KR20240032110A - 낮은-물-집약도 바이오카본 생성물, 및 낮은-물-집약도 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 공정 - Google Patents
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Abstract
본원에 개시된 공정은 낮은 물 집약도뿐만 아니라 낮은 탄소 집약도를 갖는 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 환경 친화적인 기술이다. 일부 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 낮은-물-집약도 공정을 제공한다: 바이오매스 및 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계; 출발 공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계; 건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계; 제1 증기를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계; 제2 증기를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계; 제1 응축된 액체, 제2 응축된 액체, 또는 이의 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계; 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및 세척된, 냉각된 고체를 낮은-물-집약도 바이오카본 생성물로서로 회수하는 단계.
Description
관련 출원(들)에 대한 상호-참조
본 출원은 2021 년 7 월 7 일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 63/219,267 및 2021 년 7 월 8 일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 63/219,781의 우선권 이익을 주장하며, 이들 각각은 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
기술 분야
본 개시내용은 일반적으로 낮은 물 집약도를 갖는 바이오카본-함유 생성물을 생산하기 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다.
물은 지구상에서 가장 중요한 분자 중 하나이다. 물은 지구 표면의 2/3 넘게 덮고 있으며, 전 세계적으로 재생 가능하지만, 지역적인 부족 및 품질 문제가 빈번하다. 산업 공정을 위해 취수된 물은 원래의 수량 및 품질로 동일한 수역으로 돌아가지 않을 경우, 강 및 호수의 고갈 및 지하수위의 저하에 기여한다.
물은 빈번하게 화학물질 또는 재료를 제조하기 위한 산업 공정에 큰 유입물이 된다. 보다 전형적으로 물은 냉각, 가열 또는 세척에 사용되지만, 물은 생산 공정에서 화학적으로 소비될 수 있다. 본질적으로 모든 제조된 생성물은 생산 공정의 일부 부분 동안 물을 사용한다. 공업용수 사용은 생성물의 제작, 가공, 세척, 희석, 가열, 냉각 또는 수송; 생성물에 물을 포함시키는 것; 또는 제조 시설 내에서 위생 요구를 제공하는 것과 같은 목적을 위한 물을 포함한다.
공정 사용 후, 대부분의 물은 지표수로 직접 (종종 감소된 품질로) 또는 증발을 통해 환경으로 다시 방출된다. 대기로의 증발을 방지하면 도시수, 지하수 또는 지표수로부터 취수될 필요한 물의 양을 감소시킬 것이다.
요약
일부 변형은 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 네거티브-물-집약도 공정을 제공하며, 이 공정은 다음을 포함한다:
공급원료를 제공하는 단계이되, 여기서 공급원료는 바이오매스 및 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 75 wt%의 물을 포함하는, 단계;
공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계이되, 여기서 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 50 wt%의 물을 포함하는, 단계;
건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 제1 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는, 단계;
제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 제2 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제2 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는, 단계;
산성수를 생성하는 단계이되, 여기서 산성수는 제1 응축된 액체 중 적어도 일부, 제2 응축된 액체 중 적어도 일부, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 단계;
고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하는 단계이되, 여기서 세척 및 냉각하는 단계는 산성수를 사용하여 달성되는, 단계; 및
세척된 및 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계이되, 여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는, 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의되는 물 집약도를 가짐.
바이오매스는 예를 들어, 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기(shell), 과일 줄기, 과일 껍질(peel), 과일 씨(pit), 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 건조된 공급원료는 최대 약 10 wt%의 물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 건조는 스팀-구동식 건조기를 사용하여 달성된다. 일부 실시양태에서, 건조는 공기-구동식 건조기를 사용하여 달성된다.
일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 최대 약 7이고, 제1 pH는 약 7이다.
일부 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 산성수는 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는다. 특정 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 1 갤런 내지 최대 약 500 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 50 갤런 내지 최대 약 100 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함한다.
공정은 산성수의 일부를 물 부산물로서 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물 부산물로서 회수된 산성수의 일부는 제1 응축된 액체의 일부 또는 전부, 제2 응축된 액체의 일부 또는 전부, 또는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는 조합된 스트림의 일부일 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척 및 냉각하는 단계는 본질적으로 산성수로 이루어진 물 공급원을 사용하여 달성된다.
일부 실시양태에서, 고온 고체는 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되며, 여기서 냉각하는 단계는 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 냉각된-기판 온도는 최대 약 300℃, 최대 약 200℃, 최대 약 100℃, 또는 최대 약 50℃이다.
일부 실시양태에서, 세척하는 단계는 고온 고체로부터 회분을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 5 wt%의 총 회분, 최대 약 1 wt%의 총 회분, 또는 최대 약 0.2 wt%의 총 회분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척은 고온 고체로부터, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드, 안티몬, 비소, 바륨, 베릴륨, 보론, 보론 옥사이드, 브롬, 카드뮴, 칼슘, 염소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 금, 철, 산화철, 납, 리튬, 마그네슘, 망간, 수은, 몰리브덴, 니켈, 인, 칼륨, 셀레늄, 규소, 산화규소, 은, 소듐, 스트론튬, 황, 텔루륨, 탈륨, 주석, 티타늄, 티타늄 옥사이드, 텅스텐, 바나듐, 아연, 지르코늄, 또는 이의 조합으로부터 선택된 불순물을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 1000 ppm의 불순물, 최대 약 100 ppm의 불순물, 또는 최대 약 50 ppm의 불순물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 세척된 및 냉각된 고체는 건조 기준으로 적어도 약 22 MJ/kg의 발열량을 갖는다. 특정 실시양태에서, 세척된 및 냉각된 고체는 건조 기준으로 적어도 약 33 MJ/kg의 발열량을 갖는다.
공정은 세척된 및 냉각된 고체를 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함하지 않는다. 다른 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 열분해 증기의 응축된 또는 침전된 형태와 같은 열분해 단계로부터 유래된 인 시츄 바인더를 활용한다.
펠릿화하는 단계를 위해 바인더가 사용되는 경우, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분(fines), 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다
일부 실시양태에서, 공정은 외부 물을 활용하지 않으며, 이는 공정 및 바이오카본 생성물의 네거티브 물 집약도를 초래한다. "외부 물"은 (예컨대, 수분으로서) 바이오매스에 의해 운반되지 않고 바이오매스를 생성물로 전환시키는 화학 반응에서 생산되지 않는 물을 지칭한다. 네거티브-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 물 집약도는 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -10 kg H2O이다. 다양한 실시양태에서, 물 집약도는 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -100, -200, -300, -400, -500, -600, -700, -800, -900 또는 -1000 kg H2O이다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 바이오카본 생성물 미터톤당 최대 약 -100, -200, -300, -400 또는 -500 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함한다.
바이오카본 생성물의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%, 예컨대, 약 95%, 약 100%, 또는 정확히 100% 생물기원 탄소일 수 있다.
일부 변형은 다음을 포함하는 공정에 의해 생산된 바이오카본 생성물을 제공한다:
공급원료를 제공하는 단계이되, 여기서 공급원료는 바이오매스 및 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 75 wt%의 물을 포함하는, 단계;
공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계이되, 여기서 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 50 wt%의 물을 포함하는, 단계;
건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
제1 증기를 응축시켜, 제1 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는, 단계;
제2 증기를 응축시켜, 제2 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제2 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는, 단계;
산성수를 생성하는 단계이되, 여기서 산성수는 제1 응축된 액체, 제2 응축된 액체, 또는 이의 혼합물을 포함하는, 단계;
고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하는 단계이되, 여기서 세척 및 냉각하는 단계는 산성수를 사용하여 달성되는, 단계; 및
세척된 및 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계; 및
임의로, 바이오카본 생성물을 펠릿화하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함함.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하며, 여기서 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소이다.
일부 변형은 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 낮은-물-집약도 공정을 제공하며, 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt%의 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 산성수를 형성하거나, 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계;
(g) 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계이되, 여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는, 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의된 물 집약도를 가짐.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
출발 공급원료가 건조하거나 비교적 건조한 경우, 단계 (b)는 생략될 수 있다. 일부 실시양태에서, 단계 (b)가 실시되고, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함한다. 단계 (b)를 사용하는 특정 실시양태에서, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 10 wt%의 물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 최대 약 7이다.
일부 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 산성수는 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는다. 특정 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 1 갤런 내지 최대 약 500 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 50 갤런 내지 최대 약 100 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함한다.
공정은 산성수의 일부를 물 부산물로서 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물 부산물로서 회수된 산성수의 일부는 (단계 (d)가 실시되는 경우) 제1 응축된 액체의 일부 또는 전부, 제2 응축된 액체의 일부 또는 전부, 또는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는 조합된 스트림의 일부일 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척 및 냉각하는 단계는 물 공급원을 사용하여 달성되며, 여기서 물 공급원은 본질적으로 산성수로 이루어진다.
일부 실시양태에서, 고온 고체는 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되며, 여기서 냉각하는 단계는 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 냉각된-기판 온도는 최대 약 100℃ 또는 최대 약 50℃이다.
일부 실시양태에서, 세척하는 단계는 고온 고체로부터 회분을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 1 wt% 또는 최대 약 0.2 wt%의 총 회분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척은 고온 고체로부터, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드, 안티몬, 비소, 바륨, 베릴륨, 보론, 보론 옥사이드, 브롬, 카드뮴, 칼슘, 염소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 금, 철, 산화철, 납, 리튬, 마그네슘, 망간, 수은, 몰리브덴, 니켈, 인, 칼륨, 셀레늄, 규소, 산화규소, 은, 소듐, 스트론튬, 황, 텔루륨, 탈륨, 주석, 티타늄, 티타늄 옥사이드, 텅스텐, 바나듐, 아연, 지르코늄, 또는 이의 조합으로부터 선택된 불순물을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 1000 ppm 또는 최대 약 100 ppm의 불순물을 포함할 수 있다.
공정은 세척된 및 냉각된 고체를 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함하지 않는다. 다른 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 인 시츄 바인더를 도입하는 것을 포함한다.
외부 바인더가 활용되는 경우, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 공정은 외부 물을 활용하지 않는다. 낮은-물-집약도 공정의 다른 실시양태에서, 공정은 상대적으로 적은 양의 외부 물을 사용하여, 포지티브이지만 적은 물 집약도의 바이오카본 생성물을 초래한다. 다양한 실시양태에서, 물 집약도는 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 1000, 500, 200, 100, 50, 0, -50 또는 -100 kg H2O이다.
낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함한다.
낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하며, 여기서 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 또는 약 100%의 생물기원 탄소이다.
일부 변형은 다음을 포함하는 공정에 의해 생산된 바이오카본 생성물을 제공한다:
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt% 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 산성수를 형성하거나, 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계;
(g) 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하며,
바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하고,
총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소임.
도 1은 일부 실시양태에서, 네거티브-물-집약도의 바이오카본 생성물 (예컨대, 네거티브-물-집약도의 바이오카본 펠릿)을 생산하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다.
도 2는 일부 실시양태에서, 낮은-물-집약도의 바이오카본 생성물 (예컨대, 낮은-물-집약도의 바이오카본 펠릿)을 생산하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다. 점선은 옵션 스트림 및 임의적 유닛 작동을 나타낸다.
도 2는 일부 실시양태에서, 낮은-물-집약도의 바이오카본 생성물 (예컨대, 낮은-물-집약도의 바이오카본 펠릿)을 생산하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다. 점선은 옵션 스트림 및 임의적 유닛 작동을 나타낸다.
일반적으로 신뢰할 수 있는 물 공급에 좌우되는 건강한 생태계를 지지하기 위해 물을 지속가능하게 사용하려는 바람이 있다. 특정 지리에서, 물 보존 조치가 시행 중이거나, 지역 수자원을 고갈시킬 위험이 있다. 이러한 지리 중 하나는 미국 캘리포니아주이다.
캘리포니아는 2009 년 물 보존법으로 도시 물 사용 효율성 목표를 채택한 최초의 주가 되면서 오랫동안 물 보존에 앞장서 왔다. 캘리포니아의 물 보존법은 2020 년까지 도시의 1 인당 물 사용량을 20% 감소시키도록 규정하였다. 그러나, 기후 변화의 영향이 더 분명해짐에 따라 (더 긴 가뭄, 파괴적인 산불, 더 강한 홍수, 및 줄어드는 눈 덮인 지역), 캘리포니아는 더 공격적으로 조치를 취하기로 결정하였다. 2018 년에, 캘리포니아를 위한 새로운 장기간 물 보존 체계를 확립하면서 새로운 획기적인 물 보존 법률을 법으로 제정하였다. 새로운 체계의 제1 목표는 물을 보다 현명하게 사용하는 것이다. 2022 년 6 월 28 일에 검색된 https://water.ca.go를 참고한다.
온실 가스 ("GHG")는 열 적외선 범위 내에서 복사 에너지를 흡수하고 방출하는 가스이다. 온실 가스는 지구의 표면으로부터 방출되는 적외선 복사보다 태양으로부터의 가시 복사에 대한 대기의 투명성이 더 큰 것으로 인해, 지구의 보다 낮은 대기에 태양의 열을 가두는 온실 효과를 유발한다. 지구의 대기의 주요 온실 가스는 이산화탄소 (CO2), 메탄, 아산화질소, 오존 및 수증기이다. 화석 연료의 연소는 막대한 수량의 CO2를 생성하는 것으로 잘 알려져 있다. 대기의 CO2는 열을 흡수하며, 이는 CO2의 대기 체류 시간이 대략 100 년이기 때문에 갇히게 된다. 산업 혁명 (1750 년경)의 시작 이후 인간 활동은 CO2의 대기 농도를 1750 년 280 ppm으로부터 2020 년 414 ppm으로 45% 증가를 생산하였다. 2019 년 전 세계 CO2 배출량은 370억 미터톤인 것으로 추정된다. 2020 년 COVID-19 팬데믹 동안, 전 세계 CO2 배출량은 하락하였으나, 2022 년까지 CO2 배출량이 팬데믹-이전 수준으로 돌아왔다.
1992 년 기후 변화에 관한 유엔 기본 협약은 인위적 배출이 지구 온난화의 주요 원인이라는 증거에 기반하여, 서명국이 GHG 배출량을 감소시키는 것을 약속하도록 하였다 (기후 변화에 관한 유엔 기본 협약, 1992). 합의에도 불구하고, 1992 년으로부터 2019 년까지, 전 세계 GHG 배출량은 약 40% 증가하였다. 2015 년에, 파리에서의 제21차 당사국 총회 (COP 21)는 거의 200 개국이 이들의 탄소 배출을 감소시키고 지구 온난화를 최대 1.5℃로 제한하기로 약속하는 구속력 없는 합의에 도달하였다. Rogelj et al., "Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2°C", Nature 534, 7609, 2016 참고. 탄소세, 배출권 거래제, 및 낮은-탄소 연료 표준물질을 포함한 수많은 정책이 제안되었고 이들 중 일부가 시행되었다.
금속 가공은 전 세계적으로 매우 중요한 산업이다. 예를 들어, 강철 (철의 합금)과 관련하여, Steel Market Size, Share & Trends Analysis 2018-2025, Grand View Research, Inc. (2017)에 따르면, 전 세계 강철 시장 규모는 2025 년까지 $1조 USD에 도달할 것으로 예상된다. 금속 가공은 매년 전 세계적으로 유의한 순 CO2 배출량을 유발한다. 지속가능한, 적은-비용의, 그리고 내구성 있는 건축 자재에 대한 성장하는 선호도는 산업 인프라 및 주거 프로젝트에서 강철 수요를 촉진하고 있다. 높은 구조적 무결성을 갖는 조립식(pre-engineered) 금속 건물에서, 강철은 안정성, 설계 유연성 및 미적 매력에서 필수적인 기능을 한다. 친환경적이고 에너지-효율적인 건물을 장려하는 엄격한 규제는 또한 특히 산업 구조에서, 강철 수요에 기여하고 있다.
제강은 오늘날 세계에서 CO2 배출의 가장 큰 산업 기여자 중 하나이다. 산소화된 철광석은 전 세계적으로 채굴된다. 전형적으로, 철광석을 선광 공정을 통해 취하여, 철 분획을 분쇄하고 농축한 다음, (바인더를 포함하는) 펠릿으로 롤링하고 가열을 위해 석탄을 연소시키는 경화로에서 가열하여, 펠릿을 용광로로의 운송을 위해 경질화시키고, 여기서 코크스는 산소화된 광석을 금속 철로 환원시키는 데 사용된다. 경화 및 코킹 공정은 막대한 양의 CO2 및 기타 오염물질을 생성한다. 전체 강철의 약 70%는 산소-취입 전로에서의 환원 전에 코크스 또는 석탄을 사용하여 용광로에서 산화철을 환원시킴으로써 생산된 선철로부터 제조된다. 비-재생가능한 석탄 또는 석탄-유래된 코크스의 사용은, 화석 자원의 고갈에 더하여, 비-재생가능한 이산화탄소가 대기로 배출되게 한다.
CO2 배출 규제 증가에 더하여, 현재 변화하는 고객 요구사항 및 환경 친화적 강철 생성물에 대한 증가하는 수요에 대한 경향이 있다. 또한, 지속가능성에 대한 투자자 및 대중의 관심이 높아지고 있다. 예를 들어, 수백 명의 투자자 및 $ 50조 USD 초과의 자산을 관리하는 전 세계적 네트워크인, 기후 변화에 관한 기관 투자자 그룹은 강철 산업이 기후 변화에 직면하여 그의 미래를 보호할 것이라는 기대치를 높였다.
물 집약도 및 탄소 집약도 둘 모두의 감소를 포함하여 금속-제조 공정을 보다 환경 친화적으로 만들고자 하는 강한 바람이 있다. 매력적인 접근법은 야금 코크스와 같은 화석 연료보다는 바이오매스 열분해와 같은 바이오카본를 활용하는 것이다. 이를 위해, 바이오카본 생산 자체를 덜 물 집약적이고 탄소 집약적으로 만들어 결과적인 이익이 금속 생성물 또는 바이오카본로부터 유래된 임의의 다른 생성물 또는 바이오카본의 임의의 다운스트림 사용으로 전달되도록 하려는 바람이 있다.
본 설명은 당업자가 개시된 기술을 만들고 사용할 수 있도록 할 것이며, 여러 실시양태, 적응, 변형, 대안 및 용도를 설명한다. 본 개시내용의 이들 및 기타 실시양태, 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조할 때 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
정의
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 해당 기술이 속하는 기술 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
달리 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 반응 조건, 화학량론, 및 구성요소의 농도 등을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 다음의 명세서 및 첨부된 청구범위에 제시된 수치 파라미터는 적어도 구체적인 분석 기술에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 달리 나타내지 않는 한, 나타낸 범위, 값 또는 구조의 ± 20%를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비 범위 또는 정수 범위는 언급된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우, 달리 명시하지 않는 한, 이의 분수 (예컨대, 정수의 10분의 1 및 100분의 1)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 언급된 임의의 숫자 범위는 달리 나타내지 않는 한, 언급된 범위 내의 임의의 정수를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 바와 같이, "약 또는 그 사이의 범위", 예를 들어 "약 X, Y, 또는 Z로부터의 또는 그 사이의 범위"는 "적어도 X 내지 최대 Z"를 포함한다.
"포함하는(including)", "함유하는", 또는 "특징으로 하는"과 동의어인 용어 "포함하는(comprising)"은 포괄적이거나 개방적이며, 추가적인 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "포함하는"은 청구범위 언어에서 사용되는 기술 용어이며, 이는 명명된 청구 요소가 필수적이지만 다른 청구범위 요소가 첨가될 수 있고 여전히 청구범위의 범주 내에서 구성을 형성할 수 있음을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 어구 "~로 이루어진"은 청구범위에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 어구 "~로 이루어지다" (또는 이의 변형)가 전문 바로 다음에 오는 것이 아니라 청구범위 본문의 절에 나타날 때, 이는 해당 절에 제시된 요소만을 제한하며; 다른 요소는 전체적으로 청구범위로부터 배제되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같이, 어구 "본질적으로 ~로 이루어진"은 청구범위의 범주를 명시된 요소 또는 방법 단계 + 청구된 주제의 기초 및 신규 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것들로 제한한다.
용어 "포함하는", "~로 이루어진", 및 "본질적으로 ~로 이루어진"과 관련하여, 이들 3 개의 용어 중 하나가 본원에서 사용되는 경우, 본원에 개시된 및 청구된 주제는 다른 2 개의 용어 중 하나의 사용을 포함할 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않은 일부 실시양태에서, "포함하는"의 임의의 경우는 "~로 이루어진"에 의해 또는, 대안적으로, "본질적으로 ~로 이루어진"에 의해 교체될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명백하게 언급되지 않는 한, "또는"은 배타적인 "또는"이 아닌 포괄적인 "또는"을 지칭한다. 단어 "또는"이 2 개 이상의 항목의 목록과 관련하여 다른 항목으로부터 배타적인 단일 항목만을 의미하도록 명백하게 제한되지 않는 한, 이러한 목록에서 "또는"의 사용은 (a) 목록의 임의의 단일 항목, (b) 목록의 모든 항목, 또는 (c) 목록의 항목의 임의의 조합을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 어구 "A 및/또는 B"에서와 같이 어구 "및/또는"은 A 단독, B 단독, 및 A 및 B 둘 모두를 지칭한다. 문맥상 허용되는 경우, 단수 또는 복수 용어는 또한 각각 복수 또는 단수 용어를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "생물기원"은 수 개월, 수 년, 또는 수십 년의 시간 척도에서 재생가능한 원소, 예컨대, 탄소를 함유하는 재료 (공급원료, 생성물, 또는 중간체이든)이다. 비-생물기원 재료는 비-재생가능할 수 있거나, 수 세기, 수천 년, 수백만 년, 또는 훨씬 더 긴 지질학적 시간 척도에서 재생가능할 수 있다. 예를 들어, 석탄 및 석유의 전통적인 연료 공급원은 비-재생가능하고 비-생물기원이다. 생물기원 재료는 본질적으로 생물기원 공급원으로 이루어질 수 있다. 당업자는 자연 공급원으로서 또는 자연으로부터 유래된 생물기원 재료가 미미한 양의 비-생물기원 재료를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본원에 개시된 공정은 비-생물기원 재료와 함께 사용될 수 있지만, 환경에 유익한 영향은 그다지 크지 않을 수 있다.
자연적으로 발생하는 탄소의 3 가지 동위원소에는 12C, 13C 및 14C가 있다. 12C 및 13C는 안정적이며 대략 93:1의 자연 비율로 발생한다. 14C는 상층 대기의 우주 복사선으로부터 열 중성자에 의해 생산되며 지구로 수송되어 살아있는 생물학적 재료에 흡수된다. 동위원소적으로, 14C는 무시할 수 있는 부분을 구성하지만; 5,700 년의 반감기를 갖는 방사성물질이기 때문에, 방사성측정으로 검출가능하다. 사멸된 조직은 14C를 흡수하지 않으므로, 14C의 양은 생물학적 재료의 방사성 연대 측정에 사용되는 방법 중 하나이다.
식물은 광합성을 통해 대기 탄소를 고정함으로써 14C를 흡수한다. 이어서, 동물은 식물을 섭취하거나 식물을 섭취하는 다른 동물을 섭취할 때 14C를 이들의 신체로 취한다. 따라서, 살아있는 식물 및 동물은 대기 CO2와 동일한 14C 대 12C의 비를 갖는다. 일단 유기체가 죽으면, 대기와 탄소 교환을 중단하므로, 더 이상 새로운 14C를 흡수하지 않는다. 그런 다음, 방사성 붕괴는 점진적으로 유기체의 14C를 고갈시킨다. 이 효과는 방사성 탄소 연대 측정의 기초이다.
화석 연료, 예컨대, 석탄은 주로 수백만 년 전에 퇴적된 식물 재료로 만들어진다. 이 기간은 14C의 수천 회의 반감기에 해당하므로, 본질적으로 화석 연료에서의 모든 14C가 붕괴되었다. 화석 연료는 또한 원래 살아있는 유기체로부터 형성되었기 때문에 대기에 비해 13C가 고갈되어 있다. 따라서, 화석 연료로부터의 탄소는 생물기원 탄소에 비해 13C 및 14C 둘 모두가 고갈되어 있다.
재생가능한 자원의 것과 같은 최근 고사된 유기 물질의 탄소 동위원소 및 화석 연료, 예컨대, 석탄의 탄소 동위원소 사이의 이러한 차이는 조성물에서 탄소의 공급원을 결정할 수 있게 한다. 구체적으로, 조성물에서의 탄소가 재생가능한 자원으로부터 유래되었는지 또는 화석 연료로부터 유래되었는지 여부; 즉, 조성물의 생산에 재생가능한 자원 또는 화석 연료가 사용되었는지 여부이다.
바이오매스는 임의의 생물학적으로 생산된 물질, 또는 생물기원 물질을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 바이오매스는 식물, 동물 및 미생물을 포함하는 살아있는 유기체의 덩어리, 또는 생화학적 관점으로부터는, 셀룰로스, 리그닌, 당, 지방 및 단백질을 지칭한다. 바이오매스는 식물의 지상 및 지하 조직 둘 모두, 예를 들어, 잎, 잔가지, 가지, 줄기뿐만 아니라 나무의 뿌리 및 풀의 뿌리줄기를 포함한다. 바이오매스에 함유된 화학 에너지는 자연적인 광합성 공정을 사용하여 태양 에너지로부터 유래된다. 이는 식물이 주변 환경으로부터 이산화탄소 및 물을 취하고 햇빛으로부터의 에너지를 사용하여 이들을 당, 전분, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌으로 전환시키는 공정이다. 바이오매스는 태양 에너지를 효과적으로 저장한다는 점에서 유용하다. 바이오매스는 유일한 재생가능한 탄소의 공급원이다.
본원에 사용된 바와 같이, "총 탄소"는 고정 탄소 + 휘발성 물질에 존재하는 비-고정 탄소이다. 일부 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 달리 언급되지 않는 한 가정되는 절대 기준이다. 다른 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 무-수분 및 무-회분 기준에 대한 것이다.
본원에 사용된 바와 같이, "구역"은 단일 물리적 유닛, 물리적으로 별도의 유닛 또는 이의 임의의 조합 내의 공간의 영역이다. 연속 반응기의 경우, 구역의 구분은 반응기 내의 플라이트의 존재 또는 별도의 구역에 열을 제공하기 위한 별개의 가열 요소와 같은 구조와 관련될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연속 반응기에서 구역의 구분은 뚜렷한 온도, 유체 유동 패턴, 고체 유동 패턴 또는 반응 정도와 같은 기능과 관련될 수 있다. 단일 배치 반응기에서, "구역"은 공간이 아닌 시간에서의 작동 체제이다. 반드시 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 갑작스러운 전환이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 예열 구역 및 열분해 구역 사이의 경계는 다소 임의적일 수 있으며; 일부 양의 열분해는 예열 구역의 일부에서 일어날 수 있고, 일부 양의 "예열"은 열분해 구역에서 계속 일어날 수 있다. 반응기에서의 온도 프로파일은 전형적으로 반응기 내의 구역 경계를 포함하여 연속적이다.
본 목적상, "시약"은 이의 가장 넓은 의미에서 재료를 의미하는 것으로 의도되며; 시약은 연료, 화학물질, 재료, 화합물, 첨가제, 블렌드 구성요소 및 용매 등일 수 있다. 시약은 반드시 화학 반응을 유발하거나 이에 참여하는 화학 시약일 필요는 없다. 시약은 화학 반응물일 수 있거나 그렇지 않을 수 있으며; 이는 반응에서 소비될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 시약은 특정 반응에 대한 화학적 촉매일 수 있다. 시약은 시약이 첨가될 수 있는 재료의 기계적, 물리적 또는 유체역학적 특성의 조정을 유발하거나 이에 참여할 수 있다. 예를 들어, 금속에 특정 강도 특성을 부여하기 위해 시약을 금속에 도입할 수 있다. 시약은 화학적 분석 또는 물리적 테스트에서의 사용을 위해 충분한 순도 (이는, 본 맥락에서, 전형적으로 탄소 순도임)의 물질일 수 있다
본원에 사용된 바와 같이, "유도체"는 화학 반응에 의해 다른 물질로부터 유래되는 화합물, 분자 또는 이온이다. 유도체가 유래되는 물질은 첨가제이다. 유도체는 또한 첨가제이다.
게다가, 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "실질적으로"는 작용, 특징, 특성, 상태, 구조, 항목 또는 결과의 완전하거나 거의 완전한 규모 또는 정도를 지칭한다. 예를 들어, "실질적으로" 둘러싸인 물체는 물체가 완전히 둘러싸여 있거나 거의 완전히 둘러싸여 있음을 의미할 것이다. 절대 완전성으로부터의 허용가능한 정확한 편차 정도는 일부 경우에 특이적 상황에 따라 좌우될 수 있다. 그러나, 일반적으로 말하면 완성의 근접성은 마치 절대적이고 완전한 완성을 수득하는 것과 동일한 전체적인 결과를 갖게 될 것이다. "실질적으로"의 사용은 작용, 특징, 특성, 상태, 구조, 항목 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 결여를 지칭하기 위해 부정적인 함축성으로 사용될 때 동일하게 적용가능하다.
본 개시내용에서, "생성물"은 예를 들어, 조성물, 재료, 물체, 또는 구조물일 수 있다. 용어 "생성물"은, 그것이 판매되는지, 저장되는지, 거래되는지, 추가 가공되는지, 추가 가공을 위한 중간체로서 다른 당사자에게 판매되는지 등과 같은 이의 상업적 거동(fate)에 의해 제한되지 않을 것이다.
바람직한 생물기원 시약을 설명하기 위해 본 출원에 사용된 바와 같은 "고-탄소"는, 단순히 생물기원 시약이 고-탄소 생물기원 시약을 생산하기 위해 활용되는 초기 공급원료와 비교하여 상대적으로 높은 탄소 함량을 갖는다는 것을 의미한다. 전형적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 이의 중량의 적어도 약 절반을 탄소로서 포함할 것이다. 보다 전형적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 적어도 55 wt%, 60 wt%, 65 wt%, 70 wt% 또는 그 이상의 탄소를 포함할 것이다.
전술한 내용에도 불구하고, 용어 "고-탄소 생물기원 시약"은 다양한 실시양태에서, 개시된 바와 같은 공정 및 시스템에 의해 생산될 수 있는 재료를 일관되게 설명하기 위한 실용적인 목적을 위해 본원에서 사용된다. 탄소 함량, 또는 임의의 다른 농도에 대한 제한은, 용어 자체로부터 귀속되지 않고 오히려 특정 실시양태 및 이의 등가물에 대한 참조에 의해서만 귀속된다. 예를 들어, 개시된 공정에 적용되는, 매우 낮은 탄소 함량을 갖는 출발 재료는 출발 재료에 비해 탄소가 고도로 풍부하지만 (높은 탄소 수율), 그럼에도 불구하고, 50 wt% 미만의 탄소를 포함한, 비교적 낮은 탄소 (낮은 탄소 순도)의 고-탄소 생물기원 시약을 생산할 수 있음을 인지할 것이다.
본원에 개시된 공정은 낮은 물 집약도를 갖는 환경 친화적인 기술이다. 본 개시내용에서, 생성물 또는 공정의 "물 집약도"는 생성물을 생산하기 위한 공정에 사용된 외부 물의 킬로그램 (kg) 단위의 질량을 생산된 생성물의 미터톤 단위의 질량으로 나눈 것을 의미한다. "외부 물"은 (예컨대, 수분으로서) 바이오매스에 의해 운반되지 않고 바이오매스를 생성물로 전환시키는 화학 반응에서 생산되지 않는 물을 지칭한다.
일반적으로, 외부 물은 예를 들어, 우물, 수역 (예컨대, 강, 호수 또는 바다) 또는 도시 수처리 시설에 부착된 공급 라인으로부터 열분해 공정으로 도입될 수 있다. 외부 물의 공급원이 공정에 사용되고 공정 물이 나중에 대기로 배출되거나 수역으로 다시 배출되는 경우, 본원에서 물 집약도를 계산할 때 해당 공정의 물은 외부 물로서 카운팅된다.
바이오매스에서는, 전형적으로 셀룰로스 및 헤미셀룰로스와 물리적으로 연관되어 있지만 화학적으로는 연관되지 않은 유리 수분이 있다. 또한 바이오매스의 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 세포벽 내에 흡착된 (강한 분자간 수소 결합) 결합된 수분이 있다. 유리 수분 (유리 물(free water)) 및 결합된 수분 (결합된 물)은 본원에서 "운반된 물"로서 지칭될 수 있다. 추가적으로, 열분해에서는, 출발 공급원료의 수소 및 산소 원자가 조합하여 반응에 의해 생성된 물을 형성할 수 있다. 반응-형성된 물은 본원에서 "반응 물"로서 지칭될 수 있다. 유리 물, 결합된 물, 또는 반응 물은 총칭하여 "바이오매스-유래된 물"로서 지칭될 수 있다. 바이오매스-유래된 물은 외부 물이 아니다 (외부 물의 정의는 위 참고).
일부 변형에서, 바이오매스-유래된 물은 이의 생산 후 바이오카본의 냉각 또는 세척에 달리 필요할 외부 물의 일부 또는 전부를 대체할 수 있다. 바이오매스-유래된 물이 궁극적으로 공정으로부터 대기로 방출되는 경우, 물 집약도에 대한 공로가 주어지지 않는다. 바이오매스-유래된 물이 부산물로서 회수되거나 수역으로 다시 공급되는 경우, 순 외부 물 사용량에 대한 공로가 있다. 물이 외부 공급원으로부터 취수되는 것이 아니라 이에 첨가하기 때문에 물 집약도는 네거티브가 될 수 있다. 물 부산물이 달리 외부 공급원 (예컨대, 호수)으로부터 취수될 물을 대체할 때 물 집약도는 또한 네거티브가 될 수 있다.
개시된 기술은 적어도 부분적으로 바이오카본 생성물 냉각 및 산성수 세척을 위한 물 생산에 근거하고 있다. 바이오카본는 출발 바이오매스를 바이오 숯, 가스, 증기 또는 액체로 전환시키는 비-연소 열 공정 (예컨대, 열분해)에 의해 생산된다. 공정은 출발 공급원료와 함께 들어오는 물뿐만 아니라 열분해 반응 동안 생성된 물이 외부 물 공급원에 대한 필요성의 일부 또는 전부를 대체하는 방식으로 활용되도록 구성된다.
일부 변형은 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 네거티브-물-집약도 공정을 제공하며, 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt% 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(g) 산성수의 적어도 일부를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의되는 물 집약도를 가짐.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 건조된 공급원료는 최대 약 10 wt%의 물을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 건조된 공급원료는 임의의 개재 범위를 포함하여 약 또는 최대 약 0 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt% 또는 25 wt%를 포함한다.
공정 단계 (b)는 다양한 유형의 건조기를 활용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조는 스팀-구동식 건조기를 사용하여 달성된다. 일부 실시양태에서, 건조는 공기-구동식 건조기를 사용하여 달성된다.
공기-구동식 건조기가 사용되는 경우, 건조 공기 또는 상대적으로 낮은 습도의 수준 (예컨대, 40%, 30%, 20%, 10% 또는 5% 미만의 상대 습도)을 갖는 공기는 건조 유닛에 직접 주입된다. 가열된 공기의 열 함량에 의해 바이오매스 수분의 잠열이 제공되도록 공기를 가열할 수 있고, 이에 의해 습식 바이오매스에 포함된 수분을 증발시킬 수 있다. 다른 실시양태에서, 공기는 반드시 가열될 필요는 없으나, 예를 들어, 습식 바이오매스로부터 수분을 흡수하여 습식 가스에 습한 공기를 형성하는 0% 내지 약 20%의 습도를 갖는 공기이다. 공기-구동식 건조기에 도입되는 공기의 압력은 약 1 bar (대기) 내지 약 5 bar와 같이 다양할 수 있다.
