廢物加工的改進(jìn)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供加工具有有機(jī)內(nèi)容物的材料的方法和裝置。所述方法包括在具有氧氣減少的氣氛的分批加工裝置(16)中加熱一批材料(“E”)，以將有機(jī)內(nèi)容物中的至少一些氣化，以產(chǎn)生合成氣。隨后在熱處理裝置(18)中提高合成氣的溫度，并且在提高的溫度維持足以將在其中的任何長鏈烴或揮發(fā)性有機(jī)化合物熱分解的停留時(shí)間。通過傳感器(26)監(jiān)測所產(chǎn)生的合成氣的熱值，并且當(dāng)合成氣的熱值低于預(yù)定閾值時(shí)，將具有低熱值的合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐(22)的燃燒器以產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動蒸汽輪機(jī)(36)以產(chǎn)生電(“H”)。當(dāng)合成氣的熱值超過所述預(yù)定閾值時(shí)，將具有高熱值的合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)(40)以產(chǎn)生電(“F”)。
【專利說明】廢物加工的改進(jìn)
[0001]本發(fā)明涉及用于加工含有有機(jī)內(nèi)容物的材料的系統(tǒng)，尤其是，它涉及用于從含有具有低熱值的有機(jī)內(nèi)容物的廢物中提取能量的廢物變能量系統(tǒng)。
[0002]有機(jī)低熱值(CV)廢物，如高含水量城市固體廢物(MSW)、食品廢物、農(nóng)業(yè)廢物和高水分淤泥，是難以加工的。
[0003]在一些國家，例如在高降雨和降雪的北方國家，廢物通常具有使其熱值(每質(zhì)量單位)降低的較高含水量。此外，因?yàn)楦嗟乃芰媳换厥詹⑶乙虼藦膹U物流中移除，具有較低塑料含量的殘留廢物具有降低的CV。
[0004]加工廢物的一種方法是通過焚燒。通常，在焚燒之前，必須將額外的燃料(即來自另一來源，例如煤、干燥生物質(zhì)、天然氣等)與這種廢物混合，從而在焚燒期間可以維持自持燃燒，即實(shí)現(xiàn)了自動熱加工。
[0005]一些廢物通過氣化過程來加工，其中在低氧氣氛下加熱廢物以產(chǎn)生合成氣，并且使該氣體燃燒以產(chǎn)生用于產(chǎn)生電能的高溫排氣，例如通過將水加熱以驅(qū)動蒸汽輪機(jī)。
[0006]常規(guī)的氣化器包括連續(xù)過程流化床氣化器、連續(xù)或間歇式固定床型氣化器、或爐柵型氣化器。然而，這些類型的氣化器不十分適合加工低熱值廢物。大多數(shù)商用氣化器是被連續(xù)操作的，即廢物在一端進(jìn)料，連續(xù)通過整個(gè)裝置并且在另一端離開，并且將氣體取走。在材料通過氣化器時(shí)，其首先隨著加熱使含水量降低而被干燥，并且之后將材料氣化，在此期間廢物內(nèi)的能量以烴分子形式連同惰性氣體如氮一起被釋放。水分和氣體在同一加工室中被釋放并且一起被排出。通過加工室的氣流的速度非常高，其在3!!^1的范圍內(nèi)，產(chǎn)生了充分混合的輸出氣體。由這樣的過程得到的氣體將具有高含水量和低合成氣(CO、H2、CH4)含量。氣體輸出物的熱值也將因此是低的。此外，歸因于連續(xù)被裝入裝置中的廢物的高含水量，通常需要使用外部燃料源，例如天然氣或煤，以產(chǎn)生將水蒸發(fā)所需的熱。這造成0)2的更大量的產(chǎn)生，這不僅是環(huán)境上不理想的，而且還甚至更加稀釋所產(chǎn)生的合成氣。
[0007]最終結(jié)果是，所產(chǎn)生的合成氣品質(zhì)低，其在沒有廣泛的和能量密集的后加工的情況下僅適用于燃燒。
[0008]即使當(dāng)使用在其中將廢物分批引入的常規(guī)固定床氣化器時(shí)，類似的問題仍然存在。這些類型的氣化器具有非常長的加工時(shí)間以將廢物氣化，通常為許多小時(shí)，并且所釋放的氣體含有包括大體積的氮、蒸汽和二氧化碳在內(nèi)的多種氣體的混合物。氣體以混合氣體流的形式離開氣化器，并且該混合氣體組合物仍然是低品質(zhì)的并且通常僅適用于燃燒。
[0009]廢物變能量系統(tǒng)的最終目標(biāo)是產(chǎn)生電能。如上所述，這通常通過將產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化為熱以產(chǎn)生用于驅(qū)動蒸汽輪機(jī)的蒸汽而完成。然而，使用這種方法的能量到電力的轉(zhuǎn)換效率非常低，通常在18%至24%的范圍內(nèi)。
[0010]通常不使用較高效率的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如合成氣在燃?xì)廨啓C(jī)或往復(fù)式發(fā)動機(jī)中的直接燃燒，因?yàn)橛蛇@些常規(guī)氣化器產(chǎn)生的合成氣是低品質(zhì)的，其不滿足需要通常在60-100BTU/FT3量級的、不含或含非常低的焦油含量的潔凈高熱值合成氣的此類發(fā)動機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的燃料要求。
[0011]對于由將要直接用于合成氣發(fā)動機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的常規(guī)氣化器產(chǎn)生的低CV氣體來說，則有兩種選擇。
