JP2022532686A - 黒色顆粒のｐｃｉを改良するための水蒸気分解制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、初期のバイオマスの発熱価よりも大きい発熱価を有する粉末材料を連続的に調製するための方法に関する。当該方法は、水蒸気分解工程を含み、初期のバイオマスが、粒径分布がＰ２５～Ｐ１００であり湿度が２７％未満である成分からなり、水蒸気分解処理に直接的に供されることを特徴とする。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、特に、高い発熱量を有する「黒色ペレット」燃料の生産のための、リグノセルロースのバイオマスの物価安定政策の分野に関する。

〔技術領域〕
リグノセルロースのバイオマス（木材、農業残留物、農業および産業的農業の副産物）の、エネルギー的に高密度で、輸送可能で、容易に貯蔵可能な化合物への変換は、静的エネルギー産業分野（バイオ燃料に対して、居住用の建物において、決まった時点で使用されるバイオ燃料）の開発および強化を可能にし、環境負荷を低減する（化石ＣＯ２排出、肥料および植物衛生製品のいらないバイオマスを用いる）。

黒色ペレットは、測定される長さが１～３ｃｍの、耐湿性の円柱であり、石炭と類似の貯蔵およびハンドリングを可能とする、良好な機械的強度を有する。黒色ペレットの燃焼は、１８～２０ジュール／グラムに近い低発熱量（ＬＨＶ）を有し、ほとんど灰を生成しない。

黒色ペレットは、リグノセルロースのバイオマスを使用して生産され、リグノセルロースのバイオマスは、加熱処理の後、激しい減圧に供される。激しい減圧により、ペレットまたはブリケット製品のための耐水材料が提供される。実際に、原料は、水蒸気により爆発させられ、より細かい粒子を放出する。これにより、当該材料が、凝集または鋳造段階中で強い結合力を形成することが可能となる。

水蒸気分解は、水性分別蒸留、加溶媒分解、熱水分解、または熱水による処理としても知られている、熱水による前処理とは異なる。後者は、高温かつ高圧での水の使用を伴い、リグノセルロース母材の粉砕および分離を促進する。この技術は、得られる製品が主に液体であるため、黒色ペレットの生産に適していない。

水性分別蒸留、加溶媒分解、熱水分解または熱水による処理とも称される、熱水による前処理は、高温かつ高圧で水を使用し、リグノセルロース母材の粉砕および分離を促進する、液体熱水前処理工程である。

水蒸気分解は、水蒸気侵入後に爆発的減圧を使用しており、いずれの熱水による前処理方法と同等とみなすことはできない。参照される特許出願において記載される本発明は、熱水による前処理システムに言及することのない本方法の実現において、水蒸気分解システムを使用する。

〔背景技術〕
背景技術において、欧州特許ＥＰ２３７３７６７Ｂ１が認識されており、これは、リグニン含有材料を用いる黒色ペレットのバッチ生産方法を詳細に記載している。

この方法は、以下のステップを含む：
（ａ）相対含水率が０～２０重量％であるリグニン含有材料に、反応器を通過させるステップ；
（ｂ）反応器に水蒸気を噴射することによって、リグニン含有材料を、１８０～２３５℃に加熱するステップ
（ｃ）１～１２分間、到達温度で、反応器中に材料を保持し、材料を軟化して、リグニンを放出させるステップ
（ｄ）少なくとも１つの工程において、反応器内を減圧するステップ；および
（ｅ）処理された材料を、ペレットまたはブリケットに成形するステップ。

リグニン含有材料は、リグノセルロース材料であり、測定される長さが２５ｍｍであるチップ形態の木材、竹材、バガス、わらまたは草本（grass）を含む材料である。反応器の最終減圧が、水蒸気爆発によって突然に行われることで、材料の繊維が離解する。

米国特許ＵＳ２０１６／２５１６１１Ａ１は、別の方法を提案し、初期のリグノセルロースのバイオマスの水蒸気分解熱処理ステップを含む、微生物有機体を成長させる方法を記載している。水蒸気分解による熱処理は、以下のステップを含む：
（ａ）セルロース材料を少なくとも１つの含浸操作に供することで、初期のバイオマスに対して、熱水による前処理を行う、
（ｂ）次いで、セルロース材料が、加圧下で、少なくとも１個の反応器内を輸送される。次いで、セルロース材料を、１７０～２３０℃の温度に加熱する。

