(57)【要約】  炭素質材料の存在下で、溶融液体または液体スラグから主にＨ２、ＣＯおよび粒状固体物を連続的に生成することを容易にするための、ガス化炉の設計およびプロセス方法に対する改善。  炉の長い水平反応室空間において、ＣおよびＨ２Ｏの存在下で実施される、溶融液体を急冷し、急冷後の高温粒状固体物を冷却する方法である。連続的にガスで冷却される粒状固体物の移動する層が、水平反応室から移動床およびその部品への熱伝導の可能性を大幅に減少させ、急冷後の高温固体粒状物と移動床との間の直接接触を防止することによって、下方の移動床を保護する。複数のガス通路を有するこのような移動床は、外部の供給源からガスを受け取り、全てのガス通路を通って通過するようにガスを均等に分散するプレナムの上方に配置される。【選択図】図１
2020537111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平炉の基部であって、前記基部は運転中に、
ａ）前記炉の一端から連続的に導入される粒状固体材料の移動する層により覆われ、
ｂ）下方からアップドラフトとして受け取られるガスを通過させ、前記移動床の上方にその長さおよび幅にわたって、および、その結果として前記粒状固体材料の移動される層全体に通す複数のガス通路を有する前記移動床の上方に層を形成し、
ｃ）前記移動床は、前記炉の外部から前記ガスを受け取り、前記ガス通路全ての下方に前記ガスを均等に分配するプレナムの上方に配置され、
ｄ）前記プレナムは、前記炉の外部の供給源からガスを受け取るための少なくとも１つの開口部を有し、
ｅ）前記粒状固体材料の前記移動する層は、（ａ）でのように前記炉に導入された前記一端とは反対側の前記炉の他端から連続的に除去される、基部。
【請求項２】
（０１）液体スラグまたは溶融液体を受け取るための少なくとも１つの開口部（０１ａ）と、
（０２）前記受け取られた液体スラグまたは溶融液体を複数のより細い流れ（０２ａ）に分割し、それらを重力によって落下させるための、受け取られる液体スラグまたは溶融液体流の少なくとも１つの分割器と、
（０３）前記落下物（０２ａ）に冷却剤を噴霧し、同時に（０２ａ）を細片化し、（０２ａ）を急冷し、および、（０２ａ）を高温粒状物（０２ｂ）に凝固させるために配置された少なくとも１つの噴霧部材（０３ａ）と、
（０４）前記炉内に受け取られた時、ほぼ周囲温度で維持される前記粒状固体スラグまたは他の任意の粒状固体材料（０４ａ）を受け取るための少なくとも１つの開口部と、
（０５）（０４ａ）以外の固体材料（０５ａ）を受け取るための少なくとも１つの開口部と、
（０６）気体、液体および粉末の微粒子（０６ａ）を受け取るための少なくとも１つの開口部と、
（０７）前記炉内で形成されたガス（０７ａ）を排出するための少なくとも１つの開口部と、
（０８）前記炉内で形成された固体（０８ａ）を排出するための少なくとも１つの開口部とを備え、（０１）、（０２）、（０３）、（０４）、（０５）、（０６）、（０７）および（０８）はさらに、
ｉ．複数のガス通路を有する前記可動床を（０８ａ）の方向に前方に移動させ、
ｉｉ．複数のガス通路を有する前記移動床の幅にわたって（０４ａ）を均一に広げ、
ｉｉｉ．任意選択として、（０５ａ）を（０４ａ）の上方にその幅にわたって均一に広げ、
ｉｖ．外部の供給源からプレナムにガスを注入し、
ｖ．（０２ｂ）を（０４ａ）または（０５ａ）の幅にわたって均一に落下させるような方法で、（０３ａ）を介して冷却剤を噴霧し、前記液体スラグまたは溶融液体を受け取り、および、前記冷却剤噴霧を（０２ａ）に向け、
ｖｉ．任意選択で、（０６ａ）を注入し、
ｖｉｉ．（０７ａ）から前記炉内で形成されたガスを受け取り、および、
ｖｉｉｉ．（０８ａ）から、（０４ａ）と（０２ｂ）の混合物、および、（０５ａ）と（０６ａ）が前記炉内に導入されていた場合には、（０５ａ）および（０６ａ）のその他の残留する残渣を受け取る、方法およびステップを有する、請求項１に記載の炉。
【請求項３】
少なくとも１つのプラズマ電極および熱送出トーチをさらに備える、請求項１に記載のまたは請求項１および請求項２に記載の炉。
【請求項４】
少なくとも１つの液体スラグまたは溶融液体貯蔵槽に連結される、請求項１および請求項２に記載の炉。
【請求項５】
触媒材料を受け取るための少なくとも１つの開口部と、前記受け取られた触媒材料を排出するための少なくとも１つの開口部とをさらに備える、請求項１に記載のまたは請求項１および請求項２に記載の炉。
【請求項６】
前記基部は運転中に、
ａ）複数のガス通路を有する移動床の上に広げられた炭素質材料の移動する層、または、前記炉の一方の側から連続的に導入される粒状固体材料の移動する層の上に連続的に導入され広げられる炭素質材料の層により覆われ、
ｂ）上方からダウンドラフトとして受け取られるガスを通過させ、前記移動床の下方にその長さおよび幅にわたって、および、その結果として前記炭素質材料の移動される層全体、または、前記粒状固体材料の層上の前記炭素質材料の層を通す複数のガス通路を有する前記移動床の上方に層を形成し、
ｃ）前記移動床は、上方から前記ガス通路を介してガスを受け取るプレナムの上方に配置され、
ｄ）前記プレナムは、前記プレナム内にガスを吸引し、前記ガスを前記炉の外に送出するための機械的な送風機に連結された少なくとも１つの出口開口部を有し、
ｅ）前記炭素質材料の移動する層、または、前記粒状固体材料の層上の前記炭素質材料の層は、（ａ）でのように前記炉に導入された一端とは反対側の前記炉の他端から除去される、請求項１に記載の水平炉の基部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉の溶融スラグ急冷反応室になされた一連の改良および溶融スラグの連続的な急冷を容易にするシステムに関し、このような炉の反応室に採用されるプロセス方法および作動ステップは、総称して好ましい実施形態と呼ばれる。
【０００２】
