JP2015525814A - バイオマスの水熱液化方法およびバイオマスの水熱液化システム - Google Patents

Abstract

バイオマスの水熱液化方法およびバイオマスの水熱液化システム複数のポンプによってタンクから供給されるバイオマスが反応器へと提供され、分離器中で分離される揮発性留分、液体留分、および固体留分の形態をした複数の反応器生成物を得るために、反応器中でバイオマスが加熱される、バイオマスの水熱液化方法である。タンク（１１０）から供給されるバイオマス（２００）は、複数のポンプ（１２０）中で２２０気圧から２５０気圧の圧力まで加圧され、その後、熱交換器（１３０）中において、反応器（１４０）生成物の熱エネルギーによって少なくとも３７４℃から４００℃の温度まで予め加熱される。次に、偏向波の複数の放射器（１４３）を通した、複数の発生器（１５０）によって放出される９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波放射を使用して、プレヒートされたバイオマスが反応器（１４０）中で再加熱される。放射方向は、隣接する複数の放射器（１４３Ａ、１４３Ｂ）の方向に対して垂直である。放射器スロットの幅（ａ）は、複数の発生器（１５０）から放出される放射波長（λ）の半分よりも小さい。複数の放射器（１４３）へと供給される電磁波の複数の反射は、複数の放射器（１４３）と複数の発生器（１５０）との間に配置される複数の反射率計（１５１）を使用して測定される。反応器（１４０）内部のバイオマスの温度は、複数の温度センサ（１４１）および制御器（１５２）を使用して測定される。反応器内部のバイオマスを３７４℃から４００℃の温度に保持するように、複数の温度センサ（１４１）および複数の反射率計（１５１）の測定結果に基づいて、複数の発生器（１５０）によって発生される放射の出力が調節される。

Description

本発明はバイオマスの水熱液化方法およびバイオマスの水熱液化システムに関する。

熱分解およびガス化を使用した熱バイオマス処理のプロセスはよく知られている。これらのプロセスにおいて出会う技術的な不便さは、バイオマス中の大量の水であり、これは、過剰な水を蒸発させることを余儀なくさせる。バイオマスの加熱は、ガスバーナまたは石油バーナのような従来のエネルギー源、電気加熱システムを使用して実行され、加熱プロセスは、反応器の壁を通した熱伝導の結果として起きる。

液化した材料の間接的な加熱を使用したバイオマスの水熱液化方法が知られている。このプロセスは反応器チャンバ内での高い圧力を必要とし、バイオマスは高い温度まで加熱されねばならない。これは、処理チャンバに対して特殊な技術的手段の適用を必要とする。既存の解決法の基本的な技術的不便さは、反応器の壁を介してのみバイオマスが加熱されるので、バイオマスを、その体積全体にわたって必要とされる温度まで加熱することの困難さである。反応器チャンバ壁の極めて高い温度は、水蒸気を生成しかねず、また、局所的なガス化およびバイオマス液化の有効性の低減をもたらしかねない。反応器の壁にくっついていない、反応器チャンバ内部のバイオマスの過剰に低い温度は、液化効率の低減およびバイオ石炭の体積増加に影響を及ぼすであろう。

バイオマスの水工学的液化用システムに対する既存の技術的解決法の中では、Stell社によって開発されたＨＴＵ（Hydrothermal Upgrading）技術が知られている。この技術においては、約５−２０分でバイオマスは液化を遂げ、バッチ材料の重量に対して約４５％のバイオ燃料が得られる。バイオマス液化の比較的長い時間は、液化バイオマスの体積全体にわたって、必要とされる温度を得ることの技術的な困難さに起因する。

既知の技術的解決法の別の例はＮＯＲ（New Oil Resources：新たな石油資源）技術であり、そこでは２段階のプロセスが実行される。第１の段階は、高温および高圧下における、より単純な有機化合物へのバイオマスの分解を含み、これに対して第２の段階は、再結合プロセスを利用して燃料留分を生成する。

