KR20200055748A - 통합 폐기물 변환 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20200055748A
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오뒤르 잉골프손
아스게이르 마트히아손
시귀르뒤르 잉골프손
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이미르 테크놀로지즈 이에이치에프.
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Abstract

완전히 수계이며 에너지 자립형식이며 일체로 된 인라인 물 관리 시스템은 지자체 및 광역 지자체 폐기물의 모든 유기 분획을 운송에 사용될 수 있는 연료로 광범위하게 변환하도록 제공되되, 모든 고체 잔류물은 고 영양 비료로 변환된다. 상기 시스템은 알카리 가수분해 및 비누화를 수반하는 전처리 과정; 전처리된 폐기물을 연속 유동 에스테르화 유닛에서이 바이오디젤 생성을 포함하는 연료 생산, 메탄 또는 다른 작은 분자 바이오연료를 생성하는 혐기성 소화을 포함하는 추가적인 처리를 위한 서로 다른 스트림으로 3방향 분리하는 것을 수반한다.

Description

통합 폐기물 변환 시스템 및 방법
본 발명은 폐기물 관리 및 폐기물 처리 분야에 속하며, 구체적으로 바이오 디젤 및 메탄 및/또는 에탄올을 포함하는 귀중한 생성물을 생성하기 위한 폐기물 스트림의 적절한 전처리, 분리 및 변환에 의한 유기 폐기물의 처리에 관한 것이다
폐기물 관리 및 처리는 인구가 증가함에 따른 지속적인 과제이다. 매립지는 매립 전에 토지를 사용하고 수명이 제한되어 있어 지속적인 수요를 창출하며, 매립지가 가득 찰 경우 유용성 및 잠재적 오염 문제가 있는 토지 공간을 만듭니다. 유럽 연합에서는 2020년까지 매립이 잔류 폐기물(즉, 재활용 불가능 및 회수 불가능 폐기물)(제 7 회 환경 행동 프로그램(EAP))으로 제한되어야 한다는 목표가 채택된 정책으로 설정되었다. 소각은 토지 사용의 문제를 해결하지만 온실 가스를 생성하며 오염 물질의 방출을 막기 위해 고온 소각이 필요하다. 그러나 소각은 지역 환경 품질, 효율적인 온실 가스 감축 및 현대 기후 정책의 폐기물 제로 목표와 양립할 수 없다는 것이 문헌에 잘 확립되어 있다. 소각로는 많은 지역 상황에서 막대한 비용이 드는 투자를 나타내며, 정부 에너지 보조금과 화석 연료를 사용하여 장거리에 걸쳐 도시 고형 폐기물(MSW)을 운송한다고 가정하더라도 수익 모델이 약하다. 소각로는 수은, 다이옥신 및 PCB와 같은 주요 유해 오염원이다. 중요하게도, 그들의 에너지 포집률은 매우 낮으며 결과적인 에너지는 고정된 용도로만 이용 가능하다. 소각 후에도 원래 폐기물 중량의 약 15 %는 여전히 유해한 재로 매립되어야 한다. 혐기성 소화(digestion)를 통한 매립지에서의 메탄 생산/수집은 여러 지역에서 소규모로 운영되지만 매립지 사용의 일반적인 단점을 완화하지는 않는다. 연료로 연소되거나 휘발유 또는 에탄올을 포함한 다른 연료로 변환될 수 있는 중간 합성 가스 생산과 같은 폐기물로부터 연료를 생성하는 공정이 개시되고 구현되었다. 에네켐(Enerkem)(캐나다 몬트리올)은 폐기물에서 합성 가스 공정을 통해 메탄올(및 최종적으로는 에탄올)을 만들기 위한 연료 공장을 건설했다(www.enerkem.com 참조). Enerkem 공정은 잘 알려진 가스화 공정의 한 예로서, 유기 물질인 탄소가 풍부한 바이오 매스는 산소량이 조절 된 고온에서 일산화탄소, 수소 및 이산화탄소(이 혼합물을 합성 가스라고 함)로 변환된다. 가스화 공정의 대안은 고전압 전류가 토치에 공급되어 고온 아크를 생성하는 플라즈마 아크를 사용한다. 이를 플라즈마 가스화 장치라고 한다. InEnTec은 이 기술을 사용하여 하루 25 톤의 폐기물을 처리할 수 있는 소규모 플랜트를 구축하고 시연했다(미국 워싱턴 주 리치 랜드; InEnTec; www.inentec.com).
보다 유연하고 에너지 및 시스템 요구가 적은 다른 솔루션도 인정될 것이다.
본 발명은 고영양 퇴비로 변환된 고체 잔류물을 가진, 도시 폐기물 및 더 넓은 지역 사회 폐기물의 모든 유기 분획(fraction)을 운송에 사용하기에 적합한 연료로 포괄적으로 변환하기 위한 완전 수성, 에너지 자급 자족 통합 인라인 폐기물 변환 시스템을 포함하며. 여기서 '완전 수성'(entirely water-based)이란 유기 용매가 필요 없고 환경적으로 허용되는 수용성 화학 물질 이외의 첨가제가 필요 없는 시스템 공정을 의미한다. 상기 시스템은 유기 폐기물에 대한 완전한 처리주기를 짧게 제공하여 다운 스트림 폐기물 소비를 최소화 또는 제거하고 대신 귀중한 제품을 만들게 된다. 상기 시스템은 완전히 에너지 자 급식으로 작동할 수 있고 유연성을 제공하여, 상기 시스템은 매우 서로 다른 폐기물을 수용할 수 있으며 고온 가스화, 증기 개질 등을 필요로 하지 않는다.
상기 시스템은 기본적으로 증기 폭발 가수 분해(steam explosion hydrolysis) 및 비누화(saponification); 연료 생산을 포함하는 추가적인 과정을 처리하기에 적합한 각각의 서로 다른 유동으로 전처리된 폐기물을 분리; 연속적인 유동 촉매 에스테르화 유닛에서 바이오 디젤 생성을 포함하는 연료 생성; 메탄 또는 에탄올과 같은 다른 소분자 바이오 연료(발효를 통해)를 생성하기 위한 혐기성 소화를 수반하는 유연한 전처리 조합을 기반으로 한다. 남은 고형물은 준-연속 가속 퇴비화 공정에서 퇴비로 변환된다. 따라서, 상기 시스템 및 공정은 개별 공정 단계가 연속적으로, 특히 증기 폭발 처리, 3 상 분리 및 바이오 디젤 생산을 포함하는 전처리에서 작동될 수 있도록 배열되는 것이 바람직한 반면에, 가속화된 퇴비화 공정과 같은 다른 단계들은 반-연속(semi-continuous) 방식으로 작동될 수 있다. 수집 및/또는 버퍼링 탱크 및 컨테이너는 메인 유닛과 프로세스 단계 사이에 배치되어, 연속 및 반-연속 상과 단계 사이에서, 그리고 인접한 유닛과 단계에서의 출력 부피와 입력 부피의 차이에 대하여 서로 다른 유닛 및 처리 단계 사이에서 운송된 물질을 수용하도록 된다. .
연속 또는 반-연속 방식으로 증기 폭발 처리를 작동시키는 것이 특히 유리하며, 이는 바람직하게는 알칼리 또는 산성 용액으로 도입된 물질을 고압 및 온도에 노출시키고, 아래에서 설명되는 바와 같은 적절한 장치로써 고압 회전 릴리프 밸브를 통과하는 것과 같은 급 압력 강하를 통해 물질을 배출하는 것을 수반하여, 고압 및 고온 보유 섹션이 높은 작동 압력 및 온도로 유지되는 한편, 물질은 고압 및 고온 보유 섹션의 압력 또는 온도 릴리프 없이도 연속적으로 또는 반-연속적으로 도입되고,배출된다. 이는 배치(batch) 작동식 증기 폭발과 비교하여 효율성을 높이고 에너지 요구량을 줄이다.
상기 시스템은 모듈식으로 적절하게 배치되어, 주어진 위치에서 처리 될 폐기물의 조성에 따라 주문 제작이 가능하다. 상기 시스템은 본 명세서에 정의된 바와 같이 완전 또는 실질적으로 수계가 되도록 구성될 수 있으며, 가장 바람직하게는 공정에 사용 된 모든 에너지는 공정에서 생성된 연료 성분으로부터 생성된다.
상기 시스템은 현재의 최신 기술을 넘어 개별 구성 요소 간의 시너지 효과를 극대화하고 에너지 소비와 탄소 풋프린트를 최소화하고 환경 및 경제적 이익을 극대화하도록 설계되었다.
상기 시스템은 외부 에너지 입력 없이 쉽게 작동할 수 있으며 에너지 균형 계산은 일반적으로 상기 시스템이 에너지의 순-기여자로 작동할 수 있음을 보여줌으로써 폐기물 유동의 에너지 함량을 활용하는 것을 보여준다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 프로세스는 에너지를 자급 자족하므로, 이러한 실시예에서 외부 에너지를 추가할 필요가 없다.
본 발명의 한 양태는 폐기물 변환 시스템을 제공하되, 상기 폐기물 변환 시스템은,
유기 폐기물인 폐기물의 적어도 일부를 수용하기 위한 적어도 하나의 전처리 유닛으로서, 상기 전처리 유닛은 적어도 하나의 연속 유동 증기 폭발을 포함하는, 전처리 유닛;
상기 전처리 유닛으로부터 전처리 된 폐기물의 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 분리 유닛으로서, 상기 분리 유닛은 적어도 하나의 컨디셔닝 섹션 및 컨디셔닝된 폐기물을 적어도 하나의 지방/오일 성분 및 적어도 하나의 수성 성분 및 바람직하게는 적어도 하나의 젖은 고상 성분으로 분리하기 위한 적어도 하나의 분리 섹션을 포함하는, 분리 유닛;
하나 이상의 지방/오일 성분으로부터 바이오 디젤을 생성하기 위한 하나 이상의 바이오 디젤 생산 유닛;
메탄 생성을 위한 적어도 하나의 수성 성분의 혐기성 소화를 위한 적어도 하나의 소화 유닛 및/또는 적어도 하나의 수성 성분으로부터 에탄올을 생성하기 위한 발효 유닛; 및
고형 물질로부터 퇴비를 생성하기 위한 하나 이상의 퇴비화 유닛;을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법을 제시하며, 상기 방법은,
유기 폐기물인 적어도 일부를 포함하는 폐기물 스트림을 수용하는 단계;
상기 폐기물 스트림이 연속 유동 증기 폭발 반응기로 도입되는 전처리 유닛에 폐기물 스트림 또는 이의 적어도 일부를 도입하는 단계;
전처리된 폐기물의 스트림을 적어도 지방 및/또는 오일을 포함하는 성분, 및 유기 물질의 수성 슬러리를 포함하는 성분, 바람직하게는 고체 유기 물질을 포함하는 성분으로 분리되는 분리 유닛으로 보내는 단계;
상기 지방 및/또는 오일 성분을 바이오 디젤 생산 유닛에 도입하고, 상기 지방/오일 성분으로부터 바이오 디젤을 생성하는 단계;
수성 슬러리를 포함하는 상기 성분을 분해 유닛에 도입하고 혐기성 분해를 통해 상기 성분을 소화시켜 메탄을 생성하거나 발효를 통해 에탄올을 생성하는 단계; 및
남은 고체 물질을 가속 퇴비화 유닛 내부로 도입하는 단계;를 포함한다.
다른 양태는 고압 보유 섹션 및 압력 완화 섹션을 포함하는 증기 폭발 반응기에 관한 것이며, 상기 고압 보유 섹션은 상기 폐기물 스트림을 상기 섹션을 통해 운반하기 위한 적어도 하나의 조정 가능한 속도 컨베이어를 포함한다. 증기 폭발 반응기는 증기 폭발 반응기와 동시에 작동하도록 임의로 구성될 수 있는 하나 이상의 통합 이산화탄소 스크러빙(scrubbing) 유닛을 추가로 포함할 수 있다.
다른 양태는 하나 이상의 지방/오일 성분의 연속적인 유동을 수용하여 연속적인 바이오 디젤 유동을 생성하도록 구성된 바이오 디젤 반응기에 관한 것이다. 바이오 디젤 반응기는 유리 지방산의 에스테르화 및/또는 글리세리드의 트랜스 에스테르화를 촉매하기 위해 에스테르화 및/또는 트랜스 에스테르화 반응 촉매로 코팅된 복수의 접촉 플레이트를 포함하는 연속 유동 바이오 디젤 반응기일 수 있다. 상기 바이오 디젤 반응기는 접촉 플레이트 사이의 간격을 조정하고 난류 혼합을 향상시키기 위한 하나 이상의 스페이서 및/또는 정적 혼합기를 추가로 포함할 수 있다.
다른 양태는 원준 분리 디캔터에 대한 것으로서, 상기 원심 분리 디캔터는,
축 방향 베어링 샤프트;
상기 축 방향 베어링 샤프트상에서 회전 가능한 스크류 컨베이어를 동축으로 둘러싸는 디캔터 하우징;
스크류 컨베이어 내로 물질을 공급하기 위한 적어도 하나의 고정식 중앙에 배치된 주물질 유입구;
하나 이상의 고체 물질 배출구;
상기 디스크 원심 분리기를 둘러싸는 디스크 분리기 하우징;
상기 디캔터 하우징과 디스크 분리기 하우징 사이에 배치된 하나 이상의 임펠러; 및
중량 상(phase) 및 경량 상(phase) 배출구;를 포함한다.
도 1a는 본 발명의 시스템의 주요 유닛을 도시한 개략도를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 전체 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 전처리 유닛의 일부, 특히 습윤 및 혼합 섹션 및 고압 가열 및 유지 섹션의 사시 전개도를 도시한다.
도 3a는 전처리 유닛의 이산화탄소 스크러빙 섹션의 버전의 개략도를 도시한다.
도 3b는 전처리 유닛의 일 실시예의 이산화탄소 스크러빙 섹션의 분해 사시도를 도시한다.
도 4a는 상부는 컨디셔닝 섹션을 도시하며, 이는 수직으로 배열된 탱크 내에 중심 동축 튜브를 포함하는 유지/오일 분리 섹션으로 이어지며, 바닥에는 고체/액체 분리 컨베이어가 있는 분리 유닛의 일 실시예의 주요 섹션의 개략적인 예시를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 분리 유닛 실시예의 주요 섹션의 분해 사시도를 도시한다.
도 4c는 액체/고체 분리기로부터 액체 물질을 수용하기 위한 도 4a 및 4b로부터 고체/액체 분리 컨베이어 및 수집/버퍼 탱크의 사시도를 도시한다.
도 5a는 스크류 컨베이어 디캔터 및 디스크 원심 분리기(원심 디켄터 또는 원심 디켄터 단위 또는 기구라고도 함)를 하나의 기구에 적용함으로써 지방/오일과 고체 액체 분리를 조합 한 단일 장치에서 3 상 분리가 수행되는 3 상 분리 유닛의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 5b는 도 5a로부터의 3 상 분리기 유닛을 도시하며, 분리 공정에서의 물질 유동을 더욱 상세하게 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 연속 유동 바이오 디젤 반응기의 사시도를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 연속 유동 바이오 디젤 반응기의 추가 세부 사항을 도시하며, 이는 변환 공정에서 반응기 성분 및 물질 유동의 가능한 적층을 도시한다.
도 6c는 오른쪽에는 확대된 단면에서의 표면 코팅을 나타내는 주름진 접촉 플레이트(4110, 4111)이 있고; 중앙에는 확대된 단면으로 도시된 유동-섭동 표면 코팅(4113)을 구비한 정적 혼합기(4130)가 있으며; 좌측에는 확장된 단면으로 도시된 촉매 표면 코팅(4121)을 갖는 스페이서(4120)가 있는 연속 유동 바이오 디젤 반응기 내에서의 셀의 사시도 및 단면도를 나타낸다.
도 6d는 모든 표면은 촉매 물질로 코팅 된 것으로 표시되고 셀은 스페이서 없이 표시된, 2 개의 반응기 플레이트에 의해 한정된 정적 혼합기로 구성된 연속 유동 바이오 디젤 반응기의 하나의 셀 내의 유동 라인의 확대 단면도를 도시한다.
도 7a는 3 단계 가속 퇴비화 유닛의 2 개의 제 1 섹션(개시 섹션(5100) 및 인큐베이션 섹션(5200))의 개요를 도시한다.
도 7b는 가속 퇴비화 유닛의 개시 섹션(5100)의 사시도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 렌더링 유닛의 가능한 구성을 도시한다.
본 발명의 주요 유닛은 전처리 유닛(1000), 분리 유닛(2000), 연료 생산 유닛(3000 및 4000)의 가속화된 퇴비화 유닛(5000) 및 선택적 렌더링 유닛(6000)을 도시하는 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 것이다. 각 유닛은 구성 요소와 부품을 가질 수 있으며, 시스템의 주요 부분은 섹션이라고 한다. 도 1a는 장치의 단순화된 개략적인 유동도를 도시하는 반면 도 1b는 장치의 섹션과 구성 요소가 있는 시스템의 보다 상세한 개략적인 유동도를 도시한다.
"수계"(water-based)라는 용어는 본 발명의 공정 및 시스템에 유기 용매가 필요하지 않음을 나타낸다. 그러나, 일부 실시예에서, 환경적으로 허용되는 수용성 반응물 또는 화학 물질, 예를 들어, 바이오 디젤 생산에 필요한 에탄올 또는 메탄올 및 하기에 추가로 기술되는 바와 같이 개별 공정 단계를 촉진시키기 위해 산 또는 염기가 적용될 수 있다. "에너지 자급 자족"이라는 용어는 공정에 에너지를 추가하지 않고 공정을 수행할 수 있으며 공정의 에너지 방출 단계 및/또는 고정에 대한 에너지원으로서 생성된 연료를 이용하여 열 에너지 및 전기 에너지와 같은 모든 에너지가 제공될 수 있음을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상기 시스템은 시스템 전기 에너지를 공급하기 위해 외부 전기 그리드에 연결될 수 있지만, 시스템으로의 이러한 에너지 입력은 시스템의 에너지 출력에 의해 균형을 이루며, 이는 시스템의 순 에너지 생산이 양의 값인 것을 의미한다. 용어 '오일/지방'은 일반적으로 동물성 지방 및 오일 및 식물성 오일로부터 도래된 모노-, 디-및 트리글리세리드 및 이들 또는 이들의 조합으로부터 유래된 유리 지방산 및 유리 지방산을 포함하는 수용된 폐기물로부터의 임의의 지질을 지칭한다. 본 명세서에서 '바이오 디젤'이라는 용어는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로, 일반적으로 장쇄 알킬(메틸, 에틸 및/또는 프로필) 에스테르를 함유하는 재순환 오일/지방 물질(석유 기반이 아님)로부터 유래된 연료를 지칭한다. '퇴비'라는 용어는 당업계에 일반적으로 알려진 의미를 가지며 비료 및 토양 개질로 분해된 유기 물질을 의미한다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 완전히 수계 또는 실질적으로 수계로 구성될 수 있다는 이점이 있다. 이는 예를 들어, 바이오 디젤을 생산하기 위한 공정 단계에서 메탄올 또는 에탄올와 같이 반응물로서 필요할 수 있고 각각의 변환 단계로부터 완전히 회수되는 필요한(환경적으로 허용되는) 수혼화성(water-miscible) 용매를 제외하고는 유기 용매를 첨가하지 않고 모든 단계 및 하위 공정을 수행 할 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따른 전처리 유닛은 처리될 폐기물 스트림을 수용한다. 폐기물 스트림은 상이한 조성일 수 있으며, 본 발명의 시스템 및 방법은 일반적으로 가정용폐기물로부터 유기 폐기물에 한정되지 않는, 일반적으로 유기 폐기물, 또는 유기 폐기물과 같이 사전 분류되거나 분류되지 않을 수 있는 대부분 유기 물질을 포함하는 폐기물에 관한 것이다. 따라서, 처리를 위해 수용된 폐기물은 가정 폐기물(HHW), 도축장 폐기물(SHW), 식품 산업 폐기물(FdIW), 생선 산업 폐기물(FhIW), 식물성 기름 및 어유 산업의 폐기물(OIW), 하수 슬러지, 하수 그리스 및 오일(SwW), 밀짚 또는 기타 빨대와 같은 농업 폐기물, 쌀겨, 대두 조각, 잔디 및 동물 분뇨(AcW), 정원 폐기물(GW) 및 폐기물 목재(WW)와 같은 농업 폐기물 중 하나 이상을 포함하되 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 폐기물 스트림은 탄수화물(C), 지방(F) 및 단백질(P) 농축 스트림 또는 이들의 임의의 조합으로 분류될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "지방"("F"), "지방/오일"및 "지방 및/또는 오일"은 일반적으로 하나 이상의 글리세리드를 포함하는 지방 및/또는 오일과 같은 지질이 풍부한 성분(모노-, 디-, 트리글리세리드), 인지질 및 유리 지방산 및 이들의 혼합물을 가리킨다.
