JP2022521270A - 都市固形廃棄物の高度な熱化学変換処理のための方法及び反応器 - Google Patents

Abstract

分別済みの又は未分別の都市固形廃棄物（「ＭＳＷ」）を高度に熱化学変換処理するための単一キャニスタ又は複数の個別のキャニスタ部分と、適切な温度と圧力との組合せで廃棄物を処理するために特別に設計されたオートクレーブと、から構成された反応器システムが開示される。キャニスタ部分には、圧縮されたベール状のＭＳＷを、又は、選択されたルーズなＭＳＷを、独立的にかつ個別的に充填することができる。分別済みの又は未分別のＭＳＷを処理するための方法であって、廃棄物原料を保持するキャニスタと、適切な温度と圧力との組合せで廃棄物を処理するように特別に設計されたオートクレーブと、を使用することにより実行し得る方法も、また、開示される。反応器システムは、典型的にはおよそ３００ＢＴＵ／ｆｔ３～７００ＢＴＵ／ｆｔ３という増強されたＢＴＵ値を有する合成ガスを、生成することができる。残留した固形廃棄物材料は、一般に、元々のＭＳＷの容積の約５％に相当する。その後、この材料は、金属に関して分別することができ、残りは、組成に応じて、埋立地又は他のリサイクルプロセスへと移送される。【選択図】図３Ｂ

Description

関連出願
本出願は、２０１９年２月２０日付けで出願された先出願をなす米国仮出願第６２／８０７，７９８号明細書の優先権を主張するものであり、この仮出願は、すべての目的のためにその全体が参照により援用される。

本開示は、分別済みの及び未分別の都市固形廃棄物（以下、「ＭＳＷ」と称す）を処理して、典型的には電気又は熱の形態でエネルギを生成するプロセス及び設備に関する。システムプロセスは、最大量のエネルギを保持することを可能とし、また、ＭＳＷから炭化水素が放出されることを可能とし、さらに、ＢＴＵ値が増大した合成ガスを製造することを可能とする。本開示は、製造される合成ガスのＢＴＵ値すなわち品質を向上させるとともに廃棄物の総容積を大幅に低減させる、プロセス、方法、及び設備、を提供する。廃棄物は、元々の体積の最大９５％を低減することができ、同時に、温室効果ガス排出量の最大９５％を低減することができる。

本開示は、ＭＳＷの熱分解に関して最適化されたとりわけＭＳＷからなる円筒形ベールの熱分解に関して最適化された反応器に関し、また、ＭＳＷをエネルギへと熱化学変換するためのプロセスに関する。

ＭＳＷをエネルギへと変換するには、熱分解、熱劣化、ガス化、プラズマアークから、液化まで、多数の方法が存在する。これらの方法は、いずれも、ＭＳＷを還元し、ガス及び／又は潜熱を発生させてエネルギを生成する。

熱分解は、未分別のＭＳＷを処理し、熱を生成することができ、その熱を用いてボイラを稼働させ、さらには、タービンを駆動して、電気を生成することができる。

ガス化は、ガス化ユニット内へと供給する前に、ＭＳＷの分別、サイジング（通常、粉砕）、乾燥、及び、生のＭＳＷをペレットへと改質すること、を含む。

熱分解では、不適切な材料を除去するための分別を行い、その後、酸素のない状態で加熱を行って、ＭＳＷを、液体炭化水素と合成ガスとに分解する。

残念なことに、埋立が、現時点で、廃棄物を処分するための最も一般的な方法である。この方法は、廃棄物を適切な場所へと単に輸送して投棄し、蓋をするだけであり、ほとんど資本投資を伴わない。加えて、都市固形廃棄物は、現在のところ、無数の埋立地から温室効果ガスであるメタンを発生させる最大の単一生産源の１つである。このガスは、廃棄物の分解によって発生し、大気中へと継続的に浸透していく。

明らかなように、大量のＭＳＷをグリーンエネルギ源へと変換しつつ、ＭＳＷの容積も低減させ得るプロセス、及び、そのプロセスを実行するための設備、が要望されている。

本開示は、分別済みの又は未分別のＭＳＷを処理するための方法であって、廃棄物原料を保持するキャニスタと、適切な温度と圧力との組合せで廃棄物を処理するように特別に設計されたオートクレーブと、を使用することにより実行し得る方法に関する。最終的な固形物は、炭素灰と、金属や乾式壁等の不燃物と、典型的には３００ＢＴＵ／ｆｔ^３～７００ＢＴＵ／ｆｔ^３へとＢＴＵ値が増大した合成ガスと、の混合物である。残留した固形材料は、一般に、元々のＭＳＷの容積の約５％に相当する。その後、この材料は、金属に関して分別することができ、残りは、組成に応じて、埋立地又は他のリサイクルプロセスへと移送される。

加えて、プロセスによって生成された熱は、有用な用途のために回収することができる。発生した熱は、例えば高温オイルシステムへと、転送することができる。高温オイルシステムは、２つの熱交換器を介してオイルを循環させることができる、すなわち、１つは、熱を吸収する熱処理チャンバに位置し、第２の熱交換器は、有機ランキンサイクル、蒸気発生器、水蒸発器、又は、熱エネルギを回収し得る他の加熱システム、とし得るとともに、発電タービンを駆動するための水蒸気を生成するために使用することができる。

