JP2011526323A - 石炭火力発電所における石炭代替用の人工燃料供給原料 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年6月26日に出願された「ENGINEERED FUEL PELLET USEFUL FOR DISPLACEMENT OF COAL IN COAL FIRING PLANTS」をタイトルとする同時係属の米国特許出願第61/076,027号及び2008年6月26日に出願された「ENGINEERED INERT FUEL PELLET」をタイトルとする米国特許出願第61/076,020号からの、米国特許法35巻119条(e)による優先権の利益を主張するものであり、それらの開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
[環境に対する石炭燃焼の影響]
世界の電力需要は、2030年までに60%上昇すると予想されている(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2004/weo2004.pdf)。稼働中の石炭発電所の全世界での総数は50,000箇所を超えて増え続けており、国際エネルギー機関(IEA)は、化石燃料が、2030年までエネルギー市場の85%を依然として占めているだろうと予測している(http://www.sciencedaily.com/releases/2007/11/071114163448.htm)。国際組織、及びIEAのような国際機関は、化石燃料燃焼の環境影響について関心を寄せている。石炭発電所は、生産される電気の1ユニット当たりで生成される二酸化炭素のレベルの点で、最も非効率的な発電所である。化石燃料の燃焼は、燃料の不純物及び化学的組成のため、酸性雨、地球温暖化、及び大気汚染の一因である(発電は、米国における人為的二酸化炭素排出の41%の原因である)(http://www.epa.gov/climatechange/emissions/co2_human.html)。酸性雨は、大気中への窒素酸化物及び二酸化硫黄の排出によって引き起こされる。これら自体は多少酸性であるに過ぎないが、大気と反応すると、亜硫酸、硝酸、及び硫酸などの酸性化合物を生成し、それらは雨として落下するため、酸性雨という用語で呼ばれる。ヨーロッパ及び米国では、より厳密な排出法により、この問題に関連する環境危険が低減されている。
[石炭燃焼から発生する温室効果ガスの環境への影響]
現在、環境が直面している最も重要な脅威の1つは、石炭などの燃料の燃焼による、汚染物質及び温室効果ガス(GHG)の大気中へ放出である。二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、水蒸気、一酸化炭素、窒素酸化物、二酸化窒素、及びオゾン等の温室効果ガスは、入射する太陽放射線から熱を吸収するが、長波長の放射線を宇宙に反射させない。大気中の温室効果ガスは、結果として、吸収された熱を閉じこめて地球表面の温暖化をもたらす。米国では、温室効果ガス排出のほとんどが、多くは経済成長、発電に使用される燃料、並びに暖房及び冷房の必要性に影響を与える気象パターンによるエネルギー消費からもたらされる。石油及び天然ガスからもたらされるエネルギー関連の二酸化炭素排出量は、米国の人為的温室効果ガス総排出量の82パーセントに相当する。別の温室効果ガスであるメタンは、埋立、炭鉱、石油及びガス運転、並びに農業からもたらされ、総排出量の9パーセントに相当する。一方で、亜酸化窒素(総排出量の5パーセント)は、化石燃料の燃焼から、並びに特定の肥料の使用及び工業プロセスにより排出される。世界の二酸化炭素排出量は、2001年から2025年まで毎年1.9パーセント増加すると予想されている。これら排出増加の多くは、中国及びインド等の新興経済国が経済発展を化石エネルギーにより推進している、開発途上国世界で生じると予想されている。開発途上国の排出量は、2001年から2025年まで、年間2.7パーセントという世界平均を上回って増加し、2018年頃には先進工業国の排出量を上回ると予想されている。
幾つかの実施形態では、人工燃料原料は、850℃及びER0.34でのガス化時に、約20容積%の量のH2、約46容積%の量のN2、約25容積%の量のCO、約1容積%の量のCH4、約8容積%の量のCO2、及び160のBTU/scfを有する合成ガスを生産する。
a)物質回収施設において、複数の都市固形廃棄物(MSW waste feed)を受けること、
b)ステップa)の複数の都市固形廃棄物(MSW waste feed)の成分を、それらが該物質回収施設を通過する際に、該成分の化学的分子特性に基づいて目録化すること、
c)ステップb)で目録化された複数の都市固形廃棄物(MSW waste feed)の成分の化学的分子特性を、上記人工燃料原料の化学的分子特性と比較すること、
