KR20140128950A - 바이오매스를 가공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

바이오매스를 가공하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

극초단파 에너지를 사용하여 목탄, 바이오-오일(들), 활성탄, 가탄제 탄소, 또는 너트 코크스를 제조하기 위한 장치(1) 및 방법들이 제공된다. 이 장치는 바이오매스(108)을 수용하기 위한 회전가능한 튜브(5), 전자기 발생기(7)를 갖는다. 한 가지 방법은 전자기 에너지를 바이오매스(108) 및 흡수 물질(109)에 적용시킴을 제공한다. 대안적인 방법은 간접적인 흑체 방사선 장이 개발되도록 하여, 바이오매스(108)를 흑체 방사선 장 및 전자기 에너지에 노출시킨다. 또 다른 방법은 플라즈마가 형성되도록 하고 바이오매스를 플라즈마 및 전자기 에너지에 노출시킴을 제공한다. 또 다른 방법은 바이오매스를 제2 용기(205)에 도입시키고, 제2 용기를 제1 반응 용기(5)로 도입시키고, 전자기 에너지를 바이오매스 및 흡수 물질(109)로 적용시키고, 플라즈마가 제1 용기 속에서 형성되도록 하여 바이오매스를 제2 용기 속에서 가열함을 제공한다.

Description

바이오매스를 가공하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING BIOMASS}
본 발명은 바이오매스(biomass)를 가공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 극초단파 에너지(를 사용하여 바이오매스로부터 목탄, 바이오-오일(들), 활성탄, 가탄제 탄소(recarburiser carbon), 또는 너트 코크스(nut coke)를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재의 양의 온실 가스 방출들 및 이들이 지구 기후에 영향을 미칠 수 있는 영향 이상에 대한 상당한 걱정이 존재한다. 이산화탄소(CO2)는 인위적인 기후 변화를 일으키는 것으로 밝혀진 주요한 온실 가스이며 전세계적으로 발생된 전체 온실 가스들의 대략 70%를 나타낸다.
이산화탄소의 지속적인 감소들을 성취하기 위하여, 세계의 에너지 소비 패턴들에서의 광범위한 변화들이 필요할 것이다. 예를 들면, 에너지 효율을 증가시키고 연료 대체물들을 개발할 뿐만 아니라, 재생가능한 에너지의 사용을 촉진할 필요가 있을 것이다. 한가지 대체 연료는 바이오연료(biofuel)이다.
바이오연료들 또는 바이오-오일(들)은 재생가능한 원료들이며 이들의 용도는 연소되는 경우 화석 연료들보다 온실 가스들의 순 배출물(net emission)들이 상당히 더 적다. 바이오 연료들 또는 바이오-오일(들)은 차량들, 가열 및 전기 발생에서 화석 연료들에 대한 대체물로서 사용할 수 있다.
대기중 이산화탄소를 감소시키기 위한 또 다른 방법은 대기 이산화탄소 중의 일부를 포획하여 저장하는 것이다. 저장을 위한 탄소 가스들의 포획은 "격리(sequestration)"로서 언급된다. 기체 형태(예를 들면, 발전소들에서 기체가 방출되므로)인 탄소의 격리는 기술적으로 복잡하며 고 비용 문제가 있다. 대안적인 접근법은 대지의 재조림 지역(reforesting area)들에 의해 나무들 속의 이산화탄소를 격리하는 것이다. 나무들에서 모든 물질 중의 평균 40 내지 50%가 탄소이다. 중요하게도, 재조림은 유의적인 양들의 이산화탄소를 저장하기 위해서 대지의 거대한 지역들을 필요로 한다. 또한, 나무들 속에 저장된 이산화탄소는, 지역이 조림된 채로 남아있는 경우에만 유지될 수 있다. 지역이 정리되면, 많은 이산화탄소가 대기로 되돌아간다.
이산화탄소를 격리하는 방법은 PCT 출원 제WO2008/079029호의 명세서에 기술되어 있다.
활성탄:
활성탄은 유의적이고 구체적인 내부 표면적을 나타내는 미세다공성 구조를 갖는 목탄 제품이다. 활성탄은 원치않는 물질들의 흡수를 주로 포함하는 많은 용도들을 가지므로, 설탕 산업에서 이는 암갈색을 제거하여 백색 설탕이 제조될 수 있도록 하는데 사용된다. 그러나, 특히 보다 큰 분자들을 흡수하는 것이 적합한 경우, 이는 오염의 제거에 있어 유의적인 가치가 또한 있을 수 있다.
활성탄에 대한 추가의 가능한 용도는 우레아와 같은 종들을 함유하며, 이후, 제품을 농지에 적용하는 질소의 흡착을 통한 것이다. 활성탄은 이들 종들을 강하게 보유하므로, 대지 속에 고정된 탄소를 위치시키면서 질소성 비료가 서-방출제로서 작용할 수 있음으로써, 대기로부터 이산화탄소의 감소를 보조하면서, 바이오매스로부터 온 탄소를 제공한다. 활성탄은 또한 메탄을 흡수할 수 있으므로 특정의 가축으로부터 메탄 방출들을 억제하는 데 가능한 보조제로서 작용한다. 간단히 말해서, 이는 유의적으로 잠재적인 추가 용도들을 가지므로, 이의 제조를 위한 추가의 방법들은 시장에서 환영받아야 한다.
활성탄의 제조는 잘 공지되어 있다. 탄소 함유 종들은 대체적으로 약 600℃에서 탄화된 후, 이것이 완료되면, 대체적으로 산화에 의해, 예를 들면, 증기 또는 공기로, 또는 염화아연, 인산, 또는 어떠한 다수의 다른 화학물질들과 같은 화학적 방법들로 이를 처리함에 의해 활성화된다. 활성화는 대체적으로 매우 조심스럽게 조절된 조건들 하에서 800℃ 내지 1200℃의 어딘가에서 수행된다. 대체로 말해서, 열은 탄소 함유 재료에 외부로 제공되며, 이는 대체적으로 온갖 종류의 회전하는 가마(rotating kilm) 속에서 이루어진다.
이러한 가마 속에서, 바이오매스에 대해 2가지 가열 원들이 존재한다: 벽들과 직접 접촉을 통한 전도, 및 벽들로부터의 흑체형 방사선(black body type radiation). 바이오매스는, 열 전도성이 불량하며 바이오매스가 대략 300℃에 이르면, 이는 흡열적으로 분해되기 시작한다. 이러한 열적 분해의 생성물들 중 일부는 바이오매스의 공극들내로 유동하는 고 점성 타르들이며, 이는 공극들을 충전시킴으로써 말단 표면적을 감소시키는 경향이 있으므로 활성탄의 형성에 바람직하지 않다.
탄화는, 바이오매스가 약 300℃에 도달하면서, 분해되기 시작하여 분해 생성물들을 생산하므로 느리다. 분해 생성물들은 흔히 유동할 수 있는 액체 타르들이다. 탄소의 진행되는 공극들 속을 충전하는 어떤 것도 바람직하지 않다.
활성탄의 표면적은 대체적으로 저압 질소 흡착법(B.E.T 방법)으로 측정된다. 이러한 흡착은 대체적으로 단층에 기여하므로, 표면적이 계산될 수 있다. 활성탄 1 그람의 표면적은 전형적으로 약 500 m2이며 약 200 m2 내지 약 2500m2의 범위이다.
가탄제 탄소:
탄소는 가공된 금속 제품(finished metal product)의 질량 중 0.15 내지 1.5%를 차지하는 시판되는 강철(steel)에 첨가된 가장 중요한 성분이다. 강철의 탄소 함량은 경도, 강도 및, 용융점 및 '용접성'과 같은 열적 특성들과 같은 구체적인 기계적 특성들에 영향을 미친다.
강철 생산의 과정 동안, 대부분의 주조공장들이 일부 강설(steel scrap)을 금속성 충전물의 주요 철 농축물과 합하는 것이 대체적으로 실시되고 있다. 사용된 강설의 퍼센트(비율)는 가격, 이용가능성, 합금 수준 및 다른 경제적 요인들의 함수이다.
충전 재료들(즉, 강설 및 철 반품들(iron returns))에 의해 용광로내로 도입된 탄소의 양은 대체적으로 3.0 내지 4.0% C의 범위이내인, 가공된 강철 제품에서 목표로 하는 값보다 대체적으로 더 낮다. 따라서, "가탄제들"로 명명된 탄소 단위들을 뱃치(batch)에 가하여 강철 제품들 속의 원소 탄소의 수준을 명시된 수준으로 증가시킨다.
제조 공정의 제련 단계 동안에, 가탄제들은 용융된 강철 욕(molten steel bath)내로 혼합되어 원소 탄소가 흡수되어 금속 충전물 전체에 균일하게 분배되도록 한다.
시판용 강철 생산을 위한 가탄제들은 높은 비율의 고정탄(fixed carbon), 고 발열량(high calorific value)을 갖는 성분을 필요로 한다. 결정적으로 가탄제 물질은, 휘발성, 질소 및 황 함량들이 낮아서 환원-산소 반응들의 안전하고, 효율적인 진행을 보증하고 유해한 배출물들을 최소화하여야 한다.
또한, 가탄제들이 매우 다공성이어서 용융된 강철 욕과 접촉시 최대 표면적을 제공하여 탄소 원자의 효율적인 흡수를 용이하게 하는 것이 바람직하다.
가탄제들은 고-등급 역청탄 또는 무연탄들 및, 석유 제품들로부터 합성되는 명품 버젼들로부터 기원하는 것이 일반적이다. 일부 주조 공장들에서는 특수 탄소 함량으로 특수하게 제작된 강철 빌렛들(steel billets)을 사용하며 금속 충전물 속에서 가탄제로서 사용한다.
너트 코크스:
코크스(coke)는 용광로 속에서 용융되는 철광석 속의 환원제로서 및 연료로서 사용된다.
매연을 생성하는 성분들은 목탄 또는 바이오매스의 코킹(coking) 동안에 제거되므로, 코크스는 용광로들용의 바람직한 탄소 연료를 형성하며, 여기서 용광로들의 조건들은 역청탄 또는 바이오매스 자체를 완전히 태우는데 적합하지 않다. 코크스는 연소 조건들 하에서 매연을 거의 생산하지 않거나 생산하지 않으면서 태워질 수 있지만, 역청탄은 유의적인 양들의 매연을 생산할 수 있다.
너트 코크스는 전형적으로 10×10mm보다 작은, 투입 코크스(injection coke) 또는 피아 코크스(pea coke)와 같은 다른 연료 코크스들과 비교하여 매우 큰 입자 크기(전형적으로 25mm×55mm)를 특징으로 한다. 용융된 강철 충전물 속의 탄소 수준을 증가시키는데 사용된 가탄제와는 달리, 너트 코크스는 허용가능한 광물 함량의 2배 및 습윤 함량의 5배까지 함유할 수 있다. 이러한 국면은 보다 광범위한 목질 바이오매스 공급원료들이 너트 코크스 생산을 위해 고려되도록 한다.
코크스 중의 저 휘발성 물질은 연소 동안에 폭발성 방출의 위험을 최소화하고 안전하고 안정한 에너지 방출을 가능하게 하는 데 매우 중요하다. 낮은 황 및 질소 함량들은 또한 연소 동안에 이산화황 및 NOX를 최소화하는 데 필요하다.
본 명세서에서 특허 명세서들, 기타 외부 문헌들, 또는 정보의 기타 출처들에 대하여 참조를 하는 경우, 이는 대체적으로 본 발명의 특징을 토의하기 위한 내용을 제공하기 위한 목적이다. 달리 언급하지 않는 한, 이러한 외부 문헌들 또는 이러한 정보 출처들은, 이러한 문헌들 또는 이러한 정보 출처들이, 어떠한 권한내에서도, 선행기술이거나 당해 분야의 일반적인 기술의 일부를 형성하는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 적어도 바람직한 구현예들 중의 하나의 목적은, 바이오매스를 활성탄 및 가탄제 탄소로 전환시키기 위한 공지된 방법들의 단점들 하나 이상을 극복하고/하거나 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는, 목탄, 바이오-오일(들), 활성탄, 가탄제 탄소 및/또는 너트 코크스를 제조하기 위한 바이오매스 또는 바이오매스를 가공하기 위한 장치 및/또는 방법을 제공하기 위한 것이다.
발명의 요약
첫 번째 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
가공되지 않은 바이오매스를 수용하기 위한 입구, 가공된 바이오매스를 배출하기 위한 출구를 가지며, 수평 축에 대하여 일정한 각도로 기울어져 있는 회전가능한 튜브;
회전가능한 튜브를 하우징(housing)하기 위한 금속성 하우징(metallic housing);
전자기 에너지를 회전가능한 튜브 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용시키기 위해 상기 회전가능한 튜브와 연결된 전자기 발생기;
전자기 에너지를 상기 회전가능한 튜브로 도입시키기 위해 전자기 발생기와 연결된 도파관(waveguide)을 포함하는, 바이오매스 가공용 장치로서,
상기 도파관이, 당해 도파관에 의해 회전가능한 튜브 내로 그리고 이를 통해 도입된 전자기 에너지가 상기 회전가능한 튜브의 종축에 대하여 대체적으로 평행한 방향으로 진행하도록 맞춰지는, 바이오매스 가공용 장치로 이루어진다.
이러한 장치는 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용하여 목탄(들), 및/또는 기체(들)을 생성하는 방법에 사용될 수 있다.
하나의 구현예에서, 수평 축에 대한 회전가능한 튜브의 각은 조정가능하다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 장치는 회전가능한 튜브 주변에 절연체를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 회전가능한 튜브는 실질적으로 압력 밀봉가능하다.
하나의 구현예에서, 회전가능한 튜브는 실질적으로 극초단파 밀봉가능하다.
하나의 구현예에서, 장치는 회전가능한 튜브의 내부에 압력 공급원을 제공하기 위한, 회전가능한 튜브와 연결된 압력 조절기를 추가로 포함한다. 회전가능한 튜브 내의 압력은 대기압에 대하여 양성 또는 음성일 수 있다.
하나의 구현예에서, 장치는 기체/증기 추출 시스템을 추가로 포함한다. 기체/증기 추출 시스템은 운반 가스의 공급원을 포함한다. 운반 가스의 공급원은 운반 가스를 회전가능한 튜브의 내부에 공급하기 위한 회전가능한 튜브와 연결될 수 있다. 운반 가스의 공급원은 가압된 용기일 수 있다. 운반 가스는 불활성 기체일 수 있으며, 예를 들면, 이산화탄소, 아르곤 또는 질소일 수 있다.
하나의 구현예에서, 기체/증기 추출 시스템은 증기 형태로 방출된 바이오-오일(들)을 응축물(condensate) 내로 응축시키기에 적합한 기체 응축기를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 응축물은 기체 응축기와 연결된 적합한 용기 속에 수집된다.
하나의 구현예에서, 기체/증기 추출 시스템은 감소된 압력의 공급원을 기체 응축기로 제공하기 위한 진공 발생기를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 회전가능한 튜브 공간 내의 공기 압력을 증가시키기 위한 회전가능한 튜브와 연결된 압력 조절기는 또한 감압된 공급원을 기체 응축기에 제공하기 위한 진공 발생기이다.
하나의 구현예에서, 장치는 액체를 회전가능한 튜브의 내부로 도입시키기 위한 입구 또는 글랜드(gland)를 갖는다. 액체는 바람직하게는 분무로서 도입된 물이다.
하나의 구현예에서, 전자기 발생기는 극초단파 방사선을 발생하는 극초단파 발생기이다.
하나의 구현예에서, 극초단파 방사선은 약 900 MHz 내지 약 3 GHz의 주파수 범위를 갖는다. 사용된 전자기 에너지의 전형적인 주파수들은 약 900 MHz 내지 약 1000 MHz, 및 약 2 GHz 내지 약 3 GHz이다. 극초단파 방사선의 주파수는 공업적 가열을 위한 공업용, 과학용 및 의료용(ISM) 밴드(band)들이다. 공업적 가열을 위한 ISM 밴드들은 약 915 MHz, 약 922 MHz, 및 약 2450 MHz를 포함한다. 또한 적합할 수 있는 기타 주파수들은, 예를 들면, 약 13 MHz, 약 27 MHz 및 약 40 MHz를 포함한다.
하나의 구현예에서, 도파관은 극초단파 발생기로부터 연장되는 제1 부분 및 상기 회전가능한 튜브를 향해 연장되는 제2 부분을 갖는다. 하나의 구현예에서, 제2 부분은 제1 부분에 대해 일정한 각도로 제1 부분으로부터 멀어지게 연장된다. 제2 부분은 회전가능한 튜브의 각도에 상응하는 각도로 적합하게 연장된다. 제1 부분에 대한 제2 부분의 각도는 수평 축에 대한 회전가능한 튜브의 조정에 상응하게 적합하게 조정가능하다.
하나의 구현예에서, 도파관은 중공 성분(hollow component)을 포함한다. 도파관은 중공 금속성 성분을 포함할 수 있다. 하나의 대안적인 구현예에서, 도파관은 고체 성분을 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 도파관은 임피던스 정합 튜너(impedance matching tuner)를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 장치는 바이오매스를 절단하기 위한 절단기(chipper)를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 바이오매스는 절단한 다음 회전가능한 튜브dp d의해 수용된다. 절단기는 장치의 기타 성분들로 연결할 수 있다. 대안적으로, 절단기는 장치의 별도의 정지된 단독 성분일 수 있다.
하나의 구현예에서, 장치는 바이오매스를 회전가능한 튜브로 공급하기 위한 공급 메카니즘 또는 공급 절단기를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 장치는 회전가능한 튜브 내의 산소 함량을 측정하기 위한 센서를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 장치는 제어 시스템을 추가로 포함한다. 제어 시스템은 온도 탐침, 진공 탐침 및 산소 센서로부터의 정보를 적합하게 수신한다. 제어 시스템은 극초단파 발생기의 전력, 회전 튜브의 회전 속도, 상기 회전 튜브의 각, 상기 공급 호퍼(infeed hopper)로부터의 바이오매스의 공급 속도, 진공 발생기에 의해 생성된 압력 및/또는 운반 가스의 등급화된 공급을 포함하는 공정의 입력사항들을 제어하기 위한 정보를 적절하게 이용하여 회전가능한 튜브 내의 온도와 압력을 소정의 작동 범위(들) 내로 유지시킨다.
하나의 구현예에서, 장치의 성분들 중의 하나 이상은 재생가능한 에너지 공급원에 의해 전력을 받을 수 있다. 하나의 구현예에서, 재생가능한 에너지 공급원은 태양열 발전 에너지 공급원이다. 적합할 수 있는 대안적인 재생 에너지 공급원들은, 예를 들면, 풍력, 수력 전기, 지열, 조류들(tidal flows), 바이오매스 또는 바이오 연료들(본 발명의 장치 및 방법에 의해 발생된 오일들 및 기체들을 포함함)을 포함한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 식물 물질이다.
제2의 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 가공되지 않은 바이오매스를 수용하기 위한 입구, 가공된 바이오매스를 배출하기 위한 출구를 가지며, 수평 축에 대해 일정한 각도로 기울어져 있는 회전가능한 튜브를 제공하는 단계;
