(57)【要約】本発明は、炭素質原料ガス化プロセスの高温産物から回収された熱を該ガス化プロセスに戻して再利用するシステムを提供する。該高温のガス状産物は、熱気、熱湯または蒸気を産生するために、空気や水等の作動流体を加熱するために使用される。該加熱流体は、熱を該ガス化プロセスに戻すために使用される。また、該システムは、エネルギー産生を最大限にしながら、該プロセスのエネルギー消費を最小限にすることによってガス化プロセスの効率を最適化する制御システムも備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスから回収された熱を炭素質原料ガス化装置に再利用するシステムであって、
前記高温ガスを、加熱流体と冷却ガスを産生するように前記高温ガスからの熱が流体に移動する、ガスから流体への熱交換器に移動する手段と、
前記加熱流体を前記ガス化装置に移動する手段と、
前記システムの操作パラメータを監視するための検知要素と、前記ガス化プロセスを最適化するように前記システム内の動作条件を調整する応答要素とを備える制御システムと、を備え、
前記応答要素は、前記検知要素から取得されるデータに応じて前記システム内の前記動作条件を調整することによって、エネルギー産生を最大限にしながら、前記プロセスのエネルギー消費を最小限にすることによって、ガス化プロセスの効率を最適化することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記高温ガスは、炭素質原料ガス化プロセス中に産生されるガスであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記流体は、空気、水、油、窒素または二酸化炭素であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記流体は、空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、ガスから空気への熱交換器であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記流体は、空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、熱回収蒸気発生器であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
高温ガスから回収された熱を炭素質原料ガス化装置に再利用するシステムであって、
前記高温ガスを、加熱空気と冷却ガスを産生するように前記高温ガスからの前記熱が空気に移動する、ガスから空気への熱交換器に移動する手段と、
前記加熱空気を前記ガス化装置に移動する手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記高温ガスは、炭素質原料ガス化プロセス中のガス化装置において産生されるガスであることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記高温ガスを前記ガスから空気への熱交換器に移動する前記手段は、前記ガス化装置上の高温ガス出口と前記ガスから空気への熱交換器の高温ガス入口との間の流体連通を提供する高温ガス導管システムを備え、前記加熱空気を前記ガス化装置に移動する前記手段は、前記ガスから空気への熱交換器上の空気出口と前記ガス化装置上の空気入口との間の流体連通を提供する空気導管システムを備え、前記高温ガスは、前記高温ガス導管を介して前記ガス化装置から前記ガスから空気への熱交換器に移動し、前記加熱空気は、前記空気導管システムを介して前記ガスから空気への熱交換器から前記ガス化装置の前記空気入口に移動することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
冷却された産生ガス出口と連通する高温産生ガス入口と、加熱流体出口と連通する冷却流体入口とを備えるガスから流体への熱交換器を使用して、ガス化プロセスによって産生される高温ガスから顕熱をガス化プロセスに戻して再利用することによって、炭素質原料の前記ガス化プロセスの効率を改善するためのプロセスであって、
前記高温産生ガス入口を介して前記高温産生ガスを前記ガスから流体への熱交換器に渡すステップと、
前記冷却流体入口を介して前記冷却流体を前記ガスから流体への熱交換器に渡すステップと、
前記冷却された産生ガス出口を介して前記熱交換器から排出する冷却された産生ガスと、前記加熱流体出口を介して前記熱交換器から排出する加熱流体とを産生するように、前記高温産生ガスを前記ガスから流体への熱交換器を介して前記冷却流体に移動するステップと、
前記炭素質原料ガス化プロセスのための熱を提供するように、前記加熱流体を使用するステップと、を備えることを特徴とするプロセス。
【請求項１０】
前記流体は空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、ガスから空気への熱交換器であることを特徴とする請求項９に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素質原料のガス化、特に、ガス化プロセスによって生成される熱を回収して、システム内の使用および任意選択で外部装置のために熱を再利用するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス化は、都市固形廃棄物（ＭＳＷ）または石炭等の炭素質原料の、可燃性ガスへの変換を可能にするプロセスである。ガスは、電気、蒸気を生成するために、または化学物質および液体燃料を産生(produce)するための基本原材料として、使用され得る。ガスの考えられる使用法として、内部処理および／もしくはその他の外部目的用の蒸気の産生(production)のため、または、蒸気タービンによる電気の生成のためのボイラー内における燃焼；電気の生成のためのガスタービンまたはガスエンジン内における直接的な燃焼；燃料電池；メタノールおよびその他の液体燃料の産生；プラスチックおよび肥料等の化学物質の産生のためのさらなる原料として；別個の産業用燃料ガスとしての、水素および一酸化炭素両方の抽出；ならびにその他の産業上の用途が挙げられる。
【０００３】
概して、ガス化プロセスは、炭素質原料を、制御および／または限定された量の酸素および任意選択で蒸気とともに加熱チャンバ（ガス化装置）内へ送給することからなる。過剰な酸素によって動作してＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＳＯｘ、およびＮＯｘを産生する焼却または燃焼とは対照的に、ガス化プロセスは、ＣＯ、Ｈ２、Ｈ２Ｓ、およびＮＨ３を含む生ガス組成物を産生する。清浄化後、興味深い一次ガス化産物はＨ２およびＣＯである。
【０００４】
有用な原料は、あらゆる都市廃棄物、産業活動によって産生された廃棄物、および生物医学的廃棄物、下水、汚泥、石炭、重油、石油コークス、重油精製残留物、製油所廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、および農業廃棄物、タイヤ、ならびにその他の有害廃棄物を含み得る。原料の起源に応じて、揮発物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３、Ｃ２Ｈ６、また、アセチレン類、オレフィン類、芳香族類、タール類、炭化水素液（油）、および炭化物（カーボンブラックおよび灰）等の不飽和炭化水素を含む場合がある。原料を加熱したとき、発生する第１の成分は水である。乾燥原料の温度が上昇すると、熱分解が起こる。熱分解中、原料は熱で分解されて、タール類、フェノール類、および光揮発性炭化水素ガスを放出し、その一方で、当該原料は炭化物に変換される。
【０００５】
炭化物は、有機および無機材料からなる残留固体を含む。熱分解後、炭化物は乾燥原料よりも高濃度の炭素を有し、活性炭素の源としての役割を果たし得る。高温（＞１，２００℃）で動作するガス化装置内、または高温ゾーンを有するシステム内において、無機鉱物質が溶解またはガラス化され、スラグと呼ばれる溶融ガラス状物質を形成する。
【０００６】
スラグは溶解されガラス化された状態であるため、通常は無害であると考えられ、無害材料として埋立地において処分、または鉱石、路盤、もしくはその他の建設材料として販売され得る。加熱プロセスにおいて極度に燃料が無駄になること、ならびに、有用な合成ガスおよび固体材料に変換され得る材料を残留廃棄物として処分するのはさらに無駄であることから、廃棄材料を焼却によって処分することは、あまり望ましいことでなくなりつつある。
【０００７】
ガス化プロセスを実現する手段は様々に異なるが、ガス化装置内の雰囲気（酸素濃度または空気もしくは蒸気含有量）、ガス化装置の設計、内部および外部加熱手段、ならびにプロセスの動作温度という４つの主要な工学的要因に依存する。産生ガスの品質に影響を及ぼす要因として、原料組成、調製、および粒径；ガス化装置加熱速度；滞留時間；乾燥またはスラリー送給システムのいずれを用いるか、原料反応物流動形状、乾燥灰またはスラグ鉱物除去システムの設計を含むプラント構成；直接的または間接的な熱生成および移送方法を使用するか；ならびに、合成ガス清浄化システムが挙げられる。ガス化は、通常、約６５０℃〜１，２００℃の範囲の温度で、真空下、大気圧下、または最大約１００気圧の圧力下のいずれかで実行される。
【０００８】
ガス化プロセスによって産生された熱を捕捉し、そのような熱を利用して電気を生成するための多数のシステムが提案されており、一般に複合サイクルシステムとして知られている。
【０００９】
産生ガス中のエネルギーは、プロセスによってガス化システム全体に産生された相当な量の回収可能な顕熱と相まって、概してプロセスを駆動するために十分な電気を産生し、それによって局所的な電力消費の費用を軽減することができる。大量の炭素質原料をガス化するために必要な電力の量は、当該原料の化学組成に直接的に左右される。
【００１０】
ガス化プロセスにおいて生成されたガスが、「低品質の」炭素質原料により低温ガス化装置内において生成される傾向がある種類のガス等、多種多様な揮発物を含む場合、当該ガスは概してオフガスと称される。原料の特徴およびガス化装置内における条件によって、ＣＯおよびＨ２が支配的な化学種であるガスが生成される場合、当該ガスを合成ガスと称する。いくつかのガス化施設では、ガス品質コンディショニングシステムを冷却および清浄する前に、生オフガスまたは生合成ガスをより精製されたガス組成物に変換するための技術を用いる。
【００１１】
材料をガス化するためにプラズマ加熱技術を利用することは、長年にわたって商業的に使用されてきた技術である。プラズマは、少なくとも部分的にイオン化され、ガス原子、ガスイオン、および電子で構成される、高温発光ガスである。プラズマは、このようにして、あらゆるガスによって産生され得る。ガスは、中性（例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン）、還元的（例えば、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素）、または酸化的（例えば、酸素、二酸化炭素）である可能性があるため、これによってプラズマ中における化学反応の優れた制御を与える。バルク相において、プラズマは電気的に中性である。
【００１２】
いくつかのガス化システムでは、プラズマ熱を用いて、高温でガス化プロセスを駆動する、および／または、ガス状分子がプラズマ熱と接触した際におけるその他の投入物もしくは反応物の追加の有無にかかわらず、長鎖揮発物およびタール類をより小さい分子に変換、再構成、または再形成することにより、オフガス／合成ガスを精製し、それらのガスは、その構成原子に解離することになる。これらの原子の多くはその他の投入された分子と反応して新たな分子を形成することになり、一方、その他は類似原子と再結合する場合がある。プラズマ熱と接触している分子の温度が低下すると、すべての原子が完全に再結合する。投入ガスは化学量論的に制御され得るため、出力ガスは、例えば、相当レベルの一酸化炭素およびわずかなレベルの二酸化炭素を産生するように制御され得る。
【００１３】
プラズマ加熱によって達成可能な超高温（３，０００〜７，０００℃）は、あらゆる形態または組み合わせの液体、気体、および固体を含む、受け取ったままの状態の廃棄物を含む事実上あらゆる投入原料が適応し得る、高温ガス化プロセスを可能にする。プラズマ技術は、すべての反応を同時に生じさせるために一次ガス化チャンバ内に位置付けられてもよいし（高温ガス化）、それらを順次に生じさせるためにシステム内に位置付けられてもよいし（高温精製を伴う低温ガス化）、その何らかの組み合わせであってもよい。
【００１４】
炭素質原料のガス化中に産生されたガスは、通常、極めて熱いが、少量の不要な化合物を含有する場合があり、それを使用可能な産物に変換するために、さらなる処置を必要とする。炭素質材料が気体状態に変換されると、金属、硫黄化合物、および灰等の望ましくない物質をガスから除去することができる。例えば、ガス化中に産生されたガスから粒子状物質および酸性ガスを除去するために、多くの場合、乾式濾過システムおよび湿式スクラバが使用される。ガス化プロセス中に産生されたガスを処置するためのシステムを含む、多数のガス化システムが開発されている。
【００１５】
これらの要因は、例えば、米国特許第６，６８６，５５６号、第６，６３０，１１３号、第６，３８０，５０７号、第６，２１５，６７８号、第５，６６６，８９１号、第５，７９８，４９７号、第５，７５６，９５７号、および米国特許出願第２００４／０２５１２４１号、第２００２／０１４４９８１号において記載されている種々の異なるシステムの設計において、考慮されている。また、米国特許第４，１４１，６９４号、第４，１８１，５０４号、第４，２０８，１９１号、第４，４１０，３３６号、第４，４７２，１７２号、第４，６０６，７９９号、第５，３３１，９０６号、第５，４８６，２６９号、および第６，２００，４３０号を含む、種々の用途において使用するための合成用ガスの産生のために石炭をガス化するための異なる技術に関する、多数の特許がある。
【００１６】
先行技術のシステムおよびプロセスは、変化に応じて連続的に取り扱われなくてはならない課題に、十分に取り組んでこなかった。これらのタイプのガス化システムのいくつかは、ガス化反応から有用なガスを生成するプロセスを調整するための手段を説明している。したがって、プロセスの全体効率を最大化する様式で炭素質原料を十分にガス化することができるシステム、および／または、プロセス全体を含むステップを提供することは、当該技術分野において著しい進歩となるであろう。
【００１７】
この背景事情は、出願人が信じる既知の情報を、本発明と関連する可能性を持たせる目的で提供するものである。必ずしも承認を意図するものではなく、また、前述の情報のいずれも、本発明に対する先行技術を構成するものであると解釈されるべきでない。
【発明の開示】
【００１８】
