(57)【要約】  積み重ねられたトレイを有する焙焼反応槽を使用するバイオマスの焙焼のための方法であって、この方法は、バイオマス材料が反応槽内のトレイの垂直スタックの上部トレイ上に堆積するように、バイオマスを反応槽の上部入口に供給すること；バイオマスをトレイのそれぞれの開口を通過させて、バイオマスを下部トレイ上に堆積させることによって、バイオマスをトレイから順次落下させること；バイオマスが積み重ねられたトレイのそれぞれを回るように移動するときに、バイオマス材料を反応槽に注入された酸素欠乏気体を用いて加熱すること；上部トレイ上のバイオマスを通過する水分を含む気体を、その上部トレイのそれぞれの直下において抽出すること；積み重ねられたトレイの下部トレイにおいてバイオマスが焙焼を行なっているときに、バイオマスが積み重ねられたトレイから反応槽内のバイオマスの堆積物に落下するまで、バイオマスと共に気体を保持すること；バイオマスの焙焼によって揮発した有機化合物を含む気体を、積み重ねられたトレイとバイオマスの堆積物との間の高さにある反応槽の気体出口から抽出すること；及び焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出することを含む。
2014532096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスに焙焼プロセスを行うように構成された焙焼反応槽であって、
この反応槽は、
酸素欠乏気体を反応槽に注入する入口ノズル；
反応槽内へ垂直方向下方に延在する回転可能なシャフト；
頂部プレートから反応槽内へ延在するスクレーパー及びトレイのスタック；
反応槽内においてスタックの下方にあり、スタックから排出されたバイオマスの堆積物を保持する焙焼チャンバ；
反応槽の、スタックの下方かつバイオマスの堆積物の上部表面の上方にある焙焼気体排気出口；
反応槽の下部領域にあるバイオマス出口；
を含み、
反応槽の上部の高さにあるノズルから注入される酸素欠乏気体の気体温度は、下部の高さにある入口ノズルから注入される酸素欠乏気体の気体温度よりも低く、
各スクレーパーは、シャフトに固定されて、シャフトと共に回転し、また連携する固定されたトレイの直上にあり、
各トレイは、気体の通過を許容するがバイオマスの通過を遮断するように穴を開けられており、かつバイオマスが通過して落下する開口を有し、
前記スタックは、トレイの一つの下方かつスクレーパーの一つの上方の高さに気体抽出チャンバを含み、この気体抽出チャンバは、前記トレイの一つを通過する気体を受け入れるものであり、トレイを通過した気体を排気する気体抽出ポートを含み、
前記スタックは、気体抽出チャンバの下方にある複数の下部スクレーパー及びトレイを含み、その下部スクレーパー及びトレイ間に気体抽出チャンバを有さない
ことを特徴とする反応槽。
【請求項２】
シャフトが、反応槽の外部のモーター駆動システムに接続するように構成された断熱上部カップリングを含む請求項１に記載の反応槽。
【請求項３】
スクレーパー及びトレイのそれぞれが共に固定され、固定されたトレイアセンブリ及びスクレーパー装置が反応槽のシャフトと同軸である請求項１又は２に記載の反応槽。
【請求項４】
トレイのそれぞれが互いに同軸で同一の広がりを有し、スクレーパーのそれぞれが互いに同軸で同一の広がりを有し、かつトレイ及びスクレーパーが同軸である請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応槽。
【請求項５】
気体抽出チャンバの下方に隔離プレートをさらに含み、
隔離プレートが、トレイと同軸で同一の広がりを有するとともに、壁付きシュートを含み、その壁付きシュートが、気体抽出チャンバを通って隔離プレートの直下にあるスクレーパーまで延在している請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応槽。
【請求項６】
隔離プレートの直下、かつ隔離プレートの直下のスクレーパーの上方に、反応槽の壁に入口ノズルを有し、酸素欠乏乾燥気体を受け入れる気体分配チャンバがある請求項５に記載の反応槽。
【請求項７】
焙焼気体排気出口が、単一の出口であり、この単一の入口を介して、バイオマス出口を通ってバイオマスと共に流れる気体を除いて、実質的に焙焼気体が反応槽から排気される請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応槽。
【請求項８】
バイオマスの堆積物の上部表面よりも低い高さにおける反応槽の外壁に、酸素欠乏気体入口ノズルをさらに含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の焙焼反応槽。
【請求項９】
積み重ねられたトレイを有する焙焼反応槽を使用するバイオマスの焙焼のための方法であって、この方法は、
バイオマス材料が反応槽内のトレイの垂直スタックの上部トレイ上に堆積するように、バイオマスを反応槽の上部入口に供給すること；
バイオマスをそれぞれのトレイの開口を通過させて、バイオマスを下部トレイ上に堆積させることによって、バイオマスをトレイを通して順次落下させること；
バイオマスが積み重ねられたトレイのそれぞれを回るように移動するときに、バイオマス材料を反応槽に注入された酸素欠乏気体を用いて加熱すること；
バイオマスが積み重ねられたトレイの上部トレイにおいて乾燥されているときに、上部トレイ上のバイオマスを通過させた水分を含む気体を、その上部トレイのそれぞれの直下において抽出すること；
積み重ねられたトレイの下部トレイにおいてバイオマスが焙焼を行っているときに、バイオマスが積み重ねられたトレイから反応槽内のバイオマスの堆積物に落下するまで、バイオマスと共に気体を保持すること；
バイオマスの焙焼によって揮発した有機化合物を含む気体を、積み重ねられたトレイとバイオマスの堆積物との間の高さにある反応槽の気体出口から抽出すること；及び
焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出すること
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
抽出された気体を反応槽から循環させ、揮発した有機化合物を前記抽出された気体から除去して気体を浄化し、浄化された気体を積み重ねられたトレイの１つ以上に供給することをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
気体を浄化することが、気体を冷却して、有機化合物を凝縮し、凝縮物を気体から分離することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
バイオマスの供給及び焙焼済みのバイオマスの排出が連続的である請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
酸素欠乏気体が窒素ガスを含む請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
各トレイに対応させたスクレーパー装置によって、バイオマスを各トレイを回るように移動させることをさらに含む請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
酸素欠乏気体が少なくとも３バールゲージの圧力下で注入され、反応槽の内部が少なくとも３バールゲージの圧力下である請求項８〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
積み重ねられたトレイアセンブリを有する焙焼反応槽を使用するリグノセルロース系バイオマスの焙焼のための方法であって、この方法は、
バイオマス材料が反応槽内部に垂直に積み重ねられた複数のトレイアセンブリの第１のトレイアセンブリ上に堆積するように、バイオマスを焙焼反応槽に連続的に供給すること；
バイオマスがトレイアセンブリ内の乾燥トレイを通って順次落下するときに、バイオマス材料を、閾値焙焼温度未満の温度で注入された酸素欠乏気体で加熱すること；
乾燥トレイのそれぞれを流れる気体を、気体が次の下部トレイ上のバイオマスに流れる前に反応槽から抽出すること；
バイオマスがトレイアセンブリ内の乾燥トレイよりも下方の焙焼トレイを通って順次落下するときに、バイオマス材料を、閾値焙焼温度よりも高い温度で注入された酸素欠乏気体で加熱して、焙焼トレイ上のバイオマスにおける焙焼反応を促進すること；
酸素欠乏気体及びバイオマスが複数の焙焼トレイを通過するときに、焙焼トレイを通過する酸素欠乏気体を反応槽内に含有させ、焙焼トレイを通過した酸素欠乏気体を反応槽から排気すること；及び
焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出すること
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
閾値焙焼温度が２３０℃〜２８０℃の範囲である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
排気された気体を、揮発した有機化合物を除去することにより浄化し、浄化された気体を反応槽に供給することをさらに含む請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
気体の浄化が、気体を冷却して、有機化合物を凝縮し、凝縮物を気体から分離することを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
酸素欠乏気体は実質的な割合の窒素ガスを含む請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
各トレイに対応させたスクレーパー装置によって、バイオマスを各トレイを回るように移動させることをさらに含む請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
バイオマスが反応槽内で１５〜６０分間保持される請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
酸素欠乏気体が少なくとも３バールゲージの圧力下で注入され、反応槽の内部が少なくとも３バールゲージの圧力下である請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２０１１年９月２１に出願された米国仮特許出願第６１／５３７，４１３号及び２０１１年１０月２７日に出願された同第６１／５５１，９３２号の優先権を主張し、これらの出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【発明の背景】
【０００２】
本発明は、広義には、木材や他のリグノセルロース材料のようなバイオマス材料、及びプラスチック画分や廃棄物由来燃料（Ｒｅｆｕｓｅ−Ｄｅｒｉｖｅｄ  Ｆｕｅｌ；ＲＤＦ）のような化石系材料含有バイオマス（これらの材料をまとめて「バイオマス材料」と称する）の焙焼のためのシステムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は、バイオマス材料の焙焼のための加圧された反応槽に関する。
【０００３】