(c) 회전가능한 튜브 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 전자기 에너지를 적용하여 전자기 에너지가 상기 회전가능한 튜브의 종축에 대체적으로 평행한 방향으로 운행하도록 하는 단계를 포함하여, 바이오매스를 가공하는 방법으로 구성된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용하여 목탄(들), 바이오-오일(들), 및/또는 기체(들)을 제조함을 포함한다. 하나의 구현예에서, 바이오매스는 식물 물질이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브의 각도를 수평축에 대하여 조절하는 단계를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 회전가능한 튜브를 제공하는 단계는 회전가능한 튜브에 당해 회전가능한 튜브 주변에 절연체를 제공함을 포함한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지를 적용하는 단계는 극초단파 방사선을 적용함을 포함한다. 하나의 구현예에서, 극초단파 방사선은 약 900 MHz 내지 약 3 GHz의 주파수 범위를 갖는다. 사용된 전자기 에너지의 전형적인 주파수들은 약 900 MHz 내지 약 1000 MHz, 및 약 2 GHz 내지 약 3 GHz이다. 극초단파 에너지의 주파수는 공업적 가열을 위한 공업용, 과학용 및 의료용 (ISM) 밴드들 중의 하나인 것이 적합할 수 있다. 공업용 가열을 위한 ISM 밴드들은 약 915 MHz, 약 922 MHz, 및 약 2450 MHz를 포함한다. 역시 적합하게 사용할 수 있는 기타 주파수들은 예를 들면, 약 13 MHz, 약 27 MHz 및 약 40 MHz이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브의 내부의 압력을 조절함을 추가로 포함한다. 회전가능한 튜브 내의 압력은 대기압에 대해 양성 또는 음성일 수 있다. 하나의 구현예에서, 바이오매스는 약 0 kPa 내지 약 200 kPa의 압력에서 가공한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 액체를 회전가능한 튜브의 내부로 도입시킴을 포함한다. 액체는 바람직하게는, 분무로서 도입되는 물이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 유기 물질로부터 방출된 증기를 수집함을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 당해 방법은 증기를 응축물로 응축시킴을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 당해 방법은 응축물을 수집함을 추가로 포함한다. 응축물은 용기 속에 적합하게 수집된다. 하나의 구현예에서, 응축물은 바이오-오일들이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 기체/증기 추출 시스템을 제공함을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 당해 방법은 회전가능한 튜브의 내부에 운반 가스를 제공함을 추가로 포함한다. 운반 가스는 불활성 기체일 수 있으며, 예를 들면, 이산화탄소, 아르곤 또는 질소를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 기체 응축기의 압력을 감소시킴을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 회전가능한 튜브 공간 내의 공기 압력을 증가시키기 위한 회전가능한 튜브와 연결된 압력 조절기는 또한 감소된 압력의 공급원을 기체 응축기에 제공하기 위한 진공 발생기이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 바이오매스를 절단함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브 속의 물질의 온도를 측정함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브 내의 압력을 측정함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브 내의 산소 함량을 측정함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 온도 탐침, 진공 탐침 및 산소 센서로부터 정보를 수신함을 추가로 포함한다. 이 방법은 적합하게는, 이러한 정보를 사용하여 극초단파 발생기의 전력의 제어, 회전 튜브의 회전 속도의 제어, 회전 튜브의 각의 제어, 공급 호퍼로부터의 바이오매스의 공급 속도의 제어, 진공 발생기에 의해 생성된 압력의 제어 및/또는 운반 가스의 등급화된 공급의 제어을 포함하는 공정의 입력사항들을 제어함으로써 회전가능한 튜브 내의 온도와 압력을 소정의 작동 범위(들) 내로 유지시킴을 포함한다.
제3의 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
전자기 발생기로부터 전자기 에너지를 수용하도록 맞춰진 제1 부분; 및
제1 부분으로부터 전자기 에너지를 수용하고 전자기 에너지를 챔버(chamber)로 인도하도록 맞춰진 제2 부분을 포함하는, 전자기 발생기로부터 전자기 에너지를 챔버로 인도하기 위한 도파관으로 구성되며, 여기서 제2 부분은, 제1 부분에 대한 제2 부분의 각도가 조절가능하도록 제1 부분에 작동적으로 연결된다.
하나의 구현예에서, 도파관의 제2 부분은, 도파관의 제1 및 제2 부분들이 서로에 대하여 회전되도록 하는 연결 부분에 의해 도파관의 제1 부분에 작동적으로 연결된다.
하나의 구현예에서, 도파관의 부분들은 중공 성분들을 포함한다. 도파관의 부분들은 중공 금속성 성분들을 포함할 수 있다. 대안적인 구현예에서, 도파관의 부분들은 고체 성분들을 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 도파관은 임피던드 정합 튜너를 추가로 포함한다.
제4 구현예에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 상기 바이오매스를 수용하기 위한 반응기 공간을 한정하는 전자기 공동 챔버(cavity chamber)를 제공하는 단계;
(c) 상기 바이오매스를 상기 반응기 공간 내로 전달하여 상기 바이오매스가 제1 방향으로 대체적으로 운행하도록 하는 단계;
(d) 전자기 에너지를 상기 반응기 공간 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용하여 바이오-오일(들)이 증기 형태로 상기 바이오매스로부터 방출되도록 하는 단계;
(e) 불활성 운반 가스를 상기 반응기 공간으로 공급하여 불활성 기체가 제1 방향에 대하여 대체적으로 반대 방향으로 운행하여 바이오-오일(들)이 용기로부터 멀어지게 이동되고 운반되도록 하는 단계;
(f) 바이오-오일(들)을 수집하는 단계를 포함하여, 바이오매스로부터 바이오-오일(들)의 제조하는 방법으로 구성된다.
바이오매스로부터 방출된 바이오-오일(들)은 타르(들)로 공지된 액체(들)을 포함한다.
하나의 구현예에서, 바이오-오일(들)은 휘발성 바이오-오일(들)을 포함한다. 추가로, 또는 대안적으로, 바이오-오일(들)은 비-휘발성 바이오-오일(들)을 포함한다. 휘발성 바이오-오일(들)은 이들의 형성 온도에서 상당한 증기압을 갖는 바이오-오일(들)이다. 비-휘발성 바이오-오일(들)은 형성 온도에서 제한된 증기압을 발휘하는 바이오-오일(들)이다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 회전가능한 튜브의 내부로 액체를 도입시킴을 포함한다. 액체는 바람직하게는, 분무로서 도입되는 물이다.
하나의 구현예에서, 공정은 또한 전자기 에너지를 바이오매스로 커플링(coupling) 또는 전송시킴으로써 바이오매스로부터 목탄을 생성한다. 목탄은 또한 바이오 숯(biochar) 또는 농업용 숯(agrichar)으로 공지되어 있다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 식물 물질이다. 식물 물질은 목재, 곡물 식물들, 해초, 유기 폐기물 또는, 목탄으로 전환될 수 있는 특정한 바이오매스를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 하나의 구현예에서, 식물 물질은 라디아타 소나무(radiata pine), 석탄, 평지씨, 옥수수 대, 커피 알갱이들, 포도나무 조각들(vine clippings), 삼나무, 대나무, 백단향 또는 유칼립투스(eucalyptus)이다.
불활성 기체는 예를 들면, 이산화탄소, 아르곤 또는 질소를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 바이오-오일(들)을 수집하는 단계는 바이오-오일(들) 증기(들)을 운반하는 운반 가스를 응축기를 통해 통과시켜 바이오-오일(들)의 응축물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 운반 가스는 특정한 유동 속도로 챔버로 공급된다. 유동 속도는 챔버 내의 압력 및/또는 바이오-오일의 제거 속도를 조절하도록 특정화될 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 전자기 에너지를 상기 반응기 공간 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용하는 단계 동안에 상기 바이오매스의 온도를 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 온도는 전자기 발생기의 전력을 조절하고/하거나 전자기 에너지가 반응기 공간 및 내부에 수용된 상기 바이오매스에 가해지는 지속 시간을 조절함으로써 제어할 수 있다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 약 0 kPa 내지 약 200 kPa의 압력에서 가공한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용하는 단계는 바이오매스를 약 30℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 가열시킨다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 석영 튜브를 대략 주위 온도에서 공급한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 목적이 정유(essential oil)들을 회수하는 것이라면, 약 330℃ 이하의 온도에서 배출한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 목적이 삭카라이드 열분해 생성물들을 수집하는 것이라면, 약 350℃ 내지 약 420℃의 온도에서 배출한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 목적이 목탄을 제조하는 것이라면, 약 600℃ 이하의 온도에서 배출한다.
보다 바람직하게는, 전자기 에너지는 제1 방향과 실질적으로 평행한 제2 방향으로 적용한다. 제2 방향은 제1 방향과 반대 방향일 수 있다.
하나의 구현예에서, 챔버는 절연된다.
하나의 구현예에서, 챔버는 수평 축으로 및 이에 대해 각을 이루게 기울어지며 이 방법은 챔버의 각도를 수평축에 대하여 조절함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지는 극초단파 에너지를 포함한다. 극초단파 방사선은 바람직하게는 상기한 제1 국면에 대하여 기재한 범위와 유사한 주파수 범위를 갖는다.
하나의 구현예에서, 바이오매스로부터 바이오-오일(들)을 제조하는 방법은 상기한 제1 국면의 장치를 사용하여 수행한다.
제5 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서, 상기한 제2 국면의 방법에 의해 제조되는 경우 바이오-오일(들)로 이루어진다.
제6 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서, 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용시킴으로써 제조된 바이오-오일(들)로 이루어지며, 여기서 바이오-오일(들)은 적어도 약 약 20 내지 50 MJ/kg의 에너지 함량을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지는 극초단파 에너지를 포함한다. 극초단파 방사선은 바람직하게는 상기한 제1 국면과 관련지어 기재한 범위와 유사한 주파수 범위를 갖는다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 식물 물질이다. 대안적으로, 바이오매스는 목탄으로 전환될 수 있는 어떠한 바이오매스일 수 있다. 식물 물질은 목재, 곡물 식물들, 해초 또는 유기 폐기물을 포함할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 식물 물질은 피누스 라디아타(Pinus Radiata)이다.
제7 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 전자기 에너지장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
(c) 상기 전자기 공동에 상기 바이오매스를 도입하는 단계;
(d) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에, 바이오매스가 직접적인 전자기 에너지를 수용하고 간접적인 흑체 방사선 장(indirect, black body radiation field)가 생성되도록 하는 전력 수준들에서 적용하는 단계; 및
(e) 상기 바이오매스를 상기 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용하여 상기 바이오매스로부터 활성탄이 형성되도록 하는 단계를 포함하여, 바이오매스를 가공하는 방법으로 구성된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 바이오매스를 포함도록 맞춰지는 반응 용기를 제공하고; 반응 용기를 전자기 공동으로 도입시킴을 포함한다. 당해 구현예에서, 바이오매스는 반응 용기로 도입된다.
하나의 구현예에서, 전자기 공동은 내화성 물질(refractory material)들을 포함한다. 내화성 물질들은 반응 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 하나의 구현예에서, 내화성 물질은 반응 챔버를 둘러싼다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는 플라즈마를 포함하도록 맞춰진다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는, 바이오매스를 방사선 장으로 노출시키는 결과로서 생성된 화학적 반응 생성물들을 포함하도록 맞춰진다.
하나의 구현예에서, 직접적인 전자기 에너지는 열분해 생성물들 형태로서, 열분해 생성물들이 반응 용기의 내부에 층을 형성하도록 하는 전력 수준들로 바이오매스에 적용한다. 직접 전자기 에너지를 열분해 생성물들의 층에 가하는 경우, 층은, 전자기 에너지를 흡수하고 흑체 방사선 장을 제공하는 전기 전도성 층이 된다. 대안적인 구현예에서, 당해 방법은 탄소의 층을 반응 용기의 벽들에 적용함을 포함한다. 예를 들면, 흑연을 포함하는 층을 반응 용기의 벽들에 페인팅하거나 분무시킴으로서 수행한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 활성탄의 최대 수율이 형성되도록 하는 시간 동안 이들 에너지 장들에 노출시키며, 여기서 당해 시간은 탄소-함유 물질의 질량에 대한 전력 수준들의 비에 좌우된다.
하나의 구현예에서, 전력 수준들은, 목탄의 온도가 적합한 온도들로 상승되도록 선택된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 바이오매스를 극초단파 에너지에 노출하는 것을 중지함을 추가로 포함하며, 그 결과 이는 장치에서 제거되고 수집된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 반응 용기 내의 공기를 첨가된 기체로 대체시킴을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지가 바이오매스에 적용되는 경우, 플라즈마는 어떠한 전기 전도성 층 외에도 반응 용기의 벽들 위에 형성되며 이러한 플라즈마는 바이오매스에 방사선 장을 제공한다.
플라즈마는 증기들 형태의 열분해 생성물들, 특히 증기들을 이온화하기에 충분한 극초단파 에너지를 흡수하고, 이후에 기체 상이 전기 전도성이 되는, 페놀 기원의 것들을 통해 형성된다. 전기 전도성 종들의 개시는 극초단파 에너지의 흡수를 크게 증진시키며, 플라즈마 발생을 추가로 증진시킨다.
하나의 구현예에서, 첨가된 기체는 바이오매스를 가로질러 유동하며 배출 튜브를 통해 제거되며, 이와 동시에, 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용한 결과로서 생성되는 휘발성 물질들을 제거한다.
하나의 구현예에서, 첨가된 기체는 특정한 유동 속도에서 챔버로 공급된다. 유동 속도를 특정화하여, 반응 용기의 벽들 위의 열분해 탄소의 침착과 반대로 바이오-오일의 제거 속도 뿐만 아니라 챔버 내의 압력도 조절할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 전자기 에너지를 증기 형태로 상기 바이오매스에 적용하는 결과로서 바이오매스로부터 방출된 바이오-오일(들)을 응축물로 응축시킴을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 응축물은 기체 응축기와 연결된 적합한 용기 속에서 수집된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 전자기 에너지를 바이오매스로 적용하는 결과로서 바이오매스로부터 방출된 응축가능하지 않은 기체들을 수집함을 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 응축가능하지 않은 기체들을 적합한 용기 속에 수집한다. 추가의 구현예에서, 증기는 첨가된 기체 속으로 도입할 수 있다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 크기가 감소된 바이오매스이다. 바람직한 구현예에서, 바이오매스는 미분된 리그노셀룰로스를 포함한다. 이러한 미분된 리그노셀룰로스의 많은 예들 중의 하나는 톱밥이다. 추가의 예들은 목재, 곡물 식물들, 해초 또는 유기 폐기물, 분쇄된 농업 폐기물, 예를 들면, 짚, 도시 폐기물로부터의 셀룰로스계 분획, 산림관리 또는 농업 가공으로부터의 분쇄된 폐기물들, 이러한 가공을 위해 특정하게 성장된 곡물들, 및 각종 관목 식물들, 특히 기타의 경우 사용되지 않은 대지 위에 모험적으로 성장한 것들을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다.
하나의 구현예에서, 직접적인 전자기 에너지는 장파 전자기 에너지이다. 바람직한 구현예에서, 긴 파장의 전자기 에너지는 극초단파 에너지이다. 하나의 구현예에서, 극초단파 에너지는 약 900 MHz 내지 약 3 GHz의 주파수 범위를 갖는다. 사용된 전자기 에너지의 전형적인 주파수들은 약 900 MHz 내지 약 1000 MHz, 및 약 2 GHz 내지 약 3 GHz이다. 바람직한 구현예에서, 극초단파 에너지의 주파수는 공업적 가열을 위한 공업용, 과학용 및 의료용(ISM) 밴드들 중의 하나일 수 있다. 공업적 가열을 위한 ISM 밴드들은 약 896 MHz, 915 MHz, 약 922 MHz, 및 약 2450 MHz를 포함한다. 역시 적합할 수 있는 기타 주파수들은 예를 들면, 약 13 MHz, 약 27 MHz, 약 40 MHz 내지 약 5GHz를 포함한다.