本発明は、ガス化プロセスからの顕熱を回収して、システム内の使用および任意選択で外部装置のために再利用することによって、炭素質原料をガス化する効率を最適化するためのシステムを提供する。
【００１９】
本発明は、高温ガスから回収された熱を再利用して、回収した熱をガス化装置に戻すシステムを提供する。具体的に、システムは、高温ガスを、加熱された流体と冷却されたガスを産生するように高温ガスからの熱が流体に移動する、ガスから流体への熱交換器に移動する手段と、加熱流体をガス化装置に移動する手段とを備える。加熱された流体は、ガス化反応を起こすために必要な熱を提供するように、ガス化装置に渡される。加熱された流体は、任意選択で、ガス化される原料を、直接的または間接的に、予熱または前処理するために使用することもできる。
【００２０】
本発明の一実施形態に従い、システムは、システムの動作パラメータを監視するための検知要素と、ガス化装置を最適化するように、システム内の動作条件を調整するための応答要素と、も備え、応答要素は、検知要素から取得されるデータに応じてシステム内の動作条件を調整することによって、エネルギー産生を最大限にしながら、プロセスのエネルギー消費を最小限にすることによってガス化プロセスの効率を最適化する。
【００２１】
本発明の一態様に従い、ガスから流体への熱交換器を使用して、ガス化プロセスによって産生された高温ガスから顕熱をガス化プロセスに戻して再利用することによって、炭素質原料のガス化プロセスの効率を改善するためのプロセスであって、ガスから流体への熱交換器を介して高温産生ガスを渡すステップと、ガスから流体への熱交換器を介して冷却流体を渡すステップと、冷却された産生ガス出口を介して、熱交換器から排出する冷却された産生ガスと、加熱された流体出口を介して熱交換器から排出する加熱された流体とを産生するように、ガスから流体への熱交換器を介して、高温産生ガスからの熱を冷却流体に移動するプロセスと、炭素質原料ガス化プロセスのために熱を提供するように加熱された流体を使用するステップと、を備えるプロセスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明のこれらおよびその他の特徴は、添付の図面を参照する以下の詳細説明においてより明らかになる。
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に従い、ガス化プロセスの高温ガス産物から回収される熱をガス化装置に戻して再利用するためのシステムの模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による、熱交換器および熱回収蒸気発生器を使用するガス化プロセスの合成ガス産物からの熱の回収のブロックフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態に従い、高温ガス産物を冷却するためのシステムの模式図で、ガス化プロセスのガス産物からの熱を回収するための熱交換器と、さらに産生ガスを冷却するためのクエンチステップを含む。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に従い、ガスから空気への熱交換器の機能要件を示す模式図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、ガスから空気への熱交換器を描写した概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に従い、ガスから空気への熱交換器を表す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に従い、コンバータとその多様な投入の模式図である。
【図７】本発明の多様な実施形態に従い、熱回収蒸気発生器の産生ガスからの熱回収によって産生される交換／蒸気の可能な最終用途を表す模式図である。
【図８】本発明の一実施形態による、交換空気をコンバータへ移送するための配管システムを示す概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、システム内における高レベル概念の種々の温度制御を描写した概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に従い、ガス流／圧制御サブシステムの高レベル図を表す模式図である。
【図１１Ａ−Ｉ】本発明の種々の実施形態の概要を描写したブロックフロー図である。
【図１２】本発明の一実施形態に従う、ガス化装置の一実施形態の断面図で、原料投入部、ガス出口、固体残渣出口、および交換空気入口の場所の詳細を表す。
【図１３】ガス化装置の一実施形態の中心縦方向の断面図で、原料入口、ガス出口およびエアボックスの場所を詳細に表す。
【図１４】図１３に示されたガス化装置のエアボックス組み立てを詳細に表す図である。
【発明の詳細】
【００２４】
別段の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術および科学的用語は、本発明が帰属する分野の当業者によって一般的に理解される用語と同一の意味を有する。
【００２５】
本願において使用する場合、「約」という用語は、公称値から＋／−１０％の変動のことをいう。そのような変動は、具体的に言及されているか否かにかかわらず、本願において提供されるあらゆる所与の値に常に含まれることを理解されたい。
【００２６】
本発明の目的において、合成ガスという用語は、ガス化プロセスの産物を指し、メタン、窒素および水蒸気に加えて、一酸化炭素、水素、および二酸化炭素を含むことができる。
【００２７】
本明細書において使用されるように、「交換空気」という用語は、本発明に従い、ガスから空気への熱交換器を使用して、産生ガスからの顕熱を使用して加熱された後の空気を指す。本明細書に説明されているシステムを使用して、酸素または富化空気を含むがこれらに限定されない空気以外のガスを加熱することは、本発明の範囲内である。
【００２８】
本明細書に使用されているように、「コンバータ」という用語は、炭素質原料を、産生ガスとも称される、未加工の合成ガス産物に変換するための装置を指す。コンバータは、ガス化装置とプラズマガス改質装置を含む。
【００２９】
本明細書に使用されているように、「（炭素質）原料」という用語は、本ガス化プロセスにおいてガス化するために適切な任意の炭素質材料が可能であり、任意の廃棄材料、石炭（石炭発電には適切ではない、低級の高硫黄石炭を含む）、石油コークス、重油、バイオマス、下水汚泥、紙パルプ工場からの汚泥および農業廃棄物を含む可能性があるが、これらに限定されない。ガス化に最適な廃棄材料は、都市廃棄物、産業活動によって産生された廃棄物（塗装汚泥、不良塗装製品、使用済み吸着剤）、自動車のパンクした使用済みタイヤや生物医学廃棄物等の有害および無害両方の廃棄物、再利用不可能なプラスチック、下水汚泥、石炭、重油、石油コークス、重油精製残留物、精製廃棄物、単価水素汚染固体廃棄物およびバイオマスなどの再利用には不適切な炭素質材料、農業廃棄物、タイヤ、有害廃棄物、工業廃棄物およびバイオマスを含む。ガス化に有用なバイオマスの例は、廃棄または未使用木材、果実、野菜および穀物加工の残骸、紙工場の残留物、わら、草および有機質肥料を含むがこれらに限定されない。
【００３０】
本願において使用する場合、「産生ガス」という用語は、概して、汚染物質を除去するように指定されたプロセスによる冷却および清浄の前に、ガス化施設によって生成されたガスを意味する。ガス化施設の設計に応じて、例えば、生オフガス、生合成ガス、再形成されたオフガス、または再形成された合成ガスのことをいうために使用される場合がある。
【００３１】
本明細書に使用されているように、「ガスから空気への熱交換器」および「ガス熱交換器」の用語は同義に使用可能で、高温ガス産物からの顕熱を空気に移動するために使用される熱交換器を指す。
【００３２】
「検知要素」は、プロセス、プロセス入力またはプロセス出力の特性を検知するように構成されたシステムの任意の要素を記述するために定義され、当該特性は、システムの１つ以上の局部、領域または全体的なプロセスの監視、調整および／または制御において有用な特性値によって表現することができる。検知要素は、システム内の任意の指定時点の材料の組成および／または性質およびシステム内で使用される任意のプロセス装置の任意の動作特徴に加えて、プロセス、流体および／または材料の温度、圧力、流れ、組成および／またはその他の特性、を検知するためのセンサ、検出器、監視装置、分析装置、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない。
【００３３】
「応答要素」は、１つ以上の規定済みまたは演算された制御パラメータに応じて、動作的に関連付けられているプロセス装置を動作するために、検知された特性に応答するように構成されたシステムの任意の要素を記述するために定義され、１つ以上の制御パラメータは、望ましいプロセス結果を提供するように定義される。応答要素は、１つ以上の制御パラメータに基づいて、物理的作用を装置に行わせるように構成可能なドライバ、静的および動的に可変の動力源、誘導因子、およびその他任意の要素を含むことができるが、これらに限定されない。応答要素は、多様なプロセス装置に動作可能に連結することができる。プロセス装置は、材料投入メカニズム、プラズマ熱源、添加物投入手段、ガスブロワ、添加物投入ブロワ、ガス流調整装置、添加物投入流調整装置、固体残渣コンディショナ添加物投入調子エ装置およびプラズマ熱源調整装置、および、任意の局部、領域および／または全体的なプロセスに影響を与えるように動作可能なプロセス装置を含むことができるが、これらに限定されない。
【００３４】
本発明は、エネルギー産生を最大限にしながらもプロセスのエネルギー消費を最小限にすることによって、炭素質原料をガス状産物にガス化するプロセスの効率を最適化するためのシステムを提供する。具体的には、本発明は、ガス化プロセスからの顕熱が効率的に回収され、回収された熱がシステム内の１つ以上のプロセス、および任意選択でシステム外部のプロセスに移動する、ガス化装置と使用するための熱再利用システムを提供する。
【００３５】
システムは、高温産生ガスからの熱を回収するための熱交換器を備え、熱交換器は、産生ガスからの顕熱を適切な流体に移動する。本熱交換プロセスに最適な流体は、空気、水、油または窒素または二酸化炭素等のその他のガスを含むが、これらに限定されない。具体的には、システムは、ガス化プロセスの高温産生ガスをガスから流体への熱交換器に移動するための導管システムを備え、高温産生ガスからの熱は、加熱された流体と冷却された産生ガスを産生するように流体に移動する。システムは、さらに、加熱した流体をガス化プロセスに移動するための別の導管システムを備える。
【００３６】
一実施形態では、ガスから流体への熱交換器は、ガスから空気への熱交換機であり、加熱された交換空気を産生するように、熱が産生ガスから空気に移動する。一実施形態では、ガスから流体への熱交換器は、熱回収蒸気発生器で、熱湯または蒸気を産生するように、熱が水に移動する。
【００３７】
本発明の一実施形態に従い、図１に模式的に表されているように、ガス化反応を起こすために、ガス化プロセス中に産生された熱をコンバータ１０００に戻すための熱再利用システム５０００が提供される。本実施形態において、これは、加熱された空気産物（以下、交換空気５０１５と称する）と、冷却された産生ガス５０２５とを産生するために、ガスから空気への熱交換器５１００のコンバータ１０００で産生される高温産生ガス５０２０からの熱で、空気５０１０を加熱し、加熱された交換空気５０１５をコンバータ１０００に戻すことにより、実現される。
【００３８】
従って、回収された顕熱がガス化プロセスに戻された再利用されて、原料の乾燥、揮発およびガス化のステップのために、外部エネルギー源から必要なエネルギー入力量が削減されるので、このシステムによってエネルギー効率が最適化される。また、回収された顕熱は、規定の産生ガス品質を達成するために必要なプラズマ熱量を最小限にする作用もある。このように、本発明によって、炭素質原料の効率的なガス化が可能になり、ガス化に必要な熱は高温の交換空気によって提供され、交換空気は、高温産生ガスから回収される顕熱を使用して加熱される。
【００３９】
産生ガスから加熱された交換空気に移動する顕熱は、ガス化プロセスの加熱装置だけでなく、外部の加熱装置のためにも使用することが可能である。
【００４０】
例えば、加熱された交換空気は、ガス化される原料を予熱または前処理するために直接的または間接的に使用することが可能である。直接的な加熱／前処理ステップの場合、交換空気は、加熱および／または湿気を除去するために原料を直接通過する。間接的な加熱／前処理ステップの場合、熱は、加熱された交換空気から油（あるいは蒸気を発生するように水）に移動して、加熱された油（または蒸気産物）は、原料乾燥器／予熱器の壁を加熱するために使用される。どの場合でも、顕熱の再利用によって、これらの加熱装置に必要なエネルギー入力量が最小限になる。
【００４１】
従って、加熱された交換空気からの熱を対象の任意の作用流体に移動することは、本発明の範囲内である。対象の作用流体は、油、水または窒素または二酸化炭素等の別のガスを含むが、これらに限定されない。熱が空気以外の作用流体に移動する場合、適切な熱交換システムが使用される。
【００４２】
ガスから空気への熱交換機において熱が回収された後、当分野において知られているように、産生ガスは、冷却されていても、フィルタリングやコンディショニングステップを受けるにはまだ過度の熱を含む場合がある。従って、本発明は、任意選択的に、以降のフィルタリングやコンディショニングステップの前に、産生ガスをさらに冷却するステップも提供する。
【００４３】
図２に示された実施形態では、熱再利用システム５００１は、加熱空気産物（以下、交換空気５０１５という）および部分的に冷却された産生ガス５０２３を産生するように、ガスから空気への熱交換器５１０２の高温産生ガス５０２０からの熱で、空気５０１０を加熱して、加熱された交換空気をコンバータ１０００に戻す。
【００４４】
熱再利用システム５００１は、部分的に冷却された産生ガス５０２３が、ガスから空気への熱交換器５１０２を通過した後、産生ガスから追加の熱を回収するためのサブシステムも含む。従って、システム５００１は、熱回収蒸気発生器５３０２をさらに備えるので、産生ガスから回収される追加の熱が、水５０３０を蒸気（交換蒸気５０３５という）に変換するために使用されて、完全に冷却された産生ガス産物５０２５も産生する。
【００４５】
熱回収蒸気発生器において産生される交換蒸気は、蒸気タービン等の下流側のエネルギー発生器の駆動に使用および／または直接駆動タービンにおいて使用することが可能、および／またはガス化プロセスに追加することが可能である。また、交換蒸気は、例えば、タールサンドからの石油の抽出、または、局所的な加熱用途など、その他のシステムに使用することも可能である。またはそれぞれの目的に応じて地域の産業クライアントに提供することも可能である。一実施形態では、産生ガスからの熱を使用して産生された蒸気は、飽和蒸気である。別の実施形態では、産生ガスからの熱を使用して産生された蒸気は、過熱蒸気で、水と産生ガスの間または飽和蒸気と産生ガスの間のいずれかの熱交換によって直接的に産生することが可能である。
