KR101727967B1 - 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법 - Google Patents

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윌리암 비. 티얼
리차드 제이. 고벨
앤드류 존슨
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티얼 세일즈 인코포레이티드
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Abstract

낮은 산소 환경을 갖는 회전하는 반응기 드럼 안으로의 바이오매스의 유입을 포함하는 연속적인 반탄화 공정을 가능하게 하는 바이오매스 반탄화 시스템이 제공된다. 상기 파티클은 가열된 가스 기류에 의해 상기 드럼을 통해 운반되며 동시에 그로 인하여 반탄화 된다. 상기 드럼으로부터 방출되는 가스는 상기 드럼에 재유입되기에 앞서 상기 가스를 재가열하기 위한 열원으로 다시 재순환된다. 바이오매스 반탄화의 방법 또한 제공된다.

Description

바이오매스 반탄화 시스템 및 방법 {BIOMASS TORREFACTION SYSTEM AND METHOD}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은, 모든 목적을 위해 본원에 그 전체 내용이 혼입된 2010년 10월 8일에 출원된 미국 가출원 번호 61/391,442 및 2011년 8월 25에 출원된 미국 특허 출원 13/219,230의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 개시는 전체적으로 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법에 관련하고, 이는 특히 셀룰로오스 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법을 포함한다.
관련 기술의 설명
바이오매스 파티클의 반탄화는 잘 알려져 있고, 이는 바이오매스 파티클이 저산소 환경에서 가열되는 공정이다. 이는 파티클 내의 휘발성 화합물이 증발되고 파티클의 세포 구조가 분해되도록 하며, 질량의 일부 손실 및 취약성의 증가를 야기한다. 이는 또한 잔존하는 세포 구조 내의 반응을 야기하여 제품의 습도 내성을 향상시킨다. 반탄화된 파티클들은 질량 단위당 열 에너지의 관점에서 증가된 에너지 수준을 갖는다. 바이오매스 파티클의 반탄화의 정도는 몇가지 요소에 의존하는데, 이는 적용된 열의 수준, 열이 적용된 시간의 길이, 및 주위 가스 조건(특히 산소 수준과 관련하여)을 포함한다.
현 시스템은 일관된 반탄화 파티클을 얻기 위해 열 변수, 체류 시간 및 산소 수준들을 기계적으로 조절하려고 노력한다. 전형적인 매커니즘은 낮은 산소 환경 하에서 바이오매스 파티클을 반탄화하고 상기 파티클을 운반하기 위해 (트레이 또는 나사를 돌리는 것과 같은) 기계적인 방법을 사용하고 반탄화될 상기 파티클에 전도시키기 위해 운반 표면에 열을 가한다. 이러한 매커니즘은 다양한 단점을 갖는데, 이는 생산 능력(capacity)을 현저하게 증가시키기 어렵거나 불가능하다는 것을 포함한다. 반탄화 바이오매스에 대한 수요가 증가함에 따라, 현 매커니즘의 제한된 생산 능력은 그러한 바이오매스의 사용을 방해하는 쟁점이 되었다. 결과적으로, 출원인은 일관되고 효율적으로 반탄화 바이오매스 파티클을 생산할 수 있는 개선된 방법 및 시스템이 바람직하다고 생각한다. 이러한 방법 및 시스템은, 증가하는 수요를 만족시키기 위해서, 빠듯한 공정 조절을 허용하면서도 큰 생산 능력을 달성 할 수 있는 원칙 및 사상에 기초하여야 한다.
발명의 요약
본원에 개시된 구체예는 특히 다양한 크기의 바이오매스 파티클(특히 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 포함하는)을 효율적이고 일관화된 방법으로 반탄화하기 위해 아주 적합한 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템 및 방법은 폭넓은 산업상 요구에 맞추기 위해 쉽게 측정가능하며, 산출되는 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 최적화 또는 조절하기 위한 작동 파라미터(operational parameter)의 모니터링 및 조정에 대하여 향상된 공정 조정을 제공한다.
한 구체예에 따르면, 바이오매스 반탄화 시스템은 하기를 포함하는 것으로 요약될 수 있다: 바이오매스 파티클을 수용하기 위한 주입구(inlet); 그 세로축에 대하여 회전하도록 배열된 반응기 드럼, 그 안에 상기 반응기 드럼의 길이를 따라 복수의 위치에 위치한 복수의 플라이트(flight)를 갖는 상기 드럼; 상기 시스템에 함유된 가스를 작동(operation) 동안 상기 바이오매스 파티클을 반탄화하기에 적합한 온도로 가열하기 위한 반응기 드럼 상류의 열원; 상기 시스템이 작동할 때, 상기 바이오매스 파티클이 상기 플라이트에 의해 들어올려지고 상기 반응기가 회전함에 따라 가열된 상기 가스 기류를 통해 샤워되어, 상기 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼의 길이를 따라 간헐적으로 운반하기에 충분한 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스 기류를 생성하기 위한, 상기 시스템에 연결된 팬(fan) 장치; 상기 반응기 드럼으로의 재도입을 위해 상기 가스를 재가열하기 위해 상기 반응기 드럼에서 나오는 약간의 가스를 상기 열원으로 다시 재순환시키기 위한, 적어도 상기 반응기 드럼, 열원 및 팬 장치에 연결된 가스관.
상기 가열된 가스 기류는, 상기 가스 기류가 간헐적으로 상기 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼을 통해 운반함으로서 직접 상기 바이오매스 파티클을 가열한다. 상기 리프팅 플라이트(lifting flight)는 상기 반응기 드럼을 통한 상기 바이오매스 파티클의 움직임을 조절하기 위해 배열될 수 있고, 따라서 상기 반응기 드럼 내에서의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간에 영향을 줄 수 있다. 상기 리프팅 플라이트는, 규칙적인 혹은 불규칙적인 간격으로, 그리고 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 적어도 세개의 위치에 상기 반응기 드럼의 내부 둘레를 따라 배치된 플라이트를 포함할 수 있다. 상기 리프팅 플라이트는, 유사한 사이즈의 파티클에 대해 상대적으로 높은 밀도의 파티클 및 유사한 밀도를 갖는 파티클에 대해 상대적으로 큰 파티클을 상기 반응기 드럼을 통해 보다 천천히 운반함으로써, 상기 바이오매스 파티클을 파티클 밀도 및/또는 크기에 따라 분류하기 위하여 상기 가열된 가스 기류와 함께 상호작동한다.
상기 바이오매스 반탄화 시스템은 상기 반응기 드럼의 하류에 위치한 호퍼(hopper)를 더 포함할 수 있고, 이는 상기 반응기 드럼으로부터 배출되는 반탄화 바이오매스 파티클을 수집하고 상기 시스템으로부터 상기 반탄화 바이오매스 파티클을 방출할 수 있다. 상기 시스템은, 조절 밸브 및 환풍기를 갖는, 상기 시스템으로부터 배기 가스를 방출하기 위한 배관 구조를 더 포함하며, 여기서 상기 조절 밸브 및 환풍기는 상기 시스템 내의 압력 수준을 조절하기 위해 위치되어 산소의 침투를 막으면서 상기 시스템으로부터 배기 가스가 배기될 수 있도록 한다. 상기 배관 구조는, 배기가스의 보조적 또는 추가적 공정에서의 사용을 위하여 상기 시스템으로부터 이격된(remote) 장치로 배기 가스를 전송할 수 있다. 상기 이격된 장치는, 예를 들어, 작동 동안에 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가스에 열 교환기를 통해 열을 공급하기 위해 배기가스를 활용하도록 설정된 버너일 수 있다.
상기 시스템은, 상기 바이오매스 파티클을 수용할 때에 상기 시스템에 들어가는 산소의 양을 제한하기 위하여, 상기 주입구 및 상기 반응기 드럼 사이에 위치된 적어도 하나의 에어락을 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 반응기 드럼 및 인접 구조 사이의 적어도 하나의 밀폐 매커니즘을 더 포함할 수 있고, 상기 밀폐 매커니즘은 상기 반응기 드럼 및 외부 환경 사이의 챔버(chamber)를 포함하며, 상기 밀폐 매커니즘은 스타트업(start up) 또는 셧다운(shutdown) 작동 동안 상기 챔버의 선택적 퍼징(purging)을 위해 불활성 또는 반-불활성 기체 소스와 연결된다.
상기 시스템을 위한 상기 열원은 전기 담금-타입 관 히터, 가스-가스 열 교환기, 저 산소 버너 또는 예를 들어 톱밥과 같은 다른 전통적인 열원, 또는 상기 바이오매스 반탄화 시스템에서 상기 가스 기류로 간접적으로 열을 공급하도록 설정된 다른 버너일 수 있다.
상기 바이오매스 반탄화 시스템은, 상기 반응기 드럼에 연결된 스팀 설비를 더 포함하여, 상기 반응기 드럼에 스팀을 도입하고 상기 바이오매스 파티클의 반탄화를 보조할 수 있다. 상기 스팀 설비는 또한 안전 소화 및 냉각 기류 기능을 제공하여 작동 안전을 증대시킬 수 있다.
상기 바이오매스 반탄화 시스템은, 상기 시스템을 통과하는 팬 장치의 속도 및 부피를 조절하는 상기 팬 장치의 속도를 선택적으로 조절하도록 설정된 조절 시스템을 더 포함할 수 있다. 상기 조절 시스템은 또한 상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 조절하기 위해 상기 반응기 드럼의 회전 속도를 선택적으로 조절하도록 설정될 수 있다. 상기 조절 시스템은 또한 상기 시스템을 통과하는 가스 흐름의 온도를 선택적으로 조절하도록 설정될 수 있다. 상기 조절 시스템은, 부피, 속도 및/또는 압력을 포함하는 상기 시스템을 통과하는 가스 흐름의 파라미터들을 선택적으로 조절하도록 설정될 수 있다. 상기 조절 시스템은 또한 상기 바이오매스 파티클의 반탄화 공정을 조절하기 위한 복수의 작동 파라미터를 독립적으로 조절하도록 설정될 수 있고, 여기서 상기 작동 파라미터는 반응기 주입구 온도, 반응기 배출구 온도, 평균 체류 시간, 상기 가열된 가스 기류의 산소 함량 및 가스 흐름 특성 중의 적어도 하나를 포함한다. 상기 조절 시스템은 작동 동안 상기 작동 파라미터의 적어도 일부를 지속적으로 또는 간헐적으로 조절하여 상기 반탄화 공정을 최적화 하거나 상기 산출되는 반탄화 바이오매스 파티클의 특성을 조절하도록 설정될 수 있다.