[0012]第一，可以將低CV廢物與外部來源燃料，例如天然氣、丙烷等混合。這導(dǎo)致引起了在氣化器的能量生產(chǎn)中化石燃料消耗的大幅增加，這對環(huán)境是不利的并且有害的，并且額外增加了能量生產(chǎn)的成本，因?yàn)樗兊靡蕾囉谠黾拥耐赓徣剂舷摹?br> [0013]第二種選擇是在將其氣化之前對廢物進(jìn)行后加工以增加廢物的CV。這種預(yù)加工是復(fù)雜的并且是十分昂貴的過程，該過程在氣化之前組合了將廢物粉碎、將廢物干燥以及將廢物制粒的多個(gè)連續(xù)操作。雖然這確實(shí)提供了為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)直接提供動力的可能性，但此過程是高能量密集的過程，并且歸因于將低CV廢物轉(zhuǎn)化為垃圾衍生燃料(RDF)所需的高資金支出、運(yùn)行支出和維護(hù)支出，它不是商業(yè)上有吸引力的方案。
[0014]本發(fā)明至少部分地緩解上述問題中的一些，并且提供允許將來自低CV廢物的氣化過程的輸出物在合成氣發(fā)動機(jī)中轉(zhuǎn)換為電力的方法和裝置。
[0015]如在本文中所使用的，應(yīng)理解的是，術(shù)語“燃?xì)獍l(fā)動機(jī)”包括各種類型的使用氣體的內(nèi)燃機(jī)，并且包括但不限于往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種加工具有有機(jī)內(nèi)容物的材料的方法，所述方法包括:在具有氧氣減少的氣氛的分批加工裝置中加熱一批所述材料，以將所述有機(jī)內(nèi)容物中的至少一些氣化，以產(chǎn)生合成氣；提高所述合成氣的溫度，并且將所述合成氣在所述提高的溫度維持足以將在其中的任何長鏈烴或揮發(fā)性有機(jī)化合物熱分解的停留時(shí)間；監(jiān)測所產(chǎn)生的所述合成氣的熱值，當(dāng)所述合成氣的熱值低于預(yù)定閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器以產(chǎn)生蒸汽；以及當(dāng)所述合成氣的熱值超過所述預(yù)定閾值時(shí)，將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)以產(chǎn)生電。
[0017]所述方法可以具有第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值，并且當(dāng)所述合成氣的熱值低于所述第一預(yù)定閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器，以在第一運(yùn)行模式中產(chǎn)生蒸汽；當(dāng)所述合成氣的熱值超過所述第一預(yù)定閾值時(shí)，將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以在第二運(yùn)行模式中產(chǎn)生電；且當(dāng)所述合成氣的熱值下降到低于第二閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器，以在第三操作階段中產(chǎn)生蒸汽。
[0018]如應(yīng)理解的，本發(fā)明因此提供可以在使用所產(chǎn)生的氣體驅(qū)動用于來自常規(guī)蒸汽輪機(jī)的電力的鍋爐和在合成氣發(fā)動機(jī)中直接使用合成氣之間進(jìn)行切換的系統(tǒng)，并且當(dāng)CV處于適當(dāng)水平時(shí)即可切換為在合成氣發(fā)動機(jī)中直接使用合成氣。因?yàn)楹铣蓺獍l(fā)動機(jī)具有比鍋爐/蒸汽輪機(jī)高得多的能量轉(zhuǎn)換效率，可以大幅提高整體系統(tǒng)效率，同時(shí)仍然使用低CV廢物而無需對廢物預(yù)加工或?qū)怏w后加工。
[0019]所述第一和第二閾值具有相同的值或者可以不同。在任何一種情況下，在其以上將氣體引導(dǎo)至合成氣發(fā)動機(jī)的閾值將具有適用于合成氣發(fā)動機(jī)的CV。
[0020]所述方法可以還包括:當(dāng)所述合成氣的熱值超過高于所述第一和第二預(yù)定閾值的第三閾值時(shí)，將具有非常高的熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至儲存容器。除了在合成氣發(fā)動機(jī)中消耗之外，合成氣還具有作為化學(xué)燃料或用于分離為其用于他化學(xué)用途的其成分氣體的其他用途。然而，用于此的氣體的純度將需要是甚至比在合成氣發(fā)動機(jī)中所使用的CV更高的CV的。
[0021]所述方法可以還包括從所述合成氣中提取熱并且使用所述熱產(chǎn)生蒸汽。從過程的這個(gè)階段回收熱不僅降低了進(jìn)料至合成氣發(fā)動機(jī)的氣體的溫度，而且還從氣體中回收了可以用于驅(qū)動鍋爐的能量。為了進(jìn)一步增加整體效率，來自燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的廢熱還可以用于將鍋爐中的水加熱以產(chǎn)生蒸汽。
[0022]所產(chǎn)生的蒸汽可以用于驅(qū)動蒸汽輪機(jī)以產(chǎn)生電。
[0023]所述方法可以包括在儲蓄器中臨時(shí)儲存具有高熱值的所述合成氣和/或儲存具有低熱值的合成氣。以這種方式，不僅在來自分批加工裝置的氣體不以恒定速率產(chǎn)生時(shí)可以提供燃料的緩沖，而且當(dāng)不同于傾向于具有基本一致的輸出氣體組成的恒定加工系統(tǒng)，來自分批加工系統(tǒng)的氣體組成傾向于隨時(shí)間變化時(shí)，儲存容器還起混合容器的作用。通過使用儲存容器，組成隨時(shí)間的變化變均衡，并且可以向鍋爐/燃?xì)獍l(fā)動機(jī)提供具有更恒定組成的氣體。
[0024]所述方法優(yōu)選還包括將所述合成氣在使用前清潔。可以使用已知的過濾和清潔技術(shù)。
[0025]監(jiān)測所產(chǎn)生的所述合成氣的熱值可以包括監(jiān)測所述合成氣的氣體組成，特別地，它可以包括監(jiān)測所述合成氣的氫含量、所述合成氣的一氧化碳含量、和所述合成氣的甲烷含量中的一種或多種。
