KR20150047576A - 스팀 폭발 전처리 공정을 위해 스팀을 추가하는 장치 및 방법 - Google Patents

스팀 폭발 전처리 공정을 위해 스팀을 추가하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

수직 리액터 용기 시스템의 상부 주입구로 공급 원료를 공급하는 단계로, 상기 공급 원료는 상기 수직 리액터 용기 내의 상기 공급 원료의 더미 상에 공급되는, 단계; 상기 수직 리액터 용기의 상부 영역에 스팀을 분사함으로써 상기 공급 원료를 가열하도록 열 에너지를 추가하는 단계; 상기 수직 리액터 용기의 하부 배출구, 하부 배출구의 부근, 또는 하부 배출구의 뒤에서 바이오매스로 스팀을 분사함으로써, 상기 수직 리액터 용기의 하부 영역에서의 배출구를 통해 상기 공급 원료를 추진하는 단계; 및 상기 공급 원료를 스팀 폭발 공정에 가하도록 스팀 폭발 장치와 같은 팽창 장치를 통해 상기 추진된 공급 원료를 이동시키는 단계;를 포함하는, 셀룰로오스 바이오매스 공급 원료를 처리하는 방법.

Description

스팀 폭발 전처리 공정을 위해 스팀을 추가하는 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR ADDING STEAM FOR A STEAM EXPLOSION PRETREATMENT PROCESS}
본 발명은, 농업 부산물(줄기, 짚 및 껍질을 포함함), 지푸라기 및 잔디, 숲, 제재소 부산물(목재 칩 및 잘게 조각난 시닝(thinning)을 포함함) 및 리그노셀룰로오스 물질, 종합하여 바이오매스라고 불리는 것과 같은 바이오매스 공급 원료를 전처리하기 위해, 가압된 수직 리액터 용기 내의 스팀 및 스팀 폭발 공정을 이용하는 것에 관한 것이다.
바이오매스는 수직 리액터 용기와 같은 제1 리액터에서 스팀으로 가열 및 가압된다. 가열된 바이오매스는 수직 리액터 용기로부터 이동하는 동안에, 바이오매스가 스팀 폭발 공정을 겪도록, 팽창 밸브 또는 다른 팽창 장치를 통해 이동된다. 바이오매스의 전처리를 위한 예시적인 스팀 폭발 공정은 미국 특허 8,057,639에 개시되어 있다. 목재 칩(wood chip)의 펄프화를 위한 유사 공정은 미국 특허출원 공개 2008/0277082에 개시되어 있다.
게다가, 수직 리액터 용기 내의 바이오매스의 가열 및 가압 원료인 스팀은, 수직 리액터 용기에서 배출 파이프(도관)를 통해 팽창 장치 쪽으로 바이오매스를 이동시키는 추진체이다. 바이오매스를 추진하기 위해 요구되는 스팀, 가스 또는 증기의 양은 바이오매스의 50 내지 500 kgs/BDT (kilograms of steam to bone-dry ton)에 상당할 수 있다. 스팀의 양은 수직 리액터 용기의 하부 영역에 대응하는 고도에서 분사될 수 있고, 바이오매스를 추진하기 위해, 일반적으로 공정, 속도 및 수직 리액터 용기를 통해 이동하는 바이오매스의 체적, 및 수직 리액터 용기와 관련 기기의 치수 및 상태에 따라 달라지도록 요구될 수 있다.
수평 리액터 용기는 스팀 폭발 장치를 향해 수평 리액터 용기로부터 바이오매스를 추진하기 위해 스팀을 효율적으로 사용한다. 수평 리액터 용기의 주입구에 추가되는 스팀은 수평 리액터 용기 내에, 바이오매스 상에 남아 있다. 일부 스팀은 수평 리액터 용기 내에서 응축되지만, 일부 스팀은 수평 리액터 용기의 전체 길이를 따라 바이오매스에 압력을 가하는 가스로 남는다. 수평 리액터 용기의 스팀이 수평 리액터 용기의 길이를 연장하고, 수평 리액터 용기의 배출구 말단에서 바이오매스 바로 위에 있기 때문에, 스팀은, 수평 리액터 용기에서 바이오매스의 흐름을 방해하지 않고 수평 리액터 용기의 배출구를 통해 바이오매스를 추진한다.
