JP7365360B2 - Method for producing solid composites - Google Patents

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Description

本発明は、固体複合体、特に鉱物を含有する複合体を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing solid composites, especially mineral-containing composites.

多くの工業的プロセスは、エネルギー及び炭素の両方を大量に必要とする。そのようなプロセスの例としては、鉄鉱石鉱物からの鉄鋼の製造、並びにシリカ鉱物からのシリコンの製造が挙げられる。多くの場合、石炭などの化石燃料が、主要なエネルギー源及び炭素源である。例えば、高品質の瀝青粘結炭(bituminous caking coal)のコーキングからの冶金コークスは、鉄鋼産業で、特に高炉へのフィードストックに用いられる炭素の主要な形態である。これらの産業セクターは、温室効果ガス(特にCO)の主要な排出者であり、プロセスで必要とされるエネルギー及び炭素を供給する代替的な低排出量の手段を積極的に求めている。 Many industrial processes require large amounts of both energy and carbon. Examples of such processes include the production of steel from iron ore minerals, as well as the production of silicon from silica minerals. Fossil fuels such as coal are often the primary energy and carbon source. For example, metallurgical coke from the coking of high quality bituminous caking coal is the primary form of carbon used in the steel industry, particularly in the feedstock to blast furnaces. These industrial sectors are major emitters of greenhouse gases (particularly CO2 ) and are actively seeking alternative low-emission means of supplying the energy and carbon needed in their processes.

多くの再生可能エネルギー源が、そのような工業プロセスのエネルギー需要を満たしてそのCO排出量を削減するために用いられ得る一方で、これらの工業プロセスの炭素需要を満たすために直接用いることのできる再生可能エネルギー源は、バイオマスだけである。 While many renewable energy sources can be used to meet the energy demands of such industrial processes and reduce their CO2 emissions, there are many renewable energy sources that can be used directly to meet the carbon demands of these industrial processes. Biomass is the only renewable energy source available.

選鉱は、鉄鉱石などの原料鉱物の品質(純度)を向上させるために一般的に用いられるプロセスである。それは、通常、微粉砕を含み、したがって、微細な鉱物が生成される。この微粉は、次に、微粉を意図するプロセスに適する、例えば高炉へのフィードとして適するペレット及びブリケットなどの大粒子の形態のフィードとするために、例えばペレット化又はブリケッティングを通して大粒子とされる必要がある。ベントナイトなどのクレイが、バインダーとして一般的に用いられる。しかし、無機バインダーは、望ましくない無機不純物をこのプロセスに持ち込む傾向にあり、それは、主要なプロセスに負の影響を及ぼす場合があり、最終的にはスラグとしてプロセスから排出される場合があり、廃棄が必要となる。有機バインダーは、特に、物理的及び/又は化学的相互作用を介して有機バインダーと処理されるべき鉱物とが複合体を形成することもでき、プロセスに必要とされる炭素の一部となることができる場合に、望ましい。バインダーと鉱物との間の化学反応は、機械的強度の高い複合体の製造において有利となる。 Ore beneficiation is a process commonly used to improve the quality (purity) of raw minerals such as iron ore. It usually involves pulverization, thus producing fine minerals. This fine powder is then reduced to large particles, e.g. through pelletizing or briquetting, in order to make the fine powder into a feed in the form of large particles, such as pellets and briquettes, suitable for the intended process, e.g. as feed to a blast furnace. It is necessary to Clays such as bentonite are commonly used as binders. However, inorganic binders tend to introduce undesirable inorganic impurities into the process, which can have a negative impact on the main process and may ultimately leave the process as slag and waste. Is required. The organic binder can also form a complex with the mineral to be treated, in particular through physical and/or chemical interactions, becoming part of the carbon required for the process. Desirable if possible. Chemical reactions between binders and minerals are advantageous in producing composites with high mechanical strength.

上述の産業セクターによって必要とされる「炭素」は、通常、反応体であり、例えば、鉄鉱石を鉄に還元するための、又はシリカをシリコンに還元するための還元剤であるが、炭素は、エネルギー源でもあり得る。本明細書で用いられる場合、「炭素」は、必ずしも純粋な炭素である必要はなく、主として、炭素が豊富な炭素質材料を意味する。 The "carbon" required by the industrial sectors mentioned above is usually a reactant, e.g. a reducing agent to reduce iron ore to iron or to reduce silica to silicon, but carbon , can also be an energy source. As used herein, "carbon" does not necessarily mean pure carbon, but primarily refers to carbonaceous materials that are rich in carbon.

冶金コークス及び木炭は、これらの「炭素」材料の典型例である。複合体中での炭素質材料と反応(還元)されるべき鉱物との間の密接な接触は、プロセスの加速及びプロセス効率の向上において多くの有益な効果を有することになる。 Metallurgical coke and charcoal are typical examples of these "carbon" materials. The close contact between the carbonaceous material and the mineral to be reacted (reduced) in the composite will have many beneficial effects in accelerating the process and increasing process efficiency.

