廃棄物転換炉：熱分解、ガス化、および熱水経路

廃棄物変換炉：熱分解、ガス化、熱水経路

廃棄物変換炉とは何ですか？廃棄物変換炉は、低価値または有害な廃棄物、バイオマス、プラスチック、またはスラッジをエネルギーまたは化学物質に変換する容器であり、4つの経路のいずれかを使用することによって定義されます。熱分解は、酸素がない状態で400〜700℃で加熱し、熱分解油、ガス、炭を生成します。ガス化は、700〜1200℃で合成ガスを生成し、標準立方メートルあたり10〜30 MJの合成ガスを生成します。熱水炭化は、180〜250℃、20〜40 barで、湿潤バイオマスからハイドロ炭を生成します。嫌気性消化は、35〜38℃でバイオガスを生成します。主な工学的課題は、都市固形廃棄物、バイオマス、スラッジはバッチごとに水分、発熱量、汚染物質が異なるため、供給の不均一性です。したがって、炉は固定供給ではなく、到着したものを許容する必要があります。材料と内部部品は、コア化学よりも、摩耗性、タール、灰、腐食性に基づいて選択されます。

1.変換経路とその炉

各経路は異なる廃棄物に適合し、異なる生成物を生成します。

• 固形廃棄物の熱分解とガス化：熱分解は、選別された廃棄物またはプラスチックを酸素がない状態で400〜700℃で加熱し、熱分解油、可燃性ガス、炭に分解し、油の収率は供給量に応じて重量パーセントで30〜60％になります。ガス化はさらに進み、700〜1200℃で供給物を部分的に酸化して、標準立方メートルあたり10〜30 MJの合成ガス（一酸化炭素と水素）を生成し、燃焼または化学的に変換できます。炉は通常、ロータリーキルン、流動床、または間接加熱スクリューであり、中心的な問題はタール生成であり、これは下流の機器を汚染し、不活性化します。また、灰と炭の摩耗は内部部品を摩耗させます。水分が約30〜40％を超え、不活性物質が存在するとプロセスのエネルギーバランスが崩れるため、供給準備、乾燥、選別は炉と同じくらい重要です。
• 湿潤バイオマスの熱水変換：下水スラッジ、食品廃棄物、家畜糞尿などの湿潤供給物の場合、乾燥は高価なステップであるため、熱水経路は材料を自然な水分で処理します。熱水炭化は、180〜250℃、20〜40 barで5〜30分間実行され、有機物をハイドロ炭（取り扱いとエネルギー密度が改善された石炭のような固体）に変換します。炉は、腐食性、高温の水相、および供給物中の砂粒と繊維に耐性のある攪拌またはプラグフロー圧力容器です。この経路は、熱分解の乾燥ペナルティを回避し、体積削減、安定化、エネルギー回収を目的としたスラッジや農業残渣に適していますが、高価値の液体生成物ではありません。圧力境界と耐腐食性の濡れた経路が主要な設計項目です。
• エネルギーと安定化のための嫌気性消化：高有機廃棄物の場合、密閉された炉で35〜38℃で嫌気性消化を行うと、有機物がバイオガス（メタン約60％）に変換され、15〜30日間の保持期間でCODあたり0.3〜0.6 m3になります。炉は通常、ガラス溶融鋼またはコンクリート製のタンクで、数千から30,000 m3の容量があり、10〜30 W/m3で混合され、爆発性雰囲気制御されたヘッドスペースを備えています。熱的には最も穏やかな変換経路ですが、生物学が遅く、体積が保持時間によって設定されるため、体積的には最も大きいです。炉は、沈降して摩耗する砂粒、変動する供給強度、および脱水する必要のある消化液を処理する必要があり、その腐食は微量の硫化物と、生物学が乱れた場合の酸性相によって引き起こされます。これは、都市および農業廃棄物変換の主力です。

