JP2022536997A - ガス化反応器およびガス化方法 - Google Patents

Abstract

バイオソリッドをガス化するために提供された大規模な流動床バイオガス化炉。バイオガス化炉は、パイプ分配器を備えた反応器槽と、バイオガス化炉の定常状態運転中に、１日あたり４０トン超および１日あたり平均約１００トンの所望の燃料供給速度で、バイオソリッドを反応器槽の中に供給するための少なくとも２つの燃料供給入口と、を含む。反応器槽内の基部内の流動床は、ガスの空塔速度が０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲になるように、少なくとも目標とする燃料供給速度に比例する断面積を有する。運転中、バイオソリッドは、９００°Ｆ（４８２．２℃）～１６００°Ｆ（８７１．１℃）の温度範囲まで加熱される。【選択図】図２

Description

本出願は、２０１９年６月１８日に出願された米国出願第１６／４４５，１１８号の係属中の一部継続であり、これは、２０１７年１０月５日に出願された出願第１５／７２５，６３７号の継続出願であり、これは、２０１５年１２月１４日に出願された米国出願第１４／９６７，９７３号の一部継続出願、現在の２０１７年１１月７日に発行された米国特許第９，８０９，７６９号であり、これは、２０１２年１月３０日に出願された米国出願第１３／３６１，５８２号の分割出願、現在の２０１６年１月２６日に発行された米国特許第９，２４２，２１９号である。

本発明は、一般に、下水汚泥処理の分野、ならびに特に、下水汚泥からのバイオソリッドの処理に使用するための流動床バイオガス化システムおよび方法に関する。

「Ｓｉｄｅ Ｆｅｅｄ／Ｃｅｎｔｒｅ Ａｓｈ Ｄｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍ」と題されたＤａｖｉｓｏｎらの米国特許第７，７９３，６０１号は、固体有機材料を含む固体燃料をガス化するためのガス化炉について説明している。ガス化炉は、耐火性材料で裏打ちされた内面を有する一次酸化チャンバを含む。一次酸化チャンバの中に固体燃料を送り込むために、側面のうちの１つに入口開口部が設けられている。貯蔵容器が固体燃料を貯蔵し、移送手段が貯蔵容器を入口開口部と接続し、固体燃料を貯蔵容器から入口開口部を通って一次酸化チャンバの中に、上向きに勾配の付いた方向に移送して、一次酸化チャンバの底部にある有機材料を含む固体燃料の上向きに据え付けられた燃料床を形成する。移送手段は、油圧ラムフィーダおよび圧縮管を含み、油圧ラムフィーダは、燃料を貯蔵容器から圧縮管の中に推進し、それによって燃料を圧縮する。一次酸化チャンバの中に酸化剤を送って、固体有機材料をガス化して、ガス状流出物を生成し、それによって固体燃料の残渣を残すための手段が提供される。一次酸化チャンバからガス状流出物を除去するための手段が提供される。一次酸化チャンバの底部内の開口部は、ウォーキングフロアフィーダ（ｗａｌｋｉｎｇ－ｆｌｏｏｒ ｆｅｅｄｅｒ）を含む、残渣を除去するための手段をその下に据え付けている。

Ｃｈｉｌｄｓの米国特許第７，３２２，３０１号は、主として湿った有機材料から構成された炭素質材料を含む湿った下水汚泥または他の供給原料をガス化炉内で加工して、有用な生成物を生成するための方法について説明している。汚泥または供給原料は、最初にガス化炉とは別の位置で熱エネルギーを使用して脱水される。供給原料は、供給原料を破壊し、ガス化炉内で発生炉ガスおよびチャーを生み出すのに必要な温度で存在する少量の酸素または空気で加工される。供給原料加工ステップ中に生成されたいくらかの燃料は、個別の位置に戻って供給される、および燃焼され、供給原料脱水ステップにおいて必要な熱エネルギーを提供し、それによって湿った供給原料を乾燥させるための外部エネルギーについての必要性を最小限に抑えるか、または排除する。

Ｃｏｒｄｅｌｌらの米国特許第６，１２０，５６７号は、固体有機材料をガス化して、ガス状流出物および固体残渣を生成するための方法について説明している。合流する上部部分および底部部分を有する一次酸化チャンバが設けられている。固体有機材料は、一次酸化チャンバの底部部分から上向きに一次酸化チャンバに導入されて、一次酸化チャンバ内に固体有機材料の塊を提供する。固体有機材料の塊は、一次酸化チャンバ内で加熱される。酸化剤を一次酸化チャンバに添加して、一次酸化チャンバ内の固体有機材料の加熱された塊をガス化し、一次酸化チャンバ内でガス状流出物のフローが開始する。一次酸化チャンバ内でガス状流出物流路が確立され、それにより、ガス状流出物の一部分が、加熱された固体有機材料を通って再循環する上向きおよび下向き方向に繰り返し流れて、固体有機材料の連続酸化を増強する。ガス状流出物フローのさらなる部分は、一次酸化チャンバから外向きの方向に進められる。次いで、固体残渣は、一次酸化チャンバから移送される。

小規模および大規模の流動床バイオガス化炉は、バイオソリッドをガス化するために設けられ、大規模バイオガス化炉は、パイプ分配器を備えた反応器槽と、バイオガス化炉の定常状態運転中に、１日あたり４０トン超の所望の燃料供給速度、および平均１日あたり約１００トンの燃料供給速度で、バイオソリッドを反応器槽の中に供給するための少なくとも２つの燃料供給入口と、を含む。反応器槽の基部内の流動床は、ガスの空塔速度が０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲になるように、少なくとも燃料供給速度に比例する断面積を有する。運転中、バイオソリッドは流動床反応器の中に供給され、酸化剤ガスが流動床反応器に適用されて、０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲の発生炉ガスの空塔速度を生成する。バイオソリッドは、流動床反応器の内側で、非化学量論の酸素レベルを有する酸素欠乏環境中で９００°Ｆ（４８２．２℃）～１６００°Ｆ（８７１．１℃）の温度範囲まで加熱され、それによってバイオソリッドがガス化される。ある実施形態では、反応器の内径は、流動床が、異なる運転温度での所望の燃料供給速度、および流動ガス混合物の流量に対して適当に流動化され、さらに媒体がフリーボード区域から突き上げられるときの流動化のスラッギングを阻止することができることを確実にするように構成されている。目標とする燃料供給速度に達するための床区域の内径、フリーボード区域の内径、フリーボード区域の高さ、床の深さ、および床区域の高さを含む、他の要因をバイオガス化炉の設計およびサイズ設定に使用することができる。

ある実施形態では、バイオソリッドをガス化するための方法が提供される。バイオソリッドは、流動床反応器の中に供給される。空気、煙道ガス、純酸素もしくは蒸気、またはそれらの組み合わせからなる流動ガスは、流動床反応器に導入されて、０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲であるガス化炉のフリーボード区域の内側の速度範囲を生み出す。バイオソリッドは、非化学量論レベルの酸素、例えば、典型的には化学量論の４５％未満の酸素レベルを有する酸素欠乏環境において、９００°Ｆ（４８２．２℃）～１７００°Ｆ（９２６．７℃）の温度範囲まで流動床反応器の内側で加熱される。

本発明の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示すような好ましい実施形態の以下のより具体的な説明から明らかであり、参照文字は、様々な図の全体にわたって同じ部分を指す。これらの図面は必ずしも一律の縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を示すことに強調が置かれている。

バイオソリッドについての処理プロセス全体のフローの代替実施形態を示す概略ブロック図である。 本発明のある実施形態による、流動床バイオガス化炉を示す概略側面図である。 本発明のある実施形態による、バイオガス化炉の羽口型ガス分配器を示す斜視図である。 ある実施形態における本発明による、ガス化プロセスの一部を示す概略ブロック図である。 ある実施形態における本発明による、バイオガス化炉の内部寸法の非限定的な例を示す概略側面図である。 ある実施形態における本発明による、バイオガス化炉の内部寸法のより大きくスケールアップし、さらに非限定的な例を示す概略側面図である。 本発明のある実施形態による、より大きくスケールアップした流動床ガス化炉を示す概略側面図である。 本発明のある実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す切り欠き斜視図である。 本発明のある実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す側立面図である。 本発明のある実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す底面図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照し、これらの例を添付の図面に示す。

図１Ａを参照して、バイオソリッドの処理のためのプロセス全体を示す。このプロセスは、湿った下水汚泥から含水量を除去するための脱水ユニット１から始まる。脱水は、例えば、ベルトフィルタープレス、プレートアンドフレームプレス、および／または遠心分離機を含む一体化技術を利用して、脱水ユニット１で達成することができる。ポリマーの特定の体積およびブレンドを特定の用途によって使用して、材料を軟凝集させ、プロセス全体における次のステップの前に最も効率的な脱水率を得るのに役立つ。

