JP2008528708A - 炭素質原料の水蒸気改質のための方法 - Google Patents

Abstract

炭素質原料が合成ガスに実質的に完全な変換を受けるように、高い改質温度でロータリキルンの中で炭素質原料を加熱する１段処理工程を利用することによって、あるいは、それより低い温度で金属物質が一般に気化するであろう改質温度まで、炭素質原料を加熱する複流多段処理工程を利用することによって、炭素質原料を合成ガスに水蒸気改質し、ガス状および固体物質を形成するための方法。さらに、合成ガスを形成するために、高い改質温度で第２段の改質キルンの中のガス状物質を改質する。そして、さらなる処理工程で固体物質から炭素質チャーを分離する。

Description

本発明は、概して水蒸気改質技術に関する。

水蒸気改質処理は既知であり、さまざまな種類の炭素質原料を有益な商品に変換するために利用される。ここで使用される炭素質原料（“ＣＭ”）の用語は、いかなる炭素質原料をも含む。すなわち、都市ゴミ（“ＭＳＷ”）；産業、商業および施設の廃棄物（“ＩＣＩＷ”）；医療廃棄物；石炭；石炭廃棄物；木屑；おがくず；林産廃棄物；農業廃棄物；汚泥；排水；有害廃棄物；廃油および副産物油；電子廃棄物およびその他同様の炭素質原料；また、既存の塵芥焼却場における変換能力増強機会を得るために利用されるかもしれない焼却灰や燃焼灰のような機会原料も含まれる。

水蒸気改質処理において、炭素質原料は、通常回転可能なドラムまたはキルンから構成される水蒸気改質キルンの中に置かれる。一般に、ＣＭはかなりの水準の水分を含む。ドラムは、加熱されるあいだに、湿ったＣＭを撹拌するために回転させられる。一般的に、熱は、キルン内だけでなく回転ドラムの外部の天然ガスバーナ、合成ガスバーナまたは電気の誘導加熱により供給される。

水蒸気改質は、吸熱反応過程である。しかしながら、発熱反応である焼却とは異なり、燃焼は起こらない。その代わり、水と結合されたＣＭは、撹拌される間に熱せられて、合成ガス（“シンガス”）を生成する反応を引き起こす。シンガスは、主に水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）からなる。

これら２つの熱処理工程の重要な相違点は、これらの処理により生成される各生成物にある。焼却／燃焼の場合、生成物は主に酸化した有害化合物であり、他方、水蒸気改質は、燃焼による酸化物よりも簡単に浄化される少量の酸と金属蒸気と、主として有益なシンガス燃料を生成する。

一般に、水蒸気改質処理工程に投入されるＣＭとして使用される廃棄物は、主に水素および炭素と、わずかの百分率で他の要素、例えば塩素、フッ素、硫黄、窒素、ガラスおよびさまざまな金属から構成される。例えば、都市ゴミ（ＭＳＷ）は、典型的に炭素／水素／酸素の比率が約１／１．７／０．５である。また、ＭＳＷは、典型的に固体不活性生成物を重量で約１０％含む。

典型的な従来技術の水蒸気改質処理工程において、シンガスは２段の処理工程によって生成される。まず、水分とＣＭを含むドラムが、一般に６５０℃の範囲内の温度で９０分加熱される。次に、金属とチャーを含む固体物質がドラムから取り出される。この時点で、ＣＭの約６０〜７０％は、シンガスを生成するために水蒸気改質されている。その後、典型的な処理工程は、残存する炭化水素をシンガスに変換するため、シンガスを“精製し”、熱分解チャーは不活性の無機物の残渣から分離され燃やされるか、あるいはチャーと他の固体物の完全混合物が廃棄される。

本発明によると、２つの異なる水蒸気改質処理工程がある。１つは単流１段処理で、もう一つは複流多段処理である。

１段処理は、ＣＭがその中に微量の金属を含んでいる状況に対して好適である。これは、下記の１段処理が金属を気化させるであろう温度を利用することを伴うからである。ＣＭに混合された金属の量が微量の場合は、いかなる金属の気化量も取るに足らないため、１段処理は好適である。ＣＭに混合されたすべての金属を十分に除去することが技術的に容易でない場合には、好ましくは下記多段処理が利用されるかもしれないし、あるいは利用されることがある。

