(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭質材料を生成ガスに転換するための流動層改質器において、
炭質材料を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽（６０２）と、
前記コンパートメントを少なくとも部分的に占有し、前記コンパートメント内でクラス
タの垂直方向の第１の厚み（Ｖ１）を有する加熱用導管の第１のクラスタであって、該第
１のクラスタ内の各加熱用導管が、第１の太さ（Ｔ１）を有し、熱を熱源から前記コンパ
ートメントまで伝達するように構成される第１のクラスタ（６１０）と、
前記コンパートメントを少なくとも部分的に占有し、前記コンパートメント内でクラス
タの垂直方向の第２の厚み（Ｖ２）を有する加熱用導管の第２のクラスタであって、該第
２のクラスタ内の各加熱用導管が、第２の太さ（Ｔ２）を有し、熱を熱源から前記コンパートメントまで伝達するように構成され、加熱用導管の前記第１のクラスタの垂直方向上方に位置付けられ、前記第１の太さ（Ｔ１）と前記第２の太さ（Ｔ２）のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである第１の離隔距離（Ｓ１）だけ前記第１のクラスタから離隔され、該第１の離隔距離（Ｓ１）が、良好なソリッドサーキュレーションのために伝導性のあるように構成される前記第１のクラスタと前記第２のクラスタとの間の反応槽における領域を画定する第２のクラスタ（６２０）と、
前記第１のクラスタと前記第２のクラスタとの間で垂直方向にある領域内において炭質材料を前記反応槽内に導入するように構成される複数の供給材料用入口（６３７）と、
を含む流動層改質器。
【請求項２】
前記第１の離隔距離（Ｓ１）は、前記クラスタの第１の厚み（Ｖ１）および前記クラス
タの第２の厚み（Ｖ２）のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである請求項１に記載
の流動層改質器。
【請求項３】
前記第１の離隔距離（Ｓ１）は、前記クラスタの第１の厚み（Ｖ１）および前記クラス
タの第２の厚み（Ｖ２）のうちの小さい方の少なくとも２倍である請求項２に記載の流動
層改質器。
【請求項４】
前記反応槽（６０２）は、矩形の断面を有する請求項１に記載の流動層改質器。
【請求項５】
前記加熱用導管が、パルスヒータに対応付けられる請求項１に記載の流動層改質器。
【請求項６】
前記第１のクラスタ（６１０）の加熱用導管と前記第２のクラスタ（６２０）の加熱用
導管のうちの少なくとも一方は、加熱用導管の２つ以上の列を含む請求項１に記載の流動
層改質器。
【請求項７】
前記第１のクラスタ（６１０）と前記第２のクラスタ（６２０）のうちの前記少なくと
も一方内の加熱用導管の隣接する列が、千鳥掛け状に配置される請求項６に記載の流動層
改質器。
【請求項８】
加熱用導管の前記第１および第２のクラスタ双方（６１０、６２０）は、加熱用導管の
２つ以上の列を含む請求項６または請求項７に記載の流動層改質器。
【請求項９】
炭質材料を生成ガスに転換する方法において、
請求項１記載の流動層改質器を用意し、
流動化媒質を前記コンパートメント内に導入し、
前記第１のクラスタ（６１０）の加熱用導管と前記第２のクラスタ（６２０）の加熱用
導管との間で垂直方向にある領域内において炭質材料を前記コンパートメント内に導入し、
前記炭質材料の少なくとも一部分が流動層内で生成ガスに転換されるように前記反応槽（６０２）内の反応を制御することを含む方法。
【請求項１０】
前記加熱用導管が対応付けられるパルスヒータを、前記反応槽（６０２）に備えること
を含み、
前記反応槽（６０２）内の反応を制御することは、パルスヒータの動作を制御すること
を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
反応物質を熱化学的または生化学的に処理するように構成される流動層反応器において、
反応物質を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽（６０２）と、
前記コンパートメントを少なくとも部分的に占有し、前記コンパートメント内でクラス
タの垂直方向の第１の厚み（Ｖ１）を有する加熱用導管の第１のクラスタであって、該第
１のクラスタ内の各加熱用導管が、第１の太さ（Ｔ１）を有し、熱を熱源から前記コンパ
ートメントまで伝達するように構成される第１のクラスタ（６１０）と、
前記コンパートメントを少なくとも部分的に占有し、前記コンパートメント内でクラス
タの垂直方向の第２の厚み（Ｖ２）を有する加熱用導管の第２のクラスタであって、該第
２のクラスタ内の各加熱用導管が、第２の太さ（Ｔ２）を有し、熱を熱源から前記コンパ
ートメントまで伝達するように構成され、加熱用導管の前記第１のクラスタの垂直方向上
方に位置付けられ、前記第１の太さ（Ｔ１）と前記第２の太さ（Ｔ２）のうちの小さい方
と少なくとも同じ大きさである第１の離隔距離（Ｓ１）だけ前記第１のクラスタから離隔
され、該第１の離隔距離（Ｓ１）が、良好なソリッドサーキュレーションのために伝導性
のあるように構成される前記第１のクラスタと前記第２のクラスタとの間の反応槽におけ
る領域を画定する第２のクラスタ（６２０）と、
加熱用導管の前記第１のクラスタ（６１０）と前記第２のクラスタ（６２０）との間で
垂直方向にある領域内において、反応物質を前記反応槽内に導入するように構成される複
数の供給材料用入口（６３７）と、
を含む流動層反応器。
【請求項１２】
前記第１の離隔距離（Ｓ１）は、前記クラスタの第１の厚み（Ｖ１）および前記クラス
タの第２の厚み（Ｖ２）のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである請求項１１に記
載の流動層反応器。
【請求項１３】
前記第１の離隔距離（Ｓ１）は、前記クラスタの第１の厚み（Ｖ１）および前記クラス
タの第２の厚み（Ｖ２）のうちの小さい方の少なくとも２倍である請求項１２に記載の流
動層反応器。
【請求項１４】
前記加熱用導管が、パルスヒータに対応付けられる請求項１１に記載の流動層反応器。
【請求項１５】
加熱用導管の前記第１のクラスタ（６１０）と前記第２のクラスタ（６２０）のうちの
少なくとも一方は、加熱用導管の２つ以上の列を含む請求項１１に記載の流動層反応器。
【請求項１６】
前記第１のクラスタ（６１０）と前記第２のクラスタ（６２０）のうちの前記少なくと
も一方内で、加熱用導管の隣接する列が千鳥掛け状に配置される請求項１５に記載の流動
層反応器。
【請求項１７】
加熱用導管の前記第１および第２のクラスタ双方（６１０，６２０）は、加熱用導管の
２つ以上の列を含む請求項１５に記載の流動層反応器。
【請求項１８】
各クラスタ内で、加熱用導管の隣接する列が千鳥掛け状に配置される請求項１７に記載
の流動層反応器。
【請求項１９】
生産物を形成するように反応物質を熱化学的または生化学的に処理する方法において、
請求項１１記載の流動層反応器を用意し、
流動化媒質を前記コンパートメント内に導入し、
前記第１のクラスタ（６１０）の加熱用導管と前記第２のクラスタ（６２０）の加熱用
導管との間で垂直方向にある領域内において、反応物質を前記コンパートメント内に導入
し、
前記反応物質の少なくとも一部分が流動層内で１つ以上の生産物に転換されるように前
記反応槽（６０２）内の反応を制御することを含む方法。
【請求項２０】
前記加熱用導管が対応付けられるパルスヒータを、前記反応槽（６０２）に備えること
を含み、
