(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化容器を構成要素とし、該ガス化容器が、該ガス化容器の上部領域に位置する供給原料物質入口と、
該供給原料物質入口の下方に位置し、下向きに末広な形状を有する揮発領域と、
該ガス化容器内において該揮発領域の下方に位置するガス化領域と、
供給原料物質のガス化により生ずる灰を回収するための、下向きに先細な形状を有する灰回収領域と、
再循環ガス入口、プレナム、及び該ガス化領域へ向けて方向が定められたベンチュリ管ガス出口を有してなり、該プレナムがガス状酸化剤入口及び多数のオリフィスを包含してなり、該オリフィスがガス状酸化剤を該ベンチュリ管ガス出口へ誘導するものである、少なくとも一つの再循環ベンチュリ管と、
該ガス化領域及び灰回収領域へガス状酸化剤よりなるパルス化した空気流を供給するために該ガス化領域へ向けて方向が定められた複数の空気砲とを含んでなり、更に、該ガス化容器から燃焼ガスを回収するための燃焼ガス出口を有してなるガス化装置。
【請求項２】
プレナムが気体燃料入口を更に有してなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項３】
ガス状酸化剤入口が、該酸化剤入口を制御するための弁と係合してなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項４】
空気砲が、２０Ｈｚ乃至３ＫＨｚの周波数にある正弦波型空気パルスを供給するために少なくとも一つの空気パルス弁を連結してなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項５】
空気砲が１ｐｓｉ乃至１０００ｐｓｉの範囲にある圧力を有する空気パルスを発生させるものである請求項１に記載のガス化装置。
【請求項６】
灰回収領域に向かって方向が定められた複数のガス状酸化剤入口を更に有してなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項７】
供給原料物質又はその副産物と反応させるための化学反応物をガス化領域へ導入するための、化学反応物入口を更に有してなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項８】
化学反応物が、ＳＯｘ化合物の除去を促進するための化学的洗浄化合物である請求項７に記載のガス化装置。
【請求項９】
ガス化領域と燃焼ガス出口との間にあってガス流通可能なフリーボード領域を更に有してなり、該フリーボード領域内のガス速度が、飛沫同伴微粒子をガス化領域へ再沈降させうる程度に十分小さいものである請求項１に記載のガス化装置。
【請求項１０】
ガス化容器が扁球形状である請求項１に記載のガス化装置。
【請求項１１】
複数の再循環ベンチュリ管を含んでなる請求項１に記載のガス化装置。
【請求項１２】
（ａ）ガス化容器内の中央部に位置するガス化領域と、供給原料物質のガス化により生ずる灰を回収するための、下向きに先細な形状を有する灰回収領域と、再循環ガス入口、再循環導路、プレナム、及びガス化領域へ向けて方向が定められたベンチュリ管ガス出口を有してなり、該プレナムがガス状酸化剤入口及び多数のオリフィスを包含してなり、当該ベンチュリ管を貫通してガス化領域へ向かう再循環ガス流を発生させるために、該オリフィスが、ガス状酸化剤を該ベンチュリ管ガス出口へ誘導するものである、少なくとも一つの再循環ベンチュリ管とからなるガス化容器内へ供給原料物質を供給する工程と、
（ｂ）ガス化領域から上方へ向かい、更にベンチュリ管内を下降してガス化領域へ向かう再循環ガス流を発生させるために、各再循環ベンチュリ管のプレナム内へガス状酸化剤を導入する工程と、
（ｃ）ガス化領域へ向かって方向が定められた複数の空気砲からガス化領域内及び灰回収領域内へ、供給原料物質を攪拌及び混合するためにガス状酸化剤よりなるパルス化した空気流を供給する工程と、
（ｄ）ガス化領域内の温度が約１８０℃乃至１１８０℃の範囲に維持されるように、供給原料物質の供給速度及びガス状酸化剤入口に係る供給速度を制御する工程と、（ｆ）燃焼ガスをガス化容器から回収する工程とを含んでなる燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１３】
