KR20190132524A - 적응형 열분해 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

적응성 열분해 시스템의 예가 제공되며, 이는 초임계 이산화탄소(CO2) 분위기에서 석탄의 화합물을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버를 포함한다. 시스템은 초임계 CO2 분위기로부터 용해된 열분해 산물을 제거한 다음 반응 챔버에서 재사용하기 위해 CO2를 회수하는 회수 및 응축 회로를 포함한다. 회수 및 응축 회로는 열분해 산물을 선택적으로 분별하기 위해 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 스테이지의 회수기 및 수집기를 포함한다. 또한, 열분해 반응은 생성된 열분해 산물을 변경하도록 제어될 수 있다.

Description

적응형 열분해 시스템 및 방법
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 PCT 국제 출원으로서 2018 년 4 월 11 일에 출원되고, "피치의 제조 및 탄소 섬유 제조 시의 후속 사용을 위해 최적화된 열분해 방법(Method of Pyrolysis Optimized for the Production of Pitch and Subsequent Use in Making Carbon Fiber)"이라는 명칭으로 2017 년 4 월 11 일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/484,292호의 우선권, 및 "적응형 열분해 시스템 및 방법(Flexible Pyrolysis System and Method)"이라는 명칭으로 2017 년 5 월 18 일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/508,333호의 우선권을 주장하며, 이들 미국 가특허 출원들은 본원에 참조로 포함된다.
도입
열분해(pyrolysis)는 산소가 없는 고온에서의 유기 물질의 열 화학적 분해를 지칭한다. 열분해 시스템의 구성 및 작동 방식에 따라, 상이한 열분해 산물들이 획득될 수 있다.
적응형 열분해 시스템의 예는 초임계 이산화탄소(supercritical carbon dioxide)(CO2)와 같은 초임계 유체(supercritical fluid)에서 석탄의 화합물(combination)을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버를 포함하는 것으로 후술된다. 상기 시스템은 초임계 유체로부터 용해된 열분해 산물들을 제거한 다음 반응 챔버에서 재사용하기 위해 유체를 회수하는 회수 및 응축 회로(recuperating and condensing circuit)를 포함한다. 회수 및 응축 회로는 열분해 산물들을 선택적으로 분별하기 위해 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 스테이지의 회수기 및 수집기(multiple stages of recuperators and collectors)를 포함한다. 또한, 열분해 반응은 생성된 열분해 산물들을 변경하도록 제어될 수 있다.
본 출원의 일부를 형성하는 다음의 도면들은 설명된 기술을 예시하고, 청구된 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로든 제한하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 본원에 첨부된 청구범위에 기초할 것이다.
도 1은 주어진 공급원료(feedstock)로부터 생성되는 피치(pitch)의 상대적인 양을 향상시키는 열분해 방법의 단순화된 실시예를 하이 레벨에서 도시한다.
도 2는 도 1의 열분해 방법의 보다 상세한 실시예를 도시한다.
도 3은 전술한 피치 생성 방법에 적합한 시스템의 예이다.
도 4는 주어진 공급원료로부터 획득된 열분해 산물들을 변경하도록 조정될 수 있는 적응형 열분해 시스템의 뱃치(batch) 실시예에 대한 프로세스 흐름도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 시스템의 실시예의 실험 성능을 도시한다.
도 6은 CO2를 사용하여 반응 산물들을 획득하도록 탄소질 공급원료를 열분해하는 광범위한 방법의 실시예를 도시한다.
도 7은 초임계 CO2로 석탄을 열분해하는 방법의 보다 상세한 실시예이다.
본 적응형 열분해 방법 및 시스템이 개시되고 기술되기 전에, 본 개시 내용은 본원에 개시된 특정의 구조, 프로세스 단계 또는 물질로 국한되지 않고, 오히려 관련 기술 분야의 기술자에 의해 인식될 그 균등물로 확장된다는 것을 이해해야 한다. 본원에 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 사용되며, 제한하려는 의도가 아니라는 것을 또한 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태의 용어는 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한, 복수의 형태를 포함한다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 예를 들어, "리튬 하이드록사이드(lithium hydroxide)"에 대한 언급은 정량적으로 또는 공급원 제한으로 간주되지 않아야 하고, "단계"에 대한 언급은 다수의 단계를 포함할 수 있으며, 반응의 "생성" 또는 "산물"에 대한 언급은 반응의 모든 산물인 것으로 간주되지 않아야 하며, "반응"에 대한 언급은 하나 이상의 그러한 반응 단계에 대한 언급을 포함할 수 있다. 이와 같이, 반응 단계는 확인된 반응 산물을 생성하기 위한 유사한 물질의 다수의 반응 또는 반복된 반응을 포함할 수 있다.
피치(pitch)는 석탄, 목재 및 다른 유기 물질로부터 제조될 수 있는 다방향족 탄화수소(polyaromatic hydrocarbons)를 포함하는 탄화수소의 집합체를 지칭한다. 피치는 높은(80 중량 % 초과) 원소 탄소 조성, 고농도의 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons)(PAH), 및 연화 온도(softening temperature)를 가지되, 연화 온도는 (Vicat 방법 ASTM-D 1525를 사용하여 측정된) 100 ℃에서 250 ℃를 초과하는 온도에 이르는 범위에 있을 수 있는 것으로 특징지어진다. 일반적으로, 탄소 섬유에 적합한 피치는 고농도의 이방성 중간상 피치(anisotropic mesophase pitch)를 형성할 수 있을 것이다. 그것은 코팅 및 페인트의 기초로서, 지붕 및 포장재에서, 및 아스팔트 산물의 바인더로서 사용될 수 있다. 피치는 또한 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 탄소 섬유를 생성하는 데 사용될 수 있다.
이하의 시스템 및 방법이 초임계 이산화탄소 실시예의 측면에서 제시될 것이지만, 물, 메탄, 아산화질소 등과 같은 임의의 초임계 유체가 사용될 수 있다.
도 1은 주어진 공급원료로부터 생성되는 피치의 상대적인 양을 향상시키는 열분해 방법의 단순화된 실시예를 하이 레벨에서 도시한다. 도시된 방법(100)에서, 탄소질 공급원료 물질 및 물은 2단계로 열분해된다. 물은 공급원료 내에 수분 함량으로 존재할 수 있다. 대안적으로, 열분해 전의 또는 열분해 동안의 어떤 시점에 추가의 물이 공급원료에 첨가될 수 있다.
제 1 스테이지는 공급원료로부터 C1-C4 가스를 제거하기 위한 저온 열분해 작업(102)이다. 이 스테이지(102)에서, 열분해는 보다 하위 온도(예를 들어, 7-30 MPa에서 150-350 ℃)에서 수행된다. 공급원료는 제 1 스테이지 온도로 가열되고 그 온도로 유지되어 공급원료로부터 C1-C4 가스를 생성 및 제거한다. 일 실시예에서, 열분해 반응 챔버 내의 가스가 모니터링되고, 작업자의 기준에 기초하여 C1-C4 가스 농도가 레벨 오프(level off)되기 시작한 것으로 결정될 때, 보다 고온의 열분해 작업(104)이 수행된다.
제 1 스테이지 온도는 공급원료의 특성에 대한 사전 지식에 기초하여 선택될 수 있거나, 열분해 반응 및 생성되는 산물의 실시간 분석에 기초하여 자동으로 결정될 수 있다. 실시예에 따라, 제 1 스테이지 온도는 150 ℃, 175 ℃, 200 ℃, 225 ℃, 250 ℃, 275 ℃, 300 ℃ 및 325 ℃ 중에서 선택된 하위 범위를 가질 수 있고 175 ℃, 200 ℃, 225 ℃, 250 ℃, 275 ℃, 300 ℃, 325 ℃ 및 350 ℃에서 선택된 상위 범위를 가져, 전술한 하위 범위와 상위 범위 중의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
제 2 스테이지 열분해 작업(104)에서, 온도는 7-30 MPa에서의, 예를 들어, 7-12 MPa에서의 350-550 ℃로부터 증가하고, 그 온도에서 피치를 생성하기에 충분한 시구간 동안 유지된다. 제 1 스테이지에서와 같이, 시스템이 평형을 이루고 제 2 열분해 작업(104)의 길이가 작업자의 재량에 달려 있음에 따라, 생성되는 열분해 반응 산물의 양은 시간이 지남에 따라 레벨 오프될 것이다.
제 2 스테이지 온도는 공급원료의 특성에 대한 사전 지식에 기초하여 선택될 수 있거나, 열분해 반응 및 생성되는 산물의 실시간 분석에 기초하여 자동으로 결정될 수 있다. 실시예에 따라, 제 2 스테이지 온도는 350 ℃, 375 ℃, 400 ℃, 425 ℃, 450 ℃, 및 480 ℃ 중에서 선택된 하위 범위를 가질 수 있고 375 ℃, 400 ℃, 425 ℃, 450 ℃, 480 ℃, 500 ℃, 525 ℃, 및 550 ℃ 중에서 선택된 상위 범위를 가져, 전술한 하위 범위와 상위 범위 중의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
이어서, 추출 및 분리 작업(106)에서 피치가 획득된다. 추출 및 분리 작업(106)에서, 피치는 초임계 이산화탄소(sCO2)와 같은 용매를 사용하여 추출되고, 용매 및 용해된 피치는 반응 챔버로부터 제거되고, 그 후, 분리되어, 피치 산물을 생성하게 된다.
피치로부터 탄소 섬유를 획득하기 위해, 피치가 원하는 단면 프로파일의 섬유로 압출되고 냉각이 허용되는 선택적인(도면에서 파선으로 도시된) 압출 작업(108)이 수행될 수 있다. 원치 않는 산물을 제거하고 피치를 더 정제하기 위해, 피치는 먼저, 예를 들어, 톨루엔 또는 다른 용매에 의해 세척될 수도 있고 세척되지 않을 수도 있다.
도 1의 2 개의 스테이지 프로세스에 대한 실험 데이터는, 주어진 공급원료에 대해 생성된 피치의 양이, 고온에서 단일 스테이지 열분해를 사용하여 동일한 공급원료로부터 다른 방식으로 획득되는 것보다 더 크다는 것을 나타낸다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않으면서, 전술한 2 개의 스테이지 프로세스는 제 1 스테이지에서 공급원료로부터 보다 가벼운 탄화수소를 제거하여, 제 2 스테이지 동안 보다 큰 탄화 수소 사슬 및 방향족과 반응할 수 없게 하는 것으로 보이며, 이는 생성된 피치의 상대적 양을 개선하고 있다.
공급원료 물질은 본 기술 분야에서 공지된 임의의 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 물질은 석탄, 바이오 매스(biomass), 혼합 원료 바이오 물질(mixed-source biomaterial), 토탄(peat), 타르(tar), 플라스틱, 폐물(refuse) 및 매립 폐기물(landfill waste)을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 석탄의 경우, 공급원료는 역청탄(bituminous coal), 아역청탄(sub-bituminous coal), 갈탄(lignite), 무연탄(anthracite) 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 다른 예로서, 바이오 매스의 경우에, 공급원료는 연목(softwoods) 또는 경목(hardwoods)과 같은 목재 재료를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 본원에 설명된 상세한 실시예 실험에서, 공급원료는 석탄으로 제공된다. 그러나, 피치는 임의의 다른 타입의 공급원료 물질로부터 동일하게 생성될 수 있고, 이어서 석탄으로 기술된 것과 동일한 방식으로 탄소 섬유를 생성하는 데 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
석탄과 같은 임의의 탄소질 공급원료는 일정량의 물을 포함할 수 있음에 주목해야 한다. 또한, 반응에 의해 생성된 산물을 개질하기 위해 본원에 설명된 임의의 방법 및 시스템에서 열분해 전에 또는 열분해 동안에 물을 공급원료에 첨가할 수 있다. 마찬가지로, 열분해 전에 공급원료를 건조시켜 열분해 작업 동안 이용 가능한 물의 양을 감소시킬 수 있으며, 이러한 건조 작업은 본원에서 설명한 임의의 방법 및 시스템의 일부일 수 있다.
도 2는 도 1의 열분해 방법의 보다 상세한 실시예를 도시한다. 방법(200)은 로딩 작업(202)에서 열분해 반응 챔버에 공급원료 물질 및 물을 배치함으로써 시작된다. 일 실시예에서, 공급원료 물질 및/또는 물은 열분해 반응 챔버 내에 배치되기 전에 예열될 수 있다. 사용되는 물의 양은 건조된 공급원료 물질의 중량의 1 % 내지 1000 %일 수 있다. 일 실시예에서, 물의 양은, 하한으로서, 건조된 공급원료 물질의 중량의 10 %, 20 %, 30 %, 40 % 또는 50 %에서부터, 상한으로서, 100 %, 200 % 또는 500 %까지일 수 있다. 물은 별도로 첨가될 수 있거나 공급원료 물질에 이미 존재할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 사용된 공급원료 물질은 물로 반포화된(semi-saturated) 석탄이고, 그에 따라 공급원료의 중량의 10 % 초과가 물이 되고, 그 석탄 내의 물은 로딩 작업(202)을 위한 물로서 사용된다.
로딩 작업은 또한 열분해 반응 챔버를 작동 압력(예를 들어, 7-12 MPa)으로 가압하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 산소를 제거하고 가압된 CO2를 반응 챔버에 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 가압된 CO2는 나중에 챔버로부터 피치 및 다른 용해성 반응 산물을 추출 및 제거하기 위한 용매로서 사용될 수 있다.
방법(200)은 또한 초기 가열 작업(204)에서 열분해 반응 챔버를 7 내지 12 MPa에서 150 내지 350 ℃의 중간 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 보다 좁은 온도 범위가, 예를 들어, 그 범위의 하한에서의 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230 또는 240에서부터 그 범위의 상한에서의 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330 또는 340까지가 사용될 수 있다. 초기 가열 작업(204)은 로딩 작업(202) 전에 또는 후에 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 초기 가열 작업(204)은 주어진 장비에서 실행 가능한 한 빨리 온도를 상승시키도록 수행되어, 중간 온도보다 낮은 온도에서의 반응이 감소되게 한다.
이어서, 중간 온도는 제 1 온도 유지 작업(206)에서 일정 시구간 동안 유지된다. 유지 시간은, 예를 들어, 10, 15, 30, 60, 120 분 또는 심지어는 240 분으로 미리 선택될 수 있다. 예를 들어, 미리 선택된 유지 시간은 사전 실험에 기초할 수 있다. 대안적으로, 열분해 반응 챔버에서 가스를 모니터링함으로써 유지 시간이 결정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 메탄, 에탄, 부탄, 프로판 또는 임의의 다른 경질 가스 반응 산물과 같은 하나 이상의 열분해 반응 산물 가스의 농도가 모니터링된다. 모니터링된 가스 또는 가스들의 농도는 초기에 상승할 것이고, 궁극적으로 대략 지수 곡선을 따라 레벨 오프하기 시작한다. 유지 시간은 시간에 따른 가스 또는 가스들의 농도의 모니터링된 변화에 기초할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 1 온도 유지 작업(206)은 모니터링된 가스 또는 가스들의 농도가 소정의 미리 결정된 기간(예를 들어, 10 초, 1 분, 5 분 등) 동안 소정의 임계량보다 적은 양(예를 들어, 2 % 또는 100 ppm)만큼 증가되었다는 것이 관측될 경우 종료될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열분해 온도, 또는 공급원료 물질의 시각적 조건 또는 물리적 조건과 같은 임의의 다른 파라미터를 유지하기 위해 챔버로 입력되는 에너지의 양도 또한, 작업자가 만족할 정도로 반응이 진행되었음을 결정하기 위해 모니터링될 수 있다.
