JP2008537702A - 溶融金属浴を利用する方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

高温反応容器内に収容されている金属浴中で有機及び無機材料を処理することによって合成ガスを発生させる方法及び装置を提供する。供給材料を予備処理し、注入する前に発熱量を分析し、反応容器中の材料の組成をモニターする。分析及びモニターの結果に基づいて、酸素、スチーム及び/または追加の供給材料をも反応容器に注入することによって処理及び合成ガス品質を制御する。

Description

関連出願との相互参照
本願は2000年4月12日付け米国仮出願第60/670,332号及び2006年4月10日付け出願番号未定の米国特許出願に基づく優先権を主張する。
有機及び無機物質を種々の手段によってガラス性物質及びCO及びH2の合成ガス混合物（一般に「合成ガス」と呼称されている）に変換することができる。このような物質をより価値の高い有用な生成物に変換することが望ましい（例えば；大量の都市ごみを比較的嵩張らない非浸出性のガラス性物質及び金属と、高いBTU値を有する大容積の合成ガス）。
ごみなどのような有機物質を合成ガスに変換する試みは既になされている。このような方法は大きいエネルギー入力を必要とする有機物質のスチーム変換工程を含む。金属浴の利用またはプラズマ技術の利用を伴う方法もある。このような供給材料をガス化する際の最大の課題の１つは供給材料の予期しない性質である（例えば；供給材料の化学的及び物理的特性が短時間後に著しく変化する可能性がある）。
これらの試みの多くは技術的には可能であり及び/またはパイロット規模の実演では成功を収めたかも知れないが、材料の経済的な処理、信頼できる運転、及び温度及びその他のプロセス変量、例えば、酸素及びスチームの入力などの制御が困難であるため、これらの技術は方法を然るべき規模で実施すること、または商業化するには至っていない。（例えば、1時間当り数トン）の大容積の有機及び無機物質を商業的に見合う規模で商業的に利用可能なBTU値の高い有機ガス及び再利用可能な（または少なくとも環境的に無害な）ガラス性物質に変換する方法を実現することが極めて望ましい。
発明の概要
本発明は有機及び無機成分を含有する供給材料を、１つまたは２つ以上の入口及び出口を有し、部分的に溶融金属及びガラス性物質で満たされている耐火内壁を有する容器内で、合成ガスが生成するように変換させる方法及び装置を提供する。合成ガスは供給材料の有機成分を部分的に酸化し、ガラス性物質及び金属を供給材料の無機成分から回収することによって形成される。この方法は(1)予め空気を抜かれている1種または2種以上の供給材料を予備処理し、これら供給材料の発熱量を分析すし；(2)供給材料を溶融金属に直接注入し；(3)溶融金属、ガラス性物質、合成ガス及び反応容器温度をモニターし；(4)分析及びモニターの結果に基づく量の酸素、スチームを注入及び/または分析された供給材料よりも発熱量の高い1種または2種以上の追加の供給材料を供給し；(5)反応容器から連続的に合成ガスを回収し、周期的に金属及び/またはガラス性物質を回収するステップを含む。方法全体のブロックダイヤグラムを図1に示し、詳しく後述する。
本発明はまた、(1)１つまたは２つ以上の入口及び１つまたは２つ以上の出口を有し、溶融金属を収容するのに適した耐化内壁を有する容器と；(2)（例えば、ドライヤ及びシュレッダーのような）供給材料予備処理ユニットと；(3)容器へ注入する前に供給材料を連続的に分析するためのアナライザと；(4)空気を抜かれた供給材料を容器へ注入するためのインジェクタと；(5)金属、ガラス性物質及び合成ガスの組成をモニターするためのモニターと；(6)上回ると溶融金属が含まれることになる所定レベルにおいて容器へスチームを注入するためのインジェクタと；(7)下回ると溶融金属が含まれることになる所定のレベルにおいて容器へ酸素及び追加供給材料を容器へ注入する酸素及び追加供給材インジェクタと；(8)前記アナライザ及びモニターの結果に応答してスチーム、酸素、及び追加供給材料注入量を制御するためのコントローラ；及び(9)合成ガスを連続的に回収するため、容器に設けた出口から成る有機及び無機供給材料を処理する装置を提供する。
本発明は、運転時にその一部が溶融金属及びガラス性物質で満たされる（後述する）耐火内壁を有する容器内で有機及び無機成分を含有する1種または2種以上の供給材料の変換を可能にする。供給材料はこれに含まれる有機成分を部分的に酸化することによって形成される合成ガスを最適条件で生成させ、供給材料の無機成分からガラス性物質及び金属を最適条件で回収することができるように、分析され、選択される。
適当な供給材料としては、都市ごみ(MSW)、MSWから出るごみ固形燃料(RDF)、建設廃材(C&D)、排水汚泥、廃タイヤ、プラスチック廃棄物、医療廃棄物、廃油、及び石炭または石油コークスなどのようなその他の非廃棄物が挙げられる。最も好ましいのは炭素、水素及び酸素の含有率ゆえに本発明を実施することによって効率的に合成ガスに変換できるMSW,C&D及びその他の材料である。本発明の利点は固形材料を処理する際に最も顕著であるが、非固形材料（例えば、半固形混合物及び液状材料）でも適当に処理することができる。
