KR20160042822A - 선광된 공급원료에 의한 마이크로파에 의한 바이오 숯 - Google Patents

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필립 스칼조
더글라스 엠. 밴 토레
마이클 엘. 카토
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Abstract

선광 하위시스템에 의해 제조된 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 산소 고갈 마이크로파 하위시스템에 의해 제조된 가공된 바이오 숯 조성물이 기재되어 있다. 재생성 바이오매스 공급원료는 선광 하위시스템을 통해 통과하여 함수량을 적어도 20중량% 미만으로 감소시키고, 수용성 염을 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 적어도 60%로 감소시킨다. 가공된 공급원료는 실질적으로 마이크로파-투명한 반응 챔버로 도입된다. 마이크로파원은 반응 챔버의 마이크로파-투명 벽을 통해 지향하여 반응 챔버 내의 공급원료와 충돌하는 마이크로파를 방출한다. 마이크로파원은 반응 챔버에 대해 회전할 수 있다. 고체 가공된 바이오 숯 연료를 생성하도록 원하는 반응이 발생할 때까지, 공급원료는 마이크로파로 처리된다.

Description

선광된 공급원료에 의한 마이크로파에 의한 바이오 숯{BIOCHAR BY MICROWAVE WITH BENEFICIATED FEEDSTOCK}
본 발명은 일반적으로 유기-탄소-함유 공급원료로부터의 고체 숯 연료의 생성에 관한 것이다.
매우 많은 연료가 제한된 지하 매장량으로부터 퍼 올려지거나 석탄으로부터 채굴된 원유로부터 증류된다. 지구의 원유 공급이 수집하기 더 어려워지고 비싸지고, 깨끗한 무연탄 이외의 석탄의 환경 효과에 대한 관심이 증가하면서, 에너지에 대한 세계적인 요구량이 동시에 증가하고 있다. 다음 10년에 걸쳐, 남은 세계의 쉽게 접근 가능한 원유 매장량 및 깨끗한 무연탄 매장량의 고갈은 원유 및 석탄으로부터 얻은 연료에 대한 비용을 상당히 증가시킬 것이다.
바이오매스를 수송 및/또는 가열에 적합한 연료 및 부산물로 효과적으로 전환할 수 있는 공정을 확인하고자 하는 조사는 에너지에 대한 계속 증가하는 요구량을 만족시키는 데 있어서 중요한 인자이다. 또한, 이용성이 개선된 고체 부산물을 갖는 공정이 또한 점점 더 요구된다.
바이오매스는 식물 세포를 함유하는 재생성 유기-탄소-함유 공급원료이고, 경제적인 연료원로서의 가능성을 나타냈다. 그러나, 이 공급원료는 통상적으로 이것이 석탄, 석유 또는 천연 가스와 같은 일반 연료원에 대한 경제적인 대안이 되게 하기에는 너무 많은 물 및 오염물질, 예컨대 수용성 염을 함유한다.
역사적으로, 전통적인 기계/화학 공정을 통해, 식물은 25중량%보다 약간 적은 이의 수분으로 생존을 포기할 것이다. 그리고, 식물이 일광 또는 가마 건조되더라도, 식물 세포에 남은 천연 및 인공 화학물질 및 수용성 염은 합해져서 로(furnace)에서 부식 및 지장을 주는 글레이즈를 생성한다. 또한, 남은 수분은 공급원료의 1톤당 열-생성 MMBTU의 에너지 밀도를 낮추어서, 로의 효율을 제한한다. 다수의 바이오매스 재료에 의한 실험을 통해 얻은 100년의 데이터는 모두 점점 더 적은 증분의 벌크 밀도 개선을 달성하기 위해 점점 더 높은 증분의 에너지가 필요하다는 결론을 지지한다. 따라서, 식물 세포를 함유하는 재료를 포함하는 광범위한 종류의 공급원료인 유기-탄소-함유 공급원료를 가공하는 지방자치제의 폐기물 시설은 일반적으로 자치제 돈이 나가게 하는 에너지 부족 방식으로 운영된다. 유사하게, 폐기물이 석탄 또는 석유에 대한 효과적인 대체물이게 하도록, 유기-탄소-함유 공급원료의 일반 조건 하에 또한 포함된, 농업 폐기물을 가공하는 데 필요한 에너지는 일종의 정부 자회사 없이 상업적이지 않고, 물 또는 수용성 염 중 어느 하나 또는 둘 다의 만족스럽지 못한 수준을 일반적으로 함유한다. 상업적으로 성공적이기에 충분한 큰 용적의 이러한 공급원료를 적합하게 제조하기 위한 비용은 고가이고 현재 비경제적이다. 또한, 상업적으로 유용하기에 충분한 용적으로 이용 가능한 적합한 식물-세포-함유 공급원료는 종래의 공정에 의해 불리한 파울링(fouling) 및 오염 시나리오를 발생시키는 수용성 염 함량을 일반적으로 갖는다. 경제적 의미를 만들기에 충분한 양의 에너지 작물을 성장시키기 위한 적합한 지대가 통상적으로 식물 세포에서 높은 수용성 염 함량, 즉 대개 건조 기준으로 4000㎎/㎏ 초과를 발생시키는 위치에서 발견된다.
유기-탄소-함유 공급원료는 고체 재생성 연료 또는 석탄 대체품으로서 시도되었지만, 연소 장비에서 부식, 파울링 및 슬래깅(slagging)에 기여할 수 있는 수용성 염을 일반적으로 함유하고, 보유된 수분으로 인해 아주 많이 석탄보다 상당히 낮게 에너지 밀도를 감소시키는 높은 함수량을 가지므로, 경제적으로 실행 가능하지 않다. 그러나, 가공된 바이오 숯(biochar)이 물 및 수용성 염의 더 실질적인 이의 함량 감소로 비용 효과적이 되는 경우 고체 연료의 깨끗한 재생성 소스이므로, 가공된 바이오 숯에 대한 수요가 여전하다.
더 유리한 특성을 갖는 공정에 의한 고체 부산물은 에너지 및 식품에 대한 계속 증가하는 수요를 만족시키는 데 있어서 중요한 인자이다. 본 발명은 이러한 수요를 충족시키고, 선행 기술에 비해 다양한 이점을 제공한다.
본 발명의 실시형태는 재생성 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터의 조성물 및 공정에 관한 것이다. 상기 조성물은 고체 재생성 탄소 연료인 가공된 바이오 숯 조성물이고, 이 연료의 특징은 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 포함한다. 상기 조성물은 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 선광 하위시스템(beneficiation sub-system)에 의해 재생성 공급원료로부터의 가공된 공급원료로 전환하고, 마이크로파 하위시스템에 의해 가공된 바이오 숯으로 전환하도록 구성된 시스템에 의해 제조된다.
고체 재생성 연료 조성물을 제조하는 공정은 3개의 단계를 포함한다. 제1 단계는, 제1 하위시스템 및 제2 하위시스템을 포함하는 시스템으로, 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스, 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로 투입하는 것이다. 제2 단계는, 선광 하위시스템 공정인, 제1 하위시스템을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜 20중량% 미만의 함수량 및 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하는 것이다. 제3 단계는, 마이크로파 하위시스템 공정인 제2 하위시스템을 통해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 수용성 염을 갖는 고체 재생성 연료 조성물을 생성하는 것이다.
본 발명은 예를 들어 전기를 만들기 위해 사용된 석탄 소성 보일러 등과 같은 열을 생성하기 위해 공급원료로서 석탄을 사용하는 장치에 대한 적합한 깨끗한 석탄 대체물인 가공된 바이오 숯이다. 가공된 바이오 숯의 낮은 염 함량은 오늘날 통상적인 장치의 불리한 부식성 마모 및 유지 세정을 실질적으로 감소시킨다. 가공된 바이오 숯을 만들기 위해 사용된 선광된 유기-탄소-함유 공급원료의 균일한 낮은 함수량 및 균일한 높은 에너지 밀도는 매우 다양한 재생성 유기-탄소-함유 공급원료가 비용 효과적인 방식으로 공정의 마이크로파 구획에서 사용되게 한다. 상기 공정의 선광 구획 동안, 수용성 염의 실질적인 감소는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 후속하는 사용에 의해 생기는 불리한 결과를 감소시킨다. 또한, 본 발명에 의해 상기 기재된 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터의 물을 20중량% 미만의 함량으로 제거하고 수용성 염의 실질적인 양을 제거하는 데 필요한 에너지는 종래 공정에 대해 상당히 더 적다. 몇몇 실시형태에서, 선광된 공급원료의 중량당 전체 비용은 후속하는 연료 제조 조작에서 사용하기 위한 재생성 유기-탄소-함유 공급원료를 제조하기 위해 공지된 기계 공정, 물리화학 공정 또는 열 공정에 의해 유사한 업무를 수행하는 비용의 적어도 60%로 감소한다.
상기 요약은 본 발명의 각각의 실시형태 또는 모든 실행을 기술하도록 의도되지는 않는다. 이점 및 성과는, 본 발명의 더 완전한 이해와 함께, 수반된 도면과 함께 취한 하기 상세한 설명 및 청구항을 참조함으로써 명확해지거나 이해될 것이다.
도 1은 세포벽에서의 피브릴, 미세피브릴 및 셀룰로스의 배열을 나타내는 세포벽의 구역의 확대도를 갖는 통상적인 식물 세포의 다이어그램;
도 2는 미세피브릴을 함유하고 헤미셀룰로스 및 리그닌의 가닥에 의해 연결된 피브릴을 나타내는 2차 식물 세포벽에서의 2개의 피브릴의 부분의 투시 측면도의 다이어그램;
도 3은 물 및 수용성 염이 식물 세포 내에 및 외에 있는 것을 나타내는 버개스(bagasse) 섬유의 단면의 횡단면도의 다이어그램;
도 4는 선광 하위시스템에서의 반응 챔버의 실시형태의 측면도의 다이어그램;
도 5a는 선광 하위시스템에서의 압력 플레이트의 다양한 실시형태의 정면도의 다이어그램;
도 5b는 도 5a에 도시된 압력 플레이트의 일 실시형태의 클로즈업의 투시도;
도 5c는 유체 벡터 및 유체 벡터에 노출된 속(pith)의 입자를 갖는 압력 플레이트의 중앙 아래의 횡단면도를 나타내는 다이어그램;
도 6a는 리그노셀룰로스 피브릴에 대한 통상적인 응력-변형률 곡선의 그래프 예시도;
도 6b는 통상적인 유기-탄소-함유 공급원료의 함수량을 감소시키고 벌크 밀도를 증가시키는 데 필요한 압력 및 에너지의 그래프 예시도;
도 6c는 벌크 밀도 승수를 달성하는 데 필요한 에너지 요구량 승수의 그래프 예시도;
도 6d는 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 맞춤조정된 본 발명의 실시형태에 의한 유기-탄소-함유 공급원료에서의 함수량을 감소시키기 위한 압력 사이클의 예의 그래프 예시도;
도 7은 공지된 공정과 비교하여 본 발명의 선광 하위시스템의 실시형태에 의해 유기-탄소-함유 공급원료로부터 적어도 75중량%의 수용성 염을 제거하고, 함수량을 50중량%로부터 12중량%로 감소시키는 데 필요한 예측된 에너지 소비를 예시하는 표;
도 8은 병렬의 4개의 반응 챔버, 전처리 챔버(pretreatment chamber) 및 증기 응축 챔버를 갖는 선광 하위시스템의 실시형태의 측면도의 다이어그램;
도 9a 및 도 9b는 유기-탄소-함유 재료를 바이오 숯으로 전환하도록 구성된 마이크로파 하위시스템의 실시형태의 반응 챔버의, 각각, 측면도 및 횡단면도;
도 9c는 마이크로파 하위시스템의 실시형태의 기울어진 반응 챔버의 다이어그램임.
도 9d는 마이크로파 하위시스템의 실시형태의 측면도의 다이어그램임.
도 10a는 물/공기 추출 및 반응 공정을 위한 도 9a 및 도 9b에 예시된 반응 챔버를 사용하는 마이크로파 하위시스템의 실시형태의 블록 다이어그램임.
도 10b는 피드백 제어를 포함하는 마이크로파 하위시스템의 실시형태를 예시한 도면;
도 11a는 1개 이상의 마이크로파-투명 벽을 갖는 원통형 반응 챔버 외부에 배치된 드럼에 배열된 복수의 정지상 마그네트론을 포함하는 마이크로파 하위시스템을 도시한 도면;
도 11b는 반응 챔버의 종축 주위로 회전될 수 있는 마그네트론을 지지하는 드럼을 갖고, 반응 챔버가 이의 종축 주위로 동시에 회전하는, 마이크로파 하위시스템의 실시형태를 예시한 도면;
도 11c는 배플을 포함하는 공급원료 수송 기전에 의한 마이크로파-하위시스템 반응 챔버의 실시형태를 도시한 도면;
도 12는 2차 열원 이외의 회전 마그네트론을 갖는 시스템을 예시한 도면;
도 13은 마그네트론이 반응 챔버의 종축을 따라 이동하고 반응 챔버의 종축 주위로 회전하는 마이크로파 하위시스템을 도시한 도면;
도 14는 20중량% 미만의 함수량 및 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량으로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하기 위한, 선광 하위시스템을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키기 위한 공정의 실시형태의 블록 다이어그램;
도 15는 20중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량으로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염 함량, 및 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 또는 공지된 열 공정으로부터 유사한 제거의 중량당 비용의 60% 미만으로 감소한 수용성 염 및 물을 제거하는 것의 에너지 비용을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하기 위한, 선광 하위시스템을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키기 위한 공정의 실시형태의 블록 다이어그램;
도 16은 선광 하위시스템에 사용된 3가지 유형의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 상대 공정 조건 범위 및 물 및 수용성 염 함량을 나타낸 표;
도 17은 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 갖는 고체 재생성 연료 가공된 바이오 숯을 생성하기 위한, 마이크로파 하위시스템을 통해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키기 위한 공정의 실시형태의 블록 다이어그램.
본 발명이 다양한 변형 및 대안적인 형태에 수정 가능하지만, 세부사항은 예의 방식으로 도면에 도시되어 있고, 하기 자세히 기재될 것이다. 그러나, 본 발명을 기재된 특정한 실시형태로 제한하지 않는 것으로 의도가 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명은 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 해당하는 모든 변형, 균등물 및 대안을 포괄하는 것으로 의도된다.
본 발명의 가공된 바이오 숯은 마이크로파 시스템을 통해 선광된 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키는 것으로부터 제조된 숯이다. 가공된 바이오 숯은 에너지 밀도에서 석탄에 적어도 동등하다. 본 발명의 가공된 바이오 숯은 임의의 염이 미가공된 재생성 바이오매스에서 발견되는 경우, 비효과적이고 덜 제거하는 현재의 바이오매스 공정의 부담 없이, 재생성 소스, 농업용 및 식물 재료로부터 생기는 이점을 갖는다. 본 발명의 몇몇 양상이 논의될 것이다: 바이오 숯, 미가공된 재생성 유기-탄소-함유 공급원료, 선광 하위시스템, 마이크로파 하위시스템, 선광 하위시스템 공정 및 마이크로파 하위시스템 공정.
바이오 숯
재생성 유기-탄소-함유 공급원료로부터 제조된 숯은 본 문헌에서 가공된 바이오 숯이라 칭해진다. 본 발명의 가공된 바이오 숯은 10중량% 미만의 물, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염의 건조 기준으로 60중량% 미만인 수용성 염, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 포함하는 고체 재생성 탄소 연료를 포함한다. 가공된 바이오 숯은 선광 하위시스템에서 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로 전환되고, 이후 마이크로파 하위시스템을 통해 통과한, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 제조된다. 본 문헌에서 사용되는 바대로, 가공된 바이오 숯은 선광된 유기-탄소-함유 공급원료의 탈휘발화의 고체 생성물이다. 본 발명의 가공된 바이오 숯을 제조하기 위해 사용된 유기-탄소-함유 공급원료는 1종 초과의 재생성 공급원료의 혼합물을 함유할 수 있다.
석탄의 경우, 숯은 가벼운 가스 후에 남는 고체 재료이고, 타르는 탄화, 숯화, 탈휘발화 또는 열분해로도 공지된 산소 고갈 연소의 초기 단계 동안 탄소질 재료로부터 제거되거나 방출된다. 가벼운 가스는 예를 들어 석탄 가스, 적은 분량의 비발열 가스, 예컨대 이산화탄소 및 질소와 함께 수소, 일산화탄소, 메탄 및 휘발성 탄화수소를 포함하는 다양한 발열 가스를 함유하는 가연성 가스 연료를 포함한다. 석탄 타르는 페놀, 다환식 방향족 탄화수소(PAH), 및 복소환식 화합물의 복잡하고 다양한 혼합물을 포함하는 매우 높은 점도의 갈색 또는 검정색 액체이다. 반대로, (숯 침착물과 함께 또는 이것 없이) 제한된 양의 산소의 존재 하의 연소는 기화로서 공지되어 있고, 합성가스와 같은 생성물을 제조하도록 사용되고, 통상적으로 숯보다는 애쉬를 생성한다. 이러한 유형의 연소는 가역적 기상의 도달, 물 가스 이동 반응, 가역적 화학 반응(여기서, 일산화탄소는 수증기와 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성함)(일산화탄소와 수소의 혼합물은 합성가스로서 공지됨) 시 신속히 종료한다.
석탄은 수백 만년에 걸쳐 지하에서 이의 형성과 관련된 무기 불순물을 갖는다. 무기 불순물은 연소성이 아니고, 예를 들어 보일러와 같은 상황에서 석탄의 연소 후 애쉬에서 나타나고, 비산회 미립자 재료가 연소 이후 대기로 분사되면서 공기 오염에 기여한다. 무기 불순물은 이의 최종적인 매장 전에 부식하는 바이오매스로 쓸려나가는 점토 광물로부터 주로 생긴다. 불순물의 두 번째 중요한 그룹은 탄산염 광물이다. 석탄 형성의 초기 단계 동안, 탄산철은 결핵체(concretion)(수십 센티미터의 크기까지의 딱딱한 타원형 결절) 또는 석탄에서의 틈의 충전재로서 침전된다. 다른 불순물은 가스 암모니아(NH4) 및 황화수소(H2S)(이는 석탄 내에 포획됨)로의 석탄 형성 동안 화학적으로 환원되는 질소 및 황이다. 그러나, 대부분의 황이 광물 황철석(FeS2)으로 존재하고, 이것은 석탄 용적의 약간의 퍼센트를 차지할 수 있다. 석탄의 연소는 이들 화합물을 산화시켜서, 질소 산화물(N2O, NO, NO2 등) 및 이산화황(SO2)(산성비에 대한 악명 높은 기여자임)을 방출한다. 또한, 미량 원소(수은, 게르마늄, 비소 및 우라늄 포함)는 석탄에서 상당히 농후하고, 이것을 연소시킴으로써 방출되어, 대기 오염에 기여한다.
