熱解重合

熱解重合(TDP)は、複雑な有機材料(通常、様々な種類の廃棄物、しばしばバイオマスおよびプラスチック)を軽質原油に還元するための含水熱分解を用いた解重合プロセスである。 化石燃料の生産に関与すると考えられる自然の地質学的プロセスを模倣している。 圧力と熱の下で、水素、酸素、および炭素の長鎖ポリマーは、短鎖石油炭化水素に分解され、最大長さは約18炭素である。

ポリマーが分解される可能性のある方法は、

熱:長い乾燥時間、押出機または燃料移動における長い滞留時間
力学:研削、加工における摩擦
光化学
化学放射線
生物学:微生物
化学:加水分解剤、加水分解
解重合は、分解の特別なカテゴリーであり、モノマー中のポリマー、モノマーまたはオリゴマーの混合物を変換するプロセスである。 脱重合は、ポリマー鎖をそのモノマーまたはオリゴマーに分解するプロセスである。 それは、通常、高温(熱)または加水分解剤(化学的)によって達成される。

一般に、熱解重合は、ポリマー鎖が高温モノマーに変換される化学反応として分類される。

解重合は、ポリメタタラタラート(PMMA)、ポリスチレン(PS)およびメタクリレートのいくつかの樹脂の熱分解中に起こる。 一般に、添加によって生成されるポリマーは、高温によって解重合され、ポリアミド(PA)およびポリエステル(PET、PBT)などの縮合ポリマーは熱分解しない。

化学的解重合は、活性水素原子を含む化合物が縮合ポリマーの主鎖中の極性基と反応することである。 通常、この反応は、アミド、エステルまたはウレタン中の結合の酸性または塩基性加水分解(水素結合破壊)である。

理論とプロセス
炭化水素ポリマーを切断する従来の技術は、余分な水分を除去するために多大なエネルギーを費やしてきた。 一方、熱解重合は、加熱プロセスを改善するために水を使用し、水はその分子から反応に水素を供給する。

原料があまりにも乾燥している場合、原料は最初に粉砕され、水と混合される。 次いでこれを250℃に加熱し、4MPaの圧力に約15分間さらす。 その後、圧力が急速に低下し、ほとんどの水が蒸発する。 その結果、分離された炭化水素と固体の混合物が得られる。 炭化水素を再び500℃に加熱し、さらなる分子を切断させる。 得られた液体炭化水素の混合物は、従来の油と同様の方法で蒸留される。

同社は、このプロセスのエネルギー効率は560%であると主張しています(消費されたエネルギーの15単位あたり85単位のエネルギー)。 プラスチック廃棄物などの炭素が豊富な乾燥剤の投入によって、より高い効率を達成することができます。

比較のために、農業源からバイオディーゼルおよびバイオエタノールを製造するために使用される現在の方法は、約320%のエネルギー効率を有する。

熱解重合により、毒物および分解性の低い病院廃棄物を含む様々な材料を切断することができる。

一方、原料として役立つ可能性のある多くの農業廃棄物は、既に肥料、燃料、動物飼料として使用されています。

同様のプロセス
熱解重合は、過熱水を直接水熱液化などの燃料製造の主要ステップとして使用する他のプロセスと同様です。 これらは、熱分解のような解重合のための乾燥材料を用いるプロセスとは異なる。 熱化学変換(TCC)という用語は、過熱水を使用してバイオマスを油に変換するためにも使用されていますが、通常は熱分解による燃料製造に適用されます。 他の商業規模のプロセスにはEnerTechが運営する「SlurryCarb」プロセスがあります。これは、同様の技術を使用して湿った固体バイオ廃棄物を脱カルボキシル化し、物理的に脱水してE-Fuelと呼ばれる固体燃料として使用できます。 カリフォルニアのリアルトにある工場は、1日あたり683トンの廃棄物を処理するように設計されています。 しかし、それは標準の設計に失敗し、閉鎖されました。 リアルトの施設は、債券の支払いが不履行となり、清算の過程にある。 水熱昇降(HTU)プロセスでは、過熱水を使用して家庭廃棄物から油を生産しています。 オランダでは、デモンストレーションプラントが開始され、1日当たり64トンのバイオマス(乾燥基準)を石油に処理する能力があるとされている。 熱解重合は、それが含水プロセスに続いて無水クラッキング/蒸留プロセスを含む点で異なる。

