KR102492684B1 - 혼합 고형 폐기물로부터 형성된 고형 연료 조성물 - Google Patents

혼합 고형 폐기물로부터 형성된 고형 연료 조성물 Download PDF

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Abstract

고형 연료 조성물을 제조하는 시스템 및 방법이 개시된다. 특히, 고형 폐기물 혼합물 내에서 혼합 플라스틱을 용융시키기에 충분한 최대 온도로 고형 폐기물 혼합물을 가열 및 혼합함으로써 고형 연료 조성물을 제조하는 시스템 및 방법이 개시된다.

Description

혼합 고형 폐기물로부터 형성된 고형 연료 조성물{SOLID FUEL COMPOSITION FORMED FROM MIXED SOLID WASTE}
<관련 출원의 상호 참조>
본 개시내용은 35 U.S.C.§119 하에 2014년 10월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "혼합 고형 폐기물로부터 고형 연료 블록 조성물을 형성하는 방법"인 미국 가특허 출원 제62/072,830호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 개시내용은 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로 인용되었다.
<기술분야>
본 개시내용은 혼합 고형 폐기물로부터 형성된 고형 연료 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 실질적으로 휘발성 유기 화합물이 없고 열 분해되지 않는 고형 연료 조성물에 관한 것이다.
주거, 기관, 및 상업적 배출원, 농업 폐기물 및 다른 폐기물, 예컨대, 하수 슬러지로부터의 도시 폐기물과 같은 고형 폐기물의 관리는 끊임없이 진화하는 해결책으로 여전히 도전적인 문제로 남아있다. 매립지가 전 세계적으로 용량에 도달하고 초과함에 따라 및 고형 폐기물 산업 및 사회가 일반적으로 매립지의 사용을 한정함에 따라, 고형 폐기물을 관리하는 대체 방법이 개발되어 고형 폐기물을 추가로 처리하여 매립지에 도입되는 양을 줄인다. 유기물을 퇴비화하는 것 뿐만 아니라 금속, 플라스틱 및 제지 제품을 재활용하는 것은 매립지로 가는 고형 폐기물의 전체 양을 줄이는 비교적 일반적인 방법이다. 고형 폐기물의 에너지 함량을 전력과 같이 보다 유용한 형태로 변환하기 위한 폐기물에서 에너지 공정(Waste-to-Energy process) 또한 개발되어 왔다.
다양한 폐기물에서 에너지 공정은 고형 폐기물 스트림의 에너지 함량을 방출하기 위해 열 처리, 예를 들어, 소각, 열 분해 또는 가스화를 사용할 수 있으며, 이것은 이어서 다운스트림 전기 발생기를 구동하기 위해 사용된다. 열 분해 및 가스화가 폐기물에서 에너지 공정에서의 소각보다 많은 이점을 제공하지만, 높은 물 함량, 저밀도 및 균질성의 부족 때문에 도시 고형 폐기물(municipal solid waste, MSW) 또는 농업 폐기물이 공급원료로 사용되는 경우 열 분해 또는 가스화의 효과적인 사용이 한정된다.
열 분해 또는 가스화 챔버의 효율적인 작동은 전형적으로 고밀도이고 실질적으로 수분이 없는 일정한 조성을 갖는 공급원료를 사용한다. 고형 폐기물 스트림은 본질적으로 저밀도이고 조성이 가변적이기 때문에 대부분의 폐기물에서 에너지 플랜트는 고형 폐기물 스트림을 소각하여 고형 폐기물 스트림의 에너지를 방출한다. 향상된 열 분해 메커니즘, 예를 들어 진보된 가스화는 고형 폐기물 조성물의 고유한 불일정함과 관련된 비효율을 극복할 수 있지만 이러한 진보된 메커니즘은 특수 장비에 상당한 투자를 요구한다. 또한, 이들은 여전히 공급원료의 품질에 의해 한정된다.
다른 공정은 펠렛화기를 사용하여 열 분해 챔버의 고형 폐기물 스트림을 크기에 있어서 보다 균일하게 만든다. 그러나 펠렛화된 고형 폐기물은 고형 폐기물 스트림에 내재된 조성의 변화를 보유한다. 또한, 고형 폐기물 스트림을 펠렛화하는 것은 고형 폐기물을 열 분해(또는 가스화) 챔버의 효율적인 작동에 적합한 고밀도 및 저수분 연료로 변형시키지 못한다.
고형 연료 조성물 및 공급원료로서 사용되는 혼합 고형 폐기물과 기타 폐기물을 포함할 수 있는 고형 폐기물 스트림으로부터 고형 연료 조성물을 제조하는 공정에 대한 필요성이 존재한다. 그러한 연료는 진보된 기계 설비에 추가 자본 투자 없이 폐기물에서 에너지 공정의 일부로서 열 분해(또는 가스화) 챔버의 효율적인 작동을 제공할 것이다. 또한, 가변 조성을 갖는 고형 폐기물 스트림을 고밀도 및 저수분인 비교적 일정한 조성을 갖는 고형 연료 조성물로 변형시키는 공정에 대한 필요성이 존재하는데 이는 보다 양호한 연료 조성물을 제공하기 때문이다. 또한, 악취, 박테리아 및 고형 연료 조성물을 생산하는데 사용되는 고형 폐기물 스트림의 다른 바람직하지 않은 특성을 더 제거할 수 있는 고형 폐기물 스트림으로부터 고형 연료 조성물을 형성하는 공정에 대한 필요성이 존재한다. 그러한 공정으로부터의 결과인 고형 연료 조성물은 열 분해 또는 가스화를 위해 준비된 균질화되고, 건조하며, 밀도있고, 에너지가 풍부한 연료를 제공함으로써 폐기물에서 에너지 공정의 일부로서 고효율의 열 분해 또는 가스화 방법의 사용을 가능하게 할 수 있다.
본원에 개시된 방법은 공학화된 연료를 제조하기 위해 전형적으로 적용되는 바와 같이 광범위하게 예비분류 또는 예비건조하지 않고 고형 폐기물 혼합물을 처리한다. 원물질은 건조되거나 예비분류될 필요가 없기 때문에 (금속, 유리 및 유해 물질의 불연성물의 선택적인 제거는 제외) 원산지, 계절 또는 날씨에 기초한 함량의 변화는 공정에 실질적으로 영향을 미치지 않는다.
상기 공정은 유기 물질, 쓰레기 및 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물을 수득함으로써 시작된다. 이 시스템은 고형 폐기물 혼합물을 대기압 미만의 공정용기안에서 처리하여 초과 수분, 휘발성 유기 화합물 (VOC), 염소화 유기물 및 염소 가스를 배출하고 대기에 이들 가스의 노출없이 격리된다. 그리고나서 물과 VOC를 제거한 후 고형 폐기물 혼합물에서 혼합 플라스틱을 용융시키기 위해 열을 증가시킨다. 이 공정은 건조된 고형 폐기물 혼합물 내의 플라스틱 내용물을 용융시켜 기존 조성물과 대조적으로 고형 연료 조성물 전체에 플라스틱을 분산시키고 고형 연료 조성물의 밀도를 증가시킨다. 완성된 제품은 열 분해 되지 않고 유기 화합물과 플라스틱을 포함한다. 완제품은 일반적으로 균일한 컨시스턴시(consistency)를 지니며, 이는 고형 폐기물 혼합물 내의 큰 조각이 고형 폐기물 혼합물 내의 다른 개별 조각과 같거나 작은 평균 입자 크기로 감소함을 의미한다. 완성된 제품은 또한 낮은 물 함량을 가지고(<1 % wt), 예를 들면, 열 분해 또는 가스화를 통해 소각용 연료로서 또는 합성가스 공급원료로서 사용을 포함하여 다양한 후 공정 적용에 적합하다.
따라서, 간략하게, 본 개시내용은 약 8,000 BTU/lb. 내지 약 14,000 BTU/lb.의 에너지 함량, 약 30 lbs./ft3 내지 약 80 lbs./ft3의 밀도를 갖는 고형 연료 조성물을 제공한다. 고형 연료 조성물은 휘발성 유기 화합물이 실질적으로 없고 열 분해되지 않으며, 이는 고형 연료 조성물이 열적 및 화학적으로 회분, 숯, 합성오일 및 합성가스로 변형되지 않음을 의미한다. 고형 연료 조성물은 약 40 중량% 내지 약 80 중량%의 탄소, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 수소, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 산소, 약 2 중량% 미만의 황, 약 2 중량% 미만의 염소 및 약 1 중량% 미만의 물을 포함한다. 고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 60 중량%의 혼합 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물을 공정용기 내에서 약 90 ℃ 내지 약 110 ℃의 온도로 가열함으로써 고형 폐기물 혼합물을 건조된 고형 폐기물 혼합물과 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 방출된 기화된 화합물로 분리하여 합성가스의 형성없이 고형 폐기물 혼합물로부터 형성된다. 합성가스는 현재의 공정에서 발생하지 않는 열 분해 산물이다. 기화된 화합물은 공정용기로부터 제거되어 건조된 고형 폐기물 혼합물을 형성한다. 건조된 고형 폐기물 혼합물을 적어도 160 ℃ 및 대기압 미만으로 가열 및 혼합하여 용융된 혼합 플라스틱을 포함하는 가열된 고형 폐기물 혼합물을 형성한다. 가열된 고형 폐기물 혼합물은 약 200 ℃ 미만으로 압출되어 압출된 고형 폐기물 혼합물을 제조한다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 약 65 ℃ 미만으로 냉각되어 고형 연료 조성물을 형성한다.
고형 폐기물 혼합물은 도시 고형 폐기물 및 농업 폐기물을 포함할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 도시 고형 폐기물로부터 플라스틱 및 불연성 폐기물을 제거하여 제조된 분류된 도시 고형 폐기물을 포함할 수 있고; 고형 폐기물 혼합물 중의 혼합 플라스틱의 양은 약 5 중량% 내지 약 60 중량%으로 조정될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 불연성 금속 폐기물과 같은 불연성 폐기물이 실질적으로 없다.
혼합 플라스틱은 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리 아미드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리에틸렌/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리우레탄, 말레이미드/비스말레이미드, 멜라민 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리 에폭시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 우레아-포름알데히드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 플라스틱을 포함할 수 있다. 혼합 플라스틱은 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 이들의 조합물을 포함할 수 있으며, 건조된 고형 폐기물을 적어도 약 190 ℃로 가열할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 약 5 중량% 내지 약 35 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 공정용기 내에 유지되는 압력은 약 50 torr 미만일 수 있다. 다르게는, 고형 연료 조성물은 0.5 중량% 미만의 수분을 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 0.5 lb. 미만 알칼리 산화물, 약 3 lb. 미만 회분, 약 0.1 lb. 미만 SO2 및 약 1.5 lb. 미만의 염소를 방출할 수 있다. 고형 연료 조성물은 본질적으로 비다공성, 본질적으로 무취 및/또는 본질적으로 멸균일 수 있다. 또한, 고형 연료 조성물은 약 2 인치의 최대 단면 치수 및 약 2 피트 미만의 막대 길이를 갖는 막대 형태로 압출될 수 있다. 고형 연료 조성물은 또한 약 3 mm 미만의 최대 입자 치수를 갖는 복수의 입자로 분쇄될 수 있다.
본 개시내용은 약 8,000 BTU/lb. 내지 약 14,000 BTU/lb.의 에너지 함량 및 약 30 lbs./ft3 내지 약 80 lbs./ft3의 밀도를 갖는 고형 연료 조성물을 더 제공한다. 고형 연료 조성물은 열 분해되지 않으며 휘발성 유기 화합물 및 불연성 폐기물이 실질적으로 없다. 고형 연료 조성물은 약 40 중량% 내지 약 80 중량%의 탄소, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 수소, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 산소, 약 2 중량% 미만의 황, 약 2 중량% 미만의 염소, 및 약 1 중량% 미만의 물을 포함한다. 고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 35 중량%의 혼합 플라스틱을 포함한다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 0.5 lb. 미만의 알칼리 산화물, 약 3 lb. 미만의 회분, 약 0.1 lb. 미만의 SO2 및 약 1.5 lb. 미만의 염소를 방출한다. 고형 연료 조성물은 본질적으로 비다공성이며, 본질적으로 무취이며, 본질적으로 멸균이다. 고형 연료 조성물은 비폐기물, 예를 들어 버려진 비유해한 제2 물질로부터 제조된 비폐기물일 수 있다.
본 개시내용은 또한 약 5 중량% 내지 약 60 중량%의 혼합 플라스틱 및 약 1 중량% 미만의 물을 포함하고 휘발성 유기 화합물이 실질적으로 없는 고형 폐기물 혼합물을 약 160 ℃ 내지 약 260 ℃의 온도에서 및 약 50 torr 미만의 압력에서 제공한다.
다수의 실시양태가 개시되었지만, 본 개시내용의 또 다른 실시양태는 본 개시내용의 예시적인 실시양태를 도시하고 설명하는 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 실현될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 모두 변형 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이며 한정적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
이하의 도면은 본 개시내용의 다양한 양태를 설명한다.
도 1은 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 2는 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 제조하는 공정 동안 고형 폐기물 혼합물 내의 온도 프로파일 및 관련 공정을 개략적으로 설명하는 그래프이다.
도 3은 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 기화된 화합물을 제거하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 4는 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 제조하는 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 5는 압출기 출구(434)의 단면도이다.
도 6은 이중 챔버 공정용기의 개략도이다.
도 7은 본원에 개시된 시스템의 개략도이다.
대응하는 참조 문자 및 라벨은 도면의 그림들 중에서 대응하는 요소를 나타낸다. 도면에 사용된 표제는 청구범위의 영역을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 개시내용은 합성가스 형성 없이 적어도 8,000 BTU/lb.의 에너지 함량을 갖는 고형 연료 조성물을 제조하는 방법 및 시스템을 포함한다. 적어도 약 5 중량%의 플라스틱을 포함할 수 있는 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 형성하기 위한 시스템 및 방법이 하기에 제공된다. 고형 연료 조성물은 고형 폐기물 혼합물을 공정용기 내에서 적어도 약 100 ℃의 온도로 가열하여 고형 폐기물 혼합물을 건조된 고형 폐기물 혼합물 및 수증기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 기화된 화합물로 분리함으로써 형성될 수 있다. 그런 다음 기화된 화합물을 부착된 진공 시스템을 사용하여 공정용기에서 제거하고 남아있는 건조된 고형 폐기물 혼합물을 혼합하고 약 250 ℃까지의 최대 온도로 가열할 수 있다. 최대 온도에서, 고형 폐기물 혼합물 내의 임의의 플라스틱은 용융되어서 혼합물 전체에 분포될 수 있다. 가열된 고형 폐기물 혼합물은 약 200 ℃ 미만에서 압출되고 냉각되어 고형 연료 혼합물을 형성할 수 있다.
결과물인 고형 연료 혼합물은 적어도 8,000 BTU/lb.의 에너지 함량 및 적어도 약 30 lb./ft3의 밀도를 가질 수 있다. 고형 연료 혼합물은 또한 공정용기 내의 높은 최대 온도로 인해 멸균될 수 있고, 고형 연료 조성물 전체에 분포된 플라스틱의 실체로 인해 소수성 및 비다공성일 수 있다. 결과적으로, 고형 연료 혼합물은 생분해 또는 다르게 조성물을 변경시킬 위험 없이 매우 다양한 저장 조건에서 장기간 동안 저장될 수 있다.
