升 高并且生成清洁的可用气体。通过操纵进入气体发生器顶部的空气和 喷射到炭床中的空气的相对量，燃烧热解区域的位置就可以被控制并 且补偿进料中大范围改变的湿度量。
在一些实施例中，可以设置极限以防止温度过高并且损坏气体发 生器以及温度过低而导致焦油经过气体发生器而没有破裂。计算机可 以自动地将气体发生器的下部保持在较高的温度下。当气体发生器中 局部温度特别高时，这通常是由于槽或“鼠穴”。更多地振动气体发 生器通常将趋于使鼠穴塌陷，导致上气体发生器中更低的温度。更多 地振动气体发生器还会填塞炭床并且增大其压降。控制系统将试图通 过磨碎炭并且移动更多的炭细屑通过炉篦来补偿更高的dP，这将导致 当炭床物料量减小时火焰前锋的降低。所以，如果系统检测到非常高 的温度，它就会自动地执行该额外的气体发生器振动，但是仅仅执行 有限数目的次数以避免过量的振动，这种过量的振动会填塞炭床或除 去太多的炭。在炉篦上高dP的另一个来源是岩石或渣块在炉篦上累积， 这将导致炉篦dP升高。这两种情形都可以通过自动控制系统较长持续 时间和/或以更短的间隔更多地起动炉篦机构来进行弥补。
发动机可以是发生炉气体穿过系统的原动机，而又在启动过程中 在初始的预热阶段之后发电。当发动机运行时，通过使用宽频带O2传感 器和单个燃烧空气蝶形阀，就可以控制空气/燃料比。控制废气中的O2 含量有助于遵从对于发电机系统的严格的排放标准并且助于通过形成 更大功率的燃料混合物得到更高的发动机效率。该燃烧空气阀可以是 微处理器控制的并且依靠安装在气体流以及空气流中的物质-空气- 流传感器以匹配通过任意合理功率范围的化学当量的混合物。该混合 物控制可以在软件内通过调节变量进行调整，如果需要排放物的进一 步降低的话。
维修
气体发生器可以被周期性地维护以从炉篦中去除例如由铁或不锈 钢制成的钉子、螺母、垫圈、螺钉或螺栓。在一些实施例中，气体发 生器首先被冷却并且净化以安全地除去包含一氧化碳的残留发生炉气 体。剩余的炭床因此就可以被安全地从气体发生器去除。如果炉篦需 要附加的清洁，就可以除去气体发生器法兰上的螺栓。图1A和1B显示 了，在一个非限制性的实施例中，然后可以使用安装在框架(107和108) 中具有流体泵和适当的阀门配置的液压缸106而将气体发生器109的上 部从下部111上升起。在一些实施例中，所有的四个液压缸106都与液 压软管内部连接，这样所有的四个液压缸就会同时升高。从一个位置， 操作者可以使用液压阀来传送加压液压液体以给液压缸提供动力，从 而将气体发生器109的上部从气体发生器111的下部抬起。或者，机构 可以被相互连接螺旋千斤顶或棘轮提供动力。气体发生器支承结构的 四个角柱由伸缩管构成，这样保持气体发生器的结构就非常稳定。在 单元被抬起之后为安全而插入的销的使用可以确保气体发生器不会意 外地落到操作者上，如同在意外地释放液压液体压力或泄漏的流体系 统可能出现的情形一样。
为了检查和清洁换热器管的内部，换热器冷端上的法兰可以在气 体发生器冷却并且发生炉气体已经从系统中清除之后很容易地移除。 如果换热器管需要清洁，则可以使用安装在长杆上的圆钢丝刷。该清 洁杆可以被电机驱动以旋转它，就和现有技术一样。如果需要接近换 热器的热端，则可以移除设置在与气体发生器的气体出口相隔180°的 另一个法兰，而不需要将气体发生器从换热器上拆除。这允许穿过充 分冷却的进入端口完全接近换热器管的内部以允许使用弹性衬垫材 料。为了从气体发生器底部除去并未夹带到换热器中的重颗粒(例如， 小岩石)的沉积物，图1显示了在气体发生器的下芯部111处设置了清 洁出口110。该清洁出口还提供了从热端清洁换热器管的通路。
