KR100711659B1 - 셀룰로오스성 폐기물로부터 균질의 셀룰로오스성 제품을생성하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물을 포함하는 다양한 펄프 및 종이 소재를 처리하여 균질의 셀룰로오스성 제품을 생성하는 방법으로서, 다양한 펄프 및 종이 소재를 용기 내로 투입하는 단계, 상기 소재를 교반하면서 상기 용기 내에 증기를 주입하는 단계, 상기 소재를 교반하면서 내부가스를 퍼징시키는 단계, 압력이 유지되도록 상기 용기를 밀폐하는 단계, 상기 소재의 물리화학적 구조를 팽창시키기에 충분한 온도와 압력으로 소재를 증기로 포화시키는 단계, 상기 소재의 물리화학적 팽창을 더욱 촉진하기 위하여 상기 용기를 감압하는 단계, 상기 소재를 교반하면서 처리된 소재를 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

이와는 달리, 상기 방법은 약 140℃ 내지 약 160℃의 온도 범위와, 275kPa 내지 450 kPa의 압력 범위에서는, 가스를 퍼징시키지 않고 수행될 수 있다. 임의의 퍼징 단계, 감압 단계, 및 임의의 배기 단계 중에, 휘발성 유기 화합물과 그 외의 대기 오염 물질은 포획하여 처리할 수 있다. 상기 온도, 압력 및 처리시간으로 생물학적 유해 물질과 의료 폐기물을 충분히 정화하여 살균할 수 있다.

셀룰로오스, 정화, 살균

Description

셀룰로오스성 폐기물로부터 균질의 셀룰로오스성 제품을 생성하기 위한 방법{A METHOD FOR PREPARING A HOMOGENOUS CELLULOSIC PRODUCT FROM CELLULOSIC WASTE MATERIALS}

본 발명은 재생 방법, 더욱 상세하게는 다양한 펄프 및 종이 소재를 여러 가지로 유익한 용도를 갖는 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형시키는 재생 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 다양한 펄프 및 종이 소재, 그리고 도시의 고체 쓰레기 (MSW)와 생물학적 위험 폐기물이 혼재되어 있는 폐기물 중에 포함되어 있는 플라스틱 등의 성분의 양을 감소시키는 것에 관한 것으로, 이는 균질의 셀룰로오스성 제품이나 플라스틱을 포함한, 상기와 같은 폐기물 중에 함유되어 있는 다양한 성분의 분리, 회수 및 재생을 용이하게 한다.

본 발명은 또한 환경적으로 안전한 방법으로 재생 및(또는) 폐기에 적당한 제품을 생산하기 위하여, 다양한 펄프 및 종이 소재와 플라스틱을 포함하고 있는, 미생물에 오염된 폐기물, 예를 들어 생물학적으로 위험한 실험실 및 의료 폐기물 등의 정화 및 살균에 관한 것이다.

상기한 모든 것은 휘발성 유기 화합물(VOC) 등을 환경적으로 무해한 것으로 만들기 위하여, 처리된 소재 안에 포함되어 있는 대기 오염물질의 제거, 포착(捕 捉) 및 처리에 관한 것이다.

화석 탄소 화합물을 포함한 소재는 현재 급속하게 소비되고 있는 유한한 천연 자원이다. 세계는 또한 에너지와 석유 화학 제품의 생산을 위하여 이와 같은 화석 연료 소재, 특히 석유의 고갈과 관련된 환경적으로 중요한 수많은 문제들에 직면하고 있다. 석유의 추출, 수송, 정제 및 제조 작업과 관련된 다양한 고체, 액체 및 휘발성 유기체 화합물이 환경 속으로 계속 방출되고 있다. 그러나, 화석연료의 연소중 이산화탄소가 대기로 방출되는 것이 무엇보다도 중요한 환경 문제이다.

화석 연료의 사용으로 막대한 양의 이산화탄소와 유기 화학 물질이 대기 중에 부가되고 있다.

상기 이산화탄소는, 예전에는 생태계를 통해 효과적으로 제거할 수 있었던 화석 바이오매스(biomass)로부터 방출되었지만, 현재는 생성되고 있는 이산화탄소를 모두 소비하기에는 지구상에 식물계가 충분하지 않다. 따라서, 대기 중 이산화탄소의 비율이 증대되고 있다.

"온실 효과 가스"로 알려져 있는 이산화탄소와 유기 화학 물질 (예를 들면 VOC's)은 고에너지로 단파장을 가진 태양 광선이 대기를 통과하여 지표를 뜨겁게 하는 것을 가능하게 하지만, 이들 가스는 또한 지구에 흡수된 열을 확산시키기 위한 저에너지로 장파장을 가진 방사선의 방출을 방해한다. 따라서, 열은 지구 대기중에 갇히게 되는데, 이것이 "온실 효과"로 알려져 있다. 연소 연료와 화학 소재로서 화석 탄소 소재의 사용을 감소 또는 배제함으로써 생태계를 변질(變質)시키고 있는 현재의 경향은 정지되고 가능하게는 역전될 것이다. 화석연료의 대체물로서 재생 가능한 바이오매스를 이용하는 것은 대단히 힘든 작업이지만, 특히 현재와 같은 경향이 장기간 지속되었을 때의 그 영향력을 고려한다면, 충분히 그 수고에 버금가는, 환경적인 면에서 볼 때 매우 유익한 일이 될 것이라고 본다.

현재 지구가 직면하고 있는 또 하나의 환경 문제는 도시 쓰레기와 생물학적 위험 폐기물을 포함한 폐기물의 발생과 처리이다. 대량의 도시 쓰레기를 생산적이고 효율적으로 재생할 수 있다면, 사용되지 않고 폐기되는 현재의 폐기물의 양을 크게 줄일 수 있을 것이다. 도시 쓰레기 중에 포함되어 있는 다양한 펄프 및 종이 소재는 또한 화석 연료와 화학 소재를 대체할 수 있는 재생가능한 상당한 양의 바이오매스를 제공할 것이다. 폐기물의 양을 줄이고 생물학적 위험 폐기물을 정화하고 살균하는 능력은 이와 같은 소재를 환경적으로 안전하게 재생하고(하거나) 폐기 처리를 가능하게 한다.

도시 쓰레기는 사무실 폐기물, 비즈니스 폐기물, 연구기관의 폐기물, 산업 폐기물, 일반 가정 폐기물, 다양한 펄프 및 종이 소재, 잉크, 접착제, 플라스틱제품, 유리, 금속, 식품 쓰레기 등의 셀룰로오스성 소재와 비셀룰로오스성 소재를 포함하고 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 셀룰로오스성 성분 (예를 들면, 다양한 펄프 및 종이 소재)은 중량면에서, 특히 용적면에서 도시 쓰레기의 상당히 큰 비율을 차지하고 있다. 따라서, 폐기되는 도시 쓰레기의 중량과 용적을 모두 줄여, 셀룰로오스성 성분을 재생하여 이용할 특별한 필요성이 있다.

이른바 자원 회수 설비를 사용하여 도시 쓰레기로부터 에너지를 만들어 내기 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 증기 및(또는) 전기를 생산하기 위한, 이러한 종류의 설비 중 일부는 분별 수집의 가능성이라는 예외는 있지만, 잠재적으로 재활용할 수 있는 소재를 사전에 분리하지 않고 도시 쓰레기를 소각하고 있다. 이들 설비는 "일괄 연소"(mass-burn) 소각장치로 알려져 있는데, 이것은 부지를 확보하고 허가를 취득하여 건설하고 운전하는 데에 있어서 매우 고가인 설비로, 유해 유독한 가스와 공기 미립자를 다량 발생시킬 뿐만 아니라, 유해 유독한 대량의 플라이 애쉬나 잔재를 생성하고 "전용 매립지"라고 불리는 특별하게 설계되어 감시된 장소가 아니면 매립할 수가 없다.

다른 종류의 설비로는, 도시 쓰레기를 작게 파쇄하고, 비연소물을 제거한 후, 에너지 회수를 위하여 도시 쓰레기를 소각하는 설비가 있는데, 이것은 "쓰레기 파생 연료" ("RDF") 소각장치로 알려져 있다. RDF 소각장치는 유해 유독한 대기오염 물질이나 유해 유독한 플라이 애쉬의 방출량이 일괄 소각장치 보다 적다.

또 다른 설비로는, 도시 쓰레기로부터 재생 소재를 분리하기 위하여, 수공이나 기계 장치를 함께 사용하는 것으로, 이는 도시 쓰레기 소재 회수 설비 "불결 ( dirty) MRF"로 알려져 있다.

불결 MRF로부터 나온 재생 불가물은 통상적으로 작게 절단되어, 에너지 회수를 위하여 그 장소에서 또는 다른 장소에서 소각된다. 불결 MRF로부터 나온 소각 장치용 연료는 대기 오염물질과 재의 생성량이 일괄 소각 또는 RDF 소각 설비에서 보다 적다.

