Method and apparatus for reduction and control of organic substances

【発明の詳細な説明】 有機物質のコントロールした還元のための方法および装置発明の分野 本発明は、マイクロ波放射を使用して有機物質を還元する方法および装置に関する。 発明の背景種々の領域において、有機物質を還元することが望ましい多数の場合が存在する。 このような要求は、原料の加工において、例えば、オイルシェールからの油の抽出において、あるいは廃棄物の処理において生ずることがある。 廃棄物処理のカテゴリーは無数の場合において発生するであろう。 これは製品の有用な寿命が完結しためであることがある。 例えば、非常に大きい量の消耗したタイヤが存在する。 廃棄物は、また、通常の工業的方法から発生する。 それらの例は製油所のスラッジおよびパルプミルの流出物である。 都市の下水および厨芥は大量の有機廃棄物の他の源である。 特定の廃棄物の種類に依存する種々の考慮は、廃棄物を処理せよということを命令する。 例えば、都市の下水の場合において、廃棄物は健康および環境に危険であり、そしてその毒性を中和しなくてはならない。 タイヤの場合において、とくにタイヤの主要な成分である油およびカーボンブラックの非常に実質的な量の再循環が強調される。 種々のこれらの廃棄物のタイプの処理、例えば、燃焼による処理はそれ自体環境汚染の問題に導くことがある。 したがって、有機物質のためのいっそう効率よい処理および再循環の方法が絶えず要求されている。 この背景に対して、本発明は、非常に一般的な意味において、非常に広い範囲の有機物質に適用可能な方法および装置においてマイクロ波のエネルギーを使用することに関する。 先行技術 有機物質の処理において非熱分解的還元の目的でマイクロ波のエネルギーが以前に使用されたことを、出願人は知らない。 Ｔｉｌｌｉｔｔへのカナダ国特許第１，１５０，４３２号（１９８３年１２月１３日発行）は、嵩のある物質、例えば、穀物の乾燥におけるマイクロ波のエネルギーの使用を示唆している。 この特許は前述の還元の問題に対して助けを提供しない。 Ｋｉｒｋｂｒｉｄｅに対する米国特許第４，１２３，２３０号（１９７８年１ ０月３１日発行）は、多数の波源の使用を示唆しているが、これらは異なる周波数のマイクロ波を得るために使用される。 均一なまたは好ましい分布のパターンについての示唆あるいはそれをつくることの示唆は存在しない。 また、Ｋｉｒｋｂｒｉｄｅに対する米国特許第４，１８４，６１４号（１９７ ９年４月１０日発行）は、前の参考文献に記載されている方法と多少異なる方法を記載しているが、マイクロ波のエネルギーに関して同一の物質を含有する。 同様に、第３のＫｉｒｋｂｒｉｄｅの米国特許第４，２３４，４０２号（１９ ８０年１１月１８日発行）は、同一のマイクロ波発生器を記載している。 Ｗａｌｌに対する米国特許第４，３７６，０３４号（１９８３年３月８日発行）は、反応器の両端における１対のマイクロ波発生器の使用を示している。 反射した波の非常に非効率的使用は、このマイクロ波の応用の基礎である。 この先行技術は一般にそれ自体マイクロ波のいっそう効率よい使用を取り扱っていないが、種々の商業的に入手可能なマイクロ波発生システムに単に組み込まれた。 発明の簡単な要約今回、広範な種類の有機物質を、毒性の抑制のために、再循環の目的でそして種々の加工の目的出マイクロ波のエネルギーで処理できることが決定された。 こうして、本発明は、有機物質を還元性雰囲気中でマイクロ波放射に暴露することからなる、有機物質をコントロールして非熱分解的に還元する方法を提供する。 本発明の他の態様において、有機物質の中のより長い鎖の分子を還元性雰囲気中でマイクロ波放射に暴露することからなる、前記分子を非熱分解的に破壊する方法を提供する。 他の態様において、マイクロ波のチャンバー、有機物質を前記チャンバーの中に供給する手段、前記チャンバーの中の少なくとも１つのマイクロ波発生器、前記チャンバーから気体の生成物を取り出す手段、および前記チャンバーから固体の残留物を取り出す手段からなる、マイクロ波放射により有機物質をコントロールして非熱分解的に還元する装置が提供される。 図面の簡単な説明第１図は、本発明による方法を概略的に図解する。 第２図は、本発明において使用するマイクロ波発生器および放物線形導波管を概略的に図解する。 第３図は、本発明の好ましい態様におけるマイクロ波の適用のためのパターンを図解する。 本発明を好ましい態様に関して説明するが、本発明をこのような態様に限定することを意図しないことを理解すべきである。 