JPH03505570A - 燃焼性気体生成物の製造方法 - Google Patents

燃焼性気体生成物の製造方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 畑   の1゛出 □ 1、□ 本発明は一般的に水とカーボン素材の反応からの燃焼性気体生成物の製造に関係 する技術の分野を含む。さらに詳しくは、本発明はガス化反応がアークによって 活性化される燃焼性気体  。
生成物の製造に関する改良方法に関係する。
2、洗立孜五二記止 水または蒸気が白熱のカーボン素材と反応する水性ガス方式によって主として水 素と一酸化炭素から成る燃焼性気体生成物を製造することが知られている。これ は典型的に、2段階の操作を通して実現される。そこではコークスのようなカー ボン素材の層が、最初にそこに空気を通すことによって素材が白熱するまで酸化 され、第2段階では生成ガスを得るために白熱素材を通して蒸気を通す。水素と 一酸化炭素は、次の化学式に従って生成する。
HiO+Hz+CO コークスの層は第2段階の間じゅう冷却され、空気酸化の第1段階は層を再加熱 するために繰り返されなくてはならない。
炭素または黒鉛電極を使用することによってカーボン素材の層を電熱的に加熱す る方法もまた知られている。これは素材に接触して電極を1き、電極に十分な電 位を与えることによって、ガス化反応を生ずる十分に上昇した温度に素材を抵抗 加熱をもたらすことによって実現される。ガス化反応に必要な水は注入蒸気の形 で、または反応容器の底に配置された貯水だめからの水蒸気として供給される。
抵抗加熱のために電極を利用することに加えて、さらに素材を必要なだけ上昇さ れた温度まで加熱するためにアークを利用することによって水気体反応を行うこ とが知られている。
知られている燃焼性ガスの製造方法は、本来コークスなどのような非常に独特な カーボン素材に制限され、多様なカーボン素材から成る供給源のガス化には適用 されない。特にそこでは、目標は、化学工業に応用されるために清潔な燃料ガス または清潔な合成ガスの生産を含む。従来の技術は廃物由来の燃料(RDF)  、森林、産業、農業廃棄物のような様々な廃棄物の有効なガス化の商業的成功は 証明されていない。これらの素材からのエネルギーの回収は一般的には付随の低 いエネルギー回収効果と余剰処理問題のあるMass Burn法によって、ま たはガス化方法で操作されたとき低BTUガスを産出する流動層燃焼方法によっ て、達成される。
燃焼性ガスの製造に対してここで記述されている以前の技術の技術的および経済 的欠陥がよく知られている。様々なカーボン素材からの燃焼性ガスの製造に対し てエネルギー効果と環境的に許容し得る方法に対する必要性が存在する。
見里勿監! 本発明の目的は様々なカーボン素材のガス化を通して燃焼性ガスの効果的な製造 のための方法と装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、化学的ガス化反応が光化学的にも電熱的にも両方とも活性 化される様々なカーボン素材を効果的にガス化する改善された方式を供給するこ とにある。
本発明のそれ以上の目的は、電熱的活性化のみを利用する方式よりも低いエネル ギー消費が要求されるやり方でガス化反応を光化学的および電熱的に活性化する ための電気的エネルギーを使用することによるカーボン素材のガス化のための方 式を提供することにある。
材からの燃焼性ガスの経済的および効率的な製造のための改良方法および装置を 提供することにある。
本発明のまたさらなる目的は、危険な有機廃棄物の破壊および安全で清潔な燃料 ガスへの転換のための改良方式を提供することにある。
本発明のこれらおよび他の目的は、アークゾーンを作るためその底部に隣接して 配置された電極を備えつけられる一次反応器の頂部にカーボン素材を仕込むこと によって実現される。投入量の一定のレベルが反応器中で維持され、アークによ る蒸発のための水の供給はアークゾーンのすぐ下のレベルに維持される。連続的 なアークが電極で維持されるとき、アークの強烈な熱はアークゾーンでの供給量 中に“アークポケット”をつくる。
