JP2023551443A - 金属鉱石のバイオ還元、水素生成、及び／又は活性炭生成と統合されたバイオマス熱分解 - Google Patents

金属鉱石のバイオ還元、水素生成、及び／又は活性炭生成と統合されたバイオマス熱分解 Download PDF

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hydrogen
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エー． メネル ジェームス
ドーガード ダレン
スラック ダスティン
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カーボン テクノロジー ホールディングス， エルエルシー
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Abstract

金属鉱石を還元するのに好適な再生可能な水素を生成するため、並びに活性炭を生成するための改善されたプロセス及びシステムが開示される。いくつかの変形形態は、バイオマスを熱分解して、炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、熱分解オフガスを追加の還元ガス及び／又は熱に変換することと、生体試薬の少なくとも一部を反応物と反応させて還元ガスを生成することと、還元ガスの存在下で金属酸化物を化学的に還元することと、を含む、プロセスを提供する。いくつかの変形形態は、生体試薬を生成するためのバイオマス熱分解、還元ガスへの生体試薬の変換、並びに還元ガスからの水素の分離及び回収によって、再生可能な水素を生成するためのプロセスを提供する。水素同位体分析による再生可能な水素を含む、金属酸化物を還元するための還元ガス組成物が提供される。反応した生体試薬はまた、活性炭生成物として回収され得る。多くの変形形態が開示される。【選択図】なし

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１１月２０日に出願された米国特許仮出願第６３／１１６，４０３号、及び２０２０年１２月２４日に出願された米国特許仮出願第６３／１３０，４６０号の利益を主張し、これらの出願の各々は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
（発明の分野）
本開示は、炭素含有試薬を使用して金属を生成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、並びに炭素含有試薬からの水素生成及び活性炭生成のためのプロセス、システム、及び装置に関する。
炭素系試薬は、伝統的に化石燃料から生成される。炭素質材料としては、天然ガス、石油、石炭、及び亜炭などの化石資源、又はリグノセルロース系バイオマス及び様々な炭素濃縮廃棄物などの再生可能な資源が挙げられる。再生可能な資源を炭素系試薬に転換することは、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。化石資源に関連する経済的、環境的、及び社会的コストの増加は、再生可能な資源を、炭素系試薬の生成における化石資源の魅力的な代替物にしている。
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。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生成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。
プロセスが本明細書に開示される。本明細書に開示されるプロセスにおいて、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、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
生体試薬を選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、を含み得る。
熱分解オフガスは酸化され、それによって熱を生成することができる。いくつかの実施形態では、プロセスは、連続的若しくは周期的に反応中に、又は最終的に反応後に、体試薬を回収し、それによって活性炭である回収された生体試薬を生成することを更に含むことができる。
熱分解は、約２５０℃～約１２５０℃の範囲又はその間の任意の数、約３００℃～約７００℃の範囲又はその間の任意の数の熱分解温度で行うことができる。熱分解は、約１０秒～約２４時間の範囲又はその間の任意の数の熱分解時間で行うことができる。
反応は、約３００℃～約１２００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約４００℃～約１０００℃の範囲又はその間の任意の数の反応温度で行うことができる。反応は、約１秒～約１時間の範囲又はその間の任意の数の反応時間で行うことができる。
化学的還元は、約５００℃～約２０００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約７００℃～約１８００℃の範囲又はその間の任意の数の還元温度で行うことができる。化学的還元は、約３０分～約４８時間の範囲又はその間の任意の数の還元時間で行うことができる。
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、コーヒー澱、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、枕木、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り得る。
生体試薬は、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、若しくは９５重量％からの範囲又はその間の任意の数の炭素を含むことができる。このような炭素は総炭素であり、これは固定炭素と揮発性炭素との和である。生体試薬は、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、又は９５重量％からの範囲又はその間の任意の数の固定炭素を含むことができる。
選択された金属酸化物は、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせ若しくは誘導体であり得る。選択された金属酸化物は、鉄鉱石とすることができ、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若しくは誘導体とすることができる。
選択された金属酸化物の還元型は、完全に還元された金属であり得る。選択された金属酸化物の還元型は、選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物であり得る。完全に還元された金属と第２の金属酸化物との混合物も、出発金属酸化物から生成することができる。
いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することを更に含み、熱は、熱分解における加熱のために利用される。代替的に又は付加的に、熱は、反応における加熱のために利用することができる。代替的に又は付加的に、熱は、化学的還元における加熱のために利用することができる。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％～約２５モル％の範囲又はその間の任意の数の水素を含む。特定の実施形態では、還元ガスは、少なくとも２５モル％の水素を含む。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％～約２５モル％の範囲又はその間の任意の数の一酸化炭素を含む。特定の実施形態では、還元ガスは、少なくとも２５モル％の一酸化炭素を含む。
いくつかの実施形態において、約５０重量％～約９０重量％の範囲又はその間の任意の数で、生成された生体試薬内の揮発性炭素は、還元ガスに向けられる。いくつかの実施形態では、生成された生体摂政内の揮発性炭素の本質的に全てが、還元ガスに向けられる。
プロセスは、水性ガスシフト反応を使用する還元ガスの水素含有量を更に含むことができる。いくつかの実施形態において、水性ガスシフトが実行されるか否かにかかわらず、プロセスは、還元ガスから水素を分離することと、水素を回収することと、を更に含むことができる。水素は、分離技術を用いて還元ガスから分離することができる。いくつかの実施形態において、分離技術は、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、又は極低温蒸留を含み得る。
いくつかの実施形態において、生体試薬を反応させることにおける選択された反応物は、水である。他の実施形態では、反応における選択された反応物は酸素であり、酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせに含まれて存在する。いくつかの実施形態において、反応における選択された反応物は、水（例えば、水蒸気）と酸素との組み合わせであるか、又はそれを含む。
いくつかの実施形態では、反応は、固定床反応器又はロータリーキルンを利用する。いくつかの実施形態では、反応は流動床反応器を利用する。
熱分解オフガスは部分的に酸化され、それによって追加の還元ガス及び熱を生成するができる。いくつかの実施形態では、化学的還元は、追加の還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元することを更に含む。熱分解オフガスが追加の還元ガスに変換される場合、追加の還元ガスは、約２０モル％～約４０モル％の範囲又はその間の任意の数の水素を含むことができる。追加の還元ガスは、約２０モル％～約４０モル％の範囲又はその間の任意の数の一酸化炭素を含むことができる。
いくつかの実施形態において、プロセスは、選択された金属酸化物の還元型を回収することを更に含む。
プロセスは、例えば、金属酸化物鉱山、又は製鋼所、タコナイトプラント、若しくは直接還元鉄プラントなどの金属酸化物処理プラントに共同設置することができる。
いくつかの実施形態では、化学的に還元することは、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。金属鉱石炉は、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、又はそれらの組み合わせであり得る。
いくつかの実施形態では、バイオマス原料の熱分解及び化学的還元が、同じ場所で行われる。特定の実施形態において、全てのプロセスステップは、単一の場所で行われる。
活性炭が所望の生成物である場合、プロセスは、連続的若しくは周期的に反応中に、又は反応後に生体試薬を回収し、それによって活性炭である回収された生体試薬を生成することを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、熱分解で生成された生体試薬の約１重量％～約９９重量％の範囲若しくはその間の任意の数、例えば少なくとも約１０重量％、少なくとも約５０重量％、又は少なくとも約９０重量％が活性炭として回収される。いくつかの実施形態において、熱分解において生成された生体試薬の本質的に全てが、活性炭として回収される。いくつかの実施形態では、熱分解で生成された生体試薬内の固定炭素の約５０重量％～約９９重量％の範囲又はその間の任意の数の活性炭として回収される。いくつかの実施形態において、熱分解において生成された生体試薬内の固定炭素の本質的に全てが、活性炭として回収される。
活性炭は、約５００～約２０００の範囲又はその間の任意の数のヨウ素価によって特徴付けることができる。活性炭は、少なくとも約７５０、少なくとも約１０００、少なくとも約１５００、又は少なくとも約２０００のヨウ素価によって特徴付けることができる。
活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、約９０％～約１００％の範囲又はその間の任意の数の再生可能な炭素含有量によって特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、完全に再生可能な活性炭として特徴付けることができる。
本明細書では、システムも開示される。本明細書に開示されるシステムは、
バイオマス原料を熱分解し、炭素含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成するように構成された第１の反応器と、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、還元ガスを生成するように構成された第２の反応器と、
還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、選択された金属酸化物の還元型を生成するように構成された第３の反応器と、を含み得る。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、連続的に、周期的に、又は最終的に第２の反応器から活性炭を除去するように構成される。
いくつかの実施形態において、システムは、第１の反応器、第２の反応器、又は第３の反応器と熱連通する１つ以上の加熱ユニットを更に備え、１つ以上の加熱ユニットは、熱分解オフガスを酸化して熱を生成するように構成される。
いくつかの実施形態では、第１の反応器は、約２５０℃～約１２５０℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約３００℃～約７００℃の範囲又はその間の任意の数の熱分解温度で動作するように構成される。第１の反応器は、約１０秒～約２４時間の範囲又はその間の任意の数の熱分解時間で動作するように構成することができる。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、約３００℃～約１２００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約４００℃～約１０００℃の範囲又はその間の任意の数の反応温度で動作するように構成される。第２の反応器は、約１秒～約１時間の範囲又はその間の任意の数の反応時間で動作するように構成することができる。
いくつかの実施形態では、第３の反応器は、約５００℃～約２０００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約７００℃～約１８００℃の範囲又はその間の任意の数の還元温度で動作するように構成される。第３の反応器は、約３０分～約４８時間の範囲又はその間の任意の数の還元時間で動作するように構成することができる。
第１の反応器は、バイオマス原料、例えば、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、コーヒー澱、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、枕木、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を処理するように構成することができる。
第３の反応器は、金属酸化物、例えば、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせを還元するように構成することができる。金属酸化物は、金属鉱石、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とすることができる。選択された金属酸化物の還元型は、完全に還元された金属又は選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物であり得る。
いくつかの実施形態では、第１の反応器と熱連通する加熱ユニットが存在する。いくつかの実施形態では、第２の反応器と熱連通する加熱ユニットが存在する。いくつかの実施形態では、第３の反応器と熱連通する加熱ユニットが存在する。各反応器と熱連通する別個の加熱ユニットが存在し得るか、又は複数の反応器と熱連通する１つ以上の一体化された加熱ユニットが存在し得る。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、水性ガスシフト反応を使用して還元ガスの水素含有量を増加させるように構成される。
いくつかの実施形態では、システムは、第２の反応器と流体連通している追加の反応器を更に備え、追加の反応器は、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させるように構成される。
いくつかの実施形態において、システムは、還元ガスから水素を分離するように構成された分離ユニットを更に備える。分離ユニットは、例えば、圧力スイング吸着ユニット、分子ふるい膜、又は極低温蒸留ユニットから選択することができる。
第２の反応器は、固定床反応器、流動床反応器、ロータリーキルン、又は別のタイプの反応器であり得る。
いくつかの実施形態では、システムは、熱分解オフガスを部分的又は完全に酸化して追加の還元ガスを生成するように構成されたオフガス反応器を更に備える。オフガス反応器は、第３の反応器と流体連通することができる。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、熱分解オフガスを受け取り、これを追加の還元ガスに変換するように更に構成される。
いくつかの実施形態では、選択された金属酸化物の還元型を回収するように構成された第３の反応器からの出口がある。
いくつかの実施形態では、システムは、金属酸化物鉱山に共同設置することができる。システムは、製鋼所、タコナイトプラント、若しくは直接還元鉄プラントなどの金属酸化物処理プラントに共同設置することができる。
いくつかの実施形態では、第３の反応器は、金属鉱石炉である。いくつかの実施形態では、第３の反応器は、金属鉱石炉の上流である。金属鉱石炉は、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、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、第１の反応器及び第３の反応器は、同じ場所に共同設置される。いくつかの実施形態では、システムは全体として単一の場所に配置される。
第２の反応器は、第２の反応器から活性炭を連続的又は周期的に除去するように構成することができる。代替的又は追加的に、第２の反応器は、最終的に（動作期間の終わりに）第２の反応器から活性炭を除去するように構成される。活性炭は、少なくとも約５００のヨウ素価によって特徴付けることができる。活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、完全に再生可能な活性炭として特徴付けることができる。
本明細書では、金属生成物も開示される。金属生成物は、
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、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
選択された金属酸化物の還元型を含む金属生成物を回収することと、を含む、プロセスによって生成することができる。
いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成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、連続的若しくは周期的に反応中に、又は反応後に生体試薬を回収し、それによって活性炭である回収された生体試薬を生成することを更に含む。
いくつかの実施形態では、化学的還元は、約５００℃～約２０００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約７００℃～約１８００℃の範囲又はその間の任意の数の還元温度で実行される。化学的還元は、約３０分～約４８時間の範囲又はその間の任意の数の還元時間で行うことができる。
選択された金属酸化物は、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせであり得る。例示的な金属酸化物は、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である。還元型は、完全に還元された金属又は選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物であり得る。
反応における選択された反応物は、水、酸素、又はそれらの混合物であり得る。酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせに含まれて存在し得る。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％～少なくとも約２５モル％の範囲又はその間の任意の数の水素を含む。いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％又は少なくとも約２５モル％の間の範囲又は任意の数の一酸化炭素を含む。
いくつかの実施形態において、金属生成物は、水性ガスシフト反応を使用して還元ガスの水素含有量を増加させることを更に含むプロセスによって生成される。
いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、部分的又は完全に酸化され、それによって、追加の還元ガス及び熱を生成する。いくつかの実施形態では、化学的還元において、追加の還元ガスを利用して、選択された金属酸化物を化学的に還元することができる。
様々な実施形態では、金属生成物は、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を含む。
再生可能な水素生成物も本明細書に開示される。再生可能な水素生成物は、
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、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
還元ガスから水素を分離することと、
水素を含む再生可能な水素生成物を回収することと、を含む、プロセスによって生成することができる。
いくつかの実施形態では、プロセスは、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することを更に含む。
いくつかの実施形態では、還元ガスから水素を分離することは、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、又は極低温蒸留などの分離技術を使用して水素を分離することを含む。
いくつかの実施形態では、プロセスは、連続的若しくは周期的に反応中に、又は反応後に生体試薬を回収し、それによって活性炭である回収された生体試薬を生成することを更に含む。
水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、約５０％～約少なくとも約９９％の範囲又はその間の任意の数の再生可能な水素で特徴付けることができる。いくつかの水素生成物では、水素は、少なくとも９０％再生可能な水素又は少なくとも９５％再生可能な水素として特徴付けられる。いくつかの水素生成物において、水素は、本質的に完全に再生可能な水素であることを特徴とする。
還元ガス内に含まれ、還元ガスから分離された水素の２Ｈ／１Ｈ同位体比は、約０．０００２～約０．００１の範囲又はその間の任意の数、例えば、約０．０００２～約０．００５の範囲又はその間の任意の数であり得る。
いくつかの実施形態において、水素は、完全に再生可能な水素として特徴付けられ、水素生成物中に含有される任意の残留炭素は、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、本質的に完全に再生可能な炭素である。
反応における選択された反応物は、水、酸素、又はそれらの混合物であり得る。酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせに含まれて存在し得る。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％又は少なくとも約２５モル％の間の範囲又は任意の数の水素を含む。いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも約１０モル％又は少なくとも約２５モル％の間の範囲又は任意の数の一酸化炭素を含む。
いくつかの実施形態において、水素生成物は、水性ガスシフト反応を使用して還元ガスの水素含有量を増加させることを更に含むプロセスによって生成される。
いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、部分的又は完全に酸化され、それによって、追加の還元ガス及び熱を生成する。
いくつかの実施形態において、水素は、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、極低温蒸留、又はそれらの組み合わせを使用して分離される。
水素生成物は、約５０モル％～約９０モル％の範囲又はその間の任意の数の水素を含むことができる。いくつかの実施形態では、水素生成物は、少なくとも９０モル％の水素を含む。
いくつかの実施形態では、水素生成物は、多くとも約１モル％の窒素を含むか、又は実質的に窒素を含まない。
金属酸化物を還元するために利用することができる還元ガス組成物が本明細書に更に開示され、還元ガス組成物は少なくとも約２５モル％の水素を含み、水素は水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも約５０％再生可能な水素である。
いくつかの実施形態では、還元ガス組成物は、約５０モル％～少なくとも約９０モル％の範囲若しくはその間の任意の数の水素、例えば、約７５モル％又は少なくとも約９０モル％の間の範囲又は任意の数の水素を含む。
いくつかの実施形態では、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、約８０％～少なくとも約９９％の範囲又はその間の任意の数の再生可能な水素として特徴付けられる。特定の実施形態において、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って少なくとも約９０％再生可能な水素として特徴付けられる。特定の実施形態において、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って本質的に完全に再生可能な水素として特徴付けられる。