これらの供給材料（例えば；MSW）の多くは極めて多様な組成及び物理的形状を有する。本発明では、反応容器へ注入する前に、供給材料を予備処理し、その発熱量について分析する。
供給材料予備処理のステップは供給材料から空気を抜くステップを含む。窒素が79%の空気の存在は合成ガス濃度を薄め、そのBTU値を低下させる。本発明を実施する際には、発生するガスのBTU値は280−450BTU/ft3の範囲であることが好ましい。供給機構は廃棄物に含まれる空気を殆ど抜き取ることができるものでなければならない。材料の供給において最大の関心事は空気の存在であり、その理由は、空気中に存在するのが窒素及びその他の不活性成分であり、酸素成分ではないからである。供給材料中に含まれる空気またはその他の不活性ガスは供給材料の約1重量%未満であることが好ましく、約0.5重量%未満であることが最も好ましい。上記%を超えると合成ガスを薄めるという好ましくない結果を生むが、合成ガスの使用目的によっては、上記%よりもやや高い%でも許容できる。
供給材料の性質にもよるが、本発明の方法は注入する前の予備処理として、定寸、分離及び乾燥のステップをも含む場合が多い。例えば、MSWの場合、供給材料には下記の処理を施すのが普通である：
1．定寸処理（例えば；以後の無機材料の抽出を簡単にし、注入を容易にするため、１乃至2インチ未満のサイズに縮小する）、
2．分離処理（例えば；鉄及び非鉄金属、コンクリート及びガラスを分離する）、
3．供給材料の水分を減らす乾燥処理。例えば、多様な供給材料が含有する水分は20%乃至60%の範囲でそれぞれ差がある。最適条件のガス化を達成するためには、水分レベルが10-20%未満で安定していることが特に好ましい。また、水蒸気爆発の危険を最小限に抑えるためには、水分レベルが10%未満であることが一般的な必要条件である。
ある種の供給材料では、これらのステップの１つまたは２つ以上を必要としない及び/または既に処理がなされている。例えば、供給材料（例えば；第三者によって用意されるRDF)が既に定寸処理及び/または乾燥処理を終えた状態で受取られる場合がある。このような処理ステップの幾つかまたはすべてが必要な場合、種々の供給メーカー（例えば；ニュウヨーク州ノースブルック市に所在のAlan-Ross Machinery Corporationなどが適当な定寸処理装置を提供している）から市販されている標準的な廃棄物処理装置を利用して行なうことができる。
反応容器へ注入する前に、供給材料を分析することによって供給材料の性質を確認し；材料の可変性に対応するため、追加の材料(詳しくは後述する）を同時に注入してもよい。供給材料の分析は予備処理の前でも、予備処理と同時でも、予備処理の後でもよいが、予め定寸処理、乾燥処理、空気抜き処理をして置けば分析が容易になるから、予備処理の後に行うのが最も好ましい。
分析は反応容器への注入に先立ってリアルタイムで供給材料の発熱量を連続的に且つ正確に評価するものであって、供給材料の組成を分析することによって達成できる。ここで採用される特に有用な分析アプローチは中性子線を利用する分析であり、広範囲な供給材料に固有の2次γ線を発生させることができ、このγ線はそれぞれの元素に固有である。炭素、ケイ素、アルミニウム、カルシウム、酸素及び水素など、殆どすべての公知元素が2次γ線を放出する。例えば、供給材料が中性子ビーム発生器から中性子ビーム・パルスを照射されると、短時間に亘ってγ線を放出し、関連の装置がこのγ線放出量を測定する。このようにして発生したスペクトルは周波数と修正しビーム・パルスからの経過時間に基づいて解明され、分析される材料流れの元素組成（H、C、O、Si、Al、Ca、など、元素毎の濃度）が正確に予知される。これらの測定は毎秒1パルス以上のパルス・モードで行なわれる。ソフトウェアが信号を分析し、制御モジュールに命令を発するには約15秒を要するのが普通である。従って、供給材料流れ分析装置は、廃棄物が反応容器へ注入される前にシステムが応答できる充分な時間を与えられるような位置に設置しなければならない。このような提起問うな中性子ビーム発生器/γ線検知器/分析システムはカリフォルニア州アービン市に所在のHI Energy Technologiesまたはロシア、セントペテルスブルグ市に所在のSTS-Rateckから市販されている。供給材料の組成を測定することによって、材料を反応容器に注入する前に分析される材料流れの発熱量をリアルタイムで知ることができる。所定のコンピュータ・アルゴリズムに基づいて、コントローラがプロセス・パラメータを、流入してくる材料流れを処理し易いように調整する。アルゴリズムは分析された材料流れの元素組成に基づいて理論発熱量値を算出する。さらに、プロセス・パラメータ：供給速度、誘導炉熱、石灰ソーダ灰添加量、酸素及びスチーム流量に必要な調整値を算出する。
