(57)【要約】リアクターで炭質材料を処理する方法。炭質材料、例えばのこくず、林業または農業の過程で生じる植物性残留物、都市固体廃棄物およびごみ固形燃料は、リアクター（１０〜１５）のライザー・セクション（１０）に送られ、そこで炭質材料を少なくとも主にガス状処理生成物に変化させて流動ガスおよび処理生成物を含むガス層が得られるように、炭質材料が実質的に酸素が存在しない状態で高温にて無機粒子材料およびリアクター壁部と接触する。本発明において、密な浮遊物は、リアクターのライザー・スペース（１０）内に形成される。そのライザー・スペース（１０）は、粒子数基準で１ｍ３当たり７×１０８〜３×１０１１個の粒子（約２×１０７〜１×１０１０粒子／ｆｔ３）を含んでおり、リアクターに熱をもたらす粒状物と炭質材料との質量比は１：１〜１０：１の範囲である。本発明によって、伝熱媒体とフィードとの混合が向上し、従来よりも粗く一様でないフィードを用いることが可能となる。
2004523646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リアクターで炭質材料を処理する方法であって、
炭質材料がリアクター（１０〜１５）のライザー・セクション（１０）に送られ、そこで、炭質材料を少なくとも主にガス状処理生成物に変換させて流動ガスおよび処理生成物を含むガス相が得られるように、実質的に酸素が存在しない状態にて高温で炭質材料が無機粒子材料およびリアクター壁部と接触すること、
粒子材料が分離ユニット（１２)でガス相から分離されること、
無機粒子材料がライザー・スペース（１０）に再循環すること、
処理生成物が回収されること、および
場合によっては処理生成物の少なくとも一部が凝縮して液体生成物になることに基づいており、
粒子数基準で１ｍ３当たり７×１０８〜３×１０１１個の粒子（約２×１０７〜１×１０１０粒子／ｆｔ３）を含む密な浮遊物がリアクターのライザー・スペース（１０）内に形成されること、および
リアクターに熱をもたらす粒状物と炭質材料との質量比が１：１〜１０：１の範囲であることを特徴とする方法。
【請求項２】
処理生成物を凝縮することにより得られるガス相生成物は、循環ガスの形態でライザー・スペース（１０）にリサイクルされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
循環ガスの量は、ガス体積で表すと、凝縮しない処理生成物の０．５〜２倍の量である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
流動床リアクター（３３）を有して成る別個の酸化ユニット（１６〜１８，３３）でリアクター床材料（１５）を形成する無機粒子材料が酸素ガスと共に処理されること、
酸化ユニットに送られる材料が、その材料に付着した燃焼残留物が燃焼されるように酸素ガスと共に流動化すること、および
酸化ユニット（１６〜１８，３３）から得られる材料がリアクター（１０〜１５）にリサイクルされることを含んで成る、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
酸化ユニットを床材料の空気コンベヤーとして用いることによって、床材料が固体材料の分離ユニット（１６）からリアクターに導かれる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
酸化ユニット（１６〜１８，３３）は、循環床リアクターを有して成る、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
酸化ユニットは、滞留時間および再生度を調整するような内部循環を有して成る、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
酸化ユニットは、バブリング床リアクターを有して成る、請求項４または５に記載の方法。
【請求項９】
プロセスで生じる凝縮しないガスも、酸化ユニットに導かれ、そこで少なくとも部分的に燃焼される、請求項４〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
酸化ユニットは、床材料から燃焼残留物を除去することのみを主に達成する寸法および熱処理に必要な程度の熱を生じさせる寸法を有する循環流動床リアクターを有して成る、請求項４〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
燃焼残留物の最終的な燃焼、余分な熱の回収および排ガスの処理が別のボイラー・ユニット（２０）で行なわれる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ガス材料から固体材料を分離するのに用いる分離ユニット（１２；１６）は、マルチポート・サイクロンを有して成る、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
分離ユニット（１２；１６）はサイクロンのカスケードを有して成り、そこでは、マルチポート・サイクロンが、シングルインレット・サイクロンおよびマルチインレット・サイクロンから選択される少なくとも１つの他のサイクロンと直列的なアレンジで配置される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
