CN102844410B - 将含碳原料处理成气化气的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学技术和装置，具体涉及将固体家庭和工业废料和其他含碳原料处理成可燃气化气的设备和热解和下吸式气化处理方法。

Description

将含碳原料处理成气化气的方法和设备
本发明涉及化学技术和装置，具体涉及利用热解和下吸式气化方法将固体家庭和工业废料、化石燃料以及其它含碳原料处理成气化气的方法和设备。
本申请要求享有2010年3月15日提交的美国临时专利申请序号61/314,002的优先权，在此将其全部内容引入作为参考。
背景
下吸式气化方法与上吸式气化方法——其是处理含碳原料的现代技术中通常使用的方法——相比具有多个优势。下吸式气化方法的一个这种优势在于低温热解区域形成的过程焦油、酸和蒸汽经过燃烧和重整区域，其中在暴露于高温下，其实现几乎完全转化成气化气。这使得能够利用所述气体在例如气体-柴油发动机、气体动力发动机或气体涡轮机中生成电能，并且冷却和纯化所述气体的成本最少。
同时，传统下吸式气化方法的特征在于遏制该方法更广泛应用的一些缺陷。技术和科学文献中已描述的传统下吸式气化方法的一些缺陷是：(1)不能使下吸式方法用于处理具有高含量挥发性组分的塑化和焦化原料，这是因为原料在干燥和低温热解的燃料箱中堵塞，其又导致不稳定的气化方法，然后其完全停止；(2)不能操作具有小或大碎屑的原料、呈现聚集加压体(aggregate pressed body)的原料或具有高灰分含量的原料——该灰分具有低灰分熔融温度；(3)必须关闭过程以进行周期性原料装载或额外的原料装载，其手动压碎和推送(被称为“添火(poking)”)，(4)需要周期性去除残留灰分和/或残留熔渣；(5)生成气体的v与组分的异质性，这是因为为装载原料而进行的中止使得更加难以利用这种气体；(6)气化器的低相对生产率，这是由空气流供应——其参数不允许启动大量熔渣形成过程(intensive slag formation process)引起；(7)生成毒性无机灰分残留物；(8)不能有效利用生成气体的热量以提高气化器效率；和(9)热损失显著。
概述
下文是对本发明示例性实施方式的概括描述。其被提供作为前言，以辅助本领域技术人员更迅速地理解后文的详细论述，并不意图以任何方式限制权利要求的范围，权利要求被附于此以具体指明本发明。
本发明设备的一个实施方式包括外部容器和内部容器，其中内部容器位于外部容器内，从而在内部容器与外部容器之间形成空间。设备还包括装载机构，其具有细长的装载机构干线；和原料进料器，其用于沿细长的装载机构干线移送原料。设备进一步包括气化器干线、燃烧室、气体出口和排渣机构。
上述设备的操作包括将原料连续供应到气化器干线中，其中原料在装载机构产生的压力下被供应，该压力使原料沿装载机构干线和气化器干线移动，并允许形成的气体和残留碳畅通无阻地通过所有处理区域，然后冷却，机械压碎和除渣。
本发明新方法的一个实施方式包括如下步骤：提供装载机构干线，提供干燥区域，提供塑化区域，提供热解区域，提供燃烧区域，提供重整区域，提供排渣区域，供应原料，在给装载机构装载下驱使所述原料通过所述装载机构干线和通过所述干燥区域、热解区域、燃烧区域、重整区域和排渣区域中的每一个，该装载机构包括细长的装载机构干线和原料进料器。所述方法进一步包括如下步骤：使所述原料形成塞，该塞使所述干燥区域、所述塑化区域、所述热解区域、所述燃烧区域、所述重整区域和所述排渣区域基本上密封地隔离大气；和使蒸汽从所述干燥区域的所述原料形成并与之隔离，使热解气体在所述热解区域形成，使基本上全部所述热解气体与所述热解区域中的所述原料隔离，从而使木炭残留物隔离和形成气化气。
附图简述
图1显示了根据本发明一个实施方式所述设备的示意性描述。
图2是实施本发明方法的一个实施方式的设备中功能区域分布的象征性描述。
图3是本发明方法的一个实施方式的流程图。
详述
本发明涉及将含碳原料处理成气化气的方法和设备。下文描述呈现以使本领域普通技术人员能够制备和应用本发明，并在此描述及其要求的背景下被提供。虽然将在处理家庭和工业废料的方法和设备的背景下对本发明进行描述，但对优选实施方式的多种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文所述原理可适用于其他含碳原料、设备实施方式和修改方法。
本发明允许处理形态结构多样、组分分馏和水分含量增加的原料，这种原料对于通过在前已知的方法而在下吸式方法中进行可靠和有效处理是不可能的。
参考图1，本发明设备的一个实施方式包括：外部容器1、内部容器2、燃烧室3、装载机构干线4和排渣机构5。
外部容器1优选由片状耐热钢制成，其形式为圆柱体，但其可由其他耐热材料制成，并可具有非圆柱的形状。冷却凸缘10连接于外部容器1的下端，优选带有环形空气冷却通道11。凸缘12连接于外部容器1的上端。气体出口13——优选地特征为矩形或圆形横截面，与外部容器1相切定位。气体出口13意图从本发明的设备排出生成的气化气。
热护套14优选位于外部容器1的外表面上。空气通道15形成于热护套14中。热绝缘护套14优选配备有外部套管16和降落垫17。在可选的实施方式中，外部套管16可被制成直径不同、由刚性同心桥连接在一起并且连接于下凸缘10的两个圆柱壳。盖18连接于上凸缘12。凸缘19位于盖18的下部上，空气分配箱20连接于凸缘19的上表面。凸缘19偶联凸缘12。凸缘19还连接于内部容器2的上部。
排渣机构5的机体9连接于下凸缘10。带有空气冷却通道24的凸缘23位于排渣机构5上方。空气通道48经过凸缘10和23，并连接空气冷却通道11和24。
在该实施方式中，内部容器2的特征在于圆柱形，和由片状耐热钢制成。内部容器2位于外部容器1中。内部容器1和外部容器2通过凸缘19连接。气体通道26位于外部容器1与内部容器2之间。
盖21通过带有空气分配外壳20的凸缘22连接于内部容器2的上部。燃烧室3位于内部容器2的下部。气化器干线8位于内部容器2内。位于内部容器2内的空气供应通道25连接空气分配外壳20与燃烧室3。管道可用于形成空气供应通道25。湍流器27的叶片形成在内部容器2的外表面上。
在优选的实施方式中，燃烧室3由耐热钢铸成。或者，燃烧室3可具有焊接结构或可以是另一适当形式。燃烧室3的特征在于内壁28和外壁29。进一步，在优选的实施方式中，燃烧室3由圆柱壳组成，该圆柱壳通过同心***固定在一起，形成内部容积——下风口弯道(under-tuyere bend)30，该下风口弯道30通过空气供应通道25连接于空气分配外壳20。
燃烧室3的内壁28可具有截锥形，并且其底部直径较宽。耐热涂层可被施加于燃烧室3的外表面。外部风口31可构成围绕内壁28圆周的喷嘴。
内部风口32位于燃烧室3的中心部分，与内部容器2的壁成一定角度。内部风口32通过空气供应通道25连接于空气分配外壳20。
装载机构7包括接收燃料箱33、原料供应通道34和装载机构干线35。装载机构可配备有活塞36或适当的另一设计机械驱动器。在优选的实施方式中，气化器干线8位于内部容器2中，使得气化器干线8的轴与装载机构干线35的轴基本上一致，并且装载机构干线35的下开口边缘4的位置水平于或略低于气化器干线8的上边缘。装载机构干线35的直径小于气化器干线8的直径。
