KR20140039180A - 메탄가스를 제조하기 위한 유기물질의 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 a) 적어도 하나의 반응 단계에서 미임계 상태에서 유기물질을 함유하는 유기 공급원료를 액화 공정으로 처리하여, 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 포함하는 혼합물을 수득하는 단계; 및 b) 수득된 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 함유하는 혼합물을 메탄발효 공정으로 처리하는 단계를 포함하는 메탄가스를 제조하기 위한 유기물질의 처리방법이며, 여기서 상기 유기 공급원료는 액체의 물을 포함하고 및/또는 상기 액화 전에 및/또는 도중에 액체의 물과 결합되며, 또한 a)에서 상기 적어도 하나 이상의 반응단계(들)에 대한 미임계 상태가 1분 미만의 반응시간에서 280 내지 374℃의 온도이며, 또한 하나 이상의 반응단계가 단계 a)에서 사용되는 경우 각각의 반응 단계 후에 수득된 혼합물이 처리된 공급원료의 잔류 고체 물질로부터 생산된 저분자량 물질의 분리에 적용시키는 것인 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유기물질을 분해하여 메탄가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
유기물질을 분해하여 부가가치 화합물로 전환하기 위한 상이한 방법들이 알려져 있다. 미임계 또는 초임계 상태에서 유기물을 분해하는 것은 알려져 있다. 바이오매스 및 폐기물 등의 유기물질의 혐기성 발효, 소화는 주로 메탄과 이산화탄소를 포함하는 바이오가스 형태로 에너지를 생산하는 더욱 일반적인 방법이며, 이것은 메탄으로 업그레이드 할 수 있었다. 또한, 혐기성 발효 전에 다른 전처리, 예를 들어, 연마, 초음파 사용, 증기 폭발, N-메틸모르필린-N-옥사이드(NMMO)의 사용 및 미임계 또는 초임계 상태에서 처리하는 것이 알려져 있다.
폐수 슬러지의 혐기성 소화는 슬러지의 양을 줄이고 동시에 부가가치 생성물, 즉 에너지원을 수득하는 일반적인 방법이다. 중온소화(mesophilic digestion)는 일반적으로 20 내지 25 일 동안 약 35℃에서 발생한다. 고온 소화(thermophilic digestion)는 약 50℃에서 짧은 유지시간에서 발생한다. 중온소화는 더욱 일반적으로 사용되지만, 슬러지의 고온소화는 바이오 가스의 수요와 사용이 증가함에 따라 증가하고 있다. 또 다른 요인은 농지 위에 적용하도록 슬러지를 적합하게 하기 위하여 슬러지를 살균할 필요성이 있다. 이러한 적용에 있어서, 고온 소화는 흥미로울 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 기재(substrate)는 옥수수 및 바이오 매스이다.
메탄 발효는 박테리아의 영향으로 혐기성 조건에서 수행된다. 적절한 출발 물질은 예를 들면 농업 폐기물 또는 인간으로부터 폐기물, 유기물질이며, 이들은 바람직하게는 다량의 리그닌을 함유하지 않는다. 이들 기재의 공통적인 특징은 소화의 유지시간이 매우 길고, 때로는 최대 6 개월까지일 수 있다는 것이다.
일본특허공보 JP 2001-262162호는 바이오매스로부터 연료를 제조하는 방법 을 기술하고 있다. 이 방법은 바이오매스를 제공하고, 원료물질을 분해하고, 미임계 또는 초임계 상태에서 물로 슬러지 형태로 만들어, 분자량을 감소시키고 그 후에 박테리아의 사용으로 분해한 후에 수득된 액체에 대한 메탄 발효를 수행하는 것을 포함한다. 미임계 또는 초임계 상태에서 처음 분해 공정은 약 200 내지 500℃의 온도에서 약 10 내지 30 MPa의 압력 및 1분 내지 10 시간 동안 수행된다. 다음의 발효는 10 내지 100 시간 동안 수행된다.
유럽특허공보 EP 1 561 730호는 메탄가스를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 이 방법은 유기 폐기물을 초임계수 또는 미임계수의 적어도 하나로 처리하여, 유기 폐기물을 저분자량 물질로 전환한 다음, 액체 저분자량 물질을 메탄 발효시킴을 포함한다. 미임계 처리에서는 온도 약 440 내지 553K 및 약 0.8 내지 6.4MPa의 압력 및 1 내지 20 분이다. 메탄발효는 약 37 내지 55℃의 온도에서 약 5 내지 48 시간 동안 통상적인 조건에서 수행된다.
