JP2016511142A - エネルギーへの転換のためのバイオマスの前処理のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エネルギー転換のために、有機材料、さらに詳しくはバイオマスを前処理するための方法および装置について記載し、該方法は予熱容器（４）を用いる第１予熱工程、加水分解反応器（５）を用いる加水分解工程および減圧容器（６）を用いる減圧工程を含み、該有機材料の前記予熱容器（４）から前記加水分解反応器（５）への移送は重力によっておよび前記反応器（５）内を真空にすることによって達成される。この方法により材料の前記予熱容器（４）から前記反応器（５）への非常に速い移送がもたらされる。さらに、前記反応器（５）の充填容量は高周波圧力センサおよび前記反応器の上部に水蒸気（３Ａ）を供給することによって制御され、必要なヘッドスペースが提供される。本発明は該方法を実行するための装置についても記載する。

Description

本発明は生物学的エネルギー転換のために、有機材料、特に、バイオマスを熱前処理するための方法に関する。さらに、本発明はバイオマスの熱前処理のための装置を含み、該装置はバイオマスを予熱槽から高圧反応器にポンプを使用することなくさらに減圧槽にそしてその後エネルギー転換部に搬送するためのシステムを包含する。

内部プロセスにおいて、熱エネルギーはバイオマスを搬送するためにのみ使用される。新システムにより従来技術に関するサイクル時間がかなり短縮され反応器容積を本質的によりよく利用できる可能性が開かれる。前記方法および装置によりポンプおよびレベル計測器を使用する必要がなくなり、それによりコストおよびメンテナンスが相当に削減される。エネルギー回収を改善する、予熱槽に新鮮なバイオマスを供給するための新システムを包含する。本発明の主な目的は、摩耗が免れない配管およびバルブの数量を削減しかつプロセス槽間のバイオマスの移送のためのまたは下流のエネルギー転換部へ搬出するためのポンプも不要にすることである。

熱加水分解および水蒸気爆発はバイオマスを分解するための既知の方法であり、したがって、エネルギー転換のための生物学的過程、例えば、バイオマスに対する消化などにより適している。高温でのバイオマスの処理は高圧、典型的には４〜２０バール（ｇ）での水蒸気の供給により最も頻繁に起こる。これは、特にバイオマスが低い乾物含量を有する、例えば、廃水汚泥などである場合、エネルギー要求が厳しい可能性がある。エネルギーの要求を減少させるためには前記過程において可能な限り多くの熱を回収することが重要である。それはまた、最初に脱水することでより高い乾物含量でバイオマスを処理することも有効でありうる。高い乾物含量を有するバイオマスを加工設備内に搬送することは困難である。大規模で堅牢な解決手段が必要とされる。本発明は、バイオマスを搬送するために熱圧力エネルギーのみを使用し、それによって前記システム内の閉塞や摩耗のリスクが低減される。

熱加水分解のためのバッチ式方法および連続方法の両方について記載するいくつかの特許が付与された方法がある。バイオマスのバッチ式処理により、高温での必要な滞留時間を実証できる許容される滅菌および消毒がなされる。これはバイオマスのすべてが適切な温度で充分長く保持されたことを実証できない連続方法とは異なる。バイオマスの加熱は、新鮮な水蒸気を添加して行われるべきである。加水分解温度、バイオマスを処理する温度は、通常、反応器内の水蒸気の飽和圧力に関連付けることができる。熱処理後、バイオマスの迅速かつ完全な減圧は、前記方法の利用価値にとって重要である。迅速な減圧で水が水蒸気になるとき水蒸気爆発がバイオマス内で起きることになる。そこで、バイオマスはバラバラに分断され、バイオマスに求められる特性、例えば、より小さい粒径、細胞膜の分断および低粘度などが達成される。