全ての既存の解決法には、反応器の加熱された壁から、混合されているバイオマスへの熱の供給が関与する。

本発明の目的は、バイオマスをエネルギーマスへと変換するための、バイオマス液化の新しく代替的な方法の開発である。

本発明の目的は、複数のポンプによってタンクから供給されるバイオマスが反応器へと提供され、分離器中で分離される揮発性留分、液体留分、および固体留分の形態をした複数の反応器生成物を得るために、反応器中でバイオマスが加熱される、バイオマスの水熱液化方法である。タンクから供給されるバイオマスは、複数のポンプ中で２２０気圧から２５０気圧の圧力まで加圧され、その後、熱交換器中において、複数の反応器生成物の熱エネルギーによって少なくとも３７４℃から４００℃の温度まで予め加熱される。次に、偏向波の複数の放射器を通した、複数の発生器によって放出される９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波放射を使用して、プレヒートされたバイオマスが反応器中で再加熱される。放射方向は、隣接する複数の放射器の方向に対して垂直である。放射器スロットの幅（ａ）は、複数の発生器から放出される放射波長（λ）の半分よりも小さい。複数の放射器へと供給される電磁波の複数の反射は、複数の放射器と複数の発生器との間に配置される複数の反射率計を使用して測定される。反応器内部のバイオマスの温度は、複数の温度センサおよび制御器を使用して測定される。反応器内部のバイオマスを３７４℃から４００℃の温度に保持するように、複数の温度センサおよび複数の反射率計の測定結果に基づいて、複数の発生器によって発生される放射の出力が調節される。

本発明の別の目的は、揮発性留分、液体留分、および固体留分の形態をした複数の反応器生成物を得るためにバイオマスを加熱するように構成される反応器に複数の供給ポンプを介して接続されたバイオマスタンクを備え、反応器の出口は複数の反応器生成物を分離するための分離器に接続される、バイオマスの水熱液化のためのシステムである。複数のポンプは、バイオマスを２２０気圧から２５０気圧の圧力へと加圧するように構成される。複数のポンプと反応器との間には、圧縮されたバイオマスを、複数の反応器生成物の熱エネルギーによって加熱するように構成される熱交換器が配置される。反応器には、９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数でマイクロ波放射を放出し、反応器チャンバに沿って配置される複数の偏向波放射器に接続される複数の発生器が備えられる。放射方向は、隣接する複数の放射器に対して垂直である。放射器スロットの幅（ａ）は、複数の発生器から放出される放射波長（λ）の半分よりも小さい。複数の放射器と複数の発生器との間には、電磁波の複数の反射を測定するための複数の反射率計が位置される。反応器の複数の内壁は、１×１０^−２よりも小さな損失角の正接（ｔａｎ（δ））の値を有する誘電体材料の層によって被覆される。複数のマイクロ波放射発生器は、反応器の内壁に配置される複数のバイオマス温度センサの複数の測定結果および複数の反射率計の複数の測定結果に基づいて複数の発生器の出力を調節するように構成される制御器に接続される。

好ましくは、熱交換器のチャンバおよび反応器のチャンバは、共通のケーシング中にて組み合わされる。

好ましくは、熱交換器のチャンバおよび反応器のチャンバは、個別のケーシングを有する。

好ましくは、複数の放射器は、反応器のチャンバに沿って片側に配置される。

好ましくは、複数の放射器は、反応器のチャンバに沿って反対側に配置され、互いに対して反対側に配置される複数の放射器は、互いに垂直な偏向方向を有する。

本発明の利点は、新しいバイオマス液化の方法が、マイクロ波放射による反応器内部のバイオマスの加熱を利用することにある。これは、バイオマスの必要な温度を非常に短時間で達成すること、および、その体積全体にわたって材料を均等に加熱することを可能にする。さらに、反応器のチャンバ内部のバイオマスの加熱にマイクロ波法を適用することは、反応器内部の材料の温度の精密な制御を可能にする。このようにして、プロセスの最適な物理的および化学的条件と共に、プロセスの加速が維持され、従って、その効率を増大させることができる。

本発明は、以下の図面上の例示的な実施形態によって示される。
バイオマスの水熱液化に対する技術的な流れの図を示す。 交換器および反応器チャンバの小型システムを有する、バイオマスの水熱液化用システムの図を示す。 個別の交換器および反応器チャンバを有する、バイオマスの水熱液化用システムの図を示す。 反応器の図を示す。 ここを通してマイクロ波放射器からチャンバの内部へとエネルギーが供給される、反応器ケーシング中の複数のスロットの位置を示す。

本発明は、およそ３７４℃−４００℃の高温および２２０−２５０気圧の高圧下である、臨界水条件に類似した条件中での、液体バイオマスの水熱液化に関係する。そのような条件においては、水は非常に攻撃性の高い溶媒であり、バイオマスの解重合を引き起こす。これらの条件下におけるバイオマスの水熱液化プロセスの生成物は、高カロリー値を有するバイオオイル、水に溶解されたバイオ石炭およびその他の有機成分である。液化生成物の最適な内容物を得るための条件は、バイオマスを有する水の温度および反応器中の圧力を精密に保持することである。