고형 연료 조성물 자체에 대한 설명뿐만 아니라 고형 연료 조성물에 대한 방법 및 시스템의 상세한 설명이 하기에 제공된다.
I. 고형 연료 조성물의 제조 방법
고형 폐기물의 개별 성분을 혼합 및 균질화 하기 위한 고형 폐기물 혼합물의 공정용기 내에서 가열 및 기계적 교반을 포함하는 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 형성하는 방법이 개시된다. 또한, 가열된 고형 폐기물 혼합물에 의해 방출된 임의의 기화된 화합물은 공정용기 내에서 진공을 사용하여 (즉, 대기압 미만의 압력으로) 제거될 수 있다. 결과물인 공정용기의 내용물은 압출되고, 원하는 형상으로 형성되고, 냉각되어 고형 연료 조성물을 형성할 수 있다.
상기 방법은 조성이 가변적일 수 있는 고형 폐기물 혼합물을 비교적 낮은 조성 가변성을 갖는 고형 연료 조성물로 변형시킴으로써 이전의 폐기물에서 에너지 방법의 많은 한정을 극복한다. 또한, 본 방법에 의해 제조된 고형 연료 조성물은 본질적으로 멸균 및 비다공성이어서, 특수한 장비 또는 설비 필요없이 장기간 동안 고형 연료 조성물을 수송 및 저장할 수 있게 한다. 또한, 고형 연료 조성물은 고수율 폐기물에서 에너지 방법과 관련된 다양한 열 분해 공정과 호환될 수 있다.
일부 폐기물에서 에너지 공정은 본원에서 고형 폐기물을 산소 존재 하에서 연소하는 것으로 정의하는 고형 폐기물 소각을 하는데, 그렇게 함으로써 열을 발생시켜 다운스트림의 증기 발생기를 구동시키는 증기를 생성한다. 그러나 소각 공정은 또한 잠재적으로 유해한 배출물을 생성하는데, 이 배출물은 소각로의 배기 스트림에서 스크러빙되거나 환경으로 배출되어야 한다. 한편, 본 개시내용은 VOC, 염소화 유기 화합물 및 염소 가스를 이미 제거한 고형 연료 조성물을 제공하므로, 고형 연료 조성물이 소각되거나 연소될 때 이들 유해한 오염 물질을 환경으로 방출하지 않으며, 배기 스트림은 이들 화합물에 대해 스크러빙될 필요가 없다.
다른 폐기물에서 에너지 공정은 산소 결핍된 환경의 약 400 ℉ 내지 약 1,400 ℉ 온도 범위에서 (약 205 ℃ 내지 약 760 ℃) 물질을 가열하여 생성되는 유기 물질의 휘발성 성분을 과열하는 열 분해를 사용한다. 열 분해는 열 해리(thermolysis)의 한 유형으로 유기 물질의 비가역적인 열 화학적 분해를 초래한다. 열 분해는 공급원료가 회분, 숯(예: 바이오숯), 합성오일(예: 바이오오일) 및 합성가스(예: 바이오가스)로 나누어지는 화학적 조성 및 물리적 상의 동시 변화를 포함한다. 열 분해는 연료가 산소와 반응하는 연소(산화) 및 연료가 물과 반응하는 가수분해와 다르다. 열 분해로 생성된 합성가스 및/또는 다른 유체는 소각과 함께 사용되는 덜 효율적인 증기 발전기와 반대로 전력 생산을 위한 다운스트림의 효율적인 발전기를 가능하게 한다. 본 개시내용은 열 분해되지 않는 고형 연료 조성물을 제공하는데, 이는 그것이 회분, 숯, 합성오일 및 합성가스로 나누어지지 않는 것을 의미한다. 오히려, 본 고형 연료 조성물은 열 분해를 위해 준비된, 균질화되고, 건조하며, 밀도있고, 에너지가 풍부한 연료이다.
가스화는 거의 내지 전혀 산소가 없는 약 900 ℉ 내지 약 3,000 ℉ (약 480 ℃ 내지 약 1,650 ℃)의 더 고온 환경에서 유기 물질을 가열하는 것을 포함한다는 점에서 열 분해와 유사하다. 가스화는 열 분해로 남겨진 비휘발성 탄소 숯의 일부가 가스화를 통해 합성가스로 변환될 수 있기 때문에 더 많은 양의 합성가스를 생성할 수 있다는 장점이 있다. 본 개시내용은 가스화되기는 하지만 가스화를 위해 준비된, 균질화되고, 건조하며, 밀도있고, 에너지가 풍부한 연료인 고형 연료 조성물을 제공한다.
본원에 개시된 고형 연료 조성물은 임의의 상기 공정에서 사용될 수 있다. 본 고형 폐기물 혼합물은 화학적 및 물리적으로 변형되어 열 분해, 가스화 및/또는 소각에 특히 적합한 고형 연료 조성물을 제공한다. 이론에 구애됨이 없이, 열 분해는 전형적으로 수분의 상당 부분이 공급원료로부터 제거될 때까지는 일어날 수 없다. 본원에 개시된 고형 연료 조성물은 매우 낮은 물 함량을 가지며 즉시 열 분해될 수 있다. 고형 연료 조성물은 VOC, 염소화 유기 화합물 및 염소 가스를 제거하도록 처리된다. 일반적으로 불연성 폐기 물질도 또한 제거된다. 고형 폐기물 혼합물은 열 분해가 일어나기 직전의 지점에서 처리되고, 여기서 공급원료가 고밀도화되고 냉각됨으로써 반응이 중단되어 연소될 수 있는 가스를 고형 연료 조성물에 "고정(locked)"으로 유지할 수 있다. 결과물인 고형 연료 조성물은 열 분해 및 관련 공정을 위해 준비된다.
고형 폐기물 혼합물의 블렌딩
도 1은 고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 형성하는 방법(100)을 설명하는 플로우차트이다. 방법(100)에 적용되는 고형 폐기물 혼합물에 따라, 고형 폐기물 혼합물은 분류된 고형 폐기물을 혼합 플라스틱과 단계(101)에서 블렌딩함으로써 임의로 형성될 수 있다. 상기 공정을 위한 공급원료는 적어도 약 20 중량%의 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물일 수 있다. 상기 공정을 위한 공급원료는 적어도 약 5 중량%의 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물일 수 있다.
"폐기물"은 일반적으로 고형 폐기물을 포함하여 일차 사용 후 버려진 탄소 함유 가연성 물질을 지칭한다. 일반적으로, 폐기물은 불연성 폐기물의 일부를 포함하는, 젖고 불균일할 수 있다. "고형 폐기물"은 폐수 처리장, 물 공급 처리 플랜트 또는 대기 오염 방지 설비 및 고형, 액형, 반고형 또는 산업, 상업, 광업, 농업 운영 및 지역 사회 활동으로부터의 결과물인 가스 함유 물질을 포함하는 다른 버려진 물질로부터의 임의의 오물(garbage), 또는 쓰레기(refuse), 슬러지를 지칭한다.
다양한 공급원의 고형 폐기물을 사용할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 도시 쓰레기, 농업 폐기물, 하수 슬러지, 가정용 폐기물, 버려진 2차 물질 및 산업 고형 폐기물을 포함하되 이에 한정되지 않는 비유해 폐기물 공급원으로부터 파생할 수 있다. 본원에 사용된 "도시 폐기물" 또는 "도시 고형 폐기물"(MSW)은 가정용 폐기물 또는 상업용 고형 폐기물 또는 산업 고형 폐기물을 지칭할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물에 포함될 수 있는 폐기물의 비한정적인 예시는 음식 및 주방 폐기물과 같은 생분해성 폐기물; 잔디 또는 헤지 트리밍과 같은 녹색 폐기물; 종이; 혼합 플라스틱; 고형 음식물 폐기물; 고형 농업 폐기물; 하수 슬러지; 및 자동차 파쇄기 잔류물을 포함한다.
"가정용 폐기물" 또는 "주거용 폐기물"은 가정(단일 및 다중 주택, 호텔 및 모텔, 합숙소, 레인저 스테이션, 승무원 숙소, 캠프장, 피크닉장 및 낮 사용 휴양지 포함)에서 파생된 임의의 고형 폐기물(오물, 찌꺼기(trash) 및 정화조의 위생 폐기물 포함)을 지칭한다.
"상업용 고형 폐기물"은 주거 및 산업 폐기물을 제외한 상점, 사무실, 식당, 창고 및 기타 비제조업 활동에 의해 발생된 모든 유형의 고형 폐기물을 지칭한다.
"산업 고형 폐기물"은 제조 또는 산업 공정에 의해 생성된 비유해성 고형 폐기물을 지칭한다. 산업 고형 폐기물의 예시는 다음 제조 공정: 전력 생산; 비료/농업 화학품; 식품 및 관련 제품/부산물; 가죽 및 가죽 제품; 유기 화학물질; 플라스틱 및 수지 제조; 펄프 및 종이 산업; 고무 및 다양한 플라스틱 제품; 섬유 제조; 운송 장비; 및 수처리에서 발생하는 폐기물을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 이 용어는 광산 폐기물이나 기름 및 가스 폐기물을 포함하지 않는다.
고형 폐기물 혼합물은 버려진 비유해성 2차 물질을 포함할 수 있으며, 이 경우 고형 폐기물 혼합물로부터 제조된 고형 연료 조성물은 합법적으로 "비폐기물"로 분류될 수 있다. "2차 물질"이란 제조 또는 상업적 공정의 1차 제품이 아닌 임의의 물질을 말하며 소비 후 물질, 규격 외 상업 화학 제품 또는 제조 화학 중간체, 산업 후 물질 및 폐품을 포함할 수 있다. 비유해성 2차 물질의 예시로는 버려지지 않고 차량 및 규격 외 타이어에서 제거된 타이어를 포함하여 확립된 타이어 수거 프로그램에 의해 관리되는 폐품 타이어; 레진화된 목재; 유산 더미에서 회수되어 현재 생성된 석탄 쓰레기와 동일한 방식으로 처리된 석탄 쓰레기; 및 버려지지 않고 그러한 탈수 잔여물이 물질의 의미있는 가열값 유지하는 방식으로 관리되는 그러한 물질의 상당 부분을 연소시키는 펄프 및 종이 공장에서 현장에서 생성되고 연소되는 탈수 펄프 및 종이 슬러지를 포함한다.
"레진화된 목재"는 1차 및 2차 목재 제품 제조에 의해 제조된 목재 제품(바인더 및 접착제를 함유함)을 지칭한다. 레진화된 목재는 보드 트림, 샌더 더스트, 패널 트림, 제조품질이나 표준을 만족하지 않는 규격 외 레진화된 목재 제품과 같은 물질을 포함하여 레진화된 목재의 제조 및 사용으로 인한 잔류물을 포함한다.
"혼합 플라스틱"은 다양한 형태의 고형 물체로 성형될 수 있고 전형적으로 도시의 고형 폐기물에서 발견되는 가단성인 합성 또는 반합성 유기물질의 임의의 조합을 지칭한다. 혼합 플라스틱의 적합한 예시로는 폴리에스테르(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, 사란™(Saran™)), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리아미드(PA)(나일론(Nylons)), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에틸렌/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(PE/ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (PC/ABS), 폴레우레탄(PU), 말레이미드/비스말레이미드, 멜라민 포름알데히드(MF), 페놀 포름알데히드(PF), 폴리에폭시드(Epoxy), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI, (얼템™(Ultem™)), 폴리이미드, 폴리락트산(PLA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA, 아크릴), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 우레아-포름알데히드(UF) 및 이들의 조합물을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
혼합 플라스틱은 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리 아미드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리에틸렌/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리우레탄, 말레이미드/비스말레이미드, 멜라민 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리 에폭시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 우레아-포름알데히드 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 플라스틱을 포함할 수 있다.
혼합 플라스틱은 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리 아미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 플라스틱을 포함할 수 있다. 혼합 플라스틱은 폴리에틸렌을 포함할 수 있다.
혼합 플라스틱은 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 이들의 조합물을 포함할 수 있으며, 건조된 고형 폐기물은 적어도 약 190 ℃로 가열될 수 있다.
고형 폐기물 혼합물은 불연성 고형 폐기물을 검출하기 위해 분석될 수 있다. 분석에 기초하여, 도시의 고형 폐기물 스트림을 가볍게 분류하여 플라스틱을 제거하고 유리, 금속, 콘크리트, 벽돌 및 임의의 다른 불활성 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는 불활성 폐기물을 더 배제하여 분류된 고형 폐기물에 이를 수 있다. 본원에 사용된 불활성 물질은 연소 또는 열 분해 공정이 적용될 때 에너지를 방출하지 않는 임의의 물질을 지칭한다. 도시의 고형 폐기물 스트림으로부터 제거된 플라스틱은 유지될 수 있고 고형 연료 조성물이 이로부터 형성되는 고형 폐기물 혼합물을 형성하도록 분류된 고형 폐기물과 혼합될 수 있다. 불연성 폐기물은 예컨대 폐품 금속 및 금속 덩어리를 포함하는 불연성 금속 폐기물을 포함할 수 있다. 불연성 금속 폐기물은 철 금속, 예를 들어, 철, 강, 및 기타 철 함유 합금 및 상당한 양의 철을 함유하지 않는 합금 및 금속인 비철 금속을 포함할 수 있다.
고형 폐기물 혼합물은 그 내부에 존재하는 혼합 플라스틱의 양을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 고형 폐기물에 존재하는 혼합 플라스틱의 양은 다양할 수 있고 다양해질 수 있다. 본원에 설명된 공정의 공급원료로 사용되는 고형 폐기물 혼합물은 분석에 기초하여 미리 결정된 비율로 분류된 고형 폐기물과 플라스틱을 혼합함으로써 형성될 수 있다. 혼합 플라스틱은 고형 폐기물 스트림(예: MSW)에서 전형적으로 발견되는 것으로, 추가 비율 조정(즉, 분류 및 재혼합)없이 사용된다. 혼합 플라스틱의 양은 본원에 설명된 방법 및 시스템에서 제조된 연료 조성에 영향을 미치며, 경제 모델 및/또는 프로젝트 별 기준에 기초하여 선택될 수 있다.
고형 폐기물 혼합물은 적어도 약 20 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 약 20 중량% 내지 약 60 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 공정을 위한 공급원료는 약 5 중량% 내지 약 35 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 공정을 위한 공급원료는 약 5 중량% 내지 약 30 중량%의 혼합 플라스틱을 포함할 수 있다. 공정을 위한 공급원료는 약 5 중량% 초과의 플라스틱을 포함한다.
플라스틱은 본원에 설명된 방법의 결과인 고형 연료 혼합물을 함께 결합시키는 것을 도울 수 있고, 고형 연료 조성물의 다공성 및 물 활성을 더 감소시킬 수 있다. 또한, 고형 연료 조성물 중의 플라스틱은 고형 연료 조성물을 공급원료로 사용하는 열 분해 공정으로부터의 결과물인 생성물의 유형에 영향을 줄 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 고 비율의 플라스틱을 갖는 고형 연료 혼합물은 열 분해 공정을 사용할 때 더 높은 수율의 합성오일을 생산하는 것으로 여겨진다. 플라스틱의 비율이 낮고 종이와 판지의 비율이 높은 고형 연료 혼합물은 열 분해 공정을 사용할 때 더 높은 수율의 합성가스를 생산한다고 여겨진다.
