JP2015199774A - 流動床リアクターを利用する炭素質材料の熱処理 - Google Patents

Abstract

【課題】熱分解オイルを高い収量で生成しながら炭素質材料の処理で加熱条件を最適化した方法を提供すること。
【解決手段】流動床リアクター内で炭素質材料を処理する方法を開示する。本方法は、炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料を流動媒体で流動化する工程と、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でかつ酸素が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は炭素質材料を処理する方法に関し、また具体的には本開示は、流動床リアクター、天然ガス及びマイクロ波エネルギーを利用して炭素質材料を処理する方法に関する。

熱分解過程は、酸素の外部供給が無い場合の有機材料に対する低温加熱である。この材料の加熱によって揮発性物質除去が生じると共に、軽ガス（ｌｉｇｈｔ ｇａｓ）、タール油及びチャーからなる混合物が生成される。熱分解は通常、タール油の収量を最大化するためにガス化と比較して低い温度で実行される。熱分解配合（パイロオイルと呼ぶ）の特性は、有機材料の配合（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、処理温度、滞留時間、圧力、加熱速度、その他など多くの要因に依存する。熱分解により生成される液体は一般に、品質が低くかつ芳香族化合物を除去し水素配合を増大するためにかなりの品質向上を要する。しかし熱分解オイルは高価値の生成物に転換することが可能である。熱分解のための熱を供給する従来の方法では、供給原料の一部または別の軽炭化水素に対する外部燃焼を提供し、次いでこの熱が熱分解容器に転送されている。この方法は従来の熱転送に依拠しているため、供給原料の加熱速度を遅くする必要があると共にこれらのオイルの収量は低くなる（通常は２０％ｗｔ未満）。収量が低いため、処理の経済性にマイナスの影響を及ぼす可能性がある。石炭やバイオマスといった材料を閃光熱分解するとかなり高速の供給原料加熱速度が得られると共に、通常は微粒子化した供給原料粒子の高温ガス内への注入に基づくため、熱分解オイルの収量が大きくなる。しかしこの方法の欠点は、粒子サイズの低減がエネルギー集約的な処理であって多くの場合に費用が高くつくことである。

マイクロ波加熱は、材料に熱を転送するためのより効果的な方法の１つである。典型的には、マイクロ波エネルギーへの電気変換の効率は約８０％である。マイクロ波は材料に直接熱を転送しており、またその波が材料ボリュームによって吸収されており、従来の加熱法のように単に表面のみではない。マイクロ波処理は、均一な加熱、高速の反応時間及び良好なエネルギー効率を含め本来的に有益な方式であるため広い応用範囲で利用されている。マイクロ波処理は、従来の化石燃料による加熱方式と異なり潜在的に再生可能エネルギーを電気の形で用いることが可能であるという点で利点を有する。さらにマイクロ波処理は加熱に至る方式が、多くの場合で従来方式と比べてよりクリーン、より高速かつより均一な処理となる。マイクロ波処理は、約２０℃から６０００℃超までという広い温度範囲で用いることが可能である。マイクロ波処理は、油と水の乳剤の分離、精製（ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）、工業薬品の高品質化などの多様な用途に利用されている。マイクロ波は、感熱材料に対する殺菌、低温殺菌及びその他の処置のための（典型的には、５０℃〜２０００℃の範囲の）工業用加熱処理にも用いられている。

米国特許出願第２０１２００５５８５１号

熱分解オイルを高い収量で生成しながら炭素質材料の処理で加熱条件を最適化した方法が引き続き必要とされている。最低でも商業的に実行可能とするために、こうしたテクノロジーを比較的低いコストで利用すること並びにオイルを高い収量で得るために炭素質材料を利用することが望ましい。

従来技術のこうした欠点及びその他の欠点に対して、炭素質材料の処理方法を提供する本開示によって対処している。一実施形態では、炭素質材料を処理する方法を提供する。本方法は、炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料を流動媒体で流動化する工程と、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でかつ酸素の外部供給が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、を含む。

別の実施形態では、炭素質材料を処理する方法であって、炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料を自然発生の炭化水素ガスまたはガス混合物で流動化する工程と、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力で、約４００Ｃ〜約８００Ｃの範囲の温度でかつ酸素の外部供給が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、を含む方法を提供する。

