Сингаз, полученный с помощью плазменной газификации

Сингаз, полученный с помощью плазменной газификации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Данная заявка устанавливает приоритет на основании заявки США №61/412078, поданной 10 ноября 2010 года. Описание заявки №61/412078 включено в настоящий документ посредством ссылки.

Уровень техники изобретения

Настоящее изобретение направлено на способ и систему для образования и обработки сингаза. В частности, настоящее изобретение направлено на поток сингаза и способ получения потока сингаза, полученного с помощью плазменной газификации отходов, включающих муниципальные твердые отходы (твердые городские отходы).

Эффективное управление и утилизация отходов является глобальной проблемой. Современные технологии управления отходами, предложенные регулирующими органами, например Агентством по охране окружающей среды (EPA), включают, во-первых, сокращение объема отходов, во-вторых, утилизацию отходов и компостирование и, наконец, удаление на свалку или в установки для сжигания отходов. Другие технологии управления отходами включают превращение отходов в энергию с использованием таких процессов, как сжигание и пиролиз. Существует много видов отходов, включая муниципальные твердые отходы, коммерческие и промышленные отходы, отходы строительства и сноса, твердое восстановленное топливо (SRF), топливо из отходов (RDF), осадки сточных вод, электронные отходы, медицинские отходы, ядерные отходы и опасные отходы. Муниципальные твердые отходы (твердые городские отходы), также называемые твердыми городскими отходами, мусором, отходами или отбросами, главным образом включают коммунально-бытовые отходы. Твердые городские отходы бывают обычно в твердой/полутвердой форме и содержат бумагу и картон, пластик, текстиль, стекло, металлы, биоразлагаемые отходы (кухонные отходы, садовый мусор/отходы, древесные отходы), инертные отходы (грязь, камни) и могут включать небольшие количества прочих материалов, таких как батарейки, лампочки, медикаменты, химикаты, удобрения и т.д. Обычно твердые городские отходы оказываются преимущественно бумагой/картоном и кухонными отходами, хотя точный состав может варьировать от одного района к другому в зависимости от степени вторичного использования отходов, осуществляемого домашними хозяйствами, пунктами перевалки мусора и/или установками переработки.

Одна из форм управления отходами включает газификацию. Газификация представляет собой процесс превращения углеродсодержащего сырья, такого как уголь, нефть, биотопливо, биомасса, муниципальные твердые отходы (твердые городские отходы) и другие отходы, в горючий газ, такой как синтез-газ. Синтез-газ, обычно именуемый сингазом, представляет собой смесь с различным содержанием монооксида углерода и водорода (CO+H₂) и имеет целый ряд практических применений. Сингаз может использоваться для выработки энергии путем непосредственного сгорания в газовой турбине, паровом котле или поршневом двигателе, и отходящее тепло может использоваться для образования пара, который может обеспечить дополнительную энергию при помощи паровой турбины. Сингаз также можно использовать для получения водорода, или жидкого топлива, или химических материалов, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства другой химической продукции, такой как пластмасса. Газификация является таким образом способом получения продуктов с добавленной стоимостью и/или энергии из органических материалов. Типичные составы газа при газификации различного, преимущественно углеродного сырья в кислороде, представлены в таблице 1.

Таблица 1Характерные составы сингаза при газификации различного, преимущественно углеродного сырья
	Природный газ	Асфальтен	Уголь	Нефтяной кокс
	об.% на сухой газ, подача O2	об.% на сухой газ, подача O2	об.% на сухой газ, подача O2	об.% на сухой газ, подача O2
H2 (об.%)	63,0	44,7	38,0	33,0
CO (об.%)	33,5	45,0	45,0	53,2
CO2 (об.%)	3,0	10,0	15,0	12,0
N2 (об.%)	0,2	0,3	2,0	0,6
CH4 (об.%)	0,3	500 ppm	250 ppm	0,2
H2S (об.%)	0	1,3	0,9	1,5
H2/CO (об.%)	1,8	1,0	0,9	0,6

Современные технологии управления отходами, например, предложенные EPA, включают, во-первых, сокращение объема отходов, во-вторых, утилизацию отходов и компостирование и, наконец, удаление на свалки или в установки для сжигания отходов. Другие технологии управления отходами включают превращение отходов в энергию с помощью таких способов, как сжигание или пиролиз. Газификация отличается от этих способов тем, что она предполагает регулируемые содержания кислорода и температуры в газификаторе, тем самым приводя к образованию потока газа, обогащенного сингазом.