在可选的实施方式中，装载机构干线35的位于盖21上方的部分可配备有冷却器。气化器干线8形成朝向底部放宽的截锥。优选在气化器干线8的壁中形成脱气槽。脱气槽优选切割穿过气化器干线8壁的全长，但可留下未切割部分——优选较接近气化器干线8的中部。在优选的实施方式中，脱气槽朝向气化器干线8的下端放宽。气化器干线8的底部直径小于内部容器2的直径。
在优选的实施方式中，气化器干线8沿其长以不同直径的钢环加固，该钢环连接于气化器干线8的外表面。这种钢环充当刚性结构。如果气化器干线的形状不同，则刚性结构将与气化器干线的形状一致。例如，如果气化器干线是八角形，则刚性结构将也是八角形。此外，在优选的实施方式中，气化器干线8配备有刚性肋，该刚性肋位于由脱气槽隔离的壁段上。
阻尼室37形成在内部容器2与气化器干线8之间。
排渣机构5包括圆柱形机体9。凸缘23连接于圆柱形机体9的上部。凸缘23配备有空气通道48。空气分配箱39连接于排渣机构5的底部40的内表面。空气分配箱39优选具有圆柱形，并且其上部有孔。空气供应通道38的分支管道通过排渣机构5的侧壁***，并与空气分配箱39相切连接。
排渣机构5还配备有平台41。旋转熔渣刮刀42位于平台41上。旋转熔渣刮刀42构成中空结构，其内部具有空气或水冷却***。熔渣刮刀42配备有冷却剂入口分支管道45和冷却剂出口分支管道46。熔渣刮刀42还配备有轴承装置4和机械驱动器43。平台41连接于排渣机构5的机体9。
凸缘23是平台41的延续。空气通道48位于凸缘23与10之间，空气通道48连接空气冷却通道11与排渣机构5的托盘24。一个或多个熔渣收集燃料箱47连接于平台41的下表面。熔渣收集燃料箱47连接于排渣锁定通道6。
优选实施方式的操作
原料被装载到装载机构33的接收燃料箱中。然后，批量原料被引入原料供应通道34。原料可由配备驱动器的活塞移送。由此，批量原料被引入优选倾斜的原料供应通道34，然后引入装载机构干线35。当一批原料被移入装载机构干线35时，活塞36位于其上位。在一批原料被引入装载机构干线35之后，活塞36，被其驱动器驱动，而下降到其下位，从而使原料沿装载机构干线35移动。气密性塞在活塞36施加的压力下并且协同压缩原料与装载机构干线35的内壁之间的摩擦力，由原料形成。
原料供应通道34的驱动器和活塞与装载机构干线35的操作是同步的。这允许将气密性可移动塞形式的加压原料批量供应到气化器干线8中。在下一次装载循环期间，在装载机构干线35中形成的新的塞推动前一塞向下进入气化器干线8。由于气化器干线8的直径大于装载机构干线35的直径，加压气密性塞形式的原料分解成较小部分，该较小部分遍布气化器干线8上部的整个表面。
装载机构干线35可配备有外部冷却器，该外部冷却器防止气密性塞在操作期间，特别是在气化器关闭期间，干燥或烧尽——这可导致塞气密性丧失。气化器干线8被构造为朝向其底部放宽的截锥。脱气槽，也朝向其底部放宽，允许减少原料(在其沿气化器干线8移动时)与气化器干线8的内壁之间的摩擦，这又有助于原料通过气化器干线8进入燃烧室5。
气化器干线8中沿其全长压紧的原料暴露于来自内部容器2的壁的外部热量，该内部容器2的壁通过热气由外受热，该热气生成于燃烧室3区域，并通过内部容器2与外部容器1之间的间隙被导向气体出口13。气化器干线8沿线的温度在其下部达到约700℃，在其上部达到约300-400℃。
湍流器27，由以螺旋形式连接于内部容器2外表面的多个金属叶片组成，增强从热气化气的上向流至内部容器2的壁的热传递。
由于活塞36的连续作用，气化器干线8中的原料朝向燃烧室3向下移动。在其沿气化器干线8移动时，由于暴露于热，原料发生改变。这种低温原料处理可大致分为三个阶段：干燥、塑化和低温热解。由此，气化器干线8代表低温处理区域——区域1。图2示意性证明了根据本发明所述设备内的不同区域：
区域1可大致分为三个区域：
–区域1.1–原料干燥区域；
–区域1.2–塑化区域；和
–区域1.3–低温热解。
过程蒸汽和包含轻质焦油和碳的热解气体通过在区域1低温处理原料而形成。这种蒸汽和气体通过气化器干线8的脱气槽进入阻尼室37。阻尼室37位于气化器干线8与内部容器2之间。然后过程蒸汽和热解气体通过间隙进入燃烧室3区域，该间隙由于气化器干线8下部与内部容器2的直径差异而形成。由原料在装载机构干线35中形成的气密性塞不允许区域1中形成的蒸汽-气体混合物排入大气。相同的塞防止空气由外进入。轻质焦油和碳连同热解气体——其形成于低温热解区域(区域1.3)，并经过气化器干线8的脱气槽——可阻塞阻尼室37的下部。但是，约1300°F的高温和从干燥区域(区域1.1)进入的蒸汽，使阻尼室37的下部脱焦油，从而允许蒸汽-气体混合物从阻尼室37畅通无阻地通过进入燃烧室3。
塑化区域(区域1.2)中没有脱气槽。必须确保在活塞36的压力下其聚集状态已从固态转变为粘性态的原料不在该区域被推出通过脱气槽而进入阻尼室37，这可对蒸汽-气体混合物自由通过产生阻碍。
空气供应通道25位于阻尼室37中，气化器干线8的脱气槽的对侧。受热于排渣机构5壁的空气从空气分配外壳20通过空气供应通道25被供应至内部风口32，并且还通过下风口弯道30被供应至外部风口31。
蒸汽和/或二氧化碳可通过位于阻尼室37上部的蒸汽入口49被引入气化器，作为附加的氧化剂。
内部风口32的位置水平于气化器干线8的下边缘。内部风口32被安置与内部容器2的壁成约45度的角。内部风口连接板支架，其也为气化器干线8中的原料提供支持，以防止原料突然落入燃烧室3区域。板支架也有助于将原料分成段。其又促进燃烧室3区域中残留碳的气化过程，因为其使来自外部风口31的空气与来自阻尼室37的气体能够一起自由穿透加压原料。
在经过低温处理区域(区域1)后，被分成段和部分压碎的蒸汽-气体混合物和残留碳在活塞36的作用下进入燃烧室3，其中存在高温处理区域(区域2)。区域2的特征在于温度范围为约1300°F至约2400°F，其中蒸汽-气体混合物和残留碳经受高温，如图2所示：
–区域2.1–高温热解以及随后的气化区域；
–区域2.2–燃烧区域；
–区域2.3–重整区域。
燃烧室3位于内部容器2的下部，并由中空下风口弯道30组成，包括燃烧室3的外壁28和燃烧室3的内壁29。空气供应通道25连接在内壁29的上部。外部风口31位于内壁29的中部——沿其整个外周。
内部风口32位于燃烧室3中。外部风口31和内部风口32形成风口弯道。残留碳和蒸汽-气体混合物在活塞36的作用下沿风口弯道从阻尼室37移出。受热于排渣机构5壁的空气通过空气供应通道25进入下风口弯道30，在此其进一步受热，同时冷却下风口弯道30的金属结构。
受热空气通过外部风口31以约30至50米/秒的速率进入燃烧室3的燃烧区域(区域2.2)。受热空气还通过内部风口32以大约相同的速率被供应至燃烧区域。最初，在燃烧区域中空气氧的影响下，出现高能气体几乎完全燃烧，和低温处理中(区域1)形成焦油，以及残留碳部分燃烧。由于燃烧区域(区域2.2)中氧化反应的放热效应显著，温度急剧升高至约2700–3100°F，使之能够利用具有高水分含量的原料，并通过水合气化产物另外增加生成气化气的量。