[0026]在所述預(yù)定閾值的所述合成氣的熱值可以在40至100BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。它還可以在80至100BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。在所述第三閾值的所述合成氣的熱值可以在200-220BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。
[0027]將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器以產(chǎn)生蒸汽可以包括，通過通向在鍋爐換熱器上游的熱氧化器的第一流路將所述合成氣轉(zhuǎn)向，其中，將所述合成氣燃燒，由此產(chǎn)生經(jīng)過所述換熱器的熱氣流，并且將所述合成氣在所述提高的溫度維持所述停留時(shí)間；并且將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)可以包括，通過經(jīng)由熱處理裝置到達(dá)合成氣發(fā)動機(jī)的第二流路將所述合成氣轉(zhuǎn)向，其中，將所述合成氣的溫度提高并且在所述提高的溫度維持所述停留時(shí)間。
[0028]所述方法可以還包括提供在其中具有燃燒器的再循環(huán)環(huán)路，并且經(jīng)由分批加工爐和所述再循環(huán)環(huán)路將熱氣體再循環(huán)以加熱所述分批加工爐。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種由于加工具有有機(jī)內(nèi)容物的材料的裝置，所述裝置包括:至少一個(gè)分批加工爐，所述分批加工爐被配置成在氧氣減少的氣氛下加熱一批所述材料，以將所述材料的有機(jī)內(nèi)容物中的至少一些氣化，以產(chǎn)生合成氣；至少一個(gè)熱處理裝置，所述熱處理裝置被配置成接收來自所述分批加工爐的合成氣并且具有與其相聯(lián)的加熱工具，所述熱處理裝置被配置成提高在其中的所述合成氣的溫度達(dá)足以將所述合成氣中存在的任何長鏈烴或揮發(fā)性有機(jī)化合物熱分解的停留時(shí)間；至少一個(gè)感測工具，所述感測工具用于感測所產(chǎn)生的所述合成氣的組成并且被配置成輸出指示其熱值的信號；至少一個(gè)合成氣發(fā)動機(jī)；鍋爐；閥門工具，所述閥門工具用于將合成氣引導(dǎo)至所述合成氣發(fā)動機(jī)或所述鍋爐；以及控制器，所述控制器被配置成:檢測所述合成氣的熱值何時(shí)低于預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的燃燒器，以產(chǎn)生蒸汽；并且檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過所述預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有高熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以產(chǎn)生電。
[0030]如應(yīng)理解的，所述裝置可以進(jìn)行本發(fā)明的第一方面的方法。
[0031]所述預(yù)定閾值可以包括第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值，并且所述控制器可以被配置成:檢測所述合成氣的熱值何時(shí)低于所述第一預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的所述燃燒器，以在第一運(yùn)行模式中產(chǎn)生蒸汽；檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過所述第一預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有高熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以在第二運(yùn)行模式中產(chǎn)生電；并且檢測所述合成氣的熱值何時(shí)下降到低于所述第二閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的所述燃燒器，以在第三操作階段中產(chǎn)生蒸汽。
[0032]所述控制器可以還被配置成檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過高于所述第一和第二預(yù)定閾值的第三閾值，并且控制所述閥門工具以將具有非常高的熱值的所述合成氣引導(dǎo)至儲存容器。
[0033]可以在所述熱處理裝置的下游設(shè)置換熱器，并且其被配置成從所述合成氣中提取熱以冷卻所述合成氣。提取的熱可以用于產(chǎn)生蒸汽。
[0034]可以設(shè)置管道以將來自所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的熱排氣引導(dǎo)至所述鍋爐中的換熱器，從而產(chǎn)生蒸汽。
[0035]所述裝置可以具有汽輪機(jī)，其由蒸汽驅(qū)動，用于產(chǎn)生電。
[0036]所述裝置可以包括用于臨時(shí)儲存具有高熱值的合成氣的儲蓄器和/或用于臨時(shí)儲存具有低熱值的合成氣的儲蓄器。
[0037]還可以設(shè)置用于將合成氣在使用前清潔的清潔單元。
[0038]所述裝置可以包括氣體分析儀，以監(jiān)測所述合成氣的氣體組成，從而獲得表示其熱值的信號。
[0039]所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)可以包括往復(fù)式發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的一種或多種。