d)所望によっては、追加的な人工燃料原料成分であって、その化学的分子特性が、ステップb)の目録化された成分と一緒にした際に全体として該人工燃料原料の化学的分子特性と等しくなる化学的分子特性である、追加的な人工燃料原料成分を加えること。
a)物質回収施設において複数の都市固形廃棄物(MSW waste feed)を、化学的分子特性に基づいて複数の都市固形廃棄物成分に分離すること、
b)約60%を超える炭素含有量、約5%〜約10%の水素含有量、約20%未満の水分含有量、2%未満の硫黄含有量、約15%未満の灰分含有量、を有する人工燃料原料の化学的分子特性を、人工燃料原料用に選択すること、
c)合計の化学的分子特性がステップb)で選択された化学的分子特性と等しくなるよう、ステップa)の都市固形廃棄物成分群を選択すること、
d)所望によっては、ステップc)で選択された都市固形廃棄物成分群の化学的分子特性が、ステップb)で選択された化学的分子特性と等しくない場合、ステップc)の選択に他の燃料成分を加えること、及び
e)ステップc)及び所望によるステップd)の成分を混合すること。
a)組み合わされた際に、約60%を超える炭素含有量、約5%〜約10%の水素含有量、約20%未満の水分含有量、2%未満の硫黄含有量、及び15%未満の灰分含有量を含む化学的分子特性を有し、実質的にガラス、金属、砂塵、及び不燃物を含有しないように、処理された都市固形廃棄物(MSW waste stream)から複数の成分を選択すること、
b)ステップa)の選択された成分を、一緒に組合せて混合し、原料を形成すること、
c)得られたステップb)の原料の化学的分子特性を、ステップa)の化学的分子特性と比較すること、
d)所望によっては、ステップb)で選択された都市固形廃棄物成分の化学的分子特性が、ステップa)の化学的分子特性と等しくない場合に、ステップb)で選択された成分に他の燃料成分を加えること。
a)複数の都市固形廃棄物(MSW waste stream)を受けること、
b)約60%を超える炭素含有量、約5%〜約10%の水素含有量、約20%未満の水分含有量、2%未満の硫黄含有量、及び15%未満の灰分含有量を含む化学的分子特性を有し、実質的にガラス、金属、砂塵、及び不燃物を含有しない、化学的分子特性を人工燃料原料用に選択すること、
c)複数の都市固形廃棄物(MSW waste stream)の成分を、その成分の化学的分子特性に基づいて目録化すること、
d)ステップc)の複数の都市固形廃棄物(MSW waste stream)の目録化された成分の化学的分子特性を、ステップb)の選択された化学的分子特性と比較すること、
e)所望によっては、必要とされる化学的分子特性を有する追加的な燃料成分を、ステップc)の目録化された成分に加えて、人工燃料原料のためのステップb)の所望の化学的分子特性を満たすこと。幾つかの実施形態では、ステップc)又はe)の人工燃料原料は混合されている。幾つかの実施形態では、ステップc)又はe)の人工燃料原料は、サイズが低減されている。幾つかの実施形態では、ステップc)又はe)の人工燃料原料は圧縮(densified)されている。幾つかの実施形態では、サイズが低減されたステップc)又はe)の人工燃料原料は圧縮(densified)されている。幾つかの実施形態では、人工燃料原料は、約10ポンド/フィート3〜約75ポンド/フィート3に圧縮(densified)されている。
[定義]
「空気当量比」(ER)という用語は、ガス化装置に供給される空気量を燃料の完全燃焼に必要な空気量で割った比率を意味する。空気当量比、「ER」は、以下の数式で表すことができる:
燃焼及びガス化プロセスでは、十分なエネルギーを含有し、蓄積されている化学エネルギーを燃料の燃焼時に放出する燃料が使用される。燃料に蓄積されているこのエネルギーは、硫黄、塩素、窒素、及びもちろんH2Oの形態の水分等の他の成分の影響に加えて、炭素パーセント、水素パーセント、酸素パーセントの観点で表される。
[燃焼への適用]
原料から放出される熱のある部分が、水を気化させることにより消費されるであろうため、原料の水分含有量が増加すると共に、燃焼器又はバーナーの効率が低減するということは、一般的に正しい。しかしながら、燃焼効率に対する原料水分の影響を理解するためには、総合的システムの視点を開発しなければならない。
(1)原料の乾燥を伴わない場合、プロセスは一般により良好な総体的熱利用を提供する。乾燥器及び燃焼器からの熱損失を考慮すると、原料の乾燥を伴わないプロセスはさらに良好となるであろう。何故なら、乾燥器及び燃焼器を使用すると、別々のユニットが使用されることになるため、燃焼器だけの場合と比較して表面積が増加し、合計としてより大きな熱損失を有するので、より大きい熱損失が予測されるためである。
水分は、様々な方法でガス化に影響を与える場合がある。例えば、水分がガス化前に原料から除去される場合、ガス化性能は、ガス化のどのパラメーターが観察されるかに応じて、向上される場合もあり又はされない場合もある。エネルギー利用効率の点で、乾燥は、上記で考察したような燃焼への適用の際における、原料を乾燥することの効果とは異なり、ガス化の総合的効率を向上しない場合がある。