依次地，增加原料的水分含量使该区域的温度降至1600-2400°F。来自风口的高速空气显著强化(上至200%)直接在风口前方的残留碳的燃烧——相对于燃烧室3的总燃烧率。这允许松散风口弯道区域中存在的残留碳体，以在相同区域产生气化形成气体中的强碳沸腾效应，以加强该区域燃烧反应和第一次重整反应的效果，其依次地显著改善生成气化气的组成。
未在燃烧区域(区域2.2)气化的残留碳下降进入重整区域(区域2.3)，其中其参与第二次重整反应，第二重整反应导致完全气化。在该重整区域(区域2.3)中，在燃烧区域(区域2.2)中未与空气氧发生反应的低温处理气体和焦油最终在高温影响下从热残留碳和熔渣得到转化，并还原至简单可燃气体的水平。重整反应，发生在重整区域(区域2.3)中，具有极其显著的吸热特征。其导致该区域温度降低以及经过处理的气化气的温度降低至约1300-1450°F。
燃烧区域(区域2.2)和重整区域(区域2.3)中残留碳的无机组分充当吸附剂，并积极参与生成气化气与重金属、硫和氯化合物的危险掺合物的纯化，将其转化为无活性不溶于水的形式，即，主要是复合硅酸盐熔渣。
这些区域中的气体纯化程度和熔渣形成温度直接取决于残留碳中的无机组分的成分。因此，气体纯化程度和熔渣形成温度可应用原料中的无机添加剂进行调节，如金属氧化物、盐及其氧化物水合物、二氧化硅等。
燃烧区域(区域2.2)中形成的熔渣以液态、粘性态或固态被转移通过重整区域(区域2.3)进入熔渣区域(区域3)中，这取决于这些区域的温度、原料的形态结构和水分含量和无机原料添加剂以及可能的向气化器中另外供应过程蒸汽。熔渣在熔渣区域(区域3)经冷却和机械压碎，随后通过排渣锁定通道6移出。
凸缘23通过外部容器1的下凸缘10连接排渣机构5与气化器容器。通过空气通道48位于凸缘23与10之间，从而连接空气冷却通道11与排渣机构5的托盘24。空气通道***借助于供给气化器的冷空气使温度降低，该温度影响凸缘23和10、排渣机构5的机体和其他元件以及外部容器1的下部——其均位于高温区域。
在排渣机构5的托盘24中受热的空气通过垂直的空气通道15被供给位于盖21上的空气分配箱20，由此空气被导向燃烧室3的内部和外部风口。排渣机构5的机体9连接于平台41——在其过渡为凸缘23的点。机体9具有底部40。空气分配箱39位于底部40的内部。空气分配箱39优选被制成圆柱体形，并且在其盖上具有同心孔。
空气供应通道38被引入通过排渣机构5的机体9的侧壁。冷环境空气通过空气供应通道38被供应到气化器中。空气供应通道38优选以一定角度连接于空气分配箱39，从而改善空气分配箱39中的空气分布。旋转熔渣刮刀42位于平台41上。熔渣刮刀通过空气分配箱39的空气流得到冷却。熔渣刮刀42可配备其独有的空气或水冷却***、冷却剂入口45、冷却剂出口46、轴承座44和机械驱动器43。
在机械驱动器43作用下的旋转移送期间，熔渣刮刀42用其齿状边缘刮掉部分上述固体熔渣，但其也用其前尖锐边缘从平台41表面刮掉熔渣——该熔渣以熔融形式进入，但随后由于空气连续供应到托盘24中的冷却而固化在平台41的表面上。熔渣被压碎，并且在熔渣刮刀42的离心旋转力作用下被抛至一个或多个熔渣积累燃料箱47所在的平台41的外周。熔渣积累燃料箱连接排渣锁定通道6。由此，熔渣积累燃料箱47被填充压碎的熔渣。随后，锁定装置的上滑门打开(图1中未显示)，熔渣被排入锁定装置，从而清空熔渣积累燃料箱47。然后，上滑门关闭，并且下滑门打开(图上未显示)，从而从锁定装置清空熔渣。然后熔渣进一步被运输器导入熔渣积累燃料箱(图上未显示)。该过程能够实际上排出熔渣，而无任何环境空气进入气化器。
在经过高温处理区域后，气化气进入气体区域–区域4，其位于外部容器1与内部容器2之间的区域中。在通过内部容器2与外部容器1之间的空间从底部向上自燃烧室3下部上升至气体出口13时，气流冷却降至温度约300-400℃，这是由于在低温处理区域(区域1)中通过内部容器2对流传热。为促进热交换，湍流器27被安置在气体区域(区域4)中。
气流，从底部向上上升，进入湍流器27，其中其改变其移动方向，同时绕内部容器2以螺旋形轨迹移动。因此，气流的线性速度和湍流均得以增加。这两个因素连同增加的热交换表面(由于湍流器27的叶片表面)，显著提高了气体与内部容器2之间的热传递速率，从而在低温处理区域(区域1)中从气化气向原料传递最大量的热。
为避免对来自湍流器27的气体流动额外的阻力，气化气出口13优选以向下斜坡与外部容器1相切连接，这连同气流高速通过气体出口13，使可能存在于气化气中的碳和熔渣灰分在其下壁上的沉积最小化。
气体出口13具有外部热绝缘，并通过凸缘接合处连接热旋风分离器，该热旋风分离器具有热绝缘套管，该热绝缘套管使气化气通过旋风分离器容器壁的热损失最小化。热旋风分离器用于清除自气化器排出的气化气中的细小分散的碳和熔渣灰分，该碳和熔渣灰分可被收集于接收箱中，并通过锁定装置移除。
气化气可进一步被导入冷却和最终纯化***，其中冷却可伴随过程蒸汽或热水生成而进行，而有害掺合物的最终纯化对于其进一步工业应用可能是必需的。
为更好地理解本发明而非限制其范围，下文提供了对温度区域的描述。
温度区域
原料加热、干燥、低温和高温热解的过程在本发明的设备中同时发生。此外，氧化气体与原料分解产物和残留碳的相互作用也发生在设备中。
固体家庭废料(SHW)，作为气化器设备的原料，是有机和无机组分的非常多样化和多组分的组合物。表1包含作为下文讨论基础的数据。
原料的有机和矿物组分对于原料处理至关重要。其对生成气化气的组成和残留熔渣的形成具有主要影响。矿物组分的组成和类型均对原料处理具有影响。两种主要类型的无机组分被区分为：机械掺合物和与原料内含物化学键合的组分。
第一关键类型包括一定量的无机组分，其范围为原料总重量的约6%至约25%。这种类型的组分在原料中被发现为机械掺合物，如非铁和铁金属、陶瓷、建筑废料、碎屑(sweeping)、玻璃等，形成其矿物部分并包括下列主要组分，诸如：CaCO3、MgCO3、FeCO3、CaSO4、Na2SO4、FeSO4、FeS2、SiO2、具有各种含量的主要氧化物Al2O3、SiO2、CaO、Na2O、K2O和少量的其他金属氧化物的硅酸盐。
这些组分可象征性地按照其在原料中的含量递减，以下列顺序排列：
-SiO2–百分之几十；
-Al、Al2O3、MgO、Fe、F2O3、CaSiO3、CaCO3–百分数，百分之几十；
-Cu、Zn、S、TiO2、FeO、Ni、Pb、Na2SiO3、Sn、CaSO4、MgSO4、Cl-、S2-、Na2CO3–百分数，百分之几十；
-BaO、ZnO、Cd、NaCl、NaPO4、MgСO3、MgSO4、MgSiO3、K3PO4、CaCl2、MgCl2、K2CO3、Cr、Sb、SbO–百分之几十和几百；
-NaOH、LiOH、W、V2O5、Cr2O3、Ni2O3、PbO、ZnSiO3、F-、SO3 2-、Mn、V、Mo、As、Co、Hg、As2O3、BeO–小于百分之一百.