바람직하기로는(수령된 폐기물에 따라), 상기 시스템은 전처리 유닛으로부터 상류에 있는 선택적인 분리기 유닛을 추가로 포함할 수 있으며, 이는 수용된 혼합 폐기물로부터 적어도 하나의 금속, 유리, 플라스틱 및 종이 성분 및 이들의 임의의 혼합물의 성분의 적어도 일부분 또는 바람직하게는 실질적으로 그 전체를 제거하기 위한 것이다. 처리되기 위하여 도착한 폐기물은 일반 플라스틱, 금속, 종이 및 유기 폐기물 통으로 폐기물을 분류하는 가정, 산업 및/또는 사무실로부터 사전 분류된 폐기물인 것이 바람직하다. 이러한 분류된 폐기물로부터, 유기물 일부(organic fraction)는 본 발명의 시스템에서 적합하게 수용되고 완전히 처리 및 변환될 수 있다.
상기 전처리 유닛은, 이의 가장 기본적인 성분으로서, 적어도 연속 유동 증기 폭발 반응기를 포함하며, 이는 현재 바람직한 실시예에서 하기에 상세히 기술되는 바와 같이 알칼리성 증기 폭발 반응기로서 작동된다. 알칼리성 조건 하에서 증기 폭발 공정을 작동시킬 때, 이들 실시예에서, 증기 폭발 반응기는 증기 폭발 반응기의 고압 보유 섹션으로부터 감압에 의해 배출 된 물질을 수용하는 적어도 하나의 통합된 이산화탄소 스크러빙 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 연속 유동 알칼리성 증기 폭발 반응기는 고압 보유 섹션으로부터 이산화탄소 스크러빙 섹션으로의 급속한 압력 릴리즈에 의해 물질의 스트림이 운반되는 압력 릴리프 연결부를 통해 일체형 이산화탄소 스크러빙 섹션에 연결된 적어도 하나의 고압 보유 섹션을 포함한다. 상기 고압 보유 섹션은 일반적으로 약 10 bar(1.000 kPa) 또는 약 12 또는 약 14 또는 약 15 또는 약 16, 또는 약 18 또는 약 20 bar 로부터 약 40 bar, 또는 약 38 bar, 또는 약 36 bar, 또는 약 34 bar, 또는 약 32 bar, 예컨대 약 30 bar, 예컨대 약 28, 또는 약 27 또는 약 26 또는 약 25 또는 약 24 bar 까지의 범위의 압력에서 작동한다. 일부 실시 형태에서, 이산화탄소 스크러빙 유닛은 약 1 bar, 예를 들어 약 1,2 bar, 약 1,5 bar, 약 2 bar로부터 약 5 bar, 또는 약 4 bar까지의 범위에서 작동하며, 선택적으로 기질 온도를 낮추고 증기 폭발 유닛으로부터 열을 회수하기 위한 냉각 요소를 구비한다.
고압 보유 섹션의 온도는 전형적으로 약 180-250
Figure pct00001
의 범위이고, 선택된 온도는 전형적으로 원하는 압력에 의존할 것이고, 이는 온도와 압력이 압력이 일정 관계로 유지되어 압력이 물의 증기압 근방 또는 그 바로 위로 된다. 예를 들어, 180
Figure pct00002
의 온도에서, 물의 증기 포화 압력은 10 bar를 약간 넘고, 200
Figure pct00003
에서 포화 증기 압력은 약 15,5 bar이고, 220
Figure pct00004
에서 약 23,2 bar이며, 250
Figure pct00005
에서 증기 포화 압력은 약 40 bar이다. 일부 실시 형태에서, 증기 폭발 반응기는 언급된 범위의 온도 및 각각의 온도에서 물의 증기 포화 압력에 상응하거나 그에 가까운 압력에서 작동된다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 증기 폭발 반응기는 약 180-200
Figure pct00006
범위의 온도 및 약 10-16 bar 범위의 압력에서 작동되고, 일부 실시 형태에서 증기 폭발 반응기는 약 200-220
Figure pct00007
의 온도 범위 및 약 15-23 bar 의 압력 범위, 또는 약 220-240
Figure pct00008
온도 범위 및 약 23-33 bar 범위의 압력에서 작동한다.
상기 증기 폭발 반응기는 콤팩트 한 섬유 물질의 비-균일 구조의 갑작스러운 붕괴를 초래하여 발효를 통한 효율적인 가수 분해 및 후속 분해에 접근 할 수 있게 한다. 상기 증기 폭발 유닛은 또한 셀룰로오스, 리그닌, 단백질 및 지방/오일과 같은 도입된 유기 폐기물질의 가수 분해 및/또는 비누화를 수행할 뿐만 아니라, 폐기물 스트림에서 가용성 탄화수소, 아미노산 또는 펩티드 및 이들의 지방산 및 염의 추출을 수행하는 역할을 한다. 알칼리성 조건 하에서 증기 폭발을 작동시킬 때, 수성 알칼리성 추출물 및 고체 기질은 이후 본원에 기재된 이산화탄소 스크러버에서 pH가 낮아진다. 전처리 공정은 다목적으로, i) 콤팩트한 섬유 물질의 구조 파열, ii) 리그닌 및 셀룰로오스 물질과 같은 생체 이용률이 낮은 물질을 적어도 부분적으로 분해, iii) 유기 물질의 사전 가수 분해, iv ) 고체 기질로부터 영양의 수성 추출 및 v) 모든 물질의 멸균하는 것을 목적으로 한다.
공정에서의 멸균은 하류 제품의 유용성을 광범위하게 향상시키므로 매우 유리하다. 폐기물이 바람직하지 않은 박테리아로 오염 될 수 있는 도축장 시설 또는 어류 또는 식품 가공 공장 및 종종 소변과 대변이 있은 상당량의 기저귀가 들어있는 가정용 폐기물로부터 특정 폐기물을 효과적으로 사용하는 것은 현재로서는 어려운 일이다. 증기 폭발 처리는 물질의 조각화 및 가수 분해 외에도 원하는 멸균을 제공한다. 많은 국가 및 지역에서 퇴비화와 같은 음식물 쓰레기 또는 다른 잠재적 세균성 쓰레기의 사용은 고압 증기 멸균 등에 의한 살균을 필요로 한다. 본 시스템은 퇴비 물질의 이러한 필요한 멸균을 제공하며, 이에 따라보다 수용 가능하고 더 높은 가치의 제품을 제공하게 된다.
본원에서 이해되는 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 이산화탄소 스크러빙 유닛은 증기 폭발이 알칼리성 조건 하에서 작동될 때 연속 유동 증기 폭발 반응기의 필수 부분을 구성한다. 이산화탄소 스크러빙 유닛의 상부는 바람직하게는 증기 폭발 유닛의 고압 보유 섹션으로부터의 물질 스트림을 전달하여, 압력 릴리프를 통한 물질의 유동은 이산화탄소 스크러빙 섹션 내에서 사이클론-유사 패턴의 폐기물 스트림으로 지향되지만, 스크러빙 섹션의 중심을 향하여 스플래싱 및 소산을 촉진하게 되고, 알칼리성 수성 폐기물 스트림(흡수제)이 세정될 이산화탄소가 풍부한 스트림과 만나 스크러빙 효율을 향상시키게 된다. 본원에 사용된 용어 '사이클론 패턴'은 일반적인 원형 또는 나선형 패턴을 지칭한다. 스크러버 내부의 폐기물 스트림 및 나선형 모양의 가이드의 입구 각도는 사이클론과 같은 유동을 향상시킨다. 진입각은 일부 실시예에서 수평으로부터 약 5° 내지 30°의 범위, 즉, 약 5° 또는 약 10°에서 약 30°, 약 25° 또는 약 20°의 범위의 각도로 수평으로부터 하향 경사져 있다. 이들은 동시에 사이클론형 유동을 부분적으로 파괴하여 스크러빙 섹션의 중심 영역을 향해 유입 스트림을 효과적으로 튀기고 분산시키고 이산화탄소가 풍부한 가스 스트림과의 접촉을 최대화하도록 설계된다. 따라서, 일부 실시예에서, 스크러빙 유닛은 하나 이상의 나선 형상의 삽입물, 바람직하게는 2 개 이상의 삽입물을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 유닛은 서로에 대해 수직으로 오프셋 된 2 개의 내부 나선을 포함하고, 상부 나선은 스크러버의 내벽으로부터 간극을 갖는 반면, 하부 나선은 간극이 없다. 이러한 구성은 탄소 스크러빙 유닛 내벽을 따라 상부 나선형으로부터 하부 나선형으로 전달되는 물질에 의해 영향을 받는, 탄소 스크러빙 유닛 내의 폐기물 스트림의 1 차 사이클론 패턴 유동에 대한 부분 수직 속도를 달성하는 역할을 한다. 하부 나선에는 스크러버 유닛의 중심을 향해 물질을 부분적으로 안내하기 위해 주름진 패턴이 추가로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 물질의 수직 성분이 중심을 향해 튀기고 분산되게 하는 내부 가장자리에 돌출된 림을 갖는 것이 바람직하다.
이산화탄소는 바람직하게는 이산화탄소 스크러빙 유닛의 하부 내에 제공되는 하나 이상의 이산화탄소 유입구를 통해 이산화탄소 스크러빙 유닛 내로 유동하여, 스크러빙 섹션을 통해 상승하고 스크러빙 섹션 내에서 하향으로 이동하는 분산된 알칼리성 물질 스트림을 만나기 전에, 전처리의 스크러빙 섹션의 바닥에서 알칼리성 폐기물의 축적을 통해 기포화된다. 선택적으로, 상기 스크러버는 기질 온도를 낮추고 증기 폭발로부터 열을 부분적으로 회수하기 위해 열교환 냉각 요소를 구비한다. 열교환 효율을 최대화하기 위해, 이러한 냉각 요소는 스크러버의 바닥에 있는 응축 섹션에 및/또는 스크러빙 유닛 내의 안내 나선형과 접촉하여 설치될 수 있다. 냉각 요소는 유리하게는 본 명세서에서 더 설명되는 시스템의 증기 보일러를 위해 물을 예열하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "이산화탄소 스크러버" 및 "이산화탄소 스크러빙 하는" 이라는 용어는 이산화탄소가 흡착될 스크러버로 유도/주입되어 스크러버가 CO2 농축 스트림으로부터의 CO2 함량을 제거 또는 감소하는 일반적인 기능을 갖는 일반적인 이산화탄소 스크러버로서 작용함을 의미한다. 그러나, 이 공정에서, CO2는 pH를 낮추고 전처리 공정에서 생성된 알칼리성 기질/수성 추출물(흡수제)을 완충하고, 후속 메탄 변환 유닛에서 메타 노 제네시스를 통해 이산화탄소를 메탄으로 혐기성 변환하는 것을 향상시키는 것을 목적으로 추출물의 탄산염 및 중탄산염 농도를 증가시키기 위해 이용되고 있다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 상기 시스템은 시스템에서 발생된 CO2를 예컨대 소화 장치 및/또는 시스템의 보일러 장치에서 이산화탄소 스크러버로 향하게 함으로써 유리하게 작동된다.
2 차 스크러버는 1 차 스크러버의 침전 영역에 축적된 사전 여과된 액체 분획이 공급되도록 설치될 수 있으며, 바닥에서 공급 된 1 차 스크러버에서 CO2가 희박한 엑서트(exhorts)를 가진 고압 및 감소된 온도에서 통상적인 하향식 분무 구성일 수 있다. 따라서, 시스템의 2 차 스크러버는 일부 실시예에서 약 5 내지 약 150 bar 범위의 압력, 예컨대 약 5 또는 약 10 또는 15 또는 약 20, 또는 약 30 또는 약 40 바아의 압력으로부터, 약 150 또는 약 140 또는 약 130 또는 약 120 또는 약 110 또는 약 100 또는 약 90 또는 약 80 또는 약 70 또는 약 60 또는 약 50 bar 의 범위의 압력, 및 온도는 바람직하게는 약 5
Figure pct00009
내지 약 40
Figure pct00010
, 예를 들어 5
Figure pct00011
또는 약 10
Figure pct00012
또는 약 15
Figure pct00013
, 또는 약 20
Figure pct00014
로부터 약 50
Figure pct00015
또는 약 45
Figure pct00016
, 또는 약 40
Figure pct00017
, 또는 약 35
Figure pct00018
또는 약 30
Figure pct00019
의 온도에서 작동한다.
고압 증기 폭발 챔버에 도입하기 전에, 유입되는 물질은 바람직하게는 습윤(wetting) 및 혼합 섹션을 통해 공급되며, 여기서 물은 스트림에 첨가되어 원하는 고체 대 액체 비율을 얻고 물질은 혼합될 수 있으며, pH는 특히 알칼리성 증기 폭발에 영향을 미치며, 이 경우 알칼리성 용액은 습윤 및 혼합 섹션에서 스트림으로 혼합된다. 상기 습윤 및 혼합 섹션은 바람직하게는 하나 이상의 습윤 노즐과 같은 상부 공급 혼합기 및 습윤 전기자(amature)를 포함한다. 상기 습윤 및 혼합 섹션의 출구 포트는 바람직하게는 회전-투여 밸브를 통해, 보다 바람직하게는, 여기에 더 상세히 후술되며 특정 실시예를 참조하지만 본 발명에 일반적으로 적용 가능한, 회전-투여 밸브 및 고압 회전 밸브의 직렬 조합을 통해 증기 폭발 반응기에 연결된다. 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 증기 폭발 반응기의 고압 보유 섹션으로의 연결은, 고압이 지속적으로 유지되고 있는 동안에, 물질이 주위 압력 습윤 및 혼합 섹션으로부터 고압 보유 섹션으로 연속적으로 또는 반-연속적으로 전달 될 수 있게 한다.
고압 보유 섹션에서, 로딩된 기질은 조정 가능한 속도 컨베이어, 바람직하게는 스크류 컨베이어에 의해, 제한되지 않는, 로딩 지점으로부터 배출 지점으로의 적절한 수단으로 이송된다. 상기 섹션에는 적어도 하나, 바람직하게는 2 개 이상의 스팀 분사 포트가 장착되고, 로딩 및 방출 단부의 로터리 밸브(적어도 각각 공급 밸브 및 배출 밸브 라 칭함)는 각각 스팀 분사 포트를 구비하며, 압력 릴리프 포트는 고압 보유 섹션에서의 압력 강하가 작동 중에 최소화되도록 유리하게 동기화되고, 고압 보유 섹션에서의 보유 시간은 공급 및 배출 밸브의 로딩 및 릴리프 메커니즘과 동기화되는 이송 속도의 조정에 의해 넓은 범위에 걸쳐 조정 가능하다. 이러한 동기화는 PLC 시스템과 같은 제어 유닛을 통해 제어되는 것이 바람직하다.
고압 보유 섹션의 출구 포트는 바람직하게는 실시예에서 추가로 기술 된 바와 같이 회전 분배 밸브 및 고압 회전 릴리프 밸브에 수직으로 연결된다. 배출 시점에서, 기질은 회전식 분배 밸브에 의해 고압 로터리 릴리프 밸브의 구획으로 이송되고, 그 시점에서 고압 보유 섹션의 출구 포트를 향한다. 그런 다음, 회전 밸브는 압력 구획을 압력 릴리프 섹션(수용 섹션, 바람직하게는 이산화탄소 스크러버)의 압력으로 개방하여, 증기 분사 포트를 구비한 재-가압 위치로 회전하기 전에 증기 폭발을 가능하게 한다. 이 위치로부터 구획이 다시 채우기 위치로 회전한다.
그러나, 알칼리 증기 폭발 대신 산성 증기 폭발이 적용되는 다른 실시예도 본 발명의 범주 내에 있다. 이들 실시예에서 적용되는 이산화탄소 스크러빙이 없기 때문에, 이러한 실시예는 약간의 작은 변형을 수반한 기본적으로 유사한 설비를 사용하게 되며, 알칼리 비누화 대신에 유입 폐기물 스트림은 염산과 같은 적용가능한 산 용액으로 산성화되기 때문에, 비누화보다는 지방/오일 성분으로부터 유리 지방산을 부분적으로 생성시킨다. 산성 증기 폭발 후 및 분리 전에, 증기 폭발 처리 된 스트림의 pH는 바람직하게는 알칼리와 혼합함으로써 상승된다.
전처리 유닛은 일부 실시예에서 연속 유동 증기 폭발 반응기의 상류에 배열된 분쇄 및/또는 균질화 유닛을 추가로 포함한다. 상기 분쇄/균질화 유닛은 본 발명에 따른 추가 공정 이전에 유입되는 물질의 분쇄 및/또는 파쇄 등을 위해 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적합한 기계적 유형일 수 있다.
증기 폭발 반응기, 특히 본원에 개시된 일반적인 양태에서 기술되고 고려되는 모든 양태를 포함하는 이산화탄소 스크러버가 통합된 알칼리성 증기 폭발 반응기는 전체적으로 시스템 내의 다른 유닛 및 다른 유닛의 구성 요소와 독립적으로 본 발명의 필수적인 양태이다. 따라서, 증기 폭발 반응기는 본 발명의 완전한 시스템으로서 본 명세서에 구체적으로 개시되고 지시된 것과 다른 배열로 제공 및 사용될 수 있다.
도축장 폐기물(SHW) 또는 식물성 기름 및 어유 산업으로부터의 폐기물(OIW)과 같은 지방/오일이 풍부한 폐기물 스트림이 수용될 때, 이러한 지방이 풍부한 스트림은 특정 실시예에서 유리하게는 예비 분리가 이루어져서 고체 및 액체 물질로부터 오일 물질을 분리하는 렌더링 유닛으로 지향될 수 있다. 상기 렌더링 유닛은 유입 스트림으로부터 스트림의 지방/오일 성분의 적어도 일부, 바람직하게는 상당 부분을 분리하고, 물 제거를 통해 잔류 고체-함유 수성 슬러리의 부피를 감소 시키도록 구성된다. 이는 상당한 부피 감소에 영향을 미치며, 나머지 단백질/탄수화물 함유 슬러리 분획은 다른 유기 폐기물과 혼합되어 전처리 유닛에서 처리(증기 폭발)될 수 있다. 그러나, 렌더링 유닛으로부터 얻어진 지방/오일 성분은 아래에 추가로 설명되는 바이오 디젤 유닛에 직접 적용될 수 있고, 수성 성분은 유기 성분이 충분히 제거되어 하수 또는 적용 가능한 폐기물 처리로 향할 수 있다. 상기 렌더링 유닛은 폐기물 스트림에 적용 가능하고 유용하며, 이는 각각의 물, 오일/지방 및 단백질 성분으로 쉽게 분리 될 수 있다(바람직하게는 파쇄 이후에). 렌더링(rendering)은 전형적으로 대기압(일반적으로 약 80-100
Figure pct00020
의 범위 내, 보다 바람직하게는 약 90-95
Figure pct00021
의 범위 내, 예컨대 약 30-60분) 이후 원심 분리가 이어지는 일반적인 가열 시간을 수반한다. 따라서, 렌더링 유닛은, 일부 실시예에서, 가열/보유 탱크, 디캔터 및 원심 분리기, 또는 3 상 분리 유닛의 특별한 실시예에서 본 명세서에 설명된 디캔터 및 원심 분리기의 기능을 포함하는 조합 유닛을 포함한다. 렌더링 유닛으로부터 잔류하는 고체-함유 분획은 전술한 바와 같이 멸균 및 가수 분해를 위해 전처리 유닛으로 향하게 되는 것이 바람직하다. 이는 전처리 유닛의 부하가 실질적으로 감소 될 수 있기 때문에 시스템의 효율을 증가시킨다.