さらに別の実施形態では、炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料をメタンで流動化する工程と、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でかつ酸素が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、を含む方法を提供する。

本開示に関する別の目的及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むことによって明らかとなろう。

本開示に関するこれらの特徴、態様及び利点並びにその他の特徴、態様及び利点については、図面全体を通じて同じ部分を同じ参照符号で表した添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まろう。

本開示の一実施形態に従った炭素質材料を処理する方法の概要図である。 本開示の一実施形態に従った流動床リアクターの概要図である。 本開示の一実施形態に従ったオイル収量を温度の関数として表したプロットである。 本開示の別の実施形態に従ったオイル収量を温度の関数として表したプロットである。 本開示の一実施形態に従ったオイル収量をマイクロ波及び様々なキャリアガスの関数として表した比較プロットである。

本明細書では本開示のある種の特徴についてのみ図示かつ説明しているが、当業者により多くの修正及び変更が行われよう。したがって添付の特許請求の範囲は、こうした修正及び変更のすべてを本開示の真の精神の域内にあるものとして包含するように意図していることを理解されたい。本明細書及び特許請求の範囲では、下記の意味を有するような多くの用語に言及している。

単数形をした「ａ」「ａｎ」及び「ｔｈｅ」はコンテキストにより明瞭に異なる記述をしない限り複数の言及要素を含むものとする。本明細書及び特許請求の範囲の全体を通じてその中で使用する場合に、それが関連する基本的機能に変化を生じさせずに許容可能に変更し得る任意の定量的表現の修飾のために概略表現を利用することがある。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」などの用語で修飾した値は、指定した精細な値に対する限定ではない。幾つかの例ではその概略表現はその値を計測するための計器の精度に対応することがある。同様に、「が無い（ｆｒｅｅ）」をある用語と組み合わせて用いることがあり、それが修飾された用語が無いと見なせるように、非実体的な（ｉｎｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）個数や極く微量しか含まないことがある。

本明細書で使用する場合、用語「ことがある（ｍａｙ）」「とし得る（ｍａｙ ｂｅ）」は、ある状況の組の範囲内での出現、指定した特徴、特性または機能の所有に関する可能性を指摘したものであり、かつ／または別の動詞の修飾をその修飾を受ける動詞に関連した能力（ａｂｉｌｉｔｙ）、機能（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）または可能性（ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）のうちの１つまたは幾つかを表現することによることがある。したがって、「ことがある」や「とし得る」の使用は、修飾された用語が指摘したある容量、機能または利用について明らかに適当、可能または好適である（ただし、ある状況ではその修飾された用語は適当、可能または好適でないこともあることを考慮に入れている）ことを示したものである。例えば、ある状況ではある事象や容量が期待できるが、別の状況ではその事象や容量を得ることができない。この区別を用語「ことがある」や「とし得る」で捕捉している。

「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」や「任意選択において（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」という表現は、続いて記載される事象や状況が生じることも生じないこともあること、並びにこの記述によってその事象が生じる場合やこれが生じない場合を含めていること、を意味している。

本明細書で言及した用語「オイル（ｏｉｌ）」、「オイル類（ｏｉｌｓ）」または「バイオオイル」は、廃棄物原料や炭素質材料の熱分解などの熱化学処理により生産された熱分解オイルなどのオイル類を意味している。

上で指摘したように、一実施形態では本開示は炭素質材料を処理する方法を提供する。本方法は、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でマイクロ波エネルギーによりリアクター内の炭素質材料を加熱する工程を含む。

