JP2012526645A - バイオマス炭化物およびエネルギーを作り出すための、熱分解プロセスならびに装置 - Google Patents

Abstract

バイオマスの進入用の、第１の上端部の封止可能な入口、およびバイオマスから形成された炭の排出用の、下端部の封止可能な出口を有する、バイオマスを圧力下で加熱するための管を含む、回転窯と、この窯の周囲に配置され、バイオマスからのガスを還流凝縮するための、封止可能な入口から既定の距離の局所的な加熱源を提供する、加熱要素と、を含む、バイオマス処理のための熱分解変換アセンブリ。

Description

本発明は、熱分解変換装置に関する。本発明の一実施形態は、おがくずなどの植物性廃棄材料を、可燃性ガスおよび炭へと変換することが望ましい場合に、特に適用可能である。

バイオマス変換プロセスは、従来技術において既知である。一般的には、それらのプロセスの目的は、例えば、木材、穀物、肥料、サトウキビのバガス、もみ殻、トウモロコシの茎などのバイオマスを、正味エネルギー利得、および最小限の不要副産物の生成と共に、ガスおよび液体燃料、炭および他の有用な生成物へと変換することである。

微生物学的プロセスによって分解させた場合には、バイオマスは、二酸化炭素、有機油、及びタールを含めた、多くの他の構成成分へと分解し、分解する間に、有害な放出物を作り出す。更には、バイオマスのエネルギー含有量は消費され、発散してしまう。バイオマスを分解させるための代替手段としては、バイオマスを、工業用原料などの有用な生成物
に効率的に変換しつつ、固有のエネルギー含有量を実現することが可能であれば、好ましいであろう。

熱分解プロセスを通じたバイオマスの変換は、従来、工業用原料および発電用の、合成ガスならびに合成油の製造を含めた、様々な目的で、多くの研究の対象となっている。

共通の目的は、バイオマスを、燃料として使用するための炭に変換することである。従来の方法は、個別に装填された窯を使用し、緩速熱分解技術を採用しているが、この方法は、遅い変換速度、ならびに一酸化炭素および様々なタールなどの不要な汚染物質の生成を欠点とする。

本発明の目的は、廃棄バイオマスを、植物または微生物の生命を損なわずに表土の中に埋めることが可能な、十分に純粋な形態の炭に変換するための、熱分解変換アセンブリを提供することである。

本発明の更なる目的は、正味エネルギーを生産する、バイオマス変換プロセスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、
バイオマスの進入用の、第１の上端部の封止可能な入口、およびバイオマスから形成された炭の排出用の、下端部の封止可能な出口を有する、バイオマスを圧力下で加熱するための管を含む、回転窯と、
窯の周囲に配置され、バイオマスからのガスを還流凝縮するための、封止可能な入口から既定の距離の局所的な加熱源を提供する、加熱要素と、
を含む、バイオマス処理のための熱分解変換アセンブリが提供される。

好適な実施形態によれば、回転窯は、ガス状のより小さいオーダーの炭化水素の、管からの排出のための、上端部に向かう分解生成物ガス出口を含む。

下端部の封止可能な出口は、好ましくは、窯内にガスを注入することによって、分解生成物が炭と共に窯から出て行くことを防ぐための、封止ガスポートを含む。

回転窯を回転させるために必要なトルクをモニターし、かつモニターしたトルクに対応して窯の供給を調整するように構成された、電子プロセッサを提供することができる。

好ましくは、この熱分解変換アセンブリは、バイオマスを乾燥させるための乾燥装置を含み、乾燥装置の出口側が、乾燥したバイオマスを回転窯へと通過させるために、封止可能な入口に結合される。

好ましい実施形態では、このアセンブリは、回転窯の分解生成物ガス出口から抜け出る炭化水素で燃料供給されるように構成された燃料取り入れ口を有する、燃焼機関を含む。

乾燥装置は、バイオマスの乾燥を補助するために、燃焼機関からの排出ガスを受け取る、排出ガス入口ポートを含み得る。

発電機を、燃焼機関の出力シャフトに、機械的に結合することができる。

発電機の電気出力コネクタは、好ましくは、加熱要素を含めた、前述のアセンブリの電気構成要素に結合されることにより、それらの構成要素に動力を供給する。

ガス機関の燃料取り入れ口は、凝集物捕捉器を介して、ならびに、好ましくは、例えば集塵サイクロン復水器、フィルター、および背圧調節装置のうちの１つ以上を含めた、他の適切なガス処理装置を介して、窯の分解生成物ガス出口と連通することができる。

