KR20070084297A - 슬러리 탈수 및 바이오고형물의 재생가능 연료로의 변환 - Google Patents
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Abstract
표준물을 배출하기 위해 바이오고형물을 포함하는 도시 오수 및 우수(storm water)를 처리하는 방법에 있어서, 바이오고형물은, 탈수 후조차도, 통상 바이오고형물의 죽은 세포 중에 통상 약 80%의 결합수를 함유하고 있어, 바이오고형물에 음의 발열량을 부여한다. 그것은 구매된 연료를 사용해야만 소각시킬 수 있다. 바이오고형물은 그 세포 구조가 파괴되는 온도로 가열되며, 바람직하게는, 이산화탄소가 방출되어 바이오고형물의 산소함량을 낮추는 온도로 가열된다. 그 결과 얻어진 숯은 친수적이지 않아서, 효율적으로 탈수 및/또는 건조될 수 있어 실용적인 재생가능 연료이다. 이러한 재생가능 연료는 동일 또는 병렬 설비에 통상의 바이오매스(정원 및 농작물 폐기물 등)를 충전함에 의해서도 보충시킬 수 있다. 마찬가지로, 에너지 공급을 더 증대시키기 위해, 재생불능 친수성 연료를 바이오고형물의 처리와 함께 처리할 수 있다.
바이오고형물, 재생가능 연료, 슬러지
Description
오수 및 폐수 처리 플랜트에서 생기는 슬러지, 및 그것이 함유하는 바이오고형물은 심각한 처리 문제를 나타낸다. 미국 수환경 연합회(Water Environment Federation(WEF))는 "바이오고형물(biosolids)"이라는 용어를 1991년에 공식적으로 인정하였으며, 지금은 전세계적으로 통용되고 있다. WEF는 "바이오고형물"을, 폐수처리 과정 동안 오수로부터 제거된 흙 형상의 잔여물로 규정하고 있다. 처리하는 동안, 박테리아 및 기타 작은 유기체는 오수를 더 간단하고 안정한 형태의 유기물로 분해한다. 상기 유기물은 박테리아 세포 덩어리(mass)와 결합하여, 가라앉아 바이오고형물을 형성한다. USEPA에 의하면, 처리 및 오염물 함량 기준을 만족하는 바이오고형물은 "안전하게 재생되어 실질적으로 생산성 토양을 개량 및 유지하고 식물성장을 촉진하는 비료로서 적용할 수 있다".
상기 슬러지는 바이오고형물(공해(open water)로 방출될 수 있도록 오수 및 폐수를 처리한 후의 부산물인 죽은 유기 세포로 이루어져 있음)과 다양한 양의 자유수(free water)의 혼합물이다. 자유수는 기계적인 탈수법에 의해 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 상기 자유수 외에도, 상기 바이오고형물은 바이오고형물 체적의 80% 정도를 구성할 수 있고 기계적인 탈수법으로는 제거할 수 없는 세포 결합 수를 함유한다. 이러한 슬러지에 함유된 다량의 물은 매우 낮은 음의 발열량(negative heat value)을 부여하므로, 상기 세포 결합수를 날려버리는데 다량의 비싼 연료가 필요하기 때문에 소각비용이 엄청나게 비싸진다. 이러한 점에서, 상기 슬러지는 현재 매립용 또는 토지에 뿌려질 수 있는 비료로서 사용되며, 이는 오수 슬러지가 종종 질소와 인 등을 함유하기 때문이다. 하지만, 상기 슬러지는 해로운 성분을 함유하고, 불쾌한 냄새를 생성하며, 토양이나 매립지의 심각한 오염, 그 중에서도 특히, 중금속 오염을 유발할 수 있다.
표준물(standards)을 방출하기 위한 도시의 오수 및 우수(storm water) 처리 방법에서, 고형 성분은 부산물로 농축되며, 종종 오수 슬러지라고 불린다. 오수 슬러지는 죽은 유기 세포와 기타 고형물의 덩어리 또는 응집물로, 바이오고형물이라 불리며, 다양한 양의 물과 혼합되어 그에 상응하는 다양한 점도를 갖는다. 바이오고형물 덩어리가 기계적으로 탈수되는 정도에 관계없이, 남아있는 바이오고형물 덩어리는 통상 약 80%의 물을 함유하고, 상기 물 중 많은 양이 죽은 세포의 내부에 결합되어 있고, 이에 따라, 상기 바이오고형물 덩어리는 음의 발열량을 나타내므로, 바이오고형물을 그들로부터 발열량을 추출할 목적으로 효율적으로 이용할 수 없다. 그래서, 바이오고형물은 여전히 매립지에 폐기되거나 농지에 질소와 인을 공급하는 비료로서 뿌려진다. 그러나, 바이오고형물은 활성있는 바이러스와 병원체 및 독성이 있는 중금속을 함유할 수도 있어, 환경분야에서 심한 반대를 불러일으키는 한편, 그들의 높은 수분 함량에 의해 그들을 사용지점으로 수송하는 비용이 엄청나게 증가된다.
본 발명에 의하면, 상기 미처리 바이오고형물(raw biosolid)을 오수 처리 플랜트로부터 배출한 후에 가열하여 세포를 파괴함으로써, 다량의 세포 결합수를 방출시킨다. 상기 가열 온도는 세포 구조를 파괴하고 이산화탄소를 분리하여 바이오고형물의 산소함량을 낮출 만큼 충분히 높다. 그 결과 친수성이 없는 숯(char)을 형성하게 되어 효과적으로 탈수 및/또는 건조시킬 수 있다. 이러한 숯은 실용적인 재생가능 연료이다.
본 발명을 더욱 진전시키면, 동일 또는 병렬식 설비에서 바이오매스(미처리 정원 및 농작물 폐기물 등)를 변환시킴으로써 재생가능 연료의 이용성을 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 바이오고형물로부터 추출될 수 있는 에너지를 더 증대시키기 위해, 재생불능 친수성 연료를 처리할 수 있다.
통상 "녹색 전력(Green Power)"이라 불리는 재생가능 에너지에 대한 대중적 지지가 고조되고 있다. 2003년 5월 파워지(Power magzine)에 의하면, 제너럴 모터스, IBM, 다우케미칼 및 존슨&존슨 등의 잘 알려진 여러 회사들이 그들의 필요 전력의 일부를 "녹색" 공급원으로부터 구매할 계획임을 발표하였다. 몇몇 회사는 심지어 그들의 제조에 사용되는 모든 전기를 "녹색전력"으로 대체할 계획임을 발표하였다. 쉐브론(Chevron), 브리티쉬 페트롤륨(British Petroleum(BP)) 및 셀 오일(Shell Oil) 등의 화석 에너지 공급 지주들은 환경적인 대의를 지지한다는 의사를 발표하였다. 사실상, BP는 태양 에너지 패널의 주요 공급처이다. 2010년까지 새로운 가격 경쟁력 있는 "녹색 전력" 1000메가와트(MW)의 개발을 목표로 하는, 세 계 자원 협회(World Resource Institute(WRI))의 녹색 전력 시장 개발 그룹이 있다.
또한, 미국의 12개 주(state) 이상의 입법부는 재생가능 공급원 유래의 전력을 특정의 증가하는 비율로 단계적으로 적용하기 위해 전력 마케터를 필요로 한다. 뉴욕주는 주정부 기관이 2013년까지 재생가능 공급원으로부터 그들의 전력의 25%를 구입해야 하며; 현재 뉴욕에서 생산되는 에너지의 19.3%는 재생가능 공급원으로부터 생성하도록 명령하였다(뉴욕 공공 서비스 위원회). 캘리포니아주는 2017년까지 주(state)에서의 이용 전력의 20%를 재생가능 공급원으로부터 생산할 것을 요구하는 법안을 통과시켰다. 사실상, 캘리포니아주 공익사업체의 하나인, 태평양 가스 및 전기 주식회사(PG & E)는 현재 전기의 30% 이상을 재생가능 공급원으로부터 얻고 있음을 공시하였다. 적어도 36개의 U.S. 전력 소매상은 현재 "녹색 전력"을 대안으로 제시한다. 또한 유럽은 2020년까지 전력 생산의 20%를 재생가능 자원으로 얻는 것을 목표로, 재생가능 에너지를 심각하게 고려하고 있다.
종래의 재생가능 에너지는 일반적으로 태양, 바람, 수력발전, 지열, 바이오매스, 매립지 가스로부터 유래한다. 재생가능 에너지에 대한 수요를 어떻게 충족시킬 것인가에 대한 몇 가지 문제가 있다. 태양 및 바람은 증가하고 있으나, 그 기반이 매우 작다. 수력발전 및 지열은 새로운 장소가 제한되고, 생태학적으로 반대에 부딪힌다. 매립지 가스는 제한되어 있으며 또한 공기 오염에 대한 비난을 받고 있다. 현재 공급과 수요 사이의 큰 갭을 채우기 위해 타진해 볼 수 있는 다른 재생가능 공급원은 없다.
바이오매스는 오랫동안 재생가능 에너지원으로 사용되어 왔다. 예를 들면, 목재 및 임업은 물론 농업 부산물은, 매우 과다한 공기를 이용하여 낮은 효율로 노(furnace) 및 보일러에서 기계적으로 연소시킴으로써 수세기 동안 연료로서 사용되어왔다. 미국 국립 재생가능 에너지 연구소(NREL)는 바이오매스를 다음과 같이 정의한다: "재생가능한 성분으로 이용할 수 있는 유기물. 바이오매스는 산림 및 제재소 잔여물, 농작물 및 폐기물, 목재 및 목재 폐기물, 동물 배설물, 축산 잔여물, 수생식물, 빠르게 성장하는 나무 및 식물, 및 도시 및 산업 폐기물을 포함한다." 샌디아 국립 연구소의 연소 연구실(CRF)에 의하면, 연소는 전세계 에너지 사용의 85%에 관계된다. 바이오매스가 재생가능 에너지에 유효하게 기여한다면, 그것은 직접 또는 간접적으로, 연료로서일 것이다.
세포 결합수를 함유하는 오수 슬러지, 및 그것이 함유하는 대량의 바이오고형물은 이전에는 에너지원으로 고려되지 않았다. 바이오고형물은, 다량의 결합수 함량 때문에, 음의 연료값(negative fuel value)을 가지며, 소각시키기 위해서는 값비싼 연료를 구매하여 가열해야만 한다. 이러한 바이오고형물의 소각은 그들이 토양에 뿌려지지 않도록 하는데에 바람직할 수 있으므로, 가능한 환경 오염을 제거 또는 적어도 줄일 수 있으나, 매우 많은 비용이 들며, 즉 그들을 소각하기 위해 연료로부터 부가적인 열을 발생시켜야 한다.
미국에서 바이오고형물의 생산량은 연간 7.1∼7.6백만(short) 건조톤(dry tons)으로 추정된다. 1980년대 이후 바다에 버리는 것은 금지되었다. 주된 처리는 바이오고형물을 비료로서 농지에 뿌리는 것이다. 기타 처리는 매립지 및 소각 장으로 보내는 것이다.
1998년에, 유럽에서의 바이오고형물의 생산량은 7.2백만 건조미터톤(dry metric ton)으로 보고되었으며, 25%는 매립지로 보내졌다. 생산량이 2005년에는 적어도 9.4백만 미터톤으로 증가하고, 54%는 땅에 뿌려지고, 매립은 19%로 감소하며, 매립 비용의 5배가 들 것으로 추정되는 소각은 24%로 증가할 것으로 예상된다.
2001년에, 일본에서의 바이오고형물의 생산량은 1.7백만 건조미터톤으로 보고되었다. 40%는 퇴비로 만들어졌으며 그 나머지는 소각되거나 시멘트 제조에 사용되었다.
오수처리 플랜트에서의 활발한 기계적 탈수 및 소화(digestion) 후에, 바이오고형물 중의 고형물 농도는 여전히 약 14∼30%의 범위일 뿐이며, 통상 약 20%를 넘지 않으며, 이는 종래 기술에 따라 처리 및 탈수된 바이오고형물 1톤당, 죽은 세포에 결합된 벌크로, 물이 약 4톤 수반되어 있음을 의미한다. 불활성수(inert water)의 수송 비용은 그 출처, 통상 폐수 처리 플랜트(wastewater treatment plant: 이하 'WWTP'라고도 함)로부터 이동될 수 있는 거리를 제한한다. 이러한 요소들에 의해 바이오고형물은 부정적인 가치를 갖는다. 그 결과, WWTP는 누군가가 바이오고형물을 처리하는데 대한 비용을 지불해야만 한다. 이러한 지불을 종종 "처리료(tipping fee)"라고 부른다.