前記反応槽（６０２）内の反応を制御することは、パルスヒータの動作を制御すること
を含む請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機材料を含むことができる反応物質、また黒液およびバイオマスなど炭質材料を処理し、材料を加工および／またはリサイクルしエネルギーを抽出するための流動層反応器に関する。より詳細には、垂直方向で離隔されたクラスタに配列された１つまたは複数のパルス燃焼器を有するデバイスに関する。パルス燃焼器の共鳴管は、反応槽のコンパートメント内に突出しないように配列することができる。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａおよび図１Ｂは、円筒形の改質器１００として構成された従来技術の反応器におけるそれぞれ上面図および側面図を示す。円筒形の改質器１００は、反応槽を形成する円筒形のコンパートメント１０１を含む。改質器１００は、１つまたは複数のパルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂを備え、それぞれが、それぞれの共鳴管１０６Ａ、１０６Ｂに接続されたパルス燃焼器１０４Ａ、１０４Ｂを備える。図１Ａでわかるように、パルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂは、その円筒の直径を横切って、１つの方向で延在する。空気および燃料生成物が、パルス燃焼器１０４Ａ、１０４Ｂに入り、燃焼生成物または煙道ガスが、共鳴管１０６Ａ、１０６Ｂを出る。
【０００３】
パルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂは、米国特許第５０５９４０４号（特許文献１）に開示されている種類のものであり、その内容は、本発明を理解するのに必要な範囲で参照することにより本明細書の一部を構成する。そのようなパルスヒータは、改質器反応槽１０１内に導入される流体および固体を間接的に加熱するように構成される。パルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂに関連付けられた共鳴管１０６Ａ、１０６Ｂは、コンパートメント１０１の内容物を間接的に加熱するための加熱用導管として働く。
【０００４】
図１Ａおよび図１Ｂでわかるように、パルスヒータ１０８Ａ、１０８Ｂの第２の対が、コンパートメントの直径を横切って、パルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂの第１の対に対して直角に向けられている。図１Ｂでわかるように、これは、コンパートメント１０１内に、交差するパルスヒータによって画定される領域内で、垂直方向に延びる４分円１３６を残す。
【０００５】
パルスヒータは、コンパートメント底部１１２からほぼ上部流動層ライン１１４に延びる稠密な流動層１１０内で浸漬される。最低部のパルスヒータ１０２Ｂは、共鳴管１０４Ｂを液（ｌｉｑｕｏｒ）１１８で着色するのを回避するために、分配器１２２の上方で高さＨ１メートルに位置する。いくつかの従来技術のシステムでは、高さＨ１は、約２〜３メートルである。
【０００６】
使用済みの液１１８は、稠密な流動層１１０の底部付近で、コンパートメント１０１の側部に注入される。一般的に言えば、使用済みの液は、円筒形のコンパートメント１０１の周りに円周方向で配列される複数の入口１０３を経て、コンパートメント内に導入される。図１Ｂにはそのような入口１０３が４つ示されているだけであるが、他の数の円周方向で配列された入口を設けることができることを理解されたい。他の従来技術の実施例では、使用済みの液は、おそらくはアレイまたは他のパターンで配列された底部全体にわたって多かれ少なかれ均等に分布する複数の入口を経てコンパートメント１０１の底部を介して導入されることがある。
【０００７】
過熱蒸気１２０、または他の流動化媒質は、コンパートメント１０１の底部から入り、分配器１２２を通過する。分配器１２２は、進入する蒸気１２０を均一に広げる助けとなり、次いで蒸気１２０は、稠密な流動層１１０にしみ通る。生成ガス１２４は、伴なわた流動層固体を落とすのを助けるために使用される１つまたは複数の内部サイクロン（図示せず）を通過した後で、コンパートメント１０１の上部でフリーボードエリア１２６から出て行く。
【０００８】
図２Ａおよび図２Ｂは、矩形の改質器２００の形態にある代替の従来技術の構成を示す。矩形の改質器２００は、上から見たとき矩形の断面をもつコンパートメント２０１を有する（図２Ｂ参照）。１つまたは複数の列で配列された複数のパルスヒータ１０２が、このコンパートメント２０１を通過する。これらの列は、熱伝達を向上させるために、互いに千鳥掛け状に配置される。これらのパルスヒータ１０２のそれぞれは、コンパートメント２０１の内容物を間接的に加熱するための共鳴管の形態にある加熱用導管を備える。
【０００９】
円筒形の改質器１００の場合とよく似て、分配器２２２がコンパートメント２０１の底部に設けられる。最低部のパルスヒータ２０２は、分配器２２２の上方で高さＨ２に位置する。いくつかの従来技術のシステムでは、高さＨ２は、約２〜３メートルである。さらに、円筒形の改質器の場合とちょうど同様に、使用済みの液２１８は、コンパートメント２０１の底部付近で、その側部に導入される。一般的に言えば、使用済みの液は、矩形のコンパートメント２０１の周りで壁に沿って配列される複数の入口２０３を経て、コンパートメント内に導入される。他の従来技術の実施例では、使用済みの液は、おそらくはアレイまたは他のパターンで配列された底部全体にわたって多かれ少なかれ均等に分布する複数の入口を経てコンパートメント２０１の底部を介して導入されることがある。一方、生成ガス２２４は、コンパートメント２０１の上部でフリーボードエリア２２６から出て行く。矩形の改質器２００の動作は、大抵の材料に関して、上述の円筒形の改質器１００の動作と同様であることを理解されたい。
【００１０】
上記の構成は、小型のプロセス開発スケールのユニットでは十分に機能すると思われる。しかし、これらの構成は、より大型のユニットにスケールアップされたとき、いくつかの限界に遭遇する可能性がある。
【００１１】
１つの問題は、管がない、またはパルスヒータ管巣間に自由空間（図２Ｂ参照）がある開けた４分円（図１Ｂ参照）の存在であり、どちらも蒸気／ガスのチャネリング、および蒸気／ガスのバイパスを助長し、したがって気固接触およびソリッドサーキュレーション（ｓｏｌｉｄ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）を損なうおそれがある。さらに、そのような大きな垂直の流路があると、大きな気泡の形成が促進され、これらの気泡は、サイズと速さが急速に増大することにより、パイプ、管、接続部、および改質器内の他の固定具を損傷するおそれがある。
【００１２】
他の問題は、ソリッドサーキュレーションが低下することにより、共鳴管表面上で粒子接触時間が長くなる。これは、粒子対流を、ひいては管からの熱伝達を妨げる。したがって、管はより高温になる傾向があり、これは、流動層内に廃熱される速度に悪影響を及ぼし、パルスヒータ１０２Ａ、１０２Ｂ、２０２からの燃焼煙道ガス出口温度を上昇させる。さらに、局所的なホットスポットができる傾向がより高く、これは、スメルト形成、および／または数本の管または多数の管の周りでの粒子の凝集と汚損または蓄積とに通ずるおそれがある。
【００１３】