ガス化容器内において供給原料物質を点火する工程を更に含んでなる請求項１２に記載の燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１４】
点火工程の間、プレナム内に気体燃料を導入する工程を更に含んでなる請求項１３に記載の燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１５】
ガス化領域における供給原料物質の攪拌を制御するために、パルス化した空気流を、２０Ｈｚ乃至３ＫＨｚの範囲にある正弦周波数で供給する請求項１２に記載の燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１６】
パルス化した空気流を１ｐｓｉ乃至１０００ｐｓｉの範囲にある圧力で供給する請求項１２に記載の燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１７】
ガス化容器が扁球形状である請求項１２に記載の燃料供給原料ガス化方法。
【請求項１８】
ガス化装置内へ供給原料物質を導入するための供給原料物質入口と、
ガス化装置内にあってその内部で供給原料物質をガス化するためのガス化領域と、
ガス化領域において供給原料物質を攪拌するためにガス状酸化剤よりなるパルス化した空気流がガス化領域内及び灰回収領域内へ供給するために、ガス化領域へ向かって方向が定められたパルス弁と係合した複数の空気砲と、
供給原料物質のガス化により生ずる灰を回収するための灰回収領域と、
再循環ガス入口、プレナム、及びガス化領域へ向かって方向が定められたベンチュリ管ガス出口を有してなり、該プレナムがガス状酸化剤入口及び多数のオリフィスを包含してなり、該オリフィスがベンチュリ管ガス出口へガス状酸化剤を誘導するものである少なくとも一つの再循環ベンチュリ管と、
燃焼ガスをガス化装置から回収するための燃焼ガス出口とを含んでなるガス化装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、都市廃棄物、産業廃棄物、建築廃棄物及び農業廃棄物並びに木材及び石炭等の非廃棄物等からなる供給原料物質をガス化するためのガス化装置に関する。本発明は、固形廃棄物の処理容積を減少させ、また、各種用途に利用可能な気体燃料を生成し回収するものである。より詳細には、本発明は、燃焼装置内における再循環を伴う、廃棄物の自動温度制御ガス化（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｕｔｏｔｈｅｒｍｏ−ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）における改良に関する。本発明に係るプロセスの結果として、供給原料の容積は少なくとも９０％減少し（但し、この減少率に限定されるものではない）、環境に悪影響を与えずに使用することのできる清浄な気体燃料が生成するものである。現時点で好ましいガス化プロセスは、単一の扁球型ガス化反応容器により達成されるが、この形状は変体を採りうるものである。
２．背景技術
廃棄物の処理は、従来及び今後も、我々の社会において大きな問題である。固形廃棄物の量は依然として増加の一途をたどっており、従来の埋立て処理に必要とされる土地が急速に減少してきている。埋立て処理は、本質的且つ必然的に、幾つかの問題を伴うものである。埋立地に堆積された廃棄物は、往々にして、その分解に３０年以上の歳月を要するものである。この間、他の生態学的問題が発生する。廃棄物から地下水面へ浸出する汚染物質が大きな関心事となっており、また、臭気や大気汚染に関する問題も多く存在する。また、埋立地において固形廃棄物を処理する方法は、廃棄物の特性により生じる土壌汚染や、当該埋立地が他の用途に転用されて相当の時間が経過した後、凸凹に沈下すること等により、予期されなかった長期にわたる危険を多々もたらしてきたという事実も更に関心を集めている。
埋立て廃棄物処理に替えて最も広範に使用されている方法は、屋外又は強制空気焼却装置内での焼却である。焼却プロセスにおける廃棄物の燃焼は、一般的に、燃焼室内で実施され、該室内には燃焼用の空気が導入される。焼却の一工程として、廃棄物中の有機物質は、燃焼室内において均一に燃焼するような物質へ転化される必要がある。固形廃棄物においては、組成及びその水分含有量が非常に多様であるので、燃焼反応を十分に制御及び持続することができない。廃棄物の燃焼が不完全である場合は大抵、多量の煤煙及び汚染物質を含む空気が排出されることとなる。固形廃棄物の容積を減少させるためには焼却又は燃焼が望ましいものであるとしても、屋外燃焼であれ、強制空気焼却であれ、それらのプロセスにおいては、大気汚染の問題が内在しているので、環境保護の観点からは容認しがたいものである。
