熱分解油

熱分解油は、バイオ原油またはバイオオイルとも呼ばれ、工業用途がほとんどなく、石油の代替品として研究されている合成燃料です。乾燥したバイオマスを酸素なしで反応器内で約500℃（900℉）の温度で加熱し、その後冷却、水相からの分離などのプロセスを経て得られます。熱分解油は一種のタールであり、通常、純粋な炭化水素とは見なせないほど高いレベルの酸素を含んでいます。この高い酸素含有量は、非揮発性、腐食性、化石燃料との部分的な混和性、熱不安定性、そして空気にさらされると重合する傾向をもたらします。 [ 1 ]そのため、石油製品とは明確に異なります。バイオオイルから酸素を除去したり、藻類バイオオイルから窒素を除去したりすることを、アップグレードと呼びます。[ 2 ]

規格

熱分解油の製造は行われていないため、規格はほとんどありません。その1つはASTM規格です。[ 3 ]

原料の分解

熱分解は、高温、無酸素状態で有機物を油やその他の成分に分解する確立された技術です。第二世代バイオ燃料の用途では、森林や農業残渣、廃木材、庭の廃棄物、エネルギー作物などを原料として使用できます

木材

樹脂質木材からの木質タールクレオソートの抽出

歴史的な木材ガス化

合成ガスは歴史的には「製造ガス」または単に「ガス」と呼ばれ、通常は石炭（木材も含む）などの可燃性物質を、酸素の少ない雰囲気のレトルトまたは密閉オーブンで加熱してガス化することによって作られました。 [ 4 ]木材原料から熱分解油を製造する現代の文脈では、その過程で生成される合成ガスは主に熱分解反応器に必要な熱を供給するための燃料として使用されます。

現代の熱分解プラント

  • プロセスエネルギー：「高速」熱分解装置（液体油の収量を最大化する）を稼働させるために必要なエネルギーは、出力される総エネルギーの約15%です
  • 自立運転：現代の発電所では、非凝縮性の合成ガス（水素、一酸化炭素、メタンの混合物）をリサイクルし、熱源として燃焼させます。これにより、システムは運転に必要なエネルギーの3～9倍を出力できます。
  • 副産物の有用性：高速熱分解において、木材は通常、約60%のバイオオイル、20%のバイオ炭、20%の合成ガスに変換されます。バイオオイルは燃料や化学薬品として利用される主要な液体生成物ですが、合成ガスは熱分解段階に不可欠であり、この段階では木材は酸素の少ない雰囲気下で約500℃（932°F）まで加熱されます。

木材の分解

木材を270℃（518℉）以上に加熱すると、炭化と呼ばれる分解プロセスが始まります。酸素がない場合、最終生成物は木炭です。十分な酸素がある場合、木材は約400～500℃（752～932℉）の温度に達すると燃焼し、木灰を残します。木材を空気から切り離して加熱すると、まず水分が蒸発し、それが完了するまで、木材の温度は約100～110℃（212～230℉）に保たれます。木材が乾燥すると温度が上昇し、約270℃（518℉）で自然分解が始まり、熱を発生します。これは、木炭の燃焼で起こるよく知られた発熱反応です。この段階で、炭化副産物の発生が始まりますこれらの物質は温度が上昇するにつれて徐々に放出され、約 450 °C (842 °F) で変化が完了します。

固形残渣である木炭は主に炭素（約 70%）で、残りはタール状の物質で、約 600 °C 以上に温度を上げてバイオ炭を生成することによってのみ完全に追い出され、または分解されます。バイオ炭は、今日では現代の熱分解プロセスによって生成されます。このプロセスは、燃焼を防ぐ酸素のない状態でバイオマスを直接熱分解するものであり、固体（バイオ炭）、液体の熱分解油（バイオオイル / 熱分解油）、およびガス（合成ガス）の一連の製品が得られます。熱分解からの特定の収率は、温度などのプロセス条件に依存し、エネルギーまたはバイオ炭のいずれかを生成するように最適化できます。[ 5 ] 400～500 °C（752～932 °F）の温度ではより多くの木炭が生成され、700 °C（1,292 °F）を超える温度では液体およびガス燃料成分の収率が高くなります。[ 6 ]熱分解は温度が高いほど速く起こり、通常は数時間ではなく数秒で済みます。高温熱分解はガス化とも呼ばれ、主に合成ガスを生成します。[ 6 ]典型的な収率は、バイオオイル 60%、バイオ炭 20%、合成ガス 20% です。比較すると、低速熱分解では大幅に多くの炭 (~50%) を生成できます。典型的な入力では、「高速」熱分解装置を稼働させるために必要なエネルギーは、それが出力するエネルギーの約 15% です。[ 7 ]現代の熱分解プラントは、熱分解プロセスで生成された合成ガスを使用して、稼働に必要なエネルギーの 3～9 倍を出力できます。

