JP2022551536A

JP2022551536A - Ｃｏ２排出のない廃棄物－エネルギー変換

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Publication number: JP2022551536A
Application number: JP2022522240A
Authority: JP
Inventors: ガイノス，フランソワ; クエニ，マルセル; ヤコブ，カメラン
Original assignee: エム．イー．ディー．エナジーインコーポレイテッド
Priority date: 2019-10-13
Filing date: 2020-11-14
Publication date: 2022-12-09
Also published as: CO2022006136A2; IL292250A; CN114901784A; EP4196554A4; ZA202205002B; WO2021077123A1; US10876057B1; CA3154818A1; AU2020366533A1; KR20230091836A; EP4196554A1; MX2022004554A

Abstract

本発明は、都市廃棄物及び混合廃棄物のストリームからエネルギーを抽出する方法を提供する。この方法は、３段階の熱分解を採用して水素リッチ熱分解ガスを生成し、これは二酸化炭素を大気中に放出することなく、エネルギー抽出を最大化するものである。任意選択的に、プロセスからの高圧ＣＯ２のエネルギーは、ガスタービンを通した膨張によって段階的に回収される。【選択図】図７

Description

本発明は、利用可能な化学エネルギーを抽出するために、炭素を含む廃棄物を酸化処理し、発生した二酸化炭素を回収することに関する。

バイオマス（動植物由来の物質）には、還元型の炭素及び水素を基本元素とする有機化合物が大量に含まれている。これらの元素を水や二酸化炭素に酸化させるとエネルギーが放出されるため、バイオマスはエネルギー源として期待されている。

エネルギー源としてのバイオマスの直接燃焼（例えば、熱生産のための木材の燃焼）は、先進国ではほとんど放棄されているが、類似のプロセスが、バイオガス、バイオディーゼル、バイオエタノールなどの燃料の生産に専用のエネルギー作物の形で出現しつつある。また、セルロース系廃棄物を発酵させてエタノールに変換する方法も開発中である。バイオマスの燃料への変換は、光合成によって固定された大気中の二酸化炭素が燃料中の還元炭素の源であるという意味で、「カーボンニュートラル」であると考えられている。

未開発エネルギー源の大部分は、都市廃棄物（主にごみと下水汚泥）及び農業廃棄物（茎葉とバガス）に含まれるバイオマスであり、現在、３種類のプロセスが、これらの廃棄物ストリームからのエネルギーの抽出において限定的に使用されている。すなわち、焼却炉での燃焼によって発生する熱は、発電用の蒸気駆動タービンを駆動するために使用することができ、いくつかの種類の廃棄物の嫌気性消化又は発酵は、バイオガス（主にメタン）の生産に使用することができ、放熱方法（ガス化及び熱分解）は、弱い発酵性（主にリグノセルロース系）の廃棄物から水素及び油を発生させるために使用することができる。

リグノセルロース系バイオマス（セルロース、ヘミセルロース、及びリグニン）は、生物圏に最も多く存在する有機物である。林業や農業からの廃棄物ストリームに豊富であり、自治体の固形廃棄物の４０～６０％を占めている。リグノセルロース系材料を処理する熱分解プロセスは、一連の処理から構成されている。酸素のない状態で３００～６００℃の間で初期熱分解を行い、次に水蒸気と酸素の存在下で９００～１３００℃で高温ガス化を行い、一酸化炭素と水素（すなわち合成ガス）を純発生させる。これは吸熱変換であり、必要なエネルギーは、投入材料の一部を酸化して二酸化炭素と水にすることによって得ることができ、代替的には、補助的なエネルギーの外部供給源を提供することも可能である。

追加の水素（及びエネルギー）は、発熱性の「ガスシフト」反応、

を介して合成ガスから得ることができるが、従来技術の実践は、液体炭化水素、又はメタノールへの変換のために合成ガスをフィッシャー－トロプシュユニットに導くことであった。ガスシフト反応は、水素それ自体を発生させるためではなく、液体燃料又はフィードストックへの変換のためにＨ２／ＣＯ比を最適化するために採用されており、その際エネルギー含有量の正味の損失はある。

