JP2005068435A - 有機物に富む供給原料から除染合成ガスを高効率で製造する方法およびプラント - Google Patents

Abstract

【課題】有機物に富む供給原料から、高効率で、非汚染ガス、すなわちダストおよび／または酸性ガスを含まない発熱量の高い合成ガスの製造法の提供。
【解決手段】有機物に富む供給原料から発熱量の高い精製された合成ガスを製造する方法であって、ａ）前記供給原料を、固相と、非凝縮性ガスおよび重質炭化水素を含む気相または粗ガスとからなる流出物を形成する条件下で、高温分解により熱分解させる段階と、ｂ）段階ａ）からの前記流出物の成分を分離する段階と、ｃ）前記複数の相の少なくとも１つの相の少なくとも一部分を部分酸化する段階とを含むことを特徴とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機物に富む供給原料から発熱量が高い合成ガスを製造する方法およびプラントに関する。

より具体的には、本発明は、固体供給原料を炉内で分解、とりわけ高温分解（pyrolysis）または熱分解（thermolysis）して得られるガスを処理する方法およびプラントに関する。この分解により、炉の出口で、固体残留物と、タールと呼ばれる重質有機化合物を蒸気状態で含むことがある粗ガスとが生成し、かつ固体およびガス状の汚染物質が生成することがある。

熱分解または高温分解は、空気、したがって酸素の実質的不存在下で行われる熱分解作用である。これにより、中〜高発熱量の粗ガス、および炭素リッチな固体残留物が製造される。

高温分解プロセスで可燃性ガスが生成することは周知である。しかし、このガスは、かなりの割合で変換しなかった重質生成物を含み、かつ固体残留物を含んでいる。これらの生成物は、一方では含まれている汚染物質のために、他方ではその低発熱量のために品質を向上させることが困難である。

例えば、高温分解によって変換させる場合は、タールの含有量は、供給原料および操作条件にもよるが、１０〜１０００ｇ／Ｎｍ³（標準立方メートル当たりグラム）の範囲である。

こうしたプラントのエネルギー効率を上げるために、例えば、欧州特許公開Ａ２第８６４，３４９号は、熱分解操作を行った後、熱クラッキング操作を行う装置を開示している。熱クラッキングの目的は、粗ガスに含まれる重質生成物を変換させることである。

この種の装置では、クラッキングに必要な反応条件は非常に厳しく、温度は９００℃より高い。しかし、この温度は、プラントの総括エネルギー効率を低下させ、技術的に実現することには問題がある。その上、このような熱によるタール除去方法では、ダストや酸性ガスなどの、ガス中に存在しやすい汚染物質を取り除くことができない。

もちろん、これらすべての問題は、プラントの性能、ならびにそのコストに直接影響を与える。

本発明の目的は、有機物に富む供給原料から、高効率で、除染ガス、すなわちダストおよび／または酸性ガスを含まないガスを生成することである。

より厳密には、本発明の目的は、タールなどの重質生成物が無く、好ましくは酸性ガスやダストもしくは灰分などのガス状または無機質の汚染物質を含まない、品質向上可能な濃厚可燃性ガスを生成することである。こうした濃厚可燃性ガスは、例えば高効率の発電所、あるいはガスエンジンまたはガスタービンなどのプロセスで使用することができる。

最も一般的な形態では、本発明は、具体的には、有機物に富む供給原料から発熱量の高い精製された合成ガスを製造する方法であって、少なくとも
ａ）前記供給原料を、固相と、非凝縮性ガスおよび重質炭化水素を含む粗ガスからなる気相とからなる流出物を形成する条件下で、高温分解により熱分解させる段階と、
ｂ）段階ａ）からの流出物の成分を分離する段階と、
ｃ）前記複数の相の少なくとも１つの相の少なくとも一部分を部分酸化する段階とを含むことを特徴とする方法に関する。