이어서, 제 2 가열 작업(208)이 수행된다. 제 2 가열 작업(208)에서, 열분해 챔버 및 공급원료 물질의 온도는 300 내지 550 ℃의 열분해 온도로 상승된다. 예를 들어, 제 2 가열 작업(208)은 반응 챔버를 범위의 하한에서의 325 ℃, 350 ℃, 375 ℃ 또는 400 ℃로부터 범위의 상한에서의 425 ℃, 450 ℃, 475 ℃, 500 ℃, 525 ℃ 또는 550 ℃까지로 가열하는 것을 포함할 수 있다.
이어서, 피치 생성 온도로도 지칭될 수 있는 열분해 온도는 제 2 온도 유지 작업(210)에서 1 분 내지 24 시간의 제 2 시구간 동안 유지된다. 다시, 제 2 유지 시간은, 예를 들어, 사전 실험에 기초하여 미리 선택될 수 있다. 대안적으로, 제 2 유지 시간은 열분해 반응 챔버에서, 제 1 온도 유지 작업(206) 동안 모니터링된 동일한 가스 또는 가스들일 수 있는 하나 이상의 가스를 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열분해 온도, 또는 공급원료 물질의 시각적 조건 또는 물리적 조건과 같은 임의의 다른 파라미터를 유지하기 위해 챔버로 입력되는 에너지의 양도 또한, 작업자가 만족할 정도로 반응이 진행되었음을 결정하기 위해 모니터링될 수 있다.
제 2 유지 시간의 종료 시에, 추출 작업(212)에서 피치가 열분해 챔버로부터 추출되어 제거될 수 있다.
이어서, 추출된 피치를 용매로부터 분리하기 위해 분리 작업(214)이 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 용매가 sCO2인 경우, 분리 작업(214)은 챔버로부터 sCO2 및 용해된 열분해 반응 산물을 챔버로부터 제거하고 피치가 획득될 때까지 용매의 온도 및 압력을 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, sCO2는, 피치를 포함하여 이산화탄소 내에서 용해도가 다른 반응 산물의 성분을 부분적으로 제거하기 위해 각각 상이한 압력-온도 조합인 연속 수집 챔버를 통과할 수 있다. 분리 챔버 중 하나는 용매로부터 피치의 응축에 특정된 온도 및 압력으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 피치는 350 ℃ 이상의 온도 및 7.39 MPa 이상의 압력으로 유지되는 챔버에서 CO2 용매로부터 획득된다.
피치로부터 탄소 섬유를 획득하기 위해, 피치가 원하는 단면 프로파일의 섬유로 압출되고 냉각이 허용되는 선택적인(도면에서 파선으로 도시된) 압출 작업(216)이 수행될 수 있다. 피치는 먼저 원치 않는 산물을 제거하고 압출 전에 또는 후에 피치를 추가로 정제하기 위해 세척될 수도 있고 세척되지 않을 수도 있다. 또한, 압출된 피치는 (산화성 환경 또는 불활성 환경에서) 인출, 건조, 냉각, 소성, 열처리, 또는 사후 처리되어, 섬유 스트랜드의 특성을 향상시킬 수 있다.
전술한 방법(200)은 단일 열분해 반응 챔버에서의 뱃치 프로세스의 관점에서 기술되었다. 대안적인 실시예에서, 방법은 하나 이상의 열분해 반응 챔버를 사용하여 연속 프로세스 또는 반 연속 프로세스로서 수행될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 초기 가열 작업(204) 및 제 1 온도 유지 작업(206)은 제 1 반응 챔버에서 수행될 수 있고, 그 후 내용물은 제 2 가열 작업(208) 및 제 2 온도 유지 작업(210) 동안 제 2 챔버로 전달될 수 있다.
도 3은 전술한 피치 생성 방법에 적합한 시스템(300)의 예이다. 도 3은 탄소질 물질을 하나 이상의 반응 산물로 변환하기 위한 시스템(300)의 블록도를 도시한다. 일 실시예에서, 시스템(300)은 열화학 변환 시스템(302)을 포함한다. 일 실시예에서, 열화학 변환 시스템(302)은 열분해 반응 챔버와 같은 열화학 반응 챔버(304)를 포함하며, 이는 공급원료 물질 및 물의 볼륨(305)(예를 들어, 탄소질 재료)을 수용하고 공급원료 물질을, 피치를 포함한 하나 이상의 반응 산물로 변환하는 데 적합하다.
도시된 실시예에서, 시스템(300)은 하나 이상의 가열 소스(308), 및 하나 이상의 가열 소스(308)로부터 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 열 에너지를 전달하기 위한 열 에너지 전달 시스템(306)을 포함한다. 열 에너지 전달 시스템(306)은 열 전달 요소(307)를 포함한다. 예를 들어, 열 전달 요소(307)는 열 전달 루프, 열 전달 라인 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 열 전달 요소(307)는 하나 이상의 가열 소스(308)의 하나 이상의 부분과 (예를 들어, 직접 또는 간접적으로) 열 연통하게 배치된 초임계 유체(예를 들어, sCO2)로 채워진 열 전달 루프를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
일 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템은 초임계 유체의 볼륨을 선택적으로 배치하여 열화학 반응 챔버 내에 포함된 공급원료의 볼륨과 열 연통하게 배열된다. 이와 관련하여, 열 에너지 전달 시스템(306)은 하나 이상의 가열 소스(308)로부터의 열 에너지를 적어도 하나의 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 선택적으로 전달할 수 있다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 공급원료(305)의 적어도 일부를 열분해함으로써 초임계 유체를 통해 공급원료로 운반되는 열 에너지를 사용하여 하나 이상의 반응 산물을 획득할 수 있다.
시스템(300)의 초임계 유체는 하나 이상의 가열 소스(308)로부터 열화학 반응 챔버(304)에 포함된 공급원료(305)로 에너지를 전달하기에 적합한 본 기술 분야에서 공지된 임의의 초임계 유체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 초임계 유체는 sCO2를 포함하지만 이에 국한되지는 않는다. 다른 실시예에서, 초임계 유체는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다. 다른 실시예에서, 초임계 유체는 열 전달 요소(307) 및 열화학 반응 챔버(304) 중 적어도 하나 내에서 고압으로 가압된다.
본원에서 주목되는 것은, CO2와 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 시스템(300)의 초임계 유체는 낮은 점도 및 표면 장력을 가져서 유기 물질(예를 들어, 석탄)에 쉽게 침투할 수 있다는 것이다. 초임계 유체의 공급원료(305) 내로의 침투는 열화학적 반응 전에 공급원료(305)를 미세 입자로 변환시킬 필요성을 감소시켜, 공급원료 물질의 준비에 있어서 에너지를 절감시킨다. 일 실시예에서, 초임계 유체가 초임계 CO2인 경우, 초임계 유체는 그 임계 압력(7.39 MPa) 및 임계 온도(31 ℃) 초과치로 가압될 수 있다. 본원에서 주목되는 것은, 전술한 조건에서, CO2는 유기 용매, 예컨대, 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 벤젠 및 톨루엔과 유사한 고유한 용해성 특성을 나타낼 것이라는 것이다. 초임계 CO2의 무극성(non-polar) 특성은 수성 환경(aqueous environments)에서 일반적으로 발생하는 바람직하지 않은 이온성 2 차 반응의 제어를 가능하게 할 수 있다. 또한, 시스템이 임계 조건 미만으로 감압되면 CO2가 휘발되어 물 함량이 낮은 오일을 쉽게 회수할 수 있다. 다시, 이는 열분해 후 본원에 추가로 기술되는 반응 산물-초임계 유체 분리 동안 에너지 소비를 상당히 감소시킬 수 있다. 본원에서 추가로 주목되는 것은, 시스템(300)의 초임계 유체는 가열 및 가압된 CO2를 공급원료 물질(305)에 적용하여 반응 조건(예를 들어, 시간, 압력 및 온도)의 보다 나은 제어를 제공함으로써, 고가의 목표 화합물 또는 연료 중간물질의 보다 나은 선택을 가능하게 한다는 것이다.
다른 실시예에서, 초임계 CO2와 같은 초임계 유체는, 열화학 반응 챔버(304) 내로의 반응을 냉각시키기 위한 냉각기 초임계 유체의 주입을 통해 또는 반응을 가속화시키기 위한 보다 고온의 초임계 유체의 주입을 통해, 강력한 시간 및 반응 시간 제어를 제공할 수 있다. 추가로 인식되는 것은 초임계 CO2와 같은 다수의 초임계 유체가 효율적으로 압축될 수 있기 때문에, 열화학 반응 챔버(304) 내의 압력 조건은 열화학 반응 챔버(304) 내의 열화학적 반응을 제어하는 데 사용될 수도 있다는 것이다.
다른 실시예에서, 초임계 유체 내에서 피치와 같은 하나 이상의 반응 산물의 용해도는 초임계 유체 내에 극성 물질을 첨가 또는 제거함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 초임계 이산화탄소 내에서의 하나 이상의 오일의 용해도는 H2O, 에탄올, 메탄올, 고도의 알코올 등과 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 극성 분자를 포함하는 하나 이상의 물질의 첨가/제거에 의해 제어될 수 있다. 다른 예로서, 공급원료 물질이 석탄을 포함하는 경우, sCO2 내에서의 하나 이상의 오일의 용해도는 H2, H2O, 포름산, 테트랄린(tetralin), 및 본 기술 분야에서 공지된 임의의 다른 수소 공여체 용매와 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 수소 공여체 분자를 포함하는 하나 이상의 물질의 첨가/제거에 의해 제어될 수 있다.
본원에서 인식되는 것은 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료(305)가 초임계 유체 내에서 하나 이상의 반응 산물(예를 들어, 바이오 오일)을 적절하게 용해시키기에 충분한 수분 및 극성 특성을 포함할 수 있다는 것이다. 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 공급원료의 '건조도'는 열화학 변환 시스템(302)에 의해 제어될 수 있고[예를 들어, 건조기를 통해 제어될 수 있음], 이는 열화학 변환 시스템(302)이 공급원료(305) 내의 수분 함량 레벨을, 초임계 유체 내에서 하나 이상의 반응 산물을 적절히 용해시키기에 충분한 레벨로 유지할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 초임계 유체는 시스템(300)에서 하나 이상의 물리적 반응 또는 열화학적 반응을 향상시키기 위한 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 초임계 유체는 금속, 금속 염 및 유기물과 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 초임계 유체는 알코올, 오일, 수소 및 탄화 수소와 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 하나 이상의 용질을 포함할 수 있다.
하나 이상의 가열 소스(308)는 두 개의 스테이지의 열분해에서 사용되는 선택된 온도로 공급원료(305)를 가열하기에 충분한 열 에너지를 제공하는 데 적합한, 본 기술 분야에 공지된 임의의 가열 소스를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 가열 소스(308)는 비-CO2 방출 가열 소스를 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 가열 소스(308)는 하나 이상의 원자로(nuclear reactors)를 포함한다. 하나 이상의 가열 소스(308)는 본 기술 분야에서 공지된 임의의 원자로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 가열 소스(308)는 액체 금속 냉각식 원자로, 용융 염 냉각식 원자로, 고온 수냉식 원자로, 가스 냉각식 원자로 등을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 가열 소스(308)는 풀형 원자로(pool reactor)를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 가열 소스(308)는 모듈식 원자로(modular reactor)를 포함할 수 있다.
본원에서 인식되는 것은, 원자로가 공급원료(305)의 열분해(예를 들어, 고속 열분해)를 수행하기에 충분한 온도를 생성할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 원자로 가열 소스는 350-600 ℃를 초과하는 온도를 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 원자로는 (예를 들어, 350-600 ℃를 초과하는 온도에서의) 열 에너지를 초임계 유체로 전달하는 데 사용될 수 있다. 결국, 초임계 유체는 원자로 생성 열 에너지를 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료(305)로 전달할 수 있다.
본원에서 추가로 주목되는 것은, 시스템(300)의 열화학적 반응 온도가 많은 원자로의 작동 온도 범위 내에 있기 때문에, 원자로 가열 소스는 시스템(300)의 맥락에서의 가열 소스로서 특히 유리할 수 있다는 것이다. 원자로가 열화학적 변환을 위한 반응 온도에서 작동하기 때문에(즉, 열화학적 반응 온도에서 첨가되는 열은 필요한 반응 엔탈피를 공급하기 때문에) 원자로 열은 열화학 반응 챔버(304)에서 반응 산물(예를 들어, 피치)을 고효율로 생성하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 에너지 전달 시스템(306)은 하나 이상의 가열 소스(308)로부터의 열 에너지를 열 전달 요소(307)의 초임계 유체의 볼륨으로 직접 전달하도록 구성된 직접 열 교환 시스템을 포함한다. 예를 들어, 열 전달 요소(307)는 하나 이상의 가열 소스(308)의 일부와 직접 열 연통하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 가열 소스(308)가 원자로를 포함하는 경우, 원자로의 하나 이상의 냉각제 시스템은 열 에너지 전달 시스템(306)과 통합될 수 있다. 이와 관련하여, 원자로는 하나 이상의 냉각제 시스템에서 초임계 유체를 이용할 수 있으며, 이 냉각제 시스템은 그 후 열화학 반응 챔버(304)에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 원자로의 1 차 냉각제 루프 또는 중간 냉각제 루프는 초임계 CO2와 같은 초임계 유체로 구성된 냉각제 유체를 포함할 수 있다. 또한, 원자로의 냉각제 루프는 열 에너지 전달 시스템(306)을 통해 열화학 반응 챔버(304)에 직접 연결되어 원자로의 냉각제 루프의 초임계 유체를 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료 물질(305)과 혼합할 수 있다. 차례로, 원자로로부터의 열 에너지를 공급원료 물질(305)로 전달할 때, 열 에너지 전달 시스템(306)은 복귀 경로(318)를 통해 초임계 유체 냉각제를 원자로로 다시 순환시킬 수 있다. 본원에서 추가로 고려되는 것은, 열 에너지 전달 시스템(306)이 원자로의 냉각제 시스템(들)으로의 공급원료 및/또는 반응 산물의 전달을 피하기 위해 임의의 수의 여과 요소(filtration elements)를 포함할 수 있다는 것이다.
