(57)【要約】汚泥および炭質の変換のための方法であって、  （ａ）油生成蒸気の気化のために、酸素の非存在下でリアクターの加熱ゾーンで変換される物質を加熱し、それにより蒸気生成物および固体残留物または炭化物の両方を生成するステップと、  （ｂ）気相触媒反応を促進するために、リアクターの反応ゾーンで、決定された毎時重量空間速度（「ＷＨＳＶ」）にて蒸気生成物および炭化物を接触させるステップと、  （ｃ）ガス状生成物および炭化物をリアクターから除去および分離するステップと、を特徴とする方法。  上の方法による汚泥および炭質の変換のための装置についても述べる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥および炭質の変換のための方法であって、
（ａ）油生成蒸気の気化のために、酸素の非存在下でリアクターの加熱ゾーンで変換される物質を加熱し、それにより蒸気生成物および固体残留物または炭化物の両方を生成するステップと、
（ｂ）気相触媒反応を促進するために、リアクターの反応ゾーンで、決定された毎時重量空間速度にて蒸気生成物および炭化物を接触させるステップと、
（ｃ）ガス状生成物および炭化物をリアクターから除去および分離するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
リアクターからのガス状生成物を凝縮して油および水を生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
油および水を次に分離して、炭化物細粒および全ての遊離水を除去するために油を精製する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
リアクターの反応ゾーンにて所望の毎時重量空間速度を提供するために、リアクターの炭化物のインベントリを調節できる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
加熱ゾーンでの加熱速度が約５〜３０℃／分である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
物質が少なくとも約１ｒｐｍの回転速度を有するコンベヤによって加熱ゾーンおよび反応ゾーンを運搬される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
コンベヤがパドルを備え、パドル先端速度が約２〜８ｍ／分であるように回転する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
炭化物インベントリの５％未満が約４０分未満でリアクターを通過する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
リアクターへの空気の進入や、リアクターからの蒸気の放出がないように乾燥汚泥をリアクターに供給し、炭化物をリアクターから除去する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
リアクターの温度が少なくとも約２５０℃である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
リアクターの温度が約４００〜４５０℃である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
変換される物質をリアクターへの導入前に、水分量５％未満に乾燥させる追加のステップをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
汚泥および炭質の変換のための装置であって、加熱ゾーンおよび反応ゾーンを有するリアクターと、次にリアクターの両方のゾーンを通じて物質を運搬するための手段とを含み、加熱ゾーンは物質入口を有し、反応ゾーンは物質出口およびガス状生成物出口を有し、物質の所望の毎時重量空間速度が達成されるように、物質をリアクター内に保持するための保持手段もさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
物質を運搬する手段が、物質の逆混合のレベルを伝達させることができるコンベヤである、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
コンベヤが一部に細長シャフトを含み、シャフトの長さの少なくとも一部に沿って、そこから半径方向に延伸する複数のパドルが備えられ、パドルが、それを通じて運搬される物質の床と係合するように配置されている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
パドルが、細長シャフトに沿って一列のらせん状配置で装備される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
パドルがシャフトの長さに沿って重複する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
パドルが隣接パドルから半径方向に３０〜９０°に隔設される、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
隣接パドルから約７２°に隔設される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
各第二のパドルが、物質入口に向けて背面角に固定される、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
背面角が約１０°である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
保持手段が堰の形で提供される、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
堰がリアクター内の、固体物質出口の直前の箇所に配置される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
堰が、その中に供給される物質の床の傾斜または回転に近づけるために、コンベアのシャフトに対してリアクター内で傾斜または回転される、請求項２２または２３に記載の装置。
【請求項２５】
堰が水平線に対して３０°まで回転される、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