스팀-구동식 건조기가 사용되는 경우, 건조 가스는 과열 스팀일 수 있다. 건조 유닛에 직접 주입된 과열 스팀의 사용은 수분을 증발시키고 건조 가스뿐만 아니라 습식 바이오매스 둘 모두로부터의 물을 포함하는 습식 가스를 생성함으로써 습식 바이오매스를 건조시킬 수 있다. 스팀-구동식 건조기에 도입되는 스팀의 압력은 약 1 bar (대기) 내지 약 10 bar와 같이 다양할 수 있다. 특정 실시양태에서, 건조기는 과열 스팀 및 공기의 혼합물을 활용한다.
주로 물 및 약한 산 (예컨대, 아세트산)을 포함하는 건조기로부터의 생성된 증기는 단계 (d)에서 건조기 연도 가스 스트림으로부터 응축된다.
제1 응축된 액체의 산성도는 공급원료의 유형뿐만 아니라 건조기의 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 더욱 가혹한 건조기 환경은 물이 아닌 구성요소가 공급물로부터 가스를 빼게 하고(off-gas) 응축 동안 수집을 허용하도록 하는 경향이 있을 것이다.
일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5이다. 다양한 실시양태에서, 제1 pH는 임의의 개재 범위를 포함하여 약, 적어도 약, 또는 최대 약 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5 또는 7이다.
일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5이다. 다양한 실시양태에서, 제2 pH는 임의의 개재 범위를 포함하여 약, 적어도 약, 또는 최대 약 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5 또는 7이다.
일부 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 최대 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 약 7이다. 특정 실시양태에서, 제2 pH는 최대 약 7이고, 제1 pH는 약 7이다.
일부 실시양태에서, 단계 (f)에서, 산성수는 제1 응축된 액체만을 포함한다. 다른 실시양태에서, 단계 (f)에서, 산성수는 제2 응축된 액체만을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 단계 (f)에서, 산성수는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체 둘 모두를 포함한다. 산성수는 제1 응축된 액체의 일부 또는 전부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체의 전부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 전부를 포함한다. 산성수가 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체의 조합을 포함하는 경우, 조합된 산성수의 pH는 각각의 응축된 액체의 pH의 대수 평균이 될 것이다.
일부 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 산성수는 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는다. 특정 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체뿐만 아니라 제2 응축된 액체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다.
단계 (f)에서 산성수는 예를 들어 (공급물의 원래 수분 함량에 좌우되는), 출발 공급원료의 건조 미터톤당 약 1 내지 약 500 갤런, 예컨대, 출발 공급원료의 건조 미터톤당 약 50 내지 약 100 갤런의 수량으로 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 임의의 개재 범위를 포함하여, 출발 공급원료의 건조 미터톤당 약 또는 적어도 약 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 또는 500 갤런을 생성하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 단계 (f)에서 생성된 산성수의 일부는 단계 (g)에서 사용되지 않고 오히려 다른 당사자에게 판매되거나 전달되는 물 부산물로서 회수된다.
공정은 산성수의 일부를 물 부산물로서 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물 부산물로서 회수된 산성수의 일부는 제1 응축된 액체의 일부 또는 전부, 제2 응축된 액체의 일부 또는 전부, 또는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는 조합된 스트림의 일부일 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (g) 동안, 고온 고체를 세척 또는 냉각하기 위해 다른 물 공급원 (예컨대, 우물물)이 사용되지 않는다. 즉, 일부 실시양태에서, 본질적으로 산성수로 이루어진 물 공급원을 사용하여 세척 및 냉각하는 단계가 달성될 수 있다.
단계 (g)는 전형적으로 물과 불순물, 즉 열분해로부터의 고온 고체에 포함되어 있던 불순물을 공동-생산한다. 불순물을 포함하는 물은 추가로 처리되거나 물 부산물로서 판매될 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (g)에서, 고온 고체는 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되며, 여기서 산성수를 이용한 냉각하는 단계는 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 냉각된-기판 온도는 최대 약 300℃, 최대 약 200℃, 최대 약 100℃, 또는 최대 약 50℃이다. 다양한 실시양태에서, 냉각된-기판 온도는 임의의 개재 범위 (예컨대, 20-30℃)를 포함하여, 약, 또는 약 300℃, 250℃, 200℃, 150℃, 100℃, 90℃, 80℃, 70℃, 60℃, 50℃, 40℃, 30℃, 25℃, 또는 20℃ 미만이다.
일부 실시양태에서, 단계 (g)에서의 세척하는 단계는 일반적으로 높은 수준의 회분 (예컨대, 최대 50 wt% 회분)을 포함할 수 있는 고온 고체로부터 회분을 제거한다. 세척된, 냉각된 고체는 예를 들어, 최대 약 5 wt% 총 회분, 최대 약 1 wt% 총 회분, 또는 최대 약 0.2 wt% 총 회분을 포함할 수 있다. 단계 (g)에서의 회분 감소의 정도는 예를 들어, 적어도 약 25%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99% 또는 100%일 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (g)에서의 세척하는 단계는 고온 고체로부터, 예를 들어, 철, 알루미늄, 티타늄, 보론, 규소, 규소 칼슘, 칼륨, 아연, 납, 카드뮴, 망간, 크롬, 비소, 니켈, 코발트, 구리, 주석, 안티몬, 바나듐, 몰리브덴, 이들 원소 중 임의의 것의 옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 불순물을 제거한다. 다른 원소 또는 화합물이 고온 고체에서 불순물로서 존재할 수 있다. 세척된, 냉각된 고체는 최대 약 1000 ppm, 최대 약 100 ppm, 또는 최대 약 50 ppm의, 하나 이상의 불순물의 총 농도, 단일 불순물의 농도를 포함할 수 있다. 단계 (g)에서의 불순물 감소의 정도는 예를 들어, 적어도 약 25%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99% 또는 100%일 수 있다. 예를 들어, 고온 고체는 최대 20,000 ppm의 불순물 수준을 포함할 수 있으며; 50 ppm으로의 감소는 99.7% 정도의 불순물 감소로 해석된다.
일부 실시양태에서, 단계 (g)에서의 세척하는 단계는 건조 기준으로 적어도 약 22 MJ/kg의 더 높은 발열량 (HHV), 예컨대, 건조 기준으로 적어도 약 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 또는 33 MJ/kg의 HHV를 갖는 세척된, 냉각된 고체를 생산한다. 단계 (g)에서의 HHV 향상의 정도는 예를 들어, 적어도 약 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%일 수 있다. 위에 논의된 회분의 제거는 세척된, 냉각된 고체에 대한 더 높은 HHV를 야기하고, 따라서 바이오카본 생성물의 더 높은 HHV를 야기함에 유의한다.
세척된, 냉각된 고체는 펠릿화되어, 단계 (g)에 따라 또는 가능하게는 단계 (g)와 통합하여, 바이오카본 펠릿을 생성할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "바이오카본 펠릿"은 생물기원 탄소를 포함하는 펠릿을 의미한다. 나중에 교시된 바와 같이, 펠릿의 기하학적 구조는 매우 다양할 수 있다.
일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계 동안 세척된, 냉각된 고체에 외부 바인더가 도입되지 않는다. 바이오카본 펠릿의 생성을 보조하기 위해 세척된, 냉각된 고체에 바인더가 도입될 수 있다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 열분해 증기의 응축된 또는 침전된 형태와 같은 열분해 단계로부터 유래된 인 시츄 바인더를 활용한다.
일부 실시양태에서, 공정은 외부 물을 활용하지 않으며, 이는 공정 및 바이오카본 생성물의 네거티브 물 집약도를 초래한다. 네거티브-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 물 집약도는 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -10 kg H2O이다. 다양한 실시양태에서, 물 집약도는 임의의 개재 범위를 포함하여, 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -100, -200, -300, -400, -500, -600, -700, -800, -900 또는 -1000 kg H2O이다.
언급된 바와 같이, 외부 물은 운반된 물을 포함하지 않으며 반응 물을 포함하지 않는다. 따라서, 공정의 물 집약도는 일반적으로 운반된 물로부터의 기여도 및 반응 물로부터의 기여도를 가질 것이다. 반응 물로부터 유래하는 물 집약도의 백분율은 (반응 물 + 운반된 물에 대해) 약 1% 내지 약 100%일 수 있다. 공정에서 수분이 없는 완전히 건조된 출발 바이오매스 공급원료를 사용하는 경우, 반응 물로부터 유래될 100%의 물 집약도가 가능하다. 다양한 실시양태에서, 반응 물로부터 유래하는 물 집약도의 백분율은 임의의 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%이다.
출발 공급원료가 생물기원 및 재생가능한 탄소를 포함하는 바이오매스인 경우, 열분해로부터의 생성된 탄소는 또한 생물기원이다. 이는 예를 들어, ASTM D6866을 사용하여 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 나타낼 수 있다. 바이오카본 생성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 95%, 적어도 99%, 또는 100% (완전히) 재생가능하다.
이산화탄소로 산화되는 임의의 생물기원 탄소는 생물기원 CO2를 생성한다. 이는 또한 생성된 CO2의 샘플 중 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 나타낼 수 있다. 바이오매스로부터 유래되는 생물기원 CO2는 환경으로 돌아가, 광합성을 통해 바이오매스를 성장시킴으로써 다시 흡수된다. 이러한 방식으로, 순 CO2 배출량이 유의하게 감소된다.
위의 또는 다른 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 바이오카본 생성물의 미터톤당 0 kg CO2e 미만의 탄소 집약도, 예컨대, 바이오카본 생성물의 미터톤당 약 -100, -200, -300, -400 또는 -500 kg CO2e 미만의 탄소 집약도를 특징으로 한다. 일부 실시양태에서, 네거티브-물-집약도 공정은 네거티브 탄소 집약도 및 네거티브 물 집약도를 동시에 특징으로 한다.
생성물 (또는 공정)의 "탄소 집약도"는 생성물의 톤당 또는 때때로 생성물을 제조하기 위해 가공된 공급원료의 톤당 생성된 이산화탄소의 중량 대비 순 수량이다. "CO2-등가 탄소 집약도"는 또한 생성물의 톤당 생성된 이산화탄소 등가물의 순 수량으로서 정의될 수 있다. "이산화탄소 등가물" 또는 "CO2e"는 동등한 지구-온난화 영향을 가질 CO2의 양을 의미한다. 탄소 집약도의 전형적인 유닛은 생성물의 미터톤 (1000 kg)당 이산화탄소 등가물의 킬로그램이다.
온실 가스 (또는 "GHG")는 열을 흡수하고 재-방출하고, 이에 따라 그렇지 않은 경우보다 지구의 대기를 더 가온으로 유지하는 대기 중의 임의의 가스이다. 지구의 대기 중의 주요 GHG는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 및 오존이다. 관례적으로, CO2의 지구-온난화 잠재력은 1로 정의된다. CH4의 지구-온난화 잠재력은 약 30이며, 즉, 메탄은 온실 가스로서 CO2보다 30x 더 강력하다. 본원에 참조로 원용되는, "IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007", Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge (2007)를 참고한다.
일반적으로 생성물 및 공정의 탄소 집약도를 계산하기 위해, 출발 재료의 탄소 집약도를 추정해야 하며, 출발 재료의 중간체로의 전환과 연관된 탄소 집약도, 및 중간체의 최종 생성물로의 전환과 연관된 탄소 집약도도 추정해야 한다. 화학 공학 분야의 당업자는 이러한 계산을 수행할 수 있으며, 이는 소프트웨어, 예컨대, 수명-주기 분석 소프트웨어 (예컨대, GREET® 또는 SimaPro® 소프트웨어)에 의해 도움을 받을 수 있다.
수명-주기 분석의 알려진 원리는 탄소 집약도뿐만 아니라 물 집약도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 수명-주기 평가 (LCA)는 미가공(raw) 재료의 가공, 제조, 유통, 사용, 재활용 및 최종 폐기를 포함하는 이의 수명 주기를 통해 생성물의 환경적 영향을 평가하는 데 사용되는 알려진 방법이다. 다중 생성물이 생산되는 경우, 할당 규칙을 사용하여 각각의 생성물에 기인하는 LCA 영향을 계산한다.
LCA를 실시할 때, 최종 생성물의 거동이 통상적으로 명시되어야 한다. 예를 들어, 강철의 경우, 강철은 종종 이것이 장기간 동안 배치되도록 설치된다. 일부 실시양태에서, 산업용 재활용 옵션을 포함한 강철에 대한 수명-종료 옵션이 고려된다 (강철은 지구상에서 가장 많이 재활용되는 재료임).
LCA는 또한 특정 재료와 연관된 환경 입력 및 출력에 관한 현상 유지를 고려할 수 있다. 예를 들어, 벌목되지 않은 삼림 잔류물은 분해되어 다량의 메탄을 방출할 것이며, 이는 심각한 GHG 패널티를 유발한다. 이들 삼림 잔류물이 대신 바이오카본, 및 이어서 금속의 생산으로 지시되는 경우, 회피된 메탄 배출이 전체 탄소 집약도에서 고려될 수 있다. 매우 많은 가능성이 존재하고 현상 유지 자체가 진화하고 있기 때문에, 적절한 산업 평균이 사용되도록 LCA 소프트웨어 내에서 데이터베이스를 활용하는 것이 바람직하다.
본 개시내용의 일부 양태는 습식 바이오매스 공급원료를 바이오카본로 전환시키기 위한 네거티브-물-집약도 열분해 공정의 단순화된 블록-흐름도인 도 1을 참조하여 이해될 수 있다. 도 1에서, 습식 바이오매스는 건조 가스 (예컨대, 건조 공기 또는 과열 스팀)를 사용하여 구동되는 건조 유닛에 공급된다. 건조 유닛으로부터의 습식 가스는 제1 콘덴서로 공급되어 제1 산성수 및 제1 건조된 가스를 생성한다. 건조된 바이오매스는 열분해 반응기에 이송되어 탄소-풍부 바이오카본 고체 및 열분해 증기를 생성한다. 열분해 증기는 제2 콘덴서에 보내져 제2 건조된 가스 및 제2 산성수를 생성한다. 탄소 세척 유닛에서, 바이오카본 고체 또는 이의 일부가 제1 산성수 및 제2 산성수와 함께 공급된다. 세척된 및 냉각된 탄소는 불순물을 포함하는 물과 함께 생성된다.
도 1은 탄소 세척 유닛에 개별적으로 공급될 각각의 콘덴서로부터의 산성수를 묘사하며, 이는 조합된 스트림 (제1 산성수 + 제2 산성수)이 탄소 세척 유닛에 공급되도록 하는 혼합 단계가 있을 수 있는 것으로 이해된다. 또한 별도의 콘덴서 대신 단일 콘덴서가 사용될 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다.
바이오카본 고체 및 산성수의 흐름은 병류 흐름, 역류 흐름, 또는 교차류 흐름일 수 있다. 도 1의 예시적인 구성은 바이오카본 고체 및 제1 산성수의 흐름이 실질적으로 병류일 수 있는 반면, 바이오카본 고체 및 제2 산성수의 흐름의 흐름은 실질적으로 역류일 수 있음을 시사한다.
일부 변형은 다음을 포함하는 공정에 의해 생산된 바이오카본 생성물을 제공한다:
공급원료를 제공하는 단계이되, 여기서 공급원료는 바이오매스 및 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 75 wt%의 물을 포함하는, 단계;
공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계이되, 여기서 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 50 wt%의 물을 포함하는, 단계;
건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
제1 증기를 응축시켜, 제1 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는, 단계;
제2 증기를 응축시켜, 제2 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제2 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는, 단계;
산성수를 생성하는 단계이되, 여기서 산성수는 제1 응축된 액체, 제2 응축된 액체, 또는 이의 혼합물을 포함하는, 단계;
고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하는 단계이되, 여기서 세척 및 냉각하는 단계는 산성수를 사용하여 달성되는, 단계; 및
세척된 및 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계; 및
임의로, 바이오카본 생성물을 펠릿화하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함함.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하며, 여기서 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소이다.
일부 변형은 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 낮은-물-집약도 공정을 제공하며, 이 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt%의 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(g) 산성수의 적어도 일부를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의된 물 집약도를 가짐.
본 개시내용의 일부 양태는 바이오매스 공급원료를 바이오카본로 전환시키기 위한 낮은-물-집약도 열분해 공정의 단순화된 블록-흐름도인 도 2를 참조하여 이해될 수 있다. 점선은 옵션 스트림 및 임의적 유닛 작동을 나타낸다. 도 2에서, 바이오매스 공급물 (습식 또는 건조일 수 있음)이 제공된다. 바이오매스 공급물은 임의로 건조 가스 (예컨대, 건조 공기 또는 과열 스팀)를 사용하여 구동되는 건조 유닛에 공급된다. 존재하는 경우, 건조 유닛으로부터의 습식 가스는 제1 콘덴서에 공급되어 제1 산성수 및 제1 건조된 가스를 생성한다. 건조된 바이오매스는 열분해 반응기에 이송되어, 탄소-풍부 바이오카본 고체 및 열분해 증기를 생성한다. 열분해 증기는 제2 콘덴서에 보내져 제2 건조된 가스 및 제2 산성수를 생성한다. 탄소 세척 유닛에서, 바이오카본 고체 또는 이의 일부가 제1 산성수 (존재하는 경우) 및 제2 산성수와 함께 공급된다. 도 2는 탄소 세척 유닛에 개별적으로 공급될 각각의 콘덴서로부터의 산성수를 묘사하며, 이는 조합된 스트림 (제1 산성수 + 제2 산성수)이 탄소 세척 유닛에 공급되도록 하는 혼합 단계가 있을 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 별도의 제1 및 제2 콘덴서 대신에 단일 통합된 콘덴서 (예컨대, 다-단계 콘덴서)가 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 세척된 및 냉각된 탄소는 불순물을 포함하는 물과 함께 생성된다.
일부 실시양태에서, 바이오매스는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
출발 공급원료가 건조하거나 상대적으로 건조한 경우, 단계 (b)는 생략될 수 있다. 일부 실시양태에서, 단계 (b)가 실시되고, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함한다. 단계 (b)를 사용하는 특정 실시양태에서, 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 10 wt%의 물을 포함한다.
일반적으로, 제1 콘덴서 및 제2 콘덴서는 다-단계 콘덴서일 수 있다. 열분해 증기의 다양한 분획을 분리하기 위해 다-단계 제2 콘덴서를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 다-단계 제2 콘덴서는 2, 3, 4, 5개 이상의 단계를 가질 수 있다. 예를 들어, 물-풍부 스트림은 다-단계 콘덴서의 하나의 단계 또는 다중 단계의 응축된 분획일 수 있으나, 모든 단계에서는 아닐 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 산성수는 다-단계 콘덴서의 마지막 단계의 응축된 생성물이다. 이들 실시양태에서, 제2 산성수는 약 또는 적어도 약, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50 wt%, 또는 심지어 그 초과의 물일 수 있다.
임의로, 세척 및 냉각에 사용되지 않고 물 부산물로서 회수되는 제1 산성수, 제2 산성수 또는 조합된 산성수의 퍼지 스트림이 있을 수 있다. 탄소 세척 유닛에 사용되는 산성수 대 산성수 부산물의 분할은 경제성 또는 전체 물 균형에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 물 부산물의 회수 및 판매를 허용하기에 충분히 낮은 물 집약도가 달성될 수 있다.
탄소 세척 유닛으로부터의, 불순물을 포함하는 물은 또한 공정의 부산물일 수 있다. 이 스트림은 공정의 다른 곳, 공정이 작동되거나 추가 처리되거나 회수 및 판매되는 현장 내 다른 곳에서 재사용될 수 있다.
낮은-물-집약도 공정의 물 집약도는 바이오카본 생성물의 미터톤당 약 1000 kg H2O 미만, 예컨대, 바이오카본 생성물의 미터톤당 약 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 25, 10, 0, -10, -25, -50, -100, -200, -500 또는 -1000 kg H2O 미만의 물 집약도일 수 있다. 즉, 물 집약도는 일부 실시양태에서 네거티브일 수 있으나, 개시된 기술을 포함하지 않는 공정에 비해 적어도 감소된다. 낮은-물-집약도 공정의 특정 실시양태에서, 공정은 외부 물을 활용하지 않는다. 낮은-물-집약도 공정의 다른 실시양태에서, 공정은 상대적으로 적은 양의 외부 물을 사용하여, 바이오카본 생성물의 포지티브지만 적은 물 집약도를 초래한다.
낮은-물-집약도 공정의 물 집약도는 단계 (f) 및 (g)에서 산성수의 회수 및 재사용을 사용하지 않는 달리-동등한 공정에 비해 감소된, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 100% 이상일 수 있다.
낮은-물-집약도 공정의 물 집약도는 일반적으로 운반된 물로부터의 기여도 및 반응 물로부터의 기여도를 가질 것이다. 반응 물로부터 유래하는 물 집약도의 백분율은 (반응 물 + 운반된 물에 대해) 약 1% 내지 약 100%일 수 있다. 공정에서 수분을 갖지 않는 완전히 건조된 출발 바이오매스 공급원료를 사용하는 경우 반응 물로부터 유래될 100%의 물 집약도가 가능하다. 다양한 실시양태에서, 반응 물로부터 유래하는 물 집약도의 백분율은 임의의 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%이다.
바이오카본 생성물을 생산하기 위한 낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 일부 실시양태에서, 제1 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 2 내지 최대 약 7이다. 일부 실시양태에서, 제2 pH는 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5이다. 일부 실시양태에서, 제1 pH는 최대 약 7이고, 제2 pH는 최대 약 7이다.
일부 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 산성수는 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는다. 특정 실시양태에서, 산성수는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수는 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 1 갤런 내지 최대 약 500 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 산성수를 생성하는 단계는 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 50 갤런 내지 최대 약 100 갤런의 산성수를 생성하는 단계를 포함한다.
공정은 물 부산물로서 산성수의 일부를 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물 부산물로서 회수된 산성수의 일부는 (단계 (d)가 실시되는 경우) 제1 응축된 액체의 일부 또는 전부, 제2 응축된 액체의 일부 또는 전부, 또는 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는 조합된 스트림의 일부일 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척 및 냉각하는 단계는 물 공급원을 사용하여 달성되며, 여기서 물 공급원은 본질적으로 산성수로 이루어진다.
일부 실시양태에서, 고온 고체는 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되며, 여기서 냉각하는 단계는 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 냉각된-기판 온도는 최대 약 100℃ 또는 최대 약 50℃이다.
일부 실시양태에서, 세척하는 단계는 고온 고체로부터 회분을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 1 wt% 또는 최대 약 0.2 wt%의 총 회분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 세척은 고온 고체로부터, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드, 안티몬, 비소, 바륨, 베릴륨, 보론, 보론 옥사이드, 브롬, 카드뮴, 칼슘, 염소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 금, 철, 산화철, 납, 리튬, 마그네슘, 망간, 수은, 몰리브덴, 니켈, 인, 칼륨, 셀레늄, 규소, 산화규소, 은, 소듐, 스트론튬, 황, 텔루륨, 탈륨, 주석, 티타늄, 티타늄 옥사이드, 텅스텐, 바나듐, 아연, 지르코늄, 또는 이의 조합으로부터 선택된 불순물을 제거하는 것을 포함한다. 세척된 및 냉각된 고체는 제거 후, 최대 약 1000 ppm 또는 최대 약 100 ppm의 불순물을 포함할 수 있다.
공정은 세척된 및 냉각된 고체를 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함하지 않는다. 다른 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 펠릿화하는 단계는 세척된 및 냉각된 고체에 인 시츄 바인더를 도입하는 것을 포함한다.
외부 바인더가 활용되는 경우, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함한다.
낮은-물-집약도 공정의 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하며, 여기서 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%, 적어도 약 95% 또는 약 100%의 생물기원 탄소이다.
일부 변형은 다음을 포함하는 공정에 의해 생산된 바이오카본 생성물을 제공한다:
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt%의 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(g) 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하고,
바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하며,
총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소임.
기술은 개시된 낮은-물-집약도 또는 네거티브-물-집약도 공정에 의해 생산된 바이오카본 생성물을 제공한다.
예를 들어, 본 개시내용에 따라 생산된 바이오카본 생성물은 야금 탄소일 수 있다. 본 개시내용에서, "야금 탄소"는 하나 이상의 금속을 포함하는 공정에 사용되도록 의도된 탄소를 의미한다. 야금 탄소는 예를 들어, 금속 광석을 금속으로 전환시키는 공정, 금속을 정제하는 공정, 합금 원소로서 탄소를 금속에 첨가하는 공정, 탄소-금속 복합체를 제조하는 공정, 또는 이의 조합에서의 공급원료일 수 있다. 야금 탄소는 금속-제조 공정에 대한 첨가를 필요로 하지 않는 다른 용도를 가짐을 인식할 것이다. 따라서 형용사 야금은, 일부 (그러나, 전부는 아님) 실시양태에서, 탄소를 야금 가공의 의도된 용도로 제한한다. 본원에 개시된 야금 탄소가 실제로 야금술에 활용되지 않는 경우, 형용사 야금은 탄소를 이의 물리적 구조, 화학적 조성, 또는 재료 특성 면에서 달리 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 야금 탄소를 제공하는 임의의 실시양태는 또한 하나 이상의 비-야금 적용에 사용되는 비-야금 탄소를 제공하는 실시양태에 대한 참조로서 이해되어야 한다. 따라서, 다양한 실시양태는 비-야금 탄소 생성물을 제공한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 적어도 약 60 wt%의 탄소, 적어도 약 70 wt%의 탄소, 적어도 약 80 wt%의 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 탄소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 약 75 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다. 산성수로 세척하는 단계 동안 회분의 제거는 세척된, 냉각된 고체에서의 더 높은 고정-탄소 함량을 야기하고, 따라서 바이오카본 생성물에서의 더 높은 고정-탄소 함량을 야기함에 유의한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 100% 재생가능한 탄소를 포함한다.
바이오카본 생성물은 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 수분, 예컨대, 약 5 wt% 내지 약 15 wt%의 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt%의 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt%의 수분을 포함할 수 있다.
바이오카본 생성물은 0 내지 약 30 wt%의 회분 (또는 그 초과), 예컨대, 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 회분, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 회분, 또는 약 8 wt% 내지 약 15 wt%의 회분을 포함할 수 있다. "회분"은 열분해 동안 증발하지 않는 비-탄소 구성요소를 지칭한다. 회분 함량은 ASTM D3175 또는 기타 기술에 의해 측정될 수 있다. 회분 조성은 ASTM D4326 또는 기타 기술에 의해 분석될 수 있다. 목질 바이오매스의 열분해로부터의 회분은 전형적으로 주로 SiO2, CaO, K2O 및 Fe2O3를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 생성물은 첨가제를 추가로 포함한다. 첨가제의 농도는 바이오카본 생성물의 총 중량을 기준으로 약 0.2 wt% 내지 약 25 wt%, 약 2 wt% 내지 약 25 wt%, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%일 수 있다. 특정 실시양태에서, 첨가제의 농도는 1 wt% 미만, 예컨대, 약 또는 최대 약, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.15, 0.10, 0.05, 0.02, 0.01 wt%이다. 첨가제는 임의적이므로, 일부 실시양태에서 첨가제 농도는 0이다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 부분적으로 산화되거나 연소될 수 있다. 특정 실시양태에서, 첨가제는 재생가능한 재료이다. 특정 실시양태에서, 첨가제는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제이다. 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제의 예는 광합성을 통해 생성되는 전분이다 (특히, 햇빛 에너지는 바이오매스에 의해 전분으로서 저장될 수 있음).
일부 실시양태에서, 첨가제는 바이오카본 생성물용 바인더이다. 바인더는 유기 바인더, 무기 바인더, 또는 이의 조합일 수 있다. 다양한 실시양태에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 이의 임의의 조합으로부터 선택되는 바인더이다.
특정 실시양태에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택된 바인더이다. 바인더는 가교될 수 있는 열가소성 전분일 수 있다. 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물일 수 있으며, 여기서 폴리올은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있고, 반응 생성물은 예를 들어, 산 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성될 수 있다. 반응이 산에 의해 촉매되는 경우, 산은 예를 들어, 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 첨가제를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 생성물과 비교하여 바이오카본 생성물의 반응성을 감소시킨다.
반응성은 열 반응성일 수 있다. 예를 들어, 바이오카본 생성물은 첨가제를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 생성물과 비교하여 더 낮은 자체-발열을 가질 수 있다. 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예컨대, 철 또는 산화철) 또는 이들 종 중 하나 초과와의 화학적 반응성일 수 있다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 바이오카본 생성물 내에서 기공-충전성이다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 첨가제는 바이오카본 생성물의 표면 상에 배치된다.
바이오카본 생성물은 분말 형태일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 바이오카본 생성물은 응집된 형태일 수 있다.
예를 들어, 바이오카본 생성물은 임의로 바인더를 포함하는 바이오카본 펠릿으로서 응집된 형태일 수 있다.
바이오카본 생성물이 바이오카본 펠릿인 경우, 바이오카본 펠릿은 예를 들어, 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 임의의 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100의 하드그로브 연삭성 지수를 갖는다.
바이오카본 생성물이 바이오카본 펠릿인 경우, 바이오카본 펠릿은 적어도 80%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 임의의 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95%의 펠릿 내구성 지수를 갖는다.
바이오카본 생성물은 철, 구리, 니켈, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 주석, 아연, 코발트, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 규소 또는 이의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 비금속을 생산하기 위한 금속 가공에 사용될 수 있다. 금속 생성물은 합금 원소, 예컨대, Al, Bi, B, C, Ce, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mn, Mo, N, Nb, Ni, P, Pb, Si, Sn, S, Ta, Ti, W, V, Zr, Zn, 전술한 원소 중 임의의 것의 옥사이드, 카바이드, 하이드라이드, 니트라이드 또는 설파이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 생산될 수 있다. 다른 원소가 금속 생성물에 포함될 수 있으며, 다른 요소는 합금 원소로서 기능할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
일부 실시양태에서, 합금 원소는 탄소를 포함한다. 탄소가 금속 생성물에 존재하는 경우, 탄소는 하나 이상의 금속 내에서 평형 농도로 존재할 수 있다. 대안적으로, 탄소는, 탄소에 대한 평형 농도보다 더 낮거나 평형 농도보다 더 높을 수 있는, 하나 이상의 금속 내에서 비-평형 농도로 존재할 수 있다.
일부 실시양태에서, 합금 원소는 본원에 개시된 바와 같은 바이오카본 생성물로부터 유래된 탄소를 포함한다. 수소, 질소, 산소, 황 또는 인을 포함하여 (그러나 이에 제한되지 않음), 다른 원소는 바이오카본 생성물로부터 유래되고 합금 원소로서 활용될 수 있다.
네거티브-물-집약도의 바이오카본 생성물이 금속-제조 공정에 사용되는 경우, 최종 금속 생성물도 감소된 물 집약도를 갖는 것으로 인정될 수 있음에 유의한다. 따라서, 일부 실시양태는 탄소-네거티브, 감소된-물-집약도의 금속 생성물을 제공한다 ("탄소-네거티브"는 네거티브 탄소 집약도와 동의어임).
특정 실시양태에서, 합금 원소는 수소를 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 바이오카본 생성물로부터 수소가 유래되는 경우, 수소는 광합성을 통해 대기 중 물로부터의 성장하는 바이오매스에 첨가되므로 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 수소일 수 있다. 탄소와 마찬가지로, 수소와 연관된 감소된 물 집약도는 LCA 관점에서 최종 금속 생성물에 운반된다.
탄소 (고체 탄소, 또는 증기 형태의 탄소, 예컨대, CO, CO2 또는 CH4에서)의 14C/12C 동위원소 비의 측정은 입증된 기술이다. 유사한 개념이 수소에 적용될 수 있고, 여기서 2H/1H 동위원소 비가 측정된다 (2H는 또한 중수소, D로서 알려짐). 화석 공급원은 바이오매스와 비교하여 중수소가 고갈되는 경향이 있다. 본원에 참조로 원용되는, Schiegl et al., "Deuterium content of organic matter", Earth and Planetary Science Letters, Volume 7, Issue 4, 1970, Pages 307-313; 및 Hayes, "Fractionation of the Isotopes of Carbon and Hydrogen in Biosynthetic Processes", Mineralogical Society of America, National Meeting of the Geological Society of America, Boston, MA, 2001을 참고한다.
재생가능한 수소는 다양한 방식으로, 예컨대, 재생가능한-에너지 표준물질, 재생가능한-에너지 크레딧, 및 재생가능한 식별 번호 등을 통해 시장에서 인식될 수 있다. 단지 일례로서, 가솔린 생산에 재생가능한 수소를 활용하는 오일 정련소는 이러한 H2 함량에 대해 재생가능한-에너지 크레딧을 받을 수 있다. 금속 생성물, 예컨대, 강철에서, 재생가능한 수소가 금속의 생산 (예컨대, H2로의 금속 광석 환원) 동안 활용될 수 있거나, 재생가능한 수소는 최종 생성물에서 측정가능한 합금 원소일 수 있다.
특정 실시양태에서, 합금 원소는 질소를 포함한다. 고-강도 오스테나이트 스테인레스 강철은 질소로부터 이익을 얻을 수 있다. 질소는 탄소보다 더 큰 고체 가용성을 갖고, 강한 오스테나이트 안정화제이고, 양호한 침입형(interstitial) 고용체 강화제이고, 공식(pitting corrosion) 저항성을 개선시킨다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 바이오카본 생성물로부터 질소가 유래되는 경우, 질소가 질소 사이클을 통해 대기 중 N2로부터 성장하는 바이오매스에 첨가될 때 질소는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브일 수 있다. 한편, 합금 질소가 궁극적으로 NH3-기반 비료로부터 유래되고, NH3가 에너지-집약적 하버(Haber) 합성으로부터 유래되는 경우, 이러한 질소는 일반적으로 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 질소가 아닐 것이다. 금속 생성물의 전체 탄소 집약도 및 물 집약도에 대한 기여는, 질소 함량이 임의의 것이 존재하는 경우 통상적으로 1 wt% 미만이기 때문에 매우 낮을 수 있다. 예를 들어, H2 생산을 위해 물을 분할하기 위해 재생가능한 에너지를 사용하거나, 재생가능한 수소를 사용함으로써, 심지어 하버 공정은 더 낮은 탄소-집약도로 이루어질 수 있다.
특정 실시양태에서, 합금 원소는 산소를 포함한다. 산소는, 특히 금속 옥사이드를 회피해야 하는 경우, 전형적으로 바람직한 합금 원소가 아니다. 그러나, 특정 합금, 특히 비-철 합금은, 침입형 고용체 강화를 통해 금속을 강화시키는 침입형 합금 원소로서 (O 원자로서) 산소를 사용할 수 있다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 바이오카본 생성물로부터 산소가 유래되는 경우, 산소는 O2를 출력으로서 갖는 광합성을 통해 대기 중 CO2로부터 유래됨이 인식될 것이다.
특정 실시양태에서, 합금 원소는 황을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 바이오카본 생성물로부터 황이 유래되는 경우, 황의 탄소 집약도는 황의 공급원 (예컨대, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 좌우될 것이다.
특정 실시양태에서, 합금 원소는 인을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 바이오카본 생성물로부터 인이 유래되는 경우, 인의 탄소 집약도는 인의 공급원 (예컨대, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 좌우될 것이다.
