JP2020518782A

JP2020518782A - マイクロ波熱分解反応器

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Publication number: JP2020518782A
Application number: JP2020503082A
Authority: JP
Inventors: ウィーン，アスゲイル
Original assignee: スキャンシップ・アクティーゼルスカブ
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: EP3601481B1; CN110651025B; US11826717B2; JP7064570B2; CN110651025A; US20210106970A1; EP3601481A1; NO20170493A1; WO2018177994A1; NO345369B1

Abstract

本発明は、内側パイプ部材（２）と、マイクロ波分配部材（３）と、ハウジング（４）とを備えたマイクロ波熱分解反応器（１）を提供する。内側パイプ部材（２）はマイクロ波透過性材料で形成され、第１の開放端（５）と第２の開放端（６）とを備え、マイクロ波分配部材（３）はマイクロ波に対して透過性でない材料で形成され、内側パイプ部材（２）の周りに配置され、内側パイプ部材（２）内へのマイクロ波の通過を許容する少なくとも１つの開口（８）を備え、ハウジング（４）は、マイクロ波分配部材（３）の周りで第１の環状空間（９）を包囲する第１の内表面と、第１の環状空間と連通するマイクロ波導波管（１４）のためのポート（１３）とを備え、マイクロ波分配部材は、使用中にマイクロ波熱分解反応器から熱を除去するための熱交換システムと伝熱接触している。【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ波熱分解反応器の分野に関し、より詳細には、廃棄物処理に適したマイクロ波熱分解反応器、廃棄物処理システムにおけるかかるマイクロ波熱分解反応器の使用およびマイクロ波熱分解反応器を備えた廃棄物処理システムに関する。

例えば船舶上など洋上廃棄物処理および管理は、一般的には、続いて週ごとに行われる陸上への陸揚げのために焼却炉の利用と、食用油、油スラッジ、紙、プラスチック、段ボール、木製パレットなどの廃棄物の収集と、さらに下水汚泥および生ごみの海への排出とを組み合わせることにより行われる。このため、特に輸送量が多い地域において環境フットプリントは非常に大きい。これは、クルーズ船に関連して特に顕著であり、特定の港湾および海域においては、海洋投棄や燃焼排気ガスとしての排出を禁止する多くの法律がある。後者の禁止は、港湾に停泊中の船舶に適用されるため、船上焼却炉の利用を制限するものである。廃棄物の処理および管理に関する同様の問題や課題の多くが大規模な廃棄物処理施設へのアクセスが制限されている農村部、島嶼部などの地域においてみられる。

一般的な焼却炉に加えて、熱分解システムも廃棄物処理システムにおいて利用されている。熱分解は、酸素が存在しない状態での高温での有機物質の熱化学分解であり、これらのシステムにおいては、内部プラズマアークまたは外部加熱によって熱分解反応が得られる。焼却炉に代えて熱分解反応器を利用する利点は、大気汚染および残留物の排出の観点から環境への影響が低い点である。チャーに加えて、熱分解反応器は合成ガスおよび／またはバイオオイルを生成し、これらはボイラおよび／またはガスタービンに燃料を供給して熱または電力としてエネルギーを生成するために利用することができる。かかる熱分解反応器を利用した公知の廃棄物処理システムは、焼却炉を利用したシステムよりも多くの点で優れているものの、依然として改善の点で大きな余地が残る。

熱分解の分野における近時の重要な発展は、マイクロ波支援熱分解反応器である。これらの反応器においては、マイクロ波は熱分解されるべき物質を加熱するのに利用される。
マイクロ波支援熱分解のためにマイクロ波熱分解反応器を利用する廃棄物処理システムが知られている。かかるシステムの例は、例えば米国特許第５，３８７，３２１号および米国特許第６，１８４，４２７（Ｂ１）号に開示されている。廃棄物処理においてマイクロ波支援熱分解を利用し廃棄物をエネルギー用途のために利用する物理的原理、効果および利点は、Ｌａｍほか（Ｅｎｅｒｇｉｅｓ２０１２，５，４２０９−４２３２）によって検討されている。

本発明の目的は、廃棄物処理および／または処置システムにおける様々なタイプの廃棄物のマイクロ波支援熱分解に適したマイクロ波熱分解反応器を提供することにある。特に、本発明は、単純な構造を有し、反応器内のマイクロ波の優れた分配を提供し、熱分解される廃棄物の種類およびサイズの多様性に関して堅牢であり、エネルギー効率がよく、反応器内で熱分解される廃棄物を移動させるための複雑な解決手段に依存しないマイクロ波熱分解反応器を提供する。本発明のさらなる目的は、従来技術に係るマイクロ波熱分解反応器および廃棄物処理システムの欠点の少なくともいくつかを軽減または除去することにある。

