KR20160018464A - 복합 탄소질 연료 컴팩트 - Google Patents

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KR20160018464A
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로버트 엘 하이만
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엔지누이티 월드와이드, 엘엘씨
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Abstract

본 개시내용에 의해 부분 또는 완전 탄소질 바이오매스 조성물 및 접착제 첨가제를 갖는 본체를 포함하는 탄소질 컴팩트가 제공된다. 접착제 첨가제는 전분 및 수산화물을 포함한다. 탄소질 물질의 다공성 성질은 영양 보유를 위한 수단 또는 필터링 수단을 제공한다. 탄소는 열분해된 목재/견과로부터 화학적 또는 열적 반응을 통해 활성화된다. 가연성 바이오매스 물질의 조성물을 합하는 것, 조성물을 건조시키는 것, 접착제 첨가제를 첨가하는 것, 임의의 추가의 첨가제, 예컨대 실리카 및 유익한 세균을 첨가하는 것을 포함하는, 탄소질 컴팩트의 가공 방법이 또한 제공된다. 복합 바이오매스를 성형품으로 가공한 다음에, 성형품을 기존 취급 방법에 적합한 개별 단편으로 분할한다. 하나의 형태에서 가공을 약 500℃에서 수행하여 바이오 숯이 형성되도록 하며, 한편 518℃-572℃에서의 가공으로 후속 활성화에 의해 탄소가 형성된다.

Description

복합 탄소질 연료 컴팩트 {COMPOSITE CARBONACEOUS FUEL COMPACT}
본 개시내용은 바이오매스(biomass)를 공급원으로 하는 바이오 숯(bio-char) 및 탄소, 및 그의 가공 방법에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용은 탄소질(carbonaceous) 공급원, 특히, 콜타르에 의존하지 않으며, "온실 가스" 이산화탄소가 대기 중으로 배출되는 것을 감소시키는 자원에 관한 것이다. 마지막으로, 본 개시내용은 탄소질 바이오매스를 바이오 숯 또는 탄소로 만드는 제조 공정에 관한 것이다.
필터링 적용(filtering application)을 위해 생성되는 대부분의 탄소는 콜타르로부터 제조된다. 목재는 철 함량으로 인해 수성 필터링 적용에서는 사용되지 않는다. 최근 재생가능 에너지 공급원에 대한 중점을 두어, 관련 기술분야에서 소위 "바이오매스" 물질을 창출하기 위한 노력이 있어 왔고, 여기서 견과의 껍질(nutshell)의 바이오 숯 및 탄소 조합물과 폐기물을 합하고 가공하여, 예를 들어 석탄을 대신하거나, 석탄과 조합되는 에너지 자원을 창출한다. 바이오 숯은 이산화탄소를 봉쇄(sequester)할 수 있다. 바이오 숯은 대략 500℃에서 "열분해(pyrolysis)" 또는 "저온 로스팅(low temperature roasting)"으로 칭해지는 저온 탄화를 통해 임의의 바이오매스 공급원으로부터 생성되며, 한편 탄소는 518℃ 내지 572℃에서 열분해 또는 고온 로스팅과 후속 활성화에 의해 생성된다.
최근 "무공해(Green)" 공급원에 중점을 두어, 관련 기술분야에서 소위 "바이오매스" 물질을 창출하기 위한 노력이 있어 왔고, 여기서 폐기물, 예컨대 목재칩 또는 톱밥의, 특정 첨가제와의 가연성 조합물을 합하고 가공하여 콜타르를 대신할 수 있는 탄소질 자원을 창출한다. 이들 장치는 목재 입자를 다이(die) 또는 몰드(mold)에 강제로 밀어 넣는 압축을 사용한다. 일부 기계에서는, 실린더 내로 패킹된 물질에 대해 피스톤의 작용에 의해 불연속적으로 압력이 가해진다. 장비는 피스톤에 대한 유압 작용을 이용하거나 기계적 결합(mechanical coupling) 및 플라이 필(fly wheel)을 가질 수 있다.