堰の高さを調節できる、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
添付図面を参照して実質的に上述した、汚泥および炭質の変換のための方法。
【請求項２８】
図２〜４または図６から８を参照して実質的に上述した、汚泥および炭質の変換のための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は汚泥および炭質の変換に関する。本発明はさらに詳細には、下水、工業汚泥および他の炭質中の有機成分の変換からの改良油生成物の製造のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
汚泥は、下水および他の工業廃水の処理で避けられない副生成物である。従来、そのような汚泥の廃棄は費用がかかり、廃水処理の年間総費用の半分を構成する。歴史的に主な汚泥廃棄の選択肢は、農業利用、埋立ておよび焼却を含んでいる。また歴史的に、廃水処理プラントは、汚泥生成を最小限にするよう設計されており、大半の労力は、廃棄または利用の前に汚泥の量を安定化および削減することに費やされる。
【０００３】
下水汚泥の固体成分は、ほぼ天然のままのタンパク質、脂質および炭水化物より成る有機物質の混合物を含む。これらの固体はさらに、沈泥、砂、粘度および低レベルの重金属などの無機物質を含む。例えば代表的な未処理の下水汚泥は、約５０〜９０％の揮発性物質および２５〜４０％の有機炭素を含む。一部の下水汚泥はすでに、現在の土壌施用汚染物質基準を超えており、結果として農業的に使用できないか、または主にその重金属および／または有機塩素含有量のために、危険廃棄物に分類される。
【０００４】
多くの汚泥処理の選択肢が過去に提案されている。通例、そのような選択肢は、有機物質のごく一部を利用可能なエネルギーに変換する可能性を有し、ごくわずかが、フルスケールでの実行可能な正味エネルギー生産方法として明示されている。そのような方法の一例は、利用可能な有機物質の約３５％が変換されて、メタンの豊富なガスが生成される、下水汚泥の嫌気性消化を包含する。他の代案は、空気不足焼却およびガス化を含んでいた。
【０００５】
上記した従来技術の方法に関連する重大な問題は、主に使用できるエネルギー含有生成物が、一般に容易に凝縮できず、正味エネルギー含有量の低いガスであるという事実に関する。したがってそのようなガスは、貯蔵することが不可能であるか、不経済であり、一般に直ちに使用しなければならない。さらに一般に、蒸気などの比較的低級のエネルギーを生成するためにそれらを使用して、需要の低いまたは需要のない期間にそれらを燃焼して消耗させることのみが実際的である。驚くに当たらないが、使用したどの方法も、貯蔵可能で（液体または固体）、輸送可能であり、可能ならば性能向上可能なエネルギー含有生成物を産生することが好ましい。そのような生成物は、合成油を含む。結果として、方法自体の運用に使用される貯蔵できない生成物を有する、貯蔵可能なエネルギーの最適な生成があることが望ましい。
【０００６】
下水汚泥の廃棄は、
ａ）下水汚泥の農業使用が、汚染物質の、特に重金属および最近識別された内分泌撹乱化合物および他の医薬品の含有量により制限されている、
ｂ）海洋廃棄が禁止されている、
ｃ）欧州連合で埋立てがまもなく禁止される、
ｄ）下水汚泥の焼却が主に「ダイオキシン発生」の点で一般大衆によって反対されている（高温燃料ガス冷却中のダイオキシンの再形成）、
という事実により、最近さらに問題となってきた。
【０００７】
米国特許第４６１８７３５号および第４７８１７９６号において、油を含む有用な貯蔵可能生成物を汚泥から得るための、加熱および化学反応による汚泥変換用の方法および装置についてそれぞれ述べられている。方法は、乾燥汚泥を、その中の油生成有機物質を揮発させるために、無酸素ゾーン内で少なくとも２５０℃の温度まで加熱するステップと、加熱ゾーンにてガス状生成物および汚泥残留物を生じさせるステップと、前記ガス状生成物を加熱ゾーンから除去するステップと、その後、加熱ゾーン内で油含有生成物を含有するガス状生成物を発生させるガス／固体接触、油生成反応を引き起こすのに十分な温度での、反復した密接なガス／固体接触のために、反応ゾーンにて、酸素の非存在下で２８０℃〜６００℃の温度にて、加熱した汚泥残留物を除去した加熱ゾーンガス状生成物と接触させるステップと、反応ゾーンガス状生成物を反応ゾーンから除去して、少なくとも凝縮可能な油生成物をそれから分離するステップとを含む。
【０００８】
汚泥変換用の装置も開示され、前記装置は、加熱された加熱ゾーンを確立するための筐体であって、乾燥下水汚泥のための加熱ゾーンへの入口と、加熱ゾーンガス状生成物および残留した加熱ゾーン固体生成物のための、加熱ゾーンからの独立出口とを有する筐体と、固体生成物を入口からその固体生成物出口まで運搬するための、加熱ゾーン筐体内のコンベヤ手段と、加熱された反応ゾーンを確立するための筐体であって、ガス状および固体生成物のための反応ゾーンへの独立入口と、ガス状および固体生成物のための反応ゾーンからの独立出口とを有する筐体と、固体生成物をその固体生成物入口からその固体生成物出口まで運搬するための、反応ゾーン筐体内のコンベヤ手段と、固体生成物がその間を通過するための、反応ゾーン固体生成物入口に接続されている加熱ゾーン固体生成物出口と、加熱ゾーンガス状生成物出口を反応ゾーンガス状生成物入口に接続するダクト手段とを含む。
【０００９】
この方法および装置は普通、「シングルリアクター」システムと呼ばれる。
米国特許第５８４７２４８号および第５８６５９５６号ではそれぞれ、米国特許第４６１８７３５号および第４７８１７９６号の方法および装置に基づいて、以下の改良を備えた方法および装置が開示されている。
【００１０】
加熱ゾーンからのガス状生成物は、油／水分離を用いた間接または直接コンデンサのどちらかに運搬される。得られた油および／または非凝縮性生成物は、第二のリアクターに注入される。第一のリアクターからの汚泥残留物または炭化物は、運搬ラインを通って第二のリアクターに運搬される。運搬ラインは、ガス状生成物が凝縮システムをバイパスしないようにするための、バルブシステムを装備している。
【００１１】
