用于合成气制备的四列催化气化体系

摘要

本发明公开了将碳质原料转化为多种气态产物的体系。除了其它单元以外，所述体系还包括用于在碱金属催化剂存在下使碳质原料气化为至少包括甲烷的多种气态产物的两个单独的气化反应器。所述气化反应器各自可供应有来自单一或单独的催化剂装载和/或原料制备单元操作的原料。类似地，来自各气化反应器的热气流可在换热器、酸性气体去除或甲烷去除单元操作处通过它们的组合来纯化。产物纯化可包括痕量污染物去除单元、氨去除和回收单元以及酸转变单元。

说明书

发明领域

本发明涉及具有两个用于通过在蒸汽存在下催化气化碳质原料制备气态产物、尤其甲烷的催化气化反应器(即，两列)的体系构造。

发明背景

由于诸如较高能源价格和环境考虑的许多因素，由诸如生物质、煤炭和石油焦炭的较低燃料值的碳质原料制备增值气态产物重新受到了重视。催化气化这类物质以生成甲烷和其它增值气体例如公开在US3828474、US3998607、US4057512、US4092125、US4094650、US4204843、US4468231、US4500323、US4541841、US4551155、US4558027、US4606105、US4617027、US4609456、US5017282、US5055181、US6187465、US6790430、US6894183、US6955695、US2003/0167961A1、US2006/0265953A1、US2007/000177A1、US2007/083072A1、US2007/0277437A1和GB1599932中。

通常，诸如煤炭或石油焦炭的碳质物质可通过在碱金属催化剂源和蒸汽存在下在高温高压下使物质气化而转化成多种气体，包括诸如甲烷的增值气体。从由气化器生成的粗制气体中除去细微的未反应的碳质物质粉末，以多重处理冷却并洗涤气体以除去包括一氧化碳、氢气、二氧化碳和硫化氢的不合需要的污染物和其它副产物。

为了增加碳质物质转化为包括甲烷的气态产物的产量，可同时运行多个并联的气化列(gasification train)，各列具有专门的原料加工和气体净化和分离体系。原料加工和气体纯化和分离体系中的各单元可能具有不同容量，导致整个系统内特定单元的过载或负载不足、效率损失和生产成本增加。因此，仍然需要效率和组分利用率增加并使总生产力损失减至最少的改善的气化体系。

发明概述

一方面，本发明提供由催化的碳质原料产生多种气态产物的气化体系，所述体系包括：

(a)第一和第二气化反应器单元，其中各气化反应器单元独立地包括：

(A1)反应室，在其中将催化的碳质原料和蒸汽转化为(i)包括甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和未反应的蒸汽的多种气态产物、(ii)未反应的碳质粉末和(iii)包括夹带的催化剂的固态炭产物；

(A2)进料口，用以供应所述催化的碳质原料到所述反应室；

(A3)进汽口，用以供应蒸汽到所述反应室；

(A4)热气出口，用以从所述反应室中排出热第一气流，所述热第一气流包含所述多种气态产物；

(A5)炭出口，用以从所述反应室中取出所述固态炭产物；和

(A6)粉末去除器单元，用以除去可能夹带在所述热第一气流中的至少相当大部分的未反应的碳质粉末；

(b)(1)单一催化剂装载单元，用以供应所述催化的碳质原料到所述第一和第二气化反应器单元的进料口，或

(2)第一和第二催化剂装载单元，用以供应所述催化的碳质原料到所述第一和第二气化反应器单元的进料口，

其中各催化剂装载单元独立地包括：

(B1)装载槽，用以接收一种或多种碳质颗粒并将催化剂装载到所述颗粒上以形成所述催化的碳质原料；和

(B2)干燥器，用以热处理所述催化的碳质原料以降低湿含量；

(c)(1)当仅存在所述单一催化剂装载单元时，单一碳质物质加工单元，用以供应所述碳质颗粒到所述单一催化剂装载单元的装载槽，或

(2)当存在所述第一和第二催化剂装载单元时，(i)单一碳质物质加工单元，用以供应所述碳质颗粒到所述第一和第二催化剂装载单元的装载槽，或(ii)第一和第二碳质物质加工单元，用以供应所述碳质颗粒到所述第一和第二催化剂装载单元的装载槽，

其中各碳质物质加工单元独立地包括：

(C1)接收器，用以接收并储存碳质物质；和

(C2)研磨机，用以将所述碳质物质研磨成碳质颗粒，所述研磨机与所述接收器连通；

(d)(1)单一换热器单元，用以从来自所述第一和第二气化反应器单元的热第一气流中除去热能以产生蒸汽并生成单一冷第一气流，或

(2)第一和第二换热器单元，用以从来自所述第一和第二气化反应器单元的热第一气流中除去热能以产生蒸汽、第一冷第一气流和第二冷第一气流；

(e)(1)当仅存在所述单一换热器单元时，单一酸性气体去除器单元，用以从所述单一冷第一气流中除去至少相当大部分的二氧化碳和至少相当大部分的硫化氢，从而生成包含来自所述单一冷第一气流的至少相当大部分的甲烷、至少相当大部分的氢气和任选的至少一部分一氧化碳的单一酸性气体贫化气流，或

(2)当存在所述第一和第二换热器单元时，(i)单一酸性气体去除器单元，用以从所述第一冷第一气流和所述第二冷第一气流中除去至少相当大部分的二氧化碳和至少相当大部分的硫化氢，从而生成包含来自所述第一和第二冷第一气流二者的至少相当大部分的甲烷、至少相当大部分的氢气和任选的至少一部分一氧化碳的单一酸性气体贫化气流，或(ii)第一和第二酸性气体去除器单元，用以从所述第一和第二冷第一气流中除去至少相当大部分的二氧化碳和至少相当大部分的硫化氢从而生成第一酸性气体贫化气流和第二酸性气体贫化气流，其中所述第一和第二酸性气体贫化气流共同包含来自所述第一和第二冷第一气流的至少相当大部分的甲烷、至少相当大部分的氢气和任选的至少一部分一氧化碳；

(f)(1)当仅存在所述单一酸性气体贫化物流时，单一甲烷去除单元，用以从所述单一酸性气体贫化气流中分离并回收至少相当大部分的甲烷，从而生成单一甲烷贫化气流和单一甲烷产物流，其中所述单一甲烷产物流包含来自所述单一酸性气体贫化气流的至少相当大部分的甲烷，或

(2)当存在所述第一和第二酸性气体贫化气流时，(i)单一甲烷去除单元，用以从所述第一和第二酸性气体贫化气流中分离并回收至少相当大部分的甲烷从而生成单一甲烷贫化气流和单一甲烷产物流，或(ii)第一和第二甲烷去除单元，用以从所述第一和第二酸性气体贫化气流中分离并回收至少相当大部分的甲烷从而生成第一甲烷贫化气流和第一甲烷产物流以及第二甲烷贫化气流和第二甲烷产物流，其中所述第一和第二甲烷产物流共同包含来自所述第一和第二酸性气体贫化气流的至少相当大部分的甲烷；和

(g)(1)单一蒸汽源，用以供应蒸汽到所述第一和第二气化反应器单元的进汽口，或

(2)第一和第二蒸汽源，用以供应蒸汽到所述第一和第二气化反应器单元的进汽口。

在某些实施方案中，所述气化体系还可包括以下一者或多者：

(h)在换热器单元和酸性气体去除器单元之间的痕量污染物去除单元，用以从所述单一冷第一气流中、或若存在时所述第一和第二冷第一气流中的一种或多种中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物，其中所述单一冷第一气流或所述第一和第二冷第一气流中的所述一种或多种还包含一种或多种包括COS、Hg和HCN中的一种或多种的痕量污染物；

(i)转化器单元，用以将所述单一甲烷产物流的一部分、或若存在时所述第一和第二甲烷产物流中的一种或多种的至少一部分转化为合成气；

(j)甲烷压缩机单元，用以压缩所述单一甲烷产物流、或若存在时所述第一和第二甲烷产物流中的一种或多种的至少一部分；

(k)二氧化碳回收单元，用以分离并回收由所述单一酸性气体去除器单元、或若存在时所述第一和第二酸性气体去除器单元中的一个或多个除去的二氧化碳；

(l)硫回收单元，用以从由所述单一酸性气体去除器单元、或若存在时所述第一和第二酸性气体去除器单元中的一个或多个除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)催化剂回收单元，用以从至少一部分所述固态炭产物中提取并回收至少一部分所述夹带的催化剂并使至少一部分回收的催化剂再循环到所述单一催化剂装载单元、或若存在时所述第一和第二催化剂装载单元中的一个或多个中；

(n)气体再循环回路，用以使所述单一甲烷贫化气流的至少一部分、或若存在时所述第一和第二甲烷贫化气流中的一种或多种的至少一部分再循环到所述第一和第二气化反应器单元中的至少一个或多个中；

(o)废水处理单元，用以处理由所述体系产生的废水；

(p)过热器，用以使所述单一蒸汽源、或若存在时所述第一蒸汽源和/或第二蒸汽源中的蒸汽或来自所述单一蒸汽源、或若存在时所述第一蒸汽源和/或第二蒸汽源的蒸汽过热；

(q)蒸汽涡轮机，用以自由所述单一蒸汽源、或若存在时所述第一蒸汽源和/或第二蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在换热器和酸性气体去除器单元之间的酸转变单元，用以在适合将冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳的条件下使所述冷第一气流与水性介质接触。

如果所述多种气态产物包含氨，则体系任选还可包括在换热器单元与酸性气体去除单元之间的氨去除器单元，用以从冷第一气流中除去至少相当大部分的氨从而生成氨贫化的冷第一气流，最后进料到酸性气体去除器单元中。

本发明的体系例如可用于由各种碳质原料生成甲烷。优选的体系为如下文进一步详细描述的生成“管道输送品质天然气(pipeline-quality natural gas)”的产物流的体系。

附图简述

图1为具有单一原料加工单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

图2为具有单一原料加工单元、单一催化剂装载单元、单一换热器、单一酸性气体去除单元和单一甲烷去除单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

图3为具有单一换热器、单一酸性气体去除单元和单一甲烷去除单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

图4为具有单一原料加工单元、单一换热器、单一酸性气体去除单元和单一甲烷去除单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

图5为具有单一原料加工单元、单一酸性气体去除单元和单一甲烷去除单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

图6为具有单一原料加工单元、单一催化剂装载单元、单一换热器、单一酸性气体去除单元和单一甲烷去除单元并包括各任选单元操作中的单一单元的本发明气化体系的一个实施方案的示意图。

发明详述

本公开涉及将碳质原料转化为至少包括甲烷的多种气态产物的体系，所述体系除了其它单元以外还包括用以在碱金属催化剂存在下将碳质原料转化为所述多种气态产物的两个单独的气化反应器。具体地说，本发明的体系提供具有至少两个气化反应器的改善的气化体系，所述气化反应器分享一个或多个单元操作以便于改善操作效率和控制整个体系。

