JP2009529095A - 廃材から合成ガスを製造する方法および設備 - Google Patents

Abstract

石炭のような炭素質材料から合成ガスを生成するために設計された設備（１０）は、改質炉（１６）と連通した揮発分除去反応炉（１４）を含み、改質炉は続いて合成ガスを生成する。改質炉は、その次に、粒子分離器（１８）と連通している。揮発分除去反応炉は圧縮フィーダ（１２）を使用して材料を供給され、圧縮フィーダは供給材料から空気を除去し、供給ソーン内で材料を圧縮して、供給ホッパと揮発分除去反応炉との間にシールを形成する。粒子分離器（１８，２０）と同様に、改質炉（１６）は加熱炉（７７）内に維持されており、生成された合成ガスの温度は、粒子材料が分離されるまで、反応温度よりも低い温度に低下しない。

Description

本発明は、廃材から合成ガスを製造する方法および設備に関する。

炭素質材料は上昇する温度において蒸気と反応されて合成ガスを生成することが可能であり、その合成ガスは一酸化炭素と水素とが結合したものである。特許文献１に開示されているように、獲得可能な酸素が反応する以前に初期反応が華氏４５０度よりも高い温度に到達した場合、燃焼が生じる。この反応は不要な二酸化炭素、灰およびスラグを生成する。このことを回避するために、特許文献１に開示されているように、獲得可能な酸素が反応される後まで、温度は華氏４５０度に維持されなければならない。
米国特許第６，８６３，８７８号明細書

本発明は、合成ガスが特許文献１に開示された過程を改良することによって、より効果的に生成されることが可能であるという認識を前提としたものであり、特許文献１の開示内容は、参照されることによってここに含められている。

特に、揮発分除去ゾーン内の炭素質材料獲得可能な酸素が反応される後まで、温度は華氏４５０度よりも低い温度に維持されている。本発明において、その後この材料は揮発分除去ゾーン内で華氏約１０００度の温度に上昇される。この工程は、改質炉内において材料が蒸気と結合されて合成ガスを生成する前に行われる。

改質炉から、生成された合成ガスは直列に接続された粒子分離機を通過して、任意に生成された灰を除去する。これらの分離器は、改質炉と同じ祖納に収容されることによって、華氏１５００度よりも高い温度に維持されている。このことは、合成ガスが冷却されたときに発生するかもしれない無用の反応を防止し、設備内のカーボンの析出を回避している。分離器からの合成ガスはすぐさま急冷されて、華氏１０００度よりも低い、好ましくは華氏約１２０度の温度とされる。この温度において、合成ガスは安定しており、カーボンの体積を形成することなく、または無用の反応が不可能となっている。同時に、材料は好適に水冷装置内で冷却され、残留のタールまたはオイルは分離されて、反応のために揮発分除去ゾーンに戻されるかまたはさらなる使用のために収集される。本発明のさらなる特徴において、揮発分除去ゾーンからの熱は予熱セクションに導入され、そこで水と燃焼空気とが循環されて残りの熱を補助している。

本発明の目的および利点は、以下の詳細な記載および添付図を踏まえてさらに評価されるだろう。

図１Ａおよび１Ｂに図式的に示されているように、合成ガス製造設備１０は、揮発分除去セクション１４と連通し、その次に改質炉１６に接続されたた供給セクション１２を含んでいる。改質炉１６は粒子分離器１８および２０を通過する合成ガスを製造するようにデザインされている。ガスは冷却され、ろ過され、収集されて使用される。

図１および２により具体的に示されているように、供給セクション１２はオーガ４０を備えたホッパ３８を含み、そのオーガは炭素供給材料を供給チャンバ４２に誘導している。供給チャンバ４２は、揮発分除去セクション１４に誘導された供給管４４に接続されている。供給セクションの上方は円筒形サポート４８であり、そのサポートは供給チャンバ４２から供給管４４内に材料を強制的に供給するように設計されたコンパクトシリンダ４６を支持している。供給管４４はデランパ（delumper）５０につながっており、そのデランパは通路５２を介して揮発分除去セクション１４と連通している。ゲートバルブ５３はデランパ５０からのライン５５を通る逆流を防止している。

