JP2011246708A - プラズマ支援廃棄物ガス化のためのセンシング及び制御 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ支援廃棄物ガス化のためのセンシング及び制御を行う。
【解決手段】廃棄物流反応残渣を清浄な合成ガス（シンガス）に変換するための感知機構及びプロセスを含むプラズマ支援廃棄物ガス化システム１０は、ガス急冷ユニット１８を出る合成ガスの第１の温度及び第１の流量を測定するためにガス急冷ユニット１８と熱回収ユニット２２との間に配置された第１のセンサ５０と、ガス急冷ユニット１８に入る低温合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定するための第２のセンサ５２とを含み、第１のセンサ５０及び第２のセンサ５２は推定感知機構７８に接続される。推定感知機構７８は、２つのセンサの測定値に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、測定した第１の温度及び第１の流量、並びに測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて反応器１６中の合成ガスの温度を推定することができる。
【選択図】図１

Description

本出願は、プラズマ支援廃棄物ガス化のためのセンシング及び制御に関する。

都市廃棄物は世界的に大きくなりつつある問題である。廃棄物埋立地は、温室効果ガス問題であるメタンを生成する。更に、廃棄物埋立地の処理委託料は、多数の国々において、特に、アジア、及び欧州連合において実施されている、又は近い将来に実施されるであろう土地制約又は政令による閉鎖のため増加している。焼却を使用することはできるが、これは、環境問題により、将来のためには時としてよい選択肢ではない。

ガス化は、原材料を高温で、制御された量の酸素と反応させることによって、石炭、石油、又はバイオマスなどの炭素質材料を一酸化炭素及び水素などのガスに変換するプロセスである。得られたガス混合物は合成ガス又は「シンガス」と呼ばれ、それ自体燃料である。ガス化は、様々なタイプの有機材料からエネルギーを引き出す非常に効率的な方法であり、更に、清浄な廃棄物処理技法としての用途を有する。

一般に、ガス化プロセスは、制御及び制限された量の酸素及び蒸気と共に炭素含有材料を、加熱したチャンバ（ガス化装置）に供給することからなる。ガス化装置の条件によって生成された高い動作温度で、化学結合は熱エネルギーによって及び部分酸化によって切断され、無機鉱物は熔解又はガラス化されてスラグ又はガラスフリットと呼ばれる溶融ガラス様物質を形成する。温度をモニタするためにガス化装置の内部に配置されるどんなセンサも、非常に厳しい環境、例えば非常に高い温度及び腐食性成分にさらされる。したがって、あらゆる有機物をシンガスに確実に適切に分解するのに重要であるガス化装置の温度を直接測定するのは非常に困難である。

廃棄物ガス化技術は、過去数年間、ガス化技術のいくつかの形態を通常使用して開発されている。大部分のガス化装置は大気圧近くで動作し、廃棄物流に含まれるエネルギーに加えてある程度のエネルギーを必要とする。多くのガス化装置は、追加のエネルギーを供給するためにコークス、石炭、天然ガス、又はプラズマアークトーチを使用する。材料をガス化するためにプラズマアークトーチを利用するのは、長年市場で入手可能な技術である。最新の設計では、プラズマアークトーチはプラズマアーク反応器の下部の近くに置かれ、プラズマプルームはスラグ又はベッド上に集束する。大部分のプラズマアーク反応器は、他の化学製造プロセスにおいて使用する、又はエネルギー生成用燃料として使用することができる高品質シンガスを生成する。

石油、石炭、精油所残留物、及び下水汚泥などの多くの炭化水素含有供給原料はすべてガス化作業で首尾よく使用されている。材料をガス化することによって有害な材料の流れを利用可能な製品に変換することが時には望ましい。ガス化に際して、有害な物質、又は供給原料は、一般に、利用可能なシンガスと、例えばスラグ又はガラスフリットなどの有用な溶融材料とに変換されることになる。スラグは熔解しガラス化された状態にあるので、無害であることが通常見いだされており、無害の材料として廃棄物埋立地で処分するか、又は鉱石、路床材料、又は他の建設資材として販売することができる。焼却によって廃棄物質を処分するのは、比較的低い燃焼効率、潜在的な公害問題、及び残留廃棄物の更なる処分の必要性のためにあまり望ましくなくなっている。