[0040]在一種布置中，所述熱處理裝置可以包括在所述分批處理爐下游的閥門工具，所述閥門工具用于將所述合成氣轉(zhuǎn)向至通向所述合成氣發(fā)動機(jī)的第一流路和通向所述鍋爐的第二流路中的一個(gè)或多個(gè)中，并且其中所述熱處理裝置包括位于在所述合成氣發(fā)動機(jī)上游的所述第一流路中的熱反應(yīng)器和位于在所述鍋爐上游的所述第二流路中的熱氧化器。
[0041]所述熱反應(yīng)器可以被配置成加熱所述合成氣而不使它燃燒，并且其中所述熱氧化器被配置成加熱所述合成氣以使其燃燒。
[0042]所述裝置還可以包括再循環(huán)環(huán)路，所述再循環(huán)環(huán)路用于將熱氣體通過分批加工爐再循環(huán)而不使它通過所述熱處理裝置，所述裝置還包括設(shè)置在所述再循環(huán)環(huán)路中的燃燒器，用于提供通過所述分批加工爐的熱氣體流。
[0043]現(xiàn)在將通過舉例的方式、結(jié)合以下附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案，其中:
[0044]圖1是現(xiàn)有技術(shù)恒定過程裝置的示意圖，顯示在材料從其中通過時(shí)放出的氣體的氣體品質(zhì)的。
[0045]圖2是關(guān)于可以與本發(fā)明一起使用的類型的分批加工裝置的CV對時(shí)間的曲線圖；
[0046]圖3是本發(fā)明的方法的流程圖；
[0047]圖4是本發(fā)明的裝置的圖解；
[0048]圖5是本發(fā)明的另一種裝置的圖解；并且
[0049]圖6是本發(fā)明的另一種裝置的圖解。
[0050]參照圖1，示出了如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的連續(xù)進(jìn)料和加工處理室2的示意圖。該室可以是回轉(zhuǎn)窯，其中廢物8隨著其旋轉(zhuǎn)而在內(nèi)部借助重力移動，或者是固定室，其中廢物8借助移動爐排(下降爐排(step-down grate))的作用而移動。該室具有廢物入口 4，恒定供應(yīng)量的待處理廢物通過其進(jìn)入該室，以及殘留物出口 6，充分加工的殘留廢物(半焦、惰性物質(zhì)、金屬等)通過其離開該室。盡管未示出，應(yīng)理解的是，以已知方式配置入口 4和出口6，從而使可以隨廢物進(jìn)入或通過室出口 6進(jìn)入的空氣的量最小化。運(yùn)送廢物8通過該室并且將其氣化。缺氧的熱氣體的供應(yīng)在氣體入口 10處進(jìn)入該室并且在氣體出口 12處離開該室。在加工的初始階段期間，廢物8由熱氣體加熱并且將水分蒸發(fā)。在這個(gè)階段(“A”)期間，存在很少的氣化，并且正如可以從曲線圖14中所見，該曲線圖其示出了從在沿著該室的空間的不同點(diǎn)處的廢物放出的合成氣(合成的氣體)的CV。一旦已將水分大部分驅(qū)除，廢物的溫度即開始升高，并且其有機(jī)內(nèi)容物的氣化開始。在這個(gè)階段(“B”)期間，所產(chǎn)生的合成氣的熱值有增加。隨著更多的一氧化碳和氫被釋放，合成氣的熱值繼續(xù)升高并且在“C”區(qū)域中處于平穩(wěn)狀態(tài)。向著加工室2的出口 6，隨著大多數(shù)材料已經(jīng)被加工，所釋放的合成氣的CV開始下降(“D”)。
[0051]當(dāng)在如所示的連續(xù)廢物進(jìn)料和加工裝置中時(shí)，驅(qū)動該過程的熱氣體通過整個(gè)加工室，從在沿著該室的不同點(diǎn)處的廢物8排出的氣體被夾帶至單一的出口氣流中并且變成混合的。結(jié)果是，盡管具有比較恒定的物質(zhì)流和熱值，但合成氣輸出物具有高含水量和低CV，因?yàn)楹铣蓺獾腃V將是沿著加工室的長度釋放的氣體的CV的平均值。這種組合的合成氣輸出物不具有被直接用于合成氣發(fā)動機(jī)的足夠的CV。這對于具有高含水量的低CV廢物來說尤其是這種情況。
[0052]參照圖2，示出了關(guān)于如與本發(fā)明一起使用的分批加工爐的CV對時(shí)間的曲線圖。爐可以是如在國際專利申請WO 2006/100512中描述的旋轉(zhuǎn)分批加工爐。如可以看到的，來自分批加工爐的合成氣輸出物以與來自連續(xù)加工室的輸出物隨空間變化的類似方式隨時(shí)間變化。然而，因?yàn)樵诜峙庸な抑挟a(chǎn)生的合成氣連續(xù)離開加工室，那么離開該室的合成氣的CV將是在任何時(shí)間點(diǎn)(與在圖2中一樣)的合成氣的實(shí)際的CV，并且實(shí)際上不與來自在不同時(shí)間點(diǎn)的合成氣輸出物混合。離開的合成氣的CV如在針對特定時(shí)間的曲線圖中所示，并且在整個(gè)循環(huán)中不是平均的。如可以看到的，合成氣輸出物分為三個(gè)不同的階段:在其中CV低的第一階段，在其中CV高的第二階段，在其中CV再次變低的第三階段。在這里圖中通過舉例的方式示出的時(shí)間是120分鐘，但是其可以具有更低或更高的加工時(shí)間。
[0053]參照圖3和4，示出了本發(fā)明的方法的示意圖。
[0054]將一批具有有機(jī)內(nèi)容物的廢物“E”置于可以例如與WO 2006/100512中公開的旋轉(zhuǎn)爐相似的分批加工氣化裝置16中。將爐封閉，并且具有低氧含量的氣體經(jīng)由其循環(huán)以將在其中的材料加熱至對于氣化有效的溫度。氣化溫度可以根據(jù)過程參數(shù)變化，但是通常將會超過500°C，并且氧含量將會低于3%、優(yōu)選低于I體積％流量。
[0055]在過程開始時(shí)，將會發(fā)生一些氣化，但是大多數(shù)熱量將會用于水分從廢物中的蒸發(fā)。此時(shí)產(chǎn)生的合成氣具有低熱值(階段1，圖2)。
[0056]在離開加工室之后，氣體進(jìn)入熱處理裝置18，在那里將其提高至在1100°C范圍內(nèi)的溫度。將氣體在這種溫度下維持在熱處理裝置中，達(dá)足以將氣體中的長鏈烴和VOC分解為短鏈烴(例如，CH4)、一氧化碳和氫的停留時(shí)間的。與W02006/100512中公開的系統(tǒng)相反，合成氣不在熱處理裝置中燃燒。裝置的確包括燃燒器，但是僅提供了化學(xué)計(jì)量比的燃料與氧，從而不存在多余的氧以允許從爐進(jìn)入處理裝置的合成氣燃燒。