好ましくは、段階ｃ）の前に、気相に含まれる非凝縮性ガスを回収する段階を配することができる。

有利には、本発明による方法は、段階ｃ）からの流出物の少なくとも一部を、高温分解の段階ａ）へ再循環させる段階をさらに含むことができる。

第１の実施形態によれば、段階ｃ）は、気相の前記重質炭化水素の少なくとも一部の部分酸化を含むことができる。

前の実施形態と組み合わせることができる第２の実施形態によれば、段階ｃ）は、固相の少なくとも一部の部分酸化を含むことができる。

段階ｂ）における分離は、段階ａ）からの流出物を冷却することによって行うことができる。

有利には、段階ｂ）の間に、気相に含まれる酸性ガスを、塩基性化合物で水相中に除き去ることができる。

本発明によれば、前記高温分解に必要なエネルギーの一部を、前記非凝縮性ガスの一部の燃焼によって供給することができる。

本発明は、また、供給原料を高温分解により熱分解させる手段を備えた、有機物に富む供給原料を変換するプラントであって、高温分解生成物を、少なくとも、少なくとも１種の品質向上可能なガスおよび重質炭化水素流を含む気相と、固相とに分離する手段と、前記複数の相の少なくとも１つの相の少なくとも一部を部分酸化させる手段と、前記部分酸化から得られる流出物を前記高温分解手段に再循環して供給する手段とを備えるプラントにも関する。

熱分解手段は、分離手段の少なくとも一部を含む後部区画を備えることができる。

このプラントは、分離手段からの合成ガスの燃焼によってエネルギーを生成する手段をさらに備えることができる。

本発明による方法および／またはプラントは、家庭および／または産業廃棄物、排水処理場汚泥、バイオマス、農業残留物および副産物、炭化水素汚染土壌の処理に使用することができる。

従来技術で公知の装置に対して、本発明は、多くの技術的利点、とりわけ以下の技術的利点を提供する。

−実質的なエネルギー供給を必要とすることなく、熱分解から得られる粗ガスおよび／または固体残留物の少なくとも一部または大部分を変換することができる。

−粗ガスに存在する酸性ガスのすべてまたは一部を回収することができる。

−本方法から得られる合成ガスすなわち本プラントの出口における合成ガスが、実質的に精製されているように、すなわち事実上ダストが無いように、ダストまたは灰分の大部分またはすべてを回収することができる。

−分離手段出口におけるガスは、重質生成物、ダストおよび酸性ガスが無く、追加の濾過操作を必要とせず、ガスエンジンまたはガスタービンなどの、高効率発電装置またはプロセスに直接使用することができる。

−タールは、発熱量が高い軽質ガスに変換することができ、合成ガスの使用効率は最終的には回復され、したがって、プラントのエネルギー効率は公知のプラントに対して実質的に上昇している。

有利にも、本発明による方法によって生成したガスは、処理した後には、タール、ダストおよび酸性ガスの存在のために当分野の技術者が従来遭遇した問題無しに、多くのエネルギー用途に直ちに使用することができる特徴を有する。

特に、この合成ガスは、電気または／熱を生成するために、圧縮してガスエンジンまたはガスタービンに使用することができる。この合成ガスはまた、熱発生手段と連結したバーナーで燃焼させることもでき、あるいは燃料を含めた各種の化合物の化学反応による合成、例えば通常フィッシャー−トロプシュ合成と呼ばれるプロセスによる合成に使用することもできる。

本発明の他の特徴、利点および詳細は、添付した図面を参照しつつ、本発明を限定するものではない実施例として示されている、以下の説明を読めば明らかとなろう。

図１は、本発明の第１の実施形態を実施するための手段を示す概略図である。以下の記述は、熱分解による熱的分解法を用いたフローシートを説明する。

前記の熱分解を行うためには、様々な大きさと組成からなる供給原料を処理する適性を持っていることから、炉１としては好ましくは回転炉が使用される。回転炉は柔軟性があるので、バイオマスなどの主供給原料と共に、家庭廃棄物、一般産業廃棄物、農業廃棄物または排水処理場汚泥などの、有機物を含有する固体供給原料の混合物もこれに供給することができる。

