JP2023548619A - 半炭化ガスの処理 - Google Patents

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Abstract

半炭化ガス処理装置400により、半炭化することによって固形回収燃料(SRF)ペレット117等から生成される半炭化ガス202を、半炭化ガス202を燃焼させることを必要とせずにケミカルリサイクルすることが可能となる。【選択図】図2

Description

本発明の主題は、半炭化ガスを処理するための方法であって、好ましくは都市廃棄物から生じる固形回収燃料ペレットの半炭化で発生する半炭化ガスを処理するための方法と、この方法に対応する、固形回収燃料(Solid Recovered Fuel、SRF)ペレットを変換するためのプラントである。
半炭化は、例えば、バイオマスを処理するのに多用される処理である。半炭化処理中に発生する半炭化ガスは、想定されるように、化学結合エネルギーを熱的エネルギーとして放出するために常に完全燃焼される。
このことは、半炭化ガスの燃焼によって発生する排気ガスを広範囲に処理する必要があるため、不利である。さらに、そのことによって、半炭化ガスをケミカルリサイクルに使用することができない。特許文献1には、半炭化ガスを合成ガスにケミカルリサイクルする別の手法が開示されている。
米国特許出願公開第2013/0247448号明細書
従って、本発明の目的は、先行技術の手法の不利な点を改善することである。
本発明の目的は、本発明による方法及び本発明によるプラントによって解決される。それぞれの従属請求項は、本発明の実施形態に関する。
本発明に従って半炭化ガスを処理するための方法によれば、酸素に富むガスと燃料ガスとによって、半炭化ガスが準化学量論的に(substoichiometrically)酸化され、合成ガスが発生する。本発明によれば、酸化は燃焼室で行われ、半炭化ガス又は燃料ガス又はその両方に由来するより大型の炭化水素分子が熱分解される。
酸素に富むガスという語は、本明細書全体を通して、少なくとも95体積%[Volume-%]の酸素を含むガスとして、好ましくは少なくとも98体積%、特に99.5体積%以上の酸素(O)を含むガスとして理解される。半炭化ガスを準化学量論的に酸化することにより、半炭化ガス又は燃料ガス又はその両方に由来するより大型の炭化水素が熱分解され、一酸化炭素と二酸化炭素と水素と水とを含む合成ガスに変換される。これは、本発明が、半炭化ガスを燃焼させる代わりに、半炭化ガスをケミカルリサイクルすることに関するものであることを意味する。これにより、半炭化処理の持続可能性が向上する。
燃料ガスとしては、天然ガス又はオンサイト燃料ガス又はその両方が使用されることが好ましい。燃料ガスは、メタン、エタン水素のうちの少なくとも1つを含む。さらに、燃料ガスは、窒素を含んでもよい。いわゆるオンサイト燃料ガスは、例えば、分解炉(steam cracker)で発生する。好ましくは、半炭化ガスは、都市廃棄物を含む固形廃棄物から生じる、好ましくはバイオマスから生じる、固形回収燃料ペレットによる半炭化に由来するものである。半炭化ガス処理装置により、都市廃棄物を焼却又は埋め立てる代わりに、持続可能に処理することが可能となる。それにより、都市廃棄物のケミカルリサイクル率が大幅に改善される。
実施形態の一つによれば、合成ガスよりも低い温度を有するリサイクル合成ガス流と、合成ガスとを接触させることによって、合成ガスが急冷される。
急冷ガスとして作用するリサイクル合成ガスと合成ガスとの温度差は、著しいことが好ましく、少なくとも750℃、特に少なくとも1000℃、あるいは少なくとも1200℃である。急冷することで、あらゆる溶融した固形物の固化又は部分的に固形の固形物の固化が生じ、これを半炭化ガスと共に半炭化処理装置に流入させることができる。
実施形態の一つによれば、急冷された合成ガスが熱回収システムに供給され、以下の熱伝達のうちの少なくとも1つが実行される。
a)熱媒体、特に熱媒油を加熱すること
b)ボイラー供給水から高圧蒸気を発生させること
c)低圧蒸気を過加熱すること
これにより、半炭化ガスの酸化によって生成される熱を効率的に使用することが可能となる。好ましくは、選択肢a)~c)の全てが存在し、a)、b)、c)の順番で存在することが好ましい。これは、好ましくは、急冷された合成ガスは、まず、熱媒体の加熱に使用され、次に、高圧蒸気の発生に使用され、最後に、3番目に低圧蒸気の過加熱に使用されることを意味する。これにより、急冷された合成ガスの熱的エネルギーが、高い効率で確実に使用される。