もし再生可能な供給源からＨ２およびＣＯが生成されるならば、無数の経済的および環境的利益が報告されている。電力および鉄鋼業界では、さもなければ廃棄される溶融スラグに含まれる膨大な熱エネルギーを利用して、Ｈ２およびＣＯ燃料を再生可能に生成するための革新、研究および開発を求める世界的な流れがある。しかしながら、溶融スラグに含まれる潜在的な熱エネルギーを完全に解放し、このような目的のために効率的に使用するには、技術的な課題が残されている。
【背景技術】
【０００３】
反応室で溶融スラグを急冷することから、炭素質材料および水（Ｈ２Ｏ液体または気体）などの反応物を水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）に熱化学変換する目的は、従来技術７である。必要な熱を提供し、このような熱化学反応を開始させるための触媒として作用する溶融スラグは、確立された知識である。特に溶鋼および溶鋼スラグに含まれ、水蒸気（Ｈ２Ｏ気体）から酸素を吸収しＨ２のみを生じさせる鉄（Ｆｅ）を使用してＨ２を生成することは、従来技術６である。特に（Ｆｅ）をふくむ溶融スラグの急冷中の酸水素爆発を防ぐことは、従来技術である８。炭素質材料および溶融スラグの存在下で二酸化炭素（ＣＯ２）をＣＯに還元することは、従来技術である７。溶融スラグの存在下で炭化水素、例えばメタン（ＣＨ４）をＨ２、ＣＯおよびＣに熱分解することは、従来技術である７。水性ガスシフト（ＷＧＳ）を必要とすることなく、熱化学的に形成された生成ガス中のより高いＨ２濃度を達成するために、反応物およびそれらの各質量入力を変更することは、先行技術である２。溶融スラグの存在下で生成されたＣＯをその後、水性ガスシフト（ＷＧＳ）プロセスでＨ２およびＣＯ２に変換することは、確立された知識である。支持補助方法および装置、例えば、ＣＯ２、ＣＯおよび他のガスからのＨ２の膜、圧力スイング吸着およびアミン溶液分離は、確立された知識である。溶融スラグを急冷することから熱エネルギー（顕熱）を回収することは、従来技術７である。特に溶鋼スラグを急冷することから粒状肥料スラグを生成し、それに含まれるリン、ケイ酸塩、カルシウムを土壌調整におよび肥料として利用することは、従来技術９である。高温メタン脱炭（ＭＤＣ）は、水蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）プロセスよりもプロセス効率が高く、ＣＯ２を生成しない。補助方法および装置により支持される様々な従来技術の反応室設計、プロセス方法および作動ステップが、バッチ式プロセスまたは連続式プロセスにおいて、溶融スラグからの熱を使用してまたは使用せずにこのような目的を達成するために採用されてきた。
【０００４】
ＭｃＬｅａｎらによる米国特許第７９１４７６５号は、複数の反応室において、溶融鉄の水蒸気酸化から（溶融スラグからではない）最終的に形成される生成ガス中により高濃度の水素を連続的に生成することに関する。このような各炉室は、別々の反応を行うように配設されるが、連続式プロセスのための１つのユニットとして動作するように接続されている。Ｙ．Ｓｕｎらによる、２０１５年のＥｎｅｒｇｉｅｓ誌に掲載された記事には、溶融スラグを急冷することから、Ｈ２、ＣＯ、粒状スラグを生成し、熱エネルギーを回収するためのいくつかの従来技術の反応室、方法およびステップが要約されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＩＢ２０１８／０５７７８２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Experimental analysis of direct thermal methane cracking, 2011,  A Abanades "Methane decarburation (MDC) is more energy effective than Steam Methane Reforming (SMR) and do not produce CO2"
【非特許文献２】A steam process for coal gasification, 1979, S.L.Soo et al, R.T.Gibbs et al, "A high percentage of can be produced in the product gas without the need for shift conversion"
【非特許文献３】US20040265651, 2004, Meyer Steinberg et al, "In the method of the invention, five technologies, known in the art, are combined in a single integrated process"
【非特許文献４】US4772775, 1988, Sam L. Leach et al, "Electrodes may initially form the arc plasma in air or other gas"
【非特許文献５】US2678956, 1950, Hasche Rudolph Leonard et al, "In high temperature thermal cracking, CH4 does more than reduce the partial pressure but also appears to function as an active agent"
【非特許文献６】US7914765, 2008, Leslie C. McLean et al, "continuously producing higher concentration of hydrogen in the finally formed product gas from the steam oxidation of molten iron (not from the molten slag) in multiple reactor chambers"
【非特許文献７】Heat recovery from high temperature slags, Energies 2015, Y. Sun et al.