本発明は添付の請求項および以下において規定されている。
第１の態様においては、本発明は内側パイプ部材と、マイクロ波分配部材と、ハウジングとを備えたマイクロ波熱分解反応器を提供し、
−内側パイプ部材はマイクロ波透過性材料で形成され、第１の開放端と第２の開放端とを備え、
−マイクロ波分配部材はマイクロ波に対して透過性でない材料で形成され、内側パイプ部材の周りに配置され、かつ、マイクロ波分配部材の外側から内側パイプ部材内へのマイクロ波の通過を許容する少なくとも１つの開口を備え、
−ハウジングは、マイクロ波分配部材の周りの第１の環状空間を包囲する第１の内表面と、第１の環状空間と連通するマイクロ波導波管のためのポートとを備え、
マイクロ波分配部材は、使用中にマイクロ波熱分解反応器から熱を除去するための（より具体的には、ハウジング、またはハウジングの内表面と内側パイプ部材の外表面とによって画定される空間の内部から熱を除去するための）熱交換システムと伝熱接触している。

熱交換システムと伝熱接触していることで、マイクロ波分配部材は、増大された熱伝達能力を提供する熱交換システムのための伝熱部材として機能する。
マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波分配部材は熱交換システムを備える。この実施形態においては、マイクロ波分配部材が熱交換システムと伝熱接触していることが含意されている。したがって、マイクロ波熱分解反応器はまた、内側パイプ部材と、マイクロ波分配部材と、ハウジングとを備えるものと規定されてもよく、
−内側パイプ部材はマイクロ波透過性材料で形成され、第１の開放端と第２の開放端とを備え、
−マイクロ波分配部材はマイクロ波に対して透過性でない材料で形成され、内側パイプ部材の周りに配置され、かつ、マイクロ波分配部材の外側から内側パイプ部材内へのマイクロ波の通過を許容する少なくとも１つの開口を備え、
−ハウジングはマイクロ波分配部材の周りの第１の環状空間を包囲する第１の内表面と、第１の環状空間と連通するマイクロ波導波管のためのポートとを備え、
マイクロ波分配部材は、使用中にマイクロ波熱分解反応器内で生成される熱を除去するための熱交換システムを備える。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、熱交換システムは、熱交換流体のための少なくとも１つの流体チャネルを備える。少なくとも１つの流体チャネルは、熱交換流体のための流体入口と流体出口とに接続されている。熱交換流体は、熱分解反応器の使用中に流体チャネルを通って流れる。少なくとも１つの流体チャネルは熱伝導性材料からなる。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、少なくとも１つの流体チャネルはマイクロ波分配部材の表面に配置され、または、マイクロ波分配部材の内部（すなわち、内部流体チャネル）に配置されている。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波分配部材は、ハウジングの内表面に対向する外側表面と、内側パイプ部材に対向する内側表面とを備えた中空円筒状部材とされ、あるいは中空円筒状部材を備える。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波分配部材は、ハウジングの内表面に対向する外側表面と内側パイプ部材に対向する内側表面とを有する円筒状壁部を備えた中空円筒状部材とされ、あるいは中空円筒状部材を備える。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、少なくとも１つの流体チャネルは、中空円筒状部材の外側または内側表面に配置され、または、中空円筒状部材の外側表面と内側表面との間に配置されることでマイクロ波分配部材の構成部分をなしている。

少なくとも１つの流体チャネルは、マイクロ波分配部材の内側または外側表面の上に、あるいは、マイクロ波分配部材の構成部分または内側部分の上に接続された少なくとも１つの流体パイプであってもよい。一実施形態においては、少なくとも１つの流体チャネルは、少なくとも１つの開口またはスロットの間におよび／またはこれらに隣接して配置された内部流体チャネルの形態のマイクロ波分配部材の構成部分である。好ましい実施形態においては、少なくとも１つの流体チャネルは、らせん状のスロット配列の少なくとも１つのスロットの間に配置されたらせん状の流体チャネルである。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、ハウジングは、入口と、固形物出口と、気体出口とを備えており、入口と固形物出口は、それぞれ、内側パイプ部材の第１の開放端および第２の開放端と連通する。ハウジングはまた、センサのための様々なポート、不活性ガスの入口等を備えてもよい。

マイクロ波分配部材および／または少なくとも１つの開口は、少なくとも１つの開口に進入するマイクロ波がマイクロ波分配部材の内表面によって少なくとも部分的に反射されて内側パイプ部材の長手方向において内側パイプ部材内で分配されるように、設計されている。少なくとも１つの開口は、マイクロ波分配部材の外部からのマイクロ波の通過、すなわち、第１の環状空間から、内側パイプ部材内へのマイクロ波の通過を許容する。少なくとも１つの開口は、第１の環状空間から内側パイプ部材内へのマイクロ波の通過を可能とする寸法および形状であるかぎり、任意の適切な断面を有してもよい。

一実施形態においては、第２の環状空間が内側パイプ部材とマイクロ波分配部材との間に設けられるように、マイクロ波分配部材が内側パイプ部材の周りに配置されている。好ましくは、第２の環状空間および／またはマイクロ波分配部材は、内側パイプ部材の実質的に全長にわたって延在する。

