JP2023542551A - バイオマス熱分解と統合された金属鉱石のバイオ還元 - Google Patents

Abstract

いくつかの変形形態は、金属鉱石を還元するための組成物であって、組成物が、炭素金属鉱石粒子状物を含み、炭素金属鉱石粒子状物が、無水及び無灰基準で少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の固定炭素を含み、炭素が、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも５０％の再生可能な炭素である、組成物を提供する。いくつかの変形形態は、金属鉱石を還元するためのプロセスであって、バイオマス原料を提供することと、原料を熱分解して、炭素を含む生体試薬、及び水素又は一酸化炭素を含む熱分解オフガスを生成することと、金属酸化物を含む金属鉱石を得ることと、炭素を金属鉱石と合わせて、炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、任意選択で、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化することと、熱分解オフガスを利用して、金属酸化物を鉄などの元素金属に化学的に還元することと、を含む、プロセスを提供する。開示される技術は、石炭に基づく従来のプロセスよりも環境的に優れている。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年９月２５日に出願された、米国仮特許出願第６３／０８３，２２３号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

参照による組み込み
本明細書中で言及される全ての刊行物、特許、及び特許出願は、各個々の刊行物、特許、又は特許出願が、参照により組み込まれることが具体的かつ個々に示されるのと同程度に、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、金属鉱石を処理し、炭素含有試薬を使用して金属を製造するためのプロセス、システム、及び装置に関する。

バイオマスは、生物学的に製造された物質を説明するために使用される用語である。バイオマスに含有される化学エネルギーは、光合成の自然プロセスを使用する太陽エネルギー由来である。これは、植物がその周囲から二酸化炭素及び水を取り込み、日光からのエネルギーを使用して、それらを糖、デンプン、セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンに変換するプロセスである。全ての再生可能なエネルギー源のうち、バイオマスは、それが効果的に貯蔵された太陽エネルギーであるという点で独特である。更に、バイオマスは、唯一の再生可能な炭素源である。

工業的使用のための炭素質材料は、一般に、天然ガス、石油、石炭、及び亜炭などの化石資源から供給されるが、リグノセルロース系バイオマス及び様々な炭素に富む廃棄物などの再生可能な資源への関心が高まっている。

バイオマス原料を炭素質材料に変換するための種々の変換技術が存在する。バイオマス系炭素質材料の使用の増加は、原料の変動、運用上の困難さ、及び資本集約から生じる技術的及び経済的な課題を提起する。

特に高炭素試薬としての固体の収率及び品質を最適化するための熱分解プロセスを改善することにあまり焦点が当てられていない。歴史的に、木材のゆっくりとした熱分解は、大きなパイルにおいて、単純なバッチプロセスで、排出制御なしに実行されてきた。伝統的な木炭作製技術は、エネルギー効率が悪いばかりでなく、汚染性が高い。明らかに、エネルギーバランスを管理し、かつ排出を制御しながら、高品質炭素の連続的商業規模製造のためのそのようなプロセスをスケールアップすることには、経済的及び実用的課題がある。

金属加工は、世界的に非常に重要な産業である。例えば、鋼（鉄の合金）に関して、世界の鋼市場規模は、Ｓｔｅｅｌ Ｍａｒｋｅｔ Ｓｉｚｅ，Ｓｈａｒｅ＆Ｔｒｅｎｄｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ２０１８－２０２５，Ｇｒａｎｄ Ｖｉｅｗ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．（２０１７）によれば、２０２５年までに１兆米ドルに到達すると予想されている。持続可能で、低コストで、かつ耐久性のある建築材料に対する請負業者の増大する傾向は、産業インフラストラクチャ及び住宅プロジェクトにおける鋼の需要を駆り立てている。高い構造的完全性を有する予め設計された金属建築物において、鋼は、安定性、設計の柔軟性、及び美的魅力において重要な機能を果たす。グリーンでエネルギー効率のよい建築物を推進する厳しい規制も、特に工業用構造物における鋼の需要に寄与している。

全ての鋼の約７０％は、酸素転炉で還元する前にコークス又は石炭を使用して高炉で酸化鉄を還元することによって製造された銑鉄から作製される。非再生可能な石炭又は石炭由来のコークスの使用は、化石資源を枯渇させることに加えて、非再生可能な二酸化炭素を大気中に放出させる。

酸素化鉄鉱石は、世界的に採掘されている。典型的には、鉄鉱石は、選鉱プロセスを通して採取され、鉄画分を粉砕及び濃縮し、次いで、ペレット（結合剤とともに）に圧延され、加熱のために石炭を燃焼させる硬化炉中で加熱され、ペレットを固めて高炉に輸送され、ここでコークスを使用して酸素化鉱石を金属鉄に還元する。硬化及びコーキングプロセスは、大量のＣＯ_２及び他の汚染物質を創出する。

一般的に言えば、金属処理は、毎年、著しい世界正味ＣＯ_２排出を引き起こす。例えば、従来の溶鉱炉の最大の欠点のうちの１つは、鉄が炭素によって酸化鉄から還元されるので、避けられない二酸化炭素の製造である。製鋼は、今日の世界におけるＣＯ_２排出の最大の産業的寄与要因のうちの１つである。金属作製プロセスをより環境に優しくすることが強く望まれている。

前述の必要性を考慮して、金属鉱石を金属に変換するための改善されたプロセス及びシステムが商業的に望まれている。

炭素系試薬は、理論的には、炭素を含有する実質的に任意の材料から製造することができる。化石資源に関連する経済コスト、環境コスト、及び社会コストが上昇しているため、再生可能なバイオマスを利用して炭素系試薬を製造することが好ましい。

熱分解は、酸化剤（空気若しくは酸素）の完全な不在下で、又は酸化が感知できる程度に起こらないような制限された供給で、固体材料を熱変換するためのプロセスである。プロセス条件及び添加剤に応じて、バイオマス熱分解を調節して、広く変動する量のガス、液体、及び固体を製造することができる。より低いプロセス温度及びより長い蒸気滞留時間は、固体の製造に有利である。高温及びより長い滞留時間は、合成ガスへのバイオマス変換を増加させ、中程度の温度及び短い蒸気滞留時間は、一般に、液体を製造するために最適である。バイオマスを高品質の合成ガス又は液体燃料の前駆体としての液体に変換するための熱分解及び関連プロセスにおける技術的進歩が必要とされている。

本開示は、当該分野における欠陥に対処し、炭素含有試薬を使用して金属を製造するための金属鉱石の処理のためのプロセス、システム、及び装置に関する。

本明細書では、金属鉱石を還元するためのプロセスが開示される。本明細書に開示されるプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
金属酸化物を化学的に還元することであって、熱分解オフガスを使用して達成される、還元することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを含む。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせである。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の総炭素を含む。生体試薬は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、若しくは９９重量％の総炭素を含むことができる。総炭素は、揮発性物質中に存在する固定炭素と非固定炭素との和である。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、９９、若しくは１００重量％の固定炭素を含む。

炭素（生体試薬内）は、例えば、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５％、又は少なくとも約９０重量％の固定炭素であり得、炭素の残りは揮発性炭素である。様々な実施形態では、炭素は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、９９、若しくは１００重量％の固定炭素を含有する。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、粒子状物形態にあり、粒子状物形態は、粉末状形態である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。典型的な高炉に関連して用いられるものなどのいくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約３重量％～多くとも約６重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。例示的な結合剤としては、無機ベントナイト粘土、石灰石、デンプン、セルロース、リグニン、及びアクリルアミドが挙げられる。

いくつかの実施形態では、添加剤は、酸、塩基、又はそれらの塩若しくは誘導体から選択される。いくつかの実施形態では、添加剤は、金属、金属酸化物、金属水酸化物、金属ハロゲン化物、又はそれらの組み合わせ若しくは誘導体である。例えば、添加剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、ハロゲン化鉄、塩化鉄、臭化鉄、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、蛍石、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせ若しくは誘導体から選択することができる。

添加剤は、プロセスの任意の１つ以上のステップの前、最中、又は後に添加することができ、任意の時点で原料自体に添加することを含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、熱分解オフガスを直接利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して、炭素金属鉱石粒子状物内の金属酸化物を化学的に還元することによって、熱分解オフガスを間接的に利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して炭素金属鉱石ペレット内の金属酸化物を化学的に還元することによって、熱分解オフガスを間接的に利用する。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、生体試薬又はその一部のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解中に重炭化水素を得ることを更に含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、重炭化水素を含み、重炭化水素は、還元ガスに変換される。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、軽質炭化水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の一酸化炭素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉中で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石鉱山に共同設置される。いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石処理プラントに共同設置される。いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、同じ場所で行われる。

本明細書では、金属鉱石を還元するためのプロセスが開示される。本明細書に開示されるそのようなプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、炭化水素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガス及び熱を生成することと、
金属酸化物を化学的に還元することであって、熱分解オフガスを部分的に酸化することから生成された還元ガスを利用して達成される、還元することと、を含むことができ、
熱分解は、熱分解オフガスを部分的に酸化することから生成された熱を使用して達成される。

いくつかの実施形態では、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含む。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせである。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、粒状形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は炭素金属鉱石微粉である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解中に重炭化水素を得ることを更に含み、生体試薬は、重炭化水素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解中に軽質炭化水素を得ることを更に含み、熱分解オフガスは、軽質炭化水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の一酸化炭素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉内で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行われる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石鉱山に共同設置される。いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石処理プラントに共同設置される。いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、同じ場所で行われる。

本明細書では、金属鉱石を還元するための更なるプロセスが開示される。そのようなプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
生体試薬のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から還元ガスを生成することと、
還元ガスを使用して、金属酸化物を化学的に還元することと、を含む。

いくつかの実施形態では、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含む。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせである。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。いくつかの実施形態では、粒子状物形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、熱分解中に得られた重質炭化水素を含む。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる第２の還元ガスを同時利用する。いくつかの実施形態では、軽質炭化水素は、熱分解の間に得られる。

いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも２０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも４０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも２０モル％の一酸化炭素を含む。いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも４０モル％の一酸化炭素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉内で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行われる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石鉱山に共同設置される。いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石処理プラントに共同設置される。いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、同じ場所で行われる。

本明細書では、金属鉱石を処理するためのプロセスが開示される。これらのプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、粒子状物形態にあり、金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせを含む、得ることと、
炭素と金属鉱石とを合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせから元素金属を化学的に製造することであって、熱分解オフガスを使用して達成される、製造することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含む。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせである。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、粒子状物形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、熱分解オフガスを直接利用する。いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせから元素金属を化学的に製造することによって、熱分解オフガスを間接的に利用する。

いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、生体試薬のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、熱分解中に得られる重質炭化水素を含み、重質炭化水素は、還元ガスの少なくとも一部に変換される。

いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

いくつかの実施形態では、軽質炭化水素は、熱分解オフガスの一部として熱分解中に得られる。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の一酸化炭素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、金属鉱石炉中で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、金属鉱石炉の上流で行われる。

いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。いくつかの実施形態では、化学的に製造することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石鉱山に共同設置される。いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石処理プラントに共同設置される。いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に製造することは、同じ場所で行われる。

本明細書では、金属酸化物の還元を最適化する方法が開示される。これらの方法は、
バイオマスを熱分解し、それによって炭素及び熱分解オフガスを生成することと、
酸素の燃焼化学量論量より意図的に少ない酸素で熱分解オフガスを酸化し、それによって熱及び一酸化炭素を生成することと、
金属酸化物を還元することであって、熱及び一酸化炭素を使用して達成される、還元することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスの酸化は、水素を生成し、水素は、金属酸化物を還元するためにも利用される。いくつかの実施形態では、炭素は、金属酸化物を還元するために直接利用される。いくつかの実施形態では、炭素は、炭素を追加の一酸化炭素に変換し、続いて追加の一酸化炭素を金属酸化物と反応させることによって、金属酸化物を還元するために間接的に利用される。

本明細書では、金属酸化物の還元を最適化する更なる方法が開示される。そのような方法は、
バイオマスを熱分解し、それによって炭素及び熱分解オフガスを生成することと、
酸素の燃焼化学量論量より意図的に少ない酸素で熱分解オフガスを酸化し、それによって熱及び水素を生成することと、
金属酸化物を還元することであって、熱及び水素を使用して達成される、還元することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスの酸化は、一酸化炭素を生成し、一酸化炭素はまた、金属酸化物を還元するために利用される。いくつかの実施形態では、炭素は、金属酸化物を還元するために直接利用される。いくつかの実施形態では、炭素は、炭素を追加の一酸化炭素に変換し、続いて追加の一酸化炭素を金属酸化物と反応させることによって、金属酸化物を還元するために間接的に利用される。

本明細書では、炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセスが開示される。本明細書に開示されるプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、を含むことができ、
生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含み、
炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の総炭素を含む。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも６０重量％の総炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の総炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の総炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、粒子状物形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．５重量％～多くとも約２５重量％の総炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の総炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。

いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

本明細書では、金属ナゲットを製造するためのプロセスが開示される。本明細書に開示されるプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属ナゲットを生成することであって、化学的に還元することが、熱分解オフガスを使用して達成される、生成することと、
金属ナゲットを回収することであって、金属ナゲットが、金属を含み、金属が、金属酸化物の還元形態である、回収することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、金属ナゲットは、金属及び炭素から本質的になる。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、粒子状物形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、熱分解オフガスを直接利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して炭素金属鉱石内又は炭素金属鉱石ペレット内の金属酸化物を化学的に還元することによって、熱分解オフガスを間接的に利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、生体試薬のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、還元ガスを共利用し、生体試薬は、熱分解中に得られた重質炭化水素を含み、重質炭化水素は、還元ガスに変換される。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。いくつかの実施形態では、軽質炭化水素は、熱分解オフガスの一部として熱分解中に得られる。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の水素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の一酸化炭素を含む。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含む。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉内で行われる。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行われる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する。

いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石鉱山に共同設置される。いくつかの実施形態では、プロセスは、金属鉱石処理プラントに共同設置される。いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、同じ場所で行われる。

本明細書では、金属鉱石から金属を製造するためのプロセスが開示される。本明細書に開示されるプロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
炭素金属鉱石ペレットを化学還元炉に導入することと、
空気又は酸素を化学還元炉に導入し、それによって炭素金属鉱石粒子状物内に含まれる炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素を生成することと、
炭素金属鉱石ペレット内の金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属を生成することであって、化学的に還元することが、化学還元炉内の一酸化炭素を使用して達成される、生成することと、
金属を回収することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、化学還元炉に直接共供給される。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される。

いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、生体試薬は、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、鉄鉱石は、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、選鉱された金属鉱石である。

いくつかの実施形態では、粒子状物形態の金属鉱石は、粉末状形態の金属鉱石である。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石塊である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、添加剤は、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、金属は、鉄、銅、ニッケル、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、スズ、亜鉛、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、又はそれらの組み合わせから選択される。

本明細書では、金属鉱石を還元するための組成物が開示される。本明細書に開示される組成物は、炭素金属鉱石粒子状物を含むことができ、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の固定炭素を含み、固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも約５０％の再生可能な炭素である。

いくつかの実施形態では、固定炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定は、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６を利用する。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石である。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、銅鉱石とニッケル鉱石との組み合わせである。

いくつかの実施形態では、組成物は、微粉、塊、ペレット、ナゲット、又はそれらの組み合わせから選択される物体の形態にある。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約０．５重量％～多くとも約２５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約１重量％～多くとも約１５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約２重量％～多くとも約１０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約３重量％～多くとも約６重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも約９０％の再生可能な炭素である。いくつかの実施形態では、固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも約９９％の再生可能な炭素である。いくつかの実施形態では、固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される約１００％の再生可能な炭素である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、添加剤を含む。いくつかの実施形態では、結合剤を含む。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも４００ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を特徴とする。いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも８００ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を特徴とする。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも０．５ｃｍ^３／ｇのメソ細孔容積を特徴とする。いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも１ｃｍ^３／ｇのメソ細孔容積を特徴とする。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して金属鉱石を金属生成物に変換するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して金属鉱石を金属生成物に変換するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して金属鉱石を金属生成物に変換するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して金属ナゲットを製造するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

いくつかの実施形態における、高炭素生体試薬を利用して金属鉱石を金属生成物に変換するためのプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。

この説明は、当業者が開示された開示を作成及び使用することを可能にし、本開示のいくつかの実施形態、適合、変形、代替、及び使用を説明する。本開示のこれら及び他の実施形態、特徴、及び利点は、添付の図面と併せて本開示の以下の詳細な説明を参照すると、当業者にはより明らかになるであろう。

技術的な開示を可能にする目的で、様々な説明、仮説、理論、推測、仮定などが開示される。本開示は、実際に真であるこれらのいずれにも依存しない。この詳細な説明における説明、仮説、理論、推測、又は仮定のいずれも、本開示の範囲を何ら限定するものと解釈されるべきではない。

本明細書に提供する見出しは、便宜上のものにすぎず、特許請求された実施形態の範囲又は意味を解釈するものではない。

定義
本明細書で使用される場合、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数の指示対象を含む。例えば、生成物が製造される任意の場所で、プロセスは、「炭素金属鉱石粒子状物」が製造される場合、「複数の炭素金属鉱石粒子状物」を製造することができるように、２つ以上の生成物を製造するように制御することができる。これはまた、単一の成分を含む組成物にも当てはまる。例えば、組成物が炭素金属鉱石粒子状物を含む場合、組成物は、複数の炭素金属鉱石粒子状物を含むことができる。

本明細書で使用される場合、「約」という用語は、別段の指示がない限り、示された範囲、値、又は構造の±２０％を意味する。

本明細書で使用される場合、任意の濃度範囲、百分率範囲、比範囲、又は整数範囲は、別段の指示がない限り、列挙された範囲内の任意の整数の値、及び適切な場合、その分数（整数の１０分の１及び１００分の１など）を含むと理解されるべきである。また、本明細書に列挙される任意の数の範囲は、別段の指示がない限り、列挙された範囲内の任意の整数を含むと理解されるべきである。

本明細書で使用される場合、「生体」は、数ヶ月、数年、又は数十年の時間スケールで再生可能である炭素などの元素を含有する材料（原料、生成物、又は中間体のいずれか）である。非生体材料は、非再生可能であり得るか、又は数世紀、数千年、数百万年、若しくは更に長い地質学的時間スケールの時間スケールで再生可能であり得る。例えば、石炭及び石油の従来の燃料源は、非再生可能であり、非生体である。

炭素の３つの天然同位体、^１２Ｃ、^１３Ｃ、及び^１４Ｃが存在する。^１２Ｃ及び^１３Ｃは、安定であり、約９３：１の天然比率で存在する。^１４Ｃは、上層大気中の宇宙線からの熱中性子によって製造され、地球に輸送されて生きている生物材料によって吸収される。同位体的には、^１４Ｃは、無視できる部分を構成する。しかし、これは、５，７００年の半減期で放射性であるので、放射測定的に検出可能である。死んだ組織は、^１４Ｃを吸収しないので、^１４Ｃの量は、生物学的材料の放射測定に使用される方法のうちの１つである。

植物は、光合成を通して大気炭素を固定することによって^１４Ｃを取り込む。次いで、動物は、植物を消費するとき、又は植物を消費する他の動物を消費するときに、^１４Ｃをその体内に取り込む。したがって、生きている植物及び動物は、大気中のＣＯ_２と同じ^１４Ｃ対^１２Ｃ比を有する。生物が死ぬと、それは大気との炭素の交換を停止し、したがって、これ以上新しい^１４Ｃを取り込まない。次いで、放射性崩壊は、生物中の^１４Ｃを徐々に枯渇させる。この効果は、放射性炭素年代測定の基礎である。

石炭などの化石燃料は、何百万年も前に堆積した植物材料から主に作製されている。この期間は、^１４Ｃの何千もの半減期に等しいので、化石燃料中の本質的に全ての^１４Ｃが崩壊している。また、化石燃料は、それらが元々生きている生物から形成されたことから、大気に対して^１３Ｃが枯渇している。したがって、化石燃料からの炭素は、生体炭素と比較して、^１３Ｃ及び^１４Ｃの両方において枯渇している。

再生可能な資源からのものなどの、最近減少した有機物の炭素同位体と、石炭などの化石燃料の炭素同位体との間のこの差異は、組成物中の炭素源の決定を可能にする。具体的には、組成物中の炭素が再生可能な資源に由来するか、又は化石燃料に由来するかどうか、言い換えれば、再生可能な資源又は化石燃料が、組成物の製造に使用されたかどうか、である。

本明細書で使用される場合、「燃焼化学量論量の酸素」は、空気、純酸素、又は酸素富化空気中に存在するかどうかにかかわらず、化学量論的過剰ではなく、炭素含有又は水素含有成分をそれぞれＣＯ_２又はＨ_２Ｏに完全に酸化する酸素の量である。熱分解オフガスが燃焼のための化学量論量未満で意図的に酸化される場合、酸素の燃焼化学量論量の百分率として利用される酸素は、少なくとも約１０％～多くとも約９９％、少なくとも約２５％～多くとも約９０％、又は少なくとも約４０％～多くとも約８０％であり得る。様々な実施形態では、この百分率は、約、少なくとも約、又は多くとも約１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、若しくは９５％である。これらの百分率は、酸素がＯ_２型であるモル基準である。

本明細書で使用される場合、「含む（including）」、「含有する（containing）」、又は「特徴とする（characterized by）」と同義である「含む（comprising）」は、包括的又はオープンエンドであり、追加の列挙されていない要素又は方法ステップを除外しない。「含む（comprising）」は、指定された請求項要素が必須であることを示す請求項言語で使用される技術用語であるが、他の請求項要素を追加することができ、依然として本開示の範囲内の構成物を形成することができる。

本明細書で使用される場合、「からなる」は、指定されていない任意の要素、ステップ、又は成分を除外する。「からなる」という句が、プリアンブルの直後ではなく、請求項の本文の節に現れる場合、その句は、その節に記載された要素のみを限定し、他の要素は、全体として請求項から除外されない。本明細書で使用される場合、「から本質的になる」という句は、特許請求の範囲を、指定された要素又は方法ステップに加えて、特許請求される主題の基礎に実質的に影響を及ぼさないものに限定する。

本明細書で使用される場合、「誘導体」は、化学反応によって別の物質から誘導される化合物、分子、又はイオンである。誘導体が誘導される物質は、添加剤である。誘導体も添加剤である。

本明細書で使用される場合、「高炭素生体試薬」におけるような「高炭素」は、生体試薬が、高炭素生体試薬を製造するために使用される原料に対して高い炭素含有量を有することを示す。高炭素生体試薬は、その重量の少なくとも約半分を炭素として含むことができる。例えば、高炭素生体試薬は、少なくとも５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、又は９９重量％の炭素を含むことができる。

本明細書で使用される場合、「高炭素生体試薬」は、開示されるプロセス及びシステムによって製造することができる材料を説明する。炭素含有量又は任意の他の濃度に関する限定は、この用語自体から帰属されるのではなく、特定の実施形態を参照することによってのみ帰属されるものとする。例えば、低炭素含有量を含む原料が、開示されるプロセスに供される場合、生成物は、出発材料に対して炭素が高度に濃縮されている（高収率の炭素）が、それにもかかわらず、５０重量％未満の炭素を含む、炭素が比較的低い（低純度の炭素）高炭素生体試薬である。

本明細書で使用される場合、用語「含む（include）」、「有する（have）」、及び「含む（comprise）」は同義的に使用され、これらの用語及びそれらの変形は、非限定的であると解釈されることが意図される。

本明細書で使用される場合、「金属鉱石」は、所望の金属が純粋な元素形態ではなく、むしろ金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又は別の形態の金属として存在する金属含有材料である。

２つ以上の項目のリストに関する「又は」という語の使用は、その語の以下の解釈の全てを包含する：リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目の全て、及びリスト内の項目の任意の組み合わせを網羅する。更に、「Ａ、Ｂ、及びＣなどのうちの少なくとも１つ」という句は、当業者が慣例を理解するであろうという意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定はしないが、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢとを一緒に、ＡとＣとを一緒に、ＢとＣとを一緒に、又はＡとＢとＣとを一緒に、などを有するシステムを含むであろう）。「Ａ、Ｂ、又はＣなどのうちの少なくとも１つ」に類似する規約が使用される場合、概して、そのような構成は、当業者が規約を理解するであろうという意味で意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定されないが、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢとを一緒に、ＡとＣとを一緒に、ＢとＣとを一緒に、又はＡとＢとＣとを一緒に、などを有するシステムを含むであろう）。

本明細書で使用される場合、「ペレット」は、「ブリケット」と同義であり、ペレット、ブリケット、ペレット／ブリケット、又は同様の用語に言及することができ、全てが、ルースパウダーではなく凝集した物体に言及する。便宜上、「ペレット」という用語が一般的に使用される。ペレットの形状は、球形又はほぼ球形に限定されない。ペレット形状は、球状（円形又はボール形状）、立方体（正方形）、八角形、六角形、ハニカム／蜂の巣形状、楕円形、卵形状、円柱形状、棒形状、パン形状、枕形状、ランダム、又はそれらの組み合わせであり得る。

本明細書で使用される場合、「熱分解」は、炭素質材料の熱分解である。熱分解では、完全燃焼に必要とされる酸素（Ｏ_２モル基準）の１０％、５％、１％、０．５％、０．１％、又は０．０１％未満など、材料の完全燃焼に必要とされるよりも少ない酸素が存在する。いくつかの実施形態では、熱分解は、酸素の非存在下で実行される。

本明細書で使用される場合、「試薬」は、その最も広い意味での材料である。例えば、試薬は、燃料、化学物質、材料、化合物、添加剤、ブレンド成分、又は溶媒であり得る。試薬は、必ずしも化学反応を引き起こすか又は化学反応に関与する化学試薬である必要はない。しかしながら、試薬は、反応において消費され得る化学反応物であり得る。試薬は、特定の反応のための化学触媒であり得る。試薬は、試薬が添加され得る材料の機械的、物理的、又は流体力学的特性を調節することを引き起こすか、又はそれに関与し得る。例えば、試薬を金属に導入して、金属に特定の強度特性を付与することができる。試薬は、化学分析又は物理的試験で使用するのに十分な純度（現在の状況では、典型的には炭素純度）の物質であり得る。

本明細書で使用される場合、「総炭素」は、揮発性物質中に存在する固定炭素と非固定炭素との和である。いくつかの実施形態では、成分の重量百分率は、絶対基準であり、これは特に明記しない限り仮定される。他の実施形態では、成分重量百分率は、無水及び無灰基準である。

