バイオマスとは、生態学で特定の時点にお� ��てある空間に存在する生物の量を、物質の� ��として表現したものであるが、産業資源と� ��て使用した場合は、バイオマスとは、化石� ��源でない、現生生物体構成物質起源の産業� ��源を指している。本明細書では、「バイオ� ��ス」は、好適には生物由来の有機性資源で� ��石資源を除いたものを意味してよい。バイ� ��マスは、カーボンニユートラルとか、再生� ��能である資源を意味してもよい。バイオマ� ��としては、例えば、農林水産業からの畜産� ��棄物(家畜糞尿を含む)、木材(廃材を含む)、 藁、資源作物(トウモロコシ、サトウキビ、� �ネ、コムギなどの植物)及びその廃棄物(廃植 物油を含む)、食品産業から発生する廃棄物� �製紙パルプ製造工程で生ずる廃棄物(黒液を� ��む)などが包含される。本発明では、山林、 原野、ゴルフ場、果樹園や田畑等の農耕地、 淡水や海水域で発生する全てのバイオマス(1� ��産品に直接関わる穀物の茎、剪定枝等の未� ��用バイオマスのみならず、下草、落葉、雑� ��や、さらには休作期間中の栽培による光合� ��効率の高い植物等)、あるいは飲料、食品加 工工場等での搾りかすや抽出残渣等のバイオ マス廃棄物、生ごみ(プラスチック等有機物� �品を含有も可)等の可燃系都市ごみ等を燃料� ��する。
 本発明で使用される資源のバイオマス等の� ��機物は、高含水率のものであってよい。該� ��水率としては、0.950以上のもの、あるいは0. 925以上のもの、さらには0.9以上のものが挙げ られる。また、該含水率が、0.875以上のもの� ��あるいは0.85以上のもの、さらには0.833以上� ��ものであってもよい。本発明で使用可能な� ��イオマス等の有機物は、こうした含水率の� ��のを含有するものであってよく、その一部� ��るいは全部が当該含水率のものも包含され� ��よい。

 従来のSCWO操作は、主として高圧ポンプ等で 供給可能な液体、あるいは固液スラリーを対 象とし、SCWO反応器(SCWOリアクター)に処理物� �水(あるいは超臨界水、または水と必要に応� ��て補助燃料)と酸素あるいは空気を連続的に 導入する連続反応操作が一般的である。また 、有害物で汚染された固体の処理に関しては 、安全性のため可能な限り複雑な前処理を避 け、固体をSCWO反応器に回分的に仕込み、そ� �後、超臨界水と空気(あるいは酸素を)を流通 させ、燃焼させる半回分操作が提案されてい る。
 パワープラント用ボイラーとしては安定し� ��出力が得られる連続操作が望ましいが、多� ��な形態を有する固体を高圧系に供給する汎� ��的で、安価で、信頼性の高い装置、方法は� ��在しない。多くのバイオマスは既存のスラ� ��ーポンプが使用可能な程度に原料を微粉砕� ��ることは可能であるが、原料の形態に応じ� ��様な粉砕法が求められ、さらには繊維質の� ��いバイオマスの微粉砕は特殊な装置を必要� ��し、それに要するエネルギーもかなり大き� ��なる等、バイオマスの高圧系への連続供給� ��安価で、汎用的な方法は存在しない。