【非特許文献８】US6196479, 1999, Alfred Edlinger et al, "Method and device for granulating and comminution of liquid slags and preventing oxyhydrogen explosion during quenching metal bearing molten slag with water"
【非特許文献９】US3298822, 1967, William J Arvay et al, "Method of making slag-based soil treatment composition comprising plant available phosphorus values"
【非特許文献１０】https://en.wikipedia.org/wiki/Ellingham diagram
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
関連する先行技術および確立された知識から学ぶに、溶融スラグを急冷するために使用される炉の反応室の運転効率および熱回収効率を改善する余地がある。反応室において、あらゆる種類の炭素質材料および触媒材料を使用して、利用可能な反応物材料の様々な組み合わせおよび様々な組成で作動するために、運転安全性および柔軟性を改善する余地がある。生成ガス流中のＨ２およびＣＯの濃度を最大化し、その出力の一貫性を維持することが不可欠である。炭素質廃棄物、低品位炭およびフラックス材料を最適に利用する必要性がある。このプロセスは、反応室内での溶融スラグの連続急冷を容易にすることにより連続的であるべきであり、工業規模の生産を実現可能となるべきである。この方法は、粒状スラグ、より詳細には多孔質スラグ粒状物から生成された粒状スラグ肥料の品質を改善することによって、より持続可能となり得る。このような粒状スラグ肥料は、窒素、リン、カリウム（ＮＰＫ）組成および市場により要求され好まれる他の支持ミネラルを含むであろう。このような品質のＨ２、ＣＯおよび粒状スラグまたは粒状スラグ肥料を生成し、熱エネルギー回収を最大にすることは、溶融スラグを急冷するプロセスの持続性および価値を向上させるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
好ましい実施形態の主な目的は、
【０００９】
運転、熱化学反応、プロセス管理、熱エネルギー回収の効率を改善すること、および、溶融スラグからＨ２、ＣＯおよび粒状スラグまたは粒状スラグ肥料を生成する際の運転安全性を改善することと、
【００１０】
好ましい実施形態の反応室内において、溶融スラグを急冷することから、および、その後、急冷後の高温粒状固体スラグを冷却することから熱エネルギーを回収することと、
【００１１】
利用可能な反応剤、炭素質、フラックスおよび触媒材料の様々な組み合わせおよび様々な組成を反応室に導入するための柔軟性を提供すること、および、すべての投入物からＨ２およびＣＯの最適可能な品質および量の生成を達成することと、
【００１２】
好ましい実施形態における３つの主な段階の熱化学反応、例えば、溶融スラグの破片と反応急冷剤との間の熱化学反応という第１段階、急冷後の高温粒状固体スラグと反応ガスとの間の熱化学反応という第２段階、および第１段階および第２段階の熱化学反応中に生成される各ガス間の熱化学反応という第３段階を促進することと、ここで、反応室内で約８００℃の温度で起こされる３つの主な段階の熱化学反応の目的は、生成されたガス流中のＨ２またはＣＯのより高い濃度を達成することであり、第３段階の熱化学反応の後、生成されたガス流はさらに、出ているガス流を触媒もしくはフラックスもしくは炭素質材料に、またはフラックスおよび炭素質材料の混合物に曝すことにより、反応室内でより低い温度（＜８００℃）の熱化学反応を受けてもよい。これにより、意図されたＨ２：ＣＯ比率を達成し、または最終的に形成された生成ガス中のＨ２またはＣＯのいずれかまたはそれらの混合物の最大可能濃度を達成すると同時に、この目的のための溶融スラグからの正味の熱エネルギー回収を最大化し、
【００１３】
反応室中の溶融スラグの連続的な急冷を容易にすることから、Ｈ２、ＣＯ、粒状スラグの連続的な生成、および熱エネルギーの回収を容易にすることと、
【００１４】
反応室内部を外気の影響から保護し、溶融スラグを急冷することからＨ２およびＣＯを生成する際の反応室内の望ましくない空気汚染を防止することと、
【００１５】
反応室の可動床およびそのような可動床の下方にある部品を、反応室内の放射、対流および伝導により生じる熱から保護することと、ここで、これは、反応室の動作効率および有用性を改善し、並びに、溶融スラグの急冷からＨ２およびＣＯを生成する際の動作上の安全性全般を改善するためであり、
【００１６】
外部で浄化され冷却された工業煙道排気を反応ガスとして使用し、このような工業煙道排気に含まれるＣＯ２、Ｏ２および水蒸気の形で存在する少量のＨ２ＯをＨ２およびＣＯ燃料に変換し、それにより、工業煙道排気からＣＯ２を隔離することと、
【００１７】