本明細書で使用される場合、「ゾーン」は、単一の物理的ユニット、物理的に分離されたユニット、又はそれらの任意の組み合わせ内の空間の領域である。連続反応器に関して、ゾーンの境界は、反応器内のフライトの存在又は別々のゾーンに熱を提供するための別個の加熱要素などの構造に関連し得る。代替的に又は追加的に、連続反応器中のゾーンの境界は、別個の温度、流体フローパターン、固体フローパターン、又は反応の程度などの機能に関連し得る。単一バッチ反応器では、「ゾーン」は、空間ではなく時間での操作レジームである。あるゾーンから別のゾーンへの急激な遷移は、必ずしもない。例えば、予熱ゾーンと熱分解ゾーンとの間の境界は、いくらか任意であり得る。いくらかの量の熱分解が、予熱ゾーンの一部において起こり得、いくらかの量の「予熱」が、熱分解ゾーンにおいて起こり続け得る。反応器中の温度プロファイルは、反応器内のゾーン境界を含めて、典型的には連続的である。

プロセス
本開示の原理は、金属鉱業又は鉱石処理施設における熱分解プロセスの共同設置に特に好適である。本明細書の技術は、硬化及びコーキングにおける化石燃料の必要性、並びに高炉へのペレットの中間輸送の必要性を低減する。統合プロセスは、限定されないが、タコナイト処理を含む鉄鉱石を鉄に変換するために使用される現在のプロセスに対して経済的及び環境的利点を有する。

本明細書に開示されるプロセスは、二酸化炭素排出量が低減された環境に優しい技術である。出発原料が生体又は再生可能な炭素を含有するバイオマスである場合、熱分解から製造される炭素は、生体である。これは、例えばＡＳＴＭ Ｄ６８６６を使用して、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から示すことができる。

いくつかの実施形態では、処理された全ての炭素は、再生可能である。他の実施形態では、出発金属酸化物が炭素を含むことができるので、全ての炭素より少ない炭素が再生可能である。例えば、タコナイトは、非生体炭素を含有する鉄含有炭酸塩を含有する。選鉱が用いられる場合、選鉱は、金属鉱石から非生体炭素を除去することができる。

二酸化炭素に酸化される任意の生体炭素は、生体ＣＯ_２を創出する。これはまた、生成されたＣＯ_２の中の炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定からも示すことができる。バイオマスに由来するこの生体ＣＯ_２は、光合成を介して成長するバイオマスによって再び吸収されるために環境に戻る。このようにして、正味のＣＯ_２排出が大幅に低減される。更に、出発バイオマスの水素含有量は、プロセスの正味のＣＯ_２排出を実質的に低減する。これは、バイオマス中の水素が熱分解オフガス中のＨ_２又はその部分酸化形態になるためである。Ｈ_２は、ＣＯによって引き起こされるのとほぼ同様に金属酸化物の化学還元を引き起こすことができるが、Ｈ_２酸化は、ＣＯ_２を創出するのではなく、Ｈ_２Ｏを創出し、これは問題のある温室効果ガスとはみなされない。

開示されるプロセスが従来の技術よりも環境的に優れている別の理由は、エネルギーバランスに関する。金属酸化物の還元は、全体的な化学反応が吸熱性であることから、本質的にエネルギーを必要とする。金属酸化物を金属及び酸素に分解し、それによって任意の直接ＣＯ_２製造を回避する電気化学変換の既知のアプローチでさえ、大量の電気を必要とし、これは通常非再生可能な供給源から作製される。従来の金属鉱石処理は、大量の石炭を利用して、（石炭燃焼から）必要な熱を創出するとともに、還元化学反応のための炭素を提供する。対照的に、いくつかの実施形態は、エネルギー効率のよい方法で炭素及び水素を利用する統合されたバイオ還元プロセスにおいて、熱分解オフガスから必要な熱を提供する。これにより、石炭燃焼による汚染が回避される。

金属鉱石の統合されたバイオ還元は、石炭などの化石燃料の従来の使用と比較して、環境への影響を大幅に低減する。従来のアプローチは、処理される鉱石１トン当たりに生成される正味の二酸化炭素の量である「カーボン強度」に関連付けられる。「ＣＯ_２等価カーボン強度」は、処理される鉱石１トン当たりに生成される正味の二酸化炭素量等価物として定義することもできる。「二酸化炭素当量」又は「ＣＯ_２ｅ」は、同等の地球温暖化効果を有するＣＯ_２の量を表す。一例として、金属鉱業処理の場合、平均は、１１．９ｋｇ ＣＯ_２／トンである（Ｔｏｓｔ ｅｔ ａｌ．，「Ｍｅｔａｌ Ｍｉｎｉｎｇ’ｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ Ｕｐｄａｔｅｄ Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ｏｎ ＣＯ_２ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，Ｗａｔｅｒ Ｕｓｅ，ａｎｄ Ｌａｎｄ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ」，Ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ ２０１８，１０，２８８１、これは参照により組み込まれる）。様々な実施形態では、本明細書に開示されるプロセスは、先行技術と比較して、約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は９９％の炭素強度又はＣＯ_２等価炭素強度の低減を特徴とすることができる。様々な実施形態では、本明細書に開示されるプロセスは、約１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１、０．５、０．４、０．３、０．２、又は０．１ｋｇ ＣＯ_２／トン以下の炭素強度、又はＣＯ_２等価炭素強度を特徴とすることができる。本明細書に開示されるプロセス及び方法では、生成されるＣＯ_２のほとんど又は全ては、生体二酸化炭素であり、その結果、有効炭素強度は、非常に低く、ゼロであり、又は炭素鋼などの最終生成物中に正味の炭素封鎖が存在する場合には負でさえある。

本発明者らは、驚くべきことに、熱分解オフガスの燃焼において酸素を意図的に制限することができ、それによって、（完全燃焼におけるようなＣＯ_２とは対照的に）より多くのＣＯを生成することができ、次いで、このＣＯを還元剤として使用することができることを見出した。部分酸化からのＣＯの生成は、いくらかの熱を提供するが、ＣＯ_２への従来の完全酸化と比較してより少ない熱を提供する。様々な実施形態は、生成された熱が金属酸化物の吸熱還元を実施するのに十分であり得るという知見を利用し、還元は、部分酸化から製造されたＣＯを化学的に利用する。

上記に基づいて、いくつかの変形形態は、金属酸化物の還元を最適化する方法であって、バイオマスを熱分解して炭素及び熱分解オフガスを得ることと、酸素の燃焼化学量論量より意図的に少ない酸素で熱分解オフガスを酸化させ、それによって、熱、一酸化炭素、及び二酸化炭素を生成することと、熱及び一酸化炭素を利用して、金属酸化物を還元することと、を含む、方法を提供する。典型的には、熱分解オフガスの酸化は、水素及び水を更に生成する。水素はまた、金属酸化物を還元するために利用することができる。

いくつかの実施形態では、炭素を直接利用して金属酸化物を還元することができ、例えば、金属酸化物を炭素と反応させて、金属（又は金属の還元度の低い形態）及び一酸化炭素又は二酸化炭素を生成することができる。代替的に又は追加的に、炭素を追加の一酸化炭素に変換し、続いて追加の一酸化炭素を金属酸化物と反応させることによって、炭素を間接的に利用して金属酸化物を還元することができる。

いくつかの実施形態は、木材をバイオカーボンに熱分解し、ペレットへの選鉱後に、還元剤としてのバイオカーボンを粉末鉄鉱石（又は他の金属鉱石）と混合し、水素及びＣＯが多い熱分解からのオフガスを使用して、ペレットを元素鉄に還元する、プロセスに基づく。（本明細書に記載されるような）バイオマスの熱分解のための高温及び中程度の滞留時間は、ペレットとブレンドするのに好適な高固定炭素生成物をもたらし、大量のＣＯ及びＨ_２を有するガス流をもたらす。いくつかの実施形態は、熱分解のための熱を創出するバーナーからガスを迂回させて、還元反応のためにメタン及び他の炭化水素をより多くのＣＯ及びＨ_２を含むガスに変換する。

いくつかの実施形態は、金属酸化物及び生体炭素を含むペレット／ブリケットの製造を前提とする。これらのペレット／ブリケットは、金属鉱石炉内又は金属鉱石炉の上流で、金属酸化物から酸素を除去するために熱分解オフガス中で処理することができる。

本明細書では、金属鉱石を還元するためのプロセスが開示される。図１は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
金属酸化物を化学的に還元することであって、熱分解オフガスを使用して達成される、還元することと、を含むことができる。

図１は、生体試薬１０４を利用する金属鉱石１０８を還元するためのプロセス１００を示す。バイオマス原料１０１は、熱分解反応器１０３に供給される。バイオマス原料１０１は、熱１０２の存在下で、本明細書において以下に更に詳述される条件下で熱分解される。バイオマス原料１０１の熱分解は、生体試薬１０４及び熱分解オフガス１０６を生成する。炭素を含む生体試薬１０４及び金属鉱石１０８は、炭素金属鉱石混合ユニット１０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物１１２を製造する。添加剤１０９を炭素金属鉱石混合ユニット１０７に添加して、生体試薬１０４と金属鉱石１０８とを合わせることができる。ペレットが利用される場合、炭素金属鉱石混合ユニット１０７の生成物は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット１１０に導入することができ、それによって、炭素金属鉱石ペレットを生成する。添加剤１１１は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット１１０に添加して、炭素金属鉱石ペレットに組み込むことができる。ペレットの形態にあることができ、ペレットが炭素金属鉱石ペレット化ユニット１１０を使用して製造された炭素金属鉱石粒子状物１１２、及び熱分解反応器１０３からの熱分解オフガス１０６は、化学還元反応器１１３に導入される。化学還元反応器１１３では、炭素金属鉱石粒子状物１１２の金属鉱石１０８中に存在する金属酸化物が還元される。生体試薬１０４は、注入炭素１０５として化学還元反応器１１３に導入することができる。Ｏ_２又は空気１１４も、化学還元反応器１１３に導入することができる。化学還元反応器１１３における化学還元反応は、金属生成物１１６及び還元オフガス１１５を製造する。

本明細書では、金属鉱石を還元するための更なるプロセスが開示される。図２は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、炭化水素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガス及び熱を生成することと、
金属酸化物を化学的に還元することであって、熱分解オフガスを部分的に酸化することから生成された還元ガスを使用して達成される、還元することと、を含むことができ、
熱分解は、熱分解オフガスを部分的に酸化することから生成された熱を使用して達成される。

図２は、生体試薬２０４を利用する金属鉱石２０８を還元するためのプロセス２００を示す。バイオマス原料２０１は、熱分解反応器２０３に供給される。バイオマス原料２０１は、熱２０２の存在下で、本明細書において以下に更に詳述される条件下で熱分解される。バイオマス原料２０１の熱分解は、生体試薬２０４及び熱分解オフガス２０６を生成する。炭素を含む生体試薬２０４及び金属鉱石２０８は、炭素金属鉱石混合ユニット２０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物２１２を製造する。添加剤２０９を炭素金属鉱石混合ユニット２０７に添加して、生体試薬２０４と金属鉱石２０８とを合わせることができる。ペレットが利用される場合、炭素金属鉱石混合ユニット２０７の生成物は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット２１０に導入することができ、それによって、化学還元反応器２１３に導入される炭素金属鉱石粒子状物２１２がペレットの形態にあるように、炭素金属鉱石ペレットを生成する。添加剤２１１は、炭素金属ペレット化ユニット２１０に添加して、炭素金属鉱石ペレットに組み込むことができる。炭素金属鉱石粒子状物２１２は、化学還元反応器２１３に導入される。熱分解反応器２０３からの熱分解オフガス２０６は、部分酸化２１７を受け、その間にＯ_２又は空気２１８が導入される。オフガス部分酸化からの熱２２０は、熱分解反応器２０３における熱分解のために導入される。オフガス部分酸化２１７からの生成物還元ガス２１９は、化学還元反応器２１３に導入される。Ｏ_２又は空気２１４も、化学還元反応器２１３に導入することができる。生体試薬２０４は、炭素金属混合ユニット２０７をバイパスし、注入炭素２０５として化学還元反応器２１３に導入することができる。Ｏ_２又は空気２１４も、化学還元反応器２１３に導入することができる。化学還元反応器２１３における化学還元は、金属生成物２１６及び還元オフガス２１５を製造する。

化学還元は、軽質炭化水素のガス化、水蒸気改質、又は部分酸化２１７から得られる還元ガスを同時利用することができる。化学還元は、化学還元反応器２１３中で生じ、高炉、直接還元金属炉、平炉、又は別のタイプの炉などの金属鉱石炉中で行うことができる。代替的に又は追加的に、化学還元は、金属鉱石炉の上流で行うことができる。いくつかの実施形態では、化学還元は、注入された炭素２０５の燃焼又は部分酸化２１７によって製造される内部熱を利用する。そのような実施形態では、化学還元は、注入された炭素２０５の燃焼又は部分酸化２１７によって別々に製造される外部熱を利用する。

プロセスは、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、又はそれ自体が金属鉱石処理プラントに共同設置されている金属鉱山に共同設置することができる。

本明細書では、金属鉱石を還元するための更なるプロセスが開示される。図３は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
生体試薬のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から還元ガスを生成することと、
金属酸化物を化学的に還元することであって、還元ガスを使用して達成される、還元することと、を含むことができる。

図３は、生体試薬３０４を利用する金属鉱石３０８を還元するためのプロセス３００の説明を提供する。バイオマス原料３０１は、熱分解反応器３０３に導入され、熱分解は、任意選択の外部熱３０２とともに、熱分解オフガス３０６及び生体試薬３０４を製造する。炭素を含む生体試薬３０４及び金属鉱石３０８は、炭素金属鉱石混合ユニット３０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物３１２を製造する。添加剤３０９を炭素金属鉱石混合ユニット３０７に添加して、生体試薬３０４及び金属鉱石３０８と組み込むことができる。ペレットが利用される場合、化学還元反応器３１３に導入される炭素金属鉱石粒子状物３１２がペレットの形態にあるように、炭素金属鉱石混合ユニット３０７の生成物を炭素金属鉱石ペレット化ユニット３１０に導入することができる。添加剤３１１を炭素金属鉱石ペレット化ユニットに導入して、ペレット生成物に組み込むこともできる。炭素金属鉱石粒子状物３１２及び還元ガス３１９は、化学還元反応器３１３に供給され、そこから金属生成物３１６及び還元オフガス３１５が製造される。Ｏ_２又は空気３１４も、化学還元反応器３１３に導入することができる。

化学還元反応器３１３における化学還元は、熱分解反応器３０３における熱分解の間に得られる生体試薬３０４中に存在する軽質炭化水素などの軽質炭化水素のガス化、水蒸気改質、又は部分酸化３１７から得られる第２の還元ガスを同時利用することができる。熱分解反応器３０３からの生体試薬３０４は、Ｏ_２又は空気３１８の導入を伴う炭素部分酸化３１７に関与する。還元ガス３１９は、化学還元反応器３１３に導入される。生体試薬３０４は、炭素金属鉱石混合ユニット３０７をバイパスし、注入炭素３０５として化学還元反応器３１３に導入することができる。

化学還元は、化学還元反応器２１３中で生じ、高炉、直接還元金属炉、平炉、又は別のタイプの炉などの金属鉱石炉中で行うことができる。代替的に又は追加的に、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行うことができる。

プロセスは、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、又はそれ自体が金属鉱石処理プラントに共同設置されている金属鉱山に共同設置することができる。

本明細書では、金属鉱石を処理するためのプロセスが開示される。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、粒子状物形態にあり、金属鉱石が、金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせを含む、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせから元素金属を化学的に製造することであって、熱分解オフガスを使用して達成される、製造することと、を含むことができる。

プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含むことができる。

化学還元は、熱分解オフガスを直接利用することができる。化学還元は、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して金属酸化物、金属硫化物、金属水素化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物、金属リン化物、又はそれらの組み合わせから元素金属を化学的に製造することによって、熱分解オフガスを間接的に利用することができる。

金属酸化物以外の金属含有種が金属又は他の金属含有種に変換される場合、温度、圧力、反応時間、及び反応物の組成のプロセス条件は、所望の化学反応を実現するように設計される必要がある。例えば、金属水素化物の場合、対応する金属に加えて二酸化炭素、水、又はメタンへの変換を達成することができる。典型的には、任意の金属鉱石は、少なくとも金属酸化物を有し、金属酸化物の還元を目的とするプロセス条件は、他の形態の金属を変換するのに有効であり得る。代替的に又は追加的に、金属鉱石がかなりの量の他の形態の金属（例えば、金属硫化物）を含む場合、追加の反応ステップを用いることができる。当業者は、日常的な実験を使用して、本開示の教示を使用して反応条件を推定することができるであろう。

いくつかの実施形態では、化学還元は、生体試薬又はその一部のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。例えば、熱分解中に得られる重質炭化水素は、還元ガスの少なくとも一部に変換することができる。

化学還元は、熱分解オフガスの一部として熱分解中に得られる軽質炭化水素などの軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用することができる。

化学還元は、高炉、直接還元金属炉、平炉、又は別のタイプの炉などの金属鉱石炉中で行うことができる。代替的に又は追加的に、化学還元は、金属鉱石炉の上流で行うことができる。

プロセスは、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、又はそれ自体が金属鉱石処理プラントに共同設置されている金属鉱山に共同設置することができる。

本明細書では、炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセスが開示される。図４は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、を含むことができる。

図４は、生体試薬４０４を利用する炭素金属鉱石ペレット４２０を製造するためのプロセス４００の説明を提供する。バイオマス原料４０１は、熱分解反応器４０３に導入され、外部熱４０２による熱分解が、熱分解オフガス４０６及び生体試薬４０４を製造する。炭素を含む生体試薬４０４及び金属鉱石４０８は、炭素金属鉱石混合ユニット４０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物を製造する。添加剤４０９を炭素金属鉱石混合ユニット４０７に添加して、生体試薬４０４及び金属鉱石４０８と組み込むことができる。炭素金属鉱石混合ユニット４０７によって製造された炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット４１０に導入される。炭素金属鉱石ペレット化ユニット４１０から、炭素金属鉱石ペレット４２０が製造される。添加剤４１１は、炭素金属鉱石ペレット化ユニットに導入して、炭素金属鉱石ペレット４２０に組み込むこともできる。

本明細書では、炭素金属鉱石ペレットを製造するための更なるプロセスが開示される。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、を含むことができ、
生体試薬は、少なくとも約５０重量％の固定炭素を含み、
炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の総炭素を含む。

本明細書では、金属ナゲットを製造するためのプロセスが開示される。図５は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属ナゲットを生成することであって、化学的に還元することが、熱分解オフガスを使用して達成される、生成することと、
金属ナゲットを回収することであって、金属ナゲットが、金属酸化物の還元形態である金属を含み、金属ナゲットが、金属及び炭素から本質的になる、回収することと、を含むことができる。

図５は、生体試薬５０４を利用する金属ナゲット５２１を製造するためのプロセス５００を示す。バイオマス原料５０１は、熱分解反応器５０３に供給される。バイオマス原料５０１は、熱５０２の存在下で、本明細書において以下に更に詳述される条件下で熱分解される。バイオマス原料５０１の熱分解は、生体試薬５０４及び熱分解オフガス５０６を生成する。炭素を含む生体試薬５０４及び金属鉱石５０８は、炭素金属鉱石混合ユニット５０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物を製造する。添加剤５０９を炭素金属鉱石混合ユニット５０７に添加して、生体試薬５０４と金属鉱石５０８とを合わせることができる。炭素金属鉱石混合ユニット５０７によって製造された炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット５１０に導入され、それによって炭素金属鉱石ペレット５１２が生成される。添加剤５１１は、炭素金属鉱石ペレット化ユニット５１０に添加して、炭素金属鉱石ペレット５１２に組み込むことができる。熱分解反応器５０３からの炭素金属鉱石ペレット５１２及び熱分解オフガス５０６は、化学還元反応器５１３に導入される。化学還元反応器５１３では、炭素金属鉱石ペレット５１２の金属鉱石５０８中に存在する金属酸化物が還元される。生体試薬５０４は、注入炭素５０５として化学還元反応器５１３に導入することができる。Ｏ_２又は空気５１４も、化学還元反応器５１３に導入することができる。化学還元反応器５１３における化学還元反応は、金属ナゲット５２１及び還元オフガス５１５を製造する。

本明細書では、金属鉱石から金属を製造するためのプロセスが開示される。図６は、そのようなプロセスの例示的な図を提供する。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
炭素金属鉱石ペレットを化学還元炉に導入することと、
炭素金属鉱石粒子状物内に含まれる炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素を生成することであって、酸化が、空気又は酸素を化学還元炉に導入することによって達成される、生成することと、
化学還元炉内で、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属を生成することであって、化学的に還元することが、一酸化炭素を使用して達成される、生成することと、
金属を回収することと、を含むことができる。

図６は、生体試薬６０４を利用する金属鉱石６０８から金属６２５を製造するためのプロセス６００を示す。バイオマス原料６０１は、熱分解反応器６０３に供給される。バイオマス原料６０１は、熱６０２の存在下で、本明細書において以下に更に詳述される条件下で熱分解される。バイオマス原料５０１の熱分解は、生体試薬６０４及び熱分解オフガス６０６を生成する。炭素を含む生体試薬６０４及び金属鉱石６０８は、炭素金属鉱石混合ユニット６０７に供給されて、炭素金属鉱石粒子状物を製造する。添加剤６０９を炭素金属鉱石混合ユニット６０７に添加して、生体試薬６０４と金属鉱石６０８とを合わせることができる。炭素金属鉱石混合ユニット６０７によって製造された炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石ブリケット化ユニット６２２に導入され、それによって炭素金属鉱石ブリケット６２４が生成される。添加剤６２３を炭素金属鉱石ブリケット化ユニット６２２に添加して、炭素金属鉱石ブリケット６２４に組み込むことができる。炭素金属鉱石ブリケット６２４は、化学還元反応器６１３に導入される。熱分解反応器６０３からの熱分解オフガス６０６は、化学還元反応器６１３に導入することができる。化学還元反応器６１３において、炭素金属鉱石ブリケット６２４の金属鉱石６０８中に存在する金属酸化物が還元される。生体試薬６０４は、注入炭素６０５として化学還元反応器６１３に導入することができる。Ｏ_２又は空気６１４も、化学還元反応器６１３に導入することができる。化学還元反応器６１３における化学還元反応は、金属６２５、スラグ６２６、及び還元オフガス６１５を製造する。

いくつかの実施形態では、生体試薬の一部は、化学還元炉に直接共供給される。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、炭素金属鉱石粒子状物に加えて、又は生体試薬に加えて、化学還元炉に導入することができる。例えば、それがペレットとともに同時供給される実施形態である。

本明細書では、金属鉱石から金属を製造するための更なるプロセスが開示される。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が炭素を含み、熱分解オフガスが、一酸化炭素又は水素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石粒子状物を化学還元炉に導入することと、
炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素又は二酸化炭素を生成することであって、酸化が、化学還元炉に空気又は酸素を導入することによって達成される、生成することと、
化学還元炉内で、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属を生成することであって、化学的に還元することが、一酸化炭素を使用して達成される、生成することと、
金属を回収することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物を生成した後、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含む。そのような実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、化学還元炉に導入される。

いくつかの実施形態では、プロセスは、生体試薬又はその一部を化学還元炉に導入することを更に含む。

化学還元炉中で酸化される炭素は、炭素金属－鉱石粒子状物内に含まれ得るか、又は化学還元炉中で酸化される炭素は、生体試薬内に含まれ得る。

いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解オフガス又はその一部を化学還元炉に導入することを更に含む。

金属酸化物の化学還元を達成するために使用される一酸化炭素は、生体試薬の酸化の生成物であり得るか、炭素金属鉱石粒子状物内に含まれる炭素の酸化の生成物であり得るか、又は熱分解オフガス内に含まれ得る。

本明細書では、金属鉱石から金属を製造するための更なるプロセスが開示される。プロセスは、
バイオマス原料を提供することと、
バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、生体試薬が、炭素を含み、熱分解オフガスが、水素を含む、生成することと、
金属鉱石を得ることであって、金属鉱石が、金属酸化物を含み、金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
炭素を金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
炭素金属鉱石ペレットを化学還元炉に導入することと、
炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素又は二酸化炭素を生成することであって、酸化が、化学還元炉に空気又は酸素を導入することによって達成される、生成することと、
化学還元炉内で、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属を生成することであって、化学的に還元することが、一酸化炭素を使用して、又は水素を使用して達成される、生成することと、
金属を回収することと、を含むことができる。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物を生成した後、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを更に含む。そのような実施形態では、炭素金属鉱石ペレットを化学還元炉に導入することができる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、生体試薬又はその一部を化学還元炉に導入することを更に含む。

化学還元炉中で酸化される炭素は、炭素金属－鉱石粒子状物内に含まれ得るか、又は化学還元炉中で酸化される炭素は、生体試薬内に含まれ得る。

いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解オフガス又はその一部を化学還元炉に導入することを更に含む。

金属酸化物の化学還元を達成するために使用することができる一酸化炭素は、生体試薬の酸化の生成物であってもよく、又は炭素金属鉱石粒子状物内に含まれる炭素の酸化の生成物であってもよい。金属酸化物の化学還元を達成するために使用され得る水素は、熱分解オフガス内に含まれ得る。

プロセスパラメータ
この節で提供されるプロセスパラメータは、本明細書に記載されるプロセス、例えば、金属鉱石を還元するためのプロセス、金属鉱石を処理するためのプロセス、炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセス、金属ナゲットを製造するためのプロセス、及び金属鉱石から金属を製造するためのプロセス、に適用される。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、生体試薬又はその一部のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。還元ガスは、ＣＯ及びＨ_２のうちの少なくとも１つを含むことができ、典型的には、ＣＯ及びＨ_２の両方である合成ガスを含む。ＣＨ_４、ＣＯ_２、及びＨ_２Ｏなどの他の成分が還元ガス中に存在してもよい。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。

化学的に還元することは、高炉、直接還元金属炉、平炉、又は別のタイプの炉などの金属鉱石炉中で行うことができる。代替的に又は追加的に、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行うことができる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。これら又は他の実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用することができる。

プロセスは、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、又はそれ自体が金属鉱石処理プラントに共同設置されている金属鉱山に共同設置することができる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することを含む。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、炭素金属鉱石ペレット内に含まれる。

いくつかの実施形態では、バイオマス原料は、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築若しくは解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせである。