한 구체예에 따르면, 바이오매스 반탄화 방법은 다음을 포함하는 것으로 요약될 수 있다: 반응기 드럼을 회전시키는 단계, 상기 반응기 드럼은 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 각각의 복수의 위치에 배치된 복수의 플라이트를 가진다; 상기 반응기 드럼의 길이를 따라 바이오매스 파티클을 간헐적으로 운반하기에 충분한, 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스의 기류를 발생시키고, 동시에, 상기 반응기 드럼이 회전하는 동안 상기 바이오매스 파티클이 상기 플라이트에 의해 들어올려지고 상기 가열된 가스 기류에 의해 샤워됨에 따라 상기 바이오매스 파티클을 반탄화하는 단계; 상기 반응기 드럼으로부터 방출되는 가스의 일부를 하나 이상의 가스 관을 통해 상기 반응기 드럼의 주입구로 다시 재순환 하는 단계.
상기 방법은 상기 산출되는 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 조절하기 위한 복수의 작동 파라미터 중의 적어도 일부를 선택적으로 변화시키는 것을 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 작동 파라미터는, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 속도, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가스 기류의 체적 유속, 상기 반응기를 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 온도, 상기 반응기 드럼 내의 압력 수준, 상기 반응기 드럼의 회전 속도, 상기 가열된 가스 기류의 산소 함량, 상기 바이오매스 파티클의 수분 함량 및 상기 반응기 드럼으로의 상기 바이오매스 파티클의 유입 속도 중의 적어도 하나를 포함한다. 상기 방법은 상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 선택적으로 변화시키는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 조절하기 위하여 상기 반응기 드럼 내의 복수의 플라이트를 위치 및/또는 밀도의 관점에서 조절하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 파티클 밀도 및/또는 크기에 따라 다른 속도로 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼을 통과시키는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 반탄화 바이오매스 파티클을 방출하면서 상기 반응기 드럼으로의 산소의 침투를 실질적으로 억제하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 반응기 드럼으로의 산소의 침투를 막기 위하여 상기 반응기 드럼 내의 압력 수준을 설정하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은, 상기 배기 가스를, 예를 들어 이격된 버너의 연료로서의 사용과 같은 보조적 또는 추가적 공정에서의 사용을 위해 상기 반응기 드럼으로부터 떨어진 장치로 배기 가스를 전송하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 반응기 드럼을 상기 외부 환경으로부터 밀폐시키고 상기 반응기 드럼의 경계면에 근접한 하나 이상의 챔버를 불활성 또는 반-불활성 가스로 선택적으로 퍼징하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 바이오매스 파티클을 시간당 1 내지 50톤의 속도로 상기 반응기 드럼을 통과시키는 것을 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 바이오매스 파티클은 상기 반응기 드럼 내에서 반탄화된 후 적어도 20 기가줄/톤(GJ/톤)의 에너지 밀도를 갖는다.
상기 방법은, 상기 반응기 드럼에의 유입에 앞서 회전형, 컨베이어타입 또는 다른 타입의 건조 시스템에서 상기 바이오매스 파티클을 건조하는 것을 더 포함한다. 상기 반응기 드럼에의 유입에 앞서 바이오매스 파티클을 회전형 건조 시스템에서 건조시키는 것은, 습윤중량 기준으로, 수분 함량 20 퍼센트 미만의 평균 수분 함량을 갖도록 바이오매스 파티클을 건조하는 것을 포함한다.
상기 방법은, 상기 반응기 드럼에 들어가는 상기 가열된 가스 기류의 주입구 온도가 적어도 500℉이고 상기 반응기 드럼에서 배출되는 상기 가열된 가스 기류의 배출구 온도가 적어도 400℉이도록 상기 가열된 가스 기류를 설정하는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 상기 바이오매스 파티클이 상기 반응기 드럼을 한번 통과한 후에 반탄화된 바이오매스 파티클을 방출하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 방출된 반탄화된 바이오매스 파티클의 파티클 크기는 적어도 10 퍼센트 차이가 나며, 이때 상기 반탄화된 바이오매스 파티클의 에너지 밀도 및 수분 특성은 파티클 크기와 무관하게 상대적으로 일정하다. 상기 방법은 상기 드럼 반응기로 상기 바이오매스 파티클을 유입하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 바이오매스 파티클은 유입에 있어 약 1/16 입방인치 내지 약 1 입방인치의 평균 크기를 갖는다. 상기 방법은 고장상태의 경우 상기 반응기 드럼을 환기시키는 것을 더 포함한다. 상기 방법은 상기 바이오매스 파티클의 상기 반탄화를 보조하기 위해 상기 반응기 드럼으로 스팀을 유입하는 것을 더 포함한다. 상기 반응기 드럼으로 스팀을 유입하는 것은 상기 반응기 드럼에서 방출되는 가스의 일부로부터 열을 수용하는 보일러로 스팀을 생성하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 한 구체예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템의 계통도이다.
도 2는 한 구체예에 따른 통합 바이오매스 공정 시스템의 계통도이다.
도 3은 다른 구체예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템의 등각도이다.
도 4는 도 3의 상기 바이오매스 반탄화 시스템의 후면 등각도이다.
도 5는 도 3의 상기 바이오매스 반탄화 시스템의 측면 정면도이다.
도 6은 도 3의 상기 바이오매스 반탄화 시스템의 상면 평면도이다.
도 7은 도 3의 상기 바이오매스 반탄화 시스템의 반응기 드럼 및 인접한 요소들의 측면 정면도이다.
도 8은 도 7의 상기 반응기 드럼의 8-8 라인에 따른 횡단면도이다.
도 9는 도 3의 상기 바이오매스 반탄화 시스템과 사용가능한, 한 구체예에 따른 밀폐 조립(assembly)의 측면 정면도이다.
도 10은 도 9의 상기 밀폐 조립의 일부분의 확대된 상세도이다.
도 11은 도 10의 상기 밀폐 조립의 11-11 라인에 따른 횡단면도이다.
하기 설명에 있어, 다양한 개시된 구체예의 완전한 이해를 제공하기 위해 일정 특유 세부사항을 제시하였다. 그러나, 당업자는 그러한 구체예들은 이들 하나 이상의 특유 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 산업 공정 장치 및 산업 공정에 수반된 공지된 구조 또는 단계들은 불필요하게 상기 구체예들의 설명을 불분명하게 하는 것을 피하기 위해 나타내어지지 않거나 상세히 설명되지 않을 수 있다. 예를 들어, 다양한 센서들(예를 들어, 온도 센서, 산소 센서, 등), 조절 장치 및 다른 산업 공정 조절은, 프로그램가능한 로직 조절장치(programmable logic controller; PLC) 또는 본원에 개시된 상기 바이오매스 반탄화 시스템을 모니터링 하기 위한 다른 적합한 조절 시스템 및 상기 산출되는 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 최적화 또는 조절하기 위한 작동 파라미터를 조절함으로써 제공되고 운영될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 명세서 및 뒤이은 청구항 전체에서, "포함하는(comprise)"이라는 단어 및, "포함하는(comprises)" 및 "포함한(comprising)"과 같은 이의 변형은, 개방된, 포괄적인 개념, 즉 "포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는"으로 간주되어야 한다.
"한 구체예(one embodiment)" 또는 "구체예(an embodiment)"에 대한 본 명세서 전체의 참조는, 특정 특징, 구조, 또는 상기 구체예와 연관되어 설명된 특성이 적어도 하나의 구체예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체의 다양한 곳에서의 "하나의 구체예에서(in one embodiment)" 또는 "구체예에서(in an embodiment)"라는 문구의 출현은 필수적으로 같은 구체예를 말하는 것은 아니다. 더 나아가, 상기 특정 특징, 구조, 또는 특성들은 하나 이상의 구체예의 임의의 적합한 방식에 결합될 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에 사용된, 단수 형 "a", "an", 및 "the"는 그 내용에서 명확하게 달리 언급하지 않는 한 복수형을 포함한다. 용어 "or"은 문맥에서 달리 명시하지 않은 한 일반적으로 "및/또는"을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 한 구체예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템(10)의 도식을 나타낸다. 상기 시스템(10)은 그 세로축(16)을 회전하도록 지지되는 반응기 드럼(12)을 포함한다. 상기 시스템(10)은, 24로 표시된 화살표에 나타내어지는 것과 같이, 공정되어질 바이오매스 파티클을 수용하기 위한 주입구(22)를 더 포함한다. 임의적인 불활성 또는 반-불활성 가스 퍼징(27) 또는 이와 유사한 장치를 갖는 에어락 또는 듀얼 에어락(26)은 바이오매스 파티클이 상기 시스템(10)으로 공급될 때에 상기 시스템(10)으로 산소가 들어가는 것을 실질적으로 억제하기 위하여 주입구(22)에 연결된다. 상기 바이오매스 파티클은 컨베이어 또는 다른 전통적인 물질 운반 매커니즘을 통해 상기 주입구(22)에 공급될 수 있다. 한 구체예에서, 상기 에어락의 위치에 플러그피드 나사(plug-feed screw) 컨베이어가 사용되어 상기 주입구(22)를 바이오매스 파티클이 통과할 때에 실(seal)로 작용할 수 있는 재료의 플러그(plug)를 형성할 수 있다.
상기 시스템(10)은, 예를 들어 유인 환풍 팬(induced draft fan) 장치 또는 강제 환풍 팬(forced draft fan) 장치(32)일 수 있는 팬 장치(32)에 의해 상기 시스템(10) 내에서 생성된 열을 가스 기류(34)에 제공하기 위하여 상기 반응기 드럼(12)의 상류에 배치된 열원(30)을 더 포함할 수 있다. 상기 팬 장치(32)는 상기 반응기 드럼(12)를 통해 가스를 끌어당기거나 끌어내고 상기 가스(또는 상기 가스의 상당한 양)를 상기 열원(30)으로 다시 순환하도록 운전되어, 재가열되고 재순환의 방법으로 상기 반응기 드럼(12)에 공급된다. 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼(12)에 존재하는 80 퍼센트 부피 이상의 상기 가스는 상기 반응기 드럼(12)의 상기 주입구로 재순환 될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼(12)에 존재하는 90 퍼센트 부피 이상의 상기 가스는 상기 반응기 드럼(12)의 상기 주입구로 재순환 될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼(12)에 존재하는 95 퍼센트 부피 이상의 상기 가스는 상기 반응기 드럼(12)의 상기 주입구로 재순환 될 수 있다.
작동 동안에, 상기 가스 기류(34)는 상기 반응기 드럼(12) 내의 상기 바이오매스 파티클로 열 에너지를 운반하고 상기 바이오매스 파티클의 운반을 위한 운동량을 제공하기 위한 열매체로 작용한다. 상기 가스 기류는 역시 상기 드럼(12)의 내부 구조, 특히 상기 리프팅 플라이트를 가열할 수 있고, 이는 결국 상기 바이오매스 파티클을 가열할 수 있다. 가스 관(36)은 상기 시스템(10) 내에서 상기 가스 기류(34)를 재순환시키기 위해 적절한 크기이고 적어도 상기 반응기 드럼(12), 열원(30) 및 팬 장치(32)와 연결된다. 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼(12)에 들어가는 가스의 지배적인 부분 또는 전체량은 지속적인 방법으로 상기 반응기 드럼(12)의 주입구로 다시 재순환되고, 이때 상기 바이오매스 파티클을 반탄화함에 따라 발생하는 가스의 상당한 양은 배기되거나 그렇지 않으면 상기 시스템(10)의 외부로 전송된다. 일부 구체예에서, 작동 동안에 재순환 가스 기류(34)에 새로운 가스(의도하지 않은 샘을 제외하고)는 공급되지 않는다.