반대로, 본 발명의 가공된 바이오 숯은 석탄보다 더 깨끗하다. 상기 기재된 불순물은 임의의 상당한 양으로 존재하지 않는다. 특히, 가공된 바이오 숯은 황을 실질적으로 함유하지 않는다. 몇몇 실시형태는 1000㎎/㎏(0.1중량%) 미만 또는 1000백만분율(ppm) 미만, 일부 100㎎/㎏(100ppm) 미만, 일부 10㎎/㎏(10ppm) 미만의 황 함량을 갖는다. 반대로, 석탄은 상당히 더 많은 황을 갖는다. 석탄 중의 황 함량은 4000mg/㎏(0.4중량%) 내지 40,000㎎/㎏(4중량%)의 범위이고, 석탄의 유형에 따라 변한다. 무연탄 중의 통상적인 황 함량은 6000㎎/㎏(0.6중량%) 내지 7700㎎/㎏(0.77중량%)이다. 역청탄 중의 통상적인 황 함량은 7000㎎/㎏(0.7중량%) 내지 40.000㎎/㎏(4중량%)이다. 갈탄 중의 통상적인 황 함량은 약 4000㎎/㎏(0.4중량%)이다. 무연탄은 연소 시 광범위한 사용을 위해 너무 비싸다. 갈탄은 낮은 에너지 밀도 또는 BTU/중량을 갖는 불량한 품질의 석탄이다.
또한, 가공된 바이오 숯은 질산염, 비소, 수은 또는 우라늄을 실질적으로 갖지 않는다. 몇몇 실시형태는 통상적으로 20,000㎎/㎏(2중량%) 초과의 석탄에서의 질산염 함량에 비해 500㎎/㎏(500ppm) 미만, 일부 150㎎/㎏(150ppm) 미만의 질산염 함량을 갖는다. 몇몇 실시형태는 1㎎/㎏ 초과 내지 70㎎/㎏ 초과(1ppm 내지 70ppm)의 석탄 중의 비소 함량에 비해 2㎎/㎏(2ppm) 미만, 일부 1㎎/㎏(1ppm) 미만, 일부 0.1㎎/㎏ 미만 또는 100십억분율(ppb), 및 일부 0.01㎎/㎏(10ppb) 미만의 비소 함량을 갖는다. 몇몇 실시형태는 0.02㎎/㎏(20ppb) 내지 0.3㎎/㎏(300ppb)의 석탄 중의 수은 함량에 비해 무시할만한, 즉 1마이크로그램/㎏(1ppb) 미만의 수은 함량을 갖는다. 유사하게, 몇몇 실시형태는 약 65㎎/㎏(ppm)의 평균을 갖는 20㎎/㎏(20ppm) 내지 315㎎/㎏(315ppm)의 석탄 중의 우라늄 함량 및 약 210㎎/㎏(210ppm)의 평균을 갖는 석탄으로부터의 애쉬 중의 우라늄 함량에 비해 또한 무시할만한, 즉 1마이크로그램/㎏(1ppb) 미만의 우라늄 함량을 갖는다.
다른 형태의 숯이 또한 공지되어 있다. 이들 숯 중 몇몇은 예를 들어 챠콜으로도 공지된 바이오매스의 열분해에 의해 제조된 숯을 포함한다. 챠콜은 예를 들어 조리 및 가열을 위해 열을 생성하기 위한 연소성 연료, 및 농업용 및 원예용 생성물을 성장시키기 위해 사용되는 토양을 비료화하기 위한 미네랄을 제공하기 위한 토양 개량을 포함하는 다양한 용도를 갖는다. 숯은 또한 산소를 함유하는 외부 분위기에 노출되고 액상을 갖는 열 공정에 의해 제조된 것과 유사한 변화를 갖는 기공을 함유하는 베이컨 조리기구와 유사한 개방 마이크로파 오븐을 통해 바이오매스를 통과시킴으로써 제조된다.
열적인 열 또는 적외선 방사선(IR)에 의해 제조된 숯에서, 열은 임의의 유기-탄소-함유 공급원료의 표면에서 흡수되고, 이후 더 낮은 온도에서 다음 수준으로 재방사된다. IR 방사선이 공급원료의 내부 대부분 부분으로 침투할 때까지 이 공정은 계속해서 반복된다. 공급원료에서의 모든 재료는 이의 표면에서 IR 방사선을 흡수하고, 공급원료를 구성하는 상이한 재료는 상이한 속도로 IR을 흡수한다. 공급원료의 내부 대부분 층 또는 구역과 표면과 사이에 수백 ℃의 델타 온도가 존재할 수 있다. 그 결과, 고체 유기-탄소-함유 공급원료는 휘발되기 전에 액상을 통해 국소로 통과한다. 이 온도 변화는 공급원료의 특징, 가열의 속도 및 열원의 국소화에 따라 종축 방향 및 방사 방향으로 나타날 수 있다. 표면으로부터 공급원료의 내부로의 이 가변적인 열 전달은 콜드 및 핫 스팟, 열 쇼크, 평평하지 않은 표면 및 내부 확장 균열, 단편화를 발생시키고, 표면 재료를 몰아내고, 에어로졸을 생성할 수 있다. 이들 모두는 많은 상이한 최종 생성물의 생성에 의해 부반응을 야기하는 미세환경을 발생시킬 수 있다. 이 부반응은 공급원료에서 생성될 뿐만 아니라, 또한 공급원료로부터 증발하고 수집되기 전에 내부 반응기 환경에서 증기 공간을 점유하는 휘발성 물질에서 생성된다.
열분해인 흔한 IR 방사선 공정은 저/무산소 환경에서 바이오매스를 가열함으로써 바이오매스로부터 바이오 숯, 액체 및 가스를 생성한다. 산소의 부재는 연소를 방지한다. 열분해로부터의 생성물의 상대 수율은 온도에 따라 변한다. 400-500℃(752-932℉)의 온도는 더 많은 숯을 생성하는 반면, 700℃(1,292℉) 초과의 온도는 액체 및 가스 연료 성분의 수율을 선호한다. 열분해는 더 높은 온도에서 더 빨리 발생하여서, 통상적으로 시간 대신에 초를 요한다. 통상적인 수율은 60%의 바이오-오일, 20%의 바이오 숯 및 20%의 유기 휘발성 물질이다. 화학량론적 산소 농도의 존재에서, 고온 열분해는 또한 기화로 공지되어 있고, 주로 합성가스를 생성한다. 비교하면, 느린 열분해는 약 50%의 차수로 실질적으로 더 많은 숯을 생성할 수 있다.
상기 공정 모두에서, 모든 재생성 유기-탄소-함유 공급원료 중에 있는 수용성 염은 제거되지 않는다. 이는 연소된 숯에서의 애쉬 함량의 증가, 부식 및 슬래깅으로부터의 마모 및 유지 비용의 증가, 연소 동안의 불순물의 점성 잔류물의 침착의 불리한 효과를 갖는다. 반대로, 본 발명의 가공된 바이오 숯을 제조하기 위한 공정은 대부분의 물 및 수용성 염을 제거하기 위해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 가공하기 위한 선광 하위시스템, 및 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 균일한 다공성 숯으로 전환하기 위한 마이크로파 하위시스템을 이용하였다.
열 공정과 반대로, 본 발명의 가공된 바이오 숯을 제조하는 공정은 본 명세서에 기재된 산소 고갈 마이크로파 공정 시스템으로부터 마이크로파 방사선을 이용한다. 마이크로파 방사선에 의해, 공급원료의 고체 부분은 마이크로파 방사선에 거의 투명하고, 대부분의 마이크로파 방사선이 바로 통과한다. 고체 공급원료의 작은 흡수 횡단면과 반대로, 가스 및 액체 물은 마이크로파 방사선을 강하게 흡수하여 물 분자의 회전 및 비틀림 진동 에너지를 증가시킨다. 따라서, 존재하는 가스 및 액체 물은 마이크로파에 의해 가열되고, 이 물 분자는 후속하여 고체 공급원료를 간접적으로 가열시킨다.
그래서, 마이크로파 방사선장에 처리된 임의의 공급원료는, 물리적 치수 및 공급원료의 함량이 무엇이든지, 내부에서 외부로 균등하게 방사선에 노출된다. 마이크로파에 의해, 방사선은 가열되는 물 분자에 의해 우선적으로 흡수된다. 이 열은 이후 둘러싼 환경으로 전달되어서 공급원료가 균등하게 및 완전히 가열되게 한다.
유리 물 및 세포간 물이 모두 증발될 때, 마이크로파의 일부는 남은 공급원료에 의해 흡수되고, 마이크로파 방사선이 수회 공급원료를 통해 통과하게 하는 반사용 봉합체 내에 이것을 추가로 가열시키기 시작한다. 마이크로파 방사선은 IR 및 열 가열보다 낮은 온도에서 공급원료의 전환을 완료하고, 더 짧은 시간 동안 발생할 수 있다. 조작 온도 감소는 ℃ 기준으로 10 내지 30% 더 낮은 범위일 수 있고, 가열 시간은 특정한 공급원료의 유사한 정도의 분해를 실행하기 위해 IR 방사선에 의해 필요한 시간의 1/2 내지 1/10과 동일한 분량으로 감소할 수 있다. 이들 모두는 내부로부터 균등하게 가열된 공급원료를 발생시킬 수 있어서, 미세환경이 감소하고, 부반응이 더 적고, 수집하는 휘발성 물질이 더 깨끗하다.
반응 챔버 내의 분위기는 외부로 공급된 산소를 포함하지 않는다. 몇몇 실시형태에서, 분위기는 예를 들어 질소와 같이 불활성이다. 몇몇 실시형태에서, 분위기는 반응 챔버에 진입하기 전에 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 이전에 완전히 제거되지 않은 소량의 물을 함유할 수 있다.
본 명세서에 기재된 마이크로파 공정 시스템으로부터의 생성된 가공된 바이오 숯은 조사된 가공된 유기-탄소-함유 탄화수소 공급원료의 탈휘발된 탄소 잔류물이다. 본 명세서에 기재된 마이크로파 시스템은 더 많은 물을 함유하지 않는 유기-탄소-함유 공급원료가 반응 챔버에 진입할 때 이 공급원료를 가공할 수 있다. 그러나, 물 또는 물 회합 분자가 존재할 때 전환은 더 효과적이고, 즉 속도가 더 빠르고 더 낮은 온도에 있다. 유기물-함유 공급원료가 반응 챔버로 진입하면서 이 공급원료 중의 함수량이 적어도 5중량% 및 15중량% 미만일 때 약간 효과적인 전환이 발생한다. 물이 적어도 6중량% 및 12중량% 미만일 때 몇몇이 발생한다. 본 문헌의 목적을 위해, 물은 유리 물, 간질성 물, 세포 물, 및 다른 분자와 조합되어 수화된 화합물을 형성할 수 있는 물 부분을 포함한다. 마이크로파에 대한 공급원료의 초기 노출 동안, 공급원료 입자의 용적을 통한 물의 균일한 가열은 더 많고 더 균일한 기공을 생성시킨다. 가공된 유기-탄소-함유 공급원료가 물을 함유하므로, 하기 설명은 이 공급원료에 주목할 것이다. 그러나, 물을 함유하지 않지만 덜 효과적인 것에 유사한 결과가 생길 수 있다.
상기 공정의 마이크로파 방사선에 의해 제조된 가공된 바이오 숯은 상기 기재된 바와 같이 IR 방사선에 의해 가공된 유사한 공급원료와 비교할 때 몇몇 개선된 특징을 갖는다. 첫째로, 가공된 바이오 숯은 유사한 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 사용하는 현재의 공정으로부터 제조된 것보다 상당히 더 적은 염을 함유한다. 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 및 이에 따라 생성된 가공된 바이오 숯에서의 염은 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한다. 그 결과, 연소 동안 애쉬를 형성하는 염이 더 적으므로, 생성된 가공된 바이오 숯의 고정 탄소는 더 높고, 애쉬 함량은 더 적다. 또한, 보일러에서의 염의 불리한 효과가 감소하고, 마모가 더 느려지며, 설비의 유지 세정이 덜 빈번하고 덜 어렵다.
둘째로, 실질적으로 모든 유리 물이 마이크로파 공정 동안 완전히 표면으로부터 중앙으로 균등하게 제거되므로, 기공 수 및 기공 크기는 더 크고, 가공된 바이오 숯을 통한 변화는 IR 공정에서 유사한 공급원료에 의해 제조된 숯에 대해 더 적다. 몇몇 실시형태는 10% 초과의 기공 수를 갖고, 일부는 20% 초과의 기공 수를 갖고, 일부는 30% 초과의 기공 수를 갖고, 일부는 40% 초과의 기공 수를 갖는다. 몇몇 실시형태는 10% 초과의, 기공의 평균 직경으로 측정된, 기공 크기를 갖고, 일부는 20% 초과의 기공 크기를 갖고, 일부는 30% 초과의 기공 크기를 갖고, 일부는 40% 초과의 기공 크기를 갖는다. 몇몇 실시형태는 10% 미만의 기공 수 변화를 갖고, 일부는 5% 미만의 기공 수 변화를 갖는다. 몇몇 실시형태는 10% 미만의 기공 크기 변화를 갖고, 일부는 5% 미만의 기공 크기 변화를 갖는다. 증가한 기공 밀도, 크기 및 분포의 결과로서, 표면 대 용적 비는 몇몇 실시형태의 경우 IR 공정에 의해 유사한 공급원료로부터 제조된 숯에 대해 적어도 4배이다. 몇몇 실시형태에서, 표면 대 용적 비는 적어도 6배, 일부에서 적어도 8배, 일부에서 적어도 10배, 및 일부에서 적어도 15배 증가한다. 마이크로파 공정 시스템의 반응기 조건은 특정한 공급원료에 대해 원하는 기공 밀도, 크기 및 분포를 생성하도록 제어될 수 있다. 더 우수한 다공도 특징의 일 예는 가공된 바이오 숯이 IR에 의한 동일한 공급원료의 숯보다 토양에서 더 우수한 수화 특징을 갖는다는 것이다.
셋째로, 가공된 바이오 숯은 IR 공정에 의해 유사한 공급원료로부터 제조된 것보다 더 적은 휘발성 물질을 함유한다. 탈중합 온도 동안 존재하는 휘발성 물질은 탄소와 불리한 반응을 야기하여 원하는 액체 연료 및 본 발명의 가공된 바이오 숯 이외의 화합물을 형성한다. 또한, 가공된 바이오 숯에서의 휘발성 물질은 생성된 바이오 숯에서의 고정 탄소를 감소시킴으로써 가공된 바이오 숯의 가열 함량을 감소시킨다. 본 발명에서, 가공된 바이오 숯은 응축 가능한 가스 및 증기 및 응축 불가한 가스 및 증기가 완전히 탈휘발된다. 몇몇 실시형태에서, 가스 및 증기의 함량은, 적어도 10중량%의 휘발성 함량에 의한 IR 공정에 의해 유사한 공급원료에 의해 제조된 숯에 비해, 적어도 95중량% 감소하고, 몇몇 실시형태에서 이것은 적어도 97중량% 감소하고, 일부에서 이것은 적어도 99중량% 감소한다. IR 공정에 의한 숯에 비해 본 발명의 가공된 바이오 숯에서의 불리한 부식성 화합물의 더 적은 함량으로 인해, 이것은 가공된 바이오 숯 분야, 예컨대 제강, 기화를 위한 코크스 대체물, 및 연소 분야, 예컨대 보일러에서 바람직하다.
넷째로, 가공된 바이오 숯은 IR 공정에 의해 동일한 공급원료에 의해 제조된 숯보다 더 높은 가열 값을 갖는다. 더 우수한 탈휘발화로 인해, 연료로서의 가공된 바이오 숯의 연소를 수반하는 추후의 사용 동안 휘발성 물질 및 탄소에 의한 부반응이 더 적다. 따라서, IR 공정에 의해 가공된 유사한 공급원료로부터의 숯에서보다 본 발명의 가공된 바이오 숯에서 더 높은 정도의 고정 탄소가 잔류할 수 있다. 고정 탄소 함량은 몇몇 실시형태에서 적어도 5중량%, 몇몇 실시형태에서 적어도 10중량%, 몇몇 실시형태에서 적어도 15중량%, 및 몇몇 실시형태에서 적어도 20중량% 증가한다. 이 고정 탄소의 증가는 동일한 공급원료로부터 제조되지만 IR 공정에 의해 가공된 숯에 비해 본 발명의 가공된 바이오 숯의 몇몇 실시형태의 열 함량을 증가시킬 수 있다. 열 함량은 사용된 유기-탄소-함유 공급원료의 유형에 의해 영향을 받고, 일반적으로 IR 방법에 의해 가공된 유사한 유기-탄소-함유 공급원료에 대해 6,000Btu/ℓb(14MJ/㎏) 미만 내지 10,000Btu/ℓb(23MJ/㎏) 미만과 비교하여 적어도 10,000Btu/ℓb(23MJ/㎏) 내지 14,000Btu/ℓb(33MJ/㎏) 초과 범위이다. 몇몇 실시형태에서, 가공된 바이오 숯의 열 함량은 IR 공정에 의한 동일한 공급원료로부터의 숯에 비해 적어도 20%, 일부에서 적어도 30%, 일부에서 적어도 40%, 일부에서 적어도 50%, 일부에서 적어도 60%, 및 일부에서 적어도 70% 증가한다. 또한, 감소한 양의 휘발성 물질로 인해, 본 발명의 가공된 바이오 숯은 IR 공정에 의해 유사한 공급원료로 제조된 숯에 의해 보이는 것보다 더 적은 불꽃으로 가시적인 연기 없이 연소할 수 있다. 몇몇 실시형태의 경우, 불꽃은 적어도 5% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 10% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 15% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 20% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 25% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 30% 미만, 몇몇 실시형태의 경우 적어도 35% 미만, 및 몇몇 실시형태의 경우 적어도 40% 미만일 수 있다.
본 발명의 숯을 제조하기 위해 사용된 유기-탄소-함유 공급원료는 1종 초과의 재생성 공급원료의 혼합물을 함유할 수 있다.
