KR20070060138A - 부착된 불용성 고형물로부터 유기 물질을 분리하고 유용한생성물로 전환시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

부착된 불용성 고형물로부터 유기 물질을 분리하고 유용한생성물로 전환시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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크래이그 티모시 아인펠트
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에이비-씨더블유티, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 신뢰할 수 있는 순도 및 조성과 허용가능한 비용 및 고에너지 효율로 뼈 물질을 함유하는 저가치의 폐기 생성물을 처리하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 폐물, 동물성 비료 및 도시 하수 슬러지와 같은 다양한 공급원료를 가스, 오일, 특정 화학물질 및 탄소 고형물을 포함하는 유용한 물질로 전환시키는 공정을 포함한다. 상기 공정은 공급원료를 가열시켜 단백질을 분해하고 유기 물질을 뼈 물질로부터 분리시키며, 생성된 액체 혼합물을 추가로 가열 및 가압하여 다양한 성분들을 분리시킨 다음, 하나 이상의 상기 성분들을 추가로 가열 및 가압시킨다. 본 발명은 폐기 생성물을 유용한 물질로 전환시키는 공정을 수행하기 위한 장치, 및 이러한 공정으로 발생한 오일 생성물을 추가로 포함한다.

Description

부착된 불용성 고형물로부터 유기 물질을 분리하고 유용한 생성물로 전환시키기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND PROCESS FOR SEPARATION OF ORGANIC MATERIALS FROM ATTACHED INSOLUBLE SOLIDS, AND CONVERSION INTO USEFUL PRODUCTS}
본 발명은 대개 뼈 물질과 같은 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 폐기물의 처리에 관한 것이다. 통상적인 폐기물은 동물 구성체, 음식 가공 폐기물, 및 도시 하수 슬러리를 포함한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 대개 이러한 폐기물 물질을 연료 오일, 비료 및 특정 유기화학물질과 같은 상업적으로 유용한 생성물로 전환시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
인간 사회에서 발생되는 수많은 폐기물은 궁극적으로 자체의 고유 가치를 갖는 소수의 단순한 유기물질로 분해될 수 있다는 것은 오랫동안 인식되어 왔다. 이러한 변환이 에너지-효율적 방식 및 거대 규모로 성취될 수 있다면 사회에 큰 이익이 될 수 있다.
가정 및 상업적 응용분야에 사용되는 대부분의 합성 유기 물질 뿐만 아니라 대부분의 생물질은 다양한 조성의 탄소계 중합체를 포함한다. 적당한 조건하에, 목재, 석탄, 플라스틱, 타이어 및 동물 배설물을 포함하는 대부분의 이러한 물질은 가스 생성물, 오일 및 탄소의 혼합물로 분해될 것이다. 농업 폐기물과 같은 물질은 또한 광물로 분해되는 무기 물질을 함유할 수 있다. 이들 생성물 중 거의 모두는 무기물이거나 유기물이든지간에 일종의 유익하고 흔히 수지가 맞는 응용분야에서 새롭게 탄생할 수 있다.
기타 실용성이 없는 폐기물로부터 유용한 물질을 제조한다는 원리 뿐만 아니라 폐기물의 재활용의 원리는 늘어나는 사람 인구가 21세기에 주된 문제를 제기하게 될 방식의 중요한 기본 원리이다. 인류에 직면한 2개의 기본 도전은 물질 및 에너지의 유한 공급에 대처하는 것이고 지구 온난화로부터 환경에 대한 위협의 증가를 감소시키는 것이다. 실질적으로, 급속하게 주류를 이루고 있는 개념은 지하 오일, 천연 가스 및 석탄 퇴적물로부터 새로운 탄소 공급원을 도입하는 것 보다는 생활권내에서 탄소계 물질을 재활용하여 지구 온난화를 완화시킬 수 있다는 것이다.
그러나 오늘날에 이르기까지 주로 유기물을 포함하는 거대 용량의 폐기물을 발생시키는 산업은 폐기물을 최대의 유익한 용도로 전환시키는 것 뿐만 아니라 폐기물을 처리하고 저장하는데 있어서 큰 도전에 직면해 있다.
주요 핵심에 있어서, 전세계의 식품 가공 산업은 연간 수십억 파운드의 유기물이 풍부한 폐기물을 발생시킨다. 이들 폐기물은 동물성 및 식물성 생성물의 가공과 연관되어 있고 칠면조-, 어류-, 닭-, 돼지- 및 소-가공 및 축산 폐기물을 포함한다. 식품 가공 산업은 계속 성장하고 있고 이의 구성원은 이들의 폐기물로 무언가 생산적인 것들을 수행하도록 상당한 경제적 및 환경적 압박에 직면해 있다. 매립, 토지 이용 또는 식품 폐기물의 분해에 의한 이산화탄소 및 메탄과 같은 온실 가스의 발생은 어떠한 다른 이로움이 없는 골칫거리이다. 이상적으로, 식품 산업은 악취 또는 불쾌한 오염물을 배출하지 않고 이의 폐기물을 처리할 효율적이고 경제적인 방식을 사용해야만 한다.
보다 최근에, 많은 지역에서 쓸모없는 부산물에 대한 창고 비용이 상당히 증가하고 있다. 농업 가축에게 공급될 수 있는 폐기물의 유형은 점차 규제되고 있다. 예를 들어, 유럽에서 BSE/CJD 공포 때문에 많은 폐기물은 단순히 창고에 보관되어 적합한 처리 방안을 기다리고 있다. 명백하게, 당해 물질을 깔끔하게 처리하고 사용하기 위해 수용될 수 있는 수단을 모색할 필요성이 절실하다. 바람직하게, 식품 가공 폐기물을 유용한 고가치의 생성물로 전환시키는 방법을 모색할 필요가 있다.
처리 대안을 모색하게 하는 추가의 원동력은 폐수 방출 규제 및 하수 추징금의 상승의 병용된 시행이다. 음식 가공 산업은 이의 폐수 및 고형(습윤) 폐기물의 전처리 또는 완전한 처리를 제공하는 비용 효율적인 기술을 모색해야만 한다. 역사적으로, 공동생활기구내에 위치한 음식 가공 설비는 폐수 처리 및 분쇄를 위해 공공 지역 소유의 처리 작업(POTW)에 의존했다. 보다 엄격한 시행의 결과로서 점진적으로, 이러한 선택은 덜 유용해지고 있다. 폐수 방출 규제를 준수하라는 압력은 증가하였다. 또한 새롭고 개선된 POTW의 건축을 위한 연방 허가의 감소 추세는 이러한 선택이 호소력이 적음을 의미한다. 따라서, 음식 가공 산업은 점진적으로 이들의 식용 불가능한 생성물을 얼마나 효과적으로 처리해야 하는지에 관해 압력을 받고 있다.
다이옥신과 같은 난분해성 화학물질의 생물축적 및 광우 질환(BSE)과 같은 생명 위협 질환의 확산에 대한 가능성은 식품 가공업자 및 식품 소비자에게 또 다른 위협이다. 이러한 위협은 식품 가공 잔류물을 농장 동물에게 재급식함에 의해 크게 악화되고 있다. 식품 가공업자는 이러한 순환을 차단하기 위한 경제적인 해결책을 필요로 한다.
추가로, 자치 도시 및 지방 하수 관리자는 산업계에 이들의 유기 생화학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구량(COD) 및 하수상의 고형 물질의 적재량을 감소시켜줄 것을 요구하고 있다. 현탁된 고형물, 암모니아 및 단백질 화합물의 수준이 높은 고-강도의 식품 가공 폐수에서 전형적으로 발견되는 높은 BOD 농도 때문에 식품 가공 산업은 추가의 감시하에 있다. 식품 가공 설비는 이의 폐수 및 고형 폐기물을 효과적으로 취급하기 위한 비용 효율적이고 적용 특이적 처리 기술을 필요로 한다.
기타 산업의 전반에 걸쳐 많은 상이한 방식으로 유사한 문제점들이 배가되고 확대되고 증강되고 있다. 예를 들어, 동물 폐기물을 열로 지방 및 단백질로 전환시키는 공장의 가동과 연관된 악취의 공기 방출 발생은 그러한 문제점이다. 또 다른 것은 고농도의 병원체를 함유하는 자치 도시의 생고형물의 지면 적용이다.
추가적으로, 동물 신체 일부를 함유하거나 이로부터 유래된 임의의 유기 폐기물을 처리하는데 큰 어려움은 뼈와 같은 고형물로부터 유용한 유기 물질을 분리하는 것이다. 궁긍적으로, 뼈, 및 미네랄과 같은 기타 고형 생성물은 이것들이 용 기의 내부벽에 스케일의 축적을 초래할 수 있으며, 파이프 및 펌프의 표면에 스케일 및 부식을 초래할 수 있기 때문에 분리되어야 하며, 이들 모두는 현저하게 공장 작동 비용을 추가한다. 그러나, 뼈 물질과 같은 불용성 고형물이 분리되기 전에 여기에 부착되는 유기물을 제거하는 것이 바람직하다. 유기물은 단백질, 지방, 및 탄수화물을 포함하고, 잠재적으로 높은 가치를 갖는다. 이러한 유기물이 뼈 물질에 부착되어 있는 한, 이러한 물질의 입자 크기를 증가시키고 공장 장치에서 침전물 형성 및 부식을 초래한다. 유기물은 또한, 여과될 때 고형물질에 그대로 부착되는 경우 떨어지게 될 수 있어, 유기물로부터 유래되는 생성물의 감소된 수율을 초래한다.
호기성 및 혐기성 분해자가 자치 도시의 하수 오물 슬러리를 처리하기 위한 하수 처리 공장에 사용되어 왔다. 거기에는 이들의 사용과 관련된 문제점들이 많다. 이들의 작동 배경에 따른 기본 원칙은 생물학적으로 풍부한 물질이 생물학적 물질을 분해하는 세균을 포함하는 대형 보유 용기로 공급되어야만 한다. 전형적으로, 용해된 고형물은 호기성 분해자로 공급되고 현탁된 고형물은 혐기성 분해자로 공급된다. 일단, 영양 공급 물질이 소비되는 경우, 미생물은 더이상 그들 자신을 지탱할 수 없고 죽는다. 분해 기간의 최종 산물은 죽은 세균을 포함하는 슬러리이고 임의의 방식으로 처분되어야만 한다. 수득한 물질에 따른 문제점은 이것이 병원체를 함유한다는 것이다. 전체 공정에 따른 문제점은 일반적으로 분해자 용기내 보유 시간이 17일 정도로 장시간일 수 있다는 것과 작동 조건을 유지하기가 어렵다는 것이다. 예를 들어, 비교적 큰 용기(전형적으로 직경 20 내지 30ft)는 일반적 으로 85℉ 이상으로 유지되고 몇몇 경우에는 122℉ 이상으로 유지된다.
산업, 특히 식품 가공 산업에 현재 유용한 모든 처리 기술은 상당한 한계점 및 단점을 갖고 있고 이것은 또 다른 방법을 모색하기 위한 동기를 부여한다. 이것은 기존의 POTW의 사용과 더불어 또 다른 기술을 적용한다. 특히, 4가지 유형으 방법, 지면 처리(매립, 혼합, 및 지면 적용), 생물처리, 통상적인 열 산화 처리(예를 들어, 소각/연소) 및 열분해/기화 모두는 각각의 단점을 갖고 있다.
지면 처분을 위한 단점은 높은 견인량 또는 수송 비용, 누출로 인한 지하수 오염에 대한 잠재성 및 고농도의 위험한 오염물(예를 들어, 지면 적용의 경우에 병원체)로의 지역 주민들의 노출을 포함한다. 매립은 온실 가스의 발생을 포함하는 대기 오염을 발생시킬 수 있는 가스를 방출한다.
폐수의 생물처리를 위한 단점은 통제의 어려움 및 충분한 기류의 토양으로 의 유입을 입증하기가 곤란하여 수행능을 입증할 수 없음을 포함한다. 호기성 세균을 사용하는 경우 산소를 공급하기 위해 기류는 유지되어야만 한다. 예를 들어, 특정 화합물을 소비하도록 개발될 수 있는 세균은 토양에 위치하는 경우 가장 이용하기 쉬운 화합물을 소비하도록 대체 효소 시스템을 활성화시킬 것이다.
소각 또는 연소를 수행하는 구형 유닛의 단점은 정부에 의해 계속적으로 보다 엄격해지고 있는 공기 오염 방출 표준을 충족하기 위한 장비의 보충을 요구한다는 것이다. 또한 소각에 대한 상당한 지역 사회의 걱정으로 인해 기타 기술에 대한 것보다 소각에 대한 공기 방출 허가를 얻는데 보다 오랜 시간이 필요하다. 추가로, 배기관에서의 폐기물 처리는 매우 큰 공장 장치를 요구할 정도로 대형 용량 의 가스 처리를 의미한다. 공급원료는 또한 발열량이 낮다. 몇몇 소각기는 당해 물질이 노에서 매우 많이 산화하기 시작함으로써 고형 연료 또는 고형 폐기물과 양립할 수 없다. 역으로, 공급원료내 높은 수분 함량은 또한 소각 또는 연소 동안에 물이 증발하고 제거되기 때문에 문제가 된다-한 공정은 대략 1,000Btu/b의 물이 증발될 것을 요구한다. 이것은 시스템에 거대 열/에너지 손실을 의미한다.
사용되는 마지막 부류의 기술인 열분해/기화는 언급된 것과는 다르게 폐기물을 오일 및 탄소와 같은 유용한 물질로 전환시키도록 시도되기 때문에 호소력이 있다. 폐기물을 분해하는 최적의 방식을 모색하는 경우 주요 걱정거리는 분해시키는데 요구되는 에너지양을 감소시키면서 수득한 물질의 조성을 어떻게 조정하느냐 하는 것이다. 과거에, 사용되었던 기본 열분해 및 기화 방법은 단일 단계 공정으로 폐기물을 분해시키는 것이었지만 단일 단계는 최종 생성물의 순도 및 조성을 충분히 조절하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 구체적으로, 특정 물질이 분해되는 온도는 다른 것과 동일하지 않다. 예를 들어, 프라이온 파괴 및 단백질 분해가 275℉ 초과의 온도에서 발생하는 도시 하수 슬러리의 열수 처리를 다르는 문헌으로 부터 공지되어 있다[참고: Yoshida, et al., "Production of Organic Acids and Amino Acids from Fish Meat by Sub-Critical Water Hydrolysis", Biotechnol. Prog., 15:1090-1094(1999)].
열분해기가 유기 물질을 가스, 오일 및 타르 및 탄소성 물질로 분해시키기 위해 사용되었다. 열분해기는 유기물질을 고온(∼400 내지 500℃)으로 가열시키지만 에너지 효율이 불량하고 수득한 물질의 조성이 거의 통제가 되지 않는다. 특 히, 대부분의 폐기물, 특히, 농산물의 폐기물은 50% 이하의 물을 함유한다. 열분해기는 당해 물을 비등시킬 필요가 있고 이러한 공정은 많은 에너지를 요구한다. 추가로, 열분해 챔버는 처리량을 최대화하기 위해 대형인 경향이 있지만 이는 챔버 전반에 걸쳐 상당한 온도 기울기를 발생시킨다. 따라서, 열분해 공정은 폐기물을 불균등하게 가열시키고 수득한 최종 생물의 품질을 불량하게 하거나 불순한 타르 및 오일을 발생시킨다.
기화기는 폐기물의 부분적 연소를 성취하기 위해 사용되어왔다. 근본적으로, 가스- 보통은 공기, 산소 또는 스팀은 모든 연소성 물질을 산화시키기에 불충한 양으로 폐기물을 통과한다. 따라서, CO2, H2O, CO, H2 및 저급 탄화수소와 같은 몇몇 연소 생성물이 발생되고 발생된 열은 잔류 폐기물을 오일, 가스 및 탄소성 물질로 전환시킨다. 생성된 가스는 투입 가스의 일부를 함유하지만 생성된 임의의 가스는 너무 용적이 커서 저장될 수 없고 즉시 사용되어야만 하거나 이들이 사용될 수 있는 위치로 파이프를 통해 이동해야만 한다. 기화기는 또한 열분해기와 동일한 일부 단점을 갖고 있다. 예를 들어, 물 함유 폐기물은 함유된 물을 증발시키는데 많은 에너지를 소비할 것이다.
열분해 및 기화 방법 둘 모두는 수득한 물질이 비허용 수준의 불순물을 함유한다는 문제점을 추가로 갖고 있다. 특히, 폐기물 중에 황 및 염소 함유 물질은 수득한 최종 생성물 중에 각각 머캅탄과 같은 황 함유 화합물 및 유기 염화물을 발생시킨다. 전형적으로, 1 내지 2 ppm 수준의 염소화된 탄화수소는 탄화수소 오일 중에 허용될 수 있지만 기화나 열분해는 현실적으로 그러한 낮은 수준을 보장할 수는 없다.