１段処理および多段処理の両方に備えて、ＣＭ、例えば都市ゴミ（“ＭＳＷ”）はまず破砕される。（本発明の説明の目的のため、および参照の容易のために、水蒸気改質処理への投入はＭＳＷを意味し、そのようにみなされる。しかしながら、いかなるＣＭも利用されてよく、処理がそれに応じて適合され得ることは理解されるべきである。）

市販の石灰（すなわち、酸化カルシウムおよび／または重炭酸ソーダ）は、破砕されたＭＳＷと一緒に混合される。水蒸気改質が起こると、石灰中のカルシウムは、ＭＳＷから放出されるハロゲンと反応して、一般的に良性のカルシウム塩を形成する。この早い段階でのハロゲンの除去は、吸収剤層浄化装置を利用することを一般に含む、後の下流における除去よりも簡単で費用がかからないので、この特徴は重要である。また、これらの構成成分が水蒸気改質処理工程の間の高温で酸素と接触するときに、これらのハロゲンが酸性蒸気および／またはより濃度の高い有毒なダイオキシンやフランを形成する機会を回避する。（ダイオキシンやフランの形成は、大半の焼却システムの主要な問題の１つである）。ハロゲンは石灰と非常に容易に反応するので、酸性蒸気および／またはダイオキシンやフランを形成することにハロゲンは使われない。水蒸気改質によって、大半の大気としたがって酸素とは、入ってくる廃棄物流から除去されており（下記）、燃焼や焼却システムの場合には確かに存在する有害なダイオキシンやフランに変換する機会はほとんどない点に留意されたい。

１段および多段の処理工程の両方において、破砕されたＭＳＷはホッパに送り込まれ、ホッパは、水蒸気改質キルン内にＭＳＷを送り込むためのオーガー（すなわち、スクリューコンベヤ）を含む。キルン内への入り口で、システムは、キルンに入り込むＭＳＷから、大気、特に窒素および酸素を除去するために高温の水蒸気の持続的な供給を備える。さらに説明されるであろうように、追加の水蒸気は、水蒸気改質処理において有益である。なぜならこの水蒸気はＭＳＷを予熱し、これによってプラントの処理廃熱のいくらかを捕捉するからである。同時に、また、有害な亜酸化窒素や他の好ましくない窒素酸化物および／または他の酸化物の形成を妨げるために窒素や酸素を除くことが望ましい。

上述したとおり、典型的な従来技術の水蒸気改質処理は、２段処理である。この理由は、第１段において、ＣＭの大半（一般的に、開始点のＣＭの量のおおよそ６０〜７０％）が水蒸気改質される間に、炭素質チャーが形成されるが、残りのＣＭが水蒸気改質され得る前にこのチャーは除去される必要があることが従来から信じられてきた。しかしながら、驚くべきことに、また予期せず、チャーもまた、十分加熱されれば、水蒸気改質されることができ、除去される必要はないことが発見された。このことは、ＣＭの水蒸気改質がより完全であるということや廃棄すべき固体廃棄物がより少ないということなので、有益である。

そこで、単流１段水蒸気改質処理工程は下記のように設計されている。処理工程は、ＣＭを、主にＨ_２とＣＯからなる最終的なシンガス生成物にまで完全な変換を十分に起こすためにさまざまな滞留時間をもって、ＣＭを高い改質温度、おおよそ６５０℃〜１１００℃（あるいは必要とあればより高温に）まで加熱する水蒸気改質ロータリキルンを採用する。いかなる従来の水蒸気改質ロータリキルンも好適であるかもしれないと考えられる。しかしながら、そのようなロータリキルンが（内側が加熱されるというよりも）外側が加熱されることは好適である（単体のロータリキルンを使用するものの、内部燃焼加熱を利用する最近の特許発明はあるが、本発明のある請求項に、本システムが、外部加熱による単体のロータリキルンを備えるとあることは注目されたい）。なぜなら、これは、燃焼／焼却がキルン内で行われ、そしてさまざまな有害な副生成化合物を生成する機会を減ずるからである。１段処理を使用する目的は、目標変換基準を達成するために単一の反応域内で、十分な温度、乱流混合および滞留時間を供給するためである。この１段水蒸気改質処理は、さらに分離されているが完全に改質されていないシンガスをより清浄なシンガスに改質するために、キルンから下流の精製装置を含むことがある。

次に、キルン内に残された不活性固体スラグは、おそらく必要であろうこの第１段水蒸気改質されたシンガスを精製することに先立って除去される。この固体スラグは冷まされ、建設溶加材として販売できる。この不活性固体抽出物は、一般的にもとのＭＳＷ混合物の９８％まで体積減少を示すであろう。