次いで、材料を貯蔵庫１および貯蔵庫２の中に供給することができ、これらは、適切に段階化された体積の脱水ケーキがパイプライン内に維持されて、乾燥機内での連続プロセスを確実にするように、サイズ設定することができる。貯蔵庫は、ロードセルまたはレベルセンサを通して制御することができ、バイオソリッドの水分は、最適な制御および性能出力を確実にするために、予備乾燥Ｉの乾燥機運転の途中で常に測定することができる。

次いで、予備乾燥機ユニット３は、凝縮物と、バイオソリッド乾燥機からの典型的には２１５°Ｆ～２４０°Ｆの蒸気と、を取り、それを使用して、乾燥機に入る前にバイオソリッドを予熱する。この予備乾燥機供給ループ６は、その後乾燥機が必要とするエネルギーの量と、バイオガス化炉から熱流体ループへの需要と、を最小限に抑える。

次いで、バイオソリッドは、連続供給スクリュー型バイオソリッド乾燥機からなり得るバイオソリッド乾燥機４に供給される。バイオソリッド乾燥機は、結合したガス化燃焼システムから生成された熱エネルギーを、乾燥プロセスで使用するための主要なエネルギー源として利用することができる。次いで、煙道ガスは、熱交換器を通り抜けることができる。加熱された煙道ガスからのエネルギーは、気液熱交換器を通って熱加熱流体の中に搬送することができる。この熱流体は、乾燥機のチャンバを通して「間接的に」再循環され、エネルギーをバイオソリッドに搬送し、それによって生成物を乾燥させることができる。熱交換器への煙道ガスの温度は、乾燥システムのための一貫した熱源を維持するために、誘引ファンおよび希釈ファンの使用を通して制御することができる。

臭気制御区域５は、多数の種類の臭気制御技術を利用して、プロセスの外側で浮遊し、潜在的に有害になり得るすべての汚染物質を抽出する。

乾燥バイオソリッド貯蔵庫７は、バイオソリッド乾燥機４とバイオガス化炉供給システム８との間に設けることができる。乾燥バイオソリッド貯蔵庫７は、適切に段階的な体積の燃料を維持することができることを確実にするようなサイズ設定にすることができる。これにより、バイオガス化炉における連続プロセスを確実にする。貯蔵庫７は、ロードセルまたはレベルセンサを通して制御されて、最適な制御および性能出力を確実にすることができる。

バイオガス化炉供給システム８は、バイオソリッド燃料のバイオガス化炉への送達を計量するように構成することができる。一実施形態では、供給システム８は、この目的のために、バイオガス化炉床の中に２つの計量スクリューおよび高速注入スクリューを含む。

バイオガス化炉供給システム８は、バイオガス化炉ユニット９を供給する。ある実施形態では、バイオガス化炉ユニット９は、カスタム流動ガス送達システムおよび多数の機器制御部を備えた気泡流動床型のものである。バイオガス化炉ユニット９は、最適な運転のために、連続的に運転し、灰を排出し、煙道ガスをリサイクルする能力を提供する。バイオガス化炉９は、温度、反応速度、およびバイオソリッド燃料の発生炉ガスへの変換の最適な制御を提供するように設計することができる。

バイオガス化炉内の温度のための制御機構は、燃料供給速度に対して酸素含有量を調整し、したがって反応温度を調整するためのシステムの能力に基づくことができる。ある実施形態では、バイオガス化炉は、定常状態運転中に、９００～１７００°Ｆの温度範囲内で運転する。別の実施形態では、バイオガス化炉は、定常状態運転中に、１１５０～１６００°Ｆの温度範囲内で運転し、１１５０°Ｆを下回ると、発生する反応が限定され、１６００°Ｆを上回ると、バイオソリッドで非常に顕著な凝集問題になることが判明しているため、この範囲が非常に好ましい。酸素は、ガス化プロセスを持続するために必要な化学反応を促進する反応物である。

サイクロン分離器１０は、流動床反応器から放出された材料を分離して、清浄な発生炉ガスおよび処分用の灰を生み出すために提供することができる。ある実施形態では、サイクロン分離器１０は、９５％を超える微粒子除去およびガス浄化を確実にするのに効率的である。

バイオガス化炉９およびサイクロン分離器１０の両方からの灰排出物１１は、輸送するのに安全である。そのような灰排出物は、処分され得るか、またはリンの回収および使用などの商業的用途において価値を提供し得る。

段階的燃焼熱酸化機１２は、サイクロン分離器１０からの清浄な発生炉ガスの熱酸化のために設けることができる。このプロセスを使用して、システム内のエネルギーとして使用される熱を発生させて、例えば、部分的または全体的にバイオソリッド乾燥機４を動作させることができる。熱酸化機は、空気を導入するためのポートを備えた耐火物で裏打ちされた鋼ユニットであり、発生炉ガスと空気との均質な混合を進め、結果として生じる塊を燃焼させることができる。発生炉ガスは、バイオガス化炉９から熱酸化機１２に送達され、ここで発生炉ガスは、負圧下での多段階プロセスにおいて反応する。各段階では、温度および酸素含有量が厳密に制御され、その結果、発生炉ガスが非常に清浄で低ＮＯｘの高品位煙道ガス流に変換され、上記のように、システムの中に戻るエネルギー入力として熱を発生させるために回収し、使用することができるか、または他の商業的使用のためにシステムから出力することができる。

段階的燃焼熱酸化機１２からの排気を制御するために、排気制御１３が設けられている。排気制御１３は、排気制御化学物質が燃焼段階の後に挿入されて、出て行く空気流内のＮＯｘレベルを低減する注入／霧化点を含み得る。排気制御化学物質は、アンモニア水および尿素のうちの１つまたは組み合わせのいずれかであり得る。

バイパススタック１４は、監視制御およびデータ取得（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＳＣ ＡＤ Ａ）システムを介して制御されるように、システム内で緊急事態が起こった場合に、高温煙道ガスおよび／または熱エネルギーを放出するために利用することができる。

エネルギーの最終使用に依存して、熱エネルギーが搬送される媒体は、熱油、熱風、熱湯、蒸気などであり得る。このプロセスは、高温煙道ガスから別の媒体へと熱エネルギーを移送する高効率熱交換器の使用を通して達成される。この変換された媒体を使用して、選択した回収システムにエネルギーを提供することができる。ガス化燃焼プロセスに続くエネルギー回収は、バイオソリッド中のエネルギーを利用し、バイオソリッドを乾燥させるために化石燃料を使用する必要性を低減するか、または排除する。これにより、開示されたガス化システムは、バイオソリッド管理に対するエネルギー効率が高く、環境に優しい解決法になる。

第１の熱交換器１５は、段階的燃焼熱酸化機１２から加熱された煙道ガスを受け取る。第１の熱交換器１５は、気液型熱交換器であり得る。加熱された煙道ガスからのエネルギーは、第１の熱交換器１５を通って熱加熱流体に搬送することができる。この熱流体は、乾燥機のチャンバを通して再循環され、熱エネルギーをバイオソリッドに間接的に搬送し、それによって生成物を乾燥させることができる。第１の熱交換器１５からバイオソリッド乾燥機４までの熱流体ループ１６は、エネルギー回収システムがその主要なエネルギー源として熱酸化機からの加熱された煙道ガスを利用することを可能にする。

第２の熱交換器１７は、追加のエネルギー回収流（典型的には、廃棄される）を利用し、最適な性能効率のためにエネルギーをプロセスに戻す。この実施形態における第２の熱交換器１７は、リサイクル煙道ガスループ１８専用である。開示されたガス化システムのための酸素源は、空気もしくは煙道ガス、またはそれらの混合物から由来するように設計することができる。ある実施形態では、開示されたシステムは、周囲空気の約５０％の酸素含有量を有する再循環煙道ガスを介して酸素が導入され得るように構成されている。周囲空気および煙道ガスの両方を酸素源として利用できるようにすることにより、酸素伝達に一定レベルの柔軟性を提供し、バイオガス化炉９の温度をより精密に制御するためにさらに使用することができる。

流動空気流への煙道ガスの投入は、特に低燃料供給速度の運転条件中、粒子をバイオガス化炉９から、かつサイクロンの中に輸送するのに必要なガス速度のいくらかを提供する。

第３の熱交換器１９を設けて、典型的には他のプロセスで廃棄される追加のエネルギー流を取り、それらをプロセスに再挿入して、性能効率を高めることができる。ある実施形態では、熱交換器１９は、熱酸化機への熱風供給２０専用である。酸化機の空気を含む熱風供給２０は、（段階的燃焼空気リングを介して）酸化機に注入される空気の加熱を提供し、これにより、プロセスを通した全体的な効率および燃焼能力が補助される。