廃棄物の熱分解及びガス化に関しては、多数の機構が提唱されてきた。熱分解技術は、多くの理論上の利点を有するものであるが、一般廃棄物を取り扱う熱分解系は商業用途における実用段階へようやく達したところである。この熱分解技術の進歩は、都市固形廃棄物（ＭＳＷ）の処理技術へ利用可能な状態に達しつつあるものである。従来のガス化方法は、少なくともその一部において、廃棄物の組成及び水分含有量が大きく分散することに起因するある種の伝熱問題を内包している。
廃棄物の組成及び水分含有量にばらつきがあるため、スラッギングを招く局部的な温度上昇を防止しつつ、廃棄物を好適に熱分解するように温度を制御することは難しい。例えば、一般的なＭＳＷをガス化する際、比較的安定した運転を行うためには、従来装置における温度は、無機材料のスラッギングが生じる温度近傍とされていた。その場合、ＭＳＷの無機成分が溶融して、スラグによる粘稠な粘着被膜が廃棄物にさらされる全表面上に形成する。
高温ガス化により固形廃棄物を発生炉ガスと呼ばれる気体燃料へ転化するための幾つかの機構が提唱されてきた。通常、これらの機構は、下降、乾燥、蒸留、酸化及び還元からなる各反応域を鉛直方向に逐次有する容器により構成される。前述の通り、都市廃棄物の組成及び水分含有量には大きなばらつきがあるので、このような多様な供給原料に必要とされる十分な制御を可能にするガス化装置は実現されずにいた。従来の機構においては、操作上の問題と並んで、ガス流から、更には燃料ガス使用後のそれらの最終排出物から望ましくない化合物及び元素を十分に除去できないことによる深刻な汚染問題が存在していた。
最も広く知られているガス化機構においては、例えばゴム等の、硫黄含有量が非常に高い供給燃料は使用されない。実験的試験によれば、９０％のゴム廃棄物流を１０％の過剰Ｏ2流出流と共にガス化すると、１１００ｐｐｍのＳＯ2を生ずる状態となる。過剰Ｏ2を３．９％に減少させると、ＳＯ2量もそれに比例して減少する。過剰Ｏ2の存在は、燃料床のブローホールに帰するものである。
環境保護の観点からは、商業規模のいかなる燃焼プロセスにおいても流出する排ガスからＳＯ2を除去することが必要である。このことは、いかなる燃焼プロセスにおいても主要な問題であり、装置設計における主要な経済的検討事項である。ガス化装置におけるＳＯ2ダウンストリームの範囲を大きくするにつれて、ＳＯ2を除去するために必要な装置はより大きく高価なものとなる。このような事情から、コスト削減のために、高硫黄含有燃料は避けられてきた。
灰留分における炭素含有量もまた、ガス化機構の設計及び操作に係る重要な問題である。かつては、灰分中の炭素は２０％乃至５０％であることが一般的であったが、現在は、灰分中の炭素は３％乃至５％であることが望ましい。間接熱分解の場合はいずれも、灰分中の炭素含有率が高く、これは主に、炭素を不揮発性の安定なガスへ転化させるための酸素分子の割合が不十分なことに起因する。したがって、チャーの利用が経済的に実現可能な場合以外は、熱分解は好ましいものであるとは言えない。チャーの利用が経済的に実現不可能な場合は、灰の炭素含有量が大きくなり、すなわち系の効率が損失する。灰の炭素含有量を制御可能にすることは、当該分野において望まれる進歩である。
灰の炭素含有量を過度に大きくしないためには、空気、純気体酸素、あるいは酸素を多く含む固体の形状で、十分な酸素を反応容器内へ導入する必要がある。より効果的には、ガス状の酸化剤が、燃料の炭素留分と、反応を起こすに十分な時間、密接する必要がある。
燃料床が最適な大きさであり、且つ、反応器内の経路長が酸化剤を完全に反応させるに十分なものであっても、燃料床内の圧力差が小さい状態（低速度）で酸化剤を導入しなければ、燃料床を貫通するブローホールすなわち低抵抗チャネルの問題が依然として存在する。酸化剤を低速度で導入することは、最適温度での反応維持を難しくするものであり、与えられた反応容器の大きさに対する燃料流量及びガス生成量を減少させるものである。当初は満足する結果が得られるが、状況は次第に急速に悪化する。なぜなら、酸化剤が燃料と反応せずに燃料床を素通りして、生成ガス流へ直行するためである。
