JP2010536536A

JP2010536536A - 可燃性物質の熱分解転化のための方法及び装置

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Publication number: JP2010536536A
Application number: JP2010520414A
Authority: JP
Inventors: ホルサ，ヴァークラヴ; ヴァニチェク，ペトル; コートニク，イヴァン; カロック，ミロスラヴ
Original assignee: アグロ−エコスポルエスエルオー
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2010-12-02
Also published as: RU2010107304A; CZ2007553A3; CN101778926A; WO2009021471A4; WO2009021471A3; US20100140074A1; EP2197982A2; WO2009021471A2

Abstract

連続的に又はパルス状に可燃性物質が反応層に供給され、前記反応層は周囲の外気から分離され、その後放出ガスが可燃性物質から放出されるのと同じ方向で、可燃性物質は反応層を通じて反応層の排出口へ徐々に移される。反応層は、反応層排出口の方向に向かって増加する温度まで、加熱されるが、その温度は最大１２０００Ｃまでである。それから、放出ガスは、ガス化されない残留物から分離して引き抜かれる。利点として、蒸気及び／又は水は可燃性物質に供給され、その後に供給される可燃性物質の作用により反応層に予め充填されていた可燃性物質は移動する。ここで、可燃性物質は圧縮されている。熱分解転化のための装置は、充填装置（１）、反応層（５）を含む反応器（２）、及び少なくとも一つのヒーター（３，１３）とガス化されない残留物（８）のためのホッパー（４）とを含む。反応器（２）は細長い形状でありその縦軸が最大４５°垂直方向から偏位しており、充填装置（１）は反応器（２）の最も低い部分に位置し、ガス化されない残留物（８）用ホッパー（４）の注入口は反応器（２）の上部に位置している。反応器（２）は少なくとも一つのヒーター（３，１３）と接触している反応層（５）を含む。ガス化されない残留物（８）用ホッパー（４）は反応層（５）の上部にある反応器（２）と接続されている。反応層（５）の水平横断面は、上方へ向かって少なくとも一つの部分において小さくなっており、そして好ましくは少なくとも一つの供給配管（６）は、蒸気及び／又は水の供給のため反応層（５）に挿入される。好ましくは、少なくとも一つの柱（９）は、反応器（２）の内部に設けられていて、伸長方向に伸びている。ヒーター（３，１３）は電熱螺旋管及び／又はバーナーである。充填装置（１）は好ましくは一つのピストンを含み、好ましくは環状の土台を有する一つのピストン（１０）を有し、ピストン（１０）の中央に少なくとも一つの柱（９）又はワームが設けられている。好ましくは、ワームは柱（９）の周りに巻き付けられている。反応器（２）の充填孔（１４）は好ましくはリブ（１５）が備えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は可燃性物質の熱分解転化のための方法及び装置に関するものであり、タールを含まない可燃性ガスの産生のエネルギー的且つ技術的問題に関するが、同時に本発明は、石炭、木質チップ、又は有機廃棄物残留物、すなわち農業生産若しくは食品工業生産から発酵性衛生化廃棄物または遊離炭素若しくは有機結合炭素を含有する他の物質のような固形物質、あるいはそれを主に含む混合物の効果的でエコロジー的な利用に関する。

バイオマス自体のガス化及びその多くの改質は、三つの生成物、すなわち熱分解ガス、タールのような凝縮性物質、及びガス化されない残留物、が同時に生成されることと関連があることが知られている。このような方法で生産される熱分解ガスの欠点は、それが固形粒子および凝縮している物質両方を含むという点である。熱分解ガスは発電中で最も頻繁に処理されて、その不十分な純度は物質の腐食や沈殿物の生成などを引き起こす。そのような課題は、熱分解ガスの付加処理により、すなわちタール除去又は分解を通じて解決されることが知られている。その接触分解プロセスは知られており、穀層内のタール及びその成分に適用されることも含まれる。タール分解は、穀層内に含まれる幾つかの層の温度効果及び触媒作用によっておこる。石灰、ドロマイト、及び触媒としてアルミナ及び炭化ケイ素を含んでいる分解層上で６００〜９００℃の温度範囲内で処理されるプロセスの効率は、６０〜９０％である。その他の公知の可能性として、粉末ニッケル及び酸化マグネシウムを混合したアルミナで充填されたディスクフィルタの使用である。このプロセスの最適温度は、８５０℃である。さらに、ニッケルによって改質されたドロマイトによって形成される穀層も、同様に知られている。このプロセスでさえ、昇温で起こる。これらプロセスの欠点として硫黄化合物が存在することに対する感度を含むため、通常酸化カルシウムがドロマイトに加えられる。それは石灰石、橄欖石（かんらん石）及びドロマイト又はゼオライトの混合物のような天然触媒はまた触媒タール分解のために用いられることも知られている。触媒効果は、菱鉄鉱や褐鉄鉱のような酸化鉄の含有量が増えた物質によっても発揮される。最大７５％である、触媒タール分解の不十分な効率はこれらの触媒の使用における欠点である。全ての触媒プロセスに共通した欠点は、穀層の再生の必要性、全ての成分の入手可能性、環境にやさしい処理あるいは、使用済みの有害な材料分解物の再利用に備わる課題である。触媒プロセスの他の弱点は、高温で行われることであり、処理のためのエネルギー消費が増える点である。