揮発分除去セクション１４は４つの円筒形の反応チャンバ５６，５８，６０および６２を含んでいる。それぞれの反応チャンバは隣の反応チャンバと連通している。それぞれの反応チャンバはオーガ（auger）６４を備え、そのオーガは個々のチャンバ５６〜６２を通して供給材料を供給オーガ７０へと供給するように適合されている。オーガ６４はモータ６８によって順々に操作される。供給オーガ７０は供給エダクタ７２と連通している。炉７７内に配置されたスチームヒータ７６からの蒸気は蒸気流入口７４を介して供給エダクタ７２内に導入される。このことは、材料をライン７５を通して反応炉１６へと円錐形サイクロン的に押し込む。反応炉１６も炉７７内に配置されている。

炉７７はバーナ７８と燃焼アウトレットまたはプレナム８０を含んでいる。反応炉に加えて、炉はスチームヒータ７６と分離器１８および２０とを含んでいる。燃焼アウトレット８０は加熱された空気を揮発分除去セクション１４へと向け順番に、最終的にスタック８２と連通した予熱器８１と連通している。

図示されたように、反応炉１６は管状反応炉であり、ライン８３を介してエダクタ（eductor）７２と連通している。反応炉１６からの流出ライン８４は第１の粒子分離器１８に通じている。分離器１８はガス流出ライン８５を含み、順々に第２の粒子分離器２０へと通じている。ライン９１は分離器２０から急冷エダクタ８６へと通じ、その急冷エダクタはライン８７を介して、ガスと水とを急冷タンク８８（図１Ｂ）へと導いている。急冷エダクタ８６は水流入ライン８９を含んでいる。

急冷タンク８８はガス／水／オイル分離器であり、ガス流入口９４、水流出口９６およびタール／オイル流出口９８を含んでいる。タール流出口９８は、図示されたように、ポンプ１００へと通じており、そのポンプはタールおよび／またはオイルを、ライン１０２を介してデランパ５０のちょうど上流にあるライン５５へと導いている。水流出口９６はライン１０６を介してサージタンク１０８と繋がっている。

ガス流出口９４は順々に第２の急冷エダクタ１１４に通じ、そのエダクタはタンク１１７から導かれた水流入口１１６を含んでいる。急冷エダクタ流出口１１８は順々に第２の急冷器１２０に通じている。急冷器１２０は水流出口１２２とガス流出口１２４とを含み、そのガス流出口は急冷スクラバ１２６へと通じている。

水流出口１２２は水ライン１０６へと通じ、順々にサージタンク１０８へと通じている。急冷スクラバ１２６はドレイン１３０へと続いた水流出口１２８を含んでいる。急冷スクラバ１２６からのガス流出口１３２はＴ継手１３４へと通じ、そこで第１のライン１３６は水フィルタ１３７へと通じ、水を除去している。フィルタ１３７からのガス流出口１４０はガス生成領域１４２へと通じ、水流出口１３８はライン１２８を介してドレイン１３０へと通じている。Ｔ継手１３４からの第２のライン１４６は第２の水フィルタ１４８へと通じており、そのフィルタはライン１２８を介してドレイン１３０に戻るように通じた水流出口１５０を含んでいる。ガス流出口１５２は順々にコンプレッサ１５４およびスクラバ１５６へと導入され、残存した水が除去される。スクラバ１５６はドレインまたは補給水ライン２４４に導入された水流出口１５８と、炉７７を加熱するために使用されるバーナ７８へと導入されたガス流出口１６０とを順々に含んでいる。

補給水流入口２００はサージタンク１０８に通じている。タンク１０８内の水は追加的な水処理パッケージ２０４を通して循環することが可能であり、それは硬度などの詳細な水の状態に依存して行われる。

