JP2009536258A - プラズマトーチ熱を使用したガス改質システム - Google Patents
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Abstract
Description
ガスの考えられる使用法として、内部処理および/もしくはその他の外部目的用の蒸気の産生のため、または、蒸気タービンによる電気の生成のためのボイラー内における燃焼;電気の生成のためのガスタービンまたはガスエンジン内における直接的な燃焼;燃料電池;メタノールおよびその他の液体燃料の産生;プラスチックおよび肥料等の化学物質の産生のためのさらなる原料として;別個の産業用燃料ガスとしての、水素および一酸化炭素両方の抽出;ならびにその他の産業上の用途が挙げられる。
有用な原料は、あらゆる都市廃棄物、産業活動によって産生された廃棄物、および生物医学的廃棄物、下水、汚泥、石炭、重油、石油コークス、重油精製残留物、製油所廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、および農業廃棄物、タイヤ、ならびにその他の有害廃棄物を含み得る。原料の起源に応じて、揮発物は、H2O、H2、N2、O2、CO2、CO、CH4、H2S、NH3、C2H6、また、アセチレン類、オレフィン類、芳香族類、タール類、炭化水素液(油)、および炭化物(カーボンブラックおよび灰)等の不飽和炭化水素を含む場合がある。
炭化物は、有機および無機材料からなる残留固体を含む。熱分解後、炭化物は乾燥原料よりも高濃度の炭素を有し、活性炭素の源としての役割を果たし得る。高温(>1,200℃)で動作するガス化装置内、または高温ゾーンを有するシステム内において、無機鉱物質が溶解またはガラス化され、スラグと呼ばれる溶融ガラス状物質を形成する。
スラグは溶解されガラス化された状態であるため、通常は無害であると考えられ、無害材料として埋立地において処分、または鉱石、路盤、もしくはその他の建設材料として販売され得る。加熱プロセスにおいて極度に燃料が無駄になること、ならびに、有用な合成ガスおよび固体材料に変換され得る材料である灰を残留廃棄物として処分するのはさらに無駄であることから、廃棄材料を焼却によって処分することは、あまり望ましいことでなくなりつつある。
ガス化プロセスによって産生された熱を捕捉し、そのような熱を利用して電気を生成するための多数のシステムが提案されており、一般に複合サイクルシステムとして知られている。
ガス化プロセスにおいて生成されたガスが、「低品質の」炭素質原料により低温ガス化装置内において生成される傾向がある種類のガス等、多種多様な揮発物を含む場合、当該ガスは概してオフガスと称される。原料の特徴およびガス化装置内における条件によって、COおよびH2が支配的な化学種であるガスが生成される場合、当該ガスを合成ガスと称する。いくつかのガス化施設では、ガス品質コンディショニングシステムを冷却および清浄する前に、生オフガスまたは生合成ガスをより精製されたガス組成物に変換するための技術を用いる。
米国特許番号第5,785,923号には、揮発性材料を破壊するためのプラズマトーチ等の投入ガストーチ加熱器を有する投入ガス受取チャンバを含む連続供給材料溶解の装置が記載されている。
本発明は、プラズマトーチ熱を使用するガス精製システムの供給を目的とする。本発明の一側面によれば、第1の末端と第2の末端とを有する耐熱性の円筒チャンバであって、このチャンバの第1の末端またはその近くに配設された、投入ガスを受け取るための投入部と、このチャンバの第2の末端またはその近くに配設された、改質ガスを放出するための改質ガス出力部と、このチャンバと流体連通状態にある1つ以上の酸素源投入部とを有する、チャンバと、このチャンバを熱し、これにより投入ガスが改質ガスに変換される、1つ以上のプラズマトーチを含む、ガス化反応による投入ガスを定義された化学組成の改質ガスに改質するシステムが提供される。
本発明は、炭素質原料のガス化に由来する投入ガスを、定義された化学組成の改質ガスに改質するガス改質システムを提供する。特に、このガス改質システムはプラズマトーチからのトーチ熱を使用してガス状分子を分離し、これによりエネルギー発生等の下流のアプリケーションに有用な、より小型の分子への再結合を可能にする。このシステムはまた、ガス混合手段、プロセス添加剤手段、および1つ以上のセンサ、1つ以上のプロセスエフェクタおよび改質反応を監視および/または規制するコンピューティング手段を持つ制御システムを含んでもよい。
別様に定義されない限り、本願において使用されるすべての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって広く理解されるものと同一の意味を有する。
本願において、「検知要素」という用語は、プロセス、プロセスデバイス、プロセス入力、またはプロセス出力の特徴を検知するように構成されたシステムの任意の要素を説明するものとして定義され、そのような特徴は、システムの1つ以上の局所的、領域的、および/または大域的プロセスを監視、調節、および/または制御する際に使用可能な特徴値によって表現され得る。ガス化システムの文脈の中で検知要素とみなされるものは、プロセス、流体および/もしくは材料の温度、圧力、流量、組成、ならびに/またはその他のそのような特徴、さらに、システム内における任意の所与の地点における材料の位置および/または性質、ならびに、システム内で使用される任意のプロセスデバイスのあらゆる動作特徴の検知のための、センサ、検出器、モニタ、アナライザ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。検知要素の上記の例は、それぞれガス化システムの文脈の中で関連するものであるが、本開示の文脈の中で具体的に関連するものでない場合もあるため、本願において検知要素として定義される要素は、これらの例を踏まえて限定および/または不適切に解釈されるべきではないことが、当業者には十分に理解されるであろう。
図1を参照すると、本発明は1つ以上の投入ガス入口3004、1つ以上の改質ガス出口3006、1つ以上のプラズマトーチ3008、1つ以上の酸素源投入部3010および制御システムを有するガス改質チャンバ3002を含むガス改質システム(GRS)3000を提供する。
