專利名稱：用于取代燒煤工廠中的煤的工程燃料原料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及替代燃料。特別地，本發(fā)明涉及含有足夠的高熱值且包含處理過的城 市固體廢物流的組分的工程燃料原料，其能夠補(bǔ)償或者部分地補(bǔ)償燒煤廠對煤用于發(fā)電的 使用，并且在燃燒時，其排放比燃燒煤的排放更好。
背景技術(shù)：
對供熱、運(yùn)輸以及生產(chǎn)化學(xué)品和石油化學(xué)產(chǎn)品都非常有用的化石燃料來源越來越 缺乏，其成本也越來越高。那些生產(chǎn)能源和石油化學(xué)制品的行業(yè)正積極地尋找經(jīng)濟(jì)有效的 工程燃料原料替代品，以用于生產(chǎn)那些產(chǎn)品和許多其他產(chǎn)品。另外，由于化石燃料成本的不 斷增加，用于生產(chǎn)能源和石油化學(xué)制品的工程燃料原料的運(yùn)輸成本也在急劇攀升。這些生產(chǎn)能源和石油化學(xué)制品的行業(yè)以及其他行業(yè)，在用于能源生產(chǎn)、供熱和電 能的燃燒和氣化過程上、以及合成氣體(用于化學(xué)制品和液態(tài)燃料以及渦輪機(jī)能源的下游 操作)的產(chǎn)生上，已經(jīng)對化石燃料(例如煤、油和天然氣)的使用形成依賴。燃燒和氣化是熱化學(xué)工藝，用來釋放儲存在燃料源中的能量。當(dāng)存在有過剩的空 氣或者過剩的氧氣時，在反應(yīng)器中發(fā)生燃燒。燃燒通常用來產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽對渦輪機(jī)提供 動力來發(fā)電。然而，燃料燃燒的強(qiáng)力特性(brute focre nature)導(dǎo)致生成的氣體中含有大 量的污染物。例如，化石燃料(例如煤、油和天然氣)在氧化氣氛中進(jìn)行燃燒，會釋放氮氧化 物，而氮氧化物是地面臭氧的前身，會引起哮喘發(fā)作。燃燒還是二氧化硫產(chǎn)生的最大源頭， 而二氧化硫依次產(chǎn)生形狀為細(xì)小顆粒的硫酸鹽。每年，美國的燃煤電廠造成的顆粒污染縮 短了 30000多人的壽命。數(shù)十萬的美國人受到哮喘、心臟疾病以及上呼吸道和下呼吸道疾 病的困擾，這些都與電廠排放的細(xì)小顆粒物有關(guān)。煤燃燒對環(huán)境的影響預(yù)計到2030年，全世界的電力需求將上升60% (http//www. iea. org/textbase/ nppdf/free/2004/weo2004. pdf)。隨著世界范圍內(nèi)仍在進(jìn)行生產(chǎn)的燃煤電廠總量達(dá)到 50000多家并且還在不斷上升，國際能源署(International Energy Agency, IEA)估 計，化石燃料在2030年將仍然占到能源市場的85% (http://www. sciencedaily. com/ releases/2007/11/071114163448, htm)。讓世界組織以及國際能源署等國際機(jī)構(gòu)擔(dān)心的 是，燃燒化石燃料對環(huán)境的影響。依據(jù)生產(chǎn)每單位的電產(chǎn)生的二氧化碳水平來看，燃煤發(fā)電 站對碳的利用效率最低。由于化石燃料的雜質(zhì)和化學(xué)組分的緣故，它的燃燒將導(dǎo)致酸雨、全球變暖和空氣污染(美國人為的二氧化碳排放中有41 %是由發(fā)電引起的)(http://WWW. epa. gov/climatechange/emissions/co2_human. html)。氮氧化物禾口二氧化硫被排方文至Ij了 空氣中，這導(dǎo)致酸雨的形成。這些氮氧化物和二氧化硫本身的酸性可能很適度，但當(dāng)它們與 大氣發(fā)生反應(yīng)后，會產(chǎn)生酸性化合物，例如亞硫酸、硝酸和硫酸，這些酸是以雨水的形式落 下，所以術(shù)語是酸雨。在歐洲和美國，更嚴(yán)格的排放法律已經(jīng)降低了該問題引起的環(huán)境危 害。煤還含有少量的鈾、釷和其他天然形成的放射性同位素，它們釋放到環(huán)境中去會 導(dǎo)致放射性污染。雖然這些物質(zhì)以非常小的微量雜質(zhì)的形式存在，但只要燃燒足夠的煤就 會大量釋放出這些物質(zhì)。一家1000兆瓦的燃煤電廠每年將釋放出多達(dá)5. 2噸的鈾(包含 74磅鈾-235)和12. 8噸的釷。這家燃煤電廠的放射性排放量是有著同樣發(fā)電量、規(guī)模相 當(dāng)?shù)暮穗姀S的100倍；算上加工的輸出量，燃煤電廠的輻射輸出量超過3倍還多(http:// www. ornl. gov/info/ornlreview/rev26-34/text/colmain. html)0
煤和其他化石燃料中存在有微量的汞(http://w冊.fossil, energy, gov/ programs/powersystems/pollutioncontrols/overview_mercurycontrols. html)。這些燃 料燃燒時，會釋放出有毒的汞，汞積聚在食物鏈中并且對水生生態(tài)系統(tǒng)尤其有害。據(jù)估計， 1995年全球范圍內(nèi)自然和人為因素形成的汞的排放量達(dá)到5500噸。美國的燃煤電廠估計 每年排放48噸的汞，這大約占到美國因?yàn)槿藶榛顒佣欧诺娇諝庵械乃泄娜种?。即使沒有空氣或者只有低于化學(xué)計量的氧氣存在，氣化也能在反應(yīng)器中發(fā)生。在 沒有空氣或者低于化學(xué)計量的氧氣的情況下發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)不會形成氮氧化物和硫氧 化物。因此，氣化能夠消除燃料燃燒時形成的大量污染物，尤其是例如煤的含硫的燃料。氣化產(chǎn)生氣態(tài)的、富含燃料的產(chǎn)物，被稱為合成氣體(合成氣)。氣化期間發(fā)生兩 個將燃料源轉(zhuǎn)化為可用燃?xì)獾倪^程。在第一個階段，在低于600°C (1112 Τ)的溫度下熱 解，釋放出燃料的揮發(fā)性組分，這個過程被稱作脫揮發(fā)。熱解還產(chǎn)生主要由碳、木炭和灰分 組成的炭。在第二個氣化階段，熱解后剩余的碳與蒸汽、氫氣或純氧發(fā)生反應(yīng)。采用純氧的 氣化由于沒有來自空氣中的氮?dú)獾南♂專色@得一氧化碳和氫氣的高質(zhì)量混合物。已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的氣化器。它們可以歸為四個主要的類別向上通風(fēng)固定床、 向下通風(fēng)固定床、鼓泡式流化床以及循環(huán)流化床。其差別主要是在于反應(yīng)容器中對燃料源 的支持方式、燃料和氧化劑的流向以及反應(yīng)器的供熱方式。這些氣化器設(shè)計上的優(yōu)點(diǎn)和缺 點(diǎn)已經(jīng)在文獻(xiàn)中作出了詳細(xì)的記載，例如，Rezaiyan, J. and Nicholas P. Cheremisinoff, Gasification Technology, A Primer for Engineers and Scientists. Boca Raton:CRC Press，2005，這篇文章的內(nèi)容以參考的方式并入本文。向上通風(fēng)氣化器，也被稱作逆流氣化，是最古老也最簡單的氣化器形式；而且現(xiàn)在 它仍然用于煤的氣化。從反應(yīng)器的頂部引入燃料，在反應(yīng)器底部設(shè)置有爐排，對反應(yīng)床進(jìn)行 支撐?？諝饣蜓鯕夂?或蒸汽形式的氧化劑從爐排下方引入并向上流動，通過燃料和炭的 反應(yīng)床。炭的完全燃燒發(fā)生在反應(yīng)床的底部，釋放出CO2和吐0。這些熱氣體(約1000°C ) 穿過上面的反應(yīng)床，并在那里還原成H2和⑶，并冷卻至約750°C。還原氣體(H2和C0)繼續(xù) 進(jìn)入反應(yīng)器，熱解下降的干燥燃料并且最后對任何進(jìn)入的濕燃料進(jìn)行干燥，使得反應(yīng)器的 溫度較低(約500°C)。向上通風(fēng)氣化是簡單且低成本的工藝，能夠處理高水分和高無機(jī)物 含量燃料。向上通風(fēng)氣化最主要的缺點(diǎn)在于，合成氣體含有10-20%重量的焦油，這就要求應(yīng)用在引擎、渦輪機(jī)或合成之前，要進(jìn)行大范圍的合成氣清潔。向下通風(fēng)氣化器，也被稱作順流氣化，具有和向上通風(fēng)氣化器相同的機(jī)械構(gòu)造，除 了一點(diǎn)，向下通風(fēng)氣化的氧化劑和產(chǎn)物氣體沿著反應(yīng)器流動(方向與燃料方向相同)，并且 能夠燃燒所形成的99. 9%的焦油。在反應(yīng)器頂部的反應(yīng)區(qū)，引燃低水分燃料(低于20%) 和空氣或者氧氣，產(chǎn)生熱解氣體/蒸汽，其強(qiáng)烈燃燒后留下5-15 %的炭和熱燃燒氣體。