KR20200126886A - 바이오매스 스트림으로부터 응집체를 생성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계; 및 중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계를 포함하는, 적어도 하나의 바이오매스 스트림을 포함하는 공급원료로부터 응집체를 생성하는 방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스 스트림으로부터 응집체를 생성하는 방법
본 발명에 따라, 바이오매스 스트림(biomass stream)으로부터 응집체를 생성하는 방법이 제공된다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 형태는 가연성 연료 공급원으로서 적합한 응집체를 생성하는 방법을 제공한다.
배경 기술의 하기 논의는 단지 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 의도된다. 본 논의는 언급된 재료 중 임의의 것이 본 출원의 우선일에 통상의 일반적 지식의 일부이거나 일부였음을 인정하거나 시인하는 것이 아니다.
현대 산업은 가치가 미미하고 종종 매립 처분을 필요로 할 상당한 바이오매스 폐기물 스트림을 생성한다. 이들 폐기물 스트림은 전형적으로 액체/슬러지의 형태인 탄소계 재료를 포함한다. 이러한 폐기물 스트림을 취급하는 경우에 직면하는 주요 문제는 물 함량이다. 이들 스트림은 85% 이상의 물을 가질 수 있으며, 전형적으로 이 물의 실질적인 부분을 제거하기 위한 탈수 공정을 적용할 필요가 있을 것이다. 이러한 공정은 가열 하의 건조 또는 원심분리를 포함하며, 투자 수익률보다 큰 에너지 비용을 필요로 한다. 폐기물을 처분하는 대신에 유용한 산물을 생성하기 위해, 이들 폐기물을 재순환시킬 수 있는 것이 필요하다. 이를 달성할 수는 있지만, 전형적으로 그것은 상업적으로 실행가능한 수단을 통한 것이 아니므로 이를 실행할 경제적 유인이 거의 없다. 부가적으로, 공지의 재순환 방법은 특이적 폐기물 스트림에 대해 조정되어 있으며 다중 공급원으로부터의 폐기물 스트림을 동시에 처리하는 것은 가능하게 하지 않는다.
본 발명에 따라, 공급원료(feedstock)를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계; 및 중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계를 포함하는, 적어도 하나의 바이오매스 스트림을 포함하는 공급원료로부터 응집체를 생성하는 방법이 제공된다.
문헌[lUPAC Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed.("Gold Book")]은 분산된 분자 또는 입자가 단리된 단일 분자 또는 입자로서 유지되지 않고 집합하는 과정으로서 응집을 정의한다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 용어 "응집체" 또는 그의 변형은, 별개의 입자들이 더 큰 단일 입자로서 거동하도록 함께 접착되는 별개의 입자의 집합을 지칭하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명자들은 중합 활성화제가 하나 이상의 결합 시약의 중합 또는 가교결합을 개시할 것임을 이해한다. 이 중합 또는 가교결합은 응집체를 형성하기 위해 바이오매스 스트림의 고체 함량을 유지하는 치밀한 매트릭스를 생성한다. 바이오매스 스트림의 물 함량의 상당한 부분 또한 응집체 내에 유지된다. 유리하게, 본 발명자들은 심지어 높은 물 함량을 가진 바이오매스 스트림도 응집되어 응집체를 생성할 수 있음을 발견하였다.
본 발명자들은 본 발명에 의해 생성되는 응집체가 신속하게 건조됨을 발견하였다. 이론에 구애되고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들은 응집체의 물 함량이 중합된 결합제에 의해 흡수되는 것이 아니라 그것이 중합체 매트릭스 내에 함유됨(반 데르 발스 힘을 통해)을 이해한다. 일단 응집체가 형성되면, 표면 장력 감소가 매트릭스 밖으로 물을 밀어낸다. 이는 응집체로부터 물을 증발시키기 위해 필요한 에너지를 저감한다. 유리하게, 본 발명자들은 이것이 응집체로부터의 신속한 물 증발을 유발하여, 이들 재료의 건조를 향상시키고, 일반 조건(moderate condition) 하에 건조를 가능하게 함을 발견하였다.
본 발명의 일 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 30%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 35%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 40%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 45%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 50%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 55%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 60%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 65%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 70%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 75%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 80%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 물 함량은 적어도 85%이다.
본 발명의 일 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 30%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 35%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 40%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 45%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 50%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 55%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 60%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 65%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 70%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 75%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 80%이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 바이오매스 스트림의 탄소 함량은 적어도 85%이다.