미가공된 유기-탄소-함유 공급원료
헤미셀룰로스 및 리그닌 중합체 가닥에 의해 상호직조된 셀룰로스 다발은 수분을 보유하는 데 있어서 식물이 능숙하게 하고 강하게 만드는 스터프(stuff)이다. 셀룰로스는 수 십억 년에 걸쳐 열, 화학물질 또는 미생물에 의해 분해되는 것에 저항하도록 진화되었다. 식물 세포벽에서, 미세피브릴에서의 셀룰로스 분자의 다발은 인장 강도를 갖는 벽을 제공한다. 셀룰로스 미세피브릴의 인장 강도는 110㎏/㎟만큼 높거나, 실험실 조건에서의 가장 강한 강의 대략 2.5배이다. 셀룰로스가 습윤될 때, 세포벽에서처럼, 이의 인장 강도는 신속히 감소하여서, 기계적 지지를 제공하는 이의 능력을 상당히 감소시킨다. 그러나, 생물학적 시스템에서, 셀룰로스 골격은 방수 및 강화 재료로서 작용하는 펙틴, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 매트릭스에 임베딩된다. 이것은 경제적인 의미를 만들기에 충분히 빠르게, 충분히 저렴하게, 또는 충분히 큰 규모로 재생성 셀룰로스 함유 바이오매스로부터 연료를 제조하는 것이 어렵게 만든다. 본 명세서에 사용된 바대로, 유기-탄소-함유 재료는 50년 미만에 재생될 수 있는 재생성 식물 함유 재료를 의미하고, 식물 재료, 예를 들어 초본 재료, 예컨대 벼과, 에너지 작물, 및 농업용 식물 폐기물; 목재 재료, 예컨대 나무 부분, 다른 목재 폐기물, 및 목재로부터 제조된 폐기 물품, 예컨대 파괴된 가구 및 침목(railroad tie); 및 비소화된 식물 세포를 함유하는 동물 재료, 예컨대 동물 거름을 포함한다. 공정에서 공급원료로서 사용되는 유기-탄소-함유 재료는 유기-탄소-함유 공급원료라 불린다.
재생성 바이오매스라 또한 칭하는, 미가공된 유기-탄소-함유 재료는 상기 기재된 바대로 유기 재료의 광범위한 어레이를 포함한다. 미국이 단독으로 1년간 10억 톤의 유기-탄소-함유 재료를 생성하는 것으로 예측된다. 본 문헌에서 사용되는 것처럼, 선광된 유기-탄소-함유 공급원료는 수분 함량이 감소하고, 상당한 양의 용해된 염이 제거되고, 재료의 에너지 밀도가 증가한 가공된 유기-탄소-함유 공급원료이다. 이 가공된 공급원료는 예를 들어 액체 탄화수소 연료, 석탄을 대신하는 고체 재생성 연료, 및 천연 가스를 대체하는 합성 재생성 바이오가스를 포함하는 몇몇 에너지 생성 생성물을 제조하는 공정에 대한 유입으로서 사용될 수 있다.
유기-탄소-함유 공급원료를 제조하는 사업에서의 모든 사람이 기억하는 것처럼, 에너지 균형은 가장 중요한 미터법이다. 유기-탄소-함유 공급원료를 선광시키기 위해 사용된 에너지의 양 및 이에 따른, 이 에너지의 비용은 처음으로 선광 공정에 의해 실현된 전체 개선에 의한 상쇄에 의해 실질적으로 상쇄될 수 있다. 상당한 양의 수용성 염의 동시 제거가, 이전에 사용 불가한 유기-탄소-함유 공급원료가 보일러와 같은 몇몇 공정에 대한 연료 대체물로서 사용 가능하게 만들지 않는 한, 예를 들어, 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 열 함량을 1000 BTU만큼 개선하기 위한 1000BTU의 약속은, 모든 다른 것이 동일하다면, 경제적인 의미를 만들지 않는다.
본 명세서에 사용된 바대로, 유기-탄소-함유 공급원료는 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 물-염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 셀룰로스 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량은 건조 기준으로 적어도 4000㎎/㎏이다. 다른 실시형태에서, 염 함량은 1000㎎/㎏ 초과, 2000㎎/㎏, 또는 3000㎎/㎏일 수 있다. 함량은 토양에 따라 주로 달라지고, 여기서 유기-탄소-함유 재료가 성장한다. 지대가 비옥하고 상업용 분량으로 에너지 작물을 성장시키기 위해 지대 이용을 더 가능하게 하는 구역은 4000㎎/㎏ 초과의 수용성 염 함량을 갖는 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하는 알칼리 토양을 대개 갖는다.
수용성 염은 연료를 생성하기 위해 유기-탄소-함유 공급원료를 사용하는 공정에서 바람직하지 않다. 염은 연소될 때 부식, 파울링 또는 슬래깅을 통해 설비의 운영 기간을 짧게 하는 경향이 있다. 몇몇 보일러는 연료 중의 염의 농도를 1500㎎/㎏ 미만으로 제한하는 표준을 갖는다. 이것은 보일러에 대한 연료의 이용률과 설비를 세정하고 부품을 대체하는 빈도의 비용 사이의 균형을 발견하는 것이다. 경제적인 경우, 더 적은 염이 바람직할 것이다. 사실, 선광을 통한 염 감소는 보일러에서의 염이 적재된 바이오매스(예를 들어, 호깅된 연료, 메스키트 및 피니언-주니퍼)의 사용을 위한 가능한 기술이다. 염은 또한 촉매를 빈번히 오염시키고, 유리한 연료를 생성하기 위해 사용된 공정에서의 박테리아 또는 효소 사용을 저해한다. 몇몇 염 농도가 관용적이지만, 바람직하게는 염 수준은 경제적으로 실행 가능할 만큼 낮아야 한다.
수용성 염 및 다양한 형태의 물이 식물 세포에서 다양한 구역에 위치한다. 본 명세서에 사용된 바대로, 식물 세포는 피브릴 내에 미세피브릴 다발을 포함하고, 세포내 물 및 세포내 수용성 염을 포함하는 세포벽으로 이루어진다. 도 1은 세포벽에서의 피브릴, 미세피브릴 및 셀룰로스의 배열을 나타내는 이의 세포벽의 구역의 확대도를 갖는 통상적인 식물 세포의 다이어그램이다. 식물 세포(100)는 피브릴(130)을 나타내도록 확대된 세포벽(120)의 단면으로 도시되어 있다. 각각의 피브릴은 셀룰로스(150)의 가닥을 포함하는 미세피브릴(140)로 이루어진다. 셀룰로스의 가닥은 약간의 정도의 순서화 및 이에 따른 결정도를 지닌다.
식물 세포는 1차 세포벽 및 2차 세포벽을 갖는다. 2차 세포벽은 식물의 유형에 따라 두께가 변하고, 식물 재료의 강도의 대부분을 제공한다. 도 2는 미세피브릴을 함유하고 헤미셀룰로스 및 리그닌의 가닥에 의해 연결된 피브릴을 나타내는 2차 식물 세포벽에서 함께 다발화된 2개의 피브릴의 부분의 투시 측면도의 다이어그램이다. 식물 세포벽(200)의 단면은 많은 피브릴(210)로 이루어진다. 각각의 피브릴(210)은 셀룰로스 미세피브릴(230)의 응집체를 둘러싸는 잎집(220)을 포함한다. 피브릴(210)은 헤미셀룰로스(240) 및 리그닌(250)의 상호직조된 가닥에 의해 함께 결합한다. 세포내 물 및 세포내 수용성 염을 제거하기 위해, 세포벽(200)의 단면은 헤미셀룰로스(240) 및 리그닌(250)의 가닥의 네트워크로부터의 피브릴의 다발 제거, 가닥의 부분의 탈결정화, 또는 가닥의 부분의 탈중합 중 적어도 하나에 의해 천공되어야 한다.
식물 세포는 세포간 물에 의해 서로 분리된다. 식물 세포의 응집체는, 각각 표면 수분으로도 공지된 유리 물에 의해 외부에서 습윤된 셀룰로스의 벽에 의해, 식물 섬유에서 함께 그룹화된다. 특정한 유기-탄소-함유 공급원료 내에 분포된 물의 양은 재료에 따라 변한다. 일 예로서, 물은 하기와 같이 초본 식물로부터 새로운 버개스에 분포된다: 약 50중량%의 세포내 물, 약 30중량%의 세포간 물, 및 약 20중량%의 유리 물. 버개스는 사탕수수 또는 수수 줄기가 분쇄되어 이의 주스를 추출한 후에 남은 섬유질 물질이다.
도 3은 물 및 수용성 염이 식물 세포의 내부 및 외부에 남은 것을 나타내는 버개스의 섬유 단면의 횡단면도의 다이어그램이다. 식물 세포(300)의 응집체를 갖는 섬유는 외부 셀룰로스 벽(320)에서의 표면 수분(310)으로 도시되어 있다. 섬유(300) 내에 세포간 물(340)에 의해 분리된 개별적인 식물 세포(330)가 있다. 각각의 개별적인 식물 세포(330) 내에 세포내 물(350) 및 세포내 수용성 염(360)이 있다.
유기-탄소-함유 공급원료를 선광시키는 종래 방법은 열 공정, 기계 공정 및 물리화학 공정을 포함한다. 열 방법은 열분해 및 반탄화를 포함하는 열 처리를 포함한다. 열 방법은 비말동반된 염을 효과적으로 제거하지 않고, 이를 농축시키도록 오직 작용한다. 따라서, 열 공정은 많은 에너지 생성 생성물, 예컨대 석탄 및 석유 등에 대한 연료 대체물로서 사용된 유기-탄소-함유 공급원료의 생성에 허용 가능하지 않다. 추가로, 모든 종래 열 방법은 에너지 집약적이어서, 양호하지 않은 전체 에너지 균형을 발생시키고, 이에 따라 재생성 에너지원으로서의 유기-탄소-함유 공급원료의 상업용 사용을 경제적으로 제한한다.
압력 압출 또는 치밀화로 또한 칭하는, 기계적 방법은 물 및 수용성 염이 유기-탄소-함유 재료로부터 강제적으로 압출되는 2개의 별개의 공정으로 분할될 수 있다. 이 2개의 공정은 세포간 및 세포내 압출이다. 세포간 물 및 세포간 수용성 염의 압출은 유기-탄소-함유 재료의 새로움, 입자 크기, 초기 수분 함량 및 다양한 유기-탄소-함유 재료에 따라 보통의 압력에서 발행한다. 50중량% 내지 60중량%의 수분 함량을 갖는 새로 절단된 초본 유기-탄소-함유 공급원료의 적절한 크기의 입자는 1,000psi만큼 낮은 압력에서 세포간 수분을 압출하기 시작할 것이고, 과도한 압력이 수분을 식물 세포로 강제할 때까지(본질적으로 세포내 수분이 됨) 계속될 것이다.
치밀화가 진행되면서, 세포내 물 및 세포내 수용성 염을 압출하도록 시도하는 데 더 높은 압력 및 이에 따른 더 높은 에너지 비용이 필요하다. 그러나, 질긴 세포벽은 바이오매스 재료에 기계적 강도를 제공하고, 구조 통합성의 손실 없이 높은 압력을 견딜 수 있다. 또한, 더 약한 세포벽을 갖는 초본 재료에서 더 흔한 불투과성 펠트의 형성이 역치 압력 초과의 상이한 초본 바이오매스 재료의 압밀 동안 관찰되었다. 이 방법은 에너지 집약적이다. 또한, 이것은 오직 건조 기준으로 50%까지의 수용성 염을 제거할 수 있고(세포내 염이 남음), 함수량을 30중량% 미만으로 감소시킬 수 없다.
펠트는 긴 섬유가 위브(weave)를 형성하고 속의 매우 작은 입자에 의해 함께 결합할 때 형성된다. 속은 식물에서 발견되는 조직이고 연질의, 스펀지 유조직 세포로 이루어지고, 이 세포는 식물에 걸쳐 수용성 영양소를 저장하고 수송한다. 속 입자는 물에서의 그 자체의 중량의 50배를 보유할 수 있다. 압밀 동안 발휘된 압축 힘이 형성하는 펠트로 물을 강제하면서, 비말동반된 속 입자는 이의 용량까지 수분을 수집한다. 그 결과, 임의의 펠트의 수분 함량은 90%에 근접할 수 있다. 펠트가 압밀 동안 형성될 때, 인가된 힘과 무관하게, 압밀된 바이오매스의 전체 수분 함량은 형성되지 않은 펠트에서 달리 갖는 적보다 실질적으로 더 높을 것이다. 펠트는 압밀 장치의 출구 포트, 및 인가된 힘에 직각인 분절을 막고, 물은 압밀 장치로부터의 축출로부터 차단된다. 펠트는 또한 물이 식물 섬유 및 식물 세포를 통해 통과하는 것을 차단하여서, 세포벽 기공을 통해 몇몇 식물 세포로 다시 통과하는 약간의 물을 발생시킨다. 또한, 이것은 오직 건조 기준으로 50%까지의 수용성 염을 제거할 수 있고, 함수량을 30중량% 미만으로 감소시킬 수 없다.
물리화학 방법은 치밀화된 바이오매스의 품질을 실질적으로 개선하면서 원하는 벌크 밀도를 달성하도록 압밀 동안 필요한 에너지의 양을 또한 감소시키기 위해 압밀 전에 유기-탄소-함유 공급원료의 화학 전처리 및 압력 감압을 포함한다. 화학적으로, 바이오매스는 관련 식물 재료의 2차 세포벽에 위치한 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌을 주로 포함한다. 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 가닥은 리그닌에 의해 가교결합되어서, 리그닌-탄수화물 복합체(lignin-carbohydrate complex: LCC)를 형성한다. LCC는 세포내 물의 제거에 대한 소수성 장벽을 생성한다. 너무 많은 유기-탄소-함유 재료를 가용화시키는 제지 펄핑 공정 이외에, 종래 전처리는 산 가수분해, 스팀 폭발, AFEX, 알칼리 습식 산화 및 오존 처리를 포함한다. 이들 공정은 모두, 조심스럽게 조작되지 않으면, 생성물 중량 기준당 비용에서 고가일 수 있고, 건조 중량 기준으로 25% 초과의 수용성 염을 제거하도록 설계되지 않는다.
또한, 유기-탄소-함유 재료로부터 일반적으로 얻어질 수 있는 에너지 밀도는 이의 유형, 즉 초본, 연재 및 경재에 따라 달라진다. 현재의 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 에너지 밀도가 식물 재료의 유형에 의해 크게 변하므로, 또한 후속하는 용도에서의 혼합 유형, 예컨대 전력 플랜트를 위한 연료는 일반적으로 바람직하지 않다.
상기 기재된 바대로, 식물 재료는 각각 특정한 물 보유 기전을 갖는 3가지 하위종류, 초본, 연재 및 경재로 추가로 세분될 수 있다. 모든 식물 세포는 1차 세포벽 및 2차 세포벽을 갖는다. 이전에 언급된 바대로, 재료의 강도는 1차 세포벽이 아니라 2차 세포벽으로부터 주로 생긴다. 평평한 연재 재료에 대한 2차 세포벽은 초본 재료에 대한 것보다 두껍다.
초본 식물은 상대적으로 약한 벽의 식물이고, 옥수수를 포함하고, 약 10 내지 15 피트(약 3 내지 5미터(M)) 미만의 최대 높이를 갖는다. 모든 식물이 속 입자를 함유하지만, 초본 식물이 상대적으로 약한 세포벽을 가지므로, 이 식물은 벌룬과 같은 물을 보유하는 식물 세포 내의 높은 농도의 속 입자를 통해 이의 수분의 대부분을 보유한다. 압력은 벌룬을 단지 변형시키고, 식물이 이의 물을 포기하도록 야기하지 않는다. 초본 식물은 세포내 물로서 이의 물의 약 50%를 갖고, 톤당 약 5200만 BTU(MMBTU/톤) 또는 미터 톤당 6기가주울(GJ/MT)에서 미가공된 재료의 에너지 밀도를 갖는다. 비교하면, 흑연 형태의 순수한 탄소는 28MMBTU/톤(33GJ/MT)의 에너지 밀도를 갖고, 무연탄은 약 21MMBTU/톤(25GJ/MT)의 에너지 밀도를 갖는다.
연재 재료는 초본 식물보다 더 튼튼한 식물이다. 연재 재료는 소나무를 포함하고, 통상적으로 50피트 내지 60피트(약 15M 내지 18M)의 최대 높이를 갖는다. 이의 식물 세포는 더 질긴 벽을 갖고, 따라서 수분을 보유하기 위해 더 적은 속 입자를 필요로 한다. 연재 재료는 세포내 물로서 이의 물의 약 50%를 갖고, 약 13-14MMBTU/톤(15-16GJ/MT)의 에너지 밀도를 갖는다.
경재 재료는 식물 중 가장 질기고, 참나무를 포함하고, 통상적으로 60피트 내지 90피트(18M 내지 27M)의 최대 높이를 갖는다. 이것은 가장 두꺼운 2차 세포벽을 갖는 셀룰로스 식물 세포를 갖고, 따라서 수분을 보유하기 위해 가장 적은 양의 속 입자를 필요로 한다. 경재 재료는 세포내 물로서 이의 물의 약 50%를 갖고, 약 15MMBTU/톤(18gJ/MT)의 에너지 밀도를 갖는다.
에너지 산업이 상업용 대안 또는 부 연료원으로서 유기-탄소-함유 재료를 사용하도록 허용하는 시스템 및 방법에 대한 에너지 산업에서의 수요가 존재한다. 상업용 규모로 재생성 유기-탄소-함유 재료를 성장시키기 위해 이용 가능한 많은 지대는 또한 통상적으로 적어도 4000㎎/㎏의 수준인 수용성 염의 원하는 함량보다 더 높은 함량을 갖는 유기-탄소-함유 재료를 생성시킨다. 태평양 북서부에서의 산림 생성물은 대개 인트라코스탈 수로를 통해 수송되어서, 바이오매스를 해양으로부터 염에 노출시킨다. 따라서, 이러한 시스템 및 방법은 적합한 연료 대체물을 제공하기 위해 충분한 수준의 수용성 염을 제거할 수 있어야 한다. 일 예로서, 보일러는 일반적으로 연료에서의 높은 염과 관련된 비싼 유지를 피하기 위해 1500㎎/㎏ 미만의 염 함량을 필요로 한다. 또한, 허용 가능한 에너지 밀도를 달성하기에 충분한 물을 제거하기 위한 에너지 및 이에 따른 비용은 석탄 또는 탄화수소 연료 대체물을 제조하는 공정에서 유기-탄소-함유 재료 공급원료를 적합한 대안으로 만들기에 충분히 낮아야 한다.
다양한 유형의 식물을 취급하고 유사한 에너지 밀도를 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 도달할 수 있는 공정에 대한 수요가 또한 존재한다.
