JP6200427B2 - バイオマス処理装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを処理するための装置および方法に関する。より詳細には、本発明はマイクロ波エネルギーによってバイオマスから木炭、バイオオイル、活性炭、加炭材カーボンまたはナットコークスを作製するための装置および方法に関する。

温室効果ガス排出の現在の量、および排出が全地球的気候に及ぼし得る影響がかなり懸念されている。二酸化炭素（ＣＯ２）は、人為的気候変動を引き起こすと考えられている主要な温室効果ガスであり、地球全体で生成されるすべての温室効果ガスの約７０％を占める。

二酸化炭素の持続的な減少を達成するために、全世界のエネルギー消費のパターンを大規模に変えることが必要とされる。例えば、再生可能エネルギーの使用、ならびにエネルギー効率の上昇と代替燃料の開発を促進することが必要である。代替燃料の１つは、バイオ燃料である。

バイオ燃料またはバイオオイルは、再生可能資源であり、これらを使用すると、燃焼時、温室効果ガスの正味排出が化石燃料よりも有意に低減する。バイオ燃料またはバイオオイルを車、暖房および発電において化石燃料に代わる燃料として使用することができる。

大気中の二酸化炭素を減少させる別の方法は、大気二酸化炭素の一部を回収して貯留することである。貯留のための炭素ガスの回収は、「隔離」と呼ばれる。ガス状での炭素の隔離（例えば、発電所でガスが放出される場合）は、技術的に複雑でコストのかかる解決法である。代替アプローチは、森林再生地域の土地によって木々の中に二酸化炭素を隔離することである。平均すると、木々に含まれるすべての物質の４０〜５０％は炭素である。重要なことには、相当量の二酸化炭素を貯留するために、森林再生には広い面積の土地を必要とする。加えて、その地域が森林に覆われた状態を保てば、木々の中に貯留される二酸化炭素はただ保持されることができる。その地域の木々が一掃されると、二酸化炭素の多くは大気に戻ることになる。

二酸化炭素を隔離する方法は、国際公開第２００８／０７９０２９号に記載されている。
活性炭：

活性炭は、かなりの比内部表面積を示す微細孔構造を有する木炭製品である。主に不必要な物質の吸着を含み、活性炭には多くの用途がある。このため、製糖業では、白糖を生成することができるように、活性炭を用いて暗褐色の色を除去する。また一方、特に、活性炭が大きな分子の吸着に適している場合、活性炭は、汚染の除去にも重大な価値があり得る。

活性炭のさらに可能な用途は、尿素などの種を含有する窒素の吸収を通し、次いで農地にその生成物を適用することである。活性炭はこれらの種を強力に保持することはなく、したがって、固定炭素は地中に置かれている間、窒素肥料への緩効剤として作用するはずであり、したがって炭素がバイオマスから放出されれば、大気から二酸化炭素を減少させるのに役に立つ。活性炭は、メタンを吸収することもでき、したがって特定の原料からのメタンの排出を阻害する際に可能な助剤として作用する。手短に言えば、活性炭にはかなり可能性を持つさらなる用途があり、したがって活性炭のさらなる製造方法は、市場では歓迎されるにちがいない。

活性炭の製造は周知である。炭素含有種は、通常、約６００℃で炭化され、次いで、炭化が完了すると、通常、例えば、蒸気もしくは空気による酸化によって、または塩化亜鉛、リン酸もしくは任意の数の他の化学物質などの化学方法を用いて炭素含有種を処理することによって活性化される。活性化は通常、かなり注意深く制御された条件下で、およそ８００℃〜１２００℃で行われる。一般的に言えば、何らかの回転キルン内にある炭素質材料に通常、外部から熱を供給する。

そのようなキルン内では、バイオマスに対して２つの加熱源、すなわち壁との直接接触による伝導、および壁からの黒体放射が存在する。バイオマスは熱伝導性が低く、約３００℃に達すると、大部分は吸熱的に分解し始める。そのような熱分解生成物の一部は、粘性の高いタールであり、バイオマスの孔に流れ込む。これは、孔を塞ぐことによって端表面積を減少させる傾向があるので、活性炭の形成にとって好ましくない。

バイオマスは約３００℃に近づくと、分解し始めて分解生成物が生成されるので、炭化が遅い。分解生成物は、移動するがことができる液体タールであることが多い。炭素が発生する孔を塞ぐどのようなものも好ましくない。

活性炭の表面積は、通常、低圧窒素吸着（Ｂ．Ｅ．Ｔ方法）によって測定される。この吸着は大抵、単層に起因するので、表面積を算出することができる。１グラムの活性炭の表面積は、一般的に、約５００ｍ^２であり、約２００ｍ^２から約２５００ｍ^２に及ぶ。
加炭材カーボン：

炭素は、完成金属製品の質量の０．１５〜１．５％を含む市販鋼に添加される最も重要な成分である。鋼鉄の炭素含有量は、硬度、強度などの特定の機械的特性、融点および「溶接性」などの熱的特性に影響を与える。

鋼鉄生産のプロセス中に、ほとんどの鋳造所では金属装入物で一部の鋼鉄スクラップと一次鉄精鉱とを組み合わせていることは、よく行われている。使用する鋼鉄スクラップのパーセンテージは、価格、入手可能性、合金レベルおよび他の経済的要因の関数である。

金属装入物材（すなわち鋼鉄スクラップおよび鉄のリターン屑）によって溶鉱炉に導入される炭素量は、通常、完成鋼鉄製品中の目標値よりも低く、通常、３．０〜４．０％の範囲内である。したがって、「加炭材」と称される炭素単位は、鋼鉄製品中の元素状炭素のレベルを画定のレベルまで上げるようにバッチに加えられる。

製造プロセスの溶錬段階中、加炭材は溶鋼槽に混入され、元素状炭素は金属装入物全体にわたり均一に吸収、分配される。

市販鋼生産用の加炭材は、固定炭素の比率が高く、熱量が高い含有物を必要とする。重要なことに、安全で効率的な酸素還元反応を確実に進行させるため、および有害な排出を最小限に抑えるために、加炭材は、揮発性含有量、窒素含有量および硫黄含有量が低いことが必要である。

さらに、加炭材は、元素状炭素の効率的な取込みを促進するために、溶鋼バッチと接触する最大の表面積をもたらすように高多孔質であることが望ましい。

加炭材は高品位のれき青炭または無煙炭に由来し、および石油製品から合成される高品質のものであるのが一般的である。一部の鋳造所は、特定の炭素含有量で製造された鋼鉄片を使用し、かつ金属装入物中の加炭材として使用している。
ナットコークス：

コークスは、溶鉱炉で鉄鋼石を溶解させる際の燃料として、および還元剤として使用されている。

発煙成分は、石炭またはバイオマスのコーキング中に除去されるので、コークスは、れき青炭またはバイオマスそれ自体の完全燃焼には適さない条件下にある溶鉱炉用の望ましい炭素燃料を形成する。コークスは、燃焼条件下でほとんどまたはまったく煙を伴わずに燃やされ得るが、れき青炭はかなりの量の煙を生じる。

ナットコークスは、一般的に１０×１０ｍｍより小さい吹込みコークスまたは粒コークスなどの他の燃料コークスと比較して、かなり大きな粒子径（一般的に２５ｍｍ×５５ｍｍ）によって特徴づけられる。鋼鉄の溶融装入物中の炭素のレベルを上昇させるのに使用される加炭材とは異なり、ナットコークスは、許容可能なミネラル含有量を２倍まで、および水分量を５倍まで含むことができる。この態様により、ナットコークス生産用に考えられる木質バイオマスの供給原料がより広範囲で可能になる。

コークス中の低揮発性物質の含有量は、燃焼中の安全で安定したエネルギー放出を促進するため、および爆発的な放出のリスクを最小限に抑えるために非常に重要である。低硫黄含有量および低窒素含有量も、燃焼プロセス中の二酸化硫黄およびＮＯＸの形成を最小限に抑えるために必要とされる。

本明細書において、特許明細書、他の外部文書または他の情報源を参照した場合、これは、ほとんどの場合、本発明の特徴を論じるための状況を提供することを目的としている。特に記述されない限り、そのような外部文書またはそのような情報源への言及は、いかなる管轄においても、そのような文書またはそのような情報源が当技術分野での先行技術であるまたは技術常識の一部を形成することを認めるものと解釈されるべきではない。

バイオマスを処理するための装置および／または方法もしくはバイオマスを活性炭および加炭材カーボンに変える既知の諸方法の１以上の欠点を解消する木炭、バイオオイル、活性炭、加炭材カーボンおよび／またはナットコークスを生成するためのバイオマスを提供すること、および／または有用な選択を公衆に少なくとも提供することが、本発明の少なくとも好適な実施形態の目的である。

第１の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理する装置に存在し、該装置は、
未処理のバイオマスを受け入れるための入口と、処理されたバイオマスを放出するための出口とを有する回転式チューブであって、横軸に対して所定の角度で傾斜している回転式チューブと、
回転式チューブを収容するための金属製ハウジングと、
回転式チューブおよびそこに収容されたバイオマスに電磁エネルギーを照射するための回転式チューブに関連する電磁発生器と、
電磁エネルギーを回転式チューブに導入するための電磁発生器に関連する導波管とを含み、
前記導波管は、同導波管によって回転式チューブ内におよび該管を通って導入される電磁エネルギーが回転式チューブの長手軸に対して略平行な方向に移動するように適合されている。

本装置は、電磁エネルギーをバイオマスに照射して木炭、バイオオイル、および／またはガスを生産するための方法に使用することができる。

一実施形態において、横軸に対する回転式チューブの角度は、調整可能である。

一実施形態において、本装置は、回転式チューブの周りを囲む絶縁体をさらに含む。

一実施形態において、回転式チューブは、実質的に圧力密封が可能である。

一実施形態において、回転式チューブは、実質的にマイクロ波密封が可能である。

一実施形態において、本装置は、回転式チューブの内部に圧力源を供給するための回転式チューブに関連する圧力調整器をさらに含む。回転式チューブ内の圧力は、大気圧に対して陽圧または陰圧であってよい。

一実施形態において、本装置は、ガス／蒸気抽出システムをさらに含む。ガス／蒸気抽出システムは、キャリアガスの供給源を含む。キャリアガスの供給源は、回転式チューブの内部にキャリアガスを供給するために回転式チューブに関連していてもよい。キャリアガスの供給源は、加圧容器であってよい。キャリアガスは不活性ガスであってもよく、例えば、二酸化炭素、アルゴンまたは窒素を含んでもよい。

一実施形態において、ガス／蒸気抽出システムは、蒸気の形で排出されるバイオオイルを凝縮物に凝縮するのに適したガス凝縮器をさらに含む。一実施形態において、凝縮物は、ガス凝縮器に関連する適切な容器に収集される。

一実施形態において、ガス／蒸気抽出システムは、減圧圧力の供給源をガス凝縮器に提供するために、真空発生器をさらに含む。一実施形態において、回転式チューブの空間内の空気圧を上昇させるために該回転式チューブに関連する圧力調整器は、減圧圧力の供給源をガス凝縮器に供給するための真空発生器でもある。

一実施形態において、本装置は、回転式チューブの内部に液体を導入するための入口またはグランドを有する。液体は、好ましくは、噴霧として導入される水である。

一実施形態において、電磁発生器は、マイクロ波放射を発生させるマイクロ波発生器である。

一実施形態において、マイクロ波放射は、約９００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数範囲を有する。使用される電磁エネルギーの一般的な周波数は、約９００ＭＨｚと約１０００ＭＨｚの間、および約２ＧＨｚと約３ＧＨｚの間である。マイクロ波放射の周波数は、産業用加熱用の産業、科学および医療用（ＩＳＭ）バンドの１つに適した周波数であり得る。産業用加熱のためのＩＳＭバンドとしては、約９１５ＭＨｚ、約９２２ＭＨｚ、および約２４５０ＭＨｚが挙げられる。また、好適であり得る他の周波数としては、例えば、約１３ＭＨｚ、約２７ＭＨｚおよび約４０Ｈｚが挙げられる。

一実施形態において、導波管は、マイクロ波発生器から延びる第１の部分と、回転式チューブに向かって延びる第２の部分とを有する。一実施形態において、第２の部分は、第１の部分に対して所定の角度で第１の部分から離れるように延びる。第２の部分は、回転式チューブの角度に相当する角度で適切に延びる。第１の部分に対する第２の部分の角度は、横軸に対する回転式チューブの調整に対応して適切に調節することができる。

一実施形態では、導波管は中空構成部品を含む。導波管は、中空金属部品を含むこともある。他の実施形態において、導波管は、固体構成部品を含むこともある。

一実施形態において、導波管は、インピーダンス整合チューナーをさらに含む。

一実施形態において、本装置は、バイオマスをチップ化するための砕木機をさらに含む。一実施形態において、バイオマスは、回転式チューブがそれを受け取る前にチップ化される。砕木機は、本装置の他の部品に接続されることができる。あるいは、砕木機は、本装置とは別の独立型部品であり得る。

一実施形態において、本装置は、バイオマスを回転式チューブに供給するための供給機構または送り込みホッパーをさらに含む。

一実施形態において、本装置は、回転式チューブ内の酸素含有量を測定するためのセンサをさらに含む。

一実施形態において、本装置は、制御システムをさらに含む。制御システムは、温度プローブ、真空プローブおよび酸素センサからの情報を適切に受け取る。制御システムは、その情報を適切に用いて、回転式チューブ内の温度および圧力を所定の動作範囲内に維持するために、マイクロ波発生器の電力、回転管の回転速度、回転管の角度、送り込みホッパーからのバイオマスの供給速度、真空発生器により生成される圧力、および／またはキャリアガスの定格供給を含むプロセスの入力を制御する。

