JP2016531184A - 加工化(beneficiated)原料を用いたマイクロ波によるバイオ炭 - Google Patents
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Abstract
Description
再生可能有機炭素含有原料から作製される炭は、本明細書では処理済みバイオ炭と呼ぶ。本発明の処理済みバイオ炭は、10wt%未満の水、乾量基準で未処理有機炭素含有原料の水溶性塩の60wt%未満である水溶性塩、及び、10%未満の孔径分散を有する孔を含む、固体再生可能炭素燃料を含む。処理済みバイオ炭は、加工サブシステムで処理済み有機炭素含有原料に変換され、次いでマイクロ波サブシステムを通過する未処理有機炭素含有原料から作製される。本明細書で使用される通り、処理済みバイオ炭は、加工化有機炭素含有原料の脱揮(devolatization)の固体産物である。本発明の処理済みバイオ炭を作製するために用いられる有機炭素含有原料は、2つ以上の再生可能原料の混合物を含み得る。
ヘミセルロース及びリグニン重合鎖によって織り合わさったセルロースの束によって、植物は強靭であり、水分を保持するのに優れている。セルロースは、数十億年にわたって進化し、熱、化学物質又は微生物による破壊に抵抗する。植物細胞壁では、ミクロフィブリルのセルロース分子の束は、壁に抗張力を提供する。セルロースミクロフィブリルの抗張力は、110kg/mm2と高く、又は、実験室条件で、最も強靭な鋼鉄の抗張力のおよそ2.5倍である。細胞壁内でのように、セルロースは湿っている場合はその抗張力は急速に低下し、機械的支持を提供する能力が著しく減少する。生物システムでは、セルロースの骨格は、防水及び強化性材料として作用するペクチン、ヘミセルロース及びリグニンのマトリックスに組込まれている。これによって、経済的に道理がかなうのに十分な速さ、十分なコスト安、又は十分な大きさの規模で再生可能セルロース含有バイオマスから燃料を生産するのが難しくなる。本明細書で使用される有機炭素含有材料は、50年未満内に再生可能であり、例えば、草、エネルギー作物及び農作物の廃棄物といった草木材料;木のパーツ、他の木の廃棄物、及び、壊れた家具及び枕木といった木製の廃棄品といった木の材料;並びに、動物の糞尿といった、未消化植物細胞を含む動物性材料といった植物材料を包含する、再生可能植物含有材料を意味する。方法で原料として使用される有機炭素含有材料は、有機炭素含有原料と呼ぶ。
処理済み有機炭素含有原料を作製するために用いる加工サブシステムは、少なくとも3つの要素、伝達デバイス、少なくとも1つの反応チャンバー及び回収デバイスを備える。本明細書で用いられる加工サブシステムは、未処理有機炭素含有原料を処理済み有機炭素含有原料へ変換するシステムを指す。
マイクロ波サブシステムを用いて、加工サブシステムからできた処理済み有機炭素含有原料を本発明のクリーンな多孔性処理済みバイオ炭に変換する。本発明は、マイクロ波方法サブシステムを通過した処理済み有機炭素含有原料から作製した処理済みバイオ炭組成物を含む。サブシステムは、マイクロ波反射型の囲い内にあり、少なくとも1つのマイクロ波透過性チャンバー壁、及び、処理済み有機炭素含有原料を外部から供給される酸素が一切ない環境に保持するよう構成される反応空洞を含む、少なくとも1つの反応チャンバーを含む。マイクロ波サブシステムは、作動させたときにマイクロ波を放出するように構成されるデバイスを少なくとも1つ含む。マイクロ波のデバイスは、マイクロ波がマイクロ波透過性チャンバー壁を通って反応空洞内へ向かうように反応チャンバーに対して配置される。サブシステムはまた、マイクロ波のデバイスと反応チャンバーとの間に相対運動を提供するメカニズムを含む。処理済みバイオ炭組成物は、実質的に自由水を一切含まない。また、処理済みバイオ炭組成物は複数の孔を有し、それは、同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭によるものよりも少なくとも10パーセント多い、体積当たりの孔の数を有する。原料及びその結果の処理済みバイオ炭の特徴は既に考察した。本発明の処理済みバイオ炭を作製するのに使用するマイクロ波方法を今から考察する。
本発明はまた、バイオ炭を作製する方法を含む。方法には、上記の加工サブシステムを伴う処理済み炭素含有原料を作製するための加工方法の2つの態様と、処理済み炭素含有原料をバイオ炭に変換するマイクロ波方法の1つの態様が含まれる。具体的には、方法は、3つの工程で固体再生可能燃料を作製するものである。第1は、第1のサブシステム及び第2のサブシステムを備えるシステム内へ、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を投入することである。第2の工程は、未処理有機炭素含有原料が第1のサブシステムである加工サブシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を作製することである。第3の工程は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を固体処理済みバイオ炭燃料へ変換することである。
加工方法工程は、未処理有機炭素含有原料が加工サブシステム方法を通過して、20wt%未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の塩含量から乾量基準で少なくとも60wt%減少した塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料をもたらす工程を含む。加工サブシステム方法には2つの態様がある。第1は、処理済み有機炭素含有原料の特性に焦点を置き、第2は、未処理有機炭素含有原料を、下流燃料生成システムでの使用に適した処理済み有機炭素含有原料へ変換する現在公知の方法のエネルギー能率と比較した、本発明の方法のエネルギー能率に焦点を当てる。双方とも上記の加工サブシステムを使用する。
本発明の加工方法工程の第1の態様は、4つの工程を含む。第1の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内へ投入することである。いくつかの実施形態は、乾量基準で少なくとも4000mg/kgの含量を有する水溶性塩を含む未処理有機炭素含有原料を有する。