好ましくは、システムは除塵処理にかけられ、煤塵は改質されたシンガスから除去される。従来の塵および粒子の分離器／濾過器が採用されるが、これは渦巻き塵分離器や上質の粒子濾過器を含む。この渦巻き塵分離および除去は、水蒸気改質ロータリキルン内で行われることがある。一方、煤塵は、改質ロータリキルンから下流の同様のコンテナで除去されることがある。同時に、冷却機構はそれぞれ分離器および濾過器の下流に配置されるであろう。冷却器は、直熱として、電力生産のため、キルン燃焼の予熱および／または供給ＣＭの予熱のためのいずれかの使用のために、高温のシンガスから熱エネルギーを抽出することに使用される。

好ましくは、清浄化の次の段階は、これに続く処理に対する個別のシンガス清浄度を与えるために、あるいは一過性の酸や金属蒸気または他の有害物質／汚染物質を除去するために、吸着剤層または同等の技術を備える。典型的には、この吸着剤層清浄化システムは、塵および粒子除去の下流に配置され、典型的に冷却機構の上流または下流のいずれかに配置されるだろう（吸着剤層物質の感温性ならびに一過性および有害なガスの効果的除去に対する温度依存性に左右される）。

上記説明の通り、好ましくは、複流多段処理工程は、ＭＳＷの金属物質量がより多いときに利用される。ほとんどの場合で、必須の再利用のために金属はＭＳＷから分離され、また、水蒸気改質キルンホッパの中に破砕されたＭＳＷを供給するコンベヤに配置される金属分離装置の方法により分離されると察する。しかしながら、そうであったとしても、ＭＳＷにはかなりの金属量があって、金属は非常に高い温度の水蒸気改質処理の間に気化され得る。また、多段処理工程は、以下に示すとおり、水蒸気改質処理によってエネルギー消費を最適化するように設計される。

好適な多段水蒸気改質処理工程は、次の通りである。ここには、シンガス生成の第１段階を生成するために、ほとんど無処理の（すなわち、気化していない）金属物質や炭素質チャー残渣を用いて、ＣＭをおおよそ５５０℃から６５０℃の改質温度まで加熱する第１段水蒸気改質ロータリキルンが設けられている。第１段の生成物は２つの流れに分離される。すなわち、第２段の“含塵”ガス流と第３段の固体物流である。次に、炭化ガスを、主にＣＯとＨ_２で構成されるシンガスに完全な変換を促進することによって、第１段のガス状物質の変換を完了するために、おおよそ８５０℃から１１００℃（あるいは必要とあればより高温）の高い改質温度まで“含塵”ガス状流入物質を加熱する第２段水蒸気改質固定キルンが設けられる。一般的に、このシンガスは水素に富んでいる。なぜなら、炭素のほとんどは、後述する第３段水蒸気改質システムに流されるからである。この第２段の変換成果を最適化することが必要と認められる場合は、この第２段“固定”キルンはロータリキルンとして構成されるかもしれないことに留意されたい。

好ましくは、本発明の処理工程は、第１段と第２段の間の煤塵および粉塵の除去を備える。これは、一般的には、渦巻き煤塵分離器と上質の粉塵濾過器のうちのどちらかあるいは両方によってなされるであろう。また、代替的に、あるいはこの煤塵除去処理に加えて、第１段および／または第２段および第３段の水蒸気改質キルンのいずれかを出る前に、本発明の処理工程はシンガスから（シンガスの流動により飛沫同伴される）煤塵と粉塵を内部分離することも含む。内蔵の分離器は、収束する円筒状導管内の固定翼車によって生成される、内部で生成された強力な渦巻き動作を利用する。内蔵のガス旋回翼車を有する集中円筒管のこの出口を通って引き出されるシンガスは、この出口円筒を通って引き出されたシンガスよりも高濃度の粒子の分離を可能にするため、渦巻き遠心力を生成する。出口円筒の長さに沿って最大限の効果が得られるように配置された溝孔は、水蒸気改質キルンを出るシンガス流から粒子を分離するのに十分な渦巻き動作によって伝えられる放射状の運動量をもって、これらの粒子の排出に供する。この内蔵分離装置は、一般的に円筒状のコンテナであり、水蒸気改質回転ドラムから分離している。