米国特許ＵＳ２０１６／１５３０１０Ａ１およびＵＳ２０１２／００６３２０Ａ１もまた、先行技術として承認されており、連続的な熱水による前処理の後、酵素加水分解、発酵、およびエタノール再生に基づいて、リグノセルロースのバイオマスを、エタノールおよび他の製品に転換する方法を記載している。この方法は、以下を含む水蒸気分解ステップを記載している：
（ａ）接触区間において、１４０～２３０℃の温度で、７５ψ～約２５０ψの圧力で、約１～１５分間、酸浸透リグノセルロースのバイオマス原料とＨ２Ｏを組み合わせて、水蒸気処理されたフィラーを生成するステップ；
（ｂ）次いで、水蒸気処理された投入物を、減圧区間に輸送して、約２～３０分間、水蒸気処理されたロードの蒸発画分を生成するステップ；
（ｃ）最後に、減圧区間から、少なくとも１部分の蒸発画分を放出して、減圧区間の温度および圧力を制御可能にするステップ。

〔先行技術の問題点〕
黒色ペレットを生産するための先行技術の解決手段は、有望である。しかし、これらには制限があり、特に、ペレットの体積あたりのエネルギー供給量が、チップまたは白色ペレットの形態のバイオマスより優れているが、同じ体積または同じ重量の石炭よりは３０～４０％低い。

さらに、先行技術の解決手段は、多量のバイオマスの順次的処理を使用する、バッチ処理における不連続的な方法を提案しており、これは、水蒸気分解条件の制御による迅速な影響を制限する。

最後に、先行技術の解決手段は、微生物有機体を成長させる方法、またはバイオマスをエタノールに変換する方法など、記載される方法への種々の利用を提示している。先行技術の解決手段は、「黒色ペレット」燃料の生産における利用は開示していない。

〔本発明により提供される解決手段〕
これらの問題点を改善するために、本発明は、もっとも一般的な意義において、初期のバイオマスの発熱価よりも大きな発熱価を有する粉末材料を、連続的に調製する方法に関し、当該方法は、水蒸気分解ステップを含み、初期のバイオマスが、粒径の分類がＰ１６～Ｐ１００であり湿度が２７％未満を示す成分からなり、水蒸気分解処理に直接的に供されることを特徴とする。特定の実施形態において、初期のバイオマスは、粒径分類がＰ２５～Ｐ１００である成分からなる。

従って、本発明は、初期のバイオマスの発熱価よりも大きな発熱価を有する粉末材料を、連続的に調製する方法に関し、当該方法は、水蒸気分解ステップを含み、初期のバイオマスが、粒径の分類がＰ１６～Ｐ１００であり湿度が２７％未満を示す成分からなり、水蒸気分解処理に直接的に供されることを特徴とする。

一変形例において、水蒸気分解ステップの厳しさ係数は、３．７超かつ４．２未満である。

他の変形例において、水蒸気分解ステップの厳しさ係数は、水蒸気分解されたバイオマスの試料中の炭素含有量に基づいて制御される。

一変形例において、水蒸気分解ステップの厳しさ係数は、オフガス中の炭素含有量に基づいて制御される。

好ましくは、水蒸気分解ステップの厳しさ係数は、水蒸気分解されたバイオマスの試料の炭素含有量によって動かされるのがよい。

特定の実施様式において、水蒸気分解ステップの厳しさは、ｐＨセンサによって発生する信号によって制御される。

一変形例において、ｐＨは、石灰、二酸化炭素、または二酸化炭素の解離形態を加えることによって調整される。

本発明はまた、ペレット燃料を調製するための、本発明に係る粉末材料を調製する方法の利用に関する。

本発明はまた、本方法を実施するための水蒸気分解ユニットに関する。

〔本発明の非限定的実施例の詳細な説明〕
以下の、本発明の非限定的実施例の詳細な説明を読むことで、本発明をより理解できるであろう。ここで、ひとつの図面は、本発明に係る連続的な生産設備の概略図を示す。

〔設備の実施例の説明〕
図１は、特に、粒径がＰ１６～Ｐ１００になるよう刻まれたバイオマスを使用する可燃性材料の製造のための、本発明に係る水蒸気ユニット１０の実現例である。好ましい実施形態において、バイオマスは、粒径がＰ２０～Ｐ１００、またはＰ２５～１００である。