【００４６】
本発明のシステムは、原料が高温の未加工のガス状産物に変換（オフガス中間物を経由して）されるコンバータとの使用のためのシステムである。本発明とともに使用するための典型的なコンバータは、ガス化する原料を投入するための原料入口と、ガス化プロセスを促進するために加熱された交換空気を提供するための１つ以上の交換空気入口と、高温産生ガス出口と、任意選択的に１つ以上のプロセス添加物入口と、を備える。また、コンバータは、ガス化プロセスのオフガス中間物を未加工の産生ガスに変換するために、１つ以上のプラズマ熱源も備える。
【００４７】
システムが、ガスから空気への熱交換器の通過後に部分的に冷却された産生ガスから追加の熱を回収するためのシステムを含まない場合、コンディショニング前に産生ガスをさらに冷却するための別のシステムが提供される場合がある。一実施形態において、図３に示されているようにシステム５００３は、部分的に冷却された産生ガス５０２３と加熱された交換空気５０１５を産生するガスから空気への熱交換器５０１３において高温の産生ガス５０２０を冷却することに加えて、コンディショニング前に産生ガスをさらに冷却するための乾燥クエンチステップ６１０３も備える。乾燥クエンチステップは、以降のフィルタリングとコンディショニングステップに必要となる場合があるように、冷却された産生ガス５０２５を提供するように、霧状の水６０３０の制御量の追加によって、産生ガスからの余分な熱を除去するために提供される。コンディショニング前の産生ガスをさらに冷却するために適切なシステムを選択することは、当業者の知識範囲内である。
【００４８】
本発明の一実施形態に従い、本システムは、システムの動作パラメータを監視するための検知要素と、ガス化装置を最適化するように、システム内の動作条件を調整するための応答要素とを備える制御サブシステムも備え、応答要素は、検知要素から取得されるデータに応じてシステム内の動作条件を調整することによって、エネルギー産生を最大限にしながら、プロセスのエネルギー消費を最小限にすることによってガス化プロセスの効率を最適化する。
【００４９】
また、制御サブシステムは、産生された産生ガスの組成（つまり加熱値）を最適化するために、および、任意選択で、システムが安全な動作パラメータ内で維持されていることを確実にするために使用することもできる。
【００５０】
熱交換器
本発明は、ガス化反応を促進するように、ガス化プロセス中に産生された熱をガス化装置に戻すためのシステムを提供する。これは、熱交換システム（例えば、ガスから流体への熱交換器）を使用して、高温の産生ガスから顕熱を回収して産生ガスからの熱を適切な作用流体に移動し、加熱された流体と冷却された産生ガスを産生することによって、実現することが可能である。一実施形態において、ガスから流体への熱交換器で産生された加熱流体は、ガス化装置に送り戻される。
【００５１】
一実施形態において、ガスから流体への熱交換器は、１つ以上のガスから空気への熱交換器を備える。
【００５２】
ガスから空気への熱交換器の機能要件は、図４Ａに示されているが、高温の産生ガス５０２０と空気５０１０は、ガスから空気への熱交換器５１０４Ａをそれぞれ通過するので、顕熱は高温の産生ガス５０２０から空気５０１０（プロセス空気ブロワ５０１２によって送られる）に移動して、加熱された交換空気５０１５と冷却された産生ガス５０２５を提供する。
【００５３】
本システムでは、シェルアンドチューブ熱交換器、どちらも直線型単一パス設計およびＵ字管、複数パス設計、および板式熱交換器など、多種の熱交換器を使用することができる。適切な熱交換器の選択は、当業者の知識内である。
【００５４】
産生ガス内には、一部の粒子状物質が存在するので、ガスから空気への熱交換器５１０４Ａは、高レベルの粒子負荷専用に設計されている。粒子サイズは、典型的に、０．５から１００ミクロンである。図４Ｂに示されている一実施形態においては、熱交換器は、単一パス垂直流熱交換器５１０４Ｂで、産生ガス５０２０は、管側に流れ込み、空気５０１０はシェル側を流れる。単一パス垂直流の実施形態においては、産生ガス５０２０は、「ワンスルー」設計において垂直に流れるので、粒子物質の積層または侵食が発生する可能性がある面積が最小限になる。
【００５５】
産生ガスの速度は、侵食を最小限にしながら、自己清浄に十分な高速度を保つことが必要である。一実施形態においては、ガス速度は、３０００から５０００ｍ／分の間である。通常の流量条件では、ガス速度は約３８００ｍ／分から約４７００ｍ／分である。
【００５６】
空気の入力温度と高温産生ガスの顕著な差のために、ガスから空気への熱交換器の各管は、管破裂を回避する個別の膨張ベローズを有することが好ましい。単一管が詰まって、管束の残り部分が膨張／収縮しなくなると、管破裂が発生する場合がある。プロセス空気圧が産生ガス圧を超える場合の実施形態においては、ガス混合物に進入する空気によって発生する問題のために、管破裂は非常に危険である。
【００５７】
本発明の実施形態においては、システムは、間欠的に、つまり、所望に応じて多数の開始と終了に応じて、稼動する。従って、機器は、繰り返される温度膨張および収縮に耐えるように設計することが重要である。
【００５８】
管の漏れからの危険性を最小限にするために、本発明のシステムは、図５に示されているように、１つ以上の個別の温度トランスミッタをさらに備える。例えば、温度トランスミッタ５５８１は、産生ガス入口５５２１に配置され、温度トランスミッタ５５８２は、ガスから空気への熱交換器の産生ガス出口５５２６に配置され、また、温度トランスミッタ５５８３は、交換空気出口５５１７に配置される。温度トランスミッタが、ガスから空気への熱交換器５１０５の産生ガス出口５５２６に関連付けられている場合、温度トランスミッタは、交換空気が産生ガス導出に漏れている場合に、燃焼による温度上昇を検知するように配置される。このような温度上昇が検知されると、酸素源を排除するように、プロセス空気ブロワ５０１２が自動的に停止する。
【００５９】
温度トランスミッタが、ガスから空気への熱交換器５１０５の交換空気出口５５１７に関連付けられている場合、この温度トランスミッタは、交換空気の温度が必ずガス化プロセスに必要な温度の設定範囲内を超えないように使用される。原料が過熱する可能性があるので、ガス化プロセスに加熱された交換空気を過剰に（あるいは高温すぎる交換空気）提供することを回避するために、過剰な交換空気を大気に放出するように、制御弁５５９０が開く。
【００６０】
さらに、必要に応じて、計測、検知および保守、さらに、導管の修理および／または清浄のためのポートがある熱交換機が提供される。
【００６１】
一実施形態では、ガスから流体への熱交換器は熱回収蒸気発生器で、交換蒸気を発生するために回収した熱を使用する。一実施形態では、水は、低温蒸気の形で熱交換器に提供される。別の実施形態では、産生された交換蒸気は飽和または過熱蒸気である。
【００６２】
従って、産生された交換蒸気は、ガス化プロセスのためのプロセス蒸気添加剤として使用すること、あるいは、発電タービンを駆動、または、例えば、ガスブロワなどの回転プロセス設備を駆動するために使用することが可能である。
【００６３】
発電または回転プロセス設備を駆動する変換プロセスで使用されない蒸気は、局所的な加熱用途などのその他の商用目的またはタールサンドからの石油の抽出を改善するために使用することができる。また、交換蒸気は、原料コンディショナの原料を間接的に加熱して、コンバータのガス化前に原料を乾燥するために使用することが可能である。
【００６４】
本発明のシステムの一実施形態において採用された熱回収蒸気発生器は、シェルアンドチューブ熱交換器で、産生ガスは、管を垂直に流れて、水はシェル側で沸騰する。
【００６５】
熱回収蒸気発生器のための熱交換システムは、一部の粒子物質が産生ガスに存在するだろうということを理解して設計された。ここでも、産生ガスの速度は、侵食を最小限にしながら、管の自己清浄に十分な高速で維持される。
【００６６】
本システムで使用するコンバータ
本システムは、原料をガス状産物に変換するためのコンバータを含む。この変換は、原料のガス化と中間のガス状産物の改質を経て発生する。原料のガス化段階は、ｉ）残渣湿気を排除するように原料の乾燥、ｉｉ）炭化中間物を産生するように乾燥原料の揮発性構成物質の揮発、およびｉｉｉ）炭化物からオフガスと灰に変換、を含む。従って、ガス化プロセスのガス状産物は、揮発性抗生物質とオフガスを含み、これらは、任意選択で、ガス状産物を提供する改質ステップを受ける。一実施形態において、改質ステップは、プラズマ支援の改質ステップである。
【００６７】
従って、コンバータは、少なくとも１つの原料入口、１つ以上の交換空気入口、ガス出口および固体残渣出口を有する、耐火性チャンバを備える。また、コンバータは、任意選択で、１つ以上のプロセス添加剤入口と１つ以上のプラズマ熱源を備える。
【００６８】
一実施形態において、コンバータは、水平方向に配置されたガス化装置で、原料はガス化装置の一端に配置された原料入口を介してガス化装置に入れられる。原料は、ガス化装置の反対側の一端に配置された固体残渣出口に向かって移動するように、ガス化を受ける。
【００６９】
また、ガス化プロセスは、当業者に知られているように、いくつかの標準ガス化装置のうちの１つで実行することもできる。当業者に知られているガス化装置の例は、同伴流反応容器、流動床反応器、および、回転炉反応器を含むがこれらに限定されない。これらの各々は、固体、粒子、スラリー、液体、ガス、またはこれらの組み合わせの形状の原料を受容するように適合される。ガス化装置は、広範囲の長さ対直径比率を有することが可能で、縦方向または水平方向のいずれかに配向することが可能である。
【００７０】
本発明に従い、これらの実施形態の各々において、ガス化プロセスは、適切に適合された加熱流体入口を介して加熱された流体を導入することによって、促進される。一実施形態においては、ガス化プロセスは、交換空気入口を介して加熱された交換空気を導入することによって、促進される。
【００７１】
本発明に従い、加熱された流体は、独立した加熱流体の送給および分配システムを介して、ガス化装置の異なる領域の必要に応じて、提供される。
【００７２】
一実施形態において、加熱された流体の送給および分配システムは、加熱された交換空気がガス化領域に導入することを可能にする交換空気入口を備える。
【００７３】
これらの入口は、原料のガス化を開始して進めるように、コンバータを介して加熱された交換空気を分配するように、コンバータ内に配置される。一実施形態では、交換空気入口は、ガス化装置の底面に配置された穿孔を備える。一実施形態では、交換空気入口は、ガス化装置の壁面に配置された穿孔を備える。
【００７４】
一実施形態では、交換空気入口は、各領域に、高温の交換空気がその領域のコンバータの床面にある穿孔から通過できる、個別のエアボックスを備える。一実施形態では、交換空気入口は、各領域の個別に制御されたスパージャである。
【００７５】
任意選択で、プロセス中に交換空気の入口が詰まらないように、各穴全体に制約したがって圧力降下を作成するように、入口の穴のサイズが選択される。この圧力降下は、廃棄粒子が入口の穴に入ることを妨げるに十分である。入口の穴は、任意選択で、粒子が穴に詰まらないように、上部面に向かって外向きに先細にすることが可能である。
【００７６】
コンバータは、原料を産生ガスに変換するためのプロセス（つまり、ガス化と改質ステップ）が、どちらも、システム内の単一領域、またはチャンバで発生するように、設計することができる。
【００７７】
また、コンバータは、原料から産生ガスへの変換プロセスが２つ以上の領域で発生するように、つまり、ガス化と改質ステップが、ある程度まで分離されて、システム内の個別の領域で発生するように設計することもできる。これらの種類のコンバータにおいて、プロセスは、１つのチャンバ内の２つ以上の領域、個別のチャンバ、あるいはこれらのいくつかの組み合わせのいずれかで発生するが、領域は互いに流体連通している。
【００７８】
複数領域のコンバータにおいては、第１あるいは主要領域またはチャンバ（ガス化装置とも称される）が使用されて、原料を加熱して原料を乾燥（残渣湿気がある場合）し、原料の揮発性組成物を抽出し、得られる炭化物をガス状産物と灰に変換することによって、オフガス産物を産生するが、第２の領域またはチャンバ（改質装置とも称される）が使用されて、プラズマ熱とその他のプロセス添加剤（例えば、空気および／または蒸気）を適用して、オフガスと揮発物を産生ガスに完全に変換する。原料のガス化とオフガスから産生ガスへの変換に２つ以上の個別の領域またはチャンバが使用される場合、コンバータの最終領域に存在するガスが産生ガスである。
【００７９】
一実施形態において、ガス化プロセスの異なる段階は、ガス化装置の異なる領域で発生することができる。当業者は、概念的に、任意の場所でのガス化装置の条件は、ガス化装置を無数の領域に分離することによって、特定場所での原料の特性に応答して最適化される可能性があることを理解する。しかしながら、この概念の実用的実施形態は、ガス化装置をより広い面積の一般的または平均的原料の特性に応じて最適化された無数の領域に分離することである。当業者には、従って、ガス化装置は、原料の特性に応じて、２、３、４以上の領域に分離される可能性があることが明らかである。
【００８０】
本発明の一実施形態に従い、ガス化装置の各段階は、適切に適合された交換空気入口を介して、加熱した交換空気の適切量を導入することによって促進される。
【００８１】
原料は、原料が完全および効率的にガス状産物に変換されるために、加熱された交換空気またはその他の加熱された流体に対する原料の最大の暴露を提供するように配置されている、１つ以上の原料入口を介して導入される。
【００８２】
一実施形態では、本システムによって、コンバータへの導入前に原料と組み合わされて、あるいは、専用ＨＣＦ出口を介して、破砕プラスチック等の高炭素原料（ＨＣＦ）の供給が可能になるので、必要なガス品質を満たすように、より高いまたは低い炭素投入に対するプロセス受容に迅速に応答することができるようになる。
【００８３】
任意選択のプロセス添加剤入口は、コンバータへの酸素、空気、酸素富化空気、ガス化プロセスに有用な蒸気またはその他のガス等の追加ガスを提供する。プロセス追加剤入口は、空気投入ポート、蒸気投入ポート、交換空気投入ポートおよび交換蒸気投入ポートを含むことができる。これらのポートは、プロセス添加剤を全体に最適に配分するために、コンバータ内に配置される。蒸気添加剤は、熱回収蒸気発生器によって提供することができる。
【００８４】
交換空気の酸素は、必要な産生ガスを産生して、炭素の最大量を排除するように、化学平衡に使用される。また、酸素は、一酸化炭素、二酸化炭素、水素およびその他の大型炭化水素粒子を産生する発熱反応を開始または速度を加速する。発熱反応からの熱は、加熱された交換空気および／またはその他の加熱された流体によって提供される熱とともに、コンバータのプロセス温度を増加する。