排気制御デバイス２１を使用して、燃焼サイクルから結果的に生じるＳ０２およびＨＣｌなどの煙道ガス流から酸性ガスを除去することができる。この排気制御デバイスは、乾式注入システムまたは乾式噴霧吸収システムの形態であり得る。ある実施形態では、これらのシステムは、多数の区域またはデバイス：吸着剤スラリーを発現させるために乾燥吸着剤媒体を液体とブレンドするためのデバイスもしくは乾燥吸着剤を直接組み込むためのデバイス、上記収着剤スラリーもしくは乾燥収着剤を計量して煙道ガス流に注入するためのデバイス、吸着剤への酸性ガスの効率的な吸収を可能にする煙道ガス流の流量を制御するためのデバイス、沈殿した乾燥反応生成物（酸性ガスおよび吸着剤スラリー）を除去するための収集槽、または吸収された乾燥反応生成物、もしくは煙道ガス流内に残っている残渣（乾式噴霧吸収器または乾式注入システムの下流）を捕捉するための二次システム（バグハウス）からなり得る。

バグハウス２２は、煙道ガスから残りの微粒子を濾過するために設けることができ、パルスジェッ型のバグハウスを備えることができる。バグハウスに入る煙道ガスは、バグハウス内のバッグを通して微粒子をろ過することによって浄化される。空気の高圧噴射を使用して、バッグから粉塵を除去する。その急速な解放により、空気の噴射は汚染された煙道ガスフローを妨げない。したがって、パルスジェットバグハウスは、出て行く煙道ガスを浄化する際に高い効果で継続的に運転することができる。

清浄な煙道ガススタック２３は、プロセスからの通常の出口点と、一定の規制遵守を維持するために利用することができる多くの排気試験点のうちの１つと、を設けている。

ＳＣＡＤＡシステムを利用して、バイオガス化システムのすべての態様に対する完全なプロセス制御を確実にすることができる。そのため、典型的な熱電対、圧力計器、レベルスイッチ、ガス分析、水分計量、流量計、およびプロセス計装を使用して、「リアルタイム」フィードバックと、最適かつ効率的な運転を確実にするアクチュエータの自動調整と、を提供する。

図１Ｂは、図１Ａのフロー図全体の代替実施形態を示す。この実施形態では、図１Ａの実施形態にあるように、３つではなく、２つの熱交換器が利用される。この実施形態によれば、第２の熱交換器１７は、追加のエネルギー回収流（典型的には、廃棄される）に利用され、最適な性能効率のためにエネルギーをプロセスに戻すことができる。第２の熱交換器１７は、バイオガス化炉の酸化剤空気およびガス予熱器として使用することができる。開示されたガス化システムのための酸素源は、空気もしくは煙道ガス、またはそれらの混合物から由来するように設計することができる。ある実施形態では、開示するシステムは、独立してまたは混合構成で、バイオガス化炉の酸化剤空気およびガスがガス化システムの性能効率をさらに最適化するためのエネルギー回収手段として予熱され得るように構成することができる。

図２は、気泡型流動床ガス化炉２００のある実施形態を示す。一実施形態では、気泡流動床ガス化炉２００は、標準ガス化炉システム２００の拡張部としてフィーダシステム（図示せず）に動作可能に接続された反応器２９９を含む。一実施形態では、ガス化炉２００は、反応器槽２９９を含む。限定されるものではないが、石英砂などの流動媒体床２０４Ａは、反応器床区域２０４と呼ばれる反応器槽の基部にある。一実施形態では、流動砂は、１１５０～１６００°Ｆの温度を有する区間である。反応器床区域２０４の上方に位置するのは移行区域２０４Ｂであり、移行区域２０４Ｂの上方に位置するのは反応器槽２９９のフリーボード区域２０５である。空気、煙道ガス、純酸素もしくは蒸気、またはそれらの組み合わせからなる流動ガスは、流動床反応器２９９に導入されて、０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲であるガス化炉２００のフリーボード区域２０５の内側の速度範囲を生み出す。バイオソリッドは、非化学量論レベルの酸素、例えば、典型的には化学量論の４５％未満の酸素レベルを有する酸素欠乏環境において、９００°Ｆ～１７００°Ｆの温度範囲まで流動床反応器の内側で加熱される。

流動気泡床ガス化炉２００の反応器流動床区域２０４は、砂（例えば、石英またはかんらん石）であり得る流動媒体２０４Ａ、または業界で知られている他の任意の好適な流動媒体で充填されている。限定されるものではないが、汚泥などの供給原料は、４０～２５０°Ｆで燃料供給入口２０１を通して反応器床区域２０４に送られる。一実施形態では、供給原料は、２１５°Ｆで燃料供給入口２０１を通して反応器床区域２０４に送られ、気泡床内のガス入口２０３は、限定されるものではないが、例えば空気などの酸化剤ベースの流動化ガスを受け取る。一実施形態では、空気は、約６００°Ｆである。空気は、濃縮空気、または空気とリサイクル煙道ガスとの混合物などであり得る。空気の種類および温度は、特定の供給原料用のガス化流動化および温度制御要件によって決定される。流動化ガスは、図３および８Ａ～Ｃに示すようなガス分配器を介して気泡床に供給される。酸素モニター２０９は、流動化ガス入口２０３と通信して設けられ、ガス化プロセスにおける酸素レベルの制御に関連して酸素濃度を監視することができる。反応器槽２９９の側面に位置する勾配付きまたはオーバーファイア天然ガスバーナ（図に示さず）は、ポート２０２を介して天然ガスと空気との混合物を受け取る。一実施形態では、天然ガス空気混合物は７７°Ｆであり、これを求めてガス化炉を起動し、流動床媒体２０４Ａを加熱することができる。ガス化反応を自立させるための最低発火温度に達するとき（約９００°Ｆ）、天然ガスが遮断される。ビューポート２０６および媒体充填ポート２１２も提供される。

一実施形態では、フリーボード区域２０５は、流動床区域２０４とガス化炉反応器槽２９９の発生炉ガス出口２１０との間に設けられている。バイオソリッドが熱分解し、流動床媒体区域（または砂区間）内で発生炉ガスに変わり、次いで反応器槽２９９を通って上昇すると、流動床区域２０４内の流動媒体２０４Ａは、粒子離脱区間としても知られ、そのように呼ばれているフリーボード区域２０５内の発生炉ガスから引き離される。サイクロン分離器２０７を設けて、流動床反応器２９９から放出された材料を分離し、その結果、回収用の清浄な発生炉ガスが得られ、代替として使用または処分のために、灰をサイクロン分離器２０７の底部から出すことができる。

灰ふるい２１１は、底部灰除去のためにガス化炉槽の下方に適合することができる。灰ふるい２１１をふるい分けデバイスとして使用して、任意の大きく不活性の、凝集した、または重い粒子を除去することができるため、流動媒体および未反応チャーをガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。一実施形態では、限定されるものではないが、摺動バルブを開放するための機構２１４によって動作する摺動バルブ２１３などのバルブは、灰を収集するために灰ふるい２１１の真下に位置している。一実施形態では、第２のバルブ２１３および動作機構２１４（図示せず）もまた、同じ目的のためにサイクロン分離器２０７の下方に位置している。これは、任意の大きく不活性の、凝集した、または重い粒子を除去するためのふるい分けデバイスとしてあるため、流動媒体および未反応チャーをガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。一実施形態では、灰ふるい２１１は、当業者に知られている一般的な固体除去デバイスであり得る。別の実施形態では、灰ふるい２１１は、オーバーフローノズルの使用によって置き換えられるか、またはそれと組み合わされ得る。

発生炉ガス制御部２０８は、発生炉ガス中の酸素および一酸化炭素レベルを監視し、それに応じてプロセスを制御する。一実施形態では、ガス化供給システム（図示せず）は、流動燃料入口２０１を通してガス化炉反応器２９９を供給する。一実施形態では、ガス化炉ユニット２００は、カスタム流動ガス送達システムおよび多数の機器制御部を備えた気泡流動床型のものである。ガス化炉反応器２９９は、最適な運転のために、連続的に運転し、灰を排出し、煙道ガスをリサイクルする能力を提供する。ガス化炉反応器２９９は、供給速度、温度、反応速度、および様々な供給原料の発生炉ガスへの変換の最適な制御を提供するように設計することができる。

数多くの熱電対プローブ（図示せず）がガス化炉反応器２９９内に配置されて、ガス化炉全体にわたる温度プロファイルを監視する。いくつかの熱プローブは、ガス化炉レクター（ｒｅｃｔｏｒ）２９９の流動床区域２０４内に配置されるが、他の熱プローブは、ガス化炉のフリーボード区域２０５内に配置される。流動床区域２０４内に配置された熱プローブは、床温度を監視するために使用されるだけでなく、流動媒体の床内で一定の温度プロファイルを維持するためにポート２０２を介してガス化炉空気システムに結合される制御点でもある。床区域２０４にわたる圧力差、およびフリーボード区域２０５内のガス化炉の運転圧力を監視するためにガス化炉システム２００内に配置され得る数多くの追加の制御機器およびセンサもある。これらの追加の機器を使用して、ガス化炉内の条件を監視し、同様に他の補助装置およびプロセスを制御して、ガス化炉内の所望の運転条件を維持する。そのような補助装置およびプロセスの例としては、限定されるものではないが、サイクロン、熱酸化機、ならびに再循環煙道ガスシステムおよび空気送達システムが挙げられる。これらの制御機器およびセンサは業界でよく知られているため、示していない。