反対に、添付される請求の範囲により規定される本発明の精神および範囲内に包含されうるすべての変更、変化および同等の態様をカバーすることを意図する。 好ましい態様の詳細な説明以下の説明において、図面の中の同様な特徴は同様な参照数字で示されている。 本発明の方法および装置は、ほとんど制限なしに種々の有機物質に適用することができる。 マイクロ波のエネルギーは、より長い鎖の分子の中のより弱い分子の結合を切断してより簡単な形態にすると信じられる。 これは事実上解重合法である。 この方法をコントロールして有機物質の熱分解を回避する。 本発明の全体的概要は図面に図解されている。 物質をホッパー１０の中に、あるいは特定の供給物質に適当な同様な手段の中に供給する。 次いで、物質をエアーロック１２を介してマイクロ波のチャンバー１４の中に供給する。 この物質をマグネトロン１６からのマイクロ波のエネルギーで照射する。 気体の生成物を縮合器１８に取り、そして液体生成物、一般に油および硫黄に凝縮させる。 固体の残留物は第２エアーロック２０を通してチャンバー１４を出る。 次いで、これらの生成物は、例えば、篩２２により、種々のグループに分離される。 カーボンブラックは、通常、これらの生成物の実質的部分を構成するであろう。 他のものは、例えば、タイヤの還元において鋼を含むであろう。 最適な方法の条件および装置の立体配置は、所定の物質について、その物質の初期の分析後に選択される。 いくつかの種類の環状を異なる目的で実施することが好ましい。 こうして、形状および構造の初期の分析は、マイクロ波のチャンバーおよび供給器の手段をその物質に適合させることを考慮して実施することができる。 例えば、タイヤのトロイド状の形状は、例えば、圧縮されたプラスチックのスクラップの立方体と、異なる供給器およびチャンバーの設計を示唆する。 次いで、好ましくはそれ以上の分析を物質について実施して、その組成を決定する。 例えば、本質的にＰＶＣとしてカテゴリー化することができる物質の処理において、増量剤および存在しうる他のこのような成分の量を知りたいであろう。 この分析の結果は、物質の破壊から得られるであろう生成物、各このような存在の期待できる量、および生成物が得られる順序に関する情報を提供するであろう。 次いで、他の分析を、一般に実験室の試験により、実施してこの方法のエネルギーの要求量を決定する。 処理物質の単位当たりの要求量が決定され、そして処理すべき物質の体積が知れると、合計のエネルギーの要求量を計算することができる。 次いで、これらの分析の結果を使用して、この方法における種々の段階のための装置の設計および方法の条件を最適化することができる。 この方法を通過する物質の流れにおいて、問題の第１区域は供給配置である。 この方法をバッチ式に実施することができるが、この方法は連続的であることが非常に好ましい。 したがって、マイクロ波のチャンバーを密閉しなくてはならないので、供給装置はこの要件を満足しなくてはならない。 種々の供給物質について有用な１つのこのような供給装置の設計は、ピストンおよびシリンダーの配置である。 固体の供給物について、供給ホッパーをシリンダー状供給導管の１端の上にかつそれに向かって配置させて、供給物質を導管に送出す。 次いでピストンを利用して物質を導管に沿ってマイクロ波のチャンバーに向けて動かす。 供給物質により供給導管の中に形成された連続的プラグは、マイクロ波のチャンバーへの入口を密閉する働きをする。 嵩のある物質および比較的低い温度の操作のために第２の好ましい装置は、エンドレスベルトのコンベヤーの形態である。 ベルトの材料はマイクロ波に対して透過性でなくてはならなず、そしてそれ自体使用条件下に破壊してはならない。 より高い温度の条件下に、他の好ましい供給装置は１または２以上のステンレス鋼のスクリューコンベヤーからなる。 ある種の物質の形状について、エアーロックをマイクロ波のチャンバーへの入口に導入することができる。 同様に、ある場合において、エアーロックはマイクロ波のチャンバーからの固体の出口において必要である。 この方法を通る物質の流れにおける次の考慮は、マイクロ波のチャンバーそれ自体の形状である。 いくつかの因子は、供給物質を導入するマイクロ波のチャンバーの物理的特性に影響を及ぼすであろう。 このチャンバーの全体の形状は、一般に、供給物質の物理的特性および利用する供給装置の型に基づいて選択されるであろう。 例えば、ピストンおよびシリンダーの供給装置を利用する場合、円筒形チャンバーを選択することができる。 