図面を参照すると、様々な図の全体を通じて同じ要素を同じ参照番号によって示している。ここで図１を見ると、本開示の一実施形態に従った炭素質材料の処理のためのシステム１０のフローブロック図（ＢＦＤ）を表している。一実施形態ではその炭素質材料１２は石炭を含む。一実施形態ではその炭素質材料１２は重量比で少なくとも約７０％の石炭を含む。別の実施形態ではその炭素質材料１２は少なくとも約７５％の石炭を含む。さらに別の実施形態ではその炭素質材料１２は少なくとも約９０パーセントの石炭を含む。一実施形態ではその炭素質材料１２は、瀝青炭（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ８炭）、亜瀝青炭（パウダー・リバー盆地（Ｐｏｗｄｅｒ Ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ）炭）、褐炭（ｌｉｇｎｉｔｅ ｃｏａｌ）またはこれらを混合したものを含む。一実施形態ではその炭素質材料１２は石炭とバイオマスの混合物を含むことがある。用語「バイオマス」は燃料や原材料として自身を提供するような広範囲の材料を包含すると共に、最近生きていた生物（植物や動物）に由来するという特徴を持つ。この定義では、従来の化石燃料が除外されることは明らかである、というのも同じく植物（石炭）や動物（石油やガス）という生物由来ではあるが目下の形態に変換されて以降数百万年経過しているからである。したがってバイオマスという用語は、木材、木材片、おがくず、樹皮、種子、藁、草その他などの樹木ベースの材料；農業及び林業廃棄物；森林残留物、農業残留物；並びにエネルギー用作物に由来する供給原料を含む。農業残留物及びエネルギー用作物はさらに、短期輪植の草本種、米殻、コーヒー殻その他といった殻、トウモロコシ種子、トウモロコシ葉茎、オイル用種子、オイル用種子抽出の残留物、並びにココナッツ、ジュート、その他などのセルロース系繊維を含むことがある。オイル用種子は、大豆、カモリナ（ｃａｍｏｌｉｎａ）、セイヨウアブラナ、菜種、トウモロコシ、綿実、ヒマワリ、ベニバナ、オリーブ、落花生、その他など典型的な含油種子とすることができる。農業残留物はさらに、脱油残留物など農産品加工業から得られる材料を含む。具体的な例には、脱油大豆カス、脱油綿実、脱油落花生カス、その他など、並びに植物油調製処理により分離された樹脂などのオイル加工業による樹脂類が含まれる。これらの例には、大豆の場合のレシチン、製糖業からのバガス（ｂａｇａｓｓｅ）、綿繰り機ゴミ、その他が含まれる。バイオマスはさらに、ココナッツ殻、アーモンド殻、クルミ殻、ヒマワリ殻その他などこうした産業からの別の廃棄物を含む。バイオマスはさらに、農産業からのこれらの廃棄物に加えて、動物や人からの排出物も含む。幾つかの実施形態ではそのバイオマスは、自治体廃棄物や作業場廃棄物、下水汚泥その他を含む。幾つかの別の実施形態では、バイオマスという用語は養豚舎廃棄物や養鶏場ゴミなどの動物飼育副産物を含む。バイオマスという用語はさらに、藻類、微細藻類その他も含むことがある。別の実施形態では、「炭素質材料」１２という用語は、例えばプラスチック、タイヤ、湿った有機廃棄物その他など自治体の固体廃棄物（ＭＳＷ）などの材料が除外されることを意味している。

システム１０は、処理しようとする炭素質材料１２を包含している供給ホッパー１４と、炭素質材料１２を流動床リアクター１８まで押し込むスクリュー供給器１６と、を備えることがある。一実施形態ではその炭素質材料１２は、スクリュー供給器１６内に供給する前にグラインダーまたはシュレッダー２０内でより細かい粒子まで粉砕されることがある。一実施形態ではそのスクリュー供給器１６は、流動床リアクター１８に入れる前に炭素質材料１２を加熱し得るプレヒータ２２に通すように炭素質材料１２を押し込むことがある。

図２をより詳細に見ると、本開示の一実施形態に従った流動床リアクター１８の概要図を表している。流動床リアクター１８内において炭素質材料１２は、天然ガスまたより具体的には自然発生の炭化水素ガスや主にメタンからなるガス混合物、メタン（Ｃ１）、エタン（Ｃ２）及び／またはプロパン（Ｃ３）の混合体やリサイクルされた熱分解ガスを含む混合体といった流動媒体２４によって流動化される。一実施形態ではその流動媒体２４はメタンである。流動床リアクター１８内において、炭素質材料１２が流動媒体２４により流動化されて炭素質材料の流動床２６が形成される。一実施形態では、炭素質材料１２は石炭床を形成するように構成されている、またより具体的には炭素質材料１２と流動媒体２４からなる床を炭素質材料１２の床に通して炭素質材料の流動床２６を形成している。炭素質材料の流動床２６は、炭素質材料１２の流動化と同時にマイクロ波エネルギー２８によって加熱される。

