JP6712276B2 - 混合固形廃棄物から形成される固体燃料組成物 - Google Patents
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Description
本開示は、少なくとも18,600J/g(8,000BTU/lb)のエネルギー含量を有する固体燃料組成物を、合成ガスを生成させずに製造するための方法及びシステムを包含する。少なくとも約5重量%のプラスチックを含み得る固形廃棄物混合物から固体燃料組成物を形成するシステム及び方法を下記に示す。固体燃料組成物は、固形廃棄物混合物を処理容器内で少なくとも約100℃の温度に加熱して、固形廃棄物混合物を乾燥固形廃棄物混合物と、水蒸気を含むがこれに限定されない気化化合物とに分離することにより形成され得る。次に気化化合物が付属の真空システムを使用して処理容器から取り除かれ、残りの乾燥固形廃棄物混合物が続いて混合され、約250℃までの最高温度に加熱されてもよい。最高温度で、固形廃棄物混合物中のプラスチックは溶融し、混合物全体に分散される。次いで、加熱された固形廃棄物混合物を約200℃未満で押出し、冷却して固体燃料混合物を形成することができる。
I.固体燃料組成物の形成方法
固形廃棄物混合物から固体燃料組成物を形成する方法であって、固形廃棄物混合物を処理容器内で加熱し、機械的に撹拌して、固形廃棄物の個々の成分を混合し、均質化する工程を含む方法が開示される。さらに、加熱固形廃棄物混合物によって放出された気化化合物は、処理容器内の真空(すなわち、大気圧よりも低い圧力)を用いて除去することができる。得られた処理容器の内容物を押出し、所望の形状に成形し、冷却して固体燃料組成物を形成することができる。
図1は、固形廃棄物混合物から固体燃料組成物を形成する方法100を示すフローチャートである。方法100に供される固形廃棄物混合物に応じて、固形廃棄物混合物は、ステップ101において、分別された固形廃棄物を混合プラスチックとブレンドすることによって任意に形成されてもよい。この方法のための供給原料は、少なくとも約20重量%のプラスチックを含む固形廃棄物混合物であってもよい。この方法のための供給原料は、少なくとも約5重量%のプラスチックを含む固形廃棄物混合物であってもよい。
「工業固形廃棄物」は、製造又は工業過程によって発生する非有害固形廃棄物を指す。工業固形廃棄物の例としては、以下の製造過程から生じる廃棄物が挙げられるが、これらに限定されない:発電;肥料/農薬;食品及び関連製品/副産物;革及び革製品;有機化学物質;プラスチック及び樹脂製造;パルプ及び製紙業;ゴム及び種々のプラスチック製品;繊維製造;輸送用機器;及び水処理。この用語は、採掘廃棄物及び石油・ガス廃棄物を含まない。
不燃性固形廃棄物を検出するために固形廃棄物混合物を分析してもよい。この分析に基づいて、都市固形廃棄物流を軽度に選別してプラスチックを除去し、さらに、ガラス、金属、コンクリート、レンガ及び任意の他の不活性材料を含むがこれらに限定されない不活性廃棄物を除去して、分別された固形廃棄物を得てもよい。本明細書で使用される場合、不活性材料とは、燃焼又は熱分解工程に供されてもエネルギーを放出しそうにない任意の材料を指す。都市固形廃棄物流から除去されたプラスチックは、固体燃料組成物を形成するための固形廃棄物混合物を形成するために、保持され、分別された固形廃棄物と共に混合されてもよい。不燃性廃棄物は、例えばスクラップ金属や金属塊を含む不燃性金属廃棄物を含んでもよい。不燃性金属廃棄物は、鉄、鋼、及び他の鉄含有合金等の鉄系金属、及び、感知できる量の鉄を含まない金属及び合金である非鉄金属を含むことができる。
次に、固形廃棄物混合物を細断して、固形廃棄物混合物中の他の個々の小片と同等又はそれ以下の平均粒子サイズまで粒子を小さくしてもよい。再び図1を参照すると、この方法は、任意選択でステップ102において固形廃棄物混合物を細断する工程をさらに含むことができる。固形廃棄物混合物の細断には任意の既知の細断装置を使用することができ、限定するものではないが、工業用1軸シュレッダー、工業用2軸シュレッダー、工業用3軸シュレッダー、工業用4軸シュレッダー、ハンマーミル、グラインダ、グラニュレータ、チッパー、及び固形廃棄物混合物中の個々の小片のサイズを縮小するための任意の他の適切な装置を含む。固形廃棄物混合物を細断することにより、固形廃棄物混合物中の個々の小片の最大寸法及び最大直径が減少し、それによって方法100のその後の工程における固形廃棄物混合物の個々の成分の混合が促進され、方法100を使用して製造された固体燃料ブロックのより均一な組成が得られる。
