(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程：
炭素質供給原料を熱分解ユニットに供給する工程；
前記炭素質供給原料を、移動デバイスを用いて、前記熱分解ユニット中の少なくとも1つのガス化ゾーン内を移動させる工程；及び
酸素と、任意で追加ガスとを前記ガス化ゾーンに供給する工程、ここで、前記酸素及び任意で供給されていてもよい前記追加ガスは、移動デバイスに供給され且つ前記移動デバイスの表面から放出される、
を含む非触媒性熱分解プロセスであって、
材料床のいずれの点でも2300°F(1260℃)を超えない材料床温度を維持するのに有効な速度であり且つ500°F(260℃)〜2000°F(1093℃)の材料床温度を維持するのに有効な速度で、前記炭素質供給原料が前記ガス化ゾーン内を移動し且つ前記酸素が前記ガス化ゾーンに供給され、且つ
前記移動デバイスがトランスファーラムである、前記熱分解プロセス。
【請求項２】
0.25時間〜3時間の前記ガス化ゾーン内での前記炭素質供給原料の保持時間をもたらすのに有効な速度で前記移動デバイスが移動する、請求項1の熱分解プロセス。
【請求項３】
前記酸素が、0.5〜1.5lb-モル/時間-ft2（2.4〜7.3kg-モル/時間-m2）の速度で前記ガス化ゾーンに供給される、請求項1の熱分解プロセス。
【請求項４】
酸素が前記トランスファーラムに供給され且つ前記トランスファーラムの表面から放出される、請求項1の熱分解プロセス。
【請求項５】
下記工程：
炭素質供給原料を熱分解ユニットに供給する工程；
前記炭素質供給原料を、少なくとも1つのトランスファーラムを用いて、前記熱分解ユニット中の少なくとも1つのガス化ゾーン内を移動させる工程、ここで、前記トランスファーラムは、0.25時間〜3時間の前記ガス化ゾーン内での前記炭素質供給原料の保持時間をもたらすのに有効な速度で移動する；及び
酸素と、任意で追加ガスとを前記トランスファーラムに供給し且つ前記酸素と任意で供給されていてもよい追加ガスとを0.5〜1.5lb-モル/時間-ft2（2.4〜7.3kg-モル/時間-m2）の速度で前記トランスファーラムの表面から放出する工程、ここで、前記追加ガスを供給するときは、前記トランスファーラムに供給される前記酸素と追加ガスは、3:1〜1:2の比である
を含む、非触媒性熱分解プロセス。
【請求項６】
前記追加ガスが、CO2、蒸気、窒素、メタン及びその混合物から成る群より選択される、請求項1又は5の熱分解プロセス。
【請求項７】
前記炭素質供給原料が、前記熱分解ユニット内に移動材料床を形成する、請求項5の熱分解プロセス。
【請求項８】
前記プロセスが、前記材料床のいずれの点でも2300°F(1260℃)を超えない材料床温度を維持するのに有効である、請求項7の熱分解プロセス。
【請求項９】
前記プロセスが、500°F(260℃)〜2000°F(1093℃)の材料床温度を維持するのに有効である、請求項8の熱分解プロセス。
【請求項１０】
前記プロセスが、800°F(427℃)〜1000°F(538℃)の平均材料床温度を維持するのに有効であり且つ前記材料床にわたる温度変化を300°F(149℃)以下に維持するのに有効である、請求項7の熱分解プロセス。
【請求項１１】
酸素が、0.1〜0.5のO2：炭素の比をもたらすのに有効な速度で前記ガス化ゾーンに供給される、請求項1又は5の熱分解プロセス。
【請求項１２】
下記工程：
前記炭素質供給原料を前記少なくとも1つのガス化ゾーンから少なくとも1つの燃焼ゾーンに移動させる工程；
前記炭素質供給原料を、少なくとも1つの灰分ラムを用いて、前記少なくとも1つの燃焼ゾーン内を移動させる工程；及び
前記少なくとも1つのガス化ゾーン及び少なくとも1つの燃焼ゾーンからタール破壊ゾーンにガスを運んでシンガスを形成する工程
をさらに含む、請求項1又は5の熱分解プロセス。
【請求項１３】
0.5時間〜10時間の前記燃焼ゾーン内での前記炭素質供給原料の保持時間をもたらすのに有効な速度で前記少なくとも1つの灰分ラムが移動する、請求項12の熱分解プロセス。
【請求項１４】
前記プロセスが、20モル%以上のCO含量を有するシンガスをもたらすのに有効である、請求項12の熱分解プロセス。
【請求項１５】
前記プロセスが、少なくとも0.75のCO/CO2比を有するシンガスをもたらすのに有効である、請求項12の熱分解プロセス。
【請求項１６】
前記炭素質供給原料が、炭素質固体材料、炭素質液体製品、炭素質産業液体再生品、炭素質自治体固形廃棄物(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、炭素質建設材料、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)、下水スラッジ、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、家畜廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵プロセス廃棄物、エタノール副産物、ビール粕、使用済み微生物、及びその組み合わせから成る群より選択される、請求項1又は5の熱分解プロセス。
【請求項１７】
1〜10個の火かき棒が、前記トランスファーラムの表面から伸びている、請求項1又は5の熱分解プロセス。
【請求項１８】
前記トランスファーラムの表面が、前記火かき棒の下に位置するガスノズルを含む請求項17の熱分解プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、2013年9月17日に出願された米国仮出願第61/878,940号の利益を主張し、その内容全体を参照することによってここに援用する。
プロセスは、炭素質供給原料の熱分解中の凝集体形成の減少を提供する。さらに詳細には、プロセスは、酸素の量と供給原材料の滞留時間を制御することによって、酸素の分散を改善することによって、凝集体形成を減少させるのに有効である。
【背景技術】
【０００２】
背景
多くの場合ガス化と呼ばれる熱分解プロセスは、自治体固形廃棄物(MSW)又は石炭等の炭素質供給原料を可燃性ガスに変換するのに有効なプロセスを含む。このガスを用いて電気、蒸気を発生させるか、又は基礎原材料として用いて化学薬品及び液体燃料を生成することができる。
熱分解プロセスは、制御及び／又は限定量の酸素及び任意で蒸気と共に炭素質供給原料を加熱室(ガス化装置)に供給する工程を含む。過剰の酸素で操作してCO2、H2O、SOx、及びNOxを生成する焼却又は燃焼とは対照的に、熱分解プロセスは、CO及びH2を含む生ガス組成物を生成する。さらに詳細には、熱分解プロセスは、WO 2009/154788に記載されているように、準化学量論量の酸素をガス化プロセスに供給して一酸化炭素の生成を促す炭素質材料の部分酸化又は空気不足酸化を伴う。ガス化プロセスの成功は、生成されるシンガスの品質に大きく左右される。生成されるシンガスでは高含量の一酸化炭素(CO)と水素(H2)が望ましい。
【０００３】
熱分解プロセスを達成する手段はさまざまに異なるが、いくつかの重要な工学的要因：ガス化装置内の雰囲気(酸素又は空気又は蒸気含量のレベル)；ガス化装置のデザイン；内部及び外部の加熱手段；及びプロセスの作動温度に依存する傾向がある。生成物ガスの品質に影響する要因には以下のものがある：供給原料の組成、製法及び粒径；ガス化装置の加熱速度；滞留時間；乾式又はスラリーのどちらの供給システムを利用するか、供給原料-反応物質の流動形状、乾式灰化又はスラグ鉱物除去システムのデザインを含めたプラント構造；直接的又は間接的のどちらの熱発生及び熱伝達方法を用いるか；及びシンガス浄化システム。ガス化は通常、約650℃〜1200℃の範囲の温度で、真空下、大気圧又は約100気圧までの圧力で行なわれる。
供給原料が熱分解プロセスで加熱されるにつれて、供給原料中の炭素質材料がCO、CO2及びH2に変換される。いずれの未変換炭素質材料又は未変換炭素とも一緒に供給原料中の鉱物質は灰分を形成する。高温(>1,200℃)で作動するガス化装置内又は高温ゾーンを有するシステム内で、無機鉱物質が融合又はガラス化して、スラグと呼ばれる溶融ガラス様物質を形成する。
灰分の量及び組成(例えば炭素含量)は、分解プロセスの円滑な実行のみならず、灰分の処分に影響を与え得る。ガス化装置内の灰分の融解及び凝集はスラッギング及びクリンカー形成を引き起こすことがあり、ガス化装置の部分的又は完全なブロッキングにつながる恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
