JP5118060B2 - バイオマスを処理するための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明はバイオマスまたは廃棄物のような材料を処理する方法に関し、
‐一定量の残留水分を含んだ材料の準備、
‐焙焼(torrefaction)反応炉の準備、
‐該焙焼反応炉において低酸素雰囲気中で焙焼温度にする該焙焼反応炉中での材料の加熱を含んでおり、その中で該材料は焙焼材料へと転換される。

用語“材料”または“原材料”は本明細書で使用するとき、様々な種類の材料または原材料を意味する。本特許出願では、用語“材料”または“原材料”はバイオマスまたは廃棄物のみならず、いかなる有機材料も称する。該材料は炭素を含むので一般的に燃焼することができる。該材料は、例えば（農業）残渣または廃棄物から得ることができる。

そのような方法は既知である。処理していない状態では、多くの材料は比較的湿っている。該材料は一般的に遊離（結合していない）および（緩やかに）結合した水分を含んでいる。該結合したまたは緩やかに結合した水は自然の材料自体に吸着されている。例えば、剪定および刈取した草のような植物源のバイオマスは、自然に相当量の湿気を含有している。

更に、バイオマスはその洗浄または該バイオマスの塩含有量を低減するために別の水処理に曝した結果、非常に湿っていることもありうる。燃料として使用するバイオマス中の塩類は発電所の燃焼炉における腐食形成をより迅速に起こすので、塩類の除去は望ましいものである。これらの塩類はまたバイオマス燃料の燃焼間に生じる灰分の品質を低下させ、それはこの灰分の利用を妨げる。水可溶性塩類は特に麦わらのような植物源のバイオマスから洗い流すことができる。

原材料は通常水分を５〜１５％、即ち該材料中に含有される残留水分の量を含んでいる。残留水分を伴うこの材料を焙焼反応炉の中に導入する。焙焼とは材料についての熱化学的処理である。この方法では、該材料を低酸素（酸素の化学量論以下の分量）または酸素なしのガス雰囲気中、通常大気圧下にて２００〜３２０℃の温度で加熱する。酸素不足が材料の燃焼を妨げる。その代りに該材料は焙焼され、それがガスの放出により質量の減少を導く。この質量の減少は一般的に約３０％に達するが、エネルギー値は１０％減少するだけである。焙焼で作り出される燃料はそれゆえ、より高いカロリー値を有する。

焙焼は該材料の構造にも化学的変化をもたらす。該材料はその機械的強度および柔軟性を失うので、砕くのが大層やりやすくなる。更に、焙焼された材料は疎水性なので、乾燥状態に止まり、大気中の湿度に反応しにくい。焙焼で作られた材料を貯蔵しても腐敗および過熱の危険性は非常に小さい。

該材料の温度は焙焼反応炉中で上昇させられる。該材料の焙焼が起こりうる前に、しかしながら該残留水分が最初に該材料から蒸発するはずである。該材料は残留水分が蒸発することで、焙焼反応炉中で事実上完全に乾燥する。該材料の実際の焙焼は該残留水分が蒸発した後のみに起きる。焙焼は該材料がそののち約２００℃を越す温度になると直ちに開始する。該焙焼の温度は、しかしながら一般的にはより高く、約２５０℃である。

該残留水分が該焙焼反応炉中で蒸発するとき、相当量の蒸気が焙焼反応炉中で発生する。これは該反応装置中に比較的迅速移動のガス流れを導き、該反応装置にて圧損失を増加させる。更に、該残留水分を蒸発させるのに必要なエネルギーは焙焼に必要とされるエネルギーより相当大きい。特に、該ガスと該材料間の直接接触に基づく焙焼反応炉では、比較的大量な高温ガスが高い入口温度で該低温加熱反応装置に誘導されねばならないが、これは更に焙焼反応炉を流通しなければならないガス量を増加させる。これが処理の方法の実現を妨害する。

本発明の目的は材料処理用の改善された方法を提供することにある。

本目的は本発明に従って達成されるが、本発明において焙焼反応炉は乾燥室と焙焼室を含み、含有残留水分をその中に伴う材料は乾燥室にて残留水分の蒸発により本質的に完全に乾燥され、そして乾燥材料の焙焼は焙焼室中で実質的に実施され、そして該材料は輸送方向に焙焼反応炉中を搬送され、乾燥室における材料の乾燥は材料とともに並流にて乾燥室を流れる熱乾燥ガス中に材料を導入することで行われ、そして該焙焼反応炉の焙焼室中の材料の焙焼は、該焙焼反応器の焙焼室を通して該材料と向流で流れている熱焙焼ガス中に材料を導入することで行われる。

本発明によれば、該材料は該乾燥室で乾燥され、そののち該材料は該焙焼室で焙焼される。該乾燥室および焙焼室は本明細書では２つの別個の空間を形成する。既知の方法とは異なり、本発明による該材料からの残留水分の蒸発および該材料の焙焼はそれゆえ２つの異なる段階を構成し、それぞれを最適化することができる。

該材料は乾燥室にて殆ど完全に乾燥されるが、それは比較的大量のエネルギーを必要とする。該材料からの残存水分の蒸発は、該材料および該熱ガスが互いに並流で移動するので効率的である。該乾燥室は該材料の乾燥用に特に設計されている。