本発明は、例えば、一酸化炭素、水素、軽質炭化水素、ならびに二酸化炭素および炭素質原料のガス化中に産出される煤やカーボンブラック等の汚染粒子状物質を含みうる揮発性分子を含む原投入ガスを変換するためのGRSを提供する。このGRSは、プロセスを含み、制御するための密閉環境を提供する。これは、プラズマトーチ熱を使用して揮発性分子をその構成要素に分離し、次に定義された化学組成の改質ガスとして再結合する。空気および/または酸素ならびに任意に蒸気等のプロセス添加剤が、再結合に必要な分子種を提供するために使用される。また不必要な物質を分解してH2やCO等のより小さな分子に変換することによって、プラズマトーチ熱は、とりわけパラフィン、タール、塩素化合物等の不必要な物質を除去する。GRSはさらにプロセスを規制する制御システムを含み、これによりプロセスは最適化される。
GRSは、比例してより小さい分子および下流の事柄にとって望ましい組成を含む化学構造によって、ガス化反応からの投入ガスを定義された組成に変換することができるように設計される。
図1を参照すると、GRS3000は、1つ以上の投入ガス入口3004、1つ以上の改質ガス出口3006、1つ以上のプラズマトーチ3008、1つ以上の酸素源投入部3010および制御システムを有するガス改質チャンバ3002を含む。
GRSの下流には、ガス改質チャンバの圧力を所望の圧力、例えば約0〜−5mbarに保つため、ガス改質チャンバと気体連通状態にある誘導ブロワが供給されてもよい。
一実施形態において、図3によって実証されるように、GRS3000は、投入ガスを配管3009または適切な導管を介して1つ以上の貯蔵タンクまたは1つ以上のガス化装置2000から受け取るスタンドアロン型のユニットである。かかるスタンドアロン型のユニットにおいて、GRSはさらに適切な支柱構造を含んでもよい。
図1〜4を参照すると、ガス改質チャンバ3002は、1つ以上の投入ガス入口3004、1つ以上の改質ガス出口3006、加熱器3016用の1つ以上のポートおよび酸素源投入部用の1つ以上のポートを有する。
投入ガスは、チャンバ3002内の1つ以上の投入ガス入口3004を通ってプラズマトーチで加熱されたガス改質チャンバ3002に入り、ガス混合器3012によって任意に混和される。1つ以上の投入部3010が提供され、これを通して酸素源がガス改質チャンバ3002内に注入される。1つ以上の改質ガス出口3006は、改質ガスがGRS3000を出、例えばさらなる精製や貯蔵設備における貯蔵等の下流のプロセスに送られるようにする。
ガス改質チャンバ3002は、投入ガスが改質反応を起こし、改質したガスが生じるのに必要な滞留時間に適応するために十分な内部体積を有するチャンバである。
したがって、ガス改質チャンバを設計する際には、必要なガス滞留時間が考慮され得る。ガス滞留時間は、ガス改質チャンバの体積および幾何学的形状、ガス流速、ガスが走行する距離、ならびに/またはチャンバを通るガスの経路(すなわち、直線形通路または渦巻き状、サイクロン状、らせん状、またはその他の非直線形経路)の関数である。したがって、ガス改質チャンバは、チャンバを通るガスの流動力学が十分なガス滞留時間を可能にするような様式で、形状決定およびサイズ決定されなくてはならない。ガス滞留時間は、ガス改質チャンバを通るガスの旋回流を促進する空気ジェットの使用によって修正され得るため、ガスの通路は線形ではなく、したがって、より長い滞留時間を有する。
一実施形態において、ガス滞留時間は約0.5〜約2.0秒である。一実施形態において、ガス滞留時間は約0.75〜約1.5秒である。さらなる実施形態において、ガス滞留時間は約1〜約1.25秒である。またさらなる実施形態において、ガス滞留時間は約1.2秒である。
ガス改質チャンバの特定の設計が、プロセス投入の適正な混合および適正な条件の成立を容易にし、必要な化学的改質が起こるように、GRSの流れモデルを実施してもよい。
ガス改質チャンバ3002は、投入ガスの、改質ガスへの十分な化学的改質ができるために適切な滞留時間を可能にする限り、いかなる形状であってもよい。ガス改質チャンバ3002は、適切な投入ガスの混合を生じ、望ましい滞留時間が維持される限り、種々の位置に設置されてもよい。
ガス改質チャンバは、略垂直に、略水平に、または角度を付けて配向されてもよく、約2:1〜約6:1の範囲をとる広範な長さと直径の比を有し得る。一実施形態において、ガス改質チャンバ3002の長さと直径の比は、3:1である
一実施形態において、ガス改質チャンバ3002は、第1の(上流)端および第2の(下流)端を含む直線の管形またはベンチュリ形の構造であり、略垂直位にまたは略水平位に配向される。
一実施形態において、ガス改質チャンバ3002は、略水平位にまたは略垂直位に配設され、投入ガス中の炭化水素有機化合物の分解を完了するよう、十分なガス滞留時間があるように設計された体積、およびガス速度が最適範囲内であるように設計された長さと径の比を有する。
ガス改質チャンバの壁は、耐熱性材料で覆われてもよく、および/または冷却および/または蒸気の発生または使用可能なトーチ熱の回収のためにウォータージャケットにガス改質チャンバを封入してもよい。
ガス改質チャンバは、熱回収のための冷却機構に加え、複数の壁を有してもよく、ガス改質システムもまた、高圧/高温の蒸気生成、またはその他の熱回収能力のために、熱交換器を含んでもよい。
ガス改質チャンバは、固体の粒子状物質用のコレクタを任意に有してもよく、これは集められて任意にガス化装置に送られ、さらなる処理がされるか、または固形残渣調整チャンバ等のガス化システムの固形残渣コンパートメントに送られ、さらなる処理がされる。
固体の粒子状物質のコレクタは当業者に周知であり、遠心分離機、慣性衝突バッフル、フィルタ等を含むがこれに限定されない。
GRSがガス化装置に直接取り付けられている実施形態において、形成された微粒子は部分的に直接ガス化装置に戻りうるため、追加的な固形粒子コレクタは必ずしも必要でない。