また、本開示は、廃棄物材料の熱分解のためのキャニスタ又は反応器であって、複数のキャニスタ部分と、複数のキャニスタ部分のそれぞれの底部のところのフロア構造と、複数のキャニスタ部分のうちのいずれか２つの間に配置されたコネクタ部材と、複数のキャニスタ部分のうちの最下段のキャニスタ部分のフロア構造内に配置された、加熱空気導入用の加熱空気開口と、から構成される。本開示におけるいくつかの実施形態では、反応器は、本明細書でさらに説明するような積層型キャニスタに代えて、単一のキャニスタから構成することができる。

より具体的には、固形廃棄物原料をエネルギへと熱的に変換するための本開示による方法は、固形廃棄物原料を準備することと、少なくとも１つの保持キャニスタを準備することと、下部ガス点火チャンバを有するとともに、上昇気流と下降気流との両方の条件で動作するように構成された密閉可能な反応器を準備することと、固形廃棄物原料を保持キャニスタの内部に配置することと、少なくとも１つの保持キャニスタを密閉可能な反応器の内部に配置することと、密閉可能な反応器を密閉することと、反応器を空気によってパージ（除去）することと、オイル／ガスバーナーを使用することにより、熱分解プロセスを開始させることと、キャニスタ部分が、５００℃～１０００℃の範囲の所望第１温度へと到達するまで、バーナーからの加熱空気を、付設配管を介して反応器の下部から最下段キャニスタ部分へと、供給することと、固形廃棄物原料の温度及び反応器内の圧力を、それぞれ、４００℃～１０００℃という所望第２温度範囲及び４ｐｓｉ～１５０ｐｓｉという第２圧力レベルへと、上昇させることと、圧縮空気の注入を調整することにより、反応器の圧力を、２０ｐｓｉ～１００ｐｓｉという所望第３圧力レベルへと、調整することと、噴霧水ノズルを通して水を注入することにより、水性ガスシフト反応を引き起こすことと、温度が、１００℃～１０００℃という所望第４温度範囲へと到達するまで、固形廃棄物原料の熱変換を継続することと、保持キャニスタ内へと水を注入することにより、水を蒸発させて水蒸気とし、固形廃棄物原料上へと流すことと、固形廃棄物原料の熱変換を急冷させるのに充分な量の水を、より大きなサイズのノズルを通して反応器内へと注入することと、プロセスガスを回収することと、を含む。

本開示は、また、廃棄物材料と、ヒータからの加熱空気を受領するように構成された中央開口を有した複数のキャニスタ部分であるとともに廃棄物材料を保持するための複数のキャニスタ部分のうちの、少なくとも１つと、加熱空気と廃棄物材料との間に配置されたカーボンピローと、を提供することにより、廃棄物材料を熱分解するためのプロセスに関する。その場合、複数のキャニスタ部分を、密閉可能な反応器内に配置し、加熱空気を、中央開口を通して導入し、これにより、廃棄物材料の熱分解を開始させ、反応器内の反応条件を維持することにより、廃棄物材料を熱分解し、その後、熱分解の完了時には、廃棄物材料を水によって急冷し、廃棄物材料の熱分解により、合成ガスを生成する。

本発明のさらなる理解を提供するために含まれているとともに本明細書に組み込まれていて本明細書の一部を構成している添付図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであって、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するように機能する。

図１は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分を示す平面図である。 図１は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分を示す平面図である。 図１は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分を示す平面図である。 図１は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分を示す平面図である。 図１は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分を示す平面図である。 図２は、本開示の一実施形態によるオートクレーブ及びガスハンドリングデバイスを示す全体的な概略図である。 図３は、本開示の一実施形態によるオートクレーブ及びキャニスタを示す平面図である。 図３は、本開示の一実施形態によるオートクレーブ及びキャニスタを示す平面図である。 図４は、本開示の一実施形態によるキャニスタ部分の細部を示す平面図である。

本開示の方法におけるいくつかの実施形態によれば、分別済みの又は未分別のＭＳＷに関するバッチ処理は、廃棄物原料を保持するためのキャニスタ（容器）と、所望の温度及び圧力で廃棄物を処理するための特別に設計されたオートクレーブと、を使用して実行される。キャニスタは、また、プロセスからの熱の大部分を運ぶための断熱材としても機能する。ＢＴＵ値が増大した合成ガスを、本開示の方法によって製造することができる。最終的な固形物は、炭素灰と不燃性材料（金属、乾式壁、等）との混合物である。この固形物は、元々の体積の約５％に相当する。その後、この固形材料から、金属などの任意のリサイクル可能な成分を分別することができ、残部は、埋立地へと移送される。

本開示のシステムでは、ＭＳＷは、ルーズ又はベールのいずれかの形態で受領することができる。いずれの場合も、材料は、円筒形のキャニスタの内部に配置されてもよく、その後、そのキャニスタはオートクレーブの内部に配置され、熱処理される。本開示のシステムにおける１つの特徴点は、ベール化されたＭＳＷを処理する場合に、キャニスタ部分内へと配置する前にベールを開く必要がないことである、つまり、ベール機械から受領したままの圧縮ベールの全体を、キャニスタ部分内へと配置し得ることである。図４に示すように、キャニスタ４００は、１回のオートクレーブの運転で処理されるＭＳＷの量を増大させるよう、互いに上下に積み重ねられ得る１つ又は２つ又は３つの部分から構成することができる。部分どうしは、１つ又は複数の連結リング４２０によって、互いに取り付けることができる。いくつかの場合では、キャニスタは、単一のユニタリキャニスタ４７０とすることができ、これは、積み重ねられたキャニスタと比較して、より小さなサイズ、又はより大きなサイズ、又は同じサイズ、とすることができる。キャニスタの各部分は、ＭＳＷのベール又はルーズのいずれかを、あるいは場合によってはその２つの混合物を、積載することができ、オートクレーブ内へと持ち上げて、所定位置に配置することができる。キャニスタ部分は、オートクレーブ内で、互いに上下に積み重ねることができる。