もちろん、本発明はこの装置に限定されることはなく、熱分解を行うことができるその他どんな手段も使用することができる。

熱分解に先立って、粗供給原料を処理することが必要なことがある。この前処理段階は、供給原料の性質（例えば、その組成、粒径、水分）に左右され、粗粉砕、乾燥などの通常の技術が使用される。この前処理段階は必須ではないが、その目的は、回転炉１の入口における要求条件を満足する供給原料を得るためである。

この必須ではない前処理段階に続いて、その後、供給原料は、管路１６ならびに必須ではないが外部に対して炉を確実にシールすることができ、これにより空気が炉に流入することを防止する装置（図示せず）を用いて、間接加熱の回転炉１に導入される。こうしたシールができる装置としては、アルキメデスのねじポンプや供給原料を圧縮塊にして供給するシステムが挙げられる。

ここで熱分解に使用する回転炉は、これを加熱するための環状チャンバ２が囲繞した回転式密閉容器を備える。

本発明の範囲を逸脱することなく、走行火格子または振動台システムなどの熱分解手段、あるいは間接加熱を備えた任意の既知の等価な手段も設けることができる。

回転式密閉容器１中を進行するにつれて、熱の作用下で、供給原料はその残存水分が次第に除去され、次いで熱分解を受けて気相（粗ガス）および炭素含有固体残留物（コークス）が生成する。

熱分解から得られる供給原料とガスは、図１に示した実施形態において、炉内を並流で循環する。この操作は、３００℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜７００℃の温度範囲で、ほとんどの場合大気圧またはその付近の圧力で行われる。炉内での供給原料の滞在時間は、有機物が完全に分解することができるのに十分な長さとする。この滞在時間は、通常３０〜１８０分、より厳密には４５〜９０分の範囲である。

熱分解炉の後部は、炉からの排出物を受け入れて粗ガスと固体残留物に分離しこれを排出するように、公知技術によって設計された区画３に接続している。図１に示した実施形態によれば、次いで炭素含有固体残留物は、管路４を通って貯蔵または処理装置（図１には図示せず）へ送られる。この炭素含有固体残留物は、外部に対してシールを行う装置（図示せず）、例えば回転弁、ギロチン弁コッタまたはこの操作を行うことができる任意のその他の等価な装置によって排出される。

炉１は、電気的に、および／または図１に示すように環状チャンバ２内の熱ガス循環によって、あるいはこのチャンバ２内に配置したバーナーと任意の種類の燃料によって、あるいは当分野の技術者に公知の任意の加熱手段によって加熱することができる。

炉１から来る粗ガスまたは高温分解ガス、および有機物に富む供給原料の分解から得られるものは、本実施形態の実施例によれば、３００℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜７００℃の温度範囲である。これらの粗ガスは、ほとんどの場合、供給原料の乾燥および高温分解から得られる蒸気と、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、ＮＨ₃、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ_x、またはＣ₃Ｈ_yなどの室温で非凝縮性の品質向上可能なガスと、本明細書では重質炭化水素と呼ぶ、少なくとも４個の炭素原子を含むより重質の炭化水素の蒸気との混合物を含む。供給原料の初期の性質によっては、これらのガスは、ＨＣｌやＨ₂Ｓなどの酸性ガスならびに懸濁粒子も含むことがある。

粗ガスは、分離区画３から管路１２を通って、粗ガスをその各種成分に分離するための帯域５へ排出される。

この分離は、有利には、粗ガスを重質炭化水素が凝縮できる温度まで単に冷却することによって行うことができる。冷却をもたらす熱交換は、水または循環油などの流体との間接熱交換または直接熱交換によって実施できる。例えば、ガスは、５０℃〜３００℃、好ましくは１００℃〜２００℃の範囲の最終温度まで急速に冷却することができる。

本発明の範囲を逸脱することなく、冷却温度を、水の蒸発温度より低くすることも、あるいは高くすることもできる。この第２のケースでは、粗ガスに含まれる水は、最終的に得られる精製合成ガスと一緒に排出される。この第１のケースでは、この水は、冷却後に得られる液体流出物に含まれる。