본 발명의 바람직한 형태에서는, 공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계가 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 일어남으로써, 본 방법은 하기 단계를 포함한다:
공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하여 응집 혼합물을 생성하는 단계; 이어서
중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 응집 혼합물을 도입하여 응집체를 생성하는 단계.
본 발명의 일 형태에서는, 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 중합 활성화제를 공급원료 및 하나 이상의 결합 시약과 접촉시킨다.
본 발명의 바람직한 형태에서는, 응집 장치 내로 공급원료를 도입함과 동시에, 또는 그 후에 중합 활성화제를 공급원료 및 하나 이상의 결합 시약과 접촉시킨다.
본 발명의 일 형태에서는, 중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 응집 혼합물을 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 하나 이상의 바이오매스 스트림 및 결합 시약을 응집 혼합물과 배합한다.
공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하여 응집 혼합물을 생성하는 단계는 적합한 혼합 장치 내에서 실행된다. 바람직하게, 응집 혼합물은 실질적으로 균질하다.
본 발명의 일 형태에서, 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계 후에, 본 방법은 응집체를 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 형태에서, 응집체를 경화시키는 단계는 경화 기간 동안 응집체를 저장하는 단계를 포함한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 저장하는 단계는 수송 중에 일어날 수 있다. 바람직하게, 응집체를 경화시키는 단계는 응집체 위로 증가된 기류를 제공하는 단계에 의해 향상될 수 있다. 더욱 바람직하게, 응집체를 경화시키는 단계는 주위 온도 초과의 온도에서 낮은 수분 함량의 환경 내에 응집체를 저장하는 단계에 의해 부가적으로 또는 대안적으로 향상될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 응집체 내부로부터 물을 증발시키기 위해 필요한 에너지가 저감된다. 본 발명자들은, 그러므로 응집체를 경화시키는 단계가 선행 기술 건조 기법보다 훨씬 더 낮은 온도에서 수행될 수 있음을 발견하였다. 이는 경화 공정의 운전 비용을 저감한다. 본 발명의 일 형태에서, 경화 단계는 100 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 90 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 80 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 70 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 60 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 50 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 40 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 30 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 경화 단계는 주위 온도에서 수행된다.
본 발명의 일 형태에서, 응집체를 경화시키는 단계는 응집체를 연마(polishing)하는 단계를 추가로 포함한다.
바람직하게, 응집체의 연마는 회전 드럼 내에서 일어난다.
부가적으로 또는 대안적으로, 응집체를 경화시키는 단계는 응집체를 건조 재료(desiccation material)로 코팅하는 단계를 추가로 포함한다.
바람직하게, 건조 코팅 재료는 전처리된 사전건조된 기본 공급원료, 예컨대 잘게 자른 건조 밀짚, 톱밥, 바이오매스 보일러 회분, 분말 리그닌, 가열건조시키고(torrified) 분쇄한(pulverised) 바이오매스, 예컨대 버개스(bagasse), 수수, 대나무, 및 다른 목질 및 비-목질 바이오매스 유형 중에서 선택된다.
본 발명의 바람직한 형태에서, 경화 기간은 2 내지 20 일이다. 더욱 바람직하게, 경화 기간은 7 내지 14 일이다. 본 발명자들은 수분 손실이 더이상 측정가능하지 않을 때까지 경화 기간이 진행해야 함을 발견하였다. 이를 결정하기 위해, 응집체의 샘플을 규칙적인 간격으로 칭량하여 응집체가 증발에 의한 수분 손실을 언제 중단했는지를 결정한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 경화 기간의 길이는 하기 기준 중 하나 이상에 고도로 의존한다:
생성 후에 임의의 응집체 처리가 수행되었는지 여부(저장, 수송 등);
저장 기법, 및 저장의 "반전(turning over)"이 실행되는지 여부;
경화 단계의 주위 습도 및 풍속;
알코올, 세제, 또는 다른 건조 시약과 같이 물의 표면 장력을 저감하는 신속한 경화를 위한 첨단 건조제가 첨가되는지 여부;
경화 단계의 온도;
경화 단계가 커버 아래에서 또는 보호 환경 내부에서 수행되는지 여부;
응집체 직경(직경이 클수록 경화/건조가 느림); 및
연마 공정이 수행되었거나 건조 코팅 재료가 적용되었는지 여부.