유기물질의 발효가 수행되는 경우, 흔히 반응이 충분히 이루어지지 않아 고체의 일부만 분해되거나, 또는 반응이 과도하게 이루어져서 이산화탄소로 더욱 분해되는 가치있는 중간체 성분을 생성하며, 이것은 부가가치 생성물이 얻어지는 경우에 바람직하지 않을 수 있다.
유기물질의 분해를 증가시키고 또한 경제적으로 유리한 방식으로 효과적인 자원에서 고가의 최종 생성물의 높은 생산량을 달성하는 새로운 방법을 찾아낼 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 목적은 유기물질의 효과적인 이용을 가능하게 하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 유기물질을 빠르게 분해하고 수득된 분해 물질을 발효시키는 방법을 제공한다. 초기 분해공정은 유기 물질을 단량체 및/또는 올리고머 형태로 분해하는 액화(liquefaction)이며, 또한 유기물질이 리그노셀룰로오스 물질을 포함하는 경우에도 또한 리그닌이 수득된다. 이들 짧은 사슬 단량체 및/또는 올리고머 및 선택적으로 리그닌은 발효되어 부가가치 최종 생성물로서 메탄을 수득한다.
본 발명은 a) 적어도 하나의 반응 단계에서 미임계 상태에서 유기물질을 함유하는 유기 공급원료를 액화 공정으로 처리하여, 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 포함하는 혼합물을 수득하는 단계; 및 b) 수득된 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 함유하는 혼합물을 메탄발효 공정으로 처리하는 단계를 포함하는 메탄가스를 제조하기 위한 유기물질의 처리방법이며, 여기서 상기 유기 공급원료는 액체의 물을 포함하고 및/또는 상기 액화 전에 및/또는 도중에 액체의 물과 결합되며, 또한 a)에서 상기 적어도 하나 이상의 반응단계(들)에 대한 미임계 상태는 1분 미만의 반응시간 동안 280 내지 374℃의 온도이다.
용어 "미임계수"(subcritical water)는 대기 비등점과 물의 임계 온도 (374℃) 사이의 온도에서 액체의 물을 의미한다. 온도가 280 내지 374℃ 범위인 미임계 상태에서 짧은 시간, 즉 1 분 미만 동안 공급원료인 유기기재를 처리함으로써, 당의 단량체 및/또는 올리고머 혼합물은 액체상으로 생성된다. 바람직하게는, 수득된 액체상은 단량체 및/또는 올리고머의 혼합물을 포함한다. 액화 후에 리그노셀룰로오스 물질로부터 잔류하는 고체 잔류물은 주로 리그닌 및 미량의 다른 화합물을 함유한다. 유기 기재는 물 또는 물 함유 상에 첨가된 후, 본 발명에 따른 미임계 상태로 가열한다. 유기 기재는 또한 가열 압축수에 첨가하며, 따라서 이러한 첨가에 의해 상기 미임계 상태를 얻을 수 있다.
리그닌 중의 단량체들은 불규칙하게 분포되어 있는 다른 유형의 에테르 및 탄소-탄소결합에 의해 연결된다. 리그닌은 또한 다당류 및 특히 헤미셀룰로오스에 다수개의 결합을 형성한다. 이들 가교결합으로 인하여, 리그닌 함유 물질은 감소된 소화성과 관련되어 있다. 본 발명에 따른 액화공정은 물질의 구조를 변경하며, 그것은 유기물질의 구조를 개방하여 유기물질을 상이한 성분들 및 조건들에 더욱 접근가능하게 만든다. 유기물질이 리그노셀룰로오스 물질을 함유하는 경우, 액화는 파괴되거나 또는 리그노셀룰로오스 구조를 개방하여 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스를 저탄소원자 함량의 당으로의 분해에 용이하게 접근가능하게 만든다. 또한 리그노셀룰로오스 물질 중에 존재하는 리그닌은 액화 도중에 다당류에 덜 견고하게 결합되어 더욱 개방되고 풀린 구조를 얻는다. 리그닌의 이러한 더욱 개방되고 풀린 구조는 또한 액화공정에 의해 이후의 발효에 더욱 용이하게 이용할 수 있기 때문에 리그닌 자체를 나중에 분해하게 할 수 있다. 일반적으로 리그닌은 발효되는 물질로부터 분리되지만 본 발명에 따르면 리그닌은 발효 도중에 존재할 수 있으며, 따라서 더욱 분해에 기여하여 증가된 량의 수득된 부가가치 생성물을 유도할 할 수 있다.
