(57)【要約】  加工サブシステムで作製された処理済み有機炭素含有原料から、酸素不足のマイクロ波サブシステムを用いて作製される処理済みバイオ炭組成物が記載される。再生可能バイオマス原料は、加工サブシステムを通過して、水含量を少なくとも２０ｗｔ％未満まで低下し、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも６０％の水溶性塩の低下である。処理済み原料を実質的にマイクロ波透過性の反応チャンバーに導入する。マイクロ波源は、反応チャンバーのマイクロ波透過性壁を通って反応チャンバー内の原料に入射するよう方向付けられるマイクロ波を放出する。マイクロ波源は、反応チャンバーに対して回転し得る。所望する反応が生じて固体処理済みバイオ炭燃料が生産されるまで、原料をマイクロ波にさらす。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物であって：
少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で６０ｗｔ％超で減少した水溶性塩、及び、１０％未満の孔径分散を有する孔を含む特徴を有する、固体再生可能炭素燃料を含む処理済みバイオ炭組成物を含み、並びに、前記処理済みバイオ炭が、加工サブシステムで処理済み有機炭素含有原料に変換され、次いで、マイクロ波サブシステムで前記処理済みバイオ炭に変換される未処理有機炭素含有原料から作製される、前記組成物。
【請求項２】
前記加工サブシステムが：
ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内へ運搬するように構成される伝達デバイス；
ｂ．少なくとも１つの入口通路、流体のための少なくとも１つの出口通路、処理済み有機炭素含有原料のための少なくとも１つの出口通路、及び、少なくとも３つのセクションを含む少なくとも１つの反応チャンバーであって、前記セクションは、
ｉ．フィブリル間のリグニン及びヘミセルロースの少なくともいくつかと相互作用し、少なくともいくつかの領域の細胞壁を、水溶性塩の流出に対して影響をより受けやすくするように構成される湿潤フィブリル破壊セクション、
ｉｉ．前記湿潤フィブリル破壊セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から通過するための植物細胞壁通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させて細胞壁の影響をより受けやすい領域を貫通するように少なくとも構成される蒸気爆発セクション、並びに、
ｉｉｉ．前記蒸気爆発セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩の前記反応チャンバー流体出口通路からの流出を可能にするために水に不浸透性のフェルトの形成を最小限にするように構成される圧力プレート間で、前記多孔性有機炭素含有原料を圧縮し、また、反応チャンバー出口通路を通過して出る処理済み有機炭素含有原料を作製するように構成される、圧密セクションを含む、前記少なくとも１つの反応チャンバー；並びに、
ｃ．前記反応チャンバーと連通しており、重量で２０％未満の水含量及び前記未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する前記処理済み有機炭素含有原料を集めるよう構成される、回収デバイスを含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記マイクロ波サブシステムが：
ａ．マイクロ波反射型の囲い内にある少なくとも１つの反応チャンバーであって、前記反応チャンバーは、少なくとも１つのマイクロ波透過性チャンバー壁、及び、前記有機炭素含有原料を外部から供給される酸素が一切ない環境に保持するよう構成される少なくとも１つの反応空洞を前記反応チャンバー内に含む、前記少なくとも１つの反応チャンバー；
ｂ．作動させたときにマイクロ波を放出するように構成されるデバイスを少なくとも１つ含み、前記マイクロ波がマイクロ波透過性チャンバー壁を通って前記反応空洞内へ方向付けられるように前記マイクロ波のデバイスが前記反応チャンバーに対して配置される、マイクロ波サブシステム；並びに、
ｃ．前記マイクロ波のデバイスと反応チャンバーとの間で相対運動を提供するメカニズムを含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも１０パーセント多い孔をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
孔分布の分散が１０パーセント未満である孔をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項６】
同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも２０パーセント多い、請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも３０パーセント多い、請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭に存在するよりも体積当たりの孔の数が少なくとも４０パーセント多い、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭の熱含量よりも少なくとも２０％多い熱含量をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項１０】
前記処理済み有機炭素含有原料が少なくとも５重量パーセントの水を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項１１】
前記処理済み有機炭素含有原料が少なくとも５重量パーセントの揮発性物質を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項１２】
前記有機炭素含有原料が、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群のうち少なくとも２つを含み、ここで、各種類は前記少なくとも１つの反応チャンバーを連続して通過し、前記処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度が少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である、請求項１に記載の組成物。
【請求項１３】
前記未処理有機炭素含有が、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの水溶性塩含量を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項１４】
前記有機炭素含有原料が草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群のうち少なくとも２つを含み、ここで、各種類は前記少なくとも１つの反応チャンバーを連続して通過し、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度が少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である、請求項１に記載の組成物。
【請求項１５】
前記加工システムが：
各有機炭素含有原料に関して、継続時間、温度プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する特定の組合せの条件を用いて、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から外部へ通過するのを可能にする植物細胞壁通路の作製を阻止する混入物の分解を少なくとも開始するよう構成される前処置チャンバーをさらに含む、請求項２に記載の組成物。
【請求項１６】
前記蒸気爆発セクションが：
前記多孔性有機炭素含有原料が前記圧密セクションへ移る前に、少なくとも多少の前記水溶性塩を前記多孔性有機炭素含有原料から流すよう構成されるすすぎサブセクションを少なくとも１つさらに含む、請求項２に記載の組成物。
【請求項１７】
処理済みバイオ炭、固体再生可能燃料、組成物を作製するための方法であって、当該方法は：
ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、第１のサブシステム及び第２のサブシステムを含むシステム内に投入する工程、
ｂ．前記未処理有機炭素含有原料が前記第１のサブシステムである加工サブシステム方法を通過し、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、前記未処理有機炭素含有原料の塩含量から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料をもたらす工程、並びに、
ｃ．前記処理済み有機炭素含有原料が前記第２のサブシステムであるマイクロ波サブシステム方法を通過し、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した水溶性塩を有する固体再生可能燃料組成物をもたらす工程を含む、前記方法。
【請求項１８】
前記加工サブシステム方法及び前記マイクロ波サブシステム方法が：
ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を加工サブシステム反応チャンバー内に投入する工程；
ｂ．前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にする工程；
ｃ．前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製する工程；並びに、
ｄ．調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水及び細胞内水に溶性の塩が前記反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を作製する工程；
をさらに含み、前記マイクロ波サブシステム方法は：
ｅ．外部から提供される酸素を一切含まず、マイクロ波反射型の囲い内にある実質的にマイクロ波透過性の反応チャンバー内へ、処理済み有機炭素含有原料を投入する工程；
ｆ．マイクロ波源からのマイクロ波が前記反応チャンバーの壁を通って前記原料に入射するように方向付ける工程；
ｇ．前記マイクロ波透過性の反応チャンバーと前記マイクロ波源との間に相対運動を提供する工程；並びに
ｈ．前記原料が反応して、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で６０ｗｔ％未満である水溶性塩、１０ｗｔ％未満の水含量、及び、１０パーセント未満の孔径分散を有する孔を含む固体燃料を生産するまで、前記原料にマイクロ波を与える工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記加工サブシステム方法及び前記マイクロ波サブシステム方法が：
ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入する工程；
ｂ．前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にする工程；
ｃ．前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製する工程；並びに、
ｄ．調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水及び細胞内水に溶性の塩が前記反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量と比較して乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量、及び、公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法での類似した水除去の重量当たりのコストの６０％未満まで低下した、前記水及び水溶性塩の除去の重量当たりのコストを有する処理済み有機炭素含有原料を作製する工程；
をさらに含み、前記マイクロ波サブシステム方法は：
ｅ．外部から提供される酸素を一切含まず、マイクロ波反射型の囲い内にある実質的にマイクロ波透過性の反応チャンバー内へ、処理済み有機炭素含有原料を投入する工程；
ｆ．マイクロ波源からのマイクロ波が前記反応チャンバーの壁を通って前記原料に入射するように方向付ける工程；
ｇ．前記マイクロ波透過性の反応チャンバーと前記マイクロ波源との間に相対運動を提供する工程；並びに
ｈ．前記原料が反応して、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で６０ｗｔ％超の低下である水溶性塩含量、及び、１０ｗｔ％未満の水含量を含む固体燃料を生産するまで、前記原料にマイクロ波を与える工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、有機炭素含有原料由来の固体炭燃料の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の大部分は、地下の有限備蓄から汲み出した原油から蒸留され、又は、石炭から採掘される。地球の原油供給を集めるのがより困難及びコスト高になっており、また、クリーンな無煙炭以外の石炭の環境上の影響に対する懸念が大きくなっているため、世界のエネルギーへの需要が同時に大きくなっている。これから１０年間にわたり、簡単にアクセス可能な、残りの世界の原油備蓄及びクリーンな無煙炭備蓄の枯渇によって、原油及び石炭から得る燃料のコストが顕著に増大するだろう。
【０００３】
バイオマスを、輸送及び／又は加熱に適した燃料及び副産物に効率的に変換できる方法を発見する研究は、エネルギーへの増大し続ける需要を満たす際に重要な因子である。さらに、向上した利用性を持つ固体副産物を有する方法に対する需要も増大している。
【０００４】
バイオマスは、植物細胞を有し、燃料の経済的な源として有望な、再生可能有機炭素含有原料である。しかし、この原料は通常、水、及び、水溶性塩といった混入物を多く含み過ぎており、石炭、石油又は天然ガスといった燃料の一般的な源の経済的な代替物にすることができない。
【０００５】
歴史的に、従来の機械的／化学的方法を介すると、植物はその水分の２５重量パーセントを手放す。また、植物を日光又は窯で乾燥させたとしても、植物細胞に残る天然及び人工化学物質並びに水溶性塩が結び付いてかまど内に腐食及び破壊的なつやをもたらす。また、残っている水分は、１トン当たりの熱発生ＭＭＢＴＵ、原料のエネルギー密度を低下させ、したがって、かまどの効率を制限する。多くのバイオマス材料での実験で得た数世紀にわたるデータは全て、小さくなる増加量でのかさ比重向上を達成するために、より大きなエネルギーの増加量が必要になるという結論を支持している。したがって、植物細胞を含む材料を包含する原料のより大きな分類である有機炭素含有原料を処理する市政廃棄施設は概して、自治体にとってお金がかかるエネルギー効率の悪い方法で機能する。同様に、有機炭素含有原料の総称に包含される農業廃棄物を、廃棄物が石炭又は石油の効果的な代用物になるよう処理するのに必要なエネルギーは、何かしらの政府からの補助金なしでは商業的ではなく、概して、不満足な量の水又は水溶性塩のいずれか又は双方を含んでいる。商業的に成功するのに十分な大きさの体積でそのような原料を適切に調製するコストは高く、現在は非経済的である。また、商業上役に立つのに十分な体積で利用可能である適切な植物細胞含有原料は概して、従来の方法では、有害なファウリング及び混入物のシナリオに至る水溶性塩含量を有する。経済的に道理のかなう十分な量のエネルギー作物を育てるための適切な土地は通常、植物細胞内に高い水溶性塩含量、すなわち、しばしば乾量基準で４０００ｍｇ／ｋｇ超をもたらす場所に見つかる。
【０００６】
