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技術 ガス化前に水蒸気爆砕を使用するバイオマスの前処理

出願人 サンドロップ・フューエルズ・インコーポレイテッド
発明者 アンパルスキー・ロバート・エスターナー・ジョン・ティーフェラロ・フランシス・ミカエルホフマン・ジェロッド・ウェイネシモンズ・ウェイネ・ダブリュー
出願日 2013年6月4日 (6年8ヶ月経過) 出願番号 2015-518422
公開日 2015年9月17日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2015-527425
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 出口段 加熱キャビティ 輻射熱流束 機械的メカニズム 輻射熱エネルギー 供給区画 バーナーシステム 酸素添加ガス
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題・解決手段

バイオマスから合成ガスを発生させる、水蒸気爆砕処理ユニットおよびバイオマスガス化装置を含む、総合プラント。水蒸気爆砕処理ユニットは、バイオマスを含水微粒子状にするため、熱、圧力、および水分の組み合わせをバイオマスに加える。水蒸気爆砕処理ユニットは、バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧するために、高圧水蒸気を加えて、含水量が増加したバイオマスの急速減圧を介してバイオマスのバルク構造を内部分裂させる。それらの生成されたバイオマスの含水微粒子は、続いて、バイオマスガス化装置の供給区画に供給され、そこで高速バイオマスガス化反応バイオマス粒子と反応させて、合成ガス成分を生成する。

概要

背景

乾燥木材チップを用いて中質繊維板を作る技術が当初は想起された。他のプロセスは、木材チップ粉砕し、チップを乾燥させ、チップを再粉砕し、繊維を湿潤させ、繊維を緻密化し、次に木材チップを(ペレット状などに)緻密化する、複数のステップを要する。

概要

バイオマスから合成ガスを発生させる、水蒸気爆砕処理ユニットおよびバイオマスガス化装置を含む、総合プラント。水蒸気爆砕処理ユニットは、バイオマスを含水微粒子状にするため、熱、圧力、および水分の組み合わせをバイオマスに加える。水蒸気爆砕処理ユニットは、バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧するために、高圧水蒸気を加えて、含水量が増加したバイオマスの急速減圧を介してバイオマスのバルク構造を内部分裂させる。それらの生成されたバイオマスの含水微粒子は、続いて、バイオマスガス化装置の供給区画に供給され、そこで高速バイオマスガス化反応バイオマス粒子と反応させて、合成ガス成分を生成する。

目的

上述したように、水蒸気爆砕プロセスが適切に働くためには、システムバイオマスチップ中の特定レベル湿度/水分を爆砕源に提供する

効果

実績

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請求項1

バイオマスから合成ガスを発生させる総合プラントであって、原材料としてのバイオマスを受け入れ入力キャビティと、1つまたは複数の水蒸気供給入力部と、後続バイオマスガス化装置への供給のために前記バイオマスを前処理する2つ以上の段とを有する水蒸気爆砕ユニットを備え、前記段が、前記バイオマスを含水微粒子状にするために前記バイオマスに加えられる、熱、圧力、および水分の組み合わせを使用し、水蒸気爆砕プロセスが、少なくとも一部には、第1の水蒸気供給入力部から水蒸気を加えて、リグニンヘミセルロースとの間の結合を前記バイオマスのセルロース繊維から分解し始め、前記受け入れたバイオマスの含水量を増加させることによって、前記受け入れたバイオマスのバルク構造破壊し、次に、前記段において、大気圧の少なくとも10倍の圧力の水蒸気が第2の水蒸気供給入力部から加えられて、前記バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧して、含水量が増加し結合が分解された前記バイオマスの急速減圧を介して、前記受け入れたバイオマスの前記バルク構造を内部分裂させ、前記段により含水微粒子状へと生成された前記バイオマスが、厚さ70ミクロン未満、長さ500ミクロン未満の平均寸法を有し、前記生成されたバイオマスの含水微粒子が、続いて、前記バイオマスガス化装置の供給区画に供給され、前記バイオマスガス化装置が、前記水蒸気爆砕ユニットによって分裂させたことによって粒径が減少し表面積が全体的に増加した、含水微粒子状の前記バイオマスを反応させるように構成されたリアクタ容器を有し、前記バイオマスガス化装置が、第3の水蒸気供給入力部および1つまたは複数の熱源を有し、水蒸気の存在下で、高速バイオマスガス化反応において、微粒子状の前記バイオマスを前記リアクタ容器内で反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む、少なくとも合成ガス成分を生成し、前記水蒸気爆砕ユニットおよび前記バイオマスガス化装置が総合プラントの一部である、総合プラント。

請求項2

前記水蒸気爆砕ユニットの前記2つ以上の段が、熱的水和段および水蒸気爆砕段を含み、前記熱的水和段が、前記バイオマスのチップを受け入れる前記入キャビティと、大気圧PSI付近の圧力で60℃超であるが145℃未満である高温で、前記バイオマスのチップを収容した容器内に低圧飽和水蒸気を加えて、前記受け入れたチップ状のバイオマスの分解、水和、および軟化を開始する、前記第1の水蒸気供給入力部とを有し、前記バイオマスのチップが、水分で飽和するのに十分に長い間、前記熱的水和段に留まる、請求項1に記載の総合プラント。

請求項3

前記熱的水和段が、軟化させ含水量を増加させたバイオマスのチップを、前記熱的水和段中に存在する圧力の10〜40倍の圧力で前記水蒸気爆砕段に供給し、前記水蒸気爆砕段が、バイオマスの含水量を少なくとも40重量%に、好ましくは50〜60水分重量%にさらに上昇させ、水分重量が、前記バイオマスのチップに前記水の重量を加えて構成される総重量で割られる、請求項2に記載の総合プラント。

請求項4

前記熱的水和段の後、前記チップ状の軟化したバイオマスが、1)破砕したものと、2)プラグ状圧縮したものの任意の組み合わせであり、前記組み合わせが次に、前記プラグ状のバイオマスを前記水蒸気爆砕段へと移動させる連続的なスクリューコンベヤステムに供給され、前記連続的なスクリューコンベヤシステムにおいて、前記プラグ状のバイオマスが、前記水蒸気爆砕段中に存在する高圧水蒸気によるブローバック逆圧が前記熱的水和段に影響するのを防ぎ、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む前記合成ガス成分が、前記バイオマスガス化装置から下流の有機液体生成物合成リアクタに供給される、請求項1に記載の総合プラント。

請求項5

前記水蒸気爆砕ユニット、前記バイオマスガス化装置、および前記有機液体生成物合成リアクタが、前記総合プラントの一部である、請求項4に記載の総合プラント。

請求項6

前記水蒸気爆砕段において、水分が前記バイオマスの前記バルク構造の多孔質部分浸透し、前記バイオマス中の流体およびガスが全て高圧に上昇するまで、前記バイオマスが、少なくとも5分間、好ましくは約10分間、前記第2の水蒸気入力部からの少なくとも188℃および160PSI(1103kPa)の高温および高圧の水蒸気に暴露され、前記コンベヤシステムが、前記水蒸気爆砕段を通して出口まで前記バイオマスを供給し、小さい開口部が4〜10バールの低圧で維持された管に入り、あらゆる内部流体またはガスが高圧で膨張して、前記バイオマスの前記バルク構造をバイオマスの含水微粒子へと内部分裂させる、請求項2に記載の総合プラント。

請求項7

前記水蒸気爆砕ユニットの前記2つ以上の段が、熱的水和段および水蒸気爆砕段を含み、前記熱的水和段が、前記水蒸気爆砕段における前記バイオマスの少なくとも前記セルロース繊維を前記バイオマスから内部分裂することができるように、前記バイオマスを軟化させ、前記バイオマスの含水量を上昇させるために、前記リグニンのガラス転移点を上回る温度で前記バイオマスに加えられる水蒸気を有し、前記熱的水和段が、葉、針葉樹皮、および木材、ならびにエネルギー作物などの非木質バイオマス原材料を含むことができる、前記チップ状のバイオマスを受け入れるように構成され、次に前記バイオマスのチップが、前記水蒸気を使用して、60℃超まで加熱され、前記水蒸気爆砕段において、前記軟化し水和したバイオマスのチップが設定期間の間高温および高圧の水蒸気に暴露されて、部分的に中空のセルロース繊維、およびバイオマス材料の前記バルク構造における他の多孔質範囲の内部に、高圧水蒸気が作り出され、次に、前記水蒸気爆砕段の出口における圧力が、160〜850PSI(1103〜5860kPa)の前記バイオマスの前記バルク構造を、低圧の管内へと押し出すことによって急速に低下して、内部爆砕を引き起こし、それによって前記バイオマスが内部分裂してバイオマスの細かい微粒子となり、繊維束状のバイオマスの前記バルク構造を内部分裂して、セルロース繊維、リグニン、およびヘミセルロースの個片および断片にすることによって、1)前記受け入れたチップ状のバイオマスと比べて、前記微粒子状のバイオマスの表面積が増加すること、および2)結果として得られる前記生成された微粒子状のバイオマスの構造が変化して、繊維ではなく砂粒のように流動することの両方がもたらされる、請求項1に記載の総合プラント。

請求項8

前記水蒸気爆砕ユニットの前記2つ以上の段が、熱的水和段および水蒸気爆砕段を含み、前記水蒸気爆砕段の出口で、一旦前記バイオマスが爆砕されて前記含水微粒子状になると、前記生成されたバイオマスの粒子が、水蒸気がブローライン瞬間蒸発し、水蒸気として排気されることにより、ある割合の含水量が失われ、前記生成されたバイオマスの粒子および水分は、次にサイクロンフィルタによって分離され、前記バイオマスの微粒子の含水量が、前記バイオマスの微粒子の含水量を好ましくは1〜20重量%まで、一般には30%以下に低減する乾燥器によって、ブロー容器の出口でさらに乾燥され、前記乾燥器が次に、低含水量の前記バイオマスの微粒子を前記バイオマスガス化装置に供給する、請求項1に記載の総合プラント。

請求項9

低含水量の前記生成されたバイオマスの微粒子が、断片化され、断裂され、細断されたセルロース繊維と、これらの任意の組み合わせとを含み、厚さ30ミクロン未満、長さ200ミクロン未満の平均寸法を有し、前記生成されたバイオマスの微粒子が、前記受け入れたチップ状のバイオマスに比べて、同量のバイオマスに対してより高い表面対体積比を作り出すという理由により、前記バイオマスガス化装置のリアクタ内における高速バイオマスガス化反応のため、前記バイオマスガス化装置へと下流に供給され、それによって、前記バイオマス材料に対するより高い伝熱および質量移動、ならびに前記バイオマス中の全ての分子のより迅速な熱分解およびガス化が可能になる、請求項1に記載の総合プラント。