에너지 생산을 위하여 도시 쓰레기의 매립장소를 밀폐하여 가스를 회수하기 위한 시도가 일부 있었다. 매립지의 가스를 회수하여 사용함으로써 대기중에 달리 방출되는 온실효과 가스, 특히 일반가정으로부터 나오는 휘발성 유기물질이나 도시 쓰레기에 포함된 공업용 화학 물질, 그리고 매립지에 매장된 도시 쓰레기 중에서 부패성 물질의 혐기적 분해반응으로부터의 메탄과 이산화탄소의 방출을 감소시킬 수 있다.

화학적으로 변성되지 않은 바이오매스 (예를 들면, 목재, 정원수 폐기물, 및 음식 쓰레기) 및 심지어는 화학적으로 변성된 바이오매스 (예를 들면, 다양한 펄프 및 종이 소재, 가죽, 고무, 및 그 외의 식물계 중합물)의 소각으로부터 생성된 이산화탄소는 화석화 바이오매스의 경우와는 달리, 대기 중 이산화탄소 농도의 순-증가(net increase)를 야기시키지 않는다.

생육 식물이 자연 부패 또는 연소에 의해 생성된 대기 중의 이산화탄소를 필수적으로 재순환시키기에 충분한 양의 이산화탄소를 새로운 바이오매스에 고착시키기 때문에 최근의 바이오매스는 화석 바이오매스와는 반대로 재생 가능하다. 상기 지적한 바와 같이, 화석 바이오매스 (예를 들면, 석유, 석탄 등)의 연소는 대기 중의 이산화탄소 농도를 순-증가시킨다.

직접적인 연소를 통한 에너지 외에, 고체, 액체 및 기체 연료, 화학 물질, 비료 및, 그 외의 유익한 제품, 직접 연소에 의한 에너지, 뿐만 아니라 복합 소재나 굴삭용 유체 중으로의 첨가를 위하여, 도시 쓰레기 중의 다양한 펄프 및 종이 소재 등을 포함하는, 재생 가능한 식물계 바이오매스를 이용함으로써, 화석화 바이오매스 소재에 대한 의존과, 상기 서술한 원치 않는 2차적인 효과를 감소시키거나 제거할 수 있으며, 동시에 미사용 폐기물의 양을 줄일 수 있다.

추가로 개질시키지 않고 고체 연료로서 이용하는 경우를 제외하고, 화석 탄소 소재의 대체물로서 재생 가능한 식물계 바이오매스를 완전히 이용할 수 있도록 하기 위하여, 식물계 바이오매스, 특히 목재계 바이오매스를 목적하는 최종 제품으로 전환시키는 다양한 화학 물질, 효소 및(또는) 미생물에 용이하게 반응하는 형태로 변환시켜야 한다. 자연적인 생분해반응이 식물계 바이오매스를 이의 기본적인 대체기(代替基)로 분해시키는, 환경면에서는 안전하고 훌륭한 방법이지만, 공정 시간이 너무 더뎌 공업화 사회에 있어서 원자재에 대한 수요를 만족시킬 수 없다. 따라서, 식물계 바이오매스가 효과적으로 사용되기 위해서는 급속하게 분해되어야만 한다.

목재계 바이오매스는 딱딱한 물질로, 화학 물질, 효소 및 미생물이 이의 복합분자속으로 들어갈 수 있는 접점이 거의 없다. 제지산업에서는 이미 기계적으로 크기를 축소하여 화학적으로 처리함으로써, 수목재계 바이오매스의 구조를 적어도 부분적으로 파괴하는 다양한 방법을 가지고 있지만, 본 업계에서 목적하는 최종 제품은 인장력과 강도가 있는 섬유질적 견고성을 보유하여야 한다. 이들 다양한 펄프 및 종이 제품을 화이버보드 (fiberboard), 콘크리트 집성재, 플라스틱 건재, 굴삭용 유체중에 포함시키거나, 액상 및 가스상의 연료, 화학 물질, 비료 등과 같은 기타 유용한 제품으로 복합 분자를 최종 분해하기 위하여, 적합한 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형시키기 위한 추가적인 처리가 필요하다.

식물계 바이오매스의 주요하고 가장 풍부한 유기물의 종류는 리그노셀룰로오 스로 불리는 구조 성분이다. 이 물질은 대부분 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌으로 구성되어 있다. 이들 복합 분자는 연료, 화학 물질, 비료, 복합재, 굴삭용 유체, 및 에너지의 생산을 위한 화석 탄소 소재를 궁극적으로 대체할 수 있는 재생 가능한 에너지와 탄소성 물질이 풍부한 자원이다.

과거에도 시도된 것으로, 잡다한 혼합 폐기물로부터 다양한 펄프 및 종이 소재를 분리하여 이를 여러 용도로 분해하기 위한 공정이 몇 가지 개발되었다. 이전의 방법은 단순히 처리 물질의 입자 크기를 축소시키기 위하여 소재를 주로 물리적으로 절단파쇄하는 것이었다. "솜털 (fluff)"로 불리는 상당히 균일한 입도의 제품을 생산하기 위하여, 이들 소재를 고속 해머타입 밀 또는 저속연마기(grinder)에 투입하는, 이른바 "건식"방법이 여러 가지 있다. 이 솜털은 통상적으로 도시 쓰레기와 같은 잡다한 혼합 폐기물로부터 제조되며, 유리, 모래, 철합금과 같은 조밀한 소재, 및 잘게 파쇄하는 공정 중 입도가 축소되는 고습분(高濕分) 오염물 등을 분리한 후, 건조된 "솜털"은 에너지를 생산하기 위한 직접 연소용 RDF으로서 사용한다.

또 다른 방법인 이른바 "습식" 방법은 대용량의 물에 현탁된 소재를 파쇄시키기 위하여 대형 주방용 블렌더와 같은 하이드로펄퍼 (hydropulper)라고 불리는 장치를 이용한다. 이것은 이와 같은 소재의 입자 크기를 축소시키기 위하여 제지업계에서 일반적으로 사용되고 있는 방법으로, 처리된 소재는 새로운 펄프나 종이 제조에 재순환시킬 수 있다.

이들 방법은 매우 균일한 크기의 펄프와 종이 제품을 생산하지만, 이들 방법 중 어느 것도 펄프나 종이 소재의 기본적인 리그노셀룰로오스 성분의 물리화학적 구조를, 복합 소재나 굴삭용 유체에 첨가하거나 섬유상의 소재를 포함하고 중합성 분자를 더욱 효율적이고 완벽하게 분해시키기 위하여, 화학약품, 효소 또는 미생물을 개입시키는 것이 용이하도록 변환시키는 것을 의도하지 않으며 실제로 수행하지도 않는다.

실험실 및 의료시설에서 나온 폐기물과 같은 생물학적 위험 폐기물은 식품, 플라스틱 제품, 유리, 직물, 고무, 접착제, 의약품, 화학 물질, 금속 파편, 실험용 동물의 잔해 및(또는) 동물 또는 인간의 근육질, 체액, 및 배설물을 포함하는, 여러 가지 다른 성분과 혼합된, 상당한 양의 다양한 펄프 및 종이 소재를 함유한다. 이와 같은 혼합된 폐기물은 과거에는 시설 현장에서 소각되었다. 그러나 작은 규모의 현장형 의료 폐기물 소각장치는 엄격한 환경 규제를 받게 되어 많은 설비가 폐쇄되기에 이르렀다. 이들 생물학적위험 폐기물의 여러 가지 성분은 현재 이전과는 다른 방법에 의해 폐기용으로 분별된다. 폐기물은 일반적으로 특별하게 표시된 플라스틱제 상자 또는 자루 안에 수집되어 저장된다. 그 후 폐기물은 폐기용 원격 처리장으로 운반하기 위하여, 특별 인가된 운송 업자에 의해 수집된다. 부도덕한 운송업자나 폐기장의 운전원은 때로는 지질과 수질 특성 모두에 오염을 초래하는 폐기물을 불법으로 투기하기도 했다.