有機炭素含有原料は、固体再生可能燃料又は石炭代用物として試されているが、燃焼装置での腐食、ファウリング及びスラッギングに寄与し得る水溶性塩を概して含み、保持される水分を大部分の理由に石炭のエネルギー密度よりもかなり低くまでエネルギー密度を低下させる高い水含量を有するため、経済的に実行可能ではない。しかし、処理済みバイオ炭は、水及び水溶性塩の含量を実質的にもっと低下させてコスト効率良く作製できたら、固体燃料のクリーンな再生可能源であるため、処理済みバイオ炭への需要は依存としてある。
【０００７】
処理によってより多くの有益な特性を有する固体副産物は、エネルギー及び食物への増大し続ける需要を満たす際に重要な要因である。本発明は、これらの需要を満たし、先行技術と比べて様々な利点を提供する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の実施形態は、再生可能未処理有機炭素含有原料由来の組成物及び方法を対象とする。組成物は、処理済みバイオ炭組成物であり、当該処理済みバイオ炭組成物は、その特徴として少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で６０ｗｔ％超で減少した水溶性塩、及び、１０％未満の孔径分散を有する孔を含む、固体再生可能炭素燃料である。組成物は、未処理有機炭素含有原料を、再生可能原料から、加工（ｂｅｎｅｆｉｃｉａｔｉｏｎ）サブシステムで処理されたものに変換し、マイクロ波サブシステムで処理済みバイオ炭に変換するよう構成されるシステムで作製される。
【０００９】
固体再生可能燃料組成物を作製する方法は、３つの工程を含む。第１の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、第１及び第２のサブシステムを含むシステム内に、投入することである。第２の工程は、未処理有機炭素含有原料が第１のサブシステムである加工サブシステム方法を通過し、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の塩含量から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料をもたらすことである。第３の工程は、処理済み有機炭素含有原料が第２のサブシステムであるマイクロ波サブシステム方法を通過し、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した水溶性塩を有する固体再生可能燃料組成物をもたらすことである。
【００１０】
本発明は、例えば電気を作るために用いられる石炭燃焼ボイラーといった、熱を発生させる原料として石炭を用いるデバイスに適したクリーンな石炭代用物である処理済みバイオ炭である。処理済みバイオ炭の低塩含量によって、現在典型的である有害な腐食摩耗及びデバイスのメンテナンス清掃を実質的に緩和される。処理済みバイオ炭を作製するために用いられる加工化有機炭素含有原料の均一な低水含量及び均一な高エネルギー密度は、広範な種類の再生可能有機炭素含有原料を方法のマイクロ波セクションでコスト効率の良い方法で用いることを可能にする。方法の加工セクション間の水溶性塩の実質的な減少は、その次に続く処理済み有機炭素含有原料の使用で生じる有害な結果を低下させる。さらに、本発明で、未処理有機炭素含有原料から上記の通り２０ｗｔ％未満の含量まで水を除去、及び相当量の水溶性塩を除去するのに必要なエネルギーは、従来の方法に関してよりも著しく低い。いくつかの実施形態では、加工化原料の重量当たりの合計コストは、次に続く燃料作製操作での使用のための再生可能有機炭素含有原料を調製するための公知の機械的、生理化学的又は熱的方法で類似のタスクを行うコストよりも、少なくとも６０％減少される。
【００１１】
上記概要は、本発明の各実施形態又は全ての実装を説明することは意図していない。付属の図面と合わせて次の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することで、本発明のより完璧な理解と共に、利点及び達成が明らかになり、理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、細胞壁内のフィブリル、ミクロフィブリル及びセルロースの配置を示す、細胞壁のある領域の分解図を伴う典型的な植物細胞の図である。
【図２】図２は、ミクロフィブリルを含み、ヘミセルロース及びリグニンの鎖で結び付いたフィブリルを示す、二次植物細胞壁内の２つのフィブリルの一部分の側面透視図の図である。
【図３】図３は、水及び水溶性塩が植物細胞内外のどこにあるかを示す、バガス繊維のあるセクションの断面図の図である。
【図４】図４は、加工サブシステム内の反応チャンバーの実施形態の側面図の図である。
【図５Ａ】図５Ａは、加工サブシステムの圧力プレートの様々な実施形態の前面図の図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａで示す圧力プレートの一実施形態をクローズアップした透視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、流体のベクトル及び流体のベクトルにさらされるピスの粒子を伴う、圧力プレートの中心下の断面図を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、リグノセルロースフィブリルに関する典型的な応力−ひずみ曲線のグラフ図示である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、典型的な有機炭素含有原料の水含量を減らし、かさ比重を増やすのに必要な圧力及びエネルギーのグラフ図示である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、かさ比重の乗数（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を達成するのに必要なエネルギー需要の乗数のグラフ図示である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、特定の有機炭素含有原料に合わせた本発明の実施形態で、有機炭素含有原料の水含量を減らすための圧力サイクルの一例の図示である。
【図７】図７は、本発明の加工サブシステムの実施形態で、有機炭素含有原料から少なくとも７５ｗｔ％の水溶性塩を除去し、５０ｗｔ％から１２ｗｔ％に水含量を減らすのに必要な推定エネルギー消費を、公知の方法と比較して示す表である。
【図８】図８は、平行な４つの反応チャンバー、前処置チャンバー、及び、蒸気凝縮チャンバーを有する加工サブシステムの実施形態の側面図の図である。
【図９Ａ】図９Ａ及び９Ｂは、有機炭素含有材料をバイオ炭に変換するよう構成されるマイクロ波サブシステムの実施形態の反応チャンバーの側面及び断面図をそれぞれ示す。
【図９Ｂ】同上。
【図９Ｃ】図９Ｃは、マイクロ波サブシステムの実施形態の傾いた反応チャンバーの図である。  図９Ｄは、マイクロ波サブシステムの一実施形態の側面図の図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９Ａ及び９Ｂで図示される反応チャンバーを水／空気抽出及び反応方法のために用いるマイクロ波サブシステムの一実施形態のブロック図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、フィードバック制御を含むマイクロ波サブシステムの一実施形態を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、１つ以上のマイクロ波透過性壁を有する円形反応チャンバーの外部に配置されたドラム上に配列される、複数の固定マグネトロンを含むマイクロ波サブシステムを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、マグネトロンを支持するドラムを有するマイクロ波サブシステムの一実施形態を示し、当該ドラムは、反応チャンバーの長手方向の軸の周りを回転し得、一方で、反応チャンバーが同時にその長手方向に回転する。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、整流装置を備える原料輸送メカニズムを有するマイクロ波サブシステムの反応チャンバーの実施形態を示す。
【図１２】図１２は、第２の熱源に加えて回転するマグネトロンを有するシステムを例示する。
【図１３】図１３は、マグネトロンが反応チャンバーの長手方向の軸に沿って動き、反応チャンバーの長手方向の軸の周りを回転するマイクロ波サブシステムを示す。
【図１４】図１４は、未処理有機炭素含有原料が加工サブシステムを通過し、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で６０ｗｔ％超で減少した水溶性塩含量を有する、処理済み有機炭素含有原料を作製する方法の実施形態のブロック図である。
【図１５】図１５は、未処理有機炭素含有原料が加工サブシステムを通過し、２０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で６０ｗｔ％超で減少した水溶性塩含量、及び、公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法での類似した除去の重量当たりのコストの６０％未満まで低下した、水溶性塩及び水の除去のエネルギーコストを有する、処理済み有機炭素含有原料を作製する方法の実施形態のブロック図である。
【図１６】図１６は、加工サブシステムで用いる３種類の有機炭素含有原料に関する、相対的な方法条件範囲並びに水及び水溶性塩含量を示す表である。
【図１７】図１７は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステムを通過し、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で６０ｗｔ％超で減少した水溶性塩、及び、１０％未満の孔径分散である孔を有する、固体再生可能燃料処理済みバイオ炭を作製する方法の実施形態のブロック図である。
【００１３】
本発明が様々な修正及び代替形態を受け入れる一方で、詳述が図面を例として示され、以下で詳細に説明される。しかし、その意図は本発明を説明する特定の実施形態に制限することではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、付属の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内である全ての修正物、同等物及び代替物を包含することが意図される。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の処理済みバイオ炭は、マイクロ波システムを通過した加工化処理済み有機炭素含有原料から作製される炭である。処理済みバイオ炭は、エネルギー密度において石炭に少なくとも相当する。本発明の処理済みバイオ炭は、非効率で未処理再生バイオマスでいずれかの塩が発見される場合に除去する塩がより少ない現在のバイオマス方法の負担を伴わない、再生可能資源である農業及び植物材料由来である利点を有する。いくつかの本発明の態様が考察される：バイオ炭、未処理再生可能有機炭素含有原料、加工サブシステム、マイクロ波サブシステム、加工サブシステム方法及びマイクロ波サブシステム方法である。
【００１５】
バイオ炭
再生可能有機炭素含有原料から作製される炭は、本明細書では処理済みバイオ炭と呼ぶ。本発明の処理済みバイオ炭は、１０ｗｔ％未満の水、乾量基準で未処理有機炭素含有原料の水溶性塩の６０ｗｔ％未満である水溶性塩、及び、１０％未満の孔径分散を有する孔を含む、固体再生可能炭素燃料を含む。処理済みバイオ炭は、加工サブシステムで処理済み有機炭素含有原料に変換され、次いでマイクロ波サブシステムを通過する未処理有機炭素含有原料から作製される。本明細書で使用される通り、処理済みバイオ炭は、加工化有機炭素含有原料の脱揮（ｄｅｖｏｌａｔｉｚａｔｉｏｎ）の固体産物である。本発明の処理済みバイオ炭を作製するために用いられる有機炭素含有原料は、２つ以上の再生可能原料の混合物を含み得る。
【００１６】
石炭に関しては、炭は、炭化（ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、炭化（ｃｈａｒｒｉｎｇ）、脱揮又は熱分解としても知られる酸素不足の燃焼の初期段階の間に軽いガス及びタールが炭質材料から追い出された又は放出された後に残る固体物質である。軽いガスとしては、例えば、二酸化炭素及び窒素といった少量の非発熱ガスと一緒に、水素、一酸化炭素、メタン及び揮発性炭化水素が挙げられる各種発熱ガスを含む可燃性気体性燃料である石炭ガスが挙げられる。石炭タールは、非常に高粘性な茶色又は黒色の液体であり、フェノール類、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）及びヘテロ環状化合物の複合混合物及び可変混合物が挙げられる。対照的に、制限された量の酸素の存在下（炭の析出の有無に関わらず）での燃焼は気化として知られ、合成ガスといった産物を作製するのに用いられ、通常は炭ではなく灰を生成する。この種類の燃焼は、可逆性気相、一酸化炭素が水蒸気と反応して二酸化炭素及び水素を形成する可逆性化学反応である水性ガスシフト反応への到達の際に迅速に終結する（一酸化炭素及び水素の混合物は合成ガスとして知られる）。
【００１７】
石炭は、数百年にわたる地下での形成に関連する無機不純物を有する。無機不純物は燃焼可能ではなく、例えばボイラーといった状況での石炭の燃焼の後に灰に現れ、燃焼後にその飛灰微粒子物質が空気中に排出されるため、空気汚染に寄与する。無機不純物は主に、最終的に埋没する前に腐敗バイオマス内に押し出される粘度鉱物に起因する。不純物の第２の重要な分類は、炭酸塩鉱物である。石炭形成の初期段階で、炭酸鉄は、コンクリーション（最大数十センチメートルのサイズである硬い楕円形の団塊）又は石炭の亀裂を埋める充填物のいずれかとして析出する。他の不純物は、石炭形成の際に気体のアンモニア（ＮＨ４）及び硫化水素（Ｈ２Ｓ）に化学的に還元され、石炭内に閉じ込められる窒素及び硫黄である。しかし、多くの硫黄は鉱物である黄鉄鉱（ＦｅＳ２）として存在し、これは、石炭体積の最大数パーセントを占め得る。石炭を燃やすとこれらの化合物は酸化され、酸性雨の悪評高い寄与因子である窒素の酸化物（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２等）及び二酸化硫黄（ＳＯ２）を放出する。また、微量元素（水銀、ゲルマニウム、ヒ素及びウランが挙げられる）が石炭内に著しく濃縮されており、石炭を燃やすことで放出され、空気汚染に寄与する。
【００１８】
対照的に、本発明の処理済みバイオ炭は石炭よりもクリーンである。既に考察した不純物は、いずれの相当量でも存在しない。特に、処理済みバイオ炭は、実質的に硫黄を一切含まない。いくつかの実施形態は、１０００ｍｇ／ｋｇ（０．１ｗｔ％）未満又は百万分率で１０００部（ｐｐｍ）未満の硫黄含量、いくつかは１００ｍｇ／ｋｇ未満（１００ｐｐｍ、いくつかは１０ｍｇ／ｋｇ未満（１０ｐｐｍ））の硫黄含量を有する。対照的に、石炭は著しくより多くの硫黄を有する。石炭の硫黄含量は４０００ｍｇ／ｋｇ（０．４ｗｔ％）〜４０，０００ｍｇ／ｋｇ（４ｗｔ％）の範囲に及び、石炭の種類によってさまざまである。無煙炭の典型的な硫黄含量は、６０００ｍｇ／ｋｇ（０．６ｗｔ％）〜７７００ｍｇ／ｋｇ（０．７７ｗｔ％）である。れき青炭の典型的な硫黄含量は７０００ｍｇ／ｋｇ（０．７ｗｔ％）〜４０．０００ｍｇ／ｋｇ（４ｗｔ％）である。褐炭の典型的な硫黄含量は約４０００ｍｇ／ｋｇ（０．４ｗｔ％）である。無煙炭は、燃やす際の広範な使用にはコストが高すぎる。褐炭は低品質の石炭であり、エネルギー密度又はＢＴＵ／ｗｔが低い。
【００１９】
