KR20230068425A - 폐기물, 바이오제닉 폐기물 및 바이오매스로부터의 수소 생산 방법, 프로세스 및 시스템 - Google Patents

Abstract

장치의 하부 섹션 주위에 배치된 가스 유입 시스템과 함께 바이오차르 탄소 촉매층을 갖는 기하하적으로 설계된 반응기를 포함하는 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 플라즈마 강화 가스화를 가능하게 하여 통합된 산소 업소버 시스템에 의해 생성된 산화제 가스를 공급해서 장치로 통합된 산소 업소버 시스템에 의해 일부 생성된 산화 반응에 의해 발생된 발열을 사용한 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 부분 산화를 강화시켜 생성된 합성가스의 수소 생산의 양 및 품질을 최적화하는, 신규한 장치, 시스템 및 그것을 사용한 방법이 제공된다.

Description

폐기물, 바이오제닉 폐기물 및 바이오매스로부터의 수소 생산 방법, 프로세스 및 시스템

(관련 특허 출원에 대한 상호 참조)

본 출원은 2020년 9월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/077,894호의 우선권 및 모든 이점을 주장하며, 그 전문을 본원에 참조로 명백하게 포함한다.

본 발명의 실시형태는 바이오매스 폐기물로부터 고순도 수소를 제조하기 위한 방법, 프로세스 및 시스템에 관한 것이다. 본원은 바이오제닉 탄화수소 폐기물 등의 바이오매스 폐기물이 가스화 장치에 도입되고, 상기 가스화 장치가 통합 산소 흡수 시스템을 포함하여 산소가 풍부한 공기를 생성하는 방법, 프로세스 및 시스템을 포함한다. 산소가 풍부한 공기는 바이오제닉 탄화수소와 결합하여 발열 산화 프로세스 하에 열을 생성한 후, 플라즈마 아크 토치에 의해 생성된 외부 열원으로 강화되어 고순도의 재생 가능한 그린 수소를 생성한다.

국제연합(UN), 기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC), 환경 보호국(EPA) 및 기타 공공 기관의 연구는 인구 증가와 산업화로 인하여, 소비가 급속도로 증가하고 있기 때문에 전 세계 에너지 요구량이 심각하고 중요한 문제가 되고 있음을 공식화하고 있다. 불행하게도, 세계 에너지의 대부분은 석탄, 석유 또는 천연 가스의 연소로부터 생산되고, 이는 온실 가스의 급속한 증가에 따른 지구 온난화 및 기후 변화를 초래하는 것으로 입증되고 있다.

상기 문제에 대한 하나의 명확하고 논쟁의 여지가 없는 해결책은, 그린 및 재생 가능한 에너지원의 개발이다. 이러한 해결책에 대한 요구로 인해 전 세계적으로 풍력 및 태양 에너지 기술 개발이 빠르게 성장하고 있다. 그러나 풍력 및 태양 에너지에 의존하는 것의 적어도 하나의 단점은, 이러한 에너지원이 본질적으로 간헐적이라는 것 뿐만 아니라, 지리적 및 기후에 따라 달라진다는 점이다. 중요한 것은 운송/이동을 위한 에너지 사용량의 40%를 해결하는 것에 대한 실패, 전력망의 불균형 및 불안정 생산, 대량 전력 저장과 관련된 어려움, 비일관적이고 계절에 따라 다른 전력 생산; 탈탄소화에 대한 기반 시설(천연 가스 파이프라인 등)의 기여 결여; 및 시멘트 또는 제철소 등의 대규모 산업에서 요구되는 고열의 생성 불능 등을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는 몇몇의 주요 문제를 발생한다.

이동 및 운송 산업은 대부분 휘발유, 경유, 등유 등의 석유계 액체 연료에 의존하고 있으며, 인구 증가와 여행 증가로 인해 이러한 연료에 대한 수요가 급증하고 있다. 통합된 세계 경제가 발전함에 따라, 특히 항공 및 해운 산업의 연료 수요가 기하급수적으로 증가하고 있다. 바이오 에탄올 및 바이오 디젤 등의 바이오 연료에 기반한 농업은 온실 가스(GHG) 감소에 주목할 만한 변화를 제공할 수 없었으며 식량과 연료에 기반한 분쟁에 원인이 되고 있다.

전기 자동차의 성공적인 상용화와 함께, 전기 모터 개발에 현저한 진전이 있어 왔다. 차량에 저장된 전기를 공급하기 위해 배터리를 사용하여 전기를 차량에 전달할 수 있다; 그러나, 배터리는 일반적으로 크고 무겁고, (대부분 재생 불가능한 전력원으로부터) 충전하는 데 오랜 시간이 걸리고, 범위가 제한(충전당 200마일 미만)되어 있다는 점을 포함하여, 다양한 이유에서 최선책이 아니다. 전기 배터리 비히클은(EBV)은 트럭, 버스, 기차 및 선박 등의 장거리 교통 수단의 요구 사항을 충족하는 데 어려움이 있다. 연료 전지 시스템의 발전과 상용화로 인해 전기는 수소를 통해 상기 비히클로 전달될 수 있고, 연료 전지 시스템을 통해 저장되고 전기로 변환될 수 있다. 수소 연료 전지 전기 비히클(FCEV)은 수분 내에 즉시 충전되거나 연료를 공급할 수 있으며, 휘발유/디젤 연료 비히클과 유사하게 최대 500마일에 이르는 충분한 전기를 공급할 수 있는, 컴팩트하고 경량인 수소 탱크/연료 전지 스택으로 인해 주요 자동차 제조업체가 선택하는 무공해 비히클이 되고 있다.

미국의 생화학 엔지니어인 타카하시 패트릭 켄지(Patrick Kenji Takahashi)는 "간단한 해결책"으로서 세계의 에너지 수요와 문제를 해결하기 위한 그린 수소의 개념과 수소를 활용하는 방법을 도입했다. 수소는 주기율표에서 가장 단순하고 우주에서 가장 풍부한 원소이다. 그것은 상시 다른 원소와 결합되어 확인되고, 에너지 운반체로 사용하기 위해서는 탄화수소(예를 들면, 메탄 CH₄) 또는 물(H₂O)로부터 분리되어야 한다. 태양열, 풍력 및 지열과 같은 재생 가능한 에너지원으로부터 에너지를 생성하는 경우, 전기는 생산됨과 동시에 소비된다. 전기분해는 물(H₂O)에 전류를 통과시켜 수소(H)와 산소(O)로 분리하는 것을 포함한다. 이 프로세스는 에너지 그리드 또는 온-사이트를 통해 행할 수 있다. 분리된 수소는 향후 사용을 위해 가압 탱크에 저장될 수 있다. 저장된 수소는 이후에 연료 전지로 이송되고, 산소와 재결합되어 열 생성 또는 운송 연료 공급과 같은 다양한 용도를 위해 사용 가능한 동력원으로 변환된다. 재생 가능한 전기를 사용하면 화석 연료에 대한 의존도를 감소시키고, 전기 그리드의 한계를 넘어 풍력 및 태양광 발전의 범위를 확장할 수 있다.

재생 가능한 수소는 현재 및 미래의 에너지 문제에 대한 가시적이고 중요한 해결책이다. 이것은 석유 기반의 액체 연료를 대신하여 운송/이동 부문의 전기화에 사용되는 전기를 공급할 수 있는 탄소 제로의 재생 에너지원이다. 재생 가능한 수소는, 천연 가스 파이프라인에 주입되어 천연 가스 그리드 및 후속의 발전소를 탈탄소화하고 공장(석탄 및 코크스의 사용을 줄이기 위한 시멘트 공장 등)에서 필요한 고품질 열을 제공하여 고순도 철을 생산하기 위해 제철소에서의 환원제로서 사용된다. 또한, 재생 수소는 복잡하고 부피가 크고 비효율적인 배터리와 달리, 재생 가능한 에너지원으로서 대량으로 용이하게 저장될 수 있다.

요구되는 것은 효율적이고 최소한의 온실 가스 배출을 달성할 수 있는 재생 가능한 그린 수소의 대규모 생산이다. 상술한 바와 같이, 100% 재생 가능한 전력을 사용하여 재생 가능한 수소를 생산하는 현재 방법은, 물의 전기 분해를 포함한다. 그러나, 이 프로세스는 다양한 이유로 최적이 아니다. 중요한 것은, 상기 프로세서는 재생 가능한 전력(간헐적인 경우가 많음)에 대한 의존성 및 많은 양의 전기(약 1kg의 H₂를 생성하는 데 약 62kWh)의 요구로 인하여 대규모로 행해질 때 막대한 비용이 든다는 것이다. 또한, 탈이온수 사용과 관련된 상당한 비용이 있으며, 1kg의 H₂를 생산하는 데 약 8갤런의 탈이온수가 필요하다. 또한, 현재 이용 가능한 전해조의 용량은 소규모 생산에만 유용하기 때문에 적합하지 않다. 대규모 시스템이 개발될 경우, 전해조의 비용 감소를 수반한 대규모 해상 풍력 발전소의 건설로 인해 시간이 지남에 따라 전기 분해로부터의 H2 생산 가격이 감소될 수 있을 것이다. 그러나, 그 동안에 필요한 것은 저비용 그린 수소에 대한 현재 및 미래의 수요를 충족하기 위한 즉각적인 해결책이고; 이상적으로는, 이러한 해결책은 비용 효율적이고 구현하기 쉬우며 새로운 기반시설에 최소한의 투자만을 요구해야 한다.

경제적 및 기술적 관점 모두에서 볼 때, 재생 가능한 수소를 생산하기 위해 풍부하게 이용 가능한 바이오매스와 폐기 물질의 가스화가 FCEV(연료 전지 전기 비히클) 및 기타 여러 용도에 필요한 수소를 공급하는 비용 효율적인 방법이 될 수 있음을 인식해야 한다. 실제로 FCEV에 필요한 전기 에너지로 수소를 변환하는 전체 열 효율은, 오늘날 사용되는 내연 기관 비히클에 동력을 공급하기 위해 액체 연료를 연소하는 것보다 3배 더 높다. 이리하여 수소를 사용하는 것은 글로벌 에너지 안보에 현저하게 기여할 수 있다.

전 세계적으로, 도시 또는 산업의 바이오매스, 농업 잔류물 또는 산업 부산물 등의 바이오매스 양이 증가하면서, 메탄을 대기 중에 방출하면서 내버리거나 또는 미개발의 상태로 잔존시킨다. EPA에 따르면, 메탄의 영향은 100년 동안에 이산화탄소보다 환경에 28~36배 더 유해한 것으로 추정된다. 또한 지난 수십년 동안 오염 에너지 생산 기술(석탄 연소 등)과 함께, 열악한 폐기물 관리 방법으로 인해 이산화탄소 및 온실 가스 배출량이 지속적으로 증가하여 글로벌 수명 주기 평가를 악화시켰다.

또한, 폐기물을 포함한 바이오매스는 일반 소각로에서 연소되어 저온 연소 생성물인 반휘발성 유기 화합물(SVOCs), 다이옥신, 푸란 등과 같은 발암성 물질을 포함하는 오염 물질을 배출한다. 지난 수십년 동안 미국, 일본 및 유럽 국가와 같은 선진국은, 혼합 플라스틱 및 혼합 종이를 연간 총 1억톤 이상 재활용했으며, 그 중 대부분은 중국으로 수출되어 낮은 가치의 생산물로 재사용되었다. 이 실행은 2018년 1월 1일부터 중국 정부에 의해 중단되어 수백만개의 재활용 재료가 저장 및/또는 매립지로 다시 보내졌다.

다양한 형태의 폐기물, 바이오매스 및 혼합 플라스틱 및 혼합 종이 등의 재활용 재료를 취급하고 처리할 뿐만 아니라, 이러한 공급원료를 재생 가능한 합성 가스로 변환하여 용이하게 재생 가능한 전기 에너지의 공급원으로서 제공하는 기기 및 장치를 포함하는 시스템 및 프로세스에 대한 필요성이 Camacho에서 발행된 미국특허 제5,544,597호 및 5,634,414호에 개시되고 청구된 장치 및 프로세스에 의해 부분적으로 충족되고 있었다. 이들 특허는 바이오매스 또는 기타 유기 물질을 압축하여 공기를 제거하고 할스(hearth)가 있는 반응기로 연속적인 양을 전달하는 시스템을 개시한다. 그런 후, 플라즈마 토치를 열원으로 사용하여 유기 성분을 열분해하는 한편, 무기 성분은 유리화된 슬래그로 제거된다.

보다 최근에, 유기 물질의 열분해, 가스화 및 유리화를 위한 상기 특허의 장치 및 프로세스에 대한 개선이 Do 등의 미국 특허 제6,987,792호에 개시되어 있다. 이 특허는 프로세스의 효율성을 더욱 향상시킬 뿐만 아니라 시스템의 유연성을 높이고, 물질 취급 시스템의 사용 편의성을 높이고, 가스화 장치가 보다 다양하고 다채로운 재료 스트림을 수용하도록 하는 개선된 물질 공급 시스템을 제공한다.