활성탄 형성의 온도는 450℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 550℃ 내지 900℃이며, 당해 온도는 인가된 전력을 통해 조절된다.
바이오매스의 가열은 흑체 방사선으로부터의, 극초단파 전력의 직접적인 흡수, 및 또한 간접적인 전력 둘 다를 포함한다. 흑체 방사선은, 레드-핫(red-hot) 내지 옐로우 핫(yellow hot)인 반응 용기의 내부의 전기 전도성 탄소 함유 침착물에 극초단파 에너지를 적용하여 생성되거나, 또는 극초단파 에너지에 의해 형성된 플라즈마로부터 생성되거나, 또는 이들 둘 다로부터 생성된다. 하나의 구현예에서, 이러한 간접적인 흑체 방사선은 연속적으로 안정한 전력 수준들에 존재한다.
가열 시간은 탄소-함유 물질의 질량에 대한 전력에 좌우되며, 이는 약 1분 내지 약 5시간일 수 있지만, 바람직하게는 약 10분 내지 약 1시간이다.
전자기 공동의 내부는 가압될 수 있거나, 또는 비워질 수 있지만, 대략 대기압을 이용하는 것이 바람직하다.
반응 용기의 내부는 가압될 수 있거나, 또는 비워질 수 있지만, 대략 대기압을 이용하는 것이 바람직하다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 첨가된 기체를 반응 용기의 내부로 도입시킴을 추가로 포함한다.
첨가된 기체는 바람직하게는, 조건들하에 탄소와 유의적으로 반응하지 않거나 승온들에서 단지 서서히 반응하는 특정한 기체이다. 이러한 불활성 기체들의 예들은 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 약한 반응성 기체들의 예들은 이산화탄소, 일산화탄소 및 오존을 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 단계(a) 전에 바이오매스를 예비처리하는 단계를 추가로 포함하며, 당해 예비처리 단계는 바이오매스를 물 속에서 대략 xxxxxx의 압력 및 약 230℃ 내지 약 350℃의 온도에서 가열함을 포함한다.
하나의 구현예에서, 산 촉매를 예비처리 단계 전에 물에 가한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 예비-처리된 바이오매스를 기계적으로 압축시켜 유리 수(free water)를 제거함을 추가로 포함한다.
제8 국면에서, 본 발명은 제7 국면의 방법에 의해 제조된 활성탄으로 구성된다.
제9 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 극초단파 흡수 물질을 제공하는 단계;
(c) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
(d) 고체들, 액체들 및 기체들을 내포하도록 맞춰진 반응 용기를 제공하는 단계;
(e) 반응 용기를 전자기 공동으로 도입하는 단계;
(f) 상기 바이오매스를 상기 반응 용기에 도입하는 단계;
(g) 상기 극초단파 흡수 물질을 상기 반응 용기에 도입하는 단계;
(h) 첨가된 기체를 상기 반응 용기의 내부에 도입하는 단계;
(i) 전자기 에너지를 반응 용기 및 내부에 수용된 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
(j) 가열시켜 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동되도록 하여, 방사선 장을 제공하는 플라즈마가, 상기 첨가된 기체에 의해 생성되도록 하는 단계; 및
(k) 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 바이오매스로부터 활성탄 및/또는 가탄제 탄소가 형성되도록 하는 단계를 포함하여, 바이오매스를 가공하는 방법으로 구성된다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은, 바이오매스를 포함하도록 맞춰진 반응 용기를 제공하는 단계; 및 반응 용기를 상기 전자기 공동에 도입시키는 단계를 추가로 포함한다. 당해 구현예에서, 바이오매스는 반응 용기로 도입된다.
하나의 구현예에서, 전자기 공동은 내화성 물질들을 포함한다. 내화성 물질들은 반응 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 하나의 구현예에서, 내화성 물질은 반응 챔버를 둘러싼다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는 플라즈마를 포함하도록 맞춰진다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는 바이오매스를 방사선 장에 노출시키는 결과로서 생성된 화학적 반응 생성물들을 포함하도록 맞춰진다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 전자기 에너지에 노출되어, 바이오매스가 상기 극초단파 흡수 물질에 의해 흡수되지 않은 전자기 에너지를 흡수하도록 할 수 있다.
대안적 구현예에서, 바이오매스는, 당해 바이오매스가 극초단파 흡수 에너지에 의해 흡수되지 않은 전자기 에너지를 흡수하지 않도록 한다. 바이오매스는 제2 반응 용기 속에 포함될 수 있으며 전자기 에너지에 노출되지 않을 수 있다. 대안적인 구현예에서, 제2 반응 용기에서 바이오매스에 의해 발생된 열분해 생성물들은 제1 반응 용기(본 발명의 제7 국면에 기술된 바와 같음)의 벽들 위에 전기 전도성 층을 형성하지 않으며, 여기서 전자기 장으로부터의 흡수 에너지는 플라즈마를 위해 더 많은 전력을 허용한다.
하나의 구현예에서, 단계 (h) 후에 극초단파 흡수 물질은, 플라즈마를 위해 더 많은 전력을 허용하기 위해 플라즈마를 개시시킨 후에 전자기장으로부터 차폐된다.
하나의 구현예에서, 단계 (h) 후에 전자기 에너지의 전력 수준들을 조절하고/하거나 첨가된 기체의 유동 속도는 플라즈마의 위치 및 강도를 조절한다.
하나의 구현예에서, 단계 (h) 후에 첨가된 기체의 조성을 조정하여 탄소-함유 물질의 노출된 표면들과 화학 반응의 특성들 및 속도를 조절한다.
하나의 구현예에서, 바이오매스를, 활성탄 또는 가탄제 탄소의 최대 수율이 형성되도록 하는 시간 동안 이들 에너지 장들에 노출시키는 데, 여기서 당해 시간은 탄소-함유 물질의 질량에 대한 전력 수준들의 비에 좌우된다.
하나의 구현예에서, 전력 수준들은, 목탄의 온도가 적합한 온도들로 상승되도록 선택한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 바이오매스를 극초단파 에너지에 노출시키는 것을 중단하는 단계를 추가로 포함하며, 그 결과 이는 장치로부터 제거되며 수집된다.
플라즈마는 극초단파 흡수 물질에 의해 충분히 가열되는 첨가된 기체에 의해 형성되어 기체를 부분 이온화시키며, 이후에 기체 상은 전기 전도성으로 된다. 전자기 장은 플라즈마를 개시하는 전기 전도성 기체 상에 커플링된다.
하나의 구현예에서, 첨가된 기체는 바이오매스를 가로질러 유동하며 배출 튜브를 통해 제거되는 동시에 바이오매스에 전자기 에너지를 적용한 결과로서 생성되는 휘발물질들을 제거한다.
하나의 구현예에서, 가해진 기체는 특정한 유동 속도에서 반응 용기에 공급된다. 유동 속도는, 반응 용기의 벽들 위에 열분해 탄소를 침착시키는 것과 반대로 바이오-오일을 제거하는 속도 뿐만 아니라 반응 용기 내의 압력을 조절하도록 특정화할 수 있다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 증기 형태의 바이오매스에 전자기 에너지를 적용하는 결과로서 바이오매스로부터 방출된 바이오-오일(들)을 농축물 내로 농축시키는 단계를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 농축물은 기체 농축기와 연결된 적합한 용기 속에서 수집한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 바이오매스에 전자기 에너지를 적용한 결과로서 바이오매스로부터 방출된 응축가능하지 않은 기체들을 수집하는 단계를 추가로 포함한다. 하나의 구현예에서, 응축가능하지 않은 기체들은 적합한 용기 속에서 수집한다.
추가의 구현예에서, 증기는 첨가된 기체 속으로 도입할 수 있다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는, 크기가 감소된 바이오매스이다. 바람직한 구현예에서, 바이오매스는 미분된 리그노셀룰로스이다. 이러한 미분된 리그노셀룰로스의 많은 예들 중의 하나는 톱밥이다. 추가의 예들은 목재, 곡물 식물들, 해초 또는 유기 폐기물, 분쇄된 농업 폐기물, 예를 들면, 짚, 도시 폐기물로부터의 셀룰로스계 분획, 산림관리 또는 농업 가공으로부터의 분쇄된 폐기물들, 이러한 가공을 위해 특별하게 성장한 곡물들, 및 각종 관목 식물들, 특히 기타의 경우에 사용되지 않은 대지에서 모험적으로 자란 것들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄이다.
하나의 구현예에서, 직접적인 전자기 에너지는 장파 전자기 에너지이다. 바람직한 구현예에서, 긴 파장의 전자기 에너지는 극초단파 에너지이다. 하나의 구현예에서, 극초단파 에너지는 약 900 MHz 내지 약 3 GHz의 주파수 범위를 갖는다. 전자기 에너지의 전형적인 주파수들은 약 900 MHz 내지 약 1000 MHz, 및 약 2 GHz 내지 약 3 GHz이다. 바람직한 구현예에서, 극초단파 에너지의 주파수는 공업적 가열을 위한 공업용, 과학용 및 의료용(ISM) 밴드들 중의 하나일 수 있다. 공업용 가열을 위한 ISM 밴드들은 약 896 MHz, 915 MHz, 약 922 MHz, 및 약 2450 MHz를 포함한다. 또한 적합할 수 있는 기타 주파수들은 예를 들면, 약 13 MHz, 약 27 MHz, 약 40 MHz 및 약 5GHz를 포함한다.
활성탄 형성의 온도는 450℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 550℃ 내지 900℃이다.
가탄제 탄소의 온도는 450℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 600℃ 내지 900℃이다.
반응 온도는 적용된 극초단파 전력을 통해 조절된다.
바이오매스의 가열은 흑체 방사선으로부터의, 극초단파 전력의 직접적인 흡수, 및 또한 간접적인 전력 둘 다를 포함한다. 흑체 방사선은 극초단파 에너지에 의해 형성된 플라즈마로부터 생성된다. 하나의 구현예에서, 이러한 간접적인 흑체 방사선은 연속적으로 안정한 전력 수준들에서 존재한다.
가열 시간은 탄소-함유 물질의 질량에 대한 전력에 좌우되며, 당해 시간은 약 1분 내지 약 5시간일 수 있지만, 바람직하게는 약 10분 내지 약 1시간이다.
전자기 공동의 내부는 가압될 수 있거나 또는 소거될 수 있지만 이는 대략 대기압을 이용하는 것이 바람직하다.
반응 용기의 내부는 가압될 수 있거나 또는 소거될 수 있지만, 이는 대략 대기압을 이용하는 것이 바람직하다.
첨가된 기체는 바람직하게는, 조건들하에 탄소와 유의적으로 반응하지 않거나, 또는 승온들에서 단지 서서히 반응하는 특정한 기체이다. 이러한 불활성 기체들의 예들은 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 약하게 반응성인 기체들의 예들은 이산화탄소, 일산화탄소, 오존 및 증기를 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 단계(a) 전에 바이오매스를 예비처리(pretreating)하는 단계를 추가로 포함하며, 당해 예비처리 단계는 바이오매스를 물 속에서 약 xxxxxx의 압력 및 약 230℃ 내지 약 350℃의 온도에서 가열시킴을 포함한다.
하나의 구현예에서, 산 촉매를 예비처리 단계 전에 물에 가한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 예비-처리된 바이오매스를 기계적으로 압축시켜 유리 수를 제거함을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는 첨가된 기체를 포함하도록 맞춘다.
제10 국면에서, 본 발명은 제9 국면의 방법에 의해 제조된 활성탄 및/또는 카탄제 탄소로 구성된다.
제11 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서, 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용함으로써 생산된 활성탄 및/또는 가탄제 탄소로 구성되며, 여기서 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는 적어도 약 88%의 탄소 함량을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 탄소 함량이 적어도 약 90%, 바람직하게는 적어도 약 95%인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 수소 함량이 약 1% 미만, 바람직하게는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 질소 함량이 약 1% 미만, 바람직하게는 약 0.4% 미만인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 황 함량이 약 0.4% 미만, 바람직하게는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 총 발열량(gross heating value)이 약 30MJ/kg 이상, 바람직하게는 약 33MJ/kg인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는, 수분 손실이 약 2% 미만, 바람직하게는 약 1.1%인 것을 특징으로 한다.
하나의 구현예에서, 전자기 에너지는 극초단파 에너지를 포함한다. 극초단파 방사선은 바람직하게는 상기한 제7 국면과 관련해서 기재된 범위와 유사한 주파수 범위를 갖는다.
하나의 구현예에서, 활성탄 및/또는 가탄제 탄소는 바이오매스를 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용함으로써 제조된다.
하나의 구현예에서, 바이오매스는 식물 물질이다. 대안적으로, 바이오매스는 목탄으로 전환될 수 있는 특정한 바이오매스일 수 있다. 식물 물질은 목재, 곡물 식물들, 해초 또는 유기 폐기물을 포함할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 식물 물질은 피누스 라디아타(Pinus Radiata)이다. 대안적 구현예에서, 바이오매스는 아역청 장염탄(sub-bituminous flame coal)이다.
제12 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
a) 바이오매스를 제공하는 단계;
b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
c) 바이오매스를 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
d) 전자기 에너지를, 전자기 공동 및 내부에 수용된 상기 바이오매스에, 바이오매스가 직접적인 전자기 에너지 및 간접적인 흑체 방사선 장이 생성되도록 하는 전력 수준들에서 적용하는 단계;
e) 바이오매스를 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용시켜서 바이오매스로부터 활성탄이 형성되도록 하는 단계; 및
f) 활성탄을 사용하여 강철을 제조하는 단계를 포함하는 방법으로 구성된다.
제12 국면은 제7 또는 제9 국면들과 관련하여 위에서 기술한 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
제13 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 극초단파 흡수 물질을 제공하는 단계;
(c) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
(d) 상기 바이오매스 용기를 상기 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
(e) 극초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부에 도입하는 단계;
(f) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
(g) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동하도록 하여 상기 첨가된 기체에 의해 플라즈마가 생성되어 당해 플라즈마가 방사선 장을 제공하도록 하는 단계;
(h) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 가탄제 탄소가 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계; 및
(i) 가탄제 탄소를 사용하여 강철을 제조하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법으로 구성된다.
제13 국면은 제7 또는 제9 국면들과 관련하여 위에서 기술한 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
제14 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 바이오매스를 제공하는 단계;
(b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
(c) 원료 바이오매스 및 가공된 바이오매스를 내포하고 포함하도록 맞춰진 반응 용기를 제공하는 단계;
(d) 반응 용기를 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
(e) 극초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부에 도입시키는 단계;
(f) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
(g) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동하도록 하여 상기 첨가된 기체에 의해 플라즈마가 생성되어 당해 플라즈마가 방사선 장을 제공하도록 하는 단계;
(h) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 너트 코크스가 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법으로 구성된다.
제14 국면은 제7 또는 제9 국면들과 관련하여 상기한 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
제15 국면에서, 본 발명은 광의의 측면에서,
(a) 가공된 바이오매스를 목탄 형태로 제공하는 단계;
(b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
(c) 반응 용기를 제공하는 단계;