대규모의 현장외 (off-site) 의료 폐기물 소각로가 또한 엄격한 환경 및 허용 법규하에 있기 때문에, 주요한 처리 방법은 위생 관리된 매립지에 투기되기 전에 살균하도록 하는 것이었다. 이와 같은 살균은 일반적으로 대규모 오토클레이브 에서 수행되는데 여기서 폐기물 용기를 살균에 필요한 최소의 조건 하에서, 즉 교반없이 15분간의 포화 증기, (즉 121℃로 103.5kPa의 압력하)로 수행한다. 이러한 방식은 법규제 당국에 의해 적정하다고 인정되고는 있지만, 더욱 강력한 증기 처리 (예를 들면, 균일한 열전달을 달성하기 위하여, 좀 더 고압 고온에서 폐기물을 교반시키면서, 보다 장 시간동안)가 일반적인 위생 매립지에 투기하기 전의 적절한 처리로서, 보다 높은 신뢰도를 가지게 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 다양한 펄프 및 종이 소재를 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형시키기 위한 개선된 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 펄프 및 종이 소재 및 도시 쓰레기나 생물학적위험 폐기물 등의 혼합된 폐기물 속에 함유되어 있는 플라스틱 등 다른 성분의 용량을 감소시키는 공법을 제공하는 것으로, 이 공법은 균질의 셀룰로오스성 제품과 플라스틱 제품을 포함하여 혼합된 폐기물에 함유된 여러 가지 성분의 분리, 회수 및 재순환을 용이하게 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 본 공법 중 화석 바이오매스 소재의 대체물로서 사용하기 위한 성분을 생성함과 동시에 도시 쓰레기와 생물학적위험 폐기물의 용량을 감소시키기 위한 공법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 다양한 펄프 및 종이 소재, 그리고 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 중에 포함되어 있는 이들 소재를 에너지 생산, 복합 소재나 굴삭용 유체에 대한 첨가물, 균질의 셀룰로오스성 소재로 변형(變質)시키기 위한 것 및(또는) 연료, 화학 물질, 비료, 및 그 외의 유익한 제품으로 전환시키기 에 유용한 개선된 공법을 제공하는 것이다.

부가적인 목적으로는 휘발성 유기 화학물질 VOC's 및 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 등 다양한 펄프 및 종이 소재를 함유하는 폐기물 중에 존재하는 다른 대기 오염 물질의 증발을 촉진시켜 포획하고 이들을 환경에 무해하도록 처리함으로써, 이들의 배출을 감소시키는 공법을 제공하는 것이다.

본 발명은 폐기된 종이 및 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 등의 종이류 소재를 함유하는 혼합 쓰레기로부터 추가적인 개질없이 고체 연료로서 사용할 수 있고, 또한 복합 소재나 굴삭용 유체에 첨가하는 첨가물로 정제할 수 있거나 고체, 액체 또는 기체연료, 화학 물질, 비료 및 그 외의 유익한 제품으로 전환시킬 수 있는, 균질의 셀룰로오스성 제품을 생산하기 위한, 다양한 펄프 및 종이 소재의 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명을 이용하여 생산된 균질의 셀룰로오스성 제품은 유한한 자원인 화석 바이오매스 소재의 고갈 속도를 늦추고, 이 화석 소재의 연소 또는 소비에 의해 방출되는 과잉 이산화탄소나 유기 화학 물질의 발생 뿐만 아니라, 사용되지 않고 버려지고 있는 도시 쓰레기나 생물학적유해 폐기물의 용량 감소와 관련이 있다. 본 발명의 여러 양태는 복합 소재나 굴삭용 유체의 첨가물로서, 또한 연료, 화학 물질 및 비료로 화학적, 효소적, 그리고 미생물적으로 전환시키기 위한 원료로서 에너지 생성에 사용하기 위해, 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 등에 함유되어 있는 소재를 포함한 다양한 펄프 및 종이 소재의 개선된 처리방법을 제공한다. 본 발명은 또한 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 등의 다양한 펄프 및 종이 소재를 함유하는 폐기물 중에 존재하는 휘발성 대 기 오염 물질을 제거하는 방법을 제공한다. 이와 같은 휘발성 대기 오염 물질은 공정으로부터 배기된 후, 포획되어 환경에 무해한 것으로 처리된다.

본 발명에 관련된 다양한 펄프 및 종이 소재란, 이와 같은 바이오매스 소재를 재조제된 제품(reformulated products)으로 전환시키기 위하여 목재계의 바이오매스와 식물 섬유의 기계적 및 화학적 처리를 통하여, 제지업계에서 생산되고 있는 모든 공지의 소재를 의미한다. 이와 같은 펄프나 종이 소재의 예로서는, 비제한적으로, 크라프트지 (kraft paper), 아황산지 (sulfite paper), 접합지, 원부지(原簿紙), 컴퓨터지, 프린터용 혼합지, 특수 파일지, 압축 강화판, 상자판, 마분지, 골판지 및 포장소재나 그 구성 성분을 포함한다.

다양한 펄프 및 종이 소재의 가장 풍부하고 저렴한 공급원은 중량과 용량 모두에서, 종종 50% 이상의 펄프와 종이 소재를 함유하고 있는 종이계 폐기물이나 도시 쓰레기이다. 본 발명은 주로 종이계 폐기물을 재활용하기 위하여 설계된 것이지만, 도시 쓰레기와 생물학적 위험 폐기물을, 다양한 펄프 및 종이 소재의 원료로 하여 고체연료로서, 복합 소재나 굴삭용 유체의 첨가물로서, 그리고 연료, 화학약품 및(또는) 비료에 대한 화학적, 효소적 및 미생물적 전환을 위한 첨가제로서 사용하기 위한 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변환시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 다양한 펄프 및 종이 소재, 그리고 이들 소재를 포함한 폐기물을, 복합 소재나 굴삭용 유체 속에 혼입시키는 이상적인 첨가물로서, 또한 화학적, 생물학적 및(또는) 열적 전환시켜, 여러 가지 연료, 화학 물질, 비료 및(또는) 에너지를 생산하기 위한 이상적인 공급물인, 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형하는 방법을 고찰하였다.

다양한 펄프 및 종이소재는 목재계 바이오매스로부터 미리, 리그노셀룰로오스 성분을 광범위하게 기계적 및 화학적으로 분해하여 만든, 싸고 풍부하며 재생 가능한 소재이지만, 본 발명은 또한 이들 소재를 연소와 복합 소재나 굴삭용 유체 중으로 혼입시키는 것을 용이하게 하고, 화학 물질, 효소 및 미생물이 신속하고 효율적으로 중요한 화학 성분으로 전환시키는 것을 촉진시키는, 부드럽고 표면적이 거대한, 다공질인 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형질시키는 것을 숙고하였다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스, 특히 슈가, 글루코오스, 만노오스 및 자일로오스의 주요한 화학 성분은 또한 생물적 발효에 의해 유익한 연료나 화학 물질로 전환될 수 있다. 주로 리그닌으로부터 유래되는 다른 화학 성분은 화학적 및 열화학적 분해에 의해 다양한 탄화수소 제품으로 전환될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 한 가지 변형 방법은,

(a) 다양한 펄프 및 종이 소재를 용기에 공급하는 단계；

(b) 상기 소재를 교반시키면서 상기 용기에 증기를 주입하는 단계;

(c) 상기 소재를 교반시키면서 상기 용기로부터 가스를 퍼징시키는 단계；

(d) 상기 가스를 포획하여 가스 중에 존재하는 모든 휘발성 대기 오염 물질을 환경에 무해하도록 상기 가스를 처리하는 단계；

(e) 상기 용기의 압력이 유지될 수 있도록 상기 용기를 밀폐시키는 단계；

(f) 상기 소재의 물리화학적 구조를 팽창시키기에 충분한 온도와 압력으로 상기 소재를 증기로 포화시키는 단계；

(g) 상기 소재의 물리화학적 팽창을 더욱 촉진하기 위해 상기 용기를 감압하는 단계； 및

(h) 상기 용기로부터 처리된 제품을 배출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법은 환경적으로 중요한 것으로, 다양한 펄프 및 종이 소재, 도시 쓰레기 또는 생물학적 위험 폐기물과 관련이 있는, 휘발성 유기화합물 (VOC), 대기 오염 화합물, 그 외의 바람직하지 않은 가스를 조절 방식으로 처리 용기로부터 퍼징시켜 포획하고 무해하게 만든다. 또한 본 방법은 물리적 및 화학적으로 다양한 펄프 및 종이 소재를 연료로서 사용하거나, 복합 소재 또는 굴삭용 유체 중에 포함시키기 위하여 정제하고(하거나) 다른 연료, 화학 물질, 비료 및 그 외의 유익한 제품으로 전환시킬 수 있는 최종 제품, 즉 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변환시킨다.

따라서 본 발명의 목적 중 하나는 VOC's, 유해한 대기 오염 물질 및 통상적으로 매립지에 투기된 도시 쓰레기에서 방출되는 바람직하지 못한 가스, 및 특히, 본 발명의 변환 방법 중 방출되는 상기와 같은 물질의 관리와 수집을 개선하는 것이다.

