KR102524965B1 - 연료 조성물을 형성하기 위한 처리 용기 및 관련 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR102524965B1
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보르널프 오스트빅
미카엘 디. 루카스
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에코젠서스, 엘엘씨
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Abstract

본 개시내용은 제1 쉘 및 제1 쉘 내에 배치된 제2 쉘을 포함하는 처리에 관한 것이다. 제2 쉘은 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 벽을 포함한다. 제2 쉘은 또한 공동 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향 축을 한정한다. 종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 아치형 내벽 부분 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 아치형 내벽 부분을 포함한다. 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경보다 더 크다.

Description

연료 조성물을 형성하기 위한 처리 용기 및 관련 시스템 및 방법
관련 출원과의 교차-참조
본 출원은 2018년 4월 4일에 출원된 U.S. 특허 출원 제62/652,840호의 특권을 주장한다.
기술 분야
본 개시내용은 고체 조성물을 제조하기 위한 처리 용기뿐만 아니라 관련 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 고체 폐기물로부터 고체 연료 조성물을 제조하기 위한 처리 용기가 본원에서 개시된다.
고체 폐기물, 예컨대 주거 지역, 시설 및 상업 폐기물 배출원으로부터 유래된 도시 폐기물, 농업 폐기물, 및 다른 폐기물, 예컨대 하수 슬러지를 관리하는 것이 바람직하다. 매립지가 전세계적으로 수용량에 도달하고 그것을 초과함에 따라, 및 고체 폐기물 관련 산업 및 단체가 일반적으로 매립지 사용을 제한함에 따라, 매립지로 도입되는 고체 폐기물의 부피를 저감시키기 위해 고체 폐기물의 관리 방법이 개발되었다. 금속, 플라스틱 및 종이 제품의 재활용뿐만 아니라 유기물의 퇴비화가 매립지로 들어가는 고체 폐기물의 총 부피를 저감시키는 방법이다. 또한 고체 폐기물의 에너지 함량을 전력과 같은 더 유용한 형태로 변환시키기 위해 폐기물-에너지화(Waste-to-energy) 공정이 개발되었다.
요약
본 개시내용은 요망되는 균질성, 밀도 및/또는 수분 함량을 갖는 조성물, 예컨대 고체 연료 조성물을 제조하기 위한 처리 용기뿐만 아니라 관련 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본원에서 제공된 일부 실시양태는 고체 폐기물로부터 고체 연료 조성물을 제조하기 위한 처리 용기, 시스템 및 방법을 포함한다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질 (예를 들어, 고체 폐기물 및 다른 폐기물)로부터 요망되는 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물)을 제조할 수 있다.
한 일반적인 측면에서, 본 개시내용은 제1 쉘(shell) 및 제1 쉘 내에 배치된 제2 쉘을 포함하는 처리 용기를 제공한다. 제2 쉘은 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 벽을 포함한다. 제2 쉘은 공동 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향 축을 한정한다. 종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 아치형 내벽 부분을 포함한다. 종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제2 곡률 반경을 갖는 제2 아치형 내벽 부분을 포함한다. 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경보다 더 크다.
본 개시내용에 기술된 특허대상의 특정한 측면은 조성물 및 조성물을 처리하도록 구성된 처리 용기를 포함하는 시스템으로서 구현될 수 있다. 처리 용기는 입구 개구, 출구 개구, 제1 쉘, 및 제1 쉘 내에 배치된 제2 쉘을 포함한다. 제2 쉘은 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 벽을 포함한다. 제2 쉘은 처리 동안 조성물을 보유하기 위한 공동 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향 축을 한정한다. 종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 아치형 내벽 부분 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 아치형 내벽 부분을 포함한다. 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경보다 더 크다. 처리 용기는 조성물로부터 적어도 약 8,000 영국 열 단위/파운드의 에너지 함량을 갖는 고체 연료 조성물을 형성하도록 구성된다.
본 개시내용에 기술된 특허대상의 특정한 측면은 방법으로서 구현될 수 있다. 조성물은 처리 용기 내에서 가열된다. 처리 용기는 제1 쉘 및 제1 쉘 내에 배치된 제2 쉘을 포함한다. 제2 쉘은 제1 단부, 제2 단부, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 벽, 및 벽에 결합된 가열 재킷을 포함한다. 가열 재킷은 벽을 가열하도록 구성된다. 제2 쉘은 처리 동안에 조성물을 보유하기 위한 공동을 한정한다. 제2 쉘은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향 축을 한정한다. 종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 아치형 내벽 부분 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 아치형 내벽 부분을 포함한다. 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경보다 더 크다. 조성물은 제2 쉘의 공동 내에 배치된 제1 및 제2 혼합기에 의해 혼합된다. 본원에 사용되는 바와 같은 "혼합"은 일반적으로 교반, 배합 또는 블렌딩을 의미한다. 조성물은 제2 쉘의 공동 내에 배치된 압출기 요소에 의해 압출된다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "압출"은 일반적으로 조밀화 또는 성형을 의미하고, "압출기 요소"는 일반적으로 고체 조성물의 조밀화 또는 성형에 적합한 장치를 의미한다. 고체 연료 조성물은 조성물로부터 형성된다. 고체 연료 조성물은 적어도 약 8,000 영국 열 단위/파운드의 에너지 함량을 갖는다.
상기에 제공된 측면 및 다른 측면은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
환형 인클로저(enclosure)가 제1 쉘과 제2 쉘 사이에 한정될 수 있다.
처리 용기는 환형 인클로저 내에 배치된 하나 이상의 지지 구조부를 포함할 수 있다. 지지 구조부의 적어도 일부는 종방향 축에 대해 횡방향으로 연장될 수 있고 제2 쉘의 외부 표면의 일부의 주위에 원주 방향으로 연장될 수 있다.
처리 용기는 제2 쉘의 벽에 결합된 가열 재킷을 포함할 수 있다.
가열 재킷은 제2 쉘의 벽의 내부 표면을 따라 배치될 수 있다.
가열 재킷은 제2 쉘의 벽의 외부 표면을 따라 배치될 수 있다.
처리 용기는 환형 인클로저 내에 배치된 절연 물질을 포함할 수 있다.
처리 용기는 제1 및 제2 쉘에 작동 가능하게 결합된 펌프를 포함할 수 있고, 펌프는 공동, 환형 인클로저 또는 둘 다 내의 압력을 저하시키도록 구성될 수 있다.
처리 용기는, 펌프의 사용 동안에, 공동이 제1 압력을 갖고 환형 인클로저가 제2 압력을 갖도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 압력은 10% 편차 내에 있을 수 있다.
공동은 제1 압력을 가질 수 있고, 환형 인클로저는 제2 압력을 가질 수 있으며, 여기서 제1 압력과 제2 압력 사이의 압력 차이는 5 파운드/제곱인치 이하이다.
제1 쉘은 제1 외부 단부, 제2 외부 단부, 및 제1 외부 단부와 제2 외부 단부 사이에서 연장되는 원통형 형상을 한정하는 제1 쉘 벽을 포함할 수 있다.
종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분을 포함할 수 있다.
제2 아치형 내벽 부분은 제3 아치형 내벽 부분과 제4 아치형 내벽 부분 사이에서 연장될 수 있다.
제3 아치형 내벽 부분은 제3 곡률 반경을 가질 수 있고, 제4 아치형 내벽 부분은 제3 곡률 반경과 동일한 제4 곡률 반경을 가질 수 있다.
제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분은 각각 제2 아치형 내벽 부분의 제2 곡률 반경보다 더 큰 곡률 반경을 가질 수 있다.
제2 아치형 내벽 부분은 제3 아치형 내벽 부분과 제4 아치형 내벽 부분에 의해 형성된 만곡된 표면들 사이에 채널을 형성할 수 있다.
처리 용기는 제2 쉘의 공동 내에 배치된 압출기 요소, 제2 쉘의 공동 내에 배치된 제1 혼합기, 및 제2 쉘의 공동 내에 배치된 제2 혼합기를 포함할 수 있다. 종방향 축은 제1 종방향 축일 수 있다. 압출기 요소는 제2 종방향 축을 한정할 수 있다. 제1 혼합기는 제3 종방향 축을 한정할 수 있다. 제2 혼합기는 제4 종방향 축을 한정할 수 있다.
압출기 요소는 제2 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 혼합기는 제3 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다. 제2 혼합기는 제4 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다.
압출기 요소는 압출 스크류를 포함할 수 있다.
제1 혼합기 및 제2 혼합기는 각각 회전식 혼합 블레이드를 포함할 수 있다.
압출기 요소는 채널 내에 배치될 수 있다.
압출기 요소는 각각의 제1 혼합기 및 제2 혼합기로부터 제1 간격만큼 이격될 수 있고, 제1 혼합기와 제2 혼합기는 서로 제2 간격만큼 이격될 수 있다.
제2 간격은 제1 간격보다 더 클 수 있다.
제2, 제3 및 제4 종방향 축은 제1 종방향 축으로부터 일정 거리만큼 떨어질 수 있다.
제1 종방향 축은 제3 종방향 축 및 제4 종방향 축으로부터 각각 제1 거리 및 제2 거리만큼 떨어질 수 있으며, 여기서 제1 거리와 제2 거리 사이의 차이는 제1 또는 제2 거리의 5% 이하이다.
제1 종방향 축은 제3 종방향 축 및 제4 종방향 축으로부터 각각 제1 거리 및 제2 거리만큼 떨어질 수 있으며, 여기서 제1 거리와 제2 거리 사이의 차이는 0.5 미터(m) 이하이다.
제1 종방향 축은 제2 종방향 축, 제3 종방향 축, 제4 종방향 축, 또는 이것들의 조합에 평행할 수 있다.
제2 종방향 축은 제3 종방향 축 및 제4 종방향 축으로부터 각각 제3 거리 및 제4 거리만큼 떨어질 수 있으며, 여기서 제3 거리와 제4 거리 사이의 차이는 제1 또는 제2 거리의 5% 이하이다.
제2 종방향 축은 제3 종방향 축 및 제4 종방향 축으로부터 각각 제3 거리 및 제4 거리만큼 떨어질 수 있으며, 여기서 제1 거리와 제2 거리의 차이는 0.5 미터(m) 이하이다.
제2, 제3, 및 제4 종방향 축은 제2 쉘의 단면에서 삼각형 기하구조를 형성할 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 종방향 축은 제2 쉘의 단면에서 사변형 기하구조를 형성할 수 있다.
제2 아치형 내벽 부분은 압출기 요소에 대한 중심 각도를 한정할 수 있다. 중심 각도는 약 180도(°) 내지 약 300 °일 수 있다.