280 내지 374℃의 온도에서 리그닌의 구조는 풀리고 이러한 상태에서 메탄 발효에 민감할 수 있다. 본 발명은 리그노셀룰로오스 물질의 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스뿐만 아니라 리그닌을 부가가치 생성물, 즉 메탄으로 분해할 수 있다. 따라서 유기 공급원료의 메탄으로의 전체 전환율은 별도의 처리를 위해 리그닌을 분리할 필요 없이 증가된다.
이후의 발효 전에 미임계 상태에서 액화를 사용함으로써, 공급원료인 최초의 유기물질은 소화에 더욱 용이하게 접근가능하며, 최초의 유기물질은 광범위한 기재로부터 선택할 수 있다. 또한, 이후의 메탄 발효의 유지시간은 초기에 액화를 사용하여 현저하게 줄일 수 있으며, 따라서 본 발명에 따른 방법은 전체 공정시간을 줄인다. 또한, 메탄 또는 다른 부가가치 생성물의 생산량은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 증가시킬 수 있다. 슬러지가 유입 유기물질로서 사용되는 경우, 슬러지는 살균처리하여 세균을 제거하고, 심지어 바이러스를 제거할 수 있다. 액화는 에너지와 물 균형의 최적화 상태를 나타낸다. 메탄 발효 단계 후에 남아있는 잔류물은 통상적인 방법에 비해 이전의 액화 공정과 조합으로 인하여 줄일 수 있다. 메탄 발효 단계 이전에 액화의 사용은 메탄 발효 도중에 필요한 량의 효소, 산 및/또는 응집물을 감소시킬 수 있다. 메탄 발효 공정 전에 액화 공정을 사용하는 또 다른 긍정적인 특징은 유기물질 함유 억제제 예를 들면 카드뮴 등의 중금속을 억제하는 것이 액화의 도움으로 이러한 전처리 없는 경우에 비하여 메탄 발효 단계에서 더 잘 작용할 수 있다.
액화 공정에서 공급원료의 분해는 처리하는 공급원료에 화학물질을 추가하지 않고 수행할 수 있다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 분해 후에, 남아있는 리그닌은 처리하는 스트림에 보관되어 다음과 같은 메탄 발효 단계에서 분해될 수 있거나, 또는 처리 스트림으로부터 분리된다. 분리되는 경우, 다음에 리그닌은 연료로서 또는 화학물질로서 사용되도록 더욱 처리할 수 있다. 리그닌이 처리 스트림으로 유지되는 경우, 이후의 메탄 발효단계에서 잠재적인 분해는 추가의 처리를 필요로 하지 않고 본 발명의 방법을 위해 부가가치 생성물, 예를 들어 메탄의 전체 생산량을 증가시킬 수 있다.
뿐만아니라 액화 공정 후에 수득된 액상은 메탄을 생산하기 위한 후속 메탄 발효단계로 이동할 수 있다. 슬러리 중의 리그닌은 액화에 의해 더욱 용이하게 접근할 수 있으며, 이러한 경우에 부가가치 생성물 즉 메탄의 증가된 량에 기여할 수 있으며, 따라서 이것은 전체 공정에에 대한 감소된 총 잔류량을 의미한다.