這些 氣體向下流動并在800-1200°C下與炭發(fā)生反應(yīng)，在冷卻至800°C以下的同時產(chǎn)生更多的CO 和H2。最后，未轉(zhuǎn)化的炭和灰分穿過爐排底部，被送至處理。向下通風(fēng)氣化的優(yōu)點(diǎn)在于消耗 了所形成的焦油的99. 9%，這就使得對焦油可以簡單的清除也可以不進(jìn)行清除。礦物質(zhì)和 炭/灰分留下來，減少對氣旋的需求。向下通風(fēng)氣化的缺點(diǎn)在于需要將原料干燥成濕度較 低(低于20%)；反應(yīng)器中的合成氣溫度很高，使得需要次級熱量回收系統(tǒng)；并且4至7% 的碳未被轉(zhuǎn)化。起泡式流化床由沙 或礬土(alumina)的細(xì)小惰性顆粒構(gòu)成，且已經(jīng)在粒度、密度 和熱特性方面對這些顆粒進(jìn)行了選擇。由于使氣體(氧氣、空氣或蒸汽)強(qiáng)制性地通過惰 性顆粒，那么當(dāng)顆粒和氣體之間的摩擦力抵消固體物的重量時，就實(shí)現(xiàn)了目的。在該氣體速 度(最小流態(tài)化)下，固體顆粒物懸浮起來，可能發(fā)生起泡以及氣體竄流通過介質(zhì)，從而使 得顆粒保留在反應(yīng)器中并看起來是處于“沸騰態(tài)”。最低流態(tài)化速度與最小起泡速度和竄流 速度并不相等。對于粗顆粒來說，最低起泡速度和竄流速度相近或幾乎相等，但是由于氣體 分布的緣故，竄流速度可能完全不同。流態(tài)化顆粒易于中斷送至流化床的燃料并且保證了 整個反應(yīng)器內(nèi)良好的熱傳遞。起泡流化床的優(yōu)點(diǎn)在于生成了均勻的產(chǎn)物氣體并且實(shí)現(xiàn)了整 個反應(yīng)器內(nèi)幾乎均勻的溫度分布。起泡流化床還能接受各種各樣的燃料顆粒粒度，其中包 括細(xì)微顆粒；另外，還在惰性氣體、燃料和氣體之間實(shí)現(xiàn)了高速率的熱傳遞。循環(huán)流化床式氣化器的工作氣體速度高于所謂的傳輸速度或者循環(huán)流態(tài)化的起 點(diǎn)速度，在此速度下，帶走的流化床顆粒大大增加，使得需要連續(xù)不斷地將帶走的顆粒供應(yīng) 或循環(huán)回至流化床，以在流化床中維持穩(wěn)定的氣體_固體體系。由于流化床材料的高熱容 量，循環(huán)流化床氣化適合于提供高傳熱率的快速反應(yīng)。循環(huán)流化床式氣化器能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn) 化率，而同時低焦油和未轉(zhuǎn)化的碳。正常情況下，這些氣化器采用同質(zhì)的燃料源。一個恒定不變的燃料源能使氣化器 被校準(zhǔn)，以始終如一地形成所需產(chǎn)物。每種氣化器只對一定范圍內(nèi)的燃料特性，如穩(wěn)定性、 氣體質(zhì)量、效率和壓力損失等，能實(shí)現(xiàn)令人滿意的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中一些燃料特性是能量含量、含 水量、揮發(fā)物質(zhì)含量、灰分含量和灰分化學(xué)組分、反應(yīng)性、粒度和粒度分布、堆積密度以及炭 性質(zhì)。在為任一單獨(dú)的燃料選擇氣化器之前，重要的是要保證燃料滿足氣化器的要求，或者 保證燃料經(jīng)過處理后能滿足要求。如果燃料之前還沒有被成功氣化過，那么需要進(jìn)行操作 測試。正常情況下，氣化器采用同質(zhì)的燃料源來生成合成氣體。一個恒定不變的燃料源 能校準(zhǔn)氣化器，使其始終如一地形成所需產(chǎn)物。每種氣化器只對于一定范圍內(nèi)的燃料特性， 如穩(wěn)定性、氣體質(zhì)量、效率和壓力損失等，能實(shí)現(xiàn)令人滿意的運(yùn)轉(zhuǎn)。一些用于燃燒和氣化的 燃料的特性是高熱值(high heating value, HHV)含量、碳(C)含量、氫(H)含量和氧(0) 含量、BTU值、含水量、揮發(fā)物質(zhì)含量、灰分含量和灰分化學(xué)組分、硫含量、氯含量、反應(yīng)性、粒 度和粒度分布以及堆積密度。在為任一單獨(dú)的燃料選擇氣化器之前，重要的是要保證燃料滿足氣化器的要求，或者保證燃料經(jīng)過處理后能滿足要求。如果燃料之前還沒有被成功氣化過，那么需要進(jìn)行實(shí)際測試。用于燃燒和氣化的大量原料的一個潛在來源就是廢棄物。廢棄物，例如城市固體 廢棄物(municipal solid waste, MSW)，通常被處理或用于燃燒過程以產(chǎn)生用于渦輪機(jī)的 熱和/或蒸汽。上文已經(jīng)對燃燒的缺點(diǎn)進(jìn)行了描述，這些缺點(diǎn)包括污染物的產(chǎn)生，例如破壞 環(huán)境的氮氧化物、硫氧化物、顆粒物質(zhì)和氯產(chǎn)物。煤燃燒引起的溫室氣體對環(huán)境的影響當(dāng)今環(huán)境面臨的最大的威脅之一在于燃料(例如煤)燃燒將污染物和溫室氣體 (greenhouse gases,GHG)釋放到大氣中。溫室氣體(例如二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、水 蒸汽、一氧化碳、氧化氮、二氧化氮和臭氧)從射入的太陽輻射中吸收熱量，但并不允許長 波輻射通過，而將其反射回天空。大氣中的溫室氣體俘獲吸收的熱量和并使地表變暖。在 美國，溫室氣體的排放大多來自于因經(jīng)濟(jì)增長而需要大量用于能源、發(fā)電所用的燃料以及 受天氣模式影響的供暖與降溫需求。與能量相關(guān)的二氧化碳排放來源于石油和天然氣，占 至I摸國人為溫室氣體排放量的82%。另一種溫室氣體，甲燒，來源于填埋場、煤礦、石油和氣 體操作以及農(nóng)業(yè)；它占到總排放量的9%。同時，一氧化二氮(占到總排放量的5% )來源 于燃燒的化石燃料以及某些肥料的使用和工業(yè)過程。在2001至2025年間，整個世界的二 氧化碳排放量預(yù)計要以每年1.9%的速度增長。預(yù)計這些氣體排放量的增長大多都發(fā)生在 發(fā)展中國家，例如中國和印度，其新興經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要化石燃料。在2001至2025年間，預(yù) 計發(fā)展中國家的排放量每年的增長高于世界平均水平的2. 7%，并且在2018年來臨之前超 過工業(yè)化國家的排放量。垃圾填埋場也是溫室氣體排放的重要源頭，主要是因?yàn)樵趶U棄物(例如城市固體 廢棄物)分解期間會釋放出甲烷。甲烷的溫室氣體特性比與二氧化碳高出二十多倍，并且 垃圾填埋場也需要對人為排放中的約4%負(fù)責(zé)。燃燒廢棄物或在垃圾填埋處收集甲烷都能 極大地減少甲烷氣體的排放。從垃圾填埋處收集的甲烷氣體能直接用于能源生產(chǎn)或燒掉， 換而言之，即通過燃燒排放而沒有產(chǎn)生能源。參見科學(xué)日報2007年12月8號出版的《燃 燒廢棄物能減少溫室氣體的排放》(Combustion Of Waste May Reduce Greenhouse Gas Emissions, ScienceDaily, Dec. 8,2007)。根據(jù)人類活動產(chǎn)生的溫室氣體的量來衡量人類活動對環(huán)境的影響，方法之一是檢 測碳印跡，即以二氧化碳(CO2)為單位進(jìn)行檢測。碳印跡可看作是一個產(chǎn)品或一種服務(wù)整個 生命周期排放的二氧化碳和其他溫室氣體的總量。正常情況下，碳印跡通常表述為CO2當(dāng) 量(單位通常為千克或噸)，其說明了不同溫室氣體的對全球變暖產(chǎn)生同樣的影響?？刹捎?“生命周期評價”方法來對碳印跡進(jìn)行計算，或者可將碳印跡限定為使用化石燃料的能量所 帶來的直接排放。碳印跡的另一定義是在一年期間，個體行動(主要是通過能量使用)產(chǎn)生的CO2的 總量。該定義解釋了對個體碳的計算。這個術(shù)語源自于這樣一種想法，即個人活動后所剩 下的就是印跡。碳印跡可以只考慮直接排放(通常由家庭中和移動中的能量使用所引起， 包括開車、坐飛機(jī)、乘火車和乘坐其他公共交通工具進(jìn)行旅行)，或者也包括間接排放，其中 包括消費(fèi)商品和享受服務(wù)所導(dǎo)致的CO2排放以及隨之而來產(chǎn)生的垃圾。通過執(zhí)行下列步驟，可有效減少碳印跡(i)進(jìn)行生命周期評價，以準(zhǔn)確確定當(dāng)前的碳印跡；(ii)根據(jù)能量消耗和與其相關(guān)的CO2排放，確認(rèn)熱點(diǎn)；(iii)優(yōu)化能量效率，并由 此生產(chǎn)過程使得CO2排放和其他溫室氣體排放量減少；以及(iv)確認(rèn)解決辦法以處理節(jié)能 措施無法消除的CO2排放。最后一個步驟包括碳抵消以及目的在于減少CO2排放的工程的 投資。購買碳補(bǔ)償是另一種減少碳印跡的方法。一個碳補(bǔ)償可減少一噸CO2當(dāng)量。出售碳補(bǔ)償?shù)墓緦稍偕茉囱芯?、農(nóng)業(yè)和填埋場的氣體捕獲以及植樹等工程進(jìn)行投資。