一実施形態において、本装置の１以上の部品は、再生可能なエネルギー源によって電力を供給されることもできる。一実施形態において、再生可能なエネルギー源は、太陽光発電エネルギー源である。好適であり得る別の再生可能なエネルギー源としては、風力、水力電気、地熱、潮流、バイオマスまたはバイオ燃料（本発明の装置および方法で生成されるオイルおよびガスを含む）が挙げられる。

一実施形態において、バイオマスは植物性材料である。

第２の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
（ａ）バイオマスを準備することと、
（ｂ）未処理のバイオマスを受け入れるための入口と、処理されたバイオマスを放出するための出口とを有し、横軸に対して所定の角度で傾斜している回転式チューブを提供することと、
（ｃ）電磁エネルギーが回転式チューブの長手軸に対して略平行な方向に移動するように、電磁エネルギーを回転式チューブおよびそこに収容されたバイオマスに照射することとを含む。

一実施形態において、本方法は、木炭、バイオオイル、および／またはガスを生産するために電磁エネルギーをバイオマスに照射することを含む。一実施形態において、バイオマスは植物性材料である。

一実施形態において、本方法は、横軸に対して回転式チューブの角度を調節するステップをさらに含む。

一実施形態において、回転式チューブを準備するステップは、回転式チューブの周りを囲む絶縁体を備えることを含む。

一実施形態において、電磁エネルギーを照射するステップは、マイクロ波放射を照射することを含む。一実施形態において、マイクロ波放射は、約９００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数範囲を有する。使用される電磁エネルギーの一般的な周波数は、約９００ＭＨｚと約１０００ＭＨｚの間、および約２ＧＨｚと約３ＧＨｚの間である。マイクロ波放射の周波数は、産業用加熱用の産業、科学および医療用（ＩＳＭ）バンドの１つに適した周波数であり得る。産業用加熱のためのＩＳＭバンドとしては、約９１５ＭＨｚ、約９２２ＭＨｚ、および約２４５０ＭＨｚが挙げられる。また、好適であり得る他の周波数としては、例えば、約１３ＭＨｚ、約２７ＭＨｚおよび約４０Ｈｚが挙げられる。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブの内部圧力を調節することをさらに含む。回転式チューブ内の圧力は、大気圧に対して陽圧または陰圧であってよい。一実施形態において、バイオマスは、約０ｋＰａ〜約２００ｋＰａの圧力で処理される。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブ内部に液体を導入することをさらに含む。液体は、好ましくは、噴霧として導入される水である。

一実施形態において、本方法は、有機物質から排出される蒸気を収集することをさらに含む。一実施形態において、本方法は、蒸気を凝縮物に凝縮することをさらに含む。一実施形態において、本方法は、凝縮物を収集することをさらに含む。凝縮物は、適切に容器に収集される。一実施形態において、凝縮物はバイオオイルを含む。

一実施形態において、本方法はガス／蒸気抽出システムを提供することをさらに含む。一実施形態において、本方法は、回転式チューブの内部にキャリアガスを供給することをさらに含む。キャリアガスは不活性ガスであってよく、例えば、二酸化炭素、アルゴンまたは窒素を含んでよい。

一実施形態において、本方法は、ガス凝縮器の圧力を減圧することをさらに含む。一実施形態において、回転式チューブの空間内の空気圧を上昇させるために該回転式チューブに関連する圧力調整器は、減圧圧力の供給源をガス凝縮器に供給するための真空発生器でもある。

一実施形態において、本方法は、バイオマスをチップ化することをさらに含む。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブ内の材料の温度を測定することをさらに含む。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブ内の圧力を測定することをさらに含む。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブ内の酸素含有量を測定することをさらに含む。

一実施形態において、本方法は、温度プローブ、真空プローブおよび酸素センサからの情報を受け取ることをさらに含む。本方法は、その情報を用いて、回転式チューブ内の温度および圧力を所定の動作範囲内に維持するために、マイクロ波発生器の電力を制御すること、回転管の回転速度を制御すること、回転管の角度を制御すること、送り込みホッパーからのバイオマスの供給速度を制御すること、真空発生器により生成される圧力を制御すること、および／またはキャリアガスの定格供給を制御することを含むプロセスの入力を制御することを適切に含む。

第３の態様において、本発明は概して、電磁発生器からの電磁エネルギーをチャンバに導く導波管に存在し、該導波管は、
電磁発生器からの電磁エネルギーを受け取るよう適合された第１の部分と、
第１の部分からの電磁エネルギーを受け取って、電磁エネルギーをチャンバへ導くよう適合された第２の部分とを含み、
第１の部分に対する第２の部分の角度が調整可能となるように、第２の部分は第１の部分に動作可能に接続されている。

一実施形態において、導波管の第２の部分は、導波管の第１および第２の部分が互いに枢動することを可能にする接続部分によって導波管の第１の部分に動作可能に接続されている。

一実施形態では、導波管のそれらの部分は、中空構成部品を含む。導波管のそれらの部分は、中空金属部品を含んでよい。他の実施形態において、導波管のそれらの部分は、固体構成部品を含んでよい。一実施形態において、導波管は、インピーダンス整合チューナーをさらに含む。

第４の態様において、本発明は概して、バイオマスからバイオオイルを生産するための方法に存在し、該方法は、
（ａ）バイオマスを準備することと、
（ｂ）バイオマスを受け取るための反応器空間を画定する電磁空洞チャンバを用意することと、
（ｃ）バイオマスが概して第１の方向に移動するように、バイオマスを反応器空間に供給することと、
（ｄ）バイオオイルが蒸気の形でバイオマスから排出されるように、電磁エネルギーを反応器空間と、そこに収容されたバイオマスとに照射することと、
（ｅ）不活性ガスが第１の方向と略反対方向に移動して、バイオオイルを容器から移動させて押し流すように、不活性ガスを反応器空間に供給することと、
（ｆ）バイオオイルを収集することとを含む。

バイオマスから排出されるバイオオイルは、タールとして知られている液体を含む。

一実施形態において、バイオオイルは、揮発性バイオオイルを含む。さらに、またはその代わりに、バイオオイルは、非揮発性バイオオイルを含む。揮発性バイオオイルは、その形成温度でかなりの蒸気圧を伴う。非揮発性バイオオイルは、形成温度で発する蒸気圧が限定されているバイオオイルである。

一実施形態において、本方法は、回転式チューブの内部に液体を導入することをさらに含む。液体は、好ましくは、噴霧として導入される水である。

一実施形態において、また、このプロセスは、電磁エネルギーをバイオマスに加えるまたは伝達することによってバイオマスから木炭を生成する。木炭は、バイオ炭またはアグリ炭としても知られている。

一実施形態において、バイオマスは植物性材料である。植物性材料としては、木材、穀物用植物、海草、有機廃棄物または木炭に変わることができる任意のバイオマスが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態において、植物性材料は、ラジアータパイン、石炭、ナタネ油、トウモロコシ茎葉、コーヒー豆、刈り取ったつる植物、スギ、竹、ビャクダンまたはユーカリノキである。

不活性ガスは、例えば、二酸化炭素、アルゴンまたは窒素を含んでよい。

一実施形態において、バイオオイルを収集するステップは、バイオオイル蒸気を運ぶキャリアガスを凝縮器に通過させて凝縮バイオオイルを生成するステップを含んでよい。

一実施形態において、キャリアガスは特定の流速でチャンバに供給される。流速は、チャンバ内の圧力および／またはバイオオイルの取り出し速度を制御するように特定されることができる。

一実施形態において、本方法は、反応器空間およびそこに収容されたバイオマスに電磁エネルギーを照射するステップの間、バイオマスの温度を制御するステップをさらに含む。バイオマスの温度は、電磁発生器の出力を制御することによって、および／または反応器空間およびそこに収容されたバイオマスに電磁エネルギーが照射される継続時間を制御することによって制御されることができる。

一実施形態において、バイオマスは、約０ｋＰａ〜約２００ｋＰａの圧力で処理される。

一実施形態において、電磁エネルギーをバイオマスに照射するステップは、バイオマスを約３０℃〜約１０００℃の温度に加熱する。

一実施形態において、バイオマスはほぼ周囲温度で石英管に入る。

一実施形態において、目的が精油の収集である場合、バイオマスは約３３０℃未満の温度で放出される。

一実施形態において、目的がサッカリド熱分解物の収集である場合、バイオマスは約３５０℃〜約４２０℃の温度で放出される。

一実施形態において、目的が木炭の作製である場合、バイオマスは約６００℃を超える温度で放出される。

より好ましくは、電磁エネルギーは、第１の方向と略平行である第２の方向で照射される。第２の方向は、第１の方向に対して反対の方向であってよい。

一実施形態において、チャンバは絶縁されている。

一実施形態において、チャンバは横軸に対して所定の角度で傾斜しており、本方法は横軸に対してチャンバの角度を調節することをさらに含む。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーを含む。マイクロ波放射は、好ましくは、上記第１の態様に関して開示される範囲と同様の周波数範囲を有する。

一実施形態において、バイオマスからバイオオイルを生産するための方法は、上述の第１の態様の装置を用いて行われる。

第５の態様において、上述の第２の態様の方法によって生産される場合、本発明は概してバイオオイルに存在する。

第６の態様において、本発明は概して、電磁エネルギーをバイオマスに照射することによって生産されるバイオオイルに存在し、バイオオイルは少なくとも約２０〜５０ＭＪ／ｋｇのエネルギー含量によって特徴づけられる。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーを含む。マイクロ波放射は、好ましくは、上記第１の態様に関して開示される範囲と同様の周波数範囲を有する。

一実施形態において、バイオマスは植物性材料である。あるいは、バイオマスは木炭に変わることができる任意のバイオマスであってよい。植物性材料は、木材、穀物用植物、海草または有機廃棄物を含んでよい。好適な一実施形態において、植物性材料は、ラジアータパイン（Ｐｉｎｕｓ Ｒａｄｉａｔａ）である。

第７の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
ａ）バイオマスを準備することと、
ｂ）電磁空洞を準備し、電磁空洞は電磁エネルギーを取り囲んで含むように適合されることと、
ｃ）バイオマスを電磁空洞に導入することと;
ｄ）バイオマスが直接電磁エネルギーを受け取り、間接的な黒体放射場が形成されるような電力レベルで、電磁空洞およびその中に収容されたバイオマスに電磁エネルギーを照射することと、
ｅ）活性炭がバイオマスから形成されるように、バイオマスを間接的な黒体放射場に曝しながら、同時に直接的な電磁エネルギーを照射することとを含む。

一実施形態において、本方法は、バイオマスを含有するように適合された反応容器を準備することと、該反応容器を電磁空洞に導入することとをさらに含む。この実施形態において、バイオマスは反応容器に導入される。

一実施形態において、電磁空洞は、耐火材を含む。耐火材は、少なくとも部分的に反応チャンバの周りを囲んでいる。一実施形態において、耐火材は、反応チャンバの周りを囲んでいる。

一実施形態において、反応容器は、プラズマを含有するように適合されている。

一実施形態において、反応容器は、バイオマスを放射場に曝した結果として生成される化学反応生成物を含有するように適合されている。

一実施形態において、直接的な電磁エネルギーは、熱分解生成物が形成されると、該熱分解生成物が反応容器の内側に層を形成するような電力レベルでバイオマスに照射される。直接的な電磁エネルギーが熱分解生成物の層に照射されると、その層は電磁エネルギーを吸収して黒体放射場を生成させる導電層になる。他の実施形態において、本方法は、反応容器の壁に炭素層を塗布することを含む。例えば、反応容器の壁にグラファイトを含む層を塗るか噴霧することによって行う。

一実施形態において、バイオマスは、最大収量の活性炭素が形成されるような期間これらのエネルギー場に曝される。この期間は、電力レベル対炭素含有物質の量の割合による。

一実施形態において、木炭の温度が適切な温度まで上昇するような電力レベルが選択される。

一実施形態において、本方法は、バイオマスをマイクロ波エネルギーに曝すことを停止することを含み、停止するとすぐにバイオマスが本装置から取り出されて収集される。

一実施形態において、本方法は、反応容器内の空気を添加ガスと置き換えることをさらに含む。

一実施形態において、電磁エネルギーがバイオマスに照射されると、反応容器の壁のいずれかの導電層に加えて、プラズマが形成される。このプラズマはバイオマスに対して放射場を生成させる。

プラズマは、熱分解生成物を介して蒸気の形で形成され、特に、フェノール由来の熱分解生成物は、マイクロ波エネルギーを十分に吸収して、蒸気をイオン化し、それに続いてガス相が導電性になる。導電種が発現すると、マイクロ波エネルギーの吸収がさらに大幅に向上し、プラズマ発生がさらに向上する。

一実施形態において、添加ガスは、バイオマスを横断して流れて、出口管から取り出され、同時に、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果として生成された揮発性物質が除去される。

一実施形態において、添加ガスは、特定の流速でチャンバに供給される。この流速は、チャンバ内の圧力、ならびに反応容器の壁に堆積された熱分解生成物ではなくバイオオイルの取り出し速度を制御するように特定されることができる。

一実施形態において、本方法は、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果としてバイオマスから蒸気形態で排出されるバイオオイルを凝縮物に凝縮することをさらに含む。一実施形態において、凝縮物はガス凝縮器に関連する適切な容器に収集される。

一実施形態において、本方法は、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果としてバイオマスから排出される非凝縮性ガス類を収集することをさらに含む。一実施形態において、非凝縮性ガス類は、適切な容器に収集される。さらなる一実施形態において、蒸気は添加ガスに導入されてよい。