제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분은 각각 약 10도(°) 내지 약 60 °의 각도를 갖는 호 길이를 한정할 수 있다.
이러한 측면 및 다른 측면은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
환형 인클로저는 제1 쉘과 제2 쉘 사이에 한정될 수 있다.
시스템은 제2 쉘의 벽에 결합된 가열 재킷을 포함할 수 있다. 가열 재킷은 제2 쉘의 벽을 가열하도록 구성될 수 있다.
시스템은 환형 인클로저 내에 배치된 절연 물질을 포함할 수 있다.
시스템은 제1 및 제2 쉘에 작동 가능하게 결합된 펌프 시스템을 포함할 수 있고, 펌프 시스템은 공동, 환형 인클로저 또는 둘 다 내에서 압력을 저하시키거나 진공을 발생시키도록 구성될 수 있다.
펌프 시스템은 공동을 제1 압력으로 설정하고 환형 인클로저를 제2 압력으로 설정하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 압력과 제2 압력은 동일하다.
펌프 시스템은 공동을 제1 압력으로 설정하고 환형 인클로저를 제2 압력으로 설정하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 압력과 제2 압력 사이의 압력 차이는 5 파운드/제곱인치 이하이다.
종방향 축에 대해 횡방향인 제2 쉘의 단면은 제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분을 포함할 수 있다.
처리 용기는 제2 쉘의 공동 내에 배치된 압출기 요소, 제2 쉘의 공동 내에 배치된 제1 혼합기, 및 제2 쉘의 공동 내에 배치된 제2 혼합기를 포함할 수 있다.
압출기 요소는 제2 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 혼합기는 제3 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다. 제2 혼합기는 제4 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치될 수 있다.
제2 아치형 내벽 부분은 채널을 형성할 수 있다. 압출기 요소는 채널 내에 배치될 수 있다.
제1 혼합기는 조성물을 제1 방향으로 회전시키도록 구성될 수 있고, 제2 혼합기는 조성물을 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 회전시키도록 구성될 수 있다.
압출기 요소는 조성물을 공동 내에서 순환시키거나 고체 연료 조성물을 출구 개구를 통해 처리 용기 밖으로 운반하도록 구성될 수 있다.
압출기 요소는, 압출기 요소가 제1 방향으로 회전할 때, 고체 연료 조성물을 출구 개구를 통해 처리 용기 밖으로 운반하도록 구성될 수 있다.
압출기 요소는, 압출기 요소가 제2 방향으로 회전할 때, 조성물을 공동 내에서 순환시키도록 구성될 수 있다.
본 개시내용에 기술된 특허대상은 하기 이점 중 하나 이상을 실현하기 위해 특정한 실시양태에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질의 하나 이상의 특성 및/또는 요소를 개질, 저감 및/또는 제거함으로써 공급 원료 물질(들)을 더 유용한 조성물로 변환시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 (예를 들어, 고체 폐기물)로부터 공급 원료의 냄새, 세균 및 다른 바람직하지 않은 특성이 저감되거나 제거된 요망되는 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물)을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기술된 처리 용기는 다양한 조성을 갖는 공급 원료 물질 (예를 들어, 고체 폐기물) (예를 들어, 상이한 유형의 고체 폐기물들의 혼합물)을 비교적 균일하고/거나 (예를 들어 균질하고/거나), 더 치밀하고/거나 (예를 들어, 높은 밀도를 갖고/거나), 낮은 수분 함량을 갖는 (예를 들어, 건조하고, 2 wt% 미만의 물을 함유하는) 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물)로 변환시킨다.
일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는, 후속 처리 (예를 들어, 열분해 또는 가스화)를 위해 준비된, 균질화되고 건조하고 조밀하고 에너지가 풍부한 연료의 형태의 고체 연료 조성물을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기는, 첨단 기계에 대한 추가의 자본 투자 없이도, 후속 처리를 위한 효율적인 작업을 제공하는, 요망되는 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물) (예를 들어, 폐기물-에너지화 공정의 일부로서의 열분해 또는 가스화 챔버를 위한 공급 원료)을 제조할 수 있다. 본원에서 제공된 처리 용기는 적어도 20 파운드/세제곱피트(lb/ft3)의 밀도를 갖는 치밀한 형태의 요망되는 조성물을 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 20 lb/ft3 내지 80 lb/ft3, 30 lb/ft3 내지 70 lb/ft3, 40 lb/ft3 내지 60 lb/ft3, 또는 42 lb/ft3 내지 57 lb/ft3의 범위의 밀도를 갖는 치밀한 형태의 요망되는 조성물을 제조한다. 본원에서 제공된 처리 용기는 45 중량%(wt%) 이하의 수분 함량을 갖는 요망되는 조성물을 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 1 wt% 내지 45 wt%, 1 wt% 내지 15 wt%, 1 wt% 내지 20 wt%, 1 wt% 내지 30 wt%, 1 wt% 내지 40 wt%, 10 wt% 내지 40 wt%, 또는 20 wt% 내지 30 wt%의 범위의 수분 함량을 갖는 요망되는 조성물을 제조한다.
일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질을 가열, 혼합, 건조 및/또는 압출하는 데 적합한 디자인을 제공한다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기의 특정한 실시양태는 최종 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물) 내의 공기 공극이 저감되고/되거나 성분이 최종 조성물에 균일하게 분산되도록 조성물 (예를 들어, 고체 폐기물)을 혼합 및 가열하는 데 적합한 부피를 한정한다. 일부 실시양태에서, 처리 용기는 처리 동안에 조성물 (예를 들어, 고체 폐기물)의 순환 및 혼합을 개선하기 위해 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성된 적어도 두 개의 혼합기 (예를 들어, 혼합 블레이드)를 포함한다. 처리 용기의 구성 및 구성요소들이 서로에 대해 움직이는 방식을 통해 조성물 (예를 들어, 고체 폐기물)로부터의 수분 제거를 개선할 수 있다. 예를 들어, 적어도 두 개의 혼합기는 수분이 조성물에 갇히거나 혼입되지 않도록 조성물 (예를 들어, 고체 폐기물)을 순환시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 더 낮은 온도에서의 조성물 (예를 들어, 고체 폐기물)의 처리 동안에 압력을 저하시키고/거나 물질로부터 수분을 제거하기 위한 펌프를 포함함으로써, 요망되는 최종 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물)을 제조하는 데 필요한 처리 시간, 열 및 에너지를 저감시킬 수 있다. 본원에서 제공된 처리 용기는 내부 및 외부 쉘을 포함한다. 내부 및 외부 쉘 구성은, 그것이 없는 경우에 처리 용기 내의 진공 작동으로 인해 필요할 수도 있는, 내부 구조 보강을 덜 해도 되게 한다. 내부 및 외부 쉘 구성은 또한 열 전달 표면적을 증가시킴으로써 공정의 전체 가열 효율을 증진시킬 수 있다. 내부 및 외부 쉘 구성은 또한 전체 시스템이 완전 진공 작동 등급을 받을 수 있도록 한다. 진공 작동은 또한 처리 용기 내에서 연소가 일어날 위험 없이 처리 용기 내에서 더 높은 작동 온도를 달성하는 것을 허용한다. 유기물의 분해는 본원에서 제공된 처리 용기 내에서의 진공 작동 시에 개선될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본 개시내용은 조밀화되고 건조한 (예를 들어, 2 wt% 미만의 물을 함유하는) 조성물을 제조할 수 있는 크기-효율적인 처리 용기를 제공한다.
본 개시내용의 특허대상의 하나 이상의 실시양태의 세부 사항은 첨부된 도면 및 설명에 제시되어 있다. 특허대상의 다른 특징, 측면, 및 이점은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 처리 용기의 투시도이다.
도 1b는 도 1a의 처리 용기의 내부 쉘을 보여주는 투시도이다.
도 2a는 도 1a의 처리 용기의 또 다른 투시도이다.
도 2b는 도 1a의 처리 용기의 단면도이다.
도 3a는 도 1a의 처리 용기의 또 다른 투시도이다.
도 3b는 도 1a의 처리 용기의 또 다른 단면도이다.
도 4a는 도 1a의 처리 용기를 포함하는 시스템의 투시도이다.
도 4b는 도 4a의 시스템의 단면도이다.
도 5는 고체 조성물을 형성하는 방법의 흐름도이다.
본 개시내용에는 고체 연료 조성물과 같은 조성물을 제조하기 위한 처리 용기뿐만 아니라 관련 시스템 및 방법이 기술된다. 특히, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질 (예를 들어, 고체 폐기물 및 다른 폐기물)로부터 요망되는 조성물 (예를 들어, 고체 연료 조성물)을 제조할 수 있다. 예를 들어, 처리 용기 (또는 시스템) 및 고체 폐기물 혼합물로부터 고체 연료 조성물을 제조하는 방법의 다양한 실시양태가 본원에 개시된다. 다양한 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 폐기물 (예를 들어, 고체 폐기물)을 포함하는 공급 원료 물질을 처리하도록 구성된다. 본원에 사용되는 바와 같은 "폐기물"은 1차 사용 후에 버려지는 탄소-함유 가연성 물질을 의미하고 "고체 폐기물"은 임의의 쓰레기, 폐물, 또는 슬러지이다.
일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 고체 연료 조성물의 제조로 제한되지 않는다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기 (또는 시스템) 및 그와 관련된 방법은 공급 원료 물질 (예를 들어, 물질의 혼합물)로부터 다른 유형의 조성물을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질 (예를 들어, 상이한 물질들의 혼합물)로부터 요망되는 조성물 (예를 들어, 균일하게 혼합되거나 블렌딩된 고체 조성물)을 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질의 수분 함량보다 더 적은 수분 함량을 갖는 요망되는 조성물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기는 45 중량%(wt%) 이하의 수분 함량을 갖는 요망되는 조성물을 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에서 제공된 처리 용기는 공급 원료 물질의 밀도보다 더 높은 밀도를 갖는 치밀한 형태의 요망되는 조성물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 제공된 처리 용기는 적어도 20 파운드/세제곱피트(lb/ft3)의 밀도를 갖는 치밀한 형태의 요망되는 조성물을 제조할 수 있다.