본 발명에 따른 또 다른 변환 방법은,

(a) 다양한 펄프 및 종이 소재를 용기에 공급하는 단계；

(b) 상기 용기 내의 압력이 유지될 수 있도록 상기 용기를 밀폐시키는 단계；

(c) 상기 소재를 교반시키면서 상기 용기에 증기를 주입하는 단계；

(d) 약 140℃ 내지 약 160℃의 온도 및 약 275 kPa 내지 약 450 kPa의 압력 에서 증기로 상기 소재를 포화시켜, 상기 소재의 물리 화학적 구조를 팽창시키는 단계；

(e) 상기 소재의 물리 화학적 팽창을 더욱 촉진하기 위해 상기 용기를 감압하는 단계；

(f) 상기 감압 단계 중에 방출되는 가스를 포획하여 가스 중에 존재하는 모든 휘발성 유기 화합물과 모든 다른 대기 오염 물질을 환경에 무해하도록 처리하는 단계； 및

(g) 상기 용기로부터 처리된 소재를 배출하는 단계를 포함한다.

상술한 방법과 같이, 이 방법은 감압 단계 전에 공정 중 언제라도, 상술한 바와 같은 이유로 가스를 용기로부터 퍼징시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 퍼징시 이와 같은 유연성은 보다 높은 온도에서 휘발성 대기 오염 물질을 포획하기 위해서 뿐만 아니라, 처리되는 폐기물로부터 과량의 수분을 제거하여, 보다 일정하고 수분 함량이 낮은 균질의 셀룰로오스성 물질을 생성하기 위하여 이용될 수 있다.

어느 방법에서든, 감압 단계 중에 모든 잔류 VOC's 또는 기타 오염물질을 포획하는 것이 바람직하다. 이와 같은 VOC's 및 기타 오염 물질은 대기로 방출하기 전에 처리될 수 있다. 실제로, 처리용기로부터 VOC's와 기타 오염 물질의 수집은 통상적으로 다른 방법으로 처리되는 응축물과 비응축물로 분리할 수 있다. 예를 들면, 응축기를 사용하여 제품을 처리하기 전에 퍼징된 가스의 일부를 응축시킬 수 있으며, 100℃ 이상의 온도에서 휘발되는 일부 VOC's 및(또는) 기타 오염 물질을 함유할 수 있는 감압된 증기를 응축시킬 수 있다. 상기 감압 단계 중 응축 및 비응축 성분을 포획하면 처리된 소재를 냉각시켜 건조시키는데 도움이 된다. VOC's 및 기타 대기 오염 물질은 열산화제(thermal oxidizers), 흡착제(adsorbents) 등과 같은, 당해 기술 분야에서 공지된 상기와 같은 목적을 위한 장치로 수집하고 포획하여 처리할 수 있다.

도시 쓰레기를 처리할 경우, 상기 배출 단계는 배출된 소재를 선별하여, 보다 큰 크기의 셀룰로오스성 제품을 분리하고 제2의 유사한 변환 공정으로 복귀시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 선별기, 자석, 와전류(渦電流 : eddy current), 공기 분류 등을 포함하는 모든 적당한 공정으로 상기 셀룰로오스성 제품으로부터 모든 잔류하는 비셀룰로오스성 성분을 분리하는 것이 또한 바람직하다. 예리한 "파편(sharps)"으로 명명된, 바늘이나 메스 등을 포함한 생물학적 위험 폐기물을 처리하는 경우에는, 후속 공정에서 작업자가 상기 예리한 파편을 함유하는 셀룰로오스성 제품과 직접 접하게 되는 작업원의 편의를 위하여 후속 단계에 사용되는 제품을 미세 연마 장치(grinder)로 처리하여 무해하게 만드는 것이 바람직하다.

또 다른 방법으로, 상술한 다양한 펄프 및 종이 소재를 함유하는 폐기물을 처리할 수 있는 복수의 처리용기는, 각각의 배기 밸브를 통해 상기 용기 2개를 결합하여 가압된 용기로부터 감압 증기를 상기 방법의 퍼징 단계용으로 준비된 다른 용기로 이송하는 것을 용이하게 하는 수단을 구비한 공통의 매니폴드 배관에 연결 된다. 따라서, 하나의 용기의 감압 증기를 다른 복수의 용기중 퍼징 단계를 수행하는데 사용할 수 있다.

임의의 용기로부터, 대기 온도와 대기압 하에서 폐기물이 들어있는 다른 용기로 고압 증기와 열을 이송함으로써 에너지를 보존할 수 있을 뿐만 아니라 가압된 용기의 감압을 용이하게 할 수 있는데, 이는 저압의 용기와 폐기물에 유입되는 증기 중 수증기의 대부분이가 응축되어, 압력 차이가 발생함으로써, 보다 높은 압력의 용기에서 낮은 압력의 용기로의 증기 유입이 촉진되기 때문이다. 이 효과는 기상의 증기의 응축시 용적이 22배 감소되기 때문인 것으로 당해 분야의 숙련가에게 공지되어 있다.

복수의 용기로부터 처리된 소재는 도시 쓰레기 또는 생물학적 위험 폐기물이 처리될 때, 각각의 용기로부터 배출되어, 균질의 셀룰로오스성 제품외에 재생용의 비셀룰로오스성 성분을 회수하기 위한 공통의 분별 시스템으로 보내진다. 보다 큰 크기의 셀룰로오스성 성분은 선별하여 회수함으로써, 목적하는 변환을 완결하기 위하여 2차 처리한다.

따라서 본 발명은, 다양한 펄프 및 종이 소재를, 화석연료에 대한 의존도를 줄여 화석연료의 연소에 의한 이산화탄소 발생을 줄일 수 있는 재생 가능한 대체 연료를 제공하는, 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변환시키는 방법을 제공하며, 사용되지 않고 버려지고 있는 폐기물의 양을 줄일 수 있는 수단, 및 폐기물로부터 휘발성 유기 화합물이나 기타 환경상 유해한 가스를 포획할 수 있는 수단을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따라 사용되는 처리 용기의 개략도.

도 2는 도 1의 선 2-2에 따라 절취한 부분 단면도.

도 3은 충전 위치(filling position)로 배향된 처리 용기의 개략도.

도 4는 배출 위치로 배향된 처리 용기의 개략도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정도.

다양한 펄프 및 종이 소재, 및 이와 같은 소재를 함유하는 폐기물을 처리하여 균질의 셀룰로오스성 제품을 생성하는 방법에서는 일반적으로 모든 공지의 적당한 용기를 사용할 수 있다. 그러나, 일례로서, 본 발명의 방법에 대한 논의는 도 1에 도시된 바와 같은 처리 용기와 관련하여 진행될 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도면부호 10으로 표시된 처리용기는 증기 주입 및(또는) 감압용 회전 유니온(18)에 연결되어 있으며 중앙에 배치된 관통포트(16) 이외에 밀폐단부(14)를 갖는 원통형 하우징(12)을 구비하고 있다.

상기 용기(10)의 반대편 단부(20)는, 용기 내부(24)에서 처리될 소재의 투입 및 처리된 소재의 배출을 위해, 개구문(22)을 포함한다. 상기 개구문(22)은 상기 원통형 하우징(12)과 동일한 직경으로 구성될 수 있다.

이와는 달리, 개구문의 밀폐성과 그 중량과 관련된 경제적 및 기계적 이유로, 상기 원통형 하우징(12)은 용기의 직경이 큰 경우, 직경(26)이 작아지도록 끝이 점점 가늘어지는 구조로 구성될 수도 있다. 밀폐문(28)은, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전에 의해, 상기 밀폐문(28)이 용기에 부착되어 닫혔을 때 (도 1에 나타냄) 또는 떨어져 열려 있을 때에도 (미도시) 그 수평축(라인2-2)에 대해서, 용기(10)의 자유로운 회전이 가능하도록 용기(10)로부터 완전하게 착탈가능한 것이 바람직하다.

상기 밀폐문(28)은 추가되는 배기 밸브(미도시)를 위한 회전 유니온 (도시되지 않았지만 도면 부호 18과 유사)에 연결되어 있는 제2 관통포트(30)를 가지고 있다. 상기 용기(10)는 과압 경감 밸브(over-pressure relief valve)(미도시)를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 용기내부(24)에는 밀폐단부(14)와, 이에 대향하여 끝이 점점 가늘게 형성된 테이퍼링 단부(tapered end) (20) (존재할 경우) 를 포함하는, 용기(10)의 전체 길이에 걸쳐 2열 이상의 나선형상을 한 날개(32)가 장착되어 있는 것이 바람직하다. 이 날개의 수는, 용기 직경을 기준으로 결정되는 것으로, 날개의 위치는 용기 내부(24)의 원주상에서 서로 등거리를 갖도록, 예를 들면 날개가 2개인 경우 180°의 간격, 4개인 경우는 각 날개가 90°간격으로 이격되도록 배치된다. 상기 날개는 원통형 하우징(12)의 내벽, 밀폐단부(14) 및 테이퍼링 단부(26)(존재할 경우)에 부착되며, 수평축(라인2-2)방향으로 방사형으로 배열된다. 벽으로부터 수평축 방향으로의 날개의 최적 높이와 길이에 따른 나선 주기는 경험에 따라 결정된다. 상기 원통형 하우징(12)의 길이에 따라, 적어도 2개의 등간격으로 배치된 분출구 라인(미도시)이, 원통형 하우징(12)의 내벽에 부착되거나, 증기가 하우징(12)의 내부에 주입되도록 상기 원통형 하우징(12)의 내부와 연결된 관통구를 구비한 원통형 하우징의 외벽에 부착될 수 있다. 상기 분출구 라인은, 수평축과 평행하게 배치되거나, 상기 나선형 날개와 결합될 수도 있다. 구멍 또는 다른 관통구(슬릿 등)를, 압력차가 충분한 경우, 고속으로 증기가 주입되도록 상기 분출구 라인에 설치할 수 있다.

