等離子電弧爐和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種使用任意甲烷、城市固體廢物、農(nóng)場或森林廢物、來自油頁巖生產(chǎn)的煤巖或焦炭巖、石化烴、（含電荷的任意碳）、水和/或城市污水作為源材料形成有用燃料（諸如甲醇）的等離子電弧重整器。高溫等離子電弧將所述源材料解聚為原子，其在部分冷卻時(shí)形成富含CO和H2（合成氣）的氣流。系統(tǒng)中的后續(xù)分子過濾器和催化劑級(jí)移除污染物并且產(chǎn)生輸出燃料。所述系統(tǒng)是關(guān)于所述合成氣生產(chǎn)的閉合環(huán)路，其中其再利用殘余的未轉(zhuǎn)化氣體且甚至在需要時(shí)再利用廢氣。使用超臨界CO2蘭金（Rankin）循環(huán)捕獲所產(chǎn)生的大量熱并且將其轉(zhuǎn)化為電力，得到潛在的高效率。
【專利說明】等離子電弧爐和應(yīng)用
[0001]相關(guān)申請案的交叉引用
[0002]本申請案要求于2011年8月4日申請且以引用的方式并入本文中的美國臨時(shí)申請案第 61/515，048 號(hào)(Photovoltaic Cell Substrate Wafer and Basalt Plasma ArcFurnace)的權(quán)益。此外，本申請案還要求于2012年6月13日申請且以引用的方式并入本文中的美國臨時(shí)專利申請案第61/659，124號(hào)(Plasma Arc Furnace and Applications)的權(quán)益。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明屬于用于形成合成氣體的等離子電弧爐領(lǐng)域。此外，本發(fā)明使用化學(xué)工藝，其結(jié)合使用催化劑將一種或多種合成氣體轉(zhuǎn)化為甲醇。此外，本發(fā)明屬于廢熱發(fā)電領(lǐng)域。此夕卜，本發(fā)明涉及污水形式和/或任意含碳材料(包括填埋前或填埋后材料)的城市廢物的處理。
[0005]將等離子電弧爐用于形成合成氣(CO和H2)是一種通常適合大型設(shè)施的技術(shù)，所述大型設(shè)施占據(jù)數(shù)英畝的土地，資本成本達(dá)數(shù)千萬至數(shù)億美元。這些成本和實(shí)體規(guī)模由所選擇的系統(tǒng)組件限定。這些轉(zhuǎn)而基于電能成本、廢熱回收方法、氣體凈化工藝和最終產(chǎn)物價(jià)值。典型的等離子電弧爐采用空氣作為工藝氣體，其在等離子電弧炬中被電加熱以使?fàn)t容器中的材料升高至大約攝氏750至1400度的解聚溫度。空氣的使用引入氮至爐的高溫環(huán)境中，在廢物流中產(chǎn)生氮和金屬氧化物。如果存在排放，那么這些污染局部環(huán)境空氣。
[0006]處理城市污水的問題是市政部門的重大負(fù)擔(dān)。目前的做法是在不同階段中將廢物生物中和。這通常包括生物反應(yīng)器，其中細(xì)菌用于消耗及轉(zhuǎn)化最簡單的營養(yǎng)素以及滅殺病原體。殘余物在不同的沉淀池中分離。來自污水處理廠的最終輸出通常是三種產(chǎn)物的形式。第一種是理論上可飲用的近純水，第二種是濃縮污泥且第三種是硝基腐殖質(zhì)肥料，其被送往包裝并且銷售至苗圃和園林。
[0007]等離子電弧爐系統(tǒng)的最新技術(shù)的改進(jìn)是有用的，尤其是其中一個(gè)或多個(gè)上述問題得以緩解的改進(jìn)。
發(fā)明概要
[0008]提出一種等離子電弧重整系統(tǒng)，其以清潔及高效的方式產(chǎn)生輸出燃料(諸如甲醇)作為一種產(chǎn)物選擇。甲醇的碳和水可來自數(shù)個(gè)不同源，每個(gè)源將在下文中簡述。第一種是使用任意烴氣(例如，諸如沼氣)作為碳源及使用蒸餾水作為氧源(兩者都供應(yīng)氫)。已開發(fā)出使用這種技術(shù)加熱甲烷，注入水支持蒸汽重整或蒸汽重整反應(yīng)，但是本發(fā)明增加高效方式以回收工藝中產(chǎn)生的大量廢熱。第二種是使用城市固體廢物作為附加碳源。第三種是使用城市用水或城市污水作為水源。這些方法中的每一種均需要修改系統(tǒng)以處理存在的其它材料(被認(rèn)為是污染物)。
[0009]本文中討論的系統(tǒng)主要通過使用甲烷取代空氣作為工藝氣體而得到促進(jìn)。甲烷的電性質(zhì)非常接近空氣且其可用在等離子電弧炬中。甲烷(CH4)和水(H2O)的組合允許產(chǎn)生高度受控的化學(xué)計(jì)量混合物2H2+C0。通過使用甲烷取代空氣，較少氮或無氮被引入爐環(huán)境中以導(dǎo)致氮基污染物。
[0010]利用超臨界CO2 (SCO2)混合廢熱回收技術(shù)(例如，見美國臨時(shí)申請案第61/636，236號(hào))，高百分比的廢熱被回收為電以運(yùn)行系統(tǒng)。這通過減少電力消耗而提高效率并且降低成本。這種改進(jìn)通過在氣體引入至羰基分子過濾器且隨后引入重整催化劑反應(yīng)器之前的下一個(gè)過濾器之前在系統(tǒng)的不同位置中(諸如，例如在爐容器表面、高溫導(dǎo)管、粒子沉淀器和工藝氣體降溫單元上)采用熱交換器而實(shí)現(xiàn)。
[0011]因此，提供一種使用重整器將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的方法，所述方法包括下列步驟:
[0012]將源燃料輸入至重整器；
[0013]將水輸入重整器；
[0014]在重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源用于將所述源燃料和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合；