炭素材料を製造する過程において、及び/又は必要とされる粒子サイズ範囲内の炭素材料を高炉又は電気アーク炉を例とする意図する工業プロセスへ供給することができるように、炭素材料を調製するその後の過程において、多くの微粉が発生し得る。例えば、必要とされる粒子サイズ範囲内のコークスを製造し、高炉へ供給することができるように冶金コークスが粉砕される際に、多くの冶金コークス微粉が発生し得る。これらのコークス微粉は、高炉へ直接供給することはできず、コークス塊よりも市場的価値は低い。別の例は、シリコン製造のために電気アーク炉へ供給することができるフィードストックとしてのバイオ炭の製造及び調製の過程における、バイオ炭微粉の発生である。ここでも、バイオ炭微粉は、アーク炉へ供給することができず、バイオ炭塊よりも市場的価値は低い。対応する微粉を用いて塊炭素材料を製造することは、重要な商業的成果となるであろう。特に、微粉から製造された塊炭素材料は、意図する使用における品質要件を満たすべきであり、例えば、コークス塊は、鉄鋼を製造するための高炉での使用において必要とされる充分な機械的強度を有するべきであり、又はバイオ炭塊は、シリコンを製造するための電気アーク炉での使用において必要とされる充分な機械的強度を有するべきである。 In the process of manufacturing the carbon material and/or preparing the carbon material in such a way that the carbon material within the required particle size range can be fed to the intended industrial process, for example a blast furnace or an electric arc furnace. In the subsequent process, many fines may be generated. For example, a lot of metallurgical coke fines can be generated when metallurgical coke is crushed so that coke within the required particle size range can be produced and fed to a blast furnace. These fine coke powders cannot be fed directly to a blast furnace and have a lower market value than coke lumps. Another example is the generation of biochar fines during the production and preparation of biochar as a feedstock that can be fed to electric arc furnaces for silicon production. Again, biochar powder cannot be fed to an arc furnace and has a lower market value than biochar lumps. The production of bulk carbon materials using corresponding fine powders would be an important commercial achievement. In particular, lump carbon materials produced from fine powders should meet the quality requirements of the intended use, for example coke lumps should have sufficient mechanical strength as required in use in blast furnaces for producing steel. or the biochar mass should have sufficient mechanical strength as required for use in electric arc furnaces for producing silicon.

本発明の範囲は、上記で引用した例によって限定されるべきではまったくない。大粒子の方が微粉よりも高い商業的価値を有することから微粉を大粒子とするべきである他の例を引用することができる。 The scope of the invention should in no way be limited by the examples cited above. Other examples can be cited where fines should be large particles because large particles have a higher commercial value than fines.

バイオマスの高温での熱処理から、バイオクルード(bio-crude)を製造することができ、バインダーとして、又はバインダー中の成分として使用することができる。バイオクルードの典型的な種類は、バイオマスの熱分解からのバイオオイルであり、バイオ炭と称する固体の副産物も同時に生成する。加熱すると、バイオオイルは、揮発性物質が除去されて固化し得る。バイオオイルは、反応性構造及び官能基を豊富に含有しており、これらは、鉱物と反応して、鉱物とバイオクルードから誘導される構成成分との間に非常に強い結合をもたらす結果となり得る。バイオマスの水熱液化も、反応性バイオクルードを生成し得る。バイオクルードは、冶金コークス微粉及び/又はバイオ炭微粉などの他の材料のためのバインダーとしても作用し得る。 From heat treatment of biomass at high temperatures, bio-crude can be produced and can be used as a binder or as a component in a binder. A typical type of biocrude is bio-oil from the pyrolysis of biomass, which also produces a solid by-product called biochar. Upon heating, the bio-oil can solidify with the removal of volatiles. Bio-oils are rich in reactive structures and functional groups that can react with minerals resulting in very strong bonds between minerals and biocrude-derived constituents. . Hydrothermal liquefaction of biomass can also produce reactive biocrude. The biocrude may also act as a binder for other materials such as metallurgical coke fines and/or biochar fines.

有機バインダーは、高い温度で分解して、可燃性の揮発性物質を放出し得る。還元体として炭素を使用することは、有用な発熱量のガスであるCOなどのガスも生成し得る。これらの揮発性物質及びガスのエネルギー価の回収は、プロセス全体のエネルギー効率にとって重要である。 Organic binders can decompose at elevated temperatures releasing flammable volatiles. Using carbon as a reductant can also produce gases such as CO, which is a gas with a useful calorific value. Recovery of the energy value of these volatiles and gases is important to the energy efficiency of the overall process.

有機バインダー中の炭素は、高炉中又は類似のプロセスで鉄鉱石を還元して鉄とするための還元体の場合を例とする、鉱物を改質するプロセスで必要とされる炭素の一部にもなり得る。 The carbon in the organic binder is part of the carbon needed in mineral reforming processes, such as in the case of reductants for reducing iron ore to iron in blast furnaces or similar processes. It can also be.

したがって、バイオマスから有機バインダーを開発すること及び/又は例えば鉄鉱石を鉄に還元する場合に、複合体中で鉱石(又は結合されるべき他の材料)と密接に接触した炭素を高温プロセスへ送ることが求められている。 Therefore, developing organic binders from biomass and/or sending the carbon in close contact with the ore (or other materials to be combined) in the complex to a high temperature process, for example when reducing iron ore to iron. That is what is required.

本発明の第一の態様によると、固体複合体を製造する方法が提供され、この方法は:
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成された、高温で固化することができるバイオクルードを提供すること;
バイオクルードを固体又はペーストと混合して、グリーン複合体を形成すること;及び
グリーン複合体を加熱して、固化した固体複合体を製造すること、
を含む。
According to a first aspect of the invention there is provided a method of manufacturing a solid composite, the method comprising:
To provide a biocrude formed from heat treatment of a carbonaceous feedstock containing biomass and capable of solidifying at high temperatures;
mixing the biocrude with a solid or paste to form a green composite; and heating the green composite to produce a solidified solid composite;
including.