一般に、ガス化装置は開ループモードで稼働され、酸素及び／又はプラズマ入力は、廃棄物供給材料組成及び流量に関する経験的情報に基づいて調整される。しかし、ガス化装置が開ループモードで稼働される場合、供給材料の組成又は流量が変化すると、一定のガス化装置温度は保証されない。更に、ガス化装置温度の直接測定を続行するのは、ガス化装置中の高温及び厳しい環境のために非常に困難であり、コストがかかり、ロバストではないものである。

米国特許第７６１７７８１号公報

当技術分野で既知のセンサは、通常、ガス化装置の厳しい環境で機能することができない。したがって、ガス化装置温度を推定する他の方法が必要である。更に、プロセスはガス化装置温度で起こり得る高速の変動（秒又は分にわたる）及び遅い変動（数分／時間／日にわたる）を制御する必要がある。したがって、廃棄物供給材料に一定の変動がある状態で、制御可能なガス化装置温度条件を使って廃棄物ガス化装置を堅調に動作させること、及び供給材料中の揮発性有機化合物をすべて完全に解離することへの必要性がある。

本発明の一態様は、廃棄物流を合成ガスに変換するためのプラズマ支援廃棄物ガス化システムを提供する。ガス化システムは、反応器と、反応器からの合成ガスを部分的に冷却するためのガス急冷ユニットと、熱エネルギーを抽出するためにガス急冷ユニットの下流に配置された熱回収ユニットと、熱回収ユニットの下流に配置されたスクラバと、ガス急冷ユニットと熱回収ユニットとの間に配置され第１のセンサとを含む。第１のセンサを使用して、ガス急冷ユニットを出る合成ガスの第１の温度及び第１の流量を測定する。以下で更に説明されるように、第２のセンサを使用して、ガス急冷ユニットに入る低温合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定する。第１のセンサ及び第２のセンサは推定感知機構に接続される。推定感知機構は、２つのセンサの測定値に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、測定した第１の温度及び第１の流量、並びに測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて反応器中の合成ガスの温度を推定することができる。

本発明の別の態様は、プラズマ支援廃棄物ガス化システムから合成ガスを生成する方法を提供する。この方法は、ガス急冷ユニットを出る合成ガスの第１温度及び第１の流量を測定するステップと、第１のセンサを使用して、ガス急冷ユニットを出る合成ガスの第１温度及び第１の流量を測定するステップと、第２のセンサを使用して、ガス急冷ユニットにリサイクルされる合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定するステップと、２つのセンサの測定値に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、測定した第１の温度及び第１の流量、並びに測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて、推定感知機構を使用して、反応器中の合成ガスの温度を推定するステップとを含む。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、同様の文字が図面の全体を通して同様の部分を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明が読まれるとき、一層よく理解されるようになるであろう。

本発明の一実施形態による感知機構を含むプラズマ支援ガス化システムのセクションの概略図である。 本発明の別の実施形態による感知機構及び制御ユニットを含むプラズマ支援ガス化システムのセクションの概略図である。 本発明の一実施形態によるガス化装置温度制御信号の概略図である。

本発明のいくつかの特徴だけが本明細書で図示及び説明されているが、当業者ならば多くの変形及び改変を思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨内にあるそのような変形及び改変をすべて含むものであることが理解されるべきである。明細書及び特許請求の範囲では、以下の意味を有するいくつかの用語が参照される。

単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈により明確にそうでないと示されていない限り、複数のものを含む。本明細書及び特許請求の範囲を通して本明細書で使用される概略を表す言語は、その言語が関連する基本機能に変化をもたらすことなく、許容範囲で変化することができる任意の量的表示を修飾するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」のような用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されるべきでない。いくつかの例では、概略を表す言語は、値を測定する機器の精度に対応し得る。同様に、「がない（ｆｒｅｅ）」は所定の用語と組み合わせて使用することができ、実質のない数、すなわち極微量を含むことができるが、依然として修飾された用語はないと見なされる。