ベール機械につながる様々な廃棄物供給ストリームは、食品廃棄物、芝生及び庭の廃棄物、プラスチック、ゴム、液体オイル、グリース、潤滑油、あるいは、他の炭化水素含有液体又はゲルを含めた、様々な可能性のある分離されたリサイクル成分又は廃棄物成分を含むことができる。

いくつかの実例では、より大きなサイズの金属片を、ベール化される材料内へと導入することができる。金属片を追加する１つの理由は、ベールの内部のうちの、材料が容易に熱分解しないデッドゾーンを最小化することである。この現象は、本開示のプロセスでは不規則的に見られる。分解が起こらない理由に関する正確なメカニズムは完全には解明されていないけれども、空隙スペースを導入することで分解プロセスの効率を向上させることができ、デッドゾーンを減少させることができるものと、現時点では理解されている。金属片の追加は、空隙スペースを増大させ得るとともに、高温スポットも提供するものであって、より稠密に充填された廃棄物材料内へと、熱エネルギをより多く伝導させることができる。

ＥＰＡ（米国）は、ＭＳＷを、「製品パッケージ、庭木の剪定枝、家具、衣類、ボトル及び缶、食品、新聞紙、家電製品、電子機器、並びに電池、などの日用品」を含有するものとして広く定義している。ＭＳＷの典型的な発生源には、住宅サイト、商業サイト、及び施設サイトが含まれる。ＥＰＡの定義では、産業廃棄物、有害廃棄物、及び建設解体廃棄物が除外されているけれども、本開示では、それらの廃棄物を、ＭＳＷの定義に含めることができる。特定クラスのＭＳＷを取り扱う際には、その廃棄物に起因する望ましくない副作用及び汚染を回避するために、取り扱い上の安全策が実装されるべきである。

キャニスタ部分は、各部分の上部に位置した連結リングによって分離することができる。上段部分は、上段部分が下段部分内に位置したＭＳＷをさらに圧縮しないよう、連結リング１７０によって支持することができる。ピン１４０は、連結リング１７０の穴を通過して、上段キャニスタ部分の対応する穴内へと進入する。オートクレーブ内では、第１部分すなわち最下段部分は、ガスヒータチャンバの直上に位置することとなる。図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに示すように、３つのキャニスタ部分を、互いに上下に積み重ねて、大きなユニット１０を形成することができる。本教示のシステムにおけるいくつかの実施形態では、熱分解プロセスをより容易に開始して維持し得るよう、ガスヒータチャンバの頂部に、固体金属製のプレート又はリング４５０を設けることができる。プレートは、ガスヒータ領域の適切な通気を可能とするよう、その中央に適切なサイズの穴を有するべきである。キャニスタ部分は、その端部部分に格子４１０又はワイヤメッシュ４３０からなるアセンブリを有することができる。格子の特性は、キャニスタ部分に含有されたＭＳＷの特性に依存して、変更することができる。この構成は、図１及び図４において、より詳細に図示されている。

オートクレーブの底部に位置した加熱空気チャンバには、その条件下で耐えるための適切な金属から構成され得る例えばステンレス鋼から構成され得る円錐形状の熱偏向器を設けることができる。熱偏向器１６０は、図１Ｃ及び図１Ｆに示すように、溝付きの円錐形状とすることができる。最下段のキャニスタ部分は、キャニスタの底部から熱偏向器の頂部までの間に充分なスペースを提供するために、熱偏向器の最高位部分よりも上方に配置されるべきであり、これにより、熱変換プロセスは、充分な加熱流及び空気流を生成し、これにより、キャニスタ内に存在するＭＳＷ内に加熱層を生成することが可能とされる。

図４に示すように、多段キャニスタの下段には、加熱空気が内部を通して導入されるための中央開口を有しつつも実質的に閉塞された底部４５０を設けることができる。本教示におけるいくつかの実施形態では、下段キャニスタの底部には、空気の流れを可能とするよう、格子付きの又は穴開きのフロア４１０、４３０を設けることができる。加えて、下段キャニスタは、中央開口の周縁から上向きに突出した円錐形構造体１６０を有することができる。カーボンピローを、円錐形構造体の周囲に配置することができ、これにより、初期的な熱分解プロセスを増強することができる。

カーボンピローは、主に木炭から構成することができる。カーボンピロー（図示せず）は、円錐形構造体１６０の周囲及び上方に、並びに、格子状フロア構造４３０の上方に、配置することができる。カーボンピローは、熱分解プロセスの初期的起動操作時に、加熱空気が固形廃棄物材料に対して直接的に影響を与えないように充分な厚さとすることができる。例示の目的で、いくつかの実例では、カーボンピローは、１０インチ（２５４ｍｍ）以上の深さとすることができる。固形廃棄物材料は、本開示の熱分解プロセスの際に熱的に合成ガスへと変換され、加熱空気と直接的に接触することがない。

多段プロセスキャニスタ反応器の上段は、穴開きの又は格子状の、フロア又は底部構造（図１の１１０、１３０、及び１５０を参照されたい）を有することができ、フロア又は底部構造は、圧縮されたＭＳＷからなるベールを、又は熱処理のために内部に堆積された他の材料からなるベールを、フロアが支持し得るように構成されるべきである。底部構造は、キャニスタを横断する補強バー又は補強支持体を含むことができる。加えて、底部構造は、熱分解プロセスが停止した後に残留する非処理材料を支持し得るべきであるとともに、それらがキャニスタ反応器の下段キャニスタ部分内へと落下することを防止し得るべきである。