図２は、材料を構成する成分の性質に基づく異なる粒径の分類の特性を表す表である。

水蒸気分解ユニットには、粒径の分類がＰ１６～Ｐ１００であり含水率が２７％未満である成分からなるバイオマスを供給する。

粒径は、主画分（Ｐ）の粒径および粗画分（Ｇ）とされる粒径によって定義される。１ミリメートルよりも小さい粒子は、細粒画分に属すると考える。主画分Ｐは、燃料全体の少なくとも８０％に相当しなければならない。

主画分（Ｐ）、粗画分（Ｇ）および細粒画分を構成する成分の大きさおよび％に応じて、バイオマスの成分の粒径を、基本分類によって定義する。これらの基本分類は、欧州規格調整委員会（ＣＥＮ／ＴＳ １４９６１）により、技術仕様書（ＣＥＮ／ＴＳ）中に前もって制定されている。この技術仕様書は、技術の現行の状態は、欧州基準として十分に安定したものではない領域についての規範的な文書として提供される。

ＣＥＮ／ＴＳはまた、燃料の８０％（全体）が、粒径の分類に対応するふるいを通過しなければならないこと、および３．１５ｍｍの粒径に対応するふるいに残存しなければならないこと、を特定している。

粗画分Ｇは、全体の質量の１％以下であるのがよい。細粒画分は、全体の質量の５％以下であるのがよい。

－Ｐ１６：３．１５ｍｍ≦Ｐ≦１６ｍｍ、かつＧ＞４５ｍｍである粒サイズに相当
－Ｐ２５：３．１５ｍｍ≦Ｐ≦２５ｍｍ、かつＧ＞６３ｍｍである粒サイズに相当
－Ｐ１００：３．１５ｍｍ≦Ｐ≦１００ｍｍ、かつＧ＞２００ｍｍである粒サイズに相当。

ウェーハ試料の粒径は、振動ふるいシステム、回転ふるいまたは画像測定システムを使用して決定することができる。

バイオマスは、鋭利な器具（ミルブレード）で切り刻まれ、加湿処理またはいずれの他の処理をすることなく、水蒸気分解処理に直接的に供される。

バイオマスの熱処理は、１９５℃～２１５℃の温度の徐々に飽和状態となる水蒸気で実施される。処理時間は、５～３０分間である。

処理の厳しさ係数は、下記式を用いて定義される：
ＦＳ＝ｌｏｇ１０（時間（分）^＊指数（（Ｔ℃－１００）／１４．７５））
高温になるほど、処理時間が長くなり、厳しさが大きくなるほど、製品がより変換される。

初期の木材の乾燥グラムあたり１７～１９ジュールから開始して、熱処理の厳しさに依存して、グラムあたり０．２５～２ジュール変化を伴って、無水ベースに対する低発熱価が、平均してグラムあたり０．７ジュール増加した。言い換えると、２～１２％、平均して約４％のＬＨＶの増加である。

熱処理の厳しさに依存して、数％～２４％の範囲で材料が損失する。

厳しさが大きくなるほど、損失が大きくなり、粗悪な発熱量の増加が大きくなる。水蒸気分解中、アタックされるのは主にヘミセルロースである。生成される主な溶性揮発物質は、フルフラール、酢酸およびギ酸である。これらの溶性揮発物質は、排出される水蒸気中に見られる（「蒸発する」）。使用されるガソリンの種類に依存して、凝縮物の性質が変化する。従って、フルフラールは、オーク材にとってより重要であり（ＶＯＣの最大６０％）、松材にとっては、酢酸が優勢である（ＶＯＣの最大５０％）。

〔設備の説明〕
本設備（１０）は、ハンマーミル（１１）を含む。ハンマーミル（１１）には、オーガー（auger）（１２）によってバイオマスが供給される。セパレータは、チップがミル（１１）に入る前に、任意の大きすぎる成分を除去する。この湿潤なミル（１１）において、バイオマスは、粒径がＰ２５～Ｐ１００である断片に粉砕される。

サイロ（１３）は、地上の貯蔵領域上に形成される蓄積物からバイオマスを回収するバケツ型ローダーが詰め込まれている。バイオマスは、ミル（１１）から、コンベヤーベルト（１４）上に排出される。コンベヤーベルト（１４）は、秤量ベルトを備え、秤量ベルトは、熱風乾燥機（１５）の供給ホッパーにバイオマスを輸送する。

