(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法であって、
（ａ）  バイオマスの大きさによって可燃性の蒸気、エアゾールおよびガスの生産が大きく制限されないよう十分に小さな大きさまで細かく切断されたバイオマスを、不活性材料の流動深床であって、幅に対する高さの比率が１よりも大きい流動深床（２１１）を有する熱分解反応器（２０５）へ導入するステップと、
（ｂ）  生産物チャーの自動的な飛出しを生ぜしめ、かつ、不活性材料の床を流動化させることにより流動深床（２１１）を形成できるような線速度で、非酸化性のガスを流動深床（２１１）を通じて上向きに導入するステップと、
（ｃ）  非酸化性のガスおよび流動深床が３６０〜４９０℃の範囲内の温度を有するよう、かつ、非酸化性のガスおよび流動深床がバイオマスの熱分解を引き起こし、熱いチャ−粒子および揮発物、すなわちガス、エアゾールおよび蒸気を含む流出反応器ストリームを生産するよう、流動深床（２１１）を加熱するステップと、
（ｄ）  流出反応器ストリームから飛出したチャー粒子を除去するステップとを含み、
非酸化性のガスの反応器（２０５）内での残存時間は、２秒より長い、細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項２】
非酸化性のガスの残存時間は、２秒より長く２５秒以下である、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項３】
前記流動深床（２１１）は、熱いガスと流動深床との間の熱交換によって加熱される、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項４】
前記非酸化性のガスは、４３０℃の温度を有する、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項５】
流動深床（２１１）を通じての非酸化性のガスの速度は、１秒あたり１０〜８０センチメートルの範囲内である、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項６】
流動深床（２１１）の圧力は、ゲージ圧で−１００〜＋１００キロパスカルの範囲内である、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項７】
非酸化性のガス対バイオマスの質量比は、２：１よりも小さい、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項８】
バイオマスは、最小寸法が３ミリメートル以下である粒子を含む、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項９】
チャーは、７００℃より高い温度でチャー気化器（３０１）内に集められかつ保持され、かつ、チャーを気化するため、二酸化炭素、蒸気ならびに二酸化炭素および蒸気または亜当量の空気を含有するガス混合物で、チャーをパージするステップを含む、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１０】
チャーは、７００℃より高温でチャー気化器（３０１）内に集められかつ保持され、かつ、活性炭素を発生するため、二酸化炭素、蒸気ならびに二酸化炭素および蒸気または亜当量の空気を含有するガス混合物でチャーをパージするステップを含む、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１１】
チャーは、７００℃より高温でチャー気化器（３０１）内に集められ、かつ、熱アニールによってチャーの量を減じるのに十分な時間にわたってチャー気化器（３０１）内に保持される、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１２】
バイオマスの供給点において酸素飢餓となるよう、流動深床（２１１）の底部に酸素または空気を加えるステップを含む、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１３】
不活性材料の流動深床（２１１）内の材料の粒子の大きさは、＋１００メッシュ以下である、請求項１に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１４】
細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法であって、
（ａ）  バイオマスの大きさによって濃縮可能な蒸気の生産が大きく制限されないよう十分に小さな大きさまで細かく切断されたバイオマスを、不活性材料の流動深床であって、幅に対する高さの比率が１よりも大きい流動深床（２１１）を有する熱分解反応器（２０５）へ導入するステップと、
（ｂ）  生産物チャーの自動的な飛出しを生ぜしめ、かつ、不活性材料の床を流動化させることにより流動深床（２１１）を形成できるような線速度で、非酸化性のガスを流動深床（２１１）を通じて上向きに導入するステップと、
（ｃ）  非酸化性のガスおよび流動床が３６０〜４９０℃の範囲内の温度を有するよう、かつ、非酸化性のガスおよび流動深床がバイオマスの熱分解を引き起こし、熱いチャー粒子および揮発物、すなわちガス、エアゾールおよび蒸気を含む流出反応器ストリームを生産するよう、流動深床（２１１）を加熱するステップと、
（ｄ）  流出反応器ストリームから飛出したチャー粒子を除去するステップと、
（ｅ）  温度が１００〜３６０℃の範囲内である冷却器（４０３）の乾いた表面に蒸気およびエアゾールが接触しないよう、蒸気およびエアゾールを部分的に液化させるため、ガス、エアゾールおよび蒸気を冷たい液体で冷却するステップとを含み、
非酸化性のガスの反応器（２０５）内での残存時間は、２秒より長い、細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１５】
前記冷たい液体は、冷却された液体バイオオイルである、請求項１４に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１６】
前記非酸化性のガスは、冷却後に再循環させられる再循環流動化生産物ガスである、請求項１４に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１７】
非酸化性のガスの速度は、１秒あたり１０〜８０センチメートルの範囲内であり、前記ガス対バイオマスの質量比は２：１より小さく、かつ、バイオマス粒子の最小寸法は、３ミリメートル以下であり、かつ、チャーは、熱アニールによってチャーの量を減じるのに十分な時間にわたって７００℃より高温でチャー気化器（３０１）内に集められかつ保持される、請求項１４に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１８】
細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法であって、
（ａ）  バイオマスの大きさによって可燃性の蒸気、エアゾールおよびガスの生産が大きく制限されないよう十分に小さな大きさまで細かく切断されたバイオマスを、不活性材料の流動深床であって、幅に対する高さの比率が１よりも大きい流動深床（２１１）を有する熱分解反応器（２０５）へ導入するステップと、