サイクロン（１２；１６）のカスケードは、シングルインレット・サイクロンによって形成される第１分離工程およびマルチインレット・サイクロンによって形成される第２分離工程を有して成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
リアクターと酸化ユニットとは双方の高温パーツが共通の壁部を各々有するように一体的に取り付けられており、従って、リアクターに必要とされる熱の少なくとも一部がその共通の壁部を介してもたらされる、請求項４〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
リアクターに熱をもたらす粒子材料と炭質材料との質量流量比は、１：１〜１０：１である、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
伝熱媒体を部分的に用いて熱をリアクターにもたらすと共に、部分的にリアクターと酸化ユニットとの共通の壁部を直接的に介することによって熱をリアクターにもたらす、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
リアクターは、リアクター流れの乱れを増加させる内部ベーンを有して成る、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
冷却および／または加熱することができる外表面を有するサイクロンを用いて、固体物を分離する、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
軸方向環状断面を有するライザーを有して成るリアクターであって、粒状物を分離するマルチポート・サイクロンを備えるリアクター、および
軸方向環状断面を有するライザーを有して成り、リアクター内に同軸にて嵌まる酸化ユニットであって、処理された粒子材料を分離するマルチポート・サイクロンを備える酸化ユニット
を用いることを含んで成る、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
固体物を主に含んで成る第１部分は第１工程で分離されて酸化ユニットにリサイクルされる一方、燃焼残留物を主に含んで成る第２部分は第２工程で分離されて別のプロセスで用いられる２工程で固体物が分離される、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
リアクターで炭質材料を処理する方法であって、
炭質材料がリアクター（１０〜１５）のライザー（１０）に送られ、そこで、炭質材料を少なくとも主にガス状処理生成物に変換させて流動ガスおよび処理生成物を含むガス相が得られるように、実質的に酸素が存在しない状態にて高温で炭質材料が無機粒子材料から形成される床部と接触すること、
粒子材料が分離ユニット（１２)でガス相から分離されること、
無機粒子材料がライザー・スペース（１０）に再循環すること、
処理生成物が回収されること、および
場合によっては処理生成物の少なくとも一部が凝縮して液体生成物になることに基づいており、
リアクター内の流動ガスの速度は乱流または迅速な流動状態の流動化を許容する範囲に維持されるので、ライザー・スペースの全長についてガスと粒子との速度比は約２よりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項２３】
リアクター内の滞留時間は約０．０１〜１０秒である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
床部（１５）は、１ｍ３当たり７×１０８〜３×１０１１個の粒子（約２×１０７〜１×１０１０粒子／ｆｔ３）を含む、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
固体物粒子の平均粒子サイズは５０〜１２０マイクロメーターである、請求項１〜２４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、熱、好ましくは触媒または他の固体物を用いることによって、リアクターで炭質材料（または炭素材、ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を固体、液体および気体（またはガス）に変化させる請求項１に記載の方法（またはプロセス）に関する。
【０００２】
このようなプロセスでは、炭質材料はリアクターのライザー・セクションに送られ、そこで、炭質材料を少なくとも主としてガス状熱処理生成物に変換させて流動ガスおよび熱処理生成物を含むガス相が得られるように、実質的に酸素のない状態にて高温で炭質材料が無機粒子材料から主に形成される加熱固体物および高温のリアクター壁部と密接する。粒子材料は、１またはそれ以上の分離ユニット、好ましくはマルチポート・サイクロン（または複数入口サイクロン）でガス相から分離された後、その分離された材料が熱酸化ユニットに移送（または輸送）される。熱酸化ユニットでは、少なくとも部分的に有機材料を酸化することによって昇温されており、無機粒子がライザー・セクションにリサイクルされる。熱処理された生成物は回収され、通常少なくとも部分的に凝縮することによって液体生成物が形成される。
【０００３】
また、本発明は炭質材料を処理する請求項２２に記載の熱処理方法（または熱処理プロセス）に関する。
【０００４】
関連技術の説明