概要
プロセスは、炭素質供給原料の熱分解中の凝集体形成を減少させることによって、ガス化装置の性能向上を実現する。ガス化装置における凝集体形成の減少は、ガス化装置実行時間を長くし、ガス化装置の掃除を容易にする。プロセスは、その後のシンガス発酵に有用なシンガス品質を維持しながら、凝集体形成を減少させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
非触媒性熱分解プロセスは、一般に固形の供給原料を熱分解ユニットに供給する工程及びこの供給原料を熱分解ユニットの少なくとも1つのガス化ゾーンの中を移動デバイスで移動させる工程を含む。プロセスは、酸素と、任意で追加ガスとをガス化ゾーンに供給する工程を含む。一態様では、プロセスは、材料床のいずれの点でも約2300°F(1260℃)を超えない材料床温度を維持し、かつ約500°F(260℃)〜約2000°F(1093℃)の材料床温度を維持するのに有効な速度で、供給原料をガス化ゾーンの中を移動させ、酸素をガス化ゾーンに供給する工程を含む。
別の態様では、非触媒性熱分解プロセスは、一般に固形の供給原料を熱分解ユニットに供給する工程及びこの供給原料を熱分解ユニットの少なくとも1つのガス化ゾーンの中を少なくとも1つのトランスファーラムで移動させる工程を含む。プロセスは、ガス化ゾーン内の供給原料の保持時間を約0.25時間〜約3時間にするのに有効な速度でトランスファーラムを移動させる工程を含む。一態様では、プロセスは、酸素と、任意で追加ガスとをトランスファーラムの表面に約0.5〜1.5lb-モル/時間-ft2の速度で供給する工程を含む。プロセスが追加ガスの使用を含むときは、酸素と追加ガスを約3:1〜約1:2の質量比でトランスファーラムの表面に供給する。
別の態様では、熱分解プロセスは、少なくとも1つのガス化ゾーンから少なくとも1つの燃焼ゾーンに供給原料を移動させる工程及びこの供給原料を少なくとも1つの燃焼ゾーンの中を少なくとも1つの灰分ラムで移動させる工程をさらに含む。燃焼ゾーン内の供給原料の保持時間を約0.5時間〜約10時間にするのに有効な速度で少なくとも1つの灰分ラムを移動させる。プロセスは、少なくとも1つのガス化ゾーン及び少なくとも1つの燃焼ゾーンからタール破壊ゾーンにガスを運んでシンガスを形成する工程を含む。熱分解プロセスは、約20モル%以上のCO含量を有するシンガスを与え、かつ少なくとも0.75のCO/CO2比を有するシンガスを与えるのに有効である。
プロセスのいくつかの態様の上記及び他の態様、特徴及び利点は、下記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】
【０００６】
【図１】ガス化ゾーン及び燃焼ゾーンを含む熱分解装置の概略図である。
【図２】ガス化ゾーン及び燃焼ゾーンを含み、ガス化ゾーンが4つのセクション又は炉床を含む態様の熱分解装置の概略図である。
【図３】ガス化ゾーン、燃焼ゾーン及びタール削減ゾーンを含み、ガス化ゾーンが5つのセクション又は炉床を含む態様の熱分解装置の概略図である。
【図４Ａ】トランスファーラムの側面図を示す。
【図４Ｂ】トランスファーラムの表面の正面図を示す。
【図５】熱分解ユニットを通る材料の流れを示す。
【図６】トランスファーラムの斜視図を示す。
【図７】異なる起源由来のシンガス組成を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面のいくつかの図を通じて一致する参照文字は同成分を示す。単純さ及び明瞭さのために図中の要素が示され、必ずしもは正確な縮尺で描かれていないことが当業者には分かるであろう。例えば、図中の要素のいくつかの寸法を他の要素に対して拡大して、本プロセス及び装置の種々の態様の理解の向上に役立てることができる。また、商業的に実現可能な態様で有用又は必要な共通だがよく理解されている要素は、これらの種々の態様を示す妨げにならないように描写されないことが多い。
【０００８】
詳細な説明
下記説明は、限定する意味で解釈すべきでなく、単に典型的実施形態の一般原理を記述するという目的で行なうものである。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。
定義
特に定義のない限り、この明細書全体を通じて本開示のために用いる下記用語は以下のように定義され、以下に規定する定義の単数又は複数形を含むことができる。
任意の量を修飾する用語「約」は、現実の社会状況、例えば、研究室、パイロットプラント、又は生産施設で遭遇する当該量の変動を表す。例えば、「約」で修飾されているときの混合物又は分量に利用される成分量又は測定量は、生産プラント又は研究室における実験条件で測定する際に典型的に利用される変動及び注意の程度を包含する。例えば、「約」で修飾されているときの生成物の成分量は、プラント又は研究室における複数の実験のバッチ間の変動及び分析方法に固有の変動を包含する。「約」による修飾の有無にかかわらず、量は当該量に等価な量を包含する。本明細書に記述され、「約」で修飾されたいずれの量をも、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。
本明細書で使用する「炭素質材料」とは、石炭、及び石油化学製品等の炭素に富む材料を意味する。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、いずれの炭素質材料も含まれる。炭素質材料とみなせる多数の物品のうち、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、炭素質自治体固形廃棄物(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、炭素質建設材料、炭素質野菜材料、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)、下水スラッジ、動物廃棄物（動物排泄物）、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、家畜廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵プロセス廃棄物、エタノール副産物、ビール粕（使用済み穀物）、使用済み微生物、又はそれらの組み合わせ。
【０００９】
用語「軟質繊維(“fibersoft”又は“Fibersoft”又は“fibrosoft”又は“fibrousoft”)は、種々物質の軟化及び濃縮の結果として生成されるタイプの炭素質材料であり；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処理によって生成される。別の例では、軟質繊維は、繊維性泥状材料をもたらす自治体廃棄物、産業廃棄物、商業廃棄物、及び医療廃棄物の蒸気オートクレーブ処理を包含し得る。
用語「自治体固形廃棄物」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め得る廃棄物を意味する。
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、各種量の一酸化炭素と水素を含有するガス混合物に与えらる名称である合成ガスを意味する。生産方法の例としては、水素を生産するための天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化及び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)を作り出す際の中間体及びアンモニア又はメタノールを生産するための中間体としてのそれらの使用に由来する。シンガスは他の化学薬品の生産に適合可能であり、該生産の燃料源として又は中間体として用いられることが多い。
「トン」は、米国ショートトン、すなわち約907.2kg(2000lb)を表す。
炭素及び水素に加えて、供給原料は、該供給原料の完全燃焼又は部分燃焼中に分離され、用語「灰分」により言及されることが多い特定量の無機の不燃性材料を含むであろう。特定温度では、灰分が融合して凝集体又は「スラグ」を形成し得る。スラグが形成されるプロセスは「スラッギング」と呼ばれる。
【００１０】
ガス化装置のデザインと操作
さて図1を参照すると、熱分解装置10は、ガス化ゾーン103及び燃焼ゾーン200を含む。ガス化ゾーンは、ガス(例えば、酸素含有ガス、蒸気、二酸化炭素)を添加するための1つの入口102を含んでよく；燃焼ゾーンは、ガスを添加するための1つの入口202を含んでよい。ガス化ゾーン103は炭素質供給原料101を受ける。トランスファーラム710は、熱分解装置の中を供給原料の材料床を移動させる。トランスファーラム表面715は、ガス(例えば、酸素含有ガス、蒸気、二酸化炭素)を受け、その表面でガスが出られるようにし得る。