具体的には、既知のバッチ式熱加水分解のための２つの方法がある。

国際公開第９６／０９８８２号（Ｓｏｌｈｅｉｍ）には、エネルギー効率のよい方法が記載され、該方法ではバイオマスをいくつかの並列な反応器の１つに投入する前に、予熱槽内の下流過程から再循環させた水蒸気を利用して、予熱槽内でバイオマスを予熱している。バイオマスを加熱するために新鮮な水蒸気を供給し、反応器内で特定の温度および圧力で必要な時間保持する。その後、反応器の圧力を逃がし、水蒸気をエネルギー回収のために予熱槽に戻す。反応器内の圧力が要求されるレベル（典型的には２〜４バール（ａ））まで下がったとき、反応器から予熱槽への水蒸気の戻り部が閉じられる。その後、バイオマスを低圧（典型的には１．２バール（ａ））の減圧槽内に吹き入れる。このシステムの利点は、熱加水分解が完了した後、減圧槽内の比較的低い圧力で、反応器内のエネルギーの大部分を回収することができることである。バイオマスを減圧槽に吹き入れる前に反応器内の圧力を下げることが、反応器と減圧槽との間の配管系における腐食の問題を軽減するためには必要であると記載されている。

米国特許第６，９６６，９８９号（Ｈｏｅｊｓｇａａｒｄ）はＳｏｌｈｅｉｍとは対照的に予熱槽を使用せず、予熱槽としても機能する並列な複数の反応器を有する。これは低圧で待機している反応器内の上方に水蒸気を導入することにより高圧の反応器を開放することで達成される。これらの反応器内の圧力が均等化したとき、水蒸気伝達が遮断され、反応器中の加水分解されたバイオマスは低減圧槽内の上方に吹き込まれる。前記減圧槽からエネルギーを回収することに関しては記載されていない。第２の反応器からの水蒸気を反応器に充填することによっては、圧力はさほど下がらないので、エネルギー回収は最適ではない。

前記した２つのシステムに共通するのはポンプを使用することである。これにより限度容量が制限され結果的に反応器容積がうまく利用されなくなる。本発明では、充填を大きな寸法の短い管において真空および重力を利用して行うことで反応器容積をよりうまく利用する。これによりポンプを使用するのと比べて典型的には１０倍速く充填する。それによって、バッチ式加水分解のための他の既知の方法に比べ、反応器がアクティブである合計時間の部分を本システムでは増大できる。

このような高速充填では、反応器内の必要なレベルをえるために前記過程を制御することは困難である。従来のレベル測定器はこのような状況では相当量のプロセスノイズの影響を受ける。また、大型制御バルブではこのような高速充填過程を制御可能とするには遅過ぎる。本発明では、適切なレベルを確保するための方法が含まれ、該方法には単純な幾何学的限定および高周波圧力信号の分析が含まれる。

Ｓｏｌｈｅｉｍのエネルギー効率がＨｏｅｊｓｇａａｒｄのシステムよりも若干高いのは、減圧槽内の圧力が若干低いからである。しかし、Ｓｏｌｈｅｉｍの減圧槽内の圧力は、戻り水蒸気の凝縮およびエネルギー回収を確実にする予熱槽内の必要な液体高さ、典型的には１．２〜１．３バールよりも決して低くはならない。本発明は予熱槽の水蒸気相の減圧槽からの専用水蒸気戻りラインおよび前記戻り水蒸気の最適な凝縮を確実にする冷たい新鮮なバイオマスのための投入口装置（ｉｎｌｅｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を利用してこの状況を改善する。減圧槽内の圧力は、このようにして、結果としてエネルギー回収を高めかつ水蒸気の総消費を下げる圧力まで低くなり、典型的には０．３〜０．５バールまで下がりうる。

熱加水分解を利用してバイオマスを処理するための方法および装置は国際公開第０３／０４３９３９号により知られている。バイオマスは予熱工程で予熱され、その際、加熱は新鮮な水蒸気を用いておよび減圧槽からのフラッシュ蒸気を用いて行われる。