キャニスタ部分には、キャニスタ内の熱反応を制御するために、適切な位置に通気口１２０を設けることができる。これらの通気口は、いくつかの実例では、充填済みキャニスタをオートクレーブ内へと挿入する前に、所望の開度に設定することができる。キャニスタのいくつかの実施形態では、頂部１００及び通気口１２０の両方が、互いに独立して熱分解プロセス時に存在することができる。

円筒形キャニスタ部分は、図５に示すように、圧縮されたＭＳＷからなる標準サイズのベールを収容するようなサイズとされている。これらのベールは、典型的には、１０００ポンド～２６００ポンド（４５３ｋｇ～１１８０ｋｇ）の重量である。ベールは、様々な寸法で製造することができる。典型的には、ベールの高さは、３フィート～５フィート（０．９１ｍ～１．５２ｍ）であるが、１２フィート（３．６６ｍ）の高さとすることもでき、ベールの直径は、およそ４フィート～５フィート（およそ１．２２ｍ～１．５２ｍ）である。本開示のシステムは、ベール化されたＭＳＷの特定のサイズ又は寸法に限定されるものではなく、利用可能なベールのサイズに適応するために、サイズを大きくしたり小さくしたりすることができる。変換効率又はガスの増大したＢＴＵ値などの特定の特性は、ベールのサイズによって影響を受け得る。

本教示におけるいくつかの実施形態では、ＭＳＷは、廃棄物を分別することなくベール化することができ、他の実施形態では、廃棄物は、そのＢＴＵ含有量に基づいて分別することができる。よって、タイヤなどの、高密度ＢＴＵ廃棄物材料、プラスチック、及びゴム含有物品を、新聞紙、食品、又は庭の廃棄物などの低密度ＢＴＵ廃棄物材料から分離することができる。分離された物品は、別個のベールへと圧縮することができる、もしくは、いくつかの実施形態では、分離された物品どうしを再混合することにより、各ベール内に平均ベースラインＢＴＵ含有量を有したＭＳＷ混合物を得ることができる。

様々な廃棄物材料がベールに対して追加される際には、液体廃棄物材料を、また、追加することもできる。使用済みモータオイル又は潤滑油などの液体廃棄物は、ベール化された材料のＢＴＵ含有量を増大させることができる。

本開示のシステムにおける各キャニスタ部分を別々に装填する能力は、１つ又は複数のキャニスタがルーズなＭＳＷを装填しつつ、他のキャニスタがベール状ＭＳＷを装填し得ることを、可能とする。この融通性は、ベール化を必要とすることなく、大きな物品を処理することを可能とする。上述したように、キャニスタ部分の底部開口のところのグリッド又は格子のサイズは、バルク又は大きな物品の場合にはかなり大きなものとすることができ、ＭＳＷのベールの場合には実質的に小さなものとすることができる。

本教示における一実施形態の概要を、図２に提示しており、左側には、ＭＳＷを充填したキャニスタ１０を含有したオートクレーブ２１０が配置されている。ＭＳＷの熱変換のための空気２００が、オートクレーブに対して添加され、その結果としてＢＴＵが増強された合成ガス２２０が、生成される。その後、この合成ガスを、燃焼を維持するために必要に応じて、ディーゼルや天然ガスや又はプロパンなどの二次燃料２４０と、空気２３０と、に対して混合し、バーナーアセンブリ２５０で燃焼させることにより、加熱されたガスを生成することができる。その後、加熱されたガスを、熱交換器２６０を介して送出し、そのエネルギを、有機ランキンサイクル（「ＯＲＣ」）又は水蒸気ボイラに対して伝達し、電気を生成することができる。その後、加熱されたガスは、空気清浄アセンブリを通過させた後に、環境に対して放出することができる。

円筒形キャニスタのすべての構成要素は、環境の構造的要件に応じて、ステンレス鋼又は低炭素鋼から組み立てることができる。キャニスタ部分どうしの間の格子は、例えば低炭素鋼から構成することができ、他方、部分どうしを区画するあらゆるワイヤメッシュは、あるいは格子上に位置するあらゆるワイヤメッシュは、ステンレス鋼から構成することができる。

熱変換プロセス時の温度及び圧力は、オートクレーブ全体にわたって配置された熱センサ及び圧力センサによって、監視することができる。センサは、頂部ドーム、上段のキャニスタ部分、中段のキャニスタ部分、下段のキャニスタ部分、内側シールド、及び、オートクレーブへと導出入される様々なプロセスライン、のところに配置することができる。センサは、熱変換プロセス時の反応器の状態を測定することを可能とするよう、オートクレーブの壁を通して公知の方法を使用して設置することができる。

本開示によるオートクレーブは、上昇気流及び下降気流の両方の条件で動作するための手段を含むことができる。それらの手段は、オートクレーブの少なくとも頂部及び底部に配置された、圧縮空気又は他の適切な流体媒体のための、ポート又は導入口／導出口を含む。