熱ガスが導入されると、即ち該材料に直接接触して焙焼反応炉中の該材料の温度は焙焼温度まで上昇する。この熱ガスは該材料に対して向流で流れるので、熱ガスの温度は該材料の温度に“追随する”。該材料の温度および該熱ガスの温度の両方とも該材料の輸送方向で上昇する。必要とされる該熱ガスの入口温度はそれゆえ出口における該材料の温度より幾らか上であるだけでよい。該乾燥材料における“ホットスポット”の発生或いは制御できない焙焼または熱分解の発生は極めて危険性が小さなものにすぎない。比較的少量のエネルギーのみを該焙焼室に導入する必要があり、それは該エネルギー注入の投入法改良および／または細かな調整を可能とする。結局、該焙焼室中の焙焼温度は正確に設定および制御可能である。

本発明の更なる利点は、導入される熱ガス‐乾燥用ガスおよび焙焼用ガス‐に必要とされる温度が比較的低いということである。これはこれらの熱ガスの生産を容易にする。例えば、該焙焼室に導入される熱ガスの温度は２００〜４００℃の範囲、例えば約３００℃である。該焙焼中で制御された焙焼がその温度で実施できる。加えて、該乾燥室に導入される熱ガスの温度は１５０〜６００℃の範囲、例えば約３５０℃にすることができる。このような温度では該焙焼室で制御した焙焼が実施できる。加えて、該乾燥室に導入される熱ガスの温度は１５０〜６００℃の範囲、例えば約３５０℃にすることができる。この温度は、該材料を３％以下の水分量のようなほぼ完全な乾燥するのに特に適している。これらの温度は、例えば熱オイルを使用して生産するのに充分に低い温度である。

該乾燥室および該焙焼室を該焙焼反応炉中に収容する場合、該乾燥室および該焙焼室は焙焼反応炉の２つの反応空間を形成する。該残留水分の蒸発による該材料の乾燥は第一の反応空間、即ち該乾燥室で基本的に実施され、該材料の焙焼は原則的に第二の空間、即ち焙焼室で行われる。該材料は該焙焼反応炉の中で残留水分の蒸発にて事実上明細書の殆ど完全に乾燥されるが、本発明によれば該焙焼反応炉の工程は２つの段階に分離され、それぞれが最適化できる。

しかしながら、本発明によれば該乾燥室は残留水分乾燥機の中に収容し、該焙焼室は該焙焼反応炉内に収容することができる。この場合、残留水分乾燥機は別の装置を形成し、それは該焙焼反応炉とは別に収容される。該残留水分乾燥機は、該材料から残留水分の効率的蒸発を確保するように設計できる。該残留水分乾燥機は殆ど完全に乾燥した材料を残留水分乾燥機から焙焼室へ移送するために該焙焼反応炉と接続してある。

該乾燥ガスに関して本発明によれば、ガスは該材料と並流で移動したのち、冷却されて該乾燥室を出て第一の加熱室に導入されるが、そこでこの乾燥用ガスは加熱され、そののち該第一の加熱交換器で加熱された乾燥用ガスは該乾燥室へ導入、そして該焙焼用ガスは向流で該材料へと移動したのち、冷却を受けて該焙焼室を出て、第二の熱交換器に導入され、そこでこの焙焼用ガスは加熱され、そののち二番目の熱交換器で加熱された焙焼用ガスは該焙焼室に送られる。この場合、該乾燥用ガスは第一の回路を循環し、一方焙焼用ガスは第二の回路を循環する。それぞれそれ自身の熱交換器を備えた２つの回路を使用することで、該乾燥用ガスおよび焙焼用ガスからの効率的エネルギー回収を確保することができる。

特に、本発明に従った方法による材料の準備は、比較的湿った原材料の乾燥器への導入および残留水分量をその中に残すまで該材料から水分を蒸発させる該乾燥機中にある材料の加熱を含み、該乾燥機中で乾燥された材料は該乾燥室へ導入される。該比較的湿った材料は、例えば１５％より多い水分含有量を有する。該比較的湿った材料は該焙焼反応炉の乾燥室または残留水分乾燥器に導入される前に、回転乾燥機のような乾燥機中で熱的に乾燥することができる。該材料は乾燥機の中で温められるので、該材料から水分を蒸発するのに十分な温度に上昇する。該材料は該乾燥機では十分に乾燥しない、即ち残留水分の量が該材料中に残る。該残留水分は主に該材料中に結合水を形成している。実際には、エネルギーは該材料の水分含有量が約１０〜１５％になるまで該乾燥機に導入される。該バイオマスはそれ故８５〜９０％乾燥である。該乾燥機中での更なる水分含有量の低減は全体の処置法の収率を低減させるかもしれない。例えば、該乾燥機は該材料を経済効率的法で更に乾燥するのには適していない。

ちなみに、１５％より多い水分含有量を有する材料は勿論別個の乾燥機で予備乾燥または事前乾燥することなしに焙焼反応炉に供給することもできる。例えば、麦藁は一般的に約２０％の水分含有量を有する。この麦藁は予備乾燥なしに本発明による焙焼反応炉中に直接導入することができる。その麦藁の乾燥はそののち本発明による焙焼反応炉の乾燥室中で完全に生じる。反対に、５％未満のような比較的少量の水分だけを含有する材料では、乾燥機でまず事前乾燥するのがしばしば望ましい場合がありうる。