图5显示了非限制性实施例中数据采集和控制系统590的总体配置 和指示。热电偶500可以在系统中广泛地使用来监视温度。进料501气 化地进入干燥器502并且由速度由控制器504控制的电动机505移动穿 过干燥器。在干式进料仓507顶部的水平传感器506开启干燥器电动机， 这是保持干式进料仓中完全充满干燥的进料所需的。在气体发生器509 顶部附近的类似的水平传感器508会启动进料电动机510以将给料从干 式进料仓507移动到气体发生器509中。在气体发生器509的顶部是进料 闸门511，它在气化操作过程中保持打开。初级气化空气512还通过打 开的进料闸门511进入。进料闸门511在气化操作过程中由电磁铁保持 打开。电动振动器513周期性地振动气体发生器以安置(settle)炭床 和新鲜进料。振动的频率由电动机控制器514控制。空气鼓风机515对 歧管加压，该歧管向五个可控阀516中分配次级气化空气。在气体发生 器底部附近，炉篦摇动器517周期性地启动以基于沿着气体发生器和炉 篦且由压力传感器518测量的压降从气体发生器中除去炭和灰。
发生炉气体和夹带的炭在经过气冷换热器519时被冷却。冷却空气 的流速由鼓风机电动机520的转速控制，该鼓风机电动机520由电动机 控制器521通过可编程自动控制器(PAC)基于离开换热器519的发生炉 气体的温度进行控制。穿过换热器519的压降通过使用压力传感器522 进行监视。冷却的发生炉气体然后进入过滤器外壳523。过滤器外壳包 含多个平行的过滤袋。通往每个过滤袋的气流由多个设置在来自每个 过滤袋的气流通过的各个管中的阀524进行控制。当该阀关闭时，过滤 袋经历其清洁周期。一部分袋可以在任意一个时间被清洁，从而允许 系统的连续操作。压力换能器525监视穿过过滤器的压降。炭和灰下降 到过滤器外壳523的底部，在这里它可以被螺旋推运器526连续地移动 到炭仓527中用于处理或销售。
过滤的气体经过流量计528，通过使用来自热电偶和压力传感器 529的数据测量发生炉气体的流速。氧传感器530被用于检测发生炉气 体中氧的不安全层级。三通管被用于使气流转向至发动机/发电机组 541或是通过止回阀531到发生器-气体鼓风机532到火舌管533。火舌 管上的点火器534确保发生炉气体在火舌管533上燃烧。电动机和电动 机控制器535通过控制计算机指导而控制进入火舌管的流动发生炉气 体。进入发动机/发电机组541的发生炉气体由发动机的调速器538响应 发动机载荷和歧管气压传感器540而进行控制。废气中的氧含量通过氧 传感器542进行监视。来自该氧传感器542的信号被用于使用阀536控制 燃烧空气539的流量。燃烧空气539的流量通过流量计537进行监视。热 的废气经过催化转化器543以降低不希望的排放物，例如CO、碳氢化合 物和NOx。废气在换热器544中冷却以回收废热该废热与由发动机冷却 极回收的废热结合。热的液体冷却剂被发送至热负荷545。过量的热由 气冷换热器546从液体冷却剂中除去。热电偶监视出入热负荷545和换 热器546的液体冷却剂的温度。
