JP2017529416A - 廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料の連続的製造方法 - Google Patents

Abstract

廃棄物、特に、工業、農業および自治体の廃棄物やその混合物を含めて、廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料の連続的製造方法であって、これらの廃棄物を熱分解して、リサイクルまたは任意の埋め立てが意図された、燃料という使用できる低分子の炭化水素、および、他の残りの無機または他の部分にすることからなり、有機物質の内容物で処理された廃棄物、特に、紙、プラスチック、つぶれていない使用済みタイヤを含むゴム、木材要素、おがくず、食べ残し、および油脂、およびそれらの包装物が、空気の入らない密閉された反応空間で、加熱された気体の不活性媒体によって熱分解する。帯電の影響によって、有機物質、特に重合体物質の熱分解に起因して、それから分解した低分子物質が、炭化水素の形で、完全に、搬送ガスとしての気体の不活性媒体との混合物においてエアロゾルに変化し、得られたエアロゾルはその後さらに、それの冷却、沈殿、および、それに含まれる液体および気体の低分子炭化水素との相互分離に付される。有機物質の部分の全ての分解の後で、密閉された反応空間から、全ての残りの無機部分または処理された廃棄物の他の部分が徐々に除去される。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、廃棄物、特に、工業、農業および自治体の廃棄物やその混合物を含めて、廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料の連続的製造方法に関する。

〔背景技術〕
燃焼機関のエネルギー使用の増大する役割に向かう文明拡大は、石油、石炭および天然ガスの有限の蓄えという形での必然的結果を持つ。固体燃料の使用方法は、蒸気エンジンの頃からでも知られており、今日まで、それらは、火力発電所や加熱設備のいくつかなどの、安定した装置で実際に使用されている。しかしながら、今日、燃焼機関の実際の使用は、そのデザインの簡素さとその低重量とによって与えられる可動性により、独占的な地位を占めている。もっとも陽気な空想でさえも、石油の、すなわち液体燃料の貯蔵の消耗の後に、蒸気エンジンの頃のように固体燃料をもう一度使用するエネルギー可動システムに戻るときが来るだろうとは、まだ予知されていない。

利用可能な固体から液体燃料を製造することは新しい概念ではない。第二次世界大戦のときにすでにドイツの産業は、褐炭からガソリンを生産していた。同様に、家庭や産業ビルに、石炭ガスのエネルギー分配のシステムが知られている。しかしながら、公知の上記のプロセスは、石炭の熱処理の仕様に基づいており、そこから、炭化水素と一酸化炭素が、液体または気体で、加熱中に放出される。それは、再生可能な資源からの原料についてのものではないので、それらは、石油に基づく源と同じ適用範囲内にある。

液体燃料を得る他のすでに知られた手順は、メタンやアルコールの製造のための微生物の使用に関するバイオテクノロジーの使用である。バイオテクノロジーである発酵は、作られた物質に含有される栄養物を使用し、この栄養物は、砂糖の重合体、特にＤ−グルコースである。これらの多糖は、酵素または化学的な方法で分割されてその後発酵に付される。最近では、このカテゴリーは、穀物からエタノールの製造によっても補足することができ、これは、過去には、食用アルコールを得るためだけに実際に用いられた方法であった。

しかしながら、気体燃料および液体燃料を得る上述の方法は、これらの各技術が、選択された純粋な原料以外では実施できないという事実によって制約されている。有機物質および無機物質の両方を一緒にした種々の化学組成の物質を意味する廃棄物の有機部分を使用する公知技術は多くない。すでに知られている手順は、実際には、２つのグループに分類できる。それらの１番目は、熱分解方法のグループであり、そこでは、高温を用いて、液体および気体の生成物と、必ず、定義できない組成の焼いた重合体物質の形の熱分解の残りとが得られる。熱分解の生成物は、それら自身の反応をしているうちに、可変の組成を示す。この事実により、上記の原料の天然ガスまたは他のものに基づいた燃料の場合と同様に、この生成物は、普遍的に用いることができない。この方法グループでは、熱分解の残りを放出しないが、実際および経済的な観点から、より広い用途をまだ見出していない手順を、我々は追加することもできる。この方法は、特別な部屋で全ての物質を「プラズマ的に蒸発」させ、その気体の形でその物質を燃焼に導く。高効率のレーザによりプラズマが生成し、これは、高い初期投資額を有する生成物の価格を負担させるこれらの装置のエネルギー要件とは関係なく、この技術を、容易には利用可能でないものにしている。

