(57)【要約】  タール含有シンガス中のタール含量を低減するための方法及び装置を提供する。本方法は、第1反応ゾーン内でタール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程を含む。このガス混合物を、約900℃〜約2000℃の温度で維持した熱処理ゾーンに約0.5〜約5秒の接触時間通す。この態様では、タールの少なくとも一部が少なくとも部分酸化及び／又は分解を受けて高温シンガスを生成する。【選択図】図１
2014515774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タール含有シンガス中のタール含量を低減する方法であって、下記工程：
第1反応ゾーン内で前記タール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程；及び
前記ガス混合物を、約900℃〜約2000℃の温度で維持した熱処理ゾーンに約0.5〜約5秒の接触時間通す工程であって、ここで、前記タールの少なくとも一部は少なくとも部分酸化及び／又は分解を受けて高温シンガスを生成する、前記工程；
を含み、
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変える、方法。
【請求項２】
前記熱処理ゾーンが約1000℃〜1500℃の温度で維持される、請求項1の方法。
【請求項３】
前記熱処理ゾーンが約1200℃〜1250℃の範囲の温度で維持される、請求項1の方法。
【請求項４】
前記第1反応ゾーンの出口における前記タール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度が約5メートル/秒より大きい、請求項1の方法。
【請求項５】
前記第1反応ゾーン内へ少なくとも一部の高温シンガスを導入する工程をさらに含む、請求項1の方法。
【請求項６】
線速度対前記熱処理ゾーンの高さの比が約0.3:12.5〜約2.0:2.5である、請求項4の方法。
【請求項７】
前記熱処理ゾーンが下記：
(a)低タール含有ガス混合物を生成するための、前記ガス混合物に含まれるタールの熱処理に有効な第1熱処理ゾーン；及び
(b)高温シンガスを生成するための、前記低タール含有ガス混合物に含まれるタールの熱処理に有効な第2熱処理ゾーン
を含む、請求項1の方法。
【請求項８】
高温シンガスの生成方法であって、下記工程：
ガス化ゾーン内で炭素質材料を分子酸素含有ガス並びに必要に応じて蒸気及び二酸化炭素の1種以上で処理してタール含有シンガスを生成する工程；
前記タール含有シンガス及び分子酸素含有ガスを第1反応ゾーンに通してガス混合物を生成する工程；及び
前記ガス混合物を、約900℃〜約2000℃の温度で維持した熱処理ゾーンに約0.5〜約5秒の範囲の接触時間通す工程であって、ここで、前記タールの少なくとも一部は、部分酸化及び分解の1つ以上を受けて高温シンガスを生成する、前記工程；
を含み、
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変える、方法。
【請求項９】
タール含有シンガス中のタール含量を低減して高温シンガスを生成するのに有効なタール除去装置であって、下記：
(a)分子酸素を導入し、前記タール含有シンガスと混合してガス混合物を生成する第1反応ゾーン；及び
(b)前記ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の熱処理ゾーン；
を含み、
第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変え；かつ
前記熱処理ゾーンが約0.5〜約5秒の接触時間を与える、タール除去装置。
【請求項１０】
前記第1反応ゾーンが、前記第1反応ゾーンの出口で約5メートル/秒より大きい前記タール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度を与える、請求項9のタール除去装置。
【請求項１１】
前記第1反応ゾーンが、前記第1反応ゾーンの出口で約10メートル/秒より大きい前記タール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度を与える、請求項9のタール除去装置。
【請求項１２】
前記第1反応ゾーンが、前記第1反応ゾーンの出口で約50メートル/秒より大きい前記タール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度を与える、請求項9のタール除去装置。
【請求項１３】
前記熱処理ゾーンが下記：
(a)低タール含有ガス混合物を生成するための、前記ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第1熱処理ゾーン；及び
(b)高温シンガスを生成するための、前記低タール含有ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第2熱処理ゾーン
を含む、請求項9のタール除去装置。
【請求項１４】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約2秒未満で表面に衝突する、請求項9のタール除去装置。
【請求項１５】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約1秒未満で表面に衝突する、請求項9のタール除去装置。
【請求項１６】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約0.5秒未満で表面に衝突する、請求項9のタール除去装置。
