JP2005501137A

JP2005501137A - 高温プラズマ廃棄物処理システムにおける炭素の完全破壊方法

Info

Publication number: JP2005501137A
Application number: JP2003523147A
Authority: JP
Inventors: ジェフリーイー．スルマ，
Original assignee: インテグレイテッドエンバイロンメンタルテクノロジーズ，エルエルシー
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: JP4369751B2; WO2003018475A1; US20020001557A1; US6576210B2

Abstract

高温プラズマ廃棄物処理システムにおいて生成された炭素キャリーオーバーを湿潤剤と混合し、さらなる処理のためにその高温プラズマ廃棄物処理システムに戻すことによって、炭素キャリーオーバーを破壊するための方法が、開示される。この方法は、高温プラズマ廃棄物処理システムで発生した炭化水素をまず捕捉し、その後、そのように捕捉された炭化水素を炭素キャリーオーバーと共に有用な生成物へと転化するため高温処理システム中に再投入するために、その炭素キャリーオーバーをさらに利用し得る。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、高温プラズマ廃棄物処理システム中で生成された炭素キャリーオーバーを破壊する方法に関連している。より具体的には、本発明は、高温プラズマ廃棄物処理システムにおいて生成された炭素キャリーオーバーをスラリー状態で捕捉し、その炭素を合成ガスへと転化するため高温プラズマ廃棄物処理システム中にそのスラリーを戻す方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
多種多様なスキームが、有機物質を一酸化炭素および水素のような有用ガスへと処理または転化するために存在する。ある特定のプラズマ廃棄物処理システムでは、イオン化ガスまたはプラズマを生成するため、１対の電極の間、または単一の電極と有機物質との間で、高電圧を発生させる。この方法で生成されたプラズマは、およそ３，５００℃から１０，０００℃を超える範囲の高温を示す。このプラズマからの熱が、その後、周囲の有機物質に放射される。この状態で、有機化合物は、このプラズマの高温が有機分子の化学結合を分解する熱分解によって、破壊される。廃棄物質中に含まれる酸素は、蒸気等の補助的酸素源を処理チャンバに導入することによってしばしば増加され、これらの熱分解された有機構成要素は、その後、ＣＯ、ＣＯ_２、およびＨ_２から主になる清浄な燃焼合成ガスへと転化される。この型のプラズマシステムの例が、Ｔｉｔｕｓらに対する米国特許番号５，６６６，８９１、「廃棄物処置と資源回収のためのアークプラズマ溶融炉電気転化システム」（その内容全体が、本明細書中で参考として援用される）に示される。
【０００３】
不幸にも、有機物質の一部が、この望ましい合成ガスへと完全転化しない場合が多い。その代わり、有機物質の一部は、微粒子状炭素（本明細書中で以後、炭素キャリーオーバーと言う）および種々の他の炭化水素へと転化される。本明細書中で使用される場合、これらの他の種々の炭化水素としては、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）、ポリ塩化ジベンゾジオキシン（ＰＣＤＤ）、ポリ塩化ジベンゾフラン（ＰＣＤＦ）、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）、揮発性有機化合物（例えば、ベンゼン、ジクロロベンゼン、およびトルエン）、および上記から生成された改質生成物が挙げられるが、これらに限定されない。
【０００４】
高温プラズマ廃棄物処理システムにより生成される炭素キャリーオーバー、炭化水素および改質炭化水素生成物を処理するための公知の方法は、労働集約的でありかつ費用がかかることが明らかになっている。代表的には、これらの物質は、望ましい合成ガスから分離され、それから処分されなければならない。炭素キャリーオーバーと炭化水素とを分離するために必要とされる作業は、これらの高温プラズマ廃棄物処理システムの全体的操作経費にかなりの出費をしばしば加え得る。これらの物質の物理的取扱い必要条件はまた、安全性の問題も引き起こし得る。なぜなら、作業員は、潜在的に有害な影響への曝露を妨げるための特別な防護衣および設備を必要とし得るからである。
【０００５】