焼却（燃焼）の欠点として、ますます厳しくなる大気汚染排出基準を満たすことの難しさ、及び一般に焼却炉の存在に対する地域社会の抵抗が挙げられる。フィード中の塩素、窒素、及び硫黄含有物質は、酸性生成物を生じさせるので、これを捕捉して中和しなければならない。大量の排ガスを処理するため、大規模な設備投資が必要である。一般的な都市廃棄物の高い水分は、焼却の際に気化されるが、その際のエネルギーコストは水１ポンドあたり約１，０００Ｂｔｕである。

熱分解器は、有機廃棄物を約４００～５００℃の高温に加熱することによってガスと油を生成するが、エネルギー効率が悪く、得られる物質の組成をほとんど制御することができない。焼却炉と同様に、熱分解器はフィードに含まれる水分を沸騰させる必要があり、これはエネルギー的に要求が多い。廃棄物を実用的な規模で処理するためには熱分解室が大きくなる必要があり、これにより廃棄物の不均一な加熱が生じ、化学反応の制御が難しくなり、最終生成物の品質が悪くなる。

ガス化装置は、廃棄物を部分的に燃焼させて動作する。空気、酸素、又は蒸気を、可燃物の一部だけを酸化させるのに十分な量、廃棄物の上を通過させる。ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２、及び軽質炭化水素などのガス状生成物が生成され、発生した熱により残りの廃棄物が油、ガス、及び炭素質物質に熱分解される。この場合も、投入ストリーム中の水分の気化にエネルギーコストがかかる。発生したガスは量が多すぎて貯蔵できないため、その場で使用するか、フィードストックとして使用できる場所までパイプで送る必要がある。また、ガス化装置は、エネルギーを消費する水を含むフィードにも悩まされる。

熱分解及びガス化法はまた、メルカプタン及び有機塩化物に変化する硫黄及び塩素含有物質の問題も伴う。

先行技術のプロセスの例は、米国特許第５，２６９，９４７号明細書、同第５，３６０，５５３号明細書、及び同第５，５４３，０６１号明細書に見出すことができ、これらは２段階の廃棄物ガス化プロセスを開示している。第１段階で、廃棄物は最大１２０気圧の圧力で約２００～２５０℃に加熱される。これらの条件下で、廃棄物の水分が脂肪やタンパク質などの生体高分子を加水分解し、油の混合物を形成する。第２段階で、圧力が解放され、水の約半分が蒸気として放出される。その後、混合物をさらに加熱して残りの水を追い出し、混合物がガス状生成物、油、炭素に分解され、これらは回収されて、分離される。

米国特許第８，００３，８３３号明細書は、熱エネルギーの慎重な管理、回収、及び使用を伴う多段式で実施される同様のプロセスを記載している。可溶性有機物（糖、グリセリン、アミノ酸等）は、最初の加水分解の後、肥料として使用可能な溶液の形で除去される。その後の熱処理により、市場性のあるガスや油が得られるとともに、炭素リッチなバイオチャー（ｂｉｏｃｈａｒ）が得られ、これを燃焼させることにより、工場の操業に必要なエネルギーを供給することができる。

バイオマス及び都市廃棄物のストリームを有機フィードストック、燃料及びエネルギーの生産のために利用することは、熱力学的には実行可能であるが、実用においては依然として非効率であり、先行技術のプロセスは、大気中にかなりの量の二酸化炭素を放出する。廃棄物からエネルギーへの変換のための高効率プロセスに対する必要性、及びそのようなプロセスから排出される二酸化炭素を削減する必要性が依然として残っている。

本発明は、都市廃棄物の混合物、下水、使用済みタイヤ及びオイル、農業及び食品加工廃棄物など、様々な投入物を受け入れ、高効率かつ最小限の排出物でエネルギーを生産できるプロセスの組み合わせを提供するものである。また、回収可能な材料のリサイクルを容易かつ経済的に行うことができる。