固形灰分の蒸気205を燃焼ゾーン200から除去することができる。灰分トランスファーラム720はガス化ゾーンから灰分を移動させ得る。灰分トランスファーラム表面725は、ガス(例えば酸素含有ガス、蒸気、二酸化炭素)を受け、ガスがその表面で出られるようにし得る。生シンガスの蒸気105をガス化ゾーン103から除去することができる。
【００１１】
さて図2を参照すると、ガス化装置11は、ガス化ゾーン113及び燃焼ゾーン230を含む。この態様で示すように、ガス化ゾーン113は4つのガス化炉床：炉床-I310、炉床-II320、炉床-III330、及び炉床-IV340を含む。他の態様では、ガス化ゾーンは1〜10個の炉床を含むことがある。1個以上のガス化炉床はトランスファーラム710を含み得る。トランスファーラム表面715はガスを受け、ガスがその表面で出られるようにし得る。
各ガス化炉床は、ガスを添加するための1つの入口：炉床-Iへのガス入口111、炉床-IIへのガス入口121、炉床-IIIへのガス入口131、及び炉床-IVへのガス入口141を含む。燃焼ゾーンは、ガスを添加するための1つの入口：ガス入口202を含む。炭素質供給原料101をガス化ゾーン113の炉床-I(エントリー炉床)に添加することができる。固形灰分の蒸気205を燃焼ゾーン230から除去することができる。灰分トランスファーラム720を利用して、ガス化装置から灰分を移動させることができる。灰分トランスファーラム表面725はガスを受け、ガスがその表面で出られるようにし得る。生シンガスの蒸気105をガス化ゾーン113から除去することができる。
【００１２】
さて図3を参照すると、ガス化装置13はガス化ゾーン143、燃焼ゾーン500、接続ゾーン又はのど部300及びタール削減ゾーン400を含む。ガス化ゾーン143は5つのガス化炉床：炉床-I110、炉床-II120、炉床-III130、炉床-IV140、及び炉床-V150を含む。各ガス化炉床は、ガスを添加するための1つの入口：炉床-Iへのガス入口611、炉床-IIへのガス入口621、炉床-IIIへのガス入口631、炉床-IVへのガス入口641及び炉床-Vへのガス入口651を含む。燃焼ゾーンは、ガスを添加するための1つの入口：ガス入口202を含む。接続ゾーン又はのど部300は、ガスを添加するための1つの入口：ガス入口301を含む。
炭素質供給原料101をガス化ゾーン143の炉床-I(エントリー炉床)中に添加することができる。1つ以上のガス化炉床はトランスファーラム710を含み得る。トランスファーラム表面715はガスを受け、ガスがその表面で出られるようにし得る。固形灰分の蒸気205を燃焼ゾーン500から除去することができる。灰分トランスファーラム720を利用して灰分をガス化装置から移動させ得る。灰分トランスファーラム表面725はガスを受け、ガスがその表面で出られるようにし得る。ホットシンガスの蒸気405をタール削減ゾーン400から除去することができる。
【００１３】
灰分ラムのさらに詳細な側面図を図4Aに示す。ガス化ゾーン103はトランスファーラム 710を含み得る。供給炉床820からの供給材料がトランスファーラム表面715と接触する。火かき棒800がトランスファーラム表面715から供給材料中に伸長する。火かき棒は、トランスファーラム表面715の前の材料内に空隙を作り出すことができる。火かき棒800の下に導入されたガスは、ガス拡散経路803の材料の中を通って拡散し得る。
図4Bは、トランスファーラム710の正面図を示す。トランスファーラム710は、トランスファーラム表面715と、トランスファーラム表面715から伸長する火かき棒800とを含む。この態様では、トランスファーラム715は、約1〜約10個の火かき棒800、別の態様では、約2〜約8個の火かき棒、別の態様では約3〜6個の火かき棒、別の態様では約4〜約5個の火かき棒を含み得る。別の態様では、トランスファーラム表面715は、一般に各火かき棒800の下に位置するガスノズル810を含み得る。
【００１４】
図5は、熱分解ユニット15のさらに詳細な態様を示す。この態様では、供給原材料101は、供給炉床820に移動してからガス化ゾーン103の主炉床に移動する。トランスファーラム710は、ガス化ゾーン103の中を材料を移動させる。火かきアーム800は、トランスファーラム710から材料中に伸長し得る。材料は灰分サンプ(sump)850中に移動する。固形灰分205は、灰分トランスファーラム720によって灰分レシーバー860に運ばれる。一態様では、供給原材料101は、熱分解ユニット15の中を通る材料経路840を進む。別の態様では、ガス900をトランスファーラム710及び／又は灰分トランスファーラム720に供給することができる。生シンガス流105をガス化ゾーン103から除去することができる。
一態様では、ガス化ゾーン103内の供給原材料101の保持時間を約0.25時間〜約3時間、別の態様では、約0.25〜約2時間、別の態様では、約0.25時間〜約1.5時間、別の態様では、約0.5〜約1.25時間、別の態様では、約0.75〜約1時間にするのに有効な速度で移動デバイスを動かす。移動デバイスとしては、例えば、トランスファーラム、スクリュー供給装置、及びその組み合わせが挙げられる。図5に示すように、移動デバイスはトランスファーラム710である。
トランスファーラムの透視図を図6に示す。示すように、トランスファーラム710は、トランスファーラム表面715から伸長し、供給原材料中に伸長する火かきアーム800を含む。火かきアーム800は、供給原材料内に有効ガス拡散面積を作り出すのに有効である。有効ガス拡散面積は下記式に従って決定可能である。
【００１５】
有効ガス拡散面積＝(A1＋A2＋A3)×(火かきアーム数)
式中、A1＝(HROD)×(LROD)
A2＝(HROD)×(LROD)
A3＝(HROD)×(DROD)−1/2(πD2ROD/4)
ここで、HRODは、トランスファーラム表面の下部から火かきアームの中間点まで測定される火かきアームの高さであり；かつ
LRODは、火かきアームの長さである。
この態様では、本プロセスは、単一の火かきアームに有効なガス拡散面積(A1+A2+A3)を約0.1ft2(9.3×10-3m2)〜約0.4ft2(3.7×10-2m2)、別の態様では、約0.125ft2(1.16×10-2m2)〜約0.375ft2(3.48×10-2m2)、別の態様では、約0.15ft2(1.4×10-2m2)〜約0.35ft2(3.25×10-2m2)、別の態様では、約0.2ft2(1.9×10-2m2)〜約0.3ft2(2.8×10-2m2)にするのに有効である。
【００１６】
供給原料：本プロセスによれば、ガス化装置に供給された供給原材料がガス化装置内部に移動材料床を形成する。材料床の温度はスラッギングに影響する。この態様では、プロセスは、材料床のいずれの点でも約2300°F(1260℃)を超えない材料床温度を維持するのに有効であり、別の態様では、材料床温度は約2200°F(1204℃)、別の態様では、約2100°F(1149℃)、別の態様では、約2000°F(1093℃)、別の態様では、約1900°F(1038℃)、別の態様では、約1800°F(982℃)、別の態様では、約1700°F(927℃)、別の態様では、約1600°F(871℃)、別の態様では、約1500°F(816℃)を超えず、別の態様では、材料床温度は約1400°F(760℃)を超えない。温度は、いずれの既知の方法でも測定可能であり、例えば、材料床に挿入される熱電対の使用が挙げられる。粗シンガス温度は、のど部(例えば図3中の300)で測定可能である。
種々の態様では、材料床は下記温度を有し、粗シンガスは下記温度を有し得る。
材料床温度 粗シンガス温度
約500°F(260℃)〜約2000°F(1093℃)      約400°F(204℃)〜約1600°F(871℃)
約500°F(260℃)〜約1700°F(927℃)       約400°F(204℃)〜約1400°F(760℃)
約600°F(316℃)〜約1500°F(816℃)       約500°F(260℃)〜約1250°F(677℃)
約700°F(371℃)〜約1250°F(677℃)       約600°F(316℃)〜約1000°F(538℃)
約800°F(427℃)〜約1000°F(538℃)       約650°F(343℃)〜約850°F(454℃)