고형 폐기물 혼합물은 도시의 고형 폐기물 스트림의 가변 특성으로 인해 매우 가변적인 조성을 가질 수 있다. 도시 고형 폐기물 스트림은 다른 계절, 국가 내의 다른 위치(도시 대 농촌) 및/또는 다른 국가(산업 대 신흥 국가)를 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 요소로 인해 조성이 다양할 수 있다.
분류된 고형 폐기물 및 혼합 플라스틱을 함유하는 고형 폐기물 혼합물 내에 함유된 물은 다양할 수 있고, 본원에 설명된 방법을 사용하여 고형 연료 조성물의 형성 중에 고형 폐기물 혼합물로부터 물을 제거하는데 필요한 시간 및/또는 최대 온도에 영향을 미칠 수 있다. 건조시키기 위해, 고형 폐기물로부터 물을 제거하기에 충분한 시간이 선택될 수 있다.
예를 들어, 혼합 고형 폐기물은 약 10 중량% 내지 약 60 중량% 범위의 다양한 양의 물을 함유할 수 있다. 구체적으로, 혼합 고형 폐기물은 약 10 중량% 내지 약 20 중량% 범위의 양의 물을 함유할 수 있고, 혼합 고형 폐기물은 적어도 10 중량%의 물, 적어도 20 중량%의 물, 적어도 30 중량%의 물, 적어도 40 중량%의 물, 및 적어도 50 중량%의 물을 포함할 수 있다.
이용 가능한 플라스틱은 유사하게 다양할 수 있다. 혼합물을 형성하기 위해, 고형 폐기물과 플라스틱을 혼합하기 전에 개별적으로 계량하여 고형 폐기물 혼합물이 고형 폐기물 및 플라스틱의 미리 결정된 중량비로 형성되도록 보장할 수 있다. 고형 폐기물 및 플라스틱은 고형 폐기물 및 플라스틱을 조합하여 고형 폐기물 혼합물을 형성할 때 이들을 계량하는 계량 컨베이어를 포함하나 이에 한정되지 않는 계량장치를 사용하여 저장 영역에서 혼합 영역으로 각각 이송될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물 내의 플라스틱은 분류하는 동안 도시 폐기물 스트림으로부터 제거된 플라스틱, 외부 공급원으로부터 얻어진 플라스틱 및 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
고형 폐기물 혼합물의 파쇄
다음으로, 고형 폐기물 혼합물은 입자를 고형 폐기물 혼합물 내의 다른 개별 조각과 같거나 그 미만의 평균 입자 크기로 감소시키기 위해 파쇄될 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 방법은 단계(102)에서 고형 폐기물 혼합물을 임의로 파쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 단일축 산업용 파쇄기, 2축 산업용 파쇄기, 3축 산업용 파쇄기, 4축 산업용 파쇄기, 해머 밀, 분쇄기, 과립기, 치퍼 및 고형 폐기물 혼합물 내의 개별 조각의 크기를 감소시키기 위한 임의의 다른 적합한 장치를 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 알려진 파쇄 장치가 고형 폐기물 혼합물을 파쇄하는데 사용될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물을 파쇄함으로써, 고형 폐기물 혼합물 내의 개별 조각의 최대 치수 및 최대 직경이 감소되고, 방법(100)의 연속하는 단계 동안 고형 폐기물 혼합물의 개별 성분들의 블렌딩이 개선되어, 방법(100)을 사용하여 제조된 고형 연료 블록 내에서 보다 균일한 조성의 결과에 이르게 된다.
파쇄된 고형 폐기물 혼합물은 최대 치수 또는 최대 직경이 약 4 인치 미만인 복수의 조각을 포함할 수 있다. 복수의 조각들은 3.5 인치 미만, 3 인치 미만, 2.5 인치 미만, 2 인치 미만, 1.5 인치 미만 및 1 인치 미만 및 0.5 인치 미만의 최대 치수 또는 최대 직경을 가질 수 있다. 최대 치수는 약 2 인치 미만일 수 있다.
고형 폐기물 혼합물의 초기 가열
다음으로, 방법은 단계(104)에서 고형 폐기물 혼합물을 공정용기에 도입하는 단계를 포함한다. 고형 폐기물 혼합물은 한정없이 임의의 알려진 장치 및 방법을 사용하여 공정용기로 도입될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 재밀봉 해치 또는 공정용기의 다른 개구부를 열고, 고형 폐기물 혼합물을 삽입하고, 재밀봉 해치를 폐쇄 및/또는 재밀봉함으로써 도입될 수 있다. 시스템은 본원에 설명된 바와 같이 고형 폐기물 혼합물을 공정용기 내로 도입하기 위한 호퍼를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 로딩 장치를 포함할 수 있다. 로딩 장치는 파쇄 장치에 작동 가능하게 연결될 수 있거나 또는 파쇄 장치를 포함할 수 있다. 로딩 장치는 공정용기 내로 도입되기 전에 고형 폐기물 혼합물 내의 조각들을 블렌딩하기 위한 혼합기를 포함할 수 있다.
공정용기에 도입된 후, 고형 폐기물 혼합물은 단계(106)에서 약 100 ℃의 온도 예를 들어, 약 90 ℃ 내지 약 110 ℃로 가열된다. 이 온도에서 물의 끓는점 미만의 끓는점을 갖는 고형 폐기물 혼합물 내의 물 및 휘발성 유기 화합물이 기화된다. 기화된 화합물은 물, 유기 용매를 포함 하나 이에 한정되지 않고, 고형 폐기물 혼합물 내에서 다른 화합물이 기화되어 고형 폐기물 혼합물을 건조 고형 폐기물 및 기화된 화합물로 분리할 수 있다. 기화된 화합물은 주로 물을 포함하거나 본질적으로 물로 이루어질 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 저온 건조없이 고온 처리를 직접 수행하면 고형 폐기물 혼합물 내의 혼합 플라스틱이 용융되어 고형 폐기물 혼합물 내의 빈 공간이 줄어들고 고형 폐기물 혼합물 내의 물과 VOC가 포집된다. 또한 고온에서 일부 저용융 플라스틱 및 가소제는 잔류 물과 반응하여 이후 공정 단계에서 화학 작용을 방해할 수 있다. 그 대신, 고형 폐기물 혼합물은 먼저 물을 기화시키고 비수성 함량을 가온시키기 위해 보다 낮은 온도 (예를 들어, 약 90 ℃와 약 110 ℃ 사이)에서 건조된다. 물이 기화되고 공정용기에서 제거된 후, 온도가 상승하고, 이는 플라스틱이 저 습기 건조 고형 폐기물 혼합물 내에서 용융될 수 있게 한다.
고형 폐기물 혼합물은 단계(106)에서 가열될 때 임의로 혼합될 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 혼합은 고형 폐기물 혼합물의 개개의 성분을 보다 일정한 조성물로 블렌딩할 수 있고 고형 폐기물 혼합물 내의 공극 또는 공기 주머니를 감소시킬 수 있다. 또한, 혼합은 공정용기의 가열된 벽 및 용기 내의 고형 폐기물 혼합물로부터의 열 교환을 향상시킬 수 있다; 혼합 블레이드에 의해 고형 폐기물 혼합물에 부여된 압축 및 전단은 가열을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 혼합은 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 증기 및 다른 기화된 화합물의 방출을 용이하게 할 수 있다.
고형 폐기물 혼합물은 고형 폐기물의 조각 또는 덩어리를 연속적으로 더 작은 조각 또는 덩어리로 기계적으로 분해하기에 충분한, 고형 폐기물 혼합물에 전단 응력을 부여하도록 선택된 혼합 속도로 공정용기 내에서 혼합될 수 있다. 혼합 속도는 또한 공정용기 내에 제공된 혼합기 또는 혼합 블레이드의 유형 및/또는 혼합 시간을 포함하나 이에 한정되지 않는 적어도 몇 가지 추가적인 요소 중 임의의 하나 이상에 의존할 수 있다.
공정용기는 본원에서 하기 설명하는 바와 같이 용기 내에서 혼합될 때 고형 폐기물 혼합물로 열을 전달하기 위해 가열된 벽을 제공하도록 설계될 수 있다. 가열된 벽은 고형 폐기물 혼합물의 최종 온도와 본질적으로 동일한 온도로 유지될 수 있다. 그러한 온도는 고형 폐기물 혼합물을 고형 연료 혼합물로 변환시키는데 적합하다. 적어도 하나의 가열된 벽은 가열 공정을 가속시키기 위해 고형 폐기물 혼합물의 원하는 최종 온도보다 적어도 약 30 ℃ 또는 그 이상 높은 온도로 유지될 수 있다.
단계(106)에서 가열하는 동안 고형 폐기물 혼합물에 의해 방출된 기화된 화합물은 본원에서 하기 설명하는 후속 단계에서 제거될 공정용기의 헤드 스페이스 내에 유지될 수 있다. 단계(106)에서 가열하는 동안 고형 폐기물 혼합물에 의해 방출된 기화된 화합물은 공정용기로부터 계속적으로 제거될 수 있다.
기화된 화합물 제거
다시 도 1을 참조하면, 방법은 단계(108)에서 가열된 고형 폐기물 혼합물에 의해 방출된 임의의 기화된 화합물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 기화된 화합물은 증기(즉, 수증기) 및/또는 본원에 설명된 임의의 하나 이상의 추가적인 기화된 화합물을 포함할 수 있다. 기화된 화합물은 단계(106)에서 고형 폐기물 혼합물의 가열 및 임의의 혼합 후에 공정용기의 내부 용적 내에 진공을 적용함으로써 제거될 수 있다. 진공은 본원 하기에 설명된 것과 같이 공정용기에 진공 포트에 부착된 진공 시스템에 의해 발생될 수 있다. 스윕 공기는 기화된 화합물의 용기 밖으로의 이동을 용이하게 하기 위해 공정용기 내로 도입될 수 있다.
진공 시스템은 단계(106)에서 수행되는 가열 및 임의의 혼합 동안에 걸쳐 임의의 기화된 화합물을 연속적으로 제거할 수 있다. 공정용기 내에서 유지되는 진공 압력은 그것이 건조 및 가열될 때 고형 폐기물 혼합물 내의 임의의 물질의 연소 및 관련된 에너지 손실을 방지할 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 공정용기 내의 진공 압력은 또한 본원에서 상기에 설명한 물 및 다른 기화된 화합물의 기화 온도를 낮추고, 따라서 임의의 기화된 화합물을 고형 폐기물 혼합물로부터 제거하는데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 스윕 공기는 공정용기 내로 도입되어 기화된 화합물의 용기 밖으로의 이동을 용이하게 할 수 있다.
진공 시스템은 응축기를 포함할 수 있다. 응축기는 상부 포트, 상부 포트 아래의 하부 포트, 하부 포트 아래의 응축물 베이신 및 응축물 베이신 내의 드레인을 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 응축기는 응축기의 상부 포트를 통해 공정용기의 진공 포트에 작동 가능하게 결합되고, 응축기는 응축기의 하부 포트를 통해 진공 펌프에 작동 가능하게 연결된다. 진공 펌프 및 응축기는 공정 중에 기화된 화합물을 신속하게 제거하여 응축기에서 응축물을 제조하고 그렇게 함으로써 물질의 열 분해없이 열 분해를 위한 연료 조성물을 제조한다.
공정용기 내에 유지되는 압력은 약 6.67 kPa(50 torr), 6.00 kPa(45 torr), 5.33 kPa(40 torr), 4.67 kPa(35 torr), 4.00 kPa(30 torr), 3.33 kPa(25 torr), 2.67 kPa(20 torr), 2.00 kPa(15 torr), 1.33 kPa(10 torr) 또는 0.67 kPa(5 torr)미만일 수 있다. 공정용기 내에 유지되는 압력은 약 4.67 kPa(35 torr) 미만일 수 있다. 공정용기 내에 유지되는 압력은 약 3.33 kPa(25 torr) 미만일 수 있다.
공정용기 내에 유지되는 압력의 범위는 다양할 수 있고 다양할 것이다. 압력은 약 5 torr 내지 약 100 torr, 예를 들어, 약 5 torr 내지 10 torr, 약 10 torr 내지 15 torr, 약 15 torr 내지 20 torr, 약 20 torr 내지 25 torr, 약 25 torr 내지 30 torr, 약 30 torr 내지 35 torr, 약 35 torr 내지 40 torr, 약 40 torr 내지 45 torr, 약 45 torr 내지 50 torr, 약 50 torr 내지 55 torr, 약 55 torr 내지 60 torr, 약 60 torr 내지 65 torr, 약 65 torr 내지 70 torr, 약 70 torr 내지 75 torr, 약 75 torr 내지 80 torr, 약 80 torr 내지 85 torr, 약 85 torr 내지 90 torr, 약 90 torr 내지 95 torr, 및 약 95 torr 내지 100 torr의 범위이다.
공정용기 내에 유지되는 압력은 약 40 torr 내지 약 60 torr일 수 있다. 단계(108)에서 공정용기로부터 제거된 기화된 화합물은 증기(수증기)뿐만 아니라 본원에 설명된 하나 이상의 추가적인 기화된 화합물을 포함할 수 있다. 기화된 화합물은 도 3에 예시된 바와 같이 재생 폐수를 제조하기 위해 추가적으로 처리될 수 있다.