石炭、石油および天然ガスという化石エネルギー源に変わる経済的な代替物を見つけることの必要性を社会が認識しつつあるので、炭質材料、特に再生可能な性質の炭質材料を非常に効率よく環境に優しい方法で変換することは相当な注目を現在集めている。現在、多くのプロセスは、炭質フィードストック（または炭質供給原料）を液体燃料に変換するように開発されており、エタノールを生成するための発酵、フィッシャー−トロプシュ反応（Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）でメタノールまたは炭化水素を生成するためのガス化、スラリーにおける高圧液化、ならびに液体、固体および気体を生成するための熱分解または高温分解プロセスを含む。
【０００５】
一般的な熱分解プロセスは、木炭または固体物、液体およびタールが形成される凝縮性ガスならびにガス状生成物を生じる不完全熱分解プロセスとして規定される。酸素が存在しないまたは酸素の濃度が非常に低い（即ち「実質的に酸素が存在しない」）状態で熱分解は行なわれる。主な生成物が固体、液体または気体のいずれになるかは、反応が行なわれる条件および生成物の回収方法に依存し得る。
【０００６】
他の転換プロセスと比較して、現在の熱分解プロセスの主な利点は、熱効率が高いことおよび比較的シンプルなことであって、それによりリーズナブルなコストがもたらされることである。熱分解プロセスの液体の収率は、ここ３０年〜４０年の間で約３０重量％から７０重量％にまで大幅に増加したものの、このような技術を主として広く商業的に改良したものは依然存在していない。
【０００７】
熱分解プロセスについては多くの分類が存在し得る。熱分解プロセスは、木炭プロセス、液体プロセスおよび燃料ガス・プロセスに大まかに分けられ得る。液体生成物は、ハンドリングおよび使用し易いので特に興味深いものである。液体プロセスは、瞬間的な（ｆｌａｓｈ）、速いまたは迅速なプロセスと伝統的な遅い熱分解プロセスとに更に分類される。本明細書では、プロセスの速度またはスピードとは加熱速度およびリアクター内の滞留時間のことをいう。
【０００８】
遅いプロセスまたは分解蒸留において、木材は、土（ｅａｒｔｈ）に覆われているか、キルンまたはレトルト内に置かれており、木材燃料自体を一部燃焼させることによってゆっくりと加熱される。僅かなフィードストックを燃焼させることができるような速度で空気が供給される。蒸気の回収方法、用いる温度、フィードストックの乾燥度およびサイズ（または寸法）に依存して、この遅いプロセスは、高粘性液体と木炭との混合物（または組合せ）を生じる（当該高粘性液体は、その生じたものの２０〜４０％を成す）。蒸気の滞留時間が長いプロセスでは、蒸気の副反応（または２次反応）が生じることがある。液体は、２０〜３０％の重質タール、５〜１０％の木酢液、１５〜３０％の置換フェノールおよび１０〜１５％の糖の分解生成物が主として組み合わされたものである。また、木炭を生成するために熱分解プロセスを用いることができ（そのようなプロセスは「炭化」と呼ばれている）、また燃料ガスを生成するためにも熱分解プロセスを用いることもできる（そのようなプロセスは「ガス化」と呼ばれている）。
【０００９】
このような古くからのプロセスを改良して生成物の収率を上げるために、温度、加熱速度、蒸気の滞留時間、蒸気の冷却速度および酸素濃度の効果が調べられた。加熱速度の増加、フィード粒子サイズの減少、副反応の抑制およびプロセスの最大限の温度の抑制によって、液体収率を相当に増加させることができることが見出された。多くの異なるリアクターのバリエーションが試され、その結果をうまく要約したものが、バイオマス・パイロリシス・リキッズ・アンド・アップグレイディング・アンド・ユーティリゼーション（Ｂｉｏｍａｓｓ  Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ  Ｌｉｑｕｉｄｓ  ａｎｄ  Ｕｐｇｒａｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ（１９９１年））（編集者：エー・ブイ・ブリッジウォーター（Ａ．Ｖ．Ｂｒｉｄｇｅｗａｔｅｒ）およびジー・グラッシ・エルセヴィアー（Ｇ．Ｇｒａｓｓｉ  Ｅｌｓｅｖｉｅｒ））の総論に示されている。そこでは、熱分解のための種々のリアクターとして、２段流動床（または２段流動層）、オートクレーブ、噴流床式のもの、固定床、浅い流動床、回転炉、ボルテックス（ｖｏｒｔｅｘ）／サイクロン、複式炉、空気との攪拌層（または攪拌床）および輸送層（または輸送床）が挙げられている。これらの研究から、燃焼、水の生成および液体収率の減少を回避するために、システム内の酸素濃度を最小限にしなければならないことが一般に言える。このようなリアクター形態の多くは、実験室に備えられており、スケールアップおよび商業化の見込みは乏しいものであった。高い液体収率の条件は、滞留時間が０．１〜２秒と短いこと、最大限の温度が４７５〜５２５℃と中程度であること、加熱速度が１０００〜１００００Ｋ／秒と高いこと、および蒸気の冷却または急冷が１〜５秒と迅速に行なわれることであることが見出された。
【００１０】