任意選択で、反応ガスとして空気を使用し、空気に含まれるＣＯ２、Ｏ２および水蒸気の形で存在する少量のＨ２ＯをＨ２およびＣＯ燃料に変換することと、
【００１８】
任意選択で、貯蔵槽中の溶融スラグを処理し、その鉱物組成を変えて、熱化学反応を促進し、必要な鉱物組成の粒状スラグ肥料を生成することである。
【００１９】
好ましい実施形態の設定は、全ての投入物間の表面積界面を増加させ、反応物が反応室内で反応する滞留時間を増加させ、溶融スラグに含まれる熱エネルギーを解放する効率を改善し、解放された熱エネルギーを回収する効率を改善し、種々の反応物および触媒材料を使用することから、そのような回収された熱エネルギーを使用してＨ２およびＣＯを生成する効率を改善する。このような反応物は、反応室中の強熱および還元雰囲気条件下で熱化学反応を開始させてＨ２およびＣＯを生成させる水、炭素質およびフラックス材料、ＣＯ２およびＯ２である。このような反応物は、気体、液体および粉末固体の形またはそれらの混合物として反応室に導入される。粒状炭素質材料およびフラックスもまた、反応室に導入することができる。触媒材料は、ペレットの形で導入され得る。
【００２０】
好ましい実施形態は、反応室内での溶融スラグの連続的な急冷に起因する、Ｈ２、ＣＯ、粒状スラグまたは粒状肥料スラグの連続的な生成および熱エネルギーの回収を容易にする。
【００２１】
好ましい実施形態は、
【００２２】
外部の空気が反応室に不当に入るのを防止し、反応室内部から気体が指定された出口開口部を通って排出されるのを可能にするために設けられた炉の入口開口部および出口開口部を介して、固体、液体および気体材料を反応室に供給し、および、気体および固体材料を除去することを可能にし、
【００２３】
反応室へのすべての投入物の流れ、容積および質量を様々に変更することを可能にし、
【００２４】
反応物の様々な組成をとれる柔軟性を有し、
【００２５】
高温の固体材料の混合物を反応室から除去する出口に向かって、固体材料を前方に移動させるスピードを調節可能である。
【００２６】
好ましい実施形態は、溶融スラグの急冷および急冷後の高温粒状スラグをその後冷却することから、熱エネルギーの効率的な回収をもたらす。回収された熱エネルギーは、吸熱性熱化学反応を開始し、支持する。残りの回収されたエネルギーは、主としてＨ２、ＣＯを有する、最終的に形成された高温生成ガス流に含まれる顕熱および反応室から排出される高温固体材料の混合物中の顕熱の形で存在する。
【００２７】
好ましい実施形態では、溶融スラグが細片化される時、溶融スラグと反応物との間の表面積界面は大きくなり、このような破片は、反応室内の開放空間内で反応物の霧噴霧に曝される。
【００２８】
好ましい実施形態では、急冷後の高温粒状固体スラグの床層と、炭素質材料のまたは炭素質およびフラックス材料の混成物の床層との間の表面積界面が、可動床の長さおよび幅全体にわたって大きくなる。これは、これらの層がその幅にわたって均一に広げられること、および、そのような層のそれぞれが反応室内で前方に向かって規則的に移動することに起因する。
【００２９】
好ましい実施形態では、複数のガス注入通路を有する可動床上方の全ての物質層と、プレナム内に注入された反応ガスとの間の表面積界面が大きくなる。これは、プレナムと複数のガス注入通路を有する可動床が、プレナムに注入された反応ガスをそのような可動床の下方でその幅および長さ全体にわたって均一に分配するように設計されていることに起因する。このように均一に分配された反応ガスは、アップドラフトとして、可動床の幅および長さ全体にわたって配置された複数のガス注入通路を通り、可動床上方の固体材料の全ての層に入る。これにより、アップドラフトの反応ガス、反応物固体材料および高温固体粒状スラグの間の表面積界面が大きくなる。複数のガス注入通路を備えた可動床は、ダスト粒子が上方からプレナム内に落下するのを防止する。
【００３０】
好ましい実施形態では、反応室空間において、高温水平ドラフトガスと高温アップドラフトガスとの間に大きな表面積交差が生じる。高温水平ドラフトガスは、溶融スラグを反応物で急冷する際の第１段階の熱化学反応で生成される。高温アップドラフトガスは、可動床の幅および長さの大部分にわたって、反応ガスと、固体粒状スラグおよび炭素質材料（または、炭素質およびフラックス材料の混合物）の高温混合物層との間で生じる第２段階の熱化学反応で生成される。
【００３１】
第１および第２段階の熱化学反応中に生成された高温ガス、反応室空間で溶融スラグを急冷することから放射された熱、固体粒状スラグおよび炭素質材料（または、炭素質およびフラックス材料の混合物）の高温混合物層から放射された熱は、水平反応室内の固体粒状スラグの可動高温混合物層上方の空間を覆う、断熱壁および断熱天井内で強い熱を放射する。
【００３２】
炭素質材料の流れを制御し、熱を一定に維持することにより、非常に高温の還元雰囲気条件下にある水平反応室空間を一定に維持することができる。
【００３３】
還元雰囲気条件下で維持される強い熱放射が結合すると、反応室空間内で交差する高温水平ドラフトガスおよび高温アップドラフトガス間で第３段階の熱化学反応が開始される。
【００３４】
第３段階の熱化学反応は、第１および第２段階の熱化学反応で生成されたＨ２およびＣＯをすでに含むガス流中のＨ２およびＣＯの濃度を増加させる。
