KR20240010714A - 폐기물 수집 및 폐기물 관리 센터 차량용 재생 연료 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

폐기물 수집 및 폐기물 관리 센터 차량용 재생 연료 생산 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 유기 폐기물로부터 탄소 중립 및/또는 탄소 네거티브 재생가능 기체 연료를 생산하는 데 사용할 수 있는 방법 및 시스템을 포함하는 기술이 설명되어 있다. 일부 실시예에서, 이러한 재생가능 연료는 폐기물 발생자로부터 중앙 집중식 폐기물 처리 위치로 폐기물을 운반하거나 폐기물 처리 장소에서 폐기물을 관리하는 차량에 사용될 수 있다.

Description

폐기물 수집 및 폐기물 관리 센터 차량용 재생 연료 생산 시스템 및 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 13일에 출원된 미국 가출원 번호 63/174,083, "폐기물 수집 및 폐기물 관리 센터 차량용 증기 발생을 위한 재생 연료 생산 시스템 및 방법"에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 출원서 전체에 참조로 통합되어 있다.
폐기물 관리에는 폐기물을 처리, 감량, 재사용 및/또는 예방하기 위한 전략과 기술이 포함된다. 일반적인 폐기물 처리 방법에는 재활용, 퇴비화, 소각, 매립, 생물학적 정화, 폐기물 에너지화, 폐기물 최소화 중 하나 이상이 포함된다. 예를 들어, 도시 폐기물과 같은 폐기물의 처리 및 처리에는 폐기물 수집 트럭을 사용하여 가정에서 도시 폐기물 관리 시설로 폐기물을 수집 및 운송하거나 매립지에서 폐기물을 처리 또는 이동하거나 폐기물을 소각하는 등 에너지 집약적인 프로세스가 포함된다.
본 명세서(이하 "본 명세서")에 개시된 기술은 다양한 유기 폐기물로부터 탄소 중립 및/또는 탄소 네거티브 재생 기체 연료를 생산하는 데 사용할 수 있는 방법 및 시스템을 포함하는 기술이다. 이러한 재생 연료는 폐기물 발생기로부터 중앙 집중식 폐기물 처리 장소로 폐기물을 운송하거나 폐기물 처리 장소에서 폐기물을 관리하는 차량에 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 기술은 차량 및/또는 폐기물 관리의 다른 공정에서 연료로 사용할 수 있는 물질(예를 들어, 가스)을 폐기물에서 추출하여 (유기) 폐기물 관리 공정의 탄소 풋프린트를 줄이는 데 사용될 수 있다.
일 양태에서, 본 명세서는 운송 연료를 생산하는 방법을 설명한다. 이 방법은 열 변환 공정에서 산소가 없는 상태에서 고체 공급 물질을 가열하여 기체 및 잔류 탄소성 고체(발열량을 갖는 기체)를 방출하는 것을 포함한다. 이 방법은 방출된 가스의 일부를 활용하여 운송 연료로 사용하기 위한 수소를 생산하는 것을 포함한다. 이 방법은 방출된 가스의 나머지 부분을 활용하여 재생 가능한 열과 전기를 생산하여 운송 연료 생산 공정의 전반적인 탄소 집약도를 줄이는 것을 포함한다. 이 방법에는 매립 처리 또는 연료, 토양 개량제, 콘크리트 첨가제 또는 다양한 탄소 응용 분야로 사용하기 위해 잔류 탄소성 고체를 폐기물로 포집하는 것이 포함된다.
일 양태에서, 본 명세서는 매립지 및 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치에서 폐기물을 운송하고 폐기물을 관리하는 차량용 탄소성 폐기물로부터 운송 연료를 생산하는 시스템에 대해 설명한다. 시스템은 산소가 없는 상태에서 고체 폐기물 공급 물질을 가열하여 (a) 고체로부터 수소 및 발열량을 갖는 다른 성분으로 구성된 가스를 방출하고 (b) 잔류 탄소성 고체를 생성하도록 구성된 열 변환 시스템을 포함한다. 시스템은 수분을 제거하거나, 폐기물 온도를 높이거나, 및/또는 열 변환 공정에 필요한 열을 줄이도록 구성된 열 변환 시스템의 초과 열을 사용하는 예열 시스템을 포함한다. 이 시스템은 가스 생산 유닛으로부터 방출된 휘발성 가스를 처리하여 그을음 입자 및/또는 주변 온도에서 액체로 응축되어 바이오 가스를 생성하는 가스를 제거하도록 구성된 가스 냉각 및/또는 세척 시스템을 포함한다. 시스템은 바이오가스에서 99% 초과의 수소를 함유하는 가스 제품 및 바이오가스에서 제거된 비수소 가스를 포함하는 잔류 테일 가스를 생산하도록 구성된 고순도 수소 생산 시스템을 포함한다.
본 발명의 새로운 특징들은 첨부된 청구범위에 구체적으로 기재되어 있다. 본 발명의 특징 및 장점은 본 발명의 원리가 활용되는 예시적인 실시예를 설명하는 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면(이하 "도" 및 "도 1")을 참조함으로써 더 잘 이해할 수 있을 것이다:
도 1은 매립지, 물질 재활용 시설 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치로 폐기물을 수집 및 운송하거나 폐기물을 관리하는 차량용 유기 폐기물로부터 재생 가능한 연료를 생산하는 예시적인 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 매립지, 물질 재활용 시설 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치에서 폐기물을 수집 및 운송하거나 폐기물을 관리하는 차량용 유기 폐기물로부터 재생 가능한 연료를 생산하는 시스템의 예시적인 흐름도를 도시한다.