粗ガスがまた、余りにも多いと思われる量のＨＣｌやＨ₂Ｓなどの酸性ガスを、特に特定の環境基準内で含んでいる場合は、ＮａＯＨソーダなどの塩基性化合物を供給する手段１４を帯域５に備えることができる。この場合は、酸性ガスは、処理した水性液相が運んでゆく。

経済的には、帯域５における前記の凝縮から得られる水性液相の各種成分の分離は、タールを含む炭化水素相と、酸性化合物を含み得る水相との単純なデカンテーションによって行うことができる。前記の分離はまた、事前デカンテーションを行った後、あるいは行わずに、１つまたは複数の蒸留塔など、他の公知の手段を用いることによっても行うことができる。

帯域５の出口において、以下のものが得られる。

−主としてＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ_xなどの大気圧で非凝縮性の軽ガスからなり、タールと酸性ガスを含まず、発熱量が高い、処理および冷却されたガス（管路１３）。

−手段６によって排出される、酸性ガスを含んだ水性液体流出物。

−管路７を通って装置８へ排出される、実質的に酸性ガスを含まない液体炭化水素相。この相は、タールを含み、かつ熱分解プロセスからの灰分とダストを含むことがある。

次いで、ダスト（灰分）およびタールを含まず発熱量の高い、管路１３からの処理および冷却ガスは、例えば、発電と連結したまたは連結していない熱エンジンまたはガスタービンでこれを使用する方法に従って、その品質を向上させることができる。蒸気および／または電気を発生させるボイラーでこれを使用することもできる。

有利には、帯域５の出口で管路１３を通って最終的に得られるガスの一部を、管路１５および燃焼チャンバ１０を経由して使用し、燃焼ガスを発生させ、このガスを、輸送手段１１を通って炉１の環状チャンバ２へ送る。もちろん、帯域５からのガスも、本発明にしたがいこのチャンバ内に配置されたバーナーに供給することができる。

装置８は、公知の技術からなる炭化水素相の部分酸化（ＰＯ_x）手段を有している。一般に、この部分酸化は、酸化性ガスの存在下、１０００℃〜２０００℃の温度範囲で行われる。この酸化性ガスは、空気、酸素または酸素濃度を高くした空気とすることができる。この段階では、高分子量であり、高芳香族性であり、酸素含有および／硫黄含有化合物を含み得るむタールを、主として１個または複数個の炭素原子を有する分子（例えば、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₂Ｈ₄）、水素、一酸化炭素および二酸化炭素を含み、合成ガスとも呼ばれるガスに変換することができる。水を、部分酸化が行われる帯域に供給して、例えば、温度を制御し、酸化反応を制御し、または最終的に得られる合成ガスの煤含有率を低下させることができる。

次いで、合成ガスは、移送手段９に配置した熱交換器１７で、ほとんどの場合５００℃〜１０００℃の範囲の温度に冷却し、次いでこれを、移送手段９を通って熱分解炉１の入口へ再循環する。こうして炉の入口またはその前で供給原料と直接接触させることにより、処理に必要なエネルギーの一部を供給する。

こうした方法により、プラントの総括熱バランスを著しく改善することができ、前記の高温分解に必要な炉の大きさをかなり小さくすることができる。もちろん、こうした因子により、従来の装置で考えられるものよりはるかに低い初期投資および運転経費で済む。

図２は、固体残留物が部分酸化装置内で処理される実施形態を示す。もちろん、同じ機能を実行する手段または実質上同じ性質の手段を示すために、この図でも同じ参照符号が用いられている。

図２に示す実施形態では、区画３からの固体残留物を、所望により洗浄帯域１８へ供給することができ、ここで、この残留物に存在する塩素塩（ＣａＣｌ₂、ＮａＣｌ、ＫＣｌなど）などの不純物を除去することができる。