購買和取回排放交易信用額的行為也是存在的，這就在自愿的碳市場和管制的碳 市場之間建立了聯(lián)系。排放交易方案為組織和公司提供了降低其碳印跡的經(jīng)濟(jì)刺激。那些 方案存在于限額交易體系，在這一體系中，某一國家、地區(qū)或部門的總碳排放量為一定值， 且準(zhǔn)許組織的排放量為總排放量的一部分。那些排放的碳低于其排放目標(biāo)值的組織可以出 售他們“多出來的”碳排放量。對于許多廢棄物來說，經(jīng)過處理的材料表現(xiàn)為經(jīng)過一系列步驟后所剩下的東西， 這些步驟包括(i)原材料的提取和處理；(ii)產(chǎn)品制造；(iii)運(yùn)輸材料和產(chǎn)品至市場； (iv)消費(fèi)者使用；以及(ν)廢棄物管理。實(shí)際上在“生命周期”的每一步驟中，都存在溫室 氣體(GHG)的潛在影響。廢棄物管理對溫室氣體的影響是通過影響與制造、運(yùn)輸、使用以及 處理變?yōu)閺U棄物的產(chǎn)物或材料相關(guān)的能量消耗(特別地，化石燃料的燃燒)以及影響來自 垃圾填埋場中的廢棄物的溫室氣體排放。焚化通常減少了約90%的城市固體廢棄物，剩余的10%的原始城市固體廢棄物 仍然需要進(jìn)行填埋。這類焚化過程產(chǎn)生大量的溫室氣體，二氧化碳。通常情況下，焚燒期間 排出的每當(dāng)量CO2產(chǎn)生的能量非常少，這樣就使得焚燒城市固體廢棄物以用于能量生產(chǎn)成 為產(chǎn)生溫室氣體并釋放至大氣中的的罪魁禍?zhǔn)字?。因此，如果需要避免溫室氣體的排放， 那么還需要除了填埋和焚燒以外的新的廢棄物(例如，城市固體廢棄物)處理辦法。每種經(jīng)過被作為廢棄物處理的材料都會產(chǎn)生不同的溫室氣體影響，這取決于制造 和處理方式。廢棄物管理的目標(biāo)中最重要的溫室氣體是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和全氟 碳。在這些溫室氣體中，二氧化碳(CO2)是目前為止美國排放的最常見的溫室氣體。大多 數(shù)二氧化碳的排放都來源于能量的使用，特別是化石燃料的燃燒。二氧化碳是測量熱捕獲 潛能值(heat-trapping potential)(也被稱作全球變暖潛能值(GWP))的參比氣體。一千 克二氧化碳的GWP定義為1。甲烷的GWP是21，也就是說一千克甲烷的熱捕獲潛能值與21 千克的CO2 —樣。一氧化二氮的GWP是310。全氟碳的GWP最高，其中CF4的GWP達(dá)到6500 以及C2F6的GWP達(dá)到920。二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和全氟碳的排放量通常以“碳當(dāng)量” 來表示。由于CO2按重量算是碳的12/44，所以一公噸CO2等于12/44或者0. 27公噸碳當(dāng)量 (metric tons of carbon equivalent，MTCE)。一公噸其他氣體的 MTCE 值是通過將其 GWP 與因子 12/44相乘而確定的(The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)， Climate Change 1995 :The Science of Climate Change, 1996，p. 121)。在無氧(厭氧的) 環(huán)境中，例如填埋場中，有機(jī)廢棄物分解時會產(chǎn)生GWP更高的甲烷(CH4)。在美國，填埋場是 產(chǎn)生甲烷的最大源頭。當(dāng)回收的廢棄材料經(jīng)過處理后用于取代化石燃料時，通常會更好地實(shí)現(xiàn)溫室氣體 排放的減少。如果被取代的材料具有生物性(來源于活生物體的材料)，那么并不總是能降 低排放量。即使是其他因素(例如廢棄材料的處理和使用過的產(chǎn)品的處理)也會影響排放平衡。例如，由回收織物制造的吸油面紙，與使用新的塑料相比，會降低排放。另一個例子 發(fā)現(xiàn)，將回收的塑料用作建筑材料的原料比采用浸漬木材要好。這是因?yàn)閷τ跍p少排放，塑 料的燃燒比起浸漬木材會導(dǎo)致更多的排放。如果被取代的材料是基于化石燃料的，或者是 混凝土或鋼，結(jié)果可能會對回收塑料更有利?？紤]到溫室氣體對環(huán)境的影響，各級政府正考慮，在一些情況下已經(jīng)啟動以降低 在燃料轉(zhuǎn)化為能量時釋放至大氣中的溫室氣體為目的的項目。其中一個倡議就是“區(qū)域溫 室氣體倡議”(Regional Greenhouse Gas Initiative，RGGI)。RGGI 是面向市場的計劃，旨 在降低東北地區(qū)發(fā)電廠造成的全球變暖性污染。美國的不同片區(qū)在聯(lián)盟水平考慮了其他的 如是倡議。RGGI是一個在美國東北部的強(qiáng)制性的溫室氣體交易體系。例如，該項目將要求 燃煤發(fā)電廠平均每年積極地減少其2. 5%的溫室氣體排放。實(shí)現(xiàn)該目的的其中一個方式就 是更換燃料來源或清洗排放物以減少污染物。另一個替代方式就是向那些能夠補(bǔ)償其大氣 排放的其他公司購買碳信用額。另外還需要避免硫和氯的排放。應(yīng)該避免使含有大量硫和氯的燃料和廢棄物進(jìn)行 燃燒和氣化反應(yīng)?！按罅俊钡亩x是當(dāng)這些量加入最終燃料原料后，使得最終燃料原料含有 超過2%的硫和超過的氯。當(dāng)燃燒材料(例如煤、使用過的輪胎、地毯和橡膠)時，會釋 放出不被容許量的含有硫和氯的有害氣體。因此，需要一種能夠有效且干凈地進(jìn)行燃燒并且還能用于生產(chǎn)能量和/或化學(xué)制 品的替代燃料。同時還需要廢棄物管理系統(tǒng)，以執(zhí)行通過利用此類廢棄物來降低廢棄物的 溫室氣體排放的方法。特別地，需要通過影響材料的生命周期末期管理來降低其碳印跡。通 過治理和使用包含在廢物中的能量，在廢物處理和有效利用那些由商業(yè)和住宅的消費(fèi)者產(chǎn) 生的廢物的過程中，有可能減少產(chǎn)生的溫室氣體排放本發(fā)明的目的是提供一種具有特定的化學(xué)分子特性(例如碳含量、氫含量、氧含 量、硫含量、灰分含量、含水量以及用于含碳材料(例如煤)的熱轉(zhuǎn)化的高熱值(HHV))的工 程燃料原料(engineered fuel，EF)。本文所述的工程燃料原料具有多種用途，包括但不限 于，補(bǔ)償或取代煤來作為燃煤發(fā)電廠的原料。本發(fā)明的另一個目的是提供新型原料，其燃燒 的排放比燃燒煤的排放更好。發(fā)明概述本發(fā)明描述了一種包括至少一種由處理過的城市固體廢物流衍生的組分的工程燃料原料，該原料具有一系列能使其具有多種燃燒和氣化用途的化學(xué)分子特性。本文中描 述了原料的用途，例如，作為煤的替代物或者煤的補(bǔ)充物進(jìn)行能量的生產(chǎn)，以及作為用于氣 化和生產(chǎn)合成氣體的原料源。該原料的形式可以是松散的材料、致密的立方體、坯塊、小球 或其他合適的形狀和形式。描述了一種生產(chǎn)工程燃料原料的方法，其包括這樣的過程，在此 過程中大量的廢物流，包括固體和液體廢物被加工，以及如果必要，在材料回收中心先進(jìn)行 分離以便對廢物流包含的組分進(jìn)行分類整理。在一些實(shí)施例中，包含在材料回收設(shè)備中的 廢物流的材料被按化學(xué)分子特征分類整理，但并不分離；這些分類整理過的材料可以被儲 藏用于隨后的生產(chǎn)理想的具有特別化學(xué)分子組成的工程燃料原料。在其他實(shí)施例中，含有 廢物流的材料進(jìn)入材料回收設(shè)施中，然后根據(jù)其化學(xué)分子特性進(jìn)行分離并分別進(jìn)行分類以 用于生產(chǎn)工程燃料原料。這些含有廢物流的材料進(jìn)入材料回收設(shè)施后，能夠在分離期間根 據(jù)(例如)BTU燃料含量、碳含量、氫含量、灰分含量、氯含量或其他任何適合的特性進(jìn)行正面地或反面地選取，以用于氣化和燃燒。本發(fā)明還描述了用于制造本文所述的工程燃料原 料的方法。公開了設(shè)計HHV燃料的算法。例如，HHV燃料可設(shè)計來具有最高的合理熱含量以及可接受的灰分含量，以阻止出渣的發(fā)生。這些燃料具有與煤相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?BTU/lb)，卻 沒有出渣、熔結(jié)和硫污染的問題，并且還能用作煤的替代物或補(bǔ)充物。而且，通過例如在氣 化之前對原料中的碳、氫、氧的含量進(jìn)行優(yōu)化，工程燃料原料還可設(shè)計來產(chǎn)生高質(zhì)量的合成 氣。那些工程的燃料原料生產(chǎn)高質(zhì)量合成氣體，依據(jù)HHV值，決定合成氣體是否被用于電力 生產(chǎn)應(yīng)用；或者依據(jù)H2/C0比例以及存在于產(chǎn)品合成氣體中的CO和H2的量，決定合成氣體 是否被用于化學(xué)合成應(yīng)用。工程燃料原料還可設(shè)計來最小化有害排放，例如工程燃料原料 含有不到2%的硫。