さらに、処理済みバイオ炭は、硝酸塩、ヒ素、水銀又はウランを実質的に一切含まない。いくつかの実施形態は、５００ｍｇ／ｋｇ（５００ｐｐｍ）未満の硝酸塩含量、いくつかは１５０ｍｇ／ｋｇ（１５０ｐｐｍ）未満の硝酸塩含量を有し、対して、石炭の硝酸塩含量は通常２０，０００ｍｇ．ｋｇ（２ｗｔ％）超である。いくつかの実施形態は、２ｍｇ／ｋｇ（２ｐｐｍ）未満のヒ素含量、いくつかは１ｍｇ／ｋｇ（１ｐｐｍ）未満のヒ素含量、いくつかは０．１ｍｇ／ｋｇ又は十億分率で１００部（ｐｐｂ）、いくつかは０．０１ｍｇ／ｋｇ未満（１０ｐｐｂ）のヒ素含量を有し、対して石炭のヒ素含量は１ｍｇ／ｋｇ超〜７０ｍｇ／ｋｇ（１ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ）超である。いくつかの実施形態は、無視できる程度、すなわち１ミクログラム／ｋｇ（１ｐｐｂ）未満の水銀含量を有し、対して、石炭の水銀含量は０．０２ｍｇ／ｋｇ（２０ｐｐｂ）〜０．３ｍｇ／ｋｇ（３００ｐｐｂ）である。同様に、いくつかの実施形態も無視できる程度、すなわち１ミクログラム／ｋｇ（１ｐｐｂ）未満のウラン含量を有し、対して石炭のウラン含量は２０ｍｇ／ｋｇ（２０ｐｐｍ）〜３１５ｍｇ／ｋｇ（３１５ｐｐｍ）であり、平均は約６５ｍｇ／ｋｇ（ｐｐｍ）であり、石炭からの灰中のウラン含量は平均約２１０ｍｇ／ｋｇ（２１０ｐｐｍ）である。
【００２０】
炭の他の形態も公知である。これらの炭のうちいくつかとしては、例えば、バイオマスの熱分解によって作製される炭が挙げられ、木炭としても知られる。木炭には様々な使用があり、例えば、料理及び暖房のために熱を発生させる燃焼性燃料、並びに、農産物及び園芸作物を育てるために用いる土を肥やすためのミネラルを提供する土壌回復が挙げられる。炭はまた、酸素を含む外部空気にさらされる、ベーコン調理器に類似したオープンマイクロ波オーブンをバイオマスが通過して作製され、液体相を有する熱的方法で作製されるものと類似した分散で孔を含む。
【００２１】
熱的加熱又は赤外線（ＩＲ）で作製した炭では、熱がいずれかの有機炭素含有原料の表面上で吸収され、次いで、より低い温度で次のレベルまで再放射される。この方法は、ＩＲ放射が原料の最も内部の部分に貫通するまで繰り返される。原料の全材料がその表面でＩＲ放射を吸収し、原料を構成する様々な材料は、様々な割合でＩＲを吸収する。原料の表面と最も内部の層及び領域との間に数百度℃のデルタ温度が存在し得る。その結果、固体有機炭素含有原料は、揮発される前に液体相を局所的に通過する。温度におけるこのばらつきは、原料の特徴、加熱の速度及び熱源の局所化次第で、長手方向並びに放射方向で現れ得る。表面から原料の内部までの、このばらつきのある熱移動は、冷たいスポット及び熱いスポット、熱的ショック、不均一な表面及び内部の膨張亀裂、断片化を引き起こし、表面物質を排出し、並びに、エアロゾルを作り得る。これらは全て、多くの異なる最終製品の生成と一緒に副反応を引き起こす微小環境につながり得る。これらの副反応は、原料内だけでなく、原料から蒸発して回収される前に内部のリアクター環境の蒸気スペースを占める揮発性物質内でも作られる。
【００２２】
通常のＩＲ放射方法、熱分解は、バイオマスを低／無酸素環境で加熱することで、バイオマスからバイオ炭、液体及び気体を生産する。酸素の不在は、燃焼を阻害する。熱分解による産物の相対収量は、温度で異なる。４００〜５００℃（７５２〜９３２°Ｆ）はより多くの炭を生産する一方で、７００℃（１，２９２°Ｆ）超の温度は液体及び気体燃料成分の収量に有利である。熱分解はより高い温度でより早く起こり、通常、数時間ではなく数秒を要する。典型的な収量は６０％のバイオ油、２０％のバイオ炭、及び２０％の有機揮発性物質である。化学量論的酸素濃度の存在下では、高温度の熱分解は気化としても知られ、主に合成ガスを生産する。比較すると、遅い熱分解は、およそ５０％で実質的により多くの炭を生産する。
【００２３】
上記方法の全てにおいて、全再生可能有機炭素含有原料の水溶性塩は、除去されない。これは、燃焼した炭の灰含量の増大、並びに、腐食及び燃焼の際の不純物の粘性残渣の析出であるスラッギングによる摩耗及び維持費の増大といった有害な効果を有する。対照的に、本発明の処理済みバイオ炭を作製する方法では、未処理有機炭素含有原料を処理してほとんどの水及び水溶性塩を除去するする加工サブシステム、並びに、処理済み有機炭素含有原料を均一な多孔炭に変換するマイクロ波サブシステムを使用した。
【００２４】
熱的方法とは対照的に、本発明の処理済みバイオ炭を作製する方法は、本明細書で説明する酸素不足のマイクロ波方法によるマイクロ波放射を利用する。マイクロ波放射を用いると、原料の固体部分はマイクロ波放射にほとんど透過性であり、ほとんどのマイクロ波放射は単に通過する。固体原料の吸収の小さい断面とは対照的に、気体及び液体の水はマイクロ波放射を強く吸収し、水分子の回転及びねじり振動エネルギーを増大する。したがって、存在する気体及び液体の水はマイクロ波によって加熱され、これらの水分子は次に固体原料を非間接的に加熱する。
【００２５】
よって、マイクロ波放射野に供した原料はいずれも、原料の物理的配向及び含量が何であろうとも、内部から外部まで、均一に放射にさらされる。マイクロ波を用いると、放射は、加熱する水分子によって選択的に吸収される。この熱は次いで周囲の環境に移動し、原料が均一に及び徹底的に加熱されることにつながる。
【００２６】
自由水及び細胞間水が全て蒸発すると、いくつかのマイクロ波は、残っている原料によって吸収され始め、さらに、反射型の囲み内で原料を加熱し始め、これは、マイクロ波放射が原料を何回も通過することを引き起こす。マイクロ波放射はＩＲ及び熱的加熱よりも低い温度で原料の変換を完了し、より短い時間枠で起こる。動作温度の低下は、度℃基準で１０〜３０％以下の範囲であり得、加熱時間は、指定した原料の同程度の分解を達成するのにＩＲ放射で必要な時間の半分〜１０分の１に相当する量で低下し得る。これは全て、微小環境が減少し、副反応がより少なく、及び、回収揮発性物質がクリーンであるように、徹底的に均一に加熱された原料につながり得る。
【００２７】
反応チャンバーの空気は、外部で提供される酸素を一切含まない。いくつかの実施形態では、空気は、例えば窒素のように、不活性である。いくつかの実施形態では、空気は、反応チャンバーに入る前に処理されている有機炭素含有原料から完全に除去されなかった水を少量含み得る。
【００２８】
本明細書で考察するマイクロ波方法システムから結果として得られる処理済みバイオ炭は、放射された処理済み有機炭素含有炭化水素原料の脱揮化炭素の残留物である。本明細書で考察するマイクロ波システムは、反応チャンバーに入る時に水をさほど含んでいない有機炭素含有原料を処理し得る。しかし、変換は、水又は水関連の分子が存在する時に、より能率的であり、すなわち、より早い速度及びより低い温度である。いくつかの能率的な変換は、反応チャンバーに入る時の有機含有原料の水含量が少なくとも５重量パーセント及び１５重量パーセント未満である時に生じる。いくつかは、水が少なくとも６重量パーセント及び１２重量パーセント未満の時に生じる。本明細書のために、水としては、自由水、間質水、細胞水、及び他の分子と結合して水和化化合物を形成し得る水部分が挙げられる。原料のマイクロ波への曝露の初期に、原料粒子の体積全体での水の均一な加熱は、より多くの、及び、より均一の孔の作製につながる。処理済み有機炭素含有原料は水を含むため、以下の考察はこれらの原料に焦点を当てる。しかし、同様の結果が水を含まないものに関しても起こり得るが、その能率性はより低い。
【００２９】
方法のマイクロ波放射で作製した処理済みバイオ炭は、上記の通り、ＩＲ放射で処理した同様の原料に比べて、改善された特徴を複数有する。第１に、処理済みバイオ炭は、同様の未処理有機炭素含有原料を用いる現在の方法で生産したものよりも著しく少ない塩を含む。処理済み有機炭素含有原料の塩及び結果として得られる処理済みバイオ炭の塩は、未処理有機炭素含有原料の塩含量の塩から、乾量基準で、少なくとも６０ｗｔ％で減少している。その結果、結果として得られる処理済みバイオ炭の固定炭素はより高く、燃焼の際に灰を形成する塩がより少ないため、炭含量がより低い。また、ボイラー内の塩の有害効果も緩和され、摩耗はより遅く、装置のメンテナンス清掃の頻度はより少なく、困難性もより小さい。
【００３０】
第２に、マイクロ波方法の間に、実質的に全ての自由水が表面から中心まで均一に、及び、徹底的に除去されているので、孔数及び孔径はより大きく、処理済みバイオ炭全体の分散は、ＩＲ方法において同様の原料で作製した炭の分散よりも小さい。いくつかの実施形態は１０％超の孔数、いくつかは２０％超の孔数、いくつかは３０％超の孔数、及び、いくつかは４０％超の孔数を有する。いくつかの実施形態は、孔の平均直径で計測される孔径が、１０％超の孔径、いくつかは２０％超の孔径、いくつかは３０％超の孔径、及び、いくつかは４０％超の孔径を有する。いくつかの実施形態は１０％未満の孔数分散を有し、いくつかは５％未満の孔数分散を有する。いくつかの実施形態は、１０％未満の孔径分散を有し、いくつかは５％未満の孔数分散を有する。孔密度、孔径及び分布の増大の結果、表面の体積に対する割合は、いくつかの実施形態で、ＩＲ方法で同様の原料から作製した炭の少なくとも４倍である。いくつかの実施形態は、表面の体積に対する割合は少なくとも６倍、いくつかでは少なくとも８倍、いくつかでは少なくとも１０倍、及び、いくつかでは少なくとも１５倍で増大する。マイクロ波方法システムのリアクター条件を制御し、特定の原料に関して所望する孔密度、孔径及び分布を生産し得る。優れた多孔性の特徴の一例は、処理済みバイオ炭が、ＩＲによる同様原料の炭よりも土壌での水和特徴が良好であることである。
【００３１】
第３に、処理済みバイオ炭は、ＩＲ方法で同様の原料から作製した炭よりも、含む揮発性物質が少ない。脱重合温度の間に存在する揮発性物質は、炭素と有害反応を引き起こし、所望する液体燃料及び本発明の処理済みバイオ炭以外の化合物を形成する。さらに、処理済みバイオ炭の揮発性物質は、結果として得られるバイオ炭の固定炭素を減少させることで、処理済みバイオ炭の熱含量を低下させる。本発明では、処理済みバイオ炭は、凝縮可能及び非凝縮可能気体及び蒸気が徹底的に脱揮される。いくつかの実施形態では、気体及び蒸気の含量は、重量で少なくとも９５％低下し、いくつかの実施形態は重量で少なくとも９７％、いくつかでは重量で少なくとも９９％低下し、対して、ＩＲ処理による同様の原料で作製した炭は、重量で少なくとも１０％の揮発性物質含量である。これは、製鋼のコーク代替物といった処理済みバイオ炭の適用、気化、及び、ボイラーといった燃焼の適用で望ましく、なぜなら、本発明の処理済みバイオ炭の有害腐食性化合物の含量が、ＩＲ方法による炭の含量よりも少ないからである。
【００３２】
第４に、処理済みバイオ炭は、ＩＲ方法による同一の原料で作製した炭の熱価よりも高い熱価を有する。より良好な脱揮のために、処理済みバイオ炭の燃焼に関わる後々の燃料としての使用の際に、揮発性物質及び炭素との副反応がより少ない。したがって、ＩＲ方法によって処理された同様の原料の炭よりも、より多くの程度の固定炭素が本発明の処理済みバイオ炭に残留し得る。いくつかの実施形態では、固定炭素含量は重量で少なくとも５％、いくつかの実施形態は重量で少なくとも１０％、いくつかの実施形態は重量で少なくとも１５％、及び、いくつかの実施形態は重量で少なくとも２０％増大する。固定炭素のこの増大は、ＩＲ方法によって処理された以外は同一の原料の炭の熱含量に比べて、本発明の処理済みバイオ炭のいくつかの実施形態の熱含量の増大につながり得る。熱含量は、使用される有機炭素含有原料の種類によって影響され、ＩＲ方法で処理した同様の有機炭素含有原料の６，０００Ｂｔｕ／ｌｂ（１４ＭＪ／ｋｇ）〜１０，０００Ｂｔｕ／ｌｂ（２３ＭＪ／ｋｇ）未満と比較すると、通常少なくとも１０，０００Ｂｔｕ／ｌｂ（２３ＭＪ／ｋｇ）〜１４，０００Ｂｔｕ／ｌｂ（３３ＭＪ／ｋｇ）超の範囲である。いくつかの実施形態では、処理済みバイオ炭の熱含量は、ＩＲ方法による同一の原料の炭よりも少なくとも２０％、いくつかでは少なくとも３０％、いくつかでは少なくとも４０％、いくつかでは少なくとも５０％、いくつかでは少なくとも６０％、及びいくつかでは少なくとも７０％増大する。さらに、揮発性物質の低下した量のために、本発明の処理済みバイオ炭は、眼に見える煙を伴わず、及び、ＩＲ方法による同様の原料から作製される炭で見られるもののよりも小さい炎で燃え得る。いくつかの実施形態は、炎は少なくとも５％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも１０％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも１５％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも２０％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも２５％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも３０％小さく、いくつかの実施形態は少なくとも３５％小さく、及び、いくつかの実施形態は少なくとも４０％小さい。
【００３３】
本発明の炭を作製するために用いられる有機炭素含有原料は、２つ以上の再生可能原料の混合物を含み得る。
【００３４】
未処理有機炭素含有原料
ヘミセルロース及びリグニン重合鎖によって織り合わさったセルロースの束によって、植物は強靭であり、水分を保持するのに優れている。セルロースは、数十億年にわたって進化し、熱、化学物質又は微生物による破壊に抵抗する。植物細胞壁では、ミクロフィブリルのセルロース分子の束は、壁に抗張力を提供する。セルロースミクロフィブリルの抗張力は、１１０ｋｇ／ｍｍ２と高く、又は、実験室条件で、最も強靭な鋼鉄の抗張力のおよそ２．５倍である。細胞壁内でのように、セルロースは湿っている場合はその抗張力は急速に低下し、機械的支持を提供する能力が著しく減少する。生物システムでは、セルロースの骨格は、防水及び強化性材料として作用するペクチン、ヘミセルロース及びリグニンのマトリックスに組込まれている。これによって、経済的に道理がかなうのに十分な速さ、十分なコスト安、又は十分な大きさの規模で再生可能セルロース含有バイオマスから燃料を生産するのが難しくなる。本明細書で使用される有機炭素含有材料は、５０年未満内に再生可能であり、例えば、草、エネルギー作物及び農作物の廃棄物といった草木材料；木のパーツ、他の木の廃棄物、及び、壊れた家具及び枕木といった木製の廃棄品といった木の材料；並びに、動物の糞尿といった、未消化植物細胞を含む動物性材料といった植物材料を包含する、再生可能植物含有材料を意味する。方法で原料として使用される有機炭素含有材料は、有機炭素含有原料と呼ぶ。
【００３５】
再生可能バイオマスとも呼ぶ未処理有機炭素含有材料は、上記の幅広い有機材料を包含する。米国だけで年間数十億トンの有機炭素含有材料を生産していると推定される。本明細書で使用される加工化有機炭素含有原料は、水含量が低下し、相当量の溶解塩が除去され、材料のエネルギー密度が増加した処理済み有機炭素含有原料である。この処理済み原料は、複数のエネルギー生産製品を作製する方法への投入として使用され得、例えば、液体炭化水素燃料、石炭に代わる固体再生可能燃料、及び天然ガスに変わる合成再生可能バイオガスが挙げられる。
【００３６】
有機炭素含有原料を作製するビジネスにいる誰もが実感するように、エネルギーバランスは最も大事な測定基準である。有機炭素含有原料を加工するのに用いるエネルギー量、及び、したがってそのエネルギーのコストは、初めの加工方法によって実現される全体の向上による埋め合わせによって実質的に相殺されなくてはいけない。例えば、他のものは全て同じでありながら、１０００ＢＴＵを燃焼して処理済み有機炭素含有原料の熱含量を１０００ＢＴＵ向上させることは、同時に起こる相当量の水溶性塩の除去によって以前は使用不可であった有機炭素含有原料をボイラーといったいくつかの方法での燃料代用物として使用可能にならない限り、経済的に道理がかなっていない。
【００３７】
本明細書で使用される有機炭素含有原料は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水−塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む。いくつかの実施形態では、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量は、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇである。他の実施形態では、塩含量は、１０００ｍｇ／ｋｇ超、２０００ｍｇ／ｋｇ超又は３０００ｍｇ／ｋｇ超であり得る。含量は主に、有機炭素含有材料が育つ土壌次第である。土地が豊富で、商業的な量でエネルギー作物を育てるための土地使用を可能にする能力がより高い領域は、４０００ｍｇ／ｋｇ超の水溶性塩含量を有する有機炭素含有原料をもたらすアルカリ性土壌をしばしば有する。