Частная разновидность газификации включает плазменную газификацию. Плазменная газификация - это технология переработки отходов, которая использует электрическую энергию и высокие температуры, созданные плазменной дугой, для разрушения отходов с образованием газообразного продукта, который содержит сингаз и расплавленный стеклообразный побочный продукт (шлак) в сосуде, называемом реактором плазменной газификации. Плазма является высокотемпературным светящимся газом, который частично ионизирован и состоит из газовых ионов, атомов и электронов. Шлак образуется при витрификации неорганического минерального вещества, такого как стекло и металлы, которые часто содержатся в отходах. В зависимости от состава твердых городских отходов и способа газификации летучие компоненты обычно содержат CO, H₂, H₂O, СО₂, N₂, О₂, CH₄, H₂S, COS, NH₃, HCl, Ar, Hg, HCN, HF, насыщенные и ненасыщенные углеводороды (смолы) и уголь (золу).

Вне зависимости от того, заключается ли цель получения сингаза в выработке энергии или в производстве химической продукции, различные примеси, присутствующие в сыром газе из газификатора, должны быть удалены до использования. Степень их удаления и степень удаления других компонентов сильно зависят от следующих стадий создания полезного продукта, с весьма специфическими требованиями, необходимыми для максимального увеличения выработки энергии.

Один известный способ газификации муниципальных твердых отходов (твердые городские отходы), а также другой биомассы, такой как древесина, описан Faaij et al., в журнале Biomass and Bioenergy, 12(6), 387-407 (1997), далее «работа Faaij». Составы, описанные в работе Faaij, соответствуют воздушной газификации твердых городских отходов и другой биомассы. Однако сырой сингаз по Faaij содержит 13,98 об.% CO во влажном сингазе (16 об.% CO в сухом газе), что является нежелательно низким по сравнению с требуемым составом сингаза систем газификации отходов. Работа Faaij включает способы, которые ограничиваются только воздушной газификацией. Кроме того, в работе Faaij используется определенный тип газификатора с циркулирующим кипящим слоем (тип ACFB) технологии систем теплозащиты TPS. Кроме того, в работе Faaij не описан COS или HCl в составе сингаза. Концентрация NH₃ в работе Faaij составляет 1,00 об.% (на сырое вещество), что соответствует 11700 ppm (частей на миллион) NH₃. В дополнение к другим вышеперечисленным недостаткам, концентрация NH₃ в работе Faaij является нежелательно высокой для известных систем газификации отходов и очистки.

Другой известный способ получения сингаза описан M. Morris et al. из компании TPS Termiska Processer AB, Нючепинг, Швеция, в журнале Waste Management, 1998, 18 (6-8), 557-564, далее «работа TPS Termiska», где приводится состав сингаза, полученного из твердых городских отходов и биомассы. Как и в случае работы Faaij, концентрация CO оказывается нежелательно низкой для традиционных систем газификации отходов и очистки. Состав CO в потоке сингаза, описанном в работе TPS Termiska, составляет 8,8 об.% во влажном газе (9,74 об.% в сухом газе) и 48 ppm H₂S. В работе TPS Termiska не описаны COS, HCl, NH₃ или HCN. Как и в случае работы Faaij, работа TPS Termiska не описывает плазменный газификатор, но ограничивается газификатором с циркулирующим кипящим слоем. Кроме того, работа TPS Termiska ограничивается воздушной газификацией. В дополнение к вышеупомянутым недостаткам, в работе TPS Termiska требуется предварительная сортировка и обработка твердых городских отходов перед газификацией, что повышает стоимость и энергопотребление.