約850°F(454℃)〜約950°F(510℃)        約700°F(371℃)〜約800°F(427℃)
【００１７】
別の態様では、材料床は約800°F(427℃)〜約1000°F(538℃)、別の態様では、約850°F(454℃)〜約950°F(510℃)、別の態様では、約875°F(468℃)〜約925°F(496℃)、別の態様では、約900°F(482℃)の平均温度を有する。材料床にわたる温度変化は約300°F(149℃)未満、別の態様では、約250°F(121℃)未満、別の態様では、約200°F(93℃)未満、別の態様では、約150°F(66℃)未満、別の態様では、約100°F(38℃)未満である。平均温度は、以下に示す材料床の場所の材料床温度を測定してから当該温度を平均することによって決定可能である。
トランスファーラムの約2インチ(5cm)前の1〜6箇所；
トランスファーラムの約14インチ(36cm)前の1〜6箇所；
トランスファーラムの約20インチ(51cm)前の1〜6箇所；
トランスファーラムの約26インチ(66cm)前の1〜6箇所；及び
トランスファーラムの約32インチ(81cm)前の1〜6箇所。
【００１８】
供給原料／酸素：炭素質供給原料をガス化装置に導入する。炭素質材料の化学変換を惹起及び促進するために第1分子酸素含有ガスをガス化ゾーンに供給し、ひいては炭素質供給原料を分子酸素で処理する。炭素質供給原料の一部がガス化されて第1ガス生成物を生成する。炭素質材料からの一酸化炭素の形成を優先的に促すためにガス化装置への酸素の供給を制御する。一酸化炭素の生成を促進するために準化学量論量の酸素を供給する。一態様では、酸素をガス化ゾーンに約0.5〜約1.5lb-モル/時間-ft2、別の態様では、約0.75〜約1.25lb-モル/時間-ft2の速度で供給する。
別の態様では、面積に対するO2：炭素の比（O2 to area:carbon ratio）を約0.1〜約0.5、別の態様では、約0.2〜約0.4にするのに有効な速度で酸素をガス化ゾーンに供給する。この態様では、有効な比は、下記パラメーターにより決定した。
トランスファーラム毎に4つのガスノズルを含めた。
棒の直径は0.125ft(3.81cm)だった。
棒の高さは0.167ft(5.09cm)だった。
固体供給速度は80lbs(36kg)/時間だった。
炭素の%質量は40.1、又は32.08lbs(14.55kg)/時間、又は2.673(lb-モル/時間)だった。
【００１９】
0006623160.tif 000002
【００２０】
追加ガス：熱分解ユニット内では、炭素質供給原料中の分子酸素含有ガスの不均等な分布のため、ガス化ゾーン及び燃焼ゾーン、又はそこに含まれる炉床の1つ以上に望ましくないホットスポットが生じる可能性がある。これは、生成される生シンガスを不十分な品質にすることがある。ホットスポットは灰分の局所融解を引き起こす恐れもある。ガス化ゾーン及び／又は燃焼ゾーンに1種以上の追加ガスを供給することによってホットスポットの形成を低減又は防止することができる。この態様では、追加ガスとして、CO2、蒸気、窒素、メタン、及びその混合物が挙げられる。酸素と追加ガスを約3:1〜約1:2の質量比、別の態様では、約3:2〜約1:1の質量比で供給する。
一態様では、望ましくないホットスポットを防止するため、ガス化ゾーン内の分子酸素と共に蒸気で炭素質供給原料を処理することができる。炭素質供給原料をガス化ゾーン内で分子酸素と共にCO2ガスで処理し得る。炭素質供給原料を燃焼ゾーン内で分子酸素と共に蒸気で処理し得る。炭素質供給原料を燃焼ゾーン内で分子酸素と共にCO2ガスで処理し得る。従って第1分子酸素含有ガスは蒸気及び二酸化炭素ガスの1種以上を含み、第2分子酸素含有ガスは蒸気及び二酸化炭素ガスの1種以上を含み得る。
【００２１】
燃焼ゾーン：一態様では、燃焼ゾーンで1つ以上のトランスファーラム(灰分除去ラム)を用いて固形灰分を除去する。いくつかの方法を利用して燃焼ゾーンから固形灰分を除去することができる。一態様では、水シールを用いる。すなわち、燃焼ゾーン中への空気漏れを最小限にし、好ましくは回避するためにシールとして水を用いて、灰分除去ラムが固形灰分を水のプールに押し込む。次にコンベヤーベルトを用いて湿った灰分を水から除去する。別の態様では、ロックホッパーシステムを介して灰分を除去して、燃焼ゾーン中への空気漏れを最小限にし、好ましくは回避する。例えば上方灰分ドア及び下方灰分ドアを含む二重灰分ドアを用いてシールを形成することができる。一態様では、シールを形成するために下方灰分ドアを閉じたままにして、上方灰分ドアを開いて灰分が非燃焼ゾーン中に落下できるようにし、そこで灰分を冷却することができる。灰分を除去するためには、まず上方灰分ドアを閉じてシールを形成してから、下方灰分ドアを開くと灰分除去ラムが冷却灰分をガス化装置から押し出す。この方法は乾燥灰分を除去し、いずれかの直接利用がある場合に灰分の該直接利用前に乾燥する必要がないので利点を有し得る。一態様では、燃焼ゾーン内の供給原料の保持時間を約0.5時間〜約10時間、別の態様では、約0.5時間〜約8時間、別の態様では、約0.5時間〜約7時間、別の態様では、約0.5時間〜約6時間、別の態様では、約0.5時間〜約5時間、別の態様では、約1時間〜約4時間、別の態様では、約2時間〜約3時間にするのに有効な速度で燃焼ゾーンの中を供給原料を移動させる。
【００２２】
一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO2)を含み得る生シンガスが生成される。生シンガス内には、より多くのCO及びより少ないCO2が含まれるのが望ましい。一態様では、前記生シンガスのCO/CO2モル比は約0.75より大きい。一態様では、前記生シンガスのCO/CO2モル比は約1.0より大きい。一態様では、前記生シンガスのCO/CO2モル比は約1.5より大きい。ホットシンガスは一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO2)を含み得る。ホットシンガス内には、より多くのCO及びより少ないCO2が含まれるのが望ましい。一態様では、前記ホットシンガスのCO/CO2モル比は約0.75より大きい。一態様では、前記ホットシンガスのCO/CO2モル比は約1.0より大きい。一態様では、前記ホットシンガスのCO/CO2モル比は約1.5より大きい。
非炭素質鉱物質を含有することに加えて、固形灰分は未変換炭素又は未変換炭素質を含み得る。一態様では、前記固形灰分の炭素含量は約10wt%未満である。一態様では、固形灰分の炭素含量は5wt%未満である。一態様では、固形灰分の炭素含量対炭素質供給原料の炭素含量の比は約0.1未満である。一態様では、固形灰分の炭素含量対炭素質供給原料の炭素含量の比は約0.01未満である。
灰分の炭素含量及び炭素質供給原料の炭素含量は、炭素又は炭素を含有する化学物質に関係する。この態様では、多数の既知技術を利用して炭素含量を測定することができる。炭素の測定に使用可能な技術のいくつかの例としては、限定するものではないが、強熱減量(loss-on-ignition)(LOI)試験、熱重量分析(TGA)、レーザープローブに基づく光学的方法、マイクロ波照射を用いる方法、核磁気共鳴(NMR)を用いる方法、及び種々のASTM法(例えばASTM D6316参照)が挙げられる。
【実施例】
【００２３】
実施例1：酸素ノズル位置が材料床温度プロファイルに及ぼす影響
ノースウエストアーカンソーのオーク材を用いて熱分解ユニットを操作した。ガスノズルがプッシュロッドの直下にある場合及びガスノズルがプッシュロッド間にある場合の床温度をモニターした。結果は以下のとおりだった。
【００２４】
0006623160.tif 000003
注：*熱分解ユニットへの注入前にトランスファーラム表面ノズルでO2と混合したCO2の量比を特定する。
†プローブ温度最大限界の2,300°F(1260℃)に到達したので、実際の最大温度は未知である。
【００２５】
実施例2：MSW由来材料源の熱分解(試験1)
パームビーチ再生可能エネルギー施設1(Palm Beach Renewable Energy Facility 1)(PBREF 1)からMSW材料源を利用した。これは、フロリダ州パームビーチ郡の廃棄物量を低減しながら、廃棄物流から発電し、金属を回収するために設計されたごみ固形燃料(refuse-derived fuel)廃棄物発電(energy from waste)(EfW)施設だった。このMSW由来材料はASTM E 856によりRDF-2と分類可能である。