본 발명의 일 형태에서, 본 발명의 응집체는 펠렛(pellet) 또는 과립일 수 있다. 바람직하게, 생성된 응집체의 직경은 4 mm 내지 100 mm이다. 당업자가 이해할 바와 같이, 생성된 응집체의 크기 요건은 최종 산물의 특이적 용도에 의존한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 펠렛은 주로 미세 입자로 구성된 응집된 회전타원체이다. 당업자가 이해할 바와 같이, 과립은 미세 입자 및 조제(coarse) 입자 양자 모두로 구성된 응집된 회전타원체이다.
바람직하게, 응집체의 물 함량은 20% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 19% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 18% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 17% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 16% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 15% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 14% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 13% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 12% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 11% 미만이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 물 함량은 10% 미만이다.
바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 하나의 50%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 55%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 60%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 65%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 70%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 75%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 80%이다. 더욱 바람직하게, 응집체의 탄소 함량은 적어도 85%이다.
본 발명의 일 형태에서, 응집체는 가연성 연료 공급원으로 사용하기에 적합하다. 본 발명자들은 본 발명의 응집 방법이 가연성 연료 공급원으로서 적합할 수 있는 하나 이상의 바이오매스 스트림의 응집체의 생성을 가능하게 함을 발견하였다. 이 방식으로, 폐기물 스트림을 상업적 산물의 생성을 위한 공급원료로 사용할 수 있다.
연료 응집체는 열 및 전력을 필요로 하는 다수의 응용에 이용될 수 있다. 이는 석탄 및 갈탄을 이용하는 대규모 혼소(co-firing) 또는 시멘트 생산에서의 대체 연료를 포함한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 결합 시약의 선택 및 배합 단계의 반복 횟수는 응집체의 목적하는 최종 용도 및 공급원료의 물리적 특성 및 화학적 특성 양자 모두에 의존한다. 결합제 선택 및 사용량은 필요한 응집체 직경, 응집체 강도, 응집체 내수성, 및 연소 및 배기 요건에 의존함이 예상된다.
당업자가 이해할 바와 같이, 연료 공급원으로서 응집체의 적합성은 응집체의 물리적 특성에 의존한다. 연료로 사용되는 경우, 저수분 응집체는 디옥신 및 푸란과 같은 저온 오염물질의 형성을 방지하는 신속한 코어 온도 상승을 나타낸다.
본 발명의 일 형태에서, 하나 이상의 결합 시약은 중합되거나 가교결합되거나 경성 겔을 형성할 수 있는 시약을 포함한다. 바람직하게, 하나 이상의 결합 시약은 중합 활성화제와 접촉시에 중합되거나 가교결합될 수 있는 시약을 포함한다. 더욱 바람직하게, 하나 이상의 결합 시약은 촉매 또는 외부 열의 부재 하에 중합되거나 가교결합되거나 경성 겔을 형성할 수 있는 시약을 포함한다.
본 발명의 일 형태에서, 하나 이상의 결합 시약은 단량체 화합물을 포함한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 단량체 화합물은 중합을 거쳐 거대분자의 필수 구조에 구성 단위를 기여할 수 있는 화합물이다. 바람직하게, 하나 이상의 결합제는 임의로 비-이온성 단량체를 가진 음이온성 또는 양이온성 단량체이다. 그것은 임의로 비-이온성 단량체를 가진, 양이온성 단량체 및 음이온성 단량체의 혼합물로부터 형성되는 양쪽성일 수 있다. 적합한 음이온성 단량체는, 종종 수용성 암모늄 또는, 바람직하게, 알칼리 금속 염의 형태인 에틸렌계 불포화 카르복실산 또는 설폰산이다. 적합한 카르복실산은 메타크릴산, 이타콘산, 말레산, 또는 바람직하게 아크릴산이다. 적합한 설폰산은, 종종 암모늄, 또는 더욱 통상적으로, 알칼리 금속 염으로서의 알릴, 메탈릴, 비닐, 및 2-아크릴아미도-2-메틸 프로판 설폰산을 포함한다. 적합한 양이온성 단량체는, 통상적으로 산 부가 염 또는 4차 암모늄 염으로서의, 디알킬아미노알킬 (메트) -아크릴아미드 및 -아크릴레이트, 및 디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드와 같은 단량체를 포함한다. 적합한 비-이온성 단량체는 (메트) 아크릴산 에스테르, 메타크릴아미드, 및 아크릴아미드를 포함한다.
바람직하게, 하나 이상의 결합 시약은 스티렌 단량체 화합물 또는 규소 단량체 화합물을 포함한다. 본 발명의 일 형태에서, 결합 시약은 스티렌 단량체를 포함한다. 본 발명의 일 형태에서, 결합 시약은 규소 단량체를 포함한다.