미국특허 제6,987,792호의 장치 및 프로세스는 촉매층(catalyst bed)과 조합하여 플라즈마 토치를 사용하여 층(bed) 영역에서 고온이 유지되도록 한다. 또한, 상기 특허는 고온 및 효율성을 유지하고, 가스화 장치의 전체 단면을 따라 가스화 조건을 구비하게 하면서, 반화학양론적 조건을 관찰하기 위해, 예를 들면 산소가 풍부한 공기를 반응기 측면으로부터 중앙으로 주입하기 위해 상이한 높이의 층으로 설계 및 위치된 송풍구의 여러 링을 기재하고 있다. 미국 특허 제6,987,792호에서 이용된 산소는 2차 공급원에 의해 공급되며 시스템 내에서 또는 시스템에 의해 완전하게 생산되지 않는다.

상술의 시스템 및 프로세스가 유용하지만, 이것은 재생 가능한 수소 생산보다는 재생 가능한 전력 및 재생 가능한 액체 연료의 생산을 목적으로 하는 바이오매스 가스화에 대한 초기 시도를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 현재의 에너지 수요와 연료 기반 산업은 점점 더 비용 효율적이고 시간 효율적인 방식으로 재생 가능한 그린 수소 및 재생 가능한 에너지에 대한 접근을 요구한다.

따라서, 필요한 것은 수소가 사용, 운송 및 기타 산업적 용도에 이용 가능하도록 재생 가능한 그린 수소를 생성하기 위한 바이오매스의 가스화를 위한 효율적인 시스템, 프로세스 및 방법이다. 바람직하게는, 이러한 시스템, 프로세스 및 방법은 구현하기 쉽고, 비용 효율적이고, 효율성이 있어야 하며, 신뢰할 수 있고, 현대 세계의 에너지 요구와 호환되어야 한다는 것이다.

본원에 신규한 가스화 유닛 및 시스템의 사용을 포함하는 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 1단계 플라즈마 강화 가스화를 위한 방법, 장치 및 시스템이 제공된다. 본원에서 고려되는 바와 같이, 본 발명의 가스화 유닛 및 시스템은, 상부 플레넘 섹션 및 하부 이중층 섹션을 갖는 고유의 기하학적으로 설계된 형상의 반응기를 포함하고, 여기서, 상기 하부 이중층 섹션은 절두원추형 변화부에 의해 제 2 협폭부에 연결된 제 1 광폭부를 포함하고, 바이오차르(biochar) 탄소 촉매층을 수용하기에 적합하고; 여기서, 상기 상부 플레넘 섹션은 적어도 하나 이상의 가스 배기구를 갖고; 여기서, 가스 유입 시스템이 상기 하부 이중층 섹션 주위에 배치되어 (저비용 산소(LCO) 업소버 시스템 등의) 산소 업소버 시스템에 의해 생성된 산화 가스제를 상기 하부 섹션의 하나 이상의 흡기구를 통해 상기 하부 이중층 섹션에 제공하고; 복수의 입구 또는 송풍기로서, 플라즈마 아크 토치가 상기 하부 섹션에 장착되어, 3000~5000℃의 작동 온도를 생성하도록 상기 바이오차르 탄소 촉매층 및 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질로부터 생성된 산화열을 높이는 것을 포함한다. 통합 산소 업소버 시스템은 대기압의 산소가 풍부한 공기, 산소 또는 스팀 형태의 산화제를 제공하여 반응기로 도입되는 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 자열 발열 산화를 생성하도록 설계된다.

미국특허 제6,987,792호에 기재된 가스화 장치 시스템의 기존의 실시형태에 있어서, 산소는 매우 높은 비용으로 펜스 공급자와 같은 2차 공급원에 의해 제공되었다. 임의의 종래 실시형태에 있어서, 극저온 기술을 사용하는 전용 공기 분리 유닛에 의해 산소가 제공되었으며, 이 방법론은 역시, 상당한 비용이 들고 높은 에너지 소비를 초래하였다. 일반적으로 산소 공급 단계는 전체 프로세스와 분리되어 있기 때문에, 산소를 소싱하고, 시스템에 도입하고, 상기 프로세스의 작동 양태를 모니터링하고 관리하는 데 요구되는 추가 단계가 비효율성과 비용 상승을 초래하였다. 상술의 결함을 해소하고, 최신식의 비용 효율적이며 운영상 우수한 시스템 및 프로세스를 제작하기 위한 노력의 일환으로, 본원에 기재된 바와 같은 신규한 발명이 산소 흡수 메커니즘을 가스화 장치에 통합하는 것을 포함하는 고유의 특징을 제공한다.

별도의 공급원/위치로부터 플라즈마 가스화 시스템으로부터 산소를 도입하는 단계는 종래의 특허 및 간행물에 기재되어 있고 유사한 장치로 일상적으로 구현되는 것이다. 그러나, 실제로, 산소 흡수 시스템을 가스화 장치에 직접 통합하는 특징을 개시하거나 제시한 종래 기술 참조 또는 시스템은 없다. 산소 흡수 시스템을 통합하는 개념은 본원에서 논의된 바와 같은 본 발명이 제작되기 전까지는 구상되지도 실행으로 이행되지도 않았다. 이와 같이 본원에 기재된 특징은 신규하며 발견하기 쉬운 것이 아니다.

상술한 바와 같이, 산소 흡수 시스템을 상술한 플라즈마 기반 가스화 장치에 통합함으로써 현저한 이점이 달성된다. 우선, 통합된 형태는 저압에서 산소를 생성하는 것을 고려하고, 최소한의 수동 또는 작동 상호 작용을 요구하고, 따라서, 궁극적으로는 보다 낮은 비용으로 일관된 출력이 얻어진다. 또한, 본 발명에 따른 산소 흡수 시스템은 고순도 재생 수소를 생성하기 위해 산소가 풍부한 공기와 함께 주입될 수 있는 스팀을 생성하도록 구성될 수 있다.

본원에 제공된 신규한 실시형태는 주로 수소 및 일산화탄소를 함유하는 출구 합성 가스를 생성하는 플라즈마 토치에 의해 생성된 외부 열원에 의해 강화된 재생 가능한 수소를 생성하기 위한 산소 블로잉 프로세스(알로써멀 프로세스)를 포함한다. 수소와 일산화탄소는 고온에서 가장 안정한 2개 분자 화합물이고, 따라서 가장 고온의 온도가 가장 낮은 산화 영역에서 확인되고 상부 플레넘 영역으로 상승하는 가스화 장치에서 생성된 고온 구배의 결과로서, 이러한 분자 화합물은 모든 잔류 탄화수소 사슬이 배출되기 전에 가스화 장치의 상부 근방에서 열적으로 더욱 균열되는 플레넘 영역에서 확인된다. 본 발명의 임의의 실시형태에서, 고온 구배는 대략 5개의 영역을 생성한다.

본원에 기재된 방법에 따르면, 합성 가스는 다양한 유기 탄화 수소 공급원료로부터 안정적으로 생성되며, 실질적으로는 타르 또는 다환 방향족 탄화수소(일반적으로, 저온 자열 가스화 시스템에 의해 생성됨)가 포함되지 않는다. 고압 스팀을 생성하는 프로세스에 있어서, 가스화 장치에서의 대기압 하에 생성된 바이오매스 유래 합성 가스는, 이후의 블로워 시스템으로 인출되고 불순물과 산성 가스를 스크러빙한 후, 보다 낮은 온도로 냉각된다. 이어서, 고압 증기 열을 사용하여 약 450℃~550℃에서 작동하는 통합 산소 업소버 시스템의 온도를 유지한다. 흡착 프로세스는 발열 프로세스인 반면에, 산소의 탈착 프로세스는 흡열이므로, 상기 프로세스는 가스화 반응기에서 상당한 열 전달을 증가시킬 필요없이 평형 상태로 실행된다. 이어서, 얻어진 스크러빙, 세정 및 냉각된 합성 가스(약 >65vol.% H2 및 <35vol.% CO로 이루어짐)는 압축되고, 가압 수증기와 함께 수성 가스 시프트 시스템에 공급되어 대부분의 CO 및 H2O를 추가의 H2 및 CO2로 전환한다. 수성 가스 시프트 반응기의 오프 가스(일반적인 효율성이 85%인 1단계 시프트 반응으로 수행되는 경우)는, 대부분 수소 가스와 극소량의 CO 및 CO2를 포함하고, 여전히 H2S 등의 황화수소 및 카르보닐 술피드(COS)와 같은 황 함유 화합물, 및 기타 불순물을 포함하고, 압력 스윙 흡착(PSA 유닛)에서 처리되기 전에 더욱 압축될 수 있다. PSA는 산업 규모로 수소를 정제하기 위한 산업 표준 프로세스 기술이다. PSA 유닛에 있어서, 공급 압력에 가까운 압력에서 수소가 회수 및 정제되는 반면에, 압력을 저하시킴으로써 흡착된 불순물이 제거된다. 이하의 이론에 얽매이기를 바라는 것은 아니지만, 상기 기술은 압력 하에서 가스를 분리하기 위해 가스의 흡착 특성의 차이에 의존하여 매우 순수한 수소(최대 99.9999vol.% 순도)를 생산하는 효과적인 방법이다. 전체 프로세스는 자동이며, 수소 회수 및 생산에 최적화된 특허된 사이클을 통해 시중에서 가장 고급의 흡착제를 사용한다. 통상, PSA 유닛은 실외 및 무인 작동용으로 제조되었고, 컴팩트하고 완전히 스키드 장착되도록 설계되었다. 이어서, 불순물이 포함된 PSA 테일 가스는 연료 가스로서 사용하기 위해 테일 가스 컴프레서없이도 연료 시스템으로 재이송하여 일련의 소형 가스 엔진 또는 마이크로 터빈에서 전력을 생산할 수 있다. PSA 오프 가스로부터 가스 엔진에 의해 생성된 전력은 플랜트의 플라즈마 토치, 컴프레서 및 펌프를 포함한 시설의 기생 전력 요구 사항을 제공하는 데 사용될 수 있다. 실질적으로 순수한 H2를 생산하는 자동 PSA 프로세스는 폴리머 전해질막(PEM) 연료 전지 시스템(운송 비히클에 사용되는 것 등)과 함께 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, PSA 시스템을 통해 생산된 재생 가능한 수소는 550bar 압력으로 더욱 압축되고 수소 충전소와 같은 수소 유틸리티로 운송할 준비가 된 맞춤형 수소 저장 탱크에 저장된다. 프로세스로부터 생성된 임의의 이산화탄소는 바이오제닉이며, 시퀘스트레이션(sequestration)을 위한 식품 등급 이산화탄소로 판매하기 위해 부산물로서 회수될 수도 있다(또는 바이오제닉 탄소이기때문에 어떠한 탄소 페널티없이도 대기 중으로 방출될 수 있다).

선행 기술 및 이전 특허의 결점에 대한 중요한 해결책은 "저비용 산소"(LCO) 시스템과 같은 산소 업소버 시스템을 가스화 장치 시스템에 통합하여 바이오매스 공급원료를 처리함과 동시에 운영 비용도 절감하기 위하여 필요한 산소가 풍부한 공기를 제공하는 것이다. 고유한 흡수 시스템을 통합하여 저압의 산소가 풍부한 처리 공기를 생성하고 출구 가스 열을 사용하여 약 550℃에서 등온 업소버 시스템의 온도를 유지하는 것은, 공기 분리 유닛(ASU) 시스템으로 전달된 고압 산소에 비하여 산소를 생성하는 운영 비용을 현저하게 저감시킬 뿐만 아니라, 가스화 장치의 필수 작동 온도를 생성하는 데 필요한 플라즈마 토치 전력을 현저하게 감소시키면서, 고순도 수소의 생성을 최적화한다.

플라즈마 강화 가스화 시스템으로서 기재되고 언급된 장치는 공기, 90% ~ 95% 산소가 포함된 농축 공기 또는 증기와 같은 산화제가 가스 유입 시스템으로 주입되는 하부 섹션에 하나 이상의 흡기구를 포함한다. 산화제 투여의 방식과 양은 공급원료의 조성, 공급원료의 부피, 생산할 수소의 요구량, 그리고 가스화 장치 디지털 제어 시스템((DCS)에 설계 및 설치되는 전용 작동 파라미터에 따라 결정된다. 가스 유입 시스템은 저비용 산소 흡수 시스템과 통합되어 산소가 풍부한 공기만 제공되거나, 또는 스팀과 함께 제공되어, 공급원료의 산화 및 부분 산화를 지원해서 합성 가스 출구에서 생성되는 수소의 양을 향상시킨다. 다수의 플라즈마 아크 토치가 하부 섹션에 장착되어 바이오차르 물질로 이루어진 촉매층을 가열하고 처리 중인 물질이 별도의 공급원료 물질층을 생성한 상단으로 전달될 수 있다. 촉매층은 상방의 공급원료 물질의 고정층 내부에서 임의의 채널링 또는 브리징을 방지하는 장치의 단면에 걸쳐서 열을 균일하게 분배하는 데 도움이 된다.

