KR20210141648A - 증기-폭발 장비 및 유기 재료의 처리를 위한 방법 - Google Patents

증기-폭발 장비 및 유기 재료의 처리를 위한 방법 Download PDF

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이미르 테크놀로지즈 이에이치에프.
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Abstract

부가가치 제품들로 추가 처리하기 위한 유기 재료의 전처리를 위한 연속-흐름 증기 폭발 반응기(continuous-flow steam explosion reactor)가 제공된다. 상기 반응기는 로딩 섹션, 속도-조절 가능한 컨베이어를 가진 고압 유지 섹션, 압력 방출(pressure relief) 섹션, 및 배출 섹션을 포함한다. 상기 반응기는 압력을 더 증가시키기 위해 적어도 상기 고압 유지 섹션 내부로 증기를 제공하기 위한 수단과 가압 기체(예컨대, 공기)를 제공하기 위한 수단을 포함한다. 상기 로딩 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압과 고온을 유지하는 동안 주위 압력으로부터 상기 고압 유지 섹션으로 재료를 전달하도록 적절하게 구성되며, 상기 압력 방출 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압을 유지하는 동안 상기 고압 유지 섹션으로부터 배출 섹션으로 재료를 전달하도록 구성된다. 상기 압력 방출 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압을 유지하는 동안 압력 저하에 의해 상기 배출 섹션으로 재료를 방출하도록 구성된다.

Description

증기-폭발 장비 및 유기 재료의 처리를 위한 방법
본 발명은 유기 재료로부터 부가가치 제품들의 생산을 위한 추가적인 공정에 앞서 유리한 전처리로서 반-연속적인 증기-폭발과 유기 재료의 가수분해를 위한 장비와 방법에 관한 것이다.
바이오매스(biomass)의 증기 폭발(steam explosion)은 섬유들을 발포시키는 전처리 공정이며, 바이오매스 폴리머들을 후속 공정들, 즉 발효, 가수분해 또는 치밀화(densification) 공정들에 더욱 접근하기 쉽게 만든다. 목재와 같은 바이오매스 재료들은 높은 기계적 강도를 가진 복합 재료이다. 주된 성분들은 리그닌과 헤미셀룰로오스의 매트릭스 내에 내포된 셀룰로오스이다. 이들은 함께 섬유 다발들(fiber bundles)을 형성하는 밀접하게 패킹된 셀형 구조체들(섬유들)을 형성하며, 목재와 같은 바이오매스 조직들을 위한 베이스이다. 이들의 자연적인 기능은 높은 기계적 하중을 지탱하고 미생물들을 통한 화학적 및 효소적 분해에 저항하는 것이다. 증기 폭발은, 당질(sugar) 및 다른 유용한 화합물들의 회수를 향상시키기 위해, 바이오매스 섬유들을 발포시키는 데 유익하고 중요한 기술인 것으로 알려졌다. 이는 또한 열량을 증가시키기 위해, 그리고 바이오매스의 팰릿화 특성(palletizing property)을 향상시키기 위해, 고체 바이오 연료 팰릿들의 생산을 위한 전처리 공정으로서 제안되었다.
증기 폭발은 1926년에 Mason 등에 의해 바이오매스 전처리 공정으로서 도입되었으며 특허를 받았다. 이 특허는 목재의 전처리를 위한 증기 폭발 공정을 서술한다. 이 공정에서, 목재 칩들은 통으로부터 메이소나이트 건(masonite gun) 내의 스크류 로딩 밸브를 통해 공급된다. 그 다음에, 칩들은 대략 285℃의 온도와 3.5 MPa의 압력에서 대략 2분 동안 증기 가열된다. 압력은 대략 5초 동안 대략 7 MPa(70bar)로 빠르게 증가하고, 그 다음에 칩들은 한정된 오리피스들(슬롯형 포트)을 통해 배출되며 대기압에서 폭발하여 펄프가 된다.
일반적으로, 증기 폭발은, 바이오매스가 압력(1 내지 3.5MPa)하에서 고온의 증기(180 내지 240℃)로 처리되고 뒤이어 바이오매스의 폭발적 감압에 의해 바이오매스 섬유들의 강성 구조의 파열을 초래하는 공정이다. 갑작스런 압력 방출은 셀룰로오스 다발들을 섬유분리(defibrillate)시키며, 이는 효소 가수분해와 발효를 위한 셀룰로오스의 더 양호한 접근성을 초래한다. 체류 시간과 온도에 따라, 증기 폭발은 목재 구조 내의 작은 균열들로부터 목재 섬유들의 전체 섬유분리(defibrillation)까지 무엇이든 초래할 수 있다.
배치 작동 및 연속 모드 증기 폭발 반응기들 둘 다 본 기술 분야에 알려져 있지만, 특히 연속 증기 폭발 기기 장치의 편성은 기술적으로 매우 도전적이다. 예컨대 연속 작동에서 높은-압력을 유지하고, 에너지 효율을 증가시키며, 기기 장치의 부담을 감소시킴으로써, 개선된 효율과 경제성을 가진 개선된 연속-흐름 증기 폭발 반응기들은 매우 감사할 수 있을 것이다.
본 발명의 증기 폭발 반응기(steam explosion reactor)는 콤팩트한 섬유 재료들의 완강한 구조의 갑작스런 분열을 유발하여 이들을 효율적인 가수분해와 예컨대 발효(fermentation)를 통한 후속된 분해에 접근하기 쉽도록 만든다. 상기 증기 폭발 유닛은 추가적으로, 도입된 유기 폐기 재료, 예컨대 셀룰로오스, 리그닌, 단백질 및 지방/오일의 가수분해 및/또는 비누화 뿐만 아니라 폐기물 스트림으로부터 용해성 탄화수소, 아미노산 또는 팹타이드 및 지방산과 이들의 염의 추출을 수행한다. 상기 증기 폭발 전처리 공정은 다수의 목적들: i) 콤팩트한 섬유 재료의 구조의 파열, ⅱ) 예컨대, 리그닌과 셀룰로오스 재료와 같은 낮은 생체-이용가능성의 재료의 적어도 부분적인 분해, ⅲ) 유기 재료의 사전-가수분해, ⅳ) 고체 기재로부터 영양(nutrition)의 수용성 추출, 및 ⅴ) 모든 재료의 살균에 공헌한다.
공정 내에서의 살균은 하류 제품들(downstream products)을 위한 유용성을 넓게 향상시키기 때문에 매우 유리하다. 현재, 예컨대, 폐기물이 바람직하지 않은 박테리아에 의해 오염될 수 있는 도축장 시설 또는 생선 또는 음식물 처리 공장으로부터의 특정 폐기물 스트림 뿐만 아니라 종종 상당한 양의 소변과 대변을 가진 사용된 기저귀를 포함하는 가정 폐기물을 효과적으로 사용하는 것은 도전적이다. 증기 폭발 처리는, 재료의 해체 및 가수분해에 추가하여, 바람직한 살균을 제공한다. 많은 나라들과 지역들에서, 예컨대 퇴비화를 위해 도축장 폐기물, 음식 폐기물 또는 다른 잠재적으로 세균성 폐기물의 사용은 고압살균 등에 의한 살균을 요구한다. 본 시스템은 퇴비 재료의 이러한 필요한 살균을 제공하며, 이에 따라 더욱 용인될 수 있으며 더 높은 가치의 제품을 제공한다.
본 발명의 가장 기본적인 구현에 있어서, 본 발명은 로딩 섹션, 고압 유지 섹션, 압력 방출 섹션 및 배출 섹션을 포함하는 증기 폭발 반응기에 관한 것으로서, 상기 고압 유지 섹션은 상기 섹션을 통해 상기 재료의 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 속도-조절 가능한 컨베이어를 포함한다. 알칼리성 조건하에서 작동될 때, 상기 증기 폭발 반응기는 선택적으로 적어도 하나의 통합된 이산화탄소 스크러빙(scrubbing) 유닛을 더 포함할 수 있으며, 이는 유리하게는 상기 증기 폭발 반응기와 동시에 작동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 증기 폭발 반응기는 적어도 상기 고압 유지 섹션 내부로 증기를 제공하기 위한 증기 제공 수단을 포함하며, 몇몇 실시예들에서, 증기는 상기 로딩 섹션 및/또는 압력 방출 섹션에도 제공된다. 유리한 실시예들에서, 상기 증기 폭발 반응기는 상기 반응기의 선택된 격실들 내부로 가압 기체를 제공하기 위해 가압 기체의 소스에 연결된 기체 제공 수단을 더 포함한다. 가압 기체는 가압 공기를 포함할 수 있지만, 다른 실시예들에서 대체 가능한 기체들이 사용되거나, 또는 다른 기체 화합물, 예컨대 특히 이산화탄소로 보충된 가압 공기가 사용될 수 있으며, 이에 대해서는 여기서 더 설명될 것이다. 가압 기체는 고압을 발생시키기 위한 증기의 적어도 부분을 보충하도록 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 가압 기체는 고압 유지 섹션에 제공된다. 다른 실시예들에서, 가압 기체는 로딩 섹션과 압력 방출 섹션 중 하나 이상에 추가적으로 또는 선택적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 일 측면은, 이러한 재료로부터 부가가치 제품들의 생산을 위한 추가적인 처리에 앞서 유리한 처리로서, 증기 폭발 및 가수분해에 의해 유기 재료의 전처리를 위한 장비와 방법에 관련된다.
연속적인 또는 반-연속적인 증기 폭발 공정과 장치는 부가가치 제품으로의 후속 변환의 촉진을 위해 유기 재료의 처리를 위한 것이다. 상기 증기 폭발 공정에서 처리된 유기 재료는 다양한 오리진(origin)과 조성일 수 있다. 본 발명의 시스템과 공정은 일반적으로 유기 폐기물, 또는 대부분 유기 물질을 포함하는 폐기물에 대한 것이며, 이들은 미리 분류되거나 분류되지 않을 수 있고, 예컨대 일반적인 가정 폐기물로부터의 유기 폐기물일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 따라서, 처리를 위해 수용된 폐기 재료는 다음: 가정 폐기물, 도축방 폐기물, 음식물 산업 폐기물, 어업 폐기물, 식물성 오일 및 이유 산업으로부터의 폐기물, 하수 슬러지, 하수 그리스 및 오일, 밀짚 또는 다른 짚과 같은 농업 폐기물, 왕겨, 두부 잔여물, 및 풀과 동물 비료, 정원 폐기물 및 폐기 목재 중하나 이상 또는 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 증기 폭발에서 생산된 제품 스트림으로부터 도출된 부가가치 제품들은 혐기성 소화를 통해 생산된 메탄, 발효를 통해 생산된 에탄올, 토양-개선 퇴비 및 바이오디젤을 포함한다. 이러한 제품들 또는 이러한 제품들 중 하나 이상의 조합은, 적용된 분리 공정과 공급물의 특성에 따라, 증기-폭발된 재료의 다양한 부분들로부터 실현될 수 있다.
또한, 증기 폭발 기구는 종이 제조를 위한, 예를 들어, 목재의 펄프화를 위한 원재료의 전처리를 위해 사용될 수 있으며, 종이 제조 또는 다른 용도를 위한 대체 가능한 원재료의 전처리를 위해 사용될 수 있다.
알칼리성 조건하에서 증기 폭발을 작동시킬 때, 수용성 알칼리성 추출물과 고체 기재(solid substrate)는 다음으로, 아래에서 설명되는 바와 같이, 바람직하게는 통합된 이산화탄소 스크러버 내에서 pH가 낮춰진다.
상기 고압 유지 섹션으로 도입에 앞서, 유입되는 재료는 바람직하게는 습윤(wetting) 및 혼합 섹션을 포함할 수 있는 전처리 섹션을 통해 공급되며, 여기서 원하는 고체 대 액체 비율을 얻기 위해 스트림에 물이 추가될 수 있고, 후속 알칼리성 증기 폭발을 위해 pH가 영향을 받을 수 있으며, 알칼리성 용액은 습윤 및 혼합 섹션 내에서 스트림 내부에 혼합된다. 상기 습윤 및 혼합 섹션은 바람직하게는 상부 공급 이송 믹서와 습윤 아마추어(wetting armature), 예컨대 하나 이상의 습윤 노즐들을 포함한다. 상기 습윤 및 혼합 섹션의 출구 포트는 로딩 섹션을 통해, 예컨대, 여기서 설명되는 밸브 조립체에 의해, 고압 유지 섹션에 연결된다. 유용한 실시예들에서, 상기 로딩 섹션은 회전식 투여 밸브(rotary dosing valve)를 포함하며, 더욱 바람직하게는 회전식 투여 밸브와 고압 회전식 배출 밸브의 직렬 조합을 포함한다. 이 실시예에서, 회전식 투여 밸브는 기재의 적합한 크기의 투여량이 고압 유지 섹션으로 전달되기 전에 고압 회전식 배출 밸브의 격실 내부에 로딩되도록 보장한다. 다른 실시예에서, 습윤 및 혼합 섹션과 고압 유지 섹션 사이에 별개의 로딩 격실이 제공된다. 본 발명에 일반적으로 적용될 수 있는 특정 실시예들을 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 이 격실은 고압 입구 및 출구 밸브들에 의해 한정된다. 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 증기 폭발 반응기의 고압 유지 섹션까지의 연결은, 고압 유지 섹션 내에서 고압이 계속적으로 유지되는 동안, 재료가 주위 압력의 습윤 및 혼합 섹션으로부터 고압 유지 섹션으로 연속적으로 또는 반-연속적으로 이송될 수 있도록 보장한다.