前記した目的および利点は、本方法に関して、エネルギー転換のために、有機材料、特にバイオマスを前処理するための方法によってえられ、該方法は予熱槽を用いる第１予熱工程、加水分解反応器を用いる加水分解工程および減圧槽を用いる減圧工程、
有機材料を５〜４０％、好ましくは１０〜２５％の乾物含量で予熱槽に供給する工程、
前記有機材料を前記予熱槽中で減圧槽からのフラッシュ蒸気を用いて加熱する工程
を含み、該方法は以下のさらなる工程：
前記加水分解反応器中に冷水を供給することにより前記加水分解反応器を真空にし、前記予熱槽と前記反応器の間にある供給バルブを開き、加熱した有機材料を前記予熱槽から前記反応器に真空および重力を利用して移送しかつこの前記反応器を本質的に全充填する工程、
前記反応器中の圧力を高感度高周波圧力センサを利用して測定し、該圧力センサは前記圧力を測定し前記反応器における圧力振動を分析して液面を検出する工程、
余剰の有機材料を前記反応器から前記予熱槽に前記反応器の上部に水蒸気を供給することにより前記反応器において要求される液面に達していることを前記圧力センサが記録するまで再循環させる工程、
前記反応器と前記予熱槽の間にある供給バルブを閉じる工程、
新鮮な有機材料を前記予熱槽に供給する工程、
前記有機材料を前記反応器中で水蒸気を供給することにより加熱しかつ所望の温度を充分な長さの時間維持する工程、
前記反応器と前記減圧槽の間にある排出バルブを開き、処理した前記有機材料を前記反応器から前記減圧槽に移送しかつ前記反応器と前記減圧槽の間の圧力差の結果として水蒸気爆発を達成する工程、
先の工程における前記水蒸気爆発中に放出されたフラッシュ蒸気を水蒸気戻りラインを介して前記予熱槽中の液面より下に移送しかつ前記予熱槽中の前記有機材料中で水蒸気凝縮により熱を回収する工程、
前記水蒸気戻りラインを閉じかつ前記減圧槽から前記予熱槽中の液面より上への水蒸気戻りラインを開いて前記予熱槽の液柱が示す圧力を超えて前記減圧槽と前記予熱槽の間の圧力差をさらに減じる工程
を包含することにより特徴付けられる。

また、本発明は有機材料の熱加水分解および水蒸気爆発のための装置を含み、反応器に連結された予熱槽および前記反応器に連結された減圧槽を包含し、前記装置は前記予熱槽が前記反応器の上に垂直に、前記反応器と同一の垂直軸上にまたはこれと並列にのいずれかで配置されることにより特徴付けられる。

前記方法および前記装置のさらなる有利な特徴を従属項に記載する。

本発明を以下に詳細に添付の図面を参照して実施形態の実施例を利用して説明する。
図１は本発明によるエネルギー転換のための有機材料を前処理するための装置の実施形態を概略的に示す図である。 図２は余剰の有機材料を反応器から予熱槽に戻すことによる圧力信号の実施例を示す図である。 図３は実施例の一連の流れを概略的に示す図である。

図１は本発明による有機材料の前処理のための装置の実施形態を概略的に示す。

３つの槽、予熱槽４、反応器５および減圧槽６を直列に連結する。予熱槽４および減圧槽６の容積は、典型的には反応器５の容積の２倍である。予熱槽４と反応器５は最小限に配管を減らし１つの槽から別の槽にバイオマスを移送するのに重力を使用するために互いの真上に配置することができる。代替法として、予熱槽４を反応器５の垂直軸と本質的に平行に配置できる。前記槽はバルブを用いて単離できる。水蒸気を反応器５および減圧槽６に供給できる。熱加水分解によって反応器５に供給された熱エネルギーを回収するために減圧槽６から予熱槽４への２つの水蒸気戻りラインがある。有機材料のための予熱槽から搬出ライン１３へのガス搬出管がある。有機材料を分解する投入口装置１５は予熱槽４内にありこの有機材料の表面積を増大させる。