各气化反应器可供应有来自单一或分别的催化剂装载和/或原料制备单元操作的碳质原料。类似地，来自各气化反应器的热气流可在换热器、酸性气体去除或甲烷去除单元操作时通过它们的组合作用纯化。产物纯化可包括任选的痕量污染物去除单元、氨去除和回收单元以及酸转变单元。如下文进一步详细论述，根据体系构造可存在一个或两个各类型单元。

本发明例如可使用在共同所有的US2007/0000177A1、US2007/0083072A1、US2007/0277437A1、US2009/0048476A1、US2009/0090056A1和US2009/0090055A1中公开的催化气化技术的任何进展来实施。

此外，本发明可结合以下共同所有的美国专利申请中公开的主题实施：第12/342,554号、第12/342,565号、第12/342,578号、第12/342,596号、第12/342,608号、第12/342,628号、第12/342,663号、第12/342,715号、第12/342,736号、第12/343,143号、第12/343,149号和第12/343,159号(各申请在2008年12月23日提交)；第12/395,293号、第12/395,309号、第12/395,320号、第12/395,330号、第12/395,344号、第12/395,348号、第12/395,353号、第12/395,372号、第12/395,381号、第12/395,385号、第12/395,429号、第12/395,433号和第12/395,447号(各申请在2009年2月27日提交)；和第12/415,042号和第12/415,050号(各申请在2009年3月31日提交)。

此外，本发明可结合以下先前结合的美国专利申请中描述的进展实施：第__/________号，代理机构案号FN-0035 US NP1，标题为Three-Train Catalytic Gasification Systems(三列催化气化体系)；第__/________号，代理机构案号FN-0036 US NP1，标题为Four-TrainCatalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)；第__/_____号，代理机构案号FN-0037 US NP1，标题为Four-Train Catalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)；和第__/______号，代理机构案号FN-0038 US NP1，标题为Four-Train Catalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)。

如果没有另外指明，则本文提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献出于所有目的都通过引用全文结合到本文中来，正如全面阐述一样。

除非另作定义，否则本文所用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。如果存在冲突，则以本发明说明书(包括定义)为准。

除非明确注明，否则商标都是以大写显示。

尽管在实施或测试本发明中可使用与本文所述的那些方法和材料类似或等效的方法和材料，但是本文描述合适的方法和材料。

除非另有说明，否则所有百分数、份数、比率等都是以重量计。

当量、浓度或其它值或参数作为范围或一列上下限值提供时，应当理解具体公开的所有范围都由任一对任何上下限范围形成，而与是否单独公开这些范围无关。在本文中列举数值范围的情况下，除非另有说明，否则所述范围旨在包括其端点和所述范围内的所有整数和分数。当限定一个范围时，并不是想要将本发明的范围限制于所列的具体值。

当使用术语“约”描述范围的值或端点时，应理解本发明包括提到的具体值或端点。

本文所用的术语“包含”、“包括”、“具有”或其任何其它变化旨在涵盖非排他性包括。例如，包含一列要素的工艺、方法、制品或装置并非必然仅限于这些要素，而是可包括没有明确列出或所述工艺、方法、制品或装置所固有的其它要素。此外，除非明确说明相反情况，否则“或”是指包括性或而非排他性或。例如，条件A或B由以下任一条件满足：A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或不存在)且B为真(或存在)及A和B两者均为真(或存在)。

仅是为了方便并给予本发明的一般含义而使用“一(种/个)”描述本文中的各种要素和组分。应理解此描述包括一种/个或至少一种/个，且除非显而易见它是指其它情况，否则单数也包括复数。

除非本文中另作定义，否则本文所用的术语“相当大部分”是指大于约90％的提及物质、优选大于95％的提及物质、更优选大于97％的提及物质。当提到分子(诸如甲烷、二氧化碳、一氧化碳和硫化氢)时，百分比是以摩尔计算，其它都是以重量计算(例如，对于夹带的碳质粉末)。

术语“单元”是指单元操作。当描述存在多于一个“单元”时，那些单元以并联方式(如图中所绘)操作。然而，单一“单元”可包括多于一个串联的单元。例如，酸性气体去除单元可包括硫化氢去除单元和后面串联的二氧化碳去除单元。作为另一实例，痕量污染物去除单元可包括用于第一痕量污染物的第一去除单元和后面串联的用于第二痕量污染物的第二去除单元。作为又一实例，甲烷压缩机单元可包括用以压缩甲烷产物流到第一压力的第一甲烷压缩机、后面串联的用以进一步压缩甲烷产物流到第二(较高)压力的第二甲烷压缩机。

本文中的物质、方法和实施例仅是说明性的且除非明确说明，否则不是用来加以限制。

多列构造

在各种实施方案中，本发明提供用以在蒸汽存在下使催化的碳质物质气化从而生成气态产物的体系，随后处理所述气态产物以分离并回收甲烷。所述体系基于两个平行操作的气化反应器(两个气化列)。

应注意到本发明还包括多个所述两列体系，以使得整个成套设备构造例如可包括两个独立但并联的两列体系(根据本发明，具有相同或不同构造)，总共4个气化反应器。本发明的两列体系还可以组合其它独立的多列体系，诸如以下先前结合的美国专利申请中公开的体系：第__/_______号，代理机构案号FN-0035 US NP1，标题为Three-Train Catalytic Gasification Systems(三列催化气化体系)；第__/_______号，代理机构案号FN-0036 US NP1，标题为Four-Train Catalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)；第__/______号，代理机构案号FN-0037 US NP1，标题为Four-Train Catalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)；和第__/______号，代理机构案号FN-0038 US NP1，标题为Four-Train Catalytic Gasification Systems(四列催化气化体系)。

在一个表示为“体系A”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)第一和第二催化剂装载单元；(c)单一碳质物质加工单元；(d)第一和第二换热器单元；(e)第一和第二酸性气体去除器单元；(f)第一和第二甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在体系A的一个具体实施方案中，所述体系还包括以下一者或多者：

(h)在第一和第二换热器单元与第一和第二酸性气体去除器单元之间的第一和第二痕量污染物去除单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物；

(i)单一转化器单元，用以将第一和第二甲烷产物流中一种或两种的一部分转化为合成气，或第一和第二转化器单元，用以将第一和第二甲烷产物流的一部分转化为合成气；

(j)单一甲烷压缩机单元，用以压缩第一和第二甲烷产物流中一种或两种的至少一部分；或第一和第二甲烷压缩机单元，用以压缩第一和第二甲烷产物流的至少一部分；

(k)单一二氧化碳回收单元，用以分离并回收由第一和第二酸性气体去除器单元除去的二氧化碳，或第一和第二二氧化碳回收单元，用以分离并回收由第一和第二酸性气体去除器单元除去的二氧化碳；

(l)单一硫回收单元，用以从由第一和第二酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；或第一和第二硫回收单元，用以从由第一和第二酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)单一催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；或第一和第二催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化反应器单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；

(n)气体再循环回路，用以使第一和第二甲烷贫化气流中一种或两种的至少一部分再循环到第一和第二气化反应器单元中一个或两个中；

(o)废水处理单元，用以处理由体系产生的废水；

(p)过热器，用以使单一蒸汽源中的蒸汽或来自单一蒸汽源的蒸汽过热；

(q)蒸汽涡轮机，用以自由单一蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在第一和第二换热器单元与第一和第二酸性气体去除器单元之间的第一和第二酸转变单元，用以将第一和第二冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳。

在体系A的另一具体实施方案中，所述体系还包括以下一者或多者：

(h)在第一和第二换热器单元与第一和第二酸性气体去除器单元之间的第一和第二痕量污染物去除单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物；

(i)单一转化器单元，用以将第一和第二甲烷产物流中一种或两种的一部分转化为合成气，或第一和第二转化器单元，用以将第一和第二甲烷产物流的一部分转化为合成气；

(j)单一甲烷压缩机单元，用以压缩第一和第二甲烷产物流中一种或两种的至少一部分；

(k)单一二氧化碳回收单元，用以分离并回收由第一和第二酸性气体去除器单元除去的二氧化碳；

(l)单一硫回收单元，用以从由第一和第二酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)单一催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；

(n)气体再循环回路，用以使第一和第二甲烷贫化气流中一种或两种的至少一部分再循环到第一和第二气化反应器单元中一个或两个中；

(o)废水处理单元，用以处理由体系产生的废水；

(p)过热器，用以使单一蒸汽源中的蒸汽或来自单一蒸汽源的蒸汽过热；

(q)蒸汽涡轮机，用以自由单一蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在第一和第二换热器单元与第一和第二酸性气体去除器单元之间的第一和第二酸转变单元，用以将第一和第二冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳。

在另一表示为“体系B”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)单一催化剂装载单元；(c)单一碳质物质加工单元；(d)单一换热器单元；(e)单一酸性气体去除器单元；

(f)单一甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在体系B的一个具体实施方案中，所述体系还包括以下一者或多者：

(h)在单一换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一痕量污染物去除单元，用以从单一冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物；

(i)单一转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气，或第一转化器单元和第二转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气；

(j)单一甲烷压缩机单元，用以压缩单一甲烷产物流的至少一部分；

(k)单一二氧化碳回收单元，用以分离并回收由单一酸性气体去除器单元除去的二氧化碳；

(l)单一硫回收单元，用以从由单一酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)单一催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到单一催化剂装载单元中；或第一和第二催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到单一催化剂装载单元中；

(n)气体再循环回路，用以使单一甲烷贫化气流的至少一部分再循环到第一和第二气化反应器单元中一个或两个中；

(o)废水处理单元，用以处理由体系产生的废水；

(p)过热器，用以使单一蒸汽源中的蒸汽或来自单一蒸汽源的蒸汽过热；和

(q)蒸汽涡轮机，用以自由单一蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在单一换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一酸转化单元，用以将单一冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳。

在另一表示为“体系C”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)第一和第二催化剂装载单元；(c)第一和第二碳质物质加工单元；(d)单一换热器单元；(e)单一酸性气体去除器单元；(f)单一甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在另一表示为“体系D”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)第一和第二催化剂装载单元；(c)单一碳质物质加工单元；(d)单一换热器单元；(e)单一酸性气体去除器单元；(f)单一甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在体系C和D的一个具体实施方案中，所述体系还包括以下一者或多者：

(h)在单一换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一痕量污染物去除单元，用以从单一冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物；

(i)单一转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气，或第一和第二转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气；

(j)单一甲烷压缩机单元，用以压缩单一甲烷产物流的至少一部分；

(k)单一二氧化碳回收单元，用以分离并回收由单一酸性气体去除器单元除去的二氧化碳；

(l)单一硫回收单元，用以从由单一酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)单一催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；或第一和第二催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化反应器单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；

