JP2016507634A - バイオマスから燃料を作成するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

特許請求された発明はバイオマスから燃料を作成するための方法に関する。バイオマスは、水蒸気及び空気で加圧されたリアクタ（１１）内で１５０〜３００℃の温度範囲内で熱処理にかけられる。熱処理完了時に圧力が解放される。本発明は、水蒸気爆砕方法を用いてペレットの製造を目的とし、同時に解放された流れの中のエネルギーを回復でき、放出されたガスに不尽く臭いを除去する。目的物は、圧力解放時の水蒸気及び他のガスの体積増加内であり、フレキシブルな容積のコンテナ（１４）内に一時的に蓄積される。水蒸気及び他のガスは、少なくとも１つの熱交換器（１３）内で熱交換を経て、少なくとも１つの熱交換器内で凝縮性ガスが凝縮されて、少なくとも１つの熱交換機の凝縮熱を放出する。本発明は、またバイオマスから燃料を作成するための装置にも関連する。

Description

本発明は、バイオマスから燃料を作成する際の、製造コスト及び空気への排出物の低減を改善するための方法及び装置に関する。

石炭の代わりとしての熱電気の生産に関して、バイオマスから生産されるペレットが増加しており、これはＣＯ_２の排出の低減に貢献する。近年、ペレット生産は、バイオマスを熱処理することなく生産して、いわゆる第１世代のペレットすなわち「ホワイトペレット」の生産することが主流となってきている。現在の関心は、いわゆる第２世代のペレットの生産に変わってきており、この場合バイオマスが熱処理されて、バイオマスの性質が変化する。それらの方法の１つは、いわゆる水蒸気爆砕方法を利用し、この場合、バイオマスは水蒸気によって熱処理される。

熱処理のための方法として、たとえば米国特許番号第３２０９７１号に記載されたような水蒸気爆砕法を用いるか、又はバイオマス又はいわゆるリグノセルロース性材料を熱処理する他の関連する方法によるペレット生産において、これらの方法は、十分には配慮されてこなかった空気への排出物を含む。供給されたバイオマスのコンテナを加圧した後、水蒸気供給によって加圧し、続いて瞬時に放出する水蒸気爆砕法は、加熱されていた塊からの水蒸気及び揮発性ガスの放出を提供する。

また、バイオマス又はいわゆるリグノセルロース性材料の水蒸気処理に言及した既存の及び有効期限が経過した特許がある。これらは主として、バイオマスがすでに供給され密閉されたコンテナに水蒸気（飽和水蒸気又は過熱水蒸気）を与えてことが有利であると結論づけられており、リアクタ内で達成を所望することに依存して、１６０℃から最高で３００℃の温度範囲内の所与の温度に加熱し、その後１又は２ステップでリアクタ内の除去をする。

リアクタを充填させる程度を変更すること、供給されたバイオマスの湿度を変更すること、及び関連性のある、所要量の水蒸気を算出して、バイオマス（乾燥材料＋マス内の湿度）を加熱しかつリアクタ内で望ましい圧力／温度の関係を作り出すことは、従来技術の一部である。標準的な動作範囲は、１５０〜２８０℃の間であるが、エネルギを目的とした好ましい性質は、温度が１９０〜２３５℃の間に、又はおよそ１５〜２８バールの圧力に維持された場合にもっともよく達成されることが分かっている。

水蒸気が供給された圧力容器内で、湿度を有するバイオマスを加熱すると、粒子上に水蒸気が凝縮されてバイオマスにエネルギを伝達し、その湿度は、所望の温度範囲まで加熱される。加えて、一定量の水蒸気が供給されて、バイオマスの周囲の雰囲気の所望の全圧力及び温度を達成する必要がある。

このシステムが有する課題は、必要量の水蒸気（材料１トン当たり２００〜６００ｋｇ程度の水蒸気）を生産するために、相当に多量のエネルギを用いることである。一定量のバイオマスが供給され、それに対して加えられる水蒸気量がリアクタの充填レベル、所望の圧力及び温度、入口温度、及び処理されるマスの湿度レベルに応じて決定される。リアクタ内のマス容量がほとんどない場合、同じコンテナ／リアクタ内により多くのマスが存在する場合よりも、加熱されるために必要とされる水蒸気が少なく、またより乾燥したマスは、より湿った材料よりも加熱されるために必要とされる水蒸気がより少なく、一方で、所望の圧力／処理温度は、引き続き水蒸気要求総量に影響する。