有機材料１、例えば、典型的には５〜４０％、好ましくは１０〜２５％の乾物含量を伴うバイオマスを、場合によりバイオマスと前処理槽４内の水蒸気との間の接触面を増大させる装置１５を介して、予熱槽４内に投入し、減圧槽６からのフラッシュ蒸気、典型的には８０〜１００℃により予熱する。充分加熱した後、前記バイオマスをその後に反応器５に導入する。これは予熱槽４と反応器５の間の充填バルブ７を開く前に、反応器内に真空を発生させることによって行われる。バイオマスを反応器５から減圧槽６に先に出して空にしておいた後に、反応器５内に残る水蒸気を凝縮させることによって真空を発生させる。水蒸気の凝縮は反応器５の上部に冷水２Ａを注入することによって行う。（典型的には、５０リットルですべての水蒸気を凝縮させ充分な真空を生じることができるようになる。）予熱槽４は反応器５の垂直軸にまたはそれに平行してのいずれかで、反応器５の真上に配置することができる。充填バルブ７を開くと、反応器５における真空と予熱槽４内の液柱からの圧力によりバイオマスは予熱槽４から反応器５に非常に高速で移送されることとなる。典型的な充填時間は１０〜１８０秒、好ましくは２０〜４０秒である。これは他の既知の解決法よりもはるかに高速である。従来、制御バルブおよびレベル測定器は反応器の容量を制御するために使用される。これは本装置を用いるような、前記高速充填には使用できない。正しいレベルは本発明において異なる方法で確実にもたらされる。

反応器５は完全に充填される。このような完全充填は、原則的には、反応器５におけるバイオマスのその後の加熱の間に凝縮する新鮮な水蒸気のためにいくらかの空間、典型的には反応器の容積の１０〜３０％をあけておかなければならないので、望ましくない。このことは本発明では予熱槽４から反応器５への充填管１６の末端を反応器内部の既定の高さとすることにより解決している。この高さによりバイオマスの加熱を開始する前の反応器５内の所望の充填容量が定義される。バイオマスの上の必要な膨張容積は、その後予熱槽４と反応器５との間にある、充填バルブ７を開けたままにして、反応器５の上部に新鮮な水蒸気３Ａを供給することにより確実にもたらされる。したがって、余剰のバイオマスは前記槽間の充填バルブ７を閉じる前に予熱槽４内に還流させる。

この容積は、別法として、側方に取り付けられたバルブと予熱槽４への外部ラインによってもたらされうる。

本発明は反応器５のレベル制御のための水蒸気の使用を最小限にする。反応器５内の高感度高周波圧力センサ（図示せず）により水蒸気が反応器から出され予熱槽４への充填管１６内まで上がっていることが示される場合、余剰のバイオマスを反応器５から出し充填バルブ７を閉じる。これは反応器５からの蒸気泡が凝縮し充填管内で崩壊するときの圧力振動によって検出される。反応器内の圧力の高周波記録を圧力振動の解析と結び付けて用い、反応器５において要求された液面に到達したことを決定する。このような方法で、反応器５における複雑なレベル計測器は不要となる。

図２は反応器５から予熱槽４に余剰のバイオマスが戻る際の典型的な圧力信号を示す。水蒸気により反応器５から充填管１６内までバイオマスがより速く上昇するとき、圧力は開始段階（図２中Ｉで示す）で迅速に上昇する。汚泥は予熱槽４へ還流し始める。圧力の増加はより均一になり（図２中ＩＩで示す）、バイオマスは予熱槽４に戻され、前記反応器と前記予熱槽の間の静圧は増加し、予熱槽４の液面は上昇し反応器５内の液面は下がる。

反応器５内の液面が充填管１６の末端まで下がると、前記反応器の上部からの水蒸気が予熱槽への充填管まで上がってくる。この水蒸気はより温度の低いバイオマス内まで上昇し、凝縮することになる。これにより、より大きな圧力パルス（図２中ＩＩＩで示す）が生じる。これらのパルスによりバイオマスの加熱が開始可能となる前に反応器５が正しい液面を有していることが示される。

反応器５中のバイオマスは、反応器５に新鮮な水蒸気３Ｂを供給することにより、所望の加水分解圧力、廃水汚泥および湿った有機廃棄物の処理については典型的に３〜１６バール、好ましくは３〜７バール、プリオン含有バイオマスの処理については好ましくは１０〜１２バール、およびリグノセルロース系バイオマスの処理については好ましくは１２〜１６バールまで加熱により加圧され、その後この圧力で所定の時間、廃水汚泥および湿った有機廃棄物の処理については典型的に２０〜３０分間、プリオン含有バイオマスの処理については好ましくは６０〜１２０分間、およびリグノセルロース含有バイオマスの処理については好ましくは５〜２０分間保持される。その後、排出バルブ１０が開放され、前記バイオマスは高圧の反応器５から低圧の減圧槽６に吹き出される。これにより、前記バイオマス中で水蒸気爆発が起こる。減圧槽６内の水蒸気爆発で放出されたフラッシュ蒸気は、減圧管９を介して予熱槽４内の液面の下に戻される。減圧槽６からの余剰熱は予熱槽４内のバイオマス中で水蒸気凝縮により回収される。