본 발명의 또 다른 양태는 플라즈마 강화 열촉매 가스화에 의해 폐기물, 바이오매스 또는 기타 탄소질 물질을 포함하는 물질을 재생 가능한 수소로 전환하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 반응기의 산화 구역 섹션의 야금 또는 석유 코크스 물질을 사용하는 것 대신에 탄소질 바이오차르 물질을 촉매층으로서 제공하는 것을 포함한다. 바이오차르 물질은 목질 바이오매스(코코넛 껍질을 포함하지만 이에 한정되지 않음)의 열분해로 이루어지고, 전자의 매우 높은 고정 탄소 비율로 인하여 가스화되는 바이오매스 공급원료보다 훨씬 느린 속도로 소모되고, 조밀한 차르 생성물로 더욱 압축되는 고밀도 탄소 차르 물질을 포함한다. 또한, 공급원료를 지원하고 반응기 단면에 걸쳐 플라즈마 열을 분산시키는 소모층으로서의 역할을 넘어 바이오차르 촉매는, 공급원료의 발열량을 향상시킬 뿐만 아니라, 다공성의 촉매층을 통해 용융된 비활성 물질의 흐름을 허용하는 방법을 제공한다. 본원에 기재된 플라즈마 강화 가스화 시스템에 필요한 사양을 충족시키기 위한 바이오차르의 생산에는 화석 연료로부터 생산되는 표준 코크스 촉매와 구별되는, 고유하고 신규한 독점의 프로세스가 포함된다.

첨부된 도면과 함께 취해진 후속 설명을 판독한 후에 본 발명이 더욱 잘 이해되므로, 본 발명의 다른 특징 및 이점을 용이하게 이해할 수 있다.

도 1은 종래 기술 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태와 함께 사용되는 가스화 장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 사용된 공급원료의 압력 강하 대 직경 크기의 그래프이다.
도 4는 대표적인 압력 및 온도 센서를 설명하는 본 발명의 실시형태와 함께 사용되는 가스화 장치의 부분 정면도이다.
도 5a~5c는 대표적인 압력 및 온도 센서의 위치를 설명한 도 4의 단면도이다. 도 5d는 프로세스 연결 위치(기구 및 각도)를 나타낸다.[참고: 모든 치수는 노즐의 중심선에 대한 각도이며, 기구 노즐의 각 유형은 SPGR 원주 주위에 등거리로 배치되어 있으며 표시된 기구 노즐의 수는 설명 목적으로만 제공된다.]
도 6은 산소 생산 모듈의 하나의 실시형태의 특정 구성요소를 도시한 개략도를 나타낸다.
도 7은 왕복 엔진 및 CO2 캡쳐를 갖는 IGCC에 대한 통합 산소 생산을 도시한 개략도를 나타낸다. 산소 생산 모듈(LCO)은 이전 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같이 합성가스 "쿨러"에 침지되어 있다.
도 8은 철강 산업에서의 본원에 기재된 방법에 의해 생성된 재생 가능한 수소의 역할을 설명하는 흐름도를 제공한다.
도 9는 시멘트에 대한 본 발명의 플라즈마 가스화 프로세스의 권장 구성을 제공한다.

본 발명은 다양한 특징을 갖는 특정 실시형태를 참조하여 설명된다. 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 본 발명을 실시함에 있어서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 당업자는 이들 특징이 주어진 용도 또는 디자인의 요건 및 사양에 기초하여 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있음을 인식할 수 있다. 당업자는 본 발명의 실시형태의 시스템 및 장치가 본 발명의 임의의 방법과 함께 사용될 수 있고 본 발명의 임의의 방법이 본 발명의 임의의 시스템 및 장치를 사용하여 수행될 수 있음을 인식할 수 있다. 또한, 다양한 특징을 포함하는 실시형태는 그 다양한 특징으로 이루어지거나 또는 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태는 본 발명의 사양 및 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 제공된 본 발명의 설명은 사실상 예시일 뿐이며, 따라서 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 변형은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

본 발명의 적어도 하나의 실시형태를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명에서 열거되거나 도면에서 예시된 구성 요소의 구성 및 배열의 상세에 대한그 적용에 제한이 없음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시형태가 가능하거나 또는 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안됨을 이해해야 한다.

달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 이 기술 및 방법론에 포함된 당업자가 일반적으로 이해하거나 사용하는 것과 동일한 의미를 갖는다.

미국 특허 제5,544,597호, 미국 특허 제5,634,414호, 미국 특허 제6,987,792호, PCT/US14/15734, 미국 특허 출원 제13/765,192호, PCT/US14/15792로 출원된 PCT 출원 및 미국 특허 제9,206,360을 포함하여 본원에 언급된 텍스트 및 참고 문헌은 그 전체를 포함한다.

본원에 제공된 신규 발명은, 수소 가스를 생성하기 위해 바이오매스 등의 물질의 가스화를 가능하게 하는 장치, 시스템 및 이를 사용하는 방법을 포함한다. 본원에서 고려되는 바와 같이, 바이오매스라는 용어는 임의의 바이오물질을 포함하는 것으로 의도되며 공급원료라는 용어와 상호 교환적으로 사용된다. 특정 실시형태에있어서, 바이오매스는 폐기물, 재활용 종이, 유기 폐기물, 의도적으로 재배된 에너지 작물, 목재 또는 산림 잔류물, 식품 작물로부터의 폐기물, 원예, 식품 가공, 동물 사육, 하수 처리장의 인간 폐기물 또는 산업 폐기물을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 적어도 하나의 이점은, 바이오매스의 사용이 재생 가능한 수소 및 바이오제닉 이산화탄소의 생성을 위한 바이오매스 유래 합성가스(바이오-합성가스)를 생성함으로써 온실 가스 및 탄소 발자국을 모두 감소시키는 장점을 제공한다는 것이다. 생성된 재생 가능한 수소 및 바이오제닉 합성 가스는, 에너지를 필요로 하는 시설, 비히클 등에 완전한 오프 그리드 분산 재생성 전력 시스템을 제공하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 양성자 교환막 연료 전지(PEM FC) 또는 수소 연료 전지 배터리를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 당업자에게 공지된 다양한 방법 및 장치를 통해 재생 가능한 전력을 생성하도록 추가로 처리될 수 있다. 또한, 본원에서 생성된 재생 가능한 수소와 바이오제닉 이산화탄소는, 기계화 프로세스를 통해 재결합하여 천연 가스 대신에 가스 파이프라인에 사용하기 위한 재생 가능한 메탄 가스를 생성할 수 있다. 마지막으로, 운송 부문에 있어서, 재생 가능한 수소 및/또는 바이오제닉 일산화탄소는 암모니아, 재생 가능한 천연 가스(RNG)라고도 알려진 합성 메탄, 재생 가능한 메탄올, 합성 파라핀 케러신 및 재생 가능한 액체 연료 등의 운송 연료를 생성하기 위한 공급 가스로 사용되어 가솔린과 디젤을 대체할 수 있다. 또한, 본원에 기재된 방법 및 프로세스는 임의의 유기 탄화수소 함유 폐기 물질과 함께 작동할 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에 있어서, 본원에 기재된 방법에 따라서 생성된 수소는 압축 수소 기체로서 압력 하에 트럭 또는 파이프라인에 의해 연료 보급소로 전달될 수 있고, 적절한 조건(가장 일반적으로 하나 이상의 지하 저장 탱크)에서 저장될 수 있다. 이어서, 수소는 저장 탱크/탱크들에서 연속 방식으로 또는 필요에 따라 인출되고, 요구에 따라 연료 전지 차량에 필요한 소망의 압력으로 재압축된다.

가스화 장치

본 발명에 따라 사용되는 LCO(저비용 산소) 업소버 시스템과 통합된 통상의 1단계 대기압 열촉매 플라즈마 강화 가스화 장치는, 보다 크거나 보다 작은 크기의 가스화 장치가 사용될 수 있지만, 시간당 5~20 미터톤의 유기 폐기물 및/또는 바이오매스의 혼합원을 처리하도록 구성될 수 있다. 정확한 스루풋은 공급 물질의 조성과 생성 플랜트의 소망의 전체 스루풋에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 가스화 장치는 LCO 산소 업소버 시스템과 같은 산소 업소버 시스템과 통합된다는 사실에 의해 다른 플라즈마 가스화 반응기와 구별될 수 있으며, 두 시스템 모두 약 대기압 또는 대기압보다 약간 낮은 압력 및 고온(출구 가스 온도에 대해 1,200℃ 큼)에서 작동하여 합성가스 생성물에 타르 등의 변환되지 않은 탄화수소 분자가 없도록 한다. LCO 산소 업소버 시스템과 통합된 신규의 1단계 등온 플라즈마 강화 가스화 처리 시스템은 다른 바이오매스 가스화 시스템과 달리, 실질적으로 타르가 없는 높은 수소 부피 농도를 갖는 합성 가스를 생산하기 때문에 특별하고, 그 결과, 합성가스는 2차 합성가스 분해 챔버(통상의 저온 자열 가스화 장치)에서 추가 처리되지 않는다.

본 발명의 추가적인 신규 특징은 가스화 장치가 고유한 바이오차르 촉매층을 포함하는 실시형태를 포함한다. 열촉매 플라즈마 가스화 프로세스는 고유한 바이오차르 촉매층 조성 치수(즉, 높이)를 지속적으로 제어하고 모니터링하는 기능을 포함한다. 일 실시형태에서, 바이오차르는 주로 바이오매스 열분해로부터 생성된 차르로부터 유도된 탄소를 포함한다. 추가 물질은 실리카와 산화칼슘(일반적으로 석회석 형태)을 포함하는 플럭스 재료 등의 가스화 장치로의 바이오차르와 혼합된다. 바이오 차르의 조성은 특정 가스화/유리화 프로세스 작동 상태를 처리하도록 맞춤화된다.

일 실시형태에서, 바이오차르 탄소 촉매층은 공급원료(바이오매스 및 폐기 물질)의 높은 휘발성 물질 함량과 대조적으로 높은 고정 탄소 함량의 결과로서 반응기의 단면에 걸쳐 일관된 플라즈마 열 분포를 보장하도록 설계된다. 현재 이용 가능한 고정층 가스화 장치와는 달리, 균일한 열 분포의 바이오차르 탄소 촉매는 공급원료층을 통한 열의 채널링 또는 일반적으로 고정층 가스화 장치에서 발생하는 공급원료 내의 용융된 동결 플러그(사체 플러그) 형성을 방지하는 데 도움을 준다. 또한, 바이오차르 탄소 촉매는 상방의 공급원료 충전층을 지지하고, 용융된 플럭스, 슬래그 및 금속 등의 무기물이 하방으로 흐르고 애쉬가 상방으로 흐르도록 인터스티셜 공간을 제공하는 소모층으로서의 역할을 한다. 실리카와 산화 칼슘(석회석 형태)은 반응기 중에서 꺼내지기 전에 라바 풀의 화학적 성질 및 점도를 결정하는 적절한 pH를 유지하는 데 사용된다. 플럭스 물질과 함께 바이오차르 촉매는 탄소 대 실리카 대 산화칼슘 비율(C: SiO: CaO)이 가스화 작동 상태를 최적화하는 방식으로 특정 공급 시스템을 통해 가스화 반응기로 전달되기 전에, 공급원료와 함께 지속적으로 공급된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 가스화 장치(10)는 고급 강으로 구성되는 것이 바람직하다. 가스화 장치는 내부 쉘 전체에 걸쳐 내화성 라이닝(12)을 갖는다. 특정 실시형태에서, 가스화 장치의 상부 2/3는 최대 1~10층의 내화성 재료, 바람직하게는 3층으로 라이닝되며, 각각의 층은 약 1~20인치 또는 약 4~6인치 두께 또는 약 10~14인치 두께의 범위를 갖는다. 구체적으로, 플레넘 영역의 돔은 고알루미나 모놀리식 내화물로 커버된다. 플레넘 영역은 고온 표면층에 고알루미나 브릭으로 라이닝되고 백킹층에도 고알루미나 브릭으로 라이닝된다. 공급원료층과 바이오차르 촉매층의 중간 영역은 고온 표면층에 고크롬 브릭으로 라이닝되고 백킹층에 고알루미나 브릭으로 라이닝된다. 일반적으로, 가스화 장치의 하부 1/3은 약 20~30인치의 총 두께에 대해 1~10층, 바람직하게는 3층의 내화성 브릭으로 라이닝될 수 있다. 라바 슬래그만 고온 표면층의 고크롬 브릭과 백킹층의 탄화규소 브릭으로 라이닝된다. 용도에 따라서, 다른 내화물 구성을 사용할 수 있다. 두 섹션 모두 반응기 산업에서 공지된 시판의 내화성 제품을 사용한다.