再度図１を見ると、マイクロ波エネルギー２８はマグネトロン３０内で発生させている。一実施形態では、こうしてマグネトロン３０内で発生させたマイクロ波エネルギーが導波管３２を通じて流動床リアクター１８内の炭素質材料の流動床２６に転送される。別の実施形態では、マグネトロン３０内で発生させたマイクロ波エネルギー２８をマイクロ波管（図示せず）を通して流動床リアクター１８内の炭素質材料の流動床２６に伝えている。一実施形態では、マイクロ波エネルギー２８を生成するために必要な電気が、自己完結型エネルギーシステムを提供するように、風力、太陽光、熱、水力またはその他の再生可能なエネルギー源などの再生可能なエネルギー源によって供給されることがある。一実施形態ではそのマイクロ波エネルギー２８は、約１００キロワット毎ポンド（ｋＷ／ｌｂ）〜約１，０００キロワット毎ポンド（材料１ポンドあたりの電力ｋＷ）の範囲の電力で発生させることがある。別の実施形態ではそのマイクロ波エネルギー２８は、約２００キロワット毎ポンド（ｋＷ／ｌｂ）〜約５００キロワット毎ポンドの範囲の電力で発生させることがある。幾つかの実施形態では、その発生させるマイクロ波エネルギー２８の周波数は８００ＭＨｚまたは２．４５ＧＨｚである。本開示の別の実施形態では、炭素質材料の流動床２６の処理を発振子無しで実行している。

流動床リアクター１８内における炭素質材料の流動床２６の加熱は通常、約５気圧未満の圧力で実行される。一実施形態では、流動床リアクター１８内における炭素質材料の流動床２６にある炭素質材料１２の加熱が約１気圧〜約５気圧の圧力で実行されている。一実施形態ではその加熱を約４００℃〜約８００℃の範囲の温度で実行している。一実施形態ではその炭素質材料の流動床の加熱は、流動床リアクター内においてマイクロ波エネルギーを用いて約５気圧未満の圧力でかつ酸素の外部供給が無い状態で実行して、チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成している。

流動床リアクター１８内部における炭素質材料の流動床２６内でのマイクロ波エネルギー２８による炭素質材料１２の加熱によって、チャー３４、オイル３６及びガス３８を含んだ混合物３３が生成される。幾つかの好ましい実施形態では図１に示したように、炭素質材料１２の処理は、チャー３４、オイル３６及びガス３８を含んだ生成混合物を分離する工程を含む。一実施形態では、その混合物の分離は流動床リアクター１８の下流側に配置させたサイクロン４０内で実行されることがある。より具体的に一実施形態では、流動床リアクター１８内で形成されたオイル３６及び熱分解ガス３８はサイクロン４０内で冷却され、ここでオイル３６が凝縮されてガス３８から分離される。熱分解ガス３８は次いで、流動床リアクター１８へリサイクルすることが可能であると共に、メタンなどの流動媒体２４のさらなる添加して炭素質材料１２を通過させることで、改良された石炭変換が得られる。

一実施形態では、サイクロン４０内で混合物から分離されたチャー３４がチャーアウトレット４２を通して引き出される。一実施形態ではそのチャーアウトレット４２を、サイクロン４０の底に配置させている。分離したチャー３４は次いで、熱回収ユニット４４に伝えられることがある。熱回収ユニット４４から回収した熱は次いで、リサイクル済熱経路４６を介してプレヒータ２２にリサイクルされることがある。さらに別の実施形態では、分離したチャー３４を部分的に燃焼させて流動床リアクター１８に戻し、炭素質材料１２の処理用の熱の一部を供給することがある。一実施形態では、熱回収ユニット４４から引き出されたチャー３４はさらに、例えばチャーガス化などの処理を受けることがある。別の実施形態では、得られた過剰なチャー３４を脱硫化すると共に、例えばエネルギーを得るための燃焼などクリーンな固体燃料として用いることがある。チャー３４はさらに、肥料として用いられることもある（特に、供給原料がかなりの量のバイオマスからなる場合）。