請求項10

高圧水蒸気で充填された前記水蒸気爆砕段が、前記バイオマス材料を「爆砕」して低圧の次の段へと至らせ、前記微粒子状のバイオマスを生成するように構成された吐出口を含み、前記微粒子状のバイオマスが、高速でブロー容器の供給ラインを通って流動し、1)流動性固体、および2)ガスのいずれかを含む流動剤が、前記バイオマスによる目詰まりを防ぐため、1)前記水蒸気爆砕段の前記吐出口、および2)前記供給ライン内のいずれかで注入され、それに加えて、前記供給ラインが、前記微粒子状のバイオマスの高温を維持し、前記微粒子状のバイオマスのロジンおよび樹脂酸結晶化を防ぐ助けとするため、前記供給ラインの周りに引かれた加熱コイルを有する、請求項2に記載の総合プラント。

請求項11

水分離ユニットをさらに備え、前記水蒸気爆砕段の出口段にある収集チャンバが、粒径がより小さくされたパルプ状の前記バイオマスを収集するのに使用され、前記水分離ユニットに供給され、サイクロンユニット内で前記微粒子状のバイオマスから水が除去され、前記微粒子状のバイオマスの20重量%未満の低減された含水量が、事前設定した時間量で700℃未満の温度で前記バイオマスの焙焼、乾燥、または熱分解が行われる焙焼ユニットへと搬送システムによって供給される、請求項1に記載の総合プラント。

請求項12

微粒子状のバイオマスを生成する総合プラントであって、原材料としてのバイオマスを受け入れる入力キャビティを有する水蒸気爆砕ユニットと、2つ以上の水蒸気供給入力部と、後で緻密化ユニットに供給するために前記バイオマスを前処理する2つ以上の段とを備え、i)前記段が、前記バイオマスを含水微粒子状にするため、前記バイオマスに加えられる熱、圧力、および水分の組み合わせを使用し、ii)第1の段が、少なくとも一部には、第1の水蒸気供給入力部から水蒸気を加えて、リグニンとヘミセルロースとの間の結合を前記バイオマスのセルロース繊維から分解し始め、前記受け入れたバイオマスの含水量を増加させることによって、前記受け入れたバイオマスのバルク構造を破壊し、iii)次の段において、大気圧の少なくとも10倍の圧力の水蒸気が第2の水蒸気供給入力部から加えられて、前記バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧して、含水量が増加し結合が分解された前記バイオマスの急速減圧を介して、前記バイオマスの前記バルク構造を内部分裂させ、前記段により含水微粒子状へと生成された前記バイオマスが、厚さ70ミクロン未満、長さ500ミクロン未満の平均寸法を有し、前記生成されたバイオマスの含水微粒子が、続いて、スラリーの状態で前記水蒸気爆砕ユニットの出力から前記緻密化ユニットに直接供給され、前記緻密化ユニットが、前記含水粒子状のバイオマスを、バイオマスのペレットを含むがそれに限定されないより稠密な形態へと緻密化するように構成され、次に、前記緻密化された形態のバイオマスが、1)バイオマスガス化装置、2)プロセス加熱のための燃焼ユニット、3)電力を発生させる燃焼ユニット、4)化学物質を生成する処理ユニット、および5)バイオマスペレットが利用される用途向けに貯蔵または輸送するための梱包ユニットのうち1つもしくは複数に供給される、総合プラント。

請求項13

前記水蒸気爆砕ユニットから生成される前記含水粒子状のバイオマスが、前記バイオマスの含水量を0%〜45%まで乾燥するように構成された乾燥器に供給され、その後、前記乾燥したバイオマスが前記緻密化ユニットに送られる、請求項12に記載のプロセス。

請求項14

総合プラントでバイオマスから合成ガスを発生させる方法であって、後続のバイオマスガス化装置への供給のために2つ以上の段でバイオマスを前処理するため、原材料としての前記バイオマスを受け入れるステップと、前記バイオマスを含水微粒子状にするために、2つ以上の段で前記バイオマスに熱、圧力、および水分の組み合わせを加えるステップであって、前記段における水蒸気爆砕プロセスが、少なくとも一部には、低圧で水蒸気を加えて、リグニンとヘミセルロースとの間の結合を前記バイオマスのセルロース繊維から分解し始め、前記受け入れたバイオマスの含水量を増加させることによって、前記受け入れたバイオマスのバルク構造を破壊し、次に、高圧の水蒸気を加えることによって、前記バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧して、含水量が増加し結合が分解された前記バイオマスの急速減圧を介して、前記受け入れたバイオマスの前記バルク構造を内部分裂させ、前記水蒸気爆砕段により含水微粒子状へと生成された前記バイオマスが、厚さ70ミクロン未満、長さ500ミクロン未満の平均寸法を有し、前記生成されたバイオマスの含水微粒子が、続いて、前記バイオマスガス化装置の供給区画に供給される、ステップと、前記バイオマスガス化装置内において前記水蒸気爆砕ユニットの前記2つ以上の段によって分裂させたことによって粒径が減少し表面積が全体的に増加した、前記含水微粒子状のバイオマスの粒子を反応させるステップであって、前記水蒸気の存在下で、前記水蒸気爆砕ユニットによって生成された前記バイオマスの粒子を高速バイオマスガス化反応において反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む、少なくとも合成ガス成分を生成し、前記水蒸気爆砕ユニットおよび前記バイオマスガス化装置が総合プラントの一部である、ステップとを含む、方法。

請求項15

前記2つ以上の段が熱的水和段および水蒸気爆砕段を含み、前記熱的水和段が、前記受け入れたチップ状のバイオマスの分解、水和、および軟化を開始するため、大気圧PSI付近の圧力で60℃超であるが145℃未満である高温で、前記チップ状のバイオマスを収容した容器内に水分で飽和した低圧水蒸気を加え、前記バイオマスのチップが、水分で飽和するのに十分に長い間、前記熱的水和段に留まり、前記熱的水和段が、軟化させ含水量を増加させたバイオマスのチップを、160〜850PSI(1103〜5860kPa)の圧力および160〜270℃の温度である前記水蒸気爆砕段に供給し、前記水蒸気爆砕段が、バイオマスの前記含水量を少なくとも40重量%に、好ましくは50〜55水分重量%にさらに上昇させ、水分重量が、前記バイオマスのチップに前記水の重量を加えて構成される総重量で割られる、請求項14に記載の総合プラントのための方法。

請求項16

前記熱的水和段の後、前記チップ状の軟化したバイオマスが、1)破砕したものと、2)圧縮したものの任意の組み合わせであり、前記組み合わせが次に、前記バイオマスを前記水蒸気爆砕段へと移動させるコンベヤシステムに供給され、前記コンベヤシステムにおいて、前記バイオマスが、前記水蒸気爆砕段中に存在する高圧水蒸気によるブローバックの逆圧が前記熱的水和段に影響するのを防ぐ、請求項15に記載の総合プラントのための方法。

請求項17

前記水蒸気爆砕ユニットの前記2つ以上の段が熱的水和段および水蒸気爆砕段を含み、前記熱的水和段が、前記チップ状のバイオマスを内部分裂することができるように、前記バイオマスを軟化させ、前記バイオマスの含水量を上昇させるために、前記バイオマスに加えられる水蒸気を有し、前記バイオマスが、十分な期間高温および高圧の水蒸気に暴露されて、部分的に中空のセルロース繊維、およびバイオマス材料の前記バルク構造における他の多孔質範囲の内部に、高圧水蒸気が作り出され、次に、前記水蒸気爆砕段の出口における圧力が、160〜850psig(1103〜5860kPa)の前記バイオマスの前記バルク構造を、低圧の管内へと押し出すことによって急速に低下して、内部爆砕を引き起こし、それによって前記バイオマスが内部分裂してバイオマスの細かい微粒子となる、請求項14に記載の総合プラントのための方法。

請求項18

一旦前記バイオマスが爆砕されて前記含水微粒子状になると、前記生成されたバイオマスの粒子が、水蒸気が瞬間蒸発し、水蒸気として排気されることにより、ある割合の含水量が失われ、前記バイオマスの微粒子の含水量が、前記バイオマスの微粒子の含水量を好ましくは1〜20重量%まで、一般には30%以下に低減する乾燥器によってさらに乾燥される、請求項14に記載の総合プラントのための方法。

請求項19

低含水量の前記生成されたバイオマスの微粒子が、断片化され、断裂され、細断されたセルロース繊維と、これらの任意の組み合わせとを含み、厚さ50ミクロン未満、長さ200ミクロン未満の平均寸法を有し、前記生成されたバイオマスの微粒子が、前記受け入れたチップ状のバイオマスに比べて、同量のバイオマスに対してより高い表面対体積比を作り出すという理由により、前記バイオマスガス化装置のリアクタ内における高速バイオマスガス化反応のため、前記バイオマスガス化装置へと下流に供給され、それによって、前記バイオマス材料に対するより高い伝熱および質量移動、ならびに前記バイオマス中の全ての分子のより迅速な熱分解およびガス化が可能になる、請求項14に記載の総合プラントのための方法。

請求項20

水蒸気爆砕段の排出口で、粒径がより小さくされたパルプ状の前記バイオマスを収集し、それを水分離ユニットに供給するステップをさらに含み、サイクロンユニット内で前記微粒子状のバイオマスから水が除去され、前記微粒子状のバイオマスの20重量%未満の低減された含水量が、事前設定した時間量で700℃未満の温度でバイオマスを加熱する焙焼ユニットへと搬送システムによって供給される、請求項14に記載の総合プラントのための方法。

請求項21

水がサイクロンユニットから回収され、低圧水蒸気として前記バイオマスガス化装置の入力へと方向付けられ、前記バイオマスガス化装置の前記入力が、前記水蒸気爆砕プロセス中に回収されたテレビン油を含む揮発性物質を収容する、請求項14に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願
本出願は、一部継続出願として2012年6月22日付け提出された、「ガス化前に水蒸気爆砕法を使用するバイオマスの前処理(Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion MethodsBefore Gasification)」という名称の米国出願第13/531,318号の優先権およびその利益を主張する。本出願はまた、米国特許法第119条に基づき、2013年5月14日付けで提出された、「ガス化前に水蒸気爆砕法を使用するバイオマスの前処理(Pretreatment of Biomass Using Steam Explosion Methods Before Gasification)」という名称の米国仮出願第61/823,360号の優先権およびその利益を主張する。
本設計は、一般に、ガス化または燃焼前のプリプロセスとして水蒸気爆砕方法を使用したバイオマスの処理に関する。一実施形態では、本設計は、具体的には、このバイオマスを使用してバイオマスから液体燃料を生成する、または、液体燃料、熱/動力家畜飼料敷料、もしくは化学物質へとさらに処理するのを容易にするため、経済輸送が容易になるようにバイオマスを緻密化形態に変換する、総合プラントに関する。

背景技術

0002

乾燥木材チップを用いて中質繊維板を作る技術が当初は想起された。他のプロセスは、木材チップ粉砕し、チップを乾燥させ、チップを再粉砕し、繊維を湿潤させ、繊維を緻密化し、次に木材チップを(ペレット状などに)緻密化する、複数のステップを要する。