상기 설명된 구체예에서, 상기 열원(30)은 가스-가스 열 교환기(60)의 형태이다. 예를 들어, 약800℉ 내지 약 1400℉ 범위의 뜨거운 가스 기류(35)는, 64로 나타낸 화살표에 나타내어진 것과 같이, 주입관(62)를 통해 상기 열 교환기(60)에 공급된다. 상기 뜨거운 가스 기류(35)는 상기 반탄화 시스템(10)의 상기 재순환 가스 기류(34)와 상호작용하여 이의 열을 전도한다. 일부 구체예에서, 상기 열 교환기(60)는 상기 열 교환기(60)로의 상기 반탄화 가스 기류(34)의 상기 주입구 온도를 약 500℉±100℉에서 약 700℉±150℉의 배출구 온도로 상승시키도록 설정된다. 그렇게 함으로서, 상기 열 교환기(60)의 다른 격리된 가스 기류(35)의 온도는 배출관(66)을 통해 상기 열 교환기(60)로부터 배출되기 전에 반드시 낮춰진다. 그러나, 상기 다른 격리된 가스 기류(35)의 온도는, 예를 들어 상기 바이오매스 반탄화 시스템(10)으로의 주입에 앞서 상기 바이오매스 파티클을 건조하는 것과 같은 다른 공정에서 유용할 수 있을 정도로 충분히 뜨겁다. 따라서, 일부 구체예에서, 상기 가스 기류(35)는, 68로 라벨링된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 상기 배출관(66)을 통해 상기 열 교환기(60)로부터 방출되는 상기 가스 기류(35)은 건조 시스템(70)(도 2) 또는 다른 장치로 전송될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 방출된 가스 기류(35)는 상기 열 교환기(60)의 주입구로 다시 전송될 수 있고, 예를 들어 이격된 버너와 같은 더 높은 온도를 갖는 다른 가열된 가스와 함께 섞여 상기 열 교환기(60)의 주입구 온도를 바람직한 수준 또는 바람직한 온도 범위에 속하도록 조절할 수 있다.
비록 도 1의 상기 열원(30)의 상기 설명된 구체예가 가스-가스 열 교환기(60)로 나타내어 졌지만, 다른 다양한 열원(30)이 제공될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 전기 담금-타입 열원은 상기 바이오매스 반탄화 시스템(10)의 가스 기류의 경로 내에서 제공될 수 있다. 다른 구체예에서, 저 산소 버너는 상기 시스템(10)으로 직접 보내져, 상기 시스템(10) 내의 산소 수준을 현저하게 증가시키지 않고 상기 가스 기류(34)를 가열할 수 있다. 그러나, 상기 열원(30)과는 무관하게, 바이오매스 파티클을 반탄화 하는데 기여하는 상기 반응기 드럼(12) 내의 낮은 수준의 산소 환경의 유지를 가능하게 하기 위한 재순환 방법으로 상기 가스 기류(34)를 격리하는 것이 이롭다.
상기 반응기 드럼(12)의 하류 말단에는, 상기 파티클이 상기 반응기 드럼(12)으로부터 나감에 따라 반탄화된 바이오매스 파티클(예를 들어, 반탄화된 나무 조각, 반탄화된 큰 줄기(cane) 조각, 다른 반탄화된 셀룰로오스 바이오매스)을 수집하기 위한 분리 호퍼(38)가 제공된다. 상기 파티클은 그 다음 수집을 위해 배출구(40)를 향해 기계적으로 및/또는 중력 하에 공급된다. 하나 이상의 에어락 장치(42)는, 상기 반탄화된 파티클이 상기 시스템(10)으로부터 회수됨에 따라 상기 시스템(10)으로 산소가 침투하는 것을 실질적으로 억제하기 위해 상기 배출구(40)에 연결된다. 상기 분리 호퍼(38)을 통과할 수 있는 작은 파티클(예를 들어 반탄화된 나무 조각, 반탄화된 큰 줄기 조각, 다른 반탄화된 셀룰로오스 바이오매스)은, 예를 들어 저기압 타입의 여과 장치와 같은 여과 장치(44)에 의해 상기 가스 기류(34)로부터 여과되어 제거될 수 있다. 하나 이상의 추가적인 에어락 장치(46)는 상기 시스템(10)으로 현저한 양의 산소를 유입하지 않고 상기 여과된 재료를 상기 시스템(10)으로부터 제거하기 위해 제2 배출구(48)에 연결될 수 있다. 일부 구체예에서, 한쌍의 연속적으로 나열된 에어락(42,46) 사이의 챔버 또는 공간은, 43, 47로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이(도 2), 상기 챔버 또는 공간의 선택적 퍼징을 위해 불활성 또는 반-불활성 가스 소스에 연결될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 반탄화 시스템(10)은 호퍼(38)의 위치에 저기압 타입의 여과 장치를 포함하여 상기 가스 기류(34)로부터 반탄화된 바이오매스 파티클을 분리 및/또는 여과할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 반탄화 시스템(10)은 상기 반탄화 시스템(10)으로부터 반탄화된 바이오매스 파티클을 방출하기 위해 하나 이상의 공기 방출 장치(나타내지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 상기 가스 기류(34)는 상기 반응기 드럼(12)을 통해 끌어당기거나 끌어내어져서 상기 팬 장치(32)의 영향 하에 상기 열원(30)으로 반송된다(반탄화 파티클, 조각, 알갱이, 가루 및/또는 모든 잔해를 분리한 후). 상기 가스의 상당한 대부분이 재순환되지만, 일부 가스는 배기 배관조직(50)으로 우회될 수 있다. 상기 배기 배관조직(50)을 통해 배기되는 상기 가스는, 52로 라벨링 된 화살표로 나타내는 바와 같이, 상기 공정 또는 다른 공정 어딘가에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배기 가스는 열을 발생하는 연료로 사용되어 상기 가스 기류(34)의 온도를 증가시킴에 있어 상기 열원(30)을 보조할 수 있다. 상기 배기 배관조직(50)은, 상기 반응기 드럼(12) 내의 압력을 약간 부압에서 약간 정압으로 맞추는데에 사용될 수 있는 가변 위치 환기구(54)를 포함할 수 있다. 상기 세팅에 의존하여, 이는 상기 시스템(10)으로 산소가 유입되는 것을 막기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 한 예시적 구체예에 따른 통합 바이오매스 공정 시스템(11)의 계통도를 나타낸다. 상기 통합 바이오매스 공정 시스템(11)은, 여러가지 중에서, 상기 설명된 상기 바이오매스 반탄화 시스템(10) 및 상기 반탄화 시스템(10)으로의 유입에 앞서 바이오매스 파티클을 건조하도록 설정된 건조 시스템(70)을 포함한다. 일부 구체예에서, 상기 바이오매스 반탄화 시스템(10)은, 상기 건조 시스템(70)에 의해 습윤중량 기준 수분함량 20퍼센트 미만으로 감소된 수분 함량을 갖는 바이오매스 파티클을 수용하도록 설정된다. 일부 구체예에서, 상기 바이오매스 파티클은 약 1/16 입방인치 및 약 1 입방인치 사이의 평균 파티클 크기를 갖고 습윤중량 기준으로 수분함량 40퍼센트 초과의 초기 수분 함량을 갖는 나무 조각일 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 바이오매스 파티클은 실질적으로 일관된 크기(10퍼센트 미만의 차이)를 가질 수 있고, 다른 구체예에서, 상기 파티클의 크기는 10 퍼센트, 20 퍼센트, 30퍼센트 또는 그 이상으로 변화할 수 있다.
도 2의 설명된 구체예에 따르면, 상기 건조 시스템(70)은 회전 드럼(71)을 포함하며, 이는 그 세로축(72)에 대하여 회전하도록 지지된다. 상기 건조 시스템(70)은, 75로 라벨링 된 화살표에 나타내어지는 바와 같아, 공정될 바이오매스 파티클을 수용하기 위한 주입구(74)를 더 포함한다. 상기 바이오매스 파티클은 컨베이어 또는 다른 전통적인 재료 운반 매커니즘을 통해 상기 주입구(74)에 공급될 수 있다.
상기 건조 시스템(70)은, 상기 회전 드럼(71)을 통과하는 배관조직(77)을 통해 가열된 가스 기류를 공급하고, 상기 회전 드럼(71)에 그것이 회전함에 따라 바이오매스 파티클을 간헐적으로 운반하도록 설정될 수 있다. 상기 가스 기류가 상기 회전 드럼(71)을 통해 상기 파티클을 나아가게 함에 따라, 상기 가열된 가스 기류는 동시에 상기 바이오매스 파티클을 건조시킨다. 상기 버너(76)는 나무껍질, 호그 연료(hogged fuel) 또는 다른 연료를 상기 건조 시스템(70)에 공급되는 상기 가스 기류를 가열하기 위해 태우도록 설정될 수 있다. 상기 건조 시스템(70)에 들어가는 상기 가스 기류는 또한, 다른 곳에서 자세히 더 설명된 바와 같이, 상기 통합 바이오매스 공정 시스템(11)의 다른 가스 기류로 보충되거나 섞일 수 있다.
상기 회전 드럼(71)의 하류 말단에, 상기 파티클이 상기 회전 드럼(71)에서 배출됨에 따라, 건조된 바이오매스 파티클(예를 들어, 건조된 나무조각, 건조된 큰 줄기 조각, 다른 건조된 셀룰로오스 바이오매스)를 수집하기 위한 분리 호퍼(78)가 제공된다. 이들 파티클은 그런 다음 그 다음의 사용 또는 패키징을 위한 수집을 위해 기계적으로 및/또는 중력 하에 배출구(79)를 향해 공급된다. 상기 분리 호퍼(78)를 통과할 수 있는 더 작은 파티클 및 가루(예를 들어, 건조된 나무 알갱이, 건조된 큰 줄기 알갱이, 다른 건조된 셀룰로오스 바이오매스)는, 예를 들어 저기압 타입 여과 장치와 같은 여과 장치(80)에 의해 상기 가스 기류로부터 여과되고 제거된다. 상기 파티클은 계속적인 사용 또는 패키징을 위해 제2 배출구(81)를 향해 공급된다. 일부 구체예에서, 상기 건조 시스템(70)은 상기 가스 기류로부터의 건조된 바이오매스 파티클을 분리 및/또는 여과하기 위한 호퍼(78)의 위치의 저기압 타입 여과 장치를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 건조 시스템(70)은 상기 건조 시스템(70)으로부터의 건조된 바이오매스 파티클을 방출하기 위해 하나 이상의 공기 방출 장치(나타내지 않음)을 포함할 수 있다.