액화공정은 하나의 단일 단계로서 또는 여러 가지 후속 단계에서 수행할 수 있다. 하나 이상의 단계가 수행되는 경우, 수득된 액상은 상기 단계의 유기 물질 잔류물로부터 분리할 수 있으며, 그 후에 상기 유기물질 잔류물은 추가의 액화 단계에 적용시키고, 바람직하게는 각각의 단계 후에 액상의 분리와 함께 적용시킬 수 있다. 또한 하나 이상의 단계가 사용되는 경우, 상이한 액화 단계에서 조건은 다를 수 있다. 이들 단계는 상이한 온도 또는 온도 프로파일을 나타낼 수 있으며, 예를 들면 액화 공정은 저온에서 한 단계로 시작하며, 그 후에 각각의 단계는 이전의 단계에 비하여 증가된 온도를 갖는다. 본 발명에 따른 하나 이상의 액화 단계 도중에 온도는 약 280 내지 374℃, 바람직하게는 290 내지 370℃, 예를 들면 290 내지 330℃이다. 일부 물질의 경우에, 온도는 바람직하게는 300 내지 360℃, 더욱 바람직하게는 300 내지 350℃, 예를 들어 310 내지 340℃, 320 내지 340℃ 또는 330 내지 350℃이다. 본 방법의 온도는 빠르게 또는 서서히 증가할 수 있지만, 어떠한 경우에 온도는 본 발명에 따른 액화를 보조하기 위하여 280 내지 374℃의 온도에 도달할 수 있다. 일반적으로 액화공정에서 온도는 유입 유기물질에 따라 다르다. 물질이 더 강직하면 온도는 더 높아야 한다. 각각의 후속 단계에 대한 온도는 이전의 단계에 비하여 증가할 수 있거나 또는 특정의 온도에서 일정하게 유지할 수 있다. 유기성분들을 적절한 올리고- 및/또는 단량체로 파괴하기 위해 최적화되는 전체 액화 공정에서 온도 구배가 있을 수 있다.
수득된 액상이 액화단계의 유기물질 잔류물로부터 분리되는 경우, 온도는 액화 직후에 분리를 위해 최대 200℃로 감소된다. 바람직하게 분리 도중에 온도는 160 내지 200℃, 더욱 바람직하게 160 내지 180℃ 범위이며, 이 온도는 분리 도중의 추가 분해가 억제되어야 하는지에 따라 다르다. 더욱이 최대 200℃의 온도는 장치에 너무 많은 스트레스를 부가하지 않고 기존의 분리 장치에 의해 현재 조절할 수 있는 수준이다. 적절한 분리장치의 예는 원심분리 및 하이드로사이클론이다.
액화 도중에 하나 이상의 반응단계가 존재하는 경우, 모든 단계는 이전의 단계에 비하여 증가된 온도에서 수행하여야 한다. 각각의 반응단계 이후에, 온도는 진행중인 반응을 멈추기 위하여 최대 200℃로 저하되어야 한다.
선택적으로, 적어도 280℃의 온도에서 상술한 액화를 수행하기 전에, 유기 공급원료는 약 230 내지 280℃, 바람직하게는 230 내지 270℃ 또는 240 내지 260℃의 저온에서 전처리 단계에 적용할 수 있다. 이러한 전처리 단계는 1초 내지 2분, 예를 들어 5초 내지 1분 또는 10 내지 30초의 시간 동안 상기 온도에서 수행할 수 있다. 전처리 단계가 280 내지 374℃에서 상기 액화 전에 수행하는 경우 상기 전처리 단계로부터 임의의 수득된 액상은 280 내지 374℃에서 액화를 수행하기 전에 유기물질 잔류물로부터 분리하여야 한다. 전처리 단계로부터 임의의 수득된 액상은 부가가치 생성물의 추가 생산을 위해 메탄 발효단계로 진행할 수 있다.
본 방법은 가열 압축 수(HCW) 중에 처리하여 유기 공급원료의 미임계 온도에서 반복적인 액화를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
공급원료의 일부가 액화되는 반응기 번호 1 내로 유기 공급원료를 공급하는 단계;
상기 반응기 번호 1로부터 배출되는 처리된 공급원료 슬러리로부터, 액상 용액 번호 1을 분리하고 물 및 수용성 성분들을 분리하는 단계;
잔류하는 유기물질의 일부가 액화되는 반응기 번호 2 내로 상기 고체 물질을 함유하는 처리된 공급원료 슬러리를 공급하는 단계; 및
상기 반응기 번호 2로부터 배출되는 추가의 처리된 공급원료 슬러리로부터, 액상용액 번호 2를 분리하고 물 및 수용성 성분들을 분리하는 단계.