상기 고압 유지 섹션에서, 로딩된 기재는 적합한 수단, 예컨대, 속도 조절 가능한 컨베이어 또는 홉함 컨베이어, 바람직하게는 스크류 컨베이어 또는 혼합 스크류 컨베이어에 의해 로딩 지점으로부터 출구 지점까지 이송된다. 상기 고압 유지 섹션은 적어도 하나의 바람직하게는 두 개 이상의 증기 주입 포트들과, 로딩 및 방출 단부들 각각에 회전식 밸브들 또는 분리된 전달 격실들을 구비하며, 이는 일단부에 적어도 하나의 회전식 밸브, 바람직하게는 두 개의 회전식 밸브들이 있고 타단부에 적어도 하나의 전달 격실이 있거나, 또는 각각의 단부에 적어도 하나의, 바람직하게는 두 개의 회전식 밸브들이 있거나, 또는 각각의 단부에 적어도 하나의 전달 격실이 있을 수 있다는 것을 의미한다. 이들은 바람직하게는 각각 적절한 증기 주입 포트들과 압력 방출 포트들을 구비하며, 유리하게는 고압 유지 섹션 내의 압력 저하가 작동 중에 최소가 되도록 동기화되며, 고압 유지 섹션 내에서의 유지 시간은 이송 속도의 조절에 의해 넓은 범위로 조절될 수 있고, 이송 속도는 로딩 및 방출 밸브들/격실들의 로딩 및 방출 메커니즘과 동기화된다. 상기 동기화는 유리하게는 PLC 시스템과 같은 제어 유닛을 통해 제어된다.
상기 증기 폭발 유닛은, 몇몇 실시예들에서, 분쇄(grinding) 및/또는 균질화 유닛을 더 포함하며, 이 유닛은 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 공급하는 습윤 및 혼합 섹션의 상류에 배치된다. 상기 분쇄/균질화 유닛은 본 발명에 따른 추가적인 처리에 앞서 유입되는 재료의 분쇄, 및/또는 파쇄 또는 유사한 기계적 처리를 위한, 기술자에게 잘 알려진, 임의의 적합한 기계적 타입일 수 있다.
증기 폭발 처리를 연속적 또는 반-연속적 방식으로 작동하는 것이 특히 유리하며, 이는 공정 내에서 가수분해의 촉진을 위해, 바람직하게는 알칼리성 또는 산성 용액 내에 도입된 재료를 고압과 고온을 겪게 하고, 예컨대, 고압 회전식 방출 밸브, 또는 분리된 격실을 통해 갑작스런 압력 저하를 통해 재료를 배출한다. 적합한 구성은 이하에서 설명되며, 고압 유지 섹션은 높은 작동 압력과 온도에서 유지되고, 기재 재료는 고압 유지 섹션의 상당한 압력 또는 온도 방출 없이 연속적으로 또는 반-연속적으로 도입되고 배출된다. 이는 배치(batch)-작동 증기 폭발과 비교하여 효율을 증가시키고 에너지 요구를 감소시킨다.
요구되는 에너지의 추가적인 감소는, 몇몇 실시예들에서, 이 공정을 위해 일반적으로 요구되는 고압 증기를 상술한 바와 같이 가압 기체, 예컨대 일반적으로 가압 공기로 부분적으로 대체함에 의해 증기 폭발 공정을 보조함으로써 달성된다. 이러한 구성에서, 원하는 온도는 일반적으로 증기 주입을 통해 달성되지만, 원하는 압력은 가압 기체, 예컨대 공기의 주입을 통해 달성될 수 있다. 이는 상기 증기 폭발 장비의 모든 고온/고압 섹션들에 적용되거나, 또는 아래에서 설명하는 바와 같이 증기 폭발 장비의 압력 방출 섹션에 한정될 수 있다.
증기 폭발 공정에서 대상 재료의 가수분해 및 구조적 분열의 촉진을 위해, 몇몇 실시예들에서, 가압 공기는 CO2의 분압, 바람직하게는 공기 혼합물이 제공되는 각개의 섹션/챔버 내의 온도와 압력 범위에서 얻을 수 있는 CO2의 분압에 비해 CO2의 높은 분압을 포함할 수 있다. 이 실시예는 대상 재료 내부로의 CO2 침투를 촉진시키고, 산 촉진된 가수분해를 통해 내부 분해를 촉진시키며, 추가적으로 공정의 압력 방출 단계에서 상기 재료의 기계적 분열을 지원하는 역할을 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 증기 폭발 반응기는 압력 방출 섹션을 포함한다. 압력 방출 섹션이라는 용어는 일반적으로 고압의 처리된 재료가 방출되면서 폭발적 분열 반응을 초래하는 반응기 조립체의 섹션을 지칭한다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 압력 방출 섹션은 고압 유지 섹션으로부터 재료를 배출하기 위해 사용되는, 예컨대 회전식 투여 밸브와 회전식 배출 밸브를 가진, 이중 밸브 조립체를 포함하며, 회전식 배출 밸브는 밸브의 방출 격실과 재료의 스트림을 수용하는 아래의 인접한 공간으로부터 증기 폭발이 일어나도록 기재를 낮은 압력의 영역(배출 섹션)으로 방출한다. 다른 실시예들에서, 상기 압력 방출 섹션은 고압 밸브들에 의해 고압 유지 섹션과 저압 수용 섹션/배출 섹션으로부터 분리된 별개의 챔버를 구성하며, 이러한 구성에서 상기 밸브들은 플로팅 볼 밸브, 회전식 볼 밸브, 나이프 게이트 밸브, 및 슬라이드 게이트 밸브로부터 독립적으로 선택되지만 이에 한정되지는 않는다.
다른 실시예들에서, 상기 압력 방출 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브, 압력 방출 밸브 및 적어도 하나의 출구 밸브에 의해 한정된 챔버를 포함한다. 이 실시예들에서, 상기 챔버는 로딩 밸브를 통해 측부로부터 로딩되고, 압력은 로딩 포트 위로부터 압력 방출 밸브를 통해 방출되며, 상기 챔버는 출구 밸브를 통해 바닥으로부터 배출된다. 상기 챔버는 미리 결정된 범위 내의 기재의 양을 수용하고 압력 방출 증기 폭발 동작을 수용하도록 적합한 크기를 가진다. 유용한 실시예들에서, 상기 압력 방출 밸브는 상기 챔버의 상측 부분과, 탈출하는 증기 및/또는 기체를 수용하기 위해 상기 압력 방출 밸브로부터 연장된 방출 도관에 연결된다. 이 실시예들에서, 아래에서 설명되는 바와 같이, 폭발적 압력 방출은 위쪽으로 향하며, 기체와 증기는 열 회수를 위한 응축기를 통해 방출된다. 다른 한편, 기재 재료는 압력 방출 챔버의 한계를 넘어서 팽창되지 않으며, 압력 방출 챔버 위에 압력 방출 밸브가 배치된다. 이 실시예는 고체 재료가 폭발 단계에서 방출 밸브를 통해 전달되지 않기 때문에 유리하며, 이에 따라 마모로 인해 또는 고체 입자들을 통해 밀봉에 손상을 주는 밀봉 문제의 가능성을 현저하게 감소시킨다. 또한, 이 실시예는 압력 방출 섹션 내에서 고속 고체 재료에 의해 초래된 기계적 부식이 최소화되기 때문에 유리하다. 이 실시예에서, 대상 재료는, 증기 폭발이 일어나고 압력이 실질적으로 낮아진 후에 별개의 단계에서 추가적인 처리를 위해, 압력 방출 챔버의 바닥으로부터 출구 밸브를 통해 배출된다. 이 실시예들 중 일부에서, 기재 재료가 압력 방출 밸브와 접촉되는 것을 방지 또는 최소화하기 위해, 메쉬(mesh), 플랜지, 천공 플레이트 또는 콘(cone)과 같은 스플래쉬-가드(splash-guard)가 압력 방출 밸브 아래에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 출구 밸브를 통한 증기 폭발된 재료의 배출을 가속시키기 위해, 압력 방출 후에 기체(예컨대, 공기)를 주입하기 위한 가압 기체 주입 수단이 상기 챔버의 상측 부분에 설치된다.
이에 따라, 본 발명의 일 측면은 부가가치 제품들로 추가 처리하기 위한 유기 재료의 전처리를 위한 연속-흐름 또는 반-연속 흐름 증기 폭발 반응기를 제공하며, 상기 반응기는 로딩 섹션, 고압 유지 섹션, 압력 방출(pressure relief) 섹션, 및 배출 섹션을 포함하며, 상기 로딩 섹션은 고압 유지 섹션 내에 고압이 연속적으로 유지되는 동안 고압 유지 섹션에 주기적으로 로딩하는 역할을 하고, 압력 방출 섹션은 고압 유지 섹션의 압력을 계속적으로 유지하면서 고압 유지 섹션으로부터 주기적으로 재료를 수용하고 압력 방출을 통해 상기 재료의 증기 폭발을 실현시키는 역할을 하며, 상기 수용 섹션은 압력 방출 섹션으로부터 재료를 수용하는 역할을 한다.
본 발명의 다른 측면은, 회전식 투여 밸브를 포함하는, 더욱 바람직하게는 회전식 투여 밸브와 회전식 배출 밸브의 직렬 조합을 포함하는 상기 로딩 섹션 및/또는 상기 압력 방출 섹션에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은, 각각(또는 어느 하나가) 두 개의 고압 밸브들, 바람직하게는 플로팅 볼 밸브들 또는 다른 적합한 밸브들 또는 밸브들의 조합에 의해 한정된 별개의 챔버를 포함하는 상기 로딩 섹션 및/또는 상기 압력 방출 섹션에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 세 개의 고압 밸브들에 의해 한정된 별개의 챔버로 구성된 상기 압력 방출 섹션에 관한 것으로, 상기 압력 방출 섹션은 고압 유지 섹션을 압력 방출 섹션으로부터 분리시키는 고압 밸브를 통해 상기 고압 유지 섹션으로부터 측부로부터 공급을 받는다. 이 실시예들에서, 압력 방출은 공급 포트 위에 배치된 압력 방출 밸브를 통해 위쪽으로 향하며, 압력 방출 밸브는 방출 도관으로 이어지고, 방출 도관은 탈출하는 증기와 기체를 수용하기 위해 상기 압력 방출 밸브로부터 연장되고 바람직하게는 열 회수를 위한 응축기와 연결된다. 기재는 압력 방출 후에 챔버의 바닥에서 출구 밸브를 통해 배출 섹션으로 방출된다.
이 실시예는, 고체 재료가 방출 단계에서 방출 밸브를 통해 전달되지 않기 때문에 유리하며, 이에 따라 마모 또는 고체 입자들에 기안한 밀봉 문제점의 가능성을 현저하게 감소시킨다. 압력 방출 공정에서 재료 비산으로부터 방출 밸브의 추가적인 보호는 방출 밸브 아래에 배치된 방호 메쉬 또는 메쉬들 또는 방호 칼라/칼라들을 통해 달성될 수 있다. 이 실시예는 또한 압력 방출 섹션 내에서 고속의 고체 재료에 의해 초래된 기계적 부식이 방지되기 때문에 유리하다.
고압 유지 섹션과 로딩 섹션은 적절하게는 상술한 바와 같고, 압력 방출 섹션은 상술한 바와 같이, 챔버의 상측 부분에 연결된 압력 방출 밸브를 가진 챔버와, 상기 압력 방출 밸브로부터 연장되어 탈출하는 증기를 수용하기 위한 방출 도관을 포함하고, 상기 챔버는 고압에서 작동하도록 구성되고 압력 방출 밸브를 통한 갑작스런 압력의 방출을 허용하도록 구성되며, 압력 방출 후에 기재의 배출을 위한 배출 밸브를 가진 출구 포트를 가진다.
본 발명의 다른 측면은 압력 방출 섹션 내부로 방출하기 전에 원하는 증기 폭발 압력에 도달하기 위해 가압 기체, 바람직하게는 공기의 사용에 관한 것이다. 이 실시예에서, 원하는 온도는 고압 증기 주입을 통해 도달되지만, 보다 경제적인 작동을 위해 최종 방출 압력 및/또는 처리 압력은 가압 기체, 바람직하게는 공기의 추가적인 주입에 의해 도달된다.
본 발명의 다른 측면은 CO2와 혼합된, 바람직하게는 높은 분압의 CO2와 혼합된 가압 기체, 바람직하게는 공기의 사용에 관한 것이다. 이 실시예에서, CO2는 고압 영역에서 증기 폭발 매체 내에 용해되며 대상 재료를 관통함으로써, 증기 폭발 공정의 압력 방출 단계에서 구조적 분열을 촉진시킨다. 더욱이, 용해된 CO2의 산성 성질은 증기 폭발 공정 중에 가수분해를 촉진시킨다. 특히, CO2가 목재와 같은 재료를 관통하는 경우에, 이 재료의 내부의 셀룰로오스 부분의 산-촉진된 가수분해는 구조적 완전성을 감소시킨다. 이는 증기 폭발 공정에서 이러한 재료를 더욱 취약하게 만들고, 분열을 촉진시키며, 이에 따라 추가적인 처리를 위해 더 접근하기 쉽도록 만든다.