（ｂ）  生産物チャーの自動的な飛出しを生ぜしめ、かつ、不活性材料の床を流動化させることにより流動深床（２１１）を形成できるような線速度で、非酸化性のガスを流動深床（２１１）を通じて上向きに導入するステップと、
（ｃ）  非酸化性のガスおよび流動床が３６０〜４９０℃の範囲内の温度を有するよう、かつ、非酸化性のガスおよび流動深床がバイオマスの熱分解を引き起こし、熱いチャー粒子および揮発物、すなわちガス、エアゾールおよび蒸気を含む流出反応器からのストリームを生産するよう、流動深床（２１１）を加熱するステップと、
（ｄ）  流出反応器ストリームから飛出したチャー粒子を除去するステップと、
（ｅ）  反応器（２０５）からの熱いガス、エアゾールおよび蒸気を、熱を発生するためそれらが燃焼される第２の燃焼システム（３１０）へ注入するステップとを含み、
非酸化性のガスの反応器（２０５）内での残存時間は、２秒より長い、細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項１９】
非酸化性のガスの速度は、１秒あたり１０〜８０センチメートルの範囲内であり、前記ガス対バイオマスの質量比は２：１より小さく、かつ、バイオマス粒子の最小寸法は、３ミリメートル以下であり、かつ、チャーは、熱アニールによってチャーの量を減じるのに十分な時間にわたって７００℃より高温でチャー気化器（３０１）内に集められかつ保持される、請求項１８に記載の細かく切断したバイオマスの熱分解のための方法。
【請求項２０】
細かく切断されたバイオマス粒子を熱分解するための装置であって、
（ａ）  不活性材料の流動深床（２１１）と、流動深床を形成するよう、不活性材料の前記床を通じて上向きに非酸化性のガスを通すための、反応器の底部のガス入口と、揮発性の流出物を外に流すための反応器の頂部の移送ライン（２０７）と、反応器（２０５）からチャーを集めるためのチャー収集手段とを有する、熱分解反応器（２０５）、ここで、前記流動深床は、幅に対する高さの比率が１よりも大きく、
（ｂ）  ガスを燃焼しかつ加熱された煙道ガスを発生するための燃焼器（２０３）および
（ｃ）  熱分解反応器（２０５）の一部を構成する前記流動深床を加熱するための熱交換器（２０４）を含み、
前記熱交換器（２０４）は、前記燃焼器（２０３）からの前記加熱された煙道ガスが前記熱交換器（２０４）を通過できるよう前記燃焼器（２０３）に結合される、細かく切断されたバイオマス粒子を熱分解するための装置。
【請求項２１】
（ａ）  前記移送ライン（２０７）に結合される頂部における入口部および底部における出口部と、前記冷却器（４０３）から冷却された液体を集めるため冷却器（４０３）の出口部に結合される入口ポートを有する生産物液体タンク（４０４）と、前記熱分解反応器（２０５）からの揮発性の流出物を冷却するため冷却用液を使用するために冷却用液の出口部に結合される液体冷却器入口ポートと、冷却器の底部近くの清浄再循環ガス出口部とを有する、液体冷却器（４０３）ならびに
（ｂ）  前記冷却器（４０３）から排出されるガスを受取り、かつ、それを前記反応器（２０５）の前記ガス入口部に方向付けるため、清浄再循環ガス出口部に結合される再循環ラインを含む、請求項２０に記載の細かく切断されたバイオマス粒子を熱分解するための装置。
【請求項２２】
前記熱分解反応器（２０５）からのガス、蒸気およびエアゾールを燃焼するため動作可能な、前記移送ライン（２０７）に結合される第２の燃焼器（３１０）を含む、請求項２０に記載の細かく切断されたバイオマス粒子を熱分解するための装置。
【発明の詳細な説明】
技術の分野
本発明は一般に、不活性固体からなる単式の流動床で、実質的に非酸化雰囲気において加熱を行なうことにより、バイオマスを液体、固体（木炭、これ以降「チャー」）および気体生産物に変換する技術に関し、かつ詳細には、そのプロセスに関し、主に、燃料または化学物質資源として利用する気体または液体（「バイオオイル」）状の生産物を生成することを意図する。この種のプロセスは、通常熱分解（pyrolysis）と呼ばれるが、正確には熱分解（thermolysis）と記載する。
発明の背景
米国特許第３，８５３，４９８号（ベイリー（Bailie）１９７４年１２月）は、自治体から出る廃棄物を、不活性固体を流動床間に循環させる双式流動床反応炉において熱分解することによって気化させる方法を開示する。１つの反応炉から他の反応炉へ砂を循環させる熱分解方法は、高価で、連続的な作業が難しくまた非効率的である。
米国特許第４，１５３，５１４号（ギャレットおよびマラン（Garrett and Mallan）１９７９年５月）は、いわゆる「噴流床熱分解装置」（entrained flow pyrolyzer）を使用して固体廃棄物から化学的に価値のあるものを回収する熱分解方法を開示する。同特許は、基本的に、循環床移動反応炉であって、固体の熱媒体が熱分解のチャー副生産物である。チャーは一部燃焼してその温度を８７０℃にまで上昇させる。この熱いチャーを、熱分解装置に注入し、原料と乱流混合する。この過程で、チャーと液体の収率は、４３０℃において、それぞれ１９．８ｗｔ％と４０％未満であった。液体の収率は極めて低い。これはおそらくバイオマス液に対する熱い熱分解チャーの触媒熱分解作用が発明者らによって認められなかったという事実に帰するかもしれない。（Ｍ．Ｌ．ボロソン他「新しい木材のチャー表面に対する木材熱分解チャーの不均一熱分解」（M．L．Boroson et al，′′Heterogeneous Cracking of Wood Pyrolysis Chars over Fresh Wood Char Surfaces′′，Energy and Fuels）、Vol．3、第７３５頁、１９８９年）。
米国特許第４，５１０，０２１号（ソワーズ（Sowards）１９８５年４月）は、木材や鋸屑のような可燃性廃棄物を、流動床において熱分解することによって木炭に変換する方法を開示する。これは、バイオオイル生成等を伴わない一部酸化プロセスである。チャー生産物は、木炭粒子の密度が十分に低い値になったときに、自己制御で、自動的な飛出しにより取出される。いわゆる「ブロー・スルー・モード」（blow through mode）である。
カナダ特許第１，１６３，５９５号（ショーネットおよびロイ（Chornet and Roy）１９８４年３月）は、真空熱分解により陸のセルロース材料から有機生産物と液体燃料とを生成する技術を開示する。このプロセスについてはシャーブルック熱分解（Sherbrooke Vacuum Pyrolysis）と呼ぶことにする。重要なことは、濃縮可能な有機物質のほとんどが５３０℃に達する以前に放出されかつ５３０℃を超える反応によって、残留するチャーから主に付加的な気体が生成されることが指摘された点である。揮発性生産物については、およそ１秒の残存時間で１分あたり１℃という低い加熱速度でさえ高い液体収率が得られ得ると主張されている。この特許はまた、バイオマスの真空熱分解において、液体の収率は圧力の増大とともに減少し、かつ反応ゾーンでの圧力は１００ｍｍ／Ｈｇ（絶対圧力）以下に維持する必要がある点も開示する。この程度の真空を維持するには主要コストおよび運用コストにおいて明らかな不利が存在する。その上、真空を用いるプロセスは一般に熱および物質の移動が不十分であるという問題がある。