このような転換を達成するのに必要な熱は、水および二酸化炭素の生成が最小限となる場合では同じリアクターのフィードストックの一部を燃焼させることにより供給することができないので、第２手段、例えば、高温の表面との直接的な接触、放射または高温の不活性キャリヤーガスを用いる加熱によって伝熱を行なう必要がある。このような伝熱モードの全てについて試験した。理論上は、そのプロセスを実行するのに、そのような伝熱モードのうちのいずれか１つまたはそれらの組合わせを用いることができる。実際には、必要な熱を移動させる最も一般的で有効な手段は、流動化装置の輸送層において高温の粒子（熱キャリヤー）、例えば高温の砂と直接的に接触させることによる手段である。粒状熱源として可能性のある他のものは、種々の触媒または熱分解プロセス自体より生じる高温の炭化物であり得る。
【００１１】
液体収率を最大限にする手段としての種々のプロセス条件は、速い熱分解プロセスおよび装置を１９７０年代から１９８０年代初期にかけて開発したギャレット（Ｇａｒｒｅｔ）に始まって後の西洋人のチョイ（Ｃｈｏｉ）によって、一連の特許で極めて詳細に開示されている。そのような特許は、米国特許第４０６４０１８号、同４０７８９７３号、同４０８３７５１号、同４０８８５４１号、同４１５３５１４号および同４１０１４１２号という特許番号が付与されている。
【００１２】
上述のプロセスでは、液体収率を最大限にする条件は、４７５〜５２５℃の範囲の温度、１秒よりも短い滞留時間であった。液体収率は、それが５０重量％迄については、フィードストックに依存した。液体収率が７０重量％迄である現在のプロセスと比べてこのように液体収率が比較的低くなってしまう主な理由は、副生成物たる炭化物が熱キャリヤーとして使用されるからである。炭化物は、熱分解蒸気を吸収するものとして知られており、またガス化またはクラッキングと同様の化学反応を更に引き起こすものとして知られている。
【００１３】
高温の砂によって熱分解リアクターに伝熱させることは、リチャード・シー・バイリエ（Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｃ．Ｂａｉｌｉｅ）の米国特許第３８５３４９８号に詳細に記載されている。そこでは、２段流動床リアクターを用いて都市廃棄物から高エネルギー燃料ガスを生成するプロセスが開示されている。そのプロセスから生じる不要な炭化物は別の流動床（入ってくるフィードストックを熱分解する砂床を加熱するのに用いられる砂が昇温されている流動床）で燃焼される。
【００１４】
関連特許（米国特許第５７９２３４０号）では、フリール（Ｆｒｅｅｌ）およびグラハム（Ｇｒａｈａｍ）が、熱キャリヤーが再循環するアップフロー噴流床式輸送リアクター（ｕｐｆｌｏｗ  ｅｎｔｒａｉｎｅｄ  ｂｅｄ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｒｅａｃｔｏｒ）での熱分解プロセスを開示している。そこでは、液体の最大限の収率を得るには、非常に高い加熱速度、短い滞留時間および高いアブレーションが重要であることをフリールおよびグラハムが強調している。このようなリアクターでは、熱供給無機材料と炭質フィードストックとの質量比を１２：１〜２００：１の範囲とするには熱供給無機材料を移送するのに必要なガス循環体積が非常に高くなってしまうことに悩まされている。また、液体収率を最大限にするには、非常に高い加熱速度および短い滞留時間が要件となることを発明者が強調しているものの、その関連特許において更に、真空熱分解では非常に迅速な伝熱は必要とされないことが述べられている。そのようなリアクター・システムに関するもう１つの問題点は、分離ユニットで生成物たる炭化物を十分にかつ効率的に酸化する手段を用いていないので、少なくとも部分的に炭化物が高温固体物再循環システムによって、熱分解蒸気を熱的に分解するものとして知られるリアクターに戻され、液体収率がより低くなってしまうことである。
【００１５】
更なる別の熱分解に関連する特許である米国特許第５７２８２７１号には、間接的に加熱される深いバブリング流動床（または沸騰流動床）が開示されており、そのバブリング流動床では、他の速い熱分解プロセスと同様の高い液体収率が、比較的低い温度、中程度の加熱速度ならびに比較的長い固体物および気体の滞留時間において得ることができる。したがって、高い液体収率を達成するのに、フリールおよびグラハムによって詳細に説明されている非常に速い加熱速度および非常に短い滞留時間は不必要であることが示され得る。
【００１６】
発明の要旨
本発明の目的は、従来技術の問題点を解消し、炭質フィードストック、例えば農業および林業の廃棄物および残留物、都市固体廃棄物（ＭＳＷ）ならびに他の炭素含有フィードストックを熱分解する新規なプロセスを提供することである。
【００１７】
このようなまたは他の目的は、既知のプロセスよりも有利な点と共に、以下の説明より明らかにされるものであり、以下に記載および特許請求の範囲に記載の発明によって成し遂げられる。
【００１８】
本発明は、流動床を乱流状態または迅速な流動状態に維持し、引き続いて１またはそれ以上のマルチポート・サイクロンを用いて生成物ストリームから固体粒子を迅速に取り除くというプロセス条件下において、流動床リアクターのライザー・スペースで炭質フィードを熱分解することによって、高い熱分解液体収率を得ることができ、液体燃料中の固体汚染物が非常に低い濃度となることに基づいて生成物品質が向上することを見出したことに基づく。
【００１９】