(n)气体再循环回路，用以使单一甲烷贫化气流的至少一部分再循环到第一和第二气化反应器单元中；

(o)废水处理单元，用以处理由体系产生的废水；

(p)过热器，用以使单一蒸汽源中的蒸汽或来自单一蒸汽源的蒸汽过热；

(q)蒸汽涡轮机，用以自由单一蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在单一换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一酸转变单元，用以将单一冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳。

在另一表示为“体系E”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)第一和第二催化剂装载单元；(c)单一碳质物质加工单元；(d)第一和第二换热器单元；(e)单一酸性气体去除器单元；(f)单一甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在另一表示为“体系F”的具体实施方案中，所述体系包括：(a)第一和第二气化反应器单元；(b)单一催化剂装载单元；(c)单一碳质物质加工单元；(d)第一和第二换热器单元；(e)单一酸性气体去除器单元；(f)单一甲烷去除单元；和(g)单一蒸汽源。

在体系E和F的一个具体实施方案中，所述体系还包括以下一者或多者：所述体系还包括以下一者或多者：

(h)在第一和第二换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一痕量污染物去除单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物，或在第一和第二换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的第一和第二痕量污染物去除单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去至少相当大部分的一种或多种痕量污染物；

(i)单一转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气，或第一转化器单元和第二转化器单元，用以将单一甲烷产物流的一部分转化为合成气；

(j)单一甲烷压缩机单元，用以压缩单一甲烷产物流的至少一部分；

(k)单一二氧化碳回收单元，用以分离并回收由单一酸性气体去除器单元除去的二氧化碳；

(l)单一硫回收单元，用以从由单一酸性气体去除器单元除去的硫化氢中提取并回收硫；

(m)单一催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；或第一和第二催化剂回收单元，用以从来自第一和第二气化反应器单元的至少一部分固态炭产物中提取并回收至少一部分夹带的催化剂，并使至少一部分回收的催化剂再循环到第一和第二催化剂装载单元中一个或两个中；

(n)气体再循环回路，用以使单一甲烷贫化气流的至少一部分再循环到第一和第二气化反应器单元中一个或两个中；

(o)废水处理单元，用以处理由体系产生的废水；

(p)过热器，用以使单一蒸汽源中的蒸汽或来自单一蒸汽源的蒸汽过热；

(q)蒸汽涡轮机，用以自由单一蒸汽源供应的至少一部分蒸汽产生电力；和

(r)在第一和第二换热器与单一酸性气体去除器单元之间的单一酸转变单元，用以将第一和第二冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为合成气，或在第一和第二换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的第一和第二酸转变单元，用以将第一和第二冷第一气流中的至少一部分一氧化碳转化为二氧化碳。

在任一前述体系的一个具体实施方案中，各体系至少包括(k)、(l)和(m)。

在任一前述体系和其实施方案的一个具体实施方案中，所述体系包括(k)，且所述体系还包括用以压缩回收的二氧化碳的二氧化碳压缩机单元。

在任一前述体系的另一具体实施方案中，所述体系包括(r)和在酸性气体去除器单元与甲烷去除单元之间的微调甲烷转化器(用以处理酸性气体贫化气流)。

在任何前述体系的另一具体实施方案中，当所述多种气态产物还包括氨时，所述体系还可包括：

(1)当仅存在单一换热器单元和单一酸性气体去除器单元时，单一氨去除器单元，用以从单一冷第一气流中除去相当大部分的氨，从而生成进料到单一酸性气体去除器单元中的单一氨贫化的冷第一气流，或

(2)当存在第一和第二换热器单元和仅单一酸性气体去除器单元时，(i)在第一和第二换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的单一氨去除器单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去相当大部分的氨从而生成进料到单一酸性气体去除器单元中的单一氨贫化的冷第一气流，或(ii)在第一和第二换热器单元与单一酸性气体去除器单元之间的第一和第二氨去除器单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去相当大部分的氨从而生成进料到单一酸性气体去除器单元中的第一和第二氨贫化的冷第一气流，或

(3)当存在第一和第二换热器单元和第一和第二酸性气体去除器单元时，在第一和第二换热器单元与第一和第二酸性气体去除器单元之间的第一和第二氨去除器单元，用以从第一和第二冷第一气流中除去相当大部分的氨从而生成进料到第一和第二酸性气体去除器单元中的第一和第二氨贫化的冷第一气流。

下文进一步详细描述各个单元。

原料和加工

碳质物质加工单元

可将碳质物质提供到碳质物质加工单元以将碳质物质转化成适合与一种或多种气化催化剂结合和/或适合引入催化气化反应器中的形式。所述碳质物质例如可为如下文定义的生物质和非生物质材料。

如本文所用的术语“生物质”是指来源于近代(例如，过去的100年之内)活生物的碳质物质，包括基于植物的生物质和基于动物的生物质。为了清晰起见，生物质不包括基于化石的碳质物质，诸如煤炭。例如，参见先前结合的美国专利申请第12/395,429号、第12/395,433号和第12/395,447号。

如本文所用的术语“基于植物的生物质”是指来源于绿色植物、作物、藻类和树木的物质，诸如但不限于甜高粱、甘蔗渣、甘蔗、竹子、杂种白杨、杂种柳树、合欢树(albizia tree)、桉树、苜蓿、三叶草、油棕、柳枝稷、苏丹草、粟、麻风树属和芒草(例如奇岗(Miscanthus x giganteus))。生物质还包括来自农业耕种、加工和/或降解的废物，诸如玉米芯和皮、玉米秸、稻草、坚果壳、植物油、芥花油、菜籽油、生物柴油、树皮绉、木屑、锯末和园林废物。

如本文所用的术语“基于动物的生物质”是指由动物养殖和/或使用产生的废物。例如，生物质包括但不限于来自家畜养殖和加工的废物，诸如畜粪、海鸟粪、禽粪、动物脂肪和城市固体废物(例如垃圾)。

如本文所用的术语“非生物质”是指未被本文中定义的术语“生物质”涵盖的那些碳质物质。例如，非生物质包括但不限于无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦炭、沥青烯、液体石油残渣或其混合物。例如，参见先前结合的美国专利申请第12/342,565号、第12/342,578号、第12/342,608号、第12/342,663号、第12/395,348号和第12/395,353号。

如本文使用的术语“石油焦炭(petroleum coke和petcoke)”包括(i)石油加工中得到的高沸点烃馏分的固体热解产物(重质残渣-“残余石油焦炭(resid petcoke)”)；和(ii)加工沥青砂的固体热解产物(沥青质砂或油砂-“沥青砂石油焦炭”)。这类碳化产物例如包括生石油焦炭、煅烧石油焦炭、针状石油焦炭和流化床石油焦炭。

残余石油焦炭还可以由例如通过用以提高重质残留原油品质的焦化处理得到，该石油焦炭含有以焦炭的重量计算通常约1.0％重量或更低、更通常约0.5％重量或更低的灰分作为少量组分。通常这类灰分较低的焦炭中的灰分包含诸如镍和钒的金属。

沥青砂石油焦炭可例如通过用来提高油砂品质的焦化处理由油砂得到。沥青砂石油焦炭含有基于沥青砂石油焦炭的总重量计算通常在约2％重量-约12％重量范围内、更通常在约4％重量-约12％重量范围内的灰分作为少量组分。通常这类灰分较高的焦炭中的灰分包含诸如二氧化硅和/或氧化铝的物质。

石油焦炭具有通常在约0.2-约2％重量范围内的内在低湿含量(基于石油焦炭总重量计算)；其通常还具有允许常规催化剂浸渗法的极低浸水容量。所得颗粒组合物例如含有与常规干燥操作相比增加下游干燥操作效率的较低平均湿含量。

所述石油焦炭可包含基于石油焦炭的总重量计算至少约70％重量的碳、至少约80％重量的碳或至少约90％重量的碳。通常所述石油焦炭包含基于石油焦炭的重量计算小于约20％重量的无机化合物。

如本文所用的术语“沥青烯”为室温下的芳族碳质固体，其可例如通过加工原油和原油沥青砂得到。

如本文所用的术语“煤炭”是指泥煤、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤或其混合物。在某些实施方案中，基于煤炭总重量计算，煤炭的碳含量小于约85％、或小于约80％、或小于约75％、或小于约70％、或小于约65％、或小于约60％、或小于约55％、或小于约50％重量。在其它实施方案中，基于煤炭总重量计算，煤炭的碳含量至多约85％、或至多约80％、或至多约75％重量。有用的煤炭的实例包括但不限于Illinois #6、Pittsburgh #8、Beulah(ND)、Utah Blind Canyon和Powder River Basin(PRB)煤炭。无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤可分别含有基于煤炭的总干重计算约10％重量、约5-约7％重量、约4-约8％重量和约9-约11％重量的灰分。然而，如本领域技术人员所熟知，任何特定煤炭来源的灰分含量将取决于煤炭的等级和来源。例如参见“Coal Data：A Reference”，Energy Information Administration，Office of Coal，Nuclear，Electric and Alternate Fuels，U.S.Department of Energy(美国能源部能源信息管理局煤炭、核能、电力和可替代燃料办公室)，DOE/EIA-0064(93)，1995年2月)。

如本领域技术人员所熟知，由煤炭产生的灰分通常包括飞灰和底灰两种。基于飞灰的总重量计算，来自烟煤的飞灰可包含约20-约60％重量的二氧化硅和约5-约35％重量的氧化铝。基于飞灰的总重量计算，来自次烟煤的飞灰可包含约40-约60％重量的二氧化硅和约20-约30％重量的氧化铝。基于飞灰的总重量计算，来自褐煤的飞灰可包含约15-约45％重量的二氧化硅和约20-约25％重量的氧化铝。例如参见Meyers等，“Fly Ash.A Highway C onstruction Material.(飞灰-公路建筑材料)”，Federal Highway Administration(美国联邦公路署)，FHWA-IP-76-16号报告，华盛顿，1976。

基于底灰的总重量计算，来自烟煤的底灰可包含约40-约60％重量的二氧化硅和约20-约30％重量的氧化铝。基于底灰的总重量计算，来自次烟煤的底灰可包含约40-约50％重量的二氧化硅和约15-约25％重量的氧化铝。基于底灰的总重量计算，来自褐煤的底灰可包含约30-约80％重量的二氧化硅和约10-约20％重量的氧化铝。例如参见Moulton，Lyle K.“Bottom Ash and Boiler Slag(底灰和炉渣)，”Proceedings of the Third International Ash Utilization Symposium(第三届国际灰渣利用会议文集)，U.S.Bureau of Mines(美国矿业局)，信息通告8640号，华盛顿，1973。