反応器５を空にした後、排出バルブ１０を閉鎖し反応器５の新たな充填のための準備が整う。

一反応器システムの利点は、熱加水分解のために反応器５にバイオマスを充填すると同時に、他の目的のために予熱槽４および減圧槽６を使用することができることである。排出バルブ１０を閉じ、減圧槽６と予熱槽４の間の圧力が水蒸気戻りライン９を介して平衡になるとすぐに、この水蒸気戻りライン９を閉じ水蒸気戻りライン１１を減圧槽６から予熱槽４内の気相に開放する。その結果、減圧槽６と予熱槽４の間の圧力差を予熱槽４内の液柱が示す圧力を超えて減じることができ、これにより典型的には０．１〜０．２バールさらに下げられる。これは減圧槽６内の圧力は予熱槽４内の液面とは無関係であることを意味する。減圧槽６内の圧力が下がれば下がるほど、減圧槽６から出てくるバイオマスの温度は下がる。水蒸気戻りライン１１が開かれると同時に、新たなバイオマス１が予熱槽４の上部に投入される。このバイオマスは冷たく、典型的には５〜４０℃である。予熱槽４内の水蒸気は新たなバイオマス上で凝縮され、バイオマスは予熱され予熱槽４およびさらに減圧槽６内の圧力は下がる。これは最適なエネルギー効率のために重要な機能である。

新たなバイオマス上の水蒸気凝縮を最適化するために、バイオマスに予熱槽４内の気相との接触面を増大させる装置１５を予熱槽４内に配置する。装置１５はバイオマスを薄膜断片またはビームに分解する。

減圧槽６内の液面は反応器５を次に空にする前に充分に低減されなければならない。これは水蒸気戻りライン１１を閉じ減圧槽６の気相に新鮮な水蒸気３Ｃを充填することによって行われる。出口管１３を介して所望の下流の機器に処理したバイオマスを搬送するために充分な圧力（典型的には２〜４バール）になると、出口バルブ１２を開き、減圧槽６内の液面は出口バルブ１２を再び閉じる前に必要な最小レベルまで下がる。

反応器５内で行われる熱前処理の間に形成された、揮発性および不活性のプロセスガスを放出する。これらのガスを減圧槽６を介して予熱槽４に搬送する。プロセスガスが蓄積しプラントの効率を低下させるのを防止するために、プロセスガスを加水分解プラントから除去しなければならない。通常、これらのガスは出口管１３を介して生物学的分解に送られることになる。

新たなバイオマスを予熱槽４に供給する前に、予熱槽４からのプロセスガスをプロセスガス管１４を介して出口管１３に送ることになる。予熱槽４内の圧力が充分高い、典型的には、２〜４バールである場合、このプロセスガス管１４を開く。必要な圧力は減圧槽６に新鮮な水蒸気３Ｃを供給することにより達成される。プロセスガスがプロセスガス管１４を介して排気されたとき、この管１４を閉じる。水蒸気戻りライン１１を閉じる。

次に減圧槽６に向けて反応器５を空にする前に、重要なことは、できるだけ多くのフラッシュ水蒸気を回収するために予熱槽４内の圧力を可能な限り低くしておくことである。これは予熱槽４に冷水２Ｂを注入することにより予熱槽４における水蒸気凝縮によって達成される。予熱槽４内での低圧とこれによる減圧槽６内での低圧により、結果として減圧槽６におけるバイオマスからのフラッシュ蒸気の量が増加しかつそれによって出口１３におけるバイオマスの温度は可能な限り低くなる。

図３は３つの槽の典型的な一連の操作の実施例を概略的に示す。

Claims (8)