개시된 본 발명은 에너지 산업이 상업용 대안적인 연료원으로서 가공된 유기-탄소-함유 재료를 사용하도록 허용한다. 본 발명의 몇몇 실시형태는 인공 또는 천연인 거의 모든 화학 오염을 제거하고, 전체 함수량을 5중량% 내지 15중량%의 범위의 수준으로 낮춘다. 이는 전기 이용 산업과 같은 산업이 수용성 염의 양의 실질적인 감소와 함께 50중량%까지의 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 대 50중량%의 석탄의 비율로 유기-탄소-함유 공급원료를 블렌딩하고, 석탄 경쟁적 가격으로 석탄과 동일한 MMBTU/톤(GJ/MT) 효율을 즐기도록 허용한다. 문헌은 30%까지의 유기-탄소-함유 공급원료 대 석탄 비율을 기재한다. 최근의 특허 출원 공보인, EP2580307 A2는 열 하의 기계적 압밀에 의한 50%까지의 비율을 기재하지만, 유기-탄소-함유 공급원료에서 수용성 염 함량의 감소가 명확하지 않다. 본 명세서에 개시된 발명은 사용된 각각의 특정한 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 맞춤조정된 조건에 의해 반응 챔버를 통한 실질적인 수용성 염 감소를 명확히 포함한다. 하기 기재된 바대로, 추가의 의도된 세정 하위구획(rinsing subsection) 및 반응 챔버의 압밀 구획(compaction section)에서의 후속하는 프레싱 알고리즘은 특히 높은 함량의 수용성 염을 갖는 유기-탄소-함유 공급원료를 가공하는 데 유리할 수 있어서, 이것은 달리 석탄 보일러에서의 연소에 이용 불가능한 석탄과의 블렌드에서 사용될 수 있다. 이는 또한 예를 들어 호그 연료, 메스키트 및 연필향나무(Eastern red cedar)를 포함한다.
또한, 개시된 본 발명은 각각 맞춤조정된 조건에서 상이한 유형의 유기-탄소-함유 공급원료가 가공되게 허용하여서, 미리 선택된 에너지 밀도를 갖는 가공된 유출을 생성시킨다. 본 발명의 몇몇 실시형태에서, 5.2 내지 14MMBTU/톤(6 내지 16GJ/MT) 범위인 상이한 에너지 밀도를 갖는 1종 초과의 공급원료는 직렬의 반응 챔버로 또는 병렬의 상이한 반응 챔버를 통해 공급될 수 있다. 각각의 유형의 유기-탄소-함유 공급원료가 미리 선택된 맞춤조정된 조건 하에 가공되므로, 본 발명의 시스템의 몇몇 실시형태의 경우 생성된 가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 실질적으로 유사한 에너지 밀도를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 에너지 밀도는 약 17MMBTU/톤(20GJ/MT)이다. 다른 실시형태에서, 이것은 약 18, 19, 또는 20MMBTU/톤(21, 22, 또는 23GJ/MT)이다. 이는 사용된 유형 및 실질적으로 감소한 수용성 함량과 무관하게 유사한 에너지 밀도를 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료와 작업할 수 있는 다운스트림 공정에 대한 엄청난 이점을 제공한다.
본 발명의 공정은 재생성 바이오매스로부터 성공적인 석탄 대체 고체 연료를 생성하기 위해 사용되는 깨끗한 경제적인 재료인 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하기 위한 선광 하위시스템 및 본 발명의 고체 재생성 연료 숯으로 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 전환하기 위한 마이크로파 하위시스템을 이용한다. 제1 하위시스템이 이제 기재될 것이다.
선광 하위시스템
선광 하위시스템은 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제조하기 위해 이용되고, 전송 장치, 적어도 1개의 반응 챔버 및 수집 장치인 적어도 3개의 부재를 포함한다. 본 문헌에서 사용된 바대로, 선광 하위시스템은 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 전환하기 위해 사용된 시스템을 의미한다.
전송 장치인 제1 부재는 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 셀룰로스 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 운송하도록 구성된다. 전송 장치는 반응 챔버에서 공급원료의 일정한 잔류 시간을 얻기 위해 고체 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 운송하기에 적합한 임의의 장치일 수 있다. 전송 장치는 화학 산업에서 널리 공지된 오거(auger)에서 이러한 장치를 포함한다.
미가공된 유기-탄소-함유 공급원료가 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하기 위해 시스템을 통해 통과하면서, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 입자 크기는 에너지 균형을 허용하기에 성공적으로 충분히 작아야 한다. 몇몇 실시형태에서, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 몇몇 공칭 크기에 도달한다. 예를 들어, 에너지 작물 및 농업용 폐기물과 같은 초본 재료는 가장 긴 치수가 1인치(2.5㎝) 미만인 입자 크기를 가져야 한다. 바람직하게는, 대부분의 목재 및 새로 절단된 목재 폐기물은 0.5인치(1.3㎝) 미만의 가장 긴 길이를 가져야 한다. 바람직하게는, 오래된 목재 폐기물, 특히 수지 유형의 목재, 예를 들어 소나무 등은 최적 경제적 결과(여기서, 토출량 및 에너지/화학 소비는 함께 가중됨)를 얻기 위해 0.25인치(약 0.6㎝) 미만의 가장 긴 치수를 갖는 입자 크기를 갖는다.
상기 시스템의 몇몇 실시형태는 반응 챔버 전에 반죽 챔버를 또한 포함할 수 있다. 이 반죽 챔버는 가장 긴 치수로서의 유기-탄소-함유 공급원료의 입자 크기를 1인치(2.5㎝) 미만으로 감소시키도록 구성된다. 이는 유기-탄소-함유 공급원료가 1인치(2.5㎝)보다 큰 가장 긴 치수를 갖는 입자 크기에 도달하게 허용한다.
상기 시스템의 몇몇 실시형태는 세포내 물 및 수용성 염이 셀룰로스성-피브릴로부터 통과하기 위한 통로의 생성을 방해하는 오염물질을 제거하기 위해 전처리 챔버를 또한 포함할 수 있다. 챔버는 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대해 오염물질의 분해를 적어도 개시시키기 위해 시간 기간, 온도 프로파일 및 전처리 용액의 화학 함량을 포함하는 특정한 일련의 조건을 이용하도록 구성된다. 오염물질은 수지, 로진, 글루(glue) 및 크레오소트(creosote)를 포함한다. 임의의 초기의 펠트를 포함하는 고체 슬러리는 1차 최종 생성물인 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에서 결합제로서 사용하기 위해 수집될 수 있다. 별개의 오일은 예를 들어 시더유와 같은 독립형 생성물로서 수집될 수 있다.
반응 챔버인 제2 부재는 적어도 1개의 진입 통로, 적어도 1개의 출구 통로, 및 습식 피브릴 파괴 구획(wet fibril disruption section), 증기 폭발 구획(vapor explosion section) 및 압밀 구획인 적어도 3개의 구획을 포함한다. 습식 피브릴 파괴 구획인 제1 구획은 세포벽의 적어도 일부 구역이 더 침투성이게 하도록 피브릴 다발에서의 셀룰로스 미세피브릴 사이에 리그닌 및 헤미셀룰로스의 적어도 몇몇을 헐겁게 파괴하도록 구성된다. 이는 몇몇 수단 중 적어도 하나에 의해 실행된다. 유기-탄소-함유 공급원료는 식물 피브릴을 투과시키고 리그닌, 헤미셀룰로스 및 LCC 장벽을 파괴하기 위해 적절한 화학물질과 혼합된다. 추가로, 화학 처리는 또한 셀룰로스 피브릴 및/또는 미세피브릴의 부분을 다발 제거하고/하거나, 이것을 탈결정화하고/하거나, 탈중합시킬 수 있다. 바람직하게는, 화학물질은 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 대해 맞춤조정된다. 몇몇 실시형태에서, 화학 처리는 혼화성 휘발성 가스를 함유하는 수용액을 포함한다. 혼화성 가스는 암모니아, 바이카보네이트/카보네이트 또는 산소 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태는 메탄올, 탄산암모늄 또는 탄산의 수용액을 포함할 수 있다. 메탄올의 사용은 예를 들어 선광 화학물질이 피브릴과 더 우수하게 접촉하도록 목본 유기-탄소-함유 공급원료에서 함유된 수지를 용해시키도록 더 높은 목본 함량을 갖는 유기-탄소-함유 공급원료에 바람직할 수 있다. 혼합의 미리 결정된 잔류 시간 후, 유기-탄소-함유 공급원료는 피스톤과 같은 또 다른 수단에 의해 반응 챔버의 다음 구획으로 스팀 추진되거나 운송될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 공정 조건은 25중량% 초과의 리그닌 또는 헤미셀룰로스를 용해시키지 않도록 선택되어야 하는데, 왜냐하면 이들이 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 에너지 밀도에 대한 중요한 기여자이기 때문이다. 상기 시스템의 몇몇 실시형태는, 사용된 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 따라, 적어도 135℃, 적어도 165℃, 또는 적어도 180℃의 온도; 적어도 260psig, 적어도 280psig, 적어도 375psig, 또는 적어도 640psig의 압력; 및 적어도 15분(min), 20분, 또는 30분의 잔류 시간을 가질 수 있다.
증기 폭발 구획인 제2 구획은 습식 피브릴 파괴 구획과 연통한다. 이것은 세포내 물 및 수용성 염이 셀룰로스성-피브릴 다발로부터 통과하기 위한 셀룰로스 통로를 갖는 다공성 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 세포벽의 더 민감한 구역을 침투하도록 신속한 감압을 통해 식물 피브릴 투과성 유체를 휘발시키도록 적어도 구성된다. 유기-탄소-함유 공급원료는 스팀을 포함하는 휘발성 유체에 의해 단리되고, 가열되고, 가압된다. 적용된 휘발성 화학물질 및 스팀은 높은 온도 및 압력으로 인해 증기 폭발 구획 내에 식물 피브릴로 침투한다. 사용된 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 의해 기술된 미리 결정된 잔류 시간 후, 가스를 보유하고, 이를 분리하고, 증가한 에너지/화학 효율을 위해 공정에서 이들 중 적어도 몇몇을 재사용하도록 설계될 수 있는 팽창 챔버로 신속 개방 밸브를 개방함으로써 압력은 반응 챔버로부터 신속히 해제된다. 몇몇 실시형태는 가스의 보유가 필요하지 않은 팽창 챔버를 갖지 않을 수 있다. 상기 시스템의 몇몇 실시형태는, 사용된 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 따라, 적어도 230, 적어도 250, 적어도 345, 또는 적어도 600의 psig의 특정한 압력 하강; 및 500밀리초(㎳) 미만, 300㎳ 미만, 200㎳ 미만, 100㎳ 미만, 또는 50㎳ 미만의 폭발성 기간을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태는 압축 공기 또는 다른 압축 가스, 예를 들어 산소 등을 전달하기 위해 반응 챔버의 습식 피브릴 파괴 구획으로의 가스 입구를 포함할 수 있다. 원하는 압력으로의 전달 후, 입구 포트는 밀폐될 것이고, 반응을 위한 가열이 진행할 것이다. 이것이 3개 중 적어도 1개를 허용한다는 것에 유의한다: 첫째로, 전체 압력의 증가는 후속하는 폭발이 더 강력하게 만들 것이다. 둘째로, 산소 함량의 증가는 바람직한 경우 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 산화 전위를 증가시킬 것이다. 셋째로, 반응 챔버의 하부에서의 천공된 파이프를 통한 가스의 버블링 작용을 통한 유기-탄소-함유 공급원료, 물, 및 잠재적으로 다른 화학물질, 예를 들어 유기 용매 등의 혼합을 위해 단서가 제공될 것이다.
습식 피브릴 파괴 구획 및 증기 폭발 구획을 통해 통과하는 것의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 순 효과는 물리적으로는 압력 폭발 및 화학적으로는 선택적 및 최소 피브릴 셀룰로스 탈연결, 셀룰로스 탈중합 및/또는 셀룰로스 탈결정화 둘 다를 통한 피브릴 세포벽의 붕괴이다. 셀룰로스, 리그닌 및 헤미셀룰로스의 가수분해와 같은 화학 효과가 또한 발생할 수 있다. 생성된 유기-탄소-함유 공급원료 입자는 이의 피브릴 및 세포벽에서의 미세기공의 크기 및 수의 증가, 및 이에 따라 표면적의 증가를 나타낸다. 이제 다공성 유기-탄소-함유 공급원료는 증기 폭발 구획으로부터 다음 구획으로 배출된다.
압밀 구획인 제3 구획은 증기 폭발 구획과 연통한다. 압밀 구획은 세포내 및 세포간 물, 및 세포내 및 세포간 가용성 염의 유출을 허용하도록 제조된 반응 챔버 출구 통로를 밀폐시키는 펠트의 형성을 최소화하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 다공성 유기-탄소-함유 공급원료를 압축하도록 적어도 구성된다. 이 구획에서, 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 주요 공정 조건은 압력 플레이트에서의 융기된 패턴의 존재 또는 부재, 시작 함수량, 가공된 함수량, 및 최종 함수량이다. 본 발명의 시스템의 압밀 구획은 초본 식물 재료 공급원료를 포함하는 공급원료에 대해 압력 플레이트에서 융기된 패턴형성된 표면을 요한다. 그러나, 이 구획은 사용된 특정한 재료 및 수확으로부터의 이의 새로움에 따라 연재 또는 경재 식물 재료 공급원료를 가공하기 위한 융기된 패턴 표면을 요하거나 요하지 않을 수 있다. 상기 시스템의 몇몇 실시형태는, 사용된 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 따라, 원하는 실제 표적에 따라 70 내지 80중량%, 45 내지 55중량% 또는 40 내지 50중량% 범위의 시작 함수량; 및 4 내지 15중량%의 가공된 함수량을 가질 수 있다.
수집 장치인 제3 부재는 반응 챔버와 연통한다. 수집 챔버는 연료 성분으로부터 비연료 성분을 분리하고 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 적어도 구성된다. 이 공급원료는 20중량% 미만의 함수량 및 건조 기준으로 적어도 60% 감소한 수용성 염 함량을 갖는다. 몇몇 실시형태는 표면 수분이 공기 건조하는 것을 허용한 후 20중량% 미만의 함수량을 갖는다. 몇몇 실시형태는 15중량% 미만의 함수량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 갖는다. 다른 실시형태는 12중량% 미만, 10중량% 미만, 8중량% 미만, 또는 5중량% 미만의 함수량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 갖는다. 몇몇 실시형태는 건조 기준으로 적어도 65% 감소한 수용성 염 함량을 갖는다. 다른 실시형태는 건조 기준으로 적어도 70%, 건조 기준으로 적어도 75%, 건조 기준으로 적어도 80%, 건조 기준으로 적어도 85%, 건조 기준으로 적어도 90%, 또는 건조 기준으로 적어도 95% 감소한 수용성 염 함량을 갖는다.
상기 시스템의 몇몇 실시형태는 적어도 1개의 세정 하위구획을 추가로 포함할 수 있다. 이 하위구획은 다공성 유기-탄소-함유 공급원료가 압밀 구획으로 통과하기 전에 이 공급원료로부터 수용성 염의 적어도 일부를 수세(flushing)하도록 구성된다. 염수 침지된 호그 연료(hog fuel)(이것을 생성하기 위해 사용된 제제소 또는 분쇄기로부터의 목재 칩, 대팻밥, 또는 잔류물, 또한 "해머 호그(hammer hog)"로서 공지됨)와 같은 염 함량이 특히 높은 몇몇 실시형태에서, 상기 시스템은 1개 초과의 세정 하위구획, 이어서 또 다른 압밀 구획을 갖도록 구성된다. 용해된 수용성 염이 구비된 분리된 물은 둘러싼 환경으로의 방출을 위해 수집되고 처리되거나, 심지어 재생성 유기-탄소-함유 공급원료를 성장시키기 위해 사용된 분야에서 재사용될 수 있다. 이 물에서의 염은 비료 및 살충제와 같은 작물에 의도적으로 첨가되는 구성성분을 포함할 것이다.
본 발명의 선광 하위시스템은 몇몇 도면의 설명을 통해 더 잘 이해될 수 있다. 도 4는 감압된 탄소 함유 공급원료로부터 방출된 가스를 보유하도록 팽창 챔버와 연통하는 반응 챔버의 실시형태의 측면도의 다이어그램이다. 반응 챔버(400)는 습식 피브릴 파괴 구획(410)으로 도시되어 있다. 용매(412) 및 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료(414)는 밸브(416) 및 (418)를 통해 습식 피브릴 파괴 구획(410)으로 공급되어서, 각각 다음 구획에 준비된다. 전처리된 유기-탄소-함유 공급원료는 이후 밸브(422)를 통해 증기 폭발 구획(420)으로 통과한다. 밸브는 챔버 사이에서 각각의 챔버에서 특정한 목표로 하는 조건의 획득을 허용하도록 재료를 투입하도록 사용된다. 휘발성 팽창 유체, 예컨대 물, 또는 물 기반 휘발성 혼합물은 밸브(424)를 통해 증기 팽창 챔버(420)로 공급된다. 감압 동안 생성된 다공성 유기-탄소-함유 공급원료로부터 방출된 가스는 가능한 재사용을 위해 가스를 보유하도록 신속 방출 밸브(428)를 통해 팽창 챔버(비도시)로 공급된다. 압밀 구획(430)은 밸브(432)를 통해 다공성 유기-탄소-함유 공급원료를 수용하고, 이 밸브에서 물 및 수용성 염은 다공성 유기-탄소-함유 공급원료로부터 실질적으로 제거되고, 이것은 이제 가공된 유기-탄소-함유 공급원료이다.
상기 기재된 바대로, 압밀 구획에서의 압력 플레이트는 펠트 형성을 최소화하도록 구성된다. 펠트는 물 및 이 물에 비말동반된 수용성 염이 압밀 구획의 출구 포트를 통해 통과하는 것을 중지시키는 불투과성 장벽을 형성하도록 직조하는 직조된 섬유의 복합체이다. 추가로, 반응 챔버의 제1의 2개의 구획에서 선광 공정에서 생존한 임의의 속 입자는 물을 흡수하도록 펠트에서 비말동반되어서, 프레싱 동안 물의 축출을 방지할 수 있다. 따라서, 펠트 형성은 압축되는 바이오매스의 내부로부터 압출되는 것으로부터 상당한 분획의 물 및 염을 포획한다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 압력 플레이트 및 물 및 수용성 염이 압밀 구획으로부터 자유로이 흐를 수 있도록 펠트 형성을 최소화하기 위해 이것이 어떻게 작동하는지의 실시형태를 나타낸다. 도 5a는 압력 플레이트의 다양한 실시형태의 정면도의 다이어그램이다. 다공성 유기-탄소-함유 공급원료의 다운스트림 흐름에 대해 프레싱된 압력 플레이트의 표면이 도시되어 있다. 도 5b는 도 5a에 도시된 압력 플레이트의 일 실시형태의 클로즈업의 투시도이다. 도 5c는 힘 벡터 및 힘 벡터에 노출된 펠트를 갖는 압력 플레이트의 중앙 아래의 횡단면도를 나타낸 다이어그램이다. 반응 챔버의 제1의 2개의 구획에서의 업스트림 선광 공정은 바이오매스에서의 섬유를 심하게 약화시켜서, 또한 펠트 형성의 최소화에 기여한다.