바이오고형물 처리에 대한 선택이 더 힘들어지고 그 처리 선택지가 출처로부터 멀리 이동함에 따라, 처리 비용 및 수송 비용이 증가하여 중요한 경제적 부담이 되고 있다. 이러한 부담을 줄이기 위해서, 업계는 체적 및 무게 감소에 집중해왔 다. 폐수 업계는 처리 플랜트에서 생성된 바이오고형물로부터 물을 제거하기 위해 엄청난 노력을 해왔다. 통상의 WWTP는 원심분리기, 벨트 압축기, 회전 압축기 또는 기타 바이오고형물로부터 물을 물리적으로 강제 제거하는 방법을 채택할 수 있다. 폴리머와 기타 화학물질을 첨가하여 탈수를 도울 수 있다. 그럼에도 불구하고, WWTP에 의해 사용되는 이러한 기계적인 탈수법은 효과적이지 않으며 비용이 많이 들고 바이오고형물의 세포중에 결합된 물의 양을 현저하게 감소시킬 수 없다.
미국 환경보호국(EPA)은 "40 CFR Part 503" 규정에 따라 바이오고형물의 등급을 A 클래스과 B 클래스로 나누었다. 이 규정은 주로 바이오고형물을 농지에 적용하는 것에 관한 것인데, 이에 대해 환경적으로 반대의 목소리가 높아지고 있다. 예를 들면, 환경론자들은 바이오고형물 중의 활성이 있는 질병유발원인 유기체(병원체 및 바이러스) 및 중금속(납, 수은, 카드뮴, 아연 및 니켈 등)의 함유량은 물론, 그들의 지하수 수질에 끼치는 손상 때문에, 비료로서의 사용을 비난한다. 또한, 환경론자들은 바이오고형물에 관련된, 곤충 및 악취 등의 "삶의 질" 문제에 대한 우려를 나타낸다. 이와 같이, B클래스 바이오고형물의 농지 적용은 많은 나라에서 금지되어 있으며, 더 많은 나라와 주에서 뒤따를 것으로 예상된다. 어떤 경우에는, 바이오고형물의 70%가 B클래스인 경우, 인접국에서 농지 적용을 금지함에 따라 1건조톤당 약 125달러에서 약 210∼235달러로 처리료가 거의 두배로 되었다.
게다가, 바이오고형물의 높은 세포 결합수 함유량은 많은 업계에서 소각을 어렵게 만든다. 예를 들면, 시멘트업계는 세계적으로 세 번째로 큰 에너지 사용처로 여겨진다. 1톤의 시멘트를 제조하기 위해서는 약 470파운드의 석탄에 상당하는 양을 필요로 한다. 화석 연료를 절약하기 위해서, 미국에 있는 15개의 시멘트 플랜트는 연료질이 유해한 폐기물을 태우며, 약 35개의 다른 플랜트는 화석 연료를 보충하기 위해 폐타이어를 사용한다. 증가추세에 있는 바이오고형물 처리 방법은 시멘트 가마(kiln)에서 그들을 소각하는 것이다. 그들의 유효 연료값(net fuel value)이 음의 값이므로, 이러한 실시는 바이오고형물에 결합된 물을 제거하기 위해서 석탄 등의 부가적인 연료를 태워야만 하기 때문에, 가마 조작자가 거두는 수입(예를 들면, 처리료)에 의해서만 실행가능(viable)하다. 또한, 시멘트 제조에서, 염소, 인, 나트륨 및 칼륨 등의 바이오고형물에 함유된 어떠한 성분들은 시멘트의 질에 역효과를 내기 때문에 바람직하지 않다.
과거에는, 바이오매스 처리에 대한 필요성은 일반적으로 처리비용과 매립지의 환경적인 부담을 줄이기 위해 그로부터 열에너지를 추출하기 위한 시도와 결부되어 있었다. 이러한 재료로부터 에너지를 추출하기 위한 시도는 저급 연료 및 고형 폐기물을 연소시키는 것에 제한되어 있었다. 예를 들면, 도시 고형 폐기물(MSW)로부터 연료를 유도하기 위한 이전의 방법은 MSW에서 발견되는 주로 PVC 형태로 함유된 염소를 제거하는데 도움이 되도록 통상 알칼리를 첨가하는 것에 촛점이 맞춰져 있다. 또한, 준역청탄(subbituminous) 및 갈탄 등의 비교적 저급 탄소질 연료를 제조하는 각종 방법이 당업자에게 알려져 있다. 그러나, 이들 두 시나리오에서, 저급 연료는 원료로서 사용된다.
바이오고형물의 열분해에 대한 다수의 방법(schemes)이 진전되어 왔다. 그러나, 그 방법들은 모두, 바이오고형물이 심지어, 예를 들면, 처리 플랜트에서 통 상적인 탈수 후조차도 고형 재료의 약 4배의 물을 함유하고 있다는 사실로 인해 논란을 피할 수 없었다. 주요 조작 비용을 고려하기 전에, 모든 물이 증발할 때까지는 열분해 온도에 도달하는 것은 불가능하며, 이를 위해서는 고형물 1파운드당 적어도 4000 Btu를 필요로 하고, 이는 기껏해야 그 연료값과 똑같다.
앞서 나타낸 바와 같이, 바이오고형물의 처리는 상당히 비용이 많이 들고 논쟁의 여지가 있다. 관련 기술분야에서는 바이오고형물을 청결하고 경제적으로 처리하는 방법을 필요로 한다. 본 발명은 바이오고형물의 처리 방법을 제공하는 동시에 경제적으로 더 실용적인 재생가능 연료의 제조 방법을 제공한다.
바이오고형물만으로는 재생가능 에너지에 대한 증가하는 요구를 만족할 수 없다는 점에서, 본 발명에 의한 바이오고형물의 사용가능 연료로의 변환은 바이오매스 등의 다른 공급원으로부터 에너지의 추출과 병행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 환경친화적인 방식으로 바이오고형물을 단독으로 또는 바이오매스와 함께 실용적인 재생가능 연료로 변환시키는 방법 및 시스템을 제공한다.
[발명의 개요]
출원인이 알고 있기에는, 바이오고형물은 주로, 세포결합수를 가진 죽은 세포로 구성된다. 물이 액체로서 유지될 정도의 충분한 압력이 가해진 경우, 바이오고형물을 함유하는 슬러리 또는 슬러지를 제1의 상대적으로 낮은 온도로 가열하면, 바이오고형물 세포가 터지게 되어, 세포 내부에 결합된 물이 유리됨으로써, 바이오고형물이 실질적으로 탈수되지 않는 물질로부터 기계적으로 쉽게 물을 제거할 수 있는 새로운 연료로 변환된다. 상기 바이오고형물을 더 가열하면 부가적으로 이산화탄소가 분리됨으로써, 바이오고형물의 산소함량이 낮아져 바이오고형물은 숯으로 변환된다. 탈수 시, 상기 숯은 양의 발열량을 가져 직접 연료로서 사용될 수 있으므로, 바이오고형물에 이전에는 얻기 어렵게 결합되어 있던 열에너지를 방출한다.
예를 들면, 폐수 처리 플랜트(WWTP)와 조합하여, 본 발명은 바이오고형물을 상대적으로 건조한 가연성 재료로 변환시킴에 의해, 바이오고형물로부터 실용적인 재생가능 연료를 제조하는 방법을 제공한다. 많은 경우, 본 발명의 방법은 WWTP의 기존 기반시설에 통합될 수 있다. 상기 처리된 바이오고형물은 실질적으로 결합수가 없기 때문에, 세포로부터 유리된 물이 WWTP로 회수될 수 있다. 나머지 세포 물질은 훨씬 덜 친수적으로 되므로, 그들은 양의 발열량을 갖게 되고 그들을 상당히 감소된 비용으로 원하는 목적지까지 보낼 수 있다. WWTP에 혐기적인 소화 단계가 구비되어 있는 경우, 생성된 가스는 그 작업에 사용된 연료에 의한 상기 유체의 탈산소화(deoxidation)를 보조(support)할 수 있다. 병원체는 파괴되며, 탈수된 바이오고형물이 탄화될 정도로 충분히 가열된 경우, 그 결과 얻어진 숯 생성물은 나트륨, 칼륨, 황, 질소, 염소 및 유기물 등의 대부분의 수용성 불순물을 감소된 수준으로 함유하며, 과잉의 물이 분리되어 있다. 바이오고형물 숯은 에너지 면에서 새로운 주자이며, 많은 에너지 소비 산업용으로 저렴한 재생가능 연료이다.
소각로 및 매립지에 수용될 수 있다 해도, 바이오고형물 숯은 그 에너지 함유량(energy content)이 이용되는 곳에서 가장 생산적으로 사용된다. 예를 들면, 하나의 실시태양에서는, 본 발명의 방법 및 시스템은 시멘트 가마와 조합하여 사용 되어 시멘트 가마 및 시멘트 제조의 열효율을 증가시키는 동시에, 처리하지 않으면 바람직하지 않은 폐기물로 될 바이오고형물을 처리한다. 또한, 바이오고형물 중에 발견되는 불활성 물질은 제품의 일부가 될 수 있다. 따라서, 상기 바이오고형물의 발열량이 이용될 뿐만 아니라, 상기 불활성물은 이러한 구성(configuration)으로부터 바람직하지 않은 부산물을 남기지 않는다.
바이오고형물은 점성 슬러리로서 제조되기 때문에, 균일성을 위한 블렌딩을 제외하고는 거의 준비가 필요 없다. 가압하에 바이오고형물 슬러리를 세포벽이 파괴되는 온도로 가열한 후, 바이오고형물을 더 가열하면 세포의 분자 재배열이 현저하게 일어나서, 그 산소의 상당부분을 이산화탄소로서 분리하여, 유기 성분을 탄화시켜 쉽게 소각되는 소위 숯을 생성한다. 이러한 분자 재배열에 필요한 온도는 다양하지만 통상 177∼315℃(350∼600℉)이다. 상기 공격적인 가수분해 조건은 음이온을 유리시켜 수상에 용해시킨다. 나트륨 및 칼륨 등의 이전에 결합되어 있던 양이온도 마찬가지로 수성 용해 및 후속 제거 및/또는 처리에 이용될 수 있다.
(미처리)바이오고형물의 소각에 비해, 시멘트 가마 또는 전용 소각로에서, 바이오고형물 숯의 양(positive)의 에너지 함유량은 보충 연료의 구입량을 실질적으로 저감시킨다. 게다가, 보일러에서 저온 슬래그의 공급원(source)이며 시멘트에서 바람직하지 않은, 가용성 양이온은 유리된 물과 함께 대부분 제거된다.
시멘트 가마 및 소각로 설비는 최대한 탈수된 숯이 바람직할 수 있으며, 그 결과 물을 약 40∼50%만 함유하는 젖은 고형 "숯"을 전달 및 충전하게 되고, 이는 미처리 바이오고형물에서 발견되는 물 함량의 약 1/15 정도이다. 경우에 따라, 수 송 및 취급 시의 고려 사항 때문에, 상기 시설은 건조되고 압축되거나 또는 펠렛화된 숯을 선호한다. 본 발명은 각종 형태의 숯을 산출할 수 있는 능력을 가지고 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조한 바이오고형물 숯은, 바이오매스 등의 다른 성분 유래의 숯을 함유하든지 하지 않든지 간에, 용광로, 주조소, 산업용 보일러, 전력 산업계, 제지 산업계, 및 기타 화석연료이용 산업계 등의 각종 기타 연료 소비 산업에 유용한 연료를 제공한다. 예를 들면, 본 발명은 바이오고형물 숯을 분쇄된 연료 또는 유동층 연소로에 충전하여 스팀을 생성하거나, 또는 바이오고형물 숯을 통합 가스-연소 가스 터빈 복합 사이클에 청정 연료 가스를 공급하는 가스화기(gasifier)에 충전하는 녹색 발전소를 고려한다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 숯은, 연료 가스(대부분 일산화탄소 및 수소)로의 부분 산화 후, 합성 암모니아 기술에서 행해지는 바와 같이, 물 가스 시프트 및 이산화탄소의 분리를 거쳐 수소 연료전지의 원료가 될 수 있다. 그것은 석유 정제 산업계에 잘 알려진 확립된 프로세스 후에 패턴화된 "접촉 열분해법(catalytic cracking)", "지연 코킹법(delayed coking)" 및 "수소화분해법(hydrocracking)"의 적용(adaptation)에 의해 액체 연료로 "정제(refine)" 할 수 있다.
본 발명은 경제적이고 생태학적으로 안정한 바이오고형물 처리에 관한 것인 한편, 적합하게 처리된 기타 성분들, 처리를 요하는 주로 바이오매스(제지공장 슬러지, 음식물 쓰레기, 농업 폐기물, 돼지 거름, 닭 쓰레기(chicken litter), 소 거 름, 쌀겨, 사탕수수 찌꺼기, 녹색 폐기물, 도시 고형 폐기물, 의약 폐기물, 제지 폐기물, 목재 및 목재 폐기물, 팜유 잔여물, 폐기물 고형화 연료(refuse derived fuel), 크라프트 밀 흑액(Kraft Mill black liquor), 및 단주기 에너지 작물(short rotation energy crops)를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아님) 뿐만 아니라, 저등급 석탄 등의 친수성 재생불능 연료와 조합할 수 있다.
