JP5925195B2 - 微粒子炭素質原料の破砕熱分解のための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、特に、全くこれだけのためというわけではないが、有機蒸気、有機液体（主に油の形態）および炭化物のうち１つ、あるいは複数、あるいはこれらの組み合わせを生成するための、たとえば、これらに限定されるものではないが、バイオマスまたは炭などの微粒子炭素質原料の破砕熱分解のための方法およびシステムに関する。

熱分解は酸素欠乏環境での加熱による物質（原料）の熱的分解を意味する。熱分解加工は一般的に、原料を加熱する速度にしたがって低速および高速の熱分解に区分される。炭の生産の従来の方法は低速の熱分解加工であると考えられ、一般的に（乾燥質量に対して）およそ３０％の液体収率が得られる。他方、原料の高速熱分解ではかなり高い液体収率が得られ、（乾燥質量に対して）６０％を超えることが広く報告されている。したがって、炭素質原料から得る目的の生成物が有機液体である場合、高速熱分解は低速熱分解より有利である。

数種の高速熱分解技術は実証段階に達している（例えば流動床式、真空式）。しかし、これらの技術は商業段階では技術的制約および経済的制約を抱えている場合がある。例えば、流動床式熱分解装置は通常直径２mm未満の非常に微細な粒子を使用することが必要となるが、このような微細な原料粒子の調製には通常、高額な費用がかかる。流動床の他の重大な欠点としては、不活性固体を液状化し、得られた炭化物を反応器から運び出すためには、かなり大量の不活性ガスが必要となる。大量の不活性ガスの使用には多くの問題が伴う。例えば有機蒸気の分圧は不活性ガスによる希釈のために大幅に低くなる可能性があり、それにより有機成分の冷却および収集が困難になる。また、ガスの流れが高速になると、収集がかなり難しいエアロゾルが形成されてしまう。さらに、この過程で発生した非凝結性熱分解ガスも大量の不活性ガスで希釈され、このガスを直接利用することが（例えば熱を発生させるための燃焼設備において）さらに困難になる。不活性ガスの（流動床に入る前の）連続的加熱と、その後の（バイオオイルとしての有機蒸気を濃縮するための）冷却により、全体的な処理効率が大幅に低下する。

本発明の１つの態様は微粒子炭素質原料を加工する方法を提供するものであり、当該方法は原料を粒径縮小加工および熱分解に同時に供することを含むものである。

前記寸法縮小加工は、原料の破砕および圧潰のいずれか一方、またはその両方を含むことも可能である。

前記寸法縮小加工は、原料を１つ以上の硬質の物体に繰り返し接触させることを含むことも可能である。

前記原料を１つ以上の硬質の物体に接触させることは、当該１つ以上の物体で原料に衝撃を与えることを含むことも可能である。

前記１つ以上の物体は、独立し自由に動ける複数の物体から成り原料に繰り返し衝撃を与える破砕手段として備えられ、前記１つ以上の物体で原料に衝撃を与えることは、当該破砕手段に勢いを付与することと、当該破砕手段により原料に衝撃を与えることから構成される。

該方法は、前記寸法縮小加工および熱分解がその中で行われる容器を備えることと、前記原料を当該容器に供給することとを含むことも可能であり、該容器は容積Ｖおよび内径Ｄを有している。

該方法は、前記容器内に前記破砕手段を備えることと、当該容器を回転させることとを含むことも可能である。

該方法は、前記容器の容積Ｖの１０％〜５０％を占める量の前記破砕手段を備えることを含むことも可能である。

該方法は、限界速度ＣＳの５５％〜９０％の速度で前記容器を回転させることを含むことも可能であり、ＣＳ＝４２．３／Ｄ^０．５rpm である。

該方法は、前記物体をシリカ、中礫または鋼鉄製の物体として備えることを含むことも可能である。

該方法は、前記容器の内側に鋼鉄、シリカまたは耐熱性物質の裏当てを備えることを含むことも可能である。

該方法は、前記容器の中に前記破砕手段を連続的に供給することを含むことも可能である。

前記熱分解は伝導および対流により前記物体から前記原料へと熱を伝えることを含むことも可能である。

該方法は、前記物体が前記原料に接触する前に当該物体を加熱することを含むことも可能である。

該方法は、原料が前記物体と接触する前に、当該物体を加熱する過程で出た排熱を使用して当該原料を乾燥させることを含むことも可能である。

該方法は、前記物体が原料と接触する間に当該物体を加熱することを含むことも可能である。

１つの実施態様では、前記熱分解には前記容器を加熱することが含まれる。

該方法は、前記原料の熱分解により生成された非凝結性ガスを燃焼させることで前記熱分解用の熱を発生させることを含むことも可能である。

該方法は、オイル収率を最大限にする温度で熱分解を行うことを含むことも可能である。１つの実施例では、これには３５０℃〜６５０℃の温度で熱分解を行うことが含まれる。

該方法は、前記原料を焙焼するに十分な温度で熱分解を行うことを含むことも可能である。１つの実施例では、これには３２０℃未満の温度で熱分解を行うことが含まれる。

１つの実施態様では、該方法には、限られた酸素を前記容器に供給して前記原料の熱分解で生成された蒸気および／または炭化物を部分的に燃焼させ、原料を熱分解するための熱の少なくとも一部分を発生させることを可能にすることが含まれる。