(a)ガス化装置温度の制御:
図5は、一定の空気当量(ER)比(ER=0.34)での、典型的な石炭原料のガス化温度、炭素変換率、及びH2+CO生産率に対する水分の予測される効果を示している。より高い水分を含有する原料は、ガス化の際にガス化温度を低下させることができ、それにより、より高い灰分含有量の原料のガス化が可能になる。そのような人工燃料原料の場合、それらがスラッギング又は灰分融合を起こす傾向があるため、より低い温度でガス化装置を稼動させることが好ましい。原料中に水分が存在することにより、炭素変換も増大され、灰分スラッギング、融合の潜在的リスクを更に低減可能にしつつ、ガス化の低温稼動が可能になる。
ガス化温度を制御し、特定の合成ガス用途(発電又は化学合成用)に適合するように合成ガス組成、特にメタン生産及びH2/CO比、を整えるためには、蒸気注入が必要とされることが多い。図6は、800℃における典型的な木材原料についての、水分含有量が異なる原料による合成ガス組成の予測される変動を示している。
水性ガスシフト反応(CO+H2O=CO2+H2)が促進されるため、より高い又は完全な炭素変換を、低減されたガス化温度で達成することができる。これは、低温稼動を可能にするだけでなく、CO+H2生産率及びガス化効率も向上させる。しかしながら、水分が高すぎる場合、CO+H2生産率及び冷ガス効率は、(同じガス化温度に到達するために必要な熱を提供するための)燃焼増大のため低下する場合がある。図7は、850℃における典型的な石炭原料の炭素変換率、冷ガス効率、及びCO+H2生産率に対する燃料水分含有量の予測される影響を示している。図8は、1000℃における典型的な純炭素の炭素変換率、冷ガス効率、及びCO+H2生産率に対する燃料水分含有量の予測される効果を示している。
図9は、典型的な木材原料について、850℃でH2/CO=2.0の合成ガスを生産するのに必要な、予測される総水分供給量及び外部水分供給量を示している。蒸気が酸化剤として使用される場合、原料中の水分を外部からの蒸気供給の代わりにすることができ、外部熱が利用可能な場合及び/又は酸素節約が望ましい場合にそうされることが多い。酸化剤としての空気又は酸素を原料に由来する水で置換することにより、窒素がより希釈されなくなり、水性ガス反応(b)が増加するため、高BTUの合成ガスを生産することができる。一定のガス化温度及び空気当量比で稼動させる際の水分が増加すると、H2/CO比が増加することに加えて、H2+CO生産率及び冷ガス効率がわずかに増大する(図8)。図10は、850℃及びER=0.30における典型的な木材原料の、予測されるCO+H2生産率、冷ガス効率、及びH2/CO比を示している。
しかしながら、同じエネルギー含有量(例えば、HHV又はBTU/ポンド)を有する2つの燃料が、同じ反応性で燃焼又はガス化したり、あるいは同じ熱変換特性を与えるとは限らない。例えば、およそ14,000BTU/ポンドを含有する2つの原料が調製された。原料#2(FS#2)は、13,991BTU/ポンドのエネルギー含有量を有し、原料#7(FS#7)は、14,405BTU/ポンドのエネルギー含有量を有し、違いは約3%である。2つの原料の化学的分子特性は表9に列挙されている。水分含有量、炭素含有量、水素含有量、酸素含有量、並びにH/C及びO/Cの比は、互いを比較すると非常に異なっている。
条件がガス化ではなく燃焼下であったことを除いて同じ計算を、理論上の原料に対して実施した。原料は全て10,000BTU/ポンドという同じHHVを有すると仮定し、その後、炭素含有量、水素含有量、酸素含有量、灰分含有量、及び水分含有量の組合せを種々変化させた。結果は、下記の表11に示されている。
スラッギングのリスクを最小限に抑えつつ最大のBTUを含有する燃料を設計するためには、灰分存在量を制限することを考慮に入れなければならない。バイオマス燃料の場合、約5%未満の灰分を含む燃料は、約5%を超える灰分を含有する燃料ほどスラッギングを起こさないと考えられることが報告されている(Reed, T. B., and A. Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. Golden: SERI, 1988を参照)。灰分は、特に上昇流又は下降流ガス化装置で様々な問題を引き起こす場合がある。反応器中でのスラッギング又はクリンカー形成は、灰分の融解及び凝集により引き起こされ、最善の場合でさえ、ガス化装置の運転に必要な労働量を大きく増加させるであろう。特別の措置が取られない場合、スラッギングは過剰なタール生成及び/又は反応器の完全な閉塞をもたらし得る。