本発明による材料は好ましくは固体粒子を含有すべきで、それは充填移動床の形状で該焙焼反応炉を通過する。この場合、該焙焼反応炉は移動床技術の原則で運転される。

本発明は同じように材料を処理する装置に関連しており、そこへ残留水分量を含有する材料を供給できる焙焼反応炉を含み、焙焼反応炉はこの材料を焙焼反応炉に導入する入口、該焙焼反応炉で該材料を低温反応温度まで加熱する加熱手段、該焙焼反応炉中で該材料を運転中に焙焼材料に転換できる低酸素環境（化学当量未満の酸素量）を作り出す空気処理手段および焙焼した材料を取除く出口を備えている。

本発明によれば、該焙焼反応炉は乾燥室および焙焼室を含み、乾燥室は残留水分を蒸発させて該材料を実質的に完全乾燥するために適応させ、焙焼室は該材料を焙焼するために適応させ、そして該焙焼室は該材料の流れの方向で見るとき該乾燥室の下流に位置しており、その中該乾燥室は乾燥用ガス用に少なくとも１つの入口開口部および前記乾燥用ガスと残留水分の蒸発において形成するすべてのガスおよび／または蒸気用に少なくとも１つの出口開口部を有し、乾燥用ガスの入口開口部は入り口に面している乾燥室の末端に位置し、該出口開口部は該乾燥室の反対末端に位置しており、該焙焼室は少なくとも１つの焙焼用ガス用の入口開口部および前記焙焼用ガスと焙焼工程で生成する焙焼発生ガス用に少なくとも１つの出口開口部を有し、焙焼用の入口開口部は該出口に面した焙焼室の末端に位置し、該出口開口部は該焙焼室の反対側末端に位置している。

該乾燥用ガスおよび該焙焼用ガスは両者ともに熱ガスである。該熱ガスは乾燥室中で残留水分を蒸発させる目的であり、一方該熱焙焼用ガスは該焙焼室でほぼ完全に乾燥した材料を加熱して必要な焙焼温度にすることを目的にしている。燃焼可能な焙焼ガスは該焙焼室内で焙焼工程において形成し、出口開口部を通して除去することができる。

運転の間、該材料は該焙焼反応炉を通って移動方向に運ばれる。該材料は該乾燥室中の１つ以上の入口開口部を通じての熱乾燥用ガスの導入により乾燥室内で乾燥される。該熱乾燥用ガスは該材料とは並流で該乾燥室を通過する。該材料の焙焼反応炉の焙焼室での焙焼は、該焙焼室中の１つ以上の入口開口部を通して熱焙焼ガスを導入することで実施される。該熱焙焼用ガスは該焙焼反応炉の焙焼室の中を該材料と向流で通過する。該乾燥用ガスおよび焙焼用ガスは該焙焼反応炉の反対末端から互いに向かって流れる。これらのガスは、該乾燥用ガス入口開口部と該焙焼用ガスの入口開口部の間に位置している出口開口部で互いに合流する。これは乾燥室と焙焼室の間ではガス分離を確保する。該乾燥室および焙焼室は該ガス分離の反対末端に位置して‐該ガス分離は該乾燥室および焙焼室を互いに関し境界を定める。これまでの技術とは異なり、該焙焼反応炉での残留水分の蒸発により該材料はほぼ完全に乾燥することができ、本発明による該装置中での工程は、最適様式に設定することができる２つの段階に分けることができる。

該乾燥室および焙焼室を該焙焼反応炉中に収納すると、該乾燥室および焙焼室は同じ焙焼反応炉中で２つの分かれた空間を形成する。これに代わる実施形態では該乾燥室は、例えば残留水分乾燥機の中に位置し、該焙焼室は該焙焼反応炉内に設置される。この場合、該残留水分乾燥機は別個の構成要素を形成し、該焙焼反応炉に関し分離して収容される。

本発明によれば、比較的湿った材料を供給することができる乾燥機を提供することができ、その乾燥機は該材料から残留水分量まで水分を蒸発させるためにこの材料を加熱する手段を有し、該乾燥機中で乾燥した材料は該焙焼反応炉の乾燥室に供給することができる。これは本発明による装置は比較的湿った材料、例えば約１５％、２５％以上の水分含有量を有する材料を取り扱うのに適している。該比較的湿った材料は、該焙焼室に供給される前に該乾燥機の中で熱により事前乾燥することができる。

本発明による装置はそこで乾燥機２個および焙焼室を含むことができる。第一の乾燥機は、例えば約５〜１５％の水分含有量まで減少させるのに使用される予備乾燥機を形成する。第二の乾燥機は焙焼反応炉中の乾燥室または上記したような残留水分乾燥機で形成される。

本発明の１つの実施形態では、該焙焼反応炉は周辺の壁、周囲の壁の内に互いに連続して広がっている乾燥室および焙焼室で結ばれている。該材料の流れの方向で見ると、該乾燥室は材料の入口と焙焼室の間に位置し、該焙焼室は乾燥室と焙焼した材料の出口の間に位置している。

本発明の１つの実施形態では、該焙焼反応炉は直立位置で備え付けられ、周壁に多くの入口開口部が乾燥用ガスのために上下の関係で備えられている。この焙焼反応炉は、例えば縦型にできるが、または角度をもって直立できる。これらの開口部は周壁の外面の周りに配置され、該ガスは周壁内の真中に位置する材料を貫通させることができる。該材料は、周壁内にてその横断面全体に亘り乾燥させるのに十分な機会が与えられる。

