JP5683575B2 - 有機廃棄物の熱分解ガス化のための新規な方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機廃棄物の熱分解ガス化のための新規な方法に関する。

熱分解ガス化は、有機材料の処理及びそれからエネルギー回収するための方法である。

本明細書において、「有機材料」及び「有機廃棄物」は、廃棄物に含まれている材料並びに農業及びバイオマスの産物及び副産物を意味すると理解されている。

廃棄物及びバイオマスからのエネルギーの回収は、現在、温室効果及び将来的な化石燃料の不足に対する効果的な取り組みに貢献するという点から大いに関心を集めている。

本発明に係る方法は、有機材料の熱分解ガス化を利用する。

有機材料からエネルギー回収するには数通りの経路がある。
焼却はよく知られ広く用いられている方法であるが、これは現在その設置費用、そして特にその高い排ガス処理費用（ダイオキシン、フラン、重金属等）のため批判を浴びている。
メタン生成は湿潤産物にのみ用いられるため、これは厳密には熱分解ガス化と同時に行う方法ではない。

熱分解は、有機物、それ故に空気から保護しつつ熱（５００〜１１００℃）により有機材料を分解するステップからなる。その分解産物は、非凝縮性ガス（ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２）、非凝縮性炭化水素（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０）、重質炭化水素、オイル凝縮性タール、水（Ｈ_２Ｏ）及びコークス（炭素）である。これら成分の割合は、熱分解反応条件に左右される。

長い滞留時間（数１０分間）で低温（４００〜５００℃）において反応が行われる場合、コークスはこの有機材料分解の主要な産物となるであろう。

急速な温度上昇及び短い滞留時間（数秒間又は数分間）と高温（７００〜１０００℃）で反応が行われる場合、主要な産物は可燃性ガスとなるであろう。

これらの反応の両方において、生成されたガスは、上述の通り、非凝縮性ガス（ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２）及び非凝縮性炭化水素（ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０）並びにこれらの反応により生成された他の化合物、即ち重質炭化水素、オイル凝縮性タール及び凝縮性蒸気の状態の水（Ｈ_２Ｏ）からなる。

発電はバイオマス及び有機廃棄物からエネルギーを回収する主要な方法の１つであるため、これらのタールを除去してタール含有量が０．１ｍｇ／ｍ^３未満の合成ガス（ＣＯ＋Ｈ_２）を生成する（希薄燃焼ガス発生器においてこのガスを回収できるように）ことは根本的な問題である。熱−エンジン発電機による回収は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いた蒸気タービンにより駆動される発電機と比べ、発電量を少なくとも２倍にする。

現在の工程は、バーナーによってしかエネルギー回収に用いることのできないガスを生成し、従って蒸気又はＯＲＣ工程を必要とする。

熱分解を達成するための主な現在の方法は、次の通りである。
第一の方法によれば、バーナーから出た燃焼ガスが循環する二重エンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を用いた密閉エンベロープ（炉）内で材料が加熱される。その低い熱交換（壁のみによる）のため、この方法は広い表面及び大きな容積を必要とする。これは、低温（４００〜５００℃）で行われるゆるやかな反応に有用である。この方法の問題点は、材料の温度及び混合がうまく制御されず、生産がユーザーの選択又は要求に従ってガス又はオイル生産へと切り替わることができないことである。バーナーによるガス回収のみを考慮することができる。特定の熱分解材料にとって廃棄物である大量のコークスもまた、この方法の問題点である。
別の方法によれば、熱分解される材料の、炎によって放出された高温ガスによる直接加熱が用いられる。この方法により熱伝導はより良くなるが、熱分解反応と同じ容器における燃焼は、廃棄物ガスの質を損ない（塩素含有産物の可能性）、エネルギー生産も損なう大量の酸素供給（余分の燃焼空気）を必要とする。

加熱管や流動床を用い、また材料を高温リアクタに散布して、熱分解される材料へエネルギーを伝達するための他の方法が存在する。これらの方法は確固としたものではなく、或いは工業生産における工学上の問題を抱える。