一実施形態において、バイオマスは小型化したバイオマスである。好適な一実施形態において、バイオマスは微細化したリグノセルロースを含む。そのような微細化したリグノセルロースの多くの例の一つは、おがくずである。さらなる例としては、木材、穀物用植物、海草または有機廃棄物、わらなどの粉砕農業廃棄物、都市廃棄物からのセルロース断片、林業もしくは農産加工、そのような加工用に特別に栽培された農作物からの粉砕廃棄物、および種々の低木植物、特に他の遊休地で偶然に生育した植物が挙げられるがこれらに限定されない。

一実施形態において、直接的な電磁エネルギーは、長波電磁エネルギーである。好適な一実施形態において、長波電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである。一実施形態において、マイクロ波エネルギーは、約９００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数範囲を有する。使用される電磁エネルギーの一般的な周波数は、約９００ＭＨｚと約１０００ＭＨｚの間、および約２ＧＨｚと約３ＧＨｚの間である。好適な一実施形態において、マイクロ波エネルギーの周波数は、産業用加熱用の産業、科学および医療用（ＩＳＭ）バンドの１つに適した周波数であり得る産業用加熱用のＩＳＭバンドとしては、約８９６ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ、約９２２ＭＨｚおよび約２４５０ＭＨｚが挙げられる。適切と予想される他の周波数としては、例えば、約１３ＭＨｚ、約２７ＭＨｚ、約４０ＭＨｚおよび約５ＧＨｚが挙げられる。

活性炭形成の温度は、４５０℃〜１３００℃、好ましくは５５０℃〜９００℃であり、この温度は印加される電力によって制御される。

バイオマスの加熱は、黒体放射からのマイクロ波電力の直接的な吸収と、間接的な電力の両方が挙げられる。黒体放射は、反応容器の内側の導電性の炭素質堆積物にマイクロ波エネルギーを照射する（すなわち赤熱から黄熱までになる）ことから、もしくはマイクロ波エネルギーによって形成されるプラズマから、または両方から生じる。一実施形態において、この間接的な黒体放射は、連続的に安定な電力レベルである。

加熱時間は、炭素含有物質の電力対質量に依存し、約１分〜約５時間であってよいが、約１０分〜約１時間が好ましい。

電磁空洞の内部は、加圧されるかまたは真空にされることがあるが、大体、大気圧を用いることが好ましい。

反応容器の内部は、加圧されるかまたは真空にされることがあるが、大気圧に近い圧力を用いることが好ましい。

一実施形態において、本方法は、添加ガスを反応容器の内部に導入することをさらに含む。

添加ガスは、条件下で炭素と著しく反応しない、または高温でゆっくり反応するだけである任意のガスであることが好ましい。そのような不活性ガスの例としては、窒素、アルゴン、ネオンおよびヘリウムが挙げられるがこれらに限定されない。低反応性ガスの例としては、二酸化炭素、一酸化炭素およびオゾンが挙げられる。

一実施形態において、本方法は、ステップ（ａ）の前にバイオマスを前処理するステップをさらに含み、該前処理ステップは、約ｘｘｘｘｘｘの圧力、約２３０℃と約３５０℃の間の温度で水中のバイオマスを加熱することを含む。

一実施形態において、酸触媒は、前処理ステップの前に水に添加される。

一実施形態において、本方法は、遊離水を除去するために、前処理したバイオマスに機械的な圧力を掛けることをさらに含む。

第８の態様において、本発明は、第７の態様の方法によって生産される活性炭に存在する。

第９の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
ａ）バイオマスを準備するステップと、
ｂ）マイクロ波吸収物質を準備するステップと、
ｃ）電磁エネルギー場の周りを囲んで含むように適合される電磁空洞を準備するステップと、
ｄ）固体、液体およびガスを含むように適合される反応容器を準備するステップと、
ｅ）反応容器を電磁空洞に導入するステップと、
ｆ）バイオマスを反応容器に導入するステップと、
ｇ）マイクロ波吸収物質を反応容器に導入するステップと、
ｈ）添加ガスを反応容器の内部に導入するステップと、
ｉ）バイオマス吸収物質が直接電磁エネルギーを受け取るような電力レベルで、電磁空洞、反応容器およびそこに収容されたマイクロ波吸収物質に電磁エネルギーを照射するステップと、
ｊ）プラズマが添加ガスによって生成され、プラズマは放射場を生成させるような添加ガスへ、マイクロ波吸収物質から熱を流すステップと、
ｋ）活性炭素および／または加炭材カーボンがバイオマスから形成されるような放射場にバイオマスを曝すステップとを含む。

一実施形態において、本方法は、バイオマスを含有するように適合される反応容器を準備することと、該反応容器を電磁空洞に導入することとをさらに含む。本実施形態において、バイオマスは反応容器に導入される。

一実施形態において、電磁空洞は、耐火材を含む。耐火材は、少なくとも部分的に反応チャンバの周りを囲んでいる。一実施形態において、耐火材は反応チャンバの周りを囲んでいる。

一実施形態において、反応容器は、プラズマを含有するように適合されている。

一実施形態において、反応容器は、バイオマスを放射場に曝す結果として生成される化学反応生成物を含有するように適合されている。

一実施形態において、バイオマスがマイクロ波吸収物質によって吸収されない電磁エネルギーを吸収するようにバイオマスは、電磁エネルギーに曝されてよい。

他の実施形態において、バイオマスは、マイクロ波吸収物質によって吸収されない電磁エネルギーを吸収するようなバイオマスである。バイオマスは、第２の反応容器に含まれてよく、電磁エネルギーに曝されなくてよい。この別の実施形態において、第２の反応容器中のバイオマスによって生じる熱分解生成物は、第１の反応容器の壁に導電層（本発明の第７の態様に記述されるように）と、電磁場からの吸収エネルギーとを形成しない。それによってプラズマに対してより多くの電力が可能になる。

一実施形態において、ステップｈ）の後に、マイクロ波吸収物質は、プラズマに対してより多くの電力が可能になるために、プラズマの開始後に電磁場から遮蔽される。

一実施形態において、ステップｈ）の後に、電磁エネルギーの出力レベルは制御され、および／またはプラズマの位置および強度を制御するように添加ガスの流速が制御される。

一実施形態において、ステップｈ）の後に、添加ガスの組成物は、その特性と、炭素含有物資の露出面との化学反応速度とを制御するように調節される。

一実施形態において、バイオマスは、最大収量の活性炭素または加炭材カーボンが形成されるような期間これらのエネルギー場に曝され、この期間は、電力レベル対炭素含有物質の量の割合に依存する。

一実施形態において、木炭の温度が適切な温度まで上昇するように電力レベルは選択される。

一実施形態において、本方法は、バイオマスをマイクロ波エネルギーに曝すことを停止することを含み、停止するとすぐにバイオマスが本装置から取り出されて収集される。

プラズマは、添加ガスが部分的にイオン化するようにマイクロ波吸収物質によって十分に加熱された添加ガスによって形成され、それに続いてガス相は導電性になる。電磁場は、プラズマを開始している導電性ガス相とカップリングする。

一実施形態において、添加ガスは、バイオマスを横断して流れて、出口管から取り出され、同時に、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果として生成される揮発性物質が除去される。

一実施形態において、添加ガスは、特定の流速で反応容器に供給される。この流速は、反応容器内の圧力、ならびに反応容器の壁に堆積された熱分解炭素ではなくバイオオイルの取り出し速度を制御するように特定されることができる。

一実施形態において、本方法は、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果としてバイオマスから蒸気形態で排出されるバイオオイルを凝縮物に凝縮することをさらに含む。一実施形態において、凝縮物はガス凝縮器に関連する適切な容器に収集される。

一実施形態において、本方法は、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果としてバイオマスから排出される非凝縮性ガス類を収集することをさらに含む。一実施形態において、非凝縮性ガス類は、適切な容器に収集される。

さらなる一実施形態において、蒸気は添加ガスに導入されてよい。

一実施形態において、バイオマスは小型化したバイオマスである。好適な一実施形態において、バイオマスは微細化したリグノセルロースを含む。そのような微細化したリグノセルロースの多くの例の一つは、おがくずである。さらなる例としては、木材、穀物用植物、海草または有機廃棄物、わらなどの粉砕農業廃棄物、都市廃棄物からのセルロース断片、林業もしくは農産加工、そのような加工用に特別に栽培された農作物からの粉砕廃棄物、および種々の低木植物、特に他の遊休地で偶然に生育した植物が挙げられるがこれらに限定されない。

一実施形態において、バイオマスは、亜れき青炭、れき青炭または無煙炭である。

一実施形態において、直接的な電磁エネルギーは、長波電磁エネルギーである。好適な一実施形態において、長波電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである。一実施形態において、マイクロ波エネルギーは、約９００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数範囲を有する。使用される電磁エネルギーの一般的な周波数は、約９００ＭＨｚと約１０００ＭＨｚの間、および約２ＧＨｚと約３ＧＨｚの間である。好適な実施形態において、マイクロ波エネルギーの周波数は、産業用加熱用の産業、科学および医療用（ＩＳＭ）バンドの１つに適した周波数であり得る。産業用加熱のためのＩＳＭバンドとしては、約９１５ＭＨｚ、約９２２ＭＨｚ、および約２４５０ＭＨｚが挙げられる。また、好適であり得る他の周波数としては、例えば、約１３ＭＨｚ、約２７ＭＨｚおよび約４０ＭＨｚおよび約５ＧＨｚが挙げられる。

活性炭の形成温度は、４５０℃〜１３００℃、好ましくは５５０℃〜９００℃である。

加炭材カーボンの形成温度は、４５０℃〜１３００℃であり、好ましくは６００℃〜９００℃である。

反応温度は、印加されるマイクロ波電力を介して制御される。

バイオマスの加熱は、黒体放射からのマイクロ波電力の直接的な吸収と、間接的な電力の両方が挙げられる。黒体放射は、マイクロ波エネルギーによって形成されるプラズマから生じる。一実施形態において、この間接的な黒体放射は、連続的に安定な電力レベルである。

加熱時間は、炭素含有物質の電力対質量に依存し、約１分〜約５時間でよいが、約１０分〜約１時間が好ましい。

電磁空洞の内部は、加圧されるかまたは真空にされることがあるが、大気圧に近い圧力を用いることが好ましい。

反応容器の内部は、加圧されるかまたは真空にされることがあるが、大気圧に近い圧力を用いることが好ましい。

添加ガスは、条件下で炭素と著しく反応しない、または高温でゆっくり反応するだけである任意のガスであることが好ましい。そのような不活性ガスの例としては、窒素、アルゴン、ネオンおよびヘリウムが挙げられるがこれらに限定されない。低反応性ガスの例としては、二酸化炭素、一酸化炭素、オゾンおよび蒸気が挙げられる。

一実施形態において、本方法は、ステップ（ａ）の前にバイオマスを前処理するステップをさらに含み、該前処理ステップは、約ｘｘｘｘｘｘの圧力、約２３０℃と約３５０℃の間の温度で水中のバイオマスを加熱することを含む。

一実施形態において、酸触媒は、前処理ステップの前に水に添加される。

一実施形態において、本方法は、遊離水を除去するために、前処理したバイオマスに機械的な圧力を掛けることをさらに含む。

一実施形態において、反応容器は添加ガスを含有するように適合されている。

第１０の態様において、本発明は、第９の態様の方法によって生成される活性炭および／または加炭材に存在する。

第１１の態様において、本発明は概して、電磁エネルギーをバイオマスに照射することによって生成される活性炭および／または加炭材カーボンに存在し、該活性炭および／または加炭材カーボンは、少なくとも約８８％の炭素含有量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、少なくとも約９０％、好ましくは少なくとも約９５％の炭素含有量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、約１％未満、好ましくは約０．３％未満の水素含有量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、約１％未満、好ましくは約０．４％未満の窒素含有量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、約０．４％未満、好ましくは約０．３％未満の硫黄含有量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、約３０ＭＪ／ｋｇを超える、好ましくは約３３ＭＪ／ｋｇを超える総発熱量によって特徴づけられる。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、約２％未満、好ましくは約１．１％未満の水分損失によって特徴づけられる。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーを含む。マイクロ波放射は、好ましくは、上記第７の態様に関して開示される範囲と同様の周波数範囲を有する。

一実施形態において、活性炭および／または加炭材カーボンは、同時に直接的な電磁エネルギーをかけながら、バイオマスを間接的な黒体放射場に曝すことによって生成される。

一実施形態において、バイオマスは植物性材料である。あるいは、バイオマスは、木炭に変えることができる任意のバイオマスであってよい。植物性材料は、木材、穀物用植物、海草または有機廃棄物を含んでよい。好適な一実施形態において、植物性材料は、ラジアータパインである。他の実施形態において、バイオマスは亜れき青の長炎炭である。

第１２の態様において、本発明は概して、方法に存在し、該方法は、
ａ）バイオマスを準備するステップと、
ｂ）電磁エネルギー場を取り囲んで含むように適合される電磁空洞を準備するステップと、
ｃ）バイオマスを電磁空洞の内部に導入するステップと、
ｄ）バイオマスが直接電磁エネルギーを受け取り、間接的な黒体放射場が形成されるような電力レベルで、電磁空洞およびその中に収容されたバイオマスに電磁エネルギーを照射するステップと、
ｅ）活性炭がバイオマスから形成されるように、同時に直接的な電磁エネルギーをかけながら、バイオマスを間接的な黒体放射場に曝すステップと、
ｆ）鋼鉄を製造するために活性炭を使用するステップとを含む。