１つの実施態様では、該方法には前記熱分解で発生した有機蒸気を凝結させてオイルを形成することが含まれる。

１つの実施態様では、該方法には、前記熱分解で発生した炭化物上に当該熱分解で発生した有機蒸気を凝結させてオイル／炭化物混合物を生成することが含まれる。

別の実施態様では、該方法には、前記熱分解で発生した有機蒸気を凝結させオイルを生成することと、当該熱分解で発生した炭化物を混合しオイル／炭化物スラリーを生成することとが含まれる。

１つの実施態様では、該方法には、前記原料の熱分解で発生した生成物を燃料として燃焼またはガス化システムに供給することが含まれる。この実施態様は、前記熱分解用の熱源として当該燃焼またはガス化システムを使用することを含むことも可能である。

１つの実施態様では、該方法には、前記原料の熱分解で発生した生成物を混焼燃料としてボイラーまたはガス化装置に供給することが含まれる。

本発明の第２の態様は微粒子炭素質原料の粉砕および熱分解を同時に行うための設備を提供するものであり、当該設備は、当該原料の粒径を縮小できる機器；および当該機器が原料の粒径を縮小して原料の熱分解を引き起こす間、原料を加熱することが可能な熱源を含むものである。

前記機器には、破砕機またはフライス盤を備えることも可能である。

前記機器には、独立し自由に動ける複数の物体の形態をとる破砕手段と、その中で当該破砕手段と前記原料が互いに接触して原料の粒径縮小を引き起こす容器とを備えることも可能である。

前記機器は、前記容器を回転させて前記破砕手段に勢いを付与し、当該破砕手段により原料に繰り返し衝撃を与えることも可能である。

該設備には、前記容器内で前記破砕手段を循環させる機構を備えることも可能である。

前記破砕手段は、前記容器内にあるとき、容器の容積Ｖの１０％〜５０％を占めることが可能である。

前記容器は限界速度ＣＳの５５％〜９０％の速度で回転させることが可能であり、 ＣＳ＝４２．３／Ｄ^０．５rpm、Ｄは容器の内径で、単位はメートルである。

前記熱源は、前記破砕手段が原料に接触する前に当該破砕手段を加熱するように構成されてもよい。

代替的に、または追加として、前記熱源は前記容器を加熱するように作動してもよい。

前記熱源は、バーナーおよび前記原料の熱分解由来の非凝結性ガスおよび蒸気を当該バーナーに供給するガス供給システムを含むことも可能である。

該設備には、その中を通って熱分解ガスおよび蒸気が熱分解装置から取り出されて当該熱分解蒸気の有機成分を凝結させ捕捉し得る凝結器を備えることも可能である。

１つの実施態様では、オイル収率を最大にする熱分解温度を供給するように前記熱源を構成することも可能である。１例では、これには前記熱源が３５０℃〜６５０℃の熱分解温度を供給することが含まれる。

別の実施態様では、バイオマスの焙焼を行うのに十分な熱分解温度を供給できるように前記熱源を構成することも可能である。１例として、３２０℃未満の熱分解温度を提供するように前記熱源を構成してもよい。

１つの実施態様では、前記熱分解により発生した炭化物上に、当該熱分解により発生した有機蒸気を凝結させ、オイル／炭化物混合物またはスラリーを生成するように該設備を構成することも可能である。

１つの実施態様では、該設備は、燃焼器またはガス化装置を有する燃焼またはガス化システムの一部であり、該設備は前記原料の熱分解で発生した生成物を燃料として当該燃焼器またはガス化装置に供給するように構成される。この実施態様は、前記熱分解用の熱源として当該燃焼器またはガス化装置により発生した熱を供給することを含むことも可能である。

１つの実施態様では、前記原料の熱分解により発生した生成物を混焼燃料としてボイラーまたはガス化装置に供給するように該設備を構成することも可能である。

本発明の実施態様をほんの一例として、添付の図面を参照し下記に説明する。
微粒子炭素質原料を加工する本方法およびシステムの実施態様の炭素質原料粒子に対する効果を示す略図である。 本発明にしたがって微粒子炭素質原料を加工するためのシステムおよび方法の１つの実施態様の略図である。 本発明にしたがって微粒子炭素質原料を加工する方法およびシステムの第２の実施態様の略図である。 本発明にしたがって微粒子炭素質原料を加工する方法およびシステムの第３の実施態様の略図である。