상기 용기(10)는 도면부호(33)의 프레임(frame)에 지지되어 있으며, 이는 수평축 (라인2-2)을 중심으로, 시계방향 또는 반시계방향으로 상기 용기를 회전시킨다. 상기 프레임은, 동시에 용기를 어느 한 방향으로 회전시키면서, 처리할 폐기물을 투입하기 위해 도 3에 나타난 바와 같이 용기(10)를 미리 정한 각도까지 수평 라인보다 위로 들어 올리도록, 또는 처리된 소재를 배출하기 위하여 도 4에 나타낸 바와 같이 용기(10)를 미리 정한 각도까지 수평 라인보다도 내려가도록, 용기(10)의 테이퍼링 단부(20)를 경사지게 할 수 있다.

상기 용기(10)를 회전시키면서 경사지게 하는 방법은 당해 분야에 공지되어있다. 수평 라인에서 상하 최대 및 최적의 경사 각도는 경험에 따라 결정한다. 이와는 달리, 프레임에 장착된 용기(10)를 수평으로 또는 상기 밀폐 단부(14)가 상기 테이퍼링 단부(20) 보다 아래에 있도록 수평축(라인 2-2)에 대해 조화되는 각도로 배치할 수 있다.

상기 용기(10)는 또한 수평축(라인2-2)을 따라 용기(10)의 변형을 방지하기 위하여 용기가 어느 한 방향으로 회전할 수 있도록 하는 지지 수단(33)을 가지고 있다. 용기(10)는 또한 이 용기를 수평라인으로부터 상하로 경사지게 하는 수단을 가지고 있거나, 동시에 용기가 어느 한 방향으로 회전하면서 수평라인 또는 상기 언급한 바와 같이 수평으로부터 임의의 일정한 각도로 고정하여 지지되도록 하는 수단을 가지고 있다. 상기 용기(10)는 또한, 0 내지 약 10 rpm의 회전 속도를 연속적으로 변화시킬 수 있는 수단을 가지고 있으며, 소재 처리공정중에 최적의 회전수는 경험에 따라 결정된다.

상기 용기(10)의 밀폐문(28)은 밀폐문(28)이 열려있거나 닫혀있는 상태 어느 경우나, 용기(10)가 어느 한 방향으로 회전할 수 있도록 하여야 한다. 상기 밀폐문(28)의 폐쇄 수단은 하우징(12)으로부터 완전하게 분리가능한 것이 바람직하다.

상기 용기(10)의 밀폐단부(14)는, 증기의 공급 또는 용기(10)로부터의 배기과정을 수행하기 위한 고정 도관에 연결되어 있는 동시에, 용기(10)가 어느 한 방향으로 회전할 수 있도록 하는 회전 유니온(18)과 외부에서 연결되어 있는, 중앙에 배치된 관통포트(16)를 구비한다. 상기 고정 도관은 용기(10)가 고정 도관과 접속된 상태에서도 경사질 수 있도록 가요성 고압 구조일 수 있다. 상기 밀폐단부(14)의 관통포트(16)는 고속 개구부를 통하여 용기 내부(24)로 증기를 주입할 수 있도록 용기 내부에서 분출구 라인과 접속되어 있다.

상기 개구문(22)은 원통형 하우징(12)과 동일한 직경을 갖거나, 직경이 큰 용기의 경우 상대적으로 작은 직경을 가지므로 원통형 하우징(12)의 테이퍼링 단부(20)가 원추형으로 끝이 점점 가늘어지는 형태로 구성된다. 더 작은 개구문은 밀폐문(28)의 제거가 용이하도록 하여 더욱 경제적이고 더욱 가볍게 한다. 개구문(22)은 중심에 배치되며 직경이 3 피트 이상이어야 한다. 밀폐문(28)은 닫혀 있거나 떼어냈을 경우에 용기가 어느 방향으로도 회전이 가능하도록, 용기(10)로부터 완전하게 탈착가능한 것이 바람직하다. 상기 관통포트(16)는 밀폐문(28)의 중앙에 설치되어 제 2 관통포트로서의 배기 밸브(30)에 접속되어 있다. 회전 유니온 (도시되어 있지는 않지만, 18과 유사)이 배기 밸브(30)를 통해 방출되는 증기의 수거를 위한 고정도관(固定導管)에 접속되어 있는 상태에서, 용기(10)가 어느 방향으로도 회전할 수 있도록 관통포트(16)와 접속되어 있다.

처리할 소재를 용기(10)에 투입하기 위하여, 상기 밀폐문(28)을 열거나 바람직하게는 제거하고, 상기 용기(10)는 수평으로 뉘여 놓거나 바람직하게는 도 3에서 대표적으로 나타낸 바와 같이 개구문(22)을 들어 올린 상태에서 미리 정해진 각도로 수평 라인보다 높은 위치에 고정시키거나 경사지게 한다. 상기 용기(10)는 나선형 날개(32)가 용기 안의 소재를 개구문(22)으로부터 용기(10)의 밀폐단부(14) 쪽으로 운반하는 방향으로 회전한다.

필요할 경우, 미리 정해진 양의 물을 가공할 소재를 투입하기 전 또는 동시에 상기 용기(10)내부에 주입한다.

첨가되는 물의 양은 가공할 소재의 수분 함량에 따라 결정된다. 첨가된 물은 음료수 수준의 것일 필요는 없으며, 따라서 하수 및 하수 슬러지 조차도 습화제로서 사용할 수 있다. 상술한 방향으로 용기(10)를 동시에 회전시키면서, 처리하고자 하는 미리 정해진 중량의 고체 소재를 용기(10)에 투입한다. 소재가 용기(10) 내부에 투입됨에 따라, 회전 유니온(18)이 윤활되도록 할 뿐만 아니라, 처리할 소재 중에 증기 응축수로서 열과 추가량의 수분이 주입되도록 저유량의 증기를 상기 관통포트(16)를 통하여 동시에 주입한다. 따라서, 상기 증기는, 용기의 회전에 따른 교반으로 용기와 그 내용물을 예열시키고, 또한 나선형 날개(32)에 따라 용기의 밀폐단부(14)쪽으로 소재가 이송될 때, 고체 소재를 치밀화하고 균일하게 습윤되도록 한다.

소재처리 용기에 소재를 투입하는 상술한 공정중에 개구문으로부터 유출될 수 있는 일부 증기는 상부의 배기 후드를 통하여 수집하여 배기시켜, 당해 분야에 공지된 바와 같이 포획하여 처리한다.

용기(10)에 투입시키기 전에, 처리할 고체 소재의 수분 함량은 20 중량% 이상, 바람직하게는 20 내지 60 중량%인 것이 바람직하다. 소정 중량의 소재가 용기(10) 내부에 투입될 때까지 고체 소재를 계속 투입시킨다. 폐기물로 채워지거나 점유되는 용기 내부(24)의 용적은 소재의 밀도에 따라 변화된다. 이후, 증기를 주입하고 용기를 회전시켜 현탁시키고, 밀폐문(28)을 다시 부착하여 용기를 밀봉한다.

밀폐문(28)상의 배기 밸브(30)는 개방되어 있고, 배출될 증기와 응축물을 수거하기에 적당한 수단에 접속되어 있다. 상기 용기(10)는 수평상태로 유지되거나, 바람직하게는 용기(10)의 경사 각도를 소재의 처리에 적당한 각도로 조정하거나 미리 정한 수평 높이보다 높은 각도로 고정한다. 용기의 회전과 증기의 주입을 재개한다.

증기는 밀폐단부(14)에 있는 관통포트(16)를 통하여 주입되며, 경우에 따라, 분출라인에 있는 고속 개구부를 통하여 용기 내부(24)로 주입된다. 증기가 용기 내부(24)로 주입됨에 따라, 증기는 열과 수분을 용기(10) 내용물 (폐기물)에 동시에 전달하고, 포화 증기는 용기(10)와 이의 내용물 중의 공기, 증기, 및 다른 가스를 퍼징시키고(시키거나) 대체한다. 이러한 가열과 퍼징 단계는 개구문에 부착된 배기밸브(30)로부터 빠져나오는 퍼징된 가스의 온도가 100℃ 이상이 될 때까지 계속 수행되며, 이후 배기밸브(30)를 밀폐한다. 용기(10)는 계속 회전시키며 증기는 다양한 펄프 및 종이 소재의 물리화학적 팽창을 개시하는데 필요한 압력과 온도로 미리 설정되어 있는 증기 압력 제어 밸브(17)를 통하여 계속 주입시킨다.

