CN105694977A - 用于气化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统包括可以气化原料的整体式反应器-合成气冷却器。整体式反应器-合成气冷却器包括可以接收第一合成气和原料并可以气化原料以生成第二合成气的反应区域。第二合成气具有与第一合成气不同的组成。系统还包括一个或更多个进料喷射器，其设置在整体式反应器-合成气冷却器中并可将原料供给至反应区域和冷却区域，冷却区域设置在反应区域的下游并包括一个或更多个冷却管。冷却区域可以接收并冷却第二合成气。

Description

用于气化的系统和方法

技术领域

在本文公开的主题涉及气化系统，并且更具体地涉及整体式反应器合成气冷却器，其可与气化器一起使用来改善气化系统的效率并调节最终产品气的组成。

背景技术

气化器将含碳材料转化成主要由一氧化碳和氢气构成的气态混合物，其被称为合成气体或者合成气。例如，气化系统可以包括一个或更多个气化器，其在高温下使原料与氧气和水或蒸汽反应生成合成气。合成气可被用于发电，化工生产，或者任何其它合适的应用。在使用之前，合成气可在合成气冷却器中冷却，并在气体处理系统中进行处理。

发明内容

与本发明最初要求保护的范围相应的某些实施例在下文进行概括。这些实施例并不意图限定本发明所要求保护的范围，相反地，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可以涵盖与在下文陈述的实施例类似或不同的各种形式。

在第一实施例中，系统包括可气化原料的整体式反应器-合成气冷却器。整体式反应器-合成气冷却器包括反应区域，其可接收第一合成气和原料，并可气化原料以生成第二合成气。第二合成气具有与第一合成气不同的组成。系统还包括一个或更多个进料喷射器，其设置在整体式反应器-合成气冷却器中，并可将原料供给至反应区域和冷却区域，冷却区域设置在反应区域的下游，并包括一个或更多个冷却管。冷却区域可接收并冷却第二合成气。

在第二个实施例中，方法包括在气化器中气化第一原料以生成第一合成气，将第一合成气引导至流体地联接至气化器的整体式反应器-合成气冷却器，以及将第二原料供给至整体式反应器-合成气冷却器。整体式反应器-合成气冷却器包括反应区域，其可通过与第一合成气反应来气化第二原料以生成第二合成气。方法还包括调节供给至整体式反应器-合成气冷却器的反应区域的第二原料的量以调节第二合成气的组成。

在第三实施例中，系统包括控制器，其包括一个或更多个有形的、非暂时性的、机器可读的媒介，它们共同存储一套或更多套指令；以及一个或更多个处理设备，其可执行一套或更多套指令以监控或者控制系统的运行。控制器还包括一套或更多套指令，其可将第一原料供给至气化器，并将第二原料供给至设置在气化器下游的整体式反应器-合成气冷却器的反应区域。气化器流体地联接至整体式反应器-合成气冷却器的反应区域，并可气化第一原料以生成第一合成气。控制器还包括一套或更多套指令，其构造成在整体式反应器-合成气冷却器的反应区域中气化第二原料以生成第二合成气。整体式反应器-合成气冷却器的反应区域利用来自第一合成气的热量来气化第二原料。一套或更多套指令还调节在整体式反应器-合成气冷却器的反应区域中的第二原料的量以使第二合成气富含甲烷或氢气，并调节第二合成气的温度。

本发明的第一技术方案提供了一种系统，包括：整体式反应器-合成气冷却器，其构造成气化原料，其中整体式反应器-合成气冷却器包括：反应区域，其构造成接收第一合成气和原料，并气化原料以生成第二合成气，其中第二合成气具有与第一合成气不同的组成；一个或更多个进料喷射器，其设置在整体式反应器-合成气冷却器中，并构造成将原料供给至反应区域；以及冷却区域，其设置在反应区域的下游，并包括一个或更多个冷却管，其中冷却区域构造成接收并冷却第二合成气。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，包括流体地联接至整体式反应器-合成气冷却器的气化器，其中气化器构造成生成第一合成气。

本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，第二合成气为在从整体式反应器-合成气冷却器排出之前，分别在冷却区域中通过与骤冷剂或者局部骤冷剂的组合而骤冷或者局部地骤冷中的至少一者。

本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，骤冷或者局部骤冷发生在冷却区域的下游部分。

本发明的第五技术方案是在第三技术方案中，骤冷剂由液态水和溶剂中的至少一者组成，并且局部骤冷剂由氮气、回收合成气、二氧化碳和过热蒸汽中的至少一者组成。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，冷却管与整体式反应器-合成气冷却器的中心线对齐，使得冷却管轴向和周向地布置在冷却区的至少一部分上。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，冷却管在整体式反应器-合成气冷却器周围周向地盘旋以在整体式反应器-合成气冷却器的至少一部分上形成螺旋形构造。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，整体式反应器-合成气冷却器的反应区域的至少一部分包括防护屏障。

本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，包括流体地联接至反应区域的颗粒分离系统，其中颗粒分离系统构造成从设置在反应区域上游的气化器接收第一合成气，以在将第一合成气引导至反应区域之前，实现熔渣或颗粒中的至少一者从第一合成气的分离。

本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，包括控制器，其构造成控制供给至反应器的原料、或者缓和剂、或者反应气、或其组合中的至少一者的量，以使第二合成气富含甲烷或氢气。

本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，一个或更多个进料喷射器周向地分布在整体式反应器-合成气冷却器中，并且其中一个或更多个进料喷射器构造成在整体式反应器-合成气冷却器内轴向地、周向地或者朝向整体式反应器-合成气冷却器中心线轴线引导原料。

本发明的第十二技术方案提供了一种方法，包括：在气化器中气化第一原料以生成第一合成气；将第一合成气引导至流体地联接至气化器的整体式反应器-合成气冷却器；将第二原料供给至整体式反应器-合成气冷却器，其中整体式反应器-合成气冷却器包括反应区域，其构造成通过与第一合成气反应来气化第二原料以生成第二合成气；以及调节供给至整体式反应器-合成气冷却器的反应区域的第二原料的量以调节第二合成气的组成。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，包括调节供给至反应区域的缓和剂和反应气中的至少一者的量以调节第二合成气的组成。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，第一原料和第二原料为相同的。

本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，第一原料和第二原料为不同的。

本发明的第十六技术方案是在第十二技术方案中，包括在将第一合成气引导进入整体式反应器-合成气冷却器的反应区域之前，从第一合成气分离熔渣和颗粒中的至少一者。

本发明的第十七技术方案是在第十二技术方案中，包括在整体式反应器-合成气冷却器的冷却区域中冷却第二合成气。

本发明的第十八技术方案是在第十二技术方案中，第二合成气为富含甲烷或氢气的。

本发明的第十九技术方案提供了一种系统，包括：控制器，包括：一个或更多个有形的、非暂时性的、机器可读的媒介，其共同存储一套或更多套指令；以及一个或更多个处理设备，其构造成执行一套或更多套指令以监控或者控制系统的运行，其中一套或更多套指令构造成：将第一原料供给至气化器，并将第二原料供给至设置在气化器下游的整体式反应器-合成气冷却器的反应区域，其中气化器流体地联接至整体式反应器-合成气冷却器的反应区域，并构造成气化第一原料以生成第一合成气；在整体式反应器-合成气冷却器的反应区域中气化第二原料以生成第二合成气，其中整体式反应器-合成气冷却器的反应区域利用来自第一合成气的热量来气化第二原料；以及调节在整体式反应器-合成气冷却器的反应区域中的第二原料的量以使第二合成气富含甲烷或氢气，并调节第二合成气的温度。

本发明的第二十技术方案是在第二十技术方案中，控制器调节整体式反应器-合成气冷却器的反应区域中的缓和剂或反应气的量以修改第二合成气的组成。

附图说明

当参考附图来阅读下文的详细说明时，将能够更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点，贯穿附图，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1为包括构造以产生第一合成气的气化器和构造以产生第二合成气的整体式反应器-合成气冷却器的气化系统的实施例的块状图；