추가로, 열분해 및 기화 방법은 효율이 낮고 전형적으로 약 30%이다. 이러한 이유중 하나는 생성물이 열량 함량 측면에서 최적이 아니기 때문이다. 추가의 이유는 단일 단계 공정에서 당해 물질은 이의 에너지가 당해 과정내에서 용이하게 에너지를 유용하게 재사용할 수 있도록 허용하는 형태로 형성되지 않는다는 것이다. 예를 들어, 생성되는 고형 생성물내 열 에너지를 흡수하여 이를 반응 용기의 가열에 재사용될 수 있도록 하기가 어렵다. 이들 모든 방법은 뼈와 같은 고형물로부터 유기물을 효율적으로 분리하는 사전가공 단계로부터 잇점을 얻으며, 따라서 용이하게 펌핑시키고 공급원료의 열함량의 전체 이용을 허용할 수 있다.
전반적으로 열분해/기화 방법은 여러가지 문제점이 있다. 오일 생성물에는 일반적으로 타르 및 아스팔트와 같은 목적하지 않은 고점도의 화합물이 풍부하다. 열분해 및 기화 방법 둘 모두는 불량한 열 전달 성질을 갖고 결과적으로 균등하게 가열하지 않는다. 따라서, 최종 생성물은 경제적 회수를 위해 양과 질이 거의 충분하지 않고 매우 다양하다. 습윤 공급원료는 물이 다량으로 가스로서 방출되기 때문에 증발시키기에 상당한 에너지를 요구하고 많은 에너지가 소실된다. 따라서, 요약하여, 열분해/기화의 단점은 전체 작동 비용이 높고 당해 과정은 자본 집약적이고 몇몇 부산물은 제한되고 가치가 없다는 것이다.
열분해 및 기화 방법에는 많은 변법이 있지만 이 모두는 광범위하게 유사한 단점을 갖고 있고 최근의 진전은 처리 효율을 상당히 증가시켰다. 예를 들어, 미 국 특허 제5,269,947호, 제5,360.553호 및 제5,543,061호는 선행 방법의 단일 단계 공정을 2단계 공정으로 대체하는 시스템을 기재하고 있다. 제 1 단계(흔히, "습윤" 단계로서 언급됨)에서 폐기물은 약 20 내지 120 대기압에서 약 200 내지 250에서 열처리된다. 바람직한 구체예에서, 폐기물은 약 50기압을 받게 된다. 당해 조건하에서 폐기물의 물 함량은 오일 혼합물을 형성하기 위해 존재할 수 있는 지방 및 단백질과 같은 많은 생중합체를 가수분해시킨다. 제 2 단계(흔히, "건조" 단계로서 언급됨)에서, 당해 혼합물은 저압으로 전송되고 이동안에 물의 약 절반은 스팀으로서 제거된다. 당해 혼합물은 잔류 물을 증발시키기 위해 추가로 가열되고 당해 혼합물은 궁극적으로 가스 생성물, 오일 및 탄소로 분해된다.
이들 2단계 방법의 주요 진보성은 선행 1단계 공정보다 고품질 및 보다 유용한 오일 혼합물을 발생시킨다는 것이다. 그러나, 당해 방법의 생성물은 황 및 염소 함유 화합물과 같은 물질로부터 오염의 문제점을 갖고 있고 물의 상당 부분을 증발시키기 위해서는 여전히 상당한 에너지를 필요로 한다. 따라서, 선행 기술의 2단계 방법은 상업적으로 생존하기가 어려웠다.
따라서, 동물 물질의 혼합물과 같은 이종성 공급원료를 처리하는 방법을 포함하는 허용가능한 자본 및 작동 비용에서 폐기물 및 저가치의 생성물을 가공하여 믿을 수 있는 순도 및 조성의 유용한 물질을 제조하는 방법이 요구된다.
발명의 개요
본 발명은 악취의 방출 없이 허용되는 비용으로 고에너지 효율과 함께 믿을 수 있는 순도 및 조성으로 유용한 물질을 제조하기 위한 뼈 물질과 같은 불용성 고 형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 폐기물 및 저가치의 생성물의 가공을 다루고 있다. 특히, 본 발명은 상업적 가치 또는 용도가 거의 없는 다양한 공급원료를 가스, 오일, 특정 화학물질(예를 들어, 지방산), 비료 및 탄소 고형물을 포함하는 유용한 물질로 전환시키는 다단계 공정을 포함한다. 본 발명은 추가로 폐기물을 공정에서 발생되는 유용한 물질 및 하나 이상의 오일 생성물을 전환시키는 다단계 공정을 수행하기 위한 장치를 추가로 포함한다. 본 발명의 장치 및 방법은 특히 가금류(칠면조, 닭, 타조), 소, 돼지, 어류 및 기타 다른 동물의 폐물을 포함하는 유기 및 동물 사료, 유지, 식물성 오일 및 도시 하수 슬러리와 같은 기타 폐기물을 포함하는, 유기 및 무기 폐기물을 가공하는데 적용될 수 있다.
개략적으로, 본 발명에 따른 방법은 충분한 열을 적용하여 뼈와 같은 고형 물질로부터 유기물을 떨어뜨리므로써 뼈와 같은 불용성 고형물에 부착된 하나 이상의 탄소 화합물을 함유한 원료 물질로부터 공급 원료를 생성시키고; 적합하게 제조된 공급원료를 가열시키고 압력을 가하고 수득한 공급물의 다양한 성분들을 분리함에 이어서 추가로 가열 및 압력을 이러한 성분 중 하나 이상에 적용한다. 본 발명의 방법에서 상이한 시점에 제조되는 다양한 물질들은 재활용될 수 있고 본 발명의 공정내에서 또 다른 것을 수행하는데 사용될 수 있다.
본 발명은, 공급원료로부터 슬러리를 제조하는 단계; 제 1 반응에서 슬러리를 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 제조하는 단계; 반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제 2 반응에서 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 단계를 포함하는, 뼈 물질과 같은 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유한 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법을 포함한다.
본 발명은 추가로, 공급원료부터 가열된 슬러리를 제조하도록 구성된 전처리 유닛; 액체 혼합물을 수득하기 위해 가열된 슬러리로부터 고형물질을 분리하기 위한 예비 분리 유닛; 가열된 슬러리를 수용하는 용기와 연통되는 제 1 단계 반응기(이것은 가열된 슬러리를 제 1 증가된 온도 및 제 1 증가된 압력에 적용시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생산하도록 구성된다); 하나 이상의 고형 생성물, 하나 이상의 액체 생성물 및 물을 수용하도록 제 1 단계 반응기와 연통되는 하나 이상의 분리 유닛(이것은 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하도록 구성된다); 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 수용하도록 분리 유닛와 연통되는 제 3 단계 반응기(이것은 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제 2 증가된 압력 및 제 2 증가된 온도에 적용하여 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키도록 구성된다)를 포함하는, 뼈 물질과 같은 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 장치를 추가로 포함한다. 바람직한 구체예에서, 전처리 유닛은 공급원료부터 공급원료 슬러리를 제조하기 위한 슬러리화 장치를 포함하는 제조 유닛; 공급원료 제조 유닛로부터 공급원료 슬러리를 수용하도록 공급원료 제조 유닛와 연통되는 용기; 및 슬러리에 압력을 가하고 가열하여 가열된 슬러리를 제조하도 록 구성된 펌프 및 열 교환기와 같은 추가의 장치를 포함한다.
본 발명은 추가로, 뼈와 같은 고형물질에 부착된 유기물이 이로부터 분리되도록 공급원료를 가열하므로써 슬러리를 제조하는 단계; 슬러리를 열 교환기에 통과시켜 조절된 슬러리를 생성시키는 단계(여기서, 하나 이상의 가스는 방출된다); 조절된 슬러리로부터 고형물을 분리하는 단계; 제 1 반응에서 조절된 슬러리를 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 단계(여기서, 스팀 및 가스는 방출되고, 반응된 고형 생성물은 하나 이상의 무기물을 포함한다); 중간 공급물을 제조하기 위해 반응된 공급물의 온도 및 압력을 저하시키는 단계; 중간 공급물로부터 하나 이상의 무기물을 분리하여 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 상기 물을 저장소로 분기시키는 단계; 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제 2 반응에 적용하는 단계(여기서, 탄소 고형물 및 탄화수소 증기와 가스의 혼합물이 제조된다)를 포함하는, 뼈 물질과 같은 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법을 포함한다.
본 발명은 추가로, 도시 하수 슬러리로부터 슬러리를 제조하는 단계; 슬러리를 가열하여 이에 함유된 무기 물질에 부착된 유기 물질을 분해하고, 얻어진 고형물을 분리하는 단계; 제 1 반응에서 슬러리를 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 제조하는 단계; 상기 반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하 나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계; 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 단계; 및 제 2 반응에서 하나 이상의 고형 생성물을 탄화수소 오일의 혼합물, 연료 가스 및 무기물과 탄소의 혼합물로 전환시키는 단계를 포함하는, 도시 하수 슬러리를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법을 포함한다.
본 발명은 또한 동물 폐기물로부터 슬러리를 분리하는 단계; 유기 물질이 뼈 및 무기 고형물로부터 분리되도록 뼈 및 이에 함유된 무기 고형물에 부착되는 단백질 화합물과 같은 유기 물질을 분해하기 위해 슬러리를 가열시키는 단계; 슬러리를 가열시켜 발생하는 고형물을 분리하여 액체 혼합물을 수득하는 단계; 제 1 반응에서 슬러리를 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 제조하는 단계; 반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계; 및 제 2 반응에서, 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 탄화수소 오일의 혼합물, 연료 가스 및 탄소로 전환시키는 단계를 포함하는, 임의의 동물 신체 일부, 예를 들어 칠면조 폐물 또는 소 위를 포함하는 뼈 물질과 같은 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 포함하는 동물 폐기물을 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법을 포함한다.
본 발명은 추가로 동물 폐기물을 동물 식품 생성물로 되게하는 공정, 및 동물 신체 일부 및 폐기물을 연료 및 동물 공급물과 같은 가치있는 생성물로 전환시킴을 요구하는 임의의 다른 공정에서 사용될 수 있기 때문에, 동물 폐기물로부터 뼈 및 다른 고형물을 효과적으로 제거하는 방법을 포함한다.
따라서, 본 발명은 또한 동물 신체의 일부로부터 슬러리를 제조하는 단계; 슬러리를 가열하여 액체 혼합물 및 불용성 물질을 제조하는 단계; 및 뼈 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 불용성 고형물에 부착된 유기물을 함유하는 동물 신체일 일부를 제공하는 방법을 포함한다.
본 발명은 또한, 뼈 물질과 같은 부착된 불용성 고형물을 함유하는 탄소-함유 공급원료로부터 슬러리를 제조하는 단계; 슬러리를 가열하여 이에 함유된 무기 물질에 부착된 유기 물질을 분해하고, 얻어진 고형물을 분리하여 액체 혼합물을 수득하는 단계; 제 1 반응에서 액체 혼합물을 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물, 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 제조하는 단계; 및 상기 반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물, 및 물을 분리하는 단계; 및 제 2 반응에서 상기 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 연료 오일로 전환시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된 연료 오일을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 공정에 대한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 공정의 제조 및 제 1 단계 반응의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 공정의 제 2 분리 단계의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 공정의 제 3 단계 반응의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 공정의 제 3 단계를 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 7은 액체로부터 미세 현탁된 고형물을 분리하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 8A 및 8B는 각각 본 발명에 따른 공정에서 제 3 단계 반응기 및 냉각기/응축기의 용도를 나타낸 것이다.
도 9는 여러 온도에서 공급원료의 점도와 전단율 간의 관계를 나타낸 것이다.
본 발명의 공정은 일반 가정으로부터 또는 상업적 작동으로부터 사회 전반에서 생성되는 저가치의 생성물 또는 폐기물로부터 하나 이상의 유용한 물질을 제조하는 방법에 관한 것이며, 여기서 저가치의 생성물 또는 폐기물은 불용성 고형물에 부착된 유기물을 함유한다. 불용성 고형물을 통상적으로 미네랄과 같은 분말화되고 미립자의 물질 및 특히 뼈 물질과 같은 골격 부분을 포함한다. 전형적으로, 본 발명의 방법은 상당 부분의 유기 물질을 함유하는 폐기물 또는 기타 저가치의 생성물, 예를 들어 유지에 적용된다. 그러나, 본 발명은 대개 저가치로서 고려되지 않는 기타 생성물을 고가치의 생성물로 전환시키는데 적용될 수 있다.
본원에서 사용되는 유기 물질은 일반적으로 당업자에 의해 이해되는 물질이다. 특히, 본 발명의 용도에 있어서, 유기 물질은 구성 성분들이 수소, 산소, 질소, 황 및 인과 같은 하나 이상의 기타 원소 및 불소, 염소, 브롬 및 요오드와 같은 할로겐 원소들과 함께 탄소를 포함하는 물질들이다. 본 발명의 목적을 위해, 유기 물질은 또한 비소, 셀레늄 및 규소와 같은 원소와 함께 탄소를 함유하는 화합물 뿐만 아니라 유기 분자의 염, 및 마그네슘, 수은, 철, 아연, 크로뮴, 구리, 납, 알루미늄 및 주석에 제한되지 않는 금속과 유기 분자의 착물을 포함한다. 본 발명에 사용되는 대부분의 유기 물질은 생물학적 공급원으로부터 유래하고 온전한 세포 뿐만 아니라 단백질, 지질, 전분, 핵산, 탄수화물, 셀룰로스, 리그닌 및 키틴을 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 기타 유기 물질은 플라스틱과 같은 인조 또는 합성된 것들이고 또한 기타 석유 유래 생성물들이다.
본 발명의 공정에서, 열 및 압력은 공급원료의 유기성분, 특히 단백질의 긴 분자쇄를 분해하고 이에 함유된 뼈와 같은 무기 고형물에 부착된 임의의 유기 성분을 분리시키는데 필요한 수준으로 공급원료에 적용된다. 따라서, 공급원료 물질은 분자 수준에서 하나 이상의 성분 물질로 분해된다. 이러한 공정에서, 공급원료는 높은 비용 또는 저가치로부터 유리하거나 비용이 상당히 절감되거나 고가치로 전환시킨다. 중요하게, 당해 공정은 병원체를 파괴할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 뼈, 또는 뼈 물질은 단백질 물질이 부착될 수 있고 열 적용하만으로 일반적으로 분래되지 않는 발굽, 뿔 또는 연골과 같은 임의의 경질 불용성 동물 신체 일부를 둘러쌀 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 기본 공정은, 칠면조 폐물, 프라이용 오일, 옥수수 줄기, 쌀겨, 쓰레기 폐물, 최종 압착 식용 오일, 예를 들어, 캐놀라, 대두, 야자, 코코넛, 평지씨, 면화씨, 옥수수 또는 올리브 오일, 및 기타 오일, 식품 가공 폐기물 및 어패류 산업 폐기물과 같은 식품 제조 및 분배의 부산물; 셀룰로스 및 리그닌 부산물 및 제지용 펄프 유출과 같은 제지 및 기타 목재 산업 제조에서의 부산물; 잎 및 잔디 베어낸 풀과 같은 뜰 폐기물; 타이어; 플라스틱 병; 항구 그물 침강물; 소비후 플라스틱 및 전자제품, 예를 들어, 중고 컴퓨터; 도시 고형 폐기물; 정유 공장 잔사; 산업 슬러리; 당분 찌꺼기; 해초; 연삭 폐기물; 흑액; 석탄 정련 폐기물; 타르 모래; 혈암유; 굴착 이수; 솜 폐기물; 농업 가공 폐기물, 예를 들어, 동물 사료; 감염성 의학 폐기물; 생물학적 병원체 및 심지어 생물학적 무기를 제조하는데 사용될 수 있는 탄저균 포자와 같은 물질을 포함하는, 임의의 폐기물 또는 저가치의 생성물을 취급하도록 디자인된다. 상기 열거된 물질들은 전부 열거한 목록이 아님을 이해해야 한다. 상기 목록에서, 당분 찌꺼기는 사탕 수수 가공의 부산물이고 흑액은 목재 조각을 용해시키고 리그닌을 방출시키고 섬유를 뽑아내어 리그닌 및 헤미 셀룰로스 용액을 제조하는 공정에서 비롯되는 화학 목재 펄프의 부산물이다.
본 발명에 사용하기 위한 폐기물은 전형적으로 기타 산업 공정, 상업적 제조 및 가정 또는 도시 사용의 부산물 또는 최종 생성물이고 전형적으로 중간에 사용되지 않고/않거나 통상적으로 처분되는 것들이다. 저가치의 생성물은 유사하게 기타 산업 공정, 상업적 제조 및 가정 및 도시 사용에 따른 부산물 또는 최종 생성물이지만 전형적으로는 매우 저가치의 물질이고/이거나 사용될 물질로 전환되기 위해 몇몇 추가의 가공을 필요로 하는 물질이다.