(d) 상기 바이오매스 용기를 상기 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
(e) 극초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부에 도입하는 단계;
(f) 반응 용기를 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
(g) 상기 극초단파 흡수 물질을 상기 반응 용기의 내부에 도입시키는 단계;
(h) 전자기 에너지를 전자기 공동, 바이오매스 및 내부에 수용된 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
(i) 열이 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동하도록 하여 상기 첨가된 기체에 의해 플라즈마가 생성되어 당해 플라즈마가 방사선 장을 제공하도록 하는 단계;
(j) 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 흑연-탄소가 상기 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법으로 구성된다.
제15 국면은 제7 또는 제9 국면들과 관련하여 상기한 특징들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "함유하는"은 '적어도 부분적으로 ~로 이루어진'을 의미하며, 즉 "함유하는"을 포함하는 본 명세서에서의 언급들을 해석하는 경우, 각각의 언급에서 이 용어 앞에 오는 특징들은 전부 존재할 필요는 없지만 기타 특징들은 존재할 수도 있다. "함유하다" 및 "함유된"과 같은 관련 용어들은 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
본 발명은 또한 광의의 측면에서, 본원의 명세서에서 언급되거나 나타낸 부분들, 성분들 및 특징들을 개별적으로 또는 종합적으로, 및 이러한 부분들, 성분들 또는 특징들 중의 어떠한 2개 이상의 특정한 또는 모든 조합물들로 구성되는 것으로 언급될 수 있으며, 본 발명이 관련되는 당해 분야에서 공지된 등가물들을 갖는 특정한 정수들이 본원에 언급되는 경우, 이러한 공지된 등가물들은, 개별적으로 나타내는 것과 같이, 본원에 혼입되는 것으로 간주된다.
본원에서 사용된 바와 같은, 단수 명사 다음에 오는 용어 "(들)"은 당해 명사의 복수 및/또는 단수 형태를 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "및/또는"은 "및" 또는 "또는"을 나타내거나, 내용이 허용하는 경우 둘 다를 의미한다.
본원에 기재된 수치들의 범위(예를 들렴, 1 내지 10)에 대한 참조는 또한 당해 범위내의 모든 유리수들(예를 들면, 1, 1.1, 2, 3, 3.9, 4, 5, 6, 6.5, 7, 8, 9 및 10) 및 또한 당해 범위 내의 특정한 범위의 유리수들(예를 들면, 2 내지 8, 1.5 내지 5.5 및 3.1 내지 4.7)에 대한 참조를 혼입하며, 이에 따라 본원에 표현하여 기재된 모든 범위들의 모든 소범위들은 이에 의해 표현하여 기재된다. 이들은, 구체적으로 의도되고, 나열된 최저 값과 최고 값 사이의 수치들의 모든 가능한 조합들은 유사한 방식으로 본원에 표현하여 언급되는 것으로 고려되어야 하는 단지 예들이다.
본 발명은 상기한 것으로 구성되며 또한 하기는 단지 예들을 제공하는 구성들을 예상한다.
정의들
용어 "활성탄"은 필수적으로 탄소만으로 이루어진 특정한 물질을 의미하며, 이러한 물질 1 그램은, 표준 BET 시험에서 질소의 흡수로 계산한 표면적이 대략 500 평방 미터 이상이다.
용어 "재-가탄제 탄소"는, 주로 탄소로 이루어지고 고정된 탄소 함량이 >88%이고 휘발물 함량이 <1%이고, 수분 함량이 <2%이고 애쉬 함량(ash content)이 <5%이고 질소 함량이 <1%이고 황 함량이 <0.4%이고 발열량(calorific value)이 >3028MJ/kg이며 수소 함량이 <1%인 특정한 물질을 의미한다.
용어 "너트 코커스"는, 주로 탄소로 이루어지고 고정된 탄소 함량이 >84% (무수 기준)이고 황 함량이 <0.5%이고 질소 함량이 <0.5%이고 휘발물(휘발성 물질) 함량이 <2%이고 수분 함량이 <10%이며 애쉬 함량이 <13%인 특정한 물질을 의미한다. 너트 코크스는 제철 공정에서 열을 상승시키기 위한 연료로서 사용된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "바이오매스"는 가공을 수행함을 포함하는, 식물 원료의 물질을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "바이오매스"는, 가공을 수행함을 포함하는, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄을 언급할 수 있다.
어떠한 다른 동사형을 포함하는 용어 "크기가 감소된"은, 이와 같이 기술된 물질이 원래 발견된 것보다 더 작은 부분들로 존재함을 의미한다. 하나의 구현예에서, 이러한 크기 감소는 바이오매스를 어떠한 치수에서 1cm의 조각들 또는 이보다 작은 조각들로 특정한 수단, 예를 들면, 절단, 분쇄, 자르기 또는 모험적 크기 감소, 예를 들면, 목재를 분쇄하면서 톱밥 생성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 수단으로 전환시킴을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "함유하는"은 "적어도 부분적으로 ~로 이루어진"을 의미하며; 즉, "함유하는"을 포함하는 본 명세서에서의 언급들을 해석하는 경우, 각각의 언급에서 이 용어 앞에 오는 특징들은 전부 존재할 필요는 없지만 기타 특징들은 존재할 수도 있다. "함유하다" 및 "함유된"과 같은 관련 용어들은 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
본 발명이 관련되는 당해 분야의 숙련가들에게는, 본 발명의 구성 및 광범위하게 상이한 구현예들 및 출원들에서의 많은 변화들이 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않고 이들 자체로 제안될 것이다. 본원의 기재내용들 및 설명들은 순수하게 설명적이며 어떠한 의미로 제한하려는 의도는 아니다. 본 발명이 관련되는 기술분야에서 공지된 등가물들을 갖는 특정한 정수들이 본원에 언급되는 경우, 이러한 공지된 등가물들은 개별적으로 나타낸 바와 같이 본원에 혼입되는 것으로 간주된다.
하나의 명사 다음에 오는 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "(들)"은 이러한 명사의 복수 및/또는 단수 형태를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "및/또는"은 "및" 또는 "또는"을 의미하거나, 또는 내용이 허용되는 경우에는 둘 다를 의미한다.
본원에 기재된 수치들의 범위(예를 들면, 1 내지 10)에 대한 참조는 또한 당해 범위내의 모든 유리수들(예를 들면, 1, 1.1, 2, 3, 3.9, 4, 5, 6, 6.5, 7, 8, 9 및 10) 및 또한 당해 범위 내의 특정한 범위의 유리수들(예를 들면, 2 내지 8, 1.5 내지 5.5 및 3.1 내지 4.7)에 대한 참조를 혼입하며, 이에 따라 본원에 표현하여 기재된 모든 범위들의 모든 소범위들은 이에 의해 표현하여 기재된다. 이들은, 구체적으로 의도되고, 나열된 최저값과 최고값 사이의 수치들의 모든 가능한 조합들은 유사한 방식으로 본원에 표현하여 언급되는 것으로 고려되어야 하는 단지 예들이다.
본 발명은 상기한 것으로 구성되며 또한 하기는 단지 예들을 제공하는 구성들을 예상한다.
본 발명은 이제 단지 예로서 기술할 것이며 첨부한 도면들을 참조하면 다음과 같다:
도 1은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 첫 번째 바람직한 구현예의 장치들의 개략도이고;
도 2는 바람직한 구현예의 조절가능한 도파관의 개략도이고;
도 3은 두 번째 바람직한 구현예의 장치의 정면도이고;
도 4는 도 3의 선 A-A를 통해 취한 횡단면도이고;
도 5는 본 발명의 바람직한 구현예의 방법들의 유동 다이아그램이고;
도 6은 장치의 기체 제거/운반 가스 주입점의 상세한 횡단면도이고;
도 7은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 두 번째 적합한 장치의 개략도이고;
도 8은 도 7의 장치의 측면도이고;
도 9는 배면 플레이트(back plate)가 제거되고 반응 용기가 부분적으로 제거된, 도 7의 장치의 출구 말단의 부분 사시도이고;
도 10은 도 7의 장치의 사시도이고;
도 11은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 두 번째 장치의 하나의 구현예의 개략도이고;
도 12는 열수 장치의 횡단면도이다.
바람직한 구현예의 상세한 설명
도 1은 바이오매스 또는 유기 물질을 가공하기 위한 첫 번째 바람직한 구현예의 장치(1)의 개략도이고 도 3, 4 및 7은 바이오매스를 가공하기 위한 두 번째 바람직한 구현예의 장치를 나타낸다. 기술하지 않는 한, 두 번째 바람직한 구현예의 특징들 및 작동은 첫 번째 바람직한 구현예의 특징들 및 작동과 동일하다.
장치는 하우징 또는 전자기 공동(3), 회전가능한 튜브 또는 반응 용기(5), 극초단파 발생기(7) 형태의 전자기 발생기, 및 도파관(9), 도파관 임피던스 조화 네트워크(208), 및 진공 발생기 또는 펌프(49)를 갖는다.
본 발명은 목재와 같은 바이오매스를 목탄 및 액체 및/또는 기체 부산물로 전환시키기 위한 극초단파 기술을 사용한다. 극초단파 에너지가 바이오매스에 적용되는 경우, 극초단파 에너지는, 분자가 특정한 반응 이동 상태들로 더가까이 진행되도록 하는 굽힘 모드(bending mode)들을 여기(excitation)시킴으로써 선택된 화학 반응들을 간접적으로 가속시킬 수 있는 방식으로 흡수되고 전환된다. 전체 결과는, 열적 여기로부터 생성되는 광범위한 물질들과 반대로, 극초단파 에너지가 선택된 생성물들의 형성을 촉진할 수 있다는 것이다.
목탄에서, 탄소는 "고정"되며 카본 블랙을 대기 중으로 방출하기 위해 아무런 것도 하지 않은 경우 장기간(>103 년들) 저장할 수 있다. 비교하면, 원료 식물 물질은 비교적 용이하게 부패할 것이며, 단기간 저장 동안에만 대체적으로 적합하다. 따라서, 가공되지 않은 식물 물질과 같이 직접적으로 보다는 목탄 중의 탄소 기체들의 격리(sequestering)는, 탄소 기체들이 저장될 수 있는 시간을 증가시킨다. 극초단파들을 사용함으로써, 식물들과 같은 바이오매스는 에너지 효율적인 방식으로 목탄으로 전환될 수 있다.
이러한 공정 동안에, 액체 및/또는 기체상 부산물은 바이오매스로부터 방출된다. 액체는 액체 또는 증기 상으로 방출될 수 있다. 바이오매스로부터 방출된 액체 및/또는 기체상 부산물들은 바이오-오일(들), 또는 타르(들)로 공지된 액체 및/또는 기체상 부산물을 함유한다. 액체는 바람직하게는 극초단파 방사선을 바이오매스에 적용한 결과로서 바이오매스로부터 흘러나온다. 액체는, 전자기 에너지를 바이오매스로 전달함으로써 바이오매스로부터 목탄을 생성하는 공정의 부산물이다. 액체 및/또는 기체상 부산물은 바이오연료를 위한 첨가제 또는 바이오연료의 형태의 유용한 부산물을 포함하는 많은 부산물들을 함유한다.
도 1을 참조하면, 회전가능한 튜브(5)는 하우징(3)에 의해 수용되며 하우징 내에서 회전가능하다. 회전가능한 튜브는 바람직하게는 석영 튜브, 특히 고순도 융합 석영이다. 회전가능한 튜브(5)는 가공되지 않은 바이오매스를 수용하기 위한 입구 말단(11) 및 가공 바이오매스를 배출하기 위한 출구 말단(13)을 갖는다. 하우징(3)은 튜브(5)의 입구 및 출구에 상응하는 입구 말단(15) 및 출구 말단(17)을갖는다. 튜브의 직경은, 바이오매스가 팩(pack) 보다는 튜브를 통해 비교적 자유롭게 이동하고 구르도록 하기에 충분하다. 바이오매스의 로딩(loading)은 전원에 의해 측정되며, 튜브 직경은 바이오매스의 최대 로딩이 자유롭게 구르도록 하는 직경을 갖도록 선택되거나 설계될 것이다.
도 1을 참조하면, 공급기 말단 플레이트(feeder end plate)는 하우징(3)의 입구 말단 위에 위치할 수 있으며 전달 말단 플레이트는 하우징의 출구 말단 위에 위치할 수 있다. 공급기 말단 플레이트는 가공되지 않은 바이오매스가 공급 호퍼(infeed hopper; 23)로부터 튜브로 도입되도록 맞춰진다. 도 1의 개략도에서, 공급 호퍼(23)는 가공되지 않은 바이오매스를 회전가능한 튜브(5) 내로 직접 공급한다. 대안적으로, 공급 호퍼는 물질을 적합한 통로들 또는 도관들을 통해 입구로 공급할 수 있다. 도 4를 참조하면, 장치는 가공되지 않은 바이오매스를 회전가능한 튜브(5) 내로 공급하기 위한 오거(auger; 24)를 갖는다. 바이오매스는 연속 공정으로 또는 뱃치 공정(batch process)으로 튜브로 도입될 수 있다.
전달 말단 플레이트는, 극초단파 에너지가 도파관(9)을 통해 튜브로 도입되도록 맞춰진다. 전달 말단 플레이트는 바람직하게는 석영 플레이트이다. 장치는 도파관과 하우징(3) 사이의 칸막이(partition)를 갖는다. 나타낸 바람직한 구현예에서, 목탄은 파이프 또는 통로를 통해 튜브의 출구 말단으로부터 수집 호퍼(23)로 배출된다. 나타낸 바람직한 구현예에서, 목탄은 중력의 영향하에 호퍼 내로 떨어질 것이다. 수집 호퍼는, 가공된 생성물이 연속 기준으로 제거되도록 하기 위한 간헐적 공기 록(lock)들을 갖는 밀봉된 용기이다. 도 4를 참조하면, 장치는 볼 밸브를 갖는데, 이는 튜브(5)와 수집 호퍼 사이의 파이프의 통로 속에 위치한 회전 밸브로서 작동한다. 밸브는 볼 속에 디스크를 갖는데, 이는 가공된 물질을 지지하기 위한 면적을 제공한다.
도 1을 참조하면, 회전가능한 튜브(5)는 수평 축(H)에 대하여 각(A)로 기울어진다. 수평 축에 대하여 회전가능한 튜브(5)의 각은, 바이오매스가 가동되는 속도를 제어하도록 조절할 수 있다. 튜브의 각은, 예를 들면, 약 3도 내지 약 30도로 조절될 수 있다.
나타낸 바람직한 구현예에서, 하우징(3) 및 튜브(5)는 둘 다 수평 축 H에 대해 일정한 각으로 기울어지고 하우징(3)에 대한 튜브(5)의 각은 고정된다. 수평 축에 대한 회전가능한 튜브(5)의 각을 조절하기 위하여, 하우징(3)의 각을 조절한다. 바람직한 구현예에서, 하우징(3)은, 장치가 기울어지도록 하는 4개의 조절가능한 레그들(legs; 25) 위에 장착된다. 이러한 각은 하우징 레그들(25)의 높이를 변화시킴으로써 조절한다. 높이와 경사 각은 제어 시스템의 부분으로서 수동으로나 자동으로 조절할 수 있다.
대안적으로, 하우징(3)은 정지 성분일 수 있으며 수평 축에 대한 회전가능한 튜브(5)의 각은 하우징에 대하여 회전가능한 튜브(5)의 각을 조절함으로서 조절할 수 있다.
회전가능한 튜브(5)는 실질적으로 압력 밀봉가능하며 실질적으로 극초단파 밀봉가능하다. 장치는 회전가능한 튜브를 둘러싸는 절연 물질(27)을 갖는다. 회전가능한 튜브(5)의 외부 표면들을 절연하기 위해 사용되는 물질은 바람직하게는 파이버글래스(fibreglass)이다. 그러나, 절연 물질은, 예를 들면, 약 300℃ 초과의 온도들에서 사용하기에 적합한 어떠한 실질적으로 비-전도성 절연 물질일 수 있다. 극초단파 에너지에 노출될 장소들에서 사용된 절연 물질은 바람직하게는 외부 표면들(상기한 바와 같음)에 사용된 물질과 동일한 열적 특성들 + 저 유전 손실 특성들을 가질 것이다. 예를 들면, 소량의 저 유전 손실 절연 물질을 도파관/회전 튜브 칸막이의 전면에 위치한다. 도파관 칸막이는, 예를 들면, 순수한 석영 또는 세라믹과 같은 강성 저 유전 손실 물질이다.
전기 접촉 및 통합성(integrity)은 극초단파 감쇠화 구역 파동 초크들((microwave attenuating quarter wave chokes)을 갖는 회전 튜브와 정지 말단 플레이트들 사이에 유지된다.
극초단파 발생기(7)는 전자기 에너지를 회전가능한 튜브(5) 및 내부에 수용된 상기 바이오매스로 적용하거나 전달하기 위한 회전가능한 튜브(5)와 연결된다. 극초단파 발생기(7)는 전자기 방사선을 발생하도록 구성된다. 바람직하게는, 전자기 방사선은 전형적인 극초단파들인 초 고 주파수(SHF) 또는 극히 높은 주파수(EHF)의 주파수 범위를 갖는다. 임의로, 극초단파 발생기(7)는 적합한 주파수 범위에서 극초단파 방사선을 발생시킨다. 극초단파 발생기(7)는 약 900 MHz 내지 약 3 GHz의 주파수 범위를 갖는다, 사용된 전자기 에너지의 전형적인 주파수들은 약 900 MHz 내지 약 1000 MHz, 및 약 2 GHz 내지 약 3 GHz이다. 바람직한 구현예에서, 극초단파 방사선의 주파수는 공업적 가열을 위한 공업용, 과학용 및 의료용(ISM) 밴드들 중의 하나일 수 있다. 공업용 가열을 위한 ISM 밴드들은 약 915 MHz, 약 922 MHz, 및 약 2450 MHz를 포함한다. 또한 적합할 수 있는 기타 주파수들은, 예를 들면, 약 13 MHz, 약 27 MHz 및 약 40 MHz를 포함한다.
전자기 방사선은 임의의 적합한 장치로 제조한다. 적합한 장치는, 예를 들면, 고체 상태 다이오드들 및 고체 상태 트랜지스터들 뿐만 아니라 트리오드(triode), 클리스트론(klystron) 및 마그네트론 튜브들도 포함한다.
도 1을 참조하면, 극초단파 발생기(7)에 의해 발생된 극초단파 방사선은 도파관(9)에 의해 전자기 공동으로 인도된다. 도파관은 극초단파 방사선을 극초단파 발생기로부터 전자기 공동으로 전달하기 위한 중공 금속 튜브이다. 대안적인 구현예에서, 극초단파 발생기(7)에 의해 발생된 극초단파 방사선은 동축 케이블(coaxial cable)에 의해 전자기 공동으로 전달되며 안테나 구조물을 통해 전자기 공동(3) 내로 방사된다. 동축 케이블은, 관형 전기 전도성 차폐물(shield)로 둘러싸인, 강성 또는 가요성, 관형 절연 층에 의해 둘러싸인 내부 전도체를 갖는 전기 케이블이다. 반응 용기(5) 및 바이이오매스(108)는 둘 다 전자기 공동 내에 잔류하며 극초단파 발생기(7)에 의해 발생된 극초단파 방사선에 노출된다.
도파관의 각은 회저가능한 튜브(5)의 각의 조절가능성에 상응하게 조절가능하다. 도파관(9)은 극초단파 발생기(7)로부터 연장되는 제1의 수평 부분(29) 및 제1 부분으로부터 회전가능한 튜브(5)를 향해 연장도는 제2 부분(31)을 갖는다. 제2 부분(31)은 제1 부분에 대하여 각(B)로 제1 부분(29)으로부터 멀어지게 연장된다. 각(B)는 회전가능한 튜브의 각(A)에 상응한다. 제1 부분(29)에 대한 제2 부분(31)의 각은 조절가능하다. 제2 부분은, 제1 및 제2 부분들이 서로에 대항 회전하도록 하는 연결 부분(33)에 의해 제1 부분에 작동적으로 연결된다.