도 1a 및 1b는 처리 용기(100)를 도시한다. 처리 용기(100)는 외부 쉘(101) 및 외부 쉘(101) 내에 배치된 내부 쉘(102)을 포함한다. 외부 쉘(101)은 제1 외부 단부(123), 제2 외부 단부(125), 및 제1 외부 단부(123)와 제2 외부 단부(125) 사이에서 연장되는 원통형 형상을 한정하는 외부 쉘 벽(127)을 포함한다. 외부 쉘(101)은 외부 쉘 벽(127) 상에 입구(122)를 포함한다. 외부 쉘(101)은 제1 외부 단부 (123) 상에 출구(124)를 포함한다. 일반적으로, 도 1a에 도시된 다양한 구성요소의 절대적 및 상대적 크기는 요망되는 대로 변경될 수 있다. 예를 들어, 외부 쉘(101)은, 외부 쉘(101) 내에 포함된 혼합기 (이후에 기술됨)의 유형 또는 형상, 폐기물-에너지화 설비에서의 처리 용기(100)의 요망되는 점유 공간, 또는 처리 용기(100)를 포함하는 모듈을 폐기물-에너지화 설비로 운반하는 능력을 위해 요망되는 크기와 같은 다양한 요인에 따라, 다양한 전체 크기를 가질 수 있다. 외부 쉘(101)은, 도 1a에 원통형으로 도시되어 있지만, 일부 실시양태에서는, 다른 형상, 예컨대 정육면체, 직평행육면체, 구형, 또는 임의의 불규칙적 형상을 가질 수 있다.
외부 쉘의 절대적 및 상대적 크기는 요망되는 대로 변경될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 외부 쉘(101)의 길이는 약 5 피트 내지 약 20 피트의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 외부 쉘(101)의 높이 및 너비는 각각 약 5 피트 내지 약 10 피트의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 외부 쉘(101)은 약 9 피트의 길이, 약 6 피트의 너비, 및 약 6 피트의 높이를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 외부 쉘의 길이-대-너비 비는 약 0.5 내지 약 4.0, 예를 들어 약 0.75 내지 약 3.0, 약 1.0 내지 약 2.5, 또는 약 1.5 내지 약 2.0이다. 일부 실시양태에서, 외부 쉘의 길이-대-높이 비는 약 0.5 내지 약 4.0, 예를 들어 약 0.75 내지 약 3.0, 약 1.0 내지 약 2.5, 또는 약 1.5 내지 약 2.0이다. 일부 실시양태에서, 외부 쉘의 너비-대-높이 비는 약 0.5 내지 약 2, 예를 들어 약 0.75 내지 약 1.75, 또는 약 1.0 내지 약 1.5이다.
처리 용기(100)의 내부 쉘(102)은 외부 쉘(101) 내에 배치된다. 내부 쉘(102)은 제1 단부(103), 제2 단부(105), 및 제1 단부(103)와 제2 단부(105) 사이에서 연장되는 벽(107)을 포함한다. 내부 쉘(102)은 공동(111) 및 제1 단부(103)와 제2 단부(105) 사이에서 연장되는 종방향 축(180a)을 한정한다.
외부 쉘(101)은 하나 이상의 금속 (그의 합금을 포함함), 세라믹, 중합체, 복합재, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 외부 쉘(101)을 구성하는 데 적합한 물질의 예는 티타늄, 스테인리스강, 탄소강, 및 그의 조합 또는 합금을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 물질 (예를 들어, 금속)은 내산화성을 제공하는 데 적합한 금속 코팅 또는 금속 클래딩과 같은 내부 습윤 표면을 포함한다. 내부 쉘(102)은 하나 이상의 금속 (그의 합금을 포함함), 세라믹, 중합체, 복합재, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 내부 쉘(102)을 구성하는 데 적합한 물질의 예는 티타늄, 304 계열 스테인리스강, 316 계열 스테인리스강, 적절한 크로뮴/니켈 합금, 및 다른 내산화성 및 내마모성 합금 변종을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
도 2a 및 2b는 처리 용기(100)를 도시한다. 처리 용기(100)의 내부를 보여주기 위해, 제1 외부 단부(123)는 도 2a에 도시된 도면에서 생략된다. 내부 쉘(103)의 단면은 종방향 축(180a)에 대해 횡방향이다. 단면은 제1 곡률 반경(141a)을 갖는 제1 아치형 내벽 부분(140a) 및 제2 곡률 반경(141b)을 갖는 제2 아치형 내벽 부분(140b)을 포함한다. 제1 곡률 반경(141b)은 제2 곡률 반경(141c)보다 더 크다. 일부 실시양태에서, 종방향 축(180a)에 대해 횡방향인 내부 쉘(103)의 단면은 제3 아치형 내벽 부분(140c) 및 제4 아치형 내벽 부분(140d)을 포함한다. 제2 아치형 내벽 부분(140b)은 제3 아치형 내벽 부분(140c)과 제4 아치형 내벽 부분(140d) 사이에서 연장될 수 있다. 제3 아치형 내벽 부분(140c)은 제3 곡률 반경(141c)을 가질 수 있고, 제4 아치형 내벽 부분(140d)은 제4 곡률 반경(141d)을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 제3 곡률 반경(141c)과 제4 곡률 반경(141d)은 동일하다. 제3 곡률 반경(141c) 및 제4 곡률 반경(141d)은 제2 아치형 내벽 부분(140b)의 제2 곡률 반경(141b)보다 더 클 수 있다. 제2 아치형 내벽 부분(140b)은 제3 아치형 내벽 부분(140c) 및 제4 아치형 내벽 부분(140d)에 의해 형성된 만곡된 표면들 사이에 채널(142)을 형성할 수 있다.
처리 용기(100)는 내부 쉘(102)의 외부 표면에 결합되거나 그것을 형성하거나 내부 쉘(102)의 내부 표면에 결합되거나 그것을 형성하는 가열 구조부를 포함할 수 있다. 가열 구조부는 가열 재킷의 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 재킷(109)은 내부 쉘(102)의 벽(107)의 표면에 결합되거나 그것을 형성한다. 일부 실시양태에서, 가열 재킷(109)은 내부 쉘(102)의 벽(107)의 외부 표면을 따라 배치되거나 그것을 형성한다. 일부 실시양태에서, 가열 재킷(109)은 내부 쉘(102)의 벽(107)의 내부 표면을 따라 배치되거나 그것을 형성한다. 가열 재킷(109)은 내부 쉘(102)의 벽(107)을 가열할 수 있다. 임의의 적합한 가열기 디자인, 예컨대 전기 가열 재킷, 유도 가열 재킷, 또는 대류 가열 재킷 (예를 들어, 가열된 오일 재킷)이 가열 재킷(109)으로서 선택될 수 있다. 가열 재킷(109)은 열을 공동(111)에 전달하고, 고체 폐기물 혼합물은, 가열 재킷(109)으로부터 가열 재킷(109)과 접촉하는 고체 폐기물 혼합물 부분으로의 전도를 통해 및 대류를 통해, 공동(111) 내에서 가열될 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷)는 가열 (또는 냉각) 매체를 함유하는 환형 공간을 형성하는 용기 벽 부분 위에 설치된 제2 쉘을 포함한다. 일부 실시양태에서, 예시적인 가열 구조부는 하프-파이프 코일 재킷(half-pipe coil jacket), 딤플 재킷(dimple jacket), 플레이트 코일(plate coil), 및 필로우 플레이트(pillow plate)를 포함한다.
열 전달 유체는 가열 매체로서 가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷(109))를 통해 순환될 수 있다. 열 전달 유체는 가열 구조부를 통해 유동하여 처리 용기(100)에 열을 제공한다. 열 전달 유체를 가열하기 위해 가열기가 포함될 수 있고, 재가열된 열 전달 유체를 가열 구조부로 순환시키기 위해 순환 펌프가 포함될 수 있다. 열 전달 유체는 예를 들어 가열된 오일일 수 있다. 일부 구현예에서, 가열 구조부는 중공 쉘 및 중공 쉘 내에서 순환하는 가열된 오일을 포함한다. 일부 구현예에서, 가열 구조부는 하나의 연속적인 부재이다. 일부 구현예에서, 가열 구조부는 다수의 개개의 부분으로 구성된다. 일부 실시양태에서, 가열 구조부는 내부 쉘(102)의 외부 표면의 주위에 형성되고 그것에 용접된 다수의 가열 패널을 포함할 수 있다. 가열된 오일의 온도는, 상기 오일을 임의의 적합한 열교환기에 통과시킴으로써, 상승될 수 있다. 일부 실시양태에서, 처리 용기(100)는 복수의 가열 구조부를 포함할 수 있다.
외부 쉘(101)은 내부 진공을 견디도록 구성된다. 환형 인클로저(150)는 외부 쉘(101)과 내부 쉘(102) 사이에 한정된다. 처리 용기(100)는 외부 쉘(101) 및 내부 쉘(102)에 작동 가능하게 결합된 펌프 (예를 들어, 진공 펌프)를 포함할 수 있다. 상기 펌프는 공동(111) 내의 압력과 환형 인클로저(150) 내의 압력 사이의 차이가 5 파운드/제곱인치(psi) 이하가 되도록 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 펌프는 공동(111) 내의 압력과 환형 인클로저(150) 내의 압력이 동일하도록 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 내부 쉘(102) 내의 압력 (즉, 공동(111) 내의 압력)과 내부 쉘(102) 외부의 압력 (즉, 환형 인클로저(150) 내의 압력)이 동일하기 때문에 내부 쉘(102)은 압력 차이를 경험하지 않는다. 그러므로, 내부 쉘(102)은 내부 진공 작동과 대기 사이의 압력 차이를 견디도록 디자인되어야 하는 쉘에 비해 더 얇은 두께를 가질 수 있다. 추가로, 처리 용기(100)는 환형 인클로저(150) 내에 배치된 절연 물질(108)을 포함할 수 있어서, 주변 환경으로의 (예를 들어, 외부 쉘(101)을 통해 대기로의) 열 손실이 저감될 수 있다. 내부 쉘(102)을 절연 물질(108)로 둘러쌈으로써, 처리 용기의 에너지 효율이 증진될 수 있다. 적합한 절연 물질은, 예를 들어 적어도 가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷(109))의 최고 온도까지의 고온 작동을 견딜 수 있다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(108)은 환형 공동 내의 수분 축적을 저감시키거나 방지하기 위해 소수성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(108)은 시간 경과에 따른 절연 물질의 질 저하를 저감시키거나 방지하기 위해 화학적으로 불활성일 수 있다. 절연 물질(108)은 임의로 높은 밀도를 가질 수 있다. 적합한 절연 물질의 예는 셀룰러 가스 및 세라믹 섬유를 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(108)은 내부 쉘(102)에 결합된다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(108)은 가열 재킷(109)의 적어도 일부를 덮는다. 일부 실시양태에서, 절연 물질(108)은 가열 재킷(109)에 결합된다. 절연 물질(108)은 외부 쉘(101) (예를 들어, 외부 쉘(101)의 내부 표면)에 결합될 수 있다. 절연 물질(108)은 내부 쉘(102) (예를 들어, 내부 쉘(102)의 내부 표면, 내부 쉘(102)의 외부 표면, 또는 둘 다)에 결합될 수 있다. 절연 물질(108)은 하나의 또는 다수의 지지 구조부(152)에 결합될 수 있다.