次に、本方法は、ステップ104において、固形廃棄物混合物を処理容器に導入することを含む。固形廃棄物混合物は、任意の既知の装置及び方法を制限なく用いて処理容器に導入することができる。固形廃棄物混合物は、処理容器の再封止性ハッチその他の開口部を開放し、固形廃棄物混合物を挿入し、再封止性ハッチを閉じ及び/又は再封止することによって導入することができる。このシステムは、固形廃棄物混合物を本明細書に記載の処理容器に導入するためのホッパーを含むが、これに限定されない投入装置を含むことができる。投入装置は、破砕装置に動作可能に連結されてもよく、破砕装置を組み込んでいてもよい。投入装置は、処理容器に導入する前に固形廃棄物混合物中の小片を混和するためのミキサーを含んでもよい。
再び図1を参照すると、本方法は、ステップ108において、加熱された固形廃棄物混合物によって放出された気化化合物を除去する工程をさらに含むことができる。気化化合物は蒸気(すなわち水蒸気)及び/又は本明細書に記載の1種以上の更なる気化化合物を含み得る。気化化合物は、ステップ106での固形廃棄物混合物の加熱及び任意選択の混合後、処理容器の内部容積に真空を適用することによって除去され得る。真空は、以下に記載するように、処理容器に取り付けられた真空システムによって真空ポートで生成することができる。掃気用空気を処理容器に導入して、気化化合物の容器外への移動を促進してもよい。
ステップ108で気化化合物を除去した後に処理容器内に残っている乾燥固形廃棄物混合物を、ステップ109で少なくとも約160℃の最終温度までさらに加熱し混合してもよい。最終温度は、乾燥固形廃棄物混合物中のプラスチック材料を溶融させるのに十分高くなくてはならない。いかなる特定の理論にも限定されないが、溶融プラスチックと固形廃棄物混合物の他の材料との混合は、得られる固体燃料組成物を一つに固めて、その多孔性を低下させることができる。溶融プラスチックは、得られる固体燃料組成物の密度を増加させ、エネルギー含量を増加させ、廃棄物抵抗性(waste resistance)を高め、下流の加工性を向上させる。
再び図1を参照すると、ステップ109で乾燥固形廃棄物混合物を加熱及び混合し、最終温度までの加熱中に放出された残留蒸気及び他の気化化合物を任意に除去した後、乾燥固形廃棄物混合物は比較的均一な粘性材料からなる加熱固形廃棄物混合物となり、その中で溶融プラスチックは材料全体に分布している。加熱固形廃棄物混合物は、ステップ110で処理容器から押出されてもよい。
固形廃棄物混合物から固体燃料組成物を製造するためのシステムが提供される。図7は、本明細書に開示される混合された固形廃棄物を処理するためのシステムの一般化された概略図である。システム700は、処理容器710、ヒータ720、凝縮器730、真空ポンプ740、制御盤750、コンベヤ760、及び1つ以上の任意の水処理装置770を含む。処理容器710は、処理容器710の内部容積に配置され、処理容器710に動作可能に接続されているミキサー712を含む。処理容器710はまた、処理容器710の第1の開口部を通る押出要素716と、処理容器710の第2の開口部を通る真空ポート714とを有する。ヒータ720は、例えば処理容器710の1つ以上の壁を加熱することによって、処理容器710の内部容積を加熱するように、処理容器710に動作可能に接続される。
図4を参照すると、システム400は処理容器401を含むことができる。処理容器401は、壁温度に維持された1つ以上の加熱壁と、処理容器の内部容積内にあり、処理容器401に動作可能に接続されたミキサー408と、処理容器401の第1の開口部を通る押出要素と、処理容器の第2の開口部を通る真空ポートとを有する。処理容器401は、ミキサー408を含む内部容積406を包囲する。固形廃棄物混合物を内部容積406に導入し、ミキサー408を用いて撹拌し、容器401に動作可能に結合されたヒータ405を用いて加熱する。内部容積406内の圧力は、真空ポートを介して容器401に動作可能に結合された真空システムを用いて、約6.67kPa(約50torr)未満の真空圧力に維持されてもよい。