 本発明の技術では、次のような態様が提供� ��れている。
(1)超臨界水酸化反応を応用し、バイオマス等 の高含水率の有機物を燃料とし、超臨界水を 主成分とする高温・高圧燃焼流体を発生させ る燃焼ボイラー装置。
(2)(1)に記したバイオマス燃焼ボイラー装置の 操作を、下記で説明する「密閉・昇圧」、「 定圧・昇温」、「燃焼・昇温」、「定常燃焼 」、「排出・充填」等の操作要素に分け、安 定した熱出力を連続して発生し、かつ、高温 、高圧系へのバイオマス等の固体燃料の連続 供給を不要にし、供給容易な温度、圧力で回 分供給を可能にする装置構成と操作法。
(3) SCWO反応器から流出する全ての流体を合流 させ、その流出流体に含まれる未燃焼有機物 (主として熱水に溶解する有機物)を一括して� ��全燃焼させる燃焼室を反応器後段に設け、� ��温・高圧流体を連続的に発生させる装置と� ��の操作方法。
(4)後段の燃焼室の後流に熱交換器を設け、高 温・高圧スチームを発生させるときの装置構 成と操作法(図2、図3参照)。
(5)後段の燃焼室を意図した流路が構成される ように2つに分割し、任意の圧力が設定でき� �「燃焼・昇温」と「定常燃焼」操作の排出� �体が導入される第1燃焼室で必要に応じて未� ��焼物を燃焼させ、発生した高温・高圧流体� ��一部を「密閉・昇圧」、「定圧・昇温」操� ��に使用し、残りは第2燃焼室に導入される。 この流れと「定圧・昇圧」操作で排出される 自燃温度より低温の排出流体と第2燃焼室入� �口で混合し、自燃温度以上に昇温され、第2� ��焼室で未燃焼の燃料を完全燃焼させ、高温� ��圧流体として熱出力を得る装置と操作方法� ��
(6)(5)に述べた装置のスタートアップに必要な ヒーターの構成とその操作の方法。
(7)定常燃焼終了後のSCWO反応器内に残存する� �温・高圧流体に水を圧入し、降圧と同時に� �高温水として熱回収し、必要であれば二酸� �炭素等の燃焼ガスも回収する装置構成とそ� �操作方法。
(8)非定常の超臨界水酸化反応の操作性、熱効 率の向上を図るために熱伝導率の小さなセラ ミックス等で反応器内面に断熱層を施したSCW O反応器。

 典型的な態様では、本発明の有機物(例えば 、バイオマス)燃焼ボイラー(又は燃焼ボイラ� ��プラントあるいは燃焼ボイラーシステム)は 、2以上のSCWO反応器とその後段(下流)に燃焼� �を備えていることを特徴としている。該燃� �ボイラーは、少なくとも、SCWO反応器を、下� ��で説明する「密閉・昇圧」、「定圧・昇温� ��、「定圧・燃焼・昇温」又は「燃焼・昇温� ��、「定常燃焼」及び「排出・充填」からな� ��群から選択された操作に付すことができ、� ��ましくは、ある一つのSCWO反応器を、SCWO反� �器を、「密閉・昇圧」→「定圧・昇温」→� �定圧・燃焼・昇温」又は「燃焼・昇温」→� �定常燃焼」→「排出・充填」からなる操作� �イクルに付すことが可能となるように構成� �れていることを特徴とし、したがって、該� �作が可能なように該燃焼ボイラーに備える� �管系のバルブ(弁)及び流体送出ポンプが制御 可能なように構成されている。かくして、該 燃焼ボイラーは、酸素導入用配管系(バルブ� �配管(導管)、ポンプ、場合によっては流量計 、制御装置などを包含していてよい)、燃焼� �からSCWO反応器へ高温高圧水蒸気(超臨界水)� �導入するための配管系(バルブ、配管(導管)� �任意にポンプ、場合によっては流量計、制� �装置などを包含していてよい)、燃焼室及び/ 又はSCWO反応器へ冷却水を導入するための配� �系(バルブ、配管(導管)、ポンプ、場合によ� �ては流量計、制御装置などを包含していて� �い)、SCWO反応器からの流出流体を後段(下流)� ��燃焼室に導入するための配管系(バルブ、配 管(導管)、任意にポンプ、場合によっては流� ��計、制御装置などを包含していてよい)、SCW O反応器より熱回収用温水を排出するドレイ� �配管系(バルブ、配管(導管)、任意にポンプ� �場合によっては流量計、制御装置などを包� �していてよい)、任意に、スチームアキュム� ��ータ、タービン、タービンよりの温水を排� ��するドレイン配管系(バルブ、配管(導管)、� ��意にポンプ、場合によっては流量計、制御� ��置などを包含していてよい)、気液分離装置 、気液混合物を排出するドレイン配管系(バ� �ブ、配管(導管)、任意にポンプ、場合によっ ては流量計、制御装置などを包含していてよ い)などを備えていてよいし、ある場合には� �れが好ましい。
 該燃焼ボイラーは、例えば、少なくとも5つ のSCWO反応器を備えて、定常運転時には、各SC WO反応器が各操作状態をとるようにして操作� ��能とされている。別の態様では、反応器の� ��を減らすように操作される前提で、例えば� ��少なくとも4つのSCWO反応器を備えているも� �、あるいは、少なくとも3つのSCWO反応器を備 えているものとして構成されていてもよい。 該燃焼ボイラーにおいては、燃焼室を複数に 分割して設けたもの、例えば、第一燃焼室と 第二燃焼室とを有するものであってよいし、 及び/又は、スタートアップ時のための着脱� �能な加熱装置(ヒータ)が備えられているもの であってよい。当該ヒータは、複数であって もよく、燃焼室の一方に常設されたものであ ってもよい。ヒータを燃焼室に付設する場合 、例えば、SCWO反応器の後段の燃焼室で、SCWO� ��応器よりの未燃焼有機物を含有する熱水を� ��容する燃焼室にヒータを設ける構成とする� ��とは好適である。