さらに他の限界は、燃焼室を共鳴管と近接して結合することは、管と管との間の間隔、即ち、ピッチを、ひいては共鳴管同士の間の間隙を最小限に抑えることを必要とする。これは、燃焼室に関して道理にかなったアスペクト比（長さ対直径）をうまく達成するために行われる。また、パルスヒータは、一般にヘルムホルツ共鳴器として設計されるためある幾何特性（共鳴管の長さ、共鳴管の容積、および燃焼室の容積）を保存しなければならない。流動層−管の熱伝達に関する実験データおよびモデルは、管巣内の管同士の間のピッチまたは間隙が増大するにつれて、熱伝達係数が著しく改善することを示している。これは、管同士の間の間隔が増大するにつれて固体移動のための抵抗が減少することによるものであり、これは、より高頻度の表面の再生または粒子対流を、ひいてはより大きな熱伝達係数を促進する。しかし、図１Ｂで見られる構成は、管同士の間の間隙を、流動層の熱伝達および操作性（ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ）から見て最適よりはるかに低い値に制限する。
【００１４】
さらに、大部分の燃焼および発熱は、パルス燃焼室内で発生する。しかし、燃焼は、共鳴管内のガスの温度がより低いことにより、より低い速度ではあるが共鳴管内でも続行する。共鳴管内での残留する燃焼および発熱は、熱伝達から見て望ましいが、燃焼が不完全であり排気煙道ガス内で著しい濃度のＣＯおよび不燃炭化水素を生じる場合、不十分である。こうなる可能性は、燃焼器内の燃料点火速度が設計点火速度から低下するにつれて増大する。
【００１５】
さらに、炭質フィードストックは、流動層１１０内に注入されたとき、乾燥、液化（ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）、チャー形成、および炭化転換を受ける。蒸気改質環境では、これらの工程のすべてが吸熱性であり、すなわち熱入力を必要とする。流動層ソリッドサーキュレーションが大きくなるほど、また供給材料の分布が流動層全体にわたって均一になるほど、加熱速度が速くなり、供給材料の最終温度が高くなる。これは、有機物の熱分解を向上させ、より高い揮発分収率と、より低いタール形成、ならびにチャー歩留まりに通ずる。ガス／蒸気のチャネリングおよびバイパスを助長する流動層−パルスヒータ構成の場合、ソリッドサーキュレーションが阻害される。これは、供給材料注入領域への熱輸送を妨げ、この領域内で温度を低下させ、タールおよびチャー形成を促進する。
【００１６】
さらに他の問題は、乾燥、液化、チャー形成、および炭化転換の工程すべてが、分配器１２２、２２２の上方であって、しかし下部パルスヒータより下の領域内で、熱伝達および質量伝達を競う。これらの工程すべてが熱吸収源であり、進入する流動化媒質１２０が、蒸気であり流動層の温度より低い温度にある場合、それも別の熱吸収源となり得る。唯一の熱源がパルスヒータであり、これらの熱源は、上述の従来技術の実施例における前述の距離Ｈ１およびＨ２によって熱吸収源から著しく除去される。唯一のリンクがソリッドサーキュレーションであり、これが標準に達しない場合、供給材料注入領域では熱が枯渇し、反応器性能が損なわれる。
【００１７】
さらに、熱伝達と質量伝達とは共に、十分な炭化転換にとって重要である。チャー温度と反応体または蒸気の濃度とが高いほど、炭化転換率が大きくなる。分配器の真上の領域は、高い蒸気または反応体の濃度によって特徴付けられ、これは、チャー温度を流動層温度で維持することができるならば、炭化転換にとって好ましい。供給材料注入、および、ソリッドサーキュレーションの低下により、熱供給が制限され、それにより、チャー温度が、ひいては炭化転換率が低下する可能性が高まる。パルスヒータの領域では、熱伝達は良好であるが、反応体（蒸気）がチャネリングにより迂回した場合、質量伝達が不十分となるおそれがあり、やはり炭化転換を損なう。
【００１８】
一般に、商用ユニットは、多数の熱伝達管を収容するために、深い、または背の高い稠密な流動層を必要とする。これらのユニットを気泡流動化状態で動作させることは、比較的大きな気泡、気泡合体の増大、および蒸気／ガスのバイパスが生じる傾向により、熱および質量伝達や気固接触から見て、かなり制限的なものである。逆に、乱流流動化状態での動作は、良好な気固接触と、優れた熱および質量伝達特性とをもたらす。しかし、これは、気泡状態に対するものより著しく高い表面流動化速度（ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を必要とする。１つの実行可能な手法は、異なる熱交換器構成と、より小さい流動層材料平均粒径とを選択することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第５０５９４０４号明細書
【特許文献２】米国特許第５３０６４８１号明細書
【特許文献３】米国特許第５３５３７２１号明細書
【特許文献４】米国特許第５５３６４８８号明細書
【特許文献５】米国特許第５６３７１９２号明細書
【特許文献６】米国特許第６１４９７６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
要約すると、上述の従来技術の構成は、モジュラリティをもたらし、ある種のサイズまたは供給材料能力にとって有益である。しかし、この手法は、必要とされる多数のパルスヒータ、相互接続の複雑さ、パイプ敷設、ダクト敷設など、およびコストにより、大型スケールまたは高供給材料スループットユニットにとっては扱いにくいものとなる。このすべてがスケールアップを制約する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
一態様では、本発明は、炭質材料を生成ガスに転換するように構成された流動層改質器を対象とする。この流動層改質器は、流動化可能な炭質材料を受け取るように構成されたコンパートメントを画定し、少なくとも第１の壁部と第２の壁部とを有する反応槽を含む。第１の熱伝達モジュールが反応槽に接続され、第１の熱伝達モジュールは、第１の吸音室に接続された第１のパルス燃焼器を備え、第１のパルス燃焼器は、第１の吸音室内で終わる少なくとも１つの第１のテールパイプを備える。第１の複数の熱伝達管が前記コンパートメント内に突出し、前記第１の複数の熱伝達管のそれぞれは、前記第１の壁部を介して吸音室と流体連通する。第１の複数の熱伝達管のそれぞれは、少なくとも１つの第１のテールパイプから放出された燃焼生成物が、各熱伝達管の第１の流路に沿って、前記第１の壁部から離れる方向で移動し、次いで前記各熱伝達管の第２の流路に沿って、第１の壁部に向かう方向で移動するように構成される。
【００２２】
複数のそのような熱伝達モジュールが反応槽に接続されてもよい。
【００２３】
他の態様では、本発明は、反応物質を熱化学的または生化学的に処理するように構成された流動層反応器を対象とする。この反応器は、反応物質を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽を含む。複数の熱伝達モジュールが反応槽に接続され、各熱伝達モジュールは、関連する吸音室に接続されたパルス燃焼器を備え、各パルス燃焼器は、関連する吸音室内で終わる少なくとも１つのテールパイプを備える。複数の上部および下部熱伝達管がそのコンパートメント内に突出し、複数の上部および下部熱伝達管のそれぞれは、反応槽の改質器壁部を介して、関連する吸音室と流体連通する。複数の上部および下部熱伝達管のそれぞれは、少なくとも１つのテールパイプから放出された燃焼生成物が、各熱伝達管の第１の流路に沿って、反応槽の改質器壁部から離れる方向で移動し、次いで前記各熱伝達管の第２の流路に沿って、改質器壁部に向かう方向で移動するように構成される。
