KR20240034210A - 고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿 - Google Patents

고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿 Download PDF

Info

Publication number
KR20240034210A
KR20240034210A KR1020247004529A KR20247004529A KR20240034210A KR 20240034210 A KR20240034210 A KR 20240034210A KR 1020247004529 A KR1020247004529 A KR 1020247004529A KR 20247004529 A KR20247004529 A KR 20247004529A KR 20240034210 A KR20240034210 A KR 20240034210A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
pellets
biocarbon
pyrolysis
biogenic reagent
Prior art date
Application number
KR1020247004529A
Other languages
English (en)
Inventor
더스틴 슬랙
제임스 에이. 멘넬
데런 다우가드
Original Assignee
카본 테크놀로지 홀딩스, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 카본 테크놀로지 홀딩스, 엘엘씨 filed Critical 카본 테크놀로지 홀딩스, 엘엘씨
Publication of KR20240034210A publication Critical patent/KR20240034210A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/02—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of cellulose-containing material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/08—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form in the form of briquettes, lumps and the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B55/00—Coking mineral oils, bitumen, tar, and the like or mixtures thereof with solid carbonaceous material
    • C10B55/02—Coking mineral oils, bitumen, tar, and the like or mixtures thereof with solid carbonaceous material with solid materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/005—After-treatment of coke, e.g. calcination desulfurization
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/02—Multi-step carbonising or coking processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/04—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general using charges of special composition
    • C10B57/045—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general using charges of special composition containing mineral oils, bitumen, tar or the like or mixtures thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60—Processes
    • C10J3/62—Processes with separate withdrawal of the distillation products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/001—Purifying combustible gases containing carbon monoxide working-up the condensates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/04—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by cooling to condense non-gaseous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/02—Solid fuels such as briquettes consisting mainly of carbonaceous materials of mineral or non-mineral origin
    • C10L5/06—Methods of shaping, e.g. pelletizing or briquetting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/02—Solid fuels such as briquettes consisting mainly of carbonaceous materials of mineral or non-mineral origin
    • C10L5/26—After-treatment of the shaped fuels, e.g. briquettes
    • C10L5/28—Heating the shaped fuels, e.g. briquettes; Coking the binders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/02—Solid fuels such as briquettes consisting mainly of carbonaceous materials of mineral or non-mineral origin
    • C10L5/34—Other details of the shaped fuels, e.g. briquettes
    • C10L5/36—Shape
    • C10L5/363—Pellets or granulates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • C10L5/442—Wood or forestry waste
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • C10L5/447—Carbonized vegetable substances, e.g. charcoal, or produced by hydrothermal carbonization of biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0903—Feed preparation
    • C10J2300/0906—Physical processes, e.g. shredding, comminuting, chopping, sorting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/094—Char
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2200/00—Components of fuel compositions
    • C10L2200/04—Organic compounds
    • C10L2200/0461—Fractions defined by their origin
    • C10L2200/0469—Renewables or materials of biological origin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2250/00—Structural features of fuel components or fuel compositions, either in solid, liquid or gaseous state
    • C10L2250/06—Particle, bubble or droplet size
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/02—Combustion or pyrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/08—Drying or removing water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/10—Recycling of a stream within the process or apparatus to reuse elsewhere therein
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/24—Mixing, stirring of fuel components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/28—Cutting, disintegrating, shredding or grinding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/30—Pressing, compressing or compacting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/54—Specific separation steps for separating fractions, components or impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

일부 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정을 제공한다: 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계; 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 액체 또는 고체 형태의 열분해 침전물을 생성하는 단계; 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계; 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계; 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계; 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계; 및 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계. 일부 변형은 반드시 열분해 침전물일 필요는 없는 탄소-함유 응축된-물질 재료를 활용하는 유사한 공정을 제공한다. 개시내용은 특히 탄소 수율 및 바이오카본 특성, 예컨대, 반응성과 관련하여 바이오카본 조성물을 생산하기 위한 개선된 공정을 제공한다.

Description

고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿
관련 출원(들)에 대한 교차-참조
본 출원은 2021 년 7 월 9 일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 63/220,073의 우선권 이익을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
기술 분야
본 개시내용은 일반적으로 고-수율 바이오카본 조성물을 제조하기 위한 열분해 공정, 및 이로부터 생산된 바이오카본 조성물에 관한 것이다.
탄소는 다양한 산업의 플랫폼 요소이며 수많은 화학, 재료 및 연료 용도를 가지고 있다. 탄소는 전기를 포함한 에너지를 생산하는 연료로서 사용된다. 탄소는 또한 금속, 금속 합금, 복합재, 탄소 섬유, 전극 및 촉매 지지체를 포함한 다양한 원자재 및 고급 재료에 대한 화학적 가치를 가지고 있다. 금속 제조의 경우, 탄소는 가공 동안 금속 옥사이드를 금속으로 환원시키는 반응물로서; 가공을 위한 열을 제공하기 위한 연료로서; 및 금속 합금의 구성요소로서 유용하다.
탄소는 탄소질 재료의 많은 공급원으로부터 생산될 수 있다. 탄소질 재료는 일반적으로 화석 자원, 예컨대, 천연 가스, 석유, 석탄 및 리그나이트; 및 재생가능한 자원, 예컨대, 리그노셀룰로스 바이오매스 및 다양한 탄소-풍부 폐기물 재료를 포함한다. 화석 자원과 연관된 경제적, 환경적 및 사회적 비용이 증가하기 때문에 재생가능한 바이오매스를 활용하여 탄소-기반 시약을 생산하는 것이 바람직하다.
요약
개시된 기술은 당업계에서의 전술한 필요성을 다룬다.
일부 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
일부 실시양태에서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 5% 더 긴 시간을 필요로 한다. 특정 실시양태에서, TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 휘발성-탄소 산화 시간은 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의된다. 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약의 질량 손실은 제2 생물기원 시약의 질량 손실보다 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 클 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 탄소-산화 체제 동안, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약의 질량 손실률이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 크다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 열중량 분석은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
바이오매스-함유 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기(shell), 과일 줄기, 과일 껍질(peel), 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 분리 유닛은 응축 시스템을 포함한다. 응축 시스템은 다중 단계를 가질 수 있으며, 이 경우 열분해 침전물은 다중 단계 중 제1 콘덴서 단계의 응축된 생성물일 수 있다. 열분해 침전물은 다중 단계 중 다른 콘덴서 단계의 응축된 생성물일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 분리 유닛은 응축 시스템, 액체-증기 사이클론 분리기, 데미스터, 증류 유닛, 여과 유닛, 멤브레인 유닛, 스크러빙 유닛, 화학적 침전 유닛, 액체-액체 추출 유닛, 전기 집진 유닛 또는 이의 조합을 포함한다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 열분해 침전물을 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 열분해 침전물을 포함할 수 있다.
열분해 침전물은 액체 형태, 고체 형태, 또는 슬러리 형태 (슬러리는 액체 중 고체의 현탁액을 의미함)일 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (c) 및 (d)는 통합된다.
바인더가 중간체 재료에 도입될 수 있다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는다. (공정으로부터의) 열분해 침전물 자체가 인 시츄 바인더로서 기능할 수 있음에 유의한다. 인 시츄 바인더는 외부 바인더가 아니다.
일부 실시양태에서, 건조를 위한 단계 (e)가 실시된다. 이 경우에, 단계 (d) 및 (e)가 통합될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 단계 (e) 및 (f)가 통합될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제2 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다.
일부 실시양태에서, 단계 (d)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용한다.
제1 열분해 반응기는 제2 열분해 반응기와 별개일 수 있다. 대안적으로, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛일 수 있으며, 여기서 단계 (a) 및 (f)는 공정의 캠페인 모드와 같이 상이한 시간에 실시된다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 열분해 침전물의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 작용한다.
단계 (a)는 예를 들어, 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시될 수 있다. 단계 (a)는 예를 들어, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시될 수 있다.
단계 (f)는 예를 들어, 약 300℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시될 수 있다. 단계 (f)는 예를 들어, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 비-침전물은 분리 유닛에서 생성되며, 여기서 열분해 비-침전물은 임의로 회수되고 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성시키고, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
일부 실시양태에서, 열분해 증기의 일부는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성시키며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
일부 실시양태에서, 열분해 오프-가스는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성시키며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
열분해 오프-가스는 임의로 분리 유닛에 이송된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열분해 오프-가스는 효과적인 침전 조건 하에서 작동되는 (단계 (b)의 분리 유닛과 상이한) 제2 분리 유닛에 이송되어 제2 열분해 침전물을 생성할 수 있으며, 여기서 제2 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태이다. 공정은 제2 열분해 침전물을 제1 생물기원 시약 또는 제2 생물기원 시약과 접촉시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 적어도 60 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 적어도 85 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 최대 10 wt%의 회분을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 5 wt%의 회분, 또는 최대 1 wt%의 회분을 포함한다.
열분해 침전물은 그 자체로 최대 1 wt%의 회분, 최대 0.1 wt%의 회분을 포함하거나, 본질적으로 회분을 포함하지 않을 수 있다. 적은-회분 열분해 침전물은 회분이 제1 생물기원 시약에 첨가되지 않아 더 적은-회분 최종 생성물을 야기하는 데 유리하다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질을 포함한다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함한다.
일부 실시양태에서, 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 10 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다. 다양한 실시양태에서, 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 20 wt% 또는 적어도 50 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다. 특정 실시양태에서, 열분해 침전물에 포함된 탄소의 30 wt% 내지 90 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 1 wt% 내지 50 wt%는 열분해 침전물로부터 유래된다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 10 wt% 내지 40 wt%는 열분해 침전물로부터 유래된다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 공정의 단계 (b)로부터 제공되지 않은 추가적인 열분해 침전물을 추가로 포함한다.
단계 (c)에서, 제1 생물기원 시약의 전부 또는 전부 미만이 열분해 침전물과 접촉될 수 있다. 단계 (c)에서, 열분해 침전물의 전부 또는 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하다. 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다.
바이오카본 펠릿은 예를 들어, 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수(Hardgrove Grindability Index)를 특징으로 할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 예를 들어, 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 예를 들어, 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 가질 수 있다.
바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내 또는 5% 이내인 펠릿 유효 직경을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 110% 초과, 또는 90% 미만인 유효 펠릿 직경을 갖는다.
바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형(pillow), 렌틸형(lentil), 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 가질 수 있다.
바이오카본 펠릿은 예를 들어, 적어도 약 100 lbf/in2, 또는 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징될 수 있다.
공정은 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파(fluorospar), 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제2 생물기원 시약에 대한 첨가제의 첨가에 의해 감소된다.
첨가제는 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택될 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다.
첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정할 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다. 일부 실시양태에서, 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시킨다. 다른 실시양태에서, 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시킨다.
일부 실시양태에서, 공정은 바이오매스-함유 공급원료에 포함된 탄소의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공한다. 다양한 실시양태에서, 전체 탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
공정은 연속적이거나 반-연속적일 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿을 기계적으로 처리하여, 바이오카본 분말을 생성한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 바이오카본 펠릿을 다른 양의 제2 생물기원 시약과 조합하여, 바이오카본 물체를 생성할 수 있다. 다른 양의 제2 생물기원 시약은 그 자체가 펠릿 형태일 수 있거나, 예를 들어, 분말 형태일 수 있다.
다른 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
일부 실시양태에서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 산화에 도달하는 데 적어도 5% 또는 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 휘발성-탄소 산화 시간은 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의된다. 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약은 제2 생물기원 시약과 비교하여 적어도 25% 또는 적어도 50% 초과의 질량 손실을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 큰 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 여기서 열중량 분석은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
바이오매스-함유 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 열분해 증기로부터 유래된 열분해 침전물이다. 다른 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 상이한 공정으로부터 외부적으로 제공된 열분해 침전물이다. 열분해 침전물은 또한 전술한 것의 혼합물일 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 방향족 종을 포함한다. 예를 들어, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 오프-스펙 또는 폐기물 방향족 스트림일 수 있다. 특정 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 리그닌을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 당 또는 당-분해 생성물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 중합체 또는 중합체-분해 생성물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 합성가스의 화학 반응에 의해 생산된 액체 생성물을 포함하고, 여기서 합성가스는 임의로 열분해 증기 또는 열분해 오프-가스로부터 수득된다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90% 또는 100% (완전히) 재생가능한 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (c) 및 (d)는 통합된다.
일부 실시양태에서, 바인더가 중간체 재료에 도입된다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는다. (공정으로부터의) 열분해 침전물 자체가 인 시츄 바인더로서 기능할 수 있음에 유의한다. 인 시츄 바인더는 외부 바인더가 아니다.
일부 실시양태에서, 건조를 위한 단계 (e)가 실시된다. 단계 (e)가 수행된 경우, 단계 (d) 및 (e)가 통합될 수 있다. 또한, 단계 (e)가 수행된 경우, 단계 (e) 및 (f)가 통합될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제2 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다.
일부 실시양태에서, 단계 (d)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용한다.
일부 실시양태에서, 제1 열분해 반응기는 제2 열분해 반응기와 별개이다. 대안적으로, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛일 수 있으며, 여기서 단계 (a) 및 (f)는 상이한 시간에 실시된다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 탄소-함유 응축된-물질 재료의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 작용한다.
일부 실시양태에서, 단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 또는 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시될 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (f)는 약 300℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 또는 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 증기는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
일부 실시양태에서, 열분해 오프-가스는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
일부 실시양태에서, 열분해 오프-가스는 효과적인 침전 조건 하에서 작동되는 분리 유닛에 이송되어 제2 열분해 침전물을 생성하며, 여기서 제2 열분해 침전물은 액체 또는 고체 형태이다. 특정 실시양태에서, 공정은 제1 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함한다. 특정 실시양태에서, 공정은 제2 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 60 wt%의 고정 탄소를 포함한다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 85 wt%, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 10 wt%의 회분을 포함한다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 5 wt%의 회분, 또는 최대 1 wt%의 회분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질, 예컨대, 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함한다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 25 wt%, 적어도 50 wt%, 또는 적어도 75 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 1 wt% 내지 50 wt%가 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래된다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 10 wt% 내지 40 wt%가 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래된다.
일부 실시양태에서, 단계 (c)에서, 제1 생물기원 시약의 전부 또는 전부 미만이 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉된다.
일부 실시양태에서, 단계 (c)에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료의 전부 또는 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하거나 완전히 재생가능하다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는다.
바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내 또는 5% 이내인 펠릿 유효 직경을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 110% 초과, 또는 90% 미만인 유효 펠릿 직경을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 100 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
일부 실시양태에서, 공정은 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
첨가제는 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택될 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다.
첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정할 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다. 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시킬 수 있다. pH 조정을 위한 것과 상이한 이유로 첨가제가 첨가되는 경우, 제2 생물기원 시약에 첨가된 첨가제는 제2 생물기원 시약의 여과액 pH에 변화를 유발하지 않을 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제2 생물기원 시약대한 첨가제의 첨가에 의해 감소된다.
일부 실시양태에서, 공정은 바이오매스-함유 공급원료 중 탄소 + 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 합계의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공한다. 특정 실시양태에서, 전체 탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
공정은 연속적이거나 반-연속적일 수 있다.
임의로, 바이오카본 펠릿은 형성된 후, 기계적으로 처리되어 바이오카본 분말을 생성한다.
임의로, 바이오카본 펠릿은 다른 양의 제2 생물기원 시약과 조합되어, 바이오카본 물체를 생성한다.
일부 변형은 적어도 60 wt%의 고정 탄소 함량을 갖는 고정 탄소를 포함하는 바이오카본 펠릿을 제공하며, 여기서 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 산소 반응성을 측정하는 열중량 분석에 의해 특징지어지며, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행되고, 여기서, 시간 대비 중량 손실의 열중량 분석 그래프 ("TGA 그래프")에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 240 분을 필요로 한다.
바이오카본 펠릿의 일부 실시양태에서, 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행된 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310 또는 320 분을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 무연탄 대조군 샘플에 대해 수행되며, 여기서 무연탄 대조군 샘플은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 제어 시간을 필요로 하고, 여기서 바이오카본 펠릿이 99% 탄소 산화에 도달하는 데 필요한 시간은 제어 시간의 약 85% 내지 약 100%이다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿이 99% 탄소 산화에 도달하는 데 필요한 시간은 제어 시간의 약 90% 내지 약 100%, 예컨대, 약 95% 내지 약 98%이다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 휘발성 탄소를 포함하고, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다. 특정 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 바이오카본 펠릿에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 적어도 85 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 10 wt%의 회분, 최대 5 wt%의 회분, 또는 최대 1 wt%의 회분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질, 또는 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함한다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 열분해 침전물 이외의 바인더를 포함하지 않는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 첨가제를 포함한다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 또는 완전히 재생가능하다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 100 lbf/in2 또는 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
바이오카본 펠릿은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
바이오카본 펠릿은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
일부 변형은 적어도 60 wt%의 고정 탄소 함량을 갖는 고정 탄소를 포함하는 바이오카본 조성물을 제공하며, 여기서 바이오카본 조성물은 바이오카본 펠릿의 산소 반응성을 측정하는 열중량 분석에 의해 특징지어지며, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행되고, 여기서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 240 분을 필요로 한다.
바이오카본 조성물 (예컨대, 분말)은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 재료를 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(e) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
바이오카본 조성물 (예컨대, 분말)은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 재료를 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(e) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
도 1은 바이오매스가 제1 열분해 반응기에서 열분해되어 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 공정 및 시스템의 예시적인 블록 흐름도를 묘사한다. 열분해 증기는 열분해 침전물 및 열분해 비-침전물을 생성하는 분리 유닛에 보내진다. 열분해 침전물은 임의적 혼합 유닛에 공급되며, 여기에 생물기원 시약이 또한 공급된다. 조합된 재료는 중간체 펠릿을 생성하기 위해 펠릿화 유닛에 보내진다. 대안적으로, 혼합 유닛이 없고, 열분해 침전물 및 생물기원 시약이 펠릿화 유닛에 직접 공급된다. 바인더는 임의로 펠릿화 유닛에 첨가된다. 그런 다음, 펠릿은 바이오카본 생성물을 생성하는 제2 열분해 반응기에 공급된다. 제2 열분해 반응기는 또한 재활용되거나 (예컨대, 분리 유닛에 다시 돌아가거나) 달리 가공 (예컨대, 연소)될 수 있는 열분해 오프-가스를 생성한다. 점선 상자 및 선은 각각 임의적 유닛 및 스트림을 나타낸다.
도 2는 바이오매스가 제1 열분해 반응기에서 열분해되어 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 공정 및 시스템의 예시적인 블록 흐름도를 묘사한다. 탄소-함유 응축된-물질 재료는 임의적 혼합 유닛에 공급되며, 여기에 생물기원 시약이 또한 공급된다. 조합된 재료는 중간체 펠릿을 생성하기 위해 펠릿화 유닛에 보내진다. 대안적으로, 혼합 유닛이 없고, 탄소-함유 응축된-물질 재료 및 생물기원 시약이 펠릿화 유닛에 직접 공급된다. 바인더는 임의로 펠릿화 유닛에 첨가된다. 그런 다음, 펠릿은 바이오카본 생성물을 생성하는 제2 열분해 반응기에 공급된다. 점선 상자 및 선은 각각 임의적 유닛 및 스트림을 나타낸다.
도 3은 열분해 타르 탄화가 없는 바이오카본 펠릿의 프로파일과 비교하여, 열분해 타르 탄화가 있는 실시예 1의 바이오카본 펠릿의 TGA 결과를 도시한다.
도 4는 무연탄 대조군 샘플과 비교하여 산소 반응성을 특성화하기 위한 실시예 2 샘플의 TGA 결과를 도시한다.
일부 변형은 생물기원 시약을 펠릿화하고 열분해 증기로부터 유래된 열분해 침전물을 동시에 또는 순차적으로 첨가함으로써, 펠릿화된 고체가 고정 탄소를 형성하는 반응을 향상시켜 고정 탄소의 수율을 유의하게 증가시킨다는 발견을 전제로 한다. 또한 생산된 바이오카본 펠릿은 많은 상업적 적용에 대해 최적화된 반응성, 특히 감소된 산소 반응성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
바이오매스는 임의의 생물학적으로 생산된 물질 또는 생물기원 물질을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 바이오매스에 포함된 화학 에너지는 광합성의 자연적인 공정을 사용하여 태양 에너지로부터 유래된다. 광합성은 식물이 주변 환경으로부터 이산화탄소 및 물을 취하고 햇빛으로부터의 에너지를 사용하여 이들을 당, 전분, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌으로 전환시키는 공정이다. 모든 재생가능한 에너지 공급원 중에서, 바이오매스는 효과적으로 태양 에너지를 저장한다는 점에서 독특하다. 게다가, 바이오매스는 유일한 재생가능한 탄소의 공급원이다.
바이오매스 공급원료를 고-탄소 재료로 바꾸기 위한 다양한 전환 기술이 존재한다. 열분해는 산화제 (공기 또는 산소)의 완전한 부재 하에, 또는 산화가 임의의 상당한 정도로 발생하지 않는 이러한 제한된 공급에서 고체 재료의 열적 전환을 위한 공정이다. 공정 조건 및 첨가제에 따라, 바이오매스 열분해를 조정하여, 다양한 양의 가스, 액체 및 고체를 생산할 수 있다. 더 낮은 공정 온도 및 더 긴 증기 체류 시간은 고체의 생산에 유리하다. 높은 온도 및 더 긴 체류 시간은 합성가스로의 바이오매스 전환을 증가시키는 반면, 적당한 온도 및 짧은 증기 체류 시간은 일반적으로 액체 생산에 최적이다. 역사적으로, 목재의 느린 열분해는 배출 제어 없이 간단한 배치 공정으로 큰 더미(pile)에서 수행되었다. 전통적인 숯-제조 기술은 에너지-비효율적일 뿐만 아니라 오염도가 높다.
특히 탄소 수율 및 바이오카본 특성, 예컨대, 반응성과 관련하여 바이오카본 조성물을 생산하기 위한 개선된 또는 최적화된 공정에 대한 요구가 있다.
본 설명은 당업자가 본 발명을 만들고 사용할 수 있도록 할 것이며, 본 발명의 여러 실시양태, 적용, 변형, 대안 및 용도를 설명한다. 본 발명의 이들 및 기타 실시양태, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 본 발명의 다음의 상세한 설명을 참조할 때 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
가능한 기술적 개시를 위해, 다양한 설명, 가설, 이론, 추측 및 가정 등이 개시된다. 본 발명은 이들 중 임의의 것이 실제로 사실이라는 것에 의존하지 않는다. 이러한 상세한 설명의 어떠한 설명, 가설, 이론, 추측 또는 가정도 발명의 범주를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
정의
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 해당 기술이 속하는 기술 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
달리 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 반응 조건, 화학량론, 및 구성요소의 농도 등을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 다음의 명세서 및 첨부된 청구범위에 제시된 수치 파라미터는 적어도 구체적인 분석 기술에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 달리 나타내지 않는 한, 나타낸 범위, 값 또는 구조의 ± 20%를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비 범위 또는 정수 범위는 언급된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우, 달리 명시하지 않는 한, 이의 분수 (예컨대, 정수의 10분의 1 및 100분의 1)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 언급된 임의의 숫자 범위는 달리 나타내지 않는 한, 언급된 범위 내의 임의의 정수를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 바와 같이, "약 또는 그 사이의 범위", 예를 들어 "약 X, Y, 또는 Z로부터의 또는 그 사이의 범위"는 "적어도 X 내지 최대 Z"를 포함한다.
"포함하는(including)", "함유하는", 또는 "특징으로 하는"과 동의어인 용어 "포함하는(comprising)"은 포괄적이거나 개방적이며, 추가적인 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "포함하는"은 청구범위 언어에서 사용되는 기술 용어이며, 이는 명명된 청구 요소가 필수적이지만 다른 청구범위 요소가 첨가될 수 있고 여전히 청구범위의 범주 내에서 구성을 형성할 수 있음을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, 어구 "~로 이루어진"은 청구범위에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. 어구 "~로 이루어지다" (또는 이의 변형)가 전문 바로 다음에 오는 것이 아니라 청구범위 본문의 절에 나타날 때, 이는 해당 절에 제시된 요소만을 제한하며; 다른 요소는 전체적으로 청구범위로부터 배제되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같이, 어구 "본질적으로 ~로 이루어진"은 청구범위의 범주를 명시된 요소 또는 방법 단계 + 청구된 주제의 기초 및 신규 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것들로 제한한다.
용어 "포함하는", "~로 이루어진", 및 "본질적으로 ~로 이루어진"과 관련하여, 이들 3 개의 용어 중 하나가 본원에서 사용되는 경우, 본원에 개시된 및 청구된 주제는 다른 2 개의 용어 중 하나의 사용을 포함할 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않은 일부 실시양태에서, "포함하는"의 임의의 경우는 "~로 이루어진"에 의해 또는, 대안적으로, "본질적으로 ~로 이루어진"에 의해 교체될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명백하게 언급되지 않는 한, "또는"은 배타적인 "또는"이 아닌 포괄적인 "또는"을 지칭한다. 단어 "또는"이 2 개 이상의 항목의 목록과 관련하여 다른 항목으로부터 배타적인 단일 항목만을 의미하도록 명백하게 제한되지 않는 한, 이러한 목록에서 "또는"의 사용은 (a) 목록의 임의의 단일 항목, (b) 목록의 모든 항목, 또는 (c) 목록의 항목의 임의의 조합을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 어구 "A 및/또는 B"에서와 같이 어구 "및/또는"은 A 단독, B 단독, 및 A 및 B 둘 모두를 지칭한다. 문맥상 허용되는 경우, 단수 또는 복수 용어는 또한 각각 복수 또는 단수 용어를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "생물기원"은 수 개월, 수 년, 또는 수십 년의 시간 척도에서 재생가능한 원소, 예컨대, 탄소를 함유하는 재료 (공급원료, 생성물, 또는 중간체이든)이다. 비-생물기원 재료는 비-재생가능할 수 있거나, 수 세기, 수천 년, 수백만 년, 또는 훨씬 더 긴 지질학적 시간 척도에서 재생가능할 수 있다. 예를 들어, 석탄 및 석유의 전통적인 연료 공급원은 비-재생가능하고 비-생물기원이다. 생물기원 재료는 본질적으로 생물기원 공급원으로 이루어질 수 있다. 당업자는 자연 공급원으로서 또는 자연으로부터 유래된 생물기원 재료가 미미한 양의 비-생물기원 재료를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본원에 개시된 공정은 비-생물기원 재료와 함께 사용될 수 있지만, 환경에 유익한 영향은 그다지 크지 않을 수 있다.
자연적으로 발생하는 탄소의 3 가지 동위원소에는 12C, 13C 및 14C가 있다. 12C 및 13C는 안정적이며 대략 93:1의 자연 비율로 발생한다. 14C는 상층 대기의 우주 복사선으로부터 열 중성자에 의해 생산되며 지구로 수송되어 살아있는 생물학적 재료에 흡수된다. 동위원소적으로, 14C는 무시할 수 있는 부분을 구성하지만; 5,700 년의 반감기를 갖는 방사성물질이기 때문에, 방사성측정으로 검출가능하다. 사멸된 조직은 14C를 흡수하지 않으므로, 14C의 양은 생물학적 재료의 방사성 연대 측정에 사용되는 방법 중 하나이다.
식물은 광합성을 통해 대기 탄소를 고정함으로써 14C를 흡수한다. 이어서, 동물은 식물을 섭취하거나 식물을 섭취하는 다른 동물을 섭취할 때 14C를 이들의 신체로 취한다. 따라서, 살아있는 식물 및 동물은 대기 CO2와 동일한 14C 대 12C의 비를 갖는다. 일단 유기체가 죽으면, 대기와 탄소 교환을 중단하므로, 더 이상 새로운 14C를 흡수하지 않는다. 그런 다음, 방사성 붕괴는 점진적으로 유기체의 14C를 고갈시킨다. 이 효과는 방사성 탄소 연대 측정의 기초이다.
화석 연료, 예컨대, 석탄은 주로 수백만 년 전에 퇴적된 식물 재료로 만들어진다. 이 기간은 14C의 수천 회의 반감기에 해당하므로, 본질적으로 화석 연료에서의 모든 14C가 붕괴되었다. 화석 연료는 또한 원래 살아있는 유기체로부터 형성되었기 때문에 대기에 비해 13C가 고갈되어 있다. 따라서, 화석 연료로부터의 탄소는 생물기원 탄소에 비해 13C 및 14C 둘 모두가 고갈되어 있다.
재생가능한 자원의 것과 같은 최근 고사된 유기 물질의 탄소 동위원소 및 화석 연료, 예컨대, 석탄의 탄소 동위원소 사이의 이러한 차이는 조성물에서 탄소의 공급원을 결정할 수 있게 한다. 구체적으로, 조성물에서의 탄소가 재생가능한 자원으로부터 유래되었는지 또는 화석 연료로부터 유래되었는지 여부; 즉, 조성물의 생산에 재생가능한 자원 또는 화석 연료가 사용되었는지 여부이다.
바이오매스는 임의의 생물학적으로 생산된 물질, 또는 생물기원 물질을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 바이오매스는 식물, 동물 및 미생물을 포함하는 살아있는 유기체의 덩어리, 또는 생화학적 관점으로부터는, 셀룰로스, 리그닌, 당, 지방 및 단백질을 지칭한다. 바이오매스는 식물의 지상 및 지하 조직 둘 모두, 예를 들어, 잎, 잔가지, 가지, 줄기뿐만 아니라 나무의 뿌리 및 풀의 뿌리줄기를 포함한다. 바이오매스에 함유된 화학 에너지는 자연적인 광합성 공정을 사용하여 태양 에너지로부터 유래된다. 이는 식물이 주변 환경으로부터 이산화탄소 및 물을 취하고 햇빛으로부터의 에너지를 사용하여 이들을 당, 전분, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌으로 전환시키는 공정이다. 바이오매스는 태양 에너지를 효과적으로 저장한다는 점에서 유용하다. 바이오매스는 유일한 재생가능한 탄소의 공급원이다.
본원에 사용된 바와 같이, "총 탄소"는 고정 탄소 + 휘발성 물질에 존재하는 비-고정 탄소이다. 일부 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 달리 언급되지 않는 한 가정되는 절대 기준이다. 다른 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 무-수분 및 무-회분 기준에 대한 것이다.
본원에 사용된 바와 같이, "구역"은 단일 물리적 유닛, 물리적으로 별도의 유닛 또는 이의 임의의 조합 내의 공간의 영역이다. 연속 반응기의 경우, 구역의 구분은 반응기 내의 플라이트의 존재 또는 별도의 구역에 열을 제공하기 위한 별개의 가열 요소와 같은 구조와 관련될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연속 반응기에서 구역의 구분은 뚜렷한 온도, 유체 유동 패턴, 고체 유동 패턴 또는 반응 정도와 같은 기능과 관련될 수 있다. 단일 배치 반응기에서, "구역"은 공간이 아닌 시간에서의 작동 체제이다. 반드시 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 갑작스러운 전환이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 예열 구역 및 열분해 구역 사이의 경계는 다소 임의적일 수 있으며; 일부 양의 열분해는 예열 구역의 일부에서 일어날 수 있고, 일부 양의 "예열"은 열분해 구역에서 계속 일어날 수 있다. 반응기에서의 온도 프로파일은 전형적으로 반응기 내의 구역 경계를 포함하여 연속적이다.
