[发明专利]用于处理材料以在模块化结构中生成合成气的系统和设备

说明书

用于处理材料以在模块化结构中生成合成气的系统，可以包括多个一次反应腔和一个共用二次反应腔。每个一次反应腔包括伸入腔室内的电极，可操作该电极产生电弧，在电极通电时，电弧能够通过分解材料生成第一级气体。可操作二次反应腔容纳多个一次反应腔生成的第一级气体并容纳水蒸汽。在多个一次反应腔内生成的气体与水蒸汽组合在一起并与其相互作用，形成第二级气体。会在二次反应腔内生成湍流，以促进第一级气体与水蒸汽相混合。可通过来自于多相输入的不同相位电源为每个一次反应腔供电，以确保平衡用电。

技术领域

本发明一般涉及处理材料以生成合成气，更具体地说，涉及用于处理材料以在模块化结构中生成合成气的系统和设备。

背景技术

在全世界范围内，尤其是发达国家，城市固体废物(MSW)和城市固体污泥(MSS)的处理是非常重要的问题。掩埋或焚烧MSW和MSS的传统技术会导致产生重大问题。由于公众不愿意在附近一带填埋垃圾，因此垃圾填埋场的空间越来越不足，因此将大量MSW/MSS运送到偏远地区的需求日益增大。

倾倒MSW和MSS和/或以传统方式焚烧MSW和MSS产生的环境影响极大，毒素会渗入垃圾填埋场周围的土壤中，并且在焚烧过程中产生的潜在致癌元素会进入空气中。公众对环境可接受解决方案的兴趣日益增长，大多数发达国家已推行减少、重复使用和循环利用方法，以限制送入垃圾填埋场的MSW，并降低对其进行处理时所使用的能耗。

在某些情况下，已在处理MSW和MSS的过程中获益。在焚烧期间，通常会重复使用产生的热量发电或加热一个或多个设施。在垃圾填埋场处，已成功尝试回收MSW随时间推移分解而释放的甲烷。然后，可在燃烧室内使用这种甲烷产生热能或在化学过程中使用这种甲烷形成更复杂的化合物。问题是此类解决方案并未解决潜在的环境问题，且并不能正确适当地收集MSW和MSS的能量。

一种已开发用于更好地处理MSW的技术称为等离子弧气化。在等离子弧气化中，使用电能产生成等离子弧，以将复杂的含碳分子还原成较小的组成分子。这种分子分解在无氧气存在的情况下发生，确保不会发生燃烧。该过程使用等离子弧的能量将复杂的碳化合物分子分解成更简单的气体化合物，例如一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)、短链碳氢化合物和固体废物(炉渣)。该过程专用于减少送入垃圾填埋场的MSW量，并生成合成气-一种作为产物的有用气体混合物。

合成气是一种气体混合物，其包含通过气化含碳化合物而产生的不同量的氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)。尽管其能量密度通常低于天然气的一半，但合成气为可燃气体。合成气可用作燃料源或生成其他化学品的中间产品。用作燃料时，通常通过以下反应将煤炭用作碳源：

C+O₂→CO₂

CO₂+C→2CO

C+H₂O→CO+H₂

这是一项成熟的技术，相比于传统的使用固体煤的方法，作为燃烧煤炭的更清洁的方法，该项技术已重新引起了人们的兴趣。用作生成氨等其他化学品的中间产品时，由于甲烷有四个氢原子，适用于制取合成气，且甲烷占天然气的90％以上，因此通常将天然气用作进料。商业上使用以下蒸汽重整反应：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

由于在控制氧环境中进行传统合成气生成技术，而在无氧环境中进行等离子弧气化，因此使用煤和天然气作为进料输入的传统合成气生成技术不同于等离子弧气化。尽管规定无氧，但通过输入材料的分子分解，在该过程中会产生少量的氧气。此外，煤和天然气技术使用一致的产生一致合成气组分的输入材料，而到目前为止，等离子弧气化实现则通常使用MSW作为输入材料，其中给料变化会导致合成气变化。