공지된 바이오매스 물질은, 가연성 매스(mass)가 되도록 하기 위해, 구성 물질인 천연 리그닌을 포함으로써, 제공 공정 동안 전체 구성 물질들이 함께 결합하도록 하여 왔다. 예를 들어 다양한 목재 공급원으로부터의 천연 리그닌은, 주로 4-히드록시페닐프로파노이드의 산화적 결합으로부터 생기는 복합 천연 중합체(complex natural polymer)이다. 게다가, 열가소성 수지와 같은 다른 물질이 제조 공정에 첨가되어 구성 물질을 함께 결합하도록 하여 왔다.
그러나 이들 천연 리그닌 및 열가소성 결합제는 탄화되어, 특히 상기에 서술된 것들과 같은 공지된 제조 기법을 사용하는 경우, 수송 또는 다른 가공 작업에 있어 내구성이 없는 펠렛(pellet)으로 형성하게 된다. 결과적으로, 다양한 바이오매스 형태는 제조 및 후속 취급과정에서 만성적인 붕해(crumbling) 및 분진 발생의 문제를 야기한다. 상당한 양의 분진발생은 많은 문제를 일으킬 수 있는바, 따라서 현재의 결합제는 궁극적으로 안전상 위험 문제를 유발할 수 있다. 공지된 결합제의 추가의 단점으로서, 분진발생 문제 이외에도, 불규칙한 길이 및 울퉁불퉁한 절단으로 인해 제품의 불균일성 문제가 있다. 예컨대 지팽이풀(switchgrass), 숲 쓰레기(forest litter), 종이 폐기물(paper waste), 나무줄기(cane) 폐기물 등과 같은 다른 물질들에서는 제품 품질이 저하되고, 분진발생 문제가 자주 더 악화 된다. 게다가, 일부의 공지된 결합제는 연소 과정 동안 환경에 바람직하지 않은 기체를 발생시킬 뿐 아니라, 실제에 있어, 일부의 결합제는 연소 과정 동안 완전히 연소가 되지 않는다. 이와 같이, 현재의 제조 공정 및 거기서 사용되는 물질로 형성된 탄화질 형태는 내구성이 없으며, 그로 인해 그의 제조 및 후속 취급과정에서 많은 문제를 유발한다.
본 개시내용의 한 형태에서, 가연성 바이오매스 조성물 및 접착제 첨가제를 갖는 본체를 포함하며, 여기서 접착제 첨가제가 전분 및 수산화물을 포함하는 것인, 탄소질 컴팩트(carbonaceous compact)가 제공된다.
또 다른 형태에서, 바이오매스 조성물 및 접착제 첨가제를 포함하는 탄소질 컴팩트가 제공된다. 접착제 첨가제는 전분 및 수산화물 중 하나 이상을 포함한다.
이들 탄소질 컴팩트의 변형에서, 수산화물은 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 수산화리튬, 및 가성 소다로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가의 접착제로서, 실리케이트 첨가제, (이는 액체 또는 분말 형태일 수 있다) 및 유익한 세균을 포함할 수 있다. 목초(grass)는 고 셀룰로스 물질이어서 저온 바이오 숯에 사용될 수 없다. 게다가, 탄소질 컴팩트에 대한 다양한 기하학적 구조 및 조성물은 또한 본 개시내용에 의해 제공된다.
본 개시내용의 또 다른 측면에 따르면, 바이오매스 물질의 조성물을 합하는 것, 바이오매스 물질의 조성물을 분쇄 혼합하는 것(communicating), 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제를 바이오매스 물질에 첨가하여 복합 바이오매스(composite biomass)를 형성하는 것, 및 복합 바이오매스를 성형품(shapeform)으로 성형하는 것을 포함하는, 바이오매스 탄소질 컴팩트의 가공 방법이 제공된다.
또 다른 형태에서, 바이오매스 물질의 조성물을 합하는 것, 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제를 바이오매스 물질에 첨가하여 복합 바이오매스를 형성하는 것, 및 복합 바이오매스를 탄소질 성형품으로 성형하는 것을 포함하는, 바이오매스 탄소질 컴팩트의 가공 방법이 제공된다.