다양한 실시양태에서, 금속 생성물은 분말, 펠릿, 시트, 막대, 바, 와이어, 코일, 파이프, 플레이트, 벽, 탱크, 주조 구조물, 공학 구조물, 전자석, 영구 자석, 또는 이의 조합으로부터 선택된 형태이다. 금속 생성물은 최종 구조물일 수 있거나, 종래의 절삭 제조, 적층 제조 또는 기타 기술을 통해 금속-함유 구조물을 만들기 위한 공급원료일 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-네거티브, 감소된-물-집약도 강철 생성물은 적어도 약 80 wt%의 철, 적어도 약 90 wt%의 철, 또는 적어도 약 95 wt%의 철을 포함할 수 있다. 탄소-네거티브, 감소된-물-집약도 강철 생성물은 약 0.01 wt% 내지 약 10 wt%의 하나 이상의 합금 원소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 합금 원소는 Al, Bi, B, C, Ce, Cr, Cu, H, Mg, Mn, Mo, N, Nb, Ni, P, Pb, Si, Sn, S, Ta, Ti, W, V, Zr, Zn, 전술한 원소 중 임의의 것의 옥사이드, 카바이드, 하이드라이드, 니트라이드 또는 설파이드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태는 임의로 조정가능한 하드그로브 연삭성 지수 (HGI)와 함께, 탄소 기판을 생성하기 위한 바이오매스의 최적화된 열분해, 탄소 기판의 기계적 크기 감소, 및 탄소 기판을 응집시켜 바이오카본 펠릿을 형성하기 위한 바인더의 사용에 근거하고 있다. 바이오카본 펠릿의 수분 수준은 펠릿 내의 치밀화를 변화시키기 위해 최적화될 수 있다. 다운스트림 적용 (예컨대, 용광로에서의 사용)이 다양한 HGI 요건을 갖기 때문에 바이오카본 펠릿의 HGI를 조정하는 능력은 매우 유익하다. 바이오카본 펠릿은 네거티브-탄소-집약도 및 네거티브-물-집약도 바이오카본 펠릿일 수 있다.
바이오매스 (예컨대, 목재 칩)를 생성물로 전환시키는 폭넓게 다양한 바이오리파이너리 공정의 맥락에서, 입자-크기 감소가 필수적이다. 크기 감소 단계는 필수적이지만, 존재하는 자연 발생 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌 중합체의 강한 결합으로 인해 고도로 에너지-집약적이다. 문제는 작은 입자가 요망될 때 특히 심각하다. 예를 들어, 바이오매스의 해머-밀 분쇄의 에너지 소비는 스크린 메쉬 크기 감소의 함수로서 기하급수적으로 증가한다.
미가공 바이오매스는, 이들 중 많은 것이 본 특허 출원에 기재된, 폭넓게 다양한 상업적 적용에서 열분해된 형태의 바이오매스보다 더 열등하다. 바이오매스가 생물기원 시약으로 열분해될 때, 이는 종종 용광로 또는 미분탄 보일러와 같은 다운스트림 용도에 도움이 되지 않는 기계적 특성을 갖는다. 이러한 이유로, 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로 펠릿화하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 일단 펠릿화되면, 미가공 바이오매스에 대해 위에 언급되었던 문제가 되는 분쇄 에너지가 다시 도전적이 되고 종종 펠릿을 산업적 사용을 위한 분말로 전환시키는 것이 더욱 더 악화된다. 이는 본질적으로 약한 펠릿인 느슨한 응집체를 만듦으로써 잠재적으로 극복할 수 있지만, 이는 수송 및 공장 취급 동안, 그리고 때때로 반응기 자체 내에서 (예컨대, 금속 층을 지지하기 위해) 펠릿 내구성이 필요한 경우, 펠릿화의 목적을 무산시킬 수 있다. 문제는, 한편으로는 펠릿 내구성이 요망되고 다른 한편으로는 펠릿 연삭성이 요망되기 때문에, 해결하는 것이 어렵다. 그러나, 본 개시내용은 양호한 연삭성 및 적절한 내구성을 갖는 바이오카본 펠릿, 및 이를 제조하는 공정을 제공함으로써 이러한 타협을 깨뜨렸다.
추가로, 각각이 그 고유의 요건을 갖는, 바이오카본 펠릿의 매우 많은 다운스트림 용도가 존재하기 때문에, 펠릿의 연삭성을 조정할 수 있는 것이 매우 유리하다. 본 발명자들은 조정가능하게 분쇄가능한 바이오카본 펠릿에 매우 적합한 공정 및 조성물을 설계하였다.
일부 실시양태는 바이오카본 펠릿을 제공하며, 여기서 바이오카본 펠릿은 다음을 포함하는, 탄소-네거티브, 네거티브-물-집약도 바이오카본 펠릿일 수 있다:
(a) 약 35 wt% 내지 약 99 wt%의 생물기원 시약, 여기서 생물기원 시약은 건조 기준으로 적어도 약 60 wt%의 탄소를 포함함;
(b) 약 0 wt% 내지 약 35 wt%의 물 수분; 및
(c) 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 바인더,
여기서 바이오카본 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 함.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt%의 탄소, 적어도 약 80 wt%의 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 탄소를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 또는 적어도 약, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95 wt%의 탄소를 포함한다. 이들 백분율은 전체 생물기원 시약에 대한 총 탄소 (고정 탄소 및 휘발성 탄소)의 농도를 지칭한다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 약 75 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약은 약 또는 적어도 약, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95 wt%의 고정 탄소를 포함한다. 이들 백분율은 총 탄소에 대한 것이 아니라, 전체 생물기원 시약에 대한 고정 탄소의 농도를 지칭한다. 고정 탄소는 총 탄소에서 휘발성 탄소를 뺀 것과 같다.
일부 바이오카본 펠릿에서, 탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 예를 들어, 탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 99%, 또는 적어도 99.9% 재생가능할 수 있다. 특정 실시양태에서, 탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다. 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정은 ASTM D6866을 활용할 수 있다.
특정 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt%의 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt%의 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 수소를 포함한다.
바이오카본 펠릿에 존재하는 수분은 탄소 또는 바인더에 화학적으로 결합된 물, 탄소 또는 바인더에 물리적으로 결합된 (흡수된 또는 흡착된) 물, 탄소 또는 바인더에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되지 않은 수성 상에 존재하는 유리 물, 또는 이의 조합일 수 있다. 결합 공정 동안 수분이 요망되는 경우, 이러한 수분은 유리 물이기보다는 탄소 또는 바인더에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되는 것이 바람직하다.
펠릿 생성물에 다양한 수분 수준이 존재할 수 있다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% (예컨대, 32 wt%)의 수분, 예컨대, 약 5 wt% 내지 약 15 wt%의 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt%의 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt%의 수분을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 약 4-8 wt%의 수분을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 또는 35 wt%의 수분을 포함한다.
바이오카본 펠릿의 제조 공정 동안 물이 존재하지만, 이어서 이들 펠릿은 임의로 건조되며, 이는 최종 바이오카본 펠릿이 반드시 수분을 포함하지는 않음을 의미한다. 농업과 같은 일부 시장 적용의 경우, 먼지 제어 또는 다른 이유로 더 높은 수분 수준이 바람직하다. 다른 시장 적용의 경우, 더 낮은 수분 수준이 바람직할 수 있다 (예컨대, 1 wt% 수분 이하). 일부 야금 적용에서, 낮은 수분이 바람직하지만, 다른 야금 적용에서는, 일부 수분이 용인가능하거나 전체 화학을 돕기 위해 심지어 바람직하다.
일부 바이오카본 펠릿에서, 바이오카본 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 바인더, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 바인더, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 바인더를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25 또는 30 wt%의 바인더를 포함한다. 일부 실시양태에서, 수분 함량 및 바인더 농도 사이에는 반비례 관계가 있다.
바인더는 바이오카본 펠릿의 생물기원 시약 내에서 기공-충전성일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 바인더는 바이오카본 펠릿의 표면 상에 배치될 수 있다.
바인더는 유기 바인더 또는 무기 바인더일 수 있다. 일부 실시양태에서, 바인더는 재생가능한 재료이거나, 이를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바인더는 생분해성 재료이거나, 이를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바인더는 부분적으로 산화되거나 연소될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 바인더는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 바인더는 분쇄가능한 가소제이거나, 이를 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분-기반 중합체 (예컨대, 아밀로스 및 아밀로펙틴에 기반한 중합체), 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 전분은 비-이온성 전분, 음이온성 전분, 양이온성 전분, 또는 쯔비터이온성 전분일 수 있다.
전분은 가장 풍부한 생체중합체 중 하나이다. 이는 완전히 생분해성이고, 저렴하고, 재생가능하고, 용이하게 화학적으로 변형될 수 있다. 강한 수소 결합과 함께 전분 분자의 사이클릭 구조는 전분에 강성 구조를 부여하고 고도로 질서화된 결정질 및 과립 영역을 야기한다. 이의 과립 상태에서 전분은 일반적으로 열가소성 가공에 적합하지 않다. 열가소성 전분을 수득하기 위해, 반-결정질 전분 과립은 열적 및 기계적 힘에 의해 분해될 수 있다. 순수 전분의 융점은 이의 분해 온도보다 상당히 더 높기 때문에, 가소제, 예컨대, 물 또는 글리콜이 첨가될 수 있다. 이어서, 열가소성 전분을 산출하는 상승된 온도에서 격렬한 혼합 (전단)에 의해 자연적인 결정도가 파괴될 수 있다. 전분은 물, 글리세롤 또는 소르비톨과 같은 전분 하이드록실 기와 수소 결합할 수 있는 비교적 낮은 수준의 분자에 의해 가소화 (탈구조화)될 수 있다.
열가소성 전분은 화학적으로 변형되거나 다른 생체중합체와 블렌딩되어, 보다 인성이고 보다 연성 및 탄력성인 바이오플라스틱을 생산할 수 있다. 예를 들어, 전분은 자연 및 합성 (생분해성) 폴리에스테르, 예컨대, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 또는 폴리하이드록시부티레이트와 블렌딩될 수 있다. 전분/폴리에스테르 블렌드의 상용성을 개선시키기 위해, 적합한 상용화제, 예컨대, 폴리(에틸렌-코-비닐 알콜) 또는 폴리비닐 알콜이 첨가될 수 있다. 전분의 친수성 하이드록실 기 (-OH)는 예컨대, 에스테르화 또는 에테르화에 의해, 소수성 (반응성) 기로 교체될 수 있다.
일부 실시양태에서, 전분-함유 바인더는 가교 전분이거나, 이를 포함한다. 전분을 가교시키는 다양한 방법이 당업계에 알려져 있다. 전분 재료는 예를 들어, 수성 매질에 용해 또는 분산시킨 후 산성 또는 알칼리성 조건 하에서 가교될 수 있다. 알데히드 (예컨대, 글루타르알데히드 또는 포름알데히드)는 전분을 가교시키는 데 사용될 수 있다.
가교 전분의 일 예는 전분 및 글리세롤 또는 다른 폴리올, 예컨대, (비제한적으로) 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이의 조합의 반응 생성물이다. 반응 생성물은 산, 예컨대, (비제한적으로) 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이의 조합에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다. 가교 반응을 촉매하기 위해 무기 산, 예컨대, 황산이 또한 활용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 열가소화 또는 가교 반응 생성물은 대신에 염기, 예컨대, (비제한적으로) 암모니아 또는 소듐 보레이트에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바인더는 물-저항성 바인더가 되도록 설계된다. 예를 들어, 전분에서, 친수성 기는 물에 더 잘 저항하는 소수성 기에 의해 교체될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바인더는 다른 목적, 예컨대, (비제한적으로) 바이오카본 펠릿의 물 체류, 미생물의 먹이 공급원 등을 제공한다.
일부 실시양태에서, 바인더는 바인더를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 바이오카본 펠릿의 반응성을 감소시킨다. 반응성은 열 반응성 또는 화학 반응성 (또는 둘 모두)을 지칭할 수 있다.
열 반응성의 경우, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 더 낮은 자가-가열을 가질 수 있다. "자가-가열"은 바이오카본 펠릿의 내부 온도를 상승시키기 위해 임의의 외부 발화의 부재 하에, 비교적 낮은 온도 및 산화성 분위기 하에 자발적인 발열 반응을 겪는 바이오카본 펠릿을 지칭한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, Seventh revised edition 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열을 특징으로 한다.
화학 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예컨대, 철) 또는 이들의 조합과의 반응성일 수 있다. 화학 반응성은 예를 들어, CO, CO2, H2O, 열분해 오일 및 열에 대한 반응과 연관될 수 있다.
임의로, 탄소-함유 펠릿은 하나 이상의 첨가제 (반드시 바인더는 아님), 예컨대, 무기 벤토나이트 점토, 석회석, 전분, 셀룰로스, 리그닌 또는 아크릴아미드를 포함한다. 리그닌이 바인더 또는 기타 첨가제로서 사용되는 경우, 리그닌은 열분해 공정에 사용되는 것과 동일한 바이오매스 공급원료로부터 수득될 수 있다. 예를 들어, 출발 바이오매스 공급원료를 리그닌-추출 단계에 적용하여, 바인더 또는 첨가제로서의 사용을 위한 다량의 리그닌을 제거할 수 있다.
플럭싱제, 예컨대, 무기 클로라이드, 무기 플루오라이드, 또는 석회를 포함하는 다른 가능한 첨가제. 일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파(fluorospar), 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 및 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 수확되기 전 또는 후에, 임의의 시간에 공급원료 자체로의 첨가를 포함하여 공정의 임의의 하나 이상의 단계 전에, 동안, 또는 후에 첨가될 수 있다.
바이오카본 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수는 적어도 30, 적어도 40, 적어도 50, 적어도 60, 적어도 70, 적어도 80, 적어도 90, 또는 적어도 100일 수 있다. 일부 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 약 30 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 70이다. "Standard Test Method for Grindability of Coal by the Hardgrove-Machine Method"에 대한 ASTM-표준 D 409/D 409M은 그 전체가 본원에 참조로 원용된다. 달리 나타내지 않는 한, 하드그로브 연삭성 지수 또는 HGI에 대한 본 개시내용에서의 모든 참조는 ASTM-표준 D 409/D 409M을 참조한다.
다양한 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 모든 개재 범위 (예컨대, 25-40, 30-60 등)를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100이다.
바이오카본 펠릿 (예컨대, 탄소-네거티브 및 네거티브-물-집약도 바이오카본 펠릿)은 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 99% 미만, 95% 미만, 90% 미만, 85% 미만, 또는 80% 미만의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 달리 나타내지 않는 한, 펠릿 내구성 지수에 대한 본 개시내용에서의 모든 참조는, 그 전체가 본원에 참조로 원용되는, ISO 17831-1:2015 "Solid biofuels ― Determination of mechanical durability of pellets and briquettes ― Part 1: Pellets"을 참조한다.
바이오카본 펠릿의 크기 및 기하학적 구조는 달라질 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "펠릿"은 느슨한 분말(loose powder)보다는 응집된 물체를 의미한다. 펠릿 기하학적 구조는 구형 또는 대략 구형으로 제한되지 않는다. 또한, 본 개시내용에서, "펠릿"은 "브리켓"과 동의어이다. 펠릿 기하학적 구조는 구형 (원형 또는 볼 형상), 입방체 (정사각형), 팔각형, 육각형, 벌집/벌통 형상, 타원형, 달걀 형상, 기둥 형상, 막대 형상, 베개 형상, 무작위 형상, 또는 이의 조합일 수 있다. 개시내용의 편의상, 용어 "펠릿"은 일반적으로 바인더와 응집된 분말을 포함하는 임의의 물체에 대해 사용될 것이다.
바이오카본 펠릿은 구의 경우 정확한(true) 직경인 평균 펠릿 직경, 또는 임의의 다른 3D 기하학적 구조의 경우 등가 직경을 특징으로 할 수 있다. 비-구형 펠릿의 등가 직경은 실제 펠릿과 동등한 부피의 구의 직경이다. 일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경은 모든 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20 또는 25 밀리미터이다. 일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경은 모든 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000 또는 6500 미크론이다.
일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경의 ±100% 미만, ±50% 미만, ±25% 미만, ±10% 미만, 또는 ±5% 미만의 표준 편차와 같이 크기가 비교적 균일한 복수의 바이오카본 펠릿이 존재한다. 다른 실시양태에서, 폭넓은 범위의 크기의 바이오카본 펠릿이 존재하는 데, 이것이 일부 적용에서 유리할 수 있기 때문이다.
본원은 다음을 포함하는, 네거티브-물-집약도 및 탄소-네거티브 펠릿일 수 있는 바이오카본 펠릿 조성물을 제공한다:
(a) 건조 기준으로, 적어도 약 60 wt%의 탄소를 포함하는, 약 35 wt% 내지 약 99 wt%의 생물기원 시약;
(b) 약 0 wt% 내지 약 35 wt%의 물 수분; 및
(c) 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 반응성-조정제,
여기서 반응성-조정제는 반응성-조정제를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 바이오카본 펠릿의 반응성을 감소시킴.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt%의 탄소를 포함한다. 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다.
생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt%의 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt%의 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 수소를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 수분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 특정 실시양태에서, 탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다.
일부 바이오카본 펠릿에서, 바이오카본 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 반응성-조정제를 포함한다. 바이오카본 펠릿은 예를 들어, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 반응성-조정제를 포함할 수 있다.
반응성-조정제는 유기 또는 무기일 수 있다. 반응성-조정제는 재생가능한 재료일 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응성-조정제는 부분적으로 산화되거나 연소될 수 있다.
반응성-조정제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응성-조정제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
특정 실시양태에서, 반응성-조정제는 임의로 가교된 열가소성 전분이다. 예를 들어, 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물일 수 있다. 폴리올은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 반응 생성물은 산, 예컨대, 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산 및 이들의 조합에 의해, 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성될 수 있다.
반응성-조정제가 바이오카본 펠릿의 반응성을 감소시키는 일부 바이오카본 펠릿에서, 반응성은 열 반응성이다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 반응성-조정제를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 더 낮은 자가-가열을 특징으로 할 수 있다.
반응성-조정제가 바이오카본 펠릿의 반응성을 감소시키는 일부 바이오카본 펠릿에서, 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예컨대, 철) 또는 이의 조합과의 화학적 반응성이다.
일부 바이오카본 펠릿에서, 반응성-조정제는 바이오카본 펠릿의 생물기원 시약 내에서 기공-충전성이다. 다른 바이오카본 펠릿에서, 반응성-조정제는 바이오카본 펠릿의 표면 상에 배치된다. 또 다른 바이오카본 펠릿에서, 반응성-조정제는 생물기원 시약 내에서 기공-충전성이며, 바이오카본 펠릿의 표면 상에 배치된다.
반응성-조정제는 바이오카본 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수를 조정가능하게 제어하기 위한 바인더로서 기능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 30, 예컨대, 약 30 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 70의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다. 다른 HGI 범위가 본 명세서의 다른 부분에 개시되었고, 반응성-조정제가 사용되고 바인더로서 기능하는 실시양태에 동등하게 적용가능하다.
예를 들어, HGI를 제어가능하게 조정할 뿐만 아니라 반응성-조정제로서 작용하도록 둘 모두를 기능하는 바인더가 선택될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 바인더가 생물기원 탄소 전반에 걸쳐 분산될 (바이오카본 펠릿의 기공을 충전할) 뿐만 아니라 바이오카본 펠릿의 표면 상에 배치되도록 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 바인더의 농도는 펠릿의 벌크 (내부적)와 비교하여 표면 상에서 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 표면에 비해 펠릿 벌크에서 더 높은 농도의 바인더가 존재하며, 다른 실시양태에서 (예컨대, 감소된 자가-가열 펠릿에 대한 특정 실시양태), 표면에서 더 높은 바인더 농도가 요망된다. 2개의 상이한 바인더 (화학 종) - 펠릿의 벌크 내에서 하나 및 표면에서 하나를 갖는 것이 또한 가능하다. 이러한 실시양태에서, 벌크 결합제는 바인더로서 지칭될 수 있고, 펠릿 표면제는 펠릿 반응성-조정제로서 지칭될 수 있다. 이러한 실시양태에서도, 바인더가 펠릿 생산 공정 동안 첨가되는 경우, 일부 양의 바인더가 펠릿 표면에 존재할 것임이 인식될 것이다. 마찬가지로, 반응성-조정제가 이들이 형성된 후에 펠릿 상에 코팅되는 경우, 펠릿 기공으로의 일부 양의 반응성-조정제의 확산이 예상될 수 있다.
다른 변형은 바이오카본 펠릿을 생산하는 공정을 제공하며, 여기서 펠릿은 네거티브-물-집약도 및 탄소-네거티브 펠릿일 수 있으며, 이 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스 공급원료를 건조시키는 단계;
(b) 바이오매스 공급원료를 열분해하여, 생물기원 시약을 생성하는 단계이되, 여기서 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%의 탄소 및 적어도 약 5 wt%의 수분을 포함하는, 단계;
(c) 생물기원 시약을 기계적으로 처리하여 복수의 탄소-함유 입자를 생성하는 단계;
(d) 탄소-함유 입자를 바인더와 조합하여 탄소-바인더 혼합물을 형성하는 단계;
(e) 단계 (d) 이후에 또는 단계 (d)와 동시에 탄소-바인더 혼합물을 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계; 및
(f) 임의로, 바이오카본 펠릿을 적어도 부분적으로 건조시키는 단계;
(g) 단계 (a)에서 수집된 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(h) 단계 (b) 또는 단계 (f)에서 수집된 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 약 1 내지 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(i) 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(j) 산성수의 적어도 일부를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(k) 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는 바이오카본 펠릿을 회수하는 단계.
일부 공정 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt%의 탄소, 적어도 약 80 wt%의 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 탄소를 포함한다.
일부 공정 실시양태에서, 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 약 75 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
탄소는 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 완전히 재생가능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정은 ASTM D6866을 활용한다.
특정 공정에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt%의 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt%의 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 수소를 포함한다.
일부 공정에서, 생물기원 시약은 단계 (b)에서 적어도 약 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 30 wt%, 35 wt%, 또는 40 wt%의 수분을 포함한다. 40 wt% 초과의 수분 함량에서, 바이오카본 펠릿이 여전히 제조될 수 있지만, 펠릿 밀도는 열등할 (많은 적용에 대해 너무 낮을) 것으로 예상된다. 일부 실시양태에서, 단계 (c), 단계 (d) 또는 단계 (e)는 단계 (b)의 수분보다 더 낮은 수분으로 실시된다. 예를 들어, 단계 (f)가 실시되는 경우, 건조는 단계 (b)에서의 수분보다 더 낮은 수분 및 임의로 단계 (c), 단계 (d) 또는 단계 (e)에서의 수분보다 더 낮은 수분을 초래할 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (f)는 단계 (e) 후에 실시된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 단계 (f)는 단계 (e)와 통합된다. 예를 들어, 펠릿화 유닛은 펠릿이 형성되고 있을 때 이로부터 물 방출을 가능하게 할 수 있으며, 즉, 펠릿화 유닛은 또한 건조기로서 작용할 수 있다. 특정 실시양태에서, 일부 양의 건조가 펠릿화하는 단계 동안 일어나고, 추가적인 건조는 펠릿화하는 단계 후에, 예컨대, 건조 유닛에서 또는 주변 조건 하에서 일어난다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 단계 (c) 동안 건조되지 않는다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 생물기원 시약은 단계 (d) 동안 건조되지 않는다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 생물기원 시약은 단계 (e) 동안 건조되지 않는다.
바이오카본 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 수분, 예컨대, 약 5 wt% 내지 약 15 wt%의 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt%의 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt%의 수분을 포함할 수 있다.
일부 공정에서, 단계 (b)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도에서 실시된다. 일부 공정에서, 단계 (b)는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 열분해 시간 동안 실시된다. 다른 가능한 열분해 조건은 본 명세서의 뒷부분에 기재되어 있다.
단계 (c)는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용할 수 있다.
일부 공정에서, 단계 (c) 및 단계 (d)가 통합된다. 예를 들어, 바인더는 해머 밀 또는 압출기, 또는 기타 기계적-처리 장치에 직접 공급될 수 있다.
바이오카본 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 바인더, 예컨대, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 바인더, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 유기 또는 무기일 수 있다.
바인더는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 공정에서, 바인더는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
단계 (e)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용할 수 있다.
일부 공정에서, 단계 (d) 및 단계 (e)가 통합된다. 예를 들어, 바인더는 펠릿화 유닛에 직접 도입될 수 있다. 단계 (d) 및 단계 (e)가 개별적으로 수행되는 경우, 바인더를 탄소-함유 입자와 조합하여, 탄소-바인더 혼합물을 형성한 후에 이러한 혼합물을 탄소-바인더 혼합물의 펠릿화를 위해 구성된 유닛에 도입한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 더 작은 물체를 만들기 위한 출발 재료로서 활용되며, 이는 또한 "펠릿"이 기하학적 구조를 제한하지 않기 때문에 바이오카본 펠릿으로서 지칭될 수 있다. 예를 들어, 평균 펠릿 직경이 10 mm인 초기 바이오카본 펠릿이 제작될 수 있다. 그런 다음, 이들 초기 바이오카본 펠릿은 다양한 기계적 수단을 사용하여 (예컨대, 해머 밀을 사용하여) 파쇄될 수 있다. 파쇄된 펠릿은 크기에 따라, 예컨대, 스크리닝에 의해 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000 또는 5000 미크론의 평균 펠릿 직경을 갖는, 더 작은 바이오카본 펠릿이 생산될 수 있다. 더 작은 바이오카본 펠릿의 평균 펠릿 직경은 바인더를 포함하는 펠릿을 만들기 위해 사용된 초기 탄소-함유 입자의 평균 입자 직경보다 더 클 수 있다.
바이오카본 펠릿을 파쇄하여 더 작은 바이오카본 펠릿을 생성하는 경우, 파쇄 (및 임의로 스크리닝)의 단계는 단계 (e)와 통합될 수 있거나, 단계 (e)에 이어질 수 있거나, 단계 (f)와 통합될 수 있거나, 단계 (f)에 이어질 수 있으며, 이는 잠재적으로 산업적 용도의 현장을 포함한다. 더 작은 바이오카본 펠릿을 생성하기 위한 임의적 단계는 해머 밀, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기, 암석 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 파쇄 장치를 활용할 수 있다.
다양한 공정 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 적어도 40, 적어도 50, 적어도 60, 적어도 70, 적어도 80, 적어도 90 또는 적어도 100이다. 예를 들어, 하드그로브 연삭성 지수는 약 30 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 70일 수 있다.
다양한 공정에서, 공정 조건은 모든 개재 범위 (예컨대, 30-60, 33-47 등)를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100의 하드그로브 연삭성 지수를 갖는 최종 바이오카본 펠릿을 생성하도록 선택되고 최적화된다.
일부 공정에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 공정은 하드그로브 연삭성 지수의 사전-선택, 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수를 기반으로 한 공정 조건의 조정, 및 바이오카본 펠릿에 대한 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±20% 내의 달성을 포함하며, 여기서 공정 조건의 조정은 열분해 온도, 열분해 시간, 기계적-처리 조건, 펠릿화 조건, 바인더 유형, 바인더 농도, 결합 조건, 및 건조 중 하나 이상의 조정을 포함한다. 특정 실시양태의 공정은 바이오카본 펠릿에 대해 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±10% 이내 또는 ±5% 이내를 달성할 수 있다.
본원에 개시된 바이오카본 펠릿은 폭넓게 다양한 다운스트림 용도를 갖는다. 바이오카본 펠릿은 저장, 판매, 배송 및 다른 생성물로 전환될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 금속 제조에서 퍼니스, 예컨대, 용광로로의 공급을 위해 미분, 파쇄 또는 밀링될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 금속 제조에서 퍼니스, 예컨대, 테크노레드 퍼니스에 직접 공급될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 보일러에서의 사용을 위해 미분되어, 탄소를 연소시키고 전기 에너지 또는 열을 생성할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿으로부터 합성가스를 제조하기 위한 목적으로 가스화기로의 공급을 위해 미분, 파쇄, 또는 밀링될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 직접적으로 또는 미분, 파쇄, 밀링 또는 달리 입자 크기 감소 단계 후에, 퍼니스에 공급되는 네거티브-물-집약도 및 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿이다. 퍼니스는 용광로, 탑-가스 재활용 용광로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 공기로로서 알려짐), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로 퍼니스, 연속 연쇄 퍼니스, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로 퍼니스, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크 퍼니스, 유도 퍼니스, 기본적 산소 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원된-금속 퍼니스, 또는 이의 조합 또는 파생물일 수 있다.
바이오카본 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수와 관계없이, 이들은 나중에 분쇄 공정을 거칠 필요가 없음에 유의한다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 농업 적용에서 직접 사용될 수 있다. 다른 예로서, 바이오카본 펠릿은 조경 벽과 같은 공학 구조물에 직접 통합될 수 있다. 바이오카본 펠릿을 포함하는 구조의 수명 종료시, 이어서, 펠릿은 분쇄, 연소, 가스화, 또는 달리 재사용 또는 재활용될 수 있다.
열분해 공정 및 시스템
탄소를 포함하는 생물기원 시약을 생성하기 위해 바이오매스 공급원료를 열분해하는 데 적합한 공정 및 시스템이 이제 더 상세히 기재될 것이다.
"열분해" 및 "열분해하다"는 일반적으로 탄소질 재료의 열 분해를 지칭한다. 열분해에서, 재료의 완전한 연소를 위해 요구되는 것보다 더 적은 산소, 예컨대, 완전한 연소를 위해 요구되는 산소의 10%, 5%, 1%, 0.5%, 0.1% 또는 0.01% 미만 (O2 몰 기준)이 존재한다. 일부 실시양태에서, 열분해는 산소의 부재 하에 수행된다.
열분해 동안 발생할 수 있는 예시적인 변화는 다음 중 임의의 것을 포함한다: (i) 열 공급원으로부터의 열 전달은 공급원료 내부의 온도를 증가시킴; (ii) 이러한 더 고온에서의 일차 열분해 반응의 개시는 휘발성 물질을 방출하고 숯을 형성함; (iii) 더 저온의 고체를 향한 고온 휘발성 물질의 유동은 고온 휘발성 물질 및 더 저온의 열분해되지 않은 공급원료 사이의 열 전달을 초래함; (iv) 공급원료의 더 저온의 부분에서 휘발성 물질 중 일부의 응축 후, 이차 반응이 타르를 생산할 수 있음; (v) 경쟁에서 일차 열분해 반응이 동시에 발생하는 동안 자가촉매 이차 열분해 반응이 진행됨; 및 (vi) 체류 시간, 온도, 및 압력 프로파일의 함수인, 추가의 열 분해, 개질, 물-가스 시프트 반응, 자유-라디칼 재조합, 또는 탈수가 또한 발생할 수 있음.
열분해는 출발 공급원료 (예컨대, 리그노셀룰로스 바이오매스)를 적어도 부분적으로 탈수시킬 수 있다. 다양한 실시양태에서, 열분해는 출발 공급원료로부터 약 50%, 75%, 90%, 95%, 99% 초과, 또는 그 초과의 물을 제거한다.
일부 실시양태에서, 출발 바이오매스 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 바이오매스 공급원료는 탄소, 수소 및 산소를 포함한다는 점에 유의한다.
생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt%의 탄소 (총 탄소)를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 99 wt%의 탄소를 포함한다. 총 탄소는 고정 탄소 + 휘발성 물질에 존재하는 비-고정 탄소이다. 일부 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 달리 명시되지 않는 한 가정되는 절대 기준이다. 다른 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 무-수분 및 무-회분 기준에 대한 것이다.
생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 99 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
(생물기원 시약 내의) 탄소는 예를 들어, 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt%의 고정 탄소일 수 있으며, 나머지 탄소는 휘발성 탄소이다. 다양한 실시양태에서, 탄소는 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 99 또는 100 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
열분해 조건은 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스에 대한 원하는 조성, 출발 공급원료, 반응기 구성 및 기타 인자에 따라 광범위하게 달라질 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중 반응기 구역은 공급원료 변형에 대한 유연성 및 조정성 및 생성물 요건을 유지하면서, 열분해로부터의 탄소 수율 및 생성물 품질을 최적화하는 방식으로 설계되고 작동된다.
일부 비-제한적인 실시양태에서, 온도 및 체류 시간은 비교적 느린 열분해 화학을 달성하도록 선택될 수 있다. 이점은 잠재적으로 바이오매스 구조에 포함된 세포 벽의 실질적인 보존이며, 이는 최종 생성물이 출발 바이오매스의 형상 및 강도의 일부, 대부분, 또는 전부를 유지할 수 있음을 의미한다. 이러한 잠재적 이익을 최대화하기 위해, 세포 벽을 기계적으로 파괴하지 않고 달리 바이오매스 입자를 작은 미립분으로 전환시키는 장치가 활용될 수 있다. 특정 적합한 반응기 구성은 아래 공정 설명 이후에 논의된다.
추가적으로, 공급원료가 밀링된 또는 사이징된 공급원료, 예컨대, 목재 칩 또는 펠릿인 경우, 공급원료를 주의깊게 밀링 또는 사이징하는 것이 바람직할 수 있다. 주의깊은 초기 처리는 천연 공급원료 공급원 (예컨대, 나무)에 존재하는 강도 및 세포-벽 무결성을 보존하는 경향이 있을 것이다. 이는 또한 최종 생성물이 출발 바이오매스의 형상 및 강도의 일부, 대부분 또는 전부를 유지해야 하는 경우에 중요할 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제1 구역은 바이오매스에, 세포 벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시할 "충격"을 주지 않는 방식으로 바이오매스 (또는 다른 탄소-함유 공급원료)를 공급하도록 구성된다. 이 제1 구역은 온화한 열분해로 간주될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제2 구역은, 예열된 바이오매스가 열분해 화학을 겪어 가스 및 응축성 증기를 방출하여, 고-탄소 반응 중간체인 유의한 양의 고체 재료를 남기는 일차 반응 구역으로서 구성된다. 바이오매스 구성요소 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌)는 분해되고, 증기를 생성하며, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 나노기공을 생성함으로써 빠져나간다. 후자의 효과는 다공성 및 표면적의 생성에 기여한다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제3 구역은 고-탄소 반응 중간체를 수용하고 고체를 어느 정도 냉각시키도록 구성된다. 전형적으로, 제3 구역은 제2 구역보다 더 낮은 온도일 것이다. 제3 구역에서, 화학 및 질량 수송은 놀랍게 복잡할 수 있다. 임의의 특정 이론 또는 제안된 메커니즘에 의해 제한되지 않으면서, 이차 반응이 제3 구역에서 발생할 수 있는 것으로 믿어진다. 본질적으로, 가스 상인 탄소-함유 구성요소는 분해되어 추가적인 고정 탄소를 형성하거나 탄소에 흡착될 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 최종 탄소질 재료는 단순히 고체의, 가공 단계의 탈휘발된 잔류물이 아니라, 오히려 탄소를 형성할 수 있는 유기 증기 (예컨대, 타르)의 분해에 의한 것과 같이 가스 상으로부터 침착된 추가적인 탄소를 포함한다.
특정 실시양태는 최종 생성물의 탄소 함량을 향상시키기 위해, 냉각된 탄소가 탄소-함유 종을 포함하는 환경에 적용되는 별도의 유닛을 포함함으로써 추가적인 탄소 형성의 개념을 확장한다. 이 유닛의 온도가 열분해 온도 미만인 경우, 추가적인 탄소는 추가적인 고정 탄소가 아닌 흡착된 탄소질 종의 형태일 것으로 예상된다.
임의의 특정 구역에 존재하는 하나 이상의 상의 중간 입력 및 출력 (퍼지 또는 프로브) 스트림, 다양한 질량 및 에너지 재활용 계획, 공정 중 어디에서나 도입될 수 있는 다양한 첨가제, 및 생성물 분포를 맞춤화하기 위한 반응 및 분리 조건 둘 모두를 포함하는 공정 조건의 조정가능성 등에 관한 것과 같은 다수의 옵션이 있다. 구역-특이적 입력 및 출력 스트림은 FTIR 샘플링 및 동적 공정 조정을 통한 것과 같이, 양호한 공정 모니터링 및 제어를 가능하게 한다.