該材料は重力に従って周壁内で頂上から下方に移動する。しかしながら、該材料を該焙焼反応炉の下から上へ通過させることも可能である。この目的には、例えばらせん状部材またはピストンのような供給装置が備えられており、それは周壁内を上下できる。該供給装置は該焙焼反応炉の周壁の外部に設置することができる。該供給装置の熱負荷はそれにより低減する。

本発明の１つの実施形態では、該出口は冷却室と接続しており、該焙焼された材料は該焙焼室から該冷却室へと導かれる。例えば、該供給装置は該焙焼反応炉の周辺壁内の該材料を、該材料が溢れる部分まで上方へ押し上げる。該焙焼した材料は該溢れる部分の端に沿ってバランスを失い、それを越えて冷却室に落ちる。該冷却室は一般的に冷却ガス用の入口開口部を備えている。該冷却ガスは焙焼した材料を冷却する。

バイオマスを処理するための本発明による工程および装置の設計は図の助けを借りて以下に説明する。しかしながら、本発明はバイオマスだけに限らず、全ての種類の材料に応用できる。例えば、非生分解性廃棄物のような種々の低移動性材料は本発明による処理ができる。

本発明によりバイオマスを処理する装置はその全体を１で示す。バイオマス１を処理するための装置は本実施形態では予備乾燥機として働く乾燥機３を含む。該乾燥機３は該乾燥機３へ湿ったバイオマスを導入するための入口５を有する。該乾燥機３は熱ガス用の入口６も有し、それは例えば約８００℃という温度である。

導入された熱ガスは乾燥機３中のバイオマスの温度を上昇させるが、当初バイオマス中の水分含有量を減少させない。この段階は図２において“前加温”と呼ばれる。該温度が上昇するに従い、該水分はバイオマスから蒸発し始める。該バイオマスの温度が蒸発温度に達したとき、遊離および緩やかに結合している水はバイオマスから蒸発する一方、該温度は事実上一定に留まる。この段階は図２において“事前乾燥”と呼ばれる。該バイオマスは該乾燥機３中において、その中に７〜１５％の残留水分含有量が残るまで乾燥させる。該事前乾燥バイオマスはそののち出口７を通って該乾燥機３を出る。導入された熱ガスのエネルギーの多くは該バイオマスを乾燥するのに用いられるので、それ自身の温度は７０〜８０℃に低下する。該冷却されたガスは出口８を通って該乾燥機３から除去される。

バイオマスを処理する装置１は焙焼反応炉１０を含む。本発明による焙焼反応炉は、該乾燥機３の出口７に接続している入口１１を有する。該事前乾燥バイオマスをそれ故に入口１１を通って焙焼反応炉１０へ導入できる。該焙焼反応炉１０はまた少なくとも１つの入口開口部を有する。熱ガスは該入口開口部１２を通って該焙焼反応炉１０に流れるので、熱移動が該熱ガスと該バイオマスの間の直接接触で起こる。しかしながら、本発明によれば該焙焼反応炉は該熱ガスと該バイオマスの間での間接的熱交換用に構築することもできる。

図２はバイオマスの温度は焙焼を生じる前にまず上昇させねばならないことを示している。結局、該焙焼に必要な最低温度は約２００℃である。該温度が上昇するに従って、該結合水分は該バイオマスが実質的に水分なしになるまでバイオマスから蒸発する。この段階を図では“事後乾燥および加熱”と呼ばれる。この事後乾燥および加熱は本発明に従って該焙焼反応炉の乾燥室中で実施され、これは図３を用いて後でより詳細に説明されるであろう。

該バイオマスはそののち焙焼反応炉の焙焼室中で焙焼（図２の“焙焼”参照）される。該焙焼工程において、温度は約２００℃から最高焙焼温度Ｔ_ｔｏｒｒが図２における点Ａに達するまで上昇する。該温度Ｔ_ｔｏｒｒは調整でき、該バイオマス燃料の特性に影響する。該焙焼したバイオマスの生産物品質は点Ａにて達成されるが、一般的に燃焼性焙焼ガスはまだ形成するほどではない。該最高焙焼温度Ｔ_ｔｏｒｒはこの点Ａを越えて維持されるので、燃焼性焙焼ガスの量は該焙焼反応炉中で増加する。該焙焼したバイオマスの品質はここで更に改善される。該燃焼性焙焼ガスは少なくとも１つの出口開口部１４を通って該焙焼反応炉１０を出ていく。

該出口開口部１４はパイプ１６を用いて燃焼装置２０に接続している。該燃焼装置２０は空気の入口２２を有する。該燃焼装置２０に導入された低温燃焼ガスはそこで燃焼し、非常に熱い燃焼廃ガスを生じる。該燃焼廃ガスは１０００〜１６００℃の範囲、例えば１２００℃の温度である。該燃焼装置２０はこの燃焼廃ガスの排出用出口２４を有する。該燃焼装置２０は追加燃料用の入口２３も有してよい。該入口２３は、例えば該焙焼用ガスが燃焼性ではないか十分に熱くない燃焼廃ガスを生じるときに望ましい。