図３は、本発明の実施形態による、バイオガス化炉のガス分配器３０２を示す切り欠き斜視側面図を示す。煙道ガスおよび空気入口２０３は、煙道ガスおよび空気をノズル３０１のアレイに供給する。ノズルの各々は、ノズルを出るガスが反応器床区域２０４（図２）内の流動床へと押し上げられる前に、最初に下向きに方向付けされるように、キャップ３０３の内側にある下向きに方向付けされたポートを含む。ガス化炉の下の任意選択の灰ふるい２１１をふるい分けデバイスとして使用して、任意の凝集粒子を除去することができるため、流動媒体および未反応チャーをバイオガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。また、限定されるものではないが、例えば、空気などの酸化剤ベースの流動化ガスを受け取る気泡床内のガス入口２０３の切り欠き図も示している。

ここで、図１Ａ～Ｂ、２、および４Ａ～４Ｂを参照して、バイオガス化炉の起動および運転について説明する。この例は、９０％固体で１，１６８ポンド／時のバイオソリッドの供給速度に基づいている。

バイオガス化炉の起動
インラインまたはオーバーファイアの天然ガスバーナが点火され、天然ガスと混合されたガス化炉の空気のスリップ流が燃焼され、流動床の頂部に方向付けされて、耐火物を裏打したバイオガス化炉反応器を加熱する。

流動媒体および流動ガスが熱くなるにつれて、床が昇温し始め、流動化はより活発になる。

次いで、天然ガスバーナからの高温ガスは、バイオガス化炉の上部区域の中かつサイクロンの中を通過する。これにより、これらの構成要素の耐火物の昇温が始まる。

誘引通風ファンがオンになり、高温ガスは、酸化機の中に、熱交換器を通って、洗浄システムの中に、かつスタック上に引き込まれる。これにより、プラントの昇温プロセスが継続される。

このプロセスは、バイオガス化炉の床温度が９００°Ｆを上回り、サイクロンおよび酸化機内の耐火物温度が少なくとも６００°Ｆになるまで継続される。

次いで、煙道ガスリサイクル送風機がゆっくりと開始され、追加の流動ガスがバイオガス化炉に導入される。これにより、流動化レジームが向上し、微粒子を除去する際のサイクロンの効果が向上する。

ここで、乾燥機からの４０～２５０Ｆの乾燥汚泥をゆっくりと添加して、流動媒体の床内で発熱し始め、この時点で温度を綿密に監視し、１１５０～１６００°ｆの温度範囲内で運転する。これにより、灰の凝集または「溶化」の可能性が減少する。

バイオガス化反応が始まり、発生炉ガスが生成され、これにより、いくらかの固体（灰および未反応の炭素）がサイクロンの中に同伴され、ここで１０ミクロンよりも大きい微粒子物質がサイクロンによって除去される。

フリーボードまたは離脱区間により、最大にサイズ設定された粒子が減速し、バイオガス化炉の床に再び落ちることが可能になる。

サイクロンによって分離された固体は、サイクロンの基部から特別に設計された分離器の中に移され、ここで微細な灰（およびいくらかの炭素）が廃棄物として取り出され、残部はバイオガス化炉に戻ってリサイクルされる。これにより、燃料の全体的な変換率が１００％近くまで増加する。

温度が上昇し、目標の運転温度に近づくと、好ましくは１１５０～１６００°Ｆの範囲で、ガス化反応および熱分解反応が所望のレベルになる。

バイオガス化炉の運転
バイオガス化プロセスにおける酸素欠乏環境は、反応器に入る酸化剤空気およびガスのレベルを制御することによって達成することができる。酸化剤空気または周囲空気は、約２３．２重量％の酸素からなる。酸化剤ガス、またはリサイクル煙道ガスは、５重量％～１５重量％で変化し得る酸素レベルからなる。

バイオガス化炉内の温度は、反応器に入る酸化剤空気およびガスの量を調整することによって制御することができる。

酸化剤空気およびガスによって送られるバイオガス化炉に入る酸素とバイオソリッド燃料の完全燃焼に必要な化学量論的酸素との比率は、当量比と呼ばれ、バイオガス化ユニット内の温度を規制する手段として使用することができる。ガス化は、完全な化学量論的燃焼に対して０．１～０．５の酸素と燃料との当量比で熱化学変換プロセスを稼働することによって発生する。

選択されたバイオソリッドの燃料供給速度に依存して、プロセス温度を制御するために選択される目標の当量比に合いつつ、酸化剤空気と酸化剤ガスとのブレンドは、サイクロンを許容可能な効率範囲内で動作させるのに必要なバイオガス化炉内の総質量レベルを持続するために変化する。

バイオガス化炉の反応区間内の床圧力は、バイオガス化ユニットに入るバイオガス化炉の酸化剤空気およびガスの圧力を制御し、それによって反応器床媒体の連続流動化を確実にする手段として監視することができる。

バイオガス化炉２００では、酸素を使用して、温度、反応の延長、および発生炉ガスの発生全体を制御し、これらの典型的な反応は、当業者に知られている。典型的には、これらの反応は以下のとおりである。

発生した熱により、流入するバイオソリッド供給物、バイオガス化炉の空気、およびリサイクルされた煙道ガス流が反応温度まで加熱される。

また、バイオガス化炉内で起こる主に吸熱バイオガス化反応を完了するための熱も提供する。

過剰な酸素が導入される場合、発生炉ガスの品質が低下する。バイオガス化炉の流動床にわたって均一な運転温度を維持することは、運転成功の鍵である。

バイオガス化炉の空気および煙道ガス流と、燃料特性＋変換範囲と、に基づいて、バイオガス化炉の床およびフリーボード区域内のガスの空塔速度を計算することができる。これにより、流動媒体（例えば、砂）、灰、およびバイオソリッドのどのサイズの粒子が発生炉ガスと共に同伴されるかが決定される。空気流量、リサイクル煙道ガス流量、断面積および形状などの反応器の物理的形状、下水汚泥の燃料組成、燃料供給速度、ならびに燃料変換範囲を含む、多くの要素が反応器の内側の空塔速度の計算に使用される。

空気よりも酸素のより低い割合を有するリサイクル煙道ガスを使用すると、バイオガス化炉内の酸素、したがって温度をより良好に制御することが可能であるだけでなく、バイオガス化炉の床およびフリーボード区域の両方の発生炉ガスの空塔速度をより細かく制御することが可能である。

バイオソリッドは、９０％固体ではあるものの、部分的に反応し、バイオガス化炉から時期尚早に運ばれ得る群生した粒子を含む。普通の貫流式燃料変換は約８５％であるため、１５％の未反応炭素がサイクロンの中に運ばれ得る。

不活性灰の粒子密度は約２１６０ｋｇ／ｍ３であり、流動媒体はおよそ２６００ｋｇ／ｍ３、汚泥粒子はおよそ６００ｋｇ／ｍ３である。

フリーボード区域内で１．１ｍ／秒の空塔ガス速度を選ぶことにより、例えば、２００ミクロンの灰粒子および１００ミクロンの流動媒体粒子を流動床内に同伴することができる。流動媒体の目標粒径範囲は、４００～９００ミクロンの範囲内であるため、サイクロン分離器２０７に対する損失はない。

灰の約５０％は、２００ミクロン未満である粒子を有し、約５０％が床内に残されている状態で、サイクロン分離器２０７にわたって運ばれる。

いくつかの未反応の炭素は、１０～３００ミクロンの範囲の粒径でサイクロン分離器２０７へと運ばれる。固体がサイクロンの底部から除去されたとき、灰および未反応の炭素が分離され、未反応の炭素の多くがガス化炉の中に戻ってリサイクルされ、全体の燃料変換率を少なくとも９５％まで増加することができる。流動媒体の床内の灰蓄積は、反応器の内側で上昇するガスの空塔速度を調整することによって軽減することができる。あるいは、床媒体および灰をガス化炉基部からゆっくりと吐出し、バイオガス化炉に再導入する前に、灰ふるい２１１にわたってふるいにかけることができる。このプロセスは、流動媒体の床で形成されるべき小さい凝集粒子を除去するために使用することができ、流動床内の灰と媒体との比率を制御するために使用することもできる。