不同的廢物流組分，包括可回收材料和回收殘渣，都能用于生產(chǎn)所需的 工程燃料原料。進(jìn)入材料回收設(shè)備的廢物的生命周期的任何假設(shè)時間，對廢物流中的一些 或全部組分，可能確定的是，對全部或一部分廢物流的最有效和最好的利用就是回收利用。相應(yīng)地，本發(fā)明一方面提供了一種工程燃料原料，其包括至少一種由處理過的城 市固體廢物流所衍生的組分，該原料還含有超過約60%的碳含量；約5%至約10%的氫含 量；低于約20%的含水量；低于2%的硫含量；低于約15%的灰分含量；以及其中，原料實(shí) 質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃物。在一些實(shí)施例中，原料還包括低于約15%的含水量。在一些實(shí)施例中，含水量為約 5%至約10%。在一些實(shí)施例中，原料的高熱值為約9，000BTU/lb至約15，000BTU/lb。在 一些實(shí)施例中，原料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約40 %至80 %。在一些實(shí)施例中，原料的碳含量為 約60%至約70%。在一些實(shí)施例中，原料的碳含量為約70%至約80%。在一些實(shí)施例中， 原料的碳含量超過約80%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約5%。在一些實(shí)施例 中，原料的高熱值為約10，000BTU/lb至約14，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，原料的H/C比 例為約0. 06至0. 1。在一些實(shí)施例中，原料的0/C比例為約0. 01至0. 05。在一些實(shí)施例 中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的原料生產(chǎn)合成氣體，其包括約25%體積至約30% 體積的H2 ；約42%體積至約48%體積的N2 ；約12%體積至約17%體積的CO ；約2%體積至 約5%體積的CH4 ；約5%體積至約10%體積的CO2 ；以及約160BTU/scf至約200BTU/scf的 高熱值。在一些實(shí)施例中，原料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約40%至80%。工程燃料原料實(shí)質(zhì)上不 含玻璃、金屬、砂礫和不燃物(除了那些使得工程燃料原料賦予惰性所必須的)。在一些實(shí)施例中，原料的碳含量為約50%至約60%。在一些實(shí)施例中，原料的碳 含量為約60%至約70%。在一些實(shí)施例中，原料的碳含量為約70%至約80%。在一些實(shí) 施例中，原料的碳含量為約65%。在一些實(shí)施例中，原料的碳含量為約75%。在一些實(shí)施例中，原料的氫含量為約5%至8%。在一些實(shí)施例中，原料的氫含量 為約6%至7%。在一些實(shí)施例中，原料的含水量為約12%至20%。在一些實(shí)施例中，原料的含水 量為約18%至20%在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約10%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量 低于約9%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約8%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分 含量低于約7%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約6%。在一些實(shí)施例中，原料的 灰分含量低于約5%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約4%。在一些實(shí)施例中，原料的灰分含量低于約3%。在一些實(shí)施例中，原料的高熱值HHV為約9，000BTU/lb至約15，000BTU/lb。在一 些實(shí)施例中，原料的HHV值為約10，000BTU/lb至約14，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，原 料的HHV值為約11，000BTU/lb至約13，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，原料的HHV值為約 10，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，原料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約50%至70%。在一些實(shí)施例中，原料 的揮發(fā)物質(zhì)含量為約60%。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C比例為約0. 025至約0. 20。在一些實(shí)施例 中，工程燃料原料的H/C比例為約0. 05至約0. 18。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C 比例為約0. 07至約0. 16。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C比例為約0. 09至約0. 14。 在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C比例為約0. 10至約0. 13。在一些實(shí)施例中，工程燃 料原料的H/C比例為約0. 11至約0. 12。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C比例為約 0. 13。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的H/C比例為約0. 08。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的0/C比例為約0. 01至約1. 0。在一些實(shí)施例中， 工程燃料原料的0/C比例為約0. 1至約0.8。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的0/C比例為 約0. 2至約0. 7。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的0/C比例為約0. 3至約0. 6。在一些實(shí) 施例中，工程燃料原料的0/C比例為約0. 4至約0. 5。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的0/ C比例為約0. 9。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的0/C比例為約0. 01。在一些實(shí)施例中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的原料生產(chǎn)的合成氣體，其 包括約6%體積至約30%體積的H2 ；約14%體積至約25%體積的CO ；約0. 3%體積至約 6. 5%體積的CH4 ；約6. 5%體積至約13. 5%體積的CO2 ；以及約44%體積至約68%體積的 N2。在一些實(shí)施例中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的工程燃料原料生產(chǎn)的合成氣 體，其H2/C0比為約0. 3至約2. 0。在一些實(shí)施例中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的工 程燃料原料生產(chǎn)合成氣體，其H2/C0比為約0. 5至約1. 5。在一些實(shí)施例中，在850°C和ER 為0. 34時進(jìn)行氣化的工程燃料原料生產(chǎn)合成氣體，其H2/C0比為約0. 8至約1. 2。在一些 實(shí)施例中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的工程燃料原料生產(chǎn)合成氣體，其H2/C0比為 約 1. 0。在一些實(shí)施例中，在850°C和ER為0. 34時進(jìn)行氣化的工程燃料原料生產(chǎn)合成氣 體，其包括約20 %體積的H2 ；約46 %體積的N2 ；約25 %體積的CO ；約1 %體積的CH4 ；約8 % 體積的CO2 ；以及BTU/scf值為約160。在一些實(shí)施例中，燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的有害排放低于燃燒煤所產(chǎn)生。