熱分解の3つのタイプとは？出力に適したプロセスを選択するためのガイド

実際には、熱分解は、酸素の非存在下で材料が加熱される速度と温度に基づいて、主に3つのタイプに分類されます。これらのプロセス条件（低速、従来型、高速）は恣意的なものではなく、最終的な出力が固体チャー、液体バイオオイル、またはこれら3つの生成物のバランスのいずれを優先するかを決定するために意図的に制御されます。

低速、従来型、高速熱分解の選択は、望ましい最終生成物によって完全に左右される戦略的な決定です。より低速で低温のプロセスは固体バイオ炭を最大化し、非常に高速で中程度の温度のプロセスは液体バイオオイルを最大化します。

熱分解を定義する主要変数

3つの方法の違いを理解するには、まずエンジニアが操作する主要な変数を理解する必要があります。これらの要因の相互作用が、発生する化学反応と最終的な生成物収率を決定します。

加熱速度

加熱速度とは、原料の温度が上昇する速さのことです。これは、揮発性化合物が材料からどれだけ速く排出されるかを決定するため、おそらく最も重要なパラメータです。

プロセス温度

これは、材料が反応器内で到達する最高温度です。低温は固体チャーの形成を促進し、中程度の温度（約500°C）は他の要因と組み合わされて液体の形成を促進します。

滞留時間

滞留時間とは、材料（およびその蒸気）が最高プロセス温度に保持される時間を指します。滞留時間が短いと、初期の液体およびガス生成物が、価値の低い成分にさらに分解されるのを防ぎます。

生成物トライアングル：固体、液体、ガス

これら3つの変数が、主要な出力の割合を制御します。

固体：しばしばバイオ炭またはコークスと呼ばれ、元の原料の残骸である炭素が豊富な固体です。
液体：バイオオイルまたは熱分解油として知られ、凝縮された有機蒸気の複雑な混合物です。
ガス：非凝縮性ガス（水素、一酸化炭素、メタンなど）の混合物で、しばしば合成ガスと呼ばれます。

3つの熱分解方法の内訳

各タイプの熱分解は、特定の生成物向けに最適化されたスペクトルの特定の点を表しています。

低速熱分解（炭化）

低速熱分解の主な目標は、固体バイオ炭の収率を最大化することです。これは、この技術の最も古く、最も単純な形態であり、歴史的に木材から木炭を製造するために使用されてきました。

非常に低い加熱速度、比較的低い最高温度（通常400°C未満）、および数時間から数日続く可能性のある長い滞留時間によって定義されます。このゆっくりとした「調理」プロセスは、水分と揮発性物質を排出し、安定した炭素密度の高い固体を残します。

従来型熱分解

従来型熱分解は中間的な位置を占め、固体、液体、ガスのよりバランスの取れた割合を生成します。単一の出力に最適化されていないため、一般的な廃棄物処理に柔軟な選択肢となります。

この方法は、高速熱分解よりも遅い加熱速度を使用しますが、低速熱分解よりは速く、温度は通常500°C未満です。蒸気の滞留時間は中程度で、通常数秒の範囲であり、蒸気の二次分解がある程度発生することを可能にします。

高速熱分解

高速熱分解の唯一の目的は、液体バイオオイルの収率を最大化することです。これには、高度に制御された洗練されたエンジニアリングが必要です。

非常に高い加熱速度と、蒸気の非常に短い滞留時間（通常2秒未満）が特徴です。材料は中程度の温度（約500°C）に急速に加熱されて蒸気に分解され、その後、さらにガスに分解される前に、急速に冷却されて液体バイオオイルに凝縮されます。

トレードオフを理解する

熱分解方法の選択には、技術的な複雑さ、コスト、および目的の生成物の価値のバランスを取ることが含まれます。

プロセスの複雑さとコスト

低速熱分解は、固定床またはバッチ反応器（窯）のような単純な技術で達成できます。しかし、高速熱分解は、必要な急速な熱伝達を達成するために流動床やアブレーションシステムのような高度な反応器を必要とし、構築と運用がより複雑で高価になります。

製品価値

高速熱分解から生成される液体バイオオイルは、輸送燃料に精製したり、特殊化学品の供給源として使用したりできるため、潜在的に高い市場価値を持ちます。低速熱分解からのバイオ炭は、主にエネルギー、土壌改良剤、または活性炭の製造に使用され、これはしばしば価値の低い用途を表します。

エネルギーバランス

すべての熱分解プロセスは、運転温度に到達するためにかなりのエネルギー入力を必要とします。適切に設計されたプラントは、生成された非凝縮性合成ガスを燃料源として使用し、外部エネルギーの必要性を最小限に抑える自己持続的な熱ループを作成します。

目標に適した選択をする

アプリケーションの目標によって、適切な熱分解方法が決まります。

農業用固体バイオ炭または燃料用木炭の生産が主な焦点である場合：低速熱分解が最も直接的で費用対効果の高い方法です。
再生可能燃料または化学原料用の液体バイオオイルの生産が主な焦点である場合：技術的な複雑さは高いものの、高速熱分解が不可欠な選択肢です。
混合廃棄物をバランスの取れたエネルギー製品に処理することが主な焦点である場合：従来型熱分解は堅牢で柔軟なソリューションを提供します。

最終的に、適切なプロセスを選択することは、技術を原料から生み出そうとする価値に合わせることです。

要約表：

熱分解の種類	主な目標	加熱速度	滞留時間	主要製品
低速熱分解	固体バイオ炭の最大化	低	長（数時間）	バイオ炭
従来型熱分解	固体、液体、ガスのバランス	中程度	中程度（数秒）	バランスの取れた混合物
高速熱分解	液体バイオオイルの最大化	非常に高	非常に短（2秒未満）	バイオオイル