팬 장치(92)는 상기 회전 드럼(71)을 통해 상기 가스 기류를 끌어당기거나 끌어내리고 상기 회전 드럼(71)으로부터의 배기 가스를 주변 배출 조절 장치(environment emission control equipment)(82)로 전송하기 위해 제공되어, 83으로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 상기 환경 또는 다른 시스템으로 방출되기 전에 상기 건조 시스템(70)의 상기 배기를 공정할 수 있다. 예로서, 상기 배출 조절 장치(82)는 상기 배기 가스 기류로부터의 마이크론 미만의 크기의 고체 파티클 및 액체 방울의 제거를 가능하게 하기 위한 습식 전기 집진 장치(WESP)를 포함할 수 있다. 상기 배출 조절 장치(82)는 상기 배기 가스에 존재할 수 있는 기체 독소 및 휘발성 유기 화합물(VOCs)를 파괴하기 위해 재생 열 산화제(RTO)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, VOCs가 산화되는 약 1500℉로 상기 배기 가스를 가열하기 위해 천연 가스를 사용하는 RTO가 제공될 수 있다. 다른 구체예에서, 반탄화 배기가스는 상기 RTO의 가열에 사용될 수 있고, 그렇지 않으면 천연가스는 그러한 장치를 작동하는 데에 상당한 비용이 들기 때문에, 이는 상기 RTO의 작동 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
상기 건조 시스템(70)으로부터의 상기 배기 가스의 적어도 일부는 상기 회전 드럼(71)의 상기 주입구(74)를 향해 전송되거나 다시 회수되고, 상기 버너(76)로부터의 상기 가열된 가스 기류와 결합하여, 84로 라벨링 된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 상기 회전 드럼(71)로 연속적으로 공급되는 상기 바이오매스 파티클을 건조할 수 있다. 상기 반탄화 시스템(10)의 상기 열 교환기(60)의 상기 배출구로부터의 추가적인 가스는 역시, 85로 라벨링된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 환경으로의 방출에 앞선 세척 및/또는 상기 건조 시스템(70)으로 재유입을 위해 상기 건조 시스템(70)으로부터의 상기 배기가스와 결합할 수 있다.
도 2의 상기 설명된 구체예에 따르면, 상기 건조된 바이오매스 파티클(예를 들어, 건조된 나무 조각 및 알갱이)는, 86으로 라벨링 된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 독립 자재로서 상기 건조된 바이오매스 파티클의 연속적인 공정, 보관 또는 패키징을 위해 다른 위치로 전송될 수 있다. 상기 건조된 바이오매스 파티클의 부분 또는 전체 공급은 87로 라벨링 된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 연속적인 공정을 위해 상기 반탄화 시스템(10)으로 전송될 수 있다.
도 2로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 상기 건조 시스템(70)을 통해 생성되는 상기 건조된 바이오매스 파티클은 상기 반탄화 시스템(10)을 위한 인풋(input) 재료 역할을 할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 건조된 바이오매스 파티클은, 상기 반탄화 시스템(10)에 들어갈 때에 습윤중량 기준으로 수분함량 20퍼센트 미만의 평균 수분 함량을 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 건조된 바이오매스 파티클의 상기 평균 수분 함량은, 습윤중량 기준 약 수분함량 5퍼센트와 습윤중량 기준 약 수분함량 15 퍼센트 사이일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 상기 건조된 바이오매스 파티클의 평균 수분 함량은 습윤중량 기준 수분함량 20퍼센트 초과일 수 있다.
비록 상기 건조 시스템이, 본 발명의 권리자인 Teal Sales Incoporated에 의하여 디자인되고 판매되는 것과 같은 회전 드럼 타입 건조 시스템으로 설명되어 있지만, 본 발명의 구체예와 관련하여 다른 건조 시스템 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되고, 이는 예를 들어 회전 나사 및 컨베이어 베드 타입 운반 매커니즘을 갖는 가마(kiln)를 포함한다. 따라서, 본원에 설명된 상기 바이오매스 공정 시스템은 설명된 특정 건조 시스템에 제한되지 않으며, 광범위한 전통적인 건조 시스템을 포함할 수 있다.
도 2에 대한 계속된 참조로, 상기 열원(30)은 가스-가스 열 교환기(60)로 나타내어지며, 이는 88로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 상기 버너(76)로부터의 가열된 가스 기류를 수용하도록 설정된다. 상기 열 교환기(60)로 들어가는 상기 가열된 가스 기류는, 90으로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 상기 열 교환기(60)의 배출구로부터의 가스와 섞여, 상기 열 교환기(60)로 들어가는 상기 가열된 가스 기류의 주입구 온도를 조절할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 열 교환기로 들어가는 상기 가스 기류의 주입구 온도는 약 600℉ 및 약 1400℉ 사이일 수 있으며, 다른 구체예에서, 상기 열 교환기(60)로 들어가는 상기 가스 기류의 주입구 온도는 약 800℉ 및 약 1000℉ 사이일 수 있다. 상기 반탄화 시스템(10)의 상기 재순환 가스 기류는 상기 열 교환기(60)를 통과하며, 일부 구체예에 따르면, 적어도 500℉의 반응기 드럼 주입구 온도로 가열된다. 상기 반응기 드럼(12)을 통과한 다음, 상기 가열된 가스 기류는 적어도 400℉의 반응기 드럼 배출구 온도를 갖는다. 결과적으로, 작동 동안 상기 반탄화 반응기 드럼(12)을 통과한 상기 바이오매스 파티클은, 상기 반응기 드럼(12)의 전체 길이에 걸쳐 적어도 400℉의 온도를 갖는 가열된 가스 기류에 직접 보내진다. 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼 주입구 온도는 약 700℉±150℉이고 상기 반응기 드럼 배출구 온도는 약 500℉±100℉이다. 상기 가열된 가스 기류의 반응기 드럼 주입구 및 반응기 드럼 배출구 온도는, 작동 동안, 적합한 온도 센서로 모니터링 될 수 있고, 상기 반응기 드럼을 통해 온도 구배를 바람직한 수준으로 유지하기 위해 포괄적(generic) 또는 종속(cascaded) 조절 루프를 통해 조절될 수 있다.
상기 시스템 안으로 누출되는 상기 바이오매스 파티클로부터 분출된 탄화수소 화합물, 수증기 및 임의의 외기를 포함하는 상기 반탄화 공정으로부터의 배기 가스는, 일부 구체예에 따르면, 91로 라벨링 된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 연소를 위해 상기 버너(76)로 전송될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 배기 가스에 포함된 에너지는 상기 열 교환기(60)에서의 사용을 위해 열 전도 매질을 가열하기 위해 사용되어, 상기 반응기 드럼(12)을 통해 흐르는 상기 가열된 가스 기류(34)를 바람직한 상승된 주입구 온도로 유지시킬 수 있다. 다시 말해, 일부 구체예에서, 상기 반응기 드럼 주입구 온도는 약 700℉±150℉일 수 있고 상기 반응기 드럼 배출구 온도는 약 500℉±100℉일 수 있다. 상기 반응기 드럼의 온도 구배는 상기 반응기 드럼 주입구 온도를 설정하는 종속 조절 루프를 통해 조절될 수 있다. 상기 반응기 드럼 주입구 온도는, 예를 들어 상기 버너(76)으로부터 상기 열 교환기(60)으로 공급되는 가열된 가스의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 버너(76)는 나무껍질, 호그 연료(hogged fuel) 또는 상기 상기 열 교환기(60)를 통해 공급되는 상기 가스 기류(35)를 가열하기 위한 다른 연료를 태우도록 설정될 수 있다. 다시 말해, 상기 가스 기류(35)의 가열은, 91로 라벨링 된 화살표로 나타내어지는 바와 같이, 상기 반탄화 시스템으로부터의 배기 가스의 연소에 의해 보조될 수 있다.
도 3 내지 8은 앞서 설명된 상기 바이오매스 반탄화 시스템(10)과 유사한 다른 예시적 구체예에 따르는, 그러나 추가적인 구조적 상세 및 다른 예시적 열원(130)을 갖는 바이오매스 반탄화 시스템(110)을 설명한다. 상기 시스템(110)은 회전 수평축(116)에 대하여 회전하기 위한 구조적 틀(114)에 의해 지지되는 반응기 드럼(112)을 포함한다. 상기 반응기 드럼(112)은, 상기 반응기 드럼(112)의 회전을 선택적으로 조절하고 임의적으로 이의 속도를 조절하기 위한 조절 시스템과 전기적으로 연결되는 구동 모터(118)에 의해 구동된다. 상기 조절 시스템은 상기 시스템(110)을 선택적으로 조절하고 모니터링하기 위한 적합한 조절(스위치, 다이얼, 게이지 등)을 갖는 조절 패널(120)을 포함한다. 다른 게이지 및 조절(예를 들어 센서, 밸브 등)은 모니터링 및 조절 목적을 위해 이격되어 위치되고 상기 시스템의 특수 요소에 연결될 수 있다.
상기 시스템(110)은 124로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 공정 될 바이오매스 파티클을 수용할 슈트의 형식을 한 주입구(122)를 더 포함한다. 임의적인 불활성 또는 반-불활성 가스 퍼징 또는 유사한 장치를 갖는 에어락 또는 듀얼 에어락(126)은, 바이오매스 파티클이 주입될 때에 상기 시스템(110)에 산소가 들어가는 것을 실질적으로 방지하기 위해 상기 주입구(122)에 연결된다. 상기 바이오매스 파티클은 컨베이어 또는 다른 전통적인 재료 운반 매커니즘을 통해 상기 주입구(122)에 공급될 수 있다. 바이오매스 파티클의 유입 속도는 상기 산출되는 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 최적화 또는 조절 하기 위해 모니터링 및 조절될 수 있다. 계단(128) 또는 다른 접근 장치는 사용자가 모니터링, 유지 및 다른 목적으로 상기 주입구(122) 및 상기 시스템(110)의 다른 요소에 접근하기 위해 제공될 수 있다.
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시스템(110)은 또한 팬 장치(132)에 의해 시스템(110)내에 생성되는 가스 기류에 열을 공급하기 위해 상기 반응기 드럼(112)의 상류로 가는 경향이 있는 열원(130)을 포함할 수 있고, 이는 예를 들어, 유인 환풍 팬 장치 또는 강제 통풍 팬 장치일 수 있다. 상기 팬 장치(132)는 드라이브 모터에 의해 구동되어 반응기 드럼(112) 를 통해 가스를 끌어당기거나 끌어내고, 재순환 방식으로 반응기 드럼(112)에 공급되어 재가열 되기 위해 순환되어 다시 열원(130)으로 돌아갈 수 있다. 가스 관(136)은 상기 목적을 위해 적당한 크기로 적어도 반응기 드럼(112), 열원(130) 및 팬 장치(132)에 연결될 수 있다.