本明細書で使用される「し得る、できる（ｍａｙ）」及び「あり得る（ｍａｙ ｂｅ）」という用語は、１組の状況内で発生する可能性と、特定の性質、特性、又は機能の所有とを示し、及び／又は別の動詞を、その修飾された動詞に関連する能力、性能、又は可能性のうちの１つ又は複数を表すことによって修飾することができる。したがって、「し得る、できる」及び「あり得る」の使用は、状況によっては、修飾された用語が時には適切でない、能力がない、又は好適でないことがあることを考慮に入れながら、修飾された用語が、示された能力、機能、又は使用について見かけ上適切である、可能である、又は好適であることを示す。例えば、ある状況では、事象又は能力は期待することができるが、一方、他の状況では、事象又は能力は生じない場合がある−この区別は「し得る、できる」及び「あり得る」という用語によって取り込まれる。

「任意選択の」又は「任意選択で」は、後で、述べられている事象又は状況が生じることも生じないこともあることを意味し、かつ説明には事象が生じる場合及び生じない場合が含まれることを意味する。

既述のように、一実施形態では、本発明は、廃棄物流を合成ガスに変換するためのプラズマ支援廃棄物ガス化システムを提供する。ガス化システムは、通常（常時ではないが）、３つのゾーン、すなわち廃棄物流反応残渣を溶解し、スラグプールを形成するための下部ゾーンと、廃棄物流を合成ガスに変換するための中央ゾーンと、ガス化装置中の合成ガスの温度を制御するための少なくとも１つのプラズマアークトーチを有する上部ゾーンとを有する反応器を含む。ガス化システムは、反応器からの合成ガスを部分的に冷却するためのガス急冷ユニットと、熱エネルギーを抽出するためにガス急冷ユニットの下流に配置された熱回収ユニットと、熱回収ユニットの下流に配置されたスクラバと、ガス急冷ユニットと熱回収ユニットとの間に配置された第１のセンサと、スクラバとガス急冷ユニットとの間に配置された第２のセンサとを含む。第１のセンサ及び第２のセンサは推定感知機構に接続される。第１のセンサを使用して、ガス急冷ユニットを出る合成ガスの第１の温度及び第１の流量を測定する。第２のセンサを使用して、ガス急冷ユニットに入る低温合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定する。推定感知機構は、２つのセンサの測定に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、測定した第１の温度及び第１の流量、並びに測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて反応器中の合成ガスの温度を推定することができる。

図面を参照すると、同様な参照番号は様々な図の全体を通して同じ要素を表す。本発明の一実施形態によるプラズマ支援廃棄物ガス化システム（１０）の概略図が図１に示される。１０で全般的に示したプラズマ支援廃棄物ガス化システムは廃棄物流を合成ガス（シンガス）に変換する。このタイプのシステムは、参照により本明細書に組み込まれる上述の係属特許出願第１２／２０９０１１号に全般的に説明されている。一般に、システム１０は、限定はしないが、廃棄物取扱設備、予熱器ユニット、ガス化反応器（ガス化装置）１６、ガス急冷１８、サイクロン２０、熱回収ユニット２２、スクラバ２４、及び水処理／リサイクルユニット２６を含む。図面に具体的に示されていない他のあり得るユニット及び装置には、水銀除去ユニット、硫黄除去ユニット、サージ／バッファ容器、発電装置（１つ又は複数のユニットを含むことができる）、及び空気分離ユニット（ＡＳＵ）が含まれる。

参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／２０９０１１号に説明されているように、例えば、プラスチック、タイヤ、ぬれた有機性廃棄物などを含むことがある都市固形廃棄物（ＭＳＷ）は、リサイクル、ふるい分け、及び／又は細断のために廃棄物取扱設備に入る。一実施形態では、廃棄物流１２は、米国特許出願第１２／２０９０１１号に説明されているように１つ又は複数の供給機構を使用して反応器の下部から反応器１６（加圧され得る）に供給される。