第１２の態様は、第７または第９の態様に関して上述の特徴のうちの１以上を含んでよい。

第１３の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
ａ）バイオマスを準備するステップと、
ｂ）マイクロ波吸収物質を準備するステップと、
ｃ）電磁エネルギー場を取り囲んで含むように適合される電磁空洞を準備するステップと、
ｄ）バイオマス容器を電磁空洞の内部に導入するステップと、
ｅ）マイクロ波吸収物質を反応容器の内部に導入するステップと、
ｆ）マイクロ波吸収物質が直接電磁エネルギーを受け取るような電力レベルで、電磁空洞およびその中に収容されたマイクロ波吸収物質に電磁エネルギーを照射するステップと、
ｇ）熱がマイクロ波吸収物質から添加ガスに流れるようにし、その結果添加ガスによってプラズマが生成され、該プラズマは放射場を生成させるステップと、
ｈ）バイオマスを放射場に曝し、その結果加炭材カーボンがバイオマスから形成されるステップと、
ｉ）加炭材カーボンを用いて鋼鉄を製造するステップとを含む。

第１３の態様は、第７または第９の態様に関して上述の特徴のうちの１以上を含んでよい。

第１４の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
ａ）バイオマスを準備するステップと、
ｂ）電磁エネルギー場を取り囲んで含むように適合される電磁空洞を準備するステップと、
ｃ）バイオマス原料および処理したバイオマスを取り囲んで含むように適合される反応容器を準備するステップと、
ｄ）反応容器を電磁空洞の内部に導入するステップと、
ｅ）マイクロ波吸収物質を反応容器の内部に導入するステップと、
ｆ）マイクロ波吸収物質が直接電磁エネルギーを受け取るような電力レベルで、電磁空洞、バイオマスおよびその中に収容されたマイクロ波吸収物質に電磁エネルギーを照射するステップと、
ｇ）熱がマイクロ波吸収物質から添加ガスに流れるようにし、その結果添加ガスによってプラズマが生成され、該プラズマは放射場を生成させるステップと、
ｈ）バイオマスを放射場に曝し、その結果ナットコークスがバイオマスから形成されるステップとを含む。

第１４の態様は、第７または第９の態様に関して上記の特徴のうちの１以上を含んでよい。

第１５の態様において、本発明は概して、バイオマスを処理するための方法に存在し、該方法は、
ａ）処理したバイオマスを木炭の形態で準備するステップと、
ｂ）電磁エネルギー場を取り囲んで含むように適合される電磁空洞を準備するステップと、
ｃ）反応容器を準備するステップと、
ｄ）反応容器を電磁空洞の内部に導入するステップと、
ｅ）マイクロ波吸収物質を反応容器の内部に導入するステップと、
ｆ）反応容器を電磁空洞に導入するステップと、
ｇ）マイクロ波吸収物質を反応容器の内部に導入するステップと、
ｈ）マイクロ波吸収物質が直接電磁エネルギーを受け取るような電力レベルで、電磁空洞、バイオマスおよびその中に収容されたマイクロ波吸収物質に電磁エネルギーを照射するステップと、
ｉ）熱がマイクロ波吸収物質から添加ガスに流れるようにし、その結果添加ガスによってプラズマが生成され、該プラズマは放射場を生成させるステップと、
ｊ）バイオマスを放射場に曝し、その結果カーボングラファイトがバイオマスから形成されるステップとを含む。

第１５の態様は、第７または第９の態様に関して上述の特徴のうちの１以上を含んでよい。

本発明の方法を実施するための第１の好適な実施形態の装置の概略図である。 好適な実施形態の調節可能な導波管の概略図である。 第２の好適な実施形態の装置の正面図である。 図３のＡ−Ａ線により切断した断面図である。 本発明の好適な実施形態の方法のフローチャートである。 本装置のガス取り出し／キャリアガス注入ポイントの詳細な断面図である。 本発明の方法を実施するための第２の好適な装置の概略図である。 図７の装置の側面図である。 バックプレートを取り外し、反応容器を部分的に取り除いた図７の装置の出口端の部分斜視図である。 図７の装置の斜視図である。 本発明の方法を実施するための第２の装置の一実施形態の概略図である。 水熱装置の断面図である。

本明細書で用いる場合、用語「含んでいる」とは、「少なくとも一部分〜なる」であることを意味する。すなわち、「含んでいる」を含む本明細書での記載を解釈するとき、各記載においてこの用語の前に置かれる特徴は、すべて存在する必要があるが、他の特徴も存在することができる。「含む」および「含んでいた」などの関連する用語は、同じような方法で解釈されるものとする。

本発明は概して、本出願の明細書で個々にもしくは集合的に参照または示される部分、要素および特徴、ならびに記載の部分、要素または特徴のうちの任意の２つ以上の任意もしくはすべての組み合わせに存在すると言ってもよく、および本発明が関連する技術分野で既知の同等物を有する特定の整数が本明細書に記述される場合、そのような既知の同等物は本明細書で個々に記載されているかのように組み込まれていると見なされる。

本明細書で用いる場合、名詞に続く用語「ｓ」とは、その名詞の複数形および／または単数形を意味する。

本明細書で用いる場合、用語「および／または」とは、「および」もしくは「または」、あるいは文脈によって両方とも可能であることを意味する。

本明細書で開示される数値の範囲（例えば１〜１０）への言及も、その範囲内のすべての有理数（例えば１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９および１０）への言及、およびその範囲内の有理数の任意の範囲（例えば２〜８、１．５〜５．５および３．１〜４．７）への言及も組み込み、したがって本明細書に明示的に開示されるすべての範囲のすべての部分範囲は本明細書によって明示的に開示されることを目的とする。これらは、特に意図するものの例にすぎず、最低値と最高値の間の数値のすべての可能な組み合わせは、本出願において同様な方法で明示的に記載されているとみなすものとする。

本発明は前述に存在し、かつそのうちのほんの例として以下にあげる構築体を想定する。

[定義]
用語「活性炭」とは、基本的に炭素だけを含む任意の材料を意味し、標準ＢＥＴ試験で窒素の吸着により算出すると、そのような材料の１グラムの表面積は、約５００平方メートルである。

用語「加炭材カーボン」とは、主として炭素を含み、固定炭素含有量＞８８％、揮発性含有量＜１％、水分含有量＜２％、灰含有量＜５％、窒素含有量＜１％、硫黄含有量＜０．４％、発熱量＞３０２８ＭＪ／ｋｇ、および水素含有量＜１％を有する任意の材料を意味する。

用語「ナットコークス」とは、主として炭素を含み、固定炭素含有量＞８４％（無水ベース）、硫黄含有量＜０．５％、窒素含有量＜０．５％、揮発性含有量＜２％、水分含有量＜１０％、灰含有量＜１３％を有する任意の材料を意味する。ナットコークスは、製鋼プロセスにおいて火力を上げるための燃料として使用される。

本明細書で用いる場合、用語「バイオマス」とは、処理されているものを含む植物由来の材料をいう。また、本明細書で用いる場合、用語「バイオマス」とは、処理されているものを含む亜れき青炭、れき青炭または無煙炭をいう。

用語「小型化した」とは、いずれの他の動詞形を含めて、そう説明される材料が本来見られるよりも小さい部分で存在することを意味する。一実施形態において、そのような小型化は、切断、粉砕、チップ化、または製材する間のおがくずの生産などの付随的な小型化を含むがこれらに限定されない任意の方法によって、バイオマスを任意の方向に１ｃｍ、またはそれより小さい片に変えることを含む。

本明細書で用いる場合、用語「含んでいる」とは、「少なくとも一部分〜なる」であることを意味する。すなわち、「含んでいる」を含む本明細書での記載を解釈するとき、各記載においてこの用語の前に置かれる特徴は、すべて存在する必要があるが、他の特徴も存在することができる。「含む」および「含んでいた」などの関連する用語は、同じような方法で解釈されるものとする。

本発明が関連する技術分野の当業者にとって、本発明の構築体における多くの変化および大きく異なる各種実施形態と用途は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、浮かぶことであろう。本明細書中の開示および説明は、単に実例であって、いかなる意味においても限定することを目的としない。本発明が関連する技術分野で既知の同等物を有する特定の整数が本明細書で記述される場合、そのような既知の同等物は本明細書に個々に記載されているかのように組み込まれていると見なされる。

本明細書で用いる場合、名詞に続く用語「ｓ」とは、その名詞の複数形および／または単数形を意味する。

本明細書で用いる場合、用語「および／または」とは、「および」もしくは「または」、あるいは文脈によって両方とも可能であることを意味する。

本明細書で開示される数値の範囲（例えば１〜１０）への言及も、その範囲内のすべての有理数（例えば１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９および１０）への言及、およびその範囲内の有理数の任意の範囲（例えば２〜８、１．５〜５．５および３．１〜４．７）への言及も組み込み、したがって本明細書に明示的に開示されるすべての範囲のすべての部分範囲は本明細書によって明示的に開示されることを目的とする。これらは、特に意図するものの例にすぎず、最低値と最高値の間の数値のすべての可能な組み合わせは、本出願において同様な方法で明示的に記載されているとみなすものとする。

本発明は前述に存在し、そのうちのほんの例として以下にあげる構成を想定する。

ここで、本発明を、例示のみを目的として添付の図面を参照して説明する。

［好適な実施形態］
図１は、バイオマスまたは有機材料を処理するための第１の好適な実施形態の装置１の概略図であり、図３、４および７は、バイオマスを処理するための第２の好適な実施形態の装置を示す。別段の説明がない限り、第２の好適な実施形態の特徴および動作は、第１の好適な実施形態の特徴および動作と同じである。

本装置は、ハウジングまたは電磁空洞３、回転式チューブまたは反応容器５、マイクロ波発生器７の形態での電磁発生器、および導波管９、導波管インピーダンス整合網２０８、および真空発生器またはポンプ４９を備える。

本発明は、木材などのバイオマスを、木炭および液体副産物および／またはガス状副産物などに変えるためにマイクロ波技術を用いるマイクロ波エネルギーがバイオマスに加えられると、マイクロ波エネルギーは吸収され、次いで、分子を特定の反応遷移状態により近づける屈曲モードを励起することによって選択された化学反応を間接的に加速することができる方法で熱に変換される。熱励起から生じるより広範囲の材料類とは対照的に、全体としての結果は、マイクロ波エネルギーが選択した生成物の形成を促進することができることである。

木炭において、炭素を大気中に放出することを一切行わなければ、炭素は「固定」されて、長期間（＞１０^３年間）貯留されることができる。比較すると、植物原料は、比較的容易に腐敗するので、一般的に短期貯留だけに適したものになる。したがって、未処理植物性材料として直接的に隔離するよりも木炭中に炭素ガスを隔離すると、炭素ガスが貯留される期間が増大する。マイクロ波を用いて、植物などのバイオマスをエネルギー効率のよい方法で木炭に変えることができる。

このプロセスの間に、液体副産物および／またはガス状副産物がバイオマスから放出される。液体副産物は、液相または気相で放出されることができる。バイオマスから放出される液体副産物および／またはガス状副産物は、バイオオイルすなわちタールとして知られている液体副産物および／またはガス状副産物を含む。液体副産物は、好ましくは、マイクロ波放射をバイオマスに照射した結果としてバイオマスから滲出する。液体副産物は、バイオマスに電磁エネルギーを伝達することによってバイオマスから木炭を生成するプロセスの副産物である。液体副産物および／またはガス状副産物には、バイオ燃料またはバイオ燃料用添加物の形態で有用な副産物を含む多くの生成物が含まれる。

図１を参照すると、回転式チューブ５は、ハウジング３によって収納され、ハウジング内で回転可能になる。回転式チューブは、好ましくは、石英管、特に高純度石英ガラスである。回転式チューブ５は、未処理バイオマスを受け取るための入口端１１と、処理バイオマスを放出するための出口端１３を有する。ハウジング３は、回転式チューブの入口と出口に相当する入口端１５と出口端１７を有する。回転式チューブの直径は、バイオマスが塊になるよりはむしろ比較的自由に移動して、管内を転がることができるのに十分である。バイオマスの積載量は電力で測定される。回転式チューブの直径は、最大積載量のバイオマスが自由に転がることができる管径になるように選択または設計される。

図１を参照すると、フィーダー端板は、ハウジング３の入口端の上に配置されてよく、送り出し端板は、ハウジングの出口端の上に配置されてよい。フィーダー端板は、未処理のバイオマスが送り込みホッパー２３から管に導入されることができるように適合されている。図１の概略図において、送り込みホッパー２３は、未処理バイオマスを直接、回転式チューブ５に供給する。あるいは、送り込みホッパーは、適切な通路または導管を介して入口に材料を供給することができる。図４を参照すると、本装置は、未処理バイオマスを回転式チューブ５に供給するためにオーガ２４を備えている。バイオマスは、連続処理またはバッチ処理で回転式チューブに導入されてよい。

送り出し端板は、マイクロ波エネルギーが導波管９を介して回転式チューブに導入されることができるように適合されている。送り出し端板は、好ましくは石英板である。本装置は、導波管とハウジング３の間にパーティションを備える。示した好適な実施形態において、木炭は、パイプまたは通路を介して回転式チューブの出口から集合ホッパー２３に放出される。示した好適な実施形態において、木炭は重力の影響を受けて、ホッパー中に落ちる。集合ホッパーは、連続処理に基づいて処理生成物が取り出されるように、間欠的なエアロックよる密封容器である。図４を参照すると、本装置は、回転式チューブ５と集合ホッパーの間のパイプの通路内に配置された回転弁として作動するボール弁を備える。ボール弁は、ボール中にディスクがあり、処理中の材料を保持するための領域をもたらす。

図１を参照すると、回転式チューブ５は、横軸Ｈに対して角度Ａで傾いている。横軸に対する回転式チューブ５の角度は、バイオマスが処理される速度を制御するように調節される。例えば、回転式チューブの角度は、例えば、約３°と約３０°の間で調節されることができる。

示した好適な実施形態において、ハウジング３および回転式チューブ５は、共に横軸Ｈに対する角度で傾いており、かつハウジング３に対する回転式チューブ５の角度は固定されている。横軸に対する回転式チューブ５の角度を調節するために、ハウジング３の角度が調節される。好適な実施形態において、ハウジング３は、装置を傾斜させることができる４つの調節脚２５の上に取り付けられている。角度は、ハウジング脚２５の高さを変えることによって調節される。高さと傾斜角は、制御システムの一部として、手動または自動で調節されることができる。