또 다른 형태에서, 바이오매스 물질의 조성물을 합하는 것, 바이오매스 물질의 조성물을 분쇄 혼합하는 것, 바이오매스 물질의 분쇄된 조성물을 건조시키는 것, 부분 또는 완전 열분해 또는 로스팅을 수행하는 것, 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제를 바이오매스 물질에 첨가하는 것, 실리케이트를 바이오매스 물질의 조성물에 첨가하는 것, 유익한 세균을 첨가하여 복합 바이오매스를 형성하는 것, 복합 바이오매스를 성형품으로 성형하는 것, 및 복합 바이오매스 성형품을 기존 물질 취급에 적합한 개별 단편으로 분할하는 것을 포함하는, 바이오매스 탄소질 컴팩트의 가공 방법이 제공된다. 가공은 더 저온에서 수행하여 바이오매스 물질과 접착제의 흡열 반응이 초래되도록 하거나 발열 범위에서 수행한 후 활성화하도록 한다.
적용성의 추가의 영역은 본원에 제공된 설명으로부터 분명해질 것이다. 설명 및 구체예는 단지 예시를 목적으로 하고자 하는 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.
본 개시내용이 잘 이해될 수 있도록, 이제, 예로서 주어진, 그의 다양한 형태가 첨부된 도면을 참조로 기재될 것이며, 여기서,
도 1은 본 개시내용의 원리에 따라서 구축된 탄소질 컴팩트의 본체의 다양한 기하학적 구조의 사시도이고;
도 2A는 본 개시내용의 원리에 따른 탄소질 컴팩트에 대한 본체의 대안적 형태의 사시도이고;
도 2B는 본 개시내용의 원리에 따른 도 2A의 탄소질 컴팩트에 대한 본체의 대안적 형태의 정면도이고;
도 2C는 본 개시내용의 원리에 따른 도 2A의 탄소질 컴팩트에 대한 본체의 대안적 형태의 측면도이고;
도 3은 본 개시내용의 교시에 따른 제조 공정의 다양한 단계 및 형태를 예시하는 공정 흐름도이다.
본원에 기재된 도면은 단지 예시를 목적으로 하며 본 개시내용의 범위를 어떤 방식으로도 제한하고자 하는 것이 아니다.
하기 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며 본 개시내용, 적용, 또는 용도를 제한하고자 하는 것이 아니다. 설명 전체에 걸쳐, 상응하는 참조 번호는 유사 또는 상응하는 부분 및 특징을 나타낸다는 점이 이해되어야 한다.
본 개시내용의 원리에 따르면, 임의의 형상 또는 형태로, 예컨대 도 1에 도시된 예시적 형태일 수 있는 본체를 포함하는 탄소질 컴팩트가 제공된다. 나타낸 바와 같이, 본체 (10)는 펠렛, 브리켓(briquette), 또는 퍽(puck)의 형태일 수 있다. 펠렛은 약 4.0 내지 7.6 mm 정도의 크기를 갖는 것에 의해 정의될 수 있다. 대안으로, 전형적인 브리켓은 약 101.6 mm (4 인치) 및 76.2 mm (3 인치)의 길이 및 폭 각각을 가질 수 있다. 대안으로, 퍽은 약 25.4 mm (1 인치) 내지 100.8 mm (4 인치)의 직경을 가질 수 있다. 이들 기하학적 형태는 단지 예시적이며 따라서 이들은 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다는 점이 이해되어야 한다.
본체 (10)는 본질적으로 임의의 바이오매스 물질, 또는 바이오매스 물질, 및/또는 그의 사용 폐기물의 조합물일 수 있는 탄소질 바이오매스 조성물을 포함한다. 예로서, 이들 물질은 톱밥, 판지 및 합판, 목초, 지팽이풀, 에너지 작물, 건초, 나무의 수피(bark), 스위트검(sweetgum) 종자 꼬투리, 솔방울, 신문 인쇄 용지, 밀짚, 좀개구리밥, 솔잎, 혼합 잎, 정원 폐기물, 농업 폐기물, 면섬유 지스러기(cotton waste), 포도 및 와인 오팔(offal), 옥수수 대(corn stover), 작물 여물(crop stovers), 토탄, 담배 폐기물, 차 폐기물, 커피 폐기물, 식품 가공 폐기물, 식품 포장 폐기물, 견과육과 껍질(nut meat and shell), 밤의 겉껍질, 피칸 껍질, 종이 폐기물, 팔레트(pallet), 계란 곽, 동물 폐기물, 축산 폐기물, 포유동물 폐기물, 및 뼈를 포함할 수 있다.
