(57)【要約】  蒸気爆発プロセスユニットとバイオマスから合成ガスを生成するバイオマス気化部とを含む統合装置が論じられる。蒸気爆発プロセスユニットは熱、圧力及び湿気の組み合わせをバイオマスへと適用し前記バイオマスを湿潤な微粒子形態とする。前記蒸気爆発プロセスユニットは前記バイオマス内に存在する気体及び液体を加熱、加圧するため高圧蒸気を適用し、増加した湿気含有量を持つ前記バイオマスの急速な減圧を通じて前記バイオマスのバルク構造を内部的に分解する。これらの生成された湿潤なバイオマスの微粒子はその後前記バイオマス気化部の供給セクションへと供給され、それにより前記バイオマス粒子を急速なバイオマス気化反応にて反応させ合成ガスを生成する。  【選択図】  図１Ｂ
2016526065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスから合成ガスを生成する統合装置であって、
バイオマスチップを供給材料として受け入れる入力穴と、１又はそれ以上の蒸気供給入力口と、バイオマス気化部への後の供給のために前記バイオマスを事前処理する２又はそれ以上のステージと、を有する蒸気爆発ユニットを有し、
前記２又はそれ以上のステージは、前記バイオマスに対して適用される熱と圧力と湿気の組み合わせを使用して前記バイオマスを湿潤な微細粒子形態にし、
前記２又はそれ以上のステージは、前記バイオマスのセルロース繊維からのヘミセルロースとリグニンとの間の結合を分解することを開始し前記受け入れたバイオマスチップの湿気含有量を増加させる、第１の蒸気供給口からの蒸気を適用することにより前記受け入れたバイオマスチップのバルク構造を少なくとも部分的に分解するよう構成され、その後、前記ステージにおいて第２の蒸気供給口からの少なくとも大気圧の１４倍の蒸気が適用され前記バイオマス内に存在する気体と流体が加熱及び加圧され、
前記２又はそれ以上へのステージの出口オリフィスにおいて前記加圧されたバイオマスの前記バルク構造は前記バイオマスの急速な減圧を通じて内部で分解し、
前記分解したバイオマスは前記ステージから排出され厚さが７０ミクロンより小さく長さが５００ミクロンより小さい平均寸法を有する微粒子形態を生成し当該生成された湿潤なバイオマスの微粒子はその後前記バイオマス気化部の供給セクションへと供給され、及び、
前記バイオマス気化部は、前記湿潤な微粒子形態のバイオマスを反応させるよう構成された反応容器を有し、前記湿潤な微粒子形態のバイオマスは、前記蒸気爆発ユニットにて分解されたことにより前記入力穴にて前記受け入れたバイオマスチップに比べて減少した粒子サイズと全体として増加した表面積を有し、
前記バイオマス気化部は、第３の蒸気供給口と１又はそれ以上の熱源を有し、前記蒸気の存在下における微粒子形態の前記バイオマスは前記反応容器において急速なバイオマス気化反応にて反応し、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む少なくとも合成ガスを生成し、
前記蒸気爆発ユニットと前記バイオマス気化部は前記統合装置の一部である、統合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の前記統合装置であって、
前記蒸気爆発ユニットの前記２又はそれ以上のステージは、少なくとも熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含み、
前記熱加水ステージは、前記バイオマスチップを受け取る前記入力穴を有し、前記第１の蒸気供給口は、６０度Ｃより高く１４５度Ｃより低い高温であっておよそ大気ＰＳＩの圧力で前記バイオマスチップを含む容器へと低圧飽和蒸気を適用し、前記受け入れたバイオマスチップの分解、加水及び軟化を開始するよう構成され、
温度センサセットは、前記受け入れたバイオマスチップの高められた温度についてのフィードバックを提供し、
制御システムは、８〜２０分の留置時間、前記バイオマスチップを前記熱加水ステージに留めることを維持するよう構成され、前記留置時間は、前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージへと移動させる前に前記バイオマスチップを湿気で飽和させるのに十分な長さである、統合装置。
【請求項３】
請求項２に記載の前記統合装置であって、
前記熱加水ステージは、軟化され湿気含有量が増加した前記バイオマスチップを送りねじシステムを介して前記蒸気爆発ステージへと供給し、前記蒸気爆発ステージは、前記制御システムにより前記熱加水ステージに存在する圧力の１０〜３０倍の圧力となるよう維持されており、前記蒸気爆発ステージはさらに前記バイオマスの湿気含有量と前記バイオマスを構成する細胞の内圧を上昇させる、統合装置。
【請求項４】
請求項１に記載の前記統合装置であって、
前記熱加水ステージの後、前記軟化されたチップ状態のバイオマスは、プラグ形態へと１）押しつぶされ及び２）圧縮されのうちのいずれかの組み合わせがなされ、前記プラグ形態のバイオマスは、その後前記プラグ形態のバイオマスを蒸気爆発ステージへと移動させる連続的送りねじ運搬システムへと供給され、
前記連続的送りねじ運搬システムにおいて前記プラグ形態の前記バイオマスは、前記蒸気爆発ステージに存在する少なくとも大気圧の１４倍の前記高圧蒸気からのブローバック背圧が前記熱加水ステージへと影響することを防止し、
水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む前記バイオマス気化部からの前記合成ガスの成分は、メタノールを生成する下流側のメタノール合成反応容器へと供給され、前記メタノール合成反応容器は前記統合装置の一部である、統合装置。
【請求項５】
請求項４に記載の前記統合装置であって、
前記蒸気爆発ステージは、１又はそれ以上の刃を有する精製ステージと結合し、前記精製ステージは、前記加圧されたバイオマスが前記蒸気爆発ステージから前記蒸気爆発ステージ内の圧力の３分の１より小さい圧力に維持されたブローラインへと前記出口オリフィスを通じて出る前に前記加圧されたバイオマスを機械的に撹拌し、それにより前記加圧されたバイオマスを内部的に分解するよう構成されており、
前記精製ステージにおける前記機械的撹拌は、粒子状態のバイオマスが前記バイオマス粒子の平均寸法においてより均質なサイズ分布をもつ結果となることを生じさせるよう構成される、統合装置。
【請求項６】
請求項２に記載の前記統合装置であって、
前記蒸気爆発ステージは、温度と圧力のセンサセットと前記制御システムとを有しており、
前記バイオマスは、５分〜２０分の間前記第２の蒸気供給入力口からの少なくとも１８８度Ｃ、１６０ＰＳＩの高温高圧蒸気へとさらされ、それは前記バイオマスのバルク構造の湿気浸透多孔部と前記バイオマスのすべての流体及び気体が前記高温に至るまで行われ、
運搬システムは前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージを通じて前記出口オリフィスへと供給し、
前記出口オリフィスの小さい開口部は４〜１０バールの減少圧力に維持された管へと続き、前記高圧のいずれの内部流体又は気体も膨張し、前記バイオマスの前記バルク構造を内部的に分解し、前記湿潤なバイオマス微粒子とする、統合装置。
【請求項７】
請求項１に記載の統合装置であって、
前記蒸気爆発ユニットの前記２又はそれ以上のステージは、熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含み、
前記熱加水ステージは、第１の温度センサセットと制御システムとを有し、前記制御システムは、前記第１の蒸気供給入力口を通じて前記リグニンのガラス遷移点より高い温度で前記バイオマスチップへと前記蒸気を適用するよう構成され、それにより前記バイオマスが軟化し前記湿気含有量が上昇し少なくとも前記蒸気爆発ステージにおける前記バイオマスの前記セルロース繊維が内部的に前記バイオマスから分解可能となり、
前記熱加水ステージは、前記バイオマスチップを受け入れるよう構成され、前記バイオマスチップは葉、針状の葉、樹皮、及び幹を含み得り、前記制御システムは、８〜２０分の滞留時間前記蒸気を用いて前記熱加水ステージの前記バイオマスチップを６０度Ｃより高い温度に加熱した後、前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージへと送り、前記バイオマス素材の前記バルク構造の前記部分的に中空のセルロース繊維とその他の多孔領域の内部に高圧蒸気を生成し、その後、前記蒸気爆発ステージの前記出口オリフィスを通過する際の環境圧は、前記蒸気爆発ステージの前記制御システムにより１６０〜４５０ＰＳＩの間で維持されている前記バイオマスの前記バルク構造を内部爆発を生じさせる減少圧力の管へと押し出すことにより急激に降下し、それにより前記バイオマスをバイオマスの微粒子へと分解し、
繊維の束状のバイオマスの前記バルク構造をセルロース繊維、リグニン及びヘミセルロースの断片及びかけらへと内部的に分解することにより、１）前記受け入れたチップ状態のバイオマスに比べて微粒子状態の前記バイオマスの表面積の増大、及び２）繊維というよりむしろ砂の粒子のように流れる微粒子状態の結果として生じた生成バイオマスの構造における変化、の両方が生じる結果となる、統合装置。
【請求項８】
請求項１に記載の統合装置であって、
前記蒸気爆発ユニットの前記２又はそれ以上のステージは、熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含み、
前記蒸気爆発ステージの前記出口オリフィスにおいてひとたび前記バイオマスが湿潤な微粒子状態となると、前記生成されるバイオマスの粒子はブローラインを急速に通過し水蒸気として排気される蒸気により前記湿気含有量の割合を失い、
前記生成されたバイオマスと湿気の粒子はサイクロンフィルタにより分離され、
バイオマスの前記微粒子の前記湿気含有量はバイオマスの前記微粒子の前記湿気含有量を重量において２０％より小さくなるよう減少させる乾燥部によりブロー容器の出口においてさらに乾燥され、
前記乾燥部は、その後、減少した湿気含有量を有するバイオマスの前記微粒子を前記バイオマス気化部へと供給する準備が整うまで保管のためサイロへと供給する、統合装置。
【請求項９】
請求項１に記載の統合装置であって、
前記蒸気爆発ステージは、１又はそれ以上の刃を有する精製ステージと結合し、前記精製ステージは、前記加圧されたバイオマスが前記蒸気爆発ステージから前記出口オリフィスを通じてブローラインへと出る前に前記加圧されたバイオマスを機械的に撹拌するように構成され、前記減少した湿気含有量を有する生成されたバイオマスの微粒子は、分解され、引き裂かれ、寸断され及びこれらのいずれかの組み合わせをされ、かつ厚さが３０ミクロンより小さく長さが２００ミクロンより小さい平均寸法を有するセルロース繊維を含み、
前記受け入れたチップ形態のバイオマスと比較した場合に同一量のバイオマスにおける高い表面積対体積比を実現するため、前記生成されたバイオマスの微粒子は、前記バイオマス気化部の前記反応容器における前記急速なバイオマス気化反応のため下流側の前記バイオマス気化部へと供給され、それにより前記バイオマス素材へのより高い熱と物質の移動及び前記バイオマスのすべての分子のより急速な熱分解及び気化を許容することとなる、統合装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の統合装置であって、