それによってポケット周辺での下方への供給量およびポケットの中のガスおよび 蒸気をアークの熱的および光学的効果にさらす。
アーク帯域中および投入量の低い部分の中でおこっている結果的な反応は、反対 方向への熱交換の状態で下方へ移動する投入量を通して上方に上昇する粗生成ガ スを製造する。それとともに熱分解の初期段階は投入量の高さの約半分で開始す る。このように部分熱分解の生成物は上方に移動するガスに加えられる。熱分解 生成物は、燃焼性ガス、二酸化炭素、およびタールやガムを含む凝縮できる生成 物を含む。タールやガムは、冷たい入ってくる投入粒子トに析出し、反応器中の 反応ゾーン低部に還流される。凝縮できないガス生成物および二酸化炭素は、投 入物中を完全に通過し、−次反応器の頂部から除去される粗生成ガスの一部にな る。
粗生成ガスはその後コークスの投入量を含んでいる二次反応器の頂部に供給され る。電極は二次反応器の頂部に備え付けられコークス投入量の頂上から一定間隔 に置かれる。炭素の塊はコークス投入量に電気的に接触して反応器の底に配置さ れる。
これは電極とコークス投入量の頂上の間のアークと白熱のため投入床の同時抵抗 加熱の両方を維持することを可能ならしめる。
−次反応器からの粗生成ガスは最初にアークの電熱的および光化学的効果を受け る。その後はそれ以上の反応のため白熱コークス投入量を通って下方に通過し、 次に主に水素、−酸化炭素およびメタンから成る精製生成ガスの形で二次反応器 の底から除去される。
本発明の他の目的、特徴および利点は正文で、1つの図面と共に受けとるとき、 その好ましい実施態様の次の詳細な記述から明らかになるであろう。
皿10固厘度五所 1つの図は本発明の好ましい実施amの実施のために使用される装置の略図であ る。
しい  ■ のi な曾1ゝ、 発明の実施に従って、一定のまたは様々な炭素廃棄物の供給は、材料の熱的およ び光化学的分解をひきおこすアークにさらされる。アークは等方性結合分解によ るラジカル種の発生をひきおこすために十分な強度のものである。材料は炭化水 素、炭水化物および大量の水を含む、これらの分子の全ては、生成ガスの高い水 素ガス含有量に基づく支配的反応の1つである水の等方性分解によって水の等方 性分解反応は次の反応式で示されるように水酸基と水素原子を生成する。
H!6+ h u −H’+ HO8 この反応は水素原子の中に有力な還元剤を、水酸基中に有効な酸化体を生成する 。これらの種はどちらも急速にカーボン素材と反応して追加のラジカル種を生成 する。これらの反応の最終結果は供給材料中の比較的高分子量の炭化水素と炭水 化物材料の低分子量のガス生成物、主として一酸化炭素と水素分子への転換であ る。これは材料中の炭素原子間の結合の破壊および炭素と酸素間の、および2個 の水素間の結合の生成によって生じる。
本発明の他の重要な側面は、化学の連鎖反応の性質中にある。
アークによって最初に生成されたラジカルは順番に連鎖反応で供給材料との反応 によって追加のラジカルを形成する。このようなラジカルの特質は、それらが供 給材料と反応して新しいラジカルを生成することができるばかりではなく、それ 自身とも反応できることである。水素分子を生む;る2つの水素原子の結合は、 立ち代わってラジカルの数の正味の減少を生じるラジカル再結合過程の見本であ る。
全過程は3段階に分けることができる。最初の段階ではラジカルの数は増加して いる。伝播段階ではラジカルの性質は変化するかもしれないけれども、ラジカル の数は本質的に同じのままである。停止段階ではラジカルの数は減少する。本発 明の実施において、最初の段階はアークの帯域でおこる。そこでは、アークによ って供給される光と電熱的エネルギーは、供給材料と水分子中に化学結合をひき おこし、ラジカルの生成で破壊される。これらのラジカルは他の供給分子と反応 し、なおより多くのラジカルを生成し、材料が比較的低分子に変えられるまで伝 播段階においてより多くの化学結合の破壊をひきおこす。材料がより低分子量の 化合物への転換によって消費されるにつれて、新しいラジカルの生成速度は減少 する。ラジカルは再結合によって消費され、それによって停止段階での生成物形 成をもたらす。