微粒子炭素質原料の破砕および熱分解の本方法とシステムの実施態様には、最も広い形態では、微粒子炭素質原料を、同時に行う粒径縮小および熱分解に供することが含まれる。本実施態様は微粒子バイオマス原料という文脈で記述されているが、実施態様は炭素質原料の他の形態またはタイプにも適用できるか、あるいはそれらとの関連で使用できるものである。熱分解はバイオマス粒子上に炭化物層を形成し、そして有機蒸気を生成する効果を有する。粒径縮小加工はバイオマス粒子からの炭化物層を破壊し、それにより当該粒子の寸法が縮小し、比較的新しい粒子外層が露出される。縮小した寸法のバイオマス粒子を熱分解すると、再度、新たに露出した外表面上に炭化層が形成され、有機蒸気がさらに生成される。この炭化層は粒径縮小加工により破壊されて取り除かれる。このように、熱分解は、比較的脆弱な、すなわち元のバイオマスより破砕し易く、したがって粒径縮小加工で容易に除去できる炭化層の形成により、粒径縮小加工に役立つ。粒径縮小加工により、順々に続いて形成されるバイオマス粒子の比較的「新しい」層を熱分解加工に直接さらし、それによりバイオマス粒子の中核および順々に続いて形成される層に高速で熱分解を起こさせることが可能となる。これによっても最大量の有機蒸気が発生することになり、それにより全体的なバイオオイル収率が向上すると考えられる。バイオマスの構造的特徴次第で、上述よりランダムな様式で熱分解バイオマス粒子の細分化が起こる可能性もある。

図１は微粒子バイオマス原料の破砕および熱分解を同時に行うための方法およびシステムの上記実施態様の概念的な図である。加工より前に、球形で半径Ｒａである仮想のバイオマス原料粒子１０ａを示しておく。実際は粒子径縮小および熱分解を同時に行っているが、この図の説明を簡単にするためにこれら２つの加工の効果を別々に示す。初めに粒子１０ａを熱分解Ｐ１に供すると、粒子の周囲に炭化層１２ｂを形成し、加工粒子１０ｂを形成する。粒子１０ｂを粒子径縮小加工Ｃ１に供する。これにより結果的に炭化層１２ｂが破壊されて取り除かれ、加工粒子１０ｃが形成される。炭化層１２ｂはより微細な炭化粒子１４へと破壊される。粒子径縮小加工Ｃ１の結果として、粒子１０ｃは現時点で比較的新しいか、あるいは未炭化の外表面１６ｃを有する。工程Ｐ２で熱分解を継続すると、表面１６ｃは熱分解し、炭化層１２ｄが形成される。炭化層１２ｄは外表面１６ｃから半径方向内向きに延び、加工粒子１０ｄが形成される。粒子径縮小加工Ｃ２により、炭化層１２ｄは破壊されて取り除かれ、さらに微細な炭化粒子１４が形成され、熱分解加工に新たに供する外表面１６ｅを有するさらに加工されたバイオマス粒子１０ｅが生成される。熱分解加工Ｐ３により、またさらなる炭化層１２ｆおよび加工粒子１０ｆが生成される。粒子径縮小加工Ｃ３により炭化層１２ｆが破壊されて取り除かれ、さらに微細な炭化粒子１４が形成される。加工粒子１０ｆの核はその時点で、寸法縮小加工Ｃ３により残存の粒子１０ｆが多数のさらに小さい粒子１０ｇに破壊されるほどの寸法になっており、それら小粒子の各々はその時点で完全に熱分解することが可能である。熱分解した粒子１０ｇは再度、粒径縮小加工に供され、さらに微細な炭化粒子１４へと破壊される。上記の加工と同時に有機蒸気を含む熱分解ガスが生成される。該粒子は衝撃および破砕加工のどの段階でも細分化し得ることに留意されたい。

より詳細に下記で述べるように、当該方法およびシステムの実施態様では、粒径縮小加工および熱分解の両方を同時に行う機器または装置が利用されている。この機器または装置は１つ以上の硬質の物体を使用し、バイオマスを熱分解に供している間、これらの物体を微粒子バイオマスに接触させ、より具体的にはバイオマスに繰り返し衝撃を与えるものである。硬質の物体はハンマーミルなどのように機器または装置内に固定するか、あるいはボールミルなどのように機器または装置内で分離し、かつ自由に移動できるようにしてもよい。どちらの例でも、バイオマスが硬質の物体と接触している間に熱をバイオマスに伝達させることによって熱分解が達成される。熱伝達は、バイオマスと接触する物体自体を事前に加熱しておくか、あるいは粒径縮小が起こる機器または装置を外部から加熱するか、あるいはその両方を併用することによって行ってもよい。ボールミル内のボールのように分離し、かつ自由に移動する物体を使用することで粒径縮小がもたらされる場合は、当該物体をバイオマスに接触させる前に加熱し、粒径縮小および熱分解が起こる機器または装置の中で物体を循環させることで熱伝達がもたらされてもよい。熱分解加工に必要な熱の少なくとも一部は熱分解加工で生じた非凝結性ガスの燃焼により生み出されるものとさらに想定される。さらなる実施態様では、同時に行われる粒径縮小と熱分解加工の前にバイオマスを乾燥させることが想定される。この乾燥は物体の加熱による排熱を利用することでもたらされてもよい。

