JP2008542004A - 固体有機生成物を蒸留する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固体有機生成物をプロセス処理する方法、特に、処理済みの木質材料をリサイクルする方法であって、材料の有機結合を切断するために反応カラムの最下部で高温ガスエネルギーを使用して蒸留プロセスを徐々に実施するステップと、前記蒸留の間に、反応カラムの下部に進入する前の高温ガスの温度（Ｔ１）と反応カラムの格子のすぐ上の領域に置かれた材料の温度（Ｔ２）とを常時制御するステップと、導入ガスの温度（Ｔ１）と格子の上に置かれた材料の薄い部分の温度（Ｔ２）とが同一またはほとんど同一で、蒸発およびカラム内での最下部から上方への高温ガスによる輸送によって前記材料からすべての有機結合を除去する状況に対応するときに、実質的に炭素から成る、２次原料の形態で具現化される生成物を回収するために、前記温度を有する材料部分を排出するステップとを有する方法に関する。

Description

本発明は、固体有機材料をリサイクルする技術分野に関し、より詳細には、特に柱（ｐｏｓｔ）や電柱などの用途に使用される防腐剤であるＣＣＡ（銅、クロム、ヒ素）で処理された木材廃棄物を含め、汚染された木材廃棄物のリサイクルに関し、またさらに、例えば農業廃棄物など、他の固体有機材料のリサイクルに関する。

汚染された木材廃棄物をリサイクルする特定の用途では、そのような木材廃棄物をリサイクルするためのプロセスが、本出願人の特許文献１の枠組み内で開発された。「ＣＨＡＲＴＨＥＲＭ」と述ばれるこのプロセスは、以下の規定された諸段階によって特徴付けられる断熱燃焼を使用する。

処理済みの木材廃棄物は、破砕された後、その下部に燃焼領域、その上部に冷却ゾーンを備えた、背の高いカラム形の塔型反応器に導入される。反応器の下部では、破砕木材は、酸素含有量の低い温度４００℃程度の高温ガスによって生み出される断熱燃焼にさらされ、破砕木材の塊は、ガスによって運ばれる過剰な熱を吸収する燃焼領域の上方に配置され、これらのガスを６５℃未満の温度まで徐々に冷却させ、それによって逆の温度勾配を生み出し、凝縮を引き起こして、その凝縮が、破砕木材と接触するときに、燃焼ガスが含む可能性のあるすべての粒子、特に金属粒子、タール、および蒸気を堆積させる。すべての重金属が取り除かれた非凝縮性の燃焼ガスは、反応器から除去される。反応器の下部に導入される燃焼ガスの酸素含有量は、破砕木材の発火を妨げ、還元効果を高めるために、きわめて低い。破砕木材の断熱燃焼後に得られる木炭は、その後の、他の処理用途でのリサイクルを目的として、重金属および他の汚染元素の還元を含む。

「ＣＨＡＲＴＨＥＲＭ」プロセスを実施するために使用されるプラントのレイアウトは、次の通りである：

反応器は、カラムを備え、該カラムの最下部から最上部まで、以下の品目：
灰除去システムを装備した、封止された灰ホッパと、
反応器の下部に位置する高温ガス入口と、
炭化した（carbonised）材料を除去し、振動の効果によって破砕木材の下向きの流れを引き起こすことができる振盪グリッドと、
燃焼領域の上方に位置するガス冷却／フィルタリングゾーンと、
反応器の上部に位置する、封止された破砕木材供給入口と、
上記供給入口と同じ高さにある、破砕木材が外に出るのを防ぐことを目的としたグリッドと、破砕木材の均一な径方向分布を保証する何らかの機構とによって保護された燃焼ガス出口とを含む。