リアクタ内の除去は、１以上のステップにおいてからにすることによって行われることができ、ノルウェー国特許第３２０，９７１号、カナダ国特許第１，２６７，４０７号（ＤｅＬｏｎｇ）、又は他に記載されているとおりである。１つは、いわゆる爆発圧力を、所望の動作圧力よりも低いレベルまで低減させることができる。この爆発圧力は、実際に達成を所望するものに依存して、処理圧力に至るまで１〜３バールであることができる。これがリアクタ内の除去のみに対してである場合、爆発圧力はより低いことが望ましく、繊維の解繊又は「破裂」が望ましい場合、爆発圧力がより高い、すなわちリアクタと、マスが放出される場所（体積を低減させるために気圧に近いか又はわずかに高いことが多い）との間の圧力差が大きいことが望ましい。

リアクタ内の除去／リアクタからのバイオマスの放出は、より低い圧力の容積に向かって伸びる管又は通路を通る流れの形状で進めることができ、ここでマスが水蒸気から分離されて、マスはタンク／セパレータ／サイクロン内に残留し、一方で水蒸気は外に拡大する。

除去は迅速に行われ、駆動力は圧力差である。圧力差が大きいと、さらに多量の水蒸気がマスと同時に放出されて用いられる。このことが生じると、より多くの量のエネルギ量が放出されることになる。このエネルギは、好ましくは回収されるべきである。

熱処理中、バイオマスから揮発性ガス（揮発性物質）が放出されて水蒸気と混合され、水蒸気を汚染する。生成されたガスは、主に有機酸及びアルデヒドであり、これらは時間とともに放出され、また生成される。気体の量は、時間、温度、及び圧力に依存する。一次反応及び最初の主反応は、フルフラル、ギ酸、酢酸等へのヘミセルロースの分解である。混合物内には、過剰な気体成分が観察されている。これらの気体は、異なる沸点を有し、異なる温度範囲において水溶性かあるいは不溶性である。これらの気体のいくつかは、この方法の特徴でありかつ多くの人が臭いを不快と感じる強烈な臭気を有し、さらに、どちらかと言えば再利用されるべきである多くの残存炭素を含有する。

このタイプのプロセスに関連する熱回収が有する一般的な問題は、数秒の間に大量の気体及び水蒸気が放出されること、何故熱交換ユニットに対する高い需要があるのか、また加えて、揮発性（非凝縮性）ガスと凝縮性ガスとが、わずかに予測可能なマスの組成をもって到達するところでは、製品流が非常に複雑であることである。これは、マスの流れに支障をきたす、本プロセスの下流の圧力増大につながる可能性がある。加えて、このことは、強烈な臭いを有するという点から未精製であり、これらに曝される作業員にとって、物理的な不快につながる可能性があるという事実に到達する。

本発明の目的は、エネルギが大幅に回収されるような方法で、バイオマスから燃料を生産し、不快な臭気という形の不利点を低減させるか又は除去するための方法及び装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１により定義されるように第１の態様に従った方法によりなる本発明により達成される。

さらなる態様によれば、本発明は、請求項１６に主張されるような装置を含む。

本発明の好ましい実施形態は、従属項によって開示される。

本発明は、水蒸気爆砕方法を利用する、とりわけペレット生産における利点を提供する方法及び装置であり、放出された水蒸気のエネルギ回収を可能にし、同時に一方で放出された組成物中の水蒸気に付随する、気体（ＶＯＣ）に支障をきたす臭気の問題を取り除くことを可能にすることによるものである。

フレキシブルな容積を有するコンテナは、フレキシブルな壁を有するコンテナか、又は少なくとも１つの可動壁を有するコンテナ、たとえば可動ピストンの形状の壁を有する円筒形のコンテナであることができる。

乾燥及び任意のペレット化の形でのバイオマスの最終処理は、このことが当技術分野で周知のさまざまな方法で行われることができ、本発明の一部を構成するものではないため、ここではさらには説明しない。

