KR20050028908A - 파이버 펠릿 및 이 파이버 펠릿의 형성 방법 - Google Patents

파이버 펠릿 및 이 파이버 펠릿의 형성 방법 Download PDF

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피버테크 폴리머스, 인코포레이티드.
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Abstract

본 발명은 셀룰로스 파이버 보강된 폴리머 제품 및 재료의 제조에 유용한 낮은 수분 함량의 가공된 셀룰로스 파이버 펠릿과, 습윤상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 폐기물 소스 재료로부터 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿을 형성하기 위한 익스트루더레스 방법을 제공한다. 상기 셀룰로스 파이버 펠릿은 가공된 셀룰로스 파이버와 혼합 플라스틱, 및 미네랄, 점토 등과 같은 무기물을 구비하며, 대략 0.1 내지 14중량%의 수분 함량을 갖는다. 익스트루더레스 방법은 대략 40 내지 80중량%의 수분 함량을 갖는 습윤상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 폐기물 소스 재료로부터 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿을 형성할 수 있는 방식으로 건조, 파쇄 및 펠릿화 단계를 포함한다.

Description

파이버 펠릿 및 이 파이버 펠릿의 형성 방법{FIBER PELLETS AND PROCESSES FOR FORMING FIBER PELLETS}
본 발명은 일반적으로 셀룰로스 파이버 펠릿에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 수분 함량이 낮은 비압출형(non-extruded) 셀룰로스 파이버 펠릿, 및 습윤상태 폐기 소스 재료(wet waste source materials)로부터의 셀룰로스 파이버 펠릿 형성을 용이하게 하는 방법에 관한 것이다.
다양한 충전재(fillers)로 보강된 폴리머는 가정용품 및 산업용품 뿐 아니라 빌딩 재료 등의 제조에 널리 사용되고 있다. 셀룰로스 파이버와 같은 천연 파이버뿐만 아니라, 탄산칼슘, 활석(talc), 운모 및 규회석(硅灰石:wollastonite)과 같은 미네랄 충전재 및 유리, 흑연, 탄소 및 케블라 파이버와 같은 합성 충전재에 혼합함으로써, 폴리머의 기계적 특성중 일부가 크게 개선된다. 폴리머를 보강하는데 사용되는 셀룰로스 파이버는 통상, 약 10 내지 60 메쉬의 유효 메쉬 크기를 갖는 목분(木粉; wood flour), 쇄목(碎木; ground wood) 파이버를 포함한다. 이러한 셀룰로스 파이버 충전재의 사용은 결과적으로 많은 결점을 갖는 경향이 있다.
예를 들면, 혼합 이전 또는 혼합 동안의 예비 건조에 대한 필요성과 낮은 벌크 밀도로 인해, 목분 또는 쇄목 파이버에 의한 가공은 결과적으로 낮은 생산성과 높은 비용을 초래한다. 이러한 충전재의 분말 농도는 작업을 지저분하게 만들 뿐 아니라 가공 작업을 하는 사람에게 건강상 잠재적인 위험을 주는 경향이 있다. 목분 및 쇄목 파이버는 또한 재료의 패킹으로 인해 막힘이나 뭉침을 초래하는 경향이 있으며, 그 입구가 이들 재료의 낮은 벌크 밀도에 대해 통상 작은 압출기로의 이송 및 공급이 매우 어려운 경향이 있다.
분말 형태의 목분 또는 쇄목 파이버를 사용하는 것과 연관된 문제를 방지하기 위하여, 파이버를 압축하여 펠릿으로 만드는 것이 시도되었다. 펠릿 밀(pellet mill)을 사용하여 쇄목 파이버 또는 목분으로부터 펠릿을 형성하는 종래의 방법은 결합제(binder)로서 물을 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 이로 인해 펠릿에 존재하게 되는 수분은 복합 펠릿(composite pellet)을 하류측에서 가공해야할 부담이 된다. 결합제로서 폴리머를 사용하는 경우, 폴리머가 공정에 추가되어야 하므로, 가공 비용이 증가된다.
이들 문제에 더하여, 셀룰로스 파이버-폴리머 펠릿을 형성하거나 셀룰로스 파이버로 개량된 폴리머 재료 또는 제품을 직접 형성하기 위한 원료로서 쇄목 파이버나 목분의 사용하면 매우 비싸지는 경향이 있다. 원료에 대한 업계의 선호도가 쇄목 파이버나 목분에 집중되어 있는 관계로, 보다 비용면에서 효율적인 셀룰로스 파이버계 원료의 다른 소스는 간과되어온 경향이 있다. 예를 들어, 대부분의 제지 공장의 폐수에서 발견되는 물질은 가공된 셀룰로스 파이버의 풍부한 공급물이 될 수 있다. 오늘날, 제지 공장은 가공된 셀룰로스 파이버를 제지 가공 공정에서 사용하기에 부적합한 플라스틱 및/또는 무기물과 같은 다른 재료들과 함께 년간 수백만톤 씩 폐기하고 있다. 이제까지, 이러한 실질적으로 습윤 상태에 있는 폐기 셀룰로스 재료를 취급하여, 복합물의 제조용으로 유용할 뿐 아니라 연료, 동물 깔짚(bedding), 조경(landscaping), 및 다수의 다른 가공된 파이버 용도로 사용하기에 유용한 펠릿 형태로 마련하기 위한 어떠한 공정도 존재하지 않았다.