前記欠点は、本発明の可燃性物質の熱分解転化のための方法及び装置によって解消される。

本発明の特徴は連続的に又はパルス状に可燃性物質が反応層に供給され、ここで前記反応層は周囲の外気から分離されており、その後放出ガスが可燃性物質から放出されるのと同じ方向で、可燃性物質は反応層を通じて反応層の排出口へ徐々に移されるということである。反応層は、反応層排出口の方向に向かって増加する温度まで加熱されるが、その温度は最大１２００℃までである。可燃性物質が反応層を通過した後、放出ガスはガス化されない残留物から分離して引き抜かれる。あるいは、可燃性物質が反応層に入る前及び／又は反応層を通過する際に、水蒸気及び／又は水が可燃性物質に導入される。他の例において、反応層に予め充填された可燃性物質は、その後供給された可燃性物質の作用により、反応層を通じて移動する。あるいは、可燃性物質は反応層を移動中少なくとも一つの部分に圧縮される。

少なくとも一つの充填装置、反応層を含む反応器、少なくとも一つのヒーター及びガス化されない残留物用ホッパーを含む装置の特徴は、反応器が細長い形状でありその縦軸は、最大４５°でその垂直方向から偏位し、充填装置が反応器の最も低い部分に位置し、ガス化されない残留物用ホッパーの注入口が反応器の上部に位置しているということである。さらに、反応器は少なくとも一つのヒーターと接触している反応層を含む。ガス化されない残留物用ホッパーは、反応層より上にある反応器と接続される。また、反応層の水平横断面は、上方へ向かって少なくとも一つの部分において小さくなっている。他の例において、少なくとも一つの供給配管は、蒸気及び／又は水の供給のため反応層内に挿入される。また、少なくとも一つの柱は、反応器の伸長方向に伸びており、反応器の内部に設けられる。他の例において、ヒーターは電熱螺旋管及び／又はバーナーである。また充填装置は好ましくは環状の土台を有する少なくとも一つのピストンを含み、ピストンの中央に少なくとも一つの柱又はワームが設けられ、好ましくはそのワームが柱の周りに巻き付けられる。あるいは反応器の充填孔がリブを備え、好ましくはリブが反応層の方向に伸びている円錐状表面を含む場合も有効である。

本方法や本装置の利点は、発生したガスがタールを含まないことであり、それは関連する技術の不具合のない動作によるものである。タールの分解によって発生する可燃性物質が多くなるにつれて、生成されたガスは高発熱量を有する。本方法は温度調節と可燃性物質の供給によって容易に制御可能である。この方法の長所として低エネルギー需要という点もある。加えて、発生したガスが、関連する技術に利用可能である。他の利点は、全ての有機結合炭素や遊離炭素がガスに変換できることである。プロセスが連続稼働し、発生したガスが均一な組成であり、固体残留物の量が最小化され、そして固体残留物がまた反応層から連続的に取り除かれるということも利点である。反応器内でのプロセスの稼働に対しての蒸気の吹き込みや水の供給の利点は、ガス化されない残留物内の遊離炭素又は有機結合炭素の量を最小化することであり、これは水と反応することにより、一酸化炭素へ変換されると同時に水素が発生するためでありその結果、装置効率が改善する。