내부 쉘(102)은 환형 인클로저(150) 내에 배치된 지지 구조부(152) (도 1b에 가장 잘 도시됨)에 의해 외부 쉘(101) 내에서 제자리를 유지한다. 지지 구조부(152)는 만곡된 베이스(base) 및 만곡된 베이스로부터 연장된 리브(rib)-유사 부분에 의해 한정된 연속적인 몸체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 구조부 (152)의 일부 (예를 들어, 리브-유사 부분)는 종방향 축(180a)에 대해 횡방향으로 연장될 수 있고 내부 쉘(102)의 외부 표면의 일부의 주위에 원주 방향으로 연장될 수 있다. 지지 구조부(152)는 외부 쉘(101) 및 내부 쉘(102)에 결합될 수 있다. 지지 구조부(152)는 회전 구성요소 (예컨대 이후에 기술되는 혼합기 및 압출기 요소)로부터 발생한 기계적 응력의 적어도 일부를 흡수할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 구조부는 회전 구성요소로부터 발생한 기계적 응력의 대부분 (즉, 50% 초과)을 흡수한다. 지지 구조부(152) 덕분에, 내부 쉘(102) 디자인은 고체 폐기물 혼합물로부터 고체 연료 조성물을 형성하는 데 사용되는 가열과 관련된 열 응력을 견디도록 구성될 수 있다. 지지 구조부(152)를 구성하는 데 적합한 물질의 예는 304 계열 스테인리스강, 316 스테인리스강, 적절한 크로뮴/니켈 합금, 및 내부 쉘(102) 또는 (내부 쉘(102)의 내부 표면에 포함된 경우에) 내부 라이너 물질에 용접됨으로써 상용될 수 있는 다른 내산화성 합금 변종을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
도 3a 및 도 3b는 처리 용기(100)의 내부 구성요소를 보여주기 위해 도면에서 제1 외부 단부(123)가 생략된 처리 용기(100)를 도시한다. 처리 용기(100)는 제1 혼합기(113a), 제2 혼합기(113b), 및 압출기 요소(115)를 포함한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "혼합기"는 일반적으로 조성물을 혼합, 교반 또는 블렌딩하는 데 적합한 장치를 의미하고, "혼합"은 일반적으로 물질을 교반하는 것, 물질을 배합하는 것, 또는 물질을 블렌딩하는 것을 의미한다. 즉, 혼합이 반드시 균질한 혼합물을 초래하는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "압출기 요소"는 일반적으로 고체 조성물을 조밀화하거나 성형하는 데 적합한 장치를 의미하고, "압출함"은 일반적으로 조밀화함 또는 성형함을 의미하고, "압출"은 일반적으로 조밀화 또는 성형을 의미한다. 제1 혼합기(113a), 제2 혼합기(113b), 및 압출기 요소(115)는 내부 쉘(102)의 공동(111) 내에 배치된다. 일부 실시양태에서, 처리 용기는 1개의 혼합기 또는 다수의 혼합기 (예를 들어, 3개, 4개, 5개, 또는 5개 초과의 혼합기)를 포함할 수 있다. 압출기 요소(115)는 제2 아치형 내벽 부분(140b)에 인접하게 배치될 수 있다. 압출기 요소(115)는 채널(142) 내에 배치될 수 있다. 제1 혼합기(113a)는 제3 아치형 내벽 부분(140c)에 인접하게 배치될 수 있고, 제2 혼합기(113a)는 제4 아치형 내벽 부분(140d)에 인접하게 배치될 수 있다. 압출기 요소(115)는 출구(124)를 통해 처리 용기의 안팎으로 움직일 수 있다.
압출기 요소(115)는 고체 폐기물 혼합물을 개구 쪽으로 압축함으로써 고체 폐기물 혼합물이 개구를 강제로 통과하도록 구성된 압축 요소이다. 예를 들어, 압축 요소는 혼합기 블레이드, 스크류 컨베이어, 피스톤, 압축 펌프 등을 포함할 수 있다. 압출기 요소(115)는 내부 쉘(102)의 공동(111) 내에서 물질 (예를 들어, 고체 폐기물 혼합물과 같은 조성물)을 순환시키거나 물질 (예컨대 고체 연료 조성물)을 출구(124)를 통해 처리 용기(100) 밖으로 운반한다. 예를 들어, 압출기 요소(115)가 제1 방향으로 회전할 때, 압출기 요소(115)는 고체 연료 조성물을 출구(124)를 통해 처리 용기(100) 밖으로 운반할 수 있다. 제2 방향으로 (예를 들어, 제1 방향과 반대되는 방향으로) 회전할 때, 압출기 요소(115)는 조성물을 공동(111) 내에서 순환시킬 수 있다. 압출기 요소(115)는 압출 스크류일 수 있다. 출구(124)는, 고체 폐기물 혼합물을 처리 용기(100) 밖으로 압출하는 것을 용이하게 하기 위해, 임의로 가열될 수 있다. 예를 들어, 출구(124)는 압출 가열기, 예컨대 전기 가열기, 유도 가열기, 또는 대류 가열기에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
제1 혼합기(113a)는 제1 방향으로 회전하도록 구성되고, 제2 혼합기(113b)는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 혼합기(113a)는 시계 방향으로 회전할 수 있고, 제2 혼합기(113b)는 시계 반대 방향으로 회전할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 임의의 공지된 혼합기 디자인이 제한없이 처리 용기(100)에 포함될 수 있다. 혼합기들(113a, 113b)의 유형 및 크기는 고체 폐기물 혼합물 (밀도와 점도에 있어 다양할 수 있음)을 교반하는 능력, 전단력을 고체 폐기물 혼합물에 부여하는 능력, 및 혼합기들(113a 및 113b)의 구동을 위한 에너지 요건과 같은 다양한 요인을 바탕으로 선택될 수 있다. 혼합기들(113a 및 113b)은 하나 이상의 혼합기 블레이드를 포함할 수 있다. 제1 혼합기(113a) 및 제2 혼합기(113b)는 회전식 혼합 블레이드일 수 있다. 처리 용기(100)가 수평으로 배향될 때 (즉, 제1 쉘(101)의 측방향 길이가 지면 또는 플랫폼과 같은 수평면에 평행함), 혼합기들(113a 및 113b)은 서로 근접하게 측방향으로 이격될 수 있어서, 반대 방향으로 회전하는 혼합기들(113a, 113b) 사이에서 고체 폐기물 혼합물이 분쇄되도록 할 수 있다. "분쇄"는 일반적으로 분해 또는 전단과 같이 물질을 더 작은 조각으로 축소하는 임의의 형태를 포함하며, 예를 들어 물질을 반드시 분말로 제분하는 것을 의미하지는 않는다.
여전히 도 3a 및 도 3b를 참조하자면, 압출기 요소(115)는 제1 간격(144a)에 의해 각각 제1 혼합기(113a) 및 제2 혼합기(113b)로부터 이격된다. 제1 혼합기(113a)와 제2 혼합기(113b)는 제2 간격(144b)에 의해 서로 이격된다. 일부 실시양태에서, 제2 간격(144b)은 제1 간격(144a)보다 더 크다. 내부 쉘(102)의 종방향 축(180a)은 제1 종방향 축(180a)이다. 압출기 요소(115)는 제2 종방향 축(180b)을 한정한다. 제1 혼합기(113a)는 제3 종방향 축(180c)을 한정한다. 제2 혼합기(113b)는 제4 종방향 축(180d)을 한정한다. 제2 종방향 축(180b), 제3 종방향 축(180c), 및 제4 종방향 축(180d)은 각각 제1 종방향 축(180a)으로부터 일정 거리만큼 떨어질 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 종방향 축(180a)은 제3 종방향 축(180c) 및 제4 종방향 축(180d)으로부터 등거리에 있다. 제1 종방향 축(180a)은 제2 종방향 축(180b), 제3 종방향 축(180c), 제4 종방향 축(180d), 또는 이것들의 조합에 평행할 수 있다. 제2 종방향 축(180b)은 제3 종방향 축(180c) 및 제4 종방향 축(180d)으로부터 등거리에 있을 수 있다. 제2 종방향 축(180b), 제3 종방향 축(180c), 및 제4 종방향 축(180d)은 내부 쉘(102)의 단면에서 삼각형 기하구조를 형성할 수 있다. 제1 종방향 축(180a), 제2 종방향 축(180b), 제3 종방향 축(180c), 및 제4 종방향 축(180d)은 내부 쉘(102)의 단면에서 사변형 기하구조를 형성할 수 있다. 내부 쉘(102)의 단면 형상은 일반적으로 제1 혼합기(113a), 제2 혼합기(113b), 및 압출기 요소(115)의 단면 형상과 일치할 수 있어서, 가열된 표면적 (예를 들어, 가열 재킷(109)의 표면적)과 내부 공동(111)의 부피 사이의 비가 원통형 형상을 갖는 (즉, 원형 단면 형상을 갖는) 내부 쉘에 비해 증가할 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열된 표면적은 가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷(109))의 가열된 부분 (즉, 순환 가열 오일과 같은 가열 유체를 보유하는 부분)의 합과 동일하다.
회전 구성요소 (예를 들어, 제1 혼합기(113a) 또는 압출기 요소(115))의 "외경"은 일반적으로 상기 구성요소의 가장 긴 반경의 길이의 두 배를 의미하며; 외경은 또한 종방향 축을 중심으로 완전히 360도 회전하는 구성요소의 전체 단면 형상의 직경과 동일하다. 일부 실시양태에서, 제1 혼합기(113a)의 외경과 제2 혼합기(113b)의 외경은 동일하다. 일부 실시양태에서, 제1 혼합기(113a)의 외경 대 압출기 요소(115)의 외경의 비는 적어도 약 1:1 및 최대 약 3:1이다. 예를 들어, 제1 혼합기(113a) 및 제2 혼합기(113b)의 외경은 약 36 인치일 수 있고, 압출기 요소(115)의 외경은 약 20 인치일 수 있어서, 결과적으로 제1 혼합기(113a)의 외경 대 압출기 요소(115)의 외경의 비는 1.8:1이 된다.