在一 些實(shí)施例中，燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的硫排放低于燃燒煤所產(chǎn)生。在一些實(shí)施例中，燃 燒此工程燃料原料產(chǎn)生的HCl排放低于燃燒煤所產(chǎn)生。在一些實(shí)施例中，燃燒此工程燃料 原料產(chǎn)生的重金屬(例如汞)排放低于燃燒煤所產(chǎn)生。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料設(shè) 計來避免排放顆粒物質(zhì)、N0x、CO、C02、揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds, VOCs)和鹵素氣體。在一些實(shí)施例中，與燃燒煤所產(chǎn)生的溫室氣體排放相比，工程燃料原料設(shè)計來減少了溫室氣體排放。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料設(shè)計來減少了燃燒生物物質(zhì)(例如木材、柳枝稷等)引起的溫室氣體排放。在一些實(shí)施例中，原料為松散、非致密的形式。在其他實(shí)施例中，工程燃料原料為致密的形式。在一些實(shí)施例中，致密形式為立方形。在一些實(shí)施例中，致密形式為矩形。在 其他實(shí)施例中，致密形式為圓柱形。在一些實(shí)施例中，致密形式為球形。在一些實(shí)施例中， 致密形式為坯塊。在其他實(shí)施例中，致密形式為小球。在一些實(shí)施例中，致密的燃料被切成 不同厚度的片。在一些實(shí)施例中，厚度為約0. 19英寸至約0.75英寸。在一些實(shí)施例中，工 程燃料原料，除了來自處理過的城市固體廢物流的所衍生的組分之外，還包括至少一種提 升燃料小球氣化的廢棄材料。在一些實(shí)施例中，提升是降低了灰分。在其他實(shí)施例中，提升 是有助于溫度控制。還在其他實(shí)施例中，提升是減低硫排放。還在其他實(shí)施例中，提升是降 低氯排放。還在其他實(shí)施例中，提升是降低重金屬排放。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料被賦予惰性。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料還包 括至少一種賦予原料惰性的添加劑。在一些實(shí)施例中，添加劑可以混入處理過的城市固體 廢棄物中，賦予所得原料惰性。一些濕的城市固體廢棄物含有比較多的生存能力強(qiáng)的細(xì)菌 細(xì)胞，這些細(xì)胞在潮濕的條件下能夠在發(fā)酵期間產(chǎn)生熱和氫氣，例如，在長時間的儲存和運(yùn) 輸期間。例如，可將添加劑(例如氫氧化鈣)添加到城市固體廢棄物中，從而阻止食物殘渣 的腐爛并且加速固體廢棄物的干燥。在一些實(shí)施例中，使得原料賦予惰性的添加劑是氧化 鈣。添加劑的不受限制的其他實(shí)例是硫鋁酸鈣和其他硫酸鹽化合物，只要它們不會干擾其 中使用了小球的下游操作。替代地，可通過任何已知的能使生物材料變得不活潑的方法來使城市固體廢棄物 變得生物學(xué)上惰性。例如，X射線可用于城市固體廢棄物處理之前或之后使其變得不活潑。 干燥可用于去除有機(jī)體(例如微生物)生長必需的水。以高熱并且優(yōu)選地以壓力下(高壓 滅菌法)的高熱來處理城市固體廢棄物也會使其變得生物學(xué)上不活潑。在一個實(shí)施例中， 由工程小球供給燃料的往復(fù)式蒸汽機(jī)或渦輪機(jī)產(chǎn)生的多余的熱能夠通過系統(tǒng)進(jìn)行重定向， 并且能用于使城市固體廢棄物賦予惰性。在其他實(shí)施例中，借助微波輻射等措施來賦予原 料惰性。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式的直徑為約0. 25英寸至約1. 5英寸。 在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式的長度為約0. 5英寸至約6英寸。在一些實(shí)施例 中，工程燃料原料的致密形式的表面體積比為約20 1至約3 1。在一些實(shí)施例中，工程 燃料原料的致密形式的堆積密度為約101b/ft3至約751b/ft3。在一些實(shí)施例中，工程燃料 原料的致密形式的孔隙率為約0. 2至約0. 6。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式的 縱橫比為約1至約10。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式的導(dǎo)熱率為約0. 023BTU/ (ft · hr · °F )至約0. 578BTU/(ft · hr · °F )。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式 的比熱容為約 4. 78 X KT5BTU/(lb · 0F )至約 4. 78 X IiT4BTU/(ft · hr · °F )。在一些實(shí)施 例中，工程燃料原料的致密形式的熱擴(kuò)散率為約1.08X10_5ft7S至2. 16X10_5ft7s。在一些實(shí)施例中，至少一種提升燃料小球氣化的廢棄材料是選自脂肪、油和油脂 (fats, oils and grease, FOG) 0在一些實(shí)施例中，至少一種提升燃料小球氣化的廢棄材料 是淤泥。在一些實(shí)施例中，工程燃料原料的致密形式實(shí)質(zhì)上在內(nèi)部封裝了 FOG組分。在一 些實(shí)施例中，使封裝層形成刻痕。在另外的實(shí)施例中，工程燃料原料的封裝致密形式的刻痕 使得燃料能在氣化過程中比沒有刻痕的燃料更有效地進(jìn)行脫揮發(fā)。
另一方面，描述了由包含下列步驟的過程來生產(chǎn)的工程燃料原料，該原料含有超過約60%的碳含量；約5%至約10%的氫含量；低于約20%的含水量；低于2%的硫含量； 低于約15%的灰分含量；以及其中，原料實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃物a)從材料回收設(shè)施接收大量的城市固體廢棄物供料；b)當(dāng)步驟a)中的大量城市固體廢棄物供料通過材料回收設(shè)施時，根據(jù)組分的化 學(xué)分子特性，對其組分進(jìn)行分類；c)將在步驟b)中分類的大量城市固體廢棄物供料的組分的化學(xué)分子特性與工程 燃料原料的化學(xué)分子特性進(jìn)行對比；d) d)可選擇性的加入額外的具有特定化學(xué)分子特征的工程燃料原料組分，這些組 分與由步驟b)分類整理出的組分的總和等于工程燃料原料的化學(xué)分子特征。在一些實(shí)施 例中，原料的高熱值為約9000BTU/lb至約15，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，燃料原料的揮 發(fā)性物質(zhì)的含量在約40%至約80%之間。在一些實(shí)施例中，減小工程燃料原料的尺寸以使 其變得均勻。在一些實(shí)施例中，對工程燃料原料進(jìn)行致密。在一些實(shí)施例中，致密的工程燃 料原料的形式為坯塊。在一些實(shí)施例中，致密的原料的形式為小球。在一些實(shí)施例中，致密 的原料的形式為立方體。另一方面，描述了由包含下列步驟的過程生產(chǎn)的工程燃料原料a)根據(jù)化學(xué)分子特性，將材料回收設(shè)施的大量城市固體廢棄物供料分離為大量城 市固體廢棄物組分；b)為工程燃料原料設(shè)計化學(xué)分子特性超過約60%的碳含量；約5%至約10%的 氫含量；低于約20%的含水量；低于2%的硫含量；低于約15%的灰分含量；c)選擇步驟a)中的城市固體廢棄物組分，其化學(xué)分子特性的總和等于在步驟b) 中選擇的化學(xué)分子特性；d)如果步驟C)中選擇的城市固體廢棄物組分的化學(xué)分子特性不等于步驟b)中選 擇的化學(xué)分子特性，那么選擇性地將其他的燃料組分加入至步驟c)中選擇的城市固體廢 棄物組分中；以及e)將步驟C)中的組分與步驟d)中選擇性加入的組分混合。在一些實(shí)施例中，減小步驟e)中的混合物的尺寸有助于使工程燃料原料變得均 勻。在一些實(shí)施例中，為步驟e)中的混合物的致密形式或步驟e)中的尺寸減小的混合物 確定尺寸和形狀。在其他實(shí)施例中，對步驟e)中的尺寸減小的混合物進(jìn)行致密。在一些實(shí) 施例中，工程燃料原料的高熱值為約9000BTU/lb至約15，000BTU/lb。在一些實(shí)施例中，原 料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約40%至80%。