第二类型的无机组分包括与原料化学键合的组分，并构成较少量化合物。这种类型的矿物组分一般占原料总重量0.47%至2.81%。其中一些这种组分为，例如，金属及其氧化物和盐，其被包含在纸张、硬板、木材和染料中，包含在织物废料和聚合物材料中。
区域1-低温处理区域，其温度范围为：20÷700℃；该区域提供干燥、破裂和低温热解被引入气化器的原料。该区域可由温度范围大致分为3个区域：
区域1.1-干燥区域。温度范围为20÷150℃。
区域1.2-塑化区域。温度范围为150÷350℃。
区域1.3-低温热解区域。温度范围为350÷700℃。
区域1.1–干燥区域，其温度范围为：20÷150℃，位于装载通道的上部，其中发生下列过程：
-在装载机构干线的冷却部分中：压紧装载原料和形成气密性塞，其本质上是原料压块过程；
-在通过气化器干线上部的气化气热加温的区域：最初加温原料和蒸发游离水分；
-大量蒸汽形成；干燥原料，其中存在蒸汽部分过热；开始改变原料可熔成分的聚集状态的过程，软化原料体的局部区域。
在干燥过程的背景下，区分游离水分、与燃料混合的水分(即，直接接触水而得到的水分)和原料结构所含的水分(吸湿性水分)——通过蒸气吸附形成。
在加热处理期间，干燥速率迅速增加至恒定，然后稳定干燥速率期开始，并且在达到吸湿状态后，干燥速率递减阶段开始。蒸发区域深化进入加压原料体。在高强度加热表面床时内部床发生水分富集，这是由于水分从表面蒸发，且其在水热传导性暴露下转移到原料体中。
在干燥过程期间，热传导系数恒定地减少。热传递系数，以临界点开始，也随水分含量减少而急剧减少，这是由蒸发区域深化和原料干燥外床的耐热性增加引起。
这些过程导致原料内床的加温退化，造成原料内床完全干燥的时间增加。因此，气化器干线中整个原料的干燥区域的下限采用略微类似截锥的形状，该形状在底部具有其顶点，如图2所示。
由于原料干燥形成的蒸汽通过气化器干线的脱气槽进入阻尼室，在气化器干线中接触气化器的内部容器壁后，其形成部分过热。
在整个干燥过程期间，原料缩小；换言之，其体积减少，并且对其进一步加温导致更大的结构变化。
区域1.2-塑化区域，其温度变化范围为：300÷675°F，位于气化器干线的中部加温部分，其中发生下列过程：
-原料完全干燥；
-分解和破裂有机聚合物的过程开始；
-有机和无机来源可熔材料的聚集状态改变，转化为塑性或液体状态；
-整个原料转化为塑性移动体；和
-焦油和饱和及不饱和烃最初形成。
由此，在约120℃的温度下，聚乙烯开始熔化。随着温度增加，代表原料可熔部分的其他聚合物开始熔化。当温度达到约200-250℃时，所有聚合物转变为液体物质，其充满原料体的全部空间。同时，整个原料转变为塑性气密性物质，并且在装载机构活塞施加的压力下沿气化器干线内部空间缓慢移动。
在约390°F的温度下，矿物胶体转变为蒸气相。生成的水蒸气突破原料的粘性体，向上进入干燥区域，然后与干燥区域形成的水蒸气一起进入阻尼室。
在干燥区域中发生的结构变化过程中，整个原料显著缩小，且其热传导性增加，从而有助于整个原料体——包括其内部——被更快加温。但是，原料内部加温仍慢于外部。因此，塑化区域的下边界及其上边界采用不规则形的锥形形状，并在底部具有顶点，如图2所示。
在约480°F的温度下，诸如一氧化碳和二氧化碳的气体以及焦油开始从原料床排出。甲烷、重烃气体和氢气随加热进行开始排出。这种气体突破原料的粘性体，进入低温热解区域。然后该气体通过气化器干线的脱气槽流动进入阻尼室。
在气化器操作期间，气化器干线中塑化区域所在的区域没有脱气槽。这是为避免原料被挤出进入阻尼室。但是，塑化区域上部形成的蒸汽通过干燥区域的脱气槽进入阻尼室，同时塑化区域下部的焦油和气体通过低温热解区域的脱气槽进入阻尼室。
区域1.3–低温热解区域，其温度范围为约350℃至约700℃，位于气化器干线下部加温部分。区域1.3中发生下列过程：
-耐熔材料的聚集状态改变，其转变为塑性状态；
-有机化合物分解和破裂，聚合物的共价键和有机化合物的晶格断裂；
-大量气体排出；
-轻焦油物质排出，塑性材料固化及其碳化，起始于外层；
-整个原料体转变为残留碳；和
-某些有机盐分解。
原料的最初分解温度主要由原料的个体性质决定，虽然其略微取决于加热条件。原料包含的键合氧含量越高，其最初分解温度越低。
在原料的最初加热阶段，含氧组分首先由其排出，最少氧化的焦油物质最后排出。原料中的大量氧的可用性在其加热过程中导致放热效应，这是因为发生了氧化反应。这导致原料被额外加热，这依次地加速了其破裂。根据装载原料加温，所述过程进一步得到一些无机盐分解的支持，导致相应的氧化物形成，在一些情况下——氧和其他盐，：
氧化反应有助于增加原料在该区域中的温度，导致多种分解产物排出，该分解产物取决于原料的形态结构，主要如：蒸汽、二氧化碳、一氧化碳、乙酸、甲醇、甲醛、焦油、甲烷、乙烷、丙烯和氢气以及一些其他分解产物。
原料中聚合物材料的可用性导致乙烯和聚丙烯产量相应增加。同时，聚合物实际上完全分解，而无残留碳形成。
上述原料破裂和气体形成的过程导致原料量显著减少，并且其结构转变为密集多孔碳形式。随着加热过程继续进行，实际上是完成了焦油物质及其他产物排出，该焦油物质及其他产物在冷却下可凝结。虽然气体形成继续进行，其以较弱的强度继续。由于低温热解形成的原料分解产物通过气化器干线的脱气槽进入阻尼室。在阻尼室中，这种产物混合来自干燥区域的蒸汽，并在气化器内部容器壁的热辐射作用下或通过直接与其接触而进行进一步加温。沉积在阻尼室壁上的焦油和残留碳颗粒通过高的外部温度和来自上述干燥区域的蒸汽而再次去除。
液体部分排向干线中心和位于固体碳残留物上区域下边界的锥形致使原料塑性体挤出或液体部分通过干线脱气槽排入阻尼室的可能性降低。
区域2-高温处理区域，其温度范围为约700℃至约1300℃，其特征在于原料高温热解及其在暴露于空气氧和其他氧化剂下进一步气化成气化气。
该区域通过温度范围大致分为3个区域：
-区域2.1-高温热解区域。大概温度范围为700-900℃。
-区域2.2–燃烧区域。大概温度范围为900-1300℃。
-区域2.3–重整区域。大概温度范围为800-1100℃。
区域2.1–高温热解区域，其温度范围为约700℃至约900℃。该区域中发生下列过程：
最终气体转变过程；
残留的原料转变为固态多孔碳体；
无机盐分解和熔融，且其与原料的碳和矿物组分发生相互作用。
燃料有机物破裂发生伴随形少量甲烷、氢气以及微量其他烃气体形成。
900-1100℃的温度是实现挥发性物质从固体残留碳转变的最高温度。
某些碳酸盐在该区域熔化：Na2CO3–851℃，K2CO3–891℃，Li2CO3–618℃，并与原料的碳和矿物组分发生化学相互作用：
特别是，生成气体中的CO和CO2浓度增加。此外，某些氯化物熔化。例如：CaCl2-787℃，NaCl-801℃。熔化的氯化物和碳酸盐可与更多耐熔盐形成低共熔混合物，导致后者的熔融温度降低。这种现象对随熔融温度降低液体熔渣的后续形成具有显著影响。
区域2.2-燃烧区域，其温度范围为约900℃至约1300℃。该区域中发生下列过程：
-在低温处理原料下热解气体燃烧和热破裂；
-原料的部分残留碳燃烧；
-残留碳体由于气体动力学过程被压碎，残留碳转化为“沸腾”床状态；
-残留碳分离；
-燃烧气体由于残留碳氧化而重整；
-残留碳组分发生氧化过程和重整反应；和
-残留熔渣形成过程开始。
燃烧区域是主要气化区域，其中发生气体热解产物的分解和氧化和残留碳与空气氧和其他氧化气体的剧烈相互作用，该残留碳在位于气化器干线下部的分隔板的作用下被分段和部分压碎。最初仅气体产物被空气氧氧化，其与二氧化碳和蒸汽发生较小程度上的相互作用，该二氧化碳和蒸汽在低温处理原料过程中产生或被供应于气化器。
特定温度下气体燃烧过程的限制因素是扩散速率和——对于残留碳而言——异质相表面积、氧吸附率和反应产物解吸率。
燃烧区域在气化区域中被象征性确定为区域2.2，其下部包括重整区域–区域2.3。由于这些区域的气体形成过程复杂且相互关联，正如液体熔渣形成过程，必须将其共同考虑。
气化可用简单的化学反应(1)–(11)进行描述，其反映了燃烧区域发生的复杂过程：
C+O2=CO2+95407kCal/mol (1)
2C+O2=2CO+55514kCal/mol (2)
2CO+O2=2CO2+135300kCal/mol (3)
CO+H2O=CO2+H2+9849kCal/mol (4)
2CO+2H2=CH4+CO2+59000kCal/mol (5)