도 3은 공정 챔버로부터 제거된 기화된 화합물의 혼합물을 추가로 처리하는 방법(300)을 설명하는 플로우차트이다. 방법(300)은 단계(302)에서 가열된 고형 폐기물 혼합물에 의해 방출된 기화된 화합물을 제거하는 단계 및 단계(304)에서 기화된 화합물을 응축시켜 폐수를 제조하는 단계를 포함한다. 응축된 폐수는 수용액에서 염소 및 다양한 유기 용매를 포함하나 이에 한정되지 않는 하나 이상의 추가적인 기화된 화합물을 포함할 수 있다. 기화된 화합물은 약 100 ℃ 이상의 온도를 가질 수 있다. 이 온도는 진공 시스템에 포함된 다양한 수처리 장치의 최대 작동 온도 이상으로 떨어질 수 있다. 비한정적인 예시로서, 멤브레인 필터는 약 85 ℃의 최대 작동 온도를 가질 수 있고, 활성탄 필터는 약 35 ℃의 최대 작동 온도를 가질 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 응축된 폐수는 단계(306)에서 냉각될 수 있다. 응축 된 폐수는 약 -40 ℃(-40 ℉) 내지 약 +40 ℃(100 ℉) 범위의 대기 온도 조건에 노출된 폐수 탱크에 저장될 수 있고 냉각되도록 허용된다. 폐수 탱크는 금속 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비교적 높은 열 전도성을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 폐수 저장 탱크는 스테인레스 강으로 구성될 수 있다. 폐수 탱크는 냉각 속도를 향상시키기 위해 탱크 내의 폐수를 순환시킬 수 있는 물 순환 장치, 예를 들어, 교반기 또는 펌프를 더 포함할 수 있다. 응축된 폐수는 응축된 폐수를 하기에 기술된 바와 같은 추가의 수처리 장치에 적용되기 전에 단계(306)에서 약 85 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 폐수는 단계(306)에서 약 80 ℃ 미만, 약 75 ℃ 미만, 약 70 ℃ 미만, 약 65 ℃ 미만, 약 60 ℃ 미만, 약 55 ℃ 미만, 약 50 ℃ 미만, 약 45 ℃ 미만, 약 40 ℃ 미만, 약 35 ℃ 미만, 약 30 ℃ 미만 및 약 25 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 응축된 폐수를 처리하는 방법은 단계(308)에서 멤브레인 필터를 통해 응축된 폐수를 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 멤브레인 필터는 본원에서 상기 설명된 하나 이상의 유기 용매를 포함하지만 이에 한정되지 않는 용해된 화합물을 제거할 수 있다. 임의의 알려진 멤브레인 필터는 비대칭 폴리에테르 설폰 멤브레인 필터, 나일론TM(NylonTM)(폴리 아미드) 멤브레인 필터 및 테플론TM(TeflonTM)(폴리테트라플루오로 에틸렌, PTFE) 멤브레인 필터를 포함하지만 이에 한정되지 않고 단계(308)에서 사용될 수 있다. 폐수는 단계(308)에서 멤브레인 필터에 적용되기 전에 약 85 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 폐수는 단계(308) 이전에 약 80 ℃ 미만, 약 75 ℃ 미만, 약 70 ℃ 미만, 약 65 ℃ 미만, 약 60 ℃ 미만, 약 55 ℃ 미만, 약 50 ℃미만, 약 45 ℃ 미만, 약 40 ℃ 미만, 약 35 ℃ 미만, 약 30 ℃ 미만 및 약 25 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 응축된 폐수를 처리하는 방법은 폐수를 단계(310)에서 오존 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 오존 처리는 폐수 내의 박테리아를 파괴할 수 있고 폐수를 살균되게 한다. 보다 낮은 온도의 물에서 오존의 수용해도가 개선되기 때문에, 단계(310) 이전에 물을 추가 냉각시킬 수 있다. 물은 단계(310)에서 오존 처리 전에 단계(308)에서 멤브레인 필터를 통해 여과될 수 있으며, 이에 의해 폐수가 냉각되는 추가 시간을 제공한다. 단계(310)에서 오존 처리가 적용된 폐수는 약 40 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 폐수는 단계(308) 이전에 약 35 ℃ 미만, 약 30 ℃ 미만, 약 25 ℃ 미만 및 약 20 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 폐수는 단계(312)에서 활성탄 필터를 사용하여 여과 될 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 활성탄 필터는 폐수로부터 염소 가스, 침전물, 휘발성 유기 화합물(VOC), 염소화 유기 화합물, 맛 및 냄새를 제거 할 수 있다. 또한, 활성탄이 폐수로부터 오염 물질을 제거하는 흡착 공정은 비교적 낮은 수온에서 개선될 수 있다. 물은 단계(308)에서 멤브레인 필터를 통해 여과되고, 단계(312)에서 활성탄 여과 전에 단계(310)에서 오존 처리가 적용됨으로써 폐수가 냉각되는 추가 시간을 제공할 수 있다. 폐수는 단계(312)에서 활성탄 필터를 통한 여과 전에 약 40 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 폐수는 단계(312) 이전에 약 35 ℃ 미만, 약 30 ℃ 미만, 약 25 ℃ 미만, 및 약 20 ℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다.
단계(308, 310 및 312)에서 처리된 폐수는 하수로서 배출되거나 단계(314)에서의 후속 사용을 위해 저장될 수 있다. 처리된 폐수에 대한 적합한 후속 용도의 비한정적인 예시는 먼지 제어 및 에너지 작물과 같은 비 농작물의 관개를 포함한다.
건조 고형 폐기물 혼합물의 가열 및 혼합
단계(108)에서 기화된 화합물을 제거한 후에 공정용기에 남아있는 건조된 고형 폐기물 혼합물은 단계(109)에서 최종 온도로 적어도 약 160 ℃까지 더 가열되고 혼합될 수 있다. 최종 온도는 건조된 고형 폐기물 혼합물 내에서 플라스틱 물질을 용융할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 용융된 플라스틱과 고형 폐기물 혼합물의 다른 물질의 혼합은 함께 결합하고 결과물인 고형 연료 조성물의 다공성을 감소시킬 수 있다. 용융된 플라스틱은 밀도를 증가시키고, 에너지 함량을 증가시키며, 폐기물 내성을 개선시키고, 결과로 나오는 고형 연료 조성물의 다운스트림 공정을 향상시킨다.
건조된 고형 혼합물의 최종 온도는 고형 폐기물 혼합물의 조성을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 하나 이상의 적어도 몇가지 요소에 달려있다. 고형 폐기물 혼합물이 임의의 염소 함유 플라스틱을 포함하는 경우, 최종 온도는 본원에 기재된 바와 같이 고형 폐기물 혼합물로부터 염소를 유리시키기에 충분한 온도로 상승될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물에 포함된 플라스틱 혼합물의 최대 용융 온도는 고형 폐기물 혼합물의 모든 플라스틱이 용융될 수 있도록 하는 최종 온도를 결정할 수 있다.
도 2는 초기 시간 t=0에서 용기 내로 도입된 후 공정용기 내의 고형 폐기물 혼합물의 온도 프로파일을 개략적으로 설명하는 그래프이다. 제1 온도 범위(202)에서, 고형 폐기물 혼합물은 상온에 대응하는 초기 온도에서 약 100 ℃의 온도까지 가열된다. 고형 폐기물의 온도가 약 100 ℃ 이상으로 올라감에 따라 고형 폐기물 혼합물 내의 수분 및 기타 휘발성 화합물이 기화되어 기화된 화합물의 혼합물로 방출됨으로써 고형 폐기물 혼합물을 기화된 화합물과 건조된 고형 폐기물 혼합물로 분리한다. 예를 들어 관측을 통해 약 190 ℃ 이상에서 염소화 유기 화합물과 염소 가스가 고형 폐기물 혼합물로부터 유리된다.
고형 폐기물 혼합물을 혼합하는 것은 증기가 방출될 수 있는 외부 표면을 보충하는 것 뿐만 아니라 고형 폐기물 혼합물을 압축하여 고형 폐기물 혼합물 내에 형성된 임의의 공극 또는 증기 기포를 압착시킴으로써 증기의 방출을 개선시킨다. 증기 및 다른 기화된 화합물의 방출 이외에, 고형 폐기물 혼합물은 또한 제2 온도 범위(204) 내에서 멸균될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 온도가 증가하여 약 200 ℃를 초과하면, 고형 폐기물 혼합물 내의 다양한 유기 화합물이 분해될 수 있다. 약 200 ℃에서 약 240 ℃의 제3 온도 범위 내에서 다양한 휘발성 화합물이 고형 폐기물 혼합물에 포함된 임의의 플라스틱에서 방출될 수 있으며 계속 방출될 수 있는 임의의 증기 이외에 추가 기화된 화합물로 방출될 수 있다. 염소는 폴리비닐 클로라이드(PVC) 플라스틱을 포함하지만 이에 한정되지 않는 염소-함유 플라스틱에서 방출될 수 있다. 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 다양한 유기 용매가 방출될 수 있다.
고형 폐기물 혼합물의 가열 동안 방출될 수 있는 다른 추가 기화된 화합물의 비한정적인 예시는 아세톤, 벤젠, 카본 다이설피드, 클로로메탄, 에틸 아세테이트, 2-헥사논, 메틸 에틸 케톤, 스티렌, 부틸 알콜, THF, 톨루엔, 벤질 알콜, 비스(2-클로로에톡시)메탄, 디에틸 프탈레이트, 디메틸프탈레이트, 디펜히드라진, 비스(2-에틸헥실)프탈레이트, 이소포론, 메틸페놀, 니트로벤젠, 니트로페놀, 니트로소 디-n-프로필아민, o-톨루이딘, 헥산디오산, 비스(2-에틸헥실)에스테르, 테트라코사헥사엔 및 푸란메탄올을 포함한다.
온도가 약 240 ℃를 초과하여 제4 온도 범위(208)로 증가함에 따라, 고형 폐기물 혼합물 내의 플라스틱 물질은 용융되어 고형 폐기물 혼합물의 다른 성분과 혼합되어야 한다. 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도는 약 160 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위일 수 있다. 최대 온도는 약 160 ℃, 약 170 ℃, 약 180 ℃, 약 190 ℃, 약 200 ℃, 약 210 ℃, 약 220 ℃, 약 230 ℃, 약 240 ℃, 약 245 ℃, 약 250 ℃, 약 255 ℃, 약 260 ℃, 약 265 ℃, 약 270 ℃, 약 275 ℃, 약 280 ℃, 약 285 ℃, 약 290 ℃, 약 295 ℃ 및 약 300 ℃일 수 있다. 최대 온도는 약 190 ℃일 수 있다. 최대 온도는도 2에 도시된 바와 같이 약 260 ℃일 수 있다. 고형 폐기물 혼합물이 열 분해되지 않도록 최대 온도 및 공정 조건을 제어해야 한다.
하나 이상의 가열된 벽은 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도에 상응하는 온도로 유지될 수 있다. 하나 이상의 가열된 벽은 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도보다 높은 온도로 유지될 수 있다. 하나 이상의 가열된 벽을 보다 높은 온도로 유지함으로써, 고형 폐기물 혼합물은 보다 짧은 시간 내에 최대 온도까지 가열될 수 있다.
하나 이상의 가열된 벽은 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도보다 약 30 ℃ 더 높을 수 있는 온도로 유지될 수 있다. 하나 이상의 가열된 벽은 압출 전에 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도보다 약 30 ℃ 이상, 약 40 ℃ 이상, 약 50 ℃ 이상, 약 60 ℃ 이상, 약 70 ℃ 이상, 약 80 ℃ 이상, 약 90 ℃ 이상, 약 100 ℃ 이상, 약 120 ℃ 이상, 약 140 ℃ 이상, 약 160 ℃ 이상, 약 180 ℃ 이상, 및 약 200 ℃ 이상 높을 수 있는 온도로 유지될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물이 열 분해되지 않도록 최대 온도 및 공정 조건을 제어해야 한다.
고형 폐기물 혼합물이 균질화되고 혼합 플라스틱이 용융되기에 충분한 시간을 허용하기 위해, 고형 폐기물 혼합물은 약 15 분 내지 약 120 분 범위의 기간 동안 공정용기 내에서 가열될 수 있다. 가열의 지속 시간은 공정용기에 도입된 고형 폐기물 혼합물, 하나 이상의 가열된 벽의 온도, 고형 폐기물 혼합물의 다양한 성분의 비열 및 혼합 속도를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 적어도 몇가지 요소에 의존할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 약 15 분 내지 약 25 분, 약 20 분 내지 약 30 분, 약 25 분 내지 약 35 분, 약 30 분 내지 약 40 분, 약 35 분 내지 약 45 분, 약 40 분 내지 약 50 분, 약 45 분 내지 약 55 분, 약 50 분 내지 약 60 분, 약 55 분 내지 약 65 분, 약 60 분 내지 약 90 분, 약 75 분 내지 약 105 분, 및 약 90 분 내지 약 120 분의 범위의 기간 동안 가열될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 공정용기 내에서 약 30 분의 기간 동안 가열될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 공정용기 내에서 약 60 분의 기간 동안 가열될 수 있다.
단계(109)에서 고형 폐기물 혼합물에 대해 수행되는 혼합 및 가열의 지속 시간은 임의의 하나 이상의 적어도 몇 가지 방법에 의해 결정될 수 있다. 공정용기는 공정용기 내에서 가열되고 혼합될 때 고형 폐기물 혼합물을 시스템의 조작자가 시각적으로 모니터할 수 있는 조준 유리를 포함할 수 있다. 시스템의 조작자는 고형 폐기물 혼합물이 고형 연료 조성물로 변환된 것을 조작자가 관찰할 때 수동으로 혼합기를 비활성화시킬 수 있다. 비한정적인 예시로서, 조작자는 고형 폐기물 혼합물 내의 플라스틱이 용융되어 고형 폐기물 혼합물의 다른 성분과 혼합되는 것이 관찰될 때 수동으로 혼합기를 비활성화시킬 수 있다.
이 방법은 단계(109)에서 고형 폐기물 혼합물이 가열되고 혼합될 때 고형 폐기물 혼합물의 온도를 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다. 온도는 본원에 설명된 바와 같이 공정용기에 포함된 온도 센서를 사용하여 모니터링될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물의 모니터링된 온도는 시스템의 조작자에게 표시될 수 있고 단계(109)에서 가열 및 혼합의 지속 기간을 결정하는데 사용될 수 있다. 비한정적인 예시로서, 시스템의 조작자는 공정용기 내의 고형 폐기물 혼합물의 표시된 온도가 본원에서 상기 설명된 최대 온도를 초과할 때 혼합기를 비활성화시킬 수 있다. 고형 폐기물 혼합물의 측정된 온도는 자동 제어 시스템과 소통될 수 있다. 자동 제어 시스템은 고형 폐기물 혼합물의 측정된 온도가 본원에서 이전에 설명한 최대 온도를 초과하면 혼합기를 비활성화할 수 있다.
공정용기는 단계(106) 및 단계(109)의 가열 및 혼합이 수행되는 단일 내부 용적을 포함할 수 있다. 공정용기는 내부 용적을 건조 챔버와 혼합 챔버로 나누는 내부 벽을 포함할 수 있다. 단계(106)에서 고형 폐기물 혼합물의 가열은 건조 챔버 내에서 발생할 수 있으며, 이어서 동일한 건조 챔버 내의 단계(108)에서 기화 된 화합물을 제거가 뒤따른다. 또한, 단계(108) 후에 건조 챔버에 남아있는 건조 된 고형 혼합물은 내부 벽 내에 포함된 전달 개구를 통해 혼합 챔버 내로 전달될 수 있다. 임의로, 혼합 챔버는 또한 진공 어셈블리로부터 주기적으로 진공을 혼합 챔버에 가하거나 또는 혼합 챔버 내에 진공을 유지하도록 진공을 인가하여, 건조된 고형 폐기물 혼합물의 가열 동안 방출된 임의의 추가 기화된 화합물을 제거할 수 있게 하는 진공 부착 핏팅 (vacuum attachment fitting)을 포함할 수 있다.
가열된 고형 폐기물 혼합물의 압출
다시 도 1을 참조하면, 단계(109)에서 건조 고형 폐기물 혼합물을 가열 및 혼합하고, 최종 온도까지 가열하는 동안 방출된 임의의 잔류 수증기 및 다른 기화된 화합물을 임의로 제거한 후에, 건조된 고형 폐기물 혼합물은 상대적으로 균일한 점성 재료로 이루어진 가열된 고형 폐기물 혼합물로 형성되었을 수도 있으며, 여기서 용융된 플라스틱은 물질 전체에 분포된다. 가열된 고형 폐기물 혼합물은 단계(110)에서 공정용기로부터 압출될 수 있다.
가열된 고형 폐기물은 한정없이 당 업계에 알려진 임의의 압출 방법을 사용하여 공정용기로부터 압출될 수 있다. 공정용기는 본원 하기에 기술된 바와 같은 압출기 출구를 구비할 수 있다. 압출기 출구는 다양한 형상 및 치수를 갖는 단면 프로파일을 포함할 수 있다. 압출기 출구의 단면 프로파일은 취급, 운반, 보관 및/또는 후속 사용을 용이하게 하는 형상을 갖는 고형 연료 조성물을 제조하도록 선택될 수 있다. 적합한 단면 프로파일 형상의 비한정적인 예시는 원형, 삼각형, 정사각형 또는 임의의 다른 닫힌 다각형을 포함한다.