【００２４】
他の態様では、本発明は、炭質材料を生成ガスに転換するための流動層改質器を対象とする。この流動層改質器は、炭質材料を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽を含む。加熱用導管の第１のクラスタが、そのコンパートメントを少なくとも部分的に占有し、そのコンパートメント内の第１の垂直長さ（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｅｘｔｅｎｔ）にわたって延在する。第１のクラスタ内の各加熱用導管は、熱を熱源からそのコンパートメントに伝達するように構成され、第１のクラスタ内の加熱用導管は、第１の太さを有する。加熱用導管の第２のクラスタが、そのコンパートメントを少なくとも部分的に占有し、そのコンパートメント内の第２の垂直長さにわたって延在する。第２のクラスタ内の各加熱用導管は、熱を熱源からそのコンパートメントに伝達するように構成され、第２のクラスタ内の加熱用導管は、第２の太さを有する。加熱用導管の第２のクラスタは、垂直方向で加熱用導管の第１のクラスタの上方に配置され、第１の離隔距離だけ第１のクラスタから離隔され、第１の離隔距離は、第１の太さと第２の太さのうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである。複数の供給材料入口が、垂直方向で加熱用導管の第１のクラスタと第２のクラスタとの間にある領域内で、炭質材料を反応槽内に導入するように構成される。
【００２５】
他の態様では、本発明は、炭質材料を生成ガスに転換する方法を対象とする。この方法は、上述したような、加熱用導管の第１および第２のクラスタを有する反応槽を用意することから始まり、流動化媒質をそのコンパートメント内に導入し、垂直方向で加熱用導管の第１のクラスタと第２のクラスタとの間にある領域内で、炭質材料をそのコンパートメント内に導入し、次いで、炭質材料の少なくとも一部分が流動層内で生成ガスに転換されるように、反応槽内の反応を制御する。
【００２６】
他の態様では、本発明は、反応物質を熱化学的または生化学的に処理するように構成された流動層反応器を対象とする。この反応器は、反応物質を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽を備える。加熱用導管の第１のクラスタが、そのコンパートメントを少なくとも部分的に占有し、そのコンパートメント内の第１の垂直長さにわたって延在する。第１のクラスタ内の各加熱用導管は、熱を熱源からそのコンパートメントに伝達するように構成され、第１のクラスタ内の加熱用導管は、第１の太さを有する。加熱用導管の第２のクラスタが、そのコンパートメントを少なくとも部分的に占有し、そのコンパートメント内の第２の垂直長さにわたって延在する。第２のクラスタ内の各加熱用導管は、熱を熱源からそのコンパートメントに伝達するように構成され、第２のクラスタ内の加熱用導管は、第２の太さを有し、加熱用導管の第２のクラスタは、加熱用導管の第１のクラスタの垂直方向上方に配置され、第１の離隔距離だけ第１のクラスタから離隔され、第１の離隔距離は、第１の太さと第２の太さのうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである。複数の供給材料入口が、加熱用導管の第１のクラスタと第２のクラスタとの間の垂直方向にある領域内で、反応物質を反応槽内に導入するように構成される。
【００２７】
他の態様では、本発明は、生産物を形成するように反応物質を熱化学的または生化学的に処理する方法を対象とする。この方法は、上述のような、反応物質を受け取るのに適したコンパートメントを画定する反応槽と、加熱用導管の第１のクラスタと、加熱用導管の第２のクラスタとを含む流動層反応器を用意することから始まる。この方法は、流動化媒質をそのコンパートメント内に導入することに進み、垂直方向で加熱用導管の第１のクラスタと第２のクラスタとの間にある領域内で、反応物質をそのコンパートメント内に導入し、次いで、反応物質の少なくとも一部分が流動層内で１つまたは複数の生産物に転換されるように、反応槽内の反応を制御する。
【００２８】
本発明をよりよく理解するために、またどのように本発明を実際に実施することができるかを示すために次に添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】従来技術の円筒形の改質器の側面図を示す。
【図１Ｂ】従来技術の円筒形の改質器の上面図を示す。
【図２Ａ】従来技術の矩形の改質器の側面図を示す。
【図２Ｂ】従来技術の矩形の改質器の上面図を示す。
【図３Ａ】本発明によるデバイスの側面図を示す。
【図３Ｂ】本発明によるデバイスの切開側面図を示す。
【図３Ｃ】本発明によるデバイスの切開上面図を示す。
【図４Ａ】図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃの改質器槽の壁の第１の実施例の部分切取り断面図を示す。
【図４Ｂ】４Ｂ−４Ｂ線に沿った図４Ａの断面図を示す。
【図４Ｃ】４Ｃ−４Ｃ線に沿った図４Ａの断面図を示す。
【図４Ｄ】４Ｄ−４Ｄ線に沿った図４Ｃの断面図を示す。
【図５Ａ】図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃの改質器槽の壁の第２の実施例の部分切取り断面図を示す。
【図５Ｂ】５Ｂ−５Ｂ線に沿った図５Ａの断面図を示す。
【図５Ｃ】５Ｃ−５Ｃ線に沿った図５Ａの断面図を示す。
【図６Ａ】本発明の一実施例による反応器の側面図を示す。
【図６Ｂ】６Ｂ−６Ｂ線に沿った図６Ａの反応器の上面断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
米国特許第５０５９４０４号、米国特許第５３０６４８１号、米国特許第５３５３７２１号、米国特許第５５３６４８８号、米国特許第５６３７１９２号、米国特許第６１４９７６５号公報の内容は、本発明を理解するのに必要な範囲で参照することにより本明細書の一部を構成する。
【００３１】
図６Ａおよび図６Ｂは、供給材料がそれらの離隔されたクラスタ相互間で注入される状態で、垂直方向で離隔された加熱用導管の複数個のクラスタを有する流動層改質器６００の図を示す。流動層改質器６００は、反応槽６０２として働くコンパートメント６０１を含む。図６Ｂで最もよくわかるように、反応槽６０２は、２つの長辺６０４Ａ、６０４Ｂと、２つの短辺６０６Ａ、６０６Ｂとを含む矩形の占有場所（すなわち、水平断面で矩形）を有する。複数のパルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂが、改質器槽６０２の長辺６０４Ａ、６０４Ｂを通過する。一実施例では、パルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂは、上述の米国特許第５０５９４０４号（特許文献１）に開示されているような当業者に周知の種類のものである。これらのパルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂに関連付けられた共鳴管６０９が、コンパートメント６０１の内容物を間接的に加熱するための加熱用導管として働く。
【００３２】
パルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂは、垂直方向で離隔された２つのクラスタ、第１の、即ち、下部のクラスタ６１０と、第２の、即ち、上部のクラスタ６２０とで構成される。示される実施例では、各クラスタ６１０、６２０は、１つ以上の列で配置されるパルスヒータを含む。しかし、クラスタ内のパルスヒータは、本発明によれば、複数列で配置されることは必要とされないものとする。