[0015]使用一種或多種催化劑將水和源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料；和
[0016]從重整器輸出所述輸出燃料。
[0017]還提供一種使用重整器將碳基輸入燃料轉(zhuǎn)化為期望輸出燃料的方法，所述方法包括下列步驟:
[0018]將碳基輸入燃料輸入至重整器；
[0019]在重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源用于將所述輸入燃料分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合；
[0020]壓縮所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合用于輸入至催化劑子系統(tǒng)；
[0021]使用一種或多種催化劑將水和源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料；
[0022]將污染物從所述輸出燃料移除；
[0023]將從所述輸出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循環(huán)回所述催化劑子系統(tǒng)；和
[0024]從重整器輸出所述輸出燃料。
[0025]進(jìn)一步提供一種用于將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的重整器，其包括:輸入端，其用于接收源燃料；輸入端，其用于接收水；熱源，其用于將所述源燃料和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合用于放置至流中；熱交換器，其用于從所述流提取廢熱；發(fā)動(dòng)機(jī)，其用于將所述廢熱轉(zhuǎn)化為有用能；壓縮機(jī)，其用于壓縮接收自所述熱交換器的所述流；一個(gè)或多個(gè)催化劑罐，其包括至少一種催化劑，其用于接收來自所述壓縮機(jī)的壓縮流用于將所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料；和輸出口，其用于輸出所述輸出燃料。
[0026]還提供一種用于將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的重整器，其包括:輸入端，其用于接收源燃料；熱源，其用于將所述源燃料分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合用于放置至流中；熱交換器，其用于從所述流提取廢熱；發(fā)動(dòng)機(jī)，其用于將所述廢熱轉(zhuǎn)化為有用能；濾床，其用于將催化劑中毒污染物從所述流移除；一個(gè)或多個(gè)催化劑罐，其包括至少一種催化齊U，其用于接收來自所述壓縮機(jī)的壓縮流用于將所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為輸出燃料流；污染物移除子系統(tǒng)，其用于將污染物從所述輸出燃料流移除用于將所述污染物的至少一部分再循環(huán)回所述催化劑罐；和輸出口，其用于輸出所述輸出燃料。
[0027]還提供附加的示例性實(shí)施方案，其一些但非所有在下文中更詳細(xì)地描述。
[0028]附圖簡述
[0029]為了更全面地理解本發(fā)明的本質(zhì)，應(yīng)參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下詳細(xì)描述。
[0030]圖1示出從甲烷/水混合物形成甲醇的基本系統(tǒng)的框圖，其中有用于回收廢熱的主要位置；
[0031]圖2示出當(dāng)將城市固體廢物用作附加碳源或?qū)⒊鞘形鬯米魉磿r(shí)對基本系統(tǒng)的修改；
[0032]圖3示出用在上述系統(tǒng)中的數(shù)個(gè)位置中的超臨界CO2廢熱回收系統(tǒng)的框圖；和
[0033]圖4是示出示例性系統(tǒng)效率的一系列曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034]提供一種用于使用任意甲烷、城市固體廢物、農(nóng)場或森林廢物、來自油頁巖生產(chǎn)的煤巖或焦炭巖、石化烴、(含電荷的任意碳)、水和/或城市污水作為源材料形成有用燃料(諸如甲醇)的等離子電弧重整系統(tǒng)。高溫等離子電弧將源材料解聚為原子，其在部分冷卻時(shí)形成富含CO和H2 (合成氣)的氣流。系統(tǒng)中的后續(xù)分子過濾器和催化劑級(jí)移除污染物并且產(chǎn)生輸出燃料。系統(tǒng)是涉及合成氣產(chǎn)生的閉合環(huán)路，其中其再利用殘余的未轉(zhuǎn)化氣體且甚至在需要時(shí)再利用廢氣。使用超臨界CO2蘭金(Rankin)循環(huán)將所產(chǎn)生的大量熱捕獲并且轉(zhuǎn)化為電力，得到潛在的高效率。
[0035]重整系統(tǒng)能夠產(chǎn)生甲醇，其除被用作便攜式燃料外，可以減小或消除對大氣空氣的污染并且還包括對廢熱回收系統(tǒng)的改進(jìn)。這些改進(jìn)減小系統(tǒng)規(guī)模和成本。還提供一種用于解聚污水和/或城市固體廢物以形成合成氣并且最終形成升級(jí)的經(jīng)催化烴(其實(shí)例是甲烷或甲醇)的結(jié)構(gòu)和工藝。