固形廃棄物混合物を処理容器401の内部容積406に導入することで、上記の固体燃料組成物の形成方法を開始することができる。固形廃棄物混合物は、ハッチ、ドア、ポート、又は容器壁に形成された任意の他の適切な再封止性開口部を含む再封止性開口部を介して内部容積406に導入されてもよい。再封止性開口部は、固形廃棄物混合物を容器401に挿入するために、また、後に処理容器401内で加熱及び混合を開始する前に、開放することができる。再封止性開口部には、シール、ガスケット、及び/又は再封止性開口部が閉じられたとき気密シールを形成する他の機構が設けられてもよい。
再び図4を参照すると、処理容器401は、内部容積406内の固体廃棄物混合物を混合するためのミキサー408をさらに含むことができる。任意の既知のミキサー設計を制限なしに処理容器に含めることができる。ミキサー408は、少なくともいくつかの要因のうちの任意の1つ以上に基づいて選択することができ、これらには、限定するものではないが、比較的高密度かつ高粘性の固形廃棄物混合物を撹拌する能力;固形廃棄物混合物にせん断力を付与する能力;ミキサーを駆動するのに必要なエネルギー量が含まれる。ミキサー408は、少なくとも1つのミキサーブレード446を含むことができる。
処理容器401の内部容積406は、別個の乾燥室と混合室に分割されてもよい。図6は、内部容積を乾燥室704と混合室706に分割する内壁702を含む処理容器401Bの断面図である。両室704/706は、乾燥室704及び混合室706の両方の内容物を加熱するための加熱ジャケットに取り囲まれてもよい。内壁702は、乾燥室704の内容物を混合室706に移送するために開放することができる再封止性ドア708をさらに含み得る。
再び図4を参照すると、処理容器401は真空システム403に動作可能に結合されてもよい。処理容器401は、真空システム403への動作可能な結合を提供する排気ポート420を含むことができる。排気ポート420は、内側端部440で内部容積406に開口し、外側端部442で容器401の外部に開口するチャネル438を形成し得る。真空システム403は、排気ポート420の外側端部442に取り付けることができる。真空システム403は、真空ホース422を介して排気口420に接続することができる。
再び図4を参照すると、システム400は、処理容器401に動作可能に結合されたヒータ405を含むことができる。任意の適切なヒータ設計をヒータ405として選択することができ、これらには、限定するものではないが、電気ヒータ、誘導ヒータ、及び加熱オイルジャケット等の対流ヒータが含まれる。ヒータ405は、内部容積408の境界を形成する1つ以上の加熱壁448を介して内部容積408に熱を伝達することができる。固形廃棄物混合物は、ヒータ405から加熱壁448への熱伝導を介して、及び加熱壁448から、加熱壁448に接触する固形廃棄物の混合物の一部への熱伝導を介して、内部容積406内で加熱され得る。
システム400は、加熱固形廃棄物混合物を処理容器401から押出機出口434を介して押出すための押出機をさらに含むことができる。図4を参照すると、処理容器401は、加熱固形廃棄物混合物が容器401の内部容積406から押出される導管を提供する押出機出口434をさらに含むことができる。押出機は、加熱固形廃棄物混合物を押出機出口に向かって圧縮し、それによって押出機出口434を通して固形廃棄物混合物を押出すための圧縮要素を含むことができる。
システムは、混合要素、ヒータ、及び真空ポンプに動作可能に接続された制御盤を備えることができる。制御盤は、存在する場合、混合プラスチックを含む固形廃棄物混合物中の化合物を蒸発させるために内部容積を第1の温度に調節し、蒸発した化合物を固形廃棄物混合物から除去するために内部容積を第1の圧力に調節し、固形廃棄物混合物中の混合プラスチックを溶融させるために混合要素が作動している間、内部容積を約160℃〜約260℃の第2の温度及び約6670Pa(約50torr)未満の第2の圧力に調節する。
上述の方法及びシステムを使用して固形廃棄物混合物から製造される固体燃料組成物が提供される。固体燃料組成物は、廃棄物エネルギー回収方法の一部として、様々な熱分解チャンバへの供給原料としての使用に適合し得る。固体燃料組成物を形成する方法は、固体燃料組成物の製造に使用される固形廃棄物流に対して比較的均質かつエネルギー含量の変動性の小さい材料をもたらす。
