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熱分解油（バイオ原油またはバイオオイルとも呼ばれる）は、工業用途は少ないものの、石油の代替品として研究されている合成燃料です。これは、乾燥バイオマスを酸素のない状態で反応器内で約500 ℃（900 °F）の温度で加熱し、その後冷却、水相からの分離、その他のプロセスを経て得られます。熱分解油はタールの一種であり、通常、純粋な炭化水素とみなすには酸素含有量が高すぎます。この高酸素含有量により、非揮発性、腐食性、化石燃料との部分的な混和性、熱不安定性、および空気にさらされると重合する傾向が生じます。 [ 1 ]そのため、石油製品とは明らかに異なります。バイオオイルから酸素を除去したり、藻類バイオオイルから窒素を除去したりすることは、アップグレードとして知られています。[ 2 ]
熱分解は、酸素のない状態で高温下で有機物を分解し、油やその他の成分を生成する確立された技術である。第二世代バイオ燃料の用途では、森林や農業残渣、廃木材、庭の廃棄物、エネルギー作物などを原料として利用できる。
合成ガスは、歴史的には「製造ガス」または単に「ガス」と呼ばれ、通常は石炭、場合によっては木材などの可燃性物質を酸素の少ない雰囲気のレトルトまたは密閉オーブンで加熱することによりガス化して作られました。 [ 4 ]木材原料から熱分解油を製造する現代の文脈では、プロセス中に生成される合成ガスは、主に熱分解反応器に必要な熱を供給するための燃料として使用されます。
木材が270 ℃（518 °F）以上に加熱されると、炭化と呼ばれる分解プロセスが始まります。酸素がない場合、最終生成物は木炭です。十分な酸素が存在する場合、木材は約400～500 ℃（752～932 °F）の温度に達すると燃焼し、木灰が残ります。木材を空気から遮断して加熱すると、まず水分が蒸発し、これが完了するまで木材の温度は約100～110 ℃（212～230 °F）に保たれます。木材が乾燥すると温度が上昇し、約270 ℃（518 °F）で自然に分解して熱を発生します。これは、木炭の燃焼で起こるよく知られた発熱反応です。この段階で炭化副産物の発生が始まります。これらの物質は温度上昇に伴って徐々に放出され、約450 ℃（842 °F）で発生が完了する。
固体残渣である木炭は主に炭素（約70％）で、残りはタール状物質であり、温度を約600 ℃以上に上げてバイオ炭を生成することによってのみ除去または完全に分解できます。バイオ炭は、高炭素で微細な粒子の残渣であり、今日では、酸素のない状態でバイオマスを直接熱分解して燃焼を防ぎ、固体（バイオ炭）、液体（熱分解油（バイオオイル/熱分解油）、ガス（合成ガス）製品を得る最新の熱分解プロセスによって生産されます。熱分解からの特定の収率は、温度などのプロセス条件に依存し、エネルギーまたはバイオ炭のいずれかを生成するように最適化できます。[ 5 ] 400～500 ℃（752～932 °F）の温度ではより多くの炭が生成されますが、700 ℃（1,292 °F）を超える温度では液体およびガス燃料成分の収率に有利です。[ 6 ]熱分解は高温でより速く起こり、通常は数時間ではなく数秒で完了します。高温熱分解はガス化とも呼ばれ、主に合成ガスを生成します。[ 6 ]一般的な収率は、バイオオイル60%、バイオ炭20%、合成ガス20%です。これに対し、低速熱分解では、炭が大幅に多く生成されます（約50%）。一般的な入力の場合、「高速」熱分解器を稼働させるのに必要なエネルギーは、出力されるエネルギーの約15%です。[ 7 ]最新の熱分解プラントでは、熱分解プロセスで生成された合成ガスを使用して、稼働に必要なエネルギーの3～9倍のエネルギーを出力できます。
藻類は高温（約500 ℃）と通常の気圧にさらされることがある。その結果、油や窒素、リン、カリウムなどの栄養素が生成される。[ 8 ]
リグノセルロース系バイオマスの熱分解に関する論文は多数ある。しかし、熱分解による藻類バイオオイル生産に関する報告は非常に少ない。Miaoら（2004b）は、Chlorella protothecoidesとMicrocystis areuginosaを500℃で急速熱分解し、それぞれ18%と24%のバイオオイル収率を得た。このバイオオイルは、木材バイオオイルよりも炭素と窒素の含有量が高く、酸素の含有量が低かった。Chlorella protothecoidesを従属栄養的に培養すると、バイオオイル収率は57.9%に増加し、発熱量は41 MJ/kgであった（Miaoら、2004a）。近年、微細藻類が第3世代バイオ燃料として注目される研究テーマとなり、藻類バイオ燃料生産の有望な変換方法として熱分解への関心が高まっている。Panら(2010)は、HZSM-5触媒の有無にかかわらずNannochloropsis sp.残渣の緩慢熱分解を調査し、触媒熱分解から芳香族炭化水素を豊富に含むバイオオイルを得た。藻類熱分解液は2つの相に分離し、上層はバイオオイルと呼ばれる（Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a）。藻類バイオオイルの高位発熱量（HHV）は31～36 MJ/kgの範囲であり、一般的にリグノセルロース原料のそれよりも高い。熱分解バイオオイルは、平均分子量の低い化合物で構成され、水熱液化によって生成されたバイオオイルよりも低沸点化合物を多く含んでいる。これらの特性はイリノイシェールオイルの特性と類似しており（Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012）、熱分解バイオオイルが石油の代替に適している可能性を示唆している。さらに、微細藻類の高タンパク質含有量によりバイオオイルの窒素含有量が高くなり、既存の10の原油精製所で共処理すると、燃焼時に望ましくないNOx排出や酸性触媒の不活性化を引き起こします。藻類バイオオイルは、リグノセルロース系バイオマスから生産されるものよりも多くの点で優れた特性を持っています。例えば、藻類バイオオイルは発熱量が高く、酸素含有量が低く、pH値が7以上です。しかし、ドロップイン燃料として使用するには、バイオオイル中の窒素と酸素を除去するためのアップグレードがまだ必要です。[ 9 ]