典型的には、比較的小さい粒子サイズを有する粒子を比較的多く用いることによって、本発明に適当な密な（ｄｅｎｓｅ）床部を形成することができる。好ましくは、かかる密な浮遊物（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）は、粒子数基準で、１ｍ３当たり約７×１０８〜３×１０１１個の粒子（約２×１０７〜１×１０１０粒子／ｆｔ３）を含んで成る。リアクターに熱をもたらす熱運搬粒状物（または伝熱粒子もしくは熱キャリヤー粒子）と炭質材料との質量比を１：１〜１０：１の範囲に維持することによって、特に有利な熱分解条件を達成することができる。
【００２０】
より具体的には、本発明の方法は、請求項１の特徴部分で述べられているものによって主に特徴付けられる。
【００２１】
また、本発明のプロセスは、請求項２２の特徴部分で述べられているものによって特徴付けられる。
【００２２】
本発明によって大きな利点が得られる。粒状伝熱媒体が比較的小さいサイズであるために、熱運搬粒子の特定の単位表面積が増加し、熱運搬粒子と熱分解されるフィードストックとの質量比が減少するまたは最小限度となるので、循環する粒子の全質量ならびに下流の処理設備のサイズおよびコストが減じられることになる。
【００２３】
熱分解リアクターを副生成物たる炭化物の燃焼チャンバーの中に設置し、リアクターの壁部を熱分解反応が促進するのに適当な温度に維持することによって、熱運搬粒子に要する質量を更に減じることができる。
【００２４】
好ましい態様では、プロセスにとって不可欠な部分として、マルチポート・サイクロンが、熱分解リアクターの出口および炭化物燃焼チャンバーの出口において、通常のサイクロンと組み合わせて用いられるか、または単独で用いられる。マルチポート・サイクロンは、分離ユニットの収集効率を向上させて熱分解液体の品質を相当に向上させるので、それによって、液体生成物中の微小な炭化物（ｍｉｃｒｏｃｈａｒ）の濃度が減じられ、より安定な生成物が作られると共にその生成物の使い易さが向上することになる。また、マルチポート・サイクロンは、炭化物燃焼チャンバーからフライアッシュ（または飛散灰）を除去することを促進し、それによって、フライアッシュが熱分解リアクターに戻る循環が防止されるので生成物収率の減少が防止される。
【００２５】
上述の熱キャリヤー粒子を用いることによって、伝熱媒体と固体フィードと流動ガスとの混合が向上する。その結果として、粗い粒子の滞留時間は、より細かく分けられている粒子の滞留時間よりも長くなるので、より粗くてより一様でないフィードを使用することが可能となる。滞留時間は、品質の高い生成物を保証するのに適当な長さである。
【００２６】
また、本発明は、改良固体分離システムを導入することによって従来技術の熱分解システムの問題点を解消するので、炭質フィードストックの熱分解によって以前は得られなかった利益を達成することができる。
【００２７】
図１を参照して以下の詳細な説明により本発明をより詳しく説明する。
【００２８】
発明の詳細な説明
上述のように、本発明は、比較的小さい粒子サイズを有する熱キャリヤー、例えば固体の砂粒子または触媒粒子等を十分に多く用いることによって高温のリアクター壁部と連結する密な床部を形成し、それによって、炭質材料、例えばバイオマスおよび廃棄物を熱分解するのに用いられるリアクターに必要な熱を移動させるという概念に基づいている。典型的には、粒子サイズは、１０〜１５０マイクロメーター、好ましくは約５０〜１２０マイクロメーターのオーダーである。リアクター内の流動ガスの速度は、乱流または迅速な流動状態で流動化することができる範囲に維持されるので、ライザー・スペースの全長でのガスと粒子との速度比は約２よりも小さいものとなっている。密な浮遊物は、リアクターのライザー・スペース内に形成される。そのライザー・スペースは、粒子数基準で、１ｍ３当たり７×１０８〜３×１０１１個の粒子（約２×１０７〜１×１０１０粒子／ｆｔ３）を含んでおり、リアクターに熱をもたらす粒状物と炭質材料との質量流量比は１：１〜１２：１、好ましくは約２：１〜１０：１となっている。
【００２９】
そのような結果として、熱運搬粒子の特定の単位表面積は、常套のプロセスと比べて増加し、熱運搬粒子と熱分解されるフィードストックとの質量比が減少するまたは最小限度となるので、循環する粒子の全質量ならびに下流の処理設備のサイズおよびコストが減じられることになる。
【００３０】
生成するガスのリアクター内での滞留時間は約０．０１〜１０秒、好ましくは約０．１〜５秒、特に約０．５〜１秒である一方、リアクター内の固体物の滞留時間は２〜２０秒のオーダーと相当により長いものとなっている。
【００３１】
本発明のプロセス・ユニットは、２つのセクション、即ち第１セクションと第２セクション（酸化ユニット）とを一般に有して成る。第１セクションでは、実質的に酸素が存在しない状態であるものの、粒子形態の熱キャリヤーの存在下で炭質材料が熱分解される。第２セクションでは、熱キャリヤー表面に堆積し得る有機熱分解生成物および分離ユニットで取り出された有機固体残留物が酸素の存在下で熱的に酸化されるので、それによって固体堆積物が存在しない熱キャリヤーが供される。より詳細には、リアクター床材料を形成する無機粒子材料は、その材料に付着した燃焼残留物（または燃焼残渣）が燃焼するように、流動床リアクターを有して成る別個の酸化ユニットに送られ、そこで酸素ガスと流動化することによって酸素ガスと共に処理される。そして、酸化ユニットから得られる無機粒子材料はリアクターにリサイクルされる。酸素ガスには、純粋な酸素もしくは精製した酸素が含まれ得、または、他のガスと混合された酸素、例えば空気または酸素および窒素および／もしくは希ガスから成る合成された混合物も含まれ得る。酸化ユニットは、好ましくは循環流動床リアクターを有して成る。その酸化ユニットは、滞留時間および再生度（または再生の程度、ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｄｅｇｒｅｅ）を調整するような内部循環を有して成る。別法にて、酸化ユニットは、バブリング流動床リアクターを有して成り得る。