一実施形態では、反応器（「ガス化反応器」又は「ガス化装置」とも呼ばれる）１６は高級鋼で製作することができる。設計基準に応じて、反応器１６全体は、第１２／２０９０１１号に説明されているような様々な方法で水冷することができる。図１に示されるように、ガス化反応器１６は、３つの反応ゾーン、すなわち廃棄物流反応残渣を溶解し、スラグプールを形成するための下部ゾーン２８と、廃棄物流を合成ガスに変換するための中央ゾーン３０と、合成ガスの温度及び組成を制御するための少なくとも１つのプラズマアークトーチを有する上部ゾーン３２とに分割することができる。一実施形態では、反応器１６は漏斗状とすることができ、この形状は、ガス速度を低減し、反応器内の滞留時間を増加させ、粒子状物質のエントレインメントの可能性を減少させるのに役立つことができる。反応器１６の下部ゾーン２８は溶解ゾーンと呼ばれ、その中で、廃棄物流１２の反応残渣の溶解が行われ、スラグプールがガラス及び金属層により形成される。一実施形態では、下部ゾーン２８は、熱エネルギーを溶解物に供給して、高温、例えば１４００℃でスラグを維持することができる１つ又は複数のジュール／プラズマ加熱デバイス３４を含む（図１）。スラグプールはライン３６を通って反応器１６を出て行き、溶融スラグ液は、移動式造粒水槽（図示せず）に連続的に出され、冷却され、建設資材、例えばタイル、屋根用グラニュール、レンガなどとして再使用するのに好適な不活性スラグ材料にガラス化される。

反応器１６の中央ゾーン３０はガス化ゾーンと呼ばれ、その中で、有機物は合成ガス（シンガス）に変換される。ガス化反応のある部分は下部ゾーン２８でも生じることがあることが理解されるべきである。図示の実施形態では、廃棄物流１２は単一の供給機構を通って入る（図１）。中央ゾーン３０は、酸素やり、プラズマアークトーチなどのような１つ又は複数の加熱デバイスを含むことができる。一実施形態では、加熱装置は、更にチャーガス化を支援するために空気分離ユニットからライン（又はパイプ）を通って反応器１６に導入される酸素、酸素富化空気、蒸気、又は二酸化炭素（廃棄物組成に応じて予め決められたように）が供給される。

反応器１６の上部ゾーン３２はプラズマ温度制御ゾーンと呼ばれ、その中で、ゾーンの温度が制御され、合成ガス（シンガス）は洗練される。本明細書で使用される合成ガスの「洗練」という用語は、炭化水素から合成ガスへの完全変換及び有毒化合物の破壊と定義される。上部ゾーン３２は、プラズマアークトーチなどの１つ又は複数の統合加熱デバイス３８を含むことができる。別の実施形態では、加熱デバイス３８は、酸素、酸素富化空気、蒸気、又は二酸化炭素が供給されるプラズマガストーチを含む。ガス化装置中の酸素対燃料比は、一般に、約０．５から約１．５の範囲にある。

一実施形態では、プラズマトーチ３８（図２）は、水冷銅で一般に製作されている羽口様アタッチメント（図示せず）に取り付けることができる。出願第１２／２０９０１１号に説明されているように、多数の羽口アタッチメントを反応器１６の周辺のまわりに等間隔で配置することができる。プラズマトーチの数、各トーチの電力定格、廃棄物供給システムの能力、炭素触媒の量、フラックスの量、反応器のサイズ、シンガス清浄システムのサイズ及び能力、並びにコンバインドサイクルガスタービンシステムのサイズはすべてシステムによって処理されるべき廃棄物のタイプ及び量に応じて決定することができる変数である。

一実施形態では、反応器１６の上部ゾーン３２中の合成ガス（シンガス）（図２）は約１２００℃と約１５００℃との間の温度を有する。図示の実施形態では、高温シンガスは、反応器１６の上部の中央の単一出口を通って反応器１６を出る。別の実施形態では、反応器は、反応器１６の上部のまわりに複数の流出ガス出口を有することができる。ガス化システムは、反応器からのシンガスを部分的に冷却するためのガス急冷ユニット１８を含むことができる。図１に示した一実施形態では、反応器１６からの高温シンガスはライン４０を通ってガス急冷ユニット１８に入り、ガス急冷ユニット１８は高温シンガスを約８００℃の温度まで冷却する。別の実施形態では、ガス急冷ユニット１８からの比較的低温のシンガスはライン５８を通ってサイクロン２０に入り、サイクロン２０は低温のシンガスから微粒子を分離する。サイクロン２０からの微粒子は、ライン４４を通って反応器１６の供給機構に戻ることができる。