炭素キャリーオーバーはまた、代表的には、自動装置を用いて取り扱うことが難しい形態で生じる。乾式炭素キャリーオーバーは、オーガーフィーダーのような物質を運送するために設計された従来の装置を詰まらせる傾向をもつ。２０００年５月１９日に提出した共有に係る本出願人らの米国特許出願番号０９／５７５，４８５、「炭素および炭化水素キャリーオーバーの同時破壊」では、これらの物質によって起こる問題に対する１つの解決法は、炭素キャリーオーバーから合成ガスへの完全転化をもたらすために、高温プラズマ廃棄物処理システムの処理チャンバ中へ炭素キャリーオーバーを再導入する概念が、導入された。しかしながら、高温プラズマ廃棄物処理システムにおいて、乾式形態炭素キャリーオーバーは、効率的処理が困難であることが示されている。処理チャンバ中に直接導入された乾式炭素キャリーオーバーは、渦巻く傾向を持ち、それによって、炭素キャリーオーバーを合成ガスへと転化する必要な反応が生じる前に粒子が排気ガス中に閉じ込められ、その粒子が処理チャンバから漏れる原因となる。
【０００６】
先行技術のこれらの欠点およびその他の欠点によって、高温プラズマ廃棄物処理システムにて生成された合成ガス流から炭素キャリーオーバーと炭化水素とを分離し、一旦その炭素キャリーオーバーと炭化水素とを分離した後、それらを合成ガスのような有用な生成物へと転化する改良方法の必要性が生じた。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
従って、本発明は、高温プラズマ廃棄物処理システムにて生成されたガス流から炭素キャリーオーバーと炭化水素とを分離し、これらを分離した後、これらを合成ガスのような有用な生成物へと転化する方法である。本発明の１つの局面では、炭素キャリーオーバーが、ガス流から取り出され、その後、スラリーを形成するために湿潤剤と混合される。その後、そのスラリーは、好ましくは部分的酸化反応および蒸気改質反応を介して、その炭素のさらなる処理および最終的には破壊を可能にするために高温プラズマ廃棄物処理システムに再導入され、それによって主に一酸化炭素および水素からなる合成ガスを生成する。スラリーとして炭素キャリーオーバーを混合することによって、炭素キャリーオーバーは、プラズマ加熱ゾーン内でより効果的に維持され得、それによって代表的には乾式微粒子を用いて達成されるよりも有効に、所望される反応を促進する。
【０００８】
本発明によって実践されるように、炭素はまず、炭素キャリーオーバーから、自動装置を用いて容易に取り扱われ得る適切なスラリーへと転化するために適切な湿潤剤と混合される。本明細書中で使用される場合、「適切なスラリー」とは、最少量の炭素キャリーオーバーしか湿潤剤により相分離されないスラリーである。代表的には、この型の相分離は、湿潤剤の表面上を浮遊する炭素として観察される。
【０００９】
いくつかの考慮事項が、適切な湿潤剤の選択において同時に関連する。最初に、適切な湿潤剤は、好ましくは、炭素キャリーオーバーとの部分的酸化反応を補助するための酸素を含む。第二に、高温プラズマ廃棄物処理システムの全体的な操作経費を改善するために、その湿潤剤は、安価でありかつ容易に入手可能であることが望ましい。最終的に、自動装置（例えば、ポンプ）を用いて容易にかつ安価に処理されることが可能になるように、そして高温プラズマ廃棄物処理システムの処理チャンバ内で炭素キャリーオーバーが渦巻くのを防ぐために、適切な湿潤剤が炭素キャリーオーバーを濡らすべきである。
【００１０】
好ましくは、制限することにはなっていないが、湿潤剤は、短鎖アルコール（例えば、メタノール）と水との混合物である。他の良好な湿潤剤（水との混合として、または単独のいずれか）としては、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、デシルアルコール、ドデシルアルコール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、リノール酸、リノレン酸、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。一般に、任意の酸素添加有機液体（アルデヒド、カルボキシレート、カルボン酸、および長鎖アルコールが挙げられるが、これらに限定されない）もまた、水との混合として、または単独でのいずれかで、湿潤剤として使われ得る。本発明は、炭素キャリーオーバーと混合された場合にその炭素キャリーオーバーと共にスラリーを形成する、そのような任意の湿潤剤を包含することが広範に解釈されるべきである。また、湿潤剤の構成成分としてかまたは湿潤剤と炭素キャリーオーバーとを混ぜた後の添加物として、水を含むことが好ましい一方で、水の非存在下で炭素キャリーオーバーをスラリー形成されることが可能である（代表的には、より値段が高いが）。従って、水の非存在下で湿潤剤を使用することは、本発明の範囲内に含まれると解釈されるべきである。
【００１１】