바이오매스 스트림에 첨가되는 하나 이상의 결합제의 양은 바이오매스 스트림의 건조 중량에 의존한다. 바람직하게, 하나 이상의 결합제의 양은 공급원료의 건조 중량을 기준으로 0.05% 내지 0.5%의 기본 화학적 결합제이다.
본 발명의 일 형태에서, 하나 이상의 결합 시약은 계면활성제를 추가로 포함한다. 더욱 바람직하게, 계면활성제는 알코올, 카르복실산, 실란, 실록산, 또는 실론올을 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 본 발명자들은 계면활성제의 선택이 응집체의 최종 용도 및 공급원료의 화학적 함량, 특히 바이오매스의 실리카 수준 및 회분 특징에 의존함을 이해한다. 본 발명자들은 계면활성제의 첨가가 하나 이상의 결합 시약의 공급원료 내로의 신속한 침투를 가능하게 함을 이해한다. 바람직하게, 첨가되는 계면활성제의 양은 공급원료의 건조 중량을 기준으로 0.025% 내지 0.5%이다. 본 발명의 일 형태에서, 중합 활성화제는 하나 이상의 결합 시약 중 적어도 하나의 중합, 가교결합, 또는 겔 형성을 개시하는 물질이다. 이론에 구애됨이 없이, 본 발명자들은 응집 장치 내에서 응집체가 형성됨에 따라 적어도 하나의 결합제의 원위치 중합, 가교결합, 또는 겔 형성이 바이오매스 공급원료 스트림을 그의 매트릭스 내에 적합하게 유지할 수 있는 최종 응집체 산물을 생성한다고 생각한다.
응집 혼합물에 첨가되는 중합 활성화제의 양은 바이오매스 스트림의 건조 중량에 의존한다. 아마도, 중합 활성화제의 양은 바이오매스 공급원료의 건조 중량을 기준으로 0.005% 내지 0.01%이다.
바람직하게, 중합 활성화제의 첨가 전에 하나 이상의 결합 시약을 공급원료와 배합한다. 바람직하게 하나 이상의 결합 시약과 중합 활성화제의 배합은 실질적으로 균질한 응집 혼합물을 생성한다.
본 발명의 일 형태에서, 중합 활성화제는 단량체 가교결합 화합물을 포함한다. 바람직하게, 중합 활성화제는 비닐, 스테아릭, 또는 아크릴릭 단량체 가교결합 화합물이다. 중합 활성화제는 하나 이상의 결합 시약과 중합하거나 가교결합하도록 작용하여 습윤 공급원료를 함께 유지하는 것을 보조하는 동시에 매트릭스 내에 함유된 물의 표면 장력을 저감하여 증발 및 건조를 향상시키는 경성 혼합물을 형성함이 이해된다.
본 발명의 일 형태에서, 하나 이상의 결합 시약은 중합을 가능하게 하거나 지원하기 위한 개시제 시약의 첨가를 필요로 할 수 있다. 본 출원인은 개시제 시약이 결합제 시약 단량체와 반응하여 다수의 다른 단량체와 중합체성 화합물로 연달아 연결될 수 있는 중간체 화합물을 형성하는 임의의 화학종일 수 있음을 이해한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 대부분의 개시제 시약은 자유 라디칼을 함유한다. 본 발명의 매우 바람직한 형태에서, 개시제 시약은 암모늄 퍼설페이트 (NH4)S2O8 또는 포타슘 퍼설페이트 K2S2O8 또는 양자 모두의 배합물이다. 본 발명자들은 개시제 시약이 선택된 시약 그룹의 중합을 개시하기 위한 자유 라디칼을 공급함을 이해한다.
본 발명의 일 형태에서, 응집체는 추가의 처리 단계를 거칠 수 있다. 바람직하게, 추가의 처리 단계는 응집체의 외측 층을 경화시키거나 밀봉한다. 더욱 바람직하게, 추가의 처리 단계는 응집체와 시멘트화 첨가제(cementation additive)의 접촉을 포함한다.