図２は微粒子バイオマスの破砕と熱分解とを同時に行うための設備２０および関連する方法の一実施態様を説明するものである。設備２０には、粒径縮小と熱分解の両方が同時に起こる機器または装置である破砕熱分解装置２２が含まれる。この特定の実施態様では、破砕熱分解装置２２は回転容器またはドラム２６を有するボールミル２４を備えている。ボールミル２４は、ボール２８の形態をした複数の硬質物体も含み、このボール２８は全体で破砕手段を構成する。下記でより詳細に説明するように、破砕手段２８はボールミル２４の中を循環させることも可能である。

設備２０は湿った微粒子バイオマス原料を保持するための容器（ホッパー）３０も備える。本明細書の文脈における用語「湿った」は、原料が水分で覆われているか、さもなければ表面水を有しているというよりもむしろ、原料が比較的高い水分量を含んでいることを意味する。バイオマス微粒子原料は例えば、木材チップの形態でもよい。落し台３２は容器３０からバイオマス乾燥器３４へ通じている。バイオマス原料は例えばおよそ６０％という高い水分量を含む場合もある。乾燥器３４の目的は、原料の水分量を出来る限り低く、例えば約１０％未満に低減することである。乾燥器３４に使用する加熱手段の温度は、バイオマス原料が乾燥器３４内で大幅な熱化学反応（すなわち熱分解）を受けないように制御する。

乾燥原料は乾燥器３４からライン３６を経由して乾燥バイオマス原料ホッパー３８に運ばれる。乾燥原料はホッパー３８から、破砕熱分解装置２２の注入口側トラニオン４２に通じている落し台４０へと供給される。

ホッパー４３から出た加熱されたボール２８は導管４５を介して落し台４０に入ることができる。したがって微粒子バイオマスは落し台４０内の加熱されたボール２８と混合され、該混合物は注入口側トラニオン４２に供給される。

破砕熱分解装置２２の排出口側トラニオン４４は粒子収集器４６に通じ、該粒子収集器はサイクロンの形態をとることも可能である。炭化物とボール２８との混合物はトラニオン４４から粒子収集器４６へ、その後炭化物／ボール分離器５０へと排出される。分離器５０には、ボール２８がメッシュ５２を下って排出落し台５４に落ちるように構成されたメッシュ径を有し、ボール２８をヒーター５８に運ぶコンベアシステム５６に向けられたスクリーン５２が備えられている。他方、炭化物はメッシュ５２を通過し、分離器５０の底部に設置された炭化物ホルダー６０に集められる。

破砕熱分解装置２２で生じた熱分解ガスおよび蒸気は、例えば相対陰圧（すなわち真空）をかけることで導管４８を経由して集められる。熱分解蒸気の凝結を防止するために、導管４８は、例えば加熱テープを使用して少なくとも３００℃、好ましくは４００℃以上に加熱する。導管４８を経由して引き上げられた熱分解ガスおよび蒸気は有機成分を凝結および捕捉する働きをする凝結トレーン６２で処理される。かなりの量の微細な炭化物（例えば寸法が３０ミクロン未満）も導管４８を経由して引き上げられるので、蒸気は凝結システムに入る前に濾過装置４９を通過させることが好ましい。限定するものではないが、例えば水やドライアイスを使用する冷却、または電気集塵など、さまざまな公知の凝結技術が熱分解蒸気の有機成分を捕捉するために適用され得る。

二酸化炭素、一酸化炭素、水素および様々な軽質炭化水素など、熱分解生成物の非凝結性ガスおよび／または蒸気は、例えばファン６４により、導管６６を通じてガスバーナー６８に移動させられる。可燃性のガスおよび／または蒸気はガスバーナー６８で燃焼し加熱ガスを発生させ、可燃ガスは導管７０を経由してヒーター５８に供給される。代替的に、または付加的に、必要に応じて炭化物の一部を燃焼させて加工用の追加的な熱を供給することも可能である。高熱ガスは導管７０から垂直に上方へ、ヒーター５８の中を傾斜格子７２上に敷き詰められたボール２８を横切って流れていく。オイル収率を最大限にしたい場合、ヒーター５８は、通常３５０℃〜６５０℃以上の熱分解温度までボール２８を加熱または再加熱する。次いで排熱ガスは導管７４を経由して乾燥器３４へ流れる。このようにヒーター５８からの排熱は乾燥器３４中でバイオマス原料の水分量を削減するために利用される。代替的実施態様では、ヒーター５８を、傾斜した格子７２を使用するよりむしろボール２８がヒーター５８の底部から垂直に排出されるように構成してもよい。さらに、ボール２８の加熱に使用する高熱ガスを、垂直以外の方向、もしくは少なくとも垂直方向に加えて別の方向にも流すように導入してもよい。ボール２８は分離器５０からヒーター５８に戻すように循環させることから、運搬システム５６は断熱してボール２８の熱損失を低減する。