図１に示したいくつかの好ましい実施形態では、ガス化システムは、ガス急冷ユニット１８の下流に配置される熱回収ユニット２２を更に含む。熱回収ユニットを使用して、熱エネルギーを抽出することができる。一実施形態では、比較的低温のシンガスは、微粒子が除去された状態で、ライン４６を通って熱回収ユニット２２に入る。状況によっては、ガス急冷ユニット１８は、スクラバ２４からライン４８を通って再利用される約５０℃の温度の冷たいシンガスを使用することによって高温シンガスを冷却する。スクラバ２４から利用できる低温シンガスが不十分である場合、天然ガス、Ｎ_２などのような代替熱交換流体を使用して、ガス化システム１０の始動時に高温シンガスを急冷することができる。部分的に急冷されたシンガスにより、熱回収ユニット２２から熱を回収することが可能になり、その熱を使用して、蒸気を生成し、かつ／又は廃棄物流１２を予熱し、それによって、ガス化システム１０の総合効率が向上する。これは、ほとんど大気温度で酸急冷又は水急冷のいずれかを使用する従来システムのいくつかと対比することができる。

本発明のガス化システムは第１のセンサ５０及び第２のセンサ５２を更に含む。本明細書で使用される「第１のセンサ」及び「第２のセンサ」という用語は、温度及び流量測定のための１組のセンサを指すこともでき、又は代替として「センシングセット」と呼ぶことができる。第１のセンサ５０は、ガス急冷ユニット１８と熱回収ユニット２２との間に配置される。一実施形態では、第１のセンサ５０はサイクロン２０の上流又は下流のいずれかに配置することができる。別の実施形態では、第１のセンサ５０は、ガス急冷ユニット１８とサイクロン２０との間の別の場所に位置決めされる。更なる別の実施形態では、第１のセンサ５０は、サイクロン２０と熱回収ユニット２２との間に配置される。別の実施形態では、第１のセンサ５０は、熱回収ユニット２２とスクラバ２４との間に配置される。

第２のセンサ５２は、ガス急冷システムへの低温ガス供給原料の温度及び流量を測定するのに使用される。一実施形態では、第２のセンサ５２は、スクラバ２４とガス急冷ユニット１８との間に配置される。別の実施形態では、第２のセンサ５２は、冷たいシンガスがリサイクルされるライン４８に配置される。別の実施形態では、第２のセンサ５２は、熱回収ユニット２２の後の主合成ガス流から抽出されるガス流に配置することができる。更なる別の実施形態では、第２のセンサ５２は、熱回収ユニット２２とガス急冷ユニット１８との間のどこか他の場所に配置することができる。当業者は、様々なセンサ及びガス化システム設計に基づいて第２のセンサ５２を配置することができる他の好適な場所を思いつくことがある。

一実施形態では、第１のセンサ及び第２のセンサは流量センサ及び温度センサを含み、合成ガスの温度及び流量を測定するのに使用することができる。センサの非限定の例には、ガス温度を測定するための熱電対、光高温計、光ファイバセンサ、抵抗温度デバイス、ガス流量を測定するためのオリフィス板、ベンチュリ計、超音波流量計などが含まれる。

一実施形態では、ガス化システムは空気分離ユニットを更に含む。このユニットは、例えば３気圧まで空気を加圧する圧縮機のための空気吸入場所を含むことができる。次に、加圧された空気は、空気から他のガス、例えばＮ_２などを除去する充填カラムを通って供給される。得られた流れは約９５％のＯ_２を含むことができ、ガス化装置１６に導入することができる。

上述のように、ガス化装置１６の厳しい環境は、ガス化装置温度の直接測定の妨げとなる。一実施形態では、本発明は、直接測定をよりしやすい動作条件にあるガス化装置１６の下流で、間接測定によってガス化装置温度を推定する。一実施形態では、ガス化装置１６の下流のシンガスの温度は、第１のセンサ５０及び第２のセンサ５２を使用して測定することができる。一実施形態では、第１のセンサ５０を使用して、ガス急冷ユニットを出る合成ガス５８の第１の温度及び第１の流量を測定する。別の実施形態では、第１のセンサ５０を使用して、サイクロン２０を出る合成ガス４６の温度及び流量を測定する。第２のセンサ５２を使用して、ガス急冷ユニットに入る低温合成ガス４８の第２の温度及び第２の流量を測定する。本明細書で使用される「低温合成ガス」という用語は、スクラバ２４からライン４８を通ってガス急冷ユニット１８までリサイクルされる約５０℃の温度の比較的低温の合成ガスを指す。第１のセンサ５０及び第２のセンサ５２は推定感知機構７８に接続される。一実施形態では、推定感知機構７８及びセンサ５０、５２は同じ場所に存在することができる。別の実施形態では、推定感知機構７８及びセンサ５０、５２は、図１に示されているように互いに離れて存在することができる。質量−エネルギー平衡関係を使用して、推定感知機構は、反応器中の合成ガスの温度を、２つのセンサ５０、５２の測定値に基づいて、すなわち測定した第１の温度及び第１の流量、ならび測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて推定することができる。