タンク１０８はタンデムフィルタ２０８ａおよび２０８ｂに導入された流出口２０６を含んでいる。タンデムフィルタはＴ継手２１２に導入された共通の流出口２１０を備えている。Ｔ継手２１２からの１つのラインは第１のポンプ２１４に導入されている。ポンプ２１４は、ライン２１３、フィルタ２１６を介して、それに続いてクーラー２１８へと水を導入しており、そのクーラーは冷却された水をタンク１０８へと返送している。Ｔ継手２１２からの第２のラインは第２のＴ継手２２６へと導入されており、その第２のＴ継手は第２のポンプ２２８へと水の一部を導入している。第２のポンプはタンク１１７へと通じ、順々にチラー２３４と連通している。第３のポンプは、Ｔ継手２１２からライン８９を通して、水を上述の急冷エダクタ８６内へ導入している。

設備１０は予熱セクション８１も含んでおり、その領域は、炉７７から揮発分除去セクション１４を通過した排出ガスを、蒸気反応炉１６のための水、およびバーナ７８のための燃焼空気を予備加熱するために利用されている。炉７７からの排気は、排出プレナム８０を通過して揮発分除去セクション１４へと導入され、その後排気口２４０を通過して予熱セクション８１へと通じている。水流入ライン２４４はライン２４６を通して予熱セクションを介し、脱イオン水をスチームヒータ７６に導入している。ブロア２５０は、予熱セクション８１を介して空気を導入するために使用されている。これは、ライン２５４を介してバーナ７８へと排出される。

操作において、粉炭のような供給材料はホッパ３８および供給セクション１２を介して導入され、そこで材料はシリンダ４６によって圧縮され、バルブ５３、およびライン５５を通してデランパ５０に強制的に送られる。供給材料は揮発分除去セクション１４内へ強制的に送られる。シリンダ４６は供給材料を圧縮するために十分な圧力を与え、一般的に１０〜２０ｐｓｉまたはそれより大きい供給材料に関連した大部分の空気を追い出す。この力は揮発分除去セクション１４からの任意の圧力に打ち勝ち、供給材料を供給セクション１２と揮発分除去セクション１４との間のシールとして作用させる。このことは供給材料から空気を除去し、揮発分除去セクション１４内への所望しない酸素の導入を防止している。

オーガ６４は供給材料をチャンバ５６〜６２を介して強制的に送る。揮発分除去セクションは低温の第１のチャンバ５６から始まり、それに続いてより高温の第２のチャンバ５８、より高温の第３のチャンバ６０および第４のチャンバ６２へと順々に繋がっている。チャンバの温度は、熱分解を防止するために、供給材料内の全ての酸素が反応するまで供給材料の温度が華氏４５０度に到達しないように設計されている。全体的に、第１の反応チャンバは華氏約１００度の初期温度であり、最終的な揮発分除去セクションは華氏約１０００度である。大部分の自由酸素は、供給材料が華氏４５０度の揮発分除去セクションの部分に到達する前に、十分に反応するだろう。それぞれのセクションの温度は、表面領域および滞留時間と同様に排気プレナム８０の近傍によって制御されている。揮発分除去セクション１４を介した供給管４４からの圧力は、約１２５ｐｓｉである。

揮発分除去セクション１４から発生する最終製品は一次炭化物であり、ガスは揮発分除去の間に開放される。この最終製品は供給オーガ７０に導入されて、蒸気エダクタ７２に誘導される。スチームヒータ７６からの蒸気はエダクタ７２内に導かれる。蒸気の温度は華氏約１５００度であり、圧力は約１２５ｐｓｉである。エダクタはその後改質炉１６に誘導されて、そこで合成ガスが生成される。改質炉１６内において、炉内温度は圧力約１２５ｐｓｉの下で、華氏１５００度よりも高く、好ましくは華氏約１５５０度に上昇する。改質炉１６内の反応物質の流れの一部はライン２５３を介して供給オーガ７０の上流近傍の流入口へと導入され、低流速または低供給速度で固体を運搬することが可能である。

改質炉１６からの反応生成物である灰と合成ガスとはサイクロン分離器１８および２０に導入される。サイクロン分離器は炉７７内に配置され、圧力１２５ｐｓｉの下で改質炉１６と同じ華氏約５５０度の温度に維持されている。分離器１８および２０は反応生成物から灰を除去する。灰はオーガ２４１および２４３へと導かれ、そのオーガは灰を乾燥した灰の容器２４５および２４７内に移動して、合成ガスがシステムから逃げ出さないようにしている。