発明が解決しようとする課題

0003

これらのプロセスは、複雑で資本集約的であり、大量のエネルギーを要する。他のいくつかの一般的なプロセスは、バイオマスのチップを乾燥させ、次に非常に小さい寸法までチップを粉砕してから、それらを後続の加熱/処理ユニットに送る必要がある。この乾燥および粉砕には多くのエネルギーおよび資本費用がかかる。これらのプロセスは小さい繊維を生成するが、水蒸気爆砕プロセス(SEP)によって生成される微粒子のサイズの数倍である。

課題を解決するための手段

0004

総合プラントは、バイオマスから合成ガスを発生させる、水蒸気爆砕ユニットおよびバイオマスガス化装置を含む。水蒸気爆砕ユニットは、バイオマスを含水微粒子状にするため、熱、圧力、および水分の組み合わせをバイオマスに加える。水蒸気爆砕ユニットは、バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧するために、高圧水蒸気を加えて、含水量が増加したバイオマスの急速減圧を介してバイオマスのバルク構造を内部分裂させる。それらの生成されたバイオマスの含水微粒子は、続いて、バイオマスガス化装置の供給区画に供給され、そこで高速バイオマスガス化反応バイオマス粒子と反応させて、合成ガス成分を生成する。あるいは、含水微粒子は、液体燃料、熱/動力、家畜飼料、敷料、または化学物質へとさらに処理するのを容易にするため、経済的輸送が容易になるように(ペレットなどの)緻密化形態へと処理されてもよい。

図面の簡単な説明

0005

複数の図面は本設計の例示の実施形態を指す。

0006

図1Aおよび1Bは、原材料としてのバイオマスを受け入れ入力キャビティ、2つ以上の水蒸気供給入力部、および後続のバイオマスガス化装置への供給のためにバイオマスを前処理する2つ以上の段(stages)を有する、水蒸気爆砕ユニットの実施形態を示すフロー概略図である。

0007

図2は、乾燥器焙焼(torrefaction)ユニット、緻密化ユニット、バイオマスガス化装置、または触媒コンバータのいずれかにバイオマスの粒子を供給する、水蒸気爆砕段を有する水蒸気爆砕ユニットの一実施形態を示すフロー概略図である。

0008

図3−1〜3−5は、例示的なバイオマスガス化装置の代替構成を示す図である。

0009

図3Aおよび3Bは、バイオマスから合成ガスを発生させ、合成ガスまたは緻密化形態のバイオマスから液体燃料生成物を発生させる、総合プラントのフロー図の実施形態を示す図である。

0010

図4A〜Cは、リグニンによって取り囲まれ共に結合されたセルロース繊維繊維束を有する、バイオマスのチップの一例を様々なレベルで拡大した図である。

0011

図4Dは、バイオマスの微粒子へと爆砕したバイオマスのチップの例を示す図である。

0012

図4Eは、ほつれるかまたは部分的に分離されて個々の繊維になっている繊維束を有するバイオマスのチップを示す図である。

0013

図5は、合成ガス生成物を含む化学生成物を発生させるように構成された、輻射熱化学リアクタの一実施形態を示すフロー概略図である。

0014

追加の図面は、本設計のさらなる態様および実施形態を示す。

0015

本設計は様々な変更形態および代替形態に従うが、本設計の特定の実施形態は一例として図面に示されており、本明細書にて詳細に記載する。本設計は、開示する特定の形態に限定されるものではなく、反対に、本設計の趣旨および範囲内にある全ての変更形態、均等物、および代替物包含するものとすることが理解されるべきである。

実施例

0016

以下の記載において、本設計の完全な理解を提供するために、特定の化学物質、指定成分、接続、熱源の種類の例など、多数の特定の詳細について説明する。しかし、本設計はこれらの特定の詳細を伴わずに実施されてもよいことが、当業者には明白となるであろう。他の事例では、本設計が不必要に不明瞭になるのを避けるために、周知の成分または方法については詳細に記載せず、ブロック図で記載している。したがって、説明する特定の詳細は単なる例示である。特定の詳細は、本設計の趣旨および範囲とは異なり、かつ依然としてそこに含まれるものと考えられることがある。

0017

概して、バイオマスの前処理のためのプロセスおよびそれと関連付けられた装置の多数の例について記載する。以下の図面および文章は、バイオマスの前処理を使用する総合プラントの様々な例示の実現例について記載する。一実施形態では、総合プラントは、バイオマスから合成ガスを発生させる、少なくとも水蒸気爆砕ユニットおよびバイオマスガス化装置を含む。水蒸気爆砕ユニットは、原材料としてのバイオマスを受け入れる入力キャビティと、1つまたは複数の水蒸気供給入力部と、後続のバイオマスガス化装置への供給のためにバイオマスを前処理する2つ以上の段とを有してもよい。その段は、バイオマスを含水微粒子状にするためにバイオマスに加えられる、熱、圧力、および水分の組み合わせを使用する。水蒸気爆砕プロセスは、少なくとも一部には、第1の水蒸気供給入力部から水蒸気を加えて、リグニンとヘミセルロースとの間の結合をバイオマスのセルロース繊維から分解し始め、受け入れたバイオマスの含水量を増加させることによって、受け入れたバイオマスのバルク構造を破壊する。最終段では、大気圧の少なくとも10倍の圧力の水蒸気が第2の水蒸気供給入力部から加えられて、バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧して、含水量が増加し結合が分解されたバイオマスの急速減圧を介して、受け入れたバイオマスのバルク構造を内部分裂させる。段により含水微粒子状へと生成されたバイオマスは、厚さ70ミクロン未満、長さ500ミクロン未満の平均寸法を有する。それらの生成されたバイオマスの含水微粒子は、続いて、バイオマスガス化装置の供給区画に供給される。バイオマスガス化装置は、水蒸気爆砕ユニットによって分裂させたことによって表面積が増加し粒径が減少した、含水微粒子状のバイオマスを反応させるように構成されたリアクタ容器を有する。バイオマスガス化装置は、第3の水蒸気供給入力部および1つまたは複数の加熱器を有し、水蒸気の存在下で、滞留時間0.1秒超の高速バイオマスガス化反応において、微粒子状のバイオマスをリアクタ容器内で反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む、少なくとも合成ガス成分を生成する。

0018

可能なバイオマスガス化装置の実現例は、高温水蒸気供給入力部と、例えばガスバーナーまたは再生加熱器など、1つまたは複数の加熱器とを有する。水蒸気の存在下で、水蒸気爆砕ユニットによって破壊したバイオマスの粒子を、バイオマスガス化装置内における1秒未満の滞留時間で700℃超の温度での高速バイオマスガス化反応においてリアクタ容器内で反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む合成ガス成分を作り出し、それがメタノール(CH3OH)合成リアクタに供給される。当業者であれば、本明細書内で以下に考察する設計のうち多くの部分および態様は、独立型概念として、または互いに組み合わせて使用されてもよいことを理解するであろう。

0019

1つまたは複数の水蒸気供給入力部は、1つまたは複数のサイクロンユニットから回収した再生汚水から生成される低圧水蒸気を含んでもよい。例えば、本明細書に記載するような実施形態は、サイクロンユニットから排ガスを取り出し、その排ガスをバイオマスガス化装置に供給することを含む。本設計はまた、プラントから生成される汚水の量を減少させるために、SEPプロセスに使用される水蒸気全体とバイオマスの比を減少させるいくつかの手法を含んでもよく、したがって、結果として得られるバイオマス粒子の乾燥がより簡単になってもよい。

0020

テレビン油および他の揮発性物質は、1つまたは複数のサイクロンユニットから回収した汚れ凝縮水を水蒸気霧化することによって、バイオマスガス化装置に送達されてもよい。例えば、揮発性物質/テレビン油を含有する供給水蒸気は、1つまたは複数のサイクロンからの排ガスを含み、ガス化装置に供給されてもよい。販売用の生成物、ガス化装置、またはガス化装置もしくは改質器用のバーナーシステムと共に、テレビン油回収ユニットが含まれてもよい。

0021

例示的な一実施形態では、バイオマス粒子のSEP前処理ステップと、バイオマスガス化装置へのバイオマス粒子の同伴ガス供給との間で追加の空気は導入されず、そのため、排気およびパージガスが削減される。水蒸気爆砕ユニットから出るモチーフガス(motive gas)を、バイオマスガス化装置内での同伴に使用するという選択肢が含まれてもよい。

0022

水蒸気爆砕ユニットの出口の圧力を低減させて、モチーフガスを削減する方法も組み込まれてもよい。その結果、SEP容器からの高圧をより低い吐出圧まで低減させる、1つまたは複数の減圧区域が含まれてもよい。したがって、本設計は、水蒸気爆砕ユニット内の高圧から4〜10バールなどの低圧へと圧力を低減させるため、水蒸気爆砕ユニットの外に圧力低下地点を設置することを含んでもよい。圧力低下はサイクロンにつながる管の手前で生じてもよい。

0023

図1Aおよび1Bは、原材料としてのバイオマスを受け入れる入力キャビティ、2つ以上の水蒸気供給入力部、および後続のバイオマスガス化装置への供給のためにバイオマスを前処理する2つ以上の段を有する、水蒸気爆砕ユニットの実施形態のフロー概略図を示す。

0024

入ってくるチップ状のバイオマスの水分値は、特別に乾燥することなく屋外に置かれたバイオマスの場合、約15%〜60%で変動する場合がある。バイオマスのチップは、約1インチ(2.54cm)未満の、かつ平均約0.5インチ(1.27cm)の長さおよび平均1/4インチ(0.64cm)の厚さのチップを作り出すような寸法を有する、いくつかのフィルタ協働するチッパーユニット104によって発生させてもよい(例えば、バイオマスの丸太材453から得られるバイオマスのチップ451を示す図4aを参照のこと)。バイオマスチッパーユニット104は、バイオマスを細かく刻みチップ化するのに使用される、4つ以上のブレードを含んでもよい。バイオマスの丸太材の送り速度、ナイフブレードの速度、ナイフ突出距離、およびナイフの角度は全て、チップサイズを制御するように作用することができる。次に、チップを選別し、大きすぎるものは再度チップ化されてもよい。特定の性質を向上させるため、異なる供給源または材木種からのチップがブレンドされてもよい。不純物を検出し除去するため、磁石または他のスキャナに通されてもよい。バイオマスのチップは、コンベヤ上に供給されるか、または可能性としては、水蒸気爆砕ユニット108の熱分解段の圧力容器に入れられて、最初は低圧飽和水蒸気を使用して、バイオマスのチップの分解、水和給湿、および軟化が開始される。低圧飽和水蒸気は100℃であってもよい。バイオマスチップによる目詰まりおよび閉塞を防ぐため、システムはまた、バイオマスガス化装置114からの再生灰など、何らかの流動剤をこの時点で注入してもよい。