【００３８】
水溶性塩は、有機炭素含有原料を用いて燃料を作る方法において望ましくない。塩は、燃焼の際に腐食、ファウリング又はスラッギングを通して装置の動作寿命を縮める傾向がある。いくつかのボイラーは、燃料の塩の濃度を１５００ｍｇ／ｋｇ未満に制限する基準を設けている。これは、ボイラーのための燃料の利用率と、装置の清掃及びパーツの取り換えの頻度の費用との間のバランスを見つけることである。経済的に行う場合は、塩はより少ない方が好まれる。実際に、加工化による塩の減少は、塩を有するバイオマス（例えば、木くず燃料、メスキート及びマツ−ビャクシン（ｐｉｎｙｏｎ−ｊｕｎｉｐｅｒｓ））のボイラーでの使用のための実現技術である。また、塩はしばしば触媒をだめにし、有益な燃料を作るために用いる方法での細菌又は酵素の使用を阻害する。ある塩濃度が許容される一方で、好ましくは、塩濃度は経済的に実行可能なまで低くあるべきである。
【００３９】
水溶性塩及び各種形態の水は、植物細胞の様々な領域で見つかる。本明細書で使用される植物細胞は、フィブリル内にミクロフィブリルの束を含み、並びに、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を含む、細胞壁から構成される。図１は、細胞壁内のフィブリル、ミクロフィブリル及びセルロースの配置を示す、細胞壁のある領域の分解図を伴う典型的な植物細胞の図である。植物細胞（１００）が、フィブリル（１３０）を示すようにある部分が拡大された細胞壁（１２０）と一緒に示される。各フィブリルは、セスロース（１５０）の鎖を含むミクロフィブリル（１４０）から構成される。セルロースの鎖は、多少の程度の秩序を示し、したがって、結晶性を示す。
【００４０】
植物細胞は、一次細胞壁及び二次細胞壁を有する。二次細胞壁は、植物の種類によって厚さがさまざまであり、植物材料の強度のほとんどを提供する。図２は、ミクロフィブリルを含み、ヘミセルロース及びリグニンの鎖で結び付いたフィブリルを示す、二次植物細胞壁内で一緒に束になった２つのフィブリルの一部分の側面透視図の図である。植物細胞壁（２００）のセクションは多くのフィブリル（２１０）で構成される。各フィブリル２１０は、セルロースミクロフィブリル（２３０）の集合体を囲む鞘（２２０）を含む。フィブリル２１０はヘミセルロース（２４０）及びリグニン（２５０）の織り合わさった鎖によって一緒に結び付いている。細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を除去するために、細胞壁２００のセクションは、ヘミセルロース２４０及びリグニン２５０の鎖のネットワークからフィブリルの束を外すこと、鎖部分を脱結晶化すること、又は、鎖部分を脱重合することのいずれか１つによって孔を開けなくてはいけない。
【００４１】
植物細胞は、細胞間水によってそれぞれ分離されている。植物細胞の集合体は、植物繊維で一緒にまとめられ、それぞれ、その外部が表面水としても知られる自由水で濡れているセルロースの壁を有する。特定の有機炭素含有原料内に分布する水の量は、材料によってさまざまである。一例として、水は草木植物由来の新鮮なバガスで次のように分布されている：約５０ｗｔ％の細胞内水、約３０ｗｔ％の細胞間水、及び、約２０ｗｔ％の自由水である。バガスは、サトウキビ又はソルガムの茎を、果汁を抽出するためにつぶした後に残留する繊維性物質である。
【００４２】
図３は、水及び水溶性塩が植物細胞内外のどこにあるかを示す、バガスの繊維セクションの断面図の図である。植物細胞（３００）の集合体を有する繊維が、外部セルロース壁（３２０）上の表面水（３１０）と一緒に示される。繊維３００の中には、細胞間水（３４０）によって分離される各植物細胞（３３０）がある。それぞれの各植物細胞３３０内には、細胞内水（３５０）及び細胞内水に溶性の塩（３６０）がある。
【００４３】
有機炭素含有原料を加工する従来の方法としては、熱的方法、機械的方法及び生理化学的方法が挙げられる。熱的方法としては、熱分解及びトレファクションに関わる熱処置が挙げられる。熱的方法は、同伴する塩を効果的に除去せず、塩を濃縮する役目を果たすだけである。したがって、熱的方法は、石炭及び石油の同等物に対する燃料代用物として用いる有機炭素含有原料といった、多くのエネルギー生産製品の作製に関して許容可能ではない。さらに、全ての従来の熱的方法は、エネルギー集約的であり、不利な全体エネルギーバランスにつながり、したがって、エネルギーの再生可能源としての有機炭素含有原料の商業的使用を経済的に制限する。
【００４４】
圧力押出し又は高密度化とも呼ばれる機械的方法は、水及び水溶性塩が有機炭素含有材料から無理やり押し出される２つの別々の方法に分けられ得る。これら２つの方法は、細胞間及び細胞内押出しである。細胞間水及び細胞間水に溶性の塩の押出しは、有機炭素含有材料の新鮮度、粒径、開始水含量、及び有機炭素含有材料の多様性次第で、中程度の圧力で起こる。５０ｗｔ％と６０ｗｔ％との間の水含量を有する、切ったばかりの草木性有機炭素含有原料の適切のサイズにした粒子は、１，０００ｐｓｉといった低さの圧力で細胞間水分の押出しを開始し、余分な圧力が水分を植物細胞内へ押しやる（本質的に細胞内水分になる）まで続く。
【００４５】
高密度化が進むにつれて、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を押出そうとするためにより高い圧力、及び、したがってより高いエネルギーコストが必要になる。しかし、硬い細胞壁はバイオマス材料に機械的強度を提供し、構造完全性を失わずに高圧力に耐えられる。さらに、より弱い細胞壁の草木性材料により蔓延する不浸透性フェルトの形成が、閾値の圧力を超えた異なる草木性バイオマス材料の圧密の際に観察される。この方法は、エネルギー集約的である。さらに、乾量基準で最大５０パーセントの水溶性塩しか除去できず（細胞内塩は残る）、３０ｗｔパーセント未満を超えて水含量を減少できない。
【００４６】
フェルトは、長い繊維が織り込みを形成し、小粒子のピスによって一緒に結び付けられる時に形成される。ピスは、植物で見られる組織であり、柔らかい、スポンジのような柔組織細胞から構成され、これは、水溶性養分を保管及び植物全体に輸送する。ピス粒子は、水中で自身の重量の５０倍を保持できる。圧密の際に引き出される圧縮力が形成中のフェルト内に水を押出すにつれ、同伴したピス粒子が最大その体積まで水分を回収する。その結果、いずれかのフェルトの水含量は９０％に到達し得る。フェルトが圧密の際に形成する時、適用される力に関係なく、圧縮されるバイオマスの全体の水含量は、そうではなくフェルトが形成されない時よりも実質的に高いだろう。フェルトは、適用される力に垂直に、圧密デバイス及びセグメントの出口ポートを遮断し、水は圧密デバイスからの圧出から遮断される。フェルトはまた、植物繊維及び植物細胞を通過する水を遮断し、いくらかの水は細胞壁の孔を通過していくつかの植物細胞内に戻る。さらに、乾量基準で最大５０パーセントの水溶性塩しか除去できず、３０ｗｔパーセント未満を超えて水含量を減少できない。
【００４７】
生理化学的方法は、圧密の前に有機炭素含有原料の化学的前処置及び圧力の除圧を含み、密度を高めたバイオマスの質を実質的に改善し、一方で、所望するかさ比重を達成するのに圧密の際に必要なエネルギー量も低下する。化学的に、バイオマスは主に、関連植物材料の二次細胞壁に存在するセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含む。セルロース及びヘミセルロースの鎖はリグニンによって架橋結合しており、リグニン−炭水化物複合体（ＬＣＣ）を形成する。ＬＣＣは細胞内水の除去に対して疎水性バリアを生産する。有機炭素含有材料を可溶化しすぎる紙のパルプ化方法に加え、従来の前処置としては、酸加水分解、蒸気爆発、ＡＦＥＸ、アルカリ湿式酸化及びオゾン処置が挙げられる。これらの方法の全ては、慎重に操作されない場合、製品重量当たりのコスト基準で高くなり得、また、乾量基準で２５％超の水溶性塩を除去するように設計されていない。
【００４８】
さらに、有機炭素含有材料から概ね取得可能なエネルギー密度は、その種類、すなわち、草木、軟木及び堅木に左右される。また、発電所のための燃料といった次に続く使用で種類を混合することは望まれず、なぜなら、現在の処理済み有機炭素含有原料のエネルギー密度は、植物材料の種類によって大いに異なるからである。
【００４９】
上記の通り、植物材料はさらに３つのサブクラスの草木、軟木及び堅木に細分され得、それぞれは特定の水保持メカニズムを有する。全ての植物細胞は一次細胞壁及び二次細胞壁を有する。前述の通り、材料の強度は主に、一次細胞壁ではなく、二次細胞壁によるものである。軟木材料でも、軟木材料の二次細胞壁は草木材料に関してよりも厚い。
【００５０】
草木植物は、比較的もろい壁の植物であり、トウモロコシを包含し、約１０〜１５フィート（約３〜５メートル（Ｍ））未満の最大高さを有する。全ての植物がピス粒子を有する一方で、草木植物は比較的もろい細胞壁を有するため、水を風船のように保持する細胞壁内の高濃度のピス粒子を介してその水分のほとんどを維持する。圧力はその風船を変形するだけであり、植物が水を手放すことは引き起こさない。草木植物は、約５０％の水を細胞内水として有し、１トン当たり約５，２００，０００ＢＴＵ（ＭＭＢＴＵ／トン）又は１メートルトン当たり６ギガジュール（ＧＪ／ＭＴ）の未処理材料のエネルギー密度を有する。比較すると、グラファイトの形態である純炭素は、２８ＭＭＢＴＵ／トン（３３ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有し、無煙炭は約２１ＭＭＢＴＵ／トン（２５ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。
【００５１】
軟木材料は、草木植物よりも丈夫である。軟木材料としてはマツが挙げられ、通常、５０と６０フィート（約１５と１８Ｍ）の間の最大高さを有する。軟木材料の植物細胞はより硬い壁を有し、したがって、水分を保持するのに必要なピス粒子はより少ない。軟木材料は約５０％の水を細胞内水として有し、約１３−１４ＭＭＢＴＵ／トン（１５−１６ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。
【００５２】
堅木材料は、最も丈夫な植物であり、オークを包含し、通常６０と９０フィート（１８と２７Ｍ）の間の最大高さを有する。最も厚い二次細胞壁を有するセルロースの植物細胞を有し、したがって、水分を保持するのに必要なピス粒子の量は一番少ない。堅木材料は、約５０％の水を細胞内水として有し、約１５ＭＭＢＴＵ／トン（１８ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。
【００５３】
エネルギー産業では、エネルギー産業が有機炭素含有材料を商業上での代替又は補助燃料源として使用するのを可能にするシステム及び方法に対する必要性が存在する。商業規模で再生可能有機炭素含有材料を育てるのに利用可能な土地の多くはまた、通常少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの量である、所望含量の水溶性塩よりも高い含量を有する有機炭素含有材料をもたらす。太平洋北西の森林製品はしばしば、沿岸内水路を介して輸送され、バイオマスは海からの塩にさらされる。したがって、そのようなシステム及び方法は、相当量の水溶性塩を除去し、適切な燃料代用物を提供できなくてはいけない。一例として、燃料内の高濃度の塩に関連するコスト高のメンテナンスを避けるためにボイラーが必要とする塩含量は通常１５００ｍｇ／ｋｇ未満である。さらに、許容可能なエネルギー密度を達成するのに十分な水を除去するエネルギー及びその結果としてのコストは、石炭又は炭化水素燃料代用物を作製する方法で有機炭素含有材料を適切な代替物にするのに十分低くなくてはいけない。
【００５４】
様々な種類の植物を取り扱い、同様のエネルギー密度を有する処理済み有機炭素含有原料に到達し得る方法の必要性もある。
【００５５】
開示される発明は、エネルギー産業が処理済み有機炭素含有材料を商業的代替燃料源として使用するのを可能にする。本発明のいくつかの実施形態は、人工又は天然の化学的混入物のほぼ全てを除去し、全水含量を５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲の量まで低下する。これによって、電気事業の産業といった産業は、水溶性塩の量の実質的な低下を伴って、有機炭素含有原料を最大５０ｗｔ％の処理済み有機炭素含有原料及び５０ｗｔ％の石炭の割合で混合し、石炭の競争価格で、石炭と同一のＭＭＢＴＵ／トン（ＧＪ／ＭＴ）能率を享受することが可能になる。文献によると、最大３０％の有機炭素含有原料の石炭に対する割合が説明されている。最近の特許出願公開であるＥＰ２５８０３０７Ａ２は、熱を加えた機械的圧密による最大５０％の割合を開示しているが、有機炭素含有原料の水溶性塩含量における明らかな低下はなかった。本明細書で開示する発明は、使用する特定の未処理有機炭素含有原料に合わせた条件を伴う反応チャンバーを通して、実質的な水溶性塩の低下を明らかに含んでいる。以下で考察する通り、反応チャンバーの圧密セクションの目的を追加したすすぎサブセクション及びその次に続く加圧アルゴリズムは、石炭と混合して使用し得るように、処理しなければ石炭ボイラーで燃やすのには利用不可能である、特に高い含量の水溶性塩を有する有機炭素含有原料を処理するのに有利であり得る。これとしてはまた、例えば木くず燃料、メスキート及び西洋アカスギが挙げられる。
【００５６】
さらに、開示される発明は、異なる種類の有機炭素含有原料がそれぞれ調節された条件で処理され、事前に選択したエネルギー密度を有する処理済みの産出をもたらすことを可能にする。本発明のいくつかの実施形態は、５．２〜１４ＭＭＢＴＵ／トン（６〜１６ＧＪ／ＭＴ）の範囲である異なるエネルギー密度を有する２種類以上の原料を、連続した反応チャンバーへ、又は、異なる反応チャンバーへ並行して供給し得る。各種類の有機炭素含有原料は事前に選択して合わせた条件下で処理されるので、本発明のシステムのいくつかの実施形態に関して、結果の処理済み有機炭素含有原料は実質的に同様のエネルギー密度を有し得る。いくつかの実施形態では、エネルギー密度は約１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である。他では、約１８、１９又は２０ＭＭＢＴＵ／トン（２１、２２又は２３ＧＪ／ＭＴ）である。これは、下流の方法が、使用される種類に関わらず同様のエネルギー密度並びに実質的に減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料と機能するのを可能にする偉大な効果を提供する。
【００５７】
本発明の方法は、加工サブシステムを用いて処理済み有機炭素含有原料を作製し、当該処理済み有機炭素含有原料は、再生可能バイオマスから申し分ない石炭代用固体燃料を作製するのに用いるクリーンで経済的な材料であり、また、本発明の方法は、処理済み有機炭素含有原料を本発明の固体再生可能燃料炭へ変換するマイクロ波サブシステムを用いる。第１のサブシステムを以下で考察する。
【００５８】
加工サブシステム
処理済み有機炭素含有原料を作製するために用いる加工サブシステムは、少なくとも３つの要素、伝達デバイス、少なくとも１つの反応チャンバー及び回収デバイスを備える。本明細書で用いられる加工サブシステムは、未処理有機炭素含有原料を処理済み有機炭素含有原料へ変換するシステムを指す。
【００５９】
第１の要素、伝達デバイスは、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内へ運搬するように構成される。伝達デバイスは、固体未処理有機炭素含有原料を反応チャンバーへ運搬し、反応チャンバー内での原料の一貫した滞留時間を得るのに適したいずれかのものである。伝達デバイスとしては、オーガといった、化学産業では良く知られるデバイスが挙げられる。
【００６０】