この熱分解変換アセンブリは、好ましくは、窯からの炭を受け取るための搬入側を有する、冷却装置を含む。

好適な実施形態では、この冷却装置は、空冷式であり、バイオマスを予熱するためのホッパーに、この冷却装置からの暖められた空気を搬送するためのパイプを含み、このホッパーは、乾燥装置の上流に配置される。

窯の出口封止ガスポートを、乾燥装置と連通させて配置することにより、乾燥装置からの排出ガスを使用して、封止ガス用の低酸素ガスの供給がもたらされるように、配管を配置構成することができる。

冷却されたガスを、ガスが封止部に到達する前に処理するために、出口ガスポートと乾燥装置との間の配管に、放熱器および圧縮器を挿入することが好ましい。

乾燥装置、窯、および冷却装置のそれぞれは、好ましくは、傾斜して回転アセンブリに結合されることにより、固体は、このアセンブリの動作の間、重力及び回転によって、それらを通って輸送される。

熱分解変換アセンブリの好適な実施形態では、前述の、回転窯の管、封止可能な入口、封止可能な出口、および加熱要素は、少なくとも７００ｋＰａの圧力で、少なくとも４００℃の動作温度を提供するように配置構成される。

乾燥装置、窯、および冷却装置のそれぞれを個々に回転させるために、１つ以上の回転アセンブリを提供することが好ましい。

前記封止可能な入口および出口のいずれか、もしくは双方が、プラグスクリュー供給器によって提供される、請求項１に記載の熱分解変換アセンブリ。

本発明の更なる態様によれば、
高温および高圧でバイオマスを加熱し、バイオマスから分解蒸気を引き出す工程と、
バイオマスからの分解蒸気を還流凝縮する工程と、
還流凝縮された分解蒸気の生成物に由来する燃料で、燃焼機関に動力を供給する工程と、
を含む、バイオマスの熱分解処理のための方法が提供される。

本発明の好適な特徴、実施形態、および変型は、本発明を実施するために十分な情報を当業者に提供する、以下の発明を実施するための形態から理解することができる。この発明を実施するための形態は、前述の発明の概要の範囲を限定するものとしては、決して見なされるべきではない。発明を実施するための形態は、以下のように、全体を通して１つ以上の図面に言及する。

本発明の好適な実施形態による熱分解変換装置の定型的な概略図である。

ここで図１を参照すると、本発明の好適な実施形態による熱分解変換装置は、おがくずなどの、処理されるバイオマスを格納するための供給貯蔵箱２を含む。以下の説明は、おがくずの形態でのバイオマスを言及するが、本発明の実施形態は、他の種類のバイオマスの処理に関しても、同様に適切であることが理解されよう。

コンベヤー４が、粗い破片を濾過して取り除く障害スクリーン６に、おがくずを輸送するために提供され、粗い破片は、ゴミ入れ８へと転送される。

微粉供給ホッパー１０が、障害スクリーン６の下に配置され、濾過されたおがくずを受け取る。この微粉状のおがくず粒子を予熱するために、暖気が、下流の回転冷却装置ユニットから暖気パイプ１２を通って、ホッパー１０へと再生利用される。エレベータースクリューアセンブリ１４が、微粉供給ホッパー１０と、回転乾燥装置１６の入口側との間に配置構成される。回転乾燥装置１６は、機関排気によって外部加熱される傾斜管として形成され、回転することによって、その下端部に配置される出口へ向かって、おがくずが管を下降することを促進するように、配置構成される。湿式排気、例えば水蒸気および蒸気は、管の両端部から排気口１７を通過して出て行く。

熱排気パイプ２２を介して熱排気ガスを受け取るために、入口が、回転乾燥装置の下端部内へ形成される。この熱排気ガスは、回転乾燥装置１６の側部を上昇し、おがくずが傾斜回転乾燥装置を向流で下降する際、そのおがくずを加熱する。