초기 증기 주입 단계중, 배기밸브(30)가 열려 있고, 확실한 내부 증기압에 이르기 전까지, 포화 증기가 압력차로 인해 고속으로 주입된다. 이러한 고속 증기는 용기의 회전과 함께 내용물을 전단력에 노출시키고 또한 필름형상의 플라스틱제 컨테이너를 용융시켜 찢어놓음으로써, 이들 내용물이 흩어지도록 한다. 고속증기는 또한 수분과 열 모두를 다양한 펄프 및 종이 소재와 기타 바이오매스나 흡습성 소재에 강제적으로 주입한다.

따라서, 증기는 다양한 펄프 및 종이 소재의 물리화학적 구조 매트릭스의 팽창을 일으켜 용기 안에서 발생하는 혼합 및 전단 작용에 의해 크기가 축소되도록 더욱 부숴지기 쉽게 만든다.

용기 내부(24)에서 필요한 혼합 운동 작용은, 나선형 날개에 의해 용기 벽 근처의 소재를, 상부 및 용기(10)의 밀폐단부(14) 쪽으로 이송시키지만, 용기(10)가 회전함에 따라, 소재도 포화 증기를 통한 중력에 의해 날개의 단부상에서 구르고 흘러 넘쳐 떨어져, 소재를 혼합시킬 뿐만 아니라 열은 물론 수분 모두에 노출되도록 한다. 나선형 날개의 바람직한 각도와 용기의 경사각은 경험상에서 결정된 다.

퍼징 및 가열 공정중, 변형시킬 다양한 펄프 및 종이 소재 안에 흡수된 수분과 주입된 증기에 의해 공급되는 응축물로부터의 여분의 수분(濕分)은 둘 다 포획된 가스를 이동시키고, 열전달재로서 작용한다. 배기밸브를 밀폐시킨 후, 증기 주입을 지속하여 소재 중 수분 온도를 물의 비등점(100℃) 이상으로 승온시킨다. 궁극적으로, 물은 액체로부터 증기로 변화되어 가열된 물이 동일한 중량의 물의 용적의 약 22배인 기체로 팽창시키며, 이는 소재안에서, 물리화학적 구조를 크게 팽창시키며, 따라서, 공기와의 접촉 표면적이 크고 보다 빨리 완전 연소되며, 또한 복합 소재 및 굴삭용 유체로의 혼입용 액체 및, 또한 연료, 화학물질, 비료 및 다른 유익한 제품을 생산하기 위한 화학적, 효소, 그리고 미생물과 쉽게 반응하는, 표면적이 큰 셀룰로오스성 제품을 생성한다.

따라서, 다양한 펄프 및 종이 소재를 다른 공법으로 처리된 것보다 그 후의 처리가 더욱 용이한 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형시킬 수 있다. 다양한 펄프 및 종이 소재가 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변형됨으로써 임의의 일정한 크기 이상의 셀룰로오스성 제품과 함께 처리된 비셀룰로오스성 소재로부터 목적하는 제품이 용이하게 분리된다.

용기(10)와 그 내용물을 포화 증기로 최대 약 450　kPa 또는 최소 약 275　kPa, 더욱 바람직하게는 약 380　kPa로 가압하여 가열한다. 일단, 운전압력에 도달하면, 이 압력을 30분 이상, 최대 1시간까지 유지하면서 동시에 용기를 회전시킴으로써 소재를 계속적으로 혼합한다. 바람직하게는, 용기(10)를 약 0 내지 10 rpm 범위의 회전 속도로 회전시키는데, 최적 조건의 속도는 경험상으로 결정한다.

이와는 달리, 적절하게 단열된 용기의 경우, 최대 약 450 kPa 압력에 이를 때까지 증기 주입을 계속 실시하고, 이후 증기 주입을 종료하지만, 혼합은 필요한 기간 동안 지속할 수도 있다. 계속적으로 증기 주입공정을 수행하거나 수행하지 않으면서, 계속 혼합하여 화학평형 또는 균질한 조성 상태, 즉, 내용물이 교반, 수분 및 열의 조합에 의해 균일하게 혼합되어 목적하는 균질한 상태의 제품으로 변형된다. 요구되는 화학평형기간 후에, 가능한 한 많은 열과 가스를 방출(放散)시키기 위하여, 동시에 또한 계속적으로 내용물을 혼합하면서 밀폐문(28)에 부착된 배기밸브(30)를 통하여 용기를 감압시킨다.

용기 내의 증기 대기가 분출됨에 따라, 용기(24)내 내용물의 표면상의 유리 수분과 내부에 흡수된 수분의 적어도 일부가 증발되고 이는 소재를 냉각시키는 한편 부분적으로 건조시키는 작용을 한다.

셀룰로오스성 소재의 세포와 모세관 영역에 흡수된 수분을 증발시킴으로써 액체로서의 물의 용적이 증기로 전환되어 22배 증가함으로써, 소재의 물리화학적 구조가 더 팽창되어 다양한 펄프 및 종이 소재가 균질의 셀룰로오스성 제품으로 변환되는 것이 향상된다.

대기압까지 감압 된 후에도, 처리된 소재는 아직도 뜨겁고 습윤된 상태에 있다. 임의로, 이후 연속적으로 혼합하면서 용기(10)를 배기시켜 소재를 추가로 냉각시키고 잠열을 사용하고 소재중의 수분을 증발시켜 소재를 더욱 건조시킨다.

일단, 소재를 목적하는 수준으로 냉각시키고 건조시킨 다음, 용기(10)를 대기압까지 감압시킨다. 밀폐문(28)은 개방하고, 바람직하게는 용기로부터 분리시킨다.

용기(10)의 테이퍼링 단부(20)는 용기를 기울여 수평 높이보다 미리 설정된 각도로 아래로 경사지게 하는 것이 바람직하며 (도 4), 개구문(22) 방향으로 처리된 생성물을 운송하기 위해서 용기는 역방향으로 회전시킨다. 따라서, 내용물이 용기(10)로부터 배출된다. 용기(10)를 수평 높이보다 낮은 각도로 내리는 메커니즘이 없는 경우, 또는 용기(10)가 상기 수평 높이보다 높게 고정된 각도로 설치되어 있는 경우, 나선형의 날개(32)에 의해 용기가 역방향으로 회전함으로써 내용물이 또한 용기(10)로부터 배출되기는 하지만, 이런 비부하 공정은 통상 상당히 장시간 소요된다.

예로서, 도 5에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 처리된 소재는 바람직하게는 벨트 컨베이어와 같은 운반 수단 위로 배출되며, 크기에 따라 분리하기 위해서 통상적으로 진동식 또는 회전식 트로멜 선별기(trommel screener)와 같은 선별장치로 운반된다.

셀룰로오스성 제품의 입도는 셀룰로오스성 바이오매스의 목적하는 최종 용도에 의거하여 경험적으로 결정된다. 처리된 소재에서 입자 크기가 5 센티미터 이상인 것 중에는 면직물, 목재계 식물계 바이오매스, 또는 목재계 오염물질 외에 셀룰로오스성 소재는 발견되지 않는다. 전형적으로, 셀룰로오스성 바이오매스의 약 80%는 2.5 센티미터 이하의 선별 분획에서 수득된다. 바람직하게는, 선별 공정에 서 더욱 건조시키기 위하여 가열된 공기 스트림을 소재 위에 취입시킨다. 이것은 특히 뜨거운 공기 스트림을 취입시키는 밀폐된 회전식 트로멜에서 효과적이다.