도시되지 않은 다른 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템(306)은 간접 열교환 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 간접 열 교환 시스템은 하나 이상의 가열 소스(308)으로부터의 열 에너지를 열 전달 요소(307) 내에 포함된 초임계 유체의 볼륨으로 간접적으로 전달하도록 구성된다. 일 실시예에서, 간접 열 교환 시스템은 하나 이상의 가열 소스(308)으로부터의 열 에너지를 중간 열 전달 요소로 전달하도록 구성된 중간 열 전달 요소(도시되지 않음)를 포함한다. 결과적으로, 중간 열 전달 요소는 중간 열 전달 요소로부터의 열 에너지를 열 전달 요소(307) 내에 포함된 초임계 유체의 볼륨으로 전달할 수 있다.
일 실시예에서, 중간 열 전달 요소는 중간 열 전달 루프 및 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있다. 중간 열 전달 루프는 열 에너지를 전달하기에 적합한, 본 기술 분야에서 공지된 임의의 작동 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중간 열 전달 루프의 작동 유체는 액체 염(liquid salt), 액체 금속, 가스, 초임계 유체(예를 들어, 초임계 CO2) 또는 물을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
또한, 본원에서 전술한 바와 같이, 열 전달 시스템(306)의 열 전달 요소(307)는 열 전달 요소(307) 내에 포함된 초임계 유체를 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료 물질(305)과 혼합할 수 있다. 차례로, 열 전달 요소(307)를 통해 가열 소스(308)로부터의 열 에너지를 공급원료 물질(305)로 전달할 때, 열 에너지 전달 시스템(306)은 복귀 경로(318)를 통해 초임계 유체 냉각제를 재순환시킬 수 있다.
본원에서 주목되는 것은, 하나 이상의 가열 소스(308)와 공급원료(305) 사이의 직접 연결 및 간접 연결에 대한 전술한 설명은 제한적이지 않으며 단지 예시의 목적으로만 제공된다는 것이다. 본원에서 인식되는 것은 일반적인 의미로서, 하나 이상의 가열 소스(예를 들어, 원자로)과 열화학 반응 챔버(304) 사이의 통합이, 하나 이상의 가열 소스(308)의 1 차 열 전달 시스템, 중간 열 전달 시스템, 또는 3 차 열 전달 시스템(예를 들어, 냉각제 시스템)으로부터의 열을 열화학 변환 시스템(302)의 초임계 CO2와 같은 작동 유체에 전달함으로써 발생할 수 있다는 것이다. 본원에서 추가로 인식되는 것은 이러한 통합이 하나 이상의 열 전달 회로, 하나 이상의 열 싱크, 하나 이상의 열 교환기 등과 같은, 하지만 이에 국한되는 것은 아닌, 본 기술 분야에서 공지된 임의의 열 전달 시스템 또는 디바이스를 사용하여 수행될 수 있다는 것이다.
일 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템(306)은 유동 제어 시스템(310)을 포함한다. 유동 제어 시스템(310)은 초임계 유체를 선택적으로 배치하여 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨과 열 연통하게 배열될 수 있다. 이와 관련하여, 유동 제어 시스템(310)은 하나 이상의 가열 소스(308)로부터의 열 에너지를 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨으로 선택적으로 전달할 수 있다. 예를 들어, 유동 제어 시스템(307)은 열 전달 요소(307)를 통한 초임계 유체의 유동(flow)을 제어하기 위해 열 전달 요소(307)(예를 들어, 열 전달 루프)를 따라 위치될 수 있다. 이와 관련하여, 유동 제어 시스템(310)은 공급원료(305)의 볼륨으로의 초임계 유체의 유동을 제어하여 공급원료(305)로의 열 에너지의 전달을 제어할 수 있다.
유동 제어 시스템(310)은 제 1 위치에서 제 2 위치로의 초임계 유체 유동을 제어하기에 적합한, 본 기술 분야에서 공지된 임의의 유동 제어 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동 제어 시스템(310)은 열 전달 요소(307)에 작동 가능하게 연결되고 열 전달 요소(307)를 통하는 유동을 수립 및 정지시키기에 적합한 하나 이상의 제어 밸브를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 유동 제어 시스템(310)은 수동 제어 밸브, 밸브/밸브 액추에이터 등을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 유동 제어 시스템(310)은 하나 이상의 가열 소스(308)로부터의 열 에너지를 발전 시스템(도시되지 않음)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 유동 제어 시스템(310)은 가열 소스(308)로부터 발생된 열을 터빈 전기 시스템 및 열화학 변환 시스템(302)에 병렬 연결하는 것을 수립할 수 있다. 일 실시예에서, 열화학 변환 시스템(302)은 하나 이상의 가열 소스(308)(예를 들어, 원자로)로부터 열을 받을 수 있는 다수의 뱃치 타입 반응 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 열 및 공급원료 변환 요구를 해결하는 다수의 뱃치 프로세스를 동시에 또는 순차적으로 실행할 수 있다. 다른 실시예에서, 열은 하나 이상의 연속적인 열화학 반응기에 전달되면서 하나 이상의 터빈 전기 시스템에 병렬 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템(300)은 공급원료 공급 시스템(312)을 포함한다. 일 실시예에서, 공급원료 공급 시스템(312)은 열화학 변환 시스템(302)의 열화학 반응 챔버(304)에 작동 가능하게 연결된다. 다른 실시예에서, 공급원료 공급 시스템(312)은 공급원료 물질 및 물의 볼륨(305)을 열화학 반응 챔버(304)의 내부에 제공한다. 공급원료 공급 시스템(312)은 고체 물질, 입자상 물질 또는 액체 물질과 같은 선택된 양의 공급원료 물질을 하나 이상의 공급원료 소스로부터 열화학 반응 챔버(304)의 내부로 전달하기에 적합한, 본 기술 분야에서 공지된 임의의 공급 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 공급 시스템(312)은 컨베이어 시스템, 유체 전달 시스템 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
공급원료 공급 시스템(312)은 공급원료를 전달하고 원하는 반응에 필요한 양으로 추가의 물을 전달하기 위한 별도의 시스템을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 공급원료가 반응 챔버(304) 내로 전달되기 전에 공급원료에 물이 첨가될 수 있다. 이는 공급원료 공급 시스템(312)에서 또는 공급원료 공급 시스템(312)에 의해 받아들여지기 전에 수행될 수 있다.
공급원료의 수분을 결정하고 필요한 경우 물을 첨가하기 위해 수분 제어 시스템(도시되지 않음)이 제공될 수 있다. 이러한 시스템은 공급원료의 수분을 연속적으로 또는 주기적으로 결정하고, 수분을 목표 수분 함량 범위와 비교하고, 수분이 목표 범위 미만인 경우 물을 첨가하는 수분 검출기를 포함할 수 있다. 수분이 공급원료 물질(305)을 건조시키기 위한 목표 범위를 초과하는 경우에 건조기가 또한 제공될 수 있다.
공급원료 물질(305)은 본 기술 분야에서 공지된 임의의 탄소질 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 물질(305)은 석탄, 바이오 매스, 혼합 원료 바이오 물질, 토탄, 타르, 플라스틱, 폐물 및 매립 폐기물을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 예를 들어, 석탄의 경우, 공급원료는 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 다른 예로서, 바이오 매스의 경우에, 공급원료는 연목 또는 경목과 같은 목재 재료를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
본원에서 주목되는 것은, 온도, 압력, 반응 시간, 전처리 옵션 및 사후 유기 산물 생산 옵션을 제어하는 능력으로 인해 시스템(300) 내에서 다수의 타입의 탄소질 공급원료가 이용될 수 있게 할 수 있다는 것이다. 또한, 공급원료의 타입들을 함께 활용하거나 이들 타입들 간에 전환하는 능력은 가용 리소스의 이용률을 향상시키고 전체 피치 생산 경제성을 향상시킬 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 열화학 변환 시스템(302)은 열분해를 수행하기에 적합한 임의의 열화학 반응 챔버(304)를 포함한다. 일 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 공급원료(305)에 대해 열분해 반응을 수행하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 열분해 챔버를 포함한다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 비-연소 열분해 챔버 또는 저연소 열분해 챔버를 포함한다. 시스템(300)의 열분해 챔버는 산소가 없거나 저산소 환경에서 유기 분자의 열화학 분해를 수행하기에 적합한 임의의 열화학 반응 챔버를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 석탄과 같은 공급원료(305)를, 피치를 포함하는 반응 산물로 변환하기에 적합한 고속 열분해 반응기를 포함한다. 고속 열분해 반응기는 약 2 초 이내에 산소가 없는 환경에서(또는 환원된 산소 환경에서) 유기 분자의 열 화학적 분해를 수행할 수 있는 임의의 열화학 반응 챔버를 포함할 수 있다. 빠른 열분해는 일반적으로 산업 및 엔지니어링 화학 연구, 49 권 3 호(2010), pp. 1160-1168에서, Roel J.M. Westerhof 등의 "Effect of Temperature in Fluidized Bed Fast Pyrolysis of Biomass: Oil Quality Assessment in Test Units,"라는 명칭으로 기술되며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다. 열분해 및 빠른 열분해는 또한 일반적으로 에너지 소스, 24 권 3 호(2002), pp. 471-482에서, Ayhan Demirbas 등의 "An Overview of Biomass Pyrolysis,"라는 명칭으로 기술되며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 석탄 또는 바이오 매스와 같은 공급원료(305)를 피치와 같은 반응 산물로 변환하기에 적합한 초임계 열분해 반응기를 포함한다. 본 개시 내용의 목적을 위해, '초임계 열분해 반응기'는 초임계 유체로부터 공급된 열 에너지를 사용하여 공급원료 물질의 열분해 반응을 수행하기에 적합한 임의의 반응기, 반응 용기 또는 반응 챔버를 포함하는 것으로 해석된다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 공급원료에 대해 하나 이상의 추출 프로세스를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)에 작동 가능하게 연결된 추출 챔버는 열분해의 제 1 스테이지 또는 제 2 스테이지 중 어느 하나 후에 공급원료에 대해 하나 이상의 추출 프로세스를 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 열분해 전에 공급원료 물질로부터 추가의 화합물을 제거하도록 구성된다. 예를 들어, 열화학 반응 챔버(304)는 오일 및 지질(oils and lipids), 당(sugars), 또는 다른 산소화된 화합물 중 적어도 하나를 제거하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 추출된 화합물은 추가적인 생체 유래 산물(bio-derived products)의 개발을 위해 수집 및 저장될 수 있다.
공급원료 물질(305)로부터 당을 제거하는 것이 유리할 수 있다. 본원에서 인식되는 것은, 당이 높은 온도에서 캐러멜화되고 초임계 CO2와 같은 초임계 유체가 공급원료 물질(305)의 셀룰로스 구조체로 들어가는 것을 차단하는 작용을 할 수 있다는 것이다. 또한, 열화학 변환 시스템(302)에 존재하는 당은 또한 하류 촉매층(존재하는 경우)에 해를 끼치는 작용을 할 수 있다. 본원에서 주목되는 것은, 당의 제거가 푸르푸랄(furfural), 하이드록시 메탈 푸르푸랄(hydroxymethalfurfural), 바닐린(vanillin) 등과 같은 산소화된 화합물의 형성을 피하는 데 도움이 된다는 것이다.
일 실시예에서, 열화학 변환 시스템(302)은 200 ℃ 미만의 온도에서 공급원료(305)로부터 물질을 추출할 수 있다. 본원에서 주목되는 것은, 과당(fructose), 수크로스(sucrose) 및 말토오스(maltose)가 각각 약 180 ℃ 미만의 온도에서 캐러멜화되므로 200 ℃ 미만의 온도에서 당을 추출하는 것이 유리하다는 것이다. 이와 관련하여, 초임계 유체는, 셀룰로스 물질의 분해 및 당의 제거를 통해, 열분해 동안 온도 상승 전에 공급원료(305)로부터 당을 추출하는 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 열분해 전에 공급원료(305)를 예열하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)에 작동 가능하게 연결된 예열 챔버는 열분해 전에 공급원료(305)를 예열하도록 구성된다. 예를 들어, 열화학 반응 챔버(304)(또는 예열 챔버)는 공급원료 물질을 액화(liquefaction) 및/또는 열분해에 필요한 온도 또는 그 근처의 온도로 예열할 수 있다.
다른 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 열분해 전에 공급원료(305)를 전처리하도록 구성된다. 예를 들어, 열화학 반응 챔버(304)는 액화 및/또는 열분해 전에 공급원료 물질을 수소로 사전 수소 처리(pre-hydrotreat)할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 물질을 수소로 전처리하는 것은 황과 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 물질을 제거하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 수소를 반응성 종(reactive species)에 공여하는 데[즉, 자유 라디칼(free radicals)을 안정화하는 데] 도움을 줄 수 있다.
도시되지 않은 대안적인 실시예에서, 열화학 변환 시스템(302)은 시스템(300)의 멀티 스테이지 열화학 프로세스의 다양한 단계를 수행하기 위해 다수의 프로세스 챔버로 분리된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 중간 온도에서의 열분해의 제 1 스테이지를 위해 제 1 챔버가 제공되고, 열분해 온도에서의 열분해의 제 2 스테이지를 위해 제 2 챔버가 제공되며, 용매 접촉 및 원하는 피치 산물을 갖는 용매를 추출하기 위해 추출 챔버가 제공된다. 공급원료(305)는 챔버들 사이에서 연속적으로 또는 뱃치 프로세스로서 이송될 수 있다.
출원인이 주목하는 것은, 전술한 설명이 일부 실시예에서 열분해 반응 챔버 및 추출 챔버가 별도의 챔버로서 존재할 수 있음을 지적하지만, 이는 제한으로 해석되어서는 안 된다는 것이다. 오히려, 본원에서 고려되는 것은 2 개 이상의 열화학 단계가 각각 단일 반응 챔버에서 수행될 수 있다는 것이다.
일 실시예에서, 열화학 반응 챔버(304)는 멀티 스테이지 단일 열화학 반응 챔버를 포함한다. 일 실시예에서, 열화학 변환 시스템(306)은 다수의 온도 범위에 걸쳐 초임계 유체의 다수의 부분을 멀티 스테이지 단일 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 전달하여 공급원료의 볼륨의 적어도 일부에 대해 열화학 반응 프로세스의 세트를 수행하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템(306)은 제 2 온도 범위에서 초임계 유체의 제 1 부분을 상기 단일 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 전달하여 공급원료의 볼륨의 적어도 일부에 대해 예열 프로세스를 수행하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템(306)은 제 1 온도 범위에서 초임계 유체의 제 2 부분을, 상기 단일 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 전달하여 공급원료의 볼륨의 적어도 일부에 대해 열분해의 제 1 스테이지를 수행하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 열 에너지 전달 시스템(306)은 제 2 온도 범위에서 초임계 유체의 제 3 부분을, 상기 단일 열화학 반응 챔버(304) 내에 포함된 공급원료의 볼륨(305)으로 전달하여 공급원료의 볼륨의 적어도 일부에 대해 열분해의 제 2 스테이지를 수행하도록 구성된다.