設備２０の典型的な運転順序ならびに典型的な運転パラメータを下記に説明する。初めにバイオマス材料を容器３０に保持し（商業的用途の場合、間断ないようにしてもよい）、次いで落し台３２を経由して乾燥器３４に移送する。乾燥器３４では、導管７４を通過してきたヒーター５８からの排熱から成る高熱ガスにより、例えば水分量をおよそ１０％未満にバイオマスを乾燥する。乾燥バイオマスはホッパー３８に移送され、次いで落し台４０を経由して破砕熱分解装置２２の注入口側トラニオン４２に供給される。原料は流動特性が乏しく、そして／あるいはホッパー３８の排出口が詰まって塞がれる場合がある。このようなことが起こらないように、攪拌器３９の形態の攪拌機構をホッパー３８内に設置してもよい。攪拌器３９は放射状に広がるスパイクを持つ中心軸の形態であり、その軸を中心とする回転運動とその軸に沿う直線的な往復運動を組み合わせて動く。攪拌器３９のこの運動は粗バイオマス原料の供給に役立つことが分かっている。ホッパー４３から排出された加熱したボール２８は破砕熱分解装置２２に入る前に、バイオマス原料と落し台４０内で混合する。ボール２８の直径は典型的に約１０mm〜１２０mmであり、鋼鉄やシリカなどの様々な材料から製造し得る。典型的に約３５０℃〜６５０℃である熱分解温度、ならびに再加熱後のボール２８の温度にしたがって望ましい質量比（例えば６〜１０）で、ボール２８をバイオマス原料に供給する。注入口側トラニオン４２の内表面には、バイオマス原料およびボール２８を容器２６に運ぶことを支援するオーガー（螺旋きり）に似た螺旋状構造物が並んでいる。モーター（図示せず）が破砕熱分解装置の容器２６を、中心長軸８０を中心にして回転させる。容器２６は回転しながら、ボール２８ならびにバイオマスを持ち上げ、転がり効果を発揮する。ボール２８を持ちあげることでボール２８に勢いが付き、落下するときにバイオマスに繰り返し衝撃を与える。事前に加熱していたボール２８との接触により熱もバイオマスに伝達される。破砕熱分解装置２２内で実質的に無酸素の雰囲気を確保することで、バイオマスに伝達された熱はバイオマスの熱分解を引き起こす。

図１に関連して上記で説明したように、ボール２８によるバイオマス粒子への反復的な衝撃の複合作用ならびに熱伝達はバイオマス粒子の粒径縮小および熱分解を同時に引き起こし、それによりバイオマス粒子の寸法は徐々に縮小し、炭化物と熱分解ガスおよび蒸気が生じる。

容器２６は、バイオマス原料および破砕手段２８が遠心力により容器２６の内表面に事実上「付着する」限界速度（ＣＳ）未満の速度で回転する。ＣＳ＝（４２．３÷Ｄ^０．５）rpmであり、Ｄは容器２６の内径で、単位はメートルである。容器２６に有用な速度範囲は０．５５ＣＳ〜０．９ＣＳであると考えられる。この範囲内では、場合によって、０．７５ＣＳの速度が特に良好な結果をもたらすことがあると考えられている。これらの速度は、ボール２８が原料上に落下する前に、ボール２８に付ける勢いを最大にする高さにボール２８を持ちあげることに有用であると考えられている。容器２６の回転の結果としてバイオマス原料はこのようにボール２８と混合し、そしてボール２８により破砕／圧潰される。

ボール２８は鋼鉄、フリント、中礫、シリカまたは他の材料から製造し得る。ボール２８は容器２６の容積の１０％〜５０％を占めることも可能である。一例では、容器２６の容積のうちわずか３５％未満をボール２８が占めることにより良好な結果がもたらされると考えられている。容器２６中のボール２８の体積はどの時点でもこの体積とする。したがってボール２８が循環している設備２０では、容器２６の容積比率におけるボール占有率が上述の範囲と一致するように循環速度を調整する。

ボール２８の寸法はすべてのボールが均一である必要はない。例えばボール２８の寸法は、直径で１０mm〜１２０mmであってよい。さらに、破砕熱分解装置２２を２つ以上の区画に分割することが可能であり、大きい方のボール２８はバイオマス原料の粒径は最大である注入口側トラニオン４２に近い区画を占有し、小さい方の粒径のボール２８はバイオマス粒径は小さめである排出口側トラニオン４４に近い区画に置かれる。したがって大きい方のボール２８はバイオマス原料の大きめの粒子に衝撃を与え、そして排出口側トラニオン４４に向かうにつれ原料の粒径が小さくなっていくので、小さめの直径のボール２８を使用することでより効率的に寸法縮小がなされる。間仕切りおよび異なる寸法のボールを使用する場合、徐々に小さくなる寸法の粒子を排出口側トラニオン４４に向かって区画から区画へと移動させるために、間仕切りは格子で形成する。