【請求項１７】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約0.1秒未満で表面に衝突する、請求項9のタール除去装置。
【請求項１８】
シンガス生成装置であって、下記：
(a)炭素質材料を分子酸素と接触させ、必要に応じて蒸気及び二酸化炭素の1種以上と接触させてタール含有シンガスを生成するガス化ゾーン；
(b)分子酸素を導入し、前記タール含有シンガスと混合してガス混合物を生成する第1反応ゾーン；及び
(c)前記タール含有シンガス酸素混合物に含まれるタールの熱処理用の熱処理ゾーン；
を含み、
第1反応ゾーンからの前記タール含有シンガス酸素混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変え、かつ
前記熱処理ゾーンが約0.5〜約5秒の範囲の接触時間を与える、シンガス生成装置。
【請求項１９】
前記熱処理ゾーンが下記：
(a)低タール含有ガス混合物を生成するための、前記ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第1熱処理ゾーン；及び
(b)高温シンガスを生成するための、前記低タール含有ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第2熱処理ゾーン
を含む、請求項18のシンガス生成装置。
【請求項２０】
前記第1反応ゾーンが、前記第1反応ゾーンの出口で約5メートル/秒より大きい前記タール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度を与える、請求項18のシンガス生成装置。
【請求項２１】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約2秒未満で表面に衝突する、請求項18のシンガス生成装置。
【請求項２２】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約1秒未満で表面に衝突する、請求項18のタール除去装置。
【請求項２３】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約0.5秒未満で表面に衝突する、請求項18のタール除去装置。
【請求項２４】
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が約0.1秒未満で表面に衝突する、請求項18のタール除去装置。
【請求項２５】
タール含有シンガス中のタール含量を低減する方法であって、下記工程：
第1反応ゾーン内で前記タール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程；及び
前記ガス混合物を、前記シンガスのタール含量を少なくとも約10%低減するのに有効な温度で有効な時間熱処理ゾーンに通す工程；
を含み、
前記第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変える、前記方法。
【請求項２６】
タール含有シンガス中のタール含量を低減して高温シンガスを生成するのに有効なタール除去装置であって、下記：
(a)分子酸素を導入し、前記タール含有シンガスと混合してガス混合物を生成する第1反応ゾーン；及び
(b)前記ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の熱処理ゾーン；
を含み、
第1反応ゾーンからの前記ガス混合物が表面上の衝突によって流れの方向を変え、かつ
前記熱処理ゾーンが、約10ppm未満のタール等価物を有する高温シンガスをもたらすのに有効な接触時間を与える、前記タール除去装置。
【請求項２７】
前記タール等価物が、ベンゼン、アルコール、及びその混合物から成る群より選択される炭化水素に相当する、請求項26の装置。
【請求項２８】
タール含有シンガス中のタール含量を低減する方法であって、下記工程：
第1反応ゾーン内で前記タール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程；及び
前記ガス混合物を、約900℃〜約2000℃の温度(T)で維持した熱処理ゾーンに約0.5〜約5秒の接触時間(Ct)通す工程であって、ここで、前記タールの少なくとも一部は少なくとも部分酸化及び／又は分解を受けて高温シンガスを生成する、前記工程
を含み；
前記高温シンガスのタール濃度等価含量が10ppm未満で維持される、前記方法。
【請求項２９】
前記高温シンガスのタール濃度等価含量が、前記温度(T)及び／又は前記接触時間(Ct)の制御によって10ppm未満で維持される、請求項28の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全て2011年4月6日に提出された米国仮出願第61/516,646号、第61/516,704号及び第61/516,667号の優先権を主張する。これら全ての内容全体を参照によってここに援用する。
一酸化炭素及び水素を含む発生炉ガス又は合成ガス又はシンガスを生成するための炭素質材料のガス化のための装置及び方法を提供する。さらに詳しくは、本装置及び方法は、発生炉ガス又は合成ガス又はシンガスの調整及びタール含有シンガスのタール含量の低減に有効である。
【背景技術】
【０００２】
背景