在该系统实施例的启动过程中，电预热器547会加热进入换热器 519的空气。离开换热器519的热空气被转向至过滤器外壳523以将它加 热到发生炉气体的露点温度之上。另外，所有电预热器548会预热过滤 器外壳523。在预热已经完成之后并且气体发生器正在操作时，来自换 热器的热空气经过干燥器502来干燥进料501。一旦不需要给料干燥， 比例阀549就将热空气550倾泻到环境中。基于热电偶读数，冷却用空 气添加到热空气中以将温度降低到低于会过度加热干燥生物量的温 度，从而避免形成“蓝霾”或是可能点燃干燥器中的进料。冷却用空 气的流速是由电动机控制器551改变的，它控制驱动冷却用空气鼓风机 553的电动机552的转速。如果进料非常干燥，水556就会喷射到气体发 生器509的顶部以控制热解火焰前锋。在压力下的水556由泵555供给喷 雾嘴557。
联网系统
图6显示了依照本发明的一些实施例的高度自动的模块化分布式 体系结构600如何使自身操作生物量发电系统网络。位于远处位置的中 心服务器系统601能够通过通信系统例如无线网络或陆上线路控制分 布式客户系统602。每个分布式客户系统继而连接到它自己的现场生物 量发电系统603上。图7显示了依照本发明的一个实施例的体系结构 600’，它包括连接到服务器客户系统601’上的现场分布式客户系统 602’以及过程自动化控制器604’，其中过程自动化控制器604’控制组 成完整的现场燃气发电机系统的五个主要模块(气体发生器509’、进 料电动机510’、换热器519’、气体过滤器523’和燃气应用设备541’) 中的每一个。这些模块或设备被控制以实现期望的参数例如温度、压 力、功率输出等。例如，过程自动化控制器604’可以包含或提供指令 以响应在气体发生器中检测到的温度来调节热解区域的位置。这可以 涉及改变进入每层级腔室的炭空气的量、改变振动时间表和改变炉篦 时间表。在一些实施例中，为了沿向上方向移动热解区域的位置，控 制器可以指导系统的各个部件来减少炭空气、减少振动时间并且减少 炉篦操作。在某些情形下，更干燥的木头或其它进料的使用会使热解 区域向上移动。类似地，响应进料中的湿度变化，过程自动化控制器 可以提供指令来调节系统的参数，从而稳定气体发生器的操作，例如 通过改变热解区域的位置。图8显示了依照本发明的一个实施例的体系 结构600″，它包括与服务器客户系统601″连接的分布式客户系统602″， 服务器客户系统601″具有控制下至部件级的能力，在这种情形下为气 体发生器模块509″内的五个电动设备(振动器513″、炭空气鼓风机 515″、炉篦517″、产物气体鼓风机518″和黑钨矿杆554″)。这些模块 或设备被控制以实现期望的参数，例如温度、压力、功率输出等，其 方式类似于上文相对于过程自动化控制器所述。该特征可以用于监视 性能并且用于以适时的方式更新算法。
图9提供了依照本发明的实施例的分层下吸式气体发生器900的图 示。初级氧化剂901和进料902均在顶部进入气体发生器，在气体发生 器中形成一层新鲜进料903。在新鲜进料903下方是干燥区域904，进料 在此处被加热并且失去水蒸气成为初级燃烧空气。当干燥的进料被进 一步加热时，它会热解并且释放热有机蒸汽，有机蒸汽被点燃并且由 初级空气901在燃烧的热解区域905中部分地燃烧。在进料被完全热解 成炭之后，它进入炭氧化区域906，在其中添加辅助氧化剂907以使炭 氧化并且在炭氧化区域906中保持高温。这些温度足够高，这样炭就会 由于水蒸汽和二氧化碳反应的吸热反应而发生一些氧化以形成氢和一 氧化碳。气体中残留的焦油就会在炭氧化区域906中分解和氧化。可能 会希望防止燃料床中出现缺少固体含碳材料的区域，例如在区域906和 908中，因为这种空隙会扰乱温度和气流，导致焦油形成的显著增加乃 至一些情形下导致气化过程的停止。生成的气体909夹带残留的炭和灰 910以作为单个流离开气体发生器的底部。