熱酸化機の運転
バイオガス化炉への乾燥バイオソリッドの供給が開始されるとき、酸化機の空気がオンになり、熱交換器１９（図１）の中を通過し、そこでゆっくりと予熱されてから酸化機１２に添加される。酸化機には発火源を適合することができ、発生炉ガスが反応チャンバに達するとき、酸化が始まり、かなりの燃焼熱が生成される。

通常運転中、酸化機から離れる煙道ガスの温度は、例えば、１８００～２２００Ｆである。この流れからの顕熱は、予備乾燥機および乾燥機熱交換器を介して伝達され、煙道ガス温度は、１８００Ｆから約５５０Ｆまで低下する。

必要に応じて、バイオガス化炉に注入する前に、熱交換器１７を使用して、バイオガス化炉のガス流を予熱する。

ここで、煙道ガスは約５００Ｆであり、煙道ガスの２０～３０％が、煙道ガスリサイクル送風機を使用してバイオガス化炉に戻ってリサイクルされる。残部は熱交換器３の中を通過し、ここで酸化された空気は、少なくとも３００Ｆまで予熱され得る。酸化機の空気が３００Ｆかつ３００Ｆを超えるまで予熱されたとき、発生炉ガスの燃焼からのより少ないエネルギーを使用して、熱酸化機が動作する温度まで空気を加熱することができるため、酸化機の性能が向上する。

酸化機入口で規定された酸素レベルを使用して、酸化機に供給される空気の量を増加／減少させることにより、煙道ガス中の酸素レベルを調整することができる。酸素レベルは、酸化機の出口で必要な温度プロファイルを維持するために、外気または周囲空気の使用を限定し、再循環煙道ガスの量を増加させることによって制御することができる。

これは、酸化機に供給される余剰空気を増加／減少させる効果を有するが、完全燃焼および低排気を確実にするために、必要な余剰空気の最小レベル（＞２５％）を下回ることは決してない。

バイオガス化炉反応器のサイズ設定
以下は、本発明の実施形態による、気泡流動床バイオガス化反応器用の最良の寸法の計算を示す非限定的な例を提供する。この例では、バイオガス化炉は、２つの特定の運転条件：既存の脱水ユニットから乾燥機に送られた脱水汚泥の平均固体含有量に対する、乾燥機から発生した現在の最大乾燥バイオソリッド産出量と、固体含有量２５％の脱水汚泥が乾燥し、５４００ポンド／時の水が汚泥から蒸発する定常状態運転中に、バイオソリッド加工システム全体が外部エネルギー、例えば天然ガスを消費せずに運転しなければならない場合、乾燥機がバイオガス化炉に送達しなければならない将来の最大乾燥バイオソリッドの供給速度と、に適応するようにサイズ設定されている。

第１の運転条件は、例えば、固体含有量１６％の汚泥が乾燥機に入り、５４００ポンド／時の水が汚泥から蒸発する場合、乾燥機からの乾燥下水汚泥の最大産出量に対応する。これは、ガス化炉に入る水分含有量１０％での１，１６８ポンド／時の熱乾燥バイオソリッドの小規模ガス化炉内のバイオソリッド供給速度に対応する。第２の運転条件は、固体含有量２５％の脱水バイオソリッドが乾燥機の中に供給された場合に乾燥機が生成することができる乾燥バイオソリッド（水分含有量１０％まで乾燥）の最大量に対応する。２５％の固体含有量は、煙道ガスから回収し、乾燥機を運転するために使用することができる熱エネルギーの量に相当する乾燥負荷にするのに必要とされる脱水の推定される程度を表す。２５％の固体含有量を下回るバイオソリッドが乾燥機内で加工される場合、乾燥プロセスを補うために外部熱源が必要になることが予想され得る。第２の条件は、２，０００ポンド／時の水分含有量１０％のバイオソリッドを加工する必要があるガス化炉に対応する。

図５は、ある実施形態における本発明による、バイオガス化炉の内部寸法の非限定的な例を示す。示している寸法は、下記で概説されている運転条件を満たすことを示す。下記の表１～３は、バイオガス化炉の寸法を設定するときに考慮される物理的パラメータの非限定的な例を示す。表１および２は、それぞれ最終分析および近似分析による、燃料組成結果を示す。表３は、この例では、バイオガス化炉が、ガス化炉に入る水分含有量１０％で、１，１６８ポンド／時および２，０００ポンド／時の熱乾燥バイオソリッドの小規模ガス化炉内のバイオソリッド供給速度に対応する、バイオガス化炉に送達される乾燥バイオソリッド供給速度についての特定の設計運転条件に適応するようにサイズ設定されることを示す。示している寸法は、下記で概説されている運転条件を満たすことを示す。

図５を引き続き参照すると、バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の１つの要因は、床区域の内径である。反応器の床区域の役割は、流動媒体床を収容することである。ガス化炉の床区域の内径を選択するための推進要因は、ガスの空塔速度範囲であり、これは異なる反応器内径で変化する。内径は、媒体床が所与の空気、再循環煙道ガス、および燃料供給速度に対して異なる運転温度で適当に流動化することができることを確実にするのに十分に小さくする必要があるが、スラッギングレジームが発生し、媒体がフリーボード区域から突き上がるほどの高速を生み出すほど小さくてはならない。試運転中に媒体の粒径を調整して、床の流動化挙動を微調整することができる。本発明の非限定的な例では、約７００ｐｍの平均媒体（砂）粒径は、容易に流動化するその能力だけでなく、反応器から同伴するその困難のために選択された。床を流動化するのに最も困難な時間は、床媒体および流入ガスが冷たいときの起動時である。この最小流量要件は、前の表に表示された最小流動化速度（「Ｕ_ｍｆ」）値で表される。

バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の別の要因は、フリーボード区域の内径である。バイオガス化炉のフリーボード領域は、重力下で粒子が脱落することを可能にする。フリーボードの直径は、異なる運転温度および燃料供給速度から生み出されるガス混合物の空塔速度に対して選択される。ガス空塔速度は、小さい灰粒子を同伴するのに十分な大きさでなければならないが、媒体粒子がガス流中に同伴するほど大きくてはならない。新鮮な燃料の同伴の程度はまた、正しいフリーボード区域サイズ設定から最小限に抑えるべきである。これは、典型的には燃料が非常に微細な粒径を有するバイオソリッドガス化の場合に、注意深く考慮すべき現象である。流動媒体の表面の下方にある流動床の側面に燃料を導入することは、新鮮な燃料の同伴を最小限に抑えるための１つの方法である。これは、燃料がバイオガス化炉から同伴され得る前に床の表面まで移動する必要があるという原則に基づいており、これによりガス化反応が発生するための時間が提供される。図５に示す本発明の非限定的な例では、４フィート、９インチの反応器フリーボードの直径は、灰を同伴するのに十分高いガス空塔速度を維持しながらも、床内の砂（または他の流動媒体）粒子の同伴を阻止するために選ばれる。

バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際のさらなる要因は、媒体床の深さおよび床区域の高さである。一般に、床内の媒体と燃料との比率が高いほど、床の温度はより等温になる可能性がある。典型的には、流動床は、約１～３％の燃料と媒体との質量比を有する。媒体床を流動化するために消費される電気エネルギーの量は、典型的には、媒体の所望の深さに実用的な限定を付与する。より深い床は、それらにわたるより高いガス圧力降下を有し、ガスフローに対するこの抵抗を克服するために、送風機によってより多くのエネルギーが消費される。図５に示すこの例では、３フィートの流動媒体深さが選ばれており、これは、等温温度および良好な熱伝達率を維持するのに十分な媒体を床内に有することに対して、送風機のエネルギー消費のバランスを取ることに基づいている。この非限定的な例における反応器の床区域の高さは、流動媒体の深さに対する、一般的な長さと直径とのアスペクト比１．５に基づいている。

バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の別の要因は、フリーボード区域２０５の高さである。フリーボード区域２０５は、重力下で粒子を脱落させるように設計されている。床の表面から高度を上げていくと、粒子密度が減少し、一定の高度になるまで、輸送離脱高さ（ＴＤＨ）として知られているレベルに達する。ＴＤＨを超えると、反応器に同伴される粒子密度は一定になる。反応器をＴＤＨの上方に拡張しても、粒子除去にさらなる利点はない。実用的な目的のために、図５に示すこの非限定的な例では、フリーボード区域２０５の高さのために１０フィートが選択される。本発明は、図５の好ましい実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で形態および詳細の様々な変更を行うことができることを理解されよう。