実施形態の一つによれば、急冷された合成ガスは、湿式洗浄システムで浄化される。湿式洗浄システムでは、急冷された合成ガスから、固形物及びハロゲン(塩化物など)が除去される。
実施形態の一つによれば、浄化済み合成ガスの第1の部分は、リサイクル合成ガスとして使用される。浄化済み合成ガスは、急冷された合成ガスの汚染物質の負荷を低減し、熱回収システムの腐食のリスクを低減する。さらに、浄化済み合成ガスの水分含有量が高いことにより、熱容量が増加し、急冷処理の効率が向上する。
実施形態の一つによれば、浄化済み合成ガスの残りの部分を冷却及び洗浄用の水と接触させ、浄化済み合成ガス中の水分を凝縮させることによって浄化済み合成ガス中の水分含有量を減少させる。
さらに、固形回収燃料ペレットの半炭化によって発生する半炭化ガスを処理するための方法であって、好ましくは、固形回収燃料ペレットは、都市廃棄物及び場合によってはバイオマスから生成されたものである。半炭化ガスは、本発明に従って処理される。これにより、都市廃棄物のケミカルリサイクルが可能となる。
さらに、以下に説明されるような固形回収燃料ペレットを変換するためのプラントにおける半炭化ガス処理装置が提案される。この半炭化ガス処理装置は燃焼室を有し、燃焼室は、酸素に富むガス流を導入するための第1の給入口と、燃料ガスを導入するための第2の給入口と、半炭化ガスを導入するための第3の給入口とを有し、燃焼室は、燃料ガス及び半炭化ガスを準化学量論的に酸化させて合成ガスを発生させるのに好適であり且つこれを意図したものである。好ましくは、この半炭化ガスを使用して、本発明による方法に従って半炭化ガス処理を行う。
実施形態の一つによれば、燃焼室は燃焼室出口を介して混合室と流体接続されており、混合室は急冷ゾーンを有し、急冷ゾーンは、合成ガスを急冷するためのリサイクル合成ガスを供給する給入口を有する。
実施形態の一つによれば、混合室は、熱回収システムと流体接続されており、以下の熱交換器の少なくとも1つを有する。
a)急冷された合成ガスと熱媒体とが熱交換するための第1の熱交換器
b)急冷された合成ガスとボイラー供給水とが熱交換するための第2の熱交換器
c)急冷された合成ガスによって低圧水蒸気を過加熱するための過熱器
実施形態の一つによれば、熱回収システムは、熱回収システムから出る合成ガスを浄化するための湿式洗浄システムと流体接続されている。
実施形態の一つによれば、半炭化ガス処理装置は、浄化済み合成ガスの冷却及び洗浄用の水洗冷却塔を、湿式洗浄システムの下流に、さらに備え、水洗冷却塔は湿式洗浄システムと流体接続されている。浄化済み合成ガス中の水分がここで凝縮されて、浄化済み合成ガスから除去される。
実施形態の一つによれば、水洗冷却塔の集水孔は、ヒートポンプと流体接続されている。集水孔から取り出された使用済みの洗浄水の熱をヒートポンプで使用して、最大で4バールの圧力を有する低圧蒸気を発生させることが好ましい。
さらに、固形回収燃料ペレットを水素を含む生成ガス流に変換するためのプラントを提案する。これは、前述のように半炭化ガス処理装置に流体接続されている半炭化装置を有し、この半炭化装置によって発生可能な半炭化ガスを処理するものである。
実施形態の一つによれば、半炭化ガス処理装置は、本発明による、半炭化ガスを処理するための方法に従って、使用することができる。
なお、特許請求の範囲に明示される個々の特徴は、任意の所望の技術的に有意な態様で互いに組み合わせることができ、本発明のさらなる実施形態を定義することができる。本発明は、本明細書により、特に図と共にさらに説明され、本発明の特に好ましい実施形態が明示される。本発明の特に好ましい変形例及び技術分野を、添付された図を参照しながら以下により詳細に説明する。なお、図に示した例示的な実施形態は、本発明を限定することを意図するものではない。図は概略的なものであり、縮尺通りに描かれていない場合がある。
固形廃棄物を水素を含有するガスに変換するためのプラントであって、一酸化炭素シフト装置を有するものを示す。 半炭化ガス処理装置を示す。
図1は、水素を含むガスに固形廃棄物を変換するためのプラント1を概略的に示す。都市廃棄物103やバイオマスのような固形廃棄物からペレットをペレット化設備100で作製した後に、それぞれのペレット117は、プラント1に輸送されて半炭化装置200に供給され、この装置内でペレットが250℃~300℃の温度で準化学量論的に酸化される。ペレットを半炭化すると、炭化ペレット201が得られ、このペレットがガス化装置300でガス化される。半炭化による別の生成物としては、半炭化ガス処理装置400に供給される半炭化ガス202が挙げられるが、この装置については、後述の図2を参照して詳細に説明する。半炭化ガス処理装置400とガス化装置300いずれの生成物も、水蒸気と、一酸化炭素と、水素とを含む合成ガス301、401である。合成ガス301、401はいずれも、COシフト装置500に導入される。COシフト装置500で発生したシフト合成ガス501は、パージガス602から水素601を分離するガス浄化装置600に移送される。ペレット化設備100は、外部、すなわち固形廃棄物を水素を含むガスに変換するためのプラント1と同じ場所にはないことが好ましい。