实例1
在具有20英寸的直径并且五个炭-空气喷射层级之间具有6英寸 间隔的气体发生器中，使用具有一英寸(2.5厘米)的标称尺寸的软木 屑。在实验过程中，空气干燥的木屑的湿度含量在7％和8％之间改变。 换热器和过滤器在开始点燃炭床之前预热50分钟。
在气体发生器的最低层级中的一个短炭-空气喷射管被去除以提 供打开的端口来用于点火。当机械鼓风机提供系统上的吸力并且使空 气流动通过它时，手持式丙烷火炬被用于点燃在该单炭-空气管位置 处的炭。然后炭-空气喷射管被再次插入。炭床的点燃会沿着气体发 生器迅速地向上和水平地传播。在点燃炭的七分钟后，较低的三个炭 -空气喷射层级达到800℃以上，然后木屑进料器起动。发生炉气体的 流速由鼓风机通常保持在135和140Nm3/h之间。在该试运行期间，发动 机由发生炉气体起动并且使用三相发电机在一段很短的时间内生成41 kWe。在运行的多数时间内，发生炉气体在涡流燃烧器中燃烧，且具有 在白天可见的火焰。
炭-空气到每个层级的流动由用于每个层级的计算机速度控制的 各个鼓风机自动进行调节。所有50个炭-空气喷射管均装备有热电偶， 且连接点靠近热电偶套管中管的封闭端。在实现稳态之后，在层级1(顶 部附近)测量的十个温度的平均值大约为750℃，在层级2大约是860℃， 在层级3大约是940℃，在层级4大约是910℃，并且在层级5大约是960 ℃。炉篦温度大约为870℃。通过炉篦的压降相对恒定地保持在小于1 英寸的水柱处。
在该运行中使用的壳管式换热器在壳中具有传统的完全逆流的冷 却空气，具有单个入口和出口。当发生炉气体处在135Nm3/h下时，速 度控制的冷却鼓风机通常在可能的60Hz范围之外在大约53Hz下运行以 将发生炉气体从783℃冷却到110℃。通过换热器的管侧的压降相对恒 定地保持在大约0.9英寸的水柱处。过滤器系统使用5个过滤器，其中4 个有源过滤器和在清洁周期中使用的第五个过滤器。过滤袋的直径为 18英寸并且长度是30英寸。在该3个小时的试验过程中，通过该过滤器 系统的压降保持稳定在二和三英寸的水柱之间。在该试验过程中，手 持式喷雾系统(宅园喷雾器)被用于控制六个场所上的火焰前锋。
干燥的发生炉气体的典型组成是大约18％的CO、10％的CO2、11/2％的 甲烷和16％的氢，且剩余部分为氮气。两个气体的10-ft3采样在过滤器 后面获取并且确定具有13ppm和21ppm的可溶于丙酮的焦油和小于 10ppm的不能溶于丙酮的颗粒，这些值被认为是非常低。在大约三个多 小时的时间内供给总共129千克的干燥木屑。回收的炭的称重为0.73千 克，成品率为0.57％。
实例2
该试验中的许多参数与实例1中的试验类似，然而，发动机被操作， 在海平面上5720英尺的高度处使用135Nm3/h的发生炉气体发电以满足 49.4kWe的负载。如果发动机处在海平面上，就校正大气压力比，就会 在相应地更高的发生炉气体流速下期望60.9kWe的功率输出。
气体发生器通过将所有五个短指状物从最低的炭-空气喷射层级 上除去而被点火。当发生炉气体鼓风机穿过系统吸入空气时，手持式 丙烷火炬被用于通过容纳短的炭-空气喷射管的五个开口的端口点燃 炭床。在该运行中使用的木头的湿度含量被测量并且发现它在9％和14％ 之间改变。在该运行中的干燥的气体组成通常为20％的CO、10％的CO2、 3％的甲烷和18％的氢，且具有剩余的氮气。