１４バールより高い高圧蒸気で満たされた前記蒸気爆発ステージは、微粒子形態の前記バイオマスを生成するため減少圧力の次のステージへと前記バイオマス素材を爆発させるよう構成された放出口を含み、
磁性フィルタと空気洗浄フィルタシステムは、前記熱加水ステージへと結合し、それにより前記熱加水ステージへと入る前に金属片及び重い石がチップ形態の前記バイオマスから除去されることを保証し、それによりこれらの金属片及び重い石が前記放出口を含む前記蒸気爆発ユニットの一部を塞ぐことを防止することとなり、
微粒子形態の前記バイオマスは、ブロー容器の供給ラインを高速で流れ、流動補助材は、１）流動可能固体と２）気体を含み、前記バイオマスによる詰まりを防止するため１）前記蒸気爆発ステージの前記放出口及び２）前記供給ラインのいずれかにて注入され、加えて前記供給ラインは、前記供給ラインのまわりに配置された加熱コイルを有し、それにより微粒子形態の前記バイオマスの上昇した温度を維持し、それにより微粒子形態の前記バイオマスのロジンと樹脂酸の結晶化を防止することを助けることとなる、統合装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の統合装置であって、さらに、
水分分離ユニットを有し、
蒸気爆発ステージの排出ステージにおける収集チャンバは、より小さな粒子サイズであってパルプ形態の前記バイオマスを収集するために使用され、前記水分分離ユニットへと供給され、
水分はサイクロンユニットにて微粒子形態の前記バイオマスから除去され、乾燥部へと供給され、それによりさらに微粒子形態の前記バイオマスの減少した湿気含有量は重量において２０％より小さくなり、
前記サイクロンユニットから回収した前記蒸気爆発ステージから得られた有機化合物を含む気体は、収集され供給ラインを通じて前記バイオマス気化部へと供給される、統合装置。
【請求項１２】
統合装置においてバイオマスから合成ガスを生成する方法であって、
チップ形態のバイオマスを供給材料として受け取るステップであって、その後のバイオマス気化部への供給のために２又はそれ以上の前記バイオマスを事前処理する、ステップと、
熱、圧力及び湿気の組み合わせを前記２又はそれ以上のステージの前記バイオマスへと適用するステップであって、前記バイオマスを湿潤な微粒子形態にし、
前記２又はそれ以上のステージにおける蒸気爆発プロセスは、前記バイオマスのセルロース繊維からのヘミセルロースとリグニンとの間の結合を分解することを開始し前記受け入れたバイオマスチップの湿気含有量を増加するよう低圧の蒸気を適用することにより前記受け入れたチップ形態のバイオマスのバルク構造を少なくとも部分的に分解し、その後前記バイオマス内の気体と流体を加熱及び加圧する高圧蒸気を適用することにより増加した湿気含有量と分解した結合を有する前記バイオマスの急速な減圧を通じて前記受領したチップ形態のバイオマスの前記バルク構造を内部的に分解し、
前記２又はそれ以上の蒸気爆発ユニットからの前記湿潤な微粒子形態となった前記バイオマスは、厚さが７０ミクロンより小さく長さが５００ミクロンより小さい平均寸法を有し、当該生成されたバイオマスの湿潤な微粒子は、後に前記バイオマス気化部の供給セクションへと供給される、ステップと、
前記バイオマスの微粒子を反応させるステップであって、前記バイオマスの微粒子は、前記バイオマス気化部の前記蒸気爆発ユニットの前記２又はそれ以上のステージにより分解されたことにより供給材料の前記受け入れたチップ形態のバイオマスに比べて減少した粒子サイズと全体として増加した表面積を有し、
前記バイオマス気化部の蒸気の存在下で前記蒸気爆発ユニットにより生成された前記バイオマスの前記粒子は、急速なバイオマス気化反応にて反応し、それにより水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む少なくとも合成ガスの成分を生成することとなり、
前記蒸気爆発ユニットとバイオマス気化部とは、前記統合装置の一部である、ステップと、を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の前記統合装置のための方法であって、
前記２又はそれ以上のステージは、熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含み、
前記熱加水ステージは、前記低圧蒸気を適用し、前記低圧蒸気は、湿気で飽和しており前記チップ形態のバイオマスを含み６０度Ｃより高く１４５度Ｃより低い高温かつおよそ大気ＰＳＩ圧力の容器内へと向かい、前記受け入れたチップ形態のバイオマスの分解、加水及び軟化を開始し、
前記バイオマスの前記チップは、湿気で飽和するよう１０〜１５分の十分な長さ前記熱加水ステージに滞留し、
前記熱加水ステージは、前記蒸気爆発ステージに対して軟化され湿気含有量が増加したバイオマスのチップを供給し、前記蒸気爆発ステージは、１６０〜４５０ＰＳＩの圧力であって１６０〜２７０℃の温度に維持されている、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の前記統合装置のための方法であって、さらに、
１６０〜４５０ＰＳＩにて加圧されたバイオマスが前記蒸気爆発ステージ内の圧力の３分の１より小さい圧力に維持されたブローラインへと前記出口オリフィスを通じて前記蒸気爆発ステージから出る前に、精製ステージの１又はそれ以上の刃を用いて前記蒸気爆発ステージの前記バイオマスを機械的に撹拌し、それにより前記１６０〜４５０ＰＳＩにて加圧されたバイオマスを内部的に分解することとなる、ステップであって、
前記精製ステージにおける前記機械的撹拌は、結果として生じる粒子状態のバイオマスが前記バイオマス粒子の平均寸法においてより均質なサイズ分布をもつことを生じさせるよう構成される、ステップを含む方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の前記統合装置のための方法であって、
前記熱加水ステージの後、前記軟化されたチップ状態のバイオマスは、１）押しつぶされ及び２）圧縮されのうちのいずれかの組み合わせがなされ、その後、前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージへと移動させる運搬システムへと供給され、
前記運搬システムにおいて、前記バイオマスは、前記蒸気爆発ステージに存在する前記高圧蒸気からのブローバック背圧が前記熱加水ステージへと影響することを防止する、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の前記統合装置のための方法であって、
前記蒸気爆発ユニットの前記２又はそれ以上のステージは、熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含み、
前記熱加水ステージは、軟化させ湿気含有量を向上させるため８〜２０分の留置時間で前記蒸気を用いて前記バイオマスが６０℃より高くなるよう適用される蒸気を有し、その後、前記バイオマスを前記バイオマスの前記蒸気爆発ステージへと送り、チップ形態の前記バイオマスを内部的に分解することとなり、
前記バイオマスは、１６０〜４５０ｐｓｉｇの高温高圧蒸気バイオマスへと３〜１５分の十分な時間さらされ、前記バイオマス素材の前記バルク構造の部分的な中空のセルロース繊維とその他の多孔領域の内部に高圧蒸気を生成し、その後、前記蒸気爆発ステージの出口における前記圧力は、１６０〜４５０ｐｓｉｇの前記バイオマスの前記バルク構造を内部爆発を生じさせる１６０〜４５０ｐｓｉｇの３分の１よりも小さい減少圧力の管へと押し出すことより急速に降下し、それにより前記バイオマスを内部的に分解しバイオマスの微細粒子とする、方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の前記統合装置のための方法であって、
前記バイオマスは、単一の連続的な直径の圧力降下というよりもむしろ異なる直径セクションを用いた制御された一連の２又はそれ以上の圧力降下がなされる前記蒸気爆発ステージの前記出口オリフィスを通過する際に爆発し前記湿潤な微粒子形態となり、
ひとたび前記バイオマスが爆発し前記湿潤な微粒子形態となると、前記生成されたバイオマスの粒子は、水蒸気として急速に通過し排気される蒸気により前記湿気含有量の割合を失い、
バイオマスの前記微粒子の湿気含有量は、バイオマスの微粒子の前記湿気含有量を重量において２０％より小さくなるよう減少させるフラッシュドライヤにより乾燥される、方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の前記統合装置のための方法であって、
減少した湿気含有量の前記生成されたバイオマスの微粒子は、分解され、引き裂かれ、寸断され及びこれらのいずれかの組み合わせがなされたセルロース繊維を含み、厚さが５０ミクロンより小さく長さが２００ミクロンより小さい平均寸法を有し、
前記受け入れたチップ形態のバイオマスと比較した場合に同一量のバイオマスにおける高い表面積対体積比を実現するため、前記生成されたバイオマスの微粒子は、前記バイオマス気化部の反応容器における前記急速なバイオマス気化反応のために下流側の前記バイオマス気化部へと供給され、それにより前記バイオマス素材へのより高い熱と物質の移動及び前記バイオマスのすべての分子のより急速な熱分解及び気化を許容することとなる、方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の前記統合装置のための方法であって、さらに、
前記蒸気爆発ユニットの放出口においてより小さな粒子サイズであってパルプ形態へと縮小した前記バイオマスを収集し、水分分離ユニットへと供給するステップであって、
水分はサイクロンユニットにて微粒子形態の前記バイオマスから除去され、重量において４０％より小さい微粒子形態の前記バイオマスの前記減少した湿気含有量は、フラッシュドライヤへと供給され、前記フラッシュドライヤは、さらに前記バイオマスの前記湿気含有量を重量において２０％より小さくなるよう減少させる、ステップを含む方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
前記熱加水ステージの後、前記軟化されたチップ状態のバイオマスは、プラグ形態へと１）押しつぶされ及び２）圧縮されのうちのいずれかの組み合わせがなされ、前記プラグ形態のバイオマスは、その後前記プラグ形態のバイオマスを蒸気爆発ステージへと移動させる連続的送りねじ運搬システムへと供給され、
前記連続的送りねじ運搬システムにおいてプラグ形態の前記バイオマスは、前記蒸気爆発ステージに存在する前記高圧蒸気からのブローバック背圧が前記熱加水ステージへ影響することを防止し、