本発明の実施形態は、著しい利点を有する。特に、製造された固体複合体は、比較的高い密度及び強度を有することができる。さらに、製造された固体複合体は、比較的低い硫黄含有量を有することができ、及びバイオクルードは、望ましくない不純物を複合体へ持ち込み得ない。さらに、バイオクルードは、例えばその後の製鋼プロセスにおいて、フラックス剤として作用することができる有用な化学種を含有し得る。 Embodiments of the invention have significant advantages. In particular, the solid composites produced can have relatively high density and strength. Furthermore, the produced solid composite can have a relatively low sulfur content, and the biocrude cannot introduce undesirable impurities into the composite. Additionally, the biocrude may contain useful chemical species that can act as fluxing agents, for example in subsequent steelmaking processes.

「バイオマス」の用語は、本明細書で用いられる場合、生きている有機体又は最近まで生きていた有機体から得られたいかなる物質をも意味する。バイオマスは、バイオマスの潜在的なカーボンニュートラル性及びバイオマスの他の特性のために、有機バインダー製造のための好ましいフィードストックであるが、他の炭素質フィードストックも、フィードストックとして用いられてよく、それには、様々な炭素含有再生可能フィードストック及び非再生可能フィードストックが含まれ、限定されないが、石炭、固形廃棄物、又はこれらの混合物が挙げられる。固形廃棄物としては、限定されないが、農業廃棄物、林業廃棄物、及び家庭/都市固形廃棄物、又は炭素質フィードストックの処理からの残渣が挙げられ得る。実際、多くの固形廃棄物は、広い意味でのバイマスと見なされる。あるいは、バイオマスは、多くの固形廃棄物において少なくともかなりの量を占める構成成分である。 The term "biomass" as used herein means any material obtained from living or recently living organisms. Although biomass is a preferred feedstock for organic binder production due to its potential carbon neutrality and other properties of biomass, other carbonaceous feedstocks may also be used as feedstocks. It includes a variety of carbon-containing renewable and non-renewable feedstocks, including, but not limited to, coal, solid waste, or mixtures thereof. Solid wastes may include, but are not limited to, agricultural wastes, forestry wastes, and domestic/municipal solid wastes, or residues from the processing of carbonaceous feedstocks. In fact, many solid wastes are considered bimass in the broadest sense. Alternatively, biomass is at least a significant component of many solid wastes.

「熱処理」の用語は、本明細書で用いられる場合、その範囲内に、追加の物質の存在下又は非存在下における高温でのいかなるプロセスも含むことを意図している。例えば、不活性、酸化性、又は還元性の雰囲気下でのバイオマスの熱分解は、熱処理プロセスである。亜臨界水、臨界水、又は超臨界水中でのバイオマスの水熱処理は、別の熱処理プロセスである。 The term "thermal treatment" as used herein is intended to include within its scope any process at elevated temperatures in the presence or absence of additional substances. For example, pyrolysis of biomass under an inert, oxidizing, or reducing atmosphere is a heat treatment process. Hydrothermal treatment of biomass in subcritical, critical, or supercritical water is another heat treatment process.

「バイオクルード」の用語は、本明細書で用いられる場合、バイオマス又は他の炭素質フィードストックの熱処理からのいかなる液体又はペースト生成物をも含むことを意図している。バイオマスの熱分解からのバイオオイルは、典型的なバイオクルードである。 The term "biocrude" as used herein is intended to include any liquid or paste product from the thermal processing of biomass or other carbonaceous feedstocks. Bio-oil from the pyrolysis of biomass is a typical biocrude.

「バイオ炭」(又は「炭」)の用語は、本明細書で用いられる場合、バイオマス又は他の炭素質フィードストックの熱処理からの固体生成物を含むことを意図している。
「複合体」の用語は、本明細書で用いられる場合、その範囲内に、特性の異なる2つ以上の成分材料から成るいずれの材料をも含むことを意図している。「グリーン複合体」は、最終固体複合体を製造するための前駆体の混合物を意味する。グリーン複合体は、ペレット及び球の形状、又は他のいかなる規則的若しくは不規則的形状であってもよく、並びにいかなるサイズであってもよい。
The term "biochar" (or "charcoal") as used herein is intended to include the solid product from the thermal processing of biomass or other carbonaceous feedstocks.
The term "composite" as used herein is intended to include within its scope any material that is composed of two or more component materials with different properties. "Green composite" means a mixture of precursors for producing the final solid composite. The green composites may be in the shape of pellets and spheres, or any other regular or irregular shape, and of any size.

本発明の方法は、広く様々な組成及び特性を有する固体複合体を製造するために、バイオクルードと固体との広範な相対比にわたって行われてよい。
一つの実施形態では、固体は、鉄鉱石又はシリカなどの鉱物を含む。例えば、固体は、マグネタイト鉄鉱石であってよい。
The methods of the invention may be carried out over a wide range of relative ratios of biocrude to solid to produce solid composites with widely varying compositions and properties.
In one embodiment, the solid includes a mineral such as iron ore or silica. For example, the solid may be magnetite iron ore.

別の実施形態では、固体は、固体炭素材料を含む。例えば、固体は、冶金コークス、バイオ炭、又は炭であってよい。
1つの実施形態では、固体は、広範囲の粒子サイズを有してよい。例えば、選鉱されたマグネタイト鉄鉱石微粉が、単独で、又はマグネタイト鉱石塊と一緒に、バイオオイルと混合されて、グリーン複合体が製造されてよい。固体は、水が挙げられるがこれに限定されない不純物を含有していてよい。
In another embodiment, the solid includes solid carbon material. For example, the solid may be metallurgical coke, biochar, or charcoal.
In one embodiment, the solid may have a wide range of particle sizes. For example, beneficent magnetite iron ore fines, alone or together with magnetite ore chunks, may be mixed with bio-oil to produce a green composite. The solid may contain impurities including, but not limited to, water.