未処理有機炭素含有原料がシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を作製するので、未処理有機炭素含有原料の粒径は満足のいくエネルギーバランスを可能にするのに十分な小ささである必要がある。いくつかの実施形態で、未処理有機炭素含有原料は、ある呼称寸法で到着する。例えばエネルギー作物及び農業廃棄物といった草木材料は、最長寸法が１インチ（２．５ｃｍ）未満である粒径を有するべきである。好ましくは、切られたばかりの多くの木及び木の廃棄物は、０．５インチ（１．３ｃｍ）未満の最長を有するべきである。好ましくは、古い木の廃棄物、特に、例えばマツといった樹脂種類の木は特に、０．２５インチ（約０．６ｃｍ）の最長寸法の粒径を有し、最適な経済上の結果を得、ここでは、処理能力及びエネルギー／化学物質消費が一緒に評価される。
【００６１】
システムのいくつかの実施形態はまた、反応チャンバーの前に破砕（ｍａｓｔｉｃａｔｉｏｎ）チャンバーを含む。この破砕チャンバーは、有機炭素含有原料の粒径を最長寸法として１インチ（２．５ｃｍ）未満まで縮小するよう構成される。これによって、有機炭素含有原料が１インチ（２．５ｃｍ）より大きい最長寸法を有する粒径で到着することが可能になる。
【００６２】
システムのいくつかの実施形態はまた、細胞内水及び水溶性塩がセルロース−フィブリル束から通過するための通路の作製を阻止する混入物を除去する前処置チャンバーも含み得る。チャンバーは、各有機炭素含有原料に関して、継続時間、温度プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する特定の組合せの条件を用いて混入物の分解を少なくとも開始する。混入物としては、樹脂、ロジン、接着剤及びクレオソートが挙げられる。初期のいずれかのフェルトも包含する固体スラリーは、一次最終産物である処理済み有機炭素含有原料で結合剤としての使用のために回収され得る。分離油を、例えばスギ油といった単独型の産物として回収してもよい。
【００６３】
第２の要素である反応チャンバーは、少なくとも１つの入口通路、少なくとも１つの出口通路、並びに、湿潤フィブリル破壊セクション、蒸気爆発セクション及び圧密セクションの少なくとも３つのセクションを含む。第１のセクションである湿潤フィブリル破壊セクションは、フィブリル束内のセルロースミクロフィブリル間のリグニン及びヘミセルロースを少なくともいくつか壊してばらばらにし、少なくともいくつかの領域の細胞壁をより貫通可能にする。これは、複数の手段の内少なくとも１つによって達成される。有機炭素含有原料を、植物フィブリルに浸透し、リグニン、ヘミセルロース及びＬＣＣバリアを破壊する適切な化学物質と混合する。さらに、化学処置はまた、セルロースフィブリル及び／又はミクロフィブリルのある部分の束を外し、脱結晶化し、及び／又は脱重合する。好ましくは、化学物質を特定の有機炭素含有原料に合わせる。いくつかの実施形態では、化学処置は、混和性の揮発性気体を含む水溶液を含む。混和性気体は、アンモニア、重炭酸塩／炭酸塩又は酸素の１つ以上を包含し得る。いくつかの実施形態はメタノール、炭酸アンモニウム又は炭酸の水溶液を含み得る。メタノールの使用は、例えば、より多い木の含量を有する有機炭素含有原料に関して所望され、木の有機炭素含有原料に含まれる樹脂を分解し、加工化学物質がフィブリルとより良好に接触するのを可能にし得る。事前に決めた混合滞留時間のあと、有機炭素含有原料を、蒸気駆動、又は、ピストンといった他の手段で、反応チャンバーの次のセクション内へ運搬し得る。いくつかの実施形態では、方法条件は、リグニン又はヘミセルロースを２５ｗｔ％超で分解しないように選択されるべきであり、なぜなら、これらは処理済み有機炭素含有原料のエネルギー密度への重要な寄与因子であるからである。システムのいくつかの実施形態は、使用する特定の有機炭素含有原料によって、少なくとも１３５℃、少なくとも１６５℃又は少なくとも１８０℃の温度；少なくとも２６０ｐｓｉｇ、少なくとも２８０ｐｓｉｇ、少なくとも３７５ｐｓｉｇ又は少なくとも６４０ｐｓｉｇの圧力；及び少なくとも１５分間（ｍｉｎ）、２０分間又は３０分間の滞留時間を有し得る。
【００６４】
第２のセクションである、蒸気爆発セクションは、湿潤フィブリル破壊セクションと連通している。蒸気爆発セクションは少なくとも、細胞内水及び水溶性塩がセルロースフィブリルの束から通過するためのセルロース通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させ、細胞壁のより影響を受けやすい領域を貫通するように構成される。有機炭素含有原料は単離、加熱、蒸気を含む揮発性流体によって加圧される。適用した揮発性化学物質は及び蒸気は、高温及び高圧のために蒸気爆発セクション内で植物フィブリル内に貫通する。用いる特定の有機炭素含有原料が指示する事前に決定した滞留時間の後、素早く開く弁を開くことで、反応チャンバーから、気体を保持及び分離しエネルギー／化学的能率の増大のために方法でそれら気体の少なくともいくつかを再利用するよう設計され得る拡張チャンバー内へ、圧力を迅速に放出する。気体の保持が望まれないいくつかの実施形態は、拡張チャンバーを有さない。システムのいくつかの実施形態は、用いる特定の有機炭素含有原料によって、ｐｓｉｇにおいて、少なくとも２３０、少なくとも２５０、少なくとも３４５又は少なくとも６００の単位圧の低下を有し得；及び、５００ミリ秒（ｍｓ）未満、３００ｍｓ未満、２００ｍｓ未満、１００ｍｓ未満、又は、５０ｍｓ未満の爆発継続時間を有し得る。
【００６５】
いくつかの実施形態は、反応チャンバーの湿潤フィブリル破壊セクション内への気体入口を含み、圧縮した空気、又は、例えば酸素といった他の圧縮した気体を送達し得る。所望する圧力まで送達した後、入口ポートは閉じ、反応のための加熱が進む。これによって、次の３つのうち少なくとも１つが可能になり得ることに留意されたい：第１に、全体の圧力の増加は、次に続く爆発をより強力にするだろう。第２に、所望される場合に処理済み有機炭素含有原料の酸化電位を増大するだろう。第３に、反応チャンバーの底の穿孔管を介した気体の泡立ち作用によって、有機炭素含有原料、水、及び、例えば有機溶媒といった可能性のある他の化学物質の混合のための準備が提供され得る。
【００６６】
湿潤フィブリル破壊セクション及び蒸気爆発セクションを通過する有機炭素含有原料への正味の効果はフィブリル細胞壁の破壊であり、これは、圧力の爆発を介して物理的に、並びに、選択性及び最小限のフィブリルセルロースの脱結合、セルロース脱重合及び／又はセルロース脱結晶化を介して化学的に起こる。セルロース、リグニン及びヘミセルロースの加水分解といった化学的効果も起こり得る。結果として得られる有機炭素含有原料の粒子は、そのフィブリル及び細胞壁の微細孔のサイズ及び数の増大を示し、したがって、表面積の増大を示す。多孔性になった有機炭素含有原料を蒸気爆発セクションから次のセクション内へ出す。
【００６７】
第３のセクションである圧密セクションは、蒸気爆発セクションと連通している。圧縮セクションは少なくとも、細胞内及び細胞間水並びに細胞内及び細胞間溶性塩の流出を可能にするように作った反応チャンバー出口経路を閉じ得るフェルトの形成を、最小限にするように構成される圧力プレート間で、多孔性有機炭素含有原料を圧縮するように構成される。このセクションでは、各有機炭素含有原料に関する原則的な方法条件は、圧力プレート上の雄型の有無、出発水含量、処理済された水含量、及び、最終的な水含量である。本発明のシステムの圧密セクションは、草木性植物材料原料を含む原料に関して、圧力プレート上に雄型にパターン形成した表面を必要とする。しかし、セクションは、用いる特定の材料及び収穫後のその新鮮度次第で、軟木又は堅木植物材料原料の処理には雄型表面を必要とし得る、又は、必要とし得ない。システムのいくつかの実施形態は、用いる特定の有機炭素含有原料次第で、７０〜８０ｗｔ％、４５〜５５ｗｔ％又は４０〜５０ｗｔ％の範囲である出発水含量を有し得；及び、所望する実際の標的次第で、４〜１５ｗｔ％の処理された水含量を有し得る。
【００６８】
第３の要素、回収デバイスは、反応チャンバーと連通している。回収チャンバーは少なくとも、非燃料成分を燃料成分から分離し、処理済み有機炭素含有原料を作製するよう構成される。原料は２０ｗｔ％未満の水含量及び乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する。いくつかの実施形態は、表面水分が空気乾燥させた後、２０ｗｔ％未満の水含量を有する。いくつかの実施形態は１５ｗｔ％未満の水含量を有する処理済み有機炭素含有原料を有する。他の実施形態では、処理済み有機炭素含有原料は１２ｗｔ％未満、１０ｗｔ％未満、８ｗｔ％未満、又は５ｗｔ％未満の水含量を有する。いくつかの実施形態は、乾量基準で少なくとも６５％減少した水溶性塩を有する。他の実施形態は、乾量基準で少なくとも７０％、乾量基準で７５％、乾量基準で少なくとも８０％、乾量基準で少なくとも８５％、乾量基準で少なくとも９０％又は乾量基準で少なくとも９５％減少した水溶性塩を有する。
【００６９】
システムのいくつかの実施形態はさらに、少なくとも１つのすすぎサブセクションを含み得る。このサブセクションは、多孔性有機炭素含有原料が圧密セクションへ移る前に、少なくとも多少の水溶性塩を多孔性有機炭素含有原料から流すよう構成される。塩水に浸した木くず燃料（木片、削りくず、又は、それを作るために用い、「ハンマーホグ」（ｈａｍｍｅｒ  ｈｏｇ）としても知られる製材機械又は粉砕機械の残留物）といった、塩含量が特に高いいくつかの実施形態では、２つ以上のすすぎサブセクションを有するよう構成され、別の圧密セクションが続く。分離された水は、溶解した水溶性塩と一緒に、周囲環境への放出のために回収及び処置され得、又は、再生可能有機炭素含有原料を育てるのに使用する田畑で再利用までされ得る。この水の塩は、肥料及び殺虫剤といった、作物に目的を持って添加する成分を含む可能性が高い。
【００７０】
本発明の加工サブシステムは、複数の図の描写を介してより理解され得る。図４は、除圧した炭素含有原料から放出される気体を保持する拡張チャンバーと連通した反応チャンバーの実施形態の側面図の図である。反応チャンバー（４００）は、湿潤フィブリル破壊セクション（４１０）と一緒に示される。溶媒（４１２）及び未処理有機炭素含有原料（４１４）は、湿潤フィブリル破壊セクション４１０内へ弁（４１６）及び（４１８）を介して供給され、それぞれ次のセクションの準備を整える。前処置した有機炭素含有原料は次いで蒸気爆発セクション（４２０）へ弁（４２２）を介して移動する。弁はチャンバー間で用いて材料を投入し、各チャンバーで指定された標的条件の達成を可能にする。水又は水系揮発性混合物といった揮発性膨張流体を、弁（４２４）を介して蒸気拡張チャンバー４２０へ供給する。除圧の間に作製された多孔性有機炭素含有原料から放出される気体は、速放出弁（４２８）を介して拡張チャンバー（示されない）へ提供され、可能性のある再利用のために気体を保持する。圧密セクション（４３０）は、弁（４３２）を介して多孔性有機炭素含有原料を受け取り、ここで、水及び水溶性塩は多孔性有機炭素含有原料から実質的に除去され、処理済み有機炭素含有原料となる。
【００７１】
上記の通り、圧密セクションの圧力プレートは、フェルト形成を最小限にするよう構成される。フェルトは、織り合わさって水及びその水に同伴する水溶性塩が圧密セクションの出口ポートを通過するのを止める非浸透性バリアを形成する織り合わさった繊維の集合体である。さらに、反応チャンバーの最初の２つのセクションでの加工方法を生き延びたいずれかのピス粒子がフェルトンに同伴して水を吸収し得、したがって、加圧の間の水の排除を阻止する。したがって、フェルト形成は、圧縮中のバイオマスの内部から追い出されないよう相当の割合の水及び塩を閉じ込める。図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、圧力プレートの実施形態、及び、圧力プレートがどのように機能して、水及び水溶性塩が圧密セクションから自由に流れられるようフェルト形成を最小限にするかを示す。図５Ａは、圧力プレートの様々な実施形態の前面図の図である。示されるのは、多孔性有機炭素含有原料の下流の流れに対して圧力をかける圧力プレートの表面である。図５Ｂは、図５Ａで示す圧力プレートの一実施形態をクローズアップした透視図である。図５Ｃは、力のベクトル及び力のベクトルにさらされるフェルトを伴う、圧力プレートの中心下の断面図を示す図である。反応チャンバーの最初の２つのセクションでの上流加工方法は、バイオマスの繊維をかなり弱め、それによって、フェルト形成の最小化にも寄与する。
【００７２】
いくつかの実施形態は、公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法由来の処理済み有機炭素含有原料の重量当たりのコストの６０％未満のコストで、未処理有機炭素含有原料と比較して処理済み有機炭素含有原料の水含量及び水溶性塩の減少を達成する。これらの実施形態では、反応チャンバーは、各未処理有機炭素含有原料に合わせた条件で操作するように構成され、システムはさらに、熱を再捕捉及び再利用し、消費するエネルギーを最小限にして処理済み有機炭素含有原料の特性の特定の組合せにつながるよう設計される。反応チャンバーセクションはさらに次のように構成される。湿潤フィブリル破壊セクションはさらに、各有機炭素含有原料に合わせ、並びに、各有機炭素含有原料に関する少なくとも溶媒媒体、継続時間、温度プロフィール及び圧力プロフィールを含むフィブリル破壊条件を使用するように構成される。第２のセクションである、蒸気爆発セクションは、各有機炭素含有原料に合わせ、並びに、少なくとも圧力低下、温度プロフィール及び爆発継続時間を含む爆発条件を用いて植物細胞内で揮発性植物フィブリル浸透性流体爆発を形成するように構成される。第３のセクションである圧密セクションは、各有機炭素含有原料並びに圧力、圧力プレート構成、滞留時間及び圧力対時間プロフィールに合わせた圧密条件を用いるよう構成される。
【００７３】
各有機炭素含有原料に処理条件を合わせる重要性は、次の、植物フィブリルの粘弾性／粘塑性特性に関する考察によって示される。細胞壁の構成における植物間の違いに加え、植物が草木、軟木又は堅木であるかどうかによって、植物は異なる度合いで興味深い物理的特性をいくつか示す。有機炭素含有材料は、弾性及び塑性特性の双方を示し、その度合いは、双方とも、植物の特定の種、及び、例えば新鮮であるか又は古いかといった植物の状態次第である。粘弾性／粘塑性材料の弾性／塑性の関係を管理する物理学は、かなり複雑である。純粋に弾性である物質と違って、粘弾性物質は弾性成分及び粘性成分を有する。同様に、粘塑性材料は、可塑成分及び粘性成分を有する。粘弾性物質に圧力をかける速度は、その物質に、材料の弾性限界に到達するまで時間へのひずみ速度依存をもたらす。弾性限界を超えると、材料のフィブリルは、塑性、すなわち永久変形を示し始める。図６Ａは、リグノセルロースフィブリルに関する典型的な応力−ひずみ曲線のグラフ図示である。粘弾性及び粘塑性の双方の重要な側面である粘性は、熱的に促進された変形に対して抵抗性であるので、粘性材料は圧密サイクルの間中、エネルギーを損失する。弾性変形はまた、フィブリルがその本来の形状に回復できないことによって観察される通り、損失エネルギーにつながる。重要なことに、粘弾性／粘塑性は分子の再配置につながる。応力を特定の有機炭素含有原料といった粘性弾性材料に適用する場合、その構成成分であるフィブリル及び同伴水分子のいくつかは位置を変え、それを行っている間に、摩擦のために熱の形態でエネルギーを損失する。材料がその周囲に損失するエネルギーは、圧縮機から受け取ったエネルギーであり、したがって、処理によって消費されたエネルギーであることを強調することが重要である。材料の弾性限界を超えて圧力をさらに適用する場合、フィブリルそのものは位置だけでなく、形状を変化させる。定義上、「粘性」物質は、熱の形態でその周囲にエネルギーを損失する。
【００７４】
圧密サイクルがどのように１つの有機炭素含有原料に関してどのように最適化され、エネルギー消費を最小限にして標的製品価値を達成するかの一例が次に続く。実験を通して、消費されるエネルギーと達成されるエネルギー密度との間に平衡状態が作られる。図６Ｂは、典型的な有機炭素含有原料の水含量を減らし、かさ比重を増やすのに必要な圧力及びエネルギーのグラフ図示である。かさ比重は水含量に関係しており、かさ比重が高いほど、より低い水含量に釣り合う。有機炭素含有原料圧密方法は、生産性に影響するサイクル時間、関連する水溶性塩及び鉱物と一緒の正味水分放出、原料の粘弾性／粘塑性特性による跳ね返り効果の永久かさ比重改善の正味、及び、エネルギー消費の間の最適平衡状態を引き出す。
