特表 2023-521842 不均一バイオマスを使用した、改良された水蒸気分解による可燃性ペレットの生産方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-25

(54)【発明の名称】不均一バイオマスを使用した、改良された水蒸気分解による可燃性ペレットの生産方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 5/44 20060101AFI20230518BHJP

   C08L 97/02 20060101ALI20230518BHJP

   C08H 8/00 20100101ALI20230518BHJP

【ＦＩ】

C10L5/44

C08L97/02

C08H8/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022562347

(86)(22)【出願日】2021-04-16

(85)【翻訳文提出日】2022-10-12

(86)【国際出願番号】 FR2021050672

(87)【国際公開番号】W WO2021209725

(87)【国際公開日】2021-10-21

(31)【優先権主張番号】2003905

(32)【優先日】2020-04-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521480477

【氏名又は名称】ユーロペエンヌ ドゥ ビオマス

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】カンテロ－マルケス，アドゥリアナ

(72)【発明者】

【氏名】デプレ，ジャン－リュック

(72)【発明者】

【氏名】マーテル，フレデリック

【テーマコード（参考）】

4H015

4J002

【Ｆターム（参考）】

4H015AA12

4H015AB01

4H015BA01

4H015BA07

4H015BA08

4H015BA13

4H015BB03

4H015BB04

4H015BB05

4H015BB10

4H015CB01

4J002AH00W

4J002AH00X

4J002GT00

(57)【要約】

本発明は、固形バイオ燃料の分野における、黒色ペレット形態の水蒸気分解されたバイオマスの生産に関する。より詳細には、本発明は、不均一バイオマスからの黒色ペレットの生産に関する。本発明の目的は、良好な機械的強度、良好な耐水性、および増加した発熱量を有する黒色ペレットを生産することである。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

５～２７％の湿度でバイオマスを連続水蒸気分解することによって可燃性黒色ペレットを生産するための方法であって、ペレット化工程が、添加剤なしで、一方では０．５ｍｍ未満の部分を有する少なくとも５０％の粉末状化合物を含み、他方では１ｍｍを超える長さを有する少なくとも１０％の繊維状化合物を含む水蒸気分解されたバイオマスで実施される、ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記水蒸気分解されたバイオマスは、種々の植物種に由来するため不均一である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記種々の植物種の水蒸気分解が、単一工程で実施される、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記水蒸気分解されたバイオマスが、同じ最初のバイオマスの異なる重大度条件下における複数の水蒸気分解操作およびペレット化前の混合に由来する点で不均一である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記複数の水蒸気分解操作が、並行して実施されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

ペレット化の前に、前記水蒸気分解されたバイオマスの粒径が分析される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

ペレット化の前に、水蒸気分解されたバイオマス由来のリグニンを添加する工程をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

ペレット化の前に、前記不均一バイオマスを構成する様々な粉末が、別々に予めペレット化され、次いで混合される、請求項２～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

水蒸気分解前の粉砕バイオマスの粒径が不均一である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の詳細な説明】

【0001】

本発明は、固形バイオ燃料の分野における、黒色ペレット形態の水蒸気分解されたバイオマスの生産に関する。より詳細には、本発明は、不均一バイオマスからの黒色ペレットの生産に関する。本発明の目的は、良好な機械的強度、良好な耐水性、および増加した発熱量を有する黒色ペレットを生産することである。
［発明の技術分野］
再生可能エネルギー（電気および熱）の生産は、環境（太陽、風、潮、波、地熱、水力）から、またはバイオマスから行うことができる。河川またはダムの水力エネルギーおよび地熱エネルギーは現在、間欠的な再生可能エネルギーであり、エネルギー貯蔵手段が開発されない限り、そのままである。バイオマスのみが、熱および／または電力への変換の場所に輸送され得る一次エネルギーを構成する。しかしバイオマスは、実際にはまばらで、変化しやすく、腐敗しやすいエネルギーである。

【0002】

リグノセルロース系バイオマスを高密度化および安定化させるためには、炭化、焙煎、および水蒸気分解を含む複数の方法がある。第１の方法は木炭を製造することを可能にし、収率の著しい損失（およそ７０～８０％）のために材料の高価格を伴い、家庭におけるバーベキューでの使用などの高い「セール価格」での使用に制限される。焙煎は許容可能な収率（１０％～２０％の損失）を有する技術であるが、価格は依然として高価なものであり、技術は成熟していない。今日まで、生産費用が含まれる場合は、水蒸気分解のみが技術的かつ経済的に実行可能であると考えられる。この技術は、「黒色ペレット」を製造することを可能にする。