前記バイオマス気化部からの前記合成ガスの成分は、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含み、メタノールを生成する下流側メタノール合成反応器へと供給され、前記メタノール合成反応器は前記統合装置の一部である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本出願は２０１４年５月３日に出願され「気化前の蒸気爆発手法を用いたバイオマスの事前処理」と題した米国出願番号１４／２７６，７１９へと優先権とその利益を主張し、当該米国出願は２０１２年６月２２日に出願され「気化前の蒸気爆発方法を用いたバイオマスの事前処理」と題した米国非仮出願１３／５３１，３１８へと優先権と一部継続出願としての利益を主張している。本出願はまた、米国特許法１１９条の下で、２０１３年５月１４日に出願され「気化前の蒸気爆発方法を用いたバイオマスの事前処理」と題した米国仮出願番号６１／８２３，３６０へと優先権及びその利益を主張する。本出願はまた２０１３年６月４日付の「気化前の蒸気爆発方法を用いたバイオマスの事前処理」と題したＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０４４１４３へと優先権と一部継続出願としての利益を主張し、当該ＰＣＴ出願は上記米国仮出願番号６１／８２３，３６０及び米国非仮出願番号１３／５３１，３１８へと優先権及びその利益を主張した国際出願である。前述のすべての出願は参照により本出願へと取り込まれる。
【０００２】
＜技術分野＞
本設計は全般的に気化又は燃焼前の事前処理としての蒸気爆発方法を利用したバイオマスの処理に関する。ある実施形態において、前記設計は統合装置と特に関連し、前記統合装置は、前記バイオマスから液体燃料を生成するため又は前記バイオマスを高密度形態へと変換し液体燃料、熱／電力，動物飼料、寝床又は化学物質をさらに処理するための施設への経済的な移送を促進するためこのバイオマスを使用する。
【背景技術】
【０００３】
本技術はもともと乾燥した木材チップを用いて中密度繊維ボードを製造するために想起された。他のプロセスは、前記木材チップを粉砕し、前記チップを乾燥させ、前記チップを再度粉砕し、前記繊維を湿潤化し、前記繊維を高密度化し、そして前記木材チップを高密度化（例えばペレット形態）する、といった複数の工程を必要とする。これらの工程は複雑で、資本集約的で、大量のエネルギーを必要とする。またある典型的なプロセスは、バイオマスの前記チップを乾燥させ、後の加熱／処理ユニットへと送る前に前記チップを非常に細かい寸法に粉砕することを必要とする。この乾燥及び粉砕には多量のエネルギーと資本コストがかかる。これらのプロセスは小さい繊維を生成するものの蒸気爆発プロセス（ＳＥＰ）により生成される微粒子の何倍ものサイズの繊維である。従前のＳＥＰプロセスを使用した産業では、繊維強度だけでなくバイオマスを構成する繊維の集約性も維持することが望まれ、それゆえ蒸気爆発ユニット内の過酷な状況には服しないより長い断片が望まれていた。また、前記バイオマスの追加的な機械的撹拌は、繊維長と繊維集約性の両者をさらに減少させてしまうことから適用されていなかった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
統合装置は、蒸気爆発ユニットと、バイオマスから合成ガス（Ｓｙｎｇａｓ）を生成するためのバイオマス気化部とを含む。蒸気爆発ユニットは、前記バイオマスへと熱、圧力及び湿気の組み合わせを適用し前記バイオマスを湿潤な微粒子形態とする。前記蒸気爆発ユニットは、前記バイオマス内に存在する気体及び流体を加熱及び加圧する高圧の蒸気を適用する。前記２又はそれ以上のステージへの出口オリフィスにて、前記加圧されたバイオマスのバルク構造は内部的に分解し前記増加した湿気含有量を有する前記バイオマスの急速な減圧を通じて内部的に分解することとなる。この生成された湿潤なバイオマスの微粒子はその後前記バイオマス気化部のセクションへと供給され、それは合成ガス成分を生成する急速なバイオマス気化反応において前記バイオマス粒子と反応する。前記蒸気爆発ユニットの前記蒸気爆発ステージは精製ステージと結合し、前記精製ステージは、１又はそれ以上の刃を有し、前記バイオマスが前記蒸気爆発ユニットからオリフィスを通じてブローラインへと出る前に前記バイオマスを機械的に撹拌するよう構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
複数の図面が本設計の例示的実施形態について言及している。
【図１Ａ】図１Ａは、蒸気爆発ユニットの実施形態に係るフローの概念図を示し、蒸気爆発ユニットは供給材料としてバイオマスを受け入れる入力穴と、２又はそれ以上の蒸気供給口と、バイオマス気化部への後の供給のために前記バイオマスを事前処理する２又はそれ以上のステージとを備えている。
【図１Ｂ】図１Ｂは、蒸気爆発ユニットの実施形態に係るフローの概念図であり、蒸気爆発ユニットは供給材料としてバイオマスを受け入れる入力穴と、２又はそれ以上の蒸気供給口と、バイオマス気化部への後の供給のために前記バイオマスを事前処理する２又はそれ以上のステージとを備えている。
【図２】図２は、バイオマスから合成ガスを生成し前記合成ガスから液体燃料製品を生成する統合装置に関するフロー図の実施形態を示す。
【図３−１】図３−１は、例示的なバイオマス気化部の代替構成について示している。
【図３−２】図３−２は、例示的なバイオマス気化部の代替構成について示している。
【図３−３】図３−３は、例示的なバイオマス気化部の代替構成について示している。
【図３−４】図３−４は、例示的なバイオマス気化部の代替構成について示している。
【図４Ａ】図４Ａ〜４Ｃは、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の繊維束を有する例示的バイオマスチップの異なる水準の拡大図について示している。
【図４Ｂ】図４Ａ〜４Ｃは、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の繊維束を有する例示的バイオマスチップの異なる水準の拡大図について示している。
【図４Ｃ】図４Ａ〜４Ｃは、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の繊維束を有する例示的バイオマスチップの異なる水準の拡大図について示している。
【図４Ｄ】図４Ｄは、爆発してバイオマスの微粒子となる例示的なバイオマスチップについて示している。
【図４Ｅ】図４Ｅは、個々の繊維へとほぐれた又は部分的に分離した繊維の束を有するバイオマスチップについて示している。
【図５】図５は、合成ガス製品を含む化学製品を生成するよう構成された輻射熱化学反応容器の実施形態に係るフロー概略図について示している。  本設計は、様々な修正及び代替的な形態を採る一方で、特定の実施形態が図面における例示により示され、本書面において詳細に記述されるであろう。本設計は、開示される特定の形態に限定されるものと理解されるべきなく、それとは逆に、本設計の精神と範囲に当てはまるすべての修正、均等物、代替物を含むことを意図している。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の記述では、本設計の完全な理解を提供するため、例えば、特定の化学物質、命名された構成、接続、熱源の種類等の多数の特定の詳細が述べられる。しかしながら、当業者によれば本設計がこれらの特定の詳細がなくとも実施されることが明らかであろう。他の例では、周知の構成や方法については詳細に説明せず、むしろ本開示を不必要に不明確なものとすることを避けるべくブロック図にて説明した。従って、前記述べられた特定の詳細は単に例示的なものである。前記特定の詳細は、本設計の精神と範囲から変更され得り、かつ未だ本設計の精神と範囲内にあると考えられ得る。
【０００７】
一般に、バイオマスの事前処理のための多くの例示的方法及びバイオマスの事前処理と関連した多くの装置が記載される。以下の図面及び文章は、バイオマスの前記事前処理を用いた統合装置のための様々な例示的実施について記述する。ある実施形態においては、前記統合装置は少なくとも蒸気爆発ユニットとバイオマスから合成ガスを生成するバイオマス気化部とを含む。前記蒸気爆発ユニットは、バイオマスを供給材料として受け入れる１又はそれ以上の入力穴と、１又はそれ以上の蒸気供給口と、後に前記バイオマス気化部へと供給するため前記バイオマスを事前処理しバイオマスの粒子を生成する２又はそれ以上のステージと、を有してもよい。前記ステージは、熱、圧力及び湿気の組み合わせを用い、それらは前記バイオマスを湿潤な微粒子形態とするため適用される。前記蒸気爆発プロセスは、前記バイオマスのセルロース繊維からのヘミセルロースとリグニンとの間の結合を分解することを開始し前記受け入れたバイオマスチップの湿気含有量を増加させる、第１の蒸気供給口からの蒸気を適用することにより、前記受け入れたバイオマスチップのバルク構造を少なくとも部分的に分解する。最後のステージにおいて、第２の蒸気供給口からの少なくとも大気圧の１４倍の蒸気が適用され、前記バイオマス内に存在する気体と流体が加熱及び加圧されることとなる。前記２又はそれ以上へのステージの出口オリフィスにおいて前記加圧されたバイオマスの前記バルク構造は前記バイオマスの急速な減圧を通じて内部で分解する。前記バイオマスの前記バルク構造は、増加した湿気含有量と分解した結合を有する前記バイオマスの急速な減圧を通じて分解される。前記ステージからの前記湿潤な微粒子形態へと生成された前記バイオマスは、例えば、厚さが７０ミクロンより小さく長さが５００ミクロンより小さい平均寸法を有し得る。この生成されたバイオマスの湿潤な微粒子は、その後、前記バイオマス気化部の供給セクションへと供給される。前記バイオマス気化部は反応容器を有し、前記反応容器は、前記蒸気爆発ユニットにて分解されたことにより前記入力穴にて受け入れたバイオマスチップに比べて増加した表面積と減少した粒子サイズを有する湿潤な微粒子形態の前記バイオマスを反応させるよう構成されている。前記バイオマス気化部は、第３の蒸気供給口と１又はそれ以上の熱源を有し、前記蒸気の存在下における微粒子形態の前記バイオマスは、前記反応容器において０．１秒から３００秒の滞留時間急速なバイオマス気化反応にて反応し、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む少なくとも合成ガス成分を生成することとなる。
【０００８】
考え得るバイオマス気化部の実施例は、高温蒸気供給口と、例えば、ガスバーナ又は蓄熱ヒータのような１又はそれ以上の加熱部を有する。前記蒸気の存在下で、前記蒸気爆発ユニットにより分解した前記バイオマスの粒子は、前記バイオマス気化部において７００度Ｃより高い温度で１秒より小さい滞留時間の急速なバイオマス気化反応で前記反応容器内で反応し、それにより水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む合成ガス成分を生成し、当該合成ガス成分はメタノール（ＣＨ３ＯＨ）合成反応器へと供給される。当業者であれば、本例示的書面の以下で議論されるデザインの多くの部分及び側面は、単独のコンセプトとしても用いられてもよいし、互いの組み合わせとして用いられてもよい。
【０００９】
図１Ａ及び１Ｂは、蒸気爆発ユニットの実施形態に係るフロー概念図を示し、蒸気爆発ユニットは供給材料としてバイオマスを受け入れる入力穴と、２又はそれ以上の蒸気供給口と、バイオマス気化部への後の供給のために前記バイオマスを事前処理する２又はそれ以上のステージとを備えている。
【００１０】