5 센티미터 이상인, 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물과 같은 혼합 폐기물 스트림으로부터의 오염 물질은 통상적으로 철이나 비철의 파편 금속과 캔, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETE) 플라스틱 용기, 폴리프로필렌 (PP), 플라스틱 필름 및 성형 제품, 혼합 직물, 고무, 가죽 및 목재 등이 있는데, 이들 소재는 재생을 위하여 수동 및(또는) 기계로 분류될 수 있다. 5 센티미터 이하, 1.3 센티미터 이상의 중간 선별 분획을 수득하고자 할 경우, 이 분획은 5 센티미터 이상의 분획에서 발견되는 것들과 동일한 소재의 혼재 비율은 낮지만, 전술한 바와 같이 1.3 내지 5 센티미터의 분획은 대부분 유리의 파편, 다양한 작은 플라스틱물 (가공 온도에서 용융되지만, 용기의 감압 단계중 융점 아래로 온도가 떨어짐에 따라 혼합 플라스틱의 덩어리로 고화되는 무정형의 플라스틱 응집체를 포함하여)이나, 일부 다양한 펄프 및 종이 소재를 포함하지만 불완전하게 변환된 셀룰로오스성 소재로 이루어져 있다. 이들 소재는 재생용 제품으로 분류될 수 있다. 목적하는 균질의 셀룰로오스성 제품이 1.3 센티미터 이하인 경우, 1.3 내지 5 센티미터의 펄프와 종이 소재를 에어 나이프 (air knife)와 같은 여러 가지 수단으로 비셀룰로오스성 성분으로부터 분리하며, 이러한 소재들을 아직 미처리인 소재의 후속 배치에 혼입시키거나 몇 개의 다른 배치 공정 (batch process)으로부터 나오는 유사한 분획 부분과 합하여 재가공용으로 회수하여 단일 배치로 함께 재처리한다. 이 단계로부터의 혼합 비셀룰로오스성 성분은 여러 가지 방법으로 철계(鐵系)금속, 비철금속, 혼합 플 라스틱, 다종 색혼합의 유리 쓰레기 등과 같은 재생용 제품으로 분별되거나, 이들의 용적과 조성이 작기 때문에 이들 비셀룰로오스질 소재는 모두 또는 일부가 불활성 매립지에 투기 처분할 수도 있다.

도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물과 같은 혼합 폐기물 스트림으로부터 선별 공정을 통하여 수득되는, 전형적으로 5 센티미터 이하, 바람직하게는 1.3 센티미터 이하의 최소 입자 크기 분획은 전형적으로 상당한 양의 유리 파편, 세라믹, 플라스틱물 및 혼합 플라스틱의 무정형 응집체와, 약간의 철계 및 비철계 금속으로 오염되어 있다. 이들 오염물의 대부분은 스토너 (stoner) 방식 또는 공기 분류기와 같은 여러 가지 방법에 따라, 바람직하게는 열풍으로 건조시켜서 공기 스트림중에 균질의 셀룰로오스성 생성물을 현탁시켜 제거할 수 있다. 이러한 단계로부터의 무거운 분획은 또한 철계 금속, 비철금속, 혼합 플라스틱, 다종색 혼합된 유리 쓰레기 등과 같은 재활용 가능한 제품으로 분류할 수 있거나, 이들 소재의 용적과 조성이 적기 때문에, 이들 소재를 불활성 매립지에 투기 처분할 수도 있다. 상기 처리된 소재의 초기 선별 공정으로부터의 최소 입자 바이오매스 분획, 바람직하게는 비셀룰로오스성 오염 물질을 제거하기 위하여 추가로 처리한 분획은 균질의 셀룰로오스성 제품이라 할 수 있다.

또 다른 변환 공정은 도 1에 나타낸 바와 같이 유사한 처리 용기를 이용하지만, 공정전에 용기와 그 내용물로부터 가스를 퍼징시키는 단계를 반드시 필요로 하지는 않는다. 그러나, 이와 같은 퍼징 단계는 감압 단계 전이라면 언제든지, 특히 용기와 내용물이 목적하는 압력과 온도 (통상 약 380kPa 및 약 150℃)에 도달한 후 에, 임의로 적용할 수 있다. 이런 선택적 퍼징 단계를 보다 높은 온도에서 수행함으로써, VOC 및 기타 포착된 다른 가스가 더욱 완전하게 증발되어, 처리중인 소재 안에 포함되어 있는 전체 VOC 중 더 많은 부분을 제거할 수 있다. 또한, 보다 높은 온도에서 상당량의 수증기가 휘발성 대기 오염 물질과 함께 배기되어, 수분 함량이 낮은 균질의 셀룰로오스성 제품을 생성할 수 있다. 대체가능한 공법의 단계는 특정 온도와 압력 범위에서 일어난다는 것 외에는 상술한 공법과 실질적으로 동일하다. 임의의 퍼징 단계를, 이 대체가능한 변환 공법에서 완전하게 생략할 경우, 초기 단계의 퍼징 단계에서 포획되어야 할 VOC's와 다른 잠재적 대기 오염 물질은 감압 단계중에 처리용으로 포획된다.

바람직하게는, 처리된 셀룰로오스성 소재의 잔류 수분 함량은 65 중량% 보다 훨씬 작으며, 더욱 바람직하게는, 50 중량% 이하이다.

높은 수분 함량은 용기로부터 배출시키기 위한 후속의 수많은 가능한 가공 단계에 나쁜 영향을 미친다. 예를 들면, 수분 함량이 65 중량% 이상인 셀룰로오스성 제품은 "자가-접착성(self-adhesive)" 정도이므로 본 방법의 목적인, 느슨한 "솜털상" 조직을 유지하기 보다는 건조와 공기 분류가 곤란한 치밀하고 조밀한 구상을 형성하는 경향이 있다. 또한, 수분 함량이 65 중량% 이상인 경우, 보다 작은 셀룰로오스성 입자는 다른 셀룰로오스성 입자에 부착되어 생성되는 입자 크기가 선별에 요구되는 크기 보다 더 커지게 하는 경향이 있다.

수분 함량이 높은 셀룰로오스성 물질은 또한 도시 쓰레기나 생물학적 위험 폐기물 등의 혼재 폐기물 중에 존재하는 비셀룰로오스성 성분에 부착되어 이와 같 은 소재가 재생용으로 바람직하지 못한 것으로 만든다.

본 방법에서 수분의 주요 목적은 다양한 펄프 및 종이 소재에, 목적하는 변형이 용이하게 수행되도록 열전달과 분배가 균일해지도록 하는 것이다. 그러나, 화학평형공정 단계 이후, 처리된 소재로부터 가능한 한 많은 수분을 제거하기 위하여 다음과 같은 여러 공정을 포함할 수 있다:

승온 단계 동안 퍼징 단계 보다 더 높은 온도와 압력 조건에서 VOC's 및 다른 잠재적인 대기 오염 물질을 포획한 다음 처리하여 상당한 양의 증기를 퍼징시키는, 대체 변환 방법에서의 임의의 퍼징 단계,

셀룰로오스성 소재의 외측 표면, 세포질, 모세관으로부터 수분의 증발을 촉진하는, 교반을 연속적으로 강력하게 수행하면서 이루어지는 감압 단계,

100℃ 이하에서 여분의 수분 증발을 촉진하는 감압 후의, 강력하게 교반시키면서 수행되는 처리물의 배출 단계, 및

뜨거운 공기 스트림에서의 선별 단계, 열풍에 의한 공기 분류 등의 단계.

처리한 후 보유되어 있는 수분의 증발은 또한, 표면적이 넓은 솜털로 셀룰로오스성 소재가 변환되는 것을 촉진시키는데, 이때 동시에 제품을 냉각시킨다. 또한, 냉각되고 건조된 제품 (수분 함량이 10 중량% 이하)은 악취를 발생하거나 현저한 생분해로 인해 부패되거나 퇴비화되는 일 없이 상당 기간 저장될 수 있다.

본 명세서에서 예로서 기술한 방법과 유사한 표준형 처리 용기를 사용하고 본 발명에서 명시된 조건 하에서 운전한 실험 결과는 다양한 휘발성 유기 화합물(VOC's)이 일반 가정 및 업소 양쪽 모두에서 배출되는 도시 쓰레기 중에 존 재한다는 사실을 보여준다. 상기 실험은 또한 본 발명의 방법을 사용하여 폐기물을 처리한 결과, 이들 상대적으로 다량의 휘발성 대기오염 물질이 이들 폐기물로부터 제거되어 처리용으로 포획될 수 있는 것으로 나타났다.

예를 들면, 일반 가정에서 나오는 도시 쓰레기를 몇 가지 배치 처리 실험한 일련의 결과를 살펴보면, 처리를 통해 회수된 VOC (U.S.E.P.A. 수법 8260)의 총량은 도시 쓰레기 1미터톤 당 약 3,503 내지 약 15,294 밀리그램 (즉 PPM)에 이르렀다. 그 결과 생성된 균질의 셀룰로오스성 제품은 1미터톤당 5 밀리그램 미만의 VOC를 함유하고 있었으며, 따라서, 도시 쓰레기 중 VOCs가 99% 이상 제거된 것으로 나타났다. 퍼징 단계가 공정의 승온상 중에 포함되는 경우, 퍼징 단계 중에 회수되는 VOC는 폐기물 1미터톤당 약 674 내지 약 5,678 밀리그램 (즉, 총량의 약 19 내지 37%)이었다. 나머지 VOC (즉 약 63%에서 약 81%)는 감압 단계 중에 회수되었다. 회수된 총 VOC중에서, 1미터톤당 891.5 밀리그램 (약 21.2%)은 U.S.E.P.A.에 의해 유해물질로 지정되어 있다. 총 VOC의 약 66%가 감압 단계를 거치는 동안에 회수되어, 유해 VOC 중 거의 91%가 이 단계 중에 회수되었다. 이는 도시 쓰레기로부터 VOC를 제거하기 위해서는 보다 고온 (예를 들면 약 150℃)인 것이 저온 (예를 들면 대기온 내지 약 100℃의 범위)인 경우 더욱 효과적임을 명백하게 나타내고 있으며, 이러한 것은 유해한 VOC에도 더욱 잘 적용된다.