【００８５】
図６は、本発明のシステムとともに使用するためのコンバータの一実施形態に関連付けられた多様な入力と出力をまとめた模式図である。本実施形態は、原料入口２６０４を有する水平方向に配向されたガス化装置２００６を備えるコンバータ１００６で、原料は都市固体廃棄物ＭＳＷおよび高炭素原料ＨＣＦ（プラスチックなど）を備える。コンバータ１００６は、ガス化反応に必要な交換空気５０１５を提供するように配置された複数の交換空気入口２６１９Ａ、２６１９Ｂおよび２６１９Ｃを有する。また、コンバータは、プラズマ改質反応に必要な空気と蒸気添加剤を提供するように、プラズマトーチ近辺に交換空気入口３６１６および蒸気入口３６３０も有する。コンバータ１００６は、固体残渣コンディショニングチャンバ４６２０と連通している固体残渣出口２６０８を有する。
【００８６】
物質は、ガス化プロセスの特定の段階（乾燥、揮発、炭素から灰への変換）を促進するために、ガス化装置から横方向に移動する。ガス化装置を介して材料が横方向に移動することは、１つ以上の横方向移送ユニットの使用によって実現される。移送ユニットは、移動可能な棚、移動可能なプラットフォーム、プッシャーラム、プラス、スクリュー要素またはベルトを含むことが可能であるが、これらに限定されない。
【００８７】
１つ以上の横方向移送ユニットは、強調した手法で作動することが可能である。あるいは、個別の横方向移送ユニットは独立して作動することが可能である。物質の流速および堆積物の高さの制御を最適化するために、さまざまな速度で、さまざまな移動距離で、さまざまな移動頻度で、個別の横方向移送ユニットは個別に移動可能である。横方向移送ユニットは、ガス化装置の困難な状況で効率的に動作できることが必要で、特に、高温で動作できることが必要である。
【００８８】
コンバータは、高温（例えば、約１１００℃から１４００℃の温度）の圧力をかけない反応のための容器において使用するために最適であることがわかっている従来の耐火材料の１つまたは組み合わせが可能な耐火材料で覆われている。このような耐火材料の例は、高温焼成セラミック（酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、窒化ホウ素、リン酸ジルコニウム、酸化クロム）、ガラスセラミックおよび基本的にシリカ、アルミナ、およびチタニアを含む高アルミナ質煉瓦を含むがこれらに限定されない。
【００８９】
固体残渣出口は、コンバータから、ガス化反応の固体副産物を排除することができるように配置される。ガス化装置の固体副産物は、固体残渣とも称されるが、炭化物、灰、スラグまたはこれらの一部の組み合わせの形状になることができ、適切に適合された出口を介して、コンバータから、連続的または間欠的に排除される。炭化物は、ガス状産物に完全に変換する前に排除することができる。または、灰までさらに変更するためにガス化装置に残すことができる。灰産物は、次に、固体残渣出口を介して、例えば、灰収集チャンバ、または、任意選択でさらにプロセスするために固体残渣コンディショニングチャンバに排除される。コンバータの適切な固体残渣排除出口設計および配置は、システムの要件と排除される副産物の種類に応じて、関係技術の当業者の知識を使用して選択される。
【００９０】
固体残渣出口は、一般的に、残渣が重力の流れを使用して、残渣が受動的に排除できるように、チャンバの底面に、または底面近くに配置される。一部のシステムは、任意選択的に、固体残渣排除システムを採用して、コンバータの底部から残渣を能動的に運搬する。このような能動的な固体残渣排除は、分野で知られている多様な装置のうちの１つによって提供できる。例は、スクリュー、プッシャーラム、水平方向の回転パドル、水平方向の回転アームおよび水平方向の回転車輪を含むが、これらに限定されない。
【００９１】
ガス化プロセスの固体残渣（例えば灰の副産物）がスラグにさらに変換される実施形態では、灰からスラグへの変換は、固体残渣コンディショニングチャンバで行われる。プラズマ熱源は、灰をスラグに融解するために固体残渣コンディショニングチャンバに採用することができる。融解スラグは、例えば、約１１００℃から約１６００℃の温度で、固体残渣コンディショニングチャンバから定期的にまたは継続的に排出することができるので、固体スラグ材料を形成するように冷却される。このようなスラグ材料は、埋立廃棄物にすることができる。固体産物は、従来の使用のために、さらに破砕して砂にすることもできる。あるいは、融解スラグは、棒状、煉瓦、タイルまたは同様な建築材料を形成するように容器に流入することが可能である。
【００９２】
ガス化プロセスの固体残渣が一部の未回収炭素を含む場合、スラグコンディショニングステップのプラズマ熱によって、未回収炭素は必ず燃料価値を有する高温ガス状産物に完全に変換される。このガス状産物は残渣ガスと称される。一実施形態では、熱は、専用の残渣ガスから空気への熱交換器を使用して、高温の残渣ガスから回収され、加熱された空気産物と冷却された残渣ガスを産生する。冷却された残渣ガスは、任意選択で、主なガス化プロセスのガス状産物と混合することが可能なガス産物を産生するように、専用ガスコンディショナサブシステムでさらにコンディションされる。
【００９３】
コンディショニングステップ前に産生ガスをさらに冷却するためのシステム
本発明は、ガスから流体への熱交換器に加えて、任意選択で、コンディショニングステップ前に産生ガスをさらに冷却するためのシステムを含む。一実施形態では、清浄およびコンディショニング前に産生ガスをさらに冷却するためのシステムは、追加の熱を回収するためにも提供される。産生ガスからさらに顕熱を回収することが目的である場合、熱は、ガスから、例えば、水、油または空気等の別の作用流体に移動する。このような実施形態の産物は、それぞれ、温水（または蒸気）、加熱された油、または追加の高温空気を含むことが可能である。
【００９４】
一実施形態では、本発明のシステムは、部分的に冷却された産生ガスからの熱を水に移動するように熱交換器を使用して産生ガスからさらに顕熱を回収するので、温水または蒸気のいずれか、およびさらに冷却されたガスを産生する。一実施形態では、このステップで採用される熱交換器は、熱回収蒸気発生器で、交換蒸気を発生するために回収した熱を使用する。一実施形態では、水は、低温蒸気の形で熱交換器に提供される。別の実施形態では、産生された交換蒸気は飽和または過熱蒸気である。
【００９５】
図７は、本発明の一実施形態に従い、ガスから空気への熱交換器５１０７と、熱回収蒸気発生器５３０７との間の関係を表す。熱回収蒸気発生器５３０７で産生される交換蒸気５０３５は、多様な下流側のアプリケーションで使用することが可能である。図７は、本発明の多様な実施形態に従い、熱回収蒸気発生器を使用して産生される交換蒸気の異なる可能なエンドユーザ（ＡからＧ）を表す。
【００９６】
例えば、オプションＤとして表されているように、産生された交換蒸気５０３５は、本発明の一実施形態では、プロセス蒸気添加剤として、コンバータ１００７を流れることが可能である。交換蒸気５０３５は、十分な自由酸素と水素によって、原料の産生ガスへの変換を必ず最大限にするように、ガス化プロセス中にプロセス蒸気添加剤として使用することが可能である。プロセス添加剤を含む酸素として蒸気を使用することは、低コストであり処理が簡単であるため、好ましい。また、蒸気は、ガス化プロセスの望ましい産物の場合がある水素を含む。
【００９７】
産生された交換蒸気は、タービン５７１５を通過することもできて、例えば、交換空気ブロワ５７１２（オプションＢ）または産生ガスブロワ５７２２（オプションＣ）等、回転プロセス設備を駆動する。
【００９８】
変換プロセス内でまたは回転プロセス設備を駆動するために使用されない蒸気は、蒸気タービン５７０５（オプションＡ）または局所的な加熱用途５７１０（オプションＥ）等その他の商用目的のために使用することができる。あるいは、それぞれの目的のために地方の産業クライアントに提供することが可能である。あるいは、タールサンド５７８０（オプションＦ）からの石油抽出を改善するために使用することが可能である。また、交換蒸気は、原料コンディショナ５７６５の原料を間接的に加熱して、コンバータのガス化前に原料を乾燥するために使用することも可能である（オプションＧ）。
【００９９】
コンディショニング前に産生ガスをさらに冷却するためのシステムが追加の熱の回収を含まない場合の一実施例では、冷却ステップは、乾燥クエンチステップを備え、産生ガス温度は、霧状の水を直接制御（断熱飽和）して注入することによって、下げられる。
【０１００】
一実施形態では、異なるシステムまたはプロセスの冷却が必要な場合、過剰な熱は、水冷却ステップによって排除（及び回収）することが可能である。得られた温水は、次に、ガス化プロセスのどこかで使用するための作用流体を加熱するために使用することが可能である。温水は、ガスコンディショニングシステムのガス冷却プロセスまたはプラズマ熱源冷却システム等、しかしこれらに限定されない多様な源から得られる。また、温水は、多様な用途で油を予熱するために使用することもできる。
【０１０１】
導管システム
導管システムは、ガスをシステムのあるコンポーネントから別のコンポーネントに移動するために採用される。従って、システムは、高温の産生ガス産物を顕熱を回収するための熱交換器に移動する産生ガス導管システムを備える。また、システムは、加熱された交換空気をコンバータに移動する交換空気導管システムも備え、加熱された交換空気は交換空気入口からコンバータに導入される。導管システムは、典型的に、１つ以上のパイプ、またはラインを採用し、ここを通ってガスが運ばれる。
【０１０２】
システムが熱回収蒸気発生器を備える場合、システムは、上に挙げた１つ以上の設備で使用するための加熱された交換蒸気を移動するために、交換蒸気導管システムも備える。交換蒸気導管システムは、並行に走る多数のパイプまたは分岐導管システムを備えることができ、指定の分岐は特定の用途専用である。
【０１０３】
導管システムガスラインの材料やサイズの仕様は、安全とガスの効率的な運搬を提供する必要に応じて選択される。運搬されているガスが高温産生ガスの場合、使用される耐火物の設計の厚さや種類は、腐食を防ぐように酸性ガスの露点以上に保つために、シェル壁の温度が必ず約２００℃であるように選択される。一実施形態では、高温の産生ガスラインは、炭素鋼で耐火物が塗装されている。一実施形態では、加熱された交換空気ラインは、ステンレス鋼のパイプを備える。
【０１０４】
高温産生ガスから回収できる顕熱の量を最大にするために、あるいは、加熱された交換空気または交換蒸気の冷却を最小にするために、導管システムには、任意選択で、周囲環境への熱損失を最小にするための手段が提供される。熱損失は、例えば、導管周囲に、分野で知られているように断熱材を備える断熱層を使用し、導管の長さを最小にするように工場を設計することによって、最小にすることができる。これは、特に、高温導管では重要である。
【０１０５】
一実施形態では、加熱された交換空気は、単一パイプのガスから空気への熱交換器から排出され、次に、加熱された交換空気を必要に応じてコンバータの異なる領域に提供するために、いくつかの直径がさらに小さいパイプに分かれる。パイプシステムの各分岐は、必要に応じてコンバータの異なる領域に加熱された空気の流れを制御する空気流制御弁を含む。
【０１０６】
産生ガス導管システムは、任意選択で、ガス状産物の流速を管理するための手段を提供するように、システム全体に配置された１つ以上の流量調整装置および／またはブロワを採用する。
【０１０７】
交換空気導管システムは、任意選択で、交換空気の流速を制御する必要に応じて、システム全体に配置された１つ以上の流量調整装置、流量測定器および／またはブロワを採用する。一実施形態では、図８に表されているように、交換空気流量制御弁５８９０Ａ、５８９０Ｂおよび５８９０Ｃは、ガス化領域の各レベルへの交換空気５０１５の流量を制御するために提供される。制御弁は、ガス化装置２００８の空気入口２８１２、２８１４および２８１６への交換空気の流量を制限する。一実施形態では、制御弁５８９０Ａ、５８９０Ｂおよび５８９０Ｃは、ガス化装置の各領域に導入される交換空気５０１５の量を調整するために独立的に制御可能である。
【０１０８】
一実施形態では、改質装置３００８への交換空気の流量を制御するために、１つの交換空気流量制御弁５８９２が存在する。この実施形態では、交換空気は、プロセス添加剤として提供される。
【０１０９】
また、交換空気導管は、任意選択で、例えば、排出出口または任意選択の追加の熱交換システムへ交換空気を送るための手段も備える。
【０１１０】
流量調整装置および／またはブロワ、および／または迂回手段は、以下に詳細を説明するように、制御サブシステムによって、任意選択的に制御される。
【０１１１】
また、導管システムは、任意選択で、導管の修理および／または清浄だけでなく、定期的保守を実行するためのシステムへのアクセスを提供するサービスポートも備える。
【０１１２】
プラズマ熱源
本発明のシステムは、ガス化プロセスによって産生されたオフガスを産生ガスに変換する１つ以上のプラズマ熱源を採用する。プラズマ熱源は、固体残渣を融解してコンディショニングする固体残渣コンディショナにも提供される。
【０１１３】
作用点で持続的期間適切な高温炎を生み出すことができる多様な市販のプラズマ熱源をシステムで利用することが可能である。一般的に、このようなプラズマ熱源は、出力が約１００ｋＷから６ＭＷ以上のサイズがある。プラズマ熱源は、適切な作用ガスのうちの１つまたは組み合わせて採用することが可能である。適切な作用ガスの例は、空気、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素、酸素、窒素および二酸化炭素を含むがこれらに限定されない。本発明の一実施例では、プラズマ熱源は、オフガスを産生ガスに変換する必要に応じて、約９００℃から約１３００℃以上の温度をガス化装置で作り出すように、プラズマ媒体として空気を使用して連続的に動作する。
【０１１４】
この点では、本システムでの使用には、いくつかの代替プラズマ技術が適切である。例えば、適切に選択された電極物質を使用する移送式アークや非移送式アークトーチ（ＡＤとＤＣ両方）を採用できることがわかる。また、誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）も採用できることがわかる。適切なプラズマ熱源の選択は、当業者の知識内である。
【０１１５】
本発明の一実施例では、オフガスの産生ガスへの変換を最適化するように、１つ以上のプラズマ熱源が配置される。１つ以上のプラズマ熱源の位置は、例えば、システムが１段階または２段階ガス化プロセスを採用しているかどうかのような、ガス化システムの設計に応じて選択される。例えば、２段階ガス化プロセスを採用している実施形態では、プラズマ熱源は、オフガスが改質チャンバまたは改質ゾーンに入る入口に対する位置に配置、および、その方向に向けることができる。１段階ガス化プロセスを採用する実施形態では、１つ以上のプラズマ熱源は、ガス化装置の中心に向かって伸長する。全ての場合において、プラズマ熱源の位置は、システムの要件に応じて、および、産生ガスへのオフガスの変換を最適化するために選択される。