あるいは、ハウジング３は、固定構成部品であってよく、横軸に対する回転式チューブ５の角度は、ハウジングに対する回転式チューブ５の角度を調節することによって調節されることができる。

回転式チューブ５は、実質的に圧力密閉型でありおよび実質的にマイクロ波密閉型である。本装置は、回転式チューブの周りを囲む絶縁材料２７を備えている。回転式チューブ５の外面を絶縁するのに使用される材料は、好ましくは繊維ガラスである。しかし、絶縁材料は、例えば、約３００℃を超える温度での使用に適している任意の実質的に非導電絶縁材料であってよい。マイクロ波エネルギーに曝される場所で用いられる絶縁材料は、好ましくは、外面（上述）上で用いられる材料と同じ熱特性と低誘電体損特性とを備える。例えば、少量の低誘電体損絶縁材料は、導波管／回転管のパーティションの前面に配置される。例えば、導波管パーティションは、純度の高い石英またはセラミックスなどの剛性の低誘電体損材料である。

電気接触および完全性は、マイクロ波を減衰させる４波チョークにより固定端板と回転式チューブの間で維持される。

マイクロ波発生器７は、電磁エネルギーを回転式チューブ５およびその中で受け取るバイオマスに照射するまたは伝達するために回転式チューブ５と関連している。マイクロ波発生器７は、電磁放射を発生するように構成される。好ましくは、電磁放射の周波数範囲は、典型的なマイクロ波である超高周波（ＳＨＦ）または極高周波（ＥＨＦ）である。任意には、マイクロ波発生器７は、適切な周波数範囲でマイクロ波放射を発生する。マイクロ波発生器７の周波数範囲は、約９００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚである。使用される電磁エネルギーの一般的な周波数は、約９００ＭＨｚと約１０００ＭＨｚの間、および約２ＧＨｚと約３ＧＨｚの間である。好適な実施形態において、マイクロ波放射の周波数は、産業用加熱用の産業、科学および医療用（ＩＳＭ）バンドの１つに適した周波数であり得る。産業用加熱のためのＩＳＭバンドとしては、約９１５ＭＨｚ、約９２２ＭＨｚ、および約２４５０ＭＨｚが挙げられる。また、好適であり得る他の周波数としては、例えば、約１３ＭＨｚ、約２７ＭＨｚおよび約４０Ｈｚが挙げられる。

電磁放射は、任意の好適な装置によって生成される。好適な装置としては、例えば、三極管、クライストロン管とマグネトロン管、ならびに固体ダイオードと固体トランジスタが挙げられる。

図１を参照すると、マイクロ波発生器７によって発生されたマイクロ波放射は、導波管９によって電磁空洞に導入される。導波管は、マイクロ波発生器からのマイクロ波放射を電磁空洞に伝達するための中空金属管である。他の実施形態において、マイクロ波発生器７によって発生されるマイクロ波放射は、同軸ケーブルによって電磁空洞に伝達されて、アンテナ構造体を介して電磁空洞３に放射される。同軸ケーブルは、剛性または柔軟性の管状絶縁層に囲まれ、管状導電性シールドによって囲まれた内導体を有する電気ケーブルである。反応容器５およびバイオマス１０８は、両方とも電磁空洞内に存在し、マイクロ波発生器７によって発生されたマイクロ波放射に曝される。

導波管の角度は、回転式チューブ５の角度の調節機能に応じて調整可能である。導波管９には、マイクロ波発生器７から延びる第１の水平部２９と、第１の水平部から回転式チューブ５に向かって延びる第２の水平部３１とがある。第２の水平部３１は、第１の水平部２９に対して角度Ｂで第１の水平部から離れるように延びる。角度Ｂは、回転式チューブの角度Ａに対応する。第１の水平部２９に対する第２の水平部３１の角度は、調節可能である。第２の水平部は、接続部３３によって第１の水平部に動作可能に接続され、該接続部は第１および第２の水平部が互いに対して枢動することを可能にする。

示した好適な実施形態において、導波管９は、その横断面が矩形の中空金属部品である。接続部３３は、対応する矩形の横断面を有する。図２を参照すると、接続部は、側板３５ａと３５ｂおよび２セットの屈曲板３７によって形成されている。側板３５ａと３５ｂのセットは、接続部３３の左側と右側を形成し、屈曲板３７は、接続部の上側と下側を形成する。一実施形態において、本装置は、バイオマスによって吸収されない残留エネルギーを吸収して、反応器の長さに沿って定在波パターンの形成を防ぐように整合負荷で終端してよい。整合負荷は、動作周波数（マイクロ波発生器の周波数）でインピーダンスが約５０オームである導波管水負荷の形であり得る。好ましくは、バイオマスによって吸収されない電力量を測定するために、水負荷は、検出器への電界センサが付いている。

一実施形態において、反応容器は、その中をバイオマスが転がり、集中電界に曝される反応器の中心軸に沿って、電界強度を高めるように比誘電率を有する損失材料によって囲まれてよい。好ましくは、そのような材料は、例えば、２０を超える誘電率を有する。

屈曲板３７は、剛性なまたは弾力性のある導電材料から形成されてよい。導波管の第１の水平部２９と第２の水平部３１の間の角度が変わると、屈曲板は管断面と接触を保持するように動く。管断面間の隙間の両側に適切な接触があるならば、屈曲板は測板に付着されなくてもよい。屈曲板３７は、マイクロ波用シールドと、これらの断面に沿って戻ってくる任意の循環電流用の導体とを形成する。

接続部３３にも、側板３５ａ、３５ｂのセット間で延びる軸３９があり、これにより接続部分の第１の部分２９と第２の部分３１が互いに対して枢動することが可能になる。さらに、側板の各セットにおいて、１つの側板には、同様の半径を有する１、２の機械加工された湾曲スロット４１がある。他方の側板には、湾曲スロットに対応している１、２の開口部４３がある。側板を接続するために、留め具（図示せず）が湾曲スロットの１つと複数開口部のうちの１つを通って延びているが、互いに対して側板を調節することも可能である。側板の調節は、第１および第２の部分の角度を調節する。接続すると、側板はマイクロ波に不浸透性の固体壁を形成する。

導波管９は、適切な材料から構築される。導波管は、例えば伝導材料または誘電材料で構築されることができる。

示した好適な実施形態において、導波管も、調節可能なチューナーを備えている。チューナーを用いて、バイオマス（負荷）を含む反応器の特性インピーダンスを電磁発生器（ソース）と一致させる。ソースと負荷インピーダンスを一致させることによって、バイオマスに結合する最適なエネルギーが実現されることができる。チューナーは、制御システムの一部として手動でまたは自動的に調節されてよい。

本装置にも、蒸気またはガス状の形態で放出されるバイオオイルを取り出して、収集するシステムが備わっている。特に、本装置は、加圧容器４７、凝縮器、および圧力調整器の形で、キャリアガス源を含み得る蒸気／ガス抽出システムを備えることができる。加圧容器は、回転式チューブ５の内部にキャリアガスを供給することができる。キャリアガスは不活性ガスであって、例えば、二酸化炭素、アルゴンまたは窒素を含んでよい。キャリアガスは、回転式チューブの内部から凝縮器にガス状／蒸気の形でバイオオイルを運ぶことができる。次いで、キャリアガスは、続いて回転式チューブに戻り、ガス類を凝縮器に連続して運ぶことができる。ガス抽出システムは、クローズドシステムであってよい。

図４および６を参照すると、本装置は、ハウジング３の入口端の近くに第１のガス取り出し／キャリアガス注入ポイントを備えている。特に、本装置は、ハウジング３を通り、オーガシャフト２４ａを通って回転式チューブ５に延びる第１のガス取り出し／キャリアガス管４５を備えている。

図４を参照すると、本装置は、ハウジング３の出口端の近くに第２のガス取り出し／キャリアガス注入官４６を備えている。第１および第２のガス取り出し／キャリアガス管４５、４６の各々は、石英管、好ましくは高純度石英ガラス管である。第１および第２のガス取り出し／キャリアガス管４５、４６の各々を用いて、キャリアガスを回転式チューブに供給する、または蒸気またはガス状の形態で放出されるキャリアガスおよびバイオオイルを取り出すことができる。これによりキャリアガスの流れの方向を変えることが可能になる。

示した実施形態において、第１のガス取り出し／キャリアガス注入管４５は、水グランド５１を備えている。図６を参照すると、水グランド５１は、必要に応じてガス取り出し／キャリアガス管を回転式石英管５の内部で延ばすまたは引っ込めることができるグラファイトをベースにした急速解除メカニカルシールである。水グランド５１は、グラファイトグランドパッキン材５１ａ、該グランドパキン材の圧縮を可能にするねじ付きロッキングキャップ５１ｂ、および座金５１ｃを備える。

本装置１の作動前に、水グランド５１は緩められ、次いで回転式チューブは、回転式石英管５の内部で必要な位置まで移動される。次いで、水グランド５１は、締め直され、それによりガス取り出し／キャリアガス管周りの気密性／水密性が得られる。

ガス取り出し／キャリアガス管は、オーガシャフト２４ａの内部に収まる。ガス取り出し／キャリアガス管は、オーガシャフト２４ａと共に回転しないが、ギアおよびフランジ５３で固定保持される。メカニカルシールは、オーガ２４と共に回転する。グランドアセンブリは、オーガシャフト２４ａの対応する雌ねじに取り付ける雄ねじ５１ｅを備える。水グランド５１は、回転式石英管の長さに沿って必要な位置で揮発性物質の抽出またはキャリアガスの注入を可能にする。

本装置は、回転式チューブ５内およびガス／蒸気抽出システム内の圧力を調整するように圧力調整器を備えている。示される好適な実施形態において、圧力調整器は真空ポンプ４９である。加えて、加圧容器４７は、圧力調整器として使用されることができる。圧力は、キャリアガスが導入される速度を調節することによって、および／または真空ポンプの速度を調節することによって調整されることができる。本装置は、可変流量調整器、ガス流量インジケータ、ガス圧力インジケータも備えている。回転式チューブ５内の圧力を調整して、大気圧に対して陽圧または陰圧のいずれかにすることができる。

装置１は、バイオマス１０８を小型化するための砕木機をさらに含む。バイオマス１０８は、反応容器に入れられる前にチップ化される。砕木機は、装置の他の部品に接続させてよい。あるいは、砕木機は、本装置と別の独立型構成部品であってよい。

本装置は、温度プローブ、圧力プローブおよび酸素プローブを含む制御システムを備えている。好適な実施形態において、温度プローブは、回転式チューブ内のバイオマスの温度を測定する絶縁接地形熱電対プローブである。あるいは、例えば、応答がより速いボンディング接地形熱電対を用いることが可能である。反応容器中の材料には、バイオマス１０８、マイクロ波吸収物質１０９、揮発性物質１１３、プラズマ１１１、または反応容器５の壁が含まれ得る。

制御システムは温度プローブから情報を受け取り、所定の動作範囲内の温度を維持するためにその情報を用いてマイクロ波発生器７の電力出力を制御し、および／または回転式チューブ５内のバイオマスのスループット／滞留時間を制御する。スループット／滞留時間は、回転式チューブの回転速度、回転管の角度および送り込みホッパーからのバイオマスの供給速度の組み合わせによって制御される。

装置１は、電磁空洞および反応容器の圧力を測定するために真空プローブまたは圧力プローブ（図示せず）をさらに含む。温度は、好ましくは、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ蛍光発光熱電対を用いて測定される。

制御システムも、圧力プローブから情報を受け取る。回転式チューブ５内の圧力を所定の動作範囲内に維持するために、その情報を用いて、ポンプの動作および／またはキャリアガスの供給を制御することができる。圧力は、キャリアガスの追加または除去を制御することで制御される。

制御システムは、横軸に対する回転式チューブ５の角度、回転式チューブの回転速度および／またはバイオマスが回転式チューブに追加される速度を制御および調整することもできる。

装置１は、自動式４スタブ導波管チューナーの形で、導波管インピーダンス整合網をさらに含む。

モニタリング装置または制御システムは、電磁空洞３への導波管９インピーダンスの入力をモニターする。次いで、モニタリング装置によって収集された温度、圧力および導波管インピーダンス、電界電圧データを用いて、加熱プロセスを制御する。反応容器５内の電磁界の増幅、温度および圧力を所定の動作範囲内に維持するために、制御システムは、マイクロ波発生器７、導波管インピーダンス整合網２０８、および真空発生器４９を制御する。

本装置は、図１２に示す水熱反応器も備えている。
第１の好適な動作方法

ここで、本装置の好適な動作方法を説明する。本装置は、連続プロセスまたはバッチプロセスで動作することができる。

バイオマス（一般的に木材、穀物用植物、海草または有機廃棄物）を選択する。隔離プロセス用のバイオマスの選択は、特定種類のバイオマスが二酸化炭素、またはそれから得ることができる必要とされるバイオオイルをいかに有効に固定するかに基づいている。木などの植物性材料の場合、植物性材料が二酸化炭素を固定する有効性は、一般的に、その植物の特定の成長期間にわたり二酸化炭素が固定される量を評価することによって決定される。植物（木など）がより効果的であれば、できるだけ最短の成長期間にわたり最高量の二酸化炭素を固定する。

バイオマスは、好ましくはチップ化された材料である。その大きさが変わることは言うまでもない。バイオマスをチップ化することにより、マイクロ波技術を用いてその材料を木炭に変えることがより容易になり、かつ形成され得る揮発性物質を収集することがより容易になる。