반응기 드럼(112)의 하류 말단에는, 반응기 드럼(112)에서 파티클이 방출될 때 가스 기류로부터 반탄화된 바이오매스 파티클을 분리하기 위해 분리 호퍼(138)가 제공될 수 있다. 상기 파티클들은 그 다음 기계적으로 및/또는 중력하에, 연속적 사용 또는 패키징을 위한 수집을 위해 배출구(140)로 향할 수 있다. 에어락 장치(142)는 반탄화된 파티클을 빼냄으로써 상기 시스템(110)에 산소가 침투하는 것을 실질적으로 막기 위해, 상기 배출구(140)와 연결될 수 있다. 분리 호퍼(138)를 통과하는 보다 작은 파티클 및 가루는, 예를 들어 저기압 타입 여과 장치와 같은 여과 장치(144)에 의해 가스 기류로부터 걸러지고 제거될 수 있다. 또 다른 에어락 장치(146)는 시스템(110)에 상당한 양의 산소 도입 없이 상기 시스템(110)으로부터 여과된 재료를 제거하기 위해 제2 배출구(148)와 연결될 수 있다. 일부 구체예에서, 반응기 드럼(112)을 통과하는 가스 기류로부터 반탄화된 바이오매스 파티클을 분리 및/또는 여과하기 위해 상기 시스템(110)은 호퍼(138)의 위치에 저기압 타입 여과 장치를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 시스템(110)으로부터 반탄화된 바이오매스 파티클을 방출하기 위해 상기 시스템(110)은 하나 이상의 공기 방출 장치(나타나 있지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 상기 가스 기류는 반응기 드럼(112)을 통해 끌어당겨지거나 끌어내얼질 수 있고, 상기 팬 장치(132)의 영향 하에 열원(130)(반탄화된 파티클, 가루 및 모든 잔해를 분리한 후)으로 되돌아올 수 있다. 가스의 상당히 많은 양이 반응기 드럼(112)으로 재순환되는 동안, 일부 가스는 배기통(150)으로 갈 수 있다. 상기 배기통(150)을 통한 가스는 상기 공정 또는 예를 들어, 연료를 사용하여 열을 생산하는 것과 같은 다른 공정이 이루어지는 곳에서 사용되기 위해, 재포착될 수 있다. 상기 배기통(150)은 약간 부압에서 약간 정압으로 반응기 드럼(112) 내의 압력을 맞추는 데 사용될 수 있는 가변 위치 환기구(152)를 포함할 수 있다. 상기 셋팅에 따라, 이는 상기 시스템(110)으로 들어오는 산소를 막는데 사용될 수 있다.
반응기 드럼(112)의 보다 상세한 사항은 도 7 및 8에 기술한다. 상기 상술한 구체예에서 나타난 바와 같이, 반응기 드럼(112)은 다수의 롤러(160) 상의 수평 배치에 의해 지지될 수 있다. 상기 롤러(160)는 드럼(112)의 둘레에 매어진 베어링 트랙(162)를 따라 상기 드럼(112)과 접촉한다. 상기 드럼(112)의 지름은 3, 4, 5 피트 이상이고, 시간당 50톤 이상의 반탄화된 바이오매스 파티클을 받고, 처리할 수 있도록 설정될 수 있다.
드라이브 모터(118)는 드라이브 벨트 또는 체인(164)와 연결될 수 있고, 조절 시스템을 통하여, 예를 들어, 3 rpm 이상 또는 이하의 다양한 속도에서 상기 드럼(112)을 선택적으로 회전시킴을 통해 조절시킬 수 있다. 고정밀 실(seal)(166)은 시스템 내부로 산소가 침투되는 것을 방지하기 위해 회전하는 드럼(112) 및 고정된 구성 사이에 위치할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 상기 실(166) 및 시스템의 다른 특징들은 상당한 밀폐 용기를 만들어 내어 낮은 산소 농도를 유지한 상태에서 가스 기류를 유지하는 것이 가능할 수 있다.
상기 반응기 드럼(112) 내에, 이의 세로 길이를 따라 각각 드럼의 둘레에 위치하는 많은 리프팅 플라이트(170) 가 있다. 상기 리프팅 플라이트(170)의 밀도는 시스템(110)의 다양한 요구에 알맞게 정해질 수 있고, 예를 들어, 반응기 드럼(112)의 회전 속도, 시스템(110)으로의 재료 공급 속도, 팬 장치(132)의 속도 또는 반응기 드럼(112)를 통과하는 가열된 기체 흐름의 강도와 같은, 수많은 밀접한 요인에 따라 결정될 수 있다. 상기 플라이트(170)는 화살표(172)에 의해 표시되는 반응기 드럼(112)을 회전시킴으로써 바이오매스 파티클을 들어올리고, 그 다음 바이오매스 파티클을 상기 가스 기류로 보내어 샤워시켜 가스 기류의 운동 에너지에 의해 일시적으로 멈추어서 반응기 드럼(112)을 따라 운반되고 동시에 반탄화 되도록 설정된다. 이는, 바이오매스 파티클을 위한 상기 운반 메커니즘이 상기 파티클에 직접적인 열을 전달하기 위한 고효율적인 매질을 제공한다는 점에서 이롭다. 따라서, 많은 양의 바이오매스 파티클이 감소된 에너지 요구로 시스템에 의해 공정될 수 있다. 추가적으로, 반탄화된 바이오매스 파티클의 처리량 또는 속도(톤/시간)는 전체적으로 비슷한 크기의 전통적인 반탄화 시스템과 비교하여, 상대적으로 더 나을 수 있다.
상기 바이오매스 파티클은 일정 기간 동안 상기 드럼(112)에 존재하고, 그 후 후속 처리를 위해 분리 호퍼(138) 또는 다른 분리장치로 방출되어 화살표(174)로 표시되는 경로로 전송된다. 가스 기류의 지배적이고 상당한 양은 176으로 라벨링 된 화살표로 표시되는 방향으로 전송되어 재순환되고, 178로 라벨링 된 화살표에 의해 표시되는 바와 같이 가열되어, 반응기 드럼(112)으로 재유입된다.
따라서, 상기 시스템(110)은 바이오매스 파티클을 반탄화 시키기 좋은 반탄화 시스템(110) 내부의 낮은 산소 농도를 유지시키기 위해 에어락(126)을 통해 회전하는 반응기 드럼(112)으로의 바이오매스 파티클의 유입을 포함하는 연속적인 반탄화 공정을 가능하게 한다. 상기 파티클은 관(136)에 의해 드럼(112)의 배출구와 연결되는 팬 장치(132)를 거쳐 강력 통풍의 유도 통풍의 생성으로 발생하는 가열된 가스 기류의 운동 에너지에 의해 상기 드럼(112)을 통해 전달될 수 있다. 또한, 드럼(112)의 상류에는, 예를 들어, 전자 담금-타입 관 가열기(도 3) 또는 가스-가스 열 교환기(도 1)와 같은 열원(130)이 위치할 수 있다. 상기 팬 장치(132)는 열원(130)을 가로질러 또는 통하여 그리고 상기 드럼(112)을 통해 가스를 끌어당기거나 끌어낸다. 상기 공정의 실현가능성의 장점은 상기 드럼(112)을 빠져나간 가스를 재가열을 위해 열원(130)으로 재순환하는 것이다. 또한, 상기 공정의 실현가능성의 장점은, 다른 곳에서 더 설명하는 바와 같이, 낮은 산소 환경에서 가스 기류가 지속적으로 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼(112)을 통해 간헐적으로 운반함으로 인해 직접 바이오매스 파티클을 가열하는 가열된 가스 기류의 능력이다. 가열(수증기 포함)로 인해 바이오매스 파티클에서 발생한 가스의 총합과 실질적으로 동일한 양인 시스템(110)(외부 환경 또는 관련된 또는 관련되지 않은 공정 요소이든)으로부터 방출된 가스의 임의의 흐름 및 상기 시스템(110)에 들어갈 수 있는 임의의 노출 또한 물론 존재한다.
드럼(112)의 내부는 드럼(112)의 회전에 따라 파티클을 들어올리거나 샤워시키는 특화된 리프팅- 및 원거리 제어 플라이트(170)를 포함하고, 그로 인하여 파티클을 가열된 가스 기류에 노출시켜 파티클 내 증발을 통해 수분을 공급한다. 상기 드럼(112) 내 파티클이 샤워 함에 따라 상기 드럼(112) 내의 유동 가스는 이들을 다음 단계로 전달될 수 있게 한다. 일반적으로 드럼(112)의 길이를 따른 통과할 수 있는 파티클의 충분한 진행을 제공하기 위해 상당수의 드럼(112)의 회전이 필요하다. 상기 드럼(112) 내 샤워 및 전달 공정은 또한 파티클을 분류한다. 가볍고 작은 파티클들은 무겁고 큰 파티클보다 드럼(112)을 빨리 통과한다. 이는 큰 파티클을 상대적으로 긴 체류 시간 동안 드럼(112)내에 머무를 수 있도록 하고, 보다 고른 최종 생성물을 생성한다(예, 크고 작은 파티클들은 질량과 부피에 차이가 있음에도 불구하고 비슷한 최종 특징을 가지기 위해 함께 처리될 수 있다). 예를 들어, 일부 구체예에서, 반탄화된 바이오매스 파티클의 특정 구동 내에서 파티클 크기는 10, 20 또는 30 퍼센트 변화할 수 있고, 이때 파티클의 에너지 밀도 및 수분 특성은 파티클 크기와 무관하게 상대적으로 일관되게 유지된다. 일부 구체예에서, 상기 플라이트(170)는 위치에 대하여 변할 수 있고/거나, 다른 구체예에서, 플라이트 밀도는 상기 반응기 드럼(112) 내 바이오매스 파티클의 체류시간에 영향을 줄 수 있다
바이오매스 파티클을 반탄화 하기 위해 상기 시스템(110)을 사용할 때, 열원(130)은 상기 시스템(110) 내 재순환 가스 시스템에 열을 공급한다. 재순환 가스 시스템 내의 상기 가열된 가스 기류는 결국 바이오매스 파티클을 상기 시스템(110)을 통하여 운반함에 따라 직접 가열할 수 있다. 상기 방식으로, 가열된 가스 기류는 바이오매스 파티클을 직접 가열함과 동시에 운반할 수 있다. 이는, 상기 바이오매스 파티클의 운반 매커니즘이 상기 파티클에 직접 열을 전달하기 위해 고효율 수단을 제공한다는 점에서 장점이다. 따라서, 많은 양의 바이오매스 파티클이 감소된 에너지 요구로 처리될 수 있다. 게다가 반탄화된 바이오매스 파티클(톤/시간)의 처리량 또는 속도는 일반적으로 비슷한 크기의 전통적인 반탄화 시스템과 비교하여, 상대적으로 더 나을 수 있다. 이는 본원에 기술된 시스템이 특별히 상업화 가능한 방식의 수단이 될 수 있게 한다.