本明細書の熱分解ステップによって製造される生体試薬は、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の総炭素を含むことができる。様々な実施形態では、生体試薬は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、若しくは９９重量％の総炭素を含む。総炭素は、揮発性物質中に存在する固定炭素と非固定炭素との和である。いくつかの実施形態では、成分の重量百分率は、絶対基準であり、これは特に明記しない限り仮定される。他の実施形態では、成分重量百分率は、無水及び無灰基準である。

熱分解ステップによって製造される生体試薬は、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の総炭素を含むことができる。様々な実施形態では、生体試薬は、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、又は９９重量％の総炭素を含み、介在範囲（例えば、約７０～約９９重量％の総炭素）を含む。

熱分解において製造される生体試薬は、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の固定炭素を含むことができる。様々な実施形態では、生体試薬は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、若しくは９９重量％の固定炭素を含有し、介在範囲を含む（例えば、約７０～約９９重量％の固定炭素）を含む。

生体試薬内に含まれる炭素は、例えば、少なくとも約５０重量％、少なくとも約７５重量％、又は少なくとも約９０重量％の固定炭素であり得、炭素の残りは揮発性炭素である。様々な実施形態では、炭素は、約、少なくとも約、又は多くとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９、若しくは１００重量％の固定炭素を含有し、介在範囲（例えば、約７０～約９９重量％の固定炭素）を含む。

熱分解の条件は、生体試薬及び熱分解オフガスの所望の組成、出発原料、金属酸化物のタイプ、反応器構成、及び本明細書に記載される他の要因に応じて変動し得る。熱分解温度は、重要なパラメータであり、制御されるべきである。一般的に言えば、より高い熱分解温度、例えば、約６００℃～約８５０℃は、熱分解オフガス中により多くの水素を生成し、生体試薬中により少ない水素を残す。これは、金属酸化物の還元（言い換えれば、酸素の除去）のためにオフガス中の水素を利用する実施形態では有利であり得る。より低い熱分解温度、例えば、約４００℃～約６００℃は、生体試薬中により多くの水素を残し、したがって、オフガス中の水素は、より少ない。これは、金属酸化物の還元のために生体試薬中の水素を利用する、自己還元ペレット又は金属還元炉への生体炭素の注入などの特定の実施形態では有利であり得る。いずれのシナリオにおいても、水素は、金属酸化物還元のために利用することができ、これは、それが直接的なＣＯ_２生成を回避し、それによって炭素強度の低減により環境フットプリントを改善することから望ましい。

いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態では、金属鉱石は、鉄鉱石、例えば、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される鉄鉱石である。

金属鉱石は、選鉱された金属鉱石、言い換えれば、１つ以上の選鉱ユニットで処理された金属鉱石であり得る。

いくつかの実施形態では、粒子状物形態は、金属鉱石の粉末状形態である。

炭素金属鉱石粒子状物は、炭素金属鉱石微粉（例えば、粉末）、炭素金属鉱石塊、又は別のタイプの粒子状物であり得る。ペレットが生成される場合、多種多様なペレット形状を製造することができる。ペレットの形状は、球形又はほぼ球形に限定されない。ペレット形状は、球状（円形又はボール形状）、立方体（正方形）、八角形、六角形、ハニカム／蜂の巣形状、楕円形、卵形状、円柱形状、棒形状、パン形状、枕形状、ランダム、又はそれらの組み合わせであり得る。

炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素、例えば少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含むことができる。典型的な高炉に関連して用いられるものなどの特定の実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、少なくとも約３重量％～多くとも約６重量％の炭素を含む。

特定の実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になる。

炭素金属鉱石ペレットは、結合剤などの添加剤を含むことができる。結合剤は、無機ベントナイト粘土、石灰石、デンプン、セルロース、リグニン、又はアクリルアミドを含むことができる。リグニンが結合剤として（又は一般的な添加剤として）使用される場合、リグニンは、熱分解プロセスにおいて使用されるのと同じバイオマス原料から得ることができる。例えば、出発バイオマス原料をリグニン抽出ステップに供して、結合剤として使用するためにある量のリグニンを除去することができる。次いで、残りの固体を熱分解プロセスに供給することができる。

添加剤は、無機塩化物、無機フッ化物、又は石灰などの融剤を含むことができる。

いくつかの実施形態では、添加剤は、酸、塩基、又はそれらの塩若しくは誘導体である。いくつかの実施形態では、添加剤は、金属、金属酸化物、金属水酸化物、金属ハロゲン化物、又はそれらの組み合わせ若しくは誘導体である。添加剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、ハロゲン化鉄、塩化鉄、臭化鉄、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、フルオロスパー、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせ若しくは誘導体であり得る。

添加剤は、プロセスの任意の１つ以上のステップの前、最中、又は後に添加することができ、これには、収穫される前後の任意の時点で原料自体に添加することが含まれる。プロセス中にいつ添加剤が組み込まれるかは、所望の生成物に依存する。例えば、誘導体は、添加剤と原料との熱分解生成物であってもよく、この場合、添加剤は、熱分解の前又は間に添加される。そのような実施形態では、誘導体は、添加剤である。添加剤が熱分解中に原料と実質的に反応しない実施形態がある。

化学的に還元することにおいて、金属酸化物を化学的に還元するために熱分解オフガスを「利用する」ことは、ＣＯ、Ｈ_２、又はＣＯ及びＨ_２の両方が、金属酸化物（例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４）を対応する金属（例えば、Ｆｅ）又はより還元されていない金属酸化物（例えば、ＦｅＯは、Ｆｅ_２Ｏ_３よりも還元されていない）に還元する化学反応において、金属酸化物と化学的に反応することを示す。熱分解オフガスを利用して金属酸化物を化学的に還元することは、熱分解オフガス内に含有される顕熱の少なくとも一部を利用して、熱力学的に、速度論的に、又はその両方にかかわらず、吸熱反応を起こす又は可能にすることも指すことができる。熱分解オフガスは、熱を必要とする吸熱反応に有用である。理論に束縛されるものではないが、高温オフガスは、炉又は反応器に注入する前に別の流れと熱交換することができ、この場合、ＣＯ又はＨ_２が化学的に利用されるが、反応熱は、熱分解オフガスとは異なる供給源から得ることができる。いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、たとえ高温であっても、オフガスが注入される炉の反応ゾーンよりも低い温度である。そのような実施形態では、オフガスは、熱を提供するのではなく、実際にそれ自体が加熱されているとみなすことができ、炉の内容物は、従来の手法と比較して比較的低い全体的なエネルギー使用量で吸熱の化学反応が依然として有利であるように、冷却ガス注入で起こるほど冷却されない。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、熱分解オフガスの少なくとも一部を直接利用する。代替的に又は追加的に、化学的に還元することは、最初に熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで還元ガスを利用して、炭素金属鉱石粒子状物又は炭素金属鉱石ペレット内に含まれ得る金属酸化物を化学的に還元することによって、熱分解オフガスを間接的に利用することができる。

いくつかの実施形態では、熱分解オフガスの完全酸化（燃焼）ではなく部分酸化から熱が生成され、それによって、主にＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含む燃焼ガスではなく、ＣＯ又はＨ_２を含む還元ガスが製造される。熱は、熱分解の温度を上昇させるために、又は他のプロセス用途のために使用することができる。完全酸化に対して部分酸化ではより少ない熱が生成されるが、より多くの還元ガスが生成され、これは化学的に還元することに有用である。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、生体試薬又はその一部のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。還元ガスは、ＣＯ及びＨ_２のうちの少なくとも１つを含むことができ、典型的には、ＣＯ及びＨ_２の両方である合成ガスを含む。ＣＨ_４、ＣＯ_２、及びＨ_２Ｏなどの他の成分が還元ガス中に存在してもよい。

いくつかの実施形態では、生体試薬又はその一部は、熱分解中に得られた重質炭化水素を含み、重質炭化水素は、還元ガスの少なくとも一部に変換される。重質炭化水素は、熱分解オフガス又は生体試薬中に残存する揮発性炭素に由来し得る。重質炭化水素は、少なくとも５個の炭素原子を有する炭化水素（例えば、ｎ－ヘキサン又はトルエン）を含むことができる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する。軽質炭化水素は、熱分解オフガスに由来し得、言い換えれば、熱分解中に得ることができる。代替的に又は追加的に、軽質炭化水素は、熱分解反応器を加熱する燃焼室への供給物から分流することができる。軽質炭化水素は、１～４個の炭素原子を有する炭化水素（例えば、メタン又はｎ－ブタン）を含むことができる。

熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の水素、例えば少なくとも１０モル％の水素を含むことができる。熱分解オフガスは、少なくとも１モル％の一酸化炭素、例えば少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含むことができる。

還元ガスは、少なくとも１０モル％の水素、例えば少なくとも１５モル％、２０モル％、２５モル％、３０モル％、３５モル％、４０モル％、４５モル％、又は５０モル％の水素を含むことができる。還元ガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素、例えば少なくとも１５モル％、２０モル％、２５モル％、３０モル％、３５モル％、４０モル％、４５モル％、又は５０モル％の一酸化炭素を含むことができる。

化学的に還元することは、高炉、直接還元金属炉、平炉、又は別のタイプの炉などの金属鉱石炉中で行うことができる。代替的に又は追加的に、化学的に還元することは、金属鉱石炉の上流で行うことができる。

いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する。これら又は他の実施形態では、化学的に還元することは、炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用することができる。

プロセスは、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、又はそれ自体が金属鉱石処理プラントに共同設置されている金属鉱山に共同設置することができる。

いくつかの実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、同じ場所で行われる。他の実施形態では、熱分解及び化学的に還元することは、異なる場所で行われる。

金属鉱石炉又は化学還元炉を利用する実施形態
金属鉱石炉又は化学還元炉は、溶鉱炉、炉頂ガス再循環溶鉱炉、シャフト炉、反射炉（空気炉としても既知）、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、オースメルト炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パドリング炉、ボギー炉床炉、連続チェーン炉、プッシャー炉、回転炉床炉、ウォーキングビーム炉、電気アーク炉、誘導炉、塩基性酸素炉、パドリング炉、ベッセマー炉、直接還元炉、又はそれらの組み合わせであり得る。

金属鉱石炉又は化学還元炉は、水平に、垂直に、又は傾斜して配置することができる。固体又は流体（又は液体若しくは気体）の流れは、並流又は向流であり得る。炉内の固体は、固定床又は流動床であり得る。金属鉱石炉又は化学還元炉は、温度、圧力、及び滞留時間の種々のプロセス条件で操作することができる。

いくつかの実施形態は、高炉を利用する。高炉は、鉄又は銅などの工業用金属を製造するための製錬に使用される冶金炉の一種である。高炉は、鉄鉱石を製錬して、商業用の鉄及び鋼の製造に使用される中間材料である銑鉄を製造する際に利用される。高炉はまた、例えば卑金属製錬において焼結プラントと組み合わせて使用される。

「高炉」における「ブラスト」という用語は、燃焼空気が大気圧を超えて強制又は供給されることを指す。高炉では、金属鉱石、炭素（例えば、生体試薬）、及び通常はフラックス（例えば、石灰石）が、炉の頂部を通して連続的に供給される一方で、空気の熱風（酸素富化を伴い得る）が、羽口と呼ばれる一連のパイプを通して炉の下部に吹き込む。化学還元反応は、材料が下方に落下する際に炉全体にわたって起こる。最終生成物は、通常、底部から取り出される溶融金属及びスラグ相、並びに炉の頂部から出る廃ガス（還元オフガス）である。高温のＣＯリッチガスの上昇流と向流接触するフラックスに沿った金属鉱石の下降流は、金属鉱石を金属に還元する効率的な化学反応を可能にする。

空気炉（反射炉など）は、通常、煙突煙道における高温ガスの対流によって自然に吸引される。この広い定義によれば、鉄のための塊鉄炉、スズのための吹き込みハウス、及び鉛のための製錬工場は、溶鉱炉として分類される。

高炉は、現代の鉄製造の重要な部分のままである。現代の炉は、非常に効率的であり、煙道ガスからの廃熱を伴って入ってくるブラスト空気を予熱するカウパーストーブ、及び炉を出る高温ガスから熱を抽出する回収システムを含む。高炉は、典型的には、耐火レンガで裏打ちされた背の高い構造の形態で構築され、供給材料がその下降中に加熱されるにつれて膨張し、その後、溶融が生じ始めるにつれてサイズを縮小させるような外形にされる。

鉄製造に関するいくつかの実施形態では、再生可能な炭素、鉄鉱石（酸化鉄）、及び石灰石フラックスを含む生体試薬が、高炉の頂部に装入される。高炉は、一酸化炭素含有量が高い高温の汚れたガスを炉スロートから出させるように構成することができ、一方、ブリーダー弁は、突然のガス圧力サージから炉の頂部を保護することができる。排気ガス中の粗い粒子は、沈降し、処分することができ、一方、ガスは、ベンチュリスクラバー又は静電集塵器又はガス冷却器を通って流れて、浄化されたガスの温度を下げることができる。炉の底部にある鋳造室は、液体鉄及びスラグを鋳造するための設備を収容する。液体鉄及びスラグが開口部を通って樋を流下し、鉄とスラグとを分離するように、出銑孔を耐火性プラグに穿孔することができる。銑鉄及びスラグが出銑されると、出銑孔は、耐火粘土で塞ぐことができる。羽口と呼ばれるノズルは、高炉の効率を高めるために熱風を供給するために使用される。熱風は、基部近くの冷却された羽口を通して炉内に方向付けられる。熱風温度は、例えば、少なくとも約９００℃～多くとも約１３００℃（空気温度）であり得る。高炉内の温度は、少なくとも約２０００℃であり得る。他の炭素質材料又は酸素を羽口レベルで炉に注入して、炭素（生体試薬から）と結合させて、追加のエネルギーを放出し、存在する還元ガスの百分率を増加させることもでき、これは生産性を増加させる。

高炉は、金属鉱石（例えば、鉄鉱石）中の酸素に対して対応する金属よりも強い親和性を有する一酸化炭素が金属をその元素形態に還元する化学還元の原理に基づいて動作する。溶鉱炉は、塊鉄炉及び反射炉とは異なり、溶鉱炉では、煙道ガスが鉱石及び金属と直接接触し、一酸化炭素を鉱石中に拡散させ、金属酸化物を炭素と混合された元素金属に還元させる。高炉は、通常、連続向流交換プロセスとして動作する。

シリカは、通常、銑鉄から除去される。シリカは、酸化カルシウムと反応してケイ酸塩を形成し、これがスラグとして溶融銑鉄の表面に浮遊する。金属鉱石、フラックス、炭素、及び反応生成物の下方移動カラムは、煙道ガスが通過するのに十分な多孔性でなければならない。これは、生体試薬炭素が透過性であるのに十分な大きさの粒子であることを必要とする。したがって、生体試薬（添加剤を含むことができる）は、その上の材料の重量によって破砕されないように十分に強くなければならない。炭素は、硫黄、リン、及び灰が少ないことに加えて、物理的に強い。

高炉の化学反応
多くの化学反応が高炉中で起こる。化学反応は、出発金属酸化物としてヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を参照して理解することができる。酸化鉄のこの形態は、初期原料において、又は高炉内で製造されたままのいずれかにおいて、鉄鉱石処理において一般的である。他の形態の鉄鉱石（例えば、タコナイト）は、様々な濃度の異なる酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯなど）を有する。

高炉で溶融鉄を製造するための一般的な化学反応は、以下の吸熱反応である。
Ｆｅ_２Ｏ_３＋３ＣＯ→２Ｆｅ＋３ＣＯ_２

この反応は、多くのステップにわたって生じ、第１のステップは、炉に吹き込む予熱されたブラスト空気が（例えば、生体試薬からの）炭素と反応して一酸化炭素及び熱を製造することである。
２Ｃ＋Ｏ_２→２ＣＯ
高温の一酸化炭素は、鉄鉱石の還元剤であり、酸化鉄と反応して溶融鉄及び二酸化炭素を製造する。炉の異なる部分の温度（典型的には底部で最も高い）に応じて、鉄は、いくつかのステップで還元される。温度が通常２００～７００℃の範囲である頂部では、酸化鉄は、酸化鉄（ＩＩ、ＩＩＩ）、Ｆｅ_３Ｏ_４に部分的に還元される。
３Ｆｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ→２Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２
約８５０℃の温度で、炉の更に下方で、鉄（ＩＩ、ＩＩＩ）は、酸化鉄（ＩＩ）ＦｅＯ：に更に還元される。
Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ_２
高温の二酸化炭素、未反応の一酸化炭素、及び空気からの窒素は、新鮮な供給材料が反応ゾーンへと下方に移動するにつれて、炉を上方に通過する。材料が下方に移動するにつれて、向流ガスは、供給装入物を予熱するとともに石灰石（用いられる場合）を酸化カルシウムと二酸化炭素とに分解する。
ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２
分解によって形成された酸化カルシウムは、鉄中の様々な酸性不純物（特にシリカ）と反応して、主にケイ酸カルシウムＣａＳｉＯ_３であるスラグを形成する。
ＳｉＯ_２＋ＣａＯ→ＣａＳｉＯ_３
ＦｅＯが最大１２００℃の範囲のより高い温度の領域に移動するにつれて、ＦｅＯは、鉄金属に更に還元され、再び一酸化炭素が反応物として用いられる。
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ_２
このプロセスで形成された二酸化炭素は、逆ブードワ反応によって生体試薬と反応させることによって、一酸化炭素に変換し戻すことができる。
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ

上に示した化学反応では、一酸化炭素は、炭素酸化のインサイチュの生成物であるのではなく、代替的に又は追加的に、高炉に直接導入することができることに留意されたい。本開示によれば、ＣＯは、炉に導入される熱分解オフガスであり得る。熱分解オフガスは、逆ブードワ反応を介してより多くのＣＯを製造するＣＯ_２を含有することもできる。

従来の高炉では、金属酸化物の還元を引き起こすために利用可能な水素がない。本開示では、水素を含有する熱分解オフガスを高炉に注入することができる。代替的に又は追加的に、水素は、生体試薬が水素と関連する揮発性炭素（例えば、重質タール成分）を含有する場合、高炉に供給される生体試薬内で利用可能であり得る。水素は、上記のものと同様であるが、ＣＯをＨ_２で置き換える追加の還元反応を引き起こすことができる。
３Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２→２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ
Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２→３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ

これらの反応は、ＣＯによる還元反応と並行して生じる。水素はまた、逆水性ガスシフト反応において二酸化炭素と反応してより多くのＣＯを生成することができる。

高炉によって製造される「銑鉄」は、典型的には、約３～６重量％の比較的高い炭素含有量を有する。鋳鉄を作製するために銑鉄を使用することができる。高炉によって製造された銑鉄は、通常、炭素及び硫黄含有量を低減し、商業的に使用される様々なグレードの鋼を製造するために、更なる処理を受ける。塩基性酸素製鋼と呼ばれる更なるプロセスステップでは、炭素は、酸素を液体銑鉄に吹き付けることによって酸化されて、粗鋼を形成する。

脱硫は、従来、銑鉄に含有される硫化鉄と反応して硫化カルシウムを形成する酸化カルシウムを添加することによって、製鉄所への液体鉄の輸送中に実行される。いくつかの実施形態では、脱硫はまた、金属硫化物を（熱分解オフガスからの）ＣＯと反応させて、金属及び硫化カルボニル（ＣＳＯ）を形成することによって、炉内又は炉の下流で起こり得る。

他のタイプの炉は、他の化学反応を用いることができる。変換において炭素又は炭素含有ガス（ＣＯなど）を用いる、金属酸化物の金属への化学変換では、その炭素は、再生可能な炭素であり得ることが理解されるであろう。本開示は、バイオマスの熱分解を介して製造される生体試薬中の再生可能な炭素を提供する。特定の実施形態では、炉中で利用される一部の炭素は、再生可能な炭素ではない。様々な実施形態では、金属鉱石炉で消費される総炭素のうち、再生可能な炭素の百分率は、少なくとも約２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％、又は１００％であり得る。

いくつかの実施形態では、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、又はその変形が利用される。Ｔｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、元々、ブラジルのＴｅｃｎｏｒｅｄ Ｄｅｓｅｎｖｏｌｖｉｍｅｎｔｏ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｃｏ Ｓ．Ａ．によって開発され、冷間結合された、カーボン含有、自溶、及び自己還元ペレットを還元する低圧移動床還元炉に基づいている。還元は、低背型シャフト炉中で典型的な還元温度で実施される。プロセスは、高効率で溶銑（典型的には液体鉄）を製造する。

Ｔｅｃｎｏｒｅｄ技術は、コークスレス製鉄プロセスであるように開発され、したがって、溶銑の製造における温室ガス放出を大幅に低減することに加えて、環境に有害なコークス炉の投資及び操作を回避した。Ｔｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、高温ブラストと低温ブラストとの組み合わせを使用し、追加の酸素を必要としない。それは、コークスプラント、焼結プラント、及びトン数酸素プラントの必要性を排除する。したがって、このプロセスは、伝統的な製鉄ルートのものよりもはるかに低い操作コスト及び投資コストを有する。

本開示において、Ｔｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、様々な方法で生体試薬とともに使用するために適合させることができる。いくつかの実施形態は、鉄鉱石微粉又は鉄含有残留物に生体試薬を加えたものから製造される、冷間結合された自己還元凝集体（例えば、ペレット又はブリケット）を提供する。融剤及び結合剤と混合されたこれらの材料は、凝集され、熱的に硬化されて、Ｔｅｃｎｏｒｅｄプロセスの物理的及び冶金学的要求に十分な強度を有するブリケット／ペレットを製造する。次いで、製造された凝集物をＴｅｃｎｏｒｅｄ炉中で製錬する。Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉のための燃料は、それ自体が高炭素生体反応物であり得る。

ブリケット内で酸化鉄の粒子状物と還元剤とを合わせることによって、還元剤と接触する酸化物の表面積、したがって反応速度が劇的に増加する。自己還元ブリケットは、含有される鉄含有原料を完全に還元させるのに十分な還元剤を含有するように設計することができる。いくつかの実施形態では、フラックスを用いて所望のスラグ化学反応を提供する。自己還元ブリケットは、炉に供給する前に低温で硬化される。自己還元ブリケット内の反応を駆動するのに必要な熱は、ブリケットの形態でもあり得る固体燃料の床によって提供され、その上に自己還元ブリケットが炉内に供給される。

Ｔｅｃｎｏｒｅｄ加熱炉は、３つのゾーン：（ｉ）上部シャフトゾーン、（ｉｉ）溶融ゾーン、及び（ｉｉｉ）下部シャフトゾーンを有する。上部シャフトゾーンでは、固体燃料（生体試薬）が装入される。このゾーンでは、ブードワ反応（Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ）が防止され、エネルギーが節約される。炉のこのゾーンにおける後燃焼は、ＣＯを燃焼させ、これは、装入物の予熱及び還元のためのエネルギーを提供する。ペレット内部では、以下の反応が非常に速い速度で起こる。
Ｆｅ_ｘＯ_ｙ＋ｙＣＯ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ_２
ｙＣＯ_２＋ｙＣ＝２ｙＣＯ
（式中、ｘは１～典型的には５であり、ｙは１～典型的には７である）。

溶融ゾーンでは、装入物中の還元雰囲気によって、再酸化が防止される。装入物の溶融は、還元雰囲気下で起きる。下部シャフトゾーンでは、固体燃料が装入される。固体燃料は、高炭素生体試薬を含むか、又は本質的にそれからなることができる。このゾーンでは、残留酸化鉄の更なる還元、並びに脈石材料及び燃料灰のスラグ化反応が液体状態で起こる。また、金属及びスラグ小滴の過熱が起こる。これらの過熱された金属及びスラグの液滴は、重力によって炉の炉床に沈み、そこに蓄積する。

この改変されたＴｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、カーボンユニットの２つの異なる入力、すなわち還元剤及び固体燃料を用いる。還元剤は、従来、石炭微粉であるが、本開示では、還元剤は、炭素微粉の形態の生体試薬であるか、又はそれを含む。生体試薬は、自己還元性凝集体（ペレット又はブリケット）が製造される混合物に添加される。必要とされる炭素微粉の量は、Ｃ／Ｆ（炭素対鉱石微粉）比によって確立され、これは金属酸化物の完全な還元を達成するように選択することができる。

固体燃料（生体試薬）は、微粉の形態にある必要はない。例えば、固体燃料は、Ｔｅｃｎｏｒｅｄプロセスにおいて固体燃料から必要とされる物理的及び熱的欲求に対処するために、約４０～８０ｍｍのサイズなどの塊の形態にあり得る。固体燃料は、（上部シャフトにおける吸熱ブードワ反応を回避するために）サイド供給装置を通して装入され、プロセスによって要求されるエネルギーの大部分を提供する。このエネルギーは、一次ブラスト（Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２）及び二次ブラストによって形成され、炉床での固体燃料のガス化によって生成された上流ＣＯが燃焼される（２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２）。

特定の例示的な実施形態では、改変されたＴｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、１４０メッシュ未満のサイズを有する鉄鉱石微粉、２００メッシュ未満のサイズを有する生体反応物質微粉、及び１４０メッシュ未満のサイズの消石灰などのフラックスを、結合剤としてセメントを使用してペレット化することを含む。ペレットを硬化させ、２００℃で乾燥させた後、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ加熱炉の頂部に供給する。炉中の装入物の全滞留時間は、約３０～４０分である。４０ｍｍ～８０ｍｍの範囲のサイズの固体燃料の形態の生体試薬は、サイド供給装置を使用して高温ペレット領域の下の炉中に供給される。約１１５０℃の熱いブラスト空気が、炉の側面に配置された羽口を通して吹き込み、生体炭素のための燃焼空気を提供する。少量の炉ガスは、固体燃料の乾燥及び予熱に使用するために、サイド供給装置を通して流される。上部シャフトにおけるＣＯの後燃焼を促進するために、冷たいブラスト空気がより高い点で吹き込む。製造された溶銑は、取鍋台車上の取鍋に出銑され、この取鍋台車は、スラグ除去のために取鍋を傾けることができる。液体鉄は、取鍋中で脱硫することができ、スラグは、スラグポットにかき集めることができる。溶銑は、典型的には約３～５重量％の炭素を含有する。