いくつかの湿潤剤は、その特性（例えば、混和性）に起因して、その湿潤剤が水と前もって混ぜられた場合に、炭素キャリーオーバーを濡らす際それほど効果的ではない。従って、これらのスラリーを調製する際、水を加える前に、炭素キャリーオーバーを湿潤剤と混合することが、有利であり得る。驚いたことには、望ましいメタノール／水混合物を利用する場合には連続混合することが必要ではなく、前もって混ぜられたメタノール／水混合物は、炭素キャリーオーバーと共に適切なスラリーを形成することが、発見された。従って、この組み合わせは、湿潤剤の後に水を連続的に加える必要がなく、適切なスラリーを達成するというさらなる利益を提供する。適切なスラリーを形成する水と湿潤剤（例えば、メタノール）の混合物は、用語「湿潤剤」が本明細書中で使用される場合にこの用語「湿潤剤」を構成すると解釈されるべきである。
【００１２】
水は、代表的には、本発明で利用される種々の湿潤剤よりも安価であり、かつ水は、酸化剤について炭素キャリーオーバーと競合するさらなる炭素種を何ら含まないので、適切なスラリーを依然として形成可能にする最大量の水を湿潤剤と共に使用することが、好ましい。好ましくは、メタノール／水混合物を湿潤剤として利用する時、その混合物は、容量で約１／３のメタノールおよび２／３の水である。しかしながら、この一般的な選択に対して注意事項が存在する。炭素に対して過剰な酸素を有する湿潤剤（例示としてであり限定することにはならないが、ギ酸）の場合、水を含まないことが好ましい場合であり得る。これらの湿潤剤が十分に低い費用で入手され得る場合、水と比較した湿潤剤を揮発させるエネルギーコストを考慮に入れた後には、このような湿潤剤の使用を介して生成される合成ガスの追加エネルギー値は、湿潤剤の値段を超え得る。
【００１３】
本発明の別の局面は、炭素キャリーオーバーが存在するという先行技術システムの不利点を、ガス流中にも存在する炭化水素を吸収させるために炭素キャリーオーバーを使用することによって利点に変えることによって、達成される。これは、水素および一酸化炭素が通過することを可能にしつつ、炭化水素を吸収しそれによりその炭化水素を捕捉するために、高温処理システムから出るガス流の経路にフィルターを置くことによって、達成される。
【００１４】
従って、本発明の方法のこの局面は、最初に高温処理プロセスへ有機物質を曝し、それによってその有機物質を、一酸化炭素と、水素と、炭化水素と、炭素微粒子とを含むガス流出物へと転化する工程、フィルターを通るようにそのガス流出物を導き、それによってそのフィルターに炭素粒子を付着する工程、その炭素粒子に炭化水素を吸着させる工程を実行する。その後、吸着された炭化水素と共に炭素粒子はフィルターから取り出され、その際、本発明の最初の局面に従って、これらは湿潤剤と混合され、高温プラズマ廃棄物処理システムへ再供給されて、これらは合成ガスへと転化される。上記の通り、炭素キャリーオーバーと湿潤剤とで一旦スラリーが形成されると、水または追加の水もまた、合成ガス形成反応のためのさらなる酸化剤を提供するために添加され得る。さらに、限定することにはならないが、酸化剤（例えば、蒸気、空気、または酸素ガス）もまた、スラリーから合成ガスへの完全転化に必要な酸素を供給するために、スラリーと共に処理チャンバ自体の中に加えられ得る。
【００１５】
適切に操作された場合、高温プラズマ廃棄物処理システムは、代表的には、その有機物質のうちの高い割合を一酸化炭素および水素へと転化する。例えば、ある特定の有機物質供給材料において、高温プラズマ廃棄物処理システムは、その有機物質供給材料から一酸化炭素および水素への転化を９５〜９８％達成することが示されている。残りの２−５％は、代表的には、炭素キャリーオーバーと炭化水素とから構成されている。炭素キャリーオーバーおよび吸着された炭化水素についての転化効率は、一旦それらがスラリーと混ぜられると、もとの有機物質供給材料の転化効率に代表的には類似している。従って、９５％の転化効率を仮定すると、高温プラズマ廃棄物処理システムを１回通過した後、もとの有機物質供給材料のうちの９５％が、一酸化炭素および水素へと転化される。その後、スラリー状態の炭素キャリーオーバーおよび炭化水素をこのシステムに再供給することによって、全転化は、９９．７５％（９５％＋（９５％×５％））へと改善する。その後、このシステムに三回目通過させると、全転化は、９９．９８７５％（９５％＋（９５％×５％）＋（９５％×０．００２５％））へと改善する。当業者にとって明白であるように、この等比数列の最終結果は、いくつかのサイクルの後、炭素キャリーオーバーと炭化水素とから合成ガスへの本質的に１００％の転化をもたらす。本発明によって実践されるように、高温プラズマ廃棄物処理システムの連続稼動を、炭素キャリーオーバーと吸着した炭化水素とをスラリーとして高温プラズマ廃棄物処理システムへ反復供給することと組み合わせると、炭素キャリーオーバーおよび炭化水素の本質的に完全な破壊と、有機物質供給材料から合成ガスへの完全転化との両方がもたらされる。