図１に示したバイオマス処理用の装置１は熱交換器３０も含む。該熱交換器３０は熱燃焼廃ガス用の入口３２を有し、入口はパイプ２５を用いて燃焼装置２０の出口２４に接続している。それに加えて、該熱交換器３０は焙焼ガス用の入口３３を有する。焙焼反応炉１０を該燃焼室２０に接続しているパイプ１６から該熱交換器３０の入口３３へ走る分岐路１７がある。該分岐路１７にはファン１８が備わっている。そこで、該焙焼反応炉１０を出た該焙焼ガスの一部は該分岐路１７、ファン１８および入口３３を通って熱交換器３０に流れる。入口３２を通って入る燃焼廃ガスが該焙焼ガスの温度を約２００〜４００℃に上昇させる。この結果、該燃焼廃ガスそれ自体は約５００〜１０００℃まで冷やされる。該冷やされた燃焼廃ガスはそののち該乾燥機３の入口６に接続している出口３４を通って該熱交換器３０から排出される。

該熱交換器は直接型または間接型のいずれかでありうる。直接型熱交換器の場合、該焙焼ガスおよび燃焼廃ガスは互いに直接接触する。間接熱交換器では１０００〜１６００℃の熱燃焼廃ガスは、例えばオイルを２５０〜４００℃に加熱するのに使用され、該熱オイルはその後に該焙焼ガスを加熱する。そののち、この加熱された焙焼ガスは入口開口部１２を通って該焙焼室に流れる。

該焙焼したバイオマスは入口１３を通って該焙焼反応炉１０から除去される。該焙焼したバイオマスはそののち冷却器４０に運ばれ、そこでは該バイオマスは室温まで冷却できる。これは図２の“冷却”で示されている。

図１は該焙焼反応炉１０を単一のブロック図で図式的に示しているが、本発明による焙焼反応炉１０は少なくとも２つの反応装置空間を含む。該第一の反応装置空間は乾燥室を備えているが、第二の反応装置空間は焙焼室を形成する。本発明による焙焼反応炉１０をより詳しく図３に示す。

該焙焼反応炉１０は実質的に運転するときは垂直位置である。該焙焼反応炉１０は周壁５０、底部分５１および天井部分５２を含む。該焙焼反応炉１０にバイオマスを導入するための入口１１は底部分５１の一側面に位置する。該底部分５１は、バイオマスを周壁５０内にて上方に運ぶ供給装置５３を含む。該供給装置５３は図３に図式的に示す。該焙焼反応炉中の周壁５０は運転中はバイオマスで充填されている。

該供給装置５３は種々の設計が可能である。例えば、該供給装置は２つのピストンおよび支持弁を含む。第一のピストンは該入口を通り、該周壁内を上下に動ける第二のピストンへバイオマスを突き出す。該支持バルブは支持位置と自由位置の間で移動できる。該ピストンがその一動作終了すると、該支持弁が周壁内のバイオマスを支持する支持位置まで移動する。第二のピストンはそののち下方に移動でき、そののち第一のピストンが再びその上にバイオマスの一定量を載せる。しかしながら、該供給装置をコンベアースクリューとして設計することもできる。該供給装置５３の設計は該焙焼反応の方向に依存し、縦型、横型または２つの装置の間で一定の角度傾けることができる。

該周壁の内部では該焙焼反応炉１０は、第一の反応空間または該バイオマスから残存水分蒸発用の乾燥室５４および第二の反応空間または該バイオマスの焙焼用の焙焼室５５に分けられている。この典型的な実施形態では、乾燥室５４および焙焼室５５の間に物理的隔離はなく、反応空間５４と５５は連続している。該反応空間５４と５５の間の移行は一点鎖線Ｃで表してある。この典型的実施形態では、該乾燥室５４および該焙焼室５５はそれゆえ隔離された室ではなく、連続した乾燥用空間５４と焙焼用空間５５を形成している。

該乾燥室５４はそれゆえバイオマス入口１１と焙焼室５５の間に位置している。該乾燥室５４は熱乾燥用ガスの導入用の多くの入口開口部１２ａを有している。導入された乾燥用ガスは熱交換器３０（図１参照）から入り、例えば１００〜４００℃の温度である。該乾燥用ガスおよび該バイオマスは該乾燥室５４中にて互いに並流で動く。

数多くの入口開口部１２ａは上下の関係で設置されるので、該乾燥用ガスは周壁内の中心位置でバイオマスに貫通させることができる。該一番上の入口開口部１２ａを通して導入される乾燥用ガスは該周壁５０の内部に沿って熱ガスの流れを形成する。この流れにより第一入口の下の入口開口部１２ａを通して導入された乾燥用ガスは周壁５０から離れて移動させられ、半径方向の内側を目指す。これは矢印Ｄで図式的に表わしてある。これは周壁近くのバイオマスのみならず内部のバイオマスも完全に乾燥できる。

該乾燥室５４中のバイオマスが乾燥する間に流れが発生する。この流れの一部および蒸発で冷却された乾燥用ガスは周壁５０の横に位置する出口開口部１５から焙焼反応炉１０を出ていく。生成した流れは、該流れが一般的に有機化合物を相当量含有しているので、多くが該焙焼反応炉１０の焙焼室５５に流れ込むのが好ましい。

該バイオマスが一点鎖線Ｃで表わされるレベルを越えるとき、該バイオマスは殆ど完全に乾燥、即ち残留水分が殆ど完全に該バイオマスから蒸発している。該バイオマスの水分含有量はそのとき好ましくは３％以下である。該バイオマスの温度は同じ時点で約２００℃に上昇している。そこで、一点鎖線Ｃで示すレベルの上で起こっているのが焙焼である。該バイオマスはそのときバイオマスを焙焼させるための焙焼室５５に位置している。