另一方面，描述了制造由處理過的城市固體廢物流衍生的的工程燃料原料的方 法，其包括下列步驟a)從處理過的城市固體廢物流中選擇多種組分，這些組分共同地具有如下的化學(xué) 分子特性超過約60%的碳含量；約5%至約10%的氫含量；低于約20%的含水量；低于 2%的硫含量；低于約15%的灰分含量；以及其中，原料實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃 物；b)將步驟a)中選擇的組分進(jìn)行結(jié)合和混合以形成原料；c)將步驟b)中的原料的所得化學(xué)分子特性與步驟a)中的化學(xué)分子特性進(jìn)行對比；d)如果步驟b)中選擇的城市固體廢棄物組分的化學(xué)分子特性不等于步驟a)中的化學(xué)分子特性，那么選擇性地將其他的燃料組分加入至步驟b)中選擇的組分中。在一些實(shí)施例中，減小步驟b)或步驟d)中的混合物的尺寸有助于使工程燃料原 料變得均勻。在一些實(shí)施例中，為步驟b)中的混合物或步驟b)或d)中的尺寸減小的混合 物的致密形式確定尺寸和形狀。在一些實(shí)施例中，對步驟b)中的混合物進(jìn)行致密。在其他 實(shí)施例中，對步驟e)中的尺寸減小的混合物進(jìn)行致密至約lOlbs/ft3至約751bs/ft3.。在 一些實(shí)施例中，工程燃料原料的高熱值為約9000BTU/lb至約15，000BTU/lb。在一些實(shí)施例 中，原料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約40%至80%。另一方面，描述了制造工程燃料原料的方法，其包括下列步驟a)接收多種城市固體廢物流；b)為工程燃料原料選擇化學(xué)分子特性超過約60%的碳含量；約5%至約10%的 氫含量；低于約20%的含水量；低于2%的硫含量；低于約15%的灰分含量；以及，其中，原 料實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃物；c)根據(jù)組分的化學(xué)分子特性，對城市固體廢物流的組分進(jìn)行分類；d)將步驟C)中多個城市固體廢物流的已分類組分的化學(xué)分子特性與步驟b)中選 擇的化學(xué)分子特性進(jìn)行對比；e)選擇性地將其他的燃料組分加入至步驟C)中已分類組分要求的化學(xué)分子特性 中，以滿足步驟b)中工程燃料原料需要的化學(xué)分子特性。在一些實(shí)施例中，對步驟c)或e) 的工程燃料原料進(jìn)行混合。在一些實(shí)施例中，減小步驟c)或e)的工程燃料原料的尺寸。在 一些實(shí)施例中，對步驟c)或e)的工程燃料原料進(jìn)行致密。在一些實(shí)施例中，對步驟c)或 e)的尺寸減小的工程燃料原料進(jìn)行致密。在一些實(shí)施例中，對工程燃料原料進(jìn)行致密，使得 密度為約 101bs/ft3 至約 751bs/ft3.。在一些實(shí)施例中，對工程燃料原料進(jìn)行致密以形成坯塊。在其他實(shí)施例中，對工程 燃料原料進(jìn)行致密以形成小球。


下面結(jié)合附圖中所示的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明，其中圖1顯示了通?？色@得的燃料原料，例如，煤、F0G、木材、淤泥、黑液、橡膠和城市 固體廢物廢物流，它們所處的位置是根據(jù)其氫含量和碳含量的比值(H/C) (lb/lb)以及其 氧含量和碳含量的比值(0/C) (lb/lb)來確定的。圖2顯示了一些新型工程燃料原料，其通過選擇點(diǎn)線中已知的工程燃料原料并直 接混合所選的燃料原料，以及在某些情況下，增加或減少含水量來制造。圖3顯示了燃料原料直接燃燒的示意圖。圖4顯示了濕的燃料原料在不減少其含水量的情況下直接燃燒的示意圖。圖5顯示了在恒定的空氣當(dāng)量(ER)比(ER = 0. 34)時，水分對典型的煤原料的氣 化溫度、碳轉(zhuǎn)化以及H2+CO生產(chǎn)率的預(yù)測影響。圖6顯示了對于典型的木材原料在800°C時，具有不同含水量的原料在合成氣組 成上的預(yù)測變化。
圖7顯示了對于典型的煤原料在850°C時，燃料含水量對碳轉(zhuǎn)化、冷煤氣效率冷煤氣效率以及CCHH2生產(chǎn)率的預(yù)測影響。圖8顯示了對于純碳在1000°C時，燃料含水量對碳轉(zhuǎn)化、冷煤氣效率冷煤氣效率 以及CCHH2生產(chǎn)率的預(yù)測影響。圖9顯示了對于通常的木材原料在850°C時，生產(chǎn)H2/C0 = 2. 0的合成氣所需要的 預(yù)測的總供水量和外部供水量。圖10顯示了對于通常的木材原料在850°C以及ER = 30時的預(yù)測CCHH2生產(chǎn)率、 冷煤氣效率和H2/CO比值。圖11提供了等式2的圖解表示，顯示了依據(jù)鏈增長參數(shù)α的不同產(chǎn)品的重量分?jǐn)?shù)。圖12提供了生產(chǎn)具有各種的H2/C0比值的合成氣所需要的預(yù)測的所用原料中C/ H和C/0比值。圖13提供了圖表，其顯示了與球形度、圓柱體長度和比表面積相對應(yīng)的圓柱體直徑。圖14提供了圖表，其顯示了具有不同碳含量和氫含量的原料以及其在空氣氣化 中預(yù)測產(chǎn)生CO和吐的量。圖15提供了圖表，其顯示了具有不同碳含量和氫含量的燃料進(jìn)料以及其在空氣/ 蒸汽氣化中預(yù)測產(chǎn)生CO和H2的量。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了新型工程燃料原料，其包括至少一種由城市固體廢棄流衍生的組 分，例如屬于可回收材料中的不可回收部分的回收殘渣，這些原料設(shè)計來具有預(yù)定的化學(xué) 分子特性。這些原料可具有生物物質(zhì)燃料(例如木材、柳枝稷)的化學(xué)分子特性，并且還可 具有含高BTU的燃料(例如煤)的積極特性，同時卻沒有煤的消極屬性，例如有害的硫排 放。本發(fā)明還描述了具有在天然燃料(例如生物物質(zhì)、煤或者石油燃料)中觀察不到的化 學(xué)分子特性的新型工程燃料原料。這些新型燃料含有，例如獨(dú)特的碳、氫、硫和灰分比值，從 而與已知燃料相比，它們的燃燒或氣化大不相同。由于這些新型原料的燃燒或氣化不同，因 此能為許多不同種類的燃燒器和氣化器提供新型燃料。由于天然燃料的均勻性，那些燃燒 器和氣化爐可充分運(yùn)行，但不能最佳地運(yùn)行，這是由于天然燃料的具有較少的優(yōu)化化學(xué)分 子特征。依據(jù)在此公開的方法，能工程化及合成那些工程燃料原料，其對于生產(chǎn)熱能，電，生 物燃料，石油，以及化學(xué)品都很有用?！，F(xiàn)可對高度多變且異質(zhì)的廢物流進(jìn)行控制處理，并且多種由此所得的組分重新結(jié) 合為一種表現(xiàn)為恒定且同質(zhì)的燃料的工程燃料原料，以用于后續(xù)的轉(zhuǎn)化過程。這些后續(xù)過 程包括熱解、氣化和燃燒。工程燃料原料可單獨(dú)使用來產(chǎn)生熱能、電力、生物燃料或化學(xué)制 品，或者還可用作其他燃料的補(bǔ)充物，與其它燃料一起用于這些和其他用途。描述了從天然 異質(zhì)的多種廢物流加工同質(zhì)的工程燃料原料的方法及過程，以及不同的燃料原料本身；這 些燃料包含多種的最佳的物理和化學(xué)特征，可用于不同的轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)使用燃料的轉(zhuǎn)化過程的類型，可以將化學(xué)特征設(shè)計到所得的工程燃料原料 中。原料可設(shè)計來用作燃料，包括其他有用燃料中的合成燃料、含高BTU的燃料(HHV燃料)以及用于生產(chǎn)高質(zhì)量合成氣的燃料。例如，工程燃料可設(shè)計來具有與已知固體燃料(例如 木材、煤、焦炭等)相同或相似的化學(xué)分子特性，并且用作用于燃燒和氣化的燃料的替代物 或補(bǔ)充物。設(shè)計和合成其他的燃料，其具有與天然形成的燃料不同的化學(xué)分子特性。例如， 含高BTU的燃料可設(shè)計來具有最高的合理熱含量以及可接受的灰分含量，以阻止出渣的發(fā) 生。這些燃料具有與煤相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?例如碳含量和氫含量)，卻沒有出渣、熔化和硫污 染的問題(灰分含量、硫含量和氯含量)，能用作煤的替代物或補(bǔ)充物。通過優(yōu)化(例如) 工程燃料原料中的碳含量、氫含量、氧含量、含水量和灰分含量，燃料可設(shè)計來生成高質(zhì)量 的合成氣。依據(jù)合成氣熱值、H2/CO比值以及⑶、H、C02和CH4的量，這類燃料生產(chǎn)了高質(zhì)量 的合成氣。由于沒有形成或者形成的熔渣很少以及形成的焦油最少，這些生產(chǎn)高質(zhì)量合成 氣的燃料使得氣化器能夠穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)(在合適的氣化器溫度下)。在本領(lǐng)域中，描述了熱轉(zhuǎn) 換設(shè)備，其被設(shè)計為適合于自然界發(fā)現(xiàn)的特定的燃料，在這些情況下，當(dāng)使用非設(shè)計燃料共 同燃燒時，經(jīng)常會遇到操作的問題或者需要改善設(shè)備。本發(fā)明提供了一種最理想的燃料，它 能出色地與已知熱轉(zhuǎn)化裝置相適應(yīng)并且不需要對設(shè)備進(jìn)行任何改進(jìn)。此處所述的工程燃料原料提供了一種有效的方式，其通過(例如)降低工作溫度、 減少對氧氣供應(yīng)或蒸汽供應(yīng)的需求、或放寬排放控制來使熱轉(zhuǎn)化裝置的工作條件變得適 中。此處所述的方法提供了一種高效的方式，能將低等燃料(例如淤泥、庭院廢物、食物垃 圾等)進(jìn)行升級，以轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量燃料。下面的說明書更加詳細(xì)地描述本發(fā)明。術(shù)語術(shù)語“空氣當(dāng)量比”(ER)是指供應(yīng)至氣化器的空氣量除以完全燃料燃燒所需的空氣量而得到的比值。空氣當(dāng)量比，“ER”，可用下列等式來表達(dá)