종래의 수직 리액터 용기는 스팀 폭발 펄프화와 관련하여 수평 리액터 용기와 비교해 단점이 있었다. 스팀은 수직 리액터 용기의 상부 말단의 주입구에 추가된다. 스팀은, 바이오매스를 가열하고, 수직 리액터 용기를 가압하고, 수직 리액터 용기의 하부 배출로 바이오매스를 추진하기 위해 추가된다. 바이오매스를 추진하기 위해, 스팀을 하부 배출구로 도달시키도록 수직 리액터 용기에서 바이오매스를 통해 아래로 통과시켜야 한다. 상대적으로 대용량의 여분의 스팀은, 종래의 수직 리액터 시스템 밖으로 바이오매스를 추진하기 위해 충분한 스팀이 여전히 존재하는 것을 보증하는 것이 요구된다. 수직 리액터 용기에서, 바이오매스를 통해 아래로 이동하는 스팀은, 바이오매스를 통해, 가스 통로, 예컨대 래트 홀링(rat-holing) 효과를 형성할 수 있다. 이러한 통로는, 바이오매스가 수직 리액터 용기에서 불균일한 체류 기간을 경험하는 것을 야기할 수 있고, 공정의 품질에 영향을 줄 수 있다.
일 측면에서, 수직 리액터 용기는 수평 리액터 용기보다 더욱 효율적이다. 바이오매스는 수평 리액터 용기에서 바이오매스에 의해 점유되는 것보다 수직 리액터 용기가 더 큰 부분으로 점유되기 때문에, 수직 리액터 용기는 그 체적을 더욱 효율적으로 사용한다. 수직 리액터 용기는 일반적으로 수평 리액터 용기보다 더 크게 설비될 수 있고, 따라서 수평 리액터 용기보다 더 큰 용량의 바이오매스 스루풋(throughput)을 가질 수 있다.
수직 리액터 시스템으로부터 바이오매스를 추진하기 위해 가압된 수직 리액터 용기 시스템의 하부 영역에 스팀을 추가하는 방법 및 장치가 발명되었다. 수직 리액터 시스템은, 수직 리액터 용기(vertical reactor vessel); 적어도 하나의 스팀 소스(source of steam); 바이오매스 공급 원료의 소스 (바이오매스); 수직 리액터 용기의 외측의 팽창 장치; 수직 리액터 용기에서 팽창 장치까지 배출된 바이오매스를 이동시키는 도관; 및 수직 리액터 용기 시스템을 통해 바이오매스를 추진하기 위해 수직 리액터 용기에서 팽창 장치까지 배출된 바이오매스를 이동시키기 위한 도관에 스팀 분사, 및 상부와 하부 사이에서, 수직 리액터 용기의 하부 또는 하부 부근에서와 같이 수직 리액터 용기 내의 다중 스팀 분사 위치를 포함한다.
수직 리액터 용기에서 바이오매스의 전체 컬럼을 통해 대용량의 스팀을 통과시켜야 하는 것을 피하기 위해, 스팀은 수직 리액터 용기의 하부 배출구(bottom outlet), 하부 배출구의 부근, 또는 하부 배출구의 뒤에서 수직 리액터 용기 시스템에 추가될 수 있다. 추가된 스팀은, 수직 리액터 용기에서 스팀 폭발 장치와 같은 팽창 장치까지 바이오매스를 추진한다.
바이오매스를 추진하기 위해 요구되는 스팀은 수직 리액터 용기 시스템의 하부 영역에 추가된다. 수직 리액터 용기의 상부 영역에 추가되는 스팀은 수직 리액터 용기에서 바이오매스를 가열 및 가압하도록 제공된다. 또한, 스팀은, 수직 리액터 용기에서 바이오매스의 압축(예컨대 바람직한 압축을 얻음)을 제어하기 위해 상부 영역과 하부 영역 사이에서, 중간 고도 또는 영역과 같은 수직 리액터 용기의 다른 고도에서 추가될 수 있다.
수직 리액터 용기의 상부 영역에서 스팀을 추진하는 것의 추가를 감소 또는 제거함으로써, 수직 리액터 용기에 추가되는 스팀의 양 또는 총 체적은 감소될 수 있고, 수직 리액터 용기의 상부 영역에 추가되는 스팀의 양은 실질적으로 감소될 수 있다. 하부 배출구를 통해 바이오매스를 추진하기 위해 전체 더미를 통해 아래로 충분한 양의 스팀을 통과시킬 필요를 감소 또는 제거함으로써, 더미에서 형성하는 스팀 통로의 위험, 예컨대 래트-홀이 최소화된다. 래트-홀의 감소 또는 제거는 수직 리액터 용기를 통과하는 모든 바이오매스의 균일한 체류 기간을 얻고, 바이오매스의 균일한 처리의 제공을 돕는다.