プロセスの一定の段階における、本発明の装置を示す。 図２は、本プロセスの別の工程における、図１の装置を示す。

以下において、添付の図面を参照して、実施形態の制限的でない実施例によって本発明がさらに説明される。

図１は、右から左に向かって、木材／パルプ／セルロース含有材料の熱処理リアクタ１１を図示する。リアクタ１１では、素材は、水蒸気及び空気の存在下で圧力をかけられて加熱される。水蒸気と空気との間の混合比は変動することがあり、リアクタの充填レベルも同様に変動する可能性がある。

リアクタ内の温度及び滞留時間は変動することがあり、通常は１６０〜３００℃及び１〜１５分の範囲内である。より高い温度及びより長い処理時間は、制御要素として実際には望ましくないが、それはこれによって劣化がより大きくなり、材料の損失がより多くなり、また及び非凝縮性ガス、強烈な臭気を有するガスの望ましくない量という形で、下流の工程の作業の際に問題を生じさせるためである。

リアクタは通常、本プロセスを制御及び監視するための機器及び装置を含み、圧力を制御するための弁、リアクタをそれぞれ加熱及び冷却するための手段等を含む。このことは、いかにして本プロセスがリアクタ１１内で進められるかという本発明の主要な論点ではないため、図示されていない。

コンテナ１２は、圧力解放容器であり、その中に、反応混合物が処理の最後に解放される。リアクタ１１内の圧力の少なくとも一部が急速に解放され、それによってリアクタから圧力解放コンテナ１２内に反応混合物が吐出される。

当業者においては、水蒸気及び空気以外の気体は、それらが本プロセス量にマイナスに干渉することがなければ、リアクタ内に存在してもよいことが理解されよう。たとえば、リアクタ内の酸素と窒素との間の比率は、たとえば酸素富化空気の添加、又は本プロセス中に消費された酸素により、空気中のケースとは異なっている。

反応処理が完了すると、反応混合物は、導管２１を介して、リアクタ１１から圧力解放タンク１２に吐出される。このことは、当技術分野において周知の方法で行われ、それ自体は何ら新しいものを示さない。一定量の湿度を有する固体は、圧力解放タンク１２の中に移され、当技術分野において周知である任意の好適な方法で、導管２２を介して後処理に移送される。凝縮性成分に加えて、一般的な状態の範囲内では凝縮可能ではない成分を含有する気体は、圧力解放タンク１２の上部の、またはその付近の導管２３を通り、そこから少なくとも熱交換器１３に直接案内される。

熱交換器１３は、気体流を冷却して、気体の凝縮性成分が凝縮され、それによって気体流の体積を低減させることを確実にする。冷媒が受ける凝縮熱は、現行のプロセス内で、又はプロセス外で任意の好適な方法で利用される。通常は、このエネルギを用いて、乾燥ユニット用の、又は燃焼用の空気を予熱する。熱交換器１３からの凝縮物は、水分に加えて、水分が放出されるか又は再利用のために再生される前に取り除くべきではない成分を含む。凝縮物は、導管２５を通って放出され、同時に気体は、導管２６を通って、本プロセスの次の段階に移動する。

熱交換器１３に関しては、これ又はこれらは、間接熱交換器であってもよく、この場合冷媒はベントガスから分離されて維持され、又は直接熱交換器であってもよく、この場合冷却水がベントガスと混合される。また、組み合わせであってもよく、この場合熱交換は主に間接的であるが、限定された割合の水分２４が、熱交換器１３に流入する排気ガスの中に噴霧されて、排気ガス２３を急冷させ、それによって後に続く熱交換の間接工程でのすべての凝縮性成分をより容易に凝縮させる。

直接熱交換のみを用いることを選択した場合、熱交換器の下流で、はるかに大量の流体が取り扱われることを必要とする。したがって、熱交換が少なくとも部分的に間接熱交換として行われることが好ましい。

本プロセスの次の工程は、フレキシブルな容積を有するコンテナ１４、通常は「バルーン」からなり、これは他のバルーン同様、軟質な壁を有し、通常の動作条件下で操作されたバッチリアクタからの排除に起因する非凝縮性ガスの「ひと吹き」を受けることが可能であるような寸法にされる。図１では、反応混合物は、依然としてリアクタ１１に収容され、したがって、図中に示されるように、フレキシブルな容積を有するコンテナ１４は、実質的に空である。