図2は、半炭化ガス処理装置400を示す。半炭化装置200で生成された半炭化ガス202は、燃焼室402に導入される。さらに、燃焼室402に燃料ガス403及び酸素に富むガス流404が導入される。燃料ガス403としては、天然ガス又はオンサイト燃料ガス又はその両方が使用される。酸素に富むガス流404は、少なくとも95体積%[Volume-%]の酸素を含み、好ましくは少なくとも98体積%、特に99.5体積%以上の酸素を含む。特に、ガス化装置300が噴流層ガス化を並列して使用する場合は、純粋な酸素が容易に利用可能となる。燃焼室402は、酸素に富むガス流404を導入するための第1の給入口436と、燃料ガスを導入するための第2の給入口437と、半炭化ガス202を導入するための第3の給入口438とを有する。
燃焼室402では、半炭化ガス202又は燃料ガス403又はその両方に由来する大きめの炭化水素分子が熱分解され、且つ、一酸化炭素(CO)と、二酸化炭素(CO)と、水素(H)と、水(HO)とを含む合成ガス407に変換されることにより、準化学量論的酸化が生じる。半炭化ガス202の水分含有量は通常は少なくとも50%と高いため、元素状態の炭素の発生が抑制され、従って煤が抑制される。
燃焼室402の温度は、1000℃~1200℃の範囲である。燃焼室出口405を通過した後、合成ガス407は、急冷ガスとして作用するリサイクル合成ガス406により、730℃~770℃の温度に急冷され、好ましくは740℃~760℃の温度、特に約750℃の温度に急冷される。合成ガス407は混合室408に導入され、急冷処理と、それに伴ってリサイクル合成ガス406との混合が行われる。この結果、混合室408で冷却された、急冷された合成ガス409が生じる。この急冷は、リサイクル合成ガス406用の給入口440を有する急冷ゾーン439で行われる。急冷処理の効果、すなわち、より低温のリサイクル合成ガス406を導入することによる温度の急激な低下の効果は、合成ガス407中に存在するあらゆる固形物又は融解した固形物が固化することである。これらの固形物は、半炭化ガス202と共に導入される場合がある。燃焼室402及び混合室408は、いずれも内部が断熱されており、冷却されることはない。
混合室408の下流では、急冷された合成ガス409が熱回収システム410内に導入され、このシステムにおいて、急冷された合成ガス409の熱的エネルギー、すなわち熱エネルギーが、第1の熱交換器441で熱媒体411に伝達され、好ましくは熱媒油に伝達される。熱媒体411に対するエネルギー伝達の下流では、さらなる熱的エネルギーが第2の熱交換器442においてボイラー供給水412に伝達されて高圧蒸気413が生成され、その少なくとも一部が第4の熱交換器414を介して伝達され、リサイクル合成ガス406を好ましくは200℃超の温度、特に約225℃に加熱する。熱回収システム410においては、ボイラー供給水412を有する第2の熱交換器441の下流にある過熱器443で、急冷された合成ガス409からのさらなる熱的エネルギーが、低圧蒸気415に伝達されて、これが過加熱されて過加熱低圧蒸気416を発生させる。熱媒体は、例えば300℃の温度から400℃の温度に加熱され、例えば半炭化装置200を間接的に加熱するために使用することができる。高圧蒸気413は、熱回収システム410を離れるときに、例えば圧力は140バール且つ温度が350℃である。過加熱低圧蒸気は、熱回収システム410を離れるときに温度が約275℃であり、好ましくは、半炭化装置200における半炭化処理に使用される。急冷された合成ガス409は、約170℃以上の温度で熱回収システム410を離れ、腐食や汚損の原因となる塩化アンモニウム(NHCl)の形成が回避される。この約170℃の温度に達しないことがないように確実にするため、140℃以上の熱回収システム410にボイラー供給水412が導入される。