图2为可与图1的气化系统一起使用的整体式反应器-合成气冷却器的实施例的横截面视图；

图3为具有在合成气冷却器上部区域中轴向地分布的进料喷射器喷嘴的图2的整体式反应器-合成气冷却器的实施例；

图4为具有在合成气冷却器上部区域上径向地分布的进料喷射器喷嘴的图2的整体式反应器-合成气冷却器的实施例；

图5为具有螺旋冷却管的图2的整体式反应器-合成气冷却器的实施例；

图6为图2的整体式反应器-合成气冷却器的实施例的横截面视图，其中第二合成气在排出整体式反应器-合成气冷却器之前被骤冷。

图7为图2的整体式反应器-合成气冷却器的实施例的横截面视图，其中第二合成气在排出整体式反应器-合成气冷却器之前被局部骤冷。

图8为具有在气化器和整体式反应器-合成气冷却器之间插入颗粒去除步骤的图1的气化系统的一部分的实施例的横截面视图；以及

图9为示出按照某些实施例的用于产生富含甲烷(CH₄)或氢气(H₂)的合成气的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种或更多种特定的实施例将在下文描述。在试图提供这些实施例的简要说明时，实际实施方式的所有技术特征并未在本说明书中进行描述。应当认识的是，对任何这样的实际实施方式所做的改进，如在任何工程或设计项目中所做的改进，大量实施方式特定的决策必须被做出以实现开发者特定的目标，例如与系统相关和商业相关的限制相一致，其在不同的方案中可能会是不同的。此外，应当认识的是，这样的改进尝试可能是复杂的和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员来说，其将会是常规的设计、制造和生产任务。

当引入本发明的各种实施例的元素时，词语“一”、“一个”、“该”和“所述的”意图是指存在一个或更多个元素。用语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括的并且指代除了所列出的元素，还可以存在其它的元素。

如在下文详细讨论的，所公开的实施例包括多级(例如两级)气化系统，该气化系统包括气化器(例如反应器)和整体式反应器-合成气冷却器反应器(例如反应器)，该反应器设计成调节在气化器中产生的合成气的组成。通常地，在气化过程中，原料(例如燃料)在气化器中经历部分氧化以产生合成气。所获得的合成气流至整体式反应器-合成气冷却器反应器中，并通过一个或更多个进料喷射器与供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器的另外的原料混合。另外的原料吸收源自合成气的热量，同时冷却并提高合成气的甲烷含量，后者会在更低的温度下促使发生。据此，气化系统可以帮助合成天然气(SNG)的生产，此外，通过控制供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器的另外的原料和水、蒸汽或其它化学物质的量，就可以调节合成气的组成。例如，可以调节合成气中甲烷(CH₄)的量或者一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的比例以在电力、煤制油(CTL)和化学装置应用中使用，并提高气化效率。据此，在本文中提供的为整体式反应器-合成气冷却器反应器，其构造成调节在气化器的上游产生的合成气的组成，以产生富含CH₄(例如合成天然气)或H₂的合成气。

图1示出了气化系统10的实施例，包括生成第一合成气14的气化器12和整体式反应器-合成气冷却器16(例如在单个壳体中带有反应器或反应区域以及冷却器或冷却区域的合成气冷却器)，该整体式反应器-合成气冷却器16包括构造成生成用于在一个或更多个下游应用中使用的第二合成气20(例如CO、H₂、甲烷、合成天然气(SNG))的整体式反应器-合成气冷却器反应器18和构造成吸收源自合成气20的例如以蒸汽形式(例如蒸汽72)的热量的整体式反应器-合成气冷却器冷却区域19。例如，第二合成气20和蒸汽72的至少一部分可被用于操作发电系统26、化学品生产系统28、煤制油(CTL)系统30、甲醇制烯烃化学品系统(MTO)34、合成天然气化学品装置(SNG)38和/或其它合适的系统或应用。

如所描述的，气化器12接收源自进料系统40的反应物。进料系统40将原料42和气化剂44(例如空气、氧气、氧化剂等)供给至气化器12。原料42被用作为用于气化系统10的能量源。原料42可以包括煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废弃物、焦油、沥青、源自精炼厂的重质残渣、或其它含碳物质。在气化之前，原料42可以通过碎裂、研磨、粉碎、磨碎、压块或者颗粒化原料42而在进料系统40中调整大小或者再成形。另外地，水或者其它合适的液体可被添加至原料42以生成浆料类型的原料。在其它实施例中，原料42中不会添加液体，或者原料42可被至少部分地干燥，由此产生可与加压和/或载气相结合的干燥原料。

如将在下文更加详细地描述的，气化器12包括反应器或反应室，其被设置在气化容器中以使气化原料42能够产生第一合成气14。气化器12可以将原料42转化为合成气14，例如一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的组合。这种转化可以取决于所利用的气化器12的类型，使原料42在高压(例如从约20bar至85bar)和高温(例如约1100摄氏度(C)至1600摄氏度)遭受控制量的气化剂44(例如纯氧气、空气或其混合物)和蒸汽48或缓和剂52(例如蒸汽、水或二氧化碳)来实现。气化器12可以是气流床气化器，例如上升气流或者下降气流气流床气化器。备选地，在一些实施例中，气化器12可以是流化床气化器，例如鼓泡流化床气化器或者循环流化床气化器。而且，尽管在图1中分离地描绘原料42和缓和剂52，但是在许多情况中，浆液(例如浆料类型的原料)和/或加压和/或载气(例如干燥类型的原料)可以是一体的，并且是与缓和剂52相同的。

实际的气化过程反应可被视为在不同的步骤中发生。例如，在气化过程中，原料42可以首先经历热解过程，借此原料42被加热，产生挥发物和焦炭的组合。在还称为脱挥发分作用的热解过程中产生的挥发物可以通过与气化剂44的反应而部分地燃烧。挥发物可以与气化剂44反应以在部分燃烧反应中形成二氧化碳(CO₂)和CO，其为随后的气化反应提供热量。在脱挥发分作用过程中产生的焦炭可以与CO₂和蒸汽反应以生成CO和H₂。本质上，气化器12利用蒸汽48和气化剂44以部分氧化一些原料42，以产生CO并释放能量，这会驱动另外的反应，包括经由称为水气变换反应的反应将另外的原料42转化为H₂和额外的CO₂。

在这种方式中，气化器12制备所获得的气体(例如合成气14)。这种所获得的气体可以包括多达85％的等比例CO和H₂，以及CO₂、H₂O、CH₄、HCl、HF、COS、NH₃、HCN和H₂S。这种所获得的气体可称为未处理的合成气，因为其包括所不期望的副产物，例如H₂S和COS。取决于所使用的气化器和原料的类型，气化器12还会生成由熔渣/颗粒混合物50组成的废弃物。应当注意到，熔渣/颗粒混合物50可以包括熔渣、细灰和焦炭，其中的至少一部分可以是湿灰材料。这种熔渣/颗粒混合物50可以在整体式反应器-合成气冷却器16中和/或下游，在未处理合成气的冷却过程中从合成气14至少部分地冷却和去除。此外，在这种冷却和随后的处理步骤期间，在从系统10排放之前，绝大多数的湿灰材料极有可能会被转化为干灰材料。

整体式反应器-合成气冷却器16可以包括帮助增加合成气14和/或进一步还原(例如甲烷化)合成气14的特征。例如，整体式反应器-合成气冷却器16可以构造成接收另外的原料(例如原料42)。另外的原料可以吸收源自整体式反应器-合成气冷却器反应器18中的第一合成气14的热量，并经历甲烷化反应，由此生成甲烷(例如第二合成气20)。在某些实施例中，整体式反应器-合成气冷却器反应器18可以供给有缓和剂52(例如蒸汽)，从而帮助原料的进一步转化，和甲烷(例如第二合成气20)的制备，或者此外或者备选地，还可以接收例如CO₂的反应气，其可以与第一合成气14和第二原料42反应以提高第二合成气20的产率。另外地，在第二合成气20流经整体式反应器-合成气冷却器16时，整体式反应器-合成气冷却器16可以包括帮助冷却所述第二合成气20的特征。例如，在整体式反应器-合成气冷却器16的下游冷却部分(例如冷却区域19)，整体式反应器-合成气冷却器16可以包括冷却管(例如热交换器)，可以通过与流经冷却管的冷却剂的直接热交换来冷却第二合成气20。此外，整体式反应器-合成气冷却器16可用于从气化器分离颗粒，例如熔渣/颗粒混合物50，以及所产生的任何其它的颗粒，作为引入至整体式反应器-合成气冷却器反应器18中的另外的原料的反应的结果，在将第二合成气20传导至相应的系统(例如，发电系统26、化学品生产系统28、CTL系统30、MTO系统34和/或SNG装置38)之前，可分别与第一合成气14和第二合成气20混合。应当注意到，在使用前，第二合成气20可以在整体式反应器-合成气冷却器16的下游进行其它的处理(例如洗涤、提纯等)。

气化系统10还可以包括控制器60(例如基于电子和/或处理器的控制器)以管理气化系统10的运行。控制器60可以通过与传感器、控制阀(例如阀64、66、68和70)和泵，或者遍及气化系统10的其它流动调节部件电连接来独立地控制气化系统10的运行。控制器60可以包括分布控制系统(DCS)或任何基于计算机的工作站，其为完全或者部分自动化的。例如，控制器60可以是采用常规目的或者特殊应用处理器的任何设备，二者通常均可包括用于例如气化参数(例如原料42的气化条件)的存储指令的记忆电路。处理器可以包括一个或更多个处理设备，并且记忆电路可以包括共同存储可由处理器执行的指令的一个或更多个有形的、非暂时性的、装置可读的媒介，从而如下所述地实施图9的方案，并控制在本文描述的行为。

