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廃棄物バイオマスの水熱炭化。プロセスレイアウト間の実験的比較
Hydrothermal carbonization of waste biomass: An experimental comparison between process layouts.
PMID: 32659689 DOI: 10.1016/j.wasman.2020.06.031.
抄録
本論文は、高温の圧縮水の存在下で発生する廃棄物バイオマスの変換プロセスに関する知見に貢献するものである。本論文では、熱水炭化として知られている低温反応に基づく異なるプロセススキームを評価するための実験を行った。実験室規模の2つのリアクター構成の性能を、下流のフラッシュ膨張ステップの有無で評価し、比較しました。それぞれの構成は、6種類の廃棄物バイオマスを用いて試験を行った。モミ、ブナ、オリーブの剪定枝はリグノセルロース系原料の代表であり、ジャガイモ、エンドウ豆、ニンジンは地元のアグロフード産業で加工された非リグノセルロース系廃棄物の代表である。バッチ反応（２００℃、水／固形＝７／１）は最大１２０分間行った。得られたハイドロチャーは、元素組成、湿度、加熱値、質量・エネルギー収率で特徴付けを行った。2つの手順で得られた結果の間の差の程度は、処理された材料によって大きく変化した。30分の滞留時間では、固体収率は膨張により増加し、リグノセルロース系材料では10～36％、農産食品産業廃棄物では50～220％の範囲であった。下流のフラッシュ膨張ステップは、特にリグノセルロース系材料からのハイドロチャーの固体収率の増加をもたらし、膨張を行わない場合と比較して高いエネルギー回収率を実現しました。リグノセルロース系廃棄物とアグロフード系廃棄物では、水熱反応経路が異なるためか、挙動が異なっていた。膨張ステップを追加することで、フルスケールプラントでのエネルギー回収効率を大幅に向上させることができるが、その程度は使用するバイオマス廃棄物の基質に依存する。
This paper contributes to the knowledge on waste biomass conversion processes occurring in the presence of hot compressed water. The experimental procedure detailed herein assesses different process schemes based on the low-temperature reaction known as hydrothermal carbonization. The performances of two lab-scale reactor configurations, with and without a downstream flash expansion step, were evaluated and compared. Each setup was tested with six different types of waste biomass. Fir, beech, and olive prunings are representative of lignocellulosic raw materials, while potato, pea, and carrot are representative of non-lignocellulosic wastes from processing in the local agro-food industry. The batch reactions (200 °C, water/solid = 7/1) were carried out for up to 120 min. The hydrochars were characterized by elemental composition, humidity, heating value, and mass and energy yields. The extent of difference between the results obtained for the two procedures varied significantly with the material treated. At a residence time of 30 min, the solid yields increased due to expansion, ranging from 10 to 36% for lignocellulosic material and 50 to 220% for agro-food industry scraps. The downstream flash expansion step causes an increase of the solid yields, especially for hydrochars from lignocellulosic materials, leading to higher energy recovered compared to the configuration without expansion. Lignocellulosic and agro-food wastes behaved dissimilarly, likely because of different hydrothermal reaction pathways. The additional expansion step can considerably increase the efficiency of energy recovery in full-scale plants, the extent of which depends on the biomass waste substrate used.
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