수직 리액터 용기 시스템에서 둘 이상의 고도에서 스팀을 추가함으로써, 추가된 스팀의 체적 또는 속도는 수직 리액터 용기 시스템의 하부로부터 바이오매스를 추진하고, 수직 리액터 용기의 상부 영역에서 바이오매스를 가열 및 가압하기 위해 조절될 수 있다. 수직 리액터 용기의 둘 이상의 고도에서 스팀을 추가하는 것은, 수직 리액터 용기 시스템의 하부에서 스팀을 추진하는 것을 제공하기 위해, 바이오매스의 더미를 통해 아래로 대용량의 스팀을 가하고, 용기의 상부에서 대용량의 스팀을 분사해야 하는 것을 방지한다.
스팀은 바이오매스에 가압 가스로서 또는 가열(또는 냉각 또는 둘다) 및 가압에 사용될 바람직한 가스일 수 있지만, 다른 가스도 사용될 수 있다. 다른 가스는 공기, 질소, 산소, 아르곤 또는 다른 불활성 가스를 포함할 수 있다.
압력 분리 장치(pressure isolation device)를 통해, 수직 리액터 용기의 상부 주입구에 공급 원료를 공급하는 단계로, 공급 원료는 수직 리액터 용기 내에 공급 원료의 더미 상에 공급되는, 단계; 수직 리액터 용기의 상부 영역에 제1 스팀 체적을 분사함으로써 공급 원료를 가열 및 가압하기 위해 열 에너지를 가하는 단계; 수직 리액터 용기의 하부 배출구, 하부 배출구의 부근, 또는 하부 배출구의 바로 아래에서, 수직 리액터 용기의 하부 영역에 대응하는 고도에서 바이오매스로 적어도 제2 스팀 체적을 분사함으로써 수직 리액터 용기 시스템의 하부 영역에서의 배출구를 통해 공급 원료를 추진하는 단계로, 제1 스팀 체적의 분사 및 적어도 제2 스팀 체적의 분사는, 공급 원료를 스팀 폭발 공정에 가하기 위해 스팀 폭발 장치와 같은 팽창 장치를 통해 추진된 공급 원료를 이동시키고, 바이오매스 컬럼의 적어도 일부에 의해 수직으로 분리되는, 단계;를 포함하는 셀룰로오스계 바이오매스 공급 원료를 처리하기 위한 방법이 고안되었다. 일부 실시형태에서, 제1 스팀 체적 및 적어도 제2 스팀 체적은 동일한 소스를 가질 수 있다. 일부 실시형태는, 바이오매스가 수직 리액터 용기로부터 배출되고, 수직 리액터 용기의 하부와 팽창 장치를 연결하는 도관을 통해 바이오매스를 추진하는 팽창 장치까지, 수직 리액터 용기의 하부 배출구로부터 연장되는 공급 원료의 도관으로 직접, 수직 리액터 용기의 하부 배출구 뒤에서, 적어도 제2 스팀 체적 만큼의 추진 스팀을 분사할 수 있다.
압력 분리 장치를 통해, 수직으로 배향된 리액터 용기의 상부 주입구로 바이오매스를 추가하는 단계로, 바이오매스는 수직으로 배향된 리액터 용기 내에 증기상으로 떨어지고, 수직으로 배향된 리액터 용기에서 바이오매스의 더미 상에 내려앉는, 단계; 수직으로 배향된 리액터 용기의 상부 영역으로 가열 및 가압된 가스 또는 증기를 분사하는 단계; 수직으로 배향된 리액터 용기 시스템의 하부 영역, 하부 영역의 부근, 또는 하부 영역의 뒤에서 노즐을 통해 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기를 분사하여, 가열 및 가압된 가스 또는 증기의 분사와 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기 사이에 수직 거리가 있고, 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기는 팽창 장치(예컨대 스팀 폭발 장치)를 통해 수직 리액터 용기로부터 수직 리액터 용기의 바이오매스를 추진하는 것인, 단계; 및 바이오매스 내에 셀 구조를 터트리기 위해 팽창 장치 내의 바이오매스 상에 압력을 빠르게 감소시키는 단계;를 포함하는 바이오매스를 처리하기 위한 방법이 고안되었다. 일부 실시형태에서, 수직 리액터 용기의 하부 배출구에서 팽창 장치까지 바이오매스를 추진하기 위해 사용되는 가스는, 수직 리액터 용기의 하부 배출구 뒤 도관으로 분사된다.
