JP2016522836A - 炭素質の供給原料を反応生成物へ熱化学変換する方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、概して、炭素質の供給原料を反応生成物へ変換する熱化学変換に関し、特に、供給原料および選択された熱源と熱的に連結した超臨界流体を介して選択された熱源から移送された熱エネルギーを用いて、炭素質の供給原料を反応生成物に分解する熱化学分解に関する。
水熱液化は、リグノセルロース系材料および藻類から粗バイオ原油(粗バイオオイル)を製造するために広く使われているプロセスである。水熱液化において、熱化学反応は、一般的に、250℃以上の温度、約3000psiの圧力の水の環境中において、約2〜3時間起こる。水熱液化によって製造された原油は、主に、リグニンの解重合反応の生成物によって形成される。セルロースおよびヘミセルロースに由来する生成物は、水に可溶であるため、水相の中に失われる。水溶性の有機化合物を回収することができない場合には、水溶性の有機化合物が汚染の原因となる可能性がある。水からバイオ原油を分離するには、通常、蒸留を必要とする。蒸留は、エネルギーを大量に消費するプロセスである。従って、公知の方法の欠点を改善するプロセスおよびシステムを提供することが望まれている。
1つの実施形態では、方法は、これらに限られないが、少なくとも1つの熱源を用いて熱エネルギーを発生させる工程;所定量の供給原料を供給する工程;所定量の超臨界流体を供給する工程;上記発生させた熱エネルギーの一部を上記所定量の超臨界流体へ移送する工程;上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程;および、少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解プロセスを実行する工程を含む。
図1Aは、実施形態に基づく、炭素質の供給原料を反応生成物に熱化学変換するシステムのブロック図である。
以下の詳細な説明においては、本願明細書の一部を構成している添付の図面を参照する。図面においては、基本的に、文脈上そうでないことが明らかでない限り、同様の符号が同様の部材を表している。詳細な説明、図面および特許請求の範囲に記載されている典型的な実施形態は制限を意味しない。本願において示されている主題の精神または範囲から逸脱しない限り、他の実施形態が用いられてもよいし、その他の変更が加えられてもよい。
所定量の供給原料を供給する工程;
所定量の超臨界流体を供給する工程;
上記発生させた熱エネルギーの一部を上記所定量の超臨界流体へ移送する工程;
上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程;および、
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解プロセスを実行する工程を含む方法。
上記所定量の超臨界流体の少なくとも一部を上記所定量の供給原料の少なくとも一部と混合させることにより、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程を含むことを特徴とする項目1に記載の方法。
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解反応プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする項目1に記載の方法。
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して、350〜600℃の間の温度で、高速熱分解反応プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする項目5に記載の方法。
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して液化プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする項目1に記載の方法。
上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記少なくとも1種の生成物の溶解度パラメータを制御することにより、上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程を含むことを特徴とする項目9に記載の方法。
物理的フロー分離器を介して、上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程を含むことを特徴とする項目9に記載の方法。
上記受け取った超臨界流体を使用して、電気を発生させる工程をさらに含むことを特徴とする項目1に記載の方法。
少なくとも1つの熱源と熱をやり取りする所定量の超臨界流体を収容する熱移送要素を備える熱エネルギー移送システムを備え、
上記熱エネルギー移送システムは、上記少なくとも1つの熱源から、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するように配列され、
上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーは、上記超臨界流体から移送された上記熱エネルギーを用いて、上記供給原料の少なくとも一部を少なくとも1種の反応生成物へ熱変換するように構成されていることを特徴とする装置。
上記少なくとも1つの熱源から、上記熱移送要素の上記所定量の超臨界流体へ、直接的に熱エネルギーを移送するように構成された直接熱交換システムを備えることを特徴とする項目24に記載の装置。
上記中間熱移送要素は、さらに、上記中間熱移送要素から上記所定量の超臨界流体へ、熱エネルギーを移送するように構成されていることを特徴とする項目24に記載の装置。
上記少なくとも1つの熱源から、熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するためのフロー制御システムを備えることを特徴とする項目24に記載の装置。
上記超臨界流体の少なくとも一部を、上記熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と、選択的に混合するためのフロー制御システムを備えることを特徴とする項目28に記載の装置。
上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して一連の熱化学反応プロセスを実行するために、複数の温度範囲にわたり上記超臨界流体の複数の部分を、上記多段式の単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ移送するように構成されていることを特徴とする項目24に記載の装置。
少なくとも1つの熱分解反応チャンバーを備えていることを特徴とする項目24に記載の装置。
少なくとも1つの高速熱分解反応を備えることを特徴とする項目36に記載の装置。
供給原料乾燥機、予熱器、前水素化処理チャンバー、液化チャンバー、および抽出チャンバーのうち少なくとも1つを備えることを特徴とする項目38に記載の装置。
流動床反応炉、超臨界液化反応炉、および超臨界熱分解反応炉のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする項目24に記載の装置。
所定量の供給原料を収容するための少なくとも1つの熱化学反応チャンバーを備える熱化学変換システム;および、
少なくとも1つの熱源と熱をやり取りする所定量の超臨界流体を収容する熱移送要素を備える熱エネルギー移送システムを備え、
上記熱エネルギー移送システムは、上記少なくとも1つの熱源から、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するように配列されることを特徴とするシステム。
Claims (55)
- 少なくとも1つの熱源を用いて熱エネルギーを発生させる工程;
所定量の供給原料を供給する工程;
所定量の超臨界流体を供給する工程;