従来、外部のＣＯ又はＨ_２は、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ加熱炉を使用する自己還元プロセスにおいて重要な役目を果たさない。しかしながら、本開示の文脈において、外部ＣＯ又はＨ_２（例えば、熱分解オフガスから）は、上記の反応（Ｆｅ_ｘＯ_ｙ＋ｙＣＯ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ_２）において、又は反応物としての水素との反応（Ｆｅ_ｘＯ_ｙ＋ｙＨ_２→ｘＦｅ＋ｙＨ_２Ｏ）において、酸化鉄の速度又は変換を増加させることによって、化学反応全体を支援することができまる。還元化学反応は、少なくともペレット又はブリケットの表面で、場合によってはペレット又はブリケットのバルク相内で補助することができるが、これは高温一酸化炭素の物質移動が速いためである。完全自己還元ペレット又はブリケットが望ましいいくつかの実施形態では、外部ＣＯ、Ｈ_２、又は合成ガスの導入はない。本開示のいくつかの実施形態は、溶鉱炉の態様をＴｅｃｎｏｒｅｄ炉の態様と合わせて、これによって炉内の熱分解オフガスの使用に加えて、自己還元ペレット又はブリケットが利用される。

前述したように、金属鉱石処理のための多数の可能な炉構成が存在する。本明細書は、全ての可能な炉で起こり得る様々な条件及び化学反応を詳細に説明しないが、本開示の原理は、金属鉱石から金属を作製するプロセスのどこかで炭素を使用する本質的に任意の炉又はプロセスに適用され得ることが、当業者によって理解される。

いくつかのプロセスは、固体炭素を利用し、いくつかのプロセスは、ガス状一酸化炭素を利用し、いくつかのプロセスは、固体炭素及びガス状一酸化炭素の両方を利用することも観察されるであろう。本明細書に記載されるように、本明細書で提供される熱分解プロセスは、固体炭素（生体試薬）及び少なくとも一酸化炭素を含有する熱分解オフガスの両方を製造する。いくつかの実施形態では、固体生体試薬のみが、金属鉱石変換プロセスにおいて用いられる。他の実施形態では、熱分解オフガスのみが金属鉱石変換プロセスにおいて用いられる。更に他の実施形態では、固体生体試薬及び熱分解オフガスの両方が、金属鉱石変換プロセスにおいて用いられる。再生可能な炭素の両方の供給源を用いるこれらの実施形態では、固体生体試薬からの金属鉱石変換における総炭素使用量の百分率は、約、少なくとも約、又は多くとも約５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、若しくは１００％であり得る。他の炭素使用量は、熱分解オフガスからであり得る。代替的に、他の炭素使用量の一部又は全部は、石炭微粉などの従来の炭素入力からのものであり得る。

プロセス、システム、及び方法の組成物
本明細書に開示されるプロセスに従って製造される組成物も本明細書に開示される。例えば、金属鉱石を還元するためのプロセス、金属鉱石を処理するためのプロセス、炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセス、金属ナゲットを製造するためのプロセス、及び金属鉱石から金属を製造するためのプロセス。

本明細書では、金属鉱石を還元するための組成物であって、組成物が、炭素金属鉱石粒子状物を含み、炭素金属鉱石粒子状物が、無水及び無灰基準で少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の固定炭素を含み、固定炭素が、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも５０％の再生可能な炭素である、組成物が開示される。

本明細書では、金属鉱石を還元するための追加の組成物であって、組成物が、炭素金属鉱石粒子状物を含み、炭素金属鉱石粒子状物が、無水及び無灰基準で少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の総炭素を含み、総炭素が、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも５０％の再生可能な炭素である、組成物が開示される。

いくつかの実施形態では、固定炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定は、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６を利用する。

金属鉱石は、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択することができる。例えば、金属鉱石は、鉄鉱石、例えば、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択されるものであり得る。特定の実施形態では、金属鉱石は、銅鉱石とニッケル鉱石との組み合わせである。

組成物は、例えば、微粉、塊、ペレット、ナゲット、又はそれらの組み合わせから選択される物体の形態にあり得る。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約０．５重量％～多くとも約２５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約１重量％～多くとも約１５重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約２重量％～多くとも約１０重量％の固定炭素を含む。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石粒子状物は、無水及び無灰基準で少なくとも約３重量％～多くとも約６重量％の固定炭素を含む。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される、少なくとも９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９、又は１００％の再生可能な炭素である。

いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、固定炭素及び金属鉱石から本質的になる。いくつかの実施形態では、炭素金属鉱石ペレットは、炭素及び金属鉱石から本質的になり、炭素は、固定炭素を含み、炭素は、揮発性炭素を含むこともできる。

炭素金属鉱石ペレットは、結合剤などの添加剤を含むことができる。結合剤は、無機ベントナイト粘土、石灰石、デンプン、リグニン、セルロース、アクリルアミド、又はそれらの組み合わせを含むことができる。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも約４００ｍ^２／ｇ、例えば少なくとも約８００ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を特徴とする。

いくつかの実施形態では、固定炭素は、少なくとも約０．５ｃｍ^３／ｇ、例えば少なくとも約１ｃｍ^３／ｇのメソ細孔容積を特徴とする。

熱分解プロセス及びシステム
バイオマス原料を熱分解して炭素を含む生体試薬を生成するのに好適なプロセス及びシステムを、ここで更に詳細に説明する。プロセス及びシステムは、金属鉱石採掘又は金属鉱石処理の現場に共同設置することができるが、本開示は、そのような共同設置に限定されない。

熱分解中に生じ得る例示的な変化としては、以下：（ｉ）熱源からの熱伝達が原料内部の温度を上昇させる；（ｉｉ）このより高い温度での一次熱分解反応の開始が、揮発性物質を放出し、チャーを形成する；（ｉｉｉ）より低温の固体に向かう高温揮発物の流れが、高温揮発物とより低温の未熱分解原料との間の熱伝達をもたらす；（ｉｖ）原料のより低温の部分における揮発性物質の一部の凝縮、それに続く二次反応が、タールを製造し得る；（ｖ）自己触媒二次熱分解反応は、一次熱分解反応が競合して同時に生じる間に進行する；かつ（ｖｉ）更なる熱分解、改質、水性ガスシフト反応、フリーラジカル再結合、又は脱水もまた生じ得る、のうちのいずれかが挙げられ、これらは滞留時間、温度、及び圧力プロファイルの関数である。

熱分解は、出発原料（例えば、リグノセルロース系バイオマス）を少なくとも部分的に脱水することができる。様々な実施形態では、熱分解は、出発原料から水の約５０％、７５％、９０％、９５％、９９％以上を除去する。

いくつかの実施形態では、多重反応器ゾーンは、原料変動及び生成物要件に対する柔軟性及び調節可能性を維持しながら、熱分解からの炭素収率及び生成物品質を最適化するように設計され、操作される。

いくつかの非限定的な実施形態では、温度及び滞留時間は、好ましくは、比較的遅い熱分解化学反応を達成するように選択される。利点は、バイオマス構造中に含有される細胞壁の実質的な保存である可能性があり、これは、最終生成物が出発バイオマスの形状及び強度の一部、大部分、又は全部を保持することができることを意味する。この潜在的な利益を最大化するために、細胞壁を機械的に破壊しないか、又はバイオマス粒子を小さな微粉に変換しない装置を利用することが好ましい。特定の反応器構成を、以下のプロセスの説明に従って考察する。

更に、原料が木材チップ又はペレットなどの粉砕又はサイズ決めされた原料である場合、原料を注意深く粉砕又はサイズ決めすることが望ましくなり得る。慎重な初期処理は、天然原料源（例えば、木）に存在する強度及び細胞壁完全性を保存する傾向がある。これはまた、最終生成物が出発バイオマスの形状及び強度の一部、大部分、又は全部を保持すべき場合に重要であり得る。

いくつかの実施形態では、熱分解反応器の第１のゾーンは、バイオマスに「衝撃」を与えない様式でバイオマス（又は別の炭素含有原料）を供給するように構成され、衝撃は、細胞壁を破裂させ、蒸気及びガスへの固相の高速分解を開始させる。この第１のゾーンは、穏やかな熱分解と考えることができる。

いくつかの実施形態では、熱分解反応器の第２のゾーンは、一次反応ゾーンとして構成され、予熱されたバイオマスは、ガス及び凝縮性蒸気を放出するために熱分解化学反応を受け、高炭素反応中間体であるかなりの量の固体材料を残す。バイオマス成分（主にセルロース、ヘミセルロース、及びリグニン）は、分解して蒸気を創出し、この蒸気は、細孔を貫通するか、又は新たなナノ細孔を創出することによって逃げる。後者の効果は、多孔性及び表面積の創出に寄与する。

いくつかの実施形態では、熱分解反応器の第３のゾーンは、高炭素反応中間体を受け取り、固体をある程度冷却するように構成される。典型的には、第３ゾーンは、第２ゾーンよりも低い温度である。第３のゾーンでは、化学反応及び物質移動は、驚くほど複雑であり得る。特定の理論又は提案された機構によって限定されることなく、二次反応が第３のゾーンで生じ得ると考えられる。基本的には、気相にある炭素含有成分は、分解して追加の固定炭素を形成するか、又は炭素上に吸着されるようになり得る。したがって、いくつかの実施形態では、最終炭素質材料は、処理ステップの固体の揮発分除去された残留物であるが、最終炭素質材料が、炭素を形成する有機蒸気（例えば、タール）の分解などによって気相から堆積された追加の炭素を更に含む他の実施形態がある。

特定の実施形態は、最終生成物の炭素含有量を高めるために、冷却された炭素が炭素含有種を含む環境に供される別々のユニットを含むことによって、追加の炭素形成の概念を拡張する。このユニットの温度が熱分解温度未満である場合、追加の炭素は、追加の固定炭素ではなく吸着された炭素質種の形態にあると予想される。

任意の特定のゾーン中に存在する１つ以上の相の中間入力及び出力（パージ又はプローブ）流、様々な質量及びエネルギー再循環スキーム、プロセスのどこかに導入することができる様々な添加剤、生成物分布を調整するための反応及び分離条件の両方を含むプロセス条件の調節可能性などに関して、多数の選択肢がある。ゾーン特有の入力流及び出力流は、ＦＴＩＲサンプリング及び動的プロセス調節などによって、良好なプロセス監視及び制御を可能にする。

いくつかの実施形態は、高速熱分解を使用せず、いくつかの実施形態は、低速熱分解を使用しない。驚くべきことに、非常に高い割合の固定炭素を有する組成物を含む高品質の炭素材料を、開示されるプロセス及びシステムから得ることができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬を製造するための熱分解プロセスは、
バイオマスを含む炭素含有原料を提供することと、
実質的に不活性な気相の存在下で、少なくとも１０分間、少なくとも約２５０℃～多くとも約７００℃で選択される温度で、原料を熱分解し、それによって高温熱分解固体、凝縮性蒸気、及び非凝縮性ガスを生成することと、
高温熱分解固体から凝縮性蒸気と非凝縮性ガスとを分離することと、
高温熱分解固体を冷却し、それによって冷却された熱分解固体を生成することと、
冷却された熱分解固体の少なくとも一部を含む高炭素生体試薬を回収することと、を含む。

プロセスは、熱分解の前に、原料を乾燥させ、それによって原料内に含まれる水分を除去することを更に含むことができる。プロセスは、熱分解の前に、原料を脱気し、それによって原料内に含まれる格子間酸素を除去することを更に含むことができる。

バイオマスとしては、例えば、植物及び植物由来材料、植生、農業廃棄物、林業廃棄物、木材廃棄物、紙廃棄物、動物由来廃棄物、家禽由来廃棄物、並びに都市固形廃棄物が挙げられる。バイオマスを利用する様々な実施形態では、バイオマス原料は、材木収穫残渣、軟材チップ、硬材チップ、木の枝、木の根、節、葉、樹皮、おがくず、規格外紙パルプ、セルロース、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、麦わら、稲わら、サトウキビバガス、スイッチグラス、ススキ、動物性肥料、都市ごみ、都市下水、商業廃棄物、ブドウの搾りかす、扁桃殻、ペカン殻、ヤシ殻、コーヒー粉、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、炭水化物、プラスチック、又は布から選択される１つ以上の材料を含むことができる。当業者は、原料の選択肢が事実上無制限であることを容易に理解するであろう。

本明細書のプロセスは、バイオマス以外の炭素含有原料、例えば、化石燃料（例えば、石炭若しくは石油コークス）、又はバイオマスと化石燃料との任意の混合物（例えば、バイオマス／石炭ブレンド）にも使用することができる。本明細書に記載される任意の方法、装置、又はシステムは、任意の炭素質原料とともに使用することができる。化石燃料は、「バイオマス」ではないが、非バイオマス又は非生体原料をプロセスで利用することができる。しかしながら、非バイオマス又は非生体原料の利用は、望ましい生体生成物をもたらさない。原料としては、廃タイヤ、再生プラスチック、再生紙、建設廃棄物、解体廃棄物、及び他の廃棄物又は再生材料を挙げることができる。炭素含有原料は、トラック、列車、船、はしけ、トラクタートレーラー、又は任意の他の車両若しくは輸送手段などの任意の既知の手段によって輸送可能であり得る。

特定の原料の選択は、経済的なプロセスに有利に働く方法で実施することができる。典型的には、選定される原料にかかわらず、（いくつかの実施形態では）望ましくない物質を除去するためのスクリーニングが存在し得る。

用いられる原料は、多種多様な粒径又は形状に提供又は加工することができる。例えば、供給材料は、微粉末、又は微細粒子と粗大粒子との混合物であり得る。供給材料は、木材チップ又は他の形態の木材（例えば、円形、円筒形、正方形など）などの大きな材料片の形態にあり得る。いくつかの実施形態では、供給材料は、一緒にプレスされた、又はそうでなければ結合剤などで結合されたペレット又は他の凝集形態の粒子を含む。

サイズ縮小は、費用がかかり、エネルギー集約的なプロセスであり得る。熱分解された材料は、著しく少ないエネルギー入力でサイズ決めすることができ、すなわち、原料ではなく生成物の粒径を低減することが好ましくなり得る。これは、プロセスが微細な出発材料を必要とせず、かつ処理中に必ずしも任意の大幅な粒径減少がないことから、本開示における選択肢である。非常に大きな原料片を処理する能力は、本開示の重要な経済的利点である。注目すべきことに、高炭素生成物のいくつかの商業的用途は、大きなサイズ（例えば、センチメートルのオーダー）を必要とし、そのためいくつかの実施形態では、大きな片が供給され、製造され、販売される。

円筒形などの構造的完全性を有する最終的な炭素質生体試薬を製造することが望ましい場合、プロセスから製造された材料を回収し、次いで所望の形態に機械的に更に加工することができる。例えば、生成物を結合剤とともにプレス又はペレット化することができる。代替的に又は追加的に、最終生成物のための所望のサイズ又は形状を一般に有する供給材料を使用することができ、供給材料の基本構造を破壊しない処理ステップを用いることができる。いくつかの実施形態では、供給物及び生成物は、球形、円筒形、又は立方体などの同様の幾何学的形状を有する。

プロセス全体を通して供給材料のおおよそのサイズを維持する能力は、製品強度が重要である場合に有益である。また、これは、高固定炭素材料をペレット化する困難さ及びコストを回避する。

出発供給材料は、理解されるように、ある範囲の水分レベルで提供され得る。いくつかの実施形態では、供給材料は、既に十分に乾燥している場合があるので、熱分解前に更に乾燥させる必要はない。典型的には、通常水分を含有するバイオマスの商業的供給源を利用し、バイオマスを熱分解反応器に導入する前に乾燥ステップを通して供給することが望ましい。しかしながら、いくつかの実施形態では、乾燥原料を利用することができる。

熱分解反応器において、約、又は多くとも約１０モル％、５モル％、４モル％、３モル％、２モル％、１．５モル％、１モル％、０．５モル％、０．２モル％、０．１モル％、０．０５モル％、０．０２モル％、若しくは０．０１モル％の気相中Ｏ_２などの低酸素環境を提供することが望ましい。第一に、制御されない燃焼は、安全上の理由から、熱分解反応器において回避されるべきである。ＣＯ_２へのいくらかの量の総炭素酸化が生じ得、発熱酸化から放出される熱は、吸熱熱分解化学反応を補助し得る。例えば、合成ガスへの部分酸化を含む大量の炭素の酸化は、固体への炭素収率を低下させる。

実際には、反応器中で厳密に無酸素環境を達成することは、困難であり得る。しかしながら、この限界に近づくことができ、いくつかの実施形態では、反応器は、気相中に分子酸素を実質的に含まない。熱分解反応器中に酸素がほとんど又は全く存在しないことを確実にするために、供給材料が反応器に導入される前に、供給材料から間隙空気が除去される。原料中の空気を除去又は低減する様々な方法がある。

いくつかの実施形態では、乾燥の前後に、吸着された酸素を除去し、原料細孔に浸透して細孔から酸素を除去することができる別のガスの存在下で原料が搬送される脱気ユニットが利用される。本質的に、２１体積％未満のＯ_２を有する任意のガスを、様々な有効性で用いることができる。いくつかの実施形態では、窒素が用いられる。いくつかの実施形態では、ＣＯ又はＣＯ_２が用いられる。窒素と少量の酸素との混合物などの混合物を使用することができる。水蒸気が脱気ガス中に存在してもよいが、供給物にかなりの水分を加えて戻すことは回避するべきである。脱気ユニットからの流出物は、（大気若しくは排出物処理ユニットに）パージされ得るか、又はリサイクルされ得る。

原則として、脱気ユニットからの流出物（又はその一部）は、固体から除去された酸素が高度に希釈されるので、熱分解反応器自体に導入することができる。この実施形態では、反応器が向流構成で操作される場合、脱気流出ガスを反応器の最後のゾーンに導入することが有利であり得る。

様々なタイプの脱気ユニットを用いることができる。それを乾燥させることが実行される場合、存在する水分から可溶性酸素を洗浄することは非効率的であり得るので、乾燥させ、次いで脱気することが好ましくなり得る。特定の実施形態では、乾燥ステップ及び脱気ステップは、単一のユニットに組み合わされるか、又はいくらかの量の脱気が乾燥中に達成されるなどである。

乾燥及び脱気された供給材料は、熱分解反応器又は直列若しくは並列の多重反応器に導入される。供給材料は、例えばスクリュー供給装置又はロックホッパーを含む任意の既知の手段を使用して導入することができる。いくつかの実施形態では、材料供給システムは、エアナイフを組み込む。

単一の反応器が用いられる場合、好ましくは複数のゾーンが存在する。２つ、３つ、４つ、又はそれ以上のゾーンなどの複数のゾーンは、全体的なプロセス性能を調節するために、温度、固体滞留時間、ガス滞留時間、ガス組成、流れパターン、又は圧力の別々の制御を可能にすることができる。

「ゾーン」への言及は、単一の物理的ユニット、物理的に分離されたユニット、又はそれらの任意の組み合わせ内の空間の領域を含むように広く解釈されるものとする。連続反応器に関して、ゾーンの境界は、反応器内のフライトの存在又は別々のゾーンに熱を提供するための別個の加熱要素などの構造に関連し得る。代替的に又は追加的に、連続反応器におけるゾーンの境界は、例えば、別個の温度、流体フローパターン、固体フローパターン、反応の程度などの機能に関連し得る。単一バッチ反応器では、「ゾーン」は、空間ではなく時間での操作レジームである。多重バッチ反応器を使用することもできる。

あるゾーンから別のゾーンへの急激な遷移は、必ずしもないことが理解されるであろう。例えば、予熱ゾーンと熱分解ゾーンとの間の境界は、いくらか任意であり得る。いくらかの量の熱分解が、予熱ゾーンの一部において起こり得、いくらかの量の「予熱」が、熱分解ゾーンにおいて起こり続け得る。反応器中の温度プロファイルは、反応器内のゾーン境界を含めて、典型的には連続的である。

いくつかの実施形態は、予熱又は穏やかな熱分解の条件下で操作される第１のゾーンを用いる。第１のゾーンの温度は、約１５０℃～約５００℃、例えば約３００℃～約４００℃から選択することができる。第１のゾーンの温度は、バイオマス材料に衝撃を与えて細胞壁を破壊し、固相の蒸気及びガスへの高速分解を開始するほど高くないことが好ましい。

本明細書におけるゾーン温度への全ての言及は、存在するバルク固体、又は気相、又は反応器壁（プロセス側）に適用することができる温度を含むように、非限定的に解釈されるべきである。軸方向及び半径方向の両方に、並びに時間的に（すなわち、始動後又は過渡現象に起因して）、各ゾーンにおいて温度勾配が存在することが理解されるであろう。したがって、ゾーン温度への言及は、実際の速度論に影響を及ぼし得る平均温度又は他の有効温度への言及であり得る。温度は、熱電対若しくは他の温度プローブによって直接測定することができ、又は他の手段によって間接的に測定若しくは推定することができる。

第２のゾーン、又は一般に第１の熱分解ゾーンは、熱分解又は炭化の条件下で操作される。第２のゾーンの温度は、約２５０℃～約７００℃、例えば、約、又は少なくとも約、又は多くとも約３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、若しくは６５０℃から選択することができる。このゾーン内で、予熱されたバイオマスは、熱分解化学反応を受けてガス及び凝縮性蒸気を放出し、高炭素反応中間体としてかなりの量の固体材料を残す。バイオマス成分（主にセルロース、ヘミセルロース、及びリグニン）は、分解して蒸気を創出し、この蒸気は、細孔を通って浸透するか、又は新たな細孔を創出することによって逃げる。好ましい温度は、少なくとも第２のゾーンの滞留時間、並びに原料の性質及び所望の生成物特性に依存する。

第３のゾーン又は冷却ゾーンは、高炭素反応中間体を様々な程度に冷却するように操作される。最低でも、第３のゾーンの温度は、第２のゾーンの温度よりも低い温度であるべきである。第３のゾーンの温度は、約１００℃～約５５０℃、例えば約１５０℃～約３５０℃から選択することができる。

化学反応は、冷却ゾーンで生じ続けることができる。特定の理論に限定されるものではないが、二次熱分解反応が、第３のゾーンにおいて開始され得ると考えられる。気相中にある炭素含有成分は、（第３のゾーンの温度の低下により）凝縮し得る。しかしながら、温度は、凝縮された液体から追加の固定炭素を形成することができる反応（二次熱分解）、又は少なくとも吸着種と固定炭素との間の結合を形成することができる反応を促進するのに十分に高いままである。起こり得る１つの例示的な反応は、一酸化炭素を二酸化炭素及び固定炭素に変換するためのブードワ反応である。

反応器ゾーンの滞留時間は、変動し得る。所望の量の熱分解のために、より高い温度がより短い反応時間を可能にすることができ、逆もまた同様であるように、時間及び温度の相互作用がある。連続反応器（ゾーン）における滞留時間は、体積を体積流量で除したものである。バッチ反応器中の滞留時間は、反応温度への加熱後のバッチ反応時間である。

多相反応器では、複数の滞留時間が存在することを認識すべきである。本文脈では、各ゾーンにおいて、固相及び蒸気相の両方の滞留時間（及び滞留時間分布）が存在する。複数のゾーンを用いる所与の装置について、所与のスループットで、ゾーンにわたる滞留時間は、一般に固体側で結合されるが、複数の入口及び出口ポートが個々のゾーンで利用される場合、滞留時間は、蒸気側で結合されない場合がある。固体及び蒸気の滞留時間は、結合されない。

予熱ゾーンの固体滞留時間は、約５分～約６０分、例えば、約１０、２０、３０、４０、又は５０分から選択することができる。温度に応じて、バイオマスを所望の予熱温度に到達させるのに十分な時間が望ましい。粒子のタイプ及びサイズ、物理的装置、並びに加熱パラメータに依存する熱伝達速度は、固体を所望の予熱温度に到達させるのに必要な最小滞留時間を規定する。追加の時間は、いくらかの量の穏やかな熱分解が予熱ゾーンにおいて意図されない限り、より高い資本コストに寄与するので、望ましくない可能性が高い。

熱分解ゾーンの固体滞留時間は、約１０分～約１２０分、例えば、約２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００分から選択することができる。このゾーンにおける熱分解温度に応じて、必要な熱伝達に続いて炭化の化学反応を起こさせるのに十分な時間があるべきである。約１０分未満の時間では、多量の非炭素元素を除去するために、温度は、７００℃超などの非常に高い必要がある。この温度は、高速熱分解並びに炭素自体に由来する蒸気及びガスのその生成を促進するが、これは、意図される生成物が固体炭素である場合には回避されるべきである。

静的システムでは、特定の時間に実質的に到達し得る平衡変換が存在するであろう。特定の実施形態におけるように、蒸気が、連続的な揮発性物質除去を伴って固体上を連続的に流れている場合、平衡制約は、反応速度がゼロに近づくまで熱分解及び脱揮を継続させるように除去され得る。より長い時間は、残存する難分解性固体を実質的に変化させる傾向がない。

冷却ゾーンの固体滞留時間は、約５分～約６０分、例えば、約１０、２０、３０、４０、又は５０分から選択することができる。このゾーンにおける冷却温度に応じて、炭素固体を所望の温度まで冷却させるのに十分な時間があるべきである。冷却速度及び温度は、炭素を冷却させるのに必要な最小滞留時間を規定する。いくらかの量の二次熱分解が望まれない限り、追加の時間は、望ましくない可能性が高い。

上述したように、蒸気相の滞留時間は、別々に選択及び制御することができる。予熱ゾーンの蒸気滞留時間は、約０．１分～約１５分、例えば約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０分から選択することができる。熱分解ゾーンの蒸気滞留時間は、約０．１分～約２０分、例えば約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、又は１５分から選択することができる。冷却ゾーンの蒸気滞留時間は、約０．１分～約１５分、例えば約０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０分から選択することができる。短い蒸気滞留時間は、システムからの揮発性物質の高速な一掃を促進し、一方、より長い蒸気滞留時間は、蒸気相中の成分と固相との反応を促進する。

反応器及びシステム全体の動作モードは、連続式、半連続式、バッチ式、又はそれらの任意の組み合わせ若しくは変形であり得る。いくつかの実施形態では、反応器は、固体及び蒸気が実質的に反対方向に流れる連続向流反応器である。反応器は、バッチで操作することもできるが、例えば、バッチ容器から気相を周期的に導入及び除去することによって、シミュレートされた蒸気の向流で操作することができる。

様々な流れパターンが所望され、又は観察され得る。多重反応器ゾーンにおける複数の相を伴う化学反応及び同時分離では、流体力学は、非常に複雑になり得る。典型的には、固体の流れは、栓流（半径方向次元において十分に混合されている）に近づくことができ、一方、蒸気の流れは、完全混合流（半径方向次元及び軸方向次元の両方における高速輸送）に近づくことができる。蒸気のための複数の入口及び出口ポートは、全体的な混合に寄与することができる。

各ゾーン中の圧力は、別々に選択及び制御することができる。各ゾーンの圧力は、約１ｋＰａ～約３０００ｋＰａ、例えば約１０１．３ｋＰａ（標準大気圧）から独立して選択することができる。圧力の独立したゾーン制御は、大気圧未満のゾーン圧力が所望されるときにガスを取り出すための真空ポートを含む、複数のガス入口及び出口が使用されるときに可能である。