本装置の利点は、本装置が単純且つコンパクトなデザインであり、全プロセス、すなわち加熱、ガス化、還元反応、また水性ガスの発生が、一つの反応層内で行われることである。他の利点は、容量の可変性、可燃性物質の物理的特性の可変性、例えば異なる粒度分布又は異なる液体部分の内容を含む。本装置が可動式に設計される利点もある。他の利点は、熱分解ガスの出力解析が必要でなく、且つ本装置がガス処理装置の様な他の技術に依存していないということである。

実施例４の装置の配置である。実施例５の装置の配置である。

（実施例１）
実施例１において、可燃性物質は農業及び食品生産からの発酵性衛生化廃棄物である。可燃性物質は連続的に反応層に供給され、ガスバーナーによって加熱されて、周囲の外気から分離される。システムを通過する際、可燃性物質は次第に上昇する温度にさらされ、可燃性物質を通過して発生したガスは、そのガスが発生した可燃性物質よりも高い温度にさらされる。ガスが可燃性物質を通過するにつれて、化学反応が進み、その結果可燃性物質の追加的な部分がガス化され、ガスの化学組成が変化する。１５０℃まで加熱する間、水は蒸発し、ＣＯ_２及びＣＨ_４のような吸収されたガスが最初に放出される。約２５０℃の温度で、ＣＯ_２、ＣＯの発生を伴い有機化合物の分解が始まる。３００℃を上回る温度では、開裂反応が続行し、ＣＯ_２及びＣＯが発生しさらに他の分解反応が開始する結果、ＣＨ₄及びＨ_２が発生する。３５０℃を上回る温度では、タール物質は放出を開始し、さらに可燃性物質は結合水素や酸素の残留物を消失させる。５５０℃を上回る温度では、原型の有機物質は、カーボン、放出ガス及びタール物質にほぼ分解される。温度の上昇が続く場合は、７００℃を上回る温度では、水素の発生を伴ってタール物質の分解が起こる。８００℃を上回る温度では、ブードワ（Boudouard）反応が開始する結果、次第にＣＯ含有量が増加するのと同時にガスのＣＯ_２及びＯ_２含有量の減少が起きる。同時に、可燃性物質が低温下における予備加熱段階を通過した際に形成された蒸気の分解とタール物質の分裂との両方によって追加的に水素部分が生じる。この分解は全熱炭素の領域で起こり、その結果、可燃性物質内の炭素含有量の減少と同時にガス内の炭素含有量の増加が生じる。

可燃性物質が反応層を通過すると、１２００℃以下の温度の不燃性残留物が反応層からシャフトへ移り、ここで集められ定期的に除去される。

（実施例２）
反応層は電気により加熱され、装填物を形成する可燃性物質は所定量で定期的に装置に投与され、さらに、反応層の蒸気容量は外部源から供給されることによって増加する点で実施例２は実施例１と異なる。この場合、内部に含まれる遊離炭素も他の有機炭素化合物も殆ど存在しないため、Ｈ₂及びＣＯの生産はより集約されるとともにガス化されない残留物の量はより減少する。

（実施例３）
実施例３は可燃性物質が最低３０％のタイヤを含むことが実施例４と異なる。

（実施例４）
実施例４の可燃性物質の熱分解されたガス及びガス化されない残留物８への熱分解転化のための装置は、充填装置１、反応層５を含む反応器２、低温ヒーター３及び高温ヒーター１３、及びガス化されない残留物８のためのホッパー４からなる。反応器２は、断熱材１２に覆われた細長い形状であり、その縦軸は垂直である。充填装置１は、反応器２の最も低い部分に設けられており、ガス化されない残留物８のためのホッパー４は反応器２の上部に設けられている。反応器２は反応層５を含み、２つのヒーター３,１３と接触している。ガス排出口１６は、反応器２の最も高い位置に案内される。高温ヒーター１３と接触している部分での反応層５の水平横断面は上部へ向かって小さくなっている。蒸気及び／又は水の供給のための注入配管６は反応層５内に挿入される。柱９もまた反応器２の内部に縦軸方向に設けられている。

低温ヒーター３も高温ヒーター１３も電熱螺旋管である。充填装置１は環状形状の土台のピストン１０を含み、その中央部に柱９が設けられている。反応器２の充填孔１４はリブ１５を備えている。リブ１５は円錐台形状を有し、その拡がった土台は反応層５側に設けられている。この実施例の装置は、実施例２に記載されている方法で作動する。