歴史
熱解重合は、技術プロセスが時間単位で行われることを除いて、今日使用される化石燃料を生成した地質学的プロセスと同様である。 最近まで、人間が設計したプロセスは実用的な燃料源として機能するほど効率的ではなく、生産されたエネルギーより多くのエネルギーが必要でした。

石炭、タールまたはバイオマスの熱分解によるガス、ディーゼル燃料およびその他の石油製品を得るための最初の工業プロセスは、1920年代後半にFischer-Tropschによって設計され、特許取得されました。 1939年に発行された米国特許第2,177,557号では、木材を加圧下で水中で加熱し、有意な量の水酸化カルシウムを混合物に添加して木材から油を得る方法について、BergstromおよびCederquistが論じている。 1970年代初めに、Herbert R. Appellらは水圧熱分解法を用いて作業した。これは米国特許第3,733,255号(1973年発行)に記載されており、圧力下で水中で材料を加熱することにより下水汚泥および都市ごみからの油の生成、一酸化炭素の存在下で行う。

1980年代にイリノイの微生物学者Paul Baskisによって開発され、その後15年間で洗練された(米国特許第5,269,947号(1993年発行)参照)。 この技術は、最終的に1996年にChanging World Technologies(CWT)によって商業的に開発されました。 Brian S. Appel(CWTのCEO)はこの技術を2001年に取得し、現在はTCP(Thermal Conversion Process)と呼ばれるものに拡張して変更し、いくつかの特許を出願して取得している(例えば、公開特許8,003,833 、2011年8月23日発行)。 Conagra Foodsの巨大なButterball七面鳥植物から約100ヤード(91m)の、ミズーリ州カーセージに最初の本格的な商業プラントが建設された。熱分解重合実証プラントは1999年にフィラデルフィアで熱解重合によって製造された。 1日に約200トンの七面鳥廃棄物を500バレル(79m3)の油に処理すると予想されている。

理論とプロセス
CWTが使用する方法では、水が加熱プロセスを改善し、水素を反応に寄与する。

変化する世界の技術(CWT)プロセスでは、原材料はまず小さな塊に粉砕され、特に乾燥している場合は水と混合されます。 その後、圧力容器反応チャンバに供給され、一定の体積で約250℃まで加熱される。 プレッシャークッカーと同様に(非常に高い圧力を除いて)、蒸気は自然に圧力を600 psi(4 MPa)まで上げます(飽和水面付近)。 これらの条件は、混合物を完全に加熱するために約15分間保持され、その後、圧力は急速に解放されて大部分の水を沸騰させる(フラッシュ蒸発を参照)。 その結果、粗炭化水素と固体鉱物が混在しています。 鉱物は除去され、炭化水素は二段目の反応器に送られ、そこで500℃に加熱され、さらに長い炭化水素鎖が分解される。 次いで、炭化水素は、従来の精油と同様のプロセスで、分別蒸留によって選別される。

CWT社は、原材料エネルギーの15〜20%が工場にエネルギーを供給するために使用されていると主張しています。 残りのエネルギーは変換された製品で利用可能です。 原料として七面鳥の小片を使用して、このプロセスは約85%の収率効率を有することが判明した。 換言すれば、プロセスの最終生成物に含まれるエネルギーは、プロセスへの投入量に含まれるエネルギーの85%である(最も顕著には供給原料のエネルギー含量だけでなく、ポンプおよび天然ガスまたは加熱用木質ガス)。 供給原料のエネルギー含有量がフリーであると考えられる場合(すなわち、他のプロセスからの廃棄物)、処理熱および電気で消費される15単位ごとに85単位のエネルギーが利用可能になる。 これは、「エネルギーに投資されたエネルギー」(EROEI)が(6.67)、他のエネルギー収穫プロセスに匹敵することを意味します。 廃プラスチックなどのより乾燥した炭素を多く含む原料では、より高い効率が可能です。

