JP2011521191A - 自己熱可動式焙焼装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定式または可動式のいずれかとすることができる自己熱焙焼装置を提供する。本発明の実施形態は、バイオマスを受け取るためのチャンバ入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を有する焙焼チャンバを含む。焙焼チャンバは、外部ジャケットの境界を定め、かつジャケット入口およびジャケット出口を有する外側のハウジングにより実質的に囲まれることができる。チャンバ出口に動作可能なように接続される入口、およびジャケット入口に動作可能なように接続される出口を含むバーナユニットにより、焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気が、蒸気の少なくとも一部の燃焼のためにバーナユニットの中に移動し、その後ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通り抜けて、バイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供することができるように、外部ジャケットおよび焙焼チャンバがそれらの間の空間の境界を定める。

Description

本発明は、一般に大部分自己加熱された可動式または固定式の自己熱焙焼装置、およびバイオマスの焙焼方法に関する。

焙焼は、石炭を加えてバイオマスを共焼するのにさらに適したものにする前処理技術であると考えられる。焙焼は、酸素の存在しない条件下にて２００℃から３００℃までで運転され、典型的にはおよそ１時間以上の滞留時間により特徴付けられる熱工程である。焙焼法は通常ほぼ大気圧で実行される。焙焼されたバイオマスは将来、共焼速度の増加を可能にすることがある脆性の増加、粉砕性の改善を示す。

バイオマスの焙焼中、バイオマスは部分的に分解し、種々のガスおよび水蒸気を放出し、その結果、気相中への質量および化学エネルギの損失となる。しかし、エネルギよりも多くの質量が焙焼中に気相に失われることがよく認められている。この現象が、エネルギ高密度化をもたらす。したがって、バイオマスの焙焼は、最初のバイオマス内の物質と比較して、より低い水分含有量およびより高いエネルギ含有量を有する固体生成物を産出する。具体的には、焙焼されたバイオマスは、水分含有量の減少、発熱量の増大、および疎水性を有するなど、多数の望ましい特性を示す。したがって、焙焼は、バイオマスが燃料としてより適するものとなるように、バイオマスの特性を改善する実行可能な手法として確認されてきた。

しかし、従来の手法は、バイオマスの焙焼のための費用効率の高い手段を提供する能率性を欠く。この非能率性が、バイオマスの焙焼の潜在的な商業的利用を遅らせた。これまでの焙焼装置は固定式であり、焙焼されたバイオマスを生成するために、発電所などの外部電源からのかなりの量の補助熱に依存していた。したがって、従来の焙焼装置は焙焼のために使用される熱エネルギに関して自給率がそれほど大きくない。

木材チップのようなセルロース性バイオマスの将来の収穫者および販売者が直面する別の難題が、バイオマスの低い物理的密度および低いエネルギ密度および低い価値であり、そのことが、バイオマスを３０マイル（約４８ｋｍ）から５０マイル（約８０ｋｍ）を超えてユーザまで輸送することを経済的に不利にする。簡単に述べると、これまでの装置および方法は、５０重量％もの水をしばしば含みうる未処理のバイオマスを、いくつかの離れた場所から焙焼工程が行われるユーザの敷地まで運搬する必要がある。

したがって、様々なユーザおよび応用のために、バイオマスを前処理するためのより能率的な焙焼装置および方法の必要性が依然としてある。さらに、燃料生産のための輸送コストを低減し、かつ炭素隔離および土壌改良のためのそのようなコストをなくすために、焙焼装置が可搬式で自己加熱式とすることができるように、可動式および／またはモジュール式の実行可能な焙焼装置の必要性が依然としてある。

本発明は、自己熱焙焼装置を提供することにより前述の必要性の少なくとも一部を満足させる。ある種の実施形態では、本発明は、処理されたバイオマスをバイオマスの収穫源でペレットまたは別の有用な形態に変える選択肢と一緒に、可動式自己熱焙焼装置を提供することにより前述の必要性の少なくとも一部を満足させる。別の実施形態では、自己熱焙焼装置は固定式である。本発明の実施形態は、バイオマスを受け取るためのチャンバ入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を有する焙焼チャンバを含む。焙焼チャンバは、外部ジャケット（被覆物、Ｊａｃｋｅｔ）の境界を定め、かつジャケット入口およびジャケット出口を有する外側のハウジングにより実質的に囲まれることができる。チャンバ出口に動作可能なように接続される入口、およびジャケット入口に動作可能なように接続される出口を含むバーナユニットにより、焙焼チャンバ内部から生成され解放される水分が、蒸気の少なくとも一部の燃焼のためにバーナユニットの中に移動し、その後、ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通り抜けて、バイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供することができるようになるように、外部ジャケットおよび焙焼チャンバは、それらの間の空間の境界を定める。したがって、装置を予熱するための燃料、およびバイオマス由来のガスが点火することを保証するための点火バーナは別にして、焙焼のために使用される熱エネルギがすべてバイオマス自体から得られる。

別の様態では、本発明はバイオマスの自己熱焙焼方法を提供する。本発明の実施形態は、焙焼されたバイオマスを提供するのに十分な温度まで焙焼チャンバの壁を通してバイオマスを間接的に熱するステップを含む。焙焼チャンバ内部から生成および解放されるバイオマス由来のガスがバーナユニットの中に移され、バイオマス由来の水分の少なくとも一部が燃焼される。バーナからの煙道ガスが、焙焼チャンバと、焙焼チャンバを実質的に囲む外側のハウジングとの間の空間を通り抜ける。バーナを出る蒸気が、焙焼チャンバ内部でのバイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供する。したがって、装置を予熱するための燃料、およびバイオマス由来のガスが点火することを保証するための点火バーナは別にして、焙焼のために使用される熱エネルギがすべてバイオマス自体から得られる。

さらに、本発明は、焙焼されたバイオマスを燃料として使用する費用効率を高める方法を提供する。本発明の実施形態は、発電所から遠く離れた場所の農場および森林を含むことがあるがそれらに限定されない収穫の地点などの作業の地点で少なくとも１つの自己熱焙焼装置を提供するステップと、作業の地点に配置されるバイオマスを自己熱焙焼装置の中に入れるステップと、作業の地点に配置されるバイオマスを焙焼されたバイオマスに変化させるステップとを含む。したがって、未処理のバイオマス中の水を運ぶコストが実質的に省かれ、かつこのとき燃料はよりエネルギ密度が高いので、供給原料を輸送する英熱量（ＢＴＵ）当たりのコストが大きく低減される。

本発明をこのように一般用語で説明したが、ここで、必ずしもスケール適合するように描かれていない添付の図面が参照される。

向流およびバイオマス予熱器を有する自己熱焙焼装置を示す図である。 単一の焙焼チャンバ出口を有する自己熱焙焼装置を示す図である。 多数の焙焼チャンバを有する一実施形態の断面図を示す図である。 多数の焙焼チャンバを有する別の実施形態の断面図を示す図である。 本発明の一実施形態による焙焼チャンバを示す図である。

ここで、以後、添付の図面を参照して本発明をより完全に説明するが、添付の図面は本発明のすべてではなく、一部の実施形態を示すものである。実際には、本発明は多くの異なる形態で具現化されることがあり、本明細書で示される実施形態に限定されないものとして解釈されるべきである。むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満足させるように提供される。本明細書や図面等において、全体で同様の数字は、同じ要素を指すものである。

バイオマスは、低酸素環境で熱により石炭燃料代替物またはバイオマス燃料添加物として使用されうる疎水性の耐腐敗性物質に転換されることができる。焙焼されたバイオマスはまた、バイオ木炭として知られ、植物の成長速度を増大させることができる土壌改良材としてだけでなく、恒久的な土壌中の炭素隔離物質としても研究されている。焙焼されたバイオマスはまた、バイオマスをさらに気化するための供給原料、および液体燃料代替物のための供給原料として使用されることができる。さらに、焙焼されたバイオマスは、燃料、肥料、および長期炭素貯蔵のために使用されることができる。

具体的に重要なのは、既存の石炭プラントで使用される焙焼されたバイオマスが、既存の基盤で再生可能燃料を使って電気を発生させる必要性を満足させることができることである。さらに、焙焼されたバイオマスは、炭素を生物圏に追加しないので、このエネルギをカーボンニュートラルな方法で提供するという別の利点を有する。同様に、バイオ木炭の応用で使用される焙焼されたバイオマスは、数百年から数千年までの間、大気から炭素を取り除くことができる。