수직 리액터 용기의 상부 공급 원료 주입구 및 상부 스팀 주입구를 포함하는 수직 리액터 용기 시스템; 수직 리액터 용기의 하부 영역의 공급 원료 배출구; 수직 리액터 용기 시스템의 하부 영역에 대응하는 고도에서의 추진 스팀 주입구로, 상부 스팀 주입구 및 추진 스팀 주입구는 바이오매스의 높이에 의해 수직으로 분리되는 것인, 추진 스팀 주입구; 수직 리액터 용기로부터 공급 원료를 수용하도록 구성되는 스팀 폭발 장치와 같은 팽창 장치, 및 공급 원료 배출구에서 팽창 장치까지 연장된 도관;을 포함하는 바이오매스 공급 원료를 처리하기 위한 어셈블리가 고안되었다.
도는 수직 리액터 용기 및 공정을 포함하는 스팀 폭발 공정을 통한 흐름의 개략도를 도시한다.
도는 바이오매스의 스팀 폭발 공정의 예시적인 흐름을 도시한다. 공급 원료 빈(feed stock bin)과 같은 바이오매스의 소스(10)는 수직 리액터 용기(14)의 상부 세퍼레이터 장치와 같은 상부 주입구(12)에 바이오매스를 제공한다.
수직 리액터 용기(14)는 일반적으로 원통형일 수 있고, 100 피트 (33미터) 이상의 높이, 20 피트 (7미터) 이상의 직경 및 하루당 바이오매스 500 톤 이상의 연속적으로 가공하기 위한 용량을 가질 수 있다. 또한, 수직 리액터 용기(14)는 35 bar gauge (barg) 까지의 압력, 3 barg 내지 35 barg 범위 (300 kPa 내지 3,500 kPa)와 같은 압력일 수 있다. 수직 리액터 용기(14)에 첨가된 스팀은 수직 리액터 용기(14)에서의 압력을 제어한다.
바이오매스 공급 시스템(16)은 소스(10)에서 상부 주입구(12)까지 바이오매스를 이동시킨다. 바이오매스 공급 시스템(16)은 스크류 컨베이어 및 도관을 포함할 수 있다. 액체, 예컨대 물은 수직 리액터 용기(14)의 상부 주입구(12) 및 공급 시스템(16)의 도관 및 기기를 통해 흐르는 슬러리를 형성하기 위해, 바이오매스가 추가될 수 있다.
회전식 밸브, 플러그 스크류 피더, 록-호퍼 시스템, 고압 피더 또는 펌프와 같은 압력 분리 장치(도시하지 않음)는, 바이오매스 공급 시스템(16)과 상부 주입구(12) 사이에 위치할 수 있고, 바이오매스의 슬러리 및 액체가 수직 리액터 용기(14)에 들어가기 때문에 수직 리액터 용기(14)에서의 압력이 배출되지 않는다는 것을 보증한다.
슬러리가 수직 리액터 용기(14)에 들어가기 때문에, 바이오매스는 상부 주입구에서 수직 리액터 용기(14)에 함유되는 바이오매스의 더미(18), 예컨대 컬럼까지 이동, 예컨대 떨어진다. 바이오매스의 더미(18)는 수직 리액터 용기(14)의 내부의 상부 영역에서 하부 배출 영역(20)까지 팽창된다.
바이오매스는 상부 주입구(12)에 연속적으로 들어가고, 더미(18)로 떨어지고, 수직 리액터 용기(14)의 하부 배출구(32)를 통해 연속적으로 배출된다. 바이오매스는 연속적으로 추가되고, 동일한 속도로 파이프로부터 감소되어, 더미(18)의 상부면은 수직 리액터 용기(14)에서의 동일한 고도에서 일반적으로 유지된다.
스팀 소스(22)는 수직 리액터 용기(14)를 가압하고, 바이오매스에 열 에너지를 가하기 위해 스팀을 제공한다. 스팀은 수직 리액터 용기(14)의 상부 영역에 분사 주입구(24), 예컨대 노즐을 통해 분사될 수 있다. 또한, 스팀은 압력 분리 장치와 수직 리액터 용기(14)의 상부 주입구(12) 사이에 혼합 장치(도시되지 않음)를 통해 분사될 수 있다.
수직 리액터 용기(14)의 상부 영역에 추가되는 스팀의 속도 또는 체적은 바이오매스를 가열하고, 수직 리액터 용기(14)를 가압하기 위해 요구되는 정도로 한정될 수 있다. 스팀 분사는 수직 리액터 용기(14) 내의 더미(18) 위에 고온 증기 영역(26)을 형성할 수 있다. 일부 스팀이 더미(18)로 흘러 내려가지만, 더미(18)를 통해, 수직 리액터 용기(14)의 하부 밖으로 통과시키기 위해 충분한 양으로 고온 증기 영역(26)에 스팀이 추가될 필요는 없다.
