(57)【要約】水熱液化（ＨＴＬ）反応器のための新規な熱エネルギー源を提供するシステム及び方法が、本明細書に記載されている。様々な実施例によれば、システム及び方法は、集束高エネルギービームからの集光型太陽熱エネルギーを使用して、バイオマスをバイオ原油へ駆動するＨＴＬ方法のための十分なエネルギーを提供する。また、他の実施例は、嫌気性蒸煮を使用して都市バイオソリッドやグリース及び食品廃棄物などの、バイオ廃棄物をバイオ原油に変換し、蒸煮釜によって生成されたバイオガスの一部分は、バイオマスからバイオ原油への方法のためのＨＴＬ反応器で使用される熱及び／または電気エネルギーを生成するために使用される。さらに、代替の実施例は、バイオガスと太陽放射を使用するハイブリッドシステムを含み、ＨＴＬ反応器のための十分な熱エネルギーを提供し得る。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスをバイオ原油変換するためのシステムであって：
バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器；及び
前記バイオマススラリーを加熱する前記水熱液化反応器に集光型太陽熱エネルギーを提供するように構成された太陽熱エネルギー集熱システム
を含む、前記システム。
【請求項２】
前記太陽熱エネルギー集熱システムが太陽熱エネルギー濃縮機構を含み、前記太陽熱エネルギー濃縮機構は凹面ディッシュ、放物面鏡、フレネルレンズからなる群から選択される、請求項１のシステム。
【請求項３】
前記太陽熱エネルギー集熱システムはさらに、前記太陽熱エネルギー濃縮機構に隣接して動作可能に位置するレシーバー、前記レシーバーは前記太陽熱エネルギー濃縮機構から集光型太陽熱エネルギーを受け取るように構成されており、
前記水熱液化反応器は、前記レシーバーに隣接して配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記水熱液化反応器が前記レシーバーのハウジング内に配置されたコイル状の導管を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記太陽熱エネルギー集熱システムはレシーバーと太陽熱エネルギー濃縮機構を含み、前記レシーバーは前記太陽熱エネルギー濃縮機構に隣接して動作可能に位置し、前記太陽熱エネルギー濃縮機構から集光型太陽熱エネルギーを受け取るように構成され、熱伝達流体が前記レシーバーから前記水熱液化反応器に集光された熱エネルギーの少なくとも一部を移すように構成され、前記水熱液化反応器は前記レシーバーから離れて配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
水熱液化反応器を通って前記バイオマススラリーをさらに連続的にポンプで送るように構成されたポンプを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
ポンプを約２０ＭＰａの圧力で前記バイオマススラリーをポンプで送るように構成されている、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
太陽熱エネルギー集熱システムは、約４００℃にバイオマススラリーを加熱するように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
水熱液化反応器の出口に隣接して配置されたクエンチャーをさらに含み、前記クエンチャーはバイオ原油を迅速に冷却するように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項１０】
水熱液化反応器の上流に熱交換器をさらに含み、前記熱交換器は前記バイオマススラリーから熱エネルギーを回収するように構成されている、請求項１のシステム。
【請求項１１】
一つまたはそれ以上のバイオスラリーポンプと一つまたはそれ以上の電気部品の少なくとも一つのための電気エネルギーを生成するように構成された発電機をさらに含み、前記熱交換器からの熱エネルギーが前記発電機を駆動するために使用される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記水熱液化反応器は第一の水熱液化反応器を含み、前記システムはさらに第二の水熱液化反応器を含み、前記第二の水熱液化反応器は前記第一の水熱液化反応器の下流に配置されており、前記熱交換器からの熱エネルギーは前記第二の水熱液化反応器に移される、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
水熱液化反応器の下流に配置されたｐＨ駆動凝集濃縮機構をさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
水熱液化反応器の上流に配置された濾過機構をさらに含み、前記濾過機構は前記バイオ原油からリン及び極性成分を実質的に除去するように構成された、請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
濾過機構は少なくとも約９５％の効率である、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
バイオマスをバイオ原油に変換する方法であって：
太陽熱エネルギー濃縮機構から熱エネルギーを回収し；
水熱液化反応器を通してバイオマスのスラリーをポンプで送り；
前記水熱液化反応器において、前記太陽熱エネルギー濃縮機構から回収した熱エネルギーを使って前記バイオマススラリーを加熱することを含む、前記方法。
【請求項１７】