焙焼は、熱分解（ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）として知られるプロセスに使用される範囲外の温度である摂氏２００度（℃）〜４００℃又は２００℃〜３５０℃という比較的低い温度下に酸素欠乏雰囲気で通常行われるバイオマスの熱処理のことを指す。酸素欠乏雰囲気は、大気中の酸素の割合と比較して低い酸素の割合を有する。焙焼プロセスは、米国特許出願公開公報第２０１１／００４１３９２号に記載されている。焙焼によって、バイオマス材料は、投入されるバイオマスと比べて増大したエネルギー密度を有する効率的な燃料に変換される。焙焼によって、バイオマス材料から水分及び揮発性成分が除去される。焙焼において、バイオマス材料のヘミセルロース画分は大部分が破壊されて、水分及び揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ；ＶＯＣ）を生成する一方、セルロース画分は解重合されて、未処理のバイオマス材料よりも高いエネルギー密度（質量ベースで）を有する疎水性の固体可燃性燃料生成物を生成する。さらに、焙焼済みバイオマス材料は粉砕されてもよい。
【０００４】
焙焼は、バイオマスの化学構造を変化させる。焙焼済みバイオマスは、石炭火力施設で燃焼させてもよく（焙焼済み木材又はバイオマスは、低品位炭の特徴と類似した特徴を有する）、高品位の燃料ペレットに圧縮することもできる。
【０００５】
米国特許出願公開公報第２０１０／００８３５３０号（‘５３０出願）に記載されているように、複数のトレイを有する加圧されていない反応槽が焙焼に使用されている。‘５３０出願は、焙焼を大気圧で運転される反応槽で行なうことを推奨している。この推奨に鑑みると、‘５３０出願は、反応槽を、大気圧を超える圧力で運転すべきではないことを教示している。‘５３０出願の段落００６１を参照。
【０００６】
複数のトレイを有する加圧された反応槽が、パルプ製造工場でパルプを酸化により脱リグニン化するために使用されている。複数のトレイを有するパルプ化反応槽の例が米国特許公報第３，７４２，７３５号（‘７３５特許）及び米国特許公報第３，６６０，２２５号（‘２２５特許）に開示されている。複数のトレイを有する反応槽によって、パルプを、反応槽内の垂直配置トレイ内を通して落下させることができる。トレイによって、パルプを、個々のバッチで反応槽内を順次落下させることができる。パルプ化反応槽内が酸素を豊富に含む環境であると、パルプの脱リグニン化及び漂白が促進される。‘７３５特許及び‘２２５特許は、酸素欠乏環境を有するパルプ化反応槽を木材又はその他のバイオマス材料の焙焼に使用することを示唆していない。
【発明の簡単な記載】
【０００７】
反応槽は、バイオマスが反応槽内の各高さで均一に加熱されるように、各トレイ上のバイオマスを加熱する。各トレイ上での材料の均一な加熱を実現するために、トレイ上で処理される乾燥バイオマス材料のキログラム当たりの気体の量が１〜２４キログラム（ｋｇ）の範囲となるように、酸素欠乏気体の流れを制御する。トレイを通る酸素欠乏気体の流れは連続的であってよい。
【０００８】
酸素欠乏気体は、乾燥及び焙焼のために熱をバイオマス材料に加えたり、熱をバイオマス材料から奪ったりする熱伝導媒体である。気体は、バイオマス材料及びトレイを流れる。
【０００９】
気体が材料よりも高い温度にある場合には、材料を通る酸素欠乏気体の連続的な流れがバイオマス材料を加熱する。また発熱性の焙焼反応によって材料が気体よりも高温となる場合には、気体の一定の流れが材料を冷却する。材料が過熱されると、焙焼反応は過剰に反応しうる。気体の連続的な流れが、反応槽内のバイオマス材料の温度を、気体とほぼ同じ温度の範囲、又は、バイオマス材料よりも高い温度、例えば２０℃〜３０℃だけ高い温度の範囲となるように制御する。
【００１０】
バイオマス材料の反応槽内での総保持期間は１５〜６０分である。加圧された反応槽内での保持期間は、反応槽内で処理されるバイオマス材料の種類に応じて選択される。例えば、バイオマス材料として木材が使用される場合、反応槽内での総保持期間は１５〜２５分である。
【００１１】
この保持期間を実現するために、反応槽は、その全体にバイオマスを含むトレイのスタック（ａ  ｓｔａｃｋ  ｏｆ  ｔｒａｙｓ）を含む。バイオマスは、上部トレイにおいて乾燥され、下部トレイ及び反応槽の下部チャンバにおいて焙焼が行なわれる。焙焼済みバイオマスは、反応槽の最下部において、又は反応槽への出口の下流側にあるスクリューコンベヤー又は他の装置において冷却される。
【００１２】
積み重ねられたトレイは、コンパクトな垂直の加圧された反応槽内において、バイオマスのための一連の移動床（ａ  ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ  ｏｆ  ｍｏｖｉｎｇ  ｂｅｄｓ）を効果的に形成する。各トレイは、パイセグメント形状の開口を有し、この開口を通ってバイオマス材料が反応槽内の次の下部の高さのトレイに落下する。バイオマス材料は、トレイ上を回るように移動した後、開口から落下する。スクレーパーにより、材料を開口に向けてトレイ上を回るようにスライドさせてもよい。スクレーパーの回転速度は、各トレイ上での所望の保持期間を提供するように選択される。保持期間は、反応槽内のトレイのそれぞれにおいて均一であってもよい。保持期間は、乾燥及び任意に焙焼のそれぞれのためのトレイの数の選択、及び、これらのプロセスのそれぞれを行なうのに必要な時間によって実現される。冷却又は焙焼プロセスは、反応槽の開放された内部チャンバ内でバイオマスの堆積物に対して行なってもよいため、これらのプロセスのためにトレイは必ずしもなくてもよい。冷却は、焙焼済みバイオマスを反応槽から排出した後に行なってもよい。あるいは、トレイを、反応槽内での焙焼又は冷却プロセスのために使用してもよい。
【００１３】
焙焼プロセスは、バイオマス材料中のヘミセルロース有機化合物を主として揮発させる。これらの化合物は、材料を通過する高温の気体に取り込まれ、焙焼反応槽において及び焙焼気体のための導管において低温の表面上で凝縮して、タール状の堆積物となる。これらの有機化合物の堆積を減少させるために、焙焼反応槽及び気体排気導管の表面は最小化されている。さらに、焙焼気体は、排気導管の表面上で有機化合物が凝縮するリスクを最小限化するために、高い温度を有する反応槽の領域から排気される。また、反応槽及び導管を例えば断熱コーティングにより断熱して、反応槽及び導管で高い内表面温度を維持できるようにしてもよい。さらに、トレイおよび反応槽における外壁の内側表面ならびに関連する気体導管を、例えばヒートトレースエレメント（ｈｅａｔ  ｔｒａｃｅｄ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）で加熱してもよい。
【００１４】
バイオマスに焙焼プロセスを行なうように構成された加圧された反応槽が発明され、この反応槽は、
実質的に垂直に延在する円筒状の反応槽壁；
反応槽壁に対して断熱され、壁との間に圧力シールを形成する頂部プレート；
頂部プレートから下に垂直に延在する回転可能なシャフト；
それぞれが反応槽内の異なる高さでシャフトに取り付けられた複数のスクレーパー装置；
複数のトレイアセンブリ；
トレイアセンブリの下方にあり、バイオマスに焙焼反応を行なうための反応槽のチャンバ；
焙焼済みバイオマスが排出される反応槽の底部排出ポート；
を含み、
前記反応槽壁は、断熱されていてもよく、
前記シャフトは、モーター駆動システムに接続するように構成された断熱上部カップリングを含み、
前記トレイアセンブリのそれぞれは、スクレーパー装置の一つと連携して、スクレーパー装置がトレイアセンブリのトレイの直上に位置しており、
前記トレイは、気体流は通過させるが、バイオマスは通過させない穴あき、メッシュ又は他の形態を有し、各トレイは、バイオマスをトレイから下部の一つのトレイアセンブリのトレイに搬送する排出開口を含むものである。
【００１５】
あるいは、反応槽は、トレイアセンブリ及び焙焼用チャンバの下方の反応槽の下部に冷却ゾーンを含んでいてもよい。冷却ゾーンは、バイオマスが焙焼反応槽から排出される前に、焙焼済みバイオマスを保持し冷却するように構成される。反応槽の下部ゾーンは、大気又は窒素ガス発生器により発生した酸素（０２）を注入することによってバイオマス中の活性部位の不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）のために機能させてもよい。不動態化のための下部ゾーンは、反応槽内の冷却ゾーンの下方、又は冷却ゾーンの位置に配置できる。
【００１６】
積み重ねられたトレイを有する加圧された焙焼反応槽を使用するバイオマスの焙焼のための方法が発明され、この方法は、
バイオマス材料が反応槽内のトレイの垂直スタックの上部トレイ上に堆積するように、バイオマスを反応槽の上部入口に供給すること；
バイオマスが反応槽内において積み重ねられたトレイのそれぞれの上を移動するときに、バイオマス材料を少なくとも３バールゲージ（例えば３〜２０バールゲージ、又は３〜１５バールゲージ、又は３〜５バールゲージ）の圧力下で反応槽内に注入された酸素欠乏気体で加熱乾燥すること；
バイオマスをそれぞれのトレイの開口を通過させて、バイオマスを下部トレイ上に堆積させることによって、バイオマスをトレイを通して順次落下させ、反応槽内のバイオマスの堆積物にバイオマスをさらに堆積させること；
堆積物内でバイオマスに焙焼を行なうこと；
焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出すること；
揮発した有機化合物をトレイのスタックから気体を排気することによって除去すること；
排気された気体を浄化して、揮発した有機化合物を除去し、浄化された気体を反応槽に供給すること
を含むものである。
【００１７】
酸素欠乏気体は、過熱蒸気、酸素が大気中よりも実質的に少ない気体（例えば７５％未満）、又は約２パーセント（２％）以下の酸素と９８％以上の他の気体から構成される気体とすることができる。他の気体は、実質的な割合の窒素を含み、焙焼反応槽からの反応生成物を一部含むものとすることができ、そのような反応生成物は、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素 （ＣＯ２）及びメタン（ＣＯ４）を含む。バイオマスは、圧力搬送装置（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｄｅｖｉｃｅ）で反応槽に供給する前に加圧してもよい。トレイは、メッシュ、スクリーンであるか又は穴を有するものとすることができ、バイオマスの加熱及び乾燥は、気体をバイオマス及びトレイを通過させることを含む。バイオマス材料をトレイを横切ってアーチ形状の経路で移動させるために、スクレーパー装置を回転させてもよい。あるいは、スクレーパー装置及びバイオマスは反応槽内を回転させずに、トレイが回転してもよい。各トレイの開口は、反応槽内のシャフトから反応槽の壁に延在する三角形状セクションでもよい。
【００１８】
気体は、複数の高さでトレイのスタック内に注入してもよく、この場合、気体は、下部の高さで注入されるときに、上部の高さで注入される気体よりも高温である。バイオマスを乾燥させるための気体は、反応槽の複数の高さで注入してもよいが、焙焼のための気体は、トレイのスタックの単一の高さ、例えば焙焼のために使用される最上部のトレイでのみ注入される。気体が抽出される高さよりも低い反応槽の高さにおいて、バイオマスがトレイを通って順次落下し続けてもよい。