본 발명의 방법에 사용되는 경우, 폐기물 및 저가치의 생성물은 전형적으로 공급원료 또는 원료 공급물로서 언급된다. 또한 본 발명의 공정에 사용되는 원료 공급물은 다수의 공급원 기원 및 다수의 상이한 유형의 폐기물 및/또는 저가치의 생성물을 포함할 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 식품 가공 폐기물은 편리하게 농업 가공 폐기물과 배합되고 동시에 가공될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 또다른 대표적인 원료 공급 물질은 도시 하수 슬러리를 포함한다.
본 발명의 구체예에 의해 가공된 폐기물 및 저가치의 물질은 일반적으로, 고품질 오일; 세정 화염 가스; 및 연료, 비료 또는 제조 원료로서 사용될 수 있는 무기물 및 탄소 고형물을 포함하는 정제된 고형물과 같은 3개 유형의 유용한 물질로 전환되고 이 모두는 값어치가 있으며 기본적으로 환경에 유해하지 않는 것들이다. 추가로, 본 발명의 공정동안에 몇몇 경우에 "어류 용해물"과 유사한 농축물을 포함하는 다양한 부차적 생성물이 제조된다. 전형적으로, 유용한 물질은 폐기물, 저가치의 물질 또는 공급원료로서 제공되는 기타 물질보다 높은 경제적 가치를 지닌 것들로서 사료된다. 이러한 유용한 물질들은 예를 들어, 열량 함량이 높거나 이들이 유래하는 공급원료 보다 광범위한 응용성을 갖는다.
본 발명의 방법은 도 1 및 도 2에 기재된 바와 같이 다수의 단계를 포함한다. 도 1은 본 발명의 방법의 한 구체예에 대한 주요 특징을 개략적으로 보여준다. 도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 예시된 장치(200)를 보여준다.
도 1에 나타낸 원료 공급물(100)은 잠재적으로 임의의 폐기물 또는 저가치의 유기 및/또는 무기 유출물일 수 있다. 바람직하게, 원료 공급물은 상당한 양의 탄소 함유 물질을 함유하고, 상당한 양의 동물 신체의 일부를 함유하는 식품 가공 폐기물 또는 기타 물질로부터 유래된다.
원료 공급물(100)은 제조 단계(110)에 적용된다. 제조 단계의 한 구체예는 펄프 및 기타 분쇄 기술을 사용하여 펌핑을 위해 적합한 크기로 원료 공급물의 크기를 감소시키는 것이다. 제조 단계는 하나 이상의 단계를 포함하고 물질을 첨가하거나 원료 공급물로부터 물질을 제거하는 단계 및 제 1 단계(120)로 통과되는 슬러리(112)를 수득하는 단계를 포함한다. 슬러리 제조는 물(또는 기타 적합한 유체)을 이의 초기 물 함량에 따라 원료 공급물(100)에 첨가하는 것을 포함한다. 슬러리의 사용은 제조 단계(110)에서와 같이 습윤 분쇄는 마찰 및 에너지 소비를 감소시키고 슬러리는 펌프에 의해 하나의 용기로부터 또 다른 용기로의 이동이 용이하기 때문에 유리하다. 적합한 슬러리 제조 장치는 펄프 제조기, 인 라인 분쇄기 또는 분자 증폭기를 포함한다. 스팀 및 가스의 혼합물(121)은 제조 단계(110)로부터 발산된다.
뼈 및 기타 무기 미네랄 물질은 동물의 필수적인 부분 및 동물 폐기물이다. 단백질, 지방 및 탄수화물 형태의 유기물은 두개로 분리되지 않는 한 상이한 가치있는 생성물로 유기물을 가공시키는 이러한 무기 미네랄 물질에 물리적이고 화학적으로 부착된다. 따라서, 단계(114)에서, 유기 성분들로부터 뼈 및 기타 고형물을 분리시키기 위해 슬러리는 275℉ 내지 380℉, 바람직하게는 275℉ 내지 325℉, 및 더욱 바람직하게는 300℉ 내지 325℉의 온도로 가열된다. 가열은 약 15분 및 바람직하게는 45분 동안 수행한다. 가열시간은 온도에 의존적이며, 보다 높은 온도에서 15 분 정도로 짧으며, 보다 낮은 온도에서는 1 시간을 초과한다. 이러한 온도로의 가열은 전체 점도를 급격히 감소시키고 공급원료 중 단백질 물질을 아미노산 빌당 블록- 또는 디- 및 트리-펩티드로의 가수분해와 일치하여 미네랄 물질을 갖는 물리적 및 화학적 결합이 분해되도록 한다. 이러한 점도의 감소는 슬러리로부터 원치않는 미네랄 물질 및 분쇄된 뼈를 포함하는 뼈 물질(116)과 같은 부착된 불용성 고형물을 분리시키므로써 이후 제 1 단계로 들어가는 액체 혼합물(118)을 수득한다.
이러한 단계에서 분리되는 미네랄 물질은 원칙적으로 분말화된 미립자 뼈 물질 및 일부 양의 모래, 토양 또는 공급원료에 들어 있는 다른 오염물로부터의 미네랄을 포함한다. 잔류하는 물질로부터 미네랄 물질의 분리는 중력 분리에 의해 수행될 수 있거나, 액체/고체 원심분리, 스크린, 또는 필터와 같은 당업자에게 잘 알려진 기타 분리 장치를 사용할 수 있다. 이렇게 분리된 미네랄 물질은 미네랄 비료로서 사용될 수 있다. 분리된 미네랄 물질은 바람직하게는 유기 물질이 존재하지 않지만, 실제적으로 소량이 분리 공정을 통해 처리된다.
분리로부터 발생하는 액체 혼합물(118)은 통상적으로 오일상 함유 지방 및 탄수화물, 및 단백질의 분해로부터 얻어진 아미노산 및 작은 펩티드가 용해된 수상을 포함한다. 액체 혼합물을 분해되지 않는 일부 미네랄 및 일부 펩티드를 포함하는 일부 불용성물을 포함할 수 있다.
당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 단계(114)의 가열 공정은 또한 다른 처리, 예를 들어 동물 정제에 대한 적용을 발견할 수 있는데, 이는 뼈 및 미네랄 물질을 함유한 동물 폐기물이 분해되어 기타 이용가능한 물질을 형성한다. 일반적으로 이러한 공급원료에 275℉ 내지 380℉, 바람직하게는 275℉ 내지 325℉, 및 더욱 바람직하게는 300℉ 내지 325℉의 열 적용은 지금까지 가능한 것 보다 뼈 및 미네랄로부터 유기물을 보다 효과적인 분리를 달성할 것이다. 이러한 공정은 이에 의해 나머지 공급원료로부터 뼈 및 미네랄 물질의 분리를 촉진시키고, 보다 순수한 유기물 부분을 초래하고 비이용가능한 미네랄 물질에 부착됨을 통해 폐기되는 유기물질의 양을 감소시킬 것이다.
따라서, 본 발명은 동물 구성체로부터 슬러리를 제조하는 단계; 슬러리를 275℉ 내지 380℉, 바람직하게는 275℉ 내지 325℉, 및 더욱 바람직하게는 300℉ 내지 325℉로 가열하여 액체 혼합물 및 불용성 물질을 제조하는 단계; 및 뼈 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 불용성 고형물에 부착된 유기물을 함유하는 동물 신체의 일부를 정제(rendering)하는 공정을 포함한다. 종래 존재하는 동물 정제를 위한 공정은 통상적으로 고온으로 공급원료를 가열하지 않으며, 일반적으로 212℉(100℃) 미만의 온도로 단지 가열시킴을 주목한다. 더욱이, 종래 존재하는 동물 정제를 위한 공정은 통상적으로 두개의 생성물 배치를 발생시킨다: 제 1 배치에 고기+골분, 제 2 배치에 지방. 반대로, 본 발명의 공정은 상이한 성분의 두개의 배치를 발생시킨다: 주로 고형 물질 함유 뼈, 이는 전체적으로 분리되고 예를 들어 미네랄 비료로서 사용될 수 있음; 및 지방산을 발생시키도록 사용될 수 있는 별도의 오일 부분 및 동물 식품 공급물로서 사용될 수 있는 수성 부분(수중에 용해된 아미노산을 함유함)을 포함하는 액체부.
제 1 단계(120)에서, 슬러리에 열처리하고 증가된 압력을 가하여 슬러리가 제 1 단계 반응으로도 불리우는 제 1 반응을 수행하도록 한다. 이러한 가열 및 압력 조건은 분해되지 않는 슬러리의 생물학적 성분인 세포 구조물을 파괴하고 단백질, 지방, 핵산 및 탄수화물과 같은 성분 분자를 방출하도록 한다. 추가로, 많은 중합성 유기 물질은 슬러리에서 단순한 유기 생성물의 혼합물로 물에 의해 가수분해시킨다. 특히, 지방은 부분적으로 분해되어 지방산(카복실산 그룹을 함유) 및 수용성 글리세롤(즉, 3개의 하이드록실 그룹을 함유한 분자)과 같은 부유성 유기 물질이 될 수 있다. 단백질 및 임의의 경우 이에 손상되지 않고 존재하는 폴리펩티드는 전형적으로 보다 단순한 폴리펩타이드, 펩타이드 및 아미노산 성분으로 분해된다. 탄수화물은 대부분 보다 단순한 수용성 당으로 분해된다. 추가로, 제 1 단계에서 물의 존재는 이것이 열의 공급원료로의 전달을 도와주기 때문에 유리하다.
본 발명의 구체예와 연계하여 사용되는 경우, 용어 반응시키다, 반응하는 및 반응은 많은 상이한 유형의 화학적 변화를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 특히, 용어 반응은 하나 이상의 생성물이 될 수 있는 2종 이상이 조합 또는 연합되어 나타나는 화학적 변화를 포함할 수 있고 온도, 압력 또는 전자기 방사선의 충격의 조건에 의해 유도되는 바와 같이 단일 종의 파괴 또는 변환을 포함하는 다른 유형의 분해 또는 전환을 포함할 수 있고 추가로 가수분해와 같은 용매가 관여하는 변환을 포함할 수 있다. 추가로, 본원의 용어 "반응" 또는 "반응시키다"는 공정 또는 공정내 단계를 기술하는데 사용되는 경우, 하나 이상의 화학적 변화가 동시에 일어날 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반응은 예를 들어, 가수분해 및 분해에 동시에 관여할 수 있다.
스팀 및 가스 생성물의 혼합물(126)은 전형적으로 제 1 단계(120)에서 슬러리로부터 방출된다. 제 1 단계로부터 비롯된 반응된 공급물(122)은 반응된 고형 생성물의 혼합물 및 반응된 액체 생성물의 혼합물로 이루어진다. 이들 다양한 생성물은 전형적으로 오일상, 수성상 및 습윤 미네랄 상으로 특징화된다. 수성상 및 오일상은 전형적으로 다양한 용해된 유기 물질을 함유한다. 제 1 단계(120)에서 생성되는 스팀 및 가스(126)의 혼합물은 바람직하게 응축기에 의해 분리되고 스팀은 입수되는 슬러리를 예비 가열시키는데 사용된다.
이어서 반응된 공급물(122)은 분리 단계(130)에 적용되고 여기서, 스팀 및 가스의 추가의 혼합물(132)은 방출되고 미네랄(134) 및 기타 고형 물질의 혼합물이 분리된다. 바람직하게, 본 단계에서 수득되는 고형 물질은 탄소 고형물이 입수되는 공급원료에 존재하지 않는 경우 탄소 고형물을 포함하지 않는다. 분리 단계(130)은 하나 이상의 각각의 분리 단계를 포함할 수 있다.
분리 단계로부터의 잔류물(130)은 생성된 물(138)(가용물을 지닌 물) 및 유기액(500)을 포함하는 액체 생성물의 혼합물로 이루어진다. 유기액(500)은 전형적으로 제 1 반응으로부터 반응된 액체 생성물과 같은 탄소 함유 종의 혼합물을 함유한다. 바람직하게, 대부분의 생성된 물(138)은 분리되고 유기액(500)과 같은 액체 생성물은 제 3 단계(140)로 유도된다. 따라서, 유기액은 바람직하게, 물로부터 분리되고 대부분의 경우 또한 반응된 고형 생성물로부터 분리된 반응된 액체 생성물을 포함한다. 생성된 물(138)은 황 및 염소 함유 물질을 포함하는 다수의 화합물을 함유하고 바람직하게 농축물(139)로 전환된다. 이러한 화합물을 분리하는 것이 바람직할 수 있고 바람직한 구체예에서, 농축시키면 응축물(151)(이의 순도는 일반적으로 도시 수준의 폐수보다 우수하다) 및 응축물(153)(즉, 많은 경우에 어류 가용물과 유사한 액체 비료로서 사용될 수 있다)이 수득된다.
몇몇 유기액(500)은 임의의 분리 단계(137)를 거쳐 전환되어 예를 들어, 유기액의 분별 증류를 통해 지방산 또는 아미노산과 같은 특정 유기 화학물질(143)을 형성할 수 있다. 특정 화학물질로서 유용하지 않은 분획물을 포함하는 잔류 분획물인 "중 액체"로 불리우는 분획화된 액체(145)는 제 3 단계(140)로 재주입될 수 있다.
공급원료가 도시 하수 슬러지인 경우, 제 1 단계 반응으로부터 반응된 공급물(122)은 전형적으로 생성된 물, 유기물 및 무기물의 고형 매트릭스 및 소량의 유기액을 포함한다. 도시 하수 슬러지로부터의 생성된 물은 이어서 농축을 위해 전환되어 비료로서 적용되는 생성물을 형성한다.
제 3 단계(140)에서, 유기액(500)은 제 2 반응을 진행하는 조건에 적용한다. 또한, 유기액은 제 3 단계로 통과되는 특정 양의 반응된 고형 생성물을 함유할 수 있다. 유기액 및 반응된 고형 생성물은 함께 고형 매트릭스로서 언급될 수 있다. 제 2 반응에서, 유기액은 일반적으로 탄소 고형물(142)을 포함하는 유용한 물질의 혼합물 및 전형적으로 탄화수소 증기 및 가스로서 방출되는 탄화수소의 혼합물(148)로 전환된다. 이러한 전환은 유기액에서 하나 이상의 물질의 분해를 포함할 수 있다. 제 3 단계에서 적합한 조건은 제 1 단계와 관련하여 상승된 온도를 사용하고 제 1 단계와 관련하여 감소된 압력을 사용한다. 제 3 단계는 전형적으로 첨가된 물의 사용을 포함하지 않는다.
탄소 고형물(142)은 전형적으로 코크, 즉 연료로서 사용하기에 적합한 발열량이 높은, 일반적으로 경질의 탄소성 물질과 유사하다. 탄소 고형물(142)은 바람직하게 전형적으로 산소 결핍 환경내에서 탄소 함유 물질의 소각으로부터 비롯되는 비연소성 물질을 거의 포함하지 않는다. 탄소 고형물(142)의 무기물 함량은 바람직하게 10중량% 미만, 보다 바람직하게는 5중량% 미만, 여전히 보다 바람직하게는 2중량% 미만 및 가장 바람직하게는 1중량% 미만이다. 탄소 고형물(142)이 무기물을 함유하는 경우, 이들은 또한 탄소-무기물 매트릭스로서 기술될 수 있다.
탄화수소 증기 및 가스(148)는 생물학적 물질이 본 발명의 공정에 대한 공급 원료인 경우 마다 "생물 유래 탄화수소"로서 언급된다. 탄화수소 증기 및 가스는 원료 공급물이 각각 타이어, 고무 또는 플라스틱을 포함하는 경우 "타이어 유래", "고무-유래" 또는 "플라스틱 유래"로서 언급될 수 있다. 탄화수소 증기 및 가스(148)는 전형적으로 탄화수소 가스를 포함하고 소량의 불순물인 비탄화수소 가스가 존재할 수 있다. 탄화수소 가스는 연료 가스(146)와 같은 가스를 포함한다. 탄화수소 증기는 액체 또는 #2 디젤 오일의 경량의 성분과 같은 액체 또는 오일(144)로 용이하게 응축될 수 있다. 당업자는 #2 디젤 오일이 비교적 점도 및 밀도가 낮은 오일임을 이해한다.