특히, 본 발명은 바이오고형물에 유동성이 유지될 정도로 충분히 압력을 가하고, 상기 압축된 바이오고형물을 충분한 온도로 가열하여 세포를 파괴한 다음 이산화탄소를 방출시키고, 그 결과 얻어진 숯 슬러리를 감압하여, 그 숯 슬러리로부터 이산화탄소를 분리하고, 숯 슬러리로부터 수상의 적어도 일부를 제거하여 적어도 부분적으로 탈수된 숯 생성물을 다른 용도에 제공함으로써, 바이오고형물을 경제적으로 실용적인 연료로 변환시키는 방법에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 탈수된 숯 생성물을 산소를 포함하는 가스와 반응시킴으로써 그 연료값을 열에너지로 변환시켜 그 열에너지를 이용하거나 그 연료를 소각하는 것에 관한 것이다.
요컨대, 본 발명은 바이오고형물의 환경친화적인 처리법을 제공하는 동시에, 시멘트 가마 및 전력 플랜트 등의 각종 에너지 소비처에 에너지를 제공한다. 또한, 본 발명은
·재생가능 연료의 유용성 및 환경적 허용성을 증가시키는 방법;
·매립될 폐기물의 양을 최소화하는 방법;
·매립할 폐기물의 수분(물) 함량을 감소시키는 방법:
·재생가능 연료 재(ash)의 연화점을 상승시켜 부착물과 슬래그를 줄이는 방 법;
·농업 및 임업 폐기물 및/또는 제지공장 슬러지 등의 불균일한 고형 연료를 균일한 연료로 변환시키는 방법;
·벌키한 연료를 컴팩트하고 저장 및 수송이 용이한 연료로 변환시키는 방법
·썩기 쉬운 연료를 변질 없이 저장할 수 있는 살균된 연료로 변환시키는 방법;
·다른 비순응 연료를 혼합연소(co-firing)하는 경제적인 수단을 제공하는 방법;
·폐수처리 플랜트, 시멘트 가마, 및 화력 발전소 중의 적어도 하나와, 액체 탈산소화의 열적으로 효율적인 조합을 제공하는 방법;
·시멘트 가마 또는 기타 유사 시설에 도입하기 전에 바이오고형물을 건조시키는 방법;
·시멘트 가마 또는 기타 소각로에 도입되는 물의 양을 감소시키는 방법;
·유체 탈산소화를 이용하여 다수의 공급원료(feedstock)를 함께 처리하는 방법;
·바이오고형물 및 기타 바이오매스 중의 재(ash)를 이용하는 방법;
·인, 염소 또는 CO2 등의, 바이오고형물 또는 기타 바이오매스에서 발견되는 구성요소를 제거(및 회수)하는 방법; 및
·바이오고형물 및 바이오매스를 더 정제하거나 처리 비용을 줄이거나 또는 비료로 이용하기 위해서, 이들로부터 물을 제거하는 방법.
따라서, 본 발명은 오수 및 하수 처리 플랜트에서 생성된 슬러지를 경제적 및 환경 친화적인 방식으로 처리하는 방법을 제공한다. 본 방법은 최종 생성물이 악취뿐만 아니라, 바이러스 또는 병원체 등의 유해한 성분이 없는 재이고, 그 재는 부피가 적어 쉽게 처리되기 때문에 경제적으로 유용하다. 본 방법은 또한, 전반부에서는, 취급하기 힘든 오수 슬러지를 처리하기 위해서 처리료를 기꺼이 지불하고자 하는 처리 플랜트 조작자로부터 이익을 얻고, 또한, 사이클의 후반부에서는, 상기 슬러지는 더 많은 수입 또는 그 생성된 열에너지에 대한 지불 형태(예를 들면, 그 추출된 열을 신용으로, 원하는 생성물 등과 교환)의 또 다른 가치 품목을 발생하기 위해 사용될 수 있는, 양의 발열량을 가진 연료로 변환되기 때문에 더욱 경제적으로 실용적이다.
본 발명의 부가적인 실시태양은 본 출원서의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해진다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기 도면과 함께 제공된 다음의 발명의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
도 1은 바이오고형물을 재생가능 에너지원으로서 고에너지밀도 슬러리 또는 건조 고형 연료로 변환시키기 위한 본 발명의 방법을 설명하는 개략 흐름도이다.
도 2는 폐수 처리 플랜트에 사용된 본 발명의 방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 시멘트 가마의 조작에 사용된 본 발명의 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 저급 석탄 등의 부가적인 연료를 사용하는 화력발전소의 조작에 채용된 본 발명의 방법의 흐름도이다.
도 5는 열 건조기와 조합하여 시멘트 가마에 사용된 본 발명의 방법에 대한 흐름도이다.
도 1은 바이오고형물의 실용적인 재생가능 연료로의 변환을 나타낸다. 바이오고형물은 슬러지로서 인접한 폐수 또는 오수 처리 플랜트(WWTP)로부터 파이프라인(107)을 거쳐 원료공급 탱크(106)로 전달될 수 있다. 필요에 따라, 바이오고형물은 트럭(108)에 의해 배송되어 슬러지 펌프(109)에 의해 라인(110)을 거쳐서 탱크(106)로 펌핑될 수 있다.
필요에 따라, 원료 공급 탱크(106)는 다수의 공급원으로부터 바이오고형물을 받아들여, 묽은 바이오고형물과 더 진하고 더 점성이 있는 바이오고형물을 혼합하여 공급재료를 더 펌핑가능하게 하기 위한 혼합용기로서 이용할 수 있다. 이러한 목적으로 혼합 및 슬러리화 설비(104)를 이용할 수도 있다.
또한, 원료 공급 탱크(106) 또는 분쇄 혼합 및 슬러리화 설비(104)는 바이오고형물 슬러리의 물 함량을 감소시키기 위한 중합체의 첨가 지점, 또는, 필요에 따라, 슬러리의 점도가 문제가 되는 경우에 물이 첨가되는 지점이 될 수 있다.
탱크(106)에 열을 가하여 바이오고형물의 점도를 증강시킬 수 있다. 또한, 전단 또는 분쇄 공정을, 예를 들면, 원료공급 탱크(106)와 펌핑 장치(111) 사이에 부가할 수 있다. 이러한 전단 또는 분쇄에 의해, 점도를 낮추는 동시에 감압 밸브(116)의 최적의 작동에 필요한 입자크기의 균일성을 획득한다. 또한, 가열, 전단 및 분쇄 공정의 부가에 의해 펌핑 장치(111)의 성능이 증강되어 고형 함량이 더 높은 재료를 시스템으로 공급할 수 있게 된다.
하나의 실시태양에서, 스크리닝 장치를 부가하여 입자 크기가 큰 품목(item)을 제거하여, 어떠한 분쇄, 펌핑 장치(111) 및/또는 감압 밸브(116)의 성능을 증강시킨다. 예를 들면, 상기 스크리닝 장치는 원료공급탱크(106)와 펌핑장치(111) 사이에 배치될 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 원료공급 탱크(106) 또는 유사한 장치를 사용하여 바이오고형물에서 발견되는 인 또는 기타 원소를 제거하기 위한 킬레이트제 또는 기타 적합한 화학물질을 첨가할 수 있다.
원료공급 탱크(106)로부터, 바이오고형물 슬러리를 후속 가열 조작 동안에 슬러리 중의 물을 액상으로 유지하는 압력으로 펌핑한다. 예를 들면, 하나의 실시태양에서, 상기 슬러리의 압력은 약 400∼1200psi의 범위이다. 또 다른 실시태양에서, 슬러리의 압력은 약 250∼1600psi이다. 슬러리가 매우 점성이 있으며 용해된 가스를 담지할 수 있음을 감안하여, 스크류 컨베이어를 이용하여, 수압 또는 기계적 도움 중 어느 하나에 의해, 적합한 유효흡입수두(net pump suction head(NPSH))를 펌핑 장치(111)에 제공하도록 관리가 이루어져야 한다.
펌핑 장치(111)의 서비스(service)를 줄이기 위한 하나의 대안(도시하지 않음)은 펌핑 장치(111)와 감압 밸브(116) 사이의 프로세스 중의 어느 부위에 부스터펌프(booster pump)를 부가하는 것이다. 펌핑 장치(111)의 서비스를 줄이기 위한또 다른 대안은 펌핑 장치(111) 전에 유리된 물(freed water) 또는 반응 슬러리를 첨가하는 것이다.
상기 바이오고형물 슬러리는 반응기(114)로 전달되기 전에 열교환기(112 및 113)를 통과하여 펌핑된다. 열교환기(112)를 통과하는 동안 슬러리는 써미놀(Therminol) 59 등의 뜨거운 액상 열전달 유체(HTF)와의 열 교환에 의해 가열된다. 또 다른 실시태양에서(도시하지 않음)는, 슬러리는 직접 또는 간접적으로 스팀과의 열교환을 거쳐 가열될 수 있다. 열교환기(112)에서 나오는 슬러리의 출구 온도는 약 150∼315℃(300∼600℉)의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 200∼260℃(400∼500℉)일 수 있다. 열교환기(113)를 통과하는 동안, 슬러리는 바이오고형물 세포벽이 파괴되어 세포중에 결합된 물이 유리되는, 원하는 온도까지 더 가열된다. 상기 온도는, 뜨거운 액상 HTF와의 열교환에 의해 바이오고형물 세포의 다른 구성성분이 탄화되어 이들 구성성분들이 숯으로 변환되도록 설정하는 것이 더 바람직하다. 또 다른 실시태양에서는, 써미놀 VP-1 등의 기화성 HTF의 응축 증기를 사용하여 슬러리를 원하는 온도로 가열한다. 하나의 실시태양에서, 이 온도는 약 200∼260℃이다(400∼500℉). 또 다른 실시태양에서, 상기 온도는 약 150∼260℃이다(300∼500℉)이다. 더 다른 실시태양에서, 상기 온도는 약 260∼350℃이다(500∼650℉).
본 발명에 사용되는 열교환기의 디자인이 중요한 것은 아니지만, 각각은 2개 이상의 쉘(shell)을 포함할 수 있다. 셀은 병렬로 또는 일렬로 배치될 수 있다. 하나의 실시태양에서는, 열교환기(112 및 113)는 바이오고형물 슬러리가 열교환기(112)를 통과한 다음, 열교환기(113)를 통과하도록 일렬로 배치되어 있다.
반응기(114)(병렬로 또는 일렬로 배치된 하나 이상의 반응기를 포함할 수 있음)는 일정시간 증가된 온도를 제공하여 먼저 바이오고형물 세포를 파괴하고 또한 탈산소화 반응을 완성하여 세포 구성성분을 숯으로 변환시킨다. 본 명세서에서는 연속식 반응이 언급되고 있으나, 본 발명은 배치식 또는 반배치식(semi-batch) 반응을 고려한다. 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 바와 같이, 배치식 반응기를 가열하는 방법은 연속식 반응기의 방법과 유사할 수 있다. 예를 들면, 배치식 반응기는 직접 스팀 주입, 코일 가열, 또는 이들의 조합에 의해 가열할 수 있다.
반응기(114)에 대한 하나의 적합한 대안(도시하지 않음)은 반응기-스트립퍼 타워(reactor-stripper tower)이다. 이러한 타워는, 타워의 바닥으로부터의 숯 슬러리를 수용하는 "리보일러(reboiler)"(교환기(113)와 동등함)로부터 탈기된 이산화탄소 및 스팀의 상향류와 접촉하고 있는, 교환기(112)로부터 부분적으로 가열된 슬러리의 하향류에 대해 배치된 좌우 배플(baffle)(또는 다른 증기-액체 접촉 매체)을 가지고 있다. 상기 타워는 바람직하게는 교환기(112)의 대략적인 슬러리 출구 온도로부터 상술한 단순 반응기에서 배출되는 것보다 다소 낮은 온도로의, 상부에서 저부로의 온도 구배를 갖는다. 하나의 실시태양에서, 상기 온도 구배는 약 200∼260℃(400∼500℉)의 범위이다. 또 다른 실시태양에서, 상기 온도 구배는 약 150∼315℃(300∼600℉)의 범위이다. 상기 반응기-스트립퍼의 상부에서 배출되는 이산화탄소는, 새로운 응축기에서 증류수로 응축될 필요가 있고 라인(118)을 거쳐서 배출되는 이산화탄소로부터 분리될 필요가 있는 상당량의 수증기를 함유하고 있다. 감압 밸브(116) 및 분리기(separator)(117)는 여전히 필요하지만, 분리기에 의해 분리해야할 이산화탄소는 거의 남아있지 않다.