炭素質チャーは、第１段キルン内の不活性固体スラグから分離されて、炭素質チャーを、水蒸気改質反応により実質的にＣＯとＨ_２と同量からなるシンガスへの変換を完了するために、残留炭素をおおよそ８５０℃から９５０℃（あるいは必要とあればより高温）の高い改質温度まで加熱する第３段水蒸気改質ロータリキルンに（ｘモルの余剰Ｈ_２Ｏを加えて）送り込まれる。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ＋ｘＨ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２＋ｘＨ_２Ｏ （１）

その代わりに、炭素質チャーは、蒸気ボイラ用の加熱燃料あるいは水蒸気改質の２つの前段の１つのための加熱燃料として直接利用してもよいし、製品販売用に直接利用してもよい。

必要であれば、第３段からの流出物は、第３段からの流出物が精製され得るように上述第２段に送り出されることができる。しかしながら、第３段から流出するシンガスは一般的に第１段のシンガスよりも相当に清浄であり、精製は必要ないかもしれないし、そこでは炭素質チャーは残渣の残余から効果的に分離されている。

また、好ましくは、この多段処理工程は、シンガスと固体物を冷却しながら有効なエネルギーを捕捉するための熱除去を含む。２つの冷却機構は第２および第３段それぞれの下流に別けて独立に実施されることがあり、あるいはこれら別々の段からのシンガス混合流の下流で実施されることもある。これらの熱回収装置は（タービンによる蒸気発生を利用して）電気エネルギーを生成するように使用されることができ、あるいは単純に、キルン燃焼用空気の加熱用もしくは予熱用および／または投入ＣＭの予熱用の熱エネルギーを捕捉することができる。

続いて起こる処理のための特定のシンガス清浄化を施すために、不安定な酸性物質や金属蒸気もしくは他の毒物／有害物質を除去するための吸収剤層または同等の技術を使用してシンガスの最終清浄を実行するよう、多段水蒸気改質処理工程は、清浄装置を任意に含むことがある。この吸収剤層清浄システムは、典型的に煤塵および粉塵除去の下流に配置され、典型的に熱回復装置の上流または下流のいずれかに（吸収剤層原料の感温性および不安定で有害なガスの効果的除去に対する温度依存性次第で）配置される。

水蒸気改質処理工程が、Ｈ_２とＣＯからなるシンガスを生成することは評価されるであろう。できるかぎり高いＨ_２／ＣＯ比率でシンガスを生成することが望ましい。その理由は、Ｈ_２が商品としてより価値があり、ＣＯよりもクリーンエネルギーに変換することが容易である点にある。地球温暖化が懸念されているが、炭素は大気に放出されるよりも隔離される方が好ましい。このことは、ＣＯの取り扱いをより厄介にする。

ここに、Ｈ_２／ＣＯ比率を最大にするための２つの方法がある。第１の方法は、水蒸気改質処理工程に投入するものとして、（理論量以上の）過剰な水分を投入することである。この方法は、均等にたくさんの追加のＨ_２とＣＯ_２を生成する。追加の清浄なＣＯ_２は分離され隔離される。第２の方法は、水蒸気改質処理工程に投入するものとして、メタン（特に埋め土メタンを含む）を投入すること、あるいは、廃油を含むその他水素に富む物質を投入することである。

水蒸気改質処理工程への過剰な水分と水素に富む炭化水素の付加は、水蒸気改質キルン内の炭素と酸素の比率に比べて水素の比率を押し上げる。これは、同様に、より高いＨ_２／ＣＯ比率を生成する。過剰な水分の主な役割が、水蒸気改質をできるだけ１００％近く成し遂げるための水蒸気の十分な供給にあることは全く確実である。正規組成を超える過剰な水分の水蒸気改質変換は、ＣＯをＣＯ_２とＨ_２に変換する結果をもたらす。これは、改質されたＨ_２／ＣＯ比率を生成するだけでなく、追加のＣＯ_２をも生成する。一般的に、Ｈ_２／ＣＯ比率を改質するこの方法は、エネルギーの損失を被り、ＣＯ_２を隔離するための追加の特別な処理を要求するので、敬遠される。ＣＯ_２を隔離するこの方法の長所は、混合シンガスが比較的清浄で、ＣＯ_２がこの場合シンガスの大きな割合を占めていること、およびこれによってＣＯ_２の効果的な分離と隔離を可能にするということである。