在一种实施例中，在气化系统10的运行期间，控制器60可以操作流动控制设备(例如阀、泵等)，以控制不同系统构件之间的流量和/或流动。例如，控制器60可以控制阀66和68，从而分别调节供给至气化器12和整体式反应器-合成气冷却器反应器18的原料42的流量。类似地，控制器60可以控制阀64和70来分别调节至气化器的气化剂44的流量和至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的缓和剂52的流量。在这种方式中，气化器12和整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的气化反应(例如水气、水气变换和甲烷化反应)可以通过控制器60来控制。据此，在气化器12中产生的第一合成气14和在整体式反应器-合成气冷却器反应器18中产生的第二合成气20的组成可以如在下文更加详细描述地调节。应当注意到，在系统构件之间遍及用于调节不同流量和/或流动的气化系统10可以存在其它的阀。例如，与阀70类似的阀可被用于控制至气化器12的蒸汽48和缓和剂52的流动。此外，其它设备可被用于控制某些蒸汽的流速，包括容积式泵和其它这样的计量设备，而不背离本发明的范围。

在启动气化系统10时，控制器60可以执行启动控制模块来控制气化剂44、原料42、缓和剂52的流动，并在使用时，蒸汽48会被供给至气化器12。此外，在气化系统10的稳态操作期间，控制器60可以执行稳态控制模块，从而控制原料42和缓和剂52至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的流动，以及在整体式反应器-合成气冷却器16中生成的蒸汽48和蒸气72至气化器12、整体式反应器-合成气冷却器反应器18、和/或其它相关系统(例如系统26、28、30、34和36)、过程和设备的流动。控制器60可以使用启动和稳态控制模块来分别控制在启动和稳态期间的运行。例如，在启动期间，控制器60可以使第一量的原料42、气化剂44和/或缓和剂52流至气化器12中，使得第一合成气14具有帮助生成期望的组成的第二合成气20(例如富含H₂或CH₄)的CO/H₂。在稳态运行期间，控制器60可以逐步调节流经气化器12和/或整体式反应器-合成气冷却器反应器18的第二量的原料42、气化剂44、蒸汽48和/或缓和剂52，从而维持或调节第二合成气20的组成。例如，在气化系统10的启动期间，提高蒸汽生成可以是所期望的。如此，控制器60可以通过控制阀66和68将更高流动的原料42传送至气化器12，并将降低流动的原料42传送至整体式反应器-合成气冷却器16。控制器60随后可逐步地降低原料42至气化器12的流动，并逐步地提高原料42至整体式反应器-合成气冷却器16的流动，从而达到稳态条件，同时调节气化剂44、蒸汽48和缓和剂52的流动。在这种方式中，原料42和其它进料的流动可以在气化器12和整体式反应器-合成气冷却器16之间随着时间逐步地平衡，或者调节，从而实现所期望的运行条件设定。此外，在稳态运行期间，控制器60还可以使合成气(例如第一合成气14和/或第二合成气20)的组成最优化为根据第二合成气20的最终用途(例如发电、化学品生产、煤制油工艺和/或合成天然气)的蒸汽产生速率，通过控制阀66和68，并以所期望的速率设定原料42的流动。在某些实施例中，控制器60可以控制流动设备，该流动设备可以是称重机构的一部分，测量原料42在进入气化器12和/或整体式反应器-合成气冷却器反应器18之前的流量。在某些实施例中，控制器60可以使用经由输入信号提供的信息来执行在装置可读或计算机可读存储介质中包含的指令或编码，并产生至不同流动设备(例如阀64、66、68和70)的一个或更多个输出信号74，从而控制流体在例如气化剂44、原料42和缓和剂52的气化系统10内的流动。

应当认识的是，控制器60可以经由任何其它的合适方法控制气化成分(例如原料42、气化剂44、蒸汽48和缓和剂52)的流动。例如，在原料42为浆料进料的实施例中，可以使用计量泵。作为使用流动控制阀的替代，计量泵可以通过速度或流动控制来操作，从而调节浆料进料的流动。

如上所讨论的，第一合成气14流经整体式反应器-合成气冷却器16(例如具有反应器区域(例如整体式反应器-合成气冷却器反应器18)和冷却区域19的圆柱形容器)。整体式反应器-合成气冷却器16构造成调节第一合成气14的组成，以生成第二合成气20。图2为用于与图1的气化系统10一起使用的整体式反应器-合成气冷却器16的实施例的横截面视图。整体式反应器-合成气冷却器16的各种方面可以参考轴向方向或轴线100、径向方向或轴线102以及周向方向或轴线104来描述。例如，轴线100对应于纵向中心线106或者纵向方向，轴线102对应于与纵向中心线106相对的横向或者径向方向，并且轴线104对应于纵向中心线100的圆周方向。整体式反应器-合成气冷却器16可以包括容器110(例如圆柱形容器)，其可以作用为封壳，作为整体式反应器-合成气冷却器16的壳体或者外壳起作用。容器110包围上部圆柱形壳体部分114内的整体式反应器-合成气冷却器反应器18(例如反应区域)，和下部圆柱形壳体部分118内的整体式反应器-合成气冷却器16的冷却区域19(例如冷却区域)。

冷却区域19可以包括冷却管120，在合成气如箭头126所示地通过合成气冷却区域开口124流经整体式反应器-合成气冷却器16时，帮助冷却合成气(例如第二合成气20)。冷却管120可以在与整体式反应器-合成气冷却器16的轴向轴线100平行的一个或更多个半径处包括多个管道，并且还可以包括沿着径向轴线102以一个或更多个角度行进的多个管道，以及沿着一个或更多个沿着周向轴线104行进的半径行进的多个管道。冷却剂128(例如水或其它液体)可以流经冷却管120。由此，如在下文更加详细地描述的，冷却管120可以作用为整体式反应器-合成气冷却器16内的热交换器，并且可以循环冷却剂128，用于移除源自第二合成气20和与熔渣/颗粒混合物50相关的热量。

在一些实施例中，形成多个管道的许多个冷却管120的外径可以结合在一起以形成闭合表面。这样的结合可以通过数种方法来实现，包括但不限于管与管直接焊接、或者在相邻的管之间使用中间板或网状材料焊接。在某些实施例中，闭合表面可被用于引导合成气20和熔渣、细灰和焦炭50经过冷却区域19，提高冷却区域19内的热交换效率。在又一种实施例中，这样的闭合表面可被用作为防护屏障，以防止合成气20和熔渣/颗粒混合物50直接接触容器110的一部分，由此保护容器110免于暴露至过高的温度和腐蚀。其它的防护屏障可被用于在下文更加详细地描述的冷却区域19中。

如上所述的，整体式反应器-合成气冷却器16构造成接收第一合成气14和另外的原料(例如原料42)以调节第一合成气14的组成。应当注意到，供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的另外的原料可以是与供给至气化器12的原料42相同的或不同的。此外，流至整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的另外的原料的流量和/或流速可以是与流至气化器12内的原料42的流量和/或流速相同的或不同的。容器110还包括反应室开口130(例如中心轴向的开口)，以及围绕上部圆柱形壳体部分114周向104定位的一个或更多个进料喷射器开口132，其提供分别用于第一合成气14和另外的原料(例如原料42)的通道，并使第一合成气14和另外的原料循环经过整体式反应器-合成气冷却器16的反应器18。例如，反应室开口130可以如箭头14所示地接收源自气化器12的第一合成气14。类似地，一个或更多个进料喷射器140可以如箭头142所示地通过一个或更多个进料喷射器开口132将另外的原料供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18。另外的原料142利用源自第一合成气14的热量，并通过热解产生焦炭(C)、CO、CO₂、H₂、H₂O和CH₄。因此，另外的原料142可以使第一合成气14骤冷，由此降低第一合成气14的温度和整体式反应器-合成气冷却器反应器18的操作温度。如在下文更加详细地描述的，这种温度降低可有助于CH₄生产。应当注意到，一个或更多个进料喷射器还可以将其它成分供给至整体式反应器-合成气冷却器16。例如，在某些实施例中，取决于第二合成气20的下游应用，一个或更多个进料喷射器140可以供给例如氮气、蒸汽、回收合成气、CO₂或其组合的雾化介质。因此，一个或更多个进料喷射器140可以包括2或3蒸汽喷嘴排列。