このカテゴリーにおいて強調されるであろう一方法は鋼ビーズを用いた方法であり、ビーズは炉外で加熱され、次にエアロック・システムを通じて炉内に入れられ、そこで水平の又はやや傾斜した炉において熱分解される材料と混合される。このような方法は、国際特許出願である国際公開第２００５／０１８８４１号及び同第２００６０８７３１０号パンフレットに記載されている。この方法は、炉の回転速度を制御することによって滞留時間を完全に制御するため効率的であり、ビーズ温度を制御することによって温度を制御する。一方、システムが水平の炉を利用し、アルキメディアン・スクリューによって、或いは炉を回転させることによってビーズ−材料混合物が駆動されるという事実は、炉の縦方向の約１／３にしか前記混合物を充填できないことを意味する。ビーズが導入されて材料と接触すると直ちに熱分解ガスが生成されるため、この方法は、凝縮性ガスとタールを十分には分解せず、これはガスが生成される時点から抽出される時点まで、これらのガスが高温ビーズ床及び残渣材料と接触していないためである。この小さな接触表面により、分解は弱く不完全になる。この方法の別の問題点は、クラスター形成している場合ビーズは特に高温では凝集し易く、その後の取り扱い及び運搬が難しくなることである。これは特に、円錐又は漏斗において参照番号４０のビーズが循環しない、或いは非常に循環しにくい二番目の特許（国際公開第２００６０８７１０号パンフレット）に当てはまる。

これらあらゆる問題を考慮し、本発明は、高温のステンレス鋼トロイドを用いて課題を克服する。

好ましくは、これらトロイドは、分解の際の触媒に有利となるようニッケル及びコバルトを含む合金からなる。

次に、本発明は、図面を参照しつつ本明細書を読むことによって、より良く理解できるであろう。

本発明に係る熱分解ガス化方法を実施する装置を概略的に示す図である。 前記装置の一実施形態の詳細を示す図である。

これらトロイドは、静止垂直炉において熱分解される材料と同じ方向に進行する。

ビーズではなくトロイドを選択したことは、本発明において極めて重要である。トロイドは熱交換表面面積と重量との間の比率が最も高く、この構造は、加熱炉内でトロイドが加熱される際と、このエネルギーが回収され熱分解される材料へと伝達される際の両方において最高の収率が得られるため重要である。例えば、従来の耐熱性鋼ビーズ、即ち直径４０ｍｍ、重量２６１．４グラムの球形は、交換表面５０２６．５５ｍｍ^２を有する。実質的に２６２グラムに相当する重量に対し、断面１８ｍｍが得られる外径６０ｍｍ及び内径２４ｍｍのトロイドを用いることができる。このトロイドの交換表面は、７４６１．４２ｍｍ^２となる。従って、鋼と当量のトロイドと球との間の交換表面面積比は約１．５となる。これにより、加熱及び熱伝導速度が既存の方法よりも改善されるであろう。

トロイド（２）は他の寸法も可能であるが、内径１５〜１００ｍｍ及び外径５０〜１５０ｍｍによって最良の結果が得られると考えられる。

更に、ビーズではなくトロイドを用いることには、クーラント（即ち、熱を熱分解される材料へともたらす金属塊）の循環に関して重要な利点がある。上述の通り凝集し易く、その循環が困難であるビーズとは対照的に、トロイドは互いを阻害することなくその循環は非常に容易であり、本発明に係る方法の効率をなお一層改善する。

本発明は、再生可能エネルギーと考えられるバイオマス由来であるにしろ、或いはバイオマス由来でないにしろ、有機材料を含むあらゆる産物の処理を可能にする。

バイオマス産物の非限定的な例として、次の産物を挙げることができる。
木材、木材チップ及びおがくず、
わら、
ワイン生産における廃棄物、
農業副産物及び廃棄物（液体及び固体厩肥、糖蜜、骨粉）、
バガス、
バイオ燃料（ミスカンサス等）、
浄水スラッジ、
製紙液、
紙、段ボール、セルロース、
家庭廃棄物、
固体の工業廃棄物。