さらなる実施形態では、固体は、水又は他の化学物質を含むスラリーの形態であってもよい。
実施形態では、固体は、混合された固体を含む。例えば、固体は、マグネタイト鉄鉱石とヘマタイト鉄鉱石との混合物に他の不純物が一緒に含まれているものであってよい。別の選択肢として、固体は、鉱石とバイオ炭との混合物、又は鉱石と冶金コークスとの混合物であってもよい。
In further embodiments, the solid may be in the form of a slurry containing water or other chemicals.
In embodiments, the solids include mixed solids. For example, the solid may be a mixture of magnetite iron ore and hematite iron ore together with other impurities. As another option, the solid may be a mixture of ore and biochar, or a mixture of ore and metallurgical coke.

さらなる実施形態では、グリーン複合体は、複合体のその後の処理の補助とするために、石灰などのフラックス剤を含んでいてよい。
なおさらなる実施形態では、グリーン複合体は、複合体の固化を加速するために、触媒を含むさらなる化学物質を含んでいてもよい。
In further embodiments, the green composite may include a fluxing agent, such as lime, to aid in subsequent processing of the composite.
In still further embodiments, the green composite may include additional chemicals, including catalysts, to accelerate solidification of the composite.

グリーン複合体を加熱する工程は、100~600℃、好ましくは150~450℃、さらにより好ましくは200~350℃の温度までグリーン複合体を加熱することによって行われてよい。加熱は、不活性、又は還元性、又は酸化性の雰囲気下で行われてよい。 The step of heating the green composite may be carried out by heating the green composite to a temperature of 100-600°C, preferably 150-450°C, even more preferably 200-350°C. Heating may be performed under an inert, or reducing, or oxidizing atmosphere.

別の実施形態では、グリーン複合体を加熱する工程は、不活性、又は還元性、又は酸化性の雰囲気下で、グリーン複合体を600℃を超える温度まで加熱することによって行われてよい。 In another embodiment, heating the green composite may be performed by heating the green composite to a temperature above 600° C. under an inert, or reducing, or oxidizing atmosphere.

実施形態では、グリーン複合体を加熱する工程は、段階的に行われる。例えば、温度は、異なる加熱速度で、及び選択された温度レベルでの様々な保持時間で、次第に上昇されてよい。 In embodiments, heating the green composite is performed in stages. For example, the temperature may be increased gradually at different heating rates and with varying hold times at selected temperature levels.

方法は、特に複合体中のバイオクルード由来の炭素質構成成分を炭化するためであるが、これに限定されない目的で、高い温度で、好ましくは600℃超、より好ましくは800℃超、さらにより好ましくは1000℃超で、複合体を炭化するさらなる工程を含んでよい。 The method comprises carbonizing biocrude-derived carbonaceous components in the composite at elevated temperatures, preferably above 600°C, more preferably above 800°C, and even more, for the purpose of carbonizing biocrude-derived carbonaceous components in the composite, in particular but not limited to. A further step of carbonizing the composite may be included, preferably above 1000°C.

方法は、複合体中の固体を少なくとも部分的に溶融又は再結晶させて、より良好な機械的強度を実現するために、空気を例とする酸化剤との反応を通して複合体を燃焼するさらなる工程を含んでよい。 The method includes a further step of burning the composite through reaction with an oxidizing agent, for example air, in order to at least partially melt or recrystallize the solids in the composite to achieve better mechanical strength. may include.

本発明の第二の態様によると、固体複合体を製造する方法が提供され、この方法は:
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成された、高温で固化することができるバイオクルードを提供すること;
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成されたバイオ炭を提供すること;
バイオクルード及びバイオ炭を固体又はペーストと混合して、グリーン複合体を形成すること;及び
グリーン複合体を加熱して、固化した固体複合体を製造すること、
を含む。
According to a second aspect of the invention there is provided a method of manufacturing a solid composite, the method comprising:
To provide a biocrude formed from heat treatment of a carbonaceous feedstock containing biomass and capable of solidifying at high temperatures;
providing biochar formed from thermal treatment of carbonaceous feedstock containing biomass;
mixing the biocrude and biochar with a solid or paste to form a green composite; and heating the green composite to produce a solidified solid composite;
including.

グリーン複合体中にバイオ炭を含めることによって、複合体の炭素含有量を有利に増加させることができる。バイオ炭及びバイオクルードは、同一又は異なる炭素質フィードストックの熱処理から製造されてよい。 By including biochar in the green composite, the carbon content of the composite can be advantageously increased. Biochar and biocrude may be produced from heat treatment of the same or different carbonaceous feedstocks.

本発明の第三の態様によると、固体複合体を製造する方法が提供され、この方法は:
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成された、高温で固化することができるバイオクルードを提供すること;
バイオクルードを固体又はペーストと混合して、グリーン複合体を形成すること;
グリーン複合体を加熱して、固化した固体複合体を製造すること;及び
グリーン複合体の加熱から放出された揮発性物質を回収すること、
を含む。
According to a third aspect of the invention there is provided a method of manufacturing a solid composite, the method comprising:
To provide a biocrude formed from heat treatment of a carbonaceous feedstock containing biomass and capable of solidifying at high temperatures;
mixing the biocrude with a solid or paste to form a green composite;
heating the green composite to produce a solidified solid composite; and recovering volatile materials released from heating the green composite;
including.