스팀(28)의 추가적인 소스(스팀의 동일한 소스(22)일 수 있음)는 수직 반응 용기의 중간 고도 및 하부 고도(또는 중간 영역 및 하부 영역)에서 하나 이상의 스팀 분사 장치에 스팀을 제공한다. 스팀 분사 장치는 수직 반응 용기(14)의 측벽에 마운팅된 노즐 및 수직 반응 용기(14)의 축을 따라 연장된 스팀 파이프일 수 있다.
스팀 분사 장치는 수직 리액터 용기(14)의 하나 이상의 고도에서 배열될 수 있다. 이들 장치를 통해 분사된 스팀은, 스팀 분사 부근의 바이오매스의 밀도 및 농도에 영향을 준다. 예컨대, 스팀은 수직 리액터 용기(14)에서의 중간 및 하부 고도에서 고형물 농도를 감소시키기 위해 분사된다. 마찬가지로, 스팀은 바이오매스를 교반 및 혼합하고, 수직 리액터 용기(14) 내 각 고도에서 바이오매스의 균일한 분산을 보증하기 위해 분사될 수 있다.
더미(18)의 각 고도에서 바이오매스의 밀도 및 농도는 수직 리액터 용기(14)의 단면적을 가로질러 균일한 것이 바람직하다. 바이오매스의 균일한 농도는 수직 리액터 용기(14) 내 바이오매스의 균일한 처리를 증진한다.
스팀의 제2 소스(28)는 하부 배출구(32)로 바이오매스를 추진하기 위해 선택되는 체적 속도에서의 스팀을 제공할 수 있다. 추진 스팀의 속도는 수직 리액터 용기의 상부 영역에서 첨가되는 가열 스팀의 압력 및 속도와 다를 수 있다. 바이오매스를 추진하기 위해 공급되는 스팀의 속도 또는 양은 바이오매스의 kgs/BDT (bone-dry ton)에 대해 50 내지 500 킬로그램의 스팀의 범위일 수 있다.
하부 스팀 분사 주입구 또는 노즐(30)은 바이오매스의 하부 배출구(32), 또는 하부 배출구의 부근에서 수직 리액터 용기(14)로 추진 스팀을 분사할 수 있다. 하부 스팀 분사 주입구 또는 노즐(30)은 하부 배출구(32) 부근 영역에서 수직 리액터 용기(14)의 측벽에 마운팅될 수 있거나, 수직 리액터 용기(14)의 하부 및 하부 배출구(32) 부근에 마운팅될 수 있다. 하부 스팀 분사 주입구 또는 노즐(30)은 바이오매스 이동 장치(33)에 대응하는 고도에서 수직 리액터 용기(14)의 환경 주변에 배열되는 노즐의, 예컨대 고리 모양의 배열일 수 있다. 하부 스팀 분사 주입구 또는 노즐(30)을 통해 분사되는 스팀은 하부 배출구(32)로부터 수직 리액터 용기(14)의 하부를 통해 바이오매스를 이동(추진)시키는 것을 돕는다.
수직 리액터 용기(14)의 하부 배출 영역(20) 내 바이오매스 이동 장치(33)는, 수직 리액터 용기(14)의 하부에서 하부 배출구(32)로, 수직 리액터 용기의 하부를 통해 바이오매스의 균일한 이동을 제공하기 위해, 추진 스팀 주입구에 대응하는 고도, 대응하는 고도의 부근, 또는 대응하는 고도의 위에서 수직 리액터 용기의 1차원 수렴과 같은 수렴 부분을 포함할 수 있다. 수렴 부분은 미국 특허 5,500,083; 5,617,975 및 5,628,873에 기재된 안드리츠 그룹 제품인 DIAMONDBACK® 수렴 부분일 수 있다. 일부 실시형태에서, 추진 스팀 주입구는 수직 리액터 용기의 하부 배출구에서 팽창 장치로 연장되는 도관에서 수직 리액터 용기의 하부 배출구 뒤(수직적으로 아래)에 위치하는 것이다. 추가적으로, 바이오매스 이동 장치(33)는 하부 배출구(32)까지 수직 리액터 용기(14) 내에 바이오매스를 이동시키는 것을 돕기 위해 교반 암(arm)(35)을 갖는 교반 장치를 포함할 수 있다.
스팀 분사 노즐(24, 30 및 44)의 다른 배열은 하부 배출구(32)로 바이오매스를 추진하기 위해 직접 스팀에 배향되는 노즐 및 교반 장치가 포함되는 수직 리액터 용기, 노즐의 축을 따라 수직으로 연장되는 중앙 파이프를 포함할 수 있다.