본 발명에 따른 시스템의 분리 유닛은, 일부 실시예에서, 컨디셔닝 섹션, 연속 지방/오일 분리 섹션, 액체/고체 분리기 및 원심 정화기를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 분리 유닛의 컨디셔닝 섹션은 혼합기 및 챔버에 함유된 전처리된 폐기물의 pH 조정을 위한 산성 용액(및/또는 다른 용액)을 도입하기 위한 수단(예를 들어 전기자)을 갖는 챔버를 포함하고, 조절된 물질을 배출하기 위한 배출 밸브를 추가로 포함한다. 컨디셔닝 유닛 내의 혼합기는 통상의 기술자에게 공지된 적합한 혼합기 중 임의의 것일 수 있으며, 일부 실시예에서, 상기 혼합기는 운반 혼합기이다. 연속적인 지방/오일 분리 섹션은, 바람직한 실시예에서, 수직으로 배열된 긴 탱크를 포함하며, 그 안에 탱크는 중앙 및 동축으로 긴 튜브가 위치된다. 배출 밸브는 바람직하게는 상기 중앙 튜브의 입구에 배치되며, 이에 의해 컨디셔닝된 물질이 유닛의 컨디셔닝 섹션으로부터 튜브로 배출될 수 있다. 튜브 또는 탱크는 바람직하게는 튜브의 하단 근처에 하나 이상의 미세 기포 주입기와 배출 밸브를 포함한다. 지방/오일 분리 섹션은 바람직하게는 탱크 내의 액체 표면 상에 축적된 지방/지질을 지방/오일 버퍼 탱크 또는 원심 정화기로 공급하는 수단을 포함하되, 이러한 공급 수단은 예컨대 표면 펌프 및/또는 오버 플로우 배수 포켓에 제한되지 않는다. 액체/고체 분리기는 일부 실시 형태에서, 원통형 하우징 내의 스크류 컨베이어와 같이 하우징 내에 둘러싸인 컨베이어(예를 들어 스크류 컨베이어)로서 구성되며, 이는 비스듬히 배열되며; 지방 및 오일이 분리된 수성 슬러리는 원통형 하우징의 하단부에 의해 입구에서 스크류 컨베이어로 공급되고, 스크류 컨베이어는 고체 물질을 포함하는 분획을 위해 하우징을 통해 출구 포트를 향하여 고체 물질을 위로 운반하되, 상기 출구 포트는 하우징/컨베이어의 상단 또는 근처에 있다. 컨베이어 및 하우징은 약 5° 또는 약 7° 또는 10° 또는 약 12°로부터 약 45°, 또는 약 40° 또는 약 35° 또는 약 30° 또는 약 25°와 같은 의 범위의 약 5-45° 범위의 각도로 배열될 수 있다.
통합된 이산화탄소 스크러버를 사용하여 알칼리성 증기 폭발이 적용되는 경우, 이산화탄소 스크러버를 빠져 나가는 슬러리는 컨디션 섹션으로 들어가고 추가로 pH가 조정된다(스크러버에서 CO2에 의해 pH가 낮아짐). 2 차 스크러버가 설치된 경우, 2 차 스크러버로부터의 유출물은 이 pH 조정 전에 1 차 스크러버로부터의 슬러리와 결합된다. pH 조정은 지방산의 알칼리 염이 유리 지방산으로 변환되고 따라서 부유(flotation)를 통해 수 성상(aques phase)으로부터 분리될 수 있게 한다. 이는 연속 지방/오일 분리 섹션에서 발생한다. 따라서, 3 상 분리 섹션은, (i) 가수분해되지 않은 지방 및 오일과 함께 유리 지방산을 포함하는 분획(fraction); (ii) 수성 추출물, 바람직하게는 15 % 미만의 현탁 고형물, 더욱 바람직하게는 12 % 미만 또는 10 % 미만의 현탁 고형물, 더욱 바람직하게는 8 % 미만 또는 6 % 미만의 고형물을 포함하는 분획으로서, 조정가능한 분획; 및(iii) 바람직하게는 건조 물질 함량이 바람직하게는 25 % 이상, 더욱 바람직하게는 건조 물질 함량이 28 % 이상 또는 30 % 이상, 보다 바람직하게는 35 % 이상 또는 40 % 이상, 더욱 바람직하게는 45 % 이상 또는 50 % 이상, 예컨대 55 % 이상 또는 60 % 이상의 분획을 가리키는 고상 기질을 포함하는 분획을 제공한다. 고상 기질의 건조 물질 함량 및 수상에서 현탁된 고체 분획은 예를 들어 하기에 추가로 기술되는 바와 같이 고체/액체 분리 섹션의 천공된 바닥 판의 정도 및 천공 밀도 및 구멍 크기의 조정에 의해 조절 가능하다.
언급된 제 1 지방/오일 분획은 유리하게는 바이오 디젤 단위로 향하여 에스테르화 및/또는 트랜스에스테르화 될 수 있다. 언급된 바와 같이, 바이오 디젤 유닛은 유리하게는 분리 유닛으로부터 지방/오일 성분의 연속 유동을 수용하고 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛으로서 기능하도록 구성된다. 이것은 본질적으로 연속적인 바이오 디젤 유동을 생산하는 장치를 의미한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 분리 섹션은 하나의 동일한 기구에서 3 상 분리 유닛의 모든 섹션을 결합하는 원심 디캔터 유닛을 포함한다. 이러한 유닛은 일반적으로 원추형 판 원심 분리기, 디스크 보울 원심 분리기 및 디스크 스택 분리기라고도 하는 조합 된 스크류 컨베이어 디캔터 및 디스크 원심 분리기를 포함하며, 이들 용어는 본원에서 문맥 상 동의어이다. 이들 기능성 구성 요소는 각각 디캔터 섹션 및 원심 분리 섹션을 형성한다. 원심 디캔터는 일반적으로 스크류 컨베이어를 둘러싸는 디캔터 하우징을 포함하고, 디캔터 하우징 및 컨베이어는 축 방향 베어링 샤프트상에서 독립적으로 회전 가능하다. 디캔터 섹션은 바람직하게는 축 방향 베어링 샤프트 내부에 고정식 및 축 방향으로 배열된 적어도 하나의 유입구를 더 포함한다. 상기 유입구는 물질을 디캔터 하우징으로 공급한다. 고형물 배출구는 스크류 컨베이어의 원위 단부(원심 분리기 섹션으로부터 떨어진 단부)에 근접하여 배열된다. 상기 유닛은 언급된 디스크 원심 분리기를 둘러싸는 디스크 분리기 하우징을 추가로 포함한다. 중량 상 배출구 및 경량 상 배출구를 통하여 액체를 보내는 디캔터 하우징과 디스크 분리기 하우징 사이에 적어도 하나의 임펠러가 배치되며, 이때 임펠러는 고정식으로 되는 것이 바람직하다. 본원에 기재되고 실시예에서 추가로 상세하게 설명된 원심 디캔터 유닛은 물, 오일 및 고체 물질을 가진 유기 스트림의 바람직한 분리를 위해 독립적으로 기능할 수 있으며, 특정 측면에서, 개시된 바와 같은 시스템 및 다른 시스템과 적용례에 적합한 독립적인 유닛으로서 제공 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이오 디젤 생산 유닛은 바람직한 실시예에서 유리 지방산의 에스테르화를 촉매화하고/하거나 글리세리드의 트랜스-에스테르화을 위해 에스테르화 촉매로 코팅된 접촉 플레이트를 포함하는 모듈식 연속 유동 바이오 디젤 반응기를 포함한다. "접촉 플레이트"라는 용어는 판이 도입된 지방/지질 물질과 접촉한다는 것을 나타낸다. 상기 플레이트는, 일부 실시예에서, 표면적을 증가시키고 유동 역학 및 접촉을 향상시키기 위해 주름 져 있다. 바람직하게는 접촉 플레이트의 일면 또는 양면은 유동 구성에 따라 고정화된 촉매 물질로 코팅된다. 에스테르화 촉매는 당해 기술분야에 공지된 바와 같으며, 적합한 촉매는 통상의 기술자에 의해 선택될 수 있다. 촉매는, 일부 실시예에서, 고체-상태 촉매이거나, 다른 실시예에서, 고체 기질 상에 고정되거나 고정되지 않을 수 있는 효소 촉매일 수 있다. 상기 반응기는 접촉 플레이트의 조절 가능한 분리를 위한 스페이서를 추가로 포함할 수 있고, 스페이서는 촉매로 코팅 될 수 있으며, 바람직하게는 스페이서는 난류 유동 및 효율적인 혼합을 향상시키기 위해 유동 교란 내측 표면을 갖는다. 바람직하게는 다수의 정적 혼합기는 접촉 플레이트 사이에 배치될 수 있는데, 이것은 V- 형 프로파일, 곡선 형 프로파일, 바, 메쉬 등과 같은 수직 연장 프로파일 부재 일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
일부 실시예에서, 반응기의 접촉 플레이트는 한쪽면에 촉매와 배열되고, 코팅된 면이 서로 마주 보도록 플레이트가 배열되며, 물질 유동은 반응물 매체가 촉매-코팅된 측면들 사이에서 유동하고 열매체는 코팅되지 않은 측면들 사이의 채널에서 유동하도록 반응기를 통하여 이루어진다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 균질 촉매가 적용되는데, 여기에는 황산과 같은 산성 촉매, 또는 수산화 나트륨, 소듐메톡사이드 또는 포타슘 하이드록사이드 또는 포타슘메톡사이드에 한정되지는 않지만 이와 같은 알칼리 촉매가 포함된다. 그러나, 통상적인 균질 알칼리 촉매는 상당한 양의 유리 지방산을 포함하는 원료에는 적용할 수 없다. 따라서, 일부 실시예에서, 당업계에 공지된 유기 또는 무기 촉매 또는 효소 촉매일 수 있는 하나 이상의 이종 촉매가 적용된다. 하기에 추가로 기재된 바와 같은 일부 실시예에서, 촉매의 조합은 별도의 반응기 또는 별도의 반응기 섹션에서 사용되며, 여기서 제 1 촉매는 유리 지방산의 에스테르화를 촉매화하고, 제 2 촉매는 제 2 섹션에서 글리세리드의 트랜스에스테르화를 촉매화한다. 촉매의 조합이 별도의 반응기에 사용되는 경우, 플래시 증발 또는 수지를 통한 중간 정제가 반응기 사이에 도입될 수 있다. 단일 촉매 또는 촉매의 조합이 단일 반응기 배열로 사용되는 경우 중간 수지 정제가 도입될 수도 있다.
반응기에 주입하기 전에 반응물을 효과적으로 혼합할 수 있도록 입구 시스템이 반응기에 구비되는 것이 바람직하며, 여기에는 제조 반응에 필요한 알코올(메탄올/에탄올)의 첨가가 포함된다. 일부 실시예에서, 시스템 내에서 생산된 에탄올은 바이오 디젤 생산에서 반응물로서 사용된다. 일부 실시예에서, 추가 균질 촉매가 유입구를 통해 첨가될 수 있다. 이러한 추가 촉매는 액체 촉매일 수 있으며, 추가 촉매로서 첨가되거나 및/또는 반응기의 플레이트상의 고체 상태 촉매의 활성화를 위해 사용될 수 있다. 상기 유입구 시스템은 예비 혼합기를 포함하여 조절된 반응 물질을 공용매(co-solvent)와 혼합하고 /하거나 황산과 같은 추가 촉매를 공용매와 혼합할 수 있다. 유용한 공용매는 메틸 에스테르를 포함하고 바람직하게는 생성된 바이오 디젤의 부분 순환을 통해 제공될 수 있다. 예비 혼합기는 2 단계일 수 있으며, 이는 첫 번째 단계에서 특정 물질이 혼합되고, 두 번째 단계에서 이러한 물질이 추가 예비 혼합기에서 사전 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있는 다른 물질 또는 물질과 혼합됨을 의미한다. 반응기에서, 플레이트는 서로 마주보는 두 개의 코팅된 표면과 서로 마주보는 두 개의 비 코팅된 표면으로 교번하여 적층되는 것이 바람직하다. 바람직하다면, 임의의 다른 적층 순서도 선택 사항으로 고려될 수 있다.
일부 실시예에서, 연속 유동 바이오 디젤 반응기는 외부 인클로저에 캡슐화되며, 특히 고압 작동이 요구되는 경우, 인클로저는 예를 들어 밀봉된 케이스를 포함하는 차압 등화기(equalizer)일 수 있다. 반응기의 유입구 및 배출구 포트(반응물 및/또는 열 유체용)는 일부 실시예에서 고압 관형 밀봉을 통해 케이싱 외부로 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 반응기는 FFA의 에스테르화 및 글리세리드 분획의 트랜스 에스테르화를 실행하는 것이 바람직하도록 섹션으로 분할된다. 이러한 구성에서, 하나 또는 양자의 섹션은 중간 단계로서 적절한 정제/조절을 갖는 균질 촉매로써 진행될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서 바이오 디젤은 2 개 이상의 직렬 연결된 반응기 또는 반응기 섹션을 포함한다. 하나의 이러한 실시예에서, 균질한 산 촉매에 의한 에스테르화는 제 1 반응기/반응기 섹션에서 수행되고 균질한 염기성 촉매에 의한 트랜스 에스테화는 제 2 반응기에서 수행된다. 이러한 분리가 에스테르화 및 트랜스 에스테르화 반응 사이에 적용되는 경우, 정제 및 물 제거는 상기 에스테르화 반응기 및 트랜스 에스테르화 반응기 또는 섹션 사이의 순간 증발 및 이온 교환을 통해 수행될 수 있다.
고상 촉매가 선호되는 촉매 표면을 생성하기 위해, 연속 유동 바이오 디젤 반응기의 반응 채널을 한정하는 표면은 하나 이상의 단계, 예를 들어 침전 및 하소, 열 스프레이 코팅, 화학 기상 증착, 반응성 코팅, 원자층 증착 또는 이들의 임의의 다른 코팅 방법 또는 이들의 조합으로 코팅되어, 표면으로부터 돌출된 거친 고 표면적 코팅을 제공한다.
적용 가능한 경우, 금속 스펀지(예를 들어, 티타늄 또는 지르코늄) 또는 다공성 구조는 표면에서 직접 성장하거나 각각의 금속 스펀지의 분말로부터 표면으로 가져올 수 있다.
바람직한 경우, 도핑은 동일한 단계에서 행해지거나 또는, 예를 들어, 화학 기상 증착을 통하여 행해진다, 이어서, 제어된 산화는 기체 또는 액체 형태, 예를 들어 공기, 산소, 금속염 또는 산화물의 산화 용액인 적절한 산화 매질에 노출시킴으로써 열 보조 또는 비 보조적으로 진행될 수 있다. 산화물을 이용한 직접 코팅은 또한 고유 또는 전처리된 표면에서의 직접 침전 및 연속 소성을 통해 달성될 수 있다.
코팅은 원하는 촉매 활성 및 높은 공유 표면에서의 효율적인 미세 혼합을 위해 동시에 제공한다.
효소적 촉매가 적용되는 경우, 고정화는 바람직하게는 실리카 또는 산화 알루미늄과 같은 넓은 표면적을 갖는 무기 기질에 대한 공유 결합을 통해 달성되지만, 물리 흡착 또는 캡슐화를 통해 달성될 수 있고, 바람직한 경우, 기질은 예를 들어, 전분 또는 콜라겐과 같은 유기 물질일 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 바이오 디젤 반응기 및 실시예에 추가로 상세히 예시된 실시예를 포함하지만 이로 제한되지 않는 그의 모든 실시예는 임의의 바이오 디젤 생산에 독립적으로 기능할 수 있으며 본원에 개시된 바와 같은 폐기물 변환 시스템에서의 작동에 제한되지 않지만 일반적인 바이오 디젤 생산에 관한 것일 수 있다.
3 상 분리 유닛으로부터의 수성 추출물 분획은 바람직하게는 메탄 생성을 위해 호열성 혐기성 소화 및/또는 시스템의 소화 유닛에서 에틸 알코올의 생성을 위해 발효되는 것이 바람직하다(아래에 더 상세히 설명 됨). 이와 같은 두 공정은 당업계에 잘 알려져 있다. 일반적으로, 발효에 의한 에탄올 생산은 수성 탄수화물-풍부 스트림이 공급되는 발효 탱크에서 활성 효모를 첨가 또는 유지하는 것을 포함할 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 단일 유닛은 메탄 또는 에탄올을 생성할 수 있도록 구성되며, 사용자는 유입되는 폐기물 스트림에 따라 두 가지 생산 모드 사이를 변환할 수 있다. 이것은 간단히 장치를 세척함으로써 달성되고 메탄 생산을 개시하는 경우, 사료 박테리아를 포함하는 스톡이 도입되는 반면, 에탄올 생산의 경우에는 효모를 포함하는 스톡이 도입된다. 다른 실시예에서, 하나는 메탄 생산에 사용되고 다른 하나는 발효에 의한 에탄올 생산에 전용되도록 두 개의 유닛이 배열될 수 있다.
3 상 분리 유닛으로부터의 고체 기질을 포함하는 분획은 시스템의 가속 퇴비화 유닛으로 향한다. 가속 퇴비화 유닛은 바람직하게는 3 단계 반-연속 유닛이다. 본 발명에 따른 이러한 3 단계 반-연속 유닛에서, 제 1 단계는 새로운 기질이 종자 퇴비와 혼합되는 혼합 및 개시를 제공한다. 3 상 분리 유닛으로부터 나오는 기질은 바람직하게는 이 단계에서 약 40 내지 50
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범위의 온도에 있고, 따라서 중온성 단계(mesophilic stage)를 우회하여 친수성 퇴비화(thermophile composting)에 직접 노출될 수 있다. 또한, 조밀 한 셀룰로오스 또는 리그닌이 풍부한 물질의 구조 파열으르 통해, 셀룰로오스 및 리그닌 물질의 예비 가수 분해 및 증기 폭발 전처리 유닛에서 더 짧은 펩티드 및 아미노산으로의 단백질 성분의 분해를 통해, 호열성 분해는 상당히 가속화되고 C가 풍부한 물질의 높은 소화성은 개시 단계에서 C:N 비가 상당히 낮게 한다. 이러한 상태는 바람직하게는 약 2 내지 약 6 시간의 범위,보다 바람직하게는 약 3 내지 약 6 시간의 범위, 예컨대 약 3-5의 범위, 또는 약 4-6시간의 범위, 예를 들어 약 3시간, 약 4시간, 약 5시간, 또는 약 6시간동안 2단계로 변환되기 전에 연속 또는 반-연속 혼합 하에서 유지되는 것이 바람직하다.
퇴비화 유닛으로 이송된 유기 물질이 증기 폭발 처리되어, 잠재적 병원성 물질의 멸균을 제공하고 탄소가 풍부한 셀룰로오스 물질, 종이, 기저귀 등의 소화성(digestability)을 증가시키되, 본 발명의 퇴비화 공정은 기존의 퇴비화 공정 보다는 보다 넓은 탄소:질소(C:N)의 비를 받아들이게 된다. 그러나, 일부 실시예에서, C:N은 유입되는 폐기물 스트림에 기초하여 모니터링되고 평가되며, 퇴비 물질의 C:N 비는 정원 폐기물, 글리세롤(예를 들어, 시스템의 바이오 디젤의 생산으로부터) 밀가루, 반죽, 과일 및 식품 산업의 기타 탄소 풍부 폐기물 및 다른 출처의 고설탕 고형 처리물에 한정되지는 않지만 이러한 탄소 풍부 물질로써 조정된다. 개시 단계에서 C:N 비는 바람직하게는 약 10 내지 약 20의 범위, 바람직하게는 약 15 내지 약 20의 범위의 비율을 달성하도록 균형을 갖지만, 또한 C:N의 범위는 약 10 내지 약 15에서 변화될 수 있다.