加熱手段を装備した第二のリアクターでは、第一のリアクターからの加熱された汚泥残留物に、酸素の非存在下で５５０℃の最高温度にて、凝縮システムからの再気化油または油または非凝縮性ガス状生成物を接触させる。この接触は、清浄な生成物および高品質油生成物の産生のための、還元性で不均一性の触媒ガス／固体相反応を可能にする。コンベヤおよびモーターは、第二のリアクターを通じて固体生成物または炭化物を移動させるために装備されている。
【００１２】
ガス状生成物は次に、さらなるコンデンサおよび油／水分離システムの通過のために、または直接燃焼用バーナーへのダクト輸送のために、第二のリアクターから除去される。さらなるコンデンサおよび油／水分離システムの通過の場合、ある量の非凝縮性気体生成物、ある量の反応水およびある量の精製された低粘度の油が生成される。固体生成物または炭化物は第二のリアクターから、第二のリアクターへの空気の侵入および第二のリアクターからのガス状生成物の放出のどちらもないように、その中にスクリューコンベヤが設けられたさらなる運搬ラインを介して除去される。スクリューコンベヤは、固体生成物または炭化物を大気中への放出前に１００℃未満に冷却する冷却システムに接続されている。
【００１３】
この方法および装置は普通、中間油凝縮があっても、なくても、「デュアルリアクター」システムと呼ばれる。
【００１４】
国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ００／００２０６（ＷＯ  ００／５６６７１）は、米国特許第５８４７２４８号および第５８６５９５６号の方法および装置の各種の利点をなお提供可能な、比較的より簡単で費用効率のよい方法および装置を提供することを、その１つの目的として有する、炭質の変換のための方法および装置について述べている。これは、第一のリアクターのガス状生成物を収容するための触媒コンバータの使用によって実現されると述べられている。次に触媒コンバータからのガス状生成物は凝縮されて、水および油生成物を生成する。リアクターのガス状生成物は凝縮され、それによって油生成物は、触媒コンバータへの導入前にガス状生成物から分離される。
【００１５】
触媒コンバータの温度は、６５０℃までであり、好ましくは４００〜４２０℃の範囲であり、それによって還元性の触媒ガス／固体相反応を促進し、実質的に窒素、酸素、硫黄、およびハロゲンを含むヘテロ原子を除去する。触媒コンバータは触媒を含有し、触媒はゼオライト、活性アルミナ、γ−酸化アルミニウム、酸化ケイ素およびアルカリ、アルカリ土類および遷移金属の酸化物のいずれから選択される。
【００１６】
これは普通、「触媒コンバータ」システムと呼ばれる。
【００１７】
蒸気および炭化物の流量が、汚泥供給量（「ＳＦＲ」）および気化した汚泥の割合（ｆ）の関数であるという事実への依存は、以前に述べた各システムにとって必須である。従って、
蒸気流量＝ＳＦＲ*ｆ  （１）
炭化物流量＝ＳＦＲ（１−ｆ）  （２）
である。
【００１８】
今日までに述べられたリアクターは全て、確実動作の汚泥／炭化物運搬システムを有するため、反応ゾーン（ａ  ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ）内の炭化物の質量は純粋に、炭化物流量ならびにスクリューの速度およびピッチの関数である炭化物の固体保持時間（ＳＲＴ）の関数である。従って反応ゾーン内の炭化物の質量は、
炭化物質量＝ＳＦＲ（１−ｆ）*ＳＲＴ  （３）
である。
【００１９】
毎時重量空間速度（「ＷＨＳＶ」）は、一部の気相触媒コンバータシステムの設計に使用されたパラメータである。式（１）および（３）のＷＨＳＶへの代入は、
【数１】
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であることを明らかにする。
【００２０】
結果として従来技術の変換リアクターにおいて、ＷＨＳＶは純粋に、所与のどの汚泥（ｆを定義する）でも炭化物ＳＲＴの関数である。
【００２１】
許容されるＷＨＳＶを達成するためには、非常に高いＳＲＴ、従って１ｒｐｍ未満の非常に低いコンベヤ速度が要求されるため、これは従来技術の主要な制限である。これらの低いコンベヤ速度、およびコンベヤの付随する必要な非常に低いピッチは、リアクターでの固体生成物の不十分な混合および従って不十分な熱および物質移動を与える。
【００２２】
従来技術において明らかである、対処が必要なさらなる要素は、汚泥中の遊離水の存在に関する。通例汚泥は、水分１０〜５％まで商業的に乾燥される。変換リアクターにおいて、この水は著しい体積増加を伴って蒸気に気化し、これはリアクターでの油蒸気の滞留時間を短縮する。従って水分が５％を超える汚泥では、変換リアクターへの導入前に約１０５℃まで加熱することによって、この水を除去することは好都合である。
【００２３】
本発明の１つの目的は、従来技術の方法および装置と比較した時に、固体生成物の十分な混合を可能にし、それによって許容されるＷＨＳＶを提供する汚泥および炭質の変換のための方法および装置を提供することである。
【００２４】
背景技術の上の議論は、本発明の理解を促進することのみを目的としている。言及した材料のいずれかが、出願日時点でオーストラリアでの普通の一般知識の一部であったということの承認または容認でないことが認識されるべきである。
【００２５】
明細書を通して、文脈が別途供給しない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」という語、または「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含んでいる）」などの変形は、示した整数または整数の群の包含を意味するが、任意の他の整数または整数の群の除外を意味しないことが理解されるであろう。
【発明の開示】
【００２６】
本発明により、汚泥および炭質の変換のための方法が提供され、方法は、
（ａ）油生成蒸気の気化のために、酸素の非存在下でリアクターの加熱ゾーン（ａ  ｈｅａｔｉｎｇ  ｚｏｎｅ）で変換される物質を加熱し、それにより蒸気生成物（ａ  ｖａｐｏｕｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）および固体残留物（ｓｏｌｉｄ  ｒｅｓｉｄｕｅ）または炭化物（ｃｈａｒ）の両方を生成するステップと、
（ｂ）気相触媒反応を促進するために、リアクターの反応ゾーンで、決定された毎時重量空間速度（「ＷＨＳＶ」）にて蒸気生成物および炭化物を接触させるステップと、