열원(130)의 요소는 임의의 쉽게 이용가능한 에너지원에 의하여 열을 공급할 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어, 직접 가열은 전기소자(예, 전기 담금-타입 관 히터(130))에 의해 가스 기류에 적용될 수 있다. 다른 구체예에서, 열은 연소기 및/또는 폐열 시스템과 연결되어 있는(예, 도 1 및 2의 버너(76)) 가스-가스 열 교환기(60)를 통해 가스 기류에 제공될 수 있다(도 1 및 2). 또 다른 구체예에서, 저산소 버너는 시스템(110) 내 산소 농도를 현저하게 증가시킴 없이 가스 기류를 가열하기 위해 직접적으로 시스템(110) 내에 보내질 수 있다. 일부 구체예에서, 배기통(150)으로부터 나온 배기된 가스는 가열 연료 가열 공정의 일부로서 사용될 수 있다. 열원(130)과 무관하게, 매우 적은 양의 추가적인 산소가 상기 공정의 가열 동안 시스템(110)에 첨가될 수 있다.
반탄화 시스템 및 처리는 처리 속도, 열원 및 요구되는 체류 시간과 함께 요구되는 에너지인 열 및 에너지 균형을 기반으로 한다. 본원에서 기술된 반탄화 시스템 및 방법의 일 예는, 다양한 산업의 요구에 부응하도록 손쉽게 확장가능한 상기 요소 및 제공된 시스템 및 방법에 특히 잘 알맞게 조작 및 조절할 수 있다.
예를 들어, 드럼(112) 내 파티클의 체류시간은 다양한 디자인 및 처리 요인에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 팬 장치(132)의 속도 및 크기는 상기 드럼(112) 내 순환하는 가열된 가스의 속력에 맞추어 선택될 수 있다. 게다가, 상기 가열된 가스 기류의 속도 및 부피는 또한 상기 팬 장치(132)의 팬 주입구 흡기구에 의해 조절될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 드럼(112)의 회전 속도는 상기 드럼(112) 내 리프팅 및 샤워링 효과의 속도에 의해 높거나 낮게 조정되도록 할 수 있으므로, 파티클이 정지할 수 있는 대략의 시간을 생성할 수 있다. 나아가, 상기 플라이트(170)은 넓은 범위의 회전 속도로 작동될 수 있도록 할 수 있기 때문에, 상기 드럼(112) 회전 속도는 체류시간을 조정하기 위해 선택적으로 적당한 조절(가변 속도 드라이브 모터와 같은)에 의해 조정될 수 있다. 또한, 드럼(112) 내 플라이트(170)의 밀도는, 원래의 짧거나 긴 체류시간 각각 정하여 제공하는 드럼(112) 내 기류 조건을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 나아가, 플라이트(170)의 크기 및 형상은 처리된 재료의 요구를 충족하고 대략의 확연한 샤워링 효과를 형성하도록 바뀔 수 있고, 이에 따라 드럼(112) 내 체류시간에 영향을 줄 수 있다.
일부 구체예에서, 플라이트(170)는 상기 드럼(112) 내에 특정한 밀도 및 배열로 고정되어 산출된 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 최적화 또는 조절할 수 있다. 또한 상기 드럼(112)의 길이는 약간의 체류시간을 정하기 위해 최초의 디자인을 바꿀 수 있다. 추가적으로, 파티클 로딩 조건은 드럼(112) 내 가스 기류에 약간의 저항을 발생시키도록 변화하여, 체류 시간에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 상대적으로 큰 바이오매스의 체적유량은 상기 드럼(112) 내를 혼잡하게 할 수 있고, 상기 드럼(112)을 통한 파티클의 진행을 느리게 할 수 있다. 반대로, 상대적으로 작은 바이오매스 파티클의 체적유량은 드럼 내(112) 혼잡을 감소시킬 수 있고, 드럼(112)을 통한 바이오매스 파티클의 진행을 빠르게 할 수 있다.
드럼(112) 내 산소 농도는 다양한 디자인 및 공정 요인에 의해 또한 조절될 수 있다. 예를 들어, 파티클 주입구의 기계적 디자인은 예를 들어, 에어락, 가스-퍼지 더블 에어락, 나사 메커니즘 등을 포함하여, 산소 유입을 막을 수 있는 서로 다른 능력을 가지는 각 메커니즘과 함께 선택될 수 있다. 바람직하게는, 파티클와 함께 시스템(110) 내 유입되는 산소량은 최소화되어 있으나, 파티클 사이즈 및/또는 공정된 바이오매스의 목적하는 생성속도에 따라 다양하게 디자인될 수 있다. 게다가, 파티클의 유입 수분 함유량은 산소 농도를 조절하기 위해 다양하게 변화시킬 수 있다. 공정 동안, 증발된 수분은 상기 시스템(11) 내에서 부분적으로 산소를 대체하고, 이로 인해 수분 함량은 알맞은 생성물 요구에 따라 변화될 수 있다(예, 보다 낮은 최초 수분은 파티클 반탄화를 위해 낮은 에너지를 요구함을 의미하고, 보다 많은 최초 수분은 시스템 내 낮은 산소 농도를 유발한다). 나아가, 휘발성 물질로서 시스템으로의 가스의 순 첨가가 이루어지고, 파티클로부터 수분이 증발된다는 것이 인식된다. 상기에서 상술한 바와 같이, 상기 초과 가스는 시스템(110)으로부터 배기통(150)을 거쳐 배기될 수 있고, 일부 구체예에 따라, 상기 처리 또는 예를 들어, 연료를 이용한 열의 생성과 같은 다른 처리에서 사용되기 위해 재포획될 수 있다. 상기 배기통(150)은 약간 부압에서 약간 정압으로 반응기 드럼(112) 내의 압력 균형을 맞추는 데 사용될 수 있는 가변 위치 환기구(152)를 포함할 수 있다. 상기 환기구(152)의 셋팅에 따라, 이는 상기 시스템(110)으로 들어오는 산소를 막는데 사용될 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 기술된 다양한 작동 파라미터 뿐 아니라 다수의 다른 작동 파라미터들은 작동하는 동안(수동으로 또는 자동으로)조정될 수 있다. 다른 구체예에서, 작동 파라미터들은 작동에 앞서 설정될 수 있다. 특정 제어 장치에 무관하게, 본원에 기술된 시스템의 다양한 파라미터를 독립적으로 조절할 수 있는 능력은, 예를 들어 공정 되기 위해 선택된 반탄화된 바이오매스 파티클의 수분함량, 및 변화할 수 있는 산출된 반탄화 바이오매스 파티클의 목적하는 에너지 밀도와 같은 변화하는 조건에 적용가능한, 특별히 다목적화된 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법을 제공한다.
상기 시스템(110)은 고정된 연결부, 다른 약한 누출 연결부 및 시스템(110) 내 낮은 산소 농도를 유지하는 밀폐용기를 특별히 제공하는 구성요소가 회전하는 위치에 정밀 실(166)을 갖추고 있을 수 있다.
도 9 내지 11은 회전 접속기 에서의 반응기 드럼(212)으로의 주변 환경의 산소 유입을 실질적으로 감소시키는 데 사용될 수 있는 정밀 실 조합(266)의 일 예시적 구체예를 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 실 조합(266)은 상기 언급한 조합으로 회전하기 위해 반응기 드럼(212)의 플랜지(268)와 연결되어 있는 단단한 플랜지 구조(270)를 포함할 수 있다. 상기 플랜지 구조(270)는 F흐름 방향에 대해 드럼(212)의 상류에 위치한 고정 플랜지 구조(272)를 향해 연장될 수 있다. 고정 플랜지 구조(272) 및 회전하는 플랜지 구조(270) 사이의 갭 또는 공간은 실 구성(274)에 의해 내부 챔버(276)을 정하기 위해 연결될 수 있다. 상기 내부 챔버(276)는 실 조합(266)의 외부환경 및 반응기 드럼(212)의 내부환경 간의 불활성 또는 반-불활성 가스 운반기를 유지하기 위해 불활성 또는 반-불활성 가스와 함께 일시적으로 퍼지될 수 있다.
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상기 실 요소(274)는 내부 보강제를 포함하여, 상기 드럼(212)이 작동 동안 상기 회전 축(216)에 대하여 회전함에 따라 회전하는 플랜지(flange) 구조(270)과 접촉하는 실링(sealing)의 실 요소(seal element)(274)를 유지하기에 충분한 견고성을 제공할 수 있다. 추가적인 바이어스(biasing) 요소(280) 또한 제공되어, 하나 이상의 상기 실 요소(274)의 상기 회전하는 플랜지 구조(270)와의 강한 접촉을 촉구할 수 있다. 상기 설명된 구체예에서, 상기 바이어스 요소(280)는, 상기 반응기 드럼(212)의 상류에 위치한 정지된 플랜지 구조(272)로부터 회전하는 플랜지 구조(270) 중의 하나 위에 가로누운 실 요소(274)로 연장되는 스프링 요소와 겹치는 것으로 나타내어진다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 실 요소(274)는, 작동 동안에 상기 반응기 드럼(212) 및 플랜지 구조(270)가 R 방향으로 회전함에 따라 상기 실 요소(274)의 닳음을 방지하기 위한 방식으로 이어 붙여진다.
비록 각 플랜지 구조(270, 272)가 L 형태의 구조 부재로 설명되어 있지만, 상기 플랜지 구조(270, 272)의 크기 및 형태는 상당히 다양할 수 있다는 것이 이해된다. 그러나, 크기 및 형태와 무관하게, 일부 구체예에 따르면, 필요에 따라(예를 들어 시스템 스타트업, 셧다운 또는 고장상태 동안에) 불활성 또는 반-불활성 가스로 선택적으로 퍼지(purge) 되어 일정하게 낮은 산소 수준의 상기 반응기 드럼(212) 내부의 상기 내부 환경의 유지를 보조할 수 있는, 격리된 내부 챔버(276)를 제공하는 것은 이롭다. 추가적으로, 상기 밀폐 조립(266)의 상기 요소의 크기, 형태 및 설정과 무관하게, 여분의 밀폐 인터페이스는 상기 내부 환경으로의 누출의 최소화를 돕는데 이롭다.