0025

チッパーユニット104は、二種類以上のバイオマス原材料を供給してもよく、水蒸気爆砕ユニット108はそれらの原材料を受け入れるように構成され、異なる種類のバイオマスとしては、1)軟材、2)硬材、3)草、4)植物の外皮、ならびに5)任意の組み合わせが挙げられ、それらは、水蒸気爆砕ユニット108内でブレンドされ水蒸気爆砕処理されて、均質化された焙焼原材料となり、後で収集され、次にバイオマスガス化装置114に供給される。水蒸気爆砕ユニット108、焙焼ユニット112、およびバイオマスガス化装置114は、少なくとも、水蒸気爆砕段および焙焼ユニット112から生成されるバイオマス粒子の粒径制御を介して、原料供給機器の物理的設計またはバイオマスガス化装置114の物理的設計を変更することなく、原材料に対して柔軟であるように設計される。

0026

水蒸気爆砕ユニット108は、原材料としてのバイオマスを受け入れる入力キャビティ、1つまたは複数の水蒸気供給入力部、および後続のバイオマスガス化装置114への供給のためにバイオマスを前処理する2つ以上の段を有する。その段は、バイオマスを含水微粒子状にするためにバイオマスに加えられる、熱、圧力、および水分の組み合わせを使用する。水蒸気爆砕プロセスは、少なくとも一部には、低圧水蒸気供給入力部から水蒸気を加えて、リグニンとヘミセルロースとの間の結合をバイオマスのセルロース繊維から分解し始め、受け入れたバイオマスの含水量を増加させることによって、受け入れたバイオマスのバルク構造を破壊する(例えば、リグニンによって取り囲まれ共に結合されたセルロース繊維の繊維束を有するバイオマスのチップを示す、図4Bを参照のこと)。最終段では、大気圧の少なくとも10倍の圧力の水蒸気が高圧水蒸気供給入力部から加えられて、バイオマス内部に存在するあらゆるガスおよび流体を加熱し加圧して、含水量が増加し結合が分解されたバイオマスの急速減圧を介して、受け入れたバイオマスのバルク構造を内部分裂させる。

0027

一実施形態では、水蒸気爆砕ユニット108の2つ以上の段は、少なくとも熱的水和段(thermally hydrating stage)および水蒸気爆砕段を含む。

0028

熱的水和段は、バイオマスのチップを受け入れる入力キャビティと、バイオマスのチップを収容した容器内に低圧飽和水蒸気を加える低圧水蒸気供給入力部とを有する。熱的水和段は、葉、針葉樹皮、および木材を含む、チップ状のバイオマスを受け入れるように構成される。熱的水和段は、水蒸気爆砕段におけるバイオマスのセルロース繊維をチップ状のバイオマスから容易に内部分裂することができるように、バイオマスを軟化させ、その含水量を上昇させるために、リグニンのガラス転移点を上回る温度で低圧水蒸気をバイオマスに加える。一実施形態では、バイオマスのチップは、水蒸気を使用して60℃超まで加熱される。低圧水蒸気供給入力部は、受け入れたチップ状のバイオマスの分解、水和、および軟化を開始するため、大気圧PSI付近の圧力で60℃超であるが145℃未満である高温で、バイオマスのチップを収容した容器内に低圧飽和水蒸気を加える。低圧供給入力部は、容器の周り戦略的に配置されたいくつかのノズルから成ってもよい。チップは、水分が飽和するのに十分に長い間、熱的水和段に留まる。

0029

熱的水和段は、軟化し含水量を増加させたバイオマスのチップを、熱的水和段中に存在する圧力の10〜40倍の圧力であり、また160〜270℃、好ましくは204℃の温度などの高温で、水蒸気爆砕段に供給する。圧力は、180〜850ポンド平方インチ(PSI)(1241〜5860kPa)、好ましくは256PSI(1765kPa)であってもよい。水蒸気爆砕段は、バイオマスの含水量を少なくとも40重量%に、好ましくは50〜60水分重量%にさらに上昇させる。水分重量%は、水の重量をバイオマスのチップに水の重量を加えて構成される総重量で割ったものであってもよい。水蒸気爆砕段では、軟化し水和したバイオマスのチップが、3分間〜15分間などの十分な期間、高温および高圧の水蒸気に暴露されて、部分的に中空のセルロース繊維、およびバイオマス材料のバルク構造における他の多孔質範囲の内部に、高圧水蒸気が作り出される(例えば、リグニンによって取り囲まれ共に結合された、ただし拡大すると多数の多孔質範囲を有する、セルロース繊維の繊維束を有するバイオマスのチップを示す、図4Cを参照のこと)。

0030

バイオマスチップに対する水蒸気爆砕プロセス(SEP)は、繊維を分離するのに機械的な精砕機を使用せず、より正確に言えば、バイオマスチップはSEPにおいて内部で爆砕されることに留意されたい。また、添加酸などの化学的酸添加剤はSEPで添加されず、したがって、88%以上のバガス収率が達成されてもよい。

0031

熱的水和段の後、チップ状の軟化したバイオマスは、1)破砕したものと、2)プラグ状圧縮したものの任意の組み合わせであり、この組み合わせが次に、連続的なスクリューコンベヤシステムに供給される。連続的なスクリューコンベヤシステムは、プラグ状のバイオマスを水蒸気爆砕段へと移動させる。連続的なスクリューコンベヤシステムは、水蒸気爆砕段中に存在する高圧水蒸気によるブローバック逆圧が熱的水和段に影響するのを防ぐため、プラグ状のバイオマスを使用する。1)逆止め弁、および2)開閉メカニズムによって各段を隔離可能である段中でバイオマスを移動させるものなど、他の方法を使用することができる。

0032

水蒸気爆砕段は850psi(5860kPa)以下の圧力で動作することができる。プラグスクリュフィーダーは、水蒸気爆砕段に沿ってチップを搬送する。高圧水蒸気は、水蒸気混合コンベヤと呼ばれる区画内のプラグスクリューフィーダーに導入される。高圧供給入力部は、水蒸気混合コンベヤの周りに戦略的に配置されたいくつかのノズルから成ってもよい。水蒸気爆砕段を通るバイオマスチップ材料の保有時間は、プラグスクリューフィーダーを介して正確に制御される。水蒸気爆砕段では、水分がバイオマスのバルク構造の多孔質部分浸透し、バイオマス中液体およびガスが全て高圧に上昇するまで、プラグ状のバイオマスは、少なくとも5分間、好ましくは約10分間、高圧水蒸気入力部からの少なくとも160℃および160PSI(1103kPa)の高温および高圧の水蒸気に暴露される。

0033

上述したように、水蒸気爆砕プロセスが適切に働くためには、システムがバイオマスチップ中の特定レベル湿度/水分を爆砕源に提供する必要がある。そこで通常は、水蒸気爆砕リアクタ内にある間のチップの水分は、一般に少なくとも50〜55重量%である。水蒸気爆砕ユニット108の水蒸気爆砕段では、圧力および温度は、軟化したリグニンを有するバイオマスのチップを収容したチャンバ内で、熱的水和段でバイオマスのチップを有する容器の動作環境よりも少なくとも20℃高い高温まで上昇すると共に、チャンバ内の大気圧の10倍超の高圧まで上昇するが、熱的水和段における設定期間よりは持続時間が短い。

0034

連続的なスクリューコンベヤシステムは、プラグ状のバイオマスを、水蒸気爆砕段を通して出口まで供給する。

0035

一実施形態では、小さい開口部が出口を形成し、約4〜10バールの圧力で維持された管または他のコンテナ区域に入り、あらゆる内部流体またはガスが高圧で膨張して、バイオマスを内部分裂させる。場合によっては、水蒸気爆砕リアクタ内の高圧からずっと大気圧まで圧力低下する。いずれの場合も、水蒸気爆砕段の出口とサイクロン水除去段との間の管または他のコンテナ内で生じる大きい圧力低下は急速に低下する。一実施形態では、圧力低下は、160〜850PSI(1103〜5860kPa)のバイオマスのバルク構造を、4〜10バールなどの大幅に低圧の管内へと押し出すことによって急速に生じて、圧力が低下すると、またはその蒸気圧を下回る圧力に低下した際に液体の水が「瞬間蒸発」して蒸気になることにより、内部「爆砕」による水蒸気の急膨張が引き起こされて、チップ状のバイオマスが内部分裂してバイオマスの細かい微粒子となる。別の実施形態では、水蒸気爆砕段の水蒸気爆砕リアクタ部分は、バイオマスチップ材料を「爆砕」して大気圧の次の段へと至らせるように構成された、専用の吐出メカニズムを含む。吐出メカニズムが開いて、バイオマスを高圧水蒸気爆砕リアクタからこのリアクタの吐出用出口弁またはドアの外に押し出し、ブロータンク供給ラインに入れる。

0036

このように、この段の水蒸気爆砕リアクタから出た加圧水蒸気または過熱水を、次に急速に低下させて爆砕を引き起こし、それによってバイオマスのチップが崩壊して細かい微粒子となる(例えば、爆砕されてバイオマスの微粒子453となったバイオマスのチップを示す、図4Dを参照のこと)。バイオマスを構成する元の繊維束は、爆砕されて断片となって、細粉末離散的な粒子を作る(例えば、リグニンによって取り囲まれ共に結合されたセルロース繊維の繊維束を有するバイオマスのチップを様々なレベルで拡大したものを示す、図4A〜4Cを参照し、図4Dと比較すること)。

0037

水分およびバイオマスチップは、ほぼ大気圧で、リアクタの吐出部からブローラインなどのコンテナへと押し出される。部分的に中空の繊維およびバイオマス材料の他の多孔質範囲の内部で、高圧の水蒸気または水を蒸気に変換することで、バイオマス細胞が爆砕されて含水粉末の微粒子となる。バイオマスのバルク構造は、複数のセルロース繊維を取り囲むリグニンおよびヘミセルロースの有機高分子を含む。バイオマスのバルク構造は、一例として、リグニンおよびヘミセルロースの層が最初に反応し、次にセルロース繊維を暴露させた後にのみ反応するのではなく、バイオマスガス化反応中に直接反応させることができるように、セルロース繊維を遊離させ暴露するのに少なくとも水分、圧力、および熱を使用する、このSEPステップにおいて内部分裂する。高温はまた、中層に沿って繊維を分離するのを容易にするリグニンが軟化されると、バイオマスの構造の破壊に要するエネルギー/力を低下させる。

0038

このように、水蒸気爆砕段の内部において、弁またはドアなどの機械的メカニズムが開くか、または小さい穴のみが水蒸気爆砕リアクタ内に存在する。リアクタは、高圧でプラグ状である可能性がある軟化したバイオマスチップで充填され、ある期間後、それらの軟化したバイオマスチップを低圧に暴露し、それによって、リグニン、セルロース繊維、およびヘミセルロースを含有するバイオマスの繊維束のバルク構造を断片へと物理的に分裂させ、互いを分離させる。水蒸気暴露プロセスが、水蒸気爆砕リアクタ内において低い厳密性(例えば、175〜185℃および160PSI(1103kPa))で動作する場合、小繊維の断片サイズの粒子が吐出部から外に出て、高い厳密性(例えば、300PSI(2068kPa))で粒子の非常に細かい粒が生成される。