サイクロン４０内で分離したオイル３６とガス３８の混合物４８はセパレータユニット５０内に供給されることがある。セパレータユニット５０は、オイル／ガスセパレータ（例えば、ガス流３８から出すようにオイル３６を凝縮させるためにそのストリームを冷却している熱交換器）を含む。セパレータユニットは、少なくとも１つの分留塔を含むことが可能である。炭素質材料の流動床２６の処理中に産生させたガス、またより具体的には炭素質材料１２（これはまた上で言及したようなリサイクルストリームから分離することが可能）は、水素、水蒸気、揮発炭化水素、メタン、約Ｃ１〜Ｃ３０の炭素原子を有する炭化水素、並びに少量の一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、アンモニア、イオウ含有化合物及びこれらの組み合わせを含むことがある。本明細書で使用する場合に、用語「揮発炭化水素」とは炭素質材料１２の炭化水素部分の処理によって産生させたガスの一部を指すことがある。一実施形態では、揮発炭化水素と水蒸気は分離すると共に、従来の分離及び回収手段によって回収することが可能である。一実施形態では、揮発炭化水素の少なくとも一部分を凝縮し、これにより適当な容器内に収集し得る凝縮済み炭化水素ストリーム５２を形成させることがある。別の実施形態では、凝縮済み炭化水素ストリーム５２及び産生ガスからの不要なすべてのガス状産生物の除去によって、補充的な流動化ガス流５６としてリサイクルして流動床リアクター１８に戻し得るような純化（ｓｃｒｕｂｂｅｄ）炭化水素ガス流５４が得られる。一実施形態ではその流動媒体２４が完全に補充流動化ガス流５６から成ることがある。別の実施形態ではその流動媒体２４が補充流動化ガス流５６と追加的なメタンまたは天然ガスから成ることがある。オイル留分は凝縮器に集められることがあり、またガスは適当な任意の容器に集められることがある。不用な材料は排気ストリーム５８を通してシステムから排除されることがある。

一実施形態では、セパレータユニット５０から分離したオイル成分５２は熱分解オイルを含む。別の実施形態では、セパレータユニット５０から分離したオイルは、初期供給原料材料の少なくとも約４０％を成している（すなわち、収量が４０％）。一般に、従来の方法を用いて炭素質材料の処理１２から得られるオイルの収量は、約５％〜約１５％の範囲にある。本開示の一実施形態では、炭素質材料の流動床２６またより具体的には炭素質材料１２の処理の結果として得られるオイルの収量は少なくとも約３５％である。別の実施形態では、炭素質材料の流動床２６またより具体的には炭素質材料１２の処理の結果として得られるオイルの収量は約２０％〜約８０％の範囲にある。別の実施形態では、炭素質材料の流動床２６またより具体的には炭素質材料１２の処理に基づいたオイルの収量は、炭素質材料の流動床２６をマイクロ波を用いて非常に高い加熱速度で加熱した後に、その産生物を比較的急激に冷却することによって強化することが可能である。このシーケンスによれば、不用な重合反応につながる２次反応が減速され、これによりオイル収量が上昇する。マイクロ波エネルギーは理想的には高い加熱速度の提供に適する。

動作時においてマイクロ波エネルギー２８は、炭素質材料の流動床２６内に電磁気的に転送されており、対流性の力（ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）や輻射性の力として転送されるのではない。したがって、加熱速度が表面転送によって制限されておらず、また熱分布の均一性が大幅に改善される。加熱時間は、従来の技法を用いる際に要求されるものの１％未満まで低減させることが可能である。一実施形態では、マイクロ波エネルギー２８によって加熱エネルギーの一部分を提供しており、また残りの部分は熱的加熱によって提供される。一実施形態ではマイクロ波エネルギー２８は、総加熱エネルギーの少なくとも５０％、また好ましくは総加熱エネルギーの７０％〜９９％を提供している。さらに一実施形態では、マイクロ波エネルギー２８による炭素質材料の流動床２６の加熱は、加えられる熱の量に関して精細に制御し、すべての時点で精細な温度を維持できるようにすることがある。換言すると、炭素質材料の流動床２６またより具体的には炭素質材料１２のうちの流動媒体２４により流動化される部分の実質的にすべては、同じ温度に暴露させることになる。例えば、炭素質材料の流動床２６の頂部位置における炭素質材料１２の各「ランプ（ｌｕｍｐ）」の中心は、炭素質材料の流動床２６の底部位置における炭素質材料１２の各「ランプ」の中心と同じ温度である。したがって、マイクロ波エネルギー２８が発生させる熱の影響下で炭素質材料の流動床２６から形成される化合物は、これらの化合物を放出するのに要するものより高い温度を受けることがない。