단계 1 혼합 및 개시 단계에서, 일부 실시예에서, 혐기성 소화 및/또는 발효에서 제거된 슬러지 분획은 유리하게 퇴비 기질에 혼합될 수 있다.
제 1 단계 후, 퇴비 기질은 바람직하게는 그의 호열성 단계의 피크 또는 그에 근접해야 하고, 이어서 제 2 단계로 옮겨지고, 목재 칩과 같은 벌크 물질의 혼합하에 제 2 단계로 옮겨지며, 바람직하게는 제 3 단계 이후에 이전 배치(batch)의 에이징 단계이지만 정원 폐기물과 같은 다른 기원 일 수도 있는 단계가 다시 요청된다. 벌크 물질은 바람직하게는 원추형 스크류 컨베이어에서와 같이, 제 1(개시) 단계에서 제 2(배양) 단계로의 기질의 전달에서 기질과 연속적으로 혼합되며, 바람직하게는 전달 방향을 따라 부피가 적절하게 증가하도록 구성된다. 따라서, 일부 실시예에서, 기질은 스크류 컨베이어와 같은 컨베이어를 사용하여 개시 섹션에서 배양 섹션으로 이송되며, 컨베이어는 원추형 스크류 컨베이어를 통해 이송 방향을 따라 섹션에서 부피/직경이 증가하게 되어, 직경 또는 부피가 약 20-50 % 범위의 인자만큼 증가하게 된다. 벌크 물질을 공급하기 위해 호퍼와 같은 적절한 공급 장치가 컨베이어의 확장 섹션에 배열되어 결합될 수 있다. 제 2 단계인 배양 단계는, 일부 실시예에서, 교반이 없지만, 바람직하게는 활성(강제) 통기 및 가습이 있다. 이러한 제 2 단계에서, 호열성 상은 바람직하게는 약 24 내지 약 96 시간의 기간 내에 완료되거나 거의 완료된 후, 기질은 에이징 단계로 지칭되는 제 3 단계로 이송된다. 제 3 단계에서, 기질은 일반적으로 노천 파일 또는 다른 적절한 배치 장치에서와 같이, 약 3 개월 내지 약 1 년의 지속 시간 동안 적절하게 숙성된다.
상세한 설명
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예가 설명 될 것이다. 이들 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 제공된다.
이하의 설명에서, 일련의 단계들이 설명된다. 통상의 기술자는 문맥에 의해 요구되지 않는 한, 각 단계의 순서는 결과적인 구성 및 그 효과에 중요하지 않다는 것을 이해할 것이다. 또한, 단계들의 순서에 관계없이, 단계들 사이의 시간 지연의 존재 또는 부재가 기술된 단계들 중 일부 또는 전부 사이에 존재할 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
상기 시스템은 완전한 유기 폐기물 처리 솔루션을 제공하며, i) 다양한 유기 폐기물 스트림의 전처리(1000, 도 2 및 도 3), ii) 전처리된 유기 폐기물을 그 다음의 처리를 위해 적절한 요소에 분리(2000, 도 4 및 도 5), iii) 운송 목적에 적합한 연료로 이러한 성분의 변환(3000, 및 4000, 도 6) 및 iv) 고형 잔류 물을 고 영양 퇴비로 변환(5000, 도 7)하기 위한 주 모듈식 유닛을 포함한다.
시스템의 개별 모듈 및 구성 요소는 현재의 최신 기술을 넘어 기능을 향상시키고 에너지 소비 및 탄소 풋프린트를 최소화하고 환경 및 경제적 이익을 극대화하도록 설계되었다.
상기 시스템은 다양한 폐기물 스트림과 이들의 조합을 완전히 변환한다.
이 공정으로 생성될 수 있는 다양한 연료는 메탄, 에탄올 및 지방산 메틸, 에틸 및 프로필 에스테르(이후 바이오 디젤로 지칭 됨)이다.
이들 및 중간 생성물은 또한 다른 연료 또는 다른 유용한 화학 물질의 합성을 위한 원료를 구성할 수 있다.
시스템 전체는 개별 구성 요소의 시너지 효과를 극대화하도록 구성되어 있다. 상기 시스템은 도시 및 더 넓은 지역 사회의 폐기물의 유기 성분을 환경적으로 세심하게 관리하는 데 있어 현재의 접근 방식보다 인체 공학적으로 경제적으로 바람직하다.
에너지 소비와 탄소 풋프린트를 최소화하고 유기 폐기물의 소각 및 매립 처분 필요성을 줄이도록 설계되었다.
상기 시스템은 중앙 집중식 도시 폐기물 관리 시설에 설치되는 것이 바람직하고 모듈식 유닛으로 구성되며, 각 유닛 또는 시설의 특정 요구 사항에 맞게 조합할 수 있다.
그러나, 개별 구성 요소 또는 이들의 임의의 조합은 개별 구성 요소를 기존 폐기물 관리 시스템에 유리하게 통합시키는 관점에서 개별 폐기물의 발생 시점 또는 유기 폐기물 구성 요소를 처리, 운송 또는 취급하는 시설에 설치되거나 바람직한 곳에 독립 단위로 설치될 수 있다.
성분 또는 이들의 조합은 또한 개별 폐기물 스트림으로부터 단독으로 또는 바람직하다면 연료 생산과 조합하여 고가의 인간 또는 동물 사료를 생성하도록 조정될 수 있다.
따라서 이 솔루션은 유연하며 각 경우에 인체공학적 및 경제적 이점을 극대화하기 위해 서로 다른 배출 지점과 다른 폐기물 관리 시설에서 다양한 폐기물 스트림 구성으로 조정할 수 있다.
본 발명에서 유기 폐기물 스트림은 탄수화물(C), 지방(F) 및 단백질(P)이 풍부한 스트림 또는 이들의 임의의 조합으로 분류된다.
시스템 솔루션은 모듈식 전처리 유닛, 분리 유닛 및 변환 유닛의 조합이며, 각각은 주어진 C, F 및/또는 P가 풍부한 폐기물 스트림 또는 이들의 임의의 주어진 조성을 처리하도록 최적화되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 모든 유기 성분은 적절하게 분쇄 및 균질화 후에 조합되고 전처리되어 조합된다.
전처리 공정(1000)은 리그닌 및 셀룰로오스 성분(C)을 생분해 성 물질로 용이하게 분해 및 가수 분해하는데 영향을 미치며, 단백질 성분(P)을 더 작은 펩티드 및 아미노산으로 동시에 가수 분해하는 것뿐만 아니라 지방(F) 및 오일의 가수 분해 및/또는 비누화를 동시에 행하게 한다.
이 바람직한 방법에서의 전처리 과정은 연속 유동 증기 폭발(1200, 1300)을 기반으로 한다. 증기 폭발 반응기는 바람직하게는 알칼리성 조건 하에서 작동하여, 모든 유기 폐기물 성분의 알칼리성 가수 분해 또는 비누화를 수행하고, 수용성 탄화수소, 아미노산 또는 펩티드뿐만 아니라 지방산 및 이의 염의 동시 추출과 조합된다.
증기 폭발이 알칼리성 매질에서 유도될 때, 수성 알칼리성 추출물 및 고체 기질은 후속적으로 다운 스트림 혐기성 바이오 가스 생산 또는 메탄 또는 에탄올이 각각 생성되는 발효 유닛(3000)으로부터 발생하는 CO2(S01)에 의해 pH가 낮아진다. 이는 전처리 유닛의 증기 폭발 섹션의 압력 릴리프 섹션을 구성함으로써 달성되어, 동시에 통합 CO2 스크러빙 섹션(1400)으로서 적절하게 기능하고, 이산화 탄소 스크러빙 섹션인 압력 릴리프의 중앙을 향하여 내측으로 물질의 분획을 동시에 지향시키고 소산시키면서 사이클론 형상의 기질을 향하게 하는데 필요한 나선 인서트 및 각지게 형성된 유입구를 포함한다. 2 차 스크러버가 설치된 경우, 2 차 스크러버로부터의 유출물은 pH 조정 전에 1 차 스크러버로부터의 슬러리와 조합된다.
전처리 공정(1000)은 혐기성 소화에서의 메탄 생산 또는 에탄올 생산을 위한 발효에 적합한 높은 생체 이용률을 갖는 멸균, 고 영양 용액 또는 현탁액의 생성에 사용된다. 또한, 증기 폭발이 알칼리성 조건 하에서 진행될 때, 전처리 공정은 고체 기질에서 추출된 영양소의 혐기성 소화(S01)를 통해 하류에서 생성된 바이오 가스에서 CO2 제거(1400)를 위한, 및/또는 에탄올을 생성하기 위하여 기질(추출물)의 발효로부터 CO2의 제거(S01) 및/또는 단계(U01, S02)를 위하여 고압 스트림을 제공하는 보일러로부터 배출되는 연도 가스로부터 CO2의 제거를 위하여 스크러버로서 기능하도록 공학적으로 설계된다.
전처리 유닛을 CO2 스크러버로 활용하는 것은 하기의 세 가지 다른 목적을 수행한다. i) 화학식 1a, 1b 및 1c에 따라, 전처리 공정에서 생성된 수성 추출물의 혐기성 소화(S01) 또는 에탄올이 생성되는 발효 장치(S01) 및 고압 증기 보일러로부터 하류에서 생성 된 바이오 가스로부터 CO2 제거 하는 것:
Figure pct00023
ii) 즉, 3 상 분리되기 전(수성 추출물이 혐기성 소화를 통해 메탄 생산(S04)에 이용되기 위해) 또는 선택적으로 발효를 통한 알코올 생산(3000)을 거치기 이전에, 전처리 공정에서 생성된 기질/수성 추출물의 pH 저하 및 버퍼링, 및 iii) 메타노제네시스(methanogenesis)를 통한 이산화탄소의 메탄으로의 혐기성 변환을 향상시키기 위해 추출물의 탄산염 및 중탄산염 농도의 증가.
결과적으로, 전처리 공정은 전체적으로 동시에 살균을 수행하고, 콤팩트한 섬유 물질의 구조적 파열을 통해 유기 폐기물 물질의 생체 이용률을 증가시키기 위해, 전-가수분해 유닛으로서, 추출 유닛으로서 및 CO2 스크러버로서 사용된다. 이 기술은 현재의 최신 기술 수준을 넘어 바이오 가스 생산의 수율과 처리량을 증가시키며 동시에 연료 등급 메탄으로 바이오 가스 정제의 변형을 감소시키도록 설계되었다.
바이오 가스의 CO2 세정을 통해 pH를 낮추고 결과적으로 CO2를 탄산, 중탄산염 및 탄산염으로 변한 후(상기 화학식 1a 내지 1c에 요약된 바와 같이), 액체 추출물 및 고체 기질은 분리 유닛(2000)의 컨디셔닝 섹션에서 추가로 pH 조정되고, pH 조정에 의해, 지방산의 알칼리염이 유리 지방산으로 변환되고 부유(floatation: 2200)를 통해 액상으로부터 분리될 수 있게 된다. 3 상 분리/컨디셔닝 공정(2000)은 i) 잔여 가수분해되지 않은 지방 및 오일과 함께 유리 지방산을 함유하는 분획(S05), ii) 15 % 미만의 현탁 고형물을 갖는 수성 추출물을 함유하는 분획(S06) 및 iii) 고체 기질(S07)을 초래하게 된다.
선택적으로, 유리 지방산 및/또는 모노-, 디-및 트리-글리세리드 형태의 모든 지방 및 오일 함량은 다른 공급 물과 함께 혐기성 소화된다(S08).
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 3 상 분리 유닛은 별도의 지방/오일 분리 섹션 및 별도의 고체 액체 분리 섹션을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 3 상 분리 섹션은 하나의 원심 디캔터 기구에서 결합된다. 예시적인 실시예는 도 4a-4c 및 도 5a 및 도 5b 각각을 참조하여 실시예에 상세히 설명되며, 결합된 원심 디캔터의 작동 원리가 이하에 상세히 설명된다.
본 발명의 조합된 원심 디캔터는 디캔터 하우징 및 원추형 디스크 분리 하우징을 포함하며, 둘 모두는 공통 베어링 샤프트 상에 회전 가능하게 장착된다. 상기 하우징들은 독립적으로 회전할 수 있다. 디캔터 하우징 내부의 스크류 컨베이어는 동일한 샤프트를 중심으로 회전 가능하다. 중심 축 방향으로 배치된 고정 유입구는 디캔터 하우징으로 물질을 공급한다. 고정식 펌프 임펠러는 디캔터 하우징과 원추형 디스크 분리 하우징 사이에 위치한다. 원추형 디스크 분리 하우징은 분배 디스크 및 내부 샤프트상에서 회전 가능한 분리 디스크를 포함하는 디스크 분리기를 둘러싼다. 분리 디스크의 상단에는 경량 상(lighter phase)을 위해 중앙에 배출 파이프가 있는 상단 디스크가 있으며, 원뿔형 분리 하우징의 단부에는 중량 상(heavy phase)을 위한 배출 파이프가 있다.
결합 원심 분리기의 작동 원리
상기 분리기는 스크류 컨베이어 디캔터(디캔터 섹션) 및 디스크 원심 분리기(원심 분리기 섹션)의 두 가지 잘 알려진 분리 원리를 기반으로 한다. 목표는 단일 기계에서 고형물 분획(> 25 % 건조 물질로 구성된 액체), 중액 상(수성상) 및 경액상(지방/유상)을 분리하는 것이다.
디캔터 하우징은 바람직하게는 3.800 rpm 이상의 속도로 회전하고 스크류 내부의 속도는 약간 느리게 회전한다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 원료는 입구 파이프(2504)를 통해 펌핑되고 배출구 구멍(2509) 및(2517)을 통해 디캔터 내로 분배된다. 원심력으로 인해 가장 무거운 물질(건조물)이 디캔터 주변으로 강제 이송되고, 스크류 컨베이어를 통해 디캔터 배출구(2510)로 운반된다. 액상은 디캔터 내부에서 드럼 형태로 위치하며 워터 드럼 형태의 내주가 배출구 구멍(2510)에 도달하기 전에, 상기 상(phase)은 고정형 임펠러(2511)의 외주로 들어가서 액상에서의 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시키고, 액체를 임펠러의 중심을 향해 가압하여 분리기의 디스크 원심부로 펌핑하게 될 것이다. 중앙에서 분리 디스크(2513)의 구멍을 통해 동일하게 분배하게 될 분배 디스크(2512)로 들어가게 된다. 액체를 중량 상(예를 들어, 물) 및 경량 상(예:오일 또는 지방)으로 분리하는 것은 분리 디스크의 표면에서 발생하며, 용량 및 분리 속도는 디스크의 전체 표면에 따라 달라진다. 그와 함께 오게 되는 건조 물질의 나머지와 함께 중량 상은 주변을 향해 밀려 나고, 분리기 하우징을 채우고, 상기 경량 상이 도달하고 경량 상에 대한 배출 파이프로 공급되는 원심 분리의 중앙을 향하여 경량 상을 가압하게 된다. 경량 상과 중량 상의 구분/분리는 두상의 비중에 따라 달라진다. 상기 중량 상은 배출 파이프(2521)를 통해 가압된다. 소량의 건조 물질은 원심 분리기의 주변으로 밀려 나고, 그 원뿔 모양과 원심력 때문에 건조 물질은 분리기의 디캔터 부분 방향으로 이동한다. 고정된 플레이트(2514) 및 고정된 플레이트(2507)에는 주변에 작은 구멍이 있어, 소량의 중액상과 함께 건조 물질이 분리기의 디캔터 부분으로 통과하여 들어가게 된다. 고형물은 컨베이어 스크류(2516)에 의해 수집되어 배출구(2510)로 운반되는 반면, 액체는 고정식 임펠러(2511)에 의해 원심 분리기로 다시 순환한다. 고정 플레이트 상의 작은 구멍은 작은 내부 누출을 야기하지만 구멍에서의 압력 강하는 디캔터 보다는 원심 분리기 부분에서 고압을 형성하고, 깨끗한 중량 상은 배출 파이프(2521)을 통과하고 경량 상은 배출 파이프(2520)을 통과하는 것을 보장하게 된다.
지방 및 오일 성분이 수용액/현탁액으로부터 분리되는 경우, 이들은 바이오 디젤의 생산에 적합하게, 바람직하게는 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛(4000)에서 에스테르화 및/또는 트랜스 에스테르화 반응을 거치게 되며, 상기 바이오 디젤 생산 유닛은 본 발명의 일부로서 독립적으로 작동할 수 있다. 선택적으로, 이러한 연속 유동 바이오 디젤 유닛은 지방의 트랜스 에스테르화 또는 에스테르화가 공정의 필수 부분을 이루는 음식 또는 식품 등급 제조 설비, 예를 들어, 어유 산업에서 지방산 에틸 에스테르 생산에 적용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛은 FFA 및 글리세리드의 임의의 조합으로 조정 가능하고 물에 대한 높은 내성을 갖는 1 단계 연속 유동 시스템(4000)을 구성한다. 일반적으로 상기 시스템은 고-전단(high shear) 적층 촉매 변환 플레이트 및 정적 난류 플레이트 혼합기(4111 및 4131)에 고정된 고체 촉매를 제공한다. 그러나, 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛은 또한 균질한 산 및 염기 촉매화 된 에스테르화 또는 트랜스에스테르화 반응 또는 이들을 상호 교환하여 조합하기 위해 2 개의 반응기 및 최종 중간 정제 단계를 필요로 하도록 설계된다.
3 상 분리 유닛으로부터의 수성 추출물은 바람직하게는 메탄 생성을 위해 호열성 혐기성 소화 또는 에틸 알코올의 생성을 위한 발효에 직접 적용된다.
현재 바람직한 실시예에서, 메탄 소화제(digester)는 에틸 알코올의 생산을 위한 발효 시스템과 조합된다. 이 실시예에서, 소화제 및 발효 시스템은 생산 인체 공학, 물류 및 개별 제품에 대한 현저한 수요에 응답하여 메탄 또는 에탄올 생산에 상호 교환적으로 사용될 수 있는 하나의 생산 유닛을 구성한다.
또한, 상기 시스템은 혐기성 소화를 통한 메탄 생산 또는 발효를 통한 에탄올 생산을 위한 전용 장치로 구성될 수 있다.
호열성 혐기성 소화는 유압 유지 시간(HRT)은 낮지만 슬러지 유지 시간(SRT)은 더 높은 고속 혐기성 소화 시스템에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 시스템은 상향류-혐기성 및 팽창 과립상 슬러지 베드(UASB 및 EGSB 시스템)뿐만 아니라 고정 필름 반응기 및 이들의 변형을 포함하지만, 이들로 제한되지 않으며, 이들 모두는 본 시스템의 일부로서 구성될 수 있다.
선택적으로, 혐기성 소화를 통한 메탄 생산은 습성 조건 또는 습성 및 호열성 조건의 조합, 및/또는 총 고형분 함량이 약 30 % 이하인 저 부하 습식 반응기 또는 총 고형분 함량이 30%를 초과하는 건식 발효에서 일어날 수 있다.
에틸 알코올의 생산을 위한 발효는 또한 임의의 통상적인 발효 장치에서 일어날 수 있으며, 바람직한 경우 기질의 추가 효소 분해 및 이용 가능한 당 공급원과의 균형을 추가로 포함할 수 있다.
3 상 분리 유닛으로부터의 나머지 고체 기질(S07)은 고 처리량, 반-연속, 3 단계 가속 퇴비화 유닛(5000)의 단계 1(5100)로 이송된다. 혼합 및 개시 단계로서 작용하는 단계 1(5100)에서, 기질은 공정을 가속화시키기 위해 중온성 단계를 우회하여 호열성 분해에 직접 적용된다. 이를 달성하기 위해, 3 상 분리 유닛(2000)으로부터의 멸균 기재는 종자 퇴비와 연속적으로 혼합되는데, 이는 호열성 단계의 상단 또는 그 근처에서 개시 단계의 완료에 잇게 된다. 또한, 3 상 분리 유닛으로부터의 기질은 전형적으로 이 단계에서 40 내지 50
Figure pct00024
범위의 온도에 있고, 호열성 분해는 또한 전처리 공정을 통해 제공된 높은 함량의 쉽게 소화 가능한 탄소를 통해 이러한 조건 하에서 촉진된다. 제 1 단계인 개시 단계는 벌크 물질의 동시 첨가 하에 단계 2(5200)로 옮겨지기 전에 2-6 시간의 범위 동안 연속 혼합하에 유지되며, 동시에 추가적인 탄소원으로서 기능하게 된다.