第２の方法グループは、部分酸化を用いる方法によって形成され、例えば、特許ＣＺ２８３８１２「自治体の廃棄物からプラスチックを処理する方法」による方法であり、ここでは、燃焼する炭素の還元雰囲気中でプラスチックの融解生成物が分解する。この方法は、入力原料のそれ自身の組成とは無関係であるが、融解生成物の形で反応環境へ案内される必要がある。そのため、この方法は、選択された廃棄物に依存する。

工業、農業および自治体の廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料を得るこれらおよびその他の同等の方法は、ファイルＵＳ２００８１８２９１１による解決法のような他の特許文献からも知られており、その主題は、有機廃棄物を、使用できる液体燃料に変換する方法および装置であり、これは、水素の還元雰囲気中での二酸化炭素の変換に基づいており、そのとき、適切な比率で、好ましくはメタノールが発生する。他には、液体燃料の種々の誘導体が発生する。

文献ＷＯ２０１２／０９５２８８からは、未加工の合成ガスから気体燃料を製造する方法がさらに知られており、これは、バイオマスまたは有機廃棄物とともに石炭の熱水炭化に基づいている。この反応では、物質は、炎によって気化し、この反応で起こる吸熱および発熱の反応が平衡するように注意する。この場合に発生する二酸化炭素は、気化剤として、また、炭化された物質の蒸気の排出のための転送剤として作用する。二酸化炭素と炭化生成物との反応は、ファイルＵＳ２００８１８２９１１による前述の方法と同様に、メタノールおよび他の燃料の形成に向かう。しかしながら、この方法でさえ、より広い用途を持っていない。

優先権出願ＵＳ１９９２９６５１０４に基づいて出願された特許ファイルＣＺ２８９４７１からは、廃棄物プラスチックを、還元ガス、合成ガスまたは燃料ガスの製造に再利用する方法であり、そこでは、粉状のプラスチックを、二酸化チタン、炭酸バリウム、タルク、粘土、アルミナまたはアルミノ珪酸塩に基づく無機物質と混合する。プラスチックの代わりに石炭または液体炭化水素からの廃棄物を用いる場合にも同じものがこの方法に用いられ、これらの混合物は、還元ガスの形成とともに酸化に付される。しかしながら、この方法の欠点は、一酸化炭素を含有する気体の出力であり、その毒性により、この方法は、廃棄物プラスチックが今日示している環境負荷に著しく影響を与えるようなスケールには適用できない。

〔発明の概要〕
液体および気体の燃料を得る上述の方法の欠点は、以下の方法によって解消される。すなわち、本方法は、廃棄物、特に、工業、農業および自治体の廃棄物やその混合物を含めて、廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料の連続的製造方法であって、これらの廃棄物を熱分解して、リサイクルまたは任意の埋め立てが意図された、燃料という使用できる低分子の炭化水素、および、他の残りの無機または他の部分にすることに特徴があり、本発明によれば、その本質は、以下の事実に存在する。有機物質の内容物で処理された廃棄物、特に、紙、プラスチック、つぶれていない使用済みタイヤを含むゴム、木材要素、おがくず、食べ残し、および油脂、およびそれらの包装物が、空気の入らない密閉された反応空間で、加熱された気体の不活性媒体によって熱分解し、帯電の影響によって、有機物質、特に重合体物質の熱分解に起因して、それから分解した低分子物質が、炭化水素の形で、完全に、搬送ガスとしての気体の不活性媒体との混合物においてエアロゾルに変化。得られたエアロゾルはその後さらに、それの冷却、沈殿、および、それに含まれる液体および気体の低分子炭化水素との相互分離に付され、すると、有機物質の部分の全ての分解の後で、密閉された反応空間から、全ての残りの無機部分または処理された廃棄物の他の部分が徐々に除去される。