재생가능 연료는 전 세계 화석 연료 시장과 밀접한 관련이 있는 만큼 인기와 비인기 시기를 겪어왔다. 재생가능 에너지는 일반적으로 천연가스, 옥탄 및 다른 탄화수소와 같은 기존 탄화수소보다 생산 비용과 전반적인 난방 능력이 낮다는 단점이 있는 것으로 여겨져 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 재생 에너지의 비용과 효율성을 개선하기 위한 노력이 계속되고 있다.
본 명세서에서는 재생가능 연료 생산에 대한 기술을 설명한다. 본 명세서에 설명된 기술은 폐기물을 매립지, 물질 재활용 시설 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치로 수집 및 운송하거나 폐기물을 관리하는 차량용 폐기물로부터 재생 연료를 생산하는 데 사용할 수 있다.
매립지에서 유기 폐기물이 분해되면서 발생하는 메탄 배출물은 전 세계 기후 변화에 기여하는 온실가스(GHG) 배출의 중요한 원인이다. 미국 27개 주에서는 메탄 배출을 완화하기 위해 유기성 폐기물을 매립지에서 유익한 용도로 변환하도록 요구하는 규정을 두고 있다. 2045년까지 탄소 중립을 달성하는 것을 목표로 하는 캘리포니아 같은 주에서는 로렌스 리버모어 국립연구소의 자문을 받아 폐기물 바이오매스를 수소 연료와 같은 재생 가능한 연료로 변환하여 제거된 CO2를 대기에서 물리적으로 제거하는 탄소 네거티브 배출 경로를 고려할 것을 권고받았다.
폐기물 수집 및 관리 차량과 관련된 탄소 풋프린트를 줄이는 한 가지 방법은 이러한 차량에 사용되는 디젤 또는 가솔린 화석 연료를 천연가스, 매립 가스 또는 매립 가스에서 생산된 디젤과 같은 재생 가능한 연료로 대체하는 것이다. 이 접근 방식의 한 가지 잠재적 단점은 천연 가스도 화석 연료이기 때문에 탄소 풋프린트 감소 효과가 점진적으로만 나타난다는 점이다. 또 다른 잠재적 단점은 매립지에서 유기성 폐기물이 변환됨에 따라 시간이 지남에 따라 연료로서 매립지 가스의 가용성이 감소할 수 있다는 것이다. 또 다른 잠재적 단점은 매립가스에서 생산되는 천연가스, 매립가스 또는 디젤의 탄소 집약도가 여전히 긍정적일 수 있다는 것이다.
폐기물 수집, 운송 및 관리 차량과 관련된 탄소 풋프린트를 줄이는 한 가지 방법은 내연기관을 전기 모터로 교체하고 배터리 또는 수소 연료 전지를 통해 전력을 공급하는 것이다. 한 가지 잠재적인 단점은 기존 엔진을 전기 모터로 교체하거나 기존 차량을 새 차량으로 교체하는 데 드는 비용에 있다. 또 다른 잠재적 단점은 화석 연료로 전기나 수소를 생산하는 기존 수단의 탄소 집약도가 높다는 점이다. 또 다른 잠재적 단점은 수소 연료가 필요한 수집, 운송 및 폐기물 관리에 필요한 다양한 차량에 연료를 공급하기 위해 탄소 집약도가 낮거나 마이너스인 재생 수소의 가용성이 제한적이라는 점이다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 방법을 포함한 기술은 다양한 유기 폐기물로부터 탄소 네거티브 재생 기체 연료를 생산하는 공정을 개선하여, 예를 들어 차량에 사용할 수 있는 재생 연료를 생성하는 공정을 제공함으로써 이러한 문제 및 다른 현재의 잠재적 단점을 해결할 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술에는 폐기물을 매립지, 물질 재활용 시설 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치로 수집 및 운송하거나 폐기물을 관리하는 차량용 재생 연료를 생산하는 방법 및 시스템이 포함된다.
본 명세서에 설명된 방법과 시스템은 다양한 탄소성 폐기물로부터 재생 가능한 기체 연료와 고체 잔여물을 생산한다. 기체 연료는 차량에 사용하기 위한 기체(예를 들어, 수소 또는 메탄)를 생산하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 기체 연료는 폐기물을 운송 또는 관리하는 데 사용되는 차량용 기체(예컨대, 수소 또는 메탄)를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 기체 연료는 폐기물 관리 시설의 현장에서 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 기체 연료는 예를 들어 수소 또는 메탄과 같은 기체를 생산하고, 예를 들어 화석 연료와 같은 외부 연료원으로부터의 공정 에너지 수요를 감소시키기 위해 공정 내에서 사용하기 위해 열 및/또는 전기를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 공정 중에 고체 잔류 물질이 생성된다. 고체 잔류물은 주로 탄소 원소로 구성된다. 매립, 토지 적용, 콘크리트에 탄소 첨가 등의 처리 방법은 식물의 광합성을 통해 대기에서 제거된 탄소가 대기로 되돌아가는 것을 영구적으로 방지하는 수단으로 사용될 수 있다. 이 공정은 탄소 격리라고 한다. 이 기술은 석탄과 같은 화석 연료를 고체 잔여물로 대체하여 화석 연료의 탄소가 대기 중으로 유입되는 것을 방지하는 데 사용할 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술은 일반적으로 유기 폐기물로 간주되는 농업 폐기물, 조경 및 다른 녹색 폐기물, 동물 분뇨, 고위험 임업 폐기물, 도시 폐수 처리장 바이오 고형물, 음식물 폐기물, 철거 목재 등 일반적으로 매립지 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 시설로 보내져 처리되는 다양한 생물성 탄소성 공급 원료를 활용할 수 있다.