プロセスは、いくつかの実施形態では、大気圧で都合よく操作することができる。大気圧での操作には、機械的な単純さから安全性の向上に及ぶ多くの利点がある。特定の実施形態では、熱分解ゾーンは、約９０ｋＰａ、９５ｋＰａ、１００ｋＰａ、１０１ｋＰａ、１０２ｋＰａ、１０５ｋＰａ、又は１１０ｋＰａ（絶対圧力）の圧力で操作される。

真空操作（例えば、１０～１００ｋＰａ）は、システムからの揮発性物質の高速な一掃を促進する。オフガスが高圧操作に供給される場合、より高い圧力（例えば、１００～１０００ｋＰａ）が有用であり得る。高い圧力はまた、熱伝達、化学反応、又は分離を促進するために有用であり得る。

凝縮性蒸気の少なくとも一部と非凝縮性ガスの少なくとも一部とを高温熱分解固体から分離するステップは、反応器自体において、又は別個の分離ユニットを使用して実現することができる。実質的に不活性な掃引ガスを１つ以上のゾーンに導入することができる。次いで、凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスは、掃引ガス中のゾーンから運び去られ、反応器から出る。

掃引ガスは、例えば、Ｎ_２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_４、他の軽質炭化水素、又はそれらの組み合わせであり得る。掃引ガスは、導入前に最初に予熱することができ、あるいは加熱源から得られる場合には冷却することができる。

掃引ガスは、揮発性成分が凝縮又は更に反応し得る前に揮発性成分をシステムから取り除くことによって、揮発性成分をより完全に除去する。掃引ガスは、所与のプロセス温度で単に揮発から得られるよりも高い速度で揮発物を除去することを可能にする。又は、掃引ガスの使用は、特定の量の揮発性物質を除去するために、より穏やかな温度が使用されることを可能にする。掃引ガスが揮発性物質の除去を改善する理由は、分離のメカニズムが単に相対的な揮発性ではなく、むしろ掃引ガスによって補助される液体／蒸気相の分離であるからである。掃引ガスは、所与の揮発性種を連続的に枯渇させて、より多くの揮発性種を蒸発させて熱力学的平衡を達成することによって、揮発の物質移動制限を低減するとともに、熱力学的制限を低減することができる。

いくつかの実施形態は、高い固定炭素を有する生成物を製造するために、後続の処理段階から揮発性有機炭素でいっぱいのガスを除去する。除去しなければ、揮発性炭素は、熱分解された固体上に吸着又は吸収される場合があり、それによって、所望され得る炭素のより純粋な形態を達成するために追加のエネルギー（コスト）を必要とする。蒸気を迅速に除去することによって、熱分解固体中の多孔性を高めることができるとも推測される。より高い多孔性は、いくつかの生成物にとって望ましい。

特定の実施形態では、掃引ガスは、大気圧などの比較的低いプロセス圧力と併せて、大量の不活性ガスを必要とすることなく、高速蒸気除去を提供する。

いくつかの実施形態では、掃引ガスは、原料の流れ方向に対して向流で流れる。他の実施形態では、掃引ガスは、原料の流れ方向に対して並流で流れる。いくつかの実施形態では、固体の流れパターンは、栓流に近づくが、掃引ガス及び気相の流れパターンは、概して、１つ以上のゾーンにおいて完全混合流に近づく。

掃引は、反応器ゾーンのいずれか１つ以上で実行することができる。いくつかの実施形態では、掃引ガスは、冷却ゾーンに導入され、冷却又は熱分解ゾーンから（製造された揮発性物質とともに）抽出される。いくつかの実施形態では、掃引ガスは、熱分解ゾーンに導入され、熱分解又は予熱ゾーンから抽出される。いくつかの実施形態では、掃引ガスは、予熱ゾーンに導入され、熱分解ゾーンから抽出される。これら又は他の実施形態では、掃引ガスは、予熱ゾーン、熱分解ゾーン、及び冷却ゾーンのそれぞれに導入することができ、ゾーンのそれぞれから抽出することもできる。

いくつかの実施形態では、分離が実施される１つ又は複数のゾーンは、反応器から物理的に分離されたユニットである。分離ユニット又はゾーンは、所望であれば、反応器ゾーンの間に配置することができる。例えば、熱分解ユニットと冷却ユニットとの間に分離ユニットを設置することができる。

掃引ガスは、特に固体流が連続的である場合に、連続的に導入することができる。熱分解反応がバッチプロセスとして操作される場合、掃引ガスは、揮発性物質を除去するために、特定の量の時間後に、又は定期的に導入され得る。熱分解反応が連続的に操作される場合であっても、掃引ガスは、所望であれば、好適な弁及び制御を用いて、半連続的又は周期的に導入することができる。

揮発性物質含有掃引ガスは、１つ以上の反応器ゾーンから出ることができ、複数のゾーンから得られる場合には組み合わせることができる。次いで、種々の蒸気を含有する得られたガス流を、空気放出の制御のために熱酸化装置に供給することができる。任意の既知の熱酸化ユニットを用いることができる。いくつかの実施形態では、熱酸化装置に天然ガス及び空気を供給して、その中に含有される揮発性物質を実質的に破壊するのに十分な温度に到達させる。

熱酸化装置の流出物は、水、二酸化炭素、及び窒素を含む高温ガス流である。この流出流は、所望であれば、空気排出に直接パージすることができる。好ましくは、熱酸化装置流出物のエネルギー含有量は、例えば廃熱回収ユニットにおいて回収される。エネルギー含有量は、別の流れ（掃引ガスなど）との熱交換によって回収することもできる。エネルギー含有量は、乾燥機又は反応器などのプロセスにおける他の場所のユニットを直接若しくは間接的に加熱するか、又は加熱を補助することによって利用することができる。いくつかの実施形態では、本質的に全ての熱酸化装置流出物が、乾燥機の間接加熱（ユーティリティ側）に用いられる。熱酸化装置は、天然ガス以外の燃料を用いることができる。

炭素質材料の収率は、原料のタイプ及びプロセス条件を含む上述の要因に応じて変動し得る。いくつかの実施形態では、乾燥基準での出発原料の百分率としての固体の正味収率は、少なくとも２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％以上である。残りは、テルペン、タール、アルコール、酸、アルデヒド、又はケトンなどの凝縮性蒸気と、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、及びメタンなどの非凝縮性ガスとの間で分割される。非凝縮性ガスと比較した凝縮性蒸気の相対量は、存在する水を含むプロセス条件にも依存する。

炭素バランスに関して、いくつかの実施形態では、原料中の出発炭素の百分率としての炭素の正味収率は、少なくとも２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％以上である。例えば、いくつかの実施形態では、炭素質材料は、出発原料中に含有される炭素の約４０％～約７０％を含有する。残りの炭素は、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、軽質炭化水素、芳香族化合物、タール、テルペン、アルコール、酸、アルデヒド、又はケトンを様々な程度で形成する。

代替的な実施形態では、これらの化合物のいくらかの部分は、生成物の炭素及びエネルギー含有量を富化するために炭素に富む固体と組み合わされる。これらの実施形態では、様々な蒸気を含有する、反応器から得られるガス流の一部又は全部を、少なくとも部分的に凝縮させ、次いで、冷却ゾーン又は別々の冷却ユニットに由来する冷却された熱分解固体上を通過させることができる。これらの実施形態は、以下により詳細に記載される。

冷却ゾーン（存在する場合）内での反応及び冷却に続いて、炭素質固体を別個の冷却ユニットに導入することができる。いくつかの実施形態では、固体が回収され、単に低速で冷却される。炭素質固体が空気中で反応性又は不安定である場合、不活性雰囲気を維持するか、又は固体を例えば、周囲温度などの４０℃未満の温度に急速に冷却することが望ましくなり得る。いくつかの実施形態では、急速冷却のために水クエンチが用いられる。いくつかの実施形態では、流動床冷却器が用いられる。「冷却ユニット」は、容器、タンク、パイプ、又はそれらの一部も含むように広く解釈されるべきである。

いくつかの実施形態では、プロセスは、冷却ユニットを動作させて、温かい熱分解固体を蒸気で冷却し、それによって冷たい熱分解固体及び過熱蒸気を生成することを更に含み、乾燥は、少なくとも部分的に、冷却ユニット由来の過熱蒸気を用いて実施される。任意選択で、冷却ユニットは、最初に温かい熱分解固体を蒸気で冷却して第１の冷却ユニット温度に到達させ、次いで空気で冷却して第２の冷却ユニット温度に到達させるように操作することができ、第２の冷却ユニット温度は、第１の冷却ユニット温度よりも低く、空気の存在下で温かい熱分解固体の燃焼リスクの低減に関連付けられる。

周囲条件への冷却に続いて、炭素質固体は、回収され、貯蔵され、別の現場作業に運ばれ、別の現場に輸送され、又は他の方法で処分され、取引され、若しくは販売され得る。固体をユニットに供給して粒径を減少させることができる。粉砕機、シュレッダー、グラインダー、粉砕機、ジェットミル、ピンミル、及びボールミルを含む種々のサイズ縮小ユニットが当該技術分野で既知である。

スクリーニング又は粒子サイズに基づく分離のためのいくつかの他の手段が含まれ得る。粉砕は、存在する場合、粉砕の上流又は下流であり得る。スクリーニングされた材料の一部（例えば、大きな塊）は、粉砕ユニットに戻すことができる。小さな粒子及び大きな粒子は、別々の下流での使用のために回収され得る。いくつかの実施形態では、冷却された熱分解固体は、微粉炭素又は活性炭生成物などの微粉末に粉砕される。

本明細書に開示される任意のステップの前、最中、又は後に、様々な添加剤をプロセス全体にわたって導入することができる。添加剤は、所望の炭素純度を達成するために炭素収率又は熱分解時間／温度などのプロセス性能を改善するように選択されるプロセス添加剤、及び高炭素生体試薬又は試薬を組み込む下流生成物の１つ以上の特性を改善するように選択される生成物添加剤として広く分類することができる。特定の添加剤は、強化されたプロセス及び生成物（生体試薬又は生体試薬を含有する生成物）特性を提供することができる。

添加剤は、プロセスの任意の１つ以上のステップの前、最中、又は後に添加することができ、これには、収穫される前後の任意の時点で原料自体に添加することが含まれる。添加剤処理は、原料のサイジング、乾燥、又は他の調製の前、最中、若しくは後に組み込むことができる。添加剤は、原料供給施設、輸送トラック、揚陸設備、貯蔵ビン、コンベヤ（開放又は閉鎖コンベヤを含む）、乾燥機、プロセスヒーター、又は任意の他のユニットに、又はその上に組み込むことができる。添加剤は、添加剤を導入するための好適な手段を使用して、熱分解プロセス自体のどこにでも添加することができる。所望であれば、炭化後、又は粉砕後であっても、添加剤を添加することができる。

いくつかの実施形態では、添加剤は、金属、金属酸化物、金属水酸化物、又はそれらの組み合わせである。例えば、添加剤は、決して限定されないが、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、塩化鉄、臭化鉄、酸化マグネシウム、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、蛍石、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせから選択することができる。

いくつかの実施形態では、添加剤は、酸、塩基、又はそれらの塩である。例えば、添加剤は、決して限定されないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、又はそれらの組み合わせから選択することができる。

いくつかの実施形態では、添加剤は、金属ハロゲン化物である。金属ハロゲン化物は、金属とハロゲン（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、及びアスタチン）との間の化合物である。ハロゲンは、金属と多くの化合物を形成することができる。金属ハロゲン化物は、一般に、塩基性金属塩とハロゲン化水素酸との直接結合、又はより一般的には中和によって得られる。いくつかの実施形態では、添加剤は、塩化鉄（ＦｅＣｌ_２若しくはＦｅＣｌ_３）、臭化鉄（ＦｅＢｒ_２若しくはＦｅＢｒ_３）、又はそれらの水和物、及びそれらの任意の組み合わせである。

添加剤は、より高いエネルギー含有量（エネルギー密度）を有する最終生成物をもたらすことができる。エネルギー含有量の増加は、総炭素、固定炭素、揮発性炭素、又は更に水素の増加から生じ得る。代替的に又は追加的に、エネルギー含有量の増加は、不燃性物質又は炭素よりも低いエネルギー密度を有する材料の除去から生じ得る。いくつかの実施形態では、添加剤は、固体及び気体の形成に有利になるように、又は固体の形成に有利になるように、液体形成の程度を低減する。

いかなる特定の仮説にも限定されることなく、添加剤は、出発バイオマス、又は熱分解前の処理されたバイオマスを化学的に改変して、より大きな強度／完全性のために細胞壁の破壊を低減することができる。いくつかの実施形態では、添加剤は、熱分解前にバイオマス原料の固定炭素含有量を増加させることができる。

添加剤は、改善された機械的特性、例えば、降伏強度、圧縮強度、引張強度、疲労強度、衝撃強度、弾性率、体積弾性率、又はせん断弾性率を有する生体試薬をもたらし得る。添加剤は、単に存在することによって（例えば、添加剤自体が混合物に強度を付与する）、又は添加剤相内若しくは得られた混合物内で起こる何らかの変換によって、機械的特性を改善することができる。例えば、ガラス化などの反応は、添加剤を含む生体試薬の一部内で生じ得、それによって最終強度を改善する。

化学添加剤は、湿潤又は乾燥バイオマス原料に適用することができる。添加剤は、固体粉末、スプレー、ミスト、液体、又は蒸気として適用することができる。いくつかの実施形態では、添加剤は、液体溶液（水溶液又は溶媒中など）の噴霧によって、又はタンク、ビン、バッグ、若しくは他の容器中に浸漬することによって導入することができる。

特定の実施形態では、浸漬前処理が用いられ、固体原料は、バッチ式又は連続式のいずれかで、固体供給材料へ添加剤を浸透させるのに十分な時間、添加剤を含む浴に浸漬される。

いくつかの実施形態では、原料に適用される添加剤は、熱分解のためのエネルギー必要量を低減するか、又は炭素質生成物の収率を増加させることができる。これら又は他の実施形態では、原料に適用される添加剤は、炭素質生成物の意図された使用に望ましい機能性を提供することができる。

スループット又はプロセス容量は、小さな実験室規模のユニットから、任意のパイロット規模、実証規模、又は半商業規模を含む完全な操作まで広く変動し得る。様々な実施形態では、プロセス能力（原料、生成物、又は両方について）は、少なくとも約１ｋｇ／日、１０ｋｇ／日、１００ｋｇ／日、１トン／日（全てのトンはメートルトンである）、１０トン／日、１００トン／日、５００トン／日、１０００トン／日、２０００トン／日以上である。

いくつかの実施形態では、製造された固体の一部は、プロセスのフロントエンドに、すなわち、乾燥若しくは脱気ユニットに、又は直接反応器に再循環され得る。フロントエンドに戻り、再びプロセスを通過することによって、処理された固体は、固定炭素がより高くなり得る。プロセス内で製造又は存在する固体、液体、及びガス流は、独立して再循環され、後続のステップに渡され、又は任意の時点でプロセスから除去／パージされ得る。

いくつかの実施形態では、熱分解された材料は、回収され、次いで、更なる熱分解のために別々のユニットに供給されて、より高い炭素純度を有する生成物を創出する。いくつかの実施形態では、二次プロセスは、加熱された不活性ガス（加熱されたＮ_２など）が通される鋼ドラムなどの単純な容器内で行うことができる。この目的に有用な他の容器としては、プロセスタンク、バレル、ビン、トート、サック、及びロールオフが挙げられる。揮発性物質を含むこの二次掃引ガスは、例えば、熱酸化装置に送ることができるか、又は主プロセス反応器に戻すことができる。最終生成物を冷却するために、最初は例えば周囲温度である不活性ガスの別の流れを固体に通して固体を冷却し、次いで不活性ガス予熱システムに戻すことができる。

本開示のいくつかの変形形態は、
炭素含有原料を導入するように構成された供給装置と、
乾燥機と動作可能に連通して配置された多重ゾーン反応器であって、空間的に分離された冷却ゾーンと動作可能に連通して配置された熱分解ゾーンを備え、凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを固体から除去するための出口を有するように構成された、多重ゾーン反応器と、
多重ゾーン反応器と動作可能に連通して配置された固体冷却器と、
固体冷却器と動作可能に連通して配置された高炭素生体試薬回収ユニットと、を備える高炭素生体試薬生成システムを利用する。

いくつかの実施形態では、システムは、供給装置と動作可能に連通して配置され、炭素含有原料内に含まれる水分を除去するように構成された乾燥機を更に備える。

いくつかの変形形態は、
炭素含有原料を導入するように構成された供給装置と、
供給装置と動作可能に連通して配置され、炭素含有原料内に含まれる水分を除去するように構成された任意選択の乾燥機と、
乾燥機と動作可能に連通して配置され、原料を加熱又は穏やかに熱分解するように構成された任意選択の予熱器と、
予熱器と動作可能に連通して配置され、原料を熱分解するように構成された熱分解反応器と、
熱分解反応器と動作可能に連通して配置され、熱分解された固体を冷却するように構成された冷却器と、
冷却器と動作可能に連通して配置された高炭素生体試薬回収ユニットと、を備える高炭素生体試薬生成システムであって、
システムが、固体から凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを除去するための少なくとも１つのガス出口を備えて構成される、高炭素生体試薬生成システムを利用する。

供給装置は、供給固体を第１の反応ゾーンに導入するためのスクリュー供給装置又はオーガ機構の使用などによって、多重ゾーン反応器と物理的に統合することができる。

いくつかの実施形態では、システムは、熱分解ゾーンと動作可能に連通して配置された予熱ゾーンを更に備える。熱分解ゾーン、冷却ゾーン、及び予熱ゾーン（それが存在する）のそれぞれは、単一のユニット内に位置することができ、又は別々のユニット中に位置することができる。

任意選択で、乾燥機は、多重ゾーン反応器内の乾燥ゾーンとして構成することができる。任意選択で、固体冷却器は、多重ゾーン反応器内に配置することができる（すなわち、追加の冷却ゾーンとして構成されるか、又は主冷却ゾーンと統合される）。

システムは、システムから酸素を除去するためのパージ手段を含むことができる。例えば、パージ手段は、実質的に不活性なガスを導入するための１つ以上の入口と、実質的に不活性なガス及び置換された酸素をシステムから除去するための１つ以上の出口と、を備えることができる。いくつかの実施形態では、パージ手段は、乾燥機と多重ゾーン反応器との間に動作可能に連通して配置された脱気装置である。

多重ゾーン反応器は、好ましくは、少なくとも第１のガス入口及び第１のガス出口を備えて構成される。第１のガス入口及び第１のガス出口は、異なるゾーン又は同じゾーンと連通して配置することができる。

いくつかの実施形態では、多重ゾーン反応器は、第２のガス入口又は第２のガス出口を備えて構成される。いくつかの実施形態では、多重ゾーン反応器は、第３のガス入口又は第３のガス出口を備えて構成される。いくつかの実施形態では、多重ゾーン反応器は、第４のガス入口又は第４のガス出口を備えて構成される。いくつかの実施形態では、多重ゾーン反応器中に存在する各ゾーンは、ガス入口及びガス出口を備えて構成される。

ガス入口及び出口は、蒸気の導入及び取り出しを可能にするだけでなく、特にガス出口（プローブ）は、プロセスの全ての段階まで、及び潜在的にプロセスの全ての段階を含む、プロセスの様々な段階にわたる正確なプロセス監視及び制御を可能にする。正確なプロセス監視は、動作履歴を利用してプロセス条件を調節することができる場合、動的にも、ある期間にわたっても、歩留まり及び効率の改善をもたらすことが期待される。

好ましい実施形態では、反応ガスプローブは、熱分解ゾーンと動作可能に連通して配置される。そのような反応ガスプローブは、反応の程度、熱分解選択性、又は他のプロセス監視を決定するために、ガスを抽出し、それらを分析するのに有用であり得る。次いで、測定に基づいて、プロセスは、供給速度、不活性ガス掃引の速度、（１つ以上のゾーンの）温度、（１つ以上のゾーンの）圧力、添加剤などを調節することによってなど、任意の数の方法で制御又は調節することができる。

本明細書で意図されるように、反応ガスプローブを介した「監視及び制御」は、反応ガスプローブを介した任意の１つ以上のサンプル抽出を含み、必要又は望ましいとみなされる場合、プロセス制御の周知の原理（フィードバック、フィードフォワード、比例積分微分論理など）を使用して、任意選択で、測定に基づいてプロセス又は設備調節を行うことを含む。

反応ガスプローブは、多くの方法でガスサンプルを取り出すように構成することができる。例えば、サンプリングラインは、熱分解反応器圧力よりも低い圧力を有することができ、その結果、サンプリングラインが開かれると、ある量のガスを熱分解ゾーンから容易に取り出すことができる。サンプリングラインは、熱分解ゾーンが大気圧に近い場合など、真空下であり得る。典型的には、反応ガスプローブは、１つのガス出力又はその一部（例えば、ガス出力ラインから分岐したライン）と関連付けられる。

いくつかの実施形態では、ガス入力及びガス出力の両方が、不活性ガスをゾーンに周期的に導入し、不活性ガスをプロセスサンプルとともにガス出力から引き出す（「サンプル掃引」）ことによって、反応ガスプローブとして利用される。そのような構成は、処理のための実質的に不活性なガスのためのガス入口／出口を有しないゾーンで使用することができ、又は、反応ガスプローブは、プロセス入口及び出口に加えて、別々のガス入口／出口と関連付けることができる。（サンプル掃引を利用する実施形態では）サンプリングのために周期的に導入及び取り出されるサンプリング不活性ガスは、必要に応じて、分析の精度の理由から、又は分析トレーサーを導入するためのいずれかにより、プロセス不活性ガスとは異なる場合がある。

例えば、熱分解ゾーンの気相中の酢酸濃度は、試料を抽出するためのガスプローブを使用して測定することができ、次いで、サンプルは、好適な技術（ガスクロマトグラフィー、ＧＣ、質量分析、ＭＳ、ＧＣ－ＭＳ、又はフーリエ変換赤外分光法、ＦＴＩＲなど）を使用して分析される。気相中のＣＯ又はＣＯ_２濃度を測定し、例えばガス／蒸気に対する熱分解選択性の指標として使用することができる。気相中のテルペン濃度を測定し、例えば、液体に対する熱分解選択性の指標として使用することができる。

いくつかの実施形態では、システムは、冷却ゾーン、又は乾燥ゾーン（存在する場合）若しくは予熱ゾーン（存在する場合）と動作可能に連通して配置された少なくとも１つの追加のガスプローブを更に備える。

冷却ゾーン用のガスプローブは、例えば、冷却ゾーン中で起こる任意の追加の化学反応の程度を決定するのに有用であり得る。冷却ゾーン中のガスプローブは、（例えば、冷却ゾーン内に配置された熱電対に加えて）温度の独立した測定としても有用であり得る。この独立した測定は、冷却温度と特定の種の測定された量との相関であり得る。相関は、別々に展開され得るか、又はプロセス動作のある期間の後に確立され得る。

乾燥ゾーン用のガスプローブは、例えば含水量を測定することによって、乾燥の程度を決定するのに有用であり得る。予熱ゾーン中のガスプローブは、例えば、起こる任意の穏やかな熱分解の程度を決定するのに有用であり得る。

特定の実施形態では、冷却ゾーンは、ガス入口を備えて構成され、熱分解ゾーンは、ガス出口を備えて構成されて、固相に対して気相の実質的に向流の流れを生成する。代替的に又は追加的に、予熱ゾーン（存在する場合）は、ガス出口を備えて構成され、固相に対して気相の実質的に向流の流れを生成することができる。代替的に又は追加的に、乾燥ゾーンは、ガス出口を備えて構成され、実質的に向流の流れを生成することができる。

１つ又は複数の熱分解反応器は、熱分解プロセスを実施することができる任意の好適な反応器構成から選択することができる。例示的な反応器構成としては、固定床反応器、流動床反応器、噴流床反応器、オーガ、アブレーション反応器、回転コーン、回転ドラムキルン、か焼器、ロースター、移動床反応器、輸送床反応器、アブレーション反応器、回転コーン、又はマイクロ波支援熱分解反応器が挙げられるが、これらに限定されない。

オーガが使用されるいくつかの実施形態では、砂又は別の熱キャリアを任意選択で、用いることができる。例えば、原料及び砂は、スクリューの一端で供給することができる。スクリューは、砂と原料とを混合し、それらを反応器を通して運ぶ。スクリューは、原料滞留時間の良好な制御を提供することができ、熱分解生成物をキャリア又は流動化ガスで希釈しない。砂は、別々の容器で再加熱することができる。

アブレーションプロセスが使用されるいくつかの実施形態では、原料は、溶銑表面に対して高速で移動させられる。表面に形成される任意のチャーのアブレーションは、高い熱伝達率を維持することができる。そのような装置は、生成物の希釈を防止することができる。別法として、原料粒子をキャリアガス中に懸濁させ、壁が加熱されたサイクロンを通して高速で導入することができる。

流動床反応器が使用されるいくつかの実施形態では、原料は、典型的には再循環生成物ガスであるガスによって流動化された高温砂の床に導入することができる。本明細書における「砂」への言及は、ガラス粒子、回収された灰粒子などの同様の実質的に不活性な材料も含む。流動砂からの高い熱伝達率は、原料の急速な加熱をもたらすことができる。砂粒子との摩擦によるいくらかのアブレーションがあり得る。熱は、通常、高温燃焼ガスが流れる熱交換器管によって提供される。

ガス、砂、及び原料が一緒に移動する循環流動床反応器を用いることができる。例示的な輸送ガスとしては、再循環生成ガス及び燃焼ガスが挙げられる。砂からの高い熱伝達率は、原料の急速な加熱を確実にし、アブレーションは、通常の流動床よりも強いと予想される。分離器を用いて、生成物ガスを砂及びチャー粒子から分離することができる。砂粒子は、流動バーナー容器中で再加熱し、反応器に再循環させることができる。

いくつかの実施形態では、多重ゾーン反応器は、原料入口と、反応ゾーンの各々内の温度及び混合を別々に制御するように構成された複数の空間的に分離された反応ゾーンと、炭素質固体出口と、を備える連続反応器であり、反応ゾーンのうちの１つは、実質的に不活性なガスを反応器に導入するための第１のガス入口を備えて構成され、反応ゾーンのうちの１つは、第１のガス出口を備えて構成される。