본 발명의 다른 측면은 증기 폭발 및 가수분해 장비와 스크러버의 조합에 관한 것이며, 상기 스크러버 내에서, 증기 폭발 재료는 증기 폭발 장비의 배출 섹션 내에서 대향류 구성으로 CO2 농후 기체 스트림과 접촉하게 된다. 이 실시예에서, 증기 폭발 및 가수분해는 알칼리성 매체 내에서 수행되며, 이는 배출 섹션 내에서 대향류 기체 스트림 내에 포함된 CO2 및 다른 산성 성분들을 위한 흡착제로서 역할을 한다. 이 성분들은 H2S, SOx 및 NOx를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
이산화탄소 스크러빙을 포함하는 실시예들은 전처리된 유기 재료가 후속하여 메탄의 생산을 위한 혐기성 소화에 제공되는 경우에 특히 유리하다. 여기서, 스크러버는 이 공정에서 생산된 CO2 농후 메탄 가스로부터 CO2 성분 및 다른 산성 성분들을 제거하는 역할을 한다. 또한, 통합된 스크러버는 전처리된 유기 재료가 에탄올의 생산을 위해 발효되는 경우 또는 CO2 성분 및 다른 산성 성분들의 제거가 요구되거나 유리한 다른 공정들에서 CO2를 결합하는 역할을 한다.
본 발명은 상술한 공정 단계들과 장비로 고체 유기 재료를 전처리하기 위한 공정을 더 제공한다. 따라서, 일 측면에서, 본 발명은 증기 폭발적 분열을 수반하며 고체 유기 재료를 추가적인 후속 처리에 더욱 접근하기 쉽게 만드는, 고체 유기 재료의 처리를 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은:
a) 고체 유기 재료를 포함하는 재료 스트림을 수용하는 단계,
b) 상기 스트림을 습윤(wetting) 및 혼합 섹션 내부로 도입하고 고체 유기 재료를 습윤 및 혼합시키는 단계,
c) 상기 스트림을 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 로딩 섹션의 로딩 밸브를 통해 로딩 격실(loading compartment) 내부로 이송하는 단계,
d) 상기 로딩 격실 내에 증기, 또는 가압 공기와 같은 가압 기체를 도입함으로써 상기 로딩 격실 내의 압력을 증가시키는 단계,
e) 재료를 상기 로딩 격실로부터 고압 유지 섹션으로 방출시키는 단계,
f) 170 내지 250℃의 범위 내의 고온과 10 내지 40 bar의 범위 내의 고압을 겪는 동안 재료를 상기 고압 유지 섹션을 통해 연속적으로 공급하는 단계,
g) 상기 고압 유지 섹션을 통해 공급된 재료 투여량(material dose)을 밸브를 통해 배출 격실로 전달하고, 상기 재료 투여량에 대해 증기 폭발 효과를 이루기 위해 상기 배출 격실로부터 압력을 방출시키는 단계,
h) 상기 재료 투여량을 저압 배출 섹션 내부로 배출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 공정의 다양한 실시예들이 아래의 상세한 설명에서 더 상세하게 서술된다.
도 1a는 증기 폭발 장치의 개략적인 흐름도를 보여준다. 구체적으로, 이 실시예는 습윤(wetting) 및 컨디셔닝 섹션(1000), 로딩(loading) 섹션(1100), 고압 유지 섹션(1200), 압력 방출 섹션(1300)을 포함한다. 배출 섹션(1400)도 도시되며, 이는 알칼리성 조건하에서 기체 스트림으로부터 CO2 또는 다른 산성 성분들을 제거하기 위한 스크러버(scrubber)로서 구성될 수 있다.
도 1b는 압력 방출 밸브를 통해 폭발성 압력-방출이 이루어져서, 기재(substrate) 표면 위로 압력을 방출시키고 도관을 통해 탈출하는 증기와 기체를 방출시키는, 실시예의 대응되는 다이어그램을 보여준다.
도 2는 증기 폭발 반응기, 구체적으로, 습윤 및 혼합 섹션, 로딩 섹션, 고압 유지 섹션 및 압력 방출 섹션의 일 실시예의 분해 사시도를 보여준다. 이 실시예에서, 로딩 섹션과 압력 방출 섹션은 각각 직렬식의 두 개의 회전식 밸브들(rotary valves)에 의해 구현되며, 고압-유지 섹션은 스크류 컨베이어를 포함한다. 배출 섹션은 이 도면에 도시되지 않는다.
도 3은 직렬식의 두 개의 회전식 밸브들의 조합을 사용하는, 로딩 섹션 내의 투여 및 로딩 공정의 개략도이다. 개별의 격실들과 이들의 위치들은 투여/로딩 공정 내의 각개의 단계들에 할당되며, 개별의 단계들은 이들의 실행 순서로 후속하여 번호가 부여된다.
도 4는 직렬식의 두 개의 회전식 밸브들의 조합을 사용하는, 압력 방출 섹션으로부터 압력 방출 및 배출 공정의 개략도이다. 개별의 격실들과 이들의 위치들은 공정 내의 각개의 단계들에 할당되며, 개별의 단계들은 이들의 실행 순서로 후속하여 번호가 부여된다.
도 5는 로딩 및 압력 방출 섹션의 예의 사시도이며, 이 섹션들은 고압 로딩 밸브(1320)와 배출 밸브(1327)에 의해 한정된 챔버(1330)를 가지도록 구성된다. 또한, 증기와 가압 공기를 위한 주입 포트들도 도시된다. 이 예에서, 로딩 및 압력 방출 섹션은 바람직하게는 동일한 주요 방식으로 구성되며, 이에 따라 이 실시예에서 도 5에 도시된 예는 이 섹션들 둘 다에 동등하게 적용된다. 그러나, 로딩 섹션 챔버는 습윤 및 컨디셔닝 섹션과 고압 유지 섹션 사이에 있고, 반면에 압력 방출 챔버는 고압 유지 섹션과 배출 섹션 사이에 있다. 이 예에서, 챔버들을 한정하는 밸브들은 고압 볼 밸브들로서 도시되며, 바람직하게는 이들은 플로팅-볼 밸브(floating ball valve)이다.
도 6은 압력 방출 섹션이 고압 유지 섹션으로부터 측부 유입구(1341, 1342)를 통해 공급받는 실시예에서 증기 폭발 장치의 압력 방출 섹션의 사시도이다. 압력 방출은 기재 재료와 응축된 증기 위에, 그리고 챔버의 측부에 있는 유입구 위에 배치된 압력 방출 밸브(1343)를 통해 위쪽으로 실현된다. 이 실시예에서, 증기 폭발 재료는 압력 방출 밸브(1343)를 넘어서 돌출되거나 비산되지 않으며, 이는 추가적으로 공급 포트와 압력 방출 밸브 사이의 격실의 내측의 칼라에 배치된 하향 지향된 림(rim)과 같은 스플래쉬 가스(splash guard)에 의해 또는 메쉬 또는 메쉬들(미도시)을 통해 방지될 수 있다. 압력 방출 섹션으로부터 기재의 배출은 챔버의 바닥에 있는 배출 밸브(1344)를 통해 실현된다.
도 7은 동시에 이산화탄소 스크러빙 유닛으로서 작용하도록 구성된 배출 섹션의 형태의 개략도이다. 이는, 증기 폭발 공정이 알칼리성 조건하에서 수행될 때 기체들로부터 CO2 또는 다른 산성 성분들의 유리하고 경제적인 스크러빙을 가능하게 한다.
도 8은 동시에 이산화탄소 스크러빙 유닛으로서 작용하도록 구성된 배출 섹션의 형태의 분해 사시도이다.
이하에서, 본 발명의 예시적인 실시예들이 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 이 예들은 본 발명의 범위를 제한함이 없이 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 제공된다.
다음의 설명에서, 일련의 단계들이 서술된다. 기술자는, 문맥에 의해 요구되지 않는다면, 단계들의 순서는 결과적인 구성과 그 효과를 위해 중요한 것이 아니라는 것을 인식할 것이다. 또한, 기술자에게는, 단계들의 순서에 관계없이, 단계들 사이의 시간 지연의 존재 또는 부존재가 서술된 단계들의 일부 또는 모두 사이에 존재할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
본 발명의 실시예에서, 연속-흐름 또는 반-연속-흐름 증기 폭발 시스템은 상류 분쇄(grinding) 및 균질화 섹션, 컨디셔닝 섹션(또는 구체적으로 증기-폭발-컨디셔닝 섹션)으로도 지칭되는 상류 습윤(wetting) 및 혼합 섹션(1000), 로딩 섹션(1100), (고압-가열-유지 섹션 또는 고압 고온 유지 섹션으로도 지칭되는) 고압 유지 섹션(1200), 및 압력-방출(pressure-relief) 섹션(1300)을 포함한다. 상기 압력-방출 섹션으로부터 재료를 수용하기 위한 배출 섹션(1400)은 선택적으로 장치의 부분을 형성하거나 또는 처리된 기재 스트림의 추가적인 처리를 위한 임의의 적합한 수용 유닛을 나타내는 것으로 볼 수 있다.
증기 폭발이 알칼리성 조건하에서 수행되는 경우에, 상기 배출 섹션은 적합하게는 CO2 스크러빙 섹션(scrubbing section)(1400)으로서 구성될 수 있다.
증기 폭발 및 CO2 스크러빙 유닛의 배출 섹션은, 알칼리성 조건하에서 작동할 때, 동시에 기체 스트림으로부터 CO2, 또는 H2S, SOx 및 NOx와 같은, 그러나 이에 제한되지는 않는 다른 산성 성분들을 위한 흡수기(absorber)로서의 역할을 할 수 있다. 이 맥락에서, 스크러빙/스크러버(scrubber)는 증기 폭발을 겪은 팽창하는 알칼리성 기재(substrate)와 상기 기체의 산-염기 반응을 통해 대상 기체(subject gas)로부터 산성 기체 성분들의 제거를 지칭한다. 방정식 1a, 1b 및 1c는 알칼리성 매체로서 수산화나트륨을 사용하는 CO2 스크러빙의 예에 대한 각개의 반응들을 보여준다.
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이것이 유리한 예는, 예를 들어 상기 증기 폭발로부터 전처리된 재료로부터, 혐기성 소화(anaerobic digestion)로부터 CO2가 풍부한 메탄 가스로부터 CO2 및 다른 산성 기체들의 제거이다. 다른 예들은 증기 폭발로부터 전처리된 재료의 발효로부터 CO2의 결합(binding)과, 본 발명의 장치/공정을 위해 증기를 제공하는 증기 보일러로부터 연도 가스(flue gas)의 CO2와 다른 산성 성분들의 결합이다.
일반적으로, 여기서 설명되는 증기 폭발 공정에서, 유기 재료 스트림은 바람직하게는 상류 분쇄 및 균질화 섹션 내부에서 파쇄된다. 그 다음에, 재료는 습윤 및 혼합 섹션(1000)의 원단부(far end) 내부로 공급되고 출구 지점을 향해 혼합되면서 운반된다. 이 단계 중에, 고체 기재는 증기 폭발 공정을 위해 원하는 최적의 수분 함량을 달성하기 위해 습윤되고, 동시에 pH 조절이 달성된다.
상기 습윤 및 혼합 섹션(1000)은 바람직하게는, 탑다운 분무 구성(1003)을 통해 혼합 컨베이어 섹션 내의 아마추어(armature)에 연결되는 액체 혼합 및 유입 시스템(1002)을 구비한 능동적 공급 이송 믹서(1001)를 구성한다.
아래에서 더 상세하게 서술되는 바와 같이, CO2 스크러빙과 통합된 알칼리성 증기 폭발에서, 바람직하게는 액체/액체 혼합기 내의 습윤용 물에 첨가된 수산화나트륨 또는 수산화칼륨의 용액을 통해, 수용액은 알칼리성이다.
그러나, 상기 증기 폭발 유닛은 또한 pH 중성 또는 산성 공급물에 의해, pH 조절되지 않은 공급물에 의해, 또는 의도된 공정을 촉진시키기에 적합한 임의의 다른 첨가제들과 혼합된 공급물에 의해 구동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 습윤 및 혼합 섹션의 출구 포트는 로딩 섹션을 통해 고압 섹션에 수직으로 연결되며, 상기 로딩 섹션은 회전식-투여 밸브(rotation-dosing valve)(1106)와 고압 회전식 밸브(1101)를 포함하고, 이들은 유리하게는 용적형(positive displacement) 구성일 수 있다. 상기 습윤 및 혼합 유닛(1004)의 출구 지점에서, 기재는 회전식 투여 밸브(1106)로 들어오며, 이는 기재를 고압 회전식 밸브(1101)의 주위 압력 격실 내부로 투여한다. 상기 회전식 투여 밸브(1106)는 고압 밀봉에 원하지 않는 부담을 초래할 수 있는 고압 회전식 밸브의 과부하를 방지하는 역할을 한다. 주위 압력에서 로딩 후에, 상기 고압 회전식 밸브는 밀봉 위치로 회전하며, 여기서 기재 홀딩 밸브 챔버는 증기(일반적으로 180-250℃) 주입(1102)을 통해 원하는 압력(바람직하게는, 10-30bar의 범위 내, 일반적으로 고압 유지 섹션의 압력보다 대략 1bar 높다)과 온도로 올라간다. 그 다음에, 상기 고압 회전식 밸브는 고압 유지 섹션의 입구 포트 위에 수직 배치로 더 회전한다. 이 공정은 도 3에 개략적으로 도시되며, 여기서 개별의 격실들(이들의 위치들)은 개별의 단계들에 할당되고, 상기 개별의 단계들은, 다음과 같이, 이들의 순서로 로마 숫자들(i-ⅵ)로 표시된다:
i. 기재는 습윤 및 컨디셔닝 섹션을 빠져나와 회전식 투여 밸브(1106)의 격실을 채우며;
ⅱ. 회전식 투여 밸브는 기재를 고압 회전식 밸브(1101)의 격실로 전달하기 위해 회전하며;
ⅲ. 고압 회전식 밸브는 투여 밸브를 밀봉하기 위해 회전하며;
ⅳ. 고압 회전식 밸브 내의 기재는 증기 주입과 결국 추가적인 기체(공기) 주입(1102)에 의해 고압 유지 섹션의 원하는 고압 및 고온 조건에 도달하며;
ⅴ. 고압 밸브는 기재를 고압 유지 섹션으로 전달하기 위해 회전하며;
ⅵ. 고압 밸브는 압력 방출 위치로 회전하며, 여기서 압력 방출(고압 밸브의 회전)을 통해, 전달 컨디셔닝 및 습윤 섹션의 대기압과 동일하도록 압력이 방출된다(1103).