カナダ特許第１，２４１，５４１号（Ｄ．Ｓ．スコット（D．S．Scott）１９８８年）は、バイオマスを熱分解するための単式で浅い流動床装置を記載する。この装置を用いれば、気体残存時間０．１〜１０秒で、４５重量％を超える液体の収率を得ることが可能であると考えられると主張している。唯一記載された例では、この熱分解の温度は５００℃であった。その後取得した特許（カナダ特許第１，３３２，５８０号、１９９４年１０月）で、スコットは、高速熱分解プロセスにおいて液体を最大限にする条件について記載している。この流動床を使ったプロセスは、ウォータールー・フラッシュ・熱分解プロセス（Waterloo Flash Pyrolysis Process）として知られるようになっている。記載された結果のうち、４３０℃で、好ましい残存時間０．６秒でのチャーの収率は３０．５ｗｔ％であると開示されている。これらの特許に明記される短い残存時間では、５００℃を下回る温度での熱分解が、おそらく不十分に終わる可能性があると考えられる。この結論は、高い「チャー」の収率と、４２５℃について報告されているその驚くべき高い酸素の含有量（３０％を超える）によって実証されているように思われる（Ｄ．Ｓ．スコット、ENFOR Project C-223，Final Report、１９８４年）。
カナダ特許第１，２８３，８８０号（バーグ（Berg）、１９９１年）は、２つの異なる固体を急速に混合するように装備された、所謂「急速熱処理」（Rapid Thermal Processing）のための非流動床装置を開示する。しかしながら、なんらの熱分解の結果も提示されていない。この特許は、バイオマスの熱処理に適用の可能性がある、射突する固体の噴流を混合するための装置を記載するに過ぎない。
米国特許第５，４１３，２２７号（ダイボールド（Diebold）、１９９５年５月）は、アブレーションのために必要な圧力を遠心力によって発生させる、渦流式反応炉においてバイオマスをアブレーティブ熱分解するための装置を開示する。これは、熱媒体を必要としない点で革新的なやり方である。主な問題点は、良好な熱伝達のために必要とされる遠心力が、粒径が小さくなると急速に減少する点である。さらに、報告されている中で最もよいバイオオイルの収率は６００℃に近い温度で得られている。
熱分解によってバイオオイルを生産する技術については実験室および実験工場の規模の両方で、広範な研究がなされてきた。一般的な結論は、真空を用いないプロセスの中では、バイオオイルの高い収率が得られるのは、いわゆる高速熱分解プロセスによる場合だけである。高速熱分解プロセスと呼ばれるものは以下のような共通の特徴を有する。熱伝導率が高く、温度が中くらいで（５００℃〜６５０℃）、かつ反応炉において生産物の蒸気の残存時間が短い（１秒のオーダー）点である。これらの特徴によってバイオマスを高い収率で（６５％〜８０％まで）液体生産物に変換することができる。
この方法の一般的な考え方は、グラハムにより以下のとおり明確に要約されている（Ｒ．Ｇ．グラハム、Ｂ．Ａ．フリール、Ｄ．Ｒ．ホフマン、「急速熱処理における技術開発−バイオマスの高速熱分解」、エネルギ、産業および環境のためのバイオマスについての第６回ヨーロッパ会議で提出、アテネ、ギリシャ、１９９１年４月（R．G．Graham，B．A．Freel，D．R．Huffman，′′Developments in Rapid thermal Processing：Biomass Fast Pyrolysis′′，presented at the 6th European Conference on Biomass for Energy，Industry and Environment，Athens，Greece）。
「１９７０年代に行なわれた基礎研究により、高速熱分解の種々の条件下で、チャーの生産を犠牲にして、高い収率で非粘性の液体生産物を得ることができることがはっきりと実証された。その条件には以下のものを含む。
供給源材料の高速加熱（急速熱伝達）
短い接触時間
生産物の急速な冷却
高速熱分解技術は、一般に価値の低い、２次的化学物質および収率２０％〜３０％の重い（粘性の）「タール」を生成する従来技術の「遅い」熱分解とははっきり区別する必要がある。木材または他のバイオマスを高速熱分解することにより、高い収率（７０％から９０％）で、一次生産物が得られる。
したがって、高速熱分解プロセスは、生産物の化学的性質、全体的な収率および品質において、遅い熱分解とは基本的に異なるものである。」
技術文献に記載される高速熱分解システムには以下のようなものが含まれる。
（１）  アブレーティブ熱分解（ダイボルド、Ｊ．Ｐ．、スカヒル、Ｊ．、「バイオマスからの熱分解オイル−生成、分析および品質向上」、ソルテス、Ｅ．Ｊ．、ミルン、Ｔ．Ａ．編、ＡＣＳシンポジウムシリーズNo.376、アメリカン・ケミカル・ソサエティ、ワシントンＤ．Ｃ．１９８８年、第３１頁〜４０頁）（Diebold，J.P.，Scahill，J.，in′′Pyrolysis Oils from Biomass：Producing，Analyzing，and Upgrading,′′Soltes，E.J.，Milne，T．A.，Eds.，ACS symposium Series No．376，American Chemical Society，Washington，D．C.，1988，pp31-40）。
（２）  循環流動床熱分解（Ensyn急速熱分解、グラハム、Ｒ．Ｇ．、フリール、Ｂ．Ａ．、バーゴウノウ、Ｍ．Ａ．、熱化学バイオマス変換における研究において、ブリッジウォーター、Ａ．Ｖ．、ケスター、Ｊ．Ｌ．編、エルゼビア応用化学、ニューヨーク、１９８８年、第６２９頁〜６４１頁）（Ensyn Rapid Thermal Pyrolysis，Graham，R．G.，Freel，B．A.，Bergougnou，M.A．in Research in Thermochemical Biomass Conversion，Bridgewater，A.V.，Kuester，J．L．eds.，Elsevier Applied Science，New York，1988，pp629-641）、
（３）  浅い流動床熱分解（ウォータールー高速熱分解プロセス、スコット、Ｄ．Ｓ．、ピスコルツ、Ｊ．、ラドライン、Ｄ．、Ind．Eng．Chem．プロセスDes．Dev．１９８５年、２４、第５８１頁）（Waterloo Fast Pyrolysis Process，Scott，D．S.，Piskorz J.，Radlein D．Ind．Eng．Chem.，Process Des．Dev，1985，24，p581）および
（４）  噴流床熱分解（コバック、Ｒ．Ｊ．、ゴートン、Ｃ．Ｗ．、オニール、Ｄ．Ｊ．、熱化学変換プログラム年次総会、ソーラーエネルギ研究学会、ゴールデン、ＣＯ、１９８８年、ＳＥＲＩ／ＣＰ−２３１−３３５５、第５頁〜２０頁）、（Kovac，R．J.，Gorton，C．W.，O’Neil，D．J.，Thermochemical Conversion Program Annual Meeting，Solar Energy Research Institute，Golden，CO，1988，SERI/CP-231〜3355，pp5-20）。