スラグへの無機添加物、例えば、アルミニウム、カルシウム、ケイ素などの添加量の決定にも同様の測定を利用することが好ましい。この分析とコンピュータ・アルゴリズムを利用して、適量の融剤を供給材料流に添加することによって、スラグ層に所要の粘性を付与することができる。反応容器から迅速且つ確実にスラグ層を回収できるから、スラグ層に適正な粘性を付与することが肝要である。最適条件でガラス性物質を回収するためには、その粘性が反応容器の運転温度よりも200°F低い温度において約250ポアーズが好ましい。
予備処理された供給材料を金属浴に注入するステップも重要である。供給材料は金属層へ直接注入する。供給材料は反応容器の頂部から溶融金属浴の中心へ、好ましくは金属層自体へ直接供給する（即ち；供給管を溶融金属または溶融ガラス性物質に浸漬する）。いずれの場合にも、注入の結果、空気または不活性ガスが伴入または添加されないように留意しなければならない（例えば；材料輸送に空気や窒素を利用する従来の供給ランスを使用すると反応容器に空気を添加することになるから容認できない）。本発明において使用するのに好適なタイプの供給機構としては、スクリュー式押出供給機構（例えば、オハイオ州コロンバス市に所在のKomar Industries社製）及びラム式供給機構（例えば、Robson Handling Technology社製、Recycling Equipment Corporation社製など）がある。供給材料（または少なくともその大部分）は供給管内で気化することがないような高速で押し出されるから、固体の状態で浴に達する。このような供給機構は、供給材料が金属層またはガラス層よりも上方へ、ではなく下方へ供給され、しかも、既に供給管内で許容できない高い分解が始まることがないように高速で供給されることを保証できる機構でなければならない。
上記課題を解決するには、以下に挙げる3通りの供給ステップのうちのいずれかを含むことが好ましい：
1．ホッパー(1)（図2）から重力で供給材料が装填ボックス(2)へ供給される。ゲート(3)は閉じた状態にある。ラム(4)が前進して材料を高圧で圧縮し、その結果、空気の殆どすべてがホッパー(1)を介して逃げる。ラムに作用する圧力の大きさと装填ボックスのサイズは変換される材料及 びシステム全体の処理能力によって決定される。
2．ホッパー(1)（図3）から重力で供給材料が装填ボックス(2)へ供給される。ゲート(3)は閉じた状態にある。ゲート(3)が開き、ラム(4)が前進して、材料をボックス(5)に押入する。ゲート(3)が閉じる。ゲート(6)も閉じる。ボックス(5)から吸引装置(8)によって空気が残らず排除され る。ゲート(6)が開き、ラム(7)が材料を反応容器(9)へ移動させる。
3．材料がホッパーへ送られる。ホッパーから押出供給機構へ材料が送られ、押出供給機構が材料を反応容器へ移動させる。
材料を供給する好ましい方法は溶融金属自体への供給である。材料を溶融金属浴の浴面へ供給する際には、揮発性有機化合物、二酸化炭素、及び水が反応容器からの生成物に対して放出されることがないように特別な注意が必要である。このような事態を避けるため、気相のための反応スペースを別設することが好ましい。反応容器のこの部分にも酸素及びスチームの注入口を設けることによって、反応容器内の雰囲気を制御できるようにするとともに、材料流れの変化に対応して適当な修正を加えることができるようにする必要がある。
材料は溶融浴のガラス層（図4参照）中へ直接供給される。供給機構自体(1)を、ガラス性物質を通して金属層へ挿入する実施態様がある。供給機構から出てくる圧縮塊を、通路(2)を介して反応容器中のガラス性物質(3)よりも下方へ押下する。この供給方式は合成ガス中に揮発性有機化合物が存在する可能性を無くするかまたは軽減して関連のガス処理システムに作用する微粒子混入量を軽減することによって反応容器のサイズに関する要件を緩和する。供給機構の末端に材料の圧縮された塊を切り開くように構成された格子を設け、塊を切り開くことによって材料の表面積を広げる。この機構に水冷管を使用することはできるが、黒鉛化アルミナ・ユニット（例えば、ニューヨーク州ファルコナー市に所在のVeruvius社製）を使用することが好ましく、このユニットは耐火性底部に沈んでいる（黒鉛化アルミナまたは黒鉛製の）管部分と、水冷される着色銅製上部と組み合わせである。
本発明の方法は溶融金属、ガラス性物質、合成ガスの組成と反応容器温度をモニターするステップをも含む。
合成ガスの組成、温度及び容積は連続的に分析される。O2、CO、CO2、H2、H2S、H2O及び合成ガス中の微粒子の濃度がリアルタイムで連続的にモニターされる（例えば；Rosemout Analytical Inc．から市販されているモニター装置を使用）。
また、溶融金属及びガラス性物質の組成も間歇的に分析される。抜き取った金属をサンプルとして、金属の組成及び融解温度を金属研究機関において分析する。合金の融解温度が運転温度に近ければ、銑鉄を材料に添加することによって温度を低下させることができる。ガラス性物質のサンプルを例えばHazen Research Inc., Golden, Coのような研究所に送付して酸化物組成及び炭素含有率の分析を依頼する。