【００３３】
図６Ａの実施例でわかるように、下部クラスタ６１０に属するパルスヒータ６０８Ａは、単一の水平の列６１２で配置される。列６１２は、唯一の列なので下部クラスタ６１０における最上部の列６１２としても最下部の列６１２としても働く。したがって、下部クラスタ６１０の垂直長さＶ１は、列高さＲ１と対応する。この場合、列高さＲ１は、この列６１２に属するパルスヒータ６０８Ａの太さＴ１（あるいは、より正確に言えば、パルスヒータ６０８Ａに関連付けられた加熱用導管６０９の太さＴ１）に対応する。したがって、水平方向で配列される円筒形の加熱用導管の場合には、Ｒ１は、分かり易く、加熱用導管の直径である。３つのパルスヒータがこの列６１２に示されているが、一つの列は、異なる数のパルスヒータを有してもよいことを了解されたい。
【００３４】
上部クラスタ６２０に属するパルスヒータ６０８Ｂは、１対の水平の列６１４Ａ、６１４Ｂで配置される。示される実施例では、上部クラスタ６２０の列６１４Ａ、６１４Ｂは、互いに千鳥掛け状に配置され、列内の間隔Ｖ４だけ互いに垂直方向で離隔される。上部クラスタ６２０は、下部クラスタ６１０内における単一の列６１２ではなく、上部クラスタ６２０内における２つの列６１４Ａ、６１４Ｂのために下部クラスタ６１０の垂直長さＶ１より大きい垂直長さＶ２を有する。第２のクラスタ６２０の最下部の列６１４Ａは、示される実施例において、対応するパルスヒータ６０８Ｂに関連付けられた加熱用導管の太さＴ２に対応する列の高さＲ２を有する。両クラスタ６１０、６２０内で同じタイプの加熱用導管／パルスヒータが使用される場合、上部クラスタ６２０の最下部の列６１４Ａの列の高さＲ２は、下部クラスタ６１０の最上部の列６１２の列の高さＲ１と同じである。
【００３５】
図６Ａでわかるように、第１のクラスタ６１０と第２のクラスタ６２０とは、クラスタ間の垂直間隔Ｓ１だけ離隔される。
【００３６】
一実施例では、クラスタ６１０、６２０は、垂直間隔Ｓ１が、加熱用導管の太さＴ１および太さＴ２のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさとなるように、十分に遠くに離れ、離隔される。所定のクラスタ内の加熱用導管が様々な太さを有する場合、そのクラスタに関する平均加熱用導管の太さが、最小垂直間隔Ｓ１を決定するための「加熱用導管の太さ」として使用される。
【００３７】
他の実施例では、垂直間隔Ｓ１は、２つの垂直長さＶ１、Ｖ２のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさである（すなわち、Ｓ１≧ｍｉｎ（Ｖ１，Ｖ２））。
【００３８】
さらに他の実施例では、垂直間隔Ｓ１は、２つの垂直長さＶ１、Ｖ２のうちの小さい方の少なくとも２倍の大きさである（すなわち、Ｓ１≧２＊ｍｉｎ（Ｖ１，Ｖ２））。
【００３９】
上述のクラスタ６１０、６２０における説明では、各クラスタ内のパルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂは、横の列で配列され、その結果、列高さＲ１、Ｒ２は、加熱用導管の太さＴ１、Ｔ２と同じであった。しかしながら、他の実施例では、パルスヒータは、横の列で配列されなくてもよく、一方の壁６０４Ａから対向する壁６０４Ｂにかけて傾斜する、即ち、斜行されてもよいことを了解される。そのような場合、列の高さは、加熱用導管の太さと同じでないことになる。さらに他の実施例では、パルスヒータは、まったく列をなして配列されなくてもよいことと了解される。しかしながら、これらの場合のすべてにおいて、垂直間隔Ｓ１は、依然として加熱用導管の太さＴ１と太さＴ２のうちの小さい方と少なくとも同じ大きさであることになる。
【００４０】
また、第１のクラスタ６１０と第２のクラスタ６２０とは、それぞれ、等しくない数の列を有するように示されているが、いくつかの実施例では、２つのクラスタは、等しい数の列を有し、また、この同一の数量は、１、２、３、さらにはそれ以上とすることができることと了解される。さらに、図６Ａ〜図６Ｂの実施例では、第２のクラスタ６２０の列６１４Ａ、６１４Ｂが等しくない数のパルスヒータ６０８Ｂを有しているが、クラスタ内の隣接する列は、等しい数のパルスヒータ６０８Ｂを有してもよいものとする。したがって、例えば、第２のクラスタ６２０の列６１４Ａ、６１４Ｂは、それぞれ３つのパルスヒータ６０８Ｂを有し、それらの列は、やはり互いに対して千鳥掛け状に配置される。
【００４１】
各列内の列の総数、および、パルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂの総数は、蒸気改質器６００のサイズ、供給材料のタイプ、供給材料のスループットに適するように、任意の所定の設計で変更され得る。
【００４２】
改質器槽６０２の底部には、蒸気のような流動化媒質６３５が導入される分配器６２２がある。分配器６２２の真上、および第１のクラスタ６１０の下方には、強化されたチャーコンバージョンゾーン(ｃｈａｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｚｏｎｅ)６４０がある。ゾーン６４０は、良好な熱および物質の移動、ならびに、反応体（蒸気）の高い濃度を得られるようにし、強化された炭化転換（ｃｈａｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を促進する。このゾーン６４０の垂直長さは、そのチャーの反応性および改質器の動作条件によって依存することになり、反応が遅い場合、垂直長さがより大きくなる。
【００４３】
第１のクラスタ６１０と第２のクラスタ６２０との間には、上述したように、高さＳ１を有する乾燥および液化領域６４２がある。この領域は、良好なソリッドサーキュレーション（ｓｏｌｉｄ  ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）、熱輸送、および気固接触を促す助けとなり、乾燥および液化を最大化し、タールおよびチャーの形成を最小限に抑えるように働く。一実施例では、全体的に６３７として示されている供給材料入口が、２つのクラスタ６１０、６２０の相互間において垂直方向にある領域内で終わる。したがって、この実施例では、供給材料は、パルスヒータの第１のクラスタの垂直上方の、かつ、パルスヒータの第２のクラスタ６２０の垂直下方の位置で、主要な炭化反応領域６４０から離隔される領域６４２内に注入される。供給材料入口６３７は、ほぼ同じ高さにあり、改質器槽６０２の短辺６０６Ａ、６０６Ｂに沿って離隔されるものとする。
【００４４】
最後に、第２のクラスタ６２０の真上の領域には、上層ライン６４６に延びる高密度の層領域６４４がある。フリーボード領域６４８が、改質器槽６０２の最上部部分を占有する。生成ガス６４９は、サイクロン、および当業者に知られている他の機器（図示せず）を介してフリーボード領域６４８から出る。
【００４５】
流体改質器６００のパルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂは、流体改質器６００内の負荷をよりよく調和させ、さらに改質器の出力の低下をもたらすために点火速度および熱伝達率を変更するようにコンピュータ（図示せず）で制御されるものとする。
【００４６】