図１は、バイオマスの水熱液化に対する技術的な流れの図を示す。本発明に従うと、バイオマス２００がタンク１１０から集められ、複数の高圧ポンプ１２０によって、反応器１４０の複数の熱交換器チャンバ１３０まで押される。好ましくは、これら複数のチャンバは共通のケーシング内で組み合わされ、図２に示されるような小型システムを構成する。この構造は、交換器チャンバ１３０内で実行されるプロセスの生成物である混合物からの熱を使用して、反応器チャンバ１４０へと供給される材料を加熱することを可能にする。これは、交換器チャンバ１３０を反応器チャンバ１４０に接続する複数の管の部分における熱損失の低減故に好ましく、また、反応器へと供給される材料を加熱するために、液化バイオマスの熱エネルギーを使用することを可能にする。さらに、この種の小型の構造は、その建設コストの低減、および、より小さなサイズ故に好ましい。バイオマス２００が押されて通る複数の導管は高圧を有する。従って、それらを短くすることは、熱損失を低減することの他に、押すプロセスも容易にするので、効率の低い複数のポンプ１２０を使用することを可能にする。図３に示されるように、複数のチャンバ１３０、１４０はまた、互いに別々のものであることができ、個別のチャンバ中に配置されることができる。

複数のポンプ１２０においてバイオマス２００を２２０から２５０気圧の圧力まで加圧した後、バイオマス２００は２段階で加熱される。反応器１４０中でのバイオマス２００の液化プロセスから発生されたバイオオイル、水蒸気、およびその他の物質の熱い混合物からの熱エネルギーを使用して、最初に、熱交換器１３０中でバイオマス２００のプレヒートが実行される。交換器１３０中では、バイオマスの温度が少なくとも１５０℃−２５０℃まで上昇される。複数の熱交換器を通して押す間に、液化バイオマスからの熱は、ポンプから押されてきた冷たいバイオマスへと移動される。バイオマスプレヒートプロセスの効率を増大させるために、交換器の内部１３１は、良好な熱伝導度によって特徴付けられる金属または炭化ケイ素から形成される。

プレヒートされたバイオマス２００は、高圧下で反応器１４０の内部まで押され、ここで、必要な温度、すなわちおよそ３７４℃−４００℃まで、その全体積にわたって加熱される。マイクロ波発生器１５０から放出される９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数のマイクロ波放射のエネルギーを使用して、加熱が実行される。反応器１４０内部でバイオマス２００を加熱するためのマイクロ波放射エネルギーは、反応器１４０のチャンバの金属ケーシングに取り付けられた複数の放射器１４３を通して、反応器１４０の内部へと導入される。複数の放射器の位置は、図５を参照して詳細に特定される。

図４および５中に概略的に示される反応器１４０は、チャンバ内部に配置されるセラミックまたは（発生されたマイクロ波放射を吸収しない）その他の硬い誘電体材料の層１４８を有する、円筒状の金属チャンバ１４７の形態を有する。好ましくは、層１４８の誘電体材料については、損失角δの正接が１×１０^−２よりも小さい。反応器１４０の外側の金属壁は複数のスロットを有し、そこには、誘電性の複数の石英板１４２の形態をした、複数の耐圧性遮蔽物が配置される。複数の遮蔽物は、発生されたマイクロ波放射を吸収しない。複数のスロット上には、複数のマイクロ波発生器１５０と接続された複数のマイクロ波放射器１４３がある。反応器１４０内部に配置されたセラミック材料１４８中に、バイオマス２００を押すためのダクト１４９が配置される。一組の温度センサ１４１（例えば熱電対）が反応器１４０の内部に配置される。それらの目的は、反応器１４０内部におけるバイオマス２００の温度の精密な測定である。複数の温度センサ１４１からの信号は電子制御器１５２（図３）へと伝達される。電子制御器１５２は、水を臨界状態に保持し、反応器１４０内部の温度を３７４℃から４００℃に保持するために、複数の温度測定値（例えば、全てのセンサ１４１からの温度の平均）および複数の反射率計１５１の測定値に基づいて、複数のマイクロ波発生器１５０の出力を制御する。

