專利名稱：用于從氣化器產(chǎn)生的合成氣中去除細(xì)小微粒的系統(tǒng)的制作方法
用于從氣化器產(chǎn)生的合成氣中去除細(xì)小微粒的系統(tǒng)
背景技術(shù)：
本文公開(kāi)的主題涉及氣化系統(tǒng)，且更具體而言，涉及改進(jìn)的微粒去除系統(tǒng)和方法。整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動(dòng)力設(shè)備能夠從多種含碳給料一諸如煤或天然氣一比較清潔地且高效地產(chǎn)生能量。IGCC技術(shù)可將含碳給料通過(guò)在氣化器中與氧氣和蒸汽反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物，即合成氣。這種動(dòng)力設(shè)備典型地是清潔的，且產(chǎn)生用于在下游應(yīng)用中用作燃料的氣體。然而，由氣化器產(chǎn)生的氣體混合物典型地包含很大量的微粒，其可包括無(wú)機(jī)污染物和未轉(zhuǎn)化的有機(jī)材料。不幸的是，這些微粒必須典型地在可使用合成氣之前用水洗出，用陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾出，使用旋風(fēng)分離器來(lái)消除，或通過(guò)另一種方法去除。此外，所丟棄的未反應(yīng)的含碳微?？山档瓦@種氣化系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化效率
發(fā)明內(nèi)容

以下概述了在范圍方面與最初要求保護(hù)的本發(fā)明相稱的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例并不意圖限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍，而是相反，這些實(shí)施例僅意圖提供對(duì)本發(fā)明的可行形式的簡(jiǎn)要概述。事實(shí)上，本發(fā)明可包括可類似于或者不同于下文所闡述的實(shí)施例的各種各樣的形式。在第一實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括氣化器,其包括具有第一入口、第一出口和第一內(nèi)部體積的第一外殼。該第一入口構(gòu)造成以便將燃料給料接收到第一內(nèi)部體積中，且第一出口構(gòu)造成以便輸出合成氣離開(kāi)第一內(nèi)部體積。等離子體焰炬設(shè)置在第一出口下游或設(shè)置在第一出口附近的區(qū)域中，且該區(qū)域至少小于第一內(nèi)部體積的大約30%。在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括合成氣微粒去除器，其包括等離子體焰炬。該等離子體焰炬構(gòu)造成以便熔化來(lái)自氣化器的合成氣中的無(wú)機(jī)微粒，且使來(lái)自氣化器的合成氣中的有機(jī)微粒反應(yīng)。在第三實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括微粒去除器，其包括等離子體焰炬。該等離子體焰炬構(gòu)造成以便從氣化器下游的流體中去除微粒物質(zhì)。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相似的符號(hào)在所有圖中表示相似的部件，其中
圖I是具有微粒去除系統(tǒng)的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動(dòng)力設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的框
圖2是包括獨(dú)特的微粒去除系統(tǒng)的如圖I所示的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，該微粒去除系統(tǒng)包括等離子體焰炬系統(tǒng)；
圖3是圖I所示的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，其包括基于非等離子體的氣化器下游的獨(dú)特的等離子體氣化器；
圖4是圖I所示的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，其包括合成氣冷卻器下游的獨(dú)特的等離子體氣化器；圖5是圖I所示的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，包括氣體清潔單元下游的獨(dú)特的等離子體氣化器；
圖6是圖I所示的氣化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖，包括沿著將氣化器聯(lián)接到合成氣冷卻器的導(dǎo)管設(shè)置的獨(dú)特的等離子體系統(tǒng)；
圖7是包括多個(gè)會(huì)聚的等離子體流的獨(dú)特的等離子體氣化器的一個(gè)實(shí)施例的截面?zhèn)纫? 圖8是沿著圖7的線8-8得到的等離子體氣化器的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，示出了具有會(huì)聚的等離子體流的獨(dú)特的等離子體焰炬系統(tǒng)；且
圖9是沿著圖7的線8-8得到的等離子體氣化器的一個(gè)實(shí)施例的截面圖，示出了具有會(huì)聚的等離子體片的獨(dú)特的等離子體焰炬系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面將對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行描述。為了致力于提供對(duì)這些實(shí)施例的簡(jiǎn)明描述，可能不會(huì)在說(shuō)明書(shū)中對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須作出許多對(duì)實(shí)現(xiàn)而言專有的決定來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)有關(guān)及與商業(yè)有關(guān)的約束，開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)可在不同的實(shí)現(xiàn)之間彼此有所改變。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這種開(kāi)發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，但盡管如此，對(duì)受益于本公開(kāi)的那些普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這種開(kāi)發(fā)工作將是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的例行任務(wù)。當(dāng)引用本發(fā)明的不同實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”以及“所述”意圖
表示存在元件中的一個(gè)或多個(gè)。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”以及“具有”意圖為包括性的，且表示可存在除了所列的元件之外的另外的元件。如下文所討論的，微粒去除系統(tǒng)的實(shí)施例使用聚集能量(例如，等離子體能量)來(lái)處理來(lái)自氣化器的生成物(resultant)流體流。如本文所使用，聚集能量至少大于大約5MJ/m3。例如，聚集能量可介于大約10MJ/m3至70MJ/m3之間。為了進(jìn)一步示范，在一個(gè)實(shí)施例中，等離子體可具有大約50MJ/m3的能量密度。本文所述的聚集能量系統(tǒng)可包括能夠產(chǎn)生和引導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)聚集能量束或片的一個(gè)或多個(gè)聚集能量裝置。例如，微粒去除系統(tǒng)可包括等離子體焰炬系統(tǒng)，其構(gòu)造成以便將來(lái)源于一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬的一個(gè)或多個(gè)等離子體流引導(dǎo)到流體流上。以這種方式，聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬)可例如通過(guò)使得無(wú)機(jī)微粒熔化且使有機(jī)微粒反應(yīng)而導(dǎo)致流體組分改變。因此，等離子體焰炬可能能夠在惰性氣體傳送通過(guò)焰炬時(shí)保持高達(dá)大約5000°C的內(nèi)部溫度。例如,等離子體焰炬中的內(nèi)部溫度可至少大于大約2000°C、3000°C、4000°C或5000°C。如本文所用，等離子體可定義為能夠達(dá)到足以熔化無(wú)機(jī)微粒和/或使有機(jī)微粒反應(yīng)的溫度的任何部分地離子化的氣體。此夕卜，等離子體焰炬，如本文所用，可定義為能夠產(chǎn)生通過(guò)其噴嘴的被引導(dǎo)的等離子體流的任何裝置。微粒去除系統(tǒng)的前述特征可有助于提高相關(guān)聯(lián)的氣化系統(tǒng)中的碳轉(zhuǎn)化效率，因?yàn)樵跉饣髦械幕诜堑入x子體的氣化之后保持未反應(yīng)的有機(jī)微粒仍然可在微粒去除系統(tǒng)中反應(yīng)。因此，本文所述的獨(dú)特的微粒去除系統(tǒng)可允許氣化系統(tǒng)從給料供應(yīng)產(chǎn)生最大量的可用的合成氣。此外，因?yàn)闊o(wú)機(jī)副產(chǎn)物的高密度，微粒去除系統(tǒng)可有助于可用的合成氣更容易地與其污染物分離。