또한, 스팀(28), 적어도 제2 스팀 분사(또한 이전에 개시된 바와 같이 가스 또는 증기일 수 있음)는 수직 리액터 용기(14)의 하부 배출구(32) 아래에 도관(36), 예컨대 파이프로 직접 스팀을 분사하도록 배향되는 노즐(34)을 통해 분사될 수 있다. 노즐(34)을 통해 수직 리액터 용기(14)의 하부 배출구(32)로부터 연장된 도관(36)으로 직접적으로 스팀(28)을 분사하는 것(스팀을 추진하는 것)은 수직 리액터 용기(14)에서 팽창 장치(38)까지 바이오매스를 추진할 것이다. 노즐(34)을 이용하여 도관(36)으로 스팀(28)을 추가함으로써, 도관(36) 내 바이오매스를 추진하는 스팀(28)에서 팽창 장치(38)까지 홀이 제조될 가능성은 적다.
수직 리액터 용기(14)로부터 바이오매스는 플래시 용기(40)까지 팽창 장치(38)를 통과시키는 도관(36)을 통해 추진된다. 팽창 장치(38)는 펄프화 또는 바이오매스에 사용되는 종래의 스팀 폭발 장치일 수 있다. 플래시 용기(40)는, 바이오매스에 스팀 폭발 공정과 같은 급작스런 팽창을 가하는 팽창 장치(38) 뒤에 바이오매스를 전달시킨다.
스팀(22, 28)은 상부 주입구 영역과 하부 배출 영역 사이의 수직 리액터 용기(14)의 고도에서 바이오매스의 더미에 가해질 수 있다. 예컨대, 수직 리액터 용기(14) 주변에 노즐의 원형 어레이(42)는 중간 높이 및 수직 리액터 용기(14)의 높이의 1/4 낮은 위치 또는 6번째 위치(the lower one-quarter or sixth of the height of the vertical reactor vessel 14)일 수 있다. 추가적인 스팀은 수직 리액터 용기(14)의 하부 배출구(32) 쪽으로 바이오매스를 이동시키는 것을 도울 수 있다. 추가적으로, 스팀은 더미 내 바이오매스에 열 에너지의 전달의 향상된 제어를 제공하여, 더미의 온도를 조절하기 위한 추가적인 수단을 제공하기 위해 수직 리액터 용기(14)의 다른 고도에서 도입될 수 있다. 하부 스팀 분사 주입구 또는 노즐(30)을 이용하여 수직 리액터 용기(14)의 하부, 또는 하부의 부근에 분사된 스팀은 하부 배출구(32)를 통해 단독으로 바이오매스를 배출하기 위한 것일 수 있다.
또한, 수직 리액터 용기(14)의 다양한 고도에서 스팀을 분사하는 것은 수직 리액터 용기(14) 내 바이오매스의 흐름 및 압축을 제어하고, 컬럼과 같이 바이오매스 더미의 상부에서 하부까지 압력 차이를 조절 및 제어하기 위한 수단을 제공한다.
또한, 수직 리액터 용기(14)의 다양한 레벨에서의 스팀의 분사는, 수직 리액터 용기(14)에서 팽창 장치(38)까지 시스템이 바이오매스를 추진하기 위한 스팀을 제어하도록 시킨다. 바이오매스를 추진하기 위한 스팀을 제어하기 위한 시스템은 팽창 장치(38)의 상부 영역 내에 또는 위의 증기 공간과 수직 리액터 용기(14)의 상부에서의 증기 공간(26) 사이에서 만들어지는 차압 측정에 따라 달라진다. 차압 측정 장치는 종래의 장치(dp 셀)를 이용하여 제조될 수 있고, dp 셀로부터의 시그널은, 팽창 장치(38)까지 바이오매스를 추진하기 위해 노즐(34)을 통해 도관(36)에 들어가는 스팀(28)의 흐름을 제어하기 위한 제어 밸브의 위치를 제어하기 위해 사용된다.
제어 시스템(42)은 용기의 다양한 고도에서 스팀의 추가를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 제어 시스템은 증기 압력 센서(44) 및 스팀 밸브(46)를 포함할 수 있다. 압력 센서(44)는 팽창 장치(38)에서 증기 공간 내 및 용기(14)의 상부에서 고온 증기 부분(26)에서의 증기압을 모니터링한다. 제어 시스템은, 기술자가 압력 센서(44)를 모니터링하고, 밸브(46)를 조절하도록 매뉴얼될 수 있다. 또한, 제어 시스템은, 팽창 장치(38)의 증기 공간과 고온 증기 영역(26)에서의 압력 사이에서 바람직한 압력 차이를 얻기 위해 밸브(46)를 조절하고, 압력 센서(44)를 모니터링하는 컴퓨터 시스템과 같은 컨트롤러를 포함할 수 있다. 바람직한 압력 차이는, 컴퓨터 시스템의 메모리에 저장될 수 있고, 컴퓨터 시스템은 밸브(46)를 조절함으로써 스팀 주입을 조절하기 위해 메모리에 저장된 프로그램을 실행하기 때문에 메모리로부터 소환될 수 있다.