在另外的原料142的气化过程中，蒸汽(例如缓和剂52)可被引入至整体式反应器-合成气冷却器反应器18中。蒸汽可与在另外的原料142的热解过程中产生的焦炭反应，从而通过已知的水气反应过程形成H₂和CO。另外的原料142利用在热解过程中源自第一合成气14的热量。在另外的原料142热解过程中产生的H₂和在第一合成气14中存在的H₂还可以与焦炭反应，以经由甲烷化反应产生甲烷。此外，蒸汽还可与在另外的原料142的气化过程中产生的CO反应以生成CO₂和H₂(例如水气变换反应)。类似地，经由水气变换反应生成的H₂可以与焦炭反应生成CH₄。因此，第二合成气20可以是富含CH₄的。

如上所述的，另外的原料142使第一合成气14骤冷，由此降低第一合成气14的温度和整体式反应器-合成气冷却器反应器18的总体运行温度。据此，通过控制供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的另外的原料142的量，在第二合成气20中存在的CH₄和/或H₂的量就可被调节。在某些实施例中，另外的原料142的量(例如供给至气化器12的原料42的量的约15％至20％)可将第一合成气14的温度降低至低于约1100摄氏度。如此，整体式反应器-合成气冷却器反应器18的运行温度就可以更有助于甲烷反应，并且第二合成气20可以富含CH₄。在其它实施例中，另外的原料142的量(例如供给至气化器12的原料42的量的约5％至10％)可将第一合成气14的温度降低至约1400℃至约1100℃之间。因此，整体式反应器-合成气冷却器反应器18的运行温度可更有助于水气变换反应。据此，第二合成气20可以是富含H₂的。在这种方式中，另外的原料142可被用于调节第二合成气20的CO/H₂比。

改变整体式反应器-合成气冷却器反应器18的停留时间或大小还可以影响第二合成气20的组成。例如，使用高挥发性含碳原料，另外的原料142就可以在与占据整体式反应器-合成气冷却器16的约大于20％体积的更大的整体式反应器-合成气冷却器反应器(例如整体式反应器-合成气冷却器反应器18)相比的占据整体式反应器-合成气冷却器16的约10％至20％体积的更小的整体式反应器-合成气冷却器反应器中(例如整体式反应器-合成气冷却器反应器18)产生富含H₂的合成气(例如第二合成气20)。

此外，相对于甲烷的量和/或CO/H₂比来说，改变用于另外的原料142的进料类型还可以改变第二合成气20的总体组成。例如，在某些实施例中，另外的原料142可以是带有高氢-碳比的高挥发性含碳原料。因此，在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内形成CH₄可以通过脱挥发分作用、随后与第一合成气14的焦炭反应，从而进一步提高CH₄的形成。与之相比，CH₄形成在以下情况中将会被降低，其中，另外的原料142是具有低氢-碳比的低挥发性含碳原料，其具有更长的停留时间。据此，使用带有高氢-碳比的高挥发性含碳原料的整体式反应器-合成气冷却器反应器18与另外的原料142为带有低氢-碳比的例如回收烟灰或焦炭的低挥发性含碳原料的情况相比在整体式反应器-合成气冷却器16内可以占据更小的体积。

应当认识的是，取决于第二合成气20的期望组成，原料42和另外的原料142可以是相同的或不同的。例如，在某些实施例中，原料42可以是低挥发性含碳原料，并可以最大化在气化器12中产生的H₂和CO，并且另外的原料142可以是高挥发性含碳原料，用以最大化整体式反应器-合成气冷却器反应器18的CH₄输出。如此，第二合成气20可以是富含H₂或CH₄的。

整体式反应器-合成气冷却器反应器18可以包括帮助形成甲烷的某些特征。例如，虽然在整体式反应器-合成气冷却器反应器18的运行条件下(例如低于约1100℃的温度)有助于甲烷形成，但是甲烷化反应的动力学通常是缓慢的。如此，需要提高整体式反应器-合成气冷却器反应器18中的气化成分(例如第一合成气14、缓和剂52和另外的原料142)的停留时间。在某些实施例中，反应室130开口和合成气冷却器开口124之间的间隙150可以是整体式反应器-合成气冷却器16的长度154的约20％至约50％。如此，整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的气化成分的期望停留时间可以实现，由此生成富含CH₄的第二合成气20。在其它实施例中，间隙150可以是长度154的约5％至约15％。这种构造可更有助于形成富含H₂的合成气(例如第二合成气20)。

除了提高气化成分(例如第一合成气14、缓和剂52和另外的原料142)的停留时间，一个或更多个进料喷射器140可以定位使得另外的原料142和第一合成气14的混合以及整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的温度分布可被控制。图3和4描述了进料喷射器构造，其可适用于将另外的原料142和/或缓和剂52(例如蒸汽)供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18。图3为一个或更多个进料喷射器140的实施例的透视图，该一个或更多个进料喷射器140围绕上部圆柱形壳体部分114(例如圆顶部分)周向地(例如轴线104)交错，使得一个或更多个进料喷射器140可以轴向地(例如轴向轴线100)和向内地(例如中心轴线106)导向另外的原料142和/或缓和剂52，使得源自每个进料喷射器140的另外的原料142和/或缓和剂52(例如蒸汽)可以朝向中心轴线106汇聚。一个或更多个进料喷射器140可以与中心轴线106呈锐角160(例如小于约90度)输出另外的原料142和/或缓和剂52。例如，锐角160可以是约0至89、10至80、20至70、30至60、40至50度之间，或者朝向冷却管120导向另外的原料142和/或缓和剂52的任何其它合适的角度。在某些实施例中，一个或更多个进料喷射器140可以在上部圆柱形壳体部分114(例如圆顶部分)处成簇地布置。相对于中心轴线106的锐角160可以允许一个或更多个进料喷射器140在与第一合成气14由气化器14流至整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的流动基本上平行的方向上导向另外的原料142的流动。如此，在相对更长的轴向距离上，第一合成气14的轴向动量可以提高，并且整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的温度可以降低。整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的空气动力学可以允许第二合成气20经由强制对流与冷却管120交换更多的热量，并由此沿着流动方向产生CH₄。由于第二合成气20沿着更长的轴向距离的冷却，这还可以帮助蒸汽(例如蒸汽198)在冷却管120内的形成。

图4为具有朝向中心轴线106径向(例如径向轴线102)定向的一个或更多个进料喷射器140的整体式反应器-合成气冷却器16的实施例的透视图。类似于在图3中描述的实施例，源自每个进料喷射器140的气化成分(例如另外的原料142和/或缓和剂52)汇聚于中心轴线106。如在图4中所描述的，一个或更多个进料喷射器140沿着整体式反应器-合成气冷却器反应器18定位在不同的高度(例如轴向位置)。例如，一个或更多个进料喷射器140的第一部分可以定位在第一高度，其相对于沿着中心轴线106的上游方向以锐角160导向气化成分的输出，并且一个或更多个进料喷射器140的第二部分可以定位在第二高度，其相对于沿着中心轴线106的上游方向以钝角162(例如大于约90度)导向气化成分的输出。例如，钝角162可以是在约90至179、100至170、120至160、130至150度之间，或者用于朝向中心轴线106导向另外的原料142和/或缓和剂52的任何其它合适的角度。这种构造可以导致在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内均匀的温度分布，并帮助第一合成气14的骤冷和促进还原反应(例如甲烷化)。第二合成气20的温度和动量可以在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内降低，并且冷却区域19内的热传导可以类似于自然对流冷却，而不是强制对流冷却，并且冷却管120的长度可以减小。如此，第二合成气20可以富含甲烷，同时在第二合成气20的冷却期间，在冷却管120内生成的蒸汽(例如蒸汽190)可被降低。在其它实施例中，一个或更多个进料喷射器140可以形成旋流。例如，一个或更多个进料喷射器140可以周向顺时针地或者逆时针(例如围绕轴线106的轴线104)地涡旋输出另外的原料142和/或缓和剂52。周向旋流可以帮助气化成分的均匀分布，由此改善整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的气化动力学，并帮助甲烷的形成。应当注意的是，一个或更多个进料喷射器140可以独立于彼此来运行。据此，一个或更多个进料喷射器140可以以顺时针或逆时针方向输出气化成分，并且其它进料喷射器140可以以相反的方向输出气化成分。与非旋流进料喷射器相比，构造成使另外的原料142周向旋流的进料喷射器可以允许第二合成气20的温度在沿着中心轴线106的更短距离内降低，并由此可以降低冷却管120的长度。