일반 업소와 관련된 도시 쓰레기를 몇 개의 배치로 처리한 제2의 일련의 실험의 또 다른 예로서, 처리하여 회수된 VOC(U.S.E.P.A. 방법 8260)의 총량은 도시 쓰레기 1미터톤당 약 3,126 내지 약 85,763 밀리그램 (즉 PPM)에 이르렀다. 그 결 과 생성된 균질의 셀룰로오스성 제품은 1미터톤당 100 밀리그램 이하의 VOC를 함유하고 있으며, 따라서 도시 쓰레기에 존재하는 VOC's 중의 96%이상이 제거된 것으로 나타났다.

퍼징 단계가 본 방법의 승온 상(heat-up phase)중에 포함되는 경우, 퍼징 단계로부터 회수된 VOC's는 폐기물 1미터톤당 약 275 내지 약 1,483 밀리그램 (즉 약 1.7% 내지 약 8.8%)이 되었다. 나머지 VOC's (즉 약 91% 내지 약 98%)는 감압 단계에서 회수되었다.

회수된 총 VOC 중에서, 폐기물 1미터톤당 6,201 밀리그램 (약 18.5%)은 U.S.E.P.A.에 의해 유해 물질로 지정되어 있다. 전체 VOC중 거의 98%가 감압 단계에서 회수되고, 유해 VOC의 88% 이상이 이 단계 중에 회수되었다. 이는 도시 쓰레기로부터 VOC를 제거하기 위해서는, 승온상 중 퍼징 단계를 보다 높은 온도 (예를 들면 약 150℃)에서 수행하는 것이 보다 낮은 온도에서의 배기공정 (예를 들면 상온 내지 100℃)보다 효과적이라는 것을 다시 한번 확실하게 나타내며. 이것은 유해 VOC에 대해서도 동일하게 적용된다.

별도의 일련의 테스트에 있어서, 본 명세서에서 예를 들어 전술한 것과 유사한 표준형 처리 용기를 사용하여, 본 발명에서 개시된 바와 같은 조건하에서 운전한 결과, 본 발명의 방법이 생물학적으로 위험성이 있는 실험실이나 의료 폐기물의 살균을 위해서도 또한 효과적인 것으로 밝혀졌다.

기술 원조 매뉴얼 (Technical Assistance Manual; 미국 의료 폐기물 처리 기술 주법 개관)에 따르는 대체 의료 폐기물 처리 방법으로서 추천된 바와 같이, 미 생물적 처리의 효력은 레벨 IV (살균) 미생물 불활성화 기준으로 증명되었다. 세균 포자 (바실루스-스테아로서모피라스)의 미생물적 불활성화의 경우, 6-Log 이상이 전염성 의료 폐기물에 대해 밝혀진 조건의 특징인 조건 하에서 증명되었다.

고정식 오토클레이브 (autoclave)에서의 열 전달은 직접적인 증기 접촉 보다는 주로 전도에 의한 것이므로, 본 발명의 방법은 또한 종래의 증기 살균 방법을 개량한 것이라고 할 수 있다. 이는 부하량과 폐기물의 밀도, 폐기물이 들어간 포장재, 증기가 관통하는 것을 방해하는 장벽으로 작용하여 처리 효율에 직접적인 영향을 주는 처리물의 형상과 같은 인자로 인한 것이다. 폐기물 내로 증기가 침투하는 정도는 분 단위가 아니고 시간 단위로 살균하는 시간에 직접적인 영향을 준다.

본 발명에 의해, 폐기물, 특히 펄프나 종이 소재는 미세하게 부드럽게 되고, 필름 플라스틱 제품은 용융되어, 폐기물의 모든 성분이 계속적인 교반에 의해 처리 공정 중 직접 증기에 노출되기 때문에, 폐기물에 대한 증기의 침투에 있어 장벽이 되는 것은 모두 제거된다. 본 발명은 또한, 조작 중 또는 조작 후에 증기, 열 및 악취를 방출하는 전통적인 증기 살균 시스템에 대한 개량수단을 또한 제공한다.

본 발명은 특히 악취 제거를 위해 배출 가스를 직접 처리 공정에 주입하는 배기 시스템을 채택함으로써 이와 같이 악취가 방출되지 않는다.

지금 까지, 본 발명을 상세하게 기술하고, 첨부도면을 참조함으로써, 발명의 부분 수정과 변경이 이하 청구항들에서 정의되는 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 가능한 것은 물론이다.

Claims (47)

1. 다양한 펄프 및 종이 소재를 처리하여 균질의 셀룰로오스성 제품을 생성하는 방법으로서,

   (a) 용기 안에 다양한 펄프 및 종이 소재를 공급하는 단계;

   (b) 상기 소재를 교반하면서 증기를 상기 용기에 주입하는 단계;

   (c) 상기 소재를 교반하면서 배기 밸브를 통해 가스를 상기 용기로부터 퍼징시키는 단계;

   (d) 상기 가스 중에 존재하는 휘발성 유기 화합물과 다른 공기 오염물질이 무해한 것으로 되도록 상기 가스를 포획하여 처리하는 단계;

   (e) 상기 용기의 압력이 유지될 수 있도록 상기 용기를 밀폐하는 단계;

   (f) 상기 소재를 교반하면서 상기 소재의 물리 화학적 구조를 팽창시키기에 충분한 온도와 압력으로 충분한 시간 동안 상기 소재를 증기로 포화시키는 단계;

   (g) 상기 소재의 물리 화학적 구조의 팽창을 더욱 촉진하기 위해서 상기 용기를 감압하는 단계; 및

   (h) 상기 용기로부터 처리된 소재를 배출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 처리된 소재의 셀룰로오스성 성분을, 입도 또는 밀도에 기초하여, 다른 성분으로부터 분별하거나 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 처리된 소재 중 크기가 큰 셀룰로오스성 성분을 분리하여, 추가 처리를 하기 위해 상기 크기가 큰 셀룰로오스성 성분을 상기 용기를 통해 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 포화단계는 약 140℃ 내지 약 160℃ 범위의 온도와 약 275　kPa 내지 약 450　kPa 범위의 압력에서 수행되는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 포화단계는 약 30분 내지 약 60분인 시간의 범위에서 수행되는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 증기 주입 단계에 앞서, 상기 펄프 및 종이 소재의 수분 함량은 약 20 중량% 내지 60 중량%인 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 용기를 감압하는 단계는 처리된 소재를 냉각하고, 건조시켜, 퍼징된 가스로부터 휘발성 유기 화합물 또는 용기내의 다른 공기 오염물질을 포획함과 동시에 증기를 응축시켜 리사이클링하는 단계를 포함하는 방법.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 모든 휘발성 유기 화합물 또는 다른 모든 공기 오염물질을 포획하여 처리하는 단계는 열산화장치(thermal oxidizer) 또는 흡착식 필터에 의해 행해지는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 다양한 펄프 및 종이 소재는 폐지, 도시 쓰레기, 또는 의료 기관이나 연구소에서 나오는 폐기물을 포함하는 생물학적 위험 폐기물로부터 유래되는 것인 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 처리된 소재의 셀룰로오스성 성분을 다른 성분으로부터 분류하는 단계는 모든 예리한 단편들을 무해한 것으로 만들기 위해 연마(grinding)하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 처리된 소재를 살균 처리하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 처리된 소재를 연료 또는 비료로서 사용하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 소재를 처리하기 위해 상기 용기를 밀폐하기 전에, 상기 제2 용기로부터 가스를 퍼징시키기 위해, 상기 감압된 용기에서 나온 증기를 상기 제2 용기내로 주입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
14. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 분리 단계를 수행하기 위하여, 복수의 용기 각각으로부터 처리된 소재를 공통의 컨베이어 스트림으로 배출하는 단계를 포함하는 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 용기는,

    상기 다양한 펄프 및 종이 소재를 상기 용기에 공급하는 단계와, 상기 처리된 소재를 상기 용기로부터 배출하는 단계를 위해, 상기 용기는 주입구와 배출구로서 작용하는 공통의 개구문을 포함하고,

    그 내측에 2열 이상 장착되어 회전동작으로 상기 펄프 및 종이 소재를 교반시키기 위한 나선형 날개를 포함하며,

    상기 나선형의 날개가 한 방향으로 회전함으로써 상기 소재가 상기 공통 개구문으로부터 반대 방향으로 이동되고, 상기 나선형의 날개가 다른 방향으로 회전함으로써 상기 소재가 상기 공통 개구문 방향으로 이동되도록 하는 방법.
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