장점으로는, 탄소질 컴팩트는 그 독창적인 접착제 첨가제로 인해 고도로 내구성을 갖는다는 것이다. 일반적으로, 탄소질 컴팩트는 상기에 서술된 바와 같이 천연 리그닌을 대체할 임의의 다른 적합한 물질, 또는 전분으로부터 제조된 슈타인 홀(Stein Hall) 유형 접착제를 사용한다. 슈타인 홀 접착제에서, 약 5% 내지 20%의 전체 전분 함량은 1차 전분(primary starch)으로 칭해지는 고 점도 페이스트로 호화된다. 전분의 나머지 (약 80% 내지 90%)는 호화되지 않은 상태로 남고 2차 전분(secondary starch)으로 칭해진다. 전분은 밀, 귀리, 벼, 옥수수, 밀 미들링(wheat middling), 밀 폐기물 또는 심지어 목재 등으로부터 생성되는 것일 수 있지만, 호화된 분획을 함유하며 이의 건조에 의해 바이오매스 조성물을 단단하게 접착시킬 것이다.
게다가, 접착제 첨가제는 수산화물을 포함한다. 수산화물은, 그 중에서도, 예를 들어, 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 수산화리튬, 및 가성 소다일 수 있다. 전분과 수산화물의 상승작용적 조합물은 고도로 내구성인 탄소질 컴팩트를 제공하며, 여기서 어떤 천연 리그닌 또는 다른 바람직하지 않은 결합체에도 의존함이 없이, 임의의 수의 구성 바이오매스 물질을 사용할 수 있다.
한 형태에서, 혁신적인 접착제가 제공되어 구성 바이오매스 조성물을 결합하고 또한 연료 컴팩트의 외부 주위에 실질적으로 연속 쉘(shell)을 형성한다. 이러한 쉘을 사용함으로써, 본 개시내용에 따른 탄소질 컴팩트는, 상기에 서술된 바와 같이, 고도로 내구성이고 바이오매스 조성물과 관련된 전통적인 분진 문제를 상당히 감소시킨다.
본 개시내용의 한 예시적 조성물에서, 탄소질 컴팩트는 약 69 - 98 중량%의 바이오매스 조성물, 약 1 - 30 중량%의 전분, 및 1 중량% 미만의 수산화물을 포함한다. 또 다른 조성물은 약 90 - 95%의 탄소질 바이오매스 및 약 5 - 10%의 본 발명의 접착제 첨가제이다.
예로서, 실리케이트 첨가제(이는 액체 또는 분말 형태일 수 있음)를 포함할 수 있는 추가의 접착제가 또한 본 개시내용에 의해 제공된다. 실리케이트 첨가제가 포함되어 탄소질 바이오매스 입자의 부가된 내후성 및 수소 결합을 제공한다. 실리케이트는, 본 개시내용의 한 형태에서, 나트륨, 칼륨, 또는 리튬, 또는 이들 셋의 혼합물을 포함할 수 있다. 세균이 첨가될 수 있다. 세균을 사용하여 공기로부터 질소를 봉쇄하는 작물에 접종한다. 세균 "아스페르길루스 니게르(Aspergillus Niger)" 또는 "수지상 균근 진균(arbuscular mycorrhizal fungi)"은 바이오매스를, 식물 흡수를 위한 미네랄인 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg), 인 (P) 및 칼륨 (K)을 방출하는 원소 생성물로 분해한다. 또 다른 형태에서, 방부제는 사붕산나트륨 또는 보락스 함유 화합물을 약 1 내지 약 5%, 더 특히 약 1 내지 약 2%의 농도로 포함할 수 있다. 더욱이, 규산나트륨을 첨가하여 발수성을 개선할 수 있다.
첨가제는 또한 토양에서 탄소와 질소를 봉쇄함으로써 이익을 얻을 물질을 포함할 수 있다. 수산화칼슘을 수산화물의 공급원으로서 사용하는 경우, 수산화칼슘은 반응하여 규산칼슘을 형성할 수 있고, 이는 연료 기체에서의 연소로부터 공기 배출물에서 이산화황 및 산화질소를 봉쇄한다. 수산화리튬을 사용하는 경우, 수산화리튬은 반응하여 규산리튬을 형성할 수 있고, 이는 생명유지 프로세스(biogenic process)로부터 이산화탄소를 봉쇄할 수 있는 제올라이트를 형성한다.