【００３５】
このように、全ての投入物から、最適生成可能な品質および量のＨ２およびＣＯを連続的に生成することが可能になる。
【００３６】
ＣＯ２、Ｏ２および水蒸気として少量のＨ２Ｏを含む、浄化され冷却された工業煙道排気が反応ガスとして使用され、プレナム内に注入される。プレナムは、複数の反応ガス注入通路を有する可動床の基部を支持する。プレナム内に注入されたより冷たい反応ガスは、均一に分配されるアップドラフト反応ガスにその後変換される。アップドラフト反応ガスは、まず、可動床の複数のガス注入通路を通過する。次に、それは、先に反応室に導入されている、外部で冷却された周囲温度の粒状スラグの層を通過する。粒状スラグの冷却層は、可動床と、炭素質材料（または、炭素質およびフラックス材料の混合物）と混合された粒状スラグの高温層との間に障壁を形成する。粒状スラグの冷却層により冷たい反応ガスをアップドラフトで注入するこの方法は、炭素質物質と混合された粒状スラグの高温層からの強い熱の放射、対流および伝導が、可動床、プレナムおよびそれらの部品に到達するのを防止する。これにより、可動床、プレナムおよびそれらの部品を熱から保護し、それらの構造上の強度、安定性、耐久性を維持し、計画外の修理およびメンテナンスの必要性を防止する。
【００３７】
粒状スラグと炭素質材料（または、炭素質およびフラックス材料の混合物）との高温層混合物、８００℃を超える強い放射熱、および反応室中に維持される還元雰囲気は、反応室空間中に存在するＣＯ２、Ｏ２、およびＨ２Ｏの大部分または全てをＨ２およびＣＯ燃料に変換する。
【００３８】
工業煙道排気中の汚染物質は、このような煙道排気をプレナムに注入する前に、外部で浄化および冷却して除去される。また、このような煙道排気に存在するＣＯ２は抑制される。従って、好ましい実施形態のシステムおよび方法は、そのような煙道排気の発生源となる工業プロセスでほぼ「ゼロ汚染」を実現するものと考えられる。
【００３９】
同様に、周囲空気もまた反応ガスとして使用され、ＣＯ２、Ｏ２、および空気中に水蒸気の形で存在する少量のＨ２Ｏを、Ｈ２およびＣＯ燃料に変換する。
【００４０】
好ましい実施形態では、方法およびステップは、溶融スラグの破片を急速に急冷し、その後、急冷後の高温粒状スラグを徐々に冷却する。破片を急速に急冷すると、多孔質の高温粒状スラグを生成することができる。多孔質高温粒状スラグは、触媒として作用すると理解される。これにより、炭素質物質、フラックスおよびアップドラフト反応ガスとの相互作用によって引き起こされる第２および第３段階中の熱化学反応を改善する。多孔質高温粒状スラグ層の表面は、触媒の床基部のように作用し、反応室空間内での交差する高温水平ドラフトガスと高温アップドラフトガスとの間の第３段階の熱化学反応を改善できる。急冷後の高温固体多孔質スラグ造粒物を徐冷することは、多孔性を維持または改善する。
【００４１】
その後周囲温度まで冷却された後の多孔質粒状スラグは、粉砕が容易で経済的であり、粒状スラグ肥料として使用される場合、土壌および作物の生育状態を改善する。
【００４２】
溶融スラグを貯蔵、処理してその鉱物組成を変更することにより、必要とされる鉱物組成を有する粒状スラグ肥料を生成できる。
【００４３】
溶融スラグを貯蔵して連続的な急冷を容易にし、かつ、急冷前の処理を容易にするために、溶融スラグ貯蔵槽は好ましい実施形態の炉の外部に配置され、貯蔵槽の出口が炉の反応室の入口に接続される。
【００４４】
スラギング炉で生成および廃棄される溶融スラグは通常、溶融スラグを運ぶホットポットに入れて断続的に搬送され、そのような貯蔵槽に流し込まれる。これにより、ホットポットで少量ずつ断続的に供給される溶融スラグを大量に貯蔵することが容易になる。このように貯蔵された溶融スラグを連続的に反応室に導入して、その連続的な急冷を容易にし、Ｈ２、ＣＯおよび粒状スラグまたは粒状スラグ肥料を連続的に生成することができる。また、これは工業煙道排気中に存在するＣＯ２の連続的な抑制を容易にする。
【００４５】
熱化学反応は、第３段階の熱化学反応後のガス流を触媒ペレットまたはフラックスまたは炭素質材料または炭素質材料とフラックスとの混合物に曝すことによってさらに改善することができる。このような材料は、連続的または断続的に反応室に導入され、反応室から除去することができる。
【００４６】
熱化学反応は、反応室空間において、プラズマ作用電極または熱送出トーチまたは類似の手段を使用することによって改善できる。
【００４７】
好ましい実施形態の工業的設置は、スラグピットに取って代わり、溶融スラグを生成するブラスト炉、酸素転炉、電気アーク炉、同伴流ガス化装置などのスラギング炉から溶融スラグを受け取る。これは、鉄鋼プラント、溶融スラグを生成する石炭燃焼ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ）、および溶融スラグを生成するその他のいずれの種類の産業など、溶融金属加工産業に利益をもたらすであろう。
【００４８】
好ましい実施形態の反応室の規模を拡大して、要求される生成量を達成するには、特に水平炉の長さとそれに対応する反応室空間の長さを延長することにより可能である。このようなユニットを複数接続して、１つのユニットとして動作させることができる。