生MSW由来材料：物理的特徴づけのためバルクロットからグラブサンプルを取った。サンプルスクリーニング結果は、2インチ(50mm)スクリーンによって51%wtフラクションが保持されることを示したので、材料は一般に2インチ(50mm)サイズより大きかった。約10%wtフラクションが1/4インチ(6mm)スクリーンを通過した。これは、有意量の小さい／微細な粒子があったことを示している。下表は相対的フラクションを示す。
【００２６】
RDF粒径分布(注：百分率は湿量基準である)
0006623160.tif 000004
【００２７】
下表に示すように、2インチ(50mm)メッシュスクリーンを用いたスクリーニングから保持されたフラクションは、概略で41%wtの紙と段ボール、15%wtのバイオマス、35%wtのプラスチック、5%wtのゴムとラテックス、及び1%のスタイロフォーム(Styrofoam)だった。
【００２８】
2インチ(50mm)サイズの分類
0006623160.tif 000005
注：百分率は乾量基準である(紙＆段ボールは50%のMCと、バイオマスは40%のMCと仮定した)。
【００２９】
断片化及び乾燥したMSW由来材料：2つの5ガロン(19リットル)のサンプルを取って粒径と組成について分析した。断片化後及び乾燥後の粒径分布を以下に示す。公称寸法2インチ(50mm)より大きい材料片が20%wtだった。1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)サイズフラクションは最高百分率を有し、28%wtを占め、次に1/2インチ(13mm)〜1インチ(25mm)フラクションが25%wtを占めた。1/4インチ(6mm)〜1/2インチ(13mm)フラクションは約12%wtであり、<1/4インチ(6mm)フラクションは15%wtだった。
【００３０】
断片化後のMSW粒径分布(注：百分率は湿量基準である)
0006623160.tif 000006
【００３１】
1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)フラクション及び>2インチ(50mm)フラクションの手動分類に基づく結果を下表に示す。1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)サイズフラクションに比べて>2インチ(50mm)サイズフラクションにより高い量のプラスチック材料があった。生物起源由来の可能性がある成分が断片化及び乾燥材料の約51%wtを占めた。アルミニウム缶、プレート、及びフレーム、ガラスその他の無機片等の分散物質が廃棄物に混ざって見られたが、一般にずっと少ない質量だった。
【００３２】
異なるサイズフラクションの組成
0006623160.tif 000007
注：生物起源フラクションは粒子質量に基づき、炭素ベースでない。
【００３３】
INPBマルチ及びNWAオーク材の特性を比較するPBREFからのMSW材料の特性を下表に示す。MSW材料の加熱値(8,110 BTU/lb)は、INPBマルチの加熱値(7,562 BTU/lb)とNWAオーク材の加熱値(8,427 BTU/lb)との間だった。灰分含量は非常に高く、乾燥質量の約25%を占めた。MSW材料の揮発性物質含量は、NWAオーク材及びINPBマルチの含量より相対的に低かった：MSWの63.3%wt対NWAオーク材の86.2%及びINPBマルチ材料の69.0%。MSW材料はCl及びSが高く、それぞれ1.0%wt及び0.3%wtと測定された。Clは、NWAオーク材のClより100倍多く、INPBマルチのClの5倍に近かった。S含量は、NWAオーク材のS含量の約25倍であり、INPBマルチのS含量の2倍だった。MSW及びINPBマルチ中のカリウム及びNaレベルはかなり近かったが、NケルダールはMSW由来材料で2倍より大きかった。
【００３４】
INPBマルチ及びNWAオークと比較したMSW(PBREF)の特性
0006623160.tif 000008
【００３５】
MSW由来材料臭気分析：典型的に知覚臭気を伴う化合物を同定及び定量して、MSW由来材料を乾燥することによる臭気排出レベルを計測した。乾燥機の排気を採取し、非常に低い臭気許容限界を有する化合物について分析した。目標化合物リストにはアミン、カルボン酸、還元型硫黄化合物及び臭気揮発性有機化合物(VOCs)が含まれる。
分析結果は、臭気は部分的に野菜成分の分解によって発生したカルボン酸の存在に起因することを示した。低レベルの酢酸、酪酸、カプロン酸、及びカプリル酸が存在することが分かった。アミン、アンモニア、及び還元型硫黄化合物は検出されなかったが、痕跡量の炭化水素、アルコール、ケトン、及びアセトアルデヒドが同定された。
【００３６】
パイロットプラント試験：MSW由来材料への移行：MSWをゆっくりプロセスに進めてそれをNWAオーク材チップとブレンドすることによってパイロット試験を開始した。木材チップに対して25%wt、50%wt、75%wt、そして100%wtのMSWブレンド比を用いた。適量のMSWと木材チップ破砕機用ホッパー(Komar Quad Shear Shredder Model QR2224-30, Komar Industries, Inc., Groveport, Ohio)を混合することによってブレンディングを行なった。
25%wtのRDF−75%の木材チップでは、ブレンドした供給原料の運搬をかなり連続して行なったが、何度か乾燥機出口が塞がれた場合には、乾燥機の吐き出し口を手動できれいにして材料が落下できるようにしなければならなかった。
50%wtのMSWの移行−50%の木材チップブレンド後に閉塞頻度が増した。これは、その後の供給原料流のブレーキのためガス化装置作動のささいな不安定性の時間をもたらしたが、操作上の大きな問題はなかった。
75%wtのMSW−25%の木材チップでは、多発する運搬問題に遭遇した。高率の材料閉塞のため乾燥機の吐き出し口を常にきれいにしなければならなかった。結果的に生じた材料を長いゆがんだアルミニウム片が塞いで、コンベヤーベルトとコンベヤーカバーとの間の領域を詰めたので、コンベヤー＃4は動かなくなった。固形供給原料流の絶え間ないブレーキのためガス化装置の安定化は非常に困難だった。
この問題に取り組むため運搬システムに改良を加えた。開口部を6インチ(15cm)上げることによって供給原料乾燥機出口を拡大て、材料が吐き出し口の上側を捕えないようにした。乾燥機ベルト上の材料の高さも数インチ低くして、材料が制限されずに吐き出し口を確実に移動するようにした。カバーの高さを4インチ(10cm)高くすることによってコンベヤー＃4のベルトとカバーとの間の距離を増やした。
【００３７】
供給原料として100%のMSW由来材料を用いるパイロット試験は、これらの試験実行の長さの間に大きな操作上の問題に遭遇することなくうまく実行された。試験実行時間内にいくつかの調整を行なって、下記に基づく操作パラメーターの最良の組み合わせを見い出した：(i)ドラフト、床高さ、及び材料凝集度の影響を受けるガス化装置作動安定性及び(ii)シンガスの品質。操作パラメーターには以下のものを含めた：固体供給速度、トランスファーラム棒／「火かき棒」の長さ、トランスファーラムストローク長、トランスファーラムストローク間隔、灰分ラムストローク間隔、O2流速、及びCO2流速。
トランスファーラム棒／「火かき棒」長さ−12インチ(30cm)に代えて4インチ(10cm)の棒長さ(棒下に設置したO2ノズルと共に)を利用して、良いシンガス品質を得た。12インチ(30cm)の棒長さではピーク平均COが約25%だったが、4インチ(10cm)の棒長さではピーク平均COが約34%だった。H2濃度には有意な差異は観察されなかった。シンガス品質への影響は、短い冷却棒と比べた長い冷却棒(より大きい表面積)を用いることによる高い熱損失によって説明可能である。
トランスファーラムストローク長−パイロット観察は、トランスファーラムを少なくとも7インチ(18cm)(トランスファーラムノズルで1:1のCO2:O2流と共に)ストロークさせると、主炉床上の大きな凝集体の形成を排除することを示した。これらの大きい凝集体は、ガス化装置下方室を通る材料流を遮断することが知られている。ラムストローク間の凝集体形成の長さより長くラムをストロークさせると、結果として凝集体片間に「ブレーキ」が生じるようだった。「ブレーキ」によってもたらされた不連続性が大きい凝集体形成を排除したようだった。