前記入って来るチップ形態のバイオマスの水分値は、追加の乾燥なく外部に残されたバイオマスに対しておよそ１５％から６０％まで変化し得る。バイオマスのチップは、チッパユニット１０４により生成し得り、前記チッパユニットは、およそ１インチより小さく平均長さにおいて平均およそ０．５インチであり平均厚さにおいて平均しておよそ０．２５インチとなるチップを生成する寸法を有するフィルタと協働する（例えば、バイオマス丸太４５３からのバイオマスチップ４５１を例示する図４Ａ参照）。前記バイオマスチッパユニット１０４は、前記バイオマスを切り刻みチップ化するのに使用される４又はそれ以上の刃を含み得る。前記バイオマス丸太の供給スピード、ナイフ刃のスピード、前記ナイフの突出距離及び前記ナイフの角度は、すべて前記チップのサイズを制御するよう働く。前記チップは、その後篩にかけられオーバーサイズのものは再度チップ化され得る。特定の性質を高めるため異なるソース又は材木種からのチップの混合もあり得る。不純物を検出し取り除くため磁石又はその他のスキャナが通り過ぎてもよい。バイオマスのチップは運搬部に供給され又は前記蒸気爆発ユニット１０８の前記熱分解ステージの圧力容器内に置かれてもよく、前記蒸気爆発ユニットは、初期低圧飽和蒸気を用いてバイオマスチップの分解、加水／湿潤化及び軟化を開始するものである。前記低圧飽和蒸気は１００度Ｃであってもよい。前記システムは、またこの時点で前記バイオマスチップによる詰まりや栓をしてしまうことを防止するため前記バイオマス気化部１１４からの再利用された灰のような流動補助材を注入し得る。
【００１１】
チッパユニット１０４は供給を行ってもよく、前記蒸気爆発ユニット１０８は２又はそれ以上の種類のバイオマス供給材料を受け入れるよう構成され、前記異なる種類のバイオマスは、１）軟材、２）硬材、３）草、４）植物の外皮及び５）いずれかの混合した組み合わせを含み、蒸気爆発ユニットは前記蒸気爆発ユニット１０８内において同質化し加熱された供給材料へと処理し、前記供給材料はその後集約され前記バイオマス気化部１１４へと供給される。前記蒸気爆発ユニット１０８、乾燥部１１２及びバイオマス気化部１１４は、蒸気爆発ステージと乾燥部１１２から生成される前記バイオマス粒子の少なくとも粒子サイズの制御を通じて、前記供給設備の物理的設計又は前記バイオマス気化部１１４の物理的設計を変更することなく供給材料を柔軟なものとするよう設計されている。前記乾燥部１１２は、フラッシュドライヤ、ドラムドライヤ、パドルドライヤ、エアドライヤ、又は同種のデバイスであってもよい。
【００１２】
上述の通り、磁気フィルタ及び空気洗浄フィルタシステムは、前記熱加水ステージへと結合してもよく、それにより前記熱加水ステージへと入る前に金属片及び重い石がチップ形態の前記バイオマスから除去されることを保証する。前記磁気フィルタと前記空気洗浄フィルタシステムは、いずれかの金属片及び／又は重い石が前記放出口を含む前記蒸気爆発ユニットの一部を塞ぐことを防止する。前記空気洗浄フィルタシステムは、軽い重量の砂だけでなく非常に重い石が離脱することも補助する。前記蒸気爆発ステージの前記放出口を形成する前記オリフィスは、例えば、０．２５〜０．３７５インチであることに留意されたい。
【００１３】
前記蒸気爆発ユニット１０８は、バイオマスを供給材料として受け入れる入力穴と、１又はそれ以上の蒸気供給口と、後のバイオマス気化部１１４への供給のために前記バイオマスを事前処理するための２又はそれ以上のステージとを有する。前記ステージは、前記バイオマスを湿潤な微粒子形態にするために前記バイオマスへと適用される熱と、圧力と湿気の組み合わせを使用する。前記蒸気爆発プロセスは、前記バイオマスのセルロース繊維からのヘミセルロースとリグニンとの間の結合を分解することを開始し前記受け入れたバイオマスチップの湿気含有量を増加させる低圧蒸気供給口からの蒸気を適用することにより前記受け入れたバイオマスチップのバルク構造を少なくとも部分的に分解する（例として、リグニンにより囲まれ互いに接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例示する図４Ｂを参照）。最後のステージにおいて、高圧蒸気供給口からの少なくとも大気圧の１４倍の蒸気が、前記バイオマス内に存在する気体及び流体を加熱及び加圧するよう適用され、それにより前記増加した湿気含有量と分解した結合を有する前記バイオマスの急速な減圧を通じて前記受け入れたバイオマスのバルク構造を内部的に分解することとなる。
【００１４】
一の実施形態において、前記蒸気爆発ユニット１０８の前記２又はそれ以上のステージは、少なくとも熱加水ステージと蒸気爆発ステージとを含む。
【００１５】
前記熱加水ステージは、前記バイオマスのチップを受け入れる前記入力穴と、低圧飽和蒸気をバイオマスの前記チップを含む容器へと適用する前記低圧蒸気供給口とを含む。前記熱加水ステージは、葉、針状の葉、樹皮、及び木材を含むチップ形態の前記バイオマスを受け入れるよう構成されている。前記熱加水ステージは、前記リグニンのガラス遷移点より高い温度の前記バイオマスへと前記低圧蒸気を適用し、前記バイオマスを軟化し前記湿気含有量を上昇させ、それにより前記蒸気爆発ステージの前記バイオマスのセルロース繊維が前記チップ形態のバイオマスから容易に内部的に分解可能となる。一の実施形態において、前記バイオマスのチップは、前記蒸気を用いて６０℃より高い温度へと加熱される。前記低圧蒸気供給口は低圧飽和蒸気を容器へと適用し、前記容器は６０度Ｃより高いものの１４５度Ｃより低い上昇した温度であって大気圧付近の前記バイオマスのチップを含み、前記受け入れたチップ形態のバイオマスの分解、加水及び軟化を開始する。前記低圧蒸気口は前記容器の周囲に戦略的に配置された数個のノズルを含み得る。温度センサセットは、前記受け入れたバイオマスのチップの前記上昇した温度のフィードバックを提供する。制御システムは、前記熱加水ステージに８〜２０分の滞留時間前記バイオマスのチップを留置することを維持するよう構成され、前記滞留時間は前記バイオマスを蒸気爆発ステージへと移動させる前に前記バイオマスチップを湿気で飽和させるのに十分な長さである。前記樹木の幹からの木切れにはより短い滞留時間が存在し、樹木の枝や針葉樹等にはより長い滞留時間が存在する。
【００１６】
前記熱加水ステージは、送りねじ供給システムを介し得るが、軟化され湿気含有量が増加したバイオマスチップを前記蒸気爆発ステージへと供給する。制御システムは、前記蒸気爆発ステージの圧力を熱加水ステージに存在する圧力の１０〜３０倍、例えば１６０〜２７０℃、好ましくは１９０〜２２０℃といった上昇した温度に維持する。前記圧力は１８０〜４５０ポンド／スクエアインチ（ＰＳＩ）（好ましくは３００ＰＳＩ）であってもよい。前記蒸気爆発ステージは、前記バイオマスの湿気含有量を、さらに、少なくとも重量において４０％、好ましくは重量において５０〜６０％の湿気含有量だけ上昇させる。前記重量における湿気割合は、前記バイオマスチップと水分重量の和で構成される全重量により割られた水の重量であり得る。前記蒸気爆発ステージにおいて、前記軟化し加水されたバイオマスチップは、前記バイオマス材料のバルク構造の部分的な中空セルロース繊維及びその他の多孔領域内に高圧蒸気を生成するために、例えば３分から１５分の十分な時間区間高温高圧蒸気へとさらされる（例として、多数の多孔領域を有する拡大図であって、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の束を有するバイオマスチップを例示する図４Ｃ参照）。
【００１７】
前記熱加水ステージの後、前記軟化されたチップ形態のバイオマスは、プラグ形態へと１）押しつぶされ及び２）圧縮されのうちのいずれかの組み合わせがなされ、連続的送りねじ運搬システムへと供給される。前記連続的送りねじ運搬システムは、プラグ形態の前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージへと移動させる。前記連続的送りねじ運搬システムは、プラグ形態の前記バイオマスを使用して、前記蒸気爆発ステージに存在する前記高圧蒸気からのブローバック背圧が前記熱加水ステージに影響することを防止する。１）チェック弁や、２）各ステージが開閉機構により隔離可能となっている状態でバイオマスをステージ間で移動させること等といったその他の手法も使用可能である。
【００１８】
前記蒸気爆発ステージは、８５０ｐｓｉまでの圧力で動作可能であるものの、好ましくは４５０ｐｓｉより小さい圧力に維持する。センサセットは、前記動作圧力を検出してもよい。前記プラグ送りねじ供給部は、前記蒸気爆発ステージに沿って前記チップを運搬する。高圧蒸気は、蒸気混合運搬部と呼ばれる部分において前記プラグ送りねじ供給部へと導入される。前記高圧供給口は、前記蒸気混合運搬部の周囲に戦略的に配置された数個のノズルで構成されてもよい。前記蒸気爆発ステージを通じての前記バイオマスチップ材料の供給割合は、前記プラグ送りねじ供給部を介して正確に制御される。前記蒸気爆発ステージ内の保持時間は、前記制御システムにより個別に制御される。前記蒸気爆発ステージにおいてプラグ形態の前記バイオマスは、高圧蒸気入力からの少なくとも１６０度Ｃであって１６０ＰＳＩの高温高圧蒸気へと少なくとも５分間、好ましくはおよそ１０分間さらされ、それは、湿気が前記バイオマスのバルク構造の多孔部分に浸透し前記バイオマス内のすべての液体及び気体が前記高圧へと上昇するまで行われる。一の実施形態において、前記蒸気爆発ステージは、温度と圧力センサのセットと制御システムを有し、前記バイオマスは、湿気が前記バイオマスのバルク構造の多孔部分へと浸透するまで、前記第２の蒸気入力からの少なくとも１８８度Ｃであって１６０ＰＳＩの高温高圧蒸気へと５〜２０分の間さらされる。
【００１９】
上述の通り、爆発の元を提供するよう前記システムが前記バイオマスチップ内に一定程度の湿気（ｈｕｍｉｄｉｔｙ）／湿気（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）を有する場合に、前記蒸気爆発プロセスは最良に動作する。そのため通常、前記チップの湿気は一般に、前記蒸気爆発反応器の中にある間、重量において少なくとも５０〜５５％である。前記蒸気爆発ユニット１０８の前記蒸気爆発ステージにおいて、前記圧力と温度は、軟化したリグニンを有する前記バイオマスチップを含むチャンバの中で、前記熱加水ステージのバイオマスチップを有する前記容器の作動環境より少なくとも２０度高い高温であって、前記チャンバ内で大気圧の１４倍より高圧に、前記熱加水ステージの設定時間よりも短い期間ではあるが、上昇させられる。
【００２０】
前記連続的送りねじ運搬システムは、プラグ形態の前記バイオマスを前記蒸気爆発ステージを介して精製ステージへと供給する。前記蒸気爆発ステージは、１又はそれ以上の刃を有する精製ステージへと結合し、前記精製ステージは、前記加圧されたバイオマスが前記蒸気爆発ステージから前記蒸気爆発ステージ内の圧力の３分の１より小さい圧力に維持されたブローラインへと前記出口オリフィスを通じて出る前に前記加圧されたバイオマスを機械的に撹拌し、それにより前記加圧されたバイオマスを内部的に分解するよう構成されている。前記精製ステージにおける前記機械的撹拌は、粒子状態のバイオマスが前記バイオマス粒子の平均寸法においてより均質なサイズ分布をもつ結果となることを生じさせるよう構成される。前記精製ステージの前記刃は、前記加圧され加湿されたバイオマスを機械的に撹拌し、前記撹拌されたバイオマスを前記オリフィス出口へと送る。
【００２１】