_供應(yīng)1〃(化器的屮'C________ _____
~Vi^燃料燃燒所冗的肀Z C術(shù)語“英制熱量單位”(BTU)是指將一磅水的溫度提高一華氏度所需的熱量。術(shù)語“碳界限”是指當(dāng)加入正好夠的氧以實(shí)現(xiàn)完全氣化或碳轉(zhuǎn)化時所獲得的溫度。 在此溫度以上不存在固體碳。術(shù)語“碳含量”是指固定碳(見下方定義)和原料中所有揮發(fā)物質(zhì)含有的所有碳。術(shù)語“碳轉(zhuǎn)化”是指將燃料原料中的固體碳轉(zhuǎn)化為含碳?xì)怏w，例如在大多數(shù)氣化操 作中出現(xiàn)的CO、CO2和CH4。術(shù)語“商業(yè)廢棄物”是指商店、辦公室、飯店、倉庫和其他非制造、非加工活動產(chǎn)生 的固體廢棄物。商業(yè)廢棄物不包括家庭、處理、工業(yè)或特殊廢棄物。術(shù)語“建筑和拆卸廢棄物”("construction and demolition debris”，C&D)是 指公用設(shè)施、建筑物和道路的建造、重建、修理和拆除引起的未污染的固體廢棄物；以及地 面清理引起的未污染的固體廢棄物。這類廢棄物包括，但不限于，磚、混凝土和其他磚石材 料、泥土、巖石、木材(包括著色的、處理過的和涂覆過的木材和木質(zhì)產(chǎn)品)、地面清理廢料、 墻面材料、石膏、干板墻、衛(wèi)生器具、非石棉絕緣物、屋頂木瓦和其他屋面覆蓋層、浙青路面、 玻璃、無密封來掩蓋其他廢棄物的塑料、容量為十加侖或更少且底部留下的殘渣不高于一英寸的空桶、不含危險液體的電線和電子元件以及任何上述附帶的管子和金屬。不是建筑和拆卸廢料的固體廢棄物(即使是由公用設(shè)施、建筑物和道路的建造、重建、修理和拆除引 以及地面清理所引起的)包括，但不限于，石棉廢棄物、垃圾、瓦楞箱紙板、含有危險液體的 電氣設(shè)備(例如日光燈鎮(zhèn)流器或變壓器)、熒光燈、毛毯、家具、家用電器、輪胎、桶、容量超 過十加侖的容器、底部留下的殘渣高于一英寸的容器以及燃料罐。特別地，由任何能使個體 廢棄物組分難以識別的加工技術(shù)(例如磨粉或者撕碎)制造的固體廢棄物(包括那些否則 是建筑和拆卸廢料的廢棄物)不屬于建筑和拆卸廢棄物的定義。術(shù)語“脫揮發(fā)”是指從工程燃料原料去除揮發(fā)性材料以增加工程燃料原料中的碳 的相對量的過程。術(shù)語“固定碳”是指通過近似分析確定除去水分、灰土和揮發(fā)物質(zhì)后的材料平衡。術(shù)語“垃圾”是指從食品的處理、儲存、銷售、制備、烹飪或供應(yīng)中產(chǎn)生的包括動物 和蔬菜廢料的易腐爛的固體廢料。垃圾主要來源于家庭廚房、商店、市場、飯店和其他存儲、 制作或供應(yīng)食物的地方。術(shù)語“氣化”是指采用非燃燒熱過程將固體廢棄物轉(zhuǎn)化為干凈的燃燒燃料以用于 產(chǎn)生(例如)電力、液體燃料和柴油餾出物的技術(shù)。非燃燒是指在熱過程中不會使用空氣 或氧氣或低于化學(xué)計量的氧氣。術(shù)語“有害廢棄物”是指表現(xiàn)出有害廢棄物的四種特性(反應(yīng)性、腐蝕性、可燃性 和/或毒性)或者由環(huán)境保護(hù)局(Environmental Protection Agency EPA)在40CFR的第 262部分中特別指定的固定廢棄物。術(shù)語“熱值”定義為當(dāng)燃料在穩(wěn)定流動過程中完全燃燒并且產(chǎn)物返回到反應(yīng)物狀 態(tài)時釋放的能量。熱值取決于燃燒產(chǎn)物中的水的狀態(tài)。如果H2O是液體形式時，熱值被稱 作HHV (較高熱值)。當(dāng)H2O是水蒸氣形式時，熱值被稱作LHV (較低熱值)。術(shù)語“較高熱值”(HHV)是指產(chǎn)物為液態(tài)水的完全燃料燃燒所釋放的熱值。在不含 水分的情況下，任何燃料的較高熱值都可采用下面的等式進(jìn)行計算HHVto= 146. 58C+568. 78H+29. 4S-6. 58A-51. 53 (0+N)其中，C、H、S、A、0和N分別是以重量百分比表示的碳含量、氫含量、硫含量、灰分
含量、氧含量和氮含量。術(shù)語“城市固體廢棄物”(municipal solid waste，MSW)是指住宅區(qū)、商業(yè)或工 業(yè)區(qū)以及公共機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的固體廢棄物，還包括伴隨建筑和拆除廢棄物的所有可處理組分的 可處理廢物，但并不包括有害廢棄物、廢舊汽車和其他機(jī)動車輛廢棄物、傳染性廢棄物、石 棉廢棄物、被污染的泥土和其他吸收媒介以及除了來自家用爐的灰塵外的灰分。使用過的 輪胎也不屬于城市固體廢棄物的定義。城市固體廢棄物的組分包括但不限于塑料、纖維、 紙、庭院廢物、橡膠、皮革、木材以及回收殘渣，回收殘渣是是一種城鎮(zhèn)固體廢物被處理且大 量成份被從城市固體廢物整理分類過后，在可回收材料中包含的不可回收部分的殘余物組 分。術(shù)語“不可處理廢棄物”(也被稱作不可燃燒廢棄物)是指在氣化系統(tǒng)中不能輕易 地進(jìn)行氣化的廢棄物并且它在氣化中不釋放任何碳或氫到產(chǎn)生的合成氣體中。不可處理廢 棄物包括，但不限于，電池(例如干電池、汞電池和車輛用蓄電池)；冰箱；火爐；冷凍柜；洗 衣機(jī)；干燥機(jī)；床用彈簧；車架零件；曲軸箱；傳動裝置；引擎；割草機(jī)；吹雪機(jī)；自行車；文件柜；空調(diào)；熱水加熱器；儲水箱；水軟化器；爐子；儲油箱；金屬家具；丙烷儲罐和庭院廢 物。術(shù)語“處理過的城市固體廢物流”是指經(jīng)過處理后城市固體廢物，例如經(jīng)過材料回 收設(shè)備，被依據(jù)MSW組分的類型進(jìn)行分類后。城市固體廢棄物的組分種類包括，但不限于， 塑料、纖維、紙、庭院廢物、橡膠、皮革、木材以及回收殘渣?；厥諝堅且环N城鎮(zhèn)固體廢物被 處理且大量成份被從城市固體廢物整理分類過后，在可回收材料中包含的不可回收部分的 殘余物組分。處理過的城市固體廢棄物實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫或不燃物。砂礫包括污 垢、塵土和粒狀廢棄物諸如咖啡渣和沙子，以及那些包含本質(zhì)上無咖啡渣的處理過的MSW。術(shù)語“可處理廢棄物”是指在氣化系統(tǒng)中能輕易地進(jìn)行氣化并且在氣化中釋放碳 或氫到產(chǎn)生的合成氣體中的廢棄物?？商幚韽U棄物包括，但不限于，報紙、垃圾郵件、瓦楞紙 板、辦公用紙、雜質(zhì)、書籍、紙板、其他紙類、橡膠、織物、以及僅來自住宅、商業(yè)和公共機(jī)構(gòu)的 皮革、木材、食物垃圾和廢物流中其他可燃燒部分。術(shù)語“熱解”是指一種在缺乏氧或無氧的環(huán)境中利用加熱來對固體廢棄物進(jìn)行化 學(xué)分解的過程。術(shù)語“回收殘渣”是指在經(jīng)過回收設(shè)備將其可回收部分從進(jìn)來的廢物處理過后留 下的殘留物，從回收利用的觀點(diǎn)，其不再具有經(jīng)濟(jì)價值。術(shù)語“淤泥”是指任何由市鎮(zhèn)的、商業(yè)的或工業(yè)的廢水處理工廠或者過程，水供應(yīng) 處理工廠，空氣污染控制設(shè)備所產(chǎn)生的固體、半固體或液體；或任何其他具有類似特征或效 應(yīng)的那些廢物。術(shù)語“固體廢棄物”是指其液體含量不足以使其自由流動的、不需要或丟棄的固體 材料，其包括，但不限于，廢物、垃圾、廢料、廢舊物品、廢渣、惰性充填材料和園林廢料，但不 包括有害廢棄物、生物醫(yī)藥廢棄物、化糞池淤泥或農(nóng)業(yè)廢棄物，另外還不包括動物糞便和用 于及用于工業(yè)排放的土壤富集、或固體或溶解的物質(zhì)的吸收劑層。固體廢棄物或其組分可 能具有價值、能被有效地利用、能有其他用途，或者用于出售或交換，，這個事實(shí)并不將其從 此定義中排除。術(shù)語“蒸汽/碳比值”(S/C)是指注入到氣化器/燃燒器中的蒸汽的總摩爾數(shù)除以 原料中碳的總摩爾數(shù)而得到的比值。蒸汽/碳比值，(S/C)，可用下列等式來表達(dá)