前記バイオマススラリーが前記水熱液化反応器を出た後、前記バイオマススラリーをクエンチすることをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記バイオマススラリーを加熱することがバイオ原油、バイオガス、及びバイオ炭を生成する、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
生成されたバイオガスの燃焼から熱エネルギーを回収して、少なくとも１つの発電機で発電することをさらに含み、前記少なくとも一つの発電機は前記水熱液化反応器を通して前記バイオマススラリーをポンプで送るための少なくとも１つのポンプに電気エネルギーを供給するように構成されている、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
生成されたバイオガスの燃焼から熱エネルギーを回収して、水熱液化反応器に追加の熱エネルギーを供給することをさらに含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
天然ガスの燃焼から熱エネルギーを回収して、前記水熱液化反応器に追加の熱エネルギーを供給することをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２２】
熱エネルギーを回収することが熱交換器によって行われる、請求項１６記載の方法。
【請求項２３】
前記バイオマススラリーが微細藻類を含み、前記方法はさらに、
前記微細藻類を培養し；
前記培養された微細藻類を、パルス電場を通過させ；
前記パルス電場を通過させた後、前記培養された微細藻類を藻類の増殖ファシリティを通過させ；
前記藻類の増殖ファシリティを通過させた後、前記培養された微細藻類を、ｐＨ駆動凝集濃縮方法を通過させ；
前記バイオ原油をリン及び極性成分を実質的に除去するためのクロスフロー濾過機構を通過させることを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも一つのポンプを使って前記水熱液化反応器を通ってバイオマスのスラリーをポンプで送ることをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２５】
前記バイオマスが都市バイオ廃棄物を含み、前記方法は：
嫌気性蒸煮釜に前記都市バイオ廃棄物を供給し；
前記嫌気性蒸煮釜によって生成されたバイオガスの燃焼からの熱エネルギーを回収して、
前記回収された熱エネルギーの一部を前記少なくとも一つのポンプを作動させるための電気エネルギーを生成するように構成された発電機に供給することをさらに含む、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
バイオマスをバイオ原油に変換する方法であって：
バイオガスの燃焼から熱エネルギーを回収して；
水熱液化反応器を通してバイオマスのスラリーをポンプで送り；
前記水熱液化反応器中で、前記回収した熱エネルギーを使って前記バイオマススラリーを加熱することを含む、前記方法。
【請求項２７】
バイオガスがバイオソリッドの処理施設の少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜によって生成される、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
天然ガスの燃焼から熱エネルギーを回収して；水熱液化反応器内の天然ガスの燃焼から回収された前記熱エネルギーを使ってバイオマススラリーを加熱することをさらに含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
バイオマスをバイオ原油に変換する方法であって：
バイオ廃棄物を含む都市バイオソリッドを、少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜に供給して；
前記バイオ廃棄物の部分蒸煮から生成されたバイオガスの第一の部分の燃焼からの熱エネルギーを回収して；
前記バイオガスの第一の部分の燃焼からの前記熱エネルギーを発電機に提供して；
バイオ廃棄物の部分蒸煮から生成されたバイオガスの第二の部分の燃焼からの熱エネルギーを回収して；
前記バイオガスの第二の部分の燃焼からの前記熱エネルギー、発電機によって生成された廃熱、前記発電機によって生成された電気エネルギーの少なくとも一部分、及び嫌気性蒸煮釜から水熱液化システムへの部分的に蒸煮されたバイオ廃棄物の固形流出物を提供して；
前記水熱液化システムによって生成される廃熱を前記嫌気性蒸煮釜に再循環させて；
前記水熱液化システムからバイオ炭とバイオ原油を回収することを含む、前記方法。
【請求項３０】
前記水熱液化システムが、前処理装置と反応器を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記水熱液化システムへの前記バイオソリッドを供給するより前に前記嫌気性蒸煮釜から供給された前記バイオソリッドを濃縮し、前記水熱液化システムからの水相及びバイオソリッドの濃縮物からの洗浄除去物をバイオソリッド処理プラントの二次及び三次処理流れに供給することをさらに含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
バイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムであって：
バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器；及び
前記生成された電気エネルギーと前記バイオガスの燃焼からのいかなる残りの熱エネルギーが、前記バイオマススラリーを加熱するために前記水熱液化反応器に提供される電気エネルギーを生成するための燃焼バイオガスからの熱エネルギーの少なくとも一部を使用するように構成された発電機を含む、前記システム。
【請求項３３】