【０１１６】
一実施形態では、プラズマ改質装置で使用されるプラズマ熱源は、ＤＣ非移送式アークによって提供される。
【０１１７】
一実施形態では、プラズマ熱源は、空気および／または蒸気添加剤がプラズマ熱源のプラズマ放電の経路に注入されるように、１つ以上の空気および／または蒸気投入ポートの隣に配置される。
【０１１８】
さらなる実施形態では、プラズマ熱源は、移動可能、固定またはこれらの組み合わせにすることができる。
【０１１９】
一実施形態では、固体残渣コンディショナで使用されるプラズマ熱は、ＤＣ非移送式アークトーチによって提供される。別の実施形態では、固体残渣コンディショナで使用されるプラズマ熱は、ＤＣ移送式アークトーチによって提供される。
【０１２０】
制御システム
本発明の効率を最適化するために、任意選択で、本発明に応じるシステムの動作条件だけでなく、本プロセスが実行される条件を制御するためのシステムが提供される。ガス産物の最終用途が発電である場合、制御サブシステムは、ガス組成と圧力が発電に使用されるガスエンジン／発電機の許容範囲内であることを確認することによって、最適なエネルギー産生も提供する。
【０１２１】
本発明の一実施形態では、制御システムによって、本明細書に開示される多様なシステムおよび／またはサブシステム内で、および／または、本明細書に開示される多様なシステムおよび／またはサブシステムによって、実装される１つ以上のプロセスを制御するために提供、および／またはこのようなプロセスに影響を与えるために本明細書において検討される１つ以上のプロセス装置の制御を提供することができる。一般的に、制御システムは、指定のシステム、サブシステムまたはそれらのコンポーネントに関連する、および／または、本発明が動作できる多様な実施形態内または協調して、ガス化システム等システム内に実装された１つ以上の全体的プロセスに関連する、多様な局部および／または領域プロセスを動作的に制御することができるので、定義された結果のためにこれらのプロセスに影響を与えるように適合されたこれらの多様な制御パラメータを調整することができる。多様な検知要素および応答要素は、従って、制御システム全体に、あるいは、それらの１つ以上のコンポーネントに関連して、配分されて、多様なプロセス、反応および／または産生特性を取得するために使用して、これらの特性を望ましい結果を実現するこれらの特性電動の適切な範囲に比較し、１つ以上の制御可能なプロセス装置から、１つ以上の実行中プロセスにおいて変更を実装することによって応答することができる。
【０１２２】
制御システムは、一般的に、例えば、システム、システムに実装されたプロセス、提供される入力、および／またはこれによって生成される出力に関連して１つ以上の特性を検知するための、１つ以上の検知要素を備える。１つ以上の演算プラットフォームは、検知された特性の特性値表現にアクセスするために、これらの検知要素に連通的に連結され、特性値を、選択された動作および／または下流側の結果に適切なこれらの特性を特徴づけるように定義されたこれらの値の規定範囲と比較し、この定義範囲で特性値の維持につながる１つ以上のプロセス制御パラメータを演算する。このように、複数の応答要素は、システム、プロセス、入力および／出力に影響を与えるように動作可能な１つ以上のプロセス装置に動作的に連結することができるので、検知された特性を調整し、演算された制御パラメータにアクセスして、これらに応じてプロセス装置を動作させるために、演算プラットフォームに連通的に結合することができる。
【０１２３】
一実施形態では、制御システムは、関連して実装された１つ以上のプロセスの効率を促進するように、炭素質原料のガスへの変換に関連する多様なシステム、プロセス、入力および／または出力のフィードバック、フィードフォワード、および／または予想制御を提供する。例えば、多様なプロセス特性が評価されて、これらのプロセスに影響を与えるように制御的に調整することができる。
これらは、加熱値および／または原料の組成、産生ガスの特性（例えば、加熱値、温度、圧力、流量、組成、炭素含有等）、このような特性に可能な変動の程度、および入力のコスト対出力の値を含むがこれらに限定されない。多様な制御パラメータに対する連続的および／またはリアルタイムの調整は、熱源出力、添加剤送給量（酸素、酸化物、蒸気等）、原料送給量（１つ以上の個別および／または混合送給）、ガスおよび／またはシステム圧／流量調整装置（ブロワ、安全／制御弁、フレア等）等を含むがこれらに限定されないが、設計および／または下流側の仕様に応じて、１つ以上のプロセス関連特性が評価されて最適化される手法で実行される。
【０１２４】
あるいは、あるいは、さらに、制御システムは、適正な動作を保証するために、さらに、任意選択で、基準が適用する場合、実装されたプロセスが標準的な基準内であることを保証するために、指定のシステムの多様なコンポーネントの動作を監視するように構成することができる。
【０１２５】
一実施形態に応じて、制御システムは、指定のシステムの全体的なエネルギー的影響を監視および制御においてさらに使用することができる。例えば、指定のシステムは、例えば、実装された１つ以上のプロセスを最適化することによって、あるいは、ここでもこれらのプロセスによって生成されたエネルギー（廃棄熱等）の回復を増やすことによって、エネルギー的影響が少なくなるように、あるいは、ここでも最小になるように動作することができる。あるいは、またはさらに、制御システムは、制御プロセスから生成された産生ガスの組成および／またはその他の特性（温度、圧力、流量等）が、下流側の用途に適しているだけでなく、効率および最適用途のために実質的に最適化されているように、調整するように構成することができる。例えば、産生ガスが、ある種類の発電のガスエンジンの駆動に使用される場合の実施形態では、産生ガスの特性は、これらの特性がこのようなエンジンの最適入力特性に最も一致するように、調整することができる。
【０１２６】
一実施形態では、制御システムは、多様なコンポーネントの反応および／または産物滞留時間に関する、または、プロセス全体の多様なプロセスに関する制限または性能ガイドラインを満たすおよび／または最適化されるように、指定のプロセスを調整するように構成することができる。例えば、上流側のプロセス量は、１つ以上の次の下流側のプロセスに実質的に一致するように制御することができる。
【０１２７】
さらに、制御システムは、多様な実施形態では、連続的および／またはリアルタイムの手法において、指定のプロセルの多様な態様の順次および／または同時制御に対して適合することができる。
【０１２８】
一般的に、制御システムは、次の用途に適した任意の種類の制御システム設計を備えることができる。例えば、制御システムは、実質的な中央制御システム、分散制御システム、またはこれらの組み合わせ、を備えることができる。集中制御システムは、概して、種々のローカルおよび／またはリモート検知デバイスと通信を行うように構成される中央コントローラと、制御されているプロセスに関連する種々の特徴をそれぞれ検知するように構成される応答要素とを備え、制御されたプロセスに直接的または間接的に影響を及ぼすように適合された１つ以上の制御可能なプロセスデバイスを介して、それに応答することになる。集中アーキテクチャを使用して、集中処理装置によりほとんどの計算が集中的に実装されるため、プロセスの制御を実装するために必要なハードウェアおよび／またはソフトウェアのほとんどは、同じ場所に位置する。
【０１２９】
分散制御システムは、概して、局所的および／または領域的特徴を監視するために各検知および応答要素とそれぞれ通信を行うことができる２つ以上の分散コントローラを備え、局所的プロセスまたはサブプロセスに影響を及ぼすように構成された局所的および／または領域的プロセスデバイスを介して、それに応答することになる。種々のネットワーク構成を介して分散コントローラ間で通信を行うこともでき、第１のコントローラによって検知された特徴は、そこで応答するための第２のコントコーラへ伝達されることができ、そのような遠位の応答は、第１の場所で検知された特徴に対して影響を与える場合がある。例えば、下流側の産生ガスの特徴は、下流側の監視デバイスによって検知され、上流側のコントローラによって制御されるコンバータと関連付けられた制御パラメータを調整することによって調整され得る。分散アーキテクチャにおいて、コントローラ間に制御ハードウェアおよび／またはソフトウェアも分配され、この場合、同じではあるがモジュール構成された制御スキームが各コントローラにおいて実装され得る、または、種々の協調型のモジュラー制御スキームがそれぞれのコントローラにおいて実装され得る。
【０１３０】
あるいは、制御システムは、分離しているが通信可能にリンクされた局所的、領域的、および／または大域的制御サブシステムに細分され得る。そのようなアーキテクチャは、所与のプロセス、または一連の相関するプロセスを行い、その他の局所的制御サブシステムとの最小限の相互作用で局所的に制御することを可能にする場合がある。大域的マスタ制御システムは、続いて各それぞれの局所的制御サブシステムと通信を行い、大域的結果のために局所的プロセスに必要な調整を指示することができる。
【０１３１】
本発明の制御システムは、上記のアーキテクチャ、または当該技術分野において一般的に知られているその他任意のアーキテクチャのいずれを使用してもよく、それらは本開示の一般的範囲および本質の範囲内であるとみなされる。例えば、本発明の意図内で制御され実装されたプロセスは、適用される場合、関連の上流または下流側のプロセスに使用された任意の中央および／または遠隔制御システムへの任意選択的外部通信によって、専用の局所環境で制御することができる。あるいは、制御システムは、領域的および／または全体的プロセスを協調して制御するように設計された領域的および／または全体的制御システムのサブコンポーネントを備えることができる。例えば、領域および／または全体制御の必要に応じて、モジュール間の通信を提供しながら、制御モジュールがシステムの多様なサブコンポーネントをインタラクティブに制御するように、モジュール式制御システムを設計することができる。
【０１３２】
制御システムは、一般的に、１つ以上の中央の、ネットワークされたおよび／または分散プロセッサ、多様な検知要素から現在検知された特性を受け取るための１つ以上の入力、および、多様な応答要素と新しいまたは更新された制御パラメータを通信するための１つ以上の出力部、を備える。また、制御システムの１つ以上の演算プラットロームは、多様な規定および／または再調整された制御パラメータ、設定または優先システムおよびプロセス特性動作範囲、システム監査および制御そるとウェア、動作データ等を格納するための１つ以上のローカルおよび／または遠隔の機械読取可能媒体（ＲＯＭ、ＲＡＭ、取外可能媒体、ローカルおよび／またはネットワークアクセス媒体等）も備えることができる。任意選択で、演算プラットフォームは、直接的または多様なデータストレージデバイス経由で、プロセスしミューレーションデータおよび／またはシステムパラメータ最適化およびモデリング手段へのアクセスも有することができる。また、演算プラットフォームには、制御システムへの管理アクセス（システム更新、保守、変更、新しいシステムモジュールおよび／あるいは機器への適合等）を提供するための、１つ以上の任意選択的グラフィカルユーザインターフェースおよび入力周辺機器、さらに、外部情報源（モデム、ネットワーク接続、プリンタ等）とのデータや情報通信のための多様な任意選択的出力機器を装備することができる。
【０１３３】
処理システム、およびサブ処理システムのうちのいずれか１つは、排他的にハードウェアを、または、ハードウェアおよびソフトウェアの何らかの組み合わせを備えてもよい。サブ処理システムのうちのいずれかは、１つ以上の比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ；Ｐ）、積分型（Ｉｎｔｅｇｒａｌ；Ｉ）、または差動（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ；Ｄ）コントローラの何らかの組み合わせ、例えば、Ｐコントローラ、Ｉコントローラ、ＰＩコントローラ、ＰＤコントローラ、ＰＩＤコントローラ等を備えてもよい。Ｐ、Ｉ、およびＤコントローラの組み合わせの理想的な選定は、ガス化システムの反応プロセスの部分の動力学および遅延時間、その組み合わせによって制御することを意図する動作条件の範囲、ならびに、組み合わせコントローラの動力学および遅延時間に左右されることが、当業者には明らかであろう。これらの組み合わせは、検知要素によって特徴の値を連続的に監視し、それを規定値と比較して、各制御要素に影響し、応答要素によって十分な調整を行い、観測値と規定値との間の差異を縮小することができる、アナログ配線接続形態で実装され得ることが、当業者には明らかであろう。さらに、これらの組み合わせは、デジタルハードウェア・ソフトウェア混合環境において実装され得ることが、当業者には明らかであろう。さらなる任意のサンプリング、データ取得、およびデジタル処理に関連する影響は、当業者に既知である。Ｐ、Ｉ、Ｄ組み合わせ制御は、フィードフォワードおよびフィードバック制御スキームで実装され得る。
【０１３４】
補正またはフィードバック制御において、適切な検知要素によって監視された制御パラメータまたは制御変数の値は、規定値または既定範囲と比較される。制御信号は、２つの値の間の偏差に基づいて決定され、当該偏差を縮小するために、制御要素に提供される。従来のフィードバックまたは応答制御システムは、さらに、適応および／または予測コンポーネントを備えるように適合されてもよく、所与の条件に対する応答は、補償アクションにおける潜在的な超過を制限しながら、検知された特徴に対する反応応答を提供するために、モデル化された、および／または以前に監視された反応に従って編成され得ることが十分に理解されるであろう。例えば、所与のシステム構成に提供される、取得および／または履歴データを協調的に使用して、以前の応答が監視され、望ましい結果を提供するように調整された最適値から所与の範囲内にあることが検知されているシステムおよび／またはプロセス特徴に対する応答を調整することができる。そのような適応および／または予測制御スキームは当業者に既知であり、よって、本開示の一般的範囲および本質から逸脱するものとはみなされない。
【０１３５】
制御要素
本明細書で検討された検知要素は、上記のように定義および説明されたが、システム全体の特定地点での温度やガス流量速度、ガス圧、ガス化装置の原料堆積の高さ、ガス組成および加熱値など、しかしこれらに限定されない、１つ以上のパラメータを監視するために提供される。
【０１３６】