일 실시예에서, 초임계 유체의 유동 및 온도는 상기 열화학 반응 챔버(304)에 걸쳐 공간적으로 변화된다. 예를 들어, 상기 반응 챔버(304)에 걸쳐 유동 및/또는 온도를 변화시키기 위해, 상기 단일 반응 챔버에 들어가기 전에 각각 다른 온도에 있는 초임계 유체의 다수의 유동이 수립될 수 있다. 이와 관련하여, 수직 반응 챔버에서, 다양한 열화학 스테이지에 대응하는 다수의 공간 위치에서의 유동 및 온도가 변할 수 있다. 다른 예로서, 초임계 유체의 온도는 열화학 반응 챔버(304)의 길이를 따라 초임계 유체를 흐르게 함으로써 상기 열화학 반응 챔버(304)의 길이를 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 저온 초임계 CO2의 유동은 보다 높은 온도(예를 들어, 70 내지 150 ℃)에서 CO2의 유동과 결합되어 당을 용해시킬 수 있다. 다른 하류 지점(예를 들어, 평균 유속이 0.25-4 m/s인 하류 1 내지 3 미터의 지점)에서, 열분해 온도 이상에서의 초임계 CO2가 챔버로 혼합된다. 길이에 따라 다양한 열화학 반응 단계의 온도를 스테이징(staging)함으로써, 반응 시간을 제어하는 데 유량이 사용될 수 있다.
추가로 고려되는 것은 열분해, 추출 및 분리와 같은 둘 이상의 열화학 단계가 열화학 챔버(304)에서 수행되는 한편, 건조 및 예열과 같은 추가의 단계는 열화학 반응 챔버(304)에 작동 가능하게 연결된 전용 챔버에서 수행된다는 것이다.
반응 챔버는 시스템(300)의 하나 이상의 실시예에 따라 하나 이상의 배출구(319)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 반응 챔버(304)에는 열분해의 제 2 스테이지 후에 남아 있는 공급원료 잔류물을 제거하기 위한 배출구, 및 피치 및 다른 용해된 열분해 산물이 함유된 용매를 제거하기 위한 다른 배출구가 제공된다. 일 실시예에서, 열분해의 제 2 스테이지가 완료된 후에 남아 있는 공급원료 잔류물을 위한 배출구는 잔류물을 제거하고 이를 잔류물 저장 시스템(314)으로 전달하도록 배열된다. 일 실시예에서, 잔류물 저장 시스템(314)은 드럼(drum), 레일 카(railcar), 코넥스 박스(Conex box) 또는 다른 휴대용 컨테이너만큼 단순할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 잔류물은 나중에 운반하기 위해 파일(piles)에 저장될 수 있다.
용매 배출구(319)는 용매, 이 실시예에서 sCO2를 분리 시스템(320)으로 이송한다. 일 실시예에서, 배출구는 반응 챔버(304)로부터 분리 시스템(320)으로의 가스의 유동을 제어하는 밸브를 포함한다.
일 실시예에서, 연속 단계에서의 분리 시스템(320)은 상이한 용해된 성분을 얻기 위해 온도 및/또는 압력을 감소시킨다. 예를 들어, 선택적으로 열 제거 열 교환기는 분리 시스템(320) 전에 또는 후에 사용될 수 있다. 이들 단계 중 하나에서, 피치는 응축되어 피치 압출기(326)로 전달된다. 피치는 중간에 유지 용기에 저장될 수 있다. 대안적으로, 피치는 sCO2로부터의 응축 시에 즉시 상기 압출기(326)로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 각 단계는, 용해된 산물이 용매로부터 응축되도록 허용되는 상이한 온도 및 압력 조건으로 유지되는 수집 챔버에 대응한다. 그런 다음, 각 챔버는 해당 챔버의 온도와 압력에서 응축되는 산물을 수집한다. 일 실시예에서, 피치는 350 ℃ 이상의 온도 및 7.39 MPa 이상의 압력으로 유지되는 챔버로부터 획득된다.
전술한 바와 같이, 피치 압출기는 피치를 섬유로 압출하고, 섬유는 이후 탄소 섬유로서 직접 또는 간접적으로 사용하기 위해 냉각되도록 허용된다.
반응 챔버(304)로부터 제거된 용매 스트림 내의 다른 화합물은 산물 수집 시스템(322)에서 추가 처리 또는 판매를 위해 수집된다. 일 실시예에서, 휘발성 가스 분리기 및 저장 시스템은 산물 수집 시스템(322) 또는 분리 시스템(320)의 일부로서 제공될 수 있다. 휘발성 가스 분리기는 하나 이상의 반응 산물의 나머지로부터 하나 이상의 휘발성 가스를 분리할 수 있다. 예를 들어, 휘발성 가스 분리기는 CH4, C2H4, C2H6, CO, CO2, H2 및/또는 H2O와 같은, 하지만 이에 국한되지는 않는, 휘발성 가스를 고체 또는 액체 반응 산물로부터 분리할 수 있다. 본원에서 주목되는 것은, 휘발성 가스 분리기가 본 기술 분야에서 공지된 임의의 휘발성 가스 분리 디바이스 또는 프로세스를 포함할 수 있다는 것이다. 추가로 인식되는 것은, 이들 가스가 차후 사용을 위해 냉각, 세정, 수집 및 저장될 수 있다는 것이다. 수소 소스를 제공하기 위해 휘발성 가스가 생성될 수 있다.
도시된 실시예에서, CO2는 용해된 산물이 폐루프 시스템에서 제거된 후 재사용을 위해 가열 소스(308)로 반환된다(318). 대안적인 실시예에서, CO2는 간단히 배출된다.
도시되지 않은 다른 실시예에서, 시스템(300)은 열 회수 시스템을 포함한다. 회수의 경우, 시스템은 sCO2와 열 회수 시스템을 열적으로 연결하는 작용을 하는 열 전달 루프를 통해 분리 시스템(320)[또는 시스템(300)의 임의의 다른 적절한 서브 시스템] 이전에 또는 일부로서 sCO2로부터 열을 회수할 수 있다. 일 실시예에서, 회수된 열은 회수기(recuperator) 또는 재생기(regenerator)로서 기능할 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지는 챔버(304)에 의해 수행되는 열화학 프로세스 후에 회수될 수 있다. 다른 실시예에서, 회수된 에너지는 열화학 프로세싱 전에 공급원료 물질을 예열하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 회수된 에너지는 시스템(300)의 하나 이상의 서브 시스템에 대한 보조 전력(예를 들어, 기계력 또는 전력)을 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 4는 주어진 공급원료로부터 획득된 열분해 산물들을 변경하도록 조정될 수 있는 적응형 열분해 시스템의 뱃치 실시예에 대한 프로세스 흐름도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 공급원료는 석탄으로서 제공될 것이다. 그러나, 독자는 바이오 매스와 같은 임의의 탄소질 공급원료가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 4는 전술한 것과 작동이 유사한 폐루프 CO2 열분해 시스템을 도시한다. 도 4에 도시된 실시예에서, 열분해 챔버는 석탄(404)으로 채워진 컬럼(402)이다. sCO2와 같은 초임계 유체의 유입 스트림은 컬럼의 상단으로 들어가 석탄(404)을 통해 흐른다. sCO2의 유량을 제어함으로써, 석탄과의 sCO2의 체류 시간 또는 접촉 시간은, 챔버의 배출 스트림에서 관찰되는 sCO2에서 용해된 반응 산물의 양을 제어하도록 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 열분해 챔버(402)로 들어가는 sCO2는 300-600 ℃의 온도 및 7.39-12 MPa의 압력의 범위를 가질 수 있어서 열분해는 초임계 조건에서 CO2 분위기에서 이루어질 수 있다. 보다 높은 온도 및 압력이 또한 사용될 수 있다.
뱃치 시스템에서, 열분해 챔버는 석탄을 제자리에 유지하기 위한 스크린 이외의 어떠한 내부 컴포넌트도 갖지 않는 단순한 원통형 챔버일 수 있다. 다수의 챔버가 병렬로 제공될 수 있으며, 그에 따라 하나의 챔버가 사용중인 동안 나머지 챔버로부터는 숯이 제거되고 새로운 석탄으로 재충전될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 챔버에는 열분해 동안 석탄을 이동시키기 위한 교반기(agitators) 또는 스크류(screws)가 제공될 수 있다.
석탄(404)과 접촉하여 열분해한 후, sCO2는 전술한 바와 같이 용해된 열분해 산물과 함께 칼럼(402)의 하단으로 빠져 나간다. 이어서, 출력 sCO2는 회수 및 응축 회로를 통과하며, 이 회수 및 응축 회로는 용해된 열분해 산물을 제거하고 이어서 열분해 챔버(402)에서 재사용하기 위해 CO2를 회수한다. 회수 및 응축 회로는 챔버(402)에 전달되는 CO2의 유입/복귀 스트림(여기서 스트림으로부터의 산물은 대부분 응축됨)을 예열하는 동안, 열분해 챔버(402)에 의해 출력된 CO2 스트림을 동시에 냉각시키는 일련의 하나 이상의 회수기(406)를 포함한다. 도시된 시스템(400)에서, 4 개의 회수기(406), 즉, 제 1 스테이지 회수기(406a), 제 2 스테이지 회수기(406b), 제 3 스테이지 회수기(406c) 및 제 4 스테이지 회수기(406d)가 도시되어 있다. 후술하는 바와 같이, 원하는대로 더 많거나 더 적은 회수기(406)가 사용될 수 있다.
회수기(406)는 현재 알려져 있거나 나중에 개발될 임의의 타입의 열 교환기일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 회수기(406)는 각각 튜브 내 튜브 열 교환기로서, 외부 튜브에는 출력 C02가 흐르고 내부 튜브에는 냉각기 유입 C02 스트림이 흐른다. 그러나, 유익하거나 바람직한 것으로 결정된 임의의 구성에서 임의의 타입의 열 교환기가 사용될 수 있다.
회수기(406) 외에도, 선택적인 최종 냉각 열 교환기(408) 스테이지가 회수 및 응축 회로의 일부로서 제공되어 CO2의 온도를 회로의 원하는 저온으로 최종 감소시킬 수 있다. 이는 출력 스트림의 최종 냉각을 수행하기 위해 도시된 바와 같은 냉각수 시스템(424)으로부터의 냉각수와 같은 냉각제를 사용하여 달성된다. 회수기(406)에서와 같이, 최종 열 교환기(408)는 이용된다면 임의의 타입의 열 교환기일 수 있다.
전술한 바와 같이, CO2에 대한 초임계 조건은 31.1 ℃ 초과의 온도 및 7.39 MPa 초과의 압력이다. 시스템을 기술할 때, 시스템의 일부 지점에서 조건이 온도 또는 압력의 임계점 아래로 떨어질 수 있더라도 CO2는 초임계 상태라고 지칭될 것이다. 이러한 점에서, CO2는 온도 및 압력 조건에 따라 가스 상태 또는 액체 상태일 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 상태는, 예를 들어, 제 4 회수기(406d) 또는 최종 열 교환기(408)에서와 같이 열분해기(402)의 하류에서 발생할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 낮은 sCO2 회로 온도는 실온(20 ℃)과 같이 50 ℃ 미만일 수 있고, 저압은 6 내지 8 MPa일 수 있다. 보다 낮은 온도 및 압력이 또한 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 열분해 산물을 가능한 한 많이 제거하기 위해 CO2는 아임계(subcritical) 상태가 되도록 허용된다. 대안적인 실시예에서, 회로 온도 및 압력은 CO2가 시스템(400) 전체에 걸쳐 초임계 상태로 남아 있도록 유지된다.
도시된 실시예에서, 회로 내의 각각의 열 교환기 후에는 응축 수집 용기(410)가 존재한다. 각 용기의 온도는 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 낮아진다. 응축 용기(410)는 임의의 타입의 능동 응축 장치 또는 수동 응축 장치일 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서 응축 용기(410)는 CO2가 흐르는 온도 제어 표면을 제공하는 냉각 핑거 응축기(cold finger condenser)이다. 이는 임의의 열분해 산물이 제어된 온도 이상에서 응축될 수 있게 하여 응축 용기(410)에서 수집되게 한다. 대안적인 실시예에서, 냉각 핑거 응축기 대신 사이클론 분리기(cyclone separator)가 사용될 수 있다. 다른 가능한 응축 용기는, 예를 들면, Liebig 응축기, Graham 응축기, 코일 응축기 및 Allihn 응축기 등이 있다.
적절한 경우, 용어 '프로세스 스트림'은 열분해 챔버(402)로부터 마지막 응축 수집 용기(410)를 통해 CO2가 흐르는 CO2 회로의 일부에서의 CO2 스트림을 지칭하는 데 사용되는 반면, '복귀 스트림' 또는 '유입/복귀 스트림'은 마지막 응축 용기로부터 회로를 통해, 펌프(420)를 통해, 그리고 최종적으로 열분해 챔버(402)으로 다시 흐르는 CO2 스트림을 지칭하는 데 사용될 것이다. 주목할 것은, 복귀 스트림은 완전히 순수한 CO2가 아닐 수 있지만 응축 용기에 완전히 수집되지 않은 미량의 반응 산물, 물 또는 다른 화합물을 함유할 가능성이 있다. 다른 한편으로, 회로 내의 위치에 따라 프로세스 스트림은 다양한 응축 용기(410)에 의해 순차적으로 제거될 적어도 몇몇의 가능한 매우 많은 양의 열분해 반응 산물을 함유할 것이다.
도시된 실시예에서, 상이한 회수기는 상이한 온도에서 작동될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 1 회수기(406a)는 약 550 ℃에서 CO2 및 용해된 반응 산물의 프로세스 스트림을 수령하여 450 ℃로 배출할 수 있다. 제 2 회수기(406b)는 450 ℃ 스트림을 수령하여 300 ℃로 배출할 수 있다. 제 3 회수기(406c)는 300 ℃ 스트림을 수령하여 150 ℃로 배출할 수 있다. 제 4 회수기(406d)는 150 ℃ 스트림을 수령하여 50 ℃로 출력할 수 있다.
CO2의 복귀 스트림은 CO2를 작동 압력(예를 들어, 대략 10 MPa)으로까지 되돌리는 펌프/압축기(420) 및 CO2에 추가적인 열을 제공하여 원하는 열분해 온도에까지 이르게 하는 히터(422)에 의해 부분적으로 재조정된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 펌프/압축기(420)는 약 10 MPa에서 CO2를 수령하고 이 스트림을 약 12 MPa로 압축하는데, 이는 추가적인 펌프없이 전체 CO2 회로를 통한 유동을 유지하기에 충분한 압력을 제공한다. 히터(422)는 작업자 선호도에 따라 단일 가열 유닛 또는 병렬 및/또는 직렬의 다중 가열 유닛일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 1 회수기(406a)로부터 회수된 CO2 스트림을 수령하고 그 스트림을 약 450 ℃의 유입 온도로부터 약 550 ℃로 가열하는 일련의 분리된 히터들이 제공된다. 마찬가지로, 도시된 바와 같은 단일 펌프(420), 또는 CO2 회로 전체에 분포된 다수의 펌프가 있을 수 있다. 예를 들어, 회로의 일부가 초임계 조건 미만인 실시예에서, CO2를 초임계로 재조정하기 위해 전용 히터 및/또는 압축기(도시되지 않음)만이 제공될 수 있다.