内側パイプ部材およびマイクロ波分配部材は好ましくは同心円状である。
内側パイプ部材の第１の開放端は、熱分解されるべき物質を受け入れるのに適している一方、内側パイプ部材の第２の開放端は、熱分解生成物の取り出しに適している。

本発明の一実施形態においては、内側パイプ部材、ハウジングの入口および固形物出口は、内側パイプ部材の周りの第１の環状空間と流体連通していない流路／導管をなしている。

マイクロ波導波管のためのポートは、接続されたマイクロ波導波管からのマイクロ波が使用中にマイクロ波分配部材の周りの環状空間に進入することになるように、配置されている。マイクロ波導波管は、マイクロ波送信機／源に接続されている。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波分配部材は、中空円筒状部材である。用語「円筒状（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）」は、円筒状の主要な形状、すなわち、内側パイプ部材の周りに配置されるのに適した主要な形状を画定する任意の部材を包含するものと意図されている。このように、この用語は、らせん状の形状とされた部材、少なくとも１つの半径方向開口を有するパイプ部材等を包含するものとみなされる。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波が使用中にマイクロ波分配部材または内側パイプ部材の少なくとも２つの反対の半径方向から内側パイプ部材（または第２の環状空間）に進入しうるように、少なくとも１つの開口が配置されている。好ましくは、マイクロ波は、内側パイプ部材のあらゆる半径方向から、すなわち、内側パイプ部材の中心線に対して任意の半径方向から進入しうる。換言すれば、少なくとも１つの開口は、マイクロ波が少なくとも１つの開口を通って使用中にマイクロ波分配部材または内側パイプ部材の少なくとも２つの反対の半径方向から内側パイプ部材に入りうるように、配置されている。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、少なくとも１つの開口は、マイクロ波分配部材の直径方向両側部において完全に重なり合う開口が存在しないように、好ましくは、マイクロ波分配部材の直径方向両側部において開口どうしの重なり合いが存在しないように、配置されている。換言すれば、少なくとも１つの開口は、マイクロ波分配部材の直径方向両側部において完全に重なり合う開口が存在しない、好ましくは、マイクロ波分配部材の直径方向両側部において重なり合う開口が存在しないように、配置されている。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、少なくとも１つの開口は少なくとも１つのスロットであり、好ましくは少なくとも１つのスロットは、らせん状のスロット配列の少なくとも一部として形成されている。らせん状のスロット配列は、スロット配列がマイクロ波分配部材の直径方向両側部において重なり合う開口をもたないように、リード角を有することが好ましい。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、マイクロ波分配部材が複数の開口を備える。
一実施形態においては、マイクロ波熱分解反応器のマイクロ波分配部材は、らせん状のスロット配列を提供する複数のスロットを備える。

一実施形態においては、マイクロ波熱分解反応器は使用中にポートを介して進入してくるマイクロ波が内側パイプ部材に対して直接影響を与えることを防止するように、内側パイプ部材と導波管のためのポートとの間に配置されたマイクロ波遮断部を備える。マイクロ波遮断部は、好ましくは、マイクロ波分配部材のスロットがない区画であり、または、マイクロ波分配部材とハウジングとの間に配置され、マイクロ波導波管のためのポートに対向しているとともに好ましくはマイクロ波導波管のためのポートのそれと少なくとも等しい断面積を有するプレート区画である。

マイクロ波分配部材の内表面と内側パイプの外表面との間の距離は、できるだけ小さいのが好ましい。
マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、好ましくは内側パイプ部材を垂直方向に配置させることにより使用中において第１の開放端が第２の開放端よりも高い垂直レベルにあるように、内側パイプ部材が配置されている。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、廃棄物移送部材が内側パイプ部材の内部または前／上流側に配置されており、廃棄物移送部材は第１の開放端から第２の開放端へ内側パイプ部材の内部で廃棄物を移動させることが可能であり、廃棄物移送部材は、例えば、スクリュコンベヤまたはベルトであってもよい。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、ハウジングの入口は、第１の端部と第２の端部とを有する供給管を備えた入口部の一部であり、入口は、供給管とハウジングの第２の内表面との間に円周空間が形成されるように、ハウジング内に延在しかつ内側パイプ部材の第１の端部に対向している供給管の第１の端部と供給管の第２の端部に配置されている。円周空間は、第１のおよび第１の環状空間と流体連通していない。

マイクロ波熱分解反応器の実施形態においては、気体出口は、ハウジングの第２の内表面に配置されている。好ましくは、気体出口は、供給管の第２の端部のレベルよりも上方のレベルに配置されている。気体出口は、任意選択的には、内側パイプ部材の上流側に配置されてもよい。気体出口の配置は内側パイプ部材の方向によって決まる。