本発明の第四の態様によると、固体複合体を製造する方法が提供され、この方法は:
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成された、高温で固化することができるバイオクルードを提供すること;
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱処理から形成されたバイオ炭を提供すること;
バイオクルード及びバイオ炭を固体又はペーストと混合して、グリーン複合体を形成すること;
グリーン複合体を加熱して、固化した固体複合体を製造すること;及び
グリーン複合体の加熱から放出された揮発性物質を回収すること、
を含む。
According to a fourth aspect of the invention there is provided a method of manufacturing a solid composite, the method comprising:
To provide a biocrude formed from heat treatment of a carbonaceous feedstock containing biomass and capable of solidifying at high temperatures;
providing biochar formed from thermal treatment of carbonaceous feedstock containing biomass;
mixing biocrude and biochar with a solid or paste to form a green composite;
heating the green composite to produce a solidified solid composite; and recovering volatile materials released from heating the green composite;
including.

バイオ炭及びバイオクルードは、同一又は異なる炭素質フィードストックの熱処理から製造されてよい。
本発明の第三又は第四の態様の実施形態では、揮発性物質を回収する工程は、揮発性物質を燃焼装置に供給して、グリーン複合体を加熱するための熱エネルギーを提供することを含む。
Biochar and biocrude may be produced from heat treatment of the same or different carbonaceous feedstocks.
In an embodiment of the third or fourth aspect of the invention, the step of recovering the volatile material comprises supplying the volatile material to a combustion device to provide thermal energy for heating the green composite. include.

本発明の第三又は第四の態様のさらなる実施形態では、揮発性物質を回収する工程は、揮発性物質を冷却して、液体と非凝縮性ガス混合物とを形成することを含む。液体又は非凝縮性ガス混合物は、個別に又は一緒に、グリーン複合体の加熱のために又は他の目的のために必要とされる熱エネルギーを供給する燃料として用いられてよい。 In a further embodiment of the third or fourth aspect of the invention, recovering the volatile material comprises cooling the volatile material to form a liquid and non-condensable gas mixture. Liquids or non-condensable gas mixtures may be used individually or together as fuels to provide the thermal energy required for heating the green complex or for other purposes.

本発明の第三又は第四の態様の具体的な実施形態では、回収された揮発性物質は、発電のための燃料として用いられる。この目的のために、ガスエンジン又はガスタービンの使用を例とする、現時点で又は将来的に知られる適切ないかなる発電方法が用いられてもよい。 In specific embodiments of the third or fourth aspect of the invention, the recovered volatiles are used as fuel for power generation. For this purpose, any suitable power generation method known now or in the future may be used, for example the use of gas engines or gas turbines.

本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら、単なる例として以降で記載する。 Embodiments of the invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG.

図1は、本発明の実施形態に従う固体複合体を製造する方法のフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram of a method of manufacturing a solid composite according to an embodiment of the invention.

本発明の実施形態は、固体複合体を製造する方法に関する。固体複合体を製造するために、バイオマス又は他の炭素質フィードストック又はこれらの混合物の熱処理を通して形成されたバイオクルードが提供され、バイオクルードは、加熱によって固化することができる。必ずしも特定のいかなる理論にも同意するものではないが、固化プロセスは、バイオクルードからの水及び軽質化学種の蒸発に加えて、バイオクルード中の反応性化学種及び官能基が関与し、グリーン複合体の一部を形成する固体も関与する複雑な化学反応を含む。本明細書における実施形態の記載は、バイオマスの熱分解からのバイオオイルに焦点を当てているが、本発明のバイオクルードは、バイオオイルだけに限定されない。現時点で知られている又は将来的に発明されることになる様々なバイオマス熱分解技術が、バイオオイルの製造に用いられてよい。例えば、破砕熱分解技術(PCT/AU2011/000741)は、本発明の方法を用いた複合体の製造のためのバイオオイルの製造に、非常に良好に働く。熱分解プロセスは、一般的に、固体副産物のバイオ炭、及び非凝縮性ガスを含む気体副産物も生成する。バイオ炭も、本発明の固体複合体の製造のためのフィードストックとして用いることができる。 Embodiments of the invention relate to methods of manufacturing solid composites. To produce a solid composite, a biocrude formed through heat treatment of biomass or other carbonaceous feedstock or mixtures thereof is provided, and the biocrude can be solidified by heating. Without necessarily subscribing to any particular theory, the solidification process involves the evaporation of water and light species from the biocrude, as well as reactive species and functional groups in the biocrude, resulting in green composites. It involves complex chemical reactions that also involve the solids that form part of the body. Although the description of embodiments herein focuses on bio-oil from the pyrolysis of biomass, the biocrude of the present invention is not limited to only bio-oil. A variety of biomass pyrolysis techniques now known or to be invented in the future may be used to produce bio-oil. For example, the crushing pyrolysis technique (PCT/AU2011/000741) works very well for the production of bio-oil for the production of composites using the method of the invention. Pyrolysis processes typically also produce a solid byproduct, biochar, and gaseous byproducts, including noncondensable gases. Biochar can also be used as a feedstock for the production of the solid composite of the present invention.