權(quán)利要求
1.一種工程燃料原料，包括至少一種由處理過的城市固體廢物流衍生的組分，該原來 包含超過約60%的碳含量；約5%至約10%的氫含量；低于約20%的含水量；低于2%的 硫含量；低于約15%的灰分含量；以及其中，原料實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，還包括低于約15%的含水量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原料，其中含水量為約5%至約10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的高熱值為約9，000BTU/lb至約15，000BTU/lb。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的揮發(fā)物質(zhì)含量為約40%至80%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的碳含量為約60%至約70%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的碳含量為約70%至約80%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的碳含量超過約80%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的氫含量為約6%至9%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的灰分含量低于約5%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的高熱值為約10，000BTU/lb至約 14，000BTU/lb。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的H/C比例為約0.06至0. 1。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中原料的0/C比例為約0.01至0. 05。
14.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的原料，其中工程燃料原料在850°C和ER為0.34時進(jìn)行氣 化生產(chǎn)合成氣體，該合成氣體包括約25%體積至約30%體積的H2 ；約42%體積至約48% 體積的N2 ；約12%體積至約17%體積的CO ；約2%體積至約5%體積的CH4 ；約5%體積至 約10%體積的CO2 ；以及具有約160BTU/scf至約200BTU/scf的高熱值。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的有害排放低于燃燒 煤的有害排放已知水平。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的硫排放低于燃燒煤 的硫排放已知水平。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的氯排放低于燃燒煤 的氯排放已知水平。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的重金屬排放低于燃 燒煤的重金屬排放已知水平。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)排放低于 燃燒煤的顆粒物質(zhì)排放已知水平。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的NOx排放低于燃燒煤 的已知NOx排放水平。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的CO排放低于燃燒煤 的CO排放已知水平。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的CO2排放低于燃燒煤 的(X)2排放已知水平。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOCs)排放低于燃燒煤的VOCs排放已知水平。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的鹵素氣體排放低于 燃燒煤的鹵素氣體排放已知水平。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中燃燒此工程燃料原料產(chǎn)生的溫室氣體排放低于 燃燒煤的GHG排放已知水平。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料為松散、非致密的形式。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料為致密的形式。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中致密形式為立方體。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中致密形式為小球。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料還進(jìn)一步包括至少一種提升燃料 原料的氣化的組分。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中提升是使產(chǎn)生的硫排放減少。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中提升是使產(chǎn)生的氯排放減少。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中提升是使產(chǎn)生的重金屬排放減少。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料被賦予惰性。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料還進(jìn)一步包括至少一種賦予原料 惰性的添加劑。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中至少一種賦予原料惰性的添加劑為氫氧化鈣。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的直徑為約0.25英寸 至約1. 5英寸。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的長度為約0.5英寸至 約6英寸。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的表面體積比為約 20 1 至約 3:1。
40.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的堆積密度為約IOlb/ ft3 至約 751b/ft3。
41.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的孔隙率為約0.2至約-0. 6。
42.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的縱橫比為約1至約-10。
43.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的導(dǎo)熱率為約-0.023BTU/ (ft · hr · °F )至約 0. 578BTU/ (ft · hr · °F )。
44.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的比熱容為約 4. 78 X KT5BTU/(lb · 0F )至約 4. 78 X KT4BTU/(lb · °F )。
45.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原料，其中工程燃料原料的致密形式的熱擴(kuò)散率為約-1.08X l(T5ft2/s 至 2. 16X l(T5ft2/s。
全文摘要
公開了新型工程燃料原料、由所述過程生產(chǎn)的原料以及制造該燃料原料的方法。由處理過的城市固體廢物流衍生的組分可用于制造這類實(shí)質(zhì)上不含玻璃、金屬、砂礫和不燃物的原料。這些原料具有多種用途，其中包括與煤的共同燃燒以及作為煤的替代物。
文檔編號C10L5/46GK102076833SQ200980125169
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月26日
發(fā)明者丁容·白, 葆拉·A·卡拉布雷斯 申請人:凱斯勒廢物系統(tǒng)公司