一実施形態では、炭素質材料の流動床２６内での炭素質材料１２の加熱は熱分解などの処理によって実行される。用語「熱分解」は、酸素が全く無い状態、あるいは存在する酸素の量が最低状態において炭素質材料１２が加熱されることを意味している。一実施形態では、本明細書で用いている用語「加熱」はその大部分が、熱分解などの酸素欠乏性の反応を意味している。別の実施形態ではその熱分解の実行は、プラズマモードの加熱を利用することも、非プラズマモードの加熱を利用することもある。プラズマ式モードの加熱を構成することによって、有意なエネルギー効率を維持しながらも、温度幅を大幅に拡大することができる。一実施形態ではそのプラズマが触媒の役割をし、炭素質材料の流動床２６内における炭素質材料１２の化学的解離の始動に要する活性化エネルギーを低下させることができる。熱分解モード加熱では、加熱処理中の炭素質材料１２の酸化を防止するために酸素がシステム１０から完全に除去される。

一実施形態では流動床リアクター１８内への炭素質材料１２及び（チャー３４、オイル３６及びガス３８を含む）混合物のフロー制御のため、並びにシステム１０の様々な部品の分離のために、システム１０内の様々な箇所に多くのバルブを用いることがある。別の実施形態では、システム及び流動床リアクター１８を排気するために１つまたは複数のポンプを利用することがあり、これにより流動媒体２４及びマイクロ波エネルギー２８の投入を介した炭素質材料１２の処理を無酸素環境で実行することができる。別の実施形態では、窒素やアルゴンのような不活性ガスなどのキャリアガスを得るためにガス源を含めることがある。

具体的な幾つかの実施形態では、炭素質材料１２の処理から得られた産生混合物４８（例えば、熱分解オイル産生物）の少なくとも一部分は少なくとも１つのアップグレード工程を受ける。典型的なアップグレード手順については参照により本明細書に組み込むものとする公開第２００９／０２５９０８２号（Ｄｅｌｕｇａら）に詳細に記載されており、これには水素化精製（ｈｙｄｒｏ−ｔｒｅａｔｉｎｇ）工程が不可欠である。水素化精製の次に、水素異性化（ｈｙｄｒｏ−ｉｓｏｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）工程を続けることが可能である。水素異性化工程の次には、分離工程（例えば、上で言及した技法を用いる）を続けることが可能であり、これにより異性化産生物の様々な成分が分離される。アップグレード工程は、１つまたは複数の伝達可能な燃料産生物を精製するように設計される。

［例１（Ｅｘ．１）］
本開示の一実施形態に従って亜瀝青炭またはパウダー・リバー盆地（ＰＲＢ）炭を含有する炭素質材料１２の処理を実行した。Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．によるＢｌａｃｋ Ｔｈｕｎｄｅｒ Ｍｉｎｅより得た約３０グラムのＰＲＢ炭を約３０グラム石炭容量で流動床リアクター内に投入する一方、石炭流動床を形成するように流動床リアクター内に流動媒体（メタン）をパージ（ｐｕｒｇｅ）した。流動床リアクター内の石炭流動床を進行中の流動化処理の間にマイクロ波エネルギーを用いて加熱した。マイクロ波エネルギーは、周波数２．４５ＧＨＺで動作する６ｋＷマグネトロンによって発生させた。マイクロ波エネルギーは導波管を用いて流動床リアクターに転送した。軽ガスとオイルを分離するためには揮発性冷却システムを利用した。石炭温度はパイロメータを用いて計測した。処理が完了した後に得られたオイルの収量を計算した。

［例２（Ｅｘ．２）］
３０グラムの流動化瀝青炭（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ８炭）を含有する炭素質材料の処理に関して例１に示したのと同様の手順を利用した。メタンの流動媒体とマイクロ波エネルギーを用いた瀝青炭の処理に従って得られるオイルの収量を計算した。