在某些實(shí)施例中，微粒去除系統(tǒng)可包括具有設(shè)置在等離子體氣化室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)聚集能量源(例如，等離子體焰炬)的等離子體氣化器。等離子體焰炬可引導(dǎo)等離子體流朝向通過(guò)等離子體氣化室的流體流。例如，等離子體氣化器可包括外殼，其具有聯(lián)接到該外殼的一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬。在這種實(shí)施例中，等離子體焰炬可被引導(dǎo)朝向彼此，以大體使等離子體流會(huì)聚。此外，等離子體焰炬中的一個(gè)或多個(gè)可定位成以便在與流體流的下游方向相反的上游方向上引導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)等離子體流。在其它實(shí)施例中，等離子體焰炬系統(tǒng)可設(shè)置在基于非等離子體的氣化器的下部區(qū)域(例如，下游區(qū)域)中。例如，等離子體焰炬可位于氣化器的第一出口附近的區(qū)域中，該區(qū)域至少小于氣化器的內(nèi)部體積的大約30%。為了進(jìn)一步示范，微粒去除系統(tǒng)可聯(lián)接到合成氣冷卻器的出口，氣體清潔單元的下游，或氣化系統(tǒng)中的任何其它合適的位置。圖I是可產(chǎn)生和燃燒合成氣體一即合成氣一的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施例的圖解。IGCC系統(tǒng)100的元件可包括燃料源101，諸如可用作用于IGCC的能量源的固體給料。燃料源101可包括煤、石油焦炭、生物量、木基材料、農(nóng)業(yè)廢料、焦油、焦?fàn)t氣體和浙青，或其它含碳的物品。雖然始終在IGCC系統(tǒng)100的上下文中示出了微粒去除系 統(tǒng)的實(shí)施例，但本文所公開(kāi)的微粒去除系統(tǒng)可用于各種各樣的類型的使用或產(chǎn)生合成氣的設(shè)備中的任意設(shè)備中。例如，微粒去除系統(tǒng)可用于產(chǎn)生CO、氫氣、甲醇、氨或任何其它化學(xué)物或燃料產(chǎn)物的任何設(shè)備中。也就是說(shuō)，本文所述的微粒去除系統(tǒng)可與除IGCC設(shè)備之外的設(shè)備一起使用。此外，在一些實(shí)施例中，可在沒(méi)有功率生成(例如，發(fā)電機(jī))的情況下使用微粒去除系統(tǒng)。燃料源101的固體燃料可傳送到給料制備單元102。給料制備單元102可例如通過(guò)對(duì)燃料源101進(jìn)行切、磨、破碎、粉化、壓塊或者制粒來(lái)對(duì)該燃料源101重設(shè)大小或者重設(shè)形狀，以產(chǎn)生給料。另外，水或者其它合適的液體可在給料制備單元102中添加到燃料源101，以產(chǎn)生漿料給料。在其它實(shí)施例中，沒(méi)有液體添加到燃料源，從而實(shí)現(xiàn)干燥給料。給料可從給料制備單元102傳送到氣化器104。氣化器104可將給料轉(zhuǎn)化成合成氣，例如一氧化碳和氫氣的組合。取決于所使用的氣化器104的類型，該轉(zhuǎn)化可通過(guò)使給料經(jīng)歷處于升高的壓力(例如，大約20巴(bar)到85巴)和溫度(例如大約700°C到1600°C)的受控的量的蒸汽和氧氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣化過(guò)程可包括使給料經(jīng)歷高溫分解過(guò)程，由此給料被加熱。在高溫分解過(guò)程期間，取決于用來(lái)產(chǎn)生給料的燃料源101，氣化器104內(nèi)的溫度的范圍可為從大約150°C到700°C。高溫分解過(guò)程期間對(duì)給料的加熱可產(chǎn)生固體(例如炭)和殘余氣體(例如一氧化碳、氫氣和氮?dú)?。從來(lái)自高溫分解過(guò)程的給料中剩余的炭可僅重達(dá)初始給料的重量的大約30%。然后可在氣化器104中發(fā)生燃燒過(guò)程。燃燒可包括將氧氣引入到炭和殘余氣體。炭和殘余氣體可與氧氣反應(yīng)來(lái)形成二氧化碳和一氧化碳，這為隨后的氣化反應(yīng)提供熱量。燃燒過(guò)程期間的溫度可在從大約700°C到1600°C的范圍中。接下來(lái)，可在氣化步驟期間將蒸汽引入氣化器104中。炭可與二氧化碳和蒸汽反應(yīng)來(lái)在大約800°C到1100°C的范圍中的溫度處產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。實(shí)質(zhì)上，氣化器使用蒸汽和氧氣來(lái)允許給料中的一些被〃燃燒"而產(chǎn)生一氧化碳以及釋放能量，這會(huì)驅(qū)動(dòng)將另外的給料轉(zhuǎn)化成氫氣和另外的二氧化碳的第二反應(yīng)。以這種方式，由氣化器104制造生成物氣體。該生成物氣體可包括比例相同的大約85%的一氧化碳和氫氣，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (基于給料的硫含量)。該生成物氣體可稱為臟合成氣，因?yàn)樗鏗2S。氣化器104還可產(chǎn)生廢料，諸如渣109，其可為濕灰材料。該渣109可從氣化器104去除，并且被處置，例如，被處置為路基或者另外的建筑材料。微粒去除系統(tǒng)106可聯(lián)接到IGCC系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件一諸如在具有氣化器104和氣體清潔單元110的區(qū)域107內(nèi)。例如，微粒去除系統(tǒng)106可聯(lián)接到氣化器104的下游部分，或氣化器104的出口的下游。通過(guò)進(jìn)一步的示例，微粒去除系統(tǒng)106可聯(lián)接到合成氣冷卻器、氣體清潔單元110、水處理單元或IGCC系統(tǒng)100中的任何其它構(gòu)件。換句話說(shuō)，微粒去除系統(tǒng)106設(shè)置在氣化器104的主氣化區(qū)(例如，非等離子體氣化)下游。微粒去除系統(tǒng)106包括聚集能量系統(tǒng)，諸如等離子體焰炬系統(tǒng)108。聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108)可提供聚集高能束，諸如具有大約50MJ/m3的能量密度的束。等離子體焰炬系統(tǒng)108可包括一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬，其構(gòu)造成以便從氣化器104的主氣化區(qū)下 游的流體(例如，臟合成氣)中去除微粒物質(zhì)。也就是說(shuō)，等離子體焰炬系統(tǒng)108構(gòu)造成以便熔化由氣化器104制造的生成物氣體中的無(wú)機(jī)微粒以及使由氣化器104制造的生成物氣體中的有機(jī)微粒反應(yīng)。在某些實(shí)施例中，無(wú)機(jī)微粒和有機(jī)微?？删哂行∮诖蠹s80_的平均顆粒直徑。例如,微?？删哂薪橛诖蠹s500微米到IOOmm之間的平均顆粒直徑。一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬可為能夠產(chǎn)生適用于氣化過(guò)程的等離子體的任何焰炬。例如，等離子體焰炬可包括能夠接收電能和產(chǎn)生電弧的兩個(gè)電極。等離子體焰炬可能能夠在使惰性氣體穿過(guò)電弧時(shí)保持高達(dá)大約5000°C的內(nèi)部溫度。例如,等離子體焰炬中的內(nèi)部溫度可至少大于大約2000°C、3000°C、4000°C或5000°C。前述構(gòu)件可有利于提高IGCC系統(tǒng)100中的碳轉(zhuǎn)化效率，因?yàn)樵跉饣?04中的氣化之后保持未反應(yīng)的有機(jī)微粒仍然可在微粒去除系統(tǒng)106中反應(yīng)。這可使得IGCC系統(tǒng)100能夠最大化從給料產(chǎn)生的可用的合成氣的量。此外，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，這樣的系統(tǒng)106和108可產(chǎn)生更致密的無(wú)機(jī)副產(chǎn)物，從而有利于使可用的合成氣與其污染物更容易地分離。