本開示のオートクレーブ又はＭＳＷ処理装置における１つの可能な実施形態は、図３にさらに示されている。図３Ａ及び図３Ｂに見られるように、オートクレーブは、少なくとも１つの圧縮空気導入口２００、３５２と、少なくとも１つの噴霧水導入口３４２と、急冷水３４４と、少なくとも１つの逆流制御導出口３５４と、加熱空気３６０のための少なくとも１つの導入口と、生成された合成ガス２２０、３６０のための少なくとも１つの導出口と、を使用した熱変換サイクルの際に、様々な入力部及び出力部３４２、３４４、３５２、３５４を提供する。図３Ｂでは、熱シールド３４６が、少なくともポスト３４０によってオートクレーブに対して取り付けられ、セラミックコーティング３４８を、オートクレーブの内面上に位置させることができ、熱反射板３５０は、キャニスタの下方に位置している。本教示におけるいくつかの実施形態では、様々な構成要素のための導入口及び導出口を、共有することができる、つまり、特定の開口を通して移動する成分を、プロセスの段階に依存して変更することができる。

反応器の例示された実施形態に関する追加的な特徴点は、米国特許第８，７１３，５８２（Ｂ１）号明細書に記載された反応器からの変更点を含む。それらの変更点は、より小さな熱シールドがオートクレーブの内部のキャニスタを囲むことにより、上段及び下段のキャニスタ部分の少なくとも一部が、熱シールドよりも外側に位置するようになったこと、並びに、噴霧水導入口が設けられていること、を含むが、これらに限定されるものではない。

本開示のプロセスにおける１つの実施形態は、点火ガスとＭＳＷとの間に層を提供するよう、最下段のキャニスタ部分の底部内に、カーボンピローを配置することを含む。炭素は、加熱空気によって点火することができ、これにより、熱層へと変化することができる。本プロセスにおけるいくつかの実施形態では、ＭＳＷは、ヒータからの加熱空気に対して直接的に接触するのではなく、カーボンピローが点火されることで、ＭＳＷの熱変換が開始される。下降気流サイクルでは、熱層は、なおもＭＳＷを通して上向きに通過することとなり、他方、プロセスガスは、カーボン層を下向きに通過することとなる。ガスがカーボン層を通過する際には、存在するすべての芳香族環状炭化水素環式化合物が分解され得ることは、理解されよう。

その後、未分別のＭＳＷは、キャニスタ内へと搬入されてもよく、そのキャニスタは、オートクレーブ内に配置される。廃棄物は、キャニスタ内へと緩く配置することができる、あるいは、圧縮されたベールが、キャニスタ内に配置されてもよい。好ましくは、ベールは、円筒形とされ、本教示のキャニスタ内に収容されるサイズとされる。ベールは、１００ｐｓｉ～１０００ｐｓｉで圧縮することができる。

本開示による変換プロセスは、圧力下の低酸素雰囲気中での、上昇気流ガス化と下降気流ガス化との組合せである。このプロセスは、逆流バルブを開放し次いで点火ガスバルブ及び空気導入口バルブを開放することを含む起動サイクルで始まる。このプロセスは、逆流ライン上に真空／負圧をもたらすベンチュリ効果を生成する。

天然ガス、プロパン、又はディーゼル、のうちの１つ又は複数を供給し得るバーナーは、カーボンピローの熱変換を開始するための熱エネルギを提供する。バーナーは、プロセスライン上に配置され、カーボンピローに点火するよう、オートクレーブの底部内へと移動する加熱空気を生成する。その後、ガス／ディーゼルバーナーは、逆流ライン上における温度センサが所望の温度へと典型的には２５０℃～１０００℃へと到達するまで、動作する。いくつかの場合には、バーナーは、５分間～１０分間にわたって動作し、他の場合には、このプロセスは、最大で２５分間にわたって継続することもあり、これは、原料の変動に依存しているように思われる。このプロセスは、二酸化炭素が豊富な雰囲気を生成し、逆ブードワ反応に必要な成分を提供する。

点火プロセスが完了した時には、ベンチュリと、バーナーに対して供給する燃料バルブとが閉塞され、他方、バーナーファンは、動作したままである。典型的には、バーナーファンは、およそ５分間～１０分間にわたって動作する、あるいは逆流の温度が２５０℃～３００℃に到達するまで動作する。

バーナーがオフにされ、バーナーバルブと、ベンチュリと、逆流バルブと、のすべてが閉塞された時に、起動サイクルが完了する。

プロセスの次のステップは、プロセスバルブがおよそ５％～２０％の開度で開放されることで始まる上昇気流プロセスであり、メイン圧縮空気バルブも、また、およそ２％～２０％の開度で開放される。上昇気流プロセスは、およそ４バール～６バール（６０ｐｓｉ～１００ｐｓｉ）の圧力と、オートクレーブから導出されるプロセスライン上に配置されたプロセス熱電対上で測定された際の、およそ１００℃～１０００℃の温度と、の双方で構築され始める。

煙道ガス導出口熱電対での温度をおよそ５００℃～１０００℃の間に制御するよう、プロセス時に、オートクレーブ内へと、噴霧水を注入することができる。水は、また、生成される合成ガスのＢＴＵ値を増大させる水性ガスシフト反応を開始するものとしても、理解される。水は、オートクレーブの上部から注入することができ、またサイドポートからも注入することができ、オートクレーブの底部での熱変換を抑制することができる。

上昇気流ステップは、オートクレーブから導出されるプロセスライン上に配置されたプロセスライン熱電対で測定される１００℃～７００℃の温度を維持し続ける。

その後、プロセスは、下降気流へと変換され、ＭＳＷ内のすべての材料を、単なるガスへと熱分解することを完了する。好ましくは、ＭＳＷ材料は、主にＣ１～Ｃ４のガスを生成する。下降気流動作は、オフガスを、ガス中に存在する芳香族炭化水素環などのすべての大きな分子を分解し得る熱層内を通して強制的に通過させるという、追加的な利点を提供する。