上述のことから、多くの点で、図６Ａおよび図６Ｂの流体改質器６００は、図２で見られる従来技術の流体改質器２００と類似していることがわかる。しかしながら、１つの主な違いは、流体改質器６００内のパルスヒータ６０８Ａ、６０８Ｂが、離隔されたクラスタ６１０、６２０内に配列され、一方、従来技術の流体改質器２００内のすべてのパルスヒータが、単一のクラスタに属することである。第２の違いは、いくつかの実施例では、供給材料が、最も低いパルスヒータの上方にある領域内でコンパートメント６０２内に導入され、一実施例では、２つのクラスタ６１０、６２０の相互間にある領域内に導入されることである。
【００４７】
炭質材料から生成ガスを生み出すための流動層改質器の稼動は、上述の種類の装置で始まる。この後に、流動化媒質をそのコンパートメント内で導入すること、第１のクラスタと第２のクラスタとの間で垂直方向にある領域内で、炭質材料をそのコンパートメント内に導入すること、次いで、炭質材料の少なくとも一部分が流動層内で生成ガスに転換されるように反応槽内の反応を制御することが続く。
【００４８】
当業者は、反応体の流れ、温度、圧力監視など、反応を制御する様々な見地に精通している。パルスヒータが使用される状況では、そのような制御は、点火速度、混合気、および他のパラメータを調整することを含めて、パルスヒータの運転を必要とする。その改質器は、乱流流動化状態で動作するように構成されてもよく、その流動化媒質は、蒸気、空気、富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、リサイクル生成ガス、および、それらの混合物の群のうちの１つからなるものでもよい。
【００４９】
上述の改質器６００の説明は、矩形の占有場所を有する流動層改質器を考察しているが、他の形状を有する改質器において本発明を実施することも可能である。したがって、例えば、パルスヒータのクラスタ相互間のこの領域内に供給材料を導入するように複数のパルスヒータと複数の入口との間に十分な垂直間隔が設けられる限り、方形の占有場所、または、円筒形の占有場所を有する改質器も本発明の恩恵を受け得る。
【００５０】
さらに、上述の説明は、加熱用導管によってもたらされる間接熱源としてのパルスヒータを使用することによって表されていた。しかしながら、上述の反応器は、パルスヒータ以外の熱源を使用し、加熱用導管６０９を介して間接的に供給される熱を生成してもよいと了解される。そのような他の熱源の例は、加熱用導管内の電気ヒータ、煙管などを含む。
【００５１】
図３Ａは、本発明の他の側面による反応器３００の側面図を示す。以下の説明では、この反応器は、改質器３００であることを前提とされる。改質器３００は、改質器槽３０２と、改質器槽３０２の両側に１つずつ、１対の熱伝達モジュール３１０、３５０とを含む。改質器槽３０２は、流動化可能な炭質材料を受け取るように構成されたコンパートメント３０３を画定する。図３Ａでわかるように、２つの熱伝達モジュールは、互いに対し垂直方向においてずれている。示される実施例では、第２の熱伝達モジュール３５０が、第１の熱伝達モジュール３１０よりわずかに高い位置にある。
【００５２】
第１の熱伝達モジュール３１０は、第１の吸音室３１１と、第１のパルス燃焼器３１２とを含む。第１のパルス燃焼器３１２は、テールパイプ３１４に接続されたパルス燃焼室３１３を含む。図３の実施例でわかるように、パルス燃焼室３１３は、第１の吸音室３１１の頂部に配置される。一方、テールパイプ３１４は、実質的に完全に第１の吸音室３１１内にあり、その中で垂直方向下向きに延在する。また、この実施例でわかるように、テールパイプ出口３１６が、２×Ｈ３の高さを有する吸音室３１１の垂直長さに沿っておよそ中間に配置される。これにより、第１の吸音室３１１は、第１のパルス燃焼器３１２が起動されたとき共鳴することが可能になり、吸音室内で定在波が生じる。
【００５３】
エアープレナム（ａｉｒ  ｐｌｅｎｕｍ）３１８が、パルス燃焼室３１３の頂部に着座しており、エアープレナム３１８は、バルブ３２０を囲む。このバルブは、シングルバルブ、または、マルチバルブ３２０を含んでもよい。バルブ３２０は、パルス燃焼室３１３の入口のための出入口をもたらし、したがって、燃料および／または生成ガスのような可燃物３２２と空気３２４とが、パルス燃焼室３１３に入るのを可能にする。空気３２４は、エアープレナム３１８に入り、バルブ３２０の出口付近で可燃物３２２と混ざり合うことができ、それから、パルス燃焼室３１３内に注入される。
【００５４】
テールパイプ３１４の端部３１６を出て第１の吸音室３１１内に入る燃焼生成物は、改質器槽３０２の第１の壁３３２内に形成された開口を通過し、第１の壁３３２に接続された複数の熱伝達管３２６内に入る。熱伝達管３２６は、第１の上部熱伝達管巣３２８Ｕまたは第１の下部熱伝達管巣３２８Ｌに属する。第１の上部および下部熱伝達管巣３２８Ｕ、３２８Ｌは、熱がその中にある流体に与えられる改質器槽３０２内に突出している。
【００５５】
各管巣３２８Ｕ、３２８Ｌ、３６８Ｕ、３６８Ｌは、複数の熱伝達管を含む。図３Ｂでわかるように、各管巣３２８Ｕ、３２８Ｌは、管３２６の複数の列３３０を含み得る。単一の管巣に属する列３３０は、単に垂直方向で互いに位置合わせされてもよいが、好ましくは、図３Ｂに示されているように千鳥掛け状に配置される。各列３３０は、複数の管３２６を含んでもよく、正確な数は、管の直径、管の間隔、および管３２６が接続される槽壁３３２の長さＬによって制限される。
【００５６】
配列の総数、および、熱伝達管３２６の総数は、蒸気改質器のサイズ、供給材料のタイプ、供給材料のスループットに適するように任意の所定の設計で変更可能とされる。これらのパラメータが既知となった後で、第１のパルス燃焼器３１２および第１の吸音室３１１は、熱伝達効率に合致するように設計可能とされる。配列の数およびカラムの数は、変更され得るので改質器３００のような改質器は、小型のサイズから大型のサイズに拡大され得る。全体的なサイズにかかわらず、熱伝達管３２６は、気固接触を促進し、ガス／蒸気のチャネリングおよびバイパシングを緩和する助けとなるように改質器槽３０２内で配列されて構成され得る。
【００５７】
したがって、改質器３００では、第１のパルス燃焼器３１２が、熱伝達管３２６から物理的に分離されるが、第１の吸音室３１１を介して機能的に結合される。第１の吸音室３１１は、テールパイプ３１４を完全に取り囲み、テールパイプ出口３１６は、吸音室における幾何学中心付近に位置する。第１のパルス燃焼器３１２がヘルムホルツおよび４分の１波長共鳴器として設計されるならば、テールパイプ出口３１６は、速度の腹、または、圧力の節に一致する。第１の吸音室３１１は、その端部３１１ａ、３１１ｂで圧力の腹、または速度の節を有する定在波発生器として働くように構成される。
【００５８】
熱伝達管の２つの管巣３２８Ｕ、３２８Ｌは、上部管巣３２８Ｕが第１の吸音室３１１の頂部３１１ａでほぼ圧力の腹であり、一方、下部管巣３２８Ｌが第１の吸音室３１１の底部３１１ｂでほぼ圧力の腹であるように配置される。これは、第１のパルス燃焼器３１２から第１の上部および下部管巣３２８Ｕ、３２８Ｌの熱伝達管３２６への音響効果（ａｃｏｕｓｔｉｃｓ）の効率的な伝達を促進する。また、これは、周期的な境界層洗浄、および熱伝達係数の向上をもたらす。
【００５９】
図３Ａでわかるように、上部管巣３２８Ｕ、３６８Ｕは、上部管巣クラスタ３２９Ｕを構成し、一方、下部管巣３２８Ｌ、３６８Ｌは、下部管巣クラスタ３２９Ｌを構成する。