[0057]在離開熱處理室18之后，使氣體通過換熱器20以將它們冷卻。這是為了兩個(gè)目的，第一，它從可以進(jìn)料至鍋爐的合成氣中回收熱量，并且第二，它將合成氣冷卻，從而系統(tǒng)的下游部分可以具有更低的溫度額定值，這簡化系統(tǒng)的并降低系統(tǒng)成本。換熱器20可以具有與鍋爐22交換熱以將在其中的水加熱從而產(chǎn)生蒸汽的循環(huán)流體，或者備選地，換熱器20可以直接產(chǎn)生蒸汽，有效地充當(dāng)副鍋爐。
[0058]之后使冷卻的合成氣通過清潔單元24以移除在其中夾帶的任何顆粒物質(zhì)或其他污染物。這使用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將會是顯而易見的已知技術(shù)而完成。
[0059]監(jiān)測清潔的合成氣以確定其CV，或者其CV的指示。如應(yīng)理解的，可以在清潔單元24的上游完成監(jiān)測，但是優(yōu)選在下游完成，從而合成氣中的任何污染物均不隨時(shí)間干擾或損害傳感器。優(yōu)選通過測量合成氣的CO含量、H2含量和CH4含量中的一種或多種，例如利用在線氣體分析儀26，來監(jiān)測CV，并且產(chǎn)生表示來自其中的CV的信號。
[0060]控制器28接收指示所產(chǎn)生的氣體的CV的信號并且控制閥門30、32。在運(yùn)行的初始階段，當(dāng)CV水平低并且含水量高時(shí)，控制器關(guān)閉閥門30并且打開閥門32以將氣體引導(dǎo)至低CV氣體儲蓄器34。將來自該儲蓄器的氣體經(jīng)由閥門布置(為了清楚而省略)進(jìn)料至在其中使其燃燒的鍋爐22的燃燒器。鍋爐內(nèi)的水通過使合成氣燃燒并且通過從換熱器20提取的熱量被加熱，并產(chǎn)生用于驅(qū)動蒸汽輪機(jī)36的蒸汽，從而產(chǎn)生電“H”。
[0061]隨著繼續(xù)加工該室中的材料，水分將會被蒸發(fā)并且更多的材料將會開始?xì)饣?。釋放的合成氣的CV將會開始增加。接收表示CV的信號的控制器28對信號進(jìn)行監(jiān)測，并且一旦達(dá)到在40至120BTU/立方英尺(優(yōu)選80-100BTU/立方英尺)的范圍內(nèi)的預(yù)定閾值，控制器28即操作閥門以關(guān)閉閥門32并打開閥門30，從而將具有高于閾值的CV的合成氣引導(dǎo)至高CV氣體儲蓄器38。將來自儲蓄器38的氣體通過閥門系統(tǒng)(為了清楚而省略)進(jìn)料至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)40。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)40可以是單個(gè)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或者可以是多個(gè)不同類型的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，例如可以提供燃?xì)廨啓C(jī)和往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)。合成氣為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)40提供燃料以產(chǎn)生電“F”。因?yàn)楹铣蓺獍l(fā)動機(jī)的能量到電力的轉(zhuǎn)換效率通常超過33%、經(jīng)常約38%，并且因?yàn)檎羝仩t/汽輪機(jī)的能量到電力的轉(zhuǎn)換效率通常為18-24百分?jǐn)?shù)，通過一達(dá)到所需的氣體品質(zhì)、即足夠的CV就進(jìn)行切換，大幅提高了過程的整體效率。
[0062]一種或多種合成氣發(fā)動機(jī)40將會在其中產(chǎn)生作為能量轉(zhuǎn)換副產(chǎn)物的熱排氣，并且將其進(jìn)料至鍋爐22中的換熱器中，以從其中回收熱量并且輔助蒸汽的產(chǎn)生。
[0063]如果需要，可以在釋放至大氣之前以任何已知的方式處理來自鍋爐的煙道氣“G”。
[0064]隨著該批材料接近其加工循環(huán)的終點(diǎn)，從其中釋放的合成氣中的一氧化碳、氫和其他高級烴的量將會開始下降，并且離開加工室的合成氣的CV將會開始降低。一旦控制器28檢測到CV已經(jīng)下降至低于預(yù)定閾值，其將與CV的突然上升中使用的閾值相同或非常相近，控制器再次激活閥門30、32以將具有對于在合成氣發(fā)動機(jī)40中使用來說不再具有足夠品質(zhì)的更低CV的合成氣引導(dǎo)至低CV氣體儲蓄器34。
[0065]如應(yīng)根據(jù)圖解而理解的，歸因于從將合成氣冷卻中提取的熱量和從合成氣發(fā)動機(jī)排氣中提取的熱量，即使當(dāng)不將合成氣引導(dǎo)至低CV儲蓄器34時(shí)，蒸汽也將會繼續(xù)產(chǎn)生并且驅(qū)動蒸汽輪機(jī)36。
[0066]如還應(yīng)理解的，在階段I和3(圖2)中的低CV氣體產(chǎn)生期間和在階段2的高CV氣體產(chǎn)生期間，所產(chǎn)生的合成氣的CV和含水量不是恒定的。儲蓄器34、38提供所產(chǎn)生的氣體可以在其中彼此混合的緩沖容器，從而從其中抽取的氣體具有比進(jìn)入儲蓄器34、38的合成氣更一致的CV。此外，將會優(yōu)選地確定儲蓄器的尺寸，從而它們可以為各種品質(zhì)的合成氣提供足夠的緩沖，從而燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和鍋爐可以連續(xù)運(yùn)行，無論在給定的時(shí)刻合成氣被引導(dǎo)至哪個(gè)儲蓄器。