Другой известный способ газификации описан Jae Ik Na et al. в журнале Applied Energy, 2003, 75, 275-285, далее «работа Jae Ik Na». Работа Jae Ik Na описывает газификацию твердых городских отходов в газификаторе с неподвижным слоем. На фиг.9 и 10 в работе Jae Ik Na в составе сингаза отмечено 20-60% CO₂ и 5-20% CH₄, что является нежелательно высоким, тем самым приводя к более высоким затратам из-за специальных процессов, связанных с удалением этих соединений. В работе Jae Ik Na does не описаны N₂, H₂S, COS, HCl, NH₃, HCN или углеводороды, кроме CH₄. Кроме того, в работе Jae Ik Na не описано содержание твердых частиц. Кроме того, газификатор с неподвижным слоем в работе Jae Ik Na подразумевает зоны высушивания, пиролиза, газификации и сжигания внутри газификатора, где в каждой зоне требуются различные температуры, что обусловливает сложную обработку и дополнительное регулирование и/или энергопотребление.

Известный способ плазменной газификации описан в публикации M. Minutillo et al. из университета Кассино, Италия, в журнале Energy Conversion and Management, 50 (2009), 2837-2842, далее «работа университета Кассино». В работе университета Кассино приводится информация о сингазе, полученном с помощью плазменной газификации топлива из отходов (RDF). Содержание CO, описанное в работе университета Кассино, оказывается нежелательно высоким для традиционных систем газификации отходов и очистки, уменьшая тем самым соотношение H₂/CO. Кроме того, в работе университета Кассино нет указаний на состав сингаза из твердых городских отходов. Вместо этого, данное исследование предполагает использование топлива из отходов (RDF), которое получено из твердых городских отходов путем сортировки и обработки для исключения максимально возможного количества негорючих материалов, тем самым значительно увеличивая стоимость и энергопотребление, связанные со способом.

Другой способ плазменной газификации описан в публикации Vaidyanathan et al. в Journal of Environmental Management 82 (2007), 77-82, далее «работа Vaidyanathan». В работе Vaidyanathan описана плазменная газификация промышленных отходов и твердых отходов сухопутных войск США. В работе Vaidyanathan не описаны содержания углеводородов, HCl, NH₃, HCN, H₂S и COS или содержания твердых частиц. В работе Vaidyanathan, в их лабораторных экспериментах по газификации создается имитированный поток твердых отходов для имитации потока отходов сухопутных войск США. Состав потока твердых отходов, описанный в работе Vaidyanathan, сильно отличается от типичных составов твердых городских отходах. Например, содержание бумаги и картона составляет примерно 55 мас.%, что намного выше, чем типичный диапазон 10-35 мас.% Содержание пластика в отходах сухопутных войск США составляет около 25 мас.%, что также значительно выше, чем типичный диапазон 5-15 мас.% в типичных твердых городских отходах.

В патенте США №6987792 описан состав сингаза с по меньшей мере 40-45% Н₂ и по меньшей мере 40-45% CO, но какие-либо другие компоненты не описаны.

В дополнение к химическому составу сингаза качество потока сингаза определяется по величине содержания твердых частиц и распределению твердых частиц по размеру. В частности, два свойства твердых частиц для измерения качества потока сингаза включают содержание твердых частиц и процент твердых частиц менее 1 мкм. Как будет понятно специалисту в области удаления твердых частиц, частицы менее 1 мкм будет чрезвычайно сложно удалять. В связи с этим, концентрация и/или количество частиц менее 1 мкм характеризует степень легкости или сложности, с которой технологический поток может быть очищен.