次いで、バイオマスは、送り込みホッパーに収容される。送り込みホッパーは、バイオマスを回転式チューブに供給する。送り込みホッパーは、バイオマスを連続してまたはバッチで回転式チューブ５に供給する。好適な実施形態において、バイオマスは入口に連続して充填され、それにより入口では一定流量および分圧ブロックが形成される。

電磁放射がマイクロ波の形でバイオマスに照射されると、マイクロ波はバイオマス材料を加熱して、バイオマスをバイオ炭とバイオオイルに変える。マイクロ波エネルギーは、回転式チューブの長手軸に対して略平行な方向に移動する。マイクロ波エネルギーが回転式チューブの入力端から回転式チューブの出口端まで移動する際に、マイクロ波は供給材料を加熱する。

キャリアガスは、回転式チューブ５に供給される。本装置の動作中、キャリアガスは連続して、または必要に応じて供給される。マイクロ波によって生成される熱は蒸気としてバイオオイルを放出させる。バイオオイルは次いで、キャリアガスによって管から運ばれ、凝縮器を通って、収集装置で収集される。次いで、使用済みキャリアガスは、ハウジング３を通って回転式チューブに戻り、ガスを凝縮器に運び続ける。このシステムは、わずかな圧力下または真空下のクローズドシステムである。このシステム内のガス類の組み合わせは、制御されることができる。他の実施形態において、蒸気はキャリアガスとして作用することができる。さらに他の実施形態において、キャリアガスを使用するよりはむしろ、本装置は部分的真空下または減圧下で操作されることができる。

不活性ガス流はバイオマスに対して逆に流れ、その結果、熱分解温度に達する前に入ってくるバイオマスの上を揮発性物質が後方に一掃される。これが起こると、揮発性が少ない物質は、入ってくるバイオマス上で凝縮して、入ってくるバイオマスに熱を伝導する。液体はマイクロ波エネルギーをより多く吸収するので、石英管の入口端で、または入口端に向かって、低揮発性物質を凝縮することにより、マイクロ波エネルギーのさらなる吸収に役立つ。低揮発性物質を凝縮することにより、低揮発性物質を実質的に含まない、より有用でより揮発性のバイオオイルまたは重質タールを収集することが可能になる。最終的に、平衡に達する（定電力と供給速度を仮定すると）。これは、連続加熱によりシステムが１つとして機能し、所望のオイルの取り出しは、各特定の温度で起こることを意味する。

バイオオイルの大部分と水蒸気は、バイオマスが乾燥すると、管の先頭で放出される。バイオマスが管の長さに沿って移動し続ける際に、マイクロ波によって生成された熱は、バイオマスを木炭に変える。

マイクロ波エネルギーをバイオマスに照射すると、材料の温度に変化が生じる。好適な実施形態において、本装置は、温度センサを管の長さに沿って間隔を置いて配置する。

マイクロ波エネルギー、動作圧力およびバイオマスのスループットの入力を制御して、必要とされる生成物をもたらすように供給原料を加熱する。例えば、必要とされるバイオオイルおよび／または木炭を得るために加熱する。

バイオマスは一旦、木炭に効果的に炭化されると、木炭は１０^３年超える間炭素は固定される可能性がある。木炭は、微生物分解に対して強い抵抗性を示し、一旦形成されると、大気および海を含む生物圏の炭素貯留庫から効果的に除去される。

バイオマス中の炭素は、本方法によって生成された木炭中に固定されると、その木炭はシンクに貯留されることができる。木炭用の好ましいシンクは、土壌、採掘炭鉱と露天炭鉱などの天然の炭素貯留所である。あるいは、木炭は、粉砕されて、排油タンクおよび排ガスタンクにスラリーとして収納され得る。湿って涼しい環境を提供するどのようなシンクでも、木炭の貯留用に使用することができる。木炭は、表層堆積物中に埋蔵されるかまたは沈殿されることもある。

上述の本装置および方法を用いて生成されるバイオイルのエネルギー含量は、少なくとも約２１ＭＪ／ｋｇである。ラジアータパインの表値は１６〜１９ＭＪ／ｋｇである。

バイオオイルはいくつかのクラスで提供される。したがって、最低温度で放出されるバイオオイルは、植物テルペンを含み、約３５０℃で放出されるバイオオイルは、１，６−アンヒドログルコースなどのサッカリド熱分解生成物を含むが、約４００℃で放出されるものは、リグニン分解生成物を含む。これは主として、メトキシル基、アルケニル基、アルキル基またはホルミル基置換によるフェノール類である。これらのバイオオイルは、そのまま粗燃料として使用されることもあり、または炭化水素を形成するための水素処理用の供給原料になり得る。
実験結果

マイクロ波エネルギーを植物性材料に照射した実験結果を以下に示す。テスト中、マイクロ波エネルギーをラジアータパイン（Ｐｉｎｕｓ Ｒａｄｉａｔａ）に照射した。ラジアータパイン（Ｐｉｎｕｓ Ｒａｄｉａｔａ）のソースは、製材所の木材チップであった。

バイオオイル収集の次の工程は、木炭を生産するための機械を実行させることと、この過程で生成されたオイルを収集することであった。多数回繰り返した後、約３００℃の動作温度と約１０ｋＰａの真空での凝縮物をサンプルとして選択した。これら特定のサンプルを選択したのは、サンプルの化学組成の解析結果を決定することで、異なる処理条件がどのようにして組成に影響を及ぼすかについてさらなる研究が可能となるからである。これらの凝縮物サンプルは、水分を高い割合で含んでいた。質量分析装置と結合されたガスクロマトグラフ分析法（ＧＣＭＳ）でテストする前に、これらの水分を除去する必要があった。この過程は３つの方法で完了し、水分を含まない３つの異なるタイプの生産物が得られた。最初のサンプルで観察されたのは純粋なバイオオイルであり、２番目のものは蒸留されたバイオオイル、３番目のものはバイオオイルに含まれた揮発性の化学物質であった。

３つすべての場合で、凝縮物は無極性溶媒である塩化メチレンと混合した。したがって、溶液は２つの層を形成する。このうち、一層目は、塩化メチレンとバイオオイルであり、二層目は水である。次いで分液漏斗を使用して水を除去した。この工程の後、純バイオオイルが残った。これを第１のサンプルとして使用した。他の２つのサンプルは、同じ工程を完了した後、さらに継続した。塩化メチレン層は、摂氏４０度の低い沸点を有する、バイオオイル内の他の有機分子と容易に分離できることから、塩化メチレン層を蒸留した。塩化メチレンを除いた後の残留物を第２のサンプルとした。第３の工程では、残留物をはるかに高い温度で蒸留し続けた。これで揮発性の有機分子が蒸発しタールが残った。これらの揮発性の有機分子を第３のサンプルとした。

３つの全てのサンプル、純粋なバイオオイル、蒸留済みのバイオオイル、およびバイオオイルに含まれた揮発性の化学物質は、ＧＣＭＳを使って解析された。ＧＣＭＳにより各サンプルの組成物およびその比率の詳細な分析結果が得られた。

純粋なバイオオイルのサンプルの発熱量を得た。この値と、収集された凝縮物、生産された木炭の量、最初の供給原料量、水分含有量などの、工程の実行中に得られた情報を基に、生産されたバイオオイルの総量が計算できた。この情報は、さらに、木材チップのキログラムあたりのバイオオイルの収量を、湿量および乾燥基準で計算するために使われた。さらに、この発熱量と既知の木材の水分含有量から、木材を予備乾燥させるために必要なバイオオイルの量もまた計算できた。すべての計算結果は、以下に記述される。比較的高いエネルギー容量が得られたのは、おそらくは、低い水分含有量と、マイクロ波加熱中の揮発物の二次反応が抑制された結果であろう。

タールは、主にセルロースおよびリグニンの一次熱分解物がさらに加熱され反応したものである。中間体産物は向流方向のガスフローにより低温ゾーンへと掃き出され、そこでタールを形成すると、そのタールは再び揮発化されずに、かわりに高温ゾーンへ入り、木炭となるか再び熱分解される。したがって、向流方向のガスフローは、不揮発性タールの生成をかなり低減するはずである。さらに、揮発性物をさらに高温となる高温ゾーンではなく、低温ゾーンへ移動させることで、このような二次反応は遅延あるいは抑制されるはずである。
供給原料
活性炭

マイクロ波エネルギーは、分子レベルでエネルギーを直接供給し、特に活水化に優れている点で、通常の熱源とは異なる。マイクロ波エネルギーを適切な電力レベルで照射すると、木材の熱分解中に蒸気が発生し、木炭がその形成時に活性化されるのに十分な高い温度になる。さらに、本発明者らは、初期の熱分解が起こる時に、反応容器の内壁に導電性炭素のコーティングが形成されることを発見した。これが起きると、バイオマスもまた炭素の活性化を促進する強力な黒体放射場に包み込まれる。

マイクロ波エネルギーは、バイオマス全体に渡ってエネルギーを供給するが、この理由は、吸収が適度なためで、それ故、そのような放射物は、吸収される前に相当な量のバイオマスを通り抜けて移動できる。初期の気泡構造を急速に作り出す効果のある水には強く吸収されるが、一旦脱水されるとマイクロ波の吸収能は失われる。

しかしながら、マイクロ波は導電性材料により強く吸収されるが、このことから、本発明者らは、乾燥バイオマスのゾーンを通り抜けて、反応容器の内壁上の導電性木炭の層へ到達するルートがあることを発見した。タールはバイオマスから除かれるが、いくらかが反応容器の内壁上に残り、そこで木炭へと熱分解され、反応容器の内壁上に導電性木炭の層を形成する。木炭が導電性になると、マイクロ波を強く吸収し赤色熱から黄色熱に変化し、強力な黒体放射場を形成する。このような黒体放射は、粒子の外部を木炭へと急速に変換するが、この時点で、木炭粒子は導電性になり強くマイクロ波を吸収するため、バイオマスの木炭への変換を急速に促進する。
第２の好適な方法：

バイオマスを処理するための第２の好適な方法を、図５を参照しながらここで説明する。図５は、本明細書に記載の第２、第３および第４の方法に従いバイオマスを処理するための各オプションを示す。

第１の工程は、バイオマス１０８を供給することである。次の工程は、電磁エネルギー場を取り込んで閉じ込めるように適合された電磁空洞３を提供することである。次の工程は、反応容器５を提供することである。次の工程は、反応容器５にバイオマス１０８を装填することである。

バイオマス１０８は、取り扱いを容易にするために小型であることが好ましく、利便性により選択される。下記の実験ではおがくずを使用した。しかし、細かく砕いたどのようなリグノセルロース材料でもよいことは理解されるであろう。おがくずは主に実験の利便性のために選択された。バイオマスは乾燥されている必要はないが、湿気を多く含む程、より多くのエネルギーが水分を除去するために使われる。電磁空洞３と反応容器５はどのような形でもよいが、円筒形容器であれば利便性がより高いであろう。

次の工程は、マイクロ波エネルギーを電磁空洞３、反応容器５およびそこに収容されたバイオマス１０８に供給することである。マイクロ波発生器７より作られるマイクロ波の波長は、マイクロ周波数の電磁スペクトル内であることが好ましい。マイクロ波エネルギーは、発生器７の導波管９により、導波管／電磁空洞仕切り板１０６ａをすり抜け、電磁空洞３と反応容器５へと到達する。

バイオマス１０８は、直接的なマイクロ波エネルギーを受け取り、直接的なマイクロ波エネルギーの結果、間接的な黒体放射場が形成される。バイオマス１０８は、直接的なマイクロ波エネルギーを受け取ると同時に、間接的な黒体放射場にも露出され、その結果、バイオマス１０８から活性炭が形成される。

反応容器５の内部表面の炭などの熱分解産物は、バイオマス１０８の加熱を促進するので、反応容器５の内部を清掃する必要がない。一実施形態では、反応容器５は、初期の段階で軽く黒鉛被覆されてもよい。

熱分解物が生成されるように電力レベルを調製し、直接的なマイクロ波エネルギーをバイオス１０８に加えることで、熱生成物が反応容器５の内部の層に形成される。直接的なマイクロ波エネルギーを熱生成物の層に加えることで、層が導電性の層となり、強くマイクロ波を吸収し、黒体放射場が生じる。別の実施形態は、反応容器５の壁に炭素の層を塗布することを含む方法である。例えば、黒鉛を含む層を反応容器の壁に塗布あるいはスプレ塗装する。

処理中、バイオマス１０８は静止（バッチモード）あるいは、移動（連続モード）していてもよい、必要なことは、エネルギー場における滞留時間の選択である。我々は、エネルギー場が安定しているときに最善の結果を得て、そのような安定性は、赤外線加熱（黒体放射）が、反応容器５の内部の導電性の炭素層から発生するときに、最も容易に得られる。より高い負荷がプラズマの形成を可能にする。導電性の層から生じる黒体放射場に加えて、プラズマが形成されることも可能である。プラズマは、バイオマス１０８に放射場を提供する。プラズマ形成が起こるのは、気相の分子がイオン化に必要な十分なマイクロ波電力を吸収でき、その時点で伝導性になり、それらの分子がマイクロ波電力のさらなる吸収を促進する時である。木炭は伝導性になるに従いその温度も上がる。

バイオマス１０８は、活性炭の収量が最大になるような期間の間、エネルギー場に露出されるが、その期間は、電力レベルと炭素を含む材料の質量の比に依存する。電力レベルは炭素を含む材料の温度が適切な温度に上昇するように選択される。

活性炭形成の温度は、４５０℃〜１３００℃であり、好ましくは、５５０℃〜９００℃であり、温度は電磁エネルギーの印加速度により調節される。本発明者らは、電力レベルは、この段階での木炭が少なくとも６００℃に到達するように調節されるべきで、９００℃を超えるのは好ましくないこと、その時間は木炭の生産量が最大になるように選択されるべきことを発見した。時間は、新たな原材料材料に基づいて実験により決定される必要がある。低めの温度では炭化が程よい割合で進行することが保証される。温度が高い程、多くの場合、より多くの木炭が酸化により消失するので、その上限幅が画定される。時間が短いと木炭の質が低下し、長すぎると収量が減少する。