いくつかの実施形態では、還元ガス組成物は、ＣＯ、ＣＯ２、若しくはＣＨ４を含む炭素含有ガスを更に含むことができ、又は還元ガス組成物は、ＣＯ、ＣＯ２、若しくはＣＨ４から本質的になる炭素含有ガスを更に含むことができる。いくつかの実施形態では、炭素含有ガスは、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、少なくとも約９０％再生可能、又は本質的に完全に再生可能など、約５０％～少なくとも約９９％の範囲又はその間の任意の数である。還元ガス組成物が炭素含有ガスを含む場合、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも９０％再生可能な水素、又は本質的に完全に再生可能な水素として特徴付けることができる。
いくつかの実施形態では、還元ガス組成物は、一酸化炭素を更に含み、一酸化炭素は、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、少なくとも９０％再生可能、又は本質的に完全に再生可能などの、約５０％～約９９％の範囲又はその間の任意の数で再生可能である。いくつかの実施形態において、還元ガス組成物が一酸化炭素を更に含む場合、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも９０％再生可能な水素として、又は本質的に完全に再生可能な水素からなるとして特徴付けられる。いくつかの還元ガス組成物において、水素対一酸化炭素のモル比は少なくとも２である。
いくつかの実施形態において、還元ガス組成物は、多くとも約１モル％のＮ２、多くとも約０．５モル％のＮ２、多くとも約０．１モル％のＮ２を含むか、又はＮ２を本質的に含まない。
更に、活性炭生成物が本明細書に開示される。活性炭生成物は、
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、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
連続的若しくは周期的に反応中に、又は反応後に生体試薬を回収することであって、回収された生体試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスによって生成され得る。
いくつかの実施形態では、活性炭生成物は、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することを更に含む、プロセスによって生成される。
いくつかの実施形態では、活性炭生成物は、反応からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することを更に含むプロセスによって生成される。
いくつかの実施形態では、熱分解は、約２５０℃～約１２５０℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約３００℃～約７００℃の範囲又はその間の任意の数の熱分解温度で実行される。熱分解は、約１０秒～約２４時間の範囲又はその間の任意の数の熱分解時間で行うことができる。
いくつかの実施形態では、反応は、約３００℃～約１２００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約４００℃～約１０００℃の範囲又はその間の任意の数の反応温度で実行される。反応は、約１秒～約１時間の範囲又はその間の任意の数の反応時間で行うことができる。
いくつかの実施形態において、熱分解において生成された生体試薬は、約５０重量％又は少なくとも約９９重量％からの範囲又はその間の任意の数の炭素、例えば、約５０重量％又は少なくとも約７５重量％からの範囲又はその間の任意の数の炭素を含む。この生体試薬は、約５０重量％の固定炭素又は少なくとも約９９重量％の固定炭素からの範囲又はその間の任意の数の固定炭素、例えば、約５０重量％又は少なくとも約７５重量％からの範囲又はその間の任意の数の固定炭素を含むことができる。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％の水素又は少なくとも約２５モル％の水素からの範囲又はその間の任意の数の水素を含む。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、約１０モル％の一酸化炭素又は少なくとも約２５モル％の一酸化炭素からの範囲又はその間の任意の数の一酸化炭素を含む。
いくつかの実施形態において、活性炭生成物は、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させることを更に含むプロセスによって生成される。
いくつかの実施形態において、反応における選択された反応物は、水、酸素、又はそれらの混合物である。酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせに含まれて存在し得る。
いくつかの実施形態では、熱分解で生成された生体試薬の約１０重量％～９９重量％の範囲又はその間の任意の数、例えば、約５０重量％又は少なくとも約９０重量％からの範囲又はその間の任意の数が、活性炭として回収される。
いくつかの実施形態では、生成された生体試薬内の固定炭素の約５０重量％～少なくとも約９９重量％の範囲若しくはその間の任意の数、又はその本質的に全てが、活性炭として回収される。
活性炭は、約５００～約２０００の範囲又はその間の任意の数のヨウ素価によって特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、少なくとも約１０００、少なくとも約１５００、又は少なくとも約２０００のヨウ素価によって特徴付けられる。
活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも９０％の再生可能な炭素含有量によって特徴付けることができる。特定の実施形態では、活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、本質的に完全に再生可能な活性炭として特徴付けられる。
いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、金属酸化物を金属生成物に還元するために任意選択で利用される還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、再生可能な水素を生成するために利用される還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
いくつかの実施形態において、バイオマス原料を活性炭及び還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、活性炭、及び金属酸化物を金属生成物に還元するために利用される還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
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。
バイオマス原料を高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。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酸化剤の供給で、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、及び固体を生成することができる。より低いプロセス温度及びより長い蒸気滞留時間は、固体の生成に有利である。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、液体を生成するために最適である。炭素試薬としての固体熱分解生成物の収率及び品質を最適化することを特に目標とする熱分解プロセスが必要とされている。
金属処理は、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本質的な機能を果たす。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生成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。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ＣＯ２及び他の汚染物質を創出する。
金属処理は、毎年、世界全体で著しい正味のＣＯ２排出を引き起こす。従来の高炉の最大の欠点のうちの１つは、鉄が炭素又は一酸化炭素（carbon monoxide、ＣＯ）によって酸化鉄から還元されるので、避けられないＣＯ２の生成である。製鋼は、今日の世界におけるＣＯ２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。
水素は、金属合金化、ガラス生成、エレクトロニクス処理（例えば、堆積、洗浄、エッチング、及び還元における）、及び発電（例えば、パイプラインにおける腐食防止のため）を含む様々な工業用途において使用される。
水素は、原油をガソリン及びディーゼルなどの精製燃料に処理するために、又はこれらの燃料から硫黄などの汚染物質を除去するためにも使用される。石油精製所における水素の使用は、ディーゼル燃料中の低硫黄を要求するより厳しい規制、及び精製するためにより多くの水素を必要とする低品質原油の消費の増加により、近年増加している。精油所は、ナフサの接触改質からいくらかの副生成物水素を生成するが、その供給は、それらの水素要求のほんの一部を満たすだけである。製油所によって世界中で現在消費されている水素の約８０％は、天然ガス又は他の炭化水素燃料から再生不可能な水素を生成する大規模水素プラントによって供給されている。
水素を使用する鉄鉱石の直接還元は、鋼製造における重要な工業プロセスに発展する可能性がある。従来の高炉では大量の二酸化炭素が放出される。金属酸化物の還元を行って金属生成物にするために、炭素又は一酸化炭素を水素で置換することによって、共生成物は二酸化炭素ではなく水の方へシフトする。鉄鉱石還元に使用される水素が再生可能な水素である場合、環境上の利益は更に大きくなる。
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、生成物が生成される任意の場所で、プロセスは、「炭素金属鉱石粒子状物」が生成される場合、「複数の炭素金属鉱石粒子状物」を生成することができるように、２つ以上の生成物を生成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。
別段の指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される反応条件、化学量論、成分の濃度などを表す全ての数字は、全ての場合において「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、そうでないと示されない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、少なくとも特定の分析技術に応じて変化し得る近似値である。
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、「約～からの範囲又それらの間の範囲」、例えば、「約Ｘ、Ｙ、若しくはＺからの範囲又はそれらの間の範囲」は、「少なくともＸ～多くとも（高くとも、長くとも）Ｚ」を含む。
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。生体材料は生体源から本質的になり得る。天然源としての又は天然に由来する生体材料は、微量の非生体材料を含み得ることが当業者によって理解されるであろう。更に、本明細書に開示されるプロセスは、有益な環境影響がそれほど大きくない場合があるが、非生体材料とともに使用することができる。
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生成され、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年代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ＣＯ２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。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、組成物の生成に使用されたかどうか、である。
バイオマスは、生物学的に生成された物質又は生体物質を説明するために使用される用語である。バイオマスは、植物、動物、及び微生物を含む生物の塊、又は生化学的観点から、セルロース、リグニン、糖、脂肪、及びタンパク質を指す。バイオマスは、植物の地上部及び地下部の両方の組織、例えば、葉、小枝、枝、幹、並びに樹木の根及び草の根茎を含む。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。バイオマスは、効果的に貯蔵された太陽エネルギーであるという点で有用である。更に、バイオマスは、唯一の再生可能な炭素源である。
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、又は酸素濃縮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ＣＯ２又はＨ２Ｏ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Ｏ２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。「含む（comprising）」は更に、「からなる（consisting of）」又は「から本質的になる（consisting essentially of）」の根拠を提供する。例えば、製剤が「Ｘ、Ｙ、Ｚを含む」場合、製剤は、Ｘ、Ｙ、Ｚからなるか、又は本質的になることができる。
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、高炭素生体試薬を生成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、５５～９９重量％の範囲又はその間の任意の数の炭素、例えば、少なくとも約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生成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、多くとも約５０重量％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、「含む（include）」、「有する（have）」、及び「含む（comprise）」という用語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（Ｏ２モル基準）の多くとも約１０％、５％、１％、０．５％、０．１％、又は０．０１％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、「再生可能な水素」は、炭素又はＣＯと反応してＨ２を形成するために使用され得る水（Ｈ２Ｏ）反応物中に含有される水素の再生可能性に関係なく、２Ｈ／１Ｈ同位体比を出発原料の再生可能性と相関させることによって決定される。２Ｈ／１Ｈ同位体比は、水素の再生可能性と相関する。より高い２Ｈ／１Ｈ同位体比は、より大きい再生可能な水素含有量を示す。
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動作レジームである。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。
プロセス及びシステム
本明細書に開示されるのは、金属鉱石を還元するため、及び他の工業用途のための再生可能な水素を生成するための改善されたプロセス及びシステムである。
いくつかの実施形態は、バイオマスから再生可能な還元ガスを生成するためのプロセス及びシステムに基づく。還元ガスは、金属酸化物を還元するために利用することができ、又は再生可能な水素の生成のために利用することができる。
いくつかの実施形態では、第１の反応器に木材又は別のバイオマス源が供給される。第１の反応器は、原料から炭素及び熱分解オフガス（バイオガスとも呼ばれる）を生成するように構成された熱分解反応器である。第２の反応器は、炭素から還元ガスを形成する反応を行うために、炭素、及び水又は酸素などの反応物を受け取るように構成される。還元ガスは水素及び一酸化炭素を含むことができる。任意選択で、水性ガスシフト反応を用いてＨ２ＯをＨ２に変換し（及びＣＯをＣＯ２に変換し）、還元ガスの水素含有量を増加させる。還元ガスを分離ユニットに送って、水素濃縮生成物を回収することができる。代替的又は追加的に、第３の反応器は、（ａ）第２の反応器からの還元ガスと、（ｂ）金属酸化物とを直接又は間接的に受け取るように構成することができ、金属酸化物は、金属酸化物を還元された金属に変換するのに有効な還元条件で動作され、還元オフガスは少なくともＨ２Ｏを含み、還元オフガスは更にＣＯ及びＣＯ２を含むことができる。熱分解オフガスは酸化され、それによって、第１の反応器、第２の反応器、又は第３の反応器を加熱するために利用することができる熱を生成する。プロセス及びシステムは、鉄鉱山などの金属酸化物鉱山、又はタコナイト処理プラントなどの金属酸化物処理プラントの現場に配置することができる。プロセス及びシステムは、鉄鉱石（又は他の金属酸化物）の硬化、ペレット化、及び輸送のための汚染及びコストを低減又は排除する。プロセス及びシステムはまた、冶金用コークスを作製するためのコークス用炭の汚染及びコスト、又は高炉への石油コークスの輸送の汚染及びコストを低減する。プロセス及びシステムはまた、最終生成物の金属純度を改善することができる。
添付の図面（図１、図２、図３、及び図４）を参照することを含めて、本開示の変形形態について説明するが、これらの図面は、限定することを意図するものではなく、様々な実施形態を示すものである。
図１は、いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、金属酸化物を金属生成物に還元するために任意選択で利用される還元ガス組成物に変換するためのプロセス及びシステムの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
図２は、いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、再生可能な水素を生成するために利用される還元ガス組成物に変換するためのプロセス及びシステムの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
図３は、いくつかの実施形態において、バイオマス原料を活性炭及び還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。
図４は、いくつかの実施形態において、バイオマス原料を、活性炭、及び金属酸化物を金属生成物に還元するためのインサイチュ還元ガス組成物に変換するためのプロセスの簡略ブロックフロー図である。点線は、任意選択の流れ及びユニットを示す。第２の反応器のゾーンは、炭素床が物理的に金属酸化物の床の上にあるように切り替えることができる。
いくつかの変形形態は、
（ａ）バイオマス原料を提供することと、
（ｂ）バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）任意選択で、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって、選択された金属酸化物の還元型を生成することと、を含む、プロセスを提供する。
いくつかの実施形態は、
（ａ）バイオマス原料を提供することと、
（ｂ）バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）任意選択で、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）任意選択で、連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に生体試薬を回収する（例えば、バッチ様式で反応器から炭素を除去する）ことであって、回収された生体試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスを提供する。
いくつかの実施形態では、ステップ（ｂ）は、約２５０℃～約１２５０℃、例えば約３００℃～約７００℃から選択される熱分解温度で行われ、具体的には、上記概要で提供されたものを参照する。これらの又は他の実施形態において、ステップ（ｂ）は、約１０秒～約２４時間又は４８時間から選択される熱分解時間にわたって行われ、具体的には、上記概要で提供されたものを参照する。一般に、より低い熱分解温度はより長い熱分解時間を必要とし、一方、より高い熱分解温度はより短い熱分解時間を可能にする。
いくつかの実施形態では、ステップ（ｄ）は、約３００℃～約１２００℃、例えば、約４００℃～約１０００℃から選択される反応温度で行われ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。これら又は他の実施形態において、ステップ（ｄ）は、約１秒～約１時間から選択される反応時間にわたって行われ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。一般に、還元ガスを形成するための反応温度は、所望の化学反応を達成するように選択される。反応時間は、反応固体への及び反応固体からの質量及び熱伝達によって決定することができる（より小さい粒子は、より短い反応時間で変換することができる）。
いくつかの実施形態では、ステップ（ｅ）は、約５００℃～約２０００℃、例えば、約７００℃～約１８００℃から選択される還元温度で行われ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。これら又は他の実施形態において、ステップ（ｅ）は、約３０分～約４８時間から選択される還元時間にわたって行われ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。一般に、より低い還元温度はより長い還元時間を必要とし、一方、より高い還元温度はより短い還元時間を可能にする。
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、コーヒー澱、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、枕木、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。バイオマス原料は、炭素、水素、及び酸素を含むことができる。
ステップ（ｂ）で生成された生体試薬は、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％の炭素（総炭素としても知られる）を含むことができ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。様々な実施形態において、生体試薬は、少なくとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、又は９９重量％の炭素を含み、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。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、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。
ステップ（ｂ）で生成された生体試薬は、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、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。様々な実施形態において、生体試薬は、少なくとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、又は９９重量％の固定炭素を含み、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。
生体試薬内に含まれる炭素は、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％の固定炭素であり得、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照し、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、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。
ステップ（ｂ）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（詳細に後述する）他の要因に応じて大きく変動し得る。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、金属酸化物の還元のためにオフガス中の水素を利用する実施形態において有利である。他方で、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、金属還元炉への生体炭素の注入など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ＣＯ２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、金属酸化物は、金属鉱石、例えば、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に含まれる。特定の実施形態では、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。
金属酸化物は、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に含有され得る。金属酸化物は、金属鉱石の粉末形態などの粒子形態で含有され得る。
還元ガスが、金属酸化物を化学的に還元することに利用される場合、ＣＯ、Ｈ２、又はＣＯ及びＨ２の両方は、金属酸化物（例えば、Ｆｅ３Ｏ４）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、Ｆｅ２Ｏ３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させる。酸化された熱分解オフガス内に含まれる顕熱を使用して、熱力学的、速度論的、又はその両方にかかわらず、吸熱反応を生じさせることができる。高温ガスが熱を必要とする吸熱反応に有用であることは、熟練した化学技術者によって認識されるであろう。任意選択で、熱分解オフガスの酸化からの熱ガスは、反応器を間接的に加熱するために使用され得るか、又は反応器への注入前に別の流れと熱交換され得る。高温ガスが、高温ガスが注入される反応よりも低い温度である場合もあり得る。その場合、高温ガスは、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る。しかしながら、この場合、反応器の内容物は、冷却ガス注入で起こるほど冷却されないので、吸熱の化学反応は、従来のアプローチと比較して相対的に低い全エネルギー使用量で依然として有利である。