図６は、本発明による、バイオガス化炉内部寸法が拡大された、より大きくスケールアップした実施形態が提供されることを示す概略側面図を示す。この実施形態では、本発明は、バイオガス化反応器槽のスケールアップまたは拡大を示す。一実施形態では、反応器槽サイズの増加は、図５に示し、図１～５を参照する小規模反応器槽よりも、供給原料体積を加工する際に少なくとも４倍大きい容量スケールを有する。例えば、小規模反応器は、１日あたり２４トンの供給原料を加工することができる。大規模反応器は、１日あたり４０トン超、平均１日あたり約１００トンの供給原料を加工することができる。１日あたり平均１００トンの供給原料は、１日あたり約９６トンに相当する１日あたり２４トンの小規模反応器の平均の少なくとも４倍に相当する。スケールアップした大型反応器の一実施形態では、図３に示す多数羽口ガス分配器は、図８Ａ～８Ｃに示す従来のパイプベースの流動化ガス分配システムに置き換えられる。パイプベースの分配器８００の代用は、図３に示し、図１～５で参照するバイオ反応器ユニットで使用される多数羽口ガス分配器設計をスケールアップする機械的製造に関連する複雑性、時間、およびコストを単純化し、排除する。従来のパイプベースの流動化ガス分配システムは、図１～５に示す小規模反応器内で加工された供給原料の少なくとも４倍の分量を加工することができる単一の大きい槽反応器を可能にする。図６～８に示すより大規模な反応器は、図１～５に示すより小規模のバージョンと同じ特徴の多くを有する。しかしながら、反応器床およびフリーボードの高さに対するいくつかの調整は、反応器床区域の直径の変化に基づく必要がある。輸送離脱高さ（「ＴＤＨ」）の式は、図７に示す反応器床区域７０４の直径の変化の関数である。具体的には、性能のスケールアップリスクを最小化／排除するために、幾何学的比率は同じままである。

図６はまた、バイオガス化炉反応器が気泡流動床バイオガス化反応器であるとき、バイオガス化炉反応器をサイズ設定するためのサンプル寸法の計算を示す非限定的な例を示す。この例では、バイオガス化炉は、ガス化炉に入る水分含有量１０％で、８，３３３ポンド／時および７０４０ポンド／時の熱乾燥バイオソリッドの大規模ガス化炉内のバイオソリッド供給速度に対応する、バイオガス化炉に送達される乾燥バイオソリッド供給速度についての特定の設計運転条件に適応するようにサイズ設定される。示している寸法は、下記で概説されている運転条件を満たすことを示す。下記の表４は、バイオガス化炉の寸法を設定するときに考慮される物理的パラメータの非限定的な例を示す。

図７は、気泡型流動床ガス化炉７００のスケールアップした実施形態を示す。一実施形態では、気泡流動床ガス化炉７００は、標準ガス化炉システム７００の拡張部としてフィーダシステム（図示せず）に動作可能に接続された反応器７９９を含む。限定されるものではないが、石英砂などの流動媒体床７０４Ａは、反応器床区域７０４と呼ばれる反応器槽の基部にある。一実施形態では、流動砂は、１１５０°Ｆ～１６００°Ｆの温度を有する区間である。反応器床区域７０４の上方に位置するのは移行区域７０４Ｂであり、移行区域７０４Ｂの上方に位置するのは反応器槽７９９のフリーボード区域７０５である。空気、煙道ガス、純酸素もしくは蒸気、またはそれらの組み合わせからなる流動化ガスは、流動床反応器７９９に導入されて、０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）の範囲であるガス化炉７００のフリーボード区域７０５の内側の速度範囲を生み出す。バイオソリッドは、非化学量論レベルの酸素、例えば、典型的には化学量論の４５％未満の酸素レベルを有する酸素欠乏環境において、９００°Ｆ～１６００°Ｆの温度範囲まで流動床反応器の内側で加熱される。別の実施形態では、流動砂は、１１５０°Ｆ～１６００°Ｆの温度を有する区間である。

流動気泡床ガス化炉７００の反応器流動床区域７０４は、砂（例えば、石英またはかんらん石）であり得る流動媒体７０４Ａ、または業界で知られている他の任意の好適な流動媒体で充填されている。限定されるものではないが、汚泥などの供給原料は、４０～２５０°Ｆで燃料供給入口７０１を通して反応器床区域７０４に送られる。一実施形態では、供給原料は、２１５°Ｆで燃料供給入口７０１を通して反応器床区域７０４に送られ、気泡床内のガス入口７０３は、限定されるものではないが、例えばガス、煙道ガス、リサイクル煙道ガス、空気、濃縮空気、およびそれらの任意の組み合わせ（以下、「ガス」または「空気」と総称する）などの酸化剤ベースの流動化ガスを受け取る。一実施形態では、空気は、約６００°Ｆである。空気の種類および温度は、特定の供給原料についてのガス化流動化および温度制御の要件によって決定される。流動化ガスは、図３および８Ａ～Ｃに示すようなガス分配器を介して気泡床に供給される。

酸素モニター７０９は、流動化ガス入口７０３と通信して設けられ、ガス化プロセスにおける酸素レベルの制御に関連して酸素濃度を監視することができる。反応器槽７９９の側面に位置する勾配付きまたはオーバーファイア天然ガスバーナ（図に示さず）は、ポート７０２を介して天然ガスと空気との混合物を受け取る。一実施形態では、天然ガス空気混合物は７７°Ｆであり、これを求めてガス化炉を起動し、流動床媒体７０４Ａを加熱することができる。ガス化反応を自立させるための最低発火温度に達するとき（約９００°Ｆ）、天然ガスが遮断される。ビューポート７０６および媒体充填ポート７１２も提供される。

一実施形態では、フリーボード区域７０５は、流動床区域７０４とガス化反応器槽７９９の発生炉ガス出口７１０との間に設けられている。バイオソリッドが熱分解し、流動床媒体区域（または砂区間）内で発生炉ガスに変わり、次いで反応器槽７９９を通って上昇すると、流動床区域７０４内の流動媒体７０４Ａは、粒子離脱区間としても知られ、そのように呼ばれているフリーボード区域７０５内の発生炉ガスから引き離される。サイクロン分離器７０７を設けて、流動床反応器７９９から放出された材料を分離し、その結果、回収用の清浄な発生炉ガスが得られ、代替として使用または処分のために、灰をサイクロン分離器７０７の底部から出すことができる。

灰ふるい７１１は、底部灰除去のためにガス化炉槽の下方に適合することができる。灰ふるい７１１をふるい分けデバイスとして使用して、任意の大きく不活性の、凝集した、または重い粒子を除去することができるため、流動媒体および未反応チャーをガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。一実施形態では、限定されるものではないが、摺動バルブを開放するための機構７１４によって動作する摺動バルブ７１３などのバルブは、灰を収集するために灰ふるい７１１の真下に位置している。一実施形態では、第２のバルブ７１３および動作機構７１４（図示せず）もまた、同じ目的のためにサイクロン分離器２０７の下方に位置している。これは、任意の大きく不活性の、凝集した、または重い粒子を除去するためのふるい分けデバイスとしてあるため、流動媒体および未反応チャーをガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。一実施形態では、灰ふるい７１１は、当業者に知られている一般的な固体除去デバイスであり得る。別の実施形態では、灰ふるい７１１は、オーバーフローノズルの使用によって置き換えられるか、またはそれと組み合わされ得る。

発生炉ガス制御部７０８は、発生炉ガス中の酸素および一酸化炭素レベルを監視し、それに応じてプロセスを制御する。一実施形態では、ガス化供給システム（図示せず）は、流動燃料入口７０１を通してガス化炉反応器７９９を供給する。一実施形態では、ガス化炉ユニット７００は、カスタム流動ガス送達システムおよび多数の機器制御部を備えた気泡流動床型のものである。ガス化炉反応器７９９は、最適な運転のために、連続的に運転し、灰を排出し、煙道ガスをリサイクルする能力を提供する。ガス化炉反応器７９９は、供給速度、温度、反応速度、および様々な供給原料の発生炉ガスへの変換の最適な制御を提供するように設計することができる。

数多くの熱電対プローブ（図示せず）がガス化炉反応器７９９内に配置されて、ガス化炉全体にわたる温度プロファイルを監視する。いくつかの熱プローブは、ガス化炉レクター（ｒｅｃｔｏｒ）７９９の流動床区域７０４内に配置されるが、他の熱プローブは、ガス化炉のフリーボード区域７０５内に配置される。流動床区域７０４内に配置された熱プローブは、床温度を監視するために使用されるだけでなく、流動媒体の床内で一定の温度プロファイルを維持するためにポート７０２を介してガス化炉空気システムに結合された制御点でもある。床区域７０４にわたる圧力差、およびフリーボード区域２０５内のガス化炉の運転圧力を監視するためにガス化炉システム７００内に配置され得る数多くの追加の制御機器およびセンサもある。これらの追加の機器を使用して、ガス化炉内の条件を監視し、同様に他の補助装置およびプロセスを制御して、ガス化炉内の所望の運転条件を維持する。そのような補助装置およびプロセスの例としては、限定されるものではないが、サイクロン、熱酸化機、ならびに再循環煙道ガスシステムおよび空気送達システムが挙げられる。これらの制御機器およびセンサは業界でよく知られているため、示していない。図７を参照すると、灰ふるい７１１は、底部灰除去のためにガス化炉槽の下方に適合することができる。灰ふるい７１１をふるい分けデバイスとして使用して、任意の凝集した粒子を除去することができるため、流動媒体および未反応チャーをガス化炉に再導入して、継続的に利用することができる。一実施形態では、摺動バルブ７１４を開放するための機構によって動作する摺動バルブ７１３は、灰を収集するために灰ふるい７１１の真下に位置している。一実施形態では、第２の摺動バルブ７１３および運転機構７１４は、サイクロン分離器７０７の下方に位置している。