압출기 출구의 단면 프로파일의 최대 치수는 약 1 인치 내지 약 12 인치 또는 그 이상으로 다양할 수 있다. 최대 치수는 약 1 인치 내지 약 3 인치, 약 2 인치 내지 약 4 인치, 약 3 인치 내지 약 5 인치, 약 4 인치 내지 약 6 인치, 약 5 인치 내지 약 7 인치, 약 6 인치 내지 약 8 인치, 약 7 인치 내지 약 9 인치, 약 8 인치 내지 약 10 인치, 약 9 인치 내지 약 11 인치, 및 약 10 인치 내지 약 12 인치로 다양할 수 있다. 압출기 출구의 단면 프로파일은 최대 치수가 2 인치인 정사각형 모양일 수 있다.
공정용기는 가열된 고형 폐기물 혼합물을 압출기 출구를 통해 압축하기 위한 임의의 알려진 장치를 한정없이 구비할 수 있다. 공정용기는 혼합 단계 동안 일 방향으로 작동될 수 있고 가열된 고형 폐기물 혼합물을 압출하기 위해 역방향으로 작동될 수 있는 스크류 컨베이어를 포함하는 혼합기가 제공될 수 있다. 공정용기는 용기 벽의 바닥 부분 내의 부분적으로 폐쇄된 채널 내에 스크류 컨베이어를 포함할 수 있다. 스크류 컨베이어는 단계(110)에서 가열된 고형 폐기물 혼합물의 압출을 개시하도록 활성화될 수 있다.
가열된 고형 폐기물 혼합물은 공정용기 외부의 보다 저온의 온도로 압출될 때 냉각될 수 있다. 압출 출구는 가열된 고형 폐기물 혼합물의 온도를 압출 온도로 유지하도록 가열될 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 압출 온도는 가열된 고형 폐기물 혼합물 내의 점도를 공정용기에 제공된 압출 요소를 사용하여 압출과 호환하도록 선택될 수 있다. 압출 출구는 전기 저항 히터, 가열된 재킷, 유도히터 및 임의의 다른 알려진 적합한 가열 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 알려진 가열 방법을 사용하여 가열될 수 있다.
가열된 고형 폐기물 혼합물은 공정용기 내에서 가열된 고형 폐기물 혼합물의 최대 온도 미만의 온도에서 압출 출구로부터 나올 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물의 온도는 약 100 ℃ 내지 약 260 ℃일 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물의 온도는 약 100 ℃ 내지 약 140 ℃, 약 120 ℃ 내지 약 160 ℃, 약 140 ℃ 내지 약 180 ℃, 약 160 ℃ 내지 약 200 ℃, 약 180 ℃ 내지 약 220 ℃, 약 200 ℃ 내지 약 240 ℃ 및 약 220 ℃ 내지 약 260 ℃의 범위일 수 있다.
압출된 고형 폐기물 혼합물의 온도는 약 200 ℃일 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 약 200 ℃ 미만일 수 있다. 더 높은 온도가 사용되었지만 압출된 고형 폐기물 혼합물의 열 분해는 200 ℃ 이상의 압출 온도에서 일어나는 것으로 관찰되었다.
압출된 고형 폐기물 혼합물은 압출됨에 따라 조각으로 절단될 수 있다. 레이저 커터, 톱, 워터 제트 커터 및 임의의 다른 적절한 절단 장치를 포함하나 이에 한정되지 않는 압출된 물질을 절단하기 위한 임의의 알려진 장치를 사용하여 압출된 고형 폐기물 혼합물을 절단할 수 있다. 압출된 폐기물 혼합물은 절단 전에 재료를 경화시키기 위해 약간 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 길이가 약 2 피트 미만의 조각으로 절단될 수 있다.
압출된 고형 폐기물 혼합물은 공정용기 외부의 상온 조건에서 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물의 냉각 속도는 하나 이상의 냉각 장치 또는 방법을 사용하여 가속될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 압출된 폐기물 혼합물로부터의 열 전달을 개선시키기 위해 공기 팬, 미스트 팬, 수냉 탱크, 냉각된 표면, 냉장 챔버 및 임의의 다른 알려진 물질 냉각 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 장치를 사용하여 냉각될 수 있다. 수냉식 컨베이어와 같은 컨베이어는 압출된 고형 폐기물을 냉각시켜 고형 연료 조성물을 형성하게 하는데 사용될 수 있다.
압출된 고형 폐기물 혼합물은 신속하게 냉각될 수 있다; 즉, 주위 조건에서 혼합물을 방치하는 것보다 더 빨리 냉각된다. 그렇게하면 응고 및 저장 안정성이 촉진될 수 있다. 압출된 고형 폐기물을 냉각시키는데 걸리는 시간은 다양할 수 있고 다양할 것이다. 압출된 고형 폐기물 혼합물이 냉각되도록 하는 시간은 약 15 분, 약 14 분, 약 13 분, 약 12 분, 약 11 분, 약 10 분, 약 9 분, 약 8 분, 약 7 분, 약 6 분, 약 5 분, 약 4 분, 약 3 분, 약 2 분, 약 1 분, 약 30 초 또는 약 15 초일 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 10 분 이내에 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 5 분 이내에 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 1 분 이내에 냉각될 수 있다.
고형 폐기물 혼합물은 압출 이외의 방법을 사용하여 조각들로 형성될 수 있다. 점성 재료를 원하는 형상으로 형성하는 임의의 알려진 방법이 조각을 형성하는데 사용될 수 있고 방법은 압축 몰딩을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 비한정적인 예시로서, 가열된 고형 폐기물 혼합물은 공정용기로부터 제거되어 복수의 금형으로 나누어지고 원하는 형상으로 압축될 수 있다. 원하는 형상은 상기 본원에 설명한 바와 같은 압출 방법을 이용하여 형성된 조각의 형상과 유사할 수 있다. 원하는 형상은 약 2 인치의 최대 단면적 및 약 2 피트의 막대 길이를 갖는 막대일 수 있다. 원하는 형상의 단면 프로파일은 원형, 정사각형 또는 임의의 다른 적합한 단면 프로파일일 수 있다.
압출된 고형 폐기물 혼합물은 고형 연료 조성물을 형성하도록 냉각될 수 있다. 결과물인 고형 연료 조성물은 멸균성, 소수성, 화학적으로 안정성 및/또는 비생분해성이다. "멸균성"은 제조된 후에 박테리아, 진균 및 바이러스와 같은 살아있는 미생물이 실질적으로 없는 고형 연료 조성물을 지칭한다. "안정성" 또는 "화학적 안정성"이란 물, 산소 또는 주위 조건과의 장기간 접촉시, 특히 통상적인 저장 조건 하에서 화학적 또는 물리적 특성 또는 구조를 실질적으로 변화시키지 않는 고형 연료 조성물을 의미한다. 고형 연료 조성물은 연소, 열 분해 또는 유사한 공정에서 공급원료로서 사용될 때까지 "안정하다". "비생분해성(non-biodegradable)"은 부패 또는 퇴비화와 같은 통상적인 생물학적 작용 하에서 열화되거나 버려지지 않는 고형 연료 조성물을 지칭한다. 결과적으로, 고형 연료 조성물은 넓은 범위의 저장 조건에서 장기간 동안 저장될 수 있고/거나, 인접 배치된 폐기물에서 에너지 설비로의 공급원료로 사용되고/거나, 멀리 떨어진 폐기물에서 에너지 설비로 이송되고/거나, 공정용기 및 관련 장치에 에너지를 제공하는 데 사용될 수 있다.
고형 연료 조성물 조각은 열 분해 반응기의 공급원료로서 사용하기에 적합한 보다 작은 조각으로 임의로 분쇄될 수 있다. 보다 작은 조각의 입자 크기는 고형 연료 조성물이 공급원료로 사용될 수 있는 특정 열 분해 반응기에 따라 다양할 수 있다. 보다 작은 조각의 입자 크기는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 입자 크기 범위 일 수 있다. 보다 작은 조각은 약 3 mm의 최대 입자 크기를 가질 수 있다. 고형 연료 조성물의 분쇄 조각은 알려진 장비 및 방법을 사용하여 고형 연료 조성물을 목재 프로파일로 압출시킴으로써 건축 재료로 형성될 수 있다.
II. 고형 연료 조성물 형성 시스템
고형 폐기물 혼합물로부터 고형 연료 조성물을 제조하기 위한 시스템이 제공된다. 도 7은 본원에 개시된 바와 같이, 혼합 고형 폐기물을 처리하기 위한 시스템의 일반적인 개략도이다. 시스템(700)은 공정용기(710), 히터(720), 응축기(730), 진공 펌프(740), 제어 패널(750), 컨베이어(760) 및 하나 이상의 임의의 수처리 장치(770)를 포함한다. 공정용기(710)는 공정용기(710)의 내부 용적 내에 있고 공정용기(710)에 작동 가능하게 연결된 혼합기(712)를 포함한다. 공정용기(710)는 또한 공정용기(710)의 제1 개구를 통과하는 압출 요소(716) 및 공정용기(710)의 제2 개구를 통과하는 진공 포트(714)를 갖는다. 히터(720)는 공정용기(710)의 내부 부피를 가열하기 위해, 예를 들어 공정용기(710)의 하나 이상의 벽을 가열함으로써 공정용기(710)에 작동 가능하게 연결된다.
응축기(730)는 상부 포트(734) 및 하부 포트(736)를 포함한다. 응축기는 응축기(730)의 상부 포트(734)를 통해 공정용기(710)의 진공 포트(714)에 작동 가능하게 연결된다. 진공 펌프(740)는 응축기(730)의 하부 포트(736)를 통해 응축기(730)에 작동 가능하게 연결된다. 제어 패널(750)은 혼합기(712), 히터(720), 진공 펌프(740) 및 시스템(700) 내의 하나 이상의 임의의 센서에 작동 가능하게 연결된다. 냉각 유닛으로서 작용하는 컨베이어(760)는 압출된 물질을 수용하도록 공정용기(710)의 압출 포트(716)에 작동 가능하게 연결된다. 자세한 내용은 본원에 설명된 하위 항목에서 확인할 수 있다. 임의의 필터(770)는 시스템(700)의 작동 중에 응축기(730)에 형성된 응축물을 처리하기 위해 응축기(730)에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
도 4는 시스템(400)의 요소를 설명하는 블록 다이어그램이다. 시스템(400)은 가열기(405) 및 진공 시스템(403)에 작동 가능하게 연결된 공정용기(401)를 포함할 수 있다. 공정용기는 가열기(405)에 의해 가열될 때 고형 폐기물 혼합물을 혼합하기 위한 혼합기(408)를 포함할 수 있다. 또한, 진공 시스템(403)은 공정용기(401) 내에서 상대적으로 산소가 없는 대기를 유지하고, 공정용기(401) 내의 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 방출될 때 수증기 및 다른 기화된 화합물을 추가적으로 제거한다. 시스템은 본원에 설명된 바와 같은 고형 연료 조성물을 형성하는 공정을 수행하기에 적합한 장치 및 구성요소를 제공한다.
공정용기
도 4를 참조하면, 시스템(400)은 공정용기(401)를 포함할 수 있다. 공정용기(401)는 벽 온도로 유지되는 하나 이상의 가열된 벽, 공정용기의 내부 용적 내에 있고 공정용기(401)에 작동 가능하게 연결된 혼합기(408), 공정용기(401)의 제1 개구를 통과하는 압출 요소, 및 공정용기의 제2 개구를 통과하는 진공 포트를 포함한다. 공정용기(401)는 혼합기(408)를 함유하는 내부 용적(406)을 둘러싸고 있다. 고형 폐기물 혼합물은 내부 용적(406)로 도입되고 혼합기(408)를 사용하여 교반되고 용기(401)에 작동 가능하게 결합된 히터(405)를 사용하여 가열될 수 있다. 내부 용적(406) 내의 압력은 진공 포트를 통해 용기(401)에 작동 가능하게 연결된 진공 시스템을 사용하여 약 50 torr 미만의 진공 압력으로 유지될 수 있다.
공정용기(401)는 적어도 약 300 ℃의 최대 온도까지 적절한 강도, 비반응성 및/또는 내열성을 갖는 임의의 알려진 물질로 구성될 수 있다. 용기(401)의 재료는 히터(405)에 의한 내부 용적의 가열을 용이하게 하기 위해 높은 열 전도성을 가질 수 있다. 공정용기(401)의 물질은 전도가열 및 유도가열을 포함하지만 이에 한정되지 않는 특정 가열 방법과 호환할 수 있다. 공정용기(401)는 스테인리스 강을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속으로 구성될 수 있다.
공정용기(401)는 용기(401) 내에 혼합될 고형 폐기물 혼합물, 용기(401) 내에 포함된 혼합기(408) 유형, 및/또는 폐기물에서 에너지 설비 또는 시스템(400)이 작동될 다른 장소에서 용기(401)의 원하는 풋 프린트를 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 하나 이상의 적어도 몇 개의 요소에 따라 전반적인 크기에 있어서 다양할 수 있다.
공정용기(401)는 본질적으로 직사각형 용기로서 제공될 수 있다. 공정용기(401)의 길이는 약 5 피트 내지 약 20 피트의 범위일 수 있다. 공정용기(401)의 높이 및 폭은 각각 약 5 피트 내지 약 10 피트의 범위일 수 있다. 공정용기(401)는 약 10 피트의 길이, 약 7 피트의 폭 및 약 7 피트의 높이를 가질 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 공정용기(401)는 용기(401)의 내부 용적(406)으로/으로부터의 접근을 제공하는, 및/또는 진공 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않는 시스템과 관련된 하나 이상의 장치의 작동 가능한 연결을 제공하는 하나 이상의 개구, 포트 및/또는 해치를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구부의 비한정적인 예시는 배기 포트(420), 압출 출구(434), 및 입구(444)를 포함한다. 용기의 하나 이상의 개구부는 하기의 본원에서 더 상세히 설명된다.
개구 /임의의 호퍼의 재밀봉
고형 폐기물 혼합물은 본원에서 설명한 바와 같이 고형 연료 조성물을 형성하는 방법을 개시하기 위해 공정용기(401)의 내부 용적(406)에 도입될 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 해치, 도어, 포트, 또는 용기 벽에 형성된 임의의 다른 적절한 재밀봉 개구를 포함하는 재밀봉 개구를 통해 내부 용적(406) 내로 도입될 수 있다. 재밀봉 개구는 고형 폐기물 혼합물을 용기(401) 내로 삽입하기 위해, 및 후속으로 공정용기(401) 내에서 가열 및 혼합을 개시하기 전에 개방될 수 있다. 재밀봉 개구는 밀봉부, 개스킷 및/또는 재밀봉 개구가 폐쇄될 때 기밀 밀봉부를 형성하는 임의의 다른 특징부와 함께 제공될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 시스템(400)은 고형 폐기물 혼합물(404)을 수집하여 용기(401)의 내부 용적(406) 내로 도입하기 위해 공정용기(401)에 작동 가능하게 연결된 호퍼(402)를 임의로 포함할 수 있다. 호퍼(402)는 용기 벽 내부에 제공된 고형 폐기물 입구(444)를 통해 내부 용적(406)에 연결될 수 있다. 고형 폐기물 입구(444)는 개방하여 고형 폐기물 혼합물(404)을 호퍼(402)로부터 내부 용적(406)으로 비우도록 구성된 재밀봉 도어일 수 있다. 재밀봉 도어는 고형 폐기물 혼합물이 일단 호퍼(402)로부터 내부 용적(406)으로 전달되면 폐쇄되어 밀봉부를 형성할 수 있다. 이러한 배치는 배치 공정, 연속 공정 또는 반 연속 공정에 적합하다.