本開示のプロセスは、所望の終点に到達するまで継続することができる。所望の終点は、ｉ）ＭＳＷ原料が、灰、ブラックカーボン、チャー、又は木炭、へと変換された時点、あるいは、ｉｉ）ＭＳＷ原料の質量が、元々のＭＳＷ原料の質量と比較して約１０％以下に等しいレベルにまで低減された時点、であってもよいが、これらに限定されるものではない。その後、ＭＳＷ原料を、水蒸気によって急冷することができる。ＭＳＷ原料からの残りの熱は、水蒸気を過熱して炭化水素を追い出し、水素を生成する。冷却後には、保持キャニスタを反応器から取り出し、残留している灰、鉱物、ガラス、石膏、炭素、及び不燃物を、保持キャニスタから取り出すことができる。

急冷サイクル時には、水は、オートクレーブの頂部上の大きめのスプレーノズルから、内側シールドを介して、あるいは場合によってはシールドの外部で、計量される。反応器内に存在する比較的高温によって、水は、蒸発して水蒸気となり、これにより、水素の追加的な供給源を提供する。この水素により、生成される合成ガスのＢＴＵ値が増大する。開示されたプロセスの急冷部時には、典型的には、急冷のために利用される水の量は、元々のＭＳＷ原料２トンあたりにつき、５ガロン～５０ガロン（１８．９リットル～１８９リットル）の範囲内である。

その後、ＭＳＷの熱変換から生成された合成ガスは、オートクレーブ２１０の外部に位置した別個の燃焼チャンバ２５０へと配管を介して送出される。合成ガスは、空気と混合して燃焼され、より多くの熱エネルギを生成する。燃焼チャンバには、天然ガス、プロパン、及び／又はディーゼル、のうちのいずれか１つを燃料とする連続点灯式パイロットバーナーを設けることができる。第２バーナー２４０は、燃焼チャンバに継続して熱を発生させるために、パイロットとして、またバックアップヒータとしても、機能する。この合成ガス燃焼システムにおける１つの可能な実施形態が、図２に示されている。

合成ガスの燃焼からの熱は、熱交換器２６０を介して、合成油又は水などの適切な流体媒体２７０、２８０に対して伝達される。その後、流体媒体は、ＯＲＣエンジンなどの熱機関（図示せず）を通して循環させることができ、これにより、電気を生成することができる。

最終的な排出物は、新鮮な空気と混合することができ、任意選択的に湿式スクラバー２６２を通過させて温度を下げることができ、その後、新鮮な空気の吸気口２６８を有したブロワー２６６によってさらに冷却することができ、ブルースカイフィルタリングシステムなどの空気フィルタリングシステム２７２を通過させることができ、その後、ＨＥＰＡフィルタ２９０を通過させることができる。

本開示のプロセスは、ＭＳＷの温室効果ガスフットプリントの９５％を低減することができる。

ＭＳＷ原料を元々の体積の５％未満へと変換するための本開示のプロセスは、可逆的なプロセスフローを有することができ、上向き及び下向きの両方にガスが流れることを可能とする。言い換えれば、ＭＳＷ原料の熱変換は、下降気流方向及び上昇気流方向の両方で行うことができる。

廃棄物材料の熱分解のための反応器も、また、本開示によって教示される。反応器は、複数のキャニスタ部分と、複数のキャニスタ部分のそれぞれの底部に位置したフロア構造と、任意の２つのキャニスタ部分どうしの間に配置されたコネクタ部材と、複数のキャニスタ部分のうちの最下段に位置したキャニスタ部分のフロア構造に配置された加熱空気導入用の加熱空気開口と、を含むことができる。

本発明の反応器は、複数のキャニスタ部分を保持するのに適したオートクレーブ内に配置することができる。大部分の実例では、１回の熱分解の実行に際してオートクレーブ内には最大で３つのキャニスタ部分が存在するけれども、オートクレーブ及びキャニスタ部分のサイズは、存在するキャニスタ部分の数に明らかに影響する。

最下段のキャニスタ部分は、加熱空気開口の上方において中央に配置された円錐形構造体を含むことができ、この円錐形構造体の周囲には、加熱空気が廃棄物材料に対して直接的に接触することを防止するように構成されたカーボンピローが配置されている。上述したように、カーボンピローは、本開示のシステムにおけるいくつかの実施形態では、１０インチ（２５４ｍｍ）以上の厚さとすることができる。カーボンピローの１つの目的は、圧縮された又はルーズとされたＭＳＷ上へと加熱空気が直接的に衝撃することを防止することである。

いくつかの実施形態では、反応器は、空気の流れを可能とするようにかつ廃棄物材料の支持を可能とするように構成された格子状構造部材を含むフロア構造を有することができる。特に関心があるのは、上段キャニスタ部分からの部分的に熱分解された材料が、下段キャニスタ部分内の廃棄物材料内へとそしてそのような廃棄物材料上へと落下することを、防止することである。

複数のキャニスタ部分のうちの最下段のキャニスタ部分については、フロア構造は、中央加熱空気開口を有した固体プレートとすることができ、いくつかの場合では、格子状構造部材を、固体プレート上にかつその中央加熱空気開口上に、配置することができる。

上述したように、熱分解プロセスを制御するよう、本開示の反応器内へと追加的な空気及び水を導入するための構成を設けることができ、よって、キャニスタ部分の少なくとも１つは、プロセスガスを通気するための開口、あるいは、追加的な反応成分を導入するための開口、を含むことができる。