나타낸 바람직한 구현예에서, 도파관(9)은 직사각형 횡단면을 갖는 중공의 금속성 성분이다. 연결 부분(33)은 상응하는 직사각형 횡단면을 갖는다. 도 2를 참조하면, 연결 부분은 측면 플레이트들(35a, 35b) 및 2개의 편향 플레이트들(37)의 2개의 세트들에 의해 형성된다. 측면 플레이트들(35a, 35b)의 세트들은 연결부(33)의 좌측 및 우측 측면들을 형성하며 편향 플레이트들(37)은 연결 부분의 상부 및 하부 측면들을 형성한다. 하나의 구현예에서, 장치는 조화된 로드로 종결되어 바이오매스에 의해 흡수되지 않은 잔류 에너지를 흡수하며 반응기의 길이를 따라 정지 파동 패턴의 형성을 방지한다. 조화된 로드는 작동 주파수(극초단파 발생기의 주파수)에서 약 50 ohm의 임피던스를 갖는 도파관 물 로드의 형태일 수 있다. 바람직하게는, 물 로드는 검출기에 대한 전기장 센서로 맞춰져서 바이오매스에 의해 흡수되지 않은 전력의 양을 측정할 것이다.
하나의 구현예에서, 반응 용기는 유전 상수를 갖는 손실 물질로 둘러싸여서 바이오매스가 구르고 농축된 전기장에 노출되는 반응기의 중심 축을 따라 전기장 강도를 증가시킬 수 있다. 바람직하게는, 물질은, 예를 들면, 유전 상수가 20 초과일 것이다.
편향 플레이트들(37)은 강성 또는 탄성 전도성 물질로부터 형성될 수 있다. 도파관의 제1 부분(29)과 제2 부분(31) 사이의 각이 변함에 따라, 편향 플레이트들은 관형 단면들과 접촉을 유지하도록 이동된다. 편향 플레이트들은 측면 플레이트들에 부착될 필요가 없으며, 단 관형 단면들 사이에 개구(opening)의 양쪽 측면들에 적절한 접촉이 존재한다. 편향 플레이트들(37)은 극초단파들을 위한 차폐물 및 이들 단면들을 따라 복귀하는 특정한 순환하는 전류들을 위한 전도체를 형성한다.
연결 부분(33)은 또한 측면 플레이트들(35a, 35b)의 세트들 사이로 연장되는 액슬(axle; 39)을 가지며, 이는 연결 부분의 제1 부분(29) 및 제2 부분(31)이 서로에 대하여 회전하도록 한다. 또한, 측면 플레이트들의 각각의 세트에서, 하나의 측면 플레이트는 작은 반경을 갖는 1개 또는 2개의 기계화된 곡선 슬롯들(machined curved slots; 41)을 갖는다. 다른 측면 플레이트는 곡선 슬롯들에 상응하는 1개 또는 2개의 구멍들(43)을 갖는다. 패스너(fastener; 나타내지 않음)는 곡면 슬롯들 중의 하나 및 구멍들 중의 하나를 통해 연장되어 측면 플레이트들을 함께 연결하면서 또한 측면 플레이트들이 서로에 대하여 조절되도록 한다. 측면 플레이트들의 조절은 제1 및 제2 부분들의 각을 조절한다. 함께 연결하는 경우, 측면 플레이트들은 극초단파들에 대하여 비침투성인 고체 벽(solid wall)을 형성한다.
도파관(9)은 적합한 물질로 구성된다. 도파관은, 예를 들면 전도선 물질들이나 유전 물질들로부터 구성될 수 있다.
나타낸 바람직한 구현예에서, 도파관은 또한 조절가능한 튜너를 갖는다. 튜너를 사용하여 전자기 발생기(공급원)에 대한 바이오매스(로드)를 포함하는 반응기의 특성적 임피던스를 조화시킨다. 공급원 및 로드 임피던스들을 조화시킴으로써, 바이오매스 내로의 최적 에너지 커플링을 실현할 수 있다. 튜너는 조절 시스템의 부분으로서 수동으로 또는 자동으로 조절할 수 있다.
장치는 또한 증기 또는 기체상 형태로 방출된 바이오-오일(들)을 제거하고 회수하기 위한 시스템을 갖는다. 특히, 장치는, 가압된 용기(47), 응축기, 및 압력 조절기들의 형태의, 운반 가스의 공급원을 포함할 수 있는 증기/기체 추출 시스템을 가질 수 있다. 가압된 용기는 회전가능한 튜브(5)의 내부에 운반 가스를 제공할 수 있다. 운반 가스는 불활성 기체이며, 예를 들면, 이산화탄소, 아르곤, 또는 질소를 함유할 수 있다. 운반 가스는 기체상/증기 형태의 바이오-오일(들)을 튜브의 내부로부터 응축기로 운반할 수 있다. 운반 가스는 이후에 튜브로 다시 연속되어 기체들을 응축기로 연속적으로 운반할 수 있다. 기체 추출 시스템은 폐쇄 시스템일 수 있다.
도 4 및 6을 참조하면, 장치는 하우징(3)의 입구 말단 근처의 제1의 기체 제거/운반 가스 주입점을 갖는다. 특히, 장치는 하우징(3)을 통해 및 오거 축(24a)을 통해 회전가능한 튜브(5) 내로 연장되는 제1의 기체 제거/운반 가스를 갖는다.
도 4를 참조하면, 장치는 하우징(3)의 출구 말단 근처의 제2의 기체 제거/운반 가스 주입 튜브(46)를 갖는다. 각각의 제1 및 제2 기체 제거/운반 가스 튜브들(45, 46)은 바람직하게는 석영 튜브, 특히 고순도 융합 석영이다. 각각의 제1 및 제2 기체 제거 튜브들(45, 46)을 사용하여 운반 가스를 회전가능한 튜브로 공급하거나 증기 또는 기체상 형태로 방출된 운반 가스 및 바이오-오일(들)을 제거할 수 있다. 이는 운반 가스의 유동 방향이 변하도록 한다.
나타낸 구현예에서, 제1 기체 제거/운반 가스 주입 튜브(45)는 물 글랜드(51)를 갖는다. 도 6을 참조하면, 물 글랜드(51)는 신속한-방출 흑연계 기계적 밀봉부인데, 이는 기체 제거/운반 가스 튜브가 필요에 따라 회전가능한 석영 튜브(5) 내로 연장되거나 수축되도록 한다. 물 글랜드(51)는 흑연 글랜드 팩킹 물질(51a), 글랜드 팩킹 물질을 압축시키는 트레디드 록킹 캡(threaded locking cap; 51b), 및 워셔들(washers; 51c)을 갖는다.
장치(1)를 작동시키기 전에, 물 글랜드(51)는 느슨하게 만든 다음, 튜브를 회전가능한 석영 튜브(5) 내부의 필요한 위치로 이동시킨다. 물 글랜드(51)는 이후에 다시 조이게 만드는데, 이는 기체 제거/운반 가스 튜브 주변에 공기/물 기밀 밀봉부를 제공한다.
기체 제거/운반 가스 튜브는 오거 축(24a) 내부에 조립한다. 기체 제거/운반 가스 튜브는 오거 축(24a)과는 회전하지 않지만 기어 및 플랜지(53)에 의해 정지 상태로 유지된다. 기계적 밀봉부는 오거(24)와 함께 회전한다. 글랜드 조립체는 오거 축(24a)의 상응하는 내부 트레드에 부착하기 위한 외부 트레드(51e)를 갖는다. 물 글랜드(51)는 휘발물들의 추출 또는 운반 가스의 주입을 회전가능한 석영 튜브의 길이를 따라 필요한 위치들에서 가능하게 한다.
장치는 압력을 회전가능한 튜브(5) 내로 및 기체/증기 추출 시스템 내로 조절하기 위한 압력 조절기들을 갖는다. 나타낸 바람직한 구현예에서, 압력 조절기는 진공 펌프(49)이다. 또한, 가압된 용기(47)는 압력 조절기로서 사용할 수 있다. 압력은, 운반 가스가 도입되는 속도를 조절하고/하거나 진공 펌프의 속도를 조절함으로써 조절할 수 있다. 장치는 또한 가변 유동 조절기, 기체 유동 지시기, 기체 압력 지시기를 갖는다. 회전가능한 튜브(5) 내부의 압력을 대기압에 대하여 양성 또는 음성으로 조절할 수 있다.
장치(1)는 바이오매스(108)의 크기를 감소시키기 위한 절단기를 추가로 포함한다. 바이오매스(108)는 절단한 다음 반응 용기 내로 넣는다. 절단기는 장치의 다른 부품들에 연결할 수 있다. 대안적으로, 절단기는 장치의 별도의 동떨어진 부품일 수 있다.
장치는 온도, 압력 탐침들 및 산소 탐침들을 포함하는 제어 시스템을 갖는다. 바람직한 구현예에서, 온도 탐침들은 회전가능한 튜브 내의 바이오매스의 온도를 측정하는 분리된 열전쌍 탐침들이다. 대안적으로, 예를 들면, 패스너(fastener) 반응 결합된 연결 열전쌍들을 사용할 수 있었다. 반응 용기 속의 물질들은 바이오매스(108), 극초단파 흡수 물질(109), 휘발물들(113), 플라즈마(111) 또는, 반응 용기(5)의 벽들을 포함할 수 있다.
제어 시스템은 온도 탐침으로부터의 정보를 수신하고 당해 정보를 이용하여 극초단파 발생기(7)의 전력 출력 및/또는 회전가능한 튜브(5) 내의 바이오매스의 총 배출량/체류 시간을 제어함으로써 온도를 소정의 작동 범위 내로 유지시킨다. 총 배출량/체류 시간은 회전가능한 튜브의 회전 속도, 회전 튜브의 각 및 공급 호퍼로부터의 바이오매스의 공급 속도의 조합에 의해 조절된다.
장치(1)는 전자기 공동 및 반응 용기의 압력들을 측정하기 위한 진공 또는 압력 탐침들(나타내지 않음)을 추가로 포함한다. 온도는 파브리-페롯 플루오로-발광 열전쌍들(Fabry-Perot fluro-luminescence thermocouples)을 사용하여 측정한다.
제어 시스템은 또한 압력 탐침으로부터 정보를 수신한다. 이 정보를 사용하여 펌프의 작동 및/또는 운반 가스의 공급을 제어함으로써 회전가능한 튜브(5) 내의 압력을 소정의 작동 범위 내로 유지시킬 수 있다. 압력은 운반 가스의 추가 또는 제거를 제어함으로써 제어한다.
제어 시스템은 또한 수평 축에 대한 회전가능한 튜브(5)의 각, 회전가능한 튜브의 회전 속도, 및/또는 바이오매스가 회전가능한 튜브에 가해지는 속도를 제어하고 조절할 수 있다.
장치(1)는 자동 4-스텁 도파관 튜너(automatic 4-stub waveguide tuner) 형태의 도파관 임피던스 조화 네트워크를 포함한다.
모니터링 장치 또는 제어 시스템은 입력 도파관(9) 임피던스를 전자기 공동(3) 내로 모니터링한다. 온도, 압력 및 도파관 임피던스, 모니터링 장치에 의해 모아진 전기장 전압 데이타를 이후에 사용하여 가열 공정을 제어한다. 제어 시스템은 극초단파 발생기(7), 도파관 임피던스 조화 네트워크(208) 및 진공 발생기(49)를 제어하여 반응 용기(5) 내의 전자기 장, 온도 및 압력의 진폭을 소정의 작동 범위 내로 유지시킨다.
장치는 또한 도 12에 나타낸 열수 반응기(hydrothermal reactor)를 포함한다.
첫 번째 바람직한 작동 방법
장치를 작동시키는 바람직한 방법을 이제 기술할 것이다. 장치는 연속 공정 또는 뱃치 공정으로 작동할 수 있다.
바이오매스, 전형적으로 목재, 곡물 식물들, 해초 또는 유기 폐기물과 같은 식물 물질이 선택된다. 격리 공정을 위한 바이오매스의 선택은, 특정한 유형의 바이오매스가 이산화탄소, 또는 이로부터 수득될 수 있는 필요한 바이오-오일(들)을 얼마나 효과적으로 고정하는 지를 기본으로 한다. 나무들과 같은 식물 물질의 경우에, 식물 물질이 이산화탄소를 고정하는 유효성은, 얼마나 많은 이산화탄소가 식물을 위한 특별한 성장 기간에 걸쳐 고정되는 지를 평가함으로서 전형적으로 측정될 것이다. 보다 효과적인 식물들(예: 나무들)은 가장 짧은 가능한 성장 기간에 걸쳐 최대량의 이산화탄소를 고정할 것이다.
바이오매스는 바람직하게는 절단된 물질이다. 그 크기는 변할 것으로 인식될 것이다. 바이오매스를 절단하면 물질이 극초단파 기술을 이용하여 목탄으로 전환되기 더 쉽도록 하고 형성될 수 있는 휘발물들을 더 용이하게 수집하도록 한다.
바이오매스는 이후에 공급 호퍼 내에 둔다. 공급 호퍼는 물질을 회전가능한 튜브로 공급한다. 공급 호퍼는 물질을 회전가능한 튜브(5)에 연속적으로 또는 뱃치식으로 공급한다. 바람직한 구현예에서, 입구는 바이오매스로 연속적으로 충전되며, 이는 입구에서 일정한 유동 및 분압 차단을 생성한다.
극초단파들의 형태의 전자기 방사선이 바이오매스에 적용되는 경우, 극초단파들은 물질 바이오매스를 가열시켜 바이오매스를 바이오-숯 및 바이오-오일(들)로 전환시킨다. 극초단파 에너지는 회전가능한 튜브의 종축에 대체적으로 평행한 방향으로 운행할 것이다. 극초단파들은, 공급 물질이 튜브의 입구 말단으로부터 회전가능한 튜브의 출구 말단으로 운행함에 따라 공급 물질을 가열한다.
운반 가스는 회전가능한 튜브(5)로 공급된다. 장치의 작동 동안에, 운반 가스는 연속적으로 또는 필요에 따라 공급된다. 극초단파들에 의해 생성된 열은 바이오-오일(들)을 증기들로서 제거시키며, 이는 이후에 운반 가스에 의해 튜브로부터 운반되고 응축기를 통해 통과하며 수집 장치 속에 수집된다. 소비된 운반 가스는 이후에 하우징을 통해 다시 통과하여 튜브 내로 공급됨으로써 기체들을 응축기로 연속적으로 운반한다. 이는 약한 압력 또는 진공하의 폐쇄된 시스템이다. 이러한 시스템 내의 기체들의 조합은 조절될 수 있다. 대안적 구현예에서, 증기가 운반 가스로서 작용할 수 있다. 추가의 대안적인 구현예에서, 운반 가스를 이용하는 것보다는, 장치는 부분 진공 또는 감압하에 작동될 수 있다.
불활성 기체 유동은 바이오매스에 대해 역류이어서, 휘발물들이 아직 들어오는 바이오매스 위에서 다시 쓸려서 열분해 온도들에 도달하도록 한다. 이러한 현상이 일어나는 경우, 덜 휘발성인 물질은 들어오는 바이오매스 위에 응축되고 열을 들어오는 바이오매스로 이동시킨다. 석영 튜브의 입구 말단에서 또는 입구 말단을 향한 덜 휘발성인 물질의 응축은 추가의 극초단파 에너지의 흡수를 보조하는데, 그 이유는 액체가 극초단파 에너지를 더 잘 흡수하기 때문이다. 덜 휘발성인 물질의 응축은 또한 덜 휘발성 또는 무거운 타르들을 실질적으로 함유하지 않는 더 유용하고 더 휘발성인 바이오-오일들을 수집하도록 한다. 궁극적으로, 평형에 도달할 것인데(이는 일정한 전력 및 공급 속도들을 추정함), 이는 시스템이 연속적인 가열에 따른 것으로서 거동하며 바람직한 오일들의 제거가 각각의 특정한 온도에서 발생함을 의미한다.
대부분의 바이오-오일(들) 및 수증기는, 바이오매스가 건조됨에 따라 튜브의 입구에서 제거된다. 바이오매스가 튜브의 길이를 따라 계속해서 이동됨에 따라, 극초단파들에 의해 생성된 열은 바이오매스를 목탄으로 전환시킬 것이다.
극초단파 에너지를 상기 바이오매스에 적용하는 것은 물질의 온도에 변화(들)을 일으킬 것이다. 바람직한 구현예에서, 장치는 튜브의 길이를 따라 이격된 온도 센서들을 갖는다.
극초단파 에너지의 입력, 작동 압력 및 바이오매스의 총 배출량을 제어하여 공급원료를 가열함으로써 필요한 생성물들을 제공한다. 예를 들면, 필요한 바이오-오일(들) 및/또는 목탄(들)을 성취하기 위한 것이다.
일단 바이오매스가 목탄으로 효과적으로 탄화되면, 목탄은 탄소를 잠재적으로 103 년들 이상 동안 고정할 것이다. 목탄은 미생물 파괴에 대하여 고내성이며 일단 형성되면, 대기 및 해양을 포함하는, 2구면의 탄소 저장소들(biospheric 탄소 reservoirs)로부터 효과적으로 제거된다.
일단 바이오매스 내의 탄소가, 당해 방법에 의해 생산된 목탄 속에 고정되면, 목탄은 싱크(sink)들 속에 저장될 수 있다. 목탄을 위한 바람직한 싱크들은 토양들 및 광산들 및 개방 캐스트 석탄 광산들과 같은 천연 탄소 저장소들이다. 대안적으로, 목탄은 분쇄되어 슬러리로서 배기 오일 및 기체 저장소들 속에 위치할 수 있다. 수분 및 냉각 환경을 제공하는 어떠한 싱크들도 목탄을 저장하기 위해 사용될 수 있다. 목탄은 표면 저장소들 속에 묻거나 저장할 수 있다.
상기한 장치 및 방법을 이용하여 제조한 바이오-오일(들)은, 에너지 함량이 적어도 약 21MJ/kg이다. 피누스 라디아타에 대한 표로 만든 값들은 16 내지 19MJ/kg이다.
바이오-오일들은 수개의 종류들이 있다. 따라서, 저온들에서 방출된 것들은 식물 테르펜들을 포함하며; 약 350℃에서 방출된 것들은 삭카라이드 열분해 생성물들, 예를 들면, 1,6-안하이드로글루코스를 포함하지만, 400℃ 이상에서 방출된 것들은 리그닌 분해 생성물들이며, 이들은 주로, 메톡실, 알케닐, 알킬 또는 포르밀 치환기를 갖는 페놀계 물질이다. 이들은 조악한 연료 자체로 사용될 수 있거나, 이들은 탄화수소들을 형성하기 위한 수처리용 공급원료일 수 있다.
실험 결과들
식물 물질에 극초단파 에너지를 적용한 실험 결과들은 다음에 제공한다. 시험 동안에, 극초단파 에너지를 라이아타 파인(피누스 라디아타)에 적용하였다. 피누스 라이아타의 원료는 제재소로부터의 목재 칩들(wood chips)이었다.
바이오-오일 회수에 있어서의 다음 단계는 기계를 작동시켜 목탄을 생산하고, 이 공정 동안에, 생산된 오일들을 수집하는 것이었다. 이는 수회 완결하였고 농축물의 선택된 샘플들은 약 300℃의 작동 온도 및 약 10kPa의 진공으로부터 선택되었다. 이들 특수한 샘플들을 선택하였는데, 그 이유는 이들 샘플들의 화학적 조성의 분석이 측정된 경우, 얼마나 상이한 가공 조건들이 조성에 영향을 미치는지를 보기 위해 추가의 조사가 수행될 수 있었기 때문이다. 이들 농축물 샘플들은 고 비율의 물을 함유하였다. 이 물은 분리한 다음 질량 분광계(GCMS)에 연결된 기체 크로마토그램을 사용하여 시험하였다. 이 공정은 3개의 상이한 방법들을 이용하여 완결하여 물을 함유하지 않는 3개의 상이한 유형들의 샘플들을 제조하였다. 관찰된 첫 번째 샘플은 순수한 바이오-오일이었고, 두 번째 것은 증류된 바이오-오일이었으며, 세 번째 것은 바이오-오일 내에 포함된 휘발성 화학물질들이었다.
3개의 경우들 모두에서 농축물을 메틸렌 클로라이드 - 비극성 용매와 혼합하였다. 따라서 용액은 2개의 층들을 형성하며, 당해 층들 중의 하나는 메틸렌 클로이라드 및 바이오-오일이고 다른 것은 물이다. 물은 이후에 분리 깔때기를 이용하여 제거한다. 당해 공정 후에, 순수한 바이오-오일은 잔류하였다. 이는 이후에 제1 샘플로서 사용하였다. 다른 2개의 샘플들에서, 동일한 공정을 완료하고 더 진행시켰고; 메틸렌 클로라이드 층을 이후에 증류하였으며, 메틸렌 클로라이드는 40℃의 낮은 비점을 갖기 때문에, 바이오-오일 내의 다른 유기 분자들로부터 용이하게 분리된다. 메틸렌 클로라이드가 제거되는 경우 여전히 함유된 잔사는 제2 샘플을 구성하였다. 제3 단계는 잔사를 취하여 이를 훨씬 더 높은 온도로 증류시키는 것이었다. 이는 휘발성 유기 분자들을 증류 제거하였고 타르들을 잔류시켰다. 이들 휘발성 유기 분자들은 제3 샘플을 구성하였다.
이들 3개의 샘플들 모두; 바이오-오일 내에 포함된 순수한 바이오-오일, 증류된 바이오-오일 및 휘발성 화학물질들은 GCMS를 사용하여 분석하였다. GCMS는 이후에, 이들의 상대 비를 포함하는, 각각의 샘플 내에 포함된 조성물의 상세한 분해물을 복귀시켰다.
순수한 오일 샘플의 발열량을 수득하였다. 이러한 발열량과 공정 수행 동안에 수집한 정보, 예를 들면, 수집된 농축물의 양 및 제조된 목탄의 양을 사용하여, 공급 원료의 초기 양, 및 수분 함량, 생산된 바이오-오일의 총량을 이후에 계산할 수 있었다. 이후에, 이 정보를 이용하여 습윤 및 무수 기준으로 목재 칩들의 킬로그램당 바이오-오일의 수율을 계산하였다. 또한, 이러한 열량값 및 목재의 공지된 수분 함량을 이용하여, 목재를 예비 건조시키기 위해 필요한 바이오-오일의 양을 또한 계산할 수 있었다. 전체 계산은 다음에서 볼 수 있다. 수득된 비교적 고 에너지 함량은 대부분 아마도 극초단파 가열 동안의 휘발물들의 2차 반응들의 억제 및 저 수분 함량의 결과이었다.
타르들은 주로, 추가로 가열되고 서로 반응되는 셀룰로오스와 리그닌의 열분해 생성물들이다. 역류 기체 유동에서, 중간체들은 냉각 영역들로 소거되며, 이들이 실제로 타르들을 형성하면, 타르들은 재휘발되지 않지만, 이보다는 가열 영역들로 들어가며 목탄이 되거나 다시 열분해된다. 따라서, 역류 기체 유동은 비휘발성 타르들의 생산을 상당히 감소시켜야 한다. 또한 휘발물들을 점차 더 가열되는 영역들 보다는 냉각 영역들 내로 취함으로써, 이러한 이차 반응들은 늦춰지거나 억제될 수 있었다.
공급원료들
Figure pct00001