10トンの都市固形廃棄物が送達される。MSWは約20重量%〜約40重量%の水分含量を有し、未知の量の不燃性固形廃棄物及び混合プラスチック成分を含む、様々な住宅ごみ及び商業固形廃棄物を含む。MSWを、不燃性固形廃棄物についてスクリーニングする。ガラス、金属、レンガ及び石を含む不燃性固形廃棄物を除去する。次いで、MSWをその混合プラスチック内容物について分析する。MSW中の混合プラスチックの量を約5重量%〜約60重量%に調整する。不燃性固形廃棄物を除去し、混合プラスチックの含有量を調整したら、MSWを、MSW中の他の個々の小片と同等以下の平均粒子サイズに細断する。
上記は単に本発明の原理を説明するに過ぎない。本明細書の教示を考慮すれば、記載された実施形態に対する様々な変更及び改変が当業者には明らかであろう。したがって、当業者であれば、本明細書に明示的に図示又は記載されていないが、本発明の原理を具体化し、したがって本発明の趣旨及び範囲内にある多数のシステム、配置及び方法を考案できることが理解されよう。上記の説明及び図面から、示され説明された特定の実施形態は、例示のみを目的とするものであり、本発明の範囲を限定するものでないことが、当業者に理解されるであろう。特定の実施形態の詳細への言及は、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
Claims (8)
- 炭素を含有する可燃性の固形廃棄物混合物に由来する、18,600J/g(8,000BTU/lb)〜32,600J/g(14,000BTU/lb)のエネルギー含量及び481kg/m3 (30lb/ft3)〜1280kg/m3 (80lb/ft3)の密度を有する固体燃料組成物であって、揮発性有機化合物及び不燃性固形廃棄物を実質的に含まず、熱分解されておらず、
40重量%〜80重量%の炭素;
5重量%〜20重量%の水素;
5重量%〜20重量%の酸素;
2重量%未満の硫黄;
2重量%未満の塩素;及び
1重量%未満の水;
を含有し、
前記固体燃料組成物は、5重量%〜35重量%の混合プラスチックを含み;
前記固体燃料組成物は、燃焼させた1050MJ(100万BTU)当たり0.23kg(0.5lb)未満のアルカリ酸化物、1.4kg(3lb)未満の灰分、0.045kg(0.1lb)未満のSO2、及び0.68kg(1.5lb)未満の塩素を放出し;かつ
前記固体燃料組成物は、本質的に非多孔質、本質的に無臭、かつ本質的に無菌である、固体燃料組成物。 - 前記固形廃棄物混合物は、都市固形廃棄物及び農業廃棄物を含む、請求項1に記載の固体燃料組成物。
- 不燃性金属廃棄物を実質的に含まない、請求項1に記載の固体燃料組成物。
- 前記混合プラスチックは、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリエチレン/アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリカーボネート/アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリウレタン、マレイミド/ビスマレイミド、メラミンホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒド、ポリエポキシド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ乳酸、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、及び尿素−ホルムアルデヒドからなる群から選択される1種以上のプラスチックを含む、請求項1に記載の固体燃料組成物。
- 前記混合プラスチックは、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、及びそれらの組合せを含む、請求項4に記載の固体燃料組成物。
- 0.5重量%未満の水を含む、請求項1に記載の固体燃料組成物。
- 5cm(2インチ)の最大断面寸法及び61cm(2フィート)未満のロッド長さを有するロッドの形態にある、請求項1に記載の固体燃料組成物。
- 3mm未満の最大粒子寸法を有する複数の粒子の形態にある、請求項1に記載の固体燃料組成物。
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