GRS3000を出る改質ガスの温度は、約400℃〜1000℃以上の範囲となる。温度は、熱の回収および改質ガスの冷却に使用される下流熱交換システムによって任意に下げられてもよい。下流のアプリケーションまたはコンポーネントによって必要であれば、改質ガスの出口温度は、冷却された改質ガスおよび新規に産出した改質ガスが混合するように、冷却された改質ガスをガス改質チャンバ3002の上部で再循環させることにより下げられてもよい。ガス改質チャンバ3002は、したがって、冷却された改質ガスを新規に形成された高温の改質ガスの中に注入するために、チャンバの下流端に隣接した入口を任意に含むことができる。
ガス改質チャンバは概して、必要なガス滞留時間のための適合する量のガスを留めることができる大きさの内部体積を持つか、または高温に耐えられるように別様に製造された、耐熱性のチャンバである。
高温(例えば、約1200℃以下)の非加熱型チャンバにおける使用に適した従来の耐熱性材料は当業者に周知である。適した耐熱性材料の例として、高温焼成セラミック、すなわち酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム窒化ホウ素、リン酸ジルコニウム、ガラスセラミック、および主にシリカ、アルミナ、クロミア、チタニアを含む高アルミナ質耐火れんが、セラミックブランケットおよび耐火断熱れんがを含むがこれに限定されない。より頑強な耐熱性材料が必要な場合、Didier Didoflo 89CRおよびRadex Compacflo V253等の材料が使用されてもよい。
一実施形態において、多層耐火物はさらに、耐火物の垂直方向の膨張を許容するために、非圧縮性の耐火物の区分を分割する圧縮性の耐火物の区域を含むことができる。この圧縮性の層は、任意に拡張可能な高密度の耐火物を重ねることによって浸食から保護されることができる。
一実施形態において、多層耐火物は、内部配向のクロミア層、中間アルミナ層および外側のインスボード層を含むことができる。
ガス改質チャンバの内側が耐熱性である実施形態において、ガス改質チャンバの壁は、任意に耐火性内張りまたは耐火性アンカー用の支柱を組み込んでもよい。
ガス改質チャンバ3002は、処理する投入ガスをチャンバ内に送る1つ以上の投入ガス入口3004と、改質反応において産出した改質ガスを下流の処理または貯蔵に通すための1つ以上の改質ガス出口またはポート3006を含む。投入ガス用の入口は、第1のまたは上流端またはその近くに位置する。この入口は、開口を含んでもよく、あるいは、ガス改質チャンバ内に流れる投入ガスの量を制御するデバイスおよび/または投入ガスをガス改質チャンバ内に注入するデバイスを含んでもよい。
一実施形態において、増大する円錐形を持つ単一投入ガス入口が提供される。
一実施形態において、入口は、ガス改質チャンバの,開口する第1の端を含み、これによりガス化装置と直接気体連通状態にある。
ガス化装置とGRSが直接取り付けられている実施形態において、GRSに取り付けるガス化装置上の接続部位は、ガス改質チャンバに入る前に、ガス流量を最適化するように、および/または投入ガスの混合を最大化するように、戦略的に配置されてもよい。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、ガス化装置の中央に配置され、これにより、ガス改質チャンバに入る前に、投入ガスの混合を最適化する。
一実施形態において、入口は、ガス改質チャンバの閉鎖した第1(上流)端に配置された開口を含む。本実施形態は、投入ガス入口ポートを使用して、炭素質原料のガス化中に生成された揮発物をチャンバ内に配送する。
一実施形態において、入口は、第1(上流)端に隣接するガス改質チャンバの壁に、1つ以上の開口を含む。
改質反応中に産生された改質ガスは、1つ以上の改質ガス出口3006を通ってガス改質チャンバを出る。
ガス改質チャンバ内で産生された改質ガス用の1つ以上の出口3006は、第2のまたは下流端に、またはその近くに配置される。出力部は、開口を含んでもよく、あるいは、ガス改質チャンバを出る改質ガスの流量を制御するデバイスを含んでもよい。
一実施形態において、この出口はガス改質チャンバの開口第2(下流)端を含む。
一実施形態において、この出口はガス改質チャンバの閉鎖第2(下流)端に位置する1つ以上の開口を含む。
一実施形態において、この出口は第2(下流)端の近くのガス改質チャンバの壁に1つの開口を含む。
ガス改質チャンバは、加熱器用の1つ以上のポートと、1つ以上のプロセス添加剤ポートと、および任意に1つ以上の点検用ポートと、のぞき用ポートおよび/または計測用ポートを含む、さまざまなポートを含む。
加熱器のポートは、プラズマトーチおよび任意の二次的供給源を含む主熱源用ポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、プラズマトーチ3016を取り付けるための1つ以上のポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバ3002は、プラズマトーチ3016を取り付けるための2つ以上のポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、プラズマトーチを取り付けるための3つ以上のポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、プラズマトーチを取り付けるための4つ以上のポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバの円周に沿って正反対の位置に配設される、プラズマトーチ用の2つのポートが提供される。
一実施形態において、接線方向に取り付けられている2つのプラズマトーチ用の2つのポートが提供される。
一実施形態において、接線方向に取り付けられているプラズマトーチ用のポートは、空気入口の上方に配置され、プラズマトーチ熱への最大限の曝露を提供する。
また、ガス改質チャンバ3002はさらに、ガス改質チャンバの余熱またはトーチによる加熱を補助するための、補助的なトーチ熱源用の1つ以上のポートを含んでもよい。