[0036]可用于實(shí)現(xiàn)這些特征的組分在2012年3月20日申請且以引用的方式并入本文中的美國臨時(shí)申請案第 61/636，236 號(hào)(Improved Performance of a Transcritical orSupercritical CO2Rankin Cycle Engine)(其公開可用于熱回收的發(fā)動(dòng)機(jī))、在2011年3月29日申請且也以引用的方式并入的美國專利申請案第13/074,510號(hào)(OscillatingPiston Engine)中的材料、和2012年4月18日申請的公開一種多邊形擺缸式發(fā)動(dòng)機(jī)且也以引用的方式并入的美國臨時(shí)申請案第61/625，940號(hào)(其討論可用于如本文中提供的熱回收目的的附加發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì))中討論。
[0037]第一示例性構(gòu)造
[0038]圖1示出用于從甲烷和水形成甲醇的基本系統(tǒng)中的主要元件。主要工作元件是等離子炬3，其中工作氣體甲烷在高壓下在輸入端I被引入且在下游水2被混入其中。輸出端4含有非常高的溫度(>攝氏750度)下的碳、氫和氧原子的混合物。此組合在熱交換器6中冷卻，其中冷卻流體(諸如針對非加壓熱傳輸系統(tǒng)的多元醇酯油或甚至壓力A下的水)循環(huán)至下文描述的熱回收系統(tǒng)。輸出端8處的流體現(xiàn)在是一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的混合物(合成氣體或合成氣)，其具有少量二氧化碳(CO2)。這種材料在提供至歧管20之前被壓縮機(jī)17壓縮。歧管輸入端18處的氣體為下一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器22所需的大約攝氏200至250度。這種溫度通過控制熱交換器6中的冷卻流體A的流速而建立。此時(shí)，設(shè)計(jì)者可選擇在催化劑之前包括一個(gè)或多個(gè)高容量壓縮機(jī)。在這種結(jié)構(gòu)中，合成氣產(chǎn)物溫度被降低為廢熱回收系統(tǒng)的最低排放溫度，為大約35C。隨后，通過使用上述壓縮機(jī)，溫度被升高為催化劑的輸入溫度。這將在降溫?zé)峤粨Q器之后，以允許爐區(qū)段在催化劑之前在環(huán)境壓力下或低于環(huán)境壓力運(yùn)行，其在較高壓力下增加效率。這可提供系統(tǒng)運(yùn)行的顯著改進(jìn)，因?yàn)檩^易于在合成氣處理氣體回路中提供使熱區(qū)段在允許由蛭石(作為一個(gè)實(shí)例)制成的簡單和低成本密封的壓力下運(yùn)行的自由度。
[0039]設(shè)計(jì)包括歧管20，其分流并且將其引導(dǎo)至針對個(gè)別催化劑塔22的串聯(lián)旁通回路元件(催化劑陣列以串聯(lián)回路運(yùn)行，將被切換出來進(jìn)行維護(hù)的罐被連接至歧管，其允許平行切換或旁通以隔離所述罐或任意個(gè)別罐)。每個(gè)催化劑容器可從歧管氣體回路中個(gè)別移除進(jìn)行維護(hù)(諸如催化劑更換)，同時(shí)總體系統(tǒng)繼續(xù)產(chǎn)生產(chǎn)物。催化劑罐中的反應(yīng)是發(fā)熱的且僅在窄的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，每個(gè)罐具有其自身的熱交換系統(tǒng)，其中冷卻流體(聚酯或礦物油(作為一個(gè)實(shí)例)或加壓水)B循環(huán)至第二熱回收系統(tǒng)。該熱回收系統(tǒng)因相當(dāng)大的溫度差異而與使用流體A的系統(tǒng)分離，允許熱回收系統(tǒng)的局部優(yōu)化。催化劑塔22在下文中更詳細(xì)描述。
[0040]收集歧管(諸如將合成氣饋送至壓縮機(jī)中的單個(gè)管)21經(jīng)由單個(gè)輸出管收集來自每個(gè)催化劑塔的輸出。該出口歧管現(xiàn)含有氣態(tài)或汽化甲醇、一些未轉(zhuǎn)化的合成氣和含催化劑粒子的油漿液滴。該輸出被引導(dǎo)24至旋風(fēng)分離器25。旋風(fēng)將多數(shù)粒子從氣體中分離。粒子(油滴和催化劑粒子)從底部28離開并且返回輸入歧管20。氣體穿過26至冷凝器27。該冷凝器將任意剩余油蒸汽從甲醇和合成氣分離并且將溫度降低至大約攝氏70度(甲醇仍是氣體)，此后輸出28被壓縮機(jī)23冷凝。冷凝油經(jīng)由壓縮機(jī)23恢復(fù)為催化劑塔22中的催化劑漿料至輸入歧管20用于再使用/再處理。
[0041]冷凝器27的輸出主要是甲醇(?96%)，但其確實(shí)含有碳、氫和氧的一些合成氣和一些較高重量化合物。這種混合物經(jīng)由輸出30發(fā)送至甲烷精制塔32，其通常經(jīng)由攝氏67度或低于攝氏67度的冷凝在輸出34中從其它氣體中分離出最終甲醇產(chǎn)物。經(jīng)由輸出35的合成氣通過輸入歧管20返回系統(tǒng)用于再使用/處理。設(shè)計(jì)者此時(shí)在氣體回路中具有將所有未冷凝氣體產(chǎn)物引導(dǎo)至發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的選擇。較高重量化合物經(jīng)由輸出36提供并且通過進(jìn)水口 2返回系統(tǒng)以分解并且再次流動(dòng)穿過系統(tǒng)。
[0042]第二示例性構(gòu)造
[0043]圖2示出當(dāng)用于處理城市固體廢物或城市污水時(shí)對上述基本系統(tǒng)的一些期望改變。在這個(gè)實(shí)例變型中，變化主要在歧管20引至催化劑塔之前提供在前端中。對于處理城市固體廢物的情況，進(jìn)料(切碎的固體廢物)經(jīng)由輸入端5饋送至更經(jīng)典的等離子電弧爐9中。這個(gè)碳源改變輸入端I處甲烷與進(jìn)口 2處水的流量比，使得化學(xué)計(jì)量混合物仍在爐10的輸出端處產(chǎn)生。來自城市廢物的爐渣元素被收集在爐的底部并且經(jīng)由輸出端7被提取。