공급원료가 도시 하수 슬러지인 경우, 제 3 단계로부터 고형 생성물은 전형적으로 탄화수소 오일, 연료 가스의 혼합물 및 고체 형태의 탄소와 무기물의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 방법의 작동 파라미터는 하나 이상의 경우에서 조정되어 상이한 유형의 원료 공급 물질을 수용할 수 있는 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 칠면조 폐물과 같은 원료 공급물의 경우, 주요 성분들은 동물 지방, 단백질, 탄수화물 및 무기물이다. 따라서, 주요 성분들을 계량하여 몇몇 측면의 본 발명에 따른 작동 조건을 측정할 수 있다. 추가로, 제 1 및 제 3 단계 반응기의 온도 범위는 특정 생성물을 생산하도록 조절될 수 있어 다양한 생성물의 수율로부터 수득될 수 있는 경제적 가치를 최대화할 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치(200)는 도 2에 나타낸다. 본 발명의 기술을 기준으로, 장치(200)의 다양한 성분의 어셈블리는 공정 조작 기술 또는 화학적 조작 기술에 대한 당업자의 능력에 달려있다. 따라서, 당업자에게 친숙한 바와 같은 당해 기술적 세부 사항은 본원의 기재에서 생략한다. 본원에서 언급되는 가열 및 가압은 통상적으로 액체 혼합물을 보유하기 위한 용기, 액체 혼합물의 압력을 증가시키기 위한 펌프, 및 액체 혼합물을 가열하기 위한 열교환기를 포함하는 장비에서 수행된다.
공급원료 제조 및 슬러리 제조는 공급원료 제조 장치(210)에서 수행할 수 있으며, 여기서, 통상적으로 공급원료는 뼈와 같은 분쇄된 불용성 물질을 포함하는 슬러리(112)를 생산하기 위해 분쇄된다. 공급물 제조 및 공급물 슬러리 제조 후, 슬러리는 바람직하게는 생물학ㅈ거 활성을 제한하기 위해 내용물을 가열하는 열 교환기(도 2에 도시되지 않음)를 통과된다. 전형적으로 약 140℉ 및 1 PSI의 조건이 여기서 사용된다. 이후 슬러리는 바람직하게는 큰 저장 탱크(도 2에 도시되지 않음)로 옮겨지며, 여기서 연장된 시간 동안, 통상적으로 대략 700 분 이지만 1 주일 정도 잔류시킬 수 있다.
이후 공급물은 추가 열교환기(212)에서 275℉ 내지 380℉, 바람직하게는 275℉ 내지 325℉, 및 더욱 바람직하게는 300℉ 내지 325℉로 가열되어 이러한 온도에서 슬러리를 유지시키는 반응기(도 2에 도시되지 않음)로 통과되는 가열된 슬러리(214)를 제조한다. 이러한 가열 단계의 조건은 생물학적 활성의 중단 및 단백질 물질과 공급원료에 뼈 물질과 같은 부착된 불용성 고형물 간의 파열 결합의 중지를 효과적으로 가져온다. 슬러리를 이러한 온도에서 적어도 15 분, 바람직하게는 온도에서 따라 약 1 시간 이상 동안 홀딩한 후, 슬러리를 뼈 및 미네랄과 같은 고형 물질(116), 및 액체 혼합물(118)을 포함한다. 고형 물질은 예를 들어 분리, 스크린 또는 필터, 또는 액체/고체 원심분리를 사용하는 분리 유닛(216)으로 분리되어 액체 혼합물(118)을 잔류시킨다. 액체 혼합물(118)은 대개 수상을 포함함, 여기에는 아미노산 및 작은 펩티드와 같은 분해된 단백질의 생성물, 지방 및 탄수화물과 같은 다른 유기 물질을 함유하는 비수상, 불용성 단백질과 같은 일부 불용성 물질 및 소량의 미네랄 물질이 용해되어 있다. 액체 혼합물은 제 1 단계 반응기에 들어가기 전에 공급물 저장 탱크(FST)로 칭하는 저압 배출 용기(220)로 보내진다.
바람직한 구체예에서, 공급물 저장 탱크는 약 280℉의 온도로 유지될 수 있는 탱크를 포함한다. 이러한 탱크는 내용물을 약 100 p.s.i. 이하, 통상적으로 대략 50 p.s.i.으로 가압시킨다. 압력은 일반적으로 제공된 온도에서 혼합물의 포화 압력을 약간 초과한다. 예를 들어, 혼합물의 포화 압력은 약 300℉(약 150℃)에서 66 p.s.i.이다. 탱크의 조건은 통상적으로 슬러리에서 임의의 잔류하는 손상되지 않은 단백질 물질을 분해하고, 슬러리를 완화시키고, 암모니아를 방출하기에 충분히 엄격하다. 탱크의 용량은 통상적으로 2,500 U.S. 갤론이다. 따라서, 한 구체예에서, 분당 약 40 갤론의 유속은 탱크내에서 약 1시간의 체류 시간을 나타낸다. 탱크내에서 도시 하수 슬러지와 같은 미립자 공급원료에 대한 바람직한 체류 시간(예를 들어, 수시간)은 유속을 저하시켜 보다 길게 할 수 있다. 본래 슬러리에 존재하는 많은 고형 물질이 FST에 들어가기 전에 분리된다는 사실은 하기 두가지 이유로 유리하다: 첫째로, 완화된 혼합물을 제조함에 있어서 FST의 작업이 용이하게 펌핑되도록 한다; 둘째로, 제 1 단계 반응기에 들어가기 전에 조절된 공급원료를 가압시키는 펌핑 장치 상에서 경질의 고형 물질의 충돌을 줄인다.
분말화된 미립자 뼈 및 기타 무기 고형 물질을 포함하는 미네랄 물질은 중력 분리, 또는 액체/고체 원심분리, 또는 스크린, 또는 필터와 같은 방법에 의해 분리되고, 비료로서 사용하기 위해 별도로 셋팅된다. 잔류하는 물질인 액체 혼합물은 물 및 유기 물질을 함유하고, 제 1 단계 반응기(230)로 향한다.
이들을 수행하기 위한 전술된 단계 및 장치는 임의의 부류의 동물 구성체를 분해함을 포함하는 식품 가공 산업에서 사용되는 기타 공정에 용이하게 적용될 수 있는 것으로 당업자는 이해될 것이다. 예를 들어, 이러한 단계는 본원에서 추가 기술되는 바와 같이 동물 정제(rendering)에 적용될 수 있다.
본 발명의 제 1 단계는 제 1 단계 반응기(230)에서 수행되고 이러한 반응기는 바람직하게 다중 챔버 용기를 포함하여 슬러리의 성분 물질의 체류 시간이 좁은 분포로 되어 있다. 대안적인 구체예에서, 제 1 단계 반응기는 또한 오거(augured) 반응기일 수 있다. 바람직하게 용기는 배플(baffle), 및 챔버 각각에서 슬러리를 동시에 교반시킬 수 있는 다중 블레이드에 모터가 달린 교반기를 장착하고 있다. 바람직한 구체예에서, 각각의 용기에는 4개의 챔버가 있다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 슬러리를 이러한 용기에 앞서 여러 단계에서 가열시킨다.
제 1 반응 후 반응된 공급물의 플래싱(flashing)은 배출구를 갖는 플래시 용기(240)("제 2 단계 분리기")에서 달성될 수 있다. 바람직하게, 플래시 용기(240)에서의 압력은 제 1 단계 반응기(230)에서의 압력 보다 훨씬 낮다. 한 구체예에서, 플래시 용기내 압력은 약 300psi이고 제 1 단계 반응기내 압력은 약 600psi이다.
다양한 장치를 사용하여 제 1 단계 반응기(230)로부터 유출되는 공급물을 제 2 단계에서 분리할 수 있다. 바람직하게, 이러한 분리는 스팀 및 가스의 혼합물(132), 유기액(500), 미네랄(134) 및 가용물을 갖는 생성된 물(138)을 제공한다. 스팀 및 가스(132)은 바람직하게 제조 단계로 재전환되어 공급물의 가열을 돕는다.
유기액 및 물로부터 무기물의 분리는 원심분리, 하이드로사이클론 및 정체 탱크를 사용하여 달성될 수 있다. 무기물(134)의 건조는 예를 들어, 건조솥 또는 "링" 건조기(도 2에 도시되지 않음)와 같은 기타 미네랄 건조기를 사용하여 달성될 수 있다. (대안적인 구체예에서, 분리는 화학물질을 첨가하여 에멀젼을 파괴함으로써 촉진될 수 있다)
물로부터 유기액의 분리로부터 비롯된 가용물을 갖는 생성된 물(138)을, 산업에서 전형적으로 이용될 수 있는 유형의 증발기(250)에서 농축시킬 수 있다. 무기물 및 물로부터 분리된 유기액(500)이 제 3 단계 반응기(260)로 전달하기 전에 유기액 보유 용기(252)에 함유될 수 있다. 이러한 보유 용기는 통상적으로 산업에서 사용되는 바와 같은 일반적인 저장 용기일 수 있다.
유기액(500)의 일부는 전환되어 하나 이상의 특정 화학물질이 될 수 있다. 전형적으로, 이것은 유기액을 분별 증류에 적용시킴을 포함한다. 분별 증류에 적용된 유기액은 전형적으로 증류 칼럼(254)에서 증류된다. 유기액을 산 세척에 적용하여 이를 증류 칼럼에 통과시키기 전에 미량의 아미노산을 분리할 수 있다. 지방산과 같은 유기액으로부터 보다 휘발성의 물질을 증류하고 수집한다. 증류 칼럼의 바닥에서 발견되는 비휘발성 지방 및 지방 유도체와 같은 임의의 중 물질은 제 3 단계 반응기(260)에 통과시킨다.
제 2 단계 분리로부터 유출된 유기액을 또한 제 3 단계 반응기(260)에 통과시키고 여기 제 2 반응에서는 유기액이 오일 및 탄소 고형물(142)과 같은 하나 이상의 유용한 물질로 전환된다. 제 3 단계 반응기로부터 유출된 오일은 반응기(270)에서 추가로 분리되어 오일(144) 및 연료 가스(146)가 생성될 수 있다. 당해 분리는 다양한 단계로 오일을 응축시키고 이를 저장 용기내 오일 저장물(280)로 전환시킴을 포함한다. 제 3 단계 반응기로부터 유출된 탄소 고형물(142)은 냉각되고 또한 저장되거나 추가로 가열된 후 당업자에게 공지된 방법에 따라 이들을 활성화시키기 위해 추가로 처리될 수 있다. 예를 들어, 탄소 고형물은 추가의 반응기에서 가열될 수 있고 초가열된 스팀을 주입하여 활성화시킬 수 있다.
상기에서 논의한 바와 같이, 예시된 원료 공급물은 농업 및 식품 산업으로부터의 폐기물을 포함한다. 이러한 폐기물은 날개, 뼈, 깃털, 기관, 피부, 머리, 혈액 및 목, 연조직, 발톱 및 모발과 같은 동물의 구성체를 포함할 수 있다. 전형적인 동물의 구성체는 칠면조 폐물 및 도살장에서의 시체 잔해물에 발견되는 것들이다. 일반적으로, 임의 부류의 동물로부터의 구성체가 본 발명에서 사용될 수 있는 것으로 의도된다. 예를 들어, 이러한 동물은 칠면조, 기타 가금류, 예를 들어 닭, 오리, 거위, 돼지, 말, 소, 양, 어류, 고래, 라마, 악어, 캥거루 및 엘크를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 방법으로 가공하기 위해 적합한 식품 가공 산업으로부터의 기타 폐기물은 햄버거 체인점과 같은 패스트 푸드 영업점으로부터 사용되지 않는 유지 및 식품 가공 공장으로부터 용해된 공기 부유("DAF") 슬러지와 같은 물질을 포함한다. 농업 폐기물은 양, 돼지 및 소로부터의 동물 배설물 또는 비료 및 또한 닭의 깃털 및 농작물 찌꺼기와 같은 기타 물질을 포함할 수 있다. 도 3 내지 5에서 설명된 예시적인 구체예에서, 원료 공급물(100)은 칠면조 폐물과 같은 식품 가공 부산물이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 원료 공급물(100)은 먼저 제조 및 슬러리 제조(110) 단계에 적용하여 공급 슬러리(112)를 제조하고 스팀 및 가스(121)가 수반된다. 슬러리(112)는 열교환기(114)로 옮겨지며, 여기서 혼합물에서 뼈 및 기타 경질 구성체에 부착된 단백질 물질을 분해하기 위해 가열된다. 식품 가공 폐기물 또는 도시 하수 슬러지와 같은 공급원료에 대해, 이러한 목적을 위한 가열은 275℉ 내지 380℉, 바람직하게는 275℉ 내지 325℉, 및 더욱 바람직하게는 300℉ 내지 325℉의 온도에서 수행한다. 300℉ 내지 325℉에서의 가열은 바람직하게는 약 1 시간 동안 수행한다. 이러한 가열의 결과로 슬러리의 점도를 보다 낮추고, 생물학적으로 내용물을 비활성화시키고, 미네랄 물질(분말화된 미립자 뼈)의 혼합물 및 액체 혼합물을 생산한다. 단계(310)에서, 미네랄 및 뼈 물질(116)을 포함하는 불용성 고형물은 액체 혼합물(118)로부터 예를 들어 중력 분리 또는 액체/고체 원심분리, 또는 스크린 또는 필터에 의해 분리된다. 물과 수불용성 유기 성분의 혼합물 및 일부 미량의 미네랄을 포함하는 액체 혼합물은 냉각되고 공급물 저장 탱크(320)("FST 또는 파쇄기)로 이송된다. 내용물은 FST에서 약 275 내지 280℉로 가열되고 제 1 단계 반응기로 통과시키기에 적합한 비교적 균일한 공급물인 조절된 공급물(322)을 생산하기 위해 약 50 p.s.i.의 압력으로 수행된다. 공급물 저장 동안, 스팀 및 가스 불순물(338)은 바람직하게 배출(336)된다. 따라서, 본 발명의 한가지 잇점은 FST에서 탈기시켜 원치않는 가스 불순물이 본 발명의 전체 공정 중 초기 단계에서 제거된다는 것이다. 바람직하게, FST는, 공급물을 가압하고 이를 제 1 단계 반응기로 수송하는 고압 슬러리 펌프에 일정한 공급물을 제공한다. 한 바람직한 구체예에서, 공급물 슬러리(112)는 임의의 편리한 시간 동안 본 발명의 방법에 의해 추가로 가공될 때까지 큰 저장 탱크에 잔류시킬 수 있다.
칠면조 폐물과 같은 상당한 양의 암모니아(NH3)를 함유하는 원료 공급물에 대해, 스팀 및 가스(121) 중 어느 한 성분의 제조(110) 동안 또는 스팀 및 가스 불순물(338)과 함께 배출되는 저장(320) 동안에 유리 암모니아를 제거하는 것이 유리하다. 암모니아의 한가지 공급원은 흔히 동물 신체 부위의 응집물에 존재하는 요소의 잔류량에서 발견되는 요산의 분해이다. 암모니아를 제거하는 방법은 당업자의 지식 범위내에 있고 슬러리 제조 전에 요소의 분리, 효소적 분해의 사용 및 열 적용을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 추가로, 암모니아는 산성화에 의해 항산암모늄 또는 인산암모늄과 같은 염으로 전환될 수 있다. 바람직한 구체예에서, FST는 상이한 조건하에서 유지되는 2개의 용기를 포함한다. 이러한 제 1 용기는 저장 역할을 수행하고 제 2 용기는 단백질을 분해하고 암모니아를 방출한다.
공급물 저장소(320)로부터 출현하는 조절된 공급물 슬러리(322)를 제 1 반응(330)에 적용하고 여기서, 조절된 공급물 슬러리(322)에 함유된 물은 존재하는 많은 생중합체를 가수분해시킨다. 충분히 교반하여(혼합기 및/또는 재순환 장치에 의해 제공됨) 고형물을 현탁 상태로 유지시킨다. 제 1 반응은 전형적으로 약 5분 내지 약 60분 소요한다. 제 1 반응으로부터의 생성물은 반응된 공급물(122)이다. 전형적으로 스팀 및 가스(339)는 또한 제 1 반응으로부터 방출된다.
제 1 반응(330)에서, 질소 및 황 화합물이 부분적으로 제거되는 약간의 탈기가 일어나고, 상당한 양의 단백질을 또한 암모니아 및 잠재적으로 이산화탄소와 같은 생성물로 분해되는 탈아민화 및 탈카복실화가 일어날 수 있다. 실제로, 본 발명의 공정을 위해, 탈카복실화 반응은 바람직하지 않는데, 그 이유는 이산화탄소 이외의 생성물은 수용성이고 휘발성인 경향이 있는 아민이기 때문이다. 따라서, 일반적으로, 탈아민화 반응은 탈카복실화 반응보다 바람직하고 제 1 단계로부터 수득된 반응된 액체 생성물은 공급원료가 단백질 및 지방과 같은 물질을 함유하는 경우 전형적으로 카복실산을 함유한다. 따라서, 탈카복실화 반응은 전형적으로 탈아민화 반응 보다 높은 온도에서 일어나기 때문에 제 1 반응은 바람직하게 지방 분자가 분해되는 가능한한 최저 온도에서 수행된다. 대안적으로, 제 1 단계에서 pH는 산을 첨가하여 탈카복실화 반응이 일어나지 않도록 변환될 수 있다.