質量エネルギー平衡モデルの使用の図を説明することができる。図１を参照すると、第１のセンサ５０は、サイクロン２０を出るガス流４６の温度（Ｔ_２）を測定することができ、一方、第２のセンサ５２は、ガス急冷ユニット１８に入る冷却されたシンガス流４８の温度（Ｔ_３）を測定することができる。第１のセンサ５０及び第２のセンサ５２に含まれる流量センサを使用して、それぞれサイクロン２０を出るガス流４６の流量（Ｆ_２）及びガス急冷ユニット１８に入る冷却されたシンガス流４８の流量（Ｆ_３）を測定する。オリフィス流量計又は熱流量計を使用して、Ｆ_２及びＦ_３の値を測定することができる。測定できる変数は以下の通りである。

サイクロン２０を出るガス流４６の温度（Ｔ_２）、
ガス急冷ユニット１８に入る冷却されたシンガス流４８の温度（Ｔ_３）、
サイクロン２０を出るガス流４６の流量（Ｆ_２）、及び
ガス急冷ユニット１８に入る冷却されたシンガス流４８の流量（Ｆ_３）。

定常状態条件を使用することによって、質量及びエネルギーの平衡式は以下の通りである。
質量平衡：

エネルギー平衡：

ここで、Ｃ_ｐは、温度の関数としてのシンガスの比熱である。

下流の流量測定及び温度測定のデータが、反応器からのシンガス４０の流量（Ｆ_１）及び温度（Ｔ_１）を推定するために組み合わされた。例えば、約（〜２０００トン／日ＭＳＷ供給原料）の設備能力では、センサ５０及び５２によって測定される流量及び温度は以下の通りである。

Ｆ_２＝３５ｋｇ／ｓ、Ｆ_３＝７０ｋｇ／ｓ
Ｔ_２＝５０℃、Ｔ_３＝８００℃
したがって、上述の質量エネルギー平衡式を使用することによって、反応器１６からのシンガス４０の推定流量（Ｆ_１）及び温度（Ｔ_１）は以下のように決定することができ、ここで、比熱Ｃ_ｐは簡単さのために定数であると仮定される、
Ｆ_１＝３５Ｋｇ／ｓ及びＴ_１＝１５５０℃
別の実施形態では、本発明は、ガス化装置温度を推定し、ガス化装置温度を制御するための制御システムを使用する方法に関する。

ガス化装置温度の最適化及び制御は、ガス化システムの安定で高機能な動作を容易にするのに重要である。しかし、廃棄物供給原料流１２などの流量、温度、及び組成（水分を含む）の変動などの多くの擾乱がガス化装置温度に影響を与えることがある。一実施形態では、本発明のガス化システムは制御ユニット８０を更に含むことができる（図２）。制御ユニット８０は推定感知機構７８から得られた推定ガス化装置温度を利用して、炭化水素のほとんどすべて及び潜在的有毒化合物をシンガスに変換できるようにする設定点にガス化装置温度を固定することができる。別の実施形態では、ガス化装置温度は、プラズマトーチ３８のパワーを調整することによって制御することができる。別の実施形態では、ガス化装置温度は、所与の状況で酸素対燃料比を最適化するように酸素流量を調整することによって制御することができる。一実施形態では、ガス化装置温度は、プラズマトーチへの電力と、酸素対燃料比を調整するための酸素流量との両方を変更することによって制御することができる。そうすることによって、総合温度又は反応器１６へのエネルギー束、及びシンガスの組成は、反応器の下部のスラグにプラズマトーチが集束される従来の反応器と比べて、制御することができる。