가스화 장치(10)는 가스화 장치 내부의 가스의 공탑 속도에 따라서 설계된 수직 길이 전체에 걸쳐 특유의 기하학적 형상을 갖는다. 낮은 산화 영역과 가스 주입구로부터 상승하는 고온 가스의 공탑 속도가 초당 미터의 특정 임계값 미만으로 유지되도록 하기 위해 반응기 및 내화 라이닝의 형상을 제작하는 데 독자적인 산출이 사용된다. 구체적으로 산출된 가스의 공탑 속도는, 공급원료 물질이 반응기의 하부 가스화 영역으로 하강하고, 합성가스 출구 덕트를 플러깅하거나 클럼핑할 수 있는 미처리된 출구 가스를 용출하거나 분출하지 않도록 한다. 가스화 장치의 상부 1/3 광폭부는, 열 분해 플레넘 영역(16)으로 언급되고, 출구 가스의 충분한 체류 시간을 허용하여 완전히 열 분해되도록 하는 크기이다. 통상, 고온 합성가스는 플레넘 영역(16)의 최상부 중앙의 단일 출구(30)를 통해 가스화 장치에서 배출된다. 또한, 복수의 배출 가스 출구는 영역(16)의 최상부 주위에 제공될 수 있다.

더블층 영역이라고도 불리는 가스화 장치의 중간 섹션(18)은 플레넘 영역(16)보다 작은 원주를 갖는 측벽(20)에 의해 규정된다. 섹션(18)의 상단부 및 촉매층 상방에는 2개의 대향하는 공급 바이오매스 입구(32, 34)가 있지만, 가스화 장치는 추가적인 바이오매스 입구로 설계될 수 있다. 통상, 입구(32, 34)는 섹션(18)의 상부 50%, 더욱 일반적으로는 상부 20%에 위치된다. 또한, 입구(32, 34)는 가스화 장치(10)의 수직축에 대해 약 45도~약 90도의 각도로 존재하는 것은 일반적이고, 더욱 일반적으로는 약 60도~약 85도의 각도로 존재한다. 또한, 섹션(18)은 통합된 산소 업소버 시스템에 연결된 2개 이상의 가스상 산화제 링(도시하지 않음)에 의해 둘러싸임으로써, 독자적인 비율의 공기, 산소가 풍부한 공기 및/또는 스팀의 조합이 반응기에 주입될 수 있다. 예를 들면, 각각의 링은 LCO 송풍구(39 및 41)라고 하는 등간격의 입구를 통해 층 영역(바이오매스 조성에 따라 미리 결정됨)에 산소가 풍부한 공기 및/또는 산소를 주입한다.

또한, 통합된 LCD 산소 업소버 시스템은 36 및 42로 참조되는 1차 플라즈마 토치 송풍구에 연결되어 있음으로써, 산소가 풍부한 공기를 포함하는 산화제가 토치로부터 플라즈마 플룸의 발사와 동시에 주입되어 바이오차르 탄소 촉매층의 완전한 점화 및 반응기 저부의 단면을 걸쳐 일정한 가열층을 유지하게 한다. 이송되지 않은 플라즈마 아크 토치를 수용하는 기본 송풍구의 수는, 일반적으로 2~6의 범위이다. 일반적으로, 가스 송풍구의 수는 가스화 장치의 크기와 시스템의 스루풋에 따라 6~10의 범위일 수 있지만, 더 많거나 적은 수가 사용되어도 좋다.

일반적으로, 가스상 산화제 링의 수는 촉매 및 바이오매스층 높이에 따라 1~20, 1~15, 1~10, 또는 2 또는 3의 범위일 수 있지만; 보다 많거나 적은 수가 사용되어도 좋다. 산화제와 관련하여 질소는 합성 가스에서 불활성 분자로 간주되므로 화학 합성 또는 전기 생산을 포함하여 가스화 반응기의 하류에 위치한 임의의 프로세스에 관여하지 않는다. 또한, 합성가스에 질소가 많을수록-또는 더욱 더 불활성화일수록-후속 시스템에서 처리할 합성가스의 부피가 커진다. 결과적으로 합성가스로부터 질소를 제거하는 시판의 시스템이 없기 때문에, 1단계 열촉매 가스화 반응기의 하류에 위치된 대형 시스템이 합성가스를 처리해야 하므로 시설의 자본 지출이 증가한다.

공기는 주로 질소(79% v/v) 및 보다 적은 양의 산소(21% v/v)로 구성되기 때문에, 본 발명의 목적이 합성가스의 질소 함량을 감소시키는 것이므로 공기 자체는 바람직한 산화제가 아니다. 동일하게, 농축된 공기는 충분히 높은 산소 함량(일반적으로는 적어도 약 80% 이상 및 보다 일반적으로는 적어도 약 95% 이상)을 가져 가시적인 산화제로서 적격하다. 이하의 표는, 2개의 상이한 레벨의 공기 농축에 대한 합성가스 조성과 부피의 비교를 제공한다.

예상한 바와 같이, 합성가스의 부피는 현저히 감소된다. 이 특정 실시예에 있어서, 농축 공기의 산소 순도 레벨이 50%에서 99%로 증가하면 20%까지 감소한다. 또한, 합성가스의 발열량은 산소 농축 레벨에 따라 증가한다. 이 특정 실시예에서 발열량은 40%까지 증가한다. 본원에서 논의된 바와 같이, (저비용 대기 산소가 풍부한 공기를 제공하기 위해) 통합된 LCO 산소 업소버를 제공하는 본 발명은 합성가스에서 과잉 질소의 후속 처리 비용을 더욱 감소시킬 뿐만 아니라, 플라즈마 토치의 특정 에너지 요건을 감소시켜 재생 가능한 수소 생산을 더욱 최적화한다. 일반적으로, 95% v/v 이상의 산소 순도 레벨이 바람직하다.

가스화 장치의 저부 1/3은, 영역(18)보다 작은 원주를 갖는 측벽(22)에 의해 규정되는 유리화 영역(19)이다. 측벽(20 및 22)은 절두원추형 부분(24)에 의해 연결된다. 유리화 영역(19)은 용융된 슬래그 액체가 일반적으로 내화제 라이닝된 고온 론더(launder)로 연속적으로 탭핑되는 하나 이상의 탭 홀을 보유한다. 고온 론더는 슬래그가 슬래그 켄치 탱크로 흘러 들어가기 전에 냉수 분무와의 직접적인 접촉을 통해 켄칭되는 냉각 론더로 배출된다. 입자화된 슬래그는 전용 저장 영역으로 이동하기 전에, 수집 및 저장되는 웨이트 스킵으로 직접 배출되는 켄치 탱크의 경사 컨베이어를 통해 수집된다. 켄치 탱크로부터의 물은, 재순환하는 물을 공급하는 침전 탱크/스프레이 펌프로 높은 레벨로 흐른다. 상기 시스템의 의도는 슬래그 탭 홀을 통한 슬래그의 연속적인 흐름이다. 슬래그 태핑 작동 동안에 방출될 수 있는 임의의 합성 가스를 연소시키기 위해 전용 탭 홀 버너가 각각의 탭 홀에 인접해서 위치된다. 불활성 슬래그 재료는 건설 재료로 재사용하기에 적합하다. 이 슬래그가 사용되어도 좋은 건축 자재에는, 타일, 루핑 그래뉼 및 브릭이 포함된다. 특정 구성에 있어서, 용융된 슬래그를 포함하는 가스화 장치의 저부 섹션은, 플랜지 피팅으로 가스화 장치에 부착되어 내화물 교체 또는 수리 시에 이 섹션을 신속하게 교체할 수 있다.

기본 송풍구(39 및 41)에 플로깅된 각각의 이송되지 않은 플라즈마 아크 토치는, 일반적으로 적절한 공급원(도시하지 않음)으로부터 공급 도관을 통해 전력, 냉각된 탈이온수 및 플라즈마 가스를 공급받는다. 토치 및 기본 송풍구의 수, 각 토치의 출력 등급, 바이오매스 공급 시스템의 용량, 바이오차르 탄소 촉매의 조성 및 양, 촉매의 양, 산화제의 산소 순도, 산화제의 양, 가스화 장치의 크기와 형상, 합성가스 냉각, 세정, 압축 및 컨디셔닝 시스템의 크기와 용량은 모두 시스템에 의해 처리되는 바이오매스의 유형과 부피에 따라 평가해야 하는 변수이다. 일반적으로 반응기(10)의 원주 주위에는 적어도 3개, 보다 일반적으로는 적어도 4개의 플라즈마 토치가 있다.

가스화 장치는 일반적으로 약 3피트 이하의 간격으로 샤프트 전체에 가스화 장치 내부의 압력과 온도를 감지하는 센서, 가스화 장치의 전략적 위치에 적당한 가스 분석 기기 및 가스 샘플링 포트를 포함하여 가스화 프로세스를 모니터링한다. 이러한 센서 및 가스 분석 기기의 사용은 본 기술분야에서 공지이다. 대표적인 압력 센서(P3, P4, PH) 및 온도 센서(T1, T2, TT4, T5, T6, T8, T9, T10)를 나타내는 가스화 장치(10)의 부분 정면도인 도 4를 참조한다. 또한, 대표적인 압력 센서(P3, P7, P11) 및 온도 센서(T1, T2, TT4, T5, T6, T8, T9, T10)의 위치를 나타내는 도 4의 단면도인 도 5a~5c를 참조한다. 센서의 노즐은 가스화 장치 주변에 등간격으로 배치되어 있다. 나타내어진 센서의 유형 및 센서의 노즐 수는 설명을 위한 것이다.

바이오매스 및 바이오매스 공급 시스템

상기 Solena Fuels Corporation 특허에 기술되고 개시된 바와 같이, 층 영역의 최상단으로 공급하기 전에 바이오매스 부피를 감소시키고 바이오매스 중의 공기와 물을 제거하기 위해 유압 실린더 및/또는 스크류를 통해 작동하는 압축 바이오매스 전달 시스템을 사용할 수 있다.

UNFCC.sup.l의 정의에 따라서 바이오매스와 바이오매스 잔류물을 수용하기 위해, 유기성의 재생 가능한 공급은, RDF(쓰레기 유래 연료) 등의 다수 및 혼합 공급원으로부터의 바이오매스, 루즈한 도시 고형 폐기물(MSW), 산업용 바이오매스 및 강 또는 플라스틱 드럼, 백 및 캔 등의 용기에 보관된 바이오매스를 저장하고, 매우 강고한 공급 시스템을 사용할 수 있다. 바이오매스는 원래 형태로 가져와 분류하지 않고 용기를 제거하지 않은 채, 공급 시스템에 직접 공급할 수 있다. 그러한 작동이 가능한 바이오매스 파쇄기 및 압착기는 재료 취급 분야의 당업자에게 공지이다. 바이오매스 공급은 처리 전에 그 조성을 결정하기 위해, 간헐적으로 샘플링되어도 좋다.

http:cdm.unfccc.int/Reference/Guidclarif/mclbiocarbon.pdf

바이오매스는 식물, 동물 및 미생물에서 기원하는 비화석화 및 생분해성 유기 물질을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 또한, 이것은 농업, 산림 및 관련 산업으로부터의 생성물, 부산물, 잔류물 및 폐기물뿐만 아니라, 산업 및 도시 폐기물의 비화석화 및 생분해성 유기 부분도 포함한다. 또한, 바이오매스는 비화석화 및 생분해성 유기 물질의 분해로부터 회수된 가스 및 액체를 포함한다. (b) 바이오매스 잔류물은 농업, 산림 및 관련 산업으로부터의 바이오매스 부산물, 잔류물 및 폐기물 스트림을 의미한다.

미국 특허 제6,987,792호에 있어서, 압축 시스템이 질소 퍼징되어야 한다고 언급되어 있다. 공기 대신에 질소 퍼징 시스템을 사용하는 이유 중 하나는, 공급원료를 반응기로 운반할 때, 스크류가 역화되는 것을 회피하기 위함이다. 반드시 질소가 아니더라도 불활성 기체로 시스템을 퍼징하는 것이 중요하다. 질소 사용의 이점은 생산에 비용이 많이 들지 않는다는 점이다. 한편, 주요 문제점은 합성 가스에서의 질소 양을 증가시킨다는 점이다(질소의 다른 공급원은 플라즈마 토치 시스템을 통과하는 공기와 공급원료에 포함된 질소이다).