氣體清潔單元110構(gòu)造成以便清潔來(lái)自氣化器104的臟合成氣。氣體清潔單元110可洗滌臟合成氣來(lái)從臟合成氣去除HC1、HF、COS、HCN和H2S,其可包括通過(guò)例如硫處理器112中的酸性氣體去除過(guò)程在該硫處理器112中分離出硫111。此外，氣體清潔單元110可通過(guò)水處理單元114從臟合成氣分離出鹽113，水處理單元114可利用水凈化技術(shù)來(lái)從臟合成氣產(chǎn)生可用的鹽113。在某些實(shí)施例中，水處理單元114包括微粒去除系統(tǒng)106和/或等離子體焰炬系統(tǒng)108。結(jié)果，來(lái)自氣體清潔單元110的氣體可包括干凈的合成氣(例如，硫111已經(jīng)從合成氣去除)，其具有痕量的其它化學(xué)物，例如NH3(氨)和CH4(甲烷)。氣體處理器116可用來(lái)從干凈的合成氣去除殘余氣體成分117，諸如氨和甲烷以及甲醇或任何殘余化學(xué)物。然而，從干凈的合成氣去除殘余氣體成分117是可選的，因?yàn)楦蓛舻暮铣蓺饧幢闶窃诎瑲堄鄽怏w成分117 (例如廢氣)時(shí)也可用作燃料。在這一點(diǎn)上，干凈的合成氣可包括大約40%的CO、大約55%的H2,以及大約3%的CO2,且基本脫去了 H2S。該干凈的合成氣可作為可燃燃料傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120，例如燃燒室。此夕卜，CO2可在傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)之前從干凈的合成氣去除。IGCC系統(tǒng)100可進(jìn)一步包括空氣分離單元(ASU) 122。ASU122可起作用來(lái)通過(guò)例如蒸餾技術(shù)將空氣分離為成分氣體。ASU122可從自輔助空氣壓縮機(jī)123供應(yīng)到它的空氣中分離出氧氣，且ASU122可將分離出的氧氣傳遞到氣化器104。另外，ASU122可將分離出的氮?dú)鈧鬏數(shù)较♂尩獨(dú)?DGAN)壓縮機(jī)124。DGAN壓縮機(jī)124可將從ASU122接收的氮?dú)庵辽賶嚎s到與燃燒器120中的壓力水平相同的壓力水平，以便不干涉合成氣的合適的燃燒。因此，一旦DGAN壓縮機(jī)124已經(jīng)充分地將氮?dú)鈮嚎s到合適的水平，DGAN壓縮機(jī)124就可將壓縮氮?dú)鈧鬏數(shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120。例如，氮?dú)饪捎米飨♂寗﹣?lái)有助于控制排放。如之前所述的，壓縮氮?dú)饪蓮腄GAN壓縮機(jī)124傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118可包括渦輪130、驅(qū)動(dòng)軸131和壓縮機(jī)132，以及燃燒器120。燃燒器120可接收可在壓力下從燃料噴嘴噴射的燃料，諸如合成氣。該燃料可與壓縮空氣以及來(lái)自DGAN壓縮機(jī)124的壓縮氮?dú)饣旌希⑶以谌紵?20內(nèi)燃燒。該燃燒可產(chǎn)生熱的加壓排氣。
燃燒器120可朝向渦輪130的排氣出口引導(dǎo)排氣。隨著來(lái)自燃燒器120的排氣穿過(guò)渦輪130，該排氣推動(dòng)渦輪130中的渦輪葉片來(lái)使驅(qū)動(dòng)軸131沿著燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的軸線旋轉(zhuǎn)。如圖所示，驅(qū)動(dòng)軸131連接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的多種構(gòu)件，包括壓縮機(jī)132。驅(qū)動(dòng)軸131可將渦輪130連接到壓縮機(jī)132以形成轉(zhuǎn)子。壓縮機(jī)132可包括聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)軸131的葉片。因此，渦輪130中的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)可使得將渦輪130連接到壓縮機(jī)132的驅(qū)動(dòng)軸131使壓縮機(jī)132內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)132中的葉片的該旋轉(zhuǎn)使得壓縮機(jī)132壓縮通過(guò)壓縮機(jī)132中的進(jìn)氣口接收的空氣。然后壓縮空氣可供給到燃燒器120，并且與燃料和壓縮氮?dú)饣旌希栽试S有更高效率的燃燒。驅(qū)動(dòng)軸131還可連接到負(fù)載134上，負(fù)載可為固定負(fù)載，諸如用于例如在動(dòng)力設(shè)備中產(chǎn)生電功率的發(fā)電機(jī)。事實(shí)上，負(fù)載134可為由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的旋轉(zhuǎn)輸出提供動(dòng)力的任何合適的裝置。IGCC系統(tǒng)100還可包括蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136和熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)138。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136可驅(qū)動(dòng)第二負(fù)載140。第二負(fù)載140也可為用于產(chǎn)生電功率的發(fā)電機(jī)。然而,第一負(fù)載134和第二負(fù)載140兩者可為能夠由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136驅(qū)動(dòng)的其它類型的負(fù)載。另外，雖然燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136可驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的負(fù)載134和140，如在示出的實(shí)施例中所示，但燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136還可串聯(lián)地使用，以便通過(guò)單個(gè)軸驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的具體構(gòu)造可為對(duì)于實(shí)現(xiàn)而言特定的(構(gòu)造)，且可包括任何段組合。系統(tǒng)100還可包括HRSG138。來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的被加熱的排氣可傳送到HRSG138中，且用于加熱水以及產(chǎn)生用來(lái)為蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136提供動(dòng)力的蒸汽。來(lái)自例如蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136的低壓段的排氣可被引導(dǎo)到冷凝器142中。冷凝器142可利用冷卻塔128來(lái)以被加熱的水與冷卻水交換。冷卻塔128起作用來(lái)為冷凝器142提供冷水，以便有助于冷凝從蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136傳輸?shù)嚼淠?42的蒸汽。來(lái)自冷凝器142的冷凝物又可被引導(dǎo)到HRSG138中。此外，來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的排氣也可被引導(dǎo)到HRSG138中，以加熱來(lái)自冷凝器142的水以及產(chǎn)生蒸汽。在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)一諸如IGCC系統(tǒng)100中，熱排氣可從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118流出且傳送到HRSG138，其中，其可用于產(chǎn)生高壓、高溫蒸汽。然后由HRSG138產(chǎn)生的蒸汽可傳送通過(guò)蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136以產(chǎn)生動(dòng)力。另外，所產(chǎn)生的蒸汽還可供應(yīng)到在其中可使用蒸汽的任何其它過(guò)程，諸如供應(yīng)到氣化器104。