回転乾燥装置１６の下端部は、乾燥したおがくずを圧縮して、円筒形で、高圧の、間接燃焼される、傾斜する回転式の熱分解窯２０内に供給する、プラグスクリュー供給器、または様々に呼称され得る「可変ピッチ圧縮スクリュー」１９に結合される。この可変ピッチ圧縮スクリューの動作は、更に後に論じるように、窯２０の過剰充填を防ぐように電子的に制御することができる。この「プラグスクリュー」供給器は、窯からのガスの漏出を最小限に抑え、動作圧力に対抗して、微粉砕バイオマスを正確に供給するように設計される。この供給器は、窯内への回転封止を容易にするようにも、特定的に設計される。回転する窯は、迅速で均一な熱伝達をおがくずに提供する一方で、ホットスポットを回避することから、好ましい。窯２０は、その動作中、約１Ｍｐａの圧力および４５０℃の温度下で維持されるが、例えば７００ｋＰａのより低い圧力、および例えば４００℃のより低い温度での動作もまた実施可能である。この窯は、空の状態での始動時に、圧縮器５４からのガスによって加圧される。一旦、窯が動作中になると、内部で熱分解されているおがくずの分解生成物から、圧力が発生する。この窯は、周囲に多数の局所的電気加熱要素２４が配置された、鋼管２６を含む。加熱要素は、この金属管の入口端部から距離ｄで配置されるため、動作中は、比較的冷たい再凝縮領域３０が、金属間２６の上端部にある入口に向けて形成される。断熱ジャケット２８が、加熱要素２４、および金属管２６の全長を包囲し、窯の動作中の熱損失を低減する。

動作中、おがくずは、回転する窯の管２６を重力下で下降する際に、最初に再凝縮領域３０を通過し、次に加熱要素２４に近接して通過する際に、約４５０℃の温度まで上昇する。おがくずが管２６を下降する際に、おがくずを、炭、水蒸気、気化炭化水素、ならびに他の分解生成ガスおよび／または蒸気生成物に変換する、熱分解プロセスが発生する。炭は引き続き、重力下で管２６の傾斜を下るが、一方で気化炭化水素生成物は、再凝縮区域３０を通過して管２６を上昇する。この炭化水素生成物は、管２６を上昇する際に、圧縮スクリュー１９によって新たに導入された、著しく冷たい、管を下降するおがくずに遭遇する。その結果、より重質の炭化水素留分が、より冷たいこのおがくず上に凝縮して、管２６の下方に運び戻され、加熱要素２４に接近し、そこで再び加熱されて、還流凝縮のプロセスで、より軽質の留分へと分解される。熱く、より重質の炭化水素生成物が、入来するおがくずを更に加熱することにより、窯の効率が増大する。再凝縮区域３０内へと上昇し、また下方に戻る蒸気の還流は、軽質の留分のみが、燃料ガス出口３２を介して窯から出て行くことを確実にする。加熱コイル２４を、再凝縮区域３０が提供されるように配置することの利点は、より高いオーダーの耐火タールが捕捉されることである。おがくずおよび炭が管２６を通過する移動時間は、例えば約１５分と短いが、その一方で、より高密度の炭化水素は、遙かに長い間、管の中に在留し、より軽質の留分への、更なる分解を受けやすい。結果として、少なくとも２つの利点が、以下のように生じる。

第１の利点は、炭化水素産出物中の、より重質の留分の低減であり、そのため産出物は、冷却された場合に、ガス状態に留まり、液体の形態には凝縮しない。これらの重質留分の液体は不安定であり、分解されていない場合には、それらを使用可能な燃料へと作製するための、後処理の加工工程が必要となる。

第２の利点は、おがくずからの、より重質の留分の、より完全な変換が存在することである。これらの重質留分は、最終的に、炭の追加的な収率を形成する。

より小さいオーダーの炭化水素蒸気が、パイプ３４を介して凝集物捕捉冷却装置６２に結合される、ガス燃料出口３２を通過して抜け出る。

凝集物捕捉冷却装置６２は、冷水で包み込まれた多数の冷却管を含む。炭化水素ガスからの凝集物は、主として水であり、温度および圧力が低減するとまた凝縮する、一部のより重質の炭化水素留分を有する。この凝集物は、炭化水素で汚染されている。しかしながら、汚染のレベルは、回転窯２０内で行なわれる還流凝縮のために、多くの他の熱分解変換装置の汚染のレベルよりも著しく低い。その結果、この凝集物は、従来の廃水管理システム内で処理して、許容可能なレベルまで汚染を低減することができる。