【００４９】
溶融スラグの破片の急冷に使用される反応急冷剤の組成およびアップドラフトとして使用される反応ガスの組成には、浄化され冷却された：工業プラント燃焼プロセスの煙道排気；水素を生成する水性ガスシフトプロセスの排気；合成ガスを生成するメタン改質装置の排気などを含むことができる。従って、好ましい実施形態は、海底または海洋底下における二酸化炭素回収貯留（ＣＣＳ）システムおよび方法よりも実行可能性および許容可能性が高く、より有用であると考えられる。
【００５０】
鋼鉄プラントまたはＩＧＣＣ発電プラントなどのいずれかの溶融スラグ生成プラントをシェールガス生成サイトと組み合わせて統合する場合、大きな省力および環境上の利益をもたらす好ましい実施形態において、原シェールガスを、主にＨ２およびＣＯから成る精製合成ガスに直接変換できる。同様に、石油化学産業と組み合わせることによって、大きな省力および環境上の利益をもたらす好ましい実施形態において、通常、石油化学産業のスタック出口で燃焼される低品位化石燃料を精製合成ガスに直接変換できる。
【００５１】
全てのシナリオにおいて、汚染された廃油、都市廃棄物、スラッジなどの炭素質材料を価値のあるＨ２およびＣＯ燃料に変換できる可能性がある。従って、そのような廃棄物の処分に関連する環境問題およびコストを解決することができる。また、そのような廃棄物や低品位炭を燃やしてエネルギーを発生させることから生じる環境へのダメージも防止される。より安価で大量に入手可能な廃棄物および低品位炭をガス化しクリーンな発電を行うことは、発電コストを大幅に削減することになる。ＣＯ２を抑制することにより、炭素質材料の燃焼からの排出がカーボンニュートラルより優れた、または少なくともカーボンニュートラルな排出となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】好ましい実施形態の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図１は、好ましい実施形態の概略断面図であり、この好ましい実施形態は、複数の反応ガス注入通路が配置された可動床（本明細書では、可動床（００３）と呼ぶ）、断熱天井（００４）および断熱壁（００５）により基部内で内側の大部分を囲まれた水平反応室空間（００２）を有する水平炉（００１）を備え、この水平炉（００１）は、
【００５４】
可動床を下方から支持し、外部で浄化され冷却された工業煙道排気（０１６）または空気（０１６ａ）またはそれらの組合せ（０１６ｂ）を入口（００７ｋ）を介して反応室空間に注入するためのプレナム（００６）と、
【００５５】
プレナム入口（００７ｋ）以外の炉内の入口および出口から外部の空気が反応室に入るのを防止する手段（００７）と、
【００５６】
外部で冷却された自然放熱する粒状固体スラグ（本明細書では、冷却スラグ（００８）と呼ぶ）または他の同様の種類の材料の層を反応室内に導入し、可動床の幅にわたって広げるための入口（００７ａ）と、
【００５７】
炭素質材料（００９）または炭素質材料とフラックス材料との混合物（００９ａ）の層を反応室に導入し、冷却スラグ層の上にその幅にわたって広げるための入口（００７ｂ）と、
【００５８】
反応物（０１１）を反応室に導入し、反応物を噴霧する（０１０）ための入口（００７ｃ）と、
【００５９】
溶融スラグ（０１２）を反応室空間に導入するための入口（００７d）、および、溶融スラグ流をより小さな流れに分割し、降下する小流に反応物を噴霧して溶融スラグのより小さな流れを細片化する（０１３）手段と、
【００６０】
可動床の後段に配置された、高温固体材料の混合物（０１３）を反応室から除去するための出口（００７ｅ）と、
【００６１】
生成された高温ガス流（０１４）を反応室から除去するための出口（００７ｍ）とを有し、ここで、主にＨ２、ＣＯ （０１４ａ）を含む高温ガス流（０１４）と、主に粒状スラグ（００８ａ、０１７b）を含む固体材料の高温混合物（０１３）とを生成する方法およびステップは、
【００６２】
可動床のスイッチを入れて出口（００７ｅ）に向かって前進させ、高温固体材料の混合物（０１３）を除去することと、
【００６３】
反応ガス（０１６、０１６ａ、０１６ｂ）を入口（００７ｋ）を介してプレナムに注入することと、
【００６４】
冷却粒状スラグを反応器に導入し、このような冷却粒状スラグの層（００８ａ）が可動床の幅および長さを覆い、出口（００７ｅ）を介して反応室から排出され始めるまで継続することと、
【００６５】
炭素質材料（００９）または炭素質およびフラックス材料の混合物（００９ａ）を、このような層（００９ｂ）が冷却スラグ層（００８ａ）の幅および長さを覆い、出口（００７ｅ）から反応室を出始めるまで反応室に導入することと、
【００６６】
反応物と溶融スラグを同時に反応室に導入し、反応室空間内で、受け取られた溶融スラグを複数のより細い流れに分割し、このより細い流れを重力で落下させながら、落下するより細い流れに反応物（０１０）を噴霧し、より細い流れの溶融スラグ（０１７ａ）を細片化して、高温粒状固体スラグ（０１７ｂ）を生成することと、
【００６７】