추가의 예시적 조성물에서, 탄소질 컴팩트는 약 50 - 95%의 바이오매스, 약 5 - 50%의 전분, 약 0.005 - 0.05%의 수산화물, 약 0.1 - 5%의 실리케이트 첨가제, 및 약 0.1 - 2%의 세균을 포함한다. 본 개시내용에 따른 추가의 조성물은 본 개시내용에 따른, 목초, 옥수수 대, 또는 그의 혼합물을 포함하는, 한 바이오매스 조성물에 대한 예시적 표적 값과 함께, 표 1에 이하에 제시되어 있다:
바이오매스 전분 수산화물 실리케이트
범위 50-90% 5-50% 0.005-0.05% 0-5%
표적 60 10 0.02 2.5
도 2A - 2C에 탄소질 컴팩트에 대한 본체의 한 혁신적인 형태가 예시되어 있으며, 참조 번호 (20)으로 표시되어 있다. 일반적으로, 본체는 경질 외피를 갖는 옥수수 알갱이를 본떠 만든 것으로, 수송가능하고, 비교적 평탄한 측면을 가지며, 나아가 취급 및 후속작업에 고도로 내구성을 갖기에 유리한 종횡비(aspect ratio)를 갖도록 한다.
도시된 바와 같이, 본체 (20)는 상부 부분 (22), 하부 부분 (24), 및 상부 부분 (22)에서 하부 부분 (24)으로 연장되며, 여기서 상부 부분 (22)은 하부 부분 (24)보다 더 넓은 것인, 끝이 가늘어지는 측벽 (26), (28), (30), 및 (32)을 갖는다. 하나의 형태에서, 본체 (20)는 도시된 바와 같은 둥근 모서리 (34)를 가져, 증가된 내구성을 제공하도록 한다. 끝이 가늘어지는 측벽 (26) 및 (28)은 일반적으로 도시된 바와 같이 평행하고 마주보고 있으며, 끝이 가늘어지는 벽 (30) 및 (32)도 마찬가지이다. 끝이 가늘어지는 측벽 (26), (28), (30), 및 (32) 중 하나 이상은, 본 개시내용의 한 형태에서, 평탄한 표면을 규정한다. 이러한 기학학적 구조는, 앞서 서술된 바와 같은 펠렛, 퍽, 및 브리켓과 함께, 단지 예시적이며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로서 해석 되어서는 아니 된다는 점이 이해되어야 한다.
따라서, 내구성이고, 공지된 바이오매스 조성물과 통상적으로 관련된 분진의 양을 감소시키고, 비용이 덜 드며, 효율성이 더 높은, 복합 탄소질 컴팩트(composite carboneous compact)가 본 개시내용에 의해 제공된다.
본원에 기재된 복합 탄소질 컴팩트의 다양한 형태를 미국 농업 생물 공학회(American Society of Agricultural and Biological Engineering) [ASABE S269.4, Dec1991 (R2007) 섹션 5. 내구성 시험 기준(Durability test standard)]에 따라 내구성에 대해 시험하였다. "GAMET" 펠렛 내구성 시험을 이용하여 실온에서 50 rpm에서 10분 동안 테스트 실험을 시행하였다. 펠렛 내구성 지수(Pellet Durability Index) (PDI)는 시험 전 후에 컴팩트의 중량을 나눔으로써 정의되었다. 시험 후, 컴팩트를 스크리닝하고 남은 전체 컴팩트의 중량을 잰다. 출발 중량은 500 그램으로 표준화한다. PDI는 500으로 나누고 100을 곱하여 백분율에 이르는, 시험 후의 나머지와 동등하다.