特定の実施形態では、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ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有する燃焼ガスではなく、ＣＯ又はＨ２を含有する追加の還元ガスを意図的に生成する。熱は、熱分解の温度を上昇させるために、又は他の反応器を加熱する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、これは金属酸化物還元又は水素の生成に有用である。
いくつかの実施形態において、生体試薬は、ステップ（ｂ）の間に得られた重質炭化水素を含み、重質炭化水素は、第２の反応器において還元ガスに変換され得る。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。
金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、金属酸化物は、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である。
いくつかの実施形態において、選択された金属酸化物の還元型は、完全に還元された金属（例えば、完全に還元された鉄、Ｆｅ０）である。他の実施形態では、選択された金属酸化物の還元型は、選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物である。例えば、ＦｅＯ中の鉄は＋２の酸化状態を有するが、Ｆｅ２Ｏ３中の鉄は＋３の酸化状態を有する。
様々な実施形態において、熱は、ステップ（ｂ）における加熱のために、又はステップ（ｄ）における加熱のために、又はステップ（ｅ）における加熱のために、又はこれらのステップのうちの少なくとも２つのために、又はこれらのステップのうちの３つ全てのために利用される。
いくつかの実施形態において、プロセスは、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させることを更に含む。水素含有量が増加するか否かにかかわらず、プロセスは、還元ガスから水素を分離し、続いて水素を回収することを更に含むことができる。水素は、例えば、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、又は極低温蒸留から選択される１つ以上の分離技術によって、還元ガスから分離することができる。
いくつかの実施形態において、ステップ（ｄ）における選択された反応物は水である。いくつかの実施形態において、ステップ（ｄ）における反応物は酸素であり、酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせから選択される形態で存在し得る。濃縮酸素とは、少なくとも約２１体積％の濃度のＯ２をＮ２又は他のガスとともに含む、ガス組成物を指す。特定の実施形態において、ステップ（ｄ）における選択された反応物は、水と酸素との組み合わせを含む。別の可能な反応物は、乾式改質プロセスにおけるＣＯ２である。
ステップ（ｄ）は、例えば、固定床反応器又は流動床反応器を利用することができる。固定床反応器が使用される場合、固定床は、生体試薬を含むか、又は本質的に生体試薬からなることができる。いくつかの実施形態では、ステップ（ｄ）はロータリーキルンを利用する。
いくつかの実施形態では、ステップ（ｃ）において、熱分解オフガスは、部分的又は完全に酸化され、それによって、追加の還元ガス及び熱を生成する。これらの実施形態では、ステップ（ｅ）は、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元することに加えて、追加の還元ガスの一部又は全部の存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元することを更に含むことができる。
いくつかの実施形態では、還元ガスも酸化され、それによって熱を生成する。この熱は、ステップ（ｂ）における加熱のために、又はステップ（ｄ）における加熱のために、又はステップ（ｅ）における加熱のために、又はこれらのステップのうちの少なくとも２つのために、又はこれらのステップのうちの３つ全てのために利用され得る。
いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは、ステップ（ｄ）中に追加の還元ガスに変換される。例えば、熱分解反応器からの熱分解オフガスの一部又は全てを、生体試薬を還元ガスに変換するための反応器に向けることができる。生体試薬と反応する同じ反応物（例えば、水蒸気又は酸素）は、熱分解オフガスと反応することができ、それによって、追加の還元ガス（例えば、ＣＯ又はＨ２）を生成する。代替的に又は追加的に、オフガスは、水性ガスシフト又は他の平衡反応を通じて追加の還元ガス（例えば、ＣＯ又はＨ２）に変換することができる。これらの実施形態では、オフガスと反応する反応物は、生体試薬と反応する反応物と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
熱分解オフガス、又はオフガスから生成された追加の還元ガスは、少なくとも１０モル％の水素又は少なくとも２０モル％の水素を含むことができ、具体的には、上記の概要で提供されたものを参照する。独立して、熱分解オフガス、又はオフガスから生成される追加の還元ガスは、少なくとも１０モル％の一酸化炭素又は少なくとも２０モル％の一酸化炭素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、又はオフガスから生成される追加の還元ガスは、約１モル％、５モル％、１０モル％、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％からの範囲又はこれらの間の範囲の水素、及び少なくとも１モル％、５モル％、１０モル％、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。
いくつかのプロセスでは、ステップ（ｅ）は行われない。他のプロセスでは、ステップ（ｅ）が行われる。ステップ（ｅ）が行われる場合、プロセスは、選択された金属酸化物の還元型を、例えば反応器の出口ポートを介して回収することを含むことができる。また、ステップ（ｅ）を行う場合には、ステップ（ｂ）及びステップ（ｅ）を同じ場所で行うことができる。
いくつかの実施形態では、プロセスは、鉄鉱山などの金属酸化物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、金属酸化物処理プラント、例えば、製鋼所、タコナイトプラント、又は直接還元鉄プラントから選択されるプラントに共同設置される。
特定の実施形態では、プロセス全体が、グリーンフィールドサイト又は既存のサイトであり得る単一のサイトに配置される。既存のサイトの場合、サイトは、バイオマス処理プラント、熱分解プラント、石炭プラント、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、ガス化プラント、水蒸気改質プラント、又は別のタイプのプラントを含むことができる。
いくつかの実施形態では、ステップ（ｅ）は、金属鉱石炉中で、又は金属鉱石炉の上流で行われる。金属鉱石炉は、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、又はそれらの組み合わせから選択することができる。
いくつかの変形形態は、
バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成する、第１の反応器と、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成された第２の反応器と、
任意選択で、還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成するように構成された第３の反応器と、とを備え、
任意選択で、システムが、第１の反応器、第２の反応器、又は（存在する場合）第３の反応器と熱連通する１つ以上の加熱ユニットを更に備え、１つ以上の加熱ユニットは、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成するように構成される、システムを提供する。
いくつかの変形形態は、
バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成するように構成されている、第１の反応器と、
生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成された第２の反応器であって、任意選択で、第２の反応器から活性炭を連続的、周期的、又は最終的に除去するように構成されている、第２の反応器と、
任意選択で、還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成するように構成されている、第３の反応器と、を備え、
任意選択で、システムが、第１の反応器、第２の反応器、又は（存在する場合）第３の反応器と熱連通する１つ以上の加熱ユニットを更に備え、１つ以上の加熱ユニットが、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成するように構成される、システムを提供する。
いくつかのシステムでは、第１の反応器は、約２５０℃～約１２５０℃の範囲又はその間の範囲、例えば、約３００℃～約７００℃の範囲又はその間の範囲の熱分解温度で動作するように構成される。第１の反応器は、例えば、約１０秒～約２４時間若しくは４８時間の範囲又はその間の範囲の熱分解時間で動作するように構成することができる。他の熱分解時間も可能であり、熱分解時間は、原料、所望の生成物、及び他の反応条件に依存する。熱分解時間は、プロセス及び生成物にとって重要であるが、時間は非常に広く変動し得る。
いくつかのシステムでは、第２の反応器は、約３００℃～約１２００℃の範囲又はその間の範囲、例えば、約４００℃～約１０００℃の範囲又はその間の範囲の反応温度で動作するように構成される。第２の反応器は、例えば、約１秒～約１時間から選択される反応時間で動作するように構成することができる。他の反応時間も可能である。熱分解時間と同様に、反応時間は変化し得るが、これはプロセス及び生成物にとって重要である。
いくつかのシステムでは、第３の反応器は、約５００℃～約２０００℃又はその間の範囲、例えば、約７００℃～約１８００℃又はその間の範囲の還元温度で動作するように構成される。第３の反応器は、例えば、約３０分～約４８時間又はその間の範囲の還元時間で動作するように構成することができる。他の還元時間も可能である。熱分解時間と同様に、還元時間は変化し得るが、これはプロセス及び生成物にとって重要である。
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、コーヒー澱、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、枕木、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。
いくつかのシステムでは、生体試薬は、約５０重量％～約９９重量％又はその間の範囲の総炭素、例えば、少なくとも７５重量％の炭素、又は少なくとも９０重量％の炭素を含む。生体試薬は、約５０重量％～約９９重量％又はその間の範囲の固定炭素、例えば、少なくとも７５重量％の固定炭素、又は少なくとも９０重量％の固定炭素を含むことができる。
金属酸化物は、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせから選択することができる。いくつかのシステムでは、金属酸化物は、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である。
選択された金属酸化物の還元型は、完全に還元された金属、又は選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物であり得る（すなわち、出発金属酸化物の部分的であるが完全ではない還元において）。
いくつかの実施形態では、システムは、第１の反応器、第２の反応器、第３の反応器、そのような反応器のうちの少なくとも２つ、又はそのような反応器のうちの３つ全てと熱連通する加熱ユニットを備える。
いくつかのシステムにおいて、第２の反応器は、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させるように構成される。これら又は他のシステムにおいて、システムは、第２の反応器と流体連通している追加の反応器を更に含むことができ、追加の反応器は、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させるように構成される。システムは、還元ガスから水素を分離するように構成された分離ユニットを更に含むことができる。例示的な分離ユニットは、圧力スイング吸着ユニット、分子ふるい膜、又は極低温蒸留ユニットである。
いくつかのシステムでは、選択された反応物は水であり、これは水蒸気の形態であり得る。いくつかの実施形態では、選択された反応物は酸素である。反応物は、水と酸素との組み合わせであってもよい。
第２の反応器は、例えば、固定床反応器、ロータリーキルン、又は流動床反応器であってよい。
いくつかの実施形態では、システムは、熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって追加の還元ガスを生成するように構成されたオフガス反応器を更に備える。これらの実施形態において、オフガス反応器は、第３の反応器と流体連通することができる。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、追加の還元ガスへのその変換を可能にするために、熱分解オフガスの一部又は全てを受け取るように構成される。生体試薬と反応する同じ反応物（例えば、水蒸気）は、熱分解オフガスと反応することができ、それによって、追加の還元ガス（例えば、ＣＯ又はＨ２）を生成する。図１～図４は、より多くの還元ガスを生成するための熱分解オフガスの任意の使用を示しており、これは、熱を生成するための熱分解オフガスの燃焼の代わりに、又はそれに加えて行うことができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上の加熱ユニットは、還元ガスを酸化し、それによって熱を生成するように構成される。この熱は、第１の反応器、第２の反応器、又は（存在する場合）第３の反応器を加熱するために使用することができる。
第３の反応器は存在してもしなくてもよい。いくつかの実施形態では、第３の反応器がシステム内に存在し、システムは、選択された金属酸化物の還元型を回収するように構成された第３の反応器からの出口を備える。例えば、スクリューコンベヤを第３の反応器の底部又はその付近に設置して、金属生成物（金属酸化物の還元型）を連続的又は周期的に取り出すことができる。第３の反応器が存在する場合、第１の反応器及び第３の反応器は、同じ場所に共同設置することができる。
本明細書で使用される場合、「反応器」は、単一の反応容器又は反応容器内に含まれる反応ゾーンを指すことができる。単一の反応器が複数の反応ゾーンを含む場合、ゾーンの数は２、３、４、又はそれ以上であり得る。
第１の反応器及び第２の反応器は、第１の反応器が第１のゾーンであり、第２の反応器が第１のゾーンと同じ物理的装置内の第２のゾーンであるように、単一の反応器内に物理的に含まれ得る。これらの又は他の実施形態において、第２の反応器及び第３の反応器は、第２の反応器が第１のゾーンであり、第３の反応器が第１のゾーンと同じ物理的装置内の第２のゾーンであるように、単一の反応器内に物理的に含まれ得る（例えば、図４参照）。特定の実施形態では、第１の反応器、第２の反応器、及び第３の反応器は全て、共通の物理的装置内の第１の反応器が第１のゾーンであり、第２の反応器が第２のゾーンであり、第３の反応器が第３のゾーンであるように、単一の反応器内に物理的に含まれる。
複数の物理的装置を直列又は並列で反応器に用いることができることにも留意されたい。例えば、第１の反応器は、直列（順次）、並列、又はそれらの混成で動作する２つの物理的反応容器であってもよい。
同様に、第2の反応器は、直列（順次）、並列、又はそれらの混成で動作する2つの物理的反応容器であってもよい。第2の反応器のための複数の反応容器は、例えば、いくつかの異なるタイプの活性炭を生成することが望ましい場合、又は1つの容器から活性炭を生成するが別の容器からは生成しないことが望ましい場合、有利であり得る。別の言い方をすれば、第2の一次反応器は、生体試薬を選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成することができ、第2の一次反応器は、第2の一次反応器から活性炭を連続的に、周期的に、又は最終的に除去するように構成される。一方、補助的な第2の反応器はまた、生体試薬を選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成されるが、例えば、補助的な第2の反応器から活性炭を除去するようには構成されない。
いくつかの実施形態では、システムは、金属酸化物鉱山に共同設置される。
いくつかの実施形態では、システムは、金属酸化物処理プラント、例えば、製鋼所、タコナイトプラント、又は直接還元鉄プラントに共同設置される。
特定の実施形態では、システム全体が、グリーンフィールドサイト又は既存のサイトであり得る単一のサイトに配置される。既存のサイトの場合、サイトは、バイオマス処理プラント、熱分解プラント、石炭プラント、金属鉱石鉱山、金属鉱石処理プラント、ガス化プラント、水蒸気改質プラント、又は別のタイプのプラントを含むことができる。
いくつかの実施形態では、第３の反応器は、金属鉱石炉であるか、又は金属鉱石炉の上流にある（又は金属鉱石炉の上流にある第３の反応器及び金属鉱石炉である第４の反応器が存在する）。金属鉱石炉は、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、又はそれらの組み合わせから選択することができる。
本開示の他の変形形態は、
（ａ）バイオマス原料を提供することと、
（ｂ）バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって、選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）選択された金属酸化物の還元型を含む金属生成物を回収することと、を含む、プロセスによって生成される金属生成物を提供する。
本開示の更に他の変形形態は、
（ａ）バイオマス原料を提供することと、
（ｂ）バイオマス原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）還元ガスから水素を分離することであって、任意選択で、水素が、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、又は極低温蒸留から選択される１つ以上の分離技術によって分離される、分離することと、
（ｆ）水素を含む再生可能な水素生成物を回収することと、を含む、プロセスによって生成される再生可能な水素生成物を提供する。
炭素の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比（固体炭素中、又はＣＯ、ＣＯ２、若しくはＣＨ４などの蒸気形態の炭素中）を測定することは、実証済みの技法である。同様の概念を水素に適用することができ、２Ｈ／１Ｈ同位体比が測定される（２Ｈは重水素、Ｄとしても知られる）。化石源は、バイオマスと比較して重水素が枯渇する傾向がある。参照により本明細書に組み込まれるＳｃｈｉｅｇｌ ｅｔ ａｌ．，「Ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ」，Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｐｌａｎｅｔａｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７巻、第４号、１９７０年、３０７～３１３頁、及びＨａｙｅｓ，「Ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎ Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」，Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ，２００１を参照されたい。
特に、有機的に結合した水素の天然の重水素含有量は、サンプルの起源に依存する系統的な変動を示す。海洋植物及び陸生植物の両方の水素は、植物が成長した水よりも数パーセント少ない重水素を含有する。石炭及び石油は、植物に対して重水素が更に枯渇しており、天然ガスは、それが由来する石炭又は石油に対して重水素が更に枯渇している。本開示では、「再生可能な水素」は、炭素又はＣＯと反応してＨ２を形成するために使用され得る水（Ｈ２Ｏ）反応物中に含有される水素の再生可能性に関係なく、２Ｈ／１Ｈ同位体比を出発供給原料の再生可能性と相関させることによって決定される。平均して、水は、６，４００個の水素１Ｈ原子当たり約１個の重水素原子を含有する。再生可能なバイオマス中の水素原子に対する重水素原子の比は、１／６，４００よりもわずかに低く、再生不可能な化石源（例えば、採掘された石炭又は採掘された天然ガス）中の水素原子に対する重水素原子の比は、再生可能なバイオマスの比よりも更に低い。したがって、２Ｈ／１Ｈ同位体比は、水素の再生可能性と相関し、より高い２Ｈ／１Ｈ同位体比は、より大きい再生可能な水素含有量を示す。還元ガス組成物中に含有される水素の２Ｈ／１Ｈ同位体比は、約０．０００２～約０．００１、例えば、約０．０００２～約０．００５であってもよい。本明細書に開示される特定の還元ガス組成物に含有される水素の２Ｈ／１Ｈ同位体比は、バイオマスではなく化石資源から得られる他の同等の還元ガス組成物よりも高い。いくつかの実施形態では、還元ガス組成物中に含有される水素の２Ｈ／１Ｈ同位体比は、約１％～約１００％の範囲又はその間の任意の数だけ、例えば、約１％、５％、１０％、２５％、５０％、又は１００％からの範囲又はその間の任意の数だけ高い。
再生可能な水素は、市場において、再生可能なエネルギー基準、再生可能なエネルギークレジット、再生可能識別番号などを通してなど、様々な方法で認識され得る。ほんの一例として、ガソリンを生成する際に再生可能な水素を利用する製油所は、そのようなＨ２含有量に対する再生可能なエネルギークレジットを受け取ることができる。鋼などの金属生成物において、再生可能な水素は、金属の生成（例えば、Ｈ２による金属鉱石の還元）中に利用することができ、又は再生可能な水素は、最終生成物中の測定可能な合金元素であり得る。
本開示のいくつかの実施形態において、水素生成物は、水素同位体分析に従って少なくとも５０％再生可能な水素として特徴付けられる。様々な実施形態において、水素生成物は、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は少なくとも９９％再生可能な水素として特徴付けられる。特定の実施形態では、水素生成物は、完全に再生可能な水素として特徴付けられる。
いくつかの水素生成物において、水素は、完全に再生可能な水素として特徴付けられ、水素生成物中に含有される任意の残留炭素は、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、本質的に完全に再生可能な炭素である。
ステップ（ｄ）における選択された反応物は、例えば、水、酸素、又はそれらの混合物であり得る。酸素は、空気、純酸素、濃縮酸素、オゾン、又はそれらの組み合わせから選択される形態で存在することができる。
いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも１０モル％又は少なくとも２５モル％の水素を含有することができる。いくつかの実施形態では、還元ガスは、少なくとも１０モル％又は少なくとも２５モル％の一酸化炭素を含有することができる。
いくつかの実施形態において、水素生成物は、水性ガスシフト反応を介して還元ガスの水素含有量を増加させることを更に含むプロセスによって生成される。
いくつかの実施形態では、熱分解オフガスは部分的に酸化され、それによって追加の還元ガス及び熱を生成する。
様々な実施形態において、水素は、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、極低温蒸留、又はそれらの組み合わせを介して分離される。
水素生成物は、少なくとも５０モル％の水素を含むことができる。いくつかの実施形態では、水素生成物は、少なくとも９０モル％の水素を含む。様々な実施形態において、水素生成物は、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９、又は１００モル％からの範囲又はこれらの間の範囲を含む。
いくつかの水素生成物において、水素生成物は、多くとも約１モル％の窒素を含むか、実質的に窒素を含まない。様々な実施形態において、水素生成物は、約１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１．５、１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２、又は０．０１モル％からの範囲又はこれらの間の範囲の窒素を含む。本開示において、「実質的に窒素を含まない」水素生成物は、通常の分析技術によって生成物中に検出可能な窒素が存在しないことを意味する。
いくつかの変形形態は、金属酸化物を還元するための還元ガス組成物であって、水素同位体分析によれば少なくとも５０％が再生可能な水素である水素を含む還元ガス組成物を提供する。様々な実施形態において、還元ガス組成物は、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は少なくとも９９％再生可能な水素として特徴付けられる水素を含む。特定の実施形態において、還元ガス組成物は、完全に再生可能な水素として特徴付けられる水素を含む。