この分析から得られたデータを供給材料の分析と共に、以下に説明するプロセスの制御に利用する。
スチーム、酸素、及び/または分析された供給材料よりも発熱量が高い追加今日食う材料を溶融金属浴に注入し、この注入量は上記分析及びモニターの結果に基づいて決定される。
金属浴よりも上方にスチームを導入するとともに金属浴中に直接酸素を注入することによって、反応容器中の酸素濃度を常時最適条件に維持するとともに、低酸化環境を維持する。酸素及びスチームの注入量は廃棄物アナライザによって得られる反応容器温度及び送入材料組成データと排出ガス組成データに基づいて制御される。分析された供給材料よりも発熱量の高い追加供給材料（例えば；主供給材料がMSWなら、廃タイヤ、廃ゴム）は、合成ガスの品質確保を助けるために注入することもできる（例えば、MSW供給材料の一部が所要の熱容量以下である場合）。
浴温度が降下すると、誘導電力が増大する。温度上昇の場合、浴面に向かってスチームを注入することによって上記吸熱反応でプロセス温度を冷却する。本来、排出ガス中における水蒸気濃度は低いことが正常であるが、もし上昇すると、供給材料の炭素濃度が低下し、酸素流量も低下する。その他のパラメータもガス浄化機構の性能を有効に調整するために利用することができる。
材料は誘導炉、アーク炉またはその他のタイプの高温溶融浴反応容器のような耐化内壁を有する容器に供給される。反応容器は(i)選択される供給容積に充分対応できるサイズを有し、(ii)収容される溶融金属の量を随時制御することによって溶融金属浴中の炭素含有量が（溶融金属の重量に対して）約4重量%を超えないように設計されていることが好ましい。例えば、1日250トンのMSWを処理するプラントの場合、40トンの鋼を処理できる誘導炉を使用することが好ましく、この誘導炉は溶融金属浴の上方によくから急速に発生するガス、ガラス性物質の泡及び運転中に蓄積する泡を収容できる余分のスペース（ヘッドスペース）を有することが好ましい。
好ましい反応容器としては、その底部に溝形誘導炉が設けられている構成でなければならない。このような構成は溝形炉の名称で知られている（例えば；オハイオ州ウォレン市に所在のAjax Tocco Magnetothemic, Inc.から市販されている）。電流が溝を流れるように給電される。溶融金属はコイルまたはループを流れる交流によって発生する誘導電流によって加熱される。この構成では、タッピングのため、壁を通して反応容器に自由にアクセスすることができる。さらに、上部円筒の耐火内壁として、例えばカーボン・グラファイト煉瓦などを含む広い範囲から選択することができる。これに代わる実施態様として、独立の誘導炉を利用することによって溶融浴を発生させ、これを反応容器に送入する態様も可能である。（図４に示すような）溝形反応容器は溶融金属を収容する耐火内壁を有する反応容器(1)である。
使用される金属としては鉄が最も典型的であるが、ニッケル、クロム、錫など、鉄以外の金属を使用する方が有益な場合もある（例えば、供給材料中の塩素化物質を所要の塩素含有物質、例えば、HClに変換したい場合、または低融点金属が必要または望ましい場合）。好ましい実施態様として、別設の標準的な誘導炉を使用して鋼を融解し、これを反応容器へ送入する方式も考えられる。
反応容器の溶融金属浴層よりも上方の位置にスチーム注入口を設けてある。反応容器へ所定量のスチームを注入するのに好適な手段としては、Spraying Systems Inc.製のステンレススチール・ノズルのような簡単なスチーム・ランスが挙げられる。スチーム注入を有効に使用することによって、水及び炭素の熱吸収反応に起因するプロセス温度の変化を制御することができる。このプロセスでは、注入されたスチームが運転中、浴の上方に存在する[C]と下記式で表されるように反応する：
C + H2O = H2+ COdH 〜 130 kJ/モル
この反応は余剰エネルギーを消費して酸素消費を減らすだけでなく、排出ガス中の水素の容積を増大させる。これは合成ガスの生産を危うくすることなく反応容器内の温度を急速に且つ効率的に低下させる熱吸収反応である。
元素炭素の大部分は溶融金属の頂面に存在し、浴の上方に広がるこの領域は、反応容器へ供給される材料の平均発熱量よりも高温である場合、迅速な冷却を必要とする領域であるから、スチームを金属層にではなく、溶融金属浴よりも上方またはガラス層に注入することが重要である。
酸素は金属浴へ直接注入するか、または金属層自体にではなくガラス層に注入すべきである。好ましくは、金属浴中へ深く進入できるガス流を発生させる１つまたは２つ以上の超音波酸素ランスを使用して酸素を注入する（即ち；ランスの出口を溶融金属層よりも上方に、但し、超音波流れが溶融金属層に貫入できるように溶融金属層に充分接近させて配置する）。これに代わる実施態様として、反応容器の底部から溶融金属浴中へ酸素を注入する羽口管を使用することも可能である。溶融金属に注入された酸素は鉄と反応して酸化鉄を形成する。反応容器へ供給される材料は溶融金属浴の金属層中に沈下し、金属層中において2900°Fを超える高温に曝される。このような高温は即時に供給材料の熱分解を開始させる。