【0003】

水蒸気分解は、水熱前処理または熱分解技術と比することができないことに留意されたい。

【0004】

水熱前処理は、水溶液分留、溶媒分解、水熱分解または水熱処理とも呼称され、リグノセルロース系マトリックスの崩壊および分離を促進するために、高温および高圧での水の使用を伴う。この技術は、得られる生産物が主に液体であるため、黒色ペレットの生産には適していない。熱分解は、酸素の非存在下での激しい加熱による有機化合物の化学的分解である。熱分解後に得られる化合物は、水蒸気分解によって得られるものとは特性が異なる。水蒸気分解は、水蒸気爆発を使用し酸素の存在下で行われるという点で、熱分解技術と比することはできない。

【0005】

リグノセルロース系バイオマス（木材、農業残渣、農業および農産業の共生産物）を、エネルギー密度が高く、輸送可能で、貯蔵が容易な化合物に変換することにより、固定エネルギーの産業部門（他のバイオ燃料とは異なり、固定点、家庭で使用されるバイオ燃料）を開発し、統合することができ、環境影響を低減（化石ＣＯ_２排出、肥料または植物衛生生産品を含まないバイオマス）することができる。水蒸気分解によるバイオマスの熱処理は、精密なパラメトリック条件、特に粒径、温度および滞留時間に従って、バイオマスを水蒸気分解された粉末に均質化することによって、エネルギーの緻密化を可能にする。次いで、粉末は、その輸送、貯蔵および使用を容易にするために造粒される。

【0006】

高い発熱量、ならびに貯蔵、輸送およびボイラーでの使用に適した機械的挙動を有し、機械および水への耐性、取扱い中の（微細な）粉塵形成の低減、良好な発熱量および良好な燃焼を確実にするための乾燥性、ならびに経時的および貯蔵の安定性（自己発熱発酵、ガス放出などがないこと）において最良の特性を有する、一定かつ良質な生産品を、造粒方法が確保できることが確かであることが重要である。

【0007】

水蒸気分解された粉末をペレットプレスに通すことによる造粒により、緻密で耐性のあるペレットを形成することができる。従来、白色ペレットにおいては、精製され圧縮された軟材おがくず（０．３６～１ｍｍの間が７５％、０．５ｍｍ未満が５０％）は直径６、８～１０ｍｍの間、長さ２～５ｃｍのペレットを生産し、嵩密度は６００～６５０ｇ／Ｌであり、機械的強度（耐久性）は９７．５％であり、含水率８％未満（通常５～８％）でのＰＣＩ／総量は４．９ｋＷｈ／ｋｇである。しかしながら、それは耐水性を有さない（５分未満で水中で完全に崩壊する）。硬材黒色ペレットは６５０～７５０ｇ／Ｌの嵩密度を有し、１０％未満の含水率（通常、１０％に等しいかまたは非常に近い）において、９８．５％の機械的強度（耐久性）、および５．０ｋＷｈ／ｋｇを超えるＰＣＩ／総量を有する。これは、乾燥後のその耐久性の顕著な変化なしに、水中にその重量の１０％未満を可逆的に捕捉することを可能にする浸漬抵抗を有する。

【0008】

しかしながら、繊維が短すぎる水蒸気分解粉末がペレット化されると、耐久性の悪化、ペレット上のスケールの存在、見掛け密度低下、および、特に処理中の、より多くの微粉の生産につながる。

【0009】

黒色ペレットのペレット化を改善するために水蒸気分解を調節して、重大度条件（ｓｅｖｅｒｉｔｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）を適合させることができる場合、より長い繊維を製造することができる。しかしながら、予想される発熱量の増加、および耐水性または機械的強度などの他の特性を損なうために、リグニンによる凝集力の低下が生じ、より低い重大度（ｓｅｖｅｒｉｔｙ）におけるより少ない移動となる。したがって、このアプローチはそれ自体では満足のいくものではない。

【0010】

したがって、黒色ペレットのペレット化の質を改善するために、新しい手段によってペレット化法を制御する必要がある。
［従来技術］
特許ＷＯ２０１３／１９１８９７には、ガス化または燃焼前の前処理として水蒸気爆発法を使用するバイオマスの処理に特化した設備および方法が記載されている。さらなる乾燥なしに外部に残された収入バイオマスの水分値は、１５％～６０％である。当該方法は水蒸気爆発工程を使用し、当該工程では、バイオマスが水蒸気爆発ユニットに導入され、低圧水蒸気が導入され、次いで少なくとも１０倍の大気圧が最終的に導入され、急速減圧する前にバイオマスを加熱および加圧する。次いで、生産された微細な湿潤バイオマス粒子は、バイオマスガス化装置の供給セクションに供給され、バイオマス粒子と迅速なバイオマスガス化反応で反応して合成ガス成分を生産する。この方法によって得られる生産物は合成ガスである。