還元ガス組成物の組成プロファイルは、水素が再生可能な水素として認定又は特徴付けられるかどうかにかかわらず、約又は少なくとも約５０モル％、６０モル％、７０モル％、８０モル％、８５モル％、９０モル％、９５モル％、９６モル％、９７モル％、９８モル％、９９モル％、９９．５モル％、又は９９．９モル％のＨ２を含有することができる。還元ガス組成物の残りは、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、Ｎ２、又は他の成分を含むことができる。
本開示のいくつかの変形形態は、金属酸化物を還元するための還元ガス組成物を提供し、還元ガス組成物は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って少なくとも５０％再生可能な水素である少なくとも２５モル％の水素を含む。
いくつかの実施形態では、還元ガス組成物は、少なくとも５０モル％の水素、少なくとも７５モル％の水素、又は少なくとも９０モル％の水素を含む。様々な実施形態において、還元ガス組成物は、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、若しくは９５モル％からの範囲又はこれらの間の範囲の水素を含む。
いくつかの還元ガス組成物において、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも８０％、８１％、８２％、８３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、又は９９％再生可能な水素として特徴付けられる。いくつかの実施形態において、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って完全に（１００％）再生可能な水素として特徴付けられる。
還元ガス組成物は、ＣＯ、ＣＯ２、若しくはＣＨ４を含む炭素含有ガスを更に含むことができ、又は還元ガス組成物は、ＣＯ、ＣＯ２、若しくはＣＨ４から本質的になる炭素含有ガスを更に含むことができる。炭素含有ガスは、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定された場合、少なくとも５０％再生可能、少なくとも９０％再生可能、又は本質的に完全に再生可能であり得る。いくつかの実施形態において、還元ガス組成物は、炭素含有ガスを含み、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも９０％再生可能な水素、又は本質的に完全に再生可能な水素として特徴付けられる。
いくつかの還元ガス組成物において、還元ガス組成物は一酸化炭素を更に含み、一酸化炭素は、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定された場合、少なくとも５０％再生可能、少なくとも９０％再生可能、又は本質的に完全に再生可能である。いくつかの実施形態において、還元ガス組成物は、一酸化炭素を更に含み、水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、少なくとも９０％再生可能な水素、又は本質的に完全に再生可能な水素として特徴付けられる。いくつかの還元ガス組成物において、水素対一酸化炭素のモル比は少なくとも２である。
いくつかの実施形態において、還元ガス組成物は、多くとも約１モル％のＮ２、多くとも約０．５モル％のＮ２、多くとも約０．１モル％のＮ２を含むか、又はＮ２を本質的に含まない。様々な実施形態において、還元ガス組成物は、約１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１．５、１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２、又は０．０１モル％からの範囲又はこれらの間の範囲のＮ２を含む。本開示において、「実質的に窒素を含まない」水素生成物とは、通常の分析技術によって還元ガス組成物中に検出可能な窒素が存在しないことを意味する。
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。出発原料が生体及び再生可能な炭素を含有するバイオマスである場合、熱分解で得られる炭素も生体である。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。他の実施形態において、全ての炭素より少ない炭素が再生可能である。
二酸化炭素に酸化される任意の生体炭素は、生体ＣＯ２を創出する。これはまた、生成されたＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２排出を実質的に低減する。これは、バイオマス中の水素が還元ガス中でＨ２となるためである。Ｈ２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、Ｈ２酸化は、ＣＯ２を創出するのではなく、Ｈ２Ｏ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ＣＯ２生成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、本開示のいくつかの実施形態は、エネルギー効率の良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。「ＣＯ２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「ＣＯ２ｅ」は、同等の地球温暖化効果を有するＣＯ２の量を表す。一例として、金属鉱業処理の場合、平均は、１１．９ｋｇ ＣＯ２／トンである（Ｔｏｓｔ ｅｔ ａｌ．，「Ｍｅｔａｌ Ｍｉｎｉｎｇ’ｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ Ｕｐｄａｔｅｄ Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ｏｎ ＣＯ２ 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ＣＯ２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 ＣＯ２／トン以下の炭素強度、又はＣＯ２等価炭素強度を特徴とすることができる。本開示では、生成されるＣＯ２のほとんど又は全ては、生体二酸化炭素であり得、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。
いくつかの変形形態は、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、（完全燃焼におけるようなＣＯ２ではなく）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、という認識に基づいている。部分酸化からのＣＯの生成は、依然としていくらかの熱を提供するが、ＣＯ２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。これらの変形形態は、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発見を利用し、還元は、部分酸化から生成されたＣＯを化学的に利用する。
上記の認識に基づいて、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、燃焼化学量論量の酸素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、熱及び還元ガスを生成することと、熱及び還元ガスを利用して、金属酸化物を還元することと、を含む、方法を提供する。
「燃焼化学量論量の酸素」は、空気、純酸素、又は酸素濃縮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ＣＯ２又はＨ２Ｏ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、約１０％～約９９％、約２５％～約９０％、例えば、約４０％～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Ｏ２型であるモル基準である。
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、それによって金属（又は金属の還元度の低い型）及び一酸化炭素又は二酸化炭素を生成する。代替的に又は追加的に、炭素を一酸化炭素に変換し、続いて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。
還元ガスの生成
次に、還元ガス（本明細書では「バイオ還元剤ガス」とも呼ばれる）の生成について更に説明する。生体試薬の還元ガスへの変換は、本明細書では第２の反応器、ガス化装置、又はバイオ還元剤形成ユニットと呼ぶことができる反応器内で行われる。
生体試薬と反応して還元ガスを生成するために、反応物が用いられる。反応物は、酸素、水蒸気、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、酸素を水蒸気と混合し、得られた混合物を第２の反応器に添加する。酸素又は酸素濃縮空気を添加して、酸素による炭素の部分酸化又は全酸化などの発熱反応を引き起こし、還元ガス中のより好ましいＨ２／ＣＯ比を達成し、（ｉｉｉ）還元ガスの収率を増加させ、又は（ｉｖ）例えば、ＣＯ２、熱分解生成物、タール、芳香族化合物、又は他の望ましくない生成物の量を減少させることによって、還元ガスの純度を増加させることができる。
いくつかの実施形態では、水蒸気が反応物である。水蒸気（すなわち、蒸気相のＨ２Ｏ）は、１つ以上のインプット流で第２の反応器に導入することができる。水蒸気は、生体試薬インプットに含有される水分によって生成される水蒸気、並びに水を生成する任意の化学反応によって生成される水蒸気を含むことができる。
本明細書における化学種の「比」への全ての言及は、他に示されない限り、モル比への言及である。例えば、１のＨ２／ＣＯ比は、二酸化炭素１モル当たり水素１モルを意味する。
水蒸気改質、部分酸化、水性ガスシフト（water-gas shift、ＷＧＳ）、又は燃焼反応は、酸素又は水蒸気が添加される場合に起こり得る。例示的な反応を、例えばセルロース系原料中に見出されるセルロース繰り返し単位（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）に関して以下に示す。任意の炭素含有原料を用いて同様の反応が起こり得る。
水蒸気改質 Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋Ｈ２Ｏ→６ＣＯ＋６Ｈ２
部分酸化 Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋１／２Ｏ２→６ＣＯ＋５Ｈ２
水性ガスシフト ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２
完全燃焼 Ｃ６Ｈ１０Ｏ５＋６Ｏ２→６ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ
第２の反応器は、還元ガスを生成する化学反応を引き起こすことができる任意の反応器である。当技術分野で周知の従来の水蒸気改質装置は、触媒を用いても用いなくても使用することができる。他の可能性としては、自己熱改質器、部分酸化反応器、及びいくつかの反応機構（例えば、部分酸化とそれに続く水性ガスシフト）を組み合わせた多段反応器が挙げられる。反応器の構成は、固定床、流動床、複数のマイクロチャネル、又はいくつかの他の構成であり得る。
いくつかの実施形態では、反応物としての水蒸気の総量は、供給材料中の炭素１モル当たり少なくとも約０．１モルの水蒸気である。様々な実施形態において、炭素１モル当たり少なくとも約０．５、１．０、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、又はそれ以上のいずれかのモルの水蒸気が添加されるか、又は存在する。いくつかの実施形態では、炭素１モル当たり約１．５～３．０モルの水蒸気が添加されるか、又は存在する。
第２の反応器に添加される水蒸気の量は、熱分解反応器の条件などの要因に応じて変化し得る。熱分解が炭素濃縮固体材料を生成する場合、一般に、より多くの水蒸気（又はより多くの酸素）を使用して、必要なＨ及びＯ原子を利用可能なＣに添加し、それによってＣＯ及びＨ２を生成する。システム全体の観点から、供給材料に含有される水分は、プロセスにおいてどれだけの追加の水（蒸気）を加えるかを決定する際に考慮することができる。
水蒸気に対する酸素の例示的な比（Ｏ２／Ｈ２Ｏ）は、第２の反応器において、約２、１．５、１、０．５、０．２、０．１、０．０５、０．０２、０．０１、又はそれら未満のいずれかに等しいか又は多くともこれらの値である。Ｏ２／Ｈ２Ｏの比が少なくとも約１である場合、燃焼反応は部分酸化よりも優勢になり始め、これは望ましくない低いＣＯ／ＣＯ２比を生じ得る。
いくつかの実施形態では、水蒸気を含まない酸素が反応物として使用される。酸素は、実質的に純粋な形態で添加され得るか、又は任意に酸素が濃縮された空気の添加を介してプロセスに供給され得る。いくつかの実施形態では、酸素が濃縮されていない空気が添加される。他の実施形態では、例えば、近くの空気分離プラントからの流れとすることができる規格外流れ又は再循環流れからの濃縮空気を使用することができる。いくつかの実施形態では、Ｎ２の量が低減された（すなわち、多くとも約７９体積％）濃縮空気を使用すると、結果として得られる還元ガス中のＮ２が少なくなる。Ｎ２の除去は費用がかかる可能性があり、したがって、Ｎ２が少ないか又は全くない還元ガスを生成する方法が望ましい可能性がある。
いくつかの実施形態において、酸素の存在は、酸素の非存在下で同じ方法によって生成される比と比較して、還元ガス中のＨ２／ＣＯの比を変化させる。還元ガスのＨ２／ＣＯ比は、約０．５～約２．０、例えば約０．７５～１．２５、約１～１．５、又は約１．５～２．０とすることができる。認識されるように、増加した水性ガスシフト（より高い水蒸気添加率による）は、より高いＨ２／ＣＯ比、例えば、少なくとも２．０、３．０、４．０、５．０、又は更に高いものを生成し、これは、水素生成を含む特定の用途に望ましい場合がある。
第２の反応器において触媒を利用することができる。触媒は、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属酸化物及び塩、石炭中の無機物質又は灰、遷移金属及びそれらの酸化物及び塩、並びに共晶塩混合物を含むことができるが、これらに限定されない。触媒の具体例としては、これらに限定されないが、水酸化カリウム、炭酸カリウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、水酸化セシウム、酸化ニッケル、ニッケル置換合成雲母モンモリロナイト（nickel-substituted synthetic mica montmorillonite、ＮｉＳＭＭ）、ＮｉＳＭＭ担持モリブデン、鉄ヒドロキシ酸化物、鉄硝酸塩、鉄－カルシウム含浸塩、ニッケルウラニル酸化物、フッ化ナトリウム、及び氷晶石が挙げられる。
他の例示的な触媒としては、ニッケル、酸化ニッケル、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、及び白金が挙げられるが、これらに限定されない。このような触媒は、例えば、ガンマ－アルミナ（任意選択で、マグネシウム、ランタン、又はバリウムなどの安定化元素でドープされている）などの１つ以上の担体材料上にコーティング又は堆積させることができる。
システムに添加される前に、全表面積、活性表面積、サイト密度、触媒安定性、触媒寿命、触媒組成、表面粗さ、表面分散、多孔性、密度、又は熱拡散率に影響を与える既知の技術を用いて、任意の触媒を前処理又は活性化することができる。触媒の前処理には、焼成、ウォッシュコート添加、粒径減少、及び熱的又は化学的手段による表面活性化が含まれるが、これらに限定されない。
触媒の添加は、最初に、水又はガス化若しくは改質され得る任意の炭化水素などの溶媒中に触媒を溶解又はスラリー化することによって行うことができる。いくつかの実施形態において、触媒は、そのようなスラリーを容器に直接注入することによって添加される。いくつかの実施形態において、触媒は水蒸気に添加され、水蒸気／触媒混合物がシステムに添加される。これらの実施形態では、添加される触媒は、水蒸気中でその平衡溶解度にあるか又はその近くにあることができ、又は水蒸気中に同伴された粒子として導入され、それによってシステム中に導入されることができる。
材料は、一般に、単軸スクリュー、二軸スクリュー、ラムなどによって第２の反応器の内外に搬送することができる。材料は、物理的力（金属接触）、圧力駆動流、空気圧駆動流、遠心流、重力流、流動化流、又は固相及び気相を移動させるいくつかの他の公知の手段によって機械的に搬送することができる。生物体試薬のペレットの固定床は、特に、炭素床の上に配置された金属酸化物の床を使用する実施形態（例えば、図４）において、第２の反応器において利用することができ、それによって、機械的に堅牢な活性炭ペレットを生成する。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、生体試薬のガス化を採用し、それによって還元ガスを生成する。ガス化は、少なくとも約６００℃～高くとも約１１００℃などの高温で行われる。反応性の低い生体試薬は、より高い動作温度を使用する。導入される反応物（例えば、空気、酸素、濃縮空気、又は酸素－水蒸気混合物）の量は、ガス化温度を制御する主要な因子であり得る。大気圧から約５０バールまでの動作圧力がバイオマスガス化において用いられてきた。ガス化装置はまた、反応物、一般に空気、高純度酸素、水蒸気、又はこれらのガスの何らかの混合物を使用する。
ガス化装置は、容器内で固体を支持する手段、固体及びガスの両方の流れの方向、並びに反応器に熱を供給する方法に基づいて区別することができる。ガス化装置がほぼ大気圧又は高圧で動作されるか否か、及びガス化装置が空気吹き又は酸素吹きであるか否かも際立った特徴である。一般的な分類は、固定床上昇流、固定床下降流、バブリング流動床、及び循環流動床である。
固定床ガス化装置は、一般に、コムギわら、トウモロコシ茎葉、又は庭ごみなどの繊維質草本供給原料を取り扱うことができない。しかしながら、開示されたプロセスでは、バイオマスは最初に生体試薬に熱分解され、生体試薬はガス化される。生体試薬は、固定床ガス化装置を使用してガス化することができる。
循環流動床ガス化技術は、Ｌｕｒｇｉ ａｎｄ Ｆｏｓｔｅｒ Ｗｈｅｅｌｅｒから入手可能であり、バイオマス及び他の廃棄物に利用される既存のガス化技術の大部分を代表する。バブリング流動床ガス化（例えば、Ｕ－ＧＡＳ（登録商標）技術）が商業的に使用されている。
直接加熱ガス化装置は、単一の反応容器内で吸熱及び発熱ガス化反応を行い、追加の加熱は必要ない。対照的に、間接加熱ガス化装置は、外部熱源を使用する。間接加熱ガス化装置は、一般に２つの容器を使用する。第１の容器は、供給物を水蒸気でガス化する（吸熱プロセス）。熱は、熱伝達媒体、通常は砂を循環させることによって供給される。第１の容器内で生成された還元ガス及び固体チャーは、砂とともに分離される。混合されたチャー及び砂は第２の容器に供給され、そこでチャーは空気で燃焼され、砂を加熱する。高温砂は第１の容器に循環して戻される。
生体試薬は、「乾燥供給物」（任意選択で水分を含むが、遊離液相を含まない）として、又は水中のスラリー若しくは懸濁液としてガス化装置に導入することができる。乾燥供給ガス化装置は、還元ガスへの高い１パス当たりの炭素変換及び良好なエネルギー効率を可能にすることができる。乾燥供給ガス化装置では、ガス化反応によって放出されるエネルギーによってガス化装置が極めて高い温度に達する可能性がある。この問題は、ウェットウォール設計を使用することによって解決することができる。
いくつかの実施形態では、ガス化装置への供給物は、高い水素含有量を有する生体試薬である。得られる還元ガスは、水素が比較的濃縮されており、Ｈ２／ＣＯ比が高く、例えばＨ２／ＣＯ＞１．５以上である。
いくつかの実施形態において、ガス化装置への供給物は、低水素含有量を有する生体試薬である。得られた還元ガスは、比較的低いＨ２／ＣＯ比を有すると予想される。Ｈ２／ＣＯ＞１を使用する下流プロセスでは、水又は水蒸気をガス化装置に注入して、ガス化装置温度を緩和し（顕熱効果又は吸熱化学作用によって）、Ｈ２／ＣＯ比をより高い、より望ましい比にシフトさせることが望ましい場合がある。水の添加はまた、水蒸気改質化学を介して、吸熱消費による温度緩和に寄与し得る。水蒸気改質において、Ｈ２Ｏは、炭素又はタール若しくはベンゼン／トルエン／キシレンなどの炭化水素と反応して、還元ガスを生成し、断熱ガス化温度を低下させる。
特定の変形形態では、ガス化装置は、バブリング流動ガス化反応器などの流動床ガス化装置である。流動化は、ガス化装置床内で実質的に均一な温度をもたらす。アルミナ砂又はケイ砂などの流動床材料は、潜在的な摩耗問題を低減することができる。ガス化装置温度は、灰粒子が固体から溶融形態に変化し始めないように、十分に低い温度に調節することができ、それはガス化装置内で凝集及び流動化の損失を引き起こす可能性がある。
流動床ガス化装置が使用される場合、全ての成分の総流量は、ガス化装置床が流動化されることを確実にすべきである。全ガス流量及び床直径は、ガス化装置を通るガス速度を確立する。適切な流動化を確実にするために、正確な速度が維持されなければならない。
変形形態では、ガス化装置のタイプは、同伴流スラグ化、同伴流非スラグ化、輸送、バブリング流動床、循環流動床、又は固定床であってもよい。いくつかの実施形態は、ガス化触媒を使用する。
ガス、砂、及び原料が一緒に移動する循環流動床ガス化装置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、燃焼ガス、又は再循環ガスが挙げられる。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、還元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。
向流固定床ガス化装置が使用されるいくつかの実施形態では、反応器は、ガス化剤（水蒸気、酸素、又は再循環ガスなど）が向流構成で流れる原料の固定床を含む。灰は、乾燥して又はスラグとして除去される。
並流固定床ガス化装置が使用されるいくつかの実施形態では、反応器は向流型と同様であるが、ガス化剤ガスは原料と並流構成で流れる。熱は、少量の原料を燃焼させることによって、又は外部熱源から床の上部に添加される。生成されたガスは高温で反応器を出て、この熱の多くは床の上部に添加されたガス化剤に伝達され、良好なエネルギー効率をもたらす。
流動床反応器が第２の反応器として使用されるいくつかの実施形態において、原料は、再循環ガス、酸素、空気、又は水蒸気中で流動化される。灰は、乾燥して、又は脱流体化する重い凝集体として除去することができる。固体の再循環又はその後の燃焼を使用して変換率を増加させることができる。流動床反応器は、スラグ化反応器の壁を損傷するであろう腐食性が高い灰を形成する原料に有用である。
同伴流ガス化装置が使用されるいくつかの実施形態では、生体試薬は、並流で酸素、空気、又は再循環ガスを用いてガス化される。ガス化反応は、非常に微細な粒子の濃密な雲の中で起こる。高温を用いることができ、それによって還元ガス中のタール及びメタンの量を少なくすることができる。
同伴流反応器は、動作温度が灰溶融温度を十分に上回る可能性があるので、灰の大部分をスラグとして除去する。灰のより小さい部分は、非常に微細な乾燥フライアッシュとして、又はフライアッシュスラリーとして生成される。ある種の同伴床反応器は、部分的に固化したスラグで覆われた内部水冷壁又は水蒸気冷却壁を有する。
ガス化装置チャンバは、フリーボードの適切な構成又は内部サイクロンの使用によって、固体下流動作のキャリーオーバーを、熱の回収に好適なレベルに保つように設計することができる。未反応の生体試薬は、ガス化装置チャンバの底部から引き出され、冷却され、回収され得る。
ガス化装置は、炭素含有種の部分酸化、逆水性ガスシフト、又はドライ（ＣＯ２）改質に有効な触媒などの１つ以上の触媒を含むことができる。
いくつかの実施形態では、バブリング流動床脱揮反応器が第２の反応器として利用される。反応器は、少なくとも部分的に、高温再循環ガス流によって約６００℃に加熱され、これはバイオマスの予想されるスラグ化温度より低い。水蒸気、酸素又は空気も第２の反応器に導入することができる。
第２の反応器は、フリーボードの適切な構成又は内部サイクロンの使用によって、固体のキャリーオーバーを下流の熱の回収に好適なレベルに保つように設計することができる。未反応チャーは、脱揮チャンバの底部から引き出され、冷却され、次にユーティリティボイラーに供給されて、この流れの残りの発熱量を回収することができる。
流動床ガス化装置が第２の反応器として使用される場合、原料は、再循環ガスなどの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、高温燃焼ガスが流れる熱交換器管によって提供することができる。
ガス、砂、及び原料が一緒に移動する循環流動床反応器を、第２の反応器として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、燃焼ガス、又は再循環ガスが挙げられる。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、還元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。
向流固定床反応器が脱揮ユニットとして使用されるいくつかの実施形態では、反応器は、ガス化剤（水蒸気、酸素、又は再循環ガスなど）が向流構成で流れる原料の固定床を含む。灰は、乾燥して又はスラグとして除去される。
並流固定床反応器が脱揮ユニットとして使用されるいくつかの実施形態では、反応器は向流型と同様であるが、ガス化剤ガスは原料と並流構成で流れる。熱は、少量の原料を燃焼させることによって、又は外部熱源から床の上部に添加される。還元ガスは高温で反応器を離れ、この熱の多くは床の上部に添加された反応物に伝達され、良好なエネルギー効率をもたらす。この構成ではタールが高温の炭素床を通過するので、タールレベルは向流型を使用する場合よりも低いと予想される。
流動床反応器が脱揮ユニットとして使用されるいくつかの実施形態において、原料は、再循環ガス、酸素、空気、又は水蒸気中で流動化される。灰は、乾燥して、又は脱流体化する重い凝集体として除去される。固体の再循環又はその後の燃焼を使用して変換率を増加させることができる。