実際のプロセス自体は、以下の段階：
破砕材料をカラム反応器内に供給する段階と、
反応器の上部でガスを冷却しながら、反応器の下部で振盪グリッド上に置かれた前記材料を断熱燃焼させる段階と、
低酸素含有量の高温ガスを反応器の下部に供給し、高温空気発生装置と、バーナーと、圧縮機と、煙道ガスおよびリサイクルされたガスをスクラバ洗浄（scrubbing）する介装されたデバイスとを組み込んだガスリサイクル回路によって、反応器カラム内でガスを移動させる段階と、
振盪グリッドを制御することによって、反応器の下部から処理済みの材料を残留物の形態で除去する段階とを備えている。
欧州特許第７７２６６３号明細書

実際のところ、上記プロセスは、満足のいく作業結果をもたらし、最後には木炭灰を生成する。

それでも、本出願人は、非常に精密な目的、すなわち、プロセスの終わりに、現時点では全く不可能である（２次）原料を構成可能な還元された材料を得る目的で、このプロセスをさらに向上させようと努めた。本出願人によって採用された手法は、また、プロセスを実施するために使用されるプラントの有用性を高め、したがってその生産性および収益性をさらに改善することを目的とした。

本発明の第１の態様によれば、固体有機材料を処理するプロセス、特に、処理済みの木材をリサイクルするプロセスは、以下の諸段階：
材料の内部の有機結合の切断がその効果である、カラムの最下部で注入される高温ガスによって運ばれるエネルギーによって誘発される蒸留プロセスと、
カラムの最下部での注入ガスの温度（Ｔ１）（１７０℃〜３７０℃）が、振盪グリッドのすぐ上に置かれた材料の温度（Ｔ２）と比較される、全蒸留プロセスにわたる連続的な熱制御操作と、
振盪グリッドのすぐ上に置かれた材料がカラムの最下部での注入ガスの温度と同じレベルの温度に達したときに（Ｔ１＝Ｔ２）、この温度が等しいことが、すべての有機結合が蒸発してガス流によって最下部から最上部へとカラム内を通って押し出されたことを意味するので、振盪グリッドを作動させることによるこの置かれた材料の除去操作とを備えているという理由から、注目に値する。これらすべてによって、グリッドの最下部で、大部分が炭素でできた、（２次）原料と見なすことのできる生成物を回収できるようになる。

前述および他の態様は、以下の説明から明らかになる。

本発明の目的について、単なる一例として添付図面に記載する。

本発明の目的をより容易に理解できるように、単なる一例として以下の説明を与え、添付図面を参照する。

図１に概略的に示された装置は、その最上部に予め破砕された木材がコンベヤもしくは同等のデバイスを用いて導入される、背の高いカラム（１）の形態の反応器カラムを含む。まさにそれらの性質によって、この破砕木材は、当然、高い割合の炭素および他の鉱物、ならびに、場合によっては、例えば、電話、または電気もしくは他の用途で使用される木製の柱、あるいは鉄道の枕木もしくは窓の縦枠（window jambs）または他の品目である可能性のある、もとの製品に実施された処理の結果として生じる重金属を含有する。したがって、反応器カラム（１）は、特許文献１に記載のように、高温ガス発生装置（４）と、バーナー（５）と、過給機（６）と、中間の煙道ガスおよびリサイクルされたガスのスクラバデバイス（９）とを含む高温ガス放出／循環回路（３）に組み込まれる。反応器カラムの基部は、水平に動き、反応器カラムの下部に配置され、適切な制御装置を用いて後述のように特定の材料の塊を除去できる、グリッド（７）を備えて設計される。

ホッパ（８）を通じて反応器カラムに導入される破砕材料は、重力の効果によって前述のグリッド上に置かれる。高温で低酸素含有量のガスは、反応器カラムの下部（１Ａ）に注入され、このカラム内に押し込まれる。反応器カラムの最上部のところのガス排気管の狭窄は、反応器の内側の材料の存在と相まって、反応器カラムの最下部でのガス注入圧力とカラムの最上部でのガス出口圧力との間の圧力降下を引き起こす。この制御された圧力降下は、層状の圧力低下を誘発し、その圧力低下によって、一定容積のカラムでは、反応器カラムの最下部から反応器カラムの最上部に向かって温度が低下する。