熱回収システム410の下流では、急冷された合成ガス409が、湿式洗浄システム417に導入され、固形物及びハロゲン(主に塩化物)が除去される。湿式洗浄システム417は、一般的な湿式洗浄塔である。湿式洗浄システム417の集水孔419から、使用済みの洗浄水418が排出される。この使用済みの洗浄水418は、廃水処理設備(不図示)に移送されてリサイクルされる。湿式洗浄システム417の先端421から、浄化済み合成ガス420が出る。浄化済み合成ガス420の第1の部分は、リサイクル合成ガス406として使用され、上に述べたように再加熱されて合成ガス407を急冷するのに使用される。浄化済み合成ガス420をリサイクル合成ガス406として使用することで、急冷された合成ガス409の汚染物質(例えば、固形物、ハロゲン、特に塩化物など)の濃度が低下し、熱回収システムの熱交換面の損傷、特に腐食が回避される。特に低圧蒸気415を過加熱低圧蒸気416に過熱するのに使用される表面の腐食が回避される。同時に、60体積%以上の高い水分含有量によってリサイクル合成ガス406の熱容量が増加し、結果として急冷処理中の冷却効率が向上する。リサイクル合成ガス406は、コンプレッサ423によって圧縮される。
浄化済み合成ガス420の第2の部分、すなわち残りの部分424は、2段式の水洗冷却塔422に導入される。塔422において、より冷たい水と密着することにより、合成ガス424中の水分が凝縮する。それぞれの凝縮熱により、塔422の洗浄水が温められる。集水孔425からの洗浄水426は、例えば、約85℃の温度から75℃の温度に冷却するためのヒートポンプ427に供給される。ヒートポンプ427で低圧蒸気が生成され、好ましくは半炭化装置200で処理を制御するために使用される。洗浄水426の大部分は、塔422の中央に導入され、塔422の第1の段428と第2の段429との両方に分配される。洗浄水426の少ないほうの部分は、空気冷却器430によってさらに冷却され、好ましくは約25℃の温度に冷却され、塔422を離れるときには合成ガス424の温度が約30℃の温度となる。合成ガス422が冷却されることにより、約60%の質量が水として除去される。過剰な洗浄水431は、一部が湿式洗浄システム417用の補給水432として使用される。過剰な洗浄水431は、ブリード水433として除去システム(不図示)に導くことができ、このシステム内でブリード水433からガスが取り除かれ、特にブリード水433からアンモニア(NH)、二酸化炭素(CO)及び硫化水素(HS)が取り除かれる。
合成ガス搬送手段434、好ましくはファン又はブロワを使用して、塔422から出た合成ガス401を、COシフト装置500(図2を参照)又はフレア435又はその両方に送る。合成ガス搬送手段434によって負圧が生じ、急冷された合成ガス406がこの負圧によって熱回収システム410を通って引き込まれる。
半炭化ガス処理装置400により、半炭化することによって固形回収燃料(SRF)ペレット117等から生成される半炭化ガス202を、半炭化ガス202を燃焼させることを必要とせずにケミカルリサイクルすることが可能となる。
1 固形廃棄物を変換するためのプラント
100 ペレット化設備
103 都市廃棄物
117 ペレット
200 半炭化装置
201 炭化ペレット
202 半炭化ガス
300 ガス化装置
301 合成ガス
400 半炭化ガス処理装置
401 合成ガス
402 燃焼室
403 燃料ガス
404 酸素に富むガス流
405 燃焼室出口
406 リサイクル合成ガス
407 合成ガス
408 混合室
409 急冷された合成ガス
410 熱回収システム
411 熱媒体
412 ボイラー供給水
413 高圧蒸気
414 第4の熱交換器
415 低圧蒸気
416 過加熱低圧蒸気
417 湿式洗浄システム
418 使用済みの洗浄水
419 集水孔
420 浄化済み合成ガス
421 先端
422 2段水洗冷却塔
423 コンプレッサ
424 浄化済み合成ガスの残りの部分
425 集水孔
426 洗浄水
427 ヒートポンプ
428 第1の段
429 第2の段
430 空気冷却器
431 過剰な洗浄水
432 補給水
433 ブリード水
434 合成ガス搬送手段
435 フレア
436 第1の給入口
437 第2の給入口
438 第3の給入口
439 急冷ゾーン
440 急冷ゾーン給入口
441 第1の熱交換器
442 第2の熱交換器
443 過熱器
500 COシフト装置
501 シフト合成ガス
600 ガス浄化装置
601 水素に富む生成ガス
602 パージガス

Claims (14)

  1. 半炭化ガス(202)を処理するための方法であって、
    前記半炭化ガス(202)は、
    少なくとも95体積%の酸素を含む酸素に富むガス(404)と、燃料ガス(403)とによって、燃焼室(402)で準化学量論的に酸化され、
    これにより、前記半炭化ガス(202)又は前記燃料ガス(403)又はその両方に由来するより大型の炭化水素分子が熱分解されて、合成ガス(407、401)が発生する