일부 실시양태에서, 공동(111)은 개별 건조 챔버 및 혼합 챔버로 세분된다. 건조 챔버 및 혼합 챔버는 챔버의 내용물을 가열하기 위해 독립적으로 가열 재킷(109)에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 실시양태에서, 개폐식 문(resealing door)이 개별 챔버 사이에 포함될 수 있으며, 개폐식 문은 건조 챔버와 혼합 챔버 사이에서의 물질의 전달을 허용하도록 열리거나 달리 움직일 수 있다. 일부 실시양태에서, 개별 챔버 사이에 칸막이가 포함될 수 있고, 칸막이를 움직임으로써 건조 챔버와 혼합 챔버 사이에서의 물질의 전달을 허용할 수 있다.
처리 용기(100)는 펌프 (예를 들어, 진공 펌프)에의 작동 가능한 결합을 제공하기 위해 제1 쉘 벽(127) 상에 배출 포트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 펌프는 호스 (예를 들어, 진공 호스)에 의해 배출 포트에 연결되며, 상기 호스는 사용 동안의 붕괴를 방지하기 위해 보강될 수 있다. 호스는 또한 고체 폐기물 혼합물이 처리 용기(100) 내에서 가열되는 최고 온도까지의 온도에서 안전한 작동을 허용하도록 내열성일 수 있거나 절연체를 포함할 수 있다. 펌프는 본 개시내용에 기술된 바와 같은 충분히 낮은 압력을 공동(111) 내에서 유지하도록 선택될 수 있다. 펌프는 우발적인 범람 동안에 펌프가 액체 물에 노출되는 것을 방지하기 위해 스탠드 또는 솟아오른 플랫폼 상에 설치될 수 있다. 임의의 펌프 디자인이 제한없이 포함될 수 있다. 예를 들어, 펌프는 회전 날개 펌프, 다이어프램 펌프, 또는 액체 링 펌프를 포함할 수 있다. 펌프는 직렬로 연결된 하나 이상의 펌프를 임의로 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 펌프는 처리 용기(100)에 작동 가능하게 연결된 응축기를 포함한다. 응축기는 펌프에 의해 공동(111)으로부터 인출된 수증기 및 다른 기화된 화합물을 냉각시켜 폐수를 생성한다. 폐수는 폐수 저장기, 예컨대 또 다른 용기 또는 탱크로 전달될 수 있다. 폐수 저장기에 작동 가능하게 결합된 수처리 장치는 응축된 폐수로부터 화합물을 제거하여 처리된 폐수를 생성하도록 구성될 수 있다. 수처리 장치는 멤브레인 필터, 오존 챔버, 활성탄 필터, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 펌프는 가스 세정(gas scrubbing) 장치를 포함하며, 상기 기화된 화합물이 응축된 후에 응축기에 남아 있는 임의의 공기는 펌프를 통과하여 상기 가스 세정 장치로 배출될 수 있다. 펌프를 빠져나간 가스 (즉, 배기가스)는 공기, 메탄, 염소, 염소화 유기 화합물, 및 휘발성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 가스 세정 장치는 메탄 및 다른 가연성 가스를 배기가스로부터 분리하기 위한 흡착제 층을 포함할 수 있다. 흡착제 층에 의해 포집된 메탄 및 다른 가연성 가스는 연료로서 사용되거나, 이후의 사용을 위해 저장되거나, 판매될 수 있다. 가스 세정 장치는 가스 필터, 예컨대 활성탄 필터 또는 멤브레인 필터를 포함할 수 있다. 가스 세정 장치에 의해 처리된 후에 남은 가스는 대기로 배출될 수 있다.
처리 용기(100)는 공기 유입 포트를 통해 처리 용기(100)에 작동 가능하게 결합된 공기 발생원을 포함한다. 공기 발생원은 스윕(sweep) 공기를 내부 쉘(102)의 공동(111) 내로 도입시켜, 기화된 화합물이 공동(111)으로부터 펌프로 움직이는 것을 용이하게 할 수 있다. 공기 발생원은 펌프가 작동되고 있는 동안에 공동(111) 내에서 요망되는 압력 (예를 들어, 진공)을 유지하도록 선택된 유량의 공기를 제공할 수 있다. 공기 발생원은 임의의 공지된 공기 발생원, 예컨대 압축 공기 탱크, 공기 압축기, 공기 펌프, 또는 대기 공기 중의 팬일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공기 발생원은 무산소 및 비-반응성 가스, 예컨대 질소 또는 희가스를 공급할 수 있다.
일부 실시양태에서, 처리 용기(100)는 고체 폐기물 혼합물이 외부 쉘(101) 밖으로 압출됨에 따라 고체 폐기물 혼합물을 개개의 조각으로 절단하도록 구성된 절단기를 포함한다. 예를 들어, 절단기는 레이저 절단기, 톱, 또는 워터 제트 절단기일 수 있다. 일부 실시양태에서, 절단 전에 고체 폐기물 혼합물을 경화시키기 위해 고체 폐기물 혼합물은 약간 냉각된다. 예를 들어, 고체 폐기물 혼합물은 길이가 약 2 피트 미만인 개개의 조각으로 절단될 수 있다.
도 4a 및 4b는 예시적인 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 고체 폐기물 혼합물과 같은 조성물(450a) (예를 들어, 공급 원료 물질)을 포함한다. 시스템(400)은 상기에 기술된 처리 용기(100)와 실질적으로 동일할 수 있는 처리 용기(499)를 포함한다. 처리 용기(499)는 조성물(450a)을 처리하고 조성물(450a)로부터 고체 연료 조성물(450b)을 형성할 수 있다. 고체 연료 조성물(450b)은 적어도 약 8,000 영국 열 단위/파운드 (BTU/lb)의 에너지 함량을 갖는다.
본원에서 제공된 시스템(400)은 고체 폐기물을 포함하는 조성물(450a)을 처리하도록 구성될 수 있다. 고체 폐기물은 고체, 액체, 반고체, 또는 함유된 기체상 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 습윤하다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 불균질하다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 불연성 물질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 산업, 상업, 광업, 농업, 또는 공동체 작업 과정에서 버려지는 물질이다. 고체 폐기물은 도시 고체 폐기물 스트림의 다양한 속성으로 인해 다양한 조성을 갖는 고체 폐기물의 혼합물을 포함할 수 있다.
다양한 고체 폐기물 발생원이 사용될 수 있다. 고체 폐기물 혼합물은 도시 폐기물, 농업 폐기물, 상업 폐기물, 가정 폐기물, 광업 폐기물, 버려진 2차 물질, 산업 고체 폐기물, 및 폐수 처리장, 상수도 처리장, 또는 공기 오염 제어 설비에서 발생하는 하수 슬러지를 포함하지만 이로 제한되지 않는 무해성 폐기물 발생원으로부터 유래될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같은 "도시 폐기물" 또는 "도시 고체 폐기물" (MSW)은 일반적으로 임의의 가정 폐기물, 상업 고체 폐기물, 또는 산업 고체 폐기물을 의미한다. 고체 폐기물 혼합물에 포함될 수 있는 폐기물의 비-제한적인 예는 생분해성 폐기물, 예컨대 음식 및 주방 폐기물; 녹색 폐기물, 예컨대 잔디 또는 나무 울타리 전지 잔재물; 종이; 혼합 플라스틱; 고체 음식 폐기물; 고체 농업 폐기물; 하수 슬러지; 및 자동차 파쇄 잔재물을 포함한다. "가정 폐기물" 또는 "주거 지역 폐기물"은 일반적으로 가정 (단독 주택 및 다세대 주택, 호텔 및 모텔, 합숙소, 삼림 관리소, 선원실, 캠프장, 피크닉 장소, 및 주간 휴양지를 포함함)으로부터 유래된 임의의 고체 폐기물 (쓰레기, 잡동사니, 및 정화조 내의 위생 폐기물을 포함함)을 의미한다. "상업 고체 폐기물"은 일반적으로 상점, 사무실, 식당, 창고, 및 다른 비-생산 활동에 의해 발생하는 모든 유형의 고체 폐기물을 의미한다. "산업 고체 폐기물"은 일반적으로 생산 또는 산업 공정에 의해 발생하는 무해성 고체 폐기물을 의미한다. 산업 고체 폐기물의 예는 생산 공정, 예컨대 발전; 비료 및 농약; 음식 및 관련 제품 및 부산물; 가죽 및 가죽 제품; 유기 화학약품; 플라스틱 및 수지 생산; 펄프 및 종이 제품; 고무 및 기타 플라스틱 제품; 섬유 생산; 운반 장비; 및 수처리로부터 유래된 폐기물을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
조성물(450a)은 물을 함유하는 고체 폐기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체 폐기물은 약 10 wt% 내지 약 60 wt%의 범위의 다양한 양의 물을 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 약 10 wt% 내지 약 20 wt%, 약 10 wt% 내지 약 30 wt%, 10 wt% 내지 약 40 wt%, 또는 10 wt% 내지 약 50 wt%의 범위의 양의 물을 함유한다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 적어도 10 wt%의 물, 적어도 20 wt%의 물, 적어도 30 wt%의 물, 적어도 40 wt%의 물, 또는 적어도 50 wt%의 물을 함유한다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 20 wt% 미만의 물, 30 wt% 미만의 물, 40 wt% 미만의 물, 50 wt% 미만의 물, 또는 60 wt% 미만의 물을 함유한다. 고체 폐기물에 함유된 물의 양은 고체 연료 조성물의 형성 동안에 고체 폐기물로부터 물을 제거하는 것과 관련된 시간 및/또는 온도에 영향을 미칠 수 있다.
조성물(450a)은 플라스틱을 함유하는 고체 폐기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 적어도 약 20 wt%의 플라스틱을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 약 20 wt% 내지 약 60 wt%의 플라스틱을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 폐기물은 약 20 wt% 내지 약 40 wt%의 혼합 플라스틱을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정을 위한 공급 원료는 약 5 wt% 내지 약 35 wt%의 혼합 플라스틱을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정을 위한 공급 원료는 약 5 wt% 내지 약 30 wt%의 혼합 플라스틱을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정을 위한 공급 원료는 약 5 wt% 초과의 플라스틱, 약 10 wt% 초과의 플라스틱, 약 15 wt% 초과의 플라스틱, 약 20 wt% 초과의 플라스틱, 약 25 wt% 초과의 플라스틱, 약 30 wt% 초과의 플라스틱, 약 35 wt% 초과의 플라스틱, 약 40 wt% 초과의 플라스틱, 약 45 wt% 초과의 플라스틱, 약 50 wt% 초과의 플라스틱, 또는 약 55 wt% 초과의 플라스틱을 포함한다.