【００１６】
（目的）
従って、本発明の目的は、高温プラズマ廃棄物処理システムにて生成される炭素キャリーオーバーと炭化水素とを、一酸化炭素および水素へと経済的に転化するための方法を提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、炭素キャリーオーバーを湿潤剤と混合してスラリーを形成すること、そしてこのスラリーを高温プラズマ廃棄物処理システム中へ供給し戻して、このスラリーが合成ガスへと転化する改質反応を引き起こすことによって、炭素キャリーオーバーから合成ガスへの転化を達成することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、炭素キャリーオーバーに炭化水素を吸着させること、その炭素キャリーオーバーを湿潤剤と混合してスラリーを形成すること、そしてこのスラリーを高温プラズマ廃棄物処理システムに供給し戻すことによって、高温プラズマ廃棄物処理システムにて生成される炭化水素から一酸化炭素および水素への改善転化を達成することである。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、高温プラズマ廃棄物処理システムのガス経路に置かれたフィルターに炭素キャリーオーバーをまず捕捉することによって、炭化水素を炭素キャリーオーバーに吸着させることである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、炭化水素が炭素キャリーオーバーに吸着するのに十分低いが蒸気の凝縮を防ぐために十分高い温度まで、高温処理システムのオフガスを冷却することによって、炭素キャリーオーバーへの炭化水素の吸着を達成することである。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、フィルターを通るように高温処理システムのオフガスを導く前に、急冷（ｑｕｅｎｃｈ）チャンバを通るようにそのオフガスを導くことによって、そのオフガスを、炭化水素を炭素キャリーオーバーに吸着するのに十分低いが蒸気の凝縮を防ぐに十分高い温度まで冷却することである。
【００２２】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１で示されているように、本発明の第１の好ましい実施形態は、いくつかのユニット操作からなる。部分的有機廃棄物流または完全有機廃棄物流が、まず、高温プラズマ廃棄物処理システムの処理チャンバ１へ供給される。その後、この処理チャンバ１内のプラズマの高温によって形成されたガスおよび炭素キャリーオーバーは、このシステムを出て、熱滞留チャンバ２へと導かれる。この熱滞留室は、これらのガスおよび炭素キャリーオーバーに、合成ガス形成反応を完了するための高温でのさらなる時間を可能にする。その後、これらのガスおよび炭素キャリーオーバーは、急冷（ｑｕｅｎｃｈ）ユニット３へと導かれる。この急冷ユニット３において、これらのガスおよび炭素キャリーオーバーは、有機ガスが炭素キャリーオーバーに吸収するが蒸気は凝縮しない温度まで冷却される。好ましくは、これらのガスは、１７５℃と２５０℃との間の温度まで冷却される。その後、これらの炭素キャリーオーバーおよびガスは、バッグハウス５内のフィルター４を通るように導かれる。
【００２３】
一層の炭素キャリーオーバーが、バッグハウス５内のフィルター４を完全に覆うように形成し、その後この層は、バッグハウス５を通って流れるどの炭化水素も吸着する。１７５℃と２５０℃と間の好ましい温度範囲内で操作される時、有機ガス（二酸化炭素および一酸化炭素を除く）実質的に全て（＞９９％）が、炭素キャリーオーバーに吸着される。追加ガス（例えば、硫黄酸化物、窒素および窒素酸化物）もまた、バッグハウス５内のフィルター４を通過する。合成ガスと共に、これらのガスは、矢印１２により示されるようにバッグハウス５を出る。オフガスの特定の意図的使用次第で、これらの追加ガスは、当業者により知られ理解されている種々の装置および方法（示さず）によって、バッグハウス５の下流の合成ガスから洗い流され得る。バッグハウス５内のフィルター４を通るオフガス流の逆方向に定期的に背圧を吹き込むことによって、炭素キャリーオーバーおよび吸着した炭化水素は、フィルター４から放出され、バッグハウス５底部の固形物受容器６に収集される。その後、その炭素キャリーオーバーは、オーガー、コンベヤー、または他の機構７によってスラリータンク８へ運ばれる。その後、タンク１０中に保持されている湿潤剤は、その炭素キャリーオーバーと共にスラリーを生成するように、スラリータンク８へとポンプ９によって供給される。