0039

段によって含水微粒子状に生成されたバイオマスは、厚さ50ミクロン未満、長さ500ミクロン未満の平均寸法を有する。一実施形態では、低含水量の生成されたバイオマスの微粒子は、断片化され、断裂され、細断されたセルロース繊維と、これらの任意の組み合わせとを含み、一般に、厚さ30ミクロン未満、長さ250ミクロン未満の平均寸法を有してもよい。それらの生成されたバイオマスの含水微粒子は、続いて、バイオマスガス化装置114の供給区画に供給される。

0040

繊維束状のバイオマスのバルク構造を内部分裂して、セルロース繊維、リグニン、およびヘミセルロースの個片および断片にすることによって、1)受け入れたチップ状のバイオマスと比べて、微粒子状のバイオマスの表面積が増加すること、2)セルロース繊維の反応開始に先立って、リグニンおよびヘミセルロースの外層を反応させる必要がなくなること、また3)微粒子状のバイオマスの粘性が変化して、繊維ではなく砂粒のように流動することの3つが全てもたらされる。

0041

SEPリアクタから出てくるバイオマスに対する形態学的変化としては、次のものを挙げることができる。
a.完全なままの繊維構造が存在せず、むしろ、全ての部分が爆砕されて表面積がより大きくなり、それによってバイオマスガス化装置内における反応速度が高くなる。
b.繊維が座屈しているように見え層間剥離し、細胞壁露出割れる。
c.一部のリグニンがセルロース繊維の細胞壁に張り付いたままである。
d.ヘミセルロースが部分的に加水分解され、リグニンと共に部分的に可溶化する。
e.リグニンと糖質多糖類(即ち、ヘミセルロースおよびセルロース)との間の結合がほぼ開裂する。
f.本明細書にて考察する他の多くの変化。

0042

作り出された含水微粒子は、例えば、平均で直径20〜50ミクロン厚および長さ100ミクロン未満であってもよい。1インチは25,400ミクロンであることに留意されたい。したがって、バイオマスは、平均で長さ1インチ(2.54cm)、厚さ0.25インチ(0.64cm)以下のチップとしてチッパーユニット104から生じ、平均で直径20〜50ミクロン厚、長さ100ミクロン未満の含水微粒子として出てくるので、サイズは2000分の1未満に低減される。飽和バイオマスチップの激烈爆発的減圧は、チップ状のバイオマスの多孔質範囲にある飽和高圧水分がバイオマスの構造から逃げることができる速度よりも速い速度で生じる。

0043

細胞または繊維束の外部の機械的分離は不要であり、より正確に言えば、プロセスは水蒸気を使用して内部から外側に細胞を爆砕することに留意されたい(ほつれるかまたは部分的に分離されて個々の繊維になっている繊維束を有するバイオマスのチップ451を示す、図4Eを参照のこと)。バイオマスチップに対してSEPを使用することで、ある程度のリグニンコーティングを有したセルロースおよびヘミセルロースの小さい微粒子が生成される(爆砕されてバイオマスの微粒子453となったバイオマスの第1のチップ451を含む、バイオマスのチップの例を示す、図4Dを参照のこと)。微細な形態のリグニン、ヘミセルロース、およびセルロースのこの合成物は、高密度でシステム内を移動/搬送することができる高い表面積を有する。

0044

生成されたバイオマスの微粒子は、バイオマスガス化装置114のリアクタ内における高速バイオマスガス化反応のため、バイオマスガス化装置114へと下流に供給されるが、それはこれらが、受け入れたチップ状のバイオマスに比べて、同量のバイオマスに対してより高い表面対体積比を作り出すためであり、それによって、バイオマス材料に対するより高い伝熱、ならびにバイオマス中の全ての分子のより迅速な熱分解およびガス化が可能になる。

0045

1つまたは複数の水蒸気供給入力部が、1つまたは複数のサイクロンユニットから回収した再生汚水から生成される低圧水蒸気を含んでもよい一例について、図1Bを参照されたい。例えば、本明細書に記載するような実施形態は、サイクロンユニットから排ガスを取り出し、その排ガスをバイオマスガス化装置に供給することを含む。また、それらのガスおよび任意の追加の凝縮物が、テレビン油回収ユニットに供給されてもよい。

0046

一実施形態では、連続的なコンベヤシステムではなく循環動作が可能である。循環動作により、軟質の含水チップをSEPリアクタに入れ、次に水蒸気入力部によって高温高圧の水蒸気を10分間導入して、バイオマス中のガスおよび液体の圧力を上昇させることが可能になる。その期間の後、弁またはドアを開いて、バイオマス粒子をブロータンクへの供給ライン内へと押し出す。

0047

水蒸気爆砕段の出口段にある収集チャンバは、粒径がより小さくされたパルプ状のバイオマスを収集するのに使用される。1つまたは複数のサイクロンフィルタを供給ラインと直列に並べて、水蒸気をバイオマス粒子から分離することができ、その場合、バイオマス粒子は次にブロータンクに供給される。

0048

上述したように、水蒸気爆砕段の出口で、一旦プラグ状のバイオマスが爆砕されて、含水微粒子状になる。高圧水蒸気および/または過熱水が充填された水蒸気爆砕段は、バイオマス材料を「爆砕」して、大気圧で微粒子状のバイオマスを生成する次の段へと至らせるように構成された吐出口を含む。微粒子状のバイオマスは、高速でブロータンクの供給ラインを通って流動する。

0049

含水微粒子状のバイオマスはブロータンクの供給ラインに入る。供給ラインは、最初は直径がわずか1.5インチ(3.81cm)などと小さく、バイオマスの粒子が高速で通過する。材料のコンシステンシーを改善し、ハイドロ結合(hydro bonding)を回避するため、繊維が湿ったままの状態で、ワックスなどの流動強化剤(flow enhancement)がブローラインの最初の部分に添加されてもよい。供給ラインはここで、直径60インチ(152.4cm)まで拡大し、含水微粒子状のバイオマスは、周りに引かれたコイルを加熱し、ブローラインを温めることによってその熱が維持される。バイオマスの温度を維持することは、バイオマスのロジンおよび樹脂酸結晶化の助けとなって、繊維状粒子が固まって凝塊に戻るのを防ぐ傾向がある。したがって、温度は、リグニンの凝集およびロジンの硬化を防ぐ助けとなる。

0050

1)バイオマスガス化装置114から再生した灰、および2)ワックスなどのオレフィン類のいずれかを含む流動剤は、バイオマスによる目詰まりを防ぐため、1)水蒸気爆砕段の吐出口、および2)供給ライン内のいずれかで注入される。それに加えて、供給ラインは、微粒子状のバイオマスの高温を維持して、微粒子状のバイオマス中におけるロジンおよび樹脂酸の結晶化を防ぐ助けとするため、供給ラインの周りに引かれた加熱コイルを有してもよい。

0051

生成されたバイオマスの粒子は、水蒸気がブローラインで瞬間蒸発し、水蒸気として排気されることにより、含水量の相当な割合が失われる。次に、生成されたバイオマスの粒子および水分は、サイクロンフィルタによって分離され、次にブロータンクに供給される。したがって、水分離ユニットはブローラインと直列である。水蒸気爆砕段の出口段にある収集チャンバは、粒径がより小さくされたパルプ状のバイオマスを収集するのに使用され、水分離ユニットに供給される。水は、サイクロンユニットおよび/または乾燥器ユニットで、微粒子状のバイオマスから除去される。

0052

バイオマスの微粒子の含水量は、バイオマスの微粒子の含水量を好ましくは5〜20重量%まで、一般には35%以下に低減する、気流乾燥器などの乾燥器ユニットまたは低温焙焼ユニットによって、ブロータンクの出口でさらに乾燥される。繊維調製の目標は、最大表面積を有すると共に、出力されるバイオマス微粒子の5〜20水分重量%まで実現可能な限り乾燥した、バイオマスの粒子を作り出すことである。気流乾燥器は、単に熱風を吹き付けて、ブロータンクから出てくるバイオマス粒子を乾燥させる。気流乾燥器は、一般に、ブロータンクの出口に配置するか、またはその入口にあるサイクロンと置き換えて、出力されるバイオマス粒子が5重量%超であって35重量%未満の含水量を含むようにすることができる。

0053

結果として得られるバイオマスの粒子は、粒子がより結晶構造に近い作用をし、絡まって凝集する傾向がある繊維よりも流れやすいという点で、熱機械的パルプ化(Thermal Mechanical Pulping)(TMP)とは異なる。

0054

微粒子状のバイオマスにおける5重量%〜約35重量%の低減された含水量は、一例として、事前設定した時間量で100〜700℃の温度で焙焼または熱分解が行われる焙焼ユニット112へと、搬送システムによって供給される。

0055

コンベヤシステムは、粒子状のバイオマスを焙焼ユニット112に供給して、事前設定した時間量で700℃未満の温度でバイオマスを処理して排ガスを作り出し、その排ガスが、タンクに収集される合成ガス成分の一部分を作り出すのに使用され、最終的に、メタノール合成リアクタなどの有機液体生成物合成リアクタに供給されてもよい。

0056

ブロータンクおよび気流乾燥器を出るバイオマスの微粒子は、水蒸気瞬間蒸発、さらに空気乾燥によって既に低い含水量を有し、リグニンコーティング、リグニンの個片、セルロース、ヘミセルロースなどを有する、セルロース繊維の断片の合成物である。バイオマスガス化装置114は、水蒸気爆砕ユニット108で分裂させることによって表面積が増加した、含水微粒子状のバイオマスを反応させるように構成されたリアクタ容器を有する。バイオマスガス化装置114は、高圧水蒸気供給入力部および1つまたは複数の加熱器を有し、水蒸気の存在下で、微粒子状のバイオマスを0.1〜5.0秒の滞留時間の高速バイオマスガス化反応においてリアクタ容器内で反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む、少なくとも合成ガス成分を生成する。生成された微粒子が高密度でバイオマスガス化装置114に供給されると、次に、小さい粒子が急速に反応し、バイオマスのより大きい炭化水素分子を合成ガス成分へとより急速かつ完全に分解する。このように、チップの内側部分の一部が木炭チップの外皮で覆われた殻が分解するのと同じ程度まで分解しないのではなく、バイオマス材料のリグニン、セルロース繊維、およびヘミセルロースのほぼ全てが完全にガス化する。これらの微粒子はチップと比べて、残留するタールが少なく、炭素被覆が少なく、沈殿物が少ない。このように、繊維束中のバイオマスの一体構造を壊すことは、バイオマスガス化において後で生成されるタールの量を減少させる傾向がある。これらの微粒子はまた、バイオマスガス化装置114に供給される材料の充填密度をより高めることが可能である。注記として、少なくとも10重量%で液体または蒸気として水が存在することは、バイオマスガス化装置114内で生成されるCOおよびH2に加えて、反応生成物としてメタノールCH3OHを発生させるのに役立つことがある。