エンドレスベルトのコンベヤーを利用する場合、 長方形の断面のチャンバーは一般に好ましいであろう。 処理されている物質の中へマイクロ波を浸透させようとすることにより、また、全体の形状は影響を受ける。 合計の電力の要求量およびチャンバーのための基本的断面を決定すると、他の因子が最適化の目的にある役割を演ずるようになる。 この方法および装置におけるある数の変動は、所定の適用のために前以て決定することができるか、あるいはこの方法を実施する過程においてコントロールすることができる。 所定の適用について、目的は処理する物質の質量の単位当たりに適用されるエネルギーにより最も効率よい操作を得ることであり、常に論ずる種々の方法の拘束に従う。 所定の場合における合計のエネルギーの要求量を適用する方法は、一般に、因子の釣り合いにより確立される。 合理的時間に反応を開始し、次いで所望の順序で物質から所望の生成物を得るために十分なエネルギーを供給するために、適用するエネルギーを適当にコントロールしなくてはならない。 こうして、基本的マイクロ波の発生は、単一のマグネトロンからよりむしろ多数の小型の波発生器から得ることができる。 波発生器からの出力は連続的であり、過渡的に変動するか、あるいは他の方法で変化することができる。 発生するマイクロ波の強さは、発生器への電力の入力を変化させることによって変化させることができる。 長方形の断面の典型的なチャンバーは、各々３マイクロ波発生器の４つの横方向の列を含むことができる。 波発生器の配置および電力に加えて、処理する物質の質量単位当たりに供給されるエネルギーは、マイクロ波への物質の暴露時間、すなわち、物質の滞留時間により影響を受けるであろう。 この時点におけるエネルギー因子は、再び、チャンバーの形状寸法に関して考慮しなくてはならない。 こうして、滞留時間は処理されている物質の供給速度により直接影響を受けるが、 同様によく、チャンバーの長さを変化させることができそして衝撃下の質量はマイクロ波のチャンバーの容量を変化させることによって変化させることができる。 さらに、マイクロ波の収束は効率に顕著に寄与し、そして所定の発生器からの波の収束のために放物線形導波管が開発された。 １系列の導波管を１系列の波発生器とともに使用してオーバーラップする系列のマイクロ波を形成して、物質に適用されるエネルギーの量を非常によくコントロールすることができる。 物質の表面温度は物質によりマイクロ波の吸収に強く影響を与えるので、表面温度をモニターし、そしてマイクロ波発生器への電力の入力を必要に応じて調節して最適な表面温度得ることが高度に好ましい。 こうして、物質がマイクロ波のチャンバーを通して動いて反応が進行するとき、最適な表面温度を物質するために、より少ないエネルギー入力を必要とするので、下流のマイクロ波発生器はより低い動力の入力で操作することができる。 また、任意の時間に物質からどんな生成物が発生するかを予測する手段として、マイクロ波のチャンバー内の物質の内部温度をモニターすることが有用である。 マイクロ波のチャンバーは好ましくは大気圧よりわずかに高い圧力に保持される。 この圧力は気体の生成物の取り出しを促進する。 この方法はより密な雰囲気中でいっそうよく働くことが発見された。 したがって、この方法が開始されそしてチャンバーの中に供給された最初の物質が実質的に破壊された時点に進行した後、この方法はいっそう効率よく進行することが発見された。 それに関して、この方法は還元性雰囲気中で実施しなくてはならず、そして還元性気体の濃度は物質が破壊するにつれて増加する。 追加の還元性気体の存在は物質のそれ以上の破壊を、とくにその表面において、促進する傾向があると理論づけられる。 ある場合において、２つの部分のチャンバーを利用して、波発生器を還元性雰囲気から隔離することが好ましいことがある。 水平のマイクロ波透過性、気体不透過性のバリヤーは１つの解決法であり、チャンバーの上部および底部の両者は共鳴する。 還元性気体を供給物質と一緒に添加することが必要であることがある。 還元性気体の目的は、可能な突発的結果を伴う開始の間のそうでなければ起こり得る酸化を減衰させることである。 不活性気体、例えば、窒素をまた使用できるが、任意の適合性の還元性気体を使用する。 還元性気体を添加することは一般に不必要であるが、ある場合においてその可能性が存在ことに注意すべきである。 ある触媒はこの方法の効率を増強することが発見された。 こうして、タイヤの場合において入力物質にカーボンブラックを添加することは、物質からの油の発生をより低い温度においていっそう急速にする。 