열 교환기(406, 408)와 이에 후속하는 응축 용기(410)의 쌍의 여러 스테이지를 제공함으로써, 열분해 산물은 응축 온도에 의해 분별되고 수집될 수 있다. 이는 회수 과정의 일부로서 원하는 특정 분율(fraction)이 쉽게 분리될 수 있게 한다. 더 많거나 더 적은 스테이지를 제공함으로써, 분율의 더 크거나 더 적은 분화를 달성될 뿐만 아니라 각 분율의 구성을 제어할 수 있다.
열 교환기(406, 408) 및 이에 후속하는 응축 용기(410)의 여러 스테이지를 갖는 것 외에도, 회로의 출력 CO2 부분 및 회로의 유입/복귀 CO2 부분에서 다수의 바이패스 밸브(412)에 의해 생성된 바이패스 회로를 사용함으로써 추가의 적응성(flexibility)이 획득된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 열 교환기에는 열분해 출력 스트림 및 유입/복귀 스트림 중 하나 또는 둘 모두에 의해 교환기가 완전히 또는 부분적으로 바이패스될 수 있게 하는 바이패스 기능이 구비된다. 도시된 실시예에서, 다양한 바이패스 밸브(412)가 제공되어 다양한 스테이지의 각각이 작업자에 의해 원하는 대로 완전히 또는 부분적으로 바이패스될 수 있게 한다. 임의의 바이패스 밸브(412)에서, 작업자는 밸브의 어느 한 출구로 얼마나 많은 입력 스트림이 향할 것인지를 선택할 수 있다. 이러한 수준의 유동 제어는 시스템 (400)의 작동에 상당한 적응성을 제공하고 시스템 내에서 열분해 산물의 다양한 분율이 수집되는 위치에 대한 추가의 작동 제어를 가능하게 한다.
열분해 시스템(400)에는 열분해 챔버(402)로 전달되기 전에 CO2 유입/복귀 스트림에 첨가제를 주입하기 위한 첨가제 주입 시스템이 추가로 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 각각 주입 펌프(414) 및 첨가제 공급부(416)를 포함하는 2 개의 첨가제 주입 시스템이 도시되어 있다. 위에서 보다 상세히 기술된 첨가제의 예는 H2, H2O, 포름산 및 테트랄린을 포함한다. 일 실시예에서, 주입 펌프(414)는 HPLC 주입 펌프이다.
또 다른 실시예(미도시)에서, 하나 이상의 응축 용기(410)가 바이패스될 수 있도록 하는 바이패스 밸브(412)가 제공될 수 있다. 이는 반응 산물의 수집이 원하는 바에 따라 더 적은 용기로 결합될 수 있게 하여 시스템(400)의 적응성을 추가로 증가시킨다.
제어기(430)가 도 4에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 제어기(430)는 열분해 시스템(400)을 모니터링 및 제어하여 원하는 결과를 달성하도록 구성된 프로그래머블 로직 제어기이다. 제어기는 목적용으로 구축된 하드웨어 제어기에서 제어 소프트웨어를 실행하는 범용 컴퓨팅 디바이스에 이르기까지 다수의 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 프로세스 제어기는 본 기술 분야에서 잘 알려져 있으며, 현재 공지되거나 나중에 개발될 임의의 적합한 제어기 디자인 또는 디자인들의 조합이 사용될 수 있다.
제어기(430)는 다양한 스테이지의 회수기를 통한 프로세스 스트림 및 복귀 스트림의 유동의 분배를 제어한다. 이러한 방식으로, 각 스테이지에서 스트림의 유입 온도 및 배출 온도가 변경될 수 있다. 열 교환기에서 고온 스트림과 저온 스트림 사이의 열 교환을 제어하는 열 전달 방정식은 잘 알려져 있으며, 이러한 방정식의 임의의 형태는 제어기에 의해 사용되어 스테이지들 간의 유동의 분배를 결정함으로써 CO2 회로 내의 특정 위치에서의 특정 온도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 사용될 수 있는 하나의 기본 열 교환기 방정식은 다음에 걸쳐 열의 전달을 설명하는 일반적인 역류형 열 교환 방정식이다.
Figure pct00001
여기서,
Figure pct00002
는 프로세스 스트림의 질량 유량(mass flow rate)이고, cpa는 프로세스 스트림의 비열(specific heat)이고, Ta1은 회수기 스테이지로 들어가는 프로세스 스트림의 유입 (높은) 온도이고, Ta2는 프로세스 스트림의 배출 (낮은) 온도이고,
Figure pct00003
는 복귀 스트림의 질량 유량이고, cpb는 복귀 스트림의 비열이고, Tb1은 회수기 스테이지로 들어가는 복귀 스트림의 유입 (낮은) 온도이고, Tb2는 복귀 스트림의 배출 (높은) 온도이다. 전술한 방정식으로부터, 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 회수기의 성능을 종종 그 치수 및 특성에 기초한 회수기의 전체 열 전달 계수의 측면에서 수학적으로 기술하는 추가적인 방정식이 도출될 수 있다. 많은 경우, 열 교환기에 대한 성능 방정식은 제조업체에 의해 제공될 수 있다. 이러한 방정식은 필요에 따라 제어기에 의해 해결되어 회수기 스테이지를 통해 스트림의 유동을 분배하는 방법을 결정함으로써 작업자에 의해 설정된 목표를 달성할 수 있으며, 그 예는 아래에 제공된다.
일 실시예에서, 제어기(430)는 바이패스 밸브(412), 히터(422), 냉각수 시스템(424), 첨가제 펌프(414) 및 시스템(400)의 다른 컴포넌트에 접속되어 이를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(430)는 하나 이상의 모니터링 디바이스(426)에 접속될 수 있거나 이로부터 정보 또는 신호를 수신할 수 있으며, 제어기(430)는 상기 모니터링 디바이스(426)로부터 시스템(400)의 상태에 관한 데이터를 수신한다.
도 4는 시스템(400) 전체의 다양한 위치에서의 여러 모니터링 디바이스(426)를 도시한다. 모니터링 디바이스(426)는 임의의 타입의 프로세스 모니터, 분석기, 또는 센서, 예를 들면, 유량 센서, 온도 센서, 압력 센서, 스케일, pH 센서, 분광계, 광 이온화 검출기, 가스 크로마토 그래프, 촉매 센서, 적외선 센서 및 불꽃 이온화 검출기(flame ionization detector)일 수 있다. 모니터링 디바이스(426)는 원하는 대로 시스템(400)의 어느 곳에나 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 가스 크로마토 그래프는 반응 챔버(402)를 떠나는 sCO2 내의 반응 산물 중에서 다양한 화합물 및 그 상대적인 양을 주기적으로 또는 연속적으로 모니터링하고 결정하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 각각의 응축 용기 상에 액체 레벨 센서가 제공될 수 있으며, 그 곳의 데이터로부터 각 회수기 스테이지의 응축물의 상대적인 생산 속도가 결정될 수 있다.
모니터링 디바이스(426)로부터 수신된 정보에 기초하여, 제어기(430)는 하나 이상의 바이패스 밸브를 통과하는 유동 및 하나 이상의 스트림의 온도를 변경함으로써 하나 이상의 응축 용기에서 원하는 탄화수소 응축물 분율(즉, 분자량 범위)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어기는 300 내지 350 ℃의 비등점(boiling points)을 갖는 탄화수소를 분리 및 회수하도록 지시될 수 있다. 이 실시예에서, 다양한 바이패스 밸브를 통과하는 유동은 프로세스 스트림이 (전술한 450 ℃와 대조되는) 350 ℃의 온도에서 제 1 회수기(406a)로부터 배출되고 300 ℃의 온도에서 제 2 회수기(406b)로부터 배출되도록 조정될 수 있다. 이는 복귀 스트림의 일부를 제 2 회수기(406b) 주위로 바이패스함으로써 달성되어, 비교적 큰 냉각기 복귀 스트림이 제 1 회수기(406a)를 통해 구동됨으로써 제 1 스테이지에 의해 수행되는 상대적인 냉각량을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 350 ℃ 초과의 비등점을 갖는 반응 산물은 제 1 회수기(406a)와 제 2 회수기(406b) 사이의 응축 용기(410)에서 수집되는 반면, 300 내지 350 ℃의 비등점을 갖는 반응 산물은 제 2 회수기(406b)에 후속되는 응축 용기(410)에서 수집된다.
상기 예에서 알 수 있는 바와 같이, 제어기(430)의 사용 및 시스템 디자인에 의해 달성되는 적응성을 통해, 시스템(400)의 작동 구성은 다양한 목표를 달성하기 위해 실시간으로 변경될 수 있다. 또한, 시스템(400)의 제어를 센서 및 모니터링 디바이스에 의해 보고된 실시간 지식에 기초함으로써, 시스템(400)은 공급원료 품질의 변화와 같은 변화하는 조건에 응답하여 시간에 따라 조정될 수 있다. 이 양태에서, 제어기(430) 및 다수의 스테이지의 회수기 및 응축 용기를 통해, 시스템(400)은 상이한 분율의 탄화수소를 상이한 응축 용기로 분리 및 수집하도록 쉽게 구성될 수 있다. 보다 많은 스테이지를 제공함으로써, 필요에 따라 훨씬 더 많은 분화가 제공될 수 있다. 제어기(430)는 바이패스 밸브(412)를 쉽게 재구성할 수 있기 때문에, 시스템(400)은 상이한 출력 요건 또는 공급원료 특성의 변화를 고유하게 처리할 수 있다.
또한, 제어기(430)는 열분해 반응으로부터 획득된 반응 산물을 제어 및 최적화하는 데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어기(430)는 반응 챔버(402) 내의 온도 및/또는 압력을 직접 또는 간접적으로 제어하여 상이한 반응 산물의 상대적인 양을 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 반응 챔버 내의 온도 또는 압력의 변화는 센서 및 모니터링 디바이스로부터 수신된 모니터링 정보에 기초하여 실시간으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버(402)를 떠나는 sCO2 내의 상이한 반응 산물의 타입 및 양을 나타내는 모니터링 데이터가 제어기(430)에 제공될 수 있다. 미리 설정된 목표에 따라, 반응 산물의 서브 세트를 최적화하기 위해(예를 들어, 250 내지 350 ℃의 비등점을 갖는 반응 산물의 생성을 최대화하기 위해) 제어기(430)는 시스템(400)의 현재 목표에 기초하여 반응 산물의 최적화된 프로파일이 획득될 때까지 반응 챔버 내의 온도 및/또는 압력을 반복적으로 변화시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 시스템의 실시예의 실험 성능을 도시한다. 도면에서, 시스템은 대안적으로 멀티 스테이지 초임계 액화 시스템으로 지칭된다. 실험에서, 도 4에 도시된 시스템의 실시예는 도시된 바와 같이 4 개의 회수기 및 최종 냉각수 열 교환기를 사용하여 벤치 규모로 생성되었다. Power River Basin 아역청탄 1kg 샘플을 컬럼에 넣고 위에서 설명한 대로 sCO2를 사용하여 열분해했다. 컬럼의 바닥에 미세한 메시 스크린을 제공하여 고체가 챔버로부터 빠져 나가지 않도록 하였다.
시동을 위해, 시스템이 원하는 열 조건에 도달할 때까지 열분해 챔버를 분리하기 위해 바이패스 회로가 사용되었다. 루프가 테스트 온도에 도달한 후, 바이패스가 비활성화되고 열분해 챔버가 루프에 배치되었다. 열분해 챔버를 떠나는 sCO2의 배출 온도는 대략 490 ℃였고, 열분해 챔버로 전달된 sCO2의 유입 온도는 대략 500 ℃였다. 열분해 챔버 내의 sCO2의 압력은 대략 10 MPa였고, 회로를 순환하는 sCO2의 질량 유량은 실험 동안 4.5 내지 10 kg/분이었다. CO2의 전체 유동이 각 교환기/응축 용기 스테이지를 통과하도록 5 개의 열 교환기 중 어떠한 것도 바이패스하지 않고 시스템을 작동시켰다. 응축 용기는 냉각 핑거(cold finger)였고, 도 5에 도시된 온도로 유지되는 병 1 내지 병 5로 지정되었다. 시스템을 일정 시구간 동안 작동시킨 후 응축 용기로부터의 응축된 열분해 산물을 분석하였다.
도 5a는 응축 용기 온도에 의해 석탄 뱃치를 열분해하는 것으로부터 획득된 대표적인 액체 수율을 도시한다. 응축 용기는 냉각 핑거였고 도 5a에 도시된 온도로 유지된 병 1 내지 병 5로 지정되었다.
병 2 및 병 5로부터 획득된 응축물 분율에 대해 질량 분광법을 수행하였다. 도 5b는 병 2에 대한 결과를 나타내고, 도 5c는 병 5에 대한 결과를 나타낸다. 예상한 바와 같이, 결과는 보다 낮은 온도의 병 5에서 획득된 것보다 보다 높은 온도의 병 2에서 실질적으로 더 높은 분자량 산물 분포가 응축되었음을 보여주고 있다. 이는 멀티 스테이지 분리 시스템이 탄소질 공급원료로부터 상이한 열분해 산물들을 생성 및 분별하는 데 성공적임을 나타낸다.
도 6은 CO2를 사용하여 반응 산물들을 획득하도록 탄소질 공급원료를 열분해하는 광범위한 방법의 실시예를 도시한다. 도시된 실시예는 폐쇄 루프에서의 재사용을 위해 CO2를 재조정하고 재순환하는, 진행중인 프로세스의 관점에서 논의된다. 도 6의 프로세스는 접촉 작업(602)으로 시작하는 것으로 도시되어 있다. 접촉 작업(602)에서, 탄소질 공급원료는, CO2를 초임계 상태로 유지하고 그리고 열분해를 발생시키기에 충분한 열분해 온도 및 압력에서 소정의 접촉 기간 동안 초임계 이산화탄소와 접촉하여 유지된다. 결과적인 열분해는 공급원료의 적어도 일부가 숯으로 전환되게 하고, CO2로 용해되는 소정량의 열분해 반응 산물을 생성시킨다.
사용된 접촉 기간 또는 체류 시간은 작업자에 의해 선택될 수 있다. 열분해 동안 CO2가 접촉 챔버를 통해 흐르지 않기 때문에 접촉은 정적일 수 있다. 오히려, 챔버는 CO2 및 공급원료로 충전된 후, 내부 교반 또는 다른 혼합과 함께 혹은 내부 교환 또는 다른 혼합 없이 반응할 수 있다. 이 경우, 접촉 시간은 CO2가 초임계적이며 공급원료와 함께 접촉 챔버 내에 있는 시간이 된다. 대안적으로, CO2가 공급원료를 함유하는 챔버를 통해 지속적으로 흐르기 때문에 접촉은 동적일 수 있다. 동적 접촉에서, 체류 시간은 CO2의 유량 및 접촉 챔버의 볼륨으로부터 계산된다.
