木材の熱分解は何度から始まりますか？バイオ炭、バイオオイル、または合成ガスのプロセスを制御する

より高い温度で顕著な熱変換が発生しますが、木材の熱分解の初期段階は、実際にははるかに低い閾値、通常は200°Cから300°C（392°F～572°F）で始まります。この時点で、酸素がない場合、木材の最も不安定な化学成分が不可逆的に分解し始め、プロセスの真の開始を示します。

熱分解は、単一の温度で切り替わるオン/オフスイッチではありません。これは、広い温度範囲にわたって展開される連続的なプロセスであり、熱と時間の制御によって、最終的な生成物が固体の炭、液体のバイオオイル、または可燃性ガスのどれに支配されるかを正確に決定できます。

木材熱分解の段階：温度駆動型プロセス

木材の熱分解を真に理解するには、それを単一の反応としてではなく、一連の出来事として見る必要があります。木材は、ヘミセルロース、セルロース、リグニンという3つの主要なポリマーの複合体であり、それぞれが異なる温度範囲で分解します。

化学的分解が発生する前に、木材内の自由水と結合水をすべて除去する必要があります。この初期加熱段階は、水の沸点よりわずかに上であり、かなりのエネルギーを消費しますが、まだ熱分解を構成するものではありません。

効果的な乾燥は、効率的で制御可能な熱分解プロセスの重要な前提条件です。

これが熱分解が技術的に始まる範囲です。最初に分解する成分は、木材の中で最も不安定なポリマーであるヘミセルロースです。

この分解により、二酸化炭素や水蒸気などの不燃性ガスや、酢酸が放出されます。この初期段階は、木材を脆くし、エネルギー密度を高める乾留（torrefaction）と呼ばれることもあります。

これが主要なイベントであり、熱分解の最も活発な段階です。この範囲内で、木材の主要な構造成分であるセルロースが急速に分解します。

この段階は、凝縮可能な蒸気（バイオオイル（タール）を形成する）と、水素、メタン、一酸化炭素などの可燃性ガス（しばしば合成ガスと呼ばれる）の多量生成によって特徴付けられます。残った固体物質は、炭素に富んだバイオ炭になりつつあります。

ヘミセルロースとセルロースがほとんどなくなると、最後で最も弾力性のある成分であるリグニンがゆっくりとした分解を続けます。このプロセスは900°C以上に及ぶことがあります。

このより高い範囲での加熱は、バイオ炭から残りの揮発性化合物を追い出し、その炭素含有量、多孔性、安定性を高めます。最終温度は、炭の最終特性を直接決定します。

熱分解を行う温度は、単に超えるべき閾値ではなく、最終製品を決定する主要な制御レバーです。加熱速度と滞留時間も同様に重要です。

木材を比較的穏やかな最高温度（例：350°C～550°C）で長期間かけてゆっくりと加熱することにより、バイオ炭の生成が促進されます。

この遅いプロセスにより、蒸気が二次反応を起こし、固体表面で分解および再凝縮するため、全体の炭収率が増加します。

木材を非常に速く（高い加熱速度で）中程度の温度（例：450°C～550°C）で加熱し、その後蒸気を急速に冷却することにより、バイオオイルの収率を最大化できます。

目標は、蒸気がさらに分解してガスになったり、炭に再形成されたりするのを防ぐために、蒸気を2秒未満で高温反応ゾーンから取り出すことです。

熱分解が非常に高い温度（>700°C）で、しばしば制御された量の酸素や蒸気を導入して行われる場合、プロセスはすべての成分を合成ガスに分解することを優先します。

これにより、固体または液体の生成物を作成するという目標から、熱または電力生成のための可燃性ガスを作成するという目標にシフトします。

熱分解の「正しい」温度は、望ましい結果に完全に依存します。目標製品をガイドとして使用してください。

主な焦点が良質なバイオ炭（土壌改良材やろ過用）である場合： 収率と高い炭素含有量のバランスをとるために、450°C～600°Cの最高温度で緩速熱分解プロセスを使用します。
主な焦点が液体のバイオオイル（バイオ燃料や化学薬品用）である場合： 450°C～550°Cの最高温度で高速熱分解プロセスを使用し、急速な蒸気急冷を確実に行います。
主な焦点が合成ガス（エネルギー生産用）である場合： すべての材料を非凝縮性ガスに最大変換するために、通常700°C以上の非常に高い温度で操作します。

結局のところ、熱分解を習得するとは、温度が木材の化学的分解を意図した結果に向けて誘導するために使用するツールであることを理解することです。