여전히 도 4a 및 4b를 참조하자면, 처리 용기(499)는 입구 개구(422), 출구 개구(424), 외부 쉘(401), 및 외부 쉘(401) 내에 배치된 내부 쉘(402)을 포함한다. 처리 용기(499)의 구성요소는 처리 용기(100)의 유사한 구성요소와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 처리 용기(499)의 내부 쉘(401)은 처리 용기(100)의 내부 쉘(102) (도 1b에 가장 잘 도시되어 있음)과 실질적으로 동일하다. 내부 쉘(401)은 제1 단부 (예를 들어, 제1 단부(103)), 제2 단부 (예를 들어, 제2 단부(105)), 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 벽 (예를 들어, 벽(107))을 포함한다. 내부 쉘(401)은 처리 동안에 조성물(450a)을 보유하기 위한 공동(411)을 한정한다. 내부 쉘(401)은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향 축(480a)을 한정한다. 종방향 축(180a)에 대해 횡방향인 내부 쉘(401)의 단면은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 아치형 내벽 부분(440a) 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 아치형 내벽 부분(440b)을 포함한다. 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경보다 더 크다 (처리 용기(100)의 유사한 곡률 반경을 참조함).
처리 용기(499)는 외부 쉘(401)과 내부 쉘(402) 사이에 한정된 환형 인클로저(450)를 포함한다. 처리 용기(499)는 가열 구조부 (예를 들어, 내부 쉘(402)의 벽에 결합된 가열 재킷(409))를 포함할 수 있고, 가열 구조부는 내부 쉘(402)의 벽을 가열할 수 있다. 처리 용기(499)는 환형 인클로저(450) 내에 배치된 절연 물질(408)을 포함할 수 있다. 처리 용기(499)는 외부 쉘(401) 및 내부 쉘(402)에 작동 가능하게 결합된 펌프 시스템을 포함할 수 있다. 펌프 시스템은 공동(411), 환형 인클로저(450), 또는 둘 다 내의 압력을 저하시키거나 진공을 발생시킬 수 있다. 펌프 시스템은 공동(411)을 제1 압력으로 설정하고 환형 인클로저(450)를 제2 압력으로 설정할 수 있다. 공동(411)의 제1 압력과 환형 인클로저(450)의 제2 압력은 동일할 수 있다. 일부 실시양태에서, 공동(411)의 제1 압력과 환형 인클로저(450)의 제2 압력 사이의 압력 차이는 5 psi 이하이다.
종방향 축(480a)에 대해 횡방향인 내부 쉘(402)의 단면은 제3 아치형 내벽 부분(440c) 및 제4 아치형 내벽 부분(440d)을 포함할 수 있다. 처리 용기(499)는 압출기 요소(415), 제1 혼합기(413a), 및 제2 혼합기(413b)를 포함한다. 압출기 요소(415), 제1 혼합기(413a), 및 제2 혼합기(413b)는 내부 쉘(402)의 공동(411) 내에 배치될 수 있다. 압출기 요소(415)는 제2 아치형 내벽 부분(440b)에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 혼합기(413a)는 제3 아치형 내벽 부분(440c)에 인접하게 배치될 수 있다. 제2 혼합기(413b)는 제4 아치형 내벽 부분(440d)에 인접하게 배치될 수 있다. 제2 아치형 내벽 부분(440b)은 채널을 형성할 수 있고, 압출기 요소(415)는 채널 내에 배치될 수 있다.
제1 혼합기(413a)는 조성물(450a)을 제1 방향으로 회전시킬 수 있고, 제2 혼합기(413b)는 조성물(450a)을 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 회전시킬 수 있다. 즉, 제1 혼합기(413a)와 제2 혼합기(413b)는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 압출기 요소(415)는 조성물(450a)을 공동(411) 내에서 순환시키거나 고체 연료 조성물(450b)을 출구 개구(424)를 통해 처리 용기(499) 밖으로 운반할 수 있다. 예를 들어, 압출기 요소(415)가 제1 방향으로 회전할 때, 압출기 요소(415)는 고체 연료 조성물(450b)을 출구 개구(424)를 통해 처리 용기(499) 밖으로 운반할 수 있다. 압출기 요소(415)가 제2 방향 (예를 들어, 제1 방향과 반대되는 방향)으로 회전할 때, 압출기 요소(415)는 조성물(450a)을 공동(411) 내에서 순환시킬 수 있다.
본원에서는 시스템(400)에 의해 형성된 고체 연료 조성물(450b)이 제공된다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 고체 연료 조성물을 제조하는 데 사용된 조성물에 비해 균일한 점조도 및 덜 가변적인 에너지 함량을 갖는다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 적어도 8,000 BTU/lb, 적어도 9,000 BTU/lb, 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, 또는 적어도 15,000 BTU/lb의 에너지 함량을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 8,000 BTU/lb 내지 약 14,000 BTU/lb의 범위의 에너지 함량을 갖는다.
일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 30 lb/ft3 내지 약 80 lb/ft3의 범위의 밀도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)의 밀도는 적어도 30 lb/ft3, 적어도 40 lb/ft3, 적어도 50 lb/ft3, 적어도 60 lb/ft3, 또는 적어도 70 lb/ft3이다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 50 lb/ft3의 밀도를 갖는다.
고체 연료 조성물(450b)은 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 40 wt% 내지 약 80 wt%의 탄소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 40 wt% 내지 약 44 wt%, 약 42 wt% 내지 약 46 wt%, 약 44 wt% 내지 약 48 wt%, 약 46 wt% 내지 약 50 wt%, 약 48 wt% 내지 약 52 wt%, 약 50 wt% 내지 약 54 wt%, 약 52 wt% 내지 약 56 wt%, 약 54 wt% 내지 약 58 wt%, 약 56 wt% 내지 약 62 wt%, 약 60 wt% 내지 약 64 wt%, 약 62 wt% 내지 약 66 wt%, 약 64 wt% 내지 약 68 wt%, 약 66 wt% 내지 약 70 wt%, 약 68 wt% 내지 약 72 wt%, 약 70 wt% 내지 약 74 wt%, 약 72 wt% 내지 약 76 wt%, 약 74 wt% 내지 약 78 wt%, 및 약 76 wt% 내지 약 80 wt%의 탄소를 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은 수소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 수소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 5 wt% 내지 약 7 wt%의 수소, 약 6 wt% 내지 약 8 wt%의 수소, 약 7 wt% 내지 약 9 wt%의 수소, 약 8 wt% 내지 약 10 wt%의 수소, 약 9 wt% 내지 약 11 wt%의 수소, 약 10 wt% 내지 약 12 wt%의 수소, 약 11 wt% 내지 약 13 wt%의 수소, 약 12 wt% 내지 약 14 wt%의 수소, 약 13 wt% 내지 약 15 wt%의 수소, 약 14 wt% 내지 약 16 wt%의 수소, 약 15 wt% 내지 약 17 wt%의 수소, 약 16 wt% 내지 약 18 수소 wt%, 약 17 wt% 내지 약 19 wt%, 또는 약 18 wt% 내지 약 20 wt%의 수소를 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은 산소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 산소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 5 wt% 내지 약 7 wt%의 산소, 약 6 wt% 내지 약 8 wt%의 산소, 약 7 wt% 내지 약 9 wt%의 산소, 약 8 wt% 내지 약 10 wt%의 산소, 약 9 wt% 내지 약 11 wt%의 산소, 약 10 wt% 내지 약 12 wt%의 산소, 약 11 wt% 내지 약 13 wt%의 산소, 약 12 wt% 내지 약 14 wt%의 산소, 약 13 wt% 내지 약 15 wt%의 산소, 약 14 wt% 내지 약 16 wt%의 산소, 약 15 wt% 내지 약 17 wt%의 산소, 약 16 wt% 내지 약 18 wt%의 산소, 약 17 wt% 내지 약 19 wt%의 산소, 또는 약 18 wt% 내지 약 20 wt%의 산소를 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은 황을 포함하지 않거나 최소량의 황을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 2 wt% 미만의 황을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 1 wt% 미만의 황, 약 0.5 wt% 미만의 황, 또는 약 0.1 wt% 미만의 황을 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은 염소를 포함하지 않거나 최소량의 염소를 포함할 수 있다. 고체 연료 조성물(450b)은 약 2 wt% 미만의 염소를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 1 wt% 미만의 염소, 약 0.5 wt% 미만의 염소, 및 약 0.1 wt% 미만의 염소를 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은 물을 포함하지 않거나 최소량의 물을 포함할 수 있다. 고체 연료 조성물은 약 2 wt% 미만의 물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 1 wt% 미만의 물, 약 0.5 wt% 미만의 물, 및 약 0.1 wt% 미만의 물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 약 1 wt% 미만의 물을 포함한다.
고체 연료 조성물(450b)은, 연소 시, 처리되지 않은 조성물 (예를 들어, 처리되지 않은 고체 폐기물)에 비해 연소 시 훨씬 더 낮은 수준의 독소를 방출할 수 있다. 방출되는 독소의 양은 다양할 수 있다. 예를 들어, 고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 0.5 lb/백만 BTU 미만의 알칼리 산화물, 약 3 lb/백만 BTU 미만의 회분, 약 0.1 lb/백만 BTU 미만의 이산화황 (SO2), 및 약 1.5 lb/백만 BTU 미만의 염소를 방출할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 0.5 lb/백만 BTU 미만의 알칼리 산화물을 방출한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 3 lb/백만 BTU 미만의 회분을 방출한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 0.1 lb/백만 BTU 미만의 이산화황 (SO2)을 방출한다. 일부 실시양태에서, 고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 1.5 lb/백만 BTU 미만의 염소를 방출한다.
고체 연료 조성물(450b)은 연소 시 약 1 lb/백만 BTU 내지 약 30 lb/백만 BTU의 범위, 예컨대 약 1 lb/백만 BTU 내지 2 lb/백만 BTU, 약 2 lb/백만 BTU 내지 3 lb/백만 BTU, 약 3 lb/백만 BTU 내지 4 lb/백만 BTU, 약 4 lb/백만 BTU 내지 5 lb/백만 BTU, 약 5 lb/백만 BTU 내지 10 lb/백만 BTU, 약 10 lb/백만 BTU 내지 15 lb/백만 BTU, 약 15 lb/백만 BTU 내지 20 lb/백만 BTU, 약 20 lb/백만 BTU 내지 25 lb/백만 BTU, 또는 약 25 lb/백만 BTU 내지 30 lb/백만 BTU의 범위의 양의 회분을 방출할 수 있다. 고체 연료 조성물은 인카네이션(incarnation), 열분해 또는 가스화 공정 동안에 석탄, 바이오매스 또는 다른 대체 연료를 대체하거나 보충하도록 설계된 공급 원료로서 사용될 수 있다.