바이오 숯 토양 관리는 거래 가능한(tradable) 탄소 배출 감소를 전달할 수 있다. 본 개시내용의 교시에 따라 생성된 열분해된 목재 입자는 98%의 PDI를 갖는 7.6 mm 펠렛의 형태이고 3.175 mm - 0.127 mm (0.125 - 0.005 인치)의 범위에 이르는 개개 입자를 혼입한다. 바이오 숯은 이산화탄소를 봉쇄할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 측면에 따르면, 가연성 바이오매스 물질의 조성물을 합하는 것, 바이오매스 물질, 바이오매스 물질의 조성물을 분쇄하는 것, 바이오매스 물질의 분쇄된 조성물을 건조시키는 것, 및 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제를 바이오매스 물질에 첨가하는 것을 포함하는, 바이오매스 탄소질 컴팩트의 가공 방법이 제공된다. 실리케이트 및 유익한 세균을 포함하는 추가의 접착제가 또한 제공된다. 복합 바이오매스를 성형품으로 가공한 다음에, 성형품을 기존 물질 취급에 적합한 개별 단편으로 분할한다. 한 형태에서 가공을 약 500℃에서 수행하여 바이오 숯이 형성되도록 하며, 한편 518℃-572℃에서의 가공으로 후속 활성화로 탄소가 형성된다.
도 3을 참조하면, 바이오매스 탄소질 컴팩트, 및 그의 변형을 가공하기 위한 제조 단계가 도시되어 있다. 이들 단계는 도시된 바와 같은 순서로, 또는 대안으로, 상이한 순서로 수행할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 예시된 단계의 순서는 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 하나의 형태에서, 바이오매스 탄소질 컴팩트의 가공 방법은 바이오매스 물질(들)의 조성물을 합하는 것을 포함한다. 이들 바이오매스 물질은 본질적으로 임의의 가연성 물질, 또는 가연성 물질의 조합물이다. 예를 들어, 이들 물질은, 그 중에서도, 톱밥, 판지 및 합판, 목초, 건초, 나무의 수피, 스위트검 종자 꼬투리, 솔방울, 신문 인쇄 용지, 밀짚, 좀개구리밥, 솔잎, 혼합 잎, 정원 폐기물, 농업 폐기물, 면섬유 지스러기, 포도 및 와인 오팔, 옥수수 대, 작물 여물, 토탄, 담배 폐기물, 차 폐기물, 커피 폐기물, 식품 가공 폐기물, 식품 포장 폐기물, 견과육과 껍질, 밤의 겉껍질, 피칸 껍질, 종이 폐기물, 팔레트, 및 계란 곽을 포함할 수 있다. 다른 가연성 물질이 또한 사용될 수 있고, 따라서 이들 바이오매스 물질은 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
그 다음에, 이들 바이오매스 물질을, 이하에 더 상세히 서술된 바와 같은, 특정의 공정과, 그리고 또한 다른 첨가제 및 다양한 가공 단계와 적합한 입자 크기로, 분쇄하거나, 파쇄할 수 있다. 그 다음에, 다시 다양한 가공 파라미터에 따라, 바이오매스 물질의 분쇄 혼합된 조성물을 건조할 수 있거나, 대안으로, 바이오매스 물질의 분쇄 혼합된 조성물을 로스팅한 후에 성형 단계에 진입할 수 있다. 예를 들어, 나무 또는 목재 생성물을 바이오매스 조성물의 부분으로서 사용한다면, 분쇄 단계는 이들 물질을 톱밥 형태로 분해할 것이다. 분쇄 공정은, 그 중에서도, 예를 들어, 터브 그라인더(tub grinder), 수평 그라인더(horizontal grinder), 해머 밀(hammer mill), 부르 밀(burr mill), 또는 슈레더(shredder)에 의해 수행할 수 있다. 각각의 유형의 바이오매스 물질은 분쇄 단계로부터 상이한 유래된 입자 크기를 가질 것이다. 일반적으로, 입자 크기 요건은 목적하는 처리 효율(throughput rate)을 기준으로 한다. 본 개시내용의 하나의 형태는, 목적하는 성형품을 생성하기 위해 사용되는 다이 개구부/직경의 약 20 내지 약 40%, 더 특히 약 30%의 입자 크기이다. 이들 입자 크기는 과도한 가공 배압(back-pressure) 없이도 유량을 용이하게 한다.