一の実施形態において、小さい開口部は、前記出口を形成し、およそ４〜１０バールの気圧に維持された管又はその他の容器領域へと延び、前記高圧の内部流体又は気体は、前記バイオマスを内部的に分解するよう膨張する。ある場合において、前記圧力は、前記蒸気爆発反応容器内の高圧から大気圧へと降下する。いずれにせよ、前記蒸気爆発ステージの前記出口とサイクロン式水分分離ステージとの間にある前記管又はその他の容器内にて生じる前記大幅な圧力降下は、急速な降下である。一の実施形態において、１６０〜４５０ＰＳＩの前記バイオマスの前記バルク構造を、例えば４〜１０バールの前記劇的に減少した圧力の管へと押し出すことにより、前記圧力降下は急激に生じ、前記圧力降下による急速な蒸気膨張、又は蒸発圧力より小さい圧力への降下により蒸発する液体水分の「急速な通過」による、内部「爆発」を生じさせ、それによりチップ形態の前記バイオマスをバイオマスの微粒子へと内部的に分解することとなる。他の実施形態においては、前記蒸気爆発ステージの前記蒸気爆発反応容器部は、特別な放出機構を含み、前記放出機構は、前記バイオマスチップ材料を「爆発」させ大気圧の次のステージへと送るよう構成されている。前記放出機構は、反応容器の放出バルブ又はドアの外側の前記高圧蒸気爆発容器から前記ブロータンクの前記供給ラインへと前記バイオマスを放出するよう開く。
【００２２】
それゆえ、このステージの前記蒸気爆発反応容器からの前記加圧蒸気又は過熱水は、その後爆発を生じさせるよう急激に降下し、それにより前記バイオマスチップを微粒子へと分解する（例として、バイオマスの微粒子４５３へと爆発するバイオマスチップを例示する図４Ｄ参照）。前記バイオマスを構成する前記もとの繊維束は、分離した細かい粉の粒子となる破片へと爆発する（例として、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の繊維束を有するバイオマスチップの異なるレベルの拡大図を例示する図４Ａ〜Ｃを参照し、図４Ｄと比較されたい）。
【００２３】
前記湿気とバイオマスチップは、前記反応容器の放出口から、前記容器／ブローラインの前記端部においておよそ大気圧の前記ブローライン等の容器へと押し出される。前記バイオマス材料の部分的な中空繊維及びその他の多孔領域内の前記高圧蒸気又は水分の蒸気への転換は、前記バイオマスの細胞が湿潤な粉の微粒子へと爆発することを生じさせる。前記バイオマスの前記バルク構造は、リグニンの有機的ポリマと複数のセルロース繊維を囲むヘミセルロースを含む。前記バイオマスの前記バルク構造は本ＳＥＰステップにおいて内部的に分解され、前記ＳＥＰステップは、前記リグニンの層とヘミセルロースとがまず反応しその後前記セルロース繊維をさらした後にのみ反応するということよりむしろ、例えば、前記バイオマス気化反応の間に直接反応することを可能とするため、前記セルロース繊維を開放し及びさらすための少なくとも湿気、圧力及び熱を使用する。前記中層に沿った繊維の分離を促進するリグニンの軟化のため、前記高温はまた前記バイオマス構造を分解するのに必要なエネルギー／力を低下させる。
【００２４】
それゆえ、前記蒸気爆発ステージの内部において、機械構造は例えばバルブ又はドアを開き、又は小さい穴が前記蒸気爆発反応容器に単に存在する。前記反応容器は、高圧のプラグ形態であり得る軟化したバイオマスチップで満たされ、所定の期間後当該軟化したバイオマスチップを前記リグニン、セルロース繊維及びヘミセルロースを含む前記バイオマスの繊維束の前記バルク構造を破片へと物理的に分解し互いに分離する低圧へとさらす。前記蒸気爆発プロセスが、前記蒸気爆発反応容器にて低い厳しさ（ｓｅｖｅｒｉｔｙ）（例えば、１７５〜１８５度Ｃかつ１６０ＰＳＩ）にて動作し、その後小さい繊維の破片のサイズの粒子が高い厳しさ（例えば、３００ＰＳＩ）の前記放出口から出てくるとき、非常に細かい粒子が生成される。
【００２５】
前記ステージから前記湿潤な微粒子形態へと生成された前記バイオマスは、厚さが５０ミクロンより小さく長さが５００ミクロンより小さい平均寸法を有する。一の実施形態において、前記蒸気爆発ステージは、１又はそれ以上の刃を有する精製ステージと結合し、前記精製ステージは、前記加圧されたバイオマスが前記蒸気爆発ステージから前記出口オリフィスを通じてブローラインへと出る前に前記加圧されたバイオマスを機械的に撹拌するように構成され、前記減少した湿気含有量を有する生成されたバイオマスの微粒子は、分解され、引き裂かれ、寸断され及びこれらのいずれかの組み合わせをされ、かつ厚さが３０ミクロンより小さく長さが２５０ミクロンより小さい平均寸法を有し得るセルロース繊維を含む。上述の生成されたバイオマスの湿潤な微粒子は、後に前記バイオマス気化部１１４の供給セクションへと供給される。
【００２６】
繊維束であるバイオマスの前記バルク構造をセルロース繊維、リグニン及びヘミセルロースの断片及び破片へと内部的に分解することにより、１）前記受け入れたチップ形態のバイオマスに比した微粒子形態の前記バイオマスの表面積の増加、２）前記セルロース繊維の反応よりも前にリグニンとヘミセルロースの外層を反応させる必要性の除去、及び３）繊維というよりむしろ砂の粒子のように流れる微粒子形態の前記バイオマスの粘性の変化、の３つのすべてが生じる。
【００２７】
ＳＥＰ反応容器から出て来る前記バイオマスにおける形態学的変化は以下を含み得る：
ａ．そのままの繊維構造が存在せずむしろすべての部分が爆発しており、より大きい表面積がもたらされ、それにより前記バイオマス気化部における高い反応率がもたらされる
ｂ．繊維が見かけ上崩壊し、離層し、及び細胞壁がさらされ砕ける
ｃ．リグニンの一部は前記セルロース繊維の細胞壁へとまとわり付いたままとなる
ｄ．ヘミセルロースは部分的に加水されリグニンに沿って部分的に可溶化される
ｅ．リグニンと炭水化物／多糖類との間の結合（すなわち、ヘミセルロースとセルロース）の大部分は裂かれる
ｆ．本書面にて議論されるその他多くの変化
【００２８】
前記精製された湿潤な微粒子は、例えば、平均で直径において厚さ２０〜５０ミクロンであって長さ１００ミクロンより小さくてもよい。１インチ＝２５，４００ミクロンであることに留意されたい。それゆえ、前記バイオマスは、前記チッパユニット１０４から平均して長さ１インチ、厚さ０．２５インチまでのチップとして来て、平均して直径において厚さ２０〜５０ミクロンであって長さ１００ミクロンより小さい湿潤な微粒子として出て行き、それはサイズにおいて２０００倍の削減である。前記飽和バイオマスチップの猛烈で爆発的な減圧は、チップ形態の前記バイオマスの多孔領域内の前記飽和した高圧の湿気がバイオマスの前記構造から逃れ得るよりも早い割合で起こる。
【００２９】
細胞又は繊維束の外的で機械的な分離は必要ではなく、むしろ前記プロセスは蒸気を用いて内部から外方に向けて細胞を爆発させることに留意されたい（個々の繊維へとほぐれた又は部分的に分離した繊維の束を有するバイオマスチップ４５１について例示する図４Ｅを参照）。前記バイオマスチップへのＳＥＰの使用は、所定のリグニンのコーティングを有するセルロースとヘミセルロースの小さい微粒子を生成する（第１のバイオマスチップ４５１を含み、バイオマス４５３の微粒子へと爆発する、例示的バイオマスチップを例示する図４Ｄを参照）。微粒子形態のリグニン、ヘミセルロース及びセルロースから成る本構成は、高密度で前記システムへと移動／運搬され得る大きい表面積を有する。
【００３０】
前記受け入れたチップ形態のバイオマスチップに比して同じ量のバイオマスにおける高い表面積対体積比を実現し、それにより前記バイオマス材料へのより高い熱移動と前記バイオマスのすべての分子のより速い熱分解及び気化を許容することとなるため、前記生成されたバイオマスの微粒子は、前記バイオマス気化部１１４の反応容器における前記急速なバイオマス気化反応のために前記バイオマス気化部１１４へと供給される。
【００３１】
一又はそれ以上の蒸気供給入力口は、前記一又はそれ以上のサイクロンユニットから回収したリサイクルされた汚水から生成された低圧蒸気を含み得るという例のため図１Ｂを参照されたい。例えば、本書面に記載される実施形態は、前記サイクロンユニットからのオフガスを利用して、前記オフガスを前記バイオマス気化部へと供給することを含む。また、それらの気体と如何なる追加的な凝縮物はテレビン回収ユニットへと供給され得る。それゆえ、前記サイクロンユニットから回収した前記蒸気爆発ステージから得られた有機化合物を含む気体は、収集され供給ラインを通じて前記バイオマス気化部へと供給され得る。前記バイオマス気化部は、その後有機化合物を含むそれらの気体を合成ガス成分及びその他の気体へと変換する。
【００３２】
テレビン及びその他の揮発物は、前記１又はそれ以上のサイクロンユニットから回収された汚れた凝縮水の蒸気噴霧化を介して前記バイオマス気化部へと供給されてもよい。例えば、凝縮物／テレビンを含む供給蒸気は、前記気化部へと供給され前記一又はそれ以上のサイクロンからのオフガスを含んでもよい。テレビン回収ユニットは、前記気化部又は前記気化部若しくは改質化部のための前記燃焼システムといった販売製品と共に含まれてもよい。加えて、前記バイオマスがコンパクト化され前記送りねじ供給システムを介して移動されるときに押し出される汚水は、回収され前記テレビン回収ユニットへと送られてもよい。
【００３３】
一の実施形態において、連続的な運搬システムというより周期的な動作が可能である。前記周期的な動作は、柔らかく湿潤なチップが前記ＳＥＰ反応器へと投入されることを許容し、その後前記蒸気入力口は、前記バイオマス内の気体と液体の圧力を上昇させるため高温高圧蒸気を１０分間導入する。その期間の後、前記バルブ又はドアは、バイオマス粒子をブロータンクへの供給ラインへと押し出すように開く。
【００３４】
前記蒸気爆発ステージの排出ステージの収集チャンバは、パルプ形態であってより小さな粒子サイズへと縮小される前記バイオマスを収集するために使用される。１又はそれ以上のサイクロンフィルタは、バイオマス粒子がブロータンクへとその後供給される場合、バイオマス粒子からの水蒸気を分離するよう前記供給ラインと同列にあってもよい。
【００３５】
方法はまた、誘因気体を減少させるよう前記蒸気爆発ユニットの出口における圧力を減少させることに含まれてもよいことに留意されたい。すなわち、１又はそれ以上の圧力減少領域は、前記ＳＥＰ容器からより低い排出圧力へと前記高圧を減少させることに含まれてもよい。それゆえ、前記設計は、前記蒸気爆発ユニットの高圧から４〜１０バールといった減少圧力へと圧力を減少させる前記蒸気爆発ユニットの外側にある圧力降下ポイントを配置することを含んでもよい。前記圧力降下は、前記サイクロンへとつながる前記パイプにおいてより早い段階で生じてもよい。
【００３６】
また、一の実施形態において、前記バイオマス粒子の前記ＳＥＰ事前処理ステップと前記バイオマス気化部への前記バイオマス粒子の同伴気体供給との間においてさらなる気体が導入されることはなく、それにより放出と浄化（ｐｕｒｇｅ）気体を減少させることとなる。選択肢は、前記同伴気体が前記バイオマス気化部へと流入するよう前記蒸気爆発ユニットからの前記誘因ガスを使用することに含まれてもよい。
【００３７】
他の実施形態において、前記蒸気爆発ステージの出口において、プラグ形態の前記バイオマスは一旦爆発して前記湿潤な微粒子形態となる。高圧蒸気及び／又は過熱水により満たされた前記蒸気爆発ステージは排出口を含み、前記排出口は、前記バイオマス材料を"爆発"させて大気圧の次のステージへと移動させ微粒子形態のバイオマスを生成するよう構成されている。微粒子形態の前記バイオマスは、高い速度でブローラインの供給ラインを通じて流れる。
【００３８】