차압과 중력에 의해 도움을 받아서 이제 가압된 고압 회전식 밸브의 챔버는 (압력 방출(1103)을 통해) 압력이 방출되는 제2 밀봉 위치로 더 회전하기 전에 증기 폭발 유닛의 고압 유지 섹션(1200) 내부로 배출된다.
상기 회전식 밸브들에 대한 압력 부담은 더 많은 격실들을 가진 회전식 밸브들을 사용하고 개별의 격실들 내의 압력을 점차 증가시키며 개별의 격실들 사이의 차압을 감소시킴으로써 감소될 수 있다.
몇몇 실시예들에 적용된 용적형 구성에서, 가압 및 감압은 회전 사이클을 통한 각개의 챔버 체적 변화에 의해 도움을 받는다.
공정을 위한 고압 증기는 일반적으로 보일러에 의해 제공된다. 전처리된 재료가 연료 생산을 위해 더 처리되는 경우에, 생산된 연료의 일부는 보일러를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 혐기성 소화 유닛으로부터의 순수 메탄 또는 임의의 메탄/CO2 혼합물, 바이오디젤 또는 증기-폭발된 재료로부터 분리되고 적합하게 처리된 지방과 오일의 임의의 혼합물일 수 있다.
상기 고압 유지 섹션(1200)에서, 로딩된 기재는, 유지 시간을 넓은 시간 범위에 걸쳐 연속적으로 조절 가능하도록 허용하는 속도 조절 가능한 컨베이어(1204) 또는 혼합 컨베이어(mixing conveyor)에 의해, 로딩 지점으로부터 출구 지점까지 이송된다.
상기 고압 유지 섹션은, 보충 주입(make-up injection)에 의해 적절한 압력과 온도를 달성하기 위해 그리고 유지보수를 위해 증기 주입 포트들(1205)을 장착하고 있다. 도 2에는 이러한 두 개의 주입 지점들이 예로서 도시되어 있다.
일 실시예에서, 상기 고압 유지 섹션의 출구 포트는 회전식 투여 밸브(1306)와 고압 회전식 방출 밸브(1307)에 수직으로 연결된다. 출구 지점에서, 기재는 회전식 투여 밸브(1306)에 의해 그 시점에 상기 고압 유지 섹션의 출구 포트와 마주보는 고압 회전식 방출 밸브(1307)의 격실로 이송된다.
그 다음에, 상기 고압 회전식 밸브(1307)는, 증기 주입 포트가 장착되어 있는 재-가압 위치로 회전하기 전에, 가압된 격실을 주위 압력에 개방시키도록 회전하여 증기 폭발을 가능하게 한다. 상기 격실은 재-가압 위치로부터 충전 위치(fill position)로 회전한다. 이 공정은 도 4에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 개별의 격실들(이들의 위치들)은 개별의 단계들에 할당되고, 상기 개별의 단계들은, 다음과 같이, 이들의 순서로 로마 숫자들(i-ⅴ)로 표시된다:
i. 기재는 고압 유지 섹션을 빠져나와 회전식 투여 밸브(1306)의 격실을 채우며;
ⅱ. 회전식 투여 밸브는 고압 유지 섹션의 출구를 밀봉하고 기재를 고압 회전식 밸브(1307)의 격실로 전달하기 위해 회전하며;
ⅲ. 고압 회전식 밸브는 기재를 전달하기 위해 회전하며;
ⅳ. 기재는 압력 방출하에서 배출되고, 여기서 압력의 급격한 저하는 증기 폭발을 초래하며;
ⅴ. 밸브는 압력 조절 위치로 회전하고 증기 및/또는 기체(공기) 주입(1308)을 통해 압력은 증가한다.
이러한 구성에서, 열 효율은 고압 회전식 로딩 밸브의 각개의 객실들, 고압 유지 섹션 및 배출 밸브의 재가압 섹션 내부로의 증기 주입의 동적 동기화에 의해 최대화 된다. 모든 주입들은 방출 및 입구 측에서 열손실을 통해 초래된 압력과 온도의 변화에 응답하여 개별적으로 제어된다. 압력과 온도는 바람직하게는 섹션을 따라서 개별 데이터를 공급하는 고압 유지 섹션을 따라서 연속적으로 모니터링된다. 이 데이터(DS01)는 P/T 처리 유닛(1209)으로 공급되고, P/T 처리 유닛(1209)은 제어 신호(DS02)를 고압 유지 섹션의 증기 주입 포트들(1205), 로딩 섹션의 증기 주입 포트들(1102) 및 압력 방출 섹션의 증기 주입 포트들(1308)로 공급한다. 이들은 일정한 조건들에 가깝도록 유지하기 위해 고압 유지 섹션을 따라서 이 신호에 동기화된다. 회전식 컨베이어(1204)의 속도를 조절하기 위해 추가적인 신호가 공급된다. 도 2에는, 세 개의 P/T 모니터링 지점들(1208)이 예로서 도시된다.
다른 실시예들에서, 상기 증기 폭발 유닛의 로딩 섹션과 압력 방출 섹션 중 하나 또는 둘 다 고압 볼 밸브들, 나이프 게이트 밸브들, 또는 슬라이드 게이트 밸브들, 바람직하게는 플로팅-볼 밸브, 또는 다른 적합한 고압 밸브들과 같은 그러나 이에 한정되지 않는 밸브들에 의해 컨디셔닝 섹션과 고압 섹션과 고압 유지 섹션과 배출 섹션 각각으로부터 분리된 별개의 챔버(1330)를 구성할 수 있다. 도 5에 도시된 예는 로딩 챔버와 압력-방출 챔버 둘 다에 적용될 수 있다. 양 자의 경우에(로딩 챔버와 압력-방출 챔버), 챔버는 고압 로딩 밸브(1320)과 고압 배출 밸브(1327)를 구비하며, 이들은 둘 다 적절한 액추에이터들(각각 1320a, 1327a)을 갖추고 있다. 상기 챔버는 증기를 위한 주입 포트들(1325) 및/또는 기체(예컨대, 공기)를 위한 주입 포트들(1326)과, 압력 센서(1323), 온도 센서(1324) 및 레벨 센서(1322)를 구비한다.
서술된 로딩 챔버를 가지는 상술한 실시예들에서, 상기 로딩 챔버는 상부로부터 로딩되며 주위 압력 조건하에서 컨디셔닝 섹션으로부터 재료를 수용한다. 투여 중에, 상기 로딩 챔버는 폐쇄 위치의 고압 배출 밸브(1327)에 의해 고압 유지 섹션으로부터 분리된다. 그 다음에, 로딩 챔버가 증기와 선택적인 기체 주입(각각 1325 및 1326)을 통해 가압되고 원하는 온도로 되기 전에, 투여 밸브(1320)는 레벨 센서(1320)로부터의 판독에 응답하여 폐쇄 위치로 이동된다. 일반적으로, 상기 로딩 챔버는 이 단계에서 고압 유지 섹션의 압력보다 약간 더 높은 압력, 전형적으로 1bar 더 높은 압력으로 된다. 차압과 중력에 의해 도움을 받아서 가압된 로딩 챔버는 상기 챔버의 배출 밸브(1327)를 개방함으로써 증기 폭발 유닛의 고압 유지 섹션(1200) 내부로 배출된다. 다음으로, 상기 로딩 밸브는 폐쇄 위치로 이동되며 상기 로딩 챔버는 다음의 투여량이 로딩되기 전에 압력 방출 메커니즘에 의해 감압된다. 이러한 구성에서, 증기 폭발 단계는 개방 위치의 로딩 밸브(1320)와 폐쇄 위치의 방출/배출 밸브(1327)를 가진 압력-방출 챔버를 로딩함으로써 유사하게 달성된다. 그 다음에, 로딩 밸브(132)는 레벨 센서(1322)로부터의 판독에 응답하여 폐쇄 위치로 전환되고, 방출/배출 밸브(1327)를 배출 섹션(1400)으로 개방시킴으로써 증기 폭발이 발생된다. 상기 방출/배출 밸브는 폐쇄되고 압력-방출 밸브는 재로딩을 위해 로딩 밸브가 다시 개방되기 전에 고압 유지 섹션의 압력보다 약간 낮거나 동일한 압력으로 된다.
상기 실시예들에서, 열 효율은 로딩 챔버(1330), 고압 유지 섹션(1200) 및 압력-방출 격실(1330) 내부로의 증기 주입의 동적 동기화에 의해 최대화 된다. 이는 방출 및 입구 측에서 열손실을 통해 초래된 압력과 온도의 변화에 응답하여 수행된다. 압력과 온도는 바람직하게는 압력과 온도는 바람직하게는 고압 유지 섹션(1200)을 따라서 그리고 각개의 챔버들(1330)로부터 연속적으로 모니터링된다. 이 데이터는 P/T 처리 유닛(1209)으로 공급되고, P/T 처리 유닛(1209)은 제어 신호를 각개의 증기 주입 포트들로 공급한다. 이들은 실질적으로 일정한 조건들을 유지하기 위해 고압 유지 섹션을 따라서 신호들에 기초하여 동기화된다. 각개의 챔버들로부터의 로딩 및 배출 주파수와 고압 유지 섹션을 통해 재료를 이송하는 컨베이어(1204)의 속도를 조절하기 위해 추가적인 신호가 공급된다.
로딩 및 압력 방출은, 고압 유지 섹션의 로딩 및 배출 측 각각에서 상술한 바와 같이 회전식 밸브들 또는 분리된 챔버들의 임의의 조합에 의해 실현될 수 있다. 유리한 경우에, 상기 로딩 섹션과 고압 유지 섹션은 압력 방출 섹션과 비교하여 감소된 압력에서 작동될 수 있으며, 압력 방출 섹션의 압력은 배출 전에 증기 주입 및/또는 기체(공기) 주입에 의해 증가될 수 있다.
선택된 바람직한 로딩 및 배출 메커니즘과 관계없이, 일 실시예에서 상기 증기 폭발은 적합한 가압 공기의 주입에 의해 보조받을 수 있다. 이 실시예에서, 원하는 온도는 상술한 바와 같이 증기 주입을 통해 달성되지만, 최종 압력은 가압 공기의 추가적인 주입을 통해 실현된다. 이러한 구성에서, 가압 공기 주입 포트들은 바람직하게는 증기 폭발 유닛의 로딩 섹션, 고압 유지 섹션 및 압력 방출 섹션을 위해 제공된 증기 주입 포트들과 함께 제공된다. 이들은 도 3, 4 및 5의 로딩 및 압력 방출 섹션들의 예시적인 실시예들에 도시되지만, 이러한 섹션들이 임의의 다른 적합한 수단에 의해 실현되는 경우에도 적용될 수 있다.