바이오매스 물질을 성형 단계 진입 전에 건조 시키며, 약 8% 내지 약 20%, 더 특히는 약 12%의 수분 함량이 되도록 건조시키는 것이, 많은 유형의 바이오매스 물질을 성형하는데 바람직하다. 본 개시내용의 하나의 형태는, 건조를 위해 저렴한 태양열 수집기 트로프(troughs)를 사용하는 것으로, 이는 태양열을 집중시키고 또한 열전달에 적합한 매체들, 예를 들어, 오일, 부동액, 물, 또는 그의 혼합물을 가열하여, 액체를 기체로 열전환하는 과정을 통해 열에너지를 전환하는 작업을 수행한다. 대안으로, 지열 건조를 단독으로, 또는 가스-연소(gas-fired) 또는 전기 건조 공정과 함께 사용할 수 있다. 건조 장비는 또한 통상적인 그레인(grain) 건조 배치 호퍼(batch hopper), 빈(bin), 또는 실로(silo), 또는 더 높은 처리량(throughput) 수평 건조기일 수 있다. 추가로 여전히, 열이 수동식 바닥 난방 시스템(passive floor heating system)을 퉁해 이송될 수 있다. 또 다른 형태에서, 단일 또는 다중 건조제 베드(desiccant bed)를 사용하여 건조 공기로부터 수분을 제거할 수 있다. 이들 건조 방법은 단지 예시적이며 따라서 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 아니 된다는 점이 이해되어야 한다.
본 개시내용의 특징적 단계는 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제를 바이오매스 물질에 첨가하는 것이다. 즉, 하기에 및 본원에 기재된 바와 같은 다른 첨가제와 함께 가연성 바이오매스 조성물과 접착제 첨가제를 조합하는 것이다. 상기 접착제 이외에도, 추가의 접착제가 제조 공정에 또한 제공된다. 이들 첨가제는, 예로서, 실리케이트 및 유익한 세균을 포함한다.
첨가제의 투입 후 또는 투입하는 동안, 복합 바이오매스를 성형품으로 성형한다. 본 개시내용의 한 형태에서, 성형 단계는 압출 공정에 의해 수행되며 여기서 성형은 압출기, 큐버(cuber), 또는 펠렛 밀에 의해 수행된다. 압축 몰딩, 플런저(plunger) 몰딩, 및 다이 성형을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다른 제조 공정이 또한 사용될 수 있다. 따라서, 압출 공정은 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 아니 된다. 본 개시내용의 한 바람직한 형태에서, 압출기는 복합 바이오매스 탄소질 컴팩트를 예비 혼합(premix)하고, 압출하고 시간당 약 500 내지 약 30,000 파운드에서 길이로 절단한다.
하나의 형태에서, 본 개시에 있어서 혁신적인 점이라 할 수 있는 접착제는 압출기, 큐버, 또는 밀의 흡입구 부분(throat portion)에서 첨가된다. 대안으로, 접착제는 압출기, 큐버, 또는 밀의 호퍼 부분에서 첨가된다. 또 다른 형태에서, 접착제는 압출기, 큐버, 또는 밀의 다이 부분에서 첨가되고 바이오매스 물질의 조성물의 외부 표면적을 코팅하도록 배열된다. 접착제는 추가로 가공 단계 내에 나눠지며, 여기서 전분은 성형 전에 바이오매스 조성물과 혼합되며, 수산화물은 성형 동안 첨가된다.
플런저 몰딩을 이용하여, 한 형태에서 접착제는 많은(wads) 플런저 사이에 첨가된다. 대안으로, 접착제는 플런저 입력부(input)에서 첨가되며 출구 다이에서 바이오매스 물질의 조성물의 외부 표면적을 코팅하도록 배열된다.
기계적 브리케팅 공정(briquetting process), 예컨대 브리크 시리즈(Brik Series) [디피우 마치네 임피안티(Dipiu Macchine Impianti); 비에이치에스 에너지 엘엘씨(BHS Energy LLC, 펜실베이니아주 와오밍); 워렌 앤드 바에르그(Warren & Baerg, 캘리포니아주 디누바); 또는 캘리포니아 펠렛 밀(California Pellet Mill, 인디애나주 인디애나폴리스)에 의함]을 또한 본 개시내용에 따라 사용될 수 있음이 추가로 고려된다.
복합 바이오매스의 성형품은 펠렛, 브리켓, 퍽, 및 옥수수 알 형상을 포함한 임의의 수의 기하학적 형상일 수 있다.
복합 바이오매스를 성형품으로서 생성시킨 후, 이를 개별 단편으로 분할한다. 개별 단편은 동일한 크기이거나, 다양한 크기/길이일 수 있다. 한 형태에서, 개별 단편은 기존 물질 취급에 적합하다.