各碳质物质加工单元可独立地包括一个或多个用以接收并储存各碳质物质的接收器；和粉碎元件，诸如用以将碳质物质研磨成碳质颗粒的研磨机，粉碎元件诸如研磨机与接收器相连接。

如果使用多于一个含碳物质加工单元，则各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而供应的相应总体积的含碳物质的容量。例如，如果有两个含碳物质加工单元，则各自可设计用来提供总容量的三分之二、四分之三或者甚至全部。

根据本领域中已知的任何方法，诸如生物质和非生物质的碳质物质可通过单独或一起粉碎和/或研磨(诸如冲击粉碎和湿式或干式研磨)以生成一种或多种碳质颗粒来制备。根据用于粉碎和/或研磨碳质物质源的方法，可将所得碳质颗粒定尺寸(即，根据尺寸分离)以提供用于催化剂装载单元操作的加工原料。

可使用本领域技术人员已知的任何方法将颗粒定尺寸。例如，可通过筛分或使颗粒穿过筛子或多个筛子进行定尺寸。筛分设备可包括格筛、棒筛和网筛。筛子可为用以摇动或振动筛子的静态或混合机构。或者，可使用分类来分离碳质颗粒。分类设备可包括矿石分选器、旋风分离器、水力旋流器、耙式分级器、旋转滚筒筛或流态化分级器。也可在研磨和/或粉碎之前将碳质物质定尺寸或分类。

碳质颗粒可作为平均粒径为约25微米、或约45微米、至多约2500微米、或至多约500微米的颗粒粉末供应。本领域技术人员可容易地确定碳质颗粒的适当粒度。例如，当使用流化床气化反应器时，所述碳质颗粒可具有能够在流化床气化反应器中所用的气体速度下使碳质物质初步流态化的平均粒度。

另外，例如由于特细粒度，某些碳质物质(例如玉米秸和柳枝稷和诸如锯末的工业废物)可能不能经受粉碎或研磨操作或者可能不适合在催化气化反应器中使用。所述物质可形成具有适合粉碎或在例如流化床催化气化反应器中直接使用的尺寸的粒料或团块。通常，粒料可通过压实一种或多种碳质物质制备，例如参见先前结合的美国专利申请第12/395,381号。在其它实施例中，生物质材料和煤炭可形成如US4249471、US4152119和US4225457中所述的团块。在下文论述中所述粒料或团块可与先前的碳质颗粒互换使用。

根据碳质物质源的品质可能需要其它原料加工步骤。生物质可能含有高湿含量，诸如绿色植物和禾草，且可能需要在粉碎之前进行干燥。城市废物和垃圾也可能含有高湿含量，其例如可通过使用压磨机或辊轧机降低(例如US4436028)。同样，诸如高湿度煤炭的非生物质可能需要在粉碎之前进行干燥。一些炼焦煤可能需要部分氧化以简化气化反应器操作。可预处理诸如无烟煤或石油焦炭的离子交换位点不足的非生物质原料以生成另外的离子交换位点以利于催化剂装载和/或结合。所述预处理可通过本领域中已知的任何方法实现，这产生了离子交换能力位点和/或增加了原料孔隙度(例如参见，先前结合的US4468231和GB1599932)。可使用本领域已知的任何氧化剂实现氧化预处理。

可根据非生物质和生物质源的技术因素、加工经济性、利用率和接近性选择碳质颗粒中碳质物质的比率。碳质物质源的利用率和接近性可影响原料的价格，由此影响催化气化工艺的总生产成本。例如，可根据加工条件以约5∶95、约10∶90、约15∶85、约20∶80、约25∶75、约30∶70、约35∶65、约40∶60、约45∶55、约50∶50、约55∶45、约60∶40、约65∶35、约70∶20、约75∶25、约80∶20、约85∶15、约90∶10或约95∶5(基于湿重或干重计算)共混生物质和非生物质材料

显著地可使用碳质物质源以及碳质颗粒的单个组分(例如生物质颗粒和非生物质颗粒)的比率控制碳质颗粒的其它物质特性。诸如煤炭的非生物质材料和诸如稻壳的某些生物质材料通常包括相当大量的无机物质(包括钙、氧化铝和二氧化硅)，它们在气化反应器中形成无机氧化物(即，灰分)。在约500℃-约600℃以上的温度下，可使钾和其它碱金属与灰分中的二氧化铝和氧化硅反应以形成不溶性碱性铝硅酸盐。在此形式中，碱金属基本不溶于水且没有催化剂活性。为了防止残渣在气化反应器中堆积，可定期取出包含灰分、未反应的碳质物质和各种碱金属化合物(可溶于水的化合物和不可溶于水的化合物两种)的炭固体排出物。

在制备碳质颗粒的过程中，可根据例如各种碳质物质的比率和各种碳质物质中的起始灰分，选择各种碳质物质的灰分含量例如为约20％重量或更低、或约15％重量或更低、或约10％重量或更低、或约5％重量或更低。在其它实施方案中，所得碳质颗粒可包含基于碳质颗粒的重量计算约5％重量、或约10％重量至约20％重量、或约15％重量的灰分含量。在其它实施方案中，碳质颗粒的灰分含量可包含基于灰分的重量计算小于约20％重量、或小于约15％重量、或小于约10％重量、或小于约8％重量、或小于约6％重量的氧化铝。在某些实施方案中，碳质颗粒可包含基于所加工原料的重量计算小于约20％重量的灰分含量，其中碳质颗粒的灰分含量包含基于灰分的重量计算小于约20％重量的氧化铝、或小于约15％重量的氧化铝。

碳质颗粒中的所述较低氧化铝值允许最终减少气化过程中碱性催化剂的损失。如上文所指出，可使氧化铝与碱金属源反应以生成例如包含碱金属铝酸盐或硅铝酸盐的不溶性焦。所述不溶性焦可导致催化剂回收率降低(即，催化剂损失增加)，因此在整个气化过程中需要补充催化剂的额外费用。

另外，所得碳质颗粒可具有显著较高的％碳，因此较高的btu/lb值和甲烷产物/单位重量碳质颗粒。在某些实施方案中，所得碳质颗粒可具有基于非生物质和生物质的组合重量计算约75％重量、或约80％重量、或约85％重量、或约90％重量、至多约95％重量的碳含量。

在一个实例中，将非生物质和/或生物质湿磨并定尺寸(例如到约25-约2500μm的粒度分布)，随后排出其游离水(即，脱水)到湿饼稠度。本领域技术人员已知适于湿磨、定尺寸和脱水的方法的实例；例如，参见先前结合的US2009/0048476A1。通过根据本发明的一个实施方案湿磨形成的非生物质和/或生物质颗粒的滤饼的湿含量可为约40％-约60％、或约40％-约55％、或低于50％。本领域普通技术人员应了解脱水湿磨的碳质物质的湿含量取决于特定碳质物质类型、粒度分布和所用的特定脱水设备。如本文所述，可将所述滤饼热处理以生成通到催化剂装载单元操作中的一种或多种湿度降低的碳质颗粒。

如上所述，通到催化剂装载单元操作的所述一种或多种碳质颗粒可各自具有独特的组成。例如，可将两种碳质颗粒通到催化剂装载单元操作，其中第一碳质颗粒包含一种或多种生物质材料，第二碳质颗粒包含一种或多种非生物质材料。或者，可将包含一种或多种碳质物质的单一碳质颗粒通到催化剂装载单元操作。

催化剂装载单元

将所述一种或多种碳质颗粒在一个或多个催化剂装载单元中进一步加工以使通常包含至少一种碱金属源的至少一种气化催化剂与至少一种碳质颗粒结合以形成至少一种催化剂处理的原料流。

各气化反应器的催化的碳质原料可由单一催化剂装载单元提供到第一和第二气化反应器单元二者的进料口；或第一催化剂装载单元可供应催化的碳质原料到第一气化反应器单元的进料口且第二催化剂装载单元可供应催化的碳质原料到第二气化反应器单元的进料口。当使用两个催化剂装载单元时，它们应平行操作。

当存在单一催化剂装载单元时，则碳质颗粒可由单一碳质物质加工单元供应；当存在第一和第二催化剂装载单元时，则两者可由单一碳质物质加工单元为其服务；或当存在第一和第二催化剂装载单元时，第一碳质物质加工单元可供应碳质颗粒到第一催化剂装载单元且第二碳质物质加工单元可供应碳质颗粒到第二催化剂装载单元。

如果使用多于一个催化剂装载单元，则各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而供应的相应总体积的原料的容量。例如，如果有两个催化剂装载单元，则各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

当将碳质颗粒提供到催化剂装载单元操作时，可将其处理以形成通到各气化反应器的单一催化的碳质原料，或分成一种或多种加工物流，其中至少一种加工物流与气化催化剂结合以形成至少一种催化剂处理的原料物流。例如可处理剩余加工物流以使其与第二组分结合。另外，可再次处理催化剂处理的原料物流以使其与第二组分结合。第二组分例如可为第二气化催化剂、辅助催化剂或其它添加剂。

在一个实例中，可将主要气化催化剂提供到单一碳质颗粒(例如钾和/或钠源)，接着进行单独处理以提供钙源到相同的单一碳质颗粒，从而产生催化的碳质原料。例如参见先前结合的美国专利申请第12/395,372号。气化催化剂和第二组分还可以作为单一处理中的混合物提供到单一碳质颗粒，从而产生催化的碳质原料。

当提供一种或多种碳质颗粒到催化剂装载单元操作时，使至少一种碳质颗粒与气化催化剂结合以形成至少一种催化剂处理的原料物流。此外，可将任何碳质颗粒分成如上详述用于使其与第二组分结合的一种或多种加工物流。可以任何组合共混所得物流以提供催化的碳质原料，条件是使用至少一种催化剂处理的原料物流以形成催化的原料物流。

在一个实施方案中，至少一种碳质颗粒与气化催化剂和任选的第二组分结合。在另一实施方案中，各碳质颗粒与气化催化剂和任选的第二组分结合。

可使用本领域技术人员已知的任何方法使一种或多种气化催化剂与任何碳质颗粒和/或加工物流结合。所述方法包括但不限于与固体催化剂源混合并将催化剂浸渗到所加工的碳质物质上。可使用本领域技术人员已知的数种浸渗方法以结合气化催化剂。这些方法包括但不限于初步湿式浸渗、蒸发浸渗、真空浸渗、浸泡浸渗、离子交换和这些方法的组合。

在一个实施方案中，可通过在装载槽中用碱金属气化催化剂的溶液(例如，水溶液)浆化而将所述催化剂浸渗到碳质颗粒和/或加工物流中一种或多种中。当用催化剂和/或辅助催化剂的溶液浆化时，可将所得浆液脱水以提供催化剂处理的原料物流，其通常又为湿饼。催化剂溶液可由本发明方法中的任何催化剂源制备，包括新鲜或补充催化剂和再循环催化剂或催化剂溶液。使浆液脱水以提供催化剂处理的原料物流的湿饼的方法包括过滤(重力或真空)、离心和液压。