上記発生させた熱エネルギーの一部を上記所定量の超臨界流体へ移送する工程;
上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程;および、
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解プロセスを実行する工程を含む方法。 - 上記所定量の供給原料を供給する工程は、
所定量の炭素質の供給原料を供給する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記所定量の供給原料を供給する工程は、
所定量の超臨界二酸化炭素を供給する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程は、
上記所定量の超臨界流体の少なくとも一部を上記所定量の供給原料の少なくとも一部と混合させることにより、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ、上記発生させた熱エネルギーの少なくとも一部を移送する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解プロセスを実行する工程は、
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解反応プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解反応プロセスを実行する工程は、
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して、350〜600℃の間の温度で、高速熱分解反応プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 上記少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して熱分解プロセスを実行する工程は、
少なくとも1種の反応生成物を形成するために、上記所定量の超臨界流体から上記所定量の供給原料へ移送された上記熱エネルギーを用いて、上記所定量の供給原料に対して液化プロセスを実行する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記少なくとも1種の反応生成物は、超臨界流体に可溶であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程は、
上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記少なくとも1種の生成物の溶解度パラメータを制御することにより、上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程は、
物理的フロー分離器を介して、上記少なくとも1つの熱分解プロセスの後の上記超臨界流体から、上記少なくとも1種の反応生成物を分離する工程を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 上記供給原料の少なくとも一部を乾燥する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記供給原料の少なくとも一部を予熱する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記供給原料の少なくとも一部を前処理する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記供給原料の少なくとも一部から、少なくとも1種の酸化化合物を抽出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記熱分解プロセスの後の上記超臨界流体を受け取る工程;および、
上記受け取った超臨界流体を使用して、電気を発生させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 上記発生させた電気を使用して、水素を発生させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 上記少なくとも1種の反応生成物に対して、水素化処理プロセスおよび水素化分解プロセスのうち少なくとも一方を実行する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記熱分解プロセスの後の上記少なくとも1種の反応生成物を急冷する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記少なくとも1種の反応生成物から熱を回収する工程をさらに含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 上記少なくとも1種の反応生成物による加熱を遮断する工程をさらに含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 上記少なくとも1種の反応生成物から、少なくとも1種の揮発性ガスを分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 上記少なくとも1種の揮発性ガスを使用して、二原子水素を製造する工程をさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
- 所定量の供給原料を収容するための少なくとも1つの熱化学反応チャンバーを備える熱化学変換システム;および、
少なくとも1つの熱源と熱をやり取りする所定量の超臨界流体を収容する熱移送要素を備える熱エネルギー移送システムを備え、
上記熱エネルギー移送システムは、上記少なくとも1つの熱源から、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するように配列され、
上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーは、上記超臨界流体から移送された上記熱エネルギーを用いて、上記供給原料の少なくとも一部を少なくとも1種の反応生成物へ熱変換するように構成されていることを特徴とする装置。 - 上記熱エネルギー移送システムは、上記少なくとも1つの熱源から、上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記超臨界流体を、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料と選択的に混合するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記熱エネルギー移送システムは、
上記少なくとも1つの熱源から、上記熱移送要素の上記所定量の超臨界流体へ、直接的に熱エネルギーを移送するように構成された直接熱交換システムを備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱エネルギー移送システムは、
上記少なくとも1つの熱源から、中間熱移送要素へ熱エネルギーを移送するように構成された中間熱移送要素を備える間接熱交換システムを含み、
上記中間熱移送要素は、さらに、上記中間熱移送要素から上記所定量の超臨界流体へ、熱エネルギーを移送するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱エネルギー移送システムは、
上記少なくとも1つの熱源から、熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するためのフロー制御システムを備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱化学反応炉内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するための上記フロー制御システムは、