本明細書で使用されるバイオマスという用語は、一般的な用語であることが理解されるべきであり、バイオマスはすべての有機物（たとえば、光合成から得られるすべての物質）を含む。しばしば、バイオマスは不均一な供給原料であり、その組成は様々な要因の中でもとりわけ出所、物理的位置、年数、および季節に応じて変化することがある。種々の実施形態では、バイオマスの種類は、多数の種類の木材、植物、植物油、植物性の廃棄物、ならびに有機質肥料および下水スラッジさえも含む。

本発明の実施形態によれば、自己熱焙焼装置は、種々の形態のバイオマスを、カーボンニュートラルな燃料として使用するため、既存の炭素燃焼ボイラでの炭素代替物として使用するため、ガス化によりさらに処理するため、および同様に炭素隔離および土壌改良のために、ふさわしいものとすることができる部分的に熱分解され焙焼されたバイオマスに変化させる。一実施形態では、自己熱焙焼装置は、約５５重量％までの水分含有量を含む新鮮なバイオマスを連続してまたはバッチ方式で詰められることができる。あるいは、バイオマスは、焙焼チャンバの中に詰められる前に予備乾燥されるおよび／または予熱されることができる。ある種の実施形態では、焙焼装置の中に詰められる新鮮なバイオマスには、塑性物質などの非バイオマス添加物がない。

本発明の一実施形態では、可動式でも、モジュール式でも、固定式でもよい自己熱焙焼装置が、バイオマスを受け取るためのチャンバ入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を有する焙焼チャンバを含む。焙焼チャンバは、外部ジャケットの境界を定め、かつジャケット入口およびジャケット出口を有する外側のハウジングにより、実質的に囲まれることができる。チャンバ出口に動作可能なように接続される入口、およびジャケット入口に動作可能なように接続される出口を含むバーナユニットにより、焙焼チャンバ内部から生成または放出される蒸気が、蒸気の少なくとも一部の燃焼のためにバーナユニット内に移動し、その後、ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通り抜けて、バイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供することができるようになるように、外部ジャケットおよび焙焼チャンバはそれらの間の空間の境界を規定する。そのような実施形態では、バーナからの燃焼ガス／煙道ガスが、焙焼チャンバの壁を通してバイオマスを間接的に熱する。バイオマスが焙焼チャンバを通って移動するとき、バイオマスは水蒸気、揮発性有機化合物、熱分解ガス、および蒸気相タールを生成することができる。一実施形態では、これらの蒸気は、自然の煙突通風と協力して蒸気自体の圧力の下でバーナまで移動する。焙焼チャンバ内で生成および／または解放される可燃性ガスが、焙焼チャンバ内のバイオマスから得られるどの水蒸気からも利用可能な熱と協力してさらにバイオマスを焙焼するためのプロセス加熱を生成するために、バーナ内で少なくとも一部は燃焼される。一実施形態では、焙焼チャンバから解放される可燃性ガスのすべてが、バーナ内で燃焼される。

本発明のある種の実施形態では、バイオマスにより放出されるその他のガスから水蒸気を分離する必要がなく、この場合、バイオマスは約５５重量％、または約５０重量％、または約４５重量％、または約４０重量％、または約３５重量％、または約３０重量％、または約２０重量％、または約１５重量％、または約１０重量％、または約５重量％高い水分含有量を有することができる。有益なことに、バイオマスに由来する水蒸気も可燃性ガスも、バーナの中に向けられる。水蒸気と可燃性ガスの両方から利用可能な熱が、バイオマスの焙焼のための熱を提供するために利用される。たとえば、この熱は、バイオマスが焙焼チャンバの壁を通して水蒸気および可燃性ガスにより間接的に熱せられるように、焙焼チャンバを囲むジャケットを通過させられる。したがって、装置を予熱するための燃料、およびガスの点火を保証するためのバーナ用点火バーナは別として、バイオマスの焙焼のために使用されるすべての熱エネルギがバイオマス自体から得られる。

本発明の好ましい実施形態では、バーナまたは燃焼箱は、ガスが外部ジャケットに到達する前に完全に酸化されるような方法で設計される。このことにより、ガスからすべてのエネルギが抽出されることができるようになり、利用可能な最大量の熱を焙焼チャンバに与える。具体的には、バーナと外部ジャケットの間の距離は、７フィート（２１３ｃｍ）以上、または９フィート（２７４ｃｍ）以上、または１２フィート（３６６ｃｍ）以上とすべきである。そのような距離は、ガスが焙焼チャンバの外側と接触する前に完全に酸化されることを保証する。有益なことに、そのような設計はまた、焙焼チャンバを腐食性ガスから保護する。したがって、これらの実施形態は、耐熱鋼の代わりに軟鋼の使用を可能にする。したがって、これらの実施形態は、金銭節約を可能にし、チャンバ内部に運ばれるバイオマスの中に熱がよりよく移動することを可能にする。

本発明の別の実施形態では、焙焼チャンバは、熱を燃焼ガス／煙道ガス、および水蒸気から移して、バイオマスを囲むガスをほぼ５分間約３００℃から約５００℃までの温度に上昇させるために十分な熱移動領域が利用可能であるように設計される。種々の実施形態では、バイオマスを囲むガスが、約３１０℃から約３９０℃まで、または約３２０℃から約３８０℃まで、または約３３０℃から３７０℃まで、または約３４０℃から約３６０℃まで熱せられることができる。したがって、ある種の実施形態では、焙焼中にバイオマスを囲む環境が、少なくとも約３００℃、しばしば少なくとも３２０℃、および典型的には少なくとも約３４０℃となる。ある種の実施形態では、焙焼チャンバは、熱を燃焼ガス／煙道ガス、および水蒸気から移して、バイオマスを囲むガスを約２分から約１６分間、または約３分から約１５分間、または約４分から約１２分間、または約５分から約１０分間前に述べた温度範囲のいずれかまで上昇させるために十分な熱移動領域が利用可能であるように設計される。様々な実施形態では、焙焼チャンバ内部の蒸気の温度が、焙焼チャンバ入口近傍のほぼ周囲温度から、焙焼チャンバ出口の近傍の前述の温度範囲のいずれかの範囲以内まで温度が上昇することができる。種々の実施形態によれば、焙焼チャンバ内部でのバイオマスの滞留時間が、約２分から約１６分まで、または約３分から約１５分まで、または約４分から約１２分まで、または約５分から約１０分まで変動し得る。ある種の実施形態では、バイオマスの滞留時間は、約１０分以下、しばしば約８分以下、および頻繁に約６分以下または約５分以下となる。別の実施形態では、バイオマスを囲むガスは、約２分から約９分まで、または約２分から約８分まで、または約２分から約７分まで、または約３分から約８分まで、または約５分から約７分まで、前述の温度範囲のいずれかまで上昇させられることができる。様々な実施形態では、焙焼チャンバ内部の蒸気の温度は、焙焼チャンバ入口近傍のほぼ周囲温度から、焙焼チャンバ出口近傍の前述の温度範囲のいずれかまで温度を上昇することができる。種々の実施形態によれば、焙焼チャンバ内部でのバイオマスの滞留時間は、約２分から約９分まで、または約２分から約８分まで、または約２分から約７分まで、または約３分から約８分まで、または約５分から約７分まで変動し得る。

本発明のそのような実施形態による、燃焼ガスおよび水蒸気からバイオマスへの熱の間接な移動に加えて、バイオマスが約３００℃よりも高い温度に到達するとき、バイオマス自体が熱を解放し始めることができる。バイオマスは一般に粒子サイズが不均一であるため、粒子が約３００℃よりも高い温度に到達するとき、粒子の体積に対する表面積の比率がより高いので、より効率的に焙焼壁から熱を受け取ることと、熱いガスを渡すことの両方により、この工程の粒子が小さいほど、それだけより完全に熱分解される。たとえば種々の木材および植物などのバイオマスを処理するとき、材料の一部が削られる、または粉々にされ、かなり小さな破片になる。たとえば、そのようなより小さな破片は木材チップ、おがくず、葉、および樹皮を含むことができる。焙焼チャンバの壁からの熱、および小さなバイオマス破片からのガスの熱により、バイオマスのより大きな破片が約２７０℃という重要な焙焼温度に到達することができるようになる。したがって、煙道ガスにより間接的に加熱されたときに、より小さなサイズの破片が、より大きなバイオマス破片の焙焼のために使用されるエネルギの一部を提供する。