따라서, 낮은 수분 함량과 높은 벌크 밀도를 갖는 가공된 셀룰로스 파이버 펠릿, 및 이러한 셀룰로스 파이버 펠릿을 습윤 상태로 폐기된 가공된 셀룰로스 파이버계 소스 재료를 사용하여 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이 요구되고 있다.
도 1a는 본 발명의 가공된 셀룰로스 파이버계 펠릿을 개략 도시하는 사시도이며,
도 1b는 본 발명의 가공된 셀룰로스 파이버계 펠릿의 사진이고,
도 2는 셀룰로스 파이버계 재료의 습윤 상태 폐기물 소스로부터 셀룰로스 파이버계 펠릿을 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도이며,
도 3은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 예시적 시스템을 상세히 도시하는 개략 공정도이다.
본 발명은 셀룰로스 파이버로 보강된 폴리머 제품 및 재료의 제조에 유용할 뿐 아니라, 연료, 동물 깔짚, 조경, 및 다수의 다른 가공된 파이버 용도로 유용한 개량된 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿, 및 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 폐기 소스 재료를 그러한 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿으로 전환하기 위한 개량된 익스트루더레스(extruder-less) 방법에 관한 것이다. 하나의 혁신적 양태에 있어서, 본 발명의 셀룰로스 파이버 펠릿은 대략 0.1 내지 14중량%의 수분 함량을 가지며, 보다 바람직하게는 대략 1.0 내지 5중량%의 수분 함량을 갖는다. 다른 혁신적 양태에 있어서, 본 발명의 익스트루더레스 방법은 대략 40 내지 80중량%의 수분 함량을 갖는 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 폐기 소스 재료로부터 낮은 수분함량 셀룰로스 파이버 펠릿을 생산한다. 또 다른 혁신적 양태에서, 본 발명의 익스트루더레스 방법에서 미네랄, 점토(clay) 등과 같은 무기물 및/또는 플라스틱과 같이 펠릿 형태의 셀룰로스 파이버의 결합을 보조하기 위해 사용되는 재료는 소스 재료에 대해 고유하다(indigenous). 종래 기술과 대조적으로, 이러한 성분을 결합제로서 추가할 필요가 없다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 셀룰로스 파이버 펠릿은 대략 0.1 내지 14.0중량%의 수분 함량, 바람직하게는 대략 1.0 내지 5.0중량%의 수분 함량을 갖는 자유롭게 유동하는 원통형 또는 구형 파이버 펠릿을 포함한다. 상기 셀룰로스 파이버 펠릿은 바람직하게는 가공된 셀룰로스 파이버를 대략 60 내지 99중량%의 범위로 포함하고, 플라스틱을 대략 0 내지 30중량%의 범위로 포함하며, 및/또는 미네랄, 점토 등을 포함하는 무기물이나 재(ash)를 대략 0 내지 40중량% 포함하며, 여기에서 펠릿은 바람직하게는 플라스틱이나 무기물을 적어도 대략 1 내지 5중량% 포함하고, 플라스틱과 무기물의 조합을 대략 40중량% 이하로 포함한다. 펠릿의 길이 및/또는 직경 치수는 대략 1/16 인치 내지 2인치(1.59mm 내지 50.8mm)의 범위에 있으며, 바람직하게는 1/8인치 내지 1/2인치(3.18mm 내지 12.7mm)의 범위에 있다. 펠릿의 벌크 밀도는 바람직하게는 대략 12 내지 50 lb/ft3(192.2 내지 800.9 kg/m3)의 범위에 있으며, 바람직하게는 20 내지 40 lb/ft3(320.4 내지 640.8 kg/m3)의 범위에 있다.
바람직하게는, 파이버 펠릿은 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 원료로부터 제조된다. 가공된 셀룰로스 파이버계 원료는 바람직하게는 제지 공장에서의 하나 이상의 제조 스테이지로부터의 페이퍼 슬러지(sludge) 및 기타 폐기물 스트림으로부터 얻어진다. 상기 폐기물 스트림 재료는 통상적으로, 주로 가공된 셀룰로스 파이버와, 미네랄, 점토 등과 같은 무기물 및/또는 혼합 플라스틱으로 이루어진 혼합물을 포함한다. 상기 혼합 플라스틱은 통상적으로 하나 이상의 폴리올레핀을 구비하는 바, 그 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 및 폴리스티렌과 같은 것을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이 폐기물 스트림 재료의 수분 함량은 대략 40 내지 80중량%인 경향을 가지며, 셀룰로스 대 플라스틱 및/또는 무기물의 중량비는 대략 99 : 1% 내지 60 : 40% 의 범위에 있는 경향을 갖는다.