上記超臨界流体の少なくとも一部を、上記熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と、選択的に混合するためのフロー制御システムを備えることを特徴とする請求項28に記載の装置。 - 上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーは、
多段式の単一の熱化学反応チャンバーを備え、
上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して一連の熱化学反応プロセスを実行するために、複数の温度範囲にわたり上記超臨界流体の複数の部分を、上記多段式の単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ移送するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して乾燥プロセスを実行するために、第1温度範囲の上記超臨界流体の第1部分を、上記単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ移送するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して予熱プロセスを実行するために、第2温度範囲の上記超臨界流体の第2部分を、上記単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ移送するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して液化プロセスを実行するために、第2温度範囲の上記超臨界流体の第3部分を、上記単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して抽出プロセスを実行し、上記供給原料の少なくとも一部から少なくとも1種の酸化化合物を除去するために、第4温度範囲の上記超臨界流体の第4部分を、上記単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記熱エネルギー移送システムは、上記所定量の供給原料の少なくとも一部に対して熱分解プロセスを実行するために、第5温度範囲の上記超臨界流体の第5部分を、上記単一の熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーは、
少なくとも1つの熱分解反応チャンバーを備えていることを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記少なくとも1つの熱分解反応チャンバーは、
少なくとも1つの高速熱分解反応を備えることを特徴とする請求項36に記載の装置。 - 上記熱化学変換システムは、少なくとも1つの熱分解チャンバーと少なくとも1つの追加処理チャンバーとを備える多段式の熱化学変換システムであることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記少なくとも1つの追加処理チャンバーは、
供給原料乾燥機、予熱器、前水素化処理チャンバー、液化チャンバー、および抽出チャンバーのうち少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項38に記載の装置。 - 上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーと動作可能に連結しており、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーから排出された超臨界流体から、少なくとも1種の物質を分離するように構成された分離ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記供給原料は、
炭素質の物質を含むことを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記炭素質の物質は、
石炭、バイオマス、混合原料のバイオマテリアル、プラスチック、廃棄物、および埋立廃棄物のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項41に記載の装置。 - 上記超臨界流体は、
超臨界二酸化炭素および超臨界水のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記少なくとも1つの熱源は、
少なくとも1つの原子炉を含むことを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱化学変換システムの上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーは、
流動床反応炉、超臨界液化反応炉、および超臨界熱分解反応炉のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項24に記載の装置。 - 上記熱化学反応チャンバーから上記超臨界流体を受け取り、上記供給原料の少なくとも一部を上記少なくとも1種の反応生成物に変換した後の上記超臨界流体を用いて、電気を発生させるように構成され、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバーと流体をやり取りする電気発生システムをさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記電気発生システムは、上記熱化学変換システムおよび上記熱エネルギー移送システムのうち少なくとも1つの一部と電気的に連結しており、上記発生させた電気の少なくとも一部を用いて、熱化学変換システムを補強するように構成されていることを特徴とする請求項46に記載の装置。
- 上記電気発生システムの電気出力と連結している水素発生システムをさらに備えることを特徴とする請求項46に記載の装置。
- 上記少なくとも1つの化学反応チャンバーと流体をやり取りする急冷システムをさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記少なくとも1種の反応生成物を処理することによって、少なくとも1種の精製された生成物を生成するように構成された処理システムをさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 上記少なくとも1種の反応生成物から、少なくとも1種の揮発性ガスを分離するように構成された揮発性ガス分離器をさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 熱化学変換システムは、さらに、上記揮発性ガス分離器から得られた上記少なくとも1種の揮発性ガスを用いて、二原子水素を製造するように構成されていることを特徴とする請求項51に記載の装置。
- 少なくとも1つの熱源;
所定量の供給原料を収容するための少なくとも1つの熱化学反応チャンバーを備える熱化学変換システム;および、
少なくとも1つの熱源と熱をやり取りする所定量の超臨界流体を収容する熱移送要素を備える熱エネルギー移送システムを備え、
上記熱エネルギー移送システムは、上記少なくとも1つの熱源から、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部へ、熱エネルギーを選択的に移送するために、上記少なくとも1つの熱化学反応チャンバー内に収容されている上記所定量の供給原料の少なくとも一部と熱をやり取りする上記所定量の超臨界流体を選択的に配置するように配列されることを特徴とするシステム。 - 上記少なくとも1つの熱源は、
少なくとも1つの原子炉を備えることを特徴とする請求項53に記載のシステム。 - 上記少なくとも1つの原子炉は、
溶融塩冷却型原子炉システム、液体金属冷却型反応炉システム、ガス冷却型反応炉システム、および超臨界流体冷却型反応炉システムのうち少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項54に記載のシステム。
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