特許文献１に記載のプロセスと比較して、後で蒸留され、冷却され、フィルタ処理されるこの材料の有機成分の分離および蒸発だけを引き起こすために、ガス注入温度（Ｔ１）を、カラムに導入される材料のタイプに応じて１７０〜３７０℃にわたるより低い温度とすることができ、この温度は、あらゆる場合に、もとのプロセスで断熱燃焼を誘発する温度よりも低い。

灰を得るために内部で断熱燃焼を使用する特許文献１に記載のプロセスと比較して、本発明は、その大部分が炭素である、燃焼が存在しないことによって（２次）原料と見なすことのできる生成物を得ることを目的とした方法を使用する。

実際のところ、本発明によるプロセスは、該プロセスが、反応器カラムの最下部のところで高温ガスによって提供されるエネルギーを使用して特定の機能を果たす、すなわち、反応器カラムに導入される材料もしくは破砕木材内の有機結合を切断する、蒸留操作を使用するという点で、前述の従来技術とは異なる。

ゆえに、蒸留プロセスは、反応器カラムに導入された破砕木材もしくは他の材料から蒸発する、高温ガスの流れによって反応器カラムの最上部に向かって上方に輸送される複合有機分子を解放することにより、該破砕木材もしくは他の材料内の有機結合を切断するものである。ゆえに、有機結合は、反応器カラムに導入される材料もしくは破砕木材内で徐々に壊れる。同時に、また本発明の他の重要な特徴によれば、プロセスは、蒸留操作が進むにつれて、適切な測定／調節手段によって、反応器カラムの下部に導入される前の高温ガスの温度（Ｔ１）と、反応器カラムのグリッドのすぐ上に置かれた状態にある材料もしくは破砕木材の温度（Ｔ２）との間の連続一定制御を使用する。この隙間は、５ｃｍ程度である。

温度（Ｔ１〜Ｔ２）間の相対的な連続一定制御によって、変動する材料の温度と、一定である注入される高温ガスの温度との間の温度差の変動を識別することができる。２つの温度（Ｔ１）（Ｔ２）が同一または事実上同一であるときには、これは、エネルギーがもはや材料もしくは破砕木材内の有機結合を切断することによって吸収されないこと、したがって、材料の有機結合すべてが蒸発によって除去され、高温ガスによって反応器カラムの最下部から最上部へと輸送されたことを示唆する。

材料の温度（Ｔ２）は、ガスの温度（Ｔ１）を超えず、また超えてはならない。温度（Ｔ１〜Ｔ２）の連続常時監視は、本質的に、カラムの最上部に熱が存在しないように、反応器カラムの最上部と最下部との間の圧力降下を監視するステップの一部であり、最大の熱交換は、熱衝撃が急激で、かつ鉱物材料だけを残すように、グリッドの高さで起こらなければならない。カラムの最下部と最上部との間の圧力差は、反応器カラムの最上部で排気管に嵌入された弁（Ｖ）を用いて制御される。ゆえに、より多くの弁（Ｖ）が閉止されるほど、より多くの弁がカラムの下部の圧力を上昇させ、また同時に、カラム内に存在する材料の連続層において可能な最大の圧力降下およびより良好な層状化を引き起こすために、リサイクルするためのガスの流れを可能にする。

そのように、グリッドのすぐ上でグリッドと接触する、反応器カラム内に位置する材料の層（Ａ）は、その有機成分の蒸発によって無機化される。この層の厚さは、数センチメートルであり、温度（Ｔ１）と（Ｔ２）とが等しいまたは事実上等しいという要件を精密に満たすときに除去される。実際のところ、実施された研究および試験に基づいて、得られる鉱物材料は、本質的に炭素ベースである。

プロセスは、次いで、カラムの下部を通じて、有機部分が蒸留された、この鉱物材料層を除去する段階を備えている。グリッドは、水平方向に動かされ、これが、グリッドが含む穴の開口と、グリッド上に置かれた材料の垂直方向の除去とを引き起こす。鉱物材料のこの除去によって、カラム内に位置する材料の塊が、連続サイクルで層の下方へと落下する。次いで、除去された材料に等しい体積の新しい材料が、反応器カラムの上部に導入される。