図１は、本発明の一実施形態による自己熱焙焼装置を例示する。この具体的な実施形態では、供給源からの湿ったまたは新鮮なバイオマス１が、焙焼装置からの廃熱を利用することにより、供給ホッパ２０の中に入れられる前に、直接式または間接式の熱交換器１０により少なくとも部分的に予備乾燥および予熱される。したがって、有益なことにそのような実施形態は、バイオマスを予備乾燥または予熱するための別個のダイイングシステムを必要としない。チャンバ入口４１を介してバイオマスを焙焼チャンバ４０の中へ制御または計器で測定するために、供給ホッパの排出地点に空気閉塞バルブ３０が配置される。この実施形態では、バイオマスをチャンバ入口４１からチャンバ出口４３まで運ぶために、バイオマスは材料運搬装置５０（たとえば、ねじコンベヤ）により焙焼チャンバを通って運ばれる。材料運搬装置はモータ６０により駆動される。好ましい実施形態では、自己熱焙焼装置はモジュール式であり、かつ可搬式である。そのような場合、モータを駆動するためのエネルギは発電機３００により供給される。焙焼チャンバは、バイオマスを受け取るためのチャンバ入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を含む。図１は、２つのチャンバ出口を有する焙焼チャンバを例示する。焙焼されたバイオマスが、チャンバの底から外に落ちることによりチャンバを出ることができるように、第１のチャンバ出口４３が焙焼チャンバの底近くに提供される。必要に応じて、出ていく焙焼されたバイオマスが、中間ホールディングまたはサージタンク（図示せず）の中に落とされることができる。それとは無関係に、焙焼チャンバを出ていくバイオマスは、空気閉塞バルブ７０により計器で測定されて可搬式貯蔵タンク８０に入る。この貯蔵タンク８０は、混焼適用のために既存の石炭燃焼発電所に運ばれることができる。焙焼チャンバ内部で生成または解放されるバイオマス由来のガスがバーナ９０まで移動することができるようするために、第２の焙焼チャンバ出口４４がチャンバの最上部近くに配置されることができる。バイオマスから解放される水蒸気を含む蒸気がバーナの中に移動し、そこで可燃性蒸気の少なくとも一部が燃焼される。燃焼後、焙焼チャンバ内のバイオマスから解放される、または蒸発させられるどんな水蒸気も含む蒸気が、焙焼チャンバ４０を実質的に囲む外部ジャケット１２０の境界を定める外側のハウジングの間の、境界を定められる空間を通り抜ける。バーナを出る蒸気が、ジャケット入口を介してジャケットの中に移動し、ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通り、ジャケット出口から出るように、外部ジャケットはジャケット入口１２２およびジャケット出口１２４を含む。好ましい実施形態では、外部ジャケットを出る蒸気が、これらの蒸気内に含まれる余熱が新鮮なバイオマス１を予熱および／または予備乾燥するのに利用される熱交換器１０を通り抜ける。有益なことに、バイオマスから解放されるどんな蒸気も含み、最終的に焙焼チャンバ内部から生成または解放されるバイオマス由来の蒸気が、バイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供する。したがって、そのような実施形態は熱に関して自給自足であることが好ましく、この場合、始動のため、およびバーナ内の点火バーナを維持するためだけに外部熱源が必要とされる。そのような例では、携帯式ガスタンク１００（たとえば、プロパンガスのボンベ）が可動式および／またはモジュール式の実施形態で容易に使用されることができる。ガスが必要とされないとき、バルブ１１０が閉じられることができる。

可燃性ガスの供給源などの外部熱源が焙焼装置を所望の動作温度まで暖める目的で使用されることができる一方で、所望の温度に到達すると、外部熱源からのエネルギ入力が本発明により大きく低減される。たとえば、始動中、焙焼装置へのエネルギ入力は約６５０，０００ＢＴＵ／時の高さとすることができる。しかし、初期焙焼温度に到達すると、外部供給源からシステムへのエネルギ入力（すなわち、焙焼工程により生成されるガスの燃焼に由来しないエネルギ）は、約５０，０００ＢＴＵ／時以下まで、しばしば約４０，０００ＢＴＵ／時以下まで、および典型的には約３０，０００ＢＴＵ／時以下まで下げられることができる。

好ましい実施形態では、ホッパ２０は水蒸気止めの役割を果たす。より具体的には、バイオマス中の水分、および脱水素反応から生成される水分が、熱にさらされたとき膨張し、焙焼チャンバ４０内部で水蒸気に変わる。この水蒸気が焙焼チャンバを満たし、焙焼チャンバの出口を出てバーナまで移動するだけでなく、一部が焙焼チャンバ入口から外に漏れて、ホッパを通り抜けることもできる。すなわち、蒸気の前向きの流れがチャンバを出て、ホッパの中に（そしてバーナへ）移動する。水蒸気がホッパを通過するこの前向きの流れが、空気、したがって、酸素がホッパを通って焙焼チャンバに入るのを妨げる。すなわち、チャンバは周囲の空気（特に酸素）が入るのを本質的にロックされる。有益なことに、そのような実施形態は、供給ホッパ上の空気閉塞バルブ、または窒素パージを必要としない。

図１は材料運搬装置５０としてねじコンベヤを有する実施形態を例示するが、材料運搬装置はねじコンベヤだけに限定されない。たとえば、本発明のある種の実施形態が、装置の連続動作が可能なように、内部を１つまたは複数の焙焼チャンバを通って入口から出口までバイオマスを機械的かつ連続的に運ぶ任意の１つまたは複数の材料運搬装置を含むことができる。材料運搬装置は、バイオマスの内部タンブリングまたは「裏返し」の速度の増大を促進するように適合されることが好ましい。すなわち、材料運搬装置は、焙焼チャンバを通って運ばれるバイオマスが増大する連続した内部の乱流またはタンブリングにさらされるように構成および適合されることが好ましい。焙焼チャンバ内部のこの高度なタンブリングまたは混合の動作が、焙焼チャンバの熱い壁と接触するバイオマスの裏返しを促進する手助けをする。したがって、焙焼チャンバを通って運ばれるより多くのバイオマスが、単位時間あたり焙焼チャンバの熱い壁と密接に接触するように配置される。有益なことに、この高度の内部タンブリングを促進するように適合された材料運搬装置は、少なくとも一部には本明細書で説明される実施形態により達成される滞留時間減少により明らかなように、熱がバイオマスの中に移される速度を増し、バイオマスの効率的な焙焼を促進することができる。内部タンブリング増加を促進するためのねじコンベヤまたはオーガシステム以外に、材料運搬装置はまた、たとえば往復チェーン駆動、運搬チェーン、制動チェーン、または同種のものでもよい。

好ましい実施形態では、焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気の流れは、第１の方向で、すなわちチャンバ入口からチャンバ出口の方向にバーナユニットまで移動し、バーナを出る煙道ガスは第１の方向と反対の第２の方向に移動する。したがって、燃焼ガス／煙道ガス、および／または水蒸気が、焙焼チャンバ内に放出された蒸気に対して向流で移動する。図１は向流方式を有するそのような一実施形態を示す。別の実施形態では、焙焼装置は並流方式を含む。具体的には、焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気が、ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通り抜ける蒸気として同じ方向に移動する。この実施形態では、バーナからの燃焼された蒸気は、燃焼された蒸気が焙焼チャンバ入口に最も近い地点でジャケットに入り、焙焼チャンバ出口に最も近い地点で外部ジャケットから出るやり方でジャケットを通り抜ける。さらに別の代替実施形態では、焙焼装置は直交流方式を含む。具体的には、燃焼ガスおよび／または水蒸気の方向が、焙焼チャンバに垂直に進む。