본 발명에 따르면, 퍼징제로서 질소에 대한 대안은 이산화탄소이다. 불가피하게 합성가스에서의 CO₂ 양을 증가시키긴 하지만, 종래의 시스템이 Rectisol, Selexol 또는 아민 단위와 같이 질소와 다른 합성가스로부터 이산화탄소를 추출하기 위해 시판되어 있다. 이 대안은 현재, 합성가스의 불활성 함량을 저감하는 저렴한 대안을 제공하기 때문에, 어떤 경우에도 CO₂ 제거 유닛을 사용해야 하는 시나리오와 특히 관련이 있다.

경우에 따라 수용되는 용기를 포함한 모든 바이오매스와 유기 물질은 시스템(도시되지 않음)에 의해 폐기물의 연속 블록으로서 플라즈마 반응기로 파쇄되고, 마멸되고, 혼합되고, 압축되고, 푸시된다. 바이오매스는 미리 설정된 크기로 분쇄되어 가스화 장치의 최적 성능을 확보할 수 있다. 또한, 공급 속도를 미리 설정하여 가스화 장치의 최적 성능을 확보할 수 있다.

통상, 반응기에 주입되는 유기 물질은 압력 강하 효과를 회피하기 위해 직경 약 2cm 이상의 물리적 크기를 갖는다. 동일하게, 통상, 그 크기는 층높이가 지정된 최대값을 초과하지 않도록 직경이 5cm를 초과하지 않으므로 반응기 샤프트의 높이를 제한한다.

예를 들면, 입자 크기가 직경 1cm인 경우, 층을 가로지르는 압력 강하는 약 900Pa/m인 반면에, 입자 크기가 직경 5cm이면 10Pa/m에 불과하다. 그러나, 층높이가 입자 크기의 기능에 따라 달라지며, 층높이가, 입자 크기가 직경 1cm인 경우, 약 0.5m가 되는 반면에, 직경 5cm의 입자 크기에서는 2.5m이다. 따라서 전체 압력 강하는 각각 400Pa와 25Pa가 된다.

따라서, 입자 크기 및 더 나아가 압력 강하는, 합성가스를 추출하기 위한 반응기의 하류에 위치한 유도 드래프트의 비용 및 설계에 상당한 영향을 미친다. 결과적으로 입자 크기가 클수록 압력 강하가 보다 적게 발생하지만, 층높이는 높아진다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 최적 입자 크기의 직경은 약 3cm~약 5cm인 것으로 본 발명에 따라 결정되었다. 결과적으로 직경이 5cm를 초과하는 입자 크기는, 반응기 샤프트의 높이를 반드시 증가시킨다.

바이오매스의 블록은 가스화 장치의 영역(18)의 여러 위치에서 연속적으로 가스화 장치로 전달되어 특정 바이오매스층 높이가 소모성 바이오차르 탄소 촉매층 상방으로 달성될 때까지 가스화 장치에서 균일한 분포를 확보한다. 2개의 바이오매스 블록이 가스화 장치(10)의 정반대측에 제공된 입구 슈트로 동시에 공급될 수 있다. 추가 블록을 인수하기 위해 2개 이상의 슈트가 제공될 수 있다. 가스화 장치 영역(18)의 임의의 한 위치에서 바이오매스가 불균일하게 축적되는 것을 방지하는 한 모든 배치가 적합하다.

가스화 장치의 상부 섹션(16) 대신에 층 영역(18)의 상단부에 유기 공급원료를 주입함으로써 내화성 물질의 수명 및 그에 따른 반응기 작동 조건도 향상된다. 상기 내화물을 더욱 보호하기 위해, 일단 가스화된 본 발명자의 독점적인 바이오차르 탄소 촉매의 사용이 탄소 바이오 차르의 내부층을 제공하여 이중층 영역에서의 내화물의 고온 표면을 더욱 보호할 수 있다.

또한, 신뢰성 목적을 위해, 일반적으로 반응기는 바이오매스 공급원료용의 적어도 2개의 공급 시스템(2) 및 바이오차 탄소 촉매 물질용의 적어도 하나의 공급 시스템(1)을 수용해야 한다. 이것은 촉매 물질이 그 상이한 밀도로 인해 바이오매스 재료와 압축될 수 없다는 사실 때문이고, 또한 본 발명자는 바이오차르 탄소 촉매층에 필요한 다공성을 허용하기 위해 바이오차르 탄소 촉매를 특정 크기로 유지하기를 소망하기 때문이다.

가스화 장치 최상부의 마이크로웨이브 센서뿐만 아니라 가스화 장치를 따라 압력 센서 및 온도 센서가 사용되어 층높이를 측정하고, 바이오매스의 공급 속도를 제어할 수 있다. 백업으로 가스화 장치 내부의 활동을 확인하기 위해 특정 위치에 사이트 포트가 제공될 수 있다. 센서로부터의 모든 정보는 전체 플랜트 성능의 작동을 조정하는 디지털 제어 시스템(DCS)에 제공된다. 가스화 장치의 프로세스 제어의 일부로서 센서 및 DCS를 사용하여 공급 시스템을 조정하고 모니터링하는 것은 일반적인 프로토콜이며 당업자에게는 쉽게 명백하다.

공급 시스템의 대안적인 구성은 상이한 재료에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 미세 분말 또는 액체 바이오매스가 가스화 장치에 직접 주입될 수 있다. 가스 수송은 톱밥을 포함한 바이오매스 미립자와 같은 미세 고체뿐만 아니라 바이오가스, 재생 가능한 메탄 또는 천연 수소 생산과 같은 가스 생성물의 직접 주입으로 사용될 수 있다. 표준 펌프는 액체에 대해 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 물질 취급 실무자에게 공지이다. 본원에 제공된 플라즈마 강화 산소 블로운 가스화 장치 시스템의 적어도 하나의 주요 이점은 업계에서 일반적인 표준 자열 가압 및 유동층 가스화 장치와 비교할 때, 가스화 장치의 대기압 조건으로 인한 공급 시스템의 용이성을 포함한다.

SPGV 반응기의 작동

파쇄 및 압축된 바이오매스 물질(58)은 공급 시스템에 의해 가스화 장치(10)로 연속적으로 공급된다. 단순화를 위해, 가스화 장치의 반대측으로부터의 연속적인 공급은 가스화 장치의 단면에 걸쳐 바이오매스 공급을 균일한 분포가 되게 한다. 바이오매스층을 형성할 때 바이오매스 공급 분포의 균일성은 플라즈마 가열된 바이오차르 탄소 촉매층으로부터 고온 가스의 균일한 상방 흐름이 되게 한다. 플라즈마 가스화 장치의 저부를 향한 바이오차르 탄소 촉매층은 가스화 장치의 단면에 걸쳐 상방으로 가열된 가스와 공급원료 입자를 균일하게 분포하는 다수의 플라즈마 토치 플룸에 의해 연속적으로 가열된다. 열 및 고온 가스가 상방으로 균일하게 분포될 때, 하방으로 흐르는 바이오매스 공급을 가열하고 건조시키며, 가스화 프로세스를 효율적이 되도록 한다. 또한 상방으로의 균일한 열 분포와 바이오차르 탄소 촉매층의 존재는 열의 채널링을 회피하여 다른 고정층 열 바이오매스 처리 프로세스에서 발생하는 전형적인 문제인 바이오매스 공급의 가교를 방지한다.

가스화 장치의 특정 기하학적 깔때기 형상 및 상승하는 가스 공급 속도(토치 및 기타 가스 유입으로부터)는 상승하는 고온 가스의 최소 및 비표면 속도를 확보하도록 설계된다. 이 낮은 표면 속도는 유입되는 바이오매스 공급이 바이오매스층으로 완전히 하강할 수 있도록 하며, 처리되지 않은 바이오매스 또는 미립자 캐리오버로서의 배출 가스로 상방으로 밀려나가거나 용출되지 않는다. 또한, 가스화 장치의 플레넘 분해 영역(16)은 모든 탄화수소 물질이 가스화 장치를 나가기 전에 2-3초를 초과하는 체류 시간으로 고온에 노출되도록 하는 역할을 한다. 상기 영역은 열 분해 프로세스를 완료하고 타르와 같은 고급 탄화수소를 CO 및 H₂로 완전한 가스화 및 전환이 되게 한다.

저온 폐기물 공급이 플라즈마 강화 열촉매 가스화 장치에 연속적으로 공급되고 가스화 장치의 저부의 소모성 바이오차르 탄소 촉매의 사전 가열된 층의 최상부에 바이오매스층을 형성함에 따라서, 소모성 촉매층으로부터 상승하는 가열된 가스 및 하강하는 냉각 폐기물은, 산화로부터 부분 산화, 탈휘발화, 바이오매스의 건조 영역까지 전체 반응 단계가 반응기와 그 수직 영역에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 하는 역류 흐름을 생성한다.

상기 프로세스에 적용되고 사용되는 소모성 바이오차르 탄소 촉매층은 전형적인 금속 고로에서 사용되는 것과 다르지 않으며, 가스화 프로세스에 포함되는 것은 적어도 이하와 같은 몇 가지 기능을 제공한다: (1) 플라즈마 가스화 장치에 걸쳐 균일하게 플라즈마 생성된 열의 분포를 고려하여 플라즈마 토치 등의 강렬한 집중 열원을 사용하는 경우, 일반적으로 발생하는 내화물의 과도한 마모와 균열을 방지한다; (2) 출구 가스의 핵심 구성 요소, 즉 출구 최상단 가스의 발열량에 기여하는 CO(일산화탄소)를 제공하여 가스화 반응을 개시한다; (3) 바이오매스층이 증착될 수 있는 가스화 장치의 저부에 다공성이지만 견고한 지지 프레임워크를 제공한다; (4) 금속 및 철 등의 바이오매스 중의 무기 물질이 용융되게 하고, 가스화 장치의 저부에 용융된 풀로 하방으로 흐르도록 하게 하면서, 고온 가스상 분자를 바이오매스층을 균일하게 관통하여 상방으로 이동하게 한다; (5) 최내측의 내화물층 내부에 보호층을 제공하여 가스화 장치의 열손실을 감소시키면서 내화물 수명을 연장한다. 본 발명은 촉매로서 사용되는 독점적인 바이오차르 탄소 생성물의 유니크한 활용을 포함하며, 따라서 CO, H2, CO2로부터의 모든 가스상 생성물이 본질적으로 바이오제닉이며 가스 생성물이 완전히 재생 가능하고 친환경적이라는 것에 고무적이다.

또한, 목적이 다양한 바이오차르 탄소 촉매층 조성 및 높이가 지속적으로 제어되고 모니터링된다. 우선, 그 구성 요소는 특정 가스화/유리화 프로세스 작동 조건을 다루도록 주로 일반적으로 탄소 및 소량의 애쉬이다. 높은 바이오차르 탄소 함량은 바이오매스의 높은 휘발성 물질 함량과는 대조적으로 높은 고정 탄소 함량으로 인해 반응기 단면에 걸쳐서 플라즈마 열 분포를 행하게 하는 데 사용된다. 플럭스로 함께 언급되는 실리카 및 산화칼슘도 추가되며 반응기 중에서 태핑되기 전에 적절하고 충분한 라바 풀의 화학적 성질을 유지하는 데 사용된다. 이러한 촉매는 바이오차르 탄소 대 실리카 대 산화칼슘 비율(C:SiO₂:CaO)이 가스화 작동 조건을 최적화하는 방식으로 특정 공급 시스템을 통해 가스화 반응기에 주입되기 전에 함께 지속적으로 혼합된다.

바이오차르 탄소 촉매층은, 일반적으로 바이오매스 중량 비율의 약 2%~약 10%, 보다 일반적으로는 약 3%~약 5%의 비율로 촉매를 주입함으로써 유지된다. 그것은 바이오매스보다 더 높은 밀도의 고정 탄소 함량, 더 높은 용융 온도 및 경질의 물성으로 인해 바이오매스층보다 더 느린 속도로 지속적으로 소비된다. 바이오매스층과 같은 소모성 바이오차르 탄소 촉매층의 높이는 가스화 장치 주변과 샤프트를 따라 다양한 높이에 위치한 온도 및 압력 센서를 통해 지속적으로 모니터링된다. 바이오매스층 및 바이오차르 탄소 촉매층(70)이 프로세스 동안에 소모됨에 따라서, 최적의 수소 생산을 유지하기 위해서, 센서는 가스화 장치에 걸쳐 온도 및 압력 구배를 감지하고 공급 시스템을 자동으로 트리거하여 정상 상태 작동에서 층높이를 높이거나 낮출 수 있다.

탄소 촉매층과 용융된 물질의 상호작용은 잘 알려진 현상이다. 고온 코크스 상방을 흐르는 용융된 금속에 있어서, 주조 큐폴라 멜터의 경우와 같이, 용융된 철이 고온층에 달라붙지 않고 그 상방을 흐른다. 비금속 물질의 용융, 즉 슬래그의 유리화 동안에 동일한 현상이 관찰된다. 금속 용융과 달리, 슬래그 유리화는 코크스로부터 용융된 슬래그로의 탄소 용해도가 무시될 수 있기 때문에 탄소 용해를 포함하지 않는다. 본 발명과 종래 기술 사이의 적어도 하나의 주요 차이점은 야금로 및 고로에서 사용되는 야금 코크스 또는 석유 코크스를 사용하는 것 대신에 바이오차르 탄소 재료를 사용하여 재생 가능한 수소를 생산하기 위한 화석 연료의 사용을 억제하고 회피하는 것이다.