폐기물을 운송하거나 관리하는 차량에 사용되는 화석 연료를 대체하기 위해 기존에 알려진 방법은 매립지 또는 혐기성 소화조 내에서 유기 폐기물을 혐기성 분해하여 생산된 재생 가능한 천연 가스를 사용하는 것이다. 이러한 방법은 최근 규제에 의해 허용되지 않는 유기 폐기물을 매립지에 지속적으로 매립하거나, 생분해되어 온실가스를 생성할 수 있는 고체 잔류 폐기물을 생성하는 지상 혐기성 소화 공정에 의존한다.
본 명세서에 설명된 방법 및 시스템을 포함한 기술은 대안의 재생 가능한 기체 연료 및 탄소성 고체를 생산한다. 이 기술에는 폐기물-수소 변환 공정의 일부가 될 수 있는 열 변환 공정이 포함된다. 열 변환 공정에서 고체 공급 물질은 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소 및 C2-C3 탄화수소의 혼합물인 가연성 가스를 방출하는 데 필요한 온도에서 산소가 없는 상태에서 가열된다. 고체 물질은 공급 물질의 연소 없이 외부 연소 공정(버너)을 사용하여 가열될 수 있다. 일부 구현에서는 고체 공급 재료가 예열된다. 물질은 본 명세서에 설명된 열 공정의 폐열, 예를 들어 버너의 폐열을 사용하여 예열될 수 있다. 고체 공급 물질로부터 방출되는 가스는 (1) 고순도 수소, (2) 열 변환 공정을 위한 재생 에너지원으로 사용될 수 있는 테일 가스라고 하는 수소 분리 후 별도의 가연성 가스, 및 (3) 잔류 탄소성 고체를 생성하도록 처리될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소는 유기 폐기물을 운송하거나 관리하는 데 사용되는 차량에서 재생 가능한 운송 연료로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 테일 가스는 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법에서 활용되는 공정 작동에 필요한 열 및/또는 전기를 생산하기 위한 현장 에너지원으로 사용될 수 있다. 잔류 탄소성 고체는 다양한 방법을 통해, 예를 들어, 연료 제품의 탄소 강도를 결정하는 규제기관에 의해 탄소 격리로 인정되는 방법을 사용하여 폐기될 수 있다. 일부 실시예에서, 잔류 탄소성 고체는 고체 재생 연료, 토양 개량제, 콘크리트 첨가제 또는 탄소성 원료로 판매될 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술은 화석 연료 또는 매립 가스를 차량 연료로 사용하는 것보다 많은 생태적, 경제적 이점이 있다(예: 폐기물 운송 및 처리용 차량 또는 중앙 집중식 시설에서의 관리). 유기 폐기물을 연료로 열 변환하면 매립 폐기물 처리 용량에 대한 수요가 줄어들기 때문에 생산된 재생 가스는 화석 연료를 대체하는 재생 수소 생산에 유용하게 사용될 수 있다. 또한 운송 연료의 탄소 집약도를 줄임으로써 얻을 수 있는 주 및 연방 크레딧을 수익화할 수 있다. 일부 구현에서는 재생 수소 생산 비용이 디젤 및 가솔린 화석 연료를 사용하는 현재의 관행이나 폐기물 운송 및 관리를 위한 차량 연료로 매립 가스를 사용하는 대체 관행보다 탄소 집약도가 훨씬 더 낮을 수 있다.
도 1은 본 명세서에 설명된 바와 같이 유기 폐기물로부터 연료를 생성하기 위한 예시적인 공정(100)의 흐름도를 도시한다. 일반적으로, 유기 폐기물은 폐기물 발생기로부터 수집되어 폐기물 이송 차량을 통해 폐기물 처리 위치(118)와 같은 중앙 집중식 폐기물 처리 위치(예컨대, 매립지)로 이송된다. 본원에 설명된 기술들에서, 유기 폐기물(103)은 하나 이상의 폐기물 발생기(102)(예컨대, 도시 폐기물 수집 시설)로부터 수집되고 폐기물 운송 차량(104)을 통해 이송된다. 유기 폐기물(103)의 적어도 일부는 변환된 유기 폐기물(103a)로 변환되고, 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같이 열 폐기물-수소 변환 공정(110)으로 이송된다. 유기 폐기물(103)의 나머지 부분(예컨대, 잔여 유기 폐기물(103b))은 폐기물 처리 위치(118)(예컨대, 매립지)에서 운송 및 처리될 수 있다.