様々な実施形態では、反応器は、少なくとも２つ、３つ、４つ以上の反応ゾーンを含む。反応ゾーンの各々は、電気熱伝達、蒸気熱伝達、熱油熱伝達、相変化熱伝達、廃熱熱伝達、又はそれらの組み合わせから独立して選択される別々に調節可能な加熱手段と連通して配置される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反応器ゾーンは、存在する場合、熱酸化装置からの流出流で加熱される。

反応器は、反応器中に存在する全ての反応ゾーンまでの少なくとも２つの反応ゾーンの気相組成及び気相滞留時間を別々に調節するように構成することができる。

反応器は、第２のガス入口又は第２のガス出口を装備することができる。いくつかの実施形態では、反応器は、各反応ゾーンにガス入口を備えて構成される。これら又は他の実施形態では、反応器は、各反応ゾーンにガス出口を備えて構成される。反応器は、並流又は向流反応器であり得る。

いくつかの実施形態では、原料入口は、スクリュー又はオーガ供給機構を備える。いくつかの実施形態では、炭素質固体出口は、スクリュー又はオーガ出力機構を備える。

特定の実施形態は、スクリュー供給装置を備えた回転か焼器を利用する。これらの実施形態では、反応器は、軸方向に回転可能であり、すなわち、反応器は、その中心軸を中心に回転する。回転速度は、固体流れパターン、並びに熱及び質量輸送に影響を与える。反応ゾーンの各々は、内壁上に配置されたフライトを備えて構成され、固体の撹拌を提供することができる。フライトは、反応ゾーンの各々において別々に調節可能であり得る。

オーガ、スクリュー、又はパドルコンベヤなどの固体を撹拌する他の手段を用いることができる。いくつかの実施形態では、反応器は、反応ゾーンの各々の全体にわたって配置された単一の連続オーガを含む。他の実施形態では、反応器は、反応ゾーンの各々の全体にわたって配置された二軸スクリューを含む。

いくつかのシステムは、特に、プロセス全体にわたって供給材料のおおよそのサイズを維持する能力、すなわち、その構造を破壊又は著しく損傷することなくバイオマス原料を処理する能力を伴って設計される。いくつかの実施形態では、熱分解ゾーンは、熱分解される供給材料のサイズを大幅に減少させる傾向があるオーガ、スクリュー、又はレーキを収容しない。

本開示のいくつかの実施形態では、システムは、凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスが除去される出口と動作可能に連通して配置された熱酸化器を更に含む。熱酸化装置は、好ましくは、別々の燃料（天然ガスなど）及び酸化剤（空気など）を、燃料及び凝縮性蒸気の少なくとも一部を燃焼させるように適合された燃焼室に受け入れるように構成される。ＣＯ又はＣＨ_４などの特定の非凝縮性ガスも酸化されてＣＯ_２になり得る。

熱酸化装置が用いられる場合、システムは、熱酸化装置と乾燥機との間に配置され、燃焼の熱の少なくとも一部を乾燥機に利用するように構成された熱交換器を含むことができる。この実施形態は、プロセスの全体的なエネルギー効率に著しく寄与することができる。

いくつかの実施形態では、システムは、固体冷却器と動作可能に連通して配置され、少なくとも部分的に凝縮した形態の凝縮性蒸気を固体と組み合わせるように構成された炭素強化ユニットを更に備える。炭素増強ユニットは、回収ユニットから得られる高炭素生体試薬の炭素含有量を増加させることができる。

システムは、高炭素生体試薬を更に熱分解してその炭素含有量を更に増加させるように適合された別々の熱分解ユニットを更に含むことができる。別々の熱分解ユニットは、タンク、バレル、ビン、ドラム、トート、サック、又はロールオフなどの比較的単純な容器、ユニット、又はデバイスであり得る。

システム全体は、固定位置にあってもよいし、いくつかの位置に分散されていてもよい。システムは、実際のスケールアップのために簡単に複製することができるモジュールを使用して構築することができる。システムはまた、プロセス産業において周知であるように、経済規模原理を使用して構築することができる。

次に、固体の炭素強化に関するいくつかの変形形態を更に説明する。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬を製造するためのプロセスは、
（ａ）バイオマスを含む炭素含有原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、原料を乾燥させて、原料内に含有される水分の少なくとも一部を除去することと、
（ｃ）任意選択で、原料を脱気して、もしあれば、原料に含有される格子間酸素の少なくとも一部を除去することと、
（ｄ）熱分解ゾーンにおいて、実質的に不活性なガスの存在下で、少なくとも１０分間及び約２５０℃～約７００℃から選択される熱分解温度で、原料を熱分解して、高温熱分解固体、凝縮性蒸気、及び非凝縮性ガスを生成することと、
（ｅ）高温熱分解固体から凝縮性蒸気の少なくとも一部と非凝縮性ガスの少なくとも一部とを分離することと、
（ｆ）冷却ゾーンにおいて、実質的に不活性なガスの存在下で、少なくとも５分間及び熱分解温度未満の冷却温度で、高温熱分解固体を冷却して、温かい熱分解固体を生成することと、
（ｇ）任意選択で、温かい熱分解固体を冷却して、冷たい熱分解固体を生成することと、
（ｈ）その後、ステップ（ｅ）からの凝縮性蒸気の少なくとも一部又は非凝縮性ガスの少なくとも一部を、温かい熱分解固体又は冷たい熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を形成することと、
（ｉ）向上した熱分解固体の少なくとも一部を含む高炭素生体試薬を回収することと、を含む。

いくつかの実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの凝縮性蒸気の少なくとも一部を、蒸気又は凝縮形態で、温かい熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。いくつかの実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの非凝縮性ガスの少なくとも一部を温かい熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。

代替的に又は追加的に、蒸気又はガスを冷たい熱分解固体と接触させることができる。いくつかの実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの凝縮性蒸気の少なくとも一部を、蒸気又は凝縮形態で、低温熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。いくつかの実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの非凝縮性ガスの少なくとも一部を、冷たい熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。

特定の実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの凝縮性蒸気の実質的に全てを、蒸気又は凝縮形態で、低温熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。特定の実施形態では、ステップ（ｈ）は、ステップ（ｅ）からの非凝縮性ガスの実質的に全てを、冷たい熱分解固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化熱分解固体を製造することを含む。

プロセスは、炭素強化のために蒸気又はガスを使用する前に、蒸気又はガスを処理又は分離する様々な方法を含むことができる。例えば、ステップ（ｅ）から得られた凝縮性蒸気の少なくとも一部及び非凝縮性ガスの少なくとも一部からなる中間供給流は、少なくとも第１及び第２の出力流を生成するように構成された分離ユニットに供給することができる。特定の実施形態では、中間供給流は、凝縮性蒸気の全て、非凝縮性ガスの全て、又はその両方を含む。

分離技術は、蒸留カラム、フラッシュ容器、遠心分離器、サイクロン、膜、フィルター、充填床、キャピラリーカラムなどを含むか又は使用することができる。分離は、主に、例えば、蒸留、吸収、吸着、又は拡散に基づくことができ、蒸気圧、活性、分子量、密度、粘度、極性、化学官能性、固定相への親和性、及びそれらの任意の組み合わせにおける差異を利用することができる。

いくつかの実施形態では、第１及び第２の出力流は、相対揮発度に基づいて中間供給流から分離される。例えば、分離ユニットは、蒸留カラム、フラッシュタンク、又は凝縮器であり得る。

したがって、いくつかの実施形態では、第１の出力流は、凝縮性蒸気を含み、第２の出力流は、非凝縮性ガスを含む。凝縮性蒸気は、テルペン、アルコール、酸、アルデヒド、又はケトンから選択される少なくとも１つの炭素含有化合物を含むことができる。熱分解からの蒸気は、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、及びキシレンなどの芳香族化合物を含むことができる。難分解性タールなどのより重い芳香族化合物が蒸気中に存在し得る。非凝縮性ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素、及びメタンから選択される少なくとも１つの炭素含有分子を含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１及び第２の出力流は、相対的な極性に基づいて分離された中間供給流である。例えば、分離ユニットは、ストリッピングカラム、充填床、クロマトグラフィーカラム、又は膜であり得る。

したがって、いくつかの実施形態では、第１の出力流は、極性化合物を含み、第２の出力流は、非極性化合物を含む。極性化合物は、メタノール、フルフラール、及び酢酸から選択される少なくとも１つの炭素含有分子を含むことができる。非極性化合物は、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、テルペン、及びテルペン誘導体から選択される少なくとも１つの炭素含有分子を含むことができる。

ステップ（ｈ）は、ステップ（ｈ）を含まないこと以外は同一のプロセスに対して、高炭素生体試薬の総炭素含有量を増加させることができる。炭素含有量の増加の程度は、様々な実施形態では、例えば、約１％、２％、５％、１０％、１５％、２５％、又は更にそれ以上であり得る。

いくつかの実施形態では、ステップ（ｈ）は、高炭素生体試薬の固定炭素含有量を増加させる。これら又は他の実施形態では、ステップ（ｈ）は、高炭素生体試薬の揮発性炭素含有量を増加させる。揮発性炭素含有量は、試薬中の揮発性物質に起因する炭素である。揮発性物質は、脂肪族又は芳香族化合物（例えば、テルペン）；アルコール、アルデヒド、又はケトンを含む酸素化物；及び様々なタールを含む炭化水素であり得るが、これらに限定されない。揮発性炭素は、典型的には、周囲条件で固体に結合又は吸着されたままであるが、加熱されると、固定炭素が酸化され、ガス化され、又は蒸気として放出される前に放出される。

ステップ（ｈ）に関連する条件に応じて、いくらかの量の揮発性炭素が固定炭素になることが可能である（例えば、ＣＯからのブードワ炭素形成を介して）。典型的には、揮発性物質は、固定炭素の微細孔に入り、凝縮／吸着種として存在するが、比較的揮発性のままである。この残留揮発性は、高い表面積及び多孔性を必要とする製品用途と比較して、燃料用途にとってより有利であり得る。

ステップ（ｈ）は、高炭素生体試薬のエネルギー含有量（すなわち、エネルギー密度）を増加させることができる。エネルギー含有量の増加は、総炭素、固定炭素、揮発性炭素、又は更に水素の増加から生じ得る。エネルギー含有量の増加の程度は、様々な実施形態では、例えば、約１％、２％、５％、１０％、１５％、２５％、又は更に高いものであり得る。

更なる分離を用いて、プロセス又は更なる処理内で使用するために、１つ以上の非凝縮性ガス又は凝縮性蒸気を回収することができる。例えば、精製された一酸化炭素又は水素を製造するために、更なる処理を含めることができる。

別の例として、酢酸の分離を行い、続いて酢酸をエタノールに還元することができる。酢酸の還元は、少なくとも部分的に、製造された非凝縮性ガスに由来する水素を使用して実現することができる。

凝縮性蒸気は、高炭素生体試薬の炭素含有量を増加させるために、プロセス（熱酸化などによる）又は炭素濃縮のいずれかにおけるエネルギーのために使用することができる。ＣＯ又はＣＨ_４などの特定の非凝縮性ガスは、プロセスにおけるエネルギーのために、又は熱分解ステップのための実質的に不活性なガスの一部として利用することができる。前述のいずれかの組み合わせも可能である。

ステップ（ｈ）を含むことの潜在的な利点は、ガス流が洗浄され、得られるガス流がＣＯ及びＣＯ_２に富むことである。得られたガス流は、エネルギー回収のために利用することができ、固体の炭素富化のために再循環させることができ、又は反応器中で不活性ガスとして使用することができる。同様に、凝縮性蒸気から非凝縮性ガスを分離することによって、ＣＯ／ＣＯ_２流は、例えば、反応器システム又は冷却システムにおいて不活性ガスとして使用するために調製される。

他の変形形態は、炭素増強ステップの原理が、炭素を添加することが望まれる任意の原料に適用され得るという認識を前提とする。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬を製造するためのバッチ又は連続プロセスは、
（ａ）炭素含有材料を含む固体流を提供することと、
（ｂ）凝縮性炭素含有蒸気、非凝縮性炭素含有ガス、又は凝縮性炭素含有蒸気と非凝縮性炭素含有ガスとの混合物を含むガス流を提供することと、
（ｃ）ガス流を好適な条件下で固体流を通過させて、炭素含有材料に対して増加した炭素含有量を有する炭素含有生成物を形成することと、を含む。

いくつかの実施形態では、出発炭素含有材料は、熱分解バイオマス又は焙焼バイオマスである。ガス流は、炭素含有材料を提供する統合プロセスの間に得ることができる。又は、ガス流は、炭素含有材料の別々の処理から得ることができる。ガス流又はその一部は、外部供給源（例えば、製材所のオーブン）から得ることができる。種々の供給源からのガス流の混合物、並びに炭素含有材料の混合物が可能である。

いくつかの実施形態では、プロセスは、プロセスを繰り返して、炭素含有生成物の炭素又はエネルギー含有量を更に増加させる、ガス流を再循環又は再利用することを更に含む。いくつかの実施形態では、プロセスは、プロセスを実施して、炭素含有材料とは異なる別の原料の炭素又はエネルギー含有量を増加させる、ガス流を再循環又は再利用することを更に含む。

いくつかの実施形態では、プロセスは、少なくとも第１及び第２の出力流を生成するように構成された分離ユニットにガス流を導入することを更に含み、ガス流は、凝縮性炭素含有蒸気と非凝縮性炭素含有ガスとの混合物を含む。第１及び第２の出力流は、相対揮発度、相対極性、又は任意の他の特性に基づいて分離することができる。ガス流は、炭素含有材料の別々の処理から得ることができる。

いくつかの実施形態では、プロセスは、プロセスを繰り返して、炭素含有生成物の炭素含有量を更に増加させる、ガス流を再循環又は再利用することを更に含む。いくつかの実施形態では、プロセスは、プロセスを実施して、別の原料の炭素含有量を増加させる、ガス流を再循環又は再利用することを更に含む。

炭素含有生成物は、出発炭素含有材料に対して、増加した総炭素含有量、より高い固定炭素含有量、より高い揮発性炭素含有量、より高いエネルギー含有量、又はそれらの任意の組み合わせを有することができる。

関連する変形形態では、高炭素生体試薬生成システムは、
（ａ）炭素含有原料を導入するように構成された供給装置と、
（ｂ）供給装置と動作可能に連通して配置され、炭素含有原料内に含まれる水分を除去するように構成された任意選択の乾燥機と、
（ｃ）乾燥機と動作可能に連通して配置された多重ゾーン反応器であって、空間的に分離された冷却ゾーンと動作可能に連通して配置された少なくとも１つの熱分解ゾーンを収容し、凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを固体から除去するための出口を有するように構成された、多重ゾーン反応器と、
（ｄ）多重ゾーン反応器と動作可能に連通して配置された固体冷却器と、
（ｅ）固体冷却器と動作可能に連通して配置され、凝縮性蒸気又は非凝縮性ガスを固体に通過させて、炭素含有量が増加した強化固体を形成するように構成された材料濃縮ユニットと、
（ｆ）材料濃縮ユニットと動作可能に連通して配置された高炭素生体試薬回収ユニットと、を備える。

システムは、熱分解ゾーンと動作可能に連通して配置された予熱ゾーンを更に備えることができる。いくつかの実施形態では、乾燥機は、多重ゾーン反応器内の乾燥ゾーンとして構成される。ゾーンの各々は、単一のユニット内又は別々のユニット内に位置することができる。また、固体冷却器は、多重ゾーン反応器内に配置することができる。

いくつかの実施形態では、冷却ゾーンは、ガス入口を備えて構成され、熱分解ゾーンは、ガス出口を備えて構成されて、固相に対する気相の実質的に向流の流れを生成する。これら又は他の実施形態では、予熱ゾーン又は乾燥ゾーン（若しくは乾燥機）は、ガス出口を備えて構成され、固相に対して気相の実質的に向流の流れを生成する。

特定の実施形態では、システムは、材料濃縮ユニットを組み込み、材料濃縮ユニットは、
（ｉ）上部部分及び下部部分を有するハウジングと、
（ｉｉ）ハウジングの下部部分の底部にあり、
凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを運ぶように構成された、入口と、
（ｉｉｉ）ハウジングの上部部分の頂部にあり、
凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスに由来する濃縮ガス流を運ぶように構成された、出口と、
（ｉｖ）ハウジングの上部部分と下部部分との間に画定された経路と、
（ｖ）経路に従う輸送システムであって、
固体を輸送するように構成された、輸送システムと、を備え、ハウジングは、固体が
凝縮性蒸気の少なくとも一部又は非凝縮性ガスの少なくとも一部を吸着するように成形されている。

本開示は、高炭素生体試薬として有用な種々の組成物、及びそのような試薬を組み込む生成物を製造することができる。いくつかの変形形態では、高炭素生体試薬は、本明細書に開示される任意のプロセス、例えば、
（ａ）バイオマスを含む炭素含有原料を提供するステップと、
（ｂ）任意選択で、原料を乾燥させて、原料内に含有される水分の少なくとも一部を除去するステップと、
（ｃ）任意選択で、原料を脱気して、もしあれば、原料に含有される格子間酸素の少なくとも一部を除去するステップと、
（ｄ）熱分解ゾーンにおいて、実質的に不活性なガスの存在下で、少なくとも１０分間及び約２５０℃～約７００℃から選択される熱分解温度で、原料を熱分解して、高温熱分解固体、凝縮性蒸気、及び非凝縮性ガスを生成するステップと、
（ｅ）高温熱分解固体から凝縮性蒸気の少なくとも一部と非凝縮性ガスの少なくとも一部とを分離するステップと、
（ｆ）冷却ゾーンにおいて、実質的に不活性なガスの存在下で、少なくとも５分間及び熱分解温度未満の冷却温度で、高温熱分解固体を冷却して、温かい熱分解固体を生成するステップと、
（ｇ）温かい熱分解固体を冷却して、冷たい熱分解固体を生成するステップと、
（ｈ）冷たい熱分解固体の少なくとも一部を含む高炭素生体試薬を回収するステップと、を含むプロセスによって製造される。

いくつかの実施形態では、試薬は、乾燥基準で少なくとも約７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、又は少なくとも９５重量％の総炭素を含む。総炭素は、少なくとも固定炭素を含み、揮発性物質からの炭素を更に含むことができる。いくつかの実施形態では、揮発性物質からの炭素は、高炭素生体試薬中に存在する総炭素の少なくとも約５％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、又は少なくとも５０％である。例えば、固定炭素は、ＡＳＴＭ Ｄ３１７２を使用して測定することができ、揮発性炭素は、ＡＳＴＭ Ｄ３１７５を使用して測定することができる。

高炭素生体試薬は、乾燥基準で約１０重量％以下、例えば約５重量％以下の水素を含むことができる。生体試薬は、乾燥基準で約１重量％以下、例えば約０．５重量％以下の窒素を含むことができる。生体試薬は、乾燥基準で約０．５重量％以下、例えば約０．２重量％以下のリンを含むことができる。生体試薬は、乾燥基準で約０．２重量％以下、例えば約０．１重量％以下の硫黄を含むことができる。

炭素、水素、及び窒素は、例えば、元素分析のためのＡＳＴＭ Ｄ５３７３を使用して測定することができる。酸素は、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ３１７６を使用して測定することができる。硫黄は、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ３１７７を使用して測定することができる。

特定の実施形態は、水素（存在し得る任意の水分を除く）、窒素、リン、又は硫黄をほとんど又は本質的に含まず、実質的に炭素に加えて任意の灰及び存在する水分である試薬を提供する。したがって、いくつかの実施形態は、乾燥／無灰（ＤＡＦ）基準で１００％以下の炭素を有する生体試薬を提供する。

バイオマス原料は、熱分解中に容易に放出されない、シリカ及び様々な金属を含む不揮発性種を含む。もちろん、無灰原料を利用することも可能であり、この場合、熱分解固体中に実質的な量の灰が存在すべきではない。灰は、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ３１７４を使用して測定することができる。

灰などの様々な量の不燃性物質が存在し得る。高炭素生体試薬は、乾燥基準で約１０重量％以下、例えば約５重量％、約２重量％、約１重量％以下の不燃性物質を含むことができる。特定の実施形態では、試薬は、灰をほとんど含有しないか、又は灰若しくは他の不燃性物質を本質的に全く含有しない。したがって、いくつかの実施形態は、乾燥基準で１００％の炭素を含む本質的に純粋な炭素を提供する。

様々な量の水分が存在し得る。総質量基準で、高炭素生体試薬は、少なくとも１重量％、２重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％、２５重量％、３５重量％、５０重量％以上の水分を含み得る。本明細書で意図される場合、「水分」は、吸収された水分、吸着された水分子、化学的水和物、及び物理的水和物を含む、生体試薬中に存在する任意の形態の水を含むものとして解釈されるべきである。平衡含水量は、相対湿度などの少なくとも局所環境によって変動し得る。また、水分は、輸送、使用準備、及び他の物流中に変動し得る。水分は、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ３１７３を使用して測定することができる。

高炭素生体試薬は、本目的のために、絶乾試薬の全燃焼に関連するより高い発熱量に基づくエネルギー密度を意味する、様々なエネルギー含有量を有することができる。例えば、高炭素生体試薬は、約少なくとも１１，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１２，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１３，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１４，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、又は少なくとも１５，０００Ｂｔｕ／ｌｂのエネルギー含有量を有することができる。特定の実施形態では、エネルギー含有量は、約１４，０００～１５，０００Ｂｔｕ／ｌｂである。エネルギー含有量は、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ５８６５を使用して測定することができる。

高炭素生体試薬は、粗粉末又は微粉末などの粉末に形成することができる。例えば、試薬は、実施形態では、約２００メッシュ、約１００メッシュ、約５０メッシュ、約１０メッシュ、約６メッシュ、約４メッシュ、又は約２メッシュの平均メッシュサイズを有する粉末に形成することができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、圧縮された、結合された、又は凝集された粒子を含む構造体に形成される。これらの物体を形成するための出発材料は、粒径減少によって得られる中間体などの試薬の粉末形態であり得る。物体は、機械的プレス又は他の力によって、任意選択で結合剤又は粒子を一緒に凝集させる他の手段を用いて形成することができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、その構造が実質的に原料に由来する構造体の形態で製造される。例えば、原料チップは、高炭素生体試薬の製品チップを製造することができる。又は、原料シリンダは、高炭素生体試薬シリンダを製造することができ、これは、いくらか小さくすることができるが、そうでなければ、出発材料の基本構造及び幾何形状を維持することができる。

本開示による高炭素生体試薬は、少なくとも約１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍ、７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍ、１０ｃｍ以上の最小寸法を有する物体として製造され得るか、又はそのような物体に形成され得る。様々な実施形態では、最小寸法又は最大寸法は、長さ、幅、又は直径であり得る。

本開示の他の変形形態は、プロセスへの、生成物への、又はその両方への添加剤の組み込みに関する。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、プロセス中に組み込まれる少なくとも１つのプロセス添加剤を含む。これら又は他の実施形態では、試薬は、プロセス後に試薬に導入される少なくとも１つの生成物添加剤を含む。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、乾燥基準で、
少なくとも約７０重量％の総炭素と、
多くとも約５重量％の水素と、
多くとも約１重量％の窒素と、
多くとも約０．５重量％のリンと、
多くとも約０．２重量％の硫黄と、
金属、金属酸化物、金属水酸化物、金属ハロゲン化物、又はそれらの組み合わせから選択される添加剤と、を含む。

添加剤は、決して限定されないが、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、塩化鉄、臭化鉄、酸化マグネシウム、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、フルオロスパー、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせから選択することができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、乾燥基準で、
少なくとも約７０重量％の総炭素と、
多くとも約５重量％の水素と、
多くとも約１重量％の窒素と、
多くとも約０．５重量％のリンと、
多くとも約０．２重量％の硫黄と、
酸、塩基、又はそれらの塩から選択される添加剤と、を含む。

添加剤は、決して限定されないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、又はそれらの組み合わせから選択することができる。

特定の実施形態では、高炭素生体試薬は、乾燥基準で、
多くとも約７０重量％の総炭素と、
多くとも約５重量％の水素と、
多くとも約１重量％の窒素と、
多くとも約０．５重量％のリンと、
多くとも約０．２重量％の硫黄と、
金属、金属酸化物、金属水酸化物、金属ハロゲン化物、又はそれらの組み合わせから選択される第１の添加剤と、
酸、塩基、又はそれらの塩から選択される第２の添加剤と、を含み、
第１の添加剤は、第２の添加剤とは異なる。

第１の添加剤は、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、塩化鉄、臭化鉄、酸化マグネシウム、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、フルオロスパー、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせから選択することができ、第２の添加剤は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、又はそれらの組み合わせから独立して選択することができる。

特定の高炭素生体試薬は、乾燥基準で、炭素、水素、窒素、リン、硫黄、不燃性物質、及びマグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、クロム、ケイ素、ホウ素、セリウム、モリブデン、リン、タングステン、バナジウム、塩化鉄、臭化鉄、酸化マグネシウム、ドロマイト、ドロマイト石灰、蛍石、フルオロスパー、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、又はそれらの組み合わせから選択される添加剤から本質的になる。

特定の高炭素生体試薬は、乾燥基準で、炭素、水素、窒素、リン、硫黄、不燃性物質、及び水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、酸化マグネシウム、臭化水素、塩化水素、ケイ酸ナトリウム、又はそれらの組み合わせから選択される添加剤から本質的になる。

添加剤（又は全添加剤）の量は、約０．１重量％、約１重量％、約５重量％、約１０重量％、又は約２０重量％を含む、約０．０１重量％～約２５重量％など、広く変動し得る。したがって、約１重量％を超えるなどの比較的大量の添加剤が組み込まれる場合、全試薬重量（添加剤を含む）に基づいて計算されるエネルギー含有量が減少することが理解されよう。更に、様々な実施形態では、添加剤を有する高炭素生体試薬は、約少なくとも１１，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１２，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１３，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、少なくとも１４，０００Ｂｔｕ／ｌｂ、又は少なくとも１５，０００Ｂｔｕ／ｌｂのエネルギー含有量を有することができる。

製品形態に関する上記の考察は、添加剤を組み込む実施形態にも適用される。実際、特定の実施形態は、特定の用途のための最終特性を向上させるために、結合剤、フラックス剤、又は他の改質剤として添加剤を組み込む。

好ましい実施形態では、高炭素生体試薬中に含有される炭素の大部分は、再生可能な炭素として分類される。いくつかの実施形態では、実質的に全ての炭素が再生可能な炭素として分類される。価値が高炭素生体試薬内の再生可能な炭素含有量に起因する特定の市場メカニズム（例えば、再生可能識別番号、税額控除など）が存在し得る。