本発明は、低排出物と高効率を達成するために、いくつかの要素の組み合わせに依存している。１つの要素は反応器の誘導加熱の使用であり、これは迅速かつ効率的であり、正確な制御で高温を可能にする。第２の要素は、プロセスで発生する水素ガスを用いて燃料電池で生成されたコジェネレーション型電気を、誘導加熱装置に電力を供給するために使用することである。

別の要素は、ブードア（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ）反応（式１）：

を水－ガスシフト反応（式２）：

と組み合わせて使用して、バイオマスに含まれる化学エネルギーの大部分を、元素状水素に含まれる化学エネルギーに変換することである。炭素ではなく水素の酸化に依存することで、先行技術の炭素燃焼法の非効率性と環境上の不利を回避することができる。

このようにして生成された水素リッチガスによって、燃料電池はかなりの量の電気を生成することができる。燃料電池からの排気は高温の蒸気であり、これを利用して蒸気タービンを介してさらに電気を発生させることができる。

代替実施形態では、燃料電池を用いるのではなく、水素を一酸化炭素から分離し、燃焼させて高圧蒸気を発生させ、それから電気を発生させ、この際ＣＯは水－ガスシフト反応への投入物として戻される。

このプロセスで発生するＣＯ_２のすべてが含まれるため、エネルギーを消費する吸収プロセスが不要であり、その結果、大気への排出物は実質的にゼロである。捕集されたＣＯ２の一部はブードア反応への投入物として使用され、残りはフィードストック又は肥料としての使用に、あるいは深井戸注入による貯留に適している。

流入する廃棄物ストリームの最初の破砕と乾燥を示す図である。本プロセスの低温熱分解段階を示す図である。本プロセスの中温及び高温熱分解段階を示す図である。本プロセスの燃料電池、蒸気タービン、及びガス分離装置の段階を示す図である。本プロセスの代替実施形態の低温及び中温熱分解段階を示す図である。本プロセスの代替実施形態の低温熱分解段階を示す図である。本プロセスの代替実施形態の燃料電池、ガスタービン、及びガス分離装置の段階を示す図である。代替実施形態の流入する廃棄物の初期の破砕と乾燥を示す図である。

本発明は、バイオマス及び都市廃棄物のストリームからエネルギーを抽出するための多くの関連プロセスを提供する。これらは以下の通りである：

廃棄物からエネルギーを得るためのプロセスであって、
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、バイオオイルの一部、チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を分離すること、
（ｆ）分離された一酸化炭素をステップ（ｄ）における追加の一酸化炭素として使用すること、及び
（ｇ）分離された二酸化炭素をステップ（ｃ）の追加の二酸化炭素として使用すること、
を含むプロセス。

上記プロセスは、ステップ（ｅ）で分離された水素を燃焼させることにより、蒸気発生器に燃料を供給することをさらに含み得る。

別の実施形態では、プロセスは以下を含む：
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、バイオオイルの一部、チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスを燃料電池に供給すること、
（ｆ）燃料電池によって生成された蒸気で蒸気発生器を駆動すること、
（ｇ）燃料電池の排出ガスから二酸化炭素と一酸化炭素を分離すること、
（ｈ）一酸化炭素をステップ（ｃ）の追加の一酸化炭素として使用すること、及び
（ｉ）二酸化炭素の一部を、ステップ（ｂ）における追加の二酸化炭素として使用すること。

別の実施形態では、プロセスは以下を含む：
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、バイオオイルの一部、チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスを、ＣＯ２を液化するのに十分に冷却して、液体ＣＯ２を水素及び一酸化炭素から分離すること、
（ｆ）（ｅ）で生成された水素及び一酸化炭素を燃料電池に供給すること、
（ｇ）燃料電池から出る一酸化炭素を、ステップ（ｃ）の追加の一酸化炭素として使用すること、
（ｈ）（ｅ）で分離した液体二酸化炭素を加熱し、高圧のＣＯ２ガスを生成すること、
（ｉ）（ｈ）で生成された高圧ＣＯ２ガスをガスタービンを通して膨張させることによって発電し、それによりＣＯ２を冷却すること、
（ｊ）（ｉ）で生成された冷却されたＣＯ２を使用して、（ｅ）でガスを冷却すること、及び
（ｋ）二酸化炭素の一部を、ステップ（ｂ）の追加の二酸化炭素として使用すること。