バイオソリッド廃棄物を蒸煮し前記バイオガスを生成するように構成された少なくとも１つの嫌気性蒸煮釜をさらに含む、請求項３２記載のシステム。
【請求項３４】
前記嫌気性蒸煮釜からの前記バイオソリッドを受け取り、前記水熱液化反応器によってバイオ原油に変換されている前記バイオソリッドより前に前記バイオソリッドを濃縮するように構成された濃縮機構をさらに含む、請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
前記システムが、バイオソリッド処理施設内に少なくとも部分的に設置されるように構成されている、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記バイオガスが前記システムから遠隔で回収される、請求項３２記載のシステム。
【請求項３７】
バイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムであって：
バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器；及び
燃焼バイオガスから回収した熱エネルギーの第一の部分と電気エネルギーを発生させるための太陽熱エネルギー集熱システムによって捕捉される熱エネルギーの第一の部分を使用するように構成された発電機を含み、
前記生成された電気エネルギーの少なくとも一部分と前記バイオガスの燃焼及び太陽熱エネルギー集熱システムからの熱エネルギーの第二の部分は、前記バイオマススラリーを加熱するために水熱液化反応器に提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、２０１３年１０月３日に提出した「水熱液化によってバイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムと方法」と題する米国仮特許出願第６１／８８６，４６３号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は参照によりその全体が本明細書に取り込まれる。
【背景技術】
【０００２】
２００７年のエネルギー自給・安全保障法（ＥＩＳＡ）は、米国で販売されている輸送用燃料に配合される再生可能燃料を２００８年の９０億ガロンから２０２２年までに最小３６０億ガロンへの増加を要求する強制的な再生可能燃料基準（ＲＦＳ）を設立した。今日、我々は、高度なバイオ燃料を生成し並びに信頼性の高い原料の適切な供給を調達するエネルギー必要量のために、これらの義務を満たす課題に直面している。
【０００３】
現在までに、微細藻類から再生可能燃料への経路は、微細藻類内脂質の生成、それに続くそれらの脂質の抽出とバイオディーゼルへの変換に焦点を当ててきた。この方法は、投資に対する方法のエネルギーリターン（ＥＲＯＩ）を良好にするために、脂質の大量の濃縮物を生成する微細藻類に依存している。特異的な高脂質産出微細藻類が培養のために選択されるので、他の種の藻類や捕食者などの汚染物質は予想脂質収率を低下させるだけである。したがって、実際には、脂質の収率はこれらの要因のために、一貫して予測よりも低くなっている。
【０００４】
バイオマスからバイオ原油への水熱液化（ＨＴＬ）の人工方法は、数千年かけて化石燃料原油を形成するための地球の地殻中の朽ち果てたバイオマスに熱と圧力をかける自然の方法を模倣している。この方法では、原料のほぼ全ての有機画分（脂質、炭水化物、タンパク質、及び核酸）をバイオ原油に変換することができ、非常に高いバイオマスからバイオ原油への収率につながる。図１は、培養された藻類、海洋バイオマス、食品廃棄物、木材廃棄物、動物廃棄物を含む、ＨＴＬ方法によってバイオ原油を作成するために使用し得るバイオマス原料の種々のタイプを図示する。バイオマス原料はまた、都市（ｍｕｎｉｃｉｐａｌ）バイオソリッド廃棄物やグリース廃棄物を含み得る。バイオマスからバイオ原油への変換率は、４０％−５０％の範囲、いくつかのレートでは６５％も高い、と報告されている。
【０００５】
しかし、再生可能燃料を生成するためにＨＴＬ技術の普及促進を妨げている主な障壁の一つは、約４００℃の温度と約２０ＭＰａでの圧力を必要とする、ＨＴＬ反応器を駆動するための高エネルギー要件であった。伝統的に、ＨＴＬ方法は法外に大きなエネルギー入力を必要とし、それは次いで方法を負のＥＲＯＩにする。さらに、現在のＨＴＬ方法はバッチモードで実施される。
【発明の概要】
【０００６】
水熱液化（ＨＴＬ）反応器のための新規な熱エネルギー源を提供するシステム及び方法が本明細書で記述される。様々な実施例によれば、システム及び方法は、集束高エネルギービームからの集光型太陽熱エネルギーを使用し、ＨＴＬバイオマスからバイオ原油への方法を駆動するための十分なエネルギーを提供する。また、他の実施例では、嫌気性蒸煮釜を使用して都市バイオソリッドやグリース及び食品廃棄物などの、バイオ廃棄物をバイオ原油に変換し、蒸煮釜によって生成されたバイオガスの一部は、バイオマスからバイオ原油への方法のためのＨＴＬ反応器で用いられる熱及び／または電気エネルギーを生成するために使用される。さらに、代替の実施例は、ＨＴＬ反応器に十分な熱エネルギーを提供するために、バイオガスと太陽放射を使用するハイブリッドシステムを含み得る。
【０００７】