上記のことから、ＳＯ2の生成を促進する過剰酸素の発生に起因して、都市廃棄物の向流還元に関して固定床は良い選択であるとは言えないことが分かる。このことは、均一な燃料粒子径を得ることが難しいことに直接起因するものである。一改善策として、一つのパドルもしくは一連のパドル又はアームにより燃料床を攪拌する方法が存在する。この方法は、単に燃料床の一部を任意の付与時間攪拌するものであり、未だ透過性燃料床に依存するものである。仮に、反応が生じている間、燃料が酸化剤の流れに対して過剰の背圧を増大させるような非常に微細な灰となる場合、この攪拌床は、ブローホール生成を起こし易い固定床と同様な挙動を示す。
攪拌床の変形として、床下方において回転台又は羽口を使用する方法がある。しかしながら、回転羽口は、上方領域においては最小限の燃料床攪拌しか与えず、より微細な燃料及び飛沫同伴された灰粒子が堆積し、床全体の透過性を悪化させるものである。透過性が低下すると、酸化剤が床内を強引に貫通するまで酸化剤供給に係る背圧が上昇する。したがって、床を貫通し、高度のＳＯ2を放出する特性を持つ低抵抗チャネルが燃料床に出現し始める。
上記攪拌方法は、固形廃棄物から経済的に得られる燃料の大きさや粘稠度に融通が利かないものである。都市廃棄物、産業廃棄物、建築廃棄物及び農業廃棄物等の多様な供給燃料源をガス化するためには、装置は、均一な供給原料を使用するために設計された系に必要とされるよりも更に広範な制御を可能とする運転条件に、適合可能なものでなけれなならない。燃料床の透過性は主要な問題であり、ガス化装置内の温度範囲において液相段階を経る燃料留分の変動により不利な影響を被るものである。
以上の背景から、「流動している」状態が、上記の如く多様な燃料構造物との間で制御可能な密接状態を与えるものであることが推測される。あいにく、従来の流動状態は、過剰な酸素を供給するものであり、この量はＳＯ2生成に関して許容できないものである。
従来のガス化装置におけるもう一つの重大な問題は、上記廃棄物の水分含有量のばらつき同様、供給原料物質における組成の広範なばらつきに対処することができない点にある。水分含有量の高い供給原料は、ガス化装置の運転温度を著しく減少させる。この「急冷作用」に寄与するもう一つの因子として、供給流において大きな割合を占め、液相を経る可能性のある物質がある。運転温度の広範な変動は、供給原料物質の燃焼制御を困難にし、原料流出量及びそれに続く生産量に影響を与える。
固形燃料（木材及び石炭）のガス化に係る従来の装置が、都市廃棄物のガス化に適合するものではない幾つかの理由は以下の通りである。すなわち、
（ａ）燃料床の低透過性又は透過性の変動、
（ｂ）燃料床構造物を貫通するチャネル生成確率が高いこと、
（ｃ）未加工燃料中に含まれるか、あるいは、工程途中で形成された燃料微粒子による、排流中の飛沫同伴粒子及び透過性への影響、
（ｄ）液相物質の割合が高く、これら物質の割合がばらつくこと、
（ｅ）燃料の初期水分含有量が高いこと、
（ｆ）微粒子を防ぐためガス終端速度が小さく、飛沫同伴された状態から大きな凝縮性集塊を生じること、
である。
従来のガス化装置は、絶えず変動する基準に従う処理を要する上記パラメータに十分に対応するものではない。したがって、供給燃料原料物質をガス化するための改良装置を提供することは、当該分野における大きな進歩である。
供給原料物質をガス化する当該装置はここに開示され且つ請求される。
発明の概要
本発明は、例えば、都市廃棄物、産業廃棄物、建築廃棄物及び農業廃棄物等からなる供給原料物質のガス化に係る、環境保護の観点からも好ましい方法及び装置を提供するものである。本発明は、例えば石炭及び木材等の従来の固形ガス化燃料のガス化においても容易に適合するものである。本発明の一好適態様においては、煤煙及び他の汚染物質の大気への放出を排除した、固形廃棄物ガス化方法及び装置が提供される。
供給原料中の有機物質は、比較的清浄な発生炉ガス及び灰へ転化される。典型的には、灰の容積は、処理前の廃棄物容積の約１０％以下である。生成する固体灰分は無菌であり、環境に無害なものである。発生炉ガス及び固体灰分は、種々の商業用途に利用可能である。例えば、灰は、高速道路を除氷するための土壌改良剤として、あるいは、コンクリート添加剤、舗装添加剤として利用することが可能であり、一方、発生炉ガスは、清浄な燃焼燃料として使用することが可能である。また、単にガスを燃焼させ、灰を埋立地へ従来通りに埋めることも可能である。