上記いずれのプロセスにおいても、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であることが好ましい。ＳＯＦＣと蒸気発生器が一緒に一体型ＳＯＦＣ／タービンシステムを構成し得る。

本発明の重要な要素は、二酸化炭素と固体炭素を一酸化炭素に変換するブードア反応（式１）を使用することである：

ブードア平衡は、高温でのＣＯの生成に有利であり、約７００℃を超える温度で右側にシフトする。本発明のプロセスでは、ブードア平衡は、６００～９００℃において水－ガスシフト反応（式２）と結合し、ＣＯをＣＯ_２と水素に変換する：

正味の結果を式３に示す：

プロセス全体では、元素状炭素に存在する潜在的化学エネルギーが、水素に見出される潜在的化学エネルギーに移される。これは、最初の低温嫌気性熱分解を行い、合成ガス、バイオオイル、及び炭素チャーを生成し、その後、高温熱分解及び改質の前に、ＣＯ_２、炭素バイオチャー、及び水（プロセス全体の最終生成物）をシステムに戻すことにより達成される。バイオオイルと合成ガス、及びリサイクルされたチャーとＣＯ_２は、６００～９００℃で作動する中温熱分解ユニットに供給され、この温度で式１の作用によりガス混合物はＣＯリッチになる。バイオオイルの一部は、この時点で液体燃料として使用するために除去することができる。

その後ＣＯリッチガスは、圧縮され、バイオオイル及び追加の水とともに、高圧（２０気圧）、高温（最大１２００℃）の改質ユニットに供給され、そこで液体炭化水素の分解が行われ、残ったメタンが水によってＣＯとＨ_２（式４）へ酸化される：

ガスの組成はさらに水－ガスシフト反応（式２）を介してＣＯ_２及びＨ_２にシフトされる。上記の３段階のプロセスにより、バイオマスに含まれる化学エネルギーの大部分は、元素状水素に含まれる化学エネルギーに変換される。

次に水素リッチガスは、発電のために、酸素又は空気とともに燃料電池に供給される。燃料電池からの排気は高温の蒸気であり、この蒸気は蒸気タービンを介してさらなる発電に使用することができる。代替実施形態では、蒸気タービンは水素の燃焼によって動力を供給されてもよい。これはあまり効率的でないプロセスであるが、燃料電池の設備投資とメンテナンスコストを回避することができる。

ＣＯとＣＯ２からなる燃料電池からの未燃焼ガスは、４０気圧に圧縮されて分離装置に供給され、そこで冷却されてＣＯ_２を液化する。気体ＣＯは分離されて高温改質ユニットに戻され、そこで液体ＣＯ_２は膨張（蒸発）ユニットへ送られる。気体になったＣＯ_２の一部は中温熱分解ユニットに戻され、残りは約２０気圧のままプロセス全体からのＣＯ_２排出物を構成する。膨張ユニットは、分離装置の冷却に使用されるクーラント用のヒートシンクとして機能する。

次に本発明をより詳細に記載する。図１に目を向けると、好ましくは鉄金属及びアルミニウムを含まない混合固体廃棄物（都市ごみ、乾燥汚泥、農業バガス等）が、破砕機１に供給される。液体廃棄物（下水、濃縮汚泥等）は、取込口２で配管され、ミキサ３で破砕機の出力と結合される。ミキサ３は、例えば、廃棄物のストリームを混合し推進するためのオーガであり得る。ヒータ４は、廃棄物を乾燥させるために、廃棄物ストリームの温度を約１４０℃に上昇させる。加圧された蒸気は、好ましくはヒータを活発にするために用いられ、図示の実施形態では、蒸気は５で入り、凝縮物は６で出て、そこで蒸気タービン（図４、後述）から出る凝縮物の流れに合流する。蒸気は、後述するように、燃料電池からの高温の排気によって供給されることが好ましい。廃棄物の乾燥によって発生した蒸気は、チャンバ７に集まり、そこで廃棄物を加圧し、それが適切な方向に流れることを保証する。この圧力はバルブ８で制御され、８から放出された蒸気は凝縮され、９でヒータ及びタービンの凝縮物と結合され、システムの他の場所で使用するために１０から出る。乾燥された廃棄物１１は輸送管１２から出て、熱分解ユニット（図２）へと進む。