返回至图2，如上所讨论的，整体式反应器-合成气冷却器反应器18接收在高温高压下的第一合成气14和另外的原料142以产生富含CH₄或H₂的合成气(例如第二合成气20)。据此，整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的温度范围可以是在约500至1500摄氏度之间。因此，为了帮助保护整体式反应器-合成气冷却器16不受整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的高温和高压的损害，上部圆柱形壳体部分114的至少一部分可以包括防护屏障170，以帮助减轻可由整体式反应器-合成气冷却器反应器18内的高温和高压导致的任何潜在的不期望的作用。防护屏障170可以限定整体式反应器-合成气冷却器反应器18，并可作用为物理屏障，热屏障，化学屏障或其任意组合。例如，防护屏障170可被用于阻止过热或者提供对容器110的腐蚀防护。防护屏障170可以包括的材料例如但不限于难熔材料，难熔金属，非金属材料，粘土，陶瓷，水泥，以及铬、铝、硅、锰和钙的氧化物。此外，用于防护屏障170的材料可以包括砖块，可浇铸材料，涂层或其组合。此外，在某些实施例中，防护屏障170可以包括冷却壁，例如包括多个冷却管120的冷却壁，冷却管120可通过冷却剂128冷却。在一些实施例中，防护屏障170可以是保护整体式反应器-合成气冷却器16的反应区域(例如整体式反应器-合成气冷却器反应器18)和冷却区域19二者的至少一部分的连续结构的一部分。此外，防护屏障170甚至可以并入用于另外的防护的表面润湿膜或者蒸发冷却。

在另外的原料142的气化之后，第二合成气20如箭头126所示地朝向冷却区域19引导。如上所讨论的，冷却剂128(例如水)会被供给至冷却管120，从而帮助冷却第二合成气20。据此，整体式反应器-合成气冷却器16可以包括冷却剂入口174和冷却剂出口176，从而帮助冷却剂经过冷却管120的循环。因此，整体式反应器-合成气冷却器16可以作用为整体式反应器-合成气冷却器16内的热交换器，由此冷却第二合成气20并帮助从第二合成气20分离熔渣/颗粒混合物50。例如，在冷却期间，颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)可由第二合成气20分离，并如箭头178所示地通过集液槽开口182进入至位于冷却管120下方的集液槽180。在某些实施例中，集液槽180可以填充有液体184(例如水)，或者一种或更多种化学品(例如溶剂)，从而帮助冷却颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)并通过固体出口186更加容易地去除。如上文参考图1所讨论的，经冷却的第二合成气20通过合成气出口190导出整体式反应器-合成气冷却器16，以用于进一步处理(例如提纯)并在电力、化学品或SNG设备中使用。

在某些实施例中，冷却管120可与中心轴线106对齐。在其它实施例中，冷却管120可以是自中心轴线106倾斜(例如具有一定角度或轴向偏离)。也就是说，冷却管120可以自中心轴线106倾斜大约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10度或更大。冷却管120可以具有笼形、压盘、或其组合、或者帮助冷却剂128和第二合成气20之间热传导的任何其它合适的布置。例如，在一个实施例中，冷却管120可在整体式反应器-合成气冷却器16内以环形排列(例如围绕轴线100和中心线106)来布置。冷却管120可以是与相邻的冷却管120相间隔的(例如未接触)或者与之抵靠的(例如接触)，使得冷却管120的环形排列在整体式反应器-合成气冷却器16内形成笼状结构。在另一个实施例中，冷却管120以径向排列(例如沿着径向轴线102)来布置，其中单独成对的下部和上部径向排列与多个轴向管结合在一起，由此形成压盘。类似于环形排列构造，冷却管120可与相邻的冷却管120在相同的径向排列内相互间隔开或者相互接触。应当理解的是，在其它实施例中，整体式反应器-合成气冷却器16可以具有笼状和压盘冷却管布置。在其它实施例中，冷却管120可以具有漩涡(例如螺旋)布置。例如，图5描述了冷却区域19(例如下部圆柱形壳体部分118)中的螺旋冷却管196。在某些实施例中，整体式反应器-合成气冷却器16可以具有至少一个或更多个螺旋的、笼状或者压盘冷却管构造。此外，整体式反应器-合成气冷却器16可以使用前述冷却管布置的任意组合来构造，从而帮助冷却合成气。

第二合成气20在冷却区域19内的冷却期间，源自第二合成气20的热量可以导致冷却剂经过冷却管120而蒸发，由此产生蒸汽198，例如高压蒸汽(例如蒸汽48和/或缓和剂52)。如上文参考图1所描述的，在整体式反应器-合成气冷却器16内产生的蒸汽198可被用作为气化系统10(例如整体煤气化联合循环IGCC)和/或化学设备(例如MTO和/或SNG)内在别处的热源。例如，蒸汽198可被用作输入至余热蒸汽发生器(HRSG)，气体净化器系统，多种价元素系统，碳捕集系统，甲烷化系统，蒸汽吸收系统，过程热交换器，反应器，恒温器，或其任意组合。在某些实施例中，蒸汽198(例如作为缓和剂52)可循环至整体式反应器-合成气冷却器反应器18，以驱动另外的原料142的气化，并产生CH₄。据此，整体式反应器-合成气冷却器16有利地生成并冷却第二合成气20，并产生大量的高压蒸汽(例如蒸汽198)，其可具有大量的应用，包括用于发电。除了冷却，整体式反应器-合成气冷却器16还可以构造成调节第二合成气20。例如，如上所讨论的，第二合成气20的冷却可以导致颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)与第二合成气20的分离，致使颗粒的至少一部分如箭头178所示地落入至集液槽180内。

图6描绘了图2的整体式反应器-合成气冷却器16的特定实施例，其提供了用于第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50的进一步冷却，以及在冷却区域19的下游部分中，熔渣/颗粒混合物50和合成气20至少部分地分离。在该实施例中，整体式反应器-合成气冷却器16包括骤冷区域200，其位于冷却区域19的间接热交换部分202的下游，其中第二合成气20和/或熔渣/颗粒混合物50与集液槽180内的液体184(例如水)直接接触，进一步冷却第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50，所以第二合成气20可以变为液体184的蒸汽饱和的，并部分洗涤第二合成气20的熔渣/颗粒混合物50。

如在图6中所示，在冷却区域19的间接热交换区域202和骤冷部分200之间可以包括过渡部分204，以帮助将第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50由间接热交换部分202引导至骤冷部分200内。在某些实施例中，过渡部分204可以具有壁面205和锥面206，其包含并导向第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50，使得它们经过过渡部分204进入骤冷部分200内。壁面205和锥面206中的一个或更多个部分可以使用冷却流体来冷却，诸如在冷却管120中使用的冷却剂128，并且例如可以与在过渡部分204上游的冷却区域19部分中使用的冷却管120相结合。另外地或者备选地，壁面205和锥面206可以使用隔热材料而免受高温暴露的损害，诸如通过附接至锥面206的隔热层207示出。

过渡部分205下游的骤冷部分200可以包括骤冷环208，液面探测管(diptube)209，导流管210，集液槽180，骤冷排出喷嘴(例如，合成气出口190)，和固体出口186。集液槽180可以是连续的圆柱形容器110的壁面，并且液面探测管209可以由骤冷环208向下延伸至集液槽180的液体184中。此外，液面探测管209可以与导流管210同心地对齐。导流管210具有内径211，其比液面探测管209的外径大，使得导流管210围绕液面探测管209。导流管底端212可以终止于液面探测管底端213的下方。在某些实施例中，导流管底端212还可以与集液槽180的液体184直接接触。导流管顶端214可以终止于液面探测管209和锥面207之间界面的下方。所产生的液面探测管209和导流管210之间的排列形成围绕液面探测管209外侧的环形空间215。此外，一个或更多个骤冷液体组成管线216可被连接至骤冷环208。

在运行时，第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50可以由冷却区域19的间接热交换部分202经过过渡部分入口217，穿过骤冷环208离开过渡部分218。骤冷环208可以用作为歧管，其由通过供给经过液面探测管209的内表面220上的一个或更多个骤冷组成管线216的骤冷液体组成219而被冷却，并分配该骤冷液体组成219。第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50随后可以向下经过液面探测管209并进入集液槽180，在该处第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50可以与骤冷液体组成219和集液槽液体184混合。该混合可导致第二合成气20的快速冷却和现在温度更低的、更低颗粒含量的第二合成气20和集液槽水184的合成气混合物221的生产。结合骤冷部分200的几何形状的液压力可迫使合成气混合物221向上行进穿过环形空间215，并在离开环形空间215之后，夹带液体222的一部分可以与合成气混合物221分离，导致经由合成气出口190(例如合成气出口喷嘴)离开集液槽180的合成气混合物223带有降低的颗粒和夹带液体含量。因此而与骤冷部分200中的第二合成气20分离的颗粒和过量的水可以经由固体出口186去除，并且现在已骤冷的合成气223在使用前可以经历进一步的处理。