本発明のある種の実施形態によれば、焙焼装置は必要に応じて一体型冷却装置を含むことができる。あるいは、焙焼装置は、燃焼された材料のための冷却装置に動作可能なように直接的にまたは間接的に接続されることができる。燃焼された熱いバイオマスが熱い間にペレット化、練炭化、または別の方法での高密度化にさらされていないときに、そのような実施形態が利用されることが好ましい。燃焼されたバイオマスがまだ熱い間に高密度化されない例では、焙焼された木材の冷却は火事を防止するために重要である。したがって、熱が大気に到達する、または焙焼されたバイオマスが酸素と反応する前に、焙焼されたバイオマスから熱が取り除かれなければならない。そのような場合、焙焼されたバイオマスの温度は、約１５０°Ｆ（６５．６℃）、１３０°Ｆ（５４．４℃）、１１５°Ｆ（４６．１℃）、または１００°Ｆ（３７．８℃）以下まで冷却されるべきである（すなわち、１００°Ｆ（３７．８℃）以下まで冷却する）。ある種の実施形態では、空冷式熱交換器、水冷式熱交換器、または両方が、焙焼されたバイオマスから熱を取り除くために使用されることができる。好ましい実施形態では、バイオマスは、焙焼チャンバ内で使用されるものと類似する材料運搬装置を使って、１つまたは複数の冷却器を通して運ばれる。より好ましい実施形態では、焙焼された材料から解放される熱は、バイオマスを直接的または間接的に乾燥させるため、燃焼空気を加熱するため、または環境に解放されるために使用されることがある。

図２は、本発明のさらに別の実施形態による自己熱焙焼装置を例示する。この具体的な実施形態では、焙焼チャンバ４０が、チャンバの底部近くに配置される単一の焙焼チャンバ出口４３を含む。したがって、焙焼されたガスも、焙焼チャンバ内部で生成されたバイオマス由来の蒸気も、同じチャンバ出口４３を通って出る。図２に示されるように、焙焼されたバイオマスが燃焼用バーナ９０の中に引き入れられる蒸気中に間違って引っ張られないようにするために、ガス個体分離器４５（たとえば、サイクロン）を利用することができる。焙焼されたバイオマス、およびバイオマス由来の蒸気は、ガス個体分離器４５に入るが、焙焼されたバイオマスは排出のために分離器の底部４８まで落ち、蒸気は分離器のいちばん上の部分４２を介して出る。バイオマス由来の蒸気は、燃焼のためにバーナまで移動するが、焙焼されたバイオマスは空気閉塞バルブ７０を介して可搬式容器８０の中に計量して供給される。

本発明のある種の実施形態によれば、自己熱焙焼装置が、２つ以上の焙焼チャンバを含むことができる。したがって、図１および図２が外側のハウジング／ジャケット１２０内部にただ１つの焙焼チャンバ４０しか有しない実施形態を例示しているにもかかわらず、本発明の多くの実施形態が、２つ以上の焙焼チャンバを含むことができる。たとえば、単一の焙焼装置が約２０より多い焙焼チャンバを、または代わりに２から約２０までのチャンバを含むことができる。一実施形態では、焙焼装置は、２から約１０までの焙焼チャンバを、好ましくは約４から約８までのチャンバを含む。好ましい実施形態では、焙焼装置は、外側のハウジングまたはジャケット内部に配置される約６の焙焼チャンバを含む。別の実施形態では、装置は約５から約１８までのチャンバを、好ましくは約１０から約１４までのチャンバを含む。そのような実施形態では、装置は外部ジャケット内部に配置される約１２の焙焼チャンバを含む。さらに別の実施形態では、焙焼装置は、約１０から約２０までの焙焼チャンバを、好ましくは約１２から約１８までの、より好ましくは単一の外部ジャケット内部に配置された約１４から約１６までの焙焼チャンバを含む。種々の実施形態では、バイオマスを個々のチャンバを通して運ぶために、別個の材料運搬装置（たとえば、別個のオーガ、またはねじコンベヤシステム）を含むことができる。

図３および図４は、２つ以上の焙焼チャンバを有する種々の実施形態の断面図を例示する。具体的には、図３は円形の外部ジャケット１２０、および１０の焙焼チャンバ４０を有する一実施形態を示す。図４は、長方形の外部ジャケット１２０内部に配置される１２の焙焼チャンバを有する一実施形態を示す。

本発明の多数の焙焼チャンバを含むある種の実施形態によれば、湿ったバイオマスまたは新鮮なバイオマスが、１つまたは複数の供給ホッパの中に詰められる前に、直接熱交換器または間接熱交換器により、任意選択で少なくとも部分的に事前乾燥および予熱されることができる。各チャンバのチャンバ入口を介して個々の焙焼チャンバの中にバイオマスを制御または計量して供給するために、１つまたは複数の供給ホッパの排出部に１つまたは複数の空気閉塞バルブが配置される。そのような実施形態では、バイオマスをチャンバ入口からチャンバ出口まで運ぶために、チャンバの個々の材料運搬装置を通ってバイオマスが運ばれる。

本発明の好ましい実施形態では、自己熱焙焼装置はモジュール式および／または可動式である。したがって、好ましい実施形態によれば、装置は可搬式であるだけでなく、別の場所に容易に再配置されることができる。そのような場合、１つまたは複数のモータを駆動するためのエネルギが発電機により提供されることができる。

図１および図２はいずれも、任意選択の制御装置２００を含む本発明の実施形態を例示し、制御装置２００は、プロセス条件を監視し調節するために使用されることができる。ある種の実施形態では、制御装置２００は種々のハードウェア／ソフトウェアを含むことができる。制御装置は、無線で接続されるなど間接的に、または直接的に１つまたは複数のセンサ（図示せず）または計器に接続されることができる。制御装置のそのような一例が、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）を含む。制御装置は、多数の入力および出力の配置（図示せず）、拡大した温度範囲、電子的雑音耐性、ならびに振動および衝撃に対する耐性に対して制御装置を設計するためにＰＬＣを含むことが好ましい。これらの広範な入出力（Ｉ／Ｏ）配置がＰＬＣを多数のセンサ、ドライブ、計器、およびアクチュエータ（図示せず）に接続することができる。そのような制御装置２００はまた、リミットスイッチ、アナログ処理変数（温度および圧力など）、および複雑な位置決めシステムの位置を読み出すことができる。たとえば、アクチュエータ側で、制御装置２００は電気モータ、空気圧シリンダまたは水圧シリンダ、磁気リレーまたはソレノイド、あるいはアナログ出力を動作させることができる。制御装置の入出力配置は、簡単なＰＬＣの中に組み込まれることも、ＰＬＣがＰＬＣにプラグインするコンピュータネットワークに取り付けられる外部I／Ｏモジュールを有することもできる。

本発明のある種の実施形態では、制御装置は、１つまたは複数のプロセスセンサおよび／または制御機器に接続することができる。たとえば、制御装置は、複数の温度センサ、ロードセル、種々の周波数ドライブ、圧力センサ、ガス流量センサ、および１つまたは複数のヒューマン・マシン・インタフェースに接続されることができる。たとえば、種々の実施形態が、焙焼チャンバ全体、バーナユニット内部、焙焼チャンバを囲むジャケット全体、または排気口に温度計および／または温度センサ（図示せず）を含むことができる。そのような実施形態はまた、希望すれば、タンク２０および８０内のバイオマスの重量を監視するために提供されることがあるロードセル（図示せず）を含むことができる。本発明の実施形態はまた、１つまたは複数の圧力計および／またはセンサ（図示せず）を含むことができる。たとえば、温度センサは、焙焼チャンバ内部、ジャケット内部、またはバーナユニット内部でさえ温度を監視するために提供することができる。同様に、制御装置はまた、排出のときに出るガスの流量を監視するためにガス流量センサに接続することができる。さらに、制御装置はまた、１つまたは複数の可変周波数ドライブに接続することができ、この場合、モータのアンペア数を必要に応じて監視または調節することができる。たとえば、モータ６０は可変周波数ドライブを含むことができる。同様に、空気閉塞バルブ３０および／または計測バルブ７０はまた、個々の可変周波数ドライブ（図示せず）により駆動されることができる。好ましい実施形態では、制御装置は少なくとも１つのヒューマン・マシン・インタフェースを含み、操作者が種々のプロセスパラメータを監視することができ、この場合、必要ならば、現場で、またはヒューマンインタフェース機器を介してプロセスパラメータを手動で調節することができる。制御装置２００はＰＬＣであることが好ましく、この場合、種々のプロセスパラメータを所定の設定値に指定することができ、種々のプロセスセンサ、アクチュエータ、および／またはドライブが、これらのプロセス制御装置から受信されるリアルタイム出力に基づき、ＰＬＣにより自動的に調節される。