팽창 장치(38)에서의 증기 공간과 고온 증기 영역(26) 사이의 차압은 0의 +/-100 kPa (+/- 1 bar) 미만, 또는 0의 +/-50 kPa (+/-0.5 bar) 미만, 0의 +/-30 kPa (+/-0.3 bar) 미만으로 제어될 수 있다. 팽창 장치(38)의 증기 공간과 비교하여 고온 증기 영역(26)에서의 약한 포지티브 압력 차이는 수직 리액터 용기(14)를 통해 바이오매스의 이동을 도울 수 있고, 수직 리액터 용기(14)에서의 바이오매스의 압축을 증가시킬 수 있다. 약한 네거티브 차압은 바이오매스의 압축을 감소시키고, 수직 리액터 용기(14) 내에 바이오매스 이동을 느리게 할 것이다. 약한 포지티브 차압 또는 약한 네거티브 차압을 얻기 위해 용기에 스팀의 분사를 제어함으로써, 용기 내 바이오매스를 균일하게 처리하는 것을 도울 수 있고, 수직 리액터 용기(14)에서의 동작 조건을 제어하기 위한 수단을 제공한다. 기재된 바와 같은 스팀 추가를 위한 제어 시스템은, 리액터에서 바이오매스 체류 시간의 우수한 제어를 보증하고, 바이오매스 더미의 균일한 흐름 속도 및 압축을 보증하는 것을 돕는다.
본 발명은 가장 실용적인 및 바람직한 실시형태로 현재 간주되는 것과 관련하여 기재되지만, 본 발명은 개시된 실시형태에 한정되지 않고, 반면에, 첨부되는 청구항의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 동등한 배열을 커버하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. 압력 분리 장치를 통해, 수직 리액터 용기 시스템의 상부 주입구로 공급 원료를 공급하는 단계로, 상기 공급 원료는 상기 수직 리액터 용기 내의 상기 공급 원료의 더미 상에 공급되는, 단계;
    상기 수직 리액터 용기 시스템의 상부 영역에 제1 스팀 체적을 분사함으로써 상기 공급 원료를 가열 및 가압하도록 열 에너지를 추가하는 단계;
    상기 수직 리액터 용기의 하부 배출구, 하부 배출구의 부근, 또는 하부 배출구의 뒤에 상기 수직 리액터 용기의 하부 영역에 대응하는 고도에서 적어도 제2 스팀 체적을 바이오매스로 분사함으로써, 상기 수직 리액터 용기 시스템의 상기 하부 영역 내의 배출구를 통해 상기 공급 원료를 추진하는 단계로, 상기 제1 스팀 체적의 분사 및 적어도 제2 스팀 체적의 분사는 바이오매스 컬럼의 적어도 일부에 의해 수직으로 분리되는, 단계; 및
    상기 공급 원료를 스팀 폭발 공정에 가하도록 팽창 장치를 통해 상기 추진된 공급 원료를 이동시키는 단계;
    를 포함하는, 바이오매스 공급 원료를 처리하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 주입구로 상기 공급 원료를 공급하는 단계는 연속적이고, 상기 공급 원료는 상기 하부 배출구를 통해 연속적으로 배출되는 것인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수직 리액터 용기의 상기 하부 배출구에서 상기 팽창 장치까지 연장된 상기 공급 원료의 도관으로 직접, 상기 수직 리액터 용기의 상기 하부 배출구 뒤 스팀을 추진하는 단계를 추가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 스팀 체적의 소스 및 적어도 제2 스팀 체적의 소스는 동일한 소스인 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 스팀 폭발 장치인 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 영역과 하부 영역 사이의 중간 영역에서, 상기 수직 리액터 용기로 추가적인 스팀을 분사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 리액터 용기의 상부에서의 증기 공간과 상기 팽창 장치 상의 증기 공간 사이의 차압 측정은, 상기 바이오매스를 상기 팽창 장치로 추진하기 위해 적어도 제2 스팀 체적의 흐름을 제어하도록 사용되는 것인, 방법.