一実施形態では、図３に示されるように、推定ガス化装置温度の読み２０２は、速い（秒／分）及び遅い（分／時／日）時間スケールでの変動を有することが見いだされている。一実施形態では、好適な低域フィルタ２０４及び高域フィルタ２０６を使用して、ガス化装置温度に存在することがある遅い変動２０８及び速い変動２１０を識別及び分離することができる。一実施形態では、制御ユニット８０（図２）は、ガス化装置温度への供給原料の変化（例えば水分の激増）、すなわち速い時間スケール８４の変動（図２に明示されるような）の影響を緩和するようにプラズマパワーを調整することができる。別の実施形態では、制御ユニット８０（図２）は、遅い時間スケール８２の変動（図２に明示されるような）に起因する、例えば、日中−夕方スケジュール及びサイクルによる廃棄物流温度変化に起因するガス化装置温度の変化の影響を緩和するように酸素流量を調整することができる。一実施形態では、遅い変動２０８及び速い変動２１０を従来のＰＩＤ制御などの制御アルゴリズムが使用して、それぞれガス化装置への酸素流量の調整及びプラズマパワーの調整を行うことができる。一実施形態では、酸素（場合によっては、空気又は酸素富化空気）の流量を変更して、酸素対燃料比を約０．５と約１．５との間に調整し、ガス化装置温度を制御することができる。別の実施形態では、制御ユニット８０は、所要の動作温度範囲にガス化装置温度を調整するようにプラズマパワー及び酸素流量の両方を調整することができる。

一実施形態では、反応器１６（図１）は、ガス化プロセスをモニタするために反応器１６の中又は直後の戦略的位置に、反応器並びにガス採取ポート及び適切なガス分析装置（図示せず）の内部の圧力を検出するようにセンサ（図示せず）を含むことができる。

図１に戻って参照すると、シンガスは、比較的低い温度、例えば１１０℃で熱回収ユニット２２を出て、ライン５４を通って、スクラバ２４に入る。一実施形態では、スクラバ２４はシンガスを低温、例えば約５０℃に冷却し、水処理／リサイクルユニット２６からの、ライン６０を通る水を使用して、合成ガス中の固体粒子をスクラビングすることができる。別の実施形態では、ライン６２を通ってスクラバ２４を出る微粒子含有の水は、水処理／リサイクルユニット２６に戻してリサイクルすることができる。水中のいかなる微粒子（微粉）も水処理／リサイクルユニット２６によって除去され、ライン６４（図に矢印として示される）を通して反応器１６の供給機構に戻すことができる。

一実施形態では、本発明のプラズマ支援廃棄物ガス化システムから合成ガスを生成する方法が提供される。この方法は、ガス急冷ユニットの下流で合成ガスの温度及び流量を測定するステップと、ガス急冷ユニットにリサイクルされる合成ガスの温度及び流量を測定するステップと、反応器出口での合成ガスの温度及び流量を推定するステップとを含む。一実施形態では、この方法は、反応器出口での合成ガスの推定温度に基づいてプラズマトーチへの電力を制御するステップを更に含む。別の実施形態では、この方法は、同じ温度推定値に基づいて反応器への酸素流量を制御するステップを含む。

本発明が例示的実施形態を参照しながら説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変を行うことができ、均等物は本発明の要素と置換できることを当業者なら理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるように多くの変形を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するように意図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれるあらゆる実施形態を含むことが意図される。

１０ プラズマ支援廃棄物ガス化システム
１２ 廃棄物流
１６ ガス化反応器（ガス化装置）
１８ ガス急冷ユニット
２０ サイクロン
２２ 熱回収ユニット
２４ スクラバ
２６ 水処理／リサイクルユニット
２８ 下部ゾーン
３０ 中央ゾーン
３２ 上部ゾーン
３４ ジュール／プラズマ加熱デバイス
３６ ライン
３８ 統合加熱デバイス
４０、４４、４６、４８ ライン
５０ 第１のセンサ
５２ 第２のセンサ
５４ ライン
５８ ライン、合成ガス
６０、６２、６４ ライン
７８ 推定感知機構
８０ 制御ユニット
８２ 遅い時間スケール
８４ 速い時間スケール
２０２ 推定ガス化装置温度の読み
２０４ 好適な低域フィルタ
２０６ 高域フィルタ
２０８ 遅い変動
２１０ 速い変動