在图7中描绘的备选实施例中，第二合成气20和相关的颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)可以进行局部骤冷，其中冷却和颗粒分离的程度可以小于在图6描绘的实施例中所发生的。在该备选实施例中，骤冷部分200包括局部骤冷室224和固体分离区段225，固体转移管226和集液槽180。

类似于图6的过渡部分218，局部骤冷室224可以通过局部骤冷入口227、局部骤冷壁面228，局部骤冷锥面229，和局部骤冷出口230来限定。局部骤冷室224还可以包括冷却管(例如冷却管120)，其可以使用高温隔热材料231来隔热。然而，局部骤冷室224还包括一个或更多个局部骤冷介质供给管线，以用于使局部骤冷介质232喷射穿过一个或更多个局部骤冷介质喷嘴233。固体分离区段225直接位于局部骤冷室224的下方，并经由局部骤冷出口230与局部骤冷室224流体连接，并且固体分离区段225可以包括固体分离壁面234和固体分离锥面235。固体分离区段225还包括穿过固体分离锥面235的固体分离出口236，和与合成气出口190流体连通的至少一个局部骤冷合成气出口237。固体转移管226可以提供固体分离出口236和集液槽180之间的流体连接。

在运行时，源自冷却区域19的间接热交换部分202的第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50穿过局部骤冷入口227流入局部骤冷室224内。在这种方式中，第二合成气20可以通过一套或更多套局部骤冷介质供给管线和局部骤冷介质喷嘴233与供给至局部骤冷室224的局部骤冷介质232混合。在某些实施例中，局部骤冷介质232包括气态或蒸汽流，例如回收合成气、回收CO₂或者过热蒸汽，其完全位于它们各自的露点之上，当局部骤冷介质232在(1)喷射进入局部骤冷室224中和(2)与第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50混合时，冷凝将会被防止。这样的防护在避免与局部骤冷室224内及其下游的原料灰相关的污染方面是重要的。在局部骤冷室224内的彻底的混合之后，包括熔渣/颗粒混合物50的局部骤冷的第二合成气238穿过局部骤冷室出口230流入固体分离区段225中。具有降低的颗粒部分(例如熔渣/颗粒混合物50)的局部骤冷的第二合成气238穿过局部骤冷合成气出口237从颗粒分离区段225的侧面脱除。由局部骤冷的第二合成气238分离的颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)经由固体分离出口236排出，并经由固体转移管226流入集液槽180内。在一些实施例中，局部骤冷室224和颗粒分离区段225可以是组合的。在又一个实施例中，固体转移管226可以包括与骤冷液体组成208和骤冷环206类似的液体供给和分配歧管，其供给并分配用于连续地冲洗转移管226的内表面并冷却熔渣/颗粒混合物50的液体组成。

为了极小化第二合成气20中颗粒的量，在某些实施例中，气化系统10可备选地包括颗粒分离系统，其置于上游的气化器12和下游的整体式反应器-合成气冷却器16之间。颗粒分离系统可以去除在原料42的气化过程中生成的颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50和未反应的原料)，由此降低流经整体式反应器-合成气冷却器16的颗粒量，并降低热传导表面(例如冷却管120)的污染。例如，两级颗粒去除系统与在本文中通过参考而全部引入的美国专利申请13/833179中公开的类似，该系统可置于气化器12和整体式反应器-合成气冷却器16之间以帮助熔渣/颗粒混合物50从第二合成气20的去除。图8示出了包括两级颗粒去除系统242的气化系统(例如气化系统10)。在所描述的实施例中，气化系统10包括气化器12，其包括反应器243、用于将原料42和其它进料(例如气化剂44；缓和剂52，蒸汽48，水和/或例如CO₂的反应气)喷射至反应器22内的进料喷射器244。气化器12还包括增压室245，其包括用于从增压室245去除热合成气的热侧脱除管线246，和气化器骤冷室247。反应器243可以是基本上圆柱形的钢制压力容器248，其上部衬有防护屏障170(例如难熔材料)，该防护屏障170具有限定反应室252和增压室245的内表面250。反应室252和增压室245经由喉部253连接，喉部253连接反应室252的底部254和增压室245的顶部255。增压室245的底部256连接至骤冷环208，骤冷液体组成219的液流经由一个或更多个骤冷液体组成管线216供给至该骤冷环。骤冷环208连接至液面探测管209。液面探测管209向下延伸一段距离至骤冷室247内，其可以是未内衬的圆柱形钢制容器256，形成气化器容器248的下半部的一部分。源自骤冷环208的骤冷液体组成219通过围绕液面探测管209的内表面220的骤冷环208来分布，并且这种骤冷液体的膜沿着内表面220下降，并在作为气化器骤冷水池258的骤冷室247的底部257累积。骤冷水池258维持在液面探测管209底部上方的恒定水平，通过经由未示出的排出管线和控制阀由骤冷室247收回恰当流速的排出水。经由带凸缘的连接260连接至气化器12的为转移管线261，其包含热侧脱除管线246的延伸部。转移管线261为带有防护屏障170内衬的圆柱形钢制管道262，防护屏障170限定了热侧脱除管线246的内表面263。经由带凸缘的连接264连接至转移管线261的为颗粒分离容器266。颗粒分离容器266包括颗粒分离区域267，颗粒分离容器骤冷室268，和颗粒分离容器下游连接器270。颗粒分离区域267包含热侧脱除管线246的另一个延伸部，其终止于向下面向的喷嘴271，喷嘴271设置在孔口272的上方。颗粒分离骤冷室268具有颗粒分离容器骤冷环275，颗粒分离容器液面探测管274，和颗粒分离骤冷环水供给管线273，以上所有均与骤冷室247中的类似部件在形式和功能上相似。连接至颗粒分离容器266的下游端，下游连接器270流体联接至整体式反应器-合成气冷却器16，其包括反应区域18和冷却区域19。整体式反应器-合成气冷却器反应器18包括圆柱形钢制压力容器276，其衬有防护屏障170(例如难熔材料)。围绕整体式反应器-合成气冷却器反应器18的入口混合区域277设置的为一个或更多个进料喷射器140，以用于将另外的原料42喷射至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的内部。在一个实施例中，一个或更多个进料喷射器140可以垂直于整体式反应器-合成气冷却器16的长轴线(例如轴线100)定向。在备选实施例中，一个或更多个进料喷射器140可以与整体式反应器-合成气冷却器16的长轴线(例如轴线100)成锐角地定向。在另一个备选实施例中，进料喷射器140可以相对于整体式反应器-合成气冷却器16的轴线100成钝角地定向。在又再一个备选实施例中，所有的进料喷射器140可以朝向整体式反应器-合成气冷却器16的中心线(例如沿着径向轴线102)径向向内地定向。在又一个备选实施例中，进料喷射器140可以相对于径向方向(例如径向轴线102)成一定角度地定向，以便引起围绕长轴线的旋流。应当认识的是，进料喷射器140可以具有相对于长轴线(例如轴向轴线100)和/或相对于径向方向(例如径向轴线102)的角度的任意组合，以便提供最优化原料42喷射以及原料42和穿过整体式反应器-合成气冷却器16的气流的混合的定向组合。直接位于整体式反应器-合成气冷却器反应器18的入口混合区域277下游并流体连接至其的为整体式反应器-合成气冷却器反应器18的停留时间区域278。入口混合区域277提供用于第一合成气14和另外的原料42的空间，以快速地和有效地混合。停留时间区域278为第一合成气14和另外的原料42进行反应提供了足够的时间。直接位于整体式反应器-合成气冷却器反应器18下游并流体连接至其的为冷却区域19。冷却区域19为圆柱形钢制容器279，其包括一个或更多个冷却管120，诸如水、锅炉给水、蒸汽、传热流体或其一些组合的冷却剂128穿过冷却管120流动。冷却管120可以以各种组合来布置，以便最优化在冷却区域19内发生的期望的合成气冷却的量。例如，在一个实施例中，在图8中的冷却区域19的左手侧上示出的，一个冷却管120位于围绕圆柱形钢制容器279的内表面周围布置的多个冷却管120的外部，以便形成圆柱形冷却管笼。例如锅炉给水的冷却剂128经由冷却剂入口174和定位在冷却区域底端281的冷却剂入口管头部280进入管笼。在冷却区域19中回收热量之后，经加热的冷却剂128(例如蒸汽)会经由冷却剂排放头部282和定位在冷却区域顶端283的冷却剂出口174排出管笼。在备选实施例中，数个竖直压盘284被加至圆柱形管笼。冷却区域19可以包括任意数量的压盘284，诸如4、6、8、10、12、18、24或任意其它合适的数目。压盘284可以沿容器279的中心线轴线(例如轴向轴线100)的方向由管笼径向(例如径向轴线102)向内地延伸。在一个实施例中，压盘284并未自始至终均延伸达到中心轴线100，以便提供沿着容器279的中心轴线100的开放通路。在备选实施例中，压盘284自始至终延伸至中心轴线100，以便最大地利用冷却区域19内的体积。正如圆柱形管笼，冷却流体经由压盘底部入口(未示出)和压盘底部入口头部285进入压盘284。在冷却区域19中回收热量后，加热的冷却流体(例如冷却剂128)经由压盘顶部排放头286和压盘顶部排放管线(未示出)排出压盘284。应当注意到，如在图8中所示的，整体式反应器-合成气冷却器反应器18和合成气冷却区域19的入口混合区域277和停留时间区域278并不必须是按比例绘制的，并且在实践中，相对大小可以不同于在图8中所示的。例如，整体式反应器-合成气冷却器反应器18可以比冷却区域19更短、与之大小相同、或者更长。同样地，在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内，停留时间区域278可以比入口混合区域277更短、与之大小相同、或者更长。入口混合区域277、停留时间区域278和合成气冷却区域19的相对长度可以变化，以便产生所期望的原料反应和合成气冷却的相对量。此外，类似于在图6和7中所示的实施例，应当理解的是，取决于合成气的特定应用，冷却区域19之后还可以进行骤冷或者局部骤冷冷却。对于并入前者的实施例来说，第二合成气20和熔渣/颗粒混合物50可首先需要被重新导向以竖直向下地流动，以确保有效地引入至骤冷介质中。