[0044]對于處理城市污水的替代情況，進(jìn)料現(xiàn)為液體，其主要組分是水。這需要不同期望量的甲烷從輸入端I提供且不同量的水從進(jìn)口 2提供(若有，這是因?yàn)樗兴赡茉谖鬯?且元素的不同混合物在爐渣輸出7中提供。但是進(jìn)氣(水和甲烷)比被設(shè)定以在爐10的輸出中生成盡可能接近的化學(xué)計(jì)量混合物。對于污水，比率是CH4+H20=C0+3H2，其中來自有機(jī)材料的碳是非常非常小的分率，但是碳可能通過將CH4調(diào)整為更低而解釋。對于城市固體廢物、森林或農(nóng)場廢物，通過使用纖維素作為進(jìn)料實(shí)例(其為C6HltlO5)而存在近似的輸入電荷。這還可被視作(6C+5H20)+8CH4+9H20=14C0+58H+140。氧原子和氫原子隨后將趨向組合以形成702和29?。由于甲醇(CH3OH)的平衡合成氣輸入比可能是C0+4H或C0+2H2，所以可能具有13CH30H+6H的前期形式。額外氫氣將是后續(xù)發(fā)電機(jī)選項(xiàng)的主燃料。
[0045]由于爐中進(jìn)料中的材料，來自圖2中的電弧爐9的蒸汽輸入10通常將與來自圖1的實(shí)施方案的等離子炬的蒸汽輸出4不同。在這些廢物處理實(shí)例的情況中，這些元素的一些可能使塔22中的催化劑中毒，因此期望包括催化劑濾床，其充當(dāng)分子過濾器14用于將可能使22中的催化劑中毒的任意元素從流中移除的目的。這個(gè)新的濾床14中提供的溫度應(yīng)低于分離器輸出10以適應(yīng)分子過濾器的封閉容器中所使用的金屬，這通常在500C的范圍中但高于歧管20中的溫度。因此，提供圖2中添加的兩個(gè)熱交換器11和16，其與圖1中熱交換器6的不同在于冷卻流體C和D處于與冷卻流體A不同的溫度。可接受的冷卻流體的實(shí)例包括多元醇酯油，其具有油的最高工作溫度，礦物油可高至350C且甚至可使用液態(tài)金屬，諸如汞，加壓的水也適用。此外，壓縮機(jī)17現(xiàn)從過濾器14輸出端15輸入流，并且將壓縮流輸出至熱交換器16中。線路12中輸入的氣體僅在較低溫度下與輸出10中的氣體相同，且可包含催化劑毒物，諸如硫、砷和/或氯。濾床14的輸出端15處的氣體主要是合成氣的組分(CO和H2),因?yàn)槿我舛疚镆驯淮呋瘎V床14移除。
[0046]經(jīng)由圖2中的輸入端18至催化劑歧管20的輸入通常在與經(jīng)由圖1中的輸入端18相同的溫度下提供。因此，系統(tǒng)的其余部分的運(yùn)行與上文參考圖1描述的相同。
[0047]熱回收系統(tǒng) [0048]圖3展示可結(jié)合示例性爐使用的熱回收系統(tǒng)的元件。這樣一種系統(tǒng)的實(shí)例描述于美國臨時(shí)申請案第 61/636，236 號(hào)(Improved Performance of a Transcritical orSupercritical CO2Rankin Cycle Engine)中，其在2012年3月20日申請且以引用的方式并入本文中。系統(tǒng)具有壓縮機(jī)41，其將超臨界CO2從高于臨界壓力(>74巴)的壓力壓縮至~200巴(或更小)的壓力。CCV流動(dòng)穿過壓力/流量控制裝置47，其調(diào)節(jié)流速，隨后穿過用于低溫加熱的任選的熱交換器48 (其例如可能來自圖1中的冷凝器27)。熱回收系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是內(nèi)部熱交換器45，其將熱從高溫低壓側(cè)移動(dòng)至較低溫高壓側(cè)。隨后，超臨界CO2進(jìn)入主加熱器46，且該加熱器被饋送圖1中的熱流A或B或圖2中的熱流B、C或D。這針對來自A或C的流的情況將超臨界CO2的溫度升高至攝氏~450度且針對來自B或D的流的情況將溫度升高至攝氏~250度。
[0049]熱交換器46用于加熱C02。經(jīng)加熱的CO2隨后進(jìn)入膨脹器42，其驅(qū)動(dòng)永磁交流發(fā)電機(jī)43并且將熱能轉(zhuǎn)化為電能。這種電能用于補(bǔ)充等離子電弧炬陣列所需的電力且由此增大甲醇生產(chǎn)的總效率。較低壓CO2隨后通過在返回壓縮機(jī)41之前穿過內(nèi)部熱交換器45和冷卻器44而完成循環(huán)。
[0050]熱回收系統(tǒng)的效率取決于壓力和溫度的特定選擇。對于較低溫度熱交換器，效率可為~25%且對于較高溫度熱交換器，效率可超過40%。經(jīng)驗(yàn)證的實(shí)例分別使用80%和85%的壓縮機(jī)和膨脹器效率。由于使用油作為潤滑劑和密封的示例性系統(tǒng)中的這兩個(gè)組件的運(yùn)行的選項(xiàng)，效率可各為大約92%。圖4示出這些效率相對于系統(tǒng)低側(cè)壓力的實(shí)例的曲線。
[0051]等離子電弧爐[0052]在基本的示例性系統(tǒng)中，等離子電弧爐主要由陣列形式的等離子電弧炬構(gòu)成(無爐渣)?？衫秒娀【婕訜峄螂姼旭詈系入x子炬加熱。所有等離子電弧炬被饋送高壓甲烷氣(CH4),得到大約攝氏5500度的火焰，其由碳和氫離子組成。在等離子發(fā)電機(jī)區(qū)段下游，注入水(H2O),其立即分解為氧離子和氫離子。氣流和水流被設(shè)定來在大約攝氏750度至1400度的溫度下賦予一個(gè)碳離子對一個(gè)氧離子和四個(gè)或更多個(gè)氫離子的近化學(xué)計(jì)量混合物。多數(shù)熱還原來自氣體膨脹，但是腔室壁也被冷卻，其中冷卻液體用于驅(qū)動(dòng)下文描述的廢熱回收系統(tǒng)。所得氣體混合物主要是CO和H2，其中具有少量CO2。