トランスファーラムストローク間隔−トランスファーラムを11分毎にストロークさせると、ガス化装置の主炉床を30%〜40%フルに(炉床の床からガス化装置の天井までの距離に対する床の高さ)維持し、高い利用率を確保するのに満足がいくことが分かった。頻繁なストローキングは、ガス化装置を通る相対的に多くの連続的な固体流を誘発することによって、シンガス品質の安定性を改善するのに役立つことも分かった。
CO2流速−床温度測定結果は、トランスファーラムノズルで1:1のCO2対O2流量比を用いることによって、ラム前の温度をMSW由来材料の灰分融解温度2,200°F(1204℃)未満で維持できることを示した。この流量比を用いると、凝集の深刻さ(サイズ及び硬度に基づいて)の低減に役立つようだった。より低いCO2対O2流量比を用いると、トランスファーラム直前の領域の温度が約2,200°F(1204℃)より高くなった。
ガス化装置作動安定性及びシンガス品質に基づくいくつかの好ましい操作パラメーターの例を以下に要約する。
【００３８】
0006623160.tif 000009
【００３９】
他の供給原材料と同様に、ガス化装置の主炉床を30%〜40%フル(炉床の床からガス化装置下方室の天井までの距離の百分率に基づいて)に維持すると、ガス化装置の作動が最も安定することが分かった。灰分サンプ内の材料を低く、好ましくは30%〜50%(サンプの全高に基づいて)に維持すると、灰分サンプ内の凝集の深刻さを最小限に(すなわち、より小さいか又はより少ない数の凝集片)にした。
100%のMSW由来材料をガス化するときに予測されるガス化装置供給原料利用率を以下に示す方程式を用いて計算した。利用率は、変換され、ガス流の一部としてガス化装置下方室を出る、供給原料中の総非灰成分の百分率として表される。供給原料中の極少量の灰成分がガス生成物流まで進むと仮定して、下記方程式を用いて利用率を計算した。
【００４０】
【数１】
0006623160.tif 000010
【００４１】
式中：F−ガス化装置への平均供給速度
A−供給原料中の灰分パーセント
R−平均残留率(ガス化装置から除去された残渣)
下表は、MSWパイロットランに関する供給原料利用率(非灰分フラクションに基づく)を示す。計算に用いた灰分百分率は、全体的な物質収支とよく一致すると思われるガス化装置残渣近似分析の結果から導いた。結果は、利用率がかなり高かった(98%)ことを示す。
【００４２】
固形供給原料利用率
0006623160.tif 000011
注：*灰分パーセントはガス化装置残渣の灰分百分率に基づいて推定した。
【００４３】
シンガス組成：乾量基準で、100%のMSW由来材料のガス化から生じたシンガスの平均組成は、34%モルのCO、15%モルのH2、38%モルのCO2、及び14%モルのN2(操作パラメーターの最良の組み合わせに基づいて)だった。これは最良平均シンガス組成が19%モルのCO及び10%モルのH2でしかなかったMSWに関する初期パイロットランを超える顕著な改善だった。トランスファーラムノズルの配置についての改変(すなわち、「棒間ノズル」の代わりの「棒下ノズル」配置)は、供給原料としてMSW由来材料を使用するときに、操作性及びガス化安定性に顕著にプラスの効果を示し、結果として、生成物シンガスの品質を大きく改善した。
【００４４】
図7は、MSW由来材料からのシンガスをNWAオーク材のガス化からのシンガスとどのように比較するかを示す。改変トランスファーラムノズル配置を用いて両データセットを導き、INPDマルチをも用いた。2つの材料由来のシンガスのCO濃度は、かなり近かった(MSWよりNWAオーク材で約13%高い)。これは、MSWがNWAオーク材よりわずかに低い加熱値(8,110 BTU/lb対8,447 BTU/lb)を有するという2つの材料の特徴と一致するようだった。NWAオークからのシンガス中のH2レベルは、MSWからのシンガスのH2レベルより39%高かった。
MSWからのシンガスにおいてはH2S、COS、HCl、及びHCNが全て検出された。下表は、これらのレベルを松葉マルチ及びオーク材からのシンガス中に見られる当該レベルとどのように比較するかを示す。湿式スクラバーシステムは、乾式スクラブシンガス中のNH3を効率的に除去したようだった。NH3は、クエンチ水中では高レベルで検出されたが、湿式スクラブシンガス中では検出されなかったことに留意されたい。他方で、湿式スクラバーシステムにおけるHCl及びHCNの除去は制限されたようだった。
【００４５】
シンガス成分
0006623160.tif 000012
【００４６】
クエンチ水の成分
0006623160.tif 000013
【００４７】
MSWからのシンガスでは有機化合物が暫定的に同定された。NWAオーク材チップのガス化からのシンガスと同様に、MSWからの処理シンガスは痕跡量の炭化水素化合物を有した。種々多様の化合物がシンガスから湿式スクラバー水中に取り除かれたことが暫定的に同定された。
ガス化装置並びに下流の導管、配管、及び機器の点検：ガス化装置への外観損傷は観察されなかった。トランスファーラム表面及び大部分は棒の底部にいくらかのスケール(硬化タールのように見えた)が付いていたが、これらの堆積物は清掃中に容易に剥がれた。トランスファーラムの金属表面及び溶接は無傷のようだった：冷却水漏れの如何なる兆候もなかった。全ての酸素ノズルはきれいだった。
導管及び下流の機器に沿って大きな妨害物は見当たらなかった。ガス化装置上方室からシンガス冷却器への導管はきれいだった。水平導管の内張りに粒状堆積物があったが、堆積した量について異常なことはなかった。組成分析は、堆積物が非常に複雑な混合物であることを示した。重要な相は28%の無水CaSO4、23%のNaCl(6%のKClも)、18%の亜鉛塩、K2ZnCl4、及び15%の耐火レンガ関連Ca-Al-Si鉱物を含んでいた。
全て(全部で4つ)のシンガス冷却管はきれいだった。入口表面にいくらかの煤及び結晶性堆積物があったが、非常に少なかった。冷却ガス再循環ラインの内面は煤で覆われ、いくらかの結晶性材料で層化されていた。堆積物は61%のNH4Cl及び36%の鉄塩、(NH4)2FeCl5、H2Oに加えて数パーセントのNaClを含有することが分かった。他の結晶性相はなかったが、いくらかの非晶質分があった。非晶質相では、さらなる元素(例えば硫黄)が観察されることがある。
【００４８】
実施例3：MSW由来材料源の熱分解(試験2)
PBREFからのMSW由来材料について、(i)パイロット試験1で分かった最良セットの操作パラメーターを用いて得られる結果の再現性を決定するため及び(ii)より長い実行時間(7日)にわたるプロセスの安定性を評価するために第2パイロット試験を行なった。
受け取って実施例2で用いたMSW材料と、この実施例で用いたPBREFからのMSW材料の第2バッチとの間では、両方とも主に紙、段ボール、プラスチック、及びバイオマスで構成されたので有意な差異は観察されなかった。
RDF ASTMカテゴリー：PBREFからのMSW由来材料は、ASTM E 856適用可能カテゴリーに基づいてRDF-2材料であるとみなされる。PBREFからのMSW由来材料は、ASTM E 856適用可能カテゴリーに基づいてRDF-2材料であるとみなされる。
粒径分布(PSD)：全部で6つの5ガロン(19リットル)サンプルを採取して、パイロットプラントガス化装置に入る材料の粒径分布を評価した。固体供給原料乾燥機の後にあるガス化装置への供給ホッパーに入る材料から、パイロットプラント職員が各サンプル量を採取した。5パーセント未満の水分(平均2.3%wt)まで粒子を乾燥させた。ガス化装置への供給速度を著しく混乱させないような期間にわたってサンプル量を採取した。
MSW由来材料の第2バッチの粒径分布を下表に示す。公称寸法2インチ(50mm)より大きい材料片が19%wtだった。1/2インチ(13mm)〜1インチ(25mm)と1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)を合わせたサイズフラクションが、断片化した乾燥材料の半分を占め、各フラクションは25%wtだった。1/4インチ(6mm)〜1/2インチ(13mm)フラクションが約16%wtであり、<1/4インチ(6mm)フラクションが15%wtだった。これらの結果は、第1パイロット試験で用いた材料の粒径分布結果に非常に近かった。
【００４９】
0006623160.tif 000014
【００５０】
成分及び生物起源フラクションの分類：EN 15440規格に従う手動選別法を用いて1インチ(25mm)より大きい粒径の断片化した乾燥材料の生物起源フラクションを決定した。粒径分布判定からのサブサンプルを用いて、生物起源、非生物起源及び不活性(金属、岩石等)であるフラクションを評価した。ふるい分け後、2インチ(50mm)より大きい粒子及び1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)の粒子をそれぞれ手動かつ視覚的に評価した。