バイオオイルは、ほぼ液体であるが、当業者であれば、バイオオイルがコロイド及びさらには固体(バイオ炭を含む)さえ含有する場合があることは認識するであろう。水に加えて、バイオオイルは、広く様々な化学官能基、特に酸素含有官能基を有する数多くの有機化合物を含有し得る。バイオオイルは、溶解した無機物及び無機固体も含有する場合があり、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、及びカルシウムの塩などである。それらは、複合体をフィードストックとして用いるその後のプロセスにおいて、有益な効果を有し得る。例えば、それらは、鉄鋼産業における高炉でのフラックス剤として作用し得る。いくつかの熱分解プロセスでは、バイオオイルは、ペースト又はスラリーの形態で製造される。バイオオイル及びバイオ炭のスラリーは、いくつかの熱分解プロセスで直接製造される。 Although bio-oil is mostly liquid, those skilled in the art will recognize that bio-oil may contain colloids and even solids (including biochar). In addition to water, bio-oils can contain numerous organic compounds with a wide variety of chemical functionalities, especially oxygen-containing functional groups. Bio-oils may also contain dissolved minerals and solids, such as sodium, potassium, magnesium, and calcium salts. They may have beneficial effects in subsequent processes using the complex as feedstock. For example, they can act as fluxing agents in blast furnaces in the steel industry. In some pyrolysis processes, bio-oil is produced in the form of a paste or slurry. Bio-oil and biochar slurries are produced directly in several pyrolysis processes.

バイオオイルが固体と混合されて、グリーン複合体が製造される。実施形態では、バイオオイルがマグネタイト鉄鉱石と混合されて、バイオオイル及びマグネタイトを含むグリーン複合体が製造される。別の実施形態では、バイオオイル及びバイオ炭がマグネタイト鉱石と混合されて、グリーン複合体が製造される。さらなる実施形態では、様々な追加の化学種も混合物に添加されて、異なる特性を有するグリーン複合体が製造される。 The bio-oil is mixed with solids to produce a green composite. In embodiments, bio-oil is mixed with magnetite iron ore to produce a green composite comprising bio-oil and magnetite. In another embodiment, bio-oil and biochar are mixed with magnetite ore to produce a green composite. In further embodiments, various additional chemical species are also added to the mixture to produce green composites with different properties.

さらなる実施形態では、バイオオイルが炭素材料と混合されて、グリーン複合体が製造される。炭素材料は、冶金コークス又はバイオ炭又は炭素質フィードストックの熱処理からのいかなる固体であってもよい。触媒を含む追加の化学物質も、グリーン複合体の成分であってよい。 In further embodiments, bio-oil is mixed with carbon materials to produce green composites. The carbon material can be metallurgical coke or biochar or any solid from heat treatment of carbonaceous feedstock. Additional chemicals, including catalysts, may also be components of the green composite.

混合プロセスは、様々な方法で行われてよく、グリーン複合体は、様々な形状で製造されてよい。バイオオイル及び固体は、必要とされる形状のグリーン複合体へプレス加工されてよい。実施形態では、ディスクペレタイザーが用いられて、バイオ炭又は他のいずれかの成分化学物質も含んでいてよいバイオオイル及び鉄鉱石が混合、回転されて、球形状とされる。さらなる実施形態では、ドラムペレタイザーが用いられる
バイオオイルと、鉄鉱石と、バイオ炭及び追加の化学物質を含む他の成分との複合体中での相対比は、複合体を用いるその後のプロセスの必要性に合うように、広い範囲にわたって様々であってよい。
The mixing process may be performed in various ways and the green composite may be manufactured in various shapes. The bio-oil and solids may be pressed into a green composite of the required shape. In embodiments, a disc pelletizer is used to mix and rotate bio-oil, which may also include biochar or any other component chemicals, and iron ore into a spherical shape. In a further embodiment, a drum pelletizer is used. The relative proportions of bio-oil, iron ore, and other components, including biochar and additional chemicals, in the complex are determined according to the needs of subsequent processing using the complex. It may vary over a wide range to suit the gender.

グリーン複合体は、次に、加熱されて、最終固体複合体品が製造される。加熱は、不活性、還元性、又は酸化性の雰囲気下、複合体を固化させる様々な方法で行われてよい。
加熱の過程では、数多くの物理的プロセス及び化学的反応が起こり得る。水分、例えばバイオオイル中又は鉄鉱石中の水分は、蒸発することになる。バイオオイル中の軽質構成成分の一部も、蒸発することになる。温度に応じて、バイオオイル中の反応性官能基も様々な反応を、特にクラッキング反応及び重合反応を受けて、さらなるより軽質な構成成分及びより重質な構成成分が生成されることになる。重質構成成分は、固体(例:鉱石)粒子を一緒に結合するために特に重要である。
The green composite is then heated to produce the final solid composite article. Heating may be performed in a variety of ways to solidify the composite under an inert, reducing, or oxidizing atmosphere.
During the heating process, numerous physical processes and chemical reactions can occur. Moisture, for example in the bio-oil or in the iron ore, will evaporate. Some of the light components in the bio-oil will also evaporate. Depending on the temperature, the reactive functional groups in the bio-oil will also undergo various reactions, particularly cracking reactions and polymerization reactions, to produce additional lighter and heavier components. The heavy components are particularly important for binding solid (eg ore) particles together.

必ずしも特定のいかなる理論にも同意するものではないが、バイオオイル中の構成成分は、固体(例:鉄鉱石、バイオ炭、又は他の炭素材料)とも反応して、バイオオイル構成成分と鉄鉱石との間にいくつかの新しい化学結合を形成する可能性がある。この種類の化学結合は、物理的な相互作用/力よりも非常に強く、複合体品の機械的強度に大きく寄与している。 Without necessarily subscribing to any particular theory, the components in the bio-oil may also react with solids (e.g. iron ore, biochar, or other carbon materials) to form bio-oil components and iron ore. may form some new chemical bonds between This type of chemical bonding is much stronger than physical interactions/forces and contributes significantly to the mechanical strength of the composite article.