1つの図を参照して説明すると、本発明の好ましい実施B樟の実施に利用される 装w、1が略図的に示しである。装置1は、外側の鋼製ケース5および耐火製レ ンガまたは類僚材料の内部の内張7から成る一次反応器3を含む。それは、集合 的に垂直配列の反応室9を定める。室9の底は、弁で調節された水供給導管13 によって水11の規制量を保持する容器1oを形成する。弁で調節された排出ゲ ート15もまた灰を除去するために室9の底に備え付けられる。一対の対立する 炭素電極17と19が適切なジャーナル21と23によってそれぞれ滑動的に支 持される。その結果電極17と19の対応する端は室9の中で水11の高さのち ょうど上の高さに配置される。ジャーナル21と23は適切なガスシールを備え 付けられている。電極17と19は適切な電力源への接続のためにそれぞれの電 気的結線25と29を備え付けられている。
反応室9の上部は、カーボン素材33を受けとり、導管36の中に含まれている 、スクリューオーガなどのような、適切なコンベアー35によって室9の中へ供 給する供給ホッパー31を含む装入機構30を備えつけている6機構30は、室 9の上部に隣接した適切な位置に配置されたセンサー39で同様に制御されてい るモーター37で操作される。センサー39は当技術においてよく知られている どのような型のものであってもよく、本明細書に記述されたように本発明の実施 に適切であると思われる。この方法では、室9に供給されるカーボン素材33の 所望の高さのレベルは、絶えずセンサー39で監視され、機構30で保持できる 。ホッパー31、コンベアー35および導管36は、素材33がそこに含まれ、 圧縮されるときガスシールを集合的に定める。
−次反応器3はまた粗生成ガス産出管路41を含む0反応器3で生成された粗生 成ガスは、反応器3に構造および形状において類領している二次反応器45の頂 部に管路41を通って導かれる。
二次反応器45もまた垂直配置の反応室51を集合的に定める外部スチールケー ス47と耐火製レンガの内部の内張り49から成る。
二次反応器45の上部は、電極53の端が室51の中に所望高さに置かれるよう に適切なガスシールジャーナル55の中に滑動的に据え付けられる1つの炭素電 極53が備え付けられる。反応器45の上部もまた、モーター61で操作される ホッパー57と適切なコンベアー59を含む投入機構56が備え付けられる。こ の場合、ホフバー57は、ガスが、特にその投入操作の間に機構56を通っても れることを防ぐように、ガスシールを与えるための適切なロックシステムを含ま なくてはならない。ホッパー57は、一定の高さのレベルをもつコークス63の 層が室51の中に保持されるように、室51の中に供給されるコークスで満たさ れる。示されるように、電極53の終端は、正文に記述されるように、その間の アークの創り出しを可能にするためにコークス層63の上部レベルから所望の間 隔だけ離れて置かれる。
反応器45の底部は、コークス層63と電気的に接触して配置される炭素材料の 塊65が備え付けられる。炭素の塊65はきまった場所に支持され、金属ブラケ ット67と適切な接地接続68によって電気的に接地される。それに応じて、電 極53もまた電気的結線69が備え付けられる。を位が適切な[#によって接続 67と69を横切って付加されるとき、アークは、室51の中で電極53の端と コークス層63の頂上の間でおこる。同時に抵抗加熱もまたコークス層63の高 さの至る所におこる。生成ガス産出管路71は、そこから精製可燃性ガスを取り 除くために反応器45の底部に備え付けられる。管路71は好ましくはその中に 適切な制御nJ手段73が備え付けられる。弁で調節される放出ゲート75もま た、灰の除去のために反応器45の最低部分に備え付けられる。
反応器3および45は、それぞれ金属の脚77と79によって、または他の適切 な、よく知られている支持手段によって上昇された位置で支えられて略図的に示 される。
員■■方法 装置1の操作における本発明の実施を図を参照して記述する。
投入機構30は、−次反応器3の反応室9内にカーボン素材33を投入し、所望 の高さに維持するために使用される素材33が反応の間に消費されるにつれて、 センサー39は素材33を新しく補給するために投入機構30を作動させる。そ れによっていつも室9中にそれを一定の高さに保持する。機構30のホンパー3 1と導管36の中の素材33の存在はガスシールを形成するのに役立ち、それに よって機構30による反応ガスのもれを防ぐ。室9の底の水  。