主にＨ２とＣＯ（０１４ａ）を含む生成された高温ガス流（０１４）と、主に冷却スラグ（００８ａ）の層、高温粒状固体スラグ（０１７ｂ）の層、および、炭素質材料（００９ａ）の層または混合された炭素質およびフラックス材料（００９ｂ）の層から形成された残渣の層とを含む固体材料の高温混合物を受け取り、さらに下流の処理に供することとを有する。
【００６８】
反応室の溶融スラグ入口（００７ｄ）は、外部に配置された溶融スラグ貯蔵槽（０１９）の出口（０１８）に接続されている。
【００６９】
溶融スラグ入口（００７ｄ）の後段には、気体または液体または粉末固体炭素質材料またはそれらの混合物（００９ａ、００９ｂ、００９ｃ、００９ｄ）を導入するための入口（００７ｆ）がある。反応室の入口（００７ｄ）と出口（００７ｅ）の間の部分は、全ての熱化学反応が起こる反応室空間（００２）とする。
【００７０】
第１、第２および第３段階の熱化学反応は、反応室空間（００２）全体にわたって８００℃を超えた温度で起こる。これはＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応とＥｌｌｉｎｇｈａｍ図１０に基づく。これは、二酸化炭素（ＣＯ２）の生成自由エネルギーは温度にほとんど依存しないが、一酸化炭素（ＣＯ）の生成自由エネルギーは負の傾きを有し、７００℃付近でＣＯ２線と交わると述べる。Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応によれば、一酸化炭素はより高い温度（約７００℃以上）での炭素の主な酸化物であり、温度が高い（７００℃以上）ほど、還元体（還元剤）炭素はより効果的である。１０
【００７１】
反応室空間出口（００７ｅ）の後段には、触媒ペレットまたはフラックスまたは炭素質材料または炭素質およびフラックス材料の混入物を反応室部に導入するための入口（００７ｇ）とそこから除去するための出口（００７ｈ）が配置されている。この目的は、第３段階の熱化学反応後に生成された高温ガスを、触媒ペレットまたはフラックスまたは炭素質材料または炭素質およびフラックス材料の混合物に曝すことである。これにより、要求されるＨ２：ＣＯ比でＨ２またはＣＯまたはこれらの混合物のいずれかの最大可能濃度を有する高温ガス流を全ての投入物から生成することができる。これは、例えば水性ガスシフトプロセスでのように、８００℃未満で起こる熱化学反応に起因する。
【００７２】
反応室空間内には、熱化学反応を促進するために、プラズマ作用電極および熱送出トーチまたは類似の装置（０２０）が配置される。
【００７３】
好ましい実施形態は、生成された高温のＨ２＋ＣＯをさらに精製し、またはこのようなガス流に含まれる残りの高温ＣＯ２をＣＯに転換することができる。このため、高温ガスは、複数のガス通路を有する移動床によって移動される固体粒状炭素質材料のベッドを通るダウンドラフトとして流される。あるいは、炭素質材料の層は、移動する粒状固体材料の冷却層の上に広げられる。高温のＣＯ２ガスは炭素質材料と反応してＣＯを生成し、同時にプロセス中に冷却される。冷却されたガスは、下方のプレナムから集められ、プレナムの底部に配置された出口から炉の外側に引き出される。この場合、機械的な送風器を取り付けられた複数の出口があってもよく、そのような出口は、プレナム底部の長さおよび幅にわたって均等に分散される。この構成により、複数のガス通路を有する移動床の下部全域で、冷却されたガスを均一にプレナム内に吸入することが容易になる。
【図１】
2020537111.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月8日(2020.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平炉に導入された高温微粒化スラグまたは任意の他の高温固体材料を同時に冷却することから高温空気またはガスを生成し；前記生成された高温空気またはガスを交換してエネルギーを生成し、および、前記生成された高温空気またはガスを同時に冷却するための前記水平炉の機能的特徴は、主に、
ａ）複数の通路を有する床（００３）と；
ｂ）前記床（００３）はプレナム（００６）の上方に配置され、前記床（００３）は前記冷却された微粒化スラグの出口（００７ｅ）および前記冷却された空気またはガスの出口（００７ｍ）に向かって水平軸に沿って移動し；
ｃ）自然放熱により冷却された微粒化スラグ（００８）を前記炉の室空間（００２）に導入し、および、前記移動床（００３）の上に層を広げるための手段（００７ａ）と、
ｄ）前記導入された自然放熱により冷却された微粒化スラグ（００８）は、前記炉（００１）の内部で冷却された後の対応する高温微粒化スラグの一部であるが、さらに前記炉の（００１）の外部で周囲温度まで冷却され、浄化され、および処理され；
ｅ）前記自然放熱により冷却された微粒化スラグ（００８）以外の任意の導入された自然放熱により冷却された高温固体材料は、前記炉（００１）の内部で冷却された後の対応する高温固体材料の一部であるが、さらに前記炉の（００１）の外部で周囲温度まで冷却され、浄化され、および処理され；
