JP2012082434A - 有機材料、廃棄物材料または低価値材料を有用な生成物へと転換するための方法および装置 - Google Patents
有機材料、廃棄物材料または低価値材料を有用な生成物へと転換するための方法および装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ゴム、都市下水汚泥、食品加工廃棄物などをスラリー化する前処理工程、固体および液体を生成する第1の反応工程、その反応生成物を分離する工程、そして液体生成物を炭素固体、燃料ガスおよび油を含む炭化水素混合物へと変換する第2の反応工程と装置とからなる。
【選択図】なし
Description
本出願は、全て本明細書中にその全体が参照により援用されている2003年3月28日出願の米国仮特許出願第60/458,520号明細書および2003年11月18日出願の米国非仮特許出願第10/717,076号明細書、同10/716,837号明細書、および同10/716,839号明細書に対する優先権の利益を主張するものである。
本発明は、通例、有用な原材料を形成するための廃棄物または低価値生成物の処理に関する。より詳細には、本発明は、炭素ベースの化合物を含有する農業その他の廃棄物または低価値材料を燃料油、肥料および有機スペシャルティーケミカルズといったような商業的に有用な生成物へと転換させるためのプロセスおよび装置に関する。また、本発明は、有機材料の炭化水素および炭素固体への転換にも関する。特に、本発明は、加熱器、反応器、第1の冷却器および第2の冷却器を備える装置およびこれを使用するためのプロセスに関する。さらに、本発明は、周囲の流体から、バクテリア由来の細胞残屑といったような約1ミクロンの寸法の微粒子を分離する分離器を用いた、流体懸濁液からの微粒子の分離にも関する。
人間の社会が生み出す廃棄物の数多くが、究極的に、独自の固有の価値を有する少数の単純な有機材料へと分解できるものであることは、かなり以前から認識されてきている。この変換をエネルギー効率の良いやり方でかつ充分に大きな規模で達成できるならば、社会に多大な利益をもたらす可能性がある。
本発明は、悪臭排気を生成することなく、高いエネルギー効率かつ受諾可能なコストで、信頼性の高い純度および組成で有用な材料を生成するための廃棄物および低価値生成物の処理方法に関する。特に、本発明は、本来であれば商業的な価値または用途がほとんど無いさまざまな供給原料を、気体、油、スペシャルティーケミカル(たとえば、脂肪酸)、肥料および炭素固体を含めた有用な材料に転換させる多段プロセスを含んでいる。本発明はさらに、廃棄物を有用な材料およびそのプロセスから生じる少なくとも1つの油生成物へと転換させる多段プロセスを実施するための装置を含む。本発明の装置およびプロセスは、家禽(たとえば、七面鳥、鶏、ダチョウ)、畜牛、豚、魚の臓物および家畜の糞、尿、油脂、植物油および都市下水汚泥ならびにタイヤおよびプラスチックなどのその他の廃棄物を含めた有機および無機廃棄物の処理に、特に応用可能である。
例1:パイロットプラント
本発明の装置およびプロセスを利用してパイロットプラントが建設された。該パイロットプラントは、一日に約7トンの廃棄物を処理することができる。
毎日200トンを超える七面鳥廃棄物を処理することが意図された原寸の商業用設備が建設中である。該プラントは、一日約10トンの気体を生成するように設計されており、これはシステムに戻ってシステムに動力供給するための熱を生成する。プラントは約21,000ガロンの水を生成する予定であり、これは都市下水道系に放出するのに充分な清浄度をもち、また病毒媒介動物も含んでいない。該プラントは、同様に、約25トンの鉱物、濃縮物および炭素および約500バレルの#2加熱用油と同グレードの上質油を作ることになる。
表1が、本発明のプロセスを用いて有用な材料に転換された場合の以下の廃棄物の各々100ポンドについての最終生成物とその割合を示している:都市下水廃棄物(75%の下水汚泥と25%の油脂阻集廃棄物を含む);タイヤ;家禽加工廃棄物(器官、骨、血液、羽毛および脂肪を含む);プラスチックボトル(炭酸飲料ボトルを製造するのに用いられるポリエチレンテレフタレート(PET)および牛乳びんを製造するのに用いられる高密度ポリエチレン(HDPE)の配合物を含む);紙;医療廃棄物(主として病院を供給源とし、プラスチック製注射器、輸液袋、ガーゼ、包装紙、および湿潤廃棄物を含む);および重油(たとえば、精油所−真空残渣およびオイルサンド)。表1中の量は、ポンド単位である。
未加工微粉、高硫黄炭および各々に適用された本発明のプロセスの生成物について、低検出水銀分析が実施された。各ケースにおいて、検出限界は、0.01ppmであった。石炭微粉未処理供給物から、水銀レベルは0.12ppmであった。水銀は加工済み炭素中では検出できなかった。
未加工微粉は1.71%の硫黄を含有していた。複合炭素は1.58%の硫黄を含んでおり、これは未加工微粉から7.6%の減少であった。本発明のプロセスを1回適用して生成された炭素は、1.51%の硫黄を含有し、これは未処理供給物から11.6%の減少であった。