本発明の原理はさらに、以下の事実にある。密閉された反応空間を通っての気体の不活性媒体の流れと、その次の、分配された低分子物質と共に起こる消失とは、この反応空間からの出口で圧力の減少によって有効に行われ、ここで、反応空間の出口に向かって温度勾配が減少するように制御することによって、発生する低分子炭化水素の化学組成の、より狭い分布曲線が提供される。また、反応空間の出口での圧力を、０．０１ないし０．０３ＭＰａの陰圧の数値にまで減少させ、それによって、０．００１ないし０．０２ｍ／ｓの範囲の、反応空間での気体の不活性媒体の最適な流速と、１００ないし３５０Ｋ／ｍの温度勾配とが達成される。

本発明の原理はさらに、以下の事実にある。気体の不活性媒体は、体積量で、５０ないし８５％の窒素、１３ないし２５％の二酸化炭素および１ないし５％の一酸化炭素を含有し、そのとき、残りが過熱水蒸気によって生成される。本発明の最適な実施例では、消費される気体の不活性媒体の量は、処理される廃棄物について０．２ないし３ｍ^３／ｋｇの量で変動し、気体の不活性媒体は、処理される廃棄物に対して、１０ないし８０秒の期間、作用する。しかしながら、ヘリウム、アルゴンおよびその混合物のような、他の気体の不活性媒体も使用できるが、その入手可能性や価格によって、実際の使用は制限される。

本発明による方法の実際の実施例では、有機物質を含有する廃棄物は５つの連続的な技術的段階で熱分解し、第１段階では、３００ないし９００℃の入力温度での反応に対する気体の不活性媒体が生成され、これは、第２段階では、反応空間を、廃棄物が処理される処理方向に逆らって流れる。したがって、この第２段階では、処理される廃棄物が、温度勾配に比例した速度で熱分解することを確実にしており、これは、すでに部分的にますます分解される処理廃棄物が、反応空間でのその進行中にいっそうより高温に加熱され、それによって、その分解の、より高い変換と、その生成品の組成の、より狭い分布曲線とが保証されるということを意味する。第３段階では、得られたエアロゾルは、２０℃より低い温度に冷却され、するとエアロゾルからの第４段階では、低分子炭化水素の液体の部分が、気体の部分から分離され、気体の部分はその後、気体の不活性媒体とともに第５段階へ進行し、ここで、その気体の部分は、−４０℃より低い温度に冷却され、または好ましくは、０．５ないし４ＭＰａの圧力での圧縮によって液化される。

本発明による方法のこのような実際の実施例において、反応空間は、処理される廃棄物の入口に、充填部屋と密閉された閉鎖部のシステムとが備えられた、垂直または水平な反応器にて生成され、閉鎖部は、処理される廃棄物の、残りの無機部分または処理された廃棄物の他の部分の除去を意図した、この反応器の出口にも配置されている。気体の不活性媒体の展開は、その出口の近傍で、反応器の特に改造された部分で実行され、ここで、以前の処理で分解されなかった有機部分の最後の残りについての酸化も行われる。

反応空間で生じたエアロゾルは、冷却のために、空気を用いる冷却器と熱の水圧出口とのシステム内に移動し、その次に、およそ１０ないし４５ｋＶの電位の高電圧界の通行によって、または、好ましくは回転遠心分離機にて、エアロゾル生成物の濃縮がなされ、分解生成物の粒子の個々の電荷が、分離機の機械的部分との接触により放電され、すでに液体の形で、パイプラインによって貯蔵タンクに移動する。

廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料を製造する従来の同様の方法と比べて、本発明による解決の利点は、特に、この処理では、処理された廃棄物への完全な熱転送が保証され、同時に、反応空間から全ての反応生成物の完全な排出が、その進行中でさえ保証されることである。したがって、この空間での中間体の蓄積は特にこれといって起こらない。この蓄積が起こると、処理される廃棄物の全体の分解が妨げられ、これは全ての類似の公知技術の典型的な問題である。