本発明による現在好ましい供給原料ガス化装置は、扁球形状の単一ガス化容器を構成要素とする。特に、現在好ましい扁球は、測地線扁球（ｇｅｏｄｅｓｔｉｃ  ｏｂｌａｔｅ  ｓｐｈｅｒｏｉｄ；ＧＯＳ）である。供給燃料原料は、フィーダによりガス化容器内へ導入される。加圧されたガス化容器内へ供給原料物質を導入しうるようにフィーダを設計することが重要である。フィーダ設計は、ガス化する供給原料物質に応じて変更可能である。例えば、廃タイヤは、圧縮フィーダにより反応内へ好適に供給することができる。この種のフィーダは、原料の供給を正確に制御し、加圧ガス化容器内へのタイヤ導入を可能にするものである。他に円錐供給弁等の従来供給弁も、乾燥又は半乾燥された廃棄物からなる供給原料物質を加圧ガス化容器内へ導入するに際して有用である。円錐供給弁の数例が１９９６年１月１６日発行の米国特許第５４８４４６５号に開示されており、この特許を引用例として取り上げる。
一又は複数の再循環ベンチュリ管が、ガス化容器中央部に該容器の内周に沿って位置してなる。正確な数の再循環ベンチュリ管は、ガス化容器の大きさ及びガス化されるべき廃棄物の種類に応じて変更可能である。各ベンチュリ管は、一つの再循環ガス入口と、一つの再循環チャネルと、一つのプレナムと、ガス化領域へ向かって方向が定められた一つのベンチュリ管ガス出口とを含んでなる。プレナムは、ガス状酸化剤入口と、ガス状酸化剤を各ベンチュリ管へ通してガス再循環の原動力を与える複数のオリフィスとを内包するものである。
ガス状酸化剤は空気であることが好ましいが、酸素、冨酸素空気、あるいは他のガス状酸化剤であってもよい。また、他の反応性ガスをプレナムに導入し、ガス化容器内で所望の化学反応を起こすべく再循環するガス流と混合することも可能である。好ましくは約５０％のガス状酸化剤を、プレナム／ベンチュリ管ガス入口を介してガス化容器内へ導入する。この量は、供給原料物質の組成及び所望のガス化生成物に応じて変更可能なものである。ベンチュリ管を通してガス化容器内へ導入されたガス状酸化剤は、生成ガスの再循環流に関与するものであり、揮発した供給原料物質は何度もガス化領域を通過するものである。
ガス化容器は、ガス化容器内の二つの異なる位置にガス状酸化剤入口を有することが好ましい。一又は複数の空気砲がベンチュリ管ガス出口の下方に設けられ、複数のガス状酸化剤入口がガス化領域下方の灰回収領域内に設けられる。空気砲は灰回収領域内に随意に設けることができる。
廃棄物床の攪拌及び流動を行なうガス化領域へ、パルス化した空気流を供給するために、空気砲はガス化領域に向けて方向が定められている。攪拌は、操作周波数及び空気砲と連結するパルス弁の圧力により制御される。空気砲及び空気パルス弁を使用することにより、内部の機械的移動層全てを排除することが可能になる。空気砲の正弦波パルスにより、完全にガス化されておらず、且つ、ガス化に必要な酸化剤平衡を左右する、全ての未反応原料を完全に攪拌することが可能になる。
灰回収領域内に設けられたガス状酸化剤入口は、生成する灰における炭素含有量を制御するために利用されるものである。多量の酸化剤は、炭素質廃棄物の完全な燃焼を促進するものである。結果として、灰における炭素含有量を５重量％以下とすることができる。一方、灰回収領域に酸化剤が殆ど又は全く存在しない場合は、供給原料の不完全燃焼を招き、カーボンブラック等の炭素含有量の大きい灰が生成することになる。
供給原料又はその副産物と反応させる目的で、化学的反応物をガス化容器内へ導入しても良い。ガス化容器の再循環運転により、化学的反応物の滞留時間及び反応時間を延長することが可能となる。本発明の範囲内で典型的な化学的反応物の一例としては、望ましくない硫黄酸化物（ＳＯｘ）又は他の望ましくない化合物を乾洗浄により制御しうる化合物を挙げることができる。本発明においては、種々の公知及び新規な化学的洗浄化合物を使用することが可能であり、カルシウム、石灰岩、生石灰及び油母頁岩等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。化学的反応物は、供給原料入口を介してガス化容器内へ好適に導入されるが、該化合物用に別個の入口を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る測地線扁球型廃棄物ガス化装置を示す斜視図である。