ガス改質チャンバ3002中の1つ以上のポートまたは入口を密封するために、任意に、プラグ、カバー、弁および/または仕切りが提供される。適切なプラグ、カバー、弁および/または仕切りは当業者に周知であり、手動のまたは自動のものを含むことができる。このポートは、さらに適切な密封グランド等の密封を含んでもよい。
上述のとおり、GRSは酸素源用の1つ以上の投入部を含み、この酸素源は、酸素、酸素富化空気、空気、酸化媒体、蒸気または簡単に理解されるその他の酸素源を含む。それゆえ、ガス変換チャンバは酸素源投入部用の1つ以上のポートを含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、空気および/または酸素投入部用の1つ以上のポートおよび蒸気投入部用の1つ以上のポートを任意に含む。
一実施形態において、ガス改質チャンバ3002は1つ以上の酸素源ポートを含む。一実施形態において、ガス改質チャンバは2つ以上の酸素源ポートを含む。一実施形態において、ガス改質チャンバは4つ以上の酸素源ポートを含む。一実施形態において、ガス改質チャンバは6つの酸素源ポートを含む。一実施形態において、ガス改質チャンバの円周に沿って3層に配置された9つの酸素源ポートが提供される。酸素源ポートは、酸素源が投入ガスと十分に混合するような配置である限り、さまざまに配置されてもよい。
ガス改質チャンバ3002は、投入ガスがより均一な組成および/または温度になるように投入ガスを混合するために、および/または投入ガスをプロセス添加剤または酸素源と混合するために、任意に1つ以上の追加的なまたは補助的なガス混合器を投入ガス入口またはその近くにさらに含んでもよい。混合器は、少量の空気を投入ガスに注入し、投入ガス流内に渦運動または乱流を発生させ、これにより投入ガスを混合する1つ以上の空気ジェット(空気旋回噴射)を投入ガス入口またはその近くに含んでもよい。
一実施形態において、混合器は、少量の空気を投入ガスに注入し、投入ガス流内に渦運動または乱流を発生させ、これにより投入ガスを混合する3つ以上の空気旋回噴射を入口またはその近くに含む。
一実施形態において、混合器は、少量の空気を投入ガスに注入し、投入ガス流内に渦運動または乱流を発生させ、これにより投入ガスを混合する4つ以上の空気旋回噴射を入口またはその近くに含む。空気旋回噴射の回数は、ジェットがチャンバの中央を突き抜けるように、設計された通気および出口速度に基づき、略最大限の混合および旋回を提供するように設計される。
バッフルは、ガス改質チャンバ内のさまざまな位置に配置されてもよい。バッフルの配置は当業者に周知であり、クロスバーバッフル、耐火壁バッフル(図6A)、チョークリングバッフル(図6B)配置等を含むがこれに限定されない。ゆえに、実施形態において、ガス混合器はバッフルを含む。
上述のとおり、GRSは1つ以上の酸素源投入部を含み、酸素源は酸素、酸素富化空気、空気、酸化媒体および蒸気を含んでもよいがこれに限定されない。
一実施形態において、1つ以上の酸素源投入部は、1つ以上の空気および/または酸素、および任意に1つ以上の蒸気投入部を含む。
一実施形態において、空気および/または酸素および蒸気投入部は、高温抵抗の噴霧ノズルまたはジェットを含む。適切な空気ノズルは当業者に周知であり、市販の型を含んでもよい。GRSにおいて、単一の型のノズルまたは複数の異なる型のノズルが使用されてもよい。ノズルの例として、図7に示すように、A型ノズルおよびB型ノズルを含む。ノズルの型は、例えば通気の方向を変えて所望の旋回を生み出すためにA型ノズル、高速の通気を生み出して一定の貫通および最大混合を達成するためにB型ノズルというように、機能的要件に基づいて選ぶことができる。
空気および/または酸素投入部の配置は、適当な貫通、略最大の旋回および混合が達成されるように、ガス改質チャンバの直径、設計された流速およびジェット速度に基づく。酸素投入部またはポート、蒸気投入部またはポート、および投入ガスの注入された酸素および蒸気との十分な混合、および改質反応が起こるために十分な滞留時間を提供するプラズマトーチ用のポートのさまざまな配置は、本発明により意図される。例えば、酸素投入部またはポート、蒸気投入部またはポート、およびプラズマトーチ用のポートは、ガス改質チャンバの円周に沿って層状に配置されてもよい。この配置は、プラズマガス、酸素および蒸気の接線方向および層状の注入を可能にし、これは結果として渦運動および投入ガスの酸素および蒸気との混合適当な混合を生じ、改質反応が起こるために十分な滞留時間を提供する。
空気および/または酸素投入ポートが層状に配置された実施形態において、空気および/または酸素投入ポートは、混合効果を略最大化するように任意に配置されてもよい。
一実施形態において、すべての空気および/または酸素投入ポートは、接線方向に配設され、これにより下位の投入ポートがガスを予混合し、トーチがこれを加熱し、ガス中の旋回運動を開始させる。上位の空気投入ポートのキャブは、旋回運動を加速させ、これにより再循環の渦パターンが発生し、持続することが可能となる。
蒸気投入部またはポートの配置は、数、レベル、方位および角度において、これらが最適化された温度制御の能力を提供する位置にある限り柔軟である。
一実施形態において、ガス改質チャンバは1つ以上の蒸気投入部またはポートを含む。 一実施形態において、ガス改質チャンバは2つ以上の蒸気投入部またはポートを含む。この蒸気投入部またはポートは、投入ガスと十分に混合するような配置である限り、さまざまに配置されてもよい。一実施形態において、ガス改質チャンバの円周に沿って2層に配置され、正反対の位置に配設された2つの蒸気投入ポートが提供される。
一実施形態において、酸素および/または蒸気投入部は、ガス改質チャンバの内壁から約50〜70°の間の角度で空気および蒸気を噴射する。一実施形態において、酸素および蒸気投入部は、ガス改質チャンバの内壁から約55〜65°の間の角度で空気および蒸気を噴射する。一実施形態において、酸素および蒸気投入部はガス改質チャンバの内壁から約60°の角度で酸素および蒸気を噴射する。
一実施形態において、空気投入ポートは、そのすべてが同一面にあるように、または連続した面にあるように配置されることができる。空気投入ポートの配置は、最大の混合効果を達成するように設計される。一実施形態において、空気投入ポートは下位および上位に配置される。一実施形態において、4つの空気投入ポートが下位に、別の6つの空気投入ポートが上位にあり、よりよい混合を達成するようにクロスジェット混合効果を生み出すため、そのうち3つの投入ポートが別の3つよりもやや高くにある。