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118發(fā)生循環(huán)通常稱為“頂循環(huán)”，而蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136發(fā)生循環(huán)通常稱為“底循環(huán)”。通過(guò)如圖I所示結(jié)合這兩種循環(huán)，IGCC系統(tǒng)100可在兩個(gè)循環(huán)中產(chǎn)生更高的效率。特別而言，可捕獲來(lái)自頂循環(huán)的排氣熱量，并且其用來(lái)產(chǎn)生用于在底循環(huán)中使用的蒸汽。圖2是氣化系統(tǒng)或過(guò)程150的一個(gè)實(shí)施例的框圖，其包括具有聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108)的獨(dú)特的微粒去除系統(tǒng)106。氣化系統(tǒng)150可采用用于從液態(tài)烴、石油殘余物、焦炭或它們的組合產(chǎn)生合成氣體的部分氧化氣化過(guò)程(例如,Texaco氣化過(guò)程(TGP))。然而，微粒去除系統(tǒng)106可與各種各樣的其它類型的氣化過(guò)程一起使用。例如，微粒去除系統(tǒng)106可尤其適于與Shell Coal氣化過(guò)程(SCGP)、Conoco PhillipsE-氣體氣化過(guò)程以及Mitsubishi Heavy Industries (MHI)干給料氣化過(guò)程一起使用。所不的氣化系統(tǒng)150包括給料制備系統(tǒng)或過(guò)程152、氣化器104、合 成氣冷卻器154、灰或渣去除系統(tǒng)或過(guò)程156、微粒去除系統(tǒng)106以及氣體清潔單元110。所示的給料制備系統(tǒng)152包括構(gòu)造成以便接收水160和煤162的煤研磨機(jī)158、漿料罐164以及漿料泵166?；一蛟コ到y(tǒng)156包括閥168和170，以及收集和/或傳送渣109的一個(gè)或多個(gè)閉鎖式料斗172。氣體清潔單元110包括產(chǎn)生經(jīng)洗滌的合成氣176的水洗滌器174、閥178、黑水180以及再循環(huán)環(huán)路182。氣化器104包括第一入口 186、第一出口 188以及外殼190。外殼190限定了可在操作期間用作主氣化室的第一內(nèi)部體積192 (例如，上游部分)。距離194限定了第一內(nèi)部體積192的高度。氣化器104的下部區(qū)域196 (例如，下游部分)鄰近第一出口 188且由高度198限定。氣化器104的下部區(qū)域196可至少小于第一內(nèi)部體積192或氣化器104的整個(gè)體積的大約5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%或45%。第一導(dǎo)管200將氣化器104的第一出口 188聯(lián)接到合成氣冷卻器154的第二入口 202。外殼204限定了合成氣冷卻器154的第二內(nèi)部體積206。第二出口 208將合成氣冷卻器154聯(lián)接到第二導(dǎo)管210。第三出口212將合成氣冷卻器154聯(lián)接到灰或渣去除系統(tǒng)156。在所示的實(shí)施例中，氣化器104是適于在TGP中使用的夾帶流氣化器。也就是說(shuō)，在氣化期間，氣化器104的操作溫度可為大約1200°C到1500°C，且操作壓力可小于大約27到80 (巴)。因此，氣化器104可包括在操作期間用作被動(dòng)熱護(hù)罩的耐火襯套。這種耐火襯套可由能夠承受高達(dá)或大于大約500°C、1000°C、1500°C或甚至2000°C的溫度的各種各樣的耐火材料制成。也就是說(shuō)，耐火襯套可由在暴露于這種高溫時(shí)保持其預(yù)定的物理和化學(xué)特性的任何材料制成。用于在氣化器104中使用的合適的耐火材料可包括陶瓷(例如，黏土或礦物)，金屬(例如，鈦、鎢)，金屬陶瓷材料(即，陶瓷和金屬?gòu)?fù)合物)，或其它耐火材料(例如，二氧化硅、氧化鋁)。在本文所示和所述的氣化系統(tǒng)150的實(shí)施例中，氣化器104是夾帶流氣化器，其中生成物合成氣通過(guò)位于氣化器104的底部處的第一出口 188離開(kāi)氣化器104。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，本文所公開(kāi)的獨(dú)特的微粒去除系統(tǒng)106可與包括氣化器的各種各樣的其它氣化過(guò)程(其中出口并未設(shè)置在氣化器的底部部分中)一起使用。例如，所公開(kāi)的實(shí)施例可結(jié)合固定床氣化器或流化床氣化器來(lái)使用。在這種實(shí)施例中，通過(guò)氣化器的流的方向可向上，使得生成物合成氣可通過(guò)位于氣化器的頂部部分上或附近的出口離開(kāi)。為了進(jìn)一步示范，微粒去除系統(tǒng)106可與其它夾帶流氣化器一起使用，其中，該流穿過(guò)氣化器在大體向上的方向上建立。
微粒去除系統(tǒng)106包括等離子體焰炬系統(tǒng)108。圖2的微粒去除系統(tǒng)106可在氣化系統(tǒng)150內(nèi)位于各種各樣的位置。例如，微粒去除系統(tǒng)106可在第一出口 188附近位于氣化器104的下部區(qū)域196 (例如，下游部分)中，如箭頭214所示。在這種實(shí)施例中，等離子體焰炬系統(tǒng)108可包括設(shè)置在下部區(qū)域196的周邊周?chē)亩鄠€(gè)等離子體焰炬，或設(shè)置在下部區(qū)域196中的單個(gè)等離子體焰炬。換句話說(shuō)，微粒去除系統(tǒng)106可在主氣化區(qū)(例如基于非等離子體的氣化)下游位于基于非等離子體的氣化器104內(nèi)。為了進(jìn)一步示范，微粒去除系統(tǒng)106可在氣化器104的第一出口 188和合成氣冷卻器154的第二入口 202之間聯(lián)接到第一導(dǎo)管200，如箭頭216所示。在這種實(shí)施例中，包括在等離子體焰炬系統(tǒng)108中的一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬可位于第一導(dǎo)管200中或上。例如，多個(gè)等離子體焰炬可沿著第一導(dǎo)管200的壁定位。等離子體焰炬可按照適用于使合成氣中的無(wú)機(jī)微粒熔化且使合成氣中的有機(jī)微粒反應(yīng)的任何方式布置。例如，等離子體焰炬可指向彼此，使得從等離子體焰炬出現(xiàn)的多個(gè)等離子體流會(huì)聚在預(yù)定的點(diǎn)處。在另外的其它實(shí)施例中，微粒去除系統(tǒng)106可位于合成氣冷卻器154下游的任何合適的位置，如箭頭218所示。例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108可聯(lián)接到第二導(dǎo)管210，該第二導(dǎo)管210聯(lián)接到合成氣冷卻器154的第二出口 208。為了進(jìn)一步示范，等離子體焰炬系統(tǒng)108可直接聯(lián)接到合成氣冷卻器154。
在操作期間，給料制備系統(tǒng)152制備在水中按重量計(jì)為大約50%到70%的煤的漿料給料。具體而言，水160和煤162輸入煤研磨機(jī)158。煤研磨機(jī)158將煤162破碎成較小的顆粒且使顆粒與水160混合，以在水中形成煤漿料給料。然后漿料給料傳遞到漿料罐164，以便在使用前存儲(chǔ)。漿料泵166獲取(access)漿料罐164中的漿料給料，并且通過(guò)導(dǎo)管220將適用于在氣化過(guò)程150中使用的量傳遞到氣化器104。因此，漿料泵166可以連續(xù)模式(即，漿料泵166每分鐘供應(yīng)固定量的漿料給料)，步進(jìn)模式(即，漿料泵166以特定的時(shí)間間隔供應(yīng)預(yù)定的遞增量)，或任何其它合適的模式操作。此外，在某些實(shí)施例中，漿料泵166可接收來(lái)自位于氣化器104中或下游的一個(gè)或多個(gè)傳感器的反饋，并且響應(yīng)于這種反饋調(diào)節(jié)泵送的漿料給料的量。所示的實(shí)施例包括漿料給料系統(tǒng)，其中給料制備系統(tǒng)152制備煤的漿料給料。然而，在其它實(shí)施例中，給料制備系統(tǒng)152可為構(gòu)造成以便制備干給料的干給料系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在一些實(shí)施例中，可使用干給料系統(tǒng)，而不是漿料給料系統(tǒng)。漿料給料和氧氣222通過(guò)位于氣化器104的頂部中的第一入口 186供應(yīng)到氣化器104。反應(yīng)物和渣在大體下游方向上從氣化器104的第一入口 186流到氣化器104的第一出口 188。也就是說(shuō)，漿料給料和氣化劑(例如，氧氣)的流動(dòng)通過(guò)氣化器104同時(shí)發(fā)生。此外，通過(guò)氣化器104的這種流動(dòng)可具有小于大約3、4、5或6秒的駐留時(shí)間。在氣化期間，所示的夾帶床氣化器104的操作溫度可為大約1200°C到2000°C，且操作壓力可小于大約80巴。