湿度センサは、バイオマスの含水率を連続的にモニタリングする。バイオマス断片は、回転式スクリュー（planetary screw）によってサイロ（１６）から取り出され、反応器（１８）の供給サイロ（１７）にバイオマス断片を輸送するコンベヤーベルト上に堆積される。反応器は、１時間あたり１５トンのバイオマスを連続的に処理することを可能とする。

反応器（１８）は、加圧反応器であり、反応器の下部から反応器の内部へ、１８バールの圧力、かつ２５０℃の温度で、過熱された水蒸気が噴射される。この縦型反応器は、プラグ（plug）の形成を回避するために、円錐形状を有する。水蒸気の流れは、反応器の上位から取り出される。反応器の出口において、水蒸気は、水蒸気が生成されたＣＨボイラーに返送される。

ここで、反応器（１８）中、水蒸気の温度は２０３℃であり、圧力は１６．７バールである。サイロ（１７）は、バイオマス断片の流れを円滑にするために、先端を切断された楕円のような形状である。

さらに、サイロ（１７）の回転スクレーパーは、バイオマス断片を、供給スクリュー（１９）に向けて押出す。この円錐状供給スクリュー（１９）は、当該スクリューが反応器（１８）に入るように、細い断面を有し、サイロ（１７）から、所定の分量のバイオマス断片を連続的に取得して、プレ圧縮し、加圧下で、スクリュー通路を介して反応器（１８）に向けて押出す。反応器内の圧力の損失を最小限にし、かつバイオマス断片に含まれる空気を追い出すために、円錐状の開口部およびスクリューの寸法が、それぞれ選択される。

有利には、スクリューによってバイオマスの断片へ働く圧縮力によって、バイオマスの断片中に存在する残留水の一部を追い出すことができることに留意されたい。

スクリュー（１９）の末端では、圧縮されたバイオマス断片は、圧縮ブロックを形成し、圧縮ブロックは、蒸気の流れによって反応器内に分散する。分散したバイオマス断片は、水蒸気の流れによって加熱されると、重力によって反応器内へと落下し、以前に反応器の底部に蓄積されていた断片の表面上に積もる。反応器の底部では、バイオマス断片が水蒸気の流れによって加熱され続ける。

（１８）反応器中のバイオマス断片の保持時間は、反応器の底部に蓄積したバイオマス断片のレベルに応じて制御されることに留意されたい。本発明のこの特定の実施例において、保持時間は、７分間に設定され、これは、厳しさ係数３．８に相当する。反応器（１８）の底部において、垂直軸上に取り付けられたスクレーパ（図１中には示されない）が、バイオマス断片を供給スクリュー（２０）に向けて押出すことで、反応器（１８）からのバイオマス断片の取り出すことを可能とする。

この排出スクリュー（２０）は、バイオマス断片を、反応器から、制御された開口部を有するバルブ（２１）に向かって押出す。このバルブの開口部は、連続的に調整され、反応器から取り出されるバイオマス断片の流れを制御する。反応器および／またはスクリュー（２０）中に存在する水蒸気の圧力により、バイオマス断片は、バルブ開口部（２１）を介して、膨張ライン（２２）へと高速で連続的に追い出され、これらのバイオマス断片と共に反応器を離れた水蒸気の流れによって減圧ライン（２２）、次いで分離ユニット（２３）へと運ばれる。

ここで、減圧ラインにおける圧力は、セパレータにおける圧力が約１．１バールに到達するまで、徐々に低減される。これにより、バイオマス断片中に存在する凝縮された水の一部が再び気化蒸発することで、バイオマス断片の爆発的減圧が起こる。この突然の水蒸気の膨張が、圧縮されたバイオマス断片内にせん断力を発生させることで、バイオマスの断片の構造の機械的破断が生じる。

分離ユニット（２３）において、バイオマス断片と水蒸気の混合物が、高速回転ブレードの接線方向に入る。このブレードによって発生する遠心力の効果で、バイオマス断片は、排出パイプ（２４）に発射される一方で、水蒸気は、バルブを介してセパレータから放出される。

本発明の本実施形態の変形例では、残留水蒸気からバイオマス断片を分離するために、加圧サイクロンを実施してもよい。退けられた水蒸気は、有利にはボイラー内で焼却できる揮発性材料を含むことに留意されたい。