다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 익스트루더레스 방법은 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 소스 재료를 수용하여 건조시키는 단계와, 건조된 재료를 파쇄(grind)하는 단계, 및 건조 및 파쇄된 재료를 펠릿으로 만드는 단계를 포함한다. 선택적으로, 건조의 효율을 높이기 위해 상기 파쇄 단계와 펠릿화 단계 사이에 추가적인 건조 단계가 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 대략 40 내지 80중량%의 수분 함량을 갖는 셀룰로스와 혼합 플라스틱 및/또는 무기물의 소스 재료를 대략 0.1 내지 14.0 중량%, 보다 바람직하게는 1.0 내지 5.0중량%의 수분 함량을 갖도록 건조시키는 데에 시중에서 구입할 수 있는 건조 시스템 및 방법들이 사용될 수 있다. 상기 파쇄 단계는 셀룰로스와 혼합 플라스틱 및/또는 무기물로 구성된 재료를 대략 10 내지 60 메쉬의 유효 메쉬 범위의 입자 크기로 파쇄하기 위한 시중에서 구할 수 있는 세단기(shredder) 또는 과립기(granulator), 볼 밀 및/또는 해머 밀을 사용하여 이루어질 수 있다. 파이버의 소스와 실시되는 파쇄의 정도 및 형태에 따라서, 셀룰로스 파이버의 종횡비는 10:1 내지 300:1의 범위에 있을 수 있다. 마지막으로, 콤팩트화, 펠릿생성 및/또는 조밀화를 포함할 수 있는 펠릿화 단계는 시중에서 구할 수 있는 스크루 프레스, 펠릿 밀, 및/또는 콤팩트화 프레스를 사용하여, 건조 및 파쇄된 소스 재료를 콤팩트화하여 펠릿을 형성함으로써 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 소스 재료는 대략 1 내지 10 lb/ft3(16.0 내지 160.2 kg/m3)의 벌크 밀도에서 대략 12 내지 50 lb/ft3(192.2 내지 800.9 kg/m3)의 벌크 밀도로, 바람직하게는 20 내지 40 lb/ft3(320.4 내지 640.8 kg/m3)의 벌크 밀도로 콤팩트화되며, 이후 길이 및/또는 직경 치수가 대략 1/16인치 내지 2인치(1.59mm 내지 50.8mm) 범위, 바람직하게는 대략 1/8인치 내지 1/2인치(3.18mm 내지 12.7mm)의 범위에 있는 펠릿을 형성한다.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 파이버 펠릿은 유리하게는, 복합체의 제조에 추가적으로, 이들 복합체가 사용될 수 있는 여러가지 적용예를 갖는다. 예를 들면, 파이버 펠릿은 동물 깔짚, 조경 재료, 전력 생성용 연료 등으로 사용될 수 있다. 동물 깔짚으로서 사용되거나 조경에 사용될 때, 큰 벌크 밀도는, 셀룰로스 파이버가 바람 및 돌풍에 의해 날아가는 것을 방지하는 데에 도움이 되는 한편, 조경의 경우에 식물과 나무에 공급하기 위한 영양제와 동물 깔짚의 경우에 탈취제를 파이버가 흡수하여 제공할 수 있게 해준다. 본 발명의 방법에 의해 달성되는 낮은 수분 레벨은 또한, 종래의 펠릿 밀 방법에 의해 제조된 파이버 펠릿에 의해서는 이전에 달성되지 않았던, 영양제와 탈취제의 보다 높은 흡수를 가능하게 한다.
마찬가지로 본 발명의 방법에 의해 달성되는 낮은 수분과 높은 벌크 밀도는 수용되는 원료의 각 파운드 또는 톤당 발생되는 열에너지(B.T.U.)를 배 이상 증가시키며, 이는 본 발명에 따른 파이버 펠릿을 제조하기 위한 가공 비용을 정당화시킨다.
또한, 본 발명의 목적 및 장점은 후술하는 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 셀룰로스 파이버로 보강된 폴리머 제품 및 재료의 제조에 유용할 뿐 아니라, 연료, 동물 깔짚, 조경, 및 다수의 가공된 파이버 다른 용도로 유용한 개량된 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿 및 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 폐기물 소스 재료를 그러한 낮은 수분 함량의 셀룰로스 파이버 펠릿으로 전환하기 위한 개량된 익스트루더레스 방법에 관한 것이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 셀룰로스 파이버 펠릿(10)(이는 원통형 또는 구형 형상을 가질 수 있음)이 대체로 원통형의 형상을 갖고 있고 또한 대략 1/16인치 내지 2인치(1.59mm 내지 50.8mm) 범위의, 바람직하게는 1/8인치 내지 1/2인치(3.18mm 내지 12.7mm)의 직경(D)과 길이(L) 치수를 갖는 것이 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 통상적인 파이버 펠릿의 사진이 도 1b에 제공되어 있다.