단계 1, 혼합 및 개시 단계(5100)에서, 혐기성 소화로부터 제거된 슬러지 분획이 퇴비 기질로 혼합될 수도 있다(S09). 혐기성 소화를 거치지 않은 현재의 생체 이용률이 높은 탄소원이 퇴비화 과정을 가속화하고 균형을 맞추기 위해 첨가될 수 있다. 여기에는 글리세롤(예를 들어 바이오 디젤 생산에서 유래)(S10), 밀가루, 반죽, 과일 및 식품 산업의 기타 탄소가 풍부한 폐기물 및 다른 출처의 고설탕 고형 처리가 포함될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
전처리 공정의 고 영양 추출물이 발효를 통한 에탄올 생산에 사용되는 경우, 발효 공정으로부터의 침강물이 퇴비화 유닛의 혼합 단계에 추가될 수도 있다(S09).
혼합 및 개시 단계 후, 퇴비 기질은 그의 호열성 단계의 최고점 또는 그 부근에 있고, 교반이 없이도 활성(강제) 통기 및 가습(5200)으로써 제 2 단계로 이송된다. 이 제 2 단계에서, 호열성 단계는 바람직하게는 기질이 제 3 단계(S13), 에이징 단계(U02)로 이송되기 전 24-96 시간의 범위에서 완료되거나 거의 완료된다.
벌크 물질은 단계 1에서 단계 2(5100 및 5200) 로의 이송 단계에서 기질 내로 투입되고 혼합된다. 바람직하게는, 벌크 물질은 이전 배치(batch)의 에이징 단계(S14)로부터 얻어진 10-50mm 의 범위의 크기 분산을 가지는 목재 칩 또는 이들의 임의의 혼합물, 다른 것으로부터 유래한 신선하거나 노화된 목재 칩일 수 있다.
퇴비화 공정의 단계 2(5200)에서 폭기 및 습도 조정을 통한 물 손실에 대한 보상은 적어도 부분적으로 혐기성 소화로부터 유출물을 첨가함으로써 달성될 수 있다(S15).
세 번째 단계인 에이징(U02)에서, 기질은 일반적으로 노천 파일 또는 다른 적절한 고정 장치에서 3 개월 내지 1 년 동안 적절하게 숙성된다.
다른 바람직한 실시예에서, SHW, FIW, EOIW 및 SwW를 포함하지만 이에 제한되지 않는 고지방 및 오일 성분 폐기물은 지방 및 오일의 벌크의 분리를 위해 그리고 물 제거를 통하여 부피를 감소시키기 위해 아래에 더 상세히 설명된 렌더링 유닛에서 개별적으로 처리된다. 이러한 구성에서, 지방/오일 성분은 바이오 디젤 생산에 직접 적용될 수 있고 물 성분은 배출 될 수 있다. 지방/오일 분리 및 수분 감소 후에 남아있는 고체 기질은 일반적으로 고 단백질 성분, 특히 SHW 및 FIW에서 생성된 고 단백질 성분이지만, 예를 들어 EOIW와 SwW에서 얻어진 적절한 탄화수소 성분을 함유할 수 있다. 이러한 고체 잔류 \물은 다른 폐기물과 조합될 수 있다. 이어서, 합쳐진 스트림은 수용성 영양 성분의 동시 추출에 의한 알칼리 증기 폭발 및 알칼리 가수 분해, 및 도 3에 도시되고 전술한 바와 같이 메탄 생성으로부터 CO2 스크러빙에 의한 후속 pH 조정 및 완충을 거치게 된다. FFA, 지방 및 오일 분획은 상기 한 바와 같이 에스테르화 및 트랜스 에스테르화 반응을 수행한다.
예
하기는 본 발명의 특정 실시예를 확립하고 제한하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 전체 시스템은 도시 및 대형 지역 사회 폐기물의 모든 유기 성분을 운송 목적에 적합한 연료로 인라인으로 변환하고 공정에서 생성된 나머지 모든 고형 분획을 퇴비로 변환하는 시스템 및 기술을 구성한다.
도 1b에 개략적인 유동도 개요가 도시된 상기 시스템은 현재의 기술 수준을 넘어 개별 구성 요소들 사이의 시너지 효과를 최대화하고 에너지 소비 및 탄소 풋프린트를 최소화하고 환경 및 경제적 이익을 최대화하도록 설계되었다. 시스템의 개별 구성 요소는 최근의 기술을 넘어 기능성을 향상시키고 에너지 소비와 탄소 풋프린트를 최소화하고 환경 및 경제적인 이점을 극대화하도록 설계되었다.
이 예시된 실시예에서, 시스템은
- 연속 유동 알칼리성 증기 폭발 반응기 및 통합 CO2 스크러빙 유닛(1000)
- 컨디셔닝 및 분리 유닛(2000 또는 2500)
- 에탄올 생산 유닛과 조합되거나 대체되는 메탄 생산 유닛(3000),
- 임의의 유리 지방산 및 글리세리드 조성물에 대하여 조절할 수 있고 높은 내수성을 가지며 다른 연속 유동 구성 또는 종래의 배치(batch) 시스템으로 대체될 수 있는 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛(4000), 및
- 준 연속 퇴비화 유닛(5000)을 포함한다.
선택적으로, 상기 시스템에는 고지방 및 오일 성분 폐기물의 개별 처리를 위한 소형 습식 렌더링 장치(6000)가 제공된다.
조합된 상기 시스템은 유기 폐기물 및 이들의 조합을 포함하는 상이한 폐기물 스트림을 운송 목적에 적합한 연료로 완전하게 변환시키고 공정의 모든 고형 잔류물을 퇴비로 변환시킨다.
공정에서 변환에 적합한 폐기물 스트림은, 가정 폐기물(HHW), 도축장 폐기물(SHW), 식품 산업 폐기물(FdIW), 생선 산업 폐기물(FhIW), 식물성 기름 및 어유 산업(OIW), 하수 슬러지, 하수 그리스 및 오일(SwW), 밀짚 또는 기타 밀짚, 쌀겨, 대두 조각, 잔디 및 동물 분뇨와 같은 농업 폐기물(AcW), 정원 폐기물(GW) 및 폐기물 목재(WW)를 포함하되, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 공정으로부터 생성되는 제품은,
메탄, 바이오 디젤 및 퇴비,
에탄올, 바이오 디젤 및 퇴비 또는
이 연료와 퇴비 중 하나의 조합일 수 있다.
연속 유동 알칼리성 증기 폭발 및 CO2 세정 장치
연속 유동 알칼리성 증기 폭발 및 CO2 스크러빙 유닛은 분쇄 및 균질화 섹션(1100), 컨디셔닝 섹션(또는 특허 전처리 컨디셔닝 섹션)으로도 지칭되는 습윤 및 혼합 섹션(1200), 고압 가열 유지 섹션(1300) 및 폭발 방지 및 CO2 스크러빙 섹션(1400)을 포함한다. 증기 폭발 및 CO2 스크러빙 유닛의 폭발 릴리프 및 CO2 스크러빙 섹션은 증기 폭발 섹션의 압력 릴리프 섹션으로 사용되며 동시에 혐기성 소화에서 메탄/CO2 혼합물의 CO2 스크러빙, 또는 선택적으로, 발효 공정(S01)으로부터의 CO2뿐만 아니라 시스템 증기 보일러(U01)로부터의 연도 가스(S02)로부터의 CO2를 스크러빙하기 위한 흡수기 역할을 한다(S01)
습윤 혼합 섹션(1200)은 바람직하게는 하향식 분무 구성으로 일체형 습윤 전기자(1202: armature)가 구비된 상부 공급 운반 혼합기(1201)를 구성하는 것이 바람직하다.
처리될 유기 폐기물을 포함하고 바람직하게는 전술한 상류 분쇄 및 균질화 섹션에서 파쇄된 폐기물 스트림이 습윤 혼합 섹션(1203)의 원위 말단으로 공급되고 그 배출 지점(1204)을 향한 혼합하에 이송된다. 이 단계 동안, 고체 기질은 습윤(1202)되어 증기 폭발 공정에 최적인 원하는 물 함량(S22)을 달성하고 동시에 pH 조정이 달성된다.
이 바람직한 실시예에 기재된 CO2 스크러빙과 통합된 알칼리성 증기 폭발의 경우, 수용액은 바람직하게는 액체/액체 혼합기(1205)에서 습윤 수에 첨가 된 나트륨 또는 수산화 칼륨(S23)의 용액을 통해 알칼리성이다.
증기 폭발 유닛은 또한 독립형 장치로서 또는 다른 조합으로 작용할 수 있으며, pH 중성 또는 산성 공급 물, 비-pH 조절 공급물 또는 의도된 공정을 촉진시키기에 적합한 임의의 다른 첨가제와 혼합된 공급물로써 구동될 수 있다.
습윤 혼합 섹션(1204)의 출구 포트는 회전 분배 밸브(1206) 및 고압 회전 밸브(1301)를 통해 증기 폭발 섹션에 수직으로 연결되며, 이는 포지티브 변위 구성일 수 있다.
습윤 혼합 유닛(1204)의 출구 지점에서, 기질은 회전식 분배 밸브(1206)로 들어가고, 상기 분배 밸브는 고압 회전 밸브(1301)의 주위 압력 구획으로 기질을 주입한다. 회전식 분배 밸브는 고압 밀봉에 불필요한 변형을 유발하는 역할을 하는 고압 회전 밸브의 과부하를 방지한다. 주위 압력에서 로딩한 후, 고압 밸브는 원하는 압력(바람직하게는 가열 유지 유닛의 것보다 약 1 바아 높게 약 10-30 바아의 범위) 및 증기 주입을 통해 원하는 온도(전형적으로 180-250℃)으로 가게 되는 밀봉된 위치로 회전하게 된다(1302). 상기 고압 회전 밸브는 가열 유지 유닛의 입구 포트 위의 수직 위치로 더 회전한다.
고압 증기는 전체 공정에서 생성된 연료에 의해 구동되는 보일러(U01, S18)에 의해 제공된다. 이것은 순수한 메탄 또는 혐기성 소화 장치(S19), 바이오 디젤(S20) 또는 에스테르화 또는 트랜스 에스테르화 반응(S21) 전의 지방, 오일 또는 지방산의 혼합물로부터의 임의의 메탄/CO2 혼합물일 수 있다.
차압 및 중력에 의해, 이제 가압된 챔버는 압력이 해제되는 제 2 밀봉 위치(1303)로 더 회전하기 전에 증기 폭발 유닛의 가열 유지 섹션(1300)으로 배출된다.
보다 많은 구획을 가진 회전 밸브를 사용하고 입구 시스템의 개별 구획에 서서히 압력을 증가시켜 이들 사이의 차압을 낮추면 회전 밸브의 압력 변형을 줄일 수 있다.
일부 실시예들에 적용된 포지티브 변위 구성에서, 가압 및 감압은 회전 사이클을 통한 각각의 챔버 체적 변화에 의해 지원된다.
고압 가열 유지 섹션(1300)에서, 로딩된 기질은 조절 가능한 속도 스크류 컨베이어(1304)에 의해 로딩 지점으로부터 출구 지점으로 이송되어 넓은 시간 범위에 걸쳐 유지 시간이 연속적으로 조절될 수 있게 된다.
상기 유닛에는 적절한 압력과 온도를 달성하고 보충 주입으로 유지 보수할 수 있도록 증기 주입 포트(1305)가 구비된다. 이러한 2 개의 주입 지점이 도 2에 예시적으로 1305 로 도시되어있다.
고압 가열 및 유지 섹션의 출구 포트는 회전식 분배 밸브(1306) 및 고압 회전식 릴리프 밸브(1307)에 수직으로 연결된다. 출구 지점에서, 상기 기질은 회전식 분배 밸브(1306)에 의해 고압 회전식 릴리프 밸브의 구획으로 이송되며, 이 시점에서 고압 가열 및 유지 섹션의 출구 포트를 향한다.
그리고 나서, 회전식 밸브(1307)는 가압된 구획을 주위 압력으로 개방하기 위해 회전하여, 재-압축 위치로 회전하기 전에 증기 폭발을 가능하게 하며, 이 구획에는 증기 주입 포트가 장착된다. 이 위치에서 구획이 재-충진하기 위한 위치로 회전한다.
이러한 구성에서, 고압 공급 로터리 밸브, 가열 로터리 섹션 및 고압 로터리 릴리프 밸브의 재-가압 섹션으로의 증기 분사의 동적 동기화에 의해 열 효율이 최대화된다. 모든 주사는 개별적으로 제어된다. 이는 릴리프 및 입구 측에서 발생하는 압력 및 온도의 변화와 열 손실을 통해 이루어진다. 압력 및 온도는 고압 가열 및 유지 섹션(1309)을 따라 지속적으로 모니터링 되어 섹션(DS01)을 따라 개별 데이터를 제공한다. 이 데이터는 증기 분사 포트(DS02)에 제어 신호를 공급하는 P/T 처리 유닛(1310)으로 공급된다. 이들은 일정한 조건에 가깝게 유지하기 위해 고압 가열 및 유지 섹션을 따라 이 신호에 동기화된다. 회전 컨베이어(1304)의 속도를 조정하기 위해 추가 신호(DS02)가 제공된다. 3 개의 P/T 모니터링 포인트가 도 2에 예시적으로 1309 로 도시되어있다.
일부 실시예에서, 출구 회전식 밸브의 압출 포트는 압출 물질의 추가의 기계적 표면 거칠게 하기/분쇄를 위해 증기 폭발에서 기계적 힘을 이용하기 위해 적합한 구성으로써 부분적으로 차단되는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 이것은 나무 칩의 추가적인 표면 거칠게 하기를 위한 슈레더 치형 배열(1310)에 의해 도 2에 예시되어있다.
증기 폭발 장치가 알칼리성 조건 하에서 작동되고 CO2 스크러빙 유닛의 필수 부분을 구성하는 경우, CO2 스크러버(1400)의 상부는 사이클론 형 구성으로, 알칼리성 물질과 CO2 가 풍부한 배기 간의 최적 접촉을 위하여 스크러버의 중심을 향한 수직 분산을 촉진시키도록 설계된다.
고압 로터리 출구 밸브의 로딩된 챔버는 1차 스크러버 구획의 내부벽으로부터 간극을 가지고서 사이클론 타입의 나선 구조(1402) 상에 고속 증기/기질을 하향으로 향하게 하는 조합된 릴리프 및 CO2 스크러빙 섹션의 상부에서 적절한 각(1401)으로 배출된다. 예시적인 구성이 도 3에 도시되어 있다. 고속의 배출 물질을 통해, 중량(heavier) 분획 및 응축된 증기는 초기 진입 각(1401)에 의해 제공된 하향 속도 성분(1403)을 갖는 스크러버/사이클론 제한부의 내벽을 향하여 강제된다. 이 분획은 벽 간극(1404)을 갖는 사이클론 나선형과 평행하고 그 아래에 주름진 나선형 플레이트에 의해 잡힌다.
주름(1405), 나선형 플레이트(1404)의 하향 경사 및 기질/응축 물(1403)의 하향 속도는 하부 나선형 판(1404a)의 표면을 따라 나선형 플레이트의 내측 표면을 종결하는 상향의 돌출부(1404b)에 의해 소산되는 중심을 향하여 그것을 부분적으로 배향하여, 스크러버를 통하여 상승하는 CO2의 대향 유동과 알카리성 현탁액의 접촉을 촉진하게 된다. 분산 기질/응축 물(1406)은 스크러버/사이클론의 정착 영역(1408)에 축적되도록 중앙 영역 및 데미스티파이어(1407: demistifier)에서 스팀 응축과 함께 스크러버/사이클론 제한의 중심 아래로 떨어진다.
선택적으로, 정착 영역에는 냉각 나선 또는 다른 열 교환 요소가 장착되어 증기 폭발로부터 열을 부분적으로 회수하여, 기질 온도를 낮추고 시스템을 제공하는 증기 발생 보일러에 대한 물 입력을 예열한다. 이러한 냉각 요소는 또한 스크러빙 유닛의 상부 섹션으로 설치 또는 연장될 수 있으며, 스크러버의 상부 섹션에 이미 있는 기질의 빠른 냉각을 달성하기 위해 안내 나선과 접촉하는 것이 바람직하다.
배출 튜브(1401)의 수평/각진 부분은 디미스티파이어 메쉬(1407)에 의해 가스 배출 포트 아래의 가스 공극 섹션으로부터 분리된다.
CO2 함유 배기 가스(S01 및 SO2)는 마이크로 버블 디스펜서(1409)를 통해 바닥으로부터 공급된다. 이는 바람직하게는 현탁액 섹션의 상부로부터 취한 저-고체-수성-현탁액의 순환에 의해 구동되는 경사진 측면 배열의 흡인기(1409)를 통해 이루어진다. 이러한 배열에서, 상기 흡인기는 액체 고체 현탁액의 교반을 위해 동시에 작용하여, 섹션의 출구 포트에서 일정한 조성을 달성하고 막힘(clogging)을 회피할 수 있게 된다. 선택적으로, CO2를 함유하는 배출물(S01, S02)은 미세 기포 또는 다른 수동 분산 장치(1409)를 통해 공급된다.
CO2 함유 배출물은 기질 정착 영역(1408)을 통해 돌출되고 응축기(1410)를 통해 응축기(1411)의 기체 배출 포트에서 증기의 건조 분획으로 빠져 나오기 전에 스크러버 응축 섹션의 상부 중앙 부분에서 알칼리성 흡착 현탁액과 추가로 접촉한다.
잔류 증기는 가스 배출 포트(1411)을 빠져나가는 CO2 희박 가스(CO2/CH4를 스크러빙할 때의 CH4) 및 배출구(1412)를 빠져나가는 응축수로써 응축기(1410)에서 제거된다. 응축열은 습윤 유닛에 공급된 수성 물질을 예열하는 데 사용된다.
선택적으로, 가스 출구 포트(1411)는 고압 및 저온에서 작동될 수 있는 2 차 스크러버로 이어진다. 2차 스크러버에는 상부로부터 통상적인 분무 구성의 바람직하게는 일차 흡수기 스크러버의 냉각된 액체 분획 및 하부로부터의 일차 스크러버로부터의 CO2 희박 배기가 공급된다.
전처리 유닛의 스크러빙 섹션은 유리하게는 혐기성 소화 공정에서 생성 된 원료 CO2/CH4 혼합물로부터의 CO2 또는 발효 공정에서 생성된 CO2를 제거하거나, 시스템(U01)을 제공하는 증기 보일러로부터의 연도 기체로부터 CO2를 제거하는 역할을 한다.
액체-고체 현탁액은 릴리프 및 CO2 스크러빙 섹션(1413)의 바닥에서 배출 밸브를 통해 분획으로서 주기적으로 방출된다. 이들 분획은 컨디셔닝 및 분리 유닛(2000)을 거치게 되고, 이들의 수집은 공정에서 연속 부하 조건을 달성하기 위해 증기 폭발 유닛으로부터의 배출과 동기화된다.
3상 분리 유닛
3 상 분리 유닛(2000, 도 4 및 도 5)은 i) 폐쇄된 컨디셔닝 섹션(2100), ii) 연속 지방/오일 분리 섹션(2200), iii) 액체/고체 분리기(2300), 및 iv) 원심 분리 정제기(2450)를 공급하는 지방/오일 버퍼 탱크(2400)를 포함한다. 이러한 바람직한 실시예에서, 상기 시스템은 전체로서 나타내어 지는데, 이러한 유닛은 전처리된 유기 폐기물로부터 지방 및 오일 함량을 분리 및 정화하고 나머지 수성 및 고체상을 분리하는 역할을 한다.
고형 분획은 바람직하게는 퇴비화를 위한 적절한 습도를 유지하고(40 내지 70 % 범위), 액상은 혐기성 메탄 생산(10-15 %), 또는 발효(3000)를 통한 에탄올 생산을 지지하기에 적합한 고형 현탁액을 함유한다.