特定の実施例によれば、バイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムは、バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器及びバイオマススラリーを加熱する水熱液化反応器に集光型太陽熱エネルギーを提供するように構成された太陽熱エネルギー集熱システムを含む。太陽熱エネルギー集熱システムは、太陽熱エネルギー濃縮機構とレシーバーを含み得る。太陽熱エネルギー濃縮機構は、例えば、凹面ディッシュ、放物面鏡、フレネルレンズから成る群から選択し得る。レシーバーは、太陽熱エネルギー濃縮機構から集光型太陽熱エネルギーを受け取るように構成されており、太陽熱エネルギー濃縮機構と隣接して作動可能に配置され得る。水熱液化反応器は、レシーバーに隣接して配置され得る。例えば、一つの実施例では、水熱液化反応器は、レシーバーのハウジング内に配置されたコイル状の導管を含む。別の実施例では、水熱液化反応器がレシーバーから遠隔に配置された別の実施形態では、システムは、レシーバーからの濃縮された熱エネルギーの少なくとも一部を水熱液化反応器に移すように構成された熱伝達流体を含み得る。
【０００８】
システムはまた、水熱液化反応器を通ってバイオマススラリーを連続的にポンプで送るためのポンプを含み得る。例えば、ポンプは約２０ＭＰａの圧力でバイオマススラリーをポンプで送るように構成され得る。また、太陽熱エネルギー集熱システムは、バイオマススラリーを約４００℃に加熱するように構成され得る。
【０００９】
いくつかの実施例によれば、システムはまた、バイオ原油を迅速に冷却するように構成されている、水熱液化反応器の隣接する出口に配置されたクエンチャー及び／または熱エネルギーをバイオマススラリーから回収するように構成されている水熱液化反応器の上流の熱交換器を含み得る。さらに、いくつかの実施例において、システムは、一つまたはそれ以上のバイオスラリーポンプ及び一つまたはそれ以上の電気部品の少なくとも一つに対して電気エネルギーを生成するように構成された発電機を含み得て、そこにおいては熱交換器からの熱エネルギーが発電機を駆動するために使用される。加えて、システムのいくつかの実施例はまた、２つの水熱液化反応器、すなわち第一の水熱液化反応器と第二の水熱液化反応器を含み得る。第二の水熱液化反応器は、第一の水熱液化反応器及び熱交換器の下流に配置され、熱交換器からの熱エネルギーは、第二の水熱液化反応器に移される。
【００１０】
他の実施例は、下記を含むバイオマスをバイオ原油に変換する工程を含む：（１）熱エネルギーを太陽熱エネルギー濃縮機構から回収すること；（２）水熱液化反応器を通してバイオマスのスラリーをポンプで送ること；（３）水熱液化反応器中で、太陽熱エネルギー濃縮機構から回収された熱エネルギーを使用してバイオマススラリーを加熱すること。バイオマススラリーを加熱することは、バイオ原油、バイオガス、及びバイオ炭を生成し得る。方法はさらに、下記を含む：（１）バイオマススラリーが水熱液化反応器を出た後、バイオマススラリーをクエンチすること、及び／または（２）生成されたバイオ原油、バイオガス、及びバイオ炭の一つまたはそれ以上の燃焼からの熱エネルギーを回収すること。回収された熱エネルギーは、少なくとも１つの発電機を発電するのに使用され、それは水熱液化反応器を通ってバイオマススラリーをポンプで送るための少なくとも一つのポンプに電気エネルギーを供給するように構成され得て、及び／または水熱液化反応器に追加の熱エネルギーを供給するのに使用される。特定の実施例によると、熱エネルギーを回収することは、熱交換器によって行い得る。
【００１１】
また、バイオマススラリーが微細藻類を含む実施例では、方法はさらに、（１）微細藻類を培養すること；（２）培養された微細藻類をパルス電場を通過させること；（３）パルス電場を通過させた後、培養された微細藻類を藻類の増殖ファシリティを通過させること；（４）藻類の増殖ファシリティを通過させた後、培養された微細藻類をｐＨ駆動の凝集濃縮方法を通過させること；（５）バイオ原油を実質的にリン及び極性成分を除去するためのクロスフロー濾過機構を通過させることを含み得る。
【００１２】
バイオマスが都市バイオ廃棄物を含む他の実施例では、方法はさらに：（１）都市バイオ廃棄物を嫌気性蒸煮釜に供給すること；（２）嫌気性蒸煮釜によって生成されたバイオガスの燃焼からの熱エネルギーを回収すること；（３）回収された熱エネルギーの一部を少なくとも一つのポンプを作動させるための電気エネルギーを生成するように構成された発電機に供給することを含む。
【００１３】
他の様々な実施例は、バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器及び電気エネルギーを発生させるために燃焼バイオガスからの熱エネルギーの少なくとも一部を使用するように構成された発電機を含むバイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムを含む。生成された電気エネルギーとバイオガスの燃焼からの残りの熱エネルギーは、バイオマススラリーを加熱する水熱液化反応器に提供される。特定の実施例では、システムはまた、バイオソリッド廃棄物を蒸煮してバイオガスを生成するように構成された少なくとも１つの嫌気性蒸煮釜を含み得る。さらに、いくつかの実施例では、システムはまた、嫌気性蒸煮釜からバイオソリッドを受け取り、バイオソリッドが水熱液化反応器によってバイオ原油に変換されるより前にバイオソリッドを濃縮するように構成された濃縮機構を含み得る。このシステムは、いくつかの実施例によれば、バイオソリッド処理施設内に少なくとも部分的に設置し得る。バイオガスは、特定の実施例によると、システムからまたはシステムから離れて回収し得る。
【００１４】
他の実施例は、バイオマススラリーをバイオ原油に変換するように構成された水熱液化反応器及び燃焼バイオガスからの熱エネルギーの第一の部分及び電気エネルギーを発生させるための太陽熱エネルギー集熱システムよって捕捉される熱エネルギーの第一の部分を使用するように構成された発電機を含む、バイオマスをバイオ原油に変換するシステムを含む。バイオガスの燃焼及び太陽熱エネルギー集熱システムからの生成された電気エネルギーの少なくとも一部分及び熱エネルギーの第二の部分は、バイオマススラリーを加熱する水熱液化反応器に提供される。
【００１５】