次に図２を参照すると、廃棄物１１は輸送管１２の遠位端に到着し、誘導加熱低温熱分解ユニット１３に上向きに流れる。乾燥した廃棄物は、熱分解反応のための熱伝達流体及び反応媒体として機能するバイオオイル１４中に、システム全体にわたって、懸濁される。熱分解装置１３は、３００℃～６００℃、好ましくは約５００℃で嫌気的に運転される。この温度で、当該技術分野で知られているように、有機材料がチャー、ガス及びオイルに熱分解し、バイオオイル１４が得られ、これはリザーバ１５に流れ込む。バイオオイルは、廃棄物１１を熱分解装置の加熱ゾーン内に維持するように、それが形成されるのと同じ速度で１６で除去される。廃棄物中の炭素の一部はバイオチャー又はコークスに還元され、バイオオイルとともにリザーバ１５に運ばれる。固形物分離装置１７は、バイオチャーを、廃棄物中に存在する、又は廃棄物から発生する無機固形物（灰、シリカ、ガラス及び金属片等）と共に回収する。固形廃棄物は１８で回収される。炭素チャーは回収された固体から分離され、中温熱分解装置（図３）に戻される。反応によって生成された合成ガス１９は、大部分がＨ_２とＣＯであり、ＣＯ_２とＣＨ_４はそれほど多くはない。これはバルブ２０を介して除去され、同じく中温熱分解装置に引き渡される。

上の記載は、本発明の一部の一実施形態の概要を説明することを意図したものである。当業者は、バイオオイル、バイオチャー、及びバイオガスを製造するためにバイオマス及び有機廃棄物を処理、乾燥、輸送、及び嫌気性熱分解する他の方法が当技術分野で知られており（Ｍ．Ｉ．Ｊａｈｉｒｕｌｅｔａｌ．， “ＢｉｏｆｕｅｌｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＢｉｏｍａｓｓＰｙｒｏｌｙｓｉｓ－ＡＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ．” Ｅｎｅｒｇｉｅｓ２０１２，５：４９５２－５００１；ｄｏｉ：１０．３３９０／ｅｎ５１２４９５２参照）、既知の方法のいずれもが、本記載のプロセスのこの段階での使用に適応できると考えられることを理解するであろう。運転温度、滞留時間、及びスループットなどの正確な運転の詳細は、廃棄物のストリームの組成が時間とともに変化するにつれて、最適な遂行のために調整されるであろう。特に、農業廃棄物は、季節によって変化する可能性が高い。

図３に目を向けると、中温及び高温の熱分解ユニットが示されている。バルブ２０（図２）から出たバイオガスは、ポート２２を経由して中温熱分解装置２１に入る。１６（図２）のリザーバから出たバイオオイル１４は、２３で中温熱分解装置の底に入る。水はチューブ２４から入り、低温熱分解装置から回収されたバイオチャー（炭素）はポート２５から導入される。２６で廃油（フライヤー、自動車整備等由来のもの）を別途供給してもよく、２７でＣＯ_２分離装置（図４）からの二酸化炭素が導入される。

熱分解装置２１は、１～５気圧の圧力、６００℃～９００℃で運転される。これらの条件下で、ブードア反応（式１）により、追加された炭素が一酸化炭素に酸化され、同時に追加されたＣＯ_２が追加ＣＯに還元される。このとき、水が存在するため、水－ガスシフト反応（式２）が起こり、追加の水素ガスが正味で生成される。水素リッチ合成ガス２８は、圧縮機２９で約２０気圧まで圧縮された後、高温熱分解装置３０に供給される。バイオオイルは３１で除去され、３２で約２０気圧に加圧され、同じく高圧熱分解装置３０に供給される。余分なバイオオイルは３３で抜き取られ、燃料又はフィードストックとして使用される。水は２４を介して高温熱分解装置に導入され、ＣＯ２分離装置（図４）からのリサイクルＣＯは３４で導入される。