CH4+2O2=CO2+2H2O+191759kCal/mol (6)
C2H4+3O2=2CO2+2H2O+316195kCal/mol (7)
C3H6+4,5O2=3CO2+3H2O+460422kCal/mol (8)
C+H2O=CO+H2-30044kCal/mol (9)
C+2H2O=CO2+H2-20195kCal/mol (10)
C+CO2=2CO-39893kCal/mol (11)
燃烧过程在暴露于空气氧的情况下发生在燃烧室的上部，空气氧通过形成风口板的外部和内部风口供应，燃烧区域在该风口板中。
为增强气化过程，空气由于气化器元件冷却而加温。此外，蒸汽和/或二氧化碳可以高速被注入燃烧区域。通过风口以高速(上至50米/秒)注入的空气增强了原料残留碳的燃烧过程。其能够升高位于空气风口区域的燃烧室部分中喷射燃烧初始阶段的温度，至约1500℃，这是因为高放热反应的影响(1)-(3)以及在原料低温处理区域和高温热解区域形成的高热量气体和焦油烧尽(6)、(7)、(8)，取决于蒸汽和二氧化碳的量。
空气氧实际上在热解气体和残留碳的氧化反应中完全耗尽，并主要形成二氧化碳和蒸汽，该二氧化碳和蒸汽随后在气化过程中具有主要作用。还形成氧化气体。与残留碳发生相互作用的这些气体通过反应(9)–(11)主要被还原为简单的可燃气体。
燃烧区域的温度增加能够增强加氢气化反应(9)、(10)，这是因为对残留碳和蒸汽的额外加温，残留碳和蒸汽均由于氧化过程而生成。燃烧区域温度增加导致加氢气化反应速率提高(9)、(10)，允许利用水分含量增加的原料，而无需最初预先干燥或从外部另外供应蒸汽。
类似地，在暴露于初始高温下，残留碳的二氧化碳气化反应在喷射中发生(11)，其允许利用从外部供应的二氧化碳作为另外的氧化剂。
反应(9)、(10)、(11)主要发生在燃烧区域中喷射燃烧过程的第二阶段。这些是第一吸热重整反应。由于这些反应，燃烧区域下部的总体温度减少至900–1100℃。然后，第二重整反应(9)、(10)、(11)的作用起始于气化器的重整区域，导致在燃烧区域未发生反应的残留碳在暴露于残留的二氧化碳和蒸汽下气化，该二氧化碳和蒸汽转变为可燃的气化气。
通过多个风口、以上至50,000千克/平方米/小时注入的高速热空气增强直接位于风口前方的燃烧室区域中原料的气化。其连同增加的引入燃烧区域的受热空气量允许：
-切割、分割残留碳成片和松散残留碳，所述残留碳从气化器干线作为大的烧结多孔片进入燃烧区域；
-改善燃烧区域中的气体动力学性质，这是因为气化生成气体中残留碳的强沸腾效应，其又能够避免该区域中形成局部停滞区域；
-分离残留碳片，其中大而厚的残留碳压碎体部分下降进入气化区域，较小部分在燃烧区域中被气化；
-升高温度，不仅是风口所在的区域，而且还有整个燃烧区域，其允许最大限度地增强气化过程和增加该区域焦油、酸和复合烃转化的程度；
-使原料气化总强度加倍或增至三倍，例如，将穿过燃烧室整个横截面的通量从500增加至1500千克/平方米/小时；-生成组成改善的气体，这是因为其中简单可燃气体如CO和H2达到饱和，导致加氢气化反应(9)、(10)和二氧化碳气化(11)发生的水平较高；和
-减少生成气体总体积中的压舱物（ballast）含量，其中压舱物的形式为CO2、H2O、O2和N2，是空气气化的产物，这又允许更有效地利用生成的气化气，用于发电和其他用途。
残留碳的矿物部分也在气化区域发生化学上和结构上的显著改变。
由于高温，残留碳矿物部分的盐的分解过程在低温热解区域开始，在燃烧区域明显增强。由于供应的氧的作用，一些金属的完全或部分氧化可能是在位于风口前的燃烧室部分：
氮N和硫S在相同区域被氧化成氧化物SO2和NOx。其量取决于装载原料中所述成分的起始含量和燃烧室中的游离空气氧量。
在燃烧区域中，发生NH3、H2S和HCl及其他气体的形成反应，这些气体是从生成气体中去除的有害气体组分。
随后，在第二燃烧阶段，在预先重整反应的过程中，当氧完全耗尽以进行氧化时，部分氧化物在燃烧热碳的作用下被还原为金属和非金属：
特别是，SO2和NOx被还原为简单元素-S和N2，其进一步键合氧化物和金属，形成相应的硫化物和氮化物。
同样，二氧化硫-SO2的反应发生，形成硫化氢-H2S，其然后通过与金属氧化物相互作用形成相应的硫化物。
CaO+H2S=CaS+H2O
类似地，卤素键合，形成各种金属的氯化物和氟化物。
CaO+2HCl=CaCl2+H2O
NH3也可与某些氧化物和纯金属发生反应，氧化成氮或形成氮化物：
2NH3+3Mg=Mg3N2+3H2
2NH3+2Al=2AlN+3H2
2NH3+3CuO=N2+2Cu+3H2O
在气化区域中存在一些未反应蒸汽的情况下，下吸式方法，即盐水解，也是可能的，但其被最小化，这是因为加氢气化过程的活化和该区域中存在大量游离水分。
整个过程在区域2.3的重整区域持续进行。
区域2.3–重整区域，其温度范围为约800℃至约1100℃。该区域的特征在于：
-第二重整反应过程；
-纯化生成气体，去除危险组分；
-完成液体熔渣形成的过程；
-最终形成生成气化气组合物的过程。
由于在燃烧和重整区域中发生的过程，形成各种金属的氧化物，其包含原料矿物部分的碳掺合物和少量未分解盐以及还原纯金属。取决于原料的初始组成，可形成一定量的基于铁、铜和硅的金属合金。
暴露于高温,，金属部分如氧化物和纯金属及其盐可转变为气体状态。但是，多数挥发性金属及其化合物仍为固体或液体状态。这可通过其在高温区域的时间不足或通过其他挥发性较小的化合物——例如，某些硫化物、硅酸盐和氯化物——形成进行解释。
由于所述反应形成的硫化物、硅酸盐以及多种氯化物积极参与液态残留熔渣的形成。
形成任何硅酸盐熔渣的基本材料是二氧化硅SiO2。如果原料的矿物组分中缺少二氧化硅，则需要在原料准备期间进行添加。
在经过正在形成的熔渣床时，燃烧和重整区域生成的气体，被部分纯化掉危险的气体组分、与其一起去除的矿物灰分、固体金属颗粒和部分气态金属。因此，具有少量机械掺合物如矿物灰分、多种重金属以及其他有害组分的气体进入燃烧室。
此外，由于重整反应的吸热效应，燃烧室出口处的气化气的温度约在700–800℃的范围内。
在熔渣中、生成气体携带的灰分中和气化器过程完成时的生成气体中可能的重金属配比显示在表1中：
表1
但是，表1提供的比取决于金属活性水平、其在残留碳中的浓度以及矿物添加剂——其形式为，例如，石灰石、白云石和/或碱性铁矿石(base iron ores)——在原料的存在。
一般，固体家庭废料包含大量矿物组分。其浓度在原料进入燃烧区域时增加。这将通过如下进行解释：因为在低温处理区域中水分、气体产物和焦油从其移除，原料体积逐渐减少。因此，可减少矿物添加剂量，或其可根本不需要。
重要的是，原料包含液体熔渣的熔化添加剂。生成的熔渣应当足够可移动和可熔化，以确保气化器的操作无阻。形成的熔渣需要能够沿残留碳体中形成的通道流动，进入熔渣区域，其中熔渣被冷却，并随后被机械压碎和去除。过稠和/或过粘的熔渣可使燃烧和气化区域的渗透性降低，并因此可减缓或完全阻止气化过程。而且将其从气化器去除也可能非常复杂。
为便于熔渣通过和去除，可应用特定添加剂，如熔剂。在利用固体家庭废料作为原料的情况下，这些添加剂可被最小化或根本不需要。这是因为，原料的矿物组分与有机组分化学键合地(第二组)和作为机械掺合物(第一组)参与残留熔渣形成过程。
第一组的小机械内含物，在热解区域后均匀地分布在原料的有机部分中，略微受碳保护而免于暴露于高温，由此，其是熔渣形成的主要来源。
第一组的大机械无机内含物在热解区域后也略微受碳保护而免于暴露于高温。但是，尽管如此，由于其尺寸和重量大，其迅速经过燃烧区域，进入重整区域的下部。其结合更加可熔的小机械内含物，或缓慢熔化，获得灰分和熔渣颗粒。
在热解过程中，去除挥发性组分后，第二组的无机化合物留在残留碳的结构中，其熔融仅在碳去除后由于高温而发生，这是因为碳保护无机组分，阻碍其受热和进一步熔融。这些矿物内含物不是碱性熔渣形成过程的原因，并且通常其保持固体形式。
燃烧和重整区域的温度增加以及由于重整反应形成的大量矿物低熔点组分的可用性，使得具有低熔融温度和耐熔组分的低共熔合金形成。生成的熔渣是***的灰分体，其具有不转变为液体状态的固体内含物碳、耐熔合金和无机性质的颗粒以及不熔化或不发生化学反应的大颗粒。
在固体熔渣在重整区域中积累的情况下——固体熔渣的形成可关联于原料中过量的水分含量、原料中耐熔矿物组分量大或熔剂添加不足，固体熔渣可能完全或部分堵塞该区域。