様々な実施例によれば、バイオマスをバイオ原油に変換する方法は：（１）バイオガスの燃焼からの熱エネルギーを回収すること；（２）水熱液化反応器を通してバイオマスのスラリーをポンプで送ること；（３）加熱水熱液化反応器中で、回収された熱エネルギーを使ってバイオマススラリーを加熱することを含む。バイオガスは、例えば、バイオソリッド処理施設の少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜によって生成し得る。方法はさらに：（１）天然ガスの燃焼からの熱エネルギーを回収すること；（２）水熱液化反応器内の天然ガスの燃焼から回収した熱エネルギーを使ってバイオマススラリーを加熱することを含む。
【００１６】
バイオマスをバイオ原油に変換する別の方法は：（１）バイオ廃棄物を含む都市バイオソリッドを少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜に供給すること；（２）バイオ廃棄物の部分蒸煮から生成されたバイオガスの第一の部分の燃焼からの熱エネルギーを回収すること；（３）バイオガスの第一の部分の燃焼からの熱エネルギーを発電機に提供すること；（４）バイオ廃棄物の部分蒸煮から生成されたバイオガスの第二の部分の燃焼からの熱エネルギーを回収すること；水熱液化の嫌気性蒸煮から（５）バイオガスの第二の部分の燃焼からの熱エネルギー、発電機によって生成され廃熱、発電機によって生成された電気エネルギーの少なくとも一部分、及び嫌気性蒸煮釜から部分的に蒸煮されたバイオ廃棄物の固形分排出物を水熱液化システムへの提供すること；（６）水熱液化システムによって生成された廃熱を嫌気性蒸煮釜に再循環すること；（７）水熱液化システムからバイオ炭とバイオ原油を回収することを含む。水熱液化システムは、特定の実施例によると、前処理装置と反応器を含み得る。また、方法はさらに：（１）水熱液化システムにバイオソリッドを供給するよい前に嫌気性蒸煮釜から供給されたバイオソリッドを濃縮すること；（２）水熱液化システムからの水相とバイオソリッドの濃縮からの洗浄除去物をバイオソリッド処理プラントの二次及び三次処理の流れに供給することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＨＴＬ方法の高レベルの方法フローを図示する。
【図２】図２は、特定の実施例に記載のＨＴＬ反応器に熱エネルギーを提供するために、太陽放射を使用するＨＴＬシステムの概略図を図示する。
【図３】図３は、１つの実施例に記載の図２のシステムで使用され得る例示的な太陽エネルギー濃縮機構を図示する。
【図４】図４は、図３に示された太陽エネルギー濃縮機構の斜視図を図示する。
【図５】図５は、図４に示された太陽エネルギー濃縮機構の側面図を図示する。
【図６】図６は、図４に示された太陽エネルギー濃縮機構の背面図を図示する。
【図７】図７は、１つの実施に記載のバイオソリッド処理施設で使用されている図２のシステムの概略図を図示する。
【図８】図８は、別の実施例に記載の図２のシステムを使用する藻をバイオ原油に変換する方法を図示する。
【図９】図９は、特定の実施例に記載のＨＴＬ反応器に熱エネルギーを提供するためにバイオガスを使用するＨＴＬシステムの概略図を図示する。
【図１０】図１０は、１つの実施例に記載のバイオソリッド処理施設で使用されている図９のシステムの概略図を図示する。
【図１１】図１１は、１つの実施例に記載の図１０のシステムを使用してバイオソリッドをバイオ原油に変換する方法を図示する。
【図１２】図１２は、特定の実施例に記載のＨＴＬ反応器に熱エネルギーを提供するために、バイオガスと太陽放射濃縮機構の組み合わせを使用するＨＴＬシステムの概略図を図示する。
【図１３】図１３は、１つの実施例に記載のバイオソリッド処理施設で使用されている図１２のシステムの概略図を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
水熱液化（ＨＴＬ）反応器のための新規な熱エネルギー源を提供するシステムと方法が、本明細書に記述される。例えば、様々な実施例は、ＨＴＬ方法のためのエネルギー障壁が除去されるような新規な方法で太陽熱濃縮技術を使用する新規な水熱液化（ＨＴＬ）反応器を含む。様々な実施例によれば、システム及び方法は、集束高エネルギービームからの集光型太陽熱エネルギーを使用してＨＴＬバイオマスからバイオ原油への方法を駆動するための十分なエネルギーを提供する。集光型太陽熱エネルギーは、例えば、凹面ディッシュ、放物面鏡、フレネルレンズを含む種々の太陽熱エネルギー濃縮機構によって回収し得て、太陽の熱エネルギーは、ＨＴＬ反応器によって、熱交換流体によってのように、直接的または間接的に使用し得る。
【００１９】
また、他の実施例は、嫌気性蒸煮を使用して、都市バイオソリッドやグリース及び食品廃棄物などの、バイオ廃棄物をバイオ原油に変換し、蒸煮釜によって生成されたバイオガスの一部分は、バイオマスからバイオ原油への方法のためにＨＴＬ反応器で用いられる熱及び／または電気エネルギーを生成するように使用される。さらに、代替の実施例は、ＨＴＬ反応器用の十分な熱エネルギーを提供するために、バイオガスと太陽放射を使用するハイブリッドシステムを含み得る。これらの実施例は、以下に詳細に記述される。
【００２０】
図２は、特定の実施例に応じて、ＨＴＬシステムに熱エネルギーを提供するために、太陽放射濃縮機構を使用する、バイオマスをバイオ原油に変換するためのシステムの概略図を示す。
【００２１】
特に、システム１０は、水熱液化（ＨＴＬ）システム１２と、バイオマススラリーを加熱するための水熱液化（ＨＴＬ）システム１２に熱エネルギーを提供するように構成された太陽熱エネルギー濃縮機構１４を含む。システム１０はまた、電気を生成するための発電機１７を含む。太陽熱エネルギー濃縮機構１４は、図３−６に示すような、凹面ディッシュであってもよいが、他の実施例では、例えば、放物面鏡またはフレネルレンズであってもよい。太陽熱エネルギー濃縮機構は、バイオマススラリーを約４００℃に加熱するように構成され得る。