微粒子形態の前記バイオマスは、前記ブロータンクの前記供給ラインへと入る。前記供給ラインは、前記バイオマスの粒子が高速で通過する状態で、初めは直径が１．５インチにすぎない程度に小さい。材料の粘性を改良し水素結合を避けるため前記繊維が未だ濡れている状態で、ワックスのような流動性を向上させるものが前記ブローラインの最初の部分に加えられてもよい。前記供給ラインはここで、直径６０インチまで拡張し、湿潤な微粒子形態の前記バイオマスは、前記ブローラインに沿ってブローラインを温める加熱コイルによって維持された熱を有する。前記バイオマスの温度を維持することは、前記繊維粒子が再度集成することを防止する前記バイオマスの樹脂酸及びロジンを結晶化させることを助ける傾向にある。それゆえ、前記温度は、前記リグニンが凝集しロジンが硬化することを防止することを助ける。
【００３９】
１）前記バイオマス気化部からリサイクルされた灰及び２）オレフィンのいずれかを含む前記流動補助剤、例えばワックスは、前記バイオマスによる詰まりを防止するため１）前記蒸気爆発ステージの放出排出口及び２）前記フィードライン内のいずれかにおいて注入される。加えて、前記供給ラインは、前記微粒子形態のバイオマスのロジンと樹脂酸の結晶化を防止することを助けるため、前記微粒子形態のバイオマスの上昇した温度を維持する前記フィードラインに沿った加熱コイルを有してもよい。
【００４０】
前記ブローラインを急速に通過し水蒸気として排出される蒸気により、前記生成されたバイオマス粒子は前記湿気の大きな割合を失う。前記生成されたバイオマス粒子と湿気はその後サイクロンフィルタにより分離され、その後ブロータンクへと供給される。それゆえ、水分分離ユニットは、前記ブローラインと同列にある。前記蒸気爆発ステージの排出ステージにおける収集チャンバはパルプ形態でより小さい粒子サイズに縮小した前記バイオマスを収集するために使用され前記水分分離ユニットへと供給される。水分は、サイクロンユニット及び／又は乾燥ユニットの前記微粒子形態のバイオマスから除去される。
【００４１】
前記バイオマスの微粒子の湿気含有量は、例えば、好ましくは重量において１〜２０％までバイオマスの微粒子の前記湿気含有量を減少させる低温乾燥ユニット又はフラッシュドライヤ等の乾燥ユニットにより前記ブロータンクの出口においてさらに乾燥される。前記繊維の準備の目的は、最大の表面積を有し前記出力バイオマス微粒子の重量において５〜２０％の湿気にできる程度に乾燥したバイオマス粒子を生成することである。前記ブロータンクから出て来る前記バイオマス粒子を乾燥させるため前記フラッシュドライヤは単に高温の気体を吹き付ける。前記出力されるバイオマス粒子が重量において５％より大きく２０％より小さい湿気含有量を含むよう、前記フラッシュドライヤは、一般に前記ブロータンクの排出口に配置され得り又はその入り口において前記サイクロンを置換し得る。ロックホッパーへと供給される前に前記ＳＥＰバイオマス微粒子をさらに乾燥させるため、前記フラッシュドライヤは、保管のため前記バイオマスをサイロへと供給してもよい。一の実施形態において、パドルドライヤは、前記ドライヤへと向かう前記粒子を運ぶ気体の速度により前記バイオマス粒子のサイズをさらに減少させ得り、それは入ってくる前記バイオマス粒子の粉砕器としての役割を果たす。
【００４２】
前記結果として生じるバイオマス粒子は、粒子がより結晶構造のように振る舞い、絡み及び集合しがちな繊維よりもより容易に流れる点において、熱機械パルピング（ＴＭＰ）とは異なる。
【００４３】
前記微粒子形態のバイオマスの重量において５％からおよそ３５％である前記減少した湿気含有量は、１００〜７００度Ｃの温度で予め設定された時間乾燥又は熱分解を行うため、運搬システムにより、例として、乾燥ユニット１１２へと供給される。
【００４４】
前記メタノール合成反応容器等のような有機液体製品合成反応容器へと最終的に供給され得り及びタンクにより収集される前記合成ガス成分の一部の生成のために用いられるオフガスを生成するため、運搬システムは、７００度Ｃよりも低い温度で予め設定された時間前記バイオマスを処理する乾燥ユニット１１２へと前記微粒子形態のバイオマスを供給する。
【００４５】
前記ブロータンク及びフラッシュドライヤからの前記バイオマスの微粒子は、前記蒸気の急速な通過、さらなる気体の乾燥により既に低い湿気含有量を有しており、リグニンのコーティングを有するセルロース繊維の破片、リグニンの一部、セルロース及びヘミセルロース等の混合物である。前記バイオマス気化部１１４は、前記蒸気爆発ユニット１０８により分解されたことにより増加した表面積を有する湿潤な微粒子形態の前記バイオマスを反応させるよう構成された反応容器を有する。前記バイオマス気化部１１４は、高圧蒸気供給口と１又はそれ以上の加熱部を有し、前記蒸気の存在下で前記微粒子形態のバイオマスは、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含む、少なくとも合成ガスを生成するため、前記反応容器において０．１〜５．０秒の滞留時間、急速なバイオマス気化反応がなされる。前記生成された微粒子が高密度で前記バイオマス気化部１１４へと供給された場合、その後前記小さい粒子は急速に反応し、より大きい前記バイオマスの炭化水素分子を前記合成ガスの成分へとより早く完全に分解する。それゆえ、炭素チップの覆われた外殻が分解するのと同程度には分解しない前記チップ内部の一部というよりむしろ、ほぼすべてのバイオマス素材であるリグニン、セルロース繊維及びヘミセルロースは完全に気化する。チップと比べこれらの微粒子は、より少ない残余タール、より少ない炭素コーティング及びより少ない沈殿物を生成する。それゆえ、前記繊維束のバイオマスの集成構造を分解することは、前記バイオマス気化において後に生成されるタールの量を減少させる傾向にある。これらの微粒子はまた、前記バイオマス気化部１１４へと供給される素材のより大きいパッキング密度を許容する。注記として、重量において少なくとも１０パーセント存在する蒸気又は液体としての水分を有することは、前記バイオマス気化部１１４にて生成される前記ＣＯとＨ２に加えて反応生成物としてのメタノールＣＨ３ＯＨを生成することを補助してもよい。
【００４６】
前記乾燥ユニット及びバイオマス気化部１１４は統合ユニットとして結合されてもおよい。
【００４７】
変形例にあっては、前記湿潤な分解されたバイオマス粒子は、スラリー状で前記蒸気爆発反応器の出力口から直接に又は乾燥後にペレット製造機へと供給されてもよい。前記ペレット製造機は、前記バイオマスを微粒子形態からバイオマスのペレットへと高密度化してもよく、それらのペレットは前記バイオマス気化部へとその後供給される。この微粒子形態からペレット形態へのバイオマスの直接の供給及び変換は、多数のステップを省きそれらの省略したステップと関連する多くのエネルギー消費を節約する。若しくは、前記ペレットは液体燃料、熱／電力、動物用飼料、リター（ｌｉｔｔｅｒ）又は化学物質へとさらに処理する設備へと移送されてもよい。
【００４８】
一の実施形態においては、前記バイオマス気化部１１４は、０．１〜１０秒、好ましくは１秒より小さい前記バイオマス粒子の速い気化滞留時間にて前記反応容器の設計を通じて流れるバイオマス粒子へと放射状に熱を伝えるよう設計されている。前記輻射熱反応容器を通じて流れる前記バイオマス粒子及び反応気体は主に、前記輻射熱反応容器の表面からの輻射熱及び潜在的には前記流れに巻き込まれた熱伝導補助粒子により駆動される。前記反応容器は、一酸化炭素と水素を含む前記合成ガスを生成すると共に、生成されるメタンが出口製品、前記出口製品に残留した極微量のタール、及び結果として生じる灰という成分構成が?１％の水準となることを維持するよう、一般には９００度Ｃ、好ましくは１２００℃を超える温度にて前記粒子を加熱してもよい。
【００４９】
図３−１〜３−４は、前記バイオマス気化部１１４の例示的な実施形態を示す。図３−１は、輻射熱を用いた噴水型反応容器を示し、その中でバイオマスを伴う同伴気体は前記気化部の底から侵入し、中央管及び前記中央管により生成された隔壁を覆う噴水を通じて放出され、外側管と前記中央管との間で生成された部分を落下する。図３−２及び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ために使用される例示的なバヨネット反応容器の輻射熱設計を示している。ガスバーナは、前記管又は前記管へと供給される例えば加熱気体のような中間ソースへと直接に熱を供給し得る。熱が前記管の内側に供給される一方で、前記バイオマスは前記管の外側にあってもよい。或は、前記バイオマスは前記管シートと前記耐火性内面との間にあってもよい。図３〜４は、前記管が前記反応容器へと輻射熱を供給するために用いられる例示的なダウンドラフト輻射熱反応容器について示している。熱が前記管の内側に供給される一方で、前記バイオマスは前記管の外側にあってもよく、またその逆であってもよい。
【００５０】
前記熱受領部１０６は内壁を有する穴を有する。前記反応容器管１０２に対する前記熱受領部１０６の前記穴の壁の前記輻射幾何は、前記化学反応容器の前記多数の管１０２をオフセットとし、そして前記受領部１０６の内部で千鳥配置となるよう配置する。放射が前記管１０２の領域へと様々な角度から届くことを許容するよう、前記穴の壁の表面積は前記反応容器の管１０２により占められる面積よりも大きい。前記受領部１０６の穴の内壁と前記反応容器管１０２とは主に輻射によりエネルギーを交換し、前記壁と管１０２はすべての前記管１０２へと届く高い輻射熱の流れを実現すべく輻射の再放出としてはたらき、それゆえ、前記管１０２へと届くことから前記輻射を遮蔽しブロックすることを回避し、前記反応容器管１０２が前記反応容器管１０２における反応帯の開始から終了まで着実に一定の温度プロファイルを実現することを許容する。
【００５１】
それゆえ、前記反応容器管１０２と穴の壁の幾何は、２）前記包含された管１０２により占有された面積に比べて大きな直径の穴の壁と結合され、及び追加的に３）前記幾何学的配置下で互いに対する前記多数の反応容器管幾何配置の間の管間輻射交換と結合された１）千鳥配置されオフセットした管１０２により、入射輻射の分散を形成する。前記壁は輻射を高度に反射又は吸収し及び前記輻射を再放出する素材で出来ている。前記入射輻射の分散の形成は、前記受領部１０６の穴内における放出の反射及び吸収の両者を使用する。すなわち、前記包含された超高熱流動化学反応容器の作動温度を維持するよう、前記熱受領部１０６の内壁は、１）輻射エネルギーを吸収及び再放出し、２）前記管１０２へと入射輻射を高度に反射し、又は３）これらの組み合わせのいずれかにより放射分散部と整列し輻射分散部としての役割を果たす。１）前記穴の壁から、２）前記再生燃焼器から直接に、及び３）輻射の再放出として働くその他の管の外壁からの前記輻射は、前記反応容器管１０２により吸収され、その後、前記熱は、前記熱が前記反応粒子と９００度Ｃ〜１６００度Ｃ、好ましくは１１００度Ｃより高い温度の気体へと輻射する場合に、前記反応容器の管１０２の内壁へと伝導により伝えられる。
【００５２】
上述の通り、前記受領部１０６の穴の内壁と反応容器の管１０２とは対流又は伝導ではなく互いに主に輻射によりエネルギーを交換し、それにより、一般により低いお温度のバイオマス粒子及び同伴気体が第１の入力ポイントから前記反応領域に入り第２の出口ポイントにおける前記反応領域を出るために前記加熱された穴を通過するものの、前記反応容器の管１０２は着実に一定の温度プロファイルを達成することを許容する。前記内壁及び前記反応容器管１０２からのこの輻射熱は、前記化学反応を推進し、前記化学反応物質の温度が前記製品及び前記反応容器の出口から出るその他の廃物素材の温度近くまで急速に上昇することを生じさせる。