［比較例１（ＣＥｘ．１）］
亜瀝青炭またはパウダー・リバー盆地（ＰＲＢ）炭を含有する炭素質材料の処理を従来の加熱方法を用いて実行した。Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．によるＢｌａｃｋ Ｔｈｕｎｄｅｒ Ｍｉｎｅより得た約３０グラムのＰＲＢ炭を、約３０グラム石炭容量で標準リアクター内で処理する一方、システム内に窒素をパージした。流動床リアクター内の石炭は電気炉を用いて加熱した。軽ガスとオイルの分離のためには揮発性冷却システムを利用した。熱電対を用いて石炭温度を計測した。得られたオイル収量を計算した。

［比較例２（ＣＥｘ．２）］
瀝青炭（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇ８炭）を含有する炭素質材料の処理に関して比較例１に示したのと同様の手順を利用した。マイクロ波エネルギーを用いた瀝青炭の処理に従って得られるオイルの収量を計算した。

比較例１及び２（ＣＥｘ．１及びＣＥｘ．２）は、石炭からの熱分解オイル産生に関する従来の方法についてのベースラインを確定するために行ったものである。

図３は、本開示の別の実施形態に従ったＥｘ．１（６２）及びＣＥｘ．１（６４）に示したような処理を受けるＰＲＢ炭についてオイル収量を温度の関数としたプロット６０を表している。図３のプロットから確認できるように、メタン流動化及びマイクロ波加熱の下での流動化ＰＲＢ炭について高いオイル収量（約３０％）が得られた（曲線６２）。この収量は従来の加熱方法によって得られるもの（曲線６４）と比べて約５０％多かった。

図４は、本開示の別の実施形態に従ったＥｘ．２及びＣＥｘ．２に示したような処理を受ける瀝青炭についてオイル収量を温度の関数としたプロット７０を表している。図４のプロットから確認できるように、メタン流動化及びマイクロ波加熱の下での流動化瀝青炭について高いオイル収量（４０％）が得られた（曲線７２）。この収量は従来の加熱方法によって得られるもの（曲線７４）と比べて約５０％多かった。メタン流動化及びマイクロ波処理後におけるオイル収量の上昇は、単に加熱速度が速くなったことだけに依拠するのではなく、その一部で流動媒体及びマイクロ波エネルギーと炭素質材料との相互作用にも依拠する可能性があることにも留意すべきである。より具体的には、メタン流動化及びマイクロ波処理後におけるオイル収量の上昇は、個々の石炭粒子の周りでの微細プラズマの生成により、流動媒体が石炭粒子と反応するための条件が生成されることに依拠し得るものと推測される。したがって、本開示によってマイクロ波支援型の処理での液体燃料への効率の良い石炭変換に必要な主要な３つの点は、（ｉ）石炭変換に流動床リアクターを用いること、（ｉｉ）床の流動化のために天然ガスを用いること、並びに（ｉｉｉ）流動床リアクターにマイクロ波エネルギーを加えること、であると判断される。

図５は、オイル収量を流動床リアクター１８内に炭素質材料の流動床２６を生成するための流動媒体２４として利用される様々なキャリアガスの関数として表したグラフ８０を示している。プロットしたグラフにおいて、流動化瀝青炭（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ８炭）を含有する炭素質材料の処理を概ね７５０℃で実施した。図５のグラフから確認できるように、流動床を生成するためにキャリアガスとしてメタンを利用する流動化瀝青炭（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ８炭）について高いオイル収量（約３５％）が得られた（棒グラフ８２）。この収量は、従来の加熱方法によって得られるもの（棒グラフ８４）と比べて約５０％多く、流動床の生成にキャリアガスとして窒素を利用するマイクロ波加熱方法によって得られるもの（棒グラフ８６）と比べて約３６％多く、かつ流動床を生成するためにキャリアガスとして水素を利用してマイクロ波加熱方法によって得られるもの（棒グラフ８８）と比べて約３３％多かった。図示したように、炭素質材料１２の流動化のためにメタン（天然ガス）ではない別のガスを用いた場合は液体への変換効率が低下する。