폐기물-수소 변환 공정(110)에서, 유기 폐기물, 예를 들어 변환된 유기 폐기물(103a)은 본 명세서에 기술된 바와 같이 열분해라고 하는 공정에서 산소가 없는 상태에서 가열된다. 유기 폐기물, 예를 들어, 변환된 유기 폐기물(103a)은 예를 들어 수소, 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스라고 불리는 가스의 혼합물의 방출에 적합한 온도로 가열된다(그리고 이로부터 수소 연료(114)가 분리되어 폐기물-수소 변환 공정(110)에서 출력물로서 추출될 수 있다). 또한, 비휘발성 성분, 탄소 및 재가 생성되며, 이는 고체 탄소 잔류물(112)에 유지된다. 고체 탄소 잔류물(112)은 폐기물 처리 위치(118)로 운송되어 폐기될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 연료(114)는 폐기물 수집 차량(120)의 연료로서, 예를 들어 주거용 건물로부터 폐기물을 수집하고 폐기물 발생기(102)(예를 들어, 도시 폐기물 수집 또는 저장 시설)로 폐기물을 운송하기 위한 연료로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 연료(114)는 폐기물 이송 차량(104)의 연료로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 연료(114)는 폐기물 관리 차량(116), 예를 들어, 폐기물 처리 위치(118)의 굴삭기 또는 트럭의 연료로서 사용될 수 있다.
도 2는 본 명세서에 설명된 바와 같이 유기 폐기물로부터 연료를 생성하기 위한 예시적인 공정(200)의 흐름도를 도시한다. 본 명세서에 설명된 기술들에서, 유기 폐기물은 하나 이상의 폐기물 발생기(예를 들어, 도시 폐기물 수집 시설)로부터 수집되고 폐기물 이송 차량(204)을 통해 이송된다. 유기 폐기물의 적어도 일부가 본 명세서에 기술된 바와 같이 열 변환 공정(210)으로 변환된 유기 폐기물(203)로 변환된다. 변환된 유기 폐기물(203)은 본 명세서에 설명된 공정을 위한 고체 공급 물질 또는 탄소성 "공급원료"이거나 이를 포함한다. 일부 실시예에서, 변환된 유기 폐기물(203)은 예열기(206)로 전달되어 예열된다. 예열기는 열 변환 공정(210)으로부터의 열(예컨대, 폐기물 또는 초과 열(212))을 사용하여 수분을 제거하거나 폐기물 온도를 상승시켜 열 변환 공정(210)에 필요한 열 에너지를 감소시키거나, 또는 둘 다 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 폐기물 또는 초과 열(212)은 열 변환 공정(210)으로부터의 배기(연도) 가스, 예를 들어, 열 변환 공정(210)에 사용되는 버너로부터 추출된다. 일부 실시예에서, 폐기물 또는 초과 열(212)은 바이오차(214)로부터 추출된다(예컨대, 고온 바이오차로부터 직접 또는 연소 공정에서). 예열된 유기 폐기물(208)(공급원료)은 열 변환 공정(210)으로 공급되는데, 여기서 예열된 유기 폐기물(208)은 공급원료로부터 휘발성 가스를 방출하는 데 필요한 온도 및 기간 동안 가열된다. 비휘발성 고체(예를 들어, 숯 또는 바이오차(214))는 방출된 휘발성 가스(예를 들어 고온 바이오가스(218))와 별도로 열 변환 공정(210)을 빠져나간다. 방출된 휘발성 가스는 이어서 가스 냉각 및 세정 공정(220)에서 처리되어(예를 들어, 가스 냉각 및/또는 세정 시스템 사용), 예를 들어, 그을음 입자 및 주변 온도에서 액체로 응축되는 가스를 제거한다.
바이오가스는 연소 공정에서 연료로 사용하기에 충분한 특정 발열량을 가질 수 있다. 일부 구현에서 바이오가스의 발열량은 표준 입방 피트당 250~1100BT(영국 열 단위) 사이이다. 세정된 휘발성 가스의 일부(예컨대, 바이오 가스(222))는 예를 들어, 열 변환 공정(210)에 사용되는 버너에서의 연소를 통해, 예를 들어, 열 변환 공정(210)의 공정 연료(226)의 일부로서, 에너지 또는 열원으로 사용될 수 있다. 공정 연료(226)는 보충 가스 연료(216), 예를 들어, 천연 가스와 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 공정 연료(226)는 예열기(206)의 연료로서 사용될 수 있다. 바이오 가스(222)의 또 다른 부분은 고순도 수소 생산 공정(224)(예를 들어, 고순도 수소 생산 시스템을 사용하여)에서 고순도 수소(예를 들어, 저압 수소(232)를 다른 가스(예를 들어, 테일 가스(228))로부터 생산 및/또는 분리하기 위한 기체 공급 원료로서 사용될 수 있다. 테일 가스(228)의 일부는 예를 들어, 열 변환 공정(210)에서의 연소를 통해, 예를 들어, 열 변환 공정(210)의 공정 연료(226)의 일부로서 에너지 또는 열원으로서 사용될 수 있다. 테일 가스(228)의 일부는, 예를 들어, 증기 터빈 및 터빈에 결합된 발전기를 사용하여, 발전 공정(230)의 연료 원으로 사용될 수 있다. 생성된 전기는 전체 공정(200)의 전기 수요의 일부 또는 전부를 충족시키는 데 사용될 수 있다.