脂質

藻類は高温（約500℃）と常圧にさらされることがあります。その結果生じる生成物には、油分や窒素、リン、カリウムなどの栄養素が含まれます。[ 8 ]

リグノセルロース系バイオマスの熱分解に関する論文は多数ある。しかし、熱分解による藻類バイオオイル生産に関する報告はほとんどない。Miao et al. (2004b) は、500 °C で Chlorella protothecoides と Microcystis areuginosa の急速熱分解を行い、それぞれ 18% と 24% のバイオオイル収率を得た。バイオオイルは、木材バイオオイルに比べて炭素と窒素の含有量が高く、酸素含有量が低かった。Chlorella protothecoides を従属栄養培養すると、バイオオイル収率は 57.9% に増加し、発熱量は 41 MJ/kg であった (Miao et al., 2004a)。近年、微細藻類が第 3 世代バイオ燃料として注目されるようになり、熱分解は藻類バイオ燃料生産の潜在的な変換方法としてより注目を集めている。Pan et al. (2010) は、HZSM-5 触媒の存在下と非存在下での Nannochloropsis sp. 残渣の低速熱分解を調査し、触媒熱分解から芳香族炭化水素を豊富に含むバイオオイルを得ました。藻類の熱分解液は 2 相に分離し、上相はバイオオイルと呼ばれます (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a)。藻類バイオオイルの高位発熱量 (HHV) は 31〜36 MJ/kg の範囲にあり、一般にリグノセルロース原料よりも高くなっています。熱分解バイオオイルは平均分子量の低い化合物で構成され、水熱液化法で生成されたバイオオイルよりも低沸点化合物が多く含まれています。これらの特性はイリノイ州シェールオイルの特性と類似しており (Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012)、熱分解バイオオイルは石油の代替に適している可能性があることを示唆しています。さらに、微細藻類はタンパク質含有量が高いため、バイオオイル中の窒素含有量が高く、既存の10か所の原油精製所で混合処理した場合、燃焼時に望ましくないNOx排出が発生し、酸性触媒が不活性化するという問題がありました。藻類バイオオイルは、リグノセルロース系バイオマスから生産されるものよりも多くの点で優れた特性を示しました。例えば、藻類バイオオイルは発熱量が高く、酸素含有量が低く、pH値が7以上です。しかし、バイオオイルをドロップイン燃料として使用するには、窒素と酸素を除去するための改良が必要です。[ 9 ]

水熱液化

水熱液化（HTL）は、湿潤バイオマスを350℃（662°F ）、3,000ポンド/平方インチ（21,000 kPa）の中温高圧[ 11 ]下で油[ 10 ] （バイオオイルまたはバイオ原油と呼ばれることもあります）に変換するために使用される熱脱重合プロセスです。原油のような油（またはバイオオイル）は、低位発熱量が33.8～36.9 MJ/kgと高く、酸素と再生可能化学物質が5～20重量％含まれています。[ 12 ] [ 13 ]

HTLプロセスは、湿ったバイオマスを処理して、熱分解油の約2倍のエネルギー密度を持つバイオオイルを生成できる点で熱分解とは異なります。熱分解はHTLの関連プロセスですが、収率を高めるためにはバイオマスを処理して乾燥させる必要があります。[ 14 ]熱分解中に水が存在すると、有機物の気化熱が大幅に増加し、バイオマスを分解するために必要なエネルギーが増加します。一般的な熱分解プロセスでは、バイオマスをバイオオイルに適切に変換するには、水分含有量が40％未満である必要があります。これには、水分含有量が80～85％にもなる熱帯の草などの湿ったバイオマスにはかなりの前処理が必要であり、水分含有量が90％を超えることもある水生種の場合はさらに追加の処理が必要です。結果として得られるバイオオイルの特性は、亜臨界水反応条件における温度、反応時間、藻類の種類、藻類の濃度、反応雰囲気、および触媒の影響を受ける