高温熱分解装置は、約２０気圧の圧力で、８００℃～１２００℃、好ましくは約９００℃の温度で運転される。これらの条件下で、炭化水素分解と水蒸気改質（式４）が行われ、気相をさらに水素リッチにし、水－ガスシフト反応により、こうして生成されたＣＯがさらに多くの水素に変換される。これらのプロセスの正味の結果は、式５である：

この時点で主に水素とＣＯ_２であるガス３５は、出口３６から抜き取られ、燃料電池に送達される（図４）。

次に図４に目を向けると、熱分解装置ガス出口３６はバルブ３７に通じており、このバルブ３７は通常の運転ではガスを燃料電池３８に渡す。燃料電池３８は、好ましくは、高圧及び高温運転用に設計された固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、そのようなユニットは、当技術分野で知られており、商業的に入手可能である。空気又は酸素は、入口３９を介して電池に供給される。高温の蒸気が４０で流れ出て、タービン４１を駆動して追加の電気を発生させるために使用される。蒸気の一部は、４２で、流入する廃棄物のストリームを乾燥させるヒータ４（図１）に転送され、蒸気は、必要に応じて設備の他の場所で熱エネルギー源として使用されてもよい。

ＳＯＦＣ燃料電池とＳＯＦＣ出口ガスを動力源とするタービンを組み合わせたハイブリッドシステムが当技術分野で知られている。Ｕ．Ｄａｍｏｅｔａｌ，“ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌｈｙｂｒｉｄｓｙｓｔｅｍ：Ａｄｅｔａｉｌｅｄｒｅｖｉｅｗｏｆａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｃｌｅａｎａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｕｒｃｅｏｆｅｎｅｒｇｙ．” Ｅｎｅｒｇｙ１６８：２３５－２４６（２０１９）ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ｅｎｅｒｇｙ．２０１８．１１．０９１参照。ＳＯＦＣとタービンの一体型システムは市販されており、一例として、三菱日立パワーシステムズ株式会社（日本国、横浜）により製造される一体型システムの「ＭＥＧＡＭＩＥ（商標）」シリーズが挙げられる。本発明のプロセスで使用するために市販の一体型システムを容易に適合させることができると考えられる。

燃料電池内で水素が酸化された後、二酸化炭素と一酸化炭素の混合物が残り、これらのガスは４３で約４０気圧に圧縮されて、ガス分離装置４４に渡される。４０気圧の圧力のまま約４℃まで冷却されたＣＯ_２は液化し、気体ＣＯは４５で抜き取られて高温熱分解装置３４（図３）へ戻される。液体ＣＯ_２４６は膨張装置４７及び４８に送られる。膨張装置４７は約１気圧の圧力でＣＯ_２を排出し、このガスは中圧熱分解装置２１（図３）へリサイクルされる。膨張装置４８は、約２０気圧の圧力でＣＯ_２を排出する。このガスはパイプラインで輸送可能であり、化学プロセスのフィードストック、肥料生産、又は石油増進回収もしくは地下貯留に利用することができる。ＣＯ_２回収のコストと非効率性は、本発明のシステムの閉鎖的な性質により、完全に回避される。

膨張機４７及び４８におけるＣＯ_２の膨張は、かなりの冷却を伴う。これはそれぞれ熱交換器４９及び５０によって捕捉され、それらは圧縮されたＣＯ_２を冷却して液化させる役割を果たす。クーラント５２に浸された第３の熱交換器５１は、反応器、凝縮器、及び所望する他の機器の冷却を提供する。

水素によって供給されるエネルギーのうち、約３５％だけが本発明の化学プロセスによって使用され、追加の水を熱分解装置に加えることによって、このバランスを改善することが可能になる。残りは発電に利用できる。

生成されたＣＯ_２は、灌漑用水に溶解させることにより、液化された形態で容易に農業に送ることができる。灌漑用水に炭酸水を使用すると、特に温室環境において収量が増加することが知られているが、この方法はこれまで広く採用されていない。本発明のシステムの設置から配管されたＣＯ_２が利用可能になることで、この技術を容易に利用できるようになる。