加熱時間は、炭素を含む材料の質量に対する電力の比に依存するが、約１分から約５時間でよく、好ましくは、１０分から１時間である。

一実施形態では、その方法が、反応容器５内の空気を添加ガスにより置換することをさらに含む。装置はまた、蒸気あるいはガス化の形で排出されるバイオオイルを取り出し、収集するシステムを有する。具体的には、装置がキャリアガスの供給源を、圧力容器４７、凝縮器６５、圧力調整器（図示せず）の形として有する、持蒸気／ガス抽出システムを有してもよい。圧力容器４７は、反応容器５の内部にキャリアガスを供給できる。添加ガスは、バイオマス１０８を横切って流れ出口から除去されるが、同時に、電磁エネルギーをバイオマス１０８に照射した結果生成される揮発物を除去する。添加ガスは、特定の流速で反応容器５に供給される。バイオマスにより部分的に塞がれた孔をクリアするために二酸化炭素が有用であることから、本発明者らはわずかに酸化されたガスが望ましいと考える。

ガスフローがない場合には、特に熱分解中に偶発的に得られる水も、また、そのような酸化剤として機能するが、生産物をガスフローにより制御する方が容易であることが分った。わずかな蒸気を添加ガスに加えることもまた可能であるが、好ましいのは二酸化炭素である。二酸化炭素の流量は、反応容器５の壁の熱分解炭素の堆積とは対照的に、反応容器５の圧力とバイオオイルの取り出し率を制御するために画定される。電磁エネルギーを蒸気の状態のバイオマスに照射することで濃縮物が形成されることから、この方法は、さらに、バイオマス１０８から放出されるバイオオイルの濃縮化を含む。一実施形態では、濃縮物はガス凝縮器が付属した適切な容器に収集される。

この方法は、さらに、形成された木炭の電磁エネルギーからの露出を中断することを含む。所望の期間が経過した後、木炭が収集され、均一な粒径サイズを有するバッチを得るための基本的な処理を除いて、木炭は使える状態となる。

図７〜１０を参照しながら、第２の好ましい装置および方法についてここに記述する。以下に記載のない限り、第２の好ましい装置および方法は、第１の好ましい装置および方法に同様である。

図７〜１０に示される装置は、耐火材１０１に囲まれた反応容器５を有する。反応容器は、高純度の溶融石英、高純度のアルミナあるいはアルミノ珪酸塩チューブであり、第１の好ましい反応容器ｅの直径が約１５０ｍｍであるのに対して、外径が約７０ｍｍである。適切な耐火材として、低い誘電体損が特徴の熱セラミックスがあり、例えば、Ｋａｏｗｏｏｌ（登録商標）アルミノ珪酸塩繊維、Ｆｉｂｒｅｆｒａｘ（登録商標）アルミノ珪酸塩繊維板、Ｉｓｏｌｉｔｅ（商標）アルミノ珪酸塩耐火レンガが例として上げられる。

一実施形態では、反応容器の周りの耐火材の比誘電率は、耐火材における電界の強さを低減させ、反応容器内の電場を増加（凝縮）させるのに十分に高い。

この装置は、ガスを導入し除去するシステムを有する。添加ガスは、噴射口１０３で導入され、出口１０５で除去される。吸入および排出ポートは、好ましくは、不透明石英チューブである。装置はまた、導波管インターフェイスフランジ１０６ｄ（導波管９にボルトで止められる、図１）と溶融石英またはアルミナディスク製の導波管／電磁空洞仕切り板１０６ａを有する、ディスク１０６ａと反応容器５の間に隙間１０６ｃがある。メカニカルシール１０７は、出口１０５に取り付けられる。
第３の好適な方法：

第３の好適な方法では、バイオマス１０８は反応容器５に供給される。マイクロ波を電磁空洞３に照射する際、電磁波は弱め合う干渉（節点）の部分と、強め合う干渉（節点）の部分をもつであろう。対応する節点と反節点の部分は、反応容器５にも設定される。第２の好適な方法では、（炭化珪素、黒鉛あるいは活性炭などの）マイクロ波吸着材１０９が反応容器の内側の反節点の部分に取り付けられることで、マイクロ波吸着材が電磁場と強くカップリングされ、電磁場により直接加熱される。

添加ガスは、噴射口１０３を通じて反応容器に供給され、図７の矢印に示される方向に移動する。添加ガスは、好ましくは、この条件下で炭素と著しく反応しないものであり、高温度でもゆっくりとした反応のみ示す。このような不活性ガスの例として、窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウムがあるがこれらに限定されない。中程度に反応性を示すガスの例として、二酸化炭素がある。マイクロ波を反応容器とマイクロ波吸着材に照射する際、その電力レベルは、マイクロ波吸着材が直接の電磁エネルギーを受け取るように設定される。図７のＭで印した方向でマイクロ波が反応容器に供給される。マイクロ波吸着材１０９は、反応容器を通過する添加されたキャリアガスを熱伝導により加熱する。さらに、ガスの加熱はガスの部分的なイオン化を誘導し、続いてガス層が導電性となる。電磁場は、プラズマ１１１を誘導する導電性のガス層とカップリングされる。一旦開始されたプラズマ１１１は、気体媒質が存在し、適当な規模の電磁場が反応容器５内で維持されると持続される。プラズマ１１１は黒体放射場を生み出し、バイオマスが黒体放射場に露出され、活性炭あるいは加炭材カーボンがバイオマスより生成される。添加ガスはバイオマスを横切って流れ、出口１０５で除去されるが、同時に、電磁エネルギーをバイオマスに照射した結果生成される揮発性物１１３も除去される。バイオマス１０８の転換中、マイクロ波吸着材１０９は電磁エネルギーに露出される。あるいは、マイクロ波吸着材１０９は、プラズマ１１１の開始後、電磁場から電気的に遮蔽される。この別の方法では、プラズマ１１１が、流入するキャリアガスを十分に加熱してイオン化し、それによりガス層が導電性となる。導電性のものが生じることで、マイクロ波エネルギー吸収がさらに強く促進され、プラズマ１１１の発生がさらに促進される。この別の方法では、もともとは、マイクロ波吸着材１０９を加熱するために使われる電磁エネルギーが、プラズマ１１１の強度を促進するために利用される。

プラズマ１１１の強度と位置は、電磁場の強度と添加キャリアガスの流量を調節することで制御される。電磁場の強度を増加させることで、より多くの高速粒子が生じ、結果的に得られるプラズマは、反応容器内の大部分を満たすように拡大する。添加キャリアガスの流量を増加させることで、プラズマがその開始点から出口１０５方向に伸延される。添加ガス噴射口１０３とマイクロ波吸着材１０９の下部に位置するバイオマス１０８にプラズマが接触できるように、電磁場の強度の大きさと添加キャリアガスの流量が調節される。

バイオマス１０８から発生するプラズマ１１１由来の熱以外に、マイクロ波吸着材１０９によって吸収されなかった残りの電磁場と、バイオマス１０８中に存在する極性分子、イオンおよび自由電子の相互作用により、バイオマス１０８の内部から、その体積に応じて熱が発生する。

バイオマス１０８は反応容器５内の電磁波の反節点の部分に位置する。

図５、７および１１を参照しながら、第３の好適な方法について記述する。以下に記載のない限り、好ましい第３の方法は、好ましい第１と第２の方法に同様である。第３の好適な方法では、第２の反応容器２０５は、メカニカルシール１０７を介して第１の反応容器５の出口端に接続される。バイオマス１０８は、第２の反応容器２０５に供給される。出口１０５は、グランド２０７を介して第２の反応容器２０５に接続される。

マイクロ波吸着材１０９は電磁波の反節点の部分に設置する。好ましくは、マイクロ波吸着材１０９は電磁空洞短絡終端板２０６に対応して、第１の反節点の部分２００あるいは第２の反節点の部分２０１に位置する。あるいは、マイクロ波吸着材１０９は電磁空洞短絡終端板２０６に対応して、第１の反節点の部分２００および第２の反節点の部分２０１に位置する。

一実施形態では、短絡終端板は、導波管と同等の特性インピーダンスを有する負荷により代替できる。これにより、定常波が除去され、場の強さが反応容器の長さに応じて標準化される。
第４の好適な方法

第４の好適な方法では、第２の反応容器２０５は、メカニカルシール１０７を介して第１の反応容器５の出口端に接続される。バイオマス１０８は、第２の反応容器２０５に供給される。出口１０５は、グランド２０７を介して第２の反応容器２０５に接続される。

メカニカルシール１０７は、好ましくは、金属性、円筒形、中空であり、内径を電磁場振動の遮断周波数より小さくすることで、電磁場の強度を弱め、第２の反応容器２０５内のバイオマス１０８の電磁加熱を阻止する。メカニカルシール１０７は、電磁空洞短絡終端板２０６に合わせ、その周囲に電気的接触が起こるようにする。メカニカルシール１０７は、電磁場を十分に弱めるための長さ２０２を有するため、電磁力が電磁空洞５に照射される際にバイオマスが加熱されない。

第２の反応容器は、直径約４０ｍｍであり、好ましくは、高純度の溶融石英あるいは高純度のアルミノ珪酸塩から作られる。

電磁場の強度と添加ガスの流量を調節し、プラズマが強制的に第１の反応容器５の出口を通り抜け、メカニカルシール１０７を通過し、バイオマスを含む第２の反応容器２０５に入るようにする。プラズマは、次いでバイオマス１０８と直接接触し、伝導によりバイオマス１０８を急速に加熱する。バイオマス１０８から生成される揮発性物は、第２の反応容器２０５を通過し、ガス出口１０５に流れ込む。第４の好適な方法と第３の好適な方法の違いは、バイオマスがマイクロ波エネルギーに露出されないことであり、温度と、プラズマとバイオマス間の化学反応の制御がより高いレベルで可能となる。

第４の好適な方法と第３の好適な方法の違いは、バイオマスがマイクロ波エネルギーに露出されないことであり、バイオマス１０８はマイクロ波吸着材１０９によって吸収されなかったマイクロ波エネルギーを吸収しない。この方法では、バイオマス１０８により生じた熱分解産物が、（本発明の第１の態様で記述したように）反応容器５の壁上に導電層を形成することと、電磁場からのエネルギーを吸収することがともに阻止されるため、より多くの電力がプラズマ１１１に利用される。
好ましい前処理法

好ましい前処理法では、図１２に示すように、小型化されたバイオマスを、高圧バッチ反応器を使い熱水転移により前処理する。バッチ反応槽は、本体３０１、セラミックヒーター３０３、冷却コイル３０５、サーモウェル３０７、クランプ３０９、水冷式アダプター３１１，３１３、圧力計３１７付き圧力センサ３１５、およびガス吸気弁を有する、一般的な反応槽である。

バイオマスの前処理は以下のように行う。
ｉ）バイオマスの基本的な組成と構造を標準化する。
ｉｉ）マイクロ波とプラズマ加熱の間、マイクロ波反応器に放出される揮発性物の量を減少させる。
ｉｉｉ）バイオマスを効果的に脱酸素化する。
ｉｖ）バイオマスを部分的に炭素化し導電性を増加させることで、マイクロ波の感受性を増加させる。
ｖ）乾燥熱分解の条件下でバイオマスを処理する時に通常必要な、炭素化前のバイオマス第１乾燥の必要性を除去する。
ｖｉ）揮発性有機化合物を水溶性の反応媒体中に捕獲し、さらに分留あるいは嫌気性消化で処理（Ｐｒｏｃｅｓｓ）／処理することで必要な化合物を不必要な化合物から分離する。

熱水前処理は、小型化されたバイオマス原料を、水中で自発的高圧力高温度（水熱液化処理における低温領域）の条件で加熱し、その結果としてバイオマスが炭化される。

水熱条件下で、水は強力な有機溶剤として機能し、有機化合物を溶解させ均質媒質中での反応を可能にする。この方法では、化学反応器を一般的な抵抗電気発熱体で加熱した。一実施形態では、試剤とバイオマスの加熱を加速させ、滞留時間を減少させるため、水熱反応装置の内容物をマイクロ波エネルギーで加熱されてよい。バイオマスは、２５〜１７０バールの飽和圧力の下、２３０℃〜３５０℃の温度で、約３０分〜２時間加熱される。

バイオマスの分解を促進し滞留時間を減らすために、水熱処理の前に微量の酸性触媒をバイオマスと試剤に加える。これにより、バイオマスからの酸素の除去と固定炭素の形成がさらに促進される。このようにして除去された酸素は水分子の形成を促進する。酸性触媒が使用されないと、バイオマス中の酸素はおそらく一酸化炭素ガスを形成し、それにより、最終産物中の固定炭素の量が減少する。

水熱処理中、バイオマス中の多くの揮発性化合物はいくつかの無機物と共にバイオマスから除去される。

前処理されたバイオマスは水熱反応装置から取り出され、機械的にプレスされることで、過剰の遊離水（残留試剤）と、おそらくはいくらかの凝縮蒸気由来の有機液体が除去される。脱水処理（Ｐｒｏｃｅｓｓ）中、バイオマスから揮発性物と無機物質がさらに洗い落とされ収集される。

残留試剤である水とプレス中に収集された水は、処理されて次の水熱前処理のためにリサイクルされる。

水処理中に収集された栄養物質は土壌に返される。

前処理されたバイオマスは、典型的には、無水無灰ベースで約６４％〜８２％の固定炭素を含む。

前処理されたバイオマスに十分な極性物が残ると、発熱過程でマイクロ波とバイオマスの適度な（第２段階）カップリングが可能となる。前処理されたバイオマスに残る極性物の量は熱プラズマを維持するには少なすぎる。