당해 분야에 알려진 임의의 알려진 호퍼 설계가 시스템(400)에 포함된 호퍼(402)로서 선택될 수 있다. 호퍼(402)는 고형 폐기물 혼합물을 본원에 설명된 바와 같이 공정용기(401) 내에서 혼합 및 가열하기에 적합한 조각으로 파쇄하기 위한 파쇄기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 특히, 고형 폐기물은 감압하에 공정용기(401) 내에서 가열 및 혼합될 수 있다. 파쇄기는 고형 폐기물 입구(444)를 통해 용기(401)에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 파쇄기의 출구 포트는 고형 폐기물 혼합물을 내부 용적(406)으로 공급할 수 있다. 단일축 회전식 파쇄기, 2중축 회전식 파쇄기, 과립기 및 해머 밀 파쇄기를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 알려진 파쇄기 설계가 시스템(400)에 포함되기에 적합할 수 있다.
혼합기
다시 도 4를 참조하면, 공정용기(401)는 내부 용적(406) 내에 고형 폐기물 혼합물을 혼합하기 위한 혼합기(408)를 더 포함할 수 있다. 임의의 알려진 혼합기 설계가 한정없이 공정용기에 포함될 수 있다. 상기 혼합기(408)는 비교적 밀도가 높고 점성이 있는 고형 폐기물 혼합물을 교반하는 능력; 고형 폐기물 혼합물에 전단력을 부여하는 능력; 그리고 믹서를 구동하기 위한 에너지 요구 사항을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 하나 이상의 적어도 몇가지 요소에 기초하여 선택될 수 있다. 혼합기(408)는 적어도 하나의 혼합기 블레이드(446)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 혼합기 블레이드(446)는 하나 이상의 혼합기 블레이드(446)의 회전축이 용기(401)의 길이를 따라 정렬되도록 내부 용적(406) 내에서 배향될 수 있다. 스크류 컨베이어(screw conveyer) 및 나벤 블레이드(naben blade)를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 적합한 혼합기 블레이드 설계가 시스템에 포함되도록 선택될 수 있다.
공정용기(401A)는 이중 혼합기 블레이드(502/504)를 포함할 수 있다. 이중 혼합기 블레이드(502/504)는 내부 용적(406) 내의 고형 폐기물 혼합물의 혼합을 개선시키기 위해 반대 방향으로 회전할 수 있다. 비한정적인 예시로서, 제1 혼합기 블레이드(502)는 시계 방향으로 회전할 수 있고, 제2 혼합기 블레이드(504)는 반 시계 방향으로 회전할 수 있다. 이 예시에서, 역회전 혼합기 블레이드(502/504)는 내부 용적(406)의 하부로부터 상부로 고형 폐기물 혼합물을 운반할 수 있고, 추가적으로 내부 용적의 상부로부터 고형 폐기물 혼합물을 혼합기 블레이드(502/504) 사이의 아래 방향으로 가게 강제할 수 있다. 이중 혼합기 블레이드(502/504)는 혼합기 블레이드(502/504) 사이의 고형 폐기물 혼합물의 분쇄를 가능하게 하기 위해 근접하여 측방향으로 이격되어 있을 수 있다. 혼합기 블레이드(502/504)의 측방향 간격은 금속 또는 세라믹 비트와 같은 단단한 입자가 혼합기 블레이드(502/504) 사이에서 끼어들지 않고 통과할 수 있는 약간의 갭을 제공할 수 있다.
이중 챔버 공정용기
공정용기(401)의 내부 용적(406)은 별도의 건조 및 혼합 챔버로 세분화될 수 있다. 도 6은 내부 용적을 건조 챔버(704) 및 혼합 챔버(706)로 세분하는 내부 벽(702)을 포함하는 공정용기(401B)의 단면도이다. 두 개의 챔버(704/706)는 건조 챔버(704)와 혼합 챔버(706) 둘다의 내용물을 가열하기 위해 가열된 재킷으로 둘러싸일 수 있다. 내부 벽(702)은 건조 챔버(704)의 내용물을 혼합 챔버(706)로 전달하도록 개방될 수 있는 재밀봉 도어(708)를 더 함유할 수 있다.
이중 챔버 공정용기(401B)는 혼합 챔버(706) 내에 위치한 혼합기(408)를 더 포함할 수 있다. 제2 혼합기(408A)(도시하지 않음)는 건조챔버(704) 내에 위치될 수 있다. 이중챔버 공정용기(401B)는 가열된 고형 폐기물 혼합물이 혼합 챔버(706)로부터 및 용기(401B) 밖으로 압출될 수 있는 도관을 제공하는 압출기 출구(434)를 더 포함할 수 있다.
진공 시스템
다시 도 4를 참조하면, 공정용기(401)는 진공 시스템(403)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 공정용기(401)는 진공 시스템(403)에 작동 가능하게 연결되도록 배기 포트(420)를 포함할 수 있다. 배기 포트(420)는 내부 단부(440)에서 내부 용적(406)에 개방되고 외부 단부(442)에서 용기(401)의 외부에 개방되는 채널(438)을 형성할 수 있다. 진공 시스템(403)은 배기 포트(420)의 외부 단부(442)에 부착될 수 있다. 진공 시스템(403)은 진공 호스(422)를 통해 배기구(420)에 연결될 수 있다.
진공 호스(422)는 사용중 붕괴를 방지하도록 보강될 수 있다. 또한, 진공 호스(422)는 고형 폐기물 혼합물이 가열될 수 있는 최대 온도까지의 온도에서 안전한 작동을 보장하도록 내열성일 수 있다. 진공 호스는 약 300 ℃의 온도까지 내열성일 수 있다. 진공 호스(422)는 고형 폐기물 혼합물의 가열 동안 내부 용적(406)으로부터 제거된 임의의 기화된 화합물로부터의 열화에 저항하기 위해 화학적으로 비활성 및/또는 내식성일 수 있다. 진공 호스(422)는 무거운 강철 라인의 고열 호스일 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 진공 시스템(403)은 진공 펌프(424)를 포함할 수 있다. 진공 펌프(424)는 내부 용적(406) 내에 본원에 설명된 바와 같이 충분히 낮은 압력을 유지하도록 선택될 수 있다. 또한, 진공 펌프(424)는 화학적으로 비활성, 내열성 및/또는 내식성일 수 있다. 또한, 진공 펌프(424)는 내부 용적(406)으로부터 전달된 임의의 입자 또는 다른 고형 오염물의 존재하에 작동하도록 충분히 견고할 수 있다. 진공 펌프(424)는 흔히 일어나는 플러딩 (flooding)동안 그것이 물에 노출되는 것을 방지하기 위해 스탠드 또는 상승된 플랫폼 상에 배치될 수 있다.
임의의 진공 펌프 설계가 한정없이 진공 시스템(403)에 포함될 수 있다. 적합한 진공 펌프의 비한정적인 예시는 회전 베인 펌프, 다이어프램 펌프 및 액체 링 펌프를 포함한다. 진공 펌프(424)는 액체 링 펌프일 수 있다. 진공 펌프(424)는 직렬로 연결된 2 개 이상의 액체 링 펌프 일 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 진공 펌프(424)는 내부 용적(406) 내에서 약 50 torr 미만의 압력을 유지할 수 있고, 가열된 고형 폐기물 혼합물에 의해 내부 용적(406)으로 방출된 임의의 수증기 및/또는 다른 기화된 화합물을 더 제거할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 공기 공급원(454)은 공기 도입구(452)를 통해 공정용기(401)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 공기 공급원은 내부 용적(406)으로부터 진공 시스템(403)으로 기화된 화합물의 이동을 용이하게 하기 위해 스윕 공기를 공정용기(401)의 내부 용적(406)에 도입할 수 있다. 공기 도입구는 진공 시스템(403)이 활성화 될 때, 내부 용적(406) 내에서 약 50 torr 미만의 진공 압력을 유지하도록 선택된 유속으로 공기를 제공할 수 있다. 공기 공급원은 압축 공기 탱크; 공기 압축기, 공기 펌프 또는 대기 중 팬 드로잉 및 임의의 다른 알려진 공기 공급원을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 공기 공급원일 수 있다. 공기 공급원은 질소 및 아르곤과 같은 임의의 비활성가스를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 산소가 없고 비반응성의 가스를 공급할 수 있다.
공기 공급원(454)에 의해 공급된 스윕 공기는 내부 용적(406)으로 도입되기 전에 가열될 수 있다. 스윕 공기의 온도는 약 20 ℃ 내지 약 280 ℃ 범위일 수 있다. 스윕 공기의 온도는 적어도 20 ℃, 적어도 40 ℃, 적어도 60 ℃, 적어도 80 ℃, 적어도 100 ℃, 적어도 120 ℃, 적어도 140 ℃ 및 적어도 160 ℃일 수 있다. 스윕 공기는 공기 공급원(454)에 작동 가능하게 연결된 전용 스윕 공기 가열기를 사용하여 가열될 수 있다. 스윕 공기는 히터(405)로부터 스윕 공기로 폐열을 전달하기 위해 열교환 장치를 통해 향할 수 있다. 가열기(405)의 고온 배기는 스윕 공기로서 사용하기 위해 공기 공급원(454)으로 향하게 될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 진공 시스템(403)은 진공 호스(422)를 통해 공정용기(401)에 및 진공 펌프(424)에 작동 가능하게 연결된 응축기(426)를 더 포함할 수 있다. 응축기(426)는 폐수를 제조하기 위해 진공 펌프(424)에 의해 공정용기(401)로부터 뽑아진 수증기 및/또는 다른 기화된 화합물을 냉각시킨다. 폐수는 또한 응축기(428)에 작동 가능하게 연결된 냉각 탱크(428)로 전달될 수 있다.
냉각 탱크(428)는 본원에서 설명한 바와 같이 하나 이상의 기화된 화합물을 포함할 수 있는 가열된 액체를 보관가능한 임의의 탱크일 수 있다. 냉각 탱크(428)는 폐수의 냉각을 개선시키기 위해 비교적 높은 열 컨덕턴스를 갖는 내식성 및 비반응성 물질로 구성될 수 있다. 칠러 또는 다른 능동 냉각 장치(도시되지 않음)는 냉각 탱크(428) 내에 작동 가능하게 연결되어 냉각 탱크(428) 내의 폐수의 냉각 속도를 개선시킬 수 있다.
진공 시스템은 응축기를 포함할 수 있다. 응축기는 상부 포트, 상부 포트 아래의 하부 포트, 하부 포트 아래의 응축물 베이신 및 응축물 베이신 내의 드레인을 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 응축기는 응축기의 상부 포트를 통해 공정용기의 진공 포트에 작동 가능하게 결합되고, 응축기는 응축기의 하부 포트를 통해 진공 펌프에 작동 가능하게 연결된다.
본원에서 설명한 바와 같이, 응축기(426)에 의해 제조된 폐수는 수용액에서 염소 및 다양한 유기 용매를 포함하나 이에 한정되는 것은 아닌 하나 이상의 추가 기화된 화합물을 포함할 수 있다. 다시 도 4를 참조하면, 진공 시스템(403)은 응축기(426)에 대향하는 폐수 냉각 탱크(428)에 직렬로 작동 가능하게 결합된 하나 이상의 수처리 장치(430)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 수처리 장치(430)는 응축된 물로부터 추가 기화된 화합물을 제거하여 처리된 폐수를 제조하도록 구성될 수 있다. 적합한 수처리 장치(430)의 비한정적인 예시는 멤브레인 필터, 오존 챔버 및 활성탄 필터를 포함한다.
하나 이상의 수처리 장치(430)는 멤브레인 필터를 포함할 수 있다. 임의의 적절한 멤브레인 필터는 진공 시스템(403) 내의 수처리 장치(430)로서 포함될 수 있다. 적합한 멤브레인 필터의 비한정적인 예시는 비대칭 폴리에테르 설폰 멤브레인 필터; 나일론™(폴리아미드) 멤브레인 필터; 및 테플론™(폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE) 멤브레인 필터를 포함한다. 멤브레인 필터는 폐수로부터 제거될 예상 기화 화합물에 따라 선택될 수 있다. 또한, 멤브레인 필터는 냉각 탱크(428)를 떠나는 폐수의 예상 온도에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 최대 작동 온도가 약 180 ℃인 테플론™(폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE) 멤브레인 필터는 약 80 ℃의 최대 작동 온도를 가진 나일론™(폴리아미드) 멤브레인 필터보다 훨씬 높은 폐수 온도를 견딜 수 있다.
하나 이상의 수처리 장치(430)는 오존 챔버를 포함할 수 있다. 오존 챔버는 폐수를 멸균할 수 있다. 임의의 알려진 설계의 오존 챔버가 수처리 장치(430)로서 선택될 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 오존 챔버의 최대 작동 온도는 약 40 ℃일 수 있다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 더 낮은 수온에서 오존의 증가된 용해도로 인해 더 낮은 수온에서 오존 챔버의 효율성이 개선될 수 있다.
하나 이상의 수처리 장치(430)는 활성탄 필터를 포함할 수 있다. 활성탄 필터는 폐수로부터 임의의 하나 이상의 추가 기화된 화합물을 흡착할 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 기화된 화합물의 활성탄으로의 흡착 효율은 보다 낮은 수온에서 개선된다. 활성탄 필터의 최대 작동 온도는 약 35 ℃이다.