在气化系统10的运行期间，进料喷射器24将原料42以及氧气和其它反应物(例如蒸汽、水或CO₂)供给至反应室252，在该处它们于高温高压下反应生成第一合成气14，其主要由CO、H₂、CO₂和H₂O构成，以及少量的例如CH₄、N₂、Ar、H₂S、COS和NH₃的化合物。此外，原料42中的任何不可气化矿物物质可在反应器(例如气化器12)中于高温下转化为小滴的熔融灰或熔渣(例如熔渣/颗粒混合物50)，其中的一些会在防护屏障170的内表面250上累积，并且其中的一些会夹带在第一合成气14的下沉气流中。在内表面250上累积的熔渣沿着内表面250向下移动，并随着介质排出喉部253，成为大滴，其继续向下进入液面探测管209并进入气化器骤冷水池258，在该处它们快速冷却以形成熔渣/颗粒混合物50的固化颗粒。固化的熔渣/颗粒混合物50经由气化器底部排放喷嘴290流至熔渣处理系统内(未示出)。剩余的熔融熔渣/颗粒混合物50的细滴夹带于第一合成气14中而排出反应室252。其它的细颗粒(例如焦炭、未反应的原料等)也可夹带在第一合成气14中。在经过喉部253之后，第一合成气14和所夹带的细颗粒会流动进入增压室245中颗粒分离的第一级。在增压室245内，第一合成气14的流动会被分为两个方向。较小部分的流动，例如约1％、2％、5％、10％、15％或20％继续向下进入液面探测管209并进入骤冷水池258，在该处其快速冷却并在该处介质成为大尺寸熔融的熔渣滴，并且其它夹带颗粒中的一些会与第一合成气14分离。第一合成气14的向下流动帮助所有大小的颗粒沿着向下的路径进入液面探测管209，并进入骤冷水池258，使得颗粒(例如熔渣/颗粒混合物50)可从第一合成气14去除。在向下进入骤冷水池258后，小的第一合成气14的流会逆向流动，经由排出喷嘴294随着经骤冷的合成气蒸汽292排出骤冷水池258的上表面，并排出气化器骤冷室247。剩余的较大部分的第一合成气14会被迫使非常急剧地转向进入热侧脱除管线246的上斜入口部分。因为仅熔渣/颗粒混合物50中的最细的夹带颗粒(例如熔融熔渣的细滴和焦炭或未反应的原料的细颗粒)能够沿着蒸汽管线并作出诸如急剧转向进入热侧脱除管线246的入口，所以急剧转向用作为有效的第一级颗粒去除步骤，从排出气化器喉部253的第一合成气14移除约80％至约99％的熔融熔渣和其它颗粒。例如，第一级颗粒去除步骤从第一合成气14移除约80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的熔融熔渣和其它颗粒。所去除的熔融熔渣滴和其它颗粒由于动量而继续进入液面探测管209和骤冷室247。一旦在热侧脱除管线246内，带有降低负载的细熔融熔渣滴和其它颗粒的第一合成气14就会继续穿过转移管线261，并进入颗粒分离容器266的颗粒分离区域267。这是颗粒分离的第二级。一旦在颗粒分离区域267内，第一合成气14和剩余的夹带细熔融熔渣滴以及仍处于第一合成气14中的任何其它的颗粒(例如焦炭)就会经由喷嘴271朝向孔口272加速向下。加速驱动剩余的细滴和颗粒向下穿过孔口272，并进入颗粒分离容器液面探测管274和颗粒分离容器骤冷水池296。小部分的第一合成气14(例如1％、2％、5％、10％、15％或20％)经过孔口272以帮助剩余细熔融熔渣滴和颗粒向下流动至颗粒分离容器骤冷水池296内。细熔融熔渣滴在水中快速冷却和固化，并作为固化熔渣流298经由骤冷底部排出喷嘴299排出颗粒分离骤冷室268。小部分的第一合成气14经过骤冷水池296，并经由合成气排出喷嘴297作为颗粒分离容器骤冷合成气295排出颗粒分离骤冷室268。穿过喷嘴271加速的更大剩余部分的第一合成气14产生180度转向，围绕喷嘴271的外部和热侧脱除管线246的延伸部流动，并向上流过颗粒分离容器下游连接器270。由于喷嘴271将第一合成气14加速至高速率，以及通过喷嘴271加速的更大部分的第一合成气14的非常急剧的180度转向，通过喷嘴271与第一合成气14一起加速的基本上所有的细熔融熔渣滴和其它细颗粒会向下驱动进入颗粒分离容器液面探测管274和颗粒分离容器骤冷水池296。由此，两级颗粒分离在从气化器12中产生的第一合成气14中去除基本上所有的夹带熔融熔渣和其它细颗粒是有效的。结果，向上流经颗粒分离容器下游连接器270并进入整体式反应器-合成气冷却器16的第一合成气14实质上是不合小滴和颗粒的。

在气化器12中生成的第一合成气14，已经通过气化系统240的两级颗粒分离过程242基本上清除了所有夹带的熔融熔渣滴和其它夹带颗粒，其会向上流经颗粒分离容器下游连接器270，并进入整体式反应器-合成气冷却器反应器18的入口混合区域277。在一个实施例中，围绕入口混合区域277设置的一个或更多个进料喷射器140将另外的原料42喷射至向上冲流的第一合成气14中。在另一个实施例中，进料喷射器140还可以喷射另外的进料，例如蒸汽或水或诸如CO₂的反应气，或者由装置的其它位置回收的燃料气。如上所述的一个或更多个进料喷射器140的数量、位置和方向构造成在入口混合区域277中根据需要最优化在第一合成气14和另外的原料42以及另外的进料之间发生的混合量。在混合之后，在高温第一合成气14中包含的热能驱动吸热气化反应，其将另外的进料42转化为另外的合成气(例如第二合成气20)。另外的原料42、另外的进料(如果存在)、第一合成气14和仅新制备的另外的合成气(例如第二合成气20)的反应混合物从整体式反应器-合成气冷却器反应器18的入口混合区域277流至停留时间区域278内，在该处反应混合物继续反应以产生第二合成气20。因为将另外的原料42转化为第二合成气20的吸热反应会从反应混合物吸收热能，所以混合物温度的下降与另外的原料42转化为第二合成气20的量直接相关。随着包含CO、H₂、CO₂和H₂O的气态混合物的温度下降，与这四种成分相关的水气变换反应的平衡会以这样的方式变化，即H₂和CO₂的制备会变得更加有利。同样地，随着包含CO、H₂、CH₄和H₂O的气态混合物的温度下降，与这四种成分相关的甲烷化反应的平衡会以这样的方式变化，即CH₄和H₂O的制备会变得更加有利。因此，在反应混合物的温度随着气化过程继续下降时，反应混合物的组成可以变为更加富含H₂和CH₄。因此，第二合成气20可以具有与第一合成气14不同的组成。特别地，第二合成气20与第一合成气14相比，可以是富含H₂和/或CH₄的。在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内，第二合成气20富含H₂和/或CH₄的程度取决于数个因素，包括第一合成气14的温度、流速和组成，喷射穿过一个或更多个进料喷射器140的另外的原料42的温度、流速和组成，与另外的进料42一起喷射的任何另外的进料的温度、流速和组成，以及所有材料在其中反应的入口混合区域277和停留时间区域278的直径和长度。应当认识的是，这些前述的参数可以变化以对排出整体式反应器-合成气冷却器反应器18的停留时间区域278的第二合成气20的组成和温度两者执行大程度的控制。