숯 슬러리로 불리는, 반응기(또는 반응기들)에서 배출된 슬러리는 결합수가 유리되고 유체 탈산소화도 거친, 즉 이산화탄소가 분리되어, 고형물의 카본 함량의 실질적인 증가와 고형물의 산소 함량의 실질적인 감소를 특징으로 하는 분자 재배열이 일어난, 파괴된 바이오고형물 세포로 이루어진다. 예를 들면, 숯 시료는 고형물의 카본 함량이 약 2∼15% 증가, 바람직하게는 약 4∼12% 증가되어 구성된다. 하나의 실시태양에서, 상기 고형물의 산소 함량은 약 35∼50% 까지 감소한다. 또 다른 실시태양에서는, 상기 슬러리는 약 30∼70%의 고형물의 산소 함량의 감소가 일어난다.
숯 슬러리는 반응기(114)로부터 열교환기(115)로 흘러들어가고, 여기서 교환기(112)로부터 라인(142)을 거쳐서 도달한 액상 HTF에 열을 빼앗김으로써 부분적으로 냉각된다. 하나의 실시태양에서는, 상기 숯 슬러리는 약 150∼200℃(300∼400℉) 범위의 온도로 냉각된다. 또 다른 실시태양에서는, 열교환기(115)에서 배출된 후의 상기 숯 슬러리의 온도는 약 100∼260℃(200∼500℉)이다. 상기 액상 HTF의 회로(circuit)는 액상 HTF 수용기(139), 액상 HTF 펌프(140) 및 접속 라인(141, 142 및 143)에 의해 완비된다.
열교환기(112 및 115)의 서비스는, 한쪽에 차가운 공급 슬러리를 갖고 다른 한쪽에 뜨거운 숯 슬러리를 가진 단일 교환기에 의해 수행될 수 있으며, 이 교환기에서는 슬러리를 튜브와 쉘 양측으로 통과시켜야 한다. 상기 열전달 서비스의 튜브측은 어떠한 퇴적물이든 비교적 제거(clean)하기 쉽다. 쉘측의 부착물은 제거하기 어렵지만, 열전달 계수는 생성물-생성물 교환기를 사용하므로 훨씬 더 낮다. 이와 같이, 본 발명은 상기 열교환기의 서비스를, 깨끗한 HTF가 "중개자(go-between)"가 되고, 뜨거운 슬러리와 차가운 슬러리 둘다가 튜브측에 존재하는 교환기와, 깨끗한 HTF가 셀측에만 존재하는 교환기의 2개의 교환기로 분류하는 것을 고려한다. 두 열교환기의 임무는 본질적으로 동일하며(방사선량 손실에 의해서만 상이함), 그 온도는 상기 순환하는 HTF가 그 자체의 자신의 평형을 찾는 범위이다.
하나의 실시태양에서(도시하지 않음)는, 반응기(114)로부터 배출된 반응된 바이오고형물 숯은, 여전히 가압하에 있지만, 가열을 촉진하여 바이오고형물 세포 파괴 및 뒤이은 탈산소화에 앞서 슬러리 점도를 감소시키기 위해서, 반응기(114)에 들어가기 전에 압축된 바이오고형물 슬러리로 다시 재순환된다.
증발된 HTF는 수용기(144)로부터, 라인(145)을 거쳐서, 교환기(113)의 뜨거운 측으로 흐르며, 여기서 열전달에 의해 바이오고형물 슬러리를 부분적으로 가열하여 응축시킨 다음, 라인(146)을 거쳐서 다시 수용기(144)로 흐른다. 액상 HTF는 수용기(144)로부터 자연적인 환류(또는 압력 감소가 요구되는 경우, 노 충전 펌프(도시하지 않음))에 의해 연소식 히터(147)의 코일을 통해서 흐르고, 연소식 히터(147)에서는 연료 공급원(148)에 의해 공급된 열에 의해 부분적으로 증발되어 다시 수용기(144)로 흐른다. 하나의 실시태양에서는, 상기 연료 공급원(fuel source)은 천연 가스, 프로판, 연료 오일, 숯 슬러리, 숯, 또는 이들의 조합물이다. 또 다른 실시태양에서는(도시하지 않음), 유동층(fluid bed) 등의 연소 장치를 채용하여, 숯, 숯 슬러리, 또는 숯과 외부 연료 공급원 또는 폐기물 공급원의 조합물을 사용한다. 또 다른 실시태양에서(도시하지 않음)는, 가스화기를 채용하여, 숯, 숯 슬러리, 또는 숯과 외부 연료 공급원 또는 폐기물 공급원의 조합물을 사용한다. 또 다른 실시태양에서는, 보일러를 사용하여 프로세스 가열용 스팀을 생성한다. 상기 보일러는 숯, 숯 슬러리, 또는 숯과 외부 연료 공급원 또는 폐기물 공급원의 조합물을 사용할 수 있다.
HTF 펌프(149)는 수용기(144)의 바닥으로부터 액상 기화성 HTF를 흡입하여 숯 건조용 열 공급원으로서 설비(135)로 순환시킨다. 이 목적을 달성한 후에, 라인(150)을 거쳐서, 수용기(144)로 되돌려 보낸다. 또한, 상기 펌프(149)는 열손실을 방지하기 위해 반응기(114)용 자켓 등으로 다른 보조 가열 서비스(도시하지 않음)를 제공할 수도 있다.
열교환기(115)에서 부분적으로 냉각한 후에, 바로 그 유체 숯 슬러리가 냉각기(119)를 통과하여 흐르고, 그 온도는 라인(120)으로부터 배출된 플랜트 냉각수와의 교환에 의해 거의 주변온도로 떨어진다. 상기 냉각된 숯 슬러리는 냉각기(119)로부터, 증발을 피하기 위해 충분한 압력하에 수성 슬러리의 유지를 담당하는 자동 감압 밸브(116)로 흐른다. 상기 감압 밸브(116)는 상기 숯 슬러리의 압력을 대기압을 넘는 아주 적은 압력으로 감소시킨다. 이것은 분리기 드럼(117)에서 숯 슬러리로부터 분리되는, 가스상 및 용해된 이산화탄소를 방출함에 의해 성취된다. 방출된 이산화탄소는 라인(118)을 거쳐서 분리기 드럼(117)으로부터 배출된다.
상기 감압 밸브(116)는 격렬한 조건 하에 놓이게 되어 막힐 가능성이 높다. 하지만, 이러한 어려운 조건을 최소화하기 위한 어떠한 공정들을 수행할 수 있다. 예를 들면, 앞서 기재한 바와 같이, 감압 밸브(116) 전의 어느 시점에 분쇄 또는 스크리닝을 수행할 수 있다. 또한, 열교환기(115) 후에 반응된 슬러리를 더 냉각하는 감압 밸브(116) 이전 공정은, 도시한 바와 같이, 방출된 가스량을 감소시키고 감압 밸브(116)를 가로지르는 입자의 가속화를 감소시킨다. 본원의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명에 사용하기에 적합한 여러 냉각 기술을 인지하고 있을 것이다. 냉각 기술은 플랜트 냉각수에 의해 냉각되는 역류식 셀 및 튜브 또는 이중 파이프 교환기를 포함할 수 있다.
저장탱크(121) 또는 드럼(117) 중 어느 하나에서 거품이 일어날 수 있기 때문에, 2개 이상의 단계로 감압하여 거품을 제어하는 것이 유리할 수 있다. 또 다른 실시태양에서는, 스프레이 노즐을 사용하여 드럼(117)의 하부로부터 부수적인 흐름을 드럼(117)으로 분사하여, 거품을 제어할 수 있다.
일부 용해된 이산화탄소는 탱크(121)에서 분리되어 라인(137)을 거쳐 배출된다. 이산화탄소의 용도 또는 시장이 있는 경우, 라인(118)을 거쳐서 배출되는 이 가스는, 드럼(117)에서 방출되는 가스와 함께, 정제될 수 있다. 다른 한편으로는, 상기 이산화탄소는 수집되어 극소량의 악취요인 가스의 소멸 및/또는 에너지 회수를 위해 연소식 히터(147)의 화염을 통과하여 배출된다. 처리된 젖은 바이오고형물 1톤당 대략 25∼27파운드의 이산화탄소가 방출된다. 이산화탄소 중의 어떠한 황 화합물은 필수 오염 제어 장치로 처리된다. 모든 배출 가스는 극소량의 악취요인 가스를 소멸시키기 위해 연소식 히터(147)로 유도된다.
액상 숯 슬러리는 탱크(121)의 바닥으로부터 탈수 설비(122)로 흐르며, 이 탈수 설비에는 1개 이상의 시판되고 있는 기계적인 고액분리 장치가 채용되어 숯 고형물로부터 유리된 물을 분리한다. 적합한 분리 장치로는 농축기(thickener), 하이드로클론(hydroclone), 원심분리기, 가압 및 진공 회전 필터, 수평 필터, 벨트 및 회전 압축기 등을 들 수 있으며, 이들에 한정되는 것은 아니다.
탱크(121) 중의 액상 숯 슬러리는 약간의 열을 함유하여, 초기 바이오고형물 중에서 발견되는 인 또는 기타 원소를 제거하기 위한 킬레이트제 또는 기타 화학물질을 첨가하는 다음 공정에 이상적일 수 있다. 또한, 상기 킬레이트제는 상기 프로세스에서 이 단계에서 사용하기에 적합하다.
숯 고형물은 수송 수단(123)을 거쳐 탈수 설비(122)로부터 배출된다. 상기 숯 고형물 중의 일부 또는 전부는 이덕터(eductor)(124)로 보내질 수 있으며, 여기서 라인(125)으로부터 배출된 충분한 물과 혼합되어 펌핑가능한 고에너지밀도 연료 슬러리를 형성한다. 상기 연료 슬러리는, 필요에 따라, 연료 슬러리 펌프(151) 및 라인(152)을 거쳐 파이프라인 또는 탱크 트럭으로 배출하기 위한 탱크(126)에 축적된다. 필요에 따라, 상기 축축한 숯은 수송 수단(127 및 128)에 의해 축축한 숯 호퍼(136)로 수송되어, 필요에 따라, 호퍼-바닥 트럭(hopper-bottom truck) (156)으로 배출된다.
필요에 따라, 탈수 설비(122)에서 배출된 숯의 일부 또는 전부는 수송 수단(127)을 거쳐서 건조 및/또는 펠렛화 설비(135)로 보내져서, 시판되는 장비를 이용하여 상기 고형물을 건조 및 압축 또는 펠렛화할 수 있게 된다. 상기 건조에 필요한 열은 HTF 펌프(149)에 의해 기화성 HTF 수용기(144)로부터의 뜨거운 액상 HTF의 스트림에 의해 공급되며, 이 스트림은 필요한 열을 공급한 후에, 라인(150)을 거쳐서, 다시 상기 수용기로 돌려 보내진다. 건조된 숯 연료는 건조된 숯 사일로(silo)(153)에 축척되어 호퍼-바닥 트럭으로 배출되어 시장으로 수송된다. 하나의 실시태양에서(도시하지 않음)는, 건조된 숯 연료는 건조된 숯 사일로(153)에 축척되기 전에 냉각된다. 또 다른 실시태양에서는, 상기 건조된 생성물을, 설비로부터 곧바로 수송하지 않는 경우에는, 질소 덮개(nitrogen blanket) 하에 저장하여 분진폭발 및 연소를 방지한다. 건조기(135)로부터 증발된 물은 응축기(138)를 통과하여 흐르고, 그 응축물은 라인을 거쳐서 자유수 탱크로 수송된다.
하나의 실시태양(도시하지 않음)에서는, 건조 설비(135)에 필요한 열은 유동층, 보일러, 또는 가스화기로부터 가스를 연소하는 방법 중의 적어도 하나에 의해 생성할 수 있다. 상기 건조에 필요한 열의 연료 공급원은 숯, 숯 슬러리, 또는 숯과 외부 연료 공급원 또는 폐기물 공급원의 조합물 중 적어도 하나일 수 있다. 하나의 실시태양(도시하지 않음)에서는, 인접한 폐수처리 플랜트에서의 소화조(digester)로부터의 가스는 프로세스 히터나 건조기 중의 적어도 하나에 연료로서 이용된다.
도 1에 나타내지는 않았지만, 완전히 재생가능한 것은 아니지만, 펠렛화되지 않은, 건조 설비(135)에서 건조된 숯은 혼합 장치로 보내져서 연료 오일내로 주입될 수 있다. 상기 기술은 1980년대에 개발되어 시험된 석탄-오일 혼합물(COM) 프로그램의 기술과 유사하다. 기존 연료 오일의 스펙(specification)에 합치되지는 않더라도, 이러한 첨가는 발열량을 추가시키고, 어떤 경우에는, 저비용으로 황 함량을 감소시킨다. 이러한 새로운 연료는, 시멘트 가마 및 용광로에서와 같이, 재(ash)가 문제되지 않는 곳에서의 사용자들에게 흥미롭다. 어떠한 등급의 증류액 또는 잔류한 연료 오일이라도 사용될 수 있으나, 가장 유망한 후보는 불량 분산유류(off-spec slop oils), 정제연료, 폐윤활유 등이다. 상기 오일-숯 슬러리는 식물 연료용으로도 매력적이다.