11の高さは、電極17と19の向かい合う端の間に設立されたアークの下約1 〜3インチに保持される。その高さは、水がアークにより蒸発されるにつれて供 給管路13によって保持される。
ガス化反応は、電極17と19で維持されるときその間の連続的アークを作る約 40〜120ボルトの範囲で電気的結線25と29を横切る電位を付加すること によって開始される。アークの強い熱は素材33の投入物中に図中Pで一般的に 示される“アークポケット”によって定められるアークゾーンを創り出し、保持 する。
ポケットPの周囲の素材33およびボケッ)Pの中で生じるガスおよび蒸気は、 アークの結果として生じる熱的および光化学的効果にさらされる。アークは10 00人〜6000人の波長範囲で高い強度の光を発する。それによって本明細書 に先に記述した方法で等方性結合分解によってラジカル種の生成をひきおこすの に十分にエネルギッシュなアーク効果をつくりだす。
素材33に存在する炭化水素および炭水化物に加えて、室9の底で貯蔵部10か ら蒸発された大量の水11もまた存在する。それによってアークポケットPの中 で支配的反応の1つである水の等方性分解が起り、先に示した反応式に従ってヒ ドロキシルラジカルと水素原子の形成が結果として生じる。有力な酸化体である ヒドロキシルラジカルおよび有用な還元剤である水素原子は、追加のラジカル種 を生成するために熱いカーボン素材33と急速に反応する種として機能する。こ れらのラジカルは、順番に、先に記述した3つの連続する段階で炭素結合分解に よって新しくより小さい分子を形成するために役立つ連鎖反応に関与する。最終 結果はカーボン素材33の炭素1つの化合物、−酸化炭素(co)へのほぼ完全 な分解と転換である。本過程に含まれる水素原子が結合して水素分子を生じる。
これらの反応は室9の低い部分でおこり、そこに向かって素材33がそれらの消 費の間連続的に移動する。アークによって生産されるガスは向流熱交換をしなが ら下方に移動している素材33を通して上方に上昇する。それによって室9の中 で素材33のおおよそ中間の位置で熱分解過程の初期の段階を開始する。熱分解 過程の生成物は、冷たい入ってくる素材33上に析出する傾向がある一酸化炭素 、タールおよびガムを含む。室9の上部で集められた一次反応器3から得られる 粗生成ガスは、量の下がる順で水素、−酸化炭素、二酸化炭素メタンおよびC, −C−の炭化水素化合物の痕跡量を含む、さらに、生成ガスは一般的に冷たい入 ってくる素材33上に再び析出されないこれらの量のタールやガムを運び、そし てさらに投入機構30から入ってくる微細な素材33の粒子を浮遊させて運ぶこ ともできる。
−次反応器3で生成された粗生成ガスは一般的に、その高い(約10%)二酸化 炭素含有量、タールおよびガム含有量、およびカーボン素材33の浮遊させて運 ばれる微粒子のために、直接使用するために不適切である0例えば、カーボン素 材33の主な供給物として廃木材を使用して運転された一次反応器3からの典型 的な粗生成ガスは次の成分から成る。
底−一一豆        天ルX 水素           44.16−酸化炭素        38.28 二酸化炭素        11.64窒素           0.09 イソブタン        0.07 ヘキサンはか      −」ユL ioo、o。
上の粗生成ガスの計算された総イギリス熱量単位含有量は約335である。従っ てそれは中質イギリス熱量単位燃料ガスとしてみなされる。この粗生成ガスの精 製は、産出管路41を通って室9の頂部からガスを除去し、二次反応器45の頂 部にガスを向けることによって成し遂げられる。コークス粒子63の層は反応器 45の反応室51の中で一定の高さに保持される。約40〜120ポルトの範囲 内の電位が、それぞれ、炭素の塊65と電極53の電気結線67と69を横切っ て付加されるとき、連続的アークは、電極53の端とコークス層63の頂部の間 で、全コークス層の間じゅう同時抵抗加熱と共に維持される。これは層63が白 熱に加熱される原因となる。