酸素不足条件における炭素質材料のガス化は、タールを含むシンガス(合成ガスとしても知られ；発生炉ガスとしても知られる)を生成する。シンガス中のタールの存在は、下流プロセス及び設備の汚れ、閉塞を引き起こす、ガス化プロセスの主要な技術的障害をもたらす。凝縮タールはガス洗浄設備を劇的に汚し、原動機に入る液体タール液滴はシンガスのこれらの最終用途適用の操作を妨げる。シンガス中のタールは廃水管理にも大いに影響を及ぼし得る。例えば、通常の水性ガス洗浄システムにおいてタールと凝縮水を混合する場合、それは費用のかかる困難な水処理問題を引き起こすことが多い。下流プロセス及び設備に許容できるシンガスを有するためにはシンガス中のタール含量を低減しなければならない。公表された技術には物理的及び化学的な両処理を含めたいくつかのタール低減又は除去方法が開示されている。タール除去の物理的処理にはフィルター及び静電タール除去の利用がある。化学的処理には触媒及び非触媒の両方法がある。シンガスのタール含量を低減する1つの方法は熱破壊であり、この方法ではタールが部分酸化及び熱分解の一方又は両方を受ける。例えば下記文献を参照されたい：“Tar reduction through partial combustion of fuel gas,” Houben, M.P, Lange, H.C. de & Steenhoven, A.A. van, Fuel, vol. 84, pp 817-824, 2005; “Analysis of hydrogen-influence on tar removal by partial oxidation,” Hoeven, T.A. van der, Lange, H.C. de & Steenhoven, A.A. van, Fuel, vol. 85, pp 1101-1110, 2005。
【０００３】
この方法では、ガス化装置ユニットから生成されるタール含有シンガスが処理ゾーン又はユニットを通過し、その中で酸素含有ガスが添加される。タールの分解及び／又は部分酸化を果たすためにこのユニット内では高温が達成される。従ってJames T. Cobb, Jr.(“Production of Synthesis Gas by Biomass Gasification,” James T. Cobb, Jr., Proceedings of the 2007 Spring National AIChE Meeting, Houston, Texas, April 22-26, 2007)は、Consutech Gasifier (BRI Energy LLC)について記載しており、この第1段階は、950°F(510℃)で酸素富化空気を用いてガス化装置として作動する標準的な階段火格子燃焼器(多くの場合MSW焼却炉として用いられる)である。第2段階は、2000〜2250°F(1093〜1232℃)で作動し、最小限の酸素を用いてタールを分解する熱処理装置である。
WO 2009/154788は、ガス生成物を第1段階から第2段階へ移動させる2段階ガス化装置について記載している。第1段階からのガス流に含まれるタールの部分酸化及び分解の1つ以上を達成するために純粋酸素を第2段階に導入して温度を約1750(954)〜約2250°F(1232℃)に上昇させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記熱処理方法は小型ユニットでシンガスのタール含量を低減するのに有効であることが分かった。大型ユニットで効率的なタール除去を達成するためにはこの熱処理プロセスのスケールアップに関する知識を開発する必要性が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
タール含有シンガス中のタール含量を低減する方法を提供する。本方法は、第1反応ゾーン内でタール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程を含む。このガス混合物を、約900℃〜約2000℃の温度で維持した熱処理ゾーンに約0.5〜約5秒の接触時間通す。この態様では、タールの少なくとも一部が少なくとも部分酸化及び／又は分解を受けて高温ガスを生成する。第1反応ゾーンからのガス混合物は表面上の衝突によって流れの方向を変える。
一態様では、第1反応ゾーンの出口におけるタール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度が約5メートル/秒より大きい。高温シンガスの少なくとも一部を第1反応ゾーン内へ導入してよい。別の態様では、線速度対熱処理ゾーンの高さの比が約0.3:12.5〜約2.0:2.5である。一態様では、熱処理ゾーンは下記：(a)低タール含有ガス混合物を生成するための、ガス混合物に含まれるタールの熱処理に有効な第1熱処理ゾーン；及び(b)高温シンガスを生成するための、前記低タール含有ガス混合物に含まれるタールの熱処理に有効な第2熱処理ゾーンを含む。
【０００６】
タール含有シンガス中のタール含量を低減して高温シンガスを生成するのに有効なタール除去装置を提供する。このタール除去装置は下記：(a)分子酸素を導入し、前記タール含有シンガスと混合してガス混合物を生成する第1反応ゾーン；及び(b)このガス混合物に含まれるタールの熱処理用の熱処理ゾーンを含む。第1反応ゾーンからのガス混合物は表面上の衝突によって流れの方向を変える。熱処理ゾーンは約0.5〜約5秒の接触時間を与える。一態様では、第1反応ゾーンは、第1反応ゾーンの出口で約5メートル/秒より大きいタール含有シンガス酸素混合物の流れの線速度を与える。別の態様では、タール除去装置の熱処理ゾーンは下記：(a)低タール含有ガス混合物を生成するための、ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第1熱処理ゾーン；及び(b)高温シンガスを生成するための、低タール含有ガス混合物に含まれるタールの熱処理用の第2熱処理ゾーンを含む。このタール除去装置は、約2秒未満で表面に衝突する、第1反応ゾーンからのガス混合物をもたらすのに有効である。