适于组合煤炭颗粒和/或包含煤炭的加工物流与气化催化剂以提供催化剂处理的原料物流的一种特定方法是通过如先前结合的US2009/0048476A1中所述的离子交换进行。如该结合的参考文献中所论述，通过离子交换机构装载催化剂可最大程度地基于针对煤炭具体发展的吸附等温线。所述装载提供作为湿饼的催化剂处理的原料物流。可控制离子交换颗粒湿饼(包括内部的孔)上存留的其它催化剂以使得可以受控方式达到总催化剂目标值。所装载的催化剂和脱水的湿饼例如可含有约50％的湿度。如相关领域的普通技术人员根据原料煤炭的特性可容易地确定，催化剂的总装载量可通过控制溶液中催化剂组分的浓度以及接触时间、温度和方法来控制。

在另一实例中，可用气化催化剂处理碳质颗粒和/或加工物流中的一种，可用第二组分处理第二加工物流(参见先前结合的US2007/0000177A1)。

先前产生的碳质颗粒、加工物流和/或催化剂处理的原料物流可以任何组合共混以提供催化的碳质原料，条件是至少一种催化剂处理的原料物流用于形成催化的碳质原料。最终催化的碳质原料通到气化反应器上。

通常，各催化剂装载单元包括至少一个装载槽，所述装载槽用以使碳质颗粒和/或加工物流中一种或多种与包含至少一种气化催化剂的溶液接触以形成一种或多种催化剂处理的原料物流。或者，催化组分可作为固体颗粒共混到一种或多种碳质颗粒和/或加工物流中以形成一种或多种催化剂处理的原料物流。

通常，气化催化剂在催化的碳质原料中的存在量足以使颗粒组合物中碱金属原子与碳原子的比率在约0.01、或约0.02、或约0.03、或约0.04到约0.10、或约0.08、或约0.07、或约0.06范围。

用一些原料，还可以在催化的碳质原料内提供碱金属组分以达到比催化的碳质原料中碳质物质的组合灰分含量大约3-约10倍的碱金属含量(基于质量计算)。

合适的碱金属为锂、钠、钾、铷、铯和其混合物。特别有用的是钾源。合适的碱金属化合物包括碱金属碳酸盐、碳酸氢盐、甲酸盐、草酸盐、酰胺、氢氧化物、乙酸盐或类似化合物。例如，催化剂可包括以下各物中的一种或多种：碳酸钠、碳酸钾、碳酸铷、碳酸锂、碳酸铯、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷或氢氧化铯，特别为碳酸钾和/或氢氧化钾。

可使用任选的辅助催化剂或其它催化剂添加剂，诸如先前结合的参考文献中公开的那些辅助催化剂或催化剂添加剂。

组合形成催化的碳质原料的所述一种或多种催化剂处理的原料物流通常构成与催化的碳质原料结合的装载催化剂总量的大于约50％、或大于约70％、或大于约85％、或大于约90％。可根据本领域技术人员已知的方法确定与各种催化剂处理的原料物流结合的装载催化剂总百分数。

可适当共混单独的碳质颗粒、催化剂处理的原料物流和加工物流以例如如先前所论述控制总催化剂装载或催化的碳质原料的其它品质。所组合的各种物流的适当比率将取决于各自包含的碳质物质的品质以及催化的碳质原料的所要性质。例如，如先前所述，生物质颗粒物流和催化的非生物质颗粒物流可以生成具有预定灰分含量的催化的碳质原料的比率组合。

任何先前的催化剂处理的原料物流、加工物流和加工的原料物流作为一种或多种干燥颗粒和/或一种或多种湿饼可通过本领域技术人员已知的任何方法组合，所述方法包括但不限于捏合和立式或卧式混合器，例如单或双桨、螺带式或滚筒式混合器。可将所得催化的碳质原料储备待以后使用或转移到一种或多种进料操作以便引入气化反应器中。可根据本领域技术人员已知的方法例如螺旋输送器或风力转移输送催化的碳质原料以便储存或进料操作。

此外，各催化剂装载单元包括用以从催化的碳质原料中除去多余湿分的干燥器。例如，催化的碳质原料可用流化床浆液干燥器干燥(即，用过热蒸汽处理以使液体蒸发)或用在真空或惰性气体流下热蒸发或除去的溶液干燥，以提供剩余湿含量例如为约10％重量或更低、或约8％重量或更低、或约6％重量或更低、或约5％重量或更低、或约4％重量或更低的催化的碳质原料。

气化

气化反应器

在本发明体系中，在适于将催化的碳质原料中的碳质物质转化为诸如甲烷的所要产物气体的条件下将催化的碳质原料提供到两个气化反应器。

各气化反应器分别包括(A1)反应室，在其中将催化的碳质原料和蒸汽转化为(i)多种气态产物，包括甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和未反应的蒸汽、(ii)未反应的碳质粉末和(iii)固体炭产物；(A2)进料口，用以供应催化的碳质原料到反应室中；(A3)进汽口，用以供应蒸汽到反应室中；(A4)热气出口，用以从反应室中排出热第一气流，所述热第一气流包含所述多种气态产物；(A5)炭出口，用以从反应室中取出固态炭产物；和(A6)粉末去除器单元，用以除去可能夹带在热第一气流中的至少相当大部分的未反应的碳质粉末。

所述方法的气化反应器通常在适度高压和高温下操作，需要将催化的碳质原料引入气化反应器的反应室中，同时保持原料的所需温度、压力和流速。

本领域技术人员熟悉用以供应催化的碳质原料到具有高压和/或高温环境的反应室的进料口，包括星形进料器、螺旋进料器、旋转活塞和活底料斗。应当理解的是进料口可包括两个或更多个压力均衡元件，诸如活底料斗，它们将被交替使用。在有些情况下，可在高于气化反应器的操作压力的压力条件下制备催化的碳质原料。因此，可将颗粒组合物直接通到气化反应器中，而无需进一步加压。

可使用数种催化气化反应器中的任一种。合适的气化反应器包括具有如下反应室的气化反应器，所述反应室为逆流固定床、并流固定床、流化床或夹带流或移动床反应室。

气化通常在至少约450℃、或至少约600℃、或至少约650℃到约900℃、或到约800℃、或到约750℃的中等温度下并在至少约50psig、或至少约200psig、或至少约400psig到约1000psig、或到约700psig、或到约600psig的压力下进行。

在用于使颗粒组合物加压并反应的气化反应器中使用的气体通常包括蒸汽和任选的氧气或空气(或再循环气体)，且根据本领域技术人员已知的方法供应到反应器中。可通过本领域技术人员已知的任何方法提供催化气化反应的少量所需输入热量。例如，向各气化反应器中引入受控部分的纯氧或空气可用以使催化的碳质原料中的一部分碳质物质燃烧，由此提供输入热量。

催化的碳质原料在所述条件下的反应提供热第一气体和来自各气化反应器的固体炭产物。固体炭产物通常包含大量的未反应的碳质物质和夹带的催化剂，且可从反应室中除去以便经炭出口用于取样、排出和/或催化剂回收。

如本文所用的术语“夹带的催化剂”是指包含碱金属组分的化合物。例如，“夹带的催化剂”可包括但不限于可溶性碱金属化合物(诸如碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物和碱金属氧化物)和/或不溶性碱金属化合物(诸如碱金属铝硅酸盐)。与从催化气化反应器中提取的炭相关的催化剂组分的性质和它们回收的方法在下文和先前结合的US2007/0277437A1和美国专利申请第12/342,554号、第12/342,715号、第12/342,736号、第12/343,143号中详细论述。

虽然本领域技术人员已知其它方法，但可通过炭出口从各气化反应器中定期取出固体炭产物，所述炭出口为活底料斗体系。如下所述，可将所述炭通到催化剂回收单元操作。本领域技术人员已经熟知除去固体炭产物的方法。例如可使用EP-A-0102828指出的一种这样的方法。

离开各反应室的热第一气体排出物可穿过气化反应器的粉末去除器单元部分，其充当使太重而不能被离开气化反应器的气体夹带的粒子(即，粉末)回到反应室(例如流化床)的脱除区。粉末去除器单元可包括用以从热第一气体中除去粉末和颗粒的一种或多种内置式旋风分离器或类似装置。穿过粉末去除器单元并经热气出口离开气化反应器的热第一气体排出物通常含有CH₄、CO₂、H₂、CO、H₂S、NH₃、未反应的蒸汽、夹带的粉末和诸如COS、HCN和/或元素汞蒸气的其它污染物。

残留的夹带粉末可通过诸如任选后面有文丘里涤气器(Venturi scrubber)的外置式旋风分离器的任何合适装置基本除去。可加工回收的粉末以回收碱金属催化剂，或者如先前结合的美国专利申请第12/395,385号中所述使其直接再循环到原料制备物中。

除去“相当大部分的”粉末是指从热第一气流中除去的粉末量使得不会不利地影响后续加工；因此应该除去至少相当大部分的粉末。少量的超细物质可能保留在热第一气流中，在程度上不会显著不利地影响后续加工。通常，除去至少约90％重量、或至少约95％重量、或至少约98％重量的粒度大于约20μm、或大于约10μm、或大于约5μm的粉末。

催化剂回收单元

在某些实施方案中，可回收从各气化反应器的反应室中取出的固体炭产物中的夹带催化剂中的碱金属，并可通过催化剂补充物流补偿任何未收回的催化剂。原料中的氧化铝和二氧化硅越多，实现较高碱金属回收率的成本越大。

在一个实施方案中，来自各气化反应器的固体炭产物中的一种或两种可用再循环气体和水骤冷以提取一部分夹带的催化剂。可将回收的催化剂引导到催化剂装载操作以便再次使用碱金属催化剂。可将贫化的炭例如引导到原料制备操作以便在制备催化的原料中再次使用，使其燃烧以为一个或多个蒸汽发生器提供动力(诸如先前结合的美国专利申请第12/343,149号和第12/395,320号中所公开)，或用作多种应用中的例如吸收剂(诸如先前结合的美国专利申请第12/395,293号中公开)。

其它特别有用的回收和再循环方法描述在US4459138(通过引用结合到本文中)以及先前结合的US2007/0277437A1；和美国专利申请第12/342,554号、第12/342,715号、第12/342,736号和第12/343,143号中。对于其它工艺细节，可参考那些文献。

通常，在体系的操作中，将回收至少一部分夹带的催化剂，因此，本发明的体系通常将包括一个或两个催化剂回收单元。当使用两个催化剂回收单元时，它们应平行操作。回收并再循环的催化剂的量通常将为回收成本-补充催化剂成本的函数，本领域普通技术人员可根据总系统经济学而确定所要催化剂回收和再循环程度。