열분해 반응 산물의 화학적 구성은 열분해 조건을 변화시킴으로써 어느 정도 변할 수 있다. 예를 들어, 접촉 작업(602)에서 사용되는 비교적 높은 온도 및 압력은 다른 반응 산물(예를 들어, 중간 중량의 오일 또는 더 가벼운 탄화수소 가스)보다 일부 반응 산물(예를 들어, 오일과 같은 보다 무거운 탄화수소)의 생성을 선호할 수 있다. 또한, 물, 포름산, 수소 또는 일부 다른 수소 공여체와 같은 첨가제를 사용하여 열분해 동안 수소의 가용성을 증가시킬 수 있으며, 이는 또한 반응 산물의 화학적 구성을 변화시킬 것이다. 열분해 반응에 영향을 미치고 반응 산물의 화학적 구성을 변화시키기 위해 다른 첨가제가 또한 사용될 수 있다.
접촉 시간 후, 용해된 열분해 반응 산물을 함유하는 초임계 CO2가 분리 작업(604)에서 숯으로부터 분리된다. 분리 작업은 CO2로부터 숯을 제거하거나 숯으로부터 CO2를 제거하는 형태를 취할 수 있다.
분리 작업(604) 후, 초임계 CO2는 제 1 냉각 작업(606)에서 제 1 온도 및 제 1 압력으로 냉각된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 열분해 온도 및 압력은 각각 540 ℃ 및 11 MPa이고, 제 1 온도 및 제 1 압력은 450 ℃ 및 10.9 MPa이다. 제 1 냉각 작업(606)은 접촉 작업(602)에서 사용된 열분해 온도 및 압력으로부터 CO2의 온도 또는 온도 및 압력을 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서 냉각 작업(606)으로 지칭되지만, '냉각'은 온도를 열분해 온도로 또는 열분해 온도에 가깝게 유지하면서 CO2의 압력을 감소시키는 것만으로 구성될 수 있다. 온도, 압력 또는 양자 모두의 감소 여부에 관계없이, 냉각 작업(606)은 용해된 반응 산물의 용해도를 변화시키고 CO2 및 제 1 온도 및 압력에서 더 이상 용해되지 않는 임의의 반응 산물은 CO2로부터 응축물로서 응축될 것이다.
제 1 냉각 작업(606)의 일부로서 또는 이후에, 제 1 냉각 작업(606)에 의해 생성된 응축물은 추후 사용을 위해 수집되어 저장될 수 있다. 이 응축물의 함량은 열분해 반응에 의해 생성된 반응 산물 및 제 1 냉각 작업(606)의 제 1 온도 및 압력에 의해 결정될 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 제 1 온도 및 압력의 선택을 통해, 제 1 냉각 작업(606)에 의해 생성된 응축물의 화학적 구성은 열분해 반응 산물의 특정 분율을 얻도록 제어될 수 있다. 일단 온도가 알려지면, 일 실시예에서, 열 교환기 방정식은, 상이한 회수기들의 온도를 달성하고 그에 따라 원하는 응축물을 달성하는 데 필요한 상이한 회수기들을 통과하는 복귀 스트림 및 프로세스 스트림의 상대적 유량들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 정보로부터 제어기는 결정된 유량을 얻는 데 필요한 바이패스 밸브의 위치를 설정할 수 있다.
이어서, 남아 있는 반응 산물과 함께 CO2에 대해 제 2 냉각 작업(608)이 수행된다. 제 1 냉각 작업(606)과 유사하게, 제 2 냉각 작업(608)은 CO2를 제 1 온도 및 압력에서 제 2 온도 및 압력으로 감소시킨다. 또한, 이는 CO2의 온도, 압력 또는 양자 모두를 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 제 2 냉각 작업은 제 1 냉각 작업(606)과 동일한 장비를 사용하거나 제 2 냉각 작업이 수행되는 제 2 세트의 장비(예를 들어, 열 교환기, 냉각 용기 등)에 CO2를 통과시킴으로써 수행될 수 있다.
제 2 냉각 작업(608)의 일부로서 또는 이후에, 제 2 냉각 작업(608)에 의해 생성된 응축물은 추후 사용을 위해 수집되어 저장될 수 있다. 이 제 2 응축물의 함량은 열분해 반응에 의해 생성된 반응 산물, 제 1 냉각 작업(606)에서 사용된 제 1 온도 및 압력, 및 제 2 냉각 작업(608)의 제 2 온도 및 압력에 의해 결정될 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 제 1 온도 및 압력과 제 2 온도 및 압력의 선택을 통해, 제 2 냉각 작업(608)에 의해 생성된 응축물의 화학적 구성은 열분해 반응 산물의 특정 분율을 얻도록 제어될 수 있다. 일단 온도가 알려지면, 일 실시예에서, 열 교환기 방정식은, 상이한 회수기들의 온도를 달성하고 그에 따라 원하는 응축물을 달성하는 데 필요한 상이한 회수기들을 통과하는 복귀 스트림 및 프로세스 스트림의 상대적 유량들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 정보로부터 제어기는 결정된 유량을 얻는 데 필요한 바이패스 밸브의 위치를 설정할 수 있다.
추가적인 냉각 작업(미도시)이 수행될 수 있다. 추가적인 냉각 작업을 사용하여 반응 산물의 분별 및 수집을 엄격하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 25 개의 냉각 작업을 이용하여 매우 미세하게 분별된 응축물을 얻을 수 있다. 작업자의 목표에 따라 원하는 수만큼의 냉각 작업이 이용될 수 있다. 5 개의 냉각 작업의 가능성을 가진 시스템을 도시하는 도 4를 참조하면, 5 개의 스테이지의 각각의 응축물의 화학적 구성은 상대적인 작동 온도 및 압력을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 예를 들어, 하나의 구성에서, 처음 네 개의 냉각 작업은 매우 좁은 온도 및/또는 압력 차이로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 제 1 온도는 열분해 온도보다 10 ℃ 더 낮을 수 있고, 제 2 온도는 20 ℃ 더 낮을 수 있고, 제 3 온도는 30 ℃ 더 낮을 수 있고 제 4 온도는 40 ℃ 더 낮을 수 있지만, 최종 온도는 보다 높은 온도의 반응 산물(즉, 보다 높은 온도에서 CO2로부터 응축되는 반응 산물)을 분별할 구성인 30 ℃일 수 있다. 다른 구성에서, 온도 차이는 스테이지들 사이에서 더욱 균일할 수 있고 또 다른 구성에서 온도들은 저온 산물을 분별하도록 포커싱될 수 있다. 따라서, 이 방법의 일부로서, 상이한 냉각 작업들의 온도 및 압력은 반응 산물의 특정의 원하는 분율을 얻도록 제어될 수 있다.
마지막으로, CO2가 추가 열분해를 위해 재순환 및 재사용되는 것은 재사용 작업이 된다. 재사용은 CO2가 도 4에 도시된 것과 같은 루프에서 연속적으로 흐르는 연속 시스템에서 수행될 수 있다. 대안적으로, CO2는 나중에 뱃치 시스템(batch system) 또는 세미 뱃치 시스템(semi-batch system)에서 재사용하기 위해 저장될 수 있다.
방법(600)의 일부로서, CO2는 전체 방법에 걸쳐 초임계 상태로 유지될 수 있다. 대안적으로, 재사용 작업에서 CO2가 초임계 상태로 복귀하기 전에, 가능한 많은 반응 산물을 응축 및 제거하기 위해, 예를 들어, 최종 냉각 작업에서 CO2가 아임계 상태로 될 수 있다.
도 7은 초임계 CO2로 석탄을 열분해하는 방법의 보다 상세한 실시예이다. 도 6의 방법(600)은 임의의 뱃치 프로세스, 세미 뱃치 프로세스 또는 연속 열분해 프로세스를 포괄하도록 보다 광범위하게 기술되지만, 도 7의 방법(700)은 석탄으로부터 열분해 산물을 분별하고, 지속적으로 흐르는 루프에서 CO2를 재순환시키는 연속 열분해 프로세스에 보다 특정되어 있다.
도 7에 도시된 실시예에서, 방법(700)은 초임계 CO2 주입 작업(702)에서 이산화탄소(CO2)의 유입 스트림을, 석탄을 함유하는 반응 챔버 내로 흐르게 하는 것으로 시작한다. 일 실시예에서, 유입 CO2 스트림의 온도는 300-600 ℃이고 압력은 7-12 MPa이다.
반응 챔버는 반응 챔버 내의 CO2를 초임계 상태로 유지하기에 충분한 열분해 온도 및 압력으로 유지된다. 이것은 도 7에서 열분해 작업(704)으로 도시되어 있다. 열분해 작업(704)은 반응 챔버의 온도 및 압력을 능동적으로 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 히터 또는 외부 히터를 사용하여 반응 챔버에 직접 열을 가하여 반응 챔버의 온도를 제어할 수 있다. 마찬가지로, 유입 CO2 스트림 및 배출 CO2 스트림의 유량을 조정함으로써 압력이 제어될 수 있다. 대안적으로, 반응 챔버의 온도 및 압력은 유입 스트림의 온도 및 유량을 제어하는 것에 의해서만 간접적으로 제어될 수 있다. 따라서, 석탄은 열분해 작업(704)에서 숯 및 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2를 획득하도록 열분해된다. 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 반응 산물의 화학적 구성은 반응 챔버 내의 온도 및 압력을 변화시킴으로써 그리고 또한 특정 첨가제의 사용을 통해 어느 정도로 제어될 수 있다.
반응 챔버를 통한 CO2 유량 및 반응 챔버 내의 CO2의 볼륨에 의해 결정된 접촉 기간 후, 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2는 스트림 배출 작업(706)에서 반응기 배출 스트림으로서 반응 챔버로부터 배출구를 통해 흐른다.
그 후, 배출 스트림은 제 1 회수 및 수집 작업(706a)에서 제 1 회수기로 전달된다. 이 작업(706a)에서, 반응기 배출 스트림은 반응 챔버로 되돌아가는 도중의 CO2의 복귀 스트림에 열을 전달함으로써 제 1 회수기에서 냉각된다. 배출 스트림은 제 1 회수기를 통과하는 2 개의 CO2 스트림, 즉 배출 스트림 및 복귀 스트림의 온도 및 유량에 기초하여 열분해 반응 온도보다 낮은 제 1 온도로 냉각된다.
배출 스트림을 냉각시키는 작용은 배출 스트림에서 제 1 온도보다 높은 온도들에서 응축되는 용해된 반응 산물이 존재하는 경우 CO2로부터 응축되도록 한다. 제 1 회수 및 수집 작업(706a)은 이러한 제 1 스테이지 응축물을, 도 4에 도시된 수집 용기와 같은 수집기에서 수집하는 것을 포함한다. 그것은 또한, 제 1 스테이지 응축물로서 제거되지 않은 임의의 용해된 반응 산물을 함유하는 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림의 배출을 포함한다.
배출 스트림의 전부가 제 1 회수 및 수집 작업(706a)에서 처리될 수 있는 것은 아니라는 것에 주목해야 한다. 일 실시예에서, 배출 스트림의 일부는 나중의 스테이지 회수기로 전달되고, 나중의 회수 및 수집 작업에서 처리될 수 있다. 배출 스트림 중 일부의 이러한 전환은 상이한 스테이지들로부터 획득된 응축물의 화학적 구성을 제어하도록 수행될 수 있다.
그 후, 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림은 제 2 회수 및 수집 작업(706b)에서 제 2 회수기로 전달된다. 이 작업(706b)에서, 반응기 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림은 반응 챔버로 되돌아가는 도중의 CO2의 복귀 스트림에 열을 전달함으로써 제 2 회수기에서 냉각된다. 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림은 제 2 회수기를 통과하는 2 개의 CO2 스트림, 즉 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 및 복귀 스트림의 온도 및 유량에 기초하여 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각된다.
또한, 배출 스트림을 냉각시키는 작용은 제 2 온도보다 높은 온도들에서 응축되는 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림에 남아 있는 용해된 반응 산물이 존재하는 경우 CO2로부터 응축되도록 한다. 제 2 회수 및 수집 작업(706b)은 이러한 제 2 스테이지 응축물을 도 4에 도시된 수집 용기와 같은 수집기에서 수집하는 것을 포함한다. 그것은 또한, 제 2 스테이지 응축물로서 제거되지 않은 임의의 남아 있는 용해된 반응 산물을 함유하는 제 2 스테이지 CO2 배출 스트림의 배출을 포함한다.
또한, 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 모두가 제 2 회수기로 전달될 필요는 없으며, 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림의 일부는 나중의 스테이지 응축물의 화학적 구성을 변경하기 위해 나중의 회복 및 수집 작업으로 전환될 수 있다.
방법(700)에서 임의의 수의 추가적인 회수 및 수집 작업이 수행될 수 있다. 이것은 도 7에서 생략 및 제 n 스테이지 회수 및 수집 작업(706n)으로 도시되어 있다. 회수 및 수집 작업(706a-n) 각각은 관련된 2 개의 CO2 스트림의 작동 온도 및 압력을 제외하고는 동일할 수 있다. 각각의 작업(706a-n)으로부터 회수된 응축물은 프로세스 스트림 및/또는 복귀 스트림의 일부를 주변 및 원하는 응축물을 얻기 위한 다양한 작업(706a-n)으로 전환함으로써 제어될 수 있다. 상이한 회수 및 수집 작업(706a-n)을 통한 유동의 분배는 전술한 바와 같이 상이한 스테이지들에서 상이한 분율들을 수집하기 위해 제어기에 의해 수동으로 제어되거나 자동으로 제어될 수 있다.
주목할 것은, 예를 들어, 도 4에서와 같이, 최종 회수 및 수집 작업(706n)과 같은 하나 이상의 작업(706a-n)은 프로세스 스트림으로부터 열을 회수하는 것을 포함하지 않을 수 있다는 것이다. 즉, CO2의 복귀 스트림으로 열을 전달하고 그 에너지를 효과적으로 재순환시키는 대신에, 열은, 가령, 열을 냉각수 스트림으로 전달함으로써 간단히 제거될 수 있고, 폐기되거나 다른 목적을 위해 재순환될 수 있다.
또한, 모든 회수 및 수집 작업(706a-n)은 별도의 용기에서의 응축물의 수집을 포함할 필요는 없다. 오히려, 일부 응축물은 하류의 회수 및 수집 작업에서 나중의 수집을 위해 후속하는 스테이지 회수기로 보내질 수 있다.
최종 회수 및 수집 작업(706n) 후에, 최종 스테이지 CO2 배출 스트림은 이를 복귀 스트림으로서 재조정 작업(708)에서 다양한 회수 스테이지를 통해 통과시킴으로써 재조정된다. 재조정 작업(708)은 시스템의 CO2 복귀 회로의 하나 이상의 지점에서 복귀 스트림을 압축하는 것 및/또는 복귀 스트림을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서, 복귀 스트림은 제 5 회수 및 수집 작업 직후 펌프(420)에 의해 압축되고(그러한 경우 냉각수 스트림을 사용하여 열이 제거되므로 진정한 회수가 아님), 반응 챔버(402) 내로 주입되기 직전에 히터(422)에 의해 가열된다.