図２は、図１における線分２−２方向から観た断面図であり、廃棄物ガス化装置の内部を示したものである。
図３は、図１における線分３−３方向から観た断面図であり、廃棄物ガス化装置の内部を示したものである。
図４は、図２に示される再循環ベンチュリ管内のプレナムを示す拡大断面図である。
図５は、パルス弁回転子アセンブリを示す断面図である。
図６は、前記パルス弁を示す別の断面図であり、従来のガス配管に連結する手段を示したものである。
発明の詳細な説明
本発明は、種々の供給原料物質をガス化する装置及び方法に関するものである。以下、図示の現在好適な態様を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
ここで図１を参照する。現在好ましいガス化装置を総括的に符号１０で示した。図１に示される本発明によるガス化装置１０は、測地線扁球型ガス化容器１２を有するものである。ガス化容器１２は、供給原料物質入口１４を設けてなるものである。図１乃至３に示されるように、供給原料物質入口１４は、ガス化容器１２における上方領域に位置することが好ましい。燃焼ガス出口１６は、ガス化容器１２から燃焼ガスを回収するためのものである。燃焼ガスは典型的に、燃料価又は未加工原料価を回復することのできる燃料ガスと凝縮性炭化水素との混合物を含むものである。複数のガス状酸化剤入口１８、２０及び２２を介して、ガス状酸化剤がガス化容器１２内の各種内部領域へ導入される。ガス状酸化剤入口１８、２０及び２２は、これら入口を通過するガス状酸化剤流の圧力及び流速を制御するために、弁（非図示）と係合していることが好ましい。供給原料物質のガス化により生じる灰は、灰出口２４から除去される。灰出口２４には、ガス化容器１２内の圧力を保持しつつ灰を排出するための公知又は新規な灰ゲート（非図示）もしくは類似の装置を設置することも可能である。ガス化工程開始時、所望の運転温度までガス化容器を加熱するために、気体燃料入口２６から補助燃料をガス化容器内へ導入することができる。また、ガス化工程を更に制御する必要に応じて補助燃料をガス化容器内へ更に導入することも可能である。
図２及び３は、ガス化容器１２の内部構成を示している。供給原料物質導路２８は、篩又は網目素材により構成されており、供給原料物質を供給原料物質入口１４から揮発領域３０へ搬送するものである。図示の如く、揮発領域３０は、ガス化領域３２へ向かって開口した、下方に向けて全体的に末広な形状を有するものである。揮発領域へ到達した供給原料物質は、部分的に揮発した状態となる。より重い、不揮発性の供給原料はガス化領域３２へ下降するが、揮発性物質及び軽量微粒子は上方へ吸引される。このことは後に詳細に説明する。揮発領域とは、ガス化装置１２の中央軸上に伸展する揮発塔の上部を指す。図示の如く、ガス化領域３２は、徐々に狭まり、供給原料物質のガス化により生ずる灰を回収するための灰回収領域３４を形成するものである。
ガス化容器は、一又は複数の再循環ベンチュリ管３５を内包してなる。各ベンチュリ管は、揮発領域３０の上方に位置する再循環ガス入口３６、再循環導路３８、プレナム４０、及びガス化領域３２へ向けて方向が定められたベンチュリ管ガス出口４２を含んでなる。図４で詳細に示されるように、プレナムは環状洞４４を規定するものである。ガス状酸化剤入口１８及び気体燃料入口２６は、環状洞４４と連絡するものである。プレナム４０は、ベンチュリ管３５を通過中末広に広がる内環４６を有してなる。プレナムの内環４６は多数のオリフィス４８を有してなる。オリフィス４８は、プレナムからベンチュリ管３５へガス状酸化剤又は他の反応性ガスを通過させるものである。オリフィス４８は、下向きに方向を定めることが好ましい。このことにより、ガス状酸化剤入口１８からのガス状酸化剤は、場合により気体燃料入口２６からの燃料も共に、ベンチュリ管３５を下降してベンチュリ管出口４２へ誘導されるものである。
図４に示されるように、再循環導路３８は、開口断面が内環４６の大きさとほぼ等しくなるように狭まってなるものである。ベンチュリ管３５断面積は、プレナム４０からベンチュリ管ガス出口４２にかけて漸増してなる。