特定の実施形態では、固定炭素は、非再生可能な炭素（例えば、石炭由来）として分類することができ、一方、別々に添加することができる揮発性炭素は、エネルギー含有量だけでなく再生可能な炭素価も増加させるために再生可能な炭素とすることができる。

本明細書に記載されるように製造される高炭素生体試薬は、多種多様な炭素質生成物に有用である。高炭素生体試薬は、それ自体望ましい市場製品であり得る。本明細書で提供される高炭素生体試薬は、最新技術と比較して、より低いレベルの不純物、低減されたプロセス排出物、及び改善された持続可能性（より高い再生可能な炭素含有量を含む）と関連付けられる。

変形形態では、生成物は、開示されるプロセスによって得ることができるか、又は本明細書に示される組成物に記載される高炭素生体試薬のいずれか、又はそれらの任意の部分、組み合わせ、若しくは誘導体を含む。

一般的に言えば、高炭素生体試薬を燃焼させて、エネルギー（電気及び熱を含む）を製造することができ、合成ガスを製造するために部分的に酸化され、ガス化され、又は水蒸気改質され、それらの吸着又は吸収特性のために利用され、金属精製（本開示によるものなどの金属酸化物の還元など）又は他の工業処理中のそれらの反応特性のために利用され、又は、炭素鋼及び様々な他の金属合金におけるそれらの材料特性のために利用される。本質的に、高炭素生体試薬は、開発される特殊用途を含む、炭素系商品又は先進材料の任意の市場用途に利用することができる。

任意の製品用途における適合性又は実際の使用の前に、開示される高炭素生体試薬は、様々な方法で分析、測定、及び任意選択で（添加剤などによって）改変することができる。化学組成及びエネルギー含有量以外の潜在的に重要ないくつかの特性としては、いくつかの特性を挙げると、密度、粒径、表面積、ミクロ多孔性、吸収性、吸着性、結合能、反応性、脱硫活性、及び塩基性が挙げられる。

これらの高炭素生体試薬を組み込むことができる生成物又は材料としては、炭素系高炉付加生成物、炭素系タコナイトペレット付加生成物、取鍋添加炭素系生成物、メトコークス炭素系生成物、石炭代替生成物、炭素系コーキング生成物、炭素ブリーズ生成物、流動床炭素系原料、炭素系炉付加生成物、注入可能炭素系生成物、微粉炭素系生成物、ストーカー炭素系生成物、炭素電極、又は活性炭生成物が挙げられるが、決してこれらに限定されない。

金属生産における開示される高炭素生体試薬の使用は、スラグを低減し、全体的効率を増加させ、ライフサイクル環境影響を低減することができる。したがって、本開示の実施形態は、金属の処理及び製造に特に適している。

本開示のいくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を炭素系高炉付加生成物として利用する。高炉は、（限定されないが）鉄などの工業用金属を製造するための製錬に使用される冶金炉の一種である。製錬は、抽出冶金の一形態であり、その主な用途は、その鉱石から金属を製造することである。製錬は、鉱石を分解するために熱及び化学還元剤を使用する。炭素又は炭素に由来する一酸化炭素は、鉱石から酸素を除去し、元素金属を残す。

還元剤は、高炭素生体試薬からなるか、又はそれを含むことができる。高炉では、高炭素生体試薬、鉱石、及び典型的には石灰石は、炉の頂部を通して連続的に供給することができ、一方、空気（任意選択で酸素富化を伴う）は、チャンバの底部に吹き込み、その結果、化学反応は、材料が下方に移動するにつれて炉全体にわたって起こる。最終生成物は、通常、底部から取り出される溶融金属及びスラグ相、並びに炉の頂部から出る煙道ガスである。高温の一酸化炭素リッチガスの上昇流と接触する鉱石の下降流は、向流プロセスである。

高炉中の炭素品質は、その耐劣化性によって測定される。透過性媒体としての炭素の役割は、経済的な高炉操業において重要である。炭素の分解は、高炉での位置によって変動し、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、又はＯ_２との反応と、炭素粒子同士及び投入物の他の成分に対する炭素粒子の摩耗との組み合わせを伴う。分解された炭素粒子は、目詰まり及び性能低下を引き起こす場合がある。

コークス反応性試験は、高炉中の炭素の性能の高く評価される尺度である。この試験は、２つの要素：コークス反応性指数（ＣＲＩ）及び反応後コークス強度（ＣＳＲ）を有する。低いＣＲＩ値（高い反応性）及び高いＣＳＲ値を有する炭素系材料は、より良好な高炉性能のために好ましい。ＣＲＩは、当該技術分野において既知の任意の好適な方法に従って、例えば、ＡＳＴＭ法ＤＳ３４１によって、受け取ったままの状態で決定することができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、高炉に直接導入するのに好適な特性を有する炭素生成物を提供する。

高炭素生体試薬の強度は、当該技術分野で既知の任意の好適な方法によって、例えば、落下破砕試験又はＣＳＲ試験によって決定することができる。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、任意選択で別の炭素源とブレンドされた場合、少なくとも約５０％、６０％、又は７０％のＣＳＲを有する最終炭素生成物を提供する。組み合わせ生成物はまた、高炉での燃焼に好適な反応性を有する最終コークス生成物を提供することができる。いくつかの実施形態では、生成物は、高炭素生体試薬が、メトコール、メトコークス、粉コークス、鋳物用コークス、又は注入可能な石炭の添加剤又は代替物としての使用に好適であるようなＣＲＩを有する。

いくつかの実施形態は、高炉生成物として使用するのに不十分なＣＲＩ又はＣＳＲを有する別の炭素源（例えば、コークス）に添加された場合に、高炉で使用するのに十分なＣＲＩ又はＣＳＲを有する複合生成物を提供する高炭素生体試薬を提供するのに十分な量で１つ以上の添加剤を用いる。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は、約４０％、３０％、又は２０％以下のＣＲＩを有する高炭素生体試薬を提供するのに十分な量で存在する。

いくつかの実施形態では、アルカリ土類金属、又はその酸化物若しくは炭酸塩から選択される１つ以上の添加剤は、高炭素生体試薬を製造するプロセスの間又は後に導入される。例えば、カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム、又は炭酸マグネシウムを添加剤として導入することができる。熱分解の前、最中、又は後にこれらの化合物を添加することにより、高炉中の高炭素生体試薬の反応性を高めることができる。これらの化合物は、より強い材料、すなわちより高いＣＳＲをもたらし、それによって高炉効率を改善することができる。加えて、アルカリ土類金属、又はそれらの酸化物若しくは炭酸塩から選択されるものなどの添加剤は、より低い排出（例えば、ＳＯ_２）をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、上述のように、高い固定炭素含有量だけでなく、かなり高い割合の揮発性炭素も含有する。揮発性物質は、より低い温度で金属酸化物へのより良好な物質輸送を有することが予想されることから、金属酸化物還元に望ましくなり得る。コークスなどの化石燃料系生成物と比較して、高炭素生体試薬は、十分な強度及びより多くの固定された揮発性炭素を有することができ、これはより大きな反応性をもたらす。

いくつかの実施形態では、高炉代替生成物は、少なくとも約５５重量％の炭素、約０．５重量％以下の硫黄、約８重量％以下の不燃性材料、及び少なくとも約１１，０００Ｂｔｕ／ポンドの発熱量を含む、本開示による高炭素生体試薬である。いくつかの実施形態では、高炉代替生成物は、約０．０３５重量％以下のリン、約０．５重量％～約５０重量％の揮発性物質、及び任意選択で１つ以上の添加剤を更に含む。いくつかの実施形態では、高炉代替生成物は、約２重量％～約１５重量％のドロマイト、約２重量％～約１５重量％のドロマイト石灰、約２重量％～約１５重量％のベントナイト、又は約２重量％～約１５重量％の酸化カルシウムを含む。いくつかの実施形態では、高炉代替生成物は、実質的に約１ｃｍ～約１０ｃｍの範囲の寸法を有する。

いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、鋳造用コークス代替生成物として有用である。鋳物用コークスは、一般に、少なくとも約８５重量％の炭素含有量、約０．６重量％の硫黄含有量、約１．５重量％以下の揮発性物質、約１３重量％以下の灰、約８重量％以下の水分、約０．０３５重量％のリン、約３０のＣＲＩ値、及び約５ｃｍ～約２５ｃｍの範囲の寸法を有することを特徴とする。

本開示のいくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を炭素系タコナイトペレット付加生成物として利用する。鉄及び鋼の作製に使用される鉱石は、酸化鉄である。主な酸化鉄鉱石としては、ヘマタイト、リモナイト（ブラウン鉱石とも呼ばれる）、タコナイト、及びマグネタイト、ブラック鉱石が挙げられる。タコナイトは、低品位であるが重要な鉱石であり、マグネタイト及びヘマタイトの両方を含有する。タコナイトの鉄含有量は、一般に２５重量％～３０重量％である。高炉は、典型的には、効率的な操業のために、少なくとも５０重量％の鉄含有鉱石を必要とする。鉄鉱石は、破砕、スクリーニング、タンブリング、浮選、及び磁気分離を含む選鉱を受けることができる。精製された鉱石は、６０％を超える鉄に濃縮され、輸送前にペレットに形成されることが多い。

例えば、タコナイトを微粉末に粉砕し、ベントナイト粘土及び石灰石などの結合剤と合わせることができる。例えば、約６５重量％の鉄を含有する直径約１センチメートルのペレットを形成することができる。ペレットは、焼成され、マグネタイトをヘマタイトに酸化する。ペレットは、耐久性があり、高炉装入物が、加熱されたガスを通過させ、ペレット化された鉱石と反応させるのに十分な多孔性のままであることを確実にする。

タコナイトペレットは、高炉付加生成物に関して上述したように、鉄を製造するために高炉に供給することができる。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬が高炉に導入される。これら又は他の実施形態では、高炭素生体試薬は、タコナイトペレット自体に組み込まれる。例えば、選鉱後のタコナイト鉱石粉末は、高炭素生体試薬及び結合剤と混合され、小さな物体に圧延され、次いで、硬くなるまで焼成され得る。このような実施形態では、適切な組成を有するタコナイト－炭素ペレットを、別々の炭素源を必要とせずに、高炉に都合よく導入することができる。

本開示のいくつかの変形形態は、取鍋添加炭素系生成物として高炭素生体試薬を利用する。取鍋は、溶融金属を輸送して注ぎ出すために使用される容器である。鋳造取鍋は、溶融金属を鋳型に注入して鋳造品を製造するために使用される。移送取鍋は、大量の溶融金属をあるプロセスから別のプロセスへ移送するために使用される。処理取鍋は、取鍋への様々な元素の添加による鋳鉄のダクタイル鉄への変換など、溶融金属のいくつかの態様を変化させるために取鍋内で起こるプロセスのために使用される。

高炭素生体試薬は、任意のタイプの取鍋に導入することができるが、典型的には、炭素は、目標炭素含有量に基づいて好適な量で処理取鍋に添加される。取鍋に注入される炭素は、最終組成物への炭素の良好な物質輸送のために微粉末の形態にあり得る。いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、取鍋付加生成物として使用される場合、約０．５ｃｍ、例えば約０．７５ｃｍ、約１ｃｍ、約１．５ｃｍ以上の最小寸法を有する。

いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、例えば、炭素の取鍋添加が使用される（例えば、鋼製造中に取鍋炭素に添加される）塩基性酸素炉又は電気アーク炉施設において、取鍋添加炭素添加剤として有用である。

いくつかの実施形態では、取鍋添加炭素添加剤は、最大約５重量％のマンガン、最大約５重量％の酸化カルシウム、又は最大約５重量％のドロマイト石灰を更に含む。

海綿鉄とも呼ばれる直接還元鉄（ＤＲＩ）は、天然ガス又は石炭から従来製造された還元ガスによる鉄鉱石（塊、ペレット、又は微粉の形態）の直接還元から製造される。還元ガスは、典型的には、還元剤として作用する水素と一酸化炭素の混合物である合成ガスである。本明細書で提供される高炭素生体試薬は、ＣＯを含むガス流に変換されて、還元剤として作用して直接還元鉄を製造することができる。

鉄ナゲットは、高品質の製鋼及び鉄鋳造供給材料である。鉄ナゲットは、本質的に全て鉄及び炭素であり、脈石（スラグ）はほとんどなく、金属残留物は、低レベルである。それらは、優れた輸送及び取扱い特性を有する高級グレードの銑鉄製品である。鉄ナゲット又はその任意の部分に含有される炭素は、本明細書で提供される高炭素生体試薬であり得る。鉄ナゲットは、還元剤及びエネルギー源として高炭素生体試薬を使用して、回転炉床炉中で鉄鉱石を還元することによって製造することができる。

本開示のいくつかの変形形態は、冶金コークス炭素系生成物として高炭素生体試薬を利用する。「メト」コークスとしても既知の冶金コークスは、通常、瀝青炭の様々なブレンドの分解蒸留によって製造される炭素材料である。最終固体は、冶金コークスと呼ばれる非溶融炭素である。揮発性ガスの損失及び部分的溶融の結果として、メトコークスは、開放多孔性形態を有する。メトコークスは、非常に低い揮発分を有する。しかしながら、元の瀝青炭原料の一部であった灰成分は、得られたコークス中に封入されたままである。メトコークス原料は、微粉末からバスケットボールサイズの塊までの広範囲のサイズで入手可能である。典型的な純度は、８６～９２重量％の固定炭素の範囲である。

冶金コークスは、高品質で強靭で弾力性のある摩耗炭素が必要とされる場合に使用される。用途としては、導電性床材、摩擦材料（例えば、炭素ライニング）、鋳造用コーティング、鋳造用炭素ライザー、腐食材料、掘削用途、還元剤、熱処理剤、セラミック充填媒体、電解プロセス、及び酸素排除が挙げられるが、これらに限定されない。

メトコークスは、約１０，０００～１４，０００Ｂｔｕ／ポンドの発熱量及び約１０重量％以上の灰分を有するものとして特徴付けることができる。したがって、いくつかの実施形態では、メトコークス代替生成物は、少なくとも約８０重量％、８５重量％、又は９０重量％の炭素、約０．８重量％以下の硫黄、約３重量％以下の揮発性物質、約１５重量％以下の灰、約１３重量％以下の水分、及び約０．０３５重量％以下のリンを含む本開示による高炭素生体試薬を含む。本開示による高炭素生体試薬は、メトコークス代替生成物として使用される場合、例えば、約２ｃｍ～約１５ｃｍのサイズ範囲を有することができる。

いくつかの実施形態では、メトコークス代替生成物は、クロム、ニッケル、マンガン、酸化マグネシウム、ケイ素、アルミニウム、ドロマイト、蛍石、酸化カルシウム、石灰、ドロマイト石灰、ベントナイト、又はそれらの組み合わせなどの添加剤を更に含む。

本開示のいくつかの変形形態は、石炭代替生成物として高炭素生体試薬を利用する。石炭を使用する任意のプロセス又はシステムは、原則として、高炭素生体試薬を使用するように適合させることができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、１つ以上の石炭系生成物と組み合わされて、石炭系生成物よりも高いランクを有するか、又は燃焼したときに純粋な石炭系生成物よりも少ない排出を有する複合生成物を形成する。

例えば、亜瀝青炭などの低品位炭は、本開示による選択された量の高炭素生体試薬を低品位炭生成物と組み合わせることによって、瀝青炭などの高品位炭生成物を通常必要とする用途において使用することができる。他の実施形態では、混合石炭生成物（例えば、異なるランクの複数の石炭の組み合わせ）のランクは、混合石炭をある量の高炭素生体試薬と組み合わせることによって改善することができる。石炭生成物と混合される高炭素生体試薬の量は、石炭生成物のランク、高炭素生体試薬の特性（例えば、炭素含有量、熱価など）、及び最終組み合わせ生成物の所望のランクに応じて変動し得る。

例えば、無煙炭は、一般に、少なくとも約８０重量％の炭素、約０．６重量％の硫黄、約５重量％の揮発性物質、最大約１５重量％の灰、最大約１０重量％の水分、及び約１２，４９４Ｂｔｕ／ｌｂの発熱量を有するものとして特徴付けられる。いくつかの実施形態では、無煙炭代替生成物は、少なくとも約８０重量％の炭素、約０．６重量％以下の硫黄、約１５重量％以下の灰、及び少なくとも約１２，０００Ｂｔｕ／ｌｂの発熱量を含む高炭素生体試薬である。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、熱石炭代替生成物として有用である。熱石炭生成物は、一般に、高い硫黄レベル、高いリンレベル、高灰分、及び最大約１５，０００Ｂｔｕ／ｌｂの発熱量を有することを特徴とする。いくつかの実施形態では、熱石炭代替生成物は、約０．５重量％以下の硫黄、約４重量％以下の灰、及び少なくとも約１２，０００Ｂｔｕ／ｌｂの発熱量を含む高炭素生体試薬である。

本開示のいくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を炭素系コーキング生成物として利用する。任意のコーキングプロセス又はシステムは、高炭素生体試薬を使用してコークスを製造するか、又はそれをコークス原料として使用するように適合させることができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、熱石炭又はコークス代替生成物として有用である。例えば、熱石炭又はコークス代替生成物は、少なくとも約５０重量％の炭素、約８重量％以下の灰、約０．５重量％以下の硫黄、及び少なくとも約１１，０００Ｂｔｕ／ｌｂの発熱量を含む高炭素生体試薬からなり得る。他の実施形態では、熱コークス代替生成物は、約０．５重量％～約５０重量％の揮発性物質を更に含む。熱石炭又はコークス代替生成物は、約０．４重量％～約１５重量％の水分を含むことができる。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、石油（ペット）コークス又はか焼ペットコークス代替生成物として有用である。か焼ペットコークスは、一般に、少なくとも約６６重量％の炭素、最大４．６重量％の硫黄、最大約５．５重量％の揮発性物質、最大約１９．５重量％の灰、及び最大約２重量％の水分を有することを特徴とし、典型的には約３メッシュ以下のサイズである。いくつかの実施形態では、か焼ペットコークス代替生成物は、少なくとも約６６重量％の炭素、約４．６重量％以下の硫黄、約１９．５重量％以下の灰、約２重量％以下の水分を含む高炭素生体試薬であり、約３メッシュ以下のサイズである。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、コーキング炭素置換炭素（例えば、コーキング炉中で冶金用石炭と同時焼成される）として有用である。一実施形態では、コーキング炭素代替生成物は、少なくとも約５５重量％の炭素、約０．５重量％以下の硫黄、約８重量％以下の不燃性材料、及び少なくとも約１１，０００Ｂｔｕ／ポンドの発熱量を含む高炭素生体試薬である。いくつかの実施形態では、コーキング炭素代替生成物は、約０．５重量％～約５０重量％の揮発性物質、又は１つ以上の添加剤を含む。

本開示のいくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を炭素ブリーズ生成物として利用し、炭素ブリーズ生成物は、典型的には、６ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ未満などの非常に細かい粒径を有する。いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、粉コークス代替生成物として有用である。粉コークスは、一般に、約６ｍｍ以下の最大寸法、少なくとも約８０重量％の炭素含有量、０．６～０．８重量％の硫黄、１％～２０重量％の揮発性物質、最大約１３重量％の灰、及び最大約１３重量％の水分を有することを特徴とする。いくつかの実施形態では、粉コークス代替生成物は、少なくとも約８０重量％の炭素、約０．８重量％以下の硫黄、約２０重量％以下の揮発性物質、約１３重量％以下の灰、約１３重量％以下の水分、及び約６ｍｍの最大寸法を含む本開示による高炭素生体試薬である。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、例えば、タコナイトペレット製造中又は製鉄プロセスにおいて、炭素ブリーズ代替生成物として有用である。

いくつかの変形形態は、様々な流動床のための原料として、又は流動床炭素系原料代替生成物として高炭素生体試薬を利用する。炭素は、全燃焼、部分酸化、ガス化、水蒸気改質などのために流動床で用いることができる。炭素は、主に、エネルギー（例えば、熱及び電力の組み合わせ）又は液体燃料（例えば、メタノール又はフィッシャー・トロプシュディーゼル燃料）の製造を含む様々な下流用途のための合成ガスに変換することができる。

いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、例えば、石炭が（例えば、プロセス熱又はエネルギー生産のために）使用される流動床炉における流動床石炭代替生成物として有用である。

いくつかの変形形態は、炭素系炉付加生成物として高炭素生体試薬を利用する。石炭系炭素炉付加生成物は、一般に、高い硫黄レベル、高いリンレベル、及び高灰分を有するものとして特徴付けられ、これらは、金属生成物の劣化に寄与し、大気汚染を引き起こす。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬を含む炭素炉付加代替生成物は、約０．５重量％以下の硫黄、約４重量％以下の灰、約０．０３重量％以下のリン、及び約７．５ｃｍの最大寸法を含む。いくつかの実施形態では、炭素炉付加代替生成物は、約０．５重量％～約５０重量％の揮発性物質及び約０．４重量％～約１５重量％の水分を含む。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、例えば、炉付加炭素が使用される場合はいつでも、塩基性酸素炉又は電気アーク炉施設において、炉付加炭素添加剤として有用である。例えば、炉付加炭素は、電気アーク炉施設での鋼製造中にスクラップ鋼に添加することができる。電気アーク炉用途では、不純物の早期除去後に不純物がプロセスに戻されないように、高純度炭素が望ましい。

いくつかの実施形態では、炉付加炭素添加剤は、少なくとも約８０重量％の炭素、約０．５重量％以下の硫黄、約８重量％以下の不燃性材料、及び少なくとも約１１，０００Ｂｔｕ／ポンドの発熱量を含む高炭素生体試薬である。いくつかの実施形態では、炉付加炭素添加剤は、最大約５重量％のマンガン、最大約５重量％の蛍石、約５重量％～約１０重量％のドロマイト、約５重量％～約１０重量％のドロマイト石灰、又は約５重量％～約１０重量％の酸化カルシウムを更に含む。

いくつかの変形形態は、ストーカー炉炭素系生成物として高炭素生体試薬を利用する。いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、例えば、石炭が使用される（例えば、プロセス熱又はエネルギー生産のために）ストーカー炉施設におけるストーカー石炭代替生成物として有用である。

いくつかの変形形態は、注入可能な（例えば、微粉）炭素系材料として高炭素生体試薬を利用する。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、注入グレードのか焼ペットコークス代替生成物として有用である。注入グレードのか焼ペットコークスは、一般に、少なくとも約６６重量％の炭素、約０．５５～約３重量％の硫黄、最大約５．５重量％の揮発性物質、最大約１０重量％の灰、最大約２重量％の水分を有することを特徴とし、約６メッシュ以下のサイズである。いくつかの実施形態では、か焼ペットコークス代替生成物は、少なくとも約６６重量％の炭素、約３重量％以下の硫黄、約１０重量％以下の灰、約２重量％以下の水分を含む高炭素生体試薬であり、約６メッシュ以下のサイズである。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、注入可能な炭素が使用される（例えば、鋼製造中にスラグ又は取鍋に注入される）任意の用途において、例えば、塩基性酸素炉又は電気アーク炉施設における注入可能な炭素代替生成物として有用である。

いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、例えば、微粉炭が（例えば、プロセス熱又はエネルギー生産のために）使用される場合はいつでも、微粉炭素代替生成物として有用である。いくつかの実施形態では、微粉炭素代替生成物は、最大約１０パーセントの酸化カルシウムを含む。

いくつかの変形形態は、金属生成のための炭素付加生成物として高炭素生体試薬を利用する。いくつかの実施形態では、本開示による高炭素生体試薬は、炭素鋼又は炭素を含む別の金属合金の製造のための炭素付加生成物として有用である。石炭系後期段階炭素付加生成物は、一般に、高い硫黄レベル、高いリンレベル、及び高灰分、並びに金属品質を低下させ、大気汚染に寄与する高い水銀レベルを有するものとして特徴付けられる。本開示のいくつかの実施形態では、炭素付加生成物は、約０．５重量％以下の硫黄、約４重量％以下の灰、約０．０３重量％以下のリン、約１～５ｍｍの最小寸法、及び約８～１２ｍｍの最大寸法を含む。

いくつかの変形形態は、炭素電極内の高炭素生体試薬を利用する。いくつかの実施形態では、高炭素生体試薬は、例えば、アルミニウム製造における使用に好適な電極（例えば、アノード）材料として有用である。

炭素電極における高炭素生体試薬の他の用途としては、電池、燃料電池、キャパシタ、及び他のエネルギー貯蔵又はエネルギー送達デバイスにおける用途が挙げられる。例えば、リチウムイオン電池において、高炭素生体試薬は、リチウムをインターカレートするためにアノード側で使用することができる。これらの用途では、炭素純度及び低灰分が非常に重要であり得る。

本開示のいくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を触媒担体として利用する。炭素は、炭素相に担持された硫化コバルト－モリブデン金属触媒を使用する合成ガスからの混合アルコール合成、又は合成ガスからの高級炭化水素のフィッシャー・トロプシュ合成のための炭素に担持された鉄系触媒などの広範囲の触媒化学反応における既知の触媒担体である。

いくつかの変形形態は、高炭素生体試薬を活性炭生成物として利用する。活性炭は、水処理、空気浄化、溶媒蒸気回収、食品及び飲料加工、並びに医薬品を含む、多種多様な液相及び気相用途において使用される。活性炭については、材料の多孔性及び表面積が一般に重要である。本明細書で提供される高炭素生体試薬は、様々な実施形態では、（ｉ）化石燃料系活性炭よりも大きい表面積；（ｉｉ）炭素再生可能性；（ｉｉｉ）添加剤と併用したバイオマス原料の脈管性が、汚染物質制御を強化する添加剤の浸透／分布をより良好に可能にすること；かつ（ｉｖ）より少ない不活性材料（灰）が、より大きな反応性をもたらすこと、に起因して、優れた活性炭生成物を提供することができる。

高炭素生体試薬の市場用途の上記説明において、説明された用途は排他的ではなく、網羅的でもないことが認識されるべきである。したがって、１つのタイプの炭素生成物に好適であると記載される高炭素生体試薬は、様々な実施形態では、記載される任意の他の用途に好適であり得る。これらの用途は例示にすぎず、高炭素生体試薬の他の用途もある。

加えて、いくつかの実施形態では、同じ物理的材料が、統合された方法又は順番のいずれかで、複数の市場プロセスにおいて使用されることができる。したがって、例えば、炭素電極又は活性炭として使用される高炭素生体試薬は、性能材料としてのその有効寿命の終わりに、エネルギー価値のための燃焼プロセス又は金属製造（例えば、金属鉱石還元）プロセスなどに導入することができる。