（ｃ）ガス状生成物および炭化物をリアクターから除去および分離するステップと、
を特徴とする。
【００２７】
好ましくはリアクターからのガス状生成物が凝縮されて、油および水を生成する。次に油および水は分離され、油は炭化物細粒および任意の遊離水を除去するために精製される。
【００２８】
なお好ましくはリアクター内の炭化物のインベントリ（ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ）は、リアクターの反応ゾーン内で必要なＷＨＳＶを提供するために調節することができる。
【００２９】
なおさらに好ましくは、加熱ゾーンでの加熱速度は、約５〜３０℃／分である。
【００３０】
変換される物質は好ましくは、少なくとも約１ｒｐｍの回転速度を有するコンベヤにより、加熱および反応ゾーンを通じて運搬できる。
【００３１】
コンベヤは好ましくは、パドルを装備し、パドル先端速度が約２〜８ｍ／分となるように回転する。
【００３２】
なお好ましくは、炭化物インベントリの約５％未満が、約４０分未満でリアクター内を通過する。
【００３３】
リアクターへの空気の侵入、またはリアクターからの蒸気の放出がないようにする手段によって、乾燥汚泥がリアクターに供給され、炭化物がリアクターから除去される。
【００３４】
リアクターの温度は好ましくは、少なくとも２５０℃である。リアクターの温度はなお好ましくは、４００〜４５０℃である。
【００３５】
本発明の方法はさらに、変換される物質をリアクターへの導入前に、水分量５％未満に乾燥させる追加のステップを含む。
【００３６】
本発明により、汚泥および炭質の変換のための装置がさらに提供され、装置は、加熱ゾーンおよび反応ゾーンを有するリアクターと、次にリアクターの両方のゾーンを通じて物質を運搬するための手段とを含み、加熱ゾーンは物質入口を有し、反応ゾーンは物質出口およびガス状生成物出口を有し、物質の所望の毎時重量空間速度（「ＷＨＳＶ」）が達成されるように、物質をリアクター内に保持するための保持手段もさらに備えることを特徴とする。
【００３７】
好ましくは物質を運搬する手段は、運搬される物質の逆混合のレベルを伝達させることができるコンベヤである。
【００３８】
本発明の１つの形式において、コンベヤは一部に細長シャフトを含み、シャフトの長さの少なくとも一部に沿って、そこから半径方向に延伸する複数のパドルが備えられ、パドルは、それを通じて運搬される物質の床と係合するように配置されている。
【００３９】
パドルは好ましくは、細長シャフトに沿って一列のらせん状配置で装備される。パドルは好ましくは、シャフトの長さに沿って重複する。
【００４０】
パドルは好ましくは、隣接パドルから半径方向に３０〜９０°に隔設される。隣接パドルは、なお好ましくは、隣接パドルから約７２°に隔設される。
【００４１】
なおさらに好ましくは、各第二のパドルは、物質入口に向けて背面角に固定される。背面角は好ましくは、約１０°である。
【００４２】
好ましくは、保持手段は堰の形で提供される。堰は好ましくはリアクター内の、固体物質出口の直前の箇所に配置される。
【００４３】
なお好ましくは、堰は、その中に供給される物質の床の傾斜または回転に近づけるために、コンベアのシャフトに対してリアクター内で傾斜または回転される。本発明の１つの形式において、堰は水平線に対して３０°まで回転される。
【００４４】
堰は好ましくは、高さを調節できる。
【００４５】
本発明はここで、例示のためにのみ、その２つの実施形態および添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
出願者らは、上述したような従来技術の方法および装置を使用して、汚泥の熱変換に関する著しい量の運転データおよび経験を生成してきた。
【００４７】
上で述べた「シングルリアクター」システムは、スケール１および４０ｋｇ／時にて運転される連続パイロットプラントを用いて試験／説明している。上で述べた「デュアルリアクター」システムは、中間凝縮（ＩＣ）および非ＩＣモードの両方で運転して、スケール１および２０ｋｇ／時にて運転される連続パイロットプラントを使用して試験／説明している。「デュアルリアクター」をベースとして設計したフルスケール商用プラントは、最高８００ｋｇ／時の汚泥スループットにて運転した。上で述べた「触媒コンバータ」システムは、１ｋｇ／時までのスループットで運転される、連続パイロットプラントを使用して試験／説明している。
【００４８】
商用プラントは、このサイズのシングルリアクター建造の機械的制約により、主にデュアルリアクターシステムとして設計および建造した。しかしながら、デュアルリアクターシステムは他の利点、特に、異なる機能を果たす、２つのリアクターで異なる固体保持時間を容易に使用できる能力を有すると考えられた。加えて、商用プラントはＩＣを用いて運転するよう設計されたが、運転上の課題はこの運転方式およびＩＣなしで動作するプラントを除外する。
【００４９】
これらの施設全てからの運転データの集約的な検討および解釈の後、出願者は今や、生成された油の品質はもっぱら、第二のリアクター（またはシングルリアクターシステムの反応ゾーン）にて達成された運転温度および毎時重量空間速度（「ＷＨＳＶ」）の関数であったと考えている。上で示したように、ＷＨＳＶは、気相触媒コンバータシステムの設計に使用されたパラメータである。
【００５０】
ＷＨＳＶは、蒸気と接触している触媒の質量で割った、変換される蒸気の質量流量として定義される。上述の汚泥変換システムの場合、従ってＷＨＳＶは、
【数２】
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である。
【００５１】
２つの異なる汚泥を用いて、３つの異なる変換システムからのＷＨＳＶの関数としての油粘度データを、図５に示す。図に示すように、１ｋｇ〜８００ｋｇ／時のスループットで運転されるリアクターを使用すると、油粘度とＷＨＳＶの間には非常に良好な相関がある。図５のデータは、４００℃の運転温度で得た。図５は、ＷＨＳＶが、汚泥の種類またはリアクターの構造とは無関係に、油粘度を制御するパラメータであることを明確に確認している。
【００５２】
本発明の方法および装置はここで、その２つの実施形態を参照して説明する。これらの実施形態は、制限的であると見なされるものではなく、むしろ単に本発明の方法および装置の両方が実装される方法の２つの例として見なされると理解されるものである。