【００１９】
積み重ねられたトレイアセンブリを有する焙焼反応槽を使用するリグノセルロース系バイオマスの焙焼のための方法が発明され、この方法は、
バイオマス材料が反応槽内に垂直に積み重ねられた複数のトレイアセンブリの上部トレイアセンブリ上に堆積するように、バイオマスを焙焼反応槽への上部入口に連続的に供給すること；
バイオマスが各トレイアセンブリのトレイによって支持されながら反応槽内を移動するときに、バイオマス材料を反応槽に注入された、バイオマスを実質的に酸化しない気体で少なくとも３バールゲージの圧力下かつ少なくとも２００℃〜４００℃（例えば、乾燥気体、及び乾燥気体よりも例えば５℃〜１００℃高い焙焼気体の場合は、２００℃〜３００℃又は２００℃〜２５０℃）の範囲の温度下で加熱乾燥し、バイオマスをそれぞれのトレイの開口を通過させて、バイオマスを次の下部トレイアセンブリのトレイ上に堆積させることによって、バイオマスをトレイを通して順次落下させること；
下部トレイアセンブリ上、及び、乾燥のためのトレイの下方の反応槽のチャンバ内でバイオマスに焙焼反応を行ない、焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出すること
を含むものである。
【００２０】
ぞれぞれのトレイアセンブリのトレイは、メッシュ、スクリーンを有するか又は穴を有し、バイオマスの加熱及び乾燥は、気体をバイオマス及びトレイを通過させることを含む。また、各トレイアセンブリは、トレイの上方にスクレーパー装置と、トレイの下方に抽出気体チャンバとを含んでもよい。スクレーパー装置又はトレイは、バイオマスをトレイの上部表面を横切って移動させるために回転する。
【００２１】
焙焼のために注入される気体は、上部トレイアセンブリに注入されてバイオマスを乾燥させるために使用される気体よりも、例えば５℃〜１００℃高い温度である。さらに、バイオマスのための冷却ゾーンが、全てのトレイアセンブリの下方で反応槽の焙焼チャンバの下方、例えば反応槽の排出部にあってもよい。冷却ゾーンに注入される冷却気体は、冷却トレイアセンブリに注入される気体よりも低い温度でよく、冷却ゾーンは、焙焼済みバイオマスを、バイオマスが大気に暴露されたときに自動燃焼する温度よりも低い温度まで冷却させ、冷却トレイアセンブリは、焙焼済みバイオマスを冷却して焙焼反応を停止又は抑制する。
【００２２】
反応槽から抽出された気体は、ブロワー又はコンプレッサーによって反応槽に循環させてもよい。循環させる気体は、気体をコンプレッサー又はブロワーに流す前に、サイクロン、凝縮器又はフィルタを通過させて粒子及び凝縮可能な副生成物、例えば有機化合物を分離してもよい。焙焼トレイアセンブリ又は焙焼チャンバに循環させた気体は、反応槽に注入する前に加熱してもよい。トレイアセンブリから抽出された気体の一部を燃焼器に指向させて、焙焼トレイアセンブリに循環させる気体に加える熱エネルギーを発生させてもよい。また、抽出された気体は、焙焼プラント又は焙焼施設と関連する他のプロセス工程において使用してもよい。
【００２３】
バイオマスに焙焼プロセスを行なうための加圧された反応槽が発明され、この反応槽は、
実質的に垂直に延在する円筒状の反応槽壁；
反応槽壁に対して断熱され、壁との間に圧力シールを形成する頂部プレート；
反応槽内に酸素欠乏気体を注入する入口ノズル；
頂部プレートから反応槽内へ垂直方向下方に延在する回転可能なシャフト；
頂部プレートから反応槽内へ延在するスクレーパー及びトレイのスタック；
反応槽内においてスタックの下方にあり、スタックから排出されたバイオマスの堆積物を受け入れる焙焼チャンバ；
反応槽の、スタックの下方かつバイオマスの堆積物の上部表面の上方の高さにある焙焼気体排気出口；
反応槽の下部領域にあるバイオマス出口；
を含み、
前記反応槽壁は、断熱されていてもよく、
反応槽の上部の高さにあるノズルから注入された酸素欠乏気体の気体温度は、下部の高さにある入口ノズルから注入された酸素欠乏気体の気体温度よりも低く、
前記シャフトは、モーター駆動システムに接続するように構成された断熱上部カップリングを含み、
各スクレーパーは、シャフトに固定されてシャフトと共に回転し、かつ連携する固定されたトレイの直上にあり、各トレイは、気体の通過を許容するがバイオマスの通過を遮断するように穴を開けられ、バイオマスが通過して落下する開口を有し、
前記スタックは、トレイの一つの下方かつスクレーパーの一つの上方の高さに気体抽出チャンバを含み、気体抽出チャンバは、トレイの一つを通過する気体を受け入れ、気体抽出チャンバは、トレイを通過する気体を排気する気体抽出ポートを含み、
前記スタックは、複数の下部スクレーパー及びトレイを含み、これら複数の下部スクレーパー及びトレイは、気体抽出チャンバの下方にあり、下部スクレーパー及びトレイ間に気体抽出チャンバを有さないものである。
焙焼気体は、反応槽の下部領域に、特に反応槽内のバイオマスの堆積物に直接注入してもよい。これらの下部領域に注入された焙焼気体は、気体が反応槽の下部、つまり下部焙焼セクションに注入される部分の反応槽内の温度よりも、例えば５℃〜２０℃低い温度であってもよい。反応槽の下部の高さにあるノズルから注入される不活性気体の気体温度は、上部の高さにある入口ノズルから注入される不活性気体の気体温度よりも低い。また反応槽における代替として、スクレーパー装置及びバイオマスは反応槽内を回転せずに、トレイが回転してもよい。
【００２４】
積み重ねられたトレイを有する焙焼反応槽を使用するバイオマスの焙焼のための方法が発明され、この方法は、
バイオマス材料が反応槽内のトレイの垂直スタックの上部トレイ上に堆積するように、バイオマスを反応槽の上部入口へ供給すること；
バイオマスをトレイのそれぞれの開口を通過させて、バイオマスを下部トレイ上に堆積させることによって、バイオマスをトレイを通して順次落下させること；
バイオマスが積み重ねられたトレイのそれぞれを移動するときに、バイオマス材料を酸素欠乏気体で加熱及び乾燥すること；
上部トレイ上のバイオマスを通過させた水分含有気体を、上部トレイのそれぞれの直下において抽出すること；
積み重ねられたトレイの下部トレイにおいてバイオマスに焙焼が行なわれているときに、バイオマスが積み重ねられたトレイから反応槽内のバイオマスの堆積物に落下するまで、上記気体をバイオマスと共に保持すること；
バイオマスの焙焼によって揮発した有機化合物を含む気体を、積み重ねられたトレイとバイオマスの堆積物との間の高さにある反応槽の気体出口から抽出し、焙焼済みバイオマスを焙焼反応槽の下部出口から排出すること
を含むものである。
【００２５】
バイオマス材料の焙焼及び任意の冷却は、反応槽の下部領域にあるバイオマスの堆積物において行ってもよい。堆積物における焙焼を促進させるために、高温の酸素欠乏気体を堆積物の所定の高さで反応槽に注入して、気体が堆積物を通って堆積物とトレイのスタックとの間の反応槽の領域まで上昇するようにしてもよい。反応槽内のバイオマスの堆積物内部における焙焼及び任意の冷却を可能にするために、反応槽の壁にある気体ノズルから酸素欠乏気体が堆積物に注入される。ノズルは、反応槽内の中央カラム上に配置されるか又は反応槽の側壁を通って延在してもよい。バイオマス材料の冷却を提供するために、焙焼温度よりも十分に低い気体、例えば２００℃またはそれ以下の気体が反応槽の最下部領域にあるノズルから注入される。この冷却気体は、バイオマス材料の方向に流れて反応槽の底部から流出する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、加圧された焙焼反応槽の側面図である。
【００２７】
【図２】図２は、図１に示す焙焼反応槽の頂部及び側部の斜視図である。
【００２８】
【図３】図３は、図１に示す焙焼反応槽の断面側面図である。
【００２９】
【図４】図４は、図１に示す焙焼反応槽の頂部及び側部の斜視図であり、例示的な目的で、反応槽の４分の１の部分を取り除いて、内部のコンポーネントを示している。
【００３０】
【図５】図５は、図１に示す反応槽の上部開口に挿入される、トレイアセンブリのスタック、反応槽用の頂部プレート及びモータ・ギヤボックスアセンブリの側面図である。
【００３１】
【図６】図６は、図５に示すトレイアセンブリのスタックの頂部及び側面を示す図である。
【００３２】
【図７】図７は、トレイアセンブリのスポークホイール状のスクレーパーコンポーネントの斜視図である。
【００３３】
【図８】図８は、トレイアセンブリのトレイプレートコンポーネントの頂部及び側部の斜視図である。
【００３４】
【図９】図９は、図８に示すトレイの底部及び側部の斜視図である。
【００３５】
【図１０】図１０は、トレイアセンブリのスタックのコンポーネントである隔離プレートであり、例示的な目的で、プレートセグメントを取り除いて、隔離プレートのシュート及び支持フレームを示している。
【００３６】
【図１１】図１１は、図１０に示す隔離プレートの側面図である。
【００３７】
【図１２】図１２は、図１０に示す隔離プレートを上から見下ろした図である。
【００３８】
【図１３】図１３は、図１０に示す隔離プレートの支持フレームのセクションの頂部及び側部を示す斜視図である。
【００３９】
【図１４】図１４は、焙焼反応槽用の頂部プレートの底部及び側部を示す斜視図である。
【００４０】
【図１５】図１５は、トレイアセンブリのスタック用の、駆動ギヤボックスとシャフトとの間の断熱カップリングの断面図である。
【００４１】
【図１６】図１６は、トレイアセンブリのスタックにおけるシャフトの底部端の断面図である。
【００４２】
【図１７】図１７は、焙焼反応槽の断面図であり、反応槽に対する気体の流出入を概略的に示す。
【００４３】
【図１８】図１８は、焙焼反応槽の上部部分の断面図であり、反応槽内でのバイオマスの乾燥を例示する。
【００４４】
【図１９】図１９は、バイオマスを乾燥させるために使用される図１８に例示するメッシュトレイプレートを上から見下ろした図である。
【００４５】
【図２０】図２０は、図１８に例示する隔離プレートを上から見下ろした図であり、反応槽と隔離プレートとの間のシールを示す拡大部を有する。
【００４６】
【図２１】図２１は、トレイアセンブリのスタックの下部セクションに対応する焙焼反応槽の部分の断面図であり、トレイアセンブリのスタックでの焙焼プロセスを例示する。
【００４７】
【図２２】図２２は、図２１に例示するメッシュトレイプレートを上から見下ろした図であり、トレイプレートと反応槽との間のシールを示す拡大部を有する。
【００４８】
【図２３】図２３は、バイオマス焙焼用プラントを通るバイオマス材料及び気体の流れを例示するプロセスフローチャートである。
【００４９】
【図２４】図２４は、図２３に示す焙焼気体処理ユニットを例示するプロセスフローチャートである。
【発明の詳細な説明】
【００５０】
図１〜図４は、バイオマスの供給源１２から上部入口１４を介してバイオマス材料を受け入れ、乾燥させ、焙焼処理し、そして冷却するための加圧された処理槽１０の実施形態を例示する。バイオマスは、木材チップ、木材パルプ又は他の粉砕セルロース系材料とすることができる。バイオマスは、乾燥され、焙焼プロセスに付され、冷却されて、焙焼済みバイオマスを生成する。
【００５１】