いくつかの実施形態は、生体試薬を、その反応性／吸着特性のために、また燃料としても使用することができる。例えば、排出流中に注入される生体試薬は、汚染物質を除去し、続いて生体試薬粒子及び場合によっては汚染物質を燃焼させて、エネルギーを製造し、汚染物質を熱的に破壊又は化学的に酸化するのに好適であり得る。

従来の化石燃料系生成物と比較して、高炭素生体試薬には、著しい環境上及び生成物使用上の利点が伴い得る。高炭素生体試薬は、環境的に優れているだけでなく、例えば、より高い純度のために処理の観点から機能的にも優れているものであり得る。

金属製造のいくつかの実施形態に関して、開示されるプロセスによる生体試薬の製造は、金属製造における使用のためにそれらを調製するために必要な石炭系生成物のコーキングと比較して、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_２、及び有害大気汚染物質の大幅に低い排出をもたらし得る。

石炭又はコークスの代わりに高炭素生体試薬を使用することによっても、ＳＯ_２、有害大気汚染物質、及び水銀の環境排出が大幅に低減される。

また、これらの高炭素生体試薬の純度（低灰分を含む）のために、開示される生体試薬は、スラグを低減し、バッチ金属製造プロセスにおける生産能力を増加させる可能性を有する。

この詳細な説明では、本開示の複数の実施形態、及び本開示がどのように理解及び実施され得るかに関する非限定的な例が参照されている。本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される特徴及び利点の全てを提供しない他の実施形態を利用することができる。本開示は、本明細書に記載される方法及びシステムの日常的な実験及び最適化を組み込む。そのような修正及び変形は、特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲内であるとみなされる。

本明細書に引用される全ての刊行物、特許、及び特許出願は、各刊行物、特許、又は特許出願が具体的かつ個別に本明細書に記載されているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、以下の刊行物：米国特許第１０，１７４，２６７号、米国特許第９，８４５，４４０号、米国特許出願公開第２０１９－０１６９５１８号、米国特許出願公開第２０１５－０１４４８３１号、米国特許出願公開第２０１５－０１２６３６２号、米国特許出願公開第２０１５－０１９６８９６号、米国特許出願公開第２０１６－０２８０５５４号、及び米国特許出願公開第２０１６－０１１４３０８号を参照により本明細書に組み込む。

上述の方法及びステップが特定の順序で生じる特定の事象を示す場合、当業者は、特定のことの順序を変更することができ、そのような変更が本開示の変形形態に従うことを認識するであろう。更に、ステップのいくつかは、可能であれば並列プロセスで同時に実行されてもよく、順次実行されてもよい。

したがって、本開示の趣旨の範囲内であるか、又は添付の特許請求の範囲に見出される本開示の均等物である本開示の変形形態が存在する範囲で、本特許がそれらの変形形態も包含することが意図される。本開示は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

実施例１：バイオマス熱分解オフガスを使用した鉄鉱石の還元。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。タコナイトは、主に米国ミネソタ州のメサビ鉄鉱区（Mesabi Iron Range）及び米国ミシガン州のマルケット鉄鉱区（Marquette Iron Range）で採掘される。

バイオマス原料は、約６００℃の熱分解温度、約３０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、Ｎ_２から本質的になる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、水素及び一酸化炭素を含む熱分解オフガスであり、約５～１０バールなどの高圧で熱分解オフガスを貯蔵するための円筒形容器に方向付けることができ、又は圧縮して還元反応器に直接供給することができる。

粒状鉄鉱石及び生体試薬は、塊と微粉との混合物として炭素鉄鉱石粒子状物を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次いで、塊と微粉との混合物を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。

次いで、炭素－鉄鉱石ペレットは、固体入口ポートを使用して連続還元反応器に供給される。Ｈ_２及びＣＯを含有する熱分解オフガスは、蒸気入口ポートを使用して円筒形容器から還元反応器に計量供給される。蒸気は、固体流と並流で流れる。還元反応器は、約９００℃の還元温度及び約１時間の還元滞留時間で操作される。還元圧力は、約５バール（加圧熱分解オフガスを介して）である。還元反応器において、Ｆｅ_３Ｏ_４は、Ｈ_２及びＣＯ並びに固体炭素との反応によって、ＦｅＯとＦｅとの混合物に還元される（ＦｅＯはＦｅ_３Ｏ_４よりも低い酸化状態である）。還元反応器からの蒸気出力は、化学還元からの反応副産物として水及び二酸化炭素を含有する。還元反応器からの固体産出物は、ＦｅＯとＦｅとの混合物、及び場合によってはいくらかの未反応炭素を含有する。任意選択で、この固体産出物は、再循環され、再び還元反応器を通過して、追加の還元ガス又は残留炭素含有量を使用してＦｅＯをＦｅに還元することができる。

実施例２：バイオマス熱分解還元ガスを使用した鉄鉱石の還元。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約５００℃の熱分解温度、約４０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、炭化水素を含む熱分解オフガスであり、熱分解オフガスを貯蔵するための容器に方向付けられる。炭化水素には、メタンなどの軽質アルカン、メタノールなどの軽質アルコール、酢酸などの軽質有機酸、及びテルペンが含まれる。

粒状鉄鉱石及び生体試薬は、塊と微粉との混合物として炭素鉄鉱石粒子状物を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次いで、塊と微粉との混合物を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。

熱分解オフガスは、連続部分酸化反応器中で部分酸化されて、水素及び一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する。部分酸化反応器は、触媒を利用することができる。部分酸化は、発熱性であり、いくらかの熱を放出し、これは熱分解反応器と熱統合されて、その吸熱熱要件を提供する。還元ガスは、約５～１０バールなどの高圧で還元ガスを貯蔵するための円筒形容器に方向付けることができ、又は圧縮されて還元反応器に直接供給することができる。

次いで、炭素－鉄鉱石ペレットは、固体入口ポートを使用して連続還元反応器に供給される。Ｈ_２及びＣＯを含有する還元ガスは、蒸気入口ポートを使用して、円筒形容器から還元反応器に計量供給される。蒸気は、固体流と並流で流れる。還元反応器は、約９００℃の還元温度及び約１時間の還元滞留時間で操作される。還元圧力は、約５バール（加圧還元ガスを介して）である。還元反応器において、Ｆｅ_３Ｏ_４は、Ｈ_２及びＣＯ並びに固体炭素との反応によって、ＦｅＯとＦｅとの混合物に還元される。還元反応器からの蒸気出力は、化学還元からの反応副産物として水及び二酸化炭素を含有する。還元反応器からの固体産出物は、ＦｅＯとＦｅとの混合物、及び場合によってはいくらかの未反応炭素を含有する。任意選択で、この固体産出物は、再循環され、再び還元反応器を通過して、追加の還元ガス又は残留炭素含有量を使用してＦｅＯをＦｅに還元することができる。

実施例３：バイオマス熱分解還元ガスを使用した鉄鉱石の還元。
米国アイオワ州からのトウモロコシ（Zea mays）茎葉をバイオマス原料として提供する。トウモロコシ茎葉は、葉、茎、及び穂軸を含み、約２５ミリメートルの平均粒子長を有する。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約５００℃の熱分解温度、約３０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＡｒからなる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、エネルギー製造のために燃焼される熱分解オフガスである。

粒状鉄鉱石及び生体試薬の第１の部分は、塊と微粉との混合物として炭素鉄鉱石粒子状物を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次いで、塊と微粉との混合物を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。

生体試薬の第２の部分は、ガス化装置においてガス化されて、水素及び一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する。ガス化装置は、酸化媒体として空気を使用して約１２００℃で連続的に操作され、還元ガス及び灰を含有する残留（未反応）固体の製造をもたらす。還元ガスは、約５～１０バールなどの高圧で還元ガスを貯蔵するための円筒形容器に方向付けることができ、又は圧縮されて還元反応器に直接供給することができる。

次いで、炭素－鉄鉱石ペレットは、固体入口ポートを使用して連続還元反応器に供給される。Ｈ_２及びＣＯを含有する還元ガスは、蒸気入口ポートを使用して、円筒形容器から還元反応器に計量供給される。蒸気は、固体流と並流で流れる。還元反応器は、約１０００℃の還元温度及び約１時間の還元滞留時間で操作される。還元圧力は、約１０バール（加圧還元ガスを介して）である。還元反応器において、Ｆｅ_３Ｏ_４は、Ｈ_２及びＣＯ並びに固体炭素との反応によってＦｅに還元される。還元反応器からの蒸気出力は、化学還元からの反応副産物として水及び二酸化炭素を含有する。還元反応器からの固体産出物は、タコナイト中の出発Ｆｅ_３Ｏ_４から完全に還元されたＦｅを含有する。

実施例４：炭素鉄鉱石ペレットの製造。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約６５０℃の熱分解温度、約３０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、熱分解オフガスであり、これは貯蔵され、エネルギー生成のために燃焼され、又はプロセスの他の場所で使用され得る。

粒状鉄鉱石及び生体試薬は、炭素鉄鉱石微粉を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次に、微粉を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。結合剤（例えば、ベントナイト粘土、石灰石、又はデンプン）を使用して、結合効率を高めてもよい。炭素－鉄鉱石ペレットは、約４０重量％の総炭素を含有する。

実施例５：鉄鉱石及びバイオマスからの鉄ナゲットの製造。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約５００℃の熱分解温度、約１時間の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約２バールである。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、水素及び一酸化炭素を含む熱分解オフガスであり、約５～１０バールなどの高圧で熱分解オフガスを貯蔵するための円筒形容器に方向付けることができ、又は圧縮して還元反応器に直接供給することができる。

粒状鉄鉱石及び生体試薬は、塊と微粉との混合物として炭素鉄鉱石粒子状物を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次いで、塊と微粉との混合物を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。

次いで、炭素－鉄鉱石ペレットは、固体入口ポートを使用して、連続還元反応器としての回転炉床炉に供給される。Ｈ_２及びＣＯを含有する熱分解オフガスは、蒸気入口ポートを使用して円筒形容器から還元反応器に計量供給される。蒸気は、固体流と向流的に流れる。還元反応器は、約７００℃の還元温度及び約５０分の還元滞留時間で操作される。還元圧力は、約１０バール（加圧熱分解オフガスを介して）である。還元反応器において、Ｆｅ_３Ｏ_４は、Ｈ_２及びＣＯとの反応によってＦｅに還元される。還元反応は、固体炭素の全てが酸化鉄と反応しないように最適化される。還元反応器からの蒸気出力は、化学還元からの反応副産物として水及び二酸化炭素を含有する。還元反応器からの固体生成物は、Ｆｅを含有する。固体生成物は、本質的に鉄及び炭素からなる鉄ナゲットの形態にある。鉄ナゲットは、高品質の製鋼及び鉄鋳造供給材料である。鉄ナゲットは、優れた輸送及び取扱い特性を有する高級銑鉄製品である。

実施例６：鉄鉱石及びバイオマスからの鉄の製造。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約７００℃の熱分解温度、約２０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約１バールである。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、炭素を含む生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、熱分解オフガスである。

粒状鉄鉱石及び生体試薬の少なくとも一部を連続粉砕ユニット中で合わせて、炭素鉄鉱石塊を生成する。

次いで、固体入口ポートを使用して、炭素－鉄鉱石の塊を連続化学還元炉に供給する。化学還元炉は、約１１００℃の還元温度、約１時間の還元滞留時間、及び約３バールの圧力で操作される。空気を化学還元炉に供給して、炭素鉄鉱石塊に含有される炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素を生成する。Ｆｅ_３Ｏ_４は、このＣＯ及び残留Ｃとの反応によってＦｅに還元される。任意選択で、熱分解から製造された生体試薬の一部は、（炭素鉄鉱石塊としてではなく）化学還元炉に直接共供給される。化学還元炉からの固体産出物は、Ｆｅ、すなわち鉄生成物を含有する。

実施例７：鉄鉱石を還元するための組成物。
木材チップの形態のベイマツ（Pseudotsuga menziesii）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約２５ミリメートル、幅約２５ミリメートル、厚さ約５ミリメートルである。

粒状鉄鉱石が金属鉱石として提供される。鉄鉱石は、タコナイトの形態にある。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）を含有する低グレードのケイ酸質鉄鉱石である。

バイオマス原料は、約６５０℃の熱分解温度、約３０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、約７０重量％の固定炭素を含有する生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、熱分解オフガスであり、これは貯蔵され、エネルギー生成のために燃焼され、又はプロセスの他の場所で使用され得る。

粒状鉄鉱石及び生体試薬は、炭素鉄鉱石微粉を生成するために、連続粉砕ユニットにおいて組み合わされる。次に、微粉を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素鉄鉱石ペレットを生成する。石灰石は、結合効率を高めるために利用される。石灰石は、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の異なる結晶形である方解石及びアラゴナイトを含有する。

最終組成物は、炭素鉄鉱石ペレットを含み、炭素鉄鉱石ペレットは、無水及び無灰基準で約３０重量％の固定炭素を含む。固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される１００％の再生可能な炭素よりもわずかに少ない。わずかな百分率の非再生可能な炭素は、ＣａＣＯ_３結合剤中に含有される炭素に起因して生じる。

実施例８：銅－ニッケル鉱石を還元するための組成物。
木材チップの形態のノルディックカバノキ（Betula pendula）がバイオマス原料として提供される。木材チップの平均サイズは、長さ約５０ミリメートル、幅約５０ミリメートル、厚さ約１０ミリメートルである。

混合された銅鉱石及びニッケル鉱石を含有する粒状金属鉱石が提供される。

バイオマス原料は、約６５０℃の熱分解温度、約３０分の熱分解滞留時間で、連続熱分解反応器中で熱分解される。熱分解圧力は、本質的にＮ_２からなる不活性ガス下で約１バール（大気圧）である。熱分解反応器からの固体出力及び蒸気出力がある。固体産出物は、約７５重量％の固定炭素を含有する生体試薬であり、ホッパーに回収される。蒸気出力は、熱分解オフガスであり、これは貯蔵され、エネルギー生成のために燃焼され、又はプロセスの他の場所で使用され得る。

粒子化された金属鉱石及び生体試薬は、炭素金属鉱石微粉を生成するために、連続金属粉砕機において組み合わされる。次いで、微粉を連続ペレット化ユニットでペレット化して、炭素金属鉱石ペレットを生成する。コーンスターチは、結合効率を高めるために利用される。コーンスターチ中の炭素は、再生可能であり、生物起源である。

最終組成物は、炭素金属鉱石ペレットを含み、炭素金属鉱石ペレットは、無水及び無灰基準で約３５重量％の固定炭素を含む。固定炭素は、炭素の^１４Ｃ／^１２Ｃ同位体比の測定から決定される１００％の再生可能な炭素である。

Claims (80)

1. 炭素金属鉱石ペレットを製造するためのプロセスであって、前記プロセスが、
   バイオマス原料を提供することと、
   前記バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、前記生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
   金属鉱石を得ることであって、前記金属鉱石が、金属酸化物を含み、前記金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
   前記炭素を前記金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
   前記炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、を含み、
   前記生体試薬が、少なくとも５０重量％の固定炭素を含み、
   前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の総炭素を含む、プロセス。
2. 前記バイオマス原料が、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築廃棄物、解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記生体試薬が、少なくとも６０重量％の総炭素を含む、請求項１又は２に記載のプロセス。
4. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の総炭素を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の総炭素を含む、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記生体試薬が、少なくとも５５重量％の固定炭素を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 前記金属鉱石が、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項１～８のいずれか一項に記載のプロセス。
10. 前記金属鉱石が、鉄鉱石である、請求項１～９のいずれか一項に記載のプロセス。
11. 前記鉄鉱石が、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項１～１０のいずれか一項に記載のプロセス。
12. 前記金属鉱石が、選鉱された金属鉱石である、請求項１～１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 前記粒子状物形態の前記金属鉱石が、粉末状形態の前記金属鉱石である、請求項１～１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石微粉である、請求項１～１３のいずれか一項に記載のプロセス。
15. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石塊である、請求項１～１４のいずれか一項に記載のプロセス。
16. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約０．５重量％～多くとも約２５重量％の総炭素を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載のプロセス。
17. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の総炭素を含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載のプロセス。
18. 前記炭素金属鉱石ペレットが、添加剤を含む、請求項１～１７のいずれか一項に記載のプロセス。
19. 前記添加剤が、結合剤を含む、請求項１８に記載のプロセス。
20. 前記炭素金属鉱石ペレットが、前記炭素及び前記金属鉱石から本質的になる、請求項１～１９のいずれか一項に記載のプロセス。
21. 金属ナゲットを製造するためのプロセスであって、前記プロセスが、
    バイオマス原料を提供することと、
    前記バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬及び熱分解オフガスを生成することであって、前記生体試薬が、炭素を含み、前記熱分解オフガスが、水素又は一酸化炭素を含む、生成することと、
    金属鉱石を得ることであって、前記金属鉱石が、金属酸化物を含み、前記金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
    前記炭素を前記金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
    前記炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
    前記金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属ナゲットを生成することであって、前記化学的に還元することが、前記熱分解オフガスを使用して達成される、生成することと、
    前記金属ナゲットを回収することであって、前記金属ナゲットが、金属を含み、前記金属が、前記金属酸化物の還元形態である、回収することと、を含む、プロセス。
22. 前記金属ナゲットが、前記金属及び前記炭素から本質的になる、請求項２１に記載のプロセス。
23. 前記バイオマス原料が、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築廃棄物、解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項２１又は２２に記載のプロセス。
24. 前記生体試薬が、少なくとも５０重量％の炭素を含む、請求項２１～２３のいずれか一項に記載のプロセス。
25. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の炭素を含む、請求項２１～２４のいずれか一項に記載のプロセス。
26. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の炭素を含む、請求項２１～２５のいずれか一項に記載のプロセス。
27. 前記生体試薬が、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む、請求項２１～２６のいずれか一項に記載のプロセス。
28. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む、請求項２１～２７のいずれか一項に記載のプロセス。
29. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む、請求項２１～２８のいずれか一項に記載のプロセス。
30. 前記金属鉱石が、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項２１～２９のいずれか一項に記載のプロセス。
31. 前記金属鉱石が、鉄鉱石である、請求項２１～３０のいずれか一項に記載のプロセス。
32. 前記鉄鉱石が、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項２１～３１のいずれか一項に記載のプロセス。
33. 前記金属鉱石が、選鉱された鉄鉱石である、請求項２１～３１のいずれか一項に記載のプロセス。
34. 前記粒子状物形態の前記金属鉱石が、粉末状形態の前記金属鉱石である、請求項２１～３３のいずれか一項に記載のプロセス。
35. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石微粉である、請求項２１～３３のいずれか一項に記載のプロセス。
36. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石塊である、請求項２１～３３のいずれか一項に記載のプロセス。
37. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む、請求項２１～３６のいずれか一項に記載のプロセス。
38. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む、請求項２１～３７のいずれか一項に記載のプロセス。
39. 前記炭素金属鉱石ペレットが、添加剤を含む、請求項２１～３８のいずれか一項に記載のプロセス。
40. 前記添加剤が、結合剤を含む、請求項３９に記載のプロセス。
41. 前記炭素金属鉱石ペレットが、前記炭素及び前記金属鉱石から本質的になる、請求項２１～３８のいずれか一項に記載のプロセス。
42. 前記化学的に還元することが、前記熱分解オフガスを直接利用する、請求項２１～４１のいずれか一項に記載のプロセス。
43. 前記化学的に還元することが、最初に前記熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって還元ガスを生成し、次いで前記還元ガスを利用して前記炭素金属鉱石粒子状物内又は前記炭素金属鉱石ペレット内の前記金属酸化物を化学的に還元することによって、前記熱分解オフガスを間接的に利用する、請求項２１～４１のいずれか一項に記載のプロセス。
44. 前記化学的に還元することが、前記生体試薬のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する、請求項２１～４３のいずれか一項に記載のプロセス。
45. 前記化学的に還元することが、還元ガスを同時利用し、前記生体試薬が、前記熱分解中に得られた重質炭化水素を含み、前記重質炭化水素が、前記還元ガスに変換される、請求項２１～４４のいずれか一項に記載のプロセス。
46. 前記化学的に還元することが、軽質炭化水素のガス化、部分酸化、又は水蒸気改質から得られる還元ガスを同時利用する、請求項２１～４５のいずれか一項に記載のプロセス。
47. 前記軽質炭化水素が、前記熱分解オフガスの一部として前記熱分解中に得られる、請求項４６に記載のプロセス。
48. 前記熱分解オフガスが、少なくとも１モル％の水素を含む、請求項２１～４７のいずれか一項に記載のプロセス。
49. 前記熱分解オフガスが、少なくとも１０モル％の水素を含む、請求項４７に記載のプロセス。
50. 前記熱分解オフガスが、少なくとも１モル％の一酸化炭素を含む、請求項２１～４９のいずれか一項に記載のプロセス。
51. 前記熱分解オフガスが、少なくとも１０モル％の一酸化炭素を含む、請求項５０に記載のプロセス。
52. 前記化学的に還元することが、金属鉱石炉中で行われる、請求項２１～５１のいずれか一項に記載のプロセス。
53. 前記化学的に還元することが、金属鉱石炉の上流で行われる、請求項２１～５１のいずれか一項に記載のプロセス。
54. 前記化学的に還元することが、前記炭素の燃焼又は部分酸化によって製造される内部熱を利用する、請求項２１～５３のいずれか一項に記載のプロセス。
55. 前記化学的に還元することが、前記炭素の燃焼又は部分酸化によって別々に製造される外部熱を利用する、請求項２１～５４のいずれか一項に記載のプロセス。
56. 前記プロセスが、金属鉱石鉱山に共同してある、請求項２１～５５のいずれか一項に記載のプロセス。
57. 前記プロセスが、金属鉱石処理プラントに共同してある、請求項２１～５５のいずれか一項に記載のプロセス。
58. 前記熱分解及び前記化学的に還元することが、同じ場所で行われる、請求項２１～５７のいずれか一項に記載のプロセス。
59. 金属鉱石から金属を製造するためのプロセスであって、前記プロセスが、
    バイオマス原料を提供することと、
    前記バイオマス原料を熱分解し、それによって生体試薬を生成することであって、前記生体試薬が、炭素を含む、生成することと、
    金属鉱石を得ることであって、前記金属鉱石が、金属酸化物を含み、前記金属鉱石が、粒子状物形態にある、得ることと、
    前記炭素を前記金属鉱石と合わせ、それによって炭素金属鉱石粒子状物を生成することと、
    前記炭素金属鉱石粒子状物をペレット化し、それによって炭素金属鉱石ペレットを生成することと、
    前記炭素金属鉱石ペレットを化学還元炉に導入することと、
    空気又は酸素を前記化学還元炉に導入し、それによって前記炭素金属鉱石粒子状物内に含まれる前記炭素を酸化し、それによって熱及び一酸化炭素を生成することと、
    前記炭素金属鉱石ペレット内の前記金属酸化物を化学的に還元し、それによって金属を生成することであって、前記化学的に還元することが、前記化学還元炉内の前記一酸化炭素を使用して達成される、生成することと、
    前記金属を回収することと、を含む、プロセス。
60. 前記生体試薬が、前記化学還元炉に直接共供給される、請求項５９に記載のプロセス。
61. 前記バイオマス原料が、軟材チップ、硬材チップ、材木収穫残渣、木の枝、木の切り株、葉、樹皮、おがくず、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギ、コムギわら、イネ、イネわら、サトウキビ、サトウキビバガス、サトウキビわら、エネルギーサトウキビ、サトウダイコン、サトウダイコンパルプ、ヒマワリ、モロコシ、キャノーラ、藻類、ススキ、アルファルファ、スイッチグラス、果物、果物の殻、果物の茎、果物の皮、果物の種子、野菜、野菜の殻、野菜の茎、野菜の皮、野菜の種子、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー粉、食品廃棄物、商業廃棄物、草ペレット、干し草ペレット、木材ペレット、厚紙、紙、紙パルプ、紙包装、紙トリミング、食品包装、建築廃棄物、解体廃棄物、リグニン、動物性肥料、都市固形廃棄物、都市下水、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項５９又は６０に記載のプロセス。
62. 前記生体試薬が、少なくとも５０重量％の炭素を含む、請求項５９～６１のいずれか一項に記載のプロセス。
63. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の炭素を含む、請求項５９～６２のいずれか一項に記載のプロセス。
64. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の炭素を含む、請求項５９～６３のいずれか一項に記載のプロセス。
65. 前記生体試薬が、少なくとも５０重量％の固定炭素を含む、請求項５９～６４のいずれか一項に記載のプロセス。
66. 前記生体試薬が、少なくとも７５重量％の固定炭素を含む、請求項５９～６５のいずれか一項に記載のプロセス。
67. 前記生体試薬が、少なくとも９０重量％の固定炭素を含む、請求項５９～６６のいずれか一項に記載のプロセス。
68. 前記金属鉱石が、鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石、マグネシウム鉱石、マンガン鉱石、アルミニウム鉱石、スズ鉱石、亜鉛鉱石、コバルト鉱石、クロム鉱石、タングステン鉱石、モリブデン鉱石、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項５９～６７のいずれか一項に記載のプロセス。
69. 前記金属鉱石が、鉄鉱石である、請求項５９～６８のいずれか一項に記載のプロセス。
70. 前記鉄鉱石が、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト、タコナイト、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項６９に記載のプロセス。
71. 前記金属鉱石が、選鉱された鉄鉱石である、請求項５９～７０のいずれか一項に記載のプロセス。
72. 前記粒子状物形態の前記金属鉱石が、粉末状形態の前記金属鉱石である、請求項５９～７１のいずれか一項に記載のプロセス。
73. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石微粉である、請求項５９～７１のいずれか一項に記載のプロセス。
74. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、炭素金属鉱石塊である、請求項５９～７１のいずれか一項に記載のプロセス。
75. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約０．１重量％～多くとも約５０重量％の炭素を含む、請求項５９～７４のいずれか一項に記載のプロセス。
76. 前記炭素金属鉱石粒子状物が、少なくとも約１重量％～多くとも約１０重量％の炭素を含む、請求項７５に記載のプロセス。
77. 前記炭素金属鉱石ペレットが、添加剤を含む、請求項５９～７６のいずれか一項に記載のプロセス。
78. 前記添加剤が、結合剤を含む、請求項７７に記載のプロセス。
79. 前記炭素金属鉱石ペレットが、前記炭素及び前記金属鉱石から本質的になる、請求項５９～７６のいずれか一項に記載のプロセス。
80. 前記金属が、鉄、銅、ニッケル、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、スズ、亜鉛、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項５９～７９のいずれか一項に記載のプロセス。

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