도 5는 조성물 (예를 들어, 조성물(450a))로부터 고체 조성물 (예컨대 고체 연료 조성물(450b))을 형성하는 방법 (500)의 흐름도를 도시한다. 조성물(450a)은 처리 용기(499)와 같은 처리 용기에 도입될 수 있다. 한 예로서, 조성물(450a)은 고체 폐기물 혼합물이고 위쪽으로부터 입구 개구(422)를 통해 처리 용기(499)로 도입된다. 처리 용기(499)에 도입된 후에, 502에서, 조성물(450a)은 처리 용기(499) 내에서 가열된다. 조성물은 가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷(109))를 사용하여 화씨 약 100도(℉)의 온도로 가열될 수 있다. 가열 단계 (502)는 3개의 가열 사이클로 분류될 수 있다: 제1 가열 사이클은 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 물 증발 온도로 상승시키는 것을 포함하고; 제2 가열 사이클은 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 물 증발 온도로 유지하여 고체 폐기물 혼합물(450a)로부터 물을 제거하는 것을 포함하고; 제3 가열 사이클은 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 압출 온도로 상승시키고 유지하는 것을 포함한다.
공동(411) 내의 압력이 대기압보다 더 낮도록 진공을 처리 용기(499) 내에 끌어들일 수 있다. 일부 실시양태에서, 처리 용기(499) 내의 (및 공동(411) 내의) 압력은 약 50 torr로 유지된다. 진공은 조성물(450a)에 함유된 물 및 다른 화합물의 비등 온도를 저하시킬 뿐만 아니라 가열된 고체 폐기물에 의해 방출된 임의의 기화된 화합물을 제거한다. 물 및 다른 화합물의 비등 온도를 저하시키면 조성물(450a)로부터 화합물을 기화시키기 위해 필요한 가열 시간을 단축하고 가열 온도를 저하시킬 수 있다. 가열 시간을 단축하고 가열 온도를 저하시키면 조성물(450a)로부터 고체 연료 조성물(450b)을 형성하는 데 필요한 에너지 소비량을 저감시킬 수 있다. 기화된 화합물은 증기 (즉, 기화된 물)를 포함할 수 있다. 진공은 외부 쉘(401) 및 내부 쉘(402)에 연결된 진공 펌프 또는 시스템에 의해 발생될 수 있다. 기화된 화합물이 처리 용기(499) 밖으로 움직이는 것을 용이하게 하기 위해 스윕 공기가 처리 용기(499)에 도입될 수 있다. 처리 용기(499) 내에서 유지되는 진공은 또한 조성물(250a)이 가열되고 건조되는 동안에 물질의 연소를 방지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 처리 용기(499) (즉, 공동(411) 및 환형 인클로저(450)) 내의 압력은 약 50 torr, 45 torr, 40 torr, 35 torr, 30 torr, 25 torr, 20 torr, 15 torr, 10 torr, 또는 5 torr 미만으로 유지된다. 처리 용기(499) 내에서 유지되는 압력의 범위는 다양할 수 있다. 처리 용기(499) 내에서 유지되는 압력은 약 5 torr 내지 약 100 torr, 약 40 torr 내지 약 60 torr, 약 5 torr 내지 약 10 torr, 약 10 torr 내지 약 15 torr, 약 15 torr 내지 약 20 torr, 약 20 torr 내지 약 25 torr, 약 25 torr 내지 약 30 torr, 약 30 torr 내지 약 35 torr, 약 35 torr 내지 약 40 torr, 약 40 torr 내지 약 45 torr, 약 45 torr 내지 약 50 torr, 약 50 torr 내지 약 55 torr, 약 55 torr 내지 약 60 torr, 약 60 torr 내지 약 65 torr, 약 65 torr 내지 약 70 torr, 약 70 torr 내지 약 75 torr, 약 75 torr 내지 약 80 torr, 약 80 torr 내지 약 85 torr, 약 85 torr 내지 약 90 torr, 약 90 torr 내지 약 95 torr, 및 약 95 torr 내지 약 100 torr로 다양할 수 있다.
504에서, 조성물(450a)은 내부 쉘(402)의 공동(411)에 배치된 제1 및 제2 혼합기들(413a, 413b)에 의해 혼합될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "혼합"은 일반적으로 "교반" 또는 "블렌딩"을 의미한다. 예를 들어, 제1 및 제2 혼합기들(413a, 413b)을 반대 방향으로 회전시킴으로써 조성물(450a)을 혼합할 수 있다. 압출기 요소(415)를 제1 방향으로 회전시킴으로써 조성물(450a)을 처리 용기(499) 내에서 순환시킬 수 있다.
가열 구조부 (예를 들어, 가열 재킷(409))는 조성물(450a)에 열을 제공하고 처리 용기(499) 내의 (및 공동(411) 내의) 온도를 약 100℉로 유지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 구조부는 처리 용기(499) 내의 온도를 약 400℉로 유지하도록 열을 제공한다. 처리 용기(499) 내에서 유지되는 온도 범위는 다양할 수 있다. 처리 용기(499) 내에서 유지되는 온도는 약 100℉ 내지 약 400℉로 다양할 수 있다. 일부 실시양태에서, 처리 용기(499) 내의 온도는 제1 기간 동안 약 100℉로 유지되고 이어서 제2 기간 동안 약 400℉로 유지된다. 처리 용기(499) 내의 최고 온도 및 처리 조건은 조성물(450a)이 열분해를 겪지 않도록 제어될 수 있다.
가열 재킷(409)은 조성물(450a)의 최고 온도에 상응하는 온도로 유지될 수 있으며, 상기 온도보다 높은 온도에서는 조성물(450a)이 열분해되기 시작한다. 가열 재킷(409)은 요망되는 조성물(450a) 온도보다 더 높은 온도로 유지될 수 있어서, 조성물(450a)은 그의 요망되는 온도로 더 빨리 가열될 수 있다. 가열 재킷(409)은 임의의 잠재적인 열 손실을 보상하기 위해 요망되는 조성물(450a) 온도보다 더 높은 온도로 유지될 수 있다. 가열 재킷(409)은 요망되는 조성물(450a) 온도보다 약 10℉ 더 높은 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 100℉의 요망되는 조성물(450a) 온도를 위해, 가열 재킷(409)은 약 110℉의 온도로 유지될 수 있다. 가열 재킷(409)은 요망되는 조성물(450a) 온도보다 약 200℉ 더 높은 온도로 유지될 수 있다. 예를 들어, 400℉의 요망되는 조성물(450a) 온도를 위해, 가열 재킷(409)은 약 600℉의 온도로 유지될 수 있다. 요망되는 조성물(450a) 온도는 처리 용기(499) 내에서의 조성물(450a)의 가열 (502) 및 혼합 (504) 기간 내내 다양할 수 있다.
조성물(450a)은 처리 용기(499) 내에서 약 10 분 내지 약 120 분의 범위의 기간 동안 가열 및 혼합될 수 있다. 일부 실시양태에서, 조성물(450b)은 조성물(450a)을 처리 용기(499) 내에서 가열 (502) 및 혼합 (504)한 후 60 분 이내에 형성된다. 502에서의 가열 기간은 처리 용기(499)에 도입되는 조성물(450a)의 구성, 가열 재킷(409)의 온도, 조성물(450a)의 다양한 성분의 비열 용량, 혼합 속도 (즉, 혼합기들(413a 및 413b)의 회전 속도), 및 제조될 연료 조성물의 목표 사양 또는 특성과 같은 다양한 요인에 따라 달라진다. 조성물(450a)은 약 10 분 내지 약 120 분, 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 가열(502) 및 혼합(504)될 수 있다. 조성물(450a)은 처리 용기(499) 내에서 약 40 분의 기간 동안 가열 및 혼합될 수 있다.
506에서, 조성물(450a)은 내부 쉘(402)의 공동(411) 내에 배치된 압출기 요소(415)에 의해 처리 용기(499)로부터 (예를 들어, 출구(424)를 통해) 압출될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "압출"은 일반적으로 조밀화 또는 성형을 의미한다. 일부 예에서, 압출기 요소(415)는 조성물(450a)을 공동(411) 내에서 순환시키기 위해 한 방향으로 작동될 수 있고 조성물(450a)을 출구(424)를 통해 처리 용기(499) 밖으로 압출하기 위해 반대 방향으로 작동될 수 있는 스크류 컨베이어 또는 압출 스크류일 수 있다. 일부 예에서, 압출기 요소는 조성물(450a)을 조밀화하거나 성형하도록 구성된 임의의 구성요소 또는 구성요소의 배열체 (예를 들어, 다이 헤드를 갖지 않는 압출기)일 수 있다.
508에서, 고체 조성물 (예컨대 고체 연료 조성물(450b))이 조성물(450a)로부터 형성된다. 고체 연료 조성물(450b)은 적어도 8,000 BTU/lb의 에너지 함량을 갖는다. 고체 연료 조성물(450b)은 멸균성, 소수성, 화학적 안정성 또는 비-생분해성, 또는 이것들의 조합일 수 있다. "멸균성"은 일반적으로 고체 연료 조성물(450b)이 제조 후에 살아 있는 미생물을 실질적으로 갖지 않음을 의미한다. "안정성" 또는 "화학적 안정성"은 일반적으로 고체 연료 조성물(450b)이 물, 산소, 주위 조건, 또는 통상적인 저장 조건과 장시간 동안 접촉 시 화학적 특성, 물리적 특성, 또는 구조가 실질적으로 변화하지 않음을 의미한다. 고체 연료 조성물(450b)은 고체 연료 조성물(450b)이 연소되거나 열분해를 겪거나 유사한 공정에서 공급 원료로서 사용되기 전까지 안정하다. "비-생분해성"은 일반적으로 고체 연료 조성물(450b)이 부패 또는 퇴비화와 같은 통상적인 생물학적 작용 하에 분해되거나 축적되거나 썩지 않음을 의미한다. 그 결과, 고체 연료 조성물(450b)은 다양한 저장 조건에서 장기간 동안 저장될 수 있고, 함께 배열된 폐기물-에너지화 설비에서 공급 원료로서 사용되거나, 멀리 떨어져 있는 폐기물-에너지화 설비로 운반되거나, 처리 용기(499) 자체, 임의의 관련 장치, 또는 다른 공정에 에너지를 제공하는 데 사용될 수 있다.