熱及び物質移動を向上させるために、ノズルを使用して水を第２の反応器に導入することができ、ノズルは、一般に、流体フローがオリフィスを介して密閉チャンバ又はパイプに入るときに、流体フローの方向又は特性を制御するように設計された機械的デバイスである。ノズルは、水滴サイズを減少させることができ、それによって水の微細な噴霧を生成する。ノズルは、噴霧ノズル（燃料噴射器と同様）、液体を接線方向に噴射する旋回ノズルなどから選択することができる。
水源は、例えば、プロセス凝縮液、他の再循環水、廃水、補給水、ボイラー給水、水道水からの直接配管を含むことができる。水は、任意選択で、最初に洗浄、精製、処理、イオン化、蒸留などを行うことができる。いくつかの水源が使用される場合、水源の様々な体積比が可能である。いくつかの実施形態では、第２の反応器のための水は廃水である。
いくつかの変形形態では、第２の反応器からの還元ガスは、別の生成物に変換される前に、濾過、精製、又は他の方法で調整される。例えば、冷却された還元ガスを調整ユニットに導入することができ、ここで、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、硫黄化合物、窒素、金属、又は他の不純物が、還元ガスから任意選択で除去される。
本開示のいくつかの実施形態は、第２の反応器の下流に還元ガス浄化ユニットを含む。還元ガス浄化ユニットは、その設計において特に限定されない。例示的な還元ガス浄化ユニットは、サイクロン、遠心分離機、フィルタ、膜、溶媒ベースのシステム、及び粒子状物又は他の特定の汚染物質を除去する他の手段を含む。
いくつかの実施形態において、酸性ガス除去ユニットは、第２の反応器の下流に含まれる。酸性ガス除去ユニットは特に限定されず、還元ガスからＨ２Ｓ、ＣＯ２、又は他の酸性ガスを除去するための当技術分野で公知の任意の手段であってよい。
酸性ガス除去ステップの例としては、ＣＯ２用の１種以上の溶媒によるＣＯ２の除去、又は圧力スイング吸着ユニットによるＣＯ２の除去が挙げられる。反応性溶媒ベースの酸性ガス除去に好適な溶媒としては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロピルアミン、及びアミノエトキシエタノールが挙げられる。物理的溶媒ベースの酸性ガス除去に好適な溶媒としては、ポリエチレングリコールのジメチルエーテル（Ｓｅｌｅｘｏｌ（登録商標）プロセスなど）及び冷却メタノール（Ｒｅｃｔｉｓｏｌ（登録商標）プロセスなど）が挙げられる。
本開示に従って記載されるように生成された還元ガスは、多くの方法で利用することができる。還元ガスは、一般に、水素、一酸化炭素、メタン、オレフィン（エチレンなど）、酸素化物（ジメチルエーテルなど）、アルコール（メタノール及びエタノールなど）、パラフィン、及び他の炭化水素に化学的に変換又は精製することができる。還元ガスは、フィッシャー・トロプシュ化学によって、直鎖又は分岐Ｃ５～Ｃ１５炭化水素、ディーゼル燃料、ガソリン、ワックス、又はオレフィン、種々の触媒によって混合アルコール、イソ合成によってイソブタン、水素生成とそれに続くＨａｂｅｒプロセスによってアンモニア、オキソ合成によってアルデヒド及びアルコール、並びに種々のプロセスによってジメチルエーテル、酢酸、エチレン、プロピレン、及びホルムアルデヒドを含むメタノールの多くの誘導体に変換することができる。還元ガスは、固体酸化物燃料電池、スターリングエンジン、マイクロタービン、内燃機関、熱発電機、スクロール膨張機、ガスバーナ、又は熱光起電デバイスなどのエネルギー変換デバイスを使用してエネルギーに変換することもできる。
活性炭の回収
次に、活性炭の回収について更に説明する。
いくつかの実施形態において、ステップ（ｆ）は、意図的に又は付随的に活性炭共生成物を生成するために行われる。ステップ（ｆ）が行われる場合、ステップ（ｅ）は行われても行われなくてもよい。
特定の実施形態において、ステップ（ｅ）及び（ｆ）は、還元ガスをインサイチュ生成し、次いで、金属酸化物を金属又はより還元されていない金属酸化物に還元するために、その還元ガス又はその少なくとも一部を利用するための別個の反応ゾーンを有する統合反応器中で行われる。
ステップ（ｆ）が用いられる場合、ステップ（ｂ）で生成された生体試薬の少なくとも１重量％、５重量％、１０重量％、２０重量％、３０重量％、４０重量％、５０重量％、６０重量％、７０重量％、８０重量％、又は９０重量％が活性炭として回収され得る。プロセスは、還元ガスに向けられる炭素（一般的に炭素酸化物として）と比較して、より多くの又はより少ない活性炭が生成され得るように調整可能である。
特定の実施形態では、生体試薬内の固定炭素は、主に活性炭を作製するために使用することができ、生体試薬内の揮発性炭素は、主に還元ガスを作製するために使用することができる。例えば、ステップ（ｂ）で生成された生体試薬内の固定炭素の少なくとも５０重量％、少なくとも９０重量％、又は本質的に全てをステップ（ｆ）で活性炭として回収することができ、一方、例えば、ステップ（ｂ）で生成された生体試薬内の揮発性炭素の少なくとも５０重量％、少なくとも９０重量％、又は本質的に全てを還元ガスに向けることができる（例えば、揮発性炭素のＣＯへの水蒸気改質反応を介して）。
活性炭は、生成された場合、例えば、少なくとも約５００、７５０、８００、１０００、１５００、又は２０００のヨウ素価によって特徴付けることができる。活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、又は９５％の再生可能な炭素含有量によって特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、（完全に）再生可能な活性炭として特徴付けられる。
いくつかのシステムでは、第２の反応器は、反応器から炭素ペレットを除去するためのスクリューコンベヤなどを介して、第２の反応器から活性炭を連続的又は周期的に除去するように構成される。これら又は他の実施形態では、第２の反応器は、スクリューコンベヤを介して、又は反応器を開放して活性炭を回収することなどによって、第２の反応器から活性炭を最終的に（すなわち、反応時間の期間の終了時に）除去するように構成される。
いくつかの実施形態では、第２の反応器は、異なるタイプの活性炭の生成を最適化するように構成される。例えば、反応条件（例えば、時間、温度、及び水蒸気濃度）は、ヨウ素価などの特定の属性を有する活性炭生成物のために選択することができる。異なる反応条件は、より高いヨウ素価を有するものなどの異なる活性炭生成物に対して選択することができる。第２の反応器は、キャンペーンモードで動作して１つの生成物を生成し、次いで、別の生成物のための別のモードに切り替えることができる。第１の生成物は、第１のキャンペーンの間に連続的に若しくは周期的に除去されていてもよく、又は第２の反応器の反応条件を切り替える前に除去されてもよい。一般に、第２の反応器は、異なる量及び特性の活性炭並びに異なる量及び品質の還元ガスの生成のために最適化することができる。
活性炭が望まれる場合、第３の反応器は存在してもしなくてもよい。いくつかの実施形態では、図３に示すように、活性炭及び金属生成物の両方が生成される。特定の実施形態では、統合反応器は、活性炭生成並びに金属酸化物の金属生成物への還元の両方のために用いられる。
活性炭は、例えば、少なくとも約５００、７５０、１０００、１５００、又は２０００のヨウ素価によって特徴付けることができる。活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される少なくとも９０％の再生可能な炭素含有量によって特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、（完全に）再生可能な活性炭として特徴付けられる。
本明細書に開示されるプロセスによって生成される活性炭は、多くの方法で使用することができる。
いくつかの実施形態において、活性炭は、１つ以上の一次生成物を精製するために、プロセスサイトにおいて内部的に利用される。いくつかの実施形態において、活性炭は、水を浄化するために現場で利用される。これら又は他の実施形態では、活性炭は、液相排出を低減するために液体廃棄物流を処理するために、又は空気排出を低減するために蒸気廃棄物流を処理するために、現場で利用される。いくつかの実施形態において、活性炭は、新たなバイオマスの生成を補助するための土壌改良剤として利用され、新たなバイオマスは、現場で現地原料として利用されるのと同じタイプのバイオマスであり得る。
本明細書に開示されるプロセスに従って調製された活性炭は、従来の化石燃料ベースの活性炭と同じ又はより良好な特性を有することができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、化石燃料ベースの活性炭に関連する表面積に匹敵する、それに等しい、又はそれより大きい表面積を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物と同様に、又はそれよりも良好に汚染物質を制御することができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する不活性材料（例えば、灰）レベルに匹敵するか、それと等しいか、又はそれ未満の不活性材料（例えば、灰）レベルを有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する粒径又は粒径分布に匹敵する、それに等しい、それより大きい、又はそれ未満の粒径又は粒径分布を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する粒子形状に匹敵する、実質的に類似する、又はそれと同じ粒子形状を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する粒子形状とは実質的に異なる粒子形状を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する細孔容積に匹敵するか、それに等しいか、又はそれより大きい細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する細孔寸法に匹敵する、実質的に類似する、又はそれと同じ細孔寸法を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する粒子の磨耗抵抗値に匹敵する、実質的に類似する、又はこれと同じ粒子の磨耗抵抗値を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連する硬度値に匹敵する、実質的に類似する、又はそれと同じ硬度値を有する。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭生成物に関連するかさ密度値に匹敵する、実質的に類似する、又はそれと同じかさ密度値を有する。いくつかの実施形態では、活性炭生成物は、従来の活性炭生成物に関連する吸着能力に匹敵する、実質的に類似する、又はそれと同じ吸着能力を有する。
任意の生成物用途における適合性又は実際の使用の前に、開示される活性炭は、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。潜在的に重要ないくつかの特性としては、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、塩基性、硬度、及びヨウ素価が挙げられる。
活性炭は、水処理、空気浄化、溶媒蒸気回収、食品及び飲料処理、砂糖及び甘味料精製、自動車用途、及び医薬品を含む、多種多様な液相及び気相用途において商業的に使用される。活性炭について、鍵となる生成物属性は、粒径、形状、組成、表面積、細孔容積、細孔寸法、粒径分布、炭素表面及び内部の化学的性質、粒子の摩耗抵抗、硬度、かさ密度、及び吸着能力を含むことができる。
生物起源の活性炭のかさ密度は、約５０ｇ／リットル～約６５０ｇ／リットルであり得る。
生物起源の活性炭の表面積は、広く変動し得る。例示的な表面積は、約４００ｍ２／ｇ～約２０００ｍ２／ｇ以上、例えば、約５００ｍ２／ｇ、６００ｍ２／ｇ、８００ｍ２／ｇ、１０００ｍ２／ｇ、１２００ｍ２／ｇ、１４００ｍ２／ｇ、１６００ｍ２／ｇ、又は１８００ｍ２／ｇである。表面積は一般に吸着容量に相関する。
細孔径分布は、活性炭の最終的な性能を決定するために重要であり得る。細孔径測定は、ミクロ細孔含有量、メソ細孔含有量、及びマクロ細孔含有量を含むことができる。
ヨウ素価は、活性炭性能を特徴付けるために使用されるパラメータである。ヨウ素価は、炭素の活性化の程度を測定し、ミクロ細孔（例えば、０～２０Å）含有量の尺度である。これは液相用途にとって重要な測定である。本開示の実施形態によって生成される活性炭生成物の例示的なヨウ素価としては、約５００、６００、７５０、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１５００、１６００、１７５０、１９００、２０００、２１００、及び２２００からの範囲又はこれらの間の範囲を含む。ヨウ素価の単位は、炭素１グラム当たりのヨウ素のミリグラム数である。
別の細孔関連測定値は、メソ細孔含有量（例えば、２０～５００Å）を測定するＭｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｂｌｕｅ Ｎｕｍｂｅｒ（メチレンブルー数）である。本開示の実施形態によって生成される活性炭生成物についての例示的なメチレンブルー数は、約１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、及び５００からの範囲又はこれらの間の範囲を含む。メチレンブルー数の単位は、炭素１グラム当たりのメチレンブルー（メチルチオニニウム塩化物）のミリグラム数である。
別の細孔関連測定値は、マクロ細孔含量（例えば、＞５００Å）を測定するＭｏｌａｓｓｅｓ Ｎｕｍｂｅｒ（糖蜜数）である。本開示の実施形態によって生成される活性炭生成物の例示的な糖蜜数は、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、及び４００からの範囲又はこれらの間の範囲を含む。糖蜜数の単位は、炭素１グラム当たりの糖蜜のミリグラム数である。
活性炭は、その保水能力によって特徴付けることができる。様々な実施形態において、本開示の実施形態によって生成される活性炭生成物は、２５℃で約１０％～約３００％（乾燥活性炭の重量で割った水の重量）、例えば約５０％～約１００％、例えば約６０～８０％の保水能力を有する。
硬度又は磨耗数は、活性炭の耐磨耗性の尺度である。それは、取扱い又は使用中の摩擦力及び機械的応力に耐える活性炭の物理的完全性の指標である。ある程度の硬度が望ましいが、硬度が高すぎると、過剰な装置摩耗が生じる可能性がある。ＡＳＴＭ Ｄ３８０２に従って測定される例示的な摩耗数は、約１％～約９９％超の範囲、例えば、約１％、約５％、約１０％、約１５％、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約４０％、約４５％、約５０％、約５５％、６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、約９６％、約９７％、約９８％、約９９％、又は少なくとも約９９％である。
いくつかの実施形態では、活性炭が適度に耐摩耗性であるが、活性炭を処理する資本設備において摩耗及び損耗を引き起こさない最適な範囲の硬度を達成することができる。この最適条件は、本開示のいくつかの実施形態において、原料及び処理条件の選択により可能となる。下流使用が高硬度を扱うことができるいくつかの実施形態では、本開示のプロセスは、硬度を増加又は最大化して、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、約９６％、約９７％、約９８％、約９９％、又は少なくとも約９９％の摩耗数を有する生物起源の活性炭生成物を生成するように動作することができる。
本開示によって提供される生物起源の活性炭は、広範囲の商業的用途を有する。例えば、限定するものではないが、生物起源の活性炭は、排出制御、水精製、地下水処理、廃水処理、エアストリッパー用途、ＰＣＢ除去用途、臭気除去用途、土壌蒸気抽出、製造ガスプラント、工業用水濾過、工業用燻蒸、タンク及びプロセスベント、ポンプ、送風機、フィルタ、プレフィルタ、ミストフィルタ、配管、配管モジュール、吸着器、吸収器、及びカラムにおいて利用することができる。
一実施形態では、排出を低減するために活性炭を使用する方法は、
（ａ）本明細書に開示される第２の反応器から回収された生物起源の活性炭組成物を含む活性炭粒子を提供することと、
（ｂ）選択された汚染物質を含む気相排出流を提供することと、
（ｃ）気相排出流からの選択された汚染物質の除去を補助するように選択された添加剤を提供することと、
（ｄ）活性炭粒子及び添加剤を気相排出流に導入し、それによって選択された汚染物質を活性炭粒子上に吸着させ、それによって気相排出流内に汚染物質吸着炭素粒子を生成することと、
（ｅ）気相排出流から汚染物質吸着炭素粒子を分離し、それによって汚染物質が低減された気相排出流を生成することと、を含む。
生物起源の活性炭組成物のための添加剤は、活性炭粒子の一部として提供され得る。代替的に又は追加的に、添加剤は、気相排出流、燃料床、又は燃焼ゾーンに直接導入することができる。当業者によって理解されるように、選択された汚染物質の除去のために添加剤を気相排出流に直接又は間接的に導入する他の方法も可能である。
（気相排出流中の）選択された汚染物質は、水銀、ホウ素、セレン、ヒ素などの金属、又はそれらの任意の化合物、塩、若しくは混合物であり得る。選択された汚染物質は、例えば、有害な大気汚染物質、有機化合物（ＶＯＣなど）、又は非凝縮性ガスであり得る。いくつかの実施形態において、生物起源の活性炭生成物は、比較可能な量の非生物起源の活性炭生成物よりも多い量で、選択された汚染物質を吸着、吸収又は化学吸着する。いくつかのそのような実施形態では、選択された汚染物質は、金属、有害大気汚染物質、有機化合物（ＶＯＣなど）、非凝縮性ガス、又はそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、選択された汚染物質は水銀を含む。いくつかの実施形態において、選択された汚染物質は、１つ以上のＶＯＣを含む。いくつかの実施形態において、生物起源の活性炭は、少なくとも約１重量％の水素又は少なくとも約１０重量％の酸素を含む。
有害な大気汚染物質は、がん又は他の深刻な健康への影響（例えば、生殖への影響若しくは出生異常、又は有害な環境及び生態学的影響）を引き起こすか又は引き起こし得る汚染物質である。修正されたＣｌｅａｎ Ａｉｒ Ａｃｔのセクション１１２は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。Ｃｌｅａｎ Ａｉｒ Ａｃｔのセクション１１２に従って、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ（米国環境保護庁（Environmental Protection Agency、ＥＰＡ））は、１８９個の有害大気汚染物質を制御するように義務付けられている。ＥＰＡによって有害大気汚染物質として分類される任意の現在又は将来の化合物は、本文脈における可能な選択された汚染物質に含まれる。
揮発性有機化合物（その一部は有害大気汚染物質でもある）は、通常の室温条件で高い蒸気圧を有する有機化学物質である。例としては、短鎖アルカン、オレフィン、アルコール、ケトン、及びアルデヒドが挙げられる。多くの揮発性有機化合物は、ヒトの健康に危険であるか、又は環境に害を及ぼす。ＥＰＡは、空気、水及び土地における揮発性有機化合物を規制している。ＥＰＡの揮発性有機化合物の定義は、４０ ＣＦＲ Ｓｅｃｔｉｏｎ ５１．１００に記載されており、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
非凝縮性ガスは、通常の室温条件下で凝縮しないガスである。非凝縮性ガスとしては、窒素酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、メタン、エタン、エチレン、オゾン、アンモニア、又はそれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。
開示された活性炭粒子によって複数の汚染物質を除去することができる。いくつかの実施形態では、汚染物質吸着炭素粒子は、少なくとも２つの汚染物質、少なくとも３つの汚染物質、又はそれ以上を含む。本明細書に開示される活性炭は、複数の汚染物質の制御並びに特定の標的汚染物質（例えば、セレン）の制御を可能にすることができる。
いくつかの実施形態では、汚染物質吸着炭素粒子は、活性炭粒子を再生するために処理される。いくつかの実施形態において、本方法は、汚染物質吸着炭素粒子を熱酸化することを含む。汚染物質吸着炭素粒子又はその再生形態は、燃焼してエネルギーを提供することができる。
いくつかの実施形態において、活性炭のための添加剤は、酸、塩基、塩、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。特定の実施形態では、添加剤は、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、シリコン、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、苦灰石、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、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、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、有機酸（例えば、クエン酸）、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、気相排出流は、高硫黄含有金属鉱石の処理などの金属処理に由来する。
水銀制御に関する例示的実施形態として、活性炭は、静電集塵器又は織物フィルタなどの粒子状物質制御デバイスの上流に（配管などに）注入されることができる。場合によっては、煙道ガス脱硫（乾式又は湿式）システムを活性炭注入点の下流に配置することができる。活性炭は、粉末として空気圧で注入することができる。注入位置は、既存のプラント構成（新しい場所でない限り）、及び追加の下流の粒子状物質制御機器が改変されるかどうかによって決定することができる。
粒子状物質制御デバイスを現在装備しているボイラーの場合、水銀制御のために生物起源の活性炭注入を実施することは、（ｉ）既存の粒子状物質制御デバイス（静電集塵器又は織物フィルタ）の上流に粉末活性炭を注入することと、（ｉｉ）既存の静電集塵器の下流及び改装織物フィルタの上流に粉末活性炭の注入することと、又は（ｉｉｉ）静電集塵器の電界間に粉末活性炭を注入することと、を伴うことができる。鉄又は鉄含有化合物の包含は、水銀制御のための静電集塵器の性能を劇的に改善することができる。更に、鉄又は鉄含有化合物を含めると、使用済み活性炭固体を他の灰から分離することができるので、寿命末期の選択肢が大幅に変化する可能性がある。
いくつかの実施形態では、粉末活性炭注入アプローチは、既存のＳＯ２制御デバイスと組み合わせて利用することができる。活性炭は、注入点の下流で活性炭吸着剤を収集する手段の利用可能性に応じて、ＳＯ２制御デバイスの前又はＳＯ２制御デバイスの後に注入することができる。
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、活性炭は、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に、又は炭素を使用するが活性炭の特性を必要としない金属製造プロセスなどに導入することができる。
本開示の生物起源の活性炭及び原理は、例えば、水、様々な純度の水性流、溶媒、液体燃料、ポリマー、溶融塩、及び溶融金属の処理を含む液相用途に適用することができる。本明細書で意図される場合、「液相」は、スラリー、懸濁液、エマルジョン、多相系、又は存在する液体状態の量を有する（又は有するように調整することができる）任意の他の材料を含む。
一実施形態において、本開示は、液体を精製するために活性炭を使用する方法であって、
（ａ）第２の反応器から回収された活性炭粒子を提供することと、
（ｂ）選択された汚染物質を含む液体を提供することと、
（ｃ）液体からの選択された汚染物質の除去を補助するように選択された添加剤を提供することと、
（ｄ）液体を活性炭粒子及び添加剤と接触させ、それによって、選択された汚染物質を活性炭粒子上に吸着させ、それによって、汚染物質吸着炭素粒子及び汚染物質低減液体を生成することと、を含む、方法を提供する。
添加剤は、活性炭粒子の一部として提供され得るか、又は添加剤は、液体中に直接導入され得る。いくつかの実施形態において、添加剤は、活性炭粒子の一部として、並びに液体中に直接導入される。
液相用途に関するいくつかの実施形態では、添加剤は、酸、塩基、塩、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。例えば、添加剤は、マグネシウム、マンガン、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、シリコン、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、苦灰石、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、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、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、有機酸（例えば、クエン酸）、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、（処理される液体中の）選択された汚染物質は、ヒ素、ホウ素、セレン、水銀、又はそれらの任意の化合物、塩、若しくは混合物から選択される金属などの金属である。いくつかの実施形態では、選択された汚染物質は、有機化合物（ＶＯＣなど）、ハロゲン、生物学的化合物、殺虫剤、又は除草剤である。汚染物質吸着炭素粒子は、２つ、３つ、又はそれ以上の汚染物質を含むことができる。いくつかの実施形態において、活性炭生成物は、比較可能な量の非生物起源の活性炭生成物よりも多い量で、選択された汚染物質を吸着、吸収又は化学吸着する。いくつかのそのような実施形態では、選択された汚染物質は、金属、有害大気汚染物質、有機化合物（ＶＯＣなど）、非凝縮性ガス、又はそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、選択された汚染物質は水銀を含む。いくつかの実施形態において、選択された汚染物質は、１つ以上のＶＯＣを含む。いくつかの実施形態において、生物起源の活性炭は、少なくとも約１重量％の水素又は少なくとも約１０重量％の酸素を含む。