【００３２】
循環流動床条件での操作の下、酸化セクションと熱分解セクションとは、一体的なユニットを形成する。その一体的なユニットでは、床材料は、迅速な流動状態でリアクターから酸化ユニットに流れ、そして再びリアクターに戻るように流れる。酸化ユニットは、床材料を固体材料の分離ユニット（以下でより詳細に説明する）からリアクターに戻すように導く（または案内する）床材料の空気（または床材料の空気圧）コンベヤーとみなすことができる。
【００３３】
好ましい態様では、循環するガスの量を減らすため、また、床材料を加熱するエネルギーを供するために、プロセスで生じる凝縮しないガスも酸化ユニットに導かれ得、そこで少なくとも部分的に燃焼する。
【００３４】
本発明は、シンプルな循環流動床リアクターを酸化ユニットとして用いることによって実行することができる。その循環流動床リアクターは、２つの目的、即ち、床材料から燃焼残留物を除去することと熱処理に必要な程度の熱を発生させることの２つの目的を主として単に達成するような寸法を有する。この場合、燃焼残留物の最終的な燃焼および余分な熱の回収および排ガス（または煙道ガス）の処理が、別のボイラー・ユニット内で成し遂げられる。
【００３５】
先に言及したように、熱運搬粒子および熱分解炭化物を含んで成るリアクターの固体物は、生成物ガス流れから分離され、酸化ユニットに送られる。好ましくは、ガス材料から固体材料を分離するのに用いられる分離ユニットは、マルチポート・サイクロンを有して成る。より複雑でコストのかかるプロセスとなるサイクロンを横断するガス速度および圧力降下がそれほど増加することのない通常のサイクロンでは、非常に小さい炭化物粒子、つまり１０マイクロメーターよりも小さい粒子サイズを有するいわゆる微小な炭化物を効率的に取り除くことができないことを我々は見出した。固形分濃度（または固体物濃度）が０．３〜０．４重量％の熱分解液体は、このような液体を移送して燃焼させるのに用いられるノズル、ポンプおよびバルブを詰まらせてしまうことが見出されているので、液体生成物に微小な炭化物が存在すれば、熱分解液体を更に使用するに際して重大な品質問題が引き起こされてしまう。マルチポート・サイクロンを使用することによって、ガス速度および関連する設備のコストを低く維持しつつ、かかる粒子を非常に効率的に除去することができ、凝縮される液体を０．１重量％よりも少ない粒子濃度レベルにまで浄化（または精製）することができる。実際には、サイクロンのカスケード（ｃａｓｃａｄｅ）を用いることによって分離を行なうことが特に好ましく、マルチポート・サイクロンが、シングルインレット・サイクロン（または単一入口サイクロン）およびマルチインレット・サイクロン（または複数入口サイクロン）から選択される少なくとも１つの他のサイクロンと直列的なアレンジで配置される。例えば、サイクロンのカスケードは、シングルインレットポート・サイクロンによって構成される第１分離工程およびマルチインレット・サイクロンによって構成される第２分離工程を有して成り得る。
【００３６】
特定の態様では、固体物を分離するために、冷却および／または加熱することが可能な外表面を有するサイクロンが用いられる。
【００３７】
伝熱および伝熱の経済性は、熱分解ユニットを経済的に運転するのに重要なものである。本発明の好ましい態様において、リアクターと酸化ユニットとは双方の高温パーツが共通の壁部を各々有するように一体的に取り付けられており、従って、リアクターに必要とされる熱の少なくとも一部はその共通の壁部を介してもたらされる。好ましくは、伝熱媒体を部分的に用いて熱をリアクターにもたらすと共に、部分的にリアクターと酸化ユニットとの共通の壁部を直接的に介することによって熱をリアクターにもたらす。
【００３８】
熱酸化リアクター・ユニットは、常套の流動床または循環流動床の設計を有し得る。しかしながら、リアクターのライザー・ユニットにリアクター流れの乱れを増加させる内部ベーン（または内部羽根）を備えることもできる。好ましい態様は、粒状物を分離するマルチポート・サイクロンを備える軸方向環状断面（または軸方向にて二重管構造の断面）を有するライザーを有するリアクター、およびそのリアクターの内側に同軸にて嵌まり、軸方向環状断面を有するライザーを有する酸化ユニットであって、処理された粒子材料を分離するマルチポート・サイクロンを備える酸化ユニットを用いることを含んで成る。
【００３９】
熱キャリヤーおよび熱分解生成物（燃焼残留物）を含む固体物は、一般的に２工程で分離される。つまり、固体物を主に含んで成る第１部分は第１工程で分離されて酸化ユニットにリサイクルされる一方、燃焼残留物を主に含んで成る第２部分は第２工程で分離され、別のプロセスで用いられる。
【００４０】