 以下に具体例(すなわち、実施例)を掲げ、� �発明を具体的に説明するが、この例は単に� �発明の説明のため、その具体的な態様の参� �のために提供されているものである。これ� �の例示は本発明の特定の具体的な態様を説� �するためのものであるが、本願で開示する� �明の範囲を限定したり、あるいは制限する� �とを表すものではない。本発明では、本明� �書の思想に基づく様々な実施形態が可能で� �ることは理解されるべきである。
 全ての例は、他に詳細に記載するもの以外� ��、標準的な技術を用いて実施したもの、又� ��実施することのできるものであり、これは� ��業者にとり周知で慣用的なものである。
 本発明の一つの具体的な態様では、図2に示 すような複数のSCWO反応器を順次サイクル操� �することにより、大気圧下でのバイオマス� �料の回分供給を可能にし、かつ、連続的な� �力を安定に得るボイラープラントが提供さ� �る。
 図2は5つの操作に対応し、5つの反応器を使� ��した場合を示す(必ずしも各操作に一つ以上 の反応器を割り当てる必要は無く、連続する 操作を操作時間に応じて合併することも可能 であり、例えば「排出・充填」と「密閉・昇 圧」操作を「排出・充填・密閉・昇圧」操作 に、「定圧・燃焼・昇温」と「定常燃焼」操 作を「燃焼・昇温・定常燃焼」操作にして、 他の操作と同期させると反応器の数を減らす ことができる)。
 各反応器は全て等価の関係にあり、(A)で示� ��た酸素の導入ライン、(B)で示した高温高圧� ��蒸気(超臨界水)の導入ライン、(C)で示した� �却水の導入ライン、(D)で示した反応器から� �流出流体を後段の燃焼室に導くライン、及� �、(E)茶色で示した熱回収の温水を排出する� �レインラインが接続されている。
 それぞれの太線ラインは流通状態、細線ラ� ��ンは停止状態を示し、バルブは白抜きが開� ��灰色が閉の状態を示す。室温、大気圧下で� ��バイオマス燃料の充填が終了した図2の左端 の状態から各操作を順に説明する。

 先ず原料の充填直後に始まる操作を「密� ��・昇圧操作」と称し、図2に示したように超 臨界水導入ラインのバルブを開にし、それ以 外のバルブは閉じて、超臨界水を密閉状態で 圧入し、燃焼圧力まで昇圧する(図2では「密� ��昇圧」の反応器として示されている)。かく して、SCWO反応器を「密閉・昇圧」操作に付� �とは、SCWO反応器に超臨界水を密閉状態で圧� ��し、原料の充填されているSCWO反応器を燃焼 圧力まで昇圧することを意味する。本操作は 反応器内圧力が所定の燃焼圧力になった時点 で終了し、次の「定圧・昇温操作」に移行す る。