チャンバの第１の部分において、マイクロ波エネルギーによってバイオマス２００が加熱された反応器１４０の一部から管を通して押されてきた液化マスの熱によって、バイオマス２００がプレヒートされる。プレヒートされたバイオマス２００は、次に、マイクロ波を放出する複数の放射器１４３が設置されたチャンバの一部へと押される。複数のマイクロ波放射器１４３はマイクロ波発生器１５０に接続される。マイクロ波発生器１５０の出力パワーは、マイクロ波の出力を調節する制御器１５２によって、複数の温度センサ１４１および複数の反射率計１５１からの複数の信号に応じて制御される。

図４に示されるように、複数のマイクロ波放射器１４３は角状のアンテナの形状を有し、偏向された放射を発生する。さらに、図５に示される金属ケーシング中の複数のスロット１４３Ａ、１４３Ｂを通った隣接する複数の放射器の偏向の方向は、互いに垂直である。放射器によって発生される磁場の方向と垂直な、放射器スロットの幅"ａ"は、発生される放射の真空中での波長（λ）の半分よりも小さくするべきである（ここで、９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数に対する波長λは、３３．３ｃｍから７．５ｃｍに等しい）。これは、１つの放射器によって発生される反応器１４０内部の放射が、隣接する放射器へ接続された発生器の動作に対して影響を及ぼさないようにするためである。放射器スロットの長さ"ｂ"は、２０ｃｍから３３ｃｍであるべきである。この大きさの範囲内では、２種類の場（モード）のみが発生される。これにより、はるかに容易に複数の発生器をエネルギー量に適合させるので、これはマイクロ波伝送のより容易な制御を可能にする。さらに、場の分布もまた一層好ましく、１つのモードの中心に１つの最大値があり、第２のモードに対して２つの局所的な最大値がある。この分布の和は、"ホットスポット"の無い、穏やかな分布を与える。複数の放射器１４３は、反応器１４０の片側に、またはその反対側に配置されることができる。反対側の場合、向かい合った複数の放射器１４３Ａ、１４３Ｂを互いに対して垂直に配置することが重要である。複数の偏向波放射器のそのような配置は、複数のマイクロ波発生器の相互のカップリングを防ぐ。これは、スロット１４３Ａに取り付けられた１つの放射器からのエネルギーが、第２のスロット１４３Ｂと結びつけられず（結合されず）、そのため、第２の発生器にこれが供給されないことを意味する。これは、マイクロ波加熱プロセス効率の低減をもたらすであろうし、複数のマイクロ波発生器の耐久性を低減するであろう。多くの発生器を用いることは、相対的に低い出力の発生器を使用することを可能とし、加熱プロセスの制御を容易にする。

複数の反射率計１５１は、マイクロ波発生器１５０と放射器１４３との間に配置される。水の臨界状態においては、水の誘電特性が突然変化する。水は非常に極性の高い分子を有し、従って、急激にマイクロ波を吸収する。その臨界状態にある水は、突然に、その極性の高い特性を失う。従って、臨界状態に到達すると、マイクロ波の吸収性が突然に減少する。実際には、複数の放射器１４３へ供給される電磁波の反射の迅速な増加が起きる。反射率計１５１、すなわち、反射波を測定するデバイスを、マイクロ波発生器１５０と放射器１４３との間においてマイクロ波の進路中に配置することは、水がその臨界状態に到達した瞬間の精密な測定を可能にする。臨界状態にまだ到達していない場合のプロセスに対してわずかに高い、安定なレベルに反射波の出力が留まるようにするために、この状態に到達した後、マイクロ波の出力は低減される。従って、マイクロ波反射率計１５１からの信号は、プロセスの最適化のため、すなわち、最適温度の安定化およびエネルギー節約のために、上手く用いられるであろう。

マイクロ波加熱は、必要とされる材料の温度を、非常に短時間で得ることを可能にする。材料は、その体積全体にわたって均一に加熱されるであろう。さらに、反応器１４０のチャンバ内部でのバイオマス２００の加熱へのマイクロ波法の適用は、反応器１４０内部の材料の温度の非常に精密な制御を可能とする。これは、プロセスの最適な物理的および化学的条件を保持することを可能にする。マイクロ波出力の自動調節を使用した電子温度安定化システムの適用のおかげで、最適温度の保持の精密さが保証される。水熱液化のプロセスにおけるバイオマス２００の迅速な加熱に向けたマイクロ波の適用は、プロセスを加速することも可能にし、これにより、プロセスの効率を増大させる。

図３に示されるように、反応器１４０は付加的な圧力センサ１４６を有することができる。このセンサ１４６からの信号に応じて、圧力バルブ１４５およびポンプ１２０が制御される。これは、バイオマスの含有量および粘度によらずに、バイオマスの非常に高い圧力を高精度で保持することを可能にする。