バイオマスは、反応槽に入る前に、外部ドライヤー１５で完全に又は部分的に乾燥させてもよい。上部入口を通過した後、バイオマスは、トレイのスタック１６内の上部トレイに入る。トレイは、バイオマスを乾燥・処理するための移動床のカスケード（ｃａｓｃａｄｅ）を提供する。上部トレイはバイオマスを乾燥させるために使用され、下部トレイはバイオマスを焙焼処理に付するために使用される。断熱トレイが、乾燥トレイ同士を、また乾燥トレイを焙焼トレイから分離する。
【００５２】
加圧された反応槽への上部入口１４は、連続供給・圧力隔離装置、例えば従来の回転バルブ又はプラグスクリューフィーダーに連結されて、大気圧にあるバイオマスの供給源から、加圧された反応槽にバイオマス１２を供給する。バイオマスの供給源１２は、長さが１０〜５０ミリメートル（ｍｍ）、幅が１０〜５０ｍｍ、そして厚さが５〜２０ｍｍのチップ寸法を有するようにチップ化又は切断されたリグノセルロース材料を提供する。チップの厚さは、他の範囲、例えば２０〜３０ｍｍ、１５〜２５ｍｍ又は３〜１０ｍｍでもよい。これらのチップ寸法は、木材の場合に最適なものである。バイオマスに使用される木材や非木材材料の種類に応じて、他のチップ寸法が適切なこともある。
【００５３】
代替として、反応槽は、大気圧又はそれに近い内部圧力で運転されるものでもよい。大気圧又はそれに近い内部圧力で運転される反応槽は、加圧された反応槽に必要な回転バルブ又は他の種類のエアロックを必要としない。
【００５４】
バイオマス１２は、例えば８０℃〜１２０℃の温度で、又は、反応槽に入る前のバイオマスをドライヤー１５が加熱する場合は、より高い温度で、反応槽への入口１４に供給される。ドライヤーがない場合、バイオマス材料は周囲温度で反応槽に入るようにしてもよい。バイオマスは、加圧された高温の酸素欠乏気体によって反応槽内で加熱される。反応槽に入る気体は、２００℃〜４００℃の範囲の温度であり、バイオマスを乾燥するために、また焙焼反応を促進させるために使用される。焙焼反応を促進させるために、この気体は特に、２５０℃〜４００℃の範囲、２５０℃〜３００℃の範囲及び３００℃〜３８０℃の範囲のいずれかとする。バイオマスを乾燥させるために入る気体は、焙焼を促進させる気体温度よりも低温でもよい。乾燥のための気体温度は、２００℃〜２５０℃の範囲である。反応槽に供給される酸素欠乏気体の体積は、乾燥バイオマス１キログラム（ｋｇ）に対して気体１〜８ｋｇ、１〜１２ｋｇ又は１〜２４ｋｇである。
【００５５】
反応槽１０内の上部入口１４の直下には、入口からバイオマスを受け入れ、バイオマスを上部トレイ１８に指向させるチャネルがあってもよい。バイオマスは、上部トレイ上に落下し、バイオマスが上部トレイにおける開口の先端（ｌｅａｄｉｎｇ  ｅｄｇｅ）に達するまで、トレイを横切って円弧の経路を描いて移動する。バイオマスは、開口を通って次の下部トレイに落下する。バイオマスがトレイの表面上を移動し、トレイの開口を通って落下し、次の下部トレイ上に堆積するプロセスは、トレイアセンブリのスタックの各トレイにおいて繰り返される。
【００５６】
バイオマスは、トレイアセンブリのスタックから落下し、加圧された反応槽のチャンバ２０内に堆積物を形成する。堆積物にある間、バイオマスは酸素欠乏気体の雰囲気を維持し、焙焼済みバイオマスへの変換を続ける。チャンバ２０の下方において、反応槽は収束ゾーン２２において収束しており、バイオマスがチャンバ及び反応槽の底部を通って反応槽の底部バイオマス出口２４へと均一に下方に流れるのを促進するようになっている。
【００５７】
反応槽の壁にある大きなアクセス／観察ポート２６は、チャンバ２０内のバイオマスの堆積物へのアクセスを提供する。また、センサーポート、例えば、温度・圧力プローブが、反応槽内全体の種々な高さ及び角度位置に配置される。
【００５８】
高温の酸素欠乏気体２８は、例えば、頂部注入マニホールド３０を介して、かつ、トレイアセンブリのスタック１６の種々な高さに配置された気体注入ノズル３２を介して反応槽内に注入される。対応する注入ノズル３２の下方にある気体抽出ポート３４によって、バイオマス内を通過する気体がトレイのスタック及び反応槽から排出される。
【００５９】
図１〜図４に示す実施形態において、酸素欠乏気体用の気体入口３０、３２が、反応槽の頂部に、そしてバイオマス乾燥用のトレイアセンブリ及び焙焼プロセス用の上部トレイアセンブリに対応する２つの高さに存在する。同様に、３つの気体抽出ポート３４が、それぞれ対応する気体入口の下方にある。気体抽出ポートのうちの２つは乾燥用のトレイアセンブリに隣接している。３番目の気体抽出ポートは、チャンバ２０の上部領域にある。気体出口３４の数は、バイオマス材料からの有機化合物を含む気体に暴露される金属表面の面積を減少させるために最少化される。
【００６０】
反応槽内の複数の高さへと流れる酸素欠乏気体は、トレイのスタック１６及びチャンバ２０内の異なる高さで異なる温度及び組成となる。例えば、反応槽の最も高い高さ、例えば頂部入口ポート３０に導入される高温の酸素欠乏気体は、反応槽に入るバイオマス１２の温度よりも高い温度となる。反応槽の円筒状の壁にあるノズル３２を介して導入される高温の酸素欠乏気体は、反応槽の異なる高さにおいて異なる温度となる。気体の温度は、トレイのスタックのより低い位置において徐々に高温となり、スタックを通って下降するにつれてバイオマスの温度よりもわずかに高くなる。バイオマスは、トレイアセンブリのスタックを通って下降し、チャンバ内の堆積物に落下するにつれて温度が増加する。反応槽の下部の高さでは、ノズル３２から導入される気体の温度は、反応槽の対応する高さにおけるバイオマスよりも低い温度となる。異なる高さで注入された気体の温度は、反応槽におけるバイオマスの垂直方向に沿って温度プロファイルを形成するように選択される。気体は、反応槽の各高さでの反応槽の断面に亘って均一な温度を維持するように、ノズル３２を介して注入される。
【００６１】
気体によって加熱され続けているバイオマスの温度よりもわずかに高い温度で酸素欠乏気体を注入することによって、加熱の効率は、反応槽に入るバイオマスよりも実質的に高い単一の温度で反応槽の全ての高さにおいて気体を注入する場合と比べて向上する。
【００６２】
焙焼反応は、トレイのスタックの下部トレイ及びチャンバ２０において、並びに、任意にチャンバ２０のみにおいて起こすことができる。反応槽の底部の収束ゾーン２２は、バイオマス材料の反応槽の出口２４への均一な下方流を促進するように構成される。下部チャンバ２０は、トレイのスタックの下方にある圧力反応槽の中空の領域である。下部チャンバ及び収束ゾーンは、圧力反応槽の高さの下部の２分の１又は下部の３分の２に広がっている。収束ゾーン２２は、アンドリッツグループ（Ａｎｄｒｉｔｚ  Ｇｒｏｕｐ）により販売され、米国特許第５，５００，０８３号、第５，６１７，９７５号及び第５，６２８，８７３号の各明細書に記載された「ダイアモンドバック」（ＤＩＡＭＯＮＤＢＡＣＫ）（登録商標）の単一の収束セクションとすることができる。あるいは、収束ゾーンは、ストレートドロップチューブであり、ゾーンの底部及び反応槽の出口にマルチプルのスクリューコンベヤー又は移動格子（ｍｏｖｉｎｇ  ｇｒａｔｅ）を含むものである。収束ゾーン２２は、焙焼に使用されるトレイアセンブリのスタックよりも低い温度に維持され、チャンバ２０内のバイオマス材料の温度よりも低い温度である。
【００６３】
圧力反応槽１０は、所望の稼働条件、例えばバイオマス材料の組成及び反応槽へのバイオマスの体積流量等に基づく寸法、例えば直径及び高さを有する。一般に、工業的スケール単位で、反応槽は、１００フィート（３０メートル）超の高さと９フィート（２．７メートル）超の直径とを有する。反応槽は、長さ対直径比（Ｌ／Ｄ）が、５／１〜１２／１の範囲、又は６／１〜１１／１の範囲、又は７／１〜１０／１の範囲にある。
【００６４】
反応槽で必要とされる高温の酸素欠乏気体の体積は、大気圧で稼働する反応槽と比べて、加圧された反応槽１０では劇的に減少する。処理槽１０を加圧することによって、バイオマスを加熱するために必要とされる高温気体の体積は、大気圧での反応槽と比べて２〜３５倍も減少させることができる。反応槽のための減少倍率は、反応槽内の圧力に依存する。
【００６５】
加圧された反応槽で必要とされる高温気体の体積が減少するので、大気圧で稼働する反応槽と比べて、反応槽１０の容積、サイズ及びコストが有意に減少される。高温気体が注入される加圧された反応槽は、気体からの反応槽内のバイオマスへの効率的かつ経済的な熱伝導を提供する。
【００６６】
反応槽１０に注入される酸素欠乏気体２８は、高温で、（反応槽内での焙焼反応から抽出される気体と比べて）清浄な気体であり、反応槽の表面に堆積しうる有機化合物及びその他の化学物質を実質的に含まない。気体がバイオマス内を通過すると、有機化合物がその気体に取り込まれて、反応槽の比較的低温の表面上で凝縮しうる。凝縮の可能性を考慮し、バイオマスの下流にある気体通路は大きく作製され、有機化合物が表面上で凝縮した場合に閉塞しうる小さな通路ノズルや他の表面を実質的に有さない。
【００６７】
図１〜図４に示す実施例において、最上部の気体入口３０は、乾燥気体のための単一の入口である。反応槽の側壁にあるノズル３２は、反応槽の壁を介して高温の気体を直接注入する、少数、例えば、２〜４個のノズルに限定される。
【００６８】
加熱気体の圧力反応槽への流入、圧力反応槽中の流通、圧力反応槽からの流出は、反応槽の上部の高さのトレイアセンブリを通る高温の加圧された気体の流れを促進するように構成されており、この反応槽では、バイオマスが焙焼のために所望の温度まで加熱され続け、その後冷却される。図１に示すように、高温の酸素欠乏気体は、頂部注入マニホールド８６、並びに、反応槽の上部部分にあるトレイアセンブリ１６、１８及び２０の種々な高さに配置された気体注入ノズル３４から反応槽１０の上部セクションへ注入されてもよい。
【００６９】
反応槽における複数の高さへ流れる気体は、トレイアセンブリのそれぞれで異なる温度及び組成である。例えば、反応槽の最も高い高さに導入される高温の酸素欠乏気体２８は、反応槽に供給され続けている乾燥されたバイオマス１２の温度よりもわずかに、例えば５℃〜１００℃だけ高温である。反応槽において続く下部の複数の高さのそれぞれに導入される高温の不活性気体は、注入された高温気体に近似している反応槽内のバイオマスの温度よりもわずかに高くなるように次第に高温となる。気体により加熱され続けているバイオマスの温度よりもわずかに高い温度で酸素欠乏気体を注入することによって、加熱の効率は、反応槽に入るバイオマスよりも実質的に高い単一の温度で気体を注入する場合と比べて増大する。あるいは、乾燥及び焙焼のために注入される気体は、実質的に類似の温度及び組成とすることができ、バイオマスを冷却するための気体は、反応槽における他のより低温の高さから抽出される再循環気体とすることができる。例えば、乾燥トレイからの排気気体は、焙焼高さからのものよりも低くし、焙焼のために必要とされる温度よりも低くする。
【００７０】
焙焼反応が反応槽内で起こる前に、バイオマスは、酸素欠乏環境において２００℃の温度、又は、１８０℃〜２５０℃もしくは２００℃〜３００℃の範囲に乾燥・加熱してもよい。乾燥は、反応槽１０の上流にあるドライヤー１５において、又は、スタック１６の上部部分にある乾燥トレイアセンブリにおいて部分的に又は完全に行ってもよい。バイオマスは、反応槽の頂部又はドライヤーに注入される酸素欠乏気体、例えば過熱蒸気、窒素又はそれらの混合物を用いて直接加熱される。乾燥プロセスは、バイオマスの焙焼を起こすのに用いられる温度よりも低い温度で、そしてバイオマスが大量の有機化合物を放出しない温度で行われる。