実施例でより詳細に説明するように、ガス相生成物ストリームは回収セクションに導かれ、そこで主に凝縮するので、熱分解液体が回収されることになる。熱処理生成物の凝縮に伴って得られる凝縮しないガスは、循環ガスの形態でライザー・スペースにリサイクルされる。循環ガスの量は、ガス体積で表すと、凝縮しない熱処理生成物の０．５〜２倍の量である。
【００４１】
このようなプロセスの環境上の利点を最大限とするために、非常に少ない化石燃料の投入により得ることができる炭質フィードストックを選択することが非常に重要である。本明細書では、そのような炭質フィードストックは、植物またはバイオマスをベースにしたフィードストック、例えば木材、のこくず（またはおがくず）、林業または農業の過程で生じる植物性残留物、都市固体廃棄物（ＭＳＷ）およびごみ固形燃料（ＲＤＦ）に由来するものである。このようなフィードストックは、放置されて腐敗するまたは生物学的に分解する場合、二酸化炭素またはメタンなどのガスを生じる。他のフィードストック、例えば意図的に成長させた農作物は、肥料の投入量が一般に多く、化石燃料を用いて製造されているので、そのような化石燃料を節減することは、廃棄物および残留物について化石燃料を節減することに及ぶものではない。
【００４２】
さて、添付図面（炭質材料を処理する装置を示す図１）の態様に移ってみると、本発明の熱分解設備は、３つのセクション、即ち、貯槽からの炭質フィードストックを前処理して熱分解工程に運ぶための前処理ユニット（参照番号１〜６）、リアクター・ユニット（７〜１５）および酸化ユニット（１５〜１８，３３）を含む熱分解ユニット（参照番号７〜１８）、ならびに熱分解生成物を収集し、ガス状化合物を凝縮させ、そして凝縮しない化合物を再循環させる回収ユニット（参照番号２２〜３２）を主に有して成ることに留意されたい。熱分解ユニット（１〜６）のフィードは、通常固体または液体の形態の炭質材料を含んで成る。熱分解ユニットの出口では、ガス状化合物が含まれる。伝熱媒体は、リアクター・ユニット（９〜１４）と酸化ユニット（１５〜１８，３３）との間を再循環し、凝縮しないガスは、回収ユニット（２２〜３）から熱分解ユニット（７〜１８）へと再循環し、流動ガスとして使用される。
【００４３】
図面において、参照番号１は、固体フィード材料を適当な寸法に減じるサイズ減少ユニットを示す。バイオマス・フィードに対しては、このユニットはクラッシャーまたはシュレッダーを有して成り得る。サイズが減じられたフィード材料は、例えばベルトまたはスクリュー・フィーダー２または空気（または空気圧）によって、水分調節ユニット３に移送される。水分含量は、例えばドライヤー３で適当なレベルに調整される。図示する構成では、再生器１６〜１８，３３からの高温の排ガスは、フィードを乾燥するのに用いられる。
【００４４】
フィード材料は、例えばベルトもしくはスクリュー・フィーダー４または空気によってフィード・サイロ５に移送される。フィードが一時的にフィード・サイロ５に貯留されることによって、リアクターへのデリバリーが常に確保されることになる。そのサイロ内では、自己発火が生じる可能性のある小さい粒子サイズの乾燥フィードの場合、窒素等の不活性雰囲気が維持される。スクリュー・フィーダー６によって、高温の床材料および流動化ガスの供給ポイントのおよそ３００〜８００ｍｍ上の距離においてリアクター１０（ライザー）の底部にフィード材料が移送される。蒸気回収ユニット２２からの非凝縮性ガスは、床材料およびフィード材料を適当な速度および流動度になるように流動化するのに用いられる。
【００４５】
伝熱粒子は、リターンパイプ（または戻り管）８によって熱を発生するサーマルオキシダイザ（または熱酸化機）１６〜１８，３３から移送される。非凝縮性ガスと高温の粒子とフィード材料との乱流状態の混合物は、スクリュー・フィーダー９の出口にて混合され、フィード材料が適当なレベルにまで昇温すると共にフィード材料が適当な速度にまで加速する。リアクター・ベッセル１０の壁部は適当な温度に維持されるので、絶縁（または断熱）材料が不必要であり、伝熱粒子に必要とされる熱が減じられる。
【００４６】
熱的に変化した材料は１１で固体物除去ユニット１２に移送され、副反応を最小限度にするように温度が調整される。固体物除去ユニット１２は、シングルポート・サイクロン（または単一入口サイクロン）とマルチポート・サイクロンとの組合せを含む。この分離ユニットによってガス・ストリームから粒状物が除去される。
【００４７】
パーツ７〜１８から成るリアクター−酸化ユニットは、例えば米国特許第６０４５６８８号に示す二重管（または環状）構造に基づくものであってもよい。この場合、全てのサイクロンはマルチポート型である。
【００４８】
参照番号１３は、サイクロンの底部に落下した固体材料を示す。番号１４は、熱酸化ユニットへの固体物の供給を示す。固体材料はサーマルオキシダイザ・リアクター１６〜１８で酸化される。酸化に用いられるガスは、ポート１８から供給される空気が通常である。サーマルオキシダイザは、バブリング流動床、乱流床または循環流動床に相当する種々の条件下で操作することができ、フィード中に見られる汚染物（または不純物）の灰融点より低い温度に保たれる。
【００４９】