廃棄物材料を熱分解するための本開示のプロセスは、まず、廃棄物材料と、ヒータからの加熱空気を受領するように構成された中央開口を有した複数のキャニスタ部分であるとともに廃棄物材料を保持するための複数のキャニスタ部分のうちの、少なくとも１つ、ヒータからの加熱空気を受領するように構成された中央開口を有し、さらに上述したカーボンピローを有している、複数のキャニスタ部分と、を準備することを含む。いくつかの実例では、積層された複数のキャニスタ部分に代えて、単一のキャニスタ部分を利用することができる。次なるステップは、複数のキャニスタ部分を密閉可能な反応器内に配置すること、さらに、中央開口を通して加熱空気を導入することにより、廃棄物材料の熱分解を開始することである。熱分解が開始されると、廃棄物材料の熱分解のために、反応器内の反応条件を維持する必要がある。熱分解が完了した時には、廃棄物材料を水によって急冷することができ、廃棄物材料の熱分解によって生成された合成ガスを回収することができる。

熱分解は、４００℃～８５０℃の範囲の温度と、４ｐｓｉ～２００ｐｓｉの範囲の容器圧力と、を有した反応条件で起こる。それらの条件は、加熱空気を消滅させて廃棄物材料の熱変換が開始された後も維持される。

時には、稠密に圧縮されたベールでは、熱分解が制限されるデッドゾーンが存在する。熱分解されない廃棄物の量を低減するのに充分な量で金属片が追加されている場所では、廃棄物材料に対して金属片を追加することにより、デッドゾーンが減少する。

上述したように、廃棄物材料は、廃棄物材料を圧縮状態に維持するために保護材料によって包まれた圧縮廃棄物からなる円筒形ベールとして、提供することができる。他の場合には、廃棄物材料は、ルーズな（固まっていない）廃棄物材料として提供することができる。また、１つのキャニスタ部分に圧縮ベールを配置し、別のキャニスタ部分にルーズな材料を配置することも可能であり、あるいは、１つのキャニスタ部分内に、２つの形態を混在させることさえ可能である。

本開示の方法において使用するのに一般的に適した密閉可能な反応器は、本出願人による先行特許をなす米国特許第８，７１５，５８２（Ｂ２）号明細書に一般的に記載された装置を含むことができ、この先行特許の開示内容は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に援用される。

本明細書において引用したすべての出版物、記事、論文、特許、特許公報、及び他の参考文献は、すべての目的のためにそれらの全体が参照により本明細書に援用される。

上記の説明は、本教示における好ましい実施形態に関するけれども、他の変形及び改変が当業者には明らかであること、また、本教示の精神又は範囲から逸脱することなくそれらを行い得ること、に留意されたい。

本教示における様々な実施形態に関する上記の詳細な説明は、例示及び説明の目的で提供されている。網羅的であることも、開示した厳密な実施形態へと本教示を限定することも、意図していない。多くの改変及び変形が、当業者には明らかであろう。本実施形態は、本教示の原理とそれらの実用的応用を最良に説明するために選択されて説明したものであり、これにより、当業者が、様々な実施形態について、想定される特定の使用に適した様々な改変とともに、本教示を理解することを可能とする。本教示の範囲が以下の特許請求の範囲及びその等価物によって規定されることが、意図されている。

Claims (30)