水熱前処理され部分的に乾燥されたバイオマスは、次いでマイクロ波反応容器に供給され、上記の第２の好適な方法により処理（Ｐｒｏｃｅｓｓ）される。上述の他のどのような好適な方法においても、その前に前処理処理（Ｐｒｏｃｅｓｓ）がなされることが望ましい。
成果物

本発明の方法による主な成果物は活性炭であり、溶液やガス流体を純化するための吸着剤として広く使用される。他の成果物として、加炭剤カーボン冶金用ナットコークス、バイオマス熱分解オイル、バイオオイル生産への興味、可能性としてはガス流体中の一酸化炭素などが含まれてよい。
実施例の考察

下記の実施例は、反応容器５の内側に形成される輝きから追加的な熱が得られる場合、マイクロ波電力の応用で、良好な表面積を有する質の高い活性炭が比較的素早く作られることを示す。マイクロ波により処理されたおがくずではこの効果が得られず、その結果は実施例に含まれていない。このような輝きを持たない炭の典型的なサンプルでの表面積は０．４６ｍ^２／グラムであり、すなわち、輝き処理をすることで表面積が二桁増加したことになる。

本発明者らは、このような導電性表面からの黒体放射に加え、プラズマも形成されることが可能であり、その場合、プラズマもまた必要な放射場を提供することを発見した。実施例１でこのようなことが起きたと考えられる。プラズマからの直接的な加熱もいくらかあるかもしれない。さらに実施例を考察する中で、プラズマが形成された可能性があるものの、本発明は、輝きを発する放射場の形成に基づく活性炭の形成に根拠を置くものであり、該場の厳密な性質に依存するものではない。

重熱分解タールに浸した炭素を同様に処理すると、高い収量の活性炭が得られたが、他
に実行した場合、その表面積がいくらか低いものがあった。それでも、廉価でややグレードの落ちる炭素にも使い道があり、さらに重要なことは、他に用途のないタールの優れた使用法になるということである。

オレンジ色の熱の輝きが反応容器の内側の炭素に原因があることは、実施例１で確立されるまでかなりの時間を要し、さらに数多くの以前の実行では全く確立されず粗悪品ばかりが生産されたにもかかわらず、一旦確立されると、反応容器が掃除されない限り、それに続く実行で輝きが非常に急速に開始されたことから証明できる。

３番目の実施例を参考に取り上げた場合、より低い電力での長期間処理は、活性炭を改良させる可能性があるが、低収量の危険性も有する。高電力での長期間処理では、少なくとも二酸化炭素の存在下では、炭素を生成できない。これは二酸化炭素が中程度の酸化剤であるためであろう。孔の障害物を除去することを補助するので活性炭を製造することに有利であるが、活性化の質を向上させると同時に炭素を切断してしまう。ある時間帯までは改良の価値が収量の損失を補うが、その臨界時以降はさらなる照射により単純に収量が失われる。

収量／活性を最大限にする任意の時間帯で、黄橙色の輝きを形成するのに適したものが最適の電力レベルと推察される。これは、実際の装置の配置やバイオマスの性質によりある程度変化するであろう。
実施例

実施例１
おがくず（５０ｇ）を清浄な石英の反応容器に入れ、二酸化炭素を４０Ｌ/分の流速で送り込んだ。吸収されたマイクロ波エネルギーは、最初は３ｋＷであった。約６分後、おがくずの温度は３０５℃で、本発明者らが信じるところのプラズマが形成され、それとともに、石英の内面から深橙色の熱の輝きが始まり、電力が切断されるまでの短い間、維持された。この間の電力吸収は７．６ｋＷで、温度は８７１℃に達した。２０分を経た時には、６ｇの木炭が得られ、その表面積は７０５ｍ^２／グラムであった。

実施例２
３５ｇの重熱分解タールをしみ込ませたおがくず（５０ｇ）を、先の実行によりその内面が炭素によりコートされた石英の反応容器に入れ、二酸化炭素を４０Ｌ/分の流速で送り込んだ。吸収されたマイクロ波エネルギーは、最初は５ｋＷであったが、断続するプラズマ形成と橙色の表面の輝きの後、７ｋＷまで上昇した。温度は７５６℃に達した。２０分を経た時には、１２ｇの木炭が得られ、その表面積は４４６ｍ^２／グラムであった。

実施例３
おがくず（５０ｇ）を、先の実行によりその内面が炭素によりコートされた石英の反応容器に入れ、二酸化炭素を４０Ｌ/分の流速で送り込んだ。橙色の輝きが約１分後に現れ、マイクロ波電力は、最初５ｋＷで吸収され、９分後には６.５ｋＷであった。次いで入力電力を低下させ、５ｋＷで維持した。２３分を経た時に電力を中断させ、４ｇの木炭が得られ、その表面積は６３７ｍ^２／グラムであった。

実施例４
おがくず（５０ｇ）を、先の実行によりその内面が炭素によりコートされた石英の反応容器に入れ、二酸化炭素を４０Ｌ/分の流速で送り込むと、マイクロ波エネルギーは、４６分の間、５ｋＷで吸収された。橙色の輝きが約２分後に現れた。温度は、実行の終了時で５９０℃であったが、最高温度ではなかった可能性がある。４６分を経た時には、２gの木炭が得られ、その表面積は７９７ｍ^２／グラムであった。

実施例５
入力電力を増加させ、吸収電力を８.２ｋＷ から９ｋＷに増加させた以外は、実施例４の繰り返しであった。温度は９１０℃以上に達し、木炭の収量は０ｇであった。

下記の表１は、ニュージランドスチール社の製鋼中に使用された加炭材カーボンの仕様と、図１から３の第１の好ましい装置を使って生成された炭素の結果を示す。下記の表２は、図５から８の装置を使って生成された炭素の対応する結果を示す。
表１の各実験の供給原料は亜歴青長炎炭であった。表１の最後の列は処理前の長炎炭の仕様を示す。
表２の各実験の供給原料は、ラジアータパインの木材チップあるいは亜歴青長炎炭であった。表２の２列目は処理前の木材チップの仕様を示し、表２の最後の列は処理前の亜歴青長炎炭の仕様を示す。

表３は、輸入されたものと地元の成木ヒッコリー硬材および地元の成木クルミ殻の供給原料から活性炭を生産するためのバイオマス処理の結果を、その処理条件と共に示す。ヒッコリーバイオマスの仕様を結果表の最後に示す。クルミの仕様は表示されていないが、クルミ殻の固相密度はヒッコリーより高く、より細かな内部多孔質構造を有することが、一般に受け入れられている。

６００℃〜１０００℃の処理温度はすべての処理で選択され、上限温度は赤外温度センサの計測範囲により制限された。すべての処理での圧力は大気圧よりわずかに高く、約２５ｍｍＨ２０であった。

実行４３〜４６では、ヒッコリー供給原料の急速加熱を促進するために、炭化ケイ素マイクロ波吸収触媒を使用した。サンプルを設定温度にまで加熱し、次いで加熱を停止させた。ある特定温度、あるいはある特定温度範囲内での“維持時間”は適用されなかった。マイクロ波加熱の総時間は７〜１３分の範囲で、対応する温度は４１０℃〜９１２℃の範囲である。

実行４７〜６２もまたヒッコリー供給原料の処理であるが、マイクロ波吸収触媒は使用されなかった。これらの処理において、設定温度での３〜１５分の範囲の維持時間は、炭素内で多孔質構造が発展するために必要な時間である。

実行６３〜６５はクルミ殻の処理であった。これらの処理において、マイクロ波吸収触媒は使用されなかった。設定温度での維持時間は、実行６３と６４で０であった。高温度で装置の限界をテストするため、実行６５では２０分という長い維持時間が選択された。

すべての処理で、反応容器の内面上に熱分解炭素の薄層が施されていた。この層はマイクロ波エネルギーに敏感であるため、バイオマスに黒体放射場を供給し、加熱と活性化を補助した。

実行４３〜４６で、Ｂ．Ｅ．Ｔ（Ｎ２）法で測定された活性炭の比表面積は１７０ｍ^２／ｇ〜６２９.８ｍ^２／ｇの範囲で、平均は５５０.７ｍ^２／ｇであった。

実行４３〜４６での収量は１０％〜１３％の範囲で、平均は１２.５％であった。

サブサンプルＬ２は、１７０ｍ^２／ｇという最も低い表面積を示したが、実行４３〜４６の中で最も高い温度で処理されたものである。この現象を引き起こした可能性として、Ｌ２の反応容器の特定部分が活性化に必要な十分な温度に達しなかったか、この部分での熱暴走がバイオマスの潜在的な結晶構造の熱による再構成を強制的に引き起こした、つまり、非多孔性のカーボングラファイトを形成させたことが考えられる。

実行４７〜６２で、Ｂ．Ｅ．Ｔ（Ｎ２）法で測定された活性炭の比表面積は８２.３ｍ^２／ｇ〜９３１ｍ^２／ｇの範囲で、平均は５０９ｍ^２／ｇであった。実行４７〜６２での収量は７％〜１３％の範囲で、平均は１６％であった。はずれ値であるサブサンプルＬ２を実行４７〜６２の計測に含まない場合は、達成した平均表面積は６００ｍ^２／ｇ超に増加する。

実行６３〜６５で、Ｂ．Ｅ．Ｔ（Ｎ２）法で測定された活性炭の比表面積は５３１ｍ^２／ｇ〜１２７６ｍ^２／ｇの範囲で、平均は９０４ｍ^２／ｇであった。実行６３〜６５での収量は８％〜２０％の範囲で、平均は１５％であった。

下記の表４は、好ましい前処理方法を用いて前処理されたバイオマスの結果を、前処理の条件と共に示す。全ての前処理でラジアータパインが使用され、反応媒体全体で十分な対流混合が得られるように、水のバイオマスに対する比は５：１にした。結果表の最後の列は前処理前のバイオマス仕様を示す。

前処理のキャンペーンにより、反応温度が炭化のレベルに強く影響を与えることが証明された。約２７０℃のバイオマスの前処理温度は、１時間内にバイオマスの炭素含有量を２７％増加させ７０％超にするのに十分である。前処理時間を２倍の２時間にしても、炭素含有量はわずかに１％上昇するだけであった。

表５は、製鋼で使用したナットコークスの目標仕様を、第１の好適な方法を使ってマイクロ波加熱により処理された水熱前処理済みバイオマスの結果と共に示す。

水熱前処理済みバイオマスはラジアータパインの木材チップ（２５ｍｍ×２５ｍｍ）で、初期の炭素含有量は５５％であった。水熱処理は約３００℃で約１時間行われ、それにより炭素含有量が７６％超に上昇した。前処理済みバイオマス粒子の一部からその電気抵抗を測定した。すべてにおいて２kオーム超であり、マイクロ波との強いカップリングは期待されない。前処理済みバイオマスサンプルは、次いで前処理済みバイオマスの質量の５％に相当する炭化ケイ素（５ｍｍ×５ｍｍ）片と混合し、正味で約４００Ｗのマイクロ波加熱電力量により約５分間処理した。この結果より、わずか２〜３分のマイクロ波加熱後、１１％であった炭素含有量が著しく増加し、相応する硫黄と窒素含有量が低下することが証明される。

下記の表６は、実験の条件と、条件に従い第１の好適な方法を使用して試行されたナットコークスの結果を示す。供給原料の仕様は結果以降の表７に示す。

全ての実験で使用した供給原料はヒッコリー、反応容器は溶融石英、キャリアガスは窒素であった。

これらの処理中、マイクロ波吸収触媒は使用されなかったが、熱分解炭素の薄層が反応容器の内壁に引かれたことで、黒体放射場がバイオマスに照射され加熱が補助された。

全ての処理に渡りバイオマスの炭素含有量が著しく増加したことが見て取れる。炭素含有量は、わずか３分の設定温度での加熱後、平均８９％で横ばいとなるが、窒素含有量はさらなる加熱時間により低下するようである。

この結果は、ナットコークスの目標仕様を達成するために約１５分の総加熱時間で十分であることを示す。

Claims (5)

1. バイオマスを処理する方法であって、
   ａ．バイオマスを準備することと、
   ｂ．前記バイオマスを水中において、２５〜１７０バールの圧力の下、２３０℃〜３５０℃の温度で、３０分〜２時間加熱する熱水転移により前処理することと、
   ｃ．電磁エネルギー場を囲んで含むように適合された電磁空洞を準備することと、
   ｄ．反応容器を準備することと、
   ｅ．前記反応容器に前処理された前記バイオマスを導入することと、
   ｆ．電磁エネルギーを前記電磁空洞、前記反応容器及び前記反応容器に収容された前記バイオマスに供給することと、
   を含む方法。
2. 加炭材カーボン、バイオオイル、ガス、ナットコークスまたは活性炭の１つ以上を生産する、請求項１に記載の方法。
3. 前記バイオマスは、ステップｂの間、マイクロ波エネルギーを用いて加熱される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 活性炭、ナットコークス及び加炭材カーボンから選択される１つの生成物を生成し、
   前記生成物を用いて鋼鉄を製造するステップを更に含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. バイオマスを処理する装置であって、
   ａ．バイオマスを収容し、水中において熱水転移により前処理するように適合された水熱反応装置と、
   ｂ．電磁エネルギー場を囲んで含むように適合された電磁空洞と、
   ｃ．前記前処理されたバイオマスを収容するように及び前記電磁空洞に取り囲まれるように適合された反応容器と、を含み、
   前記熱水転移は、前記バイオマスを水中において、５〜１７０バールの圧力の下、２３０℃〜３５０℃の温度で、３０分〜２時間加熱することを含む装置。