主として内部の因子の釣り合いについて重要である、それ以上の外部の因子がしばしば存在する。 本発明による装置を収容するためのプラント内の利用可能な物理的空間はしばしば制限されるので、コントロール可能な因子のすべてはその制限に直面して釣り合わせなくてはならない。 この空間の考慮の重要性は、ある設備が実質的な全長を有することがあるという事実により強調される。 例えば、 ３０〜６０フィートの長さは普通であろう。 それに関して、好ましいアプローチは１系列の端対端で接続されたモジュールを利用することである。 これはいくつかの利点を有する。 これらの例は単一のモジュールを除去しかつ置換して修復を実施し、これにより操業停止を回避できることである。 他の利点はより小さいモジュールの製作および取り扱いが容易であることにある。 好ましいモジュールは全長が約６フィートである。 電力の利用可能性は他の外部の変数であり、これは、通常プラントの特定の位置のために、ユーザーのコントロールを越えることがある。 この方法の生成物は気体および固体の物質の形態で得られる。 気体の物質は、 マイクロ波のチャンバー上の１または２以上のアスピレーターを利用して回収される。 固体の生成物はマイクロ波のチャンバーの出口を通して運搬される残留物の形態である。 気体の生成物を凝縮して種々の塩化水素の液体を得る。 これに関して、廃棄装置を加熱して早期の凝縮を防止することが必要であることがある。 固体の生成物は、ミクロンの大きさのカーボンブラック、および供給物の中に存在した種々の無機物質からなる。 例えば、タイヤから得られる種々の油およびカーボンブラックに加えて、残留物は鋼、シリカなどの成分を含むであろう。 例えば、典型的なＰＶＣの実験室試料は１６０ｇのもとのＰＶＣから１２５ｇ の固体の残留物を生成した。 この残留物は、合計３．１５９ｇの次の元素および化合物を含有する、ほとんど完全にカーボンブラックであった：Ａｓ；Ｂａ；Ｂ ；Ｃｄ；Ｃｒ；Ｐｂ；Ｓｅ；Ｕ；ＮＯ ₂ ＋ＮＯ ₃ ；ＮＯ ₂ ；Ａｇ；Ｈｇ；ＣＮ（Ｆ ）；Ｆ。 他の例として、典型的なタイヤは、タイヤ１トン当たり、３〜４バレルの油、 ５７５〜７００ポンドのカーボンブラック、８５〜１００ポンドの鋼および７０ 〜８０ポンドの繊維を生ずるであろう。 第２図および第３図は、本発明の１つの態様を実施するための好ましい装置を図解する。 工業的方法において利用するマイクロ波発生器は、一般に、物質を通るマイクロ波のエネルギーの非常に非均一的分布に導く方法で単に物質を衝撃することによって物質を加熱する技術を利用することにおいて、非常に非効率的であった。 このような場合における結果は、物質のある部分が処理下にありそして他の部分が過熱されることである。 すべての物質がマイクロ波のエネルギーの最小の入力を受け取ることを確実にするために、大量のエネルギーの消耗が起こる。 さらに、処理されている物質に依存して、適用されるマイクロ波の特定のパターンは他のパターンより非常に効率的であることがある。 普通に使用されている衝撃アプローチでは、このような変化するパターンは入手可能である。 エネルギー損失の重大な問題は、また、発生したマイクロ波を分布させるために種々の導波管を使用することにおいて存在した。 例えば、いくつかの導波管は細長くかつ線状ではない通路を有し、そして処理すべき物質の部位に到達する弱い波のみを生じた。 多数の波発生器は、種々の発生器により生成された波の間の干渉の問題のために、分布の問題に対する実際的ではない解決法であるという見解がいくつかの製造業者により堅固に保持されてきている。 第２図および第３図の装置はこれらの問題を取り扱う。 第２図は、マグネトロン３２、アンテナ３４および反射表面または導波管３６ からなる、本発明によるマイクロ波発生装置３０を図解する。 この装置３０はマイクロ波のチャンバー４０の壁３８に取り付けらていることが示されている。 反射表面３６の外側端４２は壁３８と同一平面に取り付けられている。 反射表面３ ６の端４２により定められる開口はセラミックプレート４４によりカバーされている。 反射表面３６は波の所望のパターンの適用を達成するように設計することができるが、好ましい場合において、実質的に放物線形であって実質的に円形の区域の波の適用を提供する。 反射表面３６の上部３７は好ましくは平らである。 これはユニットの容易な取り付けを可能とするが、また、放物線形の焦点またはその付近にアンテナ３４を位置させる。 パターンの境界は、導波管の適当な設計とアンテナ３４の特定の配置との組み合わせにより調節できる。 引き続いて、パターンの焦点は好ましくはアンテナ３ ４の配置の調節により調節することができる。 