본 발명의 일 형태에서, 추가의 처리 단계는 응집체와 표면 개질제의 접촉을 포함한다. 본 발명자들은 생성된 응집체가 외측 표면 상에서 완전히 경화되지 않을 수 있으므로 후속의 수송 중에 그들이 서로 점착될 수 있음을 이해한다. 본 발명자들은 응집체의 외측 표면을 표면 개질제로 처리함으로써 이 점착을 완화할 수 있음을 확인하였다. 바람직하게, 표면 개질제는 응집체의 표면에 박막으로서 적용되며, 이는 적어도 부분적으로 응집체를 캡슐화한다.
본 발명의 일 형태에서, 표면 개질제는 바람직하게 지방족 또는 방향족 알코올이다. 이론에 구애되고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들은 표면 개질제가 중합 활성화제와 중합함을 이해한다. 더욱 바람직하게, 표면 개질제는 메탄올, 에탄올, 및 프로판올, 또는 다른 것들, 예컨대 글리콜, 예를 들어 에틸 및 디-에틸 글리콜 중에서 선택된다.
본 발명의 대안적인 형태에서는, 응집체의 형성 전에 표면 개질제를 응집 혼합물과 배합할 수 있다.
본 발명의 일 형태에서, 표면 개질제 및 개시제 시약 중 하나 이상은 항균제이다. 본 발명의 대안적인 형태에서, 하나 이상의 항균제는 공급원료 및 또는 응집 혼합물에 첨가된다. 유리하게, 항균제를 이용함으로써 본 발명자들은 공급원료 내의 임의의 박테리아 및/또는 바이러스 화합물 중 적어도 일부가 파괴될 수 있음을 발견하였다.
적합한 바이오매스 스트림은 하기 중에서 선택될 수 있으나 이로 제한되지 않는다: 목재 폐기물; 톱밥; 목피 & 임업 폐기물; 농업 폐기물; 구비(manure); 하수 슬러지; 하수 찌꺼기; 혐기성 소화조 슬러지; 도축장 폐기물; 퇴비 & 재순환 불가 물질; 와인/양조 폐기물; 과일 폐기물; 올리브 폐기물; 식물유 폐기물; 생선 폐기물; 음식 폐기물; 오염된 토양; 짧은 회전 작물(short rotation crop) 바이오매스; 셀룰로스계 리그닌; 버개스; 사탕수수 찌꺼기; 옥수수대; 녹색 폐기물(green waste); 음식 폐기물, 및 다른 폐기물 스트림의 유기 분획.
본 발명의 일 형태에서, 바이오매스 스트림은 바람직하게 유기 폐기물 스트림이다.
본 발명의 일 형태에서, 본 방법은 공급원료의 전처리 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 일 형태에서, 공급원료의 전처리 단계는 공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계 전에 일어난다.
당업자가 이해할 바와 같이, 본 발명이 처리하기에 적합한 바이오매스 스트림은 다양한 크기의 고체 입자를 함유할 수 있다. 큰 입자는 적합한 응집체의 생성을 방해할 것이므로 그들은 바이오매스 공급원료로부터 제거되거나 크기 감소 공정을 거쳐야 한다. 바람직하게, 더욱 구체적으로 공급원료의 전처리 단계는 스크리닝; 파쇄(shredding); 마쇄(grinding); 또는 크기 감소 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 일 형태에서는, 스크리닝 단계를 사용하여 바이오매스 스트림으로부터 큰 입자를 제거할 수 있다. 대안적으로, 바이오매스 스트림이 큰 입자를 포함하는 경우, 스크리닝 단계를 사용하여 공급원료로부터 자유수(free water)를 제거할 수 있다.
본 발명의 일 형태에서, 더욱 구체적으로 크기 감소 단계는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 기계적 크기 감소; 화학적 섬유 연질화; 퇴비화; 박테리아 전처리; 효소 전처리; 수지 용해; 촉매 함침; 셀룰로스 추출; 세포질 건조 전처리(cellular desiccation pre-treatment); 가열건조; 활성탄처리(charcoaling).
당업자가 이해할 바와 같이, 다양한 처리를 이용하여 목질 바이오매스를 연질화할 수 있으며, 일부는 특히 큰 용적톤수의 응용을 가진다. 대부분의 전처리는 고도로 가소성인 리그닌 섬유에 침투할 수 있는 다양한 시약 중에 목편을 침지시켜 결합을 해체하거나 수지를 용해시키거나 섬유를 윤활화하여 그들이 더 용이하게 분해되고 분리되게 하는 단계에 의존한다.
퇴비화는 섬유 및 수지를 훨씬 더 연질인 산물로 신속하게 분해하는 단순한 방법이다. 하나의 주요 이점은, 더 적은 벌크 세포질 물(cellular water)을 가짐으로써 섬유를 훨씬 더 연질이 되게 하는, 상당한 세포질 물 손실을 동반하는 매스의 압축이다.