컨디셔닝 및 지방/오일 분리 섹션(2100 및 2200)은 압력-릴리프의 배출 포트(1413) 및 전처리 유닛(1400)의 CO2 스크러빙 섹션에서 회전하는 밸브 또는 다른 적절한 밸브를 통해 공급되는 컨디셔닝 섹션(2100)을 포함한다. 컨디셔닝 섹션에서의 연속 교반은 바람직하게는 운반 혼합기(2101)를 통해 제공되며, 기질의 pH는 2 개의 스프레이 전기자(2102)를 통하여 산을 주입함으로써 조정된다. 스프레이 전기자는 활성 혼합 하에서 pH 조정을 위해 운반된 기질에 산 및/또는 추가의 수용액의 제어된 추가를 제공한다. 이 바람직한 실시예에서, pH 조절은 컨디셔닝 섹션(2100)의 상부를 통해 설치된 스프레이 유닛(2102)을 통해 2 단계로 진행된다. 두가지 스프레이 전기자(2102)는 컨디셔닝 섹션(2100)의 상부로부터 이송 방향에 수직으로 장착될 수 있다. 첫 번째는 입구 포트 바로 다음에 맨 끝에 설치된다. 제 2 스프레이 전기자는 약 2/3 하류에 설치된다. 작동시, pH 판독값(DS03)은 전처리 유닛(1400)의 CO2 스크러빙 섹션(1414)의 침전/응축 부분으로부터 스프레이 전기자(2103)의 제어로 공급된다. 이 판독값은 제 1 전기자(2102)의 릴리스를 제어한다. 제 2 판독 값(2104, DS04)은 혼합 및 컨디셔닝 유닛의 하류 약 절반에서 스프레이 전기자의 제어부(2103)로 전달된다. 이 판독값은 제 2 스프레이 전기자를 제어한다.
분리 유닛의 컨디셔닝 섹션(2100)은 배출 밸브(2105)를 통해 중앙 원통형 튜브(2201) 내로 지방/오일 분리 섹션(2200)로 연속적으로 배출한다. 중앙 원통형 튜브(2202)의 출구는 분리 유닛의 지방/오일 분리 섹션에서 미세 기포 주입 포트 또는 노즐(2203) 아래에서 유지된다.
지방/오일 분리 섹션의 표면 레벨은 액체 레벨 판독값(2205, DS06)에 응답하여 토출의 능동 제어(2204, DS07)를 통해 유지된다. 수성 및 고형 분획으로부터 지방 및 오일 분리를 촉진하기 위해, 미세 기포가 포트(2203)을 통하여 중앙 공급 튜브 위의 오일/지방 분리 섹션의 저부에서 주입된다. 바람직한 실시예에서, 미세 기포는 원심 펌프(2206)에 의해 또는 도 4에 도시된 바와 같은 흡인기(2203)를 통해 생성된 포화된 물의 스트림에서 공급 튜브에 수직하게 주입된다. 물은 원심 정화기(미도시) 및/또는 지방/오일 분리기(2207)의 상부 수성 섹션으로부터 제공된다. 이것은 미세 기포의 상승 및 퇴적물 낙하에 수직인 대류를 제공한다(2208). 바람직한 경우, 미세 기포 발생은 또한 지방/오일 분리 섹션의 바닥에서 천공된 전기자를 통한 가압 공기 주입에 의해 달성될 수 있다. 미세 기포의 상승은 부유를 통해 수성/고체 현탁액으로부터 지방 및 오일의 분리를 촉진하고, 공기 포화된 물의 주입이 적용되는 적절한 물질 대류 및 추가적인 수직 대류를 보장한다(2208). 지방/오일 분리 유닛의 지방/오일 섹션에서의 대류 및 혼합을 제한하기 위해, 이러한 섹션은 바람직하게는 분리 유닛 높이의 약 3/4에 수직으로 배치된 2 개의 메시(2209)를 갖는 수성 현탁액 섹션으로부터 분리된다. 메시는 바람직하게는 그의 주요 메시 라인에 대하여 약 50 mm 이격되고 45 ° 회전된다.
지방 및 오일은 표면(2210)에 지속적으로 축적되고 자동 조절식 표면 펌프(2211)를 통해 또는 선택적으로 오버플로 배출 포켓(2212)을 통해 지속적으로 배출된다. 제거된 오일/지방 분획은 원심 정화기를 공급하는 버퍼 탱크로 펌핑되어, 남아있는 물 및 고체 잔류물로부터 제거된다. 맑은 물 분획은 적절한 경우 미세 기포 인젝터로 다시 공급되거나 혐기성 소화 또는 발효 장치로 공급된다. 이는 고체 액체 분리 유닛으로부터 공급 라인을 따라 또는 바람직한 곳에서 직접 진행될 수 있다. 정제된 지방 및 오일 분획은 바이오 디젤 생산 유닛(4000)에서 바이오 디젤의 생성에 적합하게 에스테르화 또는 트랜스 에스테르화 반응을 거친다. 지방/오일 분리 섹션으로부터 분리 유닛의 고체 액체 분리 섹션으로의 수성 현탁액 및 기질의 배출은 배출 밸브(2213, DS07)의 능동적 제어에 의해 표면 레벨과 동기화된다.
고체 액체 분리 섹션은, 이 실시예에서, 도 4c에 도시된 바와 같이 상부 섹션(2302)에 압축 구역을 갖는 압축 스크류 컨베이어(2301)로 구성된다. 스크류 컨베이어는 원통형 하우징(2303)에 내장되며, 하부 20-60 % 섹션은 액체 현탁액을 위한 배수를 구성하는 천공된 바닥 플레이트(2304)를 포함한다. 완전한 분리 유닛은 고체/액체 분리와 관련하여 최적의 성능을 얻도록 조정 가능하게 기울어져 있다.
스크류 컨베이어 하우징의 천공된 섹션은 유지 보수를 위해 교환 가능하며 수성 현탁액에서 고체 성분의 입자 크기 및 양의 조정을 허용하기 위해 길이 및 천공 크기 및 밀도가 조정 가능하다.
수성 현탁액은 컨베이어 하우징(2305)의 천공 섹션을 한정하는 슈트를 따라 컨베이어로부터 배출된다. 이는 하단에서 고체 액체 분리 섹션을 빠져 나와 중간 버퍼 탱크(2306)에 축적되어 소화 또는 발효 유닛으로 펌핑되거나 적절한 경우 추가 저장된다(2307). 세척수 노즐은 슈트 상단에 설치되어 적절히 헹구고 청소한다(2308). 고형 분획은 스크류 컨베이어(2309)의 상단을 빠져 나와 거기서 3 단계 퇴비화 유닛(5000)으로 이송된다.
대체 분리 유닛, 원심 디켄터 2500
도 5a 및 5b는 본 발명을 위해 개발된 선택적인 실시예를 도시한다. 디캔터 하우징(2501)(2502) 및 원추형 디스크 분리 하우징(2503)는 유닛 네이브(nave: 2506) 및 베어링 샤프트(2515)의 베어링에 의해 제자리에 결합 및 유지된다. 하우징은 웨지 벨트 구동부(미도시)를 갖는 메인 구동부에 의해 적어도 약 3800 rpm으로 회전한다. 스크류 컨베이어(2516)는 디캔터 스크류 컨베이어(2505)용 베어링 허브 및 내부 베어링(2507) 용 베어링 허브의 베어링에 안착된다. 스크류 컨베이어(2516)는 하우징보다 낮은 속도로 회전하며, 웨지 벨트 구동부(도시되지 않음)를 갖는 보조 구동부에 의해 구동된다. 입구 파이프(2504)는 고정되어 있으며, 입구 단부의 위치 결정 대 상에 그리고 디캔터(도시되지 않음) 내부의 위치 결정 베어링 상에 놓인다. 유입 파이프에는 물질이 스크류 컨베이어(2516)의 배출 구멍(2517)을 통해 디캔터로 들어가기 위한 배출 구멍(2509)이 장착되어 있다. 다른 쪽 끝에서 유입 파이프는 고정식 펌프 임펠러(2511)에 연결된다. 유입 파이프와 고정식 임펠러는 분배 링(2514)용 플레이트에 고정 된 베어링(미도시)에 놓여 있다. 내부 샤프트(2519)는 분배 디스크(2512)에 고정되고 분리 디스크(2513)는 내부 샤프트(2515)에 위치한다. 분리 디스크의 상단에는 상단 디스크(2518)가 있다. 상부 디스크(2518)의 중앙에는 경량 상을 위한 배출 파이프(2520)가 있고 원뿔형 분리 하우징(2503)의 끝에는 중량 상을 위한 배출 파이프(2521)가 있다. 중량 상(2521)을 위한 배출 파이프의 외부는 내부 샤프트(2522) 및 배출 파이프(2523)를 위한 지지부를 갖는 베어링 허브(2515)를 형성한다.
연속 유동 바이오 디젤 반응기, 유닛 4000
분리 유닛의 지방/오일 분리로부터의 지방/오일 성분은 실질적으로 30 내지 60 % 범위의 유리 지방산의 실질적인 분획으로 구성되고, 나머지는 전처리 단계의 불완전한 비누화의 결과로서 모노-, 디-및 트리 글리세리드이다. 알칼리 증기 폭발 전에 콤팩트한 렌더링 유닛(6000)에서 지방/오일 성분이 특정 지방이 풍부한 폐기물 스트림으로부터 분리되는 경우, FFA 분획은 전형적으로 10-30 %이다.
바람직한 실시예에서, 원심 분리 정제로부터의 지방/오일 성분은 FFA의 단일 또는 다중 단계 에스테르화 및 임의의 FFA 및 글리세리드 조성물 및 비교적 높은 물 함량에 적합하도록 설계된 모듈식 유동 반응기(4100)에서 글리세리드의 트랜스 에스테르화 반응을 거친다. 연속 유동 반응기는 FFA 및 글리세라이드 비율 범위가 0-1 인 가변 조성의 저급 공급 원료를 유연하고 효과적이며 경제적으로 변환할 수 있도록 명시적으로 구성된다.
본 발명의 바이오 디젤 유닛은; i) 광범위한 처리량 및 촉매 접촉 시간 요건, ii) 큰 압력 및 온도 범위 및 효율적인 열전달 iii) 촉매 조성 및 구조의 높은 유연성, iv) 높은 유연성의 무리(constellation), 유지 보수 및 촉매의 재건성을 가진다. 상기 연속 유동 반응기는 모듈식이며 3 가지 주요 구성 요소로 구성된다; i) 한쪽이 촉매 물질로 코팅된 주름진 접촉 플레이트(4110), ii) 촉매 및 유동 교란 내면을 구비한 스페이서(4120) 및 iii) 촉매 표면이 있은 정적 혼합기(4130).
반응기에는 반응기에 주입하기 전 또는 주입하는 동안 반응물을 효과적으로 혼합하고, 균질한 촉매를 추가로 첨가하고, 적절한 경우 공용 매를 첨가할 수 있도록 구성된 유입 시스템이 장착되어 있다. 이러한 공용 매는 바람직하게는 공정에서 제조되고 부분적으로 재순환되어 메탄올, 글리세리드 및 FFA의 균질 반응 혼합물의 형성을 촉진시키는 메틸 에스테르이다. 예비 혼합기의 활용예가 도 6a(4101)에 도시되어있다. 이 예에서, 황산은 균질 촉매로서 또는 고체 상태 촉매의 활성화를 위해 메탄올과 사전 혼합된다. 이것은 동시에 이 과정에서 방출된 용매화 에너지를 수확하는 역할을 한다. 다른 예비 혼합기에서, 유리 지방산 및 글리세리드는 공정에서 생성 될 수 있는 유사한 지방산 메틸 에스테르 또는 다른 공용매와 혼합된다. 이어서, 각각의 블렌드를 제 3 예비 혼합기에서 혼합한다.
바람직한 실시예에서, 도 6a에 완료된 것으로 도시된 연속 유동 바이오 디젤 반응기는 단일 단계에서 FFA의 에스테르화 및 글리세리드의 트랜스 에스테르화 반응을 허용하도록 구성된다.
본 실시예에서, 연속 유동 바이오 디젤 생산 유닛은 촉매 표면을 제공하는 고체 상태 촉매(4111)로 한쪽면에 코팅된 주름진 플레이트(4110)를 포함한다. 선택적으로, 주름진 접촉 플레이트는 유리 지방산의 촉매 변환 및/또는 글리세리드의 트랜스 에스테르화 반응을 위해 고정화 촉매, 바람직하게는 효소와 함께 일면의 표면층을 포함한다. 상기 플레이트는 서로 마주보는 두 개의 코팅된 표면과 서로 마주보는 두 개의 코팅되지 않은 표면으로 교번하여 적층되는 것이 바람직하다. 바람직한 경우, 임의의 다른 적층 순서는 선택 사항이다. 플레이트들 사이의 간격은 반응기 유동 영역의 직전에 난류 유동을 향상시키고 효율적인 혼합을 위해 유동 방해 내부 표면을 갖는 스페이서(4120)를 통해 조절 가능하다. 적절한 스페이서의 폭을 선택하여 촉매 접촉 플레이트 사이의 거리를 원하는 대로 구성할 수 있다.
바람직하게는, 스페이서의 내부 표면은 적절한 고체 상태 또는 효소 촉매(4121)로 코팅된다. 스페이서에는 밀봉 개스킷이 있으며, 개별 주름진 접촉 플레이트 사이에서 공극을 제한한다. 이 구성에서, 코팅되지 않은 표면 사이의 공극은 증기, 오일, 물, 냉각제 등과 같은 열교환 매체를 위한 통로를 제공한다. 촉매 표면 사이의 공극은 연속 유동 반응기의 반응 구역을 제공한다(도 6b). 선택적으로, 정적 혼합기 플레이트(4130)는 정적 혼합기 플레이트와 이를 접촉하는 촉매 접촉 플레이트 사이의 공극을 정의하는 스페이서를 갖는 촉매 접촉 플레이트 사이에 설치된다 (도 6c).
정적 혼합기는 바람직하게는 접촉 플레이트(4131)과 동일한 촉매로 코팅된다. 따라서, 이러한 정적 혼합기는 촉매 표면의 범위를 증가시키고, 반응기를 통한 거시적 유동을 보다 잘 제어할 수 있게 하며, 모든 촉매 표면에서 물질의 효과적인 혼합 및 교환을 제공한다. 명확성을 위해, 반응 셀의 정적 혼합기 섹션을 통한 단면의 비-제한적인 예가 반응물 유동 라인(4133)과 함께 도 6d에 도시되어있다.
이 예에서, 부분 유동은 혼합기의 출구 구획 측에서 더 짧은 대향 유동 핀으로 종결되는 각진 대향 유동 슬릿에 의해 입구 구획부으로부터 지향된다. 출구 구획부으로의 제한된 직접 유동은 각각의 반응 셀의 출구 포트(도 6d에서 아래쪽으로)로의 순 유체 드래그를 보장하고 반응 셀의 출구 섹션에서 난류 혼합을 보장한다.
출구 포트를 향한 추가의 순 유체 드래그 및 증가된 난류는 대향 유동 슬릿들 사이에 제공된 주요 유동 방향으로 향하는 추가적으로 제한된 유동 슬릿을 통해 달성될 수 있다. 주요 유동 방향을 따라 2 개의 제한된 유동 경로를 제공하는 이러한 구성의 예가 도 6d에 도시되어 있다. 각각의 공극은 직렬로 연결되어 반응 구역 및 열교환 구역을 각각 연속적으로 유동시킨다. 이들 유동 영역은 바람직한 열 구배에 따라 병렬 또는 대향 유동 구성으로 될 수 있다. 교대 접촉 플레이트와 스페이서 및 고정 플레이트 혼합기는 측면 트랙에 적절한 순서로 스택되어 있으며 독립 슬라이더의 단단한 단부 플레이트에 의해 압축된다. 단부 플레이트 사이의 제한은 단부 플레이트의 사양에 의해서만 제한되는 높은 측면 작동 압력을 허용한다.
개스킷의 횡방향 허용 오차를 초과하는 고압 또는 초고압 응용 분야의 경우, 연속 유동 바이오 디젤 반응기는 차압 이퀄라이저에서 둘러싸이게 된다. 차압 이퀄라이저는 고압 밀봉(4102) 케이싱을 포함하며, 주로 반응기 개스킷의 횡방향 압력 변형을 감소시키는 역할을 한다. 반응기의 유입 및 출구 포트(반응물 및 열 유체)는 고압 관형 밀봉(4103) 또는 다른 고압 밀봉을 통해 케이싱 외부로 연장된다.
반응물 공급물은 정적 예비 혼합기(4140) 뒤에 배치된 고압 액체 펌프(4104a), 바람직하게는 공기 구동식으로 공급되며, 압력은 반응물 변환 경로(4105a)의 출구 포트에서 배압 조절기를 통해 제어된다. 유사하게, 열 액체는 고압 액체 펌프(4104b), 바람직하게는 공기 구동식으로 공급되고, 압력은 열 매체 경로(4105b)의 출구 포트에서 배압 조절기를 통해 제어된다. 시동 중 열 섹션과 변환 섹션에 축적된 압력, 유지 보수 및 작동 정지시 감소는 제어 유닛(DS08, DS09 내지 4106)로 공급되는 두개의 배압 조절기(4105a 및 4105b)의 판독 값과 능동적으로 동기화되어, 열 매체 및 반응물 공급 물(DS12a 및 b 내지 4104a 및 b)에 대한 고압 펌프를 동기화하게 된다.
차압 이퀄라이저 내에서의 작동에서, 케이싱은 반응기의 작동 압력과 비슷하거나 약간 낮은 압력으로 유지된다. 바람직하게는, 반응물 압력, 열 매체 압력 및 케이싱 압력은 공기 구동식, 고압 또는 초고압 액체 펌프(4104a, b 및 c)로 달성되고 유지된다. 가압 액체는 바람직하게는 공정에서 제조되거나 제조된 바이오 디젤의 체인 길이와 비슷한 체인 길이를 갖는 지방산 메틸 에스테르이지만, 바람직하게는 불활성이고 낮은 압축성을 가진 다른 매체일 수 있다.
선택적으로, 가열 섹션은 둘 이상의 가열 영역으로 분할될 수 있으며, 여기서 별도의 영역은 상이한 매체, 예를 들어 오일 및 증기로 가열될 수 있다. 이러한 분리는 예를 들어 동일한 가열 매체를 반응기 시스템의 상이한 구역으로 병렬 주입함으로써 열구배를 최소화하는 역할을 할 수 있다. 유사하게, 반응 구역은 분명히 상이한 반응 조건을 갖는 상이한 섹션을 제공하도록 적층될 수 있다. 바이오 디젤 생산을 위해, 이들은 예를 들어 촉매 표면이 주로 FFA 에스테르화에 맞춰지는 제 1 섹션 및 촉매 표면이 주로 공급물의 글리세리드 분획의 트랜스 에스테르화에 맞춰지는 제 2 섹션을 구성할 수 있다. 이들은 예를 들어 산성 및 염기성 고체-상태 촉매 또는 상이한 효소 촉매일 수 있다. 바람직한 경우, 이들 섹션은 이온 교환 섹션 또는 탈수 섹션에 의해 추가로 분리될 수 있으며, 여기서 탈수 또는 이온 교환 물질은 각각의 쌓을 수 있는 플레이트의 표면에 고정되고 반응기를 해체하지 않고 열 또는 화학 처리를 통해 재생될 수 있다. 이는 촉매 표면의 활성이 촉매 표면의 활성을 유지하기 위해 균질 촉매 또는 매체의 병렬 주입에 의해 향상되는 경우 특히 유리할 수 있다. 이러한 매질이 유리할 수 있는 예는 황산화 지르코늄 산화물 또는 다른 황산염 금속 산화물을 사용하는 것이다. 여기서, 공동-주입된 황산은 동시에 균질 촉매로서 작용할 수 있고 촉매 표면의 활성을 유지하는 역할을 할 수 있다. 알칼리성 수산화물 또는 염기성 촉매 표면이 적용되는 다른 염기성 매체의 공동-주입과 관련하여 유사한 상황이 적용될 수 있다.