일부 실시양태는 빠른 열분해를 사용하지 않고, 일부 실시양태는 느린 열분해를 사용하지 않는다. 놀랍게도, 매우 높은 분율의 고정 탄소를 갖는 조성물을 포함하는 고-품질 탄소 재료가 개시된 공정 및 시스템으로부터 수득될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약을 생산하기 위한 열분해 공정은 다음 단계를 포함한다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료 내에 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 하나 이상의 온도로 적어도 10분 동안 실질적으로 불활성 가스 상의 존재 하에 공급원료를 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기, 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 고온의 열분해된 고체를 냉각시켜, 냉각된 열분해된 고체를 생성하는 단계; 및
(g) 냉각된 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계.
본 개시내용의 목적상, "바이오매스"는 임의의 생물기원 공급원료 또는 생물기원 및 비-생물기원 공급원료의 혼합물로서 해석되어야 한다. 기본적으로, 바이오매스는 적어도 탄소, 수소, 및 산소를 포함한다. 기술은 다양한 유형, 크기, 및 수분 함량의 폭넓은 범위의 공급원료를 수용할 수 있다.
바이오매스는 예를 들어, 식물 및 식물-유래 재료, 초목, 농업 폐기물, 임업 폐기물, 목재 폐기물, 종이 폐기물, 동물-유래 폐기물, 가금류-유래 폐기물, 및 도시 고형 폐기물을 포함한다. 바이오매스를 활용하는 다양한 실시양태에서, 바이오매스 공급원료는 다음으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다: 목재 수확 잔류물, 침엽수 칩, 활엽수 칩, 나뭇가지, 나무 그루터기, 옹이, 잎, 나무껍질, 톱밥, 오프-스펙 종이 펄프, 셀룰로스, 옥수수, 옥수수대, 밀짚, 볏짚, 사탕수수 바가스, 지팽이풀, 억새, 동물 거름, 도시 쓰레기, 도시 하수, 상업 폐기물, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 탄수화물, 플라스틱, 및 천. 당업자는 공급원료 옵션이 실질적으로 제한되지 않음을 용이하게 인식할 것이다.
기술은 또한 바이오매스 및 화석 연료의 혼합물 (예컨대, 바이오매스/석탄 블렌드)에 사용될 수 있으며, 최종 생성물의 탄소 집약도가 순수 바이오매스 공급원료만큼 낮지는 않지만 순수 화석-연료 공급원료가 사용되는 경우 보다 낮을 것임을 인식한다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 석탄, 오일 셰일, 원유, 아스팔트, 또는 원유 가공으로부터의 고체 (예컨대, 페트코크)를 포함한다. 공급원료는 폐기 타이어, 재활용 플라스틱, 재활용 종이, 건설 폐기물, 해체 폐기물, 및 기타 폐기물 또는 재활용 재료를 포함할 수 있다.
특정 공급원료 또는 공급원료들의 선택은 기술적으로 중요한 것으로서 간주되지 않지만, 경제적 공정을 유리하게 하는 경향이 있는 방식으로 수행된다. 전형적으로, 선택된 공급원료와 관계없이, (일부 실시양태에서는) 바람직하지 않은 재료를 제거하기 위한 스크리닝이 있을 수 있다. 공급원료는 가공 전에 임의로 건조될 수 있다. 탄소-함유 공급원료는 임의의 알려진 수단에 의해, 예컨대, 트럭, 기차, 선박, 바지선, 트랙터 트레일러, 또는 임의의 다른 비히클 또는 이송 수단에 의해 수송가능할 수 있다.
사용되는 공급원료는 폭넓게 다양한 입자 크기 또는 형상으로 제공되거나 가공될 수 있다. 예를 들어, 공급 재료는 미세한 분말, 또는 미세한 입자 및 거친 입자의 혼합물일 수 있다. 공급 재료는 큰 조각의 재료, 예컨대, 목재 칩 또는 다른 형태의 목재 (예컨대, 원형, 원통형, 정사각형 등)의 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급 재료는 예컨대, 바인더와 함께 압착되거나 달리 이와 결합된, 펠릿 또는 입자의 다른 응집된 형태를 포함한다.
크기 감소는 비용이 많이 들고 에너지-집약적인 공정임에 유의한다. 열분해된 재료는 유의하게 더 적은 에너지 입력으로 사이징될 수 있으며 - 즉, 공급원료가 아닌 생성물의 입자 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 공정이 미세한 출발 재료를 필요로 하지 않고, 가공 동안 임의의 유의한 입자-크기 감소가 필수적이지 않기 때문에 이는 옵션이다. 매우 큰 조각의 공급원료를 가공하는 능력은 유의한 경제적 이점이다. 특히, 고-탄소 생성물의 일부 시장 적용은 실제로 (예컨대, 센티미터 단위의) 큰 크기를 요구하므로, 일부 실시양태에서, 큰 조각이 공급, 생산 및 판매된다.
실린더 형태와 같이 구조적 무결성을 갖는 최종 탄소질 생물기원 시약을 생산하는 것이 요망되는 경우, 2 개 이상의 옵션이 있다. 먼저, 공정으로부터 생산된 재료를 수집한 다음, 기계적으로 원하는 형태로 추가 가공할 수 있다. 예를 들어, 생성물을 바인더와 함께 압착시키거나 펠릿화할 수 있다. 제2 옵션은, 일반적으로 최종 생성물에 대한 원하는 크기 또는 형상을 보유하는 공급 재료를 활용하고, 공급 재료의 기본 구조를 파괴하지 않는 가공 단계를 사용하는 것이다. 일부 실시양태에서, 공급물 및 생성물은 유사한 기하학적 구조 형상, 예컨대, 구, 원통, 또는 입방체를 갖는다.
생성물 강도가 중요한 경우, 공정 전반에 걸쳐 공급 재료의 대략적인 크기를 유지하는 능력이 중요하다. 또한, 이는 높은 고정-탄소 재료를 펠릿화하는 것의 어려움 및 비용을 모면한다.
출발 공급 재료는 인식될 것인 바와 같이, 다양한 수분 수준으로 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급 재료는 이미 충분히 건조되어 열분해 전에 추가로 건조될 필요가 없을 수 있다. 전형적으로, 통상적으로 수분을 포함하고 열분해 반응기로의 도입 전에 건조 단계를 통해 바이오매스를 공급하는 바이오매스의 상업적 공급원을 활용하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 일부 실시양태에서 건조된 공급원료가 활용될 수 있다.
열분해 반응기 내의 비교적 저-산소 환경, 예컨대, 가스 상 중의 약, 또는 최대 약, 10 mol%, 5 mol%, 4 mol%, 3 mol%, 2 mol%, 1.5 mol%, 1 mol%, 0.5 mol%, 0.2 mol%, 0.1 mol%, 0.05 mol%, 0.02 mol%, 또는 0.01 mol% O2를 제공하는 것이 바람직하다. 먼저, 안전성의 이유로, 열분해 반응기에서 제어되지 않은 연소를 피해야 한다. CO2로의 일부 양의 총 탄소 산화가 발생할 수 있고, 발열 산화로부터 방출된 열은 흡열 열분해 화학을 보조할 수 있다. 합성가스로의 부분적 산화를 포함한 다량의 탄소의 산화는 고체에 대한 탄소 수율을 감소시킬 것이다.
실질적으로 말하면, 반응기에서 엄격하게 무-산소 환경을 달성하는 것은 어려울 수 있다. 이 한계에 접근할 수 있으며, 일부 실시양태에서, 반응기에는 가스 상에서 분자 산소가 실질적으로 없다. 열분해 반응기에 산소가 존재하지 않거나 거의 존재하지 않도록 보장하기 위해, 공급 재료를 반응기에 도입하기 전에 그로부터 공기를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 공급원료 중의 공기를 제거하거나 감소시키기 위한 다양한 방식이 있다.
일부 실시양태에서, 탈기 유닛이 활용될 수 있고, 여기서 공급원료는 건조 전 또는 후에, 흡착된 산소를 제거하고 공급원료 기공에 침투하여 기공으로부터 산소를 제거할 수 있는 다른 가스의 존재 하에 이송된다. 21 vol% 미만의 O2를 갖는 본질적으로 임의의 가스가 다양한 유효성으로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 질소가 사용된다. 일부 실시양태에서, CO 또는 CO2가 사용된다. 혼합물, 예컨대, 질소 및 소량의 산소의 혼합물이 사용될 수 있다. 스팀이 탈기 가스에 존재할 수 있지만, 공급물에 유의한 수분을 다시 첨가하는 것은 피해야 한다. 탈기 유닛으로부터의 유출물은 (대기 또는 배출 처리 유닛으로) 퍼징되거나 재활용될 수 있다.
원리적으로, 탈기 유닛으로부터의 유출물 (또는 이의 일부)은 고체로부터 제거된 산소가 이제 고도로 희석될 것이기 때문에, 열분해 반응기 자체로 도입될 수 있다. 이 실시양태에서, 반응기가 역류 구성으로 작동될 때, 탈기 유출 가스를 반응기의 마지막 구역에 도입하는 것이 유리할 수 있다.
다양한 유형의 탈기 유닛이 사용될 수 있다. 건조가 수행되어야 하는 경우, 존재하는 수분 밖으로 가용성 산소를 스크러빙하는 것이 비효율적일 수 있으므로, 건조시킨 다음 탈기하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 실시양태에서, 건조 및 탈기 단계가 단일 유닛으로 조합되거나, 일부 양의 탈기가 건조 등 동안 달성된다.
임의로 건조되고 임의로 탈기된 공급 재료는 직렬 또는 병렬로 열분해 반응기 또는 다중 반응기에 도입된다. 공급 재료는 예를 들어, 스크류 공급기 또는 잠금 호퍼를 포함한 임의의 알려진 수단을 사용하여 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 재료 공급 시스템은 에어 나이프를 포함한다.
단일 반응기가 사용될 때, 다중 구역이 존재할 수 있다. 다중 구역, 예컨대, 2, 3, 4개 이상의 구역은 전체 공정 성능을 조정하기 위해 온도, 고체 체류 시간, 가스 체류 시간, 가스 조성, 유동 패턴, 또는 압력의 별도의 제어를 가능하게 할 수 있다.
"구역"에 대한 언급은 단일 물리적 유닛, 물리적으로 별도의 유닛, 또는 이의 임의의 조합 내의 공간의 영역을 포함하는 것으로 광범위하게 해석되어야 한다. 연속 반응기의 경우, 구역의 구분은 반응기 내의 플라이트 또는 별도의 구역에 열을 제공하기 위한 별개의 가열 요소의 존재와 같은 구조와 관련될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연속 반응기에서 구역의 구분은 뚜렷한 온도, 유체 유동 패턴, 고체 유동 패턴 및 반응의 정도 등과 같은 기능과 관련될 수 있다. 단일 배치 반응기에서, "구역"은 공간보다는 시간에 따른 작동 체제이다. 다중 배치 반응기가 또한 사용될 수 있다.
반드시 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 갑작스러운 전환이 있는 것은 아님이 인식될 것이다. 예를 들어, 예열 구역 및 열분해 구역 사이의 경계는 다소 임의적일 수 있으며; 일부 양의 열분해는 예열 구역의 일부에서 일어날 수 있고, 일부 양의 "예열"은 열분해 구역에서 계속 일어날 수 있다. 반응기에서의 온도 프로파일은 전형적으로 반응기 내의 구역 경계를 포함하여 연속적이다.
일부 실시양태는 예열 또는 온화한 열분해의 조건 하에서 작동되는 제1 구역을 사용한다. 제1 구역의 온도는 약 150℃ 내지 약 500℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 400℃로부터 선택될 수 있다. 제1 구역의 온도는 바이오매스 재료에 충격을 주어 세포 벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시할만큼 높지 않다.
본 명세서에서 구역 온도에 대한 모든 언급은 존재하는 벌크 고체, 또는 가스 상, 또는 반응기 벽 (공정 측면에서)에 적용될 수 있는 온도를 포함하도록 비-제한적인 방식으로 해석되어야 한다. 일시적으로 (즉, 시동 후 또는 과도 현상으로 인해) 뿐만 아니라, 축방향 및 방사상 둘 모두로, 각각의 구역에 온도 구배가 있을 것임이 이해될 것이다. 따라서, 구역 온도에 대한 언급은 평균 온도 또는 실제 동역학에 영향을 줄 수 있는 다른 유효 온도에 대한 언급일 수 있다. 온도는 열전대 또는 다른 온도 프로브에 의해 직접 측정되거나, 다른 수단에 의해 간접적으로 측정 또는 추정될 수 있다.
제2 구역, 또는 일반적으로 일차 열분해 구역은 열분해 또는 탄화 조건 하에서 작동된다. 제2 구역의 온도는 약 250℃ 내지 약 700℃, 예컨대, 약, 또는 적어도 약, 또는 최대 약, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃ 또는 650℃로부터 선택될 수 있다. 이 구역 내에서, 예열된 바이오매스는 열분해 화학을 겪어 가스 및 응축성 증기를 방출하여, 유의한 양의 고체 재료를 고-탄소 반응 중간체로서 남긴다. 바이오매스 구성요소 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌)은 분해되고 증기를 생성하고, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 기공을 생성함으로써 빠져나간다. 바람직한 온도는 적어도 제2 구역의 체류 시간, 뿐만 아니라 공급원료의 성질 및 원하는 생성물 특성에 따라 좌우될 것이다.
제3 구역 또는 냉각 구역은 고-탄소 반응 중간체를 다양한 정도로 냉각시키기 위해 작동된다. 최소한, 제3 구역의 온도는 제2 구역의 온도보다 더 낮은 온도여야 한다. 제3 구역의 온도는 약 100℃ 내지 약 550℃, 예컨대, 약 150℃ 내지 약 350℃로부터 선택될 수 있다.
화학 반응은 냉각 구역에서 계속 발생할 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 제한되지 않으면서, 이차 열분해 반응은 제3 구역에서 개시될 수 있는 것으로 여겨진다. 가스 상인 탄소-함유 구성요소는 응축될 수 있다 (제3 구역의 감소된 온도로 인해). 그러나, 온도는 응축된 액체로부터 추가적인 고정 탄소를 형성할 수 있는 반응 (이차 열분해)을 촉진하거나 적어도 흡착된 종 및 고정 탄소 사이의 결합을 형성하기에 충분히 높게 유지된다. 일어날 수 있는 하나의 예시적인 반응은 일산화탄소를 이산화탄소 + 고정 탄소로 전환시키는 부두아르(Boudouard) 반응이다.
반응기 구역의 체류 시간은 다양할 수 있다. 시간 및 온도의 상호작용이 있으므로, 원하는 양의 열분해에 대해, 더 높은 온도는 더 적은 반응 시간을 허용할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 연속 반응기 (구역)에서의 체류 시간은 부피를 부피 유량으로 나눈 것이다. 배치 반응기에서의 체류 시간은 반응 온도까지의 가열 후의 배치 반응 시간이다.
다상 반응기에는 다중 체류 시간이 있음을 인식해야 한다. 본 맥락에서, 각각의 구역에서, 고체 상 및 증기 상 둘 모두의 체류 시간 (및 체류-시간 분포)이 있을 것이다. 다중 구역을 사용하고, 주어진 처리량을 갖는 주어진 장치에 대해, 구역에 걸친 체류 시간은 일반적으로 고체 측면에서 커플링되지만, 개별 구역에서 다중 유입구 및 유출구 포트를 활용하는 경우, 체류 시간은 증기 측면에서 비커플링될 수 있다. 고체 및 증기 체류 시간은 비커플링된다.
예열 구역의 고체 체류 시간은 약 5 분 내지 약 60 분, 예컨대, 약 10, 20, 30, 40 또는 50 분으로부터 선택될 수 있다. 온도에 따라, 바이오매스가 원하는 예열 온도에 도달할 수 있게 하도록 충분한 시간이 요망된다. 입자 유형 및 크기, 물리적 장치, 및 가열 파라미터에 따라 좌우될 것인 열-전달 속도는 고체가 원하는 예열 온도에 도달하는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 추가적인 시간은 예열 구역에서 일부 양의 온화한 열분해가 의도되지 않는 한, 더 높은 자본 비용에 기여할 것이므로 바람직하지 않을 수 있다.
열분해 구역의 고체 체류 시간은 약 10 분 내지 약 120 분, 예컨대, 약 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100 분으로부터 선택될 수 있다. 이 구역에서의 열분해 온도에 따라, 필요한 열 전달 후, 탄화 화학이 일어나는 것을 가능하게 하기에 충분한 시간이 있어야 한다. 약 10 분 미만의 시간 동안, 다량의 비-탄소 원소를 제거하기 위해, 온도가 700℃ 초과와 같이 상당히 높아야 한다. 이 온도는 빠른 열분해 및 탄소 자체로부터 유래되는 이의 증기 및 가스 생성을 촉진하며, 이는 의도된 생성물이 고체 탄소인 경우에 피해야 할 것이다.
정적 시스템에서, 특정 시간에 실질적으로 도달할 수 있는 평형 전환이 있을 것이다. 특정 실시양태에서와 같이, 연속적인 휘발성 물질 제거와 함께 증기가 고체 위로 연속적으로 유동할 때, 반응 속도가 0에 접근할 때까지 열분해 및 탈휘발이 계속되는 것을 가능하게 하기 위해 평형 제약이 제거될 수 있다. 더 긴 시간은 남아있는 난분해성 고체를 실질적으로 변경하는 경향이 없을 것이다.
냉각 구역의 고체 체류 시간은 약 5 분 내지 약 60 분, 예컨대, 약 10, 20, 30, 40 또는 50 분으로부터 선택될 수 있다. 이 구역에서의 냉각 온도에 따라, 탄소 고체를 원하는 온도까지 냉각시키는 것을 가능하게 하기에 충분한 시간이 있어야 한다. 냉각 속도 및 온도는 탄소가 냉각되는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 일부 실시양태에서, 일부 양의 이차 열분해를 원하지 않는 한, 추가적인 시간은 바람직하지 않다.
위에 논의된 바와 같이, 증기 상의 체류 시간은 개별적으로 선택되고 제어될 수 있다. 예열 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 15 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 분으로부터 선택될 수 있다. 열분해 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 20 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 또는 15 분으로부터 선택될 수 있다. 냉각 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 15 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 분으로부터 선택될 수 있다. 짧은 증기 체류 시간은 시스템 밖으로의 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진하지만, 더 긴 증기 체류 시간은 고체 상과 증기 상 중의 구성요소의 반응을 촉진한다.
반응기 및 전체 시스템에 대한 작동의 모드는 연속, 반-연속, 배치, 또는 이들의 임의의 조합 또는 변형일 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 고체 및 증기가 실질적으로 반대 방향으로 유동하는 연속적인, 역류 반응기이다. 반응기는 또한 배치이지만 증기의 시뮬레이션된 역류 유동으로, 예컨대, 배치 용기로부터 가스 상의 주기적 도입 및 제거에 의해 작동될 수 있다.
다양한 유동 패턴이 요망되거나 관찰될 수 있다. 다중 반응기 구역에서의 다중 상을 포함하는 화학 반응 및 동시 분리에서는, 유체 역학이 상당히 복잡할 수 있다. 전형적으로, 고체의 유동은 플러그 유동 (방사상 차원에서 잘 혼합됨)에 접근할 수 있는 반면, 증기의 유동은 완전히 혼합된 유동 (방사상 및 축방향 차원 둘 모두에서 빠른 수송)에 접근할 수 있다. 증기에 대한 다중 유입구 및 유출구 포트가 전체적 혼합에 기여할 수 있다.
각각의 구역에서의 압력은 개별적으로 선택되고 제어될 수 있다. 각각의 구역의 압력은 약 1 kPa 내지 약 3000 kPa, 예컨대, 약 101.3 kPa (정상 대기압)로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 대기압 미만의 구역 압력이 요망될 때 가스를 철수시키기 위한 진공 포트를 포함하여 다중 가스 유입구 및 유출구가 사용되는 경우, 압력의 독립적 구역 제어가 가능하다.
일부 실시양태에서, 공정은 대기압에서 편리하게 작동될 수 있다. 기계적 단순성으로부터 향상된 안전성에 이르기까지 대기압에서의 작동과 연관된 많은 이점이 있다. 특정 실시양태에서, 열분해 구역은 약 90 kPa, 95 kPa, 100 kPa, 101 kPa, 102 kPa, 105 kPa 또는 110 kPa (절대 압력)의 압력에서 작동된다.
진공 작동 (예컨대, 10-100 kPa)은 시스템 밖으로의 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진할 것이다. 오프-가스가 고-압 작동에 공급되는 경우, 더 높은 압력 (예컨대, 100-1000 kPa)이 유용할 수 있다. 열 전달, 화학, 또는 분리를 촉진하기 위해 상승된 압력이 또한 유용할 수 있다.
고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부의 분리의 단계는 반응기 자체에서, 또는 별개의 분리 유닛을 사용하여 달성될 수 있다. 실질적으로 불활성인 스위프 가스가 구역 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 이어서, 응축성 증기 및 비-응축성 가스가 스위프 가스의 구역(들)으로부터 반응기 밖으로 운반된다.
스위프 가스는 예를 들어, N2, Ar, CO, CO2, H2, H2O, CH4, 기타 경질 탄화수소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 스위프 가스는 도입 전에 먼저 예열되거나, 가열된 공급원으로부터 수득되는 경우에는 냉각될 수도 있다.
스위프 가스는 휘발성 구성요소가 응축되거나 추가로 반응할 수 있기 전에 시스템 밖으로 이들을 꺼냄으로써 이들을 보다 철저하게 제거한다. 스위프 가스는 주어진 공정 온도에서 단순히 휘발로부터 달성되는 것보다 더 높은 속도로 휘발성 물질이 제거되는 것을 가능하게 한다. 또는, 스위프 가스의 사용은 특정량의 휘발성 물질을 제거하기 위해 더 온화한 온도가 사용되는 것을 가능하게 한다. 스위프 가스가 휘발성 물질 제거를 개선시키는 이유는 분리의 메커니즘이 단순히 상대적인 휘발성이 아니라 스위프 가스에 의해 보조되는 액체/증기 상 이탈이기 때문이다. 스위프 가스는 주어진 휘발성 종을 계속적으로 고갈시킴으로써 열역학적 제한을 감소시킬 뿐만 아니라 휘발의 질량-이동 제한을 감소시켜, 더 많은 휘발성 종을 증발시켜, 열역학적 평형을 달성할 수 있다.
일부 실시양태는 높은 고정 탄소를 갖는 생성물을 생산하기 위해, 후속 가공 단계로부터 휘발성 유기 탄소가 적재된 가스를 제거한다. 제거 없이, 휘발성 탄소는 열분해된 고체 상에 흡착되거나 흡수되고, 이에 따라 요망될 수 있는 탄소의 더 순수한 형태를 달성하기 위해 추가적인 에너지 (비용)를 필요로 할 수 있다. 증기를 빠르게 제거함으로써, 열분해된 고체에서 다공성이 향상될 수 있는 것으로 또한 추측된다. 일부 생성물에 대해 더 높은 다공성이 바람직하다.
특정 실시양태에서, 비교적 낮은 공정 압력, 예컨대, 대기압과 함께 스위프 가스는 다량의 불활성 가스의 필요 없이 빠른 증기 제거를 제공한다.
일부 실시양태에서, 스위프 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 역류로 유동한다. 다른 실시양태에서, 스위프 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 병류로 유동한다. 일부 실시양태에서, 고체의 유동 패턴은 플러그 유동에 접근하는 반면, 스위프 가스, 및 가스 상의 유동 패턴은 일반적으로 하나 이상의 구역에서 완전히 혼합된 유동에 접근한다.
스위프는 반응기 구역 중 임의의 하나 이상에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 냉각 구역에 도입되고 냉각 또는 열분해 구역으로부터 (생산된 휘발성 물질과 함께) 추출된다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 열분해 구역에 도입되고 열분해 또는 예열 구역으로부터 추출된다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 예열 구역에 도입되고 열분해 구역으로부터 추출된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 스위프 가스는 예열, 열분해 및 냉각 구역 각각에 도입되고 또한 구역 각각으로부터 추출될 수 있다.
일부 실시양태에서, 분리가 수행되는 구역 또는 구역들은 반응기로부터 물리적으로 별도의 유닛이다. 원하는 경우, 반응기 구역 사이에 분리 유닛 또는 구역이 배치될 수 있다. 예를 들어, 열분해 및 냉각 유닛 사이에 위치하는 분리 유닛이 있을 수 있다.
스위프 가스는 특히 고체 유동이 연속적인 경우, 연속적으로 도입될 수 있다. 열분해 반응이 배치 공정으로서 작동되는 경우, 휘발성 물질을 제거하기 위해 특정 양의 시간 후에 또는 주기적으로 스위프 가스가 도입될 수 있다. 열분해 반응이 연속적으로 작동되는 경우에도, 원하는 경우, 적합한 밸브 또는 제어장치를 가지며 반-연속적 또는 주기적으로 스위프 가스가 도입될 수 있다.
휘발성 물질-함유 스위프 가스는 하나 이상의 반응기 구역으로부터 배출될 수 있고, 다중 구역으로부터 수득되는 경우 조합될 수 있다. 이어서, 다양한 증기를 포함하는 생성된 가스 스트림은 공기 배출의 제어를 위해 열 산화기에 공급될 수 있다. 임의의 알려진 열-산화 유닛이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 열 산화기에 천연 가스 및 공기가 공급되어, 그 안에 포함된 휘발성 물질의 실질적인 파괴를 위한 충분한 온도에 도달한다.
열 산화기의 유출물은 물, 이산화탄소 및 질소를 포함하는 고온 가스 스트림일 것이다. 이 유출물 스트림은 원하는 경우, 공기 배출물에 직접 퍼징될 수 있다. 폐-열 회수 유닛에서와 같이, 열 산화기 유출물의 에너지 함량이 회수될 수 있다. 에너지 함량은 또한 다른 스트림 (예컨대, 스위프 가스)과의 열 교환에 의해 회수될 수 있다. 에너지 함량은 직접 또는 간접 가열, 또는 가열 보조, 공정 내의 다른 부분의 유닛, 예컨대, 건조기 또는 반응기에 의해 활용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본질적으로 모든 열 산화기 유출물이 건조기의 간접 가열 (유틸리티 측면)에 사용된다. 열 산화기는 천연 가스 이외의 다른 연료를 사용할 수 있다.
탄소질 재료의 수율은 공급원료의 유형 및 공정 조건을 포함하여 위에 기재된 인자에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 기준으로, 출발 공급원료의 백분율로서의 고체의 순 수율은 적어도 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 그 초과이다. 나머지는 응축성 증기, 예컨대, 테르펜, 타르, 알콜, 산, 알데히드, 또는 케톤; 및 비-응축성 가스, 예컨대, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 및 메탄 사이에서 분할될 것이다. 비-응축성 가스와 비교한 응축성 증기의 상대적인 양은 또한 존재하는 물을 포함하여 공정 조건에 따라 좌우될 것이다.
탄소 균형의 관점에서, 일부 실시양태에서, 공급원료 중의 출발 탄소의 백분율로서의 탄소의 순 수율은 적어도 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80% 또는 그 초과이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 탄소질 재료는 출발 공급원료에 포함된 탄소 중 약 40% 내지 약 70%를 포함한다. 나머지 탄소는 다양한 정도로, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 경질 탄화수소, 방향족 물질, 타르, 테르펜, 알콜, 산, 알데히드 또는 케톤의 형성을 초래한다.
대안적인 실시양태에서, 이들 화합물 중 일부 부분은 탄소-풍부 고체와 조합되어 생성물의 탄소 및 에너지 함량을 풍부화시킨다. 이들 실시양태에서, 다양한 증기를 포함하는, 반응기로부터의 생성된 가스 스트림의 일부 또는 전부는 적어도 부분적으로 응축되고, 이어서 냉각 구역으로부터 또는 별도의 냉각 유닛으로부터 유래된 냉각된 열분해된 고체 위로 통과할 수 있다. 이들 실시양태는 아래에 보다 상세히 기재된다.
냉각 구역 (존재하는 경우) 내에서의 반응 및 냉각 후, 탄소질 고체는 별개의 냉각 유닛에 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체가 수집되고 낮은 속도로 단순히 냉각되도록 허용된다. 탄소질 고체가 공기 중에서 반응성 또는 불안정적인 경우, 불활성 분위기를 유지하거나 고체를 예를 들어, 40℃ 미만의 온도, 예컨대, 주변 온도로 빠르게 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 급속 냉각을 위해 물 켄칭이 사용된다. 일부 실시양태에서, 유동층 냉각기가 사용된다. "냉각 유닛"은 컴프리저(compriseers), 탱크, 파이프 또는 이들의 부분을 또한 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다.
일부 실시양태에서, 공정은 냉각 유닛을 작동시켜 가온된 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시키고, 이에 의해 저온의 열분해된 고체 및 과열된 스팀을 생성하는 단계를 추가로 포함하며; 여기서 건조는 적어도 부분적으로, 냉각 유닛으로부터 유래된 과열된 스팀으로 수행된다. 임의로, 냉각 유닛을 작동시켜 먼저 가온된 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시켜, 제1 냉각-유닛 온도에 도달한 다음, 공기로 냉각시켜, 제2 냉각-유닛 온도에 도달할 수 있으며, 여기서 제2 냉각-유닛 온도는 제1 냉각-유닛 온도보다 더 낮으며, 공기의 존재 하에 가온된 열분해된 고체에 대한 감소된 연소 위험과 연관되어 있다.
주변 조건으로 냉각시킨 후, 탄소질 고체는 회수 및 저장되거나, 다른 현장 작동으로 이송되거나, 다른 현장으로 수송되거나, 달리 배치, 거래 또는 판매될 수 있다. 고체는 입자 크기를 감소시키기 위해 유닛에 공급될 수 있다. 파쇄기, 슈레더, 분쇄기, 미분기, 제트 밀, 핀 밀, 및 볼 밀을 포함한 다양한 크기-감소 유닛이 당업계에 알려져 있다.
스크리닝 또는 입자 크기를 기반으로 한 분리를 위한 일부 다른 수단이 포함될 수 있다. 분쇄는 존재하는 경우, 분쇄의 업스트림 또는 다운스트림이 있을 수 있다. 스크리닝된 재료의 일부 (예컨대, 큰 덩어리)는 분쇄 유닛으로 되돌아갈 수 있다. 작은 및 큰 입자는 별도의 다운스트림 사용을 위해 회수될 수 있다. 일부 실시양태에서, 냉각된 열분해된 고체는 미세한 분말, 예컨대, 미분된 탄소 또는 활성탄 생성물로 분쇄된다.
다양한 첨가제가 본원에 개시된 임의의 단계 전에, 동안, 또는 후에 공정 전반에 걸쳐 도입될 수 있다. 첨가제는 원하는 탄소 순도를 달성하기 위한 탄소 수율 또는 열분해 시간/온도와 같은 공정 성능을 개선시키기 위해 선택된 공정 첨가제; 및 고-탄소 생물기원 시약, 또는 시약을 혼입한 다운스트림 생성물의 하나 이상의 특성을 개선시키기 위해 선택된 생성물 첨가제로서 광범위하게 분류될 수 있다. 특정 첨가제는 향상된 공정 및 생성물 (생물기원 시약 또는 생물기원 시약을 포함하는 생성물) 특징을 제공할 수 있다.
첨가제는 수확되기 전 또는 후, 임의의 시간에 공급원료 자체로의 첨가를 포함하여, 공정의 임의의 하나 이상의 단계 전에, 동안, 또는 후에 첨가될 수 있다. 첨가제 처리는 공급원료 사이징, 건조 또는 다른 제조 전에, 동안, 또는 후에 혼입될 수 있다. 첨가제는 공급원료 공급 시설, 수송 트럭, 하역 장비, 보관통, 컨베이어 (개방형 또는 폐쇄형 컨베이어 포함), 건조기, 공정 히터, 또는 임의의 다른 유닛에 또는 이들 상에 혼입될 수 있다. 첨가제는 첨가제 도입을 위한 적합한 수단을 사용하여, 열분해 공정 자체의 어느 곳에나 첨가될 수 있다. 첨가제는 원하는 경우, 탄화 후, 또는 심지어 미분 후에 첨가될 수 있다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운암 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 금속 할라이드로부터 선택된다. 금속 할라이드는 금속 및 할로겐 (불소, 염소, 브롬, 아이오딘 및 아스타틴) 간의 화합물이다. 할로겐은 금속과 많은 화합물을 형성할 수 있다. 금속 할라이드는 일반적으로 직접 조합, 또는 보다 통상적으로는, 염기성 금속 염과 할로겐화수소산의 중화에 의해 수득된다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 철 클로라이드 (FeCl2 또는 FeCl3), 철 브로마이드 (FeBr2 또는 FeBr3), 이들의 수화물, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
첨가제는 더 높은 에너지 함량 (에너지 밀도)을 갖는 최종 생성물을 초래할 수 있다. 에너지 함량의 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소, 또는 심지어 수소의 증가로부터 초래할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에너지 함량의 증가는 불연성 물질 또는 탄소보다 더 낮은 에너지 밀도를 갖는 재료의 제거로부터 초래할 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 고체 및 가스 형성에 유리하게, 또는 고체 형성에 유리하게, 액체 형성의 정도를 감소시킨다.
임의의 특정 가설에 제한되지 않으면서, 첨가제는 출발 바이오매스, 또는 열분해 전의 처리된 바이오매스를 화학적으로 변형시켜, 더 큰 강도/무결성을 위해 세포 벽의 파열을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 열분해 전에 바이오매스 공급원료의 고정 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.
첨가제는 개선된 기계적 특성, 예컨대, 항복 강도, 압축 강도, 인장 강도, 피로 강도, 충격 강도, 탄성 모듈러스, 벌크 모듈러스, 또는 전단 모듈러스를 갖는 생물기원 시약을 초래할 수 있다. 첨가제는 단순히 존재에 의해 (예컨대, 첨가제 자체가 혼합물에 강도를 부여함) 또는 첨가제 상 내에서 또는 생성된 혼합물 내에서 일어나는 일부 변환으로 인해 기계적 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 반응, 예컨대, 유리화는 첨가제를 포함하는 생물기원 시약의 일부 내에서 발생할 수 있으며, 이에 의해 최종 강도가 개선된다.
화학적 첨가제는 습식 또는 건조 바이오매스 공급원료에 적용될 수 있다. 첨가제는 고체 분말, 스프레이, 미스트, 액체, 또는 증기로서 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 (예컨대, 수용액로서 또는 용매 중) 액체 용액의 분무를 통해, 또는 탱크, 통, 백 또는 기타 컴프리저에서의 담금에 의해 도입될 수 있다.
특정 실시양태에서, 고체 공급 재료로의 첨가제의 침투를 허용하기에 충분한 시간 동안, 배치식 또는 연속적으로, 첨가제를 포함하는 배쓰 내에 고체 공급원료를 침지시키는 침지 전처리가 사용된다.
일부 실시양태에서, 공급원료에 적용된 첨가제는 열분해를 위한 에너지 요건을 감소시키거나, 탄소질 생성물의 수율을 증가시킬 수 있다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 공급원료에 적용된 첨가제는 탄소질 생성물의 의도된 사용을 위해 원하는 기능성을 제공할 수 있다.
처리량 또는 공정 용량은 작은 실험실-규모 유닛으로부터 임의의 시험(pilot), 시연, 또는 준-상업적 규모를 포함한 전체 작동까지 폭넓게 달라질 수 있다. 다양한 실시양태에서, (공급원료, 생성물, 또는 둘 모두에 대한) 공정 용량은 적어도 약 1 kg/일, 10 kg/일, 100 kg/일, 1 톤/일 (모든 톤은 미터톤임), 10 톤/일, 100 톤/일, 500 톤/일, 1000 톤/일, 2000 톤/일, 또는 그 초과이다.