표 1: 바이오-오일(들) 사용에 대한 계산된 공정 파라메터들.
Figure pct00002

바이오-오일(들)의 열량 분석.
Figure pct00003

Figure pct00004

Figure pct00005

활성탄
극초단파 에너지는, 분자 수준에서 에너지를 직접 공급하고 활성화 물에서 특히 우수하다는 점에서 열의 통상적인 공급원과는 상이하다. 극초단파 에너지의 적합한 전력 수준들을 적용하면, 형성됨에 따라 목탄을 활성화하는 충분히 고온에 있도록 하는 목재의 열분해 동안에 증기가 형성되도록 한다. 추가로, 본 발명자들은 초기 열분해 형태들로서, 전기 전도성 탄소의 코팅이 반응 용기의 내부 벽들 위에 형성됨을 밝혀내었다. 이러한 현상이 발생하는 경우, 바이오매스는 또한 강한 흑체 방사선 장 속에 매봉(embedding)되는 데, 이는 탄소를 활성화하는 데 도움을 준다.
극초단파 에너지는 바이오매스의 본체 전반에 걸쳐 에너지를 제공하는 데, 그 이유는 흡수가 적당해지는 경항이 있으며 이에 따라 이러한 방사선이 흡수되기 전에 상당량의 바이오매스를 통해 이동할 수 있기 때문이다. 이는 무에 의해 강하게 흡수되는 데, 여기서 물은 초기 공극 구조를 신속하게 생성하는 효가를 갖지만, 일단 탈수되면, 극초단파 흡수가 사라진다.
그러나, 극초단파들은 전기 전도성 물질들에 의해 강하게 흡수되며, 본 발명자들은, 이것이 우리들에게 반응 용기의 내부에 전기 전도성 목탄의 층에 대한 무수 바이오매스의 영역을 통한 경로(route)를 제공함을 밝혀내었다. 타르들이 바이오매스를 발산함에 따라, 일부는 반응 용기의 내부에 침전되며, 이에 따라 이들은 목탄으로 열분해하여 반응 용기의 내부에 전기 전도성 목탄의 층을 형성시킨다. 일단 목탄이 전기 전도성으로 되면, 목탄은 극초단파 에너지를 강하게 흡수하며 적색 내지 황색 가열물로 되며, 이에 따라 강한 흑체 방사선의 장을 생성한다. 이러한 흑체 방사선은 입자들의 외부 부분들을 목탄으로 신속하게 전환시키며, 이 시점에서 목탄 입자들은 전기 전도성으로 되며 극초단파들을 강하게 흡수하며, 이는 다시 바이오매스가 목탄으로 전환되는 것을 신속하게 촉진시킨다.
제2의 바람직한 방법:
바이오매스를 가공하는 제2의 바람직한 방법을 이제 도 5를 참조로 하여 기술할 것이다. 도 5는 본원에 기술된 제2, 제3 및 제4의 바람직한 방법들 다음의 바이오매스를 가공하기 위한 각각의 선택사항들을 나타낸다.
제1 단계는 바이오매스(108)를 제공하기 위한 것이다. 다음 단계는 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동(3)을 제공하기 위한 것이다. 다음 단계는 반응 용기(5)를 제공하기 위한 것이다. 다음 단계는 반응 용기(5)에 바이오매스(108)를 충전시키기 위한 것이다.
바이오매스(108)는 바람직하게는, 용이하게 취급되는 형태로 크기를 감소시키고, 편의상 크기를 선택한다. 하기한 실험들에서, 본 발명자들은 톱밥을 사용하였다. 그러나, 어떠한 미분된 리그노셀룰로오스 물질이 적합함을 인지할 것이다. 톱밥은 주로 편의상 실험들에서 선택하였다. 바이오매스는 건조할 필요는 없지만, 이것이 더 습윤될 수록, 더 많은 에너지가 물을 제거하는 데 소비된다. 전자기 공동(3) 및 반응 용기(5)는 임의의 형태일 수 있지만, 원통형 용기가 더 편리한 경향이 있다.
다음 단계는 전자기 에너지를 전자기 공동(3), 반응 용기(5) 및 내부에 수용된 상기 바이오매스(108)에 적용하는 것이다. 바람직하게는, 전자기 에너지의 주파수는 극초단파 발생기(7)에 의해 발생되며 극초단파 주파수들의 전자기 스펙트럼 내에 있다. 전자기 에너지는 도파관/전자기 공동 분리 플레이트(106a)를 통해 발생기(7)로부터의 도파관(9)에 의해 전자기 공동(3) 및 반응 용기(5) 내로 전달된다.
바이오매스(108)는 직접적인 전자기 에너지를 수용하며 직접적인 전자기 에너지의 결과로서 간접적인 흑체 방사선 장이 생성된다. 바이오매스(108)는 간접적인 흑체 방사선 장에 노출되지만 직접적인 전자기 에너지는 바이오매스(108)에 동시에 적용되어 활성탄이 바이오매스(108)로부터 형성되도록 한다.
반응 용기(5)의 내부는 세척할 필요가 없는 데, 그 이유는 반응 용기(5)의 내부 표면 위의 숯과 같은 열분해 생성물들이 바이오매스(108)의 가열을 촉진시키기 때문이다. 하나의 구현예에서, 반응 용기(5)는 경 흑연 코팅(light graphite coating)을 초기에 제공할 수 있었다.
직접적인 전자기 에너지는, 열분해 생성물들이 형성됨에 따라 열분해 생성물들이 반응 용기(5)의 내부에 층을 형성하도록 하는 전력 수준들에서 바이오매스(108)에 적용한다. 직접적인 전자기 에너지가 열분해 생성물들의 층에 적용되는 경우, 층은, 극초단파들을 강하게 흡수하고 흑체 방사선 장을 제공하는 전기 전도성 층이 된다. 대안적 구현예에서, 이 방법은 탄소의 층을 반응 용기(5)의 벽들에 적용함을 포함한다. 예를 들면, 흑연을 함유하는 층을 반응 용기의 벽들 위에 페인팅 또는 분무함으로써 수행한다.
공정 동안에, 바이오매스(108)는 정지(뱃치 모드)될 수 있거나 이동(연속)될 수 있으며; 이의 요건은, 에너지 장에서 선택된 체류 시간을 갖는다는 점이다. 본 발명자들은, 에너지 장이 안정한 경우 본 발명자들의 최고의 결과들을 수득하였으며, 이러한 안정성은, 적외선 열(흑체 방사선)이 반응 용기(5)의 내부에 전기 전도성 탄소 층으로부터 오는 경우 가장 용이하게 수득된다. 더 높은 전력 로드들은, 플라즈마가 발생되도록 한다. 전기 전도성 층으로부터 생성된 흑체 방사선 장 외에도 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마는 바이오매스(108)에 방사선 장을 제공한다. 이온화될 충분한 극초단파 전력을 흡수할 수 있는 기체 상 내에 분자들이 존재하는 경우 플라즈마가 형성되는 데, 전기 전도성 종들이 존재하는 시점에서, 이들은 극초단파 전력의 추가의 흡수를 용이하게 한다. 목탄이 전기 전도성으로 됨에 따라, 이는 또한 가열된다.
바이오매스(108)는, 활성탄의 최대 수율이 형성되도록 하는 시간 동안 에너지 장들에 노출되며, 당해 시간은 탐소-함유 물질의 질량에 대한 전력 수준들의 비에 좌우된다. 전력 수준들은, 탄소 함유 물질의 온도가 적합한 온도들로 상승되도록 선택된다.
활성탄 형성 온도는 450℃ 내지 1300℃, 바람직하게는 550℃ 내지 900℃이며, 당해 온도는 전자기 에너지의 적용된 속도를 통해 조절된다. 본 발명자들은, 전력 수준들을 조절하여 당해 상 내의 목탄이 적어도 600℃에 도달하고 바람직하게는 이는 900℃를 초과하지 않아야 하는 한편, 시간은 목탄의 생산을 최대화하도록 선택함을 밝혀내었다. 이러한 시간은 주어진 원료 물질에 대한 실험에 의해 결정되어야 한다. 저온은, 탄화 공정(charring processs)이 이상적인 속도로 진행함을 보증해야 한다. 상한 범위가 결정되는 데, 그 이유는 온도가 높아질수록, 많은 기체들에서 더 많은 목탄이 산화되어 소실되기 때문이다. 시간이 너무 짧고 목탄이 열등한 반면 시간이 너무 길면 수율들이 감소된다.
가열 시간은 탄소-함유 물질의 전력 대 질량 비에 좌우되는 데, 이는 약 1분 내지 약 5시간일 수 있지만, 약 10분 내지 약 1시간인 것이 바람직하다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 반응 용기(5) 내의 공기를 첨가된 기체로 대체시킴을 추가로 포함한다. 장치는 또한 증기 또는 기체상 형태로 방출된 바이오-오일(들)을 제거하고 수집하기 위한 시스템을 갖는다. 특히, 장치는 가압 용기(47), 응축기(65) 및 압력 조절기들(나타내지 않음)의 형태의, 운반 가스의 공급원을 포함할 수 있는 기체/증기 추출 시스템을 가질 수 있다. 가압 용기(47)는 반응 용기(5)의 내부에 운반 가스를 제공할 수 있다. 첨가된 기체는 바이오매스(108)를 가로질러 유동하며 배출 튜브를 통해 제거되는 데, 이 시점에서 바이오매스(108)에 전자기 에너지를 적용한 결과로서 생성되는 휘발물들이 제거된다. 첨가된 기체는 특정한 유동 속도로 반응 용기(5)에 공급된다. 본 발명자들은, 약하게 산화되는 기체가, 바이오매스의 부분 차단된 공극들이 세척되고 이산화탄소가 이에 유용함을 보장하기 위해 바람직한 것으로 믿는다.
열분해 동안에 발생한 모험적인 물은 또한, 특히 기체 유동이 존재하지 않는 경우, 이러한 산화제로서 기능할 것이지만, 본 발명자들은 기체 유동을 사용하여 생성물을 제어하는 것이 더 용이함을 밝혀내었다. 소량의 증기는 또한 첨가된 기체 내로 도입될 수 있었지만, 이산화탄소가 바람직하다. 이산화탄소의 유동 속도는 반응 용기(5) 내의 압력 뿐만 아니라 반응 용기(5)의 벽들 위의 열분해 탄소의 침착과 반대인 바이오-오일의 제거 속도도 제어하도록 특정화할 수 있다. 이 방법은, 전자기 에너지를 증기 형태의 바이오매스에 적용한 결과로서 바이오매스(108)로부터 방출된 바이오-오일(들)을 응축물로 응축시킴을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 응축물은 기체 응축기가 연결된 적합한 용기 속에 수집한다.
본 발명의 방법은 이와 같이 형성된 목탄을 극초단파 에너지에 노출시키는 것을 중지함을 추가로 포함한다. 목적하는 시간 후에, 목탄이 제거되며, 균일한 입자 크기들을 갖는 뱃치를 수득하기 위한 표준 처리들과 별도로, 목탄이 사용할 준비가 된다.
도 7 내지 10을 참조하면, 제2의 바람직한 장치 및 방법이 이제 기술될 것이다. 하기에 나타내지 않는 한, 제2의 바람직한 장치 및 방법은 제1의 바람직한 장치 및 방법과 유사하다.
도 7 내지 10에 나타낸 장치는 내화성 물질들(101)에 의해 둘러싸인 반응 용기(5)를 갖는다. 반응 용기는, 약 150 mm인, 제1의 바람직한 구현예에서 반응 용기 e의 직경과 비교한 약 70mm의 외경을 갖는 고순도 융합-실리카, 고순도 알루미나 또는 알루미노-실리케이트 튜브이다. 적합한 내화성 물질들은 저 유전 손실 특성들을 갖는 열 세라믹들, 예들 들면, Kaowool® 알루미노-실리케이트 섬유, Fibrefrax® 알루미노-실리케이트 섬유판(fibreboard) 및 Isolite (brand) 알루미노-실리케이트 내화 벽돌들을 포함한다.
하나의 구현예에서, 반응 용기를 둘러싸는 내화성 물질들의 유전 상수는 내화성 물질들에서의 전기장 강도를 감소시키고 반응 용기 내의 (농축물) 전기장을 증가시키기에 충분히 높을 것이다.
장치는 기체를 도입하고 제거하기 위한 시스템을 갖는다. 첨가된 기체는 주입구(103)에서 도입하고 출구(105)에서 제거한다. 입구 및 출구는 바람직하게는 융합 실리카 튜브들이다. 장치는 또한 도파관 계면 플랜지(106d; 도 1의 도파관 9에 대한 볼트들), 디스크(106a)와 반응 용기(5) 사이의 틈새(106c)를 갖는 융합-실리카 또는 알루미나 디스크의 형태의 도파관/전자기 공동 분리판(106b)을 갖는다. 기계적 밀봉부(107)는 출구(105)에 제공된다.
세 번째 바람직한 방법:
세 번째 바람직한 방법에서, 바이오매스(108)는 반응 용기(5)로 도입된다. 극초단파들이 전자기 공동(3)에 적용되는 경우, 파동들은 파괴적 간섭의 위치들(마디 위치들; nodal positions) 및 건설적 간섭의 위치들(항-마디 위치들; antinodal positions)을 가질 것이다. 상응하는 마디 및 항-마디 위치들은 또한 반응 용기(5) 내에 설정된다. 두 번째 바람직한 방법에서, 극초단파 흡수 물질(109)(예: 실리카 카바이드, 흑연 또는 활성탄)은 반응 용기 내부의 항-마디 위치에 제공되어 극초단파 흡수 물질이 전자기장에 강하게 결합되고 전자기장에 의해 직접 가열되도록 한다.
첨가된 기체는 주입구(103)를 통해 반응 용기에 도입되고 도 7에 표시된 화살표들로 나타낸 방향으로 유동한다. 첨가된 기체는 바람직하게는 조건들 하에 탄소와 유의적으로 반응하지 않거나 승온들에서 단지 서서히 반응하는 특정한 기체이다. 이러한 불활성 기체들의 예들은 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 약하게 반응성인 기체들의 예들은 이산화탄소를 포함한다. 극초단파들은 반응 용기 및 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들에서 적용한다. 극초단파들은 도 7에 M으로 표시된 방향으로 반응 용기에 적용한다. 열 전도에 의해, 극초단파 흡수 물질(109)은 반응 용기를 통해 유동하는 첨가된 운반 가스들을 가열한다. 또한, 기체들을 가열하면 기체들을 부분 이온화시키며, 이후에 기체 상이 전기 전도성으로 된다. 전자기 장은 플라즈마(111)을 개시하는 전기 전도성 기체 상에 커플링된다. 플라즈마(111)는, 일단 개시되면, 기체상 매질이 존재하고 전자기 장의 적합한 진폭이 반응 용기(5) 내부에 유지되는 경우 지속된다. 플라즈마(111)는 흑체 방사선 장을 제공하고 바이오매스는 흑체 방사선 장에 노출되어 활성탄 또는 가탄제 탄소가 바이오매스로부터 형성되도록 한다. 첨가된 기체는 바이오매스를 가로질러 유동하고 배출 튜브(105)를 통해 제거되는 데, 동시에 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용한 결과로서 생성되는 휘발물들(113)을 제거한다. 극초단파 흡수 물질(109)은 바이오매스(108) 전환 공정의 지속 동안에 전자기 장에 노출된다. 대안적으로, 극초단파 흡수 물질(109)은, 플라즈마(111)의 개시 후에 전자기 장으로부터 전기적으로 차폐된다. 당해 대안적 방법에서, 플라즈마(111)는 기체를 이온하시키기에 충분하게 도입되는 운반 가스를 가열하며, 이후에 기체 상은 전기 전도성으로 된다. 전기 전도성 종들을 개시하면 극초단파 에너지의 추가의 흡수를 상당히 증진시키며, 플라즈마(111) 발생을 추가로 증진시킨다. 이러한 대안적 방법에서, 극초단파 흡수 물질(109)을 가열하기 위해 초기에 사용된 전자기 에너지는 플라즈마(111) 강도를 증진시키기 위해 이용가능하다.
플라즈마(111)의 강도 및 위치는, 첨가된 운반 가스의 유동 속도 및 전자기 장의 진폭을 조정함으로써 제어한다. 전자기 장의 진폭을 증가시키면 더 많은 활력적인 종들을 발생시키고 수득되는 플라즈마는 반응 용기 용적의 더 큰 부분을 채우도록 팽창한다. 첨가된 운반 가스의 유동 속도를 증가시킴으로써, 플라즈마는 원래의 점들로부터 배출구(105)를 향하여 멀어지게 연장된다. 전자기 장의 진폭 및 첨가된 운반 가스의 유동 속도는, 플라즈마가, 상기 첨가된 기체 주입구(103) 및 극초단파 흡수 물질(109)로부터 하부에 위치한 바이오매스(108)와 접촉되도록 조절한다.
플라즈마(111)로부터 바이오매스(108)에 의해 수행된 열 외에도, 열은 극성 분자들, 이온들, 및 바이오매스(108) 내에 존재하는 유기 전자들을 갖는 극초단파 흡수 물질(109)에 의해 흡수되지 않은 잔류 전자기 장의 상호작용을 통해 바이오매스(108) 내에 용적적으로 발생한다.
바이오매스(108)는 전자기 파동 항-마디 위치에서 반응 용기(5) 내부에 위치한다.
도 5 및 7을 참조하면, 세 번째 바람직한 방법을 이제 기술할 것이다. 하기에 나타내지 않는 한, 세 번째 바람직한 방법은 첫 번째 및 두 번째 바람직한 방법들과 유사하다. 세 번째 바람직한 방법에서, 제2의 반응 용기(205)는 기계적 밀봉부(107)를 통해 첫 번째 반응 용기(5)의 출구 말단에 연결된다. 바이오매스(108)는 제2의 반응 용기(205)에 제공된다. 기체 배출 튜브(105)는 글랜드(207)를 통해 제2의 반응 용기(205)에 연결된다.
극초단파 흡수 물질(109)는 전자기 파동 항-마디 위치에 위치한다. 바람직하게는, 극초단파 흡수 물질(109)는 전자기 공동 단 회로 종료 말단 플레이트(206)에 대하여 제1의 항-마디 위치(200) 또는 제2의 항-마디 위치(201)에 위치한단. 대안적으로, 극초단파 흡수 물질들은 전자기 공동 단 회로 종료 말단 들레이트(206)의 위치에 대하여 제1의 항-마디 위치(200) 및 제2의 항-마디 위치(201)에 위치한다.
하나의 구현예에서, 단 회로 말단 플레이트는 도파관의 것과 동등한 특성적 임피던스를 갖는 로드로 대체될 수 있다. 이는 정지 파동을 제거하고 반응 용기의 길이를 따라 장 강도를 정규화시킬 것이다.
네 번째 바람직한 방법
네 번째 바람직한 구현예에서, 제2의 반응 용기(205)는 기계적 밀봉부(107)를 통해 제1의 반응 용기(5)의 출구 말단에 연결된다. 바이오매스(108)는 제2의 반응 용기(205)에 제공된다. 기체 출구 튜브(105)는 글랜드(207)를 통해 제2의 반응 용기(205)에 연결된다.
기계적 밀봉부(107)는 바람직하게는 금속성, 원통형 및 중공이며 전자기 장 진동의 컷-오프 주파수 이하의 내경을 가지며, 이는, 제2의 반응 용기(205) 내에 잔류하는 바이오매스(108)의 전자기 가열을 방지하는 전자기 장의 진폭을 감쇠시킨다. 기계적 밀봉부(107)는 전자기 공동 단 회로 말단 플레이트(206)에 맞춰서 이 주변의 전기 접촉이 원주형이 되도록 한다. 기계적 밀봉부는 전자기 장을 충분히 감쇠화시키는 길이(202)를 가져서 바이오매스가, 전자기 전력이 전자기 공동(5)에 적용되는 경우 가열되지 않도록 한다.
제2의 반응 용기는, 직경이 약 40mm이고 바람직하게는 고순도 융합 실리카 또는 고순도 알루미노-실리케이트로 제조된다.
전자기 장의 진폭 및 첨가된 기체의 유동 속도는, 플라즈마를 제1의 반응기 용기(5)의 출구를 통해, 기계적 밀봉부(107)을 통해 및, 바이오매스(108)를 포함하는 제2의 반응기 용기(205) 내로 진행시킬 때까지 조절한다. 플라즈마는 이후에 바이오매스(108)과 직접 접촉되며, 이는 바이오매스(108)을 유도에 의해 신속하게 가열한다. 바이오매스(108)로부터 제조된 휘발물들은 제2의 반응기 용기(205)를 통해 기체 배출 튜브(105) 내로 유동한다. 네 번째 바람직한 방법과 세 번째 바람직한 방법 사이의 차이점은, 바이오매스가 극초단파 에너지에 노출되지 않는다는 점이며, 이는 플라즈마와 바이오매스 사이의 화학에 대하여 높은 수준의 온도 제어 및 제어를 제공한다.
네 번째 바람직한 방법과 세 번째 바람직한 방법 사이의 차이점은, 바이오매스(108)가 전자기 에너지에 노출되지 않아서 바이오매스(108)가 극초단파 흡수 물질(109)에 의해 흡수되지 않은 전자기 에너지를 흡수하지 않는다는 점이다. 이 방법에서, 바이오매스(108)에 의해 발생된 열분해 생성물들은 반응기 용기(5) 벽들(본 발명의 제1 국면에 기술된 바와 같음) 위에 전기 전도성 층이 형성되는 것을 방지하며 전자기 장으로부터의 흡수 에너지가 형성되는 것을 방지하여, 플라즈마(111)에 대하여 더 많은 전력을 허용한다.
바람직한 예비-처리 방법
바람직한 예비-처리 방법에서, 크기 감소된 바이오매스는 도 12에 나타낸 바와 같은 고압 뱃치 반응기를 이용하여 열수 전환들에 의해 예비-처리한다. 뱃치 반응기는 본체(301), 세라믹 가열기(303), 코일링 코일(305; coiling coil), 써모웰(thermowell; 307), 클램프(309), 수냉 어댑터들(311, 313), 압력 게이지(317)과 연결된 압력 센서(315), 및 기체 입구 밸브들을 갖는 통상적인 반응기이다.
바이오매스 예비-처리는 다음을 수행한다:
i) 바이오매스의 기본 조성 및 구조를 정규화시키기 위함.
ii) 극초단파 및 플라즈마 가열 동안에 극초단파 반응기 속으로 방출되는 휘발성-물질의 양을 감소시키기 위함.
iii) 바이오매스를 효과적으로 탄산소화시키기 위함.
iv) 바이오매스를 부분 탄화시키고 전기 전도성을 증가시킴으로써 극초단파 민감성을 증가시키기 위함.
v) 무수 열분해 조건들 하에 바이오매스를 처리하는 경우 대개 필요한 것과 같이 탄화 공정 전에 바이오매스를 먼저 건조시킬 필요성을 피하기 위함.
vi) 휘발성 유기 화합물들을 수성 반응 매질 내로 포획하고, 이를 분별 증류 또는 혐기성 분해로 추가로 가공/처리하여 원하지 않는 화합물들로부터 원하는 화합물들을 분리시킬 수 있음.
열수 예비-처리는 내생하는 높은 압력 및 온도하에(열수 액화 공정의 하부 영역에서) 물 속의 원료 크기로 감소된 바이오매스를 가열하여 바이오매스가 마르도록 함을 포함한다.
열수 조건들 하에 물은 강력한 유기 용매로서 작용하며, 이는 유기 화합물들이 가용화되고, 균질한 매질 속에서 이들의 반응들을 성취할 수 있도록 한다. 당해 방법에서, 화학 반응기는 통상적인 저항 전기 가열 성분으로 가열한다. 하나의 구현예에서 열수 반응기 내용물들은 극초단파 에너지를 사용하여 가열하여 시약 및 바이오매스의 가열을 촉진시키고 체류 시간을 줄일 수 있다. 바이오매스를 230℃ 내지 350℃의 온도에서 25 내지 170 Bar의 포화 압력하에 약 30분 내지 2시간 동안 가열한다.
소량의 산 촉매를 열수 처리 전에 바이오매스 및 시약에 가하여 바이오매스 분해를 증진시키고 체류 시간들을 저하시킨다. 이는 또한 바이오매스로부터 산소의 제거를 촉진하고 고정된 탄소의 형성을 촉진한다. 이러한 방식으로 바이오매스로부터 추출된 산소는 물 분자들의 형성을 촉진할 것이다. 산 촉매가 사용되지 않는 경우, 바이오매스 중의 산소는 일산화탄소 기체를 더 용이하게 형성할 것이며, 이에 따라 최종 생성물 중에 보유된 고정된 탄소의 양을 감소시킨다.
열수 처리하는 동안 바이오매스 중의 많은 휘발성 성분들은 일부 무기물들과 함께 바이오매스로부터 제거된다.
예비-처리된 바이오매스는 열수 반응기로부터 제거되고 기계적으로 압축되어 과량의 유리 수(시약에 대해 남겨짐) 및 가능하게는 응축된 증기들로부터의 일부 유기 액체를 제거한다. 탈수 공정 동안에 추가의 휘발물 및 무기 물질은 바이오매스를 세척 제거하고 회수한다.
남겨진 시약 수 및 압축 동안에 수집된 수를 처리하고 다음 열수 예비-처리를 위해 재순환시킨다.
수처리 동안에 수집된 영양분 물질은 토양으로 돌려보낸다.
예비-처리된 바이오매스는 전형적으로 약 64% 내지 82% 무수 애쉬-유리 기준의 고정된 탄소 함량을 가질 것이다.
충분한 극성 종들이 예비-처리된 바이오매스 속에 보유되어 적합한 (제2 단계) 극초단파가 가열 상 동안에 바이오매스와 커플링될 수 있게 한다. 예비-처리된 바이오매스 중에 보유된 극성 종들의 양은 열 플라즈마를 보유하기 위해 필요한 것보다 더 적다.
부분 건조된 열수적으로 예비-처리된 바이오매스는 이후에 극초단파 반응 용기 속에 두고 상기한 제2의 바람직한 방법을 이용하여 가공한다. 상기한 다른 바람직한 방법들 중의 어느 것 전에 예비-처리 공정을 사용할 수 있음을 인지할 것이다.
생산물들
본 발명의 방법의 주 생산물은 활성탄이며, 이는 용액들 및 기체 스트림들을 정제하기 위한 흡착제로서 광범위하게 사용되어 왔다. 추가의 생산물들은, 바이오-오일들을 제조하기 위한 관심있는, 가탄제 탄소 야금술적 너트 코크스, 바이오매스 열분해 오일들, 및 가능하게는 기체 스트림 중의 일산화탄소를 포함할 수 있다.
실시예들의 토의
하기 실시예들은, 양호한 표면적을 갖는 고급 활성탄이 극초단파 전력 적용으로 비교적 신속하게 제조할 수 있으며, 단 반응 용기(5)의 내부에 형성되는 글로우(glow)로부터의 추가의 가열이 존재한다. 실시예들에는, 이러한 효과가 존재하지 않았던 극초단파들을 사용하여 처리한 톱밥의 결과들은 나타내지 않는다. 존재하는 이러한 글로우를 갖지 않았던 이러한 숯의 전형적인 샘플은 표면적이 0.46 m2/그램이었으며, 즉, 글로우 처리가 존재하면 표면적을 2배 정도의 크기로 증가시켰다.
이러한 전기 전도성 표면으로부터의 흑체 방사선 외에도, 본 발명자들은, 플라즈마가 형성될 수 있음을 밝혀내었는데, 이 경우 플라즈마는 또한 필요한 방사선 장을 제공할 것이다. 이는 실시예 1에서 발생하는 것으로 나타났다. 또한 플라즈마로부터의 일부 직접적인 가열이 존재할 수 있다. 추가의 실시예들을 토의하면서, 플라즈마들은 형성될 수 있지만, 본 발명은 글로윙 방사선 장(glowing radiation field)의 형성을 기준으로 한 활성탄의 형성에 좌우되지만, 상기 장의 정확한 특성에는 좌우되지 않는다.
중질 열분해 타르들 속에 침지된 탄소가 유사하게 처리된 경우, 활성탄의 양호한 수율이 발견되었지만, 표면적은 다른 실시들에서 보다 다소 더 적었다. 그럼에도 불구하고, 더 저렴하고 약간 더 낮은 등급의 탄소가 용도들을 가질 것이며, 보다 중요하게는, 이는 기타의 경우에 사용하기 곤란한 타르들에 대한 양호한 용도이다.
유기 가열 글로우가 반응 용기의 내부의 탄소에 의해 유발된 것은, 실시예 1에 있는 동안 설정하기 위해 일부 시간이 소요되고, 및 다수의 선행 실시들에서 전혀 설정되지 않아서 단지 열등한 생성물만을 생성하며, 일단 설정되는 경우, 단 반응 용기는 세척되지 않았으며, 글로우는 다음 실시들에서 매우 신속하게 시작된다는 사실에 의해 입증된다.
세 번째 예가 참조로서 취해지는 경우, 낮은 전력에서 시간을 연장시키는 것은 증진된 활성탄을 제조할 수 있거나 제조하지 않을 수 있지만, 이는 저 수율들의 위험을 발생시킨다. 적어도 이산화탄소의 존재하에 수행한 경우, 고 전력 수준들에서의 시간이 길어지면 탄소를 생성하지 않는다. 이는, 이산화탄소가 중간 산화제이기 때문에 그러할 것이다. 이는, 기공 차단물들을 세척 제거하는 데 도움을 준다는 점에서 활성탄 제조에 바람직하지만, 이는 활성화의 질을 개선시키지만, 이는 또한 탄소를 제거한다. 일정한 시간 동안, 개선점들은 수율의 손실보다 가치가 있지만, 이러한 중요한 시간 후에, 추가의 노출은 수율을 단순히 소비하게 된다.
최적은, 수율/활성을 최대화하는 시간 동안, 황색-오렌지색 글로우를 형성시키기에 적합한 전력 수준들로 나타날 수 있다. 이는 장치의 실제 구조, 및 바이오매스의 특성에 따라 어느 정도 변할 것이다.
실시예들
실시예 1
톱밥(50g)을 깨끗한 석영 반응 용기 속에 두고, 이산화탄소를 이 위로 40 L/min의 속도로 통과시켰다. 흡수된 극초단파 에너지는 초기에 3 kW이었다. 약 6 분 후에, 이 시간 동안에 톱밥의 온도는 305℃이었고, 본 발명자들은 석영의 내부에서 개시된 진한 오렌지색 열 글로우와 함께 플라즈마가 형성되는 것으로 고려하며, 이는 전력이 차단된 다음에 약간의 기간 동안 지속되었다. 이 기간 동안에, 전력 흡수는 7.6 kW이었고 온도는 871℃에 도달하였다. 20분 말기에, 6g의 목탄이 수득되었으며, 이는 표면적이 705 m2/그램이었다.
실시예 2
35g의 중질 열분해 타르가 함침된 톱밥(50g)을 석영 반응 용기 속에 두었고, 당해 용기의 내부 표면은 선행 실시들로부터 탄소로 코팅되었으며, 이산화탄소는 이를 40 L/min의 속도로 통과하였다. 극초단파 에너지의 흡수는 초기에 5 kW이었으며, 이는 후속적으로 7 kW로 상승한 다음, 간헐적 플라즈마 형성 및 오렌지색 표면 글로우가 뒤따랐다. 온도는 756℃에 도달했다. 20분 말기에, 12 g의 목탄이 수득되었으며, 이의 표면적은 446 m2/그램이었다.
실시예 3
톱밥(50g)을 석영 반응 용기 속에 두었고, 당해 용기의 내부 표면은 선행 실시들로부터의 탄소로 코팅되었으며, 이산화탄소는 이 위에 40 L/min의 속도로 통과하였다. 오렌지색 글로우가 약 1분 후에 나타났고, 극초단파 전력은 초기에 5 kW에서 흡수되었으며, 9분 후에, 6.5 kW에서 흡수되었다. 인가된 전력은 이후에 5 kW를 유지하도록 감소되었다. 23분의 말기에, 전력을 차단하고 4 g의 목탄을 수득하였으며, 이의 표면적은 637 m2/그램이었다.
실시예 4
톱밥(50g)을 석영 반응 용기 속에 두었고, 당해 용기의 내부 표면은 선행 실시들로부터의 탄소로 코팅되었으며, 이산화탄소는 이 위에 40 L/min의 속도로 통과하였고, 극초단파 에너지는 5 kW에서 46분 동안 흡수되었다. 오렌지색 글로우가 약 2분후에 시작되었다. 온도는 실시의 말기에 590℃이었지만, 이는 최대 온도를 가질 수 없다. 46분의 말기에, 2g의 목탄을 수득하였으며, 이의 표면적은 797 m2/그램이었다.
실시예 5
인가된 전력을 증가시킴으로써 흡수된 전력을 8.2 kW 내지 9 kW로 증가시키는 것을 제외하고는 실시예 4를 반복하였다. 온도는 910℃ 이상에 도달하였고, 목탄의 수율은 0 g이었다.
하기 표 1은, 도 1 내지 3에 나타낸 첫 번째 바람직한 장치를 사용하여 제조한 탄소에 대한 결과들과 함께 강철의 제조 시 뉴질랜드 강철에 의해 사용된 가탄제 탄소에 대한 명세를 나열한다. 하기 표 2는 도 5 내지 8에 나타낸 장치를 사용하여 제조한 탄소에 대한 상응하는 결과들을 나열한다.
표 1
Figure pct00006