몇몇 실시형태는 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 또는 공지된 열 공정으로부터 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 중량당 비용의 60% 미만인 비용으로 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 비해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 함수량 및 수용성 염 감소를 달성한다. 이 실시형태에서, 반응 챔버는 각각의 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 대해 맞춤조정된 조건에서 조작되도록 구성되고, 상기 시스템은 특정한 일련의 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 특성을 발생시키도록 소모된 에너지를 최소화하기 위해 열을 재포획하고 재사용하도록 추가로 조작된다. 반응 챔버 구획은 하기한 바대로 추가로 구성된다. 습식 피브릴 파괴 구획은 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 맞춤조정되고, 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 적어도 용매 배지, 시간 기간, 온도 프로파일 및 압력 프로파일을 포함하는, 피브릴 파괴 조건을 이용하도록 추가로 구성된다. 증기 폭발 구획인 제2 구획은 식물 세포 내에 휘발성 식물 피브릴 투과성 유체 폭발을 형성하기 위해, 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 맞춤조정되고, 적어도 압력 하강, 온도 프로파일, 및 폭발 기간을 포함하는, 폭발 조건을 이용하도록 구성된다. 압밀 구획인 제3 구획은 각각의 유기-탄소-함유 공급원료 및 압력, 압력 플레이트 구성, 잔류 시간, 및 압력 대 시간 프로파일에 대해 맞춤조정된 압축 조건을 이용하도록 구성된다.
각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 공정 조건의 맞춤조정의 중요성은 식물 피브릴의 점탄성/점소성 특성에 대한 하기 설명에 의해 예시된다. 세포벽 구성에서의 식물 사이의 차이 이외에, 이것이 초본, 연재 또는 경재인지에 따라, 식물은 다양한 정도의 몇몇 흥미로운 물리적 특성을 나타낸다. 유기-탄소-함유 재료는 특정한 다양한 식물 및 이의 상태, 예를 들어 이것이 새롭거나 오래되었는지 등의 둘 다에 의존하는 정도에 의해 탄성 및 가소성 특성 둘 다를 나타낸다. 점탄성/점소성 재료의 탄성/가소성 관계를 지배하는 물리학은 쾌 복잡하다. 순수한 탄성 물질과 달리, 점탄성 물질은 탄성 성분 및 점성 성분을 갖는다. 유사하게, 점소성 재료는 가소성 성분 및 점성 성분을 갖는다. 점탄성 물질을 프레싱하는 속도는 재료의 탄성 한계가 도달할 때까지 시간에 대한 변형률 의존도를 물질에 제공한다. 탄성 한계가 초과하면, 재료에서의 피브릴은 가소성, 즉 영구적인 변형을 겪기 시작한다. 도 6a는 리그노셀룰로스 피브릴에 대한 통상적인 응력-변형률 곡선의 그래프 예시이다. 점탄성 및 점소성 둘 다의 중요한 양상인 점도가 열로 활성화된 변형에 저항이므로, 점성 재료는 압밀 사이클을 통해 에너지를 소실할 것이다. 가소성 변형은 또한 원래의 형상으로 그 자체를 복원하지 못하는 피브릴에 의해 관찰된 것처럼 에너지를 소실시킨다. 중요하게는, 점탄성/점소성은 분자 재배열을 발생시킨다. 응력이 점탄성 재료, 예컨대 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 인가될 때, 이의 구성성분 피브릴 및 비말동반된 물 분자 중 일부는 위치를 바꾸고, 이렇게 하면서, 마찰로 인해 열의 형태로 에너지를 소실한다. 재료가 이의 환경으로 소실하는 에너지가 콤팩터(compactor)로부터 수신된 에너지이고 따라서 공정에 의해 소비된 에너지이라는 것을 강조하는 것이 중요하다. 추가의 응력이 재료의 탄성 한계를 넘어 인가될 때, 피브릴 그 자체는 단지 위치가 아니라 형상을 바꾼다. "점"- 물질은 정의에 의하면 열의 형태로 이의 환경으로 에너지를 소실할 것이다.
목표로 하는 생성물 값을 달성하기 위해 에너지 소비를 최소화하도록 1종의 유기-탄소-함유 공급원료에 압밀 사이클이 어떻게 최적화되는지의 예가 하기한다. 실험을 통해, 소모된 에너지와 달성된 에너지 밀도 사이에 균형이 이루어진다. 도 6b는 통상적인 유기-탄소-함유 공급원료의 함수량을 감소시키고 벌크 밀도를 증가시키기 위해 필요한 압력 및 에너지의 그래프 예시이다. 벌크 밀도는, 더 낮은 함수량에 동등한 더 높은 벌크 밀도로, 함수량에 관한 것이다. 유기-탄소-함유 공급원료 압밀 공정은 생산성에 영향을 미치는 사이클 시간, 회합된 수용성 염 및 미네랄과 함께 순 수분 압출, 공급원료의 점탄성/점소성 특성으로 인한 리바운드 효과의 영구적인 벌크 밀도 개선 네트와 에너지 소비 사이의 최적 균형을 발견할 것이다.
도 6c는 벌크 밀도 승수를 달성하기 위해 필요한 에너지 요구량 승수의 실험적으로 유도된 그래프 예시이다. 압밀 사이클은, 사이클로의 잠깐의 정지를 도입함으로써, 더 낮은 압력, 즉 에너지 소비에서 원하는 결과를 달성하도록 유기-탄소-함유 공급원료의 각각의 다양성 및 조건에 추가로 최적화될 수 있다. 도 6d는 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 맞춤조정된 본 발명의 실시형태에 의해 유기-탄소-함유 공급원료에서 함수량을 감소시키기 위한 압력 사이클의 예의 그래프 예시이다.
유사한 방식으로, 에너지 소비는 상기 시스템의 습식 피브릴 파괴 및 증기 폭발 부분 동안 최적화될 수 있다. 압밀 전의 화학 전처리는 생성물의 품질을 추가로 개선하고 또한 순 에너지 소비를 감소시킬 것이다. 비교 목적을 위해, 도 6c에서 "10"의 벌크 밀도 승수를 달성하기 위해 인가된 압력은 10,000psi의 차수에 있어서, 유기-탄소-함유 공급원료를 감압하기 위해 비경제적으로 높은 자본 설비 비용 및 만족스럽지 못하게 높은 에너지 비용을 요한다.
도 7은 공지된 공정과 비교하여 본 발명의 실시형태에 의해 유기-탄소-함유 공급원료로부터 적어도 75중량%의 수용성 염을 제거하고, 함수량을 50중량%로부터 12중량%로 감소시키는 데 필요한 예측된 에너지 소비를 예시한 표이다. 50중량%의 시작 함수량을 갖는 폐기물 목재는 공지된 기계 공정, 물리화학 공정 및 열 공정에 의한 본 발명의 3개의 실시형태의 사이드 바이 사이드(side-by-side) 비교를 예시하기 위해 추정치에서 사용되었다. 선택된 시스템의 실시형태는 피브릴 팽윤 유체로 버블링된 물, 물과 메탄올, 물과 이산화탄소를 포함하는 이 유체를 사용하여 탄산 H2CO3을 생성한다. 표에서 볼 수 있고, 상기 기재된 것처럼, 공지된 기계 공정은 함수량을 12중량%로 감소시킬 수 없고, 공지된 물리화학 공정은 수용성 염 함량을 25중량% 초과로 감소시킬 수 없고, 공지된 열 공정은 임의의 수용성 염을 제거할 수 없다. 메탄올 및 물, 이산화탄소 및 물, 및 단지 물을 사용하는 본 발명의 3개의 실시형태에 대한 톤당 전체 에너지 요건은 각각 0.28MMBTU/톤(0.33GJ/MT), 0.31MMBTU/톤(0.36GJ/MT) 및 0.42MMBTU/톤(.49GJ/MT)이다. 이는 각각 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 및 공지된 열 공정에 대한 0.41MMBTU/톤(0.48gJ/MT), 0.90MMBTU/톤(1.05GJ/MT) 및 0.78MMBTU/톤(0.91GJ/MT)과 비교된다. 따라서, 공지된 물리화학 및 공지된 열 공정의 60% 미만으로 시스템 발명의 실시형태에 대해 물을 20중량% 미만의 함량으로 제거하고 수용성 염을 건조 기준으로 75중량%만큼 제거하기 위한 예측된 에너지 요건은 훨씬 많은 물 및 수용성 염을 제거할 수 있다. 또한, 시스템 발명은 훨씬 더 많은 물을 제거할 수 있는 공지된 물리화학 공정 및 공지된 열 공정에 의해 가능한 것보다 훨씬 더 많은 수용성 염을 제거할 수 있다.
복수의 반응 챔버는 연속 공정을 모의하기 위해 병렬로 사용될 수 있다. 도 8은 병렬의 4개의 반응 챔버, 전처리 챔버 및 증기 응축 챔버를 갖는 선광 하위시스템의 실시형태의 측면도의 다이어그램이다. 시스템(800)은 유기-탄소-함유 공급원료를 시스템(800)으로 전달하는 투입 구획(802)을 포함한다. 공급원료는 전처리 챔버(810)로 통과한 곳으로부터 유기-탄소-함유 공급원료 호퍼((806)로 진입하기 전에 반죽 챔버(804)를 통해 통과한다. 오염물질은 액체 유출물 라인(812)을 통해 오염물질에 대한 출구 스트림(815), 액체를 필터 매질 탱크(818)로 이동시키고 재사용을 위해 저편에 이동시키는 액체 방출 라인(816), 및 고체를 다공성 유기-탄소-함유 공급원료로 다시 위치시키는 고체 방출 라인(820)을 갖는, 원심분리기와 같은 분리 장치(814)로 제거된다. 필터 매질 탱크(818)로부터의 액체는 리믹스 탱크(822)로 통과하고 이후 열 교환기(824) 또는 제2 리믹스 탱크(830) 및 전처리 챔버(810)로 통과한다. 유기-탄소-함유 공급원료는 3개의 구획을 포함하는 4개의 반응 챔버(840) 중 하나로 통과한다. 습식 피브릴 파괴 구획(842)인 각각의 반응 챔버의 제1 구획은 제2 구획, 증기 폭발 구획(844) 및 세정 하위구획(846)이 후행한다. 고압 스팀 보일러(848)는 메이크업 물 라인(850)에 의해 공급되고, 열원(비도시)은 연소 공기 라인(852)으로부터 연료에 의해 추가로 가열된다. 주요 스팀 라인(854)은 전처리 챔버(810)로 및 고압 스팀 라인(856)을 통해 반응 챔버(840)로 스팀을 공급한다. 증기 응축 루프를 함유하는 증기 팽창 챔버(860)는 가스를 응축하기 위해 증기 폭발 매니폴드(862)를 갖는 각각의 증기 폭발 구획에 부착된다. 휘발성 유기 성분 및 용매 증기 라인(864)은 연소 공기 라인(852)으로 증기를 다시 통과시키고, 증기 팽창 챔버(860)에서의 증기는 반응 챔버(840)에서의 재사용을 위해 열을 포획하기 위해 열 교환기(870)를 통해 통과한다. 현재의 다공성 유기-탄소-함유 공급원료는 현재 압밀 구획(880)인 반응 챔버(840)의 제3 구획을 통해 통과한다. 액체 유체는 유체 분리 장치(814) 및 (886)에서의 고체 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 출구를 통해 다시 액체 유체 출구 통로(884)를 통해 통과한다.
마이크로파 하위시스템
마이크로파 하위시스템은 선광 하위시스템으로부터의 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 본 발명의 깨끗한 다공성 가공된 바이오 숯으로 전환하도록 이용된다. 본 발명은 마이크로파 공정 하위시스템을 통해 통과하는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 제조된 가공된 바이오 숯 조성물을 포함한다. 하위시스템은 적어도 1개의 마이크로파-투명 챔버 벽 및 외부로 공급된 무산소 분위기에서 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 보유하도록 구성된 반응 공동부(reaction cavity)를 포함하는, 마이크로파 반사용 봉합체(microwave reflecting enclosure) 내의, 적어도 1개의 반응 챔버를 포함한다. 마이크로파 하위시스템은 동력공급될 때 마이크로파를 방출하도록 구성된 적어도 1개의 장치를 포함한다. 마이크로파 장치는, 마이크로파가 마이크로파-투명 챔버 벽을 통해 반응 공동부로 지향하도록 반응 챔버에 대해 배치된다. 하위시스템은 마이크로파 장치와 반응 챔버 사이의 상대 이동을 제공하는 기전을 또한 포함한다. 가공된 바이오 숯 조성물은 유리 물을 실질적으로 포함하지 않는다. 또한, 가공된 바이오 숯 조성물은 동일한 공급원료에 의해 제조되지만 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에 있는 것보다 적어도 10% 초과인 용적당 다수의 기공을 포함한다. 공급원료 및 생성된 가공된 바이오 숯의 특징은 이미 상기 기재되어 있다. 본 발명의 가공된 바이오 숯을 제조하기 위해 이용된 마이크로파 공정이 이제 기술될 것이다.
예시된 실시형태의 하기 설명에서, 본 발명의 가공된 바이오 숯을 제조하기 위해 이용된 마이크로파 공정의 다양한 실시형태를 예시하는 것을 돕는 수반된 도면을 참조한다. 공정의 다른 실시형태를 이용할 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 구조적 및 기능적 변화가 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
하기 설명은 마이크로파 증대된 반응 해체 공정에 의해 디젤 연료, 가솔린, 등유 등과 같은 연료로 고체 및/또는 액체 유기-탄소-함유 공급원료를 가공하기 위한 접근법에 관한 것이다.
"크래킹"으로 또한 칭하는 해체는 탄화수소 분자를 연료로서 유용한 더 짧은 탄화수소 사슬로 분해(또는 "크래킹")하기 위해 열을 이용하는 정련 공정이다. 해체는, 반응 속도를 증가시키고/시키거나, 공정에 필요한 온도 및/또는 방사선 노출을 감소시키는, 공급원료에 대한 촉매의 첨가에 의해 증대될 수 있다. 더욱이, 촉매, 예컨대 제올라이트는 소정의 크기의 분자만이 결정질 격자에 진입하거나 촉매의 표면적을 활성화하고 촉매와 상호작용하게 하는 나노구조를 갖는다. 따라서, 촉매 공정을 이용하여 특정한 사슬 길이를 갖는 물질만이 생성될 수 있으므로, 촉매는 유리하게는 반응 공정에 의해 생성된 생성물을 제어하는 데 있어서 매우 효과적이다. 촉매 해체는 수송 또는 가열 연료로서 사용 가능한 연료로 바이오매스 및 다른 유기-탄소-함유 공급원료를 변환시키기에 특히 유용하다.
효과적인 해체의 일 양상은 해체를 야기할 뿐만 아니라 촉매를 활성화하기에 충분한 온도로 공급원료를 실질적으로 균일하게 가열하고 조사하는 능력이다. 해체 시, 긴 탄화수소 사슬은 더 짧은 사슬로 "크래킹"한다. 마이크로파 가열은 열 해체를 위한 가열 시스템에서 특히 유용한 것으로 나타났다. 가열 시스템, 예컨대 불꽃, 스팀 및/또는 전기 저항 가열은 반응 챔버 벽을 통한 열 전도에 의해 공급원료를 가열한다. 이 가열 시스템은 반응 챔버 벽의 외부로부터 공급원료의 내부로 공급원료를 가열하도록 조작되는 반면, 마이크로파는 반응 챔버의 폭에 걸쳐 균일하게 가열한다. 비마이크로파 가열 원을 이용하여, 열은 열원 외부 벽으로부터 공급원료 혼합물과 직접 접촉하는 용기 벽의 내부로 전달된다. 이후, 열은 공급원료의 표면으로 전달되고, 이후 공급원료의 내부 구역이 반응 챔버 벽의 온도 근처의 온도에 있을 때까지, 공급원료를 통해, 다시, 전달된다.
이러한 유형의 외부 가열에 의한 하나의 문제점은 용기 벽 온도 전송과 용기의 중앙, 및 공급원료 매트릭스의 내부 구역에 함유된 공급원료 온도의 상승 사이의 시간 지연이 있다는 점이다. 공급원료의 혼합은 이 조건을 완화하도록 돕는다. 그런데도, 수백만 개의 미세환경이 반응기 용기 환경 및 공급원료 입자 자체 내에 존재한다. 이는 다양한 정도의 반응 챔버 내의 불균등한 열 분포를 발생시킨다. 이 변하는 온도 구배는 제어 가능하지 않은 부반응, 및 전환 반응 적시의 지연으로 인해 과반응되는 초기 전환 생성물의 분해가 생기게 한다. 공급원료 및 반응 생성물을 통한 일관된 가열을 생성하고 보유하는 것이 바람직하고, 우수한 전환 경제학이 달성되고 제어 가능하다. 마이크로파 가열은 효과적인 가열 방법이고, 이것은 또한 촉매 부위를 활성화하도록 작용한다.
본 발명의 실시형태는 액체 수송 연료를 생성하는 온도 범위에서 공급원료 중의 휘발성 유기 화합물을 추출하기 위해, 고체 및/또는 액체이든, 임의의 유기-탄소-함유 공급원료를 가공하기 위해 이용될 수 있는 반응 챔버 시스템에 관한 것이다.