추가의 후속 반응기(들) 및 그리하여 공급 및 분리 단계는 액상용액 번호 3 내지 N이 각각의 반응기 3 내지 N 이후에 분리되도록 하는 방법에서 포함된다. 본 발명에 따르면 반응기의 수는 분리된 생성물에 대한 공급원료 및 원하는 조성물에 따라서, 변화될 수 있다.
미임계 상태에서 물의 사용은 에너지 측면에서 더 양호한 것으로 간주되기 때문에 선택되며, 부식 작용은 장치상에서 더 낮으며 또한 물 및 이산화 탄소를 과도하게 수득하는 반응을 계속하는 위험은 초임계 상태에서 물의 사용에 비하여 더 낮다.
반응시간은 본 발명의 중요한 특징이다. 반응시간을 너무 짧게 고정하면, 전환은 높은 수율의 바람직한 단량체 및/또는 올리고머를 수득하는데 충분하게 이루어지며, 또한 반응 시간을 너무 길게 고정하면, 매우 높은 비율의 단량체들이 이산화탄소 및 물로 더욱 분해되며, 즉 소위 해로운 분해가 생긴다. 액화 공정 중의 상기 하나 이상의 반응 단계(들)에서 반응시간은 1분 미만, 바람직하게는 0.05 내지 55초, 바람직하게는 0.5 내지 50초, 바람직하게는 1 내지 40초, 바람직하게는 5 내지 40초, 및 가장 바람직하게는 10 내지 30초이다.
액화공정의 단계들은 배치식, 반-배치식 또는 연속법으로 수행할 수 있다. 연속법이 바람직하다. 사용된 반응기는 배치 반응기 단독 또는 여러 개, 또는 유동 반응기 예를 들면 관형 반응기일 수 있었다. 선택적으로, 여러 가지 유동 반응기, 예를 들면 동시에 이뤄지지 않는 두 개의 반응기가 사용될 수 있으며, 여기에서 바이오매스의 부하(loading)는 하나의 반응기에서 수행되는 반면, 상기 반응은 두번째 반응기에서 수행되며, 따라서 연속적인 순수 유동을 가능하게 한다. 유동 반응기를 사용하는 경우, 유기물질의 슬러리는 물을 미임계 상태로 가져오는 온도에 노출되는 가열 영역을 통하여 고압에서 펌프한다. 바람직하게, 이전에 기술된 미임계 상태에서 가열 영역 내의 슬러리의 잔류 시간은 상기 언급된 반응시간과 동일하다.
액화에 필요한 미임계 상태는 유기물질과 물 함유 액체의 혼합물을 필요한 온도로 가열하고 임의로 가압함으로써 얻어지며, 및/또는 유기물질은 필요한 온도에 도달하도록 가열 압축수로 처리된다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 유기물질과 액상의 물의 슬러리는 본 발명에 따른 미임계 상태가 도달할 때까지 가열하고 가압한다. 또 하나의 실시양태에서, 유기물질은 가압된 액체의 물과 혼합한 다음 본 발명에 따른 미임계 상태가 도달될 때까지 가열한다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 유기 물질은 가압된 액체의 물과 혼합한 다음 가열하고, 그 후에 본 발명에 따른 미임계 상태가 도달될 때까지 가압수를 첨가한다. 또 다른 실시양태는 유기물질을 가압된 액체의 물과 혼합한 다음 가열하고, 그 후에 본 발명에 따른 미임계 상태가 도달될 때까지 가열 압축수를 첨가한다. HCW는 하나의 사이클 또는 반복 사이클로 배치 반응기, 하나의 사이클 또는 반복 사이클로 일련의 배치 반응기, 또는 하나의 사이클에 의해 유동 반응기내로 주입한다.