水蒸気改質処理工程への投入としてのメタンの有用性からすれば、また好ましくは、本発明は埋め土のメタンの使用を意図する。水蒸気改質プラントは埋め立て地の近辺で、隣接して、あるいはそこに建設され得るので、これは都合がよい。埋め立て地は、ＣＭ源としてだけでなく、埋め土のメタン源として役割を果たすことができる。

上述水蒸気改質処理工程の生産物に対して、たくさんの有利な用途がある。これらは以下に列挙される。例えば、シンガス（Ｈ_２＋ＣＯ）の一部またはすべては、燃料電池に投入され得る。燃料電池は、酸化反応を擁する。Ｈ_２＋ＣＯのシンガスの場合に、液体炭酸燃料電池または固体酸化物燃料電池のような燃料電池が使用されることが好ましい。なぜなら、このような燃料電池はＨ_２とＣＯのどちらにも作用できるからである。Ｈ_２に関して、Ｈ_２Ｏに加えてエネルギーを生成するために、ガスは酸化される。ＣＯの場合、燃料電池はＣＯ_２に加えてエネルギーを産出する。

また、シンガス（またはその一部）は、精選され合成された炭化水素生成物、例えばメタノール、エタノール、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびこれらの同等物を生成するために、ガス液体燃料化（“ＧＴＬ”）合成プラントに供給されることができる。

ＧＴＬからの過剰なＣＯ_２および水蒸気、あるいは燃料電池からのＣＯ_２および水蒸気は、相乗的に配置された温室に向けられ得る。これは、環境に有益な方法で炭素を隔離する結果をもたらす。同時に、温室内の果物、野菜、またはその他農産物、園芸作物、林産物の成長が向上する。また、ＣＯ_２は捕捉され、他の商業用使用に用いられてもよいし、あるいは有益な副生成物の生産のための変換処理工程に導入されてもよい。

シンガス生産物からの水素は、容易に抽出され、販売または所望の用途のために使用されることができる。

シンガスのＣＯは、水性ガス転化反応キルンに送り込まれることができるが、そこでは下記のような反応が起こる。
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＋ｘＨ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２＋ｘＨ_２Ｏ
また、シンガスがプラントに送り込まれるとき、典型的にＧＴＬ合成プラントは使用されない過剰なＣＯを産出物として有するであろう。さらにまた、この追加のＣＯは、水性ガス転化反応キルンに供給されることがあり、あるいは燃料電池に供給されることもあり、商品として販売されることもある。ＣＯ_２が上述の通り（相乗効果的に配置された温室に供給することによって）隔離されている間に、水性ガス転化反応キルンからのＨ_２は上述の通り燃料電池に供給されることができる。

一方、上述の水蒸気改質処理工程のうちのいずれかからのＣＯおよび／またはＨ_２は、電気エネルギーの生成のために蒸気ボイラ／蒸気タービンおよび／または燃焼機関に供給されることができる。換言すれば、ＣＯおよびＨ_２に対するさまざまな別々のおよび／または同時の使用、すなわち、ＧＴＬ変換、商品としての販売、燃料電池に対する燃料および／またはガスタービンおよび／または蒸気電動発生装置に対する燃料への使用があり得る。

上述の燃料電池の使用は、その燃料電池に対する燃料の一定した供給が求められる。換言すると、燃料の供給が一定ではなく、中断したりあるいは時々途切れたりすれば、さまざまな問題が起こる。シンガスの生成は中断されるかもしれないので、天然ガスあるいは適切に清浄な埋め土ガスが燃料電池に一定に供給され得る。

この天然ガスまたは埋め土ガスのいくつかは、水蒸気改質キルンに転用されることができる。好ましくは、天然ガスのほとんどは、上述のシンガスの水素含有率を高めるために、水蒸気改質キルンに供給されるであろう。しかしながら、ＭＳＷ変換からの通常のシンガス生成が中断されるならば、一定の燃料供給を維持するために天然ガスが直接、燃料電池に送られる自動迂回路があるだろう。

埋め土のメタンは、埋め立て地の近辺あるいは直接そこに相乗的に配置された水蒸気改質処理工程によって、燃料電池に対する燃料の一定供給を確保するために、天然ガスの代わりに使用され得る。また、埋め土のメタンは水蒸気改質キルンを加熱することにも使用され得る。