未処理供給物高硫黄炭は、2.34重量%の硫黄を含有していた。本発明のプロセスを1回適用した後、結果として得られた固体生成物は、2.11重量%の硫黄を含有していた。
未加工炭は1.08%の硫黄を含有していた;本発明のプロセスから得た炭素は0.49%の硫黄を含有し、それは54.6%の減少であった。同様に、生成された水の中でも非常に低濃度の硫黄(45ppm)しか検出されなかった。
本発明のプロセスを用いて広範囲の有機材料から生物由来油を生成することができる。このような生物由来油は七面鳥臓物に由来し、C−20およびそれより短かい炭素鎖構成要素を含み、燃料として使用された場合、事実上排出微粒子を削除する。この油は、可燃性燃料用の配合成分または代替的燃料として使用可能である狭い範囲の米国石油協会(API)40−プラス再生可能油を精油所または配合業者に提供する。この油の顕著な特性は表2に示されており、ここで仕様書方法は、ASTM(米国材料試験協会)コードで呼称されている。
図8Aおよび8Bは、本発明のプロセスと共に使用するための装置の1つの実施形態を示している。図6には、いくつかの要素も示されている。
Claims (86)
- 供給原料を少なくとも1つの有用な材料へと転換させるための方法において、
供給原料からスラリーを調製する工程と、
少なくとも1つの反応済み固体生成物、少なくとも1つの反応済み液体生成物および水を含む反応済み供給物を生成するように、第1の反応において前記スラリーを反応させる工程と、
前記反応済み供給物から前記少なくとも1つの反応済み固体生成物、前記水および前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を分離する工程と、
第2の反応において前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を少なくとも1つの有用な材料へと転換させる工程と、
を含む方法。 - 前記少なくとも1つの有用な材料は、炭素固体である、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの有用な材料は、炭化水素混合物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記炭化水素混合物は、燃料ガスおよび油を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの有用な材料は、無菌である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記調製工程には、前記供給原料からアンモニアを除去することが含まれる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約20〜120気圧の圧力で起こる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記圧力は、約50気圧である、請求項7に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約150℃〜約330℃の範囲内の温度で起こる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記反応工程で、硫黄含有材料、水銀含有材料およびハロゲン含有化合物からなる群から選択された少なくとも1つの汚染物質が除去される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの液体生成物は、少なくとも1つの脂肪誘導体または脂肪酸を含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの固体生成物は、少なくとも1つの無機化合物を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記転換工程に先立ち、前記少なくとも1つの液体生成物の一部分を転用し、前記部分を少なくとも1つのスペシャルティーケミカルへと個別に転換させる工程をさらに含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第2の反応は、約400℃〜約600℃の範囲内の温度で起こる、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記供給原料は、ゴム材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給原料は、1つ以上のタイヤを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記調製工程の前に、前記タイヤを溶剤中で溶解させる工程をさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記溶剤は、前記転換工程から得た油である、請求項16に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約250℃〜約400℃の間の温度で起こり、前記第2の反応は、約300℃〜約525℃の間の温度で起こる、請求項15に記載の方法。