【００７１】
乾燥トレイアセンブリにおいて放出される化合物は、主に水及び高揮発性（比較的に軽質）の有機化合物であり、水の凝縮は汚れ（ｆｏｕｌｉｎｇ）を起こさない。同様に軽質の有機化合物は、反応槽及び抽出された焙焼気体のための導管内においてタール状の堆積物を残さない傾向がある。乾燥トレイアセンブリからの排気気体は、反応槽の表面に大きな堆積物を生じさせることなく、反応槽から除去される。水及び軽質の有機化合物は、気体が反応槽から抽出された後、気体から分離されるか又は反応槽の焙焼部に過剰気体として循環される。
【００７２】
焙焼プロセスから排気された気体は、反応槽の表面やバイオマス材料が、焙焼温度、例えば２５０℃〜２００℃又は１６０℃よりも低い温度に冷却すると、反応槽の表面や材料に凝縮しうる有機化合物を豊富に含んでいる。これらの凝縮した化合物は、装置や導管の表面上にタール状物質の形態で堆積して、反応槽の閉塞及び不適切な稼働を引き起こす。
【００７３】
凝縮を防止又は最小限に抑えるために、有機物を豊富に含む気体と接触する表面を有する反応槽、配管、タンク及びその他の設備を断熱、かつヒートトレースして（ｈｅａｔ  ｔｒａｃｅｄ）、より低温の表面を最小限に抑えるようにする。表面上の凝縮を最小限に抑えるための他の技術は、有機物を豊富に含む気体に暴露される表面を最小限に抑えることである。焙焼プロセスの一部又は全てのために開放チャンバ２０を使用することによって、有機化合物を豊富に含む気体に暴露される表面、特に小さい通路の表面が最小限に抑えられる。焙焼のためのトレイ間の一部又は全ての排気チャンバをなくすことによっても、有機化合物のタール堆積物を受け入れる表面が最小限に抑えられる。
【００７４】
バイオマスの焙焼からの、より重質の有機化合物を含む気体は、１つ又はそれ以上の下部気体抽出ポート３４を介して反応槽から抽出される。反応槽から取り出された後、焙焼からの気体は冷却されて、有機化合物の一部を凝縮させるために冷却されるが、水の露点よりも高い温度に、又は、より軽質の有機化合物が凝縮する温度よりも高い温度に維持される。有機化合物は凝縮すると、気体流中にエアロゾル、ミスト又は液滴を形成する。サイクロン、ドロップアウトタンク（ｄｒｏｐ  ｏｕｔ  ｔａｎｋ）又は他のセパレーター装置が、凝縮した有機化合物を気体流から分離する。有機化合物から分離されると、これらの気体はブロワー又は他の圧力増加装置を通過し、焙焼温度よりも高い温度に加熱され、例えばトレイアセンブリの位置で反応槽内に再注入される。
【００７５】
凝縮した液体有機物の循環流は、凝縮器から排出しているエアロゾル含有気体中に、サイクロンセパレーターに先立ち、循環・噴霧される。これにより、エアロゾルの一部を捕集し、気体流からの有機物の除去を向上させる液体有機物の大きな液滴の流れが提供される。凝縮器は、反応槽からの焙焼気体を冷却するために使用してもよい。凝縮器は、適切な熱交換流体を用いて冷却される。熱交換流体により得られたエネルギーは、より重質の有機成分が除去された後の循環気体を再加熱するために使用してもよい。
【００７６】
冷却気体が反応槽の下部領域にある収束ゾーン２２に注入される場合、冷却気体は、乾燥及び焙焼のために注入される気体２８より低温である。冷却気体は、バイオマスの温度を、焙焼を引き起こす温度よりも低くなるように低下させてもよい。冷却気体は、例えばトレイのスタック１６又はチャンバ２０からの排気気体のように、反応槽内の上部の高さから抽出される循環気体とすることができる。
【００７７】
収束ゾーン２２内の温度は、焙焼に必要な温度よりも低くてもよく、例えば２６５℃未満、２４０℃未満又は２００℃未満である。焙焼温度は、反応槽１０内の圧力及びバイオマス材料の組成に依存する。収束ゾーン２２における温度は、チャンバ２０の温度よりも少なくとも１５℃〜４０℃低くする。収束ゾーンにおける温度を制御・維持するために、気体が注入ノズル２１（図１〜図４）を介してチャンバ２０に注入されて、バイオマスを冷却又は加熱する。冷却又は加熱気体は、ノズル２３を介して収束ゾーンに注入される。冷却気体の注入及び抽出は、収束ゾーン２２における種々な高さで行なうことができる。冷却気体の温度は、バイオマス材料が自動的に燃焼する温度よりも低い温度に制御される。
【００７８】
図５は、カバープレート３６及びスリーブ３８を有するトレイのスタック１６の側面図である。図６は、トレイのスタック１６の頂部及び側部の斜視図である。トレイのスタックは、垂直に配向され、シャフト３８及び円形状の頂部プレート３６と同軸である。
【００７９】
トレイのスタック１６は、反応槽の頂部でカバープレート３６に回転可能に取り付けられた中央垂直シャフト４２によって反応槽１０内に支持されている。カバープレート１６は、反応槽の頂部にシール可能なカバーを提供する平坦なプレート、半球状のプレート、楕円形状のプレート又は他のプレートとすることができる。カバープレートは、反応槽への垂直円筒状の壁の相手フランジに対してボルト締結されるか、溶接されるか、又は他の手段で固定される幅広の環状フランジを有してもよい。幅広のフランジは、トレイのスタック１６が修理又は交換される際に、カバープレートの取り外し及び再取り付けを容易にする。
【００８０】
カバープレートの直上には、ギアボックス及び電動モーターアセンブリー４０があり、シャフト４２を駆動してトレイのスタックのスクレーパー又はトレイを回転動させる。垂直スリーブ３８は、シャフトの上端並びにギヤボックス及びモーターアセンブリの少なくとも下部の部分のための円筒状のハウジングを提供している。
【００８１】
シャフトを備えたトレイのスタックは、上部カバープレートを取り外すことによって、反応槽から積み重ねられたユニットとして取り外すことができる。トレイのスタックを反応槽から引き抜くには、クレーンが使用される。トレイのスタックは、反応槽の外部で洗浄、交換又はその他のサービスを施すことができる。トレイのスタックを取り外すことによって、サービス及び洗浄のために反応槽の内部にアクセスすることが容易になる。クレーンは、トレイのスタックを反応槽内の元の位置へ挿入したり、カバープレートをトレイの頂部に取り付けたり、モーター及びギヤボックスをシャフトの上端に取り付けるために使用される。
【００８２】
シャフト４２は、トレイのスタックを通って下方に伸び、底部ブラケット４４によって支持されている。底部ブラケットは、シャフト４２の下端を受け入れる下部ベアリングを含む。底部ブラケットは、トレイのスタック及びシャフトに底部サポートを提供する円筒状の底部プレート４６を含んでいる。金属製のストラップ又はバー４７が、底部プレートとカバープレート３６との間に垂直に伸びている。これらのストラップ又はバーは、トレイのための外側ケージを形成し、スタック内でのトレイの配向を維持する助けになる。ストラップ又はバーは、スタックにおいて、回転しないトレイアセンブリ及び隔離プレートのそれぞれの外周に接続してもよい。これらの接続は、トレイアセンブリ及び隔離プレートの水平配向を保持する助けになる。
【００８３】
トレイのスタック１６は、トレイアセンブリを含み、それぞれのトレイアセンブリは、環状のスクレーパー４８及び円形状のトレイプレート５０を含んでいる。スクレーパーは、シャフト４２と同軸であり、シャフト４２に固定されている。スクレーパーは、シャフトと共に回転して、バイオマスを、スクレーパーの直下のプレート上を円弧形状の経路を描くように移動させる。トレイプレート５０は、シャフトと同軸であり、固定されている。各トレイプレート５０は開口を有し、バイオマスは、その開口を通ってそのプレートから次のトレイプレートに落下する。
【００８４】
隔離プレート５２は、上部排気気体チャンバ５４を下部流入気体チャンバ５６から分離している。隔離プレートは、隣接するトレイアセンブリを隔離しており、特に隣接するトレイアセンブリ内の気体流を隔離している。気体チャンバ、特に下部チャンバは、実質的に開口しており、構造的な表面を有さない。シュート５８が、上部トレイアセンブリから隔離プレートを通って下部トレイアセンブリに流れるバイオマスのための垂直方向の通路を提供している。シュートは、このシュートを通って落下するバイオマスを、気体チャンバ５４、５６内の気体から分離する側壁を有している。気体抽出ポート３４（図１〜図４）が排気チャンバ５４と共に配置されており、同様に気体注入ノズル３２が下部流入気体チャンバ５６と共に配置されている。
【００８５】
上部トレイアセンブリ６０は、バイオマス材料を乾燥させるために使用される。これらの乾燥アセンブリ６０は、そのうち２つを図５及び図６に示されているが、それぞれ気体チャンバ５４、５６によって分離されている。乾燥によって、水分がバイオマスから放出されて、気体に取り込まれる。水分が付着した気体を各乾燥トレイプレートの下方の気体排気チャンバ５４に流入させることによって、これらの気体を各乾燥トレイプレートの下方の気体抽出ポートを介して排気することが可能であり、バイオマスの乾燥プロセスが向上される。さらに、バイオマスは、バイオマスが焙焼温度に達しない場合には、乾燥プロセス中に有意の量の有機化合物を放出しないという傾向がある。有機化合物の量が限定されているために、乾燥トレイアセンブリ６０からの排気気体は、チャンバ５４及び排気ポート３４をタール状の有機堆積物で被覆しない傾向がある。
【００８６】
下部トレイアセンブリ６２は、乾燥トレイアセンブリ６０よりも高い温度で稼働させることによって焙焼のために使用される。焙焼プロセスによって、有機化合物は、バイオマスにより放出されて、バイオマスを通過する気体に取り込まれる。有機化合物は、比較的に低温な表面上で凝縮し、狭い通路や移動部分（ｍｏｖｉｎｇ  ｐａｒｔｓ）を閉塞させる。さらに、下部トレイアセンブリにおいて、バイオマスによって比較的少量の水分が気体内に放出され、乾燥トレイアセンブリ６０の後に少量の水分のみがバイオマス内に残る。有機化合物が表面上に凝縮するのを避けるため、また、放出される水分が少量であることに鑑み、気体は、各トレイアセンブリの直下で抽出されることなく、下部トレイアセンブリ６２のうち２つ以上を通過する。図５及び図６に示す例において、気体は３つのトレイアセンブリ６２を通って下方へ流れ、底部プレート４６を介してチャンバ２０内に排出される。下部トレイアセンブリ６２間の気体チャンバをなくすことによって、タールで被覆される表面が減少される。
【００８７】
トレイアセンブリ上、特に、バイオマスとトレイの表面又は反応槽の他の表面との間に大きな温度変化がある下部トレイアセンブリ６２上には、トレイの表面の直上やトレイへのバイオマスの入口付近に存在するバイオマスは比較的低温である。バイオマス内の有機化合物がトレイ入口で凝縮するのを避けるために、トレイ入口を追加加熱して凝縮を避けることができる。この追加加熱は、整流板（ｂａｆｆｌｅ）によって達成できるが、その理由は、整流板は、高温の流入気体の一部を、低い温度で凝縮の恐れがあるトレイの入口セクション、又はトレイの他のセクション、もしくは反応槽表面に直接指向させるからである。
【００８８】