마이크로파는 마이크로파에서 조사된 재료에서 물 분자에 의해 흡수된다. 물 분자가 마이크로파를 흡수하는 경우, 분자는 이의 진동회전 이동을 증가시키고, 이 이동은 마찰로 열을 생성하고, 열은 둘러싼 재료로 대류된다. 마이크로파가 물 분자에 의해 흡수되는 이유는 물 분자에서 수소를 산소로 부착시키는 공유 결합에 특별하다. 물에서의 산소 원자는 이것과 연관된 높은 전자음성도를 갖는다. 원소에 대한 전자음성도는, 이온 결합에서 완전히 또는 원소에 대한 공유 결합의 전자 구름의 기울어짐을 통해, 추가의 전자를 수집하는 이의 경향이다. 추진력은 양자 화학, 즉 2개의 전자의 첨가로부터 산소의 2p 껍질의 충전으로부터 생긴다. 가장 전자음성도인 원소에서 시작하는, 외부 전자 껍질의 충전의 안정성에 의해 추진된, 전자음성도 규모는 F>O>N>Cl>Br>S>C>H이다. 따라서, 물에서의 원자가 전자는 산소를 향해 기울어져서, 산소에 대한 음극 및 2개의 수소 원자 사이의 양극에 의한 영구적인 전기 다이폴 모멘트를 생성한다. 2개의 수소 원자로부터의 전자는 산소 원자에 더 가깝게 끌린다. 이는 분자의 이 말단에 약간 음성의 전하를 제공하고, 2개의 수소 원자는 이후 약간 양성의 전하를 갖는다. 이 찌그러짐의 결과는 물 분자가 영구적인 전기 다이폴을 보유한다는 것이다. 물 분자의 다이폴 특징은 분자가 마이크로파 방사선을 흡수하도록 하고, 가스 물 분자의 회전 속도를 증가시키고/시키거나, 액체 물의 연장된 구조의 불만족스러운 회전과 관련된 저주파수 진동 이동을 증가시킨다. 물 분자의 이동의 증가는, 열로 바뀌고 이후 조사된 재료로 대류되는, 열을 발생시킨다.
마이크로파 방사선의 이러한 특징의 이점을 취하기 위해, 본 명세서에 기재된 반응 챔버 시스템은 탄소를 함유하는 공급원료의 가공에서의 마이크로파 조사 및 가열의 이점을 취하고, 수송 연료로 전환될 수 있다. 반응기는 실질적으로 마이크로파-투명한 물질, 예컨대 석영, 마이크로파 방사선에 실질적으로 투명한 결정질 재료로부터 제조될 수 있다. 석영이 많은 형상으로 조작될 수 있으므로, 이것은 반응 챔버를 성형하기 위한 설계 재량을 제공하지만, 일 예에서 반응 챔버는 관 또는 원통형의 형성으로 구성된다. 원통형 형상은 공급원료가 일 말단으로 공급되고 반대 말단에서 빠져나가게 허용한다. 적합한 반응 챔버의 예는 벽 두께가 약 3/16인치(4.8㎜)이고 길이가 약 4피트(1.2미터)인 석영 관일 것이다.
마이크로파 반응 챔버는 마이크로파 반사용 봉합체에 의해 둘러싸인다. 이는 마이크로파 방사선이 반응 챔버를 통해 반복적으로 통과하고, 물이, 존재하는 경우, 증발되고 인출된 후 유기-탄소-함유 공급원료를 탈휘발시키도록 한다. 마이크로파 반사용 봉합체는 마이크로파를 반사하는 임의의 것이다. 재료는 예를 들어 당해 분야에 공지된 패러데이 케이지로서 조립된 시트 금속을 포함한다.
마이크로파 방사선은 마그네트론 또는 다른 적합한 장치에 의해 생성된다. 1개 이상의 마이크로파 생성 장치, 예를 들어 마그네트론은 석영 관 벽의 외부에 탑재될 수 있다. 마그네트론은 상이한 전력 범위에 들어오고, 반응기에서의 잔류 시간을 고려하여, 공급원료를 가장 바람직한 연료 생성물로 효과적으로 전환하도록 적절한 전력에 의해 가공하는 공급원료를 조사하도록 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다. 일 적용에서, 마그네트론은 반응기 관의 외부 주위로 회전할 뿐만 아니라, 반응기 관의 길이를 이동하는 케이지에 탑재될 수 있다. 관의 내부의 길이에 걸쳐 이동하는 공급원료는 플러그 흐름 구성에서 이동할 것이고, 고정 및/또는 회전 마그네트론에 의해 조사될 수 있다. 컴퓨터는 마이크로파 방사선의 전력 및/또는 다른 매개변수를 제어하도록 이용될 수 있어서, 상이한 크기 및 밀도를 갖는 상이한 공급원료는 공급원료에 특정한 상이한 매개변수 설정에서 조사되고, 따라서 공급원료를 더 효과적으로 전환할 수 있다.
이 반응기 구성은 비교적 순수한 공급원료 스트림으로부터 상이한 밀도, 수분 함량 및 화학 메이크업의 공급원료를 포함하는 혼합된 공급원료 스트림으로의 공급원료의 효과적인 가공을 허용할 것이다. 연료 생성물이 공급원료로부터 기화되지만, 상이한 연료 생성물이 기화되고 추출될 때까지 남은 공급원료의 추가의 가공이 발생하면서, 연료 생성물이 반응기 챔버로부터 추출되므로, 효율이 발생할 수 있다. 예를 들어, 농후한 공급원료, 예컨대 플라스틱은 덜 농후한 공급원료, 예컨대 폼(foam) 또는 목재 칩보다 사용 가능한 연료로 가공하는 것이 더 오래 걸린다. 본 명세서에 기재된 마이크로파 하위시스템은 덜 농후한 공급원료로부터 초기 전환된 생성물을 과가공하지 않으면서 농후한 공급원료를 계속해서 가공한다. 이는 정지상 및 회전 마이크로파 생성기 둘 다를 사용함으로써 실행된다.
혼합된 공급원료의 일 예는 비분류된 자치제 고체 폐기물일 것이다. 몇몇 실행에서, 촉매는 공급원료에 첨가될 수 있어서, 공급원료의 전환, 및 전환이 진행될 수 있는 속도를 돕는다. 촉매는 반응기 내부의 미리 설정된 가공 온도에서 반응하거나, 충돌하는 마이크로파 방사선과 반응하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 촉매가 필요하지 않다. 다른 실시형태에서, 촉매는 특정한 공급원료에 대해 합리적으로 설계된 촉매일 수 있다.
본 명세서에 기재된 반응기에 의한 플러그 흐름 구성은, 마이크로파의 방사선 및 열에 대한 더 효과적인 노출이 원하는 최종 생성물을 생성하도록, 공급원료가 반응기 코어 내에 있는 잔류 시간으로의 조정을 허용할 것이다.
입구 및/또는 출구, 예를 들어 석영 입구 및/또는 출구는 반응 챔버의 벽을 따라 위치하여서 압력 및/또는 진공 제어를 허용할 수 있다. 입구 및 출구는 불활성 가스, 반응성 가스의 도입 및/또는 생성물 가스의 추출을 허용할 수 있다.
따라서, 마이크로파-투명 반응 챔버의 설계, 고정 및/또는 회전 마그네트론에 의한 가열 및 방사선원으로서의 마이크로파의 사용, 촉매를 사용하거나 사용하지 않는 플러그 흐름 가공 제어는 임의의 유기-탄소-함유 공급원료의 가공을 허용할 것이다. 유기-탄소-함유 공급원료를 선광시키는 것의 이점은 이것이 큰 정도로 허용 가능한 수분 수준에 이미 놓이고, 이미 쾌 균일하다는 것이다. 마크로규모의 균일성을 위해, 상이한 유기-탄소-함유 공급원료 유입으로부터의 유출이 실질적으로 유사한 특징(예를 들어 에너지 밀도, 점조도, 수분 함량)을 갖고, 이들 특징이 재료에 걸쳐 확장된다. 더 적은 염이 존재하는, 분자 규모에서, 마이크로파가 유기-탄소-함유 공급원료의 벌크에서와 달리 에너지를 예비시키는 미세환경이 더 적다. 따라서, 가열은 원 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료 유입보다 선광된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 더 균일할 것이다.
본 발명의 실시형태에 따른 마이크로파 하위시스템은 1개 이상의 실질적으로 마이크로파-투명한 벽 및 마이크로파 가열/방사선 시스템을 갖는 반응 챔버를 포함한다. 가열/방사선 시스템에 의해 생성된 마이크로파가, 반응 챔버의 실질적으로 마이크로파-투명한 벽을 통해 및 반응 챔버의 벽의 실질적인 가열 없이 공급원료 재료가 반응하는 반응 공동부로 지향하도록, 마이크로파 가열/방사선 시스템이 배열된다. 공급원료의 온도 균일성을 증대시키기 위해, 반응 챔버 및 가열/방사선 시스템은 상대 이동, 예를 들어 상대 회전 및/또는 병진 이동에 있을 수 있다. 몇몇 실행에서, 가열 시스템은 정지상 반응 챔버 주위를 회전할 수 있다. 몇몇 실행에서, 반응 챔버 내의 공급원료는 정지상에 있는 가열/방사선 시스템에 의한 비행의 사용에 의해 회전할 수 있다. 몇몇 실행에서, 반응 챔버는 정지상에 있는 가열 시스템에 의해 회전할 수 있다. 또 다른 실행에서, 반응 챔버 및 가열/방사선 시스템 둘 다는 예를 들어 항류의 반대 방향으로 회전할 수 있다. 온도 균일성을 추가로 증가시키기 위해, 상기 시스템은 반응 챔버 내에 공급원료 재료를 교반하고/하거나 혼합하기 위한 기전을 포함할 수 있다. 반응 챔버는 반응 공정 동안 기울어져서, 예를 들어 공급원료가 촉매 층을 지나가도록 강제할 수 있다.
도 9a 및 도 10b는 본 발명의 실시형태에 따라 유기-탄소-함유 공급원료를 액체 연료 및 가공된 바이오 숯 연료로 전환하기 위한 마이크로파 하위시스템(900)의, 각각, 측면도 및 횡단면도를 예시한다. 반응 챔버(910)는 임의의 적합한 형상일 수 있지만, 반응 챔버(910)는 반응 공정에 사용된 주파수 범위 및 에너지에서 마이크로파에 실질적으로 투명한 원통형 벽(911)을 갖는 실린더로서 도 9a 및 도 9b에 예시되어 있다. 반응 챔버(910)는 원통형 벽(911)에 의해 밀폐된 반응 공동부(912)를 포함한다. 마이크로파 하위시스템(900)은 반응 챔버를 통해 공급원료를 이동시키도록 구성된 수송 기전(918)을 포함한다. 반응 챔버(910) 내에 발생하는 반응과 관련하여 마이크로파 하위시스템(900)의 조작은 플러그 흐름 반응기와 유사하게 모델링될 수 있다.
도 9a에 예시된 바대로, 마이크로파 하위시스템은 반응 챔버(910)를 통해 공급원료 재료를 이동시키기 위한 수송 기전(918)을 포함한다. 수송 기전(918)은 나사 오거로서 예시되어 있지만, 다른 적합한 기전, 예를 들어 컨베이어를 또한 사용할 수 있다. 수송 기전(918)은 반응 챔버 내에 공급원료를 혼합하기 위한 것을 추가로 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 반응 챔버 벽(911)은 약 3/16인치(4.8밀리미터)의 두께를 가질 수 있다. 반응 챔버 벽(911)의 평활도는 반응 챔버(910)를 통한 공급원료의 이동을 수월하게 한다.
가열/방사선 하위시스템(915)은 임의의 유형의 가열 및/또는 방사선원을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 예를 들어 공급원료의 해체를 위해, 공급원료의 원하는 반응을 수월하게 하기에 충분한 온도로 유기-탄소-함유 공급원료를 가열하기에 충분한 주파수 및 에너지를 갖는 마이크로파(913)를 방출하도록 구성된, 마그네트론과 같은 마이크로파 생성기(916)를 포함할 수 있고, 약 0.3GHz 내지 약 300GHz의 주파수 범위의 마이크로파를 사용할 수 있다. 예를 들어, 마그네트론의 조작 전력은 약 1와트 내지 500킬로와트의 범위일 수 있다. 마그네트론(916)은 반응 챔버(910)와 관련하여 배치되어서, 마이크로파(913)는 내부의 재료를 가열하고 조사하기 위해 반응 챔버(910)의 벽(911)을 통해 및 반응 공동부(912)로 지향한다. 기전(917)은 반응 챔버(910)의 종축(920)을 따라 및/또는 이것 주위로 마그네트론(916)과 반응 챔버(910) 사이의 상대 이동을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 기전(917)은 각도(θ)로 반응 챔버(910) 및/또는 마그네트론(916)이 기울어지는 것(도 9c 참조)을 수월하게 하여, 예를 들어 공급원료의 반응 및/또는 가스의 추출을 수월하게 할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c에 예시된 실시형태에서, 마그네트론(916)은 회전 기전(917), 예컨대 정지상 반응 챔버(910) 주위로 마그네트론(916)을 회전시키는 회전 가능한 케이지 또는 드럼에 배치된다. 몇몇 실행에서, 챔버 주위의 회전은 완전하지 않을 수 있지만, 회전 경로는 반응 챔버의 원주 주위로 원호를 획정할 수 있다. 회전은 원호의 경로를 따라 뒤 및 앞에서 발생할 수 있다. 이미 언급된 바대로, 몇몇 실시형태에서, 반응 챔버(910)는 회전 부품일 수 있거나, 마그네트론(916)(또한 가열/방사선 하위시스템이라 칭함) 및 반응 챔버(910) 둘 다는 예를 들어 반대의 항류 방향으로 회전할 수 있다. 반응 챔버와 마그네트론 사이의 회전은 반응 공동부(912) 내의 공급원료의 더 균등한 가열 및 더 균등한 마이크로파 노출을 제공하여서, 공급원료의 효과적인 반응 화학 및/또는 온도/방사선 의존적인 다른 공정, 예컨대 공급원료로부터의 물의 제거를 증대시킨다. 회전은 온도 구배를 감소시키고/시키거나, 반응 챔버 내부의 플러그에 걸쳐 더 일정한 마이크로파 플럭스를 유지시킨다.
반응 챔버(910)는 1개 이상의 진입 포트(920), 예를 들어 반응 공동부(912)로 또는 이로부터의 물질의 주입 또는 추출을 허용하도록 구성된 석영 진입 포트를 포함할 수 있다. 반응 챔버(910)는 또한 마이크로파-반사용 봉합체(922)에 의해 둘러싸인다. 일 실행에서, 석영 포트는 반응 공동부로부터 공기 및/또는 산소를 추출하도록 이용될 수 있다. 몇몇 공정에 바람직한 연소를 억제하기 위해 공기 및/또는 산소의 추출을 이용할 수 있다.
예를 들어, 소정의 실시형태에서, 공기 및/또는 물의 압축 및/또는 제거를 통해 공급원료를 예비가공하기 위해 마이크로파 하위시스템(900)을 사용할 수 있다. 일 적용에서, 수소 및/또는 질소와 같은 가스는 1개 이상의 포트(920)를 통해 주입되어서, 공급원료를 수소화하거나 이의 연소를 억제할 수 있다. 반응 챔버(910)는 반응 챔버(910)로부터의 물, 수증기, 공기, 산소 및/또는 다른 물질 및/또는 부산물의 통과를 허용하도록 구성된 1개 이상의 출구 포트(921), 예를 들어 석영 출구 포트를 또한 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 반응 챔버로 직접적으로 도입되는 공기 및 물 둘 다에서 이미 충분히 압축되고 감소한다.
도 9d는 본 발명의 실시형태에 따라 유기-탄소-함유 공급원료로부터 연료를 생성하기 위한 마이크로파-하위시스템(950)을 예시하는 다이어그램이다. 마이크로파 하위시스템(950)은 마이크로파 하위시스템(950)으로의 공급원료 재료의 도입을 허용하도록 구성된 유입 호퍼(input hopper)(또한 로드 호퍼라 칭함)(951)를 포함한다. 기어 모터 오거 드라이브(952)는 마이크로파 하위시스템(950)을 통해 공급원료를 수송하는 오거(953)에 대한 드라이브 시스템을 제공한다. 공급원료가 로드 호퍼(951)에서 압축되면서, 공기는 대기 출구(954)를 통해 추출된다. 시일(955)은 진공의 수준을 유지시키기 위해 반응 챔버(956)로부터 로드 호퍼(951)를 격리시킨다. 반응 챔버(956)는 마이크로파-투명 재료의 벽을 포함한다. 1개 이상의 정지상 마이크로파 헤드(957)은 반응 챔버(956)의 벽에 배치된다. 또한, 마이크로파 하위시스템(950)은 1개 이상의 회전 마이크로파 헤드(958)를 포함한다. 일 실행에서, 각각의 회전 마이크로파 헤드는 반응 챔버(956)의 종축(960)과 관련하여 고정된 위치에 배치된다. 회전 마이크로파 헤드는 마이크로파 헤드(958)가 반응 챔버(956) 주위로 회전하는 것을 허용하는 슬립링 베어링(slipring bearing)(959)에 탑재된다. 마이크로파 반사용 봉합체(962)는 반응 챔버(956)를 포함한다. 몇몇 실행에서, 회전 마이크로파 헤드(들)(958)는 반응 챔버(956)의 종축(960) 주위로 회전할 뿐만 아니라, 종축(960)을 따라 뒤 및 앞으로 이동할 수 있다. 마이크로파 하위시스템(950)은 반응 챔버 진공을 유지시키기 위해 반응 챔버(956)의 출구에서 시일을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유기-탄소-함유 공급원료는 마이크로파 하위시스템에 진입하기 전에 이전에 기재된 하위선광 시스템에서 압축되고, 임의의 공기 추출이 필요한 경우 적다.
도 10a는 도 9a 및 도 9b에 예시된 1개 이상의 반응 챔버를 사용하는 마이크로파 하위시스템(1000)의 블록 다이어그램이다. 반응 챔버(1020, 1030)는 직렬 또는 병렬 구성으로 배열되고/되거나 조작될 수 있다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 추출 공정(1020) 및 반응 공정(1030)은 예를 들어 상이한 온도로 조작되는 2개의 별개의 반응 챔버에서 발생하는 것으로 예시되어 있다. 대안적으로, 추출 공정 및 반응 공정은 2개의 별개의 구역, 예를 들어 2개의 별개의 온도 구역을 갖는 단일 반응 챔버에서 실행될 수 있다.