선택적으로, 반응기는 FFA의 에스테르화 및 글리세리드 분획의 트랜스 에스테르화 반응을 실행하는 것이 바람직하도록 돈 섹션으로 분할될 수 있다. 이러한 구성에서, 하나 또는 둘 모두의 섹션은 중간 단계로서 적절한 정제/조절을 갖는 균질 촉매로 진행될 수 있다. 이들은 플래시 증발, 탈수 또는 이온 교환을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
반-연속 퇴비화 유닛(5000)
반-연속 퇴비화 유닛(5000)은 3 단계 가속 퇴비화 공정을 포함하는데, 제 1 단계는 가속화된 개시 단계(5100)를 구성하며, 높은 소화율의 탄소 함량을 통해 낮은 C:N 비에 견딜 수 있고, 높은 초기 기질 온도, 높은 시딩 비율, 탄소 분획의 높은 소화성 및 효과적인 혼합 및 통기를 통하여 중온성 상을 바이패스 한다. 제 2 단계는 C:N 비율이 높은 인큐베이션 단계(5200)이며, 이는 벌크 물질로서 동시에 작용하는 낮은 소화율의 전형적인 탄소 함량이다. 제 3 단계는 일반적으로 기존 파일(pile)에서 진행되는 에이징 과정이다.
개시 섹션(5100)은 개별 모터(5104a 및 5104b)에 의해 구동되는 반대 이송 방향을 갖는 2 개의 평행 구획부(5102)로 분리된 컨베이어 혼합기(5101)로 구성된다. 제 1 혼합기 구획부에는 개시 섹션의 입구를 형성하는 상부 적재 공급 포트(5105)가 장착되어 있다. 개시/혼합기 섹션은 스크류 컨베이어(5107a)에 의해 3 상 분리 유닛으로부터 고체 기질로써 연속적으로 공급되는 예비 혼합 사일로(5106)를 통해, 그리고 접근성이 높은 제 2 스크류 컨베이어(5107b)를 통해 공급되되, 탄소가 풍부한 마크업 물질, 예를 들어 바이오 디젤 생산으로부터의 글리세롤, 베이커리 또는 과일 산업으로부터의 폐기물 등이 추가될 수 있다. 이러한 마크 업 물질은 기질의 다공성을 증가시키거나 생성되는 퇴비의 특성을 조정하는 역할을 할 수 있다. 이러한 물질의 예는 표백토, 통상적인 바이오 디젤 생산으로부터의 칼륨 또는 전술한 전처리 및 분리 공정을 거치지 않은 임의의 다른 적합한 유기 폐기물이다. 제 2 혼합기 구획부에는 그 단부(5108), 즉, 혼합기의 출구에 배출 포트가 구비되어 있다. 배출 포트는 제 2 혼합 섹션의 원단의 하단에 있다. 두 구획부에는 낮은 간극(5109)으로써 종단되는 경사진 패들 블레이드를 제공하는 별도로 구동되는 샤프트가 장착되어 있다.
패들 블레이드 축은 수직 레이크 블레이드, 즉 구동 샤프트(5110)와 평행하게 제공된다. 2 개의 구획부는 패들 플레이트의 간극이 비교적 낮은 U 자형(5111)이며, 제 1 구획의 원단이 제 2 구획의 시작점과 만나는 것을 제외하고는 분리 플레이트(5112)에 의해 분리된다. 이 점에서, 기질은 제 1 구획부의 단부에서 셔플링 블레이드에 의해 제 1 구획부에서 제 2 구획부로 이송된다. 제 2 구획부의 단부 섹션은 셔플링 블레이드에 의해 종결되며, 이 섹션에서 분리 플레이트는 높이를 조절할 수 있고, 전형적으로 중앙 분리 플레이트 높이의 1/2 내지 2/3이다. 따라서, 전체 길이의 전형적으로 약 1/8 인 배출 섹션 내에서, 기질의 분획이 분리 플레이트 위의 제 2 구획부로부터 제 1 구획부로 다시 이송된다. 이 분획은 시딩 물질로 사용되며 나머지는 퇴비화 유닛의 배양 섹션으로 옮겨진다. 새로운 기질의 시딩을 위해 이송되고 배양 섹션으로 이송되는 물질의 비율은 적절하게 분리 플레이트의 높이를 조정함으로써 조정될 수 있다. 선택적으로, 출구 포트는 폐쇄될 수 있고 분리 플레이트는 배치 생산 및 연장된 혼합 시간을 위해 제거될 수 있다. 이 구성에서, 배출 포트는 배치 사이에서 혼합기를 비우기 위해 개방된다. 배치 생산에서, 혼합기는 다음 배치에 충분한 시드를 제공하는 정도로만 비워진다. 어느 구성에서나, 혼합기의 배출 포트는 배출 포트(5108) 아래에 배치된 스크류 컨베이어(5115)에 직접 연결된다.
스크류 컨베이어(5115)는 퇴비화 유닛의 개시 섹션으로부터 인큐베이션 섹션으로 기질을 이송하는 역할을 하지만, 동시에 인큐베이션 단계 전에 첨가 된 벌크 물질을 위한 혼합 유닛으로서 기능한다.
이는 혼합기에서 인큐베이션 섹션/컨테이너로 가는 도중에 스크류 컨베이어의 직경이 50 % 증가함으로써 달성된다.
벌크 물질(5116)의 첨가를 위한 상부 적재 포트는 전형적으로 스크류 컨베이어의 직경 증가로부터 하류 약 0.5-1.0m 인 공급 사일로(5118)를 통해 스크류 컨베이어(5117)를 통해 공급된다. 스크류 컨베이어는 인큐베이션 섹션(5200)의 상단에 있는 배출 전기자(5201)에 연결되며, 이로부터 배출은 제거 가능한 바닥 해치에 의해 인큐베이션 섹션(5202)을 따라 별개의 지점에서 달성 될 수 있다. 인큐베이션 섹션은 상단 섹션(5203)에 제공된 가습 스프레이어가 있고 하단 섹션(5204)에 제공된 가압 공기를 통하여 강제 통기되는 20 또는 40 ft 운송 컨테이너에 적절하게 배열될 수 있다.
SHW가 공정에서 제공되고 수분 함량이 감소된 지방 및 단백질 성분으로 분리되는 경우, 단백질 분획의 C:N 비율은 2-4 일 것으로 예상될 수 있다. 가정 폐기물의 유기 분획의 대부분을 구성하는 음식물 쓰레기의 경우에는 일반적으로 8-10이다. 시스템이 전체적으로 제시되는 이 바람직한 실시예에서, 퇴비화될 유기 분획은 증기 폭발 및 분리 유닛을 통과하여, 잠재적 병원성 물질을 멸균하고, 탄소가 풍부한 셀룰로스 물질, 예를 들어 HHW의 상당한 부분을 이루는 종이 및 기저귀의 소화율을 증가시킨다. 증기 폭발 유닛에서 가열을 통한 멸균은 규정에 의해 요구되는 SHW 폐기물의 경우에 특히 유리할 수 있으며, 그렇지 않으면 생성된 퇴비의 사용을 제한한다. 이것은 가정용 쓰레기의 경우도 마찬가지인데, 특히 이러한 쓰레기에는 대부분의 도시 지역에서와 같이 사용된 기저귀의 상당 부분이 포함되어 있다. 이렇게 얻어진 퇴비 물질은 정원 폐기물, 및 글리세롤(예를 들어, 바이오 디젤 생산으로부터 유래), 밀가루, 반죽, 과일 및 식품 산업의 기타 탄소 풍부 폐기물 및 다른 공급원으로부터의 고당 함량 고형 폐기물과 균형을 이룰 수 있다. 개시 단계에서 C:N 비는 바람직하게는 15 내지 20 범위의 비율을 달성하도록 균형을 맞출 수 있지만, 10 내지 15 범위에서 구동될 수도 있다.
선택적인 습식 렌더링 유닛(6000)
전술한 바와 같이, 도축장 폐기물(SHW) 또는 식물성 기름 및 어유 산업(OIW)과 같은 지방 및/또는 오일이 풍부한 폐기물 스트림의 경우, 상기 시스템 및 공정은 본 발명의 일부가 되는 선택적 렌더링 유닛을 포함할 수 있다. 본 발명의 이러한 유닛의 셋업의 예가 도 8에 도시되어 있으며, 상기 유닛은 본 실시예에서 물질이 그라인더(6200)를 통해 히터로 공급되어 온도를 상승시키는 수용 섹션(6100)을 포함한다. 가열된 스트림은 용융 탱크(6400)로 공급되며, 여기서 기질은 추가적으로 분해되어 단백질은 응집하게 된다. 기질은 80 내지 100
Figure pct00025
범위,보다 바람직하게는 약 90 내지 95
Figure pct00026
범위의 온도에서, 전형적으로 30 내지 60 분 범위의 기간 동안 유지되며, 실제 시간은 렌더링된 물질의 구성에 영향을 받게 된다. 가열/용융한 이후에, 기질이 오일/지방 상이 수성 슬러리로부터 분리된 디캔터(6500)로 이송된 후, 수성 슬러리는 원심 분리기(6600)에서 원심 분리에 의해 추가로 분리되고, 그로부터 바람직하게는 적어도 30-40 % 이상의 건조 물질인 고체 물질의 분획이 얻어지며, 이 분획은 증기 폭발 처리를 위한 전처리 유닛으로 향할 수 있다. 렌더링으로부터의 수성상은 바람직하게는 국소적인 요구에 따라 하수 또는 수처리로 폐기될 수 있도록 충분히 낮은 고체 함량을 갖는다.
에너지 및 물질 균형
다음 예는 에너지 자급률을 확립하기 위해 시스템 전체에 대한 에너지 및 질량 균형 계산을 제공한다. 계산은 예시적인 것이며, 메탄 및 바이오 디젤의 생산에 적용되며, 본 명세서에 상세히 설명된 일련의 전제에 기초한다. 단순화를 위해, 시스템의 열 에너지 루프에서 열 손실이나 열 회수는 고려되지 않지만, 그 과정에서 열 회수를 포함하여 연료 대 전기 변환 효율은 80 %로 설정된다. 전제 사항은 시스템에 합리적으로 적용되는 것으로 재-정의 될 수 있으며, 통상의 기술자는 상이한 작동 조건 하에서 시스템의 자급 자족을 검증할 수 있다:
물질 및 구성:
계산은 10.000 kg/h 또는 2,78 kg/sec의 물질 유량을 기준으로 한다.
다음과 같은 기본 조성을 갖는 평균 유입 폐기물 스트림:물:60 %; 지방 및/또는 오일:15 %, 건조 물질:25 %.
물질 변환 효율 :
메탄으로 변환 된 고체의 분획; 20 %
바이오 디젤로 변환된 지방 및/또는 오일의 분획 80 %
비열 및 증발열 :
비열:4,2 kJ/kg ℃
건조물의 비열:2,1 kJ/kg ℃
지방/오일의 비열:2.0 kJ/kg ℃
가중 평균 비열:3.3 kJ/kg ℃
바이오 디젤 증발열 360 kJ/kg ℃
연소열 :
메탄 연소열 55.7 MJ/kg
바이오 디젤 연소열 40 MJ/kg
주요 에너지 투입량 :
열 에너지;
증기 폭발을 위한 0
Figure pct00027
내지 212
Figure pct00028
의 물질 가열; 3,3(kJ/kg ℃) * 10.000(kg/h) * 212(° C) = 7,000 MJ.
증기 폭발 후 3 상 분리 전에 40℃에서 95℃로 물질 재가열:3,3(kJ/kg ° C) * 10.000(kg/h) * 50(° C) = 1,650 MJ
지방/오일을 바이오 디젤로 변환하기 위한 0
Figure pct00029
내지 60
Figure pct00030
의 물질 가열; 2.0(kJ/kg ℃) * 0.15 * 10.000(kg/h) * 60(℃) = 180 MJ.
증류를 위한 0
Figure pct00031
내지 180
Figure pct00032
의 바이오 디젤 가열; 2.0(kJ/kg℃) * 0.15 * 10.000(kg/h) * 180(℃) = 540MJ.
바이오 디젤 증발열 360(kJ/kg ℃) * 0.15 * 10.000(kg/h) = 570 MJ.
열 회수없이 총 열 에너지 투입량:7000 + 1,650 + 180 + 540 + 570 = 9,940 MJ/h
전기 에너지;
전기적 투입량은 열 에너지 투입량의 약 8 %에 해당하는 800MJ/h로 추정된다. 스팀 보일러의 물을 가열하기 위해 발전기로부터 열을 효율적으로 회수한다고 가정하면, 변환 효율은 일반적으로 전기 생산에 사용되는 연료와 독립적으로 80 %로 설정된다.
열회수에 의한 총 전기 에너지 입력 100 * 800/80 = 1000MJ/h
시스템으로의 총 에너지 입력 = 11,000 MJ/h
연료 생산 :
메탄 생산; 10.000 kg/h * 0.25 * 0.2 = 500 kg/h
바이오 디젤 생산; 10.000 kg/h * 0.15 * 0.8 = 1200 kg/h
연소열
메탄 연소의 총 열; 500 kg/h * 55.7 MJ/kg = 27,800 MJ/h
바이오 디젤 연소의 총 열; 1200 kg/h * 40 MJ/kg = 48,000 MJ/h
시스템으로의 총 에너지 입력:11,000 MJ/h
시스템에서 생산되는 총 연소 연료 열:75,800 MJ/h
시스템의 총 순 에너지 균형은 시스템에 투입된 총 에너지와 공정에서 생성된 연료의 총 연소 열 사이의 차이로 표현될 수 있다. 현재 예에서 시스템의 순 에너지 균형은 다음과 같다. 75.800 MJ/h - 11,000 MJ/h = 64.800 MJ/h.
1000: CO2 스크러빙 유닛
2000: 분리 유닛
3000: 에탄올 생산 유닛
4000: 바이오 디젤 생산 유닛
5000: 퇴비화 유닛
6000: 렌더링 유닛

Claims (75)

  1. 폐기물 변환 시스템으로서, 상기 폐기물 변환 시스템은,
    적어도 일부가 유기 폐기물인 폐기물의 스트림을 수용하기 위한 적어도 하나의 전처리 유닛으로서, 상기 전처리 유닛은 적어도 하나의 연속 유동 증기 폭발 반응기를 포함하는, 전처리 유닛;
    상기 전처리 유닛으로부터 전처리 된 폐기물의 스트림을 수용하는 적어도 하나의 분리 유닛으로서, 상기 분리 유닛은 적어도 하나의 컨디셔닝 섹션 및 컨디셔닝된 폐기물을 적어도 하나의 지방/오일 성분 및 적어도 하나의 수성 성분으로 분리하기 위한 적어도 하나의 분리 섹션을 포함하는, 분리 유닛;
    하나 이상의 지방/오일 성분으로부터 바이오 디젤을 생성하기 위한 하나 이상의 바이오 디젤 생산 유닛;
    하나 이상의 수성 성분(aqueous component)의 혐기성 소화 및/또는 발효를 위한 하나 이상의 소화 유닛(digestion unit); 및
    고형 유기 물질로부터 퇴비를 생성하기 위한 하나 이상의 퇴비화 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기 폭발 반응기는 고압 보유 섹션 및 압력 릴리프 섹션을 포함하되, 상기 고압 보유 섹션은 상기 고압 보유 섹션을 통하여 폐기물의 스트림를 이송하기 위한 하나 이상의 속도 조절가능한 컨베이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 속도 조절가능한 컨베이어는 스크류 컨베이어인 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스트림을 상기 고압 보유 섹션으로 공급하도록 고압 보유 섹션의 입구에 회전 공급 밸브를 포함하고, 상기 고압 보유 섹션으로부터 물질을 배출하는 회전 배출 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    배출 위치로 회전하기 전에 상기 회전 공급 밸브의 적재 구획부로 상기 스트림을 주입하는 제 1 스트림 주입 수단; 및
    상기 적재 위치로 다시 되돌려 회전하기 전에, 상기 압력 릴리프 섹션으로 배출한 후에 상기 회전 배출 밸브의 배출 구획부로 스트림을 주입하는 제 2 스트림 주입 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 회전 공급 밸브와 상기 회전 배출 밸브를 상기 고압 보유 섹션 내에서 운반 속도에 동기화하여, 상기 고압 보유 섹션 내의 물질의 보유 시간을 조절하도록 하는 제어 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전처리 유닛의 상기 고압 보유 섹션은 약 10 내지 40바아의 압력 범위 및 약 180 내지 250℃의 온도 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트림 폭발 반응기는 알카리 스트림 폭발 반응기로서 작동하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연속 유동하는 상기 알카리 스트림 폭발 반응기는 하나 이상의 통합된 이산화탄소 스크러빙 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 알카리 스트림 폭발 반응기는 고압 보유 섹션 및 고압 릴리프 섹션을 포함하되,
    상기 스트림 폭발 반응기의 고압 릴리프 섹션은 이산화탄소 스크러빙 유닛으로서 동시에 작동하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    이산화탄소 스크러빙 유닛의 상부는,
    이산화탄소 스크러빙 유닛의 중심축에 대하여 각을 이룬 상태하에서 상기 알카리 스트림 폭발 섹션의 고압 보유 섹션으로부터 운반되는 물질의 스트림을 수용하고,
    상기 물질의 스트림을 하나 이상의 내측 나사(spiral)에 의해 사이클론 패턴으로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 스크러빙 유닛은 상기 스크러빙 유닛의 하부 내에 제공된 하나 이상의 이산화탄소 유입구를 추가로 포함하여, 상기 고압 보유 섹션으로부터의 물질의 알카리 스트림은 이산화탄소 스크러빙을 촉진시키도록 이산화탄소 풍부 스트림과 만나게 되는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 섹션은 서로에 대하여 수직하게 오프셋된 2개의 삽입된 나사를 구비하되, 상부 나사는 스크러버의 내측 벽으로부터 간극을 가지지만 하부 나사는 간극을 가지지 않아서, 이산화탄소 스크러빙 유닛의 내측 벽을 따라 상부 나사로부터 하부 나사로 운반되는 물질에 의해 행해지는 탄소 스크러빙 유닛 내에서의 폐기물의 스트림의 제 1 사이클론 패턴 유동에 수직한 부분 속도 성분을 생성하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하부 나사에는 상기 스크러버의 중심을 향하여 물질을 부분적으로 가이드하는 주름진 패턴 및 상기 물질의 수직 성분이 상기 스크러버 유닛의 중심을 향하여 튀겨지고(splash) 소산하게 하는 나사의 내측 에지에 돌출 림이 구비되는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 스크러빙 섹션은 약 1 내지 5 바아의 압력 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크러버 유닛은 스크러빙 매체를 냉각시키고 바람직하게는 상기 시스템의 스트림 보일러로 공급되는 물을 예비 가열하는데 사용되는 스트림 폭발로부터 열을 회수하는 열교환 냉각 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 릴리프 섹션은 제 1 이산화탄소 스크러버로서 가능하며,
    상기 시스템은 스크러빙 매체로서 상기 제 1 스크러버로부터 액체 분획(fraction)을 공급받으며 추가적인 이산화탄소 제거를 위하여 제 1 이산화탄소 스크러버로부터 CO2 희박 기체 스트림을 수용하기 위하여 상승하거나 감소된 압력에서 일반적인 하향 스프레이 구조로 작동하는 제 2 스크러버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  18. 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템 내부에서 생성된 이산화탄소를 이산화탄소 스크러빙 유닛 내부로 향하게 하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전처리 유닛은 연속 유동 스트림 폭발 반응기의 상류에 배치된 하나 이상의 분쇄 및/또는 균질화 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전처리 유닛은 폐기물의 스트림을 습윤하고 혼합하며 선택적으로는 스트림 폭발 이전에 스트림의 pH를 조절하기 위하여 연속 유동 스트림 폭발 반응기의 상류에 습윤 및 혼합 섹션을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 습윤 및 혼합 섹션은.