ベンチュリ管３５は高温に耐えうる耐火材料により構成することが好ましい。耐火材料はプレナム４０直下の高温に耐えることができるため、ベンチュリ管３５の構成に関しては従来の鋼よりも現状においては好ましい。当然ながら、鋼又は他の構成材料を使用することも可能であるが、それらは一般に耐火材料と同等の耐久性を有するものではない。ベンチュリ管３５の壁厚は、より高温に耐えるように、プレナム４０近傍でより厚くすることが好ましい。再循環導路３８においてプレナム４０に最も近い部分もまた、耐火材料により構成することが好ましい、一方、再循環導路３８の残りの部分は、鋼により構成することが好ましい。プレナム４０は、複数のオリフィス４８及び環状洞４４の加工が可能な鋼で構成することが好ましい。
ガス状酸化剤入口２０は、ガス状酸化剤のパルスを種々の周波数及び圧力で供給するために、空気パルス弁５０と係合していることが好ましい。ここで、パルス弁５０と連結した酸化剤入口２０を空気砲と称するが、これは、ガス化容器１２、より具体的にはガス化領域３２内へ酸化剤を周期的に連射することが可能なそれらの機能に由来するものである。空気砲は、２０Ｈｚ乃至３ＫＨｚの周波数領域を持つ正弦波空気パルスを、供給原料床を攪拌するに十分な圧力で供給するものである。操作圧は、ガス化容器１２の大きさ及びガス化されるべき材料に応じて変更可能なものである。圧力は１乃至１０００ｐｓｉとすることができ、典型的な操作圧は１ｐｓｉから９０ｐｓｉを越える程度までの範囲とする。
ここで使用される、空気砲、空気パルス及び空気パルス弁等に係る「空気」という用語は、大気中の空気に加えて、他の形状のガス状酸化剤を包含することを意図したものである。本発明は、燃焼ガスと反応させるための他の反応性ガスをガス化容器内へ導入することも意図している。このような反応性ガスとしては、二酸化炭素、メタン、プロパン、過熱蒸気等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
図５及び６は、本発明に係る現在特に好ましいパルス弁５０の断面構成を示すものである。図５及び６に示されるように、回転子５４がケース５６内に収容されている。回転子５４は、モータ（非図示）に連結する軸シャフト５８を中心に回転するものである。変形菱形状の穴６０が回転子５４の中心を貫通している。一対の溝６２がケース５６の側面に互いに対向して設けられ、穴６０及び溝６２が一直線上に並ぶとき、パルス弁５０を貫通するガス通路が形成される。パルス弁５０をガス状酸化剤入口２０に取り付けるために、空気吐出フランジ及び管６４がケース５６に連結されてなる。
回転子５４がケース５６内で回転するとき、変形菱形状の穴６０と溝６２との幾何学的形状に係る相互作用と、ガス状酸化剤入口２０内の高圧ガスとが相俟って、上記の正弦波ガス状圧力パルスが発生するものである。
ガス状酸化剤を灰回収領域３４内へ導入するガス状酸化剤入口２２は、生成する灰における炭素含有量を制御するために利用されるものである。酸化剤の量を多くすることにより、炭素質供給原料の燃焼をより完全にすることができる。過剰な酸化剤を使用することにより、灰中の炭素含有量を５％以下とすることができる。灰回収領域内に酸化剤を殆ど又は全く導入しない場合は、供給原料が不完全燃焼を起こし、その結果、カーボンブラック生成を招く。
本発明は、広範な応用性を持ち、廃棄物をも対称とする供給原料物質をガス化する装置及び方法に関するものである。ここで使用される供給原料としては、都市固形廃棄物（タイヤも含む）、産業廃棄物、建築廃棄物及び農業廃棄物、並びに石炭及び木材等の非廃棄物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。現在好ましいガス化装置は、測地線扁球形状を有する単一ガス化容器であるが、この設計形状に限定されるものではなく、また、このガス化容器においては、供給原料からなる固定床は円錐断面を有し、供給原料が灰回収領域へ向かって下降する間も尚、酸化反応を進行させうる向流構造が採用されるものである。ガス化容器の高さを変更することにより、ガス化装置を貫通する反応経路長を増減し、揮発領域を変更することができる。
以下は、ここで開示される測地線扁球型ガス化容器内で供給原料物質をガス化する方法の説明である。ここでの説明においては、供給原料物質は廃タイヤとするが、以下の説明は廃棄物及び非廃棄物をその範疇に含む他の種類の供給原料物質にも当てはまるものであることが理解されるべきである。