管路41からの粗生成ガスは室51内に受けとられ 、先ずアークの電熱的および光化学的効果を受ける。その後さらに進んだ反応の ために白熱コークス層63を通って下方に通過する。この結果もとのパーセンテ ージの約半分またはそれ以下の二酸化炭素含有量の減少がおこる。それとともに 炭素はタール、ガムおよび一次反応器3および白熱コークス層63からの粗生成 ガス中に含まれたカーボン素材の微粒子分解から誘導されるこの反応に関与する 。反応器45からの精製生成ガスは貯蔵および使用のため産出管路71を通って 除去される。供給素材として廃材を使用して精製された生成ガスの組成は次から 成ることが示水素           64.49−酸化炭素         26.33二酸化炭素        5.72 メタン          2.38 エタン           0.10プロパン         0.05 窒素           0.90 100、00 上に加えて、他の試験を装置1で主要なカーボン素材33として自動車のタイヤ および石油コークスを使用して行い、次の組成をもつ精製生成ガスを生じた。
水素          51.48      43.78−酸化炭素        32.92      47.76二酸化炭素       3.04        5.71メタン        8.490.31エタン           2.22       0.02プロパン        0. 45       1.10窒素          0.35        1.04イソブタン       0.75       0.20ヘキサンは か       0.30       0.08too、oo        ioo、o。
生成ガスのCo2含有量は次の化学反応によって二次反応器中で低くなる。
CO,+C→2CO 先に示したように、この反応のための炭素はタール、ガムおよび一次反応器3か らの粗生成ガス中のカーボン素材の浮遊させて運ばれた微粒子から、または二次 反応器45中の白熱コークス層63から誘導される。マークの電熱的および光化 学的効果は、水蒸気および有機ラジカルの活性化をおこす、これらの活性種およ び白熱コークス層63は主に水素および一酸化炭素と低量のCo、、CH,およ びC2〜C6の炭化水素化合物のような少量の他の成分をもつ精製生成ガスを生 ずる反応器45の中での最終精製反応に関与する。それゆえ二次反応器は清潔な 燃焼性中質イギリス熱量単位燃料ガスとして、または化学工業に応用するための 合成ガスとして適切だと考えられる精製ガスを供給する精製単位装置として機能 する。
本発明はさらに危険物、病院および様々なタイプの化学廃棄物の加工および分解 処理に適応できる。このような供給素材は本明細中で先に記述した素材と同程度 の破壊的分解を受ける。
特に危険な廃棄物のために、三次反応器をさらに付は加えた精製のために二次反 応器45と直列的に接続できる。このような三次反応器は、二次反応器45と同 じ構造的および機能的特徴を持ち、反応器45の産出管路71から入ってくる生 成ガスを受けとる。
三次反応器は、反応器45の産出管路71中の適切な監視装置により検出される どのような残留危険化合物をも破壊するための安全な予備の装置として利用でき る。
水のバランスは装置1の操作において重要な因子である。例えば、カーボン供給 素材としての廃材は一般に55%までの水を含みその量は効果的ガス化のために 要求される化学量論的量をはるかに超過している。従って、廃材は装置1への導 入の前に乾燥させられな(ではならない、さもなければ、二次反応器45でのコ ークス消費量は望まれるよりも多くなるであろう。同様の考慮が廃物由来燃料( RDF)にも適用される。さらに、高い含硫黄石炭がガス化されるとき、硫黄は 生成ガスの中に、商業的硫黄副産物を生成するための従来の方法によってガスか ら除去できる硫化水素として現れる。処理されたガスは発電所における燃焼に適 する清潔な燃焼性燃料である。このように、本発明は従来の多額のガス処理コス トおよび環境の汚染が顕著に減少または除去されるから、高い含硫黄石炭の処理 のために有効な手段を提供する。