また、真空熱分解の結果と高速熱分解の結果とを比較するのも有用である。最近の刊行物において、パクデルとロイは、６０重量％を超える液体の最大収率は、木材を、３８０℃から５５０℃の範囲の温度で真空熱分解して得ることができると述べている（Ｈ．パクデルおよびＣ．ロイ、バイオマス熱処理において、第１回カナダ／ヨーロッパ共同体Ｒ＆Ｄ契約者会議予稿集、１９９０年１０月、Ｅ．ホーガン、Ｊ．ロバート、Ｇ．グラシおよびＡ．Ｖ．ブリッジウォーター（編）、ＣＰＬプレス、第１４４頁）（H．Pakdel and C．Roy，in Biomass Thermal Processing，Proceedings of the First Canada/European Community R&D Contractors Meeting，October 1990，E．Hogan，J．Robert，G．Grassi and A．V．Bridgewater（eds.），CPL Press，p．144）。一方で、大気圧では、４８０℃から５５０℃の温度および短い蒸気残存時間で、高速熱分解の最大の液体の収率が得られる。
さらに、高速熱分解により得られる液体は、真空熱分解により得られるものとはいくらか異なった化学的特徴を有することが知られている。たとえば、いずれも供給原料が水分を含んでいないことを前提として、硬材の真空熱分解から得られる総液体収率は、約６０重量％であり、かつ水の収率は約２０重量％である。これに対して、同じ供給原料の高速熱分解では、一般に液体および水の総収率は、供給原料が水分を含まないことを前提として、それぞれ６５重量％〜８０重量％および１５重量％である。おそらく、高速熱分解の液体と真空熱分解の液体とを区別する２つの重要な生産物は、ヒドロキシアセトアルデヒドおよび酢酸である。ポプラを熱分解して得られる水を含まない有機液体中のこれら化学物質のそれぞれの濃度は、ウォータールー・フラッシュ熱分解によれば１１．４重量％および５．７重量％であり、かつシャーブルック真空熱分解によれば７．０重量％および１２．０重量％であったことが、エリオットにより報告されている（Ｄ．Ｃ．エリオット、ＩＥＡ協同試験施設プロジェクト、Ｄ１、最終レポート、１９８３年１２月）（D．C．Elliott，IEA Co-operative Test Facility Project D1，Final Report，Dec．1983）。
要約すれば、熱分解の現状の技術は、反応炉の温度および接触時間によって、以下のとおり簡単に特徴づける二とができる。
0004371433.tif 000002
発明の要約
本発明により、高速熱分解により生成される液体と組成において類似する液体を、細かく切断したバイオマスを熱分解して生成するためのプロセスが提供される。このプロセスは、液体の生成をあまり制限しないように、十分に小さい寸法にまで細かく切断されたバイオマスを、幅に対する高さの比率が１より大きい、不活性物質からなる床を有する熱分解反応炉の中に導入するステップを含み、実質的に非酸化気体も導入して、同気体を線形の速度で上向き床の中に流し、生産物のチャーの自動的な飛出しを生じさせかつ不活性材料の床を流動化させて流動床を形成し、かつ間接的に同流動床を加熱することによって、実質的に非酸化性の気体と流動床とが約３６０℃〜４９０℃の範囲の温度になるようにする。この実質的に非酸化性の気体と流動床とによってバイオマスの熱分解が起こり、熱いチャー粒子および揮発性物質、すなわち気体、エアゾールおよび蒸気を含む反応炉の排出流れが発生する。このプロセスは、発生した反応炉の排出流れから飛出したチャー粒子を取り出し、気体、エアゾールおよび蒸気を冷却して、一部蒸気およびエアゾールを液化して、温度が１００℃〜３６０℃の範囲にある冷却器の乾燥した表面にそれらが接触しないようにする。反応炉内のこの実質的に非酸化性の気体の残存時間が２秒より長くなるように流動床は十分な深さを有する。
非酸化性気体のバイオマスに対する質量比は２：１を下回ることが好ましい。
熱分解によりバイオマスから液体燃料を経済的に生成するには、操作の柔軟性のみならず、設計、スケールアップ、操作および制御の簡便性を特徴とする技術が必要とされることは明らかである。たとえば、廃棄物および他の汚染された供給原料を使用することは、熱の発生からチャーの収集を切り離すことを示唆する。これにより、固体熱媒体が燃焼／熱発生工程においてチャー粒子と接触する、循環流動床を用いる方法の魅力が減る。したがって、独立した熱供給および最終的なチャーの処分によって、より操作の柔軟性がもたらされる。
私たちは、バイオオイルの蒸気およびエアゾールは、有用な高熱が、単純な熱交換では反応炉の排出物から回収されないような性質であることを発見した。その代わり、生産物は急速に冷却する必要がある。結果として、熱効率の要件から、これらの冷却要件を最小限にすることが必要となる。すなわち、システムが使用する気体の再循環比をできるだけ小さくすることが必要であり、かつ反応炉の排出物が可能なかぎり低温である必要があることを示唆する。表面への汚れの付着を防止するのに最も低い温度は、３８０℃〜４２０℃の範囲の温度である。これらの要件は、熱い不活性固体が循環する反応炉および熱渦流式アブレーティブ熱分解装置においては得ることが困難である。逆に、いわゆる「断熱冷却」は非常に有益で、かつ深いもの、浅いもの、気泡式、乱流式、その他の床を含む標準的な流動床システムにおいて実現可能である。バイオオイル分解の吸熱性を利用して、２次的熱分解を「凍結」することにより、液体の収率を最大限に高める必要がある。
浅い流動床、循環流動床、噴流反応炉等の多くの急速熱分解システムの欠点の１つは、短い接触時間を維持するために多量のキャリアガスを必要することである。このガスは、主要コストおよび運用コストの増大を意味し、また上に述べた理由による熱効率の損失という欠点を生じさせる。
一酸化炭素、二酸化炭素、メタンおよび有機物の蒸気を含むリサイクルガスは、少量の、微細な炭素状粒子の供給源となり得る。このすす状の物質は、バイオオイルで集められ、内燃機関の燃料用等の用途によっては、オイルを不適当なものにする可能性がある。したがって、リサイクルガス流を６００℃より高い温度に予熱することは避けなければならない。
バイオオイルの固体含有量が低いという要件も、固体の摩耗／剥離が最小限ですむ、熱分解システムの利用に有利である。すなわち、この点は、すべての流動床プロセスにとって一般的な問題である。
科学技術文献においては、熱分解の主要な揮発性生産物の分解反応速度は、５００℃を下回る均一な環境にある（すなわち遅い）ことが好ましいことが十分に証明されている（Ｍ．Ｌ．ボロソン、Ｊ．Ｂ．ハワード、Ｊ．Ｐ．ロングウェル、およびＷ．Ａ．ピータース、Ａ．Ｉ．Ch．Ｅ．Ｊ．、Vol．35、第１２０頁〜１２８頁、１９８９年）（M．L．Boroson，J．B．Howard，J．P．Longwell，and W．A．Peters，A．I．Ch．E．J．）。たとえば、反応炉内の自由空間への異質な固体の導入によって、条件が不均一になり、これによって主要な生産物の分解が増強され、より多くの気体および熱分解水が生成される。
いくつかのシステム（循環床）には、チョーキング、生産物蒸気の逆混合、熱伝達を考慮して最適のレベルを超える循環床の膨張といった動的な制約がある。他のシステムは、広範に利用または研究されていないので、検証および個々に確証の余地がある。