本発明は、埋立地のエネルギー含有量の「採掘」を実行可能な事業とするのに十分クリーンで効率的であり、現在ゴミの貯蔵に使われている土地を再生することを可能にすることができる。

代替実施形態を図５～８に示すが、ここでは高圧ＣＯ２に含まれるエネルギーがより効率的に回収される。

図８に目を向けると、上述の実施形態と同様に、好ましくはガラス及び金属成分を含まない炭素含有都市廃棄物フィードストックが、粒状段階まで粒状化され、混練され、オーガ８０などの機械的手段によってシステム内に供給される。十分な水（最大５０％）を加えて、投入管８１を通る廃棄物の低温熱分解装置５５（図５参照）への移動を補助してもよい。

図５に目を向けると、第１のステップは、誘導動力式熱分解装置５５において、４５０～６５０℃の範囲の温度で、数バールから２０バールまで変化し得る圧力で、酸素から保護されたフィードストックの熱処理を行うことである。約５００℃を超える温度では、水素と一酸化炭素の自己燃焼による爆発の危険があり、水素約４％及び一酸化炭素約１４％の濃度で最も鋭敏になる。この危険性は、５８でガス状のＣＯ_２を反応器の反応チャンバに直接注入することによって排除される。

この第１段階の熱処理の終了時に、フィードストックは３種類の異なるフラクションに還元され、その相対的割合はフィードストック、温度及び熱への暴露時間に応じて変化する：
－バイオチャー、純粋な炭素に近い高炭素生成物で、およそ５～２５％；
－バイオオイル、原油に類似した炭化水素生成物で、３０～６５％；及び
－合成ガス、主に一酸化炭素と水素から構成される。

熱分解装置から生成された上記の各フラクションは、別々に仕向けられる：
－バイオチャーは重力により中間貯蔵容器５６にデカントされ、貯蔵されたバイオチャーの一部は次の（ガス化）段階の間に炭素質添加剤及び反応触媒として５７で導入される；
－バイオオイルは、ガス化段階に再導入される前に、６０（図６）で中間貯蔵される；及び
－合成ガスはガスの形態で直接ガス化プロセスに供給される。

上記のように、バイオチャー、合成ガス、及びバイオオイルは、水、ＣＯ２とともに中温熱分解装置５９に供給され、そこでブードア反応と水－ガスシフト反応が行われ、水素ガスと一酸化炭素が純生産される。生成されたガスとオイルは、上記のように高圧で高温熱分解装置６１（図６）に供給されてガス化され、水素リッチ合成ガスが生成される。

本実施形態では、プロセスによって生成されたＣＯ２ガスを捕集し、低圧及び中圧で作動流体、クーラント、及び熱伝達流体として使用する。この実施形態におけるプロセスは、約－２０℃、及びガス化プロセスの出口における合成ガスの最低圧力である約２０バールの圧力でＣＯ２ガスを液化する。液体ＣＯ２は７０で貯蔵される（図７）。

図７に目を向けると、液体ＣＯ２は「仮想圧縮機」７１に供給され、そこで熱分解装置からの高温バイオオイルによって加熱される。一定体積内のＣＯ２の急激な断熱的温度上昇は、ガスの圧力上昇を引き起こし、高圧で高エネルギーのガスをもたらす。このガスは、さらに７２で熱分解装置からの高温合成ガスと熱交換、及び／又は７８で蒸気と熱交換され、その後、ガスタービン７３の作動ガスとして使用され、電気を発生させる。仮想圧縮機は中圧のＣＯ２も供給し、これはさらなる発電のためにタービン６４と６５を通して膨張される。その結果、低圧の冷たいＣＯ２は、図５～７に示す同心円状の配管システムの一番外側の環状空間を通してリサイクルされる。タービン７３を出た冷却ガスを熱交換器７７で使用して熱分解装置６１を出た合成ガスを冷却し、ＣＯ２を凝縮して液体にし、これは分離されて貯蔵容器７０に配管される。