帯域１８の出口で得られる、汚染物質を含む水性液相は、管路１９を通って排出され、炭素リッチな精製された固体は、手段２０を通ってこの固体の部分酸化手段を備えた装置２１へ送られる。この装置は、当分野の技術者に知られた任意の技術によって、固体供給原料の処理のために特別に構成されており、前記の精製固体に含まれる炭素含有物質を合成ガスに分解することができる。次いで、この合成ガスは、前の実施形態にならって、かつ同じ利点を持って、管路９を経由して高温加熱炉入口で供給原料と混ぜ合わせる。

図３は、図１および図２に関して上述した教示を組み合わせた本発明の実施形態を示す。ここでは、分離帯域５からの液体炭化水素相と、分離区画３からの固体残留物の両方の品質が向上する。すなわち、部分酸化手段を含む装置（それぞれ、８および２１）へ送る。これらの装置からの合成ガスを、熱分解炉１の入口へ再循環して初期供給原料と混合する前に一緒にする。

図３で示した実施形態では、部分酸化手段８および２１は、２つの別個の装置に含まれている。もちろん、経済的な理由から、かつ本発明の範囲を逸脱することなく、装置をガス状供給原料と固体供給原料とを区別しないで処理するように設計すれば、単一の装置を使用してガス相および固体残留物の部分酸化を行うことができる。

有利には、上述した本発明の方法および／またはプラントは、家庭および／または産業廃棄物、排水処理場汚泥、バイオマス、農業残留物および副産物、炭化水素汚染土壌の処理に適用することができる。

以下の実施例は、本発明による方法またはプラントの実施に関連したいくつかのメリットを例証する。
実施例１
本実施例は、図１に示したプラントの実施を例証する。

含水率１０％に乾燥したＢＩＷ（一般産業廃棄物）からなる供給原料を、初めに管路１６を通って回転炉１内に２５３８ｋｇ／時間で供給した。７００℃で熱分解を行った。供給原料の炉内での平均滞在時間は約４０分であり、充填率は約１７％、かつ炉の公称回転速度は２．５ｒｐｍであった。７８７ｋｇ／時間の炭素含有固体の固体残留物が管路４を通って得られ、６００℃で２４４１ｋｇ／時間の粗ガスが、炉１の出口で区画３における分離の後、管路１２を通って得られた。

帯域５の粗ガスの各種構成成分が、この粗ガスを間接的な熱交換により温度５５℃まで冷却することによって分離され、管路７を通って１６５ｋｇ／時間のオイル流を回収することができた。４００℃に予備加熱した空気流を加えてこれらのオイルを処理することにより、部分酸化装置８において、表１にその特徴と性質を示した合成ガスを生成することができた。

管路９を通る合成ガスは、部分酸化装置８の出口で１１５０℃であるが、回転炉１へ供給する前に、例えば、装置８の入口での空気予熱用の間接熱交換により冷却した。次いで、これを９１５℃で熱分解炉内に供給した。このようにして、管路１６から導入される供給原料の処理に必要な全エネルギーの約６％が直接接触により供給された。したがって、この操作方法を用いることにより、ＮＣＶが１４０６０ｋＪ／ｋｇである粗ガス流を、管路１２を通って２４４１ｋｇ／時間で発生させることができた。

こうして、処理帯域５から最終的に次のものが採取された。
−酸性ガスとオイル残留物を含んだ水性流出物（管路６）。その流量は５８９ｋｇ／時間であった。
−１６８７ｋｇ／時間の処理・冷却ガス（管路１３）。このガスの５９％は、燃焼チャンバ１０内で消費されて熱ガスを発生し、これは供給原料を所要の含水率（１０％）にするために高温分解で必要な全エネルギー供給量を提供する（図１の炉および乾燥機（図示せず）の環状チャンバ２への供給）。残り、すなわち処理ガスの４１％は、ガスエンジンまたはガスタービンなどの高効率発電装置またはプロセスで直接使用することができる。このガスのＮＣＶは１６６３０ｋＪ／ｋｇであり、したがって、移出可能な火力は３．２ＭＷであった。
比較例１
比較のための本例では、図１に概略を示した同じプラントを使用したが、部分酸化装置８は使用しなかった。