最近の技術文献において、浅い流動床を利用して、バイオマスから高い収率で液体を生成する技術に関する欠点が、強調されている。主な問題点は、高速熱分解の残存時間が短いという厳しい要件によって、そのような装置のスケールアップが困難かつ高価である点である。たとえば、ベルーチ（Berruti）他は、以下のように指摘している（「フラッシュバイオマス熱分解のための複数の供給点を有する大型流動床の性能の研究」、流動技術の基礎に関する国際会議、アルバータ州、バンフで提出、１９８９年５月）（′′Study of the performance of a large fluidized bed with multiple feed points for flash biomass pyrolysis′′，preseted at the International Conference on Fluidization Engineering Foundation，Banff，Alberta）。「フラッシュバイオマス熱分解用砂流動床のスケールアップは、容易な仕事ではない。固体の反応物の混合および分散、気体の残存時間、固体生産物の飛沫同伴および温度分布は、非常に重要なパラメータである。同じ概念および考慮点が、研究対象の気体−固体反応が速い、いかなる状況（燃焼、超熱分解、気化）についても当てはまる。バイオマス熱分解用大型流動床を設計する上での制約の１つが、反応炉の深さであり、これは最適な有機液の生成を可能にする気体残存時間の狭い範囲によって制限される。結果として、反応炉を大きくかつ浅くする必要がある。大きくかつ浅い流動床では、固体バイオマスを複数の供給点を介して流動床内に導入して、反応炉内に比較的均一な分布を達成することが必要になってくる−。」
より最近では、フリールおよびグラハムが、以下のように指摘している（「循環床移動反応炉システムのための方法および装置」、ＰＣＴ／ＣＡ９１／０００２２）（′′Method and Apparatus for a Circulating Bed Transport Reactor System′′）。「この反応炉システムは、急速加熱速度、上昇温度の制御、および比較的短い平均残存時間といった要件を満たしてはいるが、浅い気泡式流動床反応炉の主な制約は、様々な産業上の応用に対して、効率的に、経済的なスケールアップを行なうことができない点に集約される。流動床をスケールアップさせることはできるが、許容可能な流動化特性の要件を達成しようとすれば、流動床の深さもこれに応じてスケールアップしなければならず、その場合、特定の短い平均残存時間を維持することはできない−。」
先行技術に明記されるバイオオイル生成の残存時間が短いという要件は、実際、最適反応温度が約５００℃で高い液体の収率を得るために非常に高い加熱速度が必要であるという考えを基にしているかもしれない。しかしながら、この温度以上では、揮発性生産物の２次的な熱分解が、液体を犠牲にして気体の収率を増大させることが実証されている（Ｍ．Ｌ．ボロソン、Ｊ．Ｂ．ハワード、Ｊ．Ｐ．ロングウェルおよびＷ．Ａ．ピータース、Ａ．Ｉ．Ch．Ｅ．Ｊ．，Vol．35、第１２０頁、１９８９年）。したがって、単式流動床における気体の残存時間が短いという要件は、流動床が浅くなければならないことを示唆しており、その場合スケールアップの際に上に述べたような問題点に突き当たる。
したがって、主要な液体収率における減少が最小限で、より低い温度かつ長い固体残存時間で熱分解が可能なことが証明されれば、伝統的な深い流動床の簡便性が再びバイオマス熱分解の有力な方法となることが考えられる。
驚くべきことに、バイオマスの高速熱分解において高い液体の収率を得るのに必要な条件に関する一般的な考え方とは逆に、深い流動床を用いても、比較的低い温度で、中くらいの加熱速度で、かつ比較的長い固体および気体残存時間で、高速熱分解から得られるものと類似する組成の液体の高い収率が、得られることを私たちは発見した。特に、大気圧下、３６０℃〜４９０℃の温度、および気体の残存時間が２秒〜２５秒で、深い流動床で熱分解を行なうと、かなり高い温度でかつ非常に短い残存時間（０．５秒〜１秒）で、高速熱分解により得られるものと類似する液体の収率および組成が得られることを発見した。
これら新たな条件は、熱効率をかなり強化しかつのバイオマスを液体に熱分解するのにかかる主要コストおよび運用コストを低減するもので、これは、経済的な面が現在、非常に限界にある燃料用途については特に重要である。
表１は、開示される熱分解プロセスで得られる生産物の分布と、他の現在行なわれている高速熱分解プロセスから得られるものとを比較する表である。
本発明によれば、かなり高い温度（５００℃）で高速熱分解により得られるものと比べて、高い液体（バイオオイル）収率が、間接的に加熱される深い流動床において、大気圧下、４３０℃という好ましい温度で熱分解を行なうことにより得られる。一方、４３０℃では、硬材の高速熱分解により得られる液体の収率は、約６０重量％にすぎない。
本発明の他の局面では、液体の組成は、高速熱分解から得られるものに類似する。たとえば、いずれも供給原料に水分を含まないという前提で、約７５重量％の液体の総収率と、約１２重量％の水の収率とを硬材の供給原料から得た。水分を含まない有機液におけるヒドロキシアセトアルデヒドおよび酢酸の濃度は、それぞれ１１．４重量％および４．４重量％であり、これらは高速熱分解プロセスについて典型的な値である。
他の局面においては、開示されたプロセスから得られるチャーの収率は、これに匹敵する温度での高速熱分解から得られるものよりもかなり低い。その上、このチャーを、適切なチャー分解装置の容器内で熱アニールして、５００℃の高速熱分解から得られるものよりさらにチャーの収率を低くすることが可能である。
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ａ  Ｄ．Ｓ．スコット、「最大液体収率を生成するバイオマスの熱分解」（′′Pyrolysis of Biomass to Produce Maximum Liquid Yields′′）カナダ特許第１，３３２，５８０号
ｂ  Ｃ．ピーコック、バイオマスのアブレーティブ熱分解、博士論文、アストン大学（C．Peacoke，Ablative Pyrolysis of Biomass，Ph．D．Thesis，Aston University）、１９９４年、第１７２頁
ｃ  Ｇ．アンダーウッド、Ｒ．Ｇ．グラハム、「液体スモークとして高速熱分解を利用する方法」（G．Underwood，R．G．Graham，′′Method of Using Fast Pyrolysis as Liquid Smoke′′）、米国特許第４，９９４，２９７号
Ｊ．Ａ．ナイト、Ｃ．Ｗ．ゴートン（J．A．Knight，C．W．Gorton）、「バイオマスの噴流床熱分解によるオイル生成」、バイオエナジー８４、Ｈ．エグニュー、Ａ．エルガード（編）、エルゼビア応用化学、１９８５年、第９１４頁、Vol．３）（′′Oil Production by Entrained Flow Pyrolysis of Biomass′′，Bioenergy 84，H．Egneus，A．Ellegard，（Eds.）Elsevier Applied Science）に報告された結果をここにまた引用してもよい。いわゆる「噴流床熱分解装置」では、４３０℃で、チャーの収率は１９．８重量％でありかつオイルの収率は４０重量を下回っている。これらの結果は、特にここに提案する温度に類似する温度で得られた場合に特に顕著であり、それでいて非常に異なる生産物の分布を作り出している。特に、ナイトの文献に報告される液体の収率は、本件発明のプロセスのものより非常に低くかつチャーの収率は非常に高い。実際、上に述べた結果は、これら２つのプロセスがいくつかの非常に異なる特徴を呈する点を考えると理解できるものである。特に、噴流床システムは、バイオマスを直接加熱する源としてプロセスガスを使用するのに対し、本件発明では、固体対固体接触流動床を利用している点が異なる。さらに、噴流床システムは、うすい相であるのに対して、気泡式流動床は濃い相である。本発明の液体の収率は、エネルギ効率と製造コストから考えて最適なものと考えられる。設計の簡便性、簡略化された技術および環境にやさしい固体−チャー処理が行なえる点もさらに有利である。