比較すると、エタノールとバイオディーゼルを農業生産源から生産するために使用される現行のプロセスは、供給源を生産するために使用されるエネルギーが説明される4.2の範囲のEROEIを有する(この場合、通常サトウキビ、トウモロコシ、大豆およびのような)。 これらのEROEI値は、供給原料を製造するためのエネルギーコストを含むため、これらのEROEI値は直接的には比較できないが、熱解重合プロセス(TDP)の上記EROEI計算はそうで​​はない。

プロセスは、それに供給されるほぼすべての材料を分解します。 TDPは、有害物質やプリオンなどの生物学的物質の破壊が困難であるなど、多くの種類の有害物質を効率的に分解します。

原料 オイル ガス 固体(主に炭素ベース) 水(スチーム)
ペットボトル 70% 16% 6% 8%
医療廃棄物 65% 10% 5% 20%
タイヤ 44% 10% 42% 4%
トルコの臓物 39% 6% 5% 50%
下水汚泥 26% 9% 8% 57%
紙(セルロース) 8% 48% 24% 20%

(注:紙/セルロースには少なくとも1%のミネラルが含まれており、おそらくカーボン固形分に分類されていた)。

カーセージ植物製品
Discover Magazineの04/02/2006に報告されたように、Carthage、Missouri工場は、270トンの七面鳥の酒場と20トンの豚のラードから作られた1日当たり500バレル(79m3 / d)の油を生産していました。 これは22.3%の石油収量を表しています。 Carthage工場はAPI 40+、高価値の原油を生産しています。 それは軽質重質ナフサ、灯油、重油留分を含み、重質燃料油、タール、アスファルテンまたはワックスは本質的に含まれていない。 それは、2番燃料油および4番燃料油を製造するためにさらに精製することができる。

D-5443 PONA法によるTDP-40オイル分類

出力材料 % 重量で
パラフィン 22%
オレフィン 14%
ナフテン 3%
芳香族 6%
C14 / C14 + 55%
100%

TDPプロセスによって製造される固定炭素固体は、フィルター、燃料源および肥料として複数の用途を有する。 それは、排水処理の活性炭、肥料、または石炭と同様の燃料として使用することができます。

利点
このプロセスは、化学結合が破壊され、毒の活動に必要な分子の形状が破壊されるため、有機毒を分解することができます。 プリオンを含む病原体を殺すことに非常に有効である可能性が高い。 また、重金属をイオン化または有機金属の形態から他の製品と安全に分離できる安定した酸化物に変換することにより、サンプルから重金属を安全に除去することができます。

同様のプロセスと並んで、水を最初に除去することなく有機材料のエネルギー含有量をリサイクルする方法です。 それは、乾燥の必要なしに物理的に水から分離する液体燃料を生成することができる。 エネルギーを回収する他の方法は、予備乾燥(例えば燃焼、熱分解)またはガス状生成物(例えば嫌気性消化)を必要とすることが多い。

潜在的な廃棄​​物の発生源
米国環境保護庁(US Environmental Protection Agency)は、2006年に251百万トンの都市固形廃棄物が発生したと推定しています。 この質量の多くは、石油の変換には不適切であると考えられています。

制限事項
このプロセスは、長い分子鎖をより短い分子鎖に分解するだけなので、二酸化炭素やメタンなどの小さな分子は、このプロセスを通じて油に変換することができません。 しかし、原料中のメタンは回収され、プロセスの不可欠な部分である水を加熱するために燃焼される。 さらに、ガスは発電機を駆動して電気を生成するガスタービンと、プロセスガスを処理するために熱交換器とを組み合わせた熱発電プラントで燃焼させることができる。 電気は、例えば送配電料金体系の下で電力網に売却することができる。 これにより、プロセスの全体的な効率も向上します(すでに原料エネルギーの85%を超えると言われています)。

別の選択肢は、バイオガスとしてメタン生成物を販売することである。 例えば、バイオガスは、天然ガスと同様に圧縮され、自動車に動力を供給するために使用される。

多くの農業廃棄物および動物性廃棄物は処理することができるが、これらの多くは既に肥料、動物飼料、場合によっては製紙工場の原料またはボイラー燃料として使用されている。 エネルギー作物は、熱解重合のための潜在的に大きな供給原料を構成する。

現在の状態
2004年のレポートによると、カルタージュ施設は同等の石油価格の10%下で製品を販売していたが、生産コストは低く、利益を生み出した。 当時、七面鳥の浪費を払っていました(下記参照)。