アンテナ３４は好ましくはリフレクター３６に軸方向の約１インチの移動で調節可能である。 こうして、例えば、最も好ましい立体配置において、アンテナ３４と反射表面３６との組み合わせを調節してマイクロ波のわずかに焦点をはずれた適用を提供し、こうしてマイクロ波の適用区域の直径が反射表面３６の端４２の直径より大きくする。 マイクロ波の適用は円形の区域にわたってかなり均一である。 次いで、１系列の装置３０を第３図に示すように配置して所望のオーバーラップするパターン４６を形成し、その区域は列の発生器３０の外側のもの４７を通る線４５により定められる。 この立体配置において、チャンバー４０の中の物質４８にマイクロ波のエネルギーの合理的に均一な分布を提供するマイクロ波の雲が事実上生成する。 好ましい立体配置において、装置３０はマグネトロン３２のハウジング５２の中に取り付けられている温度センサー５０を有する。 センサー５０は引き続いてコンダクター５１によりコントローラー５４に接続され、このコントローラー５ ４は、センサー５０が限界温度を記録したとき、コンダクター５３を経てマグネトロン３２のスイッチを切り、そしてプリセットした時間後にマグネトロン３２ にスイッチを入れる。 こうして、不均一の供給物質、例えば、車のタイヤが処理されているとき、例えば、タイヤの開口した中央部分が装置の下を通過するときのように、 装置３０の下に物質が時々存在しないことがある。 その場合において、チャンバー４０の底壁５６から反射した波は、センサー５０がマグネトロンを停止する信号をコントローラー５４に送る点まで、装置３０を加熱するであろう。 タイヤの場合において、タイヤの開いた区域が装置３０を通過するために要求される時間に関係する前以て決定した時間が経過した後、マグネトロン３２はスイッチを入れられる。 これは装置３０過熱を防止しかつエネルギーを節約するという組み合わせられた効果を有する。 この方法は広く適用可能であり、こうして、典型的な場合において、車のタイヤの還元のために、構成を高度に変化させることができるが、１系列の１０モジュールのトンネルを直列に使用して、長さ約６０フィートおよび約１０インチ× ３６インチの断面をもつ長方形のトンネルを形成することができる。 好ましい態様において、２つのこのような６０フィートのトンネルはタイヤの還元プラントにおいて使用されるであろう。 １系列の１２のオーバーラップするマグネトロンを、第３図に示すように、各モジュールにおいて使用できる。 各マグネトロンは２４５０ＭＨｚの波長において１．５キロワットの電力を有することができる。 典型的な方法は、約１／４〜１／２インチの水のわずかに正の圧力および約３ ５０℃の最大温度において実施されるであろう。 センサー５０は典型的には約７ ０℃の温度においてマグネトロンのスイッチを切る。 典型的には、リフレクター３６は放物線形の端において約７ １／２インチ〜 ７ ３／４インチの直径を有する。 上部の区画１７は典型的には約３ １／８インチの幅を有し、そしてリフレクターの深さは約２ １／２インチである。 上の条件下に作動する、２つのトンネルをもつ好ましいタイヤのプラントにおいて、３フィート／分で走行するコンベヤー上の連続的タイヤ供給速度は各６０フィートとのトンネルについて約２０分の滞留時間および１，４４０本のタイヤ／２４時間の処理能力を与えるであろう。 このプラントが放射をまったく生成しないことは注目に値する。 気体の生成物は、約Ｎｏ． ２ディーゼル燃料のコンシテンシーの油の狭いバンド、ならびに別々に凝縮される元素状硫黄から成る。 本発明のコントロールされた還元は、先行技術のマイクロ波に基づく方法を包含する他の廃棄物の還元法において普通の放射の問題を回避する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁶識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｂ０９Ｂ 3/00 ＺＡＢ Ｃ０８Ｊ 11/10 ＺＡＢ 7310−4Ｆ Ｃ１０Ｇ 1/00 Ａ 2115−4Ｈ Ｂ 2115−4Ｈ 1/10 2115−4Ｈ // Ｃ０７Ｂ 61/00 Ｄ 7419−4Ｈ 9344−4Ｄ Ｂ０９Ｂ 3/00 ＺＡＢ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＳＮ，ＴＤ， ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ， ＵＡ 【要約の続き】