도 10의 마이크로파 하위시스템(1000)에서, 물/공기 추출 구획(1020) 및 반응 구획(1030)의 하나 또는 둘 다는 도 9a 및 도 9b의 마이크로파 하위시스템(900)에서의 반응 챔버와 유사할 수 있다. 예를 들어, 식물 세포를 함유하는 거름, 목재 칩 및 식물 기반 셀룰로스 중 하나 이상과 같은 유기-탄소-함유 공급원료는 호퍼(1011)를 통해 마이크로파 하위시스템에 진입하고, 에어록(airlock)(1012)을 횡단하여 공급원료 제조 모듈(1013)에 진입한다. 필요한 경우, 제올라이트 및/또는 예를 들어 pH를 조정하기 위해 반응 공정을 증대시키는 다른 첨가제와 같은 촉매는 유입 호퍼(1011) 및/또는 진입 포트(도 9b에서 도시됨)를 통해 마이크로파 하위시스템(1000)으로 도입될 수 있다. 공급원료 제조 모듈(1013)에서, 공급원료 재료는 공급원료의 순도, 밀도 및/또는 화학 조성과 같은 공급원료의 특성에 따라 달라질 수 있는 미리 결정된 입자 크기로 잘라질 수 있다. 사용되는 경우, 촉매가 반응 챔버(1031)에 진입하기 전에 공급원료 재료 내에 균등하게 분산되도록 공급원료가 제조되는 시간에 촉매가 첨가될 수 있다. 일반적으로, 공급원료가 덜 균일할수록, 효과적인 반응을 제공하기 위해 필요한 입자 크기가 더 작다.
초기 공급원료 제조 단계 후, 잘라지고 혼합된 공급원료는 공정의 다음 단계의 추출 챔버(1021)로 수송 기전(1015)에 의해 수송된다. 반응 공정 전에 물의 임의의 공정 및/또는 공기 추출을 수행하는 공기/물 추출 하위시스템(1020)은 회전 또는 정지상 기전(1027)에 탑재될 수 있는 마이크로파(1026)를 생성하도록 구성된 마그네트론(1023)을 적어도 포함하는 가열/방사선 모듈(1022)을 포함한다. 회전 기전에 탑재되는 경우, 마이크로파(1026)가 추출 챔버(1021)의 벽(1024)을 통해 및 내부의 공급원료에 충돌하고 이를 가열시키는 추출 공동부(1025)로 지향하면서, 기전은 추출 챔버(1021) 주위로 부분적으로 또는 완전히 마그네트론(1023)을 회전시킨다. 몇몇 실시형태에서, 가열 모듈(1022)은 다른 열/방사선원을 사용하지 않으면서 오직 1개의 마그네트론(1023) 또는 오직 2개 이상의 마그네트론을 이용할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 가열/방사선 모듈(1022)은 다른 열원, 예컨대 추출 챔버의 벽을 통한 열 전도에 의존하는 열원, 예를 들어 불꽃, 스팀, 전기 저항 가열, 공정으로부터 재순환된 열 및/또는 다른 열원 이외에 마그네트론(1023)을 이용할 수 있다. 공기 및/또는 물 추출 공정 동안, 공급원료는 물의 비점인 적어도 100℃로 가열되어, 공급원료로부터 과량의 물을 제거할 수 있다. 과량의 물(예를 들어, 스팀 형태의) 및/또는 다른 물질은 1개 이상의 출구 포트를 통해 추출 챔버(1021)를 떠날 수 있다. 수소 및/또는 질소를 포함하는 불활성 및/또는 반응성 가스와 같은 공급원료에 대한 첨가제는 1개 이상의 유입 포트를 통해 물/공기 추출 공정의 추출 챔버(1021)로 도입될 수 있다. 마이크로파에 의해 가열되고 조사되는 것 이외에, 공급원료는 또한 가압 분위기 및/또는 진공 분위기로 처리될 수 있고/있거나, 기계적으로 압축되어, 추출 챔버(1021)로부터 공기를 제거할 수 있다.
임의의 공기 및/또는 물 추출 공정 후, 수송 기전(1015)은 공급원료를 공급원료의 열 해체와 같은 반응 공정을 포함하는 반응 구획(1030)인 다음 가공 단계로 이동시킨다. 공급원료/촉매 혼합물이 마이크로파 반사용 봉합체(1038)에 의해 둘러싸인 반응 챔버(1031)에 진입한 후, 혼합물은 원하는 반응을 수월하기에 충분한 온도로 가열된다. 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 350℃의 범위의 온도를 이용하여 공급원료에서의 탄화수소를 더 짧은 사슬로 크래킹하여 해체를 통해 액체 연료를 생성한다. 가열되는 것 이외에, 공급원료는 또한 가압 분위기 또는 진공 분위기로 처리될 수 있고/있거나, 반응 챔버(1031)에서 기계적으로 압축될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 반응 챔버(1031)에서의 가열/방사선은 마이크로파(1036)를 방출하는 마그네트론(1033)을 이용하여 실행된다. 마그네트론(1033)은 반응 챔버(1031)에 대해 회전할 수 있다. 물 추출 구획(1020)과 관련하여 이전에 기재된 바대로, 회전 마그네트론(1033)은 케이지 또는 드럼과 같은 회전 기전(91037)에 의해 지지될 수 있다. 회전 기전(1037)은 마그네트론(1033)과 반응 챔버(1031) 사이의 상대 회전 이동을 허용한다. 예를 들어, 마그네트론(1033)은 반응 챔버(1031) 주위로 완전히 회전할 수 있거나, 마그네트론(1033)의 회전은 반응 챔버(1031)의 원주를 따르는 원호를 따라 뒤 및 앞으로 진행할 수 있다. 회전 마그네트론 가열 시스템(1033)은 정지상 마그네트론 및/또는 다른 종래 열원, 예컨대 불꽃 또는 전기 저항 가열을 이용하여 보충될 수 있다. 회전 마그네트론(1033)은 반응 공동부(1035) 내에 공급원료 재료 및 촉매의 더 균등한 가열/방사선을 제공하고, 정지상 열원의 가열 특성에 비해 가열 특성을 증대시킨다.
크래킹된 탄화수소는 기화하고 응축기(1041)에 수집되고, 액화하고 이후 증류기(1040)로 이송되어 디젤 연료를 생성하는 반면, 더 중질의 더 긴 사슬의 탄화수소 분자는 반응 챔버로 다시 재순환될 수 있다. 몇몇 실행에서, 증류는 필요하지 않을 수 있고, 연료 생성물만이 여과될 필요가 있다.
몇몇 구성에서, 공급원료로부터 연료 추출의 더 높은 효율을 허용하기 위해 반응의 공정을 제어하는 것이 바람직하다. 도 10b는 피드백 제어 시스템(1050)을 따라 도 10a와 연결되어 기재된 하위시스템 부품을 포함하는 마이크로파 하위시스템(1005)의 블록 다이어그램이다. 예시된 피드백 제어 시스템(1050)은 컨트롤러(1051) 및 공정 동안 다양한 단계에서 매개변수를 감지하도록 구성될 수 있는 1개 이상의 센서(1052), (1053), (1054)를 포함한다. 피드백 제어 시스템(1050)은 공급원료 및/또는 공급원료 제조 공정의 매개변수를 감지하도록 구성된 공급원료 제조 단계에서의 센서(1052)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(1052)는 공급원료의 화학 조성, 밀도, 수분 함량, 입자 크기, 에너지 함량 또는 다른 공급원료 매개변수를 감지할 수 있다. 센서(1052)는 추가로 또는 대안적으로 공급원료 제조 챔버 내의 조건, 예를 들어 흐름, 압력, 온도, 습도, 챔버에 존재하는 가스의 조성 등을 감지할 수 있다. 센서(1052)는 컨트롤러 전자제품(1051)에 입력된 신호(1055a)를 전개하고, 이 전자제품에서 이것은 공급원료 및/또는 공급원료 제조 공정의 조건을 결정하도록 분석된다. 감지된 신호(1055a)에 응답하여, 컨트롤러(1051)는 공급원료 제조 모듈(1013)의 조작을 제어하는 피드백 신호(1055b)를 전개한다. 예를 들어, 몇몇 실행에서, 컨트롤러(1051)는 미리 결정된 입자 크기 및/또는 미리 결정된 입자 크기 변화가 검출될 때까지 공급원료 재료를 계속해서 자르고/자르거나 분쇄하도록 공급원료 제조 모듈(1013)을 제어할 수 있다. 또 다른 예에서, 공급원료의 감지된 화학 조성에 기초하여, 컨트롤러(1051)는 더 많거나 더 적은 양의 촉매가 공급원료 내에 혼합되게 할 수 있거나, 상이한 유형의 촉매가 공급원료 내에 혼합되게 할 수 있다.
제어 시스템(1050)은 감지된 신호(1056a, 1057a)에 기초하여, 각각 물 추출 모듈(1020) 및/또는 반응 모듈(1030)의 조작을 제어하도록, 피드백 신호(1056b), (1057b)를 또한 전개할 수 있다. 예를 들어, 센서(1053), (1054)는 물 추출 및/또는 반응 공정의 온도를 감지할 수 있고, 컨트롤러(1051)는 마그네트론(1023, 1033) 중 하나 또는 둘 다의 전력, 주파수, 펄스폭, 회전 또는 병진 속도 등과 같은 가열/방사선 시스템(1022, 1032)의 조작을 제어하도록 피드백 신호(1056b, 1057b)를 전개할 수 있다. 컨트롤러(1051)는 공급원료에 충동하는 방사선의 양을 제어하도록 마그네트론에 대한 피드백 신호를 전개할 수 있어서, 공급원료는 과쿠킹되거나 저쿠킹되지 않을 것이고, 핫 스팟의 전개가 회피될 것이다. 컨트롤러 시스템(1050)은 챔버(1021, 1031) 내에 일어나는 공정을 제어하기 위해 진입 포트를 통한 추출 챔버 및/또는 반응 챔버(1021, 1031) 중 하나 또는 둘 다로의 다양한 물질의 주입을 제어할 수 있다. 고갈된 공급원료의 잔류물인 바이오 숯은 저장 유닛으로 이송된다. 몇몇 실시형태에서, 컨트롤러 시스템(0150)은 가공된 바이오 숯(여기서, 공급원료 선택으로부터 바로 생긴 것 이외의 특정한 특성이 원해짐)의 특성에 유리하게 영향을 미치는 조건을 제어하도록 이용될 수 있다. 증류 단계 후에, 중질 탄화수소는 반응 챔버로 다시 재순환될 수 있고, 더 경질의 탄화수소는 중합 단계로 이송될 수 있다.
반응 챔버는 반응 공정의 주파수 및 에너지 범위에서 마이크로파에 실질적으로 투명한 석영, 유리, 세라믹, 플라스틱 및/또는 임의의 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 구성에서, 본 명세서에 기재된 가열/방사선 시스템은 반응 챔버에 대해 회전하는 1개 이상의 마그네트론을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 마그네트론은 복수일 수 있고/있거나, 정지상일 수 있다. 도 11a는 패러데이 케이지로서 작용하는 드럼(1112)에 배열된 복수의 정지상 마그네트론(1111)을 포함하고, 1개 이상의 마이크로파-투명 벽을 갖는 원통형 반응 챔버(1113)의 외부에 배치된 반응 시스템(1100)을 예시한다. 반응 시스템(1100)에서, 반응 챔버(1113)에서의 마이크로파가 공급원료를 통해 뒤 및 앞으로 반사하게 하도록 예를 들어 금속과 같은 마이크로파 불투명 재료로 제조된 드럼은 따라서 공급원료를 액체 재생성 연료 및 고체 재생성 연료 바이오 숯으로 전환하기에 위해 더 효과적으로 사용된다. 마그네트론의 조작은 예를 들어 다중화 패턴에서 연속적일 수 있거나 펄스화될 수 있다. 몇몇 실시형태(도 11b)에서, 마그네트론(1111)을 지지하는 드럼(1113)은 반응 챔버(1112)의 종축(1150) 주위로 회전(1130)할 수 있고/있거나, 반응 챔버(1112)는 이의 종축(1150) 주위로 회전(1120)할 수 있다.
공급원료 수송 기전은 반응 챔버 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 11c에 예시된 것처럼, 공급원료 수송 기전은 반응 챔버가 회전하면서 반응 챔버(1160)를 통해 공급원료를 이동시키도록 구성된 1개 이상의 배플(1161)을 포함할 수 있다. 배플(361)은 반응 챔버(1160)의 벽에 탑재될 수 있고/있거나, 반응 챔버(1160) 내에 및 이를 통해, 예를 들어 반응 챔버를 통해 종축으로 공급원료의 이동을 제공하도록 반응 챔버 내에 달리 설치될 수 있다.
도 12에 예시된 몇몇 실시형태에서, 1개 이상의 2차 열원(1250), 예컨대 불꽃, 스팀 및/또는 전기 저항 가열, 또는 재순환된 열이, 정지상이거나, 마이크로파 반사 패러데이 케이지(1221)에 밀폐된 반응 챔버(1220)의 원주 주위로 회전하는 기전(1217)에 지지된, 마그네트론(1216) 이외에 사용될 수 있다. 몇몇 구성에서, 마그네트론(1216)은 반응 챔버(1220) 주위의 완전한 공전을 만들지 않을 수 있지만, 반응 챔버(1220)의 원주를 따르는 원호를 따라 뒤 및 앞으로 회전(1219)할 수 있다. 공급원료가 본 발명의 가공된 바이오 숯에 대해 상기 기재된 바와 같은 기공 밀도, 분포, 및 크기 및 분포의 변화를 갖는 가공된 바이오 숯을 형성하기 위해 공급원료 입자의 덩어리에 걸쳐 실질적으로 균일한 열에 노출되는 한, 다양한 구성이 가능하다.
반응 챔버에 대한 1개 이상의 마그네트론의 이동은 도 13에 예시된 바대로 반응 챔버의 종축을 따라 마그네트론을 이동시키는 이동을 또한 포함할 수 있다. 마그네트론(1330)을 지지하는 반응 챔버(1310) 및 케이지(1320)가 예시되어 있다. 케이지(1320) 및 마그네트론(1330)은 반응 챔버(1310)의 종축(1350)을 따라 앞 및 뒤로 이동하고, 반응 챔버(1310)를 밀폐하는 금속 마이크로파 반사 패러데이 케이지(1315) 위로 이동(1340)할 수 있다. 몇몇 실행에서, 종축(1350)을 따른 케이지(1320) 및 마그네트론(1330)의 이동(1340) 이외에 및/또는 이것과 동시에, 케이지(1320) 및 마그네트론(1330)은 종축(1350) 주위로 회전(1360)할 수 있다.
바이오 숯을 제조하기 위한 공정
본 발명은 또한 바이오 숯을 제조하기 위한 공정을 포함한다. 상기 공정은 상기 기재된 선광 하위시스템에 의해 가공된 탄소 함유 공급원료를 제조하기 위한 선광 공정의 2개의 양상 및 가공된 탄소 함유 공급원료를 바이오 숯으로 전환하기 위한 마이크로파 공정의 일 양상을 포함한다. 구체적으로, 상기 공정은 3개의 단계에 의해 고체 재생성 연료를 제조하는 것이다. 제1 단계는 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제1 하위시스템 및 제2 하위시스템을 포함하는 시스템으로 투입하는 것이다. 제2 단계는 선광 하위시스템인 제1 하위시스템을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제조하는 것이다. 제3 단계는 마이크로파 하위시스템을 통해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 고체 가공된 바이오 숯 연료로 전환하는 것이다.
선광 하위시스템 공정
선광 공정 단계는 선광 하위시스템 공정을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜 20중량% 미만의 함수량 및 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하는 단계를 포함한다. 선광 하위시스템 공정의 2개의 양상이 존재한다. 제1 양상은 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 특성에 초점을 두고, 제2 양상은 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 다운스트림 연료 생성 시스템과 사용하기에 적합한 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로 전환하기 위한 현재 공지된 공정의 효율에 비해 본 발명의 공정의 에너지 효율에 초점을 둔다. 둘 다는 상기 개시된 선광 하위시스템을 이용한다.
제1 양상
본 발명의 선광 공정 단계의 제1 양상은 4개의 단계를 포함한다. 제1 단계는 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 투입하는 것이다. 몇몇 실시형태는 건조 기준으로 적어도 4000㎎/㎏의 함량을 갖는 수용성 염을 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 갖는다.
제2 단계는, 결정화된 셀룰로스 피브릴, 리그닌 및 헤미셀룰로스를 포함하는 세포벽의 적어도 일부 구역이, 25% 초과의 리그닌 및 헤미셀룰로스를 용해시키지 않으면서, 수용성 염에 의해 더 침투 가능하게 하도록, 공급원료에 특정된 조건에서 일정 시간 동안 압력 하에 공급원료를 뜨거운 용매에 노출시키는 것이다. 상기 언급된 바대로, 이는 적어도 몇몇 피브릴의 구역의 다발 제거, 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스의 적어도 몇몇 가닥의 탈중합, 또는 셀룰로스 피브릴로부터의 이의 탈착 중 하나 이상에 의해 실행되어서, 피브릴의 이의 직조를 방해한다. 또한, 셀룰로스 피브릴 및 미세피브릴은 부분적으로 탈중합되고/되거나, 탈결정화될 수 있다.
제3 단계는 적어도 몇몇 식물 세포벽에서 개방 기공을 갖는 다공성 공급원료를 생성하도록 세포내 유출하는 가스를 갖는 더 침투성인 구역을 침투하도록 승압을 신속히 제거하는 것이다. 몇몇 실시형태에서, 압력은 500밀리초(㎳) 미만, 300㎳ 미만, 200㎳ 미만, 100㎳ 미만, 또는 50㎳ 미만에서 대략 대기압으로 제거된다.
제4 단계는 조정 가능한 압밀 압력 대 시간 프로파일 및 압밀 시간 기간을 포함하는 조건에 의해 그리고 펠트가 형성되는 것을 막고 세포내 및 세포간 물, 및 세포내 수용성 염의 반응 챔버로부터의 유출을 차단하는 것을 막도록, 그리고 20중량% 미만의 함수량 및 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 건조 기준으로 적어도 60% 감소한 수용성 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 다공성 공급원료를 프레싱하는 것이다. 몇몇 실시형태에서, 함수량은 남은 표면 물을 제거하도록 후속하는 공기 건조 후 측정된다. 몇몇 실시형태에서, 압력 플레이트는 펠트를 형성하려는 이의 선호 및 상기 기재된 바와 같은 속 함량에 기초하여 특정한 유기-탄소-함유 공급원료에 적합화된 패턴을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 압력 양 및 압력 플레이트 구성은 특정한 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 목표로 하는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료 목표를 만족시키도록 선택된다. 몇몇 실시형태에서, 압력은 섬유가 이완하는 것을 허용하는 바이오매스 유입 및 더 에너지 효과적인 방식으로 스퀴징되는 더 많은 수용성 염에 따라 다양한 길이의 시간 증분으로 압력을 증가시키는 단계에서 인가된다. 몇몇 실시형태에서, 깨끗한 물은 세정제로서 바이오매스에서 재도입되고, 바이오매스는 다시 프레싱된다.