異なるタイプのプラスチックであると思われるものによってプラスチック粒子を分離した。可能であれば、粒子を手動で基礎材料タイプに分離した。プラスチック粒子については、プラスチックタイプを決定するためにさらに分析判定を行なわなかった。天然であると思われるもの(カフタン／ウール／革)対天然であると思われるもの(カフタン／ウール／革)対合成と思われるもの(カーペット、ポリエステル等)の間で織物を分離した。
下表は、断片化した乾燥MSW由来材料(実施例1のMSWと比較した実施例2のMSW)において分類可能成分の定量比較を示す。結果は、PBREFからのMSW由来材料の2つの別々のバッチがかなり似ていたことを示す。実施例21で用いたMSWの特徴と一致して、実施例3で用いたMSWは、>2インチ(50mm)フラクションに多くのプラスチックを示し、多くの紙及び段ボール成分は1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)サイズフラクションに見られた。
実施例3で用いたMSWの総生物起源フラクション(生物起源−バイオマス／木材、紙と段ボール及び織物由来であり得る成分の質量百分率に基づいて)は、1インチ(25mm)〜2インチ(50mm)サイズ範囲では約61%wtであり、2インチ(50mm)以上のフラクションでは34%wtだった。これは、実施例2で用いたMSWで見られた生物起源フラクションにかなり似ている。
【００５１】
0006623160.tif 000015
注：SD−標準偏差；ND−未決定
生物起源フラクションは、生物起源の可能性があり、炭素ベースでない成分の質量百分率に基づいている。
【００５２】
MSW由来材料の特性：実施例2で用いたMSW由来材料と比較して実施例3で用いたMSW由来材料の特性を下表に示す。C、H、O、N、及びS含量は、乾量無灰基準で非常に似ていた。C含量は、実施例2では約52.5%wtであり、実施例1では約53.6%だった。H含量は、実施例2では7.5%であり、実施例1では約7.2%だった。O含量は、実施例2では37.6%であり、実施例1では約36.1%だった。N含量は、試験2では1.1%であり、実施例1では約1.4%だった。硫黄含量は、両試験で約0.4%だった。唯一の例外はCl含量であり、第2試験で用いた材料は、実施例2で用いたMSW中のCl含量の半分未満を有するようだった。
【００５３】
0006623160.tif 000016
【００５４】
外部研究所分析用に取ったグラブサンプルに基づくと、実施例3で用いたMSWの灰分含量は、実施例2で用いたMSWの灰分含量より少なく、それぞれ15%wt対25%wtだった。これは、大部分、パイロット試験で用いたMSWの2つの別々のバッチ間の揮発性物質含量、固定炭素含量、及び加熱値(乾量基準)の差異を説明することができる。
ガス化装置操作：実施例3で用いたガス化装置操作パラメーターは、実施例2の試験から(ガス化装置作動安定性及びシンガス品質に基づいて)特定された最良の組み合わせのパラメーターに基づいた。これらのガス化装置操作パラメーターを下表に示す。
【００５５】
ガス化装置操作パラメーター
0006623160.tif 000017
【００５６】
この試験は、8日の連続実行後に行なった。ガス化装置の下流でいくらかの流量制限があったと思われる後段を除き、試験の持続時間に大きな操作上の問題に遭遇しなかった。下流機器の試験後評価は、バグハウスの直前に設置されるシンガス-炭酸水素塩ミキサーが流量制限を引き起こすのに十分なレベルで材料を蓄積したことを示した。ミキサーを通るガス速度が、粒子をミキサー容器からバグハウスユニット中に運ぶには遅すぎた。蓄積材料は、炭酸水素塩と煤の組み合わせであるようだった。
ガス化装置下方室内部で材料の凝集が観察されたが、何らかの架橋又は妨害をもたらすほどにはひどくなかった。主炉床と灰分サンプの両方で凝集が観察された。少なくとも7インチ(18cm)のトランスファーラムストロークを維持すると、凝集材料形成の長さを制限するのに十分であるようだった。
供給原料利用率：下表は、第2パイロット試験で達成された供給原料利用率(非灰フラクションに基づく)を示す。計算に用いた灰分百分率は、固形供給原料分析に代えてガス化装置残渣近似分析の結果から導いた。それは全体的な物質収支とよりよく一致したからである。結果は、利用率が相対的に高かったことを示す。固形供給原料の概略で98%の非灰成分がガス化された。
【００５７】
固形供給原料の利用率
0006623160.tif 000018
* 灰分百分率は、ガス化装置残渣の百分率に基づいて推定した。
【００５８】
シンガス組成：乾量基準で、100%のMSW由来材料のガス化からのシンガスの7日平均組成は、32%モルのCO、14%モルのH2、36%モルのCO2、及び18%モルのN2だった。実施例2のシンガス組成結果は、実施例2の最良結果と有意には異ならなかった。
クエンチング後のシンガスにおいては、H2S、COS、HCl、及びHCNが全て検出された。これは実施例2の結果と一致する。実施例3では検出されなかったHClを除き、一般的に、実施例2に比べて実施例3のレベルが高かった。NH3は、クエンチされたシンガスにおいては検出されなかったので、それは湿式スクラバー内で効率的に除去されたようである。
【００５９】
0006623160.tif 000019
【００６０】
シンガス中の総HCNのフラクションが湿式スクラバーシステムで除去された。クエンチ水のHCN濃度は9.79ug/mlだった。
【００６１】
0006623160.tif 000020
【００６２】
実施例3のシンガス中に2-メチル-1-プロペン及びベンゼンを含めた有機化合物が存在することも暫定的に同定された。特にベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、及びキシレン(BTEX)を定量化した。ベンゼンは852ppbvであり、トルエン及びキシレンは検出されなかった。エチレンは12.9ppmで検出された。アセトアルデヒド、ヘキサン、ベンゼン、キシレン、及びメチルエチルベンゼンを含め、種々多様の化合物がシンガスから湿式スクラバー水中に取り除かれたことが暫定的に同定された。
ガス化装置並びに下流の導管、配管、及び機器の点検：ガス化装置への外観上の損傷は観察されなかった。トランスファーラム表面及び棒の底部にスケール(硬化タールのように見えた)が付いていたが、これらの堆積物は清掃中に容易に剥がれた。トランスファーラムの金属表面及び溶接は無傷のようだった；冷却水漏れの如何なる兆候もなかった。全ての酸素ノズルはきれいだった。上方室からシンガス冷却器の入口への導管に沿って妨害物は見当たらなかった。シンガス冷却器への水平導管はきれいだったが、セラミック内張りにいくらかの黄色がかった堆積物があった。該堆積物は、CaSO4、NaCl、KCl、亜鉛塩、K2ZnCl4、耐火レンガ関連Ca-Al-Si鉱物から成る、実施例1において導管の内張りに見られたのと同じ複雑な混合物のようだった。
シンガス冷却管は、上の導管から落下した「フレーク」で覆われたと思われるもの以外はきれいだった。これは、試験実行の後段中に生じた流れ問題に寄与したかもしれない。この問題は、シンガス冷却器入口の真上にある冷ガス再循環点の位置と関連する可能性があった。シンガス冷却器の入口表面にはいくらかの煤及び結晶性堆積物があった。堆積物の厚さは、木材実行で見られるように、ガス化試験の長さに典型的のようだった。
バグハウスのセルプレートとカバープレート及び出口スプールの内面のほとんどが結晶性堆積物で覆われていた。組成分析は、この堆積物がほぼ全体的にNH4Clと痕跡量のFe酸化物であることを示した。バグハウスの下流におけるNH4Clの存在は、HClが乾式スクラバーシステムによって効率的に除去されなかったことを示唆している。これは、低ガス流速のため炭酸水素ナトリウムは大部分ミキサー容器の底にちょうど積もる傾向があるので、炭酸水素ナトリウムがシンガスと十分に接触せず、バグハウスの中に持ち込まれなかったという事実に関係がありそうである。
【００６３】
MSWシンガスが発酵に及ぼす効果：木材チップシンガスについて定常状態発酵槽を確立した後にRDFシンガスに交換した。MSWガス発酵の過程にわたって(200時間)、発酵槽は、水素変換及びエタノール生産の両方について初期減少を示してから、さらに低いエタノール生産性(開始点より10%低い)で安定化し、最後に発酵槽は行き着くところまで徐々に支援を改善した。最終時点での重要な性能評価指標(ガス転化率、エタノール生産性、特異的な水素取り込み)は、開始時点からの有意な差異を示さなかった。