一実施形態において、ガス改質チャンバは、酸素投入部、蒸気投入ポート、およびチャンバの全体にわたって適当なガスと蒸気の混合があるように配置されたプラズマトーチ用のポートを含む。
空気がチャンバを通るガスの回転またはサイクロン運動を作ることができるように、空気は任意にチャンバ内に角度を持って噴射されることができる。プラズマトーチはまた、さらなる蒸気の回転を提供するように角度決定されてもよい。
改質反応が起こるためには、ガス改質チャンバ3002はトーチによって十分な高温まで加熱されなければならない。当業者であれば、改質反応のための適当な温度を容易に決定することができるであろう。一実施形態において、この温度は約800℃〜約1200℃である。一実施形態において、この温度は約950℃〜約1050℃である。一実施形態において、この温度は約1000℃〜1200℃である。
したがって、GRSは1つ以上の非移行型アークプラズマトーチ3008をさらに含む。非移行型アークプラズマトーチは当業者に周知であり、非移行型アークA.C.およびD.C.プラズマトーチを含む。空気、O2、N2、Ar、CH4、C2H2およびC3H6を含むがこれに限定されないさまざまな気体がプラズマトーチに使用されてきた。当業者であれば、GRSで使用されるプラズマトーチの型を容易に決定することができるであろう。
一実施形態において、プラズマトーチは1つ以上の非移行型アークA.C.プラズマトーチである。一実施形態において、プラズマトーチは1つ以上の非移行型D.C.プラズマトーチである。一実施形態において、プラズマトーチは2つの非移行型逆極性D.C.プラズマトーチである。
一実施形態において、空気および/または酸素投入部のそれと同じ旋回方向を作る、2つの接線方向に配設されたプラズマトーチがある。一実施形態において、このプラズマトーチは、それぞれ必要な(部分的)能力で作動する2つの300kWプラズマトーチである。
一実施形態において、ガス改質システムは1つ以上のプラズマトーチを含む。一実施形態において、ガス改質システムは2つ以上のプラズマトーチを含む。一実施形態において、ガス改質システムは2つの水冷銅電極NTAT DCプラズマトーチを含む。
一実施形態において、プラズマトーチ熱の使用は、炭素または多炭素分子の主にCOおよびH2への改質中に起こるトーチ熱の放出を、ガス改質チャンバに注入された空気および/または酸素の量を最適化することによって最大限にすることにより最小限とされる。
本発明の一実施形態において、本願において開示されるさまざまなシステムおよび/またはサブシステムにおいて、および/またはこれによって実行される1つ以上の処理を制御するための、および/または本願において意図される1つ以上の制御デバイスの制御を提供するための、かかる処理に作用する制御システムが提供されてもよい。概して、制御システムは、その中でまたはそれと相まって本発明のさまざまな実施形態が行われる、あるシステム、サブシステムまたはそのコンポーネントに関連する、および/またはシステムにおいて実行される、ガス化システム等の1つ以上のグローバルな処理に関連する、さまざまな局所および/または局地的な処理を、動作可能に制御してもよく、そしてこれにより、これらの処理を定義された結果に作用するように適合されたさまざまなその管理パラメータを調整する。したがって、さまざまな検出要素および応答要素が、制御されるシステム全体において、またはその1つ以上のコンポーネントに関連して割り当てられ、さまざまな処理、反応および/または産物特性を取得するために使用され、これらの特性を、所望の結果をもたらすかかる特性の適した範囲と比較し、1つ以上の実施中の処理において、制御可能な処理デバイスを介して変更を実施することによって応答してもよい。
一実施形態によれば、制御システムはさらに、あるシステムの総エネルギー的影響を監視し、制御するために使用されてもよい。例えば、あるシステムは、例えば、それによって実行された1つ以上の処理を最適化することにより、または再度これらの処理によって生じるエネルギー回収(例えば廃熱)を増加させることにより、そのエネルギー的影響が減少するように、または再度最小化するように操作されてもよい。あるいは、またはこれに加えて、制御システムは、制御された処理によって生じる産生ガスの組成および/またはその他の特性(例えば、温度、圧力、流量等)を、かかる特性が下流の使用に適するばかりでなく、効率的および/または最適な使用のため略最適化するように、調節するように構成されてもよい。例えば、産生ガスが発電のためのある型のガスエンジンを駆動するために使用されるような実施形態において、この産生ガスの特性は、これらの特性がかかるエンジンの最適な投入特性に最もよく適合するように調節されてもよい。
一実施形態において、本制御システムは、反応物質および/またはさまざまなコンポーネントにおける産物滞留時間に関する制限または性能ガイドライン、または全体としての処理に関するさまざまな処理が適合および/または最適化されるように、所与の処理を調節するように構成されてもよい。例えば、上流の処理率は、1つ以上の下流のプロセスと適合するように制御されてもよい。
概して、制御システムは、手近な用途に適合するいかなる型の制御システムアーキテクチャを含んでもよい。例えば、制御システムは、略中央集中型の制御システム、分散制御システム、またはその組み合わせを含んでもよい。 中央集中型の制御システムは、制御された処理に関連する、それぞれにさまざまな特性を検出するように構成されたさまざまな局所および/または遠隔の検出デバイスおよび反応器と通信し、制御された処理に直接または間接に影響を及ぼすように調整された1つ以上の制御可能な制御デバイスを介して、これらに応答するように構成された中央制御器を概して含むであろう。ほとんどの計算は集中アーキテクチャを使用して、単数または複数の集中型の処理器を介して中央的に実行されるため、ほとんどの処理の制御を実行するために必要なハードウェアおよび/またはソフトウェアは、同じ場所に位置する。