도 6의 사시도에 도시된 일 실시예에서, 상기 압력-방출 섹션은 세 개의 고압 밸브들: 압력 방출 챔버의 측부에 있는 공급 포트(1342)를 고압 유지 섹션(1200)의 출구에 연결하는 로딩 밸브(1341), 상기 공급 포트 위에 배치된 압력-방출 밸브(1343), 및 압력 방출 챔버의 바닥에 있는 배출 밸브(1344)에 의해 한정된 분리된 챔버(1340)를 포함한다. 세 개의 고압 밸브들 모두 적절한 액추에이터들(각각 1341a, 1343a, 1344a)을 구비한다. 이 실시예에서, 상기 고압 유지 섹션으로부터 압력-방출 챔버로의 기재의 이송은 고압 유지 섹션 내의 주된 컨베이어 및/또는 고압 유지 섹션과 압력 방출 섹션 사이에 배치된 중간 펌프를 통해 실현될 수 있다. 압력 조절은 각개의 로딩 밸브(1341)의 로딩 및 폐쇄 후에 압력 방출 챔버 내부로의 증기 주입(1345) 및/또는 가압 공기 주입(1346)을 통해 실현될 수 있다. 이 실시예에서, 증기 폭발은 공급 포트(1342) 위에 배치된 압력-방출 밸브(1343)를 통한 압력 방출을 통해 실행된다. 상기 압력 방출 밸브는 로딩 포트와 방출 밸브(미도시) 사이에 배치된 원뿔형 하향-경사진 칼라(conical downwards-tilted collar) 및/또는 방호 메쉬(protective mesh)(미도시)와 같은 스플래쉬 가드(splash guard)에 의해 방호될 수 있으며, 이는 압력 방출 밸브의 중요한 구성요소들에 도달하는 증기 폭발 공정에서의 고체 및 액체 재료의 비산을 감소시킨다. 압력 방출을 통한 기체 및 증기의 방출은 상기 챔버의 상부와, 상기 압력-방출 밸브로부터 연장되며 탈출하는 증기 및/또는 기체를 수용하고 이송하기 위한 방출 도관을 통해 팽창한다. 상기 도관은 열교환 응축기(1347), 배출 포트들(1348) 및 선택적인 소음기(1349)를 포함한다. 상기 응축기는 증기의 제거 및 증기의 응축수와 고온 기체로부터 열을 회수하는 역할을 한다. 압력 방출 후에, 증기 폭발된 재료는 부가가치 제품들로 추가적인 처리를 위해 압력-방출 밸브의 바닥에서 배출 밸브(1344)를 통해 배출된다. 증기-폭발된 재료의 배출을 가속시키기 위해, 배출은 폐쇄 위치의 압력-방출 밸브와 함께 기재 재료 위로 주입된 가압 공기(1350)에 의해 도움을 받는다. 배출 후에, 배출 밸브는 폐쇄되고 압력 방출 챔버는 다시 로딩되기 전에 재가압 된다.
유리하게는, 고압 유지 섹션과 압력-방출 격실의 로딩, 상기 격실로부터 압력 방출 및 재료 배출은 작동 중 고압 유지 섹션의 압력 저하가 최소가 되도록 동기화된다. 고압 유지 섹션 내에서의 유지 시간은 이송 속도의 조절에 의해 넓은 범위에 걸쳐 조절 가능하며, 이는 다시 로딩 및 방출 메커니즘과 동기화된다. 동기화는 유리하게는 PLC 시스템과 같은 제어 유닛을 통해 제어되며, 제어 유닛은, 위에서 다른 실시예들을 위해 도시된 비제한적인 예들에서 서술된 바와 같이, 압력 방출 챔버에 설치된 온도, 압력 및 레벨 센서들(1324, 1323, 1322)로부터의 판독을 수신하고 이송 속도와 로딩의 타이밍 순서, 압력 방출과 배출 및 증기와 기체 주입을 제어한다.
유리한 경우에, 가압 공기 주입을 통한 압력 증가(pressure boosting)는 배출 전에 압력을 증가시키는 압력 방출 섹션에 국한될 수 있으며, 반면에 로딩 및 고압 유지 섹션들은 비교적 낮은 압력에서 작동된다.
다른 실시예에서, 압력 증가가 가압 공기 주입을 통해 달성되는 경우에, 상기 가압 공기는 바람직하게는 높은 분압으로 CO2와 혼합된 공기일 수 있다. 이 실시예에서, CO2 농후 가압 공기의 주입은 각개의 섹션들 내의 기재와 응축된 증기의 표면 아래에, 바람직하게는 섹션들의 바닥(132)으로부터, 주입된다. CO2는 고압 영역(들) 내의 증기 폭발 매체 내에 대응되는 탄산으로서(방정식 1a) 용해되어 방정식 2a와 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 산성 조건들을 제공한다.
Figure pct00002
CO2는 기재 재료를 관통하며, 방정식 1a의 역반응에 따라 증기-폭발 공정의 압력 방출 단계에서 구조적 분해를 더 촉진시킨다. 방정식 2a와 2b로 나타낸, 용해된 CO2의 산성 성질은 증기 폭발 공정 중에 가수분해를 더 촉진시킨다. 특히, CO2가 목재와 같은 재료를 관통하는 경우에, 이 재료의 내부의 셀룰로오스 부분의 산성 촉진된 가수분해는 구조적 완전성을 감소시킨다. 이는 증기 폭발 공정에서 이러한 재료를 더욱 취약하게 만들고, 그 분해를 더 촉진시키며, 추가적인 공정을 위한 접근성을 향상시킨다. CO2의 분압은, 증기 승화/침전 상 경계 아래에 안전하게 있으면서 효과적인 CO2의 농도를 제공하도록, 적용된 온도와 압력 범위들에 따라 적합하게 선택될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 배출이 고압 아래이고 공정 내의 증기 폭발 단계를 구성하는 경우, 압력-방출 섹션의 배출 포트는, 압출되는 재료의 표면을 기계적으로 거칠게/파쇄하기 위해 증기 폭발에서의 기계적 힘을 이용하기 위해, 적합한 구성에 의해 부분적으로 막히는 것이 유리하다는 것을 알게 되었다. 이는 도 2에 목재 칩들의 표면을 더 거칠게 하기 위해 의도된 파쇄기 톱니 장치(shredder teeth arrangement(1210))에 의해 예시되어 있다.
증기 폭발 장비는 일반적으로, 대략 10 bar(1.000kPa), 또는 대략 12 bar로부터, 또는 대략 14 bar로부터, 또는 대략 15 bar로부터, 또는 대략 16 bar로부터, 또는 대략 18 bar로부터, 또는 대략 20 bar로부터, 대략 20 bar까지의, 또는 대략 38 bar까지의, 또는 대략 36 bar까지의, 또는 대략 35 bar까지의, 또는 대략 34 bar까지의, 또는 대략 32 bar까지의, 예컨대 대략 30 bar까지의, 예컨대 대략 28 bar까지의, 또는 대략 27 bar까지의, 또는 대략 26 bar까지의, 또는 대략 25 bar까지의, 또는 대략 24 bar까지의, 범위 내의 압력에서 작동될 것이다.
증기 폭발 공정에서의 온도는 일반적으로 대략 170-250℃의 범위, 예컨대 180-250℃의 범위 내이고, 선택된 온도는 일반적으로 원하는 압력에 따를 것이며, 이는 압력은 대략 물의 증기압 또는 바로 물의 증기압 바로 위가 되도록 하는 관계로 유지된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 180℃의 온도에서, 물의 증기 포화 압력은 10 bar 바로 위이고, 200℃에서 포화 증기 압력은 대략 15.5 bar이며, 220℃에서는 대략 23.2 bar이고, 250℃에서 증기 포화 압력은 대략 40 bar이다.
몇몇 실시예들에서, 상기 증기 폭발 반응기는 언급된 범위 내의 온도와, 각개의 온도에서 물의 증기 포화 압력에 대응되거나 가까운 압력에서 작동된다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 상기 증기 폭발 반응기는 대략 180-200℃의 범위 내의 온도와 대략 10-16 bar의 범위 내의 압력에서 작동되고, 몇몇 실시예들에서, 증기 폭발 반응기는 대략 200-220℃의 범위 내의 온도와 대략 15-23 bar의 범위 내의 압력에서, 또는 대략 220-240℃의 범위 내의 온도와 대략 23-33 bar의 범위 내의 압력에서 작동된다.
증기 폭발이 알칼리성 조건하에서 수행되고 기재와 함께 압력 방출 섹션 방출 압력을 배출 섹션에 가하는 경우에, 상기 배출 섹션은 동시에 CO2 스크러빙 유닛을 구성할 수 있다. 이러한 구성에서, CO2 스크러버(1400)의 상부는 사이클론 타입의 구성이며, 이는, CO2 농후 기체 또는 배기를 함유한 다른 산성 기체의 대향류(counter-flow)와 알칼리성 재료의 최적의 접촉을 위해, 스크러버의 중심을 향해 수직 분산을 촉진시킨다.
여기에서 이해되는 바와 같이, 바람직한 실시예들에서, 이산화탄소 스크러빙 유닛은 증기 폭발이 알칼리성 조건하에서 작동될 때 연속-흐름 증기 폭발 반응기의 통합된 부분을 구성한다. 이산화탄소 스크러빙 유닛의 상부는 바람직하게는 압력 방출을 통해 제공된 재료의 흐름이 이산화탄소 스크러빙 섹션 내부의 사이클론형 패턴으로 지향되도록 증기 폭발 유닛의 고압 유지 섹션으로부터 재료의 스트림의 전달을 제공하도록 구성되지만, 동시에 스크러빙 섹션의 중심을 향한 비산과 분산이 촉진된다. 그러므로, 이산화탄소 농후 기체 스트림과 만나는 영역 내에서 (흡수기) 알칼리성, 수성 재료 스트림의 분산은 스크러빙 효율을 향상시키는 역할을 한다.
여기서 사용되는 "이산화탄소 스크러버"와 "이산화탄소 스크러빙"이라는 용어들은 이산화탄소가 스크러버 내부로 지향/주입되어 흡착된다는 것을 말하며, 이에 따라 상기 스크러버는 CO2 농후 스트림으로부터 CO2 함량을 제거 또는 감소시키는 일반적인 기능을 가지는 정규 이산화탄소 스크러버로서 역할을 한다.
상기 배출 섹션이 CO2 스크러빙 유닛으로서 기능하는 경우에, 고압 회전식 출구 밸브의 로딩된 격실 또는 압력-방출 챔버는 바람직하게는 조합된 배출 및 CO2 스크러빙 섹션(1400)의 상부에 있는 유입 튜브(1401)를 통해 적절한 각도로 배출되며, 이는 고속 증기/기재를 일차 스크러버 격실의 내부 벽들로부터 간격을 가진 사이클론 타입 나선형 구성(1402)으로 하향 지향시킨다. 배출 튜브(1401)의 수평/경사진 부분은 서리 제거 메쉬(demistifier mesh)(1407)에 의해 기체 배기 포트 아래의 기체 공동(void) 섹션으로부터 분리된다.
여기서 사용되는 사이클론 패턴이라는 용어는 일반적인 원형 또는 나선형 패턴을 말한다. 폐기물 스트림의 입구 각도와 스크러버 내부의 나선형 가이드들은 사이클론형 흐름을 강화시킨다. 상기 입구 각도는 몇몇 실시예들에서 수평으로부터 대략 5° 내지 30°의 범위 내에 있으며, 즉, 수평으로부터 아래쪽으로, 예컨대, 대략 5°로부터 또는 대략 10°로부터, 대략 30°까지 또는 대략 25°까지 또는 대략 20°까지의 범위 내의 각도로 경사진다.
그러나, 스크러버 내부의 나선형 가이드들은 사이클론형 흐름을 부분적으로 파괴하도록 설계되며, 이는 스크러빙 섹션의 중심 영역을 향해 유입되는 스트림의 효율적인 비산과 분산을 초래하고, 이산화탄소 농후 기체 스트림과의 접촉을 최대화한다. 몇몇 실시예들에서, 스크러빙 유닛은 적어도 하나의, 바람직하게는 적어도 두 개의 나선형 인서트(insert)를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 유닛은 서로에 대하여 수직으로 오프셋된 두 개의 내부 나선들을 포함하며, 상부 나선은 스크러버의 내부 벽으로부터 간격을 가지고, 하부 나선은 간격을 가지지 않는다. 이러한 예시적인 구성은 도 7과 8에 도시된다. 배출되는 재료의 높은 속도를 통해 더 무거운 부분과 응축된 증기는 입구의 초기 각도에 의해 제공된 하향 속도 성분에 의해 스크러버/사이클론 컨파인먼트(confinement)의 내부 벽 쪽으로 강요된다. 이 부분은 벽 간격을 가진 사이클론 나선(1402)에 평행하고 그 아래의 주름진 나선형-플레이트(1404)에 포집된다. 주름(corrugation)(1405), 나선형 플레이트(1404)의 하향 경사, 및 기재/응축수(1403)의 하향 속도는 기재/응축수를 하부 나선형 플레이트(1404)의 표면을 따라서 중심을 향해 부분적으로 지향시키고, 여기서 기재/응축수는 나선형 플레이트의 내측을 끝내는 위쪽으로 지향된 돌기에 의해 분산되며, 이에 따라 알칼리성 현탁액과 스크러버를 통해 올라가는 CO2의 대향류의 접촉을 향상시킨다. 분산되는 기재/응축수(1406)는, 중심 영역 내의 그리고 서리 제거 메쉬(1407)에서의 증기 응축과 함께, 스크러버/사이클론 컨파인먼트의 중심 아래로 떨어져 스크러버/사이클론의 정착 영역(settlement region) 내에 축적된다.
상기 배출 튜브(1401)의 수평/경사진 부분은 서리 제거 메쉬(1407)에 의해 기체 배출 포트 아래의 기체 공동 섹션으로부터 분리된다.
이산화탄소는 적어도 하나의 이산화탄소 유입구(1408, 1409)를 통해 이산화탄소 스크러빙 유닛 내부로 흐른다. 이는 바람직하게는 상기 유닛의 하측 부분 내부에 제공되며, 이에 따라 버블들이 스크러빙 섹션을 통해 상승하기 전에 스크러빙 섹션의 바닥에 있는 정착 영역 내의 알칼리성 재료 축적물을 관통하며 스크러빙 섹션 내부에서 아래쪽으로 이동하는 분산된 알칼리성 재료의 스트림과 만난다.