ここで図２を参照すると、図１と同様のものが示されるが、ここではリアクタ内の圧力が正に解放されて、それによって反応混合物が圧力解放タンク１２の中に吐出されると同時に、気体が、熱交換器１３と導管２３及び２６とを通って、フレキシブルな容積を有するコンテナ１４に吹き付けられることを除く。圧力が解放された後数秒の間に、図２に示されるように、コンテナ１４が非凝縮性ガスによって膨張する。コンテナ１４は、通常は単一のバッチに基づいて算出されることができる必要に関連して、大型である。
加えて、ａ安全弁によって、非凝縮性ガスが過剰な量である場合であっても、コンテナ１４が破裂しないことを確実にすることができる。コンテナ１４は、短期間の間、バッチごとに非凝縮性ガスの全量を占有し、それによっていかなる過圧力も生じさせることがなく、そしてその後ゆっくりと、かつ制御された方法で、導管２７を介してガスの後処理のための少なくとも１つのチャンバ１５に気体を放出して、ガスが未処理の雰囲気に漏れないことを確実にする。ここで、あらゆる可燃性成分を燃焼してもよく、燃焼熱は、チャンバ及び／又は排ガスの適切な冷却を通して処置され得る。

後処理は、連続に、平行に、又は連続及び平行の組み合わせで配置された複数のチャンバ１５で行われることができる。このことは、本発明に必須ではない。重要なのは、熱交換器１３で熱交換の形態で行われることと、フレキシブルな容積を有するコンテナ１４内での非凝縮性ガスの一時的な蓄積とである。この組み合わせは特有であり、このタイプのバッチ処理では以前は処置されることが可能ではなかった熱エネルギが、現在では回収されて、プロセスをより低い正味エネルギ消費達成し、それによってプロセスをさらに有利にすることが可能であることを示す。加えて、このことは、有害又は不快な臭気を有するガスが処置されるという予期せぬ効果を達成する。

さらに、上流のフレキシブルな容積を有するコンテナを交換することによって熱交換器への負荷を低減して、放出されるガスが熱交換器を通過する速度を低減することが可能である。このことの不利点は、すべての「不純」成分が依然としてガス中に存在し、これらの一部が、フレキシブルな容積を有するコンテナ１４の壁に付着することである。

寸法決めの必要性に関し、当該目的のための標準的なリアクタは、容積１０ｍ^３及び圧力２５バールを有することができ、圧力解放によって、処置を必要とする気体をおよそ２５０ｍ^３まで生産する。実際に、気体の量はある程度はより少なくなるが、これはリアクタ容積の一部がバイオマスによって占められるためであり、かつ不意な圧力解放の前に、圧力のいくらかを注意深く逃がすことができるためである。本プロセスを適切に制御することによって、およそ５秒間続く１度の急な圧力サージで放出される量は、およそ７０ｍ^３に減少され得る。水分蒸発の比熱は、２４２ｋＪ／モル又は１３４５ＭＪ／ｋｇである。これら７０ｍ^３のうち５０％が水蒸気（約１ｋｇ／ｍ^３）である場合、熱交換器における熱伝達のためにさしあたって必要な量は、
３５ｋｇ／５ｓｅｋ×１３４５ＭＪ／ｋｇ＝９５ＭＷ
であり、この場合、すべての利用可能な水蒸気が凝縮される。本プロセスは、必然的に、このことが、サイジングの要求の例として挙げられた数字がより大きいか又はより小さいことを必要とするが、そのような高エネルギの「衝撃」の管理における成功という課題に光を当てるように管理されることができる。凝縮能力が十分ではない場合、圧力の増大が生じる。凝縮ユニットを通しての中断及び逃げについての必要条件は、圧力降下が過剰に増大しない程度に容量が非常に大きいことである。