〔発明の詳細な実施形態の実施例〕
〔実施例１〕
本発明による方法の第１の一例的実施例では、横１メートルの正方形底部および高さ４．５メートルの、密閉された垂直に形成された反応器が用いられ、そこでは、下方部は、無機部分の出口のための装置を有する気体の不活性媒体の生成器を含有しており、充填用の上方部は、２つの閉鎖部を有する密閉された部屋によって形成され、その体積は１立方メートルであった。反応器の中央部には、上方部において、反応生成物の出口のための出口開口部が備えられており、それは、固体粒子の分離機、濃縮器および、粒子である、エアロゾルからの炭化水素の微小滴(microdroplets)の抽出機分離機に接続されていた。分離機は液体部分の捕集器に接続され、媒体の出力は、冷却温度である１５℃で濃縮器を通った。この濃縮器からの出力は、作業場の外のパイプによって引き出されており、また、残りの焼却のためのバーナーが備えられていた。

反応器の反応空間または密閉された部屋は、１５０ｋｇの混合廃棄物で充填され、この混合廃棄物は、３０ｍｍのサイズまでの粒子から成り、質量で、３２％の紙と、１４％のおがくずと、２７％のペットボトルと、１１％のＰＳカップと、食べ残しおよびそれらからの包装物の形の１６％の不明の廃棄物とを含有していた。反応を開始した後、気体の不活性媒体の入口温度は６７０℃に達し、減圧は０．０３ＭＰａに達し、反応器の出口でのエアロゾルの温度は１７８℃に達し、消費された廃棄物は、最上部から充填装置の部屋を通して補充され、重力の作用で反応器の底部に落下した。反応器内における気体の不活性媒体の流速は０．０１１ｍ／ｓであり、温度勾配は１４５Ｋ／ｍであった。この特定の実施例では、気体の不活性媒体は、体積量で、６２％の窒素、１４．５％の二酸化炭素および１％の一酸化炭素を含有し、残りは、過熱水蒸気で形成されていた。消費された気体の不活性媒体の量は、処理される廃棄物について１．２ｍ^３／ｋｇであり、また、処理される廃棄物に対し、４５秒間運転した。

この特定の実施例では、反応器は、４時間の期間運転され、その中で１２５０ｋｇの廃棄物を処理した。この場合の生成物は、３６．４ＭＪ／ｋｇの発熱量の７２６ｋｇの液体生成物、３７．１ＭＪ／ｋｇの発熱量の１３０ｋｇの液化ガス、および、７５ｋｇの無機廃棄物から成っていた。

エアロゾルの分離後に得られた液体生成物は、融点により、個々の画分の表現の分析に付された。±５％の精度を有する方法ＳＯＰ２０／０１は、１００℃までは、体積の２％を再蒸溜し、２００℃までは、体積の１５％を再蒸溜し、２５０℃までは、体積の４１％を再蒸溜し、３００℃までは、体積の８１％を再蒸溜したことを測定した。残りの体積である１９％は、蒸溜残りであった。

〔実施例２〕
本発明による方法の第２の一例的実施例では、実施例１で述べた装置で、１４２６ｋｇの使用済みタイヤを処理した。つぶれていないタイヤを、充填部屋を通して反応器へ徐々に充填し、主に鋼線から成る、無機部分を、この原料の装置出口を通して抽出した。反応に入るとすぐに、気体の不活性媒体の温度は６２０℃に達し、出力では２２０℃であり、一方、減圧は０．０２５ＭＰａであった。

ここでの反応空間における気体の不活性媒体の流速は０．０１５ｍ／ｓであり、温度勾配は１３６Ｋ／ｍに達した。この特定の実施例では、気体の不活性媒体は、体積量で、６４％の窒素、１３．５％の二酸化炭素および０．１％の一酸化炭素を含有し、残りは、過熱水蒸気を形成した。消費された気体の不活性媒体の量は、処理される廃棄物について０．７ｍ^３／ｋｇであり、また、処理される廃棄物に対し、７５秒間運転した。

