[发明专利]等离子电弧炉和应用

说明书

相关申请案的交叉引用

本申请案要求于2011年8月4日申请且以引用的方式并入本文中的美国临时申请案第61/515,048号（Photovoltaic Cell Substrate Wafer and Basalt Plasma Arc Furnace）的权益。此外，本申请案还要求于2012年6月13日申请且以引用的方式并入本文中的美国临时专利申请案第61/659,124号（Plasma Arc Furnace and Applications）的权益。

发明背景

本发明属于用于形成合成气体的等离子电弧炉领域。此外，本发明使用化学工艺，其结合使用催化剂将一种或多种合成气体转化为甲醇。此外，本发明属于废热发电领域。此外，本发明涉及污水形式和/或任意含碳材料（包括填埋前或填埋后材料）的城市废物的处理。

将等离子电弧炉用于形成合成气（CO和H₂）是一种通常适合大型设施的技术，所述大型设施占据数英亩的土地，资本成本达数千万至数亿美元。这些成本和实体规模由所选择的系统组件限定。这些转而基于电能成本、废热回收方法、气体净化工艺和最终产物价值。典型的等离子电弧炉采用空气作为工艺气体，其在等离子电弧炬中被电加热以使炉容器中的材料升高至大约摄氏750至1400度的解聚温度。空气的使用引入氮至炉的高温环境中，在废物流中产生氮和金属氧化物。如果存在排放，那么这些污染局部环境空气。

处理城市污水的问题是市政部门的重大负担。目前的做法是在不同阶段中将废物生物中和。这通常包括生物反应器，其中细菌用于消耗及转化最简单的营养素以及灭杀病原体。残余物在不同的沉淀池中分离。来自污水处理厂的最终输出通常是三种产物的形式。第一种是理论上可饮用的近纯水，第二种是浓缩污泥且第三种是硝基腐殖质肥料，其被送往包装并且销售至苗圃和园林。

等离子电弧炉系统的最新技术的改进是有用的，尤其是其中一个或多个上述问题得以缓解的改进。

发明概要

提出一种等离子电弧重整系统，其以清洁及高效的方式产生输出燃料（诸如甲醇）作为一种产物选择。甲醇的碳和水可来自数个不同源，每个源将在下文中简述。第一种是使用任意烃气（例如，诸如沼气）作为碳源及使用蒸馏水作为氧源（两者都供应氢）。已开发出使用这种技术加热甲烷，注入水支持蒸汽重整或蒸汽重整反应，但是本发明增加高效方式以回收工艺中产生的大量废热。第二种是使用城市固体废物作为附加碳源。第三种是使用城市用水或城市污水作为水源。这些方法中的每一种均需要修改系统以处理存在的其它材料（被认为是污染物）。

本文中讨论的系统主要通过使用甲烷取代空气作为工艺气体而得到促进。甲烷的电性质非常接近空气且其可用在等离子电弧炬中。甲烷（CH₄）和水（H₂O）的组合允许产生高度受控的化学计量混合物2H₂+CO。通过使用甲烷取代空气，较少氮或无氮被引入炉环境中以导致氮基污染物。

利用超临界CO₂（SCO₂）混合废热回收技术（例如，见美国临时申请案第61/636,236号），高百分比的废热被回收为电以运行系统。这通过减少电力消耗而提高效率并且降低成本。这种改进通过在气体引入至羰基分子过滤器且随后引入重整催化剂反应器之前的下一个过滤器之前在系统的不同位置中（诸如，例如在炉容器表面、高温导管、粒子沉淀器和工艺气体降温单元上）采用热交换器而实现。

因此，提供一种使用重整器将源燃料转化为输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤：

将源燃料输入至重整器；

将水输入重整器；

在重整器中提供一个或多个热源用于将所述源燃料和所述水分解为一种或多种构成组分和/或其组合；

使用一种或多种催化剂将水和源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；和

从重整器输出所述输出燃料。

还提供一种使用重整器将碳基输入燃料转化为期望输出燃料的方法，所述方法包括下列步骤：

将碳基输入燃料输入至重整器；

在重整器中提供一个或多个热源用于将所述输入燃料分解为一种或多种构成组分和/或其组合；

压缩所述一种或多种构成组分和/或其组合用于输入至催化剂子系统；

使用一种或多种催化剂将水和源燃料的所述一种或多种构成组分和/或其组合的至少一部分转化为所述输出燃料；

将污染物从所述输出燃料移除；