일부 실시양태에서, 생산된 고체의 일부는 공정의 전방 단부, 즉 건조 또는 탈기 유닛으로 또는 직접 반응기로 재활용될 수 있다. 전방 단부로 되돌아가고 다시 공정을 통과함으로써, 처리된 고체가 고정 탄소에 있어 더 높아질 수 있다. 공정 내에서 생산된 또는 존재하는 고체, 액체, 및 가스 스트림은 독립적으로 재활용되거나, 후속 단계로 전달되거나, 임의의 지점에서 공정으로부터 제거/퍼징될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해된 재료를 회수한 다음, 추가의 열분해를 위해 별도의 유닛에 공급하여, 더 높은 탄소 순도를 갖는 생성물을 생성한다. 일부 실시양태에서, 이차 공정은 가열된 불활성 가스 (예컨대, 가열된 N2)가 통과하는 강철 드럼과 같은 간단한 컴프리저에서 실시될 수 있다. 이러한 목적상 유용한 다른 컴프리저는 공정 탱크, 배럴, 통, 토트, 자루 및 롤-오프를 포함한다. 휘발성 물질을 포함하는 이 이차 스위프 가스는 예를 들어, 열 산화기로, 또는 다시 주 공정 반응기로 보내질 수 있다. 최종 생성물을 냉각시키기 위해, 예를 들어, 초기에 주변 온도에 있는 불활성 가스의 다른 스트림을 고체에 통과시켜 고체를 냉각시킨 다음, 불활성 가스 예열 시스템으로 되돌아가게 할 수 있다.
일부 변형은 다음을 포함하는, 고-탄소 생물기원 시약 생산 시스템을 활용한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 다중-구역 반응기이되, 여기서 다중-구역 반응기는 적어도 공간적으로 분리된 냉각 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 구역을 포함하고, 여기서 다중-구역 반응기는 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 유출구와 함께 구성된, 다중-구역 반응기;
(d) 다중-구역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기; 및
(e) 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛.
일부 변형은 다음을 포함하는, 고-탄소 생물기원 시약 생산 시스템을 활용한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 공급원료를 가열하거나 경미하게 열분해하도록 구성된, 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 예열기;
(d) 공급원료를 열분해하도록 구성된, 예열기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 반응기;
(e) 열분해된 고체를 냉각시키도록 구성된, 열분해 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 냉각기; 및
(f) 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛,
여기서 시스템은 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 적어도 하나의 가스 유출구와 함께 구성됨.
공급기는 제1 반응 구역에 공급물 고체를 도입하기 위한 스크류 공급기 또는 오거(auger) 메커니즘의 사용을 통한 것과 같이 다중-구역 반응기와 물리적으로 통합될 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 구역을 추가로 포함한다. 열분해 구역, 냉각 구역, 및 예열 구역 (존재하는 경우) 각각은 단일 유닛 내에 위치할 수 있거나, 별도의 유닛에 위치할 수 있다.
임의로, 건조기는 다중-구역 반응기 내의 건조 구역으로서 구성될 수 있다. 임의로, 고체 냉각기는 다중-구역 반응기 내에 배치 (즉, 추가적인 냉각 구역으로서 구성되거나 주 냉각 구역과 통합)될 수 있다.
시스템은 시스템으로부터 산소를 제거하기 위한 퍼징 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 퍼징 수단은 실질적으로 불활성 가스를 도입하기 위한 하나 이상의 유입구, 및 시스템으로부터 실질적으로 불활성 가스 및 대체된 산소를 제거하기 위한 하나 이상의 유출구를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 퍼징 수단은 건조기 및 다중-구역 반응기 사이에서 작동가능하게 소통되도록 배치된 탈기기이다.
다중-구역 반응기는 적어도 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구와 함께 구성될 수 있다. 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구는 상이한 구역과, 또는 동일한 구역과 소통되도록 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제2 가스 유입구 또는 제2 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제3 가스 유입구 또는 제3 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제4 가스 유입구 또는 제4 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기에 존재하는 각각의 구역은 가스 유입구 및 가스 유출구와 함께 구성된다.
가스 유입구 및 유출구는 증기의 도입 및 철수를 가능하게 할 뿐만 아니라, 가스 유출구 (프로브)는 특히, 공정의 모든 단계까지 잠재적으로 포함하여 공정의 다양한 단계에 걸쳐 정밀한 공정 모니터링 및 제어를 가능하게 한다. 정밀한 공정 모니터링은 공정 조건을 조정하기 위해 작동 이력을 활용할 수 있는 기간에 걸쳐 뿐만 아니라 동적으로 수율 및 효율 개선을 초래할 것으로 예상된다.
일부 실시양태에서, 반응 가스 프로브는 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된다. 이러한 반응 가스 프로브는 반응의 정도, 열분해 선택성 또는 다른 공정 모니터링을 결정하기 위해, 가스를 추출하고 이를 분석하기에 유용할 수 있다. 이어서, 측정에 기반하여, 임의 수의 방식으로, 예컨대, 공급 속도, 불활성 가스 스위프의 속도, (하나 이상의 구역의) 온도, (하나 이상의 구역의) 압력 및 첨가제 등을 조정함으로써, 공정이 제어되거나 조정될 수 있다.
본원에 의도된 바와 같이, 반응 가스 프로브를 통한 "모니터링 및 제어"는 반응 가스 프로브를 통한 임의의 하나 이상의 샘플 추출, 및 임의로, 필요하거나 바람직하다고 간주되는 경우, 잘 알려진 공정 제어의 원리 (피드백, 피드포워드, 비례-적분-미분 논리 등)를 사용한, 측정에 기반한 공정 또는 장비 조정을 수행하는 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
반응 가스 프로브는 다수의 방식으로 가스 샘플을 철수하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 샘플링 라인은 열분해 반응기 압력보다 더 낮은 압력을 가질 수 있고, 그에 따라 샘플링 라인이 개방될 때, 일정량의 가스가 열분해 구역으로부터 용이하게 철수될 수 있다. 열분해 구역이 대기압 근처에 있는 경우와 같이, 샘플링 라인은 진공 하에서 있다. 전형적으로, 반응 가스 프로브는 하나의 가스 출력, 또는 이의 일부 (예컨대, 가스 출력 라인으로부터 분할된 라인)와 연관될 것이다.
일부 실시양태에서, 가스 입력 및 가스 출력 둘 모두는, 불활성 가스를 구역에 주기적으로 도입하고 가스 출력 밖으로 공정 샘플과 함께 불활성 가스를 끌어냄 ("샘플 스위프")으로써 반응 가스 프로브로서 활용된다. 이러한 배열은 달리 가공을 위한 실질적으로 불활성 가스에 대한 가스 유입구/유출구를 갖지 않는 구역에서 사용될 수 있거나, 반응 가스 프로브는 공정 유입구 및 유출구에 첨가되는 별도의 가스 유입구/유출구와 연관될 수 있다. (샘플 스위프를 활용하는 실시양태에서) 샘플링을 위해 주기적으로 도입되고 철수되는 샘플링 불활성 가스는 원하는 경우, 분석 정확도의 이유로 또는 분석 추적자의 도입을 위해 심지어 공정 불활성 가스와 상이할 수도 있다.
예를 들어, 샘플을 추출하기 위해 가스 프로브를 사용하여 열분해 구역의 가스 상 중의 아세트산 농도를 측정할 수 있으며, 그런 다음, 이를 적합한 기술 (예컨대, 가스 크로마토그래피, GC; 질량 분광법, MS; GC-MS, 또는 푸리에-변환 적외선 분광법, FTIR)을 사용하여 분석한다. 예를 들어, 가스 상 중의 CO 또는 CO2 농도가 측정되고 가스/증기에 대한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 상 중의 터르펜 농도가 측정되고 액체에 대한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 냉각 구역과, 또는 건조 구역 (존재하는 경우) 또는 예열 구역 (존재하는 경우)과 작동가능하게 소통되도록 배치된 하나 이상의 추가적인 가스 프로브를 추가로 포함한다.
예를 들어, 냉각 구역에 대한 가스 프로브는 냉각 구역에서 일어나는 임의의 추가적인 화학의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 냉각 구역의 가스 프로브는 또한 독립적인 온도 측정으로서 유용할 수 있다 (예를 들어, 냉각 구역에 배치된 열전대에 추가로). 이 독립적인 측정은 특정 종의 측정된 양과 냉각 온도의 상관관계일 수 있다. 상관관계는 개별적으로 개발될 수 있거나, 일정 기간의 공정 작동 후에 확립될 수 있다.
예를 들어, 건조 구역에 대한 가스 프로브는 물 함량을 측정함으로써 건조의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 예를 들어, 예열 구역의 가스 프로브는 일어나는 임의의 온화한 열분해의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다.
특정 실시양태에서, 냉각 구역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대해 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예열 구역 (존재하는 경우)은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대해 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 건조 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 실질적 역류 유동을 생성할 수 있다.
열분해 반응기 또는 반응기들은 열분해 공정을 수행할 수 있는 임의의 적합한 반응기 구성으로부터 선택될 수 있다. 예시적인 반응기 구성은 고정층 반응기, 유동층 반응기, 동반-유동 반응기, 오거, 절제 반응기, 회전 콘, 회전식 드럼 킬른, 하소기, 로스터, 이동층 반응기, 수송층 반응기, 절제 반응기, 회전 콘, 또는 마이크로파-보조 열분해 반응기를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
오거가 사용되는 일부 실시양태에서, 광사(sand) 또는 다른 열 운반체가 임의로 사용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료 및 광사가 스크류의 한쪽 단부에서 공급될 수 있다. 스크류는 광사 및 공급원료를 혼합하고, 반응기를 통해 이들을 이송한다. 스크류는 공급원료 체류 시간의 양호한 제어를 제공할 수 있고, 열분해된 생성물을 운반체 또는 유동화 가스로 희석하지 않는다. 광사는 별도의 용기에서 재가열될 수 있다.
절제 공정이 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 고온 금속 표면에 대항하여 고속으로 이동한다. 표면에서의 임의의 숯 형성의 절제는 높은 속도의 열 전달을 유지할 수 있다. 이러한 장치는 생성물의 희석을 방지할 수 있다. 대안으로서, 공급원료 입자가 운반체 가스 중에 현탁되고 벽이 가열되는 사이클론을 통해 고속으로 도입될 수 있다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 전형적으로 재순환된 생성물 가스인 가스에 의해 유동화된 고온 광사의 층에 도입될 수 있다. 본원에서 "광사"에 대한 언급은 또한 유사한, 실질적으로 불활성 재료, 예컨대, 유리 입자 및 회수된 회분 입자 등을 포함한다. 유동화된 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 초래할 수 있다. 광사 입자로의 마멸에 의한 일부 절제가 있을 수 있다. 열은 통상적으로 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 제공된다.
가스, 광사 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 사용될 수 있다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스 및 연소 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 규칙적인 유동층에서보다 더 강할 것으로 예상된다. 광사 및 숯 입자로부터 생성물 가스를 분리하기 위해 분리기가 사용될 수 있다. 광사 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기에 재활용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 공급원료 유입구, 반응 구역 각각 내에서 온도 및 혼합을 개별적으로 제어하도록 구성된 복수의 공간적으로 분리된 반응 구역, 및 탄소질-고체 유출구를 포함하는 연속 반응기이며, 여기서 반응 구역 중 하나는 반응기에 실질적으로 불활성 가스를 도입하기 위한 제1 가스 유입구와 함께 구성되고, 여기서 반응 구역 중 하나는 제1 가스 유출구와 함께 구성된다.
다양한 실시양태에서, 반응기는 적어도 2, 3, 4 개, 또는 그 초과의 반응 구역을 포함한다. 반응 구역 각각은 전기적 열 전달, 스팀 열 전달, 고온-오일 열 전달, 상-변화 열 전달, 폐열 전달, 또는 이의 조합으로부터 독립적으로 선택된 개별적으로 조정가능한 가열 수단과 소통되도록 배치된다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응기 구역은 존재하는 경우, 열 산화기로부터의 유출물 스트림으로 가열된다.
반응기는 반응기에 존재하는 모든 반응 구역까지 포함하여 적어도 2개의 반응 구역의 가스-상 조성 및 가스-상 체류 시간을 개별적으로 조정하도록 구성될 수 있다.
반응기에는 제2 가스 유입구 또는 제2 가스 유출구가 장착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 각각의 반응 구역에서 가스 유입구와 함께 구성된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 반응기는 각각의 반응 구역에서 가스 유출구와 함께 구성된다. 반응기는 병류 또는 역류 반응기일 수 있다.
일부 실시양태에서, 공급원료 유입구는 스크류 또는 오거 공급 메커니즘을 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소질-고체 유출구는 스크류 또는 오거 출력 메커니즘을 포함한다.
특정 실시양태는 스크류 공급기를 갖는 회전 하소기를 활용한다. 이들 실시양태에서, 반응기는 축방향으로 회전가능하고, 즉, 이는 그의 중심선 축을 중심으로 회전한다. 회전의 속도는 고체 유동 패턴, 및 열 및 질량 수송에 영향을 줄 것이다. 반응 구역 각각은 고체의 교반을 제공하기 위해 내부 벽에 배치된 플라이트와 함께 구성될 수 있다. 플라이트는 반응 구역 각각에서 개별적으로 조정가능할 수 있다.
고체 교반의 다른 수단, 예컨대, 오거, 스크류 또는 패들 컨베이어가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 반응 구역 각각의 전반에 걸쳐 배치된 단일, 연속 오거를 포함한다. 다른 실시양태에서, 반응기는 반응 구역 각각의 전반에 걸쳐 배치된 트윈 스크류를 포함한다.
일부 시스템은 공정 전반에 걸쳐 공급 재료의 대략적인 크기를 유지하는 능력 - 즉 그 구조를 파괴하거나 유의하게 손상시키지 않고 바이오매스 공급원료를 가공하는 능력을 갖도록 특별히 설계된다. 일부 실시양태에서, 열분해 구역은 열분해될 공급 재료의 크기를 크게 감소시키는 경향이 있는 오거, 스크류 또는 갈퀴를 포함하지 않는다.
일부 실시양태에서, 시스템은 응축성 증기 및 비-응축성 가스가 제거되는 유출구와 작동가능하게 소통되도록 배치된 열 산화기를 추가로 포함한다. 열 산화기는 별도의 연료 (예컨대, 천연 가스) 및 산화제 (예컨대, 공기)를, 연료 및 응축성 증기의 적어도 일부의 연소에 적합화된 연소 챔버에 수용하도록 구성될 수 있다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대, CO 또는 CH4는 또한 CO2로 산화될 수 있다.
열 산화기가 사용되는 경우, 시스템은 건조기에 대한 연소의 열의 적어도 일부를 활용하도록 구성된, 열 산화기 및 건조기 사이에 배치된 열 교환기를 포함할 수 있다. 이 실시양태는 공정의 전체 에너지 효율에 유의하게 기여할 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 고체와 적어도 부분적으로 응축된 형태의 응축성 증기를 조합하기 위해 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 탄소-향상 유닛을 추가로 포함한다. 탄소-향상 유닛은 회수 유닛으로부터 수득된 고-탄소 생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.
시스템은 고-탄소 생물기원 시약을 추가로 열분해하여, 이의 탄소 함량을 추가로 증가시키도록 적합화된 별도의 열분해 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 별도의 열분해 유닛은 비교적 간단히 컴프리저, 유닛, 또는 디바이스, 예컨대, 탱크, 배럴, 통, 드럼, 토트, 자루, 또는 롤-오프일 수 있다.
전체 시스템은 고정된 위치에 있을 수 있거나, 이는 여러 위치에 분포될 수 있다. 시스템은 실제 규모 확장을 위해 간단히 중복될 수 있는 모듈을 사용하여 구축될 수 있다. 시스템은 또한 공정 산업에서 잘 알려져 있는 바와 같이 규모의 경제 원리를 사용하여 구축될 수 있다.
이제, 고체의 탄소 향상에 관한 일부 변형이 추가로 기재될 것이다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약의 생산 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로, 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료와 함께 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 열분해 구역에서, 공급원료를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 10분 동안 그리고 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 냉각 구역에서, 고온의 열분해된 고체를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 5분 동안 그리고 열분해 온도 미만의 냉각 온도로 냉각시켜, 가온된 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(g) 임의로, 가온된 열분해된 고체를 냉각시켜, 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(h) 후속적으로 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부 또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체 또는 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 형성하는 단계; 및
(i) 향상된 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계.
일부 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 증기 또는 가스는 저온의 열분해된 고체와 접촉될 수 있다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
특정 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 실질적 전부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 실질적 전부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
공정은 탄소 향상을 위한 이들의 사용 전에 증기 또는 가스를 처리 또는 분리하는 다양한 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 (e)로부터 수득된, 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 포함하는 중간 공급 스트림이 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 공급될 수 있다. 특정 실시양태에서, 중간 공급 스트림은 응축성 증기의 전부, 비-응축성 가스의 전부, 또는 둘 모두를 포함한다.
분리 기술은 증류 컬럼, 플래쉬 용기, 원심분리기, 사이클론, 멤브레인, 필터, 충전층, 및 모세관 컬럼 등을 포함하거나 사용할 수 있다. 분리는 주로, 예를 들어, 증류, 흡수, 흡착, 또는 확산을 기반으로 할 수 있으며, 증기압, 활성, 분자량, 밀도, 점도, 극성, 화학적 기능성, 고정 상에 대한 친화도, 및 이들의 임의의 조합의 차이를 활용할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성에 기반하여 중간 공급 스트림으로부터 분리된다. 예를 들어, 분리 유닛은 증류 컬럼, 플래쉬 탱크 또는 응축기일 수 있다.
따라서, 일부 실시양태에서, 제1 출력 스트림은 응축성 증기를 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-응축성 가스를 포함한다. 응축성 증기는 테르펜, 알콜, 산, 알데히드 또는 케톤으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 화합물을 포함할 수 있다. 열분해로부터의 증기는 방향족 화합물, 예컨대, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌을 포함할 수 있다. 보다 중질의 방향족 화합물, 예컨대, 내화성 타르가 증기에 존재할 수 있다. 비-응축성 가스는 일산화탄소, 이산화탄소 또는 메탄으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 극성에 기반한 분리된 중간 공급 스트림이다. 예를 들어, 분리 유닛은 스트리핑 컬럼, 충전층, 크로마토그래피 컬럼 또는 멤브레인일 수 있다.
따라서, 일부 실시양태에서, 제1 출력 스트림은 극성 화합물을 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-극성 화합물을 포함한다. 극성 화합물은 메탄올, 푸르푸랄 또는 아세트산으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다. 비-극성 화합물은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 터르펜, 또는 터르펜 유도체로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.
단계 (h)는 단계 (h)를 포함하지 않는 달리-동일한 공정에 비해, 고-탄소 생물기원 시약의 총 탄소 함량을 증가시킬 수 있다. 다양한 실시양태에서, 탄소 함량의 증가의 정도는 예를 들어, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 25%, 또는 심지어 그 초과일 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 고정 탄소 함량을 증가시킨다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 휘발성 탄소 함량을 증가시킨다. 휘발성 탄소 함량은 시약의 휘발성 물질에 기인한 탄소이다. 휘발성 물질은 지방족 또는 방향족 화합물 (예컨대, 테르펜)을 포함한 탄화수소; 알콜, 알데히드 또는 케톤을 포함한 산소화물(oxygenates); 및 다양한 타르일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 휘발성 탄소는 전형적으로 주변 조건에서 고체에 결합되거나 흡착된 상태를 유지하지만, 가열시 고정 탄소가 산화, 가스화 또는 증기로서 달리 방출되기 전에 방출될 것이다.
단계 (h)와 연관된 조건에 따라, 일부 양의 휘발성 탄소가 (예컨대, CO로부터의 부두아르 탄소 형성을 통해) 고정 탄소가 되는 것이 가능하다. 전형적으로, 휘발성 물질은 고정 탄소의 미세기공으로 진입할 것이고 응축/흡착 종으로서 존재하지만, 비교적 휘발성으로 유지될 것이다. 이러한 잔류 휘발성은 높은 표면적 및 다공성을 필요로 하는 생성물 적용과 비교하여 연료 적용에 있어 보다 유리할 수 있다.
단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 에너지 함량 (즉, 에너지 밀도)을 증가시킬 수 있다. 에너지 함량의 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소 또는 심지어 수소의 증가에 기인할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 에너지 함량의 증가의 정도는 예를 들어, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 25% 또는 심지어 그 초과일 수 있다.
공정 또는 추가의 가공 내에서의 사용을 위해, 하나 이상의 비-응축성 가스 또는 응축성 증기를 회수하기 위해 추가의 분리가 사용될 수 있다. 예를 들어, 정련된 일산화탄소 또는 수소를 생산하기 위해 추가의 가공이 포함될 수 있다.
다른 예로서, 아세트산의 분리가 실시된 후, 아세트산의 에탄올로의 환원이 뒤따를 수 있다. 아세트산의 환원은 적어도 부분적으로, 생산된 비-응축성 가스로부터 유래된 수소를 사용하여 달성될 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시키기 위해, 공정 (예컨대, 열 산화에 의한)에서의 또는 탄소 풍부화에서의 에너지를 위해 응축성 증기가 사용될 수 있다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대, CO 또는 CH4가 공정에서의 에너지를 위해 또는 열분해 단계를 위한 실질적 불활성 가스의 부분으로서 활용될 수 있다. 전술한 것들 중 임의의 것의 조합이 또한 가능하다.
단계 (h)를 포함하는 것의 잠재적 이익은 가스 스트림이 스크러빙되고 생성된 가스 스트림에 CO 및 CO2 풍부하다는 점이다. 생성된 가스 스트림은 에너지 회수에 대해 활용되거나, 고체의 탄소 풍부화를 위해 재활용되거나, 반응기에서 불활성 가스로서 사용될 수 있다. 유사하게, 응축성 증기로부터 비-응축성 가스를 분리함으로써, 예를 들어, 반응기 시스템 또는 냉각 시스템에서 불활성 가스로서의 사용을 위해 CO/CO2 스트림이 제조된다.
다른 변형은 탄소를 첨가하는 것이 요망되는 임의의 공급원료에 탄소-향상 단계의 원리가 적용될 수 있다는 인식을 전제로 한다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약의 생산을 위한 배치 또는 연속 공정은 다음을 포함한다:
(a) 탄소-함유 재료를 포함하는 고체 스트림을 제공하는 단계;
(b) 응축성 탄소-함유 증기, 비-응축성 탄소-함유 가스, 또는 응축성 탄소-함유 증기 및 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함하는 가스 스트림을 제공하는 단계; 및
(c) 가스 스트림을 적합한 조건 하에서 고체 스트림을 가로질러 통과시켜, 탄소-함유 재료에 비해 증가된 탄소 함량을 포함하는 탄소-함유 생성물을 형성하는 단계.
일부 실시양태에서, 출발 탄소-함유 재료는 열분해된 바이오매스 또는 반탄화된 바이오매스이다. 가스 스트림은 탄소-함유 재료를 제공하는 통합 공정 동안 수득될 수 있다. 또는, 가스 스트림은 탄소-함유 재료의 별도의 가공으로부터 수득될 수 있다. 가스 스트림, 또는 이의 일부는 외부 공급원 (예컨대, 제재소의 오븐)으로부터 수득될 수 있다. 다양한 공급원으로부터의, 가스 스트림의 혼합물, 뿐만 아니라 탄소-함유 재료의 혼합물이 가능하다.
일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 또는 에너지 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 재료와 상이한 다른 공급원료의 탄소 또는 에너지 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 공정은 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 가스 스트림을 도입하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 가스 스트림은 응축성 탄소-함유 증기 및 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함한다. 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성, 상대적 극성, 또는 임의의 다른 특성에 기반하여 분리될 수 있다. 가스 스트림은 탄소-함유 재료의 별도의 가공으로부터 수득될 수 있다.
일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정은 다른 공급원료의 탄소 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다.
탄소-함유 생성물은 출발 탄소-함유 재료에 비해 증가된 총 탄소 함량, 더 높은 고정 탄소 함량, 더 높은 휘발성 탄소 함량, 더 높은 에너지 함량, 또는 이의 임의의 조합을 가질 수 있다.
관련 변형에서, 고-탄소 생물기원 시약 생산 시스템은 다음을 포함한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 다중-구역 반응기이되, 여기서 다중-구역 반응기는 공간적으로 분리된 냉각 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 구역을 적어도 포함하고, 여기서 다중-구역 반응기는 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 유출구와 함께 구성된, 다중-구역 반응기;
(d) 다중-구역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기;
(e) 응축성 증기 또는 비-응축성 가스를 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 고체를 형성하도록 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 재료-풍부화 유닛; 및
(f) 재료-풍부화 유닛과 작동가능하게 소통되도록 배치된 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛.
시스템은 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 구역을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조기가 다중-구역 반응기 내의 건조 구역으로서 구성된다. 구역 각각은 단일 유닛 내에 또는 별도의 유닛에 위치할 수 있다. 또한, 고체 냉각기는 다중-구역 반응기 내에 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 냉각 구역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 예열 구역 또는 건조 구역 (또는 건조기)은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다.
특정 실시양태에서, 시스템은 다음을 포함하는 재료-풍부화 유닛을 포함한다:
(i) 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 하우징;
(ii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 운반하도록 구성된 하우징의 하부 부분의 하단에 있는 유입구;
(iii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스로부터 유래된 농축된 가스 스트림을 운반하도록 구성된 하우징의 상부 부분의 상단에 있는 유출구;
(iv) 하우징의 상부 부분 및 하부 부분 사이에서 정의되는 경로; 및
(v) 고체를 수송하도록 구성된, 경로를 따르는 수송 시스템, 여기서 하우징은 고체가 응축성 증기의 적어도 일부 또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 흡착하도록 형상화된, 수송 시스템.
기술은 고-탄소 생물기원 시약으로서 유용한 다양한 조성물, 및 이러한 시약을 혼입한 생성물을 생산할 수 있다. 일부 변형에서, 고-탄소 생물기원 시약은 본원에 개시된 임의의 공정, 예컨대, 다음의 단계를 포함하는 공정에 의해 생산된다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로, 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료와 함께 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 열분해 구역에서, 공급원료를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 10분 동안 그리고 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 냉각 구역에서, 고온의 열분해된 고체를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 5분 동안 그리고 열분해 온도 미만의 냉각 온도로 냉각시켜, 가온된 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(g) 가온된 열분해된 고체를 냉각시켜, 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 저온의 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계.
일부 실시양태에서, 시약은 건조 기준으로, 약 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 적어도 95 wt%의 총 탄소를 포함한다. 총 탄소는 적어도 고정 탄소를 포함하고, 휘발성 물질로부터의 탄소를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 휘발성 물질로부터의 탄소는 고-탄소 생물기원 시약에 존재하는 총 탄소의 적어도 약 5%, 적어도 10%, 적어도 25%, 또는 적어도 50%이다. 예를 들어, 고정 탄소는 ASTM D3172를 사용하여 측정될 수 있으며, 휘발성 탄소는 ASTM D3175를 사용하여 측정될 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 10 wt% 이하, 예컨대, 약 5 wt% 이하의 수소를 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 1 wt% 이하, 예컨대, 약 0.5 wt% 이하의 질소를 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 0.5 wt% 이하, 예컨대, 약 0.2 wt% 이하의 인을 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 0.2 wt% 이하, 예컨대, 약 0.1 wt% 이하의 황을 포함할 수 있다.
탄소, 수소 및 질소는 예를 들어, 궁극적 분석을 위해 ASTM D5373을 사용하여 측정될 수 있다. 산소는 예를 들어, ASTM D3176을 사용하여 측정될 수 있다. 황은 예를 들어, ASTM D3177을 사용하여 측정될 수 있다.
특정 실시양태는 수소 (존재할 수 있는 임의의 수분 제외), 질소, 인, 또는 황을 거의 갖지 않거나 본질적으로 갖지 않는 시약을 제공하고, 이는 실질적으로 탄소 + 존재하는 임의의 회분 및 수분이다. 따라서, 일부 실시양태는 건조/무-회분 (DAF) 기준으로, 최대 100% 그리고 100% 탄소를 갖는 생물기원 시약을 제공한다.
일반적으로 말하면, 공급원료, 예컨대, 바이오매스는 열분해 동안 용이하게 방출되지 않는 실리카 및 다양한 금속을 포함한 비-휘발성 종을 포함한다. 무-회분 공급원료를 활용할 수 있으며, 이 경우 열분해된 고체에 상당량의 회분이 없어야 한다. 회분은 예를 들어, ASTM D3174를 사용하여 측정될 수 있다.
다양한 양의 불연성 물질, 예컨대, 회분이 존재할 수 있다. 고-탄소 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 10 wt% 이하, 예컨대, 약 5 wt%, 약 2 wt%, 약 1 wt% 이하의 불연성 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 시약은 회분을 거의 포함하지 않거나, 심지어 본질적으로 회분 또는 다른 불연성 물질을 포함하지 않는다. 따라서, 일부 실시양태는 건조 기준으로, 100% 탄소를 포함하여 본질적으로 순수한 탄소를 제공한다.
다양한 양의 수분이 존재할 수 있다. 총 질량 기준으로, 고-탄소 생물기원 시약은 적어도 1 wt%, 2 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 25 wt%, 35 wt%, 50 wt%, 또는 그 초과의 수분을 포함할 수 있다. 본원에 의도된 바와 같이, "수분"은 흡수된 수분, 흡착된 물 분자, 화학적 수화물, 및 물리적 수화물을 포함하여, 생물기원 시약에 존재하는 물의 임의의 형태를 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 평형 수분 함량은 적어도 국소 환경, 예컨대, 상대 습도에 따라 달라질 수 있다. 또한, 수분은 수송, 사용 준비, 및 기타 물류 동안 달라질 수 있다. 수분은 예를 들어, ASTM D3173을 사용하여 측정될 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약은, 본 목적상 완전-건조(bone-dry) 시약의 총 연소와 연관된 더 높은 발열량에 기반한 에너지 밀도를 의미하는 다양한 에너지 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 고-탄소 생물기원 시약은 적어도 약 11,000 Btu/lb, 적어도 12,000 Btu/lb, 적어도 13,000 Btu/lb, 적어도 14,000 Btu/lb, 또는 적어도 15,000 Btu/lb의 에너지 함량을 보유할 수 있다. 특정 실시양태에서, 에너지 함량은 약 14,000-15,000 Btu/lb 사이이다. 에너지 함량은 예를 들어, ASTM D5865를 사용하여 측정될 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약은 분말, 예컨대, 거친 분말 또는 미세 분말로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실시양태에서, 시약은 약 200 메쉬, 약 100 메쉬, 약 50 메쉬, 약 10 메쉬, 약 6 메쉬, 약 4 메쉬, 또는 약 2 메쉬의 평균 메쉬 크기를 갖는 분말로 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 압착된, 결합된 또는 응집된 입자를 포함하는 구조적 물체로 형성된다. 이들 물체를 형성하기 위한 출발 재료는 분말 형태의 시약, 예컨대, 입자-크기 감소에 의해 수득된 중간체일 수 있다. 물체는 임의로 바인더 또는 입자를 함께 응집시키는 다른 수단과 함께, 기계적 압착 또는 다른 힘에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 구조가 실질적으로 공급원료로부터 유래되는 구조적 물체의 형태로 생산된다. 예를 들어, 공급원료 칩은 고-탄소 생물기원 시약의 생성물 칩을 생성할 수 있다. 또는, 공급원료 실린더는 고-탄소 생물기원 시약 실린더를 생산할 수 있고, 이는 다소 더 작지만 달리 출발 재료의 기본 구조 및 기하학적 구조를 유지할 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약은 적어도 약 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm, 10 cm, 또는 그 초과의 최소 치수를 갖는 물체로서 생산되거나, 이로 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 최소 치수 또는 최대 치수는 길이, 폭, 또는 직경일 수 있다.
다른 변형은 공정으로의, 생성물로의 또는 둘 모두로의 첨가제의 혼입에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 공정 동안 혼입된 하나 이상의 공정 첨가제를 포함한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 시약은 공정 후에 시약에 도입되는 하나 이상의 생성물 첨가제를 포함한다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황; 및
금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된 첨가제.
첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황; 및
산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된 첨가제.
첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
특정 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황;
금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 첨가제; 및
산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된 제2 첨가제,
여기서 제1 첨가제는 제2 첨가제와 상이함.
제1 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으며, 제2 첨가제는 독립적으로 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 본질적으로 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제로 이루어진다.
특정 고-탄소 생물기원 시약은 본질적으로, 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제로 이루어진다.
첨가제의 양 (또는 총 첨가제)는 약 0.1 wt%, 약 1 wt%, 약 5 wt%, 약 10 wt% 또는 약 20 wt%를 포함한 약 0.01 wt% 내지 약 25 wt%와 같이 폭넓게 달라질 수 있다. 이어서, 상대적으로 많은 양, 예컨대, 약 1 wt% 초과의 첨가제가 혼입되는 경우, 총 시약 중량 (첨가제 포함)을 기준으로 계산된 에너지 함량의 감소가 있을 것임이 인식될 것이다. 또한, 다양한 실시양태에서, 첨가제(들)를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약은 약 적어도 11,000 Btu/lb, 적어도 12,000 Btu/lb, 적어도 13,000 Btu/lb, 적어도 14,000 Btu/lb, 또는 적어도 15,000 Btu/lb의 에너지 함량을 보유할 수 있다.
생성물 형태에 관한 위의 논의는 또한 첨가제를 혼입하는 실시양태에 적용된다. 사실상, 특정 실시양태에서는 결합제, 플럭싱제, 또는 특정 적용에 대한 최종 특성을 향상시키기 위한 다른 변성제로서 첨가제를 혼입한다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약에 포함된 대부분의 탄소는 재생가능한 탄소로서 분류된다. 일부 실시양태에서, 실질적으로 모든 탄소는 재생가능한 탄소로서 분류된다. 특정 시장 메커니즘 (예컨대, 재생가능한 식별 번호, 세금 공제 등)이 있을 수 있으며, 여기서 가치는 고-탄소 생물기원 시약 내의 재생가능한 탄소 함량에 기인한다.
특정 실시양태에서, (예컨대, 석탄으로부터의) 고정 탄소는 비-재생가능한 탄소로서 분류될 수 있으며, 개별적으로 첨가될 수 있는 휘발성 탄소는 에너지 함량뿐만 아니라 재생가능한 탄소 가치를 증가시키기 위한 재생가능한 탄소일 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이 생산된 고-탄소 생물기원 시약은 폭넓게 다양한 탄소질 생성물에 유용하다. 고-탄소 생물기원 시약은 그 자체가 바람직한 시장 생성물일 수 있다. 본원에 제공된 바와 같은 고-탄소 생물기원 시약은 최신 기술과 비교하여 더 낮은 수준의 불순물, 감소된 공정 배출물, 및 개선된 지속성 (더 높은 재생가능한 탄소 함량 포함)과 연관된다.
변형에서, 생성물은 개시된 공정에 의해 수득될 수 있는, 또는 본원에 제시된 조성물에 기재된 고-탄소 생물기원 시약, 또는 이들의 임의의 부분, 조합 또는 유도체 중 임의의 것을 포함한다.
일반적으로 말하면, 고-탄소 생물기원 시약은 연소되어, 에너지 (전기 및 열 포함)를 생산하거나; 부분적으로 산화, 가스화, 또는 스팀-개질되어, 합성가스를 생산하거나; 이들의 흡착 또는 흡수 특성에 대해 활용되거나; 금속 정련 (예컨대, 금속 옥사이드의 환원) 또는 다른 산업 가공 동안 이들의 반응성 특성에 대해 활용되거나; 탄소 강철 및 다양한 다른 금속 합금에서의 이들의 재료 특성에 대해 활용될 수 있다. 본질적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 개발될 특수 용도를 포함하여, 탄소-기반 상품 또는 고급 재료의 임의의 시장 적용에 대해 활용될 수 있다.