本願の文脈内に意図される検出要素は、上記において定義および説明されるとおり、ガス化学組成、産生ガスの流速および温度を監視し、圧力を監視し、ガスの不透過率およびトーチに関連するさまざまなパラメータ(すなわち、トーチの力および位置)を監視する要素を含むことができるがこれに限定されない。
ガス化技術は、概してH2:COの割合が約6:1の高さから約1:1の低さまでさまざまである、最適なH2:COの割合を決定する下流のアプリケーションを有する産生ガスを産する。一実施形態において、得られるH2:COの割合は、1.1〜1.2:1である。一実施形態において、得られるH2:COの割合は、1.1:1である。
得られる改質ガス中のH2:COの割合は、作業シナリオ(熱分解または適当なO2/空気を有する)、処理温度、含水量およびガス化される原料のC,H相対含有量、ならびに補助的な炭素供給量によって異なる。
上記の要因のうちの1つ以上を考慮すると、本発明の制御システムは、可能なH2:COの割合の範囲にわたって、加えられるプラズマトーチ熱、空気および/または酸素、炭素および蒸気間の釣り合いを調整することにより、改質ガスの組成を規制し、これにより改質ガス組成が規定の下流のアプリケーション用に最適化される。
操作パラメータの数は、システムが最適な定値内で作動しているかどうか判定するために、定期的にまたは連続的に監視されてもよい。監視されるパラメータは、産生ガスの化学組成、流速および温度、システム内のさまざまなポイントにおける温度、システムの圧力、およびトーチに関連するさまざまなパラメータ(すなわち、トーチの力および位置)を含むがこれに限定されず、データはシステムパラメータの調整が必要であるかどうかを判定するために使用される。
産生ガスは、当業者に周知の方法を使用して試料を取得および分析されることができる。産生ガスの化学組成を測定するために使用されることができる方法は、ガスクロマトグラフ(GC)分析によるものである。これらの分析のための試料ポイントは、システムの全体において配置することができる。一実施形態において、ガス組成は、ガスの赤外線スペクトルを測るフーリエ変換赤外線分析器(FTIR)を使用して測定する。
本発明の一部は、過度に多いまたは少い酸素が出口の流れに存在するかどうかを判断し、それによって処理を調整することである。一実施形態において、一酸化炭素の流れの中における分析器または検出器は、二酸化炭素またはその他の適切な参照の酸素を豊富に含む材料の有無および濃度を検出する。一実施形態において、酸素は直接測定される。
一実施形態において、不透過率の実時間フィードバックを提供するために1つ以上の任意の不透過率モニタがシステム内に実装され、これにより、粒子状物質の水準を最大許容濃度以下に維持するための、プロセス添加剤投入率、最初の蒸気の自動化のための任意の機構を提供する。
一実施形態において、改質ガスの温度およびシステム全体にわたって置かれたサイトにおける温度を監視するための手段が提供され、かかるデータは原則として連続的に取得される。例えば、チャンバ内の温度を監視するための手段は、チャンバの外壁、上部の耐火物の内側、チャンバの中間および底部に配置されてもよい。また、改質ガスの出口温度を監視するためのセンサが提供される。
一実施形態において、温度の監視手段は、システム内に必要に応じて設置された熱電温度計によって提供される。
一実施形態において、反応槽内の圧力を監視するための手段が提供され、かかるデータは連続的な、実時間を原則として取得される。さらなる実施形態において、これらの圧力監視手段は、例えば反応槽の垂直壁上の、反応槽上のあらゆる場所に置かれる圧力変換器または圧力タップ等の圧力センサを含む。
一実施形態において、システム全体にわたって置かれたサイトにおける産生ガス流の速度をを監視するための手段が提供され、かかるデータは原則として連続的に取得される。
ガス流の変動は、非同次条件(例えば、トーチの不具合または電極交換切れまたはその他の周辺装置の不具合)の結果であることがある。一時的な措置として、ガス流における変動は、ブロワ速度のフィードバック制御、材料の供給速度、補助的原料、空気、蒸気、およびトーチの力によって修正される。ガス流の変動が続く場合、システムは問題が解決するまで停止されてもよい。
一実施形態において、制御システムは、あらゆるプロセス添加剤を含む、反応物質を調節するための、投入ガスの改質ガスへの化学改質を管理するための応答要素を含む。例えば、特定の化学組成を異なる所望の化学組成の改質ガスにする、効率的な投入ガスの改質を促進するために、プロセス添加剤がチャンバに送られてもよい。
一実施形態において、センサが改質ガス内に余剰の二酸化炭素を検出した場合、蒸気および/または酸素の注入は低減する。
本願の文脈において意図される応答要素は、上記で定義および説明されるとおり、それに関連するある与えられた管理パラメータの調整によって所与の処理に影響を及ぼすように構成される、処理に関するデバイスに操作可能に取り付けられたさまざまな制御要素を含むことができるがこれに限定されない。例えば、1つ以上の応答要素を介して本願の文脈内で動作可能な制御デバイスは、酸素源投入部およびプラズマトーチ熱を規制する要素を含むことができるがこれに限定されない。
本発明のプロセスは、プラズマトーチ熱の制御性を使用して反応を推進する。また処理空気の精製チャンバへの付加は、改質ガスの燃焼とともにトーチ熱エネルギーを放出することにより、トーチ熱の部分的な負荷を担う。処理空気の流速は、トーチ力を良好な操作範囲内に保つように調整される。
プラズマトーチの力は、改質ガスの設計設定点における出口温度を安定させるように調整される。一実施形態において、ガス化装置において形成されるタールやすすが完全に分解されることを確実にするため、設計設定点は約1000℃である。
一実施形態において、制御システムは、チャンバの内圧を制御するための反応要素を含む。
一実施形態において、内圧は、陰圧、すなわち大気圧をやや下回る圧力に保たれる。例えば、反応器の圧力は約1〜3mbarの真空度に保たれる。一実施形態において、システムの圧力は陽圧に保たれる。