본 목적상, "시약"은 이의 가장 넓은 의미에서 재료를 의미하는 것으로 의도되며; 시약은 연료, 화학물질, 재료, 화합물, 첨가제, 블렌드 구성요소 및 용매 등일 수 있다. 시약은 반드시 화학 반응을 유발하거나 이에 참여하는 화학 시약일 필요는 없다. 시약은 화학 반응물일 수 있거나 그렇지 않을 수 있으며; 이는 반응에서 소비될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 시약은 특정 반응에 대한 화학적 촉매일 수 있다. 시약은 시약이 첨가될 수 있는 재료의 기계적, 물리적 또는 유체역학적 특성의 조정을 유발하거나 이에 참여할 수 있다. 예를 들어, 금속에 특정 강도 특성을 부여하기 위해 시약을 금속에 도입할 수 있다. 시약은 화학적 분석 또는 물리적 테스트에서의 사용을 위해 충분한 순도 (이는, 본 맥락에서, 전형적으로 탄소 순도임)의 물질일 수 있다
본원에 사용된 바와 같이, "유도체"는 화학 반응에 의해 다른 물질로부터 유래되는 화합물, 분자 또는 이온이다. 유도체가 유래되는 물질은 첨가제이다. 유도체는 또한 첨가제이다.
용어 "저 고정 탄소" 및 "고 고정 탄소"는 다양한 실시양태에서, 개시된 바와 같은 공정 및 시스템에 의해 생산될 수 있는 재료를 설명하기 위한 실용적인 목적으로 본원에 사용된다. 탄소 함량 또는 임의의 기타 농도에 대한 제한은 용어 자체로부터 귀속되는 것이 아니라 특정 실시양태 및 이의 등가물을 참조함으로써만 귀속되어야 한다.
일부 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
열중량 분석 (TGA)은 온도 변화에 따라 시간 경과에 따라 샘플의 질량을 측정하는 잘 알려진 분석의 방법이다. 제1 생물기원 시약 및 제2 생물기원 시약 둘 모두에 대해 TGA를 수행하기 위해, 제1 생물기원 시약의 샘플은 단계 (a)에서 생성된 후 수집될 수 있는 반면, 제2 생물기원 시약의 샘플은 단계 (g)에 의해 제공된다. TGA 측정은 많은 샘플을 수용하는 상업적 TGA 기기를 사용하여 두 샘플 모두뿐만 아니라 다른 샘플 (예컨대, 대조군 샘플)에 대해 동시에 이루어질 수 있다 (예컨대, 도 4 참고).
일부 실시양태에서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 5% 더 긴 시간을 필요로 한다. 특정 실시양태에서, TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 휘발성-탄소 산화 시간은 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의된다. 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약의 질량 손실은 제2 생물기원 시약의 질량 손실보다 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 클 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 탄소-산화 체제 동안, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약의 질량 손실률이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 크다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 열중량 분석은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
바이오매스-함유 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 분리 유닛은 응축 시스템이거나 이를 포함한다. 특정 실시양태에서, 응축 시스템은 다중 단계를 갖는다. 열분해 침전물은 예를 들어, 다중 단계 중 제1 콘덴서 단계의 응축된 생성물일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열분해 침전물은 다중 단계 중 제2, 제3 또는 후기 콘덴서 단계의 응축된 생성물일 수 있다. 열분해 침전물은 응축 시스템에 존재하는 다중 단계와 동일하거나 그보다 작을 수 있는 복수의 단계의 다중 응축된 생성물의 조합인 응축된 생성물일 수 있다.
단계 (b)에서의 분리는 일반적으로 열적 수단, 화학적 수단, 기계적 수단, 전기/정전기 수단, 또는 기타 수단, 또는 이의 조합을 활용할 수 있다. 열적 수단을 활용하는 경우, 간접 열 교환 (예컨대, 분리-유닛 벽의 반대쪽 측면 상의 공기 또는 오일과의 열 교환) 또는 직접 열 교환 (예컨대, 물의 직접 주입 또는 저온의 열분해 침전물)이 있을 수 있다. 화학적 수단은 예를 들어, 흡착, 흡수 또는 추출을 활용할 수 있다. 기계적 수단은 예를 들어, 원심력 또는 분자-크기 배제를 활용할 수 있다. 전기/정전기 수단은 예를 들어, 전자기장의 존재를 활용할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 분리 유닛은 응축 유닛, 액체-증기 사이클론 분리기, 데미스터, 증류 유닛, 여과 유닛, 멤브레인 유닛, 스크러빙 유닛, 화학적 침전 유닛, 액체-액체 추출 유닛, 전기 집진 유닛 또는 이의 조합이거나, 이를 포함한다.
분리 유닛이 응축 유닛을 포함하는 경우, 응축 유닛은 위에 논의된 바와 같이 단일-단계 콘덴서 또는 다-단계 응축 시스템일 수 있다. 예시적인 유형의 응축 유닛은 예를 들어, 액체-냉각식 콘덴서 (예컨대, 수냉식 콘덴서), 가스-냉각식 콘덴서 (예컨대, 공냉식 콘덴서) 및 증발 콘덴서를 포함한다. 응축 유닛은 직접-접촉 콘덴서 또는 간접 콘덴서 (예컨대, 표면 콘덴서, 예컨대, 쉘-앤-튜브 콘덴서)일 수 있다.
분리 유닛이 액체-증기 사이클론 분리기를 포함하는 경우, 예시적인 유형의 액체-증기 사이클론 분리기가 상업적으로 알려져 있다 (예컨대, Sulzer, Winterthur, 스위스로부터). 액체-증기 사이클론 분리기는 특히 원심력이 다른 힘을 극복하기에 충분할 때 액체-증기 분리를 유발하기 위해 원심력, 부력 및 항력의 조합을 활용한다. 예시적인 원심력은 약 10 g 내지 약 1000 g, 예컨대, 약 100-500 g이며, 여기서 g는 중력이다.
분리 유닛이 데미스터를 포함하는 경우, 예시적인 유형의 데미스터는 예를 들어, 메쉬 데미스터, 베인 데미스터, 사이클론 데미스터 및 섬유-층 데미스터를 포함한다.
분리 유닛이 증류 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 증류 유닛은 예를 들어, 단일-컬럼 유닛, 다중-컬럼 유닛 및 반응성-증류 유닛을 포함한다. 증류 유닛은 수직 또는 수평일 수 있으며, 연속 모드 또는 배치 모드로 작동될 수 있다.
분리 유닛이 여과 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 여과 유닛은 예를 들어, 중력 필터, 진공 필터, 압력 필터, 공압-압축기 필터, 원심 필터 및 직교류 필터를 포함한다. 여과 매질은 예를 들어, 분자량, 입자 크기 또는 점도에 의해 구성요소를 분리하도록 선택될 수 있다.
분리 유닛이 멤브레인 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 멤브레인 유닛은 예를 들어, 미세여과 유닛, 한외여과 유닛, 나노여과 유닛, 역-삼투 유닛 및 전기투석 유닛을 포함한다.
분리 유닛이 스크러빙 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 스크러빙 유닛은 예를 들어, 흡입 스크러버 및 벤트 스크러버를 포함한다. 일부 실시양태에서, 스크러빙은 회수된/재활용 열분해 침전물을 활용한다.
분리 유닛이 화학적 침전 유닛을 포함하는 경우, 화학적 침전은 예를 들어, 증기로부터 액체 또는 고체로 열분해 증기 구성요소의 침전을 유도하기 위해 용매, 산 또는 염기를 사용하여 촉매화되거나 보조될 수 있다.
분리 유닛이 액체-액체 추출 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 액체-액체 추출 유닛은 예를 들어, 혼합-침강기, 원심 추출기, 정적 추출 컬럼, 교반 추출 컬럼 및 다단계 역류 추출 유닛을 포함한다. 액체-액체 추출은 예를 들어, 방향족 탄화수소이거나 이를 포함하는 추출 용매를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추출 용매는 회수된 열분해 침전물이다. 액체-액체 추출 유닛은 연속 모드 또는 배치 모드로 작동될 수 있다.
분리 유닛이 전기 집진 유닛을 포함하는 경우, 예시적인 유형의 전기 집진 유닛은 전기 집진기, 정전기 분리기, 전기역학적 분리기, 커패시터-기반 분리기, 및 전기력에 의한 분리의 원리를 사용하는 다른 수단 또는 장치를 포함한다. 전기 집진 유닛은 전기장력을 사용하여 액체 액적을 수집하도록 설계될 수 있다. 전기 집진기는 입자 (예컨대, 액체 액적)를 충전한 다음, 전기장에서 하전된 입자를 수집함으로써 작동한다. 하전은 확산 하전 및 필드 하전의 2 개의 메커니즘에 의해 발생한다. 확산 하전에서, 가스 중 이온이 브라운 운동으로 인해 튕겨져 나와, 입자에 부딪히고, 이에 전하를 전달한다. 필드 하전은 이온을 포함하는 전기장 내에 입자가 위치할 때 발생한다. 전기 집진기는 하전된 또는 분극된 액체 액적을 포획하기 위해 고-전압 전원 공급부를 사용하여 방전 전극 및 수집 전극 사이에 전위차를 생성한다.
일부 실시양태에서, 전기 집진기는 재료가 유동하는 하나 이상의 튜브, 채널 또는 덕트를 포함하며, 이는 액체 액적에 대한 전기 접지 및 수집 표면으로서 작용한다. 방전 전극은 파이프의 중앙에 매달려 고 전압 (예컨대, ±10-100 kV DC) 전극으로서 작용할 수 있다. 전극에 가해진 고 전압은 전극 및 접지 채널 사이에 형성될 정전기장을 유발한다. 이 필드는 이를 통과하는 임의의 입자에 힘을 투사한다. 입자가 필드를 통과함에 따라, 이는 지면 벽을 향해 이동하여, 벽에 수집된다. 중력은 회수될, 전기 집진기 아래로 유동할 액체를 수집하였다. 전기 집진기는 양극 또는 음극 전원 공급부를 사용한다.
분리 유닛의 조합이 가능하다. 예를 들어, 분리 유닛은 일차 열분해 침전물을 생성하기 위한 제1 서브-유닛으로서의 단일-단계 콘덴서, 및 일차 열분해 침전물을 다중 분획의 침전물로 분별하기 위한 제2 서브-유닛으로서의 분별 응축 또는 증류를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 분리 유닛은 액체 스트림 및 증기 스트림을 생성하기 위한 제1 서브-유닛으로서의 액체-증기 사이클론 분리기, 액체 스트림의 일부를 열분해 침전물로서 회수하기 위한 제2 서브-유닛으로서의 액체-액체 추출 유닛, 및 증기 스트림의 일부를 추가적인 열분해 침전물로서 회수하기 위한 여과 유닛을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서는 개별 액체 생성물을 수집하기 위해 응축 유닛 및 전기 집진기의 조합을 활용한다.
일부 실시양태에서, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 열분해 침전물을 포함한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 열분해 침전물을 포함할 수 있다.
열분해 침전물은 액체 형태 (하나 이상의 액체 상), 고체 형태 (하나 이상의 고체 상), 또는 하나 이상의 액체 상 및 하나 이상의 고체 상의 조합 (예컨대, 슬러리)일 수 있다. 고체 상은 점도 및 밀도가 크게 다를 수 있다. 예를 들어, 고체 상 또는 조합된 고체-액체 재료는 겔-유사 재료, 점착성 재료 또는 고무-유사 재료일 수 있다.
열분해 침전물 대 제1 생물기원 시약의 비는 최종 펠릿의 다양한 특성 (예컨대, 반응성)을 달성하기 위해 다양할 수 있다. 비를 변경하는 것은 제1 생물기원 시약의 일부를 전환시키고 제1 생물기원 시약의 나머지 부분을 열분해 침전물과 블렌딩함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 2 개의 열분해 반응기는 병렬로 작동될 수 있으며, 제1 열분해 반응기로부터 수집된 열분해 침전물은 제2 열분해 반응기로 전환된다. 일 시나리오에서, 하나의 열분해 반응기는 열분해 침전물의 두 배의(double) 부분의 추가적인 열분해를 포함하는 더 낮은-반응성 생성물을 생산하는 반면, 다른 열분해 반응기는 열분해 침전물의 추가적인 열분해 없이 더 높은-반응성 생성물을 생산한다.
일부 실시양태에서, 단계 (c) 및 (d)가 통합된다. 예를 들어, 열분해 침전물은 펠릿화 유닛 내에서 제1 생물기원 시약과 접촉될 수 있다.
바인더가 중간체 재료에 도입될 수 있다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 선택된다.
다른 실시양태에서는, 펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는다. 중간체 재료 내의 특정 구성요소 - 특히 예를 들어, 열분해 침전물 그 자체 또는 그 안에 포함된 구성요소는 바인더로서 기능할 수 있다.
일부 공정에서, 건조를 위한 단계 (e)가 실시된다. 단계 (d) 및 (e)는 펠릿화와 함께 건조가 발생하도록 통합될 수 있다. 또한, 단계 (e) 및 (f)는 중간체 펠릿의 열분해 및 건조 둘 모두가 발생하도록 통합될 수 있다. 특정 실시양태에서, 단계 (d), (e) 및 (f)는 모두 통합된다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 중간체 재료는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다. 중간체 재료가 제1 생물기원 시약 대신에 밀링되거나, 제1 생물기원 시약에 추가로 밀링될 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (d)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용한다.
일부 공정에서, 제1 열분해 반응기는 제2 열분해 반응기와 별개이다. 대안적으로, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛일 수 있으며, 단계 (a) 및 (f)는 상이한 시간에 실시된다.
일부 실시양태에서, 단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 단계 (f)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 400℃ 내지 약 1000℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시된다. 제2 열분해 온도는 제1 열분해 온도보다 높을 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
일부 실시양태에서, 단계 (a)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 단계 (f)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시된다. 제2 열분해 시간은 제1 열분해 시간보다 더 길 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
공정에서, 예컨대, 단계 (f) 동안, 제1 생물기원 시약은 열분해 침전물의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 역할을 할 수 있다.
열분해 비-침전물은 전형적으로 분리 유닛에서 생성된다. 열분해 비-침전물은 전형적으로 증기 스트림이며, 공정으로부터 퍼징될 수 있다. 분리 유닛의 선택에 따라, 분리 유닛으로부터의 퍼지 스트림은 반드시 증기 상일 필요는 없다. 예를 들어, 퍼지 스트림은 액체 스트림, 예컨대, 액체-액체 추출 용매, 또는 동반된 액체 또는 고체를 포함하는 증기 스트림일 수 있다. 일부 실시양태에서, 열분해 비-침전물은 회수되고 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 이는 임의로 공정 내에서 사용된다.
일부 실시양태에서, (제2 열분해 반응기로부터의) 열분해 오프-가스는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 이는 임의로 공정 내에서 사용된다. 임의로, 열분해 오프-가스의 적어도 일부는 분리 유닛에 다시 이송된다. 이러한 방식으로의 열분해 오프-가스의 재활용은 (열분해 오프-가스 중) 탄소 원자가 고정 탄소로서 최종 바이오카본 펠릿이 될 수 있는 다른 기회를 제공할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 열분해 오프-가스는 효과적인 침전 조건 하에서 작동되는 (단계 (b)에서의 분리 유닛과 상이한) 제2 분리 유닛에 이송되어 제2 열분해 침전물을 생성할 수 있으며, 여기서 제2 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태이다. 공정은 제2 열분해 침전물을 제1 생물기원 시약 또는 제2 생물기원 시약과 접촉시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
단계 (g)에서 회수된 바이오카본 펠릿은 예를 들어, 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 적어도 85 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 예를 들어, 10 wt% 미만의 회분, 5 wt% 미만의 회분, 또는 1 wt% 미만의 회분을 포함할 수 있다.
일부 공정에서, 열분해 침전물은 1 wt% 미만의 회분, 0.1 wt% 미만의 회분을 포함하거나, 본질적으로 회분을 포함하지 않는다. 적은-회분 열분해 침전물은 회분이 제1 생물기원 시약에 첨가되지 않아 더 적은-회분 최종 생성물을 야기하는 데 유리하다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 20 wt% 미만의 총 휘발성 물질 또는 10 wt% 미만의 총 휘발성 물질을 포함한다.
일부 실시양태에서, 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 10 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다. 다양한 실시양태에서, 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 20 wt%, 적어도 30 wt%, 적어도 40 wt%, 적어도 50 wt%, 또는 30 wt% 내지 90 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 약 1 wt% 내지 약 50 wt%는 열분해 침전물로부터 유래된다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 약 10 wt% 내지 약 40 wt%는 열분해 침전물로부터 유래된다.
임의로, 중간체 재료는 공정의 단계 (b)로부터 제공되지 않은 추가적인 열분해 침전물을 추가로 포함한다. 예를 들어, 추가적인 열분해 침전물은 (i) 상이한 바이오매스-함유 공급원료 및 (ii) 상이한 시간 또는 장소를 사용하여 실시되는 열분해 공정에 의해 제공될 수 있다.
단계 (c)에서, 제1 생물기원 시약의 전부 또는 전부 미만이 열분해 침전물과 접촉될 수 있다. 단계 (c)에서, 열분해 침전물의 전부 또는 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉될 수 있다.
바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능할 수 있다. 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하거나, 완전히 (약 100%) 재생가능할 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 30 또는 적어도 50의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 건조 기준으로, 적어도 약 25 lb/ft3, 적어도 약 30 lb/ft3, 적어도 약 35 lb/ft3, 적어도 약 40 lb/ft3, 또는 적어도 약 45 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 한다.
바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내 또는 5% 이내인 펠릿 유효 직경을 가질 수 있다. 이들 실시양태에서, 제2 열분해 반응기에서의 열분해는 펠릿 크기를 유의하게 변화시키지 않으며; 대안적으로, 펠릿 크기를 다시 중간체 펠릿의 크기 또는 크기의 10% 이내로 증가시키거나 감소시키기 위해 추가적인 공정 단계가 실시된다. 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 110% 초과, 또는 90% 미만인 유효 펠릿 직경을 갖는다. 이들 실시양태에서, 제2 열분해 반응기에서의 열분해는 펠릿 크기를 유의하게 변화시키며; 대안적으로, 펠릿 크기를 증가시키거나 감소시키기 위해 추가적인 공정 단계가 실시된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 100 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 임의의 개재 범위를 포함하여, 약, 또는 적어도 약, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175 또는 200 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 소수성이다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 15 wt%, 10 wt%, 또는 5 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 실질적으로 도 3 또는 도 4의 열중량 분석에 나타난 바와 같은 산소 반응성을 특징으로 한다 (아래 실시예 1 및 2 참고). 바이오카본 펠릿은 단계 (c)에서 탄소 재포획없이 달리-동등한 열분해 공정에 의해 생산된 바이오카본 펠릿과 비교하여, 약 750-950℃의 온도에서 산소와 반응성이 낮다.
바이오카본 펠릿은 "코크스 반응성 지수" 또는 CRI 값에 의해 특징지어질 수 있다. CRI는 ASTM D5341, 코크스 반응성 지수에 따라 결정될 수 있다. 코크스 덩어리가 용광로에서 하강할 때, 이들은 역류 CO2와 반응하고, 덩어리가 서로 그리고 퍼니스의 벽에 마찰하면서 마모된다. 공정 유동은 코크스 덩어리를 물리적으로 약화시키고 화학적으로 반응시켜, 투과성을 감소시키고 증가된 코크스 비율 및 손실된 고온 금속 생산을 초래할 수 있는 과잉 미립분을 생산한다. CRI 테스트 방법은 용광로에서, 코크스 또는 대안적으로 바이오카본의 이러한 거동을 간접적으로 측정하도록 설계되었다. CRI 값에 의해 명시적으로 고려되는 화학 반응은 탄소 산화가 아니라, 역 부두아르(Boudouard) 반응, C + CO2 → 2 CO임에 유의한다. 특정 실시양태에서, CRI 값은 19-22.5 mm 사이의 입자 크기를 갖는 200 g의 샘플을 반응기에 넣고, 불활성 분위기에서 1100℃까지 가열함으로써 측정된다. 후속적으로, 탄소는 100% CO2 가스 분위기에서 2 시간 동안 등온적으로 탈기된 다음, 질소 가스로 냉각된다. 냉각 후, 탄소를 칭량하고, I-드럼에서 600 회 회전 동안 텀블링시킨 후, +10 및 -0.5 mm의 메쉬 크기를 갖는 스크린을 통해 재료를 체질한다. 탄소의 중량 손실은 코크스 반응성 지수, CRI를 나타내고, +10 mm 체 상의 남은 탄소는 반응 후 코크스 강도, CSR을 나타낸다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿의 CRI는 약 20% 내지 약 80%, 예컨대, 약 또는 최대 약, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% 또는 80%이다.
공정은 바이오매스-함유 공급원료에 포함된 탄소의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전체 탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
공정은 바이오매스-함유 공급원료에 포함된 총 탄소의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 고정 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 고정-탄소 수율을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전체 고정-탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다. 고정-탄소 수율은 탄소 수율보다 높을 수 없다. 일부 실시양태에서, 제2 열분해 반응기에서 실시되는 추가적인 열분해로 인해, 탄소의 대부분 또는 전부는 최종 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소이며, 탄소 수율에 가깝거나 심지어 거의 동일한 고정-탄소 수율을 초래한다.
일부 실시양태에서, 공정은 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
첨가제는 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택될 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다.
첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정할 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다. 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시킬 수 있다. pH 조정을 위한 것과 상이한 이유로 첨가제가 첨가되는 경우, 제2 생물기원 시약에 첨가된 첨가제는 제2 생물기원 시약의 여과액 pH에 변화를 유발하지 않을 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제2 생물기원 시약대한 첨가제의 첨가에 의해 감소된다. 제2 생물기원 시약이 형성된 후 이에 첨가제가 첨가될 수 있거나, 예를 들어, 제2 열분해 반응기, 제1 열분해 반응기, 또는 펠릿화 유닛에 첨가제가 공급될 수 있다. 첨가제는 공정 내의 다중 위치에서 도입될 수 있다.
일부 실시양태에서, 공정은 바이오매스-함유 공급원료 중 탄소 + 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 합계의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공한다. 특정 실시양태에서, 전체 탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%이다.
공정은 연속적이거나 반-연속적일 수 있다.
임의로, 바이오카본 펠릿은 형성된 후, 기계적으로 처리되어 바이오카본 분말을 생성한다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿을 생산하고 다른 위치에 배송할 수 있다. 사용 현장에서, 펠릿은 분말화되고, 예컨대, 연소, 가스화, 예를 들어, 금속-광석 환원을 위해 반응기에 공급될 수 있다.
임의로, 바이오카본 펠릿은 다른 양의 제2 생물기원 시약과 조합되어, 바이오카본 물체를 생성한다. 다른 양의 제2 생물기원 시약은 펠릿, 분말 또는 기타 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 다중 펠릿은 기계적으로 함께 압축되어, 바이오카본 물체를 형성하며, 이는 예를 들어, 금속-제조 퍼니스를 위한 구조적 탄소 요소일 수 있다.
다른 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
일부 실시양태에서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약은 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 산화에 도달하는 데 적어도 5% 또는 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 휘발성-탄소 산화 시간은 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의된다. 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약은 제2 생물기원 시약과 비교하여 적어도 25% 또는 적어도 50% 초과의 질량 손실을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 25% 또는 적어도 50% 더 큰 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타낸다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 여기서 열중량 분석은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
바이오매스-함유 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
"탄소-함유 응축된-물질 재료"는 탄소를 포함하는 응축된 물질의 적어도 하나의 상을 포함하는 재료를 지칭한다. 본 명세서에서, 응축된-물질 상은 25℃의 온도 및 1 bar의 압력에서 고체, 액체 또는 이의 조합이다 (그리고 순수한 증기 또는 플라즈마 상태의 물질이 아니다). 다양한 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 약 25℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 75℃ 이하, 약 100℃ 이하, 약 125℃ 이하, 약 150℃ 이하, 약 175℃ 이하, 약 200℃ 이하, 약 225℃ 이하, 약 250℃ 이하, 약 275℃ 이하, 또는 약 300℃ 이하의 온도에서 고체 또는 액체 형태이며, 여기서 이들 온도는 모두는 1 bar의 대기압에서 응축된-물질 재료의 형태를 지칭한다.
예를 들어, 톨루엔은, 1 bar의 압력에서, 약 -95℃ 내지 111℃의 온도에서 액체 형태이고 111℃ 초과에서 증기인 탄소-함유 응축된-물질 재료이다. 따라서, 톨루엔은 개시된 공정에서 탄소-함유 응축된-물질 재료일 수 있다. 비교예로서, 메탄은 1 bar의 압력에서 -162℃의 끓는점을 가지므로, 개시된 공정에서 바람직한 탄소-함유 응축된-물질 재료가 아니다.
임의의 탄소-함유 응축된-물질 재료는 일반적으로 일부 지점, 즉, 충분히 높은 온도 (및 압력의 영향을 받음)에서 증발될 것이다. 탄소-함유 재료가 공정에 증기 상으로 존재할 수 있다는 사실은 해당 재료가 최종적으로 액체 (또는 고체)로 응축되는 한, 탄소-함유 응축된-물질 재료로서의 이의 사용을 박탈하는 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 탄소-함유 재료는 단계 (c)에서 제1 생물기원 시약과 혼합하는 동안 액체 (또는 고체)로 응축된다.
탄소-함유 응축된-물질 재료는 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시키기 위해 사용된, 전형적으로 혼합 유닛 또는 펠릿화 유닛인 접촉 유닛에서의 온도와 비슷한 온도에서 고체 또는 액체 형태일 수 있다. 예를 들어, 접촉 유닛이 약 100℃에서 작동하는 경우, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 100℃에서 오로지 증기 상이 아닌, 고체 상 또는 액체 상이어야 한다. 기본적으로, 탄소-함유 응축된-물질 재료의 끓는점은 접촉 유닛의 온도와 동일하거나 그보다 높아야 한다 (여기서 끓는점은 접촉 유닛의 압력에서 계산된다). 접촉 유닛이 매우 낮은 (예컨대, 극저온) 온도에서 작동하는 경우, 탄소-함유 재료가 실제로 응축된-물질 상인 경우 일반적으로 증기 탄소-함유 재료를 사용할 수 있다.
탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체, 액체 및 고체의 슬러리, 가스-액체 재료 (예컨대, 액체에 용해된 기포 또는 액체 액적이 동반된 증기를 포함함), 가스-액체-고체 재료, 겔, 플라스틱, 고무-유사 재료, 점착성 재료, 또는 끈끈한 재료일 수 있다. 탄소-함유 응축된-물질 재료의 상 및 특징 (예컨대, 유변학적 특성)은 분리 유닛의 유형에 따라 어느 정도 좌우될 것이다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 열분해 증기로부터 유래된 열분해 침전물이다. 다른 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 상이한 공정으로부터 외부적으로 제공되는 열분해 침전물이다. 일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 열분해 침전물이 아니라 오히려 일부 다른 액체 또는 고체 재료이다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 방향족 종을 포함한다. 예를 들어, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 오프-스펙 또는 폐기물 방향족 스트림 (예컨대, 벤젠/톨루엔/크실렌 스트림)일 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 리그닌이거나, 이를 포함한다. 리그닌은 고 분자량을 갖는 천연 리그닌, 예컨대, 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 수득된 리그닌 중합체일 수 있다. 대안적으로, 리그닌은 천연 리그닌과 비교하여 감소된 분자량을 갖는 해중합 리그닌일 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 하나 이상의 당 또는 하나 이상의 당-분해 생성물이거나, 이를 포함한다. 당은 예를 들어, C5 당 (예컨대, 크실로스), C6 당 (예컨대, 글루코스), C12 당 (예컨대, 수크로스) 또는 당 올리고머 (예컨대, 크실란)일 수 있다. 당-분해 생성물은 예를 들어, 푸르푸랄, 하이드록시메틸푸르푸랄, 레불린산 또는 포름산을 포함할 수 있다. 탄소-함유 응축된-물질 재료는 예를 들어, 당 또는 리그닌 이외의 바이오매스-유래된 재료 - 예컨대, 아세트산, 단백질 또는 분해된 단백질이거나, 이를 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 비-생물기원 재료, 예컨대, 콜타르, 석탄-액화 생성물, 석유 타르 또는 원유이거나, 이를 포함한다. 그러나, 이러한 비-생물기원 재료는 최종 바이오카본 펠릿의 재생가능한 탄소 함량을 감소시킨다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 하나 이상의 중합체 또는 하나 이상의 중합체-분해 생성물이거나, 이를 포함한다. 예를 들어, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 고무 (예컨대, 재활용 타이어의 자연적인 또는 합성 고무) 또는 이들의 열 처리된 형태일 수 있다. 재활용 타이어의 경우, 폴리이소프렌 또는 스티렌-부타디엔 고무로부터의 탄소뿐만 아니라 카본 블랙으로부터의 탄소가 바이오카본 펠릿에 포함될 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료는 합성가스의 화학 반응에 의해 생산된 액체 생성물을 포함하며, 여기서 합성가스는 임의로 열분해 증기 또는 열분해 오프-가스로부터 수득된다.
탄소-함유 응축된-물질 재료는 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능한 탄소를 포함할 수 있다. 탄소-함유 응축된-물질 재료는 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 99% 또는 약 100% 재생가능한 탄소를 포함할 수 있다.
중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함할 수 있다.
탄소-함유 응축된-물질 재료를 활용하는 일부 공정에서, 단계 (c) 및 (d)가 통합된다.
바인더가 중간체 재료에 도입될 수 있다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
다른 공정에서, 펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는다. 결합은 여전히 발생할 수 있다. 예를 들어, 탄소-함유 응축된-물질 재료 자체가 펠릿 바인더로서 기능할 수 있다.
건조가 요구되는 일부 실시양태에서, 단계 (e)가 실시된다.
일부 공정에서, 단계 (d) 및 (e)가 통합된다. 일부 공정에서, 단계 (e) 및 (f)가 통합된다. 특정 공정에서, 단계 (d), (e) 및 (f)가 모두 통합된다.
제1 생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중간체 재료는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다.
일부 공정에서, 단계 (d)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용한다.
제1 열분해 반응기는 제2 열분해 반응기와 별개일 수 있다. 대안적으로, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛일 수 있으며, 단계 (a) 및 (f)는 상이한 시간에 실시된다.
일부 공정에서, 단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시된다. 일부 공정에서, 단계 (f)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 400℃ 내지 약 1000℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시된다.
일부 공정에서, 단계 (a)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시된다. 일부 공정에서, 단계 (f)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시된다.
단계 (f) 동안, 또는 잠재적으로 해당 단계 이전에, 제1 생물기원 시약은 탄소-함유 응축된-물질 재료의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 역할을 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 증기는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 이는 임의로 공정 내에서 사용된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 열분해 오프-가스는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 이는 임의로 공정 내에서 사용된다.
바이오카본 펠릿은 적어도 60 wt%, 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 85 wt%, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 10 wt% 미만, 5 wt% 미만, 또는 1 wt% 미만의 회분을 포함할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 20 wt% 미만 또는 10 wt% 미만의 총 휘발성 물질을 포함할 수 있다.
일부 공정에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 25 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다. 특정 공정에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 50 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다. 특정 공정에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 75 wt%는 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 약 1 wt% 내지 약 50 wt%는 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래된다. 특정 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 약 10 wt% 내지 약 40 wt%는 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래된다.
단계 (c)에서, 제1 생물기원 시약의 전부 미만이 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉된다. 단계 (c)에서, 탄소-함유 응축된-물질 재료의 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉된다.
바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능할 수 있다. 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 완전히 (약 100%) 재생가능할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 적어도 30 또는 적어도 50의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 건조 기준으로, 적어도 약 25, 30, 35, 40 또는 45 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는다.