임의의 생성물 적용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 고-탄소 생물기원 시약은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 변형 (예컨대, 첨가제를 통해)될 수 있다. 화학적 조성 및 에너지 함량 이외에, 가능한 일부 관심 특성은 몇몇 특성을 들자면, 밀도, 입자 크기, 표면적, 미세다공성, 흡수성, 흡착성, 결합 용량, 반응성, 탈황 활성 및 염기도를 포함한다.
이들 고-탄소 생물기원 시약을 혼입할 수 있는 생성물 또는 재료는 탄소-기반 용광로 첨가 생성물, 탄소-기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물, 레이들 첨가 탄소-기반 생성물, 메트 코크스 탄소-기반 생성물, 석탄 교체 생성물, 탄소-기반 코킹 생성물, 탄소 브리즈 생성물, 유동층 탄소-기반 공급원료, 탄소-기반 퍼니스 첨가 생성물, 주입가능한 탄소-기반 생성물, 미분된 탄소-기반 생성물, 스토커 탄소-기반 생성물, 탄소 전극, 또는 활성탄 생성물을 포함하나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
금속 생산에서의 개시된 고-탄소 생물기원 시약의 사용은 슬래그를 감소시키고, 전체 효율을 증가시키고, 생활주기 환경 영향을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시양태는 금속 가공 및 제조에 특히 잘 적합화된다.
일부 변형에서는 탄소-기반 용광로 첨가 생성물로서 고-탄소 생물기원 시약을 활용한다. 용광로는 산업용 금속, 예컨대, (비제한적으로) 철을 생산하기 위해 제련하는 데 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 제련은 추출 야금의 형태이며; 이의 주요 용도는 이의 광석으로부터 금속을 생산하는 것이다. 제련은 광석을 분해하기 위해 열 및 화학적 환원제를 사용한다. 탄소 또는 탄소로부터 유래된 일산화탄소는 광석으로부터 산소를 제거하여, 원소 금속을 남긴다.
환원제는 고-탄소 생물기원 시약을 포함할 수 있다. 용광로에서, 고-탄소 생물기원 시약, 광석 및 전형적으로 석회석은 퍼니스의 상단을 통해 연속적으로 공급될 수 있으며, 공기 (임의로 산소 풍부화를 가짐)는 챔버의 하단으로 취입되고, 그에 따라 재료가 하향 이동함에 따라 퍼니스 전반에 걸쳐 화학 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 용융된 금속 및 하단으로부터 탭핑되는 슬래그 상, 및 퍼니스의 상단으로부터 배출되는 연도 가스이다. 고온의 일산화탄소-풍부 가스의 상향 유동과 접촉되는 광석의 하향 유동은 역류 공정이다.
용광로에서의 탄소 품질은 열화에 대한 이의 저항성에 의해 측정된다. 투과성 매질로서의 탄소의 역할은 경제적인 용광로 작동에서 매우 중요하다. 탄소의 열화는 용광로의 위치에 따라 다르며, CO2, H2O 또는 O2와의 반응, 및 서로 및 다른 부하 구성요소에 대한 탄소 입자의 마모의 조합을 포함한다. 열화된 탄소 입자는 플러깅 및 불량한 성능을 유발할 수 있다.
코크스 반응성 테스트는 용광로에서의 탄소의 성능의 고도로 평가된 척도이다. 이 테스트는 다음의 2 개의 구성요소를 갖는다: 코크스 반응성 지수 (CRI) 및 반응 후 코크스 강도 (CSR). 낮은 CRI 값 (높은 반응성) 및 높은 CSR 값을 갖는 탄소-기반 재료가 우수한 용광로 성능을 위해 바람직하다. CRI는 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법에 따라, 예를 들어, 수신된-때 기준(as-received basis)으로 ASTM 방법 DS341에 의해 결정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 용광로에 직접 도입하기에 적합한 특성을 갖는 탄소 생성물을 제공한다.
고-탄소 생물기원 시약의 강도는 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어, 낙하-충격(drop-shatter) 테스트 또는 CSR 테스트에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 임의로 다른 탄소 공급원과 블렌딩될 때, 고-탄소 생물기원 시약은 약 50%, 60% 또는 70% 이상의 CSR을 갖는 최종 탄소 생성물을 제공한다. 조합 생성물은 또한 용광로에서의 연소에 적합한 반응성을 갖는 최종 코크스 생성물을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 생성물은 고-탄소 생물기원 시약이 메트 석탄, 메트 코크스, 코크스 브리즈, 주물 코크스 또는 주입가능한 석탄에 대한 교체물 또는 첨가제로서의 사용에 적합하게 되도록 하는 CRI를 갖는다.
일부 실시양태에서는, 용광로 생성물로서 사용하기에 불충분한 CRI 또는 CSR를 갖는 다른 탄소 공급원 (예컨대, 코크스)에 첨가될 때, 용광로에서 사용하기에 충분한 CRI 또는 CSR을 갖는 복합체 생성물을 제공하는 고-탄소 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 하나 이상의 첨가제를 사용한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 약 40%, 30% 또는 20% 이하의 CRI를 갖는 고-탄소 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 존재한다.
일부 실시양태에서, 알칼리 토금속, 또는 이의 옥사이드 또는 카보네이트로부터 선택된 하나 이상의 첨가제가 고-탄소 생물기원 시약의 생산 공정 동안 또는 후에 도입된다. 예를 들어, 칼슘, 칼슘 옥사이드, 칼슘 카보네이트, 마그네슘 옥사이드, 또는 마그네슘 카보네이트가 첨가제로서 도입될 수 있다. 열분해 전에, 동안, 또는 후에 이들 화합물의 첨가는 용광로에서의 고-탄소 생물기원 시약의 반응성을 증가시킬 수 있다. 이들 화합물은 더 강한 재료, 즉, 더 높은 CSR을 야기할 수 있고, 이에 의해 용광로 효율을 개선시킨다. 추가로, 알칼리 토금속, 또는 이의 옥사이드 또는 카보네이트로부터 선택된 것들과 같은 첨가제는 더 낮은 배출물 (예컨대, SO2)을 야기할 수 있다.
일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 적어도 약 55 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu 의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 약 0.035 wt% 이하의 인, 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질, 및 임의로 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 백운석, 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 백운석 석회, 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 벤토나이트, 또는 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 칼슘 옥사이드를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 실질적으로 약 1 cm 내지 약 10 cm 범위의 치수를 갖는다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 주물 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 주물 코크스는 일반적으로 적어도 약 85 wt%의 탄소 함량, 약 0.6 wt%의 황 함량, 약 1.5 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 13 wt% 이하의 회분, 약 8 wt% 이하의 수분, 약 0.035 wt%의 인, 약 30의 CRI 값, 및 약 5 cm 내지 약 25 cm 범위의 치수를 갖는 것으로서 특징된다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 탄소-기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물로서 활용한다. 철 및 강철 제조에서 사용되는 광석은 산화철이다. 주요 산화철 광석은 헤마타이트, 리모나이트 (또한 갈색 광석이라 불림), 타코나이트, 및 마그네타이트, 흑색 광석을 포함한다. 타코나이트는 저-등급이지만 중요한 광석이며, 이는 마그네타이트 및 헤마타이트 둘 모두를 포함한다. 타코나이트의 철 함량은 일반적으로 25 wt% 내지 30 wt%이다. 용광로는 효율적인 작동을 위해 전형적으로 적어도 50 wt%의 철 함량 광석을 필요로 한다. 철광석은 파쇄, 스크리닝, 텀블링, 부유선광 및 자력 분리를 포함한 선광을 겪을 수 있다. 정련된 광석은 60% 초과의 철로 풍부화되며, 종종 운송 전에 펠릿으로 형성된다.
예를 들어, 타코나이트는 미세 분말로 분쇄되고 바인더, 예컨대, 벤토나이트 점토 및 석회석과 조합될 수 있다. 예를 들어, 대략 65 wt% 철을 포함하는, 약 1 센티미터 직경의 펠릿이 형성될 수 있다. 펠릿은 소성되어 마그네타이트를 헤마타이트로 산화시킨다. 펠릿은 내구성이 있으며, 이는 용광로 장입물이, 가열된 가스가 펠릿화된 광석을 통과하여 이와 반응하는 것을 가능하게 하기에 충분히 다공성을 유지하는 것을 보장한다.
타코나이트 펠릿은 용광로 첨가 생성물과 관련하여 위에 기재된 바와 같이, 철을 생산하기 위해 용광로에 공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약이 용광로에 도입된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 타코나이트 펠릿 자체에 혼입된다. 예를 들어, 타코나이트 광석 분말은 선광 후, 고-탄소 생물기원 시약 및 바인더와 혼합되고 작은 물체로 롤링된 다음, 경질이 될 때까지 베이킹될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 적절한 조성을 갖는 타코나이트-탄소 펠릿은 별도의 탄소 공급원의 필요 없이 용광로에 편리하게 도입될 수 있다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 레이들 첨가 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 레이들은 용융된 금속을 수송하고 붓는 데 사용되는 용기이다. 주조 레이들은 용융된 금속을 몰드에 부어 주조물을 생산하는 데 사용된다. 전달 레이들은 많은 양의 용융된 금속을 하나의 공정으로부터 다른 공정으로 전달하는 데 사용된다. 처리 레이들은 레이들로의 다양한 원소의 첨가에 의해 주철의 연성철로의 전환과 같이, 용융된 금속의 일부 양태를 변화시키기 위해 레이들 내에서 일어나는 공정에 사용된다.
고-탄소 생물기원 시약은 임의의 유형의 레이들에 도입될 수 있으나, 전형적으로 탄소는 표적 탄소 함량에 기반한 적합한 양으로 처리 레이들에 첨가될 것이다. 레이들에 주입된 탄소는 최종 조성물로의 탄소의 양호한 질량 수송을 위해, 미세 분말 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 레이들 첨가 생성물로서 사용될 때, 약 0.5 cm, 예컨대, 약 0.75 cm, 약 1 cm 또는 약 1.5 cm 이상의 최소 치수를 갖는다.
일부 실시양태에서, 고 탄소 생물기원 시약은 탄소의 레이들 첨가가 사용되는 (예컨대, 강철 제조 동안 레이들 탄소에 첨가되는) 어디에서나, 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다.
일부 실시양태에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제는 추가적으로 최대 약 5 wt% 망간, 최대 약 5 wt% 칼슘 옥사이드, 또는 최대 약 5 wt% 백운석 석회를 포함한다.
또한 해면철이라 불리는 직접-환원 철 (DRI)은 천연 가스 또는 석탄으로부터 기존의 생산된 환원 가스에 의해 철광석 (덩어리, 펠릿 또는 미립분의 형태)의 직접 환원으로부터 생산된다. 환원 가스는 전형적으로 환원제로서 작용하는 합성가스, 수소 및 일산화탄소의 혼합물이다. 본원에 제공된 바와 같은 고-탄소 생물기원 시약은 CO를 포함하는 가스 스트림으로 전환되어, 직접-환원 철을 생산하기 위한 환원제로서 작용할 수 있다.
철 너겟(iron nugget)은 고-품질 제강 및 철-주조 공급 재료이다. 철 너겟은 본질적으로 모두 철 및 탄소이며, 맥석 (슬래그)이 거의 없고 금속 잔류물의 수준이 낮다. 이들은 우수한 운송 및 취급 특징을 갖는 프리미엄 등급 선철 생성물이다. 철 너겟 또는 이의 임의의 일부에 포함된 탄소는 본원에 제공된 고-탄소 생물기원 시약일 수 있다. 철 너겟은 고-탄소 생물기원 시약을 환원체(reductant) 및 에너지 공급원으로서 사용하여, 회전식 난로 퍼니스에서의 철광석의 환원을 통해 생산될 수 있다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 야금 코크스 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 또한 "메트" 코크스로서 알려진 야금 코크스는 통상적으로 역청탄의 다양한 블렌드의 파괴성 증류에 의해 제조되는 탄소 재료이다. 최종 고체는 야금 코크스라 불리는 비-용융 탄소이다. 휘발성 가스의 손실 및 부분적 용융의 결과로서, 메트 코크스는 개방 다공성 모폴로지를 갖는다. 메트 코크스는 매우 낮은 휘발성 물질 함량을 갖는다. 그러나, 원래 역청탄 공급원료의 부분이었던 회분 구성성분은 생성된 코크스에 캡슐화되어 남아 있다. 메트 코크스 공급원료는 미세 분말로부터 농구공-크기의 덩어리까지의 폭넓은 범위의 크기로 이용가능하다. 전형적인 순도는 86-92 wt% 고정 탄소의 범위이다.
야금 코크스는 고-품질의 인성, 탄력성, 마모성(wearing) 탄소가 요구되는 경우에 사용된다. 적용은 전도성 바닥재, 마찰재 (예컨대, 탄소 라이닝), 주물 코팅, 주물 탄소 발생기, 부식 재료, 드릴링 적용, 환원제, 열-처리제, 세라믹 패킹 매질, 전해 공정, 및 산소 배제를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
메트 코크스는 파운드당 약 10,000 내지 14,000 Btu의 발열량 및 약 10 wt% 이상의 회분 함량을 갖는 것으로서 특징될 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 메트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%, 85 wt%, 또는 90 wt%의 탄소, 약 0.8 wt% 이하의 황, 약 3 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 15 wt% 이하의 회분, 약 13 wt% 이하의 수분, 및 약 0.035 wt% 이하의 인을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 포함한다. 고-탄소 생물기원 시약은 메트 코크스 교체 생성물로서 사용될 때, 예를 들어, 약 2 cm 내지 약 15 cm의 크기 범위를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 메트 코크스 교체 생성물은 첨가제, 예컨대, 크롬, 니켈, 망간, 마그네슘 옥사이드, 규소, 알루미늄, 백운석, 플루오로스파, 칼슘 옥사이드, 석회, 백운석 석회, 벤토나이트 및 이들의 조합을 추가로 포함한다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 석탄 교체 생성물로서 활용한다. 석탄을 사용하는 임의의 공정 또는 시스템은 원리적으로 고-탄소 생물기원 시약을 사용하도록 적합화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 하나 이상의 석탄-기반 생성물과 조합되어, 석탄-기반 생성물(들)보다 더 높은 순위를 갖거나, 연소될 때 순수한 석탄-기반 생성물보다 더 적은 배출물을 갖는 복합체 생성물을 형성한다.
예를 들어, 낮은-순위 석탄, 예컨대, 아-역청탄은, 선택된 양의 고-탄소 생물기원 시약을 저-순위 석탄 생성물과 조합함으로써, 더 높은-순위 석탄 생성물, 예컨대, 역청탄을 통상적으로 요구하는 적용에서 사용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 혼합된 석탄 생성물 (예컨대, 상이한 순위의 복수의 석탄의 조합)의 순위는 혼합된 석탄을 일부 양의 고-탄소 생물기원 시약과 조합함으로써 개선될 수 있다. 석탄 생성물(들)과 혼합될 고-탄소 생물기원 시약의 양은 석탄 생성물(들)의 순위, 고-탄소 생물기원 시약의 특징 (예컨대, 탄소 함량, 발열량 등) 및 최종 조합 생성물의 원하는 순위에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 무연탄은 일반적으로 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.6 wt%의 황, 약 5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 15 wt%의 회분, 최대 약 10 wt%의 수분, 및 약 12,494 Btu/lb의 발열량을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 무연탄 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.6 wt% 이하의 황, 약 15 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 열 석탄 교체 생성물로서 유용하다. 열 석탄 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 높은 회분 함량, 및 최대 약 15,000 Btu/lb의 발열량을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 열 석탄 교체 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 탄소-기반 코킹 생성물로서 활용한다. 임의의 코킹 공정 또는 시스템은 고-탄소 생물기원 시약을 사용하여 코크스를 생산하거나, 이를 코크스 공급원료로서 사용하도록 적합화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 예를 들어, 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소, 약 8 wt% 이하의 회분, 약 0.5 wt% 이하의 황, 및 적어도 약 11,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 포함한다. 다른 실시양태에서, 열 코크스 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질을 추가로 포함한다. 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물은 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt%의 수분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 석유 (페트) 코크스 또는 하소 페트 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt%의 탄소, 최대 4.6 wt%의 황, 최대 약 5.5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 19.5 wt%의 회분, 및 최대 약 2 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징되고, 전형적으로 약 3 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 실시양태에서, 하소 페트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 4.6 wt% 이하의 황, 약 19.5 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이고, 약 3 메쉬 이하로 사이징된다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 코킹 탄소 교체 탄소 (예컨대, 코킹 퍼니스에서 야금 석탄과 공동-소성됨)로서 유용하다. 일 실시양태에서, 코킹 탄소 교체 생성물은 적어도 약 55 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 코킹 탄소 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질, 또는 하나 이상의 첨가제를 포함한다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 탄소 브리즈 생성물로서 활용하며, 이는 전형적으로 매우 미세한 입자 크기, 예컨대, 6 mm, 3 mm, 2 mm 또는 1 mm 이하를 갖는다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 코크스 브리즈 교체 생성물로서 유용하다. 코크스 브리즈는 일반적으로 약 6 mm 이하의 최대 치수, 적어도 약 80 wt%의 탄소 함량, 0.6 내지 0.8 wt%의 황, 1% 내지 20 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 13 wt%의 회분, 및 최대 약 13 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 코크스 브리즈 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.8 wt% 이하의 황, 약 20 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 13 wt% 이하의 회분, 약 13 wt% 이하의 수분, 및 약 6 mm의 최대 치수를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 예를 들어, 타코나이트 펠릿 생산 동안 또는 철-제조 공정에서 탄소 브리즈 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 다양한 유동층에 대한 공급원료로서, 또는 유동층 탄소-기반 공급원료 교체 생성물로서 활용한다. 탄소는 전체 연소, 부분적 산화, 가스화 또는 스팀 개질 등을 위해 유동층에서 사용될 수 있다. 탄소는 주로 에너지의 생산 (예컨대, 열병합 발전), 또는 액체 연료 (예컨대, 메탄올 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 디젤 연료)를 포함하여, 다양한 다운스트림 용도를 위한 합성가스로 전환될 수 있다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 유동층 퍼니스에서 유동층 석탄 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 탄소-기반 퍼니스 첨가 생성물로서 활용한다. 석탄-기반 탄소 퍼니스 첨가 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 및 높은 회분 함량을 갖는 것으로서 특징되며, 이는 금속 생성물의 열화에 기여하고 대기 오염을 생성한다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약을 포함하는 탄소 퍼니스 첨가 교체 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 약 0.03 wt% 이하의 인, 및 약 7.5 cm의 최대 치수를 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 퍼니스 첨가 교체 생성물 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질 및 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt%의 수분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 퍼니스 첨가 탄소가 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다. 예를 들어, 퍼니스 첨가 탄소는 전기-아크 퍼니스 설비에서 강철 제조 동안 고철에 첨가될 수 있다. 전기-아크 퍼니스 적용의 경우, 보다 이른 불순물의 제거 후 공정에 불순물이 다시 도입되지 않도록 고-순도 탄소가 요망된다.
일부 실시양태에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 최대 약 5 wt%의 망간, 최대 약 5 wt%의 플루오로스파, 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 백운석, 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 백운석 석회, 또는 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 칼슘 옥사이드를 추가로 포함한다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 스토커 퍼니스 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 스토커 퍼니스 설비에서, 스토커 석탄 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 주입가능한 (예컨대, 미분된) 탄소-기반 재료로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 주입-등급 하소 페트 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 주입-등급 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 0.55 내지 약 3 wt%의 황, 최대 약 5.5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 10 wt%의 회분, 최대 약 2 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징되며, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 실시양태에서, 하소 페트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 3 wt% 이하의 황, 약 10 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이고, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 주입가능한 탄소가 사용되는 임의의 적용 (예컨대, 강철 제조 동안 슬래그 또는 레이들에 주입됨)에서 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 주입가능한 탄소 교체 생성물로서 유용하다.
일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 예를 들어, (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 미분탄이 사용되는 어디에서나, 미분된 탄소 교체 생성물로서 유용하다. 일부 실시양태에서, 미분탄 교체 생성물은 최대 약 10 퍼센트의 칼슘 옥사이드를 포함한다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 금속 생산을 위한 탄소 첨가 생성물로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 탄소 강철 또는 탄소를 포함하는 다른 금속 합금의 생산을 위한 탄소 첨가 생성물로서 유용하다. 석탄-기반 후기-단계 탄소 첨가 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 및 높은 회분 함량, 및 높은 수은 수준을 갖는 것으로서 특징되며, 이는 금속 품질을 저하시키고 공기 오염에 기여한다. 일부 실시양태에서, 탄소 첨가 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 약 0.03 wt% 이하의 인, 약 1 내지 5 mm의 최소 치수, 및 약 8 내지 12 mm의 최대 치수를 포함한다.
일부 변형에서는 탄소 전극 내에서 고-탄소 생물기원 시약을 활용한다. 일부 실시양태에서, 고-탄소 생물기원 시약은 예를 들어, 알루미늄 생산에서의 사용에 적합한 전극 (예컨대, 양극) 재료로서 유용하다.
탄소 전극에서의 고-탄소 생물기원 시약의 다른 용도는 배터리, 연료 전지, 커패시터, 및 기타 에너지-저장 또는 에너지-전달 디바이스에서의 적용을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리에서, 고-탄소 생물기원 시약은 리튬을 삽입하기 위해 양극 측면에 사용될 수 있다. 이들 적용에서, 탄소 순도 및 낮은 회분은 매우 중요할 수 있다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 촉매 지지체로서 활용한다. 탄소는 합성가스로부터의 고급 탄화수소의 피셔-트롭쉬 합성을 위해 탄소 상에 지지된 철-기반 촉매, 또는 탄소 상에 지지된 황화 코발트-몰리브덴 금속 촉매를 사용하는, 합성가스로부터의 혼합-알콜 합성과 같은 폭넓은 범위의 촉매화된 화학 반응에서의 알려진 촉매 지지체이다.
일부 변형에서는 고-탄소 생물기원 시약을 활성탄 생성물로서 활용한다. 활성탄은 물 처리, 공기 정제, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 및 의약품을 포함한 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 적용에서 사용된다. 활성탄의 경우, 재료의 다공성 및 표면적이 일반적으로 중요하다. 본원에 제공된 고-탄소 생물기원 시약은 다양한 실시양태에서, (i) 화석-연료 기반 활성탄보다 더 큰 표면적; (ii) 탄소 재생가능성; (iii) 오염물질 제어를 향상시키는 첨가제의 침투/분배를 더 잘 허용하는 첨가제와 함께 바이오매스 공급원료의 혈관 성질; 및 (iv) 더 큰 반응성을 야기하는 덜 불활성인 재료 (회분)로 인해, 우수한 활성탄 생성물을 제공할 수 있다.
고-탄소 생물기원 시약의 시장 적용의 위의 설명에서, 기재된 적용은 배타적이거나 완전한 것이 아니라는 점을 인식해야 한다. 따라서, 다양한 실시양태에서, 탄소 생성물 중 하나의 유형에 적합한 것으로서 기재된 고-탄소 생물기원 시약은 기재된 임의의 다른 적용에 적합할 수 있다. 이들 적용은 단지 예시적이며, 고-탄소 생물기원 시약의 다른 적용도 있다.
추가로, 일부 실시양태에서, 동일한 물리적 재료가 통합 방식으로 또는 순차적으로 다중 시장 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 탄소 전극 또는 활성탄으로서 사용되는 고-탄소 생물기원 시약은 성능 재료로서의 이의 유용 수명의 종료시, 이어서 에너지 가치에 대한 연소 공정에 또는 금속-제조 (예컨대, 금속 광석 환원) 공정 등에 도입될 수 있다.
일부 실시양태에서는 반응성 또는 흡착 특성을 위해 그리고 또한 연료로서 생물기원 시약을 사용할 수 있다. 예를 들어, 배출 스트림에 주입된 생물기원 시약은 오염물을 제거한 후 생물기원 시약 입자 및 가능하게는 오염물을 연소시켜 에너지를 생산하고 오염물을 열적으로 파괴하거나 화학적으로 산화시키는 데 적합할 수 있다.
기존의 화석-연료-기반 생성물과 비교하여, 유의한 환경 및 생성물 사용 이점이 고-탄소 생물기원 시약과 연관될 수 있다. 고-탄소 생물기원 시약은 환경적으로 우수할 뿐만 아니라, 예를 들어, 더 높은 순도로 인해 가공 관점에서 기능적으로도 우수할 수 있다.
금속 생산의 일부 실시양태와 관련하여, 개시된 공정을 이용한 생물기원 시약의 생산은 금속 생산에서의 사용을 위해 이들을 제조하는 데 필요한 석탄-기반 생성물의 코킹과 비교하여 CO, CO2, NOx, SO2 및 유해 대기 오염물질의 유의하게 더 낮은 배출을 초래할 수 있다.
석탄 또는 코크스 대신 고-탄소 생물기원 시약의 사용은 또한 SO2, 유해 대기 오염물질, 및 수은의 환경 배출을 유의하게 감소시킨다.
또한, 이들 고-탄소 생물기원 시약 (낮은 회분 함량 포함)의 순도로 인해, 개시된 생물기원 시약은 배치 금속-제조 공정에서 슬래그를 감소시키고 생산 용량을 증가시키는 잠재력을 갖는다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 활성탄으로서 기능한다. 특정 실시양태에서, 생물기원 시약의 일부는 활성탄 생성물로서 회수되며, 생물기원 시약의 다른 일부 (예컨대, 나머지)는 바인더와 펠릿화되어 바이오카본 펠릿을 생산한다. 다른 실시양태에서, 생물기원 시약은 바인더와 펠릿화되어 이후에 활성탄 생성물로 전환시키기 위해 운송되는 바이오카본 펠릿을 생산한다. 이후 전환은 다시 분말로의 미분을 포함할 수 있고, 예컨대, 스팀, 산 또는 염기를 이용한 화학 처리를 또한 포함할 수 있다. 이들 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 활성탄 전구체 펠릿으로서 간주될 수 있다.
특정 실시양태에서, 생물기원 시약 내의 고정 탄소는 주로 활성탄을 제조하는 데 사용될 수 있으며, 생물기원 시약 내의 휘발성 탄소는 주로 환원 가스를 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단계 (b)에서 생성된 생물기원 시약 내의 고정 탄소 중 적어도 50 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 본질적으로 모두가 단계 (f)에서 활성탄으로서 회수될 수 있으며, 예를 들어, 단계 (b)에서 생성된 생물기원 시약 내의 휘발성 탄소의 적어도 50 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 본질적으로 모두가 환원 가스로 지시될 수 있다 (예컨대, 휘발성 탄소의 CO로의 스팀-개질 반응을 통해).
활성탄은 생산될 때, 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 800, 1000, 1500 또는 2000의 아이오딘가(iodine number)를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 95%의 재생가능한 탄소 함량을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능한 활성탄으로서 특징된다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기는 상이한 유형의 활성탄의 생산을 최적화하도록 구성된다. 예를 들어, 반응 조건 (예컨대, 시간, 온도 및 스팀 농도)은 특정 속성, 예컨대, 아이오딘가를 갖는 활성탄 생성물에 대해 선택될 수 있다. 상이한 반응 조건은 상이한 활성탄 생성물, 예컨대, 더 높은 아이오딘가를 갖는 것에 대해 선택될 수 있다. 열분해 반응기는 캠페인 모드에서 작동하여, 하나의 생성물을 생산한 다음, 다른 생성물을 위해 다른 모드로 스위칭될 수 있다. 제1 생성물은 제1 캠페인 동안 연속적으로 또는 주기적으로 제거되었을 수 있거나, 열분해 반응기의 반응 조건을 스위칭하기 전에 제거될 수 있다.
활성탄은 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 1000, 1500 또는 2000의 아이오딘가를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%의 재생가능한 탄소 함량을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능한 활성탄으로서 특징된다.
본원에 개시된 공정에 의해 생산된 활성탄은 다수의 방식으로 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성탄은 하나 이상의 일차 생성물을 정제하기 위해 공정 현장에서 내부적으로 활용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 물을 정제하기 위해 현장에서 활용된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 활성탄은 액체 폐기물 스트림을 처리하여 액체-상 배출물을 감소시키기 위해 또는 증기 폐기물 스트림을 처리하여 대기 배출물을 감소시키기 위해 현장에서 활용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 새로운 바이오매스의 생성을 보조하기 위해 토양 개량제로서 활용되며, 이는 현장에서 지역 공급원료로서 활용되는 동일한 유형의 바이오매스일 수 있다.
본원에 개시된 공정에 따라 제조된 활성탄은 전통적인 화석 연료-기반 활성탄과 동일한 또는 더 우수한 특징을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 화석 연료-기반 활성탄과 연관된 표면적과 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 큰 표면적을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 오염물질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 전통적인 활성탄 생성물보다 더 우수할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 불활성 재료 (예컨대, 회분) 수준과 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 낮은 불활성 재료 (예컨대, 회분) 수준을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 크기 또는 입자 크기 분포와 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 크거나 더 낮은 입자 크기 또는 입자 크기 분포를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 형상과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 입자 형상을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 형상과 실질적으로 상이한 입자 형상을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 기공 부피와 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 큰 기공 부피를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 기공 치수와 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 기공 치수를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자의 내마멸성 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 입자의 내마멸성 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 경도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 경도 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 벌크 밀도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 벌크 밀도 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄 생성물은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 흡착 용량과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 흡착 용량을 갖는다.
임의의 생성물 적용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 활성탄은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 변형 (예컨대, 첨가제를 통해)될 수 있다. 잠재적인 관심의 일부 특성은 밀도, 입자 크기, 표면적, 미세다공성, 흡수성, 흡착성, 결합 용량, 반응성, 탈황 활성, 염기도, 경도 및 아이오딘가를 포함한다.
활성탄은 물 처리, 공기 정제, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 설탕 및 감미료 정련, 자동차 용도, 및 의약품을 포함하여, 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 적용에서 상업적으로 사용된다. 활성탄의 경우, 주요 생성물 속성은 입자 크기, 형상, 조성, 표면적, 기공 부피, 기공 치수, 입자-크기 분포, 탄소 표면 및 내부의 화학적 성질, 입자의 내마멸성, 경도, 벌크 밀도, 및 흡착 용량을 포함할 수 있다.
생물기원 활성탄에 대한 벌크 밀도는 예를 들어, 약 50 g/리터 내지 약 650 g/리터일 수 있다.
생물기원 활성탄의 표면적은 폭넓게 달라질 수 있다. 예시적인 표면적 (예컨대, BET 표면적)은 약 400 m2/g 내지 약 2000 m2/g 이상의 범위, 예컨대, 약 500 m2/g, 600 m2/g, 800 m2/g, 1000 m2/g, 1200 m2/g, 1400 m2/g, 1600 m2/g 또는 1800 m2/g이다. 표면적은 일반적으로 흡착 용량과 상관관계가 있다.
기공-크기 분포는 활성탄의 궁극적 성능을 결정하는 데 중요할 수 있다. 기공-크기 측정은 미세기공 함량, 중간기공 함량, 및 거대기공 함량을 포함할 수 있다.
아이오딘가는 활성탄 성능을 특징화하기 위해 사용되는 파라미터이다. 아이오딘가는 탄소의 활성화의 정도를 측정하고, 미세기공 (예컨대, 0-20 Å) 함량의 척도이다. 이는 액체-상 적용에 있어 중요한 측정이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물의 예시적인 아이오딘가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 500, 600, 750, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1500, 1600, 1750, 1900, 2000, 2100 및 2200을 포함한다. 아이오딘가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 아이오딘이다.
다른 기공-관련된 측정은 중간기공 함량 (예컨대, 20-500 Å)을 측정하는 메틸렌 블루가(methylene blue number)이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물에 대한 예시적인 메틸렌 블루가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 및 500을 포함한다. 메틸렌 블루가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 메틸렌 블루 (메틸티오니늄 클로라이드)이다.
다른 기공-관련된 측정은 거대기공 함량 (예컨대, >500 Å)을 측정하는 당밀가(molasses number)이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물의 예시적인 당밀가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350 및 400을 포함한다. 당밀가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 당밀이다.
일부 실시양태에서, 활성탄은 예를 들어, 적어도 약 0.5 cm3/g, 예컨대, 적어도 약 1 cm3/g의 중간기공 부피를 특징으로 한다.
활성탄은 이의 물-보유 용량을 특징으로 할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물은 25℃에서 약 10% 내지 약 300% (물 중량을 건조 활성탄의 중량으로 나눈 것), 예컨대, 약 50% 내지 약 100%, 예컨대, 약 60-80%의 물-보유 용량을 갖는다.
경도 또는 마모가(abrasion number)는 활성탄의 내마멸성의 척도이다. 이는 취급 또는 사용 동안 마찰력 및 기계적 응력을 견디는 활성탄의 물리적 무결성의 지표이다. 일부 양의 경도가 바람직하지만, 경도가 지나치게 높으면, 과도한 장비 마모(wear)가 초래될 수 있다. ASTM D3802에 따라 측정된 예시적인 마모가는 약 1% 내지 약 99% 초과의 범위, 예컨대, 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 또는 약 99% 초과이다.
일부 실시양태에서, 경도의 최적 범위는 활성탄이 합리적으로 내마멸성이지만 활성탄을 가공하는 자본 설비에서 마모(abrasion) 및 마모(wear)를 유발하지 않는 경우에 달성될 수 있다. 이 최적은 공급원료뿐만 아니라 가공 조건의 선택으로 인해 본 개시내용의 일부 실시양태에서 가능해진다. 다운스트림 용도가 높은 경도를 취급할 수 있는 일부 실시양태에서, 본 개시내용의 공정은 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 또는 약 99% 초과의 마모가를 갖는 생물기원 활성탄 생성물을 생산하기 위해 경도를 증가시키거나 최대화하도록 작동될 수 있다.
본 개시내용에 의해 제공되는 생물기원 활성탄은 폭넓은 범위의 상업적 용도를 갖는다. 예를 들어, 제한 없이, 생물기원 활성탄은 배출 제어, 물 정제, 지하수 처리, 폐수 처리, 에어 스트리퍼 적용, PCB 제거 적용, 악취 제거 적용, 토양 증기 추출, 제조된 가스 플랜트, 공업용수 여과, 산업용 훈증, 탱크 및 공정 통풍구, 펌프, 송풍기, 필터, 사전-필터, 미스트 필터, 덕트설비(ductwork), 파이핑 모듈, 흡착기, 흡수기 및 컬럼에서 활용될 수 있다.
일 실시양태에서, 배출물을 감소시키기 위해 활성탄의 사용하는 방법은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 생물기원 활성탄 조성물을 포함하는 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 적어도 하나의 선택된 오염물을 포함하는 가스-상 배출물 스트림을 제공하는 단계;
(c) 가스-상 배출물 스트림으로부터의 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계;
(d) 활성탄 입자 및 첨가제를 가스-상 배출물 스트림에 도입하여, 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자에 흡착시켜, 가스-상 배출물 스트림 내에서 오염물-흡착된 탄소 입자를 생성하는 단계; 및
(e) 가스-상 배출물 스트림으로부터 오염물-흡착된 탄소 입자의 적어도 일부를 분리하여, 오염물-감소된 가스-상 배출물 스트림을 생산하는 단계.
생물기원 활성탄 조성물에 대한 첨가제는 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 첨가제는 직접 가스-상 배출물 스트림에, 연료 층에, 또는 연소 구역에 도입될 수 있다. 당업자에 의해 인식될 것인 바와 같이, 선택된 오염물의 제거를 위해 가스-상 배출물 스트림에 직접적으로 또는 간접적으로 첨가제를 도입하는 다른 방식이 가능하다.
(가스-상 배출물 스트림 중) 오염물은 금속, 예컨대, 수은, 보론, 셀레늄, 비소, 및 이의 임의의 화합물, 염 또는 조합으로부터 선택된 금속일 수 있다. 선택된 오염물은 예를 들어, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 또는 비-응축성 가스일 수 있다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착하거나 흡수하거나 화학흡착한다. 일부 이러한 실시양태에서, 선택된 오염물은 금속, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 비-응축성 가스, 또는 이의 임의의 조합이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt%의 수소 또는 적어도 약 10 wt%의 산소를 포함한다.