一実施形態においては、マイクロ波熱分解反応器は、内側パイプ部材に対して振動を提供することが可能な振動部材を備える。
一実施形態においては、マイクロ波熱分解反応器は、ハウジングの廃棄物入口および固形物出口にそれぞれ接続された廃棄物入口チャンバおよび固形物出口チャンバを備える。

マイクロ波熱分解反応器の一実施形態においては、廃棄物入口チャンバおよび固形物出口チャンバの各々が、各チャンバを隔離するための第１のバルブおよび第２のバルブと、各隔離されたチャンバの窒素浄化のための気体入口および気体出口を備える。

第２の態様においては、本発明は、先行する請求項のいずれかに係るマイクロ波熱分解反応器と、マイクロ波源をポートに接続するマイクロ波導波管と、を備えた廃棄物処理システムを提供する。

一実施形態においては、廃棄物処理システムは、廃棄物を反応器の入口に提供するための手段と、反応器の固形物出口を出る固形物を除去するための手段とを備える。
廃棄物処理システムの一実施形態においては、マイクロ波熱分解反応器は、ハウジングの固形物出口に接続された固形物出口チャンバを備えている。固形物出口チャンバは、固形物コンベヤを介してマイクロ波熱分解反応器の固形物出口に接続されている。固形物コンベヤは、固形物出口と固形物出口チャンバとの間の流体密接続を提供する。

第３の態様においては、本発明は、マイクロ波による加熱を受けやすい物質のマイクロ波支援熱分解のための第１の態様に係るマイクロ波反応器の使用を提供する。
用語「廃棄物（ｗａｓｔｅ）」は、マイクロ波熱分解反応器における熱分解に適した任意のタイプの物質を包含するものと意図されている。

本発明は、以下の図面を参照して詳細に説明される。

例示的なマイクロ波熱分解反応器の縦断面図である。図１に示すマイクロ波熱分解反応器の水平断面図である。図３ａは、図１に示すマイクロ波熱分解反応器の側面図である。図３ｂは、図１に示すマイクロ波熱分解反応器の斜視側面図である。図１に示すマイクロ波熱分解反応器を備えた廃棄物処理システムの斜視図である。発明に係るマイクロ波熱分解反応器の斜視図およびその分解側面図である。図５に示すマイクロ波熱分解反応器のマイクロ波分配部材の細部側面図および斜視図である。発明に係るマイクロ波熱分解反応器に適したマイクロ波分配部材のさらなる実施形態の細部側面図および斜視図である。

発明に係るマイクロ波熱分解反応器の実施形態が図１ないし図４に示されている。反応器はマイクロ波に対して透過性の材料で形成されている内側パイプ部材２を具備する。パイプ部材は上端部５（すなわち、第１の開放端）と下端部６（すなわち、第２の開放端）とを有する。外側パイプ部材３（すなわち、マイクロ波分配部材）は、内側パイプ部材２の周りにかつ内側パイプ部材２と同心円状に配置されており、内側パイプ部材と外側パイプ部材との間で第２の環状空間７を画定している。反応器のハウジング４、より具体的にはハウジングの第１の内表面は、外側パイプ部材の周りの第１の環状空間４４を包囲しており、第１の環状空間をマイクロ波導波管に接続するためのポート１３を具備する。導波管は、マグネトロンまたはソリッドステートジェネレータなどの適切なマイクロ波源からのマイクロ波を伝送するためのものである。ハウジング４は、入口１０と、固形物出口１１と、気体出口１２とを具備する。ハウジングの入口および固形物出口は、それぞれ、内側パイプ部材の上端部および下端部と連通するように配置されている。気体出口１２は、熱分解プロセスで発生したガスが反応器から退避／流出することができるように、内側パイプの上端部よりも上方に配置されている。ハウジングの固形物入口１０は、第１の端部１６と第２の端部１７とを有する供給管１５を備えた入口部の一部であり、固形物入口は、供給管の第１の端部１６に配置されており、供給管の第２の端部１７は、ハウジングの内部に延在するとともに内側パイプ部材の上端部５に対向している。円周空間１８が供給管とハウジング（すなわち、ハウジングの第２の内表面）との間に形成されている。気体生成物の流れ方向により固形廃棄物が気体出口１２に向かって移送されることを回避または最小化するために、気体出口は、供給管の第２の端部１７より上方のレベルでハウジングの第２の内表面に配置されている。

内側パイプ部材２はハウジングの入口および固形物出口とあわせて、内側パイプ部材の周りの環状空間と流体連通していない流路／導管３７の一部をなしている。
外側パイプ部材の壁部はらせん状の構成（すなわち、らせん状のスロット配列）で配置された複数のスロット８（すなわち、開口）を具備する。使用中、ポート１３を経由して反応器に進入するマイクロ波は、スロットを経由して内側パイプ部材に進入することになる。スロット（すなわち、少なくとも１つの開口）は、マイクロ波が内側パイプ部材および／またはマイクロ波分配部材の実質的にすべての半径方向から内側パイプ部材に進入しうるように、内側パイプ部材の周りに配置されている。外側パイプ部材の効果は、内側パイプ部材内の廃棄物に影響を及ぼすマイクロ波のより一層均一な分配を提供するという点である。これにより、物質のより一層均一な加熱が可能となる。さらに、マイクロ波の均一な分配を確保することにより、内側パイプ部材の区画／領域が過度に加熱されることはない、すなわち、内側パイプ部材の材料に損傷を与えるおよび／またはその寿命を短くするような温度に達することはない。外側パイプ部材のさらなる利点は、内側パイプ部材全体にわたって同質的なマイクロ波分配を得るにあたり反応器内への単一のポート１３のみが必要となるという点である。