(a)炭素質材料を分子酸素と接触させ、必要に応じて蒸気及び二酸化炭素の1種以上と接触させてタール含有シンガスを生成するガス化ゾーン；(b)分子酸素を導入し、タール含有シンガスと混合してガス混合物を生成する第1反応ゾーン；及び(c)タール含有シンガス酸素混合物に含まれるタールの熱処理用の熱処理ゾーンを含む、シンガス生成装置を提供する。第1反応ゾーンからのタール含有シンガス酸素混合物は表面上の衝突によって流れの方向を変え、かつ熱処理ゾーンは約0.5〜約5秒の接触時間を与える。
タール含有シンガス中のタール含量を低減する方法を提供する。この方法は、下記工程：第1反応ゾーン内で前記タール含有シンガスを分子酸素含有ガスと接触させてガス混合物を生成する工程；及びこのガス混合物を、シンガスのタール含量を少なくとも約10%低減するのに有効な温度で有効な時間熱処理ゾーンに通す工程を含む。第1反応ゾーンからのガス混合物は表面上の衝突によって流れの方向を変える。
本方法の上記及び他の態様、いくつかの態様の特徴及び利点は、以下の図面からさらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】タール含有シンガスのタール含量を低減するためのタール低減装置の概略図であり、第1反応ゾーンと熱処理ゾーンを含む装置の一態様を示す。
【図２】タール含有シンガスのタール含量を低減するためのタール低減装置の概略図であり、第1反応ゾーンと、熱処理ゾーンI及び熱処理ゾーンIIを含んでなる熱処理ゾーンとを含む装置の一態様を示す。
【図３】タール含有シンガスのタール含量を低減するためのガス化装置の概略図であり、ガス化ゾーンと、第1反応ゾーンと、熱処理ゾーンI及び熱処理ゾーンIIを含む熱処理ゾーンとを含む装置の一態様を示す。
【図４（Ｉ）】円筒形状である第1反応ゾーンの、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が水平線に対してある角度をなして傾いている態様の側面図を示す。
【図４（ＩＩ）】円筒形状である第1反応ゾーンの、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が水平線に対してある角度をなして傾いている態様の側面図を示す。
【図４（ＩＩＩ）】円筒形状である第1反応ゾーンの、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が、断面とガス入口の軸の交差点を通って引かれた対角線に対してある角度をなして傾いている態様の平面図又は断面図を示す。
【図４（ＩＶ）】円筒形状である第1反応ゾーンの、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が、断面とガス入口の軸の交差点を通って引かれた対角線に対してある角度をなして傾いている態様の平面図又は断面図を示す。
【図５（Ｉ）】分子酸素を導入するための8個のガス入口ノズルが取り付けられている垂直の円筒形容器である態様の第1反応ゾーンの側面図を示す。
【図５（ＩＩ）】分子酸素を導入するための8個のガス入口ノズルが取り付けられている垂直の円筒形容器である態様の第1反応ゾーンの平面図を示す。
【図６】垂線に対してある角度をなして傾いている態様の第1反応ゾーンの側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面の数図を通じて対応する参照記号は対応する構成要素を表す。当業者は、簡単かつ明瞭にするために図中の要素を示してあり、必ずしも縮尺に合わせて描かなくてよいことを理解しているであろう。例えば、本方法及び装置の種々の態様の理解を深める助けになるように図中のいくつかの要素の寸法を他の要素に比べて拡大してよい。また、これらの種々の態様が見えにくくならないように、商業的に実行可能な態様で有用又は必要である共通の十分理解されている要素は描画されないことが多い。
【０００９】
詳細な説明
定義
特に指定のない限り、本開示ではこの明細書全体を通じて下記用語を以下のように定義し、用語は以下に規定する定義の単数又は複数形を包含し得る。
いずれの量をも修飾する用語「約」は、実世界条件内、例えば、研究室、パイロットプラント、又は生産施設内で遭遇される当該量の変動を表す。例えば、「約」で修飾されるときの混合物又は量に使用される成分又は測定値の量には、生産プラント又は研究室で実験条件下にて測定する際に典型的に払われる配慮の変動及び度合が含まれる。例えば、「約」で修飾されるときの生成物の成分の量には、プラント又は研究室内の複数実験のバッチ間の変動及び分析方法に固有の変動が含まれる。「約」による修飾の有無にかかわらず、量には当該量に等価な量が含まれる。本明細書で言及され、「約」で修飾されるいずれの量をも本開示では「約」で修飾されない量として利用することもできる。
【００１０】