공급원료의 액화가 단지 하나의 반응기에서 수행되는 경우, 반응이 충분히 이루어지지 않아 고체의 일부만 액화되거나 또는 가치있는 성분들이 더욱 분해되며, 이것은 반응이 너무 과도하게 이루어지는 경우에는 바람직하지 않다. 따라서 반복적인 단계로 액화를 수행하고 잔류고체를 액화할 때 다음 루프로 가기 전에 각각의 반응기 이후에 가치있는 분획을 분리하는 것은 흥미롭다. 그렇게 함으로써, 본 발명에 따르면, 단지 하나 또는 가능하게는 두개의 단계로 액화하는 것에 비하여 상이하게 및 더욱 경제적으로 유익하게 각각의 반응단계를 최적화하는 것이 가능하다. 여러 가지 액화단계를 사용함으로써, 수득된 구체적인 분획은 부가가치 생성물로 간주될 수 있고 다른 공정 또는 적용에서 더욱 사용될 수 있는 구체적 분해 화합물을 최적화할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 여러 가지 반응기를 사용하여, 유기 슬러리 공급원료의 정제 및 그리하여 공급원료로부터 성분들의 분리를 최적화할 수 있다. 여러가지 반응기 단계를 사용하여, 본 발명에 따른 공정 중에 상이한 가열 및 냉각 단계 및 온도 범위를 포함할 수 있다. 이것은 공급원료의 전체 분획화를 최적화하고 또한 바람직하지 않은 분해 생성물의 수준을 최소화하기 위하여 행해진다. 더욱이, 압력은 또한 공정 도중에 변화하며, 자연적으로 온도 증가 또는 감소 도중에, 또난 적극적으로 공정 추진 파라미터로서 상이한 반응기 사이에 변화한다.
메탄 발효는 거의 모든 유형의 고분자 물질을 혐기성 상태하에 메탄 및 이산화탄소로 전환시킬 수 있다. 이것은 발효균 (산생산균), 수소 생산, 아세테이트 형성균 (아세토겐), 및 메탄 생산균 (메타노겐)를 포함하는 다양한 미생물이 균형있게 성장하여 감소된 최종 생성물을 생산하는 환경에서 메탄과 이산화탄소로 연속적인 생화학적 파괴의 결과로서 달성된다. 본 발명에서 메탄 발효는 특별히 제한되지 않으며 또한 필요시 통상적인 방법을 적용함으로써 수행할 수 있다.
일예로서, 수득된 저분자량 물질, 선택적으로 리그닌, 및 발효 메탄 생산 미생물 예를 들어 박테리이아의 혼합물은 메탄 발효 반응기에 공급한다. 메탄발효 반응기는 소정의 온도로 유지되고, 메탄 발효는 소정의 유지시간 동안 수행되는 반면, 반응기의 내용물은 적절하게 교반된다. 발생된 메탄가스는 통상적인 방식으로 수집된다. 메탄 발효는 배치식 메탄 발효 또는 연속식 메탄 발효일 수 있다.
메탄 발효에 사용되는 미생물로서, 통상적으로 알려진 메탄 또는 유사물이 사용될 수 있다. 메탄 생산량을 최적화 하기 위해 세균은 세균을 형성하는 메탄을 선호하는데 적합해야 한다. 그러나 메탄 발효단계 후에 남은 폐기물 잔류물의 량을 감소시키는데 더 많은 초점이 있는 경우에 다른 세균도 선호될 수 있다. 폐기물 용적은 가능하면 많이 감소시키는 것이 바람직하다.
메탄 발효 반응기의 온도는 메탄 발효에 사용되는 미생물에 적합한 통상적으로 알려진 온도로 설정할 수 있다. 중온 소화는 20℃ 내지 40℃, 전형적으로 35 내지 37℃의 온도에서 수행한다. 고온 소화는 50℃ 이상, 예를 들면 50 내지 70℃의 온도에서 수행한다. 본 발명의 처리에서 공급원료가 예를 들어 슬러지 같은 폐기물인 경우, 처리 후에 농장에 적용하는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서 살균되는 슬러지의 측면에서 약 50 내지 55℃의 고온에서 메탄발효를 수행한다.
메탄 발효는 통상적인 온도 조건하에 수행되고 메탄 발효 이전의 액화로 인해 유지시간이 상당히 감소될 수 있다. 단지 액상이 발효된 메탄인 경우, 유지시간은 예를 들면 리그닌 같은 고체가 존재하는 경우에 비하여 더 낮다.