周知の流動床バイオマス熱分解装置は、先に述べたウォータールー高速熱分解プロセスによりスペインのユニオン・フェノーサ（Union Fenosa）により操作されるものがある（ヨーロッパのための熱分解ネットワーク、第２回会議覚書、１９９５年１１月、補遺７）（Pyrolysis Network for Europe，Minutes of Second Meeting）。このユニオン・フェノーサの熱分解装置は、５００℃、５０ｋｐａゲージ圧および０．５〜１秒の気体残存時間で作動する浅い流動床を特徴とする。しかしながら、この流動床は、熱伝搬が再循環する生産物の気体の熱容量に限定されるという残念な制約があり、気体は、その回収熱交換器においては９００℃を超える温度には加熱することができない。したがって、熱の供給を増やすためには、気体の再循環を増大させる必要があり、その場合、冷却システムにさらなる負荷を課すことになり、また増大する全体の圧力差を補償するのに必要なデミニスタ装置と圧縮器が必要になる。
これに対し、本発明のプロセスにおいては、より低い熱分解温度で、深い流動床および長い気体残存時間によって、基本的な熱交換器およびエコノマイザを利用して、流動床にとってより好ましい温度差でかつより深い流動床で、独立した熱供給を行なうことが容易となる。たとえば、チューブバンクまたは類似する熱伝達装置を使用することは、高い固体対固体熱伝達係数を特徴とし、高い熱フラックスが流動床に到達くことを補償する。４００℃という流動床の温度では、砂と管との間の温度差は、６００℃以上の高温が可能である。
さらに、間接的に加熱されるシステムの利用によって、既に熱いチャー生産物を８００℃以上の温度にまで処理することが可能な熱交換器内に、チャー変換器サブシステムを置くことが可能になる。このチャー変換器によって、さらに気体が発生しかつ熱アニールによるチャーの体積の減少が起こる。供給原料内の金属が、特に、より低い熱分解温度では、チャー生産物の中に残る傾向があることが知られているので、このサブシステムは、重金属で汚染された供給源材料を扱う際に特に有利で、そのような原材料では、生産物のチャーを、チャーの体積の減少および安定化が経済的に有利である、埋め立てによるごみ処理によって廃棄する必要がある。さらに、そのようなシステムは、チャーを特定の炭素に変換するという選択肢を与えてくれる。たとえば、活性化した炭素は、ＣＯ2またはＨ2Ｏパージをチャー変換装置に結合することにより、ごく簡単に発生させることができる。
チャー気化についてこのシステムのもう１つの利点は、バイオマス、特に藁等の灰の含有量が高いものを直接的に燃焼させる際に起こる、公知の問題を解決する点である。この灰の含有物は、深刻な腐敗の問題を引き起こすアルカリ塩を有する。本発明では、チャーをチャー変換装置の中で完全に気化させて、灰生産物と燃料ガスとを得ることができる。この熱分解と気化とを組合せて利用することにより、本発明のシステムは、直接バイオマスを燃焼させる代わりに利用することができる。
本発明が開示する、許容可能な低い流動化気体速度によって、非常に細かい「ミクロカーボン」チャー粒子によってバイオオイル生産物の汚染を引き起こす傾向にあるバイオマス粒子の摩耗が低減される。バイオマスのミクロカーボンによる汚染によって、燃料用途において、オイルをノズルを介してパンピングする際に困難が生じかつ金属イオンでオイルが汚染されることに伴う技術的かつ環境的な問題も生じる。すると今度は、液体バイオオイル生産物の冷却ろ過または熱分解装置からの蒸気のオンラインでの熱い気体のろ過を行なうことが必要となる。Ｊ．Ｐ．ダイボールド他、バイオオイルの生成および利用、熱バイオマス処理に関する第２回ＥＵ−カナダワークショップ予稿集、Ａ．Ｖ．ブリッジウォーターおよびＥ．Ｎ．ホーガン（編）、ＣＰＬプレス、１９９６年、第６６頁）（J．P．Diebold et al，Bio-Oil Production and Utilization，Proc．2nd EU-Canada Workshop on Thermal Biomass Processing，A．V．Bridgewater and E．N．Hogan（Eds.），CPL Press）。したがって、このプロセスでは、これらの困難が有利に解消される。
本発明のもう１つの考えられる利点は、開示される低い処理温度で、バイオオイル液体生産物が、アルデヒドおよびカルボキシル酸等の酸素化された官能基をより高い濃度で含有する可能性がある点である。これは、バイオライム（Ｂｉｏ−ＬＩＭＥ、商標）（米国特許５，４５８．８０３号を参照）、アセタールの生成（ヨーロッパ特許出願第９５３０９４００．０を参照）および有機緩効性窒素肥料（ヨーロッパ特許出願第９５３０８９３４．９を参照）等のバイオオイルの用途にとって重要で、この場合、これら官能基がそれぞれ石灰、アルコールおよびアンモニアまたは液体スモークと反応する（米国特許第４，９９４，２９７号を参照）。
気体が栓流であったり、固体が逆混合されるような条件下で作動する、十分に深い流動床を利用する場合のもう１つの有利な局面は、供給点が流動化気体の進入点より十分上にあることを前提として、流動床自体に存在するチャーを一部気化することができる点である。この場合、当業者においては、必要とされる固体の逆混合がどのようにドラフトチューブ等により増強され得るかは容易に明らかになろう。
他の有利な局面においては、十分に深い流動床を利用することによって、流動床に浸したチューブバンクを利用し、間接的な加熱を図ることができる点である。
本発明はまた、バイオマスおよび石炭を燃焼させるシステムにおいても非常に有利である。石炭燃焼器においてバイオマスを直接的に燃焼させることは、バイオマス供給原料から発生する鉱物の付着による熱交換器表面の汚染および腐食という点で問題がある場合が多い。これは、灰の中のカリウムと塩化物の含有量が高い藁等の原料について、特に当てはまる。
熱分解による方法は、この問題解決の可能性を提示する。というのは、供給原料に含まれる鉱物は、液体または気体生産物中よりもチャー内に蓄積する傾向にあるからである（たとえば、Ｄ．メイヤー他、「バイオオイル生成および利用」、Ａ．Ｖ．ブリッジウォーターおよびＥ．Ｎ．ホーガン（編）、ＣＰＩプレス、１９９６年、第１０２頁を参照）。結果として、バイオマスを熱分解し、チャーを分離し、かつ揮発性生産物のみを燃焼させることによって、汚染の問題はかなり緩和することができる。さらに、バイオマス熱分解中、鉱物の揮発の範囲は、熱分解温度が下がるとかなり低減されることもわかっている。最も望ましい温度は、４５０℃を下回る温度である。したがって、この応用について最良の熱分解システムは、５００℃を下回る温度で熱分解を行なうことができ、しかもこのように温度が低いにもかかわらず揮発性生産物（すなわち気体および液体）の収率が高く、かつチャーの収率が低いものということなる。