유해 대기 오염물질은 암 또는 다른 심각한 건강상의 영향, 예컨대, 생식 영향 또는 선천적 결함, 또는 환경 및 생태학적 이상 효과를 유발하거나 유발할 수 있는 오염물질이다. 개정된 청정대기법(Clean Air Act)의 제112조는 그 전체가 본원에 참조로 원용된다. 청정대기법의 제112조에 따라, 미국 환경보호청 (EPA)은 189 개의 유해 대기 오염물질을 제어할 의무가 있다. EPA에 의해 유해 대기 오염물질로서 분류된 임의의 현재의 또는 미래의 화합물이 본 맥락에서 가능한 선택된 오염물에 포함된다.
이의 일부가 또한 유해 대기 오염물질인 휘발성 유기 화합물은 일반적인 실온 조건에서 높은 증기압을 갖는 유기 화학물질이다. 예는 단쇄 알칸, 올레핀, 알콜, 케톤, 및 알데히드를 포함한다. 많은 휘발성 유기 화합물은 인간 건강에 위험하거나 환경에 해를 끼친다. EPA는 공기, 물, 및 육지의 휘발성 유기 화합물을 규제한다. 휘발성 유기 화합물의 EPA의 정의가 40 CFR §51.100에 기재되어 있고, 이는 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
비-응축성 가스는 일반적인 실온 조건 하에서 응축되지 않는 가스이다. 비-응축성 가스는 질소 옥사이드, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 설파이드, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 메탄, 에탄, 에틸렌, 오존, 암모니아, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
개시된 활성탄 입자에 의해 다중 오염물이 제거될 수 있다. 일부 실시양태에서, 오염물-흡착된 탄소 입자는 적어도 2개의 오염물, 적어도 3개의 오염물, 또는 그 초과를 포함한다. 본원에 개시된 바와 같은 활성탄은 특정 표적화된 오염물질 (예컨대, 셀레늄)의 제어뿐만 아니라 다중-오염물질 제어를 허용할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 오염물-흡착된 탄소 입자를 처리하여, 활성탄 입자를 재생시킨다. 일부 실시양태에서, 방법은 오염물-흡착된 탄소 입자를 열적으로 산화시키는 단계를 포함한다. 오염물-흡착된 탄소 입자, 또는 이의 재생된 형태를 연소시켜, 에너지를 제공할 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성탄에 대한 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 특정 실시양태에서, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 유기 산 (예컨대, 시트르산), 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 가스-상 배출물 스트림은 금속 가공, 예컨대, 높은-황-함량 금속 광석의 가공으로부터 유래된다.
수은 제어와 관련된 예시적인 실시양태로서, 미립자 물질 제어 디바이스, 예컨대, 전기 집진기 또는 직물 필터의 업스트림에서 활성탄이 주입될 수 있다 (예컨대, 덕트설비 내로). 일부 실시양태에서, 연도 가스 탈황 (건조 또는 습식) 시스템이 활성탄 주입 지점의 다운스트림에 있을 수 있다. 활성탄은 분말로서 공압식으로 주입될 수 있다. 주입 위치는 전형적으로 기존 플랜트 구성 (새로운 현장이 아닌 경우) 및 추가적인 다운스트림 미립자 물질 제어 장비가 변형되는지 여부에 의해 결정될 것이다.
현재 미립자 물질 제어 디바이스가 장착된 보일러의 경우, 수은 제어를 위한 생물기원 활성탄 주입을 구현하는 것은 다음을 수반할 수 있다: (i) 기존 미립자 물질 제어 디바이스 (전기 집진기 또는 직물 필터)의 업스트림에 분말화된 활성탄의 주입; (ii) 기존 전기 집진기의 다운스트림 및 개조용 직물 필터의 업스트림에 분말화된 활성탄의 주입; 또는 (iii) 전기 집진기 전기장 사이에 분말화된 활성탄의 주입. 철 또는 철-함유 화합물의 포함은 수은 제어를 위한 전기 집진기의 성능을 크게 개선시킬 수 있다. 게다가, 철 또는 철-함유 화합물의 포함은, 소비된 활성탄 고체가 다른 회분으로부터 분리될 수 있기 때문에, 수명-종료 옵션을 크게 변화시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 분말화된 활성탄 주입 접근법은 기존 SO2 제어 디바이스와 조합되어 사용될 수 있다. 활성탄은 주입 지점의 다운스트림에서의 활성탄 흡착제를 수집하기 위한 수단의 이용가능성에 따라, SO2 제어 디바이스 전에 또는 SO2 제어 디바이스 후에 주입될 수 있다.
일부 실시양태에서, 동일한 물리적 재료가 통합 방식으로 또는 순차적으로 다중 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 활성탄은 성능 재료로서의 이의 유용한 수명 종료시, 이어서 에너지 가치에 대한 연소 공정에 또는 탄소를 필요로 하지만 활성탄의 특성은 필요로 하지 않는 금속-제조 공정 등에 도입될 수 있다.
생물기원 활성탄 및 개시내용의 원리는 예를 들어, 물, 다양한 순도의 수성 스트림, 용매, 액체 연료, 중합체, 용융 염, 및 용융 금속의 가공을 포함하여, 액체-상 적용에 적용될 수 있다. 본원에 의도된 바와 같이, "액체 상"은 슬러리, 현탁액, 에멀젼, 다상 시스템, 또는 적어도 일부 양의 액체 상태가 존재하는 (또는 이를 갖도록 조정될 수 있는) 임의의 기타 재료를 포함한다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 액체를 정제하기 위한 활성탄의 사용 방법을 제공하며, 일부 변형에서, 다음 단계를 포함한다:
(a) 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 적어도 하나의 선택된 오염물을 포함하는 액체를 제공하는 단계;
(c) 액체로부터의 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 액체를 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 하나 이상의 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자에 흡착시킴으로써, 오염물-흡착된 탄소 입자 및 오염물-감소된 액체를 생성하는 단계.
첨가제는 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 또는, 첨가제는 액체에 직접 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제-이는 동일하거나 상이할 수 있음-는 활성탄 입자의 부분으로서뿐만 아니라 직접적으로 액체에 도입된다.
액체-상 적용과 관련된 일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 유기 산 (예컨대, 시트르산), 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, (처리될 액체 중) 선택된 오염물은 금속, 예컨대, 비소, 보론, 셀레늄, 수은, 및 이의 임의의 화합물, 염 또는 조합으로부터 선택된 금속이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 유기 화합물 (예컨대, VOC), 할로겐, 생물학적 화합물, 살충제 또는 제초제이다. 오염물-흡착된 탄소 입자는 2, 3 개, 또는 그 초과의 오염물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착하거나, 흡수하거나, 화학흡착한다. 일부 이러한 실시양태에서, 선택된 오염물은 금속, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 비-응축성 가스, 또는 이의 임의의 조합이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt%의 수소 또는 적어도 약 10 wt%의 산소를 포함한다.
처리될 액체는 전형적으로 수성일 것이지만, 본 개시내용의 원리에 반드시 필요한 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 액체는 고정층에서 활성탄 입자로 처리된다. 다른 실시양태에서, 액체는 용액 중에서 또는 이동층에서 활성탄 입자로 처리된다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 액체로부터 황-함유 오염물의 적어도 일부를 제거하기 위한 생물기원 활성탄 조성물의 사용 방법을 제공하며, 여기서 방법은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 황-함유 오염물을 포함하는 액체를 제공하는 단계;
(c) 액체로부터 황-함유 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 액체를 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 황-함유 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 또는 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계.
일부 실시양태에서, 황-함유 오염물은 원소 황, 황산, 아황산, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 설페이트 음이온, 바이설페이트 음이온, 설파이트 음이온, 바이설파이트 음이온, 티올, 설파이드, 디설파이드, 폴리설파이드, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 설폭시드, 설폰, 티오설피네이트, 설피미드, 설폭시미드, 설폰디이민, 황 할라이드, 티오케톤, 티오알데히드, 황 옥사이드, 티오카복실산, 티오아미드, 설폰산, 설핀산, 설펜산, 설포늄, 옥소설포늄, 설푸란, 퍼설푸란, 및 이들의 조합, 염 또는 유도체로부터 선택된다. 예를 들어, 황-함유 오염물은 음이온 또는 염 형태의 설페이트일 수 있다.
액체는 수성 액체, 예컨대, 물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 물은 금속 채굴, 산 광산 배수, 광물 가공, 도시 하수 처리, 펄프 및 종이, 에탄올, 및 폐수에서 황-함유 오염물을 배출할 수 있는 임의의 다른 산업 공정으로부터 선택된 공정과 연관된 폐수이다. 물은 또한 호수, 강 또는 개울과 같은 자연 수역 (또는 이의 부분)일 수 있다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 물 중의 설페이트의 농도를 감소시키는 공정을 제공하며, 공정은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 설페이트를 포함하는 물의 부피 또는 스트림을 제공하는 단계;
(c) 물로부터 설페이트의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 물을 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 설페이트의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 또는 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계.
일부 실시양태에서, 설페이트는 물 중 약 50 mg/L 이하의 농도, 예컨대, 물 중 약 10 mg/L 이하의 농도까지 감소된다. 일부 실시양태에서, 설페이트는 주로 설페이트 음이온 또는 바이설페이트 음이온의 형태로 존재한다. pH에 따라, 설페이트는 또한 설페이트 염의 형태로 존재할 수 있다.
물은 폐수 스트림의 부분 또는 전체로부터 유래될 수 있다. 예시적인 폐수 스트림은 금속 채굴, 산 광산 배수, 광물 가공, 도시 하수 처리, 펄프 및 종이, 에탄올, 또는 폐수에 황-함유 오염물을 배출할 수 있는 임의의 다른 산업 공정과 연관될 수 있는 것들이다. 물은 호수, 강, 또는 개울과 같은 자연 수역일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공정은 연속적으로 실시된다. 다른 실시양태에서, 공정은 배치식으로 실시된다.
물이 활성탄으로 처리될 때, 물의 여과, 물의 삼투, 또는 물에 대한 활성탄 입자의 직접 첨가 (침강, 정화 등과 함께)가 존재할 수 있다. 삼투가 사용될 때, 활성탄은 삼투 디바이스 내에서, 또는 삼투 디바이스를 보조하기 위해 여러 방식으로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투 전에 물에 직접 도입된다. 활성탄 입자 및 첨가제는 임의로 삼투 전에 사전-여과에서 사용된다. 특정 실시양태에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투를 위해 멤브레인에 혼입된다.
본 개시내용은 또한 가스 상으로부터 황-함유 오염물을 제거하기 위한 생물기원 활성탄 조성물의 사용 방법을 제공하며, 방법은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 적어도 하나의 황-함유 오염물을 포함하는 가스-상 배출물 스트림을 제공하는 단계;
(c) 가스-상 배출물 스트림으로부터 황-함유 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계;
(d) 가스-상 배출물 스트림에 활성탄 입자 및 첨가제를 도입하여, 황-함유 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 흡착 또는 흡수시키는 단계; 및
(e) 가스-상 배출물 스트림으로부터 활성탄 입자의 적어도 일부를 분리하는 단계.
일부 실시양태에서, 황-함유 오염물은 원소 황, 황산, 아황산, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 설페이트 음이온, 바이설페이트 음이온, 설파이트 음이온, 바이설파이트 음이온, 티올, 설파이드, 디설파이드, 폴리설파이드, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 설폭시드, 설폰, 티오설피네이트, 설피미드, 설폭시미드, 설폰디이민, 황 할라이드, 티오케톤, 티오알데히드, 황 옥사이드, 티오카복실산, 티오아미드, 설폰산, 설핀산, 설펜산, 설포늄, 옥소설포늄, 설푸란, 퍼설푸란, 또는 이들의 조합, 염 또는 유도체로부터 선택된다
일반적으로 말하면, 개시된 활성탄은 전통적인 활성탄이 사용될 수 있는 임의의 적용에서 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄에 대한 전체 (즉, 100%) 교체물로서 사용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 특정 적용에 사용된 활성탄의 본질적으로 전부 또는 실질적으로 전부를 포함한다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 약 1% 내지 약 100%의 생물기원 활성탄을 포함한다.
예를 들어 그리고 제한 없이, 활성탄은 필터 내에서-단독으로 또는 전통적인 활성탄 생성물과 조합되어-사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 충전층 또는 충전 컬럼은 개시된 활성탄을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 특정 충전층 또는 충전 컬럼에 적합한 크기 특징을 갖는다. 가스 스트림으로의 생물기원 활성탄의 주입은 석탄 화력 발전소, 바이오매스 화력 발전소, 금속 가공 공장, 원유 정련소, 화학 공장, 중합체 공장, 펄프 및 제지 공장, 시멘트 공장, 폐기물 소각로, 식품 가공 공장, 가스화 공장, 및 합성가스 공장으로부터 유래된 가스 스트림 또는 액체 스트림 중의 오염물 배출물의 제어에 유용할 수 있다.
금속 옥사이드 환원에서의 바이오카본의 사용
탄소-네거티브 바이오카본, 예컨대, 이의 펠릿 형태 또는 미분된 형태가 금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스에 공급되는 다양한 실시양태가 있다. 예를 들어, 도 2 및 3 참고.
금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 용광로, 탑-가스 재활용 용광로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 공기로(air furnace)로서 알려짐), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로 퍼니스, 연속 연쇄 퍼니스, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로 퍼니스, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크 퍼니스, 유도 퍼니스, 기본적 산소 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원된-금속 퍼니스, 또는 이의 조합 또는 파생물일 수 있다.
금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 수평으로, 수직으로, 또는 기울어지게 배열될 수 있다. 고체 및 유체 (액체 또는 가스)의 유동은 병류 또는 역류일 수 있다. 퍼니스 내의 고체는 고정층 또는 유동층에 있을 수 있다. 금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 온도, 압력, 및 체류 시간의 다양한 공정 조건에서 작동될 수 있다.
일부 변형은 특히 용광로와 관련된다. 용광로는 산업용 금속, 예컨대, 철 또는 구리를 생산하기 위한 제련에 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 용광로는 상업용 철 및 강철의 생산에 사용되는 중간 재료인 선철을 생산하기 위한 철광석 제련에 활용된다. 용광로는 또한 예를 들어, 비금속 제련에서 소결 플랜트와 조합하여 사용된다.
"블라스트"는 대기압 초과로 강제되거나 공급될 연소 공기를 지칭한다. 용광로에서, 금속 광석, 탄소 (본 개시내용에서, 생물기원 시약 또는 이의 유도체), 및 통상적으로 플럭스 (예컨대, 석회석)는 용광로의 상단을 통해 연속적으로 공급되는 반면, 공기의 고온 블라스트 (임의로 산소 풍부화됨)는 송풍구라 불리는 일련의 파이프를 통해 용광로의 하부 섹션에 취입된다. 재료가 하향으로 떨어짐에 따라 퍼니스 전반에 걸쳐 화학적 환원 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 하단으로부터 탭핑된 용융 금속 및 슬래그 상, 및 퍼니스의 상단으로부터 나오는 폐기물 가스 (환원 오프-가스)이다. 금속 광석의 하향 유동은 고온의 CO-풍부 가스의 상향류와 역류 접촉하는 플럭스와 함께 금속 광석을 금속으로 환원시키는 효율적인 화학 반응을 허용한다.
공기로 (예컨대, 반사로)는 통상적으로 굴뚝 연도에서 고온 가스의 대류에 의해 자연적으로 흡기된다. 이 광범위한 정의에 따르면, 철을 위한 괴철로, 주석을 위한 취입 하우스, 및 납을 위한 제련 밀이 용광로로서 분류된다.
용광로는 현대식 철 생산의 중요한 부분으로 남아 있다. 연도 가스로부터의 폐열을 포함하는 들어오는 블라스트 공기를 예열하는 카우퍼(Cowper) 스토브 및 퍼니스에서 나오는 고온 가스로부터 열을 추출하는 회수 시스템을 포함한 현대식 퍼니스는 고도로 효율적이다. 용광로는 전형적으로 높은 구조의 형태로 지어지고, 내화 벽돌로 늘어서 있으며, 공급 재료가 하강 동안 가열됨에 따라 이들의 팽창, 및 용융이 시작됨에 따라 후속적인 크기의 감소를 허용하도록 프로파일링된다.
철 생산에 관한 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿, 철광석 (산화철), 및 석회석 플럭스가 용광로의 상단에 장입된다. 철광석 또는 석회석 플럭스는 바이오카본 펠릿 내에 통합될 수 있다. 임의로, 바이오카본 펠릿은 용광로에 대한 공급 전에 크기-감소된다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 분말로 미분될 수 있고, 이것이 용광로에 공급된다.
용광로는 일산화탄소 함량이 높은 고온의 더러운 가스가 퍼니스 목부를 빠져나가는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있으며, 블리더 밸브는 갑작스러운 가스 압력 서지로부터 퍼니스의 상단을 보호할 수 있다. 배기 가스 중의 거친 입자는 침강되고 폐기될 수 있으며, 가스는 정화된 가스의 온도를 감소시키도록 벤추리 스크러버 또는 전기 집진기 또는 가스 냉각기를 통해 유동할 수 있다. 퍼니스의 하단에 있는 주조소는 액체 철 및 슬래그를 주조하기 위한 장비를 포함한다. 내화성 플러그를 통해 탭홀을 뚫을 수 있으므로, 액체 철 및 슬래그가 개구부를 통해 홈통 아래로 유동하여, 철 및 슬래그를 분리한다. 선철 및 슬래그가 탭핑되면, 탭홀이 내화성 점토로 플러깅될 수 있다. 송풍구라고 불리는 노즐은 용광로의 효율을 증가시키기 위해 고온 블라스트를 구현하는 데 사용된다. 고온 블라스트는 베이스 근처의 냉각된 송풍구를 통해 퍼니스로 지시된다. 고온 블라스트 온도는 예를 들어, 900℃ 내지 1300℃ (공기 온도)일 수 있다. 용광로 내의 온도는 2000℃ 이상일 수 있다. 다른 탄소질 재료 또는 산소는 또한 송풍구 수준에서 퍼니스에 주입되어, (바이오카본 펠릿으로부터의) 탄소와 조합되어, 추가적인 에너지를 방출하고 존재하는 환원 가스의 백분율을 증가시켜 생산성을 증가시킬 수 있다.
용광로는 상응하는 금속보다 금속 광석 (예컨대, 철광석)의 산소에 대하여 더 강한 친화도를 갖는 일산화탄소가 금속을 이의 원소 형태로 환원시키는 화학적 환원의 원리로 작동한다. 용광로는, 용광로에서 연도 가스가 광석 및 금속과 직접 접촉하여 일산화탄소가 광석으로 확산되고 금속 옥사이드가 탄소와 혼합된 원소 금속으로 환원되는 것을 가능하게 한다는 점에서, 괴철로 및 반사로와 상이하다. 용광로는 통상적으로 연속적인 역류 교환 공정으로서 작동한다.
실리카는 통상적으로 선철로부터 제거된다. 실리카는 칼슘 옥사이드와 반응하고, 슬래그로서 용융된 선철의 표면에 부유하는 실리케이트를 형성한다. 금속 광석, 플럭스, 탄소, 및 반응 생성물의 하향-이동 컬럼은 연도 가스가 통과하기에 충분히 다공성이어야 한다. 이는 생물기원-시약 탄소가 투과성이 되도록 충분히 큰 입자 (예컨대, 바이오카본 펠릿 또는 펠릿으로부터 유래된 더 작은 물체)일 것을 필요로 한다. 따라서, 펠릿 또는 파쇄된 펠릿은 위에 있는 재료의 중량에 의해 파쇄되지 않도록 충분히 강해야 한다. 탄소의 물리적 강도 외에도, 또한 황, 인 및 회분이 적을 수 있다.
많은 화학 반응이 용광로에서 일어난다. 화학은 출발 금속 옥사이드로서 헤마타이트 (Fe2O3)를 참조하여 이해될 수 있다. 초기 공급원료의 또는 용광로 내에서 생산된 바와 같은 이러한 형태의 산화철은 철광석 가공에서 통상적이다. 다른 형태의 철광석 (예컨대, 타코나이트)은 다양한 농도의 상이한 산화철 (Fe3O4, Fe2O3, FeO 등)을 가질 수 있다.
용광로에서 용융 철을 생산하는 주요 전체 화학 반응은 다음과 같다:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
이는 흡열 반응임. 이 전체 반응은 많은 단계에 걸쳐 발생하며, 제1은 퍼니스에 취입된 예열된 블라스트 공기가 탄소 (예컨대, 바이오카본 펠릿으로부터의)와 반응하여 일산화탄소 및 열을 생성하는 것이다:
2 C + O2 → 2 CO
고온 일산화탄소는 철광석에 대한 환원제이며, 산화철와 반응하여 용융 철 및 이산화탄소를 생산한다. 퍼니스의 상이한 부분에서의 온도 (전형적으로 하단에서 최고)에 따라, 철은 여러 단계로 환원된다. 통상적으로 온도가 200-700℃의 범위인 상단에서, 산화철은 철(II,III) 옥사이드, Fe3O4로 부분적으로 환원된다:
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
약 850℃의 온도에서, 퍼니스에서 더 아래로 내려가면, 철(II,III)이 추가로 철(II) 옥사이드, FeO로 환원된다:
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
공기로부터의 고온의 이산화탄소, 미반응 일산화탄소, 및 질소는 신선한 공급 재료가 반응 구역으로 내려감에 따라 퍼니스를 통과하여 지나간다. 재료가 하향 이동함에 따라, 역류 가스는 공급 장입물을 예열하고 석회석 (사용되는 경우)을 칼슘 옥사이드 및 이산화탄소로 분해한다:
CaCO3 → CaO + CO2
분해에 의해 형성된 칼슘 옥사이드는 철 중의 다양한 산성 불순물 (특히 실리카)과 반응하여 슬래그를 형성하며, 이는 주로 칼슘 실리케이트, CaSiO3이다:
SiO2 + CaO → CaSiO3
FeO가 최대 1200℃ 범위의 더 높은 온도를 갖는 영역으로 하향 이동함에 따라, FeO는 다시 반응물로서의 일산화탄소와 함께, 철 금속으로 추가로 환원된다:
FeO + CO → Fe + CO2
이 공정에서 형성된 이산화탄소는 부두아르 역 반응을 통해 탄소와 반응함으로써 다시 일산화탄소로 전환될 수 있다:
C + CO2 → 2 CO
위에 도시된 화학 반응에서, 환원 가스가 퍼니스 내의 인-시츄 생성물이기보다는, 대안적으로 또는 추가적으로 용광로에 직접 도입될 수 있음에 유의하는 것이 중요하다. 전형적으로, 이들 실시양태에서, 환원 가스는 수소 및 일산화탄소 둘 모두를 포함하며, 이는 둘 모두 금속 옥사이드를 화학적으로 환원시키도록 기능한다. 임의로, 환원 가스는 개질, 가스화, 또는 부분적 산화에 의해 바이오카본 펠릿으로부터 개별적으로 생산될 수 있다.
기존의 용광로에서, 금속 옥사이드 환원을 유발하기 위해 이용가능한 수소가 없다. 용광로에 수소가 직접 주입될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수소는 바이오카본 펠릿이 수소와 연관된 휘발성 탄소 (예컨대, 중질 타르 구성요소)를 포함할 때, 용광로에 공급되는 바이오카본 펠릿 내에서 이용가능할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수소는 H2 및 CO2를 생성하기 위해 H2O 및 CO를 반응시키는 물-가스 시프트의 결과로서, 또는 탄소의 스팀-개질 반응으로부터 이용가능할 수 있다. 이들 반응 (물-가스 시프트 또는 스팀 개질) 중 어느 하나는 바이오카본 (예컨대, 탄소-네거티브 바이오카본 펠릿)과 함께 들어오는 수분에 의해 보조될 수 있다. 공급원에 관계없이, 수소는 위의 것들과 유사한 추가적인 환원 반응을 유발할 수 있지만, CO가 H2로 대체된다:
3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + 4 H2 → 3 Fe + 4 H2O
이는 CO와의 환원 반응과 병렬적으로 발생함. 역 물-가스 시프트 반응에서, 수소는 또한 이산화탄소와 반응하여 더 많은 CO를 생성할 수 있다. 특정 실시양태에서, 본질적으로 수소로 이루어진 환원 가스가 용광로에 공급된다.
용광로에 의해 생산된 "선철"은 전형적으로 약 3-6 wt%의 상대적으로 높은 탄소 함량을 갖는다. 선철은 주철을 만드는 데 사용될 수 있다. 용광로에 의해 생산된 선철은 통상적으로 탄소 및 황 함량을 감소시키는 추가의 가공을 겪고 상업적으로 사용되는 다양한 등급의 강철을 생산한다. 기본적 산소 제강으로서 지칭되는 추가 공정 단계에서, 탄소는 액체 선철 상에 산소를 취입함으로써 산화시켜, 조질의 강철을 형성한다.
기존의 탈황은 액체 철을 제강소로 수송하는 동안, 선철에 포함된 철 설파이드와 반응하여 칼슘 설파이드를 형성하는 칼슘 옥사이드를 첨가함으로써 수행된다. 일부 실시양태에서, 탈황은 또한 금속 설파이드를 (환원 가스 중) CO와 반응시켜 금속 및 카보닐 설파이드, CSO를 형성함으로써, 퍼니스 내에서 또는 퍼니스의 다운스트림에서 일어날 수 있다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 탈황은 또한 금속 설파이드를 (환원 가스 중) H2와 반응시켜 금속 및 수소 설파이드, H2S를 형성함으로써, 퍼니스 내에서 또는 퍼니스의 다운스트림에서 일어날 수 있다.
다른 유형의 퍼니스는 다른 화학 반응을 사용할 수 있다. 전환에서 탄소 또는 환원 가스를 사용하는 금속 옥사이드의 금속으로의 화학 전환에서, 탄소는 재생가능한 탄소일 수 있음을 이해할 것이다. 본 개시내용은 바이오매스의 열분해를 통해 생산되는 생물기원 시약 중에 재생가능한 탄소를 제공한다. 특정 실시양태에서, 퍼니스에서 활용되는 일부 탄소는 재생가능한 탄소가 아니다. 다양한 실시양태에서, 금속 광석 퍼니스에서 소비되는 총 탄소 중, 재생가능한 탄소의 백분율은 적어도 약 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, 또는 100%일 수 있다.
일부 변형에서, 테크노레드 퍼니스, 또는 이의 변형이 활용된다. 테크노레드 공정은 원래 브라질의 Tecnored Desenvolvimento Tecnolgico S.A.에 의해 개발되었으며, 비소성(cold-bonded), 탄소-보유, 자가-플럭싱, 및 자가-환원 펠릿을 감소시키는 저-압 이동층 환원 퍼니스에 기반한다. 환원은 전형적인 환원 온도에서 높이가 짧은 샤프트 퍼니스에서 수행된다. 공정은 고효율로 고온의 금속 (전형적으로 액체 철)을 생산한다.
테크노레드 기술은 코크스 없는 제철 공정으로 개발되어, 고온의 금속의 생산에서 온실 가스 배출물을 유의하게 감소시키는 것 외에도 환경에 유해한 코크스 오븐의 투자 및 작동을 피한다. 테크노레드 공정은 고온의 및 저온의 블라스트의 조합을 사용하며 추가적인 산소를 필요로 하지 않는다. 이는 코크스 공장, 소결 공장, 및 톤수 산소 공장에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 공정은 전통적인 제철 경로보다 훨씬 더 낮은 작동 및 투자 비용을 갖는다.
본 개시내용에서, 테크노레드 공정은 다양한 방식으로 사용하기 위해 적합화될 수 있다. 일부 실시양태는 철광석 미립분 또는 철-보유 잔류물로부터 생산된 자가-환원 응집체 (예컨대, 바이오카본 펠릿) + 생물기원 시약을 제공한다. 플럭싱제 및 결합제와 혼합된 이들 재료는 응집되고 열 경화되어, 테크노레드 공정의 물리적 및 야금학적 요구에 대해 충분한 강도를 갖는 바이오카본 펠릿을 생산한다. 이어서, 생산된 응집체는 테크노레드 퍼니스에서 제련된다. 테크노레드 퍼니스에 대한 연료는 그 자체로 또한 바이오카본 펠릿일 수도 있다.
브리켓 내에서 산화철의 미세 입자 및 환원체를 조합함으로써, 환원체와 접촉하는 옥사이드의 표면적 및 결과적으로 반응 속도 둘 모두는 극적으로 증가한다. 자가-환원 브리켓은 임의로 원하는 슬래그 화학을 제공하기 위한 플럭스를 가지며, 포함된 철-보유 공급물의 완전한 환원을 허용하기에 충분한 환원체를 포함하도록 설계될 수 있다. 자가-환원 브리켓은 퍼니스로의 공급 전에 낮은 온도에서 경화된다. 자가-환원 브리켓 내의 반응을 구동하기 위해 필요한 열은, 퍼니스 내에서 자가-환원 브리켓이 공급되는, 또한 브리켓의 형태일 수 있는 고체 연료의 층에 의해 제공된다.
테크노레드 퍼니스는 다음의 3 개의 구역을 갖는다: (i) 상부 샤프트 구역; (ii) 용융 구역; 및 (iii) 하부 샤프트 구역. 상부 샤프트 구역에서, 고체 연료인 생물기원 시약이 장입된다. 이 구역에서, 부두아르 반응 (C + CO2 → 2 CO)이 방지되어 에너지가 절약된다. 퍼니스의 이 구역에서의 후-연소는 예열 및 장입물의 환원을 위한 에너지를 제공하는 CO를 연소시킨다. 펠릿 내부에서, 다음의 반응이 매우 빠른 속도로 일어난다:
Fe x O y + y CO → x Fe + y CO2
y CO2 + y C = 2y CO
여기서 x는 1 내지 전형적으로 5이고, y는 1 내지 전형적으로 7임.
용융 구역에서, 장입물의 환원 분위기로 인해 재산화가 방지된다. 장입물의 용융은 환원 분위기 하에서 일어난다. 하부 샤프트 구역에서, 고체 연료가 장입된다. 고체 연료는 바이오카본 펠릿을 포함하거나, 일부 실시양태에서 본질적으로 이로 이루어질 수 있다. 이 구역에서, 잔류 산화철의 추가의 환원 및 맥석 재료 및 연료 회분의 슬래깅 반응이 액체 상태에서 일어난다. 또한, 금속 및 슬래그 액적의 과열이 일어난다. 이들 과열된 금속 및 슬래그 액적은 중력으로 인해 퍼니스 난로에 가라앉아 거기에 축적된다.
이 변형된 테크노레드 공정은 2 개의 상이한 탄소 유닛의 입력 - 즉 환원체 및 고체 연료를 사용한다. 환원제는 기존의 석탄 미립분이지만, 본 개시내용에서 환원제는 미분된 바이오카본 펠릿을 포함할 수 있다. 자가-환원 응집체는 본원에 개시된 바이오카본 펠릿일 수 있다. 필요한 탄소 미립분의 수량은 C/F (탄소 대 광석 미립분) 비에 의해 확립되며, 이는 금속 옥사이드의 완전한 환원을 달성하도록 선택될 수 있다.
고체 연료는 미립분의 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 고체 연료는 테크노레드 공정에서 고체 연료로부터 요구되는 물리적 및 열적 요구를 취급하기 위해 약 40-80 mm 크기와 같은 덩어리 형태일 수 있다. 이들 덩어리는 바이오카본 펠릿을 부수어 (예컨대, 파쇄하여) 만들 수 있지만, 완전히 분말로 만들 수는 없다. 고체 연료는 측면 공급기를 통해 장입되며 (상부 샤프트에서 흡열 부두아르 반응을 피하기 위해), 공정에 의해 요구되는 대부분의 에너지를 제공한다. 이 에너지는 일차 블라스트 (C + O2 → CO2) 및 이차 블라스트에 의해 형성되며, 여기서 난로에서 고체 연료의 가스화에 의해 생성되는 업스트림 CO가 연소된다 (2 CO + O2 → 2 CO2).
특정 예시적인 실시양태에서, 변형된-테크노레드 공정은 바인더로서 시멘트를 사용하여, 140 메쉬 미만의 크기를 갖는 철광석 미립분, 200 메쉬 미만의 크기를 갖는 생물기원-시약 미립분, 및 140 메쉬 미만의 크기의 플럭스, 예컨대, 수화된 석회를 펠릿화하는 단계를 포함한다. 펠릿은 이들이 테크노레드 퍼니스의 상단에 공급되기 전에 200℃에서 경화 및 건조된다. 퍼니스에서 장입물의 총 체류 시간은 약 30-40 분이다. 40 mm 내지 80 mm 범위의 크기의 고체 연료 형태의 생물기원 시약이 측면 공급기를 사용하여 고온의 펠릿 영역 아래의 퍼니스에 공급된다. 약 1150℃의 고온 블라스트 공기가 퍼니스의 측면에 위치한 송풍구를 통해 취입되어, 생물기원 탄소에 연소 공기를 제공한다. 고체 연료 건조 및 예열에 사용하기 위해 적은 양의 퍼니스 가스를 측면 공급기를 통해 유동시키는 것이 가능하다. 저온의 블라스트 공기는 상부 샤프트에서의 CO의 후-연소를 촉진하기 위해 더 높은 지점에서 취입된다. 생산된 고온 금속은 탈-슬래깅을 위해 레이들을 기울일 수 있는 레이들 카의 레이들로 탭핑된다. 액체 철은 임의로 레이들에서 탈황되고, 슬래그는 슬래그 포트로 긁어모아진다. 고온 금속은 전형적으로 약 3-5 wt% 탄소를 포함한다.
기존의, 외부 CO 또는 H2는 테크노레드 퍼니스를 사용하는 자가-환원 공정에서 유의한 역할을 하지 않는다. 그러나, 본 개시내용의 맥락에서, 외부 H2 또는 CO (환원 가스로부터)는 위의 반응 (Fe x Oy + y CO → x Fe + y CO2)에서 또는 반응물로서의 수소와의 반응 (Fe x Oy + y H2 → x Fe + y H2O)에서 속도 및 산화철의 전환을 증가시킴으로써 전체 화학을 보조할 수 있다. 환원 화학은 적어도 펠릿 또는 브리켓의 표면에서 그리고 가능하게는 고온 환원 가스의 질량 전달이 빠르기 때문에 펠릿 또는 브리켓의 벌크 상 내에서 보조될 수 있다. 본 개시내용의 일부 실시양태는 용광로의 양태를 테크노레드 퍼니스의 양태와 조합하고, 그에 따라 퍼니스 내에서 환원 가스의 사용에 더하여, 자가-환원 펠릿 또는 브리켓이 활용된다.
이전에 언급된 바와 같이, 금속 광석 가공을 위한 다수의 가능한 퍼니스 구성이 있다. 본 명세서는 모든 가능한 퍼니스에서 일어날 수 있는 다양한 조건 및 화학을 상세히 기술하지 않을 것이지만, 본 기술의 원리가 금속 광석으로부터 금속을 만드는 공정 어딘가에서 탄소를 사용하는 임의의 퍼니스 또는 공정에 본질적으로 적용될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.
또한, 일부 공정은 바이오카본 펠릿을 활용하고, 일부 공정은 환원 가스를 활용하고, 일부 공정은 바이오카본 펠릿 및 환원 가스 둘 모두를 활용함을 관찰할 것이다. 본원에 제공된 공정은 고체 바이오카본 펠릿뿐만 아니라 환원 가스 둘 모두를 생산할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 바이오카본 펠릿만이 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 다른 실시양태에서, 환원 가스만이 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 및 환원 가스 둘 모두가 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 재생가능한 탄소의 두 공급원 모두를 사용하는 이들 실시양태에서, 환원 가스로부터의 금속 광석 전환에서의 전체 탄소 사용량의 백분율은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100%일 수 있다. 다른 탄소 사용량은 바이오카본 펠릿으로부터의 것일 수 있다. 대안적으로, 다른 탄소 사용량의 일부 또는 전부는 기존의 탄소 입력물, 예컨대, 석탄 미립분으로부터의 것일 수 있다.