이러한 단계 및 이전의 예비 가열 단계에서 질소 및 황 화합물을 제거하면, 제 3 단계 반응기를 통해 처리되는 경우, 수득된 생물 기원 탄화수소의 목적하지 않은 성분이 될 수 있는 유기 질소 화합물, 암모니아 및 다양한 황 화합물의 형성이 억제된다.
이러한 실시예에서 제 1 반응을 수행하기 위한 전형적인 조건은 제 1 단계 반응기에서 수득될 수 있는 바와 같이 150℃ 내지 330℃, 바람직하게는 약 250℃ 및 약 50 기압의 압력 또는 약 600psi이다. 일반적으로, 제 1 단계 반응기에서의 압력은 20 내지 120 기압이다. 예비가열 및 제 1 단계 가열 총 시간은 약 120분 이하이다. 이러한 조건은 사용되는 공급물에 따라 다양할 수 있다. 본 발명의 제 1 측면에서, PVC를 함유하는 공급원료에 적용되는 바와 같이, 제 1 단계에서의 작동 온도는 충분히 높고 세척 단계가 이어져서 염소 함유 생성물은 제거된다.
일반적으로, 제 1 반응은 약 150℃ 내지 약 330℃ 범위의 온도에서 수행되어 하기의 3개의 변환중 하나 이상이 수행될 수 있도록 한다. 첫번째로, 단백질은 이들을 구성하고 있는 각각의 아미노산 잔기로 변환된다. 이것은 약 150 내지 220℃의 온도 범위에서 단백질의 골격내 각 쌍의 아미노산 잔기 사이의 펩타이드 아미드 결합을 가수분해함에 의해 성취될 수 있다. 두번째로, 지방 분자는 지방산 분자로 분해될 수 있고 이러한 공정은 200 내지 290℃의 범위에서 일어날 수 있다. 실제로, 지방은 가수분해되어 트리글리세라이드로부터 분리된 유리 지방산 및 글리세롤을 형성한다. 세번째로, 아미노산의 탈아민화 및 탈카복실화는 제 1 단계에서 일어날 수 있다. 제 3 단계 반응기로 진행되는 경우 여전히 이들 각각의 아미노산 잔기에 부착되어 있는 카복실산 그룹은 비교적 온화한 작동 조건에서 탄화수소로 전환된다. 추가로, 탈아민화되는 몇몇 아미노산이 존재할 수 있고 이러한 공정은 전형적으로 210 내지 320℃의 온도 범위에서 일어난다. 따라서, 제 1 단계 단독에서, 슬러리내 존재하는 실질적으로 모든 단백질은 비교적 낮은 제 1 단계 작동 온도에서 아미노산으로 전환될 것이다. 추가로, 아미노산의 탈아민화 정도는 제 1 단계 작동 온도의 적절한 선택에 의해 조절될 수 있다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 제 1 단계 반응기가 동작하는 실제 조건은 사용되는 공급원료에 따라 다양할 것이다. 예를 들어, 동물 폐물은 전형적으로 범위가 약 200℃ 내지 약 250℃인 제 1 반응 온도를 사용한다. 도시 하수 슬러지는 전형적으로 범위가 약 170℃ 내지 약 250℃인 제 1 반응 온도를 사용한다.
제 1 단계 반응기에서의 압력은 전형적으로 해당 작동 온도에서 물의 포화 압력에 근접하도록 선택된다. 포화 압력은 소정의 온도에서 물이 비등하지 않도록 적용되는데 필요로하는 압력이고 또한 정제된 공급물 슬러리내 기타 가스의 존재 및 양에 의존한다. 반응기내 전체 압력은 슬러리 혼합물내 증기압 보다 커서 물이 비등하지 않게 된다. 당해 압력은 범위가 45 내지 55 기압인 것이 바람직하고 40 내지 60기압 범위일 수 있고 또한 30 내지 70기압 범위일 수 있다. 전형적으로 압력은 포화 압력 이하 및 포화 압력을 초과하여 0 내지 100psi의 양에 의해 조정되어 공급물 제조, 공급물 저장 또는 제 1 단계 반응기로부터 원치않는 가스가 배출(336)될 수 있다.
본 발명의 한가지 잇점은 공급물 제조(110), 공급물 저장소(320) 및 제 1 반응 동안의 배출이 암모니아, 이산화탄소 및 황 함유 가스와 같은 가스 불순물이 제거될 수 있게 한다는 것이다. 전형적으로, 제 1 반응(330)은 다양한 생물질에서 황 함유 잔기가 분해되어 황 함유 가스를 생성한다. 황의 주요 공급원은 단백질 분자이고 이들 단백질 분자 중 다수는 시스테인 잔기 사이에 황-브릿지를 갖고 있다. 황 함유 가스는 전형적으로 황화수소(H2S) 및 메틸 머캅탄과 같은 머캅탄(알킬-황 화합물)이다. 추가로, 황화칼슘(CaS)과 같은 몇몇 염이 생성될 수 있고 이들은 일반적으로 후반 단계동안에 분리된다.
제 1 반응 후, 전형적으로 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 하나 이상의 반응된 고형 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물(122)을 낮은 압력으로 플래싱(flashing)(340) 하고 초과분의 열이 제 1 반응전의 가열 단계로 되돌아 가도록 한다. 전형적으로, 플래싱은 바람직하게 2 내지 3단계로 다중 압력 감소를 통해 성취된다. 플래싱의 효과는 반응된 공급물과 결합된 잔류하는 스팀 및 가스(132)를 배출시키는 것이다. 감압을 통한 탈수는 물이 열 없이 제거되기 때문에 효율적이다. 과량의 열의 효과적인 사용은 열 회수로서 공지되어 있고 이는 본 발명의 공정의 또 다른 진보를 나타낸다. 제 1 반응이 기타 가스(339)와 함께 스팀으로서 배출될 수 있는 물을 사용한다는 사실은 그 자체가 효율적으로 에너지를 회수할 수 있다는 것이다. 물 및 스팀은 열 교환에 효과적이고 하나 이상의 응축기를 사용하여 제 1 반응전에 가열 단계로 재유도될 수 있다. 응축기는 매우 컴팩트하고 효율을 증진시킨다. 따라서, 반응된 공급물(122)로부터 배출된 스팀 및 가스(132)는 또한 바람직하게 유입 공급물의 가열을 보조하고 제 1 반응의 온도를 유지하는 것을 보조하여 본 발명의 공정의 에너지 손실을 감소시키는데 사용된다. 스팀 및 가스(339)는 또한 공급물 저장소(320) 전 또는 후에 위치한 하나 이상의 열 교환기에 전달될 수 있다. 스팀은 또한 몇몇 경우에 직접적으로 유입 공급물(100)로 재주입될 수 있다. 바람직하게, 제 1 반응(330)으로부터 스팀 및 가스(339)는 열 교환기(114)로 전달되기 전 스팀 및 가스(132)와 합쳐진다.
열 교환기(114)에서, 스팀 및 가스는 서로 분리된다. 대부분의 스팀은 응축하여 응축물(151)이 된다. 바람직하게, 이러한 응축물은 추가로 하기에 기술되는 바와 같이 본 발명의 방법의 후반 단계로부터 비롯되는 "생성된 물"과 합쳐지도록 재유도된다. 잔류하는 소량의 스팀은 가스와 함께 배출(116)된다. 바람직하게 이들 배출된 가스는 본 발명의 공정 후반 단계에 의해 생성되는 기타 가스와 합쳐져서 연료 가스를 제공한다.
반응된 공급물이 플래싱(340)되고 열이 회수된 후, 중간 공급물(400)은 전형적으로 하나 이상의 반응된 액체 생성물, 하나 이상의 반응된 고형 생성물 및 물을 포함한다. 하나 이상의 반응된 액체 생성물은 전형적으로 유기액 (organic liquor)의 성분이고 하나 이상의 반응된 고형 생성물은 전형적으로 무기물을 포함한다. 중간 공급물은 바람직하게 가스 생성물이 실질적으로 없다.
도 4는 중간 공급물에 적용되는 분리 순서를 보여준다. 제 1 반응으로부터 비롯된 중간 공급물을 하나 이상의 분리단계에 적용하여 제 3 단계 반응에서의 가공 전에 무기물 및 물을 제거하는 것은 본 발명의 또 다른 잇점이다. 분리단계는 원심분리기, 하이드로사이클론, 증류 칼럼, 여과 장치 및 스크린과 같은 분리 장치를 사용하고 또한 증류를 사용하여 중간 공급물(400)로부터 매우 미세한 탄소 고형물을 제거할 수 있다. 일반적으로, 추가의 감압은 보다 많은 스팀을 회수하게 하고 고체/액체 분리를 촉진시켜 무기물 및 기타 고형물을 회수한다.
전형적으로 유기액, 물 및 무기물을 포함하는 중간 공급물(400)은 바람직하게 대부분의 무기물(412)을 제거하고 회분이 적은 유기액 및 물의 혼합물(414)을 생성하는 제 1 반응(410)에 적용한다. 이러한 분리는 고형물/액체 분리를 특징으로 하고 제 1 원심분리기 또는 예를 들어, 기계적 또는 비기계적 방법(예를 들어, 중력 침강)과 같은 고형물/액체 분리 장치를 통해 성취될 수 있다. 분리되는 무기물(412)은 전형적으로 습윤되어 있고 따라서 건조 무기물 저장소(430)에 전달시키기 전에 건조 단계(420)에 적용한다. 건조 단계는 전형적으로 정상적인 대기압 조건하에서 수행한다. 수득한 건조 무기물은 토양 개선제 또는 기타 산업용 전구체로서 상당한 상업적 응용 가치를 지닌다.
유기액/물 혼합물(414)을 제 2 분리(440)에 적용하여 물을 제거하고 유기액(500)을 잔류시킨다. 이러한 제 2 분리는 제 2 액체/액체 원심분리기(또는 기타 분리 장치)를 사용하여 성취될 수 있다. 중력의 차이는 생성된 물과 유기액의 원심분리를 가능하게 한다. 제거되는 생성된 물(138)은 상당한 양의 용해된 작은 유기 분자, 예를 들어 글리세롤 및 단백질 분해로부터 유래하는 약간의 수용성 아미노산을 함유한다. 생성된 물은 또한 전형적으로 염화물 불순물을 포함한다. 제 3 단계 반응 전의 이러한 불순물의 제거는 이로써 후반 생성물이 오염되지 않기때문에 본 발명의 추가의 잇점이다.
생성된 물(138)은, 예를 들어 증발에 의해, 농축(139)되어 본 발명의 공정내에서 재순환될 수 있는 물 응축물(151) 및 농축물 저장소(460)로 전송되는 농축물(153)을 생성한다. 전형적으로 약간의 진공을 걸어 증발시킨다. 주로 아미노산, 글리세롤 및 잠재적으로 황산암모늄 또는 인산암모늄과 같은 암모늄 염을 포함하는 농축물은 전형적으로 예를 들어, 가정용 정원 가게에서 시판되는 "어류 용해물"로서 공지된 비료로서 상업적 가치를 지닌다.
본 발명은 2단계를 포함하는 분리 단계로 제한되지 않는 것으로 이해되어야만 한다. 본 발명은 임의의 분리 단계가 수행되는 순서로 제한되지 않는다. 따라서, 중간 공급물(400)의 유기액, 무기물 및 물과 같은 생성물로의 분리가 1단계 또는 2단계 이상으로 수행될 수 있는 본 발명과 일치한다. 추가로, 무기물은 몇몇 경우에 설계에 의해 유기 공급물에 잔류할 수 있고 따라서 이의 분리는 제 3 단계 처리 전에 수행할 필요는 없다.
도 5는 본 발명의 공정 단계를 보여주고 여기서, 도 4의 분리 단계로부터 비롯된 유기액(500)은 제 3 단계(140)에 적용되어 하나 이상의 유용한 생성물을 생성한다. 유기액(500)은 통상적으로 이것이 추가로 가공되기 전에 보유 용기내로 이동한다.
유기액(500)의 일부 또는 전부는 임의로 제 3 단계(140)에 앞서 처리되기 위해 유도되어 하나 이상의 특정 화학물질(143)을 수득할 수 있다. 이러한 임의의 공정에 따라, 몇몇 목적하는 유기액(500)의 일부는 전형적으로 분별 증류(510)와 같은 분리 고정에 적용되거나 알코올과 같은 화합물과 반응하여 또 다른 화합물을 형성하며 이것은 당업자에게 이해될 것이다. 이러한 분리 공정은 특정 화학물질(143)을 생성시키고 흔히 트리글리세라이드 오일과 같은 고분자량의 유기 분자를 포함하는 "무거운 액체"로서 언급되는 분별된 액체(145)를 잔류시킨다. 분별된 액체(145)는 유기액(500)과 유사한 방식으로 가공하기 위해 제 3 단계(140)로 다시 유도될 수 있다.
특정 화학물질(143)은 전형적으로 지방산, 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 또는 아미노산 부류와 같은 유기 화합물이다. 바람직하게, 특정 화학물질(143)은 지방산이다. 더욱 바람직하게는, 특정 화학물질(143)은 C12-20 범위의 지방산이다. 더욱 더 바람직하게는, 특정 화학물질(143)은 C16-20 범위의 지방산이다. 특정 화학물질(143)이 지방산 아미드 및 지방산 에스테르인 경우, 이들은 전형적으로 지방산과의 반응에 의해 형성된다. 칠면조 폐물과 같은 공급원료로부터 생성된 특정 화학물질(143)은 윤활제 및 코팅 및 페인트로서 적용될 수 있다.
제 3 단계(140)에서, 유기액(500)의 물 함량은 거의 없어 제 3 단계의 조건은 잔류 유기 분자가 과량 또는 첨가된 물 또는 스팀에 의한 가수분해 보다는 고온을 적용시켜 주로 분해되도록 되어 있다. 제 3 단계를 수행하기 위한 전형적인 조건은 제 3 단계 반응기에서 수득될 수 있는 바와 같이 약 400℃이다. 제 3 단계는 약 5분 내지 약 120분 소요한다. 실질적으로, 다양한 상의 액체는 제 3 반응기에서 다양한 양의 시간을 소비한다. 예를 들어, 증기는 비교적 신속하게 통과하고 액체는 보다 오래 잔류한다. 제 3 단계로부터의 산출물은 별도로 이산화탄소, CO 및 질소 및 황 함유 화합물과 같은 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148) 및 탄소 고형물(142)을 포함한다. 탄소 고형물(142)은 바람직하게 고품질의 코크와 유사하다. 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148)은 전형적으로 오일 증기를 함유한다. 제 3 단계의 조건은 바람직하게 탄소 고형물(142), 및 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148)의 순도를 최적화하도록 선택된다. 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148)과 같은 고온 증기의 신속한 켄칭은 제 3 단계 후 반응을 정지시키고 탄소 목탄의 형성을 최소화한다. 바람직한 구체예에서, 증기의 신속한 켄칭은 증기를 물로 가득찬 드럼으로 진입시키거나 열 유체 및 냉각 매체를 사용하는 다수의 켄칭 단계에 의해 성취될 수 있다. 이러한 다수의 켄칭 단계를 사용하는 경우, 오일 기원의 다수의 컷(cut)(디젤, 가솔린등)을 취하여 다양한 분획물이 별도로 상업적으로 적용될 수 있도록 하는 것이 유리하다. 또한, 또 다른 구체예에서, 오일 증기는 유입 유기액의 존재하에 켄칭됨으로써 에너지 회수를 촉진시킨다.
일반적으로, 제 3 단계는 범위가 약 310℃ 내지 약 510℃인 온도에서 수행하여 하기의 2개의 변환중 적어도 하나가 수행될 수 있다. 첫번째로, 지방산은 탄화수소로 분해한다. 이것은 범위가 약 316 내지 400℃인 온도에서 각각의 지방산 분자로부터 카복실 그룹을 제거하여 성취될 수 있다. 두번째로는, 탄화수소 분자 자체는 저분자량의 분자의 분포를 형성하도록 "크래킹(cracking)"되고 이러한 공정은 450 내지 510℃의 범위에서 수행될 수 있다. 그러나, 전형적으로, 탄화수소 크래킹은 480℃ 이상의 온도에서 일어난다. 바람직하게, 제 3 단계는 제 1 단계에서보다는 보다 고온에서 수행한다. 제 3 단계에 적용될 수 있는 본원에 기재된 온도는 본 발명의 원리로부터 상당히 벗어나지 않는 범위에서 다양할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 제 3 단계는 약 400 내지 600℃의 온도 범위에서뿐만 아니라 약 300 내지 525℃의 온도 범위에서 효과적으로 수행될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 제 3 단계 반응기의 온도는 약 400℃ 내지 약 510℃이다.