Примеры содержания и размеров твердых частиц описаны Группой по стандартам на выбросы и технологиям EPA, которая выпустила два тома доклада, озаглавленного «Методы контроля за выбросами твердых частиц из стационарных источников» («Control Techniques for Particulate Emissions from Stationary Sources»), далее «доклад EPA». В докладе EPA приводятся примеры твердых частиц и распределения по размерам для различных областей промышленного применения. Два иллюстративных варианта применения выбраны для обсуждения по сжиганию твердых городских отходов. Первый иллюстративный пример использует данные содержания твердых частиц и распределения частиц по размерам, представленные для типичной крупномасштабной печи твердых городских отходов с топкой механического слоевого типа, сжигающей примерно 38200 кг/ч твердых отходов. Печи, на которые сделана ссылка, являются типичными печами, построенными в Европе в 1940 г., пять или шесть из которых были в эксплуатации в США в 1982 году, когда был издан доклад. Результаты показывают нерегулируемые выбросы пылевидных веществ (PM), твердые частицы присутствуют в потоке до очистки от частиц, имеют содержание 2360 мг/Нм³ и распределение частиц по размерам, в котором менее 20 мас.% имеет размер менее 1 мкм. И, наоборот, второй пример для меньшей системы модульной конструкции с применением ступенчатого сжигания при сжигании твердых городских отходов, дает содержание твердых частиц, намного большее для частиц малого размера, с более чем 90 мас.% выбросов PM менее 1 мкм, с аналогичными содержаниями 180-3340 мг/Нм³. Доклады EPA также подробно описывают содержание твердых частиц и распределение частиц по размерам для отходящего доменного газа. Газ получают при производстве первичного чугуна, при этом образуется доменный газ с высоким содержанием частиц, 27500 мг/Нм³, в котором менее 10 мас.% твердых частиц имеют размеры менее 74 мкм. Составы сингаза и отходящего газа, имеющие высокие содержания твердых частиц и высокие содержания тонкодисперсных частиц примерно менее 1 мкм, в целом не известны в области техники. Желательным в области техники является состав высококачественного сингаза, образованного из газифицированных отходов или плазменно-газифицированных отходов, который годится для эффективной очистки и производства энергии и не имеет недостатков известного уровня техники.

Краткая сущность изобретения

Один аспект изобретения включает состав потока сингаза, содержащий примерно до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 5-39 об.% H₂, 5-39 об.% CO, 15-50 об.% СО₂, 10-60 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-50 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,3-2,0, включая по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

Другой аспект изобретения включает состав потока сингаза, содержащий примерно от 5000 до 29500 мг/Нм³ или от примерно 30500 до примерно 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 10-30 об.% H₂, 15-39 об.% CO, 15-35 об.% СО₂, 10-30 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-30 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,6-1,5, включая по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

Другой аспект изобретения включает состав потока сингаза, полученный с помощью кислородной газификации, содержащий примерно до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 5-39 об.% H₂, 5-39 об.% CO, 15-50 об.% СО₂, 8-30 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-50 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,3-2,0, включая по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

В другом варианте осуществления изобретения состав потока сингаза, образующегося в результате кислородной газификации, содержит примерно от 5000 до 29500 мг/Нм³ или от примерно 30500 до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 10-35 об.% Н₂, 15-39 об.% CO, 15-40 об.% CO₂, 8-15 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-30 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,6-1,5 и по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

Другой аспект изобретения включает поток сингаза, включающий состав газифицированных отходов, полученный в результате кислородной газификации, содержащий примерно до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 5-39 об.% H₂, 5-39 об.% CO, 15-50 об.% СО₂, 8-30 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и включающий 15-50 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,3-2,0 и по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

В другом варианте осуществления изобретения состав газифицированных отходов, образующийся в результате кислородной газификации, содержит примерно от 5000 до 29500 мг/Нм³ или от примерно 30500 до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 10-35 об.% Н₂, 15-39 об.% CO, 15-40 об.% CO₂, 8-15 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-30 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,6-1,5 и по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

Другой аспект изобретения включает поток сингаза, включающий состав плазменно-газифицированных отходов, полученный в результате кислородной газификации, содержащий примерно до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 5-39 об.% H₂, 5-39 об.% CO, 15-50 об.% СО₂, 8-30 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-50 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,3-2 и по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц, имеющих аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