熱分解装置２２が、ボール２８を連続的に循環させる図２に示す設備２０の場合に有利である単一の区画で構成される場合には、熱分解装置２２の排出側端部は先細になっており、その先細の最少直径部分は排出口側トラニオン４４と連結している。ボール２８および炭化物の排出を支援するため、スパイラル状裏地を排出口側トラニオン４４の内表面に固着させてもよい。しかし、排出口側トラニオン４４の直径を大きくすること、および回転容器２６を水平に対して例えば１〜２度だけ傾けることなど、ボール２８および炭化物の排出を容易にする他の機構およびシステムも施すことが可能である。

熱分解装置２２／容器２６の内表面を保護するために、個々のプレートからなる裏地で内表面を被覆してもよい。裏地は様々な材料から作成することが可能で、実際、ボール２８が作成される材料に適合させることも可能である。

排出口側トラニオン４４から排出された混合した破砕ボール２８および炭化物を、異なる寸法および密度に応じて（すなわち異なる物理特性の効力によって）分離する。この例では、混合物は傾斜格子５２上に置かれ、炭化物はここを通り抜けてホルダー６０に向かい、一方、ボール２８はコンベアシステム５６に向かう。炭化物からのボール２８の分離を支援するため、格子５２は振動させるか、あるいは揺らしてもよい。

図３は微粒子バイオマスの破砕と熱分解とを同時に行うための設備２０ａの第２の実施態様を示す。この実施態様の説明では、図２に示す設備２０に関して上述したものと同じ特徴を説明または表現するために同じ参照番号を使用する。大ざっぱに言って、図２の設備２０と図３の設備２０ａとの間の主な違いは、設備２０ａでは破砕手段（すなわち破砕ボール２８）は循環せず、むしろ熱分解装置２２内に保持されているということである。このことにより、運搬システム５６、ヒーター５８および容器４３が必要なくなる。また、ボール２８は熱分解装置２２内に保持されることから、熱分解装置の外部の分離器５０も必要ない。この実施態様では、断熱外装９２に容器２６が収容され、容器２６と外装９２との間に環状の間隙または空間を作る。加熱されたガスはライン９０を介して間隙９４内に導かれる。間隙９４内の高熱ガスからの熱が容器２６の壁を経て伝わることにより熱分解が影響を受ける。オイルの収率を最大限にするため、熱分解装置２２内の温度は約３５０℃〜６５０℃にすることが好ましい。熱分解用の熱は熱分解装置２２／容器２６の壁を通って伝わることから、容器２６の壁を経た後の伝熱および熱損失を考慮して、容器２６の壁は熱分解に必要な温度より高い温度まで加熱される。例えば壁は約５００℃〜８５０℃以上くらいの温度に耐えられるように構成すべきである。設備２０ａの設備２０と比較した場合のもう一つの違いは、破砕熱分解装置２２を囲む間隙９４から出る排気ガスを導管８２により乾燥器３４に向かわせることである。

特定の製品要件を満たすために、運転条件または加工後の方法を多様に変えることが可能である。例えば、低温（例えば約２００〜３２０℃）で熱分解装置２２を運転することにより、焙焼したバイオマスの生成が可能になる。この温度範囲における熱分解加工は焙焼として公知であり、得られたバイオマスを通常の濃密化装置を使用してブリケットまたはペレットへと濃密化することも可能である。この加工では、図２および３に示す凝結段階を省略することが可能であり、熱分解蒸気および燃焼可能ガスは熱分解装置の熱源として使用可能である。

図２および３の濾過装置４９の濾過率を低下させること、または濾過装置全体の省略により、有機蒸気が炭化物微粒子上で凝結し、バイオスラリーまたはバイオペーストの形態でバイオオイル／炭化物混合物が生成される。このバイオオイル／炭化物混合物は燃料またはガス化燃料として使用できる。

さらに、熱分解装置自体が、図４に示す燃焼またはガス化システム１００の一部を形成することも可能である。この実施態様では、熱分解装置２２で生成された揮発性物質および微細な炭化物はシステム１００の燃焼器またはガス化装置１０２に直接供給される。燃焼器もしくはガス化装置により発生した熱、および／または燃焼器もしくはガス化装置から出た排熱の一部を、熱分解装置を加熱するために使用してもよい。あるいは、少量の酸素または空気を熱分解装置２２に導入して熱分解装置内の揮発性物質および／または微細炭化物のごく一部を燃焼させることにより、熱分解用熱を供給してもよい。