저압 수소(232)는 예를 들어, 수소 압축 공정(234)(예컨대, 가스 압축 시스템 사용)에서 압축될 수 있다. 압축된 수소 가스(236)는 폐기물 관리 차량(238), 예를 들어 폐기물 처리 위치(118)에서 굴삭기 또는 트럭의 연료로 사용될 수 있다. 압축 수소 가스(236)는 폐기물 수집 차량(240)의 연료로서, 예를 들어 주거용 건물로부터 폐기물을 수집하고 폐기물 발생기(102)(예를 들어, 도시 폐기물 수집 시설) 또는 폐기물 운송 차량(104)으로 폐기물을 운송하기 위한 연료로서 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 유기 폐기물은 본 명세서에 기술된 기술에서 유입 물질(또는 "공급 물질" 또는 "공급 원료")로 사용할 수 있는 액체 또는 고체 유기 물질(또는 이들의 혼합물)을 포함한다. 본 명세서에 기술된 기술에서 유입 물질(또는 "공급 원료" 또는 "공급 원료")로 사용할 수 있는 유기 물질(또는 이들의 혼합물)을 포함한다. 유기 폐기물(또는 공급 원료)은 본 명세서에 설명된 기술을 사용하기 전에 사전 건조, 건조 및/또는 예열할 수 있다. 유입물 또는 공급 원료의 가열은 (예를 들어, 고체) 유입물의 연소를 방지하기 위해 혐기성 조건(무산소)에서 산소가 없는 외부 열원을 적용하여 이루어진다. 유입 재료의 적어도 일부는 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소와 물을 탄수화물, 리그닌 및 다른 식물 물질로 변환하여 생성된 생물성 식물 재료일 수 있다. 출력 고체는 잔류 탄소성 고체일 수 있으며, 출력 가스와는 별도로 본 명세서에 설명된 가스 생산 공정을 종료할 수 있다.
열 변환 공정(또는 가스 생산 공정), 예를 들어 열 변환 공정(210) 또는 폐기물-수소 열 변환 공정(110)은 일반적으로 무산소이며, 일반적으로 무산소 가열 공정(예컨대, 열분해 공정)을 포함한다. 일반적으로, 열 변환 공정은 유입 공급원료(예컨대, 변환된 유기 폐기물(103a) 또는 예열된 유기 폐기물(208)로부터 가연성 가스(예컨대, 바이오가스(218)) 및 잔류 탄소성 고체(예컨대, 바이오차(214))를 방출하는 온도에서 수행된다. 일부 실시예에서, 가연성, 해방 가스(예컨대, 바이오 가스(218))는 예를 들어, 열을 발생시키기 위한 에너지원으로서, 수확 및 사용될 수 있는 충분한 발열량을 갖는다. 또한, 방출된 가스의 발열량은 열 변환 공정(또는 적어도 그 일부)에서 유입된 공급 원료를 가열하는 데 필요한 열을 제공할 수 있다. 방출된 가스를 포집하여 사용하고 잔류 탄소성 고체를 추출하면 폐기물 관리 공정의 탄소 풋프린트를 줄이는 데 도움이 된다. 이러한 감소는 방출된 가스를 열을 필요로 하는 공정(100) 또는 공정(200)의 하나 이상의 단계(예컨대, 예열기(206))로 재활용함으로써 더욱 향상될 수 있다.
본 명세서에 기술된 기술과 함께 사용될 수 있는 열 변환 공정(또는 가스 생산 공정), 예를 들어, 열 변환 공정(210) 또는 폐기물-수소 열 변환 공정(110)은 열분해기를 사용하는 열분해 공정일 수 있거나, 열분해 공정을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 기술에서 사용되는 열분해 공정에서, 공급 원료는 화염과 직접 접촉하지 않는다. 일부 구현에서는, 공급 원료가 지속적으로 이동하는 파이프(레토르트)의 벽을 통해 공급 원료에 열을 전달하기 위해 외부 버너에서 고온 가스를 생성하여 공급 원료가 열분해 온도에 도달할 때 가스를 방출할 수 있다. 일부 구현에서, 예시적인 버너는 바이오 가스를 연료로 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 예시적인 버너는 바이오 가스(예컨대, 바이오 가스(222))를 연료로서 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 예시적인 버너는 테일 가스(예컨대, 테일 가스(228))를 연료로서 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 예시적인 버너는 천연 가스와 바이오 가스의 조합, 또는 천연 가스와 테일 가스의 조합, 또는 바이오 가스와 테일 가스의 조합, 또는 천연 가스, 바이오 가스 및 테일 가스의 조합을 연료로 사용할 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술과 함께 사용할 수 있는 열분해 공정의 예는 다양한 가열 속도 범위에서 발생할 수 있다. 유기 폐기물과 같이 선택된 유입물(공급 원료)에 따라 원하는 온도와 함께 최적의 속도를 선택할 수 있다. 열분해 가열 속도는 약 1°C/분에서 약 15°C/분 사이일 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 속도는 약 4°C/분에서 약 12°C/분 사이일 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 속도는 약 7°C/분에서 약 9°C/분 사이일 수 있다. 일부 실시예에서, 열분해의 가열 속도는 약 8°C/분이다. 일부 실시예에서, 다른 가스 생산 방법이 본 명세서에 기술된 무산소 가열 공정과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명한 열분해 조건과 유사하거나 동일한 온도 및 가열 속도를 갖는 연소, 탄화, 및/또는 탈휘발화 기술이 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 예시적인 열분해 공정은 다양한 온도 범위에서 발생할 수 있으며, 최적의 온도는 특정 공급 원료에서 충분한 가연성 가스를 방출하기 위해 필요에 따라 선택된다. 