本明細書で用いる「炭素質材料」は、例えば石炭、及び石油化学製品等の炭素に富む材料を表す。しかしながら、本明細書では、炭素質材料には、固体、液体、気体、又はプラズマ状態であれ、いずれの炭素材料も含まれる。炭素質材料と考えられる多数のアイテムのうち、本開示は以下のものを企図する：炭素質材料、炭素質液体製品、炭素質産業液体再生品、炭素質一般固形廃棄物(MSW又はmsw)、炭素質都市廃棄物、炭素質農業材料、炭素質林業材料、炭素質木材廃棄物、炭素質建築材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃棄物、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール製造副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃棄プラスチック、コークス炉タール、軟質繊維(fibersoft)、リグニン、黒液、ポリマー、廃棄ポリマー、ポリエチレンテレフタラート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物廃棄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵過程廃棄物、エタノール副産物、ビール粕(spent grain)、廃微生物(spent microorganisms)、又はそれらの組合せ。
用語「軟質繊維(“fibersoft”又は“Fibersoft”又は“fibrosoft”又は“fibrousoft”」は、種々の物質の軟化及び濃縮の結果として生じるタイプの炭素質材料を意味し；一例では、炭素質材料は種々の物質の蒸気オートクレーブによって生成される。別の例では、軟質繊維は、一般廃棄物、産業廃棄物、商業廃棄物、医療廃棄物の蒸気オートクレーブの結果として生じる繊維性粥状材料を含み得る。
用語「一般固形廃棄物」又は「MSW」又は「msw」は家庭廃棄物、商業廃棄物、産業廃棄物及び／又は残留廃棄物を含む廃棄物を意味する。
【００１１】
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、各種量の一酸化炭素及び水素を含有するガス混合物に与えられる名称である合成ガスを意味する。製造方法の例としては、水素を生成するための天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭及びいくつかのタイプの廃棄物発電ガス化施設におけるガス化が挙げられる。この名称は合成天然ガス(SNG)生成の際及びアンモニア又はメタノールの製造のための中間体としてのそれらの使用に由来する。シンガスは、フィッシャー・トロプシュ合成及び以前はMobilのメタノール-ガソリン(methanol to gasoline)法によって燃料又は潤滑油として用いる合成石油を製造する際の中間体としての使用を含む。シンガスは、主に水素、一酸化炭素、及びいくらかの二酸化炭素から成り、天然ガスの半分未満のエネルギー密度(すなわち、BTU含量)を有する。シンガスは可燃性であり、他の化学薬品の製造用燃料源として又は中間体として用いられることが多い。
【００１２】
「トン(“Ton”又は“ton”)」は米国ショートトン、すなわち約907.2kg(2000lbs)を表す。
本明細書では、用語「タール」としては、限定するものではないが、気体タール、液体タール、固体タール、タール生成物質、又はその混合物が挙げられ、一般的に炭化水素及びその誘導体を含む。タールを測定するために利用し得る多数の周知のタール測定方法が存在する。1つの大ファミリーの手法としては、検出器と一体となった液相又は気相クロマトグラフィーに基づいた分析方法がある。タールの測定の場合の最も頻度の高い検出器は、炎イオン化検出器(FID)及び質量分析計である。別のファミリーの手法としては、スペクトルの検出及び分析を含む分光法がある。これは例えば赤外、紫外(UV)又はルミネセンス分光法、及びLIBS(レーザー誘起破壊分光(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy))法である。燃焼ガスのモニタリングの別の手法はFTIR(フーリエ変換赤外)分光法である。例えばWO2006015660、WO03060480及び米国特許第5,984,998号等の多岐にわたる文書がこの手法に言及している。
タールの連続的なモニタリングを可能にする他の既知の電子的方法が存在する。これらの手法には電気化学セルを備えた検出器及び半導体を備えたセンサーが含まれる。タール測定のために種々の重量分析法を利用してもよい。一態様では、タールの量を炭素の等価ppmとして表すことができる。この態様では、炭化水素はベンゼン又はアルコール、例えばメタノールであってよい。この態様では、タール含量の低減は約10ppm未満のベンゼンに等価なタール濃度又は約10ppm未満のベンゼンに相当するタール等価物を意味し得る。
【００１３】
詳細な説明
下記説明は限定的意味で解釈すべきでなく、例示実施形態の一般原理を説明するという目的のためだけに構成されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定すべきである。
タール含有シンガスのタール含量を低減するためのタール含有シンガスの処理のための装置及び方法を提供する。別の態様では、タール含有シンガスを生成し、引き続き前記タール含有シンガスを熱処理するための炭素質材料のガス化のための装置及び方法を提供する。この開示の装置の種々の態様を図1〜3に示す。
図1は、タール含有シンガスのタール含量を低減するためのタール低減装置(10)の一態様の概略図である。図1は、第1反応ゾーン(200)と熱処理ゾーン(300)を含む装置の一態様を示す。ここで図1を参照すると、タール含有シンガス(150)及び分子酸素含有ガス(250)が前記第1反応ゾーンに導入される。第1反応ゾーン内でガス混合物(タール含有シンガスと分子酸素の混合物)が生成され、これが熱処理ゾーンに入る(図示せず)。高温シンガスの蒸気(450)は熱処理ゾーンから除去される。