바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내 또는 5% 이내인 펠릿 유효 직경을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 110% 초과, 또는 90% 미만인 유효 펠릿 직경을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 100 lbf/in2, 예컨대, 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
바이오카본 펠릿은 소수성 또는 부분적으로 소수성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
일부 실시양태에서, 공정은 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
첨가제는 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택될 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다.
첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정할 수 있으며, 여기서 여과액 pH는, 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정된다. 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시킬 수 있다. pH 조정을 위한 것과 상이한 이유로 첨가제가 첨가되는 경우, 제2 생물기원 시약에 첨가된 첨가제는 제2 생물기원 시약의 여과액 pH에 변화를 유발하지 않을 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제2 생물기원 시약대한 첨가제의 첨가에 의해 감소된다.
바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징될 수 있다.
일부 실시양태에서, 공정은 바이오매스-함유 공급원료 중 탄소 + 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 합계의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공한다. 전체 탄소 수율은 적어도 60%, 적어도 70%, 또는 적어도 80%일 수 있다.
본 기술은 또한 개시된 공정 중 임의의 것에 의해 생산된 바이오카본 펠릿을 제공한다.
일부 변형은 적어도 60 wt%의 고정 탄소 함량을 갖는 고정 탄소를 포함하는 바이오카본 펠릿을 제공하며, 여기서 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 산소 반응성을 측정하는 열중량 분석에 의해 특징지어지며, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행되고, 여기서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 240 분을 필요로 한다.
바이오카본 펠릿의 일부 실시양태에서, 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행된 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310 또는 320 분을 필요로 한다.
일부 실시양태에서, 열중량 분석은 무연탄 대조군 샘플에 대해 수행되며, 여기서 무연탄 대조군 샘플은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 제어 시간을 필요로 하고, 여기서 바이오카본 펠릿이 99% 탄소 산화에 도달하는 데 필요한 시간은 제어 시간의 약 85% 내지 약 100%이다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿이 99% 탄소 산화에 도달하는 데 필요한 시간은 제어 시간의 약 90% 내지 약 100%, 예컨대, 약 95% 내지 약 98%이다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 휘발성 탄소를 포함하고, TGA 그래프는 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타낸다. 특정 실시양태에서, 열중량 분석은 500℃보다 높은 온도에서 바이오카본 펠릿에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타낸다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 적어도 85 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 10 wt%의 회분, 최대 5 wt%의 회분, 또는 최대 1 wt%의 회분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질, 또는 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함한다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함하지 않는다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 열분해 침전물 이외의 바인더를 포함하지 않는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 첨가제를 포함한다. 첨가제는 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택될 수 있다. 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 또는 완전히 재생가능하다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 약 100 lbf/in2 또는 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
바이오카본 펠릿은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
바이오카본 펠릿은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
(f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
일부 변형은 바이오카본 펠릿이 폭넓은 범위의 실시양태에서 유익하지만, 최종 바이오카본 조성물이 펠릿 형태가 아닌 다른 형태, 예컨대, 분말 또는 필름인 다른 실시양태가 있다는 인식을 전제로 한다.
일부 변형은 적어도 60 wt%의 고정 탄소 함량을 갖는 고정 탄소를 포함하는 바이오카본 조성물을 제공하며, 여기서 바이오카본 조성물은 바이오카본 펠릿의 산소 반응성을 측정하는 열중량 분석에 의해 특징지어지며, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행되고, 여기서, 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 바이오카본 펠릿은 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 240 분을 필요로 한다.
바이오카본 조성물은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
(d) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 재료를 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(e) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 여기서 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행됨.
바이오카본 조성물은 다음을 포함하는, 공정에 의해 생산될 수 있다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료는 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
(c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
(d) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 재료를 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
(e) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계,
여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 가짐.
특정 실시양태는 다음을 포함하는, 바이오카본 조성물을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 제1 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 응축 시스템에 제1 열분해 증기의 적어도 일부를 도입하여, 콘덴서 액체 및 콘덴서 증기를 생성하는 단계;
(c) 제1 생물기원 시약의 적어도 일부를 콘덴서 액체와 접촉시켜, 제1 생물기원 시약 및 콘덴서 액체를 포함하는 중간체 재료를 생성하는 단계;
(d) 임의로, 중간체 재료를 펠릿화하는 단계;
(e) 임의로, 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 재료를 추가로 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 제2 열분해 증기를 생성하는 단계;
(f) 임의로, 제2 생물기원 시약을 건조시키는 단계; 및
(g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계.
단계 (d)를 사용하는 일부 실시양태에서, 단계 (c) 및 (d)가 통합된다. 일부 실시양태에서, 단계 (d)는 펠릿화 유닛에서 수행되고, 단계 (c)는 또한 펠릿화 유닛에서 실시된다. 단계 (d)를 사용하는 다른 실시양태에서, 단계 (d)는 단계 (c)에 후속한다.
단계 (d)가 수행되는 경우, 중간체 재료의 적어도 일부가 펠릿화된다. 임의로, 제1 생물기원 시약은 콘덴서 액체와 접촉하기 전 또는 후에 펠릿화된다.
중간체 재료가 펠릿화되는 일부 실시양태에서, 바인더가 중간체 재료에 도입된다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
중간체 재료가 펠릿화되는 다른 실시양태에서는, 펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는다. 이러한 경우, 콘덴서 액체는 펠릿에 대한 바인더로서 역할을 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 탄소 재포획 유닛은 제2 열분해 반응기의 업스트림에 배치된다. 다른 실시양태에서, 탄소 재포획 유닛은 제2 열분해 반응기의 제1 단계이다. 탄소 재포획 유닛은 예를 들어, 펠릿 상에 콘덴서 액체의 코팅을 형성하도록 구성될 수 있다.
단계 (e)를 사용하는 일부 공정에서, 단계 (c) 및 (e)가 통합되었다.
응축 시스템은 다중 콘덴서 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 콘덴서 액체는 다중 콘덴서 단계를 갖는 응축 시스템의 제1 단계의 응축된 생성물이다.
일부 실시양태에서, 제2 열분해 증기의 적어도 일부는 또한 응축 시스템에 이송된다.
중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 콘덴서 액체를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중간체 재료는 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 콘덴서 액체를 포함할 수 있다.
단계 (e)의 일부 실시양태에서, 제1 열분해 반응기는 제2 열분해 반응기와 별개이다. 다른 실시양태에서, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛이며, 여기서 단계 (a) 및 (e)는 상이한 시간에 실시된다.
제1 생물기원 시약은 콘덴서 액체의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 역할을 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 적어도 25 wt%는 제2 생물기원 시약 중 고정 탄소로 전환된다. 다양한 실시양태에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%, 40 wt%, 50 wt%, 60 wt%, 70 wt%, 80 wt%, 또는 90 wt% (모든 개재 범위 포함)는 제2 생물기원 시약 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 실시양태에서, 제2 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 10 wt% 내지 약 80 wt%는 제1 콘덴서 액체로부터 유래된다. 특정 실시양태에서, 제2 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 20 wt% 내지 약 60 wt%는 제1 콘덴서 액체로부터 유래된다. 다양한 실시양태에서, 제2 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 1 wt%, 2 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 30 wt%, 40 wt%, 50 wt%, 60 wt%, 70 wt%, 75 wt%, 또는 80 wt% (모든 개재 범위 포함)는 제1 콘덴서 액체로부터 유래된다.
일부 공정에서, 단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시된다. 이들 또는 다른 공정에서, 단계 (e)는 약 300℃ 내지 약 1350℃, 예컨대, 약 350℃ 내지 약 800℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시된다. 제1 열분해 온도는 제2 열분해 온도보다 낮거나, 같거나, 높을 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 열분해 온도는 제1 열분해 반응기에서 고정 탄소를 형성하지 않은 화합물의 효과적인 열분해를 가능하게 하기 위해 제1 열분해 온도보다 높다. 이러한 실시양태에서, 제2 열분해 온도는 예를 들어, 제1 열분해 온도보다 약 5℃, 10℃, 25℃, 50℃, 100℃, 150℃, 또는 200℃ 더 높을 수 있다.
일부 공정에서, 단계 (a)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 10분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시된다. 이들 또는 다른 공정에서, 단계 (e)는 약 10 초 내지 약 24 시간, 예컨대, 약 15 분 내지 약 5 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간에 실시된다. 제1 열분해 시간은 제2 열분해 시간보다 짧거나, 같거나, 길 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 열분해 시간은 제1 열분해 반응기에서 고정 탄소를 형성하지 않은 화합물의 효과적인 열분해를 가능하게 하기 위해 제1 열분해 시간보다 길다. 이러한 실시양태에서, 제2 열분해 시간은 예를 들어, 제1 열분해 시간보다 약 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 90 또는 120 분 더 길 수 있다.
일부 실시양태에서, 콘덴서 증기의 일부 또는 전부는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 제2 열분해 증기의 일부 또는 전부는 (콘덴서 증기와 함께 또는 별도로) 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
특정 실시양태에서, 열분해 오프-가스 또는 콘덴서 증기는 적어도 부분적으로 산화되어, 수소 또는 일산화탄소를 포함하는 환원 가스를 생성한다. 이러한 부분적 산화는 여전히 유용한 열을 생성하지만, 원하는 경우 다른 화학물질 (예컨대, 메탄올 또는 피셔-트롭쉬 탄화수소)로 전환될 수 있는 환원 가스를 또한 생산한다.
일부 실시양태에서, 제1 생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 중간체 재료는 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다.
단계 (d)를 사용하는 실시양태에서, 단계 (d)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용할 수 있다.
일부 공정에서, 탄소-함유 미립분은 제2 열분해 반응기에서 생성된다. 임의로, 탄소-함유 미립분은 단계 (c)로 재활용된다. 단계 (d)가 실시될 때, 제2 열분해 반응기에서 생성된 탄소-함유 미립분은 단계 (c)로의 재활용 대신에 또는 이에 추가하여, 단계 (d)로 재활용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 탄소-함유 미립분은 연소되어, 에너지를 생성하거나 다른 목적으로 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 분말의 형태이다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 펠릿의 형태이다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 필름 또는 코팅의 형태이다.
바이오카본 조성물은 적어도 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 75 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 적어도 85 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 또는 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
바이오카본 조성물은 적어도 55 wt%의 총 탄소, 적어도 60 wt%의 총 탄소, 적어도 70 wt%의 총 탄소, 적어도 75 wt%의 총 탄소, 적어도 80 wt%의 총 탄소, 적어도 85 wt%의 총 탄소, 적어도 90 wt%의 총 탄소, 또는 적어도 95 wt%의 총 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95 wt%의 총 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 10 wt% 미만의 회분, 5 wt% 미만의 회분, 2 wt% 미만의 회분, 또는 1 wt% 미만의 회분을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 또는 최대 약, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.2, 또는 0.1 wt%의 회분을 포함한다.
바이오카본 조성물의 회분 함량은 상대적으로 적은 회분을 갖는 콘덴서 액체가 제2 열분해 반응기의 재료에 통합될 때 유리하다 (즉, 더 낮다). 일부 실시양태에서, 제1 콘덴서 액체는 1 wt% 미만의 회분, 0.1 wt% 미만의 회분을 포함하거나, 본질적으로 회분을 포함하지 않는다. 다양한 실시양태에서, 제1 콘덴서 액체는 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 또는 최대 약, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02 또는 0.01 wt%의 회분을 포함한다.
바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하다. 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능할 수 있다.
일부 공정에서, 제2 생물기원 시약은 단계 (f)에서, 단계 (g)에서 또는 단계 (g) 후에 펠릿화된다. 따라서, 최종 바이오카본 조성물은 펠릿의 형태일 수 있다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물은 적어도 30 또는 적어도 50의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물은 건조 기준으로 적어도 약 35 lb/ft3, 또는 건조 기준으로 적어도 약 45 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물의 벌크 밀도는 모든 개재 범위를 포함하여, 건조 기준으로, 약 또는 적어도 약, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50 lb/ft3이다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물은 소수성 바이오카본 또는 부분 소수성 바이오카본으로서 특징된다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물은 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물은 25℃에서 24 시간 동안 냄새 생성의 결여를 특징으로 한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 50℃에서 24 시간 동안 냄새 생성의 결여를 특징으로 한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 25℃에서 48 시간 동안 냄새 생성의 결여를 특징으로 한다. 이러한 맥락에서 냄새 생성은 바이오카본 조성물로부터 증발될 유기 분자를 지칭하며, 이러한 유기 분자는 일반적으로 인간에 의해 검출가능하다. 예는 포름알데히드, 아세트산, 에탄올, 메탄올 또는 머캅탄을 포함한다.
일부 변형은 바이오매스를 열분해하여, 중간체 고체 및 열분해 증기를 생성하는 단계; 열분해 증기의 일부를 응축하여, 열분해 액체를 생성하는 단계; 열분해 액체를 중간체 고체에 도입하여, 고체-액체 혼합물을 생성하는 단계; 임의로, 펠릿화하여, 고체-액체 혼합물을 포함하는 펠릿을 생산하는 단계; 및 임의로, 고체-액체 혼합물을 추가로 열분해하여, 고-수율, 고-고정-탄소 재료를 생성하는 단계를 포함하는, 고-고정-탄소 재료를 제조하는 방법을 제공한다.
일부 방법에서, 방법은 펠릿화하여, 고체-액체 혼합물을 포함하는 펠릿을 생산하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 펠릿화는 열분해 액체 이외의 바인더를 활용하지 않는다. 다른 실시양태에서, 펠릿화는 열분해 액체 이외의 바인더를 활용한다. 고체-액체 혼합물을 추가로 열분해하는 단계는 고체-액체 혼합물에 포함된 탄소가 추가적인 고정 탄소를 형성하기 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 역할을 하는 경우와 같이 펠릿화에 의해 향상될 수 있다.
일부 방법에서, 바이오매스에 포함된 총 탄소의 적어도 60 wt%는 고-고정-탄소 재료 중 고정 탄소를 형성한다. 특정 방법에서, 바이오매스에 포함된 총 탄소의 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 적어도 95 wt%는 고-고정-탄소 재료 중 고정 탄소를 형성한다.
일부 변형은 바이오매스를 열분해하여, 중간체 고체 및 열분해 증기를 생성하는 단계; 열분해 증기의 일부를 응축하여, 열분해 액체를 생성하는 단계; 열분해 액체를 중간체 고체에 도입하여, 고체-액체 혼합물을 생성하는 단계; 임의로, 펠릿화하여, 고체-액체 혼합물을 포함하는 펠릿을 생산하는 단계; 및 임의로, 고체-액체 혼합물을 추가로 열분해하여, 고-수율, 고-고정-탄소 재료를 생성하는 단계를 포함하는, 고-고정-탄소 재료를 제조하는 방법을 포함하는 공정에 의해 생산된 고-고정-탄소 재료를 제공한다.
다른 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 조성물을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 열분해 고체 및 제1 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 응축 시스템에 제1 열분해 증기의 적어도 일부를 도입하여, 콘덴서 액체 및 콘덴서 증기를 생성하는 단계;
(c) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 콘덴서 액체를 열분해하여, 제2 열분해 고체 및 제2 열분해 증기를 생성하는 단계;
(d) 제1 열분해 고체를 제2 열분해 고체와 블렌딩하여, 생물기원 시약을 생성하는 단계;
(e) 임의로, 생물기원 시약을 펠릿화하는 단계;
(f) 임의로, 생물기원 시약을 건조시키거나, 열 처리하는 단계; 및
(g) 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계.
일부 공정에서, 바이오매스-함유 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 공정에서, 단계 (e)가 수행되고, 그에 따라 생물기원 시약이 펠릿화된다. 단계 (e)는 단계 (d), 단계 (f) 또는 이들 단계 둘 모두와 통합될 수 있다.
단계 (e)를 사용하는 일부 실시양태에서, 바인더가 생물기원 시약에 도입된다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
단계 (e)를 사용하는 일부 실시양태에서, 펠릿화 동안 외부 바인더가 생물기원 시약에 도입되지 않는다.
일부 공정에서, 응축 시스템은 다중 콘덴서 단계를 포함한다. 콘덴서 액체는 다중 콘덴서 단계 중 제1 단계의 응축된 생성물일 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 열분해 증기의 적어도 일부는 또한 제1 열분해 증기를 응축하는 동일한 응축 시스템, 또는 별개의 응축 시스템에 이송된다.
제1 열분해 반응기는 전형적으로 제2 열분해 반응기와 별개이며, 즉, 이들은 물리적으로 상이한 유닛이다. 일부 실시양태에서, 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 유닛이고, 단계 (a) 및 (c)는 상이한 시간에 실시된다.
일부 공정에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 적어도 25 wt%는 제2 열분해 고체 중 고정 탄소로 전환된다. 특정 공정에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 적어도 50 wt%는 제2 열분해 고체 중 고정 탄소로 전환된다. 다양한 실시양태에서, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 또는 90 wt% (모든 개재 범위 포함)의, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소는 제2 열분해 고체 중 고정 탄소로 전환된다.
제1 및 제2 열분해 고체의 블렌딩을 포함하는 일부 공정에서, 제2 열분해 고체는 절대적 기준으로, 적어도 5 wt%의 생물기원 시약을 형성한다. 특정 공정에서, 제2 열분해 고체는 절대적 기준으로, 적어도 10 wt% 또는 적어도 20 wt%의 생물기원 시약을 형성한다.
일부 공정에서, 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 10 wt% 내지 약 80 wt%는 콘덴서 액체로부터 유래된다. 특정 공정에서, 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 20 wt% 내지 약 60 wt%는 콘덴서 액체로부터 유래된다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 또는 90 wt% (모든 개재 범위 포함)는 콘덴서 액체로부터 유래된다.
단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시될 수 있다. 임의로, 제1 열분해 온도는 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된다. 단계 (c)는 약 250℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 독립적으로 실시될 수 있다. 임의로, 제2 열분해 온도는 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된다. 제2 열분해 온도는 제1 열분해 온도보다 낮거나 높을 수 있거나, 이들은 잠재적으로 동일할 수 있다.
단계 (a)는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시될 수 있다. 단계 (c)는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 독립적으로 실시될 수 있다. 제2 열분해 시간은 제1 열분해 시간보다 짧거나 길 수 있거나, 이들은 잠재적으로 동일할 수 있다.
일부 공정에서, 콘덴서 증기는 적어도 부분적으로 산화되어, 열을 생성하며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다. 이들 또는 다른 공정에서, 제2 열분해 증기는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
생물기원 시약은 예를 들어, 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다.
단계 (e)를 실시하는 경우, 이는 예를 들어, 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용할 수 있다.
바이오카본 조성물은 분말, 펠릿, 또는 다른 기하학적 구조의 형태일 수 있다.
바이오카본 조성물은 적어도 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함할 수 있다. 다른 고정 탄소 함량은 이전에 설명되었으며, 이들 공정 실시양태 (및 본원에 개시된 다른 공정)에도 적용된다.
바이오카본 조성물은 10 wt% 미만의 회분, 5 wt% 미만의 회분, 2 wt% 미만의 회분, 또는 1 wt% 미만의 회분을 포함할 수 있다. 다른 회분 함량은 이전에 설명되었으며, 이들 공정 실시양태 (및 본원에 개시된 다른 공정)에도 적용된다.
일부 실시양태에서, 콘덴서 액체는 1 wt% 미만의 회분, 0.1 wt% 미만의 회분을 포함하거나, 본질적으로 회분을 포함하지 않는다. 콘덴서 액체의 낮은 회분 함량은 바이오카본 조성물의 최종 회분 함량을 감소시킨다. 다른 콘덴서-액체 회분 함량은 이전에 설명되었으며, 이들 공정 실시양태 (및 본원에 개시된 다른 공정)에도 적용된다.
일부 공정에서, 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능할 수 있다. 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능할 수 있다.
일부 변형은 다음을 포함하는, 바이오카본 조성물을 생산하기 위한 공정을 제공한다:
(a) 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
(b) 응축 시스템에 열분해 증기의 적어도 일부를 도입하여, 콘덴서 액체 및 콘덴서 증기를 생성하는 단계;
(c) 출발 바이오매스 공급원료를 콘덴서 액체의 적어도 일부와 접촉시켜, 출발 바이오매스 공급원료 및 콘덴서 액체의 적어도 일부를 포함하는 바이오매스-함유 공급원료를 생성하는 단계;
(d) 임의로, 생물기원 시약을 펠릿화하는 단계;
(e) 임의로, 생물기원 시약을 건조시키는 단계; 및
(f) 생물기원 시약을 바이오카본 조성물로서 회수하는 단계.
출발 바이오매스 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (c)는 출발 바이오매스 공급원료 상에 콘덴서 액체의 적어도 일부를 분무하는 것을 활용한다. 바이오매스-함유 공급원료는 출발 바이오매스 공급원료의 표면 상에 흡착된 콘덴서 액체를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 바이오매스-함유 공급원료는 출발 바이오매스 공급원료의 벌크 상으로 흡수된 콘덴서 액체를 포함한다.
단계 (d)를 실시하는 경우, 바인더가 생물기원 시약에 도입될 수 있다. 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다.
단계 (d)가 실시되는 경우, 대안적으로 펠릿화 동안 외부 바인더가 생물기원 시약에 도입되지 않는다.
일부 공정에서, 단계 (c) 및 (d)가 통합되어 있고, 둘 모두가 펠릿화 유닛에서 수행되었다. 일부 공정에서, 단계 (d) 및 (e) 둘 모두가 실시되고, 통합된다.
응축 시스템은 다중 콘덴서 단계를 포함할 수 있다. 콘덴서 액체는 다중 콘덴서 단계 중 개별 단계 (예컨대, 제1 단계)의 응축된 생성물일 수 있다.
일부 공정에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 적어도 25 wt%는 생물기원 시약 중 고정 탄소로 전환된다. 특정 공정에서, 콘덴서 액체에 포함된 총 탄소의 적어도 50 wt%는 생물기원 시약 중 고정 탄소로 전환된다.
일부 공정에서, 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 10 wt% 내지 약 80 wt%는 콘덴서 액체로부터 유래된다. 특정 공정에서, 생물기원 시약 중 고정 탄소의 약 20 wt% 내지 약 60 wt%는 콘덴서 액체로부터 유래된다.
단계 (a)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도에서 실시될 수 있다. 단계 (a)는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시될 수 있다.
일부 공정에서, 콘덴서 증기의 일부 또는 전부는 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하며, 여기서 열은 임의로 공정 내에서 사용된다.
생물기원 시약은 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링될 수 있다.
단계 (d)를 사용하는 공정에서, 해당 단계는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용할 수 있다.
최종 바이오카본 조성물은 예를 들어, 분말 또는 펠릿의 형태일 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 적어도 50 wt%의 고정 탄소, 적어도 60 wt%의 고정 탄소, 적어도 70 wt%의 고정 탄소, 적어도 80 wt%의 고정 탄소, 또는 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함한다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 10 wt% 미만의 회분, 5 wt% 미만의 회분, 2 wt% 미만의 회분, 또는 1 wt% 미만의 회분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 콘덴서 액체는 1 wt% 미만의 회분, 0.1 wt% 미만의 회분을 포함하거나, 본질적으로 회분을 포함하지 않는다.
바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능할 수 있다. 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능할 수 있다. 바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능할 수 있다.
저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료는 평형에서 및 상대적으로 낮은 온도에서 서로에 용해되지 않는 별개의 상을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료는 서로 높은 평형 (열역학적) 용해도를 가질 수 있지만, 그럼에도 불구하고 별개의 재료가 관찰될 수 있도록 조성물에서 역학적으로 동결된 상태로 유지된다. 조성, 밀도, 입자 크기, 반응성 또는 기타 물리적 또는 화학적 특성을 측정함으로써 별개의 재료를 관찰할 수 있다. 바이오카본 조성물의 최종 사용 동안, (예컨대, 상승된 온도에서 또는 탄소 산화 동안) 재료의 구별이 손실될 수 있다.
주어진 바이오카본 조성물이 저-고정-탄소 재료 및 별개의 고-고정-탄소 재료 둘 모두를 포함함을 입증하기 위한 일 기술에서, 바이오카본 조성물 테스트 샘플의 산화 (연소)에 대한 열중량 분석 (TGA)이 수행된다. 일부 실시양태에서, 생성된 TGA 열 곡선은 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료와 상관되는 별개의 질량-손실 이벤트의 특징인 2 개의 피크를 갖는다. 이는 알려진 균일한 고정-탄소 농도를 갖는 단일 재료를 포함하는 바이오카본 조성물의 대조군 샘플과 비교되어, 재료에 대한 하나의 질량-손실 이벤트의 특징인 단일 피크를 갖는 TGA 열 곡선을 보여줄 수 있다. 유사한 실시양태에서, 테스트 샘플에 대한 TGA 열 곡선은 3 개 이상의 피크를 갖는 반면, 대조군 샘플에 대한 TGA 열 곡선은 테스트 샘플보다 적어도 하나 더 적은 피크를 갖는다.
주어진 바이오카본 조성물이 저-고정-탄소 재료 및 별개의 고-고정-탄소 재료 둘 모두를 포함한다는 것을 입증하는 다른 기술은 입자-크기 분석이다. 이는 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료와 연관된 입자 크기가 상이한 경우, 또는 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료와 연관된 입자-크기 분포가 상이한 경우에 실행가능한 접근법이다. 일부 실시양태에서, 고-고정-탄소 재료는 저-고정-탄소 재료와 비교하여 더 작은 입자를 갖는 경향이 있다. 일부 실시양태에서, 균일한 재료의 유니모달(unimodal) 입자-크기 분포 특징을 갖는 대조군 샘플과 대조적으로, 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료 둘 모두의 존재로 인해 발생하는 바이모달(bimodal) 입자-크기 분포. 유사한 실시양태에서, 테스트 샘플은 대조군-샘플 입자-크기 분포보다 적어도 하나 더 많은 모드를 갖는 입자-크기 분포를 가질 수 있다. 예를 들어, 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료 각각이 바이모달 입자-크기 분포 (상이한 크기에 중심을 둔 피크 포함)를 갖는 것이 가능하고, 대조군 샘플이 또한 대조군 샘플이 어떻게 생산되었는지에 따라 바이모달 입자-크기 분포를 갖는 것이 가능하다.
입자 크기는 예를 들어, 동적 광 산란, 레이저 회절, 이미지 분석 또는 체 분리를 포함한 다양한 기술에 의해 측정될 수 있다. 동적 광 산란은 전형적으로 서브미크론 영역에서 입자의 크기 및 크기 분포를 측정하기 위한 비-침습적이고 잘-확립된 기술로, 1 나노미터까지 떨어진 최신 기술이다. 레이저 회절은 수백 나노미터로부터 최대 수 밀리미터까지 범위의 크기의 재료에 대해 널리 사용되는 입자-사이징 기술이다. 입자 크기를 측정하기 위한 예시적인 동적 광 산란 기기 및 레이저 회절 기기는 Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, UK로부터 이용가능하다. 입자 크기 및 분포를 추정하기 위한 이미지 분석은 현미경 사진, 주사 전자 현미경 사진 또는 기타 이미지에서 직접 수행될 수 있다. 마지막으로, 체질은 입자를 크기별로 분리하는 기존의 기술이다.
이미징 기술은 대안적으로 또는 추가적으로, 주어진 바이오카본 조성물이 저-고정-탄소 재료 및 별개의 고-고정-탄소 재료 둘 모두를 포함한다는 것을 입증하기 위해 활용될 수 있다. 이미징 기술은 예를 들어, 광학 현미경; 암시야 현미경; 주사 전자 현미경 (SEM); 투과 전자 현미경 (TEM); 및 X-선 단층촬영 (XRT)을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 이미징 기술을 사용하여 균질한 재료가 아닌 블렌드에서의 별개의 재료를 입증할 수 있다. 또는, 이미징 기술을 사용하여 추가 분석을 위한 하위샘플을 선택할 수 있다. 추가 분석은 고정 탄소 함량의 3-차원 변형을 보여주기 위한 조성적 분석일 수 있다. 추가 분석은 예를 들어, 화학적 또는 물리적 특성, 예컨대, 밀도, 입자 크기 또는 반응성의 3-차원 변형을 보여주기 위한 특성 분석일 수 있다.
분광학 기술은 대안적으로 또는 추가적으로, 주어진 바이오카본 조성물이 저-고정-탄소 재료 및 별개의 고-고정-탄소 재료 둘 모두를 포함한다는 것을 입증하기 위해 활용될 수 있다. 분광학 기술은 예를 들어, 에너지 분산적 X-선 분광학 (EDS), X-선 형광 (XRF), 적외선 (IR) 분광학 및 핵 자기 공명 (NMR) 분광학을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 10 wt% 내지 약 90 wt%의 저-고정-탄소 재료를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 10 wt% 내지 약 90 wt%의 고-고정-탄소 재료를 포함한다. 고-고정-탄소 재료에 대한 저-고정-탄소 재료의 중량비는 약 0.1 내지 약 10, 예컨대, 약 0.2 내지 약 5, 약 0.5 내지 약 2, 또는 약 0.8 내지 약 1.2로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 고정-탄소 농도는 예를 들어, 약 20 wt% 내지 약 40 wt%, 또는 약 25 wt% 내지 약 50 wt%, 또는 약 30 wt% 내지 약 55 wt%이다.
일부 실시양태에서, 제2 고정-탄소 농도는 예를 들어, 약 80 wt% 내지 약 100 wt%, 또는 약 70 wt% 내지 약 95 wt%, 또는 약 60 wt% 내지 약 90 wt%이다.
일부 실시양태에서, 제1 고정-탄소 농도 및 제2 고정-탄소 농도의 비가중 평균은 약 30 wt% 내지 약 90 wt%, 예컨대, 약 40 wt% 내지 약 80 wt%이다.
바이오카본 조성물은 절대적 기준으로, 약 25 wt% 내지 약 95 wt%의 전체 고정-탄소 농도를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 절대적 기준으로, 약 35 wt% 내지 약 85 wt%의 전체 고정-탄소 농도를 포함한다.
저-고정-탄소 재료는 절대 기준 (즉, 회분 및 수분 포함)을 기준으로, 약 45 wt% 내지 약 80 wt%의 휘발성 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 저-고정-탄소 재료는 절대적 기준으로, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 또는 80 wt%의 휘발성 탄소를 포함할 수 있다. 저-고정-탄소 재료는 예를 들어, 절대적 기준으로, 약 1 wt% 내지 약 20 wt%의 산소를 포함할 수 있다. 저-고정-탄소 재료는 예를 들어, 절대적 기준으로, 약 0.1 wt% 내지 약 10 wt%의 수소를 포함할 수 있다.
고-고정-탄소 재료는 절대적 기준으로, 약 0 내지 약 50 wt%의 휘발성 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 고-고정-탄소 재료는 절대적 기준으로, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 wt%의 휘발성 탄소를 포함할 수 있다. 고-고정-탄소 재료는 예를 들어, 절대적 기준으로, 약 1 wt% 내지 약 20 wt%의 산소를 포함할 수 있다. 고-고정-탄소 재료는 예를 들어, 절대적 기준으로, 약 0.1 wt% 내지 약 10 wt%의 수소를 포함할 수 있다.