 この「定圧・昇温操作」は図2では左から 2番目の反応器の状態を示し、超臨界水導入� �インと反応器と燃焼室を結ぶラインのバル� �が開の状態で、高温の超臨界水を反応器内� �流通させることにより、定圧下で反応器内� �度を自燃温度まで上昇させる(図2では「定圧 昇温」の反応器として示されている)。この� �、超臨界水の流入量と昇温による熱膨張に� �じて熱水が流出する。大方の固体バイオマ� �は反応器出口に設けたメッシュにより反応� �内に保持されるが、一方、糖分は勿論のこ� �、常温の水に不溶なヘミセルロース、セル� �ースやリグニンで構成されるバイオマス成� �の多くが熱水に溶解する。そのため、バイ� �マスの種類によって量的関係は変化するが� �この操作中において溶解温度に到達したバ� �オマス成分は溶解流出する。かくして、SCWO� ��応器を「定圧・昇温」操作に付すとは、SCWO 反応器に超臨界水を流通せしめると共に、SCW O反応器内温度を定圧下に、充填された原料� �自燃温度にまで上昇せしめ、そして該SCWO反� ��器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有� ��物を含有する熱水を燃焼室へ流出せしめる� ��とを意味する。本「定圧・昇温操作」は自� ��温度に到達した時点で終了し、次の「定圧� ��燃焼・昇温操作」に移行する。

 この「定圧・燃焼・昇温操作」は図2では 左から3番目の反応器の状態を示し、超臨界� �の導入バルブを閉じ、酸素の供給バルブを� �いて、反応器内のバイオマスの燃焼を開始� �る(図2では「定圧燃焼昇温」の反応器として 示されている)。反応器内の温度は燃焼熱に� �り上昇し、本操作は所定の定常燃焼温度に� �達したら終了する。この操作の間、燃焼反� �と昇温による熱膨張に対応してバイオマス� �分を一部溶解した熱水と二酸化炭素が流出� �る。かくして、SCWO反応器を「定圧・燃焼・� ��温」操作に付すとは、SCWO反応器に酸素を供 給せしめると共に、SCWO反応器内の充填され� �原料を定圧下に燃焼せしめ、そして該SCWO反� ��器から超臨界水を主成分とし且つ未燃焼有� ��物を含有する熱水及び二酸化炭素を燃焼室� ��流出せしめることを意味する。本操作の終� ��後、「定常燃焼操作」に移行する。

 この「定常燃焼操作」は図2では右から2� �目の反応器の状態を示し、燃焼温度を維持� �るために、冷却水のライン(本図ではボイラ� ��水ラインと共通しているが、別に設けても� ��い)のバルブが作動する(図2では「定常燃焼� ��の反応器として示されている)。本操作では 燃焼反応に応じて、バイオマス成分の一部を 溶解した熱水と二酸化炭素が流出する。かく して、SCWO反応器を「定常燃焼」操作に付す� �は、SCWO反応器での充填された原料の燃焼が� ��持されるように、その燃焼温度を維持する� ��う、冷却水がSCWO反応器に供給され、そして 該SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ� �燃焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素� �燃焼室へ流出せしめることを意味する。本� �作は全てのバイオマスが燃焼した時点で終� �し、次の「排出・充填操作」に移行する。

 この「排出・充填操作」は図2では右端の反 応器の状態を示し、冷却水導入バルブ以外は 全て閉にし、冷却水を圧入して、回収温水温 度まで降温し、同時に降圧する(図2では「排� ��充填」の反応器として示されている)。所定 の温度に到達したら、冷却水バルブを閉じ、 ドレインバルブ(Eのライン)を開き、二酸化炭 素主成分とする気体圧力を利用し、温水と二 酸化炭素を排出・回収する。原料充填圧(通� �は大気圧)に到達したら、バイオマス原料を� ��料供給ノズル(図には示していないが祖粉砕 程度のバイオマスの供給を前提)から充填す� �。かくして、SCWO反応器を「排出・充填」操� ��に付すとは、SCWO反応器へ冷却水を圧入して 、降温降圧せしめ、所定の温度にした後、冷 却水の供給を停止して、温水と二酸化炭素を 排出・回収せしめ、次に、原料充填圧にした 後、有機物原料を供給し、SCWO反応器に充填� �ることを意味し、より具体的には、SCWO反応� ��へ冷却水を圧入して、回収温水温度まで降� ��し、同時に降圧せしめ、所定の温度にした� ��、冷却水の供給を停止して、温水と二酸化� ��素を排出・回収せしめ、次に、原料充填圧( 通常は大気圧)にした後、バイオマス原料を� �給し、SCWO反応器に充填することを意味する� ��
 本操作終了で1サイクル(5つの操作)が各反応 器で同時に終了し、全ての反応器は順に次の 操作に移行し、上記の操作を繰り返す。