- 前記供給原料は、都市下水汚泥を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約170℃〜約250℃の間の温度で起こり、前記第2の反応は、約300℃〜約525℃の間の温度で起こる、請求項20に記載の方法。
- 前記供給原料は、食品加工廃棄物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記食品加工廃棄物は、七面鳥臓物を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約150℃〜約330℃の間の温度で起こり、前記第2の反応は、約300℃〜約525℃の間の温度で起こる、請求項23に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約250℃および20〜120気圧の圧力で起こる、請求項22に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約50気圧の圧力で起こる、請求項22に記載の方法。
- 前記供給原料は、プラスチックの混合物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の反応は、約200℃〜約250℃の間の温度で起こり、前記第2の反応は、約300℃〜約525℃の間の温度で起こる、請求項28に記載の方法。
- 前記供給原料は、PVCを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の反応は、少なくとも1つの塩素含有汚染物質を除去する、請求項29に記載の方法。
- 前記供給原料は、家畜糞尿を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給原料は、食品製造販売の副産物または製紙その他の木工業製造の副産物である1つ以上の材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給原料は、七面鳥臓物、フライ油、トウモロコシの茎、モミ殻、廃棄物スクラップ、最終搾り食用油、製紙用パルプ廃液、黒液、葉、刈り取られた芝、バガス、海草、綿くず、動物排せつ物、プラスチックびん、古いコンピュータ、都市固体廃棄物、石油精製残留物、シェール油、ボーリング泥水、港湾浚渫堆積物、産業汚泥、製粉廃棄物、石炭精製廃棄物、オイルサンド、炭素菌の胞子、感染性医療廃棄物および生物病原体からなる群から選択される1つ以上の材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記最終搾り食料油は、カノーラ油、大豆油、ヤシ油、ココナッツ油、ナタネ油、綿実油、コーン油およびオリーブ油からなる群から選択される、請求項33に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法によって製造される燃料油。
- 前記方法が、
炭素含有供給原料からスラリーを調製する工程と、
少なくとも1つの反応済み固体生成物、少なくとも1つの反応済み液体生成物および水を含む反応済み供給物を生成するように、第1の反応においてスラリーを反応させる工程と、
前記反応済み供給物から前記少なくとも1つの反応済み固体生成物、前記水および前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を分離する工程と、
第2の反応において前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を前記燃料油へと転換させる工程と、
を含む、請求項35に記載の燃料油。 - 供給原料を少なくとも1つの有用な材料へと転換させるための装置であって、
前記供給原料から加熱済みスラリーを生成するための前処理ユニットと、
前記加熱済みスラリーを収容するように、前記容器と連通し、前記加熱済みスラリーを第1の上昇した温度および第1の上昇した圧力に付して、少なくとも1つの反応済み固体生成物、少なくとも1つの反応済み液体生成物および水を含む反応済み供給物を生成するように構成されている第1段反応器と、
前記少なくとも1つの固体生成物、少なくとも1つの液体生成物および水を収容するように前記第1段反応器と連通し、前記少なくとも1つの反応済み固体生成物、前記水および前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を分離するように構成されている少なくとも1つの第2段分離ユニットと、