하나 이상의 수처리 장치(430)는 각 장치가 처리될 모든 폐수에 접촉할 수 있도록 선형 직렬로 작동 가능하게 결합될 수 있다. 수처리 장치(430)의 순서는 선형 직렬의 시작 부근에서 가장 견고한 수처리 장치를 위치시키고 보다 민감한 수처리 장치를 선형 직렬의 단부를 향해 위치시키도록 배열될 수 있다. 견고한 수처리 장치는: 비교적 높은 작동 온도; 광범위한 염분 및/또는 pH에 대한 상대적 비민감도; 및/또는 미립자 물질에 의한 오염의 내성 중 하나 이상에 의해 특징지어 질 수 있다. 하나 이상의 수처리 장치(430)의 선형 직렬은 최대 작동 온도에 따라 배열될 수 있다. 상대적으로 높은 최대 작동 온도를 갖는 멤브레인 필터가 선형 순서의 첫 번째이며, 다음에 오존 챔버가, 이어서 활성탄 필터가 뒤따른다. 냉각 탱크(428)는 하나 이상의 수처리 장치(430) 중 가장 낮은 최대 작동 온도 미만의 온도로 폐수를 냉각할 수 있고, 하나 이상의 수처리 장치(430)는 임의의 원하는 순서로 배열될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 진공 시스템(403)은 후속 사용 및/또는 폐기를 위해 하나 이상의 수처리 장치(430)에 의해 처리된 폐수를 저장하도록 구성된 처리된 폐수 보유 탱크(432)를 더 포함할 수 있다. 임의의 적합한 물탱크 설계가 한정없이 폐수-보유 탱크(432)에 대해 선택될 수 있다. 폐수-보유 탱크(432)는 냉각 탱크(428)와 비교하여 보다 다양한 재료로 구성될 수 있는데, 그 이유는 처리된 폐수가 이전에 상기 본원에서 설명한 바와 같이 냉각 및 정제되기 때문이다. 폐수-보유 탱크(432)는 강화된 유리섬유 물탱크일 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 폐수는 먼지 제어, 비식용 작물의 관개 및/또는 하수도 시스템에서의 폐수 처리용으로 사용될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 기화된 화합물이 응축된 후에 응축기(426)에 남아있는 공기는 진공 펌프(424)를 통과할 수 있고 하나 이상의 가스 스크러빙 장치(456)로 배출될 수 있다. 진공 펌프를 빠져 나가는 가스는 공기뿐만 아니라 메탄, 염소 가스, 염소화 유기 화합물 및 휘발성 유기 화합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 추가 가스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가스 스크러빙 장치(456)는 메탄 및 다른 가연성 가스를 진공 펌프 배기로부터 분리하기 위한 흡착제 베드를 포함할 수 있다. 흡착제 베드에 의해 포획된 메탄 및 다른 가연성 가스는 히터(405)에 연료를 공급하거나, 나중에 사용하기 위해 저장되거나, 판매될 수 있다. 하나 이상의 가스 스크러빙 장치(456)는 활성탄 필터, 멤브레인 필터 및 임의의 다른 알려진 가스 여과 장치를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아닌 가스 필터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가스 스크러빙 장치(456) 모두에 의한 처리 후에 잔존하는 가스는 배기포트(458)를 통해 대기로 배출될 수 있다.
히터
다시 도 4를 참조하면, 시스템(400)은 공정용기(401)에 작동 가능하게 결합 된 히터(405)를 포함할 수 있다. 전기히터, 유도히터 및 가열된 오일 재킷과 같은 대류 히터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 히터 설계가 히터(405)로서 선택될 수 있다. 히터(405)는 내부 용적(408)의 경계를 형성하는 하나 이상의 가열된 벽(448)을 통해 내부 용적(408)으로 열을 전달할 수 있다. 고형 폐기물 혼합물은 히터(405)로부터 가열된 벽(448)으로의 전도를 통해 및 가열된 벽(448)으로부터 가열된 벽(448)과 접촉하는 고형 폐기물 혼합물의 일부로의 전도를 통해 내부 용적(406) 내에서 가열될 수 있다.
히터(405)는 공정용기(401)를 둘러싸는 가열된 재킷일 수 있다. 가열된 재킷은 가열된 오일 입구(414)와 가열된 오일 출구(416) 사이에서 중공 쉘 내에서 순환하는 가열된 오일(412)을 함유하는 중공 쉘(410)을 포함할 수 있다. 가열된 오일 출구(416)와 가열된 오일 입구(414) 사이를 통과할 때 오일(412)로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기(418)를 통해 오일(412)을 통과시킴으로써 가열된 오일(412)의 온도를 증가시킬 수 있다. 열 교환기는 전기히터, 가스히터, 유도히터 및 임의의 다른 적절한 가열 장치를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 알려진 가열 장치에 의해 가열될 수 있다. 열 교환기(418)의 작동은 가열된 오일 입구(414) 및 가열된 오일 출구(416)를 포함하나 이에 한정되지 않는 히터 내의 하나 이상의 장소에 위치한 적어도 하나의 온도 센서에 의해 얻어진 가열된 오일의 측정을 사용하여 조정될 수 있다.
열 교환기(418)를 빠져나가는 가열된 오일의 온도는 가열된 오일 입구(414)로 다시 순환할 때 냉각될 수 있다. 또한 오일은 가열된 오일 입구(414)와 가열된 오일 출구(416) 사이의 중공 쉘 내에서 순환하여 더 냉각될 수 있다. 열 교환기 (418)는 열 교환기 (418)의 출구에서 가열된 오일 입구(414)로 이송하는 동안 냉각 정도에 따라 오일을 약 500 ℃ 또는 그 이상으로 가열할 수 있다. 열 교환기(418)에서 배출되는 오일은 적어도 300 ℃, 적어도 420 ℃, 적어도 440 ℃, 적어도 460 ℃ 및 적어도 480 ℃로 가열될 수 있다.
가열된 오일은 약 160 ℃ 내지 약 330 ℃ 범위의 온도에서 오일 입구로 도입될 수 있다. 가열된 오일은 약 300 ℃ 이상, 예컨대 350 ℃ 초과의 온도에서 오일 입구로 도입될 수 있다.
가열 오일은 오일이 가열되는 비교적 높은 온도에서 가속된 산화로 인해 장시간 사용 시 열화될 수 있다. 가열 오일의 기능적 완전성을 유지하는 임의의 알려진 수단이 한정없이 사용될 수 있다. 오일의 일부는 계속적으로 버려지고 당 업계에 알려진 임의의 방법 및 장치를 사용하여 가열된 오일 회로 내에서 교체될 수 있다. 히터는 주기적으로 비활성화될 수 있으며 오일은 이 비활성 기간 동안 변경될 수 있다.
히터(405)는 본원에 설명된 바와 같이 공정용기(401) 내의 고형 폐기물 혼합물의 원하는 최대 온도에 상응하는 비교적 일정한 가열된 벽 온도를 유지하도록 작동될 수 있다. 가열된 벽 온도는 약 260 ℃까지의 벽 온도에서 유지될 수 있다. 가열된 벽 온도는 약 160 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위의 벽 온도로 유지될 수 있다. 가열된 벽 온도는 적어도 160 ℃, 적어도 170 ℃, 적어도 180 ℃, 적어도 190 ℃, 적어도 200 ℃, 적어도 210 ℃, 적어도 220 ℃, 적어도 230 ℃, 적어도 240 ℃, 적어도 250 ℃, 적어도 260 ℃, 적어도 270 ℃, 적어도 280 ℃ 및 적어도 290 ℃의 벽 온도에서 유지될 수 있다
가열된 벽 온도는 고형 폐기물 혼합물이 본원에서 상기 설명된 바와 같이 최종 온도까지 가열될 수 있는 속도에 영향을 줄 수 있다. 가열된 벽 온도는 고형 폐기물 혼합물의 원하는 최대 온도로 유지될 수 있다. 가열된 벽 온도는 고형 폐기물 혼합물의 원하는 최대 온도보다 적어도 10 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 20 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 30 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 40 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 50 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 60 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 70 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 80 ℃ 이상, 원하는 최대 온도보다 적어도 90 ℃ 이상, 및 원하는 최대 온도보다 적어도 100 ℃ 이상 높은 온도에서 유지될 수 있다.
압출기
시스템(400)은 가열된 고형 폐기물 혼합물을 압출기 출구(434)를 통해 공정용기(401) 밖으로 압출하기 위한 압출기를 더 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 공정용기(401)는 가열된 고형 폐기물 혼합물이 용기(401) 밖으로 내부 용적 (406)으로부터 압출될 수 있는 도관을 제공하기 위해 압출기 출구(434)를 더 포함할 수 있다. 압출기는 가열된 고형 폐기물 혼합물을 압출기 출구를 향해 압축하여 고형 폐기물 혼합물을 강제로 압출 출구(434)를 통과시키도록 하기 위한 압축 요소를 포함할 수 있다.
압축 요소는 혼합기 블레이드, 스크류 컨베이어, 피스톤, 압축 펌프 및 임의의 다른 적절한 압축 요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 당 업계에 알려진 임의의 적합한 압축 요소일 수 있다. 압축 요소는 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같은 혼합기 블레이드(446)일 수 있다. 혼합기(408)는 고형 폐기물 혼합물의 가열 및 혼합 중에 전방 회전 방향으로 작동될 수 있고, 이어서 가열된 고형 폐기물 혼합물을 압출기 출구(434)를 향해 압축하여 압출된 고형 폐기물 혼합물(436)이 압출 출구(434)로부터 나오도록 역방향 회전 방향으로 작동시킨다.
압축 요소는 혼합기 블레이드(502/504)와 분리되는 전용 압축 요소(510)를 포함할 수 있다. 압축 요소 (510)는 용기 벽(512)의 하부(508) 내에 형성된 채널(506) 내에 위치한 스크류 컨베이어를 포함할 수 있다. 압출기 출구(434)는 채널(506)의 한 단부에 위치될 수 있다. 사용 시, 고형 폐기물 혼합물이 약 160 ℃ 내지 약 250 ℃의 최대 온도의 범위로 가열될 때 압축 요소(510)가 활성화될 수 있다. 압축 요소(510)는 가열된 고형 폐기물 혼합물을 채널(506) 내에서 압출기 출구(434)에 인접한 채널의 일단부를 향해 압축한다. 또한, 혼합기 블레이드(502/504)는 압출 동안 계속적으로 작동하여, 추가적으로 가열된 고형 폐기물 혼합물을 채널(506)을 향한 혼합 블레이드(502/504) 사이의 아랫방향으로 강제로 보낸다.
도 5는 압출기 출구(434)의 단면도이다. 압출기 출구(434)는 한 단부에서 내부 용적(406)으로의 및 반대 단부에서 공정용기(401)의 외부로의 루멘 개구를 둘러싸는 출구 벽(602)을 포함할 수 있다. 출구 벽(602)의 내부 표면(606)은 압출된 고형 폐기물 혼합물의 단면 형상을 형성하기 위해 압출 다이로서 작용할 수 있다. 내부 표면(606)은 원형 또는 정사각형 프로파일을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 본원에서 상기 설명한 바와 같이 임의의 적합한 압출 단면 프로파일을 정의할 수 있다. 비한정적인 예시로서, 압출 단면 프로파일은 도 5에 도시된 바와 같이 정사각형 모양일 수 있다.
압출 출구(434)는 고형 폐기물 혼합물의 압출을 용이하게 하기 위해 가열될 수 있다. 압출 출구(434)는 전기히터, 유도히터 및 가열된 오일 재킷과 같은 대류 히터를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 압출 히터 (도시되지 않음)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 압출 히터는 출구 벽(602)을 통해 루멘(604) 내로 열을 전달할 수 있다. 압출 고형 폐기물 혼합물은 히터로부터 출구 벽(602)으로의 전도를 통해 및 출구 벽(602)으로부터 출구 벽(602)과 접촉하는 고형 폐기물 혼합물의 부분으로의 전도를 통해 루멘(604) 내에서 가열될 수 있다. 히터는 공정용기(401)의 나머지 부분을 가열하기 위해 사용되는 가열된 재킷의 추가 부분일 수 있다. 압출기의 작동 온도는 본원에 설명된 바와 같으며 일반적으로 약 200 ℃를 초과해서는 안된다.
시스템(400)은 압출될 때 압출된 고형 폐기물 혼합물을 조각으로 절단하도록 구성된 커터(도시되지 않음)를 임의로 포함할 수 있다. 압출된 물질을 절단하기 위한 임의의 알려진 장치는 레이저 커터, 톱, 워터 제트 커터 및 임의의 다른 적절한 절단 장치를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 커터로서 사용하기 위해 선택될 수 있다. 압출된 폐기물 혼합물은 절단 전에 재료를 경화시키기 위해 약간 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 길이가 약 2 피트 미만의 조각으로 절단될 수 있다.
압출된 고형 폐기물 혼합물은 공기 팬, 미스트 팬 및 임의의 다른 알려진 적합한 공기 순환 장치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 공기 순환을 향상시키기 위한 하나 이상의 장치를 사용하여 냉각될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물의 냉각 속도는 압출된 고형 폐기물 혼합물을 냉각된 표면 상에 또는 에어컨디션 룸 또는 냉장된 챔버를 포함하지만 이에 한정되지 않는 냉각된 챔버 내에 위치시킴으로써 개선될 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 도 4에 도시된 바와 같이 냉각 탱크 (450)에서 물과 같은 냉각 액체에 잠길 수 있다. 압출된 고형 폐기물 혼합물은 압출된 고형 폐기물 혼합물을 냉각시키고 고형 연료 조성물을 형성하기 위해 수냉 컨베이어와 같은 컨베이어 상으로 압출될 수 있다.
제어 패널
상기 시스템은 혼합 요소, 히터 및 진공 펌프에 작동 가능하게 연결된 제어 패널을 포함할 수 있다. 제어 패널은 존재하는 경우, 혼합 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물에서 화합물을 기화시키기 위해 내부 용적을 제1 온도로 조정하고, 고형 폐기물 혼합물로부터 기화된 화합물을 제거하기 위해 내부 용적을 제1 압력으로 조정하고, 고형 폐기물 혼합물 내의 혼합 플라스틱을 용융시키기 위해 혼합 요소가 작동되는 동안 내부 용적을 약 160 ℃ 내지 약 260 ℃의 제2 온도 및 약 50 torr 미만의 제2 압력으로 조정한다.
제어 패널은 하나 이상의 센서에 작동 가능하게 연결된 피드백 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 존재할 때, 피드백 제어 시스템은 하나 이상의 센서로부터 적어도 하나의 측정치를 수용하고, 제어 패널에서 실행되는 적어도 하나의 제어 규칙에 따라 진공 펌프, 히터 또는 혼합 요소의 작동을 변조한다. 하나 이상의 센서는 시스템의 하나 이상의 작동 조건을 모니터링한다. 하나 이상의 센서의 적합한 예시는 공정용기의 내부 용적 내의 압력을 모니터링하는 압력 센서; 각각 가열된 재킷의 오일 입구로 도입된 오일의 온도 및 내부 용적 내의 고형 폐기물 혼합물의 온도를 모니터링하는 하나 이상의 온도 센서; 내부 용적으로부터 방출된 기화된 화합물의 습도를 모니터링하기 위한 습도 센서; 내부 용적 내의 고형 폐기물 혼합물의 중량을 모니터링하는 중량 센서, 및 이들의 임의의 조합을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
III. 고형 연료 조성물
본원에 설명한 바와 같은 방법 및 시스템을 사용하여 고형 폐기물 혼합물로부터 제조된 고형 연료 조성물을 제공한다. 고형 연료 조성물은 폐기물에서 에너지 공정의 일부로서 다양한 열 분해 챔버에 공급 원료로서 사용하기에 호환할 수 있다. 고형 연료 조성물을 형성하는 방법은 상대적으로 균일한 컨시스턴시 및 고형 연료 조성물을 제조하는데 사용되는 고형 폐기물 스트림에 비해 상대적으로 줄어든 에너지 함량의 가변성을 갖는 물질에 이르게 한다.
고형 연료 조성물은 적어도 10,000 BTU/lb.의 에너지 함량을 가질 수 있다. 고형 연료 조성물은 적어도 10,000 BTU/lb., 적어도 11,000 BTU/lb., 적어도 12,000 BTU/lb., 적어도 13,000 BTU/lb., 적어도 14,000 BTU/lb. 및 적어도 15,000 BTU/lb.의 에너지 함량을 가질 수 있다.