生成物シンガスそれ自身の一部は、１つまたはそれ以上水蒸気改質キルンを加熱することに使用されることができる。

図１は、単流１段処理工程の好適な実施の形態の概略図である。投入されるＣＭ１は、オーガーまたはスクリューコンベヤ２の中に継続的に送り込まれ、破砕機４で破砕される。ＣＭは、水蒸気改質ロータリキルン９に送り込まれる前に、予熱機または回転ドラム乾燥機６を通過することによって任意に予熱されることがある。これは、次の１つまたはそれ以上の機能を果たす。すなわち、ＣＭから過剰な水分を除去すること、水蒸気を生成すること、水蒸気改質反応の準備のために破砕されたＣＭを（およそ２５０℃まで）暖機運転することである。必要であれば、補充の水分および／または蒸気５が破砕されたＣＭに付加される。前述したとおり、水蒸気改質キルン９に送り込むＣＭから空気（特に、酸素と窒素）を除去するために、高温の水蒸気を継続的に供給することは有益である。予熱機６は、過剰の水蒸気を放出するために、１つまたはそれ以上の燃焼ガス排気口７および１つまたはそれ以上の水蒸気排気口８を備える。次に、ＣＭは水蒸気改質キルン９に送り込まれ、外部から加熱される。いずれかのハロゲン化合物と反応して、それによってＣＭからハロゲンを除去するために、商業用石灰１０が水蒸気改質キルンに付加される。ＣＭは、およそ６５０℃ないし１１００℃あるいはＣＭの仕上がり具合に応じて必要であればより高温で、水蒸気改質キルン９内で加熱されて、改質されたシンガス１１に対する水蒸気改質反応を介して実質的な完全変換を受ける。改質されたシンガスは、例えば、それぞれ煤塵１６および粉塵１７を除去するために、渦巻き状の塵分離器１４および／または上質の粉塵濾過器１５にかけられて、任意でさらに精製されることがある。水蒸気改質後に残された不活性固体スラグまたはキルン残渣１２は、開始時の投入されるＣＭ１の容積のおよそ２％を示す。これらの精製装置から分離された塵１６、１７は、キルン残渣１２と結合され、全残渣不活性廃棄物１８を作り上げる。

高温で精製されたシンガスは、（タービンによる蒸気発電を用いて）電気エネルギーを生成するのに使用されたり、あるいは単純に熱エネルギーを捕捉しシステム内での加熱に再利用されるために、冷却機構１９に通されることがある。例として、冷却機構１９および２１は、水蒸気改質ロータリキルン９に対する燃焼空気を予熱するために予熱機６の中で使用する熱エネルギーを捕捉するために利用されるであろう。これによって、プラントの効率は改善される。生成物シンガス２０は、前述の多くの異なる方法で使用されるであろう。

図２は、図１の単流１段水蒸気改質処理の簡単な概略図である。図示のように、投入されるＣＭ１は、水蒸気改質ロータリキルン９に送り込まれる前に、予熱機６の中で予熱される。ＣＭはおよそ６５０℃ないし１１００℃まで（典型的にはこの範囲のより高温域まで）水蒸気改質キルン内で加熱され、水蒸気改質反応を受ける。いったん、水蒸気改質処理が終了すれば、改質ガス１１は、必要な場合に追加の精製および／または清浄に送られる。キルン残渣１２は、水蒸気改質キルン９から除去される。

図３は、複流多段処理水蒸気改質工程のある実施の形態の簡単な概略図である。投入されるＣＭ１は、ＣＭをおよそ５５０℃ないし６５０℃まで加熱する第１段の水蒸気改質キルン２５に送り込まれる。ＣＭは、第２段の“含塵”ガス流２６および第３段の固体物流２７を形成するための第１段水蒸気改質反応を受ける。この改質温度で、ＣＭ内の金属物質はほとんど損なわれず（気化されず）、固体物流２７の残渣炭素質チャーに残留する。含塵ガス流の生成物は、第２段の水蒸気改質固定キルン２８を通り、ここでこれらのガス化生成物のシンガス１１への変換を終えるため、８５０℃ないし１１００℃（必要であればより高い温度）に加熱される。固体物流２７内の炭素質チャーは不活性固体スラグまたはキルン残渣２９から分離される。分離された炭素質チャー３０は製品販売のために直接利用されるかもしれない。

図４は、図３に示される複流多段処理水蒸気改質工程の代替の実施の形態の簡単な概略図である。この応用例では、分離された炭素質チャー３１は、高い改質温度で水蒸気改質を受けるためにガス流の生成物とともに、第２段の水蒸気改質ロータリキルン２８ａに送り込まれる。（この応用例における第２段改質キルン２８ａは、固体炭素供給原材料を処理するために、ロータリキルンでなければならないであろう）。