[0053]對于使用城市固體廢物作為附加碳源的示例性應(yīng)用，爐結(jié)構(gòu)是絕緣的立式氣缸，其內(nèi)襯有耐火磚，其具有閉合的頂端和底端和圍繞其下區(qū)段的炬陣列。甲烷和水在進(jìn)入爐容器時(shí)被等離子炬加熱。因此，含電荷的碳被加熱至非常高的溫度，其中其分解為其構(gòu)成原子。甲烷、水和城市固體廢物的體積混合物被設(shè)定來產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量H2和CO氣體混合物。該工藝還具有來自廢物的其它原子種類。其中一些表現(xiàn)為積累在爐底部的爐渣。其它保持氣態(tài)且在系統(tǒng)的后一級(jí)中分離。
[0054]對于使用城市污水的情況，與涉及等離子電弧爐的慣例的一個(gè)不同在于不存在對大型爐容器的實(shí)際需求。而是，本文中公開的系統(tǒng)可制作為比傳統(tǒng)系統(tǒng)小得多，使得可能存在炬噴嘴的陣列而非更傳統(tǒng)的大型立式氣缸。與上文提供的其它實(shí)例的主要不同在于用于保持合成氣的化學(xué)計(jì)量混合物所使用的材料比和所收集的爐渣產(chǎn)物的數(shù)量。
[0055]在每個(gè)情況中，優(yōu)選的實(shí)施方案是爐殼由高溫鋼或含鎳合金(諸如不銹鋼或因科鎳合金(Inconel))制成,其在內(nèi)部內(nèi)襯有一層耐火磚且冷卻管接合至爐容器的外壁。此后緊跟第二殼，其用內(nèi)殼與外殼之間的隔離肋部充當(dāng)絕緣或熱保持隔焰爐而保持為遠(yuǎn)離內(nèi)殼。接合至內(nèi)殼的冷卻管用于捕獲來自爐的廢熱并且經(jīng)由泵送的流動(dòng)油將其傳送至熱回收系統(tǒng)。
[0056]熱回收系統(tǒng)
[0057]經(jīng)加熱合成氣可通過用作超臨界CO2膨脹器蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(見申請案第13/074，510號(hào)，其以引用的方式并入本文中)的部分的熱交換器再利用以捕獲廢熱并且將其轉(zhuǎn)化為電以補(bǔ)充主電源。熱還原中的每個(gè)步驟是超臨界二氧化碳蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收系統(tǒng)的潛在位置。以此方式，高分率的廢熱被轉(zhuǎn)化為電力以運(yùn)行系統(tǒng)并且提高其效率?；蛘?，如美國臨時(shí)申請案第61/625，940號(hào)(其以引用的方式并入本文中)中公開，回收發(fā)動(dòng)機(jī)可在多邊形發(fā)動(dòng)機(jī)之后成型。
[0058]熱回收系統(tǒng)的效應(yīng)是提高總體系統(tǒng)效率以及還相對于傳統(tǒng)精煉廠或等離子電弧爐系統(tǒng)減小重整廠的規(guī)模。
[0059]甲醇形成催化劑
[0060]催化劑的優(yōu)選示例性實(shí)施方案已在別處開發(fā)并且在2004年由Air Products andChemicals, Inc與Eastman Chemical Company合作展不,其中其成功展不液相甲醇生產(chǎn)工藝。這些催化劑可包括氧化銅、氧化鋅和/或鎳或甚至鈷和/或錳。化學(xué)計(jì)量平衡氣流通常加壓泵送至反應(yīng)器容器，其中其與催化劑漿料混合并且被轉(zhuǎn)化為甲醇蒸汽。催化劑漿料通常由懸浮在礦物油中的氧化銅和氧化鋅組成。
[0061]反應(yīng)是發(fā)熱的且通常將維持在攝氏215度與攝氏270度之間。在這種情況下，合成氣轉(zhuǎn)化為甲醇釋放熱并且若未被冷卻將驅(qū)動(dòng)催化劑溫度上升直到轉(zhuǎn)化過程停止。熱將被反應(yīng)器中的熱交換管移除并且是廢熱回收系統(tǒng)的另一個(gè)熱源。溫度由在反應(yīng)器中流動(dòng)的冷卻流體(油)的速率控制。轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生大于96%的甲醇。
[0062]離開反應(yīng)器的是甲醇、未轉(zhuǎn)化合成氣、多余氫氣和含催化劑的一些漿料的混合物。其隨后在旋風(fēng)分離器中分離，漿料被返回催化劑反應(yīng)器且氣體繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。
[0063]在經(jīng)轉(zhuǎn)化和未轉(zhuǎn)化合成氣離開旋風(fēng)分離器之后，其是高溫氣體。溫度在冷凝器中降低，但是保持高于甲醇的冷凝溫度。在甲醇的情況中，溫度是大約攝氏65度。以此方式，較重的反應(yīng)劑產(chǎn)物被分離并且被返回至等離子電弧爐或被引導(dǎo)至發(fā)電機(jī)。
[0064]防護(hù)濾床式過濾器
[0065]大量努力被提供來將來自城市固體廢物或城市污水的氣流中的催化劑毒物移除。存在用于處理這個(gè)問題的洗滌器，所以可利用現(xiàn)成技術(shù)。這些洗滌器可在等離子電弧爐的輸出與至產(chǎn)生甲醇的催化劑的輸入的中間的溫度下運(yùn)行，工作溫度通常由用于制作封閉容器的材料決定，對于500°C的合成氣的典型輸入溫度通常使用額定為480° C或更高的鋼。
[0066]熱交換器用于將來自爐的氣體溫度降低至防護(hù)濾床式分子過濾器的可接受溫度(其通常是攝氏?500度)。防護(hù)濾床式過濾器類似于催化劑，但是并非形成期望的化合物，其目的是與隨后可能在系統(tǒng)中中和甲醇催化劑材料的污染物反應(yīng)、將其捕獲并且移除。這種過濾器的示例性組成物可能是分布在活性炭基質(zhì)上的氧化錳，但是存在其它替代物。這種過濾器會(huì)吸收可能存在于給料中的微量砷、硫和/或氯。