고형 연료 조성물은 적어도 약 8,000 BTU/lb.의 에너지 함량을 가질 수 있다. 고형 연료 조성물은 적어도 약 9,000 BTU/lb.의 에너지 함량을 가질 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 14,000 BTU/lb. 미만의 에너지 함량을 가질 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 8,000 BTU/lb. 내지 약 14,000 BTU/lb. 범위의 에너지 함량을 가질 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 30 lb./ft3 내지 약 80lb./ft3 범위의 밀도를 가질 수 있다. 고형 연료 조성물의 밀도는 적어도 30 lb./ft3, 적어도 40 lb./ft3, 적어도 50 lb./ft3, 적어도 60 lb./ft3 및 적어도 70 lb./ft3일 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 50 lb./ft3의 밀도를 가질 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 고형 연료 조성물은 또한 화학적으로 안정하고/거나, 비생분해성이고/거나, 소수성이어서, 고형 연료 조성물이 에너지 함량을 열화 시키거나 감소시키지 않으면서 광범위한 저장 조건에서 저장될 수 있게 한다. 임의의 특정 이론에 한정되지 않고, 고형 폐기물 혼합물의 플라스틱 함량은 용융되고 결과물인 고형 연료 조성물 전체에 분포되어, 조성물을 비생분해성 및/또는 소수성으로 되게 한다.
고형 연료 조성물은 약 40 중량% 내지 약 80 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 40 중량% 내지 약 44 중량%, 약 42 중량% 내지 약 46 중량%, 약 44 중량% 내지 약 48 중량%, 약 46 중량% 내지 약 50 중량%, 약 48 중량% 내지 약 52 중량%, 약 50 중량% 내지 약 54 중량%, 약 52 중량% 내지 약 56 중량%, 약 54 중량% 내지 약 58 중량%, 약 56 중량% 내지 약 62 중량%, 약 60 중량% 내지 약 64 중량%, 약 62 중량% 내지 약 66 중량%, 약 64 중량% 내지 약 68 중량%, 약 66 중량% 내지 약 70 중량%, 약 68 중량% 내지 약 72 중량%, 약 70 중량% 내지 약 74 중량%, 약 72 중량% 내지 약 76 중량%, 약 74 중량% 내지 약 78 중량% 및 약 76 중량% 내지 약 80 중량%의 탄소를 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 수소를 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 7 중량%의 수소, 약 6 중량% 내지 약 8 중량%의 수소, 약 7 중량% 내지 약 9 중량%의 수소, 약 8 중량% 내지 약 10 중량% 약 9 중량% 내지 약 11 중량%의 수소, 약 10 중량% 내지 약 12 중량%의 수소, 약 11 중량% 내지 약 13 중량%의 수소, 약 12 중량% 내지 약 14 중량%의 수소, 약 13 중량% 내지 약 15 중량%의 수소, 약 14 중량% 내지 약 16 중량%의 수소, 약 15 중량% 내지 약 17 중량%의 수소, 약 16 중량% 내지 약 18 중량%의 수소, 약 17 중량% 내지 약 19 중량%의 수소, 및 약 18 중량% 내지 약 20 중량%의 수소를 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 산소를 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 5 중량% 내지 약 7 중량%의 산소, 약 6 중량% 내지 약 8 중량%의 산소, 약 7 중량% 내지 약 9 중량%의 산소, 약 8 중량% 내지 약 10 중량%의 산소, 약 9 중량% 내지 약 11 중량%의 산소, 약 10 중량% 내지 약 12 중량%의 산소, 약 11 중량% 내지 약 13 중량%의 산소, 약 12 중량% 내지 약 14 중량%의 산소, 약 13 중량% 내지 약 15 중량%의 산소, 약 14 중량% 내지 약 16 중량%의 산소, 약 15 중량% 내지 약 17 중량%의 산소, 약 16 중량% 내지 약 18 중량%의 산소, 약 17 중량% 내지 약 19 중량%의 산소, 및 약 18 중량% 내지 약 20 중량%의 산소를 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 2 중량% 미만의 황을 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 1 중량% 미만의 황, 약 0.5 중량% 미만의 황 및 약 0.1 중량% 미만의 황을 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 2 중량% 미만의 염소를 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 1 중량% 미만의 염소, 약 0.5 중량% 미만의 염소, 및 약 0.1 중량% 미만의 염소를 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 약 2 중량% 미만의 물을 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 1 중량% 미만의 물, 약 0.5 중량% 미만의 물 및 약 0.1 중량% 미만의 물을 포함할 수 있다. 고형 연료 조성물은 약 1 중량% 미만의 물을 포함할 수 있다.
고형 연료 조성물은 연소될 때, 처리되지 않은 고형 폐기물과 비교하여 연소될 때 상당히 낮은 수준의 독소를 방출할 수 있다. 배출되는 독소의 양은 다양할 수 있고, 다양할 것이다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 0.5 lb. 미만의 알칼리 산화물, 약 3 lb. 미만의 회분, 약 0.1 lb. 미만의 이산화황 (SO2) 및 약 1.5 lb. 미만의 염소를 방출할 수 있다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 0.5lb. 미만의 알칼리성 산화물을 방출할 수 있다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 3 lb. 미만의 회분을 방출할 수 있다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 0.1 lb. 미만의 이산화황(SO2)을 방출할 수 있다. 고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 1.5 lb. 미만의 염소를 방출할 수 있다.
고형 연료 조성물은 연소될 때 백만 BTU 당 약 1 lb. 내지 약 30 lb. 범위의 회분의 양, 예를 들어, 약 1 lb. 내지 2 lb., 약 2 lb. 내지 3 lb., 약 3 lb. 내지 4 lb., 약 4 lb. 내지 5 lb., 약 5 lb. 내지 10 lb., 약 10 lb. 내지 15 lb., 약 15 lb. 내지 20 lb., 약 20 lb. 내지 25 lb., 또는 약 25 lb. 내지 30 lb.를 방출할 수 있다.
고형 연료 조성물은 소각(incarnation), 열 분해또는 가스화 공정 동안 석탄, 바이오 매스 또는 다른 대체 연료를 교체 또는 보충하기 위한 공학화된 공급원료로서 사용될 수 있다.
실시예
10 톤의 도시 고형 폐기물이 배달된다. MSW는 약 20 중량% 내지 약 40 중량%의 물 함량을 가지며, 미지의 양의 불연성 고형 폐기물 및 혼합 플라스틱 함량을 비롯한 다양한 주거 및 상업용 고형 폐기물을 포함한다. MSW는 불연성 고형 폐기물에 대해 스크리닝된다. 임의의 유리, 금속, 벽돌 및 돌을 포함하는 불연성 고형 폐기물은 제거된다. 그런 다음 MSW는 혼합 플라스틱 함량에 대해 분석된다. MSW 내의 혼합 플라스틱의 양은 약 5 중량% 내지 약 60 중량%로 조정된다. 일단 불연성 고형 폐기물이 제거되고 혼합 플라스틱 함량이 조정되면 MSW는 MSW 내의 다른 개별 조각과 같거나 작은 평균 입자 크기로 파쇄된다.
파쇄된 MSW는 본원에 설명된 바와 같이 공정용기 내로 도입된다. MSW는 혼합하는 동안 약 90 ℃와 약 110 ℃ 사이의 온도로 가열된다. 이 공정은 MSW를 건조 된 MSW와 대부분의 수증기 및 약 110 ℃ 미만의 끓는점을 갖는 휘발성 유기 화합물을 포함하는 기화된 화합물로 분리한다. MSW의 온도는 혼합 플라스틱이 조기에 용융되어 물을 트랩하지 않도록 약 110 ℃ 미만으로 유지된다.
기화된 화합물은 진공 포트에 부착된 진공 시스템을 사용하여 공정용기 내의 압력을 약 50 torr 미만으로 감소시킴으로써 공정용기로부터 제거된다. 공정용기와 진공 시스템의 진공 펌프 사이의 응축기는 기화된 화합물을 폐수로 응축시켜 트랩한다.
공정용기 내에서 기화된 화합물을 감소된 압력하에서 제거하면서 혼합을 계속한다. 그런 다음 열은 약 190 ℃에서 약 260 ℃로 증가되어 건조된 MSW 내에서 플라스틱을 용융시킨다. 공정용기의 벽을 가열하는 데 사용되는 오일은 공정용기의 내부 용적보다 최대 30 ℃ 더 높을 수 있는데 이는 일정한 혼합이 MSW 전체에 고르게 열을 분포시키기 때문다. 혼합 공정은 또한 MSW를 더욱 균일화시킨다. 온도 및 압력 조건은 또한 건조 단계에서 기화되지 않은 추가 수분을 유리시키고 다른 VOC를 유리시키기에 충분하다. 또한, 이러한 공정 조건은 MSW의 염소 함유 플라스틱, 예를 들어 폴리비닐클로라이드(PVC) 및 폴리비닐리덴 클로라이드로부터 주로 유래한, 염소화 유기 화합물 및 염소 가스를 기화시킨다. 이들 염소화 유기 화합물 및 염소 가스도 또한 응축기에서 응축되고, 거기서 폐수와 합쳐진다.
200 ℃를 넘지는 않지만 여전히 뜨거운 용융된 혼합 플라스틱을 포함하는 건조된 MSW는 압출 출구를 통해 압출된다. MSW가 압출됨에 따라 2 인치 길이의 청크로 절단된다. 압출된 MSW는 수냉식 컨베이어에 놓여져 약 65 ℃ 미만으로 냉각되어 고형 연료 조성물을 형성한다.
열량 분석 및 밀도 측정에 기초하여, 고형 연료 조성물은 약 13,000 BTU/ lb.의 에너지 함량 및 약 50 lb./ft3의 범위의 밀도를 갖는다. 원소 분석은 결과물인 고형 연료가 약 60 중량%의 탄소, 약 10 중량%의 수소, 약 10 중량%의 산소, 약 2 중량% 미만의 황, 약 2 중량% 미만의 염소 및 약 1 중량% 미만의 물을 가지는 것을 나타낸다.
공정 중에는 합성가스가 형성되지 않는다. 관측된 기화된 화합물은 열 분해또는 가스화의 결과가 아니다. 따라서, 결과물인 고형 연료 조성물은 열 분해되지 않는다.
전술한 내용은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다. 설명된 실시 양태에 대한 다양한 수정 및 변경은 본원의 교시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 당업자는 본원에 명시적으로 도시되거나 설명되지는 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 따라서 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 다수의 시스템, 장치 및 방법을 고안할 수 있음을 이해할 것이다. 상기 설명 및 도면으로부터, 도시되고 설명된 특정 실시양태는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니라는 것을 당업자는 이해할 것이다. 특정 실시양태의 세부 사항에 대한 참조는 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다.

Claims (34)

  1. 8,000 BTU/lb. 내지 14,000 BTU/lb.의 에너지 함량 및 30 lbs./ft3 내지 80 lbs./ft3의 밀도를 갖고, 휘발성 유기 화합물 및 불연성 고형 폐기물이 없고, 열 분해되지 않으며,
    40 중량% 내지 80 중량%의 탄소;
    5 중량% 내지 20 중량%의 수소;
    5 중량% 내지 20 중량%의 산소;
    2 중량% 미만의 황;
    2 중량% 미만의 염소; 및
    1 중량% 미만의 물
    을 포함하고;
    5 중량% 내지 35 중량%의 혼합 플라스틱을 포함하고;
    연소될 때 백만 BTU 당 0.5 lb. 미만의 알칼리 산화물, 3 lb. 미만의 회분, 0.1 lb. 미만의 SO2 및 1.5 lb. 미만의 염소를 방출하고; 및
    비다공성이며, 냄새가 없고, 멸균인,
    고형 연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물은 버려진 비유해성 2차 물질로부터 제조된 비폐기물인 것인 고형 연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물이 합성가스의 형성 없이 고형 폐기물 혼합물로부터:
    공정용기 내에서 혼합 플라스틱을 포함하는 고형 폐기물 혼합물을 90 ℃ 내지 110 ℃의 온도로 가열하여 고형 폐기물 혼합물을 건조된 고형 폐기물 혼합물 및 가열된 고형 폐기물 혼합물로부터 방출된 기화된 화합물로 분리하는 단계;
    기화된 화합물을 공정용기로부터 제거하는 단계;
    건조된 고형 폐기물 혼합물을 50 torr 미만에서 160 ℃ 내지 260 ℃로 가열 및 혼합하여 용융된 혼합 플라스틱을 포함하는 가열된 고형 폐기물 혼합물을 형성하는 단계;
    가열된 고형 폐기물 혼합물을 200 ℃ 미만에서 압출시키는 단계; 및
    압출된 고형 폐기물 혼합물을 65 ℃ 미만으로 냉각시켜 고형 연료 조성물을 형성시키는 단계
    에 의해 형성되는 것인 고형 연료 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고형 폐기물 혼합물은 도시 고형 폐기물 및 농업 폐기물을 포함하는 것인 고형 연료 조성물.
  5. 제3항에 있어서, 상기 고형 폐기물 혼합물은 도시 고형 폐기물로부터 플라스틱 및 불연성 폐기물을 제거함으로써 제조된 분류된 도시 고형 폐기물을 포함하고; 고형 폐기물 혼합물 중의 혼합 플라스틱의 양은 5 중량% 내지 60 중량%로 조정되는 것인 고형 연료 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물은 불연성 금속 폐기물이 없는 것인 고형 연료 조성물.
  7. 제3항에 있어서, 상기 혼합 플라스틱은 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아미드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리에틸렌/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리우레탄, 말레이미드/비스말레이미드, 멜라민 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리에폭시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 우레아-포름알데히드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 플라스틱을 포함하는 것인 고형 연료 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 혼합 플라스틱은 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 이들의 조합물을 포함하고, 건조된 고형 폐기물은 적어도 190 ℃로 가열되는 것인 고형 연료 조성물.
  9. 제3항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물이 0.5 중량% 미만의 양으로 물을 포함하는 것인 고형 연료 조성물.
  10. 제3항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물이 최대 단면 치수가 2 인치이고 막대 길이가 2 피트 미만인 막대 형태로 압출된 것인 고형 연료 조성물.
  11. 제3항에 있어서, 상기 고형 연료 조성물이 3 mm 미만의 최대 입자 치수를 갖는 복수개의 입자로 분쇄된 것인 고형 연료 조성물.
  12. 160 ℃ 내지 260 ℃의 온도 및 50torr 미만의 압력에서, 5 중량% 내지 60 중량%의 혼합 플라스틱 및 1 중량% 미만의 물을 포함하고, 휘발성 유기 화합물 및 불연성 폐기물이 없는 고형 폐기물 혼합물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 고형 폐기물 혼합물은 도시 고형 폐기물 및 농업 폐기물을 포함하는 것인 고형 폐기물 혼합물.
  14. 제13항에 있어서, 도시 고형 폐기물로부터 플라스틱 및 불연성 폐기물을 제거함으로써 제조된 분류된 도시 고형 폐기물을 포함하고, 상기 고형 폐기물 혼합물 내의 혼합 플라스틱의 양은 5 중량% 내지 60 중량%으로 조정되는 것인 고형 폐기물 혼합물.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고형 폐기물 혼합물은 불연성 금속 폐기물이 없는 것인 고형 폐기물 혼합물.
  16. 제12항에 있어서, 상기 혼합 플라스틱은 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아미드, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리에틸렌/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리우레탄, 말레이미드/비스말레이미드, 멜라민 포름알데히드, 페놀 포름알데히드, 폴리에폭시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 우레아-포름알데히드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 플라스틱을 포함하는 것인 고형 폐기물 혼합물.
  17. 제12항에 있어서, 상기 고형 폐기물 혼합물이 0.5 중량% 미만의 양으로 물을 포함하는 것인 고형 폐기물 혼합물.
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