바이오매스의 탄화수소 부분은 (탄소가 CO₂로 완전히 산화되는 것에 대해) 산소가 감소된 환경에서의 가스화 장치의 부분 산화 분위기 하에서 가스화된다. 따라서, 발암성 화합물인 반휘발성 유기 화합물(SVOCs), 다이옥신 및 퓨란 등 소각로에서 일반적으로 예상되는 오염 물질을 생성하는 가스화 장치에서 행해지는 연소 프로세스가 없다.

통합된 LCO 산소 흡수 시스템에 의해 생성되고 플라즈마 아크 토치에 의해 생성된 열에 의해 강화된 산소 및/또는 산소가 풍부한 공기 및/또는 스팀의 가스화 장치로의 제어된 도입은, 가스화 장치의 저부 내부를 4000℃까지 되게 하여 가스화의 제어된 부분 산화 반응이 특정 에너지 요구 사항, 즉 플라즈마 토치에 의해 소비되는 에너지를 줄이면서 더 높은 발열량, 더 많은 양의 수소를 가진 최적의 출구 최상단 합성 가스를 생성하여 바이오매스를 가스화할 수 있다. 결과적으로 수소 생산을 위한 유기 바이오매스의 가스화로부터 순 효율이 더욱 높아진다.

바이오매스층은 소모성 바이오차르 촉매층으로부터 상승하는 고온 가스에 의해 지속적으로 감소되고, 공급 시스템에 의해 지속적으로 보충되어 층높이를 직속적으로 유지한다. 이 시퀀스는 가스화 장치의 저부에서의 적어도 약 4000℃로부터 배출 합성가스 출구에서의 적어도 약 1200℃까지의 온도 구배를 초래한다. 이렇게 구축된 상승 역류 시스템은 유입되는 바이오매스를 건조시키는 역할을 하므로 다른 열 연소 시스템에서와 같이 셧다운 없이 고습 바이오매스를 사용하는 경우, 시스템이 최대 90%의 수분 함량을 지닌 바이오매스 스트림을 처리할 수 있도록 한다. 물론, 바이오매스 공급의 높은 수분 함량은 바이오매스 공급의 낮은 탄화수소 함량으로 인해 더욱 낮은 발열량과 더욱 적은 수소 생산을 갖는 합성 가스를 생성할 것이다.

예를 들면, 인덕션 팬(ID 팬) 또는 블로워(도시되지 않음)에 의해 가스화 장치로부터 연속적으로 추출되는 출구 가스로 인해, 일반적으로 대략 대기압 또는 더욱 일반적으로는 대기압보다 약간 낮은 압력에서, 가스화 장치가 작동한다. 상술한 바와 같이, 가스화 장치 조건은 가스화 프로세스에 적합한 산소 조건이 거의 제한된 채, 본질적으로 부분 산화로 환원되고 있다. 프로세스의 독립 제어 변수는, (1) 바이오매스 공급 속도, (2) 소모성 바이오차르 탄소 촉매층 높이, (3) 토치 전력, (4) LCO 산소 업소버 시스템에 의해 생성된 산화제 가스 흐름 및 (5) 프로세스에서 고려된 바이오차르 탄소 촉매 물질과 플럭스 물질의 C:SiO₂:CaO 혼합비이다.

가스화 장치(10)의 저부에서 용융된 무기 물질 풀은, 내화제 라이닝된 모래 상자로 하나 이상의 슬래그 탭(37)을 통해 가스화 장치에서 연속적으로 탭핑되고, 부피 감소를 최대화하도록 대형 블록으로 또는 물 켄칭된 론더로 캐스팅되어 작업자가 소망하는 입자화된 슬래그 물질을 생성한다.

슬래그 흐름이 균일하게 일정하도록 보장하고, 슬래그 탭 홀(37)의 플러깅을 방지하기 위해서, 가스화 장치 저부 열전대 시스템의 온도에 반영되는 슬래그의 온도 및 슬래그 점도는, 공지의 관계를 통해 첨가된 최적의 C:SiO₂:CaO 비율을 갖도록 석회석 등의 플럭스 물질의 양 및 플라즈마 토치 전력에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 라바 풀 높이는 열 센서를 사용하여 측정된다.

온도, 압력, 가스 조성, 가스 및 용융 물질의 유량에 관해 모니터링된 모든 이들 파라미터는 컴퓨터화된 DCS 시스템에 입력으로 제공되어 토치 전력, 공기/가스 흐름, 바이오매스 및 촉매 공급 속도 등의 독립 변수의 제어를 처리하도록 매칭시킨다.

이전에 분석된 폐기물 공급에 따라서, 특정 가스화 및 유리화 조건이 미리 결정되고 파라미터가 DCS 제어 시스템에 의해 미리 설정된다. 추가 및 최적화 조건은 실제 바이오매스 물질이 시스템에 공급될 때 작동 개시 동안에 생성 및 조정되며, 고유의 컴퓨터화된 (인공 지능) 프로그램으로 실행되어 재생 가능한 수소 생산및 그 후속 적용을 위해 지속적으로 적응 및 최적화된다.

작동 원리

일반적으로, 본원에 기재된 플라즈마 가스화-유리화 장치 및 프로세스는 몇 가지 주요 원리에 따라 기능하고 작동한다.

바이오매스 공급의 변동은 프로세스의 결과에 영향을 미치고 독립 제어 변수의 조정을 요구할 수 있다. 예를 들면, 일정한 재료 공급 속도를 가정하면, 바이오매스 공급의 수분 함량이 높을수록 출구 최상단 합성 가스 온도가 낮아지고; 플라즈마 토치 전력을 증가시켜 출구 합성가스 온도를 설정값으로 높여야 한다. 또한, 바이오매스의 탄화수소 함량이 낮을수록 출구 최상단 합성가스의 높은 발열량(HHV)이 얻어진 출구 가스의 수소 함량 및 일산화탄소의 감소가 얻어질 수 있다; 소망의 HHV 설정값과 소망의 수소량을 달성하기 위해서, 유입 가스 및/또는 플라즈마 토치 전력의 부하 계수를 증가시켜야 한다. 또한, 바이오매스의 무기 함량이 높을수록 증가된 슬래그 흐름 및 용융된 슬래그의 감소된 온도가 얻어지는 생성된 슬래그의 양의 증가를 얻을 수 있다; 슬래그 온도가 목표 설정값에 도달하려면 토치 출력을 증가시켜야 한다. 따라서 다양한 독립 변수를 조정함으로써, 가스화 장치는 다양한 제어 인자에 대해 소망의 설정값을 유지하면서 유입하는 물질 공급의 변화를 수용할 수 있다. 또한, 본 발명은, 상기 프로세스 알고리즘이 재생 가능한 수소의 생산 및 합성 메탄 또는 합성 액체 연료의 생성을 포함하는 후속 적용에 최대한 활용되도록 프로세스의 자동 조정 및 최적화를 허용한 인공 지능(AI)이 장착된 DCS 시스템을 통해 제어될 수 있는 독점적인 양태를 포함한다.

스타트업

규정된 스타트업 절차의 목표는, 플라즈마 가스화 장치의 점진적인 가열을 생성하여 가스화 장치의 기기 및 내화물의 수명을 보호하고 연장하는 것 및 바이오매스 공급 물질을 수용하도록 가스화 장치를 제작하는 것이다. 가스화 장치의 스타트업은 임의의 복잡한 고온 프로세싱 시스템의 것과 동일하고, 열 프로세싱 산업의 당업자가 본 발명을 알게 되면 명백할 것이다. 주요 단계는, 이하와 같다. (1) 전력망으로부터 재생 가능한 전기를 사용하거나 또는 전기를 생성하기 위해 천연 가스 또는 바이오 가스로 가스 터빈을 개시한다; (2) 재생 가능한 가스 또는 바이오가스 버너를 사용하여 가스화 장치를 점진적으로 가열하고(이것이 행해져 주로 열 충격을 최소화함으로써 내화성 물질의 수명을 최대화한다), 적절한 내부 온도에 도달하면 플라즈마 토치로 스위칭한다; 또한 (3) 우선, 유도 통풍 팬이 개시된 상태에서 합성가스 정화 시스템을 개시한다. 이어서, 층이 형성되도록 소모성 촉매층(70)이 물질을 추가함으로써 제작된다. 상기 층은 처음에 가스화 장치의 저부에서 형성되기 시작하지만, 토치에 가장 가까운 초기 바이오차르 촉매가 소비될 때, 최후에 상기 층은 가스화 장치의 절두원추형 부분(24) 또는 그 근처에서 플라즈마 토치 상방의 층으로 형성된다.

이어서, 바이오매스 또는 다른 공급 물질을 첨가할 수 있다. 안전 상의 이유로, 바람직한 작동 모드는 적절한 바이오매스 층이 형성될 때까지 바이오매스의 수분 함량을 5% 미만으로 제한하는 것이다. 소모성 촉매층과 작동 중인 바이오매스층의 양쪽 높이는 가스화 장치의 크기, 공급 물질의 물리화학적 특성, 작동 설정값 및 소망의 프로세싱 속도에 따라 달라진다. 그러나, 언급된 바와 같이, 바람직한 실시형태는 플라즈마 토치 유입구의 레벨보다 높은 소모성 촉매층을 유지한다.

정상 상태 작동

바이오매스층과 촉매층이 모두 소망의 높이에 도달하면, 시스템이 안정적으로 작동할 준비가 된 것으로 간주된다. 이 때, 작업자는 미리 결정된 스루풋 속도로 설정된 공급 시스템으로 플랜트로부터의 혼합 폐기물 공급의 적재를 개시할 수 있다. 또한, 독립 변수는 미리 결정된 대로 바이오매스 공급의 조성에 기초한 레벨로 설정된다. SPGV 가스화 장치의 작동에서의 독립 변수는 일반적으로 이하와 같다:

A. 플라즈마 토치 파워

B. 가스 유속

C. 가스 흐름 분포

D. 바이오매스층 및 촉매층의 높이

E. 바이오매스의 공급 속도

F. 촉매의 공급 속도

정상 상태 동안에, 일반적으로, 작업자는 이하를 포함하는, 시스템의 종속 파라미터를 모니터링한다.

A. 출구 최상단 가스 온도(출구 가스 배기구에서 측정됨)

B. 출구 최상단 가스 조성 및 유속(상기 배기구에서의 가스 샘플링 및 유량계에 의해 측정됨)

C. 슬래그 용융 온도 및 유속

D. 슬래그 침출성

E. 슬래그 점도

작동 동안에 또한 상술한 원리에 기초하여, 작동자는 종속 변수의 변동에 기초하여 독립 변수를 조정할 수 있다. 이 프로세스는 플라즈마 가스화 장치 및 전체 플랜트의 DCS 시스템에 프로그래밍된 가스화 장치의 제어 모니터의 입력 및 출력에 기초하여 미리 설정된 조정으로 완전히 자동화될 수 있다. 일반적으로, 미리 설정된 레벨은 실제 바이오매스 공급이 시스템에 로딩되고 얻은 출구 최상단 가스 및 슬래그 거동이 측정되고 기록될 때, 플랜트 커미셔닝 기간 동안에 최적화된다. DCS는 지정된 바이오매스 공급 속도에서 특정 배출 가스 조건 및 슬래그 조건을 생성하도록 정상 상태 하에서 작동하도록 설정될 수 있다. 공급 바이오매스 조성의 변수는 모니터링되는 종속 파라미터의 변동을 초래하고, DCS 및/또는 조작자는 독립 변수로 해당하는 조정을 행하여 정상 상태를 유지한다. 업셋 조건을 포함한 가스화 시스템의 작동 동안에 수집된 데이터 및 정보를 수집하고 활용하고, 가스화 장치의 표준 작동 조건에 채택되어서 플랜트 연속 성능을 최적화하고, 미래 문제를 회피할 수 있게 하기 위해서, 인공 지능 기반 알고리즘이 DCS 시스템에 도입될 수 있다.