바람직하게는, 본 발명의 셀룰로스 파이버 펠릿의 수분 함량은 대략 0.5 내지 14.0중량%이고 바람직하게는 1.0 내지 5.0중량%이며, 펠릿의 벌크 밀도는 대략 12 내지 50 lb/ft3(192.2 내지 800.9 kg/m3)이고 바람직하게는 20 내지 40 lb/ft3(320.4 내지 640.8 kg/m3)이다. 셀룰로스 파이버 펠릿은 바람직하게는, 대략 60 내지 99중량% 범위의 셀룰로스 파이버와, 대략 0 내지 30중량% 범위의 플라스틱, 및/또는 대략 0 내지 40중량%의 미네랄, 점토 등과 같은 무기물 또는 재를 포함하며, 상기 펠릿은 바람직하게는 플라스틱이나 무기물을 적어도 대략 1 내지 5중량% 포함하고 플라스틱과 무기물의 조합을 대략 40중량% 이하로 포함한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 셀룰로스 파이버 펠릿(65)은 습윤 상태의 가공된 셀룰로스 파이버계 원료(35)로부터 제조된다. 이 원료(35)는 바람직하게는 제지 공장에서의 하나 이상의 제조 스테이지로부터의 페이퍼 슬러지와, 일차 및 이차 폐기물 스트림을 비롯한 기타 폐기물 스트림으로부터 얻어진다. 상기 폐기물 스트림은 각 스테이지에서 제지 공정에 사용하기에 부적합한 것으로서 폐기되어 통상 매립지로 보내지는 재료를 포함한다. 상기 폐기물 재료는 일반적으로, 주로 가공된 셀룰로스 파이버와, 미네랄, 점토 등과 같은 무기물 및/또는 혼합 플라스틱을 포함하며, 상기 혼합 플라스틱은 통상적으로 하나 이상의 폴리올레핀을 구비하는 바, 그 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 및 폴리스티렌과 같은 것을 들 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 그러나, 이러한 폐기물 스트림 내에서의 페이퍼 슬러지, 폐기 파이버, 플라스틱, 및 무기물의 양은 제지 공장에서 생산되는 제품의 형태에 따라 크게 달라진다. 이는 무기물 및 혼합 플라스틱에 대한 셀룰로스 파이버의 비율이 달라지게 할 수 있다. 예를 들어, 잡지용 광택지가 제조되는 코팅지 제조기에서, 미네랄 함량은 플라스틱이 사실상 전혀 없이 (전체 고체에 기초하여) 40중량% 정도로 높을 수 있다. 한편, 긴 셀룰로스 파이버를 회수하여 제지 공정에 포함시키기 위해 여러 단계를 이용하는 고골판지(old corrugated cardboard: OCC) 재생지 제조기는, 그 제조기의 파이버 회수 공정의 효율에 따라서, 무기물 함량이 0 내지 15중량% 이고 플라스틱 함량이 2 내지 30중량%인 폐기물 재료를 가질 수 있다. 그러나 사무용지, 우유팩용 표백지, 오븐 작업이 가능한 TV 디너(TV dinner)용 표백지, 주름형 또는 브라운 백(brown bag)용 비재생 크라프트지, 티슈지, 및 수많은 종이 제품을 위한 다른 제지기의 경우에는 전술한 예 사이에서 다양하게 변화한다. 따라서, 셀룰로스 대 플라스틱 및/또는 무기물의 중량비는 대략 99 : 1중량% 내지 60 : 40중량% 범위에 있는 경향이 있으며, 이러한 폐기물 재료에 있어서 수분 함량은 대략 40 내지 80중량%의 범위에 있는 경향이 있다.
도 2에 예시된 실시예에 도시한 바와 같이, 본 발명의 익스트루더레스 펠릿 제조 공정(20)은 습윤 상태의 셀룰로스계 원료(35)를 공정(20)에 수용 및 도입하기 위한 수용 단계(30)을 포함한다. 상기 수용 단계 이후에는 셀룰로스계 원료(35)를 건조시키기 위한 건조 단계(40)가 이어진다. 건조 단계(40)이후에는, 건조된 셀룰로스계 재료(45)의 크기를 감소시키기 위한 파쇄 단계(50)가 이용된다. 파쇄 단계(50) 이후에는 건조 및 파쇄된 재료(55)를 콤팩트화하여 파이버 펠릿(65)을 형성하기 위한 콤팩트화, 펠릿화 및/또는 치밀화 단계(60)가 이어진다. 선택적으로, 건조 효율을 개선하기 위해 상기 파쇄 단계(50)와 펠릿화 단계(60)사이에 추가적인 건조 단계가 사용될 수 있다.
본 발명의 건조 단계(40)는, 로터리식, 원심분리식, 가마식, 유동층, 플래쉬 또는 사이클론(cyclonic) 건조기, 및/또는 스크루 프레스와 같은 당업자에게 공지된 시중에서 구할 수 있는 건조 시스템과 다양한 건조 공정에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 건조 단계(40)는 그 내용이 본원에 참조로 원용되는 미국 특허 제5,915,814호 또는 제5,7891,066호에 개시된 건조 시스템을 사용하여 달성된다. 상기 건조 단계(40)는 원료(35)를 대략 0.1 내지 14.0중량%의 수분 함량으로 가장 바람직하게는 대략 1.0 내지 5.0중량%의 수분 함량으로 건조시키는데 사용된다. 상기 원료(35)의 출발 수분 함량은 공정(20)에 도입될 때 대략 40 내지 80중량%의 범위에 있다. 스크루 프레스가 사용되면, 수분 함량은 통상 건조 시스템에 진입하기 전에 대략 40%까지 감소될 것이다.