离开整体式反应器-合成气冷却器反应器18的第二合成气20的温度可以低于进入整体式反应器-合成气冷却器反应器18的第一合成气14的温度。与第一合成气14的温度相比，第二合成气20的温度的下降可以是与允许在整体式反应器-合成气冷却器反应器18内发生的另外的原料42的放热反应的量直接相关的。在排出停留时间区域278之后，第二合成气20立即流至整体式反应器-合成气冷却器16的冷却区域19内。在冷却区域19内，第二合成气20通过与在冷却管120内循环的冷却流体(例如冷却剂128)的直接热交换而被进一步冷却。离开冷却区域19的第二合成气20的最终温度与进入冷却区域19的第二合成气20的温度、组成和流速，以及冷却区域19内的冷却管20的表面积和布置直接相关。通过提供更大表面积和更加有效布置的冷却管120，第二合成气20的最终排除温度就会低于较小表面积和较低效率布置的冷却管120的情况。将会认识的是，随着第二合成气20经过冷却区域19，并且温度从其入口温度下降至最终出口温度，包括第二合成气20的成分可以继续反应，从而例如从整体式反应器-合成气冷却器反应器18将任何残留的、未反应的另外的原料42转化为另外的合成气。此外，例如水气变换反应和甲烷化反应的反应的平衡浓度可以在有助于更多的H₂和CH₄(与在离开整体式反应器-合成气冷却器反应器18的合成气(例如第二合成气20)中所存在的相比)生成的方向上继续变换。然而，在某时刻，第二合成气20的温度可以下降至反应速度如此之低以使得不会发生可感知的另外的反应。在该时刻，第二合成气20的组成可以以最终排出成分而稳定化。

将进一步认识的是，冷却区域19的污染行为可以通过整体式反应器-合成气冷却器反应器18的运行方式而有利地影响。尽管在气化器12和整体式反应器-合成气冷却器16之间置入的两级颗粒分离系统242从第一合成气14去除熔渣/颗粒混合物50(熔融熔渣滴，未反应的原料，焦炭等)，但是另外的颗粒会经由围绕整体式反应器-合成气冷却器反应器18的入口混合区域277设置的进料喷射器140而被引入至整体式反应器-合成气冷却器16中。此外，随着另外的原料42通过热的第一合成气14而被气化，原料42中的至少一部分的不可气化矿物物质就可以形成熔融灰的小滴，其可以是粘性的并且具有粘附和污染在冷却区域19的下游中的冷却管120的热交换表面的趋势。然而，通过为整体式反应器-合成气冷却器反应器18的停留时间区域278提供足够的长度，并通过控制运行温度，第二合成气20的温度就可以至少被充分地降低，使得任何夹带的颗粒(例如熔融灰的小滴)冷却至它们固化并形成熔渣的固化颗粒的程度，其既不会粘附也不会污染冷却区域19的下游热交换表面。因此，通过恰当地设计和运行整体式反应器-合成气冷却器16的整体式反应器-合成气冷却器反应器18，有可能的是以有限的污染和/或阻塞趋势来运行冷却区域19。

本实施例还包括利用气化系统10以将另外的原料供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18，由此生成富含CH₄或H₂的合成气的方法。图9示出了方法300的流程图，通过该方法300，气化系统(例如如上所述的气化系统10)可以在整体式反应器-合成气冷却器反应器18中产生富含CH₄或H₂的合成气(例如第二合成气20)。方法300包括将原料42供给至气化器12(块304)，和使原料42气化以生成第一合成气14(块306)，如上文参考图1和2所描述的。方法300还包括将第一合成气14引导至整体式反应器-合成气冷却器16(块308)，和将另外的原料142和缓和剂52提供至整体式反应器-合成气冷却器16(块310)。应当注意到，如上文参考图8所讨论的，第一合成气14在流至整体式反应器-合成气冷却器16之前，可以在两级颗粒去除系统242中处理。

在整体式反应器-合成气冷却器16中时，另外的原料142在整体式反应器-合成气冷却器反应器18中气化(块314)。如上所述的，气化成分(例如另外的原料142和/或缓和剂52)的量可以取决于所期望的第二合成气20的组成来调节。例如，在某些实施例中，缓和剂52(例如蒸汽)的量可以比另外的原料142的量在重量上小约10％至约30％。这可以帮助另外的原料142的甲烷化，并减少通过水气和水气变换反应产生的气化产物(例如CO、CO₂和H₂)。相反地，在其它实施例中，缓和剂52的量可以比另外的原料142的量在重量上大约10％至约30％。因此，可以促进水气和水气变换反应，并且第二合成气20可以富含H₂。据此，方法300还包括调节气化成分(例如缓和剂52和/或另外的原料142)的量以使第二合成气20富含CH₄或H₂(块318)。例如，如上所述的，控制器60可以控制阀66和68以分别调节供给至气化器12和整体式反应器-合成气冷却器反应器18的原料(例如原料42和142)的量。另外地，控制器60可以控制阀64和70以分别调节气化剂44和缓和剂52的量。

方法300还包括引导第二合成气穿过整体式反应器-合成气冷却器16内的冷却区域19(块320)。在冷却区域19中时，冷却剂128经由间接热交换冷却第二合成气20(块322)。如上所述的，除了冷却第二合成气20，冷却区域19帮助颗粒(例如熔渣50)从第二合成气20的分离。一旦被冷却，第二合成气20就可在使用之前被处理(例如提纯)。

如上所述的，整体式反应器-合成气冷却器16的某些实施例可以包括在冷却管120的上方或下方设置的整体式反应器-合成气冷却器反应器18。整体式反应器-合成气冷却器反应器18构造成接收源自气化器12的第一合成气14和源自在上部圆柱形壳体部分114上设置的或者围绕入口混合区域277设置的一个或更多个进料喷射器喷嘴140的另外的气化成分(例如另外的原料142和/或缓和剂52)。另外的气化成分可以将源自第一合成气14的热量用于气化，由此生成第二合成气20。通过调节供给至整体式反应器-合成气冷却器反应器18的气化成分的量，CO/H₂比就可被调节。在这种方式中，第二合成气20可以是富含CH₄或H₂的。

该书面描述使用示例以公开包括最佳模型的本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任意装置或系统以及执行任意并入的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括没有不同于权利要求的文字表达的结构元件，或者如果它们包括带有与权利要求的文字表达无实质区别的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

整体式反应器-合成气冷却器，其构造成气化原料，其中所述整体式反应器-合成气冷却器包括：

反应区域，其构造成接收第一合成气和所述原料，并气化所述原料以生成第二合成气，其中所述第二合成气具有与所述第一合成气不同的组成；

一个或更多个进料喷射器，其设置在所述整体式反应器-合成气冷却器中，并构造成将所述原料供给至所述反应区域；以及

冷却区域，其设置在所述反应区域的下游，并包括一个或更多个冷却管，其中所述冷却区域构造成接收并冷却所述第二合成气。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括流体地联接至所述整体式反应器-合成气冷却器的气化器，其中所述气化器构造成生成所述第一合成气。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二合成气为在从所述整体式反应器-合成气冷却器排出之前，分别在所述冷却区域中通过与骤冷剂或者局部骤冷剂的组合而骤冷或者局部地骤冷中的至少一者。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述骤冷或者局部骤冷发生在所述冷却区域的下游部分。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述骤冷剂由液态水和溶剂中的至少一者组成，并且所述局部骤冷剂由氮气、回收合成气、二氧化碳和过热蒸汽中的至少一者组成。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却管与整体式反应器-合成气冷却器的中心线对齐，使得所述冷却管轴向和周向地布置在冷却区的至少一部分上。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却管在整体式反应器-合成气冷却器周围周向地盘旋以在所述整体式反应器-合成气冷却器的至少一部分上形成螺旋形构造。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整体式反应器-合成气冷却器的所述反应区域的至少一部分包括防护屏障。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括流体地联接至所述反应区域的颗粒分离系统，其中所述颗粒分离系统构造成从设置在所述反应区域上游的气化器接收所述第一合成气，以在将所述第一合成气引导至所述反应区域之前，实现熔渣或颗粒中的至少一者从所述第一合成气的分离。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括控制器，其构造成控制供给至所述反应器的所述原料、或者缓和剂、或者反应气、或其组合中的至少一者的量，以使所述第二合成气富含甲烷或氢气。