さらに、プロセスを最適化するために、反応器カラムは、図１に示したように円錐形で上方に向かってテーパし、それによって装填物のアーチング（arching）を回避し、熱交換および層状化を促進している。また、プロセスを最適化すると、グリッド（７）の特定の実施形態がもたらされる。これを達成するには、グリッドは、ある程度まで、「透明（transparent）な」ものでなければならず、熱吸収に関する効果および圧力降下の発生に関する効果が最小限でなければならない。これを達成するために、グリッドは、２つのコンポーネント（７ａ〜７ｂ）を有しており、カラム（１）の下部に位置するコンポーネント（７ａ）は、固定され、多重クラスタ構成の複数の円形開口部（７ａ１）を有する。コンポーネント（７ｂ）は、コンポーネント（７ａ）に対して可動であり、摺動するウェッジを用いてコンポーネント（７ａ）からわずかに上方に持ち上がった位置にある。コンポーネント（７ｂ）は、長円形の、したがって固定コンポーネントの開口部と部分的に重なり合う穴（７ｂ１）を有する。コンポーネント（７ｂ）の厚さは、せいぜい約１〜２ｃｍ以下である。２つのコンポーネント（７ａ〜７ｂ）間の隙間（Ｅ）は、流動ガス床を画定する。したがって、温度（Ｔ２）の材料の層（Ａ）がコンポーネント（７ｂ）の上に置かれる。７ｂおよび７ａを通じた反応器カラムの最下部に向かう鉱物材料の層（Ａ）の下向きの移動とその除去とを可能にする動きを保証するために、コンポーネント（７ｂ）の前後運動が、任意の機械的または他の手段によって保証される。

本発明によれば、本発明による蒸留プロセスの諸操作段階の間に、カラムの内側で、蒸発した有機分子は、高温ガスの流れによってこのカラムの最上部に向かって上方に輸送される。したがって、それら有機分子は、より低い温度で材料と接触しており、分子は、より低温の材料壁上で再凝縮する。ただし、温度（Ｔ２）が高温ガスの温度（Ｔ１）に達した材料の層（Ａ）の緩やかな連続除去は、再凝縮した分子が、繰り返しフラグメンテーションによって、またはそれらを再び蒸発させることによる破壊によって再加熱される、新しい段階をもたらすことになる。

ただし、より軽くより小さい有機分子は、反応器カラム内のより高いところまで上り、蒸発することになる。したがって、これは、有機分子がその間に再凝縮もしくは再加熱されてフラグメント化される、諸段階の連続交互サイクルを生み出す。これらの有機分子は、すべて、ますます軽く小さくなり、反応器カラムの最上部から除去される。

反応器カラムの上部に位置するより軽い有機分子は、それらを後でリサイクルできるように、ガスによって除去される。この第２の状況では、より小さくより軽い前記残存有機分子は、主に可燃性の炭化水素である。

反応器カラムからの出口ガスは、プラントのスクラバ洗浄／乾燥領域に送られ、次いで、結合した空気とともに高温空気発生装置へと戻される。これで、前述の蒸留プロセスから得られたすべての残存有機分子を高温で燃やすことが可能になる。ちなみに、これらの得られる有機分子で充満したガスをリサイクルすると、もとの材料の蒸留によって得られる軽燃料（light fuel）をバーナーに供給でき、それによってエネルギー節約が可能になる。

前述した先の特許文献１に記載のプロセスでは、これらの残存分子で充満したガスをボイラーに再注入するチューブは、バーナーの出口からのガスが常に酸素をほとんど含まないことを保証するために、ちょうどよい比率で新鮮な空気を供給できる開口部を設けて設計される。リサイクルされたガスを含む、この高温ガス発生装置からの出口ガスは、反応器カラムの下部に導入される。