【００２２】
図３に示された例示的な太陽放射濃縮機構１４は、濃縮された太陽熱エネルギーを受け取るための凹面ディッシュ１４に対して作動可能に位置決めされるレシーバー１６を含み、ＨＴＬシステム１２のＨＴＬ反応器１２ａは、レシーバー１６のハウジング内に配置される。特に、図３〜５に示されるように、ＨＴＬ反応器１２ａは、レシーバー１６のハウジング内に配置されたコイル状の導管を含む。このように、この実施例では、濃縮太陽放射からの熱エネルギーは、ＨＴＬ反応器１２ａに直接提供される。図３に示すように、レシーバー１６のハウジングは、一つまたはそれ以上の支持体によって凹面ディッシュ１４表面に隣接して支えられ得る。図５に示すように、支持体は、ディッシュ１４の中央部分に係合するためのねじ山を含むポストを含み得る。しかしながら、他の実施例では、ＨＴＬ反応器１２ａは凹面ディッシュ１４から離れて配置されてもよいし、集光型太陽熱エネルギーは、熱交換器と熱伝達流体によってＨＴＬ反応器１２ａに移送し得る。ＨＴＬシステム１２はまた、前処理装置（図示せず）を含み得る。
【００２３】
システム１０はまた、ＨＴＬシステム１２を通ってバイオマススラリーを連続的にポンプで送るように構成されているポンプ（図示せず）を含む。ポンプは、約２０ＭＰａの圧力でバイオマススラリーをポンプで送るように構成され得る。
【００２４】
様々な実施例によれば、湿潤バイオマススラリーは、ＨＴＬシステム１２を通って高圧下で、連続的にポンプで送られる。バイオマススラリーは、太陽熱エネルギー濃縮機構１４によって集束された高エネルギービームを使用して（直接または間接的に）加熱される。１つの実施例では、ビームは約１０００℃に達することができる。ビームにより加熱された亜臨界水は、有機物をバイオ原油に変換する反応溶媒として作用する。図２及び図３に示すように、バイオマスの有機画分はバイオ原油及びバイオガスに変換され、無機画分はバイオ炭に変換される。また、水相は、都市バイオソリッド処理施設または他の適切な処理方法の二次処理ユニットによって処理することができるＨＴＬシステム１２を出る。
【００２５】
このように、システム１０は、ＨＴＬ方法を駆動するための熱エネルギーの一次源として太陽濃縮機構１４から熱エネルギーを使用するが、熱エネルギーの二次的またはバックアップ源は、バイオガスの燃焼及び／または天然ガスを含み得る。例えば、バイオガスは、ＨＴＬ方法から捕捉されまたは他の場所で生成されシステム１０による使用のために格納され得る。バイオガス及び／または天然ガスの燃焼は、例えば、次善の太陽日に熱エネルギーを生成するために使用し得る。また、太陽放射濃縮機構１２から及び／またはバイオガス及び／または天然ガスの燃焼からの熱エネルギーの少なくとも一部分は、電気を生成するために発電機によって使用されてもよい。さらに、電力もまた、太陽光発電装置を使って生成し得る。
【００２６】
バイオガス及び／または天然ガスの燃焼からのまたは保存された太陽エネルギーからの熱エネルギーは、熱伝達流体と熱交換器によって直接または間接的にＨＴＬシステム１２に搬送され得る。
【００２７】
システム１０はまた、ＨＴＬシステム１２の出口に隣接して配置されているクエンチャー（図示せず）を含み得る。クエンチャーは劣化を防止するためにバイオ原油を素早く冷却する。
【００２８】
また、システム１０は、バイオマススラリーから熱エネルギーを回収するように構成されているＨＴＬシステム１２の下流の熱交換器（図示せず）を含み得る。例えば、発電機１７は、一つまたはそれ以上のバイオマススラリーポンプと一つまたはそれ以上の電気部品の少なくとも一つのための電力を生成するためにこの回収された熱エネルギーを使用するように構成され得る。また、システム１０はさらに、ＨＴＬシステム１２の下流に配置された第二のＨＴＬシステム（図示せず）を含み得る。熱交換器からの熱エネルギーは、第二のＨＴＬシステムに移し得る。また、システム１０は、ＨＴＬ方法の温度及び圧力に耐えることができる温度及び圧力定格部品を含み得る。
【００２９】
図７は、１つの実施例に記載の新規または既存の都市バイオソリッド処理施設２０で使用されている図２のシステム１０の例示的な実施例を図示する。システム１０は、設備２０からの未蒸煮のバイオソリッドを受け取り、それらを濃縮するバイオソリッドの濃縮器２２を含む。濃縮されたバイオソリッドは次いで、図２に関連して上述したように加工するためのＨＴＬシステム１２によって受け取られる。濃縮器２２からの洗浄除去物は、二次処理ユニットに供給される。バイオソリッドは、食品廃棄物及びグリース廃棄物（例えば、黄色及び／または褐色のグリース廃棄物）などの、都市バイオソリッドを含み得る。
【００３０】
図８は、図２のシステムを使用して、藻類バイオマス原料を生成し、藻類原料をバイオ原油に変換する例示的な方法を図示する。特に、ステップ１において、微細藻類は、栄養豊富な廃棄物の流れを使用して培養する。例えば、微細藻類は、バイオリアクター施設（例えば、５０，０００Ｌの垂直バイオリアクター施設）で培養し得る。ステップ２において、微細藻類はパルス電場を通過させられ、それはミクロ生物汚染物質を終了する。次いで、ステップ３において、微細藻類は、藻類の増殖ファシリティを通過させられ、清澄水は戻されて増殖ファシリティにリサイクルされる。微細藻類は次いで、ステップ４のｐＨ駆動の凝集濃縮機構４０を通過させられ、そこではＮａＯＨがさらなる乾燥なしで、高密度の藻類バイオマスを１００倍に濃縮する。ステップ５において、濃縮された湿潤バイオマスがＨＴＬ反応器１２を通過させられる。湿潤バイオマスが、ＨＴＬシステム１２の熱濃縮器１４を通過する時、ＮａＯＨはＨＴＬ方法で触媒として作用する。ステップ６において、バイオ原油は濾過機構６０通してクロスフロー濾過にかけられ、それによってリン及び極性成分がバイオ原油から除去されてその安定性を増加させる。この方法は、９５％以上効率的です。ステップ７において、リンを含まないバイオ原油が回収される。