所示的夾帶流氣化器104使用蒸汽和氧氣來(lái)允許漿料給料中的一些燃燒而產(chǎn)生一氧化碳并釋放能量。這些產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)將另外的給料轉(zhuǎn)化成氫氣和額外的二氧化碳的第二反應(yīng)。這些反應(yīng)在沒(méi)有任何聚集能量系統(tǒng)，諸如等離子體焰炬系統(tǒng)的情況下發(fā)生，且因此可描述為非等離子體氣化機(jī)制。換句話說(shuō)，與氧氣和蒸汽的反應(yīng)大體升高了氣化器104的整個(gè)體積的溫度，而非依賴于聚集能量源(例如，等離子體焰炬)。因此，生成物氣體由氣化器104在不使用聚集能量系統(tǒng)-諸如等離子體焰炬的情況下制造。生成物氣體可包括相同比例的大約85%的一氧化碳和氫氣，以及CH4、HCl、HF、COS、NH3> HCN和H2S (基于給料的硫含量)，并且可能不包括焦油、可冷凝的烴、酚以及氨。在非等離子體氣化機(jī)制期間，氣化器104還可產(chǎn)生廢料，諸如熔融的灰或渣109。在氣化器104中產(chǎn)生的合成氣和渣可大體以向下的方式(例如，沿下游方向)從氣化器104的第一出口 188流過(guò)第一導(dǎo)管200且通過(guò)第二入口 202流入合成氣冷卻器154。在某些實(shí)施例中，在生成物合成氣/渣混合物進(jìn)入合成氣冷卻器154之前，微粒去除系統(tǒng)106的構(gòu)件可對(duì)生成物合成氣/渣混合物起作用。也就是說(shuō)，等離子體焰炬系統(tǒng)108可設(shè)置在氣化器104的下部區(qū)域196 (例如，下游部分)中和/或聯(lián)接到第一導(dǎo)管200上。在這種實(shí)施例中，等離子體焰炬系統(tǒng)108可包括構(gòu)造成以便從氣化器104的主氣化區(qū)的下游的流體中去除微粒物質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬。等離子體焰炬可使由氣化器104制造的生成物氣體產(chǎn)物中的無(wú)機(jī)微粒熔化，且使其中的有機(jī)微粒反應(yīng)。也就是說(shuō)，微粒去除系統(tǒng)106可作用于在氣化器104中發(fā)生的基于非等離子體的氣化機(jī)制的產(chǎn)物上。因此，微粒去除系統(tǒng)106構(gòu)造成以便專門(mén)處理作為主氣化過(guò)程的產(chǎn)物出現(xiàn)的細(xì)粒。這樣，與沒(méi)有新穎的微粒去除系統(tǒng)106的系統(tǒng)相比，前述特征可有利于提高碳轉(zhuǎn)化效率。例如，在氣化器104中的基于非等離子體的氣化機(jī)制之后保持未反應(yīng)的有機(jī)微粒仍可通過(guò)等離子體焰炬系統(tǒng)108在更下游反應(yīng)。 在進(jìn)入合成氣冷卻器154后，生成物流體(例如，合成氣和渣混合物)流過(guò)合成氣冷卻器154的在流動(dòng)方向224上沿長(zhǎng)度方向延伸通過(guò)第二內(nèi)部體積206的氣體通路。因此，生成物流體通過(guò)第二入口 202進(jìn)入合成氣冷卻器154且沿長(zhǎng)度方向流過(guò)合成氣冷卻器154。然后合成氣通過(guò)第二出口 208離開(kāi)合成氣冷卻器154，且渣通過(guò)第三出口 212丟棄掉。以這種方式，生成物流體可與合成氣冷卻器154的管路發(fā)生接觸，且流過(guò)管路的流體，諸如水226，可隨著其前進(jìn)經(jīng)過(guò)合成氣冷卻器154而起作用來(lái)冷卻生成物流體。這種冷卻過(guò)程的一個(gè)結(jié)果可為在管路中產(chǎn)生蒸汽228，其然后可傳輸?shù)礁邏汗囊员闶占约皞鬏數(shù)綗峄厥照羝l(fā)生器138 (見(jiàn)圖I)。合成氣冷卻器154還可包括合成氣冷卻器154的下部區(qū)域中的、可有助于通過(guò)相應(yīng)的出口 208和212將冷卻的合成氣和渣引導(dǎo)出合成氣冷卻器154的機(jī)構(gòu)。例如，渣109可被引導(dǎo)為在大體向下的方向224上流動(dòng)以便通過(guò)出口 212離開(kāi)合成氣冷卻器154。與此對(duì)比，冷卻的合成氣可被引導(dǎo)以朝向第二出口 208和第二導(dǎo)管210流動(dòng)。離開(kāi)第三出口 212的渣被朝向渣去除系統(tǒng)156引導(dǎo)以進(jìn)行處理。渣首先進(jìn)入閥168，閥168控制通過(guò)閉鎖式料斗172隔離且去除的渣的量。閉鎖式料斗172收集進(jìn)入的流體且將其以期望的速率傳遞到閥170。然后可處置去除的洛109或其可在下游應(yīng)用中使用。生成物合成氣通過(guò)第二出口 208離開(kāi)合成氣冷卻器154。在一些實(shí)施例中，合成氣可在離開(kāi)合成氣冷卻器154之后由微粒去除系統(tǒng)106進(jìn)一步處理。也就是說(shuō)，如之前那樣，微粒去除系統(tǒng)106可經(jīng)由聚集能量(例如，來(lái)自等離子體焰炬的等離子體束)進(jìn)一步使留在合成氣中的任何有機(jī)物反應(yīng)，以及使留在合成氣中的任何殘余無(wú)機(jī)物熔化，如箭頭218所示。臟合成氣然后可進(jìn)入氣體清潔單元110以進(jìn)一步處理。水洗滌器174去除來(lái)自合成氣的細(xì)灰，產(chǎn)生經(jīng)洗滌的合成氣176，與臟合成氣相比，其可包含減少的量的污染物。經(jīng)洗滌的合成氣176可用于燃?xì)鉁u輪燃料、化學(xué)物制造等。丟棄流離開(kāi)水洗滌器174。丟棄流的第一部分作為通過(guò)閥178的黑水180被處置。丟棄流的第二部分被引導(dǎo)通過(guò)再循環(huán)環(huán)路182，以進(jìn)一步清潔水洗滌器174中的臟合成氣。圖3-5是氣化系統(tǒng)的各種實(shí)施例的框圖，其中聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108)可設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)聚集能量氣化器(例如，等離子體氣化器)中。具體而言，圖3示出了包括給料制備系統(tǒng)或過(guò)程152、氣化器104、等離子體單元252、合成氣冷卻器154、灰或渣去除系統(tǒng)或過(guò)程156以及氣體清潔單元110的氣化系統(tǒng)或過(guò)程250。如之前那樣，氣化器104包括第一入口 186、第一出口 188以及限定第一內(nèi)部體積192的外殼190。然而，在該實(shí)施例中，氣化器104的第一出口 188通入導(dǎo)管254中，導(dǎo)管254將氣化器104的出口188聯(lián)接到等離子體單元252的第三入口 256。外殼258限定了等離子體單元252的第三內(nèi)部體積260。導(dǎo)管262將等離子體單元252的第四出口 264聯(lián)接到合成氣冷卻器154的第二入口 202。如之前那樣，外殼204限定了合成氣冷卻器154的第二內(nèi)部體積206，第二出口 208將合成氣冷卻器154聯(lián)接到第二導(dǎo)管210，且第三出口 212將合成氣冷卻器154聯(lián)接到灰或渣去除系統(tǒng)156。如上文詳細(xì)描述的，在操作期間，給料制備系統(tǒng)152制備在水中按重量計(jì)為大約50%到70%的煤的漿料給料。也就是說(shuō)，漿料泵166獲取漿料罐164中的漿料給料，并且通過(guò)導(dǎo)管220將適于在氣化過(guò)程150中使用的量傳遞到氣化器104。漿料給料和氧氣222通過(guò)位于氣化器104的頂部中的第一入口 186供應(yīng)到氣化器104。反應(yīng)物和渣在大體下游方向上從氣化器104的第一入口 186流到氣化器104的第一出口 188。氣化器104使用蒸汽 和氧氣來(lái)使得漿料給料中的一些能夠被燃燒，以便產(chǎn)生一氧化碳以及釋放能量。隨后的反應(yīng)通過(guò)非等離子體氣化機(jī)制將另外的給料轉(zhuǎn)化成氫氣和額外的二氧化碳。以這種方式，氣化器104制造生成物氣體，且產(chǎn)生廢料(例如，渣)。在氣化器104中產(chǎn)生的合成氣和渣可大體以向下的方式(例如，沿下游方向)從氣化器104的出口 188流過(guò)導(dǎo)管254，且通過(guò)入口 256流入等離子體單元252。在進(jìn)入等離子體單元252之后，生成物流體(例如，合成氣和渣混合物)流過(guò)等離子體單元252的、沿長(zhǎng)度方向在流動(dòng)方向224上延伸通過(guò)第三內(nèi)部體積260的通路。在圖3中所示的實(shí)施例中，等離子體單元252包括聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108)。在這種實(shí)施例中，等離子體單元252可包括構(gòu)造成以便從氣化器104下游的流體去除微粒物質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)聚集能量裝置(例如，等離子體焰炬)。