水熱液化（HTL）は、湿ったバイオマスを中程度の温度と高圧（350 °C（662 °F）、3,000 ポンド/平方インチ（21,000 kPa）） [ 11 ]の下で油に変換する熱解重合プロセスです[ 10 ]。この油はバイオオイルまたはバイオ原油と呼ばれることもあります。原油のような油（またはバイオオイル）は、低位発熱量が 33.8～36.9 MJ/kg と高いエネルギー密度を持ち、酸素と再生可能な化学物質が 5～20 wt% 含まれています。[ 12 ] [ 13 ]
HTLプロセスは、湿ったバイオマスを処理して、熱分解油の約2倍のエネルギー密度を持つバイオオイルを生成できる点で、熱分解とは異なります。熱分解はHTLに関連するプロセスですが、収率を上げるためにバイオマスを処理して乾燥させる必要があります。[ 14 ]熱分解に水が存在すると、有機物の蒸発熱が大幅に増加し、バイオマスを分解するために必要なエネルギーが増加します。一般的な熱分解プロセスでは、バイオマスをバイオオイルに適切に変換するために、水分含有量が40%未満である必要があります。これは、水分含有量が80～85%にもなる熱帯草などの湿ったバイオマスに対してかなりの前処理を必要とし、水分含有量が90%を超えることもある水生種の場合はさらに処理が必要になります。結果として得られるバイオオイルの特性は、亜臨界水反応条件下で、温度、反応時間、藻類の種類、藻類の濃度、反応雰囲気、触媒によって影響を受けます。
バイオオイルは通常、石油、石炭油、またはコールタール由来の原油の代替として製油所の原料として適したものにするために、かなりの追加処理が必要となる。
タールは、さまざまな有機物から乾留によって得られる、炭化水素と遊離炭素の黒色の混合物です。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]タールは、石炭、木材、石油、泥炭から製造できます。[ 17 ]
木タールクレオソートは、無色からやや黄色がかった油状の液体で、煙のような臭いがあり、燃焼すると煤の混じった炎を出し、焦げた味がします。水に浮かず、比重は1.037～1.087で、非常に低い温度でも流動性を保ち、沸点は205～225 ℃。透明な状態が最も純粋な状態です。水に溶解するには、ベースとなるクレオソートの最大200倍の水が必要です。クレオソートは天然フェノールの混合物で、主にグアヤコールとクレオソール（4-メチルグアヤコール）が油の50%を占め、次にクレゾールとキシレノールが多く、残りはモノフェノールとポリフェノールの混合物です。
ピッチとは、粘弾性ポリマーの総称です。ピッチは天然のものもあれば、石油、コールタール[ 18 ] 、植物から製造されたものもあります。
黒液とトール油は、木材パルプ製造の副産物である粘性の高い液体である。
ゴム油は、使用済みタイヤをリサイクルするための熱分解法によって得られる生成物である。
バイオ燃料は、合成ガスなどの中間生成物から合成されるが、その方法は従来原料、第一世代バイオ燃料、第二世代バイオ燃料のいずれのプロセスにおいても同一である。違いは、最終的な利用目的ではなく、中間生成物の製造に関わる技術にある。
バイオリファイナリーとは、バイオマスから燃料、電力、熱、高付加価値化学物質を生産するために、バイオマス変換プロセスと設備を統合した施設である。バイオリファイナリーの概念は、石油から複数の燃料や製品を生産する今日の石油精製所に類似している。 [ 19 ]
バイオオイルは、炭素隔離のための最近の有力な技術である。トウモロコシの茎は熱分解によってバイオオイルに変換され、その後地下に注入される。[ 25 ]
現在、バイオオイルの工業用途は限られています。報告されている用途としては、熱源として酸化亜鉛の製造があります。 [ 26 ]この用途では、バイオオイルはバイオ由来の熱源として重油の代替として使用されています。 [ 27 ]バイオオイルは、運転結果にほとんど変化なく、キルンバーナーで直接代替として使用されています。この燃料は水分と酸素の含有量が高いため、同じ熱容量で体積流量が大きくなります。
固体バイオマス燃料を気体燃料に変換する主な方法は 3 つあります。(a) 空気ガス化 … (b) 酸素ガス化 … (c) 熱分解。バイオマスを空気、酸素、またはその他のガスがない状態で加熱します。このプロセスでは、より高いエネルギーのガス (600 BTU/scf 以上) が生成されます。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）研究者によると、このプロセスは非常に簡単に実行できる。アダムス氏らは松の木片を使用し、熱分解、つまり酸素のない状態で加熱して分解させ、木炭とガスを生成する。ガスは急速に凝縮され、バイオオイルに分類される液体が得られる。「バイオオイルは酸素と水が多すぎるため、原油燃料として使用することはできません。水に溶けるからです。そのため、エンジンには使用されていません」とアダムス氏は述べた。ディーゼルエンジンで使用するには、バイオオイルは動物性脂肪または植物油から製造される代替ディーゼル燃料であるバイオディーゼルに溶解する必要がある。水分と酸素の含有量が多いと、溶解が妨げられる。アダムス氏のチームが化学処理を行った後、ほとんどの水分が除去され、バイオオイルはバイオディーゼルと混合され、従来のディーゼルエンジンで試験された。