0057

焙焼ユニットおよびバイオマスガス化装置114は一体型のユニットとして組み合わされてもよい。

0058

代替例では、バイオマスの含水分裂粒子は、水蒸気爆砕リアクタの出力部から直接、または乾燥後に、スラリーの状態でペレタイザーに供給されてもよい。ペレタイザーは、バイオマスを形態からバイオマスのペレットへと緻密化してもよく、それらのペレットは次にバイオマスガス化装置に供給される。この直接供給および形態からペレット状へのバイオマスの変換により、複数のステップと、それらの排除されるステップに関与する多くのエネルギー消費が節約される。あるいは、ペレットは、液体燃料、熱/動力、家畜飼料、敷料、または化学物質へのさらなる処理を容易にするために輸送されてもよい。

0059

一実施形態では、バイオマスガス化装置114は、0.1〜10秒の、好ましくは1秒未満のバイオマス粒子の高速ガス化滞留時間で、リアクタ設計を通って流れるバイオマスの粒子に輻射伝熱するように設計される。輻射熱リアクタを通って流れるバイオマス粒子および反応ガスは、主に、輻射熱リアクタの表面からの輻射熱、および場合によってはフロー中に同伴される伝熱補助粒子によって促進される。リアクタは、一般に900℃を超える温度で、好ましくは少なくとも1200℃で粒子を加熱して、一酸化炭素および水素を含む合成ガス成分を生成すると共に、生成されるメタンを、出口生成物、出口生成物中に残る最小限のタール、および結果として生じる灰の組成構成の1%以下のレベルに保ってもよい。

0060

図3−1〜3−5は、バイオマスガス化装置114の例示的な実施形態を示す。図3−1は、バイオマスを運ぶ同伴ガスがガス化装置の底部で中に入り、中央管を通って発射され、中央管によって作り出された分離壁を越えて噴出し、外管と中央管との間に作り出された区画に落ちる、輻射熱を使用したファウンテンリアクタを示す。図3−2および3−3は、一連の輻射熱管が注入されたバイオマスを加熱するのに使用される、例示のバヨネットリアクタの輻射熱設計を示す。ガス燃焼バーナーは、管に直接、または加熱ガスなどの管に供給される中間供給源に、熱を提供することができる。バイオマスは管の外部にあってもよく、熱は管の内部に供給される。あるいは、バイオマスは管板耐火性内張り材との間にあってもよい。図3−4は、複数の管が輻射熱をリアクタに提供するのに使用される、例示のダウンドラフトの輻射熱リアクタを示す。バイオマスは管の外部にあってもよく、熱は管の内部に供給され、またはその逆も同様である。

0061

図3−5は、偏らせ互い違いにされたリアクタ管封入する受容器キャビティを含む、バイオマスガス化装置の一実施形態の切欠図を示す。熱受容器(thermal receiver)306は内壁を備えたキャビティを有する。リアクタ管302に対する熱受容器306のキャビティ壁における輻射によって促進される幾何学形状は、受容器306内部の偏らせた互い違いの構成として、化学リアクタの複数の管302を配置する。キャビティ壁の表面積はリアクタ管302が占める面積よりも広いので、輻射が管302上の面積に複数の角度から達することが可能になる。受容器306キャビティの内壁およびリアクタ管302は主に輻射によってエネルギーを交換し、管302の壁が輻射の再放射源として作用して、高輻射熱流束が管302全てに達するようにし、それにより、輻射が管302に達しないように遮蔽され阻害されるのを回避して、リアクタ管302内の反応域の始めから終わりまで、リアクタ管302がほぼ均一な温度プロファイルを実現することを可能にしている。

0062

このように、リアクタ管302およびキャビティ壁の幾何学形状は、1)互い違いの偏った管302と、それと組み合わされる、2)封入された管302が占める面積に比べて大径のキャビティ壁、またそれに加えて、3)互いに対する複数のリアクタ管の幾何学的配置の間における管間の輻射との組み合わせで、入射輻射の分布を整形する。壁は、高度に輻射を反射する、または輻射を吸収し再放射する材料で作られる。入射輻射の分布の整形は、受容器306のキャビティ内における輻射の反射と吸収の両方を使用する。したがって、熱受容器306の内壁は、1)輻射エネルギーを吸収し再放射するか、2)入射輻射を管302へと高度に反射するか、または3)これらの任意の組み合わせのいずれかによって、輻射分配器(radiation distributor)に位置合わせされ、かかる分配器として作用して、封入された超高熱流束化学リアクタの動作温度を維持する。1)キャビティ壁から、2)再生バーナーから直接、および3)輻射の再放射源として作用する他の管の外壁からの輻射は、リアクタ管302によって吸収され、次に、伝導によってリアクタ管302の内壁に熱が伝達され、そこで熱が、900℃〜1600℃で、好ましくは1100℃超の温度で反応粒子およびガスへと輻射する。

0063

上述したように、受容器306のキャビティの内壁およびリアクタ管302は、対流または伝導によってではなく主に輻射によって互いの間でエネルギーを交換して、全体的に低温のバイオマス粒子および同伴ガスが、第1の入口点から反応域内のリアクタ管302に入り、加熱キャビティを通って横断し、第2の出口点で反応域を出ても、リアクタ管302がほぼ均一な温度プロファイルを実現するのを可能にしている。内壁およびリアクタ管302からのこの輻射伝熱により、化学反応が促進され、化学反応物の温度が、リアクタの出口から外に出る生成物および他の流出材料の温度付近まで急速に上昇する。

0064

リアクタ管302それぞれのガス化反応域の長さおよび直径の寸法は、少なくとも900℃のガス化温度で、また複数のリアクタ管302のガス化域の出口において、滞留時間が0.01秒超と非常に短くなるようにサイズ決めされる。反応生成物は、ガス化域の出口からの温度が900℃以上であり、この化学リアクタ設計における複数のリアクタ管302により、バイオマス粒子の輻射交換、ならびに管間の輻射交換に利用可能なリアクタ表面積が増加する。分散された落下するバイオマス粒子状物質の高速ガス化は、結果として得られる安定した灰形成を伴って、リアクタ管302の反応域内における滞留時間内で生じ、その結果、タールの完全な改良が標準立方メートル当たり500ミリグラム未満となり、バイオマスの少なくとも90%が変換されて水素および一酸化炭素生成物が生成される。

0065

この設計により、リアクタ管302および炉内部の必要な表面積が低減され、それにより、炉チャンバのサイズ、重量、およびコストが低減される(サイズおよび重量は、太陽電池の用途ならびに他の用途にとって重要である)。

0066

高い変換率および選択性を達成するため、バイオマスのガス化は1000℃超の温度を要する。より高い温度には、バイオマス自体の従来よりも大部分を燃焼させる必要があるので、標準的な流動床ガス化装置でこれらを達成するのは困難である。その結果、間接的な流動床のガス化は、一般的に800℃の温度に制限される。これらの温度では、無用な高級炭化水素(タール)の生成が顕著である。これらのタールは、下流の機器を目詰まりさせ、触媒面汚す非活性化するので、タール除去機器に著しい資本投資(プラントの総コストの10〜30%)を要する。高熱流束熱システムは、高温を非常に効率的に達成することができる。より重要なことには、プロセスの効率は、濃度および所望温度関数として制御することができ、高温を達成するために失われるバイオマスの画分にはもう結び付いていない。その結果、バイオマスによる燃料収率またはプロセスの全体効率を何ら損なうことなく、タール分レジームにおける温度(1000〜1300℃)を達成することができる。これにより、バイオマスガス化システムと一般的に関連付けられる複雑な一連のタール分解機器が除去される。それに加えて、高温での動作により、伝熱が改善され、必要な滞留時間が減少して、化学リアクタのサイズおよびその資本費用が減少する。

0067

動作の温度は、1200℃〜1450℃の壁温度および900℃超の出口ガス温度で明確に表され、ただしシリカ溶融温度(1600℃)を上回ることはなく、一般的に、ガス化において見られることはなく、間接的な(流動床を循環する)ガス化では確かに見られない。超高熱流束化学リアクタで行うことができる、バイオマスの複合ガス化および天然ガス水蒸気改質を行う可能性は、部分酸化ガス化装置(メタンを優先的に燃焼させるような)では行うことができない。プロセスの原材料の柔軟性は、単純な管状設計から派生し、ほとんどのガス化装置は、本明細書にて考察する理由から、広範囲の燃料を扱うことができない。

0068

受容器306キャビティの内壁を構成する材料は、1100〜1600℃の高温でその構造強度を保持する機械的および化学的性質を有してもよく、ε>0.8の非常に高い放射率またはε<0.2の高い反射率、ならびに高い熱容量(>200J/kg−K)、および受容器306キャビティに関して低い熱伝導率(<1W/m−K)を有してもよい。リアクタ管302を構成する材料は、高い放射率(ε>0.8)、高い熱伝導率(>1W/m−K)、中程度から高い熱容量(>150J/kg−K)を有する。

0069

粒径を決定する一例の粒径分析は、堀場製作所のCamsizer XT粒径分析器などのデジタル画像処理粒径・形状分析システムであり得る。かかるシステムは、1つまたは複数のカメラを使用して、例えば30μm〜30mmのサイズ範囲乾燥粉末およびバルク材料に関して、迅速で精密な粒径および粒子形状の分布を提供する。デジタル画像処理システムによる測定によって、場合によってはやはり粒径を測定するのに使用されることがある、ふるい分けおよび沈降などの多様な技術による既存のデータに対する相関が可能になる。一実施形態では、水蒸気爆砕木材チップの粒径は、堀場製作所のCamsizer XT粒径分析器を使用して測定される。測定されるサンプルは、外部操作によって材料をバッグ内で混練撹拌することによって、再シール可能なバッグ内で混合される。混合後、約3cm3などのサンプル量が機器のサンプルホッパーに入れられる。目標は、各サンプルから少なくとも200万個の粒子など、十分なサンプルサイズを流して分析することであり、したがって、適切な粒子数に相当する限りはサンプル体積のみが重要である。機器の設定例は、カバー範囲0.2%、画像レート1:1、X−ジェット使用、間隙幅=4.0mm、分散圧力=380.0kPa、xFe_max(および適宜xc_min)であることができる。供給速度は、コンピュータが画像を十分に迅速に処理することができるような目標カバー範囲を生み出すように制御される。カメラ撮像速度は固定であり、「基本」画像およびズーム画像の両方が実行毎に得られる。直径50ミクロン未満など、平均粒径の単一の値が、目標測定標準であってもよい。一実施形態では、Fe−maxおよびxc−minの両方に対する3点の値がより完全である。したがって、6点の値などである。粒径分布PSD)は、Fe−Max D10、D50、D90、およびXc−min D10、D50、D90として規定されてもよい。次に、測定値は、6つの入力値などの複数の値を使用して測定値を決定してもよい。他の類似のメカニズムが使用されてもよい。