如果发生这种情况，残留碳对熔渣体施加压力，其中残留碳在装载机构的作用下从气化器干线被供应到燃烧室中。这导致熔渣被挤出燃烧室区域，进入熔渣区域的空间，在此熔渣被冷却，压碎和从气化器去除。
区域3-该区域的温度范围为约300℃至约800℃，并发生下列过程：
-熔渣冷却；
-机械熔渣压碎；
-熔渣去除。
熔渣由于燃烧和重整区域中的原料处理而形成。熔渣主要组分是金属和非金属氧化物：SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、Na2O、K2O和金属合金的硫化物、氯化物、氟化物、内含物以及未反应的碳。由此，熔渣是复合非晶体和晶体形式的硅酸盐，其具有多种结构，具有一定量的机械内含物。
熔渣以各自的固态体形式或更罕见地以熔渣体形式作为流体(liquid)进入排渣区域。在此，其在进入气化器的冷环境空气的间接作用下缓慢冷却下来。当熔渣到达金属板平台时，其通过空气流从底部冷却下来。熔渣的液体部分迅速固化，然后其被旋转的熔渣刮刀切去。
通过机械驱动器旋转，熔渣刮刀的上部切口边缘切去部分固体熔渣。熔渣被压碎，破碎并从平台的一个或几个锁定通道所在的外周区域去除。然后，熔渣通过熔渣通道被去除至运输器，以从气化器排出。锁定通道能够进行排渣，同时有效防止环境空气进入气化器。
区域4–气体区域，其温度范围为约300℃至约800℃。在该区域中，气体从700÷800℃冷却至300÷400℃。
在重整区域后，生成的气化气进入气体区域，该气体区域位于气化器外部与内部容器之间的空间。从底部向上通过气化器外部与内部容器之间的空间，气流冷却至约300÷400℃，这是因为低温处理区域的热辐射。在该阶段中，发生气体“回火”，其在本申请的背景下意为气体组成最终确定。
为加速热交换，湍流器被安置在气体区域。湍流器是具有螺旋形通道布置的多通道隧道装置。从底部向上经过的气流进入隧道装置，其中其改变其方向，同时以螺旋形轨迹围绕气化器的内部容器移动。气流以直线速度增加，并开始湍流，其提高热交换，以允许在低温处理区域中最大限度的气化气至原料的热传递。虽然焦油以0.3÷0.5g/nm3的量被包含在气体中，但无焦油沉积在壁上或湍流器的叶片上，因为焦油的凝结温度低于300℃。
然后气流经过气体出口，进入热旋风分离器，在此其被清除细小的碳和熔渣灰分，该细小的碳和熔渣灰分一般以约3÷10g/nm3的量被包含在气体中。然后，由此被移除的细小碳和熔渣灰分通过接收燃料箱锁定被移出设备，并移至运输器以从气化器排出。
然后气化气被导向冷却和最终的纯化***，在此发生其被冷却和从剩余的危险内含物残留物中纯化，这对于制备适于发电或其他用途的气化气一般是必要的。
除非指明，本说明书所用的技术和科学术语具有本领域技术人员应当容易理解的含义。
在不限制以上描述和对于本领域技术人员而言显而易见的可能的修改下，下文是可与本文所述方法和设备相关的一些优势：
通过外部和内部风口***引入和由气体形成反应增强而形成的高速热空气使穿过整个燃烧室区域的通量增加至约1,000-1,500kg/m2/小时。实际通量除其他因素外取决于原料的形态结构和水分含量。
生成的气化气具有相对低的温度(约在300–400℃的范围内)，实际上不包含酸，焦油量在0.3–0.5g/nm3的范围内，细小分散的碳和熔渣灰分的量在3–10g/nm3的范围内。
重金属氧化物在生成气体中的含量相对低，因为重金属连同其他危险组分转变为无活性的和不溶于水的硅酸盐形式，然后其随熔渣从气化器中去除。
危险气体组分如NO2、NH3、SO2、H2S和HCl的含量被最小化。同时，复合饱和和不饱和气态烃，包括二英和呋喃，实际上不存在于生成气体中。
经冷却和清洁后，生成的气化气主要由СО、Н2、СН4、СО2和N2组成，其中СО2部分实际上减少至零，N2含量被最小化至这种气体在标准气体柴油、气体动力和气体涡轮机发电设备中的工业应用水平，其效率系数比现代热解和气化技术基于上吸式气化方法应用的蒸汽设备高两倍。
-在不限制本发明总体的情况下，通过实施根据本发明所述的设备可获得下列效益：
-利用固体家庭和工业废料及其他类型含碳原料的能力；
-原料准备的成本需求减少；
-无需进行原料的预先干燥；
-整个原料处理(热解和气化)可在相同设备中进行；
-原料改变和熔渣排出自动进行；
-可以随同热空气或空气-蒸汽混合物将氧-蒸汽混合物供应到设备中，其允许生成用于多种应用的多种质量的气体；和
-冷却和纯化/清洁***采用简化技术，因为低水平的污染物被发现在生成气体中，从而降低操作成本和重整装置价格。
下列实施例提供仅为示例本发明，不应被解释为限制其范围。
实施例1：在压力下用于床气化的设备技术方案。
在进入气化器前，准备原料(例如，固体家庭废料)，在此过量无机组分——特别是大部分——提取自原料；然后原料被压碎和分解。特定添加剂可通过配料器添加，这取决于原料如石灰石、白云石、碱性铁矿石以及气化气完成化学纯化的产物如例如Na2S、NaCl、NaOH、FeO、Fe2O3等的形态结构。然后原料经运输器进入装载机构的燃料箱中，被运输到处理设备中。
由于原料处理生成的气化气——其在设备出口处的温度在约300÷400℃的范围内，经过热绝缘出口到达热旋风分离器，该热旋风分离器配备热绝缘套管。在该分离器中，气化气被预先清除机械掺合物如熔渣和一定量的碳灰。
由于原料处理在气化器中形成的塞——其温度为约200℃，通过锁定通道被供向运输排出设备，并被导入储存燃料箱，在此其被进一步冷却。来自热分离器的塞灰分通过储存燃料箱和锁定排出通道被移至运输排出设备，在此其与来自气化器的熔渣混合，并被进一步运输到储存燃料箱中。
在分离器中从机械掺合物预先纯化后，气化气被导向第一热交换器，由冷水冷却，其中气体冷却至约40℃。同时，经过水处理***的冷水被加热至约60÷80℃的温度，并被导向第二热交换器。
第一热交换器配备有冷凝物接收器，其中冷凝的水蒸汽、气化器中未反应的残留焦油、细小分散的熔渣和碳灰与其他气体组分积聚在一起。所有冷凝液体、粘性和固体组分连同冷凝水被一起通过配料器从冷凝物接收器导入原料，该原料被供入气化器；或经过过滤器，其中过量水被从中移除并导向水纯化***。部分脱水的残留物被导入原料。
在第一热交换器后，部分纯化和冷却至温度40℃的气化气被供入精细过滤器，其中气体被进一步纯化。木片和/或木屑可被用作过滤元件，以更加彻底地清洁气体。在过滤器中使用后，这种过滤元件可被加入原料。经过清洁和纯化的气化气被导向化学纯化过滤器，在此其被纯化除去危险气体组分如HCl、H2S、SO2等的残留物。
过滤器的过滤元件可以是多孔固体结构，由铁氧化物Fe2O3和FeO组成，该铁氧化物纯化经过其中的气体。含硫和含氯的组分结合在过滤元件的表面上。过滤元件的清洁和再生通过其中循环通过NaOH溶液而进行。碱性溶液包含硫化钠和氯化钠Na2S、NaCl以及一些溶解的铁氧化物，如具有多种组成的复合化合物，如Na[Fe(OH)4]、Na4FeO3等。
在这些物质在NaOH水溶液中达到必要浓度后，该溶液被替换为新溶液。用后的溶液与溶入其中的过滤元件颗粒如Fe2O3和其他化合物一起通过配料器被导入原料，并被用作添加剂。在化学纯化过滤器后，气化气被导入贮气罐，在此其组成达到均衡。然后，气化气可被用于气体-柴油、气体动力或气体涡轮机发电集合体。
由于气化气燃烧生成的温度为约900÷950℃的热烟气被供入第二热交换器，在此其被冷却降至约200÷250℃。同时，冷却用水在第一热交换器中被加热至约60÷80℃。取决于第二热交换器的需要和构造，在该热交换器的出口处可以得到具有多种参数的过程蒸汽和热水。蒸汽部分可通过单独的通道被导向气化器，作为附加的氧化剂。
对上述实施例的修改和修正以及变更可得自图3，其中显示了压力下的床气化方法的技术方案。
实施例2：固体家庭废料的主要应用技术的比较性特征。
为证明压力下的床气化方法相对于现有技术的效力，已利用简化的近似模型进行计算。由此，结果不能被认为是实际过程的精确反映。计算的主要目的是获得数据，基于此可对固体家庭废料应用技术方案的效力进行比较性分析。
下文提出的运算法则是压力下床气化技术的建模的步骤顺序。关于所有其他技术的计算，可应用相同原理、考虑方法技术方案之间的差异。所有技术的初始条件是相同的——即原料组成、其干燥和分类(对于所有技术，装载10%水分含量和10%无机组分的原料)。
1.供入气化器的原料。
1.1.计算基于固体家庭废料的平均形态结构，如下表所示：
固体家庭废料组分 含量，%
新闻印刷纸 2.89
其他纸 23,19
食品废料 9.02