В другом варианте осуществления изобретения состав плазменно-газифицированных отходов, образующийся в результате кислородной газификации, содержит примерно от 5000 до 29500 мг/Нм³ или от примерно 30500 до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 10-35 об.% Н₂, 15-39 об.% CO, 15-40 об.% CO₂, 8-15 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-30 об.% влаги на сырое вещество. Поток имеет соотношение H₂/CO примерно 0,6-1,5 и по меньшей мере 15 мас.% твердых частиц имеет аэродинамический диаметр частицы не более 1 мкм.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ образования состава сингаза по изобретению с помощью плазменной газификации отходов. Не желая быть связанными какой-либо теорией или объяснением, полагают, что состав сингаза по изобретению может варьировать в зависимости от состава использованных отходов, количества кислорода, присутствующего во время газификации и температуры внутри газификатора. Как правило, более высокая рабочая температура плазменного газификатора позволяет использовать широкий диапазон сырья с одновременным получением точно определенных диапазонов состава сингаза. Использование кислорода во время газификации можно варьировать, чтобы максимально увеличить калорийность сингаза из крайне изменчивых отходов, одновременно сохраняя относительно стабильный диапазон состава сингаза. Например, при увеличении количества кислорода, присутствующего в ходе плазменной газификации (или применяя кислородную газификацию), можно получить сингаз, имеющий повышенное содержание CO₂ и пониженное содержание N₂. Для целей данного изобретения термин «кислородная» означает, что кислород вводится в плазменный газификатор, чтобы способствовать эффективному превращению отходов в сингаз, и для повышения калорийности сингаза и, при необходимости, может использоваться в сочетании с кислородом и/или воздухом, вводимым в плазменную горелку или в качестве экрана вокруг плазменной горелки. Кислород может вводиться в газификатор как обогащенный кислородом воздух или как товарный кислород (например, с чистотой по меньшей мере около 90% (по массе) кислорода). В качестве типичного, но не ограничивающего примера, концентрация кислорода в газификаторе может находиться в диапазоне от примерно 1 до примерно 50% по массе.

Другой аспект настоящего изобретения включает плазменно-газифицированный поток сингаза, образующийся в результате кислородной газификации, содержащий примерно до 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 5-39 об.% H₂, 5-39 об.% CO, 15-50 об.% СО₂, 8-30 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона на сухое вещество; и 15-50 об.% влаги на сырое вещество, и соотношение H₂/CO, которое составляет примерно 0,3-2.

Другой аспект настоящего изобретения включает плазменно-газифицированный поток сингаза, образующийся в результате кислородной газификации, содержащий примерно от 5000 до 29500 мг/Нм³ или от примерно 30500 и 50000 мг/Нм³ твердых частиц, 10-35 об.% H₂, 15-39 об.% CO, 15-40 об.% СО₂, 8-15 об.% N₂ и 0-2 об.% аргона, 1000-5000 ppm HCl, 1000-5000 ppm NH₃ на сухое вещество; и 15-30 об.% влаги на сырое вещество, и соотношение H₂/CO, которое составляет примерно 0,6-1,5.

Другое преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, что отходы могут быть эффективно газифицированы с образованием высококачественного сингаза, с использованием плазменного газификатора.

Еще одним преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является уникальное сочетание высокого содержания твердых частиц, концентрации HCl и концентрации NH₃, что допускает эффективную очистку сырого сингаза.

Еще одним преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является высокое соотношение H₂/CO, характерное для состава сингаза.

Еще одно преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, что отходы могут быть регулируемым образом и эффективно газифицированы в присутствии кислорода.

Еще одно преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения включает измельчение отходов без сортировки перед газификацией, которое уменьшает или исключает необходимость в предварительной сортировке или обработке отходов до газификации, что может снизить стоимость и энергопотребление системы.

Еще одно преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения включает плазменный газификатор, в котором не требуются зоны сушки, пиролиза, газификации и сжигания внутри газификатора, в каждой из которых необходимы разные температуры, что обеспечивает большую простоту управления и оборудования.

Различные аспекты, варианты осуществления, признаки и преимущества могут применяться по отдельности или в сочетании друг с другом. Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут ясны из последующего более подробного описания предпочтительного варианта осуществления, рассматриваемого вместе с сопровождающими чертежами, которые иллюстрируют в качестве примера принципы изобретения.

Краткое описание нескольких фигур чертежей

На фиг.1 показана приводимая в качестве примера система газификации согласно варианту осуществления изобретения.

На фиг.2 показана приводимая в качестве примера система газоочистки согласно варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предлагает состав высококачественного сингаза, образованный из газифицированных отходов или плазменно-газифицированных отходов, который подходит для эффективной очистки и производства энергии.