該焙焼室５５は焙焼用ガス用に入口開口部１２ｂを有しており、それは該焙焼反応炉１０の天井部５２に位置している。該焙焼ガスは熱ガスで、該焙焼室に導かれ該バイオマスを焙焼する。該焙焼用ガスは乾燥用ガスのように熱交換器３０から由来する（図１を参照）。該焙焼用ガスは入口開口部１２ｂから該バイオマスを通って下方へ流れる。該焙焼用ガスは該バイオスに対し向流で移動する。二番目の反応空間５５では、該バイオマスは上方に移動するに従って焙焼される。該バイオマスが最高焙焼温度Ｔ_ｔｏｒｒに加熱されるに従って二番目の反応空間５５には燃焼性焙焼ガスが形成される。燃焼性焙焼ガスの量はしばらくの間この温度を保ちながら増加する。導入された焙焼ガスおよび形成した焙焼ガスは出口開口部１４を通って二番目の反応空間５５を出ていく。

該出口開口部１４を通って該焙焼反応炉１０を出ていくガス混合物は本発明によればそれゆえ比較的少ない蒸気を含有する。該パイプ１６および分岐路１７中の流れ（図１を参照）はそれゆえ比較的制限され、該ファン１８の必要とする能力を低く抑える。更に、該放出された燃焼性焙焼ガスは該乾燥室５４からの蒸気では殆ど希釈されないであろう。これは燃焼装置２０中の燃焼特性に良い効果を与える（図１を参照）。

該焙焼反応炉１０は溢流部５８を有する。焙焼したバイオマスが該溢留部５８の端を押出されるとき、該溢留部５８に沿ってバランスを失って冷却装置４０に落ちる。該焙焼バイオマスの温度は該冷却室４０の中で室温となる。該冷却されたバイオマスは該出口４２を通って冷却装置４０から出ていく。該冷却装置は冷却ガス用の入口開口部４１を有する。該焙焼したバイオマスの温度は該冷却室４０中で室温まで低下する。該冷却したバイオマスは出口４２を通って該冷却装置を出ていく。

図４は該バイオマス、乾燥用ガスおよび焙焼用ガスの温度を該焙焼反応炉内部の高さｈの関数として示している（図３を参照）。該バイオマスの温度は一番下の線Ｅで示し、一方乾燥用ガスの温度および焙焼用ガスの温度は線ＦおよびＧでそれぞれ示している。該乾燥室５４および該焙焼室５５の間の分離は一点鎖線Ｃで再度示す。

図４は図３の場合に記述したような本発明による工程を参照している。該バイオマスおよび該乾燥用ガスは該乾燥室５４においてはお互いに並流で移動する。その結果、残留水分は該バイオマスから迅速に効果的に除去できる。該焙焼室５５では、導入された該バイオマスおよび焙焼用ガスは互いに向流で移動する。これが最高焙焼温度を正確に制御することが可能とする。

図５はバイオマスを処理する装置の第二の実施形態を示すが、同じ参照番号は同じ部分を意味する。操作および構造は上記のバイオマスを処理する工程および装置に基本的に相当し、本実施形態は上記した利点も有している。図５で表した実施形態は更に下で以下のように説明する。

該バイオマスを事前乾燥するために使用する乾燥機は図５には示していない。該バイオマスは、事前乾燥有りまたは無しにかかわらず該入口１１を通して焙焼装置１０に導入される。該焙焼反応炉１０は基本的に縦型である。周壁５０内では、該バイオマスは重力の影響下で下方に移動する。結局、入口１１は該焙焼反応炉１０の天井部分５２に位置しており、一方出口１３はその底部分５１にある。

該焙焼反応炉１０の天井部分は乾燥室５４を形成し、一方該焙焼反応炉１０の底部分は焙焼室５４となる。該乾燥室５４はバイオマス入口１１および該焙焼室５５の間に位置する。該焙焼室５５は該乾燥室５４とバイオマス出口１３の間に境界を定められている。

該乾燥室５４は１つ以上の入口開口部１２ａを有する。熱乾燥用ガスは該焙焼反応炉１０の乾燥室５４に入口開口部１２ａを通して流れ込むので、該熱乾燥用ガスとバイオマスの間の直接接触で熱移動が起こる。しかしながら、該乾燥室は本発明によれば該熱乾燥用ガスと該バイオマスの間の間接熱交換用に設計することもできる。該乾燥用ガスと該バイオマスは該乾燥室内で互いに並流で移動する。好ましくは多くの入口開口部１２ａが上下の関係で備わっているので、該乾燥用ガスは中心の位置で該バイオマスを貫通することができる（図５では示していない）。

該熱乾燥用ガスは該乾燥室５４中のバイオマスの温度を上昇させ、該バイオマスが殆ど水分なしになるまで該バイオマスから結合水を蒸発させる。この段階は図２において“事後乾燥と加熱”で示してある。該熱乾燥用ガスは工程中で冷却される。該冷却した乾燥用ガス、および場合により残留水分の蒸発にて生じるガスおよび／または蒸気は該出口開口部１５を通って乾燥室を出ていく。該冷却したガスはそののち第一の熱交換器２００中に導入される。該第一の熱交換器２００は該乾燥用ガスを加熱し、この加熱された乾燥用ガスはその後該入口開口部１２ａを通って乾燥室５４に再び導入される。これは第一の回路２０３を形成し、その中を乾燥用ガスが循環する。