주목해야 할 것은 재조정 작업(708)이 CO2로부터 임의의 남아 있는 반응 산물을 세정할 수도 있고 세정하지 않을 수도 있다는 것이다. 일 실시예에서, CO2 복귀 스트림이 반응 챔버 내로 주입될 때 CO2 복귀 스트림에는 일부 미량의 반응 산물 및/또는 물과 같은 다른 화합물이 남아 있다.
재조정 후, 주입 작업(402)에서 CO2 복귀 스트림이 유입 스트림으로서 반응 챔버 내로 주입된다. 이것은 도 7에서 재조정 작업(708)에서 주입 작업(702)으로의 복귀 화살표로 도시되어 있다.
첨부된 청구 범위에도 불구하고, 본 개시 내용은 또한 다음의 번호가 매겨진 조항들에 의해 정의된다.
1. 방법으로서,
탄소질 공급원료의 화합물(combination)을 제 1 온도 및 제 1 압력에서 제 1 시구간 동안 열분해하여 C1-C4 가스를 생성하는 단계;
상기 화합물을 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 상승시키는 단계;
상기 화합물을 상기 제 2 온도에서 제 2 시구간 동안 열분해하여 피치를 생성하는 단계;
상기 화합물로부터 피치를 추출하는 단계를 포함한다.
2. 제1 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계를 더 포함한다.
3. 제1 조항 또는 제2 조항에 있어서, 상기 제 1 온도는 150-350 ℃이고 상기 제 1 압력은 7-30MPa이다.
4. 제1 조항, 제2 조항, 또는 제3 조항에 있어서, 상기 제 2 온도는 350-550 ℃이다.
5. 제1 조항 내지 제4 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 시구간은 1 내지 120 분의 길이이다.
6. 제1 조항 내지 제5 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 시구간은 상기 탄소질 공급원료로부터 상기 제 1 온도에서 생성되는 적어도 하나의 C1-C4 가스의 양에 기초하여 결정된다.
7. 제1 조항 내지 제6 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 시구간은 1 분 내지 24 시간이다.
8. 제1 조항 내지 제7 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 온도 및 제 1 압력에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 제 1 열분해 반응 챔버에서 수행된다.
9. 제1 조항 내지 제8 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 온도에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 상기 제 1 열분해 반응 챔버에서 수행된다.
10. 제1 조항 내지 제8 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 온도에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 상기 제 1 열분해 반응 챔버와 상이한 제 2 열분해 반응 챔버에서 수행된다.
11. 제1 조항 내지 제10 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 온도 및 제 1 압력에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 이산화탄소 분위기에서 수행된다.
12. 제1 조항 내지 제11 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 상기 열분해 분위기에서 하나 이상의 C1-C4 가스의 농도를 모니터링하는 단계를 더 포함한다.
13. 제12 조항에 있어서, 상기 피치를 추출하는 단계는 상기 이산화탄소 분위기를 분리 시스템으로 전달하는 단계를 포함한다.
14. 제12 조항 또는 제13 조항에 있어서, 상기 피치를 추출하는 단계는 상기 이산화탄소 분위기의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 낮추는 단계를 포함한다.
15. 제1 조항 내지 제14 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계는 상기 피치를 압출하는 단계를 포함한다.
16. 제1 조항 내지 제15 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계는 상기 피치의 섬유를 제조하는 단계를 포함한다.
17. 석탄으로부터 피치를 생성하는 방법으로서,
이산화탄소 분위기에서 석탄의 화합물을 함유하는 반응 챔버를 제 1 온도 및 제 1 압력으로 가열하는 단계;
상기 분위기에서 C1-C4 가스를 발생시키기에 충분한 제 1 시구간 동안 상기 반응 챔버를 상기 제 1 온도 및 제 1 압력으로 유지하는 단계;
상기 반응 챔버의 온도를 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 상승시키는 단계;
상기 반응 챔버를 상기 제 2 온도에서 제 2 시구간 동안 유지하여 적어도 약간의 피치를 생성하는 단계;
제 2 시구간 후에 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 및 그 내부에 용해된 피치를 제거하는 단계;
상기 반응 챔버로부터 제거된 상기 이산화탄소로부터 상기 피치를 분리하는 단계를 포함한다.
18. 제17 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 피치로부터 섬유를 제조하는 단계를 더 포함한다.
19. 제17 조항 또는 제18 조항에 있어서, 상기 제 1 온도는 150-350 ℃이고, 상기 제 1 압력은 7-30MPa이다.
20. 제17 조항 내지 제19 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 온도는 380-550 ℃이다.
21. 제17 조항 내지 제20 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 시구간은 1 내지 120 분의 길이이다.
22. 제17 조항 내지 제21 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 시구간은 상기 탄소질 공급원료로부터 상기 제 1 온도에서 생성되는 적어도 하나의 C1-C4 가스의 양에 기초하여 결정된다.
23. 제17 조항 내지 제22 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 시구간은 1 분 내지 24 시간이다.
24. 제17 조항 내지 제23 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 이산화탄소 분위기에서 하나 이상의 가스의 농도를 모니터링하는 단계를 더 포함한다.
25. 제17 조항 내지 제24 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 및 그 내부에 용해된 피치를 제거하는 단계는 상기 이산화탄소 분위기를 분리 시스템으로 전달하는 단계를 포함한다.
26. 제17 조항 내지 제25 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 이산화탄소로부터 상기 피치를 분리하는 단계는 상기 이산화탄소의 온도, 압력 또는 양자 모두를 낮추는 단계를 포함한다.
27. 제17 조항 내지 제26 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 탄소 섬유를 생성하기 위해 상기 피치를 사용하는 단계를 더 포함한다.
28. 제27 조항에 있어서, 탄소 섬유를 생성하기 위해 상기 피치를 사용하는 단계는 상기 피치를 섬유로 압출하는 단계를 포함한다.
29. 석탄으로부터 섬유를 제조하기 위한 시스템으로서,
이산화탄소 분위기에서 석탄의 화합물을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버;
석탄의 열분해 후 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 분위기를 수령하고 상기 이산화탄소로부터 피치 용기 내로 피치를 응축시키도록 구성된 분리 시스템;
상기 분리 시스템에 연결되어, 상기 분리 시스템에 의해 응축된 피치를 수령하고 압출하도록 구성된 압출기를 포함한다.
30. 제29 조항에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 화합물을 7-30 MPa에 이르는 압력에서 적어도 550 ℃로 가열할 수 있다.
31. 제29 조항 또는 제30 조항에 있어서, 상기 시스템은 상기 반응 챔버에 열 에너지를 제공하는 가열 소스를 더 포함한다.
32. 제29 조항 내지 제31 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 시스템은 상기 반응 챔버에 열 에너지를 제공하는 원자로를 더 포함한다.
33. 제29 조항 내지 제32 조항 어느 하나에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 이산화탄소를 초임계 상태로 가열할 수 있다.
34. 제29 조항 내지 제33 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 시스템은 상기 반응 챔버의 이산화탄소 분위기에서 하나 이상의 가스의 농도를 모니터링할 수 있는 가스 모니터를 더 포함한다.
35. 제29 조항 내지 제34 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 시스템은 상기 반응 챔버로부터 상기 분리 시스템으로의 이산화탄소의 유동을 제어하는 밸브를 더 포함한다.
36. 제29 조항 내지 제35 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 분리 시스템은 상기 이산화탄소로부터의 피치를 응축하도록 구성될 수 있는 적어도 피치 수집 챔버를 포함한다.
37. 제29 조항 내지 제36 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 피치 수집 챔버는 상기 압출기에 연결된다.
38. 방법으로서,
열분해 온도 및 압력에서 접촉 기간 동안 탄소질 공급원료를 초임계 상태의 이산화탄소(CO2)와 접촉시켜, 상기 공급원료를 열분해하여 숯과 용해된 열분해 반응 산물을 가진 초임계 CO2를 획득하는 단계;
상기 숯으로부터, 용해된 열분해 반응 산물을 가진 초임계 CO2의 적어도 일부를 분리하는 단계;
용해된 열분해 반응 산물을 함유하는 초임계 CO2를 상기 열분해 온도 및 압력과 상이한 제 1 스테이지 온도 및 압력으로 냉각시켜 제 1 스테이지 CO2 산물 가스 및 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
상기 제 1 스테이지 CO2 산물 가스를 상기 제 1 스테이지 온도 및 압력과 상이한 제 2 스테이지 온도 및 압력으로 냉각시켜 제 2 스테이지 CO2 산물 가스 및 제 2 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
후속 열분해 반응에서 상기 제 2 스테이지 CO2 산물 가스로부터의 CO2의 적어도 일부를 재사용하는 단계를 포함한다.
39. 제38 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물에서 제 1 열분해 반응 산물을 획득하기 위해 상기 제 1 스테이지 온도 및 압력을 제어하는 단계를 더 포함한다.
40. 제39 조항에 있어서, 상기 제 1 스테이지 온도를 제어하는 단계는 하나 이상의 제 1 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 제 1 회수기 내로의 CO2 스트림의 유량을 선택하는 단계를 더 포함한다.
41. 제38 조항 내지 제40 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 제 2 스테이지 열분해 산물 응축물에서 제 2 열분해 반응 산물을 획득하기 위해 상기 제 2 스테이지 온도 및 압력을 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 열분해 반응 산물은 상기 제 1 열분해 반응 산물과 상이하다.
42. 제41 조항에 있어서, 상기 제 2 스테이지 온도를 제어하는 단계는 하나 이상의 제 2 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 제 2 회수기 내로의 CO2 스트림의 유량을 선택하는 단계를 더 포함한다.
43. 방법으로서,
초임계 상태의 이산화탄소(CO2)의 유입 스트림이, 석탄을 수용하는 반응 챔버 내로 흐르게 하는 단계;
접촉 시간 후, 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2를 배출 스트림으로서 상기 반응 챔버로부터 제거하는 단계;
상기 배출 스트림이 상기 반응 챔버로 가는 경로에서의 CO2의 복귀 스트림에 의해 냉각되는 제 1 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 상기 배출 스트림의 제 1 부분을 안내하여 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계로서, 상기 제 1 회수기/수집기 스테이지는 회수기 및 이에 후속하는 응축물 수집기를 포함하는 것인 단계;
제 1 스테이지 CO2 배출 스트림의 적어도 일부를 제 2 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 안내하여 제 2 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 2 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
적어도 일부의 CO2를 복귀 스트림으로서 상기 제 1 회수기/수집기 스테이지를 통해 통과시킴으로써 상기 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 및/또는 제 2 스테이지 CO2 배출 스트림으로부터 상기 적어도 일부의 CO2를 재조정하여 유입 CO2 스트림을 획득하는 단계를 포함한다.
44. 제43 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 배출 스트림의 제 2 부분을 상기 제 2 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 안내하는 단계를 더 포함한다.
45. 제43 조항 또는 제44 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 반응 챔버 내의 CO2를 초임계 상태로 유지하기에 충분한 열분해 온도 및 압력으로 상기 반응 챔버를 유지함으로써, 석탄을 열분해하여 숯 및 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2를 획득하는 단계를 더 포함한다.
46. 제43 조항 내지 제45 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 유입 CO2 스트림의 온도는 300-600 ℃이고 압력은 7-30 MPa이다.
47. 제43 조항 내지 제46 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 3 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 3 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 3 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계를 더 포함한다.
48. 제47 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 4 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 4 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 4 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계를 더 포함한다.
49. 제48 조항에 있어서, 상기 방법은 상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 5 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 5 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 5 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계를 더 포함한다.
50. 제49 조항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 회수기/수집기 스테이지는 모두 상이한 온도에서 작동한다.
51. 제43 조항 내지 제50 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 하나 이상의 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 상기 회수기/수집기 스테이지들의 상이한 온도들을 제어하는 단계를 더 포함한다.
52. 석탄을 열분해하는 시스템으로서,
초임계 이산화탄소(CO2) 분위기에서 석탄의 화합물을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버;
상기 초임계 CO2 분위기로부터, 용해된 열분해 산물의 적어도 일부를 제거하고 그 후 상기 반응 챔버에서 재사용하기 위해 CO2를 회수하는 회수 및 응축 회로를 포함한다.
53. 제52 조항에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 화합물을 7-30 MPa에 이르는 압력에서 적어도 350 ℃로 가열할 수 있다.
54. 제52 조항 또는 제53 조항에 있어서, 상기 시스템은 상기 CO2 분위기를 상기 반응 챔버로 전달하기 전에 상기 CO2 분위기에 열 에너지를 제공하는 가열 소스를 더 포함한다.
55. 제54 조항에 있어서, 상기 가열 소스는 원자로이다.
56. 제52 조항 내지 제55 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 회수 및 응축 회로는 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지를 포함하고, 각각의 회수기/수집기 스테이지는, 상기 반응 챔버로부터 CO2 분위기를 CO2 프로세스 스트림으로서 받아들이고, 상기 CO2 프로세스 스트림으로부터 CO2 복귀 스트림으로 열을 전달하고, 냉각된 CO2 프로세스 스트림으로부터 열분해 산물을 응축 및 수집하도록 연결된 열 교환기 및 응축물 수집기를 갖는다.
57. 제52 조항 내지 제56 조항에 있어서, 상기 시스템은 하나 이상의 첨가제를 상기 CO2 복귀 스트림 및/또는 상기 반응 챔버에 주입하는 첨가제 주입 시스템을 더 포함한다.
58. 제56 조항 또는 제57 조항에 있어서,
상기 시스템은 상기 CO2 프로세스 스트림의 유동을 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로 분배하는 복수의 프로세스 스트림 바이패스 밸브를 포함한 바이패스 시스템;
상기 복수의 프로세스 스트림 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로의 상기 CO2 프로세스 스트림의 유동을 제어하는 제어기를 더 포함한다.
59. 제56 조항 내지 제58 조항 중 어느 하나에 있어서,
상기 바이패스 시스템은 CO2 복귀 스트림의 유동을 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로 분배하는 복수의 복귀 스트림 바이패스 밸브를 더 포함하며, 그리고
상기 제어기는 상기 복수의 복귀 스트림 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로의 상기 CO2 복귀 스트림의 유동을 제어한다.
60. 제56 조항 내지 제59 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어기는 상기 바이패스 시스템을 통해 상기 회수기/수집기 스테이지들을 통과하는 CO2 프로세스 스트림 및 CO2 복귀 스트림의 유동을 제어함으로써 상기 회수기/수집기 스테이지들 중의 적어도 하나에 의해 수집된 응축물 분율을 결정한다.
61. 제60 조항에 있어서, 상기 제어기는 미리 정해진 목표에 기초하여 상기 회수기/수집기 스테이지들 중의 상기 적어도 하나에 의해 수집된 응축물 분율을 결정한다.