図2は、タール含有シンガスのタール含量を低減するためのタール低減装置(11)の一態様の概略図である。図2は、第1反応ゾーン(200)と、熱処理ゾーンI(300)及び熱処理ゾーンII(400)を含む熱処理ゾーンとを含む前記装置の一態様を示す。ここで図2を参照すると、タール含有シンガス(150)及び分子酸素含有ガス(250)が前記第1反応ゾーンに導入される。第1反応ゾーン内でガス混合物(タール含有シンガスと分子酸素の混合物)が生成され、これが熱処理ゾーンIに入る(図示せず)。熱処理されたガス混合物は熱処理ゾーンIを出て熱処理ゾーンIIに入る。高温シンガスの蒸気(450)は熱処理ゾーンIIから除去される。
図3は、タール含有シンガスのタール含量を低減するためのガス化装置(12)の概略図である。図3は、ガス化ゾーン(100)と、第1反応ゾーン(200)と、熱処理ゾーンI(300)及び熱処理ゾーンII(400)を含む熱処理ゾーンとを含む前記装置の一態様を示す。ここで図3を参照すると、炭素質材料フィード(110)及び分子酸素含有ガス(120)がガス化ゾーンに導入され、タール含有シンガスが生じる(図示せず)。前記タール含有シンガス及び分子酸素含有ガス(250)が第1反応ゾーンに導入される。第1反応ゾーン内でガス混合物(タール含有シンガスと分子酸素の混合物)が生成され、これが熱処理ゾーンIに入る(図示せず)。熱処理されたガス混合物が熱処理ゾーンIを出て熱処理ゾーンIIに入る。
このようにタール処理装置は第1反応ゾーンと熱処理ゾーンを含む。タール含有シンガスフィードは第1反応ゾーンの中を通る。第1反応ゾーンは、限定するものではないが、円形又は矩形断面などのいずれの断面でもよい小管部又は小容器であってよく、その一端が熱処理ゾーンに取り付けられている。一態様では、第1反応ゾーンの断面は円形である。一態様では、第1反応ゾーンは垂直に設置されている。
【００１４】
第1反応ゾーン内へ分子酸素含有ガスが導入される。分子酸素含有ガスの導入のために第1反応ゾーンに1つ以上のガス入口(ノズル)を取り付けてよい。図4(I)及び図4(II)に示すように第1反応ゾーンの軸に垂直に1つ以上の前記ノズルを設置することができる。図4(I)は、分子酸素用のガス入口が水平線に対して角度α下向きの流れ方向に傾いている態様の第1反応ゾーンを例示する。図4(I)は、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が水平線に対して角度α下向きの流れ方向に傾いている態様の第1反応ゾーンの側面図を示す。図4(II)は、分子酸素用のガス入口が水平線に対して角度α上向きの流れ方向に傾いている態様の第1反応ゾーンを例示する。図4(II)は、第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が水平線に対して角度α上向きの流れ方向に傾いている態様の第1反応ゾーンの側面図を示す。
混合ゾーン内部の回旋の形成を促すように、第1反応ゾーンの表面とガス入口の軸の交差点を通って引かれる対角線に対して1つ以上の前記ノズルを斜めに設置することができる。図4(III)及び図4(IV)は、それぞれ第1反応ゾーンが垂直であり、分子酸素用のガス入口が断面とガス入口の軸の交差点を通って引かれた対角線に対して角度β傾いている態様の第1反応ゾーンの平面図又は断面図を示す。
図5(I)及び図5(II)は、それぞれ第1反応ゾーンが分子酸素を導入するための8つのガス入口ノズルが取り付けられた垂直の円筒形容器である態様の第1反応ゾーンのそれぞれ側面図及び平面図を示す。各ノズルは水平方向とαの角度でガス流の上向き方向に取り付けられている。各ノズルはノズルと第1反応ゾーンの交差点を通って引かれた、断面の対角線に対して角度βで取り付けられている。
種々の態様では、第1反応ゾーンを垂直方向に対してある角度をなして設置することができる。図6(I)及び図6(II)は、それぞれ第1反応ゾーンが垂線に対して角度θ傾いている態様の第1反応ゾーンの側面図を示す。
【００１５】
熱処理ゾーンは、限定するものではないが、円形、正方形、矩形等のいずれの断面でもよい容器である。一態様では、熱処理ゾーンは実質的に垂直に設置される。一態様では、熱処理ゾーンは実質的に水平に設置される。一態様では、熱処理ゾーンは水平方向に対してある角度をなして設置される。一態様では、熱処理ゾーンは複数のセクション又はサブゾーンを含む。一態様では、熱処理ゾーンは2つのセクション又はサブゾーン：熱処理ゾーンI及び熱処理ゾーンIIを含む。一態様では熱処理ゾーンIは水平である。一態様では熱処理ゾーンIは垂直である。一態様では熱処理ゾーンIIは水平である。一態様では熱処理ゾーンIIは垂直である。一態様では、熱伝達ゾーンIは水平方向に対してある角度をなして設置される。一態様では、熱伝達ゾーンIIは水平方向に対してある角度をなして設置される。一態様では、熱伝達ゾーンIは垂直方向に対してある角度をなして設置される。一態様では、熱伝達ゾーンIIは垂直方向に対してある角度をなして設置される。