다른 실 및 실링 장치(예를 들어 에어락 또는 듀얼 에어락)는, 예를 들어 바이오매스 파티클 주입구 및 배출구와 같은 상기 시스템의 다른 잠재적인 누출 지점에 제공될 수 있다는 것이 더 이해된다. 추가적으로, 실질적으로 밀폐된 챔버는 또한 상기 반탄화 시스템 및 상기 외부 환경 사이의 이들 위치에 형성될 수 있다. 상기 챔버는, 예를 들어 시스템 스타트업, 셧다운 또는 고장상태 동안과 같은 경우 불활성 또는 반-불활성 가스로 상기 챔버의 간헐적 퍼징을 위해 불활성 또는 반-불활성 가스 소스에 연결될 수 있다. 상기 챔버를 퍼징하는 것은, 상기 반탄화 시스템의 상기 재순환 가스에 주위 환경으로부터 산소가 전혀 혹은 거의 침투하지 않는다는 것을 유리하게 확신시켜 준다. 일부 구체예에서, 상기 시스템은 듀얼 인피드(infeed) 및 체거 에어락을 구비할 수 있고, 이들은 상기 에어락 사이에 가능하게 된 불활성 또는 반-불활성 가스 퍼징과 연속하여 배열된다.
작동 안전을 증강시키기 위하여, 다양한 안전 장치들이 상기 반탄화 시스템에 또한 혼입될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은, 잠재적으로 장비 손상을 야기할 수 잇는 충분한 강도의 작은 폭발 또는 폭연이 발생할 경우 파열하거나 열릴 수 있는 환기구를 구비할 수 있다. 다른 예로서, 예를 들어 오리건, 타이거드(Tigard)에 본사를 둔 GreCon, Inc.에 의해 판매되는 스파크 검출 및 소화 시스템 및 요소들과 같은, 스파크 검출 및 소화 시스템 또한 상기 반탄화 시스템에 통합될 수 있다. 추가적으로, 시스템 작동 특성은, 예를 들어, 다양한 센서들(예를 들어 온도, 압력, 산소 등)에 의해 모니터되고, 수득 된 작동 데이터는 안전을 증강하거나 상기 반탄화 공정을 최적화하기 위한 필요에 따라 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 실시간 질량 분석기(real time mass spectroscopy) 또한 안전을 증강하거나 상기 반탄화 공정을 최적화하기 위한 필요에 따라, 상기 가스 기류의 화합물을 확인하고 상기 시스템을 조정 또는 조절하기 위해 사용될 수 있다.
일부 구체예에서, (94로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같은) 상기 반응기 드럼(12)의 배기 가스 또는 다른 연료 또는 열원을 연료로 쓰는 스팀 설비(93)(도 2)의 별도의 보일러로부터의 스팀은, 상기 공정의 산소를 더 조절하기 위해서 또는 안전 소화 및 냉각 기류로서 상기 시스템(10)으로 주입될 수 있고(95로 라벨링 된 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이), 또한 상기 공정에서 불활성 또는 반-불활성 퍼지 가스로서 사용될 수 있다. 추가적으로, 상기 반응기 드럼(12)을 통과하는 상기 공정 가스의 일부로서 스팀을 사용하는 것은 상기 바이오매스 파티클로의 열 전도를 역시 개선할 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 보일러는 상기 반응기 드럼(12)에 연결된 배관 구조(96)에 의해 거기에 전송된 배기 가스에 의해 가열될 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 보일러는 상기 버너(76) 또는 다른 열원에 의해 가열될 수 있다. 일부 구체예에서, 고장 상태에 있어, 스팀은 소화 및 냉각 목적을 위한 충분한 양으로 상기 반응기 드럼(12) 내로 유입될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 반탄화 시스템(10)의 작동 안전은 증대될 수 있다.
전체적으로, 열, 체류시간 및 산소수준이 조절되는 상기 공정을 앎으로써, 그리고 본원에 개시된 최초 디자인 및 많은 공정 변수에 대하여 유연성을 가짐으로써, 상기 바이오매스 반탄화 시스템 및 방법의 구체예는, 다양한 로컬 조건에서 다양한 바이오매스 공급원료를 수용하도록, 그리고 일관된 반탄화 결과를 달성하기 위해 필요한 상기 유연성 및 조절을 제공하도록 설정될 수 있다. 일부 구체예에서, 예를 들어, 상기 반탄화 시스템 및 방법은, 시간당 1톤의 반탄화된 바이오매스 파티클의 최소 속도로 나무 조각 형태의 바이오매스 파티클을 반탄화하도록 설정될 수 있고, 산출된 반탄화된 바이오매스 파티클을 적어도 20 GJ/톤의 에너지 밀도를 갖는다.
본원에 개시된 상기 반탄화 시스템 및 방법은 전통적인 반탄화 시스템, 특히, 용광로, 가마 또는 다른 유사한 장치 내의 바이오매스 파티클의 배치(batch) 공정을 요구하는 배치 시스템 및 방법에 비하여 많은 이점을 갖는 계속적인 반탄화 공정을 제공하기에 특히 적합하다. 본원에 개시된 상기 반탄화 시스템 및 방법의 연속적인 성격은, 다른 것들 중에서도, 상대적으로 높은 생산 속도를 가능하게 한다. 추가적으로, 상기 시스템 및 방법과 함께 공정될 수 있는 바이오매스 파티클의 효율은, 상대적으로 낮은 에너지 수요에서 높은 재료 처리량을 가능하게 한다.
비록 본원에 개시된 상기 반탄화 시스템 및 방법의 구체예는 수평적으로 나열된 회전의 축에 대하여 회전하는 반응기 드럼을 포함하는 것으로 상기 도면에 설명되지만, 일부 구체예에서, 회전의 축은 기울어질 수 있다. 그러한 구체예에서, 상기 반응기 드럼을 통해 상기 바이오매스 파티클을 운반하는데에 있어 중력은 상당한 역할을 할 수 있다. 추가적으로, 비록 상기 반탄화 시스템 및 방법이 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스를 수반하여 상기 바이오매스 파티클을 나르거나 운반하면서 동시에 그들을 반탄화하기 위해 상기 바이오매스 파티클에 열을 전도하는 것으로 본원에 개시되어 있지만, 일부 구체예에서 상기 바이오매스 파티클은 대안적인 매커니즘(예를 들어, 중력, 나사 장치, 컨베이어 장치 등)에 의해 운반될 수 있고, 상기 바이오매스 파티클을 반탄화 하기 위해 상기 반응기 드럼 내의 역류하는 가열된 가스 기류로 보내짐이 이해된다.
더 나아가, 상기에 개시된 상기 다양한 구체예는 추가적인 구체예를 제공하기 위해 결합될 수 있다. 상기 상세한 설명에 비추어 상기 구체예에 대하여 이들 및 다른 변화들이 가해질 수 있다. 전반적으로, 다음의 청구항에서, 사용된 용어는 상기 명세서 및 상기 청구항에 개시된 특정 구체예로 상기 청구항을 제한하는 것으로 간주되어서는 아니되며, 그러한 청구항이 권리를 받을 수 있는 동등의 전체 범위와 함께 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것으로 간주되어야한다.

Claims (46)

  1. 바이오매스 반탄화 시스템으로서, 상기 시스템은,
    반탄화 바이오매스 파티클을 수용하기 위한 주입구;
    회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 반응기 드럼, 여기서 상기 반응기 드럼은 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 복수의 위치에 배치된 복수의 플라이트(flight)를 갖는 상기 반응기 드럼;
    상기 시스템에 함유된 가스를, 상기 바이오매스 파티클을 작동(operation) 동안 반탄화하기에 적합한 온도로 가열하기 위한 반응기 드럼 상류의 열원;
    상기 시스템의 작동시, 상기 반응기 드럼이 회전함에 따라 상기 바이오매스 파티클이 상기 플라이트에 의해 들어올려지고 가열된 가스 기류를 통해 샤워될 때, 상기 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 간헐적으로 운반하기에 충분하도록 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스 기류를 생성하기 위한, 상기 시스템에 연결된 팬(fan) 장치; 및
    상기 반응기 드럼에서 방출되는 가스의 적어도 일부를 상기 열원으로 재순환시켜 상기 가스를 재가열하여 상기 반응기 드럼으로 재도입시키기 위한, 적어도 상기 반응기 드럼, 상기 열원 및 상기 팬 장치에 연결된 가스관
    을 포함하는 바이오매스 반탄화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 기류가 상기 반응기 드럼을 통해 상기 바이오매스 파티클을 간헐적으로 운반할 때, 상기 가열된 가스 기류는 상기 바이오매스 파티클을 직접적으로 가열하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 플라이트는, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 바이오매스 파티클의 이동을 조절하도록 구성됨으로써, 상기 반응기 드럼 내에서의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간에 영향을 주는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 플라이트는, 상기 반응기 드럼의 내부 둘레를 따라 규칙적 또는 불규칙적 간격으로 위치하고, 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 적어도 3개 위치에 위치하는 플라이트를 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 플라이트는 상기 가열된 가스 기류와 상호작동하여, 유사한 크기의 파티클에 대하여 상대적으로 밀도가 큰 파티클을 상기 반응기 드럼을 통해 보다 느리게 이동하게 함으로써, 파티클 밀도에 따라 상기 바이오매스 파티클을 분류하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 드럼으로부터 방출되는 반탄화된 바이오매스 파티클을 수집하고 상기 반탄화된 바이오매스 파티클을 상기 시스템으로부터 방출하기 위한, 상기 반응기 드럼 하류에 위치된 호퍼(hopper)를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스템으로부터의 배기가스를 없애기 위한 배관(ducting);
    조절 밸브; 및
    완충기
    를 더 포함하고,
    여기서 상기 조절 밸브 및 완충기는 상기 시스템 내의 압력 수준을 조절하여, 상기 시스템으로의 산소의 침투를 방지하면서 배기가스를 상기 시스템으로부터 빠져나가게 하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    보조 또는 추가 공정에서의 배기가스의 사용을 위해 상기 시스템으로부터 이격된 장치로 배기가스를 전송하는 배관을 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 이격된 장치는, 상기 배기가스를 활용하여, 작동하는 동안에 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가스에 열 교환기를 통해 열을 공급하는 가열된 매질을 발생시키도록 구성된 버너인, 바이오매스 반탄화 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    바이오매스 파티클을 수용할 때에 상기 시스템으로 들어가는 산소의 양을 제한하기 위해 상기 주입구 및 상기 반응기 드럼 사이에 연결된 적어도 하나의 에어락(airlock); 및
    상기 반응기 드럼과 인접 구조들 사이의 적어도 하나의 밀폐 장치
    를 더 포함하고,
    여기서 상기 밀폐 장치는 상기 반응기 드럼과 외부 환경 사이의 챔버(chamber)를 포함하며, 상기 밀폐 장치는 작동 동안 상기 챔버의 선택적 퍼징(purging)을 위해 불활성 또는 반-불활성 기체 소스와 연결되는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 열원은, 상기 반응기 드럼의 상류에 위치된 전기 담금-타입 관 히터인, 바이오매스 반탄화 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열원은 상기 반응기 드럼의 상류에 배치된 열 교환기이고,
    여기서 상기 열 교환기는, 작동 동안에 상기 반응기 드럼으로부터 분리되는 가열된 가스로부터의 열을 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가스에 전달하도록 구성되는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 열원은, 작동 동안에 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가스를 직접 가열하도록 배치된 저 산소 버너인, 바이오매스 반탄화 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내로 스팀을 유입시키고 상기 바이오매스 파티클의 반탄화를 보조하기 위해, 상기 반응기 드럼에 연결되는 스팀 설비(steam plant)를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 팬 장치의 속도를 선택적으로 조절하여 상기 시스템을 통과하는 가스 흐름의 속도를 조절하도록 구성되는 조절 시스템을 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 드럼의 회전 속도를 선택적으로 조절하여 상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 조절하도록 구성되는 조절 시스템을 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스템을 통과하는 가스 흐름의 온도를 선택적으로 조절하도록 구성되는 조절 시스템을 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    부피, 속도 및/또는 압력을 포함하는, 상기 시스템을 통과하는 가스 흐름의 파라미터를 선택적으로 조절하도록 구성되는 조절 시스템을 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오매스 파티클의 반탄화 공정을 조절하기 위해 복수의 작동 파라미터를 독립적으로 조절하도록 구성되는 조절 시스템을 더 포함하고,
    여기서 상기 작동 파라미터는, 반응기 주입구 온도, 반응기 배출구 온도, 평균 체류 시간, 상기 가열된 가스 기류의 산소 함량 및 가스 흐름 특성 중의 적어도 하나를 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 조절 시스템은 상기 작동 파라미터의 적어도 일부를 모니터링하기 위한 센서를 포함하고,
    상기 조절 시스템은, 상기 반탄화 공정을 최적화하기 위해, 또는, 생성되는 반탄화된 바이오매스 파티클의 특성을 조절하기 위해, 작동 동안에, 연속적으로 또는 간헐적으로 상기 작동 파라미터들 중의 적어도 일부를 조절하도록 구성되는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 드럼은 적어도 5피트의 지름을 가지며, 상기 시스템은 시간당 1톤의 반탄화된 바이오매스 파티클의 최소 속도로 바이오매스 파티클을 반탄화하도록 구성되고,
    여기서 상기 반탄화된 바이오매스 파티클은 적어도 20GJ/톤의 에너지 밀도를 갖는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내의 폭연(deflagration)시 상기 시스템을 외부 환경에 노출시키는 적어도 하나의 환기구를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 시스템.