上部管巣クラスタ３２９Ｕの最下部の部材は、クラスタ間垂直間隔Ｄ１だけ下部管巣クラスタ３２９Ｌの最上部の部材から離隔される。クラスタ間の垂直間隔Ｄ１は、管巣内の配列間の間隔である列間の垂直間隔Ｄ２を実質的に超える。一実施例では、クラスタ間の垂直間隔Ｄ１の列間の垂直間隔Ｄ２に対する比、Ｄ１／Ｄ２は、２以上である。いくつかの実施例では、クラスタ間の垂直間隔Ｄ１もまた、上部管巣クラスタ３２９Ｕまたは下部管巣クラスタ３２９Ｌの最大クラスタ高さＤ３を超え、複数のクラスタは、同じ高さ、または、同じ数の列を有することを必要とされないものとする。一実施例では、クラスタ間の垂直間隔Ｄ１の最大クラスタ高さＤ３に対する比、Ｄ１／Ｄ３は、２以上である。下部および上部クラスタ３２９Ｌ、３２９Ｕは、すべて高密度の層３４２内で浸漬される。
【００６０】
第２の熱伝達モジュール３５０は、第２の吸音室３５１と、第２のパルス燃焼器３５２とを含む。第２のパルス燃焼器３５２の構造は、第１のパルス燃焼器３１２の構造と同様である。したがって、第２のパルス燃焼器３５２は、テールパイプ３５４に接続されたパルス燃焼室３５３を含む。また、エアープレナム３５８と、可燃物３６２および空気３６４を導入するための第２のパルス燃焼器３５２に関連付けられたバルブ３６０とが、設けられる。
【００６１】
テールパイプ３５４を出て第２の吸音室３５１内に入る燃焼生成物は、改質器槽３０２の第２の壁３３４内に形成された開口を通過し、第２の壁３３４に接続された複数の熱伝達管３６６内に入る。好ましくは、熱伝達管３２６と同じ構造のものである熱伝達管３６６は、第２の上部熱伝達管巣３６８Ｕまたは第２の下部熱伝達管巣３６８Ｌに属する。
【００６２】
改質器槽３０２のコンパートメント３０３は、様々な機能的役割を有し、様々な活性が起きるいくつかの垂直方向に離隔された領域を含む。
【００６３】
改質器槽３０２の下部には、蒸気など流動化媒質３３５が導入される分配器３３６がある。最下部の熱伝達管３２６は、熱源と熱吸収源との間の良好な連通をうまく達成するように分配器３３６に近接して位置する。一実施例では、分配器３３６と最低部の熱伝達管３２６との間の間隔Ｈ４（図３Ｂ参照）は、０．５〜１．５メートルの間である。しかし、他の間隔もまた可能である。
【００６４】
分配器３３６の上方であって下部管巣３２８Ｌ、３６８Ｌの上部の下方の領域は、強化型チャーコンバージョンゾーン３４０と呼ばれる。ゾーン３４０は、良好な熱および質量伝達ならびに高い反応体（蒸気）濃度をもたらし、強化された炭化転換を促進する。このゾーンの垂直長さは、チャーの反応性および改質器の動作条件によって依存し、反応が遅い場合、垂直長さがより大きくなる。
【００６５】
下部管巣３２８Ｌ、３６８Ｌと上部管巣３２８Ｕ、３６８Ｕとの間には、上述したように、高さＤ１を有する乾燥および液化領域３４２がある。この領域は、良好なソリッドサーキュレーション、熱輸送、および気固接触の助けとなり、乾燥および液化を最大化し、タールおよびチャーの形成を最小限に抑えるように働く。一実施例では、全体的に矢印３３７として示されている供給材料入口が、垂直方向で下部熱伝達管巣３２８Ｌ、３６８Ｌと上部熱伝達管巣３２８Ｕ、３６８Ｕとの間にある領域内で終わる。したがって、この実施例では、供給材料は、垂直方向で下部熱伝達管巣３２８Ｌ、３６８Ｌの上方の、かつ上部熱伝達管巣３２８Ｕ、３６８Ｕの下方の位置で、主なチャーの反応領域３４０から離隔される領域３４２内に注入される。単一の供給材料入口３３７しか示されていないが、この供給材料入口３３７は、複数のそのような入口を表すことが意図されていると了解される。この複数の入口は、図３Ｂおよび図３Ｃで最もよくわかるように、すべてほぼ同じ高さにあり、吸音室３１１、３５１と当接しない槽３０２の露出された側部に沿って離隔される。
【００６６】
最後に、上部管巣３２８Ｕ、３６８Ｕの真上の領域には、上部層ライン３４６に延びる高密度の層領域３４４がある。フリーボード領域３４８が、改質器槽３０２の最上部部分を占有する。生成ガス３４９は、サイクロン、および当業者に知られている他の機器（図示せず）を介して天板領域３４８から出る。
【００６７】
示される実施例では、改質器３００は、２つの熱伝達モジュール３１０、３５０を有し、それぞれが吸音室３１１、３５１と、関連するパルス燃焼器３１２、３５２とを有する。動作中には、これらの２つの熱伝達モジュール３１０、３５０は、改質器３００内の負荷をよりよく調和させ、さらに改質器の出力の低下を強調するように、コンピュータにより制御され、点火速度および熱伝達率を変更する。
【００６８】
パルス燃焼器３１２および３５２では、テールパイプ３１４、３５４または吸音室３１１、３５１内での完全燃焼を確保するために燃焼の化学量論が、燃料点火速度に基づいて独立に調整され得る。さらに、熱伝達管３２６、３６６に入るガスの温度を調整、および／または、汚染物質の放出を最小限に抑えるために調温用空気および／またはリサイクル煙道ガスを吸音室３１１、３５１に供給し得る。さらに、関連する部屋３１３、３５３、テールパイプ３１４、３５４、および、バルブ３２０、３６０を有するパルス燃焼器３１２、３５２の幾何学形状は、燃焼および音響性能を最大にするように設計可能とされ、一方、熱伝達管巣（シールド管の直径および長さ、外管の直径および長さ、ならびに管巣内の管と管との相互間の間隔、即ち、間隙）は、最適な熱伝達性能および流動層の作用のために設計可能とされる。このようにして、パルス燃焼器は、改質器槽３０２内に導入された反応物質を処理するように制御された量の熱を熱伝達管にもたらすように作動され得る。流動層の作業における当業者は、改質器３００、パルス燃焼器３１２、３５２、供給材料、および流動化媒質の制御に精通している。したがって、そのような制御により、また処理される材料に応じて、改質器３００は、気泡流動層状態で、または乱流流動化状態で選択的に作動可能とされる。
【００６９】
図４Ａは、第１の吸音室３１１と改質器槽３０２との間の壁３３２に属する第１の壁部４００の第１の実施例における切断図を示す。第１の壁部４００は、チューブシート４０６を含み、チューブシート４０６は、それ自体、第１の吸音室３１１に面する耐火物タイプの材料４０２から成り得る。この実施例では、壁部４００は、内向きに突出する熱伝達管によって遮られる環状のメンブレンウォール（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｗａｌｌ）４０４を共に形成する１対のチューブシート４０６、４０８を含む。
【００７０】
各熱伝達管３２６、３２８は、環状のデザインで、内部シールド管４１０と、それらの間に環を画定するわずかに長い外管４１２（流動層熱伝達管）とを含む。内部チューブシート４０６（実際には、改質器槽３０２に対して最外殻のチューブシートである）は、管巣に属する内部シールド管４１０を支持する。一方、外部チューブシート４０８（実際には、改質器槽３０２に対して最内殻のチューブシートである）は、管巣に属する外管４１２を支持する。一実施例では、外部チューブシート４０８は、所定の位置で槽壁３３２に溶接され、あるいは、フランジ接続を介して槽壁３３２にボルト留めされる。同様に、内部チューブシート４０６もまたフランジ付けされ、槽壁３３２に隣接するデカップラ（ｄｅｃｏｕｐｌｅｒ）部にボルト留めされる。
【００７１】
テールパイプから放出された煙道ガスのような燃焼生成物は、矢印４１３によって示されているように、吸音室から内部シールド管４１０に流入する。煙道ガスは、先ず、壁３３２から離れる方向で、内部シールド管４１０の中空の中心部からなる第１の流路４０９に沿って、熱伝達管の端壁４１１に向かって移動する。次いで、煙道ガスは、折り返し、矢印４１４によって示されているように、壁３３２に向かう方向で、内部シールド管４１０と他のシールド管４１２との間に形成された環によって画定された第２の流路４１５の中を流れる。第２の流路４１５は、２つのチューブシート４０６、４０８の相互間に形成されたマニフォルド４１６と流体連通する。したがって、流路煙道ガスは、第２の流路４１５からマニフォルド４１６に入り、矢印４１８によって示されているように、そこから煙道ガスダクト４１７に向かって導かれる。