0070

Fe maxおよびxc minを使用して、体積単位で計算を行うことができる。サンプルを物理的に選別/ふるい分けすることによって得られるものに匹敵する結果が得られるxc−minと、所与の粒子の最長寸法ノギスで測定するのに類似したFe−maxという、2つのモデルを使用して粒子画像を分析することができる。未加工データ頻度プロットビニングした結果、および粒子画像が全てのサンプルに対して得られる。D10、D50、およびD90は、平均アスペクト比であるように、体積単位で計算されてもよい。D90は、分布の90%が小さい粒径を有し、10%が大きい粒径を有する直径について説明する。D10の直径は、10%が小さく、90%が大きい。D10、D50、およびD90を特徴付ける3点の規格は、大部分の粒子状材料に関して完全かつ適切であると見なされる。一実施形態では、粒径分布PSDはD50(μm)モデルFe−maxとして定義されてもよい。
表1−水蒸気爆砕した木材の粒径分布

0071

粒径は、xc−minおよびFe−maxモデルから発生するSEP処理済みサンプルを生じさせる。



表1の例は、水蒸気圧16バールおよび反応時間10分で生成した。

0072

図2は、焙焼ユニットまたはバイオマスガス化装置114または触媒コンバータのいずれかにバイオマスの粒子を供給する、水蒸気爆砕段および熱的水和段を有する水蒸気爆砕ユニット108の一実施形態のフロー概略図を示す。

0073

水蒸気爆砕ユニット208の出口段において収集チャンバに連結された搬送システムは、粒子状のバイオマスの粒子を、焙焼ユニット212またはバイオマスガス化装置214または触媒コンバータ215のいずれかに供給する。水蒸気爆砕ユニット208の水蒸気管段の受容器区画におけるバイオマスを構成する最初のリグニンおよびセルロースの大部分は、生成されたバイオマス粒子中に残っているが、ここで、水蒸気爆砕段208の出口段にある収集チャンバ内でセルロース繊維から大部分が分離される。

0074

水蒸気爆砕ユニット208の収集チャンバは、水蒸気爆砕プロセス中にバイオマスから生成されるあらゆる排ガスから非凝縮性炭化水素を収集するように構成される。

0075

水蒸気爆砕段208の後、水分離ユニット211、例えばサイクロンユニットで、水がバイオマスから除去され、緩い繊維ならびに分離したリグニンおよびセルロースで作られた低含水量のバイオマスが焙焼ユニット212に供給されて、焙焼の複数段が行われてもよい。アルコールエーテル、および他のC5炭化水素を含む凝縮性炭化水素は、フィルタユニット213によって、バイオマスから除去された水から分離されてもよく、次に凝縮性炭化水素がガソリンブレンドユニットに送られる。

0076

図3Aは、バイオマスから合成ガスを発生させ、合成ガスから液体燃料生成物を発生させる、総合プラントのフロー図の一実施形態を示す。

0077

一実施形態では、水蒸気爆砕ユニット308の1つまたは複数のガス収集タンクが、SEPプロセス中にバイオマスから生成されたあらゆる排ガスから非凝縮性炭化水素を収集し、それらの非凝縮性炭化水素を、焙焼ユニット312で収集されたものと共に触媒コンバータ316に送ってもよい。

0078

別の実施形態では、含水量が低減されたパルプは、水蒸気爆砕ユニット308からバイオマスガス化装置314、焙焼ユニット312、または触媒コンバータ316に直接進んでもよい。一般に、バイオマスの粒子は、焙焼ユニット312に進み、次にバイオマスガス化装置314へと進む。しかし、焙焼ユニット312およびバイオマスガス化装置は組み合わされて単一ユニットにされてもよい。

0079

ブレンドすることができるバイオマスの種類の一般的な組成は、例えば次のものが挙げられる。

0080

バイオマスガス化装置314は、水蒸気爆砕ユニット308の2つ以上の段によって破壊されたバイオマスの粒子を反応させるように構成されたリアクタを有し、それらのバイオマス粒子は、その後、バイオマスガス化装置314の供給区画に供給される。バイオマスガス化装置314は、高温水蒸気供給入力部および1つまたは複数の加熱器を有し、水蒸気の存在下で、水蒸気爆砕ユニット308によって破壊されたバイオマスの粒子を、バイオマスガス化装置314内における5秒未満の滞留時間で700℃超の温度で高速バイオマスガス化反応においてリアクタ容器内で反応させて、水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む合成ガス成分を作り出し、それがメタノール(CH3OH)合成リアクタ310に供給される。ガス化装置314では、緩いまたは断片状のセルロース繊維、リグニン、およびヘミセルロースで構成されたバイオマス粒子に伝達された熱は、リグニンおよびヘミセルロースの層を浸透して繊維に達する必要はもうない。いくつかの実施形態では、高速バイオマスガス化反応は700℃超の温度で生じて、ガス化反応中の成形からタールが除去されることが担保される。したがって、700℃であってただし950℃未満の開始温度は、潜在的に、バイオマスガス化装置の重要な動作範囲である。バイオマスは全て、より徹底的かつ容易にガス化する。

0081

バイオマスガス化装置314は、0.1〜10秒のバイオマス粒子の、好ましくは1秒未満のバイオマス粒子の高速ガス化滞留時間で、リアクタ設計を通って流れる粒子に対する輻射伝熱を有してもよく、反応ガスは輻射熱リアクタを通って流れ、主に、輻射熱リアクタの表面からの輻射熱およびフローに同伴する粒子は、一般に700℃を超える温度まで、好ましくは少なくとも1200℃で粒子および結果として得られるガスを加熱して、一酸化炭素および水素を含む合成ガス成分を生成すると共に、生成されるメタンを、出口生成物、出口生成物中に残る最小限のタール、および結果として生じる灰の組成構成の1%以下のレベルに保つ。いくつかの実施形態では、バイオマスガス化の温度範囲は800℃超〜1400℃である。

0082

図2を参照すると、プラントは、メタノール生成のための合成ガスを発生させる3つの方法の任意の組み合わせを使用する。合成ガスは、化学原料、燃料、および溶剤などとして有用な多数の有機化合物に変換することができる、一酸化炭素および水素の混合物であってもよい。1)水蒸気爆砕ユニット208および/またはバイオマスの焙焼により、メタノール生成のための水素および一酸化炭素を発生させることができる、触媒コンバータ216に排ガスが供給される。2)バイオマスガス化装置214は、十分に高温でバイオマスをガス化して、触媒によってメタノール生成のための水素および一酸化炭素を発生させる必要性を排除する。3)あるいは、バイオマスの粒子の低温触媒変換は、メタノール生成のための水素および一酸化炭素を発生させるのに使用されてもよい。同様に、水蒸気爆砕プロセスおよび焙焼プロセスは、最終ガソリン生成物のオクタン価を増加させるためにガソリンのブレンドで使用される凝縮性炭化水素を発生させるのに使用されてもよい。

0083

オレフィン類は、エチレンプロピレン、およびブチレンなど、二重結合によって結び付いた炭素原子の1つまたは複数の対を含有する任意の不飽和炭化水素であってもよいことに留意されたい。オレフィン類は一般式CnH2nを有してもよく、式中、Cは炭素原子、Hは水素原子、nは整数である。

0084

焙焼ユニット212は2つ以上の区域を有し、そこで、C1〜C4オレフィンを含む非凝縮性ガス、ならびにCO、CH4、CO2、およびH2を含む他のガスを隔離し、次に、触媒コンバータ216への供給ラインを通して経路指定し、触媒コンバータは、非凝縮性ガスの一部を少量のCO、H2、CO2および場合によってはCH4の合成ガス成分へと触媒変換し、それらが合成ガス成分の一部と並行してバイオマスガス化装置214からメタノール合成リアクタの組み合わされた入力部へと送られる。触媒コンバータ216は制御システムを有し、それによって、触媒コンバータ216に対する非凝縮性ガスを伴う酸素添加ガスおよび水蒸気の供給を調整し、触媒コンバータが出口ガスとして少なくともH2およびCOを生成する。触媒コンバータ216は、制御システムと、触媒コンバータ216内部の触媒材料の組成とを使用して、供給された非凝縮性ガスを完全に出口ガス中のCO2およびH2Oに変換するのではなく、非凝縮性ガス、水蒸気、および酸素添加ガスを適切な比で触媒コンバータ216に通して、出口ガス中の一酸化炭素(CO)および水素(H2)の生成を助ける平衡反応を達成し、このように、非凝縮性ガスと関連付けられた価値のある再生可能識別番号(RINクレジットを再要求する。RINクレジットは、バイオマスなどの再生可能エネルギー作物を使用して生成されるガロン単位の再生可能燃料を表す、再生可能燃料の生産者または輸入業者によって作られる数字コードである。上記の提案における焙焼の主な欠点は、焙焼によって除去される揮発性材料において、炭素および関連するRINクレジットが失われることである。

0085

バイオマスガス化は、バイオマスの複雑な炭化水素を、より単純なガス状分子、主に水素、一酸化炭素および二酸化炭素に分解するのに使用される。一部の木炭、鉱物灰、およびタールも、メタン、エタン、水、および他の構成物質と共に形成される。未加工生成物ガスの混合物は、使用されるバイオマス原材料および使用されるガス化プロセスの種類によって変動する。生成物ガスは、意図される用途には十分なように、固体、タール、および他の汚染物質が取り除かれなくてはならない。

0086

図3Aを参照すると、バイオマスガス化装置は、バイオマスガス化装置314を出る合成ガスのガス流から、灰、硫黄、水、および他の汚染物質を取り除く、ガスクリーンアップ区画を有する。次に、合成ガスは、メタノール合成に必要とされる適切な圧力に圧縮される。触媒コンバータ316からの合成ガスは、圧縮段上流または下流に接続してもよい。

0087

ガス化装置および触媒コンバータ316の出口ガスからのH2およびCOの合成ガスは、1つまたは複数のメタノール合成リアクタに対する共通の入力部に送られる。水素対一酸化炭素の正確な比は、バイオマスガス化装置314および触媒コンバータ316を出る合成ガスの組成に対するモニタリング機器による分析を受け取り、メタノール合成向けに比を最適化する、制御システムによって最適化することができる。次に、1つまたは複数のメタノール合成リアクタによって生成されたメタノールは、メタノールのガソリン化プロセスで処理される。