상기 건조 단계(40)와 마찬가지로, 파쇄 단계(50)는, 시중에서 구할 수 있는 세단기 또는 과립기, 볼 밀 및/또는 해머 밀과 같은 당업자에게 공지된 시중에서 구할 수 있는 파쇄 시스템과 다양한 파쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 특정 적용에 따라서, 파쇄 단계(50)는 건조된 셀룰로스와 혼합 플라스틱 및/또는 무기물 재료(45)를 대략 10 내지 60 메쉬의 유효 메쉬 범위의 입자 크기로 작게 파쇄시키는 데에 사용될 것이다. 파이버의 소스 및 실시되는 파쇄의 정도 및 형태에 따라서, 셀룰로스 파이버의 종횡비는 10:1 내지 300:1의 범위에 있을 수 있다.
상기 건조 및 파쇄 단계(40, 50)와 마찬가지로, 콤팩트화, 펠릿화 및/또는 치밀화 단계(60)는 당업자에게 공지된 시중에서 구할 수 있는 스크루 프레스, 펠릿 밀, 및/또는 콤팩트화 프레스와 다양한 치밀화 및 펠릿화 공정에 의해 이루어질 수 있다. 이 단계(60)의 목적은 바람직하게는 펠릿 밀에 의해 상기 건조 및 파쇄된 재료(55)를 대략 1 내지 10 lb/ft3(16.0 내지 160.2 kg/m3)의 벌크 밀도에서 대략 12 내지 50 lb/ft3(192.2 내지 800.9 kg/m3)의 벌크 밀도로, 바람직하게는 대략 20 내지 40 lb/ft3(320.4 내지 640.8 kg/m3) 벌크 밀도로 치밀화하기 위한 것이다. 치밀화된 재료는 이후 대략 300°F(177℃), 바람직하게는 대략 250°F(121℃) 온도의 다이를 통해서 가압되고, 길이 및 직경 치수가 대략 1/16인치 내지 2인치, 바람직하게는 대략 1/8인치 내지 1/2인치인 대체로 원통형의 기하학적 형상을 갖는 파이버 펠릿(65)으로 절단되었다. 플라스틱 및/또는 무기물 함량은 셀룰로스 파이버와 결합하여 파이버 펠릿에 일체성을 제공하기 위해 상기 온도 아래에서 용융시키는 경향이 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 방법을 실시할 수 있는 가변적인(scalable) 익스트루더레스 펠릿 제조 시스템(100)이 도시되어 있으며, 이는 단지 예시적인 목적으로만 개시된 것이다. 도시한 바와 같이, 예시된 실시예는 후술하는 상호 연결된 서브시스템과; 재료 수용 및 습윤 상태 크기 감소 서브시스템(110); 건조 서브시스템(120); 금속 분리 및 제거 서브시스템(130); 건조 크기 감소 서브시스템(140); 펠릿화 및 펠릿 냉각 서브시스템(150, 160); 및 먼지 제어 및 분리 서브시스템(180)을 포함한다.
작동 시에, 습윤 상태의 셀룰로스와 혼합 플라스틱 및/또는 무기물로 된 원료는 재료 수용 및 습윤 상태 크기 감소 서브시스템(110)을 통해서 시스템(100)에 수용 및 도입된다. 삽입 지점은 계량 호퍼(metering hopper)(11)이고, 이 계량 호퍼는 원료가 시스템(100)에 도입되는 속도를 제어하고 습윤 상태의 원료을 크기를 감소시키는 제1 스테이지를 제공한다. 페이퍼 덩어리(clumps)로부터 플라스틱 및/또는 무기물을 방출하는 경향이 있는 뭉침 해제 밀(de-lumping mill)(114)은 계량 호퍼(112)로부터 재료를 수용하고 습윤 상태 원료에 제2 크기 감소 스테이지를 제공한다. 보다 효율적인 건조를 위해 종이를 더 개방하는 분쇄기(disintegrator)(116)는 뭉침 해제 밀로부터 재료를 수용하여 습윤 상태 원료에 제3의 최종적인 습윤 상태의 크기 감소 스테이지를 제공한다. 이 스테이지에서, 재료는 건조 공정에서의 먼지 형성이 늘어나는 것을 방지하기 위해 분쇄기(116)에 의해 바람직하게는 대략 0.75인치 내지 1.00인치(19.05mm 내지 25.4mm) 정도의 주요 치수를 갖는 박편(flake)으로 감소되는 것이 바람직하다. 재료의 실제 크기는, 사용되는 파쇄기와, 펠릿화에 필요한 최종 재료 크기, 및 각각의 고객을 위한 특정 적용의 요건에 따라 달라지는 경향이 있다.