【００７５】
図６Ｃは、かさ比重の乗数を達成するのに必要なエネルギー需要の乗数のグラフ図示である。圧密サイクルはさらに、有機炭素含有原料の各種類及び状態のために最適化し得、サイクル内に小休止を組み込むことで、より小さい圧力での所望する結果、すなわち、エネルギー消費を達成し得る。図６Ｄは、特定の有機炭素含有原料に合わせた本発明の実施形態で、有機炭素含有原料の水含量を減らすための圧力サイクルの一例の図示である。
【００７６】
同様の方法で、エネルギー消費は、システムの湿潤フィブリル破壊及び蒸気爆発部分の間に最適化され得る。圧密前の化学的前処置はさらに、製品の品質を向上させ、また、正味エネルギー消費を低下させる。比較のために、図６Ｃで「１０」のかさ比重の乗数を達成するために適用した圧力は約１０，０００ｐｓｉであり、有機炭素含有原料を除圧するのに非経済的に高いコストの資本設備及び不満足に高いエネルギーコストを必要とする。
【００７７】
図７は、公知の方法と比較して、本発明の実施形態で、有機炭素含有原料から少なくとも７５ｗｔ％の水溶性塩を除去し、水含量を５０ｗｔ％から１２ｗｔ％に減少させるのに必要な推定エネルギー消費を示す表である。出発水含量が５０ｗｔ％の廃棄木材を推定に用いて、本発明の３つの実施形態の、公知の機械的、生理化学的及び熱的方法との比較を並べて示す。選択したシステムの実施形態では、水、メタノールと一緒に水、二酸化炭素をバブリングして炭酸Ｈ２ＣＯ３を生産する水を含む、フィブリル膨張化流体を用いる。表から分かる通り、また、上記の通り、公知の機械的方法では、水含量を１２ｗｔ％まで低下させることはできず、公知の生理化学的方法は、水溶性塩含量を２５ｗｔ％超で低下させることはできず、公知の熱的方法では、水溶性塩を一切除去できない。メタノール及び水、二酸化炭素及び水、並びに水のみを用いる本発明の３つの実施形態に関して１トン当たりの合計エネルギー必要量は、それぞれ０．２８ＭＭＢＴＵ／トン（０．３３ＧＪ／ＭＴ）、０．３１ＭＭＢＴＵ／トン（０．３６ＧＪ／ＭＴ）及び０．４２ＭＭＢＴＵ／トン（．４９ＧＪ／ＭＴ）である。これは、公知の機械的、公知の生理化学的、及び公知熱的方法に関してそれぞれ０．４１ＭＭＢＴＵ／トン（０．４８ＧＪ／ＭＴ）、０．９０ＭＭＢＴＵ／トン（１．０５ＧＪ／ＭＴ）及び０．７８ＭＭＢＴＵ／トン（０．９１ＧＪ／ＭＴ）と比較される。したがって、システムの発明の実施形態に関して、乾量基準で２０ｗｔ％未満の含量まで水を除去し、水溶性塩を７５ｗｔ％除去するための推定エネルギー必要量は、同じ量の水及び水溶性塩を除去できる公知の生理化学的及び公知の熱的方法の必要量の６０％未満である。さらに、システムの発明は、同じ量の水を除去できる公知の生理化学的及び公知の熱的方法で可能なものよりもかなり多くの水溶性塩を除去できる。
【００７８】
複数の反応チャンバーを並行に使用して、持続的な方法をシミュレートし得る。図８は、平行な４つの反応チャンバー、前処置チャンバー、及び、蒸気凝縮チャンバーを有する加工サブシステムの一実施形態の側面図の図である。システム（８００）は、有機炭素含有原料をシステム８００へ送達する投入セクション（８０２）を含む。原料は、破砕チャンバー（８０４）を通過して有機炭素含有原料ホッパー（８０６）に入り、ここで、前処置チャンバー（８１０）へ移動する。混入物は、液体放流管路（８１２）を介して、混入物のための出口流（８１５）、ろ過媒体タンク（８１８）まで、及び、再利用のためにろ過媒体タンクを超えて液体を移動させる液体排出管路（８１６）、並びに、固体を多孔性有機炭素含有原料へ戻す固体排出管路（８２０）を有する、遠心機といった分離デバイス（８１４）へ除去される。ろ過媒体タンク８１８からの液体は、再混合タンク（８２２）、次いで熱交換機（８２４）、又は、第２の再混合タンク（８３０）及び前処置チャンバー８１０へ移動する。有機炭素含有原料は３つのセクションを含む４つの反応チャンバー（８４０）の１つへ移動する。各反応チャンバーの第１のセクションである湿潤フィブリル破壊セクション（８４２）に、第２のセクションである蒸気爆発セクション（８４４）が続き、すすぎサブセクション（８４６）が続く。高圧蒸気ボイラー（８４８）が補給水管路（８５０）によって供給され、熱源（示されない）は燃焼空気管路（８５２）からの燃料でさらに加熱される。主要蒸気管路（８５４）は、蒸気を前処置チャンバー８１０へ供給し、及び、高圧蒸気管路（８５６）を介して反応チャンバー８４０へ供給する。蒸気凝縮ループを含む蒸気拡張チャンバー（８６０）は、気体を凝縮する蒸気爆発多岐管（８６２）を有する各蒸気爆発セクションに取り付けられている。揮発性有機成分及び溶媒蒸気管路（８６４）は、蒸気を燃焼空気管路（８５２）に戻し、蒸気拡張チャンバー８６０内の蒸気は蒸気熱交換器（８７０）を通過し、反応チャンバー８４０での再利用のための熱を捕捉する。多孔性になった有機炭素含有原料は次に反応チャンバー８４０の第３のセクションである圧密セクション（８８０）へ移動する。液体流体は、液体流体出口通路（８８４）を通って流体分離デバイス（８１４）に戻り、固体の処理済み有機炭素含有原料は（８８６）から出る。
【００７９】
マイクロ波サブシステム
マイクロ波サブシステムを用いて、加工サブシステムからできた処理済み有機炭素含有原料を本発明のクリーンな多孔性処理済みバイオ炭に変換する。本発明は、マイクロ波方法サブシステムを通過した処理済み有機炭素含有原料から作製した処理済みバイオ炭組成物を含む。サブシステムは、マイクロ波反射型の囲い内にあり、少なくとも１つのマイクロ波透過性チャンバー壁、及び、処理済み有機炭素含有原料を外部から供給される酸素が一切ない環境に保持するよう構成される反応空洞を含む、少なくとも１つの反応チャンバーを含む。マイクロ波サブシステムは、作動させたときにマイクロ波を放出するように構成されるデバイスを少なくとも１つ含む。マイクロ波のデバイスは、マイクロ波がマイクロ波透過性チャンバー壁を通って反応空洞内へ向かうように反応チャンバーに対して配置される。サブシステムはまた、マイクロ波のデバイスと反応チャンバーとの間に相対運動を提供するメカニズムを含む。処理済みバイオ炭組成物は、実質的に自由水を一切含まない。また、処理済みバイオ炭組成物は複数の孔を有し、それは、同一の原料で作製したが方法中に液体相を作製する熱的方法を使った炭によるものよりも少なくとも１０パーセント多い、体積当たりの孔の数を有する。原料及びその結果の処理済みバイオ炭の特徴は既に考察した。本発明の処理済みバイオ炭を作製するのに使用するマイクロ波方法を今から考察する。
【００８０】
例示した実施形態の次の説明では、本発明の処理済みバイオ炭を作るのに用いられるマイクロ波方法の様々な実施形態を例示するのに役立つ付属の図面を参照する。方法の他の実施形態が用いられ得、本発明の範囲を逸脱することなく構造及び機能上の変更がなされ得ることが理解される。
【００８１】
次の説明は、マイクロ波強化反応脱構築方法によって、固体及び／又は液体有機炭素含有原料を、例えばディーゼル燃料、ガソリン、灯油等といった燃料へ処理するためのアプローチに関連する。
【００８２】
「クラッキング」とも呼ばれる脱構築は、熱を用いて炭化水素分子を燃料として役立つより短い炭化水素鎖へ崩壊（又は「分解（ｃｒａｃｋ）」）する精製方法である。反応の速度を増大し、並びに／又は、方法に必要な温度及び／若しくは放射線曝露を低減する触媒を原料に添加することで、脱構築を強化し得る。さらに、ゼオライトといった触媒は、一定のサイズの分子のみが結晶格子に入り、又は、触媒の表面領域を活性化し、触媒と相互作用することを可能にするナノ構造を有する。したがって、触媒は有利にも、反応方法によって作製される産物を制御するのに極めて効果的であり、なぜなら、指定した長さの鎖を有する物質のみが触媒方法を用いて作製され得るからである。触媒による脱構築は特に、バイオマス及び他の有機炭素含有原料を輸送又は加熱燃料として利用可能な燃料へ転換するのに役立つ。
【００８３】
能率的な脱構築の一態様は、脱構築を引き起こし、並びに、触媒を活性化させるのに十分な温度まで、原料を実質的に均一に加熱及び照射する能力である。脱構築のあと、長い炭化水素鎖はより短い鎖へ「分解」する。マイクロ波加熱は、熱的脱構築に関してシステムを加熱するのに特に有用であることが示されている。火、蒸気及び／又は電気抵抗加熱といった加熱システムは、反応チャンバー壁を介した熱伝導によって原料を加熱する。これら加熱システムは、反応チャンバー壁の外部から原料の内部まで原料を加熱するように操作する一方で、マイクロ波は、反応チャンバーの全幅にわたって均一に加熱する。非マイクロ波熱源を用いると、熱は壁の外の熱源から原料混合物と直接接触している容器壁の内部に移動する。次いで、熱は原料の表面まで移動し、次いで、再度、原料を介して、原料の内側の領域が反応チャンバー壁の温度付近の温度になるまで移動する。
【００８４】
この種類の外部加熱の問題の１つは、容器壁の温度伝達と、容器の中心に含まれる原料、及び原料マトリックスの内部領域の上昇している原料の温度との間にタイムラグがあることである。原料を混合することは、これらの条件を緩和するのに役立つ。それでも、数百万の微小環境粒子がリアクター容器周囲及び原料粒子自身の中に存在する。このことは、様々な温度の反応チャンバー内で不均一な熱分布を引き起こす。これらの異なる温度勾配は、制御不能な副反応を生じさせ、並びに、変換反応適時性における遅れのために過剰反応になった初期の変換産物の分解を引き起こす。良好な変換経済状況を達成し、良好な変換経済状況が制御可能であるように、原料及び反応産物全体に一貫した加熱を生み出す及び維持することが望まれる。マイクロ波加熱は、効率的な加熱方法であり、触媒部位を活性化するのにも役立つ。
【００８５】
本発明の実施形態は、固体及び／又は液体であろうと、いずれかの有機炭素含有原料を処理して、液体輸送燃料を生産する温度範囲で原料の揮発性有機化合物を抽出するのに用いられ得る反応チャンバーシステムを対象とする。
【００８６】
マイクロ波は、マイクロ波で照射される材料の水分子によって吸収される。水分子がマイクロ波を吸収する際に、分子は振動回転運動を増大し、これは、摩擦によって熱を作り、その熱が周囲の材料に対流する。マイクロ波が水分子によって吸収される理由は、水分子で水素が酸素に結合する共有結合に特異的なものである。水の酸素原子は、それに関して大きな電気陰性度を有する。ある元素に関する電気陰性度は、余分な電子を集める傾向であり、完全にイオン結合内か、又は、共有結合の電子雲をその元素に向けて歪めることによってのいずれかである。駆動力は、量子化学、すなわち、２つの電子の添加によって酸素の２ｐ殻を充填することである。外殻電子の殻の充填の安定性によって駆動される電気陰性度の規模は、最も電気陰性度が大きい元素から出発して、Ｆ＞Ｏ＞Ｎ＞Ｃｌ＞Ｂｒ＞Ｓ＞Ｃ＞Ｈである。したがって、水の価電子は酸素に向かって歪められ、酸素に向かって陰極であり、２つの水素原子間では陽極である、持続性の電気双極子モーメントを作り出す。２つの水素原子由来の電子は、酸素原子に近づくように引き寄せられる。これによって、分子のこの端がわずかに負の電荷を帯び、次いで、２つの水素原子はわずかに正の電荷を帯びる。この歪みの結果として、水原子は持続性のある電子双極子を所有する。水分子の双極の特徴は、分子がマイクロ波放射を吸収することを可能にし、気体の水分子の回転速度を増大し、及び／又は、液体の水の拡張構造の制限された回転に関連する低頻度の振動運動を増大する。水分子の運動の増大によって摩擦が生じ、摩擦は熱に変わり、次いで、放射される材料内へ対流する。
【００８７】
マイクロ波放射のこの特徴を活用するために、本明細書に記載する反応チャンバーシステムは、炭素を含み、輸送燃料の変換され得る原料の処理においてマイクロ波照射及び加熱を利用する。リアクターは、石英といった実質的にマイクロ波透過性物質、マイクロ波放射に実質的に透過性である結晶状材料から作製され得る。石英は様々な形状に操作し得るため、反応チャンバーの形状化に関して設計の裁量を提供するが、一例では、反応チャンバーは管又は円柱の形状で構成される。円柱形状は、原料が一端から供給されて反対の端で出ることを可能にする。適切な反応チャンバーの例は、約４フィート（１．２メートル）長で、壁の厚さが約３／１６インチ（４．８ｍｍ）である石英管であろう。
【００８８】
マイクロ波反応チャンバーは、マイクロ波反射型の囲いで囲まれている。これによって、マイクロ波放射は反応チャンバーを繰り返し通過し、もし水が存在する場合は、水が蒸発してなくなった後に、有機炭素含有原料を脱揮する。マイクロ波反射型の囲いは、マイクロ波を反射するいずれかのものである。材料としては、例えば、当該技術分野では公知のファラデーケージとして組立てられた薄金が挙げられる。
【００８９】
マイクロ波放射は、マグネトロン又は他の適切なデバイスによって生成される。１つ以上のマイクロ波生産デバイス、例えば、マグネトロンは石英管の壁の外側に搭載され得る。マグネトロンは、異なる動力の範囲を有し、コンピューターによって制御され、処理原料を適切な動力で照射し、原料を、最も所望される燃料製品へ、リアクター内での滞留時間を踏まえて能率的に変換し得る。１つの適用では、マグネトロンはリアクター管の外部周囲を回転し、及び、リアクター管の長さを移動するケージ上に搭載され得る。管の内部の長さを移動する原料は、プラグ流の構成で移動し、固定及び／又は回転マグネトロンによって照射され得る。コンピューターを用いて、異なるサイズ及び密度の異なる原料が、原料に特異的な異なるパラメーター設定で照射され、したがって原料をより能率的に変換できるように、マイクロ波放射の動力及び／又は他のパラメーターを制御し得る。
【００９０】
リアクターのこれらの構成は、比較的純粋な原料の流れから、異なる密度、水含量及び化学構成を含む混合原料の流れまで、原料の能率的な処理を可能にするだろう。燃料製品が原料から気化する際にリアクターチャンバーから燃料製品が抽出されるが、残存する原料のさらなる処理は異なる燃料製品が気化及び抽出されるまで生じるために、能率性が生じ得る。例えば、プラスティックといった高密度な原料は、気泡体又は木片といった密度がより低い原料よりも利用可能燃料への処理に時間がかかる。本明細書で記載するマイクロ波サブシステムは、より低い密度の原料からすでに変換した産物を過剰処理しないで、高密度の原料を処理し続ける。これは、固定及び回転の双方のマイクロ波発生装置を用いることで達成される。
【００９１】
混合原料の一例は、未分類化の市政固体廃棄物である。いくつかの実装では、原料の変換及び変換が進行し得る速度において役立つ触媒を、原料に添加し得る。触媒は、リアクター内の事前に設定した処理温度で反応するか、又は、入射するマイクロ波放射と一緒に反応するよう設計され得る。いくつかの実施形態では、触媒は一切必要とされない。他の実施形態では、触媒は、特定の原料のために合理的に設計された触媒であり得る。
【００９２】
本明細書で記載するリアクターとのプラグ流構成は、リアクターコア内に原料が滞留する滞留時間を、マイクロ波の熱及び放射へのより能率的な曝露のために調節し、所望する最終製品を生産することを可能にするだろう。
【００９３】
入口及び／又は出口、例えば石英入口及び／又は出口は、反応チャンバーの壁に沿って配置され得、圧力及び／又は真空制御を可能にする。入口及び出口は、不活性気体、反応性気体の導入、及び／又は生産気体の抽出を可能にし得る。
【００９４】
したがって、マイクロ波透過性反応チャンバーの設計、マイクロ波を固定及び／又は回転マグネトロンと一緒に加熱及び放射源として使用すること、プラグ流処理制御は、触媒の使用の有無に関わらず、あらゆる有機炭素含有原料の処理を可能にする。有機炭素含有原料を加工することの利点は、かなりの程度まで、それが許容可能な水分量に既に到達し、すでに適切に均一性であることである。大きな規模で見る均一性に関しては、異なる有機炭素含有原料投入からの産出は、実質的に類似した特徴（例えば、エネルギー密度、濃度、水含量）を有し、これらの特徴は、材料全体にわたって及ぶ。分子規模では、存在する塩が少ないほど、マイクロ波が有機炭素含有原料の大部分と違う方法でエネルギーを蓄積する微小環境が少ない。したがって、加熱は、何もしていない未処理有機炭素含有原料の投入からよりも、加工化有機炭素含有原料からのほうがより均一である。
【００９５】