（実施例５）
実施例５の可燃性物質の熱分解転化のための装置は、どの注入配管６も蒸気及び／又は水の供給のために反応層５内に挿入され、低温ヒーター３および高温ヒーター１３はいずれもガスバーナーであり、反応器２の充填孔１４がリブ１５を備えず、そして充填装置１が柱９の周りに巻き付けられているワーム７を含む点で前記実施例４の装置と異なる。この実施例の装置は、前記実施例１に記載されている方法で作動する。

本発明は、固形物質のガス化又は不燃性残留物を形成する物質の凝縮のために、遊離炭素や有機結合炭素を含む、固形物質が大部分の混合物あるいは全固形物質を処理するために用いることができる。

独国特許出願公開第１９９２８５８１号Ａ１明細書では、廃棄物の処理および使用のための手段及び装置について記載されている。記載されている装置は低温度の反応空間と高温度の反応空間を含み、低温相の反応空間は置き換え可能な炉であり、水平に配置され、高温度の反応空間は立て軸炉である。可燃性ガスは、廃棄物の処理の間に発生する。排気ガス中の水素濃度あるいはガス体積流は、１０００℃を超える温度で、高温度に酸素を提供することにより、調節されている。

この手法の欠点は、炉の全体プロファイルでの不完全な入力加熱および炉の高温度での一様でない充填の構築である。酸素の供給の欠点は、エネルギー的に不要な構成物質としてのＣＯ _２の産生である。他の欠点は、２０００℃まで反応温度を上げる必要があることであり、必要に応じて、天然ガスを加えることにより温度を上げる。他の欠点は、タール物と同様に、固形物質（主に金属および鉱物）による排気ガスの高濃度汚染であり、そのため生成されたガスは、例えばエネルギーなどの次の使用に際し複雑な処理が必要である。欠点として、装置全体がコンパクトでないこと、加えたガスを処理する必要があること及び建設地の占有が必要なこともある。他の欠点は、ガス製造と投資と稼働の経済的コストの上昇である。

ベルギー国特許出願公開第４８７６９７号明細書では、ガスおよびタールの発生にも関連するコークス製造のプロセスについて記載されている。これらは、クラッキング前あるいは後に消失される。コークス化は連続式垂直炉で行われ、連続式垂直炉は底面部において銅ドラムおよび上部部分において耐火材料で作られているドラムから構成される。充填部分は直接加温炉に連結される。その炉の水平断面は矩形である。

その公報に記載されているこの手法の欠点は、コークスの製造のためにその手法の最適化がされているが、一方では他の有機物質の処理が技術的に解決されていない。記載されている方法の欠点はタール物の産生であり、タール物は調節下で反応空間から消失されるべきであり且つ化学的に処理されなければならない。この手法の他の欠点は炉の矩形の形状による反応空間全体での一様でない加熱である。欠点はガス製造と投資と稼働の経済的コストの上昇である。

米国特許第４，００４，９８２号明細書に記載されている発明は、レトルトでの粘板岩の常圧蒸留のプロセスに関するものであり、そのプロセスにおいて、破砕された油の粘板岩（crushed oil slate）は、非酸化の熱抽出ガスと接触して非酸化の熱抽出ガスの流れに逆らって、垂直式レトルトの上に運ばれる。

この手法の欠点は粘板岩の処理のための片面使用であるが、他の有機物質の処理が技術的に解決されていない。この手法の他の欠点はそのプロセスの技術的経済的な複雑な調節と外からの材料の投入、例えば油、に依存することである。欠点は化学的手段により発生したガスエネルギーの技術的に要求される処理とそのガスの品質の低さである。他の欠点はガス製造と投資と稼働の経済的コストの上昇である。

独国特許出願公開第１９９２８５８１号Ａ１明細書ベルギー国特許出願公開第４８７６９７号明細書米国特許第４，００４，９８２号明細書

可燃性物質は連続的に又はパルス状に反応層に供給され、ここで前記反応層は周囲の外気から分離されており、その後放出ガスが可燃性物質から放出されるのと同じ方向で、可燃性物質は反応層を通じて反応層の排出口へ徐々に移される。本発明の特徴は、反応層が反応層排出口の方向に向かって増加する温度まで加熱されるが、その温度は最大１２００℃までである、ということである。可燃性物質は反応層を移動中少なくとも一つの部分に圧縮される。可燃性物質が反応層を通過した後、放出ガスはガス化されない残留物から分離して引き抜かれる。あるいは、可燃性物質が反応層に入る前及び／又は反応層を通過する際に、水蒸気及び／又は水が可燃性物質に導入される。他の例において、反応層に予め充填された可燃性物質は、その後供給された可燃性物質の作用により、反応層を通じて移動する。