"바이오카본 조성물"은 공정의 최종 조성물에 대해 언급할 때, 일반적으로 "바이오카본 생성물"과 동의어이다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 0.1 wt% 내지 약 20 wt%의 수분을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 wt%의 수분을 포함한다. 저-고정-탄소 재료는 0 내지 약 50 wt%의 수분, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 wt%의 수분을 포함할 수 있다. 독립적으로, 고-고정-탄소 재료는 0 내지 약 50 wt%의 수분, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 wt%의 수분을 포함할 수 있다. 건조는 공정 중 하나 이상의 지점에서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 0.1 wt% 내지 약 10 wt%의 회분을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 wt%의 회분을 포함한다. 저-고정-탄소 재료는 0 내지 약 25 wt%의 회분, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 또는 25 wt%의 회분을 포함할 수 있다. 독립적으로, 고-고정-탄소 재료는 0 내지 약 50 wt%의 회분, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 또는 25 wt%의 회분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 0.1 wt% 내지 약 10 wt%의 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 1 wt% 내지 약 15 wt%의 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 약 3 wt% 내지 약 18 wt%의 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 wt%의 첨가제(들)를 포함한다.
저-고정-탄소 재료는 0 내지 약 20 wt%의 첨가제, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 wt%의 첨가제(들)를 포함할 수 있다. 독립적으로, 고-고정-탄소 재료는 0 내지 약 50 wt%의 첨가제, 예컨대, 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 wt%의 첨가제(들)를 포함할 수 있다.
첨가제는 유기 첨가제 또는 무기 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 재생가능한 재료를 포함한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 부분적으로 산화되거나 연소될 수 있는 재료를 포함한다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 바인더를 포함한다 (또는 바인더이다). 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택될 수 있다.
특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택된다. 바인더는 임의로 가교된 열가소성 전분일 수 있다. 열가소성 전분은, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는 폴리올 및 전분의 반응 생성물일 수 있다. 반응 생성물은 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는 산에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성될 수 있다. 대안적으로, 반응 생성물은 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성될 수 있다.
하나 이상의 첨가제는 하나 이상의 첨가제가 없는 달리-동등한 바이오카본 조성물과 비교하여 바이오카본 조성물의 반응성을 감소시킬 수 있다. 반응성은 열 반응성일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 첨가제를 포함하는 바이오카본 조성물은 하나 이상의 첨가제가 없는 달리-동등한 바이오카본 조성물과 비교하여 더 낮은 자가-발열을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소 또는 금속 (예컨대, 철)과의 화학적 반응성이다.
첨가제가 사용되는 경우, 첨가제는 바이오매스 조성물 전체에 균일하게 분포될 필요는 없다. 첨가제는 저-고정-탄소 재료 또는 고-고정-탄소 재료 중 하나 내에 존재할 수 있거나, 심지어 이들 재료 중 하나에만 존재할 수 있다. 예를 들어, 바인더는 전체 바이오매스 조성물에 5 wt%로 존재할 수 있지만, 해당 양 중 4 백분율 포인트는 저-고정-탄소 재료 내에 배치되고, 1 백분율 포인트는 고-고정-탄소 재료 내에 배치된다 (즉, 바인더의 80%가 저-고정-탄소 재료 내에 배치된다). 다양한 실시양태에서, 저-고정-탄소 재료 내에 배치된 총 첨가제의 백분율은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%일 수 있고; 고-고정-탄소 재료 내에 배치된 총 첨가제의 백분율은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%일 수 있고; 저-고정-탄소 재료 또는 고-고정-탄소 재료 내에 배치된 것이 아닌 바이오카본 조성물 내의 다른 곳 (예컨대, 별도의 첨가제 상으로서)에 배치된 총 첨가제의 백분율은 약, 적어도 약 또는 최대 약, 0, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%일 수 있다.
하나 이상의 첨가제가 존재하는 경우, 첨가제 중 일부 또는 전부는 저-고정-탄소 재료 내에서 기공-충전성일 수 있다. 하나 이상의 첨가제가 존재하는 경우, 첨가제 중 일부 또는 전부는 고-고정-탄소 재료 내에서 기공-충전성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제가 존재하며, 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료 둘 모두 내에서 기공-충전성이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 첨가제가 바이오카본 조성물의 외부 표면 (예컨대, 펠릿 또는 분말 입자의 외부 표면)에 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 분말의 형태이다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 펠릿의 형태이다. 형태가 펠릿인 경우, 하나 이상의 첨가제가 펠릿용 바인더를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 펠릿은 저-고정-탄소 재료 자체를 펠릿 내에서 바인더로서 활용할 수 있다.
하나 이상의 첨가제가 존재하는 경우, 첨가제(들)는 저-고정-탄소 재료 또는 고-고정-탄소 재료 중 하나 내에 위치할 수 있다. 대안적으로, 첨가제(들)는 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료 내에서 동일한 평균 농도를 갖도록 첨가제(들)를 균일하게 분포시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 본원에 참조로 원용된 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances"에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징된다.
고정-탄소 농도는 바이오카본 조성물에 대한 중요한 파라미터이다. 본 개시내용은 다양한 실시양태에서, 고정-탄소 농도가 최대화되거나 최적화되는 것을 허용하지만 반드시 최대화되는 것은 아니다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 에너지 함량을 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 벌크 밀도를 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 소수성을 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 기공 크기를 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 기공 크기의 비를 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 표면적을 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 반응성을 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 농도, 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 바이오카본 조성물과 연관된 이온-교환 용량을 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 펠릿의 형태이고, 고정-탄소 농도 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 펠릿과 연관된 하드그로브 연삭성 지수를 최적화하도록 선택된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 조성물은 펠릿의 형태이고, 고정-탄소 농도 및 임의로 첨가제 유형 또는 농도는 펠릿과 연관된 펠릿 내구성 지수를 최적화하도록 선택된다.
바이오카본 조성물 내의 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능할 수 있다. 일부 실시양태에서, 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능하다. 특정 실시양태에서, 총 탄소는 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다.
재생가능한 바이오카본 조성물이 바람직하지만, 본 개시내용의 원리는 비-재생가능한 재료에 적용될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 특정 실시양태에서, 바이오매스-함유 공급원료는 바이오매스 (예컨대, 본원에 인용된 바이오매스 공급원)뿐만 아니라 비-재생가능한 공급원료, 예컨대, 석탄을 포함한다. 따라서, 바이오매스-석탄 혼합물은 예를 들어, 도 1 내지 6 중 임의의 것의 "바이오매스"를 대체할 수 있는 바이오매스-함유 공급원료로서 활용될 수 있다. 공급원료 혼합물에 사용될 수 있는 다른 비-바이오매스 공급원료는 예를 들어, 열분해된 석탄, 코크스, 석유 코크스, 야금 코크스, 활성탄, 카본 블랙, 흑연, 그래핀, 열분해된 중합체 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 공정에서, 2 개 이상의 별개의 열분해 반응기가 사용된다. 열분해 반응기는 전형적으로 모두 연속적으로 실시되거나, 모두 배치로 실시되지만, 원칙적으로는, 혼합 반응 모드가 사용될 수 있다. 또한, 별개의 열분해 반응기가 사용되는 경우, 이들은 공통 현장 또는 상이한 현장에 있을 수 있다.
다른 실시양태에서, 공정은 별개의 생산 캠페인에서와 같이 상이한 시간에 공통 열분해 반응기에서 실시된다. 단일 열분해 반응기가 사용되는 경우, 이는 예를 들어, 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료의 별개의 배치를 이용하거나, 상이한 열분해 조건을 사용하여 배치 모드로 작동될 수 있다. 대안적으로, 단일 열분해 반응기는 연속적으로 또는 반-연속적으로 작동될 수 있고, 그에 따라 제1 재료는 제1 기간 동안 생산되고 그 다음 제2 재료는 제2 기간 동안 생산된 후, 반응기는 제1 재료 또는 다른 것을 생산하기 위해 다시 스위칭될 수 있다.
일부 공정 실시양태에서, 제1 열분해 반응기는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 작동된다. 제2 열분해 반응기는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 작동될 수 있다. 제2 열분해 온도는 제1 열분해 온도와 동일하거나 상이할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 열분해 반응기는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 작동된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 제2 열분해 반응기는 약 10 초 내지 약 24 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 작동된다. 제2 열분해 시간은 제1 열분해 시간과 동일하거나 상이할 수 있다.
일부 실시양태는 탄소 기질을 생성하기 위한 - 본원에 교시된 원리를 사용한 - 탄소 재포획과 함께 바이오매스의 최적화된 열분해, 탄소 기질의 기계적 크기 감소, 및 바이오카본 펠릿을 형성하기 위한 탄소 기질을 응집시키는 바인더의 사용을 전제로 한다. 탄소 기질은 저-고정-탄소 재료 및 고-고정-탄소 재료의 블렌드이거나, 이를 포함할 수 있다.
하드그로브 연삭성 지수 ("HGI")는 바이오매스 또는 석탄과 같은 재료의 연삭성의 척도이다. 석탄에 대한 HGI 파라미터는 석탄을 미분하고 현탁 상태로 연소시키는 미분탄 보일러와 같은 전력 적용, 및 미분탄을 랜스를 통해 용광로에 주입하여 미분탄이 코크스를 대체하여 철광석을 금속성 철로 환원시킬 수 있는 미분탄 주입과 같은 철 제조에서 중요하다.
일부 실시양태에서, 고정-탄소 함량을 변경하는 것은 HGI의 최적화를 가능하게 한다. 바인더 또는 기타 첨가제의 포함은 또한 HGI 조정가능성을 가능하게 할 수 있다.
바이오카본 펠릿의 HGI를 조정하는 능력은 바이오카본 펠릿을 활용하는 다운스트림 적용 (예컨대, 보일러에서 석탄의 교체)이 다양한 HGI 요구 사항을 갖기 때문에 매우 유익하다. HGI 조정가능성은 산업적으로 잘 알려진 문제인 미가공 바이오매스 분쇄의 어려움, 및 펠릿 분쇄의 어려움을 해결한다. 게다가, 바이오카본 펠릿의 너무 많은 다운스트림 용도가 있고 각각이 고유한 요구 사항을 갖기 때문에, 펠릿의 연삭성을 조정할 수 있다는 것은 매우 유리하다. 보일러 연소, 금속-제조, 또는 합성가스 제조를 위한 가스화와 같은 특정 적용에 맞게 HGI를 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
많은 적용에 대해, 운송, 저장, 안전성의 이점으로 인해 분말 (단리된 바이오매스 입자)보다 펠릿이 선호된다. 궁극적으로, 펠릿은 어느 지점에서 분말 또는 적어도 더 작은 물체로 다시 전환되어야 할 수 있다. 따라서, 펠릿의 연삭성은 종종 운영 비용 및 자본 비용에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다.
보일러 또는 가스화기가 유동층 또는 탄소 입자의 현탁액을 활용하는 경우와 같이, 일부 경우에, 펠릿을 분쇄하거나 분말로 미분해야 한다. 다른 예는 금속 광석을 금속으로 환원시키기 위해 용광로에 미분된 탄소를 주입하는 것이다. 이들 경우에, 펠릿의 고 연삭성이 바람직하지만, 펠릿이 운송 및 취급 동안 떨어져 나갈 정도로 너무 높지 않아야 한다. 다른 경우에, 금속-제조 공정과 같은 공정에 펠릿 자체를 공급하는 것이 바람직하다. 이들 경우에, 반응기에서 재료 층을 지지하기 위해 일부 펠릿 강도가 필요할 수 있으므로, 더 낮은 연삭성이 바람직할 수 있다. 상이한 기술은 상이한 펠릿 연삭성 요구 사항을 갖는다.
바이오카본 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수는 적어도 30, 적어도 40, 적어도 50, 적어도 60, 적어도 70, 적어도 80, 적어도 90, 또는 적어도 100일 수 있다. 일부 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 약 30 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 70이다. "Standard Test Method for Grindability of Coal by the Hardgrove-Machine Method"에 대한 ASTM-표준 D 409/D 409M은 그 전체가 본원에 참조로 원용된다. 달리 나타내지 않는 한, 하드그로브 연삭성 지수 또는 HGI에 대한 본 개시내용의 모든 참조는 ASTM-표준 D 409/D 409M을 참조한다.
다양한 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 모든 개재 범위 (예컨대, 25-40, 30-60 등)를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100이다.
바이오카본 펠릿은 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 바이오카본 펠릿은 99% 미만, 95% 미만, 90% 미만, 85% 미만, 또는 80% 미만의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 달리 나타내지 않는 한, 본 개시내용에서 펠릿 내구성 지수에 대한 모든 언급은 ISO 17831-1:2015 "Solid biofuels ― Determination of mechanical durability of pellets and briquettes ― Part 1: Pellets"을 참조하며, 이는 그 전체가 본원체 참조로 원용된다.
일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 더 작은 물체를 제조하기 위한 출발 재료로서 활용되며, 이는 "펠릿"이 기하학적 구조를 제한하지 않기 때문에 바이오카본 펠릿으로서 또한 지칭될 수 있다. 예를 들어, 평균 펠릿 직경이 10 mm인 초기 바이오카본 펠릿을 제작할 수 있다. 그런 다음, 이러한 초기 바이오카본 펠릿은 다양한 기계적 수단을 사용하여 (예컨대, 해머 밀을 사용하여) 파쇄될 수 있다. 파쇄된 펠릿은 예컨대, 스크리닝에 의해 크기에 따라 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 평균 펠릿 직경이 예를 들어, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000 또는 5000 미크론인 더 작은 바이오카본 펠릿이 생산될 수 있다. 특정 실시양태에서, 더 작은 바이오카본 펠릿의 평균 펠릿 직경은 바람직하게는 바인더와 함께 펠릿을 제조하는 데 사용되었던 초기 탄소-함유 입자의 평균 입자 직경보다 크다.
바이오카본 펠릿을 파쇄하여 더 작은 바이오카본 펠릿을 생성하는 경우, 파쇄 (및 임의로 스크리닝)의 단계는 잠재적으로 산업적 사용 현장에서를 포함하여 다른 공정 단계와 통합될 수 있다. 더 작은 바이오카본 펠릿을 생성하기 위한 임의적 단계는 해머 밀, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기, 암석 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 파쇄 장치를 활용할 수 있다.
다양한 공정 실시양태에서, 하드그로브 연삭성 지수는 적어도 40, 적어도 50, 적어도 60, 적어도 70, 적어도 80, 적어도 90, 또는 적어도 100이다. 예를 들어, 하드그로브 연삭성 지수는 약 30 내지 약 50, 또는 약 50 내지 약 70일 수 있다.
다양한 공정에서, 공정 조건은 모든 개재 범위 (예컨대, 30-60, 33-47 등)를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100의 하드그로브 연삭성 지수를 갖는 최종 바이오카본 펠릿을 생성하도록 선택되고 최적화된다.
일부 공정에서, 바이오카본 펠릿은 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 한다.
일부 실시양태에서, 공정은 하드그로브 연삭성 지수의 사전-선택, 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수를 기반으로 한 공정 조건의 조정, 및 바이오카본 펠릿에 대한 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±20% 내의 달성을 포함하며, 여기서 공정 조건의 조정은 열분해 온도, 열분해 시간, 기계적-처리 조건, 펠릿화 조건, 바인더 유형, 바인더 농도, 결합 조건, 및 건조 중 하나 이상의 조정을 포함한다. 특정 실시양태의 공정은 바이오카본 펠릿에 대해 사전-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±10% 이내 또는 ±5% 이내를 달성할 수 있다.
바이오카본 펠릿의 크기 및 기하학적 구조는 달라질 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "펠릿"은 압축되지 않은 분말(loose powder)보다는 응집된 물체를 의미한다. 펠릿 기하학적 구조는 구형 또는 대략 구형으로 제한되지 않는다. 또한, 본 개시내용에서, "펠릿"은 "브리켓"과 동의어이다. 펠릿 기하학적 구조는 구형 (원형 또는 볼 형상), 원통형, 입방체 (정사각형), 팔각형, 육각형, 벌집/벌통 형상, 타원 형상, 달걀 형상, 기둥 형상, 막대 형상, 베개 형상, 무작위 형상, 또는 이의 조합일 수 있다. 개시내용의 편의상, 용어 "펠릿"은 일반적으로 바인더와 응집된 분말을 포함하는 임의의 물체에 대해 사용될 것이다. 또한 이 기술은 결코 펠릿의 형태의 바이오카본 조성물에만 제한되지 않는다는 점을 다시 한번 강조한다. 예를 들어, 개시된 공정을 사용하여 펠릿을 생산한 후, 펠릿을 사용하기 전에 분말화할 수 있다.
바이오카본 펠릿은 구형 또는 원통형의 경우 정확한(true) 직경인 평균 펠릿 직경, 또는 임의의 다른 3D 기하학적 구조의 경우 등가 직경을 특징으로 할 수 있다. 비-구형 펠릿의 등가 직경은 실제 펠릿과 동등한 부피의 구의 직경이다. 일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경은 모든 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20 또는 25 밀리미터이다. 일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경은 모든 개재 범위를 포함하여, 약 또는 적어도 약, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000 또는 6500 미크론이다.
일부 실시양태에서, 평균 펠릿 직경의 ±100% 미만, ±50% 미만, ±25% 미만, ±10% 미만, 또는 ±5% 미만의 표준 편차와 같이 크기가 비교적 균일한 복수의 바이오카본 펠릿이 존재한다. 다른 실시양태에서, 폭넓은 범위의 크기의 바이오카본 펠릿이 존재하는 데, 이것이 일부 적용에서 유리할 수 있기 때문이다.
바이오카본 펠릿은 수분을 포함할 수 있다. 바이오카본 펠릿에 존재하는 수분은 탄소 또는 바인더에 화학적으로 결합된 물, 탄소 또는 바인더에 물리적으로 결합 (흡수 또는 흡착)된 물, 탄소 또는 바인더에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되지 않은 수성 상에 존재하는 유리 물(free water), 또는 이의 조합일 수 있다. 결합 공정 동안 수분이 요망되는 경우, 이러한 수분은 유리 물보다는 탄소 또는 바인더에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되어 있는 것이 바람직하다.
다양한 수분 수준이 존재할 수 있다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% (예컨대, 32 wt%)의 수분, 예컨대, 약 5 wt% 내지 약 15 wt%의 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt%의 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt%의 수분을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 약 4-8 wt%의 수분을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 또는 35 wt%의 수분을 포함한다. 바이오카본 펠릿의 수분 수준을 최적화하여, 펠릿 내의 밀도를 다양하게 할 수 있다.
농업과 같은 일부 시장 적용의 경우, 먼지 제어 또는 다른 이유로 더 높은 수분 수준이 바람직하다. 야금과 같은 다른 시장 적용의 경우, 더 낮은 수분 수준(예컨대, 1 wt%의 수분 또는 심지어 그 미만)이 바람직할 수 있다. 비록 바이오카본 펠릿의 제조의 공정 동안 물이 존재하지만, 이러한 펠릿은 이어서 임의로 건조되며 이는 최종 바이오카본 펠릿이 반드시 수분을 포함하지 않는다는 것을 의미함에 유의한다.
일부 바이오카본 펠릿에서, 바이오카본 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 바인더, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 바인더, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 바인더를 포함한다. 다양한 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 모든 개재 범위를 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25 또는 30 wt%의 바인더를 포함한다. 일부 실시양태에서, 수분 함량 및 바인더 농도 사이에는 반비례 관계가 있다.
바인더는 바이오카본 펠릿의 생물기원 시약 내에서 기공-충전성일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 바인더는 바이오카본 펠릿의 표면 상에 배치될 수 있다.
바인더는 유기 바인더 또는 무기 바인더일 수 있다. 일부 실시양태에서, 바인더는 재생가능한 재료이거나, 이를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바인더는 생분해성 재료이거나, 이를 포함한다. 일부 실시양태에서, 바인더는 부분적으로 산화되거나 연소될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 바인더는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄, 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술된 임의의 것의 조합으로부터 선택된다. 바인더는 분쇄가능한 가소제이거나, 이를 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 바인더는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분-기반 중합체 (예컨대, 아밀로스 및 아밀로펙틴에 기반한 중합체), 이들의 유도체, 또는 전술된 임의의 것의 조합으로부터 선택된다. 전분은 비-이온성 전분, 음이온성 전분, 양이온성 전분, 또는 쯔비터이온성 전분일 수 있다.
전분은 가장 풍부한 생체중합체 중 하나이다. 이는 완전히 생분해성이고, 저렴하고, 재생가능하고, 용이하게 화학적으로 변형될 수 있다. 강한 수소 결합과 함께 전분 분자의 사이클릭 구조는 전분에 강성 구조를 부여하고 고도로 질서화된 결정질 및 과립 영역을 야기한다. 이의 과립 상태에서 전분은 일반적으로 열가소성 가공에 적합하지 않다. 열가소성 전분을 수득하기 위해, 반-결정질 전분 과립은 열적 및 기계적 힘에 의해 분해될 수 있다. 순수 전분의 융점은 이의 분해 온도보다 상당히 더 높기 때문에, 가소제, 예컨대, 물 또는 글리콜이 첨가될 수 있다. 이어서, 열가소성 전분을 산출하는 상승된 온도에서 격렬한 혼합 (전단)에 의해 자연적인 결정도가 파괴될 수 있다. 전분은 물, 글리세롤 또는 소르비톨과 같은 전분 하이드록실 기와 수소 결합할 수 있는 비교적 낮은 수준의 분자에 의해 가소화 (탈구조화)될 수 있다.
열가소성 전분은 화학적으로 변형되거나 다른 생체중합체와 블렌딩되어, 보다 인성이고 보다 연성 및 탄력성인 바이오플라스틱을 생산할 수 있다. 예를 들어, 전분은 자연 및 합성 (생분해성) 폴리에스테르, 예컨대, 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 또는 폴리하이드록시부티레이트와 블렌딩될 수 있다. 전분/폴리에스테르 블렌드의 상용성을 개선시키기 위해, 적합한 상용화제, 예컨대, 폴리(에틸렌-코-비닐 알콜) 또는 폴리비닐 알콜이 첨가될 수 있다. 전분의 친수성 하이드록실 기 (-OH)는 예컨대, 에스테르화 또는 에테르화에 의해, 소수성 (반응성) 기로 교체될 수 있다.
일부 실시양태에서, 전분-함유 바인더는 가교 전분이거나, 이를 포함한다. 전분을 가교시키는 다양한 방법이 당업계에 알려져 있다. 전분 재료는 예를 들어, 수성 매질에 용해 또는 분산시킨 후 산성 또는 알칼리성 조건 하에서 가교될 수 있다. 알데히드 (예컨대, 글루타르알데히드 또는 포름알데히드)는 전분을 가교시키는 데 사용될 수 있다.
가교 전분의 일 예는 전분 및 글리세롤 또는 다른 폴리올, 예컨대, (비제한적으로) 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이의 조합의 반응 생성물이다. 반응 생성물은 산, 예컨대, (비제한적으로) 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이의 조합에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다. 가교 반응을 촉매하기 위해 무기 산, 예컨대, 황산이 또한 활용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 열가소화 또는 가교 반응 생성물은 대신에 염기, 예컨대, (비제한적으로) 암모니아 또는 소듐 보레이트에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바인더는 물-저항성 바인더가 되도록 설계된다. 예를 들어, 전분의 경우, 친수성 기는 물에 더 잘 저항하는 소수성 기에 의해 교체될 수 있다.
일부 실시양태에서, 바인더는 다른 목적, 예컨대, (비제한적으로) 바이오카본 펠릿의 물 체류, 미생물의 먹이 공급원 등을 제공한다.
일부 실시양태에서, 바인더는 바인더를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 바이오카본 펠릿의 반응성을 감소시킨다. 반응성은 열 반응성 또는 화학 반응성 (또는 둘 모두)을 지칭할 수 있다.
열 반응성의 경우, 바이오카본 펠릿은 바인더를 포함하지 않는 달리-동등한 바이오카본 펠릿과 비교하여 더 낮은 자가-가열을 가질 수 있다. "자가-가열"은 바이오카본 펠릿의 내부 온도를 상승시키기 위해 임의의 외부 발화의 부재 하에, 비교적 낮은 온도 및 산화성 분위기 하에 자발적인 발열 반응을 겪는 바이오카본 펠릿을 지칭한다.
화학 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예컨대, 철) 또는 이들의 조합과의 반응성일 수 있다. 화학 반응성은 예를 들어, CO, CO2, H2O, 열분해 오일 및 열에 대한 반응과 연관될 수 있다.
임의로, 바이오카본 펠릿은 하나 이상의 첨가제 (반드시 바인더는 아님), 예컨대, 무기 벤토나이트 점토, 석회석, 전분, 셀룰로스, 리그닌 또는 아크릴아미드를 포함한다. 리그닌이 바인더 또는 기타 첨가제로서 사용되는 경우, 리그닌은 열분해 공정에 사용되는 것과 동일한 바이오매스 공급원료로부터 수득될 수 있다. 예를 들어, 출발 바이오매스 공급원료를 리그닌-추출 단계에 적용하여, 바인더 또는 첨가제로서의 사용을 위한 다량의 리그닌을 제거할 수 있다.
플럭싱제, 예컨대, 무기 클로라이드, 무기 플루오라이드, 또는 석회를 포함하는 다른 가능한 첨가제. 일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 및 이의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다(그러나 이에 제한되지는 않음). 첨가제는 수확되기 전 또는 후에, 임의의 시간에 공급원료 자체로의 첨가를 포함하여 공정의 임의의 하나 이상의 단계 전에, 동안, 또는 후에 첨가될 수 있다.
본원에 개시된 바이오카본 펠릿은 폭넓게 다양한 다운스트림 용도를 갖는다. 바이오카본 펠릿은 저장, 판매, 배송 및 다른 생성물로 전환될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 보일러에서의 사용을 위해 미분되어, 탄소를 연소시키고 전기 에너지 또는 열을 생성할 수 있다.
바이오탄소 펠렛은 금속 제조의 용광로와 같은 퍼니스에 공급하기 위해 미분, 파쇄 또는 밀링될 수 있다. 바이오탄소 펠렛은 금속 제조의 테크노레드 퍼니스와 같은 퍼니스에 직접 공급될 수 있다. 바이오탄소 펠렛은 바이오탄소 펠릿으로부터 합성가스를 제조하기 위한 목적으로 가스화기로의 공급을 위해 미분, 파쇄, 또는 밀링될 수 있다.
많은 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 직접적으로 또는 미분, 파쇄, 밀링 또는 달리 입자 크기 감소 단계 후에, 퍼니스에 공급된다. 퍼니스는 용광로, 탑-가스 재활용 용광로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 공기로로서 알려짐), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로 퍼니스, 연속 연쇄 퍼니스, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로 퍼니스, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크 퍼니스, 유도 퍼니스, 기본적 산소 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원된-금속 퍼니스, 또는 이의 조합 또는 파생물일 수 있다.
바이오카본 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수와 관계없이, 이들은 나중에 분쇄 공정을 거칠 필요가 없음에 유의한다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 농업 적용에서 직접 사용될 수 있다. 다른 예로서, 바이오카본 펠릿은 조경 벽과 같은 공학 구조물에 직접 통합될 수 있다. 바이오카본 펠릿을 포함하는 구조의 수명 종료시, 이어서, 펠릿은 분쇄, 연소, 가스화, 또는 달리 재사용 또는 재활용될 수 있다.
열분해 공정 및 시스템
바이오매스 공급원료 및 콘덴서 액체를 함께 갖는 생물기원 시약을 열분해하는 데 적합한 공정 및 시스템이 이제 더 상세히 기재될 것이다. 열분해 반응기(또는 반응)에 대한 설명은 일부 경우에 특히 고 고정-탄소 물질을 생산하기 위한 반응기(또는 반응)에 대한 참조로 이해될 것이다.
"열분해" 및 "열분해하다"는 일반적으로 탄소질 재료의 열 분해를 지칭한다. 열분해에서, 재료의 완전한 연소를 위해 요구되는 것보다 더 적은 산소, 예컨대, 완전한 연소를 위해 요구되는 산소의 10%, 5%, 1%, 0.5%, 0.1% 또는 0.01% 미만 (O2 몰 기준)이 존재한다. 일부 실시양태에서, 열분해는 산소의 부재 하에 수행된다.
열분해 동안 발생할 수 있는 예시적인 변화는 다음 중 임의의 것을 포함한다: (i) 열 공급원으로부터의 열 전달은 공급원료 내부의 온도를 증가시킴; (ii) 이러한 더 고온에서의 일차 열분해 반응의 개시는 휘발성 물질을 방출하고 숯을 형성함; (iii) 더 저온의 고체를 향한 고온 휘발성 물질의 유동은 고온 휘발성 물질 및 더 저온의 열분해되지 않은 공급원료 사이의 열 전달을 초래함; (iv) 공급원료의 더 저온의 부분에서 휘발성 물질 중 일부의 응축 후, 이차 반응이 타르를 생산할 수 있음; (v) 경쟁에서 일차 열분해 반응이 동시에 발생하는 동안 자가촉매 이차 열분해 반응이 진행됨; 및 (vi) 체류 시간, 온도, 및 압력 프로파일의 함수인, 추가의 열 분해, 개질, 물-가스 시프트 반응, 자유-라디칼 재조합, 또는 탈수가 또한 발생할 수 있음.
열분해는 출발 공급원료 (예컨대, 리그노셀룰로스 바이오매스)를 적어도 부분적으로 탈수시킬 수 있다. 다양한 실시양태에서, 열분해는 출발 공급원료로부터 약 50%, 75%, 90%, 95%, 99% 초과, 또는 그 초과의 물을 제거한다.
일부 실시양태에서, 출발 바이오매스 공급원료는 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 일반적으로 바이오매스 공급원료는 적어도 탄소, 수소 및 산소를 포함한다는 점에 유의한다.
생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt%의 총 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 생물기원 시약은 약, 적어도 약, 또는 최대 약 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 99 wt%의 탄소를 포함한다. 총 탄소는 고정 탄소 + 휘발성 물질에 존재하는 비-고정 탄소이다. 일부 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 달리 명시되지 않는 한 가정되는 절대 기준이다. 다른 실시양태에서, 구성요소 중량 백분율은 무-수분 및 무-회분 기준에 대한 것이다. 저 고정-탄소 재료 및 고 고정-탄소 재료의 조성에 대해서는 위에서 자세히 논의하였다.
열분해 조건은 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스에 대한 원하는 조성, 출발 공급원료, 반응기 구성 및 기타 인자에 따라 광범위하게 달라질 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중 반응기 구역은 공급원료 변형에 대한 유연성 및 조정성 및 생성물 요건을 유지하면서, 열분해로부터의 탄소 수율 및 생성물 품질을 최적화하는 방식으로 설계되고 작동된다.
일부 비-제한적인 실시양태에서, 온도 및 체류 시간은 비교적 느린 열분해 화학을 달성하도록 선택된다. 이점은 잠재적으로 바이오매스 구조에 포함된 세포 벽의 실질적인 보존이며, 이는 최종 생성물이 출발 바이오매스의 형상 및 강도의 일부, 대부분, 또는 전부를 유지할 수 있음을 의미한다. 이러한 잠재적 이익을 최대화하기 위해, 세포 벽을 기계적으로 파괴하지 않고 달리 바이오매스 입자를 작은 미립분으로 전환시키는 장치가 사용될 수 있다. 이러한 특정 반응기 구성은 아래 공정 설명 이후에 논의된다.