小型流動床ガス化炉と同様に、いくつかの未反応の炭素は、１０～３００ミクロンの範囲の粒径でサイクロン分離器７０７へと運ばれる。固体がサイクロンの底部から除去されたとき、灰および未反応の炭素が分離され、未反応の炭素の多くがガス化炉の中に戻ってリサイクルされ、全体の燃料変換率を少なくとも９５％まで増加することができる。流動媒体の床内の灰蓄積は、反応器の内側で上昇するガスの空塔速度を調整することによって軽減することができる。あるいは、床媒体および灰をガス化炉基部からゆっくりと吐出し、バイオガス化炉に再導入する前に、灰ふるい７１１にわたってふるいにかけることができる。このプロセスは、流動媒体の床で形成されるべき小さい凝集粒子を除去するために使用することができ、流動床内の灰と媒体との比率を制御するために使用することもできる。図７を引き続き参照すると、限定されるものではないが、バイオソリッド材料などの供給原料は、反応器槽７９９上の２つ以上の位置から燃料供給入口７０１を経由してガス化炉の中に供給することができ、上記燃料供給入口７０１は、所望の体積の供給原料が反応器槽７９９の周りの多数の供給入口７０１を通してガス化炉の中に供給されて、ガス化炉への連続供給プロセスに適応するように、変更可能にサイズ設定することができる。本発明については、および一実施形態では、燃料供給入口の数は、２～４個である。供給入口７０１の最小数は、部分的には、床内のチャー粒子の逆混合および半径方向混合の程度の程度と、反応器床区域７０４の内径に基づいている。気泡流動床については、１つの供給点は、床断面積の２０ｆｔ２あたりで提供することができる。例えば、および一実施形態では、反応床区域が９フィートの内径を有する場合、反応器槽７９９は、（床内混合を維持するために半径方向に等距離に位置する少なくとも３つの供給入口７０１を有する。供給入口７０１は、すべて１つのレベル、または２つ以上のレベル、または異なるレベル、および異なるサイズであると見なすことができる。

図６および７を引き続き参照すると、バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の１つの要因は、反応器床区域７０４の床区域の内径である。反応器の床区域７０４の役割は、流動媒体床を収容することである。ガス化炉の床区域７０４の内径を選択するための推進要因は、ガスの空塔速度範囲であり、これは異なる反応器内径で変化する。内径は、媒体床が所与の空気、再循環煙道ガス、および燃料供給速度に対して異なる運転温度で適当に流動化することができることを確実にするために十分に小さくする必要があるが、スラッギングレジームが発生し、媒体がフリーボード区域から突き上がるほどの高速を生み出すほど小さくてはならない。試運転中に媒体の粒径を調整して、床の流動化挙動を微調整することができる。本発明の非限定的な例では、約７００ｐｍの平均媒体（砂）粒径は、容易に流動化するその能力だけでなく、反応器から同伴するその困難のために選択された。床を流動化するのに最も困難な時間は、床媒体および流入ガスが冷たいときの起動時である。この最小流量要件は前の表に表示された最小流動化速度（「Ｕｍｆ」）値で表される。

バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の別の要因は、フリーボード区域７０５の内径である。バイオガス化炉のフリーボード領域７０５は、重力下で粒子が脱落することを可能にする。フリーボードの直径は、異なる運転温度および燃料供給速度から生み出されるガス混合物の空塔速度に対して選択される。ガス空塔速度は、小さい灰粒子を同伴するのに十分な大きさでなければならないが、媒体粒子がガス流中に同伴するほど大きくてはならない。新鮮な燃料の同伴の程度はまた、正しいフリーボード区域サイズ設定から最小限に抑えるべきである。これは、典型的には燃料が非常に微細な粒径を有するバイオソリッドガス化の場合に、注意深く考慮すべき現象である。流動媒体の表面の下方にある流動床の側面に燃料を導入することは、新鮮な燃料の同伴を最小限に抑えるための１つの方法である。これは、燃料がバイオガス化炉から同伴され得る前に床の表面まで移動する必要があるという原則に基づいており、これによりガス化反応が発生するための時間が提供される。一実施形態では、１１フィート、５インチの反応器フリーボード７０５の直径は、灰を同伴するのに十分高いガス空塔速度を維持しながらも、床内の砂（または他の流動媒体）粒子の同伴を阻止するために選ばれる。

バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の別の要因は、フリーボード区域７０５の高さである。フリーボード区域７０５は、重力下で粒子を脱落させるように設計されている。粒子が床区域７０４からの高度で上昇していくと、ある程度の高度で、輸送離脱高さ（「ＴＤＨ）として知られているレベルに達するまで、粒子密度が減少する。ＴＤＨを超えると、反応器槽７９９内に同伴され、それを上昇する粒子密度は一定である。反応器槽をＴＤＨの上方まで拡張しても、粒子除去にさらなる利点はない。一実施形態では、フリーボードの高さは、２０フィートを超える。別の実施形態では、ＴＤＨを超える高さは、１０フィートである。別の実施形態では、フリーボード７０５の高さは、１０～２０フィートである。

図６および７を引き続き参照すると、バイオガス化炉のサイズ設定を決定する際の追加の要因は、図６のサンプル図を用いた媒体床の深さおよび床区域の高さである。一般に、床内の媒体と燃料との比率が高いほど、床の温度はより等温になる可能性がある。典型的には、流動床は、約１～３％の燃料と媒体との質量比を有する。媒体床を流動化するために消費される電気エネルギーの量は、典型的には、媒体の所望の深さに実用的な限定を付与する。より深い床は、それらにわたるより高いガス圧力降下を有し、ガスフローに対するこの抵抗を克服するために、送風機によってより多くのエネルギーが消費される。この例では、３フィートの流動媒体深さが選ばれており、これは、等温温度および良好な熱伝達率を維持するのに十分な媒体を床内に有することに対して、送風機のエネルギー消費のバランスを取ることに基づいている。一実施形態では、流動媒体の深さに対する、一般的な長さと直径とのアスペクト比１．５に基づいている。本発明の一実施形態では、媒体の深さは同じ４フィートであり、床区域の高さは６フィートである。本発明は、その好ましい実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で形態および詳細の様々な変更を行うことができることを理解されよう。

図８Ａは、本発明のある実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す切り欠き斜視図を示す。図８Ｂは、本発明の実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す側立面図を示す。図８Ｃは、本発明の実施形態による、バイオガス化炉のパイプガス分配器を示す底面図を示す。

一実施形態では、本発明は、主空気入口８０１を備えたパイプ分配器設計を有し、上記主空気入口８０１は、上部部分８０１Ａおよび下部部分８０１Ｂを有する。一実施形態では、下部部分８０１Ｂは、限定されるものではないが、エルボまたはＪパイプなどのパイプ８１２に接続されている。一実施形態では、下部部分８０１Ｂは、パイプ８１２に接続された雌の据え付けスタブに接続された雌の据え付けシール８０３に接続された雄の据え付けシールを使用して、パイプ８１２に接続されている。一実施形態では、パイプ８１２は、近位端８１２Ａおよび末端８１２Ｂを有し、近位端８１２Ａは、主空気入口８０１に機械的に接続され、末端８１２Ｂは、ガス入口７０３に接続されている。一実施形態では、パイプ８１２Ｂの末端は、ガス入口７０３に接続するためのフランジ８１１を有する。

主空気入口８０１Ａの上部部分は、中央幹線８０６と位置合わせされ、その開口部であり、上記幹線８０６は、一方の端部が中央幹線に対して開口し、他方の端部が閉鎖されている少なくとも１０個の側方空気分岐８０５を有する。一実施形態では、側方空気分岐８０５は、中央幹線８０６のいずれかの側面上で対称的に隔置されている。一実施形態では、側方空気分岐８０５は、反応器床２０４の底部の直径内に対称的に適合するように長さが変化するものである。一実施形態では、側方空気分岐８０５の各々は、ガスおよび空気分配ポート８１０とも呼ばれる、下向きを指すガスおよび空気分配ノズル８１０を備える。空気分配ノズル８１０は下向きを指しているため、主空気入口８０１から入る空気は、ガス化炉反応器７９９の円錐形状底部の中に下向きの動きで注入される。一実施形態では、分配ノズル８１０は、限定されるものではないが、４５度の角度などの角度で下向きを指す。ノズルおよび構成要素の構成と一般の位置は、より少ないガス／空気分配ノズルが流動化要件および良好な混合要件に合うための羽口設計において必要であるという点では、より小さい反応器槽の羽口設計とは異なるが、反応器の底部円錐区域内でスランプしたときに、依然として全量の流動化媒体材料を流動化させるのに十分である。これも反応器の本質的な部分である。