ここまでに記載した本発明による蒸留プロセスは、もとのプロセスに比べて多数の利点を有する。高温の中性ガスは、反応器カラムに導入されたもとの材料から有機分子を解放する熱エネルギーを提供しており、カラム内の温度および圧力を監視すると、最適な蒸留効果を得られるようになる。有機粒子がその間に反応器カラム内で繰り返し再凝縮かつ再加熱される連続的な諸段階は、鉱物材料を得るために、徐々に精密となる緩やかな分子の蒸留を可能にする。該鉱物材料は、特定の材料に応じて、その総体積に比べて６０〜９８％、木材の場合には９５〜９８％の炭素を含む。

プロセスの他の利点は、プロセス温度が炭素構造の融解温度よりもはるかに低いので、鉱物材料の炭素が、有機化合物として形成されるときと同じ自然の結晶構造、すなわち、グラファイトタイプの結晶構造を保持するという事実である。したがって、鉱物材料の炭素は、脆い。

プロセスの他の利点は、有機分子結合によってもはや炭素に結び付いていない炭素以外の任意の鉱物が、それらの結合を失うことによって、１つに集まり、炭素構造とは無関係な凝集体を形成する傾向にあるという事実である。

本発明のこの最適化された形態を使用すると、特許文献１に記載した種類の燃焼が妨げられる。

したがって、鉱物材料の炭素の脆さと他の鉱物の凝集現象とを組み合わせた利点によって、本出願人によって開発された他のプロセスに従ってクリーンな炭素粉末を製造するために、鉱物材料のその後の処理を使用することを想定できるようになる。

ゆえに、本発明によれば、蒸留プロセスの用途および性能は、特許文献１で定義されるもとのプロセスの用途および性能をはるかに上回る。蒸留プロセスによって、以前には達成不可能であった、炭素原料の同等物を得るために改良および回収の目的で鉱物材料を処理することが可能になる。

本発明は、固体有機材料の処理、処理済み木材のリサイクル、またさらに、驚くべきことに農業廃棄物および家畜の便の処理にも、多くの用途を有する。

本発明によるプロセスを実行するために使用されるプラントの図である。 反応器カラムの断面図である。 グリッドの略図である。

符号の説明

１ 反応器カラム
１Ａ 下部
３ 高温ガス放出／循環回路
４ 高温ガス発生装置
５ バーナー
６ 過給機
７ グリッド
８ ホッパ
９ スクラバデバイス

Claims (10)

