熱分解バイオオイルの主な特性と課題とは？再生可能な燃料源

熱分解バイオオイルは、酸素のない状態でのバイオマスの熱分解から得られる複雑な液体生成物である。高含水率、低pH、高粘度、多量の酸素含有化合物という特徴を持ち、これが不安定性と腐食性の原因となっている。こうした課題にもかかわらず、バイオオイルは再生可能な燃料源としての可能性を秘めており、エンジン用に改良したり、さらに化学薬品に加工したりすることができる。低位発熱量や酸化的不安定性といったその特性から、品質と使用性を向上させるためには、慎重な取り扱いと改良が必要である。

キーポイントの説明

高含水率（20～30）
- バイオオイルにはかなりの量の水が含まれているが、これは熱分解プロセスの副産物である。
- この高い含水率は、バイオオイルの発熱量を低下させ、不安定性の一因となる。
- また、水の存在はバイオオイルの腐食性を高め、長期保存を困難にする。
水より重い密度 (1.10-1.25 g/mL)
- バイオオイルは水よりも密度が高いため、その取り扱いや保管の必要性に影響する。
- この特性は、バイオオイルに含まれる高濃度の有機化合物と固体残渣に影響される。
低位発熱量（～5600～7700Btu/lbまたは13～18MJ/kg）
- バイオオイルの発熱量は、酸素と水分を多く含むため、従来の化石燃料に比べて比較的低い。
- このため、燃料としての直接利用は制限され、エネルギー密度を向上させるための改良プロセスが必要となる。
高酸素含有量（35～50）
- バイオオイル中の高い酸素含有量は、熱分解中に生成される酸素含有有機化合物の結果である。
- これが低発熱性、高酸性、酸化的不安定性の一因となっている。
- バイオオイルを精製燃料に適合させるためには、脱酸素プロセスが必要になることが多い。
高酸性（pHは～2と低い）
- バイオオイルは強酸性であるため、貯蔵設備や取り扱い設備を腐食させる。
- pHが低いのは、主に熱分解中に生成した有機酸の存在によるものである。
高粘度 (20-1000 cp @ 40°C)
- バイオオイルは粘性があり、流動特性や取り扱いに影響を与える。
- 酸化反応や重合によって粘度が経時的に上昇するため、直接の使用には適さない。
高固形残渣（最大40％）。
- バイオオイルにはかなりの量の固形残留物が含まれており、エンジンのフィルターやノズルを詰まらせる可能性がある。
- これらの残渣は不完全熱分解の副産物であり、ろ過や触媒アップグレードによって減らすことができる。
酸化的不安定性
- バイオオイルは重合、凝集、酸化反応を起こしやすく、時間の経過とともに粘度と揮発性が高まる。
- この不安定さは、劣化を防ぐために保管や取り扱いに注意を払う必要がある。
想定される用途とアップグレード
- 課題はあるものの、バイオオイルはディーゼルエンジンやガスタービンの発電用液体燃料として使用できる。
- また、合成ガス、バイオディーゼル、特殊化学物質を生産するために改良することもできる。
- 熱分解中または後処理中の触媒アップグレードは、その品質と安定性を向上させることができる。
同時焼成とハンドリングの利点
- バイオオイルは、固形バイオマスに比べて取り扱いが容易で、輸送・貯蔵コストが低いため、発電所での混焼に魅力的である。
- 液体であるため、既存の燃料インフラでの使用に便利である。

要約すると、熱分解バイオオイルは、水分や酸素を多く含み、発熱量が低く、酸化的に不安定であるなど、いくつかの困難な性質を持っている。しかし、適切な改良と取り扱いを行えば、再生可能な燃料源として、また貴重な化学物質の前駆体として役立つ。混焼の可能性や既存の燃料システムとの適合性から、化石燃料の代替燃料として有望視されている。

総括表：

プロパティ	詳細
高含水率	20-30％、発熱量を低下させ、不安定性と腐食性を増加させる。
密度	1.10～1.25g/mL、水より濃い。
低位発熱量	~5600-7700Btu/lb（13-18MJ/kg）で、直接燃料の使用を制限している。
高酸素含有量	35～50％で、発熱量が低く不安定である。
高い酸度	pHは～2と低く、機器を腐食する。
高粘度	20-1000 cp @ 40℃、時間の経過とともに増加する。
高い固形残留物	フィルターやノズルを詰まらせる可能性がある。
酸化的不安定性	重合や凝集を起こしやすく、保管には注意が必要。
アプリケーション	エンジン用燃料、合成ガス、バイオディーゼル、特殊化学品。
同時焼成の利点	取り扱いが容易で、固形バイオマスに比べて輸送・保管コストが低い。