【００５３】
図１に、本発明の方法のブロック図を示す。変換される物質、例えば８０％超の全固形分（「ＴＳ」）を有する乾燥汚泥を、リアクターへの導入前に追加の乾燥ステップに供給できる。５％を超える水分を含有する変換される物質には、追加の乾燥を受けさせることが考えられ、その後、水は、既知の種類の廃水処理プラントを通過させて除去する。
【００５４】
本発明により、変換される物質が通過するリアクターは、図２〜４または図６〜８のどちらかを参照して以下で説明する。変換される物質のリアクターでの加熱および反応によって生成される炭化物は、リアクターから炭化物クーラーに移され、その後、本発明の方法再使用できる。
【００５５】
変換される物質から生成された蒸気は、燃焼に直接送られるか、代わりにコンデンサに向けられて、その後、生成された油および水は分離され、油は炭化物細粒および任意の遊離水を除去するために精製される。そのように生成された油は、再使用に送られる。コンデンサからの非凝縮ガスは、油／水分離ステップから得た反応水と同様に、再使用に送られる。  図２には、本発明の第一の実施形態による、汚泥および炭質の変換のための装置１０が示されており、装置１０は、リアクター１２と、リアクター内で物質を運搬するための手段、例えばコンベヤ１４を含む。
【００５６】
装置１０はさらに汚泥供給ホッパー１６を含み、その底部はリアクター１２内へと通過する汚泥入口２０に汚泥を通過させるために配置されたスクリューコンベヤ１８を備えている。リアクター１２はなおさらに、中にガス状生成物出口２２および固体物質出口２４を備えている。炭化物はリアクター１２から炭化物ホッパー２６へ通過し、次に炭化物ホッパー２６は、スクリューコンベヤ２８を備えている。
【００５７】
加えてリアクター１２は、加熱手段（図示せず）および断熱コーティング３０を備えている。
【００５８】
リアクター１２は機能的に２つのゾーン、加熱ゾーン３２および反応ゾーン３４に分けられる。汚泥が入口２０を通ってリアクター１２内に通過すると、汚泥は入口２０から加熱ゾーン３２を通ってコンベヤ１４によって運搬される。汚泥は、加熱ゾーン３２で油生成蒸気の揮発のために、酸素の非存在下で加熱される。このことは、「炭化物」と呼ばれる、油生成蒸気および固体残留物の両方を生成する。コンベヤ１４は、加熱ゾーン３２から反応ゾーン３４を通じて出口２４に向かって炭化物を運搬し、同時に、反応ゾーン３４における気相触媒反応を促進するために、蒸気と炭化物の相互作用を促進する。
【００５９】
コンベヤ１４は、駆動装置３６、シャフト３８およびシャフト３８を支持するベアリング４０を含む。シャフト３８は、あるレベルの逆混合を可能にするパドル４２などをリアクター１２内に備えている。加熱ゾーン３および反応ゾーン３４内で促進された逆混合のレベルは、異なることが想定される。しかしながらリアクター内の保持時間を決定する支配要因は、所望のＷＨＳＶである。
【００６０】
リアクター内での炭化物の保持を促進して所望のＷＨＳＶを達成するために、炭化物を保持するための保持手段が堰４４の形で備えられている。堰４４は、炭化物出口２４の直前に備えられている。反応ゾーン３４における所望のＷＨＳＶを達成するために堰４４の高さを変更できるように、堰４４は高さを調整できる堰として提供される。
【００６１】
コンベヤ１４は、特に「確実な運搬」のスクリューコンベヤを含むと想定されていない。回転速度は少なくとも１ｒｐｍであることがさらに想定される。その上、加熱ゾーン３２内の加熱速度は、約５〜３０℃／分であると想定される。
【００６２】
要約すれば、本発明による上述の運転経験は、ＳＲＴへの炭化物インベントリの依存性をなくすためにリアクターの設計を変更することによって、利点が得られることを示している。すなわち、炭化物インベントリに対するコンベヤ速度の影響を分断することと、リアクターの物質移動設計のための唯一の基準としてＷＨＳＶを使用することである。
【００６３】
本発明によって設計された装置は、従来技術システムの制限を克服することが想定されており、シングルリアクターが、はるかに小さく、製造上の制約も消滅されるために、高揮発性固体（「ＶＳ」）汚泥の２５乾燥ｔｐｄを超えるスループットを処理できるということがさらに想定される。
【００６４】
図６〜８には、本発明の第二の実施形態による、汚泥および炭質の変換のための装置５０が示されている。
【００６５】
装置５０および装置１０は実質的に同様であり、同じ番号は同じ部品を示す。装置５０は、リアクター５２およびその中で物質を運搬するためのコンベヤ手段、例えばコンベヤ５４を含む。
【００６６】
リアクター５２は同様に、汚泥入口２０、ガス状生成物出口２２および固体物質出口２４を備えている。コンベヤ５４の駆動装置３６およびベアリング４０、そして断熱材３０が示されていないのと同様に、装置１０の供給ホッパー１６および炭化物ホッパー２６は、装置５０に関して示されていない。
【００６７】
図６で最もよく見えるように、リアクター５２は再び２つのゾーン、加熱ゾーン３２および反応ゾーン３４に分けられる。汚泥／炭化物５６のインベントリは、リアクター５２内に示されている。コンベヤ５４は、シャフト５８およびその上に配置された複数のパドル６０を含む。図７および８で最もよく見えるように、パドル６０はシャフト５８周囲にらせん状配置に装備され、半径方向に湾曲してそれぞれ「スコップ」を形成する。このコンベヤ配置により、少なくとも低いレベルの逆混合が誘発される。隣接パドル６０は半径方向に７２°で隔設される。隣接パドルは、半径方向に約３０〜９０°で隔設できることが想定される。
【００６８】
リアクター５２は、リアクター５２内での炭化物５６の保持を促進するために、再び堰６２を備えている。堰６２は再び、炭化物出口２４の直前に備えられている。しかしながら堰６２は、所望のＷＨＳＶが以前に決定されている場合のみ高さが固定される。堰６２も、コンベヤ５４の動作の結果として汚泥／炭化物床で生じる角度と実質的に一致または角度を模倣するために、コンベヤ５４のシャフト５８に関して、水平線に対して約３０°の角度で傾斜または回転される。
【００６９】
シャフト／パドル構造、汚泥／炭化物床インベントリおよび形状、滞留時間および混合特性の調査を対象とした一連の試験のために、装置５０のモデルを組立てた。
【００７０】