前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を収容するように、前記分離ユニットと連通し、前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を第2の上昇した圧力および第2の上昇した温度に付し、かくして前記少なくとも1つの反応済み液体生成物を少なくとも1つの有用な材料へと転換させるように構成された第3段反応器と、
を備える装置。 - 前記前処理ユニットは、
前記供給原料から供給原料スラリーを作り出すためのスラリー化装置を備える供給原料調製ユニットと、
前記供給原料調製ユニットからの前記供給原料スラリーを収容するように、前記供給原料調製ユニットと連通している容器と、
前記スラリーに加圧するように構成されたポンプと、
加熱済みスラリーを生成するべく前記スラリーを加熱するように構成された熱交換器と
を備える、請求項37に記載の装置。 - 前記第1の上昇した圧力は、約20〜120気圧であり、前記第1の反応は、約150℃〜約330℃の範囲内の温度で起こる、請求項37または38に記載の装置。
- 前記第1の上昇した圧力は、約50気圧である、請求項37〜39のいずれか1項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの反応済み液体生成物の一部分を収容し、前記部分を少なくとも1つのスペシャルティーケミカルへと転換させるためのユニットをさらに備える、請求項37〜40のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第2の上昇した温度は、約400℃〜約600℃の間にあり、前記第2の上昇した圧力は、大気圧よりも約15〜約50psi高い、請求項37〜41のいずれか1項に記載の装置。
- ゴム材料;1つ以上のタイヤ;食品加工廃棄物;混合プラスチックおよび都市下水汚泥からなる群から選択された供給原料を受容するように構成された、請求項37〜42のいずれか1項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの有用な材料は、炭素固体を含む、請求項37〜43のいずれか1項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの有用な材料は、炭化水素混合物を含む、請求項37〜44のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第3段反応器は、
液体および気化油の混合物を生成するように、前記反応済み液体生成物を収容し加熱するように構成された加熱容器と、
前記液体および気化油の混合物を収容し、それを炭素固体および炭化水素蒸気およびガスの混合物へと転換させるように構成された反応器と、
前記炭素固体を受容するための第1の冷却器と、
炭化水素蒸気およびガスの前記混合物を受容するための第2の冷却器と、
を備える、請求項37に記載の装置。 - 前記反応器は、オーガーである、請求項46に記載の装置。
- 前記オーガーは、約400℃〜約600℃の間の温度まで加熱される、請求項47に記載の装置。
- 前記第1の冷却器は、オーガーである、請求項46〜48のいずれか1項に記載の装置。
- 前記加熱器は、スチームならびに液体および気化油の混合物を受容するように、さらに構成されている、請求項46〜49のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第2の冷却器は、炭素微粒子分離器をさらに備える、請求項46〜50のいずれか1項に記載の装置。
- 前記分離ユニットは、懸濁液中の流体から微粒子を分離するための機器をさらに備え、
内壁を伴う、円錐台形の内部チャンバ、前記チャンバと連通している入口および第1の出口、および第2の出口を画定するハウジングと、
前記チャンバ内に取付けられた、中空内部を伴う旋回アセンブリであって、前記チャンバの内壁と環状空隙を画定するように整形され、前記中空内部が前記第2の出口と連通しており、かつ前記中空内部が前記空隙から前記内部へおよび前記第2の出口から外へ該旋回アセンブリの回転に応答して流体材料が流れるように前記環状空隙とも連通している、旋回アセンブリと、
を備える請求項37に記載の装置。 - 前記旋回アセンブリは、
スピンドル入口およびスピンドル出口を画定し、前記スピンドル出口が前記ハウジングの第2の出口と連通している、中空スピンドルと、
前記スピンドル入口を通して前記中空スピンドルと連通している前記中空内部を画定するように、前記中空スピンドル上に取付けられている、テーパのついた多孔質の円筒形壁と
を備える、請求項52に記載の装置。 - 前記旋回アセンブリは、約10,000rpmの速度で回転する、請求項52または53に記載の装置。
- 前記旋回アセンブリは、約1000rpm〜約50,000rpmの間の速度で回転する、請求項52〜54のいずれか1項に記載の装置。
- 前記テーパのついた多孔質円筒形壁が約1〜約200ミクロンの間の細孔径を有する、請求項52〜55のいずれか1項に記載の装置。
- 前記細孔径は、約50ミクロンである、請求項56に記載の装置。