【0011】

特許ＷＯ２０１９／０５４９１３Ａ１は、木材パルプを生産し、木材から燃料ペレットまたは練炭の生産を可能にする方法に関する。この方法は丸太材の樹皮を剥ぐことを伴い、丸太材はその後木材チップに変えられる。これらのチップの一部はペーストを形成するために使用される一方で、残りのチップは水蒸気分解工程を受ける。熱処理された樹皮は、調整可能なブローオフバルブまたは定数直径の排出口を通して反応器から排出され、前記樹皮の水蒸気爆発排出をもたらす。水蒸気爆発工程の後、得られたチップは、木材パルプ生産工程中に回収されたリグニンと共に造粒される。

【0012】

特許ＷＯ２０２０／２２５５０４は、リグノセルロース系バイオマスを５％～２７％の湿度で、化学的補助剤なしで、３～５の間の重大度係数（ｓｅｖｅｒｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を適用することによって、連続水蒸気分解することによって得られる、化学的または生化学的反応のための粉末状炭素質基材に関する。炭素質基材は、わずかに緻密化されたペレットの形態であってもよい。この形態は取扱いを容易にするために生産品を包装する場合に採用することができるが、その特性は基材に溶液（酵素、酸など）を含浸させた場合の粉末のものである。
［発明の開示］
本発明者らは、予想外にも、黒色ペレットが不均一な粒径の水蒸気分解されたバイオマスから生産される場合、黒色ペレットの質が改良されることを示した。

【0013】

より一般的には、本発明者らは、異なるバイオマスからの水蒸気分解された粉末を混合することによって良好なペレット化を得ることができることを示した。例えばポプラなどの軟質広葉樹、またはアッシュなどの特定の広葉樹からの粉末は、約８０％の微粉を含むオーク粉末と有利に混合することができる非常に繊維質な粉末を与える。

【0014】

また、本発明者らは、粉末と微細な綿状繊維とが共存して凝集および確実な良好ペレット化が可能となるのに十分な量（約２０％）の残存繊維の存在を理由として、粗く粉砕されたバイオマス（平均径が、１０～２０ｍｍの代わりに３０ｍｍ～４０ｍｍ程度）からの水蒸気分解粉末が、より良好な発熱量（ＰＣＩ）を有する粉末を得ることを可能にし、要求される仕様の黒色ペレットを得られることを実証した。

【0015】

これらの観察に基づいて、本発明者らはそれゆえ、良質の黒色ペレットを得るためには、両方の繊維（１ｍｍを超えるものがおよそ２０％）を有するが、粉末または非常に微細な綿状繊維（０．５ｍｍ未満）の形態の微粉も有する、不均一な水蒸気分解されたバイオマスを使用することが重要であることを確認した。

【0016】

それゆえ、本発明は、５～２７％の湿度でのバイオマスの連続水蒸気分解による可燃性黒色ペレットを生産する方法であって、ペレット化工程が、一方では０．５ｍｍ未満の部分を有する少なくとも５０％の粉末化合物を含み、他方では１ｍｍを超える長さを有する少なくとも１０％の繊維化合物を含む未洗浄の水蒸気分解されたバイオマスで実施され、前記粉末化合物および繊維化合物は、添加剤なしで、前記バイオマス中に存在するヘミセルロースおよびリグニンによって結合される、ことを特徴とする方法に関する。
［発明の利点］
本発明による方法は、良好な機械的強度、良好な耐水性、および発熱量の増加という良好な品質の黒色ペレットを、一定の方法で生産することを確実にするという利点を有する。

【0017】

加えて、不均一な水蒸気分解バイオマスを用いることにより、水蒸気分解リグニンを結合剤として、添加剤を加えることなく良質ペレットを生産することができる。添加剤は高価であり、一般にその毒性のために望ましくない。したがって、それらを排除することは、経済的および生態学的観点から有利である。

【0018】

粉末の不均一性は、以下の種々の方法で得ることができる：
－その粉砕が不均一サイズの小板状の粒子をもたらす投入バイオマスの使用、
－種々の植物種の混合物からなる投入不均一バイオマスの使用、
－水蒸気分解の重大度条件の調節、
－同じ投入バイオマスから得られるが、水蒸気分解中に異なる重大度条件下で処理されたバイオマスの混合、
－種々の植物種から得られた、異なる水蒸気分解されたバイオマスの混合。

【0019】

それゆえ、バイオマスのより良好な管理を可能にする方法が提案される：粉末粒径は、水蒸気分解後に測定されて、良質ペレット化を目的として、適切な不均一混合物を調製することができる。
［発明の詳細な説明］
本発明は、５～２７％の湿度でバイオマスを連続水蒸気分解することにより可燃性ペレットを生産する方法であって、ペレット化工程が、添加剤なしで、一方では０．５ｍｍ未満の部分を有する少なくとも５０％の粉末状化合物を含有し、他方では１ｍｍを超える長さを有する少なくとも１０％の繊維状化合物を含有する水蒸気分解バイオマスで実施される、ことを特徴とする方法に関する。