スタック１６を通って下方に流れる気体のネットフロー（ｎｅｔ  ｆｌｏｗ）は、下方かつチャンバ２０に向かう。反応槽内の凝縮、エアロゾルの形成、及び表面の汚染を防止するために、焙焼からの気体が、反応槽における、反応槽内のピーク気体温度に対応する高さで抽出される。この高さは、チャンバ２０内にある。下部気体出口３４が、チャンバ２０の上部領域にあり、反応槽内で最も高温の領域に対応している。バイオマスが反応槽内において最も高温でかつ閾値温度、例えば２８０℃よりも高い間にのみ、焙焼プロセスからの気体を抽出することによって、気体が反応槽から排気される時に、反応槽の表面に過剰のタールが堆積する恐れが低減される。同様に、下部トレイアセンブリ間において気体チャンバを減らす又はなくすことによって、有機化合物を含む気体に暴露されるトレイアセンブリ及び反応槽の表面を最小限に抑えることができる。
【００８９】
焙焼済みバイオマス材料は、圧力下で反応槽１０から排出される。バイオマス材料は、材料の圧力を大気圧まで低下させる圧力搬送装置に排出される。圧力搬送装置から、焙焼済みバイオマスは、図２３に示すようにスクリューコンベヤーを使用して他のプロセスへ移動される。
【００９０】
スタック１６内のトレイアセンブリの数は、反応槽の設計要件、特に乾燥及び焙焼のために所望の保持時間に依存する。例えば、反応槽１０内のトレイアセンブリの総数は、３〜１０個の範囲及び４〜６個の範囲のいずれかとすることができる。乾燥トレイアセンブリの割合は、２０〜１００％、又は２０％〜５０％もしくは４０％とし、残りのトレイアセンブリを焙焼用とすることができる。しかし、これらの範囲は例示的なものであり、トレイアセンブリの数に制限を規定するものではない。
【００９１】
図７は、トレイアセンブリ６０，６２のそれぞれにおけるスクレーパー４８の斜視図である。スクレーパー４８は、本実施例で示すように中央軸カラー６４を有し、馬車の車輪に似た形状を有し、カラー６４はシャフト上をスライドしてそのシャフトに係止される。環状リング６６がスクレーパーの外周部にあり、垂直ベーン６８がカラーからそのリングまで一般に放射状に伸びている。ベーンは、それらのベーン間のパイ形状チャンバ７２を充填するバイオマス材料の移動を促進させたい場合には、半径方向線からある角度、例えば５〜１５度オフセットさせてもよい。リブ７０は、スタック内でトレイアセンブリを位置合せさせたり、反応槽内に下方に挿入する時にスタックを位置合せさせるために使用される。さらにリブ７０は、スクレーパーが回転すると、ストラップ又はバー４７上や他の表面上の堆積物を除去し得る。スクレーパーの高さ（ｈ）は、バイオマスがトレイ上を横切って移動するのを確実にするのに十分なものであり、特に下部トレイアセンブリ６２において、実質的にプレート間の間隙全体に延在させられる。
【００９２】
図８及び図９は、例示的なトレイプレート５０の斜視図である。トレイプレートは、実質的に円形状のスクリーンプレート８２を含み、スクリーンプレート８２は、気体流は通過させるがバイオマス材料は通過させない穴あき、メッシュ又は他の形態である。プレートは、カラー８６から放射状に伸びるリブ８４と外側リング８８によって支持されてもよい。リブ、カラー及びリングを配置することによって、トレイプレートのための構造的なサポートが提供され、プレートの表面積、特に焙焼に使用されるトレイプレートの表面積が最小限に抑えられる。外側リング８８は、下方向に向かって半径方向内方に傾斜した円弧部９０を含んでいる。円弧部９０は、パイ形状開口９２と共に配置され、バイオマスを、反応槽の壁から離れるように内方に偏向させる。カラー８６は、カラーの内部で回転する反応槽の垂直シャフトと同軸である。あるいは、カラーは、スクレーパーが固定された状態でトレイプレート５０が回転するようにシャフトに固定されてもよい。
【００９３】
トレイプレート５０中のパイ形状開口９２は、円形状のスクリーンプレート８２上のバイオマス材料を次のトレイアセンブリに落下させることを可能にする。スクリーンプレート５０は、中実のパイ形状プレート９４を有してもよく、この中実のパイ形状プレート９４は、その中実プレート９４の直上にあるトレイアセンブリのパイ形状開口と、又は、そのトレイが最上部のトレイの場合には、反応槽の頂部にあるバイオマス入口シュートと位置合せされる。中実プレート９４は、開口９２の面積よりも大きい面積を有してもよい。中実プレートは、落下するバイオマス材料を受け止める中実パッドを提供する。バイオマス材料が、ある一つのプレートからその下部の他のプレートに流れると、バイオマス材料は、すでに下部トレイ上を移動しているバイオマスの温度よりもわずかに低い温度でその下部のプレートに着地する。中実プレートは、バイオマスの加熱を促進する電気加熱エレメントを含んでもよい。さらに、中実プレートは、バイオマスと共に落下する有機物を豊富に含む焙焼気体がスクリーンプレートを直線状に通過して、トレイのためのトレイサポート構造体上で凝縮するのを防止する。
【００９４】
各トレイプレート中の開口９２は、プレート上のバイオマスの通路に対してプレートの最も遠い領域にある。中実プレート９４は、プレート上のバイオマスの通路の起点にあり、開口９２の（バイオマスの移動方向における）後端と位置合せされている。中実プレート及び開口のこの位置合せによって、各トレイアセンブリに入るバイオマスがスクレーパー又はトレイプレートのほぼ全ての回転時間に亘ってトレイプレート上に保持されることが保証される。
【００９５】
各開口９２は垂直に互い違いに配置されて、各開口が、開口の直下のトレイプレートの中実プレートの上に位置するようになっている。開口９２を中実プレートの上に位置合せすることによって、バイオマスは、開口を通って中実プレート上に落下する。プレート又はトレイが回転すると、バイオマスは、中実プレートから、トレイプレートの上部表面全体を円弧状の経路を描くように回って、プレートの開口までスライドする。各トレイの上部表面上にバイオマスを維持することによって、トレイプレート上でのバイオマスの保持期間が最長化され、これにより、バイオマスを加熱・乾燥して、焙焼を促進させることができる。
【００９６】
図１０〜図１３は、トレイアセンブリのスタックのための隔離プレート５２を例示する。隔離プレートは、反応槽の内部に、中実で断熱性を有し実質的に非透過な水平壁を形成している。隔離プレート５２は、トレイアセンブリのスタック１６内部の気体チャンバ５４，５６を分離するために使用される。隔離プレート５２は、排気気体チャンバ５４の底部壁及び流入気体チャンバ５６の上部壁を規定するために使用される。
【００９７】
シュート５８は、隔離プレート５２を通って伸びて、通路を提供している。シュートは、実質的に垂直に配向され、隔離プレート５２の直上及び直下にあるトレイアセンブリのパイ形状開口９２の形状に一致する断面形状を有する。シュートは、シュートの周囲全体に伸び、プレートトレイの開口９２に一致する断面形状を有する垂直壁を有してもよい。シュートの壁が、バイオマスをシュート領域に閉じ込め、バイオマスが気体チャンバ５４，５６に入るのを防止する。この壁は、バイオマス材料を閉じ込められる中実又はメッシュからなる。さらに、この壁は、例えば垂直リブでブラケット取り付け（ｂｒａｃｋｅｔｅｄ）されて、壁のための構造的なサポートを提供する。
【００９８】
隔離プレート５２は、パイ形状セクション９８のアセンブリとして形成され、それぞれのパイ形状セクション９８は水平プレート、サポートリブ並びに円弧状の内側サポート及び円弧状の外側サポートを有する。隔離プレートは、例えば鋼鉄又はその他の金属材料で形成して中実としてもよい。断熱層は、隔離プレートにおける金属プレートの下部表面又は上部表面に貼り付けられる。あるいは、断熱層は、上部金属シートと下部金属シートとの間に挟持されて隔離プレートを形成してもよい。隔離プレートのパイ形状セクション９８は、ブラケットＩ型ビームストリップ１００によって接合できる。
【００９９】
隔離プレート５２は、バイオマスがプレートを通って下方に流れるのを可能にするプレートに設けられたシュートのために固定されている。隔離プレートは、トレイアセンブリのスタック１６の外周において垂直ストリップ４７（図５及び図６）によって支持されている。隔離プレートは、トレイと角度的に位置合せされた状態に保たれるように固定されて、バイオマス材料が上部のプレートから下部のプレートに隔離プレートの開口を通って落下するのを確実にする。隔離プレートは、シュート及びパイ形状セクション９８のアセンブリによって形成されたカラー１０２を有する。カラーは、シャフトと同軸であり、シャフトを囲んでいる。隔離プレートが固定されているため、カラーはシャフトが回転する間も固定されたままである。
【０１００】
図１４は、カバープレート３６の底部及び側部を示す斜視図である。カバープレートは、任意の断熱層を有する金属プレートで形成される。断熱層は、プレートを形成する金属シート間に挟持させてもよいし、金属プレートの外側表面及び内側表面に貼り付けてもよい。バイオマスのための上部入口１４が、カバープレート３６を通って延在し、反応槽の内部に開口し、最上部のトレイアセンブリの中実プレート９４と位置合せされている。カバープレートにおける気体入口３０は、バイオマス材料のための入口１４と比べて比較的小さい。
【０１０１】
チャネル１０４が、入口１４と共に配置されて、カバープレートから下方に延在している。このチャネルは、バイオマス材料を最上部のトレイアセンブリに指向させ、最上部のトレイアセンブリにおけるスクレーパーのチャンバ内でバイオマスを分配するのを助ける。チャネルは、入口１４の両側にある一対のＬ字状壁である。カバープレートの中央開口にあるベアリング１０６が、トレイアセンブリのスタックのためのシャフトを受容している。ギヤボックスのための円筒状のスリーブ３８は、ベアリング１０６を有する中央開口と同軸である。スリーブは、サービスのためのギヤボックスにアクセスできるように大きな開放領域（ｏｐｅｎ  ａｒｅａ）を有している。
【０１０２】
図１５は、カバープレートの頂部における円筒状のスリーブ３８内の、トレイアセンブリのスタックのためのシャフト４２とギヤボックスアセンブリのドライブシャフト１１０との間のカップリング１０８の拡大断面図である。カップリング１０８は、反応槽の内部からシャフト４２を介して反応槽の外部へ過剰な熱が損失するのを避けるために断熱されている。カップリングは、スタック１６のためのシャフト４２の端部とドライブシャフト１１０の端部との間に断熱ディスク１１２を含む。断熱ディスク１１２は、シャフト間に挟持されている。断熱ディスク１１２は、外側鋼鉄ディスクとそれらディスクの間の断熱層とのラミネートとしうる。
【０１０３】
シャフト４２，１１２は、一対の環状カラー１１６によって連結されており、各カラー上の環状フランジ１１４が共にボルト結合されて、ドライブシャフト１１０のねじれによってスタックのシャフト４２が回動するのを確実にする。カラー１１６間のリング１１８が、シャフト間に適切な間隔を維持し、断熱ディスク１１２が破壊されないようにしている。
【０１０４】
図１６は、トレイアセンブリのスタックのためのシャフト４２の下端部の拡大断面図である。底部プレート４６が、スタック１６を支持し、図１７に示すスピンドルベアリング１２０のための構造的なサポートを提供する。垂直ブラケット１２１が、底部プレートに構造的剛性を提供して、シャフト４２を支持している。
【０１０５】