일부 구현에서, 온도는 최대 약 800°C일 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 약 400°C 내지 약 800°C 사이 또는 약 450°C 내지 약 750°C 사이일 수 있다. 일부 구현에서, 온도는 약 500°C에서 약 700°C 사이일 수 있다. 일부 구현에서, 온도는 약 500°C에서 약 700°C 사이일 수 있다. 일부 구현에서, 온도는 약 600°C일 수 있다. 해방 가스(예컨대, 바이오 가스(218)와 같이 가스 생산 공정에 의해 해방된 휘발성 가스)는 가스 세정 단계(예컨대, 가스 냉각 및 세정 공정(220))에서 후속적으로 처리될 수 있다. 가스 세정 단계는 그을음 입자 및/또는 황화수소, 염화수소, 불화수소, 암모니아, 휘발성 금속, 이산화탄소 또는 다른 바람직하지 않은 가스, 예를 들어 액체로 응축되거나 가스의 열 값을 감소시키는 가스와 같은 바람직하지 않은 가스를 제거하기 위해 구현될 수 있다.
열 변환 공정, 예를 들어, 열 변환 공정(210) 또는 폐기물-수소 열 변환 공정(110)은 연료 가스(예컨대, 보충 연료 가스(216))를 이용할 수 있다. 연료 가스(또는 가열 가스)는 천연 가스 공급원으로부터의 천연 가스를 포함할 수 있지만, 다른 탄소 기반 연료도 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 가연성 출력 가스의 스트림(예컨대, 바이오 가스(222))은 재활용될 수 있고, 가스 생산 공정 및/또는 열 변환 공정에 대한 유입으로서 포함될 수 있다. 재활용 가스의 스트림은 연소될 때 열을 생성하는 메탄 및 다른 가스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 가스의 제1 부분(예컨대, 바이오 가스)은, 예를 들어, 바이오가스(222)는, 표준 입방 피트당 약 600 영국 열량 단위(British Thermal Units per standard cubic foot)(BTU/cf), 또는 약 250 BTU/cf 내지 약 1100 BTU/cf, 또는 약 400 Btu/cf 내지 약 850 BTU/cf, 또는 약 550 BTU/cf 내지 약 700 BTU/cf 사이의 제1 발열량을 갖는다. 일부 실시예에서, 출력 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 다른 탄화수소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 열 변환 공정(예컨대, 열 변환 공정(210) 또는 폐기물-수소 열 변환 공정(110))은 수소 가스 및 테일 가스(예컨대, 테일 가스(228)를 생성하기 위해 본 명세서에 설명된 바와 같은 수소 분리 시스템 및/또는 분리 공정을 포함할 수 있다. 테일 가스는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌, C6+ 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 또는 수소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 테일 가스의 적어도 일부가 재활용되어 열 변환/가스 생산 공정에 대한 유입으로서, 예를 들어, 공정 연료(226)의 일부로서 사용될 수 있다. 테일 가스는 600 BTU/cf 이상, 또는 약 250 BTU/cf 내지 약 1100 BTU/cf 사이, 또는 약 400 Btu/cf 내지 약 850 BTU/cf 사이, 또는 약 550 BTU/cf 내지 약 700 BTU/cf 사이의 발열량을 가질 수 있다.
본 명세서에 기술된 기술은 수소 분리 시스템 및/또는 공정, 예를 들어, 고순도 수소 생산 시스템 및/또는 방법(224)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 혼합물(예컨대, 바이오 가스)은 폴리아미드 또는 아세트산 셀룰로오스와 같은 중합체 또는 세라믹 재료로부터 제조된 합성 멤브레인을 사용하여 분리될 수 있다. 일부 구현에서는 압력 스윙 흡착(PSA) 및/또는 다른 공정을 통해 휘발성 가스에서 수소를 선택적으로 제거할 수 있다. 적합한 흡착제는 활성탄, 실리카, 제올라이트 및 수지를 포함하되 이에 국한되지 않는다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 기술을 사용하여 생산된 수소 가스는 80% 이상 또는 90% 이상의 순도 수소(예컨대, 99% 순도 수소)인 수소 가스를 생산할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 방법을 사용하여 생성된 바이오 가스 또는 수소는 예를 들어, 차량 또는 건물에서 연료와 같은 에너지원 또는 에너지 운송체로서 사용될 수 있다. 일부 특정 실시예에서, 본 명세서에 기술된 기술을 사용하여 생성된 수소는 트럭, 예를 들어 가정용 폐기물을 수집하고 폐기물을 예를 들어 도시 폐기물 처리 시설로 운송하는 데 사용되는 폐기물 운송 차량에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 기술을 사용하여 생성된 수소는 폐기물 관리 차량(예: 폐기물 관리 시설에서 사용되는 굴삭기)에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 기술을 사용하여 생성된 수소는 연료 전지 또는 다른 전기 화학 장치의 연료로 사용될 수 있거나, 내연 기관의 연료로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같이 트럭을 구동하는 연료 전지 또는 내연 기관에서 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 기술은 폐기물에서 추출한 에너지를 활용하므로, 예를 들어 외부 연료 또는 다른 에너지원(예: 천연 가스)에 대한 의존도를 줄임으로써 폐기물 제거 또는 폐기물 처리 과정의 탄소 풋프린트를 줄일 수 있다.