당업자가 이해할 바와 같이, 박테리아 또는 효소를 이용하는 바이오매스의 처리는 셀룰로스의 효소적 가수분해를 통한 셀룰로스계 바이오매스의 생물학적 전환을 포함한다. 당업자가 이해할 바와 같이, 촉매 제제를 이용하는 전처리는 효소적 가수분해를 상당히 향상시킬 수 있고, 선택된 촉매를 포함하는 과립화 전처리는 효소 전환 성능의 상당한 증가를 가능하게 할 수 있다.
당업자가 이해할 바와 같이, 건조는 바이오매스 스트림에 건조제를 첨가하여 바이오매스 스트림 내의 물 함량을 감소시키는 단계를 포함하는 건조 공정이다. 유리하게, 단순한 원료 건조는 공급물을 치밀화함과 동시에 조건화하며, 이는 응집 전의 저비용 파쇄 및 마쇄를 위해 그것을 훨씬 더 건조하고 훨씬 더 취성이 되게 한다. 건조는 천연적으로, 또는 더욱 실용적으로는 파쇄 및 마쇄 전의 적극적인 건조를 동반하는 저수준의 전처리를 이용하여 실행될 수 있으며, 여기에서 바이오매스 입자는 상당히 더 취성이고, 치밀하며, 마쇄하기 위해 필요한 톤당 에너지가 천연 공급원료보다 상당히 적다.
당업자가 이해할 바와 같이, 가열건조는 과량의 물이 축출되고 바이오매스 섬유가 부분적으로 파괴되는 온도로 연료를 공기의 부재 하에 열처리하는 단계로서 정의될 수 있다. 밀짚 또는 억새와 같은 바이오매스의 양질의 공급원에 주로 이용되어, 특정 시장용으로 연료를 설계하는 경우에 가열건조는 고수준의 가요성을 가능하게 한다. 이 처리는 신속하며, 바이오매스 연료, 보일러 배기 가스, 또는 마이크로파를 사용하여 이 공정을 수행하는 기성 기법이 존재한다. 마쇄 에너지의 감소는 천연 목재 산물의 마쇄에 필요한 에너지의 약 10%까지 감소될 수 있으며, 에너지 함량은 30-50% 만큼 증가하였다.
본 발명의 일 형태에서, 공급원료는 전처리 후에 하기 특성을 나타낸다:
물 함량 범위 ~5% 내지 ~80% 수분; 및
탄소 함량 범위 15% 내지 98%.
본 발명의 일 형태에서, 셀룰로스계 리그닌으로부터 제조된 전형적인 경화된 응집체는 하기 특성을 나타낸다:
* 펠렛 직경: 10 mm 내지 25 mm
* 내충격성 지수(1.85 m 낙하): 350 내지 500
* 벌크 펠렛 강도 - 25 kPa 하중에서의 3-축 "벌크 탄성률": 350 kPa(50 kPa 하중에서는 500kPa)
* 내수성(전체 침지 후에 잔류하는 펠렛): 100%
* Nil 자연 연소(Nil spontaneous combustion) 특징.
본 발명의 일 형태에서, 응집체는 하나 이상의 바이오매스 스트림 및 결합 시약과 배합되어 3차 응집 혼합물을 생성한다. 바람직하게, 본 방법은 중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 3차 응집 혼합물을 도입하여 층상 응집체를 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명자들은 2차 코팅을 가진 응집체의 생성을 위한 시드 입자로서 응집체를 사용할 수 있음을 이해한다. 공정을 반복하여 상이한 특성을 나타내는 다층을 가진 층상 응집체를 생성할 수 있음이 추가로 예상된다.
본 발명의 일 형태에서, 본 방법은 응집 혼합물에 시드 입자를 첨가하는 단계를 추가로 포함한다. 바람직하게, 시드 입자는 중합된 결합제 및 하나 이상의 바이오매스 스트림과 함께 응집핵으로서 작용하여 시드 입자 주위에 코팅을 형성한다. 시드 입자는 합성 또는 천연 유기 물질일 수 있음이 예상된다. 본 발명의 일 형태에서, 시드 입자는 고무 과립이다. 본 발명자들은 고무를 시드 입자로서 사용하는 것이 타이어와 같은 고무 폐기물이 중합된 결합제 및 하나 이상의 바이오매스 스트림의 층에 의해 캡슐화되는 것을 가능하게 함을 이해한다. 유리하게, 이러한 입자의 연소, 가스화, 또는 열분해는 고무의 원위치 열분해를 야기하는 높은 과립 코어 온도 및 과립의 우수한 가스 전달 특징을 유발한다. 이는 최소 오염물질 생성을 유발한다. 시드 입자는 또한 다른 유기 폐기물, 예컨대 플라스틱, 포말, 및 절연재 중에서 선택될 수 있음이 예상된다.