発揮性ガスの導入／自己生産によって生じる水蒸気衝撃の低減の部分は、非凝縮性ガスの衝撃が、バイオマス１トン当たり２５〜１５０ｍ^３又は最大で毎秒３０ｍ^３の量に増大することを意味する。これは、リアクタサイズに関連する多量の無駄容積を考慮する必要がある。この圧力衝撃は大きく、集められた後に連続的な流れとして伝えられる必要がある。そのような低圧で大量の気体を短時間に収集するために、本発明の課題がフレキシブルな容積を有するコンテナによって解決されることが求められている。

また、後処理は、水分及びガスの両方に行われる必要がある。このことは、いったん本プロセスが本発明に従って実行されてから、周知の技術に従って行われる。

実施例
所望のリアクタが１０ｍ^３であり、５ｍ^３のバイオマス（木材チップ又は同等のもの）を供給された場合、それはマス1トンに相当する。

加えて、水蒸気が所望の水蒸気圧を備える必要がある。

充填レベル５０％は、水蒸気圧力を提供するために容積のおよそ７０％が水蒸気で充填され、及び減圧／爆発圧力１０バールで、リアクタ内に７５ｋｇの水蒸気があることを意味する。

水蒸気圧を得るために要求される水蒸気量：
容量の７５％＊１０バール＊１ｋｇ／ｍ^３＝７５ｋｇ
このことから、パフの体積及び非凝縮性ガスの体積を算出することができる。

このことは、標準的な体積及び１８０〜２３５℃の動作範囲については、凝縮可能な体積がリアクタ容積の２５〜３５倍であり、非凝縮性ガスが、リアクタ容積の０〜３０倍に及ぶリアクタ内のマス損失に対応することを意味する。マス損失が水分及び非凝縮性ガスともにリアクタ内での圧力／時間／温度に依存するようになることが分かると、両方の体積はわずかに変化する。本実施例は、即時の衝撃が大きいことを示す。

Claims (16)

1. バイオマスが、水蒸気及び空気で加圧されたリアクタ（１１）内で１５０〜３００℃の温度範囲内で熱処理にかけられ、前記熱処理の最後で前記圧力が解放される、前記バイオマスから燃料を作成するためのプロセスであって、一時的な圧力解放時の前記水蒸気及び他のガスの体積増加が、フレキシブルな容積を有するコンテナ（１４）内に蓄積され、前記少なくとも１つの熱交換器（１３）内で凝縮性ガスを凝縮させて、その凝縮熱を放出するように、前記水蒸気及び他のガスが、少なくとも１つの熱交換器（１３）内で熱交換される、ことを特徴とする、プロセス。
2. フレキシブルな容積を有する少なくとも１つのコンテナ（１４）が、前記熱交換器（１３）の下流で用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱交換器（１３）内で吸収された熱が、供給水分を予熱するために少なくとも部分的に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記凝縮性ガスが、前記気体（２６）から分離された凝縮物（２５）として収集されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記凝縮物（２５）が、放出される前に精製されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記気体が、放出される前に少なくとも１つの精製工程（１５）を通過することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記精製工程（１５）が、燃焼室及び排気ガスからの熱回収を伴う、可燃成分を燃焼させることを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記バイオマスがセルロース材料を含み、前記圧力解放の少なくとも一部が、前記セルロースを解繊するために急峻に行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記熱処理が、リグニンを軟化させるために十分な時間、２００〜２４０℃の間のレンジで行われることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 飽和水蒸気が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 過熱水蒸気が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記熱処理されたバイオマスが、その後乾燥されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 前記熱処理されたバイオマスが、ペレット化されることを特徴とする、請求項１又は１２に記載の方法。
14. 前記熱処理が、１〜３０分の時間内で行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. １０〜６０％の間の含水量を有するバイオマスが用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
16. バイオマスから燃料を作成するための装置であって、前記バイオマスが、水蒸気及び空気で加圧されたリアクタ（１１）内で、１５０〜３００℃の温度範囲内で熱処理にかけられ、前記熱処理の最後で、前記圧力が解放され、前記熱処理のためのリアクタ（１１）と、前記処理後に材料を受け取る圧力解放タンク（１２）とを含み、前記圧力解放容器を離脱した気体のために少なくとも１つの熱交換器（１３）と、前記圧力解放タンク（１２）から放出された非凝縮性ガスを一時的に蓄積するための、フレキシブルな容積を有する少なくとも１つのコンテナ（１４）とをさらに含む、装置。

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