モデルは、直径２４０ｍｍのリアクターシェル、らせん状に取付けられたパドルを備えたコンベヤシャフト、およびペレットがある高さに達するまでペレットがリアクターから流出するのを防止する、リアクターの出口端の堰より成る。このモデルは、自動フィーダー下のフレームにボルト止めした。ギア式モーターを使用して、チェーンおよびスプロケット機構を介してリアクターのコンベヤシャフトを駆動させた。変速駆動装置（「ＶＳＤ」）を使用してモーター速度を変更した。
【００７１】
本試験に使用した手順は実質的に以下の通りであった。
・リアクターに既知の質量のペレットを充填する。
・ＶＳＤを調整して、所望のシャフト回転速度を与える。
・フィーダーを調整して、所望の供給量を与える。
・シャフト回転およびペレット供給を同時に開始する。
・リアクターを出る全てのペレットを収集する。
・運転３０分後、リアクターを出た供給量を測定する。
・出た供給量が入った供給量と等しい場合、リアクターは定常状態に達している。リアクターが定常状態に達していない場合、定常状態に達するまで出た供給量の監視を続ける。
・定常状態に達するまでリアクターの運転を続け、次にペレット供給およびシャフト回転を同時に遮断する。
・自動フィーダーのロードセル読取値を記録する。
・リアクターから出たペレットの総質量を測定する。
【００７２】
ここで、床に蓄積した、または床から消耗されたペレットの質量を計算することができ、定常状態での最終床インベントリを見出すことができる。
【００７３】
次の段階は、滞留時間分布を見出すことであり、そのためにステップは実質的に以下の通りであった。
・既知の質量の着色ペレットをリアクター内部の、供給入口の下に置く。
・シャフト回転およびペレット供給を同時に開始する。
・５分間の画分で、リアクターを出たペレットを収集する。
・理論滞留時間の少なくとも２倍まで続ける。
・ペレット供給およびシャフト回転を同時に遮断する。
・各５分間の画分中の着色ペレットをカウントおよび秤量する。
【００７４】
この時点でリアクター内のペレットを秤量して、試験終了時の床インベントリを得た。パドルおよび堰の構造も、要件に応じて変更できる。このことは必ずしも必要でなく、そのような場合は、リアクターをスタンドに残し、運転条件（シャフト速度、ペレット供給量）を変更して、手順を最初から繰り返した。
【００７５】
各試験に使用したリアクター構造および運転条件を以下の表１にまとめる。
【００７６】
【表１】
2005537368.tif 000005
【００７７】
成功した試験のみを分析用に選択した−従って変なナンバリングシステムであった。
【００７８】
床インベントリ
モデルリアクター用の設計床インベントリは、１４Ｌである。すなわちインベントリは、リアクター内のペレットの、特定の体積として設計されている。そしてペレットの質量は、床の体積およびペレットのバルク密度の関数である。ペレットのバルク密度は、試験７Ｂ（５００ｋｇ／ｍ3）および試験９（４２６ｋｇ／ｍ3）でのみ測定した。試験６および７Ａで使用したペレットのバルク密度は、５００ｋｇ／ｍ3と仮定する必要があった。同じバッチからのペレットがリサイクルされて、大半の試験で使用され、試験終了に向けて交換されただけであるため、このことは妥当であることが予想される。
【００７９】
リアクター内のペレットのバルク密度が、その測定したバルク密度と同様であったと仮定すると、各試験の床インベントリは、定常状態にある床内部のペレットの総質量から計算できる。床内のペレットの質量は、いったん定常状態に達すると（滞留時間試験の「前に」）、そして試験の終了時に（滞留時間試験の「後に」）変化した。これらの結果のどちらも、その平均と同様に、図９に示すように床インベントリを計算するのに使用された。
【００８０】
これらの結果の解釈は、床インベントリの経時変化によって複雑になる。リアクターは、試験６および７Ａでは空になり、試験７Ｂおよび９では充填されるように見える。各試験では定常状態への接近がほぼ同じだけの時間（〜１時間）を必要としたため、床インベントリの初期値は比較のために使用した。
【００８１】
試験９と試験７Ｂとの初期床インベントリの相違は〜３Ｌである。これは非常に大きく、パドルの後方傾斜が初期床インベントリを上昇させることを示唆しているが、はるかに低いバルク密度と異なるリアクター構造の効果を分離することは困難である。床インベントリの小さい経時変化のために、試験９のリアクター構造および運転条件は、定常運転に最適であるように思われる。
【００８２】
試験６と試験７Ａとの間の床インベントリの増加は、約１Ｌである。試験７Ａと７Ｂとの間の床インベントリの増加は、＜０．３Ｌである。このことは、シャフト速度は初期床インベントリに対してほとんど〜全く影響を持たなかったのに対して、パドルおよび／または回転堰の数ははるかに大きな効果を有したことを意味する。試験６と試験７Ａの間では、パドルのフライトの半分をリアクターから除去し、堰を傾斜させて床の角度と一致させた。これらの２つの変化はどちらもそれ自体で大きな効果を有したはずであるため、インベントリの増加をこれらの変化した変数の一方のみのせいであるとすることは、あまり妥当ではない。このことは、堰の角度が、新しいリアクターの運転のために不可欠な変数であるかどうかを、これらの結果から評価することが困難であることを意味している。しかしながら、堰を床と一列に並べることによって、堰の後ろの死角が著しく縮小されたことは明らかであった。このことは、床の大半は活動的であり、出口前に古い粉末状ペレットの蓄積はわずかであることを意味する。実際に観測から、傾斜した堰は、さらに「有用な」定常床（出口付近に）を作成する。
【００８３】
床インベントリの経時変化は、シャフト速度およびパドル構成によって明確に影響される。床は試験７Ａの間、シャフト速度が６ｒｐｍの時に消耗したのに対して、試験７Ｂ（４ｒｐｍ）では、ペレットがリアクター内に蓄積した。供給量に相違があるが、試験７Ｂの間にリアクターに供給された全量は、試験７Ａの間にリアクターに供給された全量よりも少なく、インベントリはなお増加する。これら２つの試験の唯一の相違は回転速度であり、従って速度が低下するにつれて、ペレットがリアクターから放出される速度が低下すると思われる。
【００８４】