反応容器中へ所定量の酸素を注入するのに好適な手段としては、反応容器の頂部から酸素を注入するランスや、半応用木の底部から酸素を注入する羽口管がある。浴中にランスや羽口管を沈めることも可能であるが、破局的な金属漏れを起こす恐れがある。従って、好ましい酸素注入方法は溶融金属浴の液面よりも上方に超音波酸素ランスを設置して、金属浴中深くまで貫入できるガス流を発生させる方法である。溶融金属に注入された酸素は鉄と反応して酸化鉄を形成する。反応容器へ供給される材料は溶融金属浴の金属層中に沈下し、金属層中において2900°Fを超える高温に曝される。このような高温は即時に供給材料の熱分解を開始させる。
反応容器のサイズ、酸素及びスチーム注入ノズルの位置、及び排出ガス流路の形状は材料処理量及び供給される材料のタイプに応じて選択される。酸素及びスチーム注入ランスは反応容器の溶融プールよりも上方の部分に設置することが有益である。余裕プールの上方に下向きに設置される超音波酸素注入ランスは浴中深くまで酸素を注入する。このようなランスのメーカーの１つにジョージア州タッカー市に所在のProcess Technology International Inc．がある。
処理の過程で、供給材料の有機部分は水素と炭素に変換され、無機部分は溶融浴中に融解及び/または溶解する。金属酸化物は金属に還元されて溶融金属浴の底に蓄積し、他の無機化合物はすべて溶融金属浴の頂面にガラス層を形成する。この処理工程において形成される炭素は溶融金属層の表面に浮かぶ。同時に、炭素は酸化鉄と反応してこれを鉄に還元する。それと並行して、酸素による直接的な炭素酸化の反応も起こり、一酸化炭素が形成される。溶融浴中を廃棄物と酸化鉄は上向きに、鉄は下向きにそれぞれ連続的に移動することによって必要な攪拌作用が起こり、プロセス全体を促進する。
反応容器には余剰金属のタッピングのためのタッピング機構とガラス層のためのタッピング機構がそれぞれ設けられている。反応容器内での溶融金属浴の液位を一定に維持するため、ガラス層及び蓄積金属が周期的に抜き取られる。好適なタッピング機構としては：多くのメーカー（例えば：ペンシルベニア州マース市に所在のWoodings Industrial Corporation）から市販されているタッピング・ドリルや、ドリリングされた孔に栓をするためのマッド・ガンなどがある。ドリル及びガンのサイズ及びタイプは耐火壁の厚さ及びその組成に応じて選択される。
このプロセスで発生する合成ガスは頂部開口を通って反応容器から排出される。半応用器の容積及び浴よりも上方の寸法は合成ガス生成効率を最大限にし、ガス流中の微粒子混入量を軽減するように設計されている。プラントの特定条件に応じて追加のボイラー、ガス洗浄装置及びコンプレッサを下流に設置することができる。
材料流が塩素またはフッ素含有化合物を含む場合には、ガラス層に石灰を添加することによって中和すればよい。炉内へ供給されると、材料は溶融金属浴に対して露出され、（頂部から供給されたとすれば）先ずガラス層中に沈下し、さもなければいきなり金属層中に沈下する。溶融金属浴の温度は約3000°F以上にも達する。無機化合物は残らず融解する。例えば、石灰ソーダ灰やホー砂のような適当な融剤を溶融浴に添加することによって、材料中に含まれている酸化物のために融解温度を低下させることができる。供給材料に石灰を添加することによってガラス性物質のｐHを修正することができる。
溶融金属浴の極めて高い温度に曝されると、供給材料に含まれる有機化合物は炭素及び水素に分解し始める。水素は直ちに浴から排出される。炭素の一部は溶融金属中に溶解し、残りは浴の頂部に向かって移動する。廃棄物と同時に反応容器に酸素が供給される。酸素は鉄中に溶解してFeOを形成する。
溶融浴反応容器はゾーンに区分された構成に設計することができる（図5）。サン注入ランスの近傍に位置する酸素過剰な第1ゾーンでは、下記のような主要反応が起こる：
Fe + 1/2 02 = FeO dH ~ 260 kJ/モル (T = 1600 K)
FeOは反応容器の好ましい運転温度範囲において酸化鉄の優性形態である。他の反応としては下記反応も起こる：
2Fe + 3/2 02 = Fe2O3dH 〜 800 kJ/モル
[C] +O２ = CO2
これらの反応の生成物はすべて溶融金属浴の頂部に向かって移動する。
酸素を欠く第2ゾーンでは、炭素及び非分離性物質が頂部に向かって移動し、酸化鉄に遭遇すると溶融物中に溶解される。一酸化炭素の形成に至る反応が下記のように起こる：
FeO + [C] = Fe + CO dH 〜 150 kJ/モル(T = 1600 K)
Fe2O3+[C] = 2Fe + 3CO dH 〜 454 kJ/モル
CO + FeO = Fe + CO2dH 〜 -20 kG/モル