CO2 함유 기체 스트림 또는 다른 산성 기체들을 함유한 기체 스트림은 바람직하게는 마이크로-버블 분배기(dispenser)(1409)를 통해 바닥으로부터 공급된다. 이는 바람직하게는, 현탁액 섹션의 상측 부분으로부터 취해진 낮은 고체의 수성 현탁액의 순환에 의해 구동되는, 경사진, 측방향 배치의 흡입기(aspirator)(1409)를 통한다. 이러한 장치에서, 흡입기는 동시에 액체 고체 현탁액을 교반시키는 역할을 하며, 이는 섹션의 출구 포트에서 일관된 조성을 달성하고 막힘을 방지한다. 대안으로서, CO2 함유 배기는 마이크로-버블 또는 다른, 수동적, 분산 구성(1409, 1408)을 통해 공급된다.
CO2 함유 기체 스트림은 기재 정착 영역으로부터 돌출되고 스크러버의 중심으로 상승하며(1413), 증기의 건조 부분과 함께 응축기의 기체 출구 포트(1411)에서 응축기(1410)를 통해 빠져나가기 전에, 스크러버의 응축 섹션의 상부, 중심 부분 내의 알칼리성 흡착 현탁액과 더 접촉된다.
잔류 증기는 기체 출구 포트(1411)를 빠져나가는 CO2 희박 기체(lean gas)(예를 들어, CO2/CH4를 스크러빙할 때, CH4) 및 배수 포트(drain port)(1412)를 빠져나가는 응축수와 함께 응축기(1410) 내에서 제거된다. 응축열은 예를 들어 습윤 유닛을 위해 공급된 수용액을 예열하는데 사용된다.
조합된 압력-방출 및 CO2 스크러빙 섹션(1400)의 정착 영역은, 증기 폭발로부터 열을 부분적으로 재포집하기 위해, 이에 따라 기재 온도를 낮추고 예를 들어 시스템을 제공하는 증기 발생 보일러를 위한 물의 투입을 예열하기 위해 냉각 나선(cooling spiral) 또는 다른 열교환 요소들을 추가로 장착한다. 이러한 냉각 요소들은 또한 스크러빙 유닛의 상부 섹션에 설치되거나 상부 섹션으로 연장될 수 있으며, 바람직하게는 상기 스크러버의 상부 섹션 내에 이미 존재하는 기재의 신속한 냉각을 실행하기 위해 안내 나선들(guiding spirals)과 접촉할 수 있다.
상기 스크러버는 정착 영역의 바닥에 있는 회전식 밸브 또는 임의의 다른 적합한 밸브(1414)를 통해 주기적으로 비워지며, 이는 바람직하게는 스크러버 내에 적합하게 배치된 액체 레벨 센서(1415)의 신호(DS03)를 통해 스크러버에 기재 재료를 공급하는 압력 방출 섹션과 동기화된다.
유리한 경우에, 기체 출구 포트(1411)는 증가된 압력과 낮아진 온도하에서 작동될 수 있는 이차 스크러버로 이어진다. 상기 이차 스크러버는 바람직하게는 상부로부터 종래의 스프레이 구성으로 일차 흡착기/스크러버의 냉각된 액체 부분과 하부로부터 일차 스크러버로부터 CO2 희박 배기를 공급받는다.
상기 이산화탄소 스크러빙 유닛은, 증기 폭발이 알칼리성 조건하에서 수행된 경우에, 대략 1 bar로부터, 예컨대 대략 1.2 bar로부터, 예컨대 대략 1.5 bar로부터, 대략 5 bar까지의, 또는 대략 4 bar까지의 범위 내의 압력에서 작동하며, 선택적으로 기재 온도를 낮추고 증기 폭발 유닛으로부터 열의 재포획(recapture)을 위한 냉각 요소들을 구비한다.
상기 증기 폭발 유닛의 스크러빙 기능은 유리하게는, 예를 들어 전처리된 증기-폭발된 재료의 혐기성 소화 공정으로부터 생산된 원료 CO2/CH4 혼합물로부터 또는 이 재료의 발효 공정에서 생산된 CO2로부터 CO2 및 다른 산성 기체들을 제거하는 역할 및/또는 시스템을 제공하는 증기 보일러로부터의 연도 가스(flue gas)로부터 CO2 및 다른 산성 기체들을 제거하는 역할을 한다.
또한, 공정 내에서 CO2는 부가가치 제품들로 추가 처리하기 전에 pH를 낮추고 증기 폭발 공정에서 발생된 알칼리성 기재/수용성-추출물(흡수재)을 완화시키는 역할을 한다. 증기 폭발 공정에서 제공된 추출물이 메탄의 생산을 위한 혐기성 소화를 위해 의도된 경우에, CO2 흡착을 통해 제공된 탄산염과 중탄산염의 증가된 농도도 메탄 생산을 촉진시킨다.
방출 및 CO2 스크러빙 섹션의 바닥에 있는 액체-고체 현탁액은 배출 밸브(1413)를 통해 부분들로서 주기적으로 방출된다. 이러한 부분들은 부가가치 제품들로 추가 처리되기 전에 적절한 컨디션닝과 분리를 겪는다. 상기 배출 및 CO2 스크러빙 섹션의 배출은 바람직하게는 공정 내에서 연속적인 로딩 조건들을 달성하기 위해 증기 폭발 유닛으로부터의 배출과 동기화된다.
상기 이차 스크러버는 종래의 흡착 재료를 갖고 설치되거나 또는 흡착 재료가 일차 스크러버의 정착 영역 내에 축적되는 사전-여과된 액체 부분과 함께 공급되도록 설치될 수 있으며, 바닥으로부터 공급된 일차 스크러버로부터의 CO2 희박 배기에 의해 증가된 압력과 감소된 온도에서 종래의 탑다운 분무 구성일 수 있다. 따라서, 상기 시스템 내의 이차 스크러버는 몇몇 실시예들에서 대략 5 내지 150 bar의 범위 내의 압력에서, 예컨대 대략 5 bar로부터 또는 대략 10 bar로부터 또는 대략 15 bar로부터 또는 대략 20 bar로부터 또는 대략 30 bar로부터 또는 대략 40 bar로부터, 대략 150 bar까지 또는 대략 150 bar까지 또는 대략 140 bar까지 또는 대략 130 bar까지 또는 대략 120 bar까지 또는 대략 110 bar까지 또는 대략 100 bar까지 또는 대략 90 bar까지 또는 대략 80 bar까지 또는 대략 70 bar까지 또는 대략 60 bar까지 또는 대략 50 bar까지의 범위 내의 압력 값에서 작동될 수 있으며, 온도는 바람직하게는 5 내지 40℃의 범위 내, 예컨대 대략 5℃로부터 또는 대략 10℃로부터 또는 대략 15℃로부터 또는 대략 20℃로부터, 대략 50℃까지 또는 대략 45℃까지 또는 대략 40℃까지 또는 대략 35℃까지 또는 대략 30℃까지의 범위 내이다.
조항(clauses)
본 발명의 예시적인 실시예들은 다음의 조항들에서 제시된다.
1. 부가가치 제품들로 추가 처리하기 위한 유기 재료의 전처리를 위한 연속-흐름 증기 폭발 반응기(continuous-flow steam explosion reactor)로서, 로딩 섹션, 고압 유지 섹션, 압력 방출(pressure relief) 섹션, 및 배출 섹션을 포함하며, 상기 고압 유지 섹션은 상기 섹션을 통해 소스 재료의 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 속도-조절 가능한 컨베이어를 포함하고, 적어도 상기 고압 유지 섹션 내부로 증기를 제공하기 위해 증기 소스에 연결된 증기 제공 수단과, 가압 기체를 상기 고압 유지 섹션, 상기 로딩 섹션 및 상기 압력 방출 섹션 중 적어도 하나의 내부로 제공하기 위해 가압 기체의 소스에 연결된 기체 제공 수단을 더 포함한다.
2. 조항 1에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 로딩 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압과 고온을 유지하는 동안 상기 로딩 섹션 상류의 주위 압력에서 상기 고압 유지 섹션으로 재료를 전달하도록 구성되고,
상기 압력 방출 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압을 유지하는 동안 상기 고압 유지 섹션으로부터 상기 배출 섹션으로 재료를 전달하도록 구성되며,
상기 압력 방출 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내에 고압을 유지하는 동안 압력 저하에 의해 상기 배출 섹션으로 재료를 방출하도록 구성된다.
3. 조항 1 또는 2에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 로딩 섹션은 적어도 하나의 회전식 투여 밸브(rotary dosing valve)와 적어도 하나의 회전식 배출 밸브를 포함하며, 상기 회전식 투여 밸브는 적절한 투여량의 기재(substrate)를 상기 회전식 배출 밸브로 전달하도록 크기가 정해지고 구성되며, 상기 로딩 섹션은, 상기 회전식 배출 밸브 내의 격실이 상기 고압 유지 섹션으로 재료를 배출할 때 상기 고압 유지 섹션 내부의 압력이 실질적으로 유지되도록 상기 격실의 압력을 조절하기 위해, 상기 증기 제공 수단 및/또는 상기 기체 제공 수단에 결합된 압력 조절 수단을 포함한다.
4. 조항 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 로딩 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브 및 적어도 하나의 배출 밸브와, 상기 밸브들 사이에 또는 상기 배출 밸브의 부분인 적어도 하나의 로딩 챔버를 포함한다.
5. 조항 4에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 로딩 섹션 내의 상기 적어도 하나의 로딩 밸브와 적어도 하나의 배출 밸브 각각은 회전식 밸브(rotary valve), 플로팅 볼 밸브, 회전식 볼 밸브, 나이프 게이트 밸브, 및 슬라이드 게이트 밸브로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
6. 조항 1 또는 2에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 섹션은 적어도 하나의 회전식 투여 밸브와 적어도 하나의 회전식 배출 밸브를 포함하며, 상기 회전식 투여 밸브는 적절한 투여량의 기재를 상기 회전식 배출 밸브로 전달하도록 크기가 정해지고 구성되며, 상기 압력 방출 섹션은, 상기 회전식 배출 밸브 내의 격실이 상기 회전식 투여 밸브로부터 재료를 수용하기 위한 위치로 복귀할 때 상기 고압 유지 섹션과 상기 회전식 투여 밸브 내부의 압력이 실질적으로 유지되도록 상기 격실의 압력과 온도를 조절하기 위해, 상기 증기 제공 수단 및/또는 상기 기체 제공 수단에 결합된 압력 조절 수단을 포함한다.
7. 조항 1 또는 2에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브 및 적어도 하나의 배출 밸브와, 상기 밸브들 사이에 챔버를 포함한다.
8. 조항 7에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 섹션 내의 상기 로딩 밸브와 적어도 하나의 배출 밸브 각각은 회전식 투여 밸브(rotary dosing valve), 플로팅 볼 밸브, 회전식 볼 밸브, 나이프 게이트 밸브, 및 슬라이드 게이트 밸브로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
9. 조항 7 또는 8에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 밸브는 상기 챔버의 상측 부분과 방출 도관(relief conduit)에 연결되며, 상기 방출 도관은 탈출하는 증기 및/또는 기체를 수용하기 위해 상기 압력 방출 밸브로부터 연장된다.
10. 조항 9에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 방출 도관은 응축기, 배출 포트 및 선택적인 소음기를 포함한다.
11. 조항 9에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는 압력 방출 후에 상기 배출 밸브를 통한 증기 폭발된 재료의 배출을 가속시키기 위해 상기 챔버의 상측 부분 내에 설치되어 기체를 주입하기 위한 가압 기체 주입 수단을 가진다.
12. 조항 9 내지 11 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는 압력 방출 밸브와 접촉하게 되는 기재 재료를 방지 또는 최소화하기 위해 상기 압력 방출 밸브 아래에 스플래쉬-가드(splash-guard)를 포함한다.
13. 조항 1 내지 12 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 속도 조절 가능한 컨베이어는 스크류 컨베이어이다.
14. 조항 1 내지 13 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 유지 및 방출 온도는 증기 주입을 통해 달성되고, 방출 압력은 추가적인 가압 기체 주입을 통해 달성된다.
15. 조항 1 내지 14 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는, 상기 로딩 섹션 내의 밸브들, 상기 압력 방출 섹션 내의 밸브들 및 상기 고압 유지 섹션 내부의 이송 속도의 동기화에 의해, 상기 고압 유지 섹션 내부에 재료의 조절 가능한 유지 시간을 허용하는 제어 유닛을 더 포함한다.
16. 전기한 조항들 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 고압 유지 섹션은 대략 10 내지 40 bar의 범위 내의 압력과 대략 180-250℃의 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
17. 조항 7 내지 12 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 섹션의 챔버는 대략 10 내지 40 bar의 범위 내의 압력과 대략 180-250℃의 범위 내의 온도에서 작동하도록 구성된다.
18. 조항 1 내지 17 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 가압 기체는 적어도 몇몇 섹션(들)을 위해 이산화탄소의 분압을 포함한다.
19. 부가가치 제품들로 추가 처리하기 위한 유기 재료의 전처리를 위한 연속-흐름 증기 폭발 반응기로서, 로딩 섹션, 고압 유지 섹션, 압력 방출(pressure relief) 섹션을 포함하며, 상기 고압 유지 섹션은 상기 고압 유지 섹션을 통해 소스 재료의 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 속도-조절 가능한 컨베이어를 포함하고, 상기 압력 방출 섹션은 챔버를 포함하고, 상기 챔버는 상기 챔버의 상측 부분에 연결된 압력-방출 밸브와 탈출하는 증기를 수용하기 위해 상기 압력 방출 밸브로부터 연장된 방출 도관을 가지며, 상기 챔버는 고압에서 작동하도록 구성되고 상기 압력 방출 밸브를 통한 갑작스런 압력의 방출을 허용하도록 구성되며, 상기 챔버는 기재의 배출을 위한 배출 밸브를 가진 출구 포트를 가진다.