グリーン複合体の加熱は、様々な方法で行われてよい。実施形態では、グリーン複合体は、少なくとも一部のバイオオイル構成成分を燃焼させるために、酸化性雰囲気下で加熱される。燃焼は、グリーン複合体を高い温度まで加熱して、鉄鉱石のある程度の溶融/焼結を引き起こすことになり、その場合、再結晶化又は他の物理化学的プロセスが発生して、高い機械的強度の複合体が得られる結果となり得る。燃焼と同時に、一部の鉄鉱石は、少なくとも部分的に還元もされ得る。燃焼プロセスは、グリーン複合体上、又は最終複合体品上で行われてよい。 Heating the green composite may be done in a variety of ways. In embodiments, the green composite is heated under an oxidizing atmosphere to combust at least some of the bio-oil components. Combustion will heat the green composite to high temperatures causing some degree of melting/sintering of the iron ore, where recrystallization or other physico-chemical processes occur and lead to high mechanical A strong composite may result. Simultaneously with combustion, some iron ore may also be at least partially reduced. The combustion process may be performed on the green composite or on the final composite article.

バイオオイル及び鉄鉱石から誘導された複合体、並びに/又はバイオオイル及び冶金コークスから誘導された複合体は、鉄鋼産業における高炉へのフィードストックの一部として用いることができる。バイオオイル及び固体バイオ炭(又は他の種類の炭)から誘導された複合体は、シリコンを製造するための電気アーク炉へ供給することができる。 Composites derived from bio-oil and iron ore and/or composites derived from bio-oil and metallurgical coke can be used as part of the feedstock to blast furnaces in the steel industry. A composite derived from bio-oil and solid biochar (or other types of charcoal) can be fed to an electric arc furnace for producing silicon.

グリーン複合体の加熱から放出される揮発性物質は、数多くの燃焼性構成成分を含有し得る。加熱が比較的低い温度(例:約600℃未満)で行われる場合、これらの揮発性構成成分の一部は、凝縮されて、液体燃料及び非凝縮性ガス燃料が製造され得る。 The volatiles released from heating the green composite can contain a number of combustible components. If heating is performed at relatively low temperatures (eg, less than about 600° C.), some of these volatile components may be condensed to produce liquid fuels and non-condensable gaseous fuels.

鉄鉱石は、放出された揮発性物質を改質して軽質ガスとするための非常に優れた触媒であり得る。したがって、具体的な実施形態では、本発明における複合体製造が用いられて、発電プロセスと一体化され、この場合、グリーン複合体の加熱から放出される揮発性物質及びガスが、発電装置を用いた発電のために用いられる。これらの発電装置の例としては、限定されないが、ガスエンジン、ガスタービン、及び燃料電池が挙げられる。 Iron ore can be a very good catalyst for reforming released volatiles into light gases. Accordingly, in specific embodiments, the composite fabrication of the present invention is used to integrate with a power generation process, where the volatiles and gases released from the heating of the green composite are used for power generation. Examples of these power generation devices include, but are not limited to, gas engines, gas turbines, and fuel cells.

ここで図1を参照すると、本発明の具体的な実施形態に従う方法100を説明するフローチャートが示される。
第一の工程102では、バイオマスの熱処理を通して形成され、固化することができるバイオクルードが提供される。この特定の実施形態では、バイオクルードは、バイオマスの熱分解から得られたバイオオイルである。
Referring now to FIG. 1, a flowchart is shown illustrating a method 100 according to a specific embodiment of the invention.
A first step 102 provides a biocrude that can be formed and solidified through heat treatment of biomass. In this particular embodiment, the biocrude is bio-oil obtained from pyrolysis of biomass.

工程104では、バイオ炭が提供される。バイオオイル及びバイオ炭は、一般的に、同じバイオマスの熱分解から同時に製造されるが、バイオオイル及びバイオ炭は、異なるバイオマスから、異なる熱処理プロセスを用いて製造されてもよい。 At step 104, biochar is provided. Although bio-oil and biochar are generally produced simultaneously from the pyrolysis of the same biomass, bio-oil and biochar may be produced from different biomass and using different thermal treatment processes.

熱分解プロセスの特定の例は、PCT国際特許出願PCT/AU2011/000741にさらに詳細に記載されている。
次の工程106では、バイオオイル及びバイオ炭は、固体と一緒に混合されて、グリーン複合体が形成される。この特定の実施形態では、固体は、マグネタイト鉄鉱石、特に、選鉱後のマグネタイト鉄鉱石微粉である。バイオ炭及び鉄鉱石の代わりに、固体は、シリコン製造プロセスにおけるバイオ炭の製造及び調製の過程で生成されるバイオ炭微粉であってもよい。さらなる実施形態では、シリカが添加されてグリーン複合体が形成されてよく、それによって、最終複合体品中のシリカは、炭素と密接に接触した状態となって、電気アーク炉中でシリカが還元されてシリコンが形成されることが促進される。混合は、室温で行われてよい。この特定の例では、混合を行って所望される形状が形成される。グリーン複合体は、プレス加工を通して形成されてもよい。
Specific examples of pyrolysis processes are described in further detail in PCT International Patent Application PCT/AU2011/000741.
In the next step 106, the bio-oil and biochar are mixed together with solids to form a green composite. In this particular embodiment, the solid is magnetite iron ore, particularly magnetite iron ore fines after beneficiation. Instead of biochar and iron ore, the solids may be biochar fines produced during the production and preparation of biochar in silicon manufacturing processes. In a further embodiment, silica may be added to form a green composite, such that the silica in the final composite article is in intimate contact with the carbon and the silica is reduced in an electric arc furnace. This promotes the formation of silicon. Mixing may occur at room temperature. In this particular example, mixing is performed to form the desired shape. The green composite may be formed through pressing.