实例3
该试验中的许多参数也类似于实例2中的试验，然而，仅仅两个短 的炭-空气喷射管被去除以使用手持式丙烷火炬点火。点火看上去似 乎迅速地向上穿过炭床传播，几乎就好像是气体发生器已经在五个位 置点火而不是仅仅在两个位置点火一样。在该运行中，进料的湿度含 量在7和12％之间改变。在该运行的稳态部分中，在超过146分钟的周期 中生成135Nm3/h的发生炉气体时，供给了99.6千克的干燥的木屑。这 就是40.9千克湿木屑/小时的给料速率。基于实例2中发动机/发电机组 生成的49.4kWe，该系统每kWeh需要0.75千克的干燥木头。
实例4
在该试验之前，电黑钨矿杆已经通过其自己的端口永久地安装在 炭-空气喷射管的低位中。在换热器和过滤器已经被加热直至防止水 在过滤器上凝聚并且火舌管附近的鼓风机导致空气流经气体发生器之 后，黑钨矿杆被计算机远程并且自动地通电以点燃炭床。在计算机已 经检测到炭床点燃之后，黑钨矿杆被自动地关闭以避免过热。炭床被 令人满意地点火并且其后不久就开始供应。
木屑的湿度含量在2.5％到14.1％(湿基准)之间变动。该运行中使 用的木屑是白杨和花旗松的混合物，该混合物有时候会包含小石头。 这些石头堆积在气体发生器中和炉篦上，它们在此处会助于沿着气体 发生器和沿着炉篦的压降的瞬时增大。
通过增大往复运动的炉篦机构启动的时间的百分比，系统能够返 回沿着炉篦的相对低的压降，很显然地是通过打碎岩石直到它们足够 小以穿过炉篦。在炉篦下方紧挨着尺寸为大约4毫米或更小的小岩石的 小堆积物，即足够小以穿过金属丝网炉篦。沿着炉篦的压降在0.5 in.W.C.(当炉篦看上去相对没有岩石时)和超过21/2in.W.C.(当炉篦 看上去具有暂时堆积的岩石时)之间变化。
在发生炉气体流速为90至132Nm3/h的这一48小时的运行过程中， 穿过换热器的压降相对恒定地保持在0.4至0.8in.W.C，并且穿过过滤 器的压降在大约1.8和2.9in.W.C之间。影响压降的主变量是发生炉气 体的流速。当操作喷雾器以控制该干燥进料的火焰前锋时，需要发生 炉气体具有较高的流速。在这一次的过程中，发动机/发电机组主要被 操作来在海平面之上5720英尺的高度处生成39kWe，虽然它可以在短时 间内输出多达45kWe。(针对海平面上的大气压进行校正，发动机在该 运行过程中主要生成48kWe的当量并且可以在短时间内生成多达56 kWe。)
实例5
该试验中的许多参数类似于实例4中的试验。在该25小时的持久运 行中，木屑相对较湿，当它们来自干燥器并且进入气体发生器时，它 们的湿度含量会在6.4％和33.1％(湿基准)之间改变。计算机控制的气 体发生器能够将气体发生器中火焰前锋的位置自动地保持在炭-空气 喷射的最高层级附近。较低的三个层级的炭-空气喷射和炉篦中的温 度在该运行过程中保持在800℃和900℃之间，仅具有瞬时的例外。发 生炉气体组分趋于具有比正常更高浓度的二氧化碳和甲烷，但是具有 更低的一氧化碳水平。较高的甲烷被认为是由气体发生器中由于湿气 的冷却效应造成的略低的温度导致的。额外的二氧化碳看上去是由水 和一氧化碳形成二氧化碳和氢的水煤气变换反应生成的。
虽然在此已经公开了特定的系统、设备和方法实施例，但是对于 本领域的技术人员而言，通过前面的公开，很显然，可以做出这些实 施例的变化、变体、可选构造和等效物而不脱离本发明的真正精神和 范围。因此，上面的说明不应被理解为限制由所附权利要求书限定的 本发明的范围。