ライザー・スペース３３の頂部の粒子除去ユニット１６は、通常のサイクロンとマルチポート・サイクロンとの組合せまたはマルチポート・サイクロンのみから成り、粒状床材料をサーマルオキシダイザに戻し、他方、フィード材料からのフライアッシュが通過し、それが蒸気収集ユニット２２で収集されるようにする。番号１７は、捕捉された固体粒子をサーマルオキシダイザに戻すリターン・パイプを示し、番号１８は、空気をサーマルオキシダイザに送るインレットポートを示す。サーマルオキシダイザからの排ガスは１９で水分低減ユニット３に移送される。水分低減ユニット３では、熱交換、ドライヤーから生じたガスとの混合または表面を介した直接的な冷却によって、温度が調節される。
【００５０】
サーマルオキシダイザ２０は、水分低減ユニット３の出口にてガス・ストリームに残存する有機化合物を酸化するのに用いられる。
【００５１】
粒子除去ユニット１２で固体物が除去された後、生成物ガスは２１で蒸気回収ユニット２２に移送される。蒸気回収ユニット２２またはコンデンサーでは、液体スプレー洗浄によって生成物ガスが冷却されて液体が生成するが、この場合、洗浄には凝縮した液体自体（他の液体も可能である）を用いる。コンデンサーは、図に示すように並流式であってよいが、向流式であってもよい。向流式コンデンサーでは、内部充填材料が通常用いられる。凝縮した液体は一時的な貯留タンク２３に移送される。生成物蒸気を冷却および凝縮するのに用いられる液体の温度は、２４で適当なレベルに調整される。第１凝縮カラム２２で凝縮しない蒸気は、２５で第２カラム２６に移送される。第２凝縮カラム２６では、第１カラムで用いられる方法と同様な方法により蒸気が凝縮されることによって液体が形成される。凝縮した液体は一時的な貯留タンクに移送される。第１コンデンサー２２および第２コンデンサー２６で凝縮しないガスおよびエーロゾルは、エーロゾル・トラップ２９，３０に移送される。向流式コンデンサーを用いる場合、コンデンサーの頂部においてガス出口の下方にエーロゾル・トラップを配置することができる。番号２９は第１エーロゾル・トラップを示し、番号３０は第２エーロゾル・トラップを示す。第１コンデンサーおよび第２コンデンサーの液体は混合タンク３１で混合される。非凝縮性ガスの圧力はコンプレッサーまたはブロワー３２で調整される。エーロゾル・トラップから回収される液体は、他の生成物液体３３とは別に処理される。
【００５２】
実施例１
一連の低温モデル実験を行って、種々のフィードストック粒子サイズに対して適当な流動状態を検証した。この実施例では、乱流の循環流動床を形成するのに必要な最小のガス速度を測定した。７０〜１５０マイクロメーターの範囲の床サイズを乾燥して粉砕したフィードストックと共に用いた。フィードストックは、１〜５ミリメーターの範囲に及ぶサイズ分布を有していた。このような対象についての最適な速度は、砂床が８０マイクロメーターの平均直径を有する場合、４〜６メートル／秒の範囲であることが見出された。床部を通過するガス速度対砂速度との比については、およそ２というスリップ速度が計算された。
【００５３】
実施例２
伝熱媒体の粒子サイズを除いて、同じプロセス条件下で試験設備プロセスを操作することによって、伝熱材料の粒子サイズがフィード材料と床材料との質量比に与える影響を調べた。１７０マイクロメーターから８０マイクロメーターの平均サイズへと粒子直径を減少させた場合、必要とされる床量を１／２に減少できることが示された。より小さいサイズの粒子を用いることによって、流動化に必要なガスは必然的により少なくなった。
【００５４】
実施例３
まずシングルポート・サイクロン、次にマルチポート・サイクロンを用いて同じ床部およびフィード材料により同じプロセス条件下にて試験設備を操作することによって、液体生成物に保持される固形分の濃度に及ぼすシングルポート・サイクロンの影響対マルチポート・サイクロンの影響を調べた。直列状態の２つのシングルポート・サイクロンを用いた実験では、生成物液体中の固形分濃度は０．３重量％〜０．５重量％の範囲にわたって変化した。この固体材料は、約１〜３０マイクロメーターの範囲と非常に小さいサイズの炭化物粒子であることが見出された。次に、サイクロンをマルチポート・サイクロンに換えた場合、液体生成物中の固形分濃度は、０．１重量％〜０．２重量％にまで減少した。
【００５５】
実施例４
以下の実験で、生成物収率および品質に与えるプロセス条件の影響を調べた。実験の第１セットでは、平均サイズが１７０マイクロメーターのより粗い砂床材料を用いた。リアクターを通過する砂の速度は６〜８ｍ／秒の範囲であった。炭質フィードと床材料との質量比は１：１２〜１：２０の範囲であった。生成物蒸気から固体生成物および砂を分離するために通常のシングルポート・サイクロンを用いた。５％にまで乾燥させ、４ｍｍ厚さ（または太さ）以下に粉砕した軟木（または針葉樹）の林業残留物に対する液体収率は、液体全体の６５％であった。７５重量％の下相および２５重量％の上相を有する出発フィード材料を抽出することによって生成物液体相を分離した。床材料を平均直径約８０ミクロンとより微細なサイズに変え、ガスの速度を４〜５メートル／秒に減じて乱流状態の床部を形成する場合、実施例２に記載の生成物中の固形分含量の方がより低いという主な違いがあるものの、同様のフィードストックおよび反応温度では、液体の収率が同様であることが見出された。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明の好ましい態様のプロセス図を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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