ｆ）自然放熱により冷却された微粒化スラグ（００８）を導入する手段（００７ｅ）は、前記自然放熱により冷却された微粒化スラグ層（００８）の移動表面上方を落下し、および、前記自然放熱により冷却された微粒化スラグ層（００８）の前記移動表面上方に層を広げる前記落下する高温微粒化スラグ（０１７ａ）の後ろに配置され；
ｇ）手段（０１６）を介して前記プレナム（００６）に注入される前記周囲空気またはガスは、前記移動床（００３）の前記複数の通路を通って、次に前記自然放熱により冷却された微粒化スラグ（００８）の層を通って、および、次に前記冷却中の微粒化スラグ（０１７ａ）の層を通って流れて、前記冷却中の微粒化スラグ（０１７ｂ）の層をさらに冷却しおよび前記炉の室空間（００２）へ流れ込み前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）の前記移動表面上部を流れる高温空気またはガスのアップドラフト流を生成し、
ｈ）前記加熱されたアップドラフト空気またはガスは、前記炉の室空間（００２）内において、前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）の前記移動表面上方を、前記床（００３）の移動方向に前記水平軸に沿って流され、
ｉ）前記高温空気又はガスのアップドラフトは、前記水平軸に沿って流される前記高温空気又はガスと合わさり、それらの混合流は、前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）が前記床（００３）から落下して（００７ｅ）を介して前記炉（００１）から排出されるまで、前記炉室空間（００２）内を前記水平軸に沿って前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）の前記移動表面上方を流れ；
ｊ）前記生成された高温空気又はガスから熱が回収されてエネルギーを生成し、および、前記空気又はガスは、前記炉室（００２）内を前記水平軸に沿って流れる間、および、前記床（００３）が前記冷却された微粒化スラグの出口（００７ｅ）上方で終端する前記炉室空間（００２）内の地点を越えて前記冷却された空気又はガスが（００７ｍ）を介して前記炉（００１）から排出されるまでの流れの間に、同時に冷却されることを備える、機能的特徴。
【請求項２】
水平炉（００１）に導入された高温微粒化スラグまたは任意の他の高温固体材料を同時に冷却することから高温空気またはガスを生成し；前記生成された高温空気またはガスを交換してエネルギーを生成し、および、前記生成された高温空気またはガスを同時に冷却するための前記水平炉の前記機能的特徴は、さらに、
ａ）前記高温自動化スラグ（０１７ｂ）が落下する前まで、固体炭素質材料（００９）を前記炉室空間（００２）に導入し、および、前記自然放熱により冷却された微粒化スラグ層（００８）の前記移動表面上方に層を広げるための手段（００７ｂ）と；
ｂ）周囲空気またはガスは、前記手段（０１０）により、前記落下する高温微粒化スラグ（０１７ｂ）に吹き付けられて、前記落下する高温微粒化スラグ（０１７ｂ）を冷却し、および、前記吹き付けられた周囲空気またはガスを加熱し；
ｃ）前記加熱された空気またはガスは、前記炉室空間（００２）内において、前記床（００３）の前記移動方向に前記水平軸に沿って流され；
ｄ）複数のガスまたはプラズマトーチ（０２０）は、前記高温微粒化スラグが落下した後（０１７ｂ）、さらなる熱およびガスを前記炉室（００２）内において前記水平軸に沿って伝導し；
ｅ）前記複数のガスまたはプラズマトーチ（０２０）は、前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）の前記移動表面の上方に配置され；
ｆ）前記高温微粒化スラグが落下した後（０１７ｂ）、さらなる炭素質材料を前記炉室空間（００２）内において前記水平軸に沿って導入する手段（００７ｆ）と；
ｇ）さらなる炭素質材料を前記炉室空間（００２）内に導入する前記手段（００７ｆ）は、前記複数のガスまたはプラズマトーチ（０２０）の前に、かつ、前記冷却中の微粒化スラグ層（０１７ｂ）の前記移動表面上方に配置され；
ｈ）触媒または炭素質材料を前記炉室空間（００２）に導入し、前記冷却空気またはガスの流れに逆流して移動させる手段（００７ｇ）と、前記触媒または炭素質材料を前記炉（００１）から除去するための手段（００７ｈ）とを備える、請求項１に記載の機能的特徴。
【請求項３】
前記炉室空間（００２）に溶融スラグ（０１２）の形で導入され前記炉室空間（００２）内で微粒化される高温微粒化スラグまたは任意の他の高温固体材料を同時に冷却することから高温空気またはガスを生成し；前記生成された高温空気またはガスを交換してエネルギーを生成し、および、前記生成された高温空気またはガスを同時に冷却するための前記水平炉（００１）の前記機能的特徴は、さらに、
ａ）溶融液体（０１２）を手段（００７ｄ）を介して前記炉室空間（００２）に移す溶融液体（０１２）出口（０１８）を有する溶融液体（０１２）貯蔵槽（０１９）と；
ｂ）前記受け取られた溶融液体スラグ（０１２）を微粒化し、それを前記炉室空間（００２）内に落下させるための手段（０１３）とを備える、請求項１および請求項２に記載の機能的特徴。
【国際調査報告】
2020537111.tif 000004
2020537111.tif 000005