開示された実施形態においては、マイクロ波分配部材は、内側パイプ部材の周りに第２の環状空間を提供する別個のパイプ状の部材である。しかしながら、この部材によって得られる有利な分配効果は、第２の環状空間に依存するわけではない。事実、この効果は、第２の環状空間の幅（すなわち、外側パイプ部材の内表面と内側パイプ部材の外表面との間の距離）を最小化することによって向上するものとみられる。このように、いくつかの実施形態においては、マイクロ波分配部材は、内側パイプ部材上の被覆であってもよい。外側パイプ部材３と同様に、この被覆はマイクロ波に対して透過性でない材料で形成されており、マイクロ波の内側パイプ部材への進入を許容するための開口を提供するように配置されている。使用状態において、マイクロ波熱分解反応器は、ハウジングの入口１０と内側パイプ部材の上端部とを有する垂直方向の内側パイプ部材がハウジングの固形物出口１１と内側パイプ部材の下端部よりも上方のレベルに配置されるように、配置されている。これは、熱分解されるべき廃棄物が単純に重力を利用して反応器を通過するという点を含めいくつかの利点を提供する。さらに、熱分解の間、内側パイプ部材の下側部分／低いレベルに形成された気体または揮発性生成物（主に炭化水素ガス／蒸気）が、内側パイプ部材を通って上昇し、内側パイプ内のより高いレベルに存在する廃棄物と反応することになる。気体生成物は一般に、ハウジングの入口に近い廃棄物よりもはるかに高いマイクロ波吸収能力をもち、結果として得られる効果は、したがって、この廃棄物におけるマイクロ波吸収の増加である。後者の効果は、廃棄物のより一層効果的な熱分解を可能にするので非常に有利である。この効果は、効果的な熱分解を得るためにこの効果がなければチャーなどのマイクロ波吸収性添加剤の添加を必要とするであろう物質の効果的な熱分解を提供さえしうる。

前述のとおり、この具体的な実施形態においては、マイクロ波分配部材のスロットは、らせん状の構成で配置されている。しかしながら、マイクロ波分配に対する有用または適切な均質化効果は、他のスロット構成によって得られてもよい。そのため、さらなる実施形態が想定され、かかるさらなる実施形態においては、スロットは円形、楕円形、多角形などの様々な断面積を有する開口によって置き換えられている。必要条件は、開口が第１の環状空間から内側パイプ部材内へのマイクロ波の通過を許容するような寸法とされているという点である。さらに、開口は、好ましくは、開口が外側パイプ部材の直径方向両側部において完全に重なり合わないように、配置されている。かかる重なり合いを回避することで、マイクロ波の大半は第２の環状空間において内側パイプ部材の長手方向に反射して分配される。

マイクロ波熱分解反応器は、複数の温度センサ４２と圧力センサ４３とを備える。センサは、気体出口１２における（または円周空間１８における）温度状態および圧力と第１の環状空間４４における圧力を監視する。例えば後述する廃棄物処理システムにおいて用いられると、様々なセンサが適切な制御および監視システム（図示せず）に接続されている。

上述したマイクロ波熱分解反応器１を具備する廃棄物処理システムの主要な構成部が図５に示されている。マイクロ波熱分解反応器に加えて、このシステムは廃棄物容器１９と、廃棄物入口チャンバ２０と、固形物コンベヤ２１と、固形物出口チャンバ２２とを備える。廃棄物容器は、廃棄物出口３３を備え、また、廃棄物を廃棄物入口チャンバの入口２４に提供するように配置されたスクリュコンベヤ２３（スクリュは図示されていない）を有する。廃棄物入口チャンバは、上側バルブ２５（すなわち、入口バルブ）と下側バルブ２６（すなわち、出口バルブ）とを備える。バルブは、マイクロ波熱分解反応器１への進入の前に、窒素を使用することにより、廃棄物から酸素を除去しうるように、廃棄物入口チャンバを隔離することができる。窒素は気体入口２７を介して供給されるとともに気体出口２８を介して放出される。固形物コンベヤ２１は、マイクロ波熱分解反応器の固形物出口に接続されており、密閉型内部スクリュコンベヤ３４（図示せず）を備える。スクリュコンベヤは、マイクロ波熱分解反応器を出る固形物を固形物出口チャンバ２２に移送するために配置されている。ベルトなどの固形物コンベヤにおける固形物の移送のための他の手段が用いられてもよい。固形物コンベヤは、マイクロ波熱分解反応器を出る固形物が固形物出口チャンバに到達する前に十分に冷却されることができるような寸法とされている（すなわち、長さおよび／または周囲を有する）。固形物コンベヤは、固形物出口１０を出る固形物の冷却を向上させるための熱交換システムを備えてもよいことが意図されている。固形物の冷却の向上に加えて、かかる熱交換システムは、例えば、水の予熱など、様々な補助システムにおいて熱を利用するために用いられてもよい。