バイオマス由来でない産物の場合、次の非限定的な産物の例を挙げることができる。
石炭及び木炭廃棄物、
石油産業系廃棄物、
汚染された木材廃棄物、
有機化学系廃棄物、
塗料廃棄物、
プラスチック廃棄物（ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン、ＰＶＣ）、
中古タイヤ。

熱回収のため、破壊のため、或いは汚染除去のためであっても、有機材料を含むどの材料も本発明に係る方法により処理できるため、この列挙は包括的ではない。

本発明に係る方法によって処理される材料は、固体、ペースト又は液体の形状であってよい。固体の産物は、約５０ｍｍの要素になるよう予め粉砕しなければならない。

本発明に係る方法によって処理される産物は多量（３０〜１００％）の有機材料を含むことができ、この場合、反応は、廃棄物を破壊するためにエネルギー自律型であっても、或いは蒸気又は高温水の形態で電気及びエネルギーを生産するエネルギー余剰型であってもよい。処理される産物は、有機材料を殆ど含まない汚染された材料であってもよい。この場合、方法は、例えば、熱分解反応を活性化するための別のエネルギーを用いて、汚染された土地の除染に用いることができる（埋葬地若しくは水処理施設由来のバイオガス又は化石エネルギー由来のメタン生成ガス）。

本発明に係る方法は、年間５０〜１０，０００トンの間の、大量の有機材料の熱分解及びガス化を達成することができる。より大量の場合、複数の単位を平行して操作することが望ましい。

次に、図１を参照すると、熱分解が行われる小容量の垂直容器（１トン／時間の処理に対し、１．５ｍ^３、高さ約２．５ｍ）の炉（１）が示されている。既存の装置とは対照的に、熱分解ガス化が行われるこの炉は、高温のトロイド（２）（必要に応じて５００〜１１００℃）及び熱分解される有機材料（３）の混合物で満たされている。トロイド（２）と熱分解される材料（３）の割合は、最良の熱分解ガス化反応を生じるような方法で決定されるであろう。図１のように固体の場合はエアロック（４）を通して、或いは液体の場合はエアロック（５）を通して、有機材料（３）が導入される。トロイド（２）と有機材料（３）を撹拌するための装置（図示せず）が炉（１）の内部に設置されて前記トロイド（２）と前記有機材料（３）を完全に混合し、これにより後者の熱分解を改善することができる。反応は非常に急速であり、材料（３）が炉（１）内に導入されると直ちに非凝縮性及び凝縮性炭化水素並びにコークスを含む熱分解ガスが生成される。トロイド（２）と有機材料（３）の混合物を炉（１）の上部を通して高温で送る意義は、過熱されたトロイド（２）と有機材料（３）の非常に大きな交換表面面積が密に接触するため、炭化水素の高温での分解及び残渣コークスのガス化が、この経路に沿って生じることである。好ましくは、この反応をなお一層改善するため、ニッケル及びコバルトを含む合金の高温ステンレス鋼トロイドが選択され、これはガス化を触媒的に改善する効果があり、このようなトロイド組成はタール分解を容易にする。残渣炭化粒子をＣＯ及びＨ_２にガス化するために、混合経路のある時点でＣＯ_２又は水蒸気を添加することによってこの反応を改善することもできる。

前述の混合経路は炉（１）の下部で終了し、そこでガスは調整可能な吸引システム（図示せず）を備えた排気口（６）を通して抽出され、これにより炉（１）内がやや陰圧になる。最長の経路に置かれることにより最長の時間で材料（３）を熱分解することができ、これにより前記熱分解の結果を改善できるため、炉（１）のより下部に排気口（６）を配置することが好ましい。それから、これらのガスは直接的に供給されて熱回収されるか（バーナー及びボイラー、図示せず）、或いは発電機（７）における最適なエネルギー回収のため冷却されて不純物が除去される。