아이템 1. 운송 연료를 생산하는 방법으로서,
열 변환 공정에서 산소가 없는 상태에서 고체 공급 물질을 가열하여 가스와 잔류 탄소성 고체를 방출하는 단계 - 상기 가스는 발열량을 가짐 - ,
방출된 가스의 일부를 활용하여 운송 연료로 사용할 수소를 생산하는 단계,
방출된 가스의 나머지 부분을 활용하여 재생 가능한 열과 전기를 생산함으로써 운송 연료 생산 과정의 전반적인 탄소 집약도를 감소시키는 단계, 및
매립 처리 또는 연료, 토양 개량제, 콘크리트 첨가제 또는 다양한 탄소 응용 분야로 사용하기 위해 잔류 탄소 고형물을 폐기물로 포집하는 단계를 포함한다.
아이템 2. 제1 아이템에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 폐기물 운송 및/또는 관리를 위해 차량을 사용하여 매립지 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 처리 위치로 운송되는 탄화수소 폐기물 물질이다.
아이템 3. 아이템 1 또는 아이템 2에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 대기 중 이산화탄소와 물을 탄수화물로 변환하는 광합성을 통해 생성되는 생물학적 식물 재료로 유래한다.
아이템 4. 아이템 1-3에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 수분 함량을 감소시키고 고체 공급 재료의 온도를 상승시켜 고체 공급 재료를 가스를 방출하기에 충분한 온도로 가열하는 데 필요한 열 에너지를 감소시키도록 구성된 예열기에서 예열된다.
아이템 5. 아이템 4에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 열 변환 공정에서 생성된 플루 가스에서 추출된 열을 사용하여 예열된다.
아이템 6. 아이템 4 또는 아이템 5에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 방출된 가스에서 추출된 열을 사용하여 예열된다.
아이템 7. 아이템 4-6에 있어서, 고체 공급 물질은 잔류 탄소질 고체로부터 추출된 열을 사용하여 예열된다.
아이템 8. 아이템 1-7에 있어서, 방출된 가스는 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소 및 다양한 탄화수소의 혼합물을 포함한다.
아이템 9. 아이템 1-8에 있어서, 방출된 가스의 발열량은 표준 입방 피트당 250 내지 1100 영국 열 단위(British Thermal Unit)이다.
아이템 10. 아이템 1-9에 있어서, 방출된 가스의 일부는 차량 연료로 사용하기 위한 수소를 생성하도록 사용된다.
아이템 11. 제10 아이템에 있어서, 수소는 폐기물 운송 또는 폐기물 관리 차량의 연료로 사용된다.
아이템 12. 아이템 1-11에 있어서, 방출된 가스의 일부는 재생 가능한 열 및/또는 재생 가능한 전기를 생산하는 공정에서 연료로 사용되어 생산된 수송 연료의 탄소 집약도가 감소된다.
아이템 13. 아이템 1-12에 있어서, 잔류 탄소성 고체는 매립지에 폐기된다.
아이템 14. 아이템 1-13에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 석탄의 대체 연료로 사용된다.
아이템 15. 아이템 1-14에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 토양의 수분 보유 및 식물 수확량 특성을 개선하기 위해 토양 개량제로 사용된다.
아이템 16. 아이템 1-15에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 콘크리트의 강도를 증가시키기 위한 첨가제로서 사용된다.
아이템 17. 아이템 1-16에 있어서, 잔류 탄소성 고체는 탄소 공급원으로 사용된다.
아이템 18. 매립지 및 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치로 폐기물을 운반하고 관리하는 차량을 위해 탄화수소 폐기물로로부터 운송 연료를 생산하는 시스템으로서,
산소가 없는 상태에서 고체 폐기물 공급 물질을 가열하여 (a) 고체로부터 수소 및 발열량을 갖는 다른 성분을 포함하는 가스를 방출하고 (b) 잔류 탄소성 고체를 생성하도록 구성된 열 변환 시스템;
습기를 제거하고, 폐기물 온도를 높이고 및/또는 열 변환 공정에 필요한 열을 줄이기 위해 구성된 열 변환 시스템의 초과 열을 사용하는 예열 시스템;
가스 생산 유닛에서 방출된 휘발성 가스를 처리하여 그을음 입자 및/또는 주변 온도에서 액체로 응축되어 바이오 가스를 생성하는 가스 냉각 및/또는 세척 시스템; 및
바이오 가스로부터 99% 초과의 수소로 구성된 가스 생성물과 바이오 가스에서 제거된 비수소 가스로 구성된 잔류 테일 가스를 생산하도록 구성된 고순도 수소 생산 시스템을 포함된다.