표 1에서 각각의 실험들에 대한 공급원료는 아역청 장염탄이었다. 표 1의 마지막 열은 처리 전의 장염탄의 특성들을 나타낸다.
표 2
Figure pct00007

표 2에서 각각의 실험들에 대한 공급원료는 라디아타 파인 우드칩들 또는 아역청 장염탄이었다. 표 2의 제2 열은 처리 전의 우드칩들의 특성들을 나타내며 표 2의 마지막 열은 처리 전의 아역청 장염탄의 특성들을 나타낸다.
하기 표 3은 수입되고 국부적으로 성장한 히코리 경목(hickory hardwood) 및 국부적으로 성장한 월넛 껍질 공급원료(walnut shell feedstock)들로부터의 활성탄들을 제조하기 위한 바이오매스의 처리로부터의 결과들과 함께 처리 조건들을 나타낸다. 히코리 바이오매스의 특성들은 결과들 표의 끝에 나타낸다. 월넛의 특성들은 이용할 수 없지만 대체적으로, 월넛 껍질의 고체 밀도는 히코리보다 더 크며 더 미세한 내부 다공성 구조를 갖는 것으로 인정된다.
600℃ 내지 1000℃의 처리 온도들이 모든 처리들에 걸쳐서 선택되었으며, 상부 온도 한계는 적외선 온도 센서들의 측정 범위에 의해 부과된다. 모든 처리들에 대한 압력은 약 25mm H20에서 대기압 보다 약간 높았다.
실시들 43 내지 46은 히코리 공급원료의 신속한 가열을 촉진하기 위하여 실리카 카바이드 극초단파-흡수 촉매의 용도를 포함시켰다. 샘플들은 표적 온도에 대하여 가열한 다음 가열을 중단하였다. 특정한 온도에서 또는 특정한 온도범위 내에서 '유지 시간'을 적용하지 않았다. 총 극초단파 가열 시간은 7 내지 13분의 범위이었고 상응하는 온도들은 410℃ 내지 912℃의 범위이었다.
실시들 47 내지 62는 또한 히코리 공급원료의 처리들이었지만 극초단파-흡수 촉매는 사용하지 않았다. 이들 처리들에서 표적 온도들에서의 유지 시간들은 3분 내지 15분의 범위이어서 다공성 구조에 대한 시간이 탄소들에서 진행되도록 하였다.
실시들 63 내지 65는 월넛 껍질의 처리들이었다. 이들 처리들에서 극초단파-흡수 촉매는 사용하지 않았다. 실시들 63 및 64에 있어서 0 동안 표적 온도에서 유지 시간들. 실시 65에 있어서 20분의 긴 유지 시간을 선택하여 고온에서 장치의 한계들을 시험하였다.
모든 처리들에 있어서, 박층의 열분해 탄소는 반응 용기의 내부 표면에 존재하였다. 이 층은 극초단파 에너지에 민감하기 때문에 바이오매스에 흑체 방사선 장을 제공하여 가열 및 활성화를 보조하였다.
B.E.T (N2) 방법으로 측정한 활성탄들의 비표면적들은 170m2/g 내지 629.8m2/g의 범위이었고 실시들 43 내지 46에 걸쳐서 평균 550.7m2/g이었다.
수율들은 10% 내지 13%의 범위이었고 실시들 43 내지 46에 걸쳐서 평균 12.5%이었다.
소 샘플 L2는 170m2/g의 최저 표면적을 나타내었지만, 이는 실시들 43 내지 46에 걸쳐서 최고 온도에서 처리하였다. 이 현상은 L2의 반응 용기의 특수 위치에 도달되는 활성화를 위해 불충분한 온도들에 기여할 수 있거나, 또는 이 위치에서의 열 이탈은 바이오매스에서의 잠재적인 결정성 구조의 열 재-배치, 즉 비-다공성 흑연 탄소의 형성을 갖는다.
B.E.T (N2) 방법으로 측정한 활성탄들의 비표면적들은 82.3m2/g 내지 931m2/g이었으며 실시들 47 내지 62에 걸쳐서 평균 509m2/g이었다. 수율들은 7% 내지 13%이었으며 실시들 47 내지 62에 걸쳐서 평균 16%이었다. 외딴 소 샘플 L2가 실시들 47 내지 62에 걸친 평가에서 포함되지 않으면, 평균 표면적은 600m2/g 이상으로 증가되게 성취되었다.
B.E.T (N2) 방법으로 측정한 활성탄들의 비표면적들은 531m2/g 내지 1276m2/g이었으며 실시들 63 내지 65에 걸쳐서 평균 904m2/g이었다. 수율들은 8% 내지 20%이었으며 실시들 63 내지 65에 걸쳐서 평균 15%이었다.
표 3
Figure pct00008

표 3 (계속)
Figure pct00009

표 3 (계속)
Figure pct00010

Figure pct00011

하기 표 4는 바람직한 예비-처리 방법을 이용한 바이오매스의 예비-처리로부터의 결과들과 함께 처리 조건들을 나타낸다. 바이오매스는 모든 예비-처리들에서 라디아타 파인이었고 5:1의 물 대 바이오매스 비를 선택하여 반응 매질 전반에 걸쳐 만족스러운 대류 혼합을 보장하였다. 결과들 표의 마지막 열은 예비-처리 전의 바이오매스의 특성들을 나타낸다.
예비-처리 캠페인은, 반응 온도가 탄화 수준에 강력한 영향을 미침을 입증하였다. 약 270℃의 바이오매스 예비-처리 온도는 바이오매스의 탄소 함량을 약 1시간 내에 27%씩 70%C 이상으로 상승시키기에 충분하다. 처리 시간을 2시간으로 두배로 하면 탄소 함량을 단지 1%로 미미하게 상승시켰다.
표 4:
Figure pct00012

Figure pct00013

표 5는 첫 번째 바람직한 방법을 사용하는 극초단파 가열에 의해 처리된 열수적으로 예비-처리된 바이오매스에 대한 결과들과 함께 강철의 제조 시 사용된 너크 코크스에 대한 표적 명세를 나타낸다.
열수적으로 예비-처리된 바이오매스는 라이아타 파인 우드칩스(25mm×25mm)이었으며, 이는 초기 탄소 함량이 대략 55%이었다. 열수 처리는 대략 300℃에서 약 1시간 동안 수행하였는데, 이는 탄소 함량을 76% 이상으로 상승시켰다. 예비-처리된 바이오매스의 소세트의 전기 저항을 측정하였다. 모든 것들은 >2k Ohms이었는데, 이는 극초단파와 강하게 결합되는 것으로 기대되지 않는다. 이후에, 예비-처리된 바이오매스 샘플은, 예비-처리된 바이오매스 질량의 5%와 동등한 실리카 카바이드(5mm×5mm)의 조각들과 혼합하고 약 5분 동안 약 400W의 순 극초단파 가열 전력으로 처리하였다. 이 결과는 단지 수분의 극초단파 가열 후에 탄소 함량이 11%로 상당히 증가하고 황 및 질소 함량이 상응하게 감소함을 입증한다.
표 5
Figure pct00014

하기 표 6은 첫 번째 바람직한 방법을 사용하는 너트 코크스 시험들로부터의 상응하는 결과들과 함께 실험적 조건들을 나타낸다. 공급원료의 특성들은 하기한 결과들 표 7에 나타낸다.
모든 실시예들에서 사용된 공급원료는 히코리이었고, 반응 용기는 융합 석영이었으며 운반 가스는 질소이었다.
이들 처리들 동안에 어떠한 극초단파 흡수 촉매도 사용되지 않았지만, 열분해 탄소의 얇은 층은 반응 용기의 내벽을 내장하였고, 이에 따라 바이오매스에 흑체 방사선 장을 제공하여 가열을 도왔다.
알 수 있는 바와 같이 바이오매스의 탄소 함량은 모든 처리들에 걸쳐서 유의적으로 증가되었다. 탄소 함량은 표적 온도에서 단지 3분의 가열 시간 후에도 변동이 없으며 평균 89%인 것으로 나타나지만, 질소 함량은 추가의 가열 시간에 따라 감소하는 것으로 나타난다.
이러한 결과들은, 대략 15분의 총 가열 시간이 너트 코크스를 위한 표적 명세를 충족하기 위해 충분하다는 사실을 입증한다.
표 6
Figure pct00015

표 6 (계속)
Figure pct00016

표 6 (계속)
Figure pct00017

표 7
Figure pct00018

Claims (118)