内圧を制御するためのかかる手段の模範的な実施形態は、GRSと気体連通状態にある誘導ブロワによって提供される。ゆえに、用いられる誘導ブロワはシステムを陰圧に保つ。陽圧が保たれるシステム内において、ブロワは陰圧のケースより低いRPMで作動するか、コンプレッサが使用されるように命令される。
システム全体において置かれる圧力センサによって取得されるデータに応答して、誘導ブロワの速度は、システム内の圧力が上昇するか(それによりファンの速度は上昇する)下降するか(それによりファンの速度は下降する)にしたがって調整される。さらに、本発明の処理によれば、システムは、ガスが大気中に排出されることを妨げるため、大気圧に相対してやや陰圧下に維持されてもよい。
圧力は、改質ガスブロワの速度を調整することによって安定されることができる。任意に、ブロワの最低動作周波数を下回る速度において、補助的な制御が代わりに優先され、再循環弁を調整する。再循環弁がいったん完全に閉じられると、主制御が再び従事する。
本発明は、1つ以上のガス化装置およびさまざまな型のガス化装置に使用するように適合される。ガス化装置は、炭素質原料を投入ガス産物に変換する。原料のガス化の段階は、以下を含む。i)原料を乾燥させて残留湿気を除去する、ii)乾燥された原料の揮発性の成分を揮発させて炭化物の中間物を産生する、iii)炭化物を投入ガスおよび灰に改質する。したがってガス化プロセスの気体は、揮発性の成分および投入ガスを含み、これは本発明のプラズマ改質ステップを受けて原改質ガス産物を提供する。
概して、ガス化装置は、1つ以上の原料入口、トーチ加熱手段、1つ以上の任意のプロセス添加剤入口、ガス出口、および任意の固形残渣またはスラグ出口または除去システムを有する耐熱性のチャンバを含む。
一実施形態において、本発明において使用されるガス化装置は、噴流床ガス化装置3402A、3402B(図11)である。GRS3000の噴流床ガス化装置への取り付けは、反応が完了ための滞留時間を増加させ、ガスの品質をさらに確実にするために、2番目に高い温度帯を追加する。
一実施形態において、本発明において使用されるガス化装置は、固定床ガス化装置3403A、3403B(図12)である。固定床ガス化装置は、多様な設計であることができ、これはガス化(および熱分解)のための積み重ねの流れおよび特性を制御する。GRS3000は、ガスのより単純な気体分子への完全な反応を確実にするために、投入ガス出口に取り付けられる。
一実施形態において、本発明において使用されるガス化装置は、サイクロンガス化装置3404(図13)である。
図14〜図18は、図5に示すガス改質チャンバを含む、GRSの実施形態を組み込む変換器を示す。
ガス化装置2200は、原料投入部2204、ガス出口2206および固形残渣出口2208を有する耐熱性の水平に配向された段床ガス化チャンバ2202を含む。ガス化チャンバ2202は、複数の床レベル2212、2214、2216を持つ段床を有する耐熱性の鋼溶接物である。
固形残渣出口は、取り出しねじ2209を含む灰取出し器を備え、これは灰をガス化装置外に押し出し、これを灰コンベヤシステムに送る。
各ステップは、加熱された空気がこれを通って導入される有孔床2270を有する。処理中における空気孔の閉塞を避けるため、空気孔の大きさは制約を作り、それにより圧力が各孔にわたって落ちるように選択される。この圧力低下は、余剰の粒子が孔に入ることを防ぐのに十分である。
ステップを通じた動きは、一連の多指搬送用ラム2228、2230、2232によって、各ステップの床が単一の多指搬送用ラムによって作動することとともに、促進される。この一連の搬送用ラムは、さらに各ステップにおけるパイルの高さおよびガス化チャンバ内の反応物質材料の合計滞留時間の制御を可能にする。各ラムは、そのステップの完全なまたは部分的な長さにわたって、さまざまな速度で移動することができる。
ラムを軌道に沿って推進させる力は、モータ出力部シャフト2258を選択的にラムの前方にまたは後方方向に制御された速度で駆動する、外部に取り付けられた電気量速度モータ2256によって供給される。位置センサ2269は、ラム位置情報を制御システムに伝送する。任意に、このモータはさらにギアボックスを含んでもよい。2つのドライバスプロケットギア2260が、モータ出力部シャフトに取り付けられる。このドライバスプロケット2260および対応する駆動スプロケット2262は、作動可能に鎖部材2266とぴったり合うように軸2264に取り付けられ、これはブラケット2268によって細長い長方形のブロック2244に留められる。
原料は、チャンバ内、第1のステップ上に原料投入部(421)を介して導入される。このステップの正常温度範囲(材料パイルの底部において測定される)は、300〜900℃の間である。ここでの主な処理は、いくらかの揮発度のある乾燥および炭素変換である。
ステップIIは、400〜950℃の底部温度範囲を有するように設計される。主な処理は、わずかな(残余)乾燥操作のある揮発ならびに相当量の炭素変換である。
ステップIII温度範囲は、600〜1000℃の間である。ステップIIIにおける主な処理は、より少ない量(残余)の揮発のある炭素変換である。
固形供給材料がチャンバを通って前進することにともない、揮発留分が揮発して投入ガスを形成し、得られる炭化物が反応して追加的な投入ガスおよび灰を形成するため、その質量および体積は減少する。
未精製の投入ガスは、ガス化装置2200のガス出口2206を通って、ガス化装置ガス出口を単一の円錐型のGRSの投入ガス入口に直接接続取り付けフランジ3214を介して、密閉可能にガス化装置に取り付けられているGRS3200に出る。空気は、旋回ポート3212を通って投入ガス流に注入され、投入ガス流内に渦運動または乱流を生じさせ、これにより投入ガスを混合し、再循環の渦をGRS中に生じさせる。GRS内におけるガスの滞留時間は、約1.2秒である。
ガス改質チャンバは、加熱器3216用の1つ以上のポート、1つ以上の酸素源3210用の1つ以上のポート、および任意に1つ以上のアクセスまたはのぞき用ポート3326および/または計測用ポート3226を含むさまざまなポートを含む。また、ガス改質チャンバは、持ち上げ位置3230を備える。