 「定圧・昇温」、「定圧・燃焼・昇温」、� ��定常燃焼」の3つの操作の反応器からの流出 流体は図2に示したように合流したのち、バ� �オマス燃焼ボイラーにおいて導入酸素と混� �し、流出バイオマスを完全燃焼させる。定� �燃焼温度を超えないように必要に応じて冷� �水を導入する。
 図2では、高温・高圧の燃焼ガスと熱交換し 、超臨界水を発生し、パワープラントの動力 源とする。一部は「密閉・昇圧」と「定圧・ 昇温」操作の超臨界水として用いる。熱交換 された燃焼流体は気液分離器に導かれ、高圧 二酸化炭素と排水に分離される。

 次に、図2で示したボイラープラントのシミ ュレーションの1例を、図3に示す。
 5つの反応器を使用した場合、燃焼操作全体 に関して、「排出・充填操作」はオフライン として取り扱い、1つの反応器が残り4つの操� ��を終了する時間を1周期として取り扱う。
 図3は、1時間あたり絶乾基準でバイオマス10 0kgを、当該図中で示した計算条件で燃焼させ たときのシミュレーション結果である。各反 応器は含水率85%の原料166.7kg(絶乾基準バイオ� ��ス25kg)を「排出・充填操作」を除いて1時間� ��処理することになる。全体の操作で見れば1 /4周期ごとに反応器は異なるが、同じ操作が� ��り返されるので、15分で各操作が終了する� �うに操作速度を設定する。「密閉・昇圧」� �「定圧・昇温」の操作速度は超臨界水導入� �度で、「定圧・燃焼・昇温」と「定常燃焼� �操作の速度は酸素導入速度で制御され、本� �ミュレーションは超臨界水及び酸素導入量� �時間等分して行っている。
 「排出・充填」の操作速度は冷却水の導入� ��度で制御されるが、他の操作時間に同期さ� ��る必要は無く、15分以内に処理すればよい� �各操作の時間経過は省略するが、各操作、� �段のバイオマス燃焼ボイラーにおける混合� �ーンと燃焼ゾーン及び総括の物質収支とエ� �ルギー収支の1例を示す。25℃、大気圧を基� �にしたときの正味出力は474kWが得られる。

 以上は高温、高圧の燃焼ガスとの熱交換で� ��臨界水(高温・高圧スチーム)を発生させ、� �の超臨界水の一部を原料の昇温昇圧に使用� �るものであるが、本発明のボイラーでは本� �高温・高圧の燃焼排流体を直接発生させる� �め、その流体を直接膨張タービンの駆動に� �用するものであってよい。
 本構成によれば、熱交換によるエネルギー� ��失を省略でき、かつボイラーの心臓部であ� ��熱交換器を不要とすることから装置コスト� ��削減できる。
 また、上記で、「密閉・昇圧」、「定圧・� ��温」操作における超臨界水の使用に対して� ��、それ専用のボイラーを付帯設備として備� ��ることができる。

 本発明の別の態様では、図4に示したように 、SCWO反応器の後段の燃焼室を二つに分割し� �第1燃焼室は「定圧・燃焼・昇温」及び「定� ��燃焼」操作から排出される未燃バイオマス� ��燃焼させ、かつ、第2燃焼室の圧力よりも大 きく設定する。第1燃焼室の高温排流体は図4� ��示したように「密閉・昇圧」、「定圧・昇� ��」操作の駆動熱源として使用され、「定圧� ��昇温」操作から流出する流体は第2燃焼室に 導入される。
 SCWO反応器が「定圧・燃焼・昇温」及び「定 常燃焼」操作の場合、任意の圧力が設定でき るので、以下、その操作を「燃焼・昇温」及 び「定常燃焼」操作と称する。
 この自燃温度以下の排出流体は第2燃焼室入 り口で第2燃焼室からの高温流体と混合され� �自燃温度以上に昇温し、流出溶解バイオマ� �を第2燃焼室で完全燃焼させる。本プラント� ��は付帯的な熱源を定常運転時には必要とせ� ��、装置コストの削減が図られる。
 本プラント構成の好適な態様の一つでは、� ��タートアップに際して原料を自燃温度まで� ��温させる工夫を適用する。当該工夫は次の� ��うなものである。