본 개시내용의 한 형태에서, 가공은 더 저온에서 수행하여 바이오매스 물질과 접착제의 흡열 반응이 초래되도록 한다. 이들 온도는 로스팅 공정 용으로는 약 480℃ 내지 약 500℃의 범위, 및 유사하게는, 목적하는 탄소 물질의 유형에 따라 518℃ - 572℃이다. 대안으로, 방법은 발열 조건에서 수행한 후 활성화될 수 있다.
본 발명은 예로서 예시되고 설명된 다양한 형태로 제한되지 않는다는 점이 주목되어야 한다. 많은 다양한 수정이 기재되었고 그 이상의 것은 통상의 기술자의 지식의 부분이다. 본 개시내용 및 본 특허의 범위를 벗어남이 없이, 이들 및 추가의 수정뿐만 아니라 기술적 균등물로의 임의의 대체가 설명 및 도면에 부가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 탄소질 바이오매스 조성물; 및
    전분 및 수산화물을 포함하는 접착제 첨가제를 포함하는 본체를 포함하는, 탄소질 컴팩트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수산화물이 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 수산화리튬 및 가성 소다로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 탄소질 컴팩트.
  3. 제1항에 있어서, 실리케이트 첨가제, 점도 첨가제, 유익한 세균 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 탄소질 컴팩트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소질 바이오매스 조성물이 톱밥, 판지 및 합판, 목초, 지팽이풀, 에너지 작물, 건초, 나무의 수피, 스위트검 종자 꼬투리, 솔방울, 신문 인쇄 용지, 밀짚, 좀개구리밥, 솔잎, 혼합 잎, 정원 폐기물, 농업 폐기물, 면섬유 지스러기, 포도 및 와인 오팔, 옥수수 대, 작물 여물, 토탄, 담배 폐기물, 차 폐기물, 커피 폐기물, 식품 가공 폐기물, 식품 포장 폐기물, 견과육과 껍질, 밤의 겉껍질, 피칸 껍질, 종이 폐기물, 팔레트, 계란 곽, 동물 폐기물, 축산 폐기물, 포유동물 폐기물 및 뼈로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 탄소질 컴팩트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스 조성물 69 - 98 중량%, 상기 전분 1 - 30 중량%, 상기 수산화물 1 중량% 미만인, 탄소질 컴팩트.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체가 상부 부분, 하부 부분, 및 상부 부분에서 하부 부분으로 연장되며 끝이 가늘어지는 벽을 가지며, 상기 상부 부분은 상기 하부 부분보다 더 넓은 것인, 탄소질 컴팩트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 본체가 둥근 모서리를 추가로 포함하는 것인, 탄소질 컴팩트.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체가 평행한 마주보고 있는 측벽 및 평행한 마주보고 있는 말단 벽을 포함하고, 상기 측벽 중 하나 이상이 평탄한 표면을 규정하는 것인, 탄소질 컴팩트.
  9. 제1항, 제3항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체가 펠렛, 브리켓, 및 퍽으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 탄소질 컴팩트.
  10. 가연성 바이오매스 조성물; 및
    전분 및 수산화물 중 하나 이상을 포함하는 접착제 첨가제를 포함하는,
    탄소질 컴팩트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수산화물이 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 토류 수산화물, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 수산화리튬, 및 가성 소다로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 탄소질 컴팩트.
  12. 제10항에 있어서, 실리케이트 첨가제 및 유익한 세균 중 하나 이상을 추가로 포함하는 탄소질 컴팩트.
  13. 제10항에 있어서, 상기 가연성 바이오매스 90 - 95중량%, 상기 접착제 첨가제 5 - 10 중량%인, 탄소질 컴팩트.
  14. 탄소질 바이오매스 조성물; 전분 및 수산화물을 포함하는 접착제 첨가제; 실리케이트 첨가제; 및 유익한 세균을 포함하는 본체를 포함하는, 탄소질 컴팩트.
  15. 제14항에 있어서, 상기 탄소질 바이오매스 50 - 95 중량%, 상기 전분 5 - 50 중량%, 상기 수산화물 0.005 - 0.05 중량%, 상기 실리케이트 첨가제 0.1 - 5 중량%, 상기 세균 0.1 - 2 중량%인, 탄소질 컴팩트.

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