次のステップにおいて、液化バイオマスは、熱交換器１３０を通り、次いでバルブ１４５を通って分離器１６０まで再び押される。分離器１６０において液化バイオマスは、バイオガス２０１、バイオオイル２０２、および固体留分２０３のような複数の残留生成物から分離される。これに対して固体留分２０３は、バイオ石炭２０４を得るために乾燥機１７０へと運ばれる。分離器１６０は、遠心分離機または多段式ろ過装置の形態から成ることができる。

プロセスは、反応器１４０を通してバイオマスを押す速度の自動制御による連続的な動作として実施されることができる。反応器１４０内部に残留するバイオマスの持続時間は、バイオマスを押す速度を調節することによって設定される。

Claims (6)

1. 複数のポンプによってタンクから供給されるバイオマスが反応器へと提供され、分離器中で分離される揮発性留分、液体留分、および固体留分の形態をした複数の反応器生成物を得るために、前記反応器中で前記バイオマスが加熱されるバイオマスの水熱液化方法であって、
   前記タンクから供給される前記バイオマスは、複数のポンプ中で２２０気圧から２５０気圧の圧力まで加圧され、
   その後、前記バイオマスは熱交換器中において、前記複数の反応器生成物の熱エネルギーによって少なくとも３７４℃から４００℃の温度まで予め加熱され、
   次に、偏向波の複数の放射器を通した、複数の発生器によって放出される９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波放射を使用して、前記予め加熱されたバイオマスが前記反応器中で再加熱され、
   前記放射の複数の方向は、隣接する前記複数の放射器の方向に対して垂直であり、
   放射器スロットの幅は、前記複数の発生器から放出される前記放射の波長の半分よりも小さく、
   前記複数の放射器へと供給される電磁波の複数の反射は、前記複数の放射器と前記複数の発生器との間に配置される複数の反射率計を使用して測定され、
   前記反応器内部の前記バイオマスの前記温度は、複数の温度センサおよび制御器を使用して測定され、
   前記反応器内部の前記バイオマスを３７４℃から４００℃の前記温度に保持するように、前記複数の温度センサおよび前記複数の反射率計の測定結果に基づいて、前記複数の発生器によって発生される前記放射の出力が調節される、
   バイオマスの水熱液化方法。
2. 揮発性留分、液体留分、および固体留分の形態をした複数の反応器生成物を得るためにバイオマスを加熱する反応器に複数の供給ポンプを介して接続されたバイオマスタンクを備え、前記反応器の出口は前記複数の反応器生成物を分離するための分離器に接続され、
   前記複数の供給ポンプは、前記バイオマスを２２０気圧から２５０気圧の圧力へと加圧し、
   前記複数の供給ポンプと前記反応器との間には、前記加圧されたバイオマスを前記複数の反応器生成物の熱エネルギーによって加熱する熱交換器が配置され、
   前記反応器には、９００ＭＨｚから４ＧＨｚの周波数でマイクロ波放射を放出し、前記反応器に沿って配置される偏向波の複数の放射器に接続される複数の発生器が備えられ、
   前記放射の複数の方向は、隣接する前記複数の放射器に対して垂直であり、
   放射器スロットの幅は、前記複数の発生器から放出される前記放射の波長の半分よりも小さく、
   前記複数の放射器と前記複数の発生器との間には、電磁波の複数の反射を測定するための複数の反射率計が位置され、
   前記反応器の複数の内壁は、１×１０^−２よりも小さな損失角正接の値を有する誘電体材料の層によって被覆され、
   前記複数の発生器は、前記反応器の前記複数の内壁に配置される複数のバイオマス温度センサの複数の測定結果および前記複数の反射率計の複数の測定結果に基づいて前記複数の発生器の出力を調節する制御器に接続される、
   バイオマスの水熱液化のためのシステム。
3. 前記熱交換器のチャンバおよび前記反応器のチャンバは、共通のケーシング中にて組み合わされる請求項２に記載のシステム。
4. 前記熱交換器のチャンバおよび前記反応器のチャンバは、個別のケーシングを有する請求項２に記載のシステム。
5. 前記複数の放射器は、前記反応器のチャンバに沿って片側に配置される請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記複数の放射器は、前記反応器のチャンバに沿って反対側に配置され、互いに対して反対側に配置される前記複数の放射器は、互いに垂直な偏向方向を有する請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のシステム。

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