【００５３】
各前記反応容器管１０２の気化反応領域の長さ及び直径寸法は、少なくとも９００度Ｃの前記気化温度において０．１秒より大きい滞留時間と前記多数の反応容器管１０２における前記気化領域の出口を与えるような大きさとされる。前記反応生成物は、９００度Ｃに等しい又は超える前記気化領域の出口からの温度を有し、この化学反応設計における前記多数の反応容器管１０２は、管間輻射交換と同様に、前記バイオマス粒子への輻射的な交換のため利用可能な反応容器表面積を増加する。結果物の安定な灰形成と共に分散し落下しているバイオマス微粒子の急速な気化は、前記反応容器管１０２における反応領域内で滞留時間の間生じ、それにより、ノーマル立方メートルあたり５００ミリグラムより小さいタールの完全な改善と、前記バイオマスから前記水素生成物と一酸化炭素生成物への少なくとも９０％の変換とを結果として生じさせる。
【００５４】
高い転化率及び選択性を達成するため、バイオマスの気化は１０００℃を超える温度を必要とする。さらに高い温度は前記バイオマス自身のさらに大きな部分の爆発を必要とするため、これらは標準的な流動床気化部で達成することは困難である。その結果、間接的かつ流動床の気化は一般には８００℃の温度までに制限される。これらの温度では不要なより高い炭化水素（タール）の生成が著しい。これらのタールは下流側の設備を詰まらせ、触媒面を覆い／機能停止させ、それはタール除去設備への著しい資本投下（全プラントコストの１０〜３０％）を必要とする。高熱流動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。さらに重要なことに、前記プロセスの効率は濃縮と所望の温度の相互作用として制御され得り、高温を達成するために失われたバイオマスの前記断片とはもはや関連性はない。その結果、タール破砕体制における温度（１０００〜１３００℃）は前記バイオマスから産まれた燃料又は全体的なプロセス効率のいかなる損失もなく成し遂げられ得る。これはバイオマス気化システムと典型的には関連するタール粉砕設備の前記複雑な連続を除去する。加えて、高温での作動は熱伝導を改良し必要な滞留時間を減少させ、それは化学反応容器のサイズ及びその資本コストを減少させる。
【００５５】
シリカ融解温度（１６００℃）は超えないものの１２００℃〜１４５０℃の壁温度及び９００℃を超える出口気体温度で明確に描写される前記作動温度は、前記気化においては典型的には見られず、勿論間接的な（循環流動床）気化においても見られない。前記超高熱流動化学反応容器においてなされ得るバイオマスの共同気化と天然ガスの蒸気変成を行う潜在能力は、（前記メタンが優先的に燃焼するように）部分的な酸化気化部にて行われることは出来ない。前記プロセスの供給材料の柔軟性は前記単純な管状設計に由来し、上述の理由により多くの気化部は様々な種類の燃料を扱うことは出来ない。
【００５６】
前記受領部３０６の穴の内壁を構成する素材は、１１００〜１６００℃の高温においてその構造強さを保持するため機械的及び化学的性質を有してもよく、前記受領部３０６の穴の高い熱容量（＞２００Ｊ/ｋｇ−Ｋ）、低い熱伝導率（＜１Ｗ／ｍ−Ｋ）に加えてε＞０．８の非常に高い放射率、ε＜０．２の高い反射率を有してもよい。前記反応容器管３０２を構成する素材は、高い放射率（ε＞０．８）、高い熱伝導率（＞１Ｗ／ｍ−Ｋ）、中から高程度の熱容量（＞１５０Ｊ／ｋｇ−Ｋ）を有する。
【００５７】
前記粒子サイズを決定する例示的な粒子サイズ分析は、Ｈｏｒｉｂａ，Ｌｔｄ．のＣａｍｓｉｚｅｒ  ＸＴ粒子サイズ分析器などのようなデジタル画像処理粒子サイズ及び形状分析システムであり得る。そのようなシステムは、例えば３０μｍから３０ｍｍのサイズ範囲の乾燥粉末及びバルク材の速く精密な粒子サイズ及び粒子形状分布を提供する１又はそれ以上のカメラを用いる。前記デジタル画像処理システムからの計測はふるい分け及び沈殿と同程度の多様な技術からの既存データとの相関を許容し、それはある場合においては粒子サイズを計測することにも使用され得る。一の実施形態において、前記蒸気爆発した木のチップの粒子サイズは、Ｈｏｒｉｂａ  Ｌｔｄ．のＣａｍｓｉｚｅｒ  ＸＴ粒子サイズ分析器を用いて計測される。計測される前記サンプルは、再封可能な袋の中で、外的な操作により前記袋の中で前記材料を練って撹拌することにより混合される。混合後、例えばおよそ３ｃｍ＾３のようなサンプル量は、前記器具の前記サンプルホッパーへと入れられる。前記ターゲットは、例えば各サンプルから少なくとも２００万の粒子のような十分なサンプルサイズを処理して分析するので、十分な数の粒子に対応するので前記サンプル量のみが重要となる。前記器具における例示的な設定は以下の通りであり、０．２％の被覆領域、画像レート１：１、Ｘ−Ｊｅｔ利用、ギャップ幅＝４．０ｍｍ、分散圧力＝３８０．０ｋＰａ、ｘＦｅ＿ｍａｘ（及びそれに応じてｘｃ＿ｍｉｎ）であり得る。前記コンピュータが前記画像を十分に速く処理することができるよう、供給レートはターゲット被覆領域をもたらすよう制御されている。前記カメラ画像レートは固定され、"基本"とズーム画像が処理毎に得られる。例えば直径が５０ミクロンより小さいような平均粒子サイズの単一の値は客観的な計測基準となってもよい。一の実施形態において、Ｆｅ−ｍａｘ及びｘｃ−ｍｉｎの両者の３点値はより完全である。従って、それはまるで６点値のようである。前記粒子サイズ分布（ＰＳＤ）は、Ｆｅ−ＭａｘのＤ１０、Ｄ５０、Ｄ９０及びＸｃ−ｍｉｎのＤ１０、Ｄ５０、Ｄ９０として定義されてもよい。前記計測はその後例えば前記計測を決定する入力の６つの値のような複数の値を使用し得る。他の同様の機構が使用されてもよい。
【００５８】
計算は体積基準にてＦｅ  ｍａｘ及びｘｃ  ｍｉｎを用いてなされ得る。前記粒子画像を分析するために２つのモデルが使用され得る：ｘｃ−ｍｉｎは、物理的にサンプルをスクリーニング／ふるい分けすることにより得られたものと比較可能な結果をもたらし、Ｆｅ−ｍａｘは、与えられた粒子の最長の寸法を計測することに類似している。生データ、周波数プロット、ビン化した結果及び粒子画像はすべてのサンプルに対して得られる。Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０は、平均アスペクト比で体積基準にて計算され得る。前記分布の９０パーセントはより小さい粒子サイズを有し１０パーセントはより大きい粒子サイズを有するという条件下でＤ９０はその直径を表す。Ｄ１０直径はより小さい１０パーセントとより大きい９０パーセントを有する。前記Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０を特徴付ける３点列挙は完全なものと考えられ多くの微粒子材料にとって適切である。一の実施形態において、前記粒子サイズ分布ＰＳＤはＤ５０（μｍ）モデルＦｅ−ｍａｘとして定義されてもよい。
表１−蒸気爆発した木の粒子サイズ分布
【００５９】
粒子サイズはｘｃ−ｍｉｎ及びＦｅ−ｍａｘモデルから生成されたＳＥＰ処理されたサンプルを示す。
【表１】
2016526065.tif 000003
【００６０】
表１の例は１６バールの蒸気圧力及び１０分の反応時間にて生成された。
【００６１】
図２は、バイオマスから合成ガスを生成し前記合成ガスから液体燃料製品を生成する統合プラントのフロー図の実施形態を例示する。前記蒸気爆発ユニット３０８は、上記爆発ユニットと、バイオマス粒子を乾燥部、焙焼ユニット、又は直接前記バイオマス気化部３１４に供給する熱加水ステージとを有してもよい。前記乾燥部は、フラッシュドライヤ、ドラムドライヤ、パドルドライヤ、エアドライヤ、又は同種のデバイスであってもよい。
【００６２】
一の実施形態において、前記蒸気爆発ユニット３０８の前記排出ステージにおいて収集チャンバに結合した運搬システムとサイクロンは焙焼ユニット３１２、直接に前記バイオマス気化部３１４、又はフラッシュドライヤのいずれかへと粒子形態のバイオマスを供給する。前記蒸気爆発ユニット３０８の前記蒸気管ステージの前記受領部の前記バイオマスを構成する前記初期リグニン及びセルロースの大部分は、前記生成されたバイオマス粒子に残存するものの現在は前記蒸気爆発ステージ３０８の前記排出ステージの前記収集チャンバの前記セルロース繊維から実質的に分離されている。
【００６３】
前記蒸気爆発ユニット３０８の前記収集チャンバは、前記蒸気爆発プロセスの間に前記バイオマスから生成されるオフガスからの非凝縮可能炭化水素を収集するよう構成されている。
【００６４】
前記蒸気爆発ステージ３０８の後、例えばサイクロンユニットのような水分分離ユニットにて水分は前記バイオマスから除去され、緩い繊維と分離されたリグニンとセルロースで出来た前記減少した湿気含有量のバイオマスは乾燥部へと供給されてもよい。
【００６５】
一の実施形態において、１又はそれ以上の前記蒸気爆発ユニット３０８の気体収集タンクは、前記ＳＥＰプロセスの間に前記バイオマスから生成されたオフガスからの非凝縮可能炭化水素を収集し、前記焙焼ユニット３１２で収集されたものと共にそれらの非凝縮炭化水素を触媒変換部３１６へと送ってもよい。
【００６６】
他の実施形態において、前記減少した湿気含有パルプは、前記蒸気爆発ユニット３０８から前記バイオマス気化部３１４、焙焼ユニット３１２又は触媒変換部３１６へと直接進んでもよい。一般に、前記バイオマス粒子は焙焼ユニット３１２へと進んだ後、前記バイオマス気化部３１４へと進む。しかしながら、前記焙焼ユニット３１２とバイオマス気化部は単一のユニットへと結合されてもよい。
【００６７】
混合され得るバイオマスの種類の一般的構成は、例えば、以下である：
【表２】
2016526065.tif 000004
【００６８】
前記バイオマス気化部３１４は、前記蒸気爆発ユニット３０８の前記２又はそれ以上のステージにより分解された前記バイオマスの粒子を反応させるよう構成された反応容器を有し、それらのバイオマス粒子はその後前記バイオマス気化部３１４の供給部に供給される。前記バイオマス気化部３１４は、高温蒸気入力口及び１又はそれ以上の加熱部を有し、前記蒸気の存在下において前記蒸気爆発ユニット３０８により分解された前記バイオマスの粒子は水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含む合成ガス成分を生成するため前記バイオマス気化部３１４の中に５秒の滞留時間より少ない時間であって７００度Ｃより高い温度の急速なバイオマス気化反応により前記反応容器内で反応し、それはメタノール（ＣＨ３ＯＨ）合成反応容器３１０へと供給される。前記気化部３１４において、緩い或はは断片状のセルロース繊維、リグニン及びヘミセルロースで出来た前記バイオマス粒子へと伝達された熱は、もはや前記繊維へと到達するようリグニンとヘミセルロースの層を貫通する必要はない。ある実施形態において、前記急速な気化反応は、前記気化反応の間にタールが形成することを最小化することを保証するため７００度Ｃより高い温度で生じる。それゆえ、９５０度よりも低いものの７００度の開始温度は、前記バイオマス気化部の著しい運用範囲となり得る。すべての前記バイオマスはより完全に及び急速に気化する。
【００６９】