明細書において次に更に説明するが、再加熱炉（９）内部のトロイド（２）を再加熱するためのバーナー（８）が設置されており、これらの燃焼ガスの一部、即ち１０％〜１００％の範囲（低いパーセンテージの有機産物を有する熱分解される材料が破壊されている場合）が炉（９）へと向かい、この炉（９）の上部において最高温度でトロイド（２）を再加熱し、これによりトロイド（２）を最高温度で炉（１）内に導入できることが理解される。

トロイド（２）と有機材料（３）の混合物が炉（１）内で循環する速度を調整することを可能にする流量制御システム（１）により、炉の下でトロイド（２）と共に固体熱分解粒子が回収される。次に、この混合物は分離器（１１）内に導入され、熱分解された残渣、即ち前記固体熱分解粒子から生成された鉱物（１２）からトロイド（２）を分離する。この分離器（１１）は下部ふるい（１４）を備える円筒（１３）を含み、高温（４００〜７００℃の間）の産物を収容する場合、耐熱性鋼からなる。この円筒（１３）において、トロイド（２）と鉱物（１２）の混合物（後者は金属を含み得る）は、ギアモーター（１６）で駆動されるアルキメディアン・スクリュー（１５）によって押し出される。前記混合物が進むにつれ、好ましくはスクリュー（１５）の大部分に亘って配置されたふるい（１４）により、トロイド（２）よりもサイズがはるかに小さい鉱物粒子（１２）が抽出され、前記粒子を排出させるよう設計された、この排出の際に本発明に係る装置へと空気が侵入するのを防ぐためのエアロックを備える容器（１７）内に回収される。このように、エネルギー回収に有用となるよう、或いは熱分解ガス化産物が「廃棄物」として分類されるか否かに応じて処理されるよう、粒子が排出される。

この分離器（１１）における経路の終わりに、トロイド（２）と鉱物（１２）は完全に分離され、トロイド（２）のみが再加熱炉（９）へと供給される。この炉（９）の機能は、熱分解ガス化炉（１）における熱分解反応の達成のために決定された必要温度まで、場合によって連続サイクルでトロイド（２）を加熱することである。この炉は、トロイド（２）を分離器（１１）から熱分解ガス化炉（１）上部のより高いレベルへと引き上げるためにも有用である。トロイド（２）は、分離器（１１）と同様にアルキメディアン・スクリュー（１８）により加熱炉（９）へと移動される。スクリュー（１８）は、軸を駆動するギアモーター（１９）によって回転するよう作製され、このアセンブリは分離器（１１）と炉（１）の間に生じる上昇の程度に応じて傾斜している。トロイド（２）はバーナー（８）と接触させることによって直接加熱され、燃焼ガスに少量存在する酸素を導入しないよう、燃焼ガスは再加熱炉（９）と熱分解ガス化炉（１）との間で中立圧力点が生じるような抽出器の調整及びガスの流れ（図示せず）を必要とする。１１００℃もの高温に耐える必要のあるこの再加熱炉（９）は、高温耐熱性鋼からなる。これらの温度だけでなく金属の膨張が非常に重要であり、この炉の設計は図２においてより良く示されている好ましい一実施形態の主題である。

この図２に示す一実施形態において、スクリュー（１８）の螺旋は、これを回転的に駆動する軸（２０）に直接的に取り付けられておらず、軸（２０）を取り囲む軸ざや（２１）に取り付けられている。図２に示す一実施形態において、この軸ざやは中空であり絶縁体（２２）が充填されているが、別の一実施形態においては、軸ざやそのものが断熱材からなる。いずれの実施形態においても、軸ざや（２１）の存在は軸（２０）への熱伝達を相当に限定し、これにより前記軸（２０）はその本来の機械的特性を保つことができる。このように保護された軸（２０）は、軸受（図示せず）のレベルで安全に冷却することができる。