在一些實(shí)施例中，等離子體單元252可為等離子體處理單元，諸如等離子體氣化器。等離子體單元252中的聚集能量裝置(例如，等離子體焰炬)可使由氣化器104產(chǎn)生的生成物流體中的無(wú)機(jī)微粒熔化且使其中的有機(jī)微粒反應(yīng)。因此，微粒去除系統(tǒng)106構(gòu)造成以便專門(mén)氣化作為主氣化過(guò)程的產(chǎn)物出現(xiàn)的細(xì)粒。這樣，在氣化器104中的基于非等離子體的氣化機(jī)制之后保持未反應(yīng)的有機(jī)微粒仍然可在氣化器104的下游、等離子體單元252中反應(yīng)。在一些實(shí)施例中，基于非等離子體的氣化機(jī)制可包括夾帶流、固定床、流化床、鼓泡床或循環(huán)流化床。位于等離子體單元252中的等離子體焰炬可按照適用于處理氣化器104所產(chǎn)生的流體流的任何方式布置。例如，一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬可按照各種各樣的布置聯(lián)接到外殼258。在某些實(shí)施例中，等離子體焰炬可沿周向設(shè)置在外殼258的內(nèi)壁周?chē)?，且被引?dǎo)朝向彼此，以便使出現(xiàn)的等離子體流大體會(huì)聚。在另一實(shí)施例中，等離子體焰炬可在外殼258的內(nèi)壁周?chē)ㄎ怀刹煌慕嵌龋沟玫入x子體流的子集構(gòu)造成以便會(huì)聚(例如，2、3、4、5或更多個(gè)等離子體焰炬的多個(gè)集合可定位成使得各組焰炬具有會(huì)聚的等離子體流)。在另外的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬可構(gòu)造成以便相對(duì)于沿長(zhǎng)度方向穿過(guò)等離子體單元252的第三內(nèi)部體積260的流在上游、下游方向或兩個(gè)方向上引導(dǎo)等離子體流。實(shí)際上，在當(dāng)前構(gòu)想的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)等離子體焰炬可在等離子體單元252內(nèi)以任何方式布置。通過(guò)出口 264離開(kāi)等離子體單元252的等離子體處理的流體(例如，合成氣和渣)可大體以向下的方式(例如，沿下游方向)流過(guò)導(dǎo)管262，且通過(guò)第二入口 202流入合成氣冷卻器154。生成物流體通過(guò)第二入口 202進(jìn)入合成氣冷卻器154，且沿長(zhǎng)度方向流過(guò)合成氣冷卻器154，其中等離子體處理的流體被冷卻。然后合成氣通過(guò)第二出口 208離開(kāi)合成氣冷卻器154，且渣通過(guò)第三出口 212丟棄，如上所述。離開(kāi)第三出口 212的渣被引導(dǎo)向渣去除系統(tǒng)156，以便處置或者在下游應(yīng)用中使用。然后臟合成氣可進(jìn)入氣體清潔單元110以便進(jìn)一步處理。如之前那樣，氣體清潔單元110產(chǎn)生經(jīng)洗滌的合成氣176，其可用于燃?xì)鉁u輪燃料，化學(xué)物制造等。圖4是包括給料制備系統(tǒng)或過(guò)程152、氣化器104、合成氣冷卻器154、灰或渣去除系統(tǒng)或過(guò)程156、等離子體單元252以及氣體清潔單元110的氣化系統(tǒng)或過(guò)程280的一個(gè)實(shí)施例的框圖。與圖3相對(duì)比，等離子體單元252在通過(guò)氣化過(guò)程280的流體流路中位于合成氣冷卻器154后面。也就是說(shuō)，在該實(shí)施例中，給料制備單元152制備漿料給料，漿料給 料與氧氣222供給到氣化器104，以用于主氣化過(guò)程(例如，基于非等離子體的氣化)。然而，從氣化器104出現(xiàn)的生成物流體并不如圖3中那樣立即進(jìn)入等離子體單元252，而是改為通過(guò)導(dǎo)管200進(jìn)入合成氣冷卻器154。然后生成物流體在合成氣冷卻器154中冷卻，且分離成渣109和臟合成氣。臟合成氣通過(guò)出口 208離開(kāi)合成氣冷卻器154并且通過(guò)入口 256進(jìn)入等離子體單元252。也就是說(shuō)，在該實(shí)施例中，僅臟合成氣而沒(méi)有渣109進(jìn)入等離子體單元252。等離子體單元252可包括一個(gè)或多個(gè)聚集能量裝置(例如，等離子體焰炬)，其構(gòu)造成以便在冷卻和渣去除之后從臟合成氣去除微粒物質(zhì)。等離子體單元252中的聚集能量裝置可使保留在臟合成氣中的無(wú)機(jī)微粒熔化且使保留在臟合成氣中的有機(jī)微粒反應(yīng)。通過(guò)出口 264離開(kāi)等離子體單元252的高能(例如等離子體)處理的臟合成氣進(jìn)入氣體清潔單元110，其產(chǎn)生經(jīng)洗滌的合成氣176。圖5是在氣化器104下游具有等離子體單元252的氣化系統(tǒng)或過(guò)程290的另一個(gè)實(shí)施例的框圖。在該實(shí)施例中，氣化系統(tǒng)290包括給料制備系統(tǒng)或過(guò)程152、氣化器104、合成氣冷卻器154、灰或渣去除系統(tǒng)或過(guò)程156以及氣體清潔單元110。然而，與圖2-4的實(shí)施例相對(duì)比，等離子體單元252位于氣體清潔單元110中。因此，從合成氣冷卻器154的出口208出現(xiàn)的臟合成氣傳遞到氣體清潔單元110。如之前那樣，臟合成氣傳遞到水洗滌器174，其去除細(xì)灰，從而產(chǎn)生經(jīng)洗滌的合成氣176。經(jīng)洗滌的合成氣176可用于燃?xì)鉁u輪燃料、化學(xué)物制造等。丟棄流離開(kāi)水洗滌器174。丟棄流的一部分被引導(dǎo)通過(guò)再循環(huán)環(huán)路182，以便在水洗滌器174中進(jìn)一步清潔。丟棄流的另一部分作為通過(guò)閥178的黑水180被處置。在圖5中所示的實(shí)施例中，等離子體單元252構(gòu)造成以便通過(guò)入口 256接收黑水180且通過(guò)基于等離子體的氣化來(lái)處理黑水180。也就是說(shuō)，在當(dāng)前構(gòu)想的實(shí)施例中，微粒去除系統(tǒng)106 (例如，等離子體單元252)可聯(lián)接到廢水導(dǎo)管或廢水處理單元。黑水180的等離子體處理可使得黑水中的任何有機(jī)微粒反應(yīng)來(lái)形成副產(chǎn)物氣體。副產(chǎn)物氣體可被捕獲、冷卻以及清潔，以用于隨后的使用或處置。另外，黑水180中的任何無(wú)機(jī)微?？扇刍以诘入x子體單元252的底部處形成液態(tài)硅酸鹽。液態(tài)硅酸鹽可從等離子體單元252傳遞到水冷器(water quench),其中，其冷凝成固態(tài)娃酸鹽以便進(jìn)行處置。
應(yīng)注意，本文所示的等離子體單元252可為適用于在所示的氣化系統(tǒng)中使用的任何類型的氣化器。例如，合適的氣化器可能能夠使用等離子體來(lái)在缺氧環(huán)境中氣化給料，且能夠以略微負(fù)壓操作。為了進(jìn)一步示范，在一些實(shí)施例中，等離子體單元252可為固定床氣化器。在這種實(shí)施例中，等離子體氣化可發(fā)生在大約2000°C到5000°C的溫度處，且副產(chǎn)物氣體可在大約700°C到1500°C的溫度處離開(kāi)等離子體單元252。為了進(jìn)一步示范，等離子體單元252可為流化床氣化器。在這些實(shí)施例中，等離子體反應(yīng)區(qū)可具有小于大約2000°C到5000°C的溫度。圖6是氣化系統(tǒng)或過(guò)程300的框圖，其示出了示例性的等離子體系統(tǒng)108。氣化系統(tǒng)300包括構(gòu)造成以便接收燃料101和氧氣222的氣化器104、導(dǎo)管200、等離子體系統(tǒng)108、合成氣冷卻器154、灰或渣去除系統(tǒng)156以及氣體清潔單元110。在操作期間，燃料101和氧氣222通過(guò)入口 186進(jìn)入氣化器104。氣化器104通過(guò)基于非等離子體的氣化使用氧氣來(lái)把燃料轉(zhuǎn)化成生成物氣體和廢料(例如，渣)。生成物流體(例如，氣體和廢料)通過(guò)出口 188離開(kāi)氣化器104并且進(jìn)入導(dǎo)管200。生成物流體在下游方向上沿著箭頭302所指的路徑行進(jìn)通過(guò)導(dǎo)管200。聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體系統(tǒng)108)構(gòu)造成以便在上游方 向上沿著導(dǎo)管200的縱向軸線引導(dǎo)聚集能量流(例如，等離子體流)，如箭頭304所指。以這種方式，聚集能量流(例如，等離子體流304)的上游方向與流體流302的下游方向相反，使得流體流302在導(dǎo)管200中與等離子體流304會(huì)聚。