ぞれぞれのスクレーパー４８のカラー６４は、スクレーパーがシャフトと共に回転するようにシャフト４８に固定、例えば、係止されている。スリップリング１２２が、最下部のスクラッパー４８とシャフト４８との間の配置を維持している。スクレーパーのそれぞれの間において、シャフトは、それぞれのトレイプレート４６のカラー８６に隣接するブッシング１２４を有している。カラーがブッシングを形成して、その対応するトレイプレートを固定したままにすることを可能にする。
【０１０６】
図１７は、加圧された反応槽１０の概略図であり、反応槽内における、ドットのパターンで示すバイオマス材料、例えば木材チップの流れを示している。トレイアセンブリのスタックのためのシャフトは、ブラケット１２１により底部プレート４６に固定されたスピンドルベアリング１２０によって支持されている。スクレーパーは、図１７では示していない。
【０１０７】
２つの上部トレイアセンブリ６０が、バイオマス材料を乾燥するために構成されている。これらの上部トレイアセンブリは、それぞれのトレイアセンブリのためのスクレーパーの直上にある上部酸素欠乏気体チャンバ５６を有している。乾燥のための酸素欠乏乾燥気体１２６は、気体ノズル３２を通って流入するが、気体ノズル３２は、スクレーパー上及びこのスクレーパーにより移動するバイオマス上に均一に気体を分配するように配置されている。乾燥気体１２６は、例えば図１において気体源２８で例示するように、焙焼のための酸素欠乏気体１２８を提供するものと同一の気体源から供給してもよい。あるいは、乾燥気体１２６の供給源は、焙焼気体１２８の供給源と異なってもよい。乾燥のための酸素欠乏乾燥気体１２６の温度は、上部トレイアセンブリの下部の高さで注入される乾燥気体のために上昇させてもよい。
【０１０８】
バイオマスがトレイ上を移動しているとき、酸素欠乏気体は、バイオマス及びトレイアセンブリのトレイを通って下に流れ、各トレイの下の排気チャンバ５４に入る。隔離プレート５２が、上部トレイアセンブリを互いに分離するとともに焙焼を促進させる下部トレイアセンブリ６２から分離している。
【０１０９】
下部トレイアセンブリ６２は、焙焼のために構成されている。これらのトレイアセンブリは、各アセンブリの下方に排気気体チャンバを有さない。最上部のトレイアセンブリ６２の上方に、単一の流入気体アセンブリがあってもよい。焙焼のための高温の焙焼酸素欠乏気体１２８は、下部トレイアセンブリ６２の最上部のアセンブリのためのスクレーパーの上方にあるノズル３２を通って流入する。高温の焙焼酸素欠乏気体１２８は、焙焼を促進する温度、例えば、乾燥気体１２６の最高温度よりも１０〜３０℃高い温度とする。高温の焙焼酸素欠乏気体１２８は、反応槽に流入し、下部トレイアセンブリ６２の全て及びトレイアセンブリのスタックの底部プレート４２を通って下方に流れる。高温の焙焼酸素欠乏気体１３０は、スタックの下方かつ反応槽１０のチャンバ２０内にあるバイオマス１３２の堆積物の上方にある出口３４を通って排気される。高温の焙焼酸素欠乏気体１３０は、反応槽の最も高温の領域から排気される。排気された焙焼酸素欠乏気体は、浄化、加熱されて、酸素欠乏乾燥気体１２６及び高温の焙焼酸素欠乏気体１２８として使用してもよい。
【０１１０】
追加の高温の焙焼酸素欠乏気体１２８を、チャンバ２０及びバイオマスの堆積物内へ直接注入してもよい。追加の高温の焙焼気体は、反応槽の収束ゾーン、例えば収束の中間点にあるノズルから注入できる。追加の高温の焙焼酸素欠乏気体は、バイオマスの下方への移動に対して向流となるようにバイオマスを上方へ流れるようにしてもよい。この向流の流れは、焙焼気体をトレイアセンブリのスタックから排気しながら気体出口３４から排気してもよい。他の焙焼気体を、反応槽の底部にある排出ポート１３２を介して、反応槽から排気、又は反応槽に注入してもよい。
【０１１１】
図１８は、加圧された反応槽１０の上部部分、特に上部トレイアセンブリ６０の概略図である。酸素欠乏気体は、反応槽の下部の高さに注入された酸素欠乏気体よりも比較的低い温度で、カバープレートを通って上部入口３０に入る。酸素欠乏気体は、気体をバイオマス上に均一に分散させる整流板１３６によって分配してもよい。バイオマス材料の上方にある間隙（Ｇ）が、気体を均一に分配するのに十分な容積を提供する。間隙（Ｇ）は、数インチ、例えば５〜８インチ、つまり１５０ｍｍ〜２００ｍｍである。高温の酸素欠乏気体は、バイオマス材料（図中、ドットのパターンで示す）を通って下方へ流れ、メッシュ又はスクリーンのトレイプレート８２を通って排気チャンバ５４内に流入し、単一の排気出口３４から流出する。排気出口３４は、出口３４の直下にある隔離トレイ５２のためのシュートに隣接して位置している。次の下部トレイアセンブリのための気体入口３２もシュートに隣接して位置している。
【０１１２】
隔離トレイ５２は、図１８では金属層及び断熱層のラミネートとして示されている。このトレイは、鋼鉄の上層及び下層と、非金属の断熱層の中間層とを含む。隔離トレイを断熱することによって、反応槽内の熱効率を向上させ、乾燥に使用される隣接するトレイアセンブリ間において、実質的に大きな効果、例えば１０℃超の効果が得られる。
【０１１３】
図１９は、バイオマス材料を乾燥させるのに使用される上部トレイアセンブリのためのトレイプレート８２を示す。このトレイプレートは、メッシュとして形成されている。プレート８２の直下には、放射状の点線で例示する加熱エレメント１３８がある。加熱エレメントは、電気抵抗エレメント、蒸気もしくは他の高温の酸素欠乏気体を含む導管、又は他の装置とすることができ、トレイプレート、特に、低温で湿ったバイオマスがプレート上に堆積するときにそれを受け止める中実プレート９４に熱エネルギーを加える。加熱エレメントは、熱をトレイプレートに加えて、有機化合物及び他の材料がスクリーンプレートの低温の部分に堆積するのを避けるためのものである。あるいは、高温の気体を、トレイ構造の下側に吹き当ててもよい。スクレーパーの回転方向は時計回り方向として示されている。
【０１１４】
図２０は、隔離トレイプレート５２を上から見下ろした図である。環状の真鍮又は柔軟なガラス繊維製のリング１４０が、トレイプレート５２の周縁と反応槽の壁との間にシールを形成している。トレイプレート５２は、プレートの冷却を防止し、これにより金属表面上の有機物及び他の化合物の凝縮を防止する加熱エレメントを有してもよい。
【０１１５】
反応槽の外壁は、例えば金属壁１４２の外表面に断熱コーティングを施すことによって断熱してもよい。壁の断熱は、反応槽の外表面全体に亘って施してもよい。反応槽の外壁の断熱によって反応槽の熱効率が向上し、反応槽の各高さ全体の均一な温度レベルをさらに維持することができる。
【０１１６】
図２０に示す拡大部分は、隔離トレイプレート５２の周縁と焙焼反応槽の円筒状の金属壁１４２の内側表面との間の真鍮又はガラス繊維製のシール１４０を例示している。壁１４２は、断熱材料１４４、例えばセラミックコーティング、ガラス繊維コーティング又は高温ポリマーコーティングでコーティングしてもよい。
【０１１７】
図２１は、加圧された反応槽１０の上部部分、特に下部トレイアセンブリ６２の概略図である。気体の流れ（矢印を参照）及びバイオマス材料の移動（点線のパターンを参照）をより良好に例示するために、スクレーパーは示されていない。酸素欠乏気体は、例えば、反応槽の両側に例えば１８０度離間して配置された２つのノズル３２から最上部のトレイアセンブリ６２に入る。最上部のトレイアセンブリ６２に入る気体は、高温で、例えば、トレイアセンブリ６２及びチャンバ２０内のバイオマスの焙焼を促進するための２４０℃〜３００℃の範囲の温度よりも高い。焙焼を促進させるのに必要な温度は、バイオマス材料及び反応槽内の圧力に依存する。最上部のトレイアセンブリ６２に注入される酸素欠乏気体は、バイオマスを乾燥させるために使用される上部トレイアセンブリ６０に加えられる酸素欠乏気体よりも高く、例えば５℃〜１００℃高い温度である。
【０１１８】
最上部のトレイアセンブリ６２上の、バイオマス材料及びスクレーパーの上方にある間隙は、気体を均一に分配するのに十分な容積を提供する。この間隙よりも狭くてもよいが、同様の間隙が、下部トレイアセンブリ８２のそれぞれにおけるトレイプレート８２の下部表面とスクレーパー／バイオマスレベルの頂部との間にある。最上部のトレイアセンブリ６２の上方の最初の間隙は、数インチ、例えば５〜８インチ、つまり１２５ｍｍ〜２００ｍｍでよく、下部の間隙は３〜５インチでよい。高温の酸素欠乏気体は、バイオマス材料（ドットのパターンで示す）を通って下方に流れ、さらにメッシュ又はスクリーンのトレイプレート８２を通って次の下部トレイアセンブリ６２上のバイオマス及びスクレーパーの直上にある間隙に直接流入する。
【０１１９】
高温の気体は、下部トレイアセンブリ６２のそれぞれを下方に通過し、出口３４、例えば、反応槽のチャンバ２０内におけるトレイアセンブリのスタックの下方かつバイオマスの堆積物の上方にある単一の出口を出る。単一の出口３４は、最も高温の気体、又は、気体中の有機化合物の凝縮温度よりも実質的に高い温度の気体が存在する反応槽の高さに合わせて配置されている。気体を非常に高温なうちに出口３４から抽出することによって、有機化合物が反応槽及び出口の表面に堆積するリスクが低下する。
【０１２０】
焙焼プロセスが行なわれているバイオマス材料を通過する気体のために単一の出口３４があってもよい。単一の出口とすることによって、焙焼中に揮発する有機化合物を含む排気気体に暴露される出口の表面が最小限に抑えられる。出口及びそれに伴う出口導管の表面を最小限に抑えることによって、排気気体からの堆積物、例えばタール状の有機物質で閉塞しうる表面積を低減できる。
【０１２１】
図２２は、バイオマスの焙焼のために使用される下部トレイアセンブリのトレイプレート８２を上から見下ろした図である。トレイプレートは、上部トレイアセンブリのトレイプレートと実質的に同じ大きさのメッシュ開口を有する金属製のメッシュとすることができる。あるいは、このプレートのメッシュの開口は、上部トレイアセンブリにおけるプレートのメッシュの開口よりも小さくてもよい。下部トレイアセンブリのトレイプレート８２は、パイ形状開口９２と、次のより高い位置にある隔離プレート又はトレイアセンブリのシュート又は開口９２の下方に中実体のパイ形状プレート９４とを有する。プレート９４は開口９２に隣接しており、バイオマスがプレート９４上に落下した後、開口９２を通って落下する前にプレート８２の全体を回って移動するようになっている。
【０１２２】
固定されたシール１４４、例えばＬ字状の垂直壁は、パイ形状プレート９４の先端と共に垂直方向に配置され、反応槽の内壁に取り付けられたフランジを含む。固定されたシールは、スクレーパーの上部縁部と次の高さに位置するトレイプレートの底部との間にある。シール１４４は、バイオマスが上方のトレイアセンブリから落下している間に流れている気体をトレイプレートの開口からバイオマス内へ指向させる。
【０１２３】
図２３は、バイオマス材料１５０から焙焼済みバイオマス材料１５１を生成するためのプラント、例えば工場のフロー図である。バケットエレベーター１５２及びドラッグコンベヤー１５４が、バイオマス材料１５０を供給ビン１５６へ搬送し、供給ビン１５６は、供給ビンの底部にあるメータースクリューによって決められる流量でバイオマス材料の連続的な供給を提供する。そして、第２バケットエレベーター１５８が、均一な流量で移動するバイオマスを、焙焼反応槽１６２の頂部入口にある入口回転バルブ１６０へ搬送する。回転バルブは、加圧されていないバイオマス材料を加圧された焙焼反応槽１６２へ、反応槽からの圧力損失なく搬送する高圧搬送装置でもよい。焙焼反応槽は、高さが３０〜５０メートル、直径が３〜１０メートルの円筒状の加圧された反応槽である。これらの寸法は例示的なものであり、焙焼反応槽の実際の寸法は、バイオマス材料の種類、材料の所望の流量、及び反応槽内の圧力を含む種々の要因に依存する。