この反応に関与する炭素は3つの形態：遊離炭素、溶融物中に溶解している炭素、及び未分解廃棄物中に含有される炭素で反応容器中に存在する。ゾーン1において形成される二酸化炭素の一部は還元されてCOとなる：
CO２ +[C] = 2CO dH ~ 160 kJ/モル
このガスは炭素と反応し続け、一酸化炭素を形成する。これはプロセスのための熱供給源を提供する発熱反応である。システムが過熱状態にならないように細心の注意が必要である。反応容器の温度を注意深く制御し、3000°Fを超えたら、スチーム注入を開始しなければならない。
運転中、溶融金属浴の温度及び液位を連続的にモニターすることが好ましい。
本発明はMSW、C&D及びRDFの処理に特に好適である。従来のアプローチはMSWを構成している極めて多様な組成、特にそのBTU値のバラつきによって課せられる問題に対して有効に対応することができなかった。例えば、MSW及びC&DのBTUは典型的に歯約7500 BTU/ft3（高い％で木材、紙及びプラスチックを含む材料流れ）から（上記高BTU成分の含有％が低い及び/または岩、ガラス、水及び金属のように低BTU物質の％が高い材料流の場合の）約3000 BTU/ft3までの広い範囲に亘る。
本発明はこのようなBTUのバラつきに有効に対応する。本発明の方法及び装置は(i)反応容器に送入される前に、搬入される材料流の発熱量に関して（例えば、好ましくは連続的に中性子ビーム-誘導γ線分光法を利用して、または頻繁にサンプルを採取して熱量計またはその他の公知方法を利用して）分析し；(ii)溶融金属の炭素及び金属に関する組成を（好ましくは連続的に、または周期的なサンプリングによって）モニターし；(iii)反応容器のヘッドスペースにおける、または排気流におけるガス流の組成（１つまたは２つ以上のガス・アナライザ及びガス流の温度を利用して、例えば、H2、H2O、H2S、CO2及び一酸化炭素）を（好ましくは連続的に）モニターし；(iv)分析及びモニターの結果に基づいて、酸素及び/または追加供給材料(シュレッダー処理したタイヤ、石油コークスなど、公知及び/または比較的高いBTU値の他の供給材料）を（好ましくは動的に混合しながら）注入することによって排気流を所要のBTU値に維持する。
ガス処理システムを出たガスは290 BTU/ft3乃至450 BTU/ft3の発熱量を有し、複合サイクル(CC)発電所に使用するのに好適な品質を有する。このようなユニットを複合サイクル発電所に設置すれば、反応容器に送入される材料1トンから1600 kWの電力を発生させることができ、CC発電所と組み合わせられる他の廃棄物ガス化装置に比べて著しい改良である。
溶融金属浴もガラス性物質も有効な微粒子フィルタとして作用するが、炭素ダストの一部は特に材料が反応容器の頂部から供給される場合、溶融金属浴から逃げ、空中に漂う状態となることがある。特殊な酸素注入口を浴の上方に設置し、反応容器の上部へ直接酸素を注入させることによって、炭素ダストを一酸化炭素に変換するのに充分な酸化剤量を供給することができる。反応容器から微粒子がでるのを防ぐためには、ガス流出速度が炭素ダスト沈降速度よりも低くなければならない。そのためには、反応容器の排気部に霧箱を設ければよい。微粒子を最小限にまたは皆無にする他の手段として、反応容器からの出口にサイクロンを設置するという対策もある。
本発明の方法は連続的に合成ガスを回収し、周期的に金属及び/またはガラス性物質を回収する。これらの物質は１つまたは２つ以上の出口を介して耐火内壁を有する反応容器から回収され、回収は冶金及び/または廃棄物処理の分野において公知の手段によって行なうことができる。
必要に応じてガス流をさらに処理することがある。合成ガス中に含まれる微粒子や不純物を処理する好ましい方法は微粒子や不純物を処理するが合成ガスのCO部分を顕著に酸化したり「燃焼させる」ことのないプラズマ放電による処理である。最も好適なタイプのプラズマ放電としては、適当なタイプの非平衡プラズマ無電極放電を発生させることができるマイクロ波及び誘導結合プラズマがある。この場合、特殊設計の反応容器の入口に非平衡プラズマ発生器を設置する。合成ガスのすべて、または汚染部分だけをこの入口を介して反応容器に供給することができる。正しく構成すれば、プラズマ放電は合成ガスに含まれるH2Sを水素と原子形態の硫黄に変換することも可能であり、これがガス流から分離される。プラズマ処理はガス流中の汚染物質そのものを破壊するのではなく、汚染物質除去処理のための有利な状態を発生させるものであり、従って、従来の汚染物質制御技術と併用しなければならない。
塩化物、フッ化物の大部分と40%までの硫黄はガラス性物質によって捕捉されるが、さらなる合成ガス浄化処理が必要または望ましい場合がある。この場合、ガスから塩化物、フッ化物及び硫黄を実質的に排除するため、水酸化ナトリウムまたは石灰を注入するドライ・スクラバーを排気装置に設置すればよい。次いで、セラミック・フィルタまたはサイクロン・セパレータによってガスを処理することにより、残留する微粒子を除去することができる。コンプレッサの前に設置されたウェット・スクラバーに水酸化ナトリウム溶液を使用するという方法もある。