図４の実施態様からの一つの変更は、揮発性物質、炭化物および可燃ガスを含む熱分解生成物を混焼燃料としてボイラーまたはガス化装置に供給することである。このことは、エネルギー集約的なあらゆるバイオマスフライス加工を省略することになるので、混焼燃料として未加工のバイオマスを使用することよりも有利である。この場合、熱分解装置２２内の揮発性物質および／または炭化物のごく一部を燃焼させるだけで熱分解用熱を供給することが可能になる。このことは少量の酸素または空気を熱分解装置２２に導入し熱分解装置内部の温度を監視することで達成できる。あるいは、熱分解装置用の熱源としてボイラーまたはガス化装置から出た高温の燃焼排ガスを幾分か使用することも可能である。

本発明の実施態様は、現在の熱分解技術全体にわたり、多様な長所および／または利点を提供すると考えられる。これらには、広範な粒径分布（例えば厚さ又は直径で５mm〜８cm）および不規則な形状（例えば非球形、高度に分岐した形状）を有し、石や砂などの非バイオマス粒子を含む粗原料粒子を使用できるということが含まれる。本発明により、実質的かつ高コストの予備処理を必要とすることなく、実質的に未加工の原料が使用できるようになる。別の利点は、この発明の熱分解装置で生成された炭化物が、容易に利用できる微細粒子（大部分が直径５０ミクロン未満）の形態（例えば燃料または廃物改良剤）であることである。また、キャリヤーガスが必要ないことから、熱分解蒸気の消熱は簡素化され、エアロゾルの発生が低減される。また非凝結性熱分解ガスがより効率的に使用できるようになる可能性もある。

本発明の実施態様が詳細に説明された今、基本的な発明概念から逸脱せずに多数の改良と変更が為し得ることは当業者にとって明白である。例えば図２〜４は、バイオマス原料の破砕および熱分解を同時に行うための、ボールミルを組み込んでいる設備を図示している。しかし、ハンマーミルまたは往復運動型ジョークラッシャーなどの、バイオマスの粒径を縮小することが可能な他のタイプの機器も使用可能である。また、図２に示す破砕手段（すなわちボール２８）の加熱と、図３に示す熱分解装置の内壁／容器２６の直接的加熱を組み合わせることにより、熱分解用の熱を得ることも可能である。さらに、必要に応じてバーナー６８への燃料供給を補強するために、天然ガスまたは他の燃料を使用してもよい。このような改良および変更はすべて当業者に自明な他の選択肢とともに本発明の範囲内にあり、その本質は以上の記載ならびに添付の特許請求の範囲から決定すべきものである。

Claims (40)