【００６４】
実施例4：RDFタイプ材料に可能性のあるスラッギングの評価
80:20質量比の高密度化工学的燃料(densified engineered fuel)(dPEF)ペレット(Lundell Enterprises, Inc.)及びノースウエストアーカンソー木材チップ(WC)をバッチ法で混合し、この混合物をシュレッダーに通して廃棄物固形燃料(refuse derived fuel)(RDF)を作ることによって供給原料を調製した。この組成物は下記成分を含んだ。
【００６５】
0006623160.tif 000021
【００６６】
下記開始パラメーターに従ってガス化装置に供給原材料を供給した。
【００６７】
0006623160.tif 000022
【００６８】
ガス化装置の操作パラメーターを変え、ガス化装置の目視検査により下記結果を得た。
【００６９】
0006623160.tif 000023
【００７０】
実施例5：供給原材料のガス化：
供給原料
下記供給原料を使用した：
JBT：20%の木材、40%の段ボール、40%の事務用紙のブレンド(乾燥質量基準)
VES：80%の燃料キューブ(Lundell Enterprises)、20%の木材のブレンド(乾燥質量基準)
JBTを2つのブレンドA及びBに調製した。JBTミックスAは、ふるいにかけて微細粒子を除去した木材を組み入れた。ふるい分けは3/8インチ(9.5mm)のトロンメル(trammel)ふるいを用いて行なった。JBTミックスBは、選別しない粉砕木材を組み入れた。両ミックスには木材チップ(広葉樹)を含めて木材粒径を増やした。
VES混合物は、断片化したプロセス工学的燃料キューブを用いて調製した。次に断片化工学的燃料キューブ(80%)を未選別粉砕木材(20%)と混合した。木材チップを加えて木材粒径を増やした。供給原料組成は以下のとおりだった。
【００７１】
0006623160.tif 000024
【００７２】
各供給原料成分について分析を行なった。結果は以下のとおりだった。
【００７３】
0006623160.tif 000025
【００７４】
供給原料ブレンドの分析計算値は以下のとおりだった：
0006623160.tif 000026
【００７５】
ガス化装置操作
各供給原料について、ガス化装置を操作して定常床高さを維持し、CO組成を最適化した。
JBT-A：最初はガス化装置への供給速度を約80lb(36kg)/時間に設定した。トランスファーラム表面の酸素流量を16lb(7.3kg)/時間に設定し、のど部酸素は約33lb(15kg)/時間だった。灰分サンプでは最初に酸素流を与えなかった。25分毎に6インチ(15cm)ストロークするようにトランスファーラムを設定した。
ガス化装置操作パラメーターを調整して、ガス化装置内で定常シンガス組成及び定常材料床を達成した。8分毎の10インチ(25cm)のトランスファーラムストローク並びにトランスファーラム表面では18lb(8.2kg)/時間及び灰分サンプでは12(5.4kg)/時間の酸素流量設定が安定作動をもたらした。
試験の初期段階中は、ガス化装置残渣にいくつかの大きなスラグ片が見られた。このスラッギングを低減するため、8lb(3.6kg)/時間のCO2をトランスファーラム表面で酸素と共に供給した。スラグ量は、CO2添加後に減少した。形成されたスラグの量は、ガス化装置に何の問題も引き起こさなかった。
JBT-B：最初はガス化装置への供給速度を約80lb(36kg)/時間に設定した。トランスファーラム表面の酸素流量を18lb(8.2kg)/時間に設定し、のど部酸素は約42lb(19kg)/時間だった。灰分サンプでは最初に酸素流を与えなかった。25分毎に10インチ(25cm)ストロークするようにトランスファーラムを設定した。
ガス化装置操作パラメーターを調整して、ガス化装置内で定常シンガス組成及び定常材料床を達成した。10分毎の10インチ(25cm)のトランスファーラムストローク並びにトランスファーラム表面では18lb(8.2kg)/時間及び灰分サンプでは10lb(4.5kg)/時間の酸素流量設定が安定作動をもたらした。
試験の初期段階中は、ガス化装置残渣にいくつかの大きなスラグ片が見られた。このスラッギングを低減するため、8lb(3.6kg)/時間のCO2をトランスファーラム表面で酸素と共に供給した。スラグ量は、CO2添加後に減少した。形成されたスラグの量は、ガス化装置に何の問題も引き起こさなかった。
微粒子は、ガス化装置の作動に何の有害な作用をも及ぼさなかった。JBT-A(微粒子なし)及びJBT-B(微粒子あり)を使用するとき、材料床間に明確な差異はなかった。
【００７６】
VES：ガス化装置への供給速度を最初は約80lb(36kg)/時間に設定した。トランスファーラム表面での酸素流量及び二酸化炭素流量を最初はそれぞれ18lb(3.6kg)/時間及び8lb(3.6kg)/時間に設定した。のど部への酸素流量は約40lb(18kg)/時間及び灰分サンプ(灰分ラム表面)への酸素流量は最初は10lb(4.5kg)/時間に設定した。25分毎に10インチ(25cm)ストロークするようにトランスファーラムを設定した。
ガス化装置作動中、主炉床(外側の大部分の床火かき棒内)にスラグが形成される傾向があった。灰分サンプの上に伸長し、サンプに材料が落ちないようにするトランスファーラムに押されたスラグは、材料の不均等な分布をもたらす。
ガス化装置作動中、大きいスラグ片は灰分ラムを妨害し、前方又は逆方向の移動を妨げた。トランスファーラム及び灰分ラムへの二酸化炭素流量をそれぞれ16lb(7.3kg)/時間及び8lb(3.6kg)/時間に増やしたが、CO2の増加は、スラッギングを防止するのに十分でなかった。
各供給原材料の酸素及びCO2流量設定を以下のように要約することができる。
【００７７】
0006623160.tif 000027
【００７８】
各供給原材料についてのガス化装置設定を以下のように要約することができる。
【００７９】
0006623160.tif 000028
【００８０】
各供給原材料についてのシンガス組成は以下のとおりだった。(結果は、濾過、湿式スクラビング及び乾燥後、並びにシステム一掃で用いた窒素パージ用補正後のシンガス組成を反映する。)
【００８１】
0006623160.tif 000029
【００８２】
ガス化装置供給原料利用率の推定値を下記方程式を用いて計算した。
【００８３】
【数２】
0006623160.tif 000030
【００８４】
式中：F−ガス化装置への平均供給速度
A−供給原料中の灰分パーセント
R−平均残留率(ガス化装置から除去された残渣)
利用率は、変換されてガス化装置下方室をガスとして出る、供給原料中の総非灰成分の百分率として表される。計算は、供給原料中の極微量の灰成分がガス生成物流と共にガス化装置を出るという仮定に基づいている。
各供給原料の利用率は以下のとおりだった。平均供給速度及び平均残留率は、操作データに基づいて計算した。残渣中の非灰成分は、残渣中の総灰分が供給原料中の総灰分に等しいという仮定に基づいて計算した。
【００８５】
0006623160.tif 000031
【００８６】
灰分収支は以下のとおりだった：
0006623160.tif 000032
【００８７】
平均供給速度及び平均ガス化装置残渣速度はパイロットプラント操作データに基づいている。灰分データは供給原料及び残渣サンプルの研究室灰分分析結果に基づいている。平均流速に灰分パーセントを掛けることによって灰分速度を計算した。灰分差は、供給原料中の灰分とガス化装置残渣中の灰分との間の質量率差の絶対値である。
本明細書で開示する発明を特定の実施形態、実施例及びその応用を用いて記載したが、当業者は、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、それらに多数の変更及び変形を加えることができる。
【図１】
0006623160.tif 000033
【図２】
0006623160.tif 000034
【図３】
0006623160.tif 000035
【図４Ａ】
0006623160.tif 000036
【図４Ｂ】
0006623160.tif 000037
【図５】
0006623160.tif 000038
【図６】
0006623160.tif 000039
【図７】
0006623160.tif 000040