本発明の実施形態に従ったマイクロ波サブシステムは、１つ以上の実質的にマイクロ波透過性の壁及びマイクロ波加熱／放射システムを有する反応チャンバーを含む。マイクロ波加熱／放射システムは、加熱／放射システムによって生産されたマイクロ波が、反応チャンバーの実質的にマイクロ波透過性の壁を通って原料材料が反応チャンバーの壁を実質的に加熱することなく反応する反応空洞内へ方向付けられるように、配置される。原料の温度均一性を高めるために、反応チャンバー及び加熱／放射システムは、例えば、相対回転及び／又は並進運動である相対運動であってもよい。いくつかの実装では、加熱システムは固定反応チャンバーの周りを回転し得る。いくつかの実装では、ｓ反応チャンバー内の原料が、加熱／放射システムは固定のままで、フライト（ｆｌｉｇｈｔ）の使用によって回転し得る。いくつかの実装では、反応チャンバーが、加熱システムが固定のままで回転し得る。さらに他の実装では、反応チャンバー及び加熱／放射システムの双方が、例えば、逆流の反対方向で回転し得る。温度均一性をさらに増大するために、システムは、反応チャンバー内で原料材料を撹拌及び／又は混合するためのメカニズムを含み得る。反応チャンバーは、反応方法の間傾いていてもよく、例えば、原料を触媒ベッドに通過させ得る。
【００９６】
図９Ａ及び１０Ｂは、有機炭素含有材料を、本発明の実施形態に従った液体燃料及び処理済みバイオ炭燃料に変換するためのマイクロ波サブシステム（９００）のそれぞれ反応チャンバーの側面及び断面図を示す。反応チャンバー（９１０）はいずれかの適切な形状であり得るが、反応チャンバー９１０は、図９Ａ及び９Ｂで、反応方法で使用される周波数範囲及びエネルギーにおいてマイクロ波に実質的に透過性である円柱状壁（９１１）を有する円柱として例示されている。反応チャンバー９１０は、円柱状壁９１１に囲まれる反応空洞（９１２）を含む。マイクロ波サブシステム９００は、原料を反応チャンバーを通って動かすよう構成される輸送メカニズム（９１８）を含む。反応チャンバー９１０内で起こる反応に関するマイクロ波サブシステム９００の操作は、プラグ流リアクターのものと同様にモデル化され得る。
【００９７】
図９Ａで示す通り、マイクロ波サブシステムは、原料材料を、反応チャンバー９１０を通るように動かすための輸送メカニズム９１８を含む。輸送メカニズム９１８は、らせんオーガとして例示されるが、他の適切なメカニズム、例えば、コンベアーも使用され得る。輸送メカニズム９１８はさらに、反応チャンバー内での原料の混合を提供する。いくつかの実施形態では、反応チャンバー壁９１１は約３／１６インチ（４．８ミリメートル）の厚さを有し得る。反応チャンバー壁９１１の滑らかさは、原料の反応チャンバー９１０を通る移動を円滑にする。
【００９８】
加熱／放射サブシステム（９１５）は、あらゆる種類の加熱／放射源を含み得るが、好ましくは、例えば原料の脱構築のために原料の所望する反応を容易にするのに十分な温度まで有機炭素含有原料を加熱するのに十分な周波数及びエネルギーを有するマイクロ波（９１３）を放出するよう構成されるマグネトロンといったマイクロ波発生装置（９１６）を含み、約０．３ＧＨｚ〜約３００ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波が使用され得る。例えば、マグネトロンの動作電力は、約１ワット〜５００キロワットの範囲であり得る。マグネトロン９１６は、反応チャンバー９１０に対して、マイクロ波９１３が反応チャンバー９１０の壁９１１を通って反応空洞９１２に方向付けられ、その中の材料を加熱及び照射するように配置される。メカニズム（９１７）は、反応チャンバー９１０の長手方向の軸９２０に沿った、及び／又は反応チャンバー９１０の長手方向の軸９２０の周囲の、マグネトロン９１６と反応チャンバー９１０との間の相対運動を提供する。いくつかの実施形態では、メカニズム９１７は、反応チャンバー９１０及び／又はマグネトロン９１６を角度θ（図９Ｃ参照）で傾けるのを容易にし、例えば原料の反応及び／又は気体の抽出を容易にし得る。図９Ａ〜Ｃで示す実施形態では、マグネトロン９１６は、マグネトロン９１６を固定反応チャンバー９１０の周囲で回転させる回転可能ケージ又はドラムといった回転メカニズム９１７上に配置される。いくつかの実装では、チャンバー周囲の回転は完全ではない可能性があるが、回転経路は反応チャンバーの外周の周囲で弧を描く。回転は弧の経路に沿って繰り返し生じ得る。前述の通り、いくつかの実施形態は、反応チャンバー９１０は、回転要素であり得、又は、マグネトロン９１６（加熱／放射サブシステムとも呼ぶ）及び反応チャンバー９１０の双方が、例えば、反対の逆流方向に回転し得る。反応チャンバー及びマグネトロンとの間の回転は、反応空洞９１２内の原料の、より均一な加熱及びより均一なマイクロ波曝露を提供し、したがって、原料の効率的な反応化学及び／又は原料からの水の除去といった温度／放射依存の他の方法を強化する。回転は、温度勾配を低減し、及び／又は、反応チャンバー内部のプラグ全域でより一定のマイクロ波の流動を維持する。
【００９９】
反応チャンバー９１０は、物質の反応空洞９１２内へ又は反応空洞９１２からの注入又は抽出を可能にするよう構成された入口ポート（９２０）、例えば、石英入口ポートを１つ以上含み得る。反応チャンバー９１０もまた、マイクロ波反射型の囲い（９２２）に囲まれる。１つの実装では、石英ポートを用いて反応空洞から空気及び／又は酸素を抽出し得る。空気及び／又は酸素の抽出を用いて燃焼を抑制し得、これはいくつかの方法で望ましい。
【０１００】
例えば、特定の実施形態では、マイクロ波サブシステム９００を用いて、原料を圧縮並びに／又は空気及び／若しくは水の除去を介して前処理し得る。この適用では、水素及び／又は窒素といった気体を１つ以上のポート９２０を介して注入して水素付加及び／又は原料の燃焼を抑制し得る。反応チャンバー９１０はまた、水、水蒸気、空気、酸素及び／若しくは他の物質並びに／又は反応チャンバー９１からの副産物の通過を可能にするよう構成された１つ以上の出口ポート（９２１）、例えば石英出口ポートを含み得る。他の実施形態では、処理済み有機炭素含有原料は、既に、反応チャンバーに直接導入されるのに十分圧縮されており、及び、空気及び水の双方が減少している。
【０１０１】
図９Ｄは、本発明の実施形態に従った有機炭素含有原料から燃料を生産するためのマイクロ波−サブシステム（９５０）を示す図である。マイクロ波サブシステム９５０は、原料材料のマイクロ波サブシステム９５０への導入を可能にするよう構成される投入ホッパー（ロードホッパーとも呼ぶ）（９５１）を含む。歯車モーターオーガドライブ（９５２）はマイクロ波サブシステム９５０を通るように原料を輸送するオーガ（９５３）のための駆動システムである。原料がロードホッパー９５１で圧縮される際に、空気は周囲出口（９５４）から抽出される。シール（９５５）がロードホッパー９５１を反応チャンバー（９５６）から単離して真空のレベルを維持する。反応チャンバー９５６は、マイクロ波透過性材料の壁を含む。１つ以上の固定マイクロ波ヘッド９５７が反応チャンバー９５６の壁に配置される。さらに、マイクロ波サブシステム９５０は、１つ以上の回転マイクロ波ヘッド（９５８）を含む。１つの実装では、各回転マイクロ波ヘッドは、反応チャンバー９５６の長手方向の軸（９６０）に対して固定位置に配置される。回転マイクロ波ヘッドは、マイクロ波ヘッド９５８が反応チャンバー９５６の周囲を回転するのを可能にするスリップリング軸受け（９５９）上に搭載される。マイクロ波反射型の囲い（９６２）が反応チャンバー９５６を囲む。いくつかの実装では、回転マイクロ波ヘッド（複数可）９５８は、反応チャンバー９５６の長手方向の軸９６０の周囲を回転し、並びに、長手方向の軸９６０に沿って前後に移動し得る。マイクロ波サブシステム９５０は、反応チャンバー９５６の出口にシールを含み、反応チャンバーの真空を維持する。いくつかの実施形態では、有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステムに入る前に、前述したサブ加工化システム内で有機炭素含有原料を圧縮し、存在する場合は少しの空気抽出が必要である。
【０１０２】
図１０Ａは、図９Ａ及び９Ｂで図示される反応チャンバーを１つ以上用いるマイクロ波サブシステム１０００のブロック図である。反応チャンバー１０２０、１０３０は直列又は並列構成で配置及び／又は操作され得る。図１０Ａ及び１０Ｂで図示される抽出方法（１０２０）及び反応方法（１０３０）は、例えば、異なる温度で操作する２つの別々の反応チャンバーで生じるものとして図示される。又は、抽出方法及び反応方法は、２つの別々の区分、例えば、２つの別々の温度区分を有する単一の反応チャンバー内で実行され得る。
【０１０３】
図１０のマイクロ波サブシステム１０００では、水／空気抽出セクション１０２０及び反応セクション１０３０のうち１つ又は双方ともは、図９Ａ及び９Ｂのマイクロ波サブシステム９００の反応チャンバーに類似し得る。例えば、植物細胞、木片及び植物系セルロースを含む肥料を１つ以上といった有機炭素含有原料はホッパー（１０１１）からマイクロ波サブシステムへ入り、気密通路（１０１２）を横断して原料準備モジュール（１０１３）に入る。必要な場合、ゼオライト、及び／又は、反応方法を強化して例えばｐＨを調整する他の添加剤といった触媒をマイクロ波サブシステム１０００内へ、投入ホッパー１０１１及び／又は入口ポート（図９Ｂで示す）を介して導入し得る。原料準備モジュール１０１３では、原料材料は、原料の純度、密度及び／又は化学組成といった原料の特性に依存し得る事前に決定した粒径まで裁断され得る。触媒を用いる場合は、触媒は、反応チャンバー（１０３１）へ入る前に原料材料内に均一に分散されるよう原料が調製されている時に添加され得る。概して、原料の均一性が低いほど、能率的な反応を提供するのにより小さな粒径が必要となる。
【０１０４】
最初の原料準備段階の後、裁断及び混合した原料を輸送メカニズム１０１５によって方法の次の段階である抽出チャンバー１０２１へ輸送する。反応方法前に水及び／又は空気抽出のあってもなくてもよい方法を実行する空気／水抽出サブシステム（１０２０）は、マイクロ波（１０２６）を発生させるよう構成され、回転又は固定メカニズム（１０２７）上に搭載され得るマグネトロン（１０２３）を少なくとも備える加熱／放射モジュール（１０２２）を含む。回転メカニズム上に搭載されている場合、メカニズムは、マイクロ波１０２６が抽出チャンバー１０２１の壁（１０２４）を通って抽出空洞（１０２５）内に向かい、その中の原料に入射及び加熱している際に、マグネトロン１０２３を抽出チャンバー１０２１の周囲で部分的又は全体的のいずれかで回転させる。いくつかの実施形態では、加熱モジュール１０２２は１つのみのマグネトロン１０２３又は２つ以上のみのマグネトロンを他の加熱／放射源なしで使用し得る。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、加熱／放射モジュール１０２２は、抽出チャンバーの壁経由の熱伝導に依存した熱源、例えば、火、蒸気、電気抵抗加熱、方法からリサイクルされる熱及び／又は他の熱源といった他の熱源に加えて、マグネトロン１０２３を利用し得る。空気及び／又は水抽出方法の間、原料を水の沸点である少なくとも１００℃まで加熱して原料から余分な水を除去し得る。余分な水（例えば、蒸気の形態で）及び／又は他の物質は１つ以上の出口ポートを介して抽出チャンバー１０２１から退出し得る。水素及び／又は窒素を包含する不活性及び／又は反応性気体といった原料への添加剤を、１つ以上の投入ポートを介して水／空気抽出方法の抽出チャンバー１０２１内へ導入され得る。マイクロ波によって加熱及び放射されるのに加え、原料はまた、加圧雰囲気に供せられ、及び／又は、機械的に圧縮され、抽出チャンバー１０２１から空気を除去し得る。
【０１０６】
あってもなくてもよい空気及び／又は水抽出方法の後、輸送メカニズム１０１５は原料を次の処理段階である、原料の反応方法、原料の熱的脱構築に関する反応セクション（１０３０）へ移動させる。原料／触媒混合物が、マイクロ波反射型囲い（１０３８）によって囲まれる反応チャンバー（１０３１）へ入った後、混合物は所望する反応を円滑にするのに十分な温度まで加熱される。例えば、約２００℃〜約３５０℃の範囲の温度を用いて原料の炭化水素をより短い鎖へ分解し、脱構築を通して液体燃料を生産する。加熱に加え、原料は加圧雰囲気又は真空雰囲気に供し得、及び／又は、反応チャンバー１０３１内で機械的に圧縮し得る。
【０１０７】
いくつかの実施形態は、反応チャンバー１０３１内の加熱／放射は、マイクロ波（１０３６）を放出するマグネトロン（１０３３）を用いて達成される。マグネトロン１０３３は、反応チャンバー１０３１に対して回転し得る。水抽出セクション１０２０に関連して上述した通り、回転マグネトロン（１０３３）は、ケージ又はドラムといった回転メカニズム（９１０３７）によって支持され得る。回転メカニズム１０３７は、マグネトロン１０３３と反応チャンバー１０３１との間で相対回転運動を可能にする。例えば、マグネトロン１０３３は反応チャンバー１０３１の周囲を回転し得、又は、マグネトロン１０３３の回転は反応チャンバー１０３１の外周をたどる弧に沿って前後に進み得る。回転マグネトロン加熱システム１０３３は、固定マグネトロン、及び／又は、火若しくは電気抵抗加熱といった他の従来の熱源を用いて補われ得る。回転マグネトロン１０３３は、反応空洞（１０３５）内で原料材料及び触媒のより均一な加熱／放射を提供し、固定熱源よりも加熱特性を強化する。
【０１０８】
分解された炭化水素は気化し、冷却器（１０４１）で回収されて液化し、次いで、蒸留器（１０４０）へ送られてディーゼル燃料を生産する一方で、より重くて長い鎖の炭化水素分子は反応チャンバーに戻ってリサイクルされ得る。いくつかの実装では、蒸留は不要であり得、燃料製品を濾過する必要があるだけである。
【０１０９】
いくつかの構成では、原料からの燃料抽出のより高い能率を可能にするために、反応の方法を制御することが望ましい。図１０Ｂは、フィードバック制御システム（１０５０）と一緒に図１０Ａに関連して説明したサブシステム要素を含むマイクロ波サブシステム（１００５）のブロック図である。図示したフィードバック制御システム１０５０は、制御器（１０５１）、及び、方法中の様々な段階でパラメーターを感知するよう構成される１つ以上のセンサー（１０５２）、（１０５３）、（１０５４）を含む。原料制御システム１０５０は、原料準備段階で、原料及び／又は原料準備方法のパラメーターを感知するよう構成されたセンサー１０５２を含み得る。例えば、センサー１０５２は、原料の化学組成、密度、水含量、粒径、エネルギー含量又は他の原料パラメーターを感知し得る。センサー１０５２は、さらに、又は、代替的に、原料準備チャンバー内の条件、例えば、流れ、圧力、温度、湿度、チャンバー内に存在する気体の組成等を感知し得る。センサー１０５２は、制御器電子装置１０５１へ投入される信号（１０５５ａ）を発生させ、当該制御器電子装置１０５１で、信号は分析されて原料及び／又は原料準備方法の条件を決定する。感知した信号１０５５ａに応答して、制御器１０５１は、フィードバック信号（１０５５ｂ）を発生し、当該フィードバック信号は原料準備モジュール（１０１３）の操作を制御する。例えば、いくつかの実装では、制御器１０５１は、原料準備モジュール１０１３を制御し、事前に決定した粒径及び／又は事前に決定した粒径のばらつきが検知されるまで、原料材料を裁断及び／又は粉砕し続け得る。他の実施例では、検知した原料の化学組成をもとに、制御器１０５１はより多い、又は、より少ない量の触媒を原料と混合させ得、又は、異なる種類の触媒を原料と混合させ得る。
【０１１０】
制御システム（１０５０）はまた、フィードバック信号（１０５６ｂ）、（１０５７ｂ）を発生させ、感知した１０５６ａ、１０５７ａをもとに水抽出モジュール１０２０及び／又は反応モジュール１０３０の操作をそれぞれ制御し得る。例えば、センサー（１０５３）、（１０５４）は水抽出及び／又は反応方法の温度を感知し得、制御器１０５１はフィードバック信号１０５６ｂ、１０５７ｂを発生させて加熱／放射システム１０２２、１０３２の操作、例えば、マグネトロン１０２３、１０３３のうち１つ又は双方の動力、周波数、パルス幅、回転又は並進速度等を制御し得る。制御器１０５１は、マグネトロンへフィードバック信号を発生させ、原料が過剰に加熱又は不十分に加熱されず、熱いスポットの発生が回避されるように、原料に入射する放射の量を制御し得る。制御器システム１０５０は、入口ポートを介した様々な物質の１つ又は双方の抽出チャンバー及び／又は反応チャンバー１０２１、１０３１への注入を制御し、チャンバー１０２１、１０３１内で起こる方法を制御し得る。使い果たした原料の残留物であるバイオ炭は保管部に送られる。いくつかの実施形態では、制御器システム０１５０を用いて処理済みバイオ炭の特性に有利に影響する条件を制御し得、ここで、特定の特性が、ただの原料の選択から得られるものを超えて望まれる。蒸留段階の後、重い炭化水素は反応チャンバーに戻ってリサイクルされ得、及び、より軽い炭化水素は重合段階へ送られ得る。