堰の目的は、３０％の充填係数を与える１４Ｌのペレット蓄積をリアクター内に提供することであった。したがって所望の充填係数は、試験７Ａおよび７Ｂの構造によってほぼ達成され、試験９の構造によってさらに達成された。これら全ての試験で、バルク密度は、形状、従って床の体積に影響を及ぼすことによって、床インベントリの決定に大きな効果を有していた。試験９でのペレットの低いバルク密度（４５０−５００ｋｇ／ｍ3）は、床をリアクター内部に蓄積させ（大きな安息角）、実際に堰のレベルより上に存在させた。従ってこの構造は、これらの試験で充填係数を達成するために最良であったが、そのように大きな床インベントリを、より高いバルク密度ペレットと共に維持できない。より高いバルク密度のペレットは、１６Ｌのインベントリを達成できないが、１４Ｌの最低体積が達成できることが予測される。
【００８５】
従って充填係数を改善する方法を見つけるための、これらの実験で示された第一の目標が達成された。充填係数は、リアクター内のパドルの数を減少させることと、パドルをリアクター入口に向けて後方に傾斜させることによって上昇させることができる。特にパースペクスモデルでは、シャフト速度４ｒｐｍ、パドルの半分のフライト（９）、およびパドルに対してやや（１０°）背面角は、床体積を最大化する。
【００８６】
パドルの数を減少させることにより引き起こされる床インベントリに対する影響はおそらく、リアクター内のプラスチックの減少した体積によって引き起こされないが、床に対する低下した外乱によって引き起こされる。「床外乱」と呼ばれるパラメータが提案される。これは、単位時間当たりの床の各部分における混合事象の回数のようなものである。それはパドルの数および回転速度の関数である。従ってパドルの数および回転速度を減少させることは、「床外乱」を減少させる。より大きいリアクターの最適パラメータは異なるが、法則は本質的に同じである−床外乱の減少は、床インベントリを増加させる。
【００８７】
滞留時間−平均滞留時間
各試験の形式上および平均の滞留時間を、５％のペレットが出た時間と同様に、図１０にまとめる。「形式上の」滞留時間は、瞬間曲線のピーク−すなわち大半のペレットが５分間の画分中に出た時間と見なした。「平均」滞留時間は、５０％のペレットがリアクターを出た時間と見なした。
【００８８】
この比較には、２つの主な誤差源−試験６の間の起こりうる短絡および試験９の平均滞留時間の過大見積りがある。
【００８９】
試験６の間に、着色ペレットがリアクターを導入する時に、回転およびペレット供給を維持して、着色ペレットを供給入口の上部に注入した。ペレットがシャフトに当たると、ペレットはリアクターに沿って反発し、その一部は供給入口から少なくとも２０ｃｍ（リアクター長の２０％）離れて静止する。これは大量の短絡を引き起こし、実際の滞留時間を非常に低く見積もったはずである。
【００９０】
試験を完了させるために利用可能な時間が不十分であったために、試験９のデータは、２０％までの蓄積質量しか利用できない。このことにより、平均滞留時間は、データを５０％の蓄積質量に手作業で外挿して見出され、前と似た湾曲形状を取った。これは、実際の曲線がさらに理想的ならば、滞留時間を過大見積りするであろう。
【００９１】
理想的な平均滞留時間を質量供給量で割った床インベントリ（ｋｇ）から計算する場合、予測された理想的な滞留時間を計算することができる。これらは以下の表２で、実験によって見出された実際の値と比較されている。
【００９２】
【表２】
2005537368.tif 000006
【００９３】
試験６の結果を無視して、試験９の滞留時間が理想的な予測値とほぼ等しいと仮定した場合、ペレットは平均して、リアクター内に予測時間長に渡って残っていることが明らかと思われる。従って平均滞留時間は、理想的なプラグフローモデルに従うが、滞留時間分布は従わない。半分のフライトのパドルおよびシャフト速度４ｒｐｍの、試験７Ｂおよび９では、結果がさらに密接に理想に接近することに注目のことは興味深い。従って床インベントリの結果と同様に、所望の滞留時間は、床外乱を減少させる（すなわち回転速度および／またはパドルの数を減少させる）ことによって達成できる。
【００９４】
滞留時間分布
各種の試験間で滞留時間分布を比較するために、瞬間および蓄積質量分率を平均滞留時間の関数としてプロットした。瞬間結果を得た各種の時間を、平均滞留時間のパーセンテージに変換した。このことは、図１２に示すように、４つ全ての試験の結果を比較のために１セットの軸にプロットできることを意味する。非正規化結果を図１１に示す。
【００９５】
滞留時間の関数としての蓄積質量％のグラフ、図１２は、滞留時間分布が全て同様であることを明らかに示している。試験６の曲線は、値の最大の広がりを有し、最も理想的でない。試験７Ｂおよび試験９の結果は、最も鋭い湾曲を示し、理想に最も近い。曲線間の相違は、滞留時間の７５％にて最大１０質量％に達するが、特に大きくない。
【００９６】
図１３は、平均滞留時間の関数として瞬間質量％を与え、最後の３つの試験が完全に同様であるが、試験６の結果はさらに不安定であることを示す。試験６および試験７Ａ〜９の間の大きな相違は、試験６にパドルのフライト全体を使用したことである。これはより乏しい滞留時間分布を引き起こしたか、または引き起こさなかった。リアクター構造または運転条件によってよりも、試験中にペレットをリアクターに滴下することによって、このことがさらに引き起こされたと考えられる。
【００９７】
これらの結果から明らかなことは、滞留時間分布が本質的に同じであるために、シャフト回転速度およびパドル角度の変化がリアクター内での逆混合、短絡、および一般的なペレット運動の相対量に著しい影響を与えなかったことである。実際の流路が、ペレットが流路に沿って移動する速度を変えなかっただけであることが推測できる。
【００９８】
滞留時間を延長する方法を見つける、この実験で示された第二の目標が達成されている。最短および平均滞留時間は、シャフト上のパドルの数を減少させることと、パドルを入口に向けて後方に傾けることによって延長することができる。滞留時間は、床インベントリを増加することによっても改善され、これは次にシャフト速度を低下させることによって実現される。
【００９９】
モデルリアクターでは、計算した「理想的な」滞留時間は、６ｒｐｍ未満の速度に近づけられ、半分のフライトのパドルをシャフトに取付けた。他のリアクターのサイズおよび構造について、適切な滞留時間に達した時点を判定するために実験が必要であることが理解されるものとする。
【０１００】
床形状