1. バイオマスおよび／または石炭を含む微粒子炭素質原料を処理する方法であって、
   前記原料を、内径Ｄｍを有する容器に供給し、
   前記容器を限界速度ＣＳ＝４２．３／Ｄ^０．５rpmの５５％〜９０％の速度で回転させ、
   前記容器が限界速度ＣＳの５５％から９０％の速度で回転している間に、同時に、前記容器に供給された前記原料に対し、粒子寸法縮小加工及び熱分解を行い、
   少なくとも、液体オイルと固体炭化物粒子を形成するために濃縮可能な揮発性物質である熱分解生成物を生成し、
   前記揮発性物質の中に混入された炭化物の混合物としての熱分解生成物を同じ排気口を介して排出する、方法。
2. 前記寸法縮小加工が原料の破砕および圧潰のいずれか一方、またはその両方を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記寸法縮小加工が原料を、熱分解によって粒子上に形成された炭化物層を粉砕して取り除くのに十分な硬度を持つ１つ以上の硬質の物体に繰り返し接触させることを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記原料を１つ以上の硬質の物体と接触させることが、１つ以上の硬質の物体で前記原料に衝撃を与えることを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記１つ以上の硬質の物体は、独立して自由に動ける複数の物体として備えられ、前記原料に衝撃を与えることは、前記回転する容器が、前記自由に動ける物体を持ち上げる動きによって、前記自由に動ける物体に勢いを与え、そして持ち上げた前記自由に動ける物体を落下させて原料に衝撃を与えることを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記容器は容積Ｖを有し、前記自由に動ける物体は前記容積Ｖの１０％〜５０％を占める量である請求項５に記載の方法。
7. 前記自由に動ける物体を、シリカ、中礫または鋼鉄の中の１つから製造された物体として備えることを含む請求項５または６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記容器の中に前記自由に動ける物体を連続的に供給することを含む、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記熱分解が、伝導および対流により前記自由に動ける物体から前記原料へ熱を伝えることを含む請求項５〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記自由に動ける物体が原料に接触する前に当該物体を加熱することを含む請求項９に記載の方法。
11. 原料が前記自由に動ける物体に接触する前に、当該物体を加熱する過程で出た排熱を使用して当該原料を乾燥させることを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記自由に動ける物体が原料と接触する間に当該物体を加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記熱分解には前記容器を加熱することが含まれる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記原料の熱分解により生成された非凝結性ガスおよび／または炭化物を燃焼させることで熱分解用の熱を発生させることを含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 原料を焙焼するに十分な温度で熱分解を行うことを含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 限られた酸素を前記容器に供給し、揮発性物質および／または炭化物を部分的に燃焼させて原料を熱分解するための熱を発生させることを含む請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記熱分解で発生した有機蒸気を凝結させてオイルを形成することを含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記熱分解で発生した炭化物上に熱分解で発生した有機蒸気を凝結させてオイル／炭化物混合物を生成することを含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記原料の熱分解で発生した生成物を燃料として燃焼またはガス化システムに供給することを含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記熱分解用の熱源として前記燃焼またはガス化システムを使用することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記原料の熱分解で発生した生成物を混焼燃料としてボイラーまたはガス化装置に供給することを含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
22. ３５０℃〜６５０℃の温度で熱分解を行うことを含む、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記容器の内部に、鋼鉄、シリカ、または耐火物による内張りを設けることを含む、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. バイオマスおよび／または石炭を含む微粒子炭素質原料の粉砕および熱分解を同時に行うための設備であって、
    前記設備は、
    原料の粒径を縮小することができる機器を有し、当該機器は、限界速度ＣＳ＝４２．３／Ｄ^０．５rpmの５５％〜９０％の速度で回転する容器（但し、Ｄは、容器の内径をメートルで表したもので、当該容器は排気口を備える）と、
    回転する前記容器の中で前記原料を加熱することが可能な熱源を含み、
    前記設備は、原料の粒子サイズを縮小するとともに、原料を熱分解し、炭化物が混入された揮発性物質であって、燃焼可能な液体オイルと固体炭化物粒子を濃縮することが可能である熱分解生成物を生成し、前記熱分解生成物を前記排気口から排出することができる、設備。
25. 前記機器が破砕機またはフライス盤である、請求項２４に記載の設備。
26. 前記容器の中に配置された、独立して自由に動ける複数の硬質の物体であって、熱分解によって粒子上に形成される炭化物層を破壊して取り除き、それによって前記原料の粒子サイズの縮小を達成するに十分な堅さを持つ物体を有する、請求項２４に記載の設備。
27. 前記機器は、前記容器を回転させて、前記自由に動ける硬質の物体に勢いを付与し、当該自由に動ける堅い物体を持ち上げてから、該物体を落下させて前記原料に衝撃を与える、請求項２６に記載の設備。
28. 前記容器中に前記自由に動ける硬質の物体を循環供給することを含む、請求項２６または２７に記載の設備。
29. 前記容器は容積Ｖを持ち、前記自由に動ける硬質の物体は、前記容器の中にあるとき、前記容積Ｖの１０％〜５０％を占める、請求項２４〜２８のいずれか１項に記載の設備。
30. 前記熱源は、前記自由に動ける硬質の物体が前記原料に接触する前に、前記自由に動ける硬質の物体を加熱する、請求項２６〜２９のいずれか１項に記載の設備。
31. 前記熱源は、前記容器を加熱する、請求項２４〜３０のいずれか１項の請求項に記載の設備。
32. 前記熱源は、バーナーおよび当該バーナーに原料の熱分解からの非凝結性ガスを供給するガス供給システムを含む、請求項２４〜３１のいずれか１項に記載の設備。
33. その中を通って前記原料の熱分解からのガスおよび蒸気が取り出され、当該熱分解蒸気の有機成分を凝結させ捕捉する凝結器を含む、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載の設備。
34. 前記熱源は、前記原料の焙焼を行うに十分な熱分解温度を供給できるように構成される、請求項２４〜３３のいずれか１項に記載の設備。
35. 前記設備は、前記熱分解により発生した炭化物上に当該熱分解により発生した有機蒸気を凝結させ、オイル／炭化物混合物を生成するように構成される、請求項２４〜３３のいずれか１項に記載の設備。
36. 前記設備は、燃焼器またはガス化装置を有する燃焼またはガス化システムの一部であり、前記設備は、前記原料の熱分解で発生した生成物を燃料として当該燃焼器またはガス化装置に供給するように構成される、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載の設備。
37. 前記燃焼器またはガス化装置により発生された熱が、熱分解用の熱源となる、請求項３６に記載の設備。
38. 前記設備は、前記原料の熱分解により発生した生成物を混焼燃料としてボイラーまたはガス化装置に供給するように構成される、請求項２４〜３２のいずれか１項に記載の設備。
39. 前記原料を前記機器に供給するためのホッパーを含み、当該ホッパ−は、ホッパーから前記機器への原料の流れを容易にするために、軸を中心とする回転運動とその軸に沿う直線的な往復運動を組み合わせることが可能な攪拌機構を備える、請求項２４〜３８のいずれか１項に記載の設備。
40. 前記熱源は、３５０℃〜６５０℃の熱分解温度を供給するように構成される、請求項２４〜３９のいずれか１項に記載の設備。
    

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