【０１１１】
反応チャンバーは、石英、グラス、セラミック、プラスティック、並びに／又は、反応方法の周波数及びエネルギー範囲であるマイクロ波に実質的に透過性であるあらゆる他の適切な材料から作製され得る。いくつかの構成では、本明細書で説明する加熱／放射システムは、反応チャンバーに対して回転する１つ以上のマグネトロンを含み得る。いくつかの実施形態では、マグネトロンは複数及び／又は固定であり得る。図１１Ａは、ファラデーケージドラムとして機能し、１つ以上のマイクロ波透過性壁を有する円柱反応チャンバー（１１１３）の外側に位置するドラム（１１１２）上に配置される複数の固定マグネトロン（１１１１）を含む反応システム（１１００）を示す。反応システム１１００では、反応チャンバー１１１３のマイクロ波を、原料を通って前後に反射させるために、例えば金属といったマイクロ波透過性である材料からドラムは作製され、したがって、より能率的に使用され、原料を液体再生可能燃料及び固体再生可能燃料バイオ炭に変換する。マグネトロンの操作は、持続性、又は、例えば複合パターンで脈動し得る。いくつかの実施形態では（図１１Ｂ）、マグネトロン１１１１を支持するドラム１１１３は、反応チャンバー１１１２の長手方向の軸（１１５０）の周囲を回転（１１３０）し得、及び／又は反応チャンバー１１１２は、長手方向の軸１１５０の周囲を回転（１１２０）し得る。
【０１１２】
原料輸送メカニズムが、反応チャンバー内に配置され得る。例えば、図１１Ｃで例示する通り、原料輸送メカニズムは、反応チャンバーが回転するにつれて原料が反応チャンバー（１１６０）を通って動くよう構成される整流装置（１１６１）を１つ以上備え得る。整流装置３６１は反応チャンバー１１６０の壁に搭載され、及び／又は、そうでなければ、反応チャンバー内に取り付けられて、反応チャンバー１１６０内又は反応チャンバー１１６０を通る、例えば、反応チャンバーを長手方向に通る原料の移動を提供し得る。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、図１２で示される通り、固定であるか、又はマイクロ波反射型ファラデーケージ（１２２１）に包含される反応チャンバー（１２２０）の外周の周囲を回転するメカニズム（１２１７）上に支持されるマグネトロン（１２１６）に加え、火、蒸気及び／又は電気抵抗加熱若しくはリサイクル熱といった二次的な熱源（１２５０）が1つ以上用いられ得る。いくつかの構成では、マグネトロン１２１６は、反応チャンバー１２２０の周囲を完全に回転はしない可能性があるが、反応チャンバー１２２０の外周をたどる弧に沿って前後に回転（１２１９）し得る。原料が、原料粒子の質量全体にわたって実質的に均一な加熱にさらされて、本発明の処理済みバイオ炭に関して上記した孔密度、分布並びにサイズ及び分布の分散を有する処理済みバイオ炭を形成する限り、様々な構成が可能である。
【０１１４】
反応チャンバーに対する１つ以上のマグネトロンの移動はまた、図１３で例示される通り、マグネトロンを反応チャンバーの長手方向の軸に沿って動かす運動を含み得る。マグネトロン（１３３０）を支持する反応チャンバー（１３１０）及びケージ（１３２０）が例示される。ケージ１３２０及びマグネトロン１３３０は、反応チャンバー１３１０の長手方向の軸（１３５０）に沿って、及び、反応チャンバー１３１０を囲む金属マイクロ波反射型ファラデーケージ（１３１５）の上部を、前後に移動（１３４０）し得る。いくつかの実装では、長手方向の軸１３５０に沿ったケージ１３２０及びマグネトロン１３３０の運動（１３４０）に加えて、及び／又は、長手方向の軸１３５０に沿ったケージ１３２０及びマグネトロン１３３０の運動（１３４０）と同時に、ケージ１３２０及びマグネトロン１３３０は長手方向の軸１３５０の周囲を回転（１３６０）し得る。
【０１１５】
バイオ炭を作製する方法
本発明はまた、バイオ炭を作製する方法を含む。方法には、上記の加工サブシステムを伴う処理済み炭素含有原料を作製するための加工方法の２つの態様と、処理済み炭素含有原料をバイオ炭に変換するマイクロ波方法の１つの態様が含まれる。具体的には、方法は、３つの工程で固体再生可能燃料を作製するものである。第１は、第１のサブシステム及び第２のサブシステムを備えるシステム内へ、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を投入することである。第２の工程は、未処理有機炭素含有原料が第１のサブシステムである加工サブシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を作製することである。第３の工程は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を固体処理済みバイオ炭燃料へ変換することである。
【０１１６】
加工サブシステム方法
加工方法工程は、未処理有機炭素含有原料が加工サブシステム方法を通過して、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の塩含量から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料をもたらす工程を含む。加工サブシステム方法には２つの態様がある。第１は、処理済み有機炭素含有原料の特性に焦点を置き、第２は、未処理有機炭素含有原料を、下流燃料生成システムでの使用に適した処理済み有機炭素含有原料へ変換する現在公知の方法のエネルギー能率と比較した、本発明の方法のエネルギー能率に焦点を当てる。双方とも上記の加工サブシステムを使用する。
【０１１７】
第１の態様
本発明の加工方法工程の第１の態様は、４つの工程を含む。第１の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内へ投入することである。いくつかの実施形態は、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの含量を有する水溶性塩を含む未処理有機炭素含有原料を有する。
【０１１８】
第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁の少なくともいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にすることを含む。上記の通り、これは、少なくともいくつかのフィブリルの束を外すこと、少なくともいくつかのリグニン及び／若しくはヘミセルロースの鎖を脱重合すること、又は、それらをセルロースフィブリルから離し、それによってフィブリルの織り合わせを破壊することのいずれか１つによって達成される。さらに、セルロースフィブリル及びミクロフィブリルは部分的に脱重合及び／又は脱結晶化され得る。
【０１１９】
第３の工程は、細胞内の流出する気体でより貫通可能な領域を貫通させるように、高圧を迅速に除去して少なくともいくつかの植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製することである。いくつかの実施形態は、圧力は５００ミリ秒（ｍｓ）未満、３００ｍｓ未満、２００ｍｓ未満、１００ｍｓ未満又は５０ｍｓ未満内におよそ気圧まで除去される。
【０１２０】
第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水及び細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を含む処理済み有機炭素含有原料を作製する。いくつかの実施形態では、水含量は、次に続く残留している表面水を除去する空気乾燥の後に測定する。いくつかの実施形態では、圧力プレートは、上記の通りフェルト及びピス含量を形成する有機炭素含有原料の偏向をもとに、特定の有機炭素含有原料に適応したパターンを有する。いくつかの実施形態では、圧力の量及び圧力プレートの構成は、特定の未処理有機炭素含有原料のための標的処理済み有機炭素含有原料の目標を満たすように選択される。いくつかの実施形態では、投入バイオマス次第で、様々な長さの時間増分を伴って、圧力が増圧の工程で適用され、繊維が緩み、より多くの水溶性塩がよりエネルギー能率的な方法で絞り出されることを可能にする。いくつかの実施形態では、きれいな水がすすぎ液としてバイオマス内に再導入され、バイオマスに再度圧力をかける。
【０１２１】
方法はさらに、第５の工程を含み得、未処理有機炭素含有原料が反応チャンバーへ入る前に、継続時間、温度プロフィール、及び前処置溶液の化学物質含量を包含する、各有機炭素含有原料のための条件の特定の組合せを用いて未処理有機炭素含有原料を事前洗浄し、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞の内部から外部へ通過するための細胞壁通路の作製を妨害する混入物の分解を少なくとも開始する。
【０１２２】
方法はさらに、第６の工程、破砕を含み得る。未処理有機炭素含有原料が反応チャンバーに入る前に、未処理有機炭素含有原料を１インチ（２．５センチメートル）未満の最長寸法である粒子へ破砕する。
【０１２３】
方法はさらに、第７の工程、混入物を取り出すことを含み得る。この工程は少なくとも油、蝋及び揮発性有機化合物を、水よりも極性が小さい溶媒で、多孔性原料から取り出すことに関わる。
【０１２４】
システム態様に関して、未処理有機炭素含有原料は、直列又は別々の並列反応チャンバーで処理される草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群から少なくとも２つを含み得る。さらに、いくつかの実施形態は、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度は、実質的に同一であり得る。いくつかの実施形態では、有機炭素含有原料は、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群から少なくとも２つを含み、ここで、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度は、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である。
【０１２５】
図１４は、未処理形態の水溶性塩と比較して乾量基準で６０ｗｔ％未満の水溶性塩、及び、２０ｗｔ％未満の水を有する、処理済み有機炭素含有原料を作製する方法のブロック図である。
【０１２６】
第２の態様
第２の態様は、工程が能率的特徴及び結果として得られる処理済み有機炭素含有原料がコスト的特徴を有する以外では、第１の態様と同様である。第２の態様も４つの工程を含む。第１の工程は自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水−塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル束内にフィブリルを含む少なくともいくつかの植物細胞を含む有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入することである。各工程は、エネルギー及び材料保存を対象としたより具体的な条件を強調する。第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、部分的に結晶化したセルロースフィブリル束、リグニン、ヘミセルロース及び水溶性塩を含む細胞の部屋を、リグニンを２５パーセント超で分解することなく膨張させて束を外し、及び、少なくともいくつかのセルロース束を脱結晶化することである。第３の工程は圧力を除去してそのセルロースの部屋に開孔を有する多孔性原料を作製することである。第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を伴って、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水並びに細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を作製することであり、水及び水溶性塩を除去する重量当たりのコストは、公知の機械的、公知の生理化学的、又は公知の熱的方法からの同様の水除去の重量当たりのコストの６０％未満まで減少する。
【０１２７】
図１５は、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩と比較して乾量基準で５０ｗｔ％未満の水溶性塩及び２０ｗｔ％未満の水を有する処理済み有機炭素含有原料を、同様の量の水及び水溶性塩を除去できる公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法による類似した水除去の６０％未満である重量当たりのコストで作製するための方法のブロック図である。
【０１２８】
エネルギー能率は、上記の通り方法条件を特定の有機炭素含有原料に合わせることで部分的に達成される。いくつかの実施形態は、熱を再捕獲及び再利用し、処理済み有機炭素含有原料の１トン当たりのコストをさらに下げるよう操作されたシステムを用いる。いくつかの実施形態は、時間はかかるが追加のエネルギーコストのない方法である空気乾燥で、有機炭素含有原料の処理から残った表面又は自由水を除去する。図１６は３種類の有機炭素含有原料のために用いるいくつかの方法の差異を、結果として達成した水含量及び水溶性塩含量と一緒に示す表である。方法条件及び処理工程における差異を用いて水含量及び水溶性塩含量で達成する値並びにエネルギーコストを増加又は低下して標的製品価値を達成し得る。いくつかの実施形態は、５ｗｔ％未満の低さの水含量、及び、乾量基準で未処理原料形態から９５ｗｔ％超も低下した水溶性塩含量を達成した。
【０１２９】
マイクロ波サブシステム方法
マイクロ波サブシステム方法工程は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステム方法を通過し、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度、１０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した水溶性塩、及び、孔径において１０％未満の分散を有する孔を有する、固体再生可能燃料組成物をもたらす。
【０１３０】
図１７は、処理済み有機炭素含有原料がマイクロ波サブシステムを通過し、本発明の固体再生可能燃料処理済みバイオ炭を作製する方法の実施形態のブロック図である。処理済み有機炭素含有原料が、原料を加熱及び／又は照射するのに使用するマイクロ波に実質的に透過性である壁を有する反応チャンバーに投入（１７１０）される。加熱／放射は、マイクロ波エネルギーが反応チャンバー内に配置される原料に入射するように、反応チャンバーの壁を通るようマイクロ波エネルギーを方向付ける（１７２０）ことで生じる。有機炭素含有分子の反応が起こって所望する最終燃料製品を生産するまで、原料をマイクロ波によって加熱／照射（１７３０）し、これは触媒の存在下でもよい。反応方法によって作製した燃料製品を回収（１７４０）する。
【０１３１】
本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正及び追加を本明細書で考察した好ましい実施形態に行い得る。したがって、本発明の範囲は上記の特定の実施形態によって制限されるべきではないが、以下の特許請求の範囲及びその均等のものによってのみ定義されるべきである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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