플라즈마 가스화 장치로부터의 출구 최상단 가스의 냉각 및 스크러빙

상술한 바와 같이, SPEG 시스템의 작동을 위한 하나의 객체는 천연 가스 파이프라인 또는 천연 가스 발전소를 탈탄소화하기 위해 재생 가능한 그린 수소로서 혼합된, 연료 전지 비히클용 고순도 수소로서 사용된 재생 가능한 전기 에너지 생산을 위한 가스 터빈, 수송용 액체 연료 생산을 위한 피셔-트롭쉬 합성, 재생 가능한 합성 메탄 생산, 시멘트 킬른용 고품질 열의 생산을 위한 열병합 전력 시스템을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는 다수의 산업 용도에 공급하기에 적합한 특정 조건(즉, 재생 가능한 수소의 조성, 발열량, 부피, 순도, 압력)으로 합성 가스를 생성하는 것이고, 제철소에서 직접 환원 철의 환원제로서 재생 가능한 수소를 사용하는 것이며, 최종적으로 재생 가능한 수소의 대용량 스토리지로서 재생 가능한 에너지 스토리지를 사용하여 단기 또는 장기 모두의 계절적 스토리지의 그리드의 균형을 맞추는 것이다.

본원에 기재된 프로세스를 통한 유기 바이오매스 물질의 가스화에 의해 합성 가스가 생성되기 때문에, 이러한 시스템의 정상적이고 안전한 작동에 적합하지 않은 임의량의 바이오매스 불순물, 미립자 및/또는 산성 가스가 존재할 수 있다. 배출 가스를 세정하는 절차는 상술한 Solena 특허에 기재되어 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태는 이하를 포함한다:

실시형태 1

바이오제닉 탄화수소 폐기 물질을 변환하기 위해 LCO 산소 업소버 시스템과 통합된 플라즈마 강화 가스화 반응기는, 플레넘 섹션 및 하부 이중층 섹션을 갖는 고유하게 설계된 기하학적 형상 반응기로서, 상기 하부 이중측 섹션은 제 2 협폭부로의 절두원추형 변화부에 의해 연결된 제 1 광폭부를 포함하고, 고유의 바이오차르 탄소 촉매층을 수용하기에 적합하고, 상기 상부 섹션은 하나 이상의 가스 배기구를 갖는, 반응기; 상기 물질을 상기 하부 이중층 섹션의 상단부에 도입하기 위한 상기 하부 이중층 섹션의 상단부에 위치된 복수의 방향으로부터의 복수의 상기 물질용 유입구; 상기 하부 이중층 섹션의 하나 이상의 흡기구를 통해 상기 하부 섹션으로 통합된 LCO 산소 업소버 시스템에 의해 발생된 산화 가스를 제공하도록 상기 하부 섹션 주위에 배치된 가스 유입 시스템; 및 상기 바이오차르 탄소 촉매층 및 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질을 가열하도록 상기 하부 섹션에 장착된 복수의 플라즈마 아크 토치;를 포함한다.

실시형태 2

실시형태 1에 따른 플라즈마 강화 가스화 반응기는, 상기 복수의 흡기구를 통해 상기 반응기에 상기 물질을 제공하는 물질 전달 시스템을 더 포함하며, 상기 전달 시스템은, 상기 물질을 수용하는 리셉터클, 상기 리셉터클로부터 상기 물질을 인수하고, 상기 물질을 파쇄 및 압축하도록 배치된 파쇄 및 압축 유닛, 및 상기 파쇄 및 압축 물질을 상기 반응기로 전달하는 이송 유닛을 포함한다.

실시형태 3

실시형태 2에 따른 장치는, 바이오제닉 탄화수소 공급원료 공급 시스템과 별도인, 반응기로 바이오차르 탄소 촉매 물질을 공급하기 위한 별도의 공급 시스템을 추가로 포함한다.

실시형태 4

실시형태 3에 따른 장치는, 상기 유기 물질이 다양한 용도에 사용하기 위해 재생 가능한 그린 수소로 전환하기 위한 바이오제닉 탄화수소를 모두 포함하는, 생성물, 식물의 부산물 및 잔류물, 도시 고형 폐기물, 농업 폐기물, 산림 폐기물 및 이들의 관련 산업으로부터 기원하는 비화석화 및 생분해성 유기 물질을 포함한다.

실시형태 5

실시형태 3 또는 4 중 어느 하나에 따른 장치는, 상기 바이오차르 탄소 촉매층의 높이가 약 1미터이다.

실시형태 6

실시형태 2 내지 5 중 어느 하나에 따른 장치는, 상기 바이오차르 탄소 촉매층의 높이, 상기 바이오제닉 탄화수소 물질의 층높이, 상기 반응기의 온도, 상기 반응기 중의 가스 유량 및 상기 배기구를 통한 상기 반응기로부터 배출되는 합성 가스의 온도 중 하나 이상을 감지하기 위해 상기 반응기 전체에 걸쳐 배치된 복수의 센서를 추가로 포함한다.

실시형태 7

실시형태 1 내지 6 중 어느 하나에 따른 장치는, 상기 하부 섹션이 그 저부에 하나 이상의 탭 홀을 갖는다.

실시형태 8

LCO 산소 업소버와 통합된 플라즈마 강화 가스화 반응기에 의해 재생 가능한 그린 수소로 바이오제닉 탄화수소 물질을 전환하고, 그 복수의 후속 용도로의 방법으로서, 상기 방법은 반응기의 하부 섹션에 바이오차르 탄소 촉매층을 제공하는 단계; 반응기의 하부 2중층 섹션의 상단부로 복수의 방향으로부터 하나 이상의 연속량의 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질을 제공하는 단계로서, 상기 상부 플레넘 섹션은 팬과 연결된 적어도 하나의 가스 배기구를 갖고, 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질은 상기 바이오차르 탄화수소 촉매층 최상부에 층을 형성하는 단계; 상기 하부 섹션에 장착된 복수의 플라즈마 아크 토치를 사용한 상기 바이오매스 물질층 및 상기 바이오차르 탄소 촉매층을 가열하는 단계; 및 통합된 LCD 산소 업소버 시스템에 의해 발생된 가스상 산화제를 상기 하부 섹션에 도입하는 단계를 포함한다.

실시형태 9

실시형태 8에 따른 방법이고, 상기 촉매층은 고유한 특성을 갖고 고체 탄소 함량 및 애쉬를 함유하는 독점적인 바이오차르 탄소 재료로 이루어지고, 실시형태 1 내지 8에 기재된 플라즈마 강화 가스화의 기능적 작동을 위해 도출된 밀도 및 다공성을 갖는다.

실시형태 10

실시형태 8 또는 9 중 어느 하나에 따른 프로세스이고, 상기 가스상 산화제는 통합된 LCO 산소 업소버 시스템으로부터 플라즈마 강화된 가스화 반응기로 대기압에서 생성된 산소가 풍부한 공기 또는 산소 또는 스팀을 포함한다.

실시형태 11

실시형태 10에 따른 프로세스이고, 상기 산소가 풍부한 공기는 통합된 LCO 산소 업소버 시스템에 의해 생성된 산소의 적어도 약 80%~95%(v/v)를 포함한다.

실시형태 12

실시예 8 내지 14 중 어느 하나에 따른 프로세스이고, 하부 섹션의 바이오차르 탄소 촉매층의 온도는 3000℃ 이상이다.

본 명세서에서 사용된 용어 "포함한다"(및 그의 문법적 변형)은 "갖는다" 또는 "함유한다"의 포괄적인 의미로 사용되며 "만으로 이루어진다"라는 배타적인 의미가 아니다. 본원에서 사용된 용어 "하나" 및 "그"는 단수뿐만 아니라 복수를 포함하는 것으로 이해된다. 본원에서 사용된 "대기압"이라는 용어는 대기압(약 101325Pa) 및 대기압 이하의 압력을 의미하며, 여기서 약간 이하이다란, 일반적으로 대기압보다 약 500Pa 이하이고, 더욱 일반적으로는 대기압보다 약 200Pa~약 500Pa 낮다.

본 발명은 하기 실시예를 참조하여 추가로 기재될 것이다; 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명을 실시하기 위한 현재의 최선의 방식을 기술하는 본 발명의 관점에서, 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 많은 수정 및 변형이 당업자에게 제시될 수 있다. 청구범위의 의미 및 등가 범위 내에서 발생하는 모든 변경, 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 한다.

실시예

실시예 1

철강 산업을 탈탄소화하기 위한 재생 가능한 수소의 용도

철광석은 정제된 형태의 석탄인 코크스와 함께 가열됨으로써 통상의 고로에서 정제된다. 코크스는 선철과 이산화탄소를 생성하는 철광석으로부터 산소를 흡수하는 일산화탄소를 방출한다. 효율성을 도입하고 환경 규제를 준수하기 위한 노력의 일환으로, 전 세계 철강 제조업체는 철강 산업에서의 결합제로서 재생 가능한 수소를 사용하는 방법을 조사하고 있다. 재생 가능한 전력으로 생산된 수소는 로를 가열하는데 사용될 수 있다. 재활용 강의 사용을 증가시키는 것은, 에너지 집약도가 훨씬 낮기 때문에 배출량을 줄이는 데 중요한 것으로 여겨진다.

강철에 대한 세계적인 수요는 도시가 성장함에 따라 2019년과 2050년 사이에 50%까지 증가할 것으로 예상된다. 국제 에너지 기구(IEA:International Energy Agency)는 강의 탄소 강도(주어진 양을 생산하는 데 필요한 에너지)가 2030년까지 매년 1.9% 감소되어야 한다고 말한다; 그러나 2010년과 2016년 사이의 평균 감소율은 1.4%이었다. 재생 가능한 에너지, 특히 재생 가능한 수소의 사용은 IEA가 설정한 목표를 달성하는 데 중요한 해결책으로 간주된다.

수소는 열과 함께 화학 산업의 부산물로 이용 가능할 때 또는 특정 산업이 (연료 전지에 의해 제공되는) 중단할 수 없는 전력 공급을 필요로 할 때 명백하게 유리하다. 수소는 수소 버너에서 연소되거나 연료 전지에서 사용될 수 있으므로 가열을 위한 무공해 대안을 제공한다. 또한, 400℃ 이상의 높은 등급의 가열은 탈탄소화하기 어려운 것으로 알려져 있지만, 수소 버너는 전기 가열을 보완하여 높은 등급의 열을 생성할 수 있다. 또한, 청구된 기술의 또 다른 이점은 수소 기반 화학이 탄소 싱크로서의 역할을 할 수 있고, 석유화학 가치 사슬의 일부를 보완하거나 탈탄소화할 수 있다는 것이다.

도 8은 철강 산업을 탈탄소화하고 효율성을 도입하기 위해 재생 가능한 수소를 이용하는 대표적인 접근법을 나타내는 흐름도를 제공한다.

실시예 2

뮤니시펄 버스 및 상업용 트럭 부문을 탈탄소화하기 위한 재생 가능한 수소의 용도

연료 전지 전기 비히클(FCEV)은 탈탄소 운송에서 중요한 역할을 한다. 오늘날 석유는 세계의 운송 수요를 충족시키는 연료 조합을 좌우한다. 휘발유와 경유는 총 연료 소비량의 96%, 전 세계 탄소 배출량의 21%를 차지한다. 완전한 탈탄소 운송은 수소 구동 FCEV 및 배터리 전기 비히클(BEV) 또는 이들의 하이브리드 조합과 같은 무공해 차량의 전개가 요구된다. FCEV는 몇 가지 중요한 이점을 제공한다. 이들은 소비자들이 높이 평가하는 기능인 재주유없이 장거리(이미 500km 이상)를 주행할 수 있다. 이들은 현재의 휘발유/디젤 자동차와 마찬가지로 신속하게(3~10분) 주유되어 소비자의 편의성을 높였다. 수소 스토리지 시스템의 (배터리에 비해) 훨씬 더 높은 에너지 밀도 덕분에, 저장된 에너지의 양(kWh)에 대한 FCEV 파워트레인 비용 및 중량의 감도가 낮다. 이것은 현저한 에너지 스토리지(예컨대, 중량의 적재 용량 및/또는 장거리/과도한 사용)를 필요로 하는 비히클의 채택 가능성과 매력을 증가시킨다. FCEV 기반시설은 기존 휘발유 유통 및 소매 기반시설로 구축되어 비용 이점을 창출하고 지역 일자리와 자본 자산을 보존할 수 있다. 도시와 지자체에서 버스를 디젤에서 전기 비히클로 전환하는 것을 고려함에 따라, 버스 레인지와 재충전/급유 시간은 중요한 고려 사항이다. 최상의 경우에도 배터리 버스는 연료 전지 전기 버스보다 레인지가 작고 등판(hill-climbing) 성능이 낮다.

수소는 적어도 이하과 같은 이유로 바람직한 연료 공급원으로 여겨진다.

수소는 적은 중량으로 표준 버스 배터리의 에너지를 두 배로 저장한다.

저탄소 연료를 저장하고 수송하는 수단으로서, 수소는 전력망에 대한 효과적인 대안이다.

재생 가능한 에너지로부터 생성될 때, 수소는 그리드 밸런싱 및 대규모의 장기간 에너지 저장을 가능하게 하는 진정한 무공해 연료이다.