습윤 상태의 원료는 분쇄기(116)로부터 건조기 시스템(126)과 고온 공기 소스, 즉 버너(122) 및 팬(124)을 갖는 건조 서브시스템(120)으로 이송됨으로써 건조기 시스템(126)에서의 고온 공기 스트림 내로 이송된다. 상기 건조기 시스템(126)은 바람직하게는 일련의 특허받은 사이클론 건조기(126a, 126b, 126c)(예를 들면, 미국 특허 제5,915,814호 또는 제5,7891,066호)를 포함한다.
일단 건조되면, 원료는 모든 철성분 재료, 즉 스테이플, 와이어, 볼트 등을 포함하는 주요 금속을 제거하기 위한 금속 분리 및 제거 서브시스템(130)의 일부인 드럼 자석(132)을 통해서 이송된다. 재료는 건조상태 크기 감소, 즉 파쇄 서브시스템(140)으로 이동된다. 상기 파쇄 서브시스템(140)은 전체적으로 제4 크기 감소 스테이지에 상응하는 제1 건조 스테이지 파쇄기(142)를 구비한다. 제1 파쇄기(142)의 주요 기능은 건조상태 원료의 스트림중의 플라스틱 및/또는 무기물의 크기를 펠릿화에 필요한 최종 크기에 따라 바람직하게는 대략 0.25 내지 0.75인치(6.35 내지 19.05 mm) 정도의 주요 치수를 갖는 박편으로 감소시키는 것이다. 원료는 금속 검출기(134)를 통과한 후 제2의 또는 중간/미세 파쇄기(144)로 이송된다. 금속 검출기(134)는 모든 철 및 비철 재료, 알루미늄, 스테인레스강, 구리 등을 제거하는 최종 금속 제거 스테이지를 제공한다. 제2의 건조상태 크기 감소 스테이지와 전체적으로는 최종 크기 감소 스테이지를 제공하는 제2 파쇄기(144)의 주요 기능은 건조상태 재료를 펠릿화를 위한 최종 크기로, 바람직하게는 대략 10 내지 60 메쉬의 유효 메쉬 범위의 크기 파쇄하는 것이다. 파이버의 소스와 실시되는 파쇄의 정도 및 형태에 따라서, 셀룰로스 파이버의 종횡비는 10:1 내지 300:1의 범위가 될 수 있다. 보조 공기 팬(146)은 시스템(100)에서의 최종 크기 감소 및 다음 단계로의 재료의 이송을 돕기 위해 공기를 제공한다.
재료는 이어서, 먼지 제어 및 분리 서브시스템(180)의 일부인 메인 제품 사이클론(184)으로 진입되며, 그곳에서 공기 스트림으로부터 분리된다. 공기와 먼지는 사이클론(184)의 상부로부터 배출되며 집진기(190)로 향한다. 건조된 파쇄 재료는 사이클론(184)의 바닥을 빠져나와서 펠릿화 서브시스템(150)의 조절기 스크루(conditioner screw)(154)로 진입된다.
조절기 스크루(154)는 결합제 및 열적 안정제와 같은 첨가제를 소량 선택적으로 사용하고, 탈기(deaerating), 즉 재료에서의 공기 제거를 행함으로써, 펠릿화를 위해 재료를 예비 조절한다. 조절기 스크루(154)로부터, 재료는 펠릿화 장치(152)에 진입하며, 상기 펠릿화 장치는 낮은 벌크 밀도의 면모(綿毛;fluffy) 재료를 높은 벌크 밀도의 조밀한 펠릿으로 전환시킨다. 형성된 고온의 펠릿은 펠릿 냉각기(162) 및 팬(164)을 포함하는 펠릿 냉각 서브시스템(160)으로 진입된다. 상기 펠릿 냉각기(162)는 펠릿을 패키징하기 이전에 냉각시키며, 팬(164)은 펠릿의 냉각과 미립자를 미립자 회수(reclamation) 장치(186)로 운송하는 것을 보조한다. 상기 회수 장치(186)는 공기 스트림으로부터 미립자를 수집하여 펠릿 형성을 위해 조절기 스크루(154)내로 재도입한다.
파쇄 서브시스템(140)과 메인 제품 사이클론(184) 사이에는 재료 스트림을 따라서 스파크 보호 시스템(182)이 개재된다. 레벨 1에서, 스파크 보호 시스템(182)은 재료 유동을 분기시키고, 스파크를 시스템으로부터 제거하고 억제시킨다. 레벨 2에서, 스파크 보호 시스템(182)은 시스템 배관 및 백 하우스(bag house), 즉 집진기(190)로부터 일체의 화재 또는 잠재적 폭발을 진화시킬 것이다.