【００３１】
例えば、図２−８に関連して上述されたシステム１０などの、太陽エネルギー駆動システムは、特定の実施例によると、バイオマスをバイオ原油に変換する大規模な生産能力を提供する。また、嫌気性蒸煮釜を通してバイオマスを供給することは、バイオマスをＨＴＬ方法にかけるより前には必要ではないかもしれない。
【００３２】
他の様々な実施例によると、都市バイオソリッド、グリース廃棄物、食品廃棄物は、バイオ原油を生成するために必要とされる電気及び熱エネルギーを供給するための燃料として、嫌気性蒸煮釜からバイオガスを使用して再生可能なバイオ原油に変換し得る。都市バイオソリッド、グリース廃棄物、食品廃棄物は、それらの適切な処理、排出、及び除去のための水道施設に対して深刻な問題を提起する。現在のところ、処理施設は、バイオソリッド、グリース、及び食品廃棄物の一部を嫌気的に蒸煮するが、施設はそれを排除することはできない。残りの部分は、埋立地に送られまたは大きなフィールド上に散布される。また、施設は、無駄になる、それらの嫌気性蒸煮釜から発生するバイオガスの半分以上を燃焼する。このように、これらの実施例は、人口増加の少なくとも二つの世界的に重要な問題に対処する、すなわち：（ｉ）バイオ廃棄物の削減／利用及び（ｉｉ）再生可能な先進的なバイオ燃料の生成。また、方法は、エネルギー自給自足でありバイオ原油の信頼できる源を一貫して製造するための信頼性の高い原料を使用し、それらは他の技術でのバイオ原油生産のための主要な障壁である。
【００３３】
図９は、一つの実施例に記載の燃焼バイオガスからの熱エネルギーを使用してバイオソリッドやグリース及び食品廃棄物をバイオ原油に変換するためのシステム３０の例示的な概略図を図示する。特に、システムは、ＨＴＬシステム３２と電力を発生するために燃焼バイオガス及び／または天然ガスからの熱エネルギーを使用する発電機３４を含む。バイオガス（またはバックアップとしての天然ガス）が燃焼され熱エネルギーが発電機３４によって使用され、ＨＴＬシステム３２及びシステム３０の他の電気部品のための電気を生成する。バイオガスの燃焼からの熱エネルギーはまた、バイオ原油の生産を支援するＨＴＬシステム３２に移される。上述したように、ＨＴＬシステム３２は、前処理装置及び反応器を含み得る。濃縮されたバイオソリッド、グリースや食品廃棄物、または他の種類のバイオマス原料がＨＴＬシステム３２に供給され、ＨＴＬシステム３２によってバイオ原油、バイオ炭、及び水相に変換される。さらに、ＨＴＬの方法から生じるいかなるバイオガスも燃焼のために発電機３４またはＨＴＬシステム３２に戻されてまたはバイオガスによって運ばれる廃熱を回収するために経路変更してもよい。バイオソリッドとバイオガスは、システム３０と同じ場所で供給され得るかまたは別の場所で製造され、システム３２に移し得る。例えば、システムが、図１０に関連して以下に記述されるように、新規または既存のバイオソリッド処理施設で実施される時、バイオガスやバイオソリッドは、現場に提供される。また、天然ガスは、熱エネルギーの二次的またはバックアップ源として提供され得る。
【００３４】
図１０は、新規または既存の都市バイオソリッド処理施設４０内のシステム３０の例示的な実施例を図示する。施設４０は、少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜３６と、少なくとも一つのバイオソリッド濃縮器３８を含む。バイオソリッドの少なくとも一部分が嫌気性蒸煮釜３６  に供給され蒸煮された（及びいかなる未蒸煮の）バイオソリッドは、濃縮器３８に供給される。次いで、濃縮されたバイオソリッドはＨＴＬシステム３２に供給され図９に関連して上述したようにバイオ原油、バイオ炭、及び水性相に変換される。前記水相は、さらなる処理のためにバイオソリッド処理施設の二次または三次処理ユニットに供給し得る。嫌気性蒸煮釜３６によって生成されたバイオガスは燃焼され、得られた熱エネルギーは、電気を発生させるための発電機３４とバイオソリッドをバイオ原油に変換する方法のためのＨＴＬシステム３２によって使用される。さらに、ＨＴＬシステム３２からの廃熱エネルギーは、蒸煮方法または発電機３４を支援するために嫌気性蒸煮釜３６に移し得る。
【００３５】
いくつかの実施例では、嫌気性蒸煮釜３６は、バイオガスから分離することができるより多くの水素を生成するように構成され得る。また、バイオ原油は、バイオ原油から窒素及び硫黄を除去するために、ＨＴＬシステム３２の上流でアップグレーディングユニット（図示せず）に供給し得る。
【００３６】
図１１は、図１０に示した実施例に記載の、バイオソリッドやグリース及び食品廃棄物をバイオ原油に変換する例示的な連続フロー方法７００を図示する。ステップ７０１で始まって、都市バイオソリッドストリームは、嫌気性蒸煮釜３６に供給される。蒸煮釜３６は、バイオソリッドの部分蒸煮からバイオガスを生成する。ステップ７０２では、このバイオガスの一部分は発電機３４に供給される。ステップ７０３は、残りのバイオガス、発生電気の一部、及び蒸煮釜３６からの部分的に蒸煮されたバイオソリッド排出物が、ＨＴＬシステム３２に供給される。ＨＴＬシステム３２は、前処理装置と反応器の機能を備えている。次いで、ステップ７０４において、ＨＴＬシステム３４からの廃熱は、嫌気性蒸煮釜３６に再循環される。ステップ７０５において、ＨＴＬシステム３６からのバイオ炭とバイオ原油は、主製品として回収される。ステップ７０６において、ＨＴＬシステム３６からの水相とバイオソリッドの前濃縮からの洗浄除去物がバイオソリッド処理プラント４０の二次及び／または三次処理ストリームに供給される。また、約４５０℃から６５０℃になり得る、発電機３４からの廃熱が、ＨＴＬの熱エネルギーニーズを供給し、嫌気性蒸煮釜の熱エネルギー需要を供給するためにＨＴＬからの廃熱を使用し得る。