固形物コンベヤは、固形物出口１１から固形物出口チャンバ２２への移送の間の固形物の温度を監視するための温度プローブを備える。固形物出口チャンバ２２は、上側バルブ２９（すなわち、入口バルブ）と下側バルブ３０（すなわち、出口バルブ）とを備える。バルブは、酸素または空気が固形物コンベヤ（およびしたがってマイクロ波熱分解反応器）に進入することが防止されるように固形物出口チャンバを隔離することができる。廃棄物入口チャンバと同様に、固形物出口チャンバ内に存在しうる酸素はすべて、窒素の利用によって気体入口３１および気体出口３２（図示せず）を介して除去されてもよい。固形物出口チャンバの固形物出口３５は、通常は、固形物の一時的な貯蔵のための固形物容器３６（図示せず）に接続されている。同様に、マイクロ波熱分解反応器の気体出口１２は、処理および／または貯蔵のためのガス処理システム（図示せず）に接続されている。ガス処理システムは、少なくとも吸引装置（図面には図示されていないが通常はポンプ）を備える。吸引装置は、内側パイプ部材の内部容積および内側パイプ部材と直接的に流体連通する反応器の内部容積が周囲圧力を下回る圧力に維持されることを確保する。マイクロ波熱分解反応器の外部への気体生成物の移送の向上に加えて、吸引装置によって提供される周囲圧力未満圧力は、内側パイプの内部容積から周囲環境への気体の偶発的な漏出（例えば密閉不良に起因する）が最小化されまたは回避されることを確保する。さらに、システム内部におけるあらゆる漏出が、内側パイプ内部のまたは内側パイプとハウジングとの間の環状空間内部の圧力を監視することによって検出されてもよい。ガス処理システムは、ガス駆動発電機または石油炉などの熱および／または電力を生成するための任意の適切な装置またはシステムを追加的に備えてもよい。

使用状態において、廃棄物は、まず廃棄物容器１９に提供される。廃棄物容器は、例えば、反応器への導入に適切な形態で廃棄物を提供するためのシュレッダ、ペレタイザおよび／または廃棄物貯蔵ホッパに接続されてもよく、あるいはこれらの一部を構成していてもよい。送給シーケンスにおいては、廃棄物、好ましくはペレット化された廃棄物は、廃棄物容器の出口３３に移送され、廃棄物入口チャンバの上側バルブ２５が開放されて、廃棄物が廃棄物入口チャンバ内に導入される。導入後、上側バルブが閉鎖されて廃棄物入口チャンバが気体入口２７および気体出口２８を介して窒素により浄化される。浄化後、下側バルブが開放されて廃棄物が重力により上側入口１０を介してマイクロ波熱分解反応器に進入することができる。下側バルブが閉鎖されて廃棄物がマイクロ波源をポート１３に接続するマイクロ波導波管からのマイクロ波の利用により熱分解される。

反応器内に配置されたレベルセンサが、内側パイプ部材内における物質の適切な低いレベルにいつ到達したかを検出し、上記送給シーケンスが繰り返されて廃棄物の新たなバッチを反応器に提供する。当初は、内側パイプ部材内の廃棄物は、内側パイプ部材全体にわたって同一の熱分解レベルにあるが、物質のバッチの反復的な導入がされたある一定の時間後には、固形物出口１１に最も近い物質が完全に熱分解される、すなわち、チャーが支配的となる一方、入口１０に最も近い物質はそうではない。

ポート１３を通ってマイクロ波熱分解反応器に進入した後で、マイクロ波は、スロット８を介して環状空間７および内側パイプ部材に進入し、内側パイプ部材２に沿ってかつ内側パイプ部材２の内部において分配される。熱分解の間、廃棄物は主として固形物と気体物質とに変化し、ここでは固形物は主としてチャーからなり、気体物質は主として炭化水素ガス／蒸気からなる。通常は、熱分解は摂氏３００度ないし６００度の温度範囲内で行われる。炭化水素ガス／蒸気は、気体出口１２を介して反応器から出ることができる。少なくとも廃棄物の下側部分、すなわち、反応器の固形物出口１１に最も近い部分の熱分解が完了すると、固形物コンベヤ２１が固形物を固形物出口チャンバ２２に向けて移動させる。垂直方向に内側パイプ部材を配置させる利点は、プロセスにおいて発生した炭化水素ガス／蒸気が、気体が発生した位置と気体出口との間にある廃棄物を通過することになるという点である。この構成は、上述したとおり廃棄物のマイクロ波吸収の増大を提供する。