廃タイヤは、押出型フィーダにより、タイヤゴムを供給原料物質入口１４へ押出すに十分な圧力で、ガス化容器内へ好適に導入される。高圧押出機構により入口１４内の雰囲気を密閉するという第二の目的を達成できる。供給原料物質を加圧されたガス化容器内へ導入することができるようにフィーダ設計を選定することが重要である。ガス化されるべき供給原料物質に応じて種々のフィーダ設計を採用することができる。例えば、米国特許第５４８４４６５号に開示されるような円錐供給弁は、乾燥した廃棄物を加圧ガス容器内へ導入する場合に有用である。
供給原料物質が揮発領域３０へ到達すると、ガス化領域３２からの熱により供給原料物質の一部は揮発する。固体、液体及び蒸気化した物質は分離する。蒸気及び軽量微粒子は、再循環ベンチュリ管入口３６へ向かって上方に吸引され、より重い固体及び液体は、ガス化領域３２へ向かって下方に落下を続け、最終的にガス化領域３２及び灰回収領域３４内に供給原料物質床を形成するものである。
ガス化容器１２において最も酸化した領域であり最も高温な領域であるガス化領域３２の当に上方に揮発物質を引き込むために、ガス化容器１２には一又は複数の再循環ベンチュリ管３５を設ける。固体及び液体がガス化領域３２内へ下降する際、蒸気及び軽量微粒子をガス化領域３２内へ再導入するベシチュリ管３５が形成する再循環流により、新たに下降してきた固体及び液体は蒸発及び飛沫同伴を起こすものである。液体及び蒸気化した物質は非凝縮性安定気体燃料へ徐々に還元される。
前述の如く、ガス状酸化剤入口１８、２０及び２２は、ガス化容器内の燃焼反応及び揮発反応並びに再循環流を制御し、安定なガス状生成物の生成を可能にするものである。ガス状生成物は、燃焼ガス出口１６を介してガス化容器１２から回収される。ガス出口１６から回収するためには、ガス化容器１２のフリーボード領域６８へガス状生成物を誘導する必要がある。飛沫同伴微粒子をガス化領域３２へ再沈降させるフリーボード領域６８においてはガス速度は小さいものである。このような構成により、ガス状生成物における微粒子含有量は小さいものとなる。
パルス弁５０及び酸化剤入口２０と係合する空気砲を使用することにより、供給原料物質床内において攪拌が生じ安定な透過性を維持することができる。ベンチュリ管３５が形成する再循環流により、ガス化容器１２内の最高温領域における滞留時間が長くなるので、揮発物質内の微粒子が供給原料物質床で濾過されるようになる。この方法により、飛沫同伴微粒子を供給原料物質床を介して連続的に回収することができるので、結果として、微粒子の少ないガス状生成物を得ることができる。化学的洗浄化合物等の化学反応物を使用する場合は、該再循環流により、該反応物が高温の燃焼ガスと接触するための滞留時間が増大し、その結果、ＳＯｘ化合物が除去されるか、又は、所望の化学反応を生じさせることが可能となるものである。ガス化容器内で化学的洗浄化合物を使用することにより、ガス化装置ダウンストリームでの化学的洗浄が不要となる。
パルス弁５０を同期方式又は非同期方式で操作することにより、供給原料物質床を攪拌する正弦波形状を与えることができる。前述の如く、パルス周波数は、弁速度に応じて２０Ｈｚ乃至３ＫＨｚの範囲に設定することができる。パルス振幅は、典型的操作圧１ｐｓｉ乃至数百ｐｓｉでガス圧を変更することにより、変化させることが可能である。酸化剤の導入及び再循環流の速度を変更することによりガス化工程を制御することが可能となり、様々に異なる供給原料物質を使用することが可能となる。
ガス化容器１２は、有機物による大抵のスラッギングが発生する温度以下で操作することが可能である。ガス化領域における典型的な操作温度は、約３５０°Ｆ乃至２１５０°Ｆ（１８０℃乃至１１８０℃）である。ガス流中の凝縮性物質は蒸気化物質として取り出すことができ、その場合、潜熱の減少がこれら物質の抽出を可能にするものである。ガス化装置の操作温度は、流出流における凝縮性物質の割合及び非凝縮性気体燃料の生成を決定するものである。
灰の炭素含有量を５重量％以下とするためには、ガス状酸化剤を入口２２を介して灰回収領域へ導入することが好ましい。また、所望によりカーボンブラック等の炭素含有量の大きな灰を生成させるために、酸化剤入口２２を遮断することも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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