全ての試験で、床を水平線に対して約３０°の角度で（すなわち直径断面を通じて）回転させた。これは、ペレットをリアクターの片側に積み上げるパドルの押し動作によって引き起こされた。この角度は床に沿って一定であり、堰を同じ方向に回転することによって、その角度にリアクターを合わせた。
【０１０１】
リアクター（入口と出口の間）に沿った床の高さは、いったん定常状態に達すると大きく変化しなかった。供給量が増加し、回転速度が低下すると、ペレットがリアクターの入口端に蓄積する傾向が多少あった。大半の場合ではこの蓄積は、端高さより５〜８ｃｍを超えることのない、管理可能な高さに達した。高さの相違がこれを超えた場合、パドルは床の中に完全に沈むようになり、駆動システムに対して過剰なトルクを引き起こし、試験を打ち切りにさせる。このことは試験８の間に発生し、試験８ではパドルの両方のフライトがシャフトに設置されていた。多数のパドルは、高レベルの逆混合を引き起こした。システムに供給がない場合は、パドルは回転できたが、ペレットがリアクターに供給されるとすぐに、ペレットは、入口端に蓄積を開始した。この蓄積は、数回除去されたにもかかわらず、管理できなくなり、シャフトに対するトルクは、駆動システムの故障を引き起こすほど大きかった。試験８は打ち切りにした。
【０１０２】
これはより少ない供給量（４ｋｇ／時）の理由でもあった−実験に使用した低いシャフト回転速度では、より大きい供給量が十分に運搬され、過剰な床蓄積を引き起こした。
【０１０３】
全ての実験で、床は、正弦曲線のようなわずかな「波」を生じさせた。この床の永久波形が、パドル数、そして回転速度が減少するにつれてさらに強調されるようになった。従って試験６では、ごく小さな波動があるが、試験９によっては非常に顕著であった。
【０１０４】
床混合および逆混合
パドルの動作によって、ペレットはよく混合されて床に入った。逆混合の程度は、確認するのが困難であった。ペレットは前方に（すなわちリアクターの放出に向かって）迅速に移動しなかったが、上述した理由によって打ち切られたダブルフライト試験（試験８）を除いて、それらが後方に（すなわちリアクターの入口に向かって）移動した証拠はなかった。起こると思われたことは、パドルによって収集されたペレットの各ひとすくいの量のうち、５０％が前方に落下し、５０％が後方に落下することであった。２個のパドル間の同じ小さなゾーン内のペレットの一部を、それらが最終的に前方に移動する前に、一定期間保持する。パドルのらせん状間隔は、リアクター入口から放出に向かって移動する回転波を生じさせた。
【０１０５】
逆混合は、高温ガスおよび低温ペレットの流れが逆流であるため、熱移動にとって問題となることがある。従って温かいペレットがリアクター入口端に向かって逆移動する場合には、加熱ジャケット内の燃焼排ガスとリアクター内のペレットとの温度差は減少する。しかしながら、逆混合が狭い範囲内のみで起きる場合、ペレットの温度特性は著しく影響されず、熱移動に有害な影響はない。ペレットは通例、パドルによって小さいゾーン内にのみ保持される。
【０１０６】
実験の２つの目標は、床インベントリおよびペレット滞留時間を増加させることであった。これらの両方は、パドルの数を減少させることと、シャフト速度を低下させることによって改良できることが見出された。パドルを入口に向かって後方に傾斜させることも、かなりの改良を実現した。最低限のペレット突破時間を達成するのに必要なリアクター構造および運転条件も既知であるので、短絡が最小限の、最短保持時間を与えるようなリアクターを設計できる。
【０１０７】
上の議論から、良好な熱移動および物質移動の両方のために乾燥汚泥の良好な混合を行うと共に、「短絡」も最小限に抑え、汚泥／炭化物床を空にするために、所定のＷＨＳＶを用いて、本発明による装置および方法を設計するのが可能であることがわかる。汚泥／炭化物インベントリの良好な制御は、達成可能であり、熱移動に関して最も重要なことに、５％未満の炭化物が４０分以内に通過し、出願人はこれを、炭化物を４５０℃まで加熱するために必要な時間として理解している。
【０１０８】
約２〜８ｍ／分のパドル先端速度は、直径２４０ｍｍの本発明のモデル装置で十分な熱移動および物質移動を提供する。これらの調査の結果の「スケールアップ」は、供給量２５ｔｐｄの直径１メートルのリアクターでは、良好な熱移動および物質移動のためには、わずか１〜２ｒｐｍのコンベヤ回転が必要なことを意味すると想定される。さらに、汚泥／炭化物床に沿って均質な混合を提供するために、パドル先端速度を一定に維持することが望ましい。
【０１０９】
当業者に明白であるような変更および変形は、本発明の範囲内に入ると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明による汚泥および炭質の変換のための方法を説明する、ブロック図である。
【図２】本発明の第一の実施形態による、汚泥および炭質の変換のための装置の側部断面図である。
【図３】図２の装置の、そのラインＡで得た端面断面図である。
【図４】図２の装置の、そのラインＢで得た端面断面図である。
【図５】ＷＨＳＶに対する油粘度のプロットを示し、その間の相関を証明するグラフである。
【図６】炭化物インベントリのレベルを示す、本発明の第二の実施形態による、汚泥および炭質の変換のための装置の側部断面図である。
【図７】リアクター内に配置されたコンベヤおよび堰を示す、図６の装置の上部透視断面図である。
【図８】図６の装置の、そのラインＡで得た端面断面図である。
【図１】
2005537368.tif 000007
【図２】
2005537368.tif 000008
【図３】
2005537368.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005537368.tif 000013
【図８】
2005537368.tif 000014
【図９】
2005537368.tif 000015
【図１０】
2005537368.tif 000016
【図１１】
2005537368.tif 000017
【図１２】
2005537368.tif 000018
【図１３】
2005537368.tif 000019
【国際調査報告】
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2005537368.tif 000021