추가로, 적어도 하나의 양태에서, 제3 단계 반응기는 약 15psig 내지 약 70psig, 즉 대기압 초과의 약 15psi으로부터 대기압 초과의 약 70psi의 압력으로 약하게 가압된다. 바람직하게, 제3 단계 반응기의 압력은 제1 단계 반응기의 압력보다 낮다.
제3 단계로부터 생성된 탄소 고형물(142)는 전형적으로 먼저 탄소 고형물 냉각기(630)에 전달되고 여기서 탄소는 이의 잔류열을 상실한다. 냉각 후, 탄소 고형물(142)은 탄소 저장소(540)로 전달되고 다수의 유용한 응용을 위해 시판될 수 있다. 예를 들어, 탄소는 토양의 많은 세균이 탄소원을 필요로 하기 때문에 가정 원예에 사용하기 위한 "토양 개선제"로서 시판될 수 있다. 특히, 생성된 탄소는 많은 형태의 "활성탄"과 유사한 품질을 갖고 따라서 자동차에서 증기 방출의 흡수재로서 사용되거나 가정의 물 필터로서 사용될 수 있다. 추가로, 탄소는 이의 순도때문에 석탄과 유사한 고형물 연료로서 사용될 수 있고 석탄 제품에서 전형적으로 발견되는 오염물의 연소로부터 비롯되는 유해 가스가 방출된다는 단점이 없다. 많은 환경 독소는 본 발명의 공정으로부터 생성된 탄소 고형물과 같은 탄소 첨가제를 사용하여 토양 매트릭스에서 중화될 수 있다.
탄소 고형물(142) 대신 또는 이에 추가로, 본 발명의 방법에 의해 생성된 유용한 생성물은 청정 석탄일 수 있다. 청정 석탄은 원료 공급물이 원료 석탄인 경우 생성된다. 본 발명의 방법에 의해 생성된 석탄 미분은 유리하게도 전형적으로 시판되는 원료 석탄 보다 황 및 염소 함유 오염물이 없는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 방법에 의해 생성된 이러한 석탄의 특성은 특히 청정 연소 연료의 공급원으로서 관심을 끈다.
제3 단계 반응기에 의해 생성된 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148)은 전형적으로 혼합물을 연료 가스(146) 및 탄화수소 오일(144)로 분리하는 냉각기/응축기(850)로 유도된다. 연료 가스(146)는 발열량을 갖고 그 자체로서 다양한 단계에서 가열을 위한 에너지를 제공할 목적으로 본 발명의 공정내에서 내부적으로 재분배될 수 있거나 외부 또는 내부용의 전기 또는 기타 형태의 에너지를 생성하는데 사용될 수 있다. 오일(144)은 전형적으로 탄소쇄가 탄소원자수 20이하인 탄화수소를 포함한다. 이러한 관점에서 혼합물은 #2 등급 디젤 오일과 같은 연료 오일의 보다 가벼운 성분과 유사하다. 이러한 생성물은 또한 시판되고 있다. 그러나, 오일(144)의 정확한 조성은 공급원료에 의존하는 것으로 이해되어야만 한다. 따라서, 공급원료가 타이어로 이루어진 경우 수득된 오일의 조성은 공급원료가 칠면조 폐물인 경우의 조성과는 상이하다. 지방 함량이 높은 공급원료로부터 비롯되는 오일은 올레핀 및 디-올레핀이 풍부한 것으로 밝혀졌다. 목적하지 않는 경우, 이러한 올레핀은 재포화 또는 분리 방법에 의해 오일로부터 제거될 수 있다.
원료 공급물이 도시 하수 슬러지인 경우, 무기물로부터 유기물의 분리를 촉진시키는 것이 바람직하다. 따라서, 바람직한 양태에서, 탄화수소 오일(144)(이 경우에 생물 유래 탄화수소)의 일부는 원료 공급물 또는 제1 반응의 생성물에 재유도되어 물질의 부유를 보조한다. 기타 양태에서, 예를 들어, 패스트 푸드 판매점에서 수득되는 바와 같은 트랩 유지와 같은 물질이 사용될 수 있다. 물질을 부유시키는 배경 원리는 물 보다 가벼운 물질을 원료 공급물 또는 제1 반응의 생성물에 도입하여 물보다 무거운 유기 물질이 부유하는 것을 도와주어 무기물로부터 유기물의 분리를 촉진시키는 것이다. 결과는 본래 보다 원심분리하기가 용이해진 슬러지이다.
본 발명의 공정의 추가의 잇점은 모든 생성물에는 DNA 및 병원체가 없다는 것이다. 즉, 이들에는 동물 세포, 세균, 바이러스 또는 프리온으로부터 유래된 병인학적 물질이 없다. 당해 물질은 본 발명의 공정에서 온전하게 살아남지 못한다. 이것은, 이러한 분자가 먹이 연쇄에 재진입할 위험이 있는 농업 분야에서 본 발명의 공정의 임의의 생성물을 사용하는데 있어서 위험성이 없기 때문에 중요한 결과이다.
유기액와 같은 분리 단계로부터 반응된 액체 생성물을 탄화수소 및 탄소 고형물의 혼합물로 전환시키는 장치는 본 발명의 공정과 함께 사용하기 위해 적합한 제3 단계 반응기이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 양태에 따른 제3 단계 반응기(600)는 유기액을 가열하여 액체 및 증발된 오일의 혼합물을 생성시키기 위한 가열기(610); 액체 및 증발된 오일의 혼합물을 탄소 고형물(142) 및 탄화수소 증기 및 가스의 혼합물(148)로 전환시키기 위한 반응기(620); 탄소 고형물(142)을 수용하기 위한 제1 냉각기(630) 및 탄화수소 증기 및 가스를 수용하기 위한 제2 냉각기(640)를 포함한다. 제3 단계 반응기(600)는 탄화수소 증기 및 가스(148)를 탄소 고형물(142)로부터 분리하기 위한 반응기(620)와 연통되는 유체-고형물 분리기(624)를 추가로 포함할 수 있다.
열 교환을 위한 표면적을 크게 하는 다수의 내부 튜브를 포함하는 가열기(610)가 바람직하게는 효율적이고 콤팩트하다. 가열기(610)는 전형적으로 "연소식(fired) 가열기"이다. 가열기(610)는 전형적으로 유기액 및 스팀(602)을 수용하기 위한 입구 및 가열된 유기액/스팀 혼합물을 반응기(620)에 유도시키기 위한 출구를 갖는다. 약 2 내지 5 중량%의 스팀(602)은 이것이 가열기(610)로 진입하는 경우에 유기액을 수반한다. 이러한 스팀 양은 균일하게 가열되는 것을 도와주고 잔류물이 가열기 내부에 축적되는 것을 방지한다. 바람직한 양태에서, 하나 이상의 예비 가열기를 사용하여 스팀과 혼합되기 전 및/또는 가열기(610)로 전달되기 전에 유기액(500)을 가열시킨다. 제3 단계를 위한 압력은 저장(500) 후에 펌프 시스템에 의해 제공된다.
반응기(620)는 바람직하게, 하나 이상의 가열된 오거를 포함하고 각각 가열기(610)로부터 액체 및 증발된 오일의 가열된 혼합물을 수용하고 탄소 고형물 및 탄화수소 및 가스의 혼합물을 유체-고형물 분리기로 유도시키도록 구성된 입구 및 출구를 갖는다. 스팀과 함께 액체 및 증발된 오일의 가열된 혼합물이 반응기(620)로 전달되고 여기서, 이것은 탄소 고형물, 및 바람직하게 오일 및 연료 가스를 함유하는 탄화수소 가스의 혼합물로 분리된다. 전형적으로, 생성된 탄소 고형물은 액체 및 증발된 오일의 혼합물의 약 10중량%에 달한다. 기타 양태에서, 원료 공급물의 성분에 따라 생성되는 탄소 고형물은 액체 및 증발된 오일의 혼합물을 기준으로 약 5중량% 내지 약 20중량%이다. 본 발명의 몇몇 양태에서, 반응기(620)에서 과량의 탄소 고형물의 축적을 회피하기 위해 가공되는 공급원료의 양을 조정한다.
오거는 유입되는 유기액의 잔류 시간 및 온도를 조절하고 탄소 고형물과 휘발성 생성물을 효율적으로 분리할 수 있기 때문에 탄소 고형물 및 탄화수소의 혼합물을 생산하는데 적합하다. 바람직하게, 오거의 크기는 수득한 탄화수소 혼합물 및 탄소 고형물의 순도가 최적화되도록 선택된다. 예를 들어, 오거의 단면 직경은 주로 이를 통한 증기 흐름 속도를 결정한다. 바람직하게 흐름 속도는 분진이 증기를 통해 운반되어 불순한 탄화수소 혼합물이 생성될 정도로 높지 않다. 또한, 반응할때 유기액, 증기(vapor) 및 스팀(steam)의 가열된 혼합물의 체류 시간은 오거의 크기를 결정한다.
바람직하게, 제3 단계 반응기(600)는 반응기(620)의 출구와 연통되는 유체-고형물 분리기를 포함한다. 유체-고형물 분리기는 바람직하게 탄화수소 및 가스를 위한 제1 출구 및 탄소 고형물을 위한 제2 출구를 갖는다. 탄화수소 및 가스의 혼합물로부터의 몇몇 연료 가스는 바람직하게 가열기(610)로 재유도되고 연소되어 가열기내 온도를 유지하는 것을 보조하며, 이로써 본 발명의 공정의 전체 효율을 증진시킨다.
약 500℃의 높은 온도의 탄소 고형물은 흔히, 바람직하게는 공기 잠금 장치를 통해 반응기와 연통되는 냉각 오거 또는 임의로 유체-고형물 분리기인 탄소 고형물 냉각기(630)인 제1 냉각기에 유도된다. 본 발명의 몇몇 양태에서, 하나 이상의 냉각 오거(630)가 사용될 수 있다. 물(632)을 탄소 고형물 냉각기(630)로 도입하여 냉각 공정을 도와주는 것이 바람직하다. 탄소 고형물은 임의로 전달 오거 또는 몇몇 기타 컨베이어 장치(예를 들어, 버킷 승강기(654))를 통해 최종 생성물 저장 시스템(650)으로 전달되거나 탄소 고형물을 활성화시키기 위해 또 다른 가열기/반응기로 전달된다.
탄화수소 증기 및 가스의 혼합물을 수용하기 위한 제2 냉각기(640)는 바람직하게 임의의 잔류 탄소 고형물을 분리하여 이들을 반응기(620)로 복귀시키기 위한 탄소 미립자 분리기를 포함한다.
본 발명의 공정의 변형법을 사용하여 스팀을 지하 타르-모래 퇴적물에 주입하여 표면에서 퇴적물을 경유로 정제함으로써 접근하기가 어려운 이러한 풍부한 자원을 훨씬 더 유용하게 할 수 있다. 또한 실험은 본 발명의 공정이 석탄으로부터 황, 수은, 나프타 및 올레핀(이 모두는 시판 제품임)을 추출함으로써 석탄이 보다 고온으로 및 청정하게 연소되게 할 수 있음을 나타낸다. 또한 본 발명의 공정을 통한 전처리는 몇몇 석탄의 취성을 증가시켜 발전소에서 연소 전에 이들을 분쇄하는데 필요한 에너지를 감소시킨다.
특정 공급원료에 대해, 본 발명의 공정은 공급물 제조 단계의 일부로서 유체로부터 미세 현탁된 고형물을 분리하기 위한 장치를 사용한다. 예를 들어, 도시 하수 슬러지는 통상적으로 300 ppm의 고형물을 함유하므로 지나치게 묽어서 농축을 하기 전에는 본 발명의 방법에 의해 효과적으로 처리될 수 없다. 따라서, 입자를 여과해 냄에 의해 묽은 슬러리로부터 물을 제거하는 MSS와 같은 분리기를 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 이후, 보다 농축된 슬러리 (10,000 ppm 내지 500,000 ppm 범위의 미립자 농도를 지님) 중의 약간의 물에 의해 동반된 입자를 추가로 포획하고 나머지 물을 배출시킨다. 이후, 농축된 슬러리가 본 발명의 공정에 사용되는 공급원료가 된다.
또한, 많은 기타 산업 및 상업적 응용은 액체로부터 현탁된 고형물이 분리될 것을 요구한다. 도 7은 이러한 분리를 위해 유용한 본 발명의 바람직한 양태에 따른 분리 장치(700)를 도해한다. 고형 현탁물의 분리를 요구하는 응용의 또 다른 예는 전혈로부터 적혈구 및 백혈구의 분리이다. 현탁된 고형 미립자의 크기가 큰 경우 또는 이의 밀도가 유체의 밀도와 상당히 상이한 경우, 이들을 분리할 수 있는 많은 상이한 유형의 장치가 있다. 예를 들어, 현탁된 고형물 미립자 보다 작은 개구를 지닌 많은 상이한 구성의 필터는 응력하에 상당히 변형되지 않는 고형 물질에 대해 사용될 수 있다. 고형물 미립자와 유체 사이의 밀도가 상당히 큰 경우에는 정화기, 침강 챔버 및 단순한 사이클론이 효과적으로 사용될 수 있다. 크기 또는 밀도 차이가 작은 경우, 원심력을 이용하는 능동 장치가 효과적일 수 있다. 그러나, 모든 이들 분리 장치의 효율은 현탁 유체의 밀도와 단지 약간 상이한 밀도를 갖는 변형가능한 물질과 관련된 매우 작은 미립자 크기에 대해서는 급격하게 감소한다.
본 발명의 바람직한 공정에 있어서, 현탁된 고형물이 작고 변형될 수 있고 매우 작은 밀도 차이를 갖는 경우에 해당하는 응용 대상은 도시 하수 슬러지(MSS)이다. MSS내 현탁된 물질은 주로 세균 기원의 세포 물질 및 세포 파편으로 이루어지고 전형적으로 약 1㎛의 치수를 갖는다. 이러한 물질은 변형가능하고 현탁 물 매체의 밀도의 10% 이내의 유효 밀도를 갖는다. 이러한 고형 물질을 물로부터 분리하는 것은 본 발명의 방법을 위한 공급원료로서 MSS를 제조하는데 있어서 바람직한 단계이다. 이러한 분리는 원심분리기를 사용하여 성취될 수 있지만 바람직한 양태에서 분리 장치(700)가 사용된다.
본 발명의 바람직한 양태에 따라, 본 발명의 방법에 의한 추가의 가공 전에 MSS와 같은 원료 공급물의 고형물 및 액체 성분들을 분리하기 위해 도 7에 기재된 바와 같은 분리 장치(700)를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 장치는 또한 고형물 미립자가 변형가능하거나 유효 밀도가 액체상 밀도의 약 10% 이내에 있는 기타 산업 또는 상업 폐수 슬러지에 적용될 수 있다.
장치(700)는 바람직하게, 프루스토-원뿔형을 갖는 내부 챔버(706)에 탑재된 스피닝 어셈블리(704)를 함유하는 하우징(702)을 포함한다. 내부 챔버(706)의 형태는 전형적으로 테이퍼(taper) 각을 갖는 프루스토 원뿔 부분을 포함하고 절두체의 기부(base) 및/또는 상부에 스피닝 어셈블리(704)의 또 다른 부분을 수용하는 추가의 부분을 포함한다. 하우징(702)은 바람직하게 스피너 케이스 기저부(714) 및 스피너 케이스 상부(716)를 포함하고 이들은 서로 연결되어 있고 스피닝 어셈블리(704)를 둘러싸고 있다. 분리 장치(700)는 추가로 입구(710) 및 내부 챔버와 연통하는 제 1 출구(730) 및 제2 출구(750)를 포함한다. 입구(710)는 현탁된 고형물을 함유하는 유체를, 내부 챔버의 정체 내부 벽(720)과 스피닝 어셈블리 사이에 있는 환형 공간(712)으로 도입시킬 수 있다.
스피닝 어셈블리는 속빈 내부를 갖는 프루스토 원뿔형 실린더를 포함하고 이것은 바람직하게 그 자체로 스피너 상부(718)에 연결되어 있는 테이퍼 실린더 벽(724)에 연결된 스피너 기저부(722)로부터 제조된다. 스피닝 어셈블리는 전형적으로 약 1,000rpm 내지 약 50,000 rpm 범위의 속도로 회전하는 속빈 스핀들(726)의 세로축(736)상에 동심원적으로 탑재되어 있다. MSS의 분리를 위한 바람직한 양태에서, 회전 속도는 약 10,000rpm이다. 바람직하게, 회전 속도는 와동을 최소화하도록 선택된다. 스피닝 어셈블리는 유효 단면적이, 폭이 협소해짐에 따라 감소하도록 테이퍼링되어 있다, 전형적으로, 테이퍼 각도는 약 1°내지 약 10°이다. 바람직한 양태에서, 테이퍼 각은 약 2°내지 2.5°이고 심지어 보다 바람직하게는 약 2.25°이다. 스피닝 어셈블리의 속빈 내부는 제2 출구(750)와 연통된다.