  23. 바이오매스 반탄화 방법으로서, 상기 방법은,
    회전축을 중심으로 반응기 드럼을 회전시키는 단계, 여기서 상기 반응기 드럼은 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 각각의 복수의 위치에 배치된 복수의 플라이트를 갖고;
    상기 반응기 드럼이 회전함에 따라 상기 바이오매스 파티클이 상기 플라이트에 의해 들어올려지고 가열된 가스 기류를 통해 샤워될 때, 상기 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 간헐적으로 운반하고, 동시에 상기 바이오매스 파티클을 반탄화하기에 충분하도록 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스 기류를 발생시키는 단계; 및
    상기 반응기 드럼으로부터 배출되는 가스의 상당한 부분을, 상기 반응기 드럼 내의 바이오매스 파티클을 반탄화하기 위한 하나 이상의 가스 관을 통해 상기 반응기 드럼의 주입구로 재순환시키는 단계
    를 포함하는 바이오매스 반탄화 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    생성된 반탄화 바이오매스 파티클의 특성을 조절하기 위해 복수의 작동 파라미터 중 적어도 일부를 선택적으로 변화시키는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 작동 파라미터는, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 속도, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 체적 유속, 상기 반응기를 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 온도, 상기 반응기 드럼 내의 압력 수준, 상기 반응기 드럼의 회전 속도, 상기 가열된 가스 기류의 산소 함량, 상기 바이오매스 파티클의 수분 함량 및 상기 반응기 드럼으로의 상기 바이오매스 파티클의 유입 속도 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 선택적으로 변화시키는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내의 상기 바이오매스 파티클의 체류 시간을 변화시키기 위해 위치 또는 밀도에 대하여 상기 반응기 드럼 내의 상기 복수의 플라이트를 조절하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  27. 청구항 23에 있어서,
    바이오매스 파티클을 파티클 밀도 또는 사이즈에 따라 상이한 속도로 상기 반응기 드럼을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  28. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내로의 산소의 침투를 억제하면서 반탄화 바이오매스 파티클을 방출하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  29. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼 내로의 산소의 침투를 억제하기 위해 상기 반응기 드럼 내의 압력 수준을 설정하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  30. 청구항 23에 있어서,
    보조 또는 추가 공정에서의 배기가스의 이용을 위하여 상기 반응기 드럼으로부터 이격된(remote) 장치로 배기가스를 전송하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    보조 또는 추가 공정에서의 배기가스의 이용을 위하여 상기 반응기 드럼으로부터 이격된 장치로 상기 배기가스를 전송하는 단계는, 가스 기류에 열을 공급해서 상기 가열된 가스 기류를 마련하기 위하여, 가열된 매질을 발생시키기 위해 배기가스를 이용하도록 구성되는 버너에 배기가스를 전송하는 단계를 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  32. 청구항 23에 있어서,
    외부 환경으로부터 상기 반응기 드럼을 밀폐하는 단계; 및
    상기 반응기 드럼의 밀폐 경계면에 인접한 하나 이상의 챔버를 불활성 또는 반-불활성 기체로 선택적으로 퍼징(purging)하는 단계
    를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  33. 청구항 23에 있어서,
    작동 동안에 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류를 발생시키도록, 상기 반응기 드럼으로부터 분리된 가열된 가스로부터 가스 기류에 열을 이송하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  34. 청구항 23에 있어서,
    바이오매스 파티클을 시간당 1톤의 최소 속도로 상기 반응기 드럼을 통과시키는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 바이오매스 파티클은 상기 반응기 드럼에서 반탄화된 이후에 적어도 20 GJ/톤의 에너지 밀도를 갖는, 바이오매스 반탄화 방법.
  35. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼에 도입시키기 전에 상기 바이오매스 파티클을 회전형 건조 시스템에서 건조하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 반응기 드럼에 도입시키기 전에 상기 바이오매스 파티클을 회전형 건조 시스템에서 건조하는 단계는, 상기 바이오매스 파티클을 습윤 중량 기준으로 수분 함량 20 퍼센트 미만의 평균 수분 함량을 갖도록 건조하는 단계를 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  37. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼에 들어가는 상기 가열된 가스 기류의 주입구 온도가 적어도 500℉가 되도록 상기 가열된 가스 기류를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  38. 청구항 23에 있어서,
    상기 반응기 드럼에서 나오는 상기 가열된 가스 기류의 배출구 온도가 적어도 400℉가 되도록 상기 가열된 가스 기류를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  39. 청구항 23에 있어서,
    상기 바이오매스 파티클이 상기 반응기 드럼을 1회 통과한 이후에 반탄화된 바이오매스 파티클을 방출하는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 방출된 반탄화된 바이오매스 파티클의 파티클 크기는 적어도 10퍼센트 차이가 있는 한편, 상기 반탄화된 바이오매스 파티클의 에너지 밀도 및 수분 특성은 파티클 크기와 무관하게 일정한, 바이오매스 반탄화 방법.
  40. 청구항 23에 있어서,
    상기 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼에 도입하는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 바이오매스 파티클은 도입시 1/16 입방인치 내지 1 입방인치의 평균 크기를 갖는, 바이오매스 반탄화 방법.
  41. 청구항 23에 있어서,
    고장 상태의 경우 상기 반응기 드럼을 환기시키는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  42. 청구항 23에 있어서,
    상기 바이오매스 파티클의 반탄화를 보조하도록 상기 반응기 드럼 내로 스팀을 도입하는 단계를 더 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  43. 청구항 42에 있어서,
    상기 바이오매스 파티클의 반탄화를 보조하도록 상기 반응기 드럼 내로 스팀을 도입하는 단계는, 상기 반응기 드럼으로부터 방출되는 가스의 일부로부터 열을 수용하는 보일러로 스팀을 생성하는 단계를 포함하는, 바이오매스 반탄화 방법.
  44. 셀룰로오스 바이오매스 반탄화 방법으로서, 상기 방법은,
    회전축을 중심으로 반응기 드럼을 회전시키는 단계, 여기서 상기 반응기 드럼은 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 위치되는 복수의 플라이트를 갖고;
    상기 반응기 드럼 내로의 산소의 침투를 방지하는 한편 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 상기 반응기 드럼에 도입하는 단계;
    상기 반응기 드럼이 회전함에 따라 셀룰로오스 바이오매스 파티클이 상기 플라이트에 의해 들어올려지고 중력의 영향 하에서 가열된 가스 기류를 통해 샤워될 때, 상기 반응기 드럼의 세로 길이를 따라 상기 도입된 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 간헐적으로 운반하고, 동시에 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 반탄화하기에 충분하도록 상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스 기류를 발생시키는 단계, 여기서 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클은 개별적인 셀룰로오스 바이오매스 파티클의 중량에 따라 상이한 유속으로 상기 가열된 가스 기류의 도입 하에서 상기 반응기 드럼을 통과하고;
    상기 반응기 드럼을 통한 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클의 1회 통과 이후에 반탄화된 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 방출하는 단계; 및
    상기 반응기 드럼으로부터 배출되는 가스 중 일부를, 상기 반응기 드럼 내의 추가적인 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 동시에 운반 및 반탄화하기 위해, 하나 이상의 가스 관을 통해 상기 반응기 드럼의 주입구로 재순환시키는 단계;
    를 포함하는, 셀룰로오스 바이오매스 반탄화 방법.
  45. 청구항 44에 있어서,
    상기 반응기 드럼을 통과하는 가열된 가스 기류를 발생시키는 상기 단계는, 상기 가열된 가스 기류가 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 간헐적으로 운반할 때 상기 도입된 셀룰로오스 바이오매스 파티클을 직접적으로 가열하도록 상기 반응기 드럼을 통하여 상기 가열된 가스 기류를 움직이는 단계를 포함하는, 셀룰로오스 바이오매스 반탄화 방법.
  46. 청구항 44에 있어서,
    생성된 반탄화 셀룰로오스 바이오매스 파티클의 특성을 조절하기 위해 복수의 작동 파라미터 중 적어도 일부를 선택적으로 변화시키는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 작동 파라미터는 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 속도, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 체적 유속, 상기 반응기 드럼을 통과하는 상기 가열된 가스 기류의 온도, 상기 반응기 드럼 내의 압력 수준, 상기 반응기 드럼의 회전 속도, 상기 가열된 가스 기류의 산소 함량, 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클의 수분 함량, 및 상기 반응기 드럼으로의 상기 셀룰로오스 바이오매스 파티클의 유입 속도 중 적어도 하나를 포함하는, 셀룰로오스 바이오매스 반탄화 방법.
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