추가적으로, 공급원료가 밀링된 또는 사이징된 공급원료, 예컨대, 목재 칩 또는 펠릿인 경우, 공급원료를 주의깊게 밀링 또는 사이징하는 것이 바람직할 수 있다. 주의깊은 초기 처리는 천연 공급원료 공급원 (예컨대, 나무)에 존재하는 강도 및 세포-벽 무결성을 보존하는 경향이 있을 것이다. 이는 또한 최종 생성물이 출발 바이오매스의 형상 및 강도의 일부, 대부분 또는 전부를 유지해야 하는 경우에 중요할 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제1 구역은 바이오매스에, 세포 벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시할 "충격"을 주지 않는 방식으로 바이오매스 (또는 다른 탄소-함유 공급원료)를 공급하도록 구성된다. 이 제1 구역은 온화한 열분해로 간주될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제2 구역은, 예열된 바이오매스가 열분해 화학을 겪어 가스 및 응축성 증기를 방출하여, 고-탄소 반응 중간체인 유의한 양의 고체 재료를 남기는 일차 반응 구역으로서 구성된다. 바이오매스 구성요소 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌)는 분해되고, 증기를 생성하며, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 나노기공을 생성함으로써 빠져나간다. 후자의 효과는 다공성 및 표면적의 생성에 기여한다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기의 제3 구역은 고-탄소 반응 중간체를 수용하고 고체를 어느 정도 냉각시키도록 구성된다. 전형적으로, 제3 구역은 제2 구역보다 더 낮은 온도일 것이다. 제3 구역에서, 화학 및 질량 수송은 놀랍게 복잡할 수 있다. 임의의 특정 이론 또는 제안된 메커니즘에 의해 제한되지 않으면서, 이차 반응이 제3 구역에서 발생할 수 있는 것으로 믿어진다. 본질적으로, 가스 상인 탄소-함유 구성요소는 분해되어 추가적인 고정 탄소를 형성하거나 탄소에 흡착될 수 있다. 따라서, 최종 탄소질 재료는 단순히 고체의, 가공 단계의 탈휘발된 잔류물이 될 수 있는 것이 아니라, 오히려 탄소를 형성할 수 있는 유기 증기 (예컨대, 타르)의 분해에 의한 것과 같이 가스 상으로부터 침착된 추가적인 탄소를 포함할 수 있다.
특정 실시양태는 최종 생성물의 탄소 함량을 향상시키기 위해, 냉각된 탄소가 탄소-함유 종을 포함하는 환경에 적용되는 별도의 유닛을 포함함으로써 추가적인 탄소 형성의 개념을 확장한다. 이 유닛의 온도가 열분해 온도 미만인 경우, 추가적인 탄소는 추가적인 고정 탄소가 아닌 흡착된 탄소질 종의 형태일 것으로 예상된다.
임의의 특정 구역에 존재하는 하나 이상의 상의 중간 입력 및 출력 (퍼지 또는 프로브) 스트림, 다양한 질량 및 에너지 재활용 계획, 공정 중 어디에서나 도입될 수 있는 다양한 첨가제, 및 생성물 분포를 맞춤화하기 위한 반응 및 분리 조건 둘 모두를 포함하는 공정 조건의 조정가능성 등에 관한 것과 같은 다수의 옵션이 있다. 구역-특이적 입력 및 출력 스트림은 FTIR 샘플링 및 동적 공정 조정을 통한 것과 같이, 양호한 공정 모니터링 및 제어를 가능하게 한다.
일부 실시양태는 빠른 열분해를 사용하지 않고, 일부 실시양태는 느린 열분해를 사용하지 않는다. 놀랍게도, 매우 높은 분율의 고정 탄소를 갖는 조성물을 포함하는 고-품질 탄소 재료가 개시된 공정 및 시스템으로부터 수득될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약을 생산하기 위한 열분해 공정은 다음 단계를 포함한다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료 내에 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 하나 이상의 온도로 적어도 10분 동안 실질적으로 불활성 가스 상의 존재 하에 공급원료를 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기, 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 고온의 열분해된 고체를 냉각시켜, 냉각된 열분해된 고체를 생성하는 단계; 및
(g) 냉각된 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 생물기원 시약을 회수하는 단계.
본 개시내용의 목적상, "바이오매스"는 임의의 생물기원 공급원료 또는 생물기원 및 비-생물기원 공급원료의 혼합물로서 해석되어야 한다. 기본적으로, 바이오매스는 적어도 탄소, 수소, 및 산소를 포함한다. 방법 및 장치는 다양한 유형, 크기, 및 수분 함량의 폭넓은 범위의 공급원료를 수용할 수 있다.
바이오매스는 예를 들어, 식물 및 식물-유래 재료, 초목, 농업 폐기물, 임업 폐기물, 목재 폐기물, 종이 폐기물, 동물-유래 폐기물, 가금류-유래 폐기물, 및 도시 고형 폐기물을 포함한다. 바이오매스를 활용하는 다양한 실시양태에서, 바이오매스 공급원료는 다음으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다: 목재 수확 잔류물, 침엽수 칩, 활엽수 칩, 나뭇가지, 나무 그루터기, 옹이, 잎, 나무껍질, 톱밥, 오프-스펙 종이 펄프, 셀룰로스, 옥수수, 옥수수대, 밀짚, 볏짚, 사탕수수 바가스, 지팽이풀, 억새, 동물 거름, 도시 쓰레기, 도시 하수, 상업 폐기물, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 탄수화물, 플라스틱, 및 천. 당업자는 공급원료 옵션이 실질적으로 제한되지 않음을 용이하게 인식할 것이다.
본 개시내용은 또한 화석 연료(예를 들어, 석탄 또는 석유 코크스), 또는 바이오매스 및 화석 연료의 임의의 혼합물(예컨대 바이오매스/석탄 블렌드)과 같은 바이오매스 이외의 탄소-함유 공급원료에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 생물기원 공급원료는 석탄, 오일 셰일, 원유, 아스팔트, 또는 원유 가공으로부터의 고체 (예컨대, 페트코크) 이거나 이를 포함한다. 공급원료는 폐기 타이어, 재활용 플라스틱, 재활용 종이, 건설 폐기물, 해체 폐기물, 및 기타 폐기물 또는 재활용 재료를 포함할 수 있다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본원에 기재된 임의의 방법, 장치 또는 시스템은 임의의 탄소질 공급원료와 함께 사용될 수 있다. 탄소-함유 공급원료는 임의의 알려진 수단에 의해, 예컨대, 트럭, 기차, 선박, 바지선, 트랙터 트레일러, 또는 임의의 다른 비히클 또는 이송 수단에 의해 수송가능할 수 있다.
특정 공급원료 또는 공급원료들의 선택은 기술적으로 중요한 것으로서 간주되지 않지만, 경제적 공정을 유리하게 하는 경향이 있는 방식으로 수행된다. 전형적으로, 선택된 공급원료와 관계없이, (일부 실시양태에서는) 바람직하지 않은 재료를 제거하기 위한 스크리닝이 있을 수 있다. 공급원료는 가공 전에 임의로 건조될 수 있다.
사용되는 공급원료는 폭넓게 다양한 입자 크기 또는 형상으로 제공되거나 가공될 수 있다. 예를 들어, 공급 재료는 미세한 분말, 또는 미세한 입자 및 거친 입자의 혼합물일 수 있다. 공급 재료는 큰 조각의 재료, 예컨대, 목재 칩 또는 다른 형태의 목재 (예컨대, 원형, 원통형, 정사각형 등)의 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급 재료는 예컨대, 바인더와 함께 압착되거나 달리 이와 결합된, 펠릿 또는 입자의 다른 응집된 형태를 포함한다.
크기 감소는 비용이 많이 들고 에너지-집약적인 공정임에 유의한다. 열분해된 재료는 유의하게 더 적은 에너지 입력으로 사이징될 수 있으며 - 즉, 공급원료가 아닌 생성물의 입자 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 공정이 미세한 출발 재료를 필요로 하지 않고, 가공 동안 임의의 유의한 입자-크기 감소가 필수적이지 않기 때문에 이는 옵션이다. 매우 큰 조각의 공급원료를 가공하는 능력은 유의한 경제적 이점이다. 특히, 고-탄소 생성물의 일부 시장 적용은 실제로 (예컨대, 센티미터 단위의) 큰 크기를 요구하므로, 일부 실시양태에서, 큰 조각이 공급, 생산 및 판매된다.
실린더 형태와 같이 구조적 무결성을 갖는 최종 탄소질 생물기원 시약을 생산하는 것이 요망되는 경우, 본 개시내용의 맥락에서 적어도 2 개의 옵션이 있다. 먼저, 공정으로부터 생산된 재료를 수집한 다음, 기계적으로 원하는 형태로 추가 가공할 수 있다. 예를 들어, 생성물을 바인더와 함께 압착시키거나 펠릿화할 수 있다. 제2 옵션은, 일반적으로 최종 생성물에 대한 원하는 크기 또는 형상을 보유하는 공급 재료를 활용하고, 공급 재료의 기본 구조를 파괴하지 않는 가공 단계를 사용하는 것이다. 일부 실시양태에서, 공급물 및 생성물은 유사한 기하학적 구조 형상, 예컨대, 구, 원통, 또는 입방체를 갖는다.
생성물 강도가 중요한 경우, 공정 전반에 걸쳐 공급 재료의 대략적인 크기를 유지하는 능력이 중요하다. 또한, 이는 높은 고정-탄소 재료를 펠릿화하는 것의 어려움 및 비용을 모면한다.
출발 공급 재료는 인식될 것인 바와 같이, 다양한 수분 수준으로 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급 재료는 이미 충분히 건조되어 열분해 전에 추가로 건조될 필요가 없을 수 있다. 전형적으로, 통상적으로 수분을 포함하고 열분해 반응기로의 도입 전에 건조 단계를 통해 바이오매스를 공급하는 바이오매스의 상업적 공급원을 활용하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 일부 실시양태에서 건조된 공급원료가 활용될 수 있다.
열분해 반응기 내의 비교적 저-산소 환경, 예컨대, 가스 상 중의 약, 또는 최대 약, 10 mol%, 5 mol%, 4 mol%, 3 mol%, 2 mol%, 1.5 mol%, 1 mol%, 0.5 mol%, 0.2 mol%, 0.1 mol%, 0.05 mol%, 0.02 mol%, 또는 0.01 mol% O2를 제공하는 것이 대게 바람직하다. 먼저, 안전성의 이유로, 열분해 반응기에서 제어되지 않은 연소를 피해야 한다. CO2로의 일부 양의 총 탄소 산화가 발생할 수 있고, 발열 산화로부터 방출된 열은 흡열 열분해 화학을 보조할 수 있다. 합성가스로의 부분적 산화를 포함한 다량의 탄소의 산화는 고체에 대한 탄소 수율을 감소시킬 것이다.
실질적으로 말하면, 반응기에서 엄격하게 무-산소 환경을 달성하는 것은 어려울 수 있다. 이 한계에 접근할 수 있으며, 일부 실시양태에서, 반응기에는 가스 상에서 분자 산소가 실질적으로 없다. 열분해 반응기에 산소가 존재하지 않거나 거의 존재하지 않도록 보장하기 위해, 공급 재료를 반응기에 도입하기 전에 그로부터 공기를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 공급원료 중의 공기를 제거하거나 감소시키기 위한 다양한 방식이 있다.
일부 실시양태에서, 탈기 유닛이 활용될 수 있고, 여기서 공급원료는 건조 전 또는 후에, 흡착된 산소를 제거하고 공급원료 기공에 침투하여 기공으로부터 산소를 제거할 수 있는 다른 가스의 존재 하에 이송된다. 21 vol% 미만의 O2를 갖는 본질적으로 임의의 가스가 다양한 유효성으로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 질소가 사용된다. 일부 실시양태에서, CO 또는 CO2가 사용된다. 혼합물, 예컨대, 질소 및 소량의 산소의 혼합물이 사용될 수 있다. 스팀이 탈기 가스에 존재할 수 있지만, 공급물에 유의한 수분을 다시 첨가하는 것은 피해야 한다. 탈기 유닛으로부터의 유출물은 (대기 또는 배출 처리 유닛으로) 퍼징되거나 재활용될 수 있다.
원리적으로, 탈기 유닛으로부터의 유출물 (또는 이의 일부)은 고체로부터 제거된 산소가 이제 고도로 희석될 것이기 때문에, 열분해 반응기 자체로 도입될 수 있다. 이 실시양태에서, 반응기가 역류 구성으로 작동될 때, 탈기 유출 가스를 반응기의 마지막 구역에 도입하는 것이 유리할 수 있다.
다양한 유형의 탈기 유닛이 사용될 수 있다. 건조가 수행되어야 하는 경우, 존재하는 수분 밖으로 가용성 산소를 스크러빙하는 것이 비효율적일 수 있으므로, 건조시킨 다음 탈기하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 실시양태에서, 건조 및 탈기 단계가 단일 유닛으로 조합되거나, 일부 양의 탈기가 건조 등 동안 달성된다.
임의로 건조되고 임의로 탈기된 공급 재료는 직렬 또는 병렬로 열분해 반응기 또는 다중 반응기에 도입된다. 공급 재료는 예를 들어, 스크류 공급기 또는 잠금 호퍼를 포함한 임의의 알려진 수단을 사용하여 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 재료 공급 시스템은 에어 나이프를 포함한다.
단일 반응기가 사용될 때, 다중 구역이 존재할 수 있다. 다중 구역, 예컨대, 2, 3, 4개 이상의 구역은 전체 공정 성능을 조정하기 위해 온도, 고체 체류 시간, 가스 체류 시간, 가스 조성, 유동 패턴, 또는 압력의 별도의 제어를 가능하게 할 수 있다.
"구역"에 대한 언급은 단일 물리적 유닛, 물리적으로 별도의 유닛, 또는 이의 임의의 조합 내의 공간의 영역을 포함하는 것으로 광범위하게 해석되어야 한다. 연속 반응기의 경우, 구역의 구분은 반응기 내의 플라이트 또는 별도의 구역에 열을 제공하기 위한 별개의 가열 요소의 존재와 같은 구조와 관련될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 연속 반응기에서 구역의 구분은 뚜렷한 온도, 유체 유동 패턴, 고체 유동 패턴 및 반응의 정도 등과 같은 기능과 관련될 수 있다. 단일 배치 반응기에서, "구역"은 공간보다는 시간에 따른 작동 체제이다. 다중 배치 반응기가 또한 사용될 수 있다.
반드시 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 갑작스러운 전환이 있는 것은 아님이 인식될 것이다. 예를 들어, 예열 구역 및 열분해 구역 사이의 경계는 다소 임의적일 수 있으며; 일부 양의 열분해는 예열 구역의 일부에서 일어날 수 있고, 일부 양의 "예열"은 열분해 구역에서 계속 일어날 수 있다. 반응기에서의 온도 프로파일은 전형적으로 반응기 내의 구역 경계를 포함하여 연속적이다.
일부 실시양태는 예열 또는 온화한 열분해의 조건 하에서 작동되는 제1 구역을 사용한다. 제1 구역의 온도는 약 150℃ 내지 약 500℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 400℃로부터 선택될 수 있다. 제1 구역의 온도는 바람직하게는, 바이오매스 재료에 충격을 주어 세포 벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시할만큼 높지 않다.
본 명세서에서 구역 온도에 대한 모든 언급은 존재하는 벌크 고체, 또는 가스 상, 또는 반응기 벽 (공정 측면에서)에 적용될 수 있는 온도를 포함하도록 비-제한적인 방식으로 해석되어야 한다. 일시적으로 (즉, 시동 후 또는 과도 현상으로 인해) 뿐만 아니라, 축방향 및 방사상 둘 모두로, 각각의 구역에 온도 구배가 있을 것임이 이해될 것이다. 따라서, 구역 온도에 대한 언급은 평균 온도 또는 실제 동역학에 영향을 줄 수 있는 다른 유효 온도에 대한 언급일 수 있다. 온도는 열전대 또는 다른 온도 프로브에 의해 직접 측정되거나, 다른 수단에 의해 간접적으로 측정 또는 추정될 수 있다.
제2 구역, 또는 일반적으로 일차 열분해 구역은 열분해 또는 탄화 조건 하에서 작동된다. 제2 구역의 온도는 약 250℃ 내지 약 700℃, 예컨대, 약, 또는 적어도 약, 또는 최대 약, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃ 또는 650℃로부터 선택될 수 있다. 이 구역 내에서, 예열된 바이오매스는 열분해 화학을 겪어 가스 및 응축성 증기를 방출하여, 유의한 양의 고체 재료를 고-탄소 반응 중간체로서 남긴다. 바이오매스 구성요소 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌)은 분해되고 증기를 생성하고, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 기공을 생성함으로써 빠져나간다. 바람직한 온도는 적어도 제2 구역의 체류 시간, 뿐만 아니라 공급원료의 성질 및 원하는 생성물 특성에 따라 좌우될 것이다.
제3 구역 또는 냉각 구역은 고-탄소 반응 중간체를 다양한 정도로 냉각시키기 위해 작동된다. 최소한, 제3 구역의 온도는 제2 구역의 온도보다 더 낮은 온도여야 한다. 제3 구역의 온도는 약 100℃ 내지 약 550℃, 예컨대, 약 150℃ 내지 약 350℃로부터 선택될 수 있다.
화학 반응은 냉각 구역에서 계속 발생할 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 제한되지 않으면서, 이차 열분해 반응은 제3 구역에서 개시될 수 있는 것으로 여겨진다. 가스 상인 탄소-함유 구성요소는 응축될 수 있다 (제3 구역의 감소된 온도로 인해). 그러나, 온도는 응축된 액체로부터 추가적인 고정 탄소를 형성할 수 있는 반응 (이차 열분해)을 촉진하거나 적어도 흡착된 종 및 고정 탄소 사이의 결합을 형성하기에 충분히 높게 유지된다. 일어날 수 있는 하나의 예시적인 반응은 일산화탄소를 이산화탄소 + 고정 탄소로 전환시키는 부두아르(Boudouard) 반응이다.
반응기 구역의 체류 시간은 다양할 수 있다. 시간 및 온도의 상호작용이 있으므로, 원하는 양의 열분해에 대해, 더 높은 온도는 더 적은 반응 시간을 허용할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 연속 반응기 (구역)에서의 체류 시간은 부피를 부피 유량으로 나눈 것이다. 배치 반응기에서의 체류 시간은 반응 온도까지의 가열 후의 배치 반응 시간이다.
다상 반응기에는 다중 체류 시간이 있음을 인식해야 한다. 본 맥락에서, 각각의 구역에서, 고체 상 및 증기 상 둘 모두의 체류 시간 (및 체류-시간 분포)이 있을 것이다. 다중 구역을 사용하고, 주어진 처리량을 갖는 주어진 장치에 대해, 구역에 걸친 체류 시간은 일반적으로 고체 측면에서 커플링되지만, 개별 구역에서 다중 유입구 및 유출구 포트를 활용하는 경우, 체류 시간은 증기 측면에서 비커플링될 수 있다. 고체 및 증기 체류 시간은 비커플링된다.
예열 구역의 고체 체류 시간은 약 5 분 내지 약 60 분, 예컨대, 약 10, 20, 30, 40 또는 50 분으로부터 선택될 수 있다. 온도에 따라, 바이오매스가 원하는 예열 온도에 도달할 수 있게 하도록 충분한 시간이 요망된다. 입자 유형 및 크기, 물리적 장치, 및 가열 파라미터에 따라 좌우될 것인 열-전달 속도는 고체가 원하는 예열 온도에 도달하는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 추가적인 시간은 예열 구역에서 일부 양의 온화한 열분해가 의도되지 않는 한, 더 높은 자본 비용에 기여할 것이므로 바람직하지 않을 수 있다.
열분해 구역의 고체 체류 시간은 약 10 분 내지 약 120 분, 예컨대, 약 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100 분으로부터 선택될 수 있다. 이 구역에서의 열분해 온도에 따라, 필요한 열 전달 후, 탄화 화학이 일어나는 것을 가능하게 하기에 충분한 시간이 있어야 한다. 약 10 분 미만의 시간 동안, 다량의 비-탄소 원소를 제거하기 위해, 온도가 700℃ 초과와 같이 상당히 높아야 한다. 이 온도는 빠른 열분해 및 탄소 자체로부터 유래되는 이의 증기 및 가스 생성을 촉진하며, 이는 의도된 생성물이 고체 탄소인 경우에 피해야 할 것이다.
정적 시스템에서, 특정 시간에 실질적으로 도달할 수 있는 평형 전환이 있을 것이다. 특정 실시양태에서와 같이, 연속적인 휘발성 물질 제거와 함께 증기가 고체 위로 연속적으로 유동할 때, 반응 속도가 0에 접근할 때까지 열분해 및 탈휘발이 계속되는 것을 가능하게 하기 위해 평형 제약이 제거될 수 있다. 더 긴 시간은 남아있는 난분해성 고체를 실질적으로 변경하는 경향이 없을 것이다.
냉각 구역의 고체 체류 시간은 약 5 분 내지 약 60 분, 예컨대, 약 10, 20, 30, 40 또는 50 분으로부터 선택될 수 있다. 이 구역에서의 냉각 온도에 따라, 탄소 고체를 원하는 온도까지 냉각시키는 것을 가능하게 하기에 충분한 시간이 있어야 한다. 냉각 속도 및 온도는 탄소가 냉각되는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 일부 양의 이차 열분해를 원하지 않는 한, 추가적인 시간은 바람직하지 않을 수 있다.
위에 논의된 바와 같이, 증기 상의 체류 시간은 개별적으로 선택되고 제어될 수 있다. 예열 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 15 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 분으로부터 선택될 수 있다. 열분해 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 20 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 또는 15 분으로부터 선택될 수 있다. 냉각 구역의 증기 체류 시간은 약 0.1 분 내지 약 15 분, 예컨대, 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 분으로부터 선택될 수 있다. 짧은 증기 체류 시간은 시스템 밖으로의 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진하지만, 더 긴 증기 체류 시간은 고체 상과 증기 상 중의 구성요소의 반응을 촉진한다.
반응기 및 전체 시스템에 대한 작동의 모드는 연속, 반-연속, 배치, 또는 이들의 임의의 조합 또는 변형일 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 고체 및 증기가 실질적으로 반대 방향으로 유동하는 연속적인, 역류 반응기이다. 반응기는 또한 배치이지만 증기의 시뮬레이션된 역류 유동으로, 예컨대, 배치 용기로부터 가스 상의 주기적 도입 및 제거에 의해 작동될 수 있다.
다양한 유동 패턴이 요망되거나 관찰될 수 있다. 다중 반응기 구역에서의 다중 상을 포함하는 화학 반응 및 동시 분리에서는, 유체 역학이 상당히 복잡할 수 있다. 전형적으로, 고체의 유동은 플러그 유동 (방사상 차원에서 잘 혼합됨)에 접근할 수 있는 반면, 증기의 유동은 완전히 혼합된 유동 (방사상 및 축방향 차원 둘 모두에서 빠른 수송)에 접근할 수 있다. 증기에 대한 다중 유입구 및 유출구 포트가 전체적 혼합에 기여할 수 있다.
각각의 구역에서의 압력은 개별적으로 선택되고 제어될 수 있다. 각각의 구역의 압력은 약 1 kPa 내지 약 3000 kPa, 예컨대, 약 101.3 kPa (정상 대기압)로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 대기압 미만의 구역 압력이 요망될 때 가스를 철수시키기 위한 진공 포트를 포함하여 다중 가스 유입구 및 유출구가 사용되는 경우, 압력의 독립적 구역 제어가 가능하다.
일부 실시양태에서, 공정은 대기압에서 편리하게 작동될 수 있다. 기계적 단순성으로부터 향상된 안전성에 이르기까지 대기압에서의 작동과 연관된 많은 이점이 있다. 특정 실시양태에서, 열분해 구역은 약 90 kPa, 95 kPa, 100 kPa, 101 kPa, 102 kPa, 105 kPa 또는 110 kPa (절대 압력)의 압력에서 작동된다.
진공 작동 (예컨대, 10-100 kPa)은 시스템 밖으로의 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진할 것이다. 오프-가스가 고-압 작동에 공급되는 경우, 더 높은 압력 (예컨대, 100-1000 kPa)이 유용할 수 있다. 열 전달, 화학, 또는 분리를 촉진하기 위해 상승된 압력이 또한 유용할 수 있다.
고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부의 분리의 단계는 반응기 자체에서, 또는 별개의 분리 유닛을 사용하여 달성될 수 있다. 실질적으로 불활성인 스위프 가스가 구역 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 이어서, 응축성 증기 및 비-응축성 가스가 스위프 가스의 구역(들)으로부터 반응기 밖으로 운반된다.
스위프 가스는 예를 들어, N2, Ar, CO, CO2, H2, H2O, CH4, 기타 경질 탄화수소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 스위프 가스는 도입 전에 먼저 예열되거나, 가열된 공급원으로부터 수득되는 경우에는 냉각될 수도 있다.
스위프 가스는 휘발성 구성요소가 응축되거나 추가로 반응할 수 있기 전에 시스템 밖으로 이들을 꺼냄으로써 이들을 보다 철저하게 제거한다. 스위프 가스는 주어진 공정 온도에서 단순히 휘발로부터 달성되는 것보다 더 높은 속도로 휘발성 물질이 제거되는 것을 가능하게 한다. 또는, 스위프 가스의 사용은 특정량의 휘발성 물질을 제거하기 위해 더 온화한 온도가 사용되는 것을 가능하게 한다. 스위프 가스가 휘발성 물질 제거를 개선시키는 이유는 분리의 메커니즘이 단순히 상대적인 휘발성이 아니라 스위프 가스에 의해 보조되는 액체/증기 상 이탈이기 때문이다. 스위프 가스는 주어진 휘발성 종을 계속적으로 고갈시킴으로써 열역학적 제한을 감소시킬 뿐만 아니라 휘발의 질량-이동 제한을 감소시켜, 더 많은 휘발성 종을 증발시켜, 열역학적 평형을 달성할 수 있다.
일부 실시양태는 높은 고정 탄소를 갖는 생성물을 생산하기 위해, 후속 가공 단계로부터 휘발성 유기 탄소가 적재된 가스를 제거한다. 제거 없이, 휘발성 탄소는 열분해된 고체 상에 흡착되거나 흡수되고, 이에 따라 요망될 수 있는 탄소의 더 순수한 형태를 달성하기 위해 추가적인 에너지 (비용)를 필요로 할 수 있다. 증기를 빠르게 제거함으로써, 열분해된 고체에서 다공성이 향상될 수 있는 것으로 또한 추측된다. 일부 생성물에 대해 더 높은 다공성이 바람직하다.
특정 실시양태에서, 비교적 낮은 공정 압력, 예컨대, 대기압과 함께 스위프 가스는 다량의 불활성 가스의 필요 없이 빠른 증기 제거를 제공한다.
일부 실시양태에서, 스위프 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 역류로 유동한다. 다른 실시양태에서, 스위프 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 병류로 유동한다. 일부 실시양태에서, 고체의 유동 패턴은 플러그 유동에 접근하는 반면, 스위프 가스, 및 가스 상의 유동 패턴은 일반적으로 하나 이상의 구역에서 완전히 혼합된 유동에 접근한다.
스위프는 반응기 구역 중 임의의 하나 이상에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 냉각 구역에 도입되고 냉각 또는 열분해 구역으로부터 (생산된 휘발성 물질과 함께) 추출된다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 열분해 구역에 도입되고 열분해 또는 예열 구역으로부터 추출된다. 일부 실시양태에서, 스위프 가스는 예열 구역에 도입되고 열분해 구역으로부터 추출된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 스위프 가스는 예열, 열분해 및 냉각 구역 각각에 도입되고 또한 구역 각각으로부터 추출될 수 있다.
일부 실시양태에서, 분리가 수행되는 구역 또는 구역들은 반응기로부터 물리적으로 별도의 유닛이다. 원하는 경우, 반응기 구역 사이에 분리 유닛 또는 구역이 배치될 수 있다. 예를 들어, 열분해 및 냉각 유닛 사이에 위치하는 분리 유닛이 있을 수 있다.
스위프 가스는 특히 고체 유동이 연속적인 경우, 연속적으로 도입될 수 있다. 열분해 반응이 배치 공정으로서 작동되는 경우, 휘발성 물질을 제거하기 위해 특정 양의 시간 후에 또는 주기적으로 스위프 가스가 도입될 수 있다. 열분해 반응이 연속적으로 작동되는 경우에도, 원하는 경우, 적합한 밸브 또는 제어장치를 가지며 반-연속적 또는 주기적으로 스위프 가스가 도입될 수 있다.
휘발성 물질-함유 스위프 가스는 하나 이상의 반응기 구역으로부터 배출될 수 있고, 다중 구역으로부터 수득되는 경우 조합될 수 있다. 이어서, 다양한 증기를 포함하는 생성된 가스 스트림은 공기 배출의 제어를 위해 열 산화기에 공급될 수 있다. 임의의 알려진 열-산화 유닛이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 열 산화기에 천연 가스 및 공기가 공급되어, 그 안에 포함된 휘발성 물질의 실질적인 파괴를 위한 충분한 온도에 도달한다.
열 산화기의 유출물은 물, 이산화탄소 및 질소를 포함하는 고온 가스 스트림일 것이다. 이 유출물 스트림은 원하는 경우, 공기 배출물에 직접 퍼징될 수 있다. 바람직하게는, 폐-열 회수 유닛에서와 같이, 열 산화기 유출물의 에너지 함량이 회수된다. 에너지 함량은 또한 다른 스트림 (예컨대, 스위프 가스)과의 열 교환에 의해 회수될 수 있다. 에너지 함량은 직접 또는 간접 가열, 또는 가열 보조, 공정 내의 다른 부분의 유닛, 예컨대, 건조기 또는 반응기에 의해 활용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본질적으로 모든 열 산화기 유출물이 건조기의 간접 가열 (유틸리티 측면)에 사용된다. 열 산화기는 천연 가스 이외의 다른 연료를 사용할 수 있다.
탄소질 재료의 수율은 공급원료의 유형 및 공정 조건을 포함하여 위에 기재된 인자에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조 기준으로, 출발 공급원료의 백분율로서의 고체의 순 수율은 적어도 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 그 초과이다. 나머지는 응축성 증기, 예컨대, 테르펜, 타르, 알콜, 산, 알데히드, 또는 케톤; 및 비-응축성 가스, 예컨대, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 및 메탄 사이에서 분할될 것이다. 비-응축성 가스와 비교한 응축성 증기의 상대적인 양은 또한 존재하는 물을 포함하여 공정 조건에 따라 좌우될 것이다.
탄소 균형의 관점에서, 일부 실시양태에서, 공급원료 중의 출발 탄소의 백분율로서의 탄소의 순 수율은 적어도 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80% 또는 그 초과이다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 탄소질 재료는 출발 공급원료에 포함된 탄소 중 약 40% 내지 약 70%를 포함한다. 나머지 탄소는 다양한 정도로, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 경질 탄화수소, 방향족 물질, 타르, 테르펜, 알콜, 산, 알데히드 또는 케톤의 형성을 초래한다.
대안적인 실시양태에서, 이들 화합물 중 일부 부분은 탄소-풍부 고체와 조합되어 생성물의 탄소 및 에너지 함량을 풍부화시킨다. 이들 실시양태에서, 다양한 증기를 포함하는, 반응기로부터의 생성된 가스 스트림의 일부 또는 전부는 적어도 부분적으로 응축되고, 이어서 냉각 구역으로부터 또는 별도의 냉각 유닛으로부터 유래된 냉각된 열분해된 고체 위로 통과할 수 있다. 이들 실시양태는 아래에 보다 상세히 기재된다.
냉각 구역 (존재하는 경우) 내에서의 반응 및 냉각 후, 탄소질 고체는 별개의 냉각 유닛에 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체가 수집되고 낮은 속도로 단순히 냉각되도록 허용된다. 탄소질 고체가 공기 중에서 반응성 또는 불안정적인 경우, 불활성 분위기를 유지하거나 고체를 예를 들어, 40℃ 미만의 온도, 예컨대, 주변 온도로 빠르게 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 급속 냉각을 위해 물 켄칭이 사용된다. 일부 실시양태에서, 유동층 냉각기가 사용된다. "냉각 유닛"은 컴프리저(compriseers), 탱크, 파이프 또는 이들의 부분을 또한 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다.