この発明の熱分解（thermolysis）方法は、低温で高収率の揮発物を生成する熱分解（pyrolysis）のために特に設計されており、かつしたがって特にこの応用に適している。
この発明において記載される種類の流動床熱分解器を含む、石炭−バイオマス共燃焼に適したシステムは、石炭燃焼器に直接結合され、したがって、熱分解による生産物である熱いガス、蒸気およびエアゾールは冷却されず直接石炭燃焼ゾーンに送られる。熱分解器用流動化ガスは、適切な温度で燃焼器から取除かれる熱い煙道ガスからなるであろう。さらに、この方法は間接的に加熱される流動床を利用するので、熱分解に必要な熱は、適切な温度で抽出される煙道ガスによっても与えることができる。このシステムは以下の利点を有する。
（１）  生産物内の顕熱がすべて保持されるため、熱効率が増す。
（２）  高価なバイオオイル冷却システムが必要ないため、主要コストおよび運用コストが減じられる。
（３）  ガス再循環システムが必要ないため、さらに主要コストおよび運用コストが減じられる。
（４）  流動化ガス対バイオマスの比率が低い状態でこの方法が行なわれるため、不活性煙道ガスによる可燃性の生産ガスの希釈がそれほどないであろう。
（５）  鉱物質、特にアルカリおよび塩素がチャー内に大量に保持される。
（６）  チャー内に保持される残留する燃料として価値のあるもの（燃料値；fuel value）を、別個のサブシステム内のチャーの直接燃焼または気化のいずれかによって回収できる。
以下の計算は、バイオオイルを現場以外で生産しかつ冷たい状態で石炭燃焼器にこれを注入するという代替案と比較しての、燃焼器への熱い揮発性熱分解生産物の直接注入の利点を示している。供給物（フィード）が水分を含まないと前提すると水分を含まない有機物の典型的な液体収率が６５重量％であり、熱分解器へのバイオマスの供給物が１０重量％の水分を含有し、かつ熱分解処理によって、供給物が水分を含まないと前提すると反応により１２重量％の水が生産されると仮定すると、乾いたバイオオイルを７００Ｋ（仮定される熱分解温度）から冷却し濃縮しかつ湿ったバイオオイル生産物を７００Ｋまで再加熱することによって失われるであろう熱はｋｇあたり合計１．４８ＭＪであると計算されよう。これは、生産されるバイオオイルの総発熱量の約１０％である。さらに、バイオオイルが現場以外で生産されるのであれば、熱分解による濃縮不能なガス生産物を石炭燃焼器用に利用できないと考えるのが合理的である。このために、さらに約６．５％のエネルギ利用可能性が失われることとなり、全部で、生産されるバイオオイルの総発熱量の約１６．５％となる。この損失は、熱分解温度が１００℃上がるごとに約２％増す。この計算には、冷却システムの使用に関連するポンピングコストによる付加的なエネルギの節約は含まれていない。現場以外でのバイオオイルの調製のために、熱分解器からの熱い濃縮されていないエアゾール、蒸気およびガスを直接利用することが極めて好ましいと結論できよう。
従来の高速熱分解は、５重量％の灰を含有する麦藁からチャー２０重量％およびバイオオイル５０〜６５重量％を生産することが最適である（たとえば、スコット（Scott）、ピスコルツ（Piskorz）およびラドライン（Radlein）の『産業および工学化学（Industrial and Engineering Chemistry）』vol．24、（1985年581頁）を参照）。１ｋｇの藁の発熱量は約１９．３ＭＪ／ｋｇである。一方、硬材での結果と比較すると、この発明の方法によって、藁からのチャー生産量が１５％にまで減じられるであろうと予測される。したがって、１２〜２０重量％の範囲内でチャーを生産すると、チャーに保持される燃料値は、バイオマスの供給物１ｋｇあたり３．９〜５．９ＭＪまたは麦藁供給物の総燃料値の２０〜３０％であろう。このことは、チャーの形成を最小限にする熱分解処理の重要性およびおそらくはチャーを高温にさらすことなくチャー内の残留燃料値を回収する方法の必要性を強調する。
蒸気、二酸化炭素、空気または好ましくはそのうちの２つの組合せである燃焼器の煙道ガスによって、チャーを気化できることがこの分野では周知である。気化には、熱分解よりも高温、典型的には７００℃より高温が必要である。しかし、バイオマスの気化での状況と比較しての、この方策の重要な利点は、腐食性の無機塩を大量に放出することなくチャーを安全に気化できるであろうという点である（シャルティエ（Chartier）、ビーナッカー（Beenackers）およびグラッシ（Grassi）編『エネルギー、環境、農業および産業のためのバイオマス（Biomass for Energy，Environment，Agriculture and Industry）』（Elsevier.1995年）のＲ．フンメルショー（Hummelshoj）による「バイオマスから生産されるペレット化されたチャーの分散型気化（Decentralized Gasification of Pelletized Char Produced from‘Biomass’））。熱分解の間に揮発性の有機物を除去することが明らかに、残留する灰の揮発を高温下においても防止するような態様で、残留する灰を安定化する。
したがって、この発明が、低温でのバイオマスの熱分解および高温でのチャー生産物の気化を可能にし、それによって、揮発性の腐食性の無機物の排出が全体として最小限にとどめられるということは、この発明の利点である。
低温での熱分解で、無機物が揮発性の物質から自然に分離するという特性もまた、内燃機関での使用においては極めて有益である。汚れ、腐食および侵食の問題の回避に加えて、熱分解によってディーゼルおよびオットーサイクルエンジンの両者への注入に極めて適した微細に分離されたエアゾールを直接生産するというさらなる利点がある。熱分解による濃縮され液化されたバイオオイルを、円滑かつ効率的な燃焼のために必要とされる微細な小滴を生産するため噴霧することは、その粘性が高いため極めて難しい。
したがって、この発明の方法の望ましい応用例は、エアゾールおよびガスを含む熱い揮発性の物質が、液体の前もっての濃縮なしにエンジンに直接注入されるよう、熱分解器を内燃機関に直接結合させるものである。この配置例のさらなる利点は、液化されたバイオオイルの通常の生産における冷却段階に関連してのエネルギ効率の損失が回避される点である。前の段落で説明したように、熱分解による揮発性生産物の顕熱量は、バイオオイルの熱に対する感度が高い特性のため、実際には回復できない。
【図面の簡単な説明】
添付の請求の範囲に、この発明の新規な特徴であると信じられる特性を述べる。しかし、この発明自体は、その他の特徴および利点とともに、添付の図面を参照し以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されるであろう。
図１は、熱分解（thermolysis）システムの概略図である。
図２は、バイオマス−石炭共燃焼処理に熱分解（thermolysis）システムを応用する例の図であり、熱分解による熱い揮発性生産物は濃縮されるのではなく、直接燃焼器に注入され、かつ、付加的な燃料ガスを生産するようチャー生産物がもとの場所で任意に気化される応用例の図である。
好ましい実施例の説明
この方法のためのバイオマスの供給物は、木材のおがくず、樹皮、庭のごみ、廃材、農業廃棄物、ピート、製紙工場からの廃棄物、セルロースの廃棄物、自治体からでる固形廃棄物、食品加工による廃棄物、下水の泥などを含んでよい。