[0067]在防護(hù)濾床式過濾器之后，通常將提供另一個(gè)熱交換器以將合成氣降低為壓縮機(jī)的可接受溫度，隨后是催化劑轉(zhuǎn)化器的可接受溫度。這種接受溫度取決于催化劑，但是對于設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生甲醇的較小液相催化劑反應(yīng)器，輸入溫度可為攝氏235±15度。
[0068]其它元件
[0069]存在粒子旋風(fēng)分離器，其用于移除甲醇催化劑塔中帶出的粒子和一些油滴。這種分離器還可具有內(nèi)建于壁中的熱輸送管，以使其也作為熱交換器。旋風(fēng)分離器將捕獲多數(shù)油滴，但一些油蒸汽將通過。這種旋風(fēng)分離器通過在底側(cè)引入帶粒子的氣體并且在頂部取回而工作。氣體在從底部移動(dòng)至頂部時(shí)以龍卷風(fēng)狀渦流移動(dòng)。較重的粒子被拋至壁上。通過與壁接觸的摩擦力降低粒子的動(dòng)量且重力將其牽引至收集阱所處的底部。氣體出口在中心頂部。在示例性實(shí)施方案中，焊接管被提供在外側(cè)且單獨(dú)的阻隔層被提供來首先移除殼的金屬錐體中的熱且其次將熱捕獲在內(nèi)壁與外壁之間的氣隙中。
[0070]隨后，在旋風(fēng)之后是冷凝器，其將溫度降低至剛好高于甲醇液體溫度(取決于此級(jí)上的系統(tǒng)中的精確壓力)。該冷凝器將移除所有重分子和剩余的油蒸汽。
[0071]最后一級(jí)是甲醇精煉。該階段是將甲醇凈化至客戶期望的純度。這種精煉將返回仍未轉(zhuǎn)化至催化劑循環(huán)或發(fā)電機(jī)輸入的任意合成氣和任意較重的非甲醇產(chǎn)物至爐以被再利用。
[0072]替代產(chǎn)物和使用
[0073]催化劑的選擇將決定所產(chǎn)生的烴產(chǎn)物。根據(jù)需要甲醇、乙醇、甲烷或聚芳香族烴(諸如烯烴)均可產(chǎn)生，但是本文中提供的實(shí)例重點(diǎn)關(guān)注甲醇的產(chǎn)生。但是許多這些或其它烴類燃料可用于運(yùn)行系統(tǒng)的主發(fā)電機(jī)。此外，所產(chǎn)生的合成氣可被饋送至發(fā)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(若如此構(gòu)造)。因此，哪種源作為運(yùn)行等離子電弧和所需泵的主電力并不重要。
[0074]來自本文中提供的示例性系統(tǒng)的主產(chǎn)物是甲醇，其是最清潔的液體燃料之一。如果大型發(fā)電機(jī)以這種燃料運(yùn)行，那么僅來自空氣的C02、H2O和氮?dú)?其對工藝是中性的)作為來自發(fā)電機(jī)的廢氣而產(chǎn)生。如果期望的產(chǎn)物還是CO2，那么這種廢氣可被冷卻和壓縮，水蒸氣可被移除和再利用且CO2可被壓縮并且冷凝為其液態(tài)。這種液體可在浙青砂和油回收點(diǎn)上使用，因?yàn)橐后wCO2是環(huán)保清潔劑。這種應(yīng)用取代這些場合的水和蒸汽使用并且由此在減小或消除環(huán)境污染問題的同時(shí)提高油回收。還可能回收廢氣產(chǎn)物，將其與氮?dú)夥蛛x以隨后通過重整系統(tǒng)將其再利用。
[0075]潛在應(yīng)用
[0076]重整意指通過電加熱烴氣以及水和高溫等離子解聚為合成氣體而轉(zhuǎn)化所有碳，其主要包括一個(gè)一氧化碳分子(CO)與2個(gè)或更多個(gè)氫氣分子(2?)的比率。催化轉(zhuǎn)化基本上使用催化劑，其將取得合成氣產(chǎn)物并且將氣體組分關(guān)聯(lián)至任意數(shù)量的產(chǎn)物，甲醇可為其一，還有甲烷、乙烷、烯烴、二甲醚。
[0077]發(fā)電是使用來自剩余合成氣的燃料氣體排放和額外氫氣用作發(fā)電機(jī)(其可為任意發(fā)電機(jī)但是具體地使用申請案中引述的發(fā)動(dòng)機(jī)之一)燃料的發(fā)電中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。
[0078]污水(作為水源)重整為合成氣，隨后催化轉(zhuǎn)化為甲醇一具有廢物電力輸出是有用的應(yīng)用。
[0079]城市固體廢物(MSW)單獨(dú)(經(jīng)由使用氣體至等離子進(jìn)料的等離子電弧爐)或結(jié)合污水重整為合成氣且隨后催化轉(zhuǎn)化，主要產(chǎn)生甲醇和廢物發(fā)電是另一個(gè)應(yīng)用。
[0080]農(nóng)場或森林廢物重整為合成氣隨后催化轉(zhuǎn)化，具有污水或MSW和廢物發(fā)電是另一個(gè)應(yīng)用。
[0081]煤重整為合成氣隨后使用污水催化轉(zhuǎn)化和廢物發(fā)電是另一個(gè)應(yīng)用。
[0082]來自頁巖油加工的碳酸鹽巖層處理為合成氣隨后催化轉(zhuǎn)化是另一個(gè)應(yīng)用。
[0083]二氧化碳，作為來自上述示例性氣體給料的液體產(chǎn)生。CO可經(jīng)由壓縮和從氫氣低溫分離而冷凝，隨后燃燒以產(chǎn)生CO2和電力并且壓縮且低溫處理為液體。
[0084]來自上述工藝的CO2可經(jīng)由液體CO2中的頁巖攪動(dòng)而作為頁巖油回收中的液體使用。這將以比其它工藝低的成本得到較高回收率。CO2將被注入枯竭油井、低生產(chǎn)率的油田或老油田中，高水力壓裂法作為一選項(xiàng)。這種方法在CO2在儲(chǔ)存器中是液體時(shí)最多產(chǎn)，此時(shí)產(chǎn)油量通常比基準(zhǔn)輸出高20%。