- 前記環状空隙および前記多孔質壁の細孔は、都市下水汚泥の懸濁液を分離するようなサイズである、請求項52〜57のいずれか1項に記載の装置。
- 前記円筒形内壁は、約1°〜約10°の角度で先細になる、請求項52〜58のいずれか1項に記載の装置。
- 前記角度は、約2°〜約2.5°の間である、請求項59に記載の装置。
- 前記入口と前記環状空隙の間に約3〜4psiの圧力差が存在する、請求項52〜60のいずれか1項に記載の装置。
- 前記入口および環状空隙が、毎分約1〜20ガロンの間の流量用に構成され寸法決定されている、請求項52〜61のいずれか1項に記載の装置。
- 前記流量は、毎分約10ガロンである、請求項62に記載の装置。
- 炭化水素混合物および炭素固体へと有機液を転換させるための装置であって、
液体および気化油の混合物を生成するように、前記有機液を収容し加熱するように構成された加熱用容器と、
前記液体および気化油の混合物を収容し、これを炭素固体および炭化水素蒸気およびガスの混合物へと転換するように構成された反応器と、
前記炭素固体を受容するための第1の冷却器と、
前記炭化水素蒸気およびガスの混合物を受容するための第2の冷却器と、
を備える装置。 - 前記反応器は、オーガーである、請求項64に記載の装置。
- 前記オーガーは、約400℃〜約600℃の間の温度まで加熱される、請求項65に記載の装置。
- 前記第1の冷却器は、オーガーである、請求項64〜66のいずれか1項に記載の装置。
- 前記加熱器は、スチームならびに前記液体および気化油の混合物を受容するように、さらに構成されている、請求項64〜67のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第2の冷却器は、付加的に炭素微粒子分離器を備える、請求項64〜68のいずれか1項に記載の装置。
- 炭化水素および炭素固体の混合物へと有機液を転換させるための方法であって、
液体および気化油の混合物を生成するべく前記有機液を加熱する工程と、
前記液体および気化油の混合物を炭素固体および炭化水素と気体との混合物へと転換させる工程と、
前記炭化水素と気体との混合物から炭素固体を分離する工程と、
を含む方法。 - 前記分離工程の後に前記炭素固体を冷却する工程をさらに含む、請求項70に記載の方法。
- 前記有機液は、第1段でスチームと混合させられる、請求項70または71に記載の方法。
- 前記転換工程は、オーガー内で実施される、請求項70〜72のいずれか1項に記載の方法。
- 加熱に先立ち、スチームと前記有機液を混合する工程をさらに含む、請求項70〜73のいずれか1項に記載の方法。
- 懸濁液中の液体から微粒子を分離するための装置において、
内壁を伴う、円錐台形の内部チャンバ、前記チャンバと連通している入口および第1の出口、および第2の出口を画定するハウジングと、
前記チャンバ内に取付けられた、中空内部を伴う旋回アセンブリであって、前記チャンバの内壁と環状空隙を画定するように整形され、前記中空内部が前記第2の出口と連通しており、かつ、前記中空内部が前記空隙から前記内部へおよび前記第2の出口から外へ該旋回アセンブリの回転に応答して流体材料が流れるように前記環状空隙とも連通している、旋回アセンブリと
を備える装置。 - 前記旋回アセンブリは、
スピンドル入口およびスピンドル出口を画定し、前記スピンドル出口が前記ハウジングの第2の出口と連通している、中空スピンドルと、
前記スピンドル入口を通して前記中空スピンドルと連通している前記中空内部を画定するように、前記中空スピンドル上に取付けられている、テーパのついた多孔質の円筒形壁と、
を備える、請求項75に記載の装置。 - 前記旋回アセンブリは、約10,000rpmの速度で回転する、請求項75または76に記載の装置。
- 前記旋回アセンブリは、約1,000rpm〜約50,000rpmの間の速度で回転する、請求項75〜77のいずれか1項に記載の装置。
- 前記テーパのついた多孔質円筒形壁は、約1〜約200ミクロンの間の細孔径を有する、請求項75〜78のいずれか1項に記載の装置。
- 前記細孔径は、約50ミクロンである、請求項79に記載の装置。
- 前記環状空隙および前記多孔質壁の細孔は、都市下水汚泥の懸濁液を分離するようなサイズになっている、請求項75〜80のいずれか1項に記載の装置。
- 前記円筒形内壁は、約1°〜約10°の角度で先細になる、請求項75〜81のいずれか1項に記載の装置。
- 前記角度は、約2°〜約2.5°の間である、請求項82に記載の装置。
- 前記入口と前記環状空隙の間に約3〜4psiの圧力差が存在する、請求項75〜83のいずれか1項に記載の装置。
- 前記入口および環状空隙が、毎分約1〜約20ガロンの間の流量用に構成され寸法決定されている請求項75〜84のいずれか1項に記載の装置。
- 前記流量は、毎分約10ガロンである、請求項85に記載の装置。
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