[0067]參照圖5，除了以上之外，本發(fā)明的額外特征是控制器28的監(jiān)測所產(chǎn)生的合成氣的CV的能力，并且如果其超過更高的第三閾值，例如BTU超過在200-220BTU/立方英尺的范圍的閾值，控制器控制關(guān)閉閥門30和32 二者并且打開閥門42以將具有最高CV的合成氣引導(dǎo)至儲存容器44。該合成氣之后可以用于其他過程，并且不直接用于經(jīng)由鍋爐或合成氣發(fā)動機(jī)發(fā)電。
[0068]參照圖6，示出了本發(fā)明的另一個(gè)裝置。在該裝置中，分批加工裝置16具有形成經(jīng)由燃燒器48 (可以是氧燃燒器)的再循環(huán)環(huán)路的管道46。閥門50可以選擇性地驅(qū)動來自加工裝置16的氣流通過再循環(huán)環(huán)路。在啟動時(shí)，這可以輔助迅速增加裝置16中的溫度。通過維持小型的再循環(huán)環(huán)路，使熱量損失最小化，并且可以實(shí)現(xiàn)快速加熱。
[0069]在閥門50的下游，離開加工裝置16的氣體的流路分叉。一個(gè)流路通向熱氧化器18A并且另一個(gè)通向熱裂化單元18B，熱氧化器和熱裂化單元一起形成熱處理裝置。首先考慮經(jīng)由熱氧化器18A的流路，這是第一流路，離開加工裝置18的氣體將會經(jīng)由其通過。
[0070]在熱氧化器18A中，燃燒器使進(jìn)入氧化器的氣體在氧(例如空氣)的存在下燃燒，從而產(chǎn)生熱燃燒氣體流。這些氣體經(jīng)過產(chǎn)生蒸汽的換熱器52，以驅(qū)動與發(fā)電機(jī)54連接的蒸汽輪機(jī)36以產(chǎn)生電。熱氧化器18A和換熱器52—起形成鍋爐22。在冷凝器環(huán)路中設(shè)置脫氣機(jī)56和冷凝器58以將蒸汽在其已經(jīng)通過蒸汽輪機(jī)之后冷凝。在經(jīng)過換熱器52之后，隨后已經(jīng)被冷卻的燃燒氣體在經(jīng)由煙囪60被排放至大氣之前通過凈化器，其可以包括本領(lǐng)域中已知的任何適合的空氣清潔技術(shù)，例如袋濾式過濾器(baghouse filters)68。
[0071]隨著該批被加工的材料進(jìn)入階段II (圖2)，氣體的熱值增加。隨著氣體的熱值增加，將會達(dá)到熱氧化器18A的容量并且將會存在過熱的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免于此，可以打開閥門62，以允許至少一些氣體進(jìn)入裂化單元18B中，其中，將其在不存在氧的情況下加熱，并且在提高的溫度保持足夠時(shí)間，以破壞在其中的任何VOC和長鏈烴。氣體隨后從熱裂解單元18B中離開并且通過急冷器(quencher) 64和換熱器20以降低氣體的溫度。換熱器20可以與鍋爐22的換熱器和汽輪機(jī)38連接以增加驅(qū)動汽輪機(jī)的蒸汽的溫度。在換熱器20之后，冷卻的合成氣通過清潔單元24，例如文丘里管洗滌器系統(tǒng)和濕式洗滌器系統(tǒng)66。氣體之后立即進(jìn)入氣體儲藏38中。多個(gè)合成氣發(fā)動機(jī)40設(shè)置在氣體儲蓄器的下游，在其中通過使用合成氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)將來自儲蓄器36的合成氣轉(zhuǎn)化為電能。
[0072]使用該方法，可以使鍋爐在整個(gè)循環(huán)中持續(xù)運(yùn)行，并且在熱氧化器/鍋爐的容量不足以處理全部產(chǎn)生的氣體的能量(歸因于其增加的體積和/或CV)的峰循環(huán)(階段II)期間，可以將至少一些氣體轉(zhuǎn)向通過熱裂化單元，清潔并緩沖在儲蓄器36中。之后其可以用于驅(qū)動合成氣發(fā)動機(jī)40。由儲存容器38造成的緩沖允許合成氣發(fā)動機(jī)比較恒定的運(yùn)行，而與循環(huán)氣體產(chǎn)生無關(guān)。此外，通過持續(xù)利用熱氧化器和鍋爐，蒸汽輪機(jī)可以以比較恒定的條件運(yùn)行。當(dāng)借助處理裝置16的氣體產(chǎn)生變慢并且CV下降時(shí)，可以操作閥門52以減少和/或停止通向熱裂化裝置18B的氣流。然而，歸因于儲存容器中氣體的緩沖，合成氣發(fā)動機(jī)仍然可以運(yùn)行。
[0073]這個(gè)實(shí)施方案的具體優(yōu)點(diǎn)是:將熱處理裝置分為熱氧化器和熱裂解器，這使它們之間的最大負(fù)荷分開。因此，當(dāng)不以最大容量運(yùn)行時(shí)，即對于循環(huán)的大部分來說，僅使用熱氧化器。同樣地，熱氧化器被設(shè)計(jì)為滿足降低的容量，并且因此是較小的，并且同樣地，由于增加的利用而更高效率地運(yùn)行。因此針對循環(huán)的大部分而不是最大氣體產(chǎn)生的效率來設(shè)計(jì)熱氧化器的尺寸。
【權(quán)利要求】
1.一種加工具有有機(jī)內(nèi)容物的材料的方法，所述方法包括: 在具有氧氣減少的氣氛的分批加工裝置中加熱一批所述材料，以將所述有機(jī)內(nèi)容物中的至少一些氣化，以產(chǎn)生合成氣； 提高所述合成氣的溫度，并且將所述合成氣在所述提高的溫度維持足以將在其中的任何長鏈烴或揮發(fā)性有機(jī)化合物熱分解的停留時(shí)間； 監(jiān)測所產(chǎn)生的所述合成氣的熱值， 當(dāng)所述合成氣的熱值低于預(yù)定閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器以產(chǎn)生蒸汽；以及 當(dāng)所述合成氣的熱值超過所述預(yù)定閾值時(shí)，將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)以產(chǎn)生電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值，并且其中: 