    方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、
    前記合成ガス(407)よりも低い温度を有するリサイクル合成ガス(406)流と、前記合成ガス(407)とを接触させることによって、前記合成ガス(407)が急冷される
    方法。
  3. 請求項2に記載の方法であって、
    前記急冷された合成ガス(406)が熱回収システム(410)に供給され、以下の熱伝達
    a)熱媒体(411)を加熱することと、
    b)ボイラー供給水(412)から高圧蒸気(413)を発生させることと、
    c)低圧蒸気(415)を過加熱すること
    のうちの少なくとも1つが実行される方法。
  4. 請求項2又は3に記載の方法であって、
    前記急冷された合成ガス(409)は、湿式洗浄システム(417)で浄化される
    方法。
  5. 請求項4に記載の方法であって、
    前記浄化済み合成ガス(420)の第1の部分は、前記リサイクル合成ガス(406)として使用される
    方法。
  6. 請求項4又は5に記載の方法であって、
    前記浄化済み合成ガス(420)の残りの部分(424)を、冷却及び洗浄用の水と接触させる
    方法。
  7. 固形回収燃料ペレット(117)の半炭化によって発生する半炭化ガス(202)を処理するための方法であって、
    前記半炭化ガス(202)は、請求項1~6のいずれかに従って処理される
    方法。
  8. 固形回収燃料ペレット(117)を水素を含む生成ガス流(601)に変換するためのプラント(1)であって、
    半炭化ガス処理装置(400)と流体接続された半炭化装置(200)を備え、
    前記半炭化ガス処理装置(400)は、前記半炭化装置(200)で発生させることが可能な半炭化ガス(202)を処理するためのものであり、
    前記半炭化ガス処理装置(400)は、燃焼室(402)を有し、
    前記燃焼室(402)は、
    酸素に富むガス流(404)を導入するための第1の給入口(436)と、
    燃料ガス(402)を導入するための第2の給入口(437)と、
    前記半炭化ガス(202)を導入するための第3の給入口(438)と
    を有し、
    前記燃焼室(402)は、前記燃料ガス(403)及び前記半炭化ガス(202)を準化学量論的に酸化させて合成ガス(407、401)を発生させるのに好適であり且つこれを意図したものである
    プラント。
  9. 請求項8に記載のプラントであって、
    前記半炭化ガス処理装置(400)は、請求項1~6のいずれかの方法で使用可能である
    プラント。
  10. 請求項8又は9に記載のプラント(1)であって、
    前記燃焼室(402)は、燃焼室出口(405)を介して、混合室(408)と流体接続されており、
    前記混合室(408)は急冷ゾーン(439)を有し、
    前記急冷ゾーン(439)は、前記合成ガス(407)を急冷するためのリサイクル合成ガス(406)を供給する給入口(440)を有する
    プラント。
  11. 請求項8~10のいずれかに記載のプラント(1)であって、
    前記混合室(408)は、熱回収システム(410)と流体接続されており、以下の熱交換器
    a)前記急冷された合成ガス(409)と熱媒体(411)とが熱交換するための第1の熱交換器(441)と、
    b)前記急冷された合成ガス(409)とボイラー供給水(412)とが熱交換するための第2の熱交換器(442)と、
    c)前記急冷された合成ガス(409)によって低圧水蒸気(415)を過加熱するための過熱器(443)と、
    の少なくとも1つを含む
    プラント。
  12. 請求項11に記載のプラント(1)であって、
    前記熱回収システム(410)は、前記熱回収システム(410)から出る前記合成ガス(409)を浄化するための湿式洗浄システム(417)と流体接続されている
    プラント。
  13. 請求項12に記載のプラント(1)であって、
    前記浄化済み合成ガス(420)の冷却及び洗浄用の水洗冷却塔(422)を、前記湿式洗浄システム(417)の下流にさらに備え、
    前記水洗冷却塔(422)は、前記湿式洗浄システム(417)と流体接続されている
    プラント。
  14. 請求項13に記載のプラント(1)であって、
    前記水洗冷却塔(422)の集水孔(419)は、ヒートポンプ(427)と流体接続されている
    プラント。
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