装置は、少なくとも一つの充填装置、反応層を含む反応器、少なくとも一つのヒーター及びガス化されない残留物用ホッパーを含む。反応器は細長い形状であり、その縦軸は最大４５°でその垂直方向から偏位し、ここで充填装置が反応器の最も低い部分に位置し、ガス化されない残留物用ホッパーの注入口が反応器の上部に位置している。さらに、反応器は少なくとも一つのヒーターと接触している反応層を含む。ガス化されない残留物用ホッパーは、反応層より上にある反応器と接続される。本発明の特徴は、反応層の水平横断面が上方へ向かって少なくとも一つの部分において小さくなっていること、及び少なくとも一つの柱が反応器の内部で反応器の伸長方向に設けられることである。あるいは、少なくとも一つの供給配管は、蒸気及び／又は水の供給のため反応層内に挿入される。他の例において、ヒーターは電熱螺旋管及び／又はバーナーである。また充填装置は好ましくは環状の土台を有する少なくとも一つのピストンを含み、ピストンの中央に少なくとも一つの柱又はワームが設けられ、好ましくはそのワームが柱の周りに巻き付けられる。あるいは反応器の充填孔がリブを備え、好ましくはリブが反応層の方向に伸びている円錐状表面を含む場合、有効である。

Claims

連続的に又はパルス状に可燃性物質が反応層に供給され、前記反応層は周囲の外気から分離され、その後放出ガスが可燃性物質から放出されるのと同じ方向で、可燃性物質は反応層を通じて反応層の排出口へ徐々に移され、反応層は反応層排出口の方向に向かって増加する温度まで加熱され、しかしながら前記温度は最大１２００℃までであり、可燃性物質が反応層を通過した後放出ガスはガス化されない残留物から分離して引き抜かれることを特徴とする可燃性物質の熱分解転化方法。
水蒸気及び／又は水は、可燃性物質が反応層に入る前及び／又は反応層を通過する際に可燃性物質に導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
反応層に予め充填された可燃性物質は、その後供給された可燃性物質の作用により、反応層を通じて移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
可燃性物質は反応層を移動中少なくとも一つの部分に圧縮されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
充填装置（１）、反応層（５）を含む反応器（２）、及び少なくとも一つのヒーター（３，１３）及びガス化されない残留物用ホッパー（４）を含む、可燃性物質（１１）の熱分解ガス及びガス化されない残留物（８）への熱分解転化のための装置において、反応器（２）が細長い形状でありその縦軸が最大４５°垂直方向から偏位し、充填装置（１）が反応器（２）の最も低い部分に位置し、ガス化されない残留物（８）用ホッパー（４）の注入口が反応器（２）の上部に位置しており、反応器（２）は少なくとも一つのヒーター（３，１３）と接触している反応層（５）をも含み、ガス化されない残留物（８）用ホッパー（４）は反応層（５）の上部にある反応器（２）と接続されていることを特徴とする装置。
反応層（５）の水平横断面は、上方へ向かって少なくとも一つの部分において小さくなっていることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
少なくとも一つの供給配管（６）は、蒸気及び／又は水の供給のため反応層（５）内に挿入されることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
少なくとも一つの柱（９）は、伸長方向に伸びており、反応器（２）の内部に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
ヒーター（３，１３）は電熱螺旋管及び／又はバーナーであることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
充填装置（１）は好ましくは環状の土台を有する少なくとも一つのピストン（１０）を含み、ピストン（１０）の中央に少なくとも一つの柱（９）が設けられることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
充填装置（１）は少なくとも一つのワーム（７）を含み、好ましくはそのワーム（７）が柱（９）の周りに巻き付けられることを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。
反応器（２）の充填孔（１４）にはリブ（１５）が備えられ、好ましくはリブ（１５）が反応層の方向に伸びている円錐状表面を有することを特徴とする請求項５に記載の可燃性物質の熱分解転化のための装置。