1. 固形廃棄物の熱分解のためのシステムであって、
   固形廃棄物を保持するように構成された複数の円筒形キャニスタ部分と、
   前記複数の円筒形キャニスタ部分のそれぞれの少なくとも一端部の連結リング構造と、
   前記複数の円筒形キャニスタ部分のうちの１つ又は複数を保持するためのオートクレーブと、
   前記固形廃棄物の前記熱分解時に発生するガスを除去するための、前記オートクレーブからの排気ポートと、を含む、システム。
2. 前記複数の円筒形キャニスタ部分のそれぞれは、一端部に、格子状の又はメッシュ状のフロア構造を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記固形廃棄物は、圧縮された固形廃棄物からなる円筒形のベールであるとともに前記固形廃棄物を圧縮状態に維持するために保護材料によって包まれた円筒形のベールを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記連結リング構造により、下段のキャニスタ部分内の前記固形廃棄物材料を圧縮することなく、前記複数のキャニスタ部分どうしを互いに上下に積み重ねることが可能とされている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数の円筒形キャニスタ部分のうちの少なくとも１つは、両端部に連結リング構造を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記複数の円筒形キャニスタ部分のうちの少なくとも１つは、ルーズな固形廃棄物材料を保持している、請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の円筒形キャニスタ部分は、単一のユニタリキャニスタを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 廃棄物材料の熱分解のための反応器であって、
   複数のキャニスタ部分と、
   前記複数のキャニスタ部分のそれぞれの底部のフロア構造と、
   前記複数のキャニスタ部分のうちのいずれか２つの間に配置されたコネクタ部材と、
   前記複数のキャニスタ部分のうちの最下段のキャニスタ部分の前記フロア構造内に配置された、加熱空気導入用の加熱空気開口と、を含む、反応器。
9. 前記複数のキャニスタ部分を保持するのに適したオートクレーブをさらに含む、請求項８に記載の反応器。
10. 前記加熱空気開口の上方において中央に配置された円錐形構造体と、前記円錐形構造体の周囲に配置されたカーボンピローであるとともに前記加熱空気が前記廃棄物材料に対して直接的に接触することを防止するように構成されたカーボンピローと、をさらに含む、請求項８に記載の反応器。
11. 前記フロア構造は、空気の流れと前記廃棄物材料の支持とを可能とするように構成された格子状構造部材を含む、請求項８に記載の反応器。
12. 前記複数のキャニスタ部分のうちの前記最下段のキャニスタ部分の前記フロア構造は、中央開口を有した固体プレートを含む、請求項８に記載の反応器。
13. 前記固体プレートの上方に、格子状構造部材が配置されている、請求項１２に記載の反応器。
14. 前記複数のキャニスタ部分のうちの少なくとも１つは、プロセスガスの通風のための開口、あるいは、追加的な反応成分の導入のための開口、を含む、請求項８に記載の反応器。
15. 前記オートクレーブは、前記反応器が開放頂部を有することを可能とするのに充分な内部熱シールドを含む、請求項８に記載の反応器。
16. 廃棄物材料の熱分解のためのプロセスであって、
    廃棄物材料を準備することと、
    ヒータからの加熱空気を受領するように構成された中央開口を有した複数のキャニスタ部分であるとともに前記廃棄物材料を保持するための複数のキャニスタ部分のうちの、少なくとも１つを準備することと、
    前記複数のキャニスタ部分を、密閉可能な反応器内に配置することと、
    前記加熱空気と前記廃棄物材料との間に、カーボンピローを設けることと、
    前記中央開口を通して加熱空気を導入することにより、前記廃棄物材料の熱分解を開始させることと、
    前記反応器内の反応条件を維持することにより、前記廃棄物材料を熱分解することと、
    前記熱分解の完了時には、前記廃棄物材料を水によって急冷することと、を含み、
    前記廃棄物材料の前記熱分解により、合成ガスを生成する、プロセス。
17. 前記反応条件を、４００℃～１０００℃の範囲の温度と、４ｐｓｉ～２００ｐｓｉの範囲の容器圧力と、を含むものとする、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記廃棄物材料の熱変換が開始された後には、前記加熱空気を消滅させる、請求項１６に記載のプロセス。
19. 前記廃棄物材料に対して金属片を追加することをさらに含み、
    前記金属片を、熱分解されない廃棄物材料の量を低減させるのに充分な量で追加する、請求項１６に記載のプロセス。
20. 前記廃棄物材料は、圧縮された廃棄物材料からなる円筒形のベールであるとともに前記廃棄物材料を圧縮状態に維持するために保護材料によって包まれた円筒形のベールを含む、請求項１６に記載のプロセス。
21. 前記廃棄物材料を、ルーズな廃棄物材料を含むものとする、請求項１６に記載のプロセス。
22. 固形廃棄物原料をエネルギへと熱的に変換するための方法であって、
    固形廃棄物原料を準備することと、
    少なくとも１つの保持キャニスタを準備することと、
    下部加熱空気チャンバを有するとともに、上昇気流と下降気流との両方の条件で動作するように構成された密閉可能な反応器を準備することと、
    前記固形廃棄物原料を前記保持キャニスタの内部に配置することと、
    少なくとも１つの保持キャニスタを前記密閉可能な反応器の内部に配置することと、
    前記密閉可能な反応器を密閉することと、
    前記反応器を空気によってパージすることと、
    オイル／ガスバーナーを点火することにより、前記熱変換プロセスを開始させることと、
    前記オイル／ガスバーナーからの加熱空気を、アタッチメントを介して前記反応器の前記下部から前記保持キャニスタの下部へと、供給することと、
    前記反応器の逆流ライン上のガス温度が、２５０℃という所望第１温度に到達するまで、前記加熱空気の追加を継続することと、
    前記固形廃棄物原料の温度及び前記反応器内の圧力を、それぞれ、４００℃～１０００℃という所望第２温度範囲及び４ｐｓｉ～１５０ｐｓｉという第２圧力レベルへと、上昇させることと、
    圧縮空気の注入を調整することにより、前記反応器の前記圧力を、２０ｐｓｉ～１００ｐｓｉという所望第３圧力レベルへと、調整することと、
    噴霧水を前記反応器内へと注入することにより、水性ガスシフト反応を開始させることと、
    前記温度が、１００℃～１０００℃という所望第４温度範囲へと到達するまで、前記固形廃棄物原料の前記熱変換を継続することと、
    前記保持キャニスタ内へと水を注入することにより、水を蒸発させて水蒸気とし、前記固形廃棄物原料上へと流すことと、
    前記固形廃棄物原料の前記熱変換を急冷させるのに充分な量の水を、非噴霧ノズルを使用して前記反応器内へと注入することと、
    プロセスガスを回収することと、を含む、方法。
23. 前記パージステップを、上昇気流方向において行う、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１注入ステップを、前記反応器の煙道ガス温度が２００℃超という温度を維持するまで、継続する、請求項２２に記載の方法。
25. 前記圧縮空気を調整し、前記反応器の前記所望第３圧力レベルを、２０ｐｓｉ～１００ｐｓｉの範囲とする、請求項２２に記載の方法。
26. 前記圧縮空気の前記注入を、上昇気流方向又は下降気流方向において可能とする、請求項２２に記載の方法。
27. 前記固形廃棄物原料の前記熱変換からの前記プロセスガスを、前記反応器を通して逆流可能とする、請求項２２に記載の方法。
28. 前記圧縮空気を、一定速度又は可変速度で供給可能とする、請求項２２に記載の方法。
29. 前記固形廃棄物原料の前記熱変換が開始された後には、前記ヒータをオフとする、請求項２２に記載の方法。
30. 前記固形廃棄物原料に対して金属片を追加することをさらに含み、
    前記金属片を、熱分解されない固形廃棄物の量を低減させるのに充分な量で追加する、請求項２２に記載の方法。

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