第2の態様は、工程が能率的特徴及び結果として得られる処理済み有機炭素含有原料がコスト的特徴を有する以外では、第1の態様と同様である。第2の態様も4つの工程を含む。第1の工程は自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水−塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル束内にフィブリルを含む少なくともいくつかの植物細胞を含む有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入することである。各工程は、エネルギー及び材料保存を対象としたより具体的な条件を強調する。第2の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、部分的に結晶化したセルロースフィブリル束、リグニン、ヘミセルロース及び水溶性塩を含む細胞の部屋を、リグニンを25パーセント超で分解することなく膨張させて束を外し、及び、少なくともいくつかのセルロース束を脱結晶化することである。第3の工程は圧力を除去してそのセルロースの部屋に開孔を有する多孔性原料を作製することである。第4の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を伴って、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水並びに細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、20wt%未満の水含量、乾量基準で少なくとも60wt%減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を作製することであり、水及び水溶性塩を除去する重量当たりのコストは、公知の機械的、公知の生理化学的、又は公知の熱的方法からの同様の水除去の重量当たりのコストの60%未満まで減少する。
マイクロ波サブシステム方法工程は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステム方法を通過し、少なくとも17MMBTU/トン(20GJ/MT)のエネルギー密度、10wt%未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも60wt%減少した水溶性塩、及び、孔径において10%未満の分散を有する孔を有する、固体再生可能燃料組成物をもたらす。
Claims (19)
- 組成物であって:
少なくとも17MMBTU/トン(20GJ/MT)のエネルギー密度、10wt%未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で60wt%超で減少した水溶性塩、及び、10%未満の孔径分散を有する孔を含む特徴を有する、固体再生可能炭素燃料を含む処理済みバイオ炭組成物を含み、並びに、前記処理済みバイオ炭が、加工サブシステムで処理済み有機炭素含有原料に変換され、次いで、マイクロ波サブシステムで前記処理済みバイオ炭に変換される未処理有機炭素含有原料から作製される、前記組成物。 - 前記加工サブシステムが:
a.自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内へ運搬するように構成される伝達デバイス;
b.少なくとも1つの入口通路、流体のための少なくとも1つの出口通路、処理済み有機炭素含有原料のための少なくとも1つの出口通路、及び、少なくとも3つのセクションを含む少なくとも1つの反応チャンバーであって、前記セクションは、
i.フィブリル間のリグニン及びヘミセルロースの少なくともいくつかと相互作用し、少なくともいくつかの領域の細胞壁を、水溶性塩の流出に対して影響をより受けやすくするように構成される湿潤フィブリル破壊セクション、
ii.前記湿潤フィブリル破壊セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から通過するための植物細胞壁通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させて細胞壁の影響をより受けやすい領域を貫通するように少なくとも構成される蒸気爆発セクション、並びに、
iii.前記蒸気爆発セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩の前記反応チャンバー流体出口通路からの流出を可能にするために水に不浸透性のフェルトの形成を最小限にするように構成される圧力プレート間で、前記多孔性有機炭素含有原料を圧縮し、また、反応チャンバー出口通路を通過して出る処理済み有機炭素含有原料を作製するように構成される、圧密セクションを含む、前記少なくとも1つの反応チャンバー;並びに、
c.前記反応チャンバーと連通しており、重量で20%未満の水含量及び前記未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で少なくとも60%減少した水溶性塩含量を有する前記処理済み有機炭素含有原料を集めるよう構成される、回収デバイスを含む、請求項1に記載の組成物。 - 前記マイクロ波サブシステムが:
a.マイクロ波反射型の囲い内にある少なくとも1つの反応チャンバーであって、前記反応チャンバーは、少なくとも1つのマイクロ波透過性チャンバー壁、及び、前記有機炭素含有原料を外部から供給される酸素が一切ない環境に保持するよう構成される少なくとも1つの反応空洞を前記反応チャンバー内に含む、前記少なくとも1つの反応チャンバー;
b.作動させたときにマイクロ波を放出するように構成されるデバイスを少なくとも1つ含み、前記マイクロ波がマイクロ波透過性チャンバー壁を通って前記反応空洞内へ方向付けられるように前記マイクロ波のデバイスが前記反応チャンバーに対して配置される、マイクロ波サブシステム;並びに、
c.前記マイクロ波のデバイスと反応チャンバーとの間で相対運動を提供するメカニズムを含む、請求項1に記載の組成物。 - 同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも10パーセント多い孔をさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 孔分布の分散が10パーセント未満である孔をさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも20パーセント多い、請求項1に記載の組成物。
- 同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも30パーセント多い、請求項1に記載の組成物。
- 同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも40パーセント多い、請求項1に記載の組成物。
- 同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭の熱含量よりも少なくとも20%多い熱含量をさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記処理済み有機炭素含有原料が少なくとも5重量パーセントの水を含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記処理済み有機炭素含有原料が少なくとも5重量パーセントの揮発性物質を含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記有機炭素含有原料が、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群のうち少なくとも2つを含み、ここで、各種類は前記少なくとも1つの反応チャンバーを連続して通過し、前記処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度が少なくとも17MMBTU/トン(20GJ/MT)である、請求項1に記載の組成物。