凝集物捕捉器６２は、次に続く調整器が、回転窯２０からの軽質炭化水素の圧力を低減して、それらを燃料として内燃機関６４内へ供給することができるように、ガスを冷却する。機関６４の駆動シャフトは、発電機６６に供給され、この発電機からの電気出力が、このプラント全体に動力を供給するために使用される。例えば、発電機６６の出力コネクタが、電気加熱器２４に結合され、また回転乾燥装置１６、回転窯２０、および回転冷却装置４０を回転させるように動作する、１つ以上の回転アセンブリのモーターにも結合される。発電機６６からの、いかなる余剰出力も、例えば、公共施設の配電網にフィードバックすることができる。内燃機関６４からの熱排気は、前述のようにパイプ２２を介して回転乾燥装置１６にフィードバックされ、またそこから大気中にフィードバックされる。大気中に放出される二酸化炭素の量は、おがくずが処理されることなく、単に放置されて細菌作用によって分解する場合に放出される量よりも、著しく少ない。

回転窯２０内のおがくずの量をモニターすることは、その高い動作温度および高い動作圧力のために困難であることが理解されよう。しかし、前述のように、可変ピッチ圧縮スクリュー１９が、回転窯を過剰充填しないことが重要である。回転窯２０を回転させるために必要なトルクは、処理されているバイオマスの種類、充填されている体積、および回転速度の関数であり、可変ピッチ圧縮スクリューの動作を電気的に調整する制御信号を生成するように、電子的にモニターされ、処理される。このことを行なう利点は、回転窯が過剰充填されないことにより、熱分解変換プロセスが、経済的な稼動に最適化されることである。

窯２０の下端部は、内側の弁ピストンおよび外側の封止ピストンを有する、往復弁チャンバー３６に結合される。弁ピストンは、外側ピストンの中心を通るロッド管によって駆動される。その周期は、双方のピストンが閉鎖位置の状態で開始する。圧縮器５４が、乾燥装置１６のパイプ６０を介して供給されたガスを、パイプ５６を介して提供する。圧縮器５４は、乾燥装置１６からの排出ガスを冷却する放熱器５８によって保護される。このガスは、ロッド管を通って充填され、ピストン間の空間を、窯の動作圧力近くまで充填する。次に、内側の弁が内向きに開放し、弁の間の空間内に炭が入ることを可能にする。短い遅延の後、内側の弁ピストンが、更にいくらかの炭をチャンバー内に掬い入れながら閉鎖する。次に外側ピストンが開放する。更にガスが供給され、チャンバーの外に炭を吹き飛ばすが、このチャンバーは、円筒形の、傾斜する回転冷却装置４０に結合されている。回転乾燥装置１６からの排出ガスを使用する理由は、このガスが低い酸素含有量を有するために、窯内部の高温の炭の燃焼を促さないからである。

回転冷却装置は、中心の鋼管４２を含み、その周囲に断熱ジャケット４６が配置される。鋼管４２および断熱ジャケット４６は、それらの間に空隙４４を画定する。送風機４８は、この空隙４４に周囲空気を強制的に通過させるように構成配置されることにより、管４２を冷却し、またそれゆえ、管４２を下方へと通過する炭を冷却する。空気ポート５０が、断熱ジャケット４６を貫通して形成され、暖気パイプ１２の入口端部を受容する。前述のように、この暖気パイプ１２は、微粉供給ホッパー１０に結合されることにより、回転冷却装置４０からの暖気が、ホッパー１０に入るおがくずを予熱するために使用される。

バッグ５２が、回転冷却装置の管４２の、下側の出口端部の下方に配置され、冷却された炭を受容する。

本明細書および特許請求の範囲において、「含んでいる」という語、ならびに「含んだ」および「含む」を包含する、その関連語および派生語は、記述された整数のそれぞれを包含するが、１つ以上の更なる整数を包含することを排除するものではないとして、包括的な意味で解釈されるべきである。

制定法に従って、本発明は、多かれ少なかれ、構造的特徴または系統的特徴に特異的な専門用語で説明されてきた。本明細書で説明される手段は、本発明を実施する好適な形態を含むため、本発明が、図示されまたは説明される特定の特徴に限定されないことを理解するべきである。したがって、本発明は、当業者によって適切に解釈される、添付の特許請求の範囲の適正な範囲内での、いずれの形態または変更においても、特許請求される。