バイオ原油

バイオオイルは、 石油、石炭油、またはコールタール由来の原油の代替として製油所の原料として適したものにするために、通常、大幅な追加処理が必要です

タールとは、様々な有機物を分解蒸留して得られる炭化水素と遊離炭素の黒色の混合物である。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]タールは石炭、木材、石油、泥炭から生成される。[ 17 ]

木タールクレオソートは、無色から黄色がかった油状の液体で、煙のような臭いがあり、燃焼すると煤けた炎を発し、焦げたような味がする。水中では浮力がなく、比重は1.037～1.087で、非常に低温でも流動性を保ち、沸騰する。205～225℃。透明な状態が最も純粋な状態です。水に溶解するには、ベースとなるクレオソートの最大200倍の水が必要です。クレオソートは天然フェノールの混合物で、主にグアイアコールとクレオゾール（4-メチルグアイアコール）で、通常、油の50%を占めます。次に多いのはクレゾールとキシレノールです。残りはモノフェノールとポリフェノールの混合物です。

ピッチは、粘弾性ポリマーの総称です。ピッチは天然のものもあれば、石油、コールタール[ 18 ]、植物 から得られる人工物もあります。

黒液とトール油は、木材パルプ製造の副産物である粘性のある液体です。

ゴム油は使用済みタイヤをリサイクルするための熱分解法によって生産されます。

バイオ燃料

バイオ燃料は、従来の原料、第一世代、第二世代バイオ燃料と同様の方法で、合成ガスなどの中間生成物から合成されます。最終的な供給源ではなく、中間生成物の製造に用いられる技術が異なります

バイオリファイナリーとは、バイオマス変換プロセスと設備を統合し、バイオマスから燃料、電力、熱、付加価値化学物質を生産する施設です。バイオリファイナリーのコンセプトは、石油から複数の燃料や製品を生産する今日の石油精製所に類似しています。[ 19 ]

  • バイオディーゼルは、動物または植物の脂質（油脂）から作られるディーゼル燃料です。様々な油脂がバイオディーゼルの原料として使用できます。
  • 木質ディーゼル。ジョージア大学は木質チップから新しいバイオ燃料を開発しました。この燃料から油を抽出し、改造されていないディーゼルエンジンに投入します。新しい植物を使用するか、古い植物を植え替えます。副産物の炭は肥料として土壌に還元されます。このバイオ燃料は、カーボンニュートラルだけでなく、実際にはカーボンネガティブになる可能性があります。カーボンネガティブプロセスは、大気中の二酸化炭素量を減らし、温室効果を減らすだけでなく、逆転させます。[ 20 ] [ 21 ]
  • 藻類燃料は様々な種類の藻類から生産可能であり、その生産量は使用する技術と細胞の部分によって異なりますが、一部の藻類は乾燥重量の50%以上を油として生産できます。藻類バイオマスの脂質、つまり油性部分は、他の植物油と同様のプロセスで抽出・バイオディーゼルに変換できます。また、精製所で石油系燃料の代替品として「ドロップイン」することもできます。[ 22 ] [ 23 ]藻類養殖は、下水などの廃棄物を利用することができ[ 24 ]、現在食料生産に使用されている土地を移転させる必要もありません。

大気中の二酸化炭素除去

バイオオイルは、炭素隔離の最近の有力な技術です。トウモロコシの茎を熱分解してバイオオイルに変換し、地下に注入します。[ 25 ]

産業用途

現在、バイオオイルの産業用途はほとんどありません。報告されている用途としては、熱源としての酸化亜鉛の製造があります。 [ 26 ]この用途では、バイオオイルはバイオ起源の熱源として重油の代替として使用されています。[ 27 ]バイオオイルは窯のバーナーで直接的な代替品として使用され、運用結果にほとんど変化はありません。この燃料は水分と酸素の含有量が多いため、同じ熱容量でより大きな体積流量が得られます

参照

参考文献

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