前記バイオマス気化部３１４は、ある急速な気化滞留時間で前記反応容器設計を通じて流れる粒子への輻射熱伝達を有し、前記気化滞留時間は前記バイオマス粒子について０．１〜１０秒好ましくは１秒より小さいものであり、前記バイオマス粒子と反応気体は前記輻射熱反応容器を通じて流れるものであり、主に、前記流れに同伴する粒子と前記輻射熱反応容器の表面からの輻射熱は前記粒子と生成気体とを一般に７００度Ｃを超え好ましくは少なくとも１２００℃を超える温度にまで加熱し、出口製品、前記出口製品に残存する最小限のタール及び結果として生じる灰との構成組成において生成されるメタンを?１％の水準に維持しつつ、一酸化炭素と水素を含む合成ガス成分を生成する。ある実施形態において、バイオマス気化の温度範囲は８００度Ｃより高く１４００度Ｃまでである。
【００７０】
図２を参照すると、前記プラントはメタノール製品のための合成ガスを生成する前記３つの手法の如何なる組み合わせも用いている。合成ガスは、化学供給材料、燃料及び溶剤として有用なたくさんの有機化合物へと変換可能な一酸化炭素と水素の混合物であり得る。例えば、前記バイオマス気化部３１４は、メタノール製品のための水素と一酸化炭素を発生させるための触媒の必要性を除去するのに十分に高い温度でバイオマスを気化する。
【００７１】
バイオマスの気化はバイオマスの前記複雑な炭化水素を主に水素、一酸化炭素及び二酸化炭素のより単純な気体状の分子へと分解するのに用いられる。いくらかの無機の灰及びタールもまたメタン、エタン、水及びその他の成分と共に形成される。未加工の製品気体の混合は、使用されるバイオマス供給材料の前記種類及び使用される気化プロセスに応じて異なる。
【００７２】
灰、硫黄、水及び前記バイオマス気化部３１４を出る前記合成ガスの流れからのその他の汚染物質を洗浄する気体洗浄部は前記バイオマス気化部に続いている。前記合成ガスはその後、メタノール合成に必要な適切な圧力へと圧縮される。上記メタン改質部３２７からの追加的な合成ガスは前記圧縮ステージの上流側又は下流側と接続してもよい。
【００７３】
前記気化部と前記蒸気メタン改質部３２７からのＨ２とＣＯの前記合成気体は、前記１又はそれ以上のメタノール合成反応容器への供給入力口へと送られる。水素の一酸化炭素に対する前記適格な比は制御システムにより最適化され得り、前記制御システムは前記バイオマス気化部３１４と蒸気メタン改質部３２７を出る合成ガス成分の監視設備からの分析を受領し、メタノール合成のための比の最適化を生じさせるものである。前記１又はそれ以上のメタノール合成反応容器により生成されたメタノールは、その後メタノールからガソリンへのプロセスにおいて処理される。
【００７４】
前記統合プラントにて生成された前記液体燃料はガソリン又はディーゼル、ジェット燃料若しくはいくつかのアルコール等のその他のものであってもよい。
【００７５】
それゆえ、前記バイオマス気化部３１４と前記ＳＭＲ３２７の両者は、メタノール合成反応容器３１０等のような前記下流側の有機液体製品合成反応容器へと合成ガス成分を供給することが出来る。前記メタノールはその後、高品質かつ高オクタンのガソリンを生成するため、メタノールからガソリンへのプロセスへと供給される。前記メタノールは、ジェット燃料、ＤＭＥ、ガソリン、ディーゼル及び混合アルコールを含む他の液化燃料プロセスへと供給されてもよい。
【００７６】
図４Ａ〜Ｃは、リグニンにより囲まれ互いに接合されたセルロース繊維の繊維束を有する例示的バイオマスチップ４５１の異なる水準の拡大図について示している。
【００７７】
図４Ｄは、爆発してバイオマスの微粒子４５３となる、第１のバイオマスチップ４５１を含む、例示的なバイオマスチップについて示している。
【００７８】
図４Ｅは、個々の繊維へとほぐれた又は部分的に分離した繊維の束を有するバイオマスチップ４５１について示している。
【００７９】
図５は、合成ガス製品を含む化学製品を生成するよう構成された輻射熱化学反応容器の実施形態に係るフロー概略図について示している。前記多数シェル輻射熱化学反応容器５１４は、内壁を有する環状穴を有する耐火性容器５３４を含む。前記輻射熱化学反応容器５１４は固体材料で作られた２又はそれ以上の輻射管５３６を有する。前記１又はそれ以上の輻射管５３６は前記耐火性内面容器５３４の穴の内側に配置される。
【００８０】
発熱熱源５３８は前記管５３６の内側の空間を加熱する。それゆえ、各輻射管５３６は前記管５３６の各端部にある蓄熱バーナ又はガスバーナ等のような発熱熱源５３８を用いてその内部から加熱される。各輻射管５３６は、前記管５３６の各端部の熱挿入注入口を介した前記バーナ及び可能性として前記２つの端部の間に配置された１又はそれ以上の熱挿入ポートによる火と気体を用いて前記内部から加熱される。１又はそれ以上の天然ガスバーナ５３８の炎と加熱気体は９００℃〜１８００℃の温度の前記多数の輻射管に供給される前記発熱熱源として作用し、前記輻射管５３６の両端につながる。各管５３６はＳｉＣ又はその他同様の材料で作られてもよい。
【００８１】
１又はそれ以上の供給ライン５４２は、バイオマス及び反応物質気体を前記化学反応容器５１４の上部又は下部へと供給する。前記バイオマス粒子及び蒸気のための供給ライン５４２は、内部的に加熱される前記輻射管５３６の耐火性内面容器５３４の前記入力ポイントより下から入る。前記供給ライン１１２は１）バイオマス粒子、２）反応物質気体、３）蒸気、４）熱伝導補助粒子又は５）前記４つのいずれかを含む化学反応物質を前記輻射熱化学反応容器へと供給するよう構成されている。輻射熱により推進された化学反応は内部火気を有する前記多数の輻射管５３６の外側で生じる。輻射熱により推進された前記化学反応は、前記耐火性内面容器５３４の穴の内壁及び前記各１又はそれ以上の輻射管５３６の外壁の中で生じる。
【００８２】
前記化学反応は、前記輻射を用いた前記輻射熱化学反応容器５１４で行われる１）バイオマス気化（ＣｎＨｍ＋Ｈ２０→ＣＯ＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｘ）、及び２）その他同様の炭化水素分解反応の１又はそれ以上を含む吸熱反応であってもよい。炭素に対する蒸気（Ｈ２Ｏ）のモル比は１：１〜１：４の範囲であり、前記温度は前記化学反応が触媒の存在なく生じるよう十分に高い。
【００８３】
前記輻射熱反応容器設計への供給材料として使用される前記バイオマス粒子は、前記気体に同伴された前記粒子への輻射のより効果的な熱伝導、所与の供給されたバイオマスの量についての一酸化炭素と水素の合成ガス成分の発生の増加した気化生産量、及びタールとＣ２＋オレフィンの減少した生成量を通じて改良したプロセス衛生を通じて、１２００度Ｃを超えるプロセス気体の温度を増加させ維持することが可能であるという有利な効果をもたらす。前記輻射熱反応容器のための前記制御システムは、上述の利益を生むため前記反応容器の表面から前記バイオマス粒子の流量へと伝導される輻射熱と整合する。
【００８４】
前記制御システムは、前記輻射熱推進化学反応容器が高熱流を有することを生じさせることを補助するため熱エネルギーを前記化学反応容器５１４へと供給する前記ガスバーナ５３８を制御する。前記化学反応容器５１４の内面は、前記包含された超高熱流動化学反応容器５１４の作動温度を維持するため、１）輻射エネルギーを吸収及び再放出し、２）輻射エネルギーを高度に反射し、及び３）これらのいずれかの組み合わせを行うため整列している。それゆえ、前記耐火性容器の穴の前記内壁と前記各１又はそれ以上の管５３６の前記外壁は、例えば、前記バイオマス粒子と、所与の管５３６の外壁と前記耐火性容器の内壁の間に存在するその他の熱伝導補助粒子へと輻射熱エネルギーを放出する。前記耐火性容器はそれゆえ、前記バイオマス粒子への熱流動、熱伝導補助粒子及び前記化学容器内の反応物質気体を一般に伝える熱輻射及び反射によるエネルギー伝達を生じさせる前記耐火性容器の上部及び下部に沿って配置された前記バーナ５３８からの前記集中したエネルギーを前記管５３６を介して吸収又は反射する。前記熱耐火性容器の穴の前記内壁と多数の管５３６は、輻射を吸収しそれを前記熱伝導補助粒子へと再輻射するか又は前記熱伝導補助粒子への前記入射輻射を反射することのいずれかにより輻射分散部としてはたらく。前記輻射熱化学反応容器５１４は、対流又は伝導ではなく主に輻射熱伝導により生じる超高熱流及び高温を用いる。
【００８５】
木炭粒子上で一般に用いられる対流バイオマス気化部は典型的には多くて５〜１０ｋＷ／ｍ＾２の熱流動に達する。前記高輻射熱流動バイオマス気化部は、対流によるバイオマス気化部にて見られるそれより少なくとも３倍の量著しく多い熱流動を用いるであろう（２５ｋＷ／ｍ＾２より大）。一般に、高温（＞９５０度Ｃの壁温度）の輻射を用いて、より高い流動（８０ｋＷ／ｍ＾２より大きい高熱流）が前記適切に設計された反応容器と共に実現され得る。ある場合において、前記高熱流は１００ｋＷ／ｍ＾２〜２５０ｋＷ／ｍ＾２であり得る。
【００８６】
次に、前記制御システムの前記多様なアルゴリズムとプロセスは、例えばコンピュータにより実行されるプログラムモジュールのようなコンピュータで実行可能な指令という一般的な文脈で説明される。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを行い又は特定の抽象的なデータタイプを実行するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。当業者は、前記説明を実行することができ、及び／又は、本書面において、以下で述べる如何なるコンピュータ可読媒体上でも実現され得るコンピュータで実行可能な指令として理解する。一般に、前記プログラムモジュールは、ソフトウエア指令、電子ハードウエアのロジックブロック及び両者の組み合わせとして実行されてもよい。前記ソフトウエア部分は、機械可読媒体上に保存され、Ｊａｖａ、Ｃ＋＋、Ｃ等のようないかなる数のプログラム言語にて書かれてもよい。前記機械可読媒体は、ハードドライブ、外部ドライブ、ＤＲＡＭ、テープドライブ、メモリスティック等であってもよいが一時的な信号は含まない。それゆえ、前記アルゴリズムと制御システムは、ハードウエアロジック、ソフトウエアと相互作用するハードウエアロジック、又はソフトウエアのみでもっぱら製造されてもよい。
【００８７】
前記設計のいくつかの特定の実施形態が示されるものの、前記設計はこ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の回収された排気熱は、燃焼気体を予熱するために用いられ得り又は他の同様の加熱手段のために用いられ得る。蓄熱ガスバーナ又は従前のバーナは前記炉のための熱源として用いられ得る。前記蒸気メタン改質は、ＳＨＲ（蒸気炭化水素改質）であり／を含み得り、前記ＳＨＲは、合成ガスへと酸化すると共に、炭化水素（アルカン、アルケン、アルキン、芳香油、フラン、フェノール、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、エーテル等）を含む短鎖炭化水素（＜Ｃ２０）を分解する。前記設計は、本書面にて説明した前記特定の実施形態により限定されるものではなく、添付の請求項の範囲によりのみ限定されるものと理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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