 図5に示したようにスタートアップ時にヒー タH-1とH-2を使用する。
 I~Vの反応器に原料を充填する。Iの反応器に ヒータH-1を取り付け、必要であれば水を添加 し、水量を調節する。H-1のヒーターはカート リッジ式が望ましく、スタートアップ操作時 のみ使用し、次の原料充填時に取り外す。第 1燃焼室にも適量水を添加する。H-1と、第1燃� ��室に取り付けられているヒータH-2をオンに� ��、反応器Iの「密閉・昇圧操作」を開始する 。この際、反応器Iと第1燃焼室間はバルブを� ��にし、導通状態にある。所定圧力に到達し� ��ら、図6のOP-2に移行する。
 OP-2は反応器Iが「定圧・昇温操作」状態で� �の排出流体は第1燃焼室に導入される。反応� ��IIは「密閉・昇圧操作」の状態である。こ� �ら操作の駆動熱源はH-1,H-2のヒータである。O P-2は反応器Iが自燃温度、反応器IIが所定圧力 に到達したら終了し、OP-3に移行する。

 OP-3では反応器Iは「燃焼・昇温操作」に移� �し、反応器IIは「定圧・昇温操作」、反応器 IIIは「密閉・昇圧操作」に移行する。SCWO反� �器を「燃焼・昇温」操作に付すとは、SCWO反� ��器に酸素を供給せしめると共に、SCWO反応器 内の充填された原料を燃焼せしめ、そして該 SCWO反応器から超臨界水を主成分とし且つ未� �焼有機物を含有する熱水及び二酸化炭素を� �1燃焼室へ流出せしめることを意味する。こ� ��らの操作の駆動は反応器Iと第1燃焼室での� �焼熱で、H-1、H-2はこれ以降原則的には使用� �ないが、H-2は必要に応じて使用する。反応� �IIから排出される流体は第2燃焼室に送られ� �が、この時点では第2燃焼室は「密閉・昇圧� ��作」に対応している。反応器Iが定常燃焼温 度に到達し、反応器II、IIIが所定条件に到達� ��たら、OP-4に移行する。
 この時点で全ての操作が出現するので、第1 燃焼室と第2燃焼室を繋ぐラインのバルブを� �にし、第2燃焼室も自燃温度以上昇温し、燃� ��操作が開始され、プラントの自立運転が始� ��る。反応器Iは、ラインから切り離され、冷 却水を導入して、温水と二酸化炭素を回収し 、原料を充填する「排出・充填操作」を経て 、開始時の状態に復元する。この際、H-1ヒー タは取り外す。
 以降、本操作を繰り返すことにより、周期� ��な定常操作に移行する。

 本明細書中、「酸素」としては、当該分野� ��酸化剤として知られているものから選択さ� ��たもの、あるいは、酸素源として知られた� ��のから選択されたものであってよく、例え� ��、オゾン、液体又は気体の酸素、過酸化水� ��、空気、圧縮空気、酸素を富化された空気� ��それらの混合物などが挙げられ、好ましく� ��、空気、圧縮空気、酸素を富化された空気� ��それらの混合物などが挙げられる。
 以上本発明の装置、及び操作法を述べ、本� ��明がSCWO反応の採用により高含水率のバイオ マスの燃料化を達成し、回分的な原料供給の 採用により、種々の形態、形状のバイオマス の原料化を行い、複数の反応器を各操作に対 応して用いることにより、安定した連続的な 出力を可能にし、しかも装置構造を出きるだ け簡略化し、小規模分散型バイオマス燃焼ボ イラーの不可欠な装置コストの削減に資する ことを示した。