본 발명의 공정에 의해 제조되는 파이버 펠릿은 복합체의 제조에 추가적으로 유리하게도 여러가지 적용예를 갖는다. 예를 들면, 파이버 펠릿은 동물 깔짚, 조경 재료, 전력 생성용 연료 등으로 사용될 수 있다. 동물 깔짚이나 조경에 사용될 때, 높은 벌크 밀도는, 셀룰로스 파이버가 바람 및 돌풍에 의해 날려가지 않게 도와주는 한편, 조경의 경우 식물과 나무에 공급하기 위한 영양제를 그리고 동물 깔짚의 경우 탈취제를 흡수하여 제공할 수 있게 해준다. 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 낮은 수분 레벨은 또한 종래의 펠릿 밀 방법만으로 제조되는 파이버 펠릿에 의해서는 달성되지 않는 영양제 및 탈취제의 보다 높은 흡수를 가능하게 한다.
마찬가지로 본 발명의 방법에 의해 달성되는 낮은 수분과 높은 벌크 밀도는 원료의 각 파운드 또는 톤당 발생되는 열에너지(B.T.U.)를 배 이상 증가시키며, 이는 본 발명에 따른 파이버 펠릿을 제조하기 위한 가공 비용을 정당화시킨다.
실험예
실험 1: 티슈 종이를 제조하는 제지 공장으로부터의 셀룰로스 파이버 폐기물 스트림으로부터, 대략 90중량%의 셀룰로스와 10중량%의 무기물 및 0중량%의 플라스틱으로 된 조성을 가지며, 대략 70중량%의 수분 레벨을 갖는 셀룰로스 및 혼합 플라스틱을 포함하는 원료 4,000파운드(1,814 kg)가 수집되었다. 습윤상태의 원료는 사이클론 건조기를 사용하여 대략 7%의 수분 레벨까지 건조되고 30메쉬 분말로 파쇄되었다. 이 분말은 이후 펠릿 밀을 사용하여 파이버 펠릿으로 전환되었다.
실험 2: 주름형 매체를 제조하는 제지 공장의 이차 스크린 폐기물 스트림으로부터 대략 90중량%의 셀룰로스와 10중량%의 플라스틱을 포함하고 대략 60%의 수분 레벨을 갖는 원료 35,000 파운드(15,876 kg)가 수집되었다. 이 원료는 대형 사이클론 건조기를 사용하여 건조되고 종래의 파쇄기를 사용하여 바람직하게는 대략 0.25 내지 0.75인치(6.35 내지 19.05 mm) 크기의 박편으로 파쇄되었다. 이 건조된 재료는 바람직하게는 이후 종래의 선회 해머 밀에서 대략 10 내지 60 메쉬의 유효 메쉬 범위의 크기로 더 파쇄되었다. 건조 및 파쇄된 재료는 이후 종래의 펠릿 밀을 사용하여 펠릿화되어 길이가 0.75 내지 2인치(19.05 내지 50.8 mm)이고 직경이 대략 0.35인치(8.89 mm)인 원통형 파이버 펠릿으로 형성된다. 이렇게 형성된 펠릿은 대략 35 lb/ft3(560.6 kg/m3)의 벌크 밀도를 갖는다. 상기 펠릿은 대략 4중량%의 수분 함량과, 대략 77중량%의 셀룰로스 파이버 함량, 대략 19중량%의 혼합 플라스틱 함량, 및 대략 0.1중량%의 재 함량을 갖는다.
실험 3: 주름형 매체를 제조하는 제지 공장의 일차 및 이차 스크린 폐기물 스트림으로부터 80중량%의 셀룰로스와 20중량%의 플라스틱을 포함하고 65%의 수분 레벨을 갖는 원료 40,000 파운드(18,143 kg)가 수집되었다. 이 원료는 실험 2에 기재된 바와 같이 처리되었다. 대략 5.6중량%의 수분 함량과, 대략 18중량%의 혼합 플라스틱 함량, 대략 76.2중량%의 셀룰로스 파이버 함량을 갖고 재 함량은 제로인 파이버 펠릿이 제조되었다. 파이버 펠릿은 대략 0.38 내지 1.85인치(9.652 내지 46.99 mm)의 길이를 갖는다. 파이버의 종횡비는 40:1 내지 100:1의 범위인 것으로 밝혀졌다.
실험 4: SBS 페이퍼 시트를 제조하는 표백 보드 제지 공장에서, 8드럼의 일차 슬러지를 사이클론 건조기를 사용하여 대략 50%의 수분 레벨로부터 5%의 수분 레벨로 건조시켰다. 건조된 슬러지는 해머 밀에서 40메쉬 이하의 분말로 파쇄된 후 펠릿 밀을 사용하여 펠릿으로 형성되었다. 형성된 펠릿은 대략 70중량%의 셀룰로스 파이버와, 대략 23중량%의 일차 점토와, 대략 3중량%의 수분, 및 대략 4중량%의 혼합 플라스틱을 포함한다. 파이버의 입자 크기는 10:1 내지 30:1의 종횡비를 갖는 30 내지 1000 미크론 범위인 것으로 밝혀졌다. 파이버 펠릿은 대략 40 lb/ft3(640.8 kg/m3)의 높은 벌크 밀도를 갖는다.