図５は、図３に示される複流多段処理水蒸気改質工程の別の実施の形態の簡単な概略図である。この応用例では、分離された炭素質チャー３２は、第３段の水蒸気改質ロータリキルン３３に送り込まれ、シンガス３４の中の炭素質チャーの改質を終えるためにおよそ８５０℃ないし９５０℃（必要であればより高い温度）に加熱される。（この応用例における第３段改質キルン３３は、固体炭素供給を処理するために、ロータリキルンでなければならないであろう）。

本発明の好適な実施の形態の概略図を示す。 単流１段処理工程の概略図を示す。 複流多段処理工程の一実施の形態の概略図を示す。 複流多段処理工程の別の実施の形態の概略図を示す。 複流多段処理工程の別の実施の形態の概略図を示す。

Claims (15)

1. 炭素質原料を合成ガスに水蒸気改質するための方法であって、
   水蒸気改質ロータリキルンの中に炭素質原料の投入量を送り込むことと、
   前記水蒸気改質ロータリキルンを使用して前記炭素質原料を撹拌することと、
   水分または水蒸気の存在の下で約６５０℃から１１００℃までの高い改質温度まで、前記ロータリキルン内で前記炭素質原料を加熱することと、
   合成ガスと最小限の不活性固体スラグを形成するために、前記炭素質原料が水蒸気改質反応によっておおよそ完全な変換を受けるように、前記炭素質原料を改質することと、
   を備える方法。
2. 前記水蒸気改質ロータリキルンは外部加熱される、請求項１に記載の方法。
3. 前記水蒸気改質ロータリキルンの中に送り込まれる前に、予熱機に前記炭素質原料を通すことにより前記炭素質原料を予熱または乾燥するステップを備える、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記炭素質原料は、オーガーまたはスクリューコンベヤを使用して前記水蒸気改質ロータリキルンの中に継続的に送り込まれる、請求項１に記載の方法。
5. 前記炭素質原料の中に存在するハロゲンと反応し除去するように、商業用石灰および／または重炭酸ソーダが、前記水蒸気改質ロータリキルン内の前記炭素質原料に加えられる、請求項１に記載の方法。
6. 前記水蒸気改質ロータリキルンの中にスクリューオーガーを経由して送り込まれるＣＭから空気を除去するため、高温の水蒸気が、前記ロータリキルン送り込みホッパの基部に継続的に送り込まれる、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
7. すべての前記ＣＭをシンガスに変換するため、および前記蒸気反応の間に形成される前記合成ガスのＨ_２／ＣＯ比率を最大にするため、前記水分または水蒸気が十分過剰に（理論量以上に）存在する、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
8. 前記炭素質原料はメタンである、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
9. 前記炭素質原料は、近接にまたは相乗的に位置する埋め立て地から得られる埋め土メタンである、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
10. 炭素質原料を水蒸気改質するための方法であって、
    第１段の水蒸気改質ロータリキルンの中に炭素質原料の投入量を送り込むことと、
    前記第１段の水蒸気改質ロータリキルンを使用して前記炭素質原料を撹拌することと、
    水分または水蒸気の存在の下で約５５０℃から６５０℃までの金属物質が気化するであろう改質温度まで、前記第１段のロータリキルン内で前記炭素質原料を加熱することと、
    炭素質チャー、不活性な固体スラグおよびガス状物質流を含む固体物流を形成するために、前記炭素質原料が水蒸気改質反応を介して部分的な変換を受けるような前記改質温度で前記炭素質原料を改質することと、
    第２段の水蒸気改質キルンの中に前記ガス状物質を送り込み、水蒸気または水分の存在の下で約８５０℃ないし１１００℃の高い改質温度まで前記ガス状物質流を加熱することと、
    合成ガスを形成するために、前記ガス状物質流が水蒸気改質反応を介しておおよそ完全な変換を受けるように、前記高い改質温度で前記ガス状物質流を改質することと、
    直接販売または炭素の隔離のために、前記炭素質チャーを前記不活性な固体スラグから分離することと、
    を備える方法。
11. 炭素質原料を水蒸気改質するための方法であって、
    第１段の水蒸気改質ロータリキルンの中に炭素質原料の投入量を送り込むことと、