Claims (10)

1. 廃棄物流を合成ガスに変換するためのプラズマ支援廃棄物ガス化システム（１０）であって、
   反応器（１６）と、
   前記反応器からの前記合成ガスを部分的に冷却するためのガス急冷ユニット（１８）と、
   熱エネルギーを抽出するために前記ガス急冷ユニットの下流に配置された熱回収ユニット（２２）と、
   前記熱回収ユニット（２２）の下流に配置されたスクラバ（２４）と、
   前記ガス急冷ユニット（１８）を出る前記合成ガスの第１の温度及び第１の流量を測定するために前記ガス急冷ユニット（１８）と前記熱回収ユニット（２２）との間に配置された第１のセンサ（５０）と、
   前記ガス急冷ユニット（１８）に入る低温合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定するための第２のセンサ（５２）であり、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサが推定感知機構（７８）に接続される、第２のセンサ（５２）と
   を備え、
   前記推定感知機構（７８）が、前記２つのセンサの測定値に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、前記測定した第１の温度及び第１の流量、並びに前記測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて前記反応器（１６）中の前記合成ガスの温度を推定することができる、システム。
2. 前記反応器が３つのゾーン、すなわち廃棄物流反応残渣を溶解し、スラグプールを形成するための下部ゾーン（２８）と、前記廃棄物流を前記合成ガスに変換するための中央ゾーン（３０）と、前記合成ガスの温度及び前記合成ガスの組成を制御するための少なくとも１つのプラズマアークトーチを有する上部ゾーン（３２）とを含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記ガス急冷ユニット（１８）から下流に配置されたサイクロン（２０）を更に備える、請求項１記載のシステム。
4. 前記第１のセンサ（５０）が、前記ガス急冷ユニット（１８）と前記サイクロン（２０）との間に配置される、請求項３記載のシステム。
5. 前記第１のセンサ（５０）が、前記ガスサイクロン（２０）と前記熱回収ユニット（２２）との間に配置される、請求項３記載のシステム。
6. 前記第２のセンサ（５２）が、前記スクラバ（２４）と前記ガス急冷ユニット（１８）との間に配置される、請求項１記載のシステム。
7. 前記推定感知機構（７８）が、前記反応器（１６）の下流の温度及び流量の測定値に基づいて前記反応器（１６）中の前記合成ガスの温度を推定する、請求項１記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つのプラズマアークトーチが、前記反応器（１６）中の前記合成ガスの温度を制御するために実時間で調整される、請求項９記載のシステム。
9. 反応器（１６）と、
   前記反応器からの前記合成ガスを部分的に冷却するためのガス急冷ユニット（１８）と、
   熱エネルギーを抽出するために前記ガス急冷ユニットの下流に配置された熱回収ユニット（２２）と、
   前記熱回収ユニット（２２）の下流に配置されたスクラバ（２４）と、
   前記ガス急冷ユニット（１８）を出る前記合成ガスの第１の温度及び第１の流量を測定するために前記ガス急冷ユニット（１８）と前記熱回収ユニット（２２）との間に配置された第１のセンサ（５０）と、
   前記ガス急冷ユニット（１８）に入る低温合成ガスの第２の温度及び第２の流量を測定するための第２のセンサ（５２）であり、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサが推定感知機構（７８）に接続される、第２のセンサ（５２）と
   を備えるプラズマ支援廃棄物ガス化システム（１０）から合成ガスを生成する方法であって、
   前記ガス急冷ユニット（１８）を出る前記合成ガスの前記第１温度及び前記第１の流量を測定するステップと、
   前記ガス急冷ユニット（１８）にリサイクルされる合成ガスの前記第２の温度及び前記第２の流量を測定するステップと、
   前記２つのセンサの前記測定値に基づく質量−エネルギー平衡関係を使用して、前記測定した第１の温度及び第１の流量、並びに前記測定した第２の温度及び第２の流量に基づいて、前記推定感知機構（７８）を使用して、前記反応器（１６）中の前記合成ガスの温度を推定するステップと
   を含む方法。
10. 前記反応器出口での合成ガスの前記推定温度に基づいて前記プラズマトーチ（３８）への電力を制御するステップを更に含む、請求項９記載の方法。