바이오카본의 환원 가스로의 전환
일부 변형에서는 탄소-네거티브 바이오카본 (예컨대, 바이오카본 펠릿)를 사용하여, 탄소-네거티브 환원 가스 (예컨대, 탄소-네거티브 합성가스 또는 탄소-네거티브 수소)를 생성한다. 환원 가스는 공정 (예컨대, 금속-제조 공정)에서 인 시츄에서 활용될 수 있거나, 회수되고 판매될 수 있다.
환원 가스 (또한 본원에서 "생물-환원체 가스"로서 지칭됨)의 임의적 생산이 이제 바이오카본 펠릿의 형태인 탄소-네거티브 바이오카본과 관련하여 추가로 기재될 것이다. 이들은 비-제한적인 실시양태이며, 탄소-네거티브 바이오카본은 분말 형태, 슬러리 형태, 또는 다른 형태일 수 있음을 이해한다.
바이오카본 펠릿의 환원 가스로의 전환은, 생물-환원체 형성 유닛으로서 지칭될 수 있는 반응기에서 일어난다. 반응물을 사용하여, 바이오카본과 반응시키고 환원 가스를 생산한다. 반응물은 산소, 스팀 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 산소는 스팀과 혼합되고, 생성된 혼합물은 제2 반응기에 첨가된다. 산소 또는 산소-풍부화 공기가 첨가되어, 산소를 이용한 탄소의 부분적 또는 전체적 산화와 같은 발열 반응을 유발하거나; 환원 가스에서 보다 유리한 H2/CO 비를 달성하거나; (iii) 환원 가스의 수율을 증가시키거나; (iv) 예컨대, CO2, 열분해 생성물, 타르, 방향족 화합물 또는 다른 바람직하지 않은 생성물의 양을 감소시킴으로써, 환원 가스의 순도를 증가시킨다.
일부 실시양태에서, 스팀은 바람직한 반응물이다. 스팀 (즉, 증기 상의 H2O)은 하나 이상의 입력 스트림에서 반응기에 도입될 수 있다. 스팀은 바이오카본 펠릿에 포함된 수분에 의해 생성된 스팀, 뿐만 아니라 물을 생산하는 임의의 화학 반응에 의해 생성된 스팀을 포함할 수 있다.
본원에서 화학 종의 "비"에 대한 모든 언급은, 달리 나타내지 않는 한, 몰비에 대한 언급이다. 예를 들어, 1의 H2/CO 비는 이산화탄소 몰당 수소 1 몰을 의미한다.
산소 또는 스팀이 첨가될 때 스팀 개질, 부분적 산화, 물-가스 시프트 (WGS), 또는 연소 반응이 발생할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 공급원료에서 발견되는 셀룰로스 반복 유닛 (C6H10O5)과 관련하여 예시적인 반응을 아래에 도시되어 있다. 유사한 반응이 바이오카본 펠릿을 포함하여 임의의 탄소-함유 공급원료를 이용하여 발생할 수 있다.
스팀 개질
C6H10O5 + H2O → 6 CO + 6 H2
부분적 산화
C6H10O5 + ½ O2 → 6 CO + 5 H2
물-가스 시프트
CO + H2O ↔ H2 + CO2
완전 연소
C6H10O5 + 6 O2 → 6 CO2 + 5 H2O
생물-환원체 형성 유닛은 환원 가스를 생산하는 하나 이상의 화학 반응을 유발할 수 있는 임의의 반응기이다. 당업계에 잘 알려진 기존의 스팀 개질기가 촉매와 함께 또는 촉매 없이 사용될 수 있다. 다른 가능성은 자열 개질기, 부분적-산화 반응기, 및 여러 반응 메커니즘 (예컨대, 부분적 산화 후 물-가스 시프트)을 조합하는 다단계 반응기를 포함한다. 반응기 구성은 고정층, 유동층, 복수의 마이크로채널, 또는 일부 다른 구성일 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응물로서의 스팀의 총량은 공급 재료 중 탄소 몰당 적어도 약 0.1 몰의 스팀이다. 다양한 실시양태에서, 탄소 몰당 적어도 약 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 또는 그 초과의 몰 중 임의의 몰의 스팀이 첨가되거나 존재한다. 일부 실시양태에서는, 탄소 몰당 약 1.5-3.0 사이의 몰의 스팀이 첨가되거나 존재한다.
제2 반응기에 첨가되는 스팀의 양은 열분해 반응기의 조건과 같은 인자에 따라 달라질 수 있다. 열분해가 탄소-풍부 고체 재료를 생산할 때, 일반적으로 보다 많은 스팀 (또는 보다 많은 산소)를 사용하여, CO 및 H2를 생성하기 위해 이용가능한 C에 필수적인 H 및 O 원자를 첨가한다. 전체 시스템의 관점에서, 바이오카본 펠릿에 포함된 수분은 공정에서 첨가할 추가적인 물 (스팀)의 양을 결정하는 데 있어 고려될 수 있다.
스팀에 대한 산소의 예시적인 비 (O2/H2O)는 제2 반응기에서, 약 2, 1.5, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 그 미만 중 임의의 수와 동등거나 더 작다. O2/H2O의 비가 1 초과일 때, 연소 반응은 부분적 산화보다 우세해지기 시작하며, 이는 바람직하지 않게 낮은 CO/CO2 비를 생산할 수 있다.
일부 실시양태에서, 스팀이 없는 산소가 반응물로서 사용된다. 산소는 실질적으로 순수한 형태로 첨가될 수 있거나, 이는 임의로 산소로 풍부화된 공기의 첨가를 통해 공정에 공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 산소로 풍부화되지 않은 공기가 첨가된다. 다른 실시양태에서, 예를 들어, 근처의 공기-분리 공장으로부터의 스트림일 수 있는, 오프-스펙 또는 재활용 스트림으로부터의 풍부화된 공기가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 감소된 양의 N2 (즉, 79 vol% 미만)를 포함하는 풍부화된 공기의 사용은 생성된 환원 가스에서의 보다 적은 N2를 초래한다. N2의 제거는 고비용이 들 수 있기 때문에, 보다 적은 N2를 포함하는 또는 N2 없이 환원 가스를 생산하는 방법이 전형적으로 바람직하다.
일부 실시양태에서, 산소의 존재는 산소의 부재 하에 동일한 방법에 의해 생산된 비와 비교하여, 환원 가스에서 H2/CO의 비를 변경한다. 환원 가스의 H2/CO 비는 약 0.5 내지 약 2.0, 예컨대, 약 0.75-1.25, 약 1-1.5, 또는 약 1.5-2.0 사이일 수 있다. 인식될 것인 바와 같이, 증가된 물-가스 시프트 (더 높은 속도의 스팀 첨가에 의해)는 더 높은 H2/CO 비, 예컨대, 적어도 2.0, 3.0. 4.0. 5.0, 또는 심지어 그 초과를 생산하는 경향이 있을 것이며, 이는 수소 생산을 포함한 특정 적용을 위해 요망될 수 있다.
환원 가스 생성을 위한 반응기에서 촉매가 임의로 활용될 수 있다. 촉매는 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 옥사이드 및 염, 광물 물질 또는 석탄 중 회분, 전이 금속 및 이들의 옥사이드 및 염, 및 공융 염 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 촉매의 구체적인 예는 포타슘 하이드록시드, 칼륨 카보네이트, 리튬 하이드록시드, 리튬 카보네이트, 세슘 하이드록시드, 니켈 옥사이드, 니켈-치환된 합성 운모 몬트모릴로나이트 (NiSMM), NiSMM-지지 몰리브덴, 철 하이드록시옥사이드, 철 니트레이트, 철-칼슘-함침된 염, 니켈 우라닐 옥사이드, 소듐 플루오라이드, 및 빙정석을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다른 예시적인 촉매는 니켈, 니켈 옥사이드, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 및 백금을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 촉매는 하나 이상의 지지체 재료, 예컨대, 예를 들어, 감마-알루미나 (임의로 안정화 원소, 예컨대, 마그네슘, 란타넘 또는 바륨으로 도핑됨) 상에 코팅되거나 침착될 수 있다.
시스템에 첨가되기 전에, 임의의 촉매는 총 표면적, 활성 표면적, 사이트 밀도, 촉매 안정성, 촉매 수명, 촉매 조성, 표면 거칠기, 표면 분산, 다공성, 밀도, 또는 열 확산도에 영향을 미치는 알려진 기술을 사용하여 전처리되거나 활성화될 수 있다. 촉매의 전처리는 하소, 워시코트 첨가, 입자-크기 감소, 및 열적 또는 화학적 수단에 의한 표면 활성화를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
촉매 첨가는 가스화 또는 개질될 수 있는 물 또는 임의의 탄화수소와 같은 용매에 촉매(들)를 먼저 용해시키거나 슬러리화함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매는 용기로의 이러한 슬러리의 직접 주입에 의해 첨가된다. 일부 실시양태에서, 촉매가 스팀에 첨가되고, 스팀/촉매 혼합물이 시스템에 첨가된다. 이들 실시양태에서, 첨가된 촉매는 스팀에서 이의 평형 용해도에 있거나 그 근처에 있을 수 있거나, 스팀에 동반된 입자로서 도입됨으로써 시스템에 도입될 수 있다.
재료는 일반적으로 단일 스크류, 트윈 스크류 및 램 등에 의해 반응기 안팎으로 이송될 수 있다. 재료는 물리적 힘 (금속 접촉), 압력-구동 유동, 공압 구동 유동, 원심 유동, 중력 유동, 유동화된 유동, 또는 고체 및 가스 상을 이동시키는 일부 다른 알려진 수단에 의해 기계적으로 이송될 수 있다. 기계적으로 견고해야 하는 바이오카본 펠릿 층 위에 배치된 금속 옥사이드의 층을 사용하는 실시양태에서, 바이오카본 펠릿의 고정층이 반응기에서 활용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응기는 환원 가스 생성을 위해 바이오카본 펠릿, 또는 그로부터 형성된 분말의 가스화를 사용한다. 가스화는 상승된 온도, 전형적으로 약 600℃ 내지 약 1100℃에서 수행된다. 덜-반응성인 생물기원 시약은 더 높은 작동 온도를 필요로 한다. 도입되는 반응물 (예컨대, 공기, 산소, 풍부화된 공기, 또는 산소-스팀 혼합물)의 양은 전형적으로 가스화 온도를 제어하는 주요 인자일 것이다. 대기압 내지 약 50 bar의 작동 압력이 바이오매스 가스화에서 사용되어 왔다. 가스화는 또한 반응물, 통상적으로 공기, 고-순도 산소, 스팀, 또는 이들 가스의 일부 혼합물을 필요로 한다.
가스화기는 용기 내의 고체를 지지하는 수단, 고체 및 가스 둘 모두의 유동의 방향, 및 반응기에 열을 공급하는 방법에 기반하여 구별될 수 있다. 가스화기가 대기압 근처에서 또는 상승된 압력에서 작동하는지, 그리고 가스화기가 공기-취입 또는 산소-취입되는지가 또한 구별되는 특징이다. 통상적인 분류는 고정층 상승기류, 고정층 하강기류, 버블링 유동층, 및 순환 유동층이다.
고정층 가스화기는 일반적으로, 섬유질 초본 공급원료, 예컨대, 밀짚, 옥수수대, 또는 마당 폐기물을 취급할 수 없다. 그러나, 개시된 공정에서, 바이오매스는 먼저 생물기원 시약으로 열분해되고, 이것이 펠릿화되고, 바이오카본 펠릿이 가스화될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 반드시 펠릿의 크기를 감소시키지 않고도, 고정층 가스화기를 사용하여 직접 가스화될 수 있다.
순환 유동층 가스화 기술은 Lurgi 및 Foster Wheeler로부터 이용가능하고, 바이오매스 및 기타 폐기물에 활용되는 기존 가스화 기술의 대부분을 나타낸다. 버블링 유동층 가스화 (예컨대, U-GAS® 기술)가 상업적으로 사용되었다.
직접 가열된 가스화기는 단일 반응 용기에서 흡열 및 발열 가스화 반응을 실시하며; 추가적인 가열은 필요하지 않다. 대조적으로, 간접 가열된 가스화기는 열의 외부 공급원을 필요로 한다. 간접 가열된 가스화기는 통상적으로 2 개의 용기를 사용한다. 제1 용기는 스팀을 이용하여 공급물을 가스화한다 (흡열 공정). 열-전달 매질, 통상적으로 광사를 순환시킴으로써 열이 공급된다. 광사와 함께, 제1 용기에서 생산된 환원 가스 및 고체 숯이 분리된다. 혼합된 숯 및 광사는 제2 용기에 공급되고, 여기서 숯은 공기와 함께 연소되어, 광사를 가열한다. 고온 광사는 다시 제1 용기로 순환된다.
바이오카본 펠릿은 "건조 공급물" (임의로 수분을 갖지만, 유리 액체 상은 없음)로서, 또는 슬러리 또는 물 중 현탁액으로서 가스화기에 도입될 수 있다. 건조-공급물 가스화기는 전형적으로 환원 가스로의 높은 통과-당(per-pass) 탄소 전환 및 양호한 에너지 효율을 가능하게 한다. 건조-공급물 가스화기에서, 가스화 반응에 의해 방출되는 에너지는 가스화기가 극히 높은 온도에 도달하도록 유발할 수 있다. 이 문제는 습식-벽 설계에 의해 해결될 수 있다.
일부 실시양태에서, 가스화기로의 공급물은 높은 수소 함량을 갖는 바이오카본 펠릿이다. 생성된 환원 가스는 수소가 상대적으로 풍부하고, 높은 H2/CO 비, 예컨대, 1.5 또는 그 초과를 갖는다.
일부 실시양태에서, 가스화기로의 공급물은 낮은 수소 함량을 갖는 바이오카본 펠릿이다. 생성된 환원 가스는 상대적으로 낮은 H2/CO 비를 가질 것으로 예상된다. H2/CO > 1을 필요로 하는 다운스트림 공정에 대해, 가스화기 온도를 조정하고 (현열(sensible-heat) 효과 또는 흡열 화학을 통해), H2/CO 비를 더 높은, 보다 바람직한 비로 시프트하기 위해, 가스화기에 물 또는 스팀을 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 물 첨가는 또한 스팀-개질 화학을 통해, 흡열 소비에 의한 온도 조정에 기여할 수 있다. 스팀 개질에서, H2O가 탄소와 또는 탄화수소, 예컨대, 타르 또는 벤젠/톨루엔/크실렌과 반응하여, 환원 가스를 생산하고 단열 가스화 온도를 낮춘다.
특정 변형에서, 가스화기는 유동층 가스화기, 예컨대, 버블링 유동화된 가스화 반응기이다. 유동화는 가스화기 층 내의 실질적으로 균일한 온도를 초래한다. 유동층 재료, 예컨대, 알루미나 광사 또는 실리카 광사는 잠재적 마멸 문제를 감소시킬 수 있다. 가스화기 온도는, 회분 입자가 가스화기 내에서 응집 및 유동화의 손실을 유발할 수 있는, 고체로부터 용융 형태로의 변환을 시작하지 않도록 충분히 낮은 온도로 조정될 수 있다.
유동층 가스화기가 사용될 때, 모든 구성요소의 총 유량은 가스화기 층이 유동화되도록 보장하여야 한다. 총 가스 유량 및 층 직경은 가스화기를 통과하는 가스 속도를 확립한다. 적절한 유동화를 보장하기 위해 정확한 속도가 유지되어야 한다.
변형에서, 가스화기 유형은 동반-유동 슬래깅, 동반 유동 비-슬래깅, 수송, 버블링 유동층, 순환 유동층, 또는 고정층일 수 있다. 일부 실시양태는 가스화 촉매를 사용한다.
순환 유동층 가스화기가 사용될 수 있고, 여기서 가스, 광사 및 공급원료 (예컨대, 파쇄된 또는 미분된 바이오카본 펠릿)가 함께 이동한다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재활용 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하며, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 사용하여 광사 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 광사 입자는 유동 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.
역류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 가스화제 (예컨대, 스팀, 산소 또는 재활용 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층을 포함한다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.
병류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 적은 양의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열 공급원으로부터 열을 층의 상부에 첨가한다. 생산된 가스는 고온에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층의 상단에 첨가된 가스화제로 전달되어, 양호한 에너지 효율을 초래한다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 재활용 가스, 산소, 공기 또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질 응집체로서 제거될 수 있다. 고체의 재활용 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다. 유동층 반응기는 슬래깅 반응기의 벽을 손상시키는 고도로 부식성인 회분을 형성하는 공급원료에 유용하다.
동반-유동 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 미분되고, 병류 유동에서 산소, 공기 또는 재활용 가스로 가스화된다. 가스화 반응은 매우 미세한 입자의 조밀한 구름에서 일어난다. 높은 온도가 사용될 수 있고, 이에 따라 환원 가스에 적은 수량의 타르 및 메탄이 제공된다.
동반-유동 반응기는 작동 온도가 전형적으로 회분 융합 온도보다 훨씬 더 높기 때문에, 회분의 대부분을 슬래그로서 제거한다. 더 작은 분율의 회분이 매우 미세한 건조 비산회로서 또는 비산회 슬러리로서 생산된다. 특정 동반층 반응기는 부분적으로 고화된 슬래그로 덮인 내부 물- 또는 스팀-냉각된 벽을 갖는다.
가스화기 챔버는 프리보드(freeboard)의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 열 회수에 적합한 수준에서 고체 다운스트림 작동의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 탄소를 가스화기 챔버의 하단으로부터 끌어내어, 냉각하고 회수할 수 있다.
가스화기는 하나 이상의 촉매, 예컨대, 탄소-함유 종의 부분적 산화, 역 물-가스 시프트, 또는 건조 (CO2) 개질에 효과적인 촉매를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 버블링 유동층 탈휘발 반응기가 활용된다. 반응기는 적어도 부분적으로, 고온 재활용 가스 스트림에 의해 대략 600℃-예상 슬래깅 온도 미만까지 가열된다. 스팀, 산소, 또는 공기가 또한 제2 반응기에 도입될 수 있다. 제2 반응기는 프리보드의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 다운스트림에서 열 회수에 적합한 수준에서 고체의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 숯을 탈휘발 챔버의 하단으로부터 끌어내고, 냉각한 다음, 유틸리티 보일러에 공급하여, 이 스트림의 나머지 발열량을 회수할 수 있다.
유동층 가스화기가 사용될 때, 공급원료는 재활용 가스와 같은 가스에 의해 유동화된 고온 광사의 층에 도입될 수 있다. 본원에서 "광사"에 대한 언급은 또한 유리 입자 및 회수된 회분 입자 등과 같은 유사한, 실질적으로 불활성인 재료를 포함한다. 유동화된 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 초래할 수 있다. 광사 입자를 이용한 마멸에 의해 일부 절제가 있을 수 있다. 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 열이 제공될 수 있다.
가스, 광사 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 사용될 수 있다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재활용 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 사용하여, 광사 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 광사 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.
역류 고정층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 가스화제 (예컨대, 스팀, 산소 또는 재활용 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층을 포함한다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.
병류 고정층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 적은 양의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열 공급원으로부터 열을 층의 상부에 첨가한다. 환원 가스는 높은 온도에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층의 상단에 첨가된 반응물로 전달되어, 양호한 에너지 효율을 초래한다. 타르는 이 구성에서 탄소의 고온의 층을 통과하기 때문에, 타르 수준은 역류 유형을 사용할 때보다 더 낮을 것으로 예상된다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 재활용 가스, 산소, 공기 또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질의 응집체로서 제거된다. 고체의 재활용 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다.
열 및 질량 전달을 향상시키기 위해, 물은, 일반적으로 오리피스를 통해 동봉된 챔버 또는 파이프로 진입함에 따라 유체 유동의 방향 또는 특징을 제어하도록 설계된 기계적 디바이스인 노즐을 사용하여 반응기에 도입될 수 있다. 노즐은 물 액적 크기를 감소시켜 미세한 물 스프레이를 생성할 수 있다. 노즐은 분무기 노즐 (연료 주입기와 유사), 및 액체를 접선 방향으로 주입하는 스월 노즐 등으로부터 선택될 수 있다.
물 공급원은 공정 응축수, 기타 재활용 물, 폐수, 보충수, 보일러 공급수, 및 상수도 등으로부터의 직접 파이핑을 포함할 수 있다. 물은 임의로 먼저 세척, 정제, 처리, 이온화, 증류 등이 될 수 있다. 여러 물 공급원이 사용될 때, 다양한 부피비의 물 공급원이 가능하다. 일부 실시양태에서, 제2 반응기에 대한 물의 일부 또는 전부가 폐수이다.
일부 변형에서, 환원 가스는 다른 생성물로 전환되기 전에 여과, 정제, 또는 달리 컨디셔닝된다. 예를 들어, 냉각된 환원 가스는 벤젠, 톨루엔, 에틸 벤젠, 크실렌, 황 화합물, 질소, 금속 또는 다른 불순물이 임의로 환원 가스로부터 제거되는 컨디셔닝 유닛에 도입될 수 있다.
일부 실시양태는 환원-가스 정화 유닛을 포함한다. 환원-가스 정화 유닛은 이의 설계에 특별히 제한되지 않는다. 예시적인 환원-가스 정화 유닛은 사이클론, 원심분리기, 필터, 멤브레인, 용매-기반 시스템, 및 미립자 또는 기타 특이적 오염물을 제거하는 기타 수단을 포함한다. 일부 실시양태에서는, 산-가스 제거 유닛이 포함되고, 이는 환원 가스로부터 H2S, CO2, 또는 다른 산 가스를 제거하기 위한 당업계에 알려진 임의의 수단일 수 있다.
산-가스 제거 단계의 예는 CO2에 대한 하나 이상의 용매를 이용한 CO2의 제거, 또는 압력-스윙 흡착 유닛에 의한 CO2의 제거를 포함한다. 반응성 용매-기반 산 가스 제거에 적합한 용매는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로필아민, 및 아미노에톡시에탄올을 포함한다. 물리적 용매-기반 산 가스 제거에 적합한 용매는 (Selexol® 공정에서와 같은) 폴리에틸렌 글리콜 중 디메틸 에테르 및 (Rectisol® 공정에서와 같은)냉장된 메탄올을 포함한다.
환원 가스는 다수의 방식으로 활용될 수 있다. 환원 가스는 일반적으로 수소, 일산화탄소, 메탄, 올레핀 (예컨대, 에틸렌), 산소화물 (예컨대, 디메틸 에테르), 알콜 (예컨대, 메탄올 및 에탄올), 파라핀, 및 다른 탄화수소로 화학적으로 전환되거나 정제될 수 있다. 환원 가스는 피셔-트롭쉬 화학에 의해 선형 또는 분지형 C5-C15 탄화수소, 디젤 연료, 가솔린, 왁스, 또는 올레핀; 다양한 촉매에 의해 혼합 알콜; 이소합성에 의한 이소부탄; 수소 생산 후 하버(Haber) 공정에 의한 암모니아; 산소합성에 의한 알데히드 및 알콜; 및 다양한 공정에 의한 디메틸 에테르, 아세트산, 에틸렌, 프로필렌, 및 포름알데히드를 포함한 메탄올의 많은 유도체로 전환되거나 정제될 수 있다. 환원 가스는 또한 에너지-전환 디바이스, 예컨대, 고체-산화물 연료 전지, 스털링(Stirling) 엔진, 마이크로-터빈, 내연 기관, 열-전기 발전기, 스크롤 팽창기, 가스 버너, 또는 열-광발전 디바이스를 사용하여 에너지로 전환될 수 있다.
본 상세한 설명에서, 기술이 어떻게 이해되고 실시될 수 있는지에 관한 다중 실시양태 및 비-제한적인 실시예에 대한 참조가 이루어졌다. 본 개시내용의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서, 본원에 제시된 모든 특징 및 이점을 제공하지 않는 다른 실시양태가 활용될 수 있다. 이 개시내용은 본원에 기재된 방법 및 시스템의 일상적인 실험 및 최적화를 포함한다. 이러한 변형 및 변동은 청구범위에 의해 정의되는 본 기술의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
본 명세서에 인용된 모든 공개물, 특허 및 특허 출원은 마치 각각의 공개물, 특허 또는 특허 출원이 본원에 구체적이고 개별적으로 제시된 것처럼 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
위에 기재된 방법 및 단계가 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트를 나타내는 경우, 당업자는 특정 단계의 순서가 변형될 수 있음을 인식할 것이다. 추가적으로, 특정 단계는 가능한 경우, 병렬 공정에서 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 순차적으로 수행될 수 있다.
따라서, 본 개시내용의 사상 내에 있거나 첨부된 청구범위와 등가인 변동이 있는 정도까지, 본 특허는 이러한 변동도 포함할 의도이다.
Claims (100)
- 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 네거티브-물-집약도 공정으로서,
공급원료를 제공하는 단계이되, 여기서 공급원료는 바이오매스 및 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 75 wt%의 물을 포함하는, 단계;
공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계이되, 여기서 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 50 wt%의 물을 포함하는, 단계;
건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 제1 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는, 단계;
제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 제2 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제2 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는, 단계;
산성수를 생성하는 단계이되, 여기서 산성수는 제1 응축된 액체 중 적어도 일부, 제2 응축된 액체 중 적어도 일부, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 단계;
고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하는 단계이되, 여기서 세척 및 냉각하는 단계는 산성수를 사용하여 달성되는, 단계; 및
세척된 및 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계이되, 여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는, 단계
를 포함하며,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의되는 물 집약도를 갖는, 공정. - 제1항에 있어서,
상기 바이오매스가 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기(shell), 과일 줄기, 과일 껍질(peel), 과일 씨(pit), 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 건조된 공급원료가 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조된 공급원료가 최대 약 10 wt%의 물을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하기 위해 공급원료를 건조시키는 단계가 스팀-구동식 건조기를 사용하여 달성되는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하기 위해 공급원료를 건조시키는 단계가 공기-구동식 건조기를 사용하여 달성되는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 적어도 약 2 내지 최대 약 7인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 적어도 약 2 내지 최대 약 7인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 적어도 약 4 내지 최대 약 6.5인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 최대 약 7이고, 제2 pH가 최대 약 7인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 최대 약 7이고, 제2 pH가 약 7인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 최대 약 7이고, 제1 pH가 약 7인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수를 생성하는 단계가 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 1 갤런 내지 최대 약 500 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수를 생성하는 단계가 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 50 갤런 내지 최대 약 100 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 산성수의 일부를 물 부산물로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체를 생성하기 위해 고온 고체를 세척 및 냉각하는 단계가 물 공급원을 사용하여 달성되며, 물 공급원이 본질적으로 산성수로 이루어지는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
고온 고체가 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되고, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하기 위해 고온 고체를 냉각하는 단계가 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제26항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 300℃인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제26항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 200℃인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제26항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 100℃인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제26항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 50℃인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체를 생성하기 위해 고온 고체를 세척하는 단계가 고온 고체로부터 회분을 제거하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 5 wt%의 총 회분을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 1 wt%의 총 회분을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 0.2 wt%의 총 회분을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체를 생성하기 위해 고온 고체를 세척하는 단계가 고온 고체로부터, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드, 안티몬, 비소, 바륨, 베릴륨, 보론, 보론 옥사이드, 브롬, 카드뮴, 칼슘, 염소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 금, 철, 산화철, 납, 리튬, 마그네슘, 망간, 수은, 몰리브덴, 니켈, 인, 칼륨, 셀레늄, 규소, 산화규소, 은, 소듐, 스트론튬, 황, 텔루륨, 탈륨, 주석, 티타늄, 티타늄 옥사이드, 텅스텐, 바나듐, 아연, 지르코늄, 또는 이의 조합으로부터 선택된 불순물을 제거하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제35항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 1000 ppm의 불순물을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제35항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 100 ppm의 불순물을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제35항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 50 ppm의 불순물을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 건조 기준으로 적어도 약 22 MJ/kg의 발열량을 갖는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 건조 기준으로 적어도 약 33 MJ/kg의 발열량을 갖는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 세척된 및 냉각된 고체를 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제41항에 있어서,
상기 펠릿화하는 단계가 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함하지 않는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제41항에 있어서,
상기 펠릿화하는 단계가 세척된 및 냉각된 고체에 바인더를 도입하는 것을 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제43항에 있어서,
상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분(fines), 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택되는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 외부 물을 활용하지 않는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -10 kg H2O인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -100 kg H2O인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -200 kg H2O인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -500 kg H2O인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -1000 kg H2O인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -100 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -200 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -300 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -400 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -500 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 총 탄소를 포함하고, 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 총 탄소를 포함하고, 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C동위원소 비의 측정으로부터 결정시 약 100%의 생물기원 탄소인, 네거티브-물-집약도 공정. - 바이오카본 생성물로서,
공급원료를 제공하는 단계이되, 여기서 공급원료는 바이오매스 및 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 75 wt%의 물을 포함하는, 단계;
공급원료를 건조시켜, 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계이되, 여기서 건조된 공급원료는 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 50 wt%의 물을 포함하는, 단계;
건조된 공급원료를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
제1 증기를 응축시켜, 제1 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는, 단계;
제2 증기를 응축시켜, 제2 응축된 액체를 생성하는 단계이되, 여기서 제2 응축된 액체는 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는, 단계;
산성수를 생성하는 단계이되, 여기서 산성수는 제1 응축된 액체, 제2 응축된 액체, 또는 이의 혼합물을 포함하는, 단계;
고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된 및 냉각된 고체를 생성하는 단계이되, 여기서 세척 및 냉각하는 단계는 산성수를 사용하여 달성되는, 단계; 및
세척된 및 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계; 및
임의로, 바이오카본 생성물을 펠릿화하는 단계를 포함하는 공정에 의해 생산되며,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는, 바이오카본 생성물. - 제59항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 총 탄소를 포함하고, 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소인, 바이오카본 생성물. - 바이오카본 생성물을 생산하기 위한 낮은-물-집약도 공정으로서,
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt%의 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(g) 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계이되, 여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하는, 단계
를 포함하며,
여기서 바이오카본 생성물은 활용된 외부 물의 킬로그램을 바이오카본 생성물의 미터톤으로 나눈 것으로서 정의된 물 집약도를 갖는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항에 있어서,
상기 바이오매스가 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 또는 제62항에 있어서,
상기 단계 (b)가 실시되고, 건조된 공급원료가 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 25 wt%의 물을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제63항에 있어서,
상기 건조된 공급원료가 적어도 약 0 wt% 내지 최대 약 10 wt%의 물을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 적어도 약 2 내지 최대 약 7인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 적어도 약 2 내지 최대 약 7인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 pH가 적어도 약 3 내지 최대 약 6.5인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 pH가 최대 약 7이고, 제2 pH가 최대 약 7인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제1 응축된 액체를 포함하고 제2 응축된 액체를 포함하지 않는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제2 응축된 액체를 포함하고 제1 응축된 액체를 포함하지 않는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 제1 응축된 액체 및 제2 응축된 액체를 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제1 응축된 액체의 전체를 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제1항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수가 생성되는 제1 응축된 액체의 전체 및 생성되는 제2 응축된 액체의 전체를 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산성수를 생성하는 단계가 공급원료의 건조 미터톤당 적어도 약 1 갤런 내지 최대 약 500 갤런의 산성수를 생성하는 것을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 산성수의 일부를 물 부산물로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된, 냉각된 고체를 생성하기 위해 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하는 단계가 물 공급원을 사용하여 달성되며, 물 공급원이 본질적으로 산성수로 이루어지는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고온 고체가 적어도 약 300℃ 내지 최대 약 800℃의 기판 온도에서 생성되고, 세척된, 냉각된 고체를 생성하기 위해 산성수를 사용하여 고온 고체를 냉각하는 단계가 고온 고체를 기판 온도보다 낮은 냉각된-기판 온도까지 냉각하는 것을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제79항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 100℃인, 낮은-물-집약도 공정. - 제79항에 있어서,
상기 냉각된-기판 온도가 최대 약 50℃인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된, 냉각된 고체를 생성하기 위해 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척하는 단계가 고온 고체로부터 회분을 제거하는 것을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 1 wt%의 전체 회분을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 0.2 wt%의 총 회분을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세척된, 냉각된 고체를 생성하기 위해 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척하는 단계가 고온 고체로부터, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드, 안티몬, 비소, 바륨, 베릴륨, 보론, 보론 옥사이드, 브롬, 카드뮴, 칼슘, 염소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 금, 철, 산화철, 납, 리튬, 마그네슘, 망간, 수은, 몰리브덴, 니켈, 인, 칼륨, 셀레늄, 규소, 산화규소, 은, 소듐, 스트론튬, 황, 텔루륨, 탈륨, 주석, 티타늄, 티타늄 옥사이드, 텅스텐, 바나듐, 아연, 지르코늄, 또는 이의 조합으로부터 선택된 불순물을 제거하는 것을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제85항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 1000 ppm의 불순물을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제85항에 있어서,
상기 세척된 및 냉각된 고체가 제거 후, 최대 약 100 ppm의 불순물을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 세척된 및 냉각된 고체를 펠릿화하여 바이오카본 펠릿을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제88항에 있어서,
상기 펠릿화하는 단계가 세척된 및 냉각된 고체에 외부 바인더를 도입하는 것을 포함하지 않는, 낮은-물-집약도 공정. - 제88항에 있어서,
상기 펠릿화하는 단계가 세척된 및 냉각된 고체에 바인더를 도입하는 것을 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제90항에 있어서,
상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 선택되는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 외부 물을 활용하지 않는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 1000 kg H2O인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 100 kg H2O인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg H2O인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물 집약도가 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 -100 kg H2O인, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 바이오카본 생성물의 미터톤당 최대 약 0 kg CO2e의 탄소 집약도를 포함하는, 낮은-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 총 탄소를 포함하고, 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소인, 네거티브-물-집약도 공정. - 제61항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오카본 생성물이 총 탄소를 포함하고, 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C동위원소 비의 측정으로부터 결정시 약 100%의 생물기원 탄소인, 네거티브-물-집약도 공정. - 바이오카본 생성물로서,
(a) 바이오매스 및 약 0 wt% 내지 약 75 wt%의 물을 포함하는 출발 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 출발 공급원료를 건조시켜, 0 wt% 내지 약 50 wt% 물을 포함하는 건조된 공급원료 및 제1 증기를 생성하는 단계;
(c) 건조된 공급원료 (또는 단계 (b)가 실시되지 않는 경우, 출발 공급원료)를 열분해하여, 고온 고체 및 제2 증기를 생성하는 단계;
(d) 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제1 pH를 갖는 제1 응축된 액체를 생성하는 단계;
(e) 제2 증기의 적어도 일부를 응축시켜, 적어도 약 1 내지 최대 약 7의 제2 pH를 갖는 제2 응축된 액체를 생성하는 단계;
(f) 제2 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 단계 (b)가 실시되는 경우, 제1 응축된 액체의 적어도 일부, 또는 제1 응축된 액체의 적어도 일부뿐만 아니라 제2 응축된 액체의 적어도 일부를 포함하는 혼합물을 포함하는 산성수를 형성하는 단계;
(g) 산성수를 사용하여 고온 고체를 세척 및 냉각하여, 세척된, 냉각된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 세척된, 냉각된 고체를 바이오카본 생성물로서 회수하는 단계를 포함하는 공정에 의해 생산되며,
여기서 바이오카본 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소를 포함하며,
바이오카본 생성물은 총 탄소를 포함하고,
총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 약 90%의 생물기원 탄소인, 바이오카본 생성물.
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