    前記第１段の水蒸気改質ロータリキルンを使用して前記炭素質原料を撹拌することと、
    水分または蒸気の存在の下で約５５０℃から６５０℃までの金属物質が気化するであろう改質温度まで、前記第１段のロータリキルン内で前記炭素質原料を加熱することと、
    炭素質チャー、不活性な固体スラグおよびガス状物質流を含む固体物質流を形成するために、前記炭素質原料が水蒸気改質反応を介して部分的な変換を受けるような前記改質温度で前記炭素質原料を改質することと、
    前記不活性な固体スラグから前記炭素質チャーを分離することと、
    第２段の水蒸気改質ロータリキルンの中に前記炭素質チャーおよび前記ガス状物質を送り込むことと、
    水蒸気または水分の存在の下で約８５０℃ないし１１００℃の高い改質温度まで前記ガス状物質流および清浄な炭素質チャーを加熱することと、
    合成ガスを形成するために、前記ガス状物質流および前記炭素質チャーが水蒸気改質反応を介しておおよそ完全な変換を受けるように、前記高い改質温度で前記ガス状物質流と炭素質チャーを改質することと、
    を備える方法。
12. 炭素質原料を水蒸気改質するための方法であって、
    第１段の水蒸気改質ロータリキルンの中に炭素質原料の投入量を送り込むことと、
    前記第１段の水蒸気改質ロータリキルンを使用して前記炭素質原料を撹拌することと、
    水分または蒸気の存在の下で約５５０℃から６５０℃までの金属物質が気化するであろう改質温度まで、前記第１段のロータリキルン内で前記炭素質原料を加熱することと、
    炭素質チャー、不活性な固体スラグおよびガス状物質流を含む固体流を形成するために、前記炭素質原料が水蒸気改質反応を介して部分的な変換を受けるような前記改質温度で前記炭素質原料を改質することと、
    第２段の水蒸気改質キルンの中に前記ガス状物質を送り込むことと、
    水蒸気または水分の存在の下で約８５０℃ないし１１００℃の高い改質温度まで前記ガス状物質流を加熱することと、
    シンガスを形成するために、前記ガス状物質流が水蒸気改質反応を介しておおよそ完全な変換を受けるように、前記高い改質温度で前記ガス状物質流を改質することと、
    前記不活性な固体スラグから前記炭素質チャーを分離することと、
    第３段の水蒸気改質ロータリキルンの中に清浄な前記炭素質チャーを送り込むことと、
    水蒸気または水分の存在の下で約８５０℃ないし１１００℃の高い改質温度まで前記炭素質チャーを加熱することと、
    合成ガスを形成するために、前記炭素質チャーが水蒸気改質反応を介しておおよそ完全な変換を受けるように、前記高い改質温度で前記炭素質チャーを改質することと、
    を備える方法。
13. 炭素質原料を水蒸気改質するための方法であって、
    第１段の水蒸気改質ロータリキルンの中に炭素質原料の投入量を送り込むことと、
    前記第１段の水蒸気改質ロータリキルンを使用して前記炭素質原料を撹拌することと、
    水分または水蒸気の存在の下で約５５０℃から６５０℃までの金属物質が気化するであろう改質温度まで、前記第１段のロータリキルン内で前記炭素質原料を加熱することと、
    炭素質チャー、不活性な固体スラグおよびガス状物質流を含む固体流を形成するために、前記炭素質原料が水蒸気改質反応を介して部分的な変換を受けるような前記改質温度で前記炭素質原料を改質することと、
    第２段の水蒸気改質キルンの中に前記ガス状物質を送り込み、水蒸気または水分の存在の下で約８５０℃ないし１１００℃の高い改質温度まで前記ガス状物質流を加熱することと、
    合成ガスを形成するために、前記ガス状物質流が水蒸気改質反応を介しておおよそ完全な変換を受けるように、前記高い改質温度で前記ガス状物質流を改質することと、
    前記不活性な固体スラグから前記炭素質チャーを分離して、１段および２段の水蒸気改質キルンのうちのいずれかまたはその両方を加熱するための燃料として前記炭素質チャーを使用することと、
    を備える方法。
14. 燃料電池に前記合成ガスを供給する追加のステップを備え、ステップはＨ_２０および／またはＣＯ_２を形成するために前記合成ガスの酸化反応を擁することができる、請求項１、２、１０、１１、１２、１３のいずれかに記載の方法。
15. 相乗的に配置される温室の中にいくらかの過剰ＣＯ_２を送り込むことによって、炭素が引き離され得る請求項１４に記載の方法。

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