ガス中に含まれる熱は熱交換器において取り戻すことができる。ドライ・スクラバーを通過した後、合成ガスは水で飽和され、ガスが圧縮(4)された後、水が回収され、露点以下に冷却される。
反応容器には、溶鉱炉及びアーク炉をタップするのに使用されるのと同じタイプのタッピング機構を設けることが好ましい。フル・スケール処理においては、金属及びガラス性物質を連続的にタッピングすることが好ましいが、反応容器を周期的にタッピングしても同様の結果が得られ、この方が実施し易い。運転の過程で、ガラス性物質及び金属が反応容器内に蓄積する。溶融金属力を液位を注意深く制御すべきであり、所定の点よりも高くなると、金属及び/またはガラス性物質のためのタッピング機構が作動する。液位を制御する最も簡単な方法は供給を止め、反応容器から合成ガスを放出し、標準的な穿孔機で、開始時の鉄量の液位に相当する反応容器側壁位置に湯だし口を形成することである。次いで、ガラス性物質及び金属を、浴の液位が穿孔された湯だし口に達するまで反応容器から放出する。ついで、マッド・ガンを使用してこの湯だし口をマッドで塞ぐ。これは時間を要しない作業であり、反応容器は再び運転可能な状態となる。適当な組成の金属は回収後に（例えば；鋳物工場へ）売却することができ、ガラス性物質も（例えば；骨材として）有益に使用することができる。
実施例
密閉蓋を有するように改良し、ヘッドスペースを広く取るように寸法を拡大した40−トン溝形誘導炉(Ajax Model VS-40)を使用し、250トン/日のキャパシティで乾燥されたペレット状のごみ固形燃料(RDF)を処理する。10.4トン/時(TPH)でRDFを、スクリュータイプの供給機構を介して反応容器へ供給する。この供給機構は２つの仕事をする：即ち、RDFからの空気抜き；及び所要の速度で材料を供給管へ移動させること。供給管は内径(ID)が4インチの黒鉛化アルミナ・パイプである。供給管は反応容器の蓋の中心に配置されている。
受取ったばかりのRDFは約35%の水分を含み、さまざまのサイズの材料を含んでいる。供給材料は下記のように予備処理する：（オハイオ州スプリングフィールド市に所在のSweet Manufacturing Companyから市販されている）Eagle IIを利用して水分7%までかんそうさせ、シュレッダー（ノースカロライナ州ハイポイント市に所在のVecoplan, LLC．から市販されているModel#VVZ-310)を利用して平均サイズ約1インチに定寸処理し、乾燥・定寸処理済みの材料から、押出機/供給機（オハイオ州コロンバス市に所在のKomar Industriesから市販されているMODEL #GPT2-400-0）を使用して空気を抜き、空気量が約1重量%未満の供給材料を得る。
予備処理された材料の組成C、H、O、Al、Si、Ca、Fe、Niその他を分析し、中性子ビーム・アナライザ（露国、サンクト・ペテルスブルク市に所在のSTS-Ratekから市販されているModel # NBW-1）を使用して発熱量を予想する。
反応容器の蓋にも酸素及びスチーム注入ランス及びガス出口を設けてある。反応容器を外気から密閉し、最初に40トンの溶融鉄を装入する。毎時66,000立方フィート(ft3/時)の流量で反応容器に酸素を連続的に供給する。有機材料を反応容器内で分解させ、325,000 ft3/時のH、256,160 ft3/時の一酸化炭素及び1700 lb/時のガラス性有機物質を形成する。排気流路を通って反応容器からガス生成物が放出される。ガラス性有機物質は浴の頂部にスラグ層の形態で蓄積する。
浴の温度及び液位、反応容器から出る合成ガスのガス組成、温度及び容積をそれぞれ測定する。構成ガスの組成はガス・アナライザ（ミズリー州セントルイス市に所在のEmerson社から市販のModel #MLT 4）を使用して、CO、H2、H2O、O2、H2Sを連続的に分析する。金属及びガラス性物質の組成は商業的な金属研究所で間歇的に分析する。
これらの測定結果を使用して反応容器への酸素、スチーム、及び/または追加供給材料の添加量を制御する。溶融金属浴の温度が所要レベルを超えると、反応容器へのスチーム注入を作動させ、吸熱スチームの転化反応がプロセス温度を低下させ、水素生成を増大させる。供給材料の組成分析が所定の発熱量値には不足であることを示唆すれば、追加の酸素及び/または（RDFよりもBTU値が高い追加供給材料である）廃タイヤを反応容器に投入することによって合成ガスのBTU値を350乃至450 BTU/ft3に維持する。
所定量のガラス性有機物質が反応容器内に蓄積されると、溶融金属浴の液位が所要の液位にまで上昇する。システムへの供給を中断し、酸素の供給を徐々に減らす。反応容器から可燃ガスを駆逐し、初期の金属浴の液位に相当する位置で反応容器側壁にタップ孔を穿孔する。このタップ孔よりも上方に存在する蓄積生成物を残らず特別に設計されたカートへ移す。ガラス性有機物質と金属は後で分離し、金属は（例えば、製鋼所へ）売却し、ガラス性有機物質は骨材として利用することができる。（約40-60 minを必要とする）タッピング作業が完了したら、タッピング孔をマッド・ガンで密閉し、廃棄物から可燃ガスを得る処理を再開する。