固形物出口がいっぱいである場合、固形物が固形物出口チャンバを出ることができるように、上側バルブ２９が閉鎖されかつ下側バルブが開放される。固形物の排出後、下側バルブ３０が閉鎖され、窒素によって酸素が固形物出口チャンバから除去され、上側バルブ２９が開放されて固形物の新たなバッチを受け入れる。通常は、固形物出口チャンバは、固形物の中間貯蔵のための固形物容器に接続されている。

廃棄物入口チャンバおよび固形物出口チャンバの双方は、気体／空気をチャンバから排出するための構造、例えば、吸引装置に接続されたガスバルブを備えてもよい。窒素浄化をチャンバの予備排出と組み合わせることによって、窒素ガス必要量が削減されてもよい。

マイクロ波熱分解反応器のさらなる実施形態が図５に示されており、マイクロ波分配部材の細部を示す図が図６に示されている。マイクロ波熱分解反応器は、図１ないし図４の反応器とその主要な構成の大半を共通にしており、この構成は同一の引用符号を付されている。説明の便宜上、図５に示す反応器は、図１ないし図４に開示されているような気体出口と入口部とがない状態で示されている。入口部および気体出口の配置および設計は、例えば、内側パイプ部材の方向によって決まり、また、熱分解されるべき物質が重力によって内側パイプ部材を通って移送されるか、移送のための他の手段（すなわち、スクリュコンベヤ、ベルト等）を用いることによって移送されるか、によって決まると考えられる。一実施形態においては、図５に示す反応器は、図１ないし図４における反応器について説明したような入口部および気体出口を備えてもよい。図１ないし図３における反応器の観点からみると、図５および図６における反応器およびマイクロ波分配部材の主要な相違点をなす構成は、外側パイプ部材３（すなわち、マイクロ波分配部材）が使用中にマイクロ波熱分解反応器の内部から熱を除去するための熱交換システムを備えるという点である。熱交換システムは、外側パイプ部材上に３つの流体チャネル３８（すなわち、流体パイプ）を備えており（すなわち、流体チャネルがマイクロ波分配部材の外側表面上に配置されている）、流体チャネルは、熱交換流体のための共通流体入口３９および共通流体出口４０に接続されている。この構成は、ハウジングの温度がある一定の温度限界を超えてはならないような環境において反応器が使用される場合に非常に有利である。

さらに、熱分解反応器の内部から熱を除去するための熱交換システムを有することが、反応器からの余剰熱が水の予熱、発電等といった様々な補助システムにおいて利用されうるというさらなる利点を提供する。外側パイプ部材３との伝熱接触状態で配置された熱交換システムを有することによって、外側パイプ部材が、熱交換器のための伝熱部材として機能する。つまり、外側パイプ部材が、公知の熱伝達システムにおいて用いられる熱伝達フィン／バッフル／プレートと類似した態様により機能する。加えて、外側パイプ部材が、内側パイプ部材の近くに配置されており、この内部においては熱が生成され、最適な温度差／温度勾配と熱伝達とが得られる。マイクロ波熱分解反応器の内部から熱を除去するための熱交換システムを有する構成が、内側パイプ部材とハウジングとの間の熱膨張の差異が最小化されるというさらなる利点を提供する。これらの差異は他の場合であれば内側パイプ部材に対する材料応力や、内側パイプ部材とそのハウジングへの接続部との間の漏れなどを生じさせうる。

上述した熱交換システムの代替的な設計が図７ないし図９に示されている。この設計においては、熱交換システムは、外側パイプ部材３の壁部内に配置されたらせん状の流体チャネル４１を具備する（すなわち、流体チャネルが、マイクロ波分配部材の外部および内側表面の間に配置されている）。流体チャネルをらせん状の設計を構成する一部分として有することによって、らせん状のスロット配列を犠牲にすることなく熱交換システムの熱許容量が増大されうるので、これが優れたマイクロ波分配を提供する。しかしながら、同じ利点が、スロットおよび／または開口の他の適切な構造を有するマイクロ波分配部材において用いられることによっても得られうる。

内側パイプ部材１において用いられる適切なマイクロ波透過性材料は、ホウケイ酸塩や石英などのガラス材料を含み、窒化ホウ素系のセラミックなど低誘電損失の様々なセラミックを含む。

熱分解されるべき物質を加熱するためのマイクロ波を利用することは、この物質が好ましくはある一定の固有の特性を有するべきこと、すなわち、電気双極子を有しかつ１２ｃｍないし３２ｃｍの波長λのマイクロ波を吸収する高い能力を有することを前提とする。多くの事例において、廃棄物は非常に不均一であって、すべてが効果的なマイクロ波加熱に必要とされる特性を有するわけではない。後者の場合においては、マイクロ波熱分解反応器への導入に先立って廃棄物を補助マイクロ波吸収材と混合することが必要または有利でありうる。かかる補助材は、例えば、マイクロ波熱分解反応器内であらかじめ生成されたチャーでありうる。しかしながら、内側パイプ部材が前述したように垂直方向に配置されている場合には、かかる補助材は通常は必要ではない。