На фиг.1 показан вариант осуществления согласно настоящему изобретению, где система очистки 100 включает несколько систем для газификации отходов, удаления примесей и выработки энергии. Система включает газификатор 103, систему газоочистки 105 и систему выработки энергии 107.

Как показано на фиг.1, газификатор 103 может быть или плазменным газификатором или газификатором другого типа, который получает и перерабатывает подаваемые отходы 111. Условия для плазменной газификации отходов включают высокие температуры, давление в реакционном сосуде немного выше, на уровне, или немного ниже атмосферного, и подачу окислителя 113, такого как воздух и/или кислород. Когда отходы используются в качестве подающего потока, отходы могут быть или могут и не быть предварительно отсортированными до газификации, для удаления подлежащих вторичной переработке материалов, таких как стекло, пластик и металлы, и могут при необходимости совместно сжигаться с высокоуглеродистым сырьем 115, таким как уголь/ металлургический кокс/ нефтяной кокс. Виды отходов, которые могут подлежать процессу газообработки, представляют собой твердые городские отходы, коммерческие отходы, промышленные отходы, отходы строительства и сноса, твердое восстановленное топливо (SRF), топливо из отходов (RDF), осадки сточных вод, опасные отходы, автомобильные шредерные отходы, шины, или их сочетания. В одном варианте осуществления поток отходов, который подходит для данного изобретения, может содержать примерно до 40-100 мас.% Твердые городские отходы и коммерческих отходов или примерно до 40-100% твердых городских отходов и/или RDF и/или коммерческих отходов, при этом оставшаяся часть отходов включает промышленные отходы, отходы строительства и сноса и может включать опасные отходы. Может присутствовать примерно менее 15 мас.% промышленных отходов, примерно менее 30 мас.% отходов строительства и сноса (C&D) и примерно менее 15% опасных отходов.

Состав отходов, подаваемых в плазменный газификатор, влияет на состав образующегося продуктового потока сингаза. Одним из основных оцениваемых здесь видов отходов являются муниципальные твердые отходы. Изменения в составе твердых городских отходов существенно изменяют состав образующегося потока сингаза. Полный (т.е. химический) анализ различных источников твердых городских отходов был проведен и представлен для разных местоположений. Сообщения по результатам анализа, описывающие твердые городские отходы г.Нью-Йорка, США в целом и Великобританию в целом, свидетельствуют о составах твердых городских отходов, аналогичных представленным в таблице 2.

Таблица 2Состав твердых городских отходов в Нью-Йорке, США и Великобритании
Компонент	мас.% в твердых городских отходах
	г. Нью-Йорк	США	Великобритания
Бумага и картон	31,3	35,7	33,2
Пластик	8,9	11,1	11,2
Текстиль	4,7	4,3	2,1
Стекло и металлы	9,8	13,4	16,6
Кухонные отходы	15	11,4	20,2
Другая биомасса	16	15,9	16,7
Прочее	14,3	8,2	-

Твердые городские отходы могут содержать 10-35 мас.% бумаги и картона, 5-15 мас.% пластика, 2-7 мас.% текстиля, 2-17 мас.% стекла и металлов, 15-30 мас.% кухонных отходов, 15-25 мас.% биомассы (включая садовые отходы, скошенную траву, древесную щепу) и 0-20 мас.% различных прочих материалов таких, как батарейки, домашний мусор, шины, резина и кожа (таблица 3). На долю золы приходится примерно 10-25 мас.% от твердых городских отходов исходя из данного состава.

Таблица 3Состав твердых городских отходов
Компонент	мас.% в твердых городских отходах
Бумага и картон	10-35
Пластик	5-15
Текстиль	2-7
Стекло и металлы	2-17
Кухонные отходы	15-30
Другая биомасса	15-25
Прочее	0-20

В некоторых вариантах осуществления твердых городских отходов могут быть предварительно отсортированными до сжигания в плазменном газификаторе и включают 10-50 мас.% бумаги и картона, 0-4 мас.% пластика, 2-7 мас.% текстиля, 0-4 мас.% стекла/металлов, 20-35 мас.% кухонных отходов, 15-30 мас.% биомассы (включает скошенную траву, древесную щепу) и 0-20 мас.% прочих материалов, таких как батарейки и домашний мусор, как показано в таблице 4.