合成ガスから炭化水素を生産するための最もよく知られている技術は、フィッシャー‐トロプシュ合成である。この技術は、Sabatier及びSenderensが1902年にニッケル触媒を使用して一酸化炭素(CO)を水素化してメタンにしたことで、Sabatier及びSenderensによりドイツで最初に実証された。1926年には、Fischer及びTropschに対して、合成ガスを石油に類似した液化炭化水素に変換する触媒技術の発見に関する特許が与えられた。
上昇流及び下降流ガス化装置は、原料に許容される燃料サイズの範囲に制限がある。細粒状及び/又は綿毛状の原料は、ガス化装置のバンカー部分における流動の問題、並びに還元ゾーンにおける許容できない圧力損失及びガス中に高い割合の埃を引き起こす場合がある。大きな圧力損失は、下降流設備のガス負荷(load)の低減に結び付き、その結果として温度及びタール生成の低下がもたらされる。過度に大きなサイズの粒子又は破片は、燃料の反応性を低下させ、その結果、起動の問題及び低いガス品質をもたらし、並びに設備を通しての輸送における問題を起こす。原料のサイズ分布の範囲が広いことは、一般的に上記の現象を悪化させるだろう。粒子サイズが大き過ぎることは、特に上昇流ガス化装置において、ガスチャネリングの問題を引き起こす場合がある。ガス化システム用に許容される燃料サイズは、ある程度まで設備の設計に依存する。
(実施例)
これから具体的な例に言及し、その幾つかは本発明を例示する。そのような例は、好ましい実施形態を例示するために提供されており、本発明の範囲を制限することは意図されていないことが理解されるべきである。
人工原料用の成分を選択した後、それらを低速度シュレッダーで細断し、その後機械的に混合した。その後で、ペレタイザーを使用して混合物を圧縮(densified)した。水分含有量を増加させる必要があった場合、混合ステップ中で水を加えた。原料の試料を少量採取して、温度制御された通気式オーブンで乾燥し、水分含有量を確認した。その後、混合された人工原料に対して、上述のようなガス化を行った。
Claims (45)
- 処理された都市固形廃棄物(MSW waste stream)に由来する少なくとも1つの成分を含む人工燃料原料であって、前記原料が、
約60%を超える炭素含有量、
約5%〜約10%の水素含有量、
約20%未満の水分含有量、
2%未満の硫黄含有量、
約15%未満の灰分含有量を含み、
前記原料が、ガラス、金属、砂塵、及び不燃物を実質的に含有しない原料。 - 約15%未満の水分含有量を更に含む、請求項1に記載の原料。
- 前記水分含有量が約5%〜約10%である、請求項2に記載の原料。
- 前記原料が、約9,000BTU(英熱量)/ポンド〜約15,000BTU(英熱量)/ポンドのHHV(高位発熱量)を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約40%〜約80%の揮発分含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約60%〜約70%の炭素含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約70%〜約80%の炭素含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約80%を超える炭素含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約6%〜約9%の水素含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約5%未満の灰分含有量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記原料が、約10,000BTU(英熱量)/ポンド〜約14,000BTU(英熱量)/ポンドのHHV(高位発熱量)を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、約0.06〜約0.1のH/C比を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、約0.01〜約0.05のO/C比を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、850℃及びER0.34におけるガス化時に、
約25容積%〜約30容積%の量のH2、
約42容積%〜約48容積%の量のN2、
約12容積%〜約17容積%の量のCO、
約2容積%〜約5容積%の量のCH4、
約5容積%〜約10容積%の量のCO2、及び