소량의 철 응집물 및/또는 미량의 중금속, 예를 들어 코발트를 첨가함으로써, 메탄 발효 도중에 생산된 메탄의 양은 증가한다. 이러한 화합물은 본 발명의 액화 및 초기 유기물질의 분해가 더욱 증가할 수 있기 전에 공급원료에 첨가할 수 있다. 철 응집물 및/또는 미량의 중금속은 액화공정 전에, 도중에 및/또는 후에 유기물질에 첨가할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 공급원료로서 사용되는 유기물질은 다양한 식생 및 폐기물이다. 식생(vegetation)은 일년생 또는 다년생일 수 있다. 일년생 식물의 예로는 옥수수, 상추, 완두콩, 콜리플라워, 콩 및 대마가 있다. 바람직하게는 고분자를 포함하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 또는 폐기물, 예를 들어 전분, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 리그노셀룰로오스 또는 이의 조합물이 사용된다. 적절한 물질의 예로는 농업, 하수처리, 도축장, 식품산업, 음식점 및 생활용품의 폐기물; 플라스틱; 골판지; 종이; 비료; 옥수수; 쌀; 쌀 껍질; 목재; 그루터기; 뿌리; 밀짚; 대마; Salix속; 갈대; 너트쉘(nutshell); 사탕수수; 버개스(bagasse); 잔디; 사탕무; 밀; 보리; 호밀; 귀리; 감자; 타피오카; 쌀; 및 조류가 있다.
Claims (12)
- a) 적어도 하나의 반응 단계에서 미임계 상태에서 유기물질을 함유하는 유기 공급원료를 액화 공정으로 처리하여, 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 포함하는 혼합물을 수득하는 단계; 및
b) 수득된 저분자량 물질 및 선택적으로 리그닌을 함유하는 혼합물을 메탄발효 공정으로 처리하는 단계를 포함하는, 메탄가스를 제조하기 위한 유기물질의 처리방법이며,
여기서 상기 유기 공급원료는 액체의 물을 포함하고 및/또는 상기 액화 전에 및/또는 도중에 액체의 물과 결합되며, 또한 a)에서 상기 적어도 하나 이상의 반응단계(들)에 대한 미임계 상태는 1분 미만의 반응시간 동안 280 내지 374℃의 온도이며, 또한 하나 이상의 반응단계가 단계 a)에서 사용되는 경우 각각의 반응 단계 후에 수득된 혼합물이 처리된 공급원료의 잔류 고체물질로부터 생산된 저분자량 물질의 분리에 적용시키는 것인 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응단계에서 반응시간이 0.05 내지 55초, 바람직하게는 0.5 내지 50초, 바람직하게는 1 내지 40초, 바람직하게는 5 내지 40초, 및 가장 바람직하게는 10 내지 30초인 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 액화 공정 중 하나 이상의 반응단계에서의 반응온도가 290 내지 370℃, 바람직하게는 300 내지 360℃, 및 더욱 바람직하게는 300 내지 350℃인 방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 공급원료가 가열 압축수를 첨가하여 상기 액화 전에 및/또는 도중에 액상의 물과 결합되는 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리가 최대 200℃의 온도에서 수행되는 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 반응단계가 단계 a)에서 사용되는 경우 각각의 반응단계의 온도가 각각의 후속 단계에서 동일하거나 증가하는 것인 방법.
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 공급원료가 식생 및 폐기물로부터 선택되는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 유기 공급원료가 리그노셀룰로오스 바이오매스 또는 고분자 함유 폐기물인 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 유기 공급원료가 농업, 하수처리, 도축장, 식품산업, 음식점 및 생활용품의 폐기물; 플라스틱; 골판지; 종이; 비료; 옥수수; 쌀; 쌀 껍질; 목재; 그루터기; 뿌리; 밀짚; 대마; Salix속; 갈대; 너트쉘(nutshell); 사탕수수; 버개스(bagasse); 잔디; 사탕무; 밀; 보리; 호밀; 귀리; 감자; 타피오카; 쌀; 및 조류; 또는 이의 임의 조합물로부터 선택되는 방법.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액화 공정이 적어도 하나의 배치식 반응기 또는 적어도 하나의 유동 반응기에서 수행되는 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 가열 압축수가 하나의 사이클 또는 반복 사이클로 배치 반응기, 하나의 사이클 또는 반복 사이클로 일련의 배치 반응기, 또는 하나의 사이클에 의해 유동 반응기내로 주입되는 방법.
- 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 280-374℃의 온도에서 액화공정이 1초 내지 2분의 시간 동안 약 230 내지 280℃의 온도에서 전처리 단계에서 진행하는 방법.
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