1. エネルギーの転換のために、有機材料、特にバイオマスを前処理するための方法であって、該方法は予熱槽（４）を用いる第１予熱工程、加水分解反応器（５）を用いる加水分解工程および減圧槽（６）を用いる減圧工程、
   有機材料（１）を５〜４０％、好ましくは１０〜２５％の乾物含量で予熱槽（４）に供給する工程、
   前記有機材料（１）を前記予熱槽（４）中で減圧槽（６）からのフラッシュ蒸気を用いて加熱する工程
   を包含し、以下の工程：
   前記加水分解反応器（５）中に冷水（２Ａ）を供給することにより前記加水分解反応器（５）を真空にし、前記予熱槽（４）と前記反応器（５）の間にある供給バルブ（７）を開き、加熱した有機材料を前記予熱槽（４）から前記反応器（５）に真空および重力を利用して移送しかつこの前記反応器（５）を本質的に全充填する工程、
   前記反応器（５）中の圧力を高感度高周波圧力センサを利用して測定し、該圧力センサは前記圧力を測定し前記反応器における圧力振動を分析して液面を検出する工程、
   余剰の有機材料を前記反応器（５）から前記予熱槽（４）に前記反応器（５）の上部に水蒸気（３Ａ）を供給することにより前記反応器（５）において要求される液面に達することを前記圧力センサが記録するまで再循環させる工程、
   前記反応器（５）と前記予熱槽（４）の間にある供給バルブ（７）を閉じる工程、
   新たな有機材料（１）を前記予熱槽（４）に供給する工程、
   前記有機材料を前記反応器（５）中で水蒸気（３Ｂ）を供給することにより加熱しかつ所望の温度を充分な長さの時間維持する工程、
   前記反応器（５）と前記減圧槽（６）の間にある排出バルブ（１０）を開き、処理した前記有機材料を前記反応器（５）から前記減圧槽（６）に移送しかつ前記反応器（５）と前記減圧槽（６）の間の圧力差の結果として水蒸気爆発をえる工程、
   先の工程における前記水蒸気爆発中に放出されたフラッシュ蒸気を水蒸気戻りライン（９）を介して前記予熱槽（４）中の液面より下に導入しかつ前記予熱槽（４）中の前記有機材料中で水蒸気凝縮により熱を回収する工程、
   前記水蒸気戻りライン（９）を閉じかつ前記減圧槽（６）から前記予熱槽（４）中の液面より上への水蒸気戻りライン（１０）を開いて前記減圧槽（６）と前記予熱槽（４）の間の圧力差を前記予熱槽（４）の液柱が示す圧力を超えてさらに減じる工程
   を含むことにより特徴付けられる前記方法。
2. 前記予熱槽（４）に供給される前記有機材料（１）と前記予熱槽（４）中の水蒸気との接触面を増大させることにより特徴付けられる、請求項１に記載の前記方法。
3. 前記予熱槽（４）中の前記有機材料（１）は典型的に８０〜１００℃まで加熱されることにより特徴付けられる、請求項１又は２に記載の前記方法。
4. 前記反応器（５）中の液面は圧力振動分析と組み合わせて前記反応器（５）中の圧力を高周波で記録することにより検出することにより特徴付けられる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の前記方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に従った有機材料の熱加水分解および水蒸気爆発のための装置であって、反応器（５）に連結された予熱槽（４）および前記反応器（５）に連結された減圧槽（６）を含み、
   前記予熱槽（４）は前記反応器（５）の上に垂直に前記反応器（５）と同一の垂直軸上に配置されることにより特徴付けられる前記装置。
6. 装置（１５）が前記予熱槽（４）の入口に配置され、前記装置（１５）は入ってくる有機材料（１）と前記予熱槽（４）中の水蒸気の間の接触面を増大させることにより特徴付けられる、請求項５に記載の前記装置。
7. 前記予熱槽（４）はバルブ（７）が取り付けられる管（１６）を介して前記反応器（５）に連結され、該管（１６）は前記反応器（５）内に所定の距離突き出し、前記管（１６）の下方末端により前記反応器（５）の充填液面が定義されることにより特徴付けられる、請求項５又は６に記載の前記装置。
8. 前記管（１６）は前記反応器（５）内に垂直に突き出すかその上方側壁を通って前記反応器（５）内に突き刺さり、前記管（１６）の末端と前記反応器（５）の底面の間の距離により前記反応器（５）の充填液面が定義されることにより特徴付けられる、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の前記装置。

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