설비(122) 중의 축축한 숯으로부터 분리된 자유수는 라인(129)을 통과하여 자유수 탱크(130)로 흘러 들어가서, 자유수 펌프(131)에 의해, 라인(132)을 거쳐서 혼합 및 슬러리화 설비(104) 및/또는 탱크(106)의 어느 하나로 펌핑되거나, 및/또는 라인(134)을 거쳐서 폐수처리 플랜트(WWTP)로 돌려 보내진다. WWTP에서의 처리 비율 스케일에 따라, 전처리 설비(133)에서, 공지의 시판되는 수단에 의한 어떠한 전처리를 채용하는 것이 경제적일 수 있다. 상기 전처리 설비로부터 유도된 어떠한 슬러지는 건조 설비(135)로 수송될 수 있다. 앞서 기재한 바와 같이, 건조된 생성물은 분진 폭발을 방지하기 위해서 질소 덮개 하 또는 다른 방법으로 저장할 수 있다.
도 1의 프로세스 흐름도는 바이오고형물이 도시 오수 및 폐수 처리 플랜트에서 가장 빈번하게 축적되므로, 다량의 바이오고형물의 처리에 관하여 기재한 것이지만, 본원이 속하는 기술분야의 당업자는 바이오고형물 외에 바이오매스 등의 다른 성분들을 본 발명의 일반 프로세스에 따라 탈수시켜, 생성되는 연료의 양을 증강시킬 수 있음을 인지하고 있을 것이다. 예를 들면, 제지공장 슬러지 및 종이재생 슬러지 등의 유동성 바이오매스 폐기물은 탱크 트럭(108) 또는 파이프라인(107) 또는 펌프(109)와 라인(110)을 거쳐서 충전될 수 있다. 또한, 상기 폐기물이 상당량의 염소 화합물을 함유하는 경우, 적어도 상기 염소의 화학당량의 알칼리가 첨가된다(도시하지 않음). 농업 및 임업 유래의 고형 바이오매스 폐기물은, 예를 들면, 미국특허 5,685,153에 기재된 공지의 기술을 이용하여(전체 명세서 내용을 본원 명세서에 참고로 편입함), 컨베이어(101)를 거쳐서 혼합 및 슬러리화 설비(104)에 충전될 수 있다. 파우더 리버 바신(Power River Basin)제 흑갈탄(sub-bituminous coal) 등의 저급 탄소질 연료는 필요에 따라 또는 부가적으로 수송 수단(102)을 거쳐서 설비(104)에 충전될 수 있다. 재순환된 물은 특정 슬러리 점도를 위해 필요에 따라 라인(132)을 거쳐서 첨가되고, 및/또는 새로운 물은 라인(103)을 거쳐서 첨가된다. 바이오고형물에 대한 상기의 개요(outline)에 나타낸 바와 같이, 상기 슬러리화된 친수성 공급원료는 라인(105)을 거쳐서 저장 탱크(106)로 이송된다.
도 1에 의해 예시된 유닛에 의해 제조했을 때, 상기 바이오고형물 숯의 높은 반응성이 인지되었다. 그 탄소질 분자의 이러한 특성은 가스화 설비, 또는 그것을 함산소(oxygenated) 유기 화합물 원료(저분자량(아세트산, 알콜류, 알데히드류 및 케톤류 등) 또는 고분자량 세정제, 계면활성제, 가소제, 윤활유 첨가제 등)로서 이용하는 화학 플랜트에 유용할 것이다. 숯의 가스화에 대한 미래의 가능성 중에는, 가스에 함유된 CO를 이산화탄소와 수소로 변환(shift)하고, 뒤이어 이산화탄소를 분리하여 연료전지용 수소를 생성하는 것이 있다. 이러한 분리는, 오크리지 국립연구소 및 엘트론 리서치사가 공동연구하여, 미국 에너지부(DOE) 퓨처젠(FutureGen) 프로젝트로 개발한 새로운 금속 세라믹막에 의해 잘 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 작동하는 폐수 처리 플랜트(WWTP)와, 이 플랜트에 인접한, 효율적인 바이오고형물 처리 설비의 조합에 관한 흐름도로서, 이 바이오고형물 처리 설비는, 본 발명에 따라 작동하고 유체 탈산소화를 채용하여 바이오고형물을 가연성 재료로 경제적으로 전환하고, 그 결과 WWTP 바이오고형물로부터 대부분의 물, 특히 바이오고형물 세포에 결합된 물을 제거하는(그렇지 않으면, 바이오고형물로부터의 물의 수송 및/또는 증발 비용이 부풀려짐으로써 바이오고형물의 사용이 불가능해짐) 설비이다. WWTP의 혐기적 소화로부터 방출된 가연성 가스는 탈산소화에 필요한 열을 제공하는데 사용할 수 있으므로, 연료 구입 비용을 절약할 수 있다. 더욱이, WWTP에서 배출되는 처리된 물은 유체 탈산소화 유닛에서 슬러리화용 물로 이용될 수 있다. 또한, 상기 WWTP는 상기 탈산소화 유닛으로부터의 유출물(effluent)을 처리할 수 있다.
구체적으로, WWTP(201)는 하나 이상의 도관(203)을 거쳐서 배수되는 빗물과 하나 이상의 도관(204)을 거쳐서 배수되는 오수를 수용한다. 공지된 기술을 사용하여, WWTP는 일반적으로 도관(205)을 거쳐서 들어오는 대기와 수송 시스템(206)을 거쳐서 들어오는 응집제 및 석회 등의 통상의 각종 첨가제를 사용한다. 이러한 오수 및 폐수의 종래의 처리에 의해서 소화조 가스가 생성되어, WWTP로부터 도관(207)을 거쳐서 배출되어, 본 발명의 연료 공급원으로서 이용된다. 상기 처리는 점성이 있는 오수 슬러지, 즉, 라인(208)을 거쳐서 배출되는 바이오고형물의 슬러지 또는 슬러리를 생성한다. 상기 고형물의 농도는 통상 약 3∼40%의 범위이며 평균 약 20%이다. 바이오고형물은 약 80%의 결합수를 함유하기 때문에, 그들을 허용가능한 처리 장소로 운반하여, 존재하는 물을 연소시키나, 또는 물리적으로 탈수시키기 위해 시도하는 데 비용이 많이 든다.
도 1의 프로세스를 채용하는, 탈산소화 유닛(202)은 바이오고형물의 공급원에 가능한한 가깝게 설치된다. 세포 구조를 파괴하여 바이오고형물을 구성하는 분자로부터 이산화탄소를 분리함으로써, 상기 슬러리는 기계적으로 쉽게 탈수되어 약 35∼65%의 고형물을 함유한다. 상기 분리가능한 (유리된)물(미처리 바이오고형물 중 약 90% 임)은 라인(211)을 통과하여 WWTP로 재순환되며, 막, 암모니아 제거 기술, 혐기적 소화 기술, 또는 역삼투 기술로 전처리할 수 있다. 건조했을 때, 상기 잔류하는 숯은 미처리 바이오고형물 무게의 약 15∼17% 뿐이며, 그 결과 사용 또는 처리 지점까지 숯을 수송하는 데 드는 비용이 상당히 절약된다.
적당한 수단(210)을 거쳐서 배출되는, 건조되지 않은 저수분 숯은 적합한 컨베이어 또는 캐리어(212)에 의해 수송되어, 부근의 매립지에 수용될 수 있다. 마찬가지로 수단(213)을 거쳐서, 부근의 소각로로 수송될 수 있으며, 그 소각에는 대응하는 미처리 바이오고형물이 소비하는 것보다 훨씬 더 적은 연료를 필요로 한다. 또한, 건조되거나 또는 건조되지 않은 숯 중의 어느 하나는, 수단(214)을 거쳐서, 부근의 시멘트 가마로 수송될 수 있으며, 그 시멘트 가마는 등가량의 미처리 바이오고형물이 필요로 하는 것보다 현저하게 적은 구입 연료를 필요로 한다. 또한, 상기 숯은, 수단(215)을 거쳐서, 그것이 (높은 반응성의 도움으로) 연료 또는 합성 가스, 함산소 화합물, 탄소 섬유, 비료 제품으로 쉽게 변환되는 화학 플랜트, 및/또는 매립지로 수송될 수 있다. 상기 저수분 숯은, 수단(216)을 거쳐서, 펌핑가능한 슬러리 또는 건조 펠렛 중의 어느 하나로서, 그 높은 반응성에 의해 저과잉 공기 및 고탄소 소모(burnout)로 효율적인 연소를 허용하는 화력발전소로 수송될 수 있다.
재료 및 에너지의 흐름과 마찬가지로 중요한 것은, 점선(217)으로 나타낸 바와 같이, WWTP로부터 바이오고형물 처리 유닛으로의 처리료(tipping fee) 형태의 돈의 흐름이다. 상기 처리료는 그 바이오고형물을 처리하는 프로세싱 유닛의 소유주에게 WWTP가 지불하는 비용이다.
상기한 새로운 연료의 공급이 초기에는 적기 때문에, 지역적으로 사용하기(local use)에 적합하다. 이와 같이, 그것을 받아들이는 최초의 연료 사용자 중의 하나는 시멘트 가마 조작자가 될 것이며, 이는 그들이 높은 재 함량을 대부분 견딜 수 있기 때문이다. 기타 적합한 사용 분야는 용광로 및 주조소이며, 이 분야에서는 석탄 또는 코크스를 연소시켜 슬래그와 같은 다른 불순물을 함유한 재를 처리하는데 익숙하기 때문이다. 바이오고형물 숯 공급이 증가함에 따라, 화력발전소 등의 일반적인 석탄 사용처의 흥미를 끌게 될 것이다. 이러한 적용은 나머지 도면에서 더 구체적으로 설명된다.
예를 들면, 도 3은 바이오고형물을 가연성, 바람직하게는 탄화 재료로 변환시키는, 시멘트 가마에 결합되어 있는 효율적인 바이오고형물 처리 설비를 나타내는 흐름도이다. 본 발명의 이러한 측면은, 미처리 바이오고형물과 동반하여 가마에 수송되는 물을 현저하게 감소시킴으로써, 바이오고형물의 소비량을 실질적으로 증가시키고, 이에 비례하여 처리자가 거둬들이는 처리 수입(tipping revenue)과 가마에 부과된 Btu(British Thermal Unit)를 증가시킬 수 있음을 강조한다.
구체적으로, 도 1에 대한 프로세스를 채용하는, 유체 탈산소화 유닛(301)은, 수송 수단(303)에 의해 나타낸 바와 같이, 하나 이상의 WWTP, 즉 바이오고형물의 공급원에 가능한한 가깝게 설치된다. 바이오고형물의 세포 벽을 파괴하고 동시에 형성될 수 있는 이산화탄소를 배출함으로써(라인(304)), 그 결과 얻어진 숯은 약 35∼65% 고형물을 함유하도록 쉽게 기계적으로 탈수될 수 있다. 그 분리된 물(미처리 바이오고형물의 약 90%)은 라인(305)을 통해서 WWTP로 재순환되거나 또는 슬러리화 프로세스용 재순환수(recycle water)로서 사용된다.
농축된 슬러리로서, 젖은 고형물 또는 건조된 고형물 중의 어느 하나의 숯은 수송 수단(306)을 거쳐서 시멘트 가마(302)로 수송된다. 도관(307, 308 및 309)을 거쳐서 포틀랜드 시멘트(석회석, 점토 및 혈암)의 기본 구성성분을 충전하여, 분쇄, 혼합한 다음, 도관(310)을 거쳐서 가마에 충전한다. 예열부에서는, 이 구성성분들이 역류하여 뜨거운 배출 가스와 접촉됨으로써, 온도를 상승시켜, 결정수를 증발시키고 석회석을 하소시킨다. 예열부의 바닥 부근에, 도관(311)을 통해서 폐타이어 및 깨진 아스팔트 등의 가연성 폐기물을 충전한다. 필요에 따라 원하는 온도를 얻기 위해서, 석탄, 오일, 또는 가스 등의 연료를 연소용 공기와 함께, 예열부로 연소시킨다. 그 다음, 상기 예열된 혼합물은 수평의 회전 가마의 한쪽 말단으로 배출된다.
상기 예열된 성분을 상기 회전 가마의 반대쪽 말단으로 보냈을 때는, 도관(312)을 통하여 전달된 1차 연료를, 연소용 공기 팬(도시하지 않음) 및 도관(313)을 거쳐서 공급된 대응하는 연소용 공기와 함께, 배출 말단(discharge end)에서 연소시킴으로써, 그들이 반응하여 시멘트 클링커(cement clinker)를 형성하는데 필요한 온도까지 더 가열된다.
감지가능한(sensible) 열의 대부분이 회수된 배출 가스는 배기 팬을 거쳐서 가마로부터, 또한 라인(314)을 통해서 분진 회수 장치(도시하지 않음)로부터 배출된다. 시멘트 클링커는 연소용 공기와의 열교환을 거쳐, 도관(315)을 통해, 가마로부터 배출된다. 상기 냉각된 클링커는 분쇄되고 석고판과 블렌드하여 포틀랜드 시멘트를 형성한다.