Таблица 4Состав предварительно обработанных твердых городских отходов
Компонент	мас.% в твердых городских отходах
Бумага и картон	10-50%
Пластик	0-4%
Текстиль	2-7%
Стекло и металлы	0-4%
Кухонные отходы	20-35%
Другая биомасса	15-30%
Прочее	0-20%

Состав отходов строительства и сноса (C&D) обычно включает без ограничения грязь, камни, кирпичи, блоки, гипсокартон, бетон, сталь, стекло, штукатурку, пиломатериалы, кровельную плитку, сантехнику, кровельный битум, детали отопления и электродетали. Тем не менее эти материалы часто постоянно меняются из-за изменения характера строительных материалов с течением времени. C&D отходы могут содержать 5-30 мас.% твердые городские отходы. В целом C&D отходы состоят главным образом из древесной продукции, асфальта, гипсокартона и каменной кладки; другие компоненты, часто присутствующие в значительных количествах, включают металлы, пластмассу, грунт, кровельную плитку, изоляцию, бумагу и картон.

Данное изобретение основано на C&D отходах, которые включают 10-50 мас.% древесины, 10-60 мас.% бетона, 10-30 мас.% каменной кладки (кирпичи, камень, керамическая облицовочная плитка), 5-10 мас.% пластика, 5-15 мас.% металлов, 5-15 мас.% бумаги и картона и 0-20 мас.% различных материалов, таких как садовые отходы (таблица 5).

Таблица 5Состав C&D отходов
Компонент	мас.%
Древесина	10-50
Бетон	10-60
Каменная кладка	10-30
Пластик	5-10
Металлы	5-15
Бумага и картон	5-15
Прочее	0-20

Коммерческие отходы аналогичны по составу твердых городских отходов и содержат бумагу и картон, пластмассу, текстиль, стекло, органические отходы, металлы и другие материалы. Данное изобретение основано на коммерческих отходах, которые включают 20-70 мас.% бумаги и картона, 5-30 мас.% пластика, 0-5 мас.% текстиля, 2-15 мас.% стекла и металлов, 5-15 мас.% органических отходов (пищевые, садовые), и 0-20 мас.% прочих материалов, таких как батарейки и мусор (таблица 6).

Таблица 6Состав коммерческих отходов
Компонент	мас.%
Бумага и картон	20-70
Пластик	5-30
Текстиль	0-5
Стекло и металлы	2-15
Органические отходы	5-15
Другая биомасса	15-25
Прочее	0-20

В процессе плазменной газификации образуется поток шлака 117, при этом расплавленные металлы/неорганика выходят из одной части плазменного газификатора, а продуктовый поток сингаза 119 - из другой части плазменного газификатора. Под «продуктовым потоком сингаза» подразумевается, что поток сингаза является выходящим потоком процесса газификации отходов, такого как плазменная газификация, и может включать CO, Н₂, H₂O, CO₂, N₂, О₂, CH₄, H₂S, COS, NH₃, HCl, Ar, Hg, C_xH_y и тяжелые углеводороды (смолы), твердые частицы, содержащие уголь, золу и/или непревращенное топливо.