본 발명의 추가의 태양에 따라, 상기 공정 중 임의의 것에 의해 생성되는 응집체가 제공된다.
본 발명의 추가의 특징이 그의 2개의 비제한적인 실시 형태의 하기 설명에 더욱 완전하게 기재된다. 이 설명은 단지 본 발명을 예시하는 목적으로 포함된다. 그것은 상기 나열된 바와 같은 본 발명의 개요, 개시내용, 또는 설명에 대한 한정으로서 이해되어서는 안된다. 첨부 도면을 참조하여 설명하고자 하며, 여기에서,
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가연성 연료 공급원의 제조에 대한 흐름도이다.
실시 형태의 설명
본 명세서 전체에 걸쳐, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단어 "포함하다" 또는 그의 변형, 예컨대 "포함한다" 또는 "포함하는"은 언급된 정수 또는 정수의 그룹을 포함하지만 임의의 다른 정수 또는 정수의 그룹을 배제하지는 않음을 시사하는 것으로 이해될 것이다.
도 1에는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 바이오연료로 사용하기에 적합한 응집체(14)를 생성하는 방법(10)을 나타낸다. 방법(10)은 하나 이상의 유기 폐기물 공급원료(16)를 이용하는 응집체(14)의 생성을 가능하게 한다. 유기 폐기물 공급원료(16)는 전처리 단계(18)를 거친다. 전처리 단계(18)는 추가의 가공을 위한 유기 공급원료를 제조하며 하기 전처리 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 처리된 유기 공급원료(20)를 생성하기 위한 스크리닝, 파쇄, 마쇄, 및 탈수.필요한 전처리 단계는 유기 공급원료(16)의 물리적 특성에 의존하며 전술한 전처리 단계 중 하나 이상이 필요하지 않을 수 있다.
처리된 유기 공급원료(20)는 혼합 단계(22) 내로 공급되며, 여기에서 그것은 하나 이상의 결합 시약(24)과 혼합되어 응집 혼합물(26)을 생성한다. 필요한 경우, 부가적인 물(28)이 응집 혼합물(26)에 첨가될 수 있다. 응집 혼합물(26)은 중합 활성화제(31)의 존재 하에 제1 응집 단계(30) 내로 공급되어 응집체(32)를 생성한다. 이어서, 응집체(32)는 제2 응집 단계(34)로 진행하며, 여기에서 표면 개질제(36)가 응집체(32) 상에 분무되어 제2 응집체(38)를 생성한다. 제2 응집체(38)는 정확한 물리적 규격을 보장하기 위한 스크리닝 단계(40)를 거친다. 불만족스러운 응집체(41)는 추가의 가공을 위해 혼합 단계(32)로 복귀된다. 이어서, 만족스러운 응집체는 녹색 산물 경화 단계(42)로 진행하며, 경화된 응집체(14)를 생성하기 위한 최종 산물 경화 단계(44)가 이어진다.
실시예 1
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 이탈리아 소재의 Cresentino Cellulosic Ethanol 공장으로부터 공급된 셀룰로스계 리그닌 폐기물을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 스티렌 아크릴 에멀젼이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 개시제 시약의 존재 하의 디에틸렌 글리콜이었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
실시예 2
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 대한민국 서울 소재의 Korean R&D 실험실로부터 공급된 셀룰로스계 리그닌 폐기물을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 스티렌 아크릴 에멀젼이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 개시제 시약의 존재 하의 디에틸렌 글리콜이었다.
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
실시예 3
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 퀸즐랜드 대학교 및 서던 퀸즐랜드 대학교로부터 공급된 닭 깃(chicken litter)을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 메톡시실란 용액이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 개시제 시약의 존재 하의 디에틸렌 글리콜이었다.
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
실시예 4
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 이탈리아 소재의 롬바르디아로부터 공급된 닭 깃을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 메톡시실란 용액이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 개시제 시약의 존재 하의 디에틸렌 글리콜이었다.