図１ないし図５に示す実施形態においては、内側パイプ部材は、熱分解されるべき廃棄物が重力のみを用いることによって内側パイプ部材を通って移送され／移動されうるように、垂直方向に配置されている。しかしながら、この構造は、高度に有利なマイクロ波熱分解反応器を得るうえで必須ではない。他の実施形態においては、システムまたは反応器は、廃棄物を移送／移動させるためのさらなる手段を備えてもよく、内側パイプ部材は、任意の適切な方向に配置されていてもよい。前述したマイクロ波分配部材の高度に有利な効果は、内側パイプ部材の方向や内側パイプ部材を通って廃棄物を移送／移動させるための手段とは独立的である。

開示されたマイクロ波熱分解反応器は、廃棄物の廃棄における利用において主として説明されており、ここでは得られた生成物、例えばチャー、オイル、ガス、タール等は熱分解プロセスの最終目標ではない。しかしながら、得られた生成物は貴重であり、反応器が、得られた生成物が主要な目標であるようなプロセスにおいて用いられてもよいことが意図されている。かかるプロセスは、例えば、木質系原料の熱分解によるバイオ燃料の生成等であってもよい。

さらに、得られたエネルギー生成物および有利な熱交換システムにより、マイクロ波熱分解反応器および任意の適切な補助システムが、エネルギー生産の主要な目的のために、すなわち、発電所として用いられてもよいことが意図されている。

Claims

内側パイプ部材（２）と、マイクロ波分配部材（３）と、ハウジング（４）とを備えたマイクロ波熱分解反応器（１）であって、
前記内側パイプ部材（２）が、マイクロ波透過性材料で形成され、第１の開放端（５）と第２の開放端（６）とを備え、
前記マイクロ波分配部材（３）が、マイクロ波に対して透過性でない材料で形成され、前記内側パイプ部材（２）の周りに配置され、かつ、前記内側パイプ部材（２）内へのマイクロ波の通過を許容する少なくとも１つの開口（８）を備え、
前記ハウジング（４）が、前記マイクロ波分配部材（３）の周りの第１の環状空間（９）を包囲する第１の内表面と、前記第１の環状空間と連通するマイクロ波導波管（１４）のためのポート（１３）とを備え、
前記マイクロ波分配部材が、使用中に前記マイクロ波熱分解反応器から熱を除去するための熱交換システム（３８，４１）と伝熱接触している、
マイクロ波熱分解反応器（１）。
前記熱交換システムが熱交換流体のための少なくとも１つの流体チャネル（３８，４１）を備える、請求項１に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記マイクロ波分配部材が、前記ハウジングの前記内表面に対向する外側表面と前記内側パイプ部材に対向する内側表面とを含む中空円筒状部材を備える、請求項１または２に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記少なくとも１つの流体チャネル（３８，４１）が前記中空円筒状部材の前記外側または内側表面に配置され、または、前記外側表面と内側表面との間に配置されている、請求項３に記載のマイクロ波熱分解反応器。
マイクロ波が前記少なくとも１つの開口を通って使用中に前記マイクロ波分配部材の少なくとも２つの反対の半径方向から前記内側パイプ部材に入りうるように前記少なくとも１つの開口（８）が配置されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記ハウジング（４）が、入口（１０）と、固形物出口（１１）と、気体出口（１２）とを備え，前記入口および前記固形物出口が、前記内側パイプ部材の前記第１の開放端および前記第２の開放端にそれぞれ連通する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記マイクロ波分配部材の直径方向両側部において完全に重なり合う開口が存在しないように、好ましくは、前記マイクロ波分配部材の前記直径方向両側部において開口どうしの重なり合いが存在しないように、前記少なくとも１つの開口（８）が配置されている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記少なくとも１つの開口が少なくとも１つのスロット（８）とされ、好ましくは、前記少なくとも１つのスロットが、らせん状のスロット配列の少なくとも一部として形成されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
前記マイクロ波分配部材が複数の開口を備える、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
第２の環状空間（７）が前記内側パイプ部材と前記マイクロ波分配部材との間に設けられるように、前記マイクロ波分配部材が前記内側パイプ部材の周りに配置されている、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
好ましくは前記内側パイプ部材を垂直方向に配置させることにより使用中に前記第１の開放端が前記第２の開放端よりも高い垂直レベルにあるように、前記内側パイプ部材が配置されている、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器。
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器と、
マイクロ波源を前記ポート（１３）に接続するマイクロ波導波管と、
を備えた廃棄物処理システム。
マイクロ波による加熱を受けやすい物質のマイクロ波支援熱分解のための請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のマイクロ波熱分解反応器の使用。