好ましい実施形態では、焙焼チャンバは円形導管を含む。さらに、外部ジャケットと焙焼チャンバの間にあり、当該外部ジャケットと当該焙焼チャンバにより境界を定められる空間が、環帯を含むことができる。別の実施形態では、焙焼チャンバが円形導管を含み、焙焼チャンバを囲むジャケットが長方形の箱、または所望の任意の別の幾何形状構成を含むことができる。ある種の実施形態では、特に可動式および／またはモジュール式の実施形態では、自己熱焙焼装置が、焙焼チャンバを出る焙焼されたバイオマスがペレット化、練炭化、または別の方法で高密度化されるように、少なくとも１つのペレット粉砕機または練炭粉砕機、あるいはチャンバ出口に動作可能なように接続される同種のものを含むことができる。したがって、焙焼されたバイオマスがまだ熱い間に、焙焼されたバイオマスを現場でペレットにすることができる。あるいは、焙焼されたばかりでまだ熱いバイオマスは、同じ野原、農場、または森林などバイオマス近傍に配置される別個のペレット化ユニットまたは練炭化ユニットに手動で詰められることができる。

焙焼チャンバは、外部ジャケットの境界を定め、かつジャケット入口およびジャケット出口を有する外側のハウジングにより実質的に囲まれることができる。チャンバ出口に動作可能なように接続される入口、およびジャケット入口に動作可能なように接続される出口を含むバーナにより、焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気が、蒸気の少なくとも一部の燃焼のためにバーナユニットの中に移動し、その後、ジャケットと焙焼チャンバの間の空間を通過して、バイオマスの自己熱焙焼のために必要な熱を供給することができるように、外部ジャケットおよび焙焼チャンバはそれら間の境界を定める。したがって、装置を予熱するための燃料、およびバイオマス由来のガスが点火することを保証するための点火バーナは別として、焙焼のために使用されるすべての熱エネルギがバイオマス自体から得られる。

本発明の一実施形態では、焙焼装置は、１つまたは複数の焙焼チャンバを含むことができる。この場合、各焙焼チャンバは、約３インチ（約７．６２ｃｍ）から約１５インチ（約３８．１ｃｍ）までの内径を有する。別の実施形態では、各チャンバの内径が、約４インチ（約１０．１６ｃｍ）から約１２インチ（約３０．４８ｃｍ）まで、または約５インチ（約１２．７ｃｍ）から約９インチ（約２２．８６ｃｍ）までを含むことができる。たとえば、具体的な実施形態では、各チャンバが約６インチ（約１５．２４ｃｍ）の内径を含む。別の実施形態では、１つまたは複数の焙焼チャンバの内径が、約１０インチ（約２５．４ｃｍ）から約４０インチ（約１０１．６ｃｍ）まで、または約２０インチ（約５０．８ｃｍ）から約３０インチ（約７６．２ｃｍ）までを含む。別の実施形態では、装置は多数の焙焼チャンバを含むことができる。この場合、チャンバの内径は同じではない。

本発明のある種の実施形態では、外部ジャケットにより囲まれる１つまたは複数の、長さが約５フィート（約１５２．４ｃｍ）から約５０フィート（約１、５２４ｃｍ）の焙焼チャンバを含むことができる。ある種の実施形態では、外部ジャケットにより囲まれる１つまたは複数の、長さが約５フィート（約１５２．４ｃｍ）から約２０フィート（約６０９．６ｃｍ）まで、好ましくは約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）から約１８フィート（約５４８．６４ｃｍ）まで、より好ましくは約１３フィート（約３９６．２４ｃｍ）から約１７フィート（約５１８．１６ｃｍ）までの焙焼チャンバを含むことができる。別の実施形態では、外部ジャケットにより囲まれる１つまたは複数の、長さが約２０フィート（約６０９．６ｃｍ）から約５０フィート（約１、５２４ｃｍ）まで、好ましくは約３０フィート（約９１４．４ｃｍ）から約４５フィート（約１，３７１．６ｃｍ）まで、より好ましくは約３５フィート（約１，０６６．８ｃｍ）から約４０フィート（約１，２１９．２ｃｍ）までの焙焼チャンバを含むことができる。さらに別の実施形態では、外部ジャケットにより囲まれる１つまたは複数の、長さが約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）から約３０フィート（約９１４．４ｃｍ）まで、好ましくは約１５フィート（約４５７．２ｃｍ）から約２５フィート（約７６２ｃｍ）まで、より好ましくは約１８フィート（約５４８．６４ｃｍ）から約２２フィート（約６７０．５６ｃｍ）までの焙焼チャンバを含むことができる。好ましい実施形態では、焙焼チャンバは前述の寸法のいずれかのスケジュール４０パイプを含む。

本発明のある種の別の実施形態によれば、焙焼装置は、バイオマスを受け取るためのチャンバ入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を有する閉じた導管を含む少なくとも１つの焙焼チャンバを含む。導管の底は、スカラップ形底部を有することが好ましい。すなわち、焙焼チャンバの底は、本明細書で説明されている材料運搬装置がそれぞれの溝内部に配置されることができるように構成される１つまたは複数の溝を含む。材料運搬装置（たとえば、オーガ）は、バイオマスをチャンバ入口からチャンバ出口まで運ぶ。一実施形態では、バイオマスは各溝の内外でランダムに連続的にかき回される。さらに、バイオマスは、焙焼チャンバを通って運ばれる間に、溝から外に飛び出し、近傍の溝の中に飛び込む。

図５に示されるように、スカラップ形焙焼チャンバ４０は、バイオマスが通って運ばれる多数の溝４２を含む。この実施形態では、材料運搬装置５０が各溝４２を通ってバイオマスを運ぶように提供される。そのような実施形態では、スカラップ形チャンバは、外部ジャケットにより実質的に、または完全に囲まれる。焙焼チャンバ内部に解放される焙焼ガスおよび水蒸気が、バーナユニットの中に移動し、燃焼される。次に、煙道ガスおよび水蒸気が焙焼チャンバの外部壁の少なくとも１つを熱するために外部ジャケットを通って導かれる。別の実施形態では、焙焼チャンバの底またはスカラップ形壁だけが被覆される。したがって、バーナからの煙道ガスは、底のスカラップ形壁を熱する。そのような実施形態では、被覆されていない（したがって、バイオマスを熱するために煙道ガスにさらされない）焙焼チャンバの壁は、被覆されていない壁を通した熱の損失を防ぐために断熱処理を施されることが好ましい。

本発明の別の様態では、バイオマスの自己熱焙焼方法が提供される。一実施形態では、バイオマスの自己熱焙焼方法は、焙焼されたバイオマスを生成するのに十分な温度まで焙焼チャンバの壁を通してバイオマスを間接的に熱するステップを含む。焙焼チャンバ内部から生成または解放される、水蒸気を含むバイオマス由来のガスが、バーナユニットの中に与えられ、または取り出され、燃焼可能バイオマス由来の蒸気の少なくとも一部が燃焼される。燃焼ガスおよび／または煙道ガスが、バーナを出て、焙焼チャンバと、１つまたは複数の焙焼チャンバを実質的に囲むジャケットの境界を定める外側のハウジングとの間に位置し、当該焙焼チャンバと当該外側のハウジングにより境界を定められる空間を通り抜ける。バーナを出る蒸気は、焙焼チャンバ内部のバイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を供給する。有益なことに、装置を予熱するための燃料、およびバイオマス由来のガスが点火することを保証するための点火バーナは別として、焙焼のために必要なすべての熱エネルギがバイオマス自体から得られる。