本明細書で検討された応答要素は、上記の定義および説明のように、関連の指定の制御パラメータを調整することによって、指定のプロセスに影響を与えるように構成されたプロセス関連装置に動作的に結合された多様な制御要素を含むことが可能であるが、これらに限定されない。例えば、１つ以上の応答要素から本明細書内で動作可能なプロセス装置は、空気や産生ガスのブロワ、原料投入量、圧力や温度の調整装置、横方向移送ユニットおよびプラズマ熱源を含むことができるが、これらに限定されない。従って、制御サブシステムの応答要素によって調整できる動作条件の例は、１つ以上の交換空気流量率（つまり、プロセス空気ブロワ速度）、原料投入量、原料投入量の比率（ＭＳＷ対高炭素原料）、システム圧、横方向移送ユニットの移動、蒸気等のプロセス添加剤の投入量、およびプラズマ熱源に対する電源、を含む。
【０１３７】
本発明の一実施形態では、制御サブシステムは、システム全体の地点での温度を監視する温度検知要素を備える。温度を監視するための温度検知要素は、必要に応じてシステム内の場所に取り付けられた熱電対または光学温度計等、温度トランスミッタにすることができる。
【０１３８】
図９は、システム内の温度の監視および制御のための多様な手段の概要を表し、システム全体での温度トランスミッタや流量調整装置の取り付け位置を示す。例えば、温度トランスミッタ５９８２は、ガスから空気への熱交換器の産生ガス出口５９２６の産生ガスの温度を監視するために配置されている。また、温度トランスミッタ５９８１は、ガスから空気への熱交換器５１０９の交換空気出口５９１７で加熱された交換空気５０１５の温度を監視するために配置されている。
【０１３９】
温度トランスミッタは、ガス化および改質プロセス中にプロセス温度を監視するために、コンバータ内に配置することができる。例えば、ガス化プロセスが行われるコンバータ領域内での温度を監視することによって、原料を融解または凝集する温度に到達することなく、できるだけ長時間できるだけ高温で原料を維持するので、最適な変換効率が保証される。堆積内の温度制御は、ガス化プロセスの異なる段階の必要に追う維持手、温度を安定化するために、制御弁５９９４Ａ、５９９４Ｂおよび５９９４Ｃを介して、ガス化装置２００９の指定領域への加熱された交換空気の流量を調整することによって、実現される。異なる段階の温度は、それぞれ、温度トランスミッタ５９８４Ａ、５９８４Ｂおよび５９８４Ｃによって測定される。ガス化プロセスの異なる段階での温度制御は、横方向移送ユニットによって、ガス化装置全体で原料の移動を制御することによっても実現することができる。
【０１４０】
コンバータの改質領域３００９の温度は、温度トランスミッタ５９８３によって監視される。プラズマトーチ２９８０への電源は、オフガス、揮発性物質、タールや煤煙を定義されたガス産物に完全に改質するための最適温度を維持するために、改質領域３００９の温度を安定化するために必要に応じて調整することができる。
【０１４１】
加熱された交換空気の温度を測定する交換空気出口５９１７に取り付けられた温度トランスミッタ５９８１によって、空気がガス化プロセスの使用に適した温度まで加熱されることを保証する条件下で、熱再利用プロセスが実行されることが保証される。例えば、ガス化装置で使用するための交換空気の最適温度が約６００℃である場合、空気出口側に取り付けられた温度トランスミッタは、交換空気の温度が、例えば、６２５℃を超えないことを保証するために使用することができる。ガス化プロセスに過剰な加熱交換空気（あるいは高温すぎる交換空気）が提供されると、原料の過熱を引き起こす可能性があるので、これを防ぐために、制御弁５９９０が開いて、過剰な交換空気を大気に排出する。
【０１４２】
従って、交換空気を大気に排出するための制御弁５９９０を制御するための手段も、任意選択で提供される。例えば、機器の考慮事項（例えば、停止手順の開始時）によって、プロセスの必要以上に多量の空気を加熱することが必要な場合がある。このような場合、交換空気は必要に応じて排出することが可能である。
本発明の一実施形態に応じて、制御案は、最適な加熱された交換空気出力温度のための固定設定点を、例えば、約６００℃に設定する。このような実施形態の場合、ガスから空気への熱交換器を通る交換空気流量が減少した場合でも、ガスから空気への熱交換器の排出ガス温度は同じままである。ガスから空気への熱交換器を通る空気量が削減されると、従って、ガスから空気への熱交換器から排出するプロセスの次の段階、例えば、熱回収蒸気発生器に入る、産生ガスの温度が上昇する。しかし、システムを通る流量が削減すると、産生ガス流量もこれに応じて少なくなるので、熱回収蒸気発生器の産生ガス入口温度の上昇は、一時的に高くなるだけである。例えば、流量が５０％に削減すると、蒸気発生器の一時的な最大産生ガス入口温度は、約８００℃で、設計の温度制限内である。
【０１４３】
ガスから空気への熱交換器入口で産生ガスの温度を監視することによって、それぞれの熱交換器に入る産生ガスの温度がその装置の理想的な動作温度を超えないことも保証することが可能である。例えば、ガスから空気への熱交換器の設計温度が１０５０℃である場合、熱交換器への入口ガス蒸気上の温度トランスミッタから取得される温度データは、最適な産生ガス温度を維持するために、システム全体の交換空気流量と、プラズマ熱源両方を制御するために使用することが可能である。さらに、ガスから空気への熱交換器の産生ガス出口で産生ガス温度を測定すると、熱回収段階で、顕熱の最適量が産生ガスから回収されことを保証するために有用な場合がある。
【０１４４】
コンバータから排出するガスの温度が規定制限温度を上回る場合、管の閉塞開始を示す場合があり、この場合、保守のためにシステムを停止することが必要である。従って、熱交換器には、必要に応じて、検査や保守に便利なようにポートが提供される。
【０１４５】
本発明の一実施形態では、制御サブシステムは、ガス化システム全体で圧力とガス流量を監視する検知要素を備える。これらの圧力検知要素は、例えば、ガス化装置の垂直壁、または、ガス保管タンク等ガス化システムの下流要素に関連して、システム内に取り付けられた圧力変換機、圧力トランスミッタまたは圧力タップ等の圧力センサを含むことができる。
【０１４６】
システム内の圧力やガス流量に関連するデータは、トーチパワーまたは固体残渣物質の追加量などのパラメータへの調整が必要かどうかを決定するために、制御サブシステムによって使用される。
【０１４７】
本発明の一実施形態では、制御サブシステムは、システム内の圧力を調整するための応答要素を備えるので、一定の規定教養範囲内でシステムの望ましい圧力が維持される。例えば、産生ガスブロワ速度または交換空気投入量が調整されると生じる圧力の変動は、すべて、制御サブシステムによって決定される一定の動作パラメータに対して調整を行うことによって、修正される。
【０１４８】
図１０は、システム全体の産生ガス圧と流量を監視して制御するための多様な手段の概要を表す。下流側のガス保管タンク７０１０の圧力トランスミッタ７０９５は、コンバータ１０１０の交換空気流量制御弁に信号を送信する。例えば、ガス保管タンク圧が減少すると、ガス化装置２０１０への交換空気流量を増加する信号を送信、またこの逆の信号を送信する。ガス化装置２０１０への交換空気の流量は、制御弁５９９４Ａ、５９９４Ｂおよび５９９４Ｃを使用して制御される。ガス化装置２０１０に送られる交換空気５０１５の量が増加すると、ガス化される原料の量が増加するので、産生ガス５０２０流量が増加する（そして、システム圧が増加する）。
【０１４９】
ガス化装置２０１０の交換空気５０１５に対する需要の変化は、すべて、圧力トランスミッタ５０９５によって測定されるプロセス空気ブロワ排出圧力に影響を与えるので、プロセス空気ブロワ５０１２の変動周波ドライブ（ＶＦＤ）の速度が調整される。プロセス空気ブロワの速度５０１２は、保管タンク７０１０で低圧が検出されると、増加して、速度は、保管タンクで高圧が検出されると、減少する。産生されるガス量が増加すると、制御サブシステムは、ガスブロワＶＦＤの速度を自動的に調整して、この圧力を増加することができるので、保管タンクに送られるガス量が増加して、保管タンク圧が増加する。
【０１５０】
システム全体に配置されている圧力センサによって取得されるデータに応答して、下流の誘導ブロワの速度は、システム内の圧力が増加（ファンの速度は減少）または減少（ファンの速度は減少）しているかに応じて、調整される。一実施形態では、システム全体の地点での圧力に関連するデータは、連続的に取得されるので、制御サブシステムは、規定設定内にシステム圧を維持するように、ファンの速度を頻繁に調整することができる。
【０１５１】
一実施例では、システムは、ガスが周囲環境に漏れる事を防ぐように、大気圧よりやや陰圧に維持される。
【０１５２】
一実施例では、内圧は、産生ガスをガス装置の外側に出すことによって、作動するガス装置の下流側に配置された誘導ブロワを使用して、調整される。このように、採用された誘導ブロワは、システムを大気圧または陰圧に維持する。一実施形態では、下流側のガスブロワによって排出されているガスの流量を増加または制限するように、ガス出口ラインに制御弁が提供される。
【０１５３】
陽圧が維持されているシステムでは、産生ガスの排出量が減少あるいは停止すると、ガスがシステム内に「押し」込まれて、高い（陽）圧となるように、ブロワが動作する。
【０１５４】
ガス量の変動は、ガス化プロセスの不均一な状態（トーチの誤作動、ガスラインの閉塞、または原料投入の停止）の結果として発生する場合がある。ガス流量の変動が続く場合、問題が解決するまで、システムを停止することができる。
【０１５５】
ガス化プロセス中の高炭素原料および／または蒸気プロセス添加剤の追加は、化学変換に影響を与えるので、産生ガス組成を監視することが望ましい。本発明の一実施例では、制御サブシステムは、ガス産物の組成を監視する検知要素を備える。産生ガスの組成の監視は、例えば、ガス分析器の手段によって実現することが可能である。ガス分析器は、例えば、産生ガスの水素、一酸化炭素および／または二酸化炭素の含有量を決定できる。産生ガスの化学的組成を決定するために使用可能な１つの方法は、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）分析である。これらの分析の採取点は、システム全体に配置することが可能である。一実施形態では、ガス組成は、ガスの赤外線スペクトラムを測定するＦｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴＩＲ）Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して測定される。
【０１５６】
高温のガス分析装置は存在するが、組成は、一般的に、産生ガスが冷却された後で、粒子状物質やその他の汚染物質を排除するコンディショニングステップを受けた後に測定される。
【０１５７】
産生ガス組成は、ガス化および改質反応に追加されている空気および／蒸気プロセス添加剤の量に加えて、ガス化されている原料の組成（ＭＳＷ対ＨＣＦの比率）を制御することによって、制御することが可能である。従って、制御サブシステムは、ＭＳＷ対ＨＣＦの比率、原料流の追加率、ならびに、コンバータに追加されている空気および／または蒸気プロセス添加剤の量を制御する手段を提供する。
【０１５８】
本発明の一実施形態において、制御サブシステムは、ガス化装置および／または改質装置への空気投入速度および／または量を調整する手段を備える。本発明の一実施形態において、制御サブシステムは、改質装置への蒸気投入速度および／または量を調整する手段を備える。
【０１５９】
本発明の一実施形態において、制御サブシステムは、望ましいガス組成を提供するために、炭素投入を増減するプロセスの必要性に応答して、ガス化装置への高炭素原料（ＨＣＦ）投入の追加率を調整する手段を備える。
【０１６０】
本発明の一実施形態において、制御システムは、ガス化装置に追加するＭＳＷの量を調整する手段を備える。ＭＳＷおよび任意選択でＨＣＦの投入は、追加される材料の形状の必要性に応じて選択および適合されているいくつかの可能な投入手段を使用してガス化装置に追加される。材料は、例えば、回転スクリューまたはオージェメカニズムを使用して、連続的手法で追加することができる。あるいは、材料は、例えば、必要に応じて材料の一部を追加するプッシャーアームを使用して、非連続的方式で追加することができる。
【０１６１】
一実施形態では、原料投入量は、ドライブモータの可変周波数駆動（ＶＤＦ）から、送給スクリューコンベヤ速度を調整することによって、制御される。投入量は、加熱された交換空気投入の加熱能力に合わせて、必要に応じて調整される。
【０１６２】
システムは、コンバータ内の安定的なプロセス条件を維持するために、堆積の高さ（またはレベル）を監視および制御するための手段をさらに備える。これは、コンバータ内で安定的な堆積の高さを維持する能力を提供する。堆積の高さを制御することによって、低レベルで発生する可能性がある交換空気注入による材料の流体化を防ぐと同時に、高レベルで発生する空気流の制限によって堆積全体の温度分散が損なわれることも防ぐ。安定的な堆積の高さを維持することによって、一定のコンバータ残留時間も保証される。
【０１６３】
ガス化装置の一連のレベルスイッチが堆積の深さを測定する。一実施形態では、レベルスイッチは、ガス化装置の片側にエミッタと、もう片側にレシーバを備えたマイクロ波装置で、コンバータ内のその点での固体物質の存在の有無を検出する。
【０１６４】
本発明の一実施形態では、ガス化装置の異なる領域から、ガス化されている材料を移動する横方向移送ユニットが提供される。ガス化装置の原料の量と場所は、送給量と横方向移送ユニットの移動、さらに、加熱された交換空気投入量との関数である。従って、このような実施形態では、制御サブシステムは、必要に応じて、ガス化装置の異なる領域から、材料の移動を制御する手段を備える。
【０１６５】
一実施形態では、横方向移送ユニットは、アームで、原料は、ストロークの長さと頻度によって決定される速度で、ガス化装置の異なる領域を運ばれる。例えば、制御サブシステムは、各ストロークで移動する材料の量が制御できるように、ラムストロークの長さ、速度および／または頻度を制御するコンピュータ制御型可変速度監視ドライブ等のような、制限スイッチまたはその他の移動制御手段を備えることができる。
【０１６６】
一実施形態では、横方向移送ユニットは、１つ以上のスクリューコンベヤを備え、ガス化装置内の材料の移送速度は、ドライブモータ可変周波数駆動からコンベヤ速度を調整することによって制御される。
【０１６７】
本発明の一実施形態において、制御サブシステムは、プラズマ熱源の電力、および任意選択で位置を調整する手段を備える。例えば、コンバータのガス出口での産生ガスの温度が高温すぎる場合、制御サブシステムは、プラズマ熱源の電力量を落とすように命令することができる。
【０１６８】
ガス化システム／プロセスの使用