【００７２】
内部シールド管４１０を下るとき、その中の各煙道ガスは、それぞれ、内部シールド管４１０と外部シールド管４１２との間の環状領域内を反対方向に進むガスを温める。環状領域内の煙道ガスは、環の入口から流れるにつれて、流動層への熱伝達により冷える傾向があるが、内部シールド管４１０内の煙道ガスからの熱伝達によって幾分再加熱される。
【００７３】
この構成は、改質器槽内の熱膨張継手（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｊｏｉｎｔ）、および、関連する資本費用、運転費用、維持費を不要にし得る。さらに、シールドチューブアニュラスデザイン（ｓｈｉｅｌ  ｔｕｂｅ−ａｎｎｕｌｕｓ  ｄｅｓｉｇｎ）は、外管４１２の外部表面上でほぼ均一なガス温度を促進し、したがって、外管４１２上で局所的な熱点ができる可能性を低減する。また、改質器槽内の流動層との熱伝達を向上させる助けとなる。一実施例では、管４１０および４１２の横断面および長さは、熱伝達管巣、および吸音室の対応する部分が、ヘルムホルツ、および／または、４分の１波長共鳴器として動作するように選択される。
【００７４】
図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄでわかるように、チューブシート４０６、４０８は、水冷とされ得るものであり、メンブレンウォール構造を使用する。外チューブシート４０６は、アウトレットヘッダ（ｏｕｔｌｅｔ  ｈｅａｄｅｒ）４２２Ａから垂直方向に離隔されるインレットヘッダ（ｉｎｌｅｔ  ｈｅａｄｅｒ）４２０Ａを支持する。水４２４Ａがインレットヘッダ４２０Ａ内に汲み上げられ、複数の冷却管４０４を介して上向きに移動し、アウトレットヘッダ４２２Ａに入る。次いで、水／蒸気混合物４２６Ａが、このアウトレットヘッダ４２２Ａから出る。同様に、内チューブシート４０８は、アウトレットヘッダ４２２Ｂから垂直方向で離隔されるインレットヘッダ４２０Ｂを支持する。水４２４Ｂがインレットヘッダ４２０Ｂ内に汲み上げられ、複数の冷却管４２８を介して上向きに移動し、アウトレットヘッダ４２２Ｂに入る。次いで、水／蒸気混合物４２６Ｂが、このアウトレットヘッダ４２２Ｂから出る。
【００７５】
いくつかの実施例では、少なくとも２つのそのような壁部４００が吸音室３１１に対応して設けられることになり、１つは、下部の一組の熱伝達管に関連付けられ、もう１つは、上部の一組の熱伝達管に関連付けられると了解される。図３で見られる種類の改質器３００では、各吸音室３１１、３５１が、それらに関連付けられた２つのそのような壁部、全部で合計４つのそのような壁部を有することになり、２つが壁３３２に関連付けられ、他の２つが壁３３４に関連付けられると了解される。
【００７６】
さらに、壁３３４は、同様の壁部を有し、その結果、どちらの熱伝達モジュール３１０、３５０も、それらの煙道ガスを共通の反応槽へ通過させるものとする。
【００７７】
図５Ａは、第１の吸音室３１１と改質器槽３０２との間の壁３３２に属する壁部５００の第２の実施例の切断図を示す。壁部５００は、耐火物タイプの材料５０２からなり吸音室に向かい合う第１の水ジャケット５３２を含む。熱伝達管のそれぞれは、内部シールド管５１０と、それらの間に環状部を画定するわずかに長い外管５１２とを含む。
【００７８】
この実施例では、１対の水ジャケット５３２、５３４が、熱伝達管を囲む。第１の水ジャケット５３２は、第１の対のチューブシート５４２Ａ、５４２Ｂから形成され、一方、第２の水ジャケット５３４は、第２の対のチューブシート５４４Ａ、５４４Ｂから形成される。内部シールド管の水ジャケット５３２は、管巣の内部シールド管５１０を冷却し、一方、外管の水ジャケット５３４は、管巣の外管５１２を冷却する。図５Ｂおよび図５Ｃの実施例でわかるように、水ジャケット５３２、５３４は、改質器槽から見たとき、円形の面を有することができる。水ジャケットは、蒸気圧が比較的低い場合、または、水ジャケットの周縁を、改質器槽の圧力要件を適切に満たすように補強することができる場合、その代わりに、矩形の面を有するものでもよい。
【００７９】
図５Ａの実施例では、テールパイプから放出された煙道ガスなど燃焼生成物は、矢印５１３によって示されているように、吸音室から内部シールド管５１０に流入する。煙道ガスは、内部シールド管５１０に沿ってその端部に移動し、折り返し、矢印５１４によって示されているように、外部の環状部を流れる。次いで、煙道ガスは、２つの水ジャケット５３２、５３４間に形成されたマニフォルド５１６に入る。マニフォルドから、煙道ガスは、矢印５１８によって示されているように煙道ガスダクト５１７に向かって導かれ、矢印５１９によって示されているように、そこから改質器槽を出る。
【００８０】
上述の略図では、パルス燃焼器３１２、３５２が、それぞれ、単一のバルブ３２０、３６０と、それぞれ単一のテールパイプ３１４、３５４とを有して示されている。しかしながら、パルス燃焼器３１２、３５２は、必要に応じて、それぞれが複数のそのようなバルブ、および／または複数のテールパイプを含んでもよいと了解される。
【００８１】
改質器は、乱流流動化状態で動作するように構成されてもよく、流動化媒質は、蒸気、空気、富化空気、酸素、窒素、二酸化炭素、リサイクル生成ガス、および、それらの混合物の群のうちからの１つからなるものでもよい。
【００８２】
さらに、上述の説明は、エネルギー転換および合成ガス生成という状況で組み立てられているが、開示されている反応器３００は、また、有利には、熱化学的および／または生化学的手法を使用して任意の反応物質を処理するために使用することができることに留意されたい。ここで意図されている反応物質は、炭質材料だけでなく、とりわけ無機物を含む。流動層の操作の当業者は、多数の様々な反応物質を熱化学的または生化学的に処理するために反応器、パルス燃焼器、供給材料入口、および流動化媒質を制御することに精通していると了解される。
【００８３】
本発明の様々な実施例の上述の説明は、本発明の様々な面について述べ、例示することが意図されており、本発明をそれらに限定することを意図していない。当業者は、本発明から逸脱することなく、いくつかの修正を、述べられている実施例に対しなされ得ると了解される。そのようなすべての修正が、添付の特許請求の範囲内にあることを意図するものである。
【図１Ａ】
0005843806.tif 000002
【図１Ｂ】
0005843806.tif 000003
【図２Ａ】
0005843806.tif 000004
【図２Ｂ】
0005843806.tif 000005
【図３Ａ】
0005843806.tif 000006
【図３Ｂ】
0005843806.tif 000007
【図３Ｃ】
0005843806.tif 000008
【図４Ａ】
0005843806.tif 000009
【図４Ｂ】
0005843806.tif 000010
【図４Ｃ】
0005843806.tif 000011
【図４Ｄ】
0005843806.tif 000012
【図５Ａ】
0005843806.tif 000013
【図５Ｂ】
0005843806.tif 000014
【図５Ｃ】
0005843806.tif 000015
【図６Ａ】
0005843806.tif 000016
【図６Ｂ】
0005843806.tif 000017