2.不均一で摩耗性の高い供給物に対するエンジニアリング

廃棄物変換は、炉が敵対的で変動しやすい供給物にどのように対処するかにかかっています。

• 材料と内部の摩耗管理：すべての廃棄物変換炉は、摩耗と腐食に同時に対処します。熱分解およびガス化炉では、高温の炭と灰がキルンまたは流動床の内部を侵食するため、耐火ライニング、硬化させたフライトバー、交換可能な摩耗プレートが標準であり、流動床のベッド材料は反応性と摩耗耐性の両方で選択されます。熱水および嫌気性炉は、水相、微量の硫化物、塩化物からの腐食と戦うため、化学的に許容される場所では316L、二相鋼、またはガラス溶融鋼ライナーが使用されます。設計思想は、摩耗箇所を安価でアクセスしやすいものにすることです。キルンノーズ、ベッド、ボトムバルブなどです。なぜなら、合金に関係なく、何かが予定通りに交換されるからです。平均的な供給物に対する仕様は、義務を過小評価しています。設計は、砂粒が多く、塩分が多く、湿った状態での稼働に耐える必要があります。
• 供給物の取り扱い、混合、スループット：純粋な試薬を供給される化学反応器とは異なり、廃棄物反応器は1日あたり50〜1000トンの予測不可能な供給物を受け取るため、供給物の準備、選別、シュレッダー加工、乾燥、計量がプラントを支配します。炉自体は、過度の摩耗なしに固体を移動させる堅牢な混合、固体のためのスクリューまたは回転機構、スラリーのためのドラフトチューブまたは低せん断インペラ、および布、石、または未溶融プラスチックで詰まらない排出が必要です。スループットは、平均ではなく、最悪の供給日の稼働と熱バランスによって設定されます。なぜなら、高水分と不活性物質は、プロセスが生成することを意図したエネルギーを消費するからです。確実に供給および排出できない変換炉は、化学がどれほどエレガントであっても、負債となります。
• 生成物の精製、安全性、排出物：炉の生成物は、販売可能な最終製品であることはめったにありません。精製が必要です。熱分解油は酸性で不安定で水っぽいので、アップグレードする必要があります。合成ガスはタール、粒子、酸性ガスを運び、エンジンを汚染するため、洗浄する必要があります。バイオガスは硫化水素とシロキサンを運び、発電機を損傷します。したがって、炉はガスまたは液体の精製システム、可燃性生成物の安全システム、消化槽ヘッドスペースの爆発性雰囲気制御、およびオフガスのためのベントとともに指定されます。排出物許可は、燃焼におけるNOxおよびダイオキシン制御から、消化における臭気および浸出水管理まで、設計の多くを推進します。炉は廃棄物変換プラントの心臓部ですが、その受け入れは、周囲の精製と排出物制御にかかっています。

廃棄物変換経路比較マトリックス

よくある質問（FAQ）

Q：廃棄物変換における熱分解とガス化の違いは何ですか？

A：どちらも完全燃焼なしに熱的に廃棄物を分解しますが、程度と生成物が異なります。熱分解は、酸素がない状態で400〜700℃で供給物を加熱し、熱分解油、可燃性ガス、炭に分解し、油の収率は重量パーセントで30〜60％です。ガス化は、限られた量の酸素または蒸気を導入し、反応を700〜1200℃まで進め、供給物を主に合成ガス（一酸化炭素と水素）に変換し、標準立方メートルあたり10〜30 MJの合成ガスを生成し、燃焼または化学的にアップグレードできます。熱分解は、プラスチックとバイオマスからの液体回収に適しています。ガス化は、クリーンなガス燃料と、容易にガス化する供給物に適しています。どちらもタールと灰に苦労し、どちらも供給物の乾燥と選別が必要ですが、水分と不活性物質はエネルギーバランスを損ないます。

Q：なぜ供給物の不均一性が廃棄物変換炉における最大の課題なのですか？

A：都市固形廃棄物、バイオマス、スラッジは、バッチごとに水分、発熱量、粒子サイズ、汚染物質が異なるため、炉は供給物の仮定に基づいて設計されるからです。高水分（30〜40％以上）と不活性物質は、プロセスが生成することを意図したエネルギーを消費します。塩素と金属は腐食と汚染を引き起こし、石や未溶融プラスチックは排出を詰まらせます。固定レートで純粋な試薬を供給される化学反応器とは異なり、廃棄物反応器は到着したものを許容する必要があります。したがって、その受け入れは、供給物の準備、選別、シュレッダー加工、乾燥、計量、摩耗や詰まりを起こさない堅牢な混合、および平均ではなく、砂粒が多く、塩分が多く、湿った最悪のケースに対して選択された材料にかかっています。炉の化学はしばしば簡単な部分であり、供給物に耐えることが難しい部分です。

Q：廃棄物変換炉にはどのような材料が使用されていますか？

A：経路と最悪の信頼できる供給物によって異なります。熱分解およびガス化炉では、高温の炭と灰の摩耗が発生するため、耐火ライニング、硬化させたフライトバー、交換可能な摩耗プレートが使用され、流動床材料は摩耗耐性で選択されます。熱水および嫌気性炉は、水相、微量の硫化物、塩化物からの腐食と戦うため、化学的に許容される場所では316L、二相鋼、またはガラス溶融鋼ライナーが使用され、嫌気性消化槽は一般的に大きなガラス溶融鋼タンクです。設計により、摩耗箇所は安価でアクセスしやすくなります。キルンノーズ、ベッド、ボトムバルブなどです。なぜなら、予定通りの交換が期待されるからです。合金は、平均ではなく、スパイクに対して選択されます。なぜなら、廃棄物の組成は変動するからです。

Q：廃棄物変換炉はどのように循環経済目標をサポートしますか？

A：廃棄物、バイオマス、またはスラッジを埋め立てたり焼却したりする代わりに、材料を処分から資源へとバリューチェーンを上昇させることによって。炉は、合成ガス、バイオガス、または熱分解油としてエネルギーを回収し、燃料または土壌改良材として使用できる炭またはハイドロ炭として材料を回収し、埋め立てる必要がある残渣の体積と危険性を低減します。熱水炭化と嫌気性消化は、さらに湿潤有機廃棄物を安定化させ、輸送と臭気の負担を軽減します。炉は、廃棄物からエネルギーまたは廃棄物から化学物質へのプラントの技術的なピボットであり、その経済的および環境的ケースは、変動しやすい供給物を安定した販売可能な出力に確実に変換することにかかっています。これが、供給物の取り扱いと生成物の精製が同じシステムの一部として設計される理由です。