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
Figure pct00016
실시예 5
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 몬테네그로로부터 공급된 미세 절단 소나무 톱밥을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 메톡시실란 용액이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 용액 개시제 시약의 존재 하의 실릴 아세테이트였다.
Figure pct00017
Figure pct00018
Figure pct00019
Figure pct00020
실시예 6
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 스코틀랜드로부터 공급된 미세 절단 소나무 톱밥을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다.
사용된 결합제 시약은 메톡시실란 용액이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 용액 개시제 시약의 존재 하의 실릴 아세테이트였다.
Figure pct00021
Figure pct00022
Figure pct00023
Figure pct00024
실시예 7
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 퀸즐랜드 대학교로부터 공급된 하수 소화물(sewage digestate)과 퀸즐랜드에서 공급된 버개스 퇴비의 혼합물을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다. 유기 공급원료의 혼합물은 건조 중량을 기준으로 50:50이었다.
사용된 결합제 시약은 스티렌 아크릴 에멀젼이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 개시제 시약의 존재 하의 디에틸렌 글리콜이었다.
Figure pct00025
Figure pct00026
Figure pct00027
Figure pct00028
실시예 8
연료 공급원으로 사용하기에 적합한 응집체는 각각 이탈리아 롬바르디아로부터 공급된 하수 소화물과 미세 절단 소나무 톱밥의 혼합물을 유기 공급원료로 사용하여 제조하였다. 유기 공급원료의 혼합물은 건조 중량을 기준으로 50:50이었다.
사용된 결합제 시약은 메톡시실란 용액이었다.
중합 활성화제는 암모늄 퍼설페이트 용액 개시제 시약의 존재 하의 실릴 아세테이트였다.
Figure pct00029
Figure pct00030
Figure pct00031
Figure pct00032

Claims (24)

  1. 공급원료(feedstock)를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계; 및
    중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계를 포함하는, 적어도 하나의 바이오매스 스트림(biomass stream)을 포함하는 공급원료로부터 응집체를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계가 응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 일어남으로써, 하기 단계를 포함하는 방법:
    공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하여 응집 혼합물을 생성하는 단계; 이어서
    중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 응집 혼합물을 도입하여 응집체를 생성하는 단계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    응집 장치 내로 공급원료를 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 중합 활성화제를 공급원료 및 하나 이상의 결합 시약과 접촉시키는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    응집 장치 내로 공급원료를 도입함과 동시에, 또는 그 후에 중합 활성화제를 공급원료 및 하나 이상의 결합 시약과 접촉시키는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합 활성화제의 존재 하에 응집 장치 내로 응집 혼합물을 도입하여 응집체를 생성하는 단계 전에 하나 이상의 추가의 바이오매스 스트림 및/또는 결합 시약을 응집 혼합물과 배합하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 결합 시약이 중합되거나 가교결합될 수 있는 시약을 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 결합 시약이 단량체 기반의 화합물인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 결합 시약이 스티렌 단량체 화합물 또는 규소 단량체 화합물인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 결합 시약이 계면활성제를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합 활성화제가 하나 이상의 결합 시약의 중합 또는 가교결합을 개시하는 물질인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합 활성화제가 단량체 가교결합 화합물인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    응집체가 응집체의 외측 층을 경화시키거나 밀봉하기 위한 추가의 처리를 받을 수 있는 방법.
  13. 제14항에 있어서,
    추가의 처리가 응집체의 표면에 표면 개질제를 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 결합 시약과 개시제 시약의 접촉을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급원료의 전처리 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제16항에 있어서,
    공급원료를 하나 이상의 결합 시약과 배합하는 단계 전에 공급원료의 전처리 단계가 일어나는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    공급원료의 전처리 단계가 더욱 구체적으로 공급원료의 스크리닝, 파쇄(shredding), 마쇄(grinding), 또는 크기 감소 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    전처리 단계 후에 공급원료의 물 함량 범위가 5% 내지 80% 수분인 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    전처리 단계 후의 특성에 따라 공급원료의 탄소 함량 범위가 15% 내지 98%인 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    응집체를 경화시키는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    응집체를 경화시키는 단계가 연마(polishing) 기간 동안 응집체를 연마하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    응집체를 경화시키는 단계가 응집체를 건조 재료(desiccation material)로 코팅하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    응집체가 펠렛(pellet) 또는 과립인 방법.
  24. 청구항에 있어서, 응집체가 가연성 연료 공급원으로 사용하기에 적합한 방법.
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