簡単に言えば、熱分解の主要な固体残留物は、バイオ炭またはコークスと呼ばれる炭素豊富な物質です。しかし、熱分解を単に「残留物」を残すプロセスとして捉えるのは根本的な誤解です。熱分解は、単一の原料を固体、液体、気体の3つの異なる、しばしば価値ある生成物ストリームに変換する熱変換技術です。
理解すべき核となる原則は、熱分解は廃棄物を生み出すのではなく、生成物を生み出すということです。この「残留物」は制御可能な生成物であり、その組成は、液体およびガスの収率とともに、初期の原料と採用する特定のプロセス条件によって決定されます。
熱分解の3つの主要生成物
熱分解は、酸素の不在下で熱を使用して有機物を分解します。物質を燃焼させるのではなく、構成要素に分解し、それらを3つの別個の生成物として回収します。
固体生成物：バイオ炭（またはコークス）
これが「残留物」を構成するものに対する最も直接的な答えです。バイオ炭は、炭素が豊富な安定した固体材料です。
これは廃棄物ではありません。土壌改良材として農業で、吸着材としてろ過で、そしてしばしばブリケットに圧縮されて固体燃料として重要な用途があります。原料がメタンである場合、固体生成物は純粋な炭素になります。
液体生成物：バイオオイル（または熱分解油）
有機物が分解されると、揮発性成分が蒸発し、その後液体に凝縮されます。これはバイオオイルまたは熱分解油として知られています。
この液体は、単純な酢酸から複雑なフェノールに至るまで、水と数百種類の異なる酸素化有機化合物の複雑なエマルジョンです。これは工業用燃料として、またはさらに精製されてより高品質のバイオ燃料や特殊化学品として使用できます。木酢液も、バイオマス熱分解中に収集されることが多い液体生成物です。
気体生成物：合成ガス（または熱分解ガス）
この非凝縮性のガス流は、しばしば合成ガスと呼ばれ、3番目の生成物です。これは水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素などのガスの混合物です。
多くの熱分解プラントでは、この合成ガスは残留物とは全く見なされません。それは直ちにシステムにループバックされ、熱分解反応を駆動する熱を供給するために燃焼され、プロセス全体をよりエネルギー効率が高く、自己持続的にします。
プロセス条件が生成物を決定する方法
熱分解プロセスのパラメーターを調整することで、生成される固体、液体、ガスの比率を制御できます。これにより、主要な出力に対する直接的な制御が可能になります。
温度の重要な役割
温度は、生成物の収率を制御するための主要なレバーです。
- 低温から中温（400～500 °C）： これらの条件は固体生成物の生成を促進し、バイオ炭の収率を最大化します。プロセスは遅く、より多くの炭素が固定された固体状態に留まることを可能にします。
- 高温（700 °C超）： より高い温度はより積極的な熱分解を引き起こし、分子をより完全に分解します。これにより、固体炭の犠牲の上に液体および気体生成物（バイオオイルと合成ガス）の収率が最大化されます。
原料の影響
処理される初期の物質、すなわち原料は、出力の根本的な定義でもあります。
木材や農業廃棄物の熱分解は、古典的なバイオ炭、バイオオイル、合成ガスを生成します。対照的に、メタンの熱分解は、CH₄をその構成要素である固体炭素と気体水素（H₂）に分解するために特別に設計された特殊なプロセスです。
トレードオフの理解
熱分解の出力を生成物として見ることは、単純な廃棄物の問題ではなく、一連の戦略的なトレードオフを明らかにします。
バイオオイルのアップグレードが必要
バイオオイルは価値ある生成物ですが、従来の燃料の直接代替品ではありません。その高い酸素含有量と水分含有量は、それを酸性で不安定にします。広く使用される前に、ほぼ常にさらなる処理と精製が必要となり、追加のコストと複雑さが増します。
合成ガス：内部燃料か外部収益か
合成ガスに関して直接的な経済的選択があります。それをプラントの稼働に使用すると、運用コストが削減され、エネルギー自立性が向上します。しかし、ガス（特に水素が豊富な場合）を回収、精製、販売することは、追加の収益源となり得ます。最良の選択は、現地のエネルギー価格とプラントの規模に依存します。
一つの生成物の最大化は他の生成物を減少させる
3つの生成物すべてを同時に最大化することはできません。高いバイオ炭収率を最適化することは、必然的にバイオオイルと合成ガスの量が少なくなることを意味します。プロセスは、それが土壌製品、液体燃料、または水素ガスの生成であるかどうかにかかわらず、特定の主要な目標を満たすように設計され、微調整されなければなりません。
目的に合わせた熱分解の調整
熱分解の「残留物」とは、システムを最適化して作成するように設計した生成物です。正しい選択をするためには、まず目標を定義する必要があります。
- 土壌改良材または炭素隔離が主な焦点である場合： 固体バイオ炭の収率を最大化するために、低温（400～500 °C）に最適化します。
- 代替液体燃料の作成が主な焦点である場合： バイオオイルの収率を上げるために高温（700 °C超）で運転しますが、下流の精製コストに備える必要があります。
- 水素の生成が主な焦点である場合： メタンなどの特定の原料を使用します。この特殊なプロセスは、純粋な固体炭素と価値ある水素ガスを生成するためです。
- 廃棄物からのエネルギー自立が主な焦点である場合： 熱分解反応自体に必要な熱を供給するために合成ガスをリサイクルするようにシステムを設計します。
結局のところ、熱分解は、プロセス条件を注意深く制御することにより、低価値の原料をより高価値の生成物に変換することを可能にします。
要約表：
| 生成物の種類 | 主要な生成物 | 主な用途 |
|---|---|---|
| 固体 | バイオ炭 / コークス | 土壌改良材、ろ過、固体燃料 |
| 液体 | バイオオイル / 熱分解油 | 工業用燃料、化学原料 |
| ガス | 合成ガス (H₂, CO, CH₄) | プロセス熱、外部燃料、水素源 |
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