  8. 압력 분리 장치를 통해, 수직으로 배향된 리액터 용기의 상부 주입구로 바이오매스를 추가하는 단계로, 상기 바이오매스는 수직으로 배향된 리액터 용기 내에 증기상으로 떨어지고, 상기 수직으로 배향된 리액터 용기에서 바이오매스의 더미 상에 내려앉는, 단계;
    상기 수직으로 배향된 리액터 용기의 상부 영역으로 가열 및 가압된 가스 또는 증기를 분사하는 단계;
    상기 수직으로 배향된 리액터 용기의 하부 영역, 하부 영역의 부근, 또는 하부 영역의 뒤에 노즐을 통해 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기를 분사하여, 상기 가열 및 가압된 가스 또는 증기의 분사와 상기 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기 사이에 수직 거리가 있고, 상기 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기는 상기 수직으로 배향된 리액터 용기 내에, 팽창 장치를 통해 바이오매스를 추진하는 것인, 단계; 및
    상기 바이오매스 내에 셀 구조를 터트리기 위해 상기 팽창 장치 내의 바이오매스 상에 압력을 빠르게 감소시키는 단계;
    를 포함하는 바이오매스의 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열 및 가압된 가스 또는 증기는 스팀, 공기, 질소, 산소, 아르곤 또는 다른 불활성 가스 중 적어도 하나인 것인, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기는 스팀, 공기, 질소, 산소, 아르곤 또는 다른 불활성 가스 중 적어도 하나인 것인, 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직으로 배향된 리액터 용기의 상부에서의 증기 공간과 상기 팽창 장치 내의 또는 위의 증기 공간 사이에서의 상기 차압 측정은, 상기 팽창 장치로 및 상기 팽창 장치를 통해 상기 바이오매스를 추진하기 위해 상기 적어도 하나의 가압된 가스 또는 증기의 흐름을 제어하도록 사용되는 것인, 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 스팀 폭발 장치인 것인, 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오매스는 상기 상부 주입구에 연속적으로 추가되고, 상기 하부 배출구를 통해 연속적으로 이동되는 것인, 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 리액터 용기의 하부 배출구에서 스팀 폭발 장치와 같은 상기 팽창 장치까지 연장된 도관으로 직접 상기 바이오매스를 추진하기 위해, 상기 수직 리액터 용기의 상기 하부 배출구 뒤 도관으로 가스를 분사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 영역과 하부 영역 사이의 중간 영역에서, 상기 수직으로 배향된 리액터 용기로 추가적인 스팀을 분사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 리액터 용기의 상부에서의 증기 공간과 상기 팽창 장치 상의 증기 공간 사이에서의 차압 측정은, 상기 바이오매스를 상기 팽창 장치로 추진하기 위해 적어도 제2 스팀 체적의 흐름을 제어하도록 사용되는 것인, 방법.
  17. 수직 리액터 용기의 상부 공급 원료 주입구 및 상부 스팀 주입구를 포함하는 수직 리액터 용기 시스템;
    상기 수직 리액터 용기의 하부 영역의 공급 원료 배출구;
    상기 수직 리액터 용기 시스템의 상기 하부 영역에 대응하는 고도에서의 추진 스팀 주입구로, 상기 상부 스팀 주입구 및 상기 추진 스팀 주입구는 바이오매스의 높이에 의해 수직으로 분리되는 것인, 추진 스팀 주입구;
    상기 수직 리액터 용기로부터 상기 공급 원료를 수용하도록 구성되는 팽창 장치, 및
    상기 공급 원료 배출구에서 상기 팽창 장치까지 연장된 도관;
    을 포함하는 바이오매스 공급 원료를 처리하기 위한 어셈블리.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 추진 스팀 주입구에 대응하는 고도, 대응하는 고도의 부근, 또는 대응하는 고도의 위에서 상기 수직 리액터 용기의 1차원 수렴 부분을 더 포함하는, 어셈블리.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 추진 스팀 주입구는, 상기 수직 리액터 용기의 상기 하부 배출구에서 상기 팽창 장치까지 연장된 상기 도관에서, 상기 수직 리액터 용기의 상기 하부 배출구 뒤에 위치하는 것인, 어셈블리.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 영역과 하부 영역 사이의 중간 영역에서, 상기 수직 리액터 용기 상에 또는 내에 추가적인 스팀 주입구를 더 포함하는, 어셈블리.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창 장치 내에 또는 바로 위의 증기 공간과 상기 수직 리액터 용기의 상부의 증기 공간 사이에서의 차압 측정 장치는, 상기 추진 스팀의 흐름을 제어하도록 사용되는 것인, 어셈블리.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창 장치는 스팀 폭발 장치인 것인, 어셈블리.
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