실험 5: 표백되지 않은 종이를 제조하는 제지 공장으로부터의 이차 스크린 폐기물 30,000 파운드(13,607 kg)를 실험 2에 기재된 바와 같이 처리하였다. 수분 함량이 55%인 폐기물 재료를 이하의 조성, 즉 대략 85중량%의 셀룰로스 파이버와, 대략 3중량%의 일차 점토와, 대략 4중량%의 수분, 및 대략 8중량%의 혼합 플라스틱을 갖는 파이버 펠릿으로 감소되었다. 이 파이버 펠릿은 대략 0.34인치(8.636 mm)의 직경과 0.5 내지 1.75인치(12.7 내지 44.45 mm)의 길이를 갖는다.
실험 6: 표백되지 않은 종이를 제조하는 제지 공장으로부터의 이차 스크린 폐기물 18,000 파운드(8,164 kg)를 실험 2에 기재된 바와 같이 처리하였다. 수분 함량이 56%인 폐기물 재료를 이하의 조성, 즉 대략 82중량%의 셀룰로스 파이버와, 대략 8중량%의 일차 점토와, 대략 2중량%의 수분, 및 대략 8중량%의 혼합 플라스틱을 갖는 파이버 펠릿으로 감소되었다. 이 파이버 펠릿은 대략 0.33인치(8.382 mm)의 직경과 0.15 내지 0.55인치(3.81 내지 13.97mm)의 길이를 갖는다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시예를 예시적인 목적으로 기술하였지만, 당업자라면 청구범위에 개시된 발명 및 그 균등물의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형예가 있을 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 익스트루더레스 공정(extruder-less process)으로 형성되는 파이버 펠릿으로서,
    가공된 셀룰로스 파이버를 포함하고, 대략 0.1 내지 14.0중량% 범위의 수분 함량을 갖는 것인 파이버 펠릿.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수분 함량은 대략 1.0 내지 5.0중량%의 범위에 있는 것인 파이버 펠릿.
  3. 제1항에 있어서, 플라스틱 재료를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿.
  4. 제1항에 있어서, 무기질 재료를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿.
  5. 제1항에 있어서, 재(ash)를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿.
  6. 제4항에 있어서, 상기 무기물 재료는 점토인 것인 파이버 펠릿.
  7. 제1항에 있어서, 형성된 펠릿은 대략 60 내지 99중량% 범위의 셀룰로스 파이버와, 대략 0 내지 30중량% 범위의 플라스틱과, 대략 0 내지 40중량% 범위의 무기물을 포함하며, 상기 펠릿은 플라스틱이나 무기물을 적어도 대략 1 내지 5중량% 포함하고, 플라스틱과 무기물의 조합을 대략 40중량% 이하로 포함하는 것인 파이버 펠릿.
  8. 제1항에 있어서, 상기 파이버 펠릿은 대략 1/16 인치 내지 2인치(1.59mm 내지 50.8mm) 범위의 직경 및 길이 치수를 갖는 원통 형상인 것인 파이버 펠릿.
  9. 제1항에 있어서, 상기 파이버 펠릿은 대략 1/16 인치 내지 2인치(1.59mm 내지 50.8mm) 범위의 직경 치수를 갖는 구 형상인 것인 파이버 펠릿.
  10. 제1항에 있어서, 상기 파이버 펠릿은 대략 45 내지 80중량% 범위의 수분 함량을 갖는 원료로 형성되는 것인 파이버 펠릿.
  11. 제1항에 있어서, 상기 원료는 플라스틱 및/또는 무기물과 혼합되는 셀룰로스 파이버를 포함하는 것인 파이버 펠릿.
  12. 제1항에 있어서, 상기 파이버 펠릿은 대략 10 내지 50 lb/ft3 (160.2 내지 800.9 kg/m3)범위의 벌크 밀도를 갖는 것인 파이버 펠릿.
  13. 셀룰로스 파이버 펠릿을 형성하는 방법으로서,
    대략 40 내지 80중량%의 수분 함량을 갖는 가공된 셀룰로스계 소스 재료를 0.1 내지 14.0중량%의 수분 함량으로 건조시키는 단계와,
    상기 소스 재료의 크기를 감소시키기 위해 건조된 소스 재료를 파쇄하는 단계와,
    상기 소스 재료를 압출기를 사용하지 않고 펠릿화하여 다수의 펠릿으로 형성하는 단계를 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 소스 재료에 대한 결합 재료는 고유한 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 결합 재료는 플라스틱 재료를 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 결합 재료는 무기물 재료를 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 무기물 재료는 점토인 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 소스 재료를 제지 가공 공정의 폐기물 스트림으로부터 얻는 단계를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  19. 제13항에 있어서, 소스 재료를 대략 10 내지 50 lb/ft3 (160.2 내지 800.9 kg/m3)범위의 벌크 밀도로 콤팩트화하는 단계를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
  20. 제13항에 있어서, 파쇄 단계와 펠릿화 단계 사이에 소스 재료의 제2 건조 단계를 더 포함하는 것인 파이버 펠릿 형성 방법.
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