分離器１８および２０を通過した後、合成ガスはライン９１を介して炉から急冷エダクタ８６および急冷タンク８８へと流れ、そこで圧力約１４０ｐｓｉの下でタンク１０８からの水によって華氏約１２０度まで冷却される。タンク１０８内の水の温度はクーリングタワー２１８を通した再循環によって制御されており、好適に華氏約９０度である。急冷タンク８８はガス、水およびオイルを分離する。水はタンク１０８に返送され、再利用される。

ガス自身はその後急冷タンク８８から第２の急冷タンク１１４へと導入される。タンク１１７からの２００ｐｓｉの水は、さらに合成ガスを１２５ｐｓｉの下で華氏約７０度に冷却するために使用される。チラー２３４は華氏約６０度に水温を安定するために使用される。冷却されたガスは第２の冷却器１２０へと流れ、そこで水を分離し、その水をタンク１０８に返送して、ガスが急冷スクラバ１２６へと流れて再度水を分離することを可能にしている。そこで分離された水はライン１２８を介してフィルタ１３７および１４８を通して導入されたガスからのドレインへと移送される。フィルタ１３７からのガスは収集されて使用される。初期始動のために、分離された燃料源が使用される。

代替的なフィーダ２５０が図３および４に示されている。フィーダ２５０はホッパ２５２を含み、ホッパは供給容器２５６に通じた供給オーガ２５４を備えている。供給容器２５６はモータ２６０によって回転されるスクリュー２５８を含んでいる。スクリューは供給管４４に通じており、その供給管は流出口２６２を介して揮発分除去セクションに連通している。

図４に示されているように、スクリュー２５８はメインシャフト２６６と螺旋ブレード２６８とを備えている。ブレード２６８の外径は一定であり、一方で、シャフト２６６の外径は流入部２２０から流出部２７２へと増加している。このことはシャフト２６６と流入管４４との間の領域を減少させており、それによって供給材料を圧縮して、設備１０内に強制的に移送している。使用時において、２０〜５０％、好ましくは４０％の圧縮が好適である。

したがって、本発明は多くの異なった改良点を備えており、その点はKlepperの特許文献１に開示された工程の効率を改良している。供給材料の圧縮は所望しない空気を除去し、流入のシールを形成している。さらに、蒸気の付加に先立って揮発分除去セクションにおいて材料を華氏約１０００度まで加熱することは、全体的な反応の効率を改善し、反応速度を増加させる。分離器を炉内に維持し、その温度を維持することによって、所望しない反応は回避され、特に、装置のカーボンの堆積が最小化されている。合成ガス反応の急速な冷却は、さらに所望しないカーボンの堆積、または反応生成物の生成を回避している。

これは、本発明の実施の好適な方法に沿った本発明の記載である。しかしながら、本発明自身は添付の特許請求の範囲によってのみ定められるべきである。

本発明に使用される装置の系統図を示している。 本発明に使用される装置の系統図を示している。 供給セクションの実施形態の横断面を示した図である。 代替の供給セクションの概略的な立面を示した図である。 図３における実施形態で使用されるオーガの計画図を示している。

符号の説明

１０ 合成ガス製造設備
１２ 供給セクション
１４ 揮発分除去セクション
１６ 改質炉
１８，２０ 粒子分離器
３８ ホッパ
４０ オーガ
４２ 供給チャンバ
４４ 供給管
４６ コンパクトシリンダ
４８ 円筒形サポート
５３ ゲートバルブ
５６，５８，６０，６２ 反応チャンバ
６４ オーガ
７０ 供給オーガ
７２ 供給エダクタ
７４ 蒸気流入口
７６ スチームヒータ
７７ 炉
７８ バーナ
８０ プレナム
８１ 予熱セクション
８６ 急冷エダクタ
８８ 急冷タンク
１００ ポンプ
１０８ サージタンク
１１４ 第２の急冷エダクタ
１１７ タンク
１２０ 急冷器
１２６ 急冷スクラバ
１３７ 水フィルタ
１４８ 第２の水フィルタ
１５４ コンプレッサ
１５６ スクラバ
２０４ 水処理パッケージ
２１４ 第１のポンプ
２１８ クーリングタワー
２２８ 第２のポンプ
２３４ チラー
２３０ 第３のポンプ
２５０ フィーダ
２５２ ホッパ
２５４ 供給オーガ
２５６ 供給容器
２５８ スクリュー
２６０ モータ
２６６ メインシャフト
２６８ 螺旋ブレード