処理される液体は水性であってもよいが、本開示の原理に必須ではない。いくつかの実施形態では、液体は、固定床において活性炭粒子で処理される。他の実施形態において、液体は、溶液中又は移動床中の活性炭粒子で処理される。
一実施形態では、本開示は、生物起源の活性炭組成物を使用して液体から硫黄含有汚染物質を除去する方法であって、
（ａ）本明細書に開示される第２の反応器から回収された活性炭粒子を提供することと、
（ｂ）硫黄含有汚染物質を含有する液体を提供することと、
（ｃ）液体からの硫黄含有汚染物質の除去を補助するように選択された添加剤を提供することと、
（ｄ）液体を活性炭粒子及び添加剤と接触させ、それによって硫黄含有汚染物質を活性炭粒子上又は活性炭粒子内に吸着又は吸収させることと、を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態において、硫黄含有汚染物質は、元素硫黄、硫酸、亜硫酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫酸アニオン、重硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、重亜硫酸アニオン、チオール、スルフィド、ジスルフィド、ポリスルフィド、チオエーテル、チオエステル、チオアセタール、スルホキシド、スルホン、チオスルフィネート、スルフィミド、スルホキシミド、スルホンジイミン、ハロゲン化硫黄、チオケトン、チオアルデヒド、硫黄酸化物、チオカルボン酸、チオアミド、スルホン酸、スルフィン酸、スルフェン酸、スルホニウム、オキソスルホニウム、スルフラン、パーサルフラン（persulfuranes）、又はそれらの組み合わせ、塩、若しくは誘導体から選択される。例えば、硫黄含有汚染物質は、陰イオン又は塩形態の硫酸塩であり得る。
液体は、水などの水性液体であってよい。いくつかの実施形態において、水は、金属鉱業、酸性鉱山排水、ミネラル処理、都市下水処理、パルプ及び紙、エタノール、又は廃水中の硫黄含有汚染物質を排出することができる任意の他の工業プロセスから選択されるプロセスに関連する廃水である。水はまた、湖、川、又は小川などの天然の水域（又はその一部）であってもよい。
一実施形態では、本開示は、水中の硫酸塩の濃度を低減するプロセスであって、
（ａ）本明細書に開示される第２の反応器から回収された活性炭粒子を提供することと、
（ｂ）硫酸塩を含む水の体積又は流れを提供することと、
（ｃ）水からの硫酸塩の除去を補助するように選択された添加剤を提供することと、
（ｄ）水を活性炭粒子及び添加剤と接触させ、それによって硫酸塩を活性炭粒子上又は活性炭粒子内に吸着又は吸収させることと、を含む、プロセスを提供する。
いくつかの実施形態では、硫酸塩は、水中で約１０ｍｇ／Ｌ以下の濃度など、水中で約５０ｍｇ／Ｌ以下の濃度に低減される。いくつかの実施形態において、硫酸塩は、主に硫酸アニオン又は重硫酸アニオンの形態で存在する。ｐＨに依存して、硫酸塩は硫酸塩の形態で存在することもできる。
水は、廃水流の一部又は全部から誘導することができる。例示的な廃水流は、金属鉱業、酸性鉱山排水、ミネラル処理、都市下水処理、パルプ及び紙、エタノール、又は硫黄含有汚染物質を廃水に排出し得る任意の他の工業プロセスに関連し得る。水は、湖、川、又は小川などの天然の水域であってよい。いくつかの実施形態では、プロセスは連続的に行われる。他の実施形態では、プロセスはバッチで行われる。
水が活性炭で処理される場合、水の濾過、水の浸透、又は活性炭粒子の水への直接添加（沈降、清澄化などを伴う）があり得る。浸透が使用される場合、活性炭は、浸透デバイス内で、又は浸透デバイスを補助するために、いくつかの方法で使用することができる。いくつかの実施形態において、活性炭粒子及び添加剤は、浸透の前に水に直接導入される。活性炭粒子及び添加剤は、任意選択で、浸透の前の予備濾過において使用される。特定の実施形態において、活性炭粒子及び添加剤は、浸透のために膜に組み込まれる。
本開示はまた、気相から硫黄含有汚染物質を除去するために生物起源の活性炭組成物を使用する方法であって、
（ａ）本明細書に開示される第２の反応器から回収された活性炭粒子を提供することと、
（ｂ）硫黄含有汚染物質を含む気相排出流を提供することと、
（ｃ）気相排出流からの硫黄含有汚染物質の除去を補助するように選択された添加剤を提供することと、
（ｄ）活性炭粒子及び添加剤を気相排出流に導入し、それによって硫黄含有汚染物質を活性炭粒子上に吸着又は吸収させることと、
（ｅ）気相排出流から活性炭粒子を分離することと、を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、硫黄含有汚染物質は、元素硫黄、硫酸、亜硫酸、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫酸アニオン、重硫酸アニオン、亜硫酸アニオン、重亜硫酸アニオン、チオール、スルフィド、ジスルフィド、ポリスルフィド、チオエーテル、チオエステル、チオアセタール、スルホキシド、スルホン、チオスルフィネート、スルフィミド、スルホキシミド、スルホンジイミン、ハロゲン化硫黄、チオケトン、チオアルデヒド、硫黄酸化物、チオカルボン酸、チオアミド、スルホン酸、スルフィン酸、スルフェン酸、スルホニウム、オキソスルホニウム、スルフラン、パーサルフラン（persulfuranes）、又はそれらの組み合わせ、塩、若しくは誘導体から選択される。
一般的に言えば、開示される活性炭は、従来の活性炭が使用され得る任意の用途において使用することができる。いくつかの実施形態では、活性炭は、従来の活性炭の全（すなわち、１００％）代替物として使用される。いくつかの実施形態において、活性炭は、特定の用途に使用される活性炭の本質的に全て又は実質的に全てを含む。いくつかの実施形態において、活性炭は、約１％～約１００％の生物起源の活性炭を含む。
例えば、限定するものではないが、活性炭は、単独で、又は従来の活性炭生成物と組み合わせて、フィルタに使用することができる。いくつかの実施形態において、充填床又は充填カラムは、開示された活性炭を含む。そのような実施形態において、生物起源の活性炭は、特定の充填床又は充填カラムに好適なサイズ特性を有する。ガス流への生物起源の活性炭の注入は、石炭火力発電所、バイオマス火力発電所、金属処理プラント、原油精製所、化学プラント、ポリマープラント、パルプ及び製紙プラント、セメントプラント、廃棄物焼却炉、食品処理プラント、ガス化プラント、並びに合成ガスプラントに由来するガス流又は液体流中の汚染物質排出の制御に有用であり得る。
金属酸化物還元炉
次に、金属鉱石炉又は化学還元炉を使用する様々な実施形態について更に説明する。
金属鉱石炉又は化学還元炉は、金属鉱石炉は、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、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。固体及び流体（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動作することができる。
本開示のいくつかの変形形態は、具体的には高炉に関する。高炉は、鉄又は銅などの工業用金属を生成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生成に使用される中間材料である銑鉄を生成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。
「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、本開示では、生体試薬又はその誘導体）、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、空気の熱いブラスト（任意選択で、酸素濃縮を伴う）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濃縮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、高炉として分類される。
高炉は、現代の鉄生成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、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。
鉄生成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向けられる。熱風温度は、例えば、約９００℃～１３００℃（空気温度）であり得る。高炉内の温度は、少なくとも約２０００℃以上であり得る。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。高炉は、塊鉄炉及び反射炉とは異なり、高炉では、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。炭素の物理的強度に加えて、硫黄、リン、及び灰も低くすることができる。
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（Ｆｅ２Ｏ３）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、又は高炉内で生成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（Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯなど）を有する。
高炉内で溶融鉄を生成する主な全体的化学反応は、以下の通りである。
Ｆｅ２Ｏ３＋３ＣＯ→２Ｆｅ＋３ＣＯ２
これは吸熱反応である。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生成することである。
２Ｃ＋Ｏ２→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生成する。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）、Ｆｅ３Ｏ４に部分的に還元される。
３Ｆｅ２Ｏ３＋ＣＯ→２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２
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。
Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ２
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、向流ガスは供給充填物を予熱するとともに、石灰石（使用される場合）を酸化カルシウム及び二酸化炭素に分解する。
ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２
分解によって形成された酸化カルシウムは、鉄に含まれる様々な酸性不純物（特にシリカ）と反応して、主にケイ酸カルシウムＣａＳｉＯ３であるスラグを形成する。
ＳｉＯ２＋ＣａＯ→ＣａＳｉＯ３
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＋ＣＯ２
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炭素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＋ＣＯ２→２ＣＯ
上に示した化学反応では還元ガスは、炉内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することは重要である。これらの実施形態では、還元ガスは水素及び一酸化炭素の両方を含むことができ、これらは両方とも金属酸化物を化学的に還元するように機能する。
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、水素を高炉に直接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）を含む場合、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Ｈ２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。
３Ｆｅ２Ｏ３＋Ｈ２→２Ｆｅ３Ｏ４＋Ｈ２Ｏ
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２→３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ
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。特定の実施形態では、本質的に水素からなる還元ガスが高炉に供給される。
高炉によって生成される「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。高炉によって生成された銑鉄は、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生成するために、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（還元ガス中の）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。これら又は他の実施形態では、脱硫はまた、金属硫化物を（還元ガス中の）Ｈ２と反応させて、金属及び硫化カルボニル、Ｈ２Ｓ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還元ガスを用いる、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生成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、再生可能な当該炭素の百分率は、約２０％～約１００％の範囲又はその間の任意の数、例えば、少なくとも約２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％、又は１００％であり得る。
本開示のいくつかの変形形態では、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（例えば、液体鉄）を生成する。
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、溶銑の生成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動作を回避した。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動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生成される、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／ペレットを生成する。次いで、生成された凝集物を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、任意選択で、所望のフラックスを使用して、スラグ化学を提供することもできる。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（例えば、生体試薬）が装入される。このゾーンでは、ブードワ反応（Ｃ＋ＣＯ２→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。
ＦｅｘＯｙ＋ｙＣＯ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ２
ｙＣＯ２＋ｙＣ＝２ｙＣＯ
式中、ｘは少なくとも約１～多くとも約５であり、ｙは少なくとも約１～多くとも約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を含むことができる。生体試薬は、自己還元性凝集体（ペレット又はブリケット）が生成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＋Ｏ２→ＣＯ２）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＋Ｏ２→２ＣＯ２）。
特定の例示的な実施形態では、改変されたＴｅｃｎｏｒｅｄプロセスは、多くとも約１４０メッシュのサイズを有する鉄鉱石微粉、多くとも約２００メッシュのサイズを有する生体試薬微粉、及び多くとも約１４０メッシュ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。生成された溶銑は、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、任意選択で、取鍋中で脱硫され、スラグは、スラグポットにかき集められる。溶銑は、約３～５重量％の炭素を含むことができる。
従来、外部のＣＯ又はＨ２は、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ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Ｈ２又はＣＯ（還元ガスから）は、上記の反応（ＦｅｘＯｙ＋ｙＣＯ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ２）において、又は反応物としての水素との反応（ＦｅｘＯｙ＋ｙＨ２→ｘＦｅ＋ｙＨ２Ｏ）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、化学反応全体を補助することができる。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、これは高温還元ガスの物質移動が速いためである。本開示のいくつかの実施形態は、高炉の態様をＴｅｃｎｏｒｅｄ炉の態様と合わせて、これによって炉内の還元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、還元ガスを利用し、いくつかのプロセスは、固体炭素及び還元ガスの両方を利用することも観察されるであろう。本明細書で提供されるプロセスは、固体炭素（生体試薬）並びに還元ガスの両方を生成する。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、還元ガスのみが、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、固体生体試薬及び還元ガスの両方が、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、還元ガス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ては、石炭微粉などの従来の炭素入力からのものであり得る。
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、それによっ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。このような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」及び「熱分解する」は、一般に、炭素質材料の熱分解を指す。熱分解では、完全燃焼に必要とされる酸素（Ｏ２モル基準）の多くとも約１０％、５％、１％、０．５％、０．１％、又は０．０１％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。
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、タールを生成し得る；（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、出発原料から水の少なくとも約５０％、７５％、９０％、９５％、９９％又はそれ以上を除去する。
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、動作される。
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、比較的遅い熱分解化学反応を達成するように選択することができる。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、又は全て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できる。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。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。第３のゾーンは、第２のゾーンよりも低い温度であり得る。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。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、最終炭素質材料は、任意選択で、単に処理ステップの固体の揮発分除去された残留物ではなく、むしろ、炭素を形成することができる有機蒸気（例えば、タール）の分解などによって気相から堆積した追加の炭素を含むことができる。
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、高炭素生体試薬を生成するための熱分解プロセスは、
（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を除去するステップと、
（ｄ）実質的に不活性な気相の存在下で、少なくとも１０分間、約２５０℃～約７００℃から選択される温度で、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ステップと、
（ｅ）高温熱分解固体から凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを分離するステップと、
（ｆ）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ステップと、
（ｇ）冷却された熱分解固体を含む高炭素生体試薬を回収するステップと、を含む。
本開示の目的のための「バイオマス」は、任意の生体原料又は生体原料と非生体原料との混合物として解釈されるものとする。基本的に、バイオマスは、少なくとも炭素、水素、及び酸素を含む。本開示の方法及び装置は、様々なタイプ、サイズ、及び水分含有量の広範囲の原料に適応することができる。
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開示の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、木の切り株、木材の節、葉、樹皮、おがくず、オフスペックの製紙用パルプ、セルロース、トウモロコシ、トウモロコシ茎葉、コムギわら、イネわら、サトウキビバガス、スイッチグラス、ススキ、動物性肥料、都市廃棄物、都市下水、商業廃棄物、ブドウの搾りかす、扁桃の殻、ペカンの殻、ココナッツの殻、コーヒー澱、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、及び布から選択される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。
本開示は、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。いくつかの実施形態において、炭素含有原料は、石炭、オイルシェール、原油、アスファルト、又は原油処理からの固体（石油コークスなど）であるか、又はそれらを含む。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。明確にするために記載すると、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。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１種類又は複数種類の原料の選択は、一般的に、経済的なプロセスに有利に働く方法で実施される。選定される原料にかかわらず、望ましくない材料を除去するためのスクリーニングが存在し得る。原料は、処理前に任意選択で乾燥させることができる。
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ることに留意されたい。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市場用途は、実際に、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、生成され、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生成することが望ましい場合、本開示の文脈において少なくとも２つの選択肢がある。第一に、プロセスから生成された材料を収集し、次いで更に機械的に加工して所望の形態にすることができる。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。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利用して、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、という第２の選択肢がある。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。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場合がある。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％の気相中のＯ２などの比較的、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。ＣＯ２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。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。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、供給材料から空気を除去することが好ましい場合がある。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Ｏ２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ＣＯ２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、又は再循環され得る。