也就是說(shuō)，等離子體系統(tǒng)108定位成以便在與流體流302的第二方向大體相反的第一方向上引導(dǎo)等離子體流304。例如，在所示的實(shí)施例中，第一方向與第二方向之間的角度為大約180度。在另外的實(shí)施例中，第一方向和第二方向可定向?yàn)橄鄬?duì)于彼此成小于大約5、10、15、20、30或40度的角度。例如，第一方向可沿著縱向軸線定位，且第二方向可定位成自縱向軸線成10度的角度。為了進(jìn)一步示范，第一方向可定位成自縱向軸線成5度的角度,而第二方向可定位成自縱向軸線成10度的角度。因此，在這種實(shí)施例中，等離子體流304與流體流302相互作用，從而使包含在流體流302中的有機(jī)微粒反應(yīng)，且使包含在流體流302中的無(wú)機(jī)微粒熔化。在與等離子體流304相互作用之后，等離子體處理的流體306通過(guò)第二入口 202進(jìn)入合成氣冷卻器154，且沿長(zhǎng)度方向流過(guò)合成氣冷卻器154，其中等離子體處理的流體被冷卻。然后合成氣通過(guò)第二出口 208離開(kāi)合成氣冷卻器154，且渣通過(guò)第三出口 212丟棄，如上所述。離開(kāi)第三出口 212的渣被引導(dǎo)向渣去除系統(tǒng)156，以便進(jìn)行處置或在下游應(yīng)用中使用。臟合成氣然后可進(jìn)入氣體清潔單元110以便進(jìn)一步處理。如之前那樣，氣體清潔單元110產(chǎn)生可用于燃?xì)鉁u輪燃料、化學(xué)物制造等的經(jīng)洗滌的合成氣176。圖7是示例性的等離子體單元252的底部段(例如，下游部分)的截面?zhèn)纫晥D。在所示的實(shí)施例中，等離子體焰炬系統(tǒng)108包括等離子體單元252，多個(gè)等離子體焰炬320、322、324、326、328、330和332，以及等離子體控制器334。該多個(gè)等離子體焰炬在不同的軸向、徑向和/或周向位置處設(shè)置在外殼258的壁周?chē)?。例如，等離子體焰炬320和332設(shè)置在第一軸向位置處，焰炬322和330設(shè)置在第二軸向位置處，焰炬324和328設(shè)置在第三軸向位置處，而焰炬326設(shè)置在等離子體單元252的第四軸向位置(例如，底部)處。此外，等離子體焰炬332設(shè)置成相對(duì)于等離子體焰炬330成第一角度336，且等離子體焰炬328設(shè)置成相對(duì)于等離子體焰炬330成第二角度338。類似地，等離子體焰炬320也設(shè)置成相對(duì)于等離子體焰炬322成第一角度336，且等離子體焰炬324設(shè)置成相對(duì)于等離子體焰炬322成第二角度338。在所示的實(shí)施例中，等離子體焰炬322和330設(shè)置在與等離子體單元252的縱向軸線成十字的(例如，垂直)的水平平面中(例如，垂直于流體流)。因此，第一角度336指向下游，而第二角度338指向上游。第一角度336和第二角度338的范圍可介于大約I到90度、5到80度、10到70度、20到60度、30到50度之間，或大約為45度。此外，第一角度336和第二角度338可彼此相同或者不同。在另外的其它實(shí)施例中，第一角度336和第二角度338可為在操作期間可變的。也就是說(shuō)，在操作期間，各個(gè)等離子體焰炬的角度可改變來(lái)適應(yīng)操作條件、性能特性等的改變。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一角度336可改變，使得等離子體焰炬332以垂直于流354的角度引導(dǎo)流352。等離子體焰炬326與流體流354相對(duì)。等離子體焰炬的前述定位可具有將多個(gè)等離子體流340、342、344、346、348、350和352朝向彼此會(huì)聚在等離子體單元252中的中央?yún)^(qū)域處的效果。也就是說(shuō)，該多個(gè)等離子體焰炬定位成以便引導(dǎo)該多個(gè)等離子體流朝向彼此。在所示的實(shí)施例中，七個(gè)等離子體流會(huì)聚。然而，在備選的實(shí)施例中，任意數(shù)量的等離子體焰炬可布置成使得任意數(shù)量的等離 子體流會(huì)聚。例如，會(huì)聚流的數(shù)量可為大約2到10、5到20或任何其它合適的數(shù)量。為了進(jìn)一步示范，會(huì)聚流的數(shù)量可為至少大約3、4或5。還應(yīng)當(dāng)注意，該多個(gè)等離子體焰炬可在外殼258內(nèi)具有各種各樣的布置。雖然圖7顯示了僅7個(gè)等離子體焰炬，但等離子體焰炬系統(tǒng)108可包括任意數(shù)量的等離子體焰炬，例如，I到10、I到50或I到100。此外，可基于等離子體單元252的特性，例如等離子體單元252的大小或體積來(lái)選擇等離子體焰炬之間的間隔。例如，等離子體焰炬可在外殼258內(nèi)均勻地或非均勻地隔開(kāi)。如圖所示，等離子體單元252在外殼258內(nèi)以均勻的布置支承等離子體焰炬。然而，相鄰的等離子體焰炬之間的距離可為等距的或可在等離子體焰炬之間不同。此外，雖然所示的實(shí)施例顯示了等離子體焰炬系統(tǒng)108中的等離子體焰炬，但可在聚集能量系統(tǒng)(例如，等離子體焰炬系統(tǒng)108)中采用任何類型的聚集能量裝置(例如，等離子體焰炬)的任何合適的布置。在操作期間，在朝向等離子體焰炬326(例如，相反的方向)的大體下游方向上建立流體流354。隨著流體流354沿長(zhǎng)度方向行進(jìn)通過(guò)等離子體單元252，該多個(gè)等離子體流會(huì)聚在流354上且與流體的內(nèi)含物相互作用。例如，等離子體能量可熔化包含在流體中的無(wú)機(jī)微粒。為了進(jìn)一步示范，等離子體能量可使得流體中的有機(jī)微粒一諸如來(lái)自基于非等離子體的氣化過(guò)程的殘留物一反應(yīng)。另外，包括這種基于等離子體的氣化步驟可具有提高整個(gè)氣化系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化效率的效果，因?yàn)樵诨诜堑入x子體的氣化之后保持未反應(yīng)的含碳材料仍然可在基于等離子體的氣化期間反應(yīng)。在所示的實(shí)施例中，等離子體控制器334構(gòu)造成以便獨(dú)立地控制與等離子體焰炬320、322、324、326、328、330和332相關(guān)聯(lián)的等離子體流。也就是說(shuō)，等離子體控制器334可基于來(lái)自傳感器系統(tǒng)的反饋、基準(zhǔn)參數(shù)、預(yù)設(shè)極限、歷史數(shù)據(jù)等來(lái)控制等離子體焰炬系統(tǒng)108中的該多個(gè)等離子體焰炬的運(yùn)行特性。例如，等離子體控制器334可構(gòu)造成以便基于流354的特性一諸如體積、流率、粘度等來(lái)啟用或停用該多個(gè)等離子體焰炬中的各個(gè)。等離子體控制器334還可構(gòu)造成以便基于流特性來(lái)改變第一角度336和/或第二角度338。為了進(jìn)一步示范，等離子體控制器334可結(jié)合測(cè)量流354的特性的傳感器系統(tǒng)來(lái)操作，并且可采用閉環(huán)控制來(lái)以均勻的方式或非均勻的方式改變等離子體焰炬的活動(dòng)，這取決于所接收的反饋。例如，如果傳感器系統(tǒng)檢測(cè)到通過(guò)等離子體單元252的流354的流率降低，則等離子體控制器334可停用等離子體焰炬中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)適應(yīng)流體的減少。類似地，如果流354的流率已升高，則等離子體控制器334可啟用等離子體焰炬中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)適應(yīng)必須由等離子體能量處理的增加的流體負(fù)載。為了更進(jìn)一步的示范，等離子體控制器334可控制等離子體焰炬的運(yùn)行特性，諸如溫度、能量/體積等。在這種實(shí)施例中，可采用傳感器，其監(jiān)測(cè)現(xiàn)有的氣體流中的未反應(yīng)的有機(jī)微粒的量并且相應(yīng)地調(diào)節(jié)運(yùn)行特性。例如，等離子體控制器334可調(diào)節(jié)角度336和/或338，以有助于通過(guò)產(chǎn)生等離子體卷流(例如，大型渦旋)更好地混合。圖8是沿著圖7的線8-8得到的等離子體單元252的截面圖，其示出了等離子體單元252內(nèi)的單個(gè)軸向位置。如圖所示，等離子體單元252包括等離子體焰炬322、等離子體焰炬330、等離子體焰炬370以及等離子體焰炬372。也就是說(shuō)，等 離子體焰炬322、330、370和372在外殼258的壁的周邊周?chē)ㄎ辉诓煌奈恢锰帯５入x子體焰炬的該周向定位可具有使多個(gè)等離子體流342、350、374和376朝向彼此會(huì)聚在等離子體單元252的中央徑向區(qū)域處的效果。在所示的實(shí)施例中，四個(gè)等離子體流會(huì)聚。然而，在備選的實(shí)施例中，任意數(shù)量的等離子體焰炬可布置成使得任意數(shù)量的等離子體流可會(huì)聚。