熱交換器７７を出た合成ガスは、上述したように燃料電池７４に導入され、そこで水素が酸化され、残留するＣＯとあらゆるＣＯ２が７５でフィードストックにリサイクルされる。燃料電池によって生成された蒸気は７６で貯蔵され、そこから水－ガスシフト反応への入力として熱分解装置５９に供給される。

本実施形態の好ましい特徴は、同心円状の配管を使用することであり、高圧（約２０バール）ＣＯ２配管は中圧ＣＯ２配管の内部に囲まれている。これにより、高圧配管の必要な厚さを低減することができ、巨大な配管を長く敷設することなく、超高圧でのガス輸送を実現することができる。任意選択的に、図面に示すように、中圧ＣＯ２配管を低圧ＣＯ２配管内に封入することもでき、これにより重量及び材料のさらなる節約が可能となり得る。

Claims

廃棄物からエネルギーを得るためのプロセスであって、
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）前記廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）前記合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、前記バイオオイルの一部、前記チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、前記合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、前記ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を分離すること、
（ｆ）前記分離された一酸化炭素をステップ（ｄ）における追加の一酸化炭素として使用すること、及び
（ｇ）前記分離された二酸化炭素をステップ（ｃ）の追加の二酸化炭素として使用すること、
を含むプロセス。
（ｈ）（ｅ）で分離された水素を燃焼させることによって蒸気発生器に燃料を供給すること、
をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
廃棄物からエネルギーを得るためのプロセスであって、
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）前記廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）前記合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、前記バイオオイルの一部、前記チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、前記合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、前記ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスを燃料電池に供給すること、
（ｆ）前記燃料電池によって生成された蒸気で蒸気発生器を駆動すること、
（ｇ）前記燃料電池の排出ガスから二酸化炭素と一酸化炭素を分離すること、
（ｈ）前記一酸化炭素をステップ（ｃ）の追加の一酸化炭素として使用すること、及び
（ｉ）前記二酸化炭素の一部を、ステップ（ｂ）における追加の二酸化炭素として使用すること、
を含むプロセス。
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である、請求項３に記載のプロセス。
前記ＳＯＦＣと蒸気発生器が一体型ＳＯＦＣ／タービンシステムである、請求項４に記載のプロセス。
廃棄物からエネルギーを得るためのプロセスであって、
（ａ）廃棄物を乾燥させること、
（ｂ）前記廃棄物を３００℃～６００℃で嫌気性熱分解して、合成ガス、チャー、及びバイオオイルを生成すること、
（ｃ）前記合成ガスの水素含有量を増加させるために、６００℃～９００℃で、前記バイオオイルの一部、前記チャーの一部、追加の二酸化炭素、及び追加の水の存在下で、前記合成ガスを嫌気性熱分解すること、
（ｄ）（ｃ）で生成されたガス及びオイルを、追加の水及び追加の一酸化炭素の存在下で、８００℃～１２００℃及び約２０気圧の圧力で嫌気性熱分解し、前記ガスの水素含有量をさらに増加させること、
（ｅ）（ｄ）で生成されたガスを、ＣＯ２を液化するのに十分に冷却して、液体ＣＯ２を水素及び一酸化炭素から分離すること、
（ｆ）（ｅ）で生成された水素及び一酸化炭素を燃料電池に供給すること、
（ｇ）前記燃料電池から出る一酸化炭素を、ステップ（ｃ）の追加の一酸化炭素として使用すること、
（ｈ）（ｅ）で分離した液体二酸化炭素を加熱し、高圧のＣＯ２ガスを生成すること、
（ｉ）（ｈ）で生成された高圧ＣＯ２ガスをガスタービンを通して膨張させることによって発電し、それによりＣＯ２を冷却すること、
（ｊ）（ｉ）で生成された冷却されたＣＯ２を使用して、（ｅ）でガスを冷却すること、及び
（ｋ）前記二酸化炭素の一部を、ステップ（ｂ）の追加の二酸化炭素として使用すること、
を含むプロセス。
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である、請求項７に記載のプロセス。
前記ＳＯＦＣと蒸気発生器が一体型ＳＯＦＣ／タービンシステムである、請求項８に記載のプロセス。