約160BTU(英熱量)/scf〜約200BTU(英熱量)/scfのHHV(高位発熱量)、を含む合成ガスを生成する、請求項26に記載の原料。 - 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の有害物排出量の公知レベルと比較して、より少ない有害物排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の硫黄排出量の公知レベルと比較して、より少ない硫黄排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の塩素排出量の公知レベルと比較して、より少ない塩素排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の重金属排出量の公知レベルと比較して、より少ない重金属排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の粒子状物質排出量の公知レベルと比較して、より少ない粒子状物質排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時のNOx排出量の公知レベルと比較して、より少ないNOx排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時のCO排出量の公知レベルと比較して、より少ないCO排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時のCO2排出量の公知レベルと比較して、より少ないCO2排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時の揮発性有機化合物(VOC)排出量の公知レベルと比較して、より少ないVOC排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時のハロゲンガス排出量の公知レベルと比較して、より少ないハロゲンガス排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が燃焼時に、石炭の燃焼時のGHG排出量の公知レベルと比較して、より少ないGHG排出量を生成する、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、非結束の非圧縮形態である、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が圧縮形態である、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態が立方体である、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態がペレットである、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、前記燃料原料のガス化を改善する少なくとも1つの燃料成分を更に含む、請求項1に記載の原料。
- 前記改善が、生成される硫黄排出量の低減である、請求項1に記載の原料。
- 前記改善が、生成される塩素排出量の低減である、請求項1に記載の原料。
- 前記改善が、生成される重金属排出量の低減である、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が不活性化されている、請求項1に記載の原料。
- 前記人工燃料原料が、前記原料を不活性化する少なくとも1つの添加物を更に含む、請求項1に記載の原料。
- 前記原料を不活性化する前記少なくとも1つの添加物が、水酸化カルシウムである、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約0.25インチ〜約1.5インチの直径を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約0.5インチ〜約6インチの長さを有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約20:1〜約3:1の表面積対容積比を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約10ポンド/フィート3〜75ポンド/フィート3の容積密度を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約0.2〜約0.6の多孔度を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約1〜約10のアスペクト比を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約0.023BTU(英熱量)/(フィート・h・°F)〜約0.578BTU(英熱量)/(フィート・h・°F)の熱伝導率を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約4.78×10−5BTU(英熱量)/(ポンド・°F)〜約4.78×10−4BTU(英熱量)/(ポンド・°F)の比熱容量を有する、請求項1に記載の原料。
- 前記圧縮形態の前記人工燃料原料が、約1.08×l0−5フィート2/s〜2.16×10−5フィート2/sの熱拡散率を有する、請求項1に記載の原料。
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