熱分解されるべきバイオマスは、水分含有量が１０重量％より少なくなるまで乾燥させられ、寸法が最も小さい部分で３ミリメートルよりも小さくなるよう粉砕される。次に図１を参照し、準備された供給原料がホッパ１０１内にためられ、そこから、可変スクリューフィーダによって定速スクリューフィーダ１０２へ計量しながら供給され、定速スクリューフィーダ１０２はこれを迅速に熱分解反応器２０５へ送る。
反応器２０５内には、１５００℃までの温度に耐え得る、たとえばけい砂などの不活性の物質の流動深床２１１がある。低ガス流量での良好な流動化を得るため、床材料の粒子の大きさは、好ましくは、約−２０〜＋１００メッシュの範囲内であるべきである。流動化ガスは、分配器プレート２０９を通じて分配される再循環生産ガスを含む。反応器２０５の大きさは、設計されるシステムの供給能力により選択される。
流動深床におけるガスの残存時間がもはや大きな設計に対する限定要素ではないという発見が重要である。この結果、流動深床の深さは、床を通じてのガスの線形速度が１秒あたり１０〜８０センチメートルの範囲内になければならないという要件によってのみ制約されることになる。この範囲内では、熱分解が完了したときに、生産物チャーの粒子を流動深床から自動的に吹き飛ばすかまたは溶脱（eluviated）させることができる。実際のシステムにおいてはガスの残存時間は１０秒を超えてもよい。チャー生産物を床内にあまりに長く置いておくとバイオオイルのクラッキングが促進され得、液体生産物の損失につながることが認識されているが、バイオマス固体の残存時間については特別の要件はない。しかし、このような問題は、この発明で開示される低温熱分解により緩和される。
反応器２０５から流出する反応器ストリームは、生産物蒸気、エアゾール、ガスおよびチャー粒子と合わさった再循環ガスの混合物からなる。
前に述べた、生産物蒸気および流出物は３８０℃未満の乾いた表面に接触してはいけないという要件を容易に満たすため、この実施例においては反応器２０５内にある、サイクロン２０６内で、流出反応器ストリームからチャーの粒子が取除かれる。しかし、この要件が満たされるかぎり、サイクロン２０６を反応器２０５の外に位置づけることもできる。除去されたチャー粒子は、チャー気化器３０１内に集められる。
流出する反応器のストリームは、移送ライン２０７を通じて生産物収集サブシステムへ送られる。このラインも、３８０℃より高温に維持されねばならない。付加的接続部２０８が、プロセス用の加熱のための補助燃料を提供するよう、反応器の流出物の部分を分離する手段を提供する。
次に、流出する反応器のストリームは洗浄塔または液体冷却器４０３に入り、そこで適当な液体で直接冷却され、それによって、洗浄塔４０３の下部から出て行く組合された液体生産物は６０℃以下となる。この組合された液体生産物は、液体生産物タンク４０４内に貯蔵される。ここで図示する特定の実施例においては、冷却用の液体は、６０℃よりも低温に熱交換器４０２内で冷却される液体バイオオイルである。しかし、所望であれば、反応性であってもよい混合不能の液体を含む他の液体を使用してもよいので、これは限定条件ではない。
冷却後、通常少量のエアゾールが残り、これをデミスタ４０５内で取除き、タンク４０６内に集めなければならない。デミスタ４０５は、たとえば電気式集塵装置、充填層、ベンチュリデミスタ、メッシュ合体器（mesh coalescers）などの任意の適切な種類のものでよい。
デミスタ４０５から出る清浄ガス生産物は、典型的には、主として二酸化炭素、一酸化炭素およびメタンからなる低量から中量のＢＴＵガスである。これは再循環流動化ガスとして使用するため圧縮器２０１によって再循環させられる。
生産ガスの部分は、燃焼器２０３内で、たとえば天然ガスまたはプロパンなどの補助燃料とともに燃焼させられる。燃焼器の煙道ガスは熱交換器２０４を通過させられ、そこで流動深床材料に熱を伝える。この特定の実施例においては、熱交換器はチューブからなる。しかし、熱交換器はまた、流動深床２１１の高さで反応器の周りを囲むジャケットであってもよい。煙道ガスは、６００℃より低温で熱交換器２０４から排出され、さらに、熱交換器２０２Ａによって燃焼空気を、かつ、熱交換器２０２によって再循環流動化ガスを予備加熱するため使用される。
付加的なチャー変換器サブシステムは、収集されたチャー粒子を気化する働きをするチャー気化器３０１を含む。図示される実施例では、チャーの気化は、燃焼器の煙道ガスで、チャー気化器３０１によって達成される。さらに気化またはチャーの活性化を促進するために、チャー気化器３０１へ二酸化炭素３０４を任意に注入してよい。最終的な固形のチャーまたは灰生産物は、スクリューコンベア３０２によって除去され、ビン３０３内に集められる。
図２は、ここで説明した方法が石炭燃焼システム３１０、内燃機関（図示せず）または（やはり図示しない）より一般的な任意の種類の熱パワー生産システムであってよい燃焼システムに、直接結合される応用例を図示する。いかなる点でも応用分野を限定することなく、以下の説明は石炭−バイオマス共燃焼システムを説明する。
熱分解器は、本質的に、図１の方法において説明したものと同一である。この方法との主たる違いは、バイオオイルの冷却および収集ならびにガス再循環サブシステムがないことである。供給物の準備および供給ならびに反応器の設計に関しての留意点は図１で説明したものと類似する。
しかし、反応器の流動化ガスは、送風器２０１により流動深床を通じて送られる燃焼器２０３からの煙道ガスを含む。必要であれば、流動化ガスはさらに熱交換器２０２内で予備加熱されてもよい。
図１とは対照的に、ここでは移送ライン２０７は、生産物の冷却および収集サブシステムへではなく、石炭燃焼器３１０に直接繋がっている。ここで適切かつ好都合な点で注入され、かつ石炭とともに燃焼される。燃焼器３１０は、流動深床燃焼器を含むさまざまな設計のものでよい。図１におけると同様、移送ライン２０７は熱分解生産物エアゾールの濃縮による汚れを防止するため、３８０℃より高温に維持される。
床は、燃焼器２０３からの熱い煙道ガスとの熱交換によって、間接的に、７００〜１０００℃の範囲内の温度に加熱される。流動深床に付加的な熱を与えるために、燃焼器２０３からの熱い煙道ガスが使用される。この例において考えられている熱交換器２０４は、チューブ型のものであるが、この選択はいかなる点でも限定を意図するものではない。
この熱交換器２０４を約６００℃で出て行く冷却された煙道ガスは、付加的チャー気化器３０１を加熱する。ブリードストリーム３０４は、チャーの気化を促進するために適した混合物である、蒸気および二酸化炭素の両者を豊富に含むガスを与える。もし所望であれば、気化のためより酸化した雰囲気を与えるため、ストリーム３０４に少量の空気を混合してもよい。気化による最終的な灰生産物はスクリューコンベア３０２によって除去され、ビン３０３内に集められる。
この例においては、チャーの気化による一酸化炭素の豊富な生産物が、サイクロンを通じて逆流する向流によって、熱い揮発性の熱分解生産物と混合される。しかし、混合の代替的点は当業者には明らかとなるであろう。
ここに説明した実施例の変更例および修正例が当業者には明らかとなるであろう。したがって、この発明の範囲は、この説明によって不当に制限されてはならず、添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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