아이템 19. 아이템 18에 있어서, 가스 생성물은 99%의 수소를 초과한다.
아이템 20. 아이템 18 또는 아이템 19에 있어서, 운송 연료 생산 공정에 사용되는 전기 생산을 위해 바이오가스 또는 테일 가스를 활용할 수 있는 발전기를 포함한다.
아이템 21. 아이템 18-20에 있어서, 내연 기관 또는 연료 전지에 의해 구동되는 전기 모터에서 가스 생성물을 에너지원으로 사용하는 폐기물 운송 및/또는 폐기물 관리 차량을 포함한다.

Claims (20)

  1. 운송 연료를 생산하는 방법으로서,
    열 변환 공정에서 산소가 없는 상태에서 고체 공급 물질을 가열하여 가스와 잔류 탄소성 고체를 방출하는 단계 - 상기 가스는 발열량을 가짐 - ,
    방출된 가스의 일부를 활용하여 운송 연료로 사용할 수소를 생산하는 단계,
    방출된 가스의 나머지 부분을 활용하여 재생 가능한 열과 전기를 생산함으로써 운송 연료 생산 과정의 전반적인 탄소 집약도를 감소시키는 단계, 및
    매립 처리 또는 연료, 토양 개량제, 콘크리트 첨가제 또는 다양한 탄소 응용 분야로 사용하기 위해 잔류 탄소 고형물을 폐기물로 포집하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 폐기물 운송 및/또는 관리를 위해 차량을 사용하여 매립지 또는 다른 중앙 집중식 폐기물 처리 위치로 운송되는 탄화수소 폐기물 물질인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 대기 중 이산화탄소와 물을 탄수화물로 변환하는 광합성을 통해 생성되는 생물학적 식물 재료로 유래하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 수분 함량을 감소시키고 고체 공급 재료의 온도를 상승시켜 고체 공급 재료를 가스를 방출하기에 충분한 온도로 가열하는 데 필요한 열 에너지를 감소시키도록 구성된 예열기에서 예열되는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 열 변환 공정에서 생성된 플루 가스에서 추출된 열을 사용하여 예열되는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 고체 공급 물질은 방출된 가스에서 추출된 열을 사용하여 예열되는 방법.
  7. 제4항에 있어서, 고체 공급 물질은 잔류 탄소질 고체로부터 추출된 열을 사용하여 예열되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 방출된 가스는 수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소 및 다양한 탄화수소의 혼합물을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 방출된 가스의 발열량은 표준 입방 피트당 250 내지 1100 영국 열 단위(British Thermal Unit)인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 방출된 가스의 일부는 차량 연료로 사용하기 위한 수소를 생성하도록 사용되는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 수소는 폐기물 운송 또는 폐기물 관리 차량의 연료로 사용되는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 방출된 가스의 일부는 재생 가능한 열 및/또는 재생 가능한 전기를 생산하는 공정에서 연료로 사용되어 생산된 수송 연료의 탄소 집약도가 감소되는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 잔류 탄소성 고체는 매립지에 폐기되는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 석탄의 대체 연료로 사용되는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 토양의 수분 보유 및 식물 수확량 특성을 개선하기 위해 토양 개량제로 사용되는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 잔류 탄소질 고체는 콘크리트의 강도를 증가시키기 위한 첨가제로서 사용되는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 잔류 탄소성 고체는 탄소 공급원으로 사용되는 방법.
  18. 매립지 및 다른 중앙 집중식 폐기물 관리 위치로 폐기물을 운반하고 관리하는 차량을 위해 탄화수소 폐기물로로부터 운송 연료를 생산하는 시스템으로서,
    산소가 없는 상태에서 고체 폐기물 공급 물질을 가열하여 (a) 고체로부터 수소 및 발열량을 갖는 다른 성분을 포함하는 가스를 방출하고 (b) 잔류 탄소성 고체를 생성하도록 구성된 열 변환 시스템;
    습기를 제거하고, 폐기물 온도를 높이고 및/또는 열 변환 공정에 필요한 열을 줄이기 위해 구성된 열 변환 시스템의 초과 열을 사용하는 예열 시스템;
    가스 생산 유닛에서 방출된 휘발성 가스를 처리하여 그을음 입자 및/또는 주변 온도에서 액체로 응축되어 바이오 가스를 생성하는 가스 냉각 및/또는 세척 시스템; 및
    바이오 가스로부터 99% 초과의 수소로 구성된 가스 생성물과 바이오 가스에서 제거된 비수소 가스로 구성된 잔류 테일 가스를 생산하도록 구성된 고순도 수소 생산 시스템을 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 수송 연료 생산 공정에 사용하기 위한 전기 생산을 위해 바이오 가스 또는 테일 가스를 활용할 수 있는 발전기를 포함하는 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 내연 기관 또는 연료 전지에 의해 구동되는 전기 모터에서 가스 생성물을 에너지원으로 사용하는 폐기물 운송 및/또는 폐기물 관리 차량을 포함하는 시스템.
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