次に、グリーン複合体は、工程108で、バイオオイルが複雑な物理的及び化学的プロセスを受けて固化する温度まで加熱される。バイオオイルからの反応生成物を含むC含有構成成分とマグネタイト鉱石との間の結合は、物理的な力及び化学的な結合を含む。 The green composite is then heated in step 108 to a temperature at which the bio-oil undergoes complex physical and chemical processes to solidify. The bond between the C-containing component, including the reaction product from the bio-oil, and the magnetite ore includes physical forces and chemical bonds.

工程110では、バイオオイルが関与する反応から放出された揮発性物質が、そのエネルギー価を抽出するために回収される。それらはまた、他の化学プロセスのための化学的フィードストックとしても用いられ得る。 In step 110, volatiles released from reactions involving the bio-oil are recovered to extract their energy value. They can also be used as chemical feedstocks for other chemical processes.

以下の特許請求の範囲において、及び本発明の上述の記載において、明示された言語又は必要な暗示に起因して文脈上他の解釈が必要である場合を除き、「含む(comprise)」の語、又は「含む(comprises)」若しくは「含んでいる(comprising)」などの変化形は、包括的な意味で用いられるものであり、すなわち、記載された特徴の存在を指定するが、本発明の様々な実施形態において、さらなる特徴の存在又は付与を除外するものではない。 In the following claims and in the above description of the invention, the word ``comprise'' is used in the following claims and in the above description of the invention, except where the context requires otherwise due to express language or required implication. , or variations such as "comprises" or "comprising" are used in an inclusive sense, i.e., specifying the presence of the recited feature, but not limiting the scope of the invention. This does not exclude the presence or provision of further features in various embodiments.

Claims (13)

固体複合体を製造する方法であって、
バイオマスを含む炭素質フィードストックの熱分解から形成される、高温で固化することができるバイオオイルを提供すること、
前記バイオオイルを固体又はペーストと混合して、グリーン複合体を形成すること、及び
前記グリーン複合体を加熱して、前記バイオオイル中の反応性化学種及び官能基を含む物理的プロセス及び化学的プロセスをうけて固化した固体複合体を製造すること、
を含み、
ここで、
前記固体又はペーストが鉄鉱石を含み、
前記固化した固体複合体が、高炉またはアーク炉へのフィードストックの一部を構成する、
方法。
1. A method of manufacturing a solid composite, comprising:
providing a bio-oil capable of solidifying at high temperatures formed from the pyrolysis of a carbonaceous feedstock comprising biomass;
mixing the bio-oil with a solid or paste to form a green composite; and heating the green composite to perform physical and chemical processes involving reactive species and functional groups in the bio-oil. producing a solidified solid composite subject to a process;
including;
here,
the solid or paste contains iron ore;
the solidified solid composite constitutes part of the feedstock to a blast furnace or electric arc furnace;
Method.
前記バイオオイルが、流動性液体又は非流動性ペーストを含む、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the bio-oil comprises a flowable liquid or a non-flowable paste. 前記固体又はペーストが炭素材料を含む、請求項1または請求項2に記載の方法。 3. A method according to claim 1 or claim 2, wherein the solid or paste comprises a carbon material. 前記固体が冶金コークス微粉を含む、請求項3に記載の方法。 4. The method of claim 3, wherein the solid comprises metallurgical coke fines. 前記固体がバイオ炭を含む、請求項3に記載の方法。 4. The method of claim 3, wherein the solid comprises biochar. バイオマスを含む炭素質フィードストックの前記熱処理から形成されるバイオ炭を提供する工程、並びに前記バイオ炭を前記バイオオイル及び前記固体と混合してグリーン複合体を形成する工程をさらに含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。 10. The method of claim 1, further comprising providing biochar formed from the thermal treatment of a carbonaceous feedstock comprising biomass, and mixing the biochar with the bio-oil and the solids to form a green composite. 6. The method according to any one of items 5 to 5. 前記グリーン複合体の前記加熱から放出される揮発性物質及び他のガスを回収する工程をさらに含む、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。 7. A method according to any preceding claim, further comprising the step of recovering volatiles and other gases released from the heating of the green composite. 前記回収された揮発性物質及び他のガスが、前記グリーン複合体を加熱するためのエネルギーを供給するために燃焼される、請求項7に記載の方法。 8. The method of claim 7, wherein the recovered volatiles and other gases are combusted to provide energy for heating the green composite. 前記回収された揮発性物質及び他のガスが、発電するために用いられる、請求項7に記載の方法。 8. The method of claim 7, wherein the recovered volatiles and other gases are used to generate electricity. 前記グリーン複合体を加熱する前記工程が、段階的に行われる、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。 10. A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the step of heating the green composite is performed in stages. 前記グリーン複合体を加熱する前記工程が、前記グリーン複合体を少なくとも部分的に溶融、又は焼結、及び/又は炭化するために行われる、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の方法。 11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the step of heating the green composite is performed to at least partially melt or sinter and/or carbonize the green composite. . 前記グリーン複合体を加熱する前記工程が、前記グリーン複合体を加熱して前記グリーン複合体中の有機構成成分を燃焼することによって行われる、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 11, wherein the step of heating the green composite is performed by heating the green composite to burn out organic constituents in the green composite. . 前記グリーン複合体の前記固化の速度を増加させるために触媒を提供する工程をさらに含む、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の方法。 13. A method according to any preceding claim, further comprising the step of providing a catalyst to increase the rate of solidification of the green composite.
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