一態様では、分解及び部分酸化の1つ以上によってタールの破壊を達成するためタール含有シンガスは熱処理ゾーン内で熱処理を受ける。この場合、前記タール含有シンガスは熱処理ゾーンに導入する前に分子酸素含有ガスと混合する。混合は、タール含有シンガスが前記熱処理ゾーンに導入されるときに通る第1反応ゾーン内で達成される。熱処理ゾーン内における熱処理の有効性は、混合の有効性に左右され得る。熱処理ゾーンに入るガス混合物(タール含有シンガス酸素混合物)の特定の最小線速度を達成することによって熱処理の有効性を改善することができる。ガス混合物が熱処理ゾーンに入るときにガス混合物の流れの方向を変えることによって熱処理の有効性を改善することができる。ガス混合物が熱処理ゾーンに入るときの表面上の衝突によって熱処理の有効性を改善することができる。表面上の衝突によって熱処理ゾーンに入るガス混合物の流れの方向を変えることによって熱処理の有効性を改善することができる。一態様では、第1反応ゾーンからのガス混合物の熱処理ゾーンの表面上の衝突によって熱処理の有効性を改善することができる。
【００１６】
一態様では、第1反応ゾーンの出口におけるガス混合物の線速度が少なくとも5メートル/秒である。一態様では、ガス混合物の線速度が少なくとも10メートル/秒である。一態様では、ガス混合物の線速度が少なくとも15メートル/秒である。一態様では、ガス混合物の線速度が少なくとも20メートル/秒である。一態様では、ガス混合物の線速度が少なくとも25メートル/秒である。一態様では、ガス混合物の線速度が少なくとも50メートル/秒である。熱処理ゾーンの高さは約1メートル〜約15メートルの範囲であってよい。別の態様では、線速度対熱処理ゾーンの高さの比が約0.3:12.5〜約2.0:2.5である。種々の態様では、線速度対熱処理ゾーンの高さの比は0.3:12.5、0.4:10.0、0.5:7.5、0.6:6.25、0.8:5.0、1.0:4.0、1.25:3.75、1.5:3.3、1.7:3.0、及び2.0:2.5から選択され得る。線速度は第1反応ゾーンの出口で測定される。熱処理ゾーンが正方形又は矩形の場合、高さは内側の高さである。熱処理ゾーンが円形の場合、高さは内径である。別の態様では、第1反応ゾーンからのガス混合物は約2秒未満、別の態様では約1秒未満、別の態様では約0.5秒未満、別の態様では約0.1秒未満で表面に衝突する。
【００１７】
混合及び熱処理の性能に影響を及ぼし得る要因としては、限定するものではないが、第1反応ゾーン内で与えられる混合の長さ(例えば第1反応ゾーンの高さ)、第1反応ゾーンの形状及び断面積、分子酸素含有ガス対タール含有シンガスの比、酸素入口の下流の第1反応ゾーンの長さ対直径の比が挙げられる。分子酸素含有ガスを導入するためのガス入口(ノズル)の数と向きは混合に影響を及ぼし得る。整流装置又は無動ミキサー等の混合デバイスを第1反応ゾーン内部に挿入することによって混合を改善することもできる。第1反応ゾーン又は熱処理ゾーンを通るガスの流速を高めることによって混合及び熱処理の性能を改善することができる。例えば一態様では、熱処理ゾーンを出るシンガス(高温シンガス)の一部を再循環させることによって熱処理の性能を改善することができる。別の態様では、タール含有生シンガスを複数のソースから1つの第1反応ゾーン及び1つの熱処理ゾーンを介して供給することによって熱処理の性能を改善することができる。一態様では、タール含有生シンガスを複数のガス化装置から1つの第1反応ゾーン及び1つの熱処理ゾーンを介して供給することによって熱処理の性能を改善することができる。
【００１８】
タールの部分酸化及び分解の1つ以上を効率的に達成するため、熱処理ゾーンは約900℃〜約2000℃の温度で維持される。一態様では、この温度は約1000℃〜約1700℃である。別の態様では、この温度は約1100℃〜約1500℃である。一態様では、この温度は約1200℃〜約1250℃である。
タールの部分酸化及び分解の1つ以上を達成するため、熱処理ゾーン内における接触時間は約0.5〜約5秒である。これらの態様では、本方法はシンガスのタール含量を少なくとも約10%低減するのに有効である。
分子酸素含有ガスは空気を含んでよい。分子酸素含有ガスは酸素富化空気を含み得る。分子酸素含有ガスは純粋酸素を含み得る。タール低減ゾーンに添加される分子酸素の総量は、無水ベースで炭素質材料1トン(907.2kg)当たり約0〜約100lb(45kg)-モルの範囲内であり得る。
本開示のガス化ゾーンは、従来技術で開示されているいずれのガス化設備であってもよく、例えば、限定するものではないが、移動床、固定床、流動床、飛沫同伴(entrained)流、向流(「上向き通風」)、並流(「下向き通風」)、向流固定床、並流固定床、向流移動床、並流移動床直交通風(cross draft)、ハイブリッド、直交流、直交流移動床、又はその一部、又はその組合せであってよい。一態様では、ガス化ゾーンは直交流移動床ユニットである。一態様では、ガス化ゾーンは、前記炭素質材料を分子酸素含有ガス並びに必要に応じて蒸気及びCO2の1種以上と接触させて前記炭素質材料をガス化し、タール含有シンガスを生成するための2つ以上のユニット又はセクション又は炉床を含む。種々の態様では、ガス化ゾーンは、1、2、3、4、5、6、7、8、9、又は10個のユニット又はセクション又は炉床を含む。
ガス化ゾーン或いはその中に含まれる1つ以上のセクション又はユニット又は炉床に、分子酸素含有ガスの導入用のガス入口を取り付けることができる。必要に応じてこれらの分子酸素入口の1つ以上を介して蒸気又はCO2を導入してもよい。一態様では、ガス化ゾーン或いはその中に含まれる1つ以上の炉床又はセクション又はユニットに取り付けられたガス入口を介して分子酸素含有ガス、蒸気及びCO2の1種以上を導入してよい。一態様では、ガス化ゾーン或いはその中に含まれる1つ以上の炉床又はセクション又はユニットに取り付けられたガス入口に供給する前に分子酸素含有ガス、蒸気及びCO2の1種以上を前混合する。