催化剂可再循环到一个催化剂装载单元或催化剂装载单元组合中。例如，可将所有再循环的催化剂供应到一个催化剂装载单元，而另一催化剂装载单元仅使用补充催化剂。还可以基于催化剂装载单元逐个控制再循环催化剂相对于补充催化剂的量。

当使用单一催化剂回收单元时，所述单元处理所要部分(或所有)来自气化反应器的固体炭产物并使回收的催化剂再循环到所述一个或两个催化剂装载单元。

在另一变体中，可使用第一和第二催化剂回收单元。例如，可使用第一催化剂回收单元处理来自第一气化反应器单元的所要部分的固体炭产物，可使用第二催化剂回收单元处理来自第二气化反应器单元的所要部分的固体炭产物。同时，当存在单一催化剂装载单元时，第一催化剂回收单元和第二催化剂回收单元二者都可提供再循环的催化剂到单一催化剂装载单元。当存在多于一个催化剂装载单元时，各催化剂回收单元可提供再循环的催化剂到一个或多个催化剂装载单元。

如果使用多于一个催化剂回收单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而供应的相应总体积的炭产物的容量。例如，如果有两个催化剂回收单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

换热器

碳质原料的气化产生分别离开第一和第二气化反应器的第一和第二热第一气流。根据气化条件，热第一气流通常将各自独立地在约450℃-约900℃(更通常约650℃-约800℃)的温度、约50psig-约1000psig(更通常约400psig-约600psig)的压力和约0.5ft/sec-约2.0ftsec(更通常约1.0ft/sec-约1.5ftsec)的速度下离开相应气化反应器。

可将来自第一和第二气化反应器单元的第一和第二热第一气流提供到单一换热器单元以除去热能从而生成单一冷第一气流，或可将第一热气流中提供到第一换热器单元从而生成第一冷第一气流且将第二热气流提供到第二换热器单元从而生成第二冷第一气流。通常换热器单元的数量将大于或等于酸性气体去除单元的数量。

如果使用多于一个换热器单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而提供的相应总体积的热第一气流的容量。例如，如果有两个换热器单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

例如可使用由换热器单元中任一个或多个(存在时)提取的热能来产生蒸汽和/或预热的再循环气体。

所得冷第一气流通常将在约250℃-约600℃(更通常约300℃-约500℃)的温度、约50psig-约1000psig(更通常约400psig-约600psig)的压力和约0.5ft/sec-约2.5ft/sec(更通常约1.0ft/sec-约1.5ft/sec)的速度下离开换热器。

产物气体分离和纯化

来自换热器单元的所述冷第一气流随后通到一个或多个单元操作以分离产物气体的各种组分。可将所述冷第一气流直接提供到酸性气体去除器单元以除去至少相当大部分的二氧化碳和至少相当大部分的硫化氢(和任选的其它痕量污染物)，或可在一个或多个任选的痕量污染物去除、酸转变和/或氨去除单元中处理气流。

痕量污染物去除单元

如上文所指出。痕量污染物去除单元是任选的并可用于除去气流中存在的痕量污染物，诸如COS、Hg和HCN中的一种或多种。通常，痕量污染物去除单元(如果存在)将定位在换热器单元之后并将处理冷第一气流。

通常痕量污染物去除单元的数量将等于或小于换热器单元的数量并大于或等于酸性气体去除单元的数量。

例如，单一冷第一气流可进料到单一痕量污染物去除单元；或第一和第二冷第一气流可进料到单一痕量污染物去除单元，或第一和第二冷第一气流可进料到第一和第二痕量污染物去除单元。

如果使用多于一个痕量污染物去除单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而供应的相应总体积的第一冷却气流的容量。例如，如果有两个痕量污染物去除单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

如本领域技术人员所熟知，先前冷第一气流中各自的污染程度将取决于用来制备催化的碳质原料的碳质物质的性质。例如，诸如Illinois#6的某些煤炭可具有高硫含量，导致COS污染程度较高；且诸如Powder River Basin煤炭的其它煤炭可含有显著汞含量，所述汞可在气化反应器中挥发。

例如可通过COS水解(参见US3966875、US4011066、US4100256、US4482529和US4524050)、使冷第一气流穿过颗粒石灰石(参见US4173465)、酸性CuSO₄缓冲溶液(参见US4298584)、诸如甲基二乙醇胺、三乙醇胺、二丙醇胺或二异丙醇胺的烷醇胺吸收剂、含四亚甲基的砜(环丁砜，参见US3989811)；或用冷冻的CO₂液体逆流洗涤冷第一气流(参见US4270937和US4609388)来从冷第一气流中除去COS。

例如可通过与硫化铵或多硫化物反应以产生CO₂、H₂S和NH₃(参见，US4497784、US4505881和US4508693)、或用甲醛接着用多硫化铵或多硫化钠两级洗涤(参见，US4572826)、用水吸收(参见，US4189307)和/或通过穿过诸如MoO₃、TiO₂和/或ZrO₂的氧化铝负载的水解催化剂分解(参见，US4810475、US5660807和US 5968465)从冷第一气流中除去HCN。

例如可通过由经硫酸活化的碳吸收(参见，US3876393)、由经硫浸渍的碳吸收(参见，US4491609)、由含H₂S的胺溶剂吸收(参见，US4044098)、由银或金浸渍的沸石吸收(参见，US4892567)、用过氧化氢和甲醇氧化成HgO(参见，US5670122)、在SO₂存在下用含溴或碘的化合物氧化(参见，US6878358)、用含H、Cl和O的等离子体氧化(参见，US6969494)、和/或由含氯的氧化气体氧化(例如ClO，参见，US7118720)来从冷第一气流中除去元素汞。

当使用水溶液来除去任何或所有COS、HCN和/或Hg时，可将痕量污染物去除单元中产生的废水引导到废水处理单元。

用于特定痕量污染物的痕量污染物去除单元(存在时)应从冷第一气流中除去至少相当大部分(或基本所有)的痕量污染物通常到处于或低于所要产物流的规定极限。通常痕量污染物去除单元应当从冷第一气流中除去至少90％、或至少95％、或至少98％的COS、HCN和/或汞。

酸转变单元

可在水性介质(诸如蒸汽)存在下对单一冷第一气流、或若存在时第一和第二冷第一气流共同或单独进行水气转变反应以使一部分CO转化为CO₂并增加H₂的分数。通常酸转变单元的数量将小于或等于待处理的冷第一气流的数量并大于或等于酸性气体去除单元的数量。可对直接来自换热器的冷第一气流或对穿过一个或多个痕量污染物去除单元的冷第一气流进行水气转变处理。

如果使用多于一个酸转变单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而提供的相应总体积的冷第一气流的容量。例如，如果有两个酸转变单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

例如在US7074373中详细描述了酸转变方法。所述方法包括加入水或使用气体中所含的水并使所得水-气混合物在蒸汽转化催化剂上绝热反应。典型的蒸汽转化催化剂包括在耐热载体上的一种或多种VIII族金属。

本领域技术人员熟知用于对含CO的气流进行酸气转变反应的方法和反应器。合适的反应条件和合适的反应器可根据必须从气流贫化的CO的量而变化。在一些实施方案中，酸气转变可在单一级点在从约100℃、或从约150℃、或从约200℃到约250℃、或到约300℃、或到约350℃的温度范围内进行。在这些实施方案中，转变反应可通过本领域技术人员已知的任何合适催化剂催化。所述催化剂包括但不限于诸如Fe₂O₃-Cr₂O₃催化剂的基于Fe₂O₃的催化剂和基于其它过渡金属和基于过渡金属氧化物的催化剂。在其它实施方案中，酸气转变可在多个级点中进行。在一个特定实施方案中，酸气转变在两个级点中进行。该两级工艺使用高温顺序，接着低温顺序。高温转变反应的气体温度为约350℃-约1050℃。典型的高温催化剂包括但不限于任选结合少量氧化铬的氧化铁。用于低温转变的气体温度为约150℃-约300℃、或约200℃-约250℃。低温转变催化剂包括但不限于可负载在氧化锌或氧化铝上的氧化铜。酸转变工艺的合适方法描述在先前结合的美国专利申请第12/415,050号中。

蒸汽转变常用换热器和蒸汽发生器进行以允许有效地使用热能。本领域技术人员熟知使用这些特征的转变反应器。合适转变反应器的实例说明在先前结合的US7074373中，尽管本领域技术人员已知的其它设计也是有效的。在酸气转变程序之后，所述一种或多种冷第一气流通常各自含有CH₄、CO₂、H₂、H₂S、NH₃和蒸汽。

在一些实施方案中，将需要从冷第一气流中除去相当大部分的CO，因此转化相当大部分的CO。本文中“相当大部分”转化是指转化足够高百分数的组分使得可产生所要最后结果。通常，离开转变反应器的物流(此时在相当大部分的CO已转化)将具有约250ppm或更低CO、更通常约100ppm或更低CO的一氧化碳含量。

在其它实施方案中，将需要仅转化一部分CO以增加随后微调甲烷化的H₂的分数，所述甲烷化通常将需要约3或更大、或大于约3、或约3.2或更大的H₂/CO摩尔比。微调甲烷转化器(存在时)通常将在酸性气体去除器单元与甲烷去除单元之间。

氨回收单元

如本领域技术人员所熟知，使生物质气化和/或利用空气作为气化反应器的氧源可在冷第一气流中生成显著量的氨。任选可通过用水洗涤单一冷第一气流、或若存在时共同或单独洗涤第一和第二冷第一气流以从物流中回收氨。氨回收处理可对直接来自换热器的冷第一气流或对穿过(i)一个或多个痕量污染物去除单元；和(ii)一个或多个酸转变单元中一者或两者的冷第一气流进行。

如果使用多于一个氨回收单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而提供的相应总体积的冷第一气流的容量。例如，如果有两个氨回收单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

洗涤之后，所述冷第一气流可至少包含H₂S、CO₂、CO、H₂和CH₄。当所述冷第一气流先前已穿过酸转变单元时，则洗涤之后，所述冷第一气流可至少包含H₂S、CO₂、H₂和CH₄。

可根据本领域技术人员已知的方法从洗涤水中回收氨，氨通常可作为水溶液(例如20％重量)回收。可将废物洗涤水送到废水处理单元。

氨去除单元(存在时)将去除来自冷第一气流的至少相当大部分(和基本所有)的氨。在氨去除的上下文中，“相当大部分”去除是指除去足够高百分数的组分使得可产生所要的最后结果。通常氨去除单元将除去冷第一气流的至少约95％或至少约97％的氨含量。