1. 破砕された材料を、塔型反応器を形成するユニットに導入する段階と、
   反応器カラムの上部では冷却しながら、前記反応器カラムの下部で、水平方向に動くグリッド上に置かれた前記材料を加熱する段階と、
   低酸素含有量の高温ガスを前記反応器カラムの下部に注入し、高温ガス発生装置、バーナー、過給機を組み込んだ排気ガスリサイクル回路によって前記反応器カラム内でガスを移動させ、リサイクルされたガスを再注入する段階と、
   振盪グリッドを制御することによって、前記反応器カラムの下部から炭酸塩化した材料の形態で鉱物材料を除去する段階とを使用するタイプの、固体有機材料を処理するプロセスであって、
   前記プロセスが、前記材料内の有機結合の分離を保証する蒸留操作を実施するために前記反応器カラムの最下部のところで１７０℃〜３５０℃の温度（Ｔ１）を有する高温ガスによって提供されるエネルギーを使用することを特徴とし、また、前記プロセスが、前記蒸留操作が進むにつれて、前記反応器カラムの下部に注入される前の前記高温ガスの温度（Ｔ１）と、前記反応器カラムの前記グリッドのすぐ上の領域に位置する材料の温度（Ｔ２）との間の一定制御と、前記温度（Ｔ１〜Ｔ２）間の連続相対比較とを使用することを特徴とし、また、蒸発および前記高温ガスによる前記カラムの最下部から最上部への輸送による前記材料の有機結合すべての除去に相当する、注入されるガスの温度（Ｔ１）と前記グリッドの上方に位置する材料の薄い層で測定される温度（Ｔ２）とが同一または事実上同一であるときに、前記材料層が前記温度（Ｔ２）において、主に炭素から成る、（２次）原料を構成する材料を回収するために除去されることを特徴とするプロセス。
2. 前記材料の蒸留が、前記有機分子が再凝縮もしくは再加熱されてフラグメント化される諸段階を含めた緩やかな連続交互サイクルで行われ、前記有機分子が、軽くなって前記反応器カラムの最上部から除去されることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記グリッドと接触する、前記反応器カラム内に位置する材料の層が、その有機成分を蒸発させることによって無機化されることを特徴とし、また、前記カラム内での前記蒸留プロセスの諸操作段階の間に、蒸発した有機分子が、高温ガスの流れによって前記カラムの最上部に向かって輸送され、またそれら有機分子の再凝縮を引き起こすより低い温度にあることを特徴とし、また、鉱物材料の下層の除去が、サイクルが進むにつれて軽く小さくなる前記有機分子の再加熱およびフラグメンテーションの一連のサイクルの開始を経る新しい材料を反応器カラム内へともたらすことを特徴とし、また、前記反応器カラムが、除去された量と関係のある、処理されるべき材料の新しい量で再び充填されることを特徴とする、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記反応器カラムの上部で排気管内に配置された、前記カラムの最上部と最下部との間の圧力差を連続監視する機能を果たし、その調節に応じて、圧力および温度の層の層状化を促進するために前記カラムの下部の圧力を上昇させることのできる弁（Ｖ）を使用することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記反応器カラムからの排気ガスが、スクラバ洗浄／乾燥領域に送られ、前記ガスが、場合によっては、前記蒸留段階で得られたガス相内の有機分子（炭化水素）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のプロセス。
6. 前記グリッドと接触する、導入される高温ガスの温度（Ｔ１）に等しい温度（Ｔ２）を有する可能性の高い材料の層の厚さが、５ｃｍ程度であることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
7. 処理済み木材をリサイクルする用途を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 農業廃棄物を処理する用途を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 例えば家畜の便のような、あらゆる種類の有機固体を処理する用途を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
10. カラムの最下部から最上部までに、
    鉱物炭酸塩化生成物除去システムを装備した、封止されたスペースと、
    反応器の下部に位置する高温ガス注入システムと、
    前記鉱物炭酸塩化生成物を除去し、シザー効果によって前記鉱物炭酸塩化生成物の下向きの流れを引き起こすことができる振盪グリッドと、
    反応領域の上方に位置するガス冷却／フィルタリングゾーンと、
    前記反応器の上部に位置する、破砕された固体有機材料のための封止された導入システムと、
    前記導入システムと同じ高さにある、ガスリサイクル回路に連結された蒸留ガス排気システムとを含む、前記カラムを備えた反応器を使用するタイプの、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセスを使用するプラントであって、
    前記カラムの上部に、前記カラムのガス注入部とガス排気管との間の圧力差の連続監視および比較に関わる、前記反応器カラムの下部に導入される前の高温ガスの温度（Ｔ１）と前記グリッドのすぐ上の領域に位置する材料の温度（Ｔ２）とを連続監視する測定／調節システムを組み込んだ弁（Ｖ）を含むことを特徴とし、また、２つのコンポーネント（７ａ〜７ｂ）、すなわち、前記カラムの下部にある固定コンポーネント（７ａ）と、前記固定コンポーネント（７ａ）の上方に位置し、流動ガス床の形態の隙間を画定するように重ねられた可動コンポーネント（７ｂ）とから成るグリッド（６）を含んでおり、前記コンポーネント（７ａ〜７ｂ）それぞれが、材料の動きおよびガスの流れを可能にするために、それぞれ円形および長円形の開口部（７ａ１〜７ｂ１）を有することを特徴とし、また、前記カラムが、その最上部に向かってテーパし、縮小することを特徴とするプラント。

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