일부 실시양태에서, 공정은 냉각 유닛을 작동시켜 가온된 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시키고, 이에 의해 저온의 열분해된 고체 및 과열된 스팀을 생성하는 단계를 추가로 포함하며; 여기서 건조는 적어도 부분적으로, 냉각 유닛으로부터 유래된 과열된 스팀으로 수행된다. 임의로, 냉각 유닛을 작동시켜 먼저 가온된 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시켜, 제1 냉각-유닛 온도에 도달한 다음, 공기로 냉각시켜, 제2 냉각-유닛 온도에 도달할 수 있으며, 여기서 제2 냉각-유닛 온도는 제1 냉각-유닛 온도보다 더 낮으며, 공기의 존재 하에 가온된 열분해된 고체에 대한 감소된 연소 위험과 연관되어 있다.
주변 조건으로 냉각시킨 후, 탄소질 고체는 회수 및 저장되거나, 다른 현장 작동으로 이송되거나, 다른 현장으로 수송되거나, 달리 배치, 거래 또는 판매될 수 있다. 고체는 입자 크기를 감소시키기 위해 유닛에 공급될 수 있다. 파쇄기, 슈레더, 분쇄기, 미분기, 제트 밀, 핀 밀, 및 볼 밀을 포함한 다양한 크기-감소 유닛이 당업계에 알려져 있다.
스크리닝 또는 입자 크기를 기반으로 한 분리를 위한 일부 다른 수단이 구성될 수 있다. 분쇄는 존재하는 경우, 분쇄의 업스트림 또는 다운스트림이 있을 수 있다. 스크리닝된 재료의 일부 (예컨대, 큰 덩어리)는 분쇄 유닛으로 되돌아갈 수 있다. 작은 및 큰 입자는 별도의 다운스트림 사용을 위해 회수될 수 있다. 일부 실시양태에서, 냉각된 열분해된 고체는 미세한 분말, 예컨대, 미분된 탄소 또는 활성탄 생성물로 분쇄된다.
다양한 첨가제가 본원에 개시된 임의의 단계 전에, 동안, 또는 후에 공정 전반에 걸쳐 도입될 수 있다. 첨가제는 원하는 탄소 순도를 달성하기 위한 탄소 수율 또는 열분해 시간/온도와 같은 공정 성능을 개선시키기 위해 선택된 공정 첨가제; 및 생물기원 시약, 또는 시약을 혼입한 다운스트림 생성물의 하나 이상의 특성을 개선시키기 위해 선택된 생성물 첨가제로서 광범위하게 분류될 수 있다. 특정 첨가제는 향상된 공정 및 생성물 (생물기원 시약 또는 생물기원 시약을 포함하는 생성물) 특징을 제공할 수 있다.
첨가제는 수확되기 전 또는 후, 임의의 시간에 공급원료 자체로의 첨가를 포함하여, 공정의 임의의 하나 이상의 단계 전에, 동안, 또는 후에 첨가될 수 있다. 첨가제 처리는 공급원료 사이징, 건조 또는 다른 제조 전에, 동안, 또는 후에 혼입될 수 있다. 첨가제는 공급원료 공급 시설, 수송 트럭, 하역 장비, 보관통, 컨베이어 (개방형 또는 폐쇄형 컨베이어 포함), 건조기, 공정 히터, 또는 임의의 다른 유닛에 또는 이들 상에 혼입될 수 있다. 첨가제는 첨가제 도입을 위한 적합한 수단을 사용하여, 열분해 공정 자체의 어느 곳에나 첨가될 수 있다. 첨가제는 원하는 경우, 탄화 후, 또는 심지어 미분 후에 첨가될 수 있다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운암 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 첨가제는 금속 할라이드로부터 선택된다. 금속 할라이드는 금속 및 할로겐 (불소, 염소, 브롬, 아이오딘 및 아스타틴) 간의 화합물이다. 할로겐은 금속과 많은 화합물을 형성할 수 있다. 금속 할라이드는 일반적으로 직접 조합, 또는 보다 통상적으로는, 염기성 금속 염과 할로겐화수소산의 중화에 의해 수득된다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 철 클로라이드 (FeCl2 또는 FeCl3), 철 브로마이드 (FeBr2 또는 FeBr3), 또는 이들의 수화물 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
첨가제는 더 높은 에너지 함량 (에너지 밀도)을 갖는 최종 생성물을 초래할 수 있다. 에너지 함량의 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소, 또는 심지어 수소의 증가로부터 초래할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에너지 함량의 증가는 불연성 물질 또는 탄소보다 더 낮은 에너지 밀도를 갖는 재료의 제거로부터 초래할 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 고체 및 가스 형성에 유리하게, 또는 고체 형성에 유리하게, 액체 형성의 정도를 감소시킨다.
임의의 특정 가설에 제한되지 않으면서, 첨가제는 출발 바이오매스, 또는 열분해 전의 처리된 바이오매스를 화학적으로 변형시켜, 더 큰 강도/무결성을 위해 세포 벽의 파열을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 열분해 전에 바이오매스 공급원료의 고정 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.
첨가제는 개선된 기계적 특성, 예컨대, 항복 강도, 압축 강도, 인장 강도, 피로 강도, 충격 강도, 탄성 모듈러스, 벌크 모듈러스, 또는 전단 모듈러스를 갖는 생물기원 시약을 초래할 수 있다. 첨가제는 단순히 존재에 의해 (예컨대, 첨가제 자체가 혼합물에 강도를 부여함) 또는 첨가제 상 내에서 또는 생성된 혼합물 내에서 일어나는 일부 변환으로 인해 기계적 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 반응, 예컨대, 유리화는 첨가제를 포함하는 생물기원 시약의 일부 내에서 발생할 수 있으며, 이에 의해 최종 강도가 개선된다.
화학적 첨가제는 습식 또는 건조 바이오매스 공급원료에 적용될 수 있다. 첨가제는 고체 분말, 스프레이, 미스트, 액체, 또는 증기로서 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제는 (예컨대, 수용액로서 또는 용매 중) 액체 용액의 분무를 통해, 또는 탱크, 통, 백 또는 기타 컴프리저에서의 담금에 의해 도입될 수 있다.
특정 실시양태에서, 고체 공급 재료로의 첨가제의 침투를 허용하기에 충분한 시간 동안, 배치식 또는 연속적으로, 첨가제를 포함하는 배쓰 내에 고체 공급원료를 침지시키는 침지 전처리가 사용된다.
일부 실시양태에서, 공급원료에 적용된 첨가제는 열분해를 위한 에너지 요건을 감소시키거나, 탄소질 생성물의 수율을 증가시킬 수 있다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 공급원료에 적용된 첨가제는 탄소질 생성물의 의도된 사용을 위해 원하는 기능성을 제공할 수 있다.
처리량 또는 공정 용량은 작은 실험실-규모 유닛으로부터 임의의 시험(pilot), 시연, 또는 준-상업적 규모를 포함한 전체 작동까지 폭넓게 달라질 수 있다. 다양한 실시양태에서, (공급원료, 생성물, 또는 둘 모두에 대한) 공정 용량은 적어도 약 1 kg/일, 10 kg/일, 100 kg/일, 1 톤/일 (모든 톤은 미터톤임), 10 톤/일, 100 톤/일, 500 톤/일, 1000 톤/일, 2000 톤/일, 또는 그 초과이다.
일부 실시양태에서, 생산된 고체의 일부는 공정의 전방 단부, 즉 건조 또는 탈기 유닛으로 또는 직접 반응기로 재활용될 수 있다. 전방 단부로 되돌아가고 다시 공정을 통과함으로써, 처리된 고체가 고정 탄소에 있어 더 높아질 수 있다. 공정 내에서 생산된 또는 존재하는 고체, 액체, 및 가스 스트림은 독립적으로 재활용되거나, 후속 단계로 전달되거나, 임의의 지점에서 공정으로부터 제거/퍼징될 수 있다.
일부 실시양태에서, 열분해된 재료를 회수한 다음, 추가의 열분해를 위해 별도의 유닛에 공급하여, 더 높은 탄소 순도 (예를 들어, 저 고정-탄소 물질을 고 고정-탄소 물질로 전환)를 갖는 생성물을 생성한다. 일부 실시양태에서, 이차 공정은 가열된 불활성 가스 (예컨대, 가열된 N2)가 통과하는 강철 드럼과 같은 간단한 컴프리저에서 실시될 수 있다. 이러한 목적상 유용한 다른 컴프리저는 공정 탱크, 배럴, 통, 토트, 자루 및 롤-오프를 포함한다. 휘발성 물질을 포함하는 이 이차 스위프 가스는 예를 들어, 열 산화기로, 또는 다시 주 공정 반응기로 보내질 수 있다. 최종 생성물을 냉각시키기 위해, 예를 들어, 초기에 주변 온도에 있는 불활성 가스의 다른 스트림을 고체에 통과시켜 고체를 냉각시킨 다음, 불활성 가스 예열 시스템으로 되돌아가게 할 수 있다.
일부 변형은 다음을 포함하는, 생물기원 시약 생산 시스템을 활용한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 다중-구역 반응기이되, 여기서 다중-구역 반응기는 적어도 공간적으로 분리된 냉각 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 구역을 포함하고, 여기서 다중-구역 반응기는 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 유출구와 함께 구성된, 다중-구역 반응기;
(d) 다중-구역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기; 및
(e) 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 생물기원 시약 회수 유닛.
일부 변형은 다음을 포함하는, 생물기원 시약 생산 시스템을 활용한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 공급원료를 가열하거나 경미하게 열분해하도록 구성된, 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 예열기;
(d) 공급원료를 열분해하도록 구성된, 예열기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 반응기;
(e) 열분해된 고체를 냉각시키도록 구성된, 열분해 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 냉각기; 및
(f) 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 생물기원 시약 회수 유닛,
여기서 시스템은 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 적어도 하나의 가스 유출구와 함께 구성됨.
공급기는 제1 반응 구역에 공급물 고체를 도입하기 위한 스크류 공급기 또는 오거(auger) 메커니즘의 사용을 통한 것과 같이 다중-구역 반응기와 물리적으로 통합될 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 구역을 추가로 포함한다. 열분해 구역, 냉각 구역, 및 예열 구역 (존재하는 경우) 각각은 단일 유닛 내에 위치할 수 있거나, 별도의 유닛에 위치할 수 있다.
임의로, 건조기는 다중-구역 반응기 내의 건조 구역으로서 구성될 수 있다. 임의로, 고체 냉각기는 다중-구역 반응기 내에 배치 (즉, 추가적인 냉각 구역으로서 구성되거나 주 냉각 구역과 통합)될 수 있다.
시스템은 시스템으로부터 산소를 제거하기 위한 퍼징 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 퍼징 수단은 실질적으로 불활성 가스를 도입하기 위한 하나 이상의 유입구, 및 시스템으로부터 실질적으로 불활성 가스 및 대체된 산소를 제거하기 위한 하나 이상의 유출구를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 퍼징 수단은 건조기 및 다중-구역 반응기 사이에서 작동가능하게 소통되도록 배치된 탈기기이다.
다중-구역 반응기는 바람직하게는 적어도 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구와 함께 구성된다. 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구는 상이한 구역과, 또는 동일한 구역과 소통되도록 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제2 가스 유입구 또는 제2 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제3 가스 유입구 또는 제3 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 제4 가스 유입구 또는 제4 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기에 존재하는 각각의 구역은 가스 유입구 및 가스 유출구와 함께 구성된다.
가스 유입구 및 유출구는 증기의 도입 및 철수를 가능하게 할 뿐만 아니라, 가스 유출구 (프로브)는 특히, 공정의 모든 단계까지 잠재적으로 포함하여 공정의 다양한 단계에 걸쳐 정밀한 공정 모니터링 및 제어를 가능하게 한다. 정밀한 공정 모니터링은 공정 조건을 조정하기 위해 작동 이력을 활용할 수 있는 기간에 걸쳐 뿐만 아니라 동적으로 수율 및 효율 개선을 초래할 것으로 예상된다.
바람직한 실시양태에서, 반응 가스 프로브는 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된다. 이러한 반응 가스 프로브는 반응의 정도, 열분해 선택성 또는 다른 공정 모니터링을 결정하기 위해, 가스를 추출하고 이를 분석하기에 유용할 수 있다. 이어서, 측정에 기반하여, 임의 수의 방식으로, 예컨대, 공급 속도, 불활성 가스 스위프의 속도, (하나 이상의 구역의) 온도, (하나 이상의 구역의) 압력 및 첨가제 등을 조정함으로써, 공정이 제어되거나 조정될 수 있다.
본원에 의도된 바와 같이, 반응 가스 프로브를 통한 "모니터링 및 제어"는 반응 가스 프로브를 통한 임의의 하나 이상의 샘플 추출, 및 임의로, 필요하거나 바람직하다고 간주되는 경우, 잘 알려진 공정 제어의 원리 (피드백, 피드포워드, 비례-적분-미분 논리 등)를 사용한, 측정에 기반한 공정 또는 장비 조정을 수행하는 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
반응 가스 프로브는 다수의 방식으로 가스 샘플을 철수하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 샘플링 라인은 열분해 반응기 압력보다 더 낮은 압력을 가질 수 있고, 그에 따라 샘플링 라인이 개방될 때, 일정량의 가스가 열분해 구역으로부터 용이하게 철수될 수 있다. 열분해 구역이 대기압 근처에 있는 경우와 같이, 샘플링 라인은 진공 하에서 있다. 전형적으로, 반응 가스 프로브는 하나의 가스 출력, 또는 이의 일부 (예컨대, 가스 출력 라인으로부터 분할된 라인)와 연관될 것이다.
일부 실시양태에서, 가스 입력 및 가스 출력 둘 모두는, 불활성 가스를 구역에 주기적으로 도입하고 가스 출력 밖으로 공정 샘플과 함께 불활성 가스를 끌어냄 ("샘플 스위프")으로써 반응 가스 프로브로서 활용된다. 이러한 배열은 달리 가공을 위한 실질적으로 불활성 가스에 대한 가스 유입구/유출구를 갖지 않는 구역에서 사용될 수 있거나, 반응 가스 프로브는 공정 유입구 및 유출구에 첨가되는 별도의 가스 유입구/유출구와 연관될 수 있다. (샘플 스위프를 활용하는 실시양태에서) 샘플링을 위해 주기적으로 도입되고 철수되는 샘플링 불활성 가스는 원하는 경우, 분석 정확도의 이유로 또는 분석 추적자의 도입을 위해 심지어 공정 불활성 가스와 상이할 수도 있다.
예를 들어, 샘플을 추출하기 위해 가스 프로브를 사용하여 열분해 구역의 가스 상 중의 아세트산 농도를 측정할 수 있으며, 그런 다음, 이를 적합한 기술 (예컨대, 가스 크로마토그래피, GC; 질량 분광법, MS; GC-MS, 또는 푸리에-변환 적외선 분광법, FTIR)을 사용하여 분석한다. 예를 들어, 가스 상 중의 CO 또는 CO2 농도가 측정되고 가스/증기에 대한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 상 중의 터르펜 농도가 측정되고 액체에 대한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 냉각 구역과, 또는 건조 구역 (존재하는 경우) 또는 예열 구역 (존재하는 경우)과 작동가능하게 소통되도록 배치된 적어도 하나의 추가적인 가스 프로브를 추가로 포함한다.
예를 들어, 냉각 구역에 대한 가스 프로브는 냉각 구역에서 일어나는 임의의 추가적인 화학의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 냉각 구역의 가스 프로브는 또한 독립적인 온도 측정으로서 유용할 수 있다 (예를 들어, 냉각 구역에 배치된 열전대에 추가로). 이 독립적인 측정은 특정 종의 측정된 양과 냉각 온도의 상관관계일 수 있다. 상관관계는 개별적으로 개발될 수 있거나, 일정 기간의 공정 작동 후에 확립될 수 있다.
예를 들어, 건조 구역에 대한 가스 프로브는 물 함량을 측정함으로써 건조의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 예를 들어, 예열 구역의 가스 프로브는 일어나는 임의의 온화한 열분해의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다.
특정 실시양태에서, 냉각 구역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대해 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 예열 구역 (존재하는 경우)은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대해 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 건조 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 실질적 역류 유동을 생성할 수 있다.
열분해 반응기 또는 반응기들은 열분해 공정을 수행할 수 있는 임의의 적합한 반응기 구성으로부터 선택될 수 있다. 예시적인 반응기 구성은 고정층 반응기, 유동층 반응기, 동반-유동 반응기, 오거, 절제 반응기, 회전 콘, 회전식 드럼 킬른, 하소기, 로스터, 이동층 반응기, 수송층 반응기, 절제 반응기, 회전 콘, 또는 마이크로파-보조 열분해 반응기를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
오거가 사용되는 일부 실시양태에서, 광사(sand) 또는 다른 열 운반체가 임의로 사용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료 및 광사가 스크류의 한쪽 단부에서 공급될 수 있다. 스크류는 광사 및 공급원료를 혼합하고, 반응기를 통해 이들을 이송한다. 스크류는 공급원료 체류 시간의 양호한 제어를 제공할 수 있고, 열분해된 생성물을 운반체 또는 유동화 가스로 희석하지 않는다. 광사는 별도의 용기에서 재가열될 수 있다.
절제 공정이 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 고온 금속 표면에 대항하여 고속으로 이동한다. 표면에서의 임의의 숯 형성의 절제는 높은 속도의 열 전달을 유지할 수 있다. 이러한 장치는 생성물의 희석을 방지할 수 있다. 대안으로서, 공급원료 입자가 운반체 가스 중에 현탁되고 벽이 가열되는 사이클론을 통해 고속으로 도입될 수 있다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 전형적으로 재순환된 생성물 가스인 가스에 의해 유동화된 고온 광사의 층에 도입될 수 있다. 본원에서 "광사"에 대한 언급은 또한 유사한, 실질적으로 불활성 재료, 예컨대, 유리 입자 및 회수된 회분 입자 등을 포함한다. 유동화된 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 초래할 수 있다. 광사 입자로의 마멸에 의한 일부 절제가 있을 수 있다. 열은 통상적으로 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 제공된다.
가스, 광사 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 사용될 수 있다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스 및 연소 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 규칙적인 유동층에서보다 더 강할 것으로 예상된다. 광사 및 숯 입자로부터 생성물 가스를 분리하기 위해 분리기가 사용될 수 있다. 광사 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기에 재활용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다중-구역 반응기는 공급원료 유입구, 반응 구역 각각 내에서 온도 및 혼합을 개별적으로 제어하도록 구성된 복수의 공간적으로 분리된 반응 구역, 및 탄소질-고체 유출구를 포함하는 연속 반응기이며, 여기서 반응 구역 중 하나는 반응기에 실질적으로 불활성 가스를 도입하기 위한 제1 가스 유입구와 함께 구성되고, 여기서 반응 구역 중 하나는 제1 가스 유출구와 함께 구성된다.
다양한 실시양태에서, 반응기는 적어도 2, 3, 4 개, 또는 그 초과의 반응 구역을 포함한다. 반응 구역 각각은 전기적 열 전달, 스팀 열 전달, 고온-오일 열 전달, 상-변화 열 전달, 폐열 전달, 또는 이의 조합으로부터 독립적으로 선택된 개별적으로 조정가능한 가열 수단과 소통되도록 배치된다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응기 구역은 존재하는 경우, 열 산화기로부터의 유출물 스트림으로 가열된다.
반응기는 반응기에 존재하는 모든 반응 구역까지 포함하여 적어도 2개의 반응 구역의 가스-상 조성 및 가스-상 체류 시간을 개별적으로 조정하도록 구성될 수 있다.
반응기에는 제2 가스 유입구 또는 제2 가스 유출구가 장착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 각각의 반응 구역에서 가스 유입구와 함께 구성된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 반응기는 각각의 반응 구역에서 가스 유출구와 함께 구성된다. 반응기는 병류 또는 역류 반응기일 수 있다.
일부 실시양태에서, 공급원료 유입구는 스크류 또는 오거 공급 메커니즘을 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소질-고체 유출구는 스크류 또는 오거 출력 메커니즘을 포함한다.
특정 실시양태는 스크류 공급기를 갖는 회전 하소기를 활용한다. 이들 실시양태에서, 반응기는 축방향으로 회전가능하고, 즉, 이는 그의 중심선 축을 중심으로 회전한다. 회전의 속도는 고체 유동 패턴, 및 열 및 질량 수송에 영향을 줄 것이다. 반응 구역 각각은 고체의 교반을 제공하기 위해 내부 벽에 배치된 플라이트와 함께 구성될 수 있다. 플라이트는 반응 구역 각각에서 개별적으로 조정가능할 수 있다.
고체 교반의 다른 수단, 예컨대, 오거, 스크류 또는 패들 컨베이어가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응기는 반응 구역 각각의 전반에 걸쳐 배치된 단일, 연속 오거를 포함한다. 다른 실시양태에서, 반응기는 반응 구역 각각의 전반에 걸쳐 배치된 트윈 스크류를 포함한다.
일부 시스템은 공정 전반에 걸쳐 공급 재료의 대략적인 크기를 유지하는 능력 - 즉 그 구조를 파괴하거나 유의하게 손상시키지 않고 바이오매스 공급원료를 가공하는 능력을 갖도록 특별히 설계된다. 일부 실시양태에서, 열분해 구역은 열분해될 공급 재료의 크기를 크게 감소시키는 경향이 있는 오거, 스크류 또는 갈퀴를 포함하지 않는다.
일부 실시양태에서, 시스템은 응축성 증기 및 비-응축성 가스가 제거되는 유출구와 작동가능하게 소통되도록 배치된 열 산화기를 추가로 포함한다. 열 산화기는 바람직하게는 별도의 연료 (예컨대, 천연 가스) 및 산화제 (예컨대, 공기)를, 연료 및 응축성 증기의 적어도 일부의 연소에 적합화된 연소 챔버에 수용하도록 구성된다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대, CO 또는 CH4는 또한 CO2로 산화될 수 있다.
열 산화기가 사용되는 경우, 시스템은 건조기에 대한 연소의 열의 적어도 일부를 활용하도록 구성된, 열 산화기 및 건조기 사이에 배치된 열 교환기를 포함할 수 있다. 이 실시양태는 공정의 전체 에너지 효율에 유의하게 기여할 수 있다.
일부 실시양태에서, 시스템은 고체와 적어도 부분적으로 응축된 형태의 응축성 증기를 조합하기 위해 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 탄소-향상 유닛을 추가로 포함한다. 탄소-향상 유닛은 회수 유닛으로부터 수득된 생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.
시스템은 생물기원 시약을 추가로 열분해하여, 이의 탄소 함량을 추가로 증가시키도록 적합화된 별도의 열분해 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 별도의 열분해 유닛은 비교적 간단히 컴프리저, 유닛, 또는 디바이스, 예컨대, 탱크, 배럴, 통, 드럼, 토트, 자루, 또는 롤-오프일 수 있다.
전체 시스템은 고정된 위치에 있을 수 있거나, 이는 여러 위치에 분포될 수 있다. 시스템은 실제 규모 확장을 위해 간단히 중복될 수 있는 모듈을 사용하여 구축될 수 있다. 시스템은 또한 공정 산업에서 잘 알려져 있는 바와 같이 규모의 경제 원리를 사용하여 구축될 수 있다.
이제, 고체의 탄소 향상에 관한 일부 변형이 추가로 기재될 것이다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약의 생산 공정은 다음을 포함한다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로, 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료와 함께 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 열분해 구역에서, 공급원료를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 10분 동안 그리고 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 냉각 구역에서, 고온의 열분해된 고체를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 5분 동안 그리고 열분해 온도 미만의 냉각 온도로 냉각시켜, 가온된 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(g) 임의로, 가온된 열분해된 고체를 냉각시켜, 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(h) 후속적으로 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부 또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체 또는 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 형성하는 단계; 및
(i) 향상된 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 생물기원 시약을 회수하는 단계.
일부 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 가온된 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 증기 또는 가스는 저온의 열분해된 고체와 접촉될 수 있다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
특정 실시양태에서, 단계 (h)는 증기 또는 응축된 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 실질적 전부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다. 특정 실시양태에서, 단계 (h)는 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 실질적 전부를 저온의 열분해된 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 열분해된 고체를 생산하는 것을 포함한다.
공정은 탄소 향상을 위한 이들의 사용 전에 증기 또는 가스를 처리 또는 분리하는 다양한 방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 (e)로부터 수득된, 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부로 이루어지는 중간 공급 스트림이 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 공급될 수 있다. 특정 실시양태에서, 중간 공급 스트림은 응축성 증기의 전부, 비-응축성 가스의 전부, 또는 둘 모두를 포함한다.
분리 기술은 증류 컬럼, 플래쉬 용기, 원심분리기, 사이클론, 멤브레인, 필터, 충전층, 및 모세관 컬럼 등을 포함하거나 사용할 수 있다. 분리는 주로, 예를 들어, 증류, 흡수, 흡착, 또는 확산을 기반으로 할 수 있으며, 증기압, 활성, 분자량, 밀도, 점도, 극성, 화학적 기능성, 고정 상에 대한 친화도, 및 이들의 임의의 조합의 차이를 활용할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성에 기반하여 중간 공급 스트림으로부터 분리된다. 예를 들어, 분리 유닛은 증류 컬럼, 플래쉬 탱크 또는 응축기일 수 있다.
따라서, 일부 실시양태에서, 제1 출력 스트림은 응축성 증기를 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-응축성 가스를 포함한다. 응축성 증기는 테르펜, 알콜, 산, 알데히드 또는 케톤으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 화합물을 포함할 수 있다. 열분해로부터의 증기는 방향족 화합물, 예컨대, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌을 포함할 수 있다. 보다 중질의 방향족 화합물, 예컨대, 내화성 타르가 증기에 존재할 수 있다. 비-응축성 가스는 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 극성에 기반한 분리된 중간 공급 스트림이다. 예를 들어, 분리 유닛은 스트리핑 컬럼, 충전층, 크로마토그래피 컬럼 또는 멤브레인일 수 있다.
따라서, 일부 실시양태에서, 제1 출력 스트림은 극성 화합물을 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-극성 화합물을 포함한다. 극성 화합물은 메탄올, 푸르푸랄 및 아세트산으로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다. 비-극성 화합물은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 터르펜, 및 터르펜 유도체로부터 선택된 하나 이상의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.
단계 (h)는 단계 (h)를 포함하지 않는 달리-동일한 공정에 비해, 생물기원 시약의 총 탄소 함량을 증가시킬 수 있다. 다양한 실시양태에서, 탄소 함량의 증가의 정도는 예를 들어, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 25%, 또는 심지어 그 초과일 수 있다.
일부 실시양태에서, 단계 (h)는 생물기원 시약의 고정 탄소 함량을 증가시킨다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 단계 (h)는 생물기원 시약의 휘발성 탄소 함량을 증가시킨다. 휘발성 탄소 함량은 시약의 휘발성 물질에 기인한 탄소이다. 휘발성 물질은 지방족 또는 방향족 화합물 (예컨대, 테르펜)을 포함한 탄화수소; 알콜, 알데히드 또는 케톤을 포함한 산소화물(oxygenates); 및 다양한 타르일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 휘발성 탄소는 전형적으로 주변 조건에서 고체에 결합되거나 흡착된 상태를 유지하지만, 가열시 고정 탄소가 산화, 가스화 또는 증기로서 달리 방출되기 전에 방출될 것이다.
단계 (h)와 연관된 조건에 따라, 일부 양의 휘발성 탄소가 (예컨대, CO로부터의 부두아르 탄소 형성을 통해) 고정 탄소가 되는 것이 가능하다. 전형적으로, 휘발성 물질은 고정 탄소의 미세기공으로 진입할 것이고 응축/흡착 종으로서 존재하지만, 비교적 휘발성으로 유지될 것이다. 이러한 잔류 휘발성은 높은 표면적 및 다공성을 필요로 하는 생성물 적용과 비교하여 연료 적용에 있어 보다 유리할 수 있다.
단계 (h)는 생물기원 시약의 에너지 함량 (즉, 에너지 밀도)을 증가시킬 수 있다. 에너지 함량의 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소 또는 심지어 수소의 증가에 기인할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 에너지 함량의 증가의 정도는 예를 들어, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 25% 또는 심지어 그 초과일 수 있다.
공정 또는 추가의 가공 내에서의 사용을 위해, 하나 이상의 비-응축성 가스 또는 응축성 증기를 회수하기 위해 추가의 분리가 사용될 수 있다. 예를 들어, 정련된 일산화탄소 또는 수소를 생산하기 위해 추가의 가공이 포함될 수 있다.
다른 예로서, 아세트산의 분리가 실시된 후, 아세트산의 에탄올로의 환원이 뒤따를 수 있다. 아세트산의 환원은 적어도 부분적으로, 생산된 비-응축성 가스로부터 유래된 수소를 사용하여 달성될 수 있다.
생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시키기 위해, 공정 (예컨대, 열 산화에 의한)에서의 또는 탄소 풍부화에서의 에너지를 위해 응축성 증기가 사용될 수 있다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대, CO 또는 CH4가 공정에서의 에너지를 위해 또는 열분해 단계를 위한 실질적 불활성 가스의 부분으로서 활용될 수 있다. 전술한 것들 중 임의의 것의 조합이 또한 가능하다.
단계 (h)를 포함하는 것의 잠재적 이익은 가스 스트림이 스크러빙되고 생성된 가스 스트림에 CO 및 CO2 풍부하다는 점이다. 생성된 가스 스트림은 에너지 회수에 대해 활용되거나, 고체의 탄소 풍부화를 위해 재활용되거나, 반응기에서 불활성 가스로서 사용될 수 있다. 유사하게, 응축성 증기로부터 비-응축성 가스를 분리함으로써, 예를 들어, 반응기 시스템 또는 냉각 시스템에서 불활성 가스로서의 사용을 위해 CO/CO2 스트림이 제조된다.
다른 변형은 탄소를 첨가하는 것이 요망되는 임의의 공급원료에 탄소-향상 단계의 원리가 적용될 수 있다는 인식을 전제로 한다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약의 생산을 위한 배치 또는 연속 공정은 다음을 포함한다:
(a) 탄소-함유 재료를 포함하는 고체 스트림을 제공하는 단계;
(b) 응축성 탄소-함유 증기, 비-응축성 탄소-함유 가스, 또는 응축성 탄소-함유 증기 및 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함하는 가스 스트림을 제공하는 단계; 및
(c) 가스 스트림을 적합한 조건 하에서 고체 스트림을 가로질러 통과시켜, 탄소-함유 재료에 비해 증가된 탄소 함량을 포함하는 탄소-함유 생성물을 형성하는 단계.
일부 실시양태에서, 출발 탄소-함유 재료는 열분해된 바이오매스 또는 반탄화된 바이오매스이다. 가스 스트림은 탄소-함유 재료를 제공하는 통합 공정 동안 수득될 수 있다. 또는, 가스 스트림은 탄소-함유 재료의 별도의 가공으로부터 수득될 수 있다. 가스 스트림, 또는 이의 일부는 외부 공급원 (예컨대, 제재소의 오븐)으로부터 수득될 수 있다. 다양한 공급원으로부터의, 가스 스트림의 혼합물, 뿐만 아니라 탄소-함유 재료의 혼합물이 가능하다.