したがって、流動床リアクターを利用して石炭から液体への変換についてオイル収量の上昇が得られる（したがって、石炭変換植物の同じ１日当たりトン数（ＴＰＤ）からの液体燃料の１日当たりバレル（ＢＰＤ）が高くなる）ような処理を開示している。さらに、この開示したシステムによれば、処理に要する空気／酸素の欠乏のために全体処理から産生されるＣＯ₂が少なくなり、かつ追加の水が必要ないため水の消費が少なくなる。

この記載では、本開示の幾つかの実施形態（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本開示の実施を可能にするために例を使用している。本開示の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１０ 炭素質材料を処理するシステム
１２ 炭素質材料
１４ 供給ホッパー
１６ スクリュー供給器
１８ 流動床リアクター
２０ グラインダーまたはシュレッダー
２２ プレヒータ
２４ 流動媒体
２６ 炭素質材料の流動床
２８ マイクロ波エネルギー
３０ マグネトロン
３２ 導波管
３４ チャー
３６ オイル
３８ ガス
４０ サイクロン
４２ チャーアウトレット
４４ 熱回収ユニット
４６ リサイクルされた熱の経路
４８ ガス３６とオイル３８の混合物
５０ セパレータユニット
５２ オイル成分
５４ 純化炭化水素ガス流
５６ 補充流動化ガス流
５８ 排気ストリーム
６０ プロット
６２ 曲線
６４ 曲線
７０ プロット
７２ 曲線
７４ 曲線
８０ グラフ
８２ 棒グラフ
８４ 棒グラフ
８６ 棒グラフ
８８ 棒グラフ

Claims (20)

1. 炭素質材料を処理する方法であって、
   炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、
   流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料を流動媒体で流動化する工程と、
   チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でかつ酸素の外部供給が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、
   を含む方法。
2. 前記流動媒体は自然発生の炭化水素ガスまたはガス混合物である、請求項１に記載の方法。
3. 前記流動媒体はメタンである、請求項２に記載の方法。
4. 前記流動媒体は、メタン（Ｃ１）、エタン（Ｃ２）及びプロパン（Ｃ３）のうちの少なくとも２つの混合物から成る、請求項２に記載の方法。
5. 前記流動媒体はリサイクルした熱分解ガスを含むガスの混合物である、請求項２に記載の方法。
6. 前記加熱の工程は約４００℃〜約８００℃の範囲の温度で実行される、請求項１に記載の方法。
7. 前記チャー、オイル及びガスの混合物を分離する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 流動床リアクターの下流側に配置されたサイクロン内でチャー、オイル及びガスの混合物からチャーを分離する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
9. 前記チャーは流動床リアクターへリサイクルされている、請求項８に記載の方法。
10. 前記炭素質材料は石炭とバイオマスの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記炭素質材料は、瀝青炭、パウダー・リバー盆地石炭、褐炭あるいはこれらの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記加熱の工程は熱分解を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記オイルは熱分解オイルを含む、請求項１に記載の方法。
14. 流動床リアクター内の炭素質材料の流動床を加熱する前記工程はさらに追加的に熱エネルギーを用いた加熱を含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記マイクロ波エネルギーは総加熱エネルギーの少なくとも５０％を提供しかつ前記熱エネルギーで加熱エネルギーの残りの部分を提供している、請求項１４に記載の方法。
16. 得られる前記オイルの収量は少なくとも約３５パーセントである、請求項１に記載の方法。
17. 炭素質材料を処理する方法であって、
    炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、
    流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために自然発生の炭化水素ガスまたはガス混合物で炭素質材料を流動化する工程と、
    チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力で、約４００Ｃ〜約８００Ｃの範囲の温度でかつ酸素の外部供給が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、
    を含む方法。
18. 前記流動媒体はメタンである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記流動媒体は、メタン（Ｃ１）、エタン（Ｃ２）及びプロパン（Ｃ３）のうちの少なくとも２つの混合物から成る、請求項１７に記載の方法。
20. 炭素質材料を処理する方法であって、
    炭素質材料を流動床リアクター内に投入する工程と、
    流動床リアクター内に炭素質材料の流動床を形成するために炭素質材料をメタンで流動化する工程と、
    チャー、オイル及びガスからなる混合物を生成するために約５気圧未満の圧力でかつ酸素が無い状態で流動床リアクター内の炭素質材料の流動床をマイクロ波エネルギーで加熱する工程と、
    を含む方法。