[0085]船上(例如，油井平臺(tái))應(yīng)用包括:重整為合成氣，隨后將天然氣礦床中的海上甲烷催化轉(zhuǎn)化是一種應(yīng)用；和重整為合成氣，隨后經(jīng)由上述工藝將天然氣轉(zhuǎn)化為CO2 ；
[0086]平臺(tái)上應(yīng)用包括:重整為合成氣，隨后將天然氣催化轉(zhuǎn)化為甲醇；在平臺(tái)上，油經(jīng)由重整為合成氣而升級(jí)，隨后在岸上或海上催化轉(zhuǎn)化為其它期望的產(chǎn)物；在平臺(tái)上生產(chǎn)用于海底注入的CO2作為水力壓裂劑以協(xié)助海底頁巖油、浙青砂礦床的油回收或作為用于提高油田回收率的分散劑。
[0087]用未轉(zhuǎn)化的合成氣重整且將氫氣作為單獨(dú)的等離子電弧爐中的還原工藝氣體用于熔煉礦石和或還原為金屬坯料是另一個(gè)應(yīng)用。這將允許后續(xù)處理為期望形式的合金和礦石。在這個(gè)版本中，重整器仍如描述部分中要求的使用，但是第二種用途針對主要是用于金屬回收或生產(chǎn)的氫氣的生產(chǎn)，作為電廠(其也有關(guān)聯(lián)的金屬冶煉廠)的組合廢物。
[0088]許多其它示例性實(shí)施方案可通過上述特征的不同組合而提供。雖然上文描述的實(shí)施方案使用特定實(shí)例和替代例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解可使用各種附加的替代例且等效例可取代本文中描述的元件和/或步驟，而不偏離本申請案的預(yù)期范疇。可能需要修改以使本實(shí)施方案適于特定情況或特定需求而不脫離本申請案的預(yù)期范疇。申請案不旨在受限于本文中描述的特定示例性實(shí)施和示例性實(shí)施方案，而是權(quán)利要求被賦予其最廣泛的合理解釋以涵蓋由此涵蓋的所有新穎和暗含的、字面或等效的、公開或未公開的實(shí)施方案。
【權(quán)利要求】
1.一種使用重整器將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的方法，所述方法包括下列步驟: 將源燃料輸入至所述重整器； 將水輸入所述重整器； 在所述重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源以用于將所述源燃料和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合； 使用一種或多種催化劑將所述水和所述源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料；和從所述重整器輸出所述輸出燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括使用蘭金發(fā)動(dòng)機(jī)將所述重整器的廢熱轉(zhuǎn)化為電的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述重整器的廢熱轉(zhuǎn)化為電的所述步驟包括發(fā)電機(jī)，且其中所述蘭金發(fā)動(dòng)機(jī)是適于驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)的擺動(dòng)盤式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述蘭金發(fā)動(dòng)機(jī)由二氧化碳驅(qū)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述蘭金發(fā)動(dòng)機(jī)由超臨界二氧化碳驅(qū)動(dòng)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述輸出燃料包括甲醇。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述源燃料包括甲烷。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述催化劑包括氧化銅、氧化鋅和/或鎳的一種或多種。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述熱源是等離子電弧源。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其包括步驟。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法提供所有CO2和其它廢氣產(chǎn)物的完全回收，由此提供零排放發(fā)電和所述CO2的再利用。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述方法經(jīng)由合成氣產(chǎn)生提供燃料形成。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其進(jìn)一步包括使用，例如，旋風(fēng)分離器將污染物從所述轉(zhuǎn)化步驟移除的步驟。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)熱源將所述甲烷和水輸入升高至攝氏750度或更高的解聚溫度。
15.一種使用重整器將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的方法，所述方法包括下列步驟: 將甲烷輸入所述重整器； 將水輸入所述重整器； 在所述重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源用于將所述甲烷和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合； 使用一種或多種催化劑將所述水和所述源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述甲醇；和從所述重整器輸出所述甲醇。