本明細書中で発明の要旨において記載されるように、その後、最適な混合物を形成するためにタンク１３から追加の水が加えられ得る。その後、そのスラリーは、さらなる処理のために、ポンプ１１を用いて処理チャンバ１へと戻される。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態が示され記載されてきたが、本発明のより広い局面から逸脱することなく多くの変更と改変がなされ得ることが、当業者にとって明らかである。例えば、当業者にとって明白であるように、二つの高温フィルターを平行に置くことによりフィルタートラップの取替あるいは清浄化の間に連続操作を可能にすることによって、本発明は容易に改変され得る。さらに、本発明は、高温プラズマ廃棄物処理システムのオフガスシステム中に他のガスが存在する適用において、有用である。例えば、本発明は、オフガスシステム中に存在する酸性ガスも含むシステム中の炭化水素および炭素キャリーオーバーを取り出す（（当業者にとって公知の他のユニット操作によっても取り出される）際に、有用である。また、本発明は、無機物質（例えば、放射性核種、金属、およびガラス形成要素）と混ぜられた有機物質を処理するシステムにおいて、有用である。このように、本発明の範囲は、有機物質の処理だけに限定されるプロセスにはいかようにも限定されず、代わりに、有機物質が、炭素キャリーオーバーと炭化水素とを生成する供給材料の一部である場合も任意の処理プロセスを包含すると広範に解釈されるべきである。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の本来の趣旨および範囲内に入るそのような全ての変更および改変を網羅することが、意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態にて実行されるユニット操作の模式図である。

Claims

高温プラズマ廃棄物処理システムの流出ガス中の炭素キャリーオーバーを破壊する方法であって、下記の工程：
ａ）有機物質を高温プラズマ廃棄物処理システムの処理チャンバへ導入し、それによって該有機物質を、一酸化炭素と、水素と、炭化水素と、炭素キャリーオーバーとを含む、ガス流出物に転化する工程、
ｂ）フィルターを通るように該ガス流出物を導き、それによって該炭素キャリーオーバーを該フィルターに付着させる工程、
ｃ）該フィルターから該炭素キャリーオーバーを取り出す工程、
ｄ）スラリーを形成するために該炭素キャリーオーバーを湿潤剤と混合する工程、および
ｅ）該スラリーを該高温プラズマ廃棄物処理システムの処理チャンバに戻す工程、
を包含する、方法。
請求項１に記載の方法であって、フィルターを通るように前記ガス流出物を導く前に、前記炭素キャリーオーバーへの前記炭化水素の効率的吸収を可能にするために十分低いがオフガス流中に存在し得る蒸気を凝縮するに十分には低くはない温度へと、該ガス流出物を冷却する工程をさらに包含する、方法。
請求項２に記載の方法であって、前記ガス流出物が、１７５℃と２５０℃との間の温度へと冷却される、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記湿潤剤が、酸素添加有機液体として選択される、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記湿潤剤が、酸素添加有機液体と水との混合物として選択される、方法。
請求項４に記載の方法であって、前記酸素添加有機液体が、アルデヒド、カルボキシレート、カルボン酸、アルコール、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、方法。
請求項５に記載の方法であって、前記酸素添加有機液体が、アルデヒド、カルボキシレート、カルボン酸、アルコール、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記湿潤剤が、メタノール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、デシルアルコール、ドデシルアルコール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、リノール酸、リノレン酸、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、方法。
請求項１に記載の方法であって、前記湿潤剤が、水との混合物である、メタノール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、デシルアルコール、ドデシルアルコール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、リノール酸、リノレン酸、およびそれらの混合物からなる群より選択される、方法。