本発明に従うシステムは、原料を、加熱された交換空気の加熱作用に左右されるコンバータに渡すステップを一般的に備える、原料のガス化のためのプロセスを使用して、原料をガス化する。交換空気によって加熱されると、原料は乾燥されて、乾燥された原料の揮発成分は揮発する。本発明の実施形態では、加熱された交換空気は、得られる炭素のガス状構成物質への完全な変換を促進して、灰の副産物が残る。乾燥、揮発および燃焼ステップを組み合わせた産物は、オフガスを提供して、プラズマ熱源からの熱によって、さらに、オフガスは、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水蒸気（およびガス化プロセスで空気を使用することによって窒素）を含む高温ガス産物に変換される。蒸気および／空気プロセス添加剤は、ガス化段階および／またはオフガス変換段階で任意選択的に追加することができる。
【０１６９】
本発明の実施形態では、プロセスは、第２のプラズマ熱源の手段によって、スラグ産物を形成するように、副産物の灰を加熱するステップをさらに備える。
【０１７０】
本発明のプロセスは、高温ガス産物を熱交換器に通過させるステップと、加熱された交換空気と冷却された産生ガスを産生するように高温産生ガスからの熱を空気に移動するステップと、炭素質原料のガス化に加熱された交換空気を使用するステップと、をさらに備える。
【０１７１】
本発明のプロセスは、冷却されたガス産物を第２の熱交換器に通過させるステップと、さらに冷却されたガスと蒸気を産生するように、第１の冷却されたガスからの熱を水に移動するステップと、をさらに備える。
【０１７２】
本発明のプロセスは、ガス化プロセスを駆動する熱を作成するため、回転機械を駆動するため、および、プラズマ熱源の電力に消費された電気量を相殺することによって、純変換効率を最大にする。発電を目的とする用途では、効率は、ガス化プロセス全体で消費されたエネルギーを、産生ガス（例えば、ガスタービンの駆動または燃料電池技術）を使用して生成されたエネルギー量に比較すること、および蒸気タービンを駆動する蒸気を生成する顕熱の回収によって、測定される。
【０１７３】
ガス化プロセスは、産生ガスの流量／圧力、温度および／または組成の変化に基づいて、１つ以上の原料投入量、交換空気の流量、産生ガスの流量、蒸気プロセス添加剤の投入量、および、プラズマ熱源に提供された電力量を調整するフィードバック制御ステップをさらに備えることができる。このように、フィードバック制御ステップによって、合成ガスの流量、温度および／または組成は、許容範囲内に保つことができる。
【０１７４】
本発明の一実施形態では、プロセスは、コンバータに追加する前に炭素質原料を予熱するステップをさらに備える。
【０１７５】
一実施形態では、本発明に従うガス化プロセスは、ガス化装置を原料のガス化に適切な温度まで加熱するように、交換空気の使用を採用する。別の実施形態では、これは、システムの開始段階で典型的に使用されるが、空気がシステム内に送給され、プラズマ熱、あるいは、ガス化プロセスのその他の段階から回収された熱を使用して、加熱することが可能で、ガスから空気への熱交換器に入る高温の開始ガスを提供して、加熱された交換空気を生成する。交換空気は、交換空気入口に送られて、プロセス全体が燃料を使用せずに実行できるように、ガス化装置を加熱する。
【０１７６】
図１１Ａと１１Ｉは、本発明に従い、熱の再利用の多様な選択肢を表す。
【０１７７】
図１１Ａは、本発明の一実施形態を表すブロックフロー図で、高温産生ガス５０２０Ａは、コンバータ１０００Ａで炭素質原料をガス化することによって、産生される。高温の産生ガス５０２０Ａは、熱交換器５１００Ａを通過して、熱交換器を介して、空気ブロワ５０１２Ａによって、熱が、高温の産生ガス５０２０Ａから、空気５０１０Ａに移動して、加熱された交換空気５０１５Ａと冷却された産生ガス５０２５Ａを産生する。加熱された交換空気５０１５Ａは、その後、コンバータ１０００Ａに戻されて、ガス化プロセスを促進する。冷却された産生ガス５０２５Ａは、その後、ガスコンディショニングシステム６０００Ａを通過する前に、乾燥クエンチステップ６１１１Ａによってさらに冷却される。産生ガスは、冷却および清浄後に、ガスエンジン５０６０Ａで燃焼されて、高温の燃焼ガス５０６１Ａが大気に排出される。
【０１７８】
図１１Ｂは、本発明の一実施形態を表すブロックフロー図で、高温産生ガス５，０２０Ｂは、コンバータ１，０００Ｂで炭素質原料をガス化することによって、産生される。高温の産生ガスは、熱交換器５１００Ｂを通過して、熱交換器を介して、空気ブロワ５０１２Ｂによって、熱が、高温の産生ガス５０２０Ｂから、空気５０１０Ｂに移動して、加熱された交換空気５０１５Ｂと冷却された産生ガス５０２３Ｂを産生する。加熱された交換空気５０１５Ｂは、その後、コンバータ１０００Ｂに戻されて、ガス化プロセスを促進する。ガスコンディショニングシステム６０００Ｂを通過する前に、熱回収蒸気発生器５３００Ｂに産生ガスを通過させることによって、冷却された産生ガス５０２３Ｂから、追加の熱が回収される。追加の熱は、水５０３０Ｂに移動して、蒸気５０３５Ｂを産生する。産生ガスは、冷却および清浄後に、ガスエンジン５０６０Ｂで燃焼されて、高温の燃焼ガス５０６１Ｂが大気に排出される。
【０１７９】
図１１Ｃは、図１１Ｂの実施形態を説明するブロックフロー図で、ガスエンジンからの高温の燃焼ガス５０６１Ｂは、第２の熱回収蒸気発生器５３００Ｃを通過して、高温の燃焼ガスからの熱が、水５０３０Ｃに移動して、蒸気５０３０Ｃが発生する。
【０１８０】
図１１Ｄは、図１１Ｂの実施形態を説明するブロックフロー図で、熱回収蒸気発生器５３００Ｂで生成された蒸気５０３５Ｂは、蒸気タービン５０６５Ｄを駆動するために使用されて、発電する。
【０１８１】
図１１Ｅは、図１１Ｃの実施形態を説明するブロックフロー図で、熱回収蒸気発生器（５３００Ｂと５３００Ｃ）で生成された蒸気（５０３５Ｂと５０３５Ｃ）は、蒸気タービン５０６５Ｅを駆動するために使用されて、発電する。
【０１８２】
図１１Ｆは、図１１Ｂの実施形態を説明するブロックフロー図で、加熱された交換空気５０１５Ｂも、原料のコンディショナ５０６７Ｆを通過して、ガス化のためにコンバータ１０００Ｂに送給される前に、原料５０８８Ｆを予め乾燥する。
【０１８３】
図１１Ｇは、図１１Ｂの実施形態を説明するブロックフロー図で、熱回収蒸気発生器５３００Ｂで生成された蒸気５０３５Ｂが使用されて、原料コンディショナ５０６７Ｇを間接的に加熱して、ガス化のためにコンバータ１０００Ｂに送給される前に、原料５０８８Ｇを予め乾燥する。
【０１８４】
図１１Ｈは、本発明の一実施形態を表すブロックフロー図で、高温産生ガス５０２０Ｈは、コンバータ１０００Ｈで炭素質原料をガス化することによって、産生される。高温の産生ガス５０２０Ｈは、熱交換器５１００Ｈを通過して、空気ブロワ５０１２Ｈによって、熱が、高温の産生ガス５０２０Ｈから、熱交換器から入れられた空気に移動して、加熱された交換空気５０１５Ｈと冷却された産生ガス５０２５Ｈを産生する。加熱された交換空気５０１５Ｈは、その後、コンバータ１０００Ｈに戻されて、ガス化プロセスを促進する。冷却された産生ガスは、その後、ガスコンディショニングシステムを通過する。産生ガスは、冷却および清浄後に、ガスエンジン５０６０Ｈで燃焼されて、高温の燃焼ガス５０６１Ｈが大気に排出される。この実施形態は、固体残渣コンディショニングステップを含み、固体残渣コンディショニング４０２０Ｈで産生された高温ガスも、熱交換器５１０５Ｈを通過して、高温ガスからの熱が熱交換器５１０５Ｈから入れられた空気５１１０Ｈに移動して、第２の加熱された空気産物５１１５Ｈを産生する。第２の加熱された空気産物５１１５Ｈは、次に、原料コンディショナ５０６７Ｈを間接的に加熱するために使用されるので、ガス化のためにコンバータ１０００Ｈに送給される前に、原料５０８８Ｈを予め乾燥する。
【０１８５】
図１１Ｉは、本発明の一実施形態を表すブロックフロー図で、高温産生ガス５０２０Ｉは、コンバータ１０００Ｉで炭素質原料をガス化することによって、産生される。高温の産生ガス５０２０Ｉは、熱交換器５１００Ｉを通過して、空気ブロワ５０１２Ｉによって、熱が、高温の産生ガス５０２０Ｉから、熱交換器から入れられた空気に移動して、加熱された交換空気５０１５Ｉと冷却された産生ガス５０２５Ｉを産生する。加熱された交換空気５０１５Ｉは、その後、コンバータ１０００Ｉに戻されて、ガス化プロセスを促進する。冷却された産生ガス５０２５Ｉは、その後、ガスコンディショニングシステム６０００Ｉを通過して、ガス産物７０００Ｉの格納および均質化のためのシステムに入る。産生ガス５１２５Ｉの一部は、その後、ガスエンジン５０６０Ｉで燃焼され、高温の燃焼ガス５０６１Ｉは大気に排出されるが、産生ガス５２２５Ｉの別の部分はバスバーナ５０６７Ｉで燃焼されて、別のガス化システムのコンバータ１００５Ｉの予熱のための熱を提供する。
【０１８６】
本発明は、ここで、特定の例を参照しながら説明する。以下の例は、本発明の実施形態を説明することを意図するものであり、いかようにも本発明を制限することを意図したものでないことを理解する。
【０１８７】
実施例
一般的に、本発明のシステムは、交換空気を、原料がガス化が発生できる十分な熱を受ける、コンバータに送給することによって使用される。
図１２と図１３に示された例示的な実施形態では、ガス化装置２１００と２２００は、それぞれ、３つの床レベルまたはステップを有する階段状床を有する。任意選択で、各床レベルは、約５から約１０℃の間の傾斜がある。階段状床ガス化装置では、個別のステップ（床レベル）は、ガス化プロセスのそれぞれの乾燥、揮発、および炭素から灰変換段階に適切な条件を提供するので、ガス化プロセスの最適化が実現することになる。
【０１８８】
これらの典型的ガス化装置の各々では、原料は、第１のステップに送給され、乾燥が主要なプロセスで、一部の揮発および炭素から灰に変換されるように、条件が提供される。このステップの通常の温度範囲は（材料堆積の底面で測定）３００から９００℃の間である。
【０１８９】
そして、乾燥した原料は、第２のステップに送られ、乾燥した原料を揮発して炭素を形成することが主要なプロセスで、乾燥動作のわずか（残部）と一部の炭素が灰に変換されるように、条件が提供される。このステップの通常温度範囲は４００から９５０℃の間である。
【０１９０】
次に、炭素は、第３のステップに移動されて、炭素から灰への変換が主要なプロセスで、揮発が少量（残部）発生するように、条件が提供される。通常の温度範囲は６００から１０００℃の間である。
【０１９１】
ステップ間の移動は、横方向移送ユニットによって促進され、各ステップは、任意選択で、独立的に制御された横方向移送ユニットによって行われる。
【０１９２】
図１２に表されたガス化装置の実施形態では、ガス化装置２１００は、原料投入部２１０４、ガス出口２１０６および固体残渣出口２１０８を有する耐火物で覆われた水平方向に配向されたガス化チャンバ２１０２を備える。ガス化チャンバ２１０２は、複数の床レベル２１１２、２１１４および２１１６を備えた階段状床を有する。各床レベルは、交換空気を追加できるように、床レベルに近い側壁に配置された一連の交換空気入口２１２６を有する。交換空気の投入は、反応材料のガス化を促進するように調整される。
【０１９３】
図１３に表されたガス化装置の実施形態では、ガス化装置２２００は、原料投入部２２０４、ガス出口２２０６および固体残渣出口２２０８を有する耐火物で覆われた水平方向に配向されたガス化チャンバ２２０２を備える。ガス化チャンバ２２０２は、複数の床レベル２２１２、２２１４、および２２１６を備えた階段状の床を有する。
【０１９４】
各レベルまたはステップは、加熱された空気が導入できるように穿孔のある床を有する。各レベルまたはステップのための空気送給は、独立的に制御可能である。穿孔のある床２２７０から独立的に空気を送給および配分することは、各ステップで床を形成する個別のエアボックス２２７２、２２７４および２２７６によって実現される。
【０１９５】
図１４にはエアボックスが示されているが、エアボックスの穿孔のある上面２３０２と、交換空気導管システムへの接続のための接続フランジ２２８０を明確に表す。
【０１９６】
ガス化装置で形成されたオフガスは、次に、プラズマ熱源と、任意選択で蒸気および追加の加熱交換空気によって、改質チャンバで処理される。これらの添加剤は、産生ガスの形成が必ず規定の組成を有するように、改質ステップで、任意選択的に追加される。改質ステップ中の温度は、汚染物質の発生を最小にしながら、規定のガス産物への完全な変換を保証する適切なレベルで反応を維持するに十分に高い範囲で維持される。例示的な実施形態では、改質ステップの温度範囲は約９００℃から約１３００℃である。
【０１９７】
改質段階後、産生ガスの温度が高すぎる場合は、産生ガスの排出温度を下げるために、蒸気が任意選択で追加される。産生ガスは、約９００℃から約１１００℃の温度でプラズマ改質区域から排出する。例示的な実施形態では、産生ガス排出温度は約１０００℃＋／−１００℃である。高温産生ガスの流量は、約６０００Ｎｍ３／時から約９５００Ｎｍ３／時で、典型的には約７９５０Ｎｍ３／時である。高温産生ガスは、その後、ガスから空気への熱交換器に渡される。
【０１９８】
現在の例では、空気は、周囲温度、つまり、約−３０℃から約４０℃で、ガスから空気への熱交換器に入る。空気は、空気ブロワを使用してシステムを循環し、約１０００Ｎｍ３／時から約５１５０Ｎｍ３／時で、典型的には約４３００Ｎｍ３／時でガスから空気への熱交換器に入る。
【０１９９】
この例では、空気は、熱交換器で加熱されて、約５００℃から約６２５℃の温度を有する交換空気を産生する。例示的な実施形態では、交換空気の温度は約６００℃である。高温の産生ガスは、次に、約５００℃から約８００℃の温度に冷却される。例示的な実施形態では、産生ガス温度は約７４０℃である。加熱された交換空気は、交換空気入口からガス化装置に渡されて、上記のように原料をガス化する。
【０２００】
典型的実施例のガスから空気への熱交換器は、産生ガスの高レベルの特定の負荷に対して特別に設計されたシェル‐チューブ型熱交換器で、産生ガスは管側に流れて、空気は、現在シェル側のカウンタを流れる。
【０２０１】
例示的な実施例では、冷却された産生ガスは、乾燥クエンチステップを使用して、さらに冷却されて、産生ガスから過剰な熱を除去するので、以降のフィルタリングとコンディショニングステップに必要な冷却産生ガスが提供される。冷却された産生ガスは、その後、ガスコンディショニング段階を通過して、酸化ガス、重金属、粒子状物質やその他の汚染物質が除去される。
【０２０２】
ガス化プロセスの残渣副産物は、専用プラズマ熱源で融解することによって、残渣コンディショニングチャンバでさらにコンディショニングされる。残渣コンディショニングステップの産物は、不活性スラグ物質と高温ガスである。
【０２０３】
本発明は、ある特定の実施形態を参照しながら説明したが、添付の請求項に示されるように、当業者には、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、多様な変更が明らかである。
【０２０４】
全ての特許、公開された特許申請書などの印刷物、および、参照されたデータベースエントリの公開は、特に、各々の個別の特許、印刷物、およびデータベースエントリが参照により組み込まれると特定および個別に示されているものとして、全体を参照することによって、特定に組み込まれる。
【図１】
2009536259.tif 000002