該バイオマスは該乾燥室５４から該焙焼反応炉に降下、即ち該バイオマスは一点鎖線Ｃで表わされるレベルを越える。該バイオマスはそののち殆ど完全に乾燥、即ち該残留水分は該バイオマスから殆ど完全に蒸発してしまう。該バイオマスはこの時点で、例えば水分３％以下である。該バイオマスの温度は同時に約２００℃まで上昇するであろう。

熱焙焼用ガスは入口開口部１２ｂを通って焙焼室５５に通じる。該焙焼用ガスは該焙焼室５５に導入される熱ガスで該バイオマスを焙焼する。該焙焼用ガスは該入口開口部１２ｂから該バイオマスを通って上部に移動する。該焙焼用ガスおよび該バイオマスは互いに向流で移動する。第二の反応空間、一点鎖線Ｃで表わされるレベルの下では該バイオマスは下方に移動するに従って焙焼するであろう。

可燃性焙焼ガスは該バイオマスが第二の反応空間５５中にて最高焙焼温度Ｔ_ｔｏｒｒに加熱されるとき生成する。可燃性焙焼ガスの量はしばらくの間この温度を維持することで増加する。導入される焙焼用ガスおよび発生する該焙焼ガスは該出口開口部１４を通って該焙焼室から出ていく。

該出口開口部１４は分岐路を用いてパイプ１６に接続しており、パイプ１６は燃焼装置（図５では表されていない）に接続される。該出口開口部１４は同じように第二の熱交換器２０１に接続され、生成した焙焼ガスの一部は第二の熱交換器２０１に流入する。該熱交換器２０１は該焙焼ガスを加熱し、加熱された焙焼ガスは該入口開口部１２ｂを通って該焙焼室５５に導入される。この典型的な実施形態では、形成した焙焼ガスは該焙焼用ガスに使用される。このガスは第二の回路２０５にて再循環される。

図４で示された温度分布は図５に示された実施形態にも応用される。該バイオマスおよび乾燥用ガスは乾燥室５４中では互いに並流で移動する。その結果として、該残留水分は該バイオマスから迅速および効果的に除去できる。該焙焼室５５では、供給されるバイオマスおよび該焙焼用ガスは互いに向流で移動する。これは最高焙焼温度を正確に制御することを可能とする。

該乾燥用ガスおよび該焙焼用ガスの各熱交換器２００および２０１における加熱は加熱装置２０７を含む第三の回路２０９を用いて実施できる。該加熱装置２０７は、例えばオイルボイラーでありえて、その場合熱オイルが第三の回路２０９を循環しており、熱交換器２００と２０１を含んでいる。これは該乾燥室５４中における並流の流れおよび該焙焼室５５における向流の流れを用いることで可能になり、この場合該乾燥用ガスおよび該焙焼用ガスの温度は比較的低いままである。

該焙焼したバイオマスは該出口１３を通って該焙焼反応炉１０から取り除かれる。該焙焼したバイオマスはそののち冷却器４０（図５には表していない）に移動させられ、そこで該バイオマスは室温まで冷却できる。これは図２において“冷却”で表わされる。

本発明はもちろん上記した実施形態に限らない。既知の方法に基づいて、例えば熟練者は本発明の範囲内の種々なる変更を取り入れることができるであろう。例えば、該乾燥室５４および該焙焼室５５は別々な存在として作ることができ、互いにパイプで接続する。該乾燥室５４はそののち別個の残留水分乾燥器中に収納し、一方該焙焼室５５は該焙焼反応炉１０の中に取り込まれる。この場合、図１で示したシステムでの残留水分乾燥器は予備乾燥器３と該焙焼反応炉１０の間に挿入させる。そうすると、図３で示した実施形態とは異なり該乾燥室５４と該焙焼室５５の間に物理的分離も存在する。

本発明は図で表した例示的実施形態を参照にして更に説明されるであろう。
本発明に従いバイオマス処理の方法に関する図式工程の流れ図を示す。 該バイオマスの温度、バイオマスの水分含有量、該工程に導入されるエネルギーを時間に対して描いた図を示す。 本発明に従った焙焼反応炉の断面の図面を示す。 該乾燥用ガス、該焙焼用ガスおよび該バイオマスの温度を焙焼反応炉中での垂直距離に対して描いた図を示す。 本発明に従ってバイオマスを処理するための工程の二番目の実施形態の場合を示す。

Claims (16)