고체 조성물을 형성하는 방법(500)은, 예를 들어, 고체 폐기물 혼합물(450a)을 처리 용기(499)에 도입시키고, 처리하고, 이어서 압출하여 고체 연료 조성물(450b)을 형성하는 것인, 배치 공정으로서 완료될 수 있다. 고체 연료 조성물(450b)이 처리 용기(499)로부터 완전히 압출된 후에, 또 다른 배치를 개시할 수 있다. 방법(500)을 반-연속 공정으로서 완료할 수 있다.
실시예
하기 설명은 비-제한적인 예시적인 처리 용기에 적용된다. 처리 용기(499)의 외부 쉘(401)은 60 인치 내지 90 인치의 범위의 내경을 가졌다. 외부 쉘(401)은 90 인치 내지 126 인치의 범위의 길이를 가졌다. 각각의 적어도 2개의 혼합 블레이드 (제1 혼합기(413a) 및 제2 혼합기(413b))는 30 인치 내지 42 인치의 범위의 외경을 가졌다. 압출 스크류 (압출기 요소(415))는 12 인치 내지 30 인치의 범위의 외경을 가졌다. 내부 쉘(402)의 단면 형상의 제2 아치형 내벽 부분(440b)은 (압출기 요소(415)에 대해) 230° 내지 270°의 범위의 중심 각도를 가졌다. 내부 쉘(402)의 단면 형상의 제3 및 제4 아치형 내벽 부분들(440c, 440d)은 (상응하는 혼합기들(413a 및 413b)에 대해) 100° 내지 140°의 범위의 중심 각도를 가졌다.
처리 용기(499)의 총 내부 부피 (즉, 외부 쉘(401) 내의 부피)는 210 세제곱피트(ft3) 및 230 ft3 (5,947 리터(L) 및 6,513 L)의 범위였다. 처리 용기(499)의 작동 부피 (즉, 고체 폐기물 혼합물(450a)이 순환, 가열 및 혼합되는 부피로서, 이는 내부 쉘(402) 내의 제1 혼합기(413a), 제2 혼합기(413b), 및 압출기 요소(415)가 차지하는 부피를 제외한 내부 쉘(402) 내의 부피와 동일함)는 185 ft3 및 205 ft3 (5,239 L 및 5,805 L)의 범위였다.
내부 쉘(402)의 단면 형상의 총 면적은 20 제곱피트(ft2) 내지 30 ft2의 범위였다. 가열 재킷(409)은 내부 쉘(402)의 외부 표면을 라이닝하고 가열된 표면적을 한정하였다. 가열된 표면적은 180 ft2 내지 220 ft2의 범위였다. 처리 용기(499)의 가열된 표면적과 총 표면적 사이의 비는 0.5 내지 0.9의 범위였다. 가열 재킷(409)에는 뜨거운 오일 (듀라텀(Duratherm) 630™)이 600℉ 내지 650℉의 범위의 온도에서 130 갤런/분 (gpm) 내지 170 gpm의 범위의 유량으로 공급되었다.
고체 폐기물 혼합물(450a)로부터 고체 연료 조성물(450b)을 형성하는 공정을, 고체 폐기물 혼합물(450a)을 처리 용기(499)에 도입시키고 처리하고 이어서 압출하여 고체 연료 조성물(450b)을 형성하는 것인, 배치 공정으로서 완료하였다. 고체 연료 조성물(450b)이 처리 용기(499)로부터 완전히 압출된 후에, 또 다른 배치를 개시하였다. 공정은 3개의 가열 사이클로 분류되었다: 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 물 증발 온도로 상승시키는 것을 포함하는 제1 가열 사이클; 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 물 증발 온도로 유지하여 고체 폐기물 혼합물(450a)로부터 물을 제거하는 것을 포함하는 제2 가열 사이클; 및 고체 폐기물 혼합물(450a)의 온도를 압출 온도로 상승시키고 유지하는 것을 포함하는 제3 가열 사이클. 전체 공정을 완료하는 데 30 분 내지 60 분이 소요되었다. 단일 배치에서 형성된 고체 연료 조성물(450b)의 총 질량은 처리 용기(499)에 도입된 고체 폐기물 혼합물(450a)의 원래의 총 질량 (수분 함량을 포함함)의 80% 내지 99%의 범위였다.
다른 실시양태
본 개시내용에는 많은 특정한 실시양태 세부 사항이 포함되지만, 이것들이 특허대상의 범위 또는 특허청구될 수 있는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 그보다는 특정한 실시양태에 특정될 수 있는 특징을 기술하는 것으로 해석되어야 한다. 개별 실시양태들의 맥락에서 본 개시내용에 기술된 특정한 특징들은 또한 단일 실시양태에서 조합으로서 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시양태의 맥락에서 기술된 다양한 특징들은 또한 다수의 실시양태에서, 개별적으로 또는 임의의 적합한 부분-조합으로서 구현될 수 있다. 더욱이, 앞서 기술된 특징이 특정한 조합으로서 작용하는 것으로 기술될 수 있고 심지어 처음에 그렇게 특허청구될 수 있긴 하지만, 특허청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징은, 일부 경우에, 상기 조합으로부터 제외될 수 있고, 특허청구된 조합은 부분-조합 또는 부분-조합의 변형양태에 관한 것일 수 있다.
특허대상의 특정한 실시양태가 기술되었다. 기술된 실시양태의 다른 실시양태, 변경 및 순열은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이 하기 청구범위 내에 있다. 작업이 도면 또는 청구범위에 특정한 순서로 묘사되어 있지만, 이는 요망하는 결과를 달성하기 위해 그러한 작업이 제시된 특정한 순서 또는 순차적 순서로 수행되어야 한다거나 설명된 모든 작업이 수행되어야 한다는 것으로 이해되어서는 안된다 (일부 작업은 임의적인 것으로 간주될 수 있음).
따라서, 앞서 기술된 예시적인 실시양태는 본 개시내용을 한정하거나 제한하지 않는다. 본 개시내용의 진의 및 범위를 벗어나지 않게 다른 변화, 대체, 및 변형이 또한 가능하다.

Claims (20)

  1. 제1 쉘;
    제1 쉘 내에 배치된 제2 쉘이며, 여기서
    제2 쉘은 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부에서 제2 단부로 연장되는 벽을 포함하고,
    제2 쉘은 공동을 한정하고,
    제2 쉘은 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 제1 종방향 축을 추가로 한정하고,
    제2 쉘은 제1 종방향 축에 대해 횡방향인 단면을 갖고,
    단면은 제1, 제2, 제3, 및 제4 아치형 내벽 부분을 포함하고,
    제2 아치형 내벽 부분은 제3 아치형 내벽 부분과 제4 아치형 내벽 부분 사이에 채널을 형성하는 것인 제2 쉘;
    공동 내에 배치된 제1 혼합기;
    공동 내에 배치된 제2 혼합기;
    공동 내 채널에 배치된 압출기 요소;
    제1 쉘과 제2 쉘 사이에 한정된 환형 인클로저; 및
    환형 인클로저에 배치된 지지 구조부이며, 여기서 지지 구조부의 일부는 제1 종방향 축에 대해 횡방향으로 연장되고 제2 쉘의 외부 표면의 일부의 주위에 원주 방향으로 연장된 것인 지지 구조부
    를 포함하는 용기.
  2. 제1항에 있어서, 제1 혼합기 및 제2 혼합기가 각각 회전식 혼합 블레이드를 포함하는 것인 용기.
  3. 제1항에 있어서, 압출기 요소가 압출 스크류인 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 아치형 내벽 부분이 제1 곡률 반경을 갖고,
    제2 아치형 내벽 부분이 제1 곡률 반경보다 더 큰 제2 곡률 반경을 갖는 것인 용기.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 쉘에 작동 가능하게 결합된 펌프
    를 추가로 포함하며, 여기서 펌프는 공동, 환형 인클로저, 또는 둘 다 내의 압력을 저하시키도록 구성된 것인 용기.
  6. 제1항에 있어서, 펌프의 사용 동안에 공동이 제1 압력을 갖고, 환형 인클로저가 제2 압력을 갖고, 제1 및 제2 압력이 10% 편차 내에 있도록 구성된 용기.
  7. 제1항에 있어서, 공동이 제1 압력을 갖고, 환형 인클로저가 제2 압력을 갖고, 제1 압력과 제2 압력 사이의 압력 차이가 5 파운드/제곱인치 이하인 것인 용기.
  8. 제1항에 있어서,
    제3 아치형 내벽 부분이 제3 곡률 반경을 갖고,
    제4 아치형 내벽 부분이 제3 곡률 반경과 동일한 제4 곡률 반경을 갖는 것인 용기.
  9. 제1항에 있어서, 제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분이 각각 제2 아치형 내벽 부분의 곡률 반경보다 더 큰 곡률 반경을 갖는 것인 용기.
  10. 제9항에 있어서, 제3 아치형 내벽 부분 및 제4 아치형 내벽 부분이 각각 제1 아치형 내벽 부분의 곡률 반경보다 더 작은 곡률 반경을 갖는 것인 용기.
  11. 제1항에 있어서,
    압출기 요소가 용기의 길이를 따라 연장되는 제2 종방향 축을 한정하고,
    제1 혼합기는 용기의 길이를 따라 연장되는 제3 종방향 축을 한정하고,
    제2 혼합기는 용기의 길이를 따라 연장되는 제4 종방향 축을 한정하는 것인 용기.
  12. 제11항에 있어서, 제2, 제3 및 제4 종방향 축이 제2 쉘의 단면에서 삼각형 기하구조를 형성하는 것인 용기.
  13. 제11항에 있어서, 제1 종방향 축이 제2 종방향 축, 제3 종방향 축, 제4 종방향 축, 또는 그의 조합에 평행한 것인 용기.
  14. 제11항에 있어서, 제2 종방향 축이 제3 종방향 축 및 제4 종방향 축으로부터 등거리에 있는 것인 용기.
  15. 제1항에 있어서,
    압출기 요소가 제2 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치되고,
    제1 혼합기가 제3 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치되고,
    제2 혼합기가 제4 아치형 내벽 부분에 인접하게 배치된 것인 용기.
  16. 제1항에 있어서,
    압출기 요소가 제1 혼합기 및 제2 혼합기 각각으로부터 제1 간격만큼 이격되어 있고,
    제1 혼합기와 제2 혼합기는 서로 제2 간격만큼 이격될 수 있으며,
    여기서 제2 간격은 제1 간격보다 더 큰 것인 용기.
  17. 제16항에 있어서, 압출기 요소가 제1 방향으로 회전할 때, 압출기 요소가 고체 연료 조성물을 출구 개구를 통해 용기 밖으로 운반하도록 구성된 것인 용기.
  18. 삭제
  19. 삭제
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