    습윤 및 선택적인 pH 조절을 위하여 물 또는 수용액(aqueous solution)을 도입하는 하나 이상의 전기자(amature) 및 혼합기를 구비한 챔버와,
    컨디션된 물질을 배출하는 배출 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛은 컨디셔닝 섹션, 연속적 지방/오일 분리 섹션, 액체/고체 분리기, 및 원심 분리 정제기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 연속적 지방/오일 분리 섹션은,
    수직하게 배치된 세장형 탱크;
    상기 탱크 내에서 중심에 동축방향으로 배치된 세장형 튜브;
    상기 튜브의 입구에 배치되는 배출 밸브로서, 상기 배출 밸브에 의해 컨디셔닝된 물질이 상기 분리 유닛의 컨디셔닝 섹션으로부터 튜브 내부로 배출되는, 배출 밸브;
    상기 튜브의 하단 근처에 배치되되, 바람직하게는 하나 이상이 미세 기포 주입기를 구비하는 하나 이상의 공기 주입기;
    상기 튜브 상의 유출 밸브;
    상기 세장형 탱크 내에서 액체 표면 상에 축적되는 지방/리피드를 지방/오일 버퍼 탱크 또는 원심 분리 정제기로 공급하는 수단; 및
    상기 원심 분리 정제기로부터 상기 탱크의 상부로 물을 공급하는 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  24. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛은 스크류 컨베이어 디캔터 및 디스크 원심 분리기를 포함하는 하나의 장치로서 원심 분리 디캔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 원심 분리 디캔터는,
    축방향 베어링 샤프트;
    상기 출방햐야 베어링 샤프트 상에서 회전하게 되는 상기 스크류 컨베이어를 축방향으로 둘러싸는 디캔터 하우징;
    상기 스크류 컨베이어로 물질을 공급하는 하나 이상의 고정식 중앙 배치 메인 물질 유입구;
    상기 스크류 컨베이어의 원위 단부에 인접한 하나 이상의 고체물질 유출구;
    상기 디스크 원심 분리기를 둘러싸는 디스크 분리기 하우징;
    상기 디캔터 하우징 및 상기 디스크 분리기 하우징 사이에 배치되는 하나 이상의 임펠러;
    중량 상(heavy phase) 유출구; 및
    경량 상(light phase) 유출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 디캔터 하우징, 상기 디스크 분리기 하우징, 상기 스크류 컨베이어 및 상기 디스크 원심 분리기는 상기 축방향 베어링 샤프트 주위에서 서로 독립적으로 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오디젤 반응기 유닛은 상기 지방/오일 성분의 연속적인 유동을 수용하도록 되어 바이오디젤의 연속적인 유동을 생성하도록 된 연속 유동 반응기인 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 바이오디젤 생산 유닛은, 유리 지방산의 에스테르화 및/또는 글리세리드의 트랜스 에스테르화 반응을 촉해화하기 위한 에스테르화 및/또는 트랜스 에스테르화 촉매로 코팅된 다수의 접촉 플레이트, 스페이서, 및 상기 접촉 플레이트들 사이에서 간격을 조절하고 이들 사이에서 관형상 혼합을 촉진하는 고정식 혼합기를 구비하는 모듈식 연속 유동 바이오디젤 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 연속 유동 바이오디젤 생산 유닛은, 에스테르화 및/또는 트랜스 에스테르화 촉매가 일측면에 코팅된 다수의 접촉 플레이트를 포함하여,
    서로 마주보는 2개의 코팅된 측면 및 서로 마주보는 2개의 코팅되지 않은 측면을 서로 교번하고, 반응물 매체는 상기 접촉 플레이트의 코팅된 측면들 사이에서 유동하며, 상기 반응물의 온도 제어를 위한 열매체는 접촉 플레이트의 코팅되지 않은 측면들 사이에서 유동하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오디젤 유닛은 트리글리세리드 및 유리 지방산 중 어느 하나 또는 양자를 입력으로서 수용하며, 상기 유닛은 글리세리드의 트랜스 에스테르화를 촉매화하는 하나 이상의 촉매 및 유리 지방산의 에스테르화를 촉매화하는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    유지 지방산의 에스테르화를 촉매화하는 촉매는 제 1 섹션에 배치되며, 글리세리드의 트랜스 에스테르화를 촉매화하는 촉매는 상기 유닛의 제 2 섹션에 배치되는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  32. 제 27 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 연속 유동 바이오디젤 유닛은 코팅되지 않은 접촉 플레이트, 스페이서, 고정식 혼합기를 포함하는 2개 이상의 반응기를 포함하며, 균일한 산 촉매로써 에스테르화하는 것은 제 1 반응기에서 행해지며, 균일한 염기 촉매로써 트랜스 에스테르화하는 것은 제 2 반응기에서 행해지는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  33. 제 28 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 플레이트는 주름진 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  34. 제 32 항에 있어서,
    정화 및 물 제거는 상기 에스테르화 반응기 및 트랜스 에스테르화 반응기 간의 이온 교환 및 순간 증발을 통하여 행해지는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  35. 제 27 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 유동 바이오디젤 반응기 유닛은 상기 반응기의 고압 작동을 가능하게 하는 차압 이퀄라이저 챔버 내에서 둘러싸이게 되는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  36. 제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소화 유닛은 메탄 생산을 위한 하나 이상의 제 1 유닛 및 에탄올 생산을 위한 하나 이상의 제 2 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  37. 제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소화 유닛은 사용자의 선택 및 이용가능한 폐기물 스트림 물질에 따라 메인 생산 및 에탄올 생산을 수용하도록 된 하나 이상의 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  38. 제 1 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퇴비화 유닛은,
    하나 이상의 스크류 컨베이어 및 상기 분리 유닛으로부터 물질을 섹션 내부로 공급하도록 된 하나 이상의 공급 포트를 포함하는 개시 섹션;
    배출 포트;
    챔버 상부에 인접하게 배치된 습기 스프레이어를 구비한 챔버를 포함하는 인큐베이션 섹션;
    상기 챔버의 적어도 바닥에 인접한 강제 유동을 제공하는 수단으로서, 바람직하게는 압축 공기에 연결된 공기 노즐인, 강제 유동을 제공하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 개시 섹션은 2개 이상의 나란한 구획부를 구비하되,
    2개의 나란한 구획부는 각각의 구획부에서 물질을 교반하고 다른 구획부로 상기 물질을 적어도 부분적으로 이송하는 이송 혼합기를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  40. 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,
    상기 개시 섹션으로부터 상기 인큐베이션 섹션으로 기질을 운반하는 하나 이상의 스크류 컨베이어를 포함하되,
    상기 스크류 컨베이어는 약 20 내지 50%의 범위로 상기 이송 방향을 따라 직경이 증가하며, 상기 개시 섹션으로부터 상기 인큐베이션 섹션으로 기질을 운송하는 동안 벌크 물질을 추가할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  41. 제 1 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 에너지가 자립될 수 있어서, 작동시에 상기 시스템은 외부의 에너지원을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  42. 제 1 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전처리 유닛의 상류에 렌더링 유닛을 추가로 포함하며,
    상기 렌더링 유닛은 유입되는 폐기물 스트림으로부터 상기 페기물의 지방/오일 성분의 적어도 일부를 분리하고, 상기 전처리 유닛을 우회하는 상기 바이오디젤로 지방/오일 성분의 분리된 부분을 향하게 하도록 된 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 렌더링 유닛의 분리 섹션은 하나의 장치로서 상기 원심 분리 디캔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  44. 제 1 항 내지 제 43 항 중 어느 항에 있어서,
    상기 시스템 내부에 증기를 공급하도록 되되, 바람직하게는 상기 시스템에서 생성된 소스 에너지가 공급된 연소 증기 발생기인, 하나 이상의 증기 발생기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 변환 시스템.
  45. 폐기물을 처리하고 변환하는 방법으로서,
    상기 방법은,
    유기물 폐기물을 적어도 일부 포함하는 폐기물 스트림을 수용하는 단계;
    습윤 및 혼합 섹션으로 폐기물 스트림 또는 그 적어도 일부를 도입하고 상기 폐기물을 습윤 및 혼합하는 단계;
    상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 연속 유동 증기 폭발 반응기로 상기 스트림을 전달하고, 상기 증기 폭발 처리를 거치게 하는 단계;
    상기 증기 폭발 반응기에서 처리된 폐기물의 스트림을 분리 유닛으로 향하게 하고, 전처리된 폐기물 스트림을 지방 및/또는 오일을 포함하는 하나 이상의 성분, 유기 물질의 수성 슬러리를 포함하는 성분, 및 습윤 고상 유기 물질을 포함하는 성분으로 분리하는 단계;
    상기 지방 및/또는 오일 성분을 바이오 디젤 생산 유닛에 도입하고, 상기 지방/오일 성분으로부터 바이오 디젤을 생성하는 단계;
    수성 슬러리를 포함하는 상기 성분을 소화 유닛 및/또는 발효 유닛으로 도입하고, 혐기성 소화 또는 발효를 통해 상기 성분을 소화 및/또는 발효하는 단계; 및
    습윤 고체 물질을 포함하는 성분을 퇴비화 유닛 내부로 도입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 증기 폭발 처리는 약 10 내지 40 바아의 압력 범위에서 행해지는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  47. 제 45 항에 있어서,
    상기 증기 폭발 처리는 약 180 내지 250℃의 온도 범위에서 행해지는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  48. 제 45 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐기물의 스트림은 고압 릴리프 섹션에서 증기 폭발 처리를 거치게 되며, 그로부터 상기 물질의 스트림은 급격한 압력 해제를 통하여 압력 릴리프 섹션으로 이송되는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  49. 제 45 항에 있어서,
    폐기물의 스트림은 습윤 및 혼합 섹션에서 알카리 수용액과 혼합되는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  50. 제 49 항에 있어서,
    증기 폭발 처리 후에, 폐기물의 상기 스트림은 상기 압력 릴리프 섹션과 일체로 된 이산화탄소 스크러빙 섹션에서 이산화탄소 스크러빙을 위한 스크러빙 매체로서 사용되는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    폐기물의 상기 스트림은 고압 보유 섹션에서 증기 폭발 처리를 거치게 되며, 그로부터 물질의 상기 스트림은 급격한 압력 해제를 통하여 압력 릴리프 섹션으로 이송되며,
    상기 증기는 혐기성 소화로부터 이산화탄소 풍부 메탄 스트림으로부터 및/또는 공정으로부터 나타나는 다른 이산화탄소 풍부 기체 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 스크러빙 매체로서 사용되는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  52. 제 50 항 또는 제 51 항에 있어서,
    상기 고압 보유 섹션으로부터 상기 압려 릴리프 섹션 및 스크러버 유닛으로 상기 스트림을 이송하는 단계로서, 상기 스트림의 유동은 상기 스크러버 유닛의 중심축에 대하여 각을 이루어 진입하며, 상기 물질의 스트림은 사이클론 타입의 유동 패턴을 형성하기 위하여 스커러버 유닛 내에 배치된 적어도 하나의 나사를 실질적으로 따라 유동하는, 스트림을 이송하는 단계; 및
    상기 스크러버 유닛의 하부 내에 제공된 하나 이상의 유입구를 통하여 상기 스크러버 유닛 내부로 이산화탄소를 도입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  53. 제 50 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공정의 하류 단계에서 생성된 이산화탄소를 이산화탄소 스크러빙 섹션에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  54. 제 50 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환 냉각 요소를 구비한 이산화탄소 스크러빙 섹션에서 기질을 냉각하는 단계를 추가로 포함하여,
    상기 시스템의 증기 보일러에 대한 물을 예비 가열하기 위하여 바람직하게는 열교한 냉각 요소를 사용하여 상기 증기 폭발 섹션으로부터 열을 회복하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  55. 제 50 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크러빙 유닛으로부터 바람직하게는 상승된 압력과 하강된 온도에서 하향식 스프레이 구조에서 작동하는 제 2 스크러버 섹션으로 액체 물질을 배출하는 단계; 및
    제 1 스크러버 후에도 남아 있는 이산화탄소 잔류물의 제거를 위하여 제 1 스크러버로부터 제 2 스크러빙 섹션으로 배출물을 공급하는 단계;룰 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리하고 변환하는 방법.
  56. 유기 폐기물을 적어도 일부 포함하는 폐기물의 스트림을 수용하는 단계;
    폐기물의 스트림 또는 그 적어도 일부를 렌더링 유닛으로 도입하는 단계;
    약 80 내지 100℃의 온도 범위, 바람직하게는 90 내지 95℃의 온도 범위에서 상기 렌더링 유닛 내의 스트림이 가열을 거치게 하는 단계;
    가열된 물질을 지방/리피드 분획(fraction) 및 고체 물질 및 유출 수용액을 포함하는 분획으로 분리하는 단계;
    고체 물질을 포함하는 상기 분획을 연속 유동 증기 폭발 반응기 내부로 이송하여, 증기 폭발 처리를 거치게 하는 단계;
    선택적으로, 상기 증기 폭발 반응기에서 처리된 폐기물의 스트림을 분리 유닛으로 이송하고, 증기 폭발 처리된 폐기물 스트림을 지방 및/또는 오일을 포함하는 성분, 유기 물질의 수성 슬러리를 포함하는 성분, 및 고체 유기 물질을 포함하는 성분으로 분리하는 단계;
    상기 지방 및/또는 오일 성분을 렌더링 유닛으로부터, 선택적으로는 지방 및/또는 오일 성분을 분리 유닛으로부터 바이오디젤 생산 유닛으로 도입하고, 상기 지방/오일 성분으로부터 바이오디젤을 생성하는 단계;
    상기 수성 슬러리를 소화 및/또는 발효 유닛으로 도입하고, 상기 성분을 메탄 및/또는 에탄올 각각으로 소화 및/또는 발효하는 단계; 및
    습윤 고체 물질을 포함하는 성분을 비료화 유닛으로 도입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  57. 제 45 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛에서 분리하는 단계는,
    물질을 오일/지방 분리 섹션의 분리 탱크로 공급하는 단계;
    상기 분리 탱크로 미세 기포를 운반하는 단계;
    상기 분리 탱크 내에서 액체 표면 상에 축적되는 지방 및 오일을 제거하는 단계;
    상기 분리 탱크로부터 액체-고체 분리기로 수성 슬러리를 공급하는 단계;
    상기 액체-고체 분리기로부터 습윤 고체를 포함하는 분획을 상기 비료화 유닛으로 공급하는 단계; 및
    유기 물질 함량이 높은 수성 분획을 수집 탱크 또는 혐기성 소화 유닛 및/또는 발효 유닛으로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 액체-고체 분리기로 공급된 수성 슬러리는 경사진 원통형 하우징에 장착된 스크류 컨베이어에 가압을 받게 되어,
    상기 수성 슬러리는 상기 원통형 하우징의 하단부에서 상기 스크류컨베이어로 공급되며,
    상기 스크류 컨베이어는 고체 물질을 고체를 포함하는 분획을 위한 유출 포트를 향하여 원통형 하우징을 통하여 상향으로 운반하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  59. 제 45 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리하는 단계는,
    전처리된 폐기물 스트림을 원심 분리 디캔터 유닛으로 공급하는 단계;
    상기 스트림을 중심 축방향 유입구를 통하여 회전 디캔터 하우징의 스크류 컨베이어로 공급하는 단계;
    상기 고체를 상기 스크류 컨베이어로써 고체 유출구로 운반하는 단계;
    액체를 임펠러를 통하여 디스크 원심분리기를 둘러싸는 디스크 분리기 하우징으로 강제하는 단계;
    상기 디스크 원심 분리기 및 상기 디스크 분리기 하우징을 회전시켜서 중량 액체 상 및 경량 액체 지방 및/또는 오일 상으로 분리하는 단계; 및
    각각의 유출구로 각각의 상을 향하게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  60. 제 49 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리하는 단계는,
    상기 전처리 유닛으로부터 공급된 물질을 컨디셔닝 섹션에서 컨디셔닝하는 단계를 포함하되,
    상기 컨디셔닝하는 단계는 물질의 pH를 낮추도록 산성 용액을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  61. 제 45 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바이오디젤을 생성하는 단계는,
    반응 구간에서 에스테르화/트랜스 에스테르화 촉매로 코팅되고 교번하는 구획부에서는 코팅되지 않은 복수의 접촉 플레이트에 의해 한정된 교번하는 구획부를 통하여 열 매체 및 지방/오일 성분을 공급하는 단계; 및
    접촉 플레이트의 코팅되지 않은 측면들 사이에서 교번하는 구획부의 적어도 일부를 통하여 열매체를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  62. 제 45 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바이오디젤을 생성하는 단계는,
    유리 지방산의 에스테르화를 촉매화하는 촉매와 접촉하며, 후속적으로 글리세리드의 트랜스 에스테르화를 촉매화하는 촉매와 접촉하도록 지방/오일 성분을 가져오는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  63. 제 45 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 접촉 플레이트를 포함하는 개별 연속 유동 바이오디젤 반응기에서 균일한 산 촉매에 의해 유리 지방산을 에스테르화하고,
    다수의 접촉 플레이트를 포함하는 제2 연속 유동 바이오디젤 반응기에서 염기는 글리세리드의 트랜스 에스테르화를 촉매하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 반응기들 사이에서 및/또는 각 반응기 이후에 순간 증발을 통하여 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  65. 제 45 항 내지 제 64 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에스테르화 및/또는 트랜스 에스테르화는 각 반응 영역의 접촉 플레이트들 사이에 배치된 고정식 혼합기에 의해 난류 유동을 도입하여 촉진되는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  66. 제 45 항 내지 제 65 항 중 어느 한 항에 있어서,
    습윤 고체 물질을 포함하는 성분을 비료화 유닛으로 도입하는 단계는,
    약 40 내지 50℃의 온도 범위의 온도에서 상기 기질을 호열성 소화를 직접 거치게 하고 중온성 단계 비료화를 우회하도록 하여 공정을 가속시키도록 상기 유닛의 개시 유닛으로 상기 성분을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  67. 제 66 항에 있어서,
    하류의 비료화로부터 시드를 추가하는 단계로서,
    상기 시드 비료화는 호열성 상의 실질적으로 피크에 있는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  68. 제 66 항 또는 제 67 항에 있어서,
    연속적으로 또는 반-연속적으로 교반하는 단계;
    약 2 내지 6시간 동안 상기 개시 섹션에서 물질을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  69. 제 66 항 또는 제 68 항에 있어서,
    비료화 물질의 C:N 비를 촉진하도록 비료화 물질에 탄소 풍부 스톡(stock)을 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 탄소 풍부 스톡은 과일, 반죽 및 글리세롤과 같은 쉽게 소화되는 탄소 풍부 폐기물로부터 선택되며, 바람직하게는 공정의 바이오디젤 생산으로부터의 글리세롤인 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  71. 제 66항 또는 제 70 항에 있어서,
    목재 칩과 같은 벌크 물질을 추가하여 상기 개시 섹션으로부터 제 2 단계 인큐베이션 섹션으로 물질을 이송하는 단계;
    강제된 기체 순환으로써 상기 인큐베이션 섹션에서 물질에 기체를 공급하는 단계;
    상기 물질을 제습하는 단계; 및
    약 24 내지 96 시간 동안 상기 인큐베이션 섹션에서 물질을 인큐베이션하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  72. 제 66 항 내지 제 71 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 단계인 인큐베이션 단계에서 제 3 단계인 에이징 단계로 물질을 이송하는 단계; 및
    상기 비료화 물질이 3개월 이상의 시간 동안 제 3 단계에서 숙성되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  73. 제 45 항 내지 제 72 항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐기물의 스트림은,
    가정 폐기물, 도축장 폐기물, 식품 산업 폐기물, 생선 산업 폐기물, 식물성 기름 및/또는 어유 산업의 폐기물, 하수 슬러지, 하수 그리스 및 오일, 밀짚 또는 다른 짚과 같은 농업 폐기물, 쌀겨, 대두 조각, 잔디 및 동물 분뇨, 정원 폐기물 및 폐기물 목재를 포함하는 폐기물 카테고리 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  74. 제 45 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전처리 단계의 상류에서 폐기물을 파쇄 및/또는 분쇄 및 균질화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
  75. 제 45 항 내지 제 74 항 중 어느 한 항에 있어서,
    과정은 에너지 자립식으로 진행되어, 외부 에너지원을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하는 폐기물을 처리 및 변환하는 방법.
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