その排出規制との適合性が確認され、それに含まれるエネルギーを回収するために（例えば、熱分解される産物を乾燥させるため）従来の交換器において冷却した後、高温（１０００℃）の燃焼ガスが排出される。

図示しない一実施形態において、高温（１０００℃）燃焼ガスの回収を提供することも可能であり、熱又は電気回収の場合、炭化水素とタールを分解するための最大限のエネルギーを回収するために、次に熱分解ガス化炉（１）が設置された二重エンベロープ内に該ガスが供給され、その後上述の通り、排出規制との適合性が確認されて従来の交換器において冷却されるとこれらのガスが排出される。

必要温度へと加熱されたトロイド（２）が、熱分解ガス化される材料の量及び質に応じた必要流速で炉（１）で導入される。処理される有機材料は、酸素を導入しないようエアロック・システムによって調節された速度で導入される。

本発明に係る装置の一般設計において、図１は、サイズを減少させ、本発明に係る方法の最適な実施を可能にする好ましい一実施形態を示す。このように、前記装置の３個の必須要素、即ち熱分解ガス化炉（１）、分離システム（１１）及び再加熱炉（９）が直角三角形に配置され、該直角三角形において炉（９）は斜辺の位置を占め、他の２辺は炉（１）（好ましくは垂直）及びシステム（１１）（実質的に水平）に相当する。その一変種において、システム（１１）はやや傾斜していてもよく、その場合、上述の三角形の直角はやや鈍角となるであろう。

Claims (10)

1. （ａ）高温にされた金属塊と混合された廃棄物の熱分解が達成される炉であって、前記廃棄物及び前記金属塊用の注入口並びに熱分解ガス用の排気口を有する前記炉と、（ｂ）熱分解された残渣と前記金属塊を分離するシステムと、（ｃ）新たな熱分解ガス化サイクルのために前記金属塊を再加熱するための炉とを用いるタイプの有機廃棄物の熱分解ガス化のための方法であって、前記金属塊がステンレス鋼製トロイド（２）からなることを特徴とする上記方法。
2. 前記トロイド（２）がニッケル及びコバルトを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記トロイド（２）の内径が１５〜１００ｍｍの間であり、外径が５０〜１５０ｍｍの間であることを特徴とする、請求項１又は２の一項に記載の方法。
4. 熱分解ガス排気口（６）が、前記熱分解が達成される炉（１）のより下部に設置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 前記排気口（６）に、前記炉（１）内部にわずかに陰圧を生じるシステムが備わっていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記熱分解が達成される炉（１）の下部に備わっているものが、トロイド（２）及び熱分解残渣の放出速度を調節する装置（１０）であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 前記熱分解された残渣と前記トロイド（２）を分離するシステム（１１）が、前記残渣及び前記トロイド（２）を炉（１）の下部から前記トロイド（２）の再加熱を可能にする炉（９）の下部へと運ぶアルキメディアン・スクリュー（１５）を有し、その間、前記熱分解された残渣が、前記スクリュー（１５）の下にその相当な長さに亘って配置されたふるい（１４）を通過することによって容器（１７）内に回収されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記トロイド（２）の再加熱を可能にする炉（９）が、バーナー（８）と、前記バーナー（８）を用いて再加熱された前記トロイド（２）が炉（１）上部の上方レベルへと運ばれるのを可能にするアルキメディアン・スクリュー（１８）とを備えていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 前記スクリュー（１８）の螺旋が、その螺旋から軸（２０）を絶縁する軸ざや（２１）によって前記スクリュー（１８）を駆動する前記軸（２０）から分離されている、請求項８に記載の方法。
10. 前記炉（１）と、前記分離システム（１１）と、前記炉（９）が、それぞれ、直角三角形の直角の辺とその斜辺を形成していて、前記炉（１）が垂直である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。

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