本発明の好ましい特徴のいくつかを含む、ごみの流れを処理する本発明の方法を示すフローチャートである。 本発明の1実施例における供給方式の簡略図である。 本発明の他の実施例における供給方式の簡略図である。 本発明に使用される反応容器へのし品供給方式及び好ましい反応容器の構成を示す簡略図である。 反応容器中の化学的ゾーンを示す説明図である。

Claims (16)

  1. 有機及び無機成分を含む1種または2種以上の供給材料を、１つまたは２つ以上の入口及び１つまたは２つ以上の出口を有し、部分的に溶融金属及びガラス性物質が満たされている耐火内壁を有する容器内で処理し、供給材料の有機成分を部分的に酸化することによって形成される合成ガスを生成させ、供給材料の無機成分からガラス性物質及び金属を回収することを可能にする処理方法であって、
    a)．予め空気を抜かれている1種または2種以上の供給材料を予備処理し、これら供給材料の発熱量を分析し；
    b)．供給材料を溶融金属中に直接注入し；
    c)．溶融金属、ガラス性物質及び合成ガスの組成をモニターし；
    d)．分析及びモニターの結果に基づく量の酸素及び/または分析された供給材料よりも発熱量の高い1種または2種以上の追加供給材料を溶融金属浴中に注入し；
    e)．分析及びモニターの結果に基づく量のスチームを、耐化内壁を有する容器の溶融金属よりも上方に位置する部分へ注入し；
    f)．前記１つまたは２つ以上の出口を介して耐化内壁を有する容器から連続的に合成ガスを回収し、周期的に金属及び/またはガラス性物質を回収するステップからなる処理方法。
  2. 前記供給材料を都市ごみ、ごみ固形燃料、建設廃材、排水汚泥及び廃タイヤから成る群から選択する請求項1に記載の方法。
  3. 供給材料を予備処理する前記ステップが前記供給材料から空気を抜くステップを含む請求項1に記載の方法。
  4. 供給材料の前記分析を中性子線によって行う請求項1に記載の方法。
  5. 溶融金属中への供給材料の直接注入を高速ノズルを介して行なう請求項1に記載の方法。
  6. 前記空気抜きの結果、前記供給材料中の空気が約1重量%未満となる請求項3に記載の方法。
  7. 合成ガス流を、セラミック・フィルタを通過させることによって精密ろ過するステップをも含む請求項1に記載の方法。
  8. 合成ガス流を誘導してガス処理装置を通過させるステップをも含む請求項1に記載の方法。
  9. 合成ガス流を複合サイクルタービンにおいて利用するステップをも含む請求項1に記載の方法。
  10. 反応容器の底部における１つまたは２つ以上の溝形誘導炉から発生する熱エネルギーによって溶融金属浴に材料を混合するステップをも含む請求項1に記載の方法。
  11. 供給材料を都市ごみ及び建設廃材から成る群から選択する請求項1に記載の方法。
  12. 有機及び無機供給材料を処理して合成ガス及びガラス性物質を得る装置であって、
    (1)１つまたは２つ以上の入口及び１つまたは２つ以上の出口を有し、溶融金属を収容するのに適した耐火内壁を有する容器と；
    (2)１つまたは２つ以上の供給材料予備処理ユニットと；
    (3)容器へ注入する前に供給材料を連続的に分析するための１つまたは２つ以上のアナライザと；
    (4)空気を抜かれた供給材料を容器へ注入するための１つまたは２つ以上のインジェクタと；
    (5)金属、ガラス性物質及び合成ガスの組成をモニターするための１つまたは２つ以上のモニターと；
    (6)上回ると溶融金属が含まれることになる所定レベルにおいて容器へスチームを注入するための１つまたは２つ以上のインジェクタと；
    (7)下回ると溶融金属が含まれることになる所定のレベルにおいて容器へ酸素及び/または追加供給材料を容器へ注入する１つまたは２つ以上の酸素及び追加供給材インジェクタと；
    (8)前記アナライザ及びモニターの結果に応答してスチーム、酸素、及び追加供給材料注入量を制御するための１つまたは２つ以上のコントローラ；及び
    (9)合成ガスを連続的に回収するため、容器に設けた出口の１つまたは２つ以上から成る、有機及び無機供給材料を処理して合成ガス及びガラス性物質を得る装置。
  13. 前記耐火内壁を有する容器が溝形誘導炉である請求項１２に記載の装置。
  14. 前記１つまたは２つ以上の供給材料準備ユニットがドライヤである請求項１２に記載の装置。
  15. 前記１つまたは２つ以上の供給材料準備ユニットが空気抜きである請求項１２に記載の装置。
  16. 供給材料を連続的に分析するための前記アナライザが中性子線分析装置である請求項１２に記載の装置。
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