本発明の方法は、好ましい実施形態によれば、新鮮なバイオマスを予熱および／または予備乾燥するステップと、予熱されたバイオマスを焙焼チャンバの中に計量して供給するステップとをさらに含む。新鮮なバイオマスは、バイオマスを、熱交換器を通過させることにより予熱または予備乾燥され、この場合、外部ジャケットを出る燃焼ガスが新鮮なバイオマスに熱エネルギを提供する。熱交換器は、直接交換器または間接交換器のいずれかとすることができるが、好ましい実施形態では新鮮なバイオマスと燃焼されたガスとの直接接触を利用することができる。そのような実施形態では、バイオマスの温度を上昇させることができるだけでなく、バイオマス内の水分含有量の一部を、周知の質量移動原理に従って低減させることができる。たとえば、水分含有量約５０重量％の水を含みうる新鮮なバイオマスと、燃焼されたガスの間の直接接触により、新鮮なバイオマスと、排出される燃焼されたガスの間の水分濃度差を利用して、バイオマスが焙焼チャンバに入る前に、バイオマス内の水分含有量を低減する手助けをすることができる。

本発明のある種の実施形態によれば、焙焼チャンバ内部のバイオマスは、焙焼チャンバの壁を通して間接的に熱せられることができる。バイオマス自体に加えて、バイオマスを囲む空気も熱せられる。一実施形態では、バイオマスの一部が熱分解されるように、焙焼チャンバ内のバイオマスを囲むガスが、約３００℃から約５００℃まで熱せられる。熱分解を受けるバイオマスの一部は大部分、均一なバイオマスのより小さな破片を含むことが好ましい。たとえば、おがくず、木材チップ、ならびに葉および樹皮などのより小さなバイオマス破片が熱分解を受けることができる。熱分解を受けると同時に、バイオマスのこれらのより小さな破片はかなりの量の熱を発生し、この熱がバイオマスのより大きくよりかさばった破片を熱する手助けをする。一実施形態では、バイオマス自体を約２６５℃から約３００℃まで、または約２６５℃から約２７５℃まで熱することができる。さらに別の実施形態では、バイオマス自体を約２７５℃から約３００℃まで熱することができる。別の実施形態では、ガスおよび／またはバイオマス自体を約３００℃から約５００℃まで、または約３００℃から約４００℃まで、または約３５０℃から約４５０℃まで、約３００℃から約５００℃まで、または約４００℃から約５００℃まで、または約４５０℃から約５００℃まで熱することができる。

本発明の一実施形態では、バイオマスの自己熱焙焼方法は、焙焼されたバイオマス、および／または焙焼チャンバの排出端での焙焼蒸気の間の温度差を得て維持するステップを含み、ジャケット空間を通り抜ける蒸気は約２８０℃から約３２０℃まで、または約２９０℃から約３１０℃までであることを含む。この場合、被覆された蒸気の温度は、１つまたは複数の焙焼チャンバの排出端に近接する蒸気（たとえば、煙道ガスおよび水蒸気）のローカルの温度を含む。一実施形態では、ジャケット空間を通過する蒸気は、バイオマス排出に近接する位置にあるジャケット空間に入り、バイオマスおよび／または焙焼チャンバを出るバイオマスおよび蒸気よりも約２９０℃から約３１０℃までの熱い温度を含む。ある種の実施形態では、温度差を約２７０℃から約３３０℃までとなることを含むことができる。

本発明の方法は、種々の実施形態によると、方法は、出る蒸気の温度が約１８０℃から約２２０℃まで、または約１９０℃から約２１０℃までとなることを含むように、焙焼装置から大気中に出る蒸気の温度を監視するステップと、装置の動作を制御するステップとを含む。適切な蒸気出口温度を維持することにより、本発明の実施形態による方法は、バイオマスの焙焼のためにバイオマスに移される廃熱を最低にすることができる。

バイオマスが焙焼装置の中に詰められることができる速度は、採用されている具体的な実施形態に応じて変化し得る。しかし本発明の実施形態は、約５０から約５，０００ｌｂｓ／時までのバイオマスの供給速度で動作することができる。一実施形態では、装置は約５０から約５００ｌｂｓ／時まで、または約６０から約４００ｌｂｓ／時まで、または好ましくは約８０から約３００ｌｂｓ／時まで、またはより好ましくは約１００から約２００ｌｂｓ／時までの供給速度を受け入れるように適合される。別の実施形態では、装置は、約１，０００から約５，０００ｌｂｓ／時までのバイオマスの供給速度を受け入れるように適合される。一実施形態では、供給速度は約２，０００から約４，０００ｌｂｓ／時まで、または約２，５００から約３，５００ｌｂｓ／時までとすることができる。別の実施形態では、焙焼装置は約４００から約１，２００ｌｂｓ／時まで、または約６００から約１，０００ｌｂｓ／時まで、約７００から約８００ｌｂｓ／時まで変動する供給速度を受け入れるように適合される。

本発明の実施形態による焙焼装置は、有益なことに焙焼のためのバイオマスを有する作業の地点まで運ぶことができる。そのような実施形態は、バイオマスの焙焼のための、始動は別としてすべての熱エネルギが、焙焼装置によるバイオマスの処理から得られるという点で、大部分自己動力とすることができる。そのような現場操作性および可動性を有するので、これらの実施形態は供給原料の輸送コストおよび処理コストの低減を可能にする。たとえば、バイオマス中の水分を輸送するコストが大部分省かれる。別の実施形態では、焙焼装置は、焙焼されたバイオマスが比較的小さなエネルギ入力を使って、追加の結合剤なしにペレットまたは練炭を形成するほど熱い間に、ペレタイザまたは練炭化剤を含む、または代わりに供給することができる。そのような実施形態によれば、自己熱焙焼装置は、可動式および／またはモジュール式の技術を使って、林野で前に説明された製品のすべてではないが多くを提供することができる。この燃料生成が燃料の元々の供給原料源に近接していることが、輸送コストおよび炭素を排出する燃料の使用全体を低減させることができる。

本発明の一実施形態が、焙焼されたバイオマスを燃料として使用する費用対効果を高める方法を含む。そのような方法は、作業のその地点に配置されるバイオマスの焙焼のための発電所から離れた作業の地点で、本明細書で説明されるような少なくとも１つの自己熱焙焼装置を提供するステップを含む。たとえば、作業の地点は、バイオマスの収穫または供給源の任意の地点を含むことができる。したがって、作業の地点は、木材のバイオマスおよび農業のバイオマスの収穫の場所を含むことを理解されたい。収穫のそのような地点の限定しない例が森林、野原、および農場を含む。収穫のこれらの地点は、既存の炭素燃焼発電所などの外部熱源から数１００マイル（数１６０ｋｍ）（またはそれを超える）離すことができる。さらに、作業の地点に配置されるバイオマスは、自己熱焙焼装置に連続的に、またはバッチ方式で詰められ、本明細書で説明されるような焙焼されたバイオマスに変化させられることができる。

本発明の一実施形態では、自己熱焙焼装置は可搬式である。具体的には、そのような実施形態は有益なことに、例にすぎないが典型的な１７フィート（５１８．１６ｃｍ）の小型トラック、またはトレーラトラックの荷台上に自己熱焙焼装置を積むことにより移動され、動作させるために１つまたは複数の別の場所まで車で運ばれることができる可動式ユニットおよび／またはモジュール式ユニットを採用することができる。言い換えれば、本発明の自己熱焙焼装置は、装置の車による輸送が可能となるような寸法に作られることが好ましい。したがって、有益なことに、いかなる既存の電力の敷地または外部熱源と関係なく、バイオマスの焙焼のためにいくつかの異なる場所まで単一の自己熱焙焼装置を輸送することができる。したがって、自己熱焙焼装置は、焙焼されうるバイオマスを有する１つまたは複数のどんな作業の地点にも展開されることができる。前述のように、焙焼法はバイオマス内に含まれる水分の大部分からすべてまでを蒸発させ、バイオマスを事実上さらに疎水性にする。水分含有量の減少により、焙焼されたバイオマスを輸送するコストは、変化させられていないバイオマスを輸送するコストよりも少ない。さらに、焙焼されたバイオマスの疎水性が、水分の望ましくない拾い上げをすることなく、より長い輸送時間および保持時間／貯蔵時間を可能にする。したがって、既存の石炭燃焼場所などの外部熱源からの、そのような実施形態のための動作の半径には実質的に限界がない。さらに、焙焼されたバイオマスは、処理されていないバイオマスよりも腐敗しにくいので、焙焼されたバイオマスは使用する前に、より長期間保存されることができる。種々の好ましい実施形態では、バイオマスはセルロースベースの有機材料を含み、一方、別の実施形態では、バイオマスは動物の***物を含む。さらに、種々の実施形態による自己熱焙焼装置はまた、動物および植物の廃棄物の重量および体積を低減するために、廃棄物処理ユニットまたは廃棄物減量化ユニットとして使用することができる。