바람직하게, 분리 장치(700)의 입구(710)와 내부사이에는 압력 차이가 있다. 전형적으로, 이러한 압력 차이는 약 3 내지 150p.s.i.이고 2개의 펌프(도 7에 나타내지 않음)에 의해 조절된다.
상이한 크기의 분리기에 대한 유속은 회전하는 실린더의 표면적에 비례한다. 바람직하게, 입구 및 환형 갭은 분당 약 1 내지 약 200갤론의 유속을 제공하도록 구성되어 있다. 보다 바람직하게, 유속은 분당 약 1 내지 약 20갤론이다. MSS 취급에 있어서 더욱 더 바람직하게, 유속은 분당 약 10갤론이다.
스피닝 어셈블리의 벽(724)은 천공되어 있다. 벽(724)의 공극 크기는 전형적으로 약 1 내지 약 200㎛이다. 바람직하게, 공극 크기는 약 50㎛이다. 벽(724)은 바람직하게 HDPE와 같은 플라스틱 물질 또는 흡습성이 아닌 임의의 기타 물질로 되어 있어 작동 동안에 공극이 폐쇄되는 것을 막는다.
유체 및 현탁물은 일반적으로 축 방향으로 환형 통로(712)를 따라 유동하는 반면 유체의 일부는 천공된 회전 벽(724)을 통해 실린더의 속빈 내부(728)로 유동한다. 속빈 내부(728)는 스핀들 입구(732)를 통해 속빈 스핀들(726)과 연통된다. 대부분의 현탁 미립자는 회전 실린더의 표면에서 전단력과 원심력으로 인해 천공된 실린더를 통해 유체와 함께 이동하지 못한다. 실린더의 회전 속도는 효과적으로 현탁된 미립자상에 전단력과 원심력이 설정되도록 하여 천공된 실린더를 통해 유체를 따라 이동될 수 없는 미립자의 최소 크기를 조절하는데 사용될 수 있다. 이어서 실린더(728) 내부로 이동하는 물 및 미립자는 스핀들 입구(732)를 통해 속빈 스핀들(726)의 중앙으로 유동하고 제2 출구(750)를 통해 배출되기 전에 스핀들 출구(734)쪽으로 유동한다.
환형 통로(712)내의 물질은 회전 실린더의 운동에 응답하여 빽빽한 나선형 유로를 따라 이동한다. 바람직하게, 환형 통로(712)의 두께는 이의 길이를 따라 일정하다. 몇몇 응용을 위해, 이러한 환형 공간은 상부에서 하부에 걸쳐 다양할 수 있다. 환형 공간의 변형은 천공된 스피너 표면 근처에서의 유동 조건을 부여할 수 있다. 현재 농축된 유체 스트림을 방출시키는 제1 출구(730)는 입구와는 떨어져 있는 환형 통로의 말단에 제공된다.
도 7의 장치의 작동은 바람직하게 배향과는 무관하다. 바람직한 양태에서, 테이퍼링된 실린더의 축은 기저부에서 제1 출구(730)와 수직으로 배향되어 있다.
당업계에 공지된 기타 분리 장치에 대한 도 7의 장치의 잇점은 특히, 크기 범위가 1㎛ 미만인 크기 범위의 변형가능한 현탁된 고형물을 갖는 것들 또는 밀도가 현탁 유체의 10%이내에 있는 것들을 포함하는 광범위한 미립자 특징을 갖는 슬러지를 가공할 수 있다는 것이다. 바람직한 양태에서, 벽 (724)의 환형 갭 및 공극 크기는 도시 하수 슬러지의 현탁액을 분리하도록 구성되어 있다. 본 발명의 몇몇 양태에서, 많은 이러한 분리기가 병렬적으로 사용되어 원료 공급물의 분리를 높은 처리량으로 수행한다.
다양한 부품들이 서로에 대해 대략적 비율로 되어 있지만 도 7에 도시된 분리기(700)는 정확한 규모로 작성된 것이 아니다. 따라서, 분리기(700)는 기계 공학 및 설계 분야의 당업자에게 친숙한 통상적인 원리에 따라 제조될 수 있다.
바람직한 양태에서, 스피너 기저부(722)의 외부 직경은 약 2"이고 스피너 상부(718)의 외부 직경은 약 2.2"이다. 스피너 케이스 기저부(714)의 바람직한 길이는 약 7" 내지 약 8"이다. 스피너 벽(724)의 바람직한 길이는 약 4" 내지 약 6"이고 이의 바람직한 두께는 바람직하게 이의 길이를 따라 일정하고 약 1.5"이다. 이러한 스피너와 연계하여 출구(730)의 바람직한 직경은 약 0.8"이고 스피너 케이스 기저부의 외부 직경은 바람직하게 약 3"이다. 이어서 스피너 케이스 상부의 외부 직경은 바람직하게 약 4"이다. 스핀들(726)은 속이 비어있고 바람직하게 내부 직경이 약 0.25"이다. 스핀들(726)의 외부 직경은 이의 길이를 따라 다양하고 약 0.5" 내지 0.75"일 수 있다. 스핀들 입구(732)와 스핀들 출구(734) 사이의 거리는 당해 양태에서 약 6"일 수 있다. 환형 통로(712)의 두께는 바람직하게 약 0.05 내지 약 0.50인치이다.
본원에 제공된 바람직한 치수는 단지 설명을 위한 것이고 설계 선택 및 목적하는 처리량에 따라 기계 공학 당업자는 분리기(700)의 다양한 부품들의 크기를 확대하거나 축소시켜 작동 효율을 성취할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 공정을 수행하기 위한 전체 장치는 바람직하게 밸브, 펌프 및 온도에 대한 단순한 조절기를 포함하는 컴퓨터화된 조절 시스템을 수반한다. 당해 시스템의 개발은 컴퓨터 공정 제어 공학의 당업자의 능력 범위내에 있다.
본 발명의 장치는 필요에 따라 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 하루에 수천톤의 폐기물을 취급하는 장치가 고려될 수 있는 반면 평상형 트럭 뒤에 운반하고 하루에 단지 1톤의 폐기물을 취급할 수 있는 휴대용 장치가 제조될 수 있다.
실시예 1: 파일럿(pilot) 장치
파일럿 장치는 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 제조되었다. 파일럿 장치는 대략적으로 하루에 7톤의 폐기물을 처리할 수 있다.
하나의 예시적인 파일럿 장치의 적용에 따라, 실험 공급원료는 칠면조 가공 공장의 폐기물, 즉, 깃털, 뼈, 표피, 혈액, 지방 및 내장이다. 당해 10,044 파운드의 양을 장치의 제1 단계(물질을 회갈색 슬러리로 변환시키는 350 마력 분쇄기)에 넣는다. 여기에서 부터 재료는 혼합물을 가열시키고 재형성하는 일련의 팅크 및 파이프로 이동한다.
2시간 후, 스팀 미세 오일의 담갈색 스트림이 생성되었다. 당해 공정에 의해 생성된 오일은 매우 경량이다. 가장 긴 탄소쇄는 C20 이다. 생성된 오일은 연료 오일과 가솔린이 반반 혼합된 혼합물과 유사하다.
본 발명의 공정은 칠면조 폐물과 같은 복합 공급원료에 대해 85%의 에너지 효율을 나타내었다. 이것은 장치로 유입되는 공급원료에서 100B.t.u(영국 열 단위)에 대해서 단지 15B.t.u만이 가공을 수행하기 위해 사용됨을 의미한다. 탄소 풍부 또는 수분이 적은 플라스틱과 같은 원료 물질과 같은 비교적 건조된 물질에 대해서 효율이 보다 우수하다.
제1 단계 반응기는 높이가 약 20피트이고, 너비가 3피트이고 전기 가열 코일로 감싸져 있는 충분히 절연된 탱크를 포함한다. 제1 단계 반응기에서, 공급원료는 열 및 압력에 의해 가수분해된다. 온도 및 압력 모두는 물이 열을 공급원료로 전달하는데 일조하기때문에 생산을 위해 매우 극단적이거나 에너지 집약적이지 않다. 보통 공정이 파일럿 장치에서 수행되는 시간은 약 15분에 불과하다.
유기 물질이 반응 용기에서 가열되고 부분적으로 탈중합된 후, 제2 단계를 개시한다. 당해 단계에서, 슬러리는 보다 낮은 압력으로 강하된다. 신속한 감압 은 슬러리의 자유수 약 절반을 방출시킨다. 감압을 통한 탈수는 물을 가열하고 비등시키는 것보다 훨씬 효율적인데 이것은 특히 열이 낭비되지 않기 때문이다. "플래시-오프(flashed-off)되는" 물은 파이프로 이송되고 이러한 파이프는 다시 공정의 개시부로 이어져 유입 공정 스트림을 가열한다.
이러한 2 단계에서, 무기물은 침강하고 저장 탱크로 보내진다. 칠면조 폐기물에서, 이들 무기물은 대부분 뼈에서 유래하는 것이다. 무기물은 칼슘 및 인이 풍부한 건조된 갈색 분말로서 나타난다. 이것은 미세-영양물이 잘 균형을 이루고 있기 때문에 비료로서 사용될 수 있다. 특히, 이것은 유용한 범위의 미세- 및 거대 영양물을 갖는다. 무기물은 왕성한 식물 성장 및 발육을 위해 요구되는 칼슘 및 인과 같은 원소를 적당한 양으로 함유한다.
파일럿 장치에서, 잔류 농축된 유기물은 제3 단계 반응기로 유동하고 상기된 바와 같은 제3 단계 공정에 적용된다. 가공으로부터 비롯되는 가스는 본 발명의 공정을 가열하기 위한 장치내 특정 부위에서 사용되었다. 오일 및 탄소는 유용한 고가치의 생성물로서 저장소로 유동한다.
공급원료 및 제1 및 제3 단계 공정 시간에 의존하여, 본 발명의 가공은 공정의 다양한 부분에서 추출되는 기타 특정 화학물질을 생성시킬 수 있다. 예를 들어, 칠면조 폐물은 비누, 타이어, 페인트 및 윤활제에 사용하기 위한 지방산이 될 수 있다.
실시예 2: 작업용(operating) 장치
하루에 200톤 이상의 칠면조 폐기물을 가공하기 위해 완전한 크기의 상업적 규모의 장치가 건설중에 있다. 당해 장치는 하루에 약 10톤의 가스를 생산하고, 이러한 가스는 시스템으로 복귀하여 시스템을 가동시키기 위한 열을 생성하도록 디자인된다. 당해 장치는 도시 하수 시스템으로 배출되기에 충분히 깨끗하고 병인학적 매개체가 없는 약 21,000 갤론의 물을 생산할 것이다. 당해 장치는 또한 약 25톤의 무기물, 농축물 및 탄소 및 약 500배럴의 #2 가열 오일과 동일한 등급의 고품질의 오일을 생산할 것이다.
실시예 3: 폐기물의 예시적인 전환
표 1은 폐기물이 본 발명의 공정을 사용하여 유용한 물질로 전환되는 경우 100lb의 하기의 폐기물 각각에 대한 최종 생성물 및 이의 비율을 나타낸다: 도시 하수 폐기물(75% 하수 슬러지 및 25% 유지-트랩 폐기물); 가금류 가공 폐기물(기관, 뼈, 혈액, 깃털 및 지방을 포함함); 제지; 및 중유(예를 들어, 정제-진공 잔사 및 타르 모래). 표 1의 양은 파운드로 나타낸다.
공급원료 오일 가스 고형물 및 농축물 물
도시 하수 슬러지 26 9 8(탄소 및 무기 고형물)+ 57
가금류 가공 폐기물 39 6 5(탄소 및 무기 고형물) 50
제지++ 8 48 24(탄소 고형물) 20
중유 74 17 9(탄소 고형물) -
++ 제지에 대한 수치는 순수한 셀룰로스를 기준으로 한 것이다. 신문 및 사무소 폐기 용지와 같은 특정 제지 공급원료에 대한 수율은 이들 수치의 10% 이내인 것으로 평가된다.
+ 도시 하수 슬러지로부터 생성되는 고형 배출물은 또한 중금속을 함유할 수 있다.
소 및 돼지 가공 폐기물로부터의 수율이 가금류 가공 폐기물의 수율과 유사함을 주목할 가치가 있다.
실시예 4: 생물 유래 오일
생물 유래 오일은 본 발명의 공정을 사용하여 광범위한 유기물로부터 생성될 수 있다. 하나의 이러한 생물 유래 오일은 칠면조 폐물로부터 유래하는 것이고 C-20 및 보다 짧은 탄소쇄 성분을 포함하고 실질적으로 연료로서 사용되는 경우 미립자 방출이 없다. 이러한 오일은 정유소 또는 블렌더에 대체 연료 또는 연소성 연료에 대한 블렌딩 성분으로서 사용될 수 있는 좁은 범위의 40-플러스 미국 석유 협회(API) 재활용가능한 오일을 제공한다. 이러한 오일의 특정 성질을 표 2에 나타내고 여기서, 규격화 방법은 ASTM(American Society for Testing Materials) 코드로 표시한다.
연료 성질 규격화 방법 생물 유래 오일
60℉에서 API 중력 D-287 40+
플래시 온도(℉) D-93 100
증류, 회수, ℉(전형적) D-86
초기 비점, ℉ 125
10% 160
20% 220
30% 280
40% 335
50% 400
60% 450
70% 500
80% 580
90% 660
회수 용적 % 95%
외관 D-4176 투명하고 밝음
흐림점 ℃ D-2500 -10
유동점 ℃ D-97 -20
40℃에서의 점도, cSt D-445 ∼1.50
황, 중량% D-4294 <0.15
구리 부식 평가(212℉에서 2시간) D-130 <2
세탄 지수 D-976 ∼40
BS&W(염기성 침강물 및 물), 용적 % D-2709 <0.10
회분, 중량% D-482 <0.005
탄소 잔사, 중량% D-524 <0.50
열 함량, BTU/1b D-240 ∼18,800
PONA, 중량%(전형적) D-5443
파라핀 22
올레핀 14
나프텐 3
방향족 6
C-14/C-14+ 55
표 2에서, 파라핀, 올레핀, 나프텐 및 방향족의 중량%는 13개 이하의 탄소 원자를 함유하는 분자를 언급한다.
실시예 5: 제3 단계 반응기 및 냉각기/응축기의 양태
도 8a 및 8b는 본 발명의 공정과 함께 사용하기 위한 장치의 양태를 나타낸다. 몇몇 부품들은 또한 도 6에 나타낸다.
도 8a는 본 발명의 공정의 제3 단계와 함께 사용할 장치를 나타낸다. 유기액(500)은 저장 탱크(812)로 전달된다. 임의로, 유기액 및 오일은 액체/액체 분리기(814)로 이송될 수 있고 분별된 액체/오일(816)의 제1 부분 및 나머지의 분별된 액체/오일(822)의 제2 부분으로 나뉜다. 분별된 액체/오일의 제1 부분은 최종 생성물 저장소(818)로 유도될 수 있고 재순환 또는 시판될 수 있는 분별된 액체/오일(820)로서 분배되었다. 분별된 액체/오일(822)의 제2 부분은 하나 이상의 예비가열기(830)로 재유도될 수 있다.
가열된 경우, 분별된 액체/오일(822) 또는 비분리된 액체/오일(500)은 가열기(610)에 전달되고, 바람직하게 스팀(602)을 수반한다. 수득한 액체 및 증발된 액체/오일(836)은 오거와 같은 반응기(620)에 전달되고 탄화수소 증기 및 가스(148) 및 탄소 고형물(142)로 분리된다. 탄화수소 증기 및 가스(148)는 도 8b에 추가로 기재된 냉각기/응축기(850)에 전달된다. 잔류 탄소 고형물(844)와 같은 오일 증기 및 가스내 임의의 잔류 미립자가 제거되고 반응기(620)로 복귀된다.
탄소 고형물(142)은 공기 잠금(846)을 통해 탄소 고형물 냉각기(630)로 유도되고 여기서 이들은 물(632)과 혼합된다. 물 및 탄소 고형물의 수득한 혼합물은 기타 공기 잠금(854)을 통해 최종 생성물 저장 시스템(650)으로 이송된다. 최종 생성물 탄소 고형물(142)은 하나 이상의 상업적 응용을 위해 분배될 수 있다.
도 8a에 나타낸 장치(800)와 연계하여 사용되는 것은 도 8b에 나타낸 냉각기/응축기(850)이다. 냉각기/응축기(850)는 오일 증기 및 가스의 혼합물(또한 물 및 미립자를 함유할 수 있다)을 다수의 다양한 분리 단계에 적용하는 다수의 분리 사이클을 촉진한다. 반응기(620)로부터 탄화수소 증기 및 가스(148)는 탄소 미립자 분리기(842)로 전달되어 잔류 고형물 미립자(예를 들어, 잔류 탄소 고형물(844))를 분리하고 당해 고형물을 반응기(620)으로 재유도시킨다.