20. 조항 19에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 방출 도관은 응축기, 기체 배출구 및 선택적인 소음기를 포함한다.
21. 조항 19 또는 20에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 로딩 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브 및 적어도 하나의 배출 밸브와, 상기 밸브들 사이에 또는 상기 배출 밸브의 부분인 적어도 하나의 로딩 챔버와, 상기 고압 유지 섹션과 상기 압력 방출 섹션의 상기 챔버 사이에 적어도 하나의 밸브를 포함한다.
22. 조항 21에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 밸브들 각각은 회전식 투여 밸브, 플로팅 볼 밸브, 회전식 볼 밸브, 나이프 게이트 밸브, 및 슬라이드 게이트 밸브로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택된다.
23. 전기한 조항들 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는 알칼리성 증기 폭발 반응기로서 작동하도록 구성된다.
24. 조항 23에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는 적어도 하나의 통합된 이산화탄소 스크러빙 유닛을 포함한다.
25. 조항 23과 24에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 반응기는 고압 유지 섹션, 로딩 섹션, 압력 방출 섹션, 및 배출 섹션을 포함하며, 상기 증기 폭발 반응기의 상기 배출 섹션은 동시에 상기 이산화탄소 스크러빙 유닛으로서 역할을 한다.
26. 조항 24 또는 25에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 이산화탄소 스크러빙 유닛의 상측 부분은, 적어도 하나의 내부 나선(internal spiral)에 의해 재료의 스트림을 사이클론 패턴으로 지향시키기 위해, 상기 이산화탄소 스크러빙 유닛의 중심축에 대하여 각도를 이루며 상기 압력 방출 섹션으로부터 재료의 스트림의 전달을 수용하도록 적합화된다.
27. 조항 24 내지 26 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 이산화탄소 스크러빙 유닛은 상기 스크러빙 유닛의 하측 부분 내부에 제공된 적어도 하나의 기체 유입구를 더 포함하며, 이에 의해 상기 고압 유지 섹션으로부터의 알칼리성 재료의 스트림이 이산화탄소 농후 기체 스트림과 만남으로써 상기 기체 스트림으로부터 이산화탄소 스크러빙 및/또는 다른 산성 기체 성분들의 스크러빙을 용이하게 한다.
28. 조항 26 또는 27에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 이산화탄소 스크러빙 유닛은 서로에 대하여 수직으로 오프셋 된 두 개의 삽입된 나선들을 포함하며, 상부 나선은 상기 스크러버의 내부 벽으로부터 간격을 가지고, 반면에 하부 나선은 간격을 가지지 않으며, 이는, 상기 탄소 스크러빙 유닛의 내부 벽을 따라서 상기 상부 나선으로부터 하부 나선으로 이송되는 재료에 의해 유발된, 상기 탄소 스크러빙 유닛 내부의 폐기물의 스트림의 일차 사이클론 패턴 흐름에 대해 수직인 부분 속도 성분을 발생시킨다.
29. 조항 28에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 하부 나선은 재료를 상기 스크러버의 중심 쪽으로 부분적으로 안내하는 주름진 패턴과, 상기 스크러버 유닛의 중심 쪽으로 비산 및 분산시키기 위해 재료의 수직 성분을 초래하는 상기 나선의 내부 에지에서 돌출된 림(rim)을 구비한다.
30. 조항 26 내지 29 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 이산화탄소 스크러빙 섹션은 대략 1 내지 대략 5 bar의 범위 내의 압력에서 작동한다.
31. 조항 25 내지 30 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 스크러버 유닛은 스크러빙 매체의 냉각과 증기 폭발로부터 열의 회수를 제공하기 위해 열교환 냉각 요소들을 구비한다.
32. 조항 25 내지 31 중 어느 하나의 조항에 따른 연속-흐름 증기 폭발 반응기에 있어서, 상기 압력 방출 섹션은 일차 이산화탄소 스크러버로서 역할을 하고, 상기 시스템은 상기 일차 스크러버로부터의 액체 부분을 스크러빙 매체로서 공급받도록 구성된 이차 스크러버를 더 포함한다.
33. 증기 폭발적 분열을 수반하며 고체 유기 재료를 추가적인 후속 처리에 더욱 접근하기 쉽게 만드는, 고체 유기 재료의 처리를 위한 공정으로서, 상기 공정은:
a) 고체 유기 재료를 포함하는 재료 스트림을 수용하는 단계,
b) 상기 스트림을 습윤(wetting) 및 혼합 섹션 내부로 도입하고 고체 유기 재료를 습윤 및 혼합시키는 단계,
c) 상기 스트림을 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 로딩 섹션의 로딩 밸브를 통해 로딩 격실(loading compartment) 내부로 이송하는 단계,
d) 상기 로딩 격실 내에 증기, 또는 가압 공기와 같은 가압 기체를 도입함으로써 상기 로딩 격실 내의 압력을 증가시키는 단계,
e) 재료를 상기 로딩 격실로부터 고압 유지 섹션으로 방출시키는 단계,
f) 170 내지 250℃의 범위 내의 고온과 10 내지 40 bar의 범위 내의 고압을 겪는 동안 재료를 상기 고압 유지 섹션을 통해 연속적으로 공급하는 단계,
g) 상기 고압 유지 섹션을 통해 공급된 재료 투여량(material dose)을 밸브를 통해 배출 격실로 전달하고, 상기 재료 투여량에 대해 증기 폭발 효과를 이루기 위해 상기 배출 격실로부터 압력을 방출시키는 단계,
h) 상기 재료 투여량을 저압 배출 섹션 내부로 배출하는 단계를 포함한다.
34. 조항 33에 따른 공정에 있어서, 단계 (g)에서 압력 방출과 단계 (h)에서 배출은 재료 투여량을 상기 저압 배출 섹션 내부로 배출함으로써 압력이 방출되는 하나의 단계로 수행된다.
35. 조항 33에 따른 공정에 있어서, 단계 (g)에서 상기 압력의 방출은 상기 배출 격실의 상측 부분에 위치한 압력 방출 밸브를 개방함으로써 달성되며, 이는 탈출하는 기체와 증기가 상기 압력 방출 밸브와 상기 압력 방출 밸브 반대쪽의 도관을 통해 빠져나가도록 허용한다.
36. 조항 33 내지 35 중 어느 하나의 조항에 따른 공정에 있어서, 상기 고압 유지 섹션 내의 고온과 고압은 상기 영역 내부로 증기의 도입 및 선택적으로 가압 공기와 같은 가압 기체를 추가 도입함으로써 달성된다.
37. 조항 33 내지 36 중 어느 하나의 조항에 따른 공정에 있어서, 상기 공정은, 상기 격실이 상기 고압 유지 섹션으로부터 또는 상기 고압 유지 섹션과 배출 격실 사이의 중간 밸브로부터 다른 재료 투여량을 수용하기 위한 위치로 복귀하기 전에 상기 배출 격실 내의 증기 및/또는 가압 공기와 같은 가압 기체에 의해 압력을 증가시키는 단계를 더 포함한다.
38. 조항 33 내지 36 중 어느 하나의 조항에 따른 공정에 있어서, 상기 공정은 재료의 배출 후에 로딩 격실을 상기 고압 유지 섹션에 대해 폐쇄하고, 상기 격실을 습윤 및 혼합 섹션 또는 상기 습윤 및 혼합 섹션과 로딩 격실 사이의 중간 투여 밸브에 대해 개방하기 전에 상기 로딩 격실로부터 압력을 방출하는 단계를 더 포함한다.
39. 조항 33 내지 38 중 어느 하나의 조항에 따른 공정에 있어서, 재료의 스트림은 상기 습윤 및 혼합 섹션 내에서 알칼리성 수용액과 혼합된다.
40. 조항 39에 따른 공정에 있어서, 증기 폭발 처리 후에, 처리된 스트림은 상기 압력-방출 섹션으로부터 재료를 수용하는 배출 섹션과 통합된 이산화탄소 스크러빙 섹션 내에서 이산화탄소 스크러빙을 위한 스크러빙 매체로서 이용된다.
41. 조항 40에 따른 공정에 있어서, 상기 공정은, 기체 스트림으로부터 이산화탄소의 적어도 부분을 제거하기 위해, 이산화탄소를 포함하는 기체 스트림을 상기 이산화탄소 스크러빙 섹션 내부로 공급하는 단계를 포함한다.
42. 조항 41에 따른 공정에 있어서, 상기 공정은, 사이클론 타입의 흐름 패턴을 생성하기 위해 재료의 스트림이 실질적으로 상기 스크러버 유닛 내의 적어도 하나의 나선을 따라서 흐르도록, 상기 스트림의 흐름이 상기 스크러버 유닛의 중심축에 대해 각도를 이루며 들어오도록 상기 스트림을 압력 방출 섹션으로부터 상기 배출 섹션과 스크러버 유닛 내부로 이송하는 단계, 및
이산화탄소를 포함하는 상기 기체 스트림을 상기 스크러빙 유닛의 하측 부분 내부에 제공된 적어도 하나의 유입구를 통해 상기 스크러버 유닛 내부로 도입하는 단계를 포함한다.