本発明のスケールアップされたバージョンを構成する部品の多くは、小規模ガス化炉と同じであり、同じように機能する。先行技術を超えるこの大型流動床ガス化炉の利点は、バイオソリッド供給のために１日あたり３０トン「ｔｐｄ」よりも大きい成功した単一反応器槽の気泡流動床ガス化炉がないことである。現在のシステムは、４０ｔｐｄ超、および約１００ｔｐｄの平均加工体積を加工することができる。種々の供給原料（バイオソリッドだけでなく）を大規模に加工することができる他の廃棄物またはシステムは知られていない。反応器のスケールアップは、技術的理由および経済的理由の両方でうまく商業化されていない。具体的にバイオソリッド供給原料に使用される先行技術の流動床ガス化炉は、約３０ｔｐｄに限定されている。最も一般的な周囲気圧気泡床流動床ガス化炉プラントのほとんどのものは、空気吹き流動床ガス化炉内の燃料としてバイオソリッド（下水汚泥）または木質バイオマスを利用することによって運転する。

反応器の規模は新しく、ガス分配器設計は新しく、流動床およびフリーボードの高さは、上記の表４に含められているケーススタディサンプルに基づいて、４０ｔｐｄ超、および平均約１００ｔｐｄで独自に調整されている。これは、当然、特定の条件下で、現在のシステムが１００ｔｐｄをはるかに超過して加工することができることを意味する。一実施形態では、本発明は、８０ｔｐｄ～１２０ｔｐｄの供給原料を加工する。

本発明は、単一または多数のガス化炉システムのいずれかで大量の供給原料を加工し、大きい産業施設を実現可能かつ費用効果が高いものに構築して、多数のより小さいユニットの現在および一般的に実用されている使用を置き換える。ガス分配器は、例えば、パイプ、羽口、穿孔プレート、バルブプレートの設計などの異なる設計のものであり得る。分配器設計の選択は、一般に、所望のガス化炉容量（直径サイズ）および供給原料特性（灰含有量、灰軟化点、反応性など）、槽寸法、供給原料供給ポートの場所／位置、ならびに供給ポートの数によって導くことができる。いくつかの部品は、特定の物質用に作製することができる。取り扱う廃棄物の材料特性に依存しており、例えば、塩化物が多い廃棄物製品は、ガス分配器または供給ポートを特定のステンレス鋼または保護コーティングの塗布で製造する必要がある。全体として、本発明の大型デバイスは比較的より単純であり、従来の構成要素を使用し、周囲圧力条件下および低温下でのスケールアップがより容易である。バイオソリッドのガス化のための１つのサンプル実施形態では、本発明は、ガス化炉の周囲に隔置された、最低２～４個のバイオソリッド供給ポートまたは入口と、下向きのガス／空気分配ポートを備えたパイプ分配器設計と、を必要とし、そのため、空気はガス化炉の下部円錐の中に下向きの動きで注入され、ガス／空気注入分配ポートのサイズ、数、および配置は、流動床媒体の特性および優れた設計方法につき空気のバランスを取ることの機能である。

本発明は、バイオマス廃棄物処理業者用に設計されており、容量スケールを、単一の施設で使用し、規模の経済を保持することができる４０ｔｐｄ超、および平均１００ｔｐｄの供給原料の単一設計に標準化する。また、連携して、乾燥機、汚染制御装置、熱操作装置などの他の標準的な大規模支援装置と共に運転することもできる。これにより、標準化されたシステムおよび装置の設計とコモディティ化が可能になる。

本発明の様々な実施形態について上述したが、それらは、限定ではなく例として提示されたに過ぎないことを理解されたい。同様に、様々な図は、本発明に含めることができる特徴および機能性を理解するのを助けるために提供される、本発明の例示的なアーキテクチャまたは他の構成を表し得る。本発明は、例示された例示的なアーキテクチャまたは構成に制限されないが、所望の特徴は、多様な代替のアーキテクチャおよび構成を使用して実装され得る。

実際、当業者には、本発明の所望の特徴を実装するために代替の機能構成をどのように実装できるかは明らかであろう。追加的に、動作の説明、および方法のクレームに関して、本明細書でステップが提示される順序は、文脈が別段指示しない限り、列挙された機能を同じ順序で実行するように様々な実施形態を実装することを要求するものではない。

本発明は、様々な例示的な実施形態および実装に関して上記で説明されているが、個々の実施形態のうちの１つ以上に記載される様々な特徴、態様、および機能性は、それらが記載された特定の実施形態への適用性に限定されるのではなく、そのような実施形態が記載されているかどうかにかかわらず、およびそのような特徴が記載されている実施形態の一部として提示されているかどうかにかかわらず、単独または様々な組み合わせで、本発明の他の実施形態のうちの１つ以上に適用できることを理解されたい。したがって、本発明の幅および範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるものではない。

Claims (15)

1. ガス化反応器であって、
   逆円錐区域を備えた底部を有する円筒形状である反応器槽と、
   前記反応器槽の上半分を構成するフリーボード区域であって、１日あたり４０トン超の燃料の変換から生成されたガスを収容するようにサイズ設定された直径を有する、フリーボード区域と、
   前記フリーボード区域の真下に位置する前記反応器槽内の床区域内の流動床であって、１日あたり４０トン超の燃料をガスへと加工および変換するようにサイズ設定された直径を有する、流動床と、
   前記フリーボード区域の真下に位置する少なくとも２つの燃料供給入口であって、ガス化炉の定常状態運転中に、１日あたり４０トン超の燃料の燃料供給速度で燃料を前記反応器槽の中に供給するように構成されている、燃料入口と、
   パイプ分配器であるガス分配器であって、主空気入口、側方空気分岐を有する中央幹線、および前記側方空気分岐の各々上に位置するノズルのアレイを備える、ガス分配器と、を備え、
   前記パイプ分配器が、前記反応器槽の前記逆円錐区域内に位置し、前記反応器槽の前記円錐区域が、煙道ガスおよび空気を前記パイプ分配器の主空気入口およびノズルのアレイに供給する少なくとも１つのガス入口を備え、それによって前記ガスが、前記反応器槽の前記流動床区域に方向付けされる、ガス化反応器。
2. さらに、前記側方空気分岐が、前記中央幹線からガスを受け取るために１つの端部で開口し、もう一方の端部で閉鎖されている、請求項１に記載のガス化反応器。
3. 前記中央幹線が、少なくとも１０個の側方空気分岐を有する、請求項１に記載のガス化反応器。
4. 前記側方空気分岐が、前記中央幹線の周りに対称的に隔置されている、請求項１に記載のガス化反応器。
5. 前記フリーボード区域が、少なくとも１３７インチの直径を有し、前記流動床が、少なくとも１０８インチの直径を有する、請求項１に記載のガス化反応器。
6. さらに、前記主空気入口が、上部部分および下部部分を有し、前記上部部分が、前記中央幹線内の開口部と位置合わせされ、前記主空気入口の前記下部部分が、前記ガス入口に接続されたパイプに接続されている、請求項１に記載のガス化反応器。
7. さらに、前記パイプが、フランジで前記ガス入口に接続されている、請求項６に記載のガス化反応器。
8. さらに、前記側方空気分岐が、前記反応器槽の前記底部の前記直径内に対称的に適合するように様々な長さのものである、請求項１に記載のガス化反応器。
9. さらに、前記ノズルの各々が、前記ガスを前記反応器槽の前記底部へと下向きに方向付けするように構成されている、請求項１に記載のガス化反応器。
10. さらに、前記ノズルが、前記ガスを４５度の角度で下向きに方向付けする、請求項９に記載のガス化反応器。
11. 不活性媒体を添加するための少なくとも１つの入口をさらに備える、請求項１に記載の反応器。
12. 凝集物用の出口と、発生炉ガス用の出口と、をさらに備える、請求項１に記載の反応器。
13. 前記フリーボード区域が、運転中に前記反応器からの粒子の同伴を提供するように構成されている、請求項１に記載の反応器。
14. 前記反応器の前記底部の下方に適合された灰ふるいをさらに備える、請求項１に記載の反応器。
15. 前記フリーボード区域が、定常状態運転中の前記フリーボード区域の内側のガスの空塔速度範囲が０．１ｍ／秒（０．３３フィート／秒）～３ｍ／秒（９．８４フィート／秒）であるように、前記流動床よりも大きい直径を有する、請求項１に記載の反応器。
    

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