この工場では、七面鳥加工工場(七面鳥加工工場の全生産量)270トンと卵生産廃棄物20トンを毎日摂取しました。 2005年2月、Carthage工場は、1日当たり約400バレル(64 m3 / d)の原油を生産していました。

2005年4月、工場は喪失していると報告されました。 さらに2005年の報告書には、カルタゴ工場が計画段階から遭遇したいくつかの経済的挫折がまとめられている。 狂牛病に対する懸念が、七面鳥の廃棄物やその他の動物性製品の牛の飼料としての使用を妨げると考えられていたため、この廃棄物は無料となるだろう。 それが判明したので、米国では七面鳥廃棄物がまだ飼料として使用されている可能性があります。そのため、石油の費用に1バレル当たり15ドルから20ドルを追加して、1トンあたり30ドルから40ドルのコストで施設を購入する必要があります。 2005年1月現在の最終費用は$ 80 /バレル($ 1.90 / gal)でした。

上記の生産コストには、臭気の苦情に応じて2005年5月に追加された熱酸化装置およびスクラバーの運転コストも含まれています(下記参照)。

関連する米国の税法によれば、生産された原油は「バイオディーゼル」の定義に合致していなかったため、バイオ燃料の税額控除額は米国ガロン当たり約$ 1(26¢/ L)であった。 2005年のエネルギー政策法は、2005年末に有効となった再生可能ディーゼルクレジット1ドルに対して熱解重合を特別に加え、出力油のバレル当たり4ドルの利益を可能にしました。

会社の拡大
同社は、カリフォルニア、ペンシルバニア、バージニア州での展開を検討しており、現在、動物用製品を牛の飼料として使用できないヨーロッパでのプロジェクトを検討しています。 TDPはまた、米国における下水処理の代替手段とも考えられている。

臭いを嗅ぐ
カーセージのパイロットプラントは臭いの苦情のために一時的に閉鎖されました。 工場で発生した臭いはほとんど発見されなくなり、すぐに再開されました。 さらに、プラントは、強化された熱酸化装置を設置し、裁判所の命令で空気スクラバーシステムをアップグレードすることに合意した。植物は観光誘致の町の中心からわずか4ブロックに位置しているので、市長や市民との関係は緊張している。

同社の広報担当者によると、工場は稼動していない日でも苦情を受けている。 彼女はまた、いくつかの他の農業加工工場の近くにある施設では、その臭いが生産されていない可能性があると主張した。

2005年12月29日、同工場は、州知事から、MSNBCの報告によると、悪臭の疑いで再び閉鎖するよう命令された。

2006年3月7日現在、プラントは匂いの問題を解決したことを検証するために限られた試験を開始しています。

2006年8月24日現在、匂いの問題に関連する最後の訴訟は却下され、問題は修正されたと認められています。 しかし、11月下旬には、悪臭の上に別の苦情が提起されました。 この訴状は、2007年1月11日に罰金査定なしで閉鎖されました。

2009年2月現在のステータス
ディスカバー誌の2003年5月の記事によれば、「Appelはアラバマ州の鶏肉や肥料を処理し、ネバダ州の残留物とグリースを処理するための実証プラントの建設を支援する連邦補助金を揃えています。イタリアの豚肉とチーズの廃棄物で、2005年に解重合センターの第1世代が稼働するとしている。その技術が裏書主義者のように奇跡的であるかどうかは明らかだ」と述べた。

しかし、2008年8月現在、同社のウェブサイトに掲載されている唯一のプラントは、ミズーリ州カーセージの初期プラントです。

8月12日にIPOに適用される世界技術の変化。 2008年には、1億ドルを調達することを望んでいます。

珍しいオランダのオークションタイプのIPOが失敗したのは、おそらくCWTがわずかな収入で2,000万ドル近くを失ったからです。

再生可能エネルギーソリューションの親会社であるCWTは、第11章倒産を申請しました。 カルタゴ工場の計画についての詳細は発表されていない。

2013年4月、カルガリーに拠点を置くカナダの会社、Ridgeline Energy ServicesがCWTを買収しました。

同様の技術
プラズマコンバーターは、強力な電気アークを使用して、廃棄物からエネルギーを削減し、抽出します。
湿式酸化
水素化分解