以下のものが処理帯域５から得られた。
−酸性ガスとオイル残留物を含んだ水性流出物。その流量は６１１ｋｇ／時間であった（管路６）。
−１６５ｋｇ／時間のオイル流出物（管路７）。
−９７５ｋｇ／時間の処理・冷却ガス（管路１３）。このガスの７３．７％は、燃焼チャンバ１０内で消費されて熱ガスを発生し、これは炉の環状スペース２に供給され、次いで管路１６を通って導入される供給原料のための乾燥機に供給された。

本発明によらないこの操作方法では、処理ガスの２６．３％を、ガスエンジンまたはガスタービンなどの高効率発電装置またはプロセスで直接使用することができた。この場合、このガスのＮＣＶは２４３５０ｋＪ／ｋｇであり、したがって、移出可能な火力は１．７ＭＷであった。

粗ガスの品質を向上させる、本発明の第１の実施形態を示す概略図である。 固体残留物の品質を向上させる、本発明の第２の可能な実施形態を示す図である。 固体残留物と粗ガスの品質を向上させる、本発明の第３の可能な実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 炉
２ 環状チャンバ
３ 分離区画
４ 管路
５ 処理帯域
６ 手段
７ 管路
８ 部分酸化装置
９ 循環供給（移送）手段
１０ 燃焼チャンバ
１１ 輸送手段
１２ 管路
１３ 管路
１４ 塩基性化合物供給手段
１５ 管路
１６ 管路
１７ 熱交換器
１８ 洗浄帯域
１９ 管路
２０ 手段
２１ 部分酸化装置

Claims (12)

1. 有機物に富む供給原料から発熱量の高い精製された合成ガスを製造する方法であって、
   ａ）前記供給原料を、固相と、気相すなわち非凝縮性ガスおよび重質炭化水素を含む粗ガスとからなる流出物を形成する条件下で、高温分解により熱分解させる段階と、
   ｂ）段階ａ）からの前記流出物の成分を分離する段階と、
   ｃ）前記複数の相の少なくとも１つの相の少なくとも一部分を部分酸化する段階とを組み合わせて含むことを特徴とする製造方法。
2. 段階ｃ）の前に、前記気相に含まれる前記非凝縮性ガスを回収する段階を配する、請求項１に記載の製造方法。
3. 段階ｃ）からの前記流出物の少なくとも一部を、高温分解の段階ａ）へ再循環させる段階をさらに含む、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 段階ｃ）が、前記気相の前記重質炭化水素の少なくとも一部の部分酸化を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. 段階ｃ）が、前記固相の少なくとも一部の部分酸化を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 段階ｂ）における分離が、段階ａ）からの流出物を冷却することによって行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 段階ｂ）の間に、前記気相に含まれる酸性ガスを、塩基性化合物によって水相中に除き去る、請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
8. 段階ａ）に必要なエネルギーの一部が、前記非凝縮性ガスの一部の燃焼によって供給される、請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法。
9. 供給原料を高温分解による熱分解させる手段（１）を備えた、有機物に富む供給原料を変換するプラントであって、高温分解生成物を、少なくとも１種の品質向上可能なガス（１３）および重質炭化水素流（７）を含む気相と、固相（４）とに分離する手段（３、５、１８）と、前記複数の相の少なくとも１つの成分の少なくとも一部を部分酸化させる手段（８、２１）と、前記部分酸化から得られる流出物を前記高温分解手段（１）に再循環して供給する手段（９）とを備えるプラント。
10. 前記熱分解手段が、前記分離手段の少なくとも一部（３）を含む後部区画（３）を備える、請求項９に記載のプラント。
11. 分離手段（５）からの品質向上可能なガス（１３）の燃焼によってエネルギーを生成する手段（１０）をさらに備える、請求項９または１０のいずれか一項に記載のプラント。
12. 家庭および／または産業廃棄物、排水処理場汚泥、バイオマス、農業残留物および副産物、炭化水素汚染土壌の処理への、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法の使用、または請求項９から１１のいずれか一項に記載のプラントの使用。

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