Claims (35)

  1. 부가가치 제품들로 추가 처리하기 위한 유기 재료의 전처리를 위한 연속-흐름 증기 폭발 반응기(continuous-flow steam explosion reactor)로서:
    로딩 섹션,
    고압 유지 섹션,
    압력 방출(pressure relief) 섹션, 및
    배출 섹션을 포함하며,
    상기 고압 유지 섹션은 상기 섹션을 통해 소스 재료의 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 속도-조절 가능한 컨베이어를 포함하고, 적어도 상기 고압 유지 섹션 내부로 증기를 제공하기 위해 증기 소스에 연결된 증기 제공 수단을 더 포함하며,
    상기 로딩 섹션은 상기 로딩 섹션에 증기 주입에 의해 상기 고압 유지 섹션 내에 고압과 고온을 유지하는 동안 상기 로딩 섹션 상류의 주위 압력에서 상기 고압 유지 섹션으로 재료를 전달하도록 구성되고,
    상기 압력 방출 섹션은 상기 압력 방출 섹션에 증기 주입에 의해 상기 고압 유지 섹션 내에 고압을 유지하는 동안 상기 고압 유지 섹션으로부터 상기 배출 섹션으로 재료를 전달하도록 구성되며,
    상기 로딩 섹션 내의 상기 증기 주입 수단과 상기 압력 방출 섹션 내의 상기 증기 주입 수단과 로딩과 상기 섹션들로부터의 방출은 작동 중에 상기 고압 유지 섹션 내의 압력 저하가 최소이고 높은 작동 압력과 온도가 유지되도록 동기화되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    고압의 적어도 부분을 발생시키기 위해, 가압 기체의 소스에 연결되어 상기 고압 유지 섹션, 상기 로딩 섹션 및 상기 압력 방출 섹션 중 적어도 하나의 내부에 기체를 제공하는 수단을 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고압 유지 섹션과 압력 방출 섹션 내의 고온은 증기 주입을 통해 달성되고, 상기 섹션들 내의 고압은 추가적인 가압 기체 주입을 통해 적어도 부분적으로 달성되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로딩 섹션은 적어도 하나의 회전식 투여 밸브(rotary dosing valve)와 적어도 하나의 회전식 배출 밸브를 포함하며, 상기 회전식 투여 밸브는 적절한 투여량의 기재(substrate)를 상기 회전식 배출 밸브로 전달하도록 크기가 정해지고 구성되며, 상기 로딩 섹션은, 상기 회전식 배출 밸브 내의 격실이 상기 고압 유지 섹션으로 재료를 배출할 때 상기 고압 유지 섹션 내부의 압력과 온도가 실질적으로 유지되도록 상기 격실의 압력을 조절하기 위해, 상기 증기 제공 수단 및/또는 상기 기체 제공 수단에 결합된 압력 조절 수단을 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로딩 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브 및 적어도 하나의 배출 밸브와, 상기 밸브들 사이에 또는 상기 배출 밸브의 부분인 적어도 하나의 로딩 챔버를 포함하며, 상기 로딩 챔버는, 배출 및 로딩 전에 각각 상기 챔버를 가압 및 감압시키기 위해 그리고 배출 전에 원하는 온도로 가져오기 위해, 상기 증기 주입 포트들과 선택적인 기체 주입 수단에 결합되며 압력 방출 메커니즘을 구비하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 방출 섹션은 적어도 하나의 회전식 투여 밸브와 적어도 하나의 회전식 배출 밸브를 포함하며, 상기 회전식 투여 밸브는 적절한 투여량의 기재를 상기 회전식 배출 밸브로 전달하도록 크기가 정해지고 구성되며, 상기 압력 방출 섹션은, 상기 회전식 배출 밸브 내의 격실이 상기 회전식 투여 밸브로부터 재료를 수용하기 위한 위치로 복귀할 때 상기 고압 유지 섹션과 상기 회전식 투여 밸브 내부의 압력이 실질적으로 유지되도록 상기 격실의 압력과 온도를 조절하기 위해, 상기 증기 제공 수단 및/또는 상기 기체 제공 수단에 결합된 압력 조절 수단을 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 방출 섹션은 적어도 하나의 로딩 밸브 및 적어도 하나의 배출 밸브와, 상기 밸브들 사이에 챔버를 포함하며, 상기 챔버는 증기 주입 포트들 및/또는 기체 주입 포트들을 구비하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  8. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 방출 섹션은 상기 고압 유지 섹션 내의 고압을 유지하는 동안 압력 저하에 의해 상기 배출 섹션으로 재료를 방출하도록 구성되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압력 방출 섹션은 상기 챔버의 상부에 연결된 압력-방출 밸브와, 탈출하는 증기 및/또는 기체를 수용하기 위해 상기 압력-방출 밸브로부터 연장된 방출 도관(relief conduit)을 포함하며, 상기 압력 방출 섹션의 상기 로딩 밸브는 상기 압력-방출 밸브 아래에 위치하고, 상기 배출 밸브는 상기 압력 방출 섹션의 바닥에 위치하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방출 도관은 응축기, 배출 포트 및 선택적인 소음기를 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압 기체는 적어도 일부 섹션(들)을 위해 이산화탄소의 분압(partial pressure)을 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  12. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속-흐름 증기 폭발 반응기는 알칼리성 증기 폭발 반응기로서 작동하도록 구성되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 통합된 스크러버 유닛(scrubber unit)을 포함하며, 상기 배출 섹션이 상기 증기 폭발 반응기로부터의 배출 재료가 스크러빙 매체로서 역할을 하도록 구성된다는 점에서 상기 증기 폭발 반응기의 상기 배출 섹션은 동시에 상기 스크러버 유닛으로서 역할을 하며, 상기 스크러버 유닛은, 기체 스트림으로부터 이산화탄소 스크러빙 및/또는 다른 산성 기체 성분들의 스크러빙을 용이하게 하기 위해, 작동될 때, 상기 고압 유지 섹션으로부터 알칼리성 재료의 스트림이 기체 스트림과 만나도록, 상기 스크러버 유닛의 하측 부분 내부에 제공된 적어도 하나의 기체 유입구를 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스크러버 유닛의 상측 부분은, 적어도 하나의 내부 나선(spiral)에 의해 재료의 스트림을 사이클론 패턴으로 지향시키기 위해, 상기 스크러버 유닛의 중심축에 대하여 각도를 이루며 상기 압력 방출 섹션으로부터 재료의 스트림의 전달을 수용하도록 적합화되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스크러버 유닛은 서로에 대하여 수직으로 오프셋 된 두 개의 삽입된 나선들을 포함하며, 상부 나선은 상기 스크러버의 내부 벽으로부터 간격을 가지고, 반면에 하부 나선은 간격을 가지지 않으며, 이는, 상기 스크러빙 유닛의 내부 벽을 따라서 상기 상부 나선으로부터 하부 나선으로 이송되는 재료에 의해 유발된, 상기 스크러빙 유닛 내부의 폐기물의 스트림의 일차 사이클론 패턴 흐름에 대해 수직인 부분 속도 성분을 발생시키는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하부 나선은 재료를 상기 스크러버의 중심 쪽으로 부분적으로 안내하는 주름진 패턴과, 상기 스크러버 유닛의 중심 쪽으로 비산 및 분산시키기 위해 재료의 수직 성분을 초래하는 상기 나선의 내부 에지에서 돌출된 림(rim)을 구비하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크러버 유닛은 대략 1 내지 대략 5 bar의 범위 내의 압력에서 작동하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크러버 유닛은 스크러빙 매체의 냉각과 증기 폭발로부터 열의 회수를 제공하기 위해 열교환 냉각 요소들을 구비하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 방출 섹션은 일차 이산화탄소 스크러버로서 역할을 하고, 상기 시스템은 상기 일차 스크러버로부터의 액체 부분을 스크러빙 매체로서 공급받도록 구성된 이차 스크러버를 더 포함하는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    이송 속도는 상기 로딩 섹션과 압력 방출 섹션의 로딩 및 방출 밸브들과 동기화되는, 연속-흐름 증기 폭발 반응기.
  21. 증기 폭발적 분열을 수반하며 고체 유기 재료를 추가적인 후속 처리에 더욱 접근하기 쉽게 만드는, 고체 유기 재료의 처리를 위한 공정으로서, 상기 공정은:
    a) 고체 유기 재료를 포함하는 재료 스트림을 수용하는 단계,
    b) 상기 스트림을 습윤(wetting) 및 혼합 섹션 내부로 도입하고 고체 유기 재료를 습윤 및 혼합시키는 단계,
    c) 상기 스트림을 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 로딩 섹션의 로딩 밸브를 통해 로딩 격실(loading compartment) 내부로 이송하는 단계,
    d) 상기 로딩 격실 내에 증기, 또는 가압 공기와 같은 가압 기체를 도입함으로써 상기 로딩 격실 내의 압력을 증가시키는 단계,
    e) 고압 유지 섹션 내에 고압과 고온을 유지하는 동안 재료를 상기 로딩 격실로부터 고압 유지 섹션으로 방출시키는 단계,
    f) 상기 로딩 섹션을 상기 고압 유지 섹션으로부터 폐쇄하는 단계,
    g) 상기 로딩 섹션이 상기 습윤 및 혼합 섹션으로부터 재-로딩되기 전에 상기 로딩 섹션 내의 압력을 방출시키는 단계,
    h) 고압과 고온을 겪는 동안 재료를 상기 고압 유지 섹션을 통해 연속적으로 이송하는 단계,
    i) 상기 고압 유지 섹션을 통해 이송된 재료 투여량(material dose)을 밸브를 통해 압력 방출 섹션에 로딩하고, 상기 재료 투여량에 대해 증기 폭발 효과를 이루기 위해 상기 압력 방출 섹션으로부터 압력을 방출시키는 단계,
    j) 상기 재료 투여량을 저압 배출 섹션 내부로 배출하는 단계,
    k) 상기 압력 방출 섹션을 상기 배출 섹션으로부터 폐쇄하는 단계,
    l) 상기 압력 방출 섹션이 재-로딩을 위해 상기 고압 유지 섹션을 향해 개방된 때, 상기 압력 유지 섹션 내에 고압이 유지되도록 상기 압력 방출 섹션 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는, 공정.
  22. 제21항에 있어서,
    단계 (c) 내지 (g)에서, 상기 습윤 및 컨디셔닝 섹션으로부터의 기재의 투여량은 회전식 투여 밸브에 의해 고압 회전식 배출 밸브의 격실 내부로 투여되며, 그 다음에 상기 고압 회전식 배출 밸브는 로딩된 격실을, 재료를 상기 고압 유지 섹션으로 방출하기 위해 상기 격실을 회전시키기 전에 재료를 상기 고압 유지 섹션 내의 재료와 동일한 레벨로 가열하고 압력을 상기 고압 유지 섹션 내의 압력과 동일하거나 더 높은 레벨로 가져오기 위해 증기 및/또는 기체가 로딩된 격실로 주입되는 밀봉 위치로 회전시키고, 그 다음에 상기 고압 회전식 배출 밸브가 대기압에서 재-로딩하기 위한 로딩 위치로 회전하기 전에 상기 격실을 압력이 방출되는 제2 밀봉 위치로 회전시키는, 공정.
  23. 제21항에 있어서,
    단계 (c) 내지 (g)에서, 상기 습윤 및 컨디셔닝 섹션으로부터의 기재의 투여량은 로딩 밸브를 통해, 배출 밸브에 의해 상기 고압 유지 섹션으로부터 폐쇄된 로딩 챔버 내부로 투여되며, 그 다음에 상기 로딩 밸브는 폐쇄 위치로 이동되고, 재료를 상기 고압 유지 섹션으로 방출하기 위해 상기 배출 밸브를 개방하기 전에 재료를 상기 고압 유지 섹션 내의 재료와 동일한 레벨로 가열하고 압력을 상기 고압 유지 섹션 내의 압력과 동일하거나 또는 더 높은 레벨로 가져오기 위해 증기와 선택적인 기체가 상기 로딩 챔버 내부로 주입되며, 그 다음에 대기압에서 상기 로딩 챔버를 재-로딩하기 위한 상기 로딩 밸브의 재-개방 전에 상기 배출 밸브를 폐쇄하고 상기 로딩 챔버의 압력을 방출시키는, 공정.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서 압력 방출과 단계 (j)에서 배출은 재료 투여량을 상기 배출 섹션 내부로 배출함으로써 압력이 방출되는 하나의 단계로 수행되는, 공정.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i) 내지 (l)에서, 상기 고압 유지 섹션으로부터의 기재의 적절한 투여량은 고압 회전식 투여 밸브에 의해 고압 회전식 배출 밸브의 격실 내부로 투여되며, 그 다음에 상기 고압 회전식 배출 밸브는 밀봉 위치로 회전하기 전에 로딩된 격실을 상기 배출 섹션으로 배출시키도록 회전하며, 상기 밀봉 위치에서 상기 고압 회전식 배출 밸브는 상기 고압 유지 섹션으로부터 재-로딩을 위한 로딩 위치로 회전하기 전에 증기 및/또는 기체 주입에 의해 상기 고압 유지 섹션의 압력과 동일하거나 또는 약간 낮은 레벨로 가압되는, 공정.
  26. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i) 내지 (l)에서, 상기 고압 유지 섹션으로부터의 기재의 적절한 투여량은 로딩 밸브를 통해, 배출 밸브에 의해 상기 배출 섹션으로부터 폐쇄된 압력 방출 챔버로 투여되며, 그 다음에 상기 로딩 밸브는 폐쇄 위치로 이동되고, 상기 배출 밸브는 기재 재료를 압력 방출하에서 저압 배출 섹션 내부로 배출하기 위해 개방되며, 그 다음에 상기 고압 유지 섹션으로부터 상기 압력 방출 챔버의 재-로딩을 위한 상기 로딩 밸브의 개방 전에 상기 압력 방출 챔버가 증기 및/또는 기체 주입에 의해 상기 압력 유지 섹션과 동일하거나 또는 약간 낮은 레벨로 가압되기 전에 상기 배출 밸브를 폐쇄하는, 공정.
  27. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (i)에서 상기 압력의 방출은 상기 압력 방출 섹션의 상부에, 상기 압력 방출 섹션의 로딩 밸브 위에 위치한 압력 방출 밸브를 개방함으로써 달성되며, 이는 탈출하는 기체와 증기가 상기 압력 방출 밸브와 상기 압력 방출 밸브 반대쪽의 도관을 통해 빠져나가도록 허용하며, 기재가 상기 압력 방출 섹션 내부에 유지되는 동안 상기 압력 방출 섹션 내부의 기재의 증기 폭발을 유발하고 후속하여 기재 재료를 배출시키는, 공정.
  28. 제27항에 있어서,
    압력 방출 후 기재 재료의 배출은, 상기 기재 재료를 상기 배출 섹션 내부로 배출하기 위해 상기 배출 밸브를 개방하기 전에, 상기 압력 방출 챔버 내의 압력을 증가시킴으로써 도움을 받는, 공정.
  29. 제21항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c) 내지(g)에서 상기 고압 유지 섹션의 로딩과 배출 및 단계(i) 내지 (l)에서 상기 압력 방출 섹션의 로딩과 배출, 상기 격실들로부터 압력 방출 및 재료 배출, 및 상기 로딩 및 압력 방출 섹션들의 가압은, 작동 중에 상기 고압 유지 섹션 내의 압력 저하가 최소가 되도록 동기화되는, 공정.
  30. 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 속도-조절 가능한 컨베이어의 이송 속도는 로딩 및 방출 메커니즘들과 동기화되는, 공정.
  31. 제21항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 유지 섹션 내의 고온과 고압은 상기 섹션 내부로 증기의 도입 및 선택적으로 가압 공기와 같은 가압 기체를 추가 도입함으로써 달성되는, 공정.
  32. 제21항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    재료의 스트림은 상기 습윤 및 혼합 섹션 내에서 알칼리성 수용액과 혼합되는, 공정.
  33. 제32항에 있어서,
    증기 폭발 반응기의 배출 섹션은 동시에, 스크러빙 매체를 제공하는 알칼리성의 증기 폭발된 기재 및 응축된 증기로 이산화탄소 및/또는 다른 산성 기체들을 스크러빙하기 위한 스크러버(scrubber)로서 이용되는, 공정.
  34. 제33항에 있어서,
    이산화탄소 또는 다른 산성 기체들을 포함하는 기체 스트림을 상기 배출 섹션의 하부 섹션 내부로 공급하는 것을 포함하는 대향류(counter flow) 구성에서, 알칼리성 증기 폭발 스트림은 상기 배출 섹션의 상부 섹션으로부터 들어와서 아래로 이동하며 상기 배출 섹션을 통과하는 상기 기체 스트림과 만나고 상기 스크러빙 매체로서 역할을 하는, 공정.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 스트림의 흐름이 상기 스크러버 유닛의 중심축에 대해 각도를 이루며 흐름 안내 나선들(flow guiding spirals) 상으로 들어오도록 상기 스트림을 압력 방출 섹션으로부터 상기 배출 섹션과 스크러버 유닛 내부로 이송하는 단계를 포함하며, 상기 흐름 안내 나선들은 상기 스크러버의 중심을 향해 상기 스트림의 비산 및 분산을 촉진시키는, 공정.
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