1. バイオマスまたは廃棄物の材料を処理するための装置であって、該装置は一定量の残留水分を含有する材料を供給できる焙焼(torrefaction)反応炉（１０）であって、この材料を該焙焼反応炉（１０）中に導入するための入口（１１）を備えている焙焼反応炉（１０）、該焙焼反応炉（１０）中で該材料を焙焼温度まで加熱するための加熱手段（１２）、該焙焼反応炉中で低酸素雰囲気を作り出して該材料を運転の間に焙焼材料へ転換できる空気処理手段、および焙焼材料を除去するための出口（１３）を含み、
   該焙焼反応炉（１０）は乾燥室（５４）および焙焼室（５５）を含み、該乾燥室（５４）は残留水分を蒸発させて該材料を十分に乾燥するために適応され、該焙焼室（５５）は該材料を焙焼するために適応され、該材料の流れの方向でみると該焙焼室（５５）が該乾燥室（５４）の下流に設置され、該乾燥室（５４）は乾燥用ガス用の入口開口部（１２ａ）を少なくとも１つ、および前記乾燥用ガスおよび／または残留水分の蒸発にて形成するガスおよび／または蒸気用の出口開口部（１５）を少なくとも１つを有し、該乾燥用ガス用の入口開口部（１２ａ）は該入口（１１）に面している乾燥室（５４）の末端に位置しており、該出口開口部（１５）は該乾燥室（５４）の反対側の末端に位置し、該焙焼室（５５）は焙焼用ガス用の少なくとも１つの入口開口部（１２ｂ）および前記焙焼用ガスと該焙焼工程において形成する焙焼ガス用の少なくとも１つの出口開口部（１４）を有し、焙焼用ガス用の入口開口部（１２ｂ）は該出口（１３）に面する焙焼室（５５）の末端に位置し、該出口開口部（１４）は該焙焼室（５５）の反対側の末端に位置していることを特徴とする、上記装置。
2. ２つの熱交換器を含み、第一の熱交換器は該乾燥用ガスの加熱用に備えられ、乾燥用ガス回路を形成するために該乾燥室の入口開口部と出口開口部に接続しており、第二の熱交換器は該焙焼用ガスの加熱用に備えられ、焙焼用ガス回路を形成するために該焙焼室の入口開口部と出口開口部に接続している、請求項１記載の装置。
3. 湿った前記材料を送り込むことができ、残留水分量まで該材料から水分を蒸発させるためにこの材料を加熱するための加熱手段（６）を具備している乾燥機（３）を備え、該乾燥機（３）中の乾燥した材料を該乾燥室（５４）中に導入するために該乾燥機（３）が乾燥室（５４）に接続されている、請求項１または２記載の装置。
4. 該材料の流れの方向から見て、該乾燥室（５４）は該材料用の入口（１１）と該焙焼室（５５）の間に位置し、該焙焼室（５５）は該乾燥室（５４）と焙焼した材料用の出口（１３）の間に位置する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 該焙焼反応炉（１０）は周壁（５０）で囲まれ、該乾燥室（５４）および該焙焼室（５５）は該周壁（５０）内で互いに続きとして拡がっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 該焙焼反応炉（１０）は直立位置で取付けられ、乾燥用ガスの導入用に数多くの入口開口部（１２ａ）が周壁に上下の関係で取り付けられている、請求項５記載の装置。
7. 該出口（１３）は冷却室（４０）に接続され、該焙焼した材料を該焙焼室（５５）から該冷却室（４０）に導入することができる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 該冷却室（４０）は冷却用ガス導入用の入口開口部（４１）を備えている、請求項７記載の装置。
9. バイオマスまたは廃棄物の材料を処理するための方法であって、
   ‐一定量の残留水分を含有する該材料の準備、
   ‐請求項１記載の装置の準備、
   ‐該装置に含まれる焙焼反応炉（１０）中の低酸素雰囲気における該焙焼反応炉（１０）内にある材料の焙焼温度への加熱を含み、該材料は焙焼した材料に転換されるものであり、残留水分をその中に含む材料を前記乾燥室（５４）中で残留水分を蒸発させて十分に乾燥し、該乾燥材料の焙焼は該焙焼反応炉（１０）の焙焼室（５５）中で行われるが、該材料は該焙焼反応炉（１０）を通って輸送方向（Ｂ）へ搬送され、そして該材料の該乾燥室（５４）中における乾燥は、該乾燥室（５４）を通じて該材料に対し並流で流れる熱乾燥用ガスをその中に導入することで実施され、該材料の該焙焼反応炉の焙焼室（５５）中での焙焼は、該焙焼反応炉（１０）の焙焼室（５５）を通じて該材料に対し向流で流れる熱焙焼用ガスをその中に導入して行うことを特徴とする、上記方法。
10. 該焙焼反応炉（１０）が該乾燥室（５４）および該焙焼室（５５）を含む請求項９記載の方法。
11. 該乾燥室が残留水分乾燥機中に収納されており、該焙焼室が該焙焼反応炉中に収納されている請求項９記載の方法。
12. 該材料は固体粒子を含有し、それは充填移動床の形状で焙焼反応炉（１０）の乾燥室と焙焼室において移動する、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 乾燥用ガスは該材料に対し並流で移動し、冷却された後に該乾燥室を出て、この乾燥用ガスを加熱する第一の熱交換器に導入され、そののち乾燥用ガスは第一の熱交換器で加熱されて該乾燥室（５４）に導入され、そして該焙焼用ガスは該材料に対して向流で移動し、冷却された後に該焙焼室を出て、この焙焼用ガスを加熱する第二の熱交換器に導入され、そののち焙焼用ガスは第二の熱交換器で加熱されて該焙焼室（５４）に導入される、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 材料の準備は、乾燥機（３）中に湿った前記材料の導入、および該材料から残留水分が一定量その中に残るまで水分を蒸発させるための乾燥機（３）中での材料の加熱を含み、該乾燥機（３）中で乾燥された材料は該乾燥室（５４）に導入される、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 該焙焼室（５５）に導入される熱ガスの温度は２００〜４００℃の範囲である、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 該乾燥室（５４）に導入される熱ガスの温度は１５０〜６００℃の範囲である、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の方法。

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