연료 전지 전기 버스는 작업자에게 성능 저하없이 무공해 운송을 제공한다:

재연료 공급 전 최대 300마일 레인지

듀티 사이클 동안에 일관성 있는 전력 공급

(CNG와 같은) 데포(depot) 가스 충전은 도로변 충전 기반시설에 대한 필요성을 해소한다.

빠른 재연료 공급: 10분 미만의 급유로 18시간의 연속 서비스를 제공한다.

데포에서의 콤팩트한 중앙 연료 공급 기반시설

작동 및 재연료 공급은 디젤 및 CNG 버스와 1:1로 유사하다.

연료 전지 전기 버스는 하이브리드 배터리-연료 전지 동력 전달 연쇄 장치를 지닌 100% 전기 버스이다.

연료 전지 시스템은 수소를 고밀도 에너지원으로 사용하는 온보드 배터리 충전기로서의 역할을 한다.

본원에 기재된 재생 가능한 수소 생산 방법은 수소를 생산하고, 이를 압축하고, 수소 연료 공급소로 수송하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 공급원료의 공급원(처분 장소, 매립지, 농업 폐기물 화합물 등)에 매우 근접하게 수소 생산 시설을 배치함으로써 효율성을 더욱 실현할 수 있다. 일 실시형태에서, 수소 생산 및 분배는, 수소가 운송 기관과 가까운 전략적으로 위치된 생산 시설에서 생산되도록 수송 데포 연료 공급 지점의 클러스터를 지원할 수 있는 조정된 방식으로 설계될 수 있다. 이어서, 수소는 고압 트레일러에서 비교적 단거리의 다수의 연료 공급 위치로 운송하고 풀 트레일러를 빈 트레일러로 간단히 교체한다. 생산 지점에서 다수의 트레일러를 동시에 필링할 수 있고, 마찬가지로 연료 공급 지점에서도 다수의 트레일러를 트레일러 베이에 위치시켜 로지스틱스에 유연성을 제공할 수 있다.

또한, 재생 가능한 수소의 사용은 상업용 트럭 운송을 위한 고성능 옵션인 것으로 여겨진다. 2050년까지 화물 운송이 40% 증가할 것으로 예상됨에 따라 정부 규제와 소비자 압력으로 인해 청정 트럭 운송으로의 이동이 가속화되고 있으며 일부 제조업체는 상당한 투자를 하고 있다. 대형 운송 적용의 경우, 가장 적합한 파워트레인이 수소 연료 전지 전기라는 의견이 커지고 있다. 연료 전지는 상업용 트럭 운송에 필요한 범위, 적재 레인지, 연료 재보급 시간 및 전천후 성능을 제공한다.

실시예 3

시멘트 산업을 탈탄소화하기 위한 재생 가능한 수소의 용도

시멘트는 물 및 골재와 혼합되면, 콘크리트를 생성하는 인공 분말이다. 시멘트 제조 프로세스는 (1) 원료 준비, (2) 온도 1,450℃의 킬른에서 클링커 생산, 및 (3) 클링커를 다른 광물과 함께 분쇄하여 시멘트를 생성하는 3개 기본 단계로 요약될 수 있다.

수소 및 천연 가스 연소의 성질은 상당히 유사하다. 메탄(CH4, 천연가스)은 다른 화석 연료에 비해 결합이 적기 때문에 수소에 가장 가까운 탄소질 연료이다. 주요 차이점은, 수소 플레임의 복사 특성과 수소 연소에서의 보다 작은 플레임 크기이다.

그러나, 버닝 프로세스와 열 형성은 수소가 연소되는 경우, 계속해서 상이하다. 기술적으로는 가연성이 매우 높기 때문에, 수소 사용으로 인해 발생할 수 있는 위험을 회피하기 위해서 안전 예방 조치를 취해야 한다. 다른 가스와의 희석이 해결책이 될 수 있다.

플라즈마 가스화 장치에서 생성되는 합성가스의 주성분은 일산화탄소와 수소이다. 이론적으로 킬른/프리칼시너에서 합성가스를 연소하는 것이 가능하지만, 수소의 높은 시장 가치로 인해 수소를 분리하여 판매하는 것이 훨씬 더 매력적이다. 이것은 킬른/프리칼시너에서의 소성을 위한 주로 일산화탄소, 약간의 이산화탄소 및 소량의 수소로 구성된 합성 가스를 남긴다. 시멘트에 대한 본 발명의 플라즈마 가스화 프로세스의 바람직한 구성이 도 9에 나타내어진다.

주요 시너지 효과는 다음과 같다: 대부분의 시멘트 플랜트는 그 위치에서 적절한 대체 연료에 대한 공급 및 로지스틱스를 갖고, 이용 가능한 티핑 피(tipping fee)로부터 이점을 얻을 수 있다; (2) 생성된 일산화탄소/수소 합성가스는 화석 연료를 대체하는 킬른/프리칼시너에서 소성될 수 있고, 시멘트 플랜트에서 주장하는 바이오매스 원소로부터 CO2 배출을 줄일 수 있다; (3) 이 합성가스가 프리칼시너에서의 NOx 제거에 유용할 수 있다; (4) 생성된 폐슬래그는 원료로서 또는 시멘트에 사용될 수 있다; (5) 플라즈마 토치에 충분한 전력 공급이 이미 사용 가능하다; (6) 운영 및 유지보수를 위한 숙련된 노동력의 가용성; (7) 일반적으로 시멘트 플랜트에서의 공간 가용성이 양호하다; (8) 브라운필드 산업 개발의 위치가 허가 절차를 용이하게 할 수 있다. (9) 소량의 암모니아수의 이용 가능성은 NOx 제거에 사용될 수 있다; 또한, (10) 시멘트 플랜트가 가스화 장치 프로세스에 적합한 코크스/차콜 및 석회를 공급할 수 있다.

실시예 4

천연 가스 시스템을 탈탄소화하기 위한 재생 가능한 수소의 용도

본원에 기재된 신규한 수소 생산 방법의 추가 적용은 천연 가스 시스템의 탈탄소화를 위한 것이다. 일 실시형태에서, 재생가능한 공급원으로부터의 수소(H2)가 천연 가스 네트워크에 주입된다. 이 접근 방식을 통해 기존 기반시설, 특히 지하 저장 시설과 고압 파이프라인의 초대형 운송 및 저장 용량을 사용하여 천연 가스 시스템을 탈탄소화할 수 있다. 다양한 연구에 따르면, 천연 가스 시스템의 대부분은 부작용없이 최대 10%의 수소 첨가에 양호하게 대처할 수 있다.

본 명세서에 인용된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 마치 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 구체적이고 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 표시된 것처럼 모든 목적을 위해 참조로 포함된다. 불일치하는 경우, 본 공개가 우선할 수 있다.

본 개시의 상기 설명은 본 발명을 예시하고 설명한다. 또한, 본 개시는 바람직한 실시형태만을 도시하고 설명하지만, 상술한 바와 같이, 본 개시는 다양한 다른 조합, 수정 및 환경에서 사용될 수 있고, 상술의 교시 및/또는 관련 기술 또는 지식에 상응하는 본원에 나타내어진 개념의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능함을 이해해야 한다.

상술한 실시형태는 이를 실행하는 것으로 알려진 최상의 모드를 설명하고 당업자가 이와 같은 또는 다른 실시형태에서 특정 응용 또는 용도로 요구되는 다양한 변형으로 본 개시를 활용할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 형태로 설명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 대안적인 실시형태를 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다. 각각의 청구범위는 청구범위에 명시된 다양한 요소 또는 제한에 대한 등가물을 포함함으로써, 침해 목적이 인식되는 별도의 발명을 규정한다.

다양한 용어가 상술되었다. 청구범위에 사용된 용어가 상술되지 않은 범위 내에서 당업자가 적어도 하나의 인쇄 출판물 또는 발행된 특허에 반영된 용어에 부여한 가장 넓은 정의로 주어져야 한다. 또한, 본 출원에 인용된 모든 특허, 시험 절차 및 기타 문서는 이러한 공개가 본 출원과 그와 같은 포함이 허용되는 모든 사법권과 일치하지 않는 범위 내에서 참조에 의해 완전히 포함된다.

Claims (13)

1. 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 1단계 플라즈마 강화 가스화를 위한 장치로서:
   (a) 상부 플레넘 섹션 및 하부 이중층 섹션을 갖는 기하학적으로 설계된 성형 반응기로서, 상기 하부 이중층 섹션은 절두원추형 변화부에 의해 제 2 협폭부에 연결된 제 1 광폭부를 포함하고, 독점적인 바이오차르 탄소 촉매층을 수용하기에 적합한 반응기;
   (b) 적어도 하나의 가스 배기구를 갖는 상기 상부 플레넘 섹션;
   (c) 상기 하부 이중층 섹션의 상단부에 위치된 복수의 방향으로부터 상기 물질을 상기 하부 이중층 섹션의 상단부로 도입하기 위한 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질용의 복수의 유입구;
   (d) 산소 업소버 시스템에 의해 생성된 산화 가스제를 상기 하부 섹션의 하나 이상의 흡기구를 통해 상기 하부 이중층 섹션으로 제공하도록 상기 하부 섹션 주위에 배치된 가스 유입 시스템;
   (e) 플라즈마 아크 토치가 상기 하부 섹션에 장착되어, 3000~5000℃의 작동 온도를 생성하도록 바이오차르 탄소 촉매층 및 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질로부터 생성된 산화 열을 높이는 복수의 유입구 또는 송풍구를 포함하고,
   여기서, 통합된 산소 업소버 시스템이 대기압의 산소가 풍부한 공기, 산소 또는 스팀 형태의 산화제를 제공하여 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질의 자열 발열 산화를 생성하는, 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 흡기구를 통해 상기 물질을 상기 반응기에 제공하는 물질 전달 시스템을 추가로 포함하고, 상기 전달 시스템은 상기 물질을 수용하는 리셉터클, 상기 리셉터클로부터 상기 물질을 인수하고, 상기 물질을 파쇄하고 압축하도록 배치된 파쇄 및 압축 유닛, 및 상기 파쇄 및 압축된 물질을 상기 반응기로 전달하는 이송 유닛을 포함하는, 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 물질은 바이오매스 물질 및 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질을 포함하는, 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 바이오매스 및 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질은 생산물, 부산물 및 식물의 잔류물, 도시 고형 폐기물, 농업 폐기물 및 산림 폐기물로부터 유래한 비화석화 및 생분해성 유기 물질을 포함하는, 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 바이오차르 촉매층의 높이가 약 0.5-10미터, 1-5미터 또는 1미터인, 장치.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 바이오차르 촉매층의 높이, 상기 물질층의 높이, 상기 반응기의 온도, 상기 반응기 중의 가스 유량, 및 상기 배기구를 통해 상기 반응기로부터 배출되는 가스의 온도 중 하나 이상을 감지하도록 상기 반응기 전체에 걸쳐서 배치된 복수의 센서를 추가로 포함하는, 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   실리카 및 산화칼슘을 함유하는 플럭스 물질과 혼합된 공급원료 내부의 불활성 물질에 의해 생성된 용융된 라바를 태핑하기 위해 상기 하부 섹션의 저부에 하나 이상의 탭 홀을 갖는, 장치.
8. 1단계 대기 플라즈마 강화 가스화에 의해 유기 물질을 전환하는 방법으로서,
   제 1 항에 기재된 장치를 사용하는 것을 포함하고,
   조밀한 고체 탄소와 애쉬를 포함하는 바이오차르 물질로 주로 이루어지는 촉매층을 반응기의 하부 섹션에 제공하는 단계;
   복수의 방향으로부터 반응기의 하부 이중층 섹션의 상단부로 하나 이상의 연속량의 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질을 제공하는 단계로서, 상기 상부 플레넘 섹션은 유도 팬에 연결된 적어도 하나의 가스 배기구를 갖고, 상기 물질은 상기 바이오차르 탄소 촉매층의 최상부에 층을 형성하는 단계;
   상기 하부 이중층 섹션에 장착된 복수의 플라즈마 아크 토치를 사용하여 상기 바이오차르 탄소 촉매층 및 상기 바이오제닉 탄화수소 폐기 물질층의 강화된 가열을 제공하는 단계; 및
   대기압에서 통합된 산소 업소버 시스템으로부터 생성된 가스상 산화제를 상기 하부 이중층 섹션으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 촉매층은 고유의 밀도 및 다공성 특성을 갖는 바이오차르 탄소 물질을 포함하는, 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    산소 업소버에 의해 생성된 상기 가스상 산화제는 산소가 풍부한 공기 또는 산소 또는 스팀을 포함하는, 프로세스.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 산소가 풍부한 공기는 적어도 약 80%(v/v)의 산소를 포함하는, 프로세스.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 산소가 풍부한 공기는 적어도 약 95%(v/v)의 산소를 포함하는, 프로세스.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 하부 섹션의 바이오차르 탄소 촉매층의 온도는 3000℃ 이상인, 프로세스.

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