【0020】

この方法では、木材の粉末状および繊維状化合物、特にリグニンおよびヘミセルロースが、水蒸気分解によって誘発される化学的および物理的な改質の後にペレット中で結合されるため、添加剤は不要である。

【0021】

本発明における意味の範囲内で、「添加剤」は０．５～１０質量％の間で導入される市販の化合物、例えばデンプン、小麦粉、または結合剤を提供する他の植物または石油化学物質の、特定の化合物を意味する。

【0022】

本発明における意味の範囲内で、「バイオマス」は、農業および林業の残渣、木材変換の副産物、ならびに専用作物の両方に由来するリグノセルロース系バイオマスを意味する。それは特に、樹皮を有するかまたは有さない木材チップであってもよい。この原料の品質は、固体可燃性材料の品質およびエネルギー特性に直接影響を及ぼす。例えば、最も使用される木材は、広葉樹および針葉樹である。

【0023】

好ましい実施形態では、湿度レベルは７％～２０％であり、さらにより好ましくは８～１４％である。

【0024】

別の好ましい実施形態では、０．５ｍｍ未満の部分を有する粉末状化合物が、水蒸気分解されたバイオマスの少なくとも７５％を占める。

【0025】

別の好ましい実施形態では、１ｍｍを超える長さを有する繊維状化合物が、水蒸気分解されたバイオマスの少なくとも２０％を占める。

【0026】

バイオマスは、粉末状化合物および繊維状化合物、綿状化合物も含む。

【0027】

本発明の特定の実施形態において、水蒸気分解されたバイオマスは、種々の植物種に由来するため、不均一である。

【0028】

リグノセルロース系バイオマスの組成は、その主要成分、すなわちセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンにおいて、植物種によって異なる。これが、種々の種からの水蒸気分解によって得られる粉末が同等の品質でない理由である。

【0029】

好ましい実施形態において、種々の植物種の水蒸気分解は、単一工程で実施される。

【0030】

別の特定の実施形態では、水蒸気分解されたバイオマスが、同じ最初のバイオマスの異なる重大度条件下における複数の水蒸気分解操作に由来し、得られた粉末はペレット化の前に混合される、という点で不均一である。

【0031】

同じ最初のバイオマスの異なる重大度条件下における異なる水蒸気分解操作は、異なる時間にまたは並行して実施することができる。好ましい実施形態では、それらは並列に配置された連続反応器中で同時に実施される。

【0032】

本発明の実施のためには、水蒸気分解されたバイオマス粉末の粒径が既知でなければならない。これを行うために、これらの粉末の粒径をペレット化前に測定することができる。この測定は当業者に既知の任意の手段によって、好ましくは、光学的散乱（レーザー）による測定、または篩システムによる測定などの、生産ラインに組み込むことができる手段によって行うことができる。この解析の結果は、必要に応じて、良質ペレット化に推奨されるサイズ比率を考慮した外部への粉末供給を可能にする。

【0033】

それゆえ、特定の実施形態では、前記方法はペレット化の前に、水蒸気分解されたバイオマスの粒子サイズを分析する工程を含む。

【0034】

水蒸気分解された粉末の密度も、その不均一性の指標であり、したがってそのペレット化性の指標である。

【0035】

特定の実施形態では、前記方法はペレット化の前に、水蒸気分解されたバイオマスに由来するリグニンを添加する工程をさらに含む。

【0036】

前記方法はまた、ペレット化の前に、不均一バイオマスを構成する様々な粉末を別々に予めペレット化し、次いで混合する工程を含むことができる。粉末を予めペレット化することは、粉末の取扱いおよび輸送を容易にする。

【0037】

水蒸気分解後のバイオマスの粒径は、水蒸気分解前のバイオマスの粒径、すなわち、小板または他の形態の最初のバイオマスの大きさによっても影響される。このパラメータは、研削グリッドを適合させることによって容易に調節することができる。

【0038】

それゆえ、前記方法は、水蒸気分解前の粉砕バイオマスの粒径が不均一である工程を含むことができる。

【0039】

本発明は、可変供給に従って最終生産物を標準化することによって、バイオ燃料の生産を最適化しようとする産業従事者と共に、その利用法を見出し、その利用法は耐えるのではなく望ましいものとなる；最終ペレット化生産物のために、バイオマスの利用可能性および価格の変動による混合物を理由としてその関心が仲介となり得る。

【国際調査報告】