家庭废料 3.94
塑料 16.84
织物 6.5
木材 4.94
胶体，皮革 12.68
玻璃 0
金属 0
其他无机物或所有无机物 20
建筑废料 0
合计 100
1.2.关于各个形态组的成分组成的参考数据假设如下：
1.3.基于关于各个形态组的形态结构和成分组成的数据，计算整个固体家庭废料的成分组成。在随后的计算中，为简化，应不考虑原料中的氯含量：
成分 含量，% 含量%，无氯
C 30.531 30.946
H 4.094 4.149
O 15.946 16.163
N 0.739 0.749
Cl 1.341
S 0.329 0.334
水分含量 19.451 19.715
无机组分 27.569 27.94
合计 100 100
有机部分 52.981 52.341
1.4.原料组成的计算在分类和干燥后进行。对于所有比较性计算，假设在分类后残留的无机物占10%，在干燥后水分含量为10%：
2.基于经过计算的固体家庭废料成分，装载的原料公式的系数组成被确定：
3.对每1,000g分类和干燥后的原料进行所有进一步的计算，即在这种情况下，每1,000g具有10%水分含量和10%无机组分的固体家庭废料。
4.基于得到的总公式——燃料中的成分重量、分子量、物质量、燃烧热——计算定量燃料特征：
5.计算原料的热值。
5.1.计算不含无机组分和水分含量的燃烧室组成：
С 59.124
H 7.927
O 30.88
N 1.431
S 0.638
合计 100
水分含量. 10
无机物 10
5.2.基于门捷列夫公式(339С%+1256H%-109,8(O%-S%)=Q)和成分组成，计算燃料热值。对燃料有机组分、分类燃料和未分类燃料的计算以kJ/kg进行，对分类燃料也以kJ/mol进行(后者需要进一步计算反应热效应)：
水分含量. 无机物 原料重量
燃料燃烧热-1，kJ/kg 26705.99 0 0 800.000
燃料燃烧热-2，kJ/kg 21364.79 10 10 1,000.000
燃料燃烧热-3，kJ/kg 13977.92 19.72 27.94 1,528.47
燃料燃烧热，kJ/mol 602.26 0 0 800.000
5.3.关于进一步计算热效应，利用基本气体(CO、CH4、H2)和碳(С)的燃烧热参考数据：
燃烧热 kJ/mol
С 406.8
СО 284
СО2 0
СН4 808
N2 0
Н2 239.9
Н2О 0
6.在计算中假设装载原料的热解过程和随后的氧气化(氧化)过程、加氢气化过程和热解期间形成的碳的二氧化碳气化过程逐次在反应器中发生。
7.热解过程被认为是模型反应：
СHONS=C+CO+CH4+H2O+H2S+N2+Н2
该等式的系数可改变，这取决于所用原料的组成。关于计算热解过程，还采用下列条件假设：
热解阶段的СО2不形成或在其他反应中被全部消耗；
NO、NO2和其他氮氧化物不形成或在其他反应中被消耗；
硫仅形成硫化氢；但是，在实际条件下，约50%的硫作为硫化物留在残留的熔渣中，并且部分硫可作为硫氧化物从反应器经过。
7.2.形成的СО和Н2О的比不能基于原料组成而准确确定。这些数据仅可以实践方式获得。由此，该值在计算条件中被初始设定为从原料转变为СО和Н2О的氧百分比。
7.3.类似地，无法准确设定СН4和Н2的比。为确定该参数，设定氢的百分比，其中氢从初始原料转移到产物如CH4、H2O、H2S和H2中。
7.4.基于原料中的成分重量和对于氢、碳和氧分布的设定条件，计算热解反应等式中的系数：
7.5.基于计算得到的反应系数，计算气体和碳重量和热解过程获得的量：
物质 气体量，l 重量，g(考虑熔渣中的С损失)
С 249.17
Н2 459.02 40.98
H2O 34.58 27.79
CO 311.27 389.09
H2S 3.57 5.42
N2 9.16 11.45
CH4 106.54 76.1
合计 924.14 800
8.用氧气氧化。
8.1.一定量的空气被供入反应器。该计算确定供入气化器以移除原料部分燃烧过程中的热能所必要的、保持气化器热平衡所需的空气量。
8.2．为简化计算，假设仅碳与氧发生反应。在实际过程中，最初，在热解过程中形成的可燃气体进行燃烧，并且碳部分与其平行燃烧。还假设燃烧过程充分，并且无不完全燃烧的产物形成：
С+O2=CO2
8.3.过量添加的空气可被用于或可不被用于计算中。
下表所反映的情况中无过量空气：
8.4.相应添加空气氮的耗氧的重量和量的任选值在最初被引入计算：
气体 重量，g 体积.l
添加的О2((如有，考虑过量) 280.54 196.38
理论上需要的О2 280.54 196.38
空气的氮气 738.76
添加的空气(如有，考虑过量) 935.15
理论上需要的空气 935.15
8.5.确定在原料部分(此情况下为碳)燃烧时形成的气化产物的重量和量以及此时消耗的碳的重量。
8.6.基于碳燃烧反应的热效应，确定全部所需空气氧发生相互作用时放出的热能总量：
反应热能С+О2=СО2，kJ/mol 406.8
反应热能С+О2=СО2，kJ/mol 3566.41
9.СО2转化-二氧化碳气化。
9.1.部分形成的СО2与多种固体或气体组分发生相互作用。为计算方便，СО2转化被认为是按照下列反应：
СО2+C=2CO
条件参数被引入，其仅可基于经验数据——СО2转化系数——确定。
9.2.在计算中利用转化系数计算СО2和碳反应的量和СО形成量。
10.加氢气化。
10.1.假设蒸汽与残留的碳的相互作用发生在燃烧和СО2转化后：
С+H2O=CO+2H2
这是主要反应。在实际过程中，多种其他产物在加氢气化后形成，但其量和效应可忽略不计。
10.2.考虑以下类型的水：第一是包含在原料内的水分；第二是添加的蒸汽或水；第三是热解过程形成的水。在某些情况下，原料中的初始水分含量可足量或可超过所需量。
在这种情况下，进行必须添加的水的水量计算。
11.气化器出口处生成的气体。
11.1.计算气化器出口处生成的气体的组成、重量、量、热量含量及其甲烷等价物。计算是基于生成的热解气体的组成进行的。综合这些数据，计算反应器出口处的气化气。
12.能量损失。
在这种情况下，考虑下列能量损失：1)吸热反应的影响；2)与熔渣去除相关的热损失；3)气化器设计损失；4)与气化器生成的热气相关的损失；5)与蒸汽从未反应水生成相关的损失。
12.1利用对各物质燃烧热的热反应效应参考数据，并进行部分热反应效应的计算：
原料热解的反应热能；2)С+Н2О=СО+Н2；3)С+СО2=2СО；
12.2.基于计算得到的热反应效应和反应物质的已知量，计算在这些反应过程中吸收或放出的热能量。然后，计算所有反应的热能总(合计)量。在这种情况下，观察到大量热能的吸收。
热解造成的热能，kJ 212.55
С+H2O=CO+Н2的反应热能，kJ -891.52
С+СО2=2СО的反应热能，kJ -706.62
反应总热效应，kJ -1385.55
12.3.与熔渣去除相关的热损失。
基于计算得到的热容量、熔渣的平均形态结构和已知量及其温度，进行对与熔渣从气化器去除相关的热损失的计算。
12.4.与气化器设计相关的损失。
通过气化器容器结构的热损失取决于多个因素，并且对于精细而准确的计算极其复杂。在这种情况下，假设这些损失相对于进入反应器的总能量占5%。
设计损失，% 5
Q3–构造损失，kJ -1068,24
12.5.与气化气一起移出反应器的热能。
对于每种气体组成，基于已知参考系数计算热容量。利用计算得到的气体量及其在气化器出口处的温度，确定在其冷却降至25℃时去除的热能量。
12.6.在过量水分进入气化器的情况下，还有必要考虑蒸汽自该水分形成的能量消耗。
在本实施例中无水过量。
12.7.合计气化器全部热损失。
合计损失(不包括反应的热效应)，kJ -2,180.82
合计损失(连同反应的吸热效应)，kJ -3,566
13.能量损失的补偿。
由于在碳燃烧过程中热能放出(参见8.6)，进行补偿。由此，有必要将一定量空气供入反应器，该空气量放出的能量相应于能量损失量。最初，假设任选量的空气供应(参见8.4)。在计算总能量损失后，可以通过试验和误差(trial-and-error)方法并且改变供应的空气量确定燃烧后放出能量的等同量和总能量损失。由此，可计算添加空气的需求量。
14.考虑如下，进行气化气同流换热的热能量计算：在同流换热后，气体冷却降至40℃，并且热传递造成的损失为10%。
排出的气化气温度，°С 350