本発明は、好ましい実施態様と特定の操作パラメーターを参照して本明細書で記 述および説明したけれども、当技術に精通したものは、様々な修正、変化、付加 、省略および置換が本発明の精神または付記した特許請求の範囲からはずれるこ となくなしうることを正しく理解するであろう。
補正書の翻訳文提出書 (特許法第184条の7第1項の規定による補正書)平成2年11月26日

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.カーボン素材から燃焼性ガス生成物を製造する方法におおいて、 a)室の底部に第1のアーク帯域を保持する一次反応室、および白熱コークスの 層を含む二次反応室を備え、各室が垂直配置されており、 b)一次反応室の頂部にカーボン素材を投入し、その室の中に実質的に一定体積 の素材を保持し、c)素材のガス化を電熱的および光化学的に活性化し、そこか ら粗生成ガスを生じさせるためにアーク帯域と接触させてカーボン素材を下向き に連続的に移動させ、d)入ってくる素材の熱分解を開始するために向流熱交換 の状態で下向きに移動するカーボン素材中を粗生成ガスを上向きに通過させ、 e)一次反応器の頂部から粗生成ガスを取り除き、それを二次反応器の頂部へ導 入し、 そして f)主に水素と一酸化炭素からなる精製生成ガスを製造するために白熱コークス 層中を粗生成ガスを通過させることという段階からなることを特徴とする燃焼性 ガス生成物を製造する方法。
  2. 2.さらに白熱コークス層の頂部に第2のアーク帯域を保持し、ガスがコークス 層を通過するに先立って第2のアーク帯域の電熱的および光化学的効果に租生成 ガスをさらすという段階を含む請求の範囲第1項記載の方法。
  3. 3.ガス化反応の間じゅう水蒸気源を提供するためアーク帯域の下に貯水ためを 保持するという段階を含む請求の範囲第1項記載の方法。
  4. 4.実質的に一定体積のカーボン素材を保持する段階が室の中の材料の高さを感 知し、その高さが前もって決めた値より低いとき室の頂部に追加の素材を投入す ることを含む請求の範囲第1項記載の方法。
  5. 5.さらにアーク加熱と電気抵抗加熱の組合せによって白熱させるため二次反応 器中のコークス層を加熱する段階を含む請求の範囲第1項記載の方法。
  6. 6.さらに二次反応器中に実質的に一定の体積にコークス層を保持する段階を含 む請求の範囲第1項記載の方法。
  7. 7.さらに a)白熱コークス層を含む垂直配置の三次反応器を備え、b)最終生成ガスを製 造するため二次反応器からの精製生成ガスを三次反応器の白熱コークス層を通過 させる段階を含む請求の範囲第1項記載の方法。
  8. 8.カーボン素材から燃焼性ガス生成物を製造するための装置において、 a)室の中に実質的に一定の体積のカーボン素材を保持するため室の頂部に置か れた手段、カーボン素材のガス化を電熱的および光化学的に活性化するために十 分な強度のアーク帯域を創り出すための室の底の一対の電極、およびアーク帯域 の下に配置された貯水かめを含む垂直反応室を持つ一次反応器、b)垂直の配置 でその中に配置されたコークス層、室の頂部を通って延びてアークを創り出すた めにコークス層から一定の間隔に配置された電極、およびコークス層と電気的に 接続して室の底に配置された電極を含む反応室を持つ二次反応器、c)一次反応 器内の電極を横切って、そして二次反応器内の電極を横切って電位を付加する手 段、d)一次反応器の頂部から粗生成ガスを取り除き、二次反応器の頂部にそれ を導入するための導管、およびe)二次反応器の底部から精製生成ガスを取り除 くための導管 からなることを特徴とする燃焼性ガス生成物を製造するための装置。
  9. 9.一次反応器内に実質的に一定体積のカーボン素材を保持する手段が a)一次反応器の頂部にカーボン素材を導入するための投入機構、および b)反応室内のカーボン素材の体積(高さ)を感知し、その高さが前もって決め た値より低いとき投入機構を作動させる手段 を含む請求の範囲第8項記載の装置。
  10. 10.さらに反応器内に実質的に一定の体積にコークス層を保持する手段を含む 請求の範囲第8項記載の装置。
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