本発明の一実施形態では、既存の石炭火力発電所などの外部熱源から離れた作業の地点でバイオマスを焙焼することができる。たとえば、本発明の実施形態による可動式および／またはモジュール式の焙焼装置を、林野に位置されるバイオマスの焙焼のために林野まで輸送することができる。しかし、このことが、希望すれば本発明の実施形態が既存の電力の敷地で利用されうることを制限しない。ある種の実施形態では、焙焼されたバイオマスは、ペレット化される、練炭化される、または別の方法で、焙焼装置に接続される粉砕機、または同じ林野などで焙焼装置に近接して配置される粉砕機により高密度化されることができる。一実施形態では、焙焼されたバイオマスが、部分的にペレット化され、練炭化され、または別の方法で林野において高密度化され、最終的な高密度化のためにスタンドアロンの粉砕機を有する第２の場所に輸送されることができる。一実施形態では、焙焼されたバイオマスが、ペレット化、練炭化、または同種のもののために、バイオマスが処理された林野から離れた第２の場所まで輸送される。第２の場所は、独立した粉砕動作、または既存の発電所に接続される粉砕動作さえも含むことができる。一実施形態では、焙焼された熱いバイオマスが、ペレット化、練炭化、または同様のことの前に焙焼と同じ場所または異なる場所で冷却することが可能になる。

本発明のある種の実施形態では、本発明は、外部熱源、発電所、固定したペレット化設備、固定した練炭化設備、または固定した別の高密度化設備、および同種のものから離れた作業の地点で、焙焼されたバイオマスのペレットまたは練炭を生成する方法を含む。一実施形態では、方法は、全体を通じて議論されたように、収穫の地点で未処理のバイオマスを焙焼されたバイオマスに変化させるステップ、および焙焼されたバイオマスを収穫の同じ地点でペレット化する、練炭化する、または別の方法で高密度化するステップを含む。好ましい実施形態では、焙焼されたバイオマスは、まだ熱い間に少なくとも１つのペレット粉砕機に詰められる。たとえば、高密度化粉砕機に詰められる焙焼されたバイオマスの温度が、約２００℃から約３２０℃まで、または約２２５℃から約３００℃まで、または約２５０℃から約３００℃まで、または好ましくは約２７０℃から約３００℃までとすることができる。

有益なことに、本発明の実施形態は、野原、農場、森林、および同種の場所での焙焼されたバイオマスのペレット化を可能にし、それを含む。したがって、焙焼されたバイオマスは、処理されたバイオマスが焙焼工程によりまだ熱い間に、収穫の地点で迅速にペレット化される、練炭化される、または別の方法で高密度化されることができる。結局、ペレット、練炭、または焙焼されたバイオマスの同種のものが、比較的小さなエネルギ入力で達成されることができる。さらに、種々の実施形態では、焙焼されたバイオマスのペレットを形成するために追加の結合剤が必要とされない。

本発明の一実施形態による自己熱焙焼装置が、マツ伐採運搬の残り（小さな直径の木材、樹皮、針状葉）の焙焼のために利用された。焙焼装置は６つの焙焼チャンバを含み、それぞれ全長が２０フィート（６０９．６ｃｍ）であった。焙焼チャンバを囲む外側のハウジングおよび外部ジャケットは、内部の幅が５フィート（１５２ｃｍ）、内部の高さが５フィート（１５２ｃｍ）、および内部の長さが１４フィート（４２６．７２ｃｍ）の箱を含んでいた。したがって、２０フィート（６０９．６ｃｍ）焙焼チャンバのうち１４フィート（４２６．７２ｃｍ）が外部ジャケットにより囲まれた。

このバイオマス（すなわち、マツ伐採運搬の残り）が、粉砕機上の１／２インチ（１．２７ｃｍ）のスクリーンを通して供給された。水分含有量は粒子ごとに変化したが、全体の平均水分含有量はほぼ５０重量％だった。地面のバイオマスが溝で供給ホッパまで運ばれた。この溝で供給ホッパまで運ばれる間、熱い排出ガスが溝の中のバイオマス全体だけでなく溝の外側周辺全体に吹きかけられた。平均して、これによりバイオマスの平均水分含有量は約４５重量％まで低減された。

バイオマスを焙焼チャンバの中に入れる前に、焙焼装置がバーナ内でプロパンガスの燃焼により熱せられた。燃焼ガスは、バイオマスを焙焼するために必要な初期熱を提供するために、ジャケットと焙焼チャンバの間の開放空間を通り過ぎた。焙焼装置がおよそ４００℃（典型的には、３００℃から４５０℃までのいずれでも十分である）の動作温度まで熱せられた後、バイオマスの連続的な転換を促進するために、バイオマスは、焙焼チャンバの中に連続的に詰められ、オーガシステムを用いてチャンバを通って運ばれた。最初に装置を熱し焙焼工程を始めるために使用したプロパンガスは、約６７１，０００ＢＴＵ／時間であった。バイオマスが熱せられ、焙焼ガスおよび水蒸気を放出し始めるとき、これらの蒸気が燃焼され、焙焼工程のために間接的に熱を提供するために、ジャケット空間を向流方式で通過させられた。

自己熱条件に到達すると同時に、プロパンガスの使用が極端に減少することから明らかなように、平均供給速度ほぼ５５０ｌｂｓ／時間のバイオマス、および１７５ｌｂｓ／時間の焙焼された物質が精製された。自己熱条件の下で、プロパンガスの使用が約２０，０００ＢＴＵ／時間まで大きく低減され、このことは、プロパンガスが消費される速度がおよそ９７％減少したことに相当する。プロパンガス使用のこの使用量は、点火バーナがついたままでいることを保証するためだけに使用されるプロパンガスの量と相関がある。したがって、実際的な言い方をすると、焙焼のために使用される熱エネルギのすべてが、バイオマス自体から得られた。

焙焼装置が自己熱条件の下で動作している間、焙焼チャンバの最も高温の部分（すなわち、排出端）の温度が監視され、バイオマスが装置を通して運ばれる速度が調節された。より具体的には、排出チャンバ温度が４５０℃を超えて上昇したとき、バイオマスが運ばれる速度を上げることにより、焙焼チャンバ内の滞留時間が低減されるように、焙焼チャンバ内でのバイオマスの滞留時間が調節された。さらに、焙焼チャンバの排出温度が４００℃未満に下がったとき、バイオマスがチャンバを通って運ばれる速度を下げることにより、焙焼チャンバ内の滞留時間が増やされた。自己熱条件の下での流出を通じて、焙焼チャンバ内の平均滞留時間がほぼ５分から７分まで変動した。

焙焼装置から排出された焙焼された物質すべてが、水槽中、および鋼管およびアルミニウム管上の空気中での間接冷却の組合せを使って、約４００℃の温度から周囲温度まで冷却された。

この流出に対する焙焼チャンバおよび外部ジャケットの温度記録が表１に提供されている。上記で示されたように、この具体的な焙焼装置は６つの焙焼チャンバを含む。これらのチャンバは、外部ジャケットの幅方向の端から端まで横方向に配置された。したがって、チャンバは番号でチャンバ１から６と識別された。チャンバ１および６は外部ジャケットの側壁に最も近かったのに対し、チャンバ３および４は外部ジャケットの幅の中央点（たとえば、内部側壁から２．５フィート（７２．６ｃｍ））からおよそ等距離に配置された。チャンバ２はチャンバ１と３の間に配置された。チャンバ５はチャンバ４と６の間に配置された。

自己熱条件の下で、チャンバ１、３、および５の温度が、被覆されたチャンバの長さに沿った３つの異なる場所でそれぞれ監視された。具体的には、各チャンバの温度が以下のように監視された。（１）排出端近く（たとえばチャンバ１−熱い部分）、（２）被覆されたチャンバの中央近く（たとえばチャンバ１−中央部分）、および（３）被覆されたチャンバの入口近く（たとえばチャンバ１−冷たい）。