상기 공정은 세포내 물 및 세포내 수용성 염이 식물 세포의 내부로부터 외부로 통과하는 세포벽 통로의 생성을 방해하는 오염물질의 용해를 적어도 개시시키도록, 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 시간 기간, 온도 프로파일 및 전처리 용액의 화학 함량을 포함하는 특정한 일련의 조건으로 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료가 반응 챔버에 진입하기 전에, 이 공급원료를 예비세척하는 것인 제5 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 공정은 반죽의 제6 단계를 추가로 포함할 수 있다. 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 반응 챔버에 진입하기 전에 1인치(2.5센티미터) 미만의 가장 긴 치수를 갖는 입자로 반죽된다.
상기 공정은 오염물질을 제거하는 제7 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 단계는 물보다 덜 극성인 용매에 의해 다공성 공급원료로부터 적어도 오일, 왁스 및 휘발성 유기 화합물을 분리시키는 것을 포함한다.
시스템 양상에서처럼, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 직렬 또는 별개의 병렬의 반응 챔버에서 가공되는 초본 식물 재료(herbaceous plant material), 연재 식물 재료(soft woody plant material) 및 경재 식물 재료(hard woody plant material)로 이루어진 군으로부터의 적어도 2종을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시형태에서, 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에서의 각각의 식물 재료의 에너지 밀도는 실질적으로 동일할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유기-탄소-함유 공급원료는 초본 식물 재료, 연재 식물 재료 및 경재 식물 재료로 이루어진 군으로부터 적어도 2종을 포함하고, 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에서의 각각의 식물 재료의 에너지 밀도는 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)이다.
도 14는 미가공된 형태에 비해 건조 기준으로 60% 미만의 수용성 염 및 20중량% 미만의 물을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제조하는 공정의 블록 다이어그램이다.
제2 양상
제2 양상은 단계가 효율 특징을 갖고, 생성된 가공된 유기-탄소-함유 공급원료가 비용 특징을 갖는다는 점을 제외하고는 제1 양상과 유사하다. 제2 양상은 4개의 단계를 또한 포함한다. 제1 단계는 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 물-염, 및 피브릴 다발 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 피브릴을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 투입하는 것이다. 각각의 단계는 에너지 및 재료 전환을 목표로 하는 더 특정된 조건을 강조한다. 제2 단계는, 25% 초과의 리그닌을 용해시키지 않으면서, 부분적으로 결정화된 셀룰로스 피브릴 다발, 리그닌, 헤미셀룰로스, 및 수용성 염을 포함하는 세포 챔버를 팽윤시키고 다발 제거하도록 그리고 셀룰로스 다발의 적어도 몇몇을 탈결정화하도록, 공급원료에 특정된 조건에서의 시간 동안 압력 하에 공급원료를 뜨거운 용매에 노출시키는 것이다. 제3 단계는 셀룰로스 챔버에서 개방 기공을 갖는 다공성 공급원료를 생성하도록 압력을 제거하는 것이다. 제4 단계는, 조정 가능한 압밀 압력 대 시간 프로파일 및 압밀 시간 기간을 포함하는 조건에 의해, 펠트가 형성되는 것을 막고, 세포내 및 세포간 물, 및 세포내 수용성 염의 반응 챔버로부터의 유출을 차단하도록, 그리고 20중량% 미만의 함수량, 건조 기준으로 적어도 60% 감소한 수용성 염 함량, 및 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 또는 공지된 열 공정으로부터의 유사한 물 제거의 중량당 비용의 60% 미만으로 감소한 물 및 수용성 염을 제거하는 것의 중량당 비용을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 다공성 공급원료를 프레싱하는 것이다.
도 15는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염보다 건조 기준으로 50중량% 미만의 수용성 염 및 20중량% 미만의 물, 및 유사한 양의 물 및 수용성 염을 제거할 수 있는 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 또는 공지된 열 공정으로부터의 유사한 물 제거의 60% 미만의 중량당 비용을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제조하는 공정의 블록 다이어그램이다.
에너지 효율은 상기 기재된 바와 같은 특별한 유기-탄소-함유 공급원료에 공정 조건을 맞춤조정으로써 부분적으로 달성된다. 몇몇 실시형태는 열을 재포획하고 재사용하여 가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 1톤당 비용을 추가로 감소시키도록 조작된 시스템을 이용한다. 몇몇 실시형태는 시간이 걸리지만 추가의 에너지 비용을 갖지 않는 공정인 공기 건조에 의한 유기-탄소-함유 공급원료의 가공으로부터 남은 표면 또는 유리 물을 제거한다. 도 16은 달성된 생성된 함수량 및 수용성 염 함량과 함께 유기-탄소-함유 공급원료의 3종에 이용된 몇몇 공정 변형을 나타낸 표이다. 함수량 및 수용성 염 함량에서 달성된 값 및 목표로 하는 생성물 값을 달성하기 위한 에너지 비용을 상승시키거나 감소시키도록 공정 조건 및 가공 단계의 변형이 이용될 수 있는 것으로 이해된다. 몇몇 실시형태는 5중량% 미만만큼 낮은 함수량 및 미가공된 공급원료 형태로부터 건조 기준으로 95중량% 초과만큼 감소한 수용성 염 함량을 달성하였다.
마이크로파 하위시스템 공정
마이크로파 하위시스템 공정 단계는 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 수용성 염, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 갖는 고체 재생성 연료 조성물을 생성하기 위해 마이크로파 하위시스템 공정을 통해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키는 단계를 포함한다.
도 17은 본 발명의 고체 재생성 연료 가공된 바이오 숯을 생성하기 위해 마이크로파 하위시스템을 통해 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시키는 공정의 실시형태의 블록 다이어그램이다. 가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 공급원료를 가열하고/하거나 조사하기 위해 이용된 마이크로파에 실질적으로 투명한 벽을 갖는 반응 챔버에 대한 투입(1710)이다. 가열 및/또는 조사는 마이크로파 에너지가 반응 챔버 내에 배치된 공급원료에 충돌하도록 이 에너지를 반응 챔버의 벽을 통해 지향시킴으로써(1720) 발생한다. 바람직한 최종 연료 생성물을 생성하도록 유기-탄소-함유 분자의 반응이 일어날 때까지 임의로 촉매의 존재 하에 마이크로파에 의해 공급원료를 가열/조사한다(1730). 반응 공정에 의해 생성된 연료 생성물을 수집한다(1740).
본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상기 기재된 바람직한 실시형태에 다양한 변형 및 부가가 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 기재된 특정한 실시형태에 의해 제한되지 않아야 한지만, 하기 기재된 청구항 및 이의 등가물에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (19)

  1. 조성물로서,
    적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 포함하는 특징을 갖는, 고체 재생성 탄소 연료를 포함하는 가공된 바이오 숯(biochar) 조성물을 포함하되,
    상기 가공된 바이오 숯은, 선광 하위시스템(beneficiation sub-system)에 의해 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료로 전환되고, 마이크로파 하위시스템에 의해 상기 가공된 바이오 숯으로 전환되는, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료로부터 제조된, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선광 하위시스템은,
    a. 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 운송하도록 구성된 전송 장치;
    b. 적어도 1개의 진입 통로, 유체에 대한 적어도 1개의 출구 통로, 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 적어도 1개의 출구 통로, 및 적어도 3개의 구획을 포함하는 적어도 1개의 반응 챔버로서, 상기 구획들은,
    ⅰ. 상기 피브릴 사이의 리그닌 및 헤미셀룰로스의 적어도 몇몇과 상호작용하여, 상기 세포벽의 적어도 일부 구역이 수용성 염에 의한 유출에 더 민감하게 하는 습식 피브릴 파괴 구획(wet fibril disruption section),
    ⅱ. 상기 습식 피브릴 파괴 구획과 연통하고, 세포내 물 및 세포내 수용성 염이 상기 식물 세포로부터 통과하기 위한 식물 세포벽 통로를 갖는 다공성 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록, 신속한 감압을 통해 식물 피브릴 투과성 유체를 휘발시켜 상기 세포벽의 더 민감한 구역을 침투하도록 구성된 적어도 증기 폭발 구획(vapor explosion section), 및
    ⅲ. 상기 증기 폭발 구획과 연통하고, 상기 반응 챔버의 유체의 상기 출구 통로로부터의 세포내 물 및 세포내 수용성 염의 유출을 허용하고, 상기 반응 챔버의 상기 출구 통로를 통해 통과하는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록, 물 불투과성 펠트의 형성을 최소화하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 상기 다공성 유기-탄소-함유 공급원료를 압축하도록 구성된 압밀 구획(compaction section)을 포함하는, 상기 적어도 1개의 반응 챔버; 및
    c. 상기 반응 챔버와 연통하고, 20중량% 미만의 함수량 및 상기 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60% 감소한 수용성 염 함량을 갖는 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 수집하도록 구성된 수집 장치를 포함하는, 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 하위시스템은,
    a. 마이크로파 반사용 봉합체(microwave reflecting enclosure) 내의 적어도 1개의 반응 챔버로서, 외부로 공급된 무산소 분위기에서 상기 유기-탄소-함유 공급원료를 보유하도록 구성된 상기 반응 챔버 내의 적어도 1개의 마이크로파-투명 챔버 벽 및 적어도 1개의 반응 공동부(reaction cavity)를 포함하는, 상기 적어도 1개의 반응 챔버;
    b. 동력공급될 때 마이크로파를 방출하도록 구성된 적어도 1개의 장치를 포함하는 마이크로파 하위시스템으로서, 상기 마이크로파 장치는, 상기 마이크로파가 상기 마이크로파-투명 챔버 벽을 통해 상기 반응 공동부로 지향하도록 상기 반응 챔버에 대해 배치된, 마이크로파 하위시스템; 및
    c. 상기 마이크로파 장치와 상기 반응 챔버 사이에 상대 이동을 제공하도록 구성된 기전을 포함하는, 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동일한 공급원료에 의해 그러나 상기 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에서 갖는 것보다 적어도 10% 초과인 용적당 다수의 기공을 갖는 기공을 추가로 포함하는, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 10% 미만의 기공 분포의 변화를 갖는 기공을 추가로 포함하는, 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 용적당 다수의 기공은 상기 동일한 공급원료에 의해 그러나 상기 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에서 갖는 것보다 적어도 20% 초과인, 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 용적당 다수의 기공은 상기 동일한 공급원료에 의해 그러나 상기 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에서 갖는 것보다 적어도 30% 초과인, 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 용적당 다수의 기공은 상기 동일한 공급원료에 의해 그러나 상기 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에서 갖는 것보다 적어도 40% 초과인, 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 동일한 공급원료에 의해 그러나 상기 공정 동안 액상을 생성하는 열 공정을 이용하여 제조된 숯에서의 열 함량의 적어도 20% 초과의 열 함량을 추가로 포함하는, 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 적어도 5중량%의 물을 포함하는, 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 적어도 5중량%의 휘발성 물질을 포함하는, 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유기-탄소-함유 공급원료는 초본 식물 재료(herbaceous plant material), 연재 식물 재료(soft woody plant material) 및 경재 식물 재료(hard woody plant material)로 이루어진 군으로부터의 적어도 2가지 유형을 포함하고, 각각의 유형은 상기 적어도 1개의 반응 챔버를 통해 직렬로 통과하고, 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에서의 각각의 식물 재료의 에너지 밀도는 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)인, 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료는 건조 기준으로 적어도 4000㎎/㎏의 수용성 염 함량을 갖는, 조성물.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유기-탄소-함유 공급원료는 초본 식물 재료, 연재 식물 재료 및 경재 식물 재료로 이루어진 군으로부터의 적어도 2가지 유형을 포함하고, 각각의 유형은 상기 적어도 1개의 반응 챔버를 통해 직렬로 통과하고, 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료에서의 각각의 식물 재료의 에너지 밀도는 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)인, 조성물.
  15. 제2항에 있어서, 상기 선광 시스템은,
    세포내 물 및 세포내 수용성 염이 상기 식물 세포로부터 외부로 통과하도록 허용하는 상기 식물 세포벽 통로의 생성을 방해하는 오염물질의 용해를 적어도 개시시키도록, 각각의 유기-탄소-함유 공급원료에 대한 시간 기간, 온도 프로파일 및 전처리 용액의 화학 함량을 포함하는 특정한 일련의 조건을 이용하도록 구성된 전처리 챔버(pretreatment chamber)를 추가로 포함하는, 조성물.
  16. 제2항에 있어서, 상기 증기 폭발 구획은,
    상기 다공성 유기-탄소-함유 공급원료가 상기 압밀 구획으로 통과하기 전에 상기 공급원료로부터 수용성 염의 적어도 일부를 수세(flushing)하도록 구성된 적어도 1개의 세정 하위구획(rinsing subsection)을 추가로 포함하는, 조성물.
  17. 가공된 바이오 숯, 고체 재생성 연료, 조성물을 제조하는 방법으로서,
    a. 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 제1 하위시스템 및 제2 하위시스템을 포함하는 시스템으로 투입하는 단계,
    b. 선광 하위시스템 공정인, 상기 제1 하위시스템을 통해 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜서, 20중량% 미만의 함수량 및 상기 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하는 단계, 및
    c. 마이크로파 하위시스템 공정인, 상기 제2 하위시스템을 통해 상기 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 통과시켜서, 적어도 17MMBTU/톤(20GJ/MT)의 에너지 밀도, 10중량% 미만의 함수량, 상기 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 수용성 염을 갖는 고체 재생성 연료 조성물을 생성하는 단계를 포함하는, 가공된 바이오 숯, 고체 재생성 연료, 조성물을 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 선광 하위시스템 공정 및 상기 마이크로파 하위시스템 공정은,
    a. 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 선광 하위시스템 반응 챔버로 투입하는 단계;
    b. 결정화된 셀룰로스 피브릴, 리그닌 및 헤미셀룰로스를 포함하는 세포벽의 몇몇 구역이, 25% 초과의 리그닌 및 헤미셀룰로스를 용해시키지 않으면서, 수용성 염에 의해 더 침투 가능하게 하도록, 상기 공급원료에 특정된 조건에서 일정 시간 동안 압력 하에 상기 공급원료를 뜨거운 용매에 노출시키는 단계;
    c. 더 침투성인 구역을 침투하여 상기 식물 세포벽에서 개방 기공을 갖는 다공성 공급원료를 생성하도록 압력을 제거하는 단계; 및
    d. 조정 가능한 압밀 압력 대 시간 프로파일 및 압밀 시간 기간을 포함하는 조건에 의해 그리고 펠트가 형성되는 것을 막고 세포내 및 세포간 물, 및 세포내 수용성 염의 상기 반응 챔버로부터의 유출을 차단하는 것을 막도록, 그리고 20중량% 미만의 함수량 및 상기 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량으로부터 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 수용성 염 함량을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 상기 다공성 공급원료를 프레싱하는 단계를 추가로 포함하되;
    상기 마이크로파 하위시스템 공정은,
    e. 외부로 공급된 산소를 함유하지 않는 실질적으로 마이크로파-투명한 반응 챔버로 및 마이크로파 반사용 봉합체 내에 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 투입하는 단계;
    f. 마이크로파원으로부터 상기 반응 챔버의 벽을 통해 마이크로파를 지향시켜 상기 공급원료에 충돌시키는 단계;
    g. 마이크로파-투명 반응 챔버와 상기 마이크로파원 사이에 상대 이동을 제공하는 단계; 및
    h. 상기 공급원료가 반응하여 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염으로부터 건조 기준으로 60중량% 미만의 수용성 염, 10중량% 미만의 함수량, 및 10% 미만의 기공 크기의 변화를 갖는 기공을 포함하는 고체 연료를 생성할 때까지, 상기 공급원료를 마이크로파처리(microwaving)하는 단계를 추가로 포함하는, 가공된 바이오 숯, 고체 재생성 연료, 조성물을 제조하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 선광 하위시스템 공정 및 상기 마이크로파 하위시스템 공정은,
    a. 유리 물, 세포간 물, 세포내 물, 세포내 수용성 염, 및 피브릴 내에 리그닌, 헤미셀룰로스 및 미세피브릴을 포함하는 세포벽을 포함하는 적어도 몇몇 식물 세포를 포함하는 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 반응 챔버로 투입하는 단계;
    b. 결정화된 셀룰로스 피브릴, 리그닌 및 헤미셀룰로스를 포함하는 세포벽의 몇몇 구역이, 25% 초과의 리그닌 및 헤미셀룰로스를 용해시키지 않으면서, 수용성 염에 의해 더 침투 가능하게 하도록, 상기 공급원료에 특정된 조건에서 일정 시간 동안 압력 하에 상기 공급원료를 뜨거운 용매에 노출시키는 단계;
    c. 더 침투성인 구역을 침투하여 상기 식물 세포벽에서 개방 기공을 갖는 다공성 공급원료를 생성하도록 압력을 제거하는 단계; 및
    d. 조정 가능한 압밀 압력 대 시간 프로파일 및 압밀 시간 기간을 포함하는 조건에 의해 그리고 펠트가 형성되는 것을 막고 세포내 및 세포간 물, 및 세포내 수용성 염의 상기 반응 챔버로부터의 유출을 차단하는 것을 막도록, 그리고 20중량% 미만의 함수량, 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량에 비해 건조 기준으로 적어도 60중량% 감소한 수용성 염 함량, 및 공지된 기계 공정, 공지된 물리화학 공정 또는 공지된 열 공정으로부터 유사한 물 제거의 중량당 비용의 60% 미만으로 감소한 물 및 수용성 염을 제거하는 것의 중량당 비용을 갖는 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 생성하도록 구성된 압력 플레이트들 사이에 상기 다공성 공급원료를 프레싱하는 단계를 추가로 포함하되,
    상기 마이크로파 하위시스템 공정은,
    e. 외부로 공급된 산소를 함유하지 않는 실질적으로 마이크로파-투명한 반응 챔버로 및 마이크로파 반사용 봉합체 내에 가공된 유기-탄소-함유 공급원료를 투입하는 단계;
    f. 마이크로파원으로부터 상기 반응 챔버의 벽을 통해 마이크로파를 지향시켜 상기 공급원료에 충돌시키는 단계;
    g. 마이크로파-투명 반응 챔버와 상기 마이크로파원 사이에 상대 이동을 제공하는 단계; 및
    h. 상기 공급원료가 반응하여 미가공된 유기-탄소-함유 공급원료의 수용성 염 함량으로부터 건조 기준으로 60중량% 초과로 감소한 수용성 염 함량 및 10중량% 미만의 함수량을 포함하는 고체 연료를 생성할 때까지, 상기 공급원료를 마이크로파처리하는 단계를 추가로 포함하는, 가공된 바이오 숯, 고체 재생성 연료, 조성물을 제조하는 방법.
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