Чтобы создать поддерживающий слой для отходов и обеспечить поток шлака и транспортировку газа, факультативно может подаваться высокоуглеродистое сырье 115, такое как коксовое или угольное сырье. Пар 109 также может добавляться, чтобы способствовать транспортировке газа или течению шлака или для регулирования температуры.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения направлены на состав гетерогенного потока сингаза, образованного путем плазменной газификации отходов, в частности муниципальных твердых отходов (твердые городские отходы) и коммерческих отходов. Синтез-газ выходит из плазменного газификатора при высокой температуре и сначала охлаждается в газификаторе или в коленчатой трубе, непосредственно присоединенной к газификатору. Охлаждение в зоне свободного пространства газификатора может в некоторых случаях рассматриваться как часть охлаждения в газификаторе. Затем сингаз охлаждают далее, с помощью осуществления стадии закалки вместе с удалением твердых частиц и других примесей. При выходе из газификатора охлажденный поток содержит несколько компонентов газовой фазы в дополнение к CO и H₂, включающих NH₃, HCl, СО₂, N₂, Ar, COS, H₂S, инертные газы, водяной пар и углеводороды. Другие примеси, присутствующие в потоке газа, включают металлические примеси, такие как ртуть, и большое количество пылевидных веществ. В данном изобретении определяется состав потока газа на выходе из плазменного газификатора. Уникальные свойства данного потока важны для определения соответствующей последовательности очистки, необходимой для очистки данного потока таким образом, чтобы сингаз можно было использовать для выработки энергии с помощью газовой турбины, поршневого двигателя или двигателя внутреннего сгорания. Некоторыми уникальными особенностями продуктового потока сингаза являются высокое содержание твердых частиц и высокие концентрации аммиака и HCl. HCl и аммиак присутствуют в сопоставимых концентрациях и тем самым позволяют применять уникальную технологию очистки, такую как совместная промывка. Составы H₂S и COS также обеспечивают своеобразие газового потока.

Как показано на фиг.1, продуктовый поток сингаза 119 подают в систему газоочистки 105, где примеси, такие как твердые частицы, смолы, HCl, NH₃, вода, ртуть, H₂S, COS, инертные газы, углеводороды и другие примеси удаляются из сингаза с формированием потока очищенного сингаза 121. Под «потоком очищенного сингаза» понимается, что сингаз в значительной степени свободен от примесей для использования при сгорании для выработки энергии, производства топлива или химических продуктов, производства водорода и/или для практических применений, которые используют CO и/или H₂. В частности, содержание твердых частиц потока очищенного сингаза 121 составляет от 1 до 3 мг/Нм³ в случае подачи в газовую турбину для выработки энергии.

Поток очищенного сингаза 121 может быть потоком очищенного сингаза для производства энергии, который подают в систему выработки энергии 107, где сингаз сгорает или используется иным образом для выработки энергии. В одном варианте осуществления изобретения продуктовый поток сингаза подают в систему очистки и систему выработки энергии, которые сконструированы, чтобы максимально увеличить производство энергии из газифицированных отходов. В других вариантах осуществления система выработки энергии 107 может быть заменена процессом получения химического или жидкого топлива, таким как процесс Фишера-Тропша, установкой сепарации водорода или серией установок для получения чистого водорода, или другой установкой или устройством, которое использует сингаз для химического синтеза, или другим процессом, который использует CO и/или Н₂.

На фиг.2 представлен схематический вид системы газоочистки 105 для удаления примесей из продуктового потока сингаза 119. Содержащий большое количество твердых частиц продуктовый поток сингаза 119 из плазменного газификатора 103 охлаждается в подсистеме закалки 201, которая является частью системы обработки или очистки сингаза 105.

Приводимое в качестве примера, но не ограничивающее устройство плазменного газификатора для использования в настоящем изобретении включает сосуд вертикальной конфигурации, имеющий донную секцию, верхнюю секцию и крышку над верхней секцией. В некоторых вариантах осуществления донная секция, которая может быть цилиндрической, содержит углеродистый слой, в который одна или несколько плазменных горелок нагнетают плазменный газ для создания рабочей температуры по меньшей мере около 600°C (например, до примерно 2000°C). Хотя сами плазменные горелки могут достигать температур от примерно 2000°C до примерно 3000°C или выше, температуры, воздействию которых подвергаются отходы или сырье, могут варьировать в диапазоне от примерно 800°C до примерно 1500°C, и температуры сингаза, выходящего из газификатора, могут находиться в диапазоне от примерно 800°C до примерно 1200°C. Верхняя секция возвышается из нижней секции в виде конической стенки практически непрерывно, без каких-либо цилиндрических частей или частей другой формы до крышки сосуда, коническая стенка является обратно ориентированной, т.е. ее самый узкий диаметр поперечного сечения находится внизу, где она соединена с нижней секцией, и иногда именуется в настоящем документе как имеющая форму усеченного обратного конуса. Публикация патентной заявки США 2010/0199557 A1 описывает реактор плазменной газификации, и включена в настоящий документ посредством ссылки.

Один желательный аспект изобретения заключается в том, что более высокие т