酸性气体去除单元

可使用随后的酸性气体去除单元以利用包括溶剂处理气体的物理吸收方法从单一冷第一气流中、或从若存在时第一和第二冷第一气流中共同或单独地除去相当大部分的H₂S和CO₂以提供一种或多种酸性气体贫化气流。酸性气体去除方法可对直接来自换热器的冷第一气流或对已穿过(i)一个或多个痕量污染物去除单元；(ii)一个或多个酸转变单元；和(iii)一个或多个氨回收单元中一者或多者的冷第一气流进行。各酸性气体贫化气流通常包含甲烷、氢气和任选的一氧化碳。

如果使用多于一个酸性气体去除器单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而提供的相应总体积的冷第一气流的容量。例如，如果有两个酸性气体去除器单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

酸性气体去除方法通常包括使冷第一气流与诸如单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、二异丙胺、二甘醇胺、氨基酸的钠盐溶液、甲醇、热的碳酸钾等的溶剂接触以产生负载CO₂和/或H₂S的吸收剂。一种方法可包括使用具有两列的Selexol(UOP LLC，Des Plaines，IL USA)或Rectisol(Lurgi AG，Frankfurt am Main，Germany)溶剂；各列由H₂S吸收剂和CO₂吸收剂组成。所得酸性气体贫化气流含有CH₄、H₂和任选的(当酸转变单元不是所述工艺的一部分时)CO和通常少量CO₂和H₂O。一种从冷第一气流中除去酸性气体的方法描述在先前结合的美国专利申请第12/395,344号中。

至少相当大部分(且基本所有)的CO₂和/或H₂S(和其它剩余痕量污染物)应通过酸性气体去除单元除去。在酸性气体去除的上下文中，“相当大部分”去除是指去除足够高百分数的组分以使得可产生所要的最后产物。实际去除量因此可因组分而不同。对于“管道输送品质天然气”，仅可存在(至多)痕量H₂S，尽管较高量的CO₂也是可以容忍的。

通常酸性气体去除单元应除去至少约85％、或至少约90％、或至少约92％的来自冷第一气流的CO₂和至少约95％、或至少约98％、或至少约99.5％的来自冷第一气流的H₂S。

应使酸性气体去除步骤中所要产物(甲烷)的损失减至最少，以使得酸性气体贫化物流包含至少相当大部分(和基本所有)的来自冷第一气流的甲烷。通常所述损失应为约2％摩尔或更低、或约1.5％摩尔或更低、或约1％摩尔或更低的来自冷第一气流的甲烷。

酸性气体回收单元

使用以上基于溶剂的方法之一除去CO₂和/或H₂S产生负载CO₂的吸收剂和负载H₂S的吸收剂。

由所述一个或多个酸性气体去除单元中每一个分别产生的所述一种或多种负载CO₂的吸收剂中每一种通常可在一个或多个二氧化碳回收单元中再生以回收CO₂气体；回收的吸收剂可再循环回到所述一个或多个酸性气体去除单元。例如，负载CO₂的吸收剂可穿过再沸器以分离提取的CO₂和吸收剂。可根据本领域已知的方法将回收的CO₂压缩并封存。

此外，由所述一个或多个酸性气体去除单元中每一个分别产生的所述一种或多种负载H₂S的吸收剂中每一种通常可在一个或多个硫回收中再生以回收H₂S气体；回收的吸收剂可再循环回到所述一个或多个酸性气体去除单元。任何回收的H₂S可通过包括克劳斯法(Claus process)的本领域技术人员已知的任何方法转化为元素硫；产生的硫可作为熔融液体回收。

甲烷去除单元

可将单一酸性气体贫化气流提供到单一甲烷去除单元以从单一酸性气体贫化气流中分离并回收甲烷从而生成单一甲烷贫化气流和单一甲烷产物流；或当存在第一和第二酸性气体贫化气流时，可将第一和第二酸性气体贫化气流二者提供到单一甲烷去除单元以从第一和第二酸性气体贫化气流中分离并回收甲烷从而生成单一甲烷贫化气流和单一甲烷产物流；或当存在第一和第二酸性气体贫化气流时，可将第一酸性气体贫化气流提供到第一甲烷去除单元以从第一酸性气体贫化气流中分离并回收甲烷从而生成第一甲烷贫化气流和第一甲烷产物流，且可将第二酸性气体贫化气流提供到第二甲烷去除单元以从第二酸性气体贫化气流中分离并回收甲烷从而生成第二甲烷贫化气流和第二甲烷产物流。

如果使用多于一个甲烷去除单元，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而提供的相应总体积的酸性气体贫化气流的容量。例如，如果有两个甲烷去除单元，各自可设计用来提供总容量的三分之二或四分之三或全部。

如下文进一步详细论述，特别有用的甲烷产物流为作为“管道输送品质天然气”合格的甲烷产物流。

可通过包括但不限于低温蒸馏和使用分子筛或气体分离(例如陶瓷)膜的本领域技术人员已知的任何合适的气体分离方法共同或单独加工如上文论述的酸性气体贫化气流中的每一种以分离并回收CH₄。其它方法包括如先前结合的美国专利申请第12/395,330号、第12/415,042号和第12/415,050号中所公开的甲烷水合物的产生。

在一些实施方案中，甲烷贫化气流包含H₂和CO(即，合成气)。在其它实施方案中，当存在任选的酸转变单元时，如先前结合的美国专利申请第12/415,050号中详述，气体分离工艺可生成甲烷产物流和包含H₂的甲烷贫化的气流。可将甲烷贫化气流压缩并再循环到气化反应器。另外，可使用一些甲烷贫化气流作为植物燃料(例如，用于燃气涡轮机中)。可将各甲烷产物流单独或共同压缩并根据需要引导到其它工艺或引导到气体管道。

在一些实施方案中，可通过进行微调甲烷化以降低CO含量使甲烷产物流(如果其含有可观量的CO)进一步富集甲烷。可使用本领域技术人员已知的任何合适方法和设备进行微调甲烷化，所述方法和设备例如包括US4235044中公开的方法和设备。

本发明提供在某些实施方案中能够自碳质原料的催化气化产生“管道输送品质天然气”的体系。“管道输送品质天然气”通常指如下天然气：(1)在纯甲烷(在标准大气条件下其热值为1010btu/ft³)热值的±5％内，(2)基本不含水(通常露点为约-40℃或更低)，且(3)基本不含毒性或腐蚀性污染物。在本发明的一些实施方案中，上述方法中描述的甲烷产物流符合所述需求。

管道输送品质天然气可含有除甲烷以外的气体，只要所得气体混合物的热值在1010btu/ft³±5％之内且既无毒性也无腐蚀性即可。因此，甲烷产物流可包含热值小于甲烷热值且仍作为管道输送品质天然气合格的气体，只要其它气体的存在不使蒸汽热值降低到950btu/scf(基于干重计算)以下即可。甲烷产物流例如可包含至多约4％摩尔的氢气且仍然充当管道输送品质天然气。一氧化碳具有比氢气高的热值；因此，管道输送品质天然气可在不降低气流的热值的情况下含有甚至更高百分数的CO。适合用作管道输送品质天然气的甲烷产物流优选具有小于约1000ppm的CO。

甲烷转化器

如果需要，则可将任何甲烷产物流的一部分引导到任选的甲烷转化器和/或可将任何甲烷产物流的一部分用作植物燃料(例如，用于燃气涡轮机中)。甲烷转化器可包括在所述方法内以补充进料到气化反应器的再循环一氧化碳和氢气从而保证向反应器提供足够的再循环气体，使得反应的净热尽可能接近于中性点(仅略微放热或吸热)，换句话说，使得反应在热中性条件下进行。在所述情况下，如上所述，可将甲烷提供给甲烷产物的转化器。

蒸汽源

气化反应的蒸汽通过一个蒸汽源(发生器)产生用于两个反应器，或者通过第一蒸汽源产生以提供蒸汽到第一气化反应器且通过第二蒸汽源产生以提供蒸汽到第二气化反应器。

如果使用多于一个蒸汽源，各自可具有处理大于在故障或维修时用以提供备用容量而供应的相应总体积的蒸汽的容量。例如，如果有两个蒸汽源，各自可设计用来提供总容量的三分之二、四分之三或者甚至全部。

本领域技术人员已知的任何蒸汽锅炉都可供应蒸汽到气化反应器。所述锅炉可例如通过使用诸如粉煤、生物质等的任何碳质物质施以动力，且所述碳质物质包括但不限于被原料制备操作拒绝的碳质物质(例如，上文中的粉末)。蒸汽还可由与燃气涡轮机连接的其它气化反应器供应，其中来自反应器的废气与水源热交换并生成蒸汽。或者，可产生蒸汽用于如先前结合的美国专利申请第12/343,149号、第12/395,309号和第12/395,320号中所述的气化反应器。

自其它工艺操作的再循环或产生的蒸汽还可与来自蒸汽发生器的蒸汽组合使用以供应蒸汽到反应器。例如，当如先前所述用流化床浆液干燥器干燥浆化碳质物质时，可将通过汽化产生的蒸汽进料到气化反应器中。当使用换热器单元进行蒸汽发生时，那些蒸汽也可进料到气化反应器中。

过热器

催化气化反应可需要的少量热输入还可通过任选过热提供到各气化反应器的任何气体提供。在一个实例中，进料到各气化反应器的蒸汽和再循环气体的混合物可通过本领域技术人员已知的任何方法过热。在另一实例中，可使从蒸汽发生器提供到各气化反应器的蒸汽过热。在一种特定方法中，可将CO和H₂的压缩再循环气体与来自蒸汽发生器的蒸汽混合并且所得蒸汽/再循环气体混合物可通过与气化反应器流出物热交换接着在循环气体炉中过热进一步过热。

可使用过热器的任何组合。

发电机

可将由蒸汽源产生的一部分蒸汽提供到一个或多个发电机，诸如蒸汽涡轮机，以生成可在成套设备内利用或可销售到电网的电力。可将气化工艺内产生的高温和高压蒸汽提供到蒸汽涡轮机以产生电力。例如，可利用在换热器处与热第一气流接触而捕获的热能来产生提供到蒸汽涡轮机的蒸汽。

废水处理单元

可根据本领域技术人员已知的任何方法将由痕量去除单元、酸转变单元、氨去除单元和/或催化剂回收单元中的任一个或多个产生的废水中的残留污染物在废水处理单元中除去以使回收水在成套设备内再循环和/或处理来自成套设备工艺的水。所述残留污染物例如可包含苯酚、CO、CO₂、H₂S、COS、HCN、氨和汞。例如，可通过将废水酸化到pH为约3、在汽提塔中用惰性气体处理酸性废水、将pH增加到约10并用惰性气体再次处理废水以除去氨而除去H₂S和HCN(参见US5236557)。可通过在残留焦炭粒子存在下用氧化剂处理废水以将H₂S转化为可通过浮选或过滤除去的不溶性硫酸盐来除去H₂S(参见US4478425)。可通过使废水与含有一价和二价碱性无机化合物的碳质炭(例如，上文中的固体炭产物或催化剂回收后的贫化炭)接触并调整pH来除去苯酚(参见US4113615)。还可通过用有机溶剂提取接着在汽提塔中处理废水来除去苯酚(参见US3972693、US4025423和US4162902)。