气体冷却降至的温度，°С 40
600℃的气体热容量 1.36
40℃的气体热容量 1.30
同流换热时的热传递系数，% 90
Qp2–同流换热的热量，kJ 866.86
15.产生电能。
在比较性计算中考虑从气化气发电的两个选择：
1)应用气体动力设备，其效率因子为38.7%；
2)应用蒸汽涡轮机，其效率因子为20%。
生成气体的参数可以考虑利用气体动力设备产生电能的可能性。
效率因子，% 38.7
得自气体的热能量，MJ 19.18
得自气体的热能量，kWt小时 5.33
得到的电能量，kWt小时 2.062
16.气体动力设备之后烟气(flu gases)热能的同流换热。
在该计算中假设，自气化气的总能量中：
-38.7%转化为电能；
–41.3%转化为同流换热的热能，如输出热水或过程蒸汽；
20%为与反应器设计相关的损失和与烟气排入大气相关的损失(在该计算中离开热交换器的气体温度为250℃)。
全部气体包含的热能总量，kJ 19182.74
获得电能后的热能，kJ 7922.47
烟气热量同流换热的损失，% 20
烟气热量同流换热的损失，kJ 3836.55
得到的同流换热热能，kJ 4085,92
17.计算重量平衡。
输入重量是(a)装载原料、(b)供应的空气和(c)另外供应的水或蒸汽的总重量。输出重量由生成气化气重量和塞重量组成。
18.能量平衡
输入能量是装载到气化器中的原料的燃烧热。输出能量是全部生成气化气的总燃烧热和反应器全部热损失(即，气化气热量、设备损失、连同熔渣去除的热能等)的总和。
下表示例了本发明技术相对于在前已知和已用技术的某些优势。
虽然上文公开内容提出了本发明的原理，并且给出实施例仅用于示例目的，但应理解，本发明的应用包括所附权利要求范围内的所有常见的改变、修改和/或修正及其等同形式。
本领域技术人员将由上文理解，多种对于所述实施方式的修改和修正可被设定，而没有脱离本发明的范围和精神。因此，要理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可在本文具体描述之外实践。

Claims (27)

1.下吸式气化设备，包括：
细长的外部容器，其具有上端和下端，其中所述细长的外部容器形成为从其所述上端连续地延伸至其所述下端的结构；
细长的内部容器，其具有上端和下端，其中所述细长的内部容器形成为从其所述上端至其所述下端的连续结构，并且其中所述内部容器位于所述细长的外部容器内，从而在所述细长的内部容器与所述细长的外部容器之间形成空间；
固定的气化器干线，其具有内表面、外表面、内部空间、上端和下端，其中所述气化器干线形成为连续结构并且位于所述细长的内部容器内；
装载机构，包括细长的装载机构干线和原料进料器，所述原料进料器能够沿所述细长的装载机构干线移动所述原料，其中安置所述装载机构，以便使得所述原料能够进料至所述气化器干线的所述上端，沿所述气化器干线的整个内部空间并且向下朝向所述气化器干线的所述下端；
燃烧室，其邻近所述气化器干线的所述下端定位并且配备有至少一个内部风口；
气体出口；和
排渣机构，其邻近所述外部容器的所述下端定位。
2.权利要求1所述的设备，其中所述气化器干线的特征在于轴，并且进一步包括上端、下端和多个槽，所述槽沿所述气化器干线垂直地定位，其中所述多个槽中每一个形成为细长的开口并且其特征在于上槽端和下槽端。
3.权利要求2所述的设备，其中所述气化器干线的进一步特征在于所述下端的横截面垂直于所述轴，并且所述上端的横截面垂直于所述轴，其中所述下端的所述横截面大于所述上端的所述横截面。
4.权利要求3所述的设备，其中所述多个槽中的每一个槽沿所述气化器干线的长度安置。
5.权利要求4所述的设备，其中所述多个槽中至少一个的特征在于所述下槽端的宽度大于所述上槽端的宽度。
6.权利要求5所述的设备，其中阻尼室在所述气化器干线与细长的内部容器之间形成，并且所述阻尼室基本上沿所述气化器干线的所述外表面的整个长度延伸。
7.权利要求6所述的设备，其中所述阻尼室配置为引导气体从所述原料进入所述燃烧室。
8.权利要求7所述的设备，进一步包括
至少一个刚性肋，位于所述多个槽中相邻槽之间的所述气化器干线的所述外表面上，其中所述至少一个刚性肋基本上沿所述气化器干线安置；
至少一个原料破碎器，位于所述燃烧室正上方的所述气化器干线的所述内表面上；
至少一个刚性结构，位于所述气化器干线的所述外表面上，由此所述刚性结构配置为围绕所述气化器干线安置的圆形环，从而抵抗所述原料在所述气化器干线中移动时的压力。
9.权利要求1所述的设备，其中所述排渣机构进一步包括熔渣刮刀、空气冷却***和水冷却***。
10.权利要求1所述的设备，进一步包括气体湍流器，所述气体湍流器位于所述细长的外部容器与所述细长的内部容器之间。
11.权利要求1所述的设备，其中所述原料进料器是活塞。
12.下吸式气化方法，其使用权利要求1所述的设备并且包括步骤：
提供装载机构干线；
提供干燥区域；
提供塑化区域；
提供热解区域；
提供燃烧区域；
提供重整区域；
提供排渣区域；
供应原料；
用装载机构驱动所述原料通过所述装载机构干线和通过所述干燥区域、热解区域、燃烧区域、重整区域和排渣区域中的每一个，所述装载机构包括细长的装载机构干线和原料进料器；
使所述原料被驱动通过所述装载机构干线，以形成塞，所述塞使所述干燥区域、所述塑化区域、所述热解区域、所述燃烧区域、所述重整区域和所述排渣区域基本上密封地隔离大气；
使蒸汽形成并隔离所述干燥区域中的所述原料；
使热解气体在所述热解区域中形成；
使基本上全部所述热解气体隔离所述热解区域中的所述原料，从而使木炭残留物隔离；和
形成气化气。
13.权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：
使所述隔离的热解气体和所述蒸汽形成混合物；
使所述混合物移至所述燃烧区域；
使所述混合物在所述燃烧区域中燃烧；
使部分所述木炭残留物在所述燃烧区域中燃烧；和
将剩余部分的所述木炭残留物用于所述重整区域中的重整反应。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将空气供应到所述燃烧区域的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将氧和蒸汽的混合物供应到所述燃烧区域的步骤。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述空气被加热到至少100°F。
17.根据权利要求14所述的方法，其中以不超过60米/秒的速度供应所述空气。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：使所述热解气体所含的基本上全部烃转化为氢和一氧化碳，同时移动通过所述燃烧区域和所述重整区域。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述原料包括矿物组分，从而使所述气化气在其移动通过所述燃烧区域和所述重整区域时进行纯化。
20.根据权利要求12所述的方法，进一步包括向所述原料添加至少一种吸附剂的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一种吸附剂是金属、氧化物、盐或氧化物水合物。
22.根据权利要求12所述的方法，进一步包括向所述原料添加至少一种熔剂的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述至少一种熔剂是金属、氧化物、盐、氧化物水合物、硫化物或氯化物。
24.根据权利要求12所述的方法，进一步包括向所述原料添加二氧化硅的步骤。
25.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将蒸汽供入所述燃烧区域的步骤。
26.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将二氧化碳供入所述燃烧区域的步骤。
27.根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：使所述气化气在所述重整区域、所述燃烧区域、所述热解区域、所述塑化区域和所述干燥区域中至少一个的周围移动，从而降低所述气化气的温度。
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