0088

総合プラントで生成される液体燃料は、ガソリン、またはディーゼルジェット燃料、もしくは何らかのアルコールなど、別のものであってもよい。

0089

焙焼ユニット312は、それ自体のいくつかの離散的な加熱段を有してもよい。各加熱段は、焙焼ユニット312のその段でバイオマスから生成される非凝縮性ガスおよび凝縮性揮発性材料の組成を最適化するのに適合されるように、ユニット内で、異なる動作温度、伝熱速度、および加熱持続時間で設定される。各段は、焙焼ユニット312の制御システムにフィードバックを供給して、ユニット内における異なる動作温度および伝熱速度を調整する、1つまたは複数の温度センサを有する。

0090

触媒コンバータ、緻密化ユニット、焙焼ユニットなどを含むがそれらに限定されない多くの任意選択の段が、総合プラントの一部であってもよい。バイオマスのペレットは、緻密化ユニットから直接取り出され、多くの目的に使用されてもよい。

0091

図3Bは、バイオマスから合成ガスを発生させる、および/または緻密化された形態のバイオマスを発生させる、総合プラントのフロー図の一実施形態を示す。総合プラントは、バイオマスガス化装置と並行して水蒸気メタン改質ユニット327を有してもよい。SEPユニットは、緻密化ユニットに微粒子状のバイオマスを供給してもよい。緻密化ユニットは、ペレット状のバイオマスを含むがそれに限定されない、緻密化された状態のバイオマスを作成する。バイオマスガス化装置314およびSMR 327は両方とも、メタノール合成リアクタ310などの下流の有機液体生成物合成リアクタに合成ガス成分を供給することができる。次に、メタノールは、高品質かつ高オクタン価のガソリンを作成するため、メタノールのガソリン化プロセスに供給される。メタノールはまた、ジェット燃料、DME、ガソリン、ディーゼル、および混合アルコールを含む、他の液化燃料プロセスに供給されてもよい。

0092

このように、供給システムは、スラリー状のバイオマスの含水微粒子を、水蒸気爆砕ユニットの出力から緻密化ユニットに直接供給してもよい。緻密化ユニットは、微粒子状の含水バイオマスを、バイオマスのペレットを含むがそれに限定されないより稠密な形態へと緻密化するように構成される。任意選択の乾燥器ユニットが、SEPユニットと緻密化ユニットとの間にあるか、または緻密化ユニットの後に位置してもよいことに留意されたい。次に、緻密化されたペレット状のバイオマスは、1)バイオマスガス化装置、2)プロセス加熱のための燃焼ユニット、3)電力を発生させる燃焼ユニット、4)化学物質を生成する処理ユニット、5)家畜飼料、敷料、または燃料として箱詰めし販売する梱包ユニットのうち1つもしくは複数に供給される。

0093

図3aおよび3bは、複数の段が任意選択であることを示している。例えば、総合プラントは、任意選択の緻密化ユニットに、次に任意選択の焙焼ユニットに、次にプラントの残りに供給する、SEPユニットを有してもよい。別の事例では、総合プラントは、乾燥器ユニットに、続いて緻密化ユニットに供給するSEPユニットを有してもよく、緻密化ユニットは、1)バイオマスガス化装置、2)プロセス加熱のための燃焼ユニット、3)電力を発生させる燃焼ユニット、4)化学物質を生成する処理ユニット、5)家畜飼料、敷料、または燃料として箱詰めし販売する梱包ユニットのうち1つもしくは複数に供給する。別の例示的な事例では、SEPユニットは乾燥器ユニットに供給し、その後に焙焼ユニットが続き、その後に緻密化ユニットが続き、そこでプラントの残りに供給される。

0094

図4A〜Cは、リグニンによって取り囲まれ共に結合されたセルロース繊維の繊維束を有する、バイオマスのチップ451の一例を様々なレベルで拡大した図を示す。

0095

図4Dは、バイオマスの微粒子453へと爆砕したバイオマスの第1のチップ451を含むバイオマスのチップの例を示す。

0096

図4Eは、ほつれるかまたは部分的に分離されて個々の繊維になっている繊維束を有するバイオマスのチップ451を示す。

0097

図5は、合成ガス生成物を含む化学生成物を発生させるように構成された、輻射熱化学リアクタの一実施形態のフロー概略図を示す。複数シェルの輻射熱化学リアクタ514は、内壁を有する環状のキャビティを有する耐火性容器534を含む。輻射熱化学リアクタ514は、固体材料で作られた2つ以上の輻射管536を有する。1つまたは複数の輻射管536は、耐火性内張り容器534のキャビティ内部に位置する。

0098

発熱性熱源538は、管536内部の空間を加熱する。このように、各輻射管536は、管536の各端部にある、再生バーナーまたはガス燃焼バーナーなどの発熱性熱源538によって、内部から加熱される。各輻射管536は、管536の各端部にある熱挿入入口を通して、または場合によっては2つの端部間に位置する1つまたは複数の熱挿入ポートによって、バーナーからの炎およびガスによって内部から加熱される。1つまたは複数の天然ガス燃焼バーナー538の火炎および加熱ガスは、900℃〜1800℃の温度で複数の輻射管に供給される発熱性熱源として作用し、輻射管536の両端に接続する。各管536はSiCまたは他の類似の材料で作られてもよい。

0099

1つまたは複数の供給ライン542は、化学リアクタ514の頂部または上部内へとバイオマスおよび反応ガスを供給する。バイオマス粒子および水蒸気の供給ライン542は、内部で加熱される輻射管536に対する耐火性内張り容器534に入口点の下方で入る。供給ライン112は、1)バイオマス粒子、2)反応ガス、3)水蒸気、4)伝熱補助粒子、または5)これら4つのうち任意のものを含む化学反応物を、輻射熱化学リアクタ内へと供給するように構成される。輻射熱によって促進される化学反応は、内部の炎によって複数の輻射管536の外部で生じる。輻射熱によって促進される化学反応は、耐火性内張り容器534のキャビティの内壁、および1つまたは複数の輻射管536それぞれの外壁内で生じる。

0100

化学反応は、輻射熱を使用して輻射熱化学リアクタ514内で実施される、1)バイオマスガス化(CnHm+H2O→CO+H2+H2O+X)、2)および他の類似の炭化水素分解反応のうち1つまたは複数を含む、吸熱反応であってもよい。水蒸気(H2O)対炭素のモル比は1:1〜1:4の範囲であり、温度は、触媒が存在しない状態で化学反応が生じるのに十分な高温である。

0101

輻射熱リアクタ設計内への供給原料として使用される焙焼したバイオマス粒子は、ガスが同伴する粒子に対する輻射の伝熱をより効率的にすることによって、処理ガス温度を上昇させ、1200℃を超える温度を持続することができるという有益な効果を伝え、供給される所与の量のバイオマスに対する一酸化炭素および水素の合成ガス成分の発生におけるガス化装置の収率を増加させ、タールおよびC2+オレフィン類の生成を減少させることにより、プロセスの衛生状態を改善する。輻射熱リアクタの制御システムは、上述の利点を生み出すため、リアクタの表面から伝達される輻射熱をバイオマス粒子の流量に対して整合する。

0102

制御システムは、輻射熱で駆動される化学リアクタが高熱流束を有するのを支援するため、ガス燃焼バーナー538が化学リアクタ514に熱エネルギーを供給するように制御する。化学リアクタ514の内表面は、1)輻射エネルギーを吸収し再放射し、2)輻射エネルギーを高度に反射し、また3)それらの任意の組み合わせをもたらすように位置合わせされて、封入された超高熱流束化学リアクタ514の動作温度を維持する。このように、耐火性容器のキャビティの内壁および1つまたは複数の管536それぞれの外壁は、例えばバイオマス粒子、および所与の管536の外壁と耐火性容器の内壁との間に存在する他の任意の伝熱補助粒子に対して、輻射熱エネルギー放射する。耐火性容器は、このように、管536を介して、耐火性容器の頂部および底部に沿って位置するバーナー538からの濃縮エネルギーを吸収または反射して、熱輻射および反射によるエネルギー輸送が、その熱流束を、化学リアクタ内部のバイオマス粒子、伝熱補助粒子、および反応ガスに全体的に搬送するようにする。熱耐火性容器のキャビティの内壁および複数の管536は、輻射を吸収し、伝熱補助粒子に対して再輻射するか、または入射輻射を伝熱補助粒子に対して反射させることによる、輻射分配器として作用する。輻射熱化学リアクタ514は、対流または伝導ではなく、主に輻射伝熱によって促進される、超高熱流束および高温を使用する。

0103

一般に石炭粒子に使用される対流バイオマスガス化装置は、一般的に、最大で5〜10kW/m2の熱流束に達する。高輻射熱流束バイオマスガス化装置は、対流駆動のバイオマスガス化装置で見出されるよりも大幅に高い、少なくとも三倍の量の熱流束(即ち、25kW/m2超)を使用する。一般に、高温(>950℃の壁温度)の輻射を使用して、適切に設計されたリアクタを用いてはるかに高い流束(80kW/m2を超える高熱流束)を達成することができる。いくつかの事例では、高熱流束は100kW/m2〜250kW/m2であり得る。

0104

次に、制御システムのための様々なアルゴリズムおよびプロセスは、コンピュータによって実行される、プログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈記述されてもよい。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか、または特定の抽象データ型実装する、ルーチンプログラムオブジェクトコンポーネントデータ構造などを含む。当業者であれば、後述する任意の形態のコンピュータ可読媒体上で具体化することができる、コンピュータ実行可能命令として本明細書の説明および/または図面において実装することができる。一般に、プログラムモジュールは、ソフトウェア命令電子ハードウェア論理ブロック、および両方の組み合わせとして実装されてもよい。ソフトウェア部分は、機械可読媒体上に格納され、Java、C++、Cなどの任意の数のプログラミング言語で書かれてもよい。機械可読媒体は、ハードドライブ外部ドライブDRAMテープドライブメモリスティックなどであってもよい。したがって、アルゴリズムおよび制御システムは、排他的に、ハードウェア論理ソフトウェア相互作用するハードウェア論理、またはソフトウェアのみで作製されてもよい。

0105

本設計のいくつかの特定の実施形態について示してきたが、本設計はそれらの実施形態に限定されない。例えば、様々なプラントプロセスから回復した廃熱を、燃焼空気予熱するのに使用することができ、または他の類似の加熱手段に使用することができる。再生ガスバーナーまたは従来のバーナーを、炉の熱源として使用することができる。焙焼プロセスで形成される、C1、C2、およびそれ以上のアルコール、ならびにエーテルは、ガソリンなどの発生する液体燃料のオクタン価を押し上げる高価値として使用されてもよい。輻射熱化学リアクタ以外のバイオマスガス化装置リアクタが使用されてもよい。水蒸気メタン改質は、炭化水素(アルカンアルケンアルキン芳香族フランフェノールカルボン酸ケトンアルデヒド、エーテルなど)を含む短鎖炭化水素(<C20)を分解すると共に、酸素添加して合成ガス成分とする、SHR(水蒸気炭化水素改質器)であってもよく、それを含んでもよい。本設計は、本明細書に記載される特定の実施形態によってではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものと理解されるべきである。

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