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動作される場合、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。乾燥が行われる場合、存在する水分から可溶性酸素を洗浄する非効率性のために、乾燥及びその後の脱気を行うことができる。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。
任意選択で乾燥された、及び任意選択で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。
単一の熱分解反応器が用いられる場合、複数のゾーンが存在し得る。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動作レジームである。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、連続的であり得る。
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動作される第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いべきではない。
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動作される。第２のゾーンの温度は、約２５０℃～約７００℃の範囲又はその間の任意の数、例えば、約、又は少なくとも約、又は高くとも約３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、若しくは６５０℃であり得る。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動作される。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、望ましくない場合がある。
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、望ましくない場合がある。
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形態であり得る。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、バッチで動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動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。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、大気圧で都合よく動作することができる。大気圧での動作には、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）の圧力で動作される。
真空動作（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。オフガスが高圧動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。
凝縮性蒸気と非凝縮性ガス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、Ｎ２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、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生成するために、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、反応器ゾーンのうちのいずれか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（生成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動作される場合、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、又は周期的に導入され得る。熱分解反応が連続的に動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。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得る。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％又はそれ以上である。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％又はそれ以上である。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％を含む。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。
いくつかの実施形態では、これらの化合物又はその一部は、生成物の炭素及びエネルギー含有量を濃縮するために炭素濃縮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動作することができ、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から選択される。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、フルオロスパー、ベントナイト、酸化カルシウム、石灰、及び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、又はそれらの塩から選択される。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、金属ハロゲン化物から選択される。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（ＦｅＣｌ２若しくはＦｅＣｌ３）、臭化鉄（ＦｅＢｒ２若しくはＦｅＢｒ３）、又はそれらの水和物、及びそれらの任意の組み合わせから選択される。
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動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／日又はそれ以上である。
いくつかの実施形態では、生成された固体若しくは固体の一部は、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。プロセス内で生成又は存在する固体、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Ｎ２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、
（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、
（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。
いくつかの変形形態は、
（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、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、
（ｄ）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、
（ｅ）熱分解反応器と動作可能に連通して配置され、熱分解固体を冷却するように構成された冷却器と、
（ｆ）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、少なくとも第１のガス入口及び第１のガス出口を備えるように構成することができる。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。
いくつかの実施形態では、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、及び任意選択で、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、測定に基づいてプロセス作成又は設備調節を行うことを含むように解釈されるべきである。
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。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）と関連付けることができる。
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、サンプル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ＣＯ２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ガスであり得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、又はそれ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、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。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの追加の反応器ゾーンは、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装置を更に含む。熱酸化装置は、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を燃焼させるように適合された燃焼室で受け取るように構成することができる。ＣＯ又はＣＨ４などの特定の非凝縮性ガスも酸化されてＣＯ２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。炭素強化ユニットは、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、高炭素生体試薬を生成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、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、
（ｅ）高温熱分解固体から凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを分離することと、
（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、それによっ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）からの凝縮性蒸気又は非凝縮性ガスを、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）強化熱分解固体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）からの凝縮性蒸気を、蒸気又は凝縮した形態で、温かい熱分解固体に通過させて、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。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を温かい熱分解固体に通過させて、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。
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）からの凝縮性蒸気を、蒸気又は凝縮した形態で、冷たい熱分解固体に通過させて、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。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を、冷たい熱分解固体に通過させて、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。
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、蒸気又は凝縮した形態で、冷たい熱分解固体に通過させて、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。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、それによって炭素含有量が増加した強化熱分解固体を生成することを含む。
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及び非凝縮性ガスを含む中間供給流は、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されることができる。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、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、又はメタンから選択される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、又は酢酸から選択される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、周囲条件で固体に結合又は吸着されたままであり得るが、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）。揮発性物質は、固定炭素のミクロ細孔に入ることができ、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生成するために、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、生成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ＣＨ４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ＣＯ２に濃縮されていることである。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、固体の炭素濃縮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／ＣＯ２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、炭素強化ステップの原理が、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、高炭素生体試薬を生成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、
（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、それによっ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、それによって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）凝縮性蒸気及び非凝縮性ガスを運ぶように構成された、ハウジングの下部部分の底部にある入口と、
（ｉｉｉ）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、ハウジングの上部部分の頂部にある出口と、
（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）経路に続く輸送システムであって、輸送システムが、固体を輸送するように構成され、ハウジングが、固体が凝縮性蒸気又は非凝縮性ガスを吸着するように成形される、輸送システムと、を備える。
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生成することができる。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、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ステップと、
（ｅ）高温熱分解固体から凝縮性蒸気及び非凝縮性ガス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、それによっ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、それによっ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生成される。
いくつかの実施形態では、試薬は、乾燥基準で約少なくとも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約少なくとも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（dry/ash-free、ＤＡＦ）基準で１００％以下の炭素を有する生体試薬を提供する。
一般的に言えば、バイオマスなどの原料は、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有する。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％、又はそれ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生成される。例えば、原料チップは、高炭素生体試薬の製品チップを生成することができる。又は、原料シリンダは、高炭素生体試薬シリンダを生成することができ、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、又はそれ以上の最小寸法を有する物体として生成され得るか、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、
７０重量％以上の総炭素と、
５重量％以下の水素と、
１重量％以下の窒素と、
０．５重量％以下のリンと、
０．２重量％以下の硫黄と、
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、及び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、
７０重量％以上の総炭素と、
５重量％以下の水素と、
１重量％以下の窒素と、
０．５重量％以下のリンと、
０．２重量％以下の硫黄と、
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、
７０重量％以上の総炭素と、
５重量％以下の水素と、
１重量％以下の窒素と、
０．５重量％以下のリンと、
０．２重量％以下の硫黄と、；
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。
いくつかの実施形態では、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生成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）を生成することができ、合成ガスを生成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。
金属生成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生成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生成することである。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、高炭素生体試薬を含むことができ、又は還元剤は本質的に高炭素生体試薬からなることができる。高炉では、高炭素生体試薬、鉱石、及びしばしば石灰石は、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（任意選択で酸素濃縮を伴う）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。高温の一酸化炭素濃縮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、経済的な高炉動作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、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、又はＯ２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（Coke Reactivity Index、ＣＲＩ）及び反応後コークス強度（Coke Strength after Reaction、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添加剤を用いる。いくつかの実施形態では、添加剤は、多くとも約４０％、３０％、又は２０％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添加剤は、高炭素生体試薬を生成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、ＳＯ２）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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約８重量％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、多くとも約０．０３５重量％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、多くとも約１．５重量％の揮発性物質、多くとも約１３重量％の灰、多くとも約８重量％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、効率的な動作のために、少なくとも約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、鉄を生成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生成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、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することができる。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、又はそれ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（direct-reduced iron、ＤＲＩ）は、天然ガス又は石炭から従来生成される還元ガスによる鉄鉱石（塊、ペレット、又は微粉の形態）の直接還元から生成される。還元ガスは、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り得る。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生成することができる。
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生成物である。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生成することができる。
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。純度は、少なくとも約８６～多くとも約９２重量％の固定炭素の範囲であり得る。