ガス化ゾーンに炭素質材料フィードが導入される。ガス化ゾーンに分子酸素含有ガスが供給される。従って炭素質材料の化学変換を開始及び促進するために炭素質材料フィードが分子酸素で処理される。ガス化ゾーン内で炭素質材料フィードがガス化されてタール含有シンガスが生成される。炭素質材料からの一酸化炭素の形成を優先的に促進するため、酸素のガス化装置への供給が制御される。一酸化炭素の生成を促進するため準化学量論量の酸素が供給される。ガス化ゾーンからタール含有シンガスの流れが除去される。
【００１９】
ガス化ゾーン内では炭素質材料のガス化を促進するために十分高い温度が達成される。しかしながら、温度は、炭素質材料フィードに含まれる非炭質鉱物質がガス化ゾーン内部で融けないように十分に低く維持される。換言すれば、ガス化ゾーンのいずれの部分の温度も前記非炭質鉱物質を含む灰分の融点温度を超えてはならない。典型的に、ガス化ゾーン内並びに燃焼ゾーン内では800℃を超えない温度が維持される。一態様では、ガス化ゾーン内の温度は250℃〜800℃の範囲内に維持される。従って前記非炭質鉱物質を含む固形灰分はガス化ゾーンに蓄積し、固形配分の蒸気はガス化ゾーンから除去される。種々の態様では、ガス化ゾーン内の温度は250℃〜800℃の範囲内、450℃〜800℃の範囲内、650℃〜800℃の範囲内であり得る。
分子酸素を供給するために前記分子酸素含有ガスは空気を含んでよい。分子酸素を供給するために前記分子酸素含有ガスは酸素富化空気を含んでよい。分子酸素を供給するために前記分子酸素含有ガスは純粋酸素を含んでよい。
分子酸素含有ガスを介してガス化ゾーンに導入される分子酸素の総量は、無水ベースで炭素質材料1トン当たり約0〜約50lb(23kg)-モルの範囲内であり得る。ガス化ゾーンに導入される蒸気の総量は、無水ベースで炭素質材料フィード1トン当たり約0〜約100lb(45kg)-モルの範囲内であってよく、別の態様では、無水ベースで炭素質材料フィード1トン当たり約0〜約50lb(23kg)-モルの範囲内であってよい。ガス化ゾーンに導入される二酸化炭素ガスの総量は、無水ベースで炭素質材料フィード1トン当たり約0〜約50lb(23kg)-モルの範囲内であり得る。一態様では、蒸気と二酸化炭素ガスが両方ともガス化ゾーンに導入される。一態様では、酸素を供給する1つ以上のラインに蒸気及び二酸化炭素ガスの1種以上が注入され、分配ノズル直前で酸素ラインと混じり合う。
【００２０】
ガス化ゾーンに供給される炭素質材料は下記から選択し得る：炭素質材料、炭素質液体製品、炭素質産業液体再生品、炭素質一般固形廃棄物(MSW又はmsw)、炭素質都市廃棄物、炭素質農業材料、炭素質林業材料、炭素質木材廃棄物、炭素質建築材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃棄物、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール製造副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃棄プラスチック、コークス炉タール、軟質繊維、リグニン、黒液、ポリマー、廃棄ポリマー、ポリエチレンテレフタラート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物廃棄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵過程廃棄物、エタノール副産物、ビール粕、廃微生物、又はそれらの組合せ。
本開示の一態様ではガス化ゾーンに供給される炭素質材料は、炭素質材料、炭素質液体製品、炭素質産業液体再生品、炭素質一般固形廃棄物(MSW又はmsw)、炭素質都市廃棄物、炭素質農業材料、炭素質林業材料、炭素質木材廃棄物、炭素質建築材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃棄物、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール製造副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃棄プラスチック、コークス炉タール、軟質繊維、リグニン、黒液、ポリマー、廃棄ポリマー、ポリエチレンテレフタラート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物廃棄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵過程廃棄物、エタノール副産物、ビール粕、廃微生物、又はそれらの組合せから選択される複数の炭素質材料を含む。
【００２１】
本明細書で開示される発明を特定の実施形態、実施例及びその応用を利用して記載したが、当業者はそれに加えて、特許請求の範囲に明記される本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更形態及び変形形態を構成できるであろう。
【図１】
2014515774.tif 000003
【図２】
2014515774.tif 000004
【図３】
2014515774.tif 000005
【図４】
2014515774.tif 000006
【図５】
2014515774.tif 000007
【図６】
2014515774.tif 000008
【国際調査報告】
2014515774.tif 000009
2014515774.tif 000010
2014515774.tif 000011