當(dāng)所述合成氣的熱值低于所述第一預(yù)定閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器，以在第一運(yùn)行模式中產(chǎn)生蒸汽； 當(dāng)所述合成氣的熱值超過所述第一預(yù)定閾值時(shí)，將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以在第二運(yùn)行模式中產(chǎn)生電；且 當(dāng)所述合成氣的熱值下降到低于第二閾值時(shí)，將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器，從而在第三操作階段中產(chǎn)生蒸汽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一和第二閾值具有相同的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，所述方法還包括: 當(dāng)所述合成氣的熱值超過高于所述第一和第二預(yù)定閾值的第三閾值時(shí)，將具有非常高的熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至儲存容器。
5.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括從所述合成氣中提取熱并且使用所述熱產(chǎn)生蒸汽。
6.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括使用來自所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的廢熱將所述鍋爐中的水加熱以產(chǎn)生蒸汽。
7.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括使用所述蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)以產(chǎn)生電。
8.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括將所述具有高熱值的合成氣臨時(shí)儲存在儲蓄器中。
9.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括將所述具有低熱值的合成氣臨時(shí)儲存在儲蓄器中。
10.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，所述方法還包括將所述合成氣在使用前清潔。
11.根據(jù)任一在前權(quán)利要求所述的方法，其中監(jiān)測所產(chǎn)生的所述合成氣的熱值包括監(jiān)測所述合成氣的氣體組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中監(jiān)測所述合成氣的氣體組成包括監(jiān)測所述合成氣的氫含量、所述合成氣的一氧化碳含量、和所述合成氣的甲烷含量中的一種或多種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述預(yù)定閾值的所述合成氣的熱值在40至100BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在所述預(yù)定閾值的所述合成氣的熱值在80至100BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在所述第三閾值的所述合成氣的熱值在200至220BTU/立方英尺的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中: 將具有低熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至鍋爐的燃燒器以產(chǎn)生蒸汽包括:通過通向在鍋爐換熱器上游的熱氧化器的第一流路將所述合成氣轉(zhuǎn)向，其中，將所述合成氣燃燒，由此產(chǎn)生經(jīng)過所述換熱器的熱氣流，并且將所述合成氣在所述提高的溫度維持所述停留時(shí)間；并且其中，將具有高熱值的所述合成氣轉(zhuǎn)向至燃?xì)獍l(fā)動機(jī)包括:通過經(jīng)由熱處理裝置到達(dá)合成氣發(fā)動機(jī)的第二流路將所述合成氣轉(zhuǎn)向，其中，將所述合成氣的溫度提高并且在所述提高的溫度維持所述停留時(shí)間。
17.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括提供在其中具有燃燒器的再循環(huán)環(huán)路，并且經(jīng)由分批加工爐和所述再循環(huán)環(huán)路將熱氣體再循環(huán)以加熱所述分批加工爐。
18.—種由于加工具有有機(jī)內(nèi)容物的材料的裝置，所述裝置包括: 至少一個(gè)分批加工爐，所述分批加工爐被配置成在氧氣減少的氣氛下加熱一批所述材料，以將所述材料的有機(jī)內(nèi)容物中的至少一些氣化，以產(chǎn)生合成氣； 至少一個(gè)熱處理裝置，所述熱處理裝置被配置成接收來自所述分批加工爐的合成氣并且具有與其相聯(lián)的加熱工具，所述熱處理裝置被配置成提高在其中的所述合成氣的溫度達(dá)足以將所述合成氣中存在的任何長鏈烴或揮發(fā)性有機(jī)化合物熱分解的停留時(shí)間； 至少一個(gè)感測工具，所述感測工具用于感測所產(chǎn)生的所述合成氣的組成并且被配置成輸出指示其熱值的信號， 至少一個(gè)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)； 鍋爐； 閥門工具，所述閥門工具用于將合成氣引導(dǎo)至所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或所述鍋爐；以及 控制器，所述控制器被配置成: 檢測所述合成氣的熱值何時(shí)低于預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的燃燒器，以產(chǎn)生蒸汽；并且 檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過所述預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有高熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以產(chǎn)生電。