Claims (18)

1. 炭素材料を揮発分除去反応炉に供給する方法において、
   前記炭素材料を供給ゾーンに誘導するステップと、
   前記炭素材料を凝縮して該炭素材料から空気を除去するステップと、
   前記炭素材料を前記揮発分除去反応炉内に強制的に投入するステップと、
   を含んでいることを特徴とする方法。
2. 前記材料の凝縮は、前記供給ゾーンと前記揮発分除去反応炉との間にほぼ気密シールを形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記凝縮された材料を、前記気密シールと前記揮発分除去反応炉との間に離散させるステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記炭素材料はオーガによって圧縮されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記炭素材料はラムによって圧縮されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記炭素材料は少なくとも１０ｐｓｉまで圧縮されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記炭素材料は石炭であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 合成ガスを生成する方法であって、
   炭素供給材料を揮発分除去反応炉内に誘導するステップと、
   前記炭素供給材料を、該炭素供給材料内のほぼ全ての酸素が反応するまで、酸素を付加することなく華氏４５０度よりも低い第１の温度まで加熱するステップと、
   その後、前記炭素供給材料を、酸素と蒸気とを付加することなく少なくとも華氏約１０００度まで加熱するステップと、
   その後、前記揮発分除去反応炉からの反応生成物に蒸気を付加し、該反応生成物を改質炉に強制的に移送し、該改質炉を反応炉温度まで加熱して合成ガスを形成するステップと、
   を含んでいることを特徴とする方法。
9. 熱は、前記改質炉を収容している炉からの排気から、前記揮発分除去反応炉へと供給されていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記合成ガスを第１の粒子分離器に誘導するステップと、
    前記合成ガスを前記反応炉温度において該分離器内に保持するステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記分離器から水冷装置へと前記合成ガスを導入するステップをさらに含み、
    該合成ガスは前記反応炉温度において前記水冷装置へと誘導されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記水冷装置から前記分離器へと液体を導入するステップと、
    水とガスと、および炭素系液体とタールとを互いに分離するステップと、
    前記炭素系液体とタールとを前記揮発分除去反応炉の供給セクションに導入するステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記合成ガスは、前記水冷装置内で華氏８００度よりも低い温度に冷却されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記合成ガスは前記第１の粒子分離器から第２の粒子分離器へと導入され、該第２の粒子分離器も前記反応炉温度において維持されており、前記合成ガスは前記第２の粒子分離器から前記水冷装置へと導入されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 合成ガスを生成する方法であって、
    炭素供給材料を揮発分除去反応炉内に誘導するステップと、
    前記炭素供給材料を前記揮発分除去反応炉内において酸素を付加することなく加熱するステップと、
    反応生成物を前記揮発分除去反応炉から改質炉へと導入し、該反応生成物と蒸気を混合して、該反応生成物を反応炉温度まで加熱して合成ガスを形成するステップと、
    該合成ガスを粒子分離器に導入するステップであって、該粒子分離器は前記反応炉温度に維持されているステップと、
    前記合成ガスを前記粒子分離器から水冷装置へと導入し、前記合成ガスの温度は華氏８００度よりも低い温度まで冷却されるステップと、
    を含んでいることを特徴とする方法。
16. 液体を前記水冷装置から前記分離器へと導入し、水と合成ガスと、炭素系液体材料とを分離するステップと、
    前記炭素系液体材料を前記揮発分除去反応炉の供給セクションに導入するステップと、
    を含んでいることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 合成ガスを生成する設備において、
    改質炉と連通し、その次に第１の粒子分離器と連通した揮発分除去反応炉を具備し、
    前記改質炉と前記粒子分離器とは炉内で維持されていることを特徴とする設備。
18. 前記第１の粒子分離機と連通した第２の粒子分離器をさらに具備し、該第２の粒子分離器も前記炉内に配置されていることを特徴とする、請求項１７に記載の設備。

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