  1. a. 가공되지 않은 바이오매스를 수용하기 위한 입구, 가공된 바이오매스를 배출하기 위한 출구를 가지며, 수평 축에 대하여 일정한 각도로 기울어져 있는 회전가능한 튜브;
    b. 상기 회전가능한 튜브를 하우징(housing)하기 위한 금속성 하우징(metallic housing);
    c. 전자기 에너지를 회전가능한 튜브 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용시키기 위해 상기 회전가능한 튜브와 연결된 전자기 발생기;
    d. 전자기 에너지를 상기 회전가능한 튜브로 도입시키기 위해 전자기 발생기와 연결된 도파관(waveguide)을 포함하는, 바이오매스 가공용 장치로서,
    상기 도파관이, 당해 도파관에 의해 회전가능한 튜브 내로 그리고 이를 통해 도입된 전자기 에너지가 상기 회전가능한 튜브의 종축에 대하여 대체적으로 평행한 방향으로 진행하도록 맞춰지는, 바이오매스 가공용 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 수평 축에 대한 상기 회전가능한 튜브의 각이 조절가능한 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 회전가능한 튜브를 둘러싸는 절연체를 추가로 포함하는 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브가 실질적으로 압력 밀봉가능한 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브가 실질적으로 극초단파 밀봉가능한 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 있어서, 기체/증기 추출 시스템을 추가로 포함하는 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 기체/증기 추출 시스템이 운반 가스의 공급원을 포함하는 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 운반 가스의 공급원이, 상기 회전가능한 튜브의 내부에 운반 가스를 제공하기 위해 상기 회전가능한 튜브와 연결되는 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기체/증기 추출 시스템이, 증기 형태로 방출된 바이오-오일(들)을 응축물로 응축시키기에 적합한 기체 응축기를 추가로 포함하는 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서, 감소된 압력의 공급원을 기체 응축기에 제공하기 위한 진공 발생기를 추가로 포함하는 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부에 액체를 도입하기 위한 입구 또는 글랜드(gland)를 갖는 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 발생기가, 극초단파 방사선을 발생하는 극초단파 발생기인 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관이 극초단파 발생기로부터 연장되는 제1 부분 및 상기 회전가능한 튜브를 향해 연장되는 제2 부분을 포함하고, 여기서 제2 부분이, 회전가능한 튜브의 각에 상응하도록 제1 부분에 대하여 일정한 각으로 제1 부분으로부터 멀어지게 연장되는 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관이 임피던스 정합 튜너(impedence matching tuner)를 추가로 포함하는 장치.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중의 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 절단하기 위한 절단기를 추가로 포함하는 장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중의 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 상기 회전가능한 튜브로 공급하기 위한 공급 메카니즘 또는 공급 호퍼(infeed hopper)를 추가로 포함하는 장치.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 물질의 온도를 측정하기 위한 온도 탐침을 추가로 포함하는 장치.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 압력을 측정하기 위한 압력 탐침을 추가로 포함하는 장치.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 산소 함량을 측정하기 위한 센서를 추가로 포함하는 장치.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 탐침, 진공 탐침 및 산소 센서로부터 정보를 수신하는 제어 시스템을 추가로 포함하고, 당해 정보를 사용하여 상기 극초단파 발생기의 전력, 상기 회전 튜브의 회전 속도, 상기 회전 튜브의 각, 상기 공급 호퍼로부터의 바이오매스의 공급 속도, 진공 발생기에 의해 생성된 압력 및/또는 운반 가스의 등급화된 공급을 포함하는 공정의 입력사항들을 제어하여 상기 회전가능한 튜브 내의 온도와 압력을 소정의 작동 범위(들) 내로 유지시키는 장치.
  21. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 가공되지 않은 바이오매스를 수용하기 위한 입구, 가공된 바이오매스를 배출하기 위한 출구를 가지며, 수평 축에 대해 일정한 각도로 기울어져 있는 회전가능한 튜브를 제공하는 단계;
    (c) 회전가능한 튜브 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 전자기 에너지를 적용시켜서 전자기 에너지가 상기 회전가능한 튜브의 종축에 대체적으로 평행한 방향으로 운행하도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 단계(c)가 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용하여 목탄(들), 바이오-오일(들) 및/또는 기체(들)을 제조하는 방법.
  23. 청구항 21 또는 청구항 22에 있어서, 상기 바이오매스가 식물 물질인 방법.
  24. 청구항 21 내지 청구항 23 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수평 축에 대한 상기 회전가능한 튜브의 각을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  25. 청구항 21 내지 청구항 24 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브를 제공하는 단계가 회전가능한 튜브에 당해 회전가능한 튜브를 둘러싸는 절연체를 제공함을 포함하는 방법.
  26. 청구항 21 내지 청구항 25 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지를 적용하는 단계가 극초단파 방사선을 적용함을 포함하는 방법.
  27. 청구항 21 내지 청구항 26 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부의 압력을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 청구항 21 내지 청구항 27 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부의 압력이 약 0 kPa 내지 약 200 kPa인 방법.
  29. 청구항 21 내지 청구항 28 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부에 액체를 도입시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  30. 청구항 21 내지 청구항 29 중의 어느 한 항에 있어서, 유기 물질로부터 방출된 증기를 수집하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  31. 청구항 30에 있어서, 증기를 응축물로 응축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  32. 청구항 21 내지 청구항 29 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부에 운반 가스를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  33. 청구항 21 내지 청구항 32 중의 어느 한 항에 있어서, 바이오매스를 절단하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  34. 청구항 21 내지 청구항 33 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 물질의 온도를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  35. 청구항 21 내지 청구항 34 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 압력을 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  36. 청구항 21 내지 청구항 35 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전가능한 튜브 내의 산소 함량을 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  37. 전자기 발생기로부터 전자기 에너지를 수용하도록 맞춰진 제1 부분; 및
    제1 부분으로부터 전자기 에너지를 수용하고 전자기 에너지를 챔버(chamber)로 인도하도록 맞춰진 제2 부분을 포함하는, 전자기 발생기로부터 전자기 에너지를 챔버로 인도하기 위한 도파관으로서, 여기서 제2 부분은, 제1 부분에 대한 제2 부분의 각이 조절가능하도록 제1 부분에 작동적으로 연결되는 도파관.
  38. 청구항 37에 있어서, 상기 도파관의 제2 부분이, 상기 도파관의 제1 및 제2 부분들이 서로에 대하여 회전하도록 하는 연결 부분에 의해 도파관의 제1 부분에 작동적으로 연결되는 도파관.
  39. 청구항 37 또는 청구항 38에 있어서, 도파관의 제1 부분 및 제2 부분이 중공 성분(hollow component)들을 포함하는 도파관.
  40. 청구항 37 내지 청구항 39 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관의 부분들이 중공 금속성 성분들을 포함하는 도파관.
  41. 청구항 37 내지 청구항 40 중의 어느 한 항에 있어서, 임피던스 정합 튜너를 추가로 포함하는 도파관.
  42. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 상기 바이오매스를 수용하기 위한 반응기 공간을 한정하는 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (c) 상기 바이오매스를 상기 반응기 공간 내로 전달하여 상기 바이오매스가 제1 방향으로 대체적으로 운행하도록 하는 단계;
    (d) 전자기 에너지를 상기 반응기 공간 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용하여 바이오-오일(들)이 증기 형태로 상기 바이오매스로부터 방출되도록 하는 단계;
    (e) 불활성 운반 가스를 상기 반응기 공간으로 공급하여 불활성 기체가 제1 방향에 대하여 대체적으로 반대 방향으로 운행하여 바이오-오일(들)이 용기로부터 이동되고 운반되도록 하는 단계; 및
    (f) 바이오-오일(들)을 수집하는 단계를 포함하는, 바이오매스로부터 바이오-오일(들)을 제조하는 방법.
  43. 청구항 42에 있어서, 상기 회전가능한 튜브의 내부에 액체를 도입시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  44. 청구항 42 또는 청구항 43에 있어서, 상기 공정이 또한, 전자기 에너지를 상기 바이오매스 내로 커플링 또는 전달시킴으로써 상기 바이오매스로부터 목탄을 생성하는 방법.
  45. 청구항 42 내지 청구항 44 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 식물 물질인 방법.
  46. 청구항 42 내지 청구항 45 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 불활성 기체가 이산화탄소, 아르곤 또는 질소를 포함하는 방법.
  47. 청구항 42 내지 청구항 46 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오-오일(들)을 수집하는 단계가, 바이오-오일(들) 증기(들)을 응축기를 통해 운반하는 운반 가스를 통과시켜서 바이오-오일(들)의 응축물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  48. 청구항 42 내지 청구항 47 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(c)가, 운반 가스를 특정한 유동 속도로 챔버에 공급함을 포함하는 방법.
  49. 청구항 42 내지 청구항 48 중의 어느 한 항에 있어서, 전자기 에너지를 상기 반응기 공간 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에 적용하는 단계 동안에 상기 바이오매스의 온도를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  50. 청구항 42 내지 청구항 49 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 약 0 kPa 내지 약 200 kPa의 압력에서 가공되는 방법.
  51. 청구항 42 내지 청구항 50 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용하는 단계가 상기 바이오매스를 약 30℃ 내지 약 1000℃의 온도로 가열시키는 방법.
  52. 청구항 42 내지 청구항 51 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 대략 주위 온도에서 석영 튜브로 진입하는 방법.
  53. 청구항 42 내지 청구항 52 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 약 330℃ 이하의 온도에서 석영 튜브를 빠져나가는 방법.
  54. 청구항 42 내지 청구항 53 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 약 350℃ 내지 약 420℃의 온도에서 석영 튜브를 빠져나가는 방법.
  55. 청구항 42 내지 청구항 54 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 약 600℃ 초과의 온도에서 석영 튜브를 빠져나가는 방법.
  56. 청구항 42 내지 청구항 55 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지가, 제1 방향과 실질적으로 평행하고 이에 반대인 제2 방향으로 적용되는 방법.
  57. 청구항 42 내지 청구항 56 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버가 수평 축에 대하여 일정한 각으로 기울어지고, 수평 축에 대한 챔버의 각을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  58. 청구항 42 내지 청구항 57 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지가 극초단파 에너지를 포함하는 방법.
  59. 청구항 47 내지 청구항 58 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스로부터 바이오-오일(들)을 제조하는 방법이 청구항 1 내지 청구항 20 중의 어느 한 항의 장치를 사용하여 수행되는 방법.
  60. 청구항 21 내지 청구항 59 중의 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 바이오-오일(들).
  61. 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용시킴으로써 제조되는 바이오-오일(들)로서, 에너지 함량이 적어도 약 20 내지 50 MJ/kg인 것을 특징으로 하는 바이오-오일(들).
  62. 청구항 61에 있어서, 상기 전자기 에너지가 극초단파 에너지를 포함하는 바이오-오일(들).
  63. 청구항 61 또는 청구항 62에 있어서, 상기 바이오매스가 식물 물질인 바이오-오일(들).
  64. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 전자기 에너지장을 내포하고 포함하도록 맞춰지는 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (c) 상기 전자기 공동에 상기 바이오매스를 도입하는 단계;
    (d) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에, 바이오매스가 직접적인 전자기 에너지를 수용하고 간접적인 흑체 방사선 장(indirect, black body radiation field)이 생성되도록 하는 전력 수준들에서 적용하는 단계; 및
    (e) 상기 바이오매스를 상기 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용하여 상기 바이오매스로부터 활성탄이 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법.
  65. 청구항 64에 있어서, 상기 직접적인 전자기 에너지가, 열분해 생성물들이 형성됨에 따라, 열분해 생성물들이 반응 용기의 내부에 층을 형성하도록 하는 전력 수준들에서 바이오매스에 적용되는 방법.
  66. 청구항 65에 있어서, 상기 직접적인 전자기 에너지가 열분해 생성물들의 층으로 적용되고, 당해 층은 전자기 에너지를 흡수하고 흑체 방사선 장을 제공하는 전기 전도성 층이 되는 방법.
  67. 청구항 65 또는 청구항 66에 있어서, 상기 반응 용기 내의 공기를 첨가된 기체로 대체시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  68. 청구항 65 내지 청구항 67 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지가 바이오매스에 적용되고, 방사선 장을 상기 바이오매스에 적용하는 플라즈마가 형성되는 방법.
  69. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 극초단파 흡수 물질을 제공하는 단계;
    (c) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (d) 고체들, 액체들 및 기체들을 내포하도록 맞춰진 반응 용기를 제공하는 단계;
    (e) 반응 용기를 상기 전자기 공동에 도입하는 단계;
    (f) 상기 바이오매스를 상기 반응 용기에 도입하는 단계;
    (g) 상기 극초단파 흡수 물질을 상기 반응 용기에 도입하는 단계;
    (h) 첨가된 기체를 상기 반응 용기의 내부에 도입하는 단계;
    (i) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동, 상기 반응 용기 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
    (j) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 상기 첨가된 기체로 유동되도록 하여, 방사선 장을 제공하는 플라즈마가, 상기 첨가된 기체에 의해 생성되도록 하는 단계; 및
    (k) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 상기 바이오매스로부터 활성탄 및/또는 가탄제 탄소가 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스를 가공하는 방법
  70. 청구항 65 또는 청구항 69에 있어서, 상기 바이오매스가 전자기 에너지에 노출되어 상기 바이오매스가 상기 극초단파 흡수 에너지에 의해 흡수되지 않은 전자기 에너지를 흡수하도록 하는 방법.
  71. 청구항 65, 또는 청구항 69 내지 청구항 70 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가, 당해 바이오매스가 상기 극초단파 흡수 물질에 의해 흡수되지 않은 전자기 에너지를 흡수하지 않도록 위치되는 방법.
  72. 청구항 71에 있어서, 상기 바이오매스가 제2 반응 용기 내에 포함되고 전자기 에너지에 노출되지 않는 방법.
  73. 청구항 65 내지 청구항 72 중의 어느 한 항에 있어서, 플라즈마에 대해 더 많은 전력을 허용하기 위해 플라즈마를 개시시킨 후에 전자기 장으로부터 상기 극초단파 흡수 물질을 차폐시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  74. 청구항 65 내지 청구항 73 중의 어느 한 항에 있어서, 전자기 에너지의 전력 수준들 및/또는 첨가된 기체의 유동 속도를 제어하여 플라즈마의 위치 및 강도를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  75. 청구항 65 내지 청구항 74 중의 어느 한 항에 있어서, 첨가된 기체의 조성을 조절하여 탄소-함유 물질의 노출된 표면들과의 화학 반응의 특성들 및 속도를 제어하는 방법.
  76. 청구항 65 내지 청구항 75 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마가, 기체를 부분적으로 이온화시키기 위해 상기 극초단파 흡수 물질에 의해 충분히 가열되는 상기 첨가된 기체에 의해 형성되고, 이후에 기체 상이 전기 전도성으로 되며, 전자기 장이, 플라즈마를 개시하는 전기 전도성 기체 상으로 커플링되는 방법.
  77. 청구항 65 내지 청구항 76 중의 어느 한 항에 있어서, 증기가 상기 첨가된 기체 내로 도입되는 방법.
  78. 청구항 64에 있어서, 상기 바이오매스를 포함하도록 맞춰진 반응 용기를 제공하는 단계; 및 상기 반응 용기를 상기 전자기 공동으로 도입시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  79. 청구항 65에 있어서, 상기 단계(c)가 상기 바이오매스를 상기 반응 용기에 도입시킴을 포함하는 방법.
  80. 청구항 65 내지 청구항 79에 있어서, 상기 전자기 공동이 상기 반응 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싸는 내화성 물질들을 포함하는 방법.
  81. 청구항 65 내지 청구항 80 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄인 방법.
  82. 청구항 65 내지 청구항 81 중의 어느 한 항에 있어서, 활성탄 형성 온도가 450℃ 내지 1300℃인 방법.
  83. 청구항 82에 있어서, 상기 활성탄 형성 온도가 550℃ 내지 900℃인 방법.
  84. 청구항 65 내지 청구항 81 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가탄제 탄소 형성 온도가 450℃ 내지 1300℃인 방법.
  85. 청구항 84에 있어서, 상기 가탄제 탄소 형성 온도가 600℃ 내지 900℃인 방법.
  86. 청구항 65 내지 청구항 85 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스를 극초단파 에너지에 노출시킴을 중단하는 단계를 추가로 포함하고, 그 결과 바이오매스가 장치로부터 제거되고 수집되는 방법.
  87. 청구항 67 내지 청구항 86 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가된 기체가 바이오매스를 가로질러 유동하고 배출 튜브를 통해 제거되며, 이와 동시에 바이오매스에 전자기 에너지를 적용한 결과로서 생성되는 휘발물들이 제거되는 방법.
  88. 청구항 67 내지 청구항 87 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가된 기체가 특정한 유동 속도에서 상기 챔버에 공급되는 방법.
  89. 청구항 65 내지 청구항 88 중의 어느 한 항에 있어서, 전자기 에너지를 증기 형태로 상기 바이오매스에 적용한 결과로서 상기 바이오매스로부터 방출된 바이오-오일(들)을 응축물로 응축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  90. 청구항 65 내지 청구항 89 중의 어느 한 항에 있어서, 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용한 결과로서 상기 바이오매스로부터 방출된 비-농축가능한 기체들을 수집함을 추가로 포함하는 방법.
  91. 청구항 65 내지 청구항 90 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스는 그 크기가 감소된 바이오매스인 방법.
  92. 청구항 65 내지 청구항 91 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 직접적인 전자기 에너지가 장파 전자기 에너지인 방법.
  93. 청구항 92에 있어서, 상기 장파 전자기 에너지가 극초단파 에너지인 방법.
  94. 청구항 21 내지 청구항 36, 청구항 42 내지 청구항 59 또는 청구항 64 내지 청구항 93 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(a) 전에 바이오매스를 예비처리하는 단계를 추가로 포함하며, 당해 예비처리 단계가 물 속의 바이오매스를 약 25 내지 165 Bar의 압력 및 약 230℃ 내지 약 350℃의 온도에서 가열함을 포함하는 방법.
  95. 청구항 94에 있어서, 산 촉매가 예비처리 단계 전에 물에 가해지는 방법.
  96. 청구항 94에 있어서, 예비처리된 바이오매스를 기계적으로 압축시켜 유리 수(free water)를 제거하는 방법.
  97. 청구항 64 내지 청구항 96 중의 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 활성탄.
  98. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (c) 상기 바이오매스를 상기 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
    (d) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 바이오매스에, 바이오매스가 직접적인 전자기 에너지 및 간접적인 흑체 방사선 장이 생성되도록 하는 전력 수준들에서 적용하는 단계;
    (e) 상기 바이오매스를 상기 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용하여 활성탄이 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계; 및
    (f) 활성탄을 사용하여 강철(steel)을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  99. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 극초단파 흡수 물질을 제공하는 단계;
    (c) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (d) 상기 바이오매스 용기를 상기 전자기 공동의 내부로 도입하는 단계;
    (e) 극초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부에 도입하는 단계;
    (f) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
    (g) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동하도록 하여 상기 첨가된 기체에 의해 플라즈마가 생성되어 당해 플라즈마가 방사선 장을 제공하도록 하는 단계;
    (h) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 가탄제 탄소가 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계; 및
    (i) 가탄제 탄소를 사용하여 강철을 제조하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법.
  100. (a) 바이오매스를 제공하는 단계;
    (b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (c) 상기 바이오매스 용기를 상기 전자기 공동의 내부에 도입시키는 단계;
    (d) 극초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부로 도입시키는 단계;
    (e) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
    (f) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동하도록 하여 상기 첨가된 기체에 의해 플라즈마가 생성되어 당해 플라즈마가 방사선 장을 제공하도록 하는 단계;
    (g) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 너트 코크스가 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법.
  101. (a) 가공된 바이오매스를 목탄 형태로 제공하는 단계;
    (b) 전자기 에너지의 장을 내포하고 포함하도록 맞춰진 전자기 공동을 제공하는 단계;
    (c) 상기 바이오매스 용기를 상기 전자기 공동의 내부로 도입시키는 단계;
    (d) 초단파 흡수 물질을 반응 용기의 내부에 도입시키는 단계;
    (e) 전자기 에너지를 상기 전자기 공동 및 그 내부에 수용된 상기 극초단파 흡수 물질에, 상기 극초단파 흡수 물질이 직접적인 전자기 에너지를 수용하도록 하는 전력 수준들로 적용하는 단계;
    (f) 열이 상기 극초단파 흡수 물질로부터 첨가된 기체로 유동되도록 하여, 방사선 장을 제공하는 플라즈마가, 상기 첨가된 기체에 의해 생성되도록 하는 단계;
    (g) 상기 바이오매스를 방사선 장에 노출시켜 흑연-탄소가 상기 바이오매스로부터 형성되도록 하는 단계를 포함하는, 바이오매스의 가공 방법.
  102. 청구항 64 내지 청구항 98 중의 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 가탄제 탄소.
  103. 전자기 에너지를 상기 바이오매스에 적용함으로써 제조되는, 탄소 함량이 적어도 약 88%인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  104. 청구항 103에 있어서, 상기 탄소 함량이 적어도 약 90%인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  105. 청구항 103 또는 청구항 104에 있어서, 상기 탄소 함량이 적어도 약 95%인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  106. 청구항 103 내지 청구항 105 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 함량이 약 1% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  107. 청구항 103 내지 청구항 106 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 함량이 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  108. 청구항 103 내지 청구항 107 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 질소 함량이 약 1% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  109. 청구항 103 내지 청구항 108 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 질소 함량이 약 0.4% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  110. 청구항 103 내지 청구항 109 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 황 함량이 약 0.4% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  111. 청구항 103 내지 청구항 110 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 황 함량이 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  112. 청구항 103 내지 청구항 111 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 총 발열량(gross heating value)이 약 30MJ/kg 이상인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  113. 청구항 103 내지 청구항 112 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 총 발열량이 바람직하게는 약 33MJ/kg 이상인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  114. 청구항 103 내지 청구항 113 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수분 손실이 약 2% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  115. 청구항 103 내지 청구항 114 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수분 손실이 약 1.1% 미만인 것을 특징으로 하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  116. 청구항 103 내지 청구항 115 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 전자기 에너지가 극초단파 에너지를 포함하는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  117. 청구항 103 내지 청구항 116 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스를 간접적인 흑체 방사선 장에 노출시키는 동시에 직접적인 전자기 에너지를 적용시킴으로써 제조되는 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
  118. 청구항 103 내지 청구항 117 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스가 식물 물질인 활성탄 및/또는 가탄제 탄소.
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