바이오고형물 숯의 재 구성성분의 대부분은, 나트륨과 칼륨 및 황산염과 염화물 등의 가용성 양이온을 제외하고는, 포틀랜드 시멘트에서 허용되며, 일차적으로 액체 탈산소화 유닛으로부터의 유출물에 도달하고 도관(305)을 거쳐 WWTP로 돌려보내진다. 그 예외는 종종 철(iron)에 의해 불용성 형태로 결합되어 있는 인(P)이다. 상기 인 함량은 소정의 시멘트 가마에서 받아들일 수 있는 바이오고형물 숯의 양을 제한할 수 있다. 유닛(301)에 의해 생성된 숯 중의 인 함량이 시멘트 클링커에서 받아들일 수 있는 바이오고형물 숯의 양을 제한할 정도로 높은 경우에는, 라인(316)을 거쳐서 킬레이트 용액(또는 기타 가용화제)을 사용하여 이 원소의 일부를 추출(extract)할 수 있다. 그 다음, 인함유 추출물은 라인(317)을 통해서 배출하여 그것을 WWTP로 돌려보내는 것을 피하는 방식으로 처리해야 한다.
바이오고형물의 무기분율(inorganic fraction)은 건량기준으로 약 50%일 수 있다. 바이오고형물에서 발견되는 이러한 고유의 재는 라인(307), 라인(308) 및 라인(309)에 각각 주입되는 석회석, 점토 및 혈암의 양을 줄일 수 있다. 유닛(301)이 시멘트 가마(302) 근처에 위치하는 경우, 폐수 스트림(305)의 일부는 시멘트 가마(302)에서 냉각 또는 기타 목적으로, 또는 NOx 환원에 이용될 수 있다. 스트림(314)으로부터의 폐열, 또는 복사열을 포함한 기타 폐열 스트림은, 공급 재료의 가열, 프로세스 가열, 또는 반응된 생성물의 건조를 포함한 시스템의 처리 열로서 유닛(301)에 의해 이용될 수 있다. 스트림(302)으로부터 방출된 이산화탄소는 열 회수 또는 악취 감소를 위해 시멘트 가마(302)로 유도될 수 있다.
재료와 에너지의 흐름과 마찬가지로 중요한 것은, 점선(318)으로 나타낸 바와 같이, WWTP로부터 유닛(301) 및 유닛(302)의 조합으로의 처리료 형태의 돈의 흐름이다. 비용의 일부는, 점선(319)으로 나타낸 바와 같이, 유닛(301)의 소유주에게 보내고, 나머지는 점선(320)으로 나타낸 바와 같이 시멘트 가마(302)의 소유주에게 보낸다.
도 4는 화력발전소(402)에 아주 근접하여 결합되어 있고, 탈산소화를 채용하여 바이오고형물을 가연성 재료로 변환시키는, 효율적인 바이오고형물 처리 설비(401)의 간략 흐름도이다. 상기 유닛(401)은 도 1에 의해 예시되어 있으며, WWTP로부터의 바이오고형물을 충전한다. 그러나, 경제적인 규모의 발전소에 이용가능한 바이오고형물의 공급은 그 연료 요구량에 충분하지 않을 것 같으므로, 그것은 재생가능 바이오매스 및/또는 친수성 저등급 화석연료의 스펙트럼을 변화시키는 액체 탈산소화 프로세스의 한 부류(family)를 나타낸다. 이러한 잠재적인 연료의 일부 또는 전부를 이용하면, 그들은 액체 탈산소화에 의해 발전소(402)에서의 연소에 대해 덜 친수적으로 되고 더 균일해지고 열적으로 효율적으로 된다. 상기 발전소(402)는, 지역 시장 및/또는 국가 시설망용 전기 생산에 있어서, 스팀 터빈 또는 가스 터빈이 결합된 사이클을 거쳐서 완결되는, 통상적인 및 통상적이지 않은 연소 시스템의 스펙트럼을 나타낸다.
바이오고형물은 라인(403)을 거쳐서 유닛(401)에 충전된다. 필요에 따라 또는 부가적으로, 제지공장 슬러지 또는 농업 또는 입업에서 배출된 바이오매스 폐기물은 수송 수단(404)에 의해 전달되며, (필요에 따라) 친수성 저등급 화석연료가 수송 수단(405)을 거쳐서 전달된다. 펌핑가능한 충전 슬러리 형성에 필요한 물은 라인(406)을 통하여 첨가된다. 도 1에 따른 처리 후에, 그 과잉의 물은 라인(407)을 거쳐서, WWTP로 되돌려지거나, 또는 공지의 수단에 의해 배수 처리된다. 균일한(탈수된) 고에너지밀도 숯 슬러리, 또는 건조 및 펠렛화된 숯은 수송 수단(408)을 통해서 발전소(402)로 전달된다.
상기 수송 수단(408)에 의해 수송된 숯 또는 숯 슬러리는 스팀 발생용 열에너지를 생성하는 공지의 방법 중 하나에 의해 연소되어, 발전기를 구동하는 종래의 스팀 터빈을 통해서 퍼지거나, 또는 (공기 또는 시판 산소 중 어느 하나로) 부분 산화되어 발전기를 구동하는 가스 터빈 연소기 중에서 이어서 연소되는 연료가스를 생성할 수 있으며, 그로부터의 뜨거운 배기 가스는 통합 스팀 터빈 구동 발생기용 스팀을 생성한다. 상기 숯의 부분 연소는 재를 유체 슬래그로서 분리하는 공지의 방법, 또는 수성 슬러리 중에서 재 입자의 분리를 나타내는 미국특허번호 5,485,728(본 명세서에 그 전체 명세서 내용을 참고로서 편입함)에 따라 수행할 수 있다.
이용할 수 있는 숯의 양이 시장에서 요구하는 전기량을 생성하기 위한 연료 에너지로는 불충분하기 때문에, 보충 화석 연료가 수송 수단(410)을 거쳐서 공급될 수 있다. 바이오매스 및/또는 화석 연료 숯의 연소 또는 부분 연소용 공기는 라인(411)을 통해서 공급된다. 적당한 공지의 오염 제어 조치를 취한 후에, 발전소(402)에서의 연소로부터 배출된 가스(또는 가스들)는 스택(412)을 통해서 배출된다.
처리된 보일러 공급수(feed water)의 구성물(makeup)은 라인(413)을 통해서 공급되고, 스펙이내로 보일러수를 유지하기 위해 요구되는 부분배수물(blowdown)은 라인(414)을 거쳐서 유닛(401)으로 배출되어, 이 유닛에서 탈산소화 조작에 공급되는 충분히 유동성이 있는 슬러리를 형성하는데 필요한 물의 일부를 구성할 수 있다. 재, 숯 및 보조 연료를 연소하여 얻은 불연성 잔유물, 또는 재 슬러리는 도관(415)을 거쳐서 배출시켜 처리한다.
대기압 보일러로부터의 질소산화물의 방출을 제어하는 공지의 방법 중의 하나는 주요 화염존(flame zone) 위에서 반응성 연료를 이용하여 과연소시키는 것이다. 그의 휘발성 함량 및 높은 반응성 때문에, 바이오고형물 숯은 이러한 목적에 적합한 연료이며, 수송 수단(408)으로부터 배출되는 것의 일부는 질소산화물 감소를 위해 수송 수단(416)으로 우회배출(divert)시킬 수 있다. 상기 조합의 생성물인, 전기는 전기 케이블(417)을 통해서 상기 부위로부터 산출되어나온다(deliver).
간략화를 위해, 상기 바이오고형물 처리 유닛(401)은 발전소(402)에 충분한 숯 연료를 공급할 수 있는 용량 및 원료 공급을 가진 것처럼 나타나 있다. 실제 설비에서는, 처리 유닛(401)은 발전소(402)에 인접하여 위치할 수 있으며, 하나 이상의 이러한 유닛(401)은 원료 공급원에 근접한 다른 장소(들)에 설치될 수 있다. 이것은 조작자에게, 특정 공급원료에 최적화된 맞춤 탈산소화 온도를 채용할 수 있는 유연성을 부여한다. 이러한 경우에, 그후 건조 숯은 도로 또는 철로에 의해 발전소로 보내질 수 있으며, 경제적인 면에서는, 파이프라인을 거쳐서 수성 슬러리로서 공급될 수 있다. WWTP로부터 탈산소화 유닛으로의 처리료 형태의 돈의 흐름은 점선(418)으로 나타낸다.
도 5는 열건조기 유닛(501) 및 시멘트 가마(502)를 포함하는 조합의 간략 흐름도이다. 상기 열건조기 유닛(501)은 하나 이상의 시멘트 가마(502)에 가능한 한 가깝게 설치되며, 원칙적으로 도 3에 관련하여 기재 및 도시한 것과 동일한 구성(configuration)을 채용하지만, 바이오고형물을 탈산소화시키지는 않는다. 바이오고형물은 수송 수단(503)을 거쳐서 공급된다. 열을 미처리 바이오고형물 세포에 가함으로써, 세포에 함유된 물은 증발되어, 제거 및 응축용 라인(505)을 거쳐서 배출되거나, 또는 필요에 따라, 라인(517)을 거쳐서 가마로 돌려 보내져 가마에서 구성수(makeup water)로서 이용되거나 NOx 환원용으로 이용된다.
그 결과 얻어진 건조된 바이오고형물은 라인(506)을 거쳐서 가마로 유도되어 Btu 값은 물론 재의 값이 이용된다. 도 3에 나타낸 바와 같은, 1차 구성성분은 라인(507, 508, 509)에서 도관(510)을 통해서 가마에 첨가된다. 도 3에서와 같이, 예열부에, 폐타이어 및 깨진 아스팔트 등의 가연성 폐기물이 도관(511)을 통해서 충전된다. 도 3에서와 같이, 연소용 공기 및 1차 연료는 도관(513 및 512)을 거쳐서 각각 도달된다. 시멘트 클링커는 도관(515)을 거쳐서 가마로부터 배출된다.
열 건조가 물 증발시의 잠열로부터 고유 에너지 패널티(penalty)를 갖지만, 이러한 패널티는 시멘트 가마와 통합함으로써 또한 도관(518)을 거쳐서 가마로부터의 열을 이용함으로써 전적으로 또는 부분적으로 극복할 수 있다. 더 구체적으로는, 통상적으로는 도관(514)을 거쳐서 적합한 배출구로 이동하는 배출 가스는 도관(516)을 거쳐서 열건조기로 보내질 수 있으며, 이로 인해 바이오고형물로부터 유리된 물을 증발시키기 위한 열건조기(501)에서의 일차적인 연료의 필요량을 감소시킬 수 있다.
상기에서 간단히 설명한 바와 같이, 바이오고형물 숯의 잠정적인 공급은 일반적인 원료 시장보다 규모가 더 작기 때문에, 바이오매스 등의 다른 성분들을 액체 탈산소화 유닛에서 함께 처리하거나, 또는 병렬 장치에서 처리할 수 있으며, 그 결과 얻어진 숯은, 예를 들면, 미국특허 5,485,728에 나타낸 바에 따라, 연료로서 사용되기 전에 블랜딩할 수 있다. 하와이(바이오고형물, 파인애플 및 사탕수수 폐기물) 및 사크라멘토, 캘리포니아(바이오고형물 및 쌀겨 및 벼줄기) 등의 여러 지역은 슬러리 공탈산소화(co-deoxidation) 또는 병렬(parallel) 탈산소화 부지(site)를 제공한다. 제지공장 슬러지 및 제지재생 슬러지는, 비록 그들이 염소를 중화시키기 위해 알칼리 첨가를 필요로 하지만, 보충 친수성 바이오매스의 또 다른 전도유망한 공급원이다. 이러한 방법은 다양한 공급원을 균일한 액상 또는 고형 숯 슬러리 연료에 통합하는 수단을 제공한다.
하기 실시예는 단지 본 발명의 실시에 사용되는 방법 및 시스템의 대표예일 뿐이며, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예 1]
두 개의 폐수 처리 플랜트(하나는 조지아 아틀란트에 있는 플랜트, 하나는 캘리포니아 리버사이드에 있는 플랜트)로부터의 바이오고형물에 대하여, 앞서 기재한 연속 파일롯 플랜트(continuous pilot plant)에서의 처리를 행하여, 수분 및 재 없는 성분(ash-free basis)에 관한, 하기의 공급물 및 생성물 분석 결과를 얻었다.
| 아틀란타 미처리 바이오고형물 | 리버사이드 미처리 바이오고형물 | |
| 탄소 수소 질소 황 산소 | 57.73 7.48 7.90 3.02 23.86 | 62.53 9.26 7.52 1.17 19.52 |
| 합계 | 100.00 | 100.00 |
| 아틀란타 숯 생성물 | 리버사이드 숯 생성물 | |
| 탄소 수소 질소 황 산소 | 70.19 8.85 8.63 1.42 10.91 | 69.98 7.68 8.45 8.86 5.04 |
| 합계 | 100.00 | 100.00 |
예상했던 바와 같이, 이산화탄소 분리 결과 탄소 함량이 증가하였으며 이에 대응하여 산소 함량이 감소하였다.