チャンバ温度の監視に加えて、外部ジャケット内の蒸気温度が同様に監視された。より具体的には、外部ジャケット内の蒸気が６つの異なる場所で監視され、３つの測定が外部ジャケットの上部に沿って行われ、３つの測定が下部に沿って行われた。これらの温度は以下のように監視された。（１）ジャケットの上部の煙道ガスの入口近く（たとえばジャケット−上部熱い）、（２）ジャケットの下部の煙道ガスの入口近く（たとえばジャケット−下部熱い）、（３）ジャケットの（箱の長さに沿った）中央上部近く（たとえばジャケット−上部中央）、（４）ジャケットの（箱の長さに沿った）中央下部近く（たとえばジャケット−下部中央）、（５）ジャケットの上部の煙道ガスの出口近く（たとえばジャケット−上部冷たい）、（６）ジャケットの下部の煙道ガスの出口近く（たとえばジャケット−下部冷たい）。

表１に示されるように、各チャンバの入口から排出端の方に温度勾配がある。しかし、より重要なことには、表１のデータは、焙焼温度が外部熱源を使用することなく数時間にわたり得られ維持されることを実証している。したがって、焙焼のための温度がバイオマス自体により提供される。したがって、焙焼装置が、自己熱条件の下で大きく低減された滞留時間でバイオマスを焙焼する能率的な手段を提供した。結局、本発明の実施形態は、自己熱条件の下でバイオマスを焙焼する焙焼装置だけでなく、単位時間当たりのバイオマスの処理量増大ももたらす。

前述の説明および関連図面で提示される教示の利益を有する、本明細書で示される本発明の多くの修正形態および別の実施形態が、これらの発明が関係する当業者に思い浮かぶ。したがって、本発明は開示された具体的な実施形態に限定されるべきでないこと、および変更形態および別の実施形態が添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるものであることが理解されるべきである。本明細書で特定の用語が使用されるが、それらの用語は一般的な説明的な意味だけで使用され、限定する目的で使用されるものではない。

Claims (28)

1. 自己熱焙焼装置であって、
   （ａ）各チャンバがバイオマスを受け取るための入口、および少なくとも１つのチャンバ出口を含む少なくとも１つの焙焼チャンバと、
   （ｂ）前記少なくとも１つの焙焼チャンバを実質的に囲み、かつジャケット入口およびジャケット出口を含む外部ジャケットの境界を定める外側のハウジングであって、当該外部ジャケットおよび前記少なくとも１つの焙焼チャンバがそれらの間の境界を定める外側のハウジングと、
   （ｃ）前記焙焼チャンバ出口に動作可能なように接続される入口、および前記ジャケット入口に動作可能なように接続される出口を含むバーナユニットと、
   を含み、その結果、前記少なくとも１つの焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気が、前記蒸気の少なくとも一部の燃焼のために前記バーナユニットの中に移動し、その後、前記ジャケットと前記少なくとも１つの焙焼チャンバの間の空間を通過して、バイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供する自己熱焙焼装置。
2. 前記少なくとも１つの焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気の前記流れが、前記蒸気の少なくとも一部の焙焼のために前記バーナユニットまで第１の方向に移動し、その後、前記ジャケットと前記少なくとも１つの焙焼チャンバの間の前記空間を前記第１の方向と反対の第２の方向に通り抜ける、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
3. 前記少なくとも１つの焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気の前記流れが、前記ジャケットと前記少なくとも１つの焙焼チャンバの間の空間を通り抜ける前記蒸気と同じ方向に移動する、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
4. バイオマスを前記チャンバ入口から前記チャンバ出口まで輸送するための材料運搬装置をさらに含む、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
5. 前記材料運搬装置がねじコンベヤを含む請求項４に記載の自己熱焙焼装置。
6. 前記装置が可動式である、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
7. 前記少なくとも１つの焙焼チャンバが導管を含む、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
8. 前記ジャケット出口を出る前記蒸気が熱交換器に入り、新鮮なバイオマスを予熱し、その後前記バイオマスが前記焙焼チャンバに入るように配置される直接的または間接的な前記熱交換器をさらに含む、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
9. 前記焙焼チャンバを出る焙焼されたバイオマスがペレット化される、練炭化される、または別の方法で高密度化されるように、前記チャンバ出口に動作可能なように接続される少なくとも１つのペレット粉砕機または練炭粉砕機をさらに含む、請求項１に記載の自己熱焙焼装置。
10. バイオマスの自己熱焙焼方法であって、
    （ａ）少なくとも１つの焙焼チャンバ内部のバイオマスおよび前記バイオマスを囲む空気を、前記少なくとも１つの焙焼チャンバの壁を通して、焙焼されたバイオマスを生成するのに十分な温度まで間接的に熱するステップと、
    （ｂ）前記少なくとも１つの焙焼チャンバ内部から生成または解放される蒸気をバーナユニットの中に与えるまたは引き入れるステップと、
    （ｃ）前記バーナユニット内の前記蒸気の少なくとも一部を燃焼するステップと、
    （ｄ）前記少なくとも１つの焙焼チャンバと、前記少なくとも１つの焙焼チャンバを実質的に囲む外側のハウジングとの間に配置され、それらにより境界を定められるジャケット空間を通して前記蒸気を通過させるステップであって、前記蒸気が、前記焙焼チャンバ内部のバイオマスの自己熱焙焼に必要な熱を提供するステップと、
    を含む方法。
11. バイオマスを予熱するステップと、前記予熱されたバイオマスを前記少なくとも１つの焙焼チャンバの中に計量して供給するステップとをさらに含み、前記新鮮なバイオマスが前記ジャケット空間を出る排出蒸気からの直接的または間接的いずれかの熱移動により予熱される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記バイオマス、および前記バイオマスを囲む前記ガスを間接的に熱するステップが、前記バイオマスの一部が熱分解されるように、前記ガスを約３００℃から約５００℃まで熱するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記バイオマスが約３００℃から約４００℃に加熱される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記バイオマスが約１０分以下の間焙焼されるように、前記少なくとも１つの焙焼チャンバを通してバイオマスを連続的に運ぶステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの焙焼チャンバの排出端にある前記焙焼されたバイオマスと、前記少なくとも１つの焙焼チャンバの前記排出端近傍の位置にある前記ジャケット空間を通過する前記蒸気との温度差が、約２８０℃から約３２０℃までを含む、請求項１０に記載に記載の方法。
16. 前記ジャケット空間を通過する前記蒸気が、前記少なくとも１つの焙焼チャンバを出る前記バイオマスよりも約２９０℃から約３１０℃高い温度で前記ジャケット空間に入る、請求項１５に記載の方法。
17. 焙焼されたバイオマスを燃料として使用する費用対効果を高める方法であって、
    （ａ）発電所から離れた作業の地点で少なくとも１つの自己熱焙焼装置を提供するステップと、
    （ｂ）作業の前記地点に配置されるバイオマスを前記自己熱焙焼装置に入れるステップと、
    （ｃ）作業の前記地点に配置されるバイオマスを、焙焼されたバイオマスに変化させるステップと、
    を含む方法。
18. 前記自己熱焙焼装置が可動式である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記作業の地点が、野原、農場、または森林を含むバイオマスの供給源を有する収穫の地点を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記バイオマスがセルロースベースの有機材料を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記バイオマスが動物の***物を含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記作業の地点が、焙焼のためのバイオマスを含む作業の２つ以上の離れた用地を含む、請求項１８に記載の方法。
23. 前記焙焼されたバイオマスを少なくとも部分的にペレット化するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
24. 前記焙焼されたバイオマスが、前記作業の離れた用地でペレット化される、請求項２３に記載の方法。
25. 前記焙焼されたバイオマスが前記作業の離れた用地で部分的にペレット化され、完全なペレット化のために第２の場所まで輸送される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記焙焼されたバイオマスがペレット化のために第２の場所まで輸送される、請求項２４に記載の方法。
27. 焙焼されたバイオマスのペレットを生成する方法であって、
    （ａ）収穫の地点で未処理のバイオマスを焙焼されたバイオマスに変化させるステップと、
    （ｂ）前記収穫の地点で前記焙焼されたバイオマスをペレット化するステップと、
    を含む方法。
28. 前記ペレット化するステップが、約２５０℃から約３００℃まで変動する温度を有する焙焼されたバイオマスを少なくとも１つのペレット粉砕機に入れるステップを含む、請求項２７に記載の方法。

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