処理されたタイヤの総量から、３４．３ＭＪ／ｋｇの発熱量を有する６２６リットルの液体燃料と、１７０ｋｇの液化ガス、１７３ｋｇの鉄、および、１３７ｋｇの灰が得られた。

エアロゾルの分離後に得られた液体生成物は、融点により、個々の画分の表現の分析に付された。±５％の精度を有する方法ＳＯＰ２０／０１は、１００℃までは、体積の１２％を再蒸溜し、２００℃までは、体積の３５％を再蒸溜し、２５０℃までは、体積の７５％を再蒸溜し、３００℃までは、体積の９３％を再蒸溜したことを測定した。残りの体積である７％は、蒸溜残りであった。

〔産業上の利用可能性〕
本発明による液体および気体の燃料の連続的製造方法は、効果的な廃棄物処理や、生成物に対するその少なくとも部分的な評価に広く用いられることができ、熱機械の運転や熱生産に適している。

Claims (6)

1. 廃棄物、特に、工業、農業および自治体の廃棄物やその混合物を含めて、廃棄物における有機物質の部分からの液体および気体の燃料の連続的製造方法であって、これらの廃棄物を熱分解して、リサイクルまたは任意の埋め立てが意図された、燃料という使用できる低分子の炭化水素、および、他の残りの無機または他の部分にすることに特徴があり、有機物質の内容物で処理された廃棄物、特に、紙、プラスチック、つぶれていない使用済みタイヤを含むゴム、木材要素、おがくず、食べ残し、および油脂、およびそれらの包装物が、空気の入らない密閉された反応空間で、加熱された気体の不活性媒体によって熱分解し、帯電の影響によって、有機物質、特に重合体物質の分解に起因して、それから分解した低分子物質が、炭化水素の形で、完全に、搬送ガスとしての気体の不活性媒体との混合物においてエアロゾルに変化し、得られたエアロゾルはその後さらに、それの冷却、沈殿、および、それに含まれる液体および気体の低分子炭化水素との相互分離に付され、すると、有機物質の部分の全ての分解の後で、密閉された反応空間から、全ての残りの無機部分または処理された廃棄物の他の部分が徐々に除去されることを特徴とする方法。
2. 密閉された反応空間を通っての気体の不活性媒体の流れと、その次の、分配された低分子物質と共に起こる消失とは、この反応空間からの出口で圧力の減少によって有効に行われ、ここで、反応空間の出口に向かって温度勾配が減少するように制御することによって、発生する低分子炭化水素の化学組成の、より狭い分布曲線が提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 反応空間の出口での圧力を、０．０１ないし０．０３ＭＰａの陰圧の数値にまで減少させることによって、０．００１ないし０．０２ｍ／ｓの範囲の、反応空間での気体の不活性媒体の最適な流速と、１００ないし３５０Ｋ／ｍの温度勾配とが達成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 気体の不活性媒体は、体積量で、５０ないし８５％の窒素、１３ないし２５％の二酸化炭素および１ないし５％の一酸化炭素を含有し、そのとき、残りが過熱水蒸気によって生成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 消費される気体の不活性媒体の量は、処理される廃棄物について０．２ないし３ｍ^３／ｋｇの量で変動し、気体の不活性媒体は、処理される廃棄物に対して、１０ないし８０秒の期間、作用することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 有機物質を含有する廃棄物は５つの連続的な技術的段階で熱分解し、第１段階では、３００ないし９００℃の入力温度での反応に対する気体の不活性媒体が生成され、これは、第２段階では、反応空間を、廃棄物が処理される処理方向に逆らって流れ、すると、第３段階では、得られたエアロゾルは、２０℃より低い温度に冷却され、そこから、第４段階では、低分子炭化水素の液体の部分が、気体の部分から分離され、気体の部分はその後、気体の不活性媒体とともに第５段階へ進行し、ここで、その気体の部分は、−４０℃より低い温度に冷却され、または好ましくは、０．５ないし４ＭＰａの圧力での圧縮によって液化されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。