일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 또는 에너지 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 재료와 상이한 다른 공급원료의 탄소 또는 에너지 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 공정은 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 가스 스트림을 도입하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 가스 스트림은 응축성 탄소-함유 증기 및 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함한다. 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성, 상대적 극성, 또는 임의의 다른 특성에 기반하여 분리될 수 있다. 가스 스트림은 탄소-함유 재료의 별도의 가공으로부터 수득될 수 있다.
일부 실시양태에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 공정은 다른 공급원료의 탄소 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 단계를 추가로 포함한다.
탄소-함유 생성물은 출발 탄소-함유 재료에 비해 증가된 총 탄소 함량, 더 높은 고정 탄소 함량, 더 높은 휘발성 탄소 함량, 더 높은 에너지 함량, 또는 이의 임의의 조합을 가질 수 있다.
관련 변형에서, 생물기원 시약 생산 시스템은 다음을 포함한다:
(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;
(b) 탄소-함유 공급원료 내에 포함된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;
(c) 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 다중-구역 반응기이되, 여기서 다중-구역 반응기는 공간적으로 분리된 냉각 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 구역을 적어도 포함하고, 여기서 다중-구역 반응기는 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 유출구와 함께 구성된, 다중-구역 반응기;
(d) 다중-구역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기;
(e) 응축성 증기 또는 비-응축성 가스를 고체를 가로질러 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 포함하는 향상된 고체를 형성하도록 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 재료-풍부화 유닛; 및
(f) 재료-풍부화 유닛과 작동가능하게 소통되도록 배치된 생물기원 시약 회수 유닛.
시스템은 열분해 구역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 구역을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 건조기가 다중-구역 반응기 내의 건조 구역으로서 구성된다. 구역 각각은 단일 유닛 내에 또는 별도의 유닛에 위치할 수 있다. 또한, 고체 냉각기는 다중-구역 반응기 내에 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 냉각 구역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 구역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 예열 구역 또는 건조 구역 (또는 건조기)은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적 역류 유동을 생성한다.
특정 실시양태에서, 시스템은 다음을 포함하는 재료-풍부화 유닛을 포함한다:
(i) 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 하우징;
(ii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 운반하도록 구성된 하우징의 하부 부분의 하단에 있는 유입구;
(iii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스로부터 유래된 농축된 가스 스트림을 운반하도록 구성된 하우징의 상부 부분의 상단에 있는 유출구;
(iv) 하우징의 상부 부분 및 하부 부분 사이에서 정의되는 경로; 및
(v) 고체를 수송하도록 구성된, 경로를 따르는 수송 시스템, 여기서 하우징은 고체가 응축성 증기의 적어도 일부 또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 흡착하도록 형상화된, 수송 시스템.
본 개시된 기술은 생물기원 시약으로서 유용한 다양한 조성물, 및 이러한 시약을 혼입한 생성물을 생산할 수 있다. 일부 변형에서, 생물기원 시약은 본원에 개시된 임의의 공정, 예컨대, 다음의 단계를 포함하는 공정에 의해 생산된다:
(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;
(b) 임의로, 공급원료를 건조시켜, 공급원료 내에 포함된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(c) 임의로, 공급원료를 탈기시켜, 임의의 경우, 공급원료와 함께 포함된 침입형 산소의 적어도 일부를 제거하는 단계;
(d) 열분해 구역에서, 공급원료를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 10분 동안 그리고 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;
(e) 고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(f) 냉각 구역에서, 고온의 열분해된 고체를 실질적 불활성 가스의 존재 하에 적어도 5분 동안 그리고 열분해 온도 미만의 냉각 온도로 냉각시켜, 가온된 열분해된 고체를 생성하는 단계;
(g) 가온된 열분해된 고체를 냉각시켜, 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계; 및
(h) 저온의 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 생물기원 시약을 회수하는 단계.
일부 실시양태에서, 시약은 건조 기준으로, 약 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 적어도 95 wt%의 총 탄소를 포함한다. 총 탄소는 적어도 고정 탄소를 포함하고, 휘발성 물질로부터의 탄소를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 휘발성 물질로부터의 탄소는 생물기원 시약에 존재하는 총 탄소의 적어도 약 5%, 적어도 10%, 적어도 25%, 또는 적어도 50%이다. 예를 들어, 고정 탄소는 ASTM D3172를 사용하여 측정될 수 있으며, 휘발성 탄소는 ASTM D3175를 사용하여 측정될 수 있다.
생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 10 wt% 이하, 예컨대, 약 5 wt% 이하의 수소를 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 1 wt% 이하, 예컨대, 약 0.5 wt% 이하의 질소를 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 0.5 wt% 이하, 예컨대, 약 0.2 wt% 이하의 인을 포함할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 0.2 wt% 이하, 예컨대, 약 0.1 wt% 이하의 황을 포함할 수 있다.
탄소, 수소 및 질소는 예를 들어, 궁극적 분석을 위해 ASTM D5373을 사용하여 측정될 수 있다. 산소는 예를 들어, ASTM D3176을 사용하여 측정될 수 있다. 황은 예를 들어, ASTM D3177을 사용하여 측정될 수 있다.
특정 실시양태는 수소 (존재할 수 있는 임의의 수분 제외), 질소, 인, 또는 황을 거의 갖지 않거나 본질적으로 갖지 않는 시약을 제공하고, 이는 실질적으로 탄소 + 존재하는 임의의 회분 및 수분이다. 따라서, 일부 실시양태는 건조/무-회분 (DAF) 기준으로, 최대 100% 그리고 100% 탄소를 갖는 생물기원 시약을 제공한다.
일반적으로 말하면, 공급원료, 예컨대, 바이오매스는 열분해 동안 용이하게 방출되지 않는 실리카 및 다양한 금속을 포함한 비-휘발성 종을 포함한다. 무-회분 공급원료를 활용하는 것이 물론 가능하며, 이 경우 열분해된 고체에 상당량의 회분이 없어야 한다. 회분은 예를 들어, ASTM D3174를 사용하여 측정될 수 있다.
다양한 양의 불연성 물질, 예컨대, 회분이 존재할 수 있다. 생물기원 시약은 건조 기준으로, 약 10 wt% 이하, 예컨대, 약 5 wt%, 약 2 wt%, 약 1 wt% 이하의 불연성 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 시약은 회분을 거의 포함하지 않거나, 심지어 본질적으로 회분 또는 다른 불연성 물질을 포함하지 않는다. 따라서, 일부 실시양태는 건조 기준으로, 100% 탄소를 포함하여 본질적으로 순수한 탄소를 제공한다.
다양한 양의 수분이 존재할 수 있다. 총 질량 기준으로, 생물기원 시약은 적어도 1 wt%, 2 wt%, 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 25 wt%, 35 wt%, 50 wt%, 또는 그 초과의 수분을 포함할 수 있다. 본원에 의도된 바와 같이, "수분"은 흡수된 수분, 흡착된 물 분자, 화학적 수화물, 및 물리적 수화물을 포함하여, 생물기원 시약에 존재하는 물의 임의의 형태를 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 평형 수분 함량은 적어도 국소 환경, 예컨대, 상대 습도에 따라 달라질 수 있다. 또한, 수분은 수송, 사용 준비, 및 기타 물류 동안 달라질 수 있다. 수분은 예를 들어, ASTM D3173을 사용하여 측정될 수 있다.
생물기원 시약은, 본 목적상 완전-건조(bone-dry) 시약의 총 연소와 연관된 더 높은 발열량에 기반한 에너지 밀도를 의미하는 다양한 에너지 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 생물기원 시약은 적어도 약 11,000 Btu/lb, 적어도 12,000 Btu/lb, 적어도 13,000 Btu/lb, 적어도 14,000 Btu/lb, 또는 적어도 15,000 Btu/lb의 에너지 함량을 보유할 수 있다. 특정 실시양태에서, 에너지 함량은 약 14,000-15,000 Btu/lb 사이이다. 에너지 함량은 예를 들어, ASTM D5865를 사용하여 측정될 수 있다.
생물기원 시약은 분말, 예컨대, 거친 분말 또는 미세 분말로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실시양태에서, 시약은 약 200 메쉬, 약 100 메쉬, 약 50 메쉬, 약 10 메쉬, 약 6 메쉬, 약 4 메쉬, 또는 약 2 메쉬의 평균 메쉬 크기를 갖는 분말로 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 압착된, 결합된 또는 응집된 입자를 포함하는 구조적 물체로 형성된다. 이들 물체를 형성하기 위한 출발 재료는 분말 형태의 시약, 예컨대, 입자-크기 감소에 의해 수득된 중간체일 수 있다. 물체는 임의로 바인더 또는 입자를 함께 응집시키는 다른 수단과 함께, 기계적 압착 또는 다른 힘에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 구조가 실질적으로 공급원료로부터 유래되는 구조적 물체의 형태로 생산된다. 예를 들어, 공급원료 칩은 생물기원 시약의 생성물 칩을 생성할 수 있다. 또는, 공급원료 실린더는 생물기원 시약 실린더를 생산할 수 있고, 이는 다소 더 작지만 달리 출발 재료의 기본 구조 및 기하학적 구조를 유지할 수 있다.
생물기원 시약은 적어도 약 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm, 10 cm, 또는 그 초과의 최소 치수를 갖는 물체로서 생산되거나, 이로 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 최소 치수 또는 최대 치수는 길이, 폭, 또는 직경일 수 있다.
다른 변형은 공정으로의, 생성물로의 또는 둘 모두로의 첨가제의 혼입에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 공정 동안 혼입된 하나 이상의 공정 첨가제를 포함한다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 시약은 공정 후에 시약에 도입되는 하나 이상의 생성물 첨가제를 포함한다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황; 및
금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된 첨가제.
첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황; 및
산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된 첨가제.
첨가제는 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
특정 실시양태에서, 생물기원 시약은 건조 기준으로, 다음을 포함한다:
70 wt% 이상의 총 탄소;
5 wt% 이하의 수소;
1 wt% 이하의 질소;
0.5 wt% 이하의 인;
0.2 wt% 이하의 황;
금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 첨가제; 및
산, 염기 또는 이의 염으로부터 선택된 제2 첨가제,
여기서 제1 첨가제는 제2 첨가제와 상이함.
제1 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으며, 제2 첨가제는 독립적으로 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
특정 생물기원 시약은 본질적으로 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제로 이루어진다.
특정 생물기원 시약은 본질적으로, 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제로 이루어진다.
첨가제의 양 (또는 총 첨가제)는 약 0.1 wt%, 약 1 wt%, 약 5 wt%, 약 10 wt% 또는 약 20 wt%를 포함한 약 0.01 wt% 내지 약 25 wt%와 같이 폭넓게 달라질 수 있다. 이어서, 상대적으로 많은 양, 예컨대, 약 1 wt% 초과의 첨가제가 혼입되는 경우, 총 시약 중량 (첨가제 포함)을 기준으로 계산된 에너지 함량의 감소가 있을 것임이 인식될 것이다. 또한, 다양한 실시양태에서, 첨가제(들)를 포함하는 생물기원 시약은 약 적어도 11,000 Btu/lb, 적어도 12,000 Btu/lb, 적어도 13,000 Btu/lb, 적어도 14,000 Btu/lb, 또는 적어도 15,000 Btu/lb의 에너지 함량을 보유할 수 있다.
생성물 형태에 관한 위의 논의는 또한 첨가제를 혼입하는 실시양태에 적용된다. 사실상, 특정 실시양태에서는 결합제, 플럭싱제, 또는 특정 적용에 대한 최종 특성을 향상시키기 위한 다른 변성제로서 첨가제를 혼입한다.
바람직한 실시양태에서, 생물기원 시약에 포함된 대부분의 탄소는 재생가능한 탄소로서 분류된다. 일부 실시양태에서, 실질적으로 모든 탄소는 재생가능한 탄소로서 분류된다. 특정 시장 메커니즘 (예컨대, 재생가능한 식별 번호, 세금 공제 등)이 있을 수 있으며, 여기서 가치는 생물기원 시약 내의 재생가능한 탄소 함량에 기인한다.
특정 실시양태에서, (예컨대, 석탄으로부터의) 고정 탄소는 비-재생가능한 탄소로서 분류될 수 있으며, 개별적으로 첨가될 수 있는 휘발성 탄소는 에너지 함량뿐만 아니라 재생가능한 탄소 가치를 증가시키기 위한 재생가능한 탄소일 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이 생산된 생물기원 시약은 폭넓게 다양한 탄소질 생성물에 유용하다. 생물기원 시약은 그 자체가 바람직한 시장 생성물일 수 있다. 본원에 제공된 바와 같은 생물기원 시약은 최신 기술과 비교하여 더 낮은 수준의 불순물, 감소된 공정 배출물, 및 개선된 지속성 (더 높은 재생가능한 탄소 함량 포함)과 연관된다.
변형에서, 생성물은 개시된 공정에 의해 수득될 수 있는, 또는 본원에 제시된 조성물에 기재된 생물기원 시약, 또는 이들의 임의의 부분, 조합 또는 유도체를 포함한다.
일반적으로 말하면, 생물기원 시약은 연소되어, 에너지 (전기 및 열 포함)를 생산하거나; 부분적으로 산화, 가스화, 또는 스팀-개질되어, 합성가스를 생산하거나; 이들의 흡착 또는 흡수 특성에 대해 활용되거나; 금속 정련 (예컨대, 금속 옥사이드의 환원) 또는 다른 산업 가공 동안 이들의 반응성 특성에 대해 활용되거나; 탄소 강철 및 다양한 다른 금속 합금에서의 이들의 재료 특성에 대해 활용될 수 있다. 본질적으로, 생물기원 시약은 개발될 특수 용도를 포함하여, 탄소-기반 상품 또는 고급 재료의 임의의 시장 적용에 대해 활용될 수 있다.
임의의 생성물 적용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 생물기원 시약은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 변형 (예컨대, 첨가제를 통해)될 수 있다. 화학적 조성 및 에너지 함량 이외에, 가능한 일부 관심 특성은 몇몇 특성을 들자면, 밀도, 입자 크기, 표면적, 미세다공성, 흡수성, 흡착성, 결합 용량, 반응성, 탈황 활성 및 염기도를 포함한다.
이들 생물기원 시약을 혼입할 수 있는 생성물 또는 재료는 탄소-기반 용광로 첨가 생성물, 탄소-기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물, 레이들 첨가 탄소-기반 생성물, 메트 코크스 탄소-기반 생성물, 석탄 교체 생성물, 탄소-기반 코킹 생성물, 탄소 브리즈 생성물, 주물 탄소, 소결 탄소, 유동층 탄소-기반 공급원료, 탄소-기반 퍼니스 첨가 생성물, 주입가능한 탄소-기반 생성물, 미분된 탄소-기반 생성물, 스토커 탄소-기반 생성물, 탄소 전극, 또는 활성탄 생성물을 포함하나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.
금속 생산에서의 개시된 생물기원 시약의 사용은 슬래그를 감소시키고, 전체 효율을 증가시키고, 생활주기 환경 영향을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시양태는 금속 가공 및 제조에 특히 잘 적합화된다.
일부 변형에서는 탄소-기반 용광로 첨가 생성물로서 생물기원 시약을 활용한다. 용광로는 산업용 금속, 예컨대, (비제한적으로) 철을 생산하기 위해 제련하는 데 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 제련은 추출 야금의 형태이며; 이의 주요 용도는 이의 광석으로부터 금속을 생산하는 것이다. 제련은 광석을 분해하기 위해 열 및 화학적 환원제를 사용한다. 탄소 또는 탄소로부터 유래된 일산화탄소는 광석으로부터 산소를 제거하여, 원소 금속을 남긴다.
환원제는 생물기원 시약으로 이루어질 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 용광로에서, 생물기원 시약, 광석 및 전형적으로 석회석은 퍼니스의 상단을 통해 연속적으로 공급될 수 있으며, 공기 (임의로 산소 풍부화를 가짐)는 챔버의 하단으로 취입되고, 그에 따라 재료가 하향 이동함에 따라 퍼니스 전반에 걸쳐 화학 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 용융된 금속 및 하단으로부터 탭핑되는 슬래그 상, 및 퍼니스의 상단으로부터 배출되는 연도 가스이다. 고온의 일산화탄소-풍부 가스의 상향 유동과 접촉되는 광석의 하향 유동은 역류 공정이다.
용광로에서의 탄소 품질은 열화에 대한 이의 저항성에 의해 측정된다. 투과성 매질로서의 탄소의 역할은 경제적인 용광로 작동에서 매우 중요하다. 탄소의 열화는 용광로의 위치에 따라 다르며, CO2, H2O 또는 O2와의 반응, 및 서로 및 다른 부하 구성요소에 대한 탄소 입자의 마모의 조합을 포함한다. 열화된 탄소 입자는 플러깅 및 불량한 성능을 유발할 수 있다.
코크스 반응성 테스트는 용광로에서의 탄소의 성능의 고도로 평가된 척도이다. 이 테스트는 다음의 2 개의 구성요소를 갖는다: 코크스 반응성 지수 (CRI) 및 반응 후 코크스 강도 (CSR). 낮은 CRI 값 (높은 반응성) 및 높은 CSR 값을 갖는 탄소-기반 재료가 우수한 용광로 성능을 위해 바람직하다. CRI는 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법에 따라, 예를 들어, 수신된-때 기준(as-received basis)으로 ASTM 방법 DS341에 의해 결정될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 용광로에 직접 도입하기에 적합한 특성을 갖는 탄소 생성물을 제공한다.
생물기원 시약의 강도는 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어, 낙하-충격(drop-shatter) 테스트 또는 CSR 테스트에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 임의로 다른 탄소 공급원과 블렌딩될 때, 생물기원 시약은 약 50%, 60% 또는 70% 이상의 CSR을 갖는 최종 탄소 생성물을 제공한다. 조합 생성물은 또한 용광로에서의 연소에 적합한 반응성을 갖는 최종 코크스 생성물을 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 생성물은 생물기원 시약이 메트 석탄, 메트 코크스, 코크스 브리즈, 주물 코크스, 소결 탄소 또는 주입가능한 석탄에 대한 교체물 또는 첨가제로서의 사용에 적합하게 되도록 하는 CRI를 갖는다.
일부 실시양태에서는, 용광로 생성물로서 사용하기에 불충분한 CRI 또는 CSR를 갖는 다른 탄소 공급원 (예컨대, 코크스)에 첨가될 때, 용광로에서 사용하기에 충분한 CRI 또는 CSR을 갖는 복합체 생성물을 제공하는 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 하나 이상의 첨가제를 사용한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 첨가제는 약 40%, 30% 또는 20% 이하의 CRI를 갖는 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 존재한다.
일부 실시양태에서, 알칼리 토금속, 또는 이의 옥사이드 또는 카보네이트로부터 선택된 하나 이상의 첨가제가 생물기원 시약의 생산 공정 동안 또는 후에 도입된다. 예를 들어, 칼슘, 칼슘 옥사이드, 칼슘 카보네이트, 마그네슘 옥사이드, 또는 마그네슘 카보네이트가 첨가제로서 도입될 수 있다. 열분해 전에, 동안, 또는 후에 이들 화합물의 첨가는 용광로에서의 생물기원 시약의 반응성을 증가시킬 수 있다. 이들 화합물은 더 강한 재료, 즉, 더 높은 CSR을 야기할 수 있고, 이에 의해 용광로 효율을 개선시킨다. 추가로, 알칼리 토금속, 또는 이의 옥사이드 또는 카보네이트로부터 선택된 것들과 같은 첨가제는 더 낮은 배출물 (예컨대, SO2)을 야기할 수 있다.
일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 적어도 약 55 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu 의 발열량을 포함하는 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 약 0.035 wt% 이하의 인, 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질, 및 임의로 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 백운석, 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 백운석 석회, 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 벤토나이트, 또는 약 2 wt% 내지 약 15 wt%의 칼슘 옥사이드를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용광로 교체 생성물은 실질적으로 약 1 cm 내지 약 10 cm 범위의 치수를 갖는다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 주물 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 주물 코크스는 일반적으로 적어도 약 85 wt%의 탄소 함량, 약 0.6 wt%의 황 함량, 약 1.5 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 13 wt% 이하의 회분, 약 8 wt% 이하의 수분, 약 0.035 wt%의 인, 약 30의 CRI 값, 및 약 5 cm 내지 약 25 cm 범위의 치수를 갖는 것으로서 특징된다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 탄소-기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물로서 활용한다. 철 및 강철 제조에서 사용되는 광석은 산화철이다. 주요 산화철 광석은 헤마타이트, 리모나이트 (또한 갈색 광석이라 불림), 타코나이트, 및 마그네타이트, 흑색 광석을 포함한다. 타코나이트는 저-등급이지만 중요한 광석이며, 이는 마그네타이트 및 헤마타이트 둘 모두를 포함한다. 타코나이트의 철 함량은 일반적으로 25 wt% 내지 30 wt%이다. 용광로는 효율적인 작동을 위해 전형적으로 적어도 50 wt%의 철 함량 광석을 필요로 한다. 철광석은 파쇄, 스크리닝, 텀블링, 부유선광 및 자력 분리를 포함한 선광을 겪을 수 있다. 정련된 광석은 60% 초과의 철로 풍부화되며, 종종 운송 전에 펠릿으로 형성된다.
예를 들어, 타코나이트는 미세 분말로 분쇄되고 바인더, 예컨대, 벤토나이트 점토 및 석회석과 조합될 수 있다. 예를 들어, 대략 65 wt% 철을 포함하는, 약 1 센티미터 직경의 펠릿이 형성될 수 있다. 펠릿은 소성되어 마그네타이트를 헤마타이트로 산화시킨다. 펠릿은 내구성이 있으며, 이는 용광로 장입물이, 가열된 가스가 펠릿화된 광석을 통과하여 이와 반응하는 것을 가능하게 하기에 충분히 다공성을 유지하는 것을 보장한다.
타코나이트 펠릿은 용광로 첨가 생성물과 관련하여 위에 기재된 바와 같이, 철을 생산하기 위해 용광로에 공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약이 용광로에 도입된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 생물기원 시약은 타코나이트 펠릿 자체에 혼입된다. 예를 들어, 타코나이트 광석 분말은 선광 후, 생물기원 시약 및 바인더와 혼합되고 작은 물체로 롤링된 다음, 경질이 될 때까지 베이킹될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 적절한 조성을 갖는 타코나이트-탄소 펠릿은 별도의 탄소 공급원의 필요 없이 용광로에 편리하게 도입될 수 있다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 레이들 첨가 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 레이들은 용융된 금속을 수송하고 붓는 데 사용되는 용기이다. 주조 레이들은 용융된 금속을 몰드에 부어 주조물을 생산하는 데 사용된다. 전달 레이들은 많은 양의 용융된 금속을 하나의 공정으로부터 다른 공정으로 전달하는 데 사용된다. 처리 레이들은 레이들로의 다양한 원소의 첨가에 의해 주철의 연성철로의 전환과 같이, 용융된 금속의 일부 양태를 변화시키기 위해 레이들 내에서 일어나는 공정에 사용된다.
생물기원 시약은 임의의 유형의 레이들에 도입될 수 있으나, 전형적으로 탄소는 표적 탄소 함량에 기반한 적합한 양으로 처리 레이들에 첨가될 것이다. 레이들에 주입된 탄소는 최종 조성물로의 탄소의 양호한 질량 수송을 위해, 미세 분말 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 레이들 첨가 생성물로서 사용될 때, 약 0.5 cm, 예컨대, 약 0.75 cm, 약 1 cm 또는 약 1.5 cm 이상의 최소 치수를 갖는다.
일부 실시양태에서, 고 탄소 생물기원 시약은 탄소의 레이들 첨가가 사용되는 (예컨대, 강철 제조 동안 레이들 탄소에 첨가되는) 어디에서나, 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다.
일부 실시양태에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제는 추가적으로 최대 약 5 wt% 망간, 최대 약 5 wt% 칼슘 옥사이드, 또는 최대 약 5 wt% 백운석 석회를 포함한다.
또한 해면철이라 불리는 직접-환원 철 (DRI)은 천연 가스 또는 석탄으로부터 기존의 생산된 환원 가스에 의해 철광석 (덩어리, 펠릿 또는 미립분의 형태)의 직접 환원으로부터 생산된다. 환원 가스는 전형적으로 환원제로서 작용하는 합성가스, 수소 및 일산화탄소의 혼합물이다. 본원에 제공된 바와 같은 생물기원 시약은 CO를 포함하는 가스 스트림으로 전환되어, 직접-환원 철을 생산하기 위한 환원제로서 작용할 수 있다.
철 너겟(iron nugget)은 고-품질 제강 및 철-주조 공급 재료이다. 철 너겟은 본질적으로 모두 철 및 탄소이며, 맥석 (슬래그)이 거의 없고 금속 잔류물의 수준이 낮다. 이들은 우수한 운송 및 취급 특징을 갖는 프리미엄 등급 선철 생성물이다. 철 너겟 또는 이의 임의의 일부에 포함된 탄소는 본원에 제공된 생물기원 시약일 수 있다. 철 너겟은 생물기원 시약을 환원체(reductant) 및 에너지 공급원으로서 사용하여, 회전식 난로 퍼니스에서의 철광석의 환원을 통해 생산될 수 있다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 야금 코크스 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 또한 "메트" 코크스로서 알려진 야금 코크스는 통상적으로 역청탄의 다양한 블렌드의 파괴성 증류에 의해 제조되는 탄소 재료이다. 최종 고체는 야금 코크스라 불리는 비-용융 탄소이다. 휘발성 가스의 손실 및 부분적 용융의 결과로서, 메트 코크스는 개방 다공성 모폴로지를 갖는다. 메트 코크스는 매우 낮은 휘발성 물질 함량을 갖는다. 그러나, 원래 역청탄 공급원료의 부분이었던 회분 구성성분은 생성된 코크스에 캡슐화되어 남아 있다. 메트 코크스 공급원료는 미세 분말로부터 농구공-크기의 덩어리까지의 폭넓은 범위의 크기로 이용가능하다. 전형적인 순도는 86-92 wt% 고정 탄소의 범위이다.
야금 코크스는 고-품질의 인성, 탄력성, 마모성(wearing) 탄소가 요구되는 경우에 사용된다. 적용은 전도성 바닥재, 마찰재 (예컨대, 탄소 라이닝), 주물 코팅, 주물 탄소 발생기, 부식 재료, 드릴링 적용, 환원제, 열-처리제, 세라믹 패킹 매질, 전해 공정, 및 산소 배제를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
메트 코크스는 파운드당 약 10,000 내지 14,000 Btu의 발열량 및 약 10 wt% 이상의 회분 함량을 갖는 것으로서 특징될 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 메트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%, 85 wt%, 또는 90 wt%의 탄소, 약 0.8 wt% 이하의 황, 약 3 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 15 wt% 이하의 회분, 약 13 wt% 이하의 수분, 및 약 0.035 wt% 이하의 인을 포함하는 생물기원 시약을 포함한다. 생물기원 시약은 메트 코크스 교체 생성물로서 사용될 때, 예를 들어, 약 2 cm 내지 약 15 cm의 크기 범위를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 메트 코크스 교체 생성물은 첨가제, 예컨대, 크롬, 니켈, 망간, 마그네슘 옥사이드, 규소, 알루미늄, 백운석, 플루오로스파, 칼슘 옥사이드, 석회, 백운석 석회, 벤토나이트 또는 이들의 조합을 추가로 포함한다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 석탄 교체 생성물로서 활용한다. 석탄을 사용하는 임의의 공정 또는 시스템은 원리적으로 생물기원 시약을 사용하도록 적합화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 하나 이상의 석탄-기반 생성물과 조합되어, 석탄-기반 생성물(들)보다 더 높은 순위를 갖거나, 연소될 때 순수한 석탄-기반 생성물보다 더 적은 배출물을 갖는 복합체 생성물을 형성한다.
예를 들어, 낮은-순위 석탄, 예컨대, 아-역청탄은, 선택된 양의 생물기원 시약을 저-순위 석탄 생성물과 조합함으로써, 더 높은-순위 석탄 생성물, 예컨대, 역청탄을 통상적으로 요구하는 적용에서 사용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 혼합된 석탄 생성물 (예컨대, 상이한 순위의 복수의 석탄의 조합)의 순위는 혼합된 석탄을 일부 양의 생물기원 시약과 조합함으로써 개선될 수 있다. 석탄 생성물(들)과 혼합될 생물기원 시약의 양은 석탄 생성물(들)의 순위, 생물기원 시약의 특징 (예컨대, 탄소 함량, 발열량 등) 및 최종 조합 생성물의 원하는 순위에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 무연탄은 일반적으로 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.6 wt%의 황, 약 5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 15 wt%의 회분, 최대 약 10 wt%의 수분, 및 약 12,494 Btu/lb의 발열량을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 무연탄 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.6 wt% 이하의 황, 약 15 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 생물기원 시약이다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 열 석탄 교체 생성물로서 유용하다. 열 석탄 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 높은 회분 함량, 및 최대 약 15,000 Btu/lb의 발열량을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 열 석탄 교체 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 생물기원 시약이다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 탄소-기반 코킹 생성물로서 활용한다. 임의의 코킹 공정 또는 시스템은 생물기원 시약을 사용하여 코크스를 생산하거나, 이를 코크스 공급원료로서 사용하도록 적합화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 예를 들어, 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물은 적어도 약 50 wt%의 탄소, 약 8 wt% 이하의 회분, 약 0.5 wt% 이하의 황, 및 적어도 약 11,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약으로 이루어질 수 있다. 다른 실시양태에서, 열 코크스 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질을 추가로 포함한다. 열 석탄 또는 코크스 교체 생성물은 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt%의 수분을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 석유 (페트) 코크스 또는 하소 페트 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt%의 탄소, 최대 4.6 wt%의 황, 최대 약 5.5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 19.5 wt%의 회분, 및 최대 약 2 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징되고, 전형적으로 약 3 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 실시양태에서, 하소 페트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 4.6 wt% 이하의 황, 약 19.5 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 생물기원 시약이고, 약 3 메쉬 이하로 사이징된다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 코킹 탄소 교체 탄소 (예컨대, 코킹 퍼니스에서 야금 석탄과 공동-소성됨)로서 유용하다. 일 실시양태에서, 코킹 탄소 교체 생성물은 적어도 약 55 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu의 발열량을 포함하는 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 코킹 탄소 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질, 또는 하나 이상의 첨가제를 포함한다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 탄소 브리즈 생성물로서 활용하며, 이는 전형적으로 매우 미세한 입자 크기, 예컨대, 6 mm, 3 mm, 2 mm 또는 1 mm 이하를 갖는다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 코크스 브리즈 교체 생성물로서 유용하다. 코크스 브리즈는 일반적으로 약 6 mm 이하의 최대 치수, 적어도 약 80 wt%의 탄소 함량, 0.6 내지 0.8 wt%의 황, 1% 내지 20 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 13 wt%의 회분, 및 최대 약 13 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징된다. 일부 실시양태에서, 코크스 브리즈 교체 생성물은 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.8 wt% 이하의 황, 약 20 wt% 이하의 휘발성 물질, 약 13 wt% 이하의 회분, 약 13 wt% 이하의 수분, 및 약 6 mm의 최대 치수를 포함하는 생물기원 시약이다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 예를 들어, 타코나이트 펠릿 생산 동안 또는 철-제조 공정에서 탄소 브리즈 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 다양한 유동층에 대한 공급원료로서, 또는 유동층 탄소-기반 공급원료 교체 생성물로서 활용한다. 탄소는 전체 연소, 부분적 산화, 가스화 또는 스팀 개질 등을 위해 유동층에서 사용될 수 있다. 탄소는 주로 에너지의 생산 (예컨대, 열병합 발전), 또는 액체 연료 (예컨대, 메탄올 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 디젤 연료)를 포함하여, 다양한 다운스트림 용도를 위한 합성가스로 전환될 수 있다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 유동층 퍼니스에서 유동층 석탄 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 탄소-기반 퍼니스 첨가 생성물로서 활용한다. 석탄-기반 탄소 퍼니스 첨가 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 및 높은 회분 함량을 갖는 것으로서 특징되며, 이는 금속 생성물의 열화에 기여하고 대기 오염을 생성한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약을 포함하는 탄소 퍼니스 첨가 교체 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 약 0.03 wt% 이하의 인, 및 약 7.5 cm의 최대 치수를 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 퍼니스 첨가 교체 생성물 교체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt%의 휘발성 물질 및 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt%의 수분을 포함한다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 퍼니스 첨가 탄소가 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다. 예를 들어, 퍼니스 첨가 탄소는 전기-아크 퍼니스 설비에서 강철 제조 동안 고철에 첨가될 수 있다. 전기-아크 퍼니스 적용의 경우, 보다 이른 불순물의 제거 후 공정에 불순물이 다시 도입되지 않도록 고-순도 탄소가 요망된다.