【０１２４】
排出移送スクリュー１６４が、焙焼済みバイオマス材料を、焙焼反応槽の底部から計量された流量で取り出す。冷却スクリュー１６６が、焙焼済みバイオマス材料を運びながら、例えば、スクリュー１６６の外表面にある冷却ベーンによって、又は、スクリューの外表面上を流れる冷却水によって材料から熱エネルギーを除去する。冷却スクリューに加えて又は冷却スクリューの代わりに、他の冷却装置を使用してもよい。これらの他の冷却装置は流動床冷却器を含んでいてもよい。
【０１２５】
冷却された焙焼済みバイオマス材料は、排出回転バルブ１６８を通過するが、排出回転バルブ１６８は、材料の圧力を大気圧まで低下させ、材料を大気に暴露させる。焙焼済みバイオマス材料は、空気に暴露される前に冷却されて、材料が自然燃焼するリスクを最小限にする。
【０１２６】
第３バケットエレベーター１７０及び第２ドラッグコンベヤー１７２が、冷却された焙焼済みバイオマス材料を貯蔵ビン１７４に搬送する。計量スクリューが、バイオマス材料１５１を、さらなる処理のために又は燃焼燃料として使用するために貯蔵ビンから排出する。
【０１２７】
乾燥気体処理ユニット１７８及び焙焼済み気体処理ユニット１８０のための加熱エネルギー又は熱的エネルギー１７６は、蒸気、燃焼又は他のエネルギー源によって提供される。熱エネルギー１７６は、焙焼反応槽１６２に注入される気体の温度を上昇させる手段を提供する。乾燥気体１７８のための気体処理ユニットは、循環している乾燥気体からダストや他の粒子を除去し、乾燥に必要な温度まで気体を再加熱する。焙焼済み気体処理ユニット１８０は、循環している焙焼気体からダストや他の粒子を除去し、より重質の有機化合物を除去して、熱の回収を可能にし、焙焼気体として再利用するために必要な温度まで気体を再加熱する。
【０１２８】
気体処理ユニット１７８及び１８０を通って循環している気体は、焙焼反応槽内の圧力と実質的に同じ圧力である。気体の加圧は、反応槽又は気体処理ユニットに酸素欠乏気体を追加するか反応槽又は気体処理ユニットから酸素欠乏気体を取り除くことによって実現できる。
【０１２９】
酸素欠乏気体は、実質的に閉鎖された気体ループシステムで焙焼反応槽を循環される。気体は、バイオマスを乾燥したり、熱を加えて焙焼を持続させたり、焙焼済みバイオマスを冷却させたりするのに使用される。トレイに流入する酸素欠乏気体の温度は、トレイの所望の機能を実現するように設定される。例えば、頂部入口に流れる気体は、焙焼トレイアセンブリに流れる酸素欠乏気体よりも低温とされる。
【０１３０】
乾燥気体処理ユニット１７８は、バイオマス材料を乾燥させるために焙焼反応槽内で起こる乾燥プロセスのための加熱された酸素欠乏気体を提供する。乾燥気体は、窒素又は乾燥蒸気等の酸素欠乏気体源を提供してもよい。乾燥気体処理ユニットからの乾燥気体は、焙焼反応槽において上部トレイアセンブリと共に配置された気体ノズル３２に流れる。気体がバイオマス材料を通過して材料を乾燥させた後、排気出口３４が酸素欠乏気体を焙焼反応槽から抽出する。乾燥気体の温度は、１８０℃〜２４０℃の範囲、又は、バイオマス材料に焙焼反応を引き起こすための温度閾値未満、例えば２０５℃未満の他の温度でよい。乾燥気体の温度は、頂部入口において最も低く、下部気体ノズル３４において例えば５〜１０℃増加して高くなる。排気された乾燥気体は、気体から水分及び他の同伴液体又は固体を除去するために処理され、再加熱されて焙焼反応槽に乾燥気体として使用するために戻される。
【０１３１】
焙焼済み気体処理ユニット１８０は、バイオマス材料が焙焼を行う焙焼反応槽の下部領域に酸素欠乏気体を供給する。この酸素欠乏気体は、乾燥気体処理ユニットによって供給されるのと同一の気体組成でよい。焙焼済み気体処理ユニット１８０は、酸素欠乏気体を、焙焼反応を促進するのに必要な例えば２５０℃〜３００℃の閾値温度よりも高い温度で供給する。焙焼気体は、焙焼のために構成された最上部のトレイアセンブリと共に配置されたノズル３２から加えられる。焙焼気体のための追加の入口ノズル３２が、反応槽の下部領域にあってもよい。これらの下部ノズルは高温の気体を加えて、反応槽内のバイオマス材料の堆積物が焙焼反応を促進する温度又はそれ以上に保持されるのを確実にする。
【０１３２】
図２３に示す焙焼反応槽の実施形態においては、冷却ゾーンがなく、焙焼プロセスは、バイオマス材料が反応槽１６２の出口まで下方に流れるときに継続する。いくらかの冷却気体が、冷却スクリュー１６２から反応槽１６２の底部へ向流で流れてもよい。さらに、冷却スクリュー１６２は、その排出端において少量の窒素ガスの流れを有してもよい。窒素ガスは、焙焼済みバイオマス材料と共に反応槽の排出から冷却スクリュー内へ運ばれる有機化合物を含む焙焼気体と置き換わる。焙焼気体中の有機化合物は、除去されないと、冷却スクリューの低温の表面に堆積する可能性がある。加えて、冷却スクリューは、外側ウォータージャケットと、スクリューのシャフトの中心を通る水通路とを有してもよい。これらのウォータージャケット及び通路は、熱をバイオマス材料から取り去り、材料を冷却する。冷却スクリューから出た温水は、冷却塔に循環されて、冷却水として冷却スクリューに循環される。
【０１３３】
焙焼プロセスから抽出された気体は、単一の出口３４から除去されて、断熱された導管を通して焙焼済み気体処理ユニット１８０に直接流入される。抽出された気体は、上記気体よりも冷たい表面上に堆積する同伴有機化合物を含む。抽出された気体を焙焼済み気体処理ユニットへ迅速に直接流入させることによって、有機化合物が導管の表面に堆積するリスクが低下するが、その理由は、気体が気体処理ユニット１８０への短い通路の中では比較的高温を維持しているからである。気体処理ユニット１８０からも、流れ１８１が、焙焼気体、特に焙焼気体から除去された凝縮した有機化合物をさらに処理するために、燃焼器に送られる。乾燥気体処理ユニット１７８及び焙焼済み気体処理ユニット１８０のための酸素欠乏気体の発生器１８２は、市販されている従来の窒素ＰＳＡプラントでよい。これらのプラントは、乾燥気体処理ユニット及び焙焼済み気体処理ユニットに供給するのに十分な量の気体窒素を発生させる。
【０１３４】
図２４は、例示的な焙焼済み気体処理ユニット１８０を示すプロセスフローチャートである。焙焼プロセス中にバイオマスから放出される化合物は、焙焼反応中に放出される種々な分子量の有機成分を含む。これらの有機成分は、特に制御不可能な形で凝縮が起きた時にタール状の堆積物によって設備の深刻な汚染を起こす。焙焼済み気体処理ユニット１８０において、焙焼反応槽から抽出された気体はその温度が低下されて、より重質の有機化合物が凝縮する一方、気体は水及びより軽質の有機化合物の露点温度よりも高い温度に維持される。凝縮した有機成分は、気体流中でエアロゾル、ミスト又は液滴に形成される。凝縮した有機成分を含む気体流は、１つ以上のドロップアウトタンク又はサイクロンセパレーター２０４に流れ、ここで、より重質の成分は気体流から分離される。より重質の成分は、ドロップアウトタンク又はサイクロンセパレーターの底部に落下し、収集タンク２０６へと流れる。収集タンク２０６からの成分１８１は、回収ボイラー又は他の化学回収システムに流してもよい。
【０１３５】
焙焼反応槽１６２から抽出された焙焼気体２００は、熱交換器２０２において冷却されて、気体中の有機揮発性材料が凝縮して例えばエアロゾル又は液滴となる。冷却された焙焼済みの気体はサイクロンセパレーター２０４に入り、ここで凝縮した液滴が気体から分離される。セパレーター２０４の他の例は、副生成物を酸化させる装置、副生成物を触媒的に変換させる装置、副生成物を気体流からフィルタリングする装置、遠心力を利用して気体流から粒子を分離するサイクロン等のフローセパレータを含む。セパレーター２０４は、焙焼気体処理システム１８０において単一で又は組み合わせて使用される。これらの装置により分離された副生成物は、分離、濃縮又は浄化によりさらに処理することによって、利用可能な製品にしてもよい。
【０１３６】
分離された気体は第２熱交換器２１２に流れ、分離された液滴は液体として凝縮液タンク２０６に流れる。凝縮液タンクからの液体の一部は、熱交換器２０２からセパレーター２０４に流れる気体中に噴霧される。気体中に噴霧された液滴は、気体流からの気体状の有機化合物の凝縮を促進する。液体ポンプ２０８が、気体流に噴霧される凝縮液を加圧してもよい。液滴スプレーノズル２０９が、液体を液滴に分割して、液滴を気体流中に噴霧する。
【０１３７】
焙焼気体は、サイクロンセパレーターから第２熱交換器２１２及び第３熱交換器２１４に流れるが、両方の熱交換器は気体の温度を例えば２５０℃〜３００℃まで上昇させる。第３熱交換器は、気体燃焼用燃焼器から熱エネルギーを受け入れてもよい。
【０１３８】
ブロワー２１６は、気体２１８が焙焼反応槽に流れるときに、焙焼気体の圧力を例えば０．５バールゲージだけ増加させる。焙焼気体は、焙焼反応槽内の圧力まで加圧されながら、焙焼気体処理ユニット１８０を流れる。
【０１３９】
有機化合物等の熱媒油又は凝縮液が、焙焼気体処理ユニット内を循環し、焙焼反応槽から排気された焙焼気体を熱交換器２０２において冷却するとともに、気体がセパレーター２０４内で浄化された後に、その気体を第２熱交換器２１２において加熱する。熱媒油又は凝縮液は、熱交換器２２０において、２２４から２２６にそして冷却塔に流れる冷却水によって冷却される。冷却された液体は一時的に流体タンク２２２に貯蔵される。液体ポンプ２１０は、液体を焙焼処理ユニット１８０内の液循環によって移動させる。
【０１４０】
焙焼反応槽の乾燥部、例えば上部トレイアセンブリから抽出された気体は、高分子量有機化合物を多量に含まない傾向がある。乾燥セクションからの気体は、酸素欠乏気体、蒸気及び水、並びに反応槽の表面上で凝縮しにくい軽質の揮発性有機化合物を含む。乾燥セクションから抽出された気体は、焙焼済み気体処理ユニット１８０に流通させる必要はない。乾燥気体処理ユニット１７８は、気体流から水を除去するためのセパレーター及び凝縮器と、気体の温度を焙焼乾燥部で必要な温度まで上昇させる熱交換器と、乾燥気体を反応槽に搬送するブロワーとを含んでもよい。
【０１４１】
乾燥時に生成された蒸気は、燃焼器、排気スタック又は熱回収システムに排気できる。焙焼時に生成された焙焼気体は、燃焼器において、例えば、乾燥セクションからの蒸気とともに燃焼させてもよく、生成された熱は、例えばバイオマスを予め乾燥させるために使用される。
【０１４２】
本発明を、現時点で最も実際的かつ好適な実施形態と考えられるものと関連させて説明してきたが、本発明は、開示の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲に含まれる種々の変形及び均等な構成を包含することを意図していることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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