두 작업장의 방출 가스 조성은 다음과 같았다:
| 아틀란타 방출가스 | 리버사이드 방출가스리l | |
| 이산화탄소 휘발성 유기물 황 화합물 | 89.7% 10.0% 0.3% | 92.8% 6.0% 1.2% |
| 합계 | 100.0% | 100.0% |
[이론상의 실시예 1]
미국 사우스웨스턴에 있는 시멘트 가마는 생산 용량이 3,200톤/일이다. 시멘트 "클링커" 형성에 필요한 온도에 도달하기 위해서, 어느 정도까지는 폐고무 타이어를 채워서 보충한 저급 석탄을 연소시킨다. 배출 가스 중에서 감지가능한 열은, 미네랄 충전물 및 연소용 공기를 예열한 후에, 페수처리 플랜트 지역으로부터 배출되는 20톤/일(건량 기준)의 바이오고형물을 건조 및 소각하는데 이용할 수 있다. 건조 바이오고형물 1톤당 약 4톤의 물이 동반되지만(바이오고형물에 음의 발열량을 부여함), 처리료로부터의 수입은 연소시켜야만 하는 여분의 석탄 비용을 상쇄시킨다. 그러나, 그 양은 물을 증발시키기 위한 열용량(thermal capacity)에 의해, 또한 압력 감소와 팬 마력을 증가시키는 배출 가스의 증가된 체적에 의해 제한된다.
이러한 발명을 이용하면, 상기 가마는 부근의 한개 이상의 WWTP에서 본 발명에 따라 탈수 및 탈산소화된 바이오고형물을 이용할 수 있다. 이와 같이, 미처리 바이오고형물에 미리 충전되어 있던 물의 약 80∼94%는 상기 가마를 우회(bypass)하며, 이는 열용량 및 팬 마력의 한계를 넘지 않고 탈산소화된 재료의 7배를 충전하는 것을 허용한다. 가마에서 처리되는 바이오고형물은, 대응하는 처리료의 증가 에 따라, 약 700% 만큼 증가될 수 있다.
상기 조작예 외에, 또는 특별히 특정하지 않더라도, 본 명세서의 하기 부분에서 숫자로 나타낸 범위, 양, 재료의 양에 대한 값 및 퍼센트, 반응 시간 및 온도, 양비 등은 모두 "약" 이라는 단어를 값, 양 또는 범위에 특별히 기재하지 않더라도 "약"이라는 단어를 전제하는 것으로 읽혀질 수 있다. 따라서, 특별히 반대로 기재하지 않는 한, 명세서 및 첨부한 청구항에 기재된 숫자로 나타낸 파라미터는 본 발명에 의해 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변화할 수 있는 근사값이다.
넓은 범위의 발명을 나타내는 상기 수치 범위 및 파라미터가 근사값이라 할지라도, 구체적인 예로 나타내는 수치는 가능한한 정확하게 보고된다. 하지만, 어떠한 수치는 그들의 개별 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필연적으로 생기는 어떠한 에러를 원래 포함한다. 더욱이, 본원 명세서에서 다양한 범위의 수치 범위를 나타내는 경우, 그 인용된 값을 포함한 이 값들의 어떠한 조합이 사용할 수 있음을 감안한다.
본 발명에 개시된 특정 태양들은 본 발명의 여러 면을 설명하기 위한 것이므로, 본 명세서에서 기재 및 청구한 발명이 상기 태양에 의해 그 범위가 한정되는 것은 아니다. 어떠한 등가의 태양이 본 발명의 범위내에 포함될 수 있다. 실제로, 본 명세서에 기재된 것 외에 본 발명의 다양한 변형이 이루어짐은 상기한 상세한 설명으로부터 본원 기술분야의 숙련자들에게 명백하다. 또한, 이러한 변형은 첨부한 청구항의 범위내에 들어가게 된다. 상기 본문에 인용된 모든 특허 및 특허출원은 그 전체 명세서를 참고로서 본 명세서에 편입하였음을 밝힌다.
Claims (92)
- 세포 및 세포 결합수를 포함하는 바이오고형물을 제공하는 공정;상기 바이오고형물에 유동성을 유지하기에 충분한 압력을 가하는 공정;상기 압축된 바이오고형물을 세포 파괴에 충분한 제1 온도로 가열함으로써 세포 결합수를 유리하여 파괴된 바이오고형물 세포의 슬러리를 형성하는 공정;상기 파괴된 바이오고형물 세포의 슬러리를 감압하는 공정; 및적어도 부분적으로 탈수된 파괴된 바이오고형물 생성물을 제공하기 위해 상기 유리된 세포결합수의 적어도 일부를 상기 슬러리로부터 제거하는 공정을 포함하는 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,바이오고형물로부터 이산화탄소를 방출하여 숯화된, 파괴된 바이오고형물 세포를 포함하는 숯 슬러리를 형성하기에 충분한 제2 온도로, 상기 바이오고형물을 가열하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제2항에 있어서,상기 숯 슬러리로부터 이산화탄소를 분리하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제3항에 있어서,상기 유리된 세포결합수의 적어도 일부를 제거하는 공정에 의해, 적어도 부분적으로 탈수된 숯 생성물을 제공하고, 상기 숯 생성물을 산소를 포함한 가스와 반응시켜 그 연료값(fuel value)을 열에너지로 변환시키는 공정을 포함하고, 상기 열에너지를 이용하는 공정과 그 연료를 소각하는 공정 중의 적어도 하나를 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 충분한 압력을 가하는 공정이 펌프를 설치하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제3항에 있어서,필요한 펌프 수두압력(head pressure)을 줄이기 위해서 하류(downstream)에 부스터 펌프(booster pump)를 설치하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제3항에 있어서,필요한 펌프 수두압력을 줄이기 위해, 상기 제거 공정으로부터의 자유수(free water)를 상기 제공 공정으로 재순환시키는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제4항에 있어서,상기 제거 공정이 상기 숯 슬러리로부터 수용성 구성성분을 제거하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제8항에 있어서,상기 탈수된 숯 생성물을 청정수(clean water)로 세정하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제8항에 있어서,상기 탈수된 숯 생성물을 용제(solvent)로 세정하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제거 공정이, 상기 슬러리 및 부분적으로 탈수된 생성물 중의 적어도 하나로부터 자유수를 스팀으로서 실질적으로 제거하여, 건조된 생성물을 제조하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 건조된 생성물이 건조된 숯 생성물이며, 그 건조된 숯 생성물과 연료 오일을 혼합하여 석탄-오일 혼합물을 형성하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 슬러리가 숯화된 파괴된 바이오고형물 세포의 숯 슬러리이며, 그 숯 슬러리와 연료 오일을 혼합하여 석탄-오일 혼합물을 형성하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 건조된 생성물이 숯 생성물이며, 그 건조된 숯 생성물을 탄소계 생성물로 변환시키는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 슬러리가 숯화된 파괴된 바이오고형물 세포의 숯 슬러리이고, 그 숯 슬러리를 탄소계 생성물로 변환하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 슬러리가 숯 슬러리이고, 상기 적어도 부분적으로 탈수된 파괴된 바이오고형물 생성물이 숯 생성물인, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제16항에 있어서,상기 숯 생성물을 화학 플랜트로 수송하는 공정과, 그 숯 생성물을 합성 가스, 오일, 함산소 화합물(oxygenated compound), 탄소 섬유, 비료 첨가제, 및 그들의 조합물 중의 적어도 하나로 변환시키는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제거 공정이 수상(aqueous phase)의 적어도 일부를 상기 제공 공정으로 재순환시키는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제16항에 있어서,상기 숯 슬러리로부터 제거된 물을 전처리하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제19항에 있어서,상기 수상의 전처리 공정이 메탄 가스를 주는(render), 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제19항에 있어서,전처리된 물의 적어도 일부를 상기 제공 공정으로 재순환시키는 공정을 포함 하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제19항에 있어서,상기 물의 전처리 공정이 막, 진동 막, 암모니아 제거, 혐기적 소화, 및 역삼투 중의 적어도 하나로 전처리하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제22항에 있어서,상기 숯화된 슬러리로부터 제거된 물에 킬레이트제를 첨가하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제19항에 있어서,상기 숯 생성물에 킬레이트제를 첨가하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 압력을 가하는 공정 전에, 물, 열, 스팀, 및 그들의 조합 중의 적어도 하나를 바이오고형물에 첨가하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 압력을 가하는 공정 전에, 바이오고형물을 분쇄하는 공정 및 전단 (shear)하는 공정 중의 적어도 하나를 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 압력을 가하는 공정 전에, 바이오고형물을 스크리닝하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,감압 전에 슬러리를 냉각하는 공정 및 감압 후에 슬러리를 냉각하는 공정 중의 적어도 하나를 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 감압 공정이 적어도 2 증분(two increment)으로 일어나는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제28항에 있어서,상기 냉각 공정이 상기 감압 공정 전에 일어나는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제3항에 있어서,거품이 상기 분리 공정을 방해하는 경우, 분리기의 하부로부터 배출되는 숯 슬러리를 펌핑하여, 분리기의 액 레벨보다 위에 위치한 적어도 하나의 분사 노즐로부터 거품을 향하여 분사하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제2항에 있어서,상기 이산화탄소를, 소각로(oxidizer) 및 프로세스 히터(process heater) 중의 적어도 하나의 화염을 통하여 배출시키는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제3항에 있어서,상기 이산화탄소 분리 공정이 하기 공정 중의 적어도 하나의 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법:이산화탄소를 토양(earth) 및 수역(large body of water) 중 적어도 하나에 가두는(sequestering) 공정;이산화탄소를 정제하여, 탄산음료, 압축 소화기, 스프레이통 추진제, 냉매, 및 불활성 차단 기체(inert blanketing gas) 중의 적어도 하나로 사용하는 공정;상기 이산화탄소를 3차 오일 회수(tertiary oil recovery)용 혼합가능 플러딩제(flooding agent)로 사용하는 공정; 및이들을 조합한 공정.
- 제1항에 있어서,상기 가열 공정이 뜨거운 열전달 유체를 제공하는 공정과 그 뜨거운 열전달 유체로 압축된 바이오고형물을 가열하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제34항에 있어서,상기 열전달 유체로 압축된 바이오고형물을 가열하는 공정이, 증발된 열전달 유체의 증기를 응축함에 의해 상기 압축된 바이오고형물을 더 가열하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 슬러리 중의 열을 압축된 바이오고형물과 교환하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제36항에 있어서,상기 교환 공정이 상기 압력을 가하는 공정 전에 일어나는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제4항에 있어서,프로세스 열(process heat)에 대해 열에너지(thermal energy)를 이용하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제38항에 있어서,상기 프로세스 열을 이용하여 상기 탈수된 숯 생성물을 건조시키는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제4항에 있어서,생성된 재가 시멘트 가마, 건축 재료, 퇴비, 또는 비료 제품 중의 적어도 하나에 이용되는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 가열 공정이 가열 매체로서 스팀을 사용하는 공정을 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제2항에 있어서,상기 이산화탄소 가스에 함유된 황이 상기 분리 공정에서 생성되고, 그 황을 오염 제어 장치로 제거하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제16항에 있어서,상기 탈수된 숯 생성물로부터 철을 회수하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 제16항에 있어서,상기 탈수된 숯을 건조시키는 공정; 및건조 직후에 건조된 숯 연료를 냉각하는 공정을 더 포함하는, 바이오고형물을 연료로 변환시키는 방법.