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中所述預(yù)定閾值包括第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值，并且其中所述控制器被配置成 檢測所述合成氣的熱值何時(shí)低于所述第一預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的所述燃燒器，以在第一運(yùn)行模式中產(chǎn)生蒸汽； 檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過所述第一預(yù)定閾值，并且控制所述閥門工具以將具有高熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，以在第二運(yùn)行模式中產(chǎn)生電；并且 檢測所述合成氣的熱值何時(shí)下降到低于所述第二閾值，并且控制所述閥門工具以將具有低熱值的所述合成氣引導(dǎo)至所述鍋爐的所述燃燒器，以在第三操作階段中產(chǎn)生蒸汽。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述控制器還被配置成檢測所述合成氣的熱值何時(shí)超過高于所述第一和第二預(yù)定閾值的第三閾值，并且控制所述閥門工具以將具有非常高的熱值的所述合成氣引導(dǎo)至儲存容器。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括在所述熱處理裝置下游的換熱器，所述換熱器被配置成從所述合成氣中提取熱以冷卻所述合成氣并且產(chǎn)生蒸汽。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括管道，所述管道用于將來自所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的熱排氣引導(dǎo)至所述鍋爐中的換熱器以產(chǎn)生蒸汽。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括汽輪機(jī)，所述汽輪機(jī)由所述蒸汽驅(qū)動，用于產(chǎn)生電。
24.根據(jù)權(quán)利要求18至23中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括用于臨時(shí)儲存具有高熱值的所述合成氣的儲蓄器。
25.根據(jù)權(quán)利要求18至24中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括用于臨時(shí)儲存具有低熱值的所述合成氣的儲蓄器。
26.根據(jù)權(quán)利要求18至25中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括清潔單元，所述清潔單元用于將所述合成氣在使用前清潔。
27.根據(jù)權(quán)利要求18至26中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括氣體分析儀，以監(jiān)測所述合成氣的氣體組成，從而獲得表示其熱值的信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求18至27中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述燃?xì)獍l(fā)動機(jī)包括往復(fù)式發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的一種或多種。
29.根據(jù)權(quán)利要求18至28中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述熱處理裝置包括在所述分批加工爐下游的閥門工具，所述閥門工具用于將所述合成氣轉(zhuǎn)向至通向所述合成氣發(fā)動機(jī)的第一流路和通向所述鍋爐的第二流路中的一個(gè)或多個(gè)中，并且其中所述熱處理裝置包括位于在所述合成氣發(fā)動機(jī)上游的所述第一流路中的熱反應(yīng)器和位于在所述鍋爐上游的所述第二流路中的熱氧化器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述熱反應(yīng)器被配置成加熱所述合成氣而不使它燃燒，并且其中所述熱氧化器被配置成加熱所述合成氣以使其燃燒。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或權(quán)利要求30所述的裝置，所述裝置還包括再循環(huán)環(huán)路，所述再循環(huán)環(huán)路用于將熱氣體通過分批加工爐再循環(huán)而不使它通過所述熱處理裝置，所述裝置還包括設(shè)置在所述再循環(huán)環(huán)路中的燃燒器，用于提供通過所述分批加工爐的熱氣體流。
【文檔編號】F23G7/10GK104520645SQ201380036268
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月8日
【發(fā)明者】瑞法特·阿爾·沙拉比, 奧菲尼爾·亨利·佩里, 李珂 申請人:奇努克終極回收有限公司