62. 제60 조항에 있어서, 상기 제어기는 회수 및 응축 회로의 하나 이상의 지점에서 온도를 모니터링하는 하나 이상의 온도 센서로부터 수신된 정보에 기초하여 상기 회수기/수집기 스테이지들 중 상기 적어도 하나에 의해 수집된 응축물 분율을 제어한다.
본원에 기술된 시스템 및 방법은 언급된 목적 및 장점뿐만 아니라 그에 고유한 목적 및 이점을 달성하도록 잘 적응되어 있음이 명백할 것이다. 본 기술 분야의 기술자는 본 명세서 내의 방법 및 시스템이 많은 방식으로 구현될 수 있으며, 따라서 상기 예시된 실시예 및 예에 의해 제한되지 않음을 인식할 것이다. 이와 관련하여, 본원에 기술된 상이한 실시예들의 임의의 수의 특징들이 하나의 단일 실시예로 결합될 수 있고 본원에 기술된 모든 특징보다 적거나 많은 특징들을 갖는 다른 실시예들이 가능하다.
본 개시 내용의 목적을 위해 다양한 실시예들이 기술되었지만, 본 개시 내용에 의해 고려되는 범위 내에 있는 다양한 변경 및 수정이 행해질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2-스테이지 열분해 방법의 분위기는 전술한 sCO2 분위기와 상이할 수 있지만, 2-스테이지 열분해 방법의 추출 및 피치 회수 작업에서 sCO2를 용매로서 여전히 사용할 수 있다. 이 실시예에서, 열분해 분위기는 제거될 수 있고 추출 작업의 일부로서 sCO2로 대체될 수 있다.
본 기술 분야의 기술자에게 쉽게 제안되고 본 개시 내용의 사상에 포함되는 다수의 다른 변경이 행해질 수 있다.

Claims (62)

  1. 방법으로서,
    탄소질 공급원료의 화합물(combination)을 제 1 온도 및 제 1 압력에서 제 1 시구간 동안 열분해하여 C1-C4 가스를 생성하는 단계;
    상기 화합물을 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 상승시키는 단계;
    상기 화합물을 상기 제 2 온도에서 제 2 시구간 동안 열분해하여 피치(pitch)를 생성하는 단계;
    상기 화합물로부터 피치를 추출하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 온도는 150-350 ℃이고, 상기 제 1 압력은 7-30MPa인 것인 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 2 온도는 350-550 ℃인 것인 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 시구간은 1 내지 120 분의 길이인 것인 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 시구간은, 상기 탄소질 공급원료로부터 상기 제 1 온도에서 생성되는 적어도 하나의 C1-C4 가스의 양에 기초하여 결정되는 것인 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 2 시구간은 1 분 내지 24 시간인 것인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 제 1 열분해 반응 챔버에서 수행되는 것인 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 2 온도에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 상기 제 1 열분해 반응 챔버에서 수행되는 것인 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 2 온도에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는, 상기 제 1 열분해 반응 챔버와 상이한 제 2 열분해 반응 챔버에서 수행되는 것인 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 온도 및 상기 제 1 압력에서 상기 탄소질 공급원료를 열분해하는 단계는 이산화탄소 분위기에서 수행되는 것인 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열분해 분위기에서 하나 이상의 C1-C4 가스의 농도를 모니터링하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 피치를 추출하는 단계는 이산화탄소 분위기를 분리 시스템으로 전달하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 피치를 추출하는 단계는 상기 이산화탄소 분위기의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 낮추는 단계를 포함하는 것인 방법.
  15. 제2항에 있어서, 상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계는 상기 피치를 압출하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  16. 제2항에 있어서, 상기 피치로부터 탄소 섬유를 제조하는 단계는 상기 피치의 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  17. 석탄으로부터 피치를 생성하는 방법으로서,
    이산화탄소 분위기에서 석탄의 화합물을 수용하는 반응 챔버를 제 1 온도 및 제 1 압력으로 가열하는 단계;
    상기 분위기에서 C1-C4 가스를 발생시키기에 충분한 제 1 시구간 동안 상기 반응 챔버를 상기 제 1 온도 및 상기 제 1 압력으로 유지하는 단계;
    상기 반응 챔버의 온도를 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 상승시키는 단계;
    상기 반응 챔버를 상기 제 2 온도에서 제 2 시구간 동안 유지하여 적어도 약간의 피치를 생성하는 단계;
    상기 제 2 시구간 후에 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 및 이 이산화탄소에 용해된 피치를 제거하는 단계;
    상기 반응 챔버로부터 제거되는 상기 이산화탄소로부터 상기 피치를 분리하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 피치로부터 섬유를 제조하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제 1 온도는 150-350 ℃이고, 상기 제 1 압력은 7-30MPa인 것인 방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제 2 온도는 350-550 ℃인 것인 방법.
  21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제 1 시구간은 1 내지 120 분의 길이인 것인 방법.
  22. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제 1 시구간은 상기 탄소질 공급원료로부터 상기 제 1 온도에서 생성되는 적어도 하나의 C1-C4 가스의 양에 기초하여 결정되는 것인 방법.
  23. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제 2 시구간은 1 분 내지 24 시간인 것인 방법.
  24. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분위기에서 하나 이상의 가스의 농도를 모니터링하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  25. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 및 이 이산화탄소에 용해된 피치를 제거하는 단계는, 상기 이산화탄소 분위기를 분리 시스템으로 전달하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  26. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 이산화탄소로부터 상기 피치를 분리하는 단계는 상기 이산화탄소의 온도, 압력 또는 양자 모두를 낮추는 단계를 포함하는 것인 방법.
  27. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    탄소 섬유를 생성하기 위해 상기 피치를 사용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 탄소 섬유를 생성하기 위해 상기 피치를 사용하는 단계는 상기 피치를 섬유로 압출하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  29. 석탄으로부터 섬유를 제조하기 위한 시스템으로서,
    이산화탄소 분위기에서 석탄의 화합물을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버;
    석탄의 열분해 후 상기 반응 챔버로부터 상기 이산화탄소 분위기를 받아들이고 상기 이산화탄소로부터 피치 용기 내로 피치를 응축시키도록 구성된 분리 시스템;
    상기 분리 시스템에 연결되어, 상기 분리 시스템에 의해 응축된 피치를 받아들여 압출하도록 구성된 압출기
    를 포함하는 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 화합물을 7-30 MPa에 이르는 압력에서 적어도 350 ℃로 가열할 수 있는 것인 시스템.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 열 에너지를 제공하는 가열 소스
    를 더 포함하는 시스템.
  32. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 열 에너지를 제공하는 원자로
    를 더 포함하는 시스템.
  33. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 이산화탄소를 초임계 상태로 가열할 수 있는 것인 시스템.
  34. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 이산화탄소 분위기에서 하나 이상의 가스의 농도를 모니터링할 수 있는 가스 모니터
    를 더 포함하는 시스템.
  35. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 반응 챔버로부터 상기 분리 시스템으로의 이산화탄소의 유동을 제어하는 밸브
    를 더 포함하는 시스템.
  36. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 분리 시스템은 상기 이산화탄소로부터의 피치를 응축하도록 구성될 수 있는 적어도 피치 수집 챔버를 포함하는 것인 시스템.
  37. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 피치 수집 챔버는 상기 압출기에 연결되는 것인 시스템.
  38. 방법으로서,
    열분해 온도 및 압력에서 접촉 기간 동안 탄소질 공급원료를 초임계 상태의 이산화탄소(CO2)와 접촉시켜, 상기 공급원료를 열분해하여 숯(char)과 용해된 열분해 반응 산물을 가진 초임계 CO2를 획득하는 단계;
    상기 숯으로부터, 용해된 열분해 반응 산물을 가진 초임계 CO2의 적어도 일부를 분리하는 단계;
    용해된 열분해 반응 산물을 함유하는 초임계 CO2를, 상기 열분해 온도 및 압력과 상이한 제 1 스테이지 온도 및 압력으로 냉각시켜 제 1 스테이지 CO2 산물 가스 및 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
    상기 제 1 스테이지 CO2 산물 가스를, 상기 제 1 스테이지 온도 및 압력과 상이한 제 2 스테이지 온도 및 압력으로 냉각시켜 제 2 스테이지 CO2 산물 가스 및 제 2 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
    후속 열분해 반응에서 상기 제 2 스테이지 CO2 산물 가스로부터의 CO2의 적어도 일부를 재사용하는 단계
    를 포함하는 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물에서 제 1 열분해 반응 산물을 획득하기 위해 상기 제 1 스테이지 온도 및 압력을 제어하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 제 1 스테이지 온도를 제어하는 단계는, 하나 이상의 제 1 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 제 1 회수기 내로의 CO2 스트림의 유량을 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  41. 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 스테이지 열분해 산물 응축물에서 제 2 열분해 반응 산물을 획득하기 위해 상기 제 2 스테이지 온도 및 압력을 제어하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 제 2 열분해 반응 산물은 상기 제 1 열분해 반응 산물과 상이한 것인 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 제 2 스테이지 온도를 제어하는 단계는, 하나 이상의 제 2 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 제 2 회수기 내로의 CO2 스트림의 유량을 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  43. 방법으로서,
    초임계 상태의 이산화탄소(CO2)의 유입 스트림이, 석탄을 수용하는 반응 챔버 내로 흐르게 하는 단계;
    접촉 시간 후, 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2를 배출 스트림으로서 상기 반응 챔버로부터 제거하는 단계;
    상기 배출 스트림이 상기 반응 챔버로 가는 경로에서의 CO2의 복귀 스트림에 의해 냉각되는 제 1 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 상기 배출 스트림의 제 1 부분을 안내하여 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 1 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계로서, 상기 제 1 회수기/수집기 스테이지는, 응축물 수집기가 후속하는 회수기를 포함하는 것인 단계;
    제 1 스테이지 CO2 배출 스트림의 적어도 일부를 제 2 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 안내하여 제 2 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 2 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계;
    적어도 일부의 CO2를 복귀 스트림으로서 상기 제 1 회수기/수집기 스테이지를 통해 통과시킴으로써 상기 제 1 스테이지 CO2 배출 스트림 또는 제 2 스테이지 CO2 배출 스트림으로부터 상기 적어도 일부의 CO2를 재조정하여 유입 CO2 스트림을 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 배출 스트림의 제 2 부분을 상기 제 2 회수기/수집기 스테이지를 관통하게 안내하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  45. 제43항 또는 제44항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내의 CO2를 초임계 상태로 유지하기에 충분한 열분해 온도 및 압력으로 상기 반응 챔버를 유지함으로써, 석탄을 열분해하여 숯 및 용해된 열분해 산물을 함유하는 초임계 CO2를 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  46. 제43항 또는 제44항에 있어서, 상기 유입 CO2 스트림의 온도는 300-600 ℃이고, 압력은 7-30 MPa인 것인 방법.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 3 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 3 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 3 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 4 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 4 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 4 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 CO2 및 용해된 열분해 산물 스트림의 적어도 일부를 제 5 회수기/수집기 스테이지를 통해 흐르게 하여 제 5 스테이지 CO2 배출 스트림 및 제 5 스테이지 열분해 산물 응축물을 획득하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  50. 제49항에 있어서, 상기 제 1 회수기/수집기 스테이지, 제 2 회수기/수집기 스테이지, 제 3 회수기/수집기 스테이지, 제 4 회수기/수집기 스테이지 및 제 5 회수기/수집기 스테이지는 상이한 온도에서 작동하는 것인 방법.
  51. 제43항 또는 제44항에 있어서,
    하나 이상의 바이패스 밸브의 위치를 설정함으로써 상기 회수기/수집기 스테이지들의 상이한 온도들을 제어하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  52. 석탄을 열분해하는 시스템으로서,
    초임계 이산화탄소(CO2) 분위기에서 석탄의 화합물을 열분해할 수 있는 적어도 하나의 반응 챔버;
    상기 초임계 CO2 분위기로부터, 용해된 열분해 산물의 적어도 일부를 제거한 후, 상기 반응 챔버에서의 재사용을 위해 CO2를 회수하는 회수 및 응축 회로
    를 포함하는 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 반응 챔버는 상기 화합물을 7-30 MPa에 이르는 압력에서 적어도 350 ℃로 가열할 수 있는 것인 시스템.
  54. 제52항 또는 제53항에 있어서,
    상기 CO2 분위기를 상기 반응 챔버로 전달하기 전에 상기 CO2 분위기에 열 에너지를 제공하는 가열 소스
    를 더 포함하는 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 가열 소스는 원자로인 것인 시스템.
  56. 제52항 또는 제53항에 있어서, 상기 회수 및 응축 회로는 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지를 포함하고, 각각의 회수기/수집기 스테이지는, 상기 반응 챔버로부터 CO2 분위기를 CO2 프로세스 스트림으로서 받아들이고, 상기 CO2 프로세스 스트림으로부터 CO2 복귀 스트림으로 열을 전달하며, 냉각된 CO2 프로세스 스트림으로부터 열분해 산물을 응축 및 수집하도록 연결된 열 교환기 및 응축물 수집기를 갖는 것인 시스템.
  57. 제56항에 있어서,
    하나 이상의 첨가제를 상기 CO2 복귀 스트림 또는 상기 반응 챔버에 주입하는 첨가제 주입 시스템
    을 더 포함하는 시스템.
  58. 제56항에 있어서,
    상기 CO2 프로세스 스트림의 유동을 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로 분배하는 복수의 프로세스 스트림 바이패스 밸브를 포함하는 바이패스 시스템;
    상기 복수의 프로세스 스트림 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로의 상기 CO2 프로세스 스트림의 유동을 제어하는 제어기
    를 더 포함하는 시스템.
  59. 제58항에 있어서, 상기 바이패스 시스템은, CO2 복귀 스트림의 유동을 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로 분배하는 복수의 복귀 스트림 바이패스 밸브를 더 포함하며, 그리고
    상기 제어기는 상기 복수의 복귀 스트림 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 하나 이상의 회수기/수집기 스테이지들로의 상기 CO2 복귀 스트림의 유동을 제어하는 것인 시스템.
  60. 제59항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 바이패스 시스템을 통해, 상기 회수기/수집기 스테이지들을 통한 CO2 프로세스 스트림 및 CO2 복귀 스트림의 유동을 제어함으로써 상기 회수기/수집기 스테이지들 중 적어도 하나에 의해 수집되는 응축물 분율을 제어하는 것인 시스템.
  61. 제60항에 있어서, 상기 제어기는 미리 정해진 목표에 기초하여 상기 회수기/수집기 스테이지들 중 상기 적어도 하나에 의해 수집되는 응축물 분율을 제어하는 것인 시스템.
  62. 제60항에 있어서, 상기 제어기는, 회수 및 응축 회로의 하나 이상의 지점에서 온도를 모니터링하는 하나 이상의 온도 센서로부터 수신된 정보에 기초하여, 상기 회수기/수집기 스테이지들 중 상기 적어도 하나에 의해 수집되는 응축물 분율을 제어하는 것인 시스템.
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