【００３７】
特定の実施例によれば、高圧高温定格部品が高温高圧の環境故にシステムで使用されている。また、水相はさらに、いくつかの実施例によれば、第三のストリームの製品、例えば、肥料サプリメント、を形成するように処理され得る。さらに、茶色または黄色のグリース及び食品廃棄物などの、バイオ廃棄物の他の源は、いくつかの実施例に記載の方法７００において使用され得る。
【００３８】
特定の実施例によると、太陽光発電パネル、埋立地からのバイオガス、安価な天然ガス、図２−８に関連して上述した太陽熱システムなどの、集光型太陽熱システムからのエネルギー、またはそれらの組み合わせなどの、熱及び／または電気エネルギーの他の源が、ＨＴＬシステムに使用し得る。例えば、図１２は、バイオガス（及び／または天然ガス）燃焼からの及び太陽放射からの熱エネルギーを使用するハイブリッドシステム４１の概略図を図示する。このシステム４１において、特定の実施例によると、熱エネルギーのいずれかの源は、二次源として働く他の者と共に一次源として働き得て、または各方法によって生成された熱エネルギーの実質的に等しい部分がＨＴＬ方法を駆動するために使用し得る。システム４１は、ＨＴＬシステム４２、太陽光発電パネル、放物面鏡、フレネルレンズ、または凹面ディッシュ（例えば、図３−６に示す皿）などの、太陽光集光システム４５、及びバイオガス（及び／または天然ガス）燃焼及び太陽熱システム４５から熱エネルギーを受け取る発電機４４を含む。前記発電機４４からの廃熱は、熱交換器と熱伝達流体によって太陽熱システム４５移すことができ、図２−８に関連して上述したように、太陽熱システム４５からの熱エネルギーは、直接または間接的にＨＴＬシステム４２に提供し得る。発電機４４からの電気エネルギーはまた、ＨＴＬシステム４２に使用される。濃縮及び／または非濃縮バイオソリッド及び／または食品または油脂廃棄物は、ＨＴＬシステム４２に供給され、処理後、バイオ原油、バイオ炭、及び水性相が、ＨＴＬシステム４２によって生成される。上述したように、ＨＴＬシステム４２は、前処理装置と反応器を含み得る。
【００３９】
図１３は、新規または既存の都市バイオソリッド処理施設５０で使用されているような図１２に示したハイブリッドシステム４１の例示的な実施例を図示する。施設５０は、少なくとも一つの嫌気性蒸煮釜４６と少なくとも一つの濃縮器４８を含む。バイオソリッドは嫌気性蒸煮釜４６に供給され、蒸煮方法から生じるバイオガスは燃焼及び／または保管される。蒸煮されたバイオソリッドは、濃縮器４８に供給され、濃縮されたバイオソリッドは、その後ＨＴＬシステム４２に供給される。ＨＴＬシステム４２からの廃熱エネルギーは、嫌気性蒸煮釜４６に供給される。また、濃縮器４８からの水相と洗浄除去物は、さらなる処理のために、二次及び／または三次処理ユニットに供給され得る。
【００４０】
都市バイオソリッドは、バイオ原油生産のための高い有機含有物を有し、処理プラントで事前回収され濃縮され、回収のための余分なエネルギーや労力を必要とせず、人口が成長するにつれて時間をかけて一貫してますます利用可能である可能性が高い。バイオソリッドからの嫌気性蒸煮釜で生成されたバイオガスは、バイオ原油を生成するために必要とされる電気及び熱エネルギーを供給するための現場で生成し得る燃料の優れた源である。また、上述した方法と生産システムは、容易に既存のバイオソリッド処理施設に組み込まれ、費用効果の高いバイオ原油生産のための経路を提供する。
【００４１】
上述したように、ＨＴＬ方法の広範な適用に対する主な障壁の一つは、バイオマスからバイオ原油変換方法を駆動する亜臨界水環境（高温、高圧）を作り出すのに必要なエネルギーが、バイオ原油製品で利用可能なエネルギーを超え、負のＥＲＯＩを作る出すことである。太陽エネルギー濃縮機構及び／または上述のシステム及び方法のバイオガス及び／または天然ガスの燃焼によって回収された熱エネルギーは、亜臨界水の状態を作り出すために必要なものを超える熱エネルギーを提供する。また、本明細書で記述するシステム及び方法は、ＨＴＬ反応を前向きに進める（バイオマスをバイオ原油に変換する）のに必要な高熱、高圧条件を容易にする人工的な連続流を提供する。この結合された方法は、他のＨＴＬ方法とは異なり、正のＥＲＯＩを生み出し、従って、任意の規模で費用対効果の高いバイオマスからバイオ原油への生産に経路を生成する。
【００４２】
本システムは、都市バイオソリッド、食品廃棄物、動物の排泄物、グリース廃棄物、セルロース系廃棄物、さらに微細藻類を含む、方法におけるバイオマス及び／またはバイオ廃棄物原料の様々な使用を可能にする。これは、そうでなければ埋立地での廃棄にかけられたかもしれない廃棄材料のリサイクルを促進する
【００４３】
本明細書で記述されるシステム及び方法の１つまたはそれ以上の実施例の利点は：（１）連続した流れ、（２）比較的高いバイオマスからバイオ原油への収率、（３）方法の正のＥＲＯＩを生成することができるほぼ自由なエネルギー入力、（４）有機廃棄物の再生可能バイオ原油へのリサイクル、（４）エネルギー自給率、（５）低コストであり、増加する人口で時間をかけて量が増加する可能性がある信頼性の高いバイオ廃棄物原料の使用、（６）開発国及び低開発国におけるシステムを実施例する能力、（７）多種多様のバイオマス原料への適用、及び（８）容易に拡張可能である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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