このGRSの実施形態において、1つ以上の酸素源用の1つ以上の投入部は、空気および蒸気投入部を含む。
GRSは、3段階の接線方向に配向された空気ノズル、2つの接線方向に置かれたプラズマトーチ、6つの熱電対ポート、2つのバーナーポート、2つの圧力伝送器およびいくつかの予備ポートをさらに含む。
GRSは、2つの接線方向に取り付けられた300kW、水冷、銅電極、NTAT、すべり機構に取り付けられたDCプラズマトーチをさらに含む。この2つのプラズマトーチは、プラズマトーチ熱への最大限の曝露を提供するために、空気ノズルの上方に配置される(図9、3216参照)。
プラズマ力供給は、各プラズマトーチ用に、3つのフェーズのAC電力をDC電力に変換する。中間ステップとして、ユニットはまずこの3つのフェーズのAC投入部を単一の高周波フェーズに変換する。これは、チョッパ区分における最終DC出力部のよりよい線形化を可能にする。このユニットは、安定したDC電流を維持するために出力部DC電圧の変動を許容する。
各プラズマトーチ3208は、トーチ3208をガス改質チャンバの中におよび外に移動することができるすべり機構上に取り付けられる。トーチ3208は、密封グランド手段によって、ガス改質チャンバ3202に密閉される。このグランドは、順番に槽に密封されて取り付けられている仕切り弁に対して密封される。トーチ3208を取り外すには、すべり機構によって改質チャンバ3202から引き抜く。安全のため、すべりの最初の動きが高電圧トーチ力供給を無効にする。トーチ3208が弁を越えて後退すると、仕切り弁は自動的に閉じ、冷却剤循環は停止する。管およびケーブルは、トーチ3208から切断され、グランドが仕切り弁から解除され、トーチ3208がホイストによって引き上げられる。
仕切り弁は、操作が自動であるように、機械的に操作される。冷却剤システムが故障した場合、自動的にトーチを引き上げるために空気圧式アクチュエータ3233を使用する。このアクチュエータを操作するための圧縮空気は、電力障害の場合においても力が常に利用可能であるように、専用の空気だめから供給される。同じ空気だめが、仕切り弁3234に空気を提供する。電力インターロックカバーが、高電圧のトーチ接続へのアクセスを防ぐことにより、さらなる安全機能として使用される。
熱電温度計は、GRS中における改質ガスの温度が約1000℃に保たれるようにガス改質チャンバのさまざまな場所に配設され、この温度を下回れば、プラズマトーチへの力または空気の注入が増加される。
ガス改質チャンバ内のガス状混合物中における微粒子は、プラズマアーク領域内のその構成要素へと分離され、次に改質ガスへと改質される。高温の粗改質ガスは、改質ガス出口3206を介してGRSから出る。
以上のように説明される本発明は、同様のものが多くの方途において異なることがあることは明白である。かかる変動は、本発明の精神および範囲からの逸脱とは見なされず、当業者には明白であるすべてのかかる変更は、以下の請求項に含まれることを意図する。
Claims (9)
- ガス化反応からの投入ガスを定義された化学組成の改質ガスに改質するシステムであって、
(a) 第1の末端と第2の末端とを有する耐熱性の円筒チャンバであって、チャンバの第1の末端またはその近くに配設された、投入ガスを受け取るための投入部と、
チャンバの第2の末端またはその近くに配設された、改質ガスを放出するための改質ガス出力部と、
チャンバと流体連通状態にある1つ以上の酸素源投入部とを有する、前記円筒チャンバと、
(b) 前記チャンバを加熱し、これにより投入ガスが改質ガスに変換される、1つ以上のプラズマトーチと、を含む、システム。 - 1つ以上の酸素源は、1つ以上の酸素投入部、または1つ以上の蒸気投入部である、請求項1に記載の装置。
- 酸素投入部および蒸気投入部は、前記チャンバと流体連通状態にある耐トーチ熱噴霧ノズルを含む、請求項2に記載の装置。
- 出力ガスの内容を分析し、流量を測定するセンサと、センサからデータを受け取り、酸素および蒸気の注入を制御するプロセス制御器とをさらに含む、請求項3に記載の装置。
- ガス化反応からの投入ガスを改質ガスに改質する方法であって、
(a) 耐熱性のチャンバの入口に投入ガスを供給するステップと、
(b) 酸素源をチャンバ内に注入するステップと、
(c) チャンバを1つ以上のプラズマトーチでトーチ加熱し、これにより改質ガスを産生するステップと、
(d) チャンバから改質ガスを取り出すステップとを含む、方法。 - 投入ガスを予混合するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 改質ガスの内容を分析するステップと、分析ステップに基づいて酸素および/または蒸気の注入を制御するステップとをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 酸素源は、空気、酸素富化空気、および酸素からなる群から選択される、請求項5に記載の方法。
- 原料を改質ガスに変換する変換器であって、変換器はガス改質システムと気体連通状態にある水平に配向されたガス化装置を含み、水平に配向されたガス化装置は、
1つ以上の原料投入部、1つ以上のガス出口および灰出口を有する、水平に配向されたガス化チャンバと、
チャンバ加熱システムと、
処理中に前記ガス化チャンバ内において材料を移動させるための1つ以上の横方向移送ユニットと、
前記1つ以上の横方向移送ユニットの動きを制御する制御システムとを含み、
ガス改質システムは、
第1の末端および第2の末端を有する、耐熱性の円筒チャンバを含み、円筒チャンバは、
円筒チャンバの第1の末端またはその近くに配設された、ガス化装置の1つ以上のガス出口からガスを受け取るための投入部と、
チャンバの第2の末端またはその近くに配設された、改質ガスを放出するための出力部と、
円筒チャンバと流体連通状態にある1つ以上の酸素源投入部と、
円筒チャンバを加熱する1つ以上のプラズマトーチとを含み、
円筒チャンバに入る、原料のガス化によるガスは、前記1つ以上の酸素源と混合され、1つ以上のプラズマトーチによって加熱され、これにより改質ガスを産生する、変換器。
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