实施例

实施例1

在图1中说明本发明体系的一个实施方案。其中，所述体系包括单一原料操作(100)；第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；第一换热器(401)和第二换热器(402)；第一酸性气体去除单元(501)和第二酸性气体去除单元(502)；第一甲烷去除单元(601)和第二甲烷去除单元(602)；和单一蒸汽源(700)。

将碳质原料(10)提供到原料加工单元(100)并将其转化为平均粒度小于2500μm的碳质颗粒(20)。将碳质颗粒提供到第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)中的每一个中，其中使颗粒与包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以将第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)提供到第一气化反应器和第二气化反应器。在所述两个气化反应器中，使第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)在适于将各原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸汽源(700)提供的蒸汽(35)接触，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气和硫化氢。将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)单独提供到第一换热器和第二换热器以分别产生第一冷第一气流(51)和第二冷第一气流(52)。将第一冷第一气流(51)和第二冷第一气流(52)单独提供到第一酸性气体去除单元(501)和第二酸性气体去除单元(502)，其中将硫化氢和二氧化碳从各物流中除去以分别产生各自包含甲烷、一氧化碳和氢气的第一酸性气体贫化气流(61)和第二酸性气体贫化气流(62)。最后，在第一甲烷去除单元(601)和第二甲烷去除单元(602)中除去第一酸性气体贫化气流(61)和第二酸性气体贫化气流(62)中每一种的甲烷部分以最终分别产生第一甲烷产物流(71)和第二甲烷产物流(72)。

实施例2

在图2中说明本发明体系的第二实施方案。其中，所述体系包括单一原料操作(100)；单一催化剂装载单元(200)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；单一换热器(400)；单一酸性气体去除单元(500)；单一甲烷去除单元(600)；和单一蒸汽源(700)。

将碳质原料(10)提供到原料加工单元(100)并将其转化为平均粒度小于2500μm的碳质颗粒(20)。将碳质颗粒提供到单一催化剂装载单元(200)，其中使颗粒与包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以提供催化的碳质原料(30)到第一和第二气化反应器。在所述两个气化反应器中，使催化的碳质原料(30)在适于将原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸汽源(700)提供的蒸汽(35)接触，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气和硫化氢。将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)各自提供到单一换热器(400)以产生单一冷第一气流(50)。将单一冷第一气流(50)提供到单一酸性气体去除单元(500)，其中将硫化氢和二氧化碳从物流中除去以产生包含甲烷、一氧化碳和氢气的单一酸性气体贫化气流(60)。最后，在单一甲烷去除单元(600)中除去单一酸性气体贫化气流(60)的甲烷部分以最终产生单一甲烷产物流(70)。

实施例3

在图3中说明本发明体系的第三实施方案。其中，所述体系包括第一原料操作(101)和第二原料操作(102)；第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；单一换热器(400)；单一酸性气体去除单元(500)；单一甲烷去除单元(600)；和单一蒸汽源(700)。

将第一碳质原料(11)和第二碳质原料(12)分别提供到第一原料加工单元(101)和第二原料加工单元(102)并将其转化为平均粒度小于2500μm的第一碳质颗粒(21)和第二碳质颗粒(22)。将第一碳质颗粒(21)和第二碳质颗粒(22)单独提供到第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)中每一个中，其中使颗粒各自与独立地包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以提供第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)。在所述两个气化反应器中，使第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)在适于将各原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸气源(700)提供的蒸气(35)接触，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气和硫化氢。将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)各自提供到单一换热器(400)以产生单一冷第一气流(50)。将单一冷第一气流(50)提供到单一酸性气体去除单元(500)，其中将硫化氢和二氧化碳从物流中除去以产生包含甲烷、一氧化碳和氢气的单一酸性气体贫化气流(60)。最后，在单一甲烷去除单元(600)中除去单一酸性气体贫化气流(60)的甲烷部分以最终产生单一甲烷产物流(70)。

实施例4

在图4中说明本发明体系的第四实施方案。其中，所述体系包括单一原料操作(100)；第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；单一换热器(400)；单一酸性气体去除单元(500)；单一甲烷去除单元(600)；和单一蒸汽源(700)。

将碳质原料(10)提供到原料加工单元(100)并将其转化为平均粒度小于2500μm的碳质颗粒(20)。将碳质颗粒提供到第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)中每一个中，其中使颗粒与包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以提供第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)。在所述两个气化反应器中，使第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)在适于将各原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸气源(700)提供的蒸气(35)接触，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气和硫化氢。将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)各自提供到单一换热器(400)以产生单一冷第一气流(50)。将单一冷第一气流(50)提供到单一酸性气体去除单元(500)，其中将硫化氢和二氧化碳从物流中除去以产生包含甲烷、一氧化碳和氢气的单一酸性气体贫化气流(60)。最后，在单一甲烷去除单元(600)中除去单一酸性气体贫化气流(60)的甲烷部分以最终产生单一甲烷产物流(70)。

实施例5

在图5中说明本发明体系的第五实施方案。其中，所述体系包括单一原料操作(100)；第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；第一换热器(401)和第二换热器(402)；单一酸性气体去除单元(500)；单一甲烷去除单元(600)；和单一蒸汽源(700)。

将碳质原料(10)提供到原料加工单元(100)并将其转化为平均粒度小于2500μm的碳质颗粒(20)。将碳质颗粒提供到第一催化剂装载单元(201)和第二催化剂装载单元(202)中每一个中，其中使颗粒与包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以提供第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)到第一和第二气化反应器。在所述两个气化反应器中，使第一催化的碳质原料(31)和第二催化的碳质原料(32)在适于将各原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸气源(700)提供的蒸气(35)接触，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气和硫化氢。将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)单独提供到第一和第二换热器以分别产生第一冷第一气流(51)和第二冷第一气流(52)。将第一冷第一气流(51)和第二冷第一气流(52)都提供到单一酸性气体去除单元(500)，其中将硫化氢和二氧化碳从物流中除去以产生包含甲烷、一氧化碳和氢气的单一酸性气体贫化气流(60)。最后，在单一甲烷去除单元(600)中除去单一酸性气体贫化气流(60)的甲烷部分以最终产生单一甲烷产物流(70)。

实施例6

在图6中说明本发明体系的第六实施方案。其中，所述体系包括单一原料操作(100)；单一催化剂装载单元(200)；第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)；单一换热器(400)；单一酸性气体去除单元(500)；单一甲烷去除单元(600)；痕量污染物去除单元(800)；酸转变单元(900)；氨去除单元(1000)；转化器(1100)；CO₂回收单元(1200)；硫回收单元(1300)；催化剂回收单元(1400)；废水处理单元(1600)；和与过热器(701)和蒸汽涡轮机(1500)连通的单一蒸汽源(700)。

将碳质原料(10)提供到原料加工单元(100)并将其转化为平均粒度小于2500μm的碳质颗粒(20)。将碳质颗粒提供到单一催化剂装载单元(200)中，其中使颗粒与包含气化催化剂的溶液在装载槽中接触，通过过滤除去过量水，并将所得湿饼用干燥器干燥以提供催化的碳质原料(30)到第一和第二气化反应器。在所述两个气化反应器中，使催化的碳质原料(30)在适于将原料转化为第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)的条件下与由共同蒸气源(700)提供的过热蒸气(36)接触，该蒸汽源(700)为过热器(701)提供蒸汽(35)，所述热第一气流各自至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气、硫化氢、COS、氨、HCN和汞。将由蒸汽源(700)产生的蒸汽(33)的一部分引导到蒸汽涡轮机(1500)中以产生电力。第一和第二气化反应器各自产生包含夹带的催化剂的第一固体炭产物(37)和第二固体炭产物(38)，将其从它们的相应反应室中定期除去并引导到催化剂回收操作(1400)，其中将夹带的催化剂回收(140)并使其回到催化剂装载操作(200)。将催化剂回收操作中产生的废水(W1)根据需要引导到废水处理单元(1600)以便中和和/或纯化。

将第一热第一气流(41)和第二热第一气流(42)各自提供到单一换热器(400)以产生单一冷第一气流(50)。将单一冷第一气流(50)提供到痕量污染物去除单元，其中将HCN、汞和COS除去以产生至少包含甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氨和硫化氢的痕量污染物贫化的冷第一气流(55)。将由痕量污染物去除单元产生的任何废水(W2)引导到废水处理单元(1600)。

将痕量污染物贫化的冷第一气流(55)引导到酸转变单元，其中使物流中的一氧化碳基本转化为CO₂以提供至少包含甲烷、二氧化碳、氢气、氨和硫化氢的低硫痕量污染物贫化的冷第一气流(56)。将由酸转变单元产生的任何废水(W3)引导到废水处理单元(1600)。

将低硫痕量污染物贫化的冷第一气流(56)提供到氨去除单元(1000)，其中将氨从物流中除去以产生至少包含甲烷、二氧化碳、氢气和硫化氢的低硫痕量和氨贫化的冷第一气流(57)。将由氨去除单元产生的任何废水(W4)引导到废水处理单元(1600)。

将低硫痕量和氨贫化的冷第一气流(57)提供到单一酸性气体去除单元(500)，其中硫化氢和二氧化碳通过使物流与H₂S和CO₂吸收剂接触来依次吸收而除去，以产生至少包含甲烷和氢气的单一酸性气体贫化气流(60)和负载H₂S的吸收剂(63)和负载CO₂的吸收剂(64)。将负载H₂S的吸收剂(63)引导到硫回收单元(1300)，其中将吸收的H₂S从负载H₂S的吸收剂(63)中回收并通过克劳斯法转化为硫。可使再生的H₂S吸收剂再循环回到酸性气体去除单元(500)(未图示)中。将负载CO₂的吸收剂(64)引导到二氧化碳回收单元(1200)，其中将吸收的CO₂从负载CO₂的吸收剂(64)中回收；可使再生的CO₂吸收剂再循环回到酸性气体去除单元(500)(未图示)中。可在二氧化碳压缩机单元(1201)处将回收的CO₂(120)压缩到适于封存(121)的压力。

最后，通过单一甲烷去除单元(600)除去单一酸性气体贫化气流(60)的甲烷部分以产生单一甲烷产物流(70)和甲烷贫化气流(65)。在甲烷压缩机单元(1600)处将甲烷产物流(70)压缩到适于提供到气体管道(80)的压力。将甲烷贫化气流(65)引导到转化器(1100)，其中将物流中的甲烷转化为合成气(110)，经气体再循环回路和过热器(701)将合成气(110)提供到第一气化反应器(301)和第二气化反应器(302)二者，从而维持各气化反应器内的基本热中性条件。