排出パイプ（２４）へと発射されたバイオマス断片は、貯蔵サイロ（２５）へと排出され、次いで、ペレットプレス（２６）において、直径が約７ミリメートルかつ平均長さが２２ミリメートルのペレットに変換される。

〔水蒸気分解の条件の調整〕
本水蒸気分解の連続的操作は、操作条件のリアルタイム制御および特に以下のリアルタイム制御を可能にする：
－厳しさ係数
－バイオマスのｐＨ。

この目的のために、廃液の化学的特性の測定または水蒸気分解されたバイオマスの可溶性試料化学的特性を測定してもよい。

〔廃液のリアルタイム分析〕
廃液の化学的特性のリアルタイム測定は、水蒸気分解されたバイオマスの材料損失の評価を可能にする。水蒸気分解されたバイオマスの材料損失は、廃液の炭素含有量の増加をもたらす。この情報は、廃液排出パイプ内に配置される赤外線プローブによって、リアルタイムで取得可能である。

プローブによってリアルタイムで提供される信号は、廃液中の炭素レベルの変化を表す。この信号は、対象によって予め決められた関数（例えば、ＬＨＶの最大化）に応じて、水蒸気分解のパラメータ、すなわち、厳しさ率を、変更するために、コンピュータによって使用される。

プローブはまた、水蒸気分解のパラメータを制御するために、他の有機化合物、特に酸素化化合物を分析し、廃液中の有機化合物についてのマッピング情報を提供してもよい。

〔水蒸気分解されたバイオマスサンプリングのリアルタイム分析〕
水蒸気分解ユニットはまた、１つ以上の物理化学プローブを利用して化学的組成についての情報を回収（例えばｐＨ測定または有機化合物の組成の測定）するために、本試料の可溶化を伴う、水蒸気分解されたバイオマスのリアルタイムサンプリングのためのシステムを備える。

次いで、この情報は、水蒸気分解ユニットのパラメータをリアルタイムで自動的に最適化するために、コンピュータで使用される。

〔ペレット化利用〕
含水率が１０％未満であるペレット燃料の生産のために、ペレット化する前の最終生成物の含水率が、制御されなければならない。

この目的のために、水蒸気分解前の初期のバイオマスの含水率は、低い、すなわち１４％未満、好ましくは１０％未満である。

あるいは、初期のバイオマスは、含水率が１４％超だが２７％未満の状態で水蒸気分解され得る。この場合、ペレット化の前または後に、水蒸気分解ユニットの下流で、水蒸気分解されたバイオマスの乾燥ステップが行われる。

図１は、特に、粒径がＰ１６～Ｐ１００になるよう刻まれたバイオマスを使用する可燃性材料の製造のための、本発明に係る水蒸気ユニット１０の実現例である。好ましい実施形態において、バイオマスは、粒径がＰ２０～Ｐ１００、またはＰ２５～１００である。 図２は、材料を構成する成分の性質に基づく異なる粒径の分類の特性を表す表である。

Claims (7)

1. 初期のバイオマスの発熱価よりも大きな発熱価を有する粉末材料を連続的に調製する方法であって、
   前記方法は、
   水蒸気分解ステップを含み、
   前記初期のバイオマスが、粒径の分類がＰ１６～Ｐ１００であり含水率が２７％未満である成分を構成要素とし、水蒸気分解処理に直接的に供されることを特徴とする、方法。
2. 前記水蒸気分解ステップの厳しさ係数が、３．７超かつ４．２未満であることを特徴とする、請求項１に記載の粉末材料を連続的に調製する方法。
3. 前記水蒸気分解ステップの厳しさ係数が、オフガス中の炭素含有量に従って制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末材料を連続的に調製する方法。
4. 前記水蒸気分解ステップの厳しさ係数が、水蒸気分解されたバイオマスの試料中の炭素含有量の関数として制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末材料を調製する方法。
5. 前記水蒸気分解ステップの厳しさ係数が、水蒸気分解バイオマス試料のｐＨの関数として制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末材料を連続的に調製する方法。
6. ｐＨが、石灰、二酸化炭素、または二酸化炭素の解離形態を加えることによって調製されることを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末材料を連続的に調製する方法。
7. ペレット燃料を調製するための、バイオマスのペレット化工程を含む、請求項１に記載の方法の利用。

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