- 前記未処理有機炭素含有が、乾量基準で少なくとも4000mg/kgの水溶性塩含量を有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記有機炭素含有原料が草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群のうち少なくとも2つを含み、ここで、各種類は前記少なくとも1つの反応チャンバーを連続して通過し、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度が少なくとも17MMBTU/トン(20GJ/MT)である、請求項1に記載の組成物。
- 前記加工システムが:
各有機炭素含有原料に関して、継続時間、温度プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する特定の組合せの条件を用いて、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から外部へ通過するのを可能にする植物細胞壁通路の作製を阻止する混入物の分解を少なくとも開始するよう構成される前処置チャンバーをさらに含む、請求項2に記載の組成物。 - 前記蒸気爆発セクションが:
前記多孔性有機炭素含有原料が前記圧密セクションへ移る前に、少なくとも多少の前記水溶性塩を前記多孔性有機炭素含有原料から流すよう構成されるすすぎサブセクションを少なくとも1つさらに含む、請求項2に記載の組成物。 - 処理済みバイオ炭、固体再生可能燃料、組成物を作製するための方法であって、当該方法は:
a.自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、第1のサブシステム及び第2のサブシステムを含むシステム内に投入する工程、
b.前記未処理有機炭素含有原料が前記第1のサブシステムである加工サブシステム方法を通過し、20wt%未満の水含量、及び、前記未処理有機炭素含有原料の塩含量から乾量基準で少なくとも60wt%減少した塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料をもたらす工程、並びに、
c.前記処理済み有機炭素含有原料が前記第2のサブシステムであるマイクロ波サブシステム方法を通過し、少なくとも17MMBTU/トン(20GJ/MT)のエネルギー密度、10wt%未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも60wt%減少した水溶性塩を有する固体再生可能燃料組成物をもたらす工程を含む、前記方法。 - 前記加工サブシステム方法及び前記マイクロ波サブシステム方法が:
a.自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を加工サブシステム反応チャンバー内に投入する工程;
b.前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを25パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にする工程;
c.前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製する工程;並びに、
d.調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水及び細胞内水に溶性の塩が前記反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、20wt%未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも60%減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を作製する工程;
をさらに含み、前記マイクロ波サブシステム方法は:
e.外部から提供される酸素を一切含まず、マイクロ波反射型の囲い内にある実質的にマイクロ波透過性の反応チャンバー内へ、処理済み有機炭素含有原料を投入する工程;
f.マイクロ波源からのマイクロ波が前記反応チャンバーの壁を通って前記原料に入射するように方向付ける工程;
g.前記マイクロ波透過性の反応チャンバーと前記マイクロ波源との間に相対運動を提供する工程;並びに
h.前記原料が反応して、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で60wt%未満である水溶性塩、10wt%未満の水含量、及び、10パーセント未満の孔径分散を有する孔を含む固体燃料を生産するまで、前記原料にマイクロ波を与える工程をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 前記加工サブシステム方法及び前記マイクロ波サブシステム方法が:
a.自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入する工程;
b.前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを25パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にする工程;
c.前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製する工程;並びに、
d.調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水及び細胞内水に溶性の塩が前記反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、20wt%未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量と比較して乾量基準で少なくとも60%減少した水溶性塩含量、及び、公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法での類似した水除去の重量当たりのコストの60%未満まで低下した、前記水及び水溶性塩の除去の重量当たりのコストを有する処理済み有機炭素含有原料を作製する工程;
をさらに含み、前記マイクロ波サブシステム方法は:
e.外部から提供される酸素を一切含まず、マイクロ波反射型の囲い内にある実質的にマイクロ波透過性の反応チャンバー内へ、処理済み有機炭素含有原料を投入する工程;
f.マイクロ波源からのマイクロ波が前記反応チャンバーの壁を通って前記原料に入射するように方向付ける工程;
g.前記マイクロ波透過性の反応チャンバーと前記マイクロ波源との間に相対運動を提供する工程;並びに
h.前記原料が反応して、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で60wt%超の低下である水溶性塩含量、及び、10wt%未満の水含量を含む固体燃料を生産するまで、前記原料にマイクロ波を与える工程をさらに含む、請求項17に記載の方法。
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