- 적어도 약 10% 물을 함유하는 바이오매스를 제공하는 공정;펌핑가능한 슬러리를 형성하기 위해, 분쇄하는 공정, 및 담수, 회수수 (recycled water), 스팀, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 첨가하는 공정 중의 적어도 하나를 수행함으로써 상기 바이오매스를 슬러리화하는 공정;상기 바이오매스 슬러리에, 유동성을 유지하면서 압축된 바이오매스를 형성하기에 충분한 압력을 가하는 공정;상기 압축된 바이오매스를 제1 온도로 가열하는 공정으로서, 상기 제1 온도가 수성 숯 슬러리, 이산화탄소, 및 자유수를 형성하기에 충분한 공정;상기 바이오매스 숯 슬러리를 감압하는 공정;상기 바이오매스 숯 슬러리로부터 이산화탄소를 분리하는 공정; 및감소된 산소 함량을 가진 탈수된 바이오매스 숯 생성물을 제공하기 위해, 상기 바이오매스 숯 슬러리로부터 자유수의 적어도 일부를 제거하는 공정을 포함하는 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 탈수된 바이오매스 숯 생성물을 산소를 포함하는 가스와 반응시킴으로써 그 연료값를 열에너지로 변환시키는 공정; 및그 열에너지를 이용하는 공정을 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 바이오매스가 제지공장 슬러지, 종이재생공정으로부터의 슬러지, 농업 및 임업 폐기물, 토탄(peat), 음식물 쓰레기, 돼지 거름, 닭 쓰레기(chicken litter), 소 거름, 기타 동물 거름, 쌀겨, 사탕수수 찌꺼기, 녹색 폐기물, 도시 고형 폐기물, 팜유 찌꺼기, 폐기물 유래 연료(refuse derived fuel), 크라프트 밀 흑액(Kraft Mill black liquor), 및 단주기 에너지 작물(short rotation energy crops) 중의 적어도 하나를 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 제1 온도가 약 200∼345℃(400∼650℉)인, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 제공 공정이 바이오매스 중에 적어도 하나의 오염 또는 슬래그 형성 성분(element) 용해용 시약을 제공하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,탈수된 바이오매스 숯 생성물에 존재하는 적어도 하나의 오염 또는 슬래그 형성 성분 용해용 시약을 첨가하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제50항에 있어서,상기 시약이 알칼리를 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 자유수의 일부가 상기 첨가 공정으로 재순환되는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 제거 공정이 바이오매스 숯 슬러리 및 탈수된 생성물 중의 적어도 하나로부터 물을 스팀으로서 실질적으로 제거하는 공정을 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 수성 숯 슬러리를 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제54항에 있어서,상기 제2 온도가 약 40∼90℃(100∼200℉)인, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,소각로(oxidizer) 또는 프로세스 히터(process heater) 중의 적어도 하나의 화염을 통하여 이산화탄소를 방출하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,인접한 폐수처리 플랜트로부터의 공정수(process water)를 슬러리화 공정에 사용하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,자유수의 적어도 일부를 전처리하여 전처리수(pretreated water)를 형성하는 공정과 그 전처리수를 인접한 폐수처리 플랜트로 재순환시키는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,상기 가열공정용 연료로서 인접한 폐수처리 플랜트로부터의 소화조 가스(digester gas)를 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,시멘트 가마에서의 연료로서 상기 탈수된 바이오매스 숯 생성물을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제60항에 있어서,상기 수행 및 가열 공정 중의 적어도 하나에, 시멘트 가마로부터의 폐열을 재순환시키는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방 법.
- 제60항에 있어서,상기 수행 공정에, 인접한 시멘트 가마로부터 배출된 물을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제60항에 있어서,상기 인접한 시멘트 가마에서 열 회수 또는 악취 감소 중의 적어도 하나를 위해 이산화탄소를 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,화력발전소에서 연료로서 탈수된 바이오매스 숯 생성물을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제64항에 있어서,인접한 화력 발전소를 냉각시키기 위해 상기 자유수의 적어도 일부분을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제64항에 있어서,상기 수행 및 가열 공정 중 적어도 하나에, 상기 인접한 화력 발전소로부터의 열을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제64항에 있어서,상기 인접한 화력 발전소에서 열 회수 및 악취 감소 중의 적어도 하나를 위해 상기 이산화탄소를 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제64항에 있어서,상기 수행 공정에, 상기 인접한 화력 발전소로부터의 물을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제45항에 있어서,용광로에서 연료로서 상기 탈수된 바이오매스 숯 생성물을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제63항에 있어서,인접한 용광로를 냉각시키기 위해 상기 자유수의 적어도 일부를 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제63항에 있어서,상기 수행 및 가열 공정 중의 적어도 하나에, 인접한 용광로로부터의 열을 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 제63항에 있어서,상기 인접한 용광로에서 열 회수 및 악취 감소 중의 적어도 하나를 위해 상기 방출된 이산화탄소를 사용하는 공정을 더 포함하는, 바이오매스를 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 적어도 약 10%의 물을 포함하는 바이오고형물을 제공하는 공정;저등급 화석 연료를 제공하는 공정;상기 바이오고형물과 저등급 화석 연료를 혼합하여 공급 슬러리를 형성하는 공정;상기 공급 슬러리에, 유동성을 유지하면서 압축된 공급 슬러리를 형성하기에 충분한 압력을 가하는 공정;상기 압축된 공급 슬러리를, 세포를 파괴시키기에 충분한 온도로 가열하여 이산화탄소와 자유수를 포함하는 수성 숯 슬러리를 형성하는 공정;상기 수성 숯 슬러리를 감압하는 공정;상기 수성 숯 슬러리로부터 이산화탄소를 분리하는 공정; 및상기 수성 숯 슬러리로부터 자유수의 적어도 일부를 제거하여 탈수된 숯 생성물을 제공하는 공정을 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물과 저등급 화석연료를 조합한 슬러리를 가연성 연료로 변환시키는 방법.
- 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 저등급 연료, 및 이들의 조합물을 제공하는 공정;분쇄하는 공정, 및 담수, 회수수, 스팀, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 첨가하는 공정 중의 적어도 하나를 수행하여 펌핑가능한 슬러리를 형성함으로써 상기 제공 공정으로부터의 재료를 슬러리화하는 공정;상기 펌핑가능한 슬러리를 액체 상태로 실질적으로 유지되도록 압축하는 공정;상기 압축된 펌핑가능한 슬러리를 세포를 파괴시키기에 충분한 온도로 가열하여 산소 함량, 이산화탄소 및 자유수가 감소된 숯 슬러리를 형성하는 공정;상기 숯 슬러리를 감압하는 공정;상기 숯 슬러리로부터 이산화탄소를 분리하는 공정; 및상기 숯 슬러리 중의 물의 적어도 일부를 제거하여 적어도 부분적으로 탈수된 숯 생성물을 제공하는 공정을 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환시키는 배치처리방법(batch process).
- 제74항에 있어서,상기 탈수된 숯 생성물을 산소를 포함하는 가스와 반응시켜, 연료값을 열에너지로 변환시켜 숯을 형성하는 공정을 더 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환시키는 배치처리방법.
- 제74항에 있어서,상기 압축 공정이 상기 배치처리방법 중에 스팀을 주입하여 상기 바이오고형물을 가열하는 공정을 더 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환시키는 배치처리방법.
- 제74항에 있어서,상기 가열 공정이 가스화기로부터의 연료가스의 연소 및 보일러로부터의 스팀 중의 적어도 하나에 의해 수행되는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환하는 배치처리방법.
- 제77항에 있어서,상기 가열 공정용 연료가 화석연료, 소화기 가스, 및 숯 생성물 중의 적어도 하나인, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환하는 배치처리방법.
- 제74항에 있어서,상기 제거 공정이 적어도 하나의 폴리머를 첨가하여 수상의 분리를 증강시키는 공정을 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환하는 배치처리방법.
- 제74항에 있어서,상기 탈수된 숯 생성물을, 연료 가스로의 부분적인 산화를 통해 수소 연료 전지용 원료로서 사용하는 공정을 더 포함하는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환하는 배치처리방법.
- 제74항에 있어서,감압 전에, 상기 숯 슬러리의 일부를 상기 가열 압축된 바이오고형물로 다시 재순환시키는, 적어도 하나의 바이오고형물, 바이오매스, 및 저등급 화석 연료를 재생가능 연료로 변환하는 배치처리방법.
- 바이오고형물을 원료공급 탱크에 전달(deliver)하는 공정;상기 원료공급 탱크에서 바이오고형물의 가열, 분쇄, 및 전단 중의 적어도 하나를 수행하여 슬러리를 형성하는 공정;상기 슬러리를 가열하는 공정;상기 슬러리를 반응시켜 숯을 형성하는 공정으로서, 상기 숯은 실질적으로 고형물내의 증가된 탄소 함량과 감소된 산소함량을 갖는 공정;상기 숯 슬러리를 냉각하는 공정;상기 숯 슬러리를 감압하는 공정;상기 숯으로부터 이산화탄소를 방출하는 공정;상기 숯을 탈수시켜 탈수된 숯 생성물을 형성하는 공정; 및상기 탈수된 숯 생성물을 건조 또는 펠렛화하는 공정으로서, 상기 탈수된 숯 생성물은 동등한 미처리 바이오고형물 중량의 약 15∼20%인 공정을 포함하는, 바이오고형물을 재생가능 연료로 변환시키는 방법.
- 결합수(bound water)를 포함하는 젖은 바이오고형물(wet biosolid)을 제공하는 공정;상기 결합수가 증발하여 건조한 바이오고형물(dry biosolid)을 형성할 때까지, 시멘트 가마로부터의 프로세스 열을 이용하여, 상기 젖은 바이오고형물을 가열하는 공정;상기 건조한 바이오고형물을 시멘트 가마에서 연소하여 재의 적어도 일부를 포함하는 연소된 바이오고형물을 형성하는 공정; 및시멘트에 첨가되는 석회석(limestone), 점토 또는 혈암(shale)의 양을 감소시키기 위해 상기 재의 일부를 사용하는 공정을 포함하는, 시멘트 가마를 조작(operating)하는 방법.
- 바이오고형물 세포를 파괴하여 그 내부의 결합수를 유리시키는 공정;상기 파괴된 바이오고형물 세포에, 그 파괴된 바이오고형물 세포를 숯으로 변환시키기에 충분한 온도를 가하는 공정; 및상기 슬러리로부터 물의 적어도 일부를 제거하여 높아진 온도에서 연소시키기에 적합한 숯 생성물을 형성하고 상기 숯 생성물로부터 열 에너지를 제공하는 공정을 포함하는, 세포결합수를 내포하는 바이오고형물을 포함하는 처리된 오수 슬러지를 양(positive)의 연료값을 가진 생성물로 변환시키는 방법.
- 제84항에 있어서,적어도 상기 바이오고형물 세포로부터 유리된 물 중에 상기 파괴된 바이오고형물 세포를 부유시키는 공정을 포함하는, 세포결합수를 내포하는 바이오고형물을 포함하는 처리된 오수 슬러지를 양(positive)의 연료값을 가진 생성물로 변환시키는 방법.
- 오수 슬러지를 획득하고 오수 슬러지를 수용하는데 대한 돈 또는 가치 품목을 얻는 공정;상기 오수 슬러지를 물과 부유 바이오고형물을 포함하는 슬러리로서 유지하는 공정;상기 슬러리를 충분히 가열하여 바이오고형물 세포를 파괴함으로써 상기 바이오고형물 세포에 미리 결합되어 있는 물을 유리시키는 공정;파괴된 바이오고형물 세포를 숯 세포 일부로 변환시키는 공정;파괴된 바이오고형물 세포로부터 유리된 물을 포함한, 상기 물의 적어도 일부를 제거하여 숯을 형성하는 공정; 및부가 가치(additional value)를 생성하는 방식으로 상기 숯 생성물을 처리하는 공정을 포함하는, 슬러지에 음의 발열량(negative heating value)을 부여하는 세포 결합수를 내포하는 바이오고형물을 포함한 슬러지를 경제적으로 처리하는 방법.
- 제86항에 있어서,상기 숯 생성물의 처리 공정이 상기 숯 생성물을 연소시킴과 동시에 열을 발생시키는 공정을 포함하는, 슬러지에 음의 발열량을 부여하는 세포 결합수를 내포하는 바이오고형물을 포함하는 슬러지를 경제적으로 처리하는 방법.
- 제86항에 있어서,상기 처리 공정이 상기 숯 생성물을 제3자의 사용에 제공하는 공정을 포함하는, 슬러지에 음의 발열량을 부여하는 세포 결합수를 내포하는 바이오고형물을 포함하는 슬러지를 경제적으로 처리하는 방법.
- 오수 또는 폐수 처리 플랜트에서 발생한 슬러지를 경제적 및 환경 친화적인 방식으로 처리하는 방법으로서,상기 슬러지는 바이오고형물 덩어리(mass)와 물을 포함하며,상기 방법은 상기 플랜트로부터 바이오고형물 덩어리를 얻는 공정, 상기 플랜트로부터 슬러지를 얻기 위해 비용을 지불하는 공정, 상기 바이오고형물을 충분히 가열하여 바이오고형물의 세포벽을 파괴하여 바이오고형물로부터 세포결합수를 유리시키는 공정, 파괴된 바이오고형물 덩어리와 혼합된 충분한 양의 물을 제거하여 상기 덩어리를 양의 발열량을 가진 덩어리로 변환시키는 공정, 및 바이오고형물 덩어리의 발열량을 이용하여 부가 가치를 발생시키는 공정을 포함하는, 슬러리 처리 방법.
- 제89항에 있어서,상기 파괴된 바이오고형물 세포를 탄화시키는 공정을 포함하는, 슬러리 처리 방법.
- 제90항에 있어서,상기 파괴된 바이오고형물 세포의 탄화 공정이 물 제거 공정 전에 일어나는, 슬러리 처리 방법.
- 제91항에 있어서,상기 발열량을 이용하는 공정이 상기 탄화된 파괴된 바이오고형물 세포를 소각시키는 공정을 포함하는, 슬러리 처리 방법.
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