【図２】
2009536259.tif 000003
【図３】
2009536259.tif 000004
【図４Ａ】
2009536259.tif 000005
【図４Ｂ】
2009536259.tif 000006
【図５】
2009536259.tif 000007
【図６】
2009536259.tif 000008
【図７】
2009536259.tif 000009
【図８】
2009536259.tif 000010
【図９】
2009536259.tif 000011
【図１０】
2009536259.tif 000012
【図１１Ａ−Ｃ】
2009536259.tif 000013
【図１１Ｄ−Ｆ】
2009536259.tif 000014
【図１１Ｇ−Ｈ】
2009536259.tif 000015
【図１１Ｉ】
2009536259.tif 000016
【図１２】
2009536259.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
2009536259.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月7日(2009.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ改質ガスを含む高温ガスから回収された熱を炭素質原料ガス化装置に再利用するシステムであって、
プラズマ改質ガスを含む前記高温ガスを、加熱流体と冷却ガスとを産生するように、プラズマ改質ガスを含む前記高温ガスからの熱が流体に移動される、ガスから流体への熱交換器に移動する手段と、
前記加熱流体を前記ガス化装置に移動する手段と、
前記システムの操作パラメータを監視するための検知要素と、前記ガス化プロセスを最適化するように前記システム内の動作条件を調整する応答要素とを備える制御システムと、を備え、
前記応答要素は、前記検知要素から取得されるデータに応じて前記システム内の前記動作条件を調整することによりエネルギー産生を最大限にしながら、前記プロセスのエネルギー消費を最小限にすることにより、前記ガス化プロセスの効率を最適化する、システム。
【請求項２】
前記流体は、空気、水、油、またはガスである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記流体は、空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、ガスから空気への熱交換器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記流体は、水であり、前記ガスから流体への熱交換器は、熱回収蒸気発生器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
冷却された産生ガス出口と連通する高温産生ガス入口と、加熱流体出口と連通する冷却流体入口とを備えるガスから流体への熱交換器を使用して、ガス化プロセスおよびプラズマ改質プロセスにより産生される高温ガスからの顕熱を、前記ガス化プロセスに戻して再利用することにより、炭素質原料のガス化プロセスの効率を改善するためのプロセスであって、
プラズマ改質ガスを含む高温ガスを、前記高温産生ガス入口を通じて、前記ガスから流体への熱交換器内に通過させるステップと、
前記冷却された産生ガス出口を介して前記熱交換器から排出する冷却された産生ガスと、前記加熱流体出口を介して前記熱交換器から排出する加熱流体とを産生するために、熱が、プラズマ改質ガスを含む前記高温ガスから、前記ガスから流体への熱交換器を介して前記冷却流体に移動されるように、前記冷却流体を、前記冷却流体入口を通じて前記ガスから流体への熱交換器内に通過させるステップと、
前記炭素質原料ガス化プロセスのための熱を提供するように、前記加熱流体を使用するステップと、を備えるプロセス。
【請求項６】
前記流体は空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、ガスから空気への熱交換器である、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記ガス化システムにより生成される高温ガスから熱を回収し、前記熱を１つ以上の加熱用途に配送するために、ガス化装置と、プラズマガス改質装置と、任意選択で固体残渣コンディショニングチャンバとを備えるガス化システムに、動作可能に関連付けられるように構成される熱再利用システムであって、
ａ）  加熱流体を産生するために、前記高温ガスから流体へ熱を移動するように構成される、１つ以上のガスから流体への熱交換器と、
ｂ）  前記高温ガスの１つ以上の供給源と、前記１つ以上のガスから流体への熱交換器との間に、流体連通を提供するように構成される、１つ以上の高温ガス導管と、
ｃ）  前記１つ以上のガスから流体への熱交換器と、前記１つ以上の加熱用途との間に流体連通を提供するように構成される、１つ以上の流体導管とを備え、
前記熱再利用システムは、
Ａ．  プロセス、プロセスデバイス、プロセス入力、および／またはプロセス出力のうちの１つ以上の特性を検知するように構成される、１つ以上の検知要素と、
Ｂ．  前記熱再利用システム内の１つ以上のプロセスのうちの１つ以上の特性に、影響を及ぼすように構成される、１つ以上の応答要素と、
Ｃ．  前記検知要素の１つ以上と、前記応答要素の１つ以上とに、動作可能に関連付けられる、１つ以上の計算プラットフォームであって、前記熱再利用システム内のプロセス特性の維持、もしくは調整のいずれかのために、少なくとも１つの検知要素から入力信号を受信し、少なくとも１つの応答要素に制御信号を提供するように構成される、１つ以上の計算プラットフォームと、を備える制御システムに、任意選択で動作可能に関連付けられ、
前記制御システムは、フィードフォワード制御、またはフィードバック制御、または予測制御、または適応制御、またはこれらの組合せを利用するように構成され、
前記ガスから流体への熱交換器、高温ガス導管および／または流体導管のうちの１つ以上は、１つ以上の検知および／または応答要素に、任意選択で動作可能に関連付けられ、
前記高温ガスは、前記ガス化装置とプラズマガス改質装置とにより生成されるプラズマ改質ガス、および／または前記固体残渣コンディショニングチャンバにより生成される残渣ガスを含む、
熱再利用システム。
【請求項８】
前記１つ以上の加熱用途は、前記ガス化装置、前記ガス改質装置、ガスコンディショニングシステム、ガス冷却システム、前記固体残渣コンディショニングチャンバ、ガス均質化システム、これらのシステムを接続する導管、蒸気発生器、および／またはエンジンのうちの１つ以上である、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ガスから流体への熱交換器の少なくとも１つの中の前記流体は、空気、水、油、またはガスである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ガスから流体への熱交換器の少なくとも１つの中の前記流体は、空気であり、前記ガスから流体への熱交換器は、加熱された交換空気と冷却されたガスとを産生するために、前記高温ガスから空気へ熱を移動するように構成される、ガスから空気への熱交換器である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ガスから流体への熱交換器の少なくとも１つの中の前記流体は、水であり、前記ガスから流体への熱交換器は、熱回収蒸気発生器である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記１つ以上の熱回収蒸気発生器は、蒸気タービンに、動作可能に関連付けられ、前記生成された蒸気が前記タービンを駆動するようにする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記１つ以上の蒸気発生器は、前記ガス化プロセスのためのプロセス添加剤として、前記ガス化装置に蒸気を提供するように、それに、動作可能に関連付けられる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ガスから空気への熱交換器は、前記ガス化装置内の前記ガス化プロセスを駆動するために必要とされる、前記熱の少なくとも一部を提供するために、前記加熱された交換空気を、前記流体導管の１つを介して前記ガス化装置に移動するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ガスから空気への熱交換器は、炭素質原料を予熱し、かつ／または前記ガス化装置のための炭素質原料から水分を除去するための前記熱の少なくとも一部を提供するために、前記加熱された交換空気を前記流体導管の１つを介して移動するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムは、原料乾燥器／予熱器を加熱するための加熱された油を提供するために、前記加熱された交換空気から油に熱を移動するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムは、原料乾燥器／予熱器に熱を提供するために、前記加熱された交換空気を移動するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムは、蒸気を産生するために、前記加熱された交換空気から水へ熱を移動するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
前記蒸気は、原料乾燥器／予熱器を加熱するためのものである、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記冷却されたガスからの余熱を利用して蒸気を生成するために、１つ以上の熱回収蒸気発生器をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２１】
前記１つ以上の熱回収蒸気発生器は、蒸気タービンに、動作可能に関連付けられ、前記生成された蒸気が前記タービンを駆動するようにする、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記１つ以上の蒸気発生器は、前記ガス化プロセスのためのプロセス添加剤としてそれに蒸気を提供するために、前記ガス化装置に、動作可能に関連付けられる、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ガスから流体への熱交換器は、シェルアンドチューブ熱交換器である、請求項７に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ガスから流体への熱交換器は、板式熱交換器である、請求項７に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ガスから流体への熱交換器は、高レベルの粒子負荷に対して耐性を有するように構成され、前記粒子のサイズは、０．５から１００ミクロンである、請求項７に記載のシステム。
【請求項２６】
前記熱再利用システムは、３０００から５０００ｍ／分の間のガス速度に対して耐性を有するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項２７】
前記熱再利用システムは、１つ以上の検知および／または応答要素に、任意選択で動作可能に関連付けられる、１つ以上の個別の温度トランスミッタを備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項２８】
前記高温ガスおよび／または流体導管の１つ以上は、前記高温ガスまたは加熱流体の流速を制御するために、流量調整装置、流量測定器および／またはブロワの１つ以上を備える流量管理システムに、動作可能に関連付けられ、前記流量管理システムは、１つ以上の検知および／または応答要素に、任意選択で動作可能に関連付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記熱再利用システムは、前記ガス化装置への前記加熱流体の流量を制御するために、１つ以上の加熱流体流量制御弁を備え、前記加熱流体流量制御弁の少なくとも１つは、１つ以上の検知および／または応答要素に、任意選択で動作可能に関連付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記熱再利用システムは、ガス化施設に統合され、前記施設内の１つ以上の場所に熱を配送するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記熱再利用システムは、ガス化施設に統合され、前記施設外の現場への移動のための１つ以上の場所に熱を配送するように構成される、請求項７に記載のシステム。
【請求項３２】
前記システムは、
Ａ．  プロセス、プロセスデバイス、プロセス入力、および／またはプロセス出力のうちの１つ以上の特性を検知するように構成される、１つ以上の検知要素と、
Ｂ．  前記熱再利用システム内の１つ以上のプロセスの１つ以上の特性に影響を及ぼすように構成される、１つ以上の応答要素と、
Ｃ．  前記検知要素の１つ以上と、前記応答要素の１つ以上とに、動作可能に関連付けられる、１つ以上の計算プラットフォームであって、前記熱再利用システム内のプロセス特性の維持、もしくは調整のいずれかのために、少なくとも１つの検知要素から入力信号を受信し、少なくとも１つの応答要素に制御信号を提供するように構成される、１つ以上の計算プラットフォームと、
を備える制御システムに、動作可能に関連付けられ、
前記制御システムは、フィードフォワード制御、またはフィードバック制御、または予測制御、または適応制御、またはこれらの組合せを利用するように構成される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項３３】
ガス化装置と、プラズマガス改質装置と、任意選択で固体残渣コンディショニングチャンバとを備えるガス化システムにより生成される高温ガスから熱を回収するためのプロセスであって、
ａ）  加熱流体を提供するために、前記ガス化システム内の１つ以上の高温ガス供給源から、ガスから流体への熱交換器を通じて前記高温ガスを通過させるステップであって、前記高温ガスは、前記ガス化装置およびプラズマガス改質装置により生成されるプラズマ改質ガス、および／または前記固体残渣コンディショニングチャンバにより生成される残渣ガスを含むステップと、
ｂ）  前記加熱流体を１つ以上の加熱用途に移動するステップと、
を含む、プロセス。
【請求項３４】
前記１つ以上の加熱用途は、前記ガス化装置、前記ガス改質装置、ガスコンディショニングシステム、ガス冷却システム、前記固体残渣コンディショニングチャンバ、ガス均質化システム、これらのシステムを接続する導管、蒸気発生器、および／またはエンジンのうちの１つ以上である、請求項３３に記載のプロセス。
【国際調査報告】
2009536259.tif 000020