例如，會(huì)聚流的數(shù)量可為至少大約3、4或5。還應(yīng)當(dāng)注意，該多個(gè)等離子體焰炬可在外殼258內(nèi)的任何徑向位置處具有各種各樣的布置。雖然圖8僅顯示了四個(gè)等離子體焰炬，但等離子體焰炬系統(tǒng)108可包括任意數(shù)量的等離子體焰炬，例如，設(shè)置在任何一個(gè)軸向位置處的I到10、1到50或I到100 (個(gè)等離子體焰炬)。另外，等離子體焰炬可在外殼258的周邊周?chē)鶆虻鼗蚍蔷鶆虻亻g隔開(kāi)。也就是說(shuō)，相鄰的等離子體焰炬之間的距離可為等距的，或可在等離子體焰炬之間不同?？稍诘入x子體焰炬系統(tǒng)108中的任何軸向位置處采用等離子體焰炬的任何合適的布置。此外，雖然所示的實(shí)施例顯示了等離子體焰炬系統(tǒng)108中的等離子體焰炬，但在聚集能量系統(tǒng)中可采用任何類型的聚集能量裝置的任何合適的布置。圖9是沿著圖7的線8-8得到的等離子體單元252的備選的示例性實(shí)施例的截面圖。在該實(shí)施例中，多個(gè)等離子體焰炬322、330、370和372構(gòu)造成以便產(chǎn)生多個(gè)等離子體片390、392、394和396。也就是說(shuō)，等離子體焰炬322產(chǎn)生在操作期間從等離子體焰炬322向外發(fā)散到內(nèi)室260中的等離子體片390。類似地，等離子體焰炬370產(chǎn)生從焰炬370向外發(fā)散的等離子體片392，等離子體焰炬330產(chǎn)生從焰炬330向外發(fā)散的等離子體片394，且等離子體焰炬372產(chǎn)生從焰炬372向外發(fā)散的等離子體片396。這些等離子體片390、392、394和396可處于共同的平面中，以便提高等離子體單元252內(nèi)的覆蓋，從而使流中的更多的流體/微粒反應(yīng)。前述特征可具有在室260內(nèi)的中央?yún)^(qū)域處會(huì)聚等離子體片的效果。包含在這種片中的等離子體能量與包含在通過(guò)等離子體單元252的流體流中的微粒相互作用。也就是說(shuō)，如之前那樣，等離子體片390、392、392和396構(gòu)造成以便熔化流體流中的無(wú)機(jī)微粒且使流體流中的有機(jī)微粒反應(yīng)。如之前那樣，雖然所示的實(shí)施例顯示了等離子體單元252中的等離子體焰炬，但在聚集能量系統(tǒng)中可采用任何類型的聚集能量裝置的任何合適的布置。本書(shū)面描述使用實(shí)例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予專利的范圍由權(quán)利要求書(shū)限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這種其它實(shí)例具有不異于權(quán)利要求書(shū)的文字語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果它們包括與權(quán)利要求書(shū)的文字語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這種其它實(shí)例意圖處于權(quán)利 要求書(shū)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 氣化器，包括具有第一入口、第一出口和第一內(nèi)部體積的第一外殼，其中，所述第一入ロ構(gòu)造成以便將燃料給料接收到所述第一內(nèi)部體積中，且所述第一出口構(gòu)造成以便輸出合成氣離開(kāi)所述第一內(nèi)部體積，和 等離子體焰炬，設(shè)置在所述第一出口下游或所述第一出ロ附近的區(qū)域中，且所述區(qū)域至少小于所述第一內(nèi)部體積的大約30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體焰炬在所述區(qū)域內(nèi)，且所述區(qū)域在所述第一出口附近至少小于所述第一內(nèi)部體積的大約20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體焰炬聯(lián)接到所述第一出ロ下游的合成氣冷卻器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體焰炬聯(lián)接到所述氣化器的所述第一出口和所述合成氣冷卻器的第二入口之間的第一導(dǎo)管上，或所述等離子體焰炬聯(lián)接到第二導(dǎo)管上，所述第二導(dǎo)管聯(lián)接到所述合成氣冷卻器的第二出ロ。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在干，包括具有第二外殼的等離子體氣化器，所述第二外殼帶有第二入口、第二出口以及第二內(nèi)部體積，其中，所述等離子體焰炬聯(lián)接到所述第二外売上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括指向彼此以大體會(huì)聚等離子體流的多個(gè)等離子體焰炬。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體焰炬聯(lián)接到所述第一出ロ下游的導(dǎo)管上，且所述等離子體焰炬沿著所述導(dǎo)管的縱向軸線引導(dǎo)等離子體流。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣化器包括非等離子體氣化機(jī)制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非等離子體氣化機(jī)制包括夾帶流、固定床、流化床、鼓泡床或循環(huán)流化床。
10.一種系統(tǒng),包括 包括等離子體焰炬的合成氣微粒去除器，其中，所述等離子體焰炬構(gòu)造成以便熔化來(lái)自氣化器的合成氣中的無(wú)機(jī)微粒以及使來(lái)自氣化器的合成氣中的有機(jī)微粒反應(yīng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述無(wú)機(jī)微粒和所述有機(jī)微粒具有小于大約80mm的平均顆粒直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述合成氣微粒去除器包括導(dǎo)管，所述導(dǎo)管具有定位成以便沿所述導(dǎo)管的縱向軸線引導(dǎo)等離子體流的所述等離子體焰炬。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述合成氣微粒去除器包括指向彼此以大體會(huì)聚等離子體流的多個(gè)等離子體焰炬。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體焰炬定位成以便在大體與合成氣流的第二方向相反的第一方向上引導(dǎo)等離子體流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng),其特征在于,所述第一方向和第二方向定向成相對(duì)于彼此成小于大約15度的角度。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括所述合成氣微粒去除器上游的所述氣化器，其中所述氣化器具有非等離子體氣化機(jī)制。
17.—種系統(tǒng),包括包括等離子體焰炬的微粒去除器，其中所述等離子體焰炬構(gòu)造成以便從氣化器下游的流體中去除微粒物質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體包括來(lái)自所述氣化器的合成氣，且所述微粒去除器聯(lián)接到所述氣化器下游的合成氣導(dǎo)管、合成氣冷卻器、合成氣洗滌器或合成氣處理單元。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述流體包括來(lái)自處理所述氣化器下游的合成氣的單元的廢水，且所述微粒去除器聯(lián)接到廢水導(dǎo)管或廢水處理單元。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微粒去除器包括定位成以便朝向彼此會(huì)聚等離子體流的至少三個(gè)等離子體焰炬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從氣化器產(chǎn)生的合成氣中去除細(xì)小微粒的系統(tǒng)。提供了用于從流體中去除微粒的系統(tǒng)和方法。因此，提供了一種包括微粒去除系統(tǒng)的系統(tǒng)。例如，該微粒去除系統(tǒng)可包括構(gòu)造成以便從氣化器下游的流體中去除微粒物質(zhì)的等離子體焰炬。
文檔編號(hào)C10J1/207GK102782099SQ201080065239
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者D.D.費(fèi)爾, M.C.尼爾森, R.A.德皮伊 申請(qǐng)人:通用電氣公司