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、多くとも約０．８重量％の硫黄、多くとも約３重量％の揮発性物質、多くとも約１５重量％以下の灰、多くとも約１３重量％の水分、及び多くとも約０．０３５重量％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、フルオロスパー、酸化カルシウム、石灰、ドロマイト石灰、ベントナイト、及び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、多くとも約０．６重量％の硫黄、多くとも約１５重量％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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約４重量％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生成するか、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、多くとも約８重量％の灰、多くとも約０．５重量％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本質的になり得る。他の実施形態では、熱コークス代替生成物は、少なくとも約５０重量％の炭素、多くとも約８重量％の灰、多くとも約０．５重量％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を含む。いくつかの実施形態では、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、約３メッシュ以下のサイズであり得る。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、多くとも約４．６重量％の硫黄、多くとも約１９．５重量％の灰、多くとも約２重量％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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約８重量％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、６ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ、又はそれ以下などの非常に細かい粒径を有し得る。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、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、多くとも約６ｍｍ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、多くとも約０．８重量％の硫黄、多くとも約２０重量％の揮発性物質、多くとも約１３重量％の灰、多くとも約１３重量％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生成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）の生成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成のために）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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約４重量％の灰、多くとも約０．０３重量％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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約８重量％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成のために）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、多くとも約３重量％の硫黄、多くとも約１０重量％の灰、多くとも約２重量％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成のために）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生成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、多くとも約０．５重量％の硫黄、多くとも約４重量％の灰、多くとも約０．０３重量％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、アルミニウム生成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、食品及び飲料処理、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作製（例えば、金属鉱石の還元）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、エネルギーを生成し、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。
金属生成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生成は、金属生成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、ＣＯ２、ＮＯｘ、ＳＯ２、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、ＳＯ２、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、バッチ金属作製プロセスにおける生成能力を増加させる可能性を有する。
石炭及び他の非バイオマス原料を利用する変形形態
最も著しく有益な環境への影響は、熱分解原料が専らバイオマスである場合に生じるが、本明細書のプロセス及びシステムは、非バイオマス原料、又はバイオマスと他の原料との混合物に適合させることができる。例えば、選択された固体原料（例えば、石炭）が炭素含有量若しくは反応性などの十分な特性を有する場合、又は供給原料が予め熱分解されている場合など、場合によっては、熱分解ステップが必要でないことが更に認識されるであろう。
例えば、固体炭素質原料は、バイオマス、褐炭、石炭、石炭様炭素堆積物、オイルシェール、アスファルト、石油コークス、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、又はそれらの組み合わせから選択することができる。
固体炭素質原料がバイオマスである場合、又はバイオマスを含む場合、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、コーヒー澱、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、枕木、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することができる。
「固体炭素質原料」は、原料が実質的に固体形態であるが、水、油、低分子量リグニン、タール、炭化水素などの液体を含有し得ることを意味することに留意されたい。
いくつかの実施形態において、固体炭素質原料は、バイオマスと石炭との混合物であり、例えば、約１％～約９９％のバイオマスと残りの石炭との混合物である。特定の実施形態において、固体炭素質原料は石炭である。
いくつかの変形形態は、
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）任意選択で、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）任意選択で、連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスを提供する。
いくつかの変形形態は、
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって、選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）任意選択で、連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスを提供する。
固体炭素質原料がバイオマスと石炭との混合物である場合、ステップ（ｂ）がしばしば行われる。固体炭素質原料が石炭である場合、ステップ（ｂ）は、石炭が褐炭、又は熱分解が下流処理に対する適合性を改善する他の低品位石炭である場合を除いて、行われないことが多い。
いくつかの変形形態は、
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）任意選択で、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスを提供する。
いくつかの変形形態は、
固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成するように構成された第１の反応器と、
試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成された第２の反応器であって、第２の反応器から活性炭を連続的に、周期的に、又は最終的に除去するように任意選択で構成された第２の反応器と、
任意選択で、還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成するように構成された第３の反応器と、を備え、
任意選択で、システムが、第１の反応器、第２の反応器、又は（存在する場合）第３の反応器と熱連通する１つ以上の加熱ユニットを更に備え、１つ以上の加熱ユニットが、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成するように構成される、システムを提供する。
いくつかの変形形態は
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって、選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）選択された金属酸化物の還元型を含む金属生成物を回収することと、
（ｇ）任意選択で、連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスによって生成される金属生成物を提供する。
いくつかの変形形態は、
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）還元ガスから水素を分離することであって、任意選択で、水素が、圧力スイング吸着、分子ふるい膜分離、又は極低温蒸留から選択される１つ以上の分離技術によって分離される、分離することと、
（ｆ）水素を含む再生可能な水素生成物を回収することと、
（ｇ）任意選択で、連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスによって生成される再生可能な水素生成物を提供する。
いくつかの変形形態は、
（ａ）固体炭素質原料を提供することと、
（ｂ）任意選択で、固体炭素質原料を熱分解し、それによって炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成することと、
（ｃ）任意選択で、熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成することと、
（ｄ）試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成することと、
（ｅ）任意選択で、ステップ（ｄ）からの還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって選択された金属酸化物の還元型を生成することと、
（ｆ）連続的若しくは周期的にステップ（ｄ）の間に、又は最終的にステップ（ｄ）の後に試薬を回収することであって、回収された試薬が活性炭である、回収することと、を含む、プロセスによって生成される、活性炭生成物を提供する。
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形態は、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。
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：生体試薬に由来する還元ガスを使用する鉄鉱石の還元。
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、及び厚さ約５ミリメートルである。
粉状化鉄鉱石は、タコナイトの形態で供給される。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）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℃の熱分解温度及び約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Ｎ２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。固体出力は、炭素を含む生体試薬である。蒸気出力は、熱を生成するために燃焼される熱分解オフガスである。
生体試薬は、水蒸気とともに供給される還元ガス生成反応器に供給される。還元ガス生成反応器は、約８００℃の温度、約１バールの圧力、約５秒のガス滞留時間、及び約３０分の固体滞留時間で動作される。還元ガス生成反応器は、熱分解オフガス燃焼から生成される熱を使用して加熱される。還元ガス生成反応器からの蒸気出力は、還元ガスである。
還元ガス及びタコナイトは、化学還元反応器に供給される。粒状化タコナイトは、固体入口ポートを使用して化学還元反応器に供給される。Ｈ２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、還元ガス生成反応器から化学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。化学還元反応器は、約９００℃の還元温度、約５バールの還元圧力（加圧還元ガスによる）、及び約１時間の還元滞留時間で動作される。還元反応器において、Ｆｅ３Ｏ４は、Ｈ２及びＣＯとの反応によって、ＦｅＯとＦｅとの混合物に還元される（ＦｅＯはＦｅ３Ｏ４よりも低い酸化状態である）。化学還元反応器からの蒸気出力は、水及び二酸化炭素を含有する還元オフガスである。化学還元反応器からの固体出力は、鉄金属に完全に還元されないＦｅ及び場合によってはＦｅＯを含有する金属生成物である。
実施例２：活性炭生成を伴う、生体試薬に由来する還元ガスを使用する鉄鉱石の還元。
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、及び厚さ約５ミリメートルである。
粉状化鉄鉱石は、タコナイトの形態で提供される。タコナイトは、２０～３０重量％の磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）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℃の熱分解温度及び約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Ｎ２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。固体出力は、炭素を含む生体試薬である。蒸気出力は、熱を生成するために燃焼される熱分解オフガスである。
生体試薬は、水蒸気とともに供給される還元ガス生成反応器に供給される。還元ガス生成反応器は、約８００℃の温度、約１バールの圧力、約５秒のガス滞留時間、及び約３０分の固体滞留時間で動作される。還元ガス生成反応器は、熱分解オフガス燃焼から生成される熱を使用して加熱される。還元ガス生成反応器からの蒸気出力は、還元ガスである。還元ガス生成反応器からの固体の連続的な底部流出があり、固体は活性炭生成物として回収される。還元ガス生成反応器は、活性炭生成反応器とも呼ばれる。
還元ガス及びタコナイトは、化学還元反応器に供給される。粒状化タコナイトは、固体入口ポートを使用して化学還元反応器に供給される。Ｈ２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、還元ガス生成反応器から化学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。化学還元反応器は、約９００℃の還元温度、約５バールの還元圧力（加圧還元ガスによる）、及び約１時間の還元滞留時間で動作される。還元反応器において、Ｆｅ３Ｏ４は、Ｈ２及びＣＯとの反応によって、ＦｅＯとＦｅとの混合物に還元される（ＦｅＯはＦｅ３Ｏ４よりも低い酸化状態である）。化学還元反応器からの蒸気出力は、水及び二酸化炭素を含有する還元オフガスである。化学還元反応器からの固体出力は、鉄金属に完全に還元されないＦｅ及び場合によってはＦｅＯを含有する金属生成物である。
実施例３：木材チップからの活性炭の生成。
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、及び厚さ約５ミリメートルである。
バイオマス原料は、約６００℃の熱分解温度及び約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Ｎ２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。固体出力は、炭素を含む生体試薬である。蒸気出力は、熱を生成するために燃焼される熱分解オフガスである。
生体試薬は、蒸気と空気との混合物とともに供給される活性炭生成反応器に供給される。活性炭生成反応器は、約９００℃の温度、約１．５バールの圧力、約１０秒のガス滞留時間、及び約４５分の固体滞留時間で動作される。活性炭生成反応器は、熱分解オフガス燃焼から生成される熱を使用して加熱される。活性炭生成反応器からの蒸気出力は、使用され又は回収され及び販売され得る還元ガスである。活性炭生成反応器からの固体の半連続的な底部流出があり、固体は活性炭生成物として周期的に回収される。
実施例４：木材チップからの還元ガスの生成。
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、及び厚さ約５ミリメートルである。
バイオマス原料は、約６５０℃の熱分解温度及び約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Ｎ２及び１体積％未満のＯ２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。固体出力は、炭素を含む生体試薬である。蒸気出力は、熱を生成するために燃焼される熱分解オフガスである。
生体試薬は、空気と水蒸気の混合物とともに供給される還元ガス生成反応器に供給される。還元ガス生成反応器は、約９００℃の温度、約１バールの圧力、約３秒のガス滞留時間、及び約２０分の固体滞留時間で動作される。還元ガス生成反応器は、熱分解オフガス燃焼から生成される熱を使用して加熱される。還元ガス生成反応器からの蒸気出力は、還元ガスである。
還元ガスは水素分離回収ユニットに供給される。このユニットにおいて、還元ガスは、水素濃縮流（水素生成物）と、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４及び他の成分を含有するオフガスとに分離される。還元ガスは、約５０モル％の水素及び約５０モル％の一酸化炭素、並びに１モル％未満のＮ２である。水素は、水素同位体２Ｈ／１Ｈ分析に従って、完全に再生可能な水素であり、これは、還元ガス生成反応器に供給される水蒸気に由来する水素を考慮しない。２Ｈ／１Ｈ分析は、還元ガス中の水素が、バイオマスではなく化石原料から生成される生成物から予想されるものと比較して、２Ｈが濃縮されていることを示す。また、一酸化炭素は、１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される完全に再生可能な炭素を含有する（再生可能な炭素は、化石炭素と比較して１４Ｃが濃縮されている）。

Claims (40)

  1. システムであって、
    バイオマス原料を熱分解し、炭素を含む生体試薬と、熱分解オフガスとを生成するように構成された第１の反応器と、
    前記生体試薬を、選択された反応物と反応させ、それによって還元ガスを生成するように構成された第２の反応器であって、前記第２の反応器から活性炭を連続的に、周期的に、又は最終的に除去するように任意選択で構成されている、第２の反応器と、
    前記還元ガスの存在下で、選択された金属酸化物を化学的に還元し、それによって前記選択された金属酸化物の還元型を生成するように構成された第３の反応器と、を備え、
    任意選択で、前記システムが、前記第１の反応器、前記第２の反応器、又は前記第３の反応器と熱連通している加熱ユニットを更に備え、前記加熱ユニットが、前記熱分解オフガスを酸化し、それによって熱を生成するように構成されている、システム。
  2. 前記第１の反応器が、少なくとも２５０℃～高くとも１２５０℃の熱分解温度で動作するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記熱分解温度が、少なくとも３００℃～高くとも７００℃である、請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 前記第１の反応器が、少なくとも１０秒～長くとも２４時間の熱分解時間で動作するように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記第２の反応器が、少なくとも３００℃～高くとも１２００℃の反応温度で動作するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記反応温度が、少なくとも４００℃～高くとも１０００℃である、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記第２の反応器が、少なくとも１秒～長くとも１時間の反応時間で動作するように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記第３の反応器が、少なくとも５００℃～高くとも２０００℃の還元温度で動作するように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記還元温度が、少なくとも７００℃～高くとも１８００℃である、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記第３の反応器が、少なくとも３０分～長くとも４８時間の還元時間で動作するように構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 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、コーヒー澱、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、建築又は解体廃棄物、枕木、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を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記金属酸化物が、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化クロム、酸化タングステン、酸化モリブデン、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
  13. 前記金属酸化物が、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鉄鉱石である、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記選択された金属酸化物の前記還元型が、完全に還元された金属である、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 前記選択された金属酸化物の前記還元型が、前記選択された金属酸化物よりも低い酸化状態を有する第２の金属酸化物である、請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記システムが、前記第１の反応器と熱連通する加熱ユニットを備える、請求項１～１５のいずれか一項に記載のシステム。
  17. 前記システムが、前記第２の反応器と熱連通する加熱ユニットを備える、請求項１～１６のいずれか一項に記載のシステム。
  18. 前記システムが、前記第３の反応器と熱連通する加熱ユニットを備える、請求項１～１７のいずれか一項に記載のシステム。
  19. 前記第２の反応器が、水性ガスシフト反応を介して前記還元ガスの水素含有量を増加させるように構成されている、請求項１～１８のいずれか一項に記載のシステム。
  20. 前記システムが、前記第２の反応器と流体連通している追加の反応器を更に備え、前記追加の反応器が、前記水性ガスシフト反応を介して前記還元ガスの水素含有量を増加させるように構成されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のシステム。
  21. 前記システムが、前記還元ガスから水素を分離するように構成された分離ユニットを更に備える、請求項１～２０のいずれか一項に記載のシステム。
  22. 前記分離ユニットが、圧力スイング吸着ユニット、分子ふるい膜、又は極低温蒸留ユニットを含む、請求項２１に記載のシステム。
  23. 前記第２の反応器が固定床反応器又はロータリーキルンである、請求項１～２２のいずれか一項に記載のシステム。
  24. 前記第２の反応器が流動床反応器である、請求項１～２３のいずれか一項に記載のシステム。
  25. 前記システムが、前記熱分解オフガスを部分的に酸化し、それによって追加の還元ガスを生成するように構成されたオフガス反応器を更に備える、請求項１～２４のいずれか一項に記載のシステム。
  26. 前記オフガス反応器が、前記第３の反応器と流体連通している、請求項２５に記載のシステム。
  27. 前記第２の反応器が、前記熱分解オフガスを受け取り、これを追加の還元ガスに変換するように更に構成されている、請求項１～２６のいずれか一項に記載のシステム。
  28. 前記システムが、前記選択された金属酸化物の前記還元型を回収するように構成された前記第３の反応器からの出口を更に備える、請求項１～２７のいずれか一項に記載のシステム。
  29. 前記システムが、金属酸化物鉱山に共同設置される、請求項１～２８のいずれか一項に記載のシステム。
  30. 前記システムが、金属酸化物処理プラントに共同設置される、請求項１～２９のいずれか一項に記載のシステム。
  31. 前記金属酸化物処理プラントが、製鋼所、タコナイトプラント、又は直接還元鉄プラントから選択される、請求項３０に記載のシステム。
  32. 前記第３の反応器が金属鉱石炉である、請求項１～３１のいずれか一項に記載のシステム。
  33. 前記第３の反応器が、金属鉱石炉の上流にある、請求項１～３２のいずれか一項に記載のシステム。
  34. 前記金属鉱石炉が、高炉、直接還元金属炉、炉頂ガス再循環高炉、シャフト炉、反射炉、るつぼ炉、消音炉、レトルト炉、フラッシュ炉、Ｔｅｃｎｏｒｅｄ炉、Ａｕｓｍｅｌｔ炉、ＩＳＡＳＭＥＬＴ炉、パッドル炉、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、パッドル炉、ベッセマー炉、又はそれらの組み合わせから選択される、請求項３２又は３３に記載のシステム。
  35. 前記第１の反応器及び前記第３の反応器が同じ場所に共同設置される、請求項１～３４のいずれか一項に記載のシステム。
  36. 前記システムが、全体として単一の場所に配置される、請求項１～３５のいずれか一項に記載のシステム。
  37. 前記第２の反応器が、前記第２の反応器から活性炭を連続的又は周期的に除去するように構成されている、請求項１～３６のいずれか一項に記載のシステム。
  38. 前記第２の反応器が、前記第２の反応器から活性炭を最終的に除去するように構成されている、請求項１～３７のいずれか一項に記載のシステム。
  39. 前記活性炭が、少なくとも約５００のヨウ素価によって特徴付けられる、請求項１～３８のいずれか一項に記載のシステム。
  40. 前記活性炭が、前記活性炭の１４Ｃ／１２Ｃ同位体比の測定から決定される、完全に再生可能な活性炭として特徴付けられる、請求項１～３９のいずれか一項に記載のシステム。
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