Claims (18)

1. バイオマスの進入用の、第１の上端部の封止可能な入口、および前記バイオマスから形成された炭の排出用の、下端部の封止可能な出口を有する、前記バイオマスを圧力下で加熱するための管を含む、回転窯と、
   前記窯の周囲に配置され、前記バイオマスからのガスを還流凝縮するための、前記封止可能な入口から既定の距離の局所的な加熱源を提供する、加熱要素と、
   を含む、バイオマス処理のための熱分解変換アセンブリ。
2. 前記回転窯が、ガス状のより小さいオーダーの炭化水素の、前記管からの排出のための、前記上端部に向かう分解生成物ガス出口を含む、請求項１に記載の熱分解変換アセンブリ。
3. 前記下端部の前記封止可能な出口が、好ましくは、前記窯内にガスを注入することによって、前記分解生成物が前記炭と共に前記窯から出て行くことを防ぐための、封止ガスポートを含む、請求項１、２のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
4. 前記回転窯を回転させるために必要なトルクをモニターし、かつ前記モニターしたトルクに対応して前記窯の供給を調整するように構成された、電子プロセッサを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
5. 前記バイオマスを乾燥させるための乾燥装置を含み、乾燥したバイオマスを前記回転窯へと通過させるために、前記封止可能な入口に結合される乾燥装置出口側を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
6. 前記回転窯の前記分解生成物ガス出口から発生する炭化水素で燃料供給されるように配置構成された燃料取り入れ口を有する、燃焼機関を含む、請求項２に従属する請求項５に記載の熱分解変換アセンブリ。
7. 前記乾燥装置が、前記バイオマスの乾燥を補助するために、前記燃焼機関からの排出ガスを受け取る、排出ガス入口ポートを含む、請求項６に記載の熱分解変換アセンブリ。
8. 前記燃焼機関の出力シャフトに機械的に結合される発電機を含む、請求項７に記載の熱分解変換アセンブリ。
9. 前記発電機の電気出力コネクタが、前記加熱要素を含めた、前記アセンブリの電気構成要素に結合されることにより、前記構成要素に動力を供給する、請求項８に記載の熱分解変換アセンブリ。
10. 前記ガス機関の前記燃料取り入れ口が、凝集物捕捉器を介して、前記窯の前記分解生成物ガス出口と連通する、請求項６に記載の熱分解変換アセンブリ。
11. 前記窯からの炭を受け取るための搬入側を有する冷却装置を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
12. 前記冷却装置が、空冷式であり、前記バイオマスを予熱するためのホッパーに、前記冷却装置からの暖められた空気を搬送するためのパイプを含み、前記ホッパーが、前記乾燥装置の上流に配置される、請求項１１に記載の熱分解変換アセンブリ。
13. 前記窯の前記出口封止ガスポートを、前記乾燥装置と連通させて配置することにより、前記乾燥装置からの排出ガスを使用して、前記封止ガス用の低酸素ガスの供給がもたらされるように配置構成された配管を含む、請求項５に記載の熱分解変換アセンブリ。
14. 放熱器および圧縮器が、前記冷却されたガスを、前記ガスが前記封止部に到達する前に処理するために、前記出口ガスポートと前記乾燥装置との間の配管に挿入されることを含む、請求項１３に記載の熱分解変換アセンブリ。
15. 前記乾燥装置、窯、および冷却装置のそれぞれが、傾斜して回転アセンブリに結合されることにより、固体が、前記アセンブリの動作の間、重力及び回転によって、それらを通って輸送される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
16. 前記回転窯の、前記管、封止可能な入口、封止可能な出口、および加熱要素が、少なくとも７００ｋＰａの圧力で、少なくとも４００℃の動作温度を提供するように配置構成される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱分解変換アセンブリ。
17. 前記封止可能な入口および出口のいずれか、もしくは双方が、プラグスクリュー供給器によって提供される、請求項１に記載の熱分解変換アセンブリ。
18. 高温および高圧で前記バイオマスを加熱し、前記バイオマスから分解蒸気を引き出す工程と、
    前記バイオマスからの前記分解蒸気を還流凝縮する工程と、
    前記還流凝縮された分解蒸気の生成物に由来する燃料で、燃焼機関に動力を供給する工程と、
    を含む、バイオマスの熱分解処理のための方法。

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