16.一種使用重整器將源燃料轉(zhuǎn)化為期望輸出燃料的方法，所述方法包括下列步驟: 將所述源燃料輸入至所述重整器； 將水輸入所述重整器； 在所述重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源用于將所述源燃料和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合； 壓縮所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合以用于輸入至催化劑子系統(tǒng)； 使用一種或多種催化劑將所述水和所述源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料； 將污染物從所述輸出燃料移除； 將從所述輸出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循環(huán)回所述催化劑子系統(tǒng)；和 從所述重整器輸出所述輸出燃料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述污染物包括合成氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求16至17中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括將廢熱從所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合移除以用于提供至能量捕獲裝置的步驟；
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法提供所有CO2和其它廢氣產(chǎn)物的完全回收，由此提供零排放發(fā)電和所述CO2的再利用。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述輸出燃料包括甲醇。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述源燃料包括甲烷。
22.根據(jù)權(quán)利要求16至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述源燃料包括污水廢物。
23.根據(jù)權(quán)利要求16至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述源燃料包括纖維素。
24.—種用于實(shí)施上述權(quán)利要求的任意方法的重整器。
25.一種使用重整器將碳基源燃料轉(zhuǎn)化為期望輸出燃料的方法，所述方法包括下列步驟: 將所述碳基源燃料輸入至所述重整器； 在所述重整器中提供一個(gè)或多個(gè)熱源以用于將所述源燃料分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合； 壓縮所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合以用于輸入至催化劑子系統(tǒng)； 使用一種或多種催化劑將所述水和所述源燃料的所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料； 將污染物從所述輸出燃料移除； 將從所述輸出燃料移除的所述污染物的至少一子集再循環(huán)回所述催化劑子系統(tǒng)；和 從所述重整器輸出所述輸出燃料。
26.一種用于將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的重整器，其包括: 輸入端，其用于接收所述源燃料； 輸入端，其用于接收水； 熱源，其用于將所述源燃料和所述水分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合用于放置至流中； 熱交換器，其用于從所述流提取廢熱； 發(fā)動(dòng)機(jī)，其用于將所述廢熱轉(zhuǎn)化為有用能； 壓縮機(jī)，其用于壓縮接收自所述熱交換器的所述流； 一個(gè)或多個(gè)催化劑罐，其包括至少一種催化劑，其用于接收來自所述壓縮機(jī)的所述壓縮流以用于將所述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為所述輸出燃料；和輸出口，其用于輸出所述輸出燃料。
27.一種用于將源燃料轉(zhuǎn)化為輸出燃料的重整器，其包括: 輸入端，其用于接收所述源燃料； 熱源，其用于將所述源燃料分解為一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合以放置至流中； 熱交換器，其用于從所述流提取廢熱； 發(fā)動(dòng)機(jī)，其用于將所述廢熱轉(zhuǎn)化為有用能； 濾床，其用于將催化劑中毒污染物從所述流移除； 一個(gè)或多個(gè)催化劑罐，其包括至少一種催化劑，其用于接收來自所述壓縮機(jī)的所述壓縮流用于將所 述一種或多種構(gòu)成組分和/或其組合的至少一部分轉(zhuǎn)化為輸出燃料流； 污染物移除子系統(tǒng)，其用于將污染物從所述輸出燃料流移除用于將所述污染物的至少一部分再循環(huán)回所述催化劑罐；和 輸出口，其用于輸出所述輸出燃料。
【文檔編號(hào)】H05B7/18GK103765986SQ201280041337
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月4日
【發(fā)明者】S·L·坎寧安, M·A·斯圖爾特 申請人:S·L·坎寧安, M·A·斯圖爾特