탄소 미립자 분리기로부터 나타나는 탄화수소 증기 및 가스는 증기 켄칭 시스템(860)에 전달되어 당업자에 의해 이해되는 일반 원칙에 따라 수행한다. 증기 켄칭 시스템으로부터의 오일 및 가스(870)는 오일/물/가스 분리기(872)에 전달되어 오일(862), 슬롭 오일(876), 가스 및 LPG (874) 및 오일/탄소 슬러리(881)와 같은 다양한 성분들을 추가로 분리한다.
오일(862)이 열 교환기(864)에 전달된 후 최종 생성물 저장 시스템(866)으로 이송되고 오일(144)로서 시판된다.
가스 및 액체 석유 가스("LPG")(874)가 응축기(890)에 전달되어 기타 가스 성분으로부터 LPG(898)를 분리한다. 가스(894)는 과열기(892)에 전달되어 에너지원으로서 하나 이상의 장치로 수송될 수 있는 연료 가스(146)를 수득한다. LPG(898) 다음과 같은 방식으로 재순환된다. 먼저, LPG(898)은 액체/고형물 분리기(884)를 통과하고 임의의 잔류 탄소 고형물(886)이 제거된다. 이어서, 오일/탄소 슬러리(881)로부터 분리된 오일과 혼합된 분리된 LPG가 오일/물/가스 분리기(872)로 복귀되고 추가로 분리된다. 가스 및 LPG 혼합물이 분리되고 응축되는 사이클이 요망에 따라 여러번 반복될 수 있다.
오일/고형물 혼합물, 전형적으로, 오일/탄소 슬러리(881)가 또한 오일/물/가스 분리기(872)에서 액체/고형물 분리기(884)로 유도되어 잔류 탄소 고형물(886)을 제거할 수 있다. LPG와 혼합된 분리된 오일은 바람직하게 적절한 경우 추가의 재유도를 위해 오일/물/가스 분리기로 회수된다.
오일/물/가스 분리기(872)로부터 슬롭 오일(876)은 오일/물 분리기(878)로 이송되고 물(880)이 방출되거나 재순환될 수 있다. 오일/물 분리기로부터 오일(882)은 분리 사이클의 추가의 반복을 위해 오일/물/가스 분리기로 재이송된다.
실시예 6: 부착된 불용성 고형물로부터 단백물질의 분리
본원에 개시된 무기물의 분리 방법은 동물 폐기 슬러리의 점도를 결정하기 위해 수행된 시험으로부터 유래된다. 이 시험 동안, 슬러리를 특정 온도를 초과하여 가열하는 경우 슬러리의 점도가 극적으로 감소하는 것이 발견되었다. 상기 온도 미만에서, 점도는 비교적 높았고 온도를 증가시킴에 따라 점차적으로 감소되었다. 그러나, 특정 온도에 도달하면, 점도는 온도에 있어서의 매우 작은 증가라는 5의 인자에 의해 감소되었다. 이러한 놀라운 결과는 동물 폐기 공급원료의 특성에 어떠한 변화가 일어나는 지를 결정하기 위한 이의 검사를 야기시켰다.
상기 관찰을 분석하기 위한 시험을 수행하였다. 이러한 시험은 동물 폐기 슬러리를 지닌 파르(Parr)-형 오토클레이브 반응기를 상승된 온도 및 상응하는 수 포화 압력에서 규정된 시간 동안 유지시키는 실험들로 구성된다. 반응기의 내용물을 배출시킨 후, 실험실 원심분리기를 이용하여 반응된 물질을 저밀도의 지성 유기상, 고밀도 무기상 및 가운데에 있는 수성상으로 분리시켰다. 상기 시험 결과, 정확한 가공 온도에서 상들은 잘 분리되었으며 무기상은 유기 물질을 거의 함유하지 않는 한편, 유기상은 무기 물질을 거의 함유하지 않는 것으로 나타났다. 무기물 분리에 대한 규명된 역치 온도 미만에서 수행된 시험으로 혼합된 유기물, 물 및 무기물의 거의 균질한 슬러리를 수득하였다. 효과적인 것으로 규명된 온도 범위를 초과시, 작업 압력은 현저하게 더 높았고, 유기 물질은 보다 완전히 분해되었다.
도 9는 다양한 가공 온도에서 전단 속도에 대한 점도의 프로필을 도시한다. 180℉ 및 250℉의 온도에서, 공급원료는 상당한 점도를 지님이 명백하다. 그러나, 325℉ 및 이를 초과하는 온도에서, 점도는 극적으로 낮아졌다. 점도는 가압 및 가열된 점도계에 의해 측정된다. 전단 속도는 -dv/dr = 8V/D (여기에서, r은 파이프 반지름이고; v는 반지름 r에서의 유속이며; V는 평균 유속이고, D는 파이프 내경이다)로서 정의된다. 도 9의 전단 속도는 통상적으로 제1 단계 반응기에 들어가기 전의 재료의 파이핑에 대한 것이다.
지금까지 기재된 내용은 본 발명의 다양한 측면을 설명하기 위해 의도된 것이다. 본원에 제공된 실시예는 본 발명의 범위를 제한하고자 의도한 것은 아니다. 현재 상세한 설명된 본 발명과 관련하여, 많은 변화 및 변형이 첨부된 청구항의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고서 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (75)

  1. 공급원료로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    슬러리를 가열시켜 액체 혼합물 및 불용성 고형물을 포함하는 고형 물질을 생성하는 단계;
    고형 물질을 액체 혼합물로부터 제거하는 단계;
    제1 반응에서 액체 혼합물을 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 단계;
    반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계; 및
    하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제2 반응에서 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 단계를 포함하여, 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질이 탄소 고형물임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질이 탄화수소의 혼합물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 탄화수소의 혼합물이 연료 가스 및 오일을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제조 단계가 공급원료로부터 암모니아를 배출시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 제1 반응이 약 20 내지 120 기압(atmosphere)의 압력에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 압력이 약 50 기압임을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 제1 반응이 약 150℃ 내지 약 330℃의 온도 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 반응 단계가 하나 이상의 오염물을 배출시킴을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 하나 이상의 오염물이 황-함유 물질임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 하나 이상의 오염물이 수은-함유 물질임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 가열 단계가 275℉ 내지 380℉의 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 가열 단계가 275℉ 내지 325℉의 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 가열 단계가 300℉ 내지 325℉의 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 가열 단계에서 상기 공급원료 중의 단백질이 분해됨을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 제거 단계가 중력 분리; 액체/고형물 원심분리; 여과; 또는 스크린의 이용으로 구성된 군으로부터 선택된 방법에 의해 달성됨을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 반응 단계가 스팀을 배출시킴을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 스팀이 재유도되어 제조 단계 동안 슬러리를 가열시킴을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 분리 단계가 제1 분리 및 제2 분리를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 액체 생성물이 하나 이상의 지방 유도체 또는 지방산을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 고형 생성물이 하나 이상의 무기 화합물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 전환 단계 이전에 하나 이상의 액체 생성물의 일부를 분기시켜 상기 일부를 별도로 하나 이상의 특정 화학물질로 전환시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 18항에 있어서, 하나 이상의 특정 화학물질이 지방산을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1항에 있어서, 제2 반응이 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질에 병원체가 부재함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1항에 있어서, 공급원료가 도시 하수 슬러지를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1항에 있어서, 공급원료가 식품 가공 폐기물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 22항에 있어서, 식품 가공 폐기물이 칠면조 폐물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 22항에 있어서, 공급원료가 쇠고기 혹위를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 1항에 있어서, 공급원료가 동물성 비료를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 1항에 있어서, 공급원료가 불용성 고형물에 부착되고 칠면조, 가금류, 돼지, 어류, 엘크 및 소로 구성된 군으로부터 선택된 동물로부터 유래된 유기 물질, 또는 이의 일부를 함유하는 식품 제조 및 유통의 하나 이상의 부산물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31항에 있어서, 공급원료가 칠면조 폐물을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 31항에 있어서, 공급원료가 쇠고기 혹위를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 1항에 있어서, 공급원료가 나뭇잎, 잔디 풀, 당분 찌꺼기(bagasse), 해초, 솜 폐기물, 및 동물 폐기물로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 1항에 있어서, 공급원료가 탄저균 포자, 감염성 의학 폐기물 및 생물학적 병원체로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질이 탄소질 물질임을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 36항에 있어서, 탄소질 물질에 수은-함유 오염물이 고갈되어 있음을 특징 으로 하는 방법.
  38. 제 36항에 있어서, 탄소질 물질에 황-함유 오염물이 고갈되어 있음을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 1항의 방법에 의해 제조되는 연료 오일.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 연료 오일이 #2 가열 오일임을 특징으로 하는 연료 오일.
  41. 제 39항에 있어서, 약 22 중량%의 파라핀, 약 14 중량%의 올레핀, 약 3 중량%의 나프텐, 약 6 중량%의 방향족 및 약 55 중량%의 C14/C14+의 조성을 지님을 특징으로 하는 연료 오일.
  42. 제 39항에 있어서, 흐림점 약 -10℃; 유동점 약 -20℃; 세탄 지수 약 40; 및 열 함량 약 18,800 BTU/lb의 특성을 지님을 특징으로 하는 연료 오일.
  43. 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 지니는 탄소-함유 공급원료로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    슬러리를 가열시켜 액체 혼합물 및 불용성 고형물을 포함하는 고형 물질을 생성하는 단계;
    고형 물질을 액체 혼합물로부터 제거하는 단계;
    제1 반응에서 액체 혼합물을 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 단계;
    반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계; 및
    하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제2 반응에서 연료 오일로 전환시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 연료 오일.
  44. 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 지니는 공급원료로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    슬러리를 하나 이상의 가스가 배출되는 열 교환기로 통과시켜 액체 혼합물 및 불용성 고형물을 포함하는 고형 물질을 포함하는 조절된 슬러리를 생성시키는 단계;
    고형 물질을 액체 혼합물로부터 제거시키는 단계;
    스팀 및 가스가 배출되는 제1 반응에서 조절된 슬러리를 반응시켜, 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 데, 상기 반응된 고형 생성물이 하나 이상의 무기물을 포 함하는 단계;
    반응된 공급물의 온도 및 압력을 저하시켜 중간 공급물을 생성시키는 단계;
    중간 공급물로부터 하나 이상의 무기물을 분리하여, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 혼합물을 생성시키는 단계;
    물을 저장소로 분기시키는 단계;
    하나 이상의 반응된 액체 생성물에 제2 반응을 실시하여, 탄소 고형물, 및 탄화수소 증기와 가스의 혼합물을 생성시키는 단계를 포함하여, 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법.
  45. 공급원료로부터 액체 혼합물 및 불용성 고형물을 포함하는 고형 물질을 포함하는 가열된 슬러리를 생성시키기 위한 전처리 유니트;
    고형 물질을 액체 혼합물로부터 분리하기 위한 예비 분리 유니트;
    액체 혼합물을 수용하는 용기와 연통되고, 액체 혼합물을 제1의 증가된 온도 및 제1의 증가된 압력에 적용시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키도록 구성되는 제1 단계 반응기;
    하나 이상의 고형 생성물, 하나 이상의 액체 생성물 및 물을 수용하는 제1 단계 반응기와 연통되고, 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리해내도록 구성되는 하나 이상의 제2 단계 분리 유니트; 및
    하나 이상의 반응된 액체 생성물을 수용하는 분리 유니트와 연통되고, 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 제2의 증가된 압력 및 제2의 증가된 온도에 적용시켜, 하나 이상의 반응된 액체 생성물이 하나 이상의 유용한 물질로 전환되도록 구성되는 제3 단계 반응기를 포함하는, 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 공급원료를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키기 위한 장치.
  46. 제 45항에 있어서, 전처리 유니트가,
    공급원료로부터 공급원료 슬러리를 형성시키기 위한 슬러리화 장치를 포함하는 공급원료 제조 유니트;
    공급원료 제조 유니트로부터의 공급원료 슬러리를 수용하도록 공급원료 제조 유니트와 연통되는 용기; 슬러리를 가압하도록 구성된 펌프; 및 슬러리를 가열시켜 가열된 슬러리를 생성시키도록 구성된 열 교환기를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  47. 제 45항에 있어서, 제1의 증가된 압력이 약 20 내지 120 기압임을 특징으로 하는 장치.
  48. 제 45항에 있어서, 압력이 약 50 기압임을 특징으로 하는 장치.
  49. 제 45항에 있어서, 제1 반응이 약 150℃ 내지 약 330℃의 온도 범위에서 수행됨을 특징으로 하는 장치.
  50. 제 45항에 있어서, 제1 단계 반응기가 공급원료 제조 유니트로 재유도되는 스팀을 추가로 배출시킴을 특징으로 하는 장치.
  51. 제 45항에 있어서, 하나 이상의 반응된 액체 생성물의 일부를 수용하고 상기 일부를 하나 이상의 특정 화학물질로 전환시키기 위한 유니트를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  52. 제 45항에 있어서, 제2의 증가된 온도가 약 400℃ 내지 약 600℃이고 제2의 증가된 압력이 대기압을 약 15 내지 약 50 psi 초과함을 특징으로 하는 장치.
  53. 제 45항에 있어서, 전처리 유니트가 슬러리를 275℉ 내지 350℉까지 가열시킴을 특징으로 하는 장치.
  54. 제 45항에 있어서, 식품 가공 폐기물을 포함하는 공급원료를 받아들이도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  55. 제 45항에 있어서, 도시 하수 슬러지를 포함하는 공급원료를 받아들이도록 구성됨을 특징으로 하는 장치.
  56. 제 45항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질에 대한 저장소 유니트를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  57. 제 45항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질이 탄소 고형물을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  58. 제 45항에 있어서, 하나 이상의 유용한 물질이 탄화수소의 혼합물을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  59. 도시 하수 슬러지로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    제1 반응에서 슬러리를 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 단계;
    반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리하는 단계;
    하나 이상의 반응된 액체 생성물을 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 단계; 및
    제2 반응에서 하나 이상의 고형 생성물을 탄화수소 오일의 혼합물, 연료 가스, 및 무기물과 탄소의 혼합물로 전환시키는 단계를 포함하여, 도시 하수 슬러지를 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법.
  60. 제 59항에 있어서, 제1 반응이 약 170℃ 내지 약 250℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  61. 제 59항에 있어서, 제2 반응이 약 300℃ 내지 약 525℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  62. 칠면조 폐물로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    슬러리를 가열시켜 액체 혼합물 및 뼈 물질을 생성시키는 단계;
    뼈 물질을 제거하는 단계;
    액체 혼합물을 제1 반응에서 반응시켜 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 하나 이상의 반응된 액체 생성물 및 물을 포함하는 반응된 공급물을 생성시키는 단계; 및
    반응된 공급물로부터 하나 이상의 반응된 고형 생성물, 물 및 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 분리시키는 단계;
    제2 반응에서 하나 이상의 반응된 액체 생성물을 탄화수소 오일의 혼합물, 연료 가스 및 탄소로 전환시키는 단계를 포함하여, 칠면조 폐물을 하나 이상의 유용한 물질로 전환시키는 방법.
  63. 제 62항에 있어서, 제1 반응이 약 150℃ 내지 약 330℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  64. 제 62항에 있어서, 제2 반응이 약 300℃ 내지 약 525℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  65. 제 62항에 있어서, 제1 반응이 약 250℃에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  66. 제 62항에 있어서, 제1 반응이 20 내지 120 기압의 압력에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  67. 제 62항에 있어서, 제1 반응이 약 50 기압의 압력에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  68. 제 62항에 있어서, 가열 단계가 275℉ 내지 350℉의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  69. 동물체의 일부로부터 슬러리를 제조하는 단계;
    슬러리를 275℉ 내지 380℉의 온도로 가열시켜 액체 혼합물 및 불용성 물질을 생성시키는 단계; 및
    불용성 물질을 액체 혼합물로부터 분리시키는 단계를 포함하여, 불용성 고형물에 부착된 유기 물질을 함유하는 동물체의 일부를 정제(rendering)하는 방법.
  70. 제 69항에 있어서, 동물이 칠면조, 가금류, 돼지, 어류 및 엘크로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  71. 제 69항에 있어서, 동물이 병에 걸려 있음을 특징으로 하는 방법.
  72. 제 69항에 있어서, 가열 단계가 300℉ 내지 325℉에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  73. 제 69항에 있어서, 액체 혼합물이 하나 이상의 지방을 함유하는 비수성 부분을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  74. 제 69항에 있어서, 액체 혼합물이 하나 이상의 아미노산을 함유하는 수성 부분을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  75. 제 69항에 있어서, 불용성 물질이 뼈 물질을 포함함을 특징으로 하는 방법.
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