일부 실시양태에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 적어도 약 80 wt%의 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 재료, 및 파운드당 적어도 약 11,000 Btu의 발열량을 포함하는 생물기원 시약이다. 일부 실시양태에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 최대 약 5 wt%의 망간, 최대 약 5 wt%의 플루오로스파, 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 백운석, 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 백운석 석회, 또는 약 5 wt% 내지 약 10 wt%의 칼슘 옥사이드를 추가로 포함한다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 스토커 퍼니스 탄소-기반 생성물로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 어디에서나, 예를 들어, 스토커 퍼니스 설비에서, 스토커 석탄 교체 생성물로서 유용하다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 주입가능한 (예컨대, 미분된) 탄소-기반 재료로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 주입-등급 하소 페트 코크스 교체 생성물로서 유용하다. 주입-등급 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 0.55 내지 약 3 wt%의 황, 최대 약 5.5 wt%의 휘발성 물질, 최대 약 10 wt%의 회분, 최대 약 2 wt%의 수분을 갖는 것으로서 특징되며, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 실시양태에서, 하소 페트 코크스 교체 생성물은 적어도 약 66 wt%의 탄소, 약 3 wt% 이하의 황, 약 10 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 생물기원 시약이고, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 주입가능한 탄소가 사용되는 임의의 적용 (예컨대, 강철 제조 동안 슬래그 또는 레이들에 주입됨)에서 예를 들어, 기본적 산소 퍼니스 또는 전기 아크 퍼니스 설비에서, 주입가능한 탄소 교체 생성물로서 유용하다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 예를 들어, (예컨대, 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 미분탄이 사용되는 어디에서나, 미분된 탄소 교체 생성물로서 유용하다. 일부 실시양태에서, 미분탄 교체 생성물은 최대 약 10 퍼센트의 칼슘 옥사이드를 포함한다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 금속 생산을 위한 탄소 첨가 생성물로서 활용한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 탄소 강철 또는 탄소를 포함하는 다른 금속 합금의 생산을 위한 탄소 첨가 생성물로서 유용하다. 석탄-기반 후기-단계 탄소 첨가 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 및 높은 회분 함량, 및 높은 수은 수준을 갖는 것으로서 특징되며, 이는 금속 품질을 저하시키고 공기 오염에 기여한다. 일부 실시양태에서, 탄소 첨가 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 약 0.03 wt% 이하의 인, 약 1 내지 5 mm의 최소 치수, 및 약 8 내지 12 mm의 최대 치수를 포함한다.
일부 변형에서는 탄소 전극 내에서 생물기원 시약을 활용한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 예를 들어, 알루미늄 생산에서의 사용에 적합한 전극 (예컨대, 양극) 재료로서 유용하다.
탄소 전극에서의 생물기원 시약의 다른 용도는 배터리, 연료 전지, 커패시터, 및 기타 에너지-저장 또는 에너지-전달 디바이스에서의 적용을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리에서, 생물기원 시약은 리튬을 삽입하기 위해 양극 측면에 사용될 수 있다. 이들 적용에서, 탄소 순도 및 낮은 회분은 매우 중요할 수 있다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 촉매 지지체로서 활용한다. 탄소는 합성가스로부터의 고급 탄화수소의 피셔-트롭쉬 합성을 위해 탄소 상에 지지된 철-기반 촉매, 또는 탄소 상에 지지된 황화 코발트-몰리브덴 금속 촉매를 사용하는, 합성가스로부터의 혼합-알콜 합성과 같은 폭넓은 범위의 촉매화된 화학 반응에서의 알려진 촉매 지지체이다.
일부 변형에서는 생물기원 시약을 활성탄 생성물로서 활용한다. 활성탄은 물 처리, 공기 정제, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 및 의약품을 포함한 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 적용에서 사용된다. 활성탄의 경우, 재료의 다공성 및 표면적이 일반적으로 중요하다. 본원에 제공된 생물기원 시약은 다양한 실시양태에서, (i) 화석-연료 기반 활성탄보다 더 큰 표면적; (ii) 탄소 재생가능성; (iii) 오염물질 제어를 향상시키는 첨가제의 침투/분배를 더 잘 허용하는 첨가제와 함께 바이오매스 공급원료의 혈관 성질; 및 (iv) 더 큰 반응성을 야기하는 덜 불활성인 재료 (회분)로 인해, 우수한 활성탄 생성물을 제공할 수 있다.
생물기원 시약의 시장 적용의 위의 설명에서, 기재된 적용은 배타적이거나 완전한 것이 아니라는 점을 인식해야 한다. 따라서, 다양한 실시양태에서, 탄소 생성물 중 하나의 유형에 적합한 것으로서 기재된 생물기원 시약은 기재된 임의의 다른 적용에 적합할 수 있다. 이들 적용은 단지 예시적이며, 생물기원 시약의 다른 적용도 있다.
추가로, 일부 실시양태에서, 동일한 물리적 재료가 통합 방식으로 또는 순차적으로 다중 시장 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 탄소 전극 또는 활성탄으로서 사용되는 생물기원 시약은 성능 재료로서의 이의 유용 수명의 종료시, 이어서 에너지 가치에 대한 연소 공정에 또는 금속-제조 (예컨대, 금속 광석 환원) 공정 등에 도입될 수 있다.
일부 실시양태에서는 반응성/흡착 특성을 위해 그리고 또한 연료로서 생물기원 시약을 사용할 수 있다. 예를 들어, 배출 스트림에 주입된 생물기원 시약은 오염물을 제거한 후 생물기원 시약 입자 및 가능하게는 오염물을 연소시켜 에너지를 생산하고 오염물을 열적으로 파괴하거나 화학적으로 산화시키는 데 적합할 수 있다.
기존의 화석-연료-기반 생성물과 비교하여, 유의한 환경 및 생성물 사용 이점이 생물기원 시약과 연관될 수 있다. 생물기원 시약은 환경적으로 우수할 뿐만 아니라, 예를 들어, 더 높은 순도로 인해 가공 관점에서 기능적으로도 우수할 수 있다.
금속 생산의 일부 실시양태와 관련하여, 개시된 공정을 이용한 생물기원 시약의 생산은 금속 생산에서의 사용을 위해 이들을 제조하는 데 필요한 석탄-기반 생성물의 코킹과 비교하여 CO, CO2, NOx, SO2 및 유해 대기 오염물질의 유의하게 더 낮은 배출을 초래할 수 있다.
석탄 또는 코크스 대신 생물기원 시약의 사용은 또한 SO2, 유해 대기 오염물질, 및 수은의 환경 배출을 유의하게 감소시킨다.
또한, 이들 생물기원 시약 (낮은 회분 함량 포함)의 순도로 인해, 개시된 생물기원 시약은 배치 금속-제조 공정에서 슬래그를 감소시키고 생산 용량을 증가시키는 잠재력을 갖는다.
일부 실시양태에서, 생물기원 시약은 활성탄으로서 기능한다. 예를 들어, 저 고정-탄소 재료가 활성화되거나, 고 고정-탄소 재료가 활성화되거나, 두 재료 모두 활성화되어 바이오카본 조성물(블렌드)이 활성탄으로 기능할 수 있다.
특정 실시양태에서, 생물기원 시약의 일부는 활성탄 생성물로서 회수되며, 생물기원 시약의 다른 일부 (예컨대, 나머지)는 바인더와 펠릿화되어 바이오카본 펠릿을 생산한다. 다른 실시양태에서, 생물기원 시약은 바인더와 펠릿화되어 이후에 활성탄 생성물로 전환시키기 위해 운송되는 바이오카본 펠릿을 생산한다. 이후 전환은 다시 분말로의 미분을 포함할 수 있고, 예컨대, 스팀, 산 또는 염기를 이용한 화학 처리를 또한 포함할 수 있다. 이들 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 활성탄 전구체 펠릿으로서 간주될 수 있다.
특정 실시양태에서, 생물기원 시약 내의 고정 탄소는 주로 활성탄을 제조하는 데 사용될 수 있으며, 생물기원 시약 내의 휘발성 탄소는 주로 환원 가스를 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단계 (b)에서 생성된 생물기원 시약 내의 고정 탄소 중 적어도 50 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 본질적으로 모두가 단계 (f)에서 활성탄으로서 회수될 수 있으며, 예를 들어, 단계 (b)에서 생성된 생물기원 시약 내의 휘발성 탄소의 적어도 50 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 본질적으로 모두가 환원 가스로 지시될 수 있다 (예컨대, 휘발성 탄소의 CO로의 스팀-개질 반응을 통해).
활성탄은 생산될 때, 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 800, 1000, 1500 또는 2000의 아이오딘가(iodine number)를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 바람직하게 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 95%의 재생가능한 탄소 함량을 특징으로 한다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능한 활성탄으로서 특징된다.
일부 실시양태에서, 열분해 반응기는 상이한 유형의 활성탄의 생산을 최적화하도록 구성된다. 예를 들어, 반응 조건 (예컨대, 시간, 온도 및 스팀 농도)은 특정 속성, 예컨대, 아이오딘가를 갖는 활성탄 생성물에 대해 선택될 수 있다. 상이한 반응 조건은 상이한 활성탄 생성물, 예컨대, 더 높은 아이오딘가를 갖는 것에 대해 선택될 수 있다. 열분해 반응기는 캠페인 모드에서 작동하여, 하나의 생성물을 생산한 다음, 다른 생성물을 위해 다른 모드로 스위칭될 수 있다. 제1 생성물은 제1 캠페인 동안 연속적으로 또는 주기적으로 제거되었을 수 있거나, 열분해 반응기의 반응 조건을 스위칭하기 전에 제거될 수 있다.
활성탄은 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 1000, 1500 또는 2000의 아이오딘가를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 바람직하게 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%의 재생가능한 탄소 함량을 특징으로 한다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 활성탄의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능한 활성탄으로서 특징된다.
본원에 개시된 공정에 의해 생산된 활성탄은 다수의 방식으로 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성탄은 하나 이상의 일차 생성물을 정제하기 위해 공정 현장에서 내부적으로 활용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 물을 정제하기 위해 현장에서 활용된다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 활성탄은 액체 폐기물 스트림을 처리하여 액체-상 배출물을 감소시키기 위해 또는 증기 폐기물 스트림을 처리하여 대기 배출물을 감소시키기 위해 현장에서 활용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 새로운 바이오매스의 생성을 보조하기 위해 토양 개량제로서 활용되며, 이는 현장에서 지역 공급원료로서 활용되는 동일한 유형의 바이오매스일 수 있다.
본원에 개시된 공정에 따라 제조된 활성탄은 전통적인 화석 연료-기반 활성탄과 동일한 또는 더 우수한 특징을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 화석 연료-기반 활성탄과 연관된 표면적과 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 큰 표면적을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 오염물질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 전통적인 활성탄 생성물보다 더 우수할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 불활성 재료 (예컨대, 회분) 수준과 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 낮은 불활성 재료 (예컨대, 회분) 수준을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 크기 또는 입자 크기 분포와 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 크거나 더 낮은 입자 크기 또는 입자 크기 분포를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 형상과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 입자 형상을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자 형상과 실질적으로 상이한 입자 형상을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 기공 부피와 비슷하거나, 동등하거나, 그보다 더 큰 기공 부피를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 기공 치수와 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 기공 치수를 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 입자의 내마멸성 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 입자의 내마멸성 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 경도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 경도 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 벌크 밀도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 벌크 밀도 값을 갖는다. 일부 실시양태에서, 활성탄 생성물은 전통적인 활성탄 생성물과 연관된 흡착 용량과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 흡착 용량을 갖는다.
임의의 생성물 적용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 활성탄은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 변형 (예컨대, 첨가제를 통해)될 수 있다. 잠재적인 관심의 일부 특성은 밀도, 입자 크기, 표면적, 미세다공성, 흡수성, 흡착성, 결합 용량, 반응성, 탈황 활성, 염기도, 경도 및 아이오딘가를 포함한다.
활성탄은 물 처리, 공기 정제, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 설탕 및 감미료 정련, 자동차 용도, 및 의약품을 포함하여, 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 적용에서 상업적으로 사용된다. 활성탄의 경우, 주요 생성물 속성은 입자 크기, 형상, 조성, 표면적, 기공 부피, 기공 치수, 입자-크기 분포, 탄소 표면 및 내부의 화학적 성질, 입자의 내마멸성, 경도, 벌크 밀도, 및 흡착 용량을 포함할 수 있다.
생물기원 활성탄에 대한 벌크 밀도는 예를 들어, 약 50 g/리터 내지 약 650 g/리터일 수 있다.
생물기원 활성탄의 표면적은 폭넓게 달라질 수 있다. 예시적인 표면적 (예컨대, BET 표면적)은 약 400 m2/g 내지 약 2000 m2/g 이상의 범위, 예컨대, 약 500 m2/g, 600 m2/g, 800 m2/g, 1000 m2/g, 1200 m2/g, 1400 m2/g, 1600 m2/g 또는 1800 m2/g이다. 표면적은 일반적으로 흡착 용량과 상관관계가 있다.
기공-크기 분포는 활성탄의 궁극적 성능을 결정하는 데 중요할 수 있다. 기공-크기 측정은 미세기공 함량, 중간기공 함량, 및 거대기공 함량을 포함할 수 있다.
아이오딘가는 활성탄 성능을 특징화하기 위해 사용되는 파라미터이다. 아이오딘가는 탄소의 활성화의 정도를 측정하고, 미세기공 (예컨대, 0-20 Å) 함량의 척도이다. 이는 액체-상 적용에 있어 중요한 측정이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물의 예시적인 아이오딘가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 500, 600, 750, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1500, 1600, 1750, 1900, 2000, 2100 및 2200을 포함한다. 아이오딘가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 아이오딘이다.
다른 기공-관련된 측정은 중간기공 함량 (예컨대, 20-500 Å)을 측정하는 메틸렌 블루가(methylene blue number)이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물에 대한 예시적인 메틸렌 블루가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 및 500을 포함한다. 메틸렌 블루가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 메틸렌 블루 (메틸티오니늄 클로라이드)이다.
다른 기공-관련된 측정은 거대기공 함량 (예컨대, >500 Å)을 측정하는 당밀가(molasses number)이다. 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물의 예시적인 당밀가는 모든 개재 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350 및 400을 포함한다. 당밀가의 단위는 그램 탄소당 밀리그램 당밀이다.
일부 실시양태에서, 활성탄은 예를 들어, 적어도 약 0.5 cm3/g, 예컨대, 적어도 약 1 cm3/g의 중간기공 부피를 특징으로 한다.
활성탄은 이의 물-보유 용량을 특징으로 할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 개시내용의 실시양태에 의해 생산되는 활성탄 생성물은 25℃에서 약 10% 내지 약 300% (물 중량을 건조 활성탄의 중량으로 나눈 것), 예컨대, 약 50% 내지 약 100%, 예컨대, 약 60-80%의 물-보유 용량을 갖는다.
경도 또는 마모가(abrasion number)는 활성탄의 내마멸성의 척도이다. 이는 취급 또는 사용 동안 마찰력 및 기계적 응력을 견디는 활성탄의 물리적 무결성의 지표이다. 일부 양의 경도가 바람직하지만, 경도가 지나치게 높으면, 과도한 장비 마모(wear)가 초래될 수 있다. ASTM D3802에 따라 측정된 예시적인 마모가는 약 1% 내지 약 99% 초과의 범위, 예컨대, 약 1%, 약 5%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 35%, 약 40%, 약 45%, 약 50%, 약 55%, 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 또는 약 99% 초과이다.
일부 실시양태에서, 경도의 최적 범위는 활성탄이 합리적으로 내마멸성이지만 활성탄을 가공하는 자본 설비에서 마모(abrasion) 및 마모(wear)를 유발하지 않는 경우에 달성될 수 있다. 이 최적은 공급원료뿐만 아니라 가공 조건의 선택으로 인해 본 개시내용의 일부 실시양태에서 가능해진다. 다운스트림 용도가 높은 경도를 취급할 수 있는 일부 실시양태에서, 본 개시내용의 공정은 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 약 95%, 약 96%, 약 97%, 약 98%, 약 99%, 또는 약 99% 초과의 마모가를 갖는 생물기원 활성탄 생성물을 생산하기 위해 경도를 증가시키거나 최대화하도록 작동될 수 있다.
본 개시내용에 의해 제공되는 생물기원 활성탄은 폭넓은 범위의 상업적 용도를 갖는다. 예를 들어, 제한 없이, 생물기원 활성탄은 배출 제어, 물 정제, 지하수 처리, 폐수 처리, 에어 스트리퍼 적용, PCB 제거 적용, 악취 제거 적용, 토양 증기 추출, 제조된 가스 플랜트, 공업용수 여과, 산업용 훈증, 탱크 및 공정 통풍구, 펌프, 송풍기, 필터, 사전-필터, 미스트 필터, 덕트설비(ductwork), 파이핑 모듈, 흡착기, 흡수기 및 컬럼에서 활용될 수 있다.
일 실시양태에서, 배출물을 감소시키기 위해 활성탄의 사용하는 방법은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 생물기원 활성탄 조성물을 포함하는 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 적어도 하나의 선택된 오염물을 포함하는 가스-상 배출물 스트림을 제공하는 단계;
(c) 가스-상 배출물 스트림으로부터의 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계;
(d) 활성탄 입자 및 첨가제를 가스-상 배출물 스트림에 도입하여, 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자에 흡착시켜, 가스-상 배출물 스트림 내에서 오염물-흡착된 탄소 입자를 생성하는 단계; 및
(e) 가스-상 배출물 스트림으로부터 오염물-흡착된 탄소 입자의 적어도 일부를 분리하여, 오염물-감소된 가스-상 배출물 스트림을 생산하는 단계.
생물기원 활성탄 조성물에 대한 첨가제는 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 첨가제는 직접 가스-상 배출물 스트림에, 연료 층에, 또는 연소 구역에 도입될 수 있다. 당업자에 의해 인식될 것인 바와 같이, 선택된 오염물의 제거를 위해 가스-상 배출물 스트림에 직접적으로 또는 간접적으로 첨가제를 도입하는 다른 방식이 가능하다.
(가스-상 배출물 스트림 중) 선택된 오염물은 금속, 예컨대, 수은, 보론, 셀레늄, 비소, 및 이의 임의의 화합물, 염 및 혼합물로부터 선택된 금속일 수 있다. 선택된 오염물은 예를 들어, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 또는 비-응축성 가스일 수 있다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착하거나 흡수하거나 화학흡착한다. 일부 이러한 실시양태에서, 선택된 오염물은 금속, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 비-응축성 가스, 또는 이의 임의의 조합이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt%의 수소 또는 적어도 약 10 wt%의 산소를 포함한다.
유해 대기 오염물질은 암 또는 다른 심각한 건강상의 영향, 예컨대, 생식 영향 또는 선천적 결함, 또는 환경 및 생태학적 이상 효과를 유발하거나 유발할 수 있는 오염물질이다. 개정된 청정대기법(Clean Air Act)의 제112조는 그 전체가 본원에 참조로 원용된다. 청정대기법의 제112조에 따라, 미국 환경보호청 (EPA)은 189 개의 유해 대기 오염물질을 제어할 의무가 있다. EPA에 의해 유해 대기 오염물질로서 분류된 임의의 현재의 또는 미래의 화합물이 본 맥락에서 가능한 선택된 오염물에 포함된다.
이의 일부가 또한 유해 대기 오염물질인 휘발성 유기 화합물은 일반적인 실온 조건에서 높은 증기압을 갖는 유기 화학물질이다. 예는 단쇄 알칸, 올레핀, 알콜, 케톤, 및 알데히드를 포함한다. 많은 휘발성 유기 화합물은 인간 건강에 위험하거나 환경에 해를 끼친다. EPA는 공기, 물, 및 육지의 휘발성 유기 화합물을 규제한다. 휘발성 유기 화합물의 EPA의 정의가 40 CFR 섹션 51.100에 기재되어 있고, 이는 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
비-응축성 가스는 일반적인 실온 조건 하에서 응축되지 않는 가스이다. 비-응축성 가스는 질소 옥사이드, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 설파이드, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 메탄, 에탄, 에틸렌, 오존, 암모니아, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
개시된 활성탄 입자에 의해 다중 오염물이 제거될 수 있다. 일부 실시양태에서, 오염물-흡착된 탄소 입자는 적어도 2개의 오염물, 적어도 3개의 오염물, 또는 그 초과를 포함한다. 본원에 개시된 바와 같은 활성탄은 특정 표적화된 오염물질 (예컨대, 셀레늄)의 제어뿐만 아니라 다중-오염물질 제어를 허용할 수 있다.
일부 실시양태에서는, 오염물-흡착된 탄소 입자를 처리하여, 활성탄 입자를 재생시킨다. 일부 실시양태에서, 방법은 오염물-흡착된 탄소 입자를 열적으로 산화시키는 단계를 포함한다. 오염물-흡착된 탄소 입자, 또는 이의 재생된 형태를 연소시켜, 에너지를 제공할 수 있다.
일부 실시양태에서, 활성탄에 대한 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 특정 실시양태에서, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 유기 산 (예컨대, 시트르산), 또는 이의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 가스-상 배출물 스트림은 금속 가공, 예컨대, 높은-황-함량 금속 광석의 가공으로부터 유래된다.
수은 제어와 관련된 예시적인 실시양태로서, 미립자 물질 제어 디바이스, 예컨대, 전기 집진기 또는 직물 필터의 업스트림에서 활성탄이 주입될 수 있다 (예컨대, 덕트설비 내로). 일부 경우에서, 연도 가스 탈황 (건조 또는 습식) 시스템이 활성탄 주입 지점의 다운스트림에 있을 수 있다. 활성탄은 분말로서 공압식으로 주입될 수 있다. 주입 위치는 전형적으로 기존 플랜트 구성 (새로운 현장이 아닌 경우) 및 추가적인 다운스트림 미립자 물질 제어 장비가 변형되는지 여부에 의해 결정될 것이다.
현재 미립자 물질 제어 디바이스가 장착된 보일러의 경우, 수은 제어를 위한 생물기원 활성탄 주입을 구현하는 것은 다음을 수반할 수 있다: (i) 기존 미립자 물질 제어 디바이스 (전기 집진기 또는 직물 필터)의 업스트림에 분말화된 활성탄의 주입; (ii) 기존 전기 집진기의 다운스트림 및 개조용 직물 필터의 업스트림에 분말화된 활성탄의 주입; 또는 (iii) 전기 집진기 전기장 사이에 분말화된 활성탄의 주입. 철 또는 철-함유 화합물의 포함은 수은 제어를 위한 전기 집진기의 성능을 크게 개선시킬 수 있다. 게다가, 철 또는 철-함유 화합물의 포함은, 소비된 활성탄 고체가 다른 회분으로부터 분리될 수 있기 때문에, 수명-종료 옵션을 크게 변화시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 분말화된 활성탄 주입 접근법은 기존 SO2 제어 디바이스와 조합되어 사용될 수 있다. 활성탄은 주입 지점의 다운스트림에서의 활성탄 흡착제를 수집하기 위한 수단의 이용가능성에 따라, SO2 제어 디바이스 전에 또는 SO2 제어 디바이스 후에 주입될 수 있다.
일부 실시양태에서, 동일한 물리적 재료가 통합 방식으로 또는 순차적으로 다중 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 활성탄은 성능 재료로서의 이의 유용한 수명 종료시, 이어서 에너지 가치에 대한 연소 공정에 또는 탄소를 필요로 하지만 활성탄의 특성은 필요로 하지 않는 금속-제조 공정 등에 도입될 수 있다.
생물기원 활성탄 및 개시내용의 원리는 예를 들어, 물, 다양한 순도의 수성 스트림, 용매, 액체 연료, 중합체, 용융 염, 및 용융 금속의 가공을 포함하여, 액체-상 적용에 적용될 수 있다. 본원에 의도된 바와 같이, "액체 상"은 슬러리, 현탁액, 에멀젼, 다상 시스템, 또는 적어도 일부 양의 액체 상태가 존재하는 (또는 이를 갖도록 조정될 수 있는) 임의의 기타 재료를 포함한다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 액체를 정제하기 위한 활성탄의 사용 방법을 제공하며, 일부 변형에서, 다음 단계를 포함한다:
(a) 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 적어도 하나의 선택된 오염물을 포함하는 액체를 제공하는 단계;
(c) 액체로부터의 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 액체를 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 하나 이상의 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자에 흡착시킴으로써, 오염물-흡착된 탄소 입자 및 오염물-감소된 액체를 생성하는 단계.
첨가제는 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 또는, 첨가제는 액체에 직접 도입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 첨가제-이는 동일하거나 상이할 수 있음-는 활성탄 입자의 부분으로서뿐만 아니라 직접적으로 액체에 도입된다.
액체-상 적용과 관련된 일부 실시양태에서, 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드, 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 마그네슘 옥사이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 칼륨 퍼망가네이트, 유기 산 (예컨대, 시트르산), 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, (처리될 액체 중) 선택된 오염물은 금속, 예컨대, 비소, 보론, 셀레늄, 수은, 및 이의 임의의 화합물, 염 및 혼합물로부터 선택된 금속이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 유기 화합물 (예컨대, VOC), 할로겐, 생물학적 화합물, 살충제 또는 제초제이다. 오염물-흡착된 탄소 입자는 2, 3 개, 또는 그 초과의 오염물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착하거나, 흡수하거나, 화학흡착한다. 일부 이러한 실시양태에서, 선택된 오염물은 금속, 유해 대기 오염물질, 유기 화합물 (예컨대, VOC), 비-응축성 가스, 또는 이의 임의의 조합이다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 실시양태에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt%의 수소 또는 적어도 약 10 wt%의 산소를 포함한다.
처리될 액체는 전형적으로 수성일 것이지만, 본 개시내용의 원리에 반드시 필요한 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 액체는 고정층에서 활성탄 입자로 처리된다. 다른 실시양태에서, 액체는 용액 중에서 또는 이동층에서 활성탄 입자로 처리된다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 액체로부터 황-함유 오염물의 적어도 일부를 제거하기 위한 생물기원 활성탄 조성물의 사용 방법을 제공하며, 여기서 방법은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 황-함유 오염물을 포함하는 액체를 제공하는 단계;
(c) 액체로부터 황-함유 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 액체를 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 황-함유 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 또는 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계.
일부 실시양태에서, 황-함유 오염물은 원소 황, 황산, 아황산, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 설페이트 음이온, 바이설페이트 음이온, 설파이트 음이온, 바이설파이트 음이온, 티올, 설파이드, 디설파이드, 폴리설파이드, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 설폭시드, 설폰, 티오설피네이트, 설피미드, 설폭시미드, 설폰디이민, 황 할라이드, 티오케톤, 티오알데히드, 황 옥사이드, 티오카복실산, 티오아미드, 설폰산, 설핀산, 설펜산, 설포늄, 옥소설포늄, 설푸란, 퍼설푸란, 및 이들의 조합, 염 또는 유도체로부터 선택된다. 예를 들어, 황-함유 오염물은 음이온 또는 염 형태의 설페이트일 수 있다.
액체는 수성 액체, 예컨대, 물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 물은 금속 채굴, 산 광산 배수, 광물 가공, 도시 하수 처리, 펄프 및 종이, 에탄올, 및 폐수에서 황-함유 오염물을 배출할 수 있는 임의의 다른 산업 공정으로부터 선택된 공정과 연관된 폐수이다. 물은 또한 호수, 강 또는 개울과 같은 자연 수역 (또는 이의 부분)일 수 있다.
일 실시양태에서, 본 개시내용은 물 중의 설페이트의 농도를 감소시키는 공정을 제공하며, 공정은 다음을 포함한다:
(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;
(b) 설페이트를 포함하는 물의 부피 또는 스트림을 제공하는 단계;
(c) 물로부터 설페이트의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및
(d) 물을 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 설페이트의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 또는 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계.
일부 실시양태에서, 설페이트는 물 중 약 50 mg/L 이하의 농도, 예컨대, 물 중 약 10 mg/L 이하의 농도까지 감소된다. 일부 실시양태에서, 설페이트는 주로 설페이트 음이온 또는 바이설페이트 음이온의 형태로 존재한다. pH에 따라, 설페이트는 또한 설페이트 염의 형태로 존재할 수 있다.
물은 폐수 스트림의 부분 또는 전체로부터 유래될 수 있다. 예시적인 폐수 스트림은 금속 채굴, 산 광산 배수, 광물 가공, 도시 하수 처리, 펄프 및 종이, 에탄올, 또는 폐수에 황-함유 오염물을 배출할 수 있는 임의의 다른 산업 공정과 연관될 수 있는 것들이다. 물은 호수, 강, 또는 개울과 같은 자연 수역일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공정은 연속적으로 실시된다. 다른 실시양태에서, 공정은 배치식으로 실시된다.
물이 활성탄으로 처리될 때, 물의 여과, 물의 삼투, 또는 물에 대한 활성탄 입자의 직접 첨가 (침강, 정화 등과 함께)가 존재할 수 있다. 삼투가 사용될 때, 활성탄은 삼투 디바이스 내에서, 또는 삼투 디바이스를 보조하기 위해 여러 방식으로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투 전에 물에 직접 도입된다. 활성탄 입자 및 첨가제는 임의로 삼투 전에 사전-여과에서 사용된다. 특정 실시양태에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투를 위해 멤브레인에 혼입된다.
일부 실시양태에서, 활성탄은 원소 황, 황산, 아황산, 황 디옥사이드, 황 트리옥사이드, 설페이트 음이온, 바이설페이트 음이온, 설파이트 음이온, 바이설파이트 음이온, 티올, 설파이드, 디설파이드, 폴리설파이드, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 설폭시드, 설폰, 티오설피네이트, 설피미드, 설폭시미드, 설폰디이민, 황 할라이드, 티오케톤, 티오알데히드, 황 옥사이드, 티오카복실산, 티오아미드, 설폰산, 설핀산, 설펜산, 설포늄, 옥소설포늄, 설푸란, 퍼설푸란, 또는 이들의 조합, 염 또는 유도체로부터 선택된 황-함유 오염물을 제거하는 데 효과적이다.
일반적으로 말하면, 개시된 활성탄은 전통적인 활성탄이 사용될 수 있는 임의의 적용에서 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 전통적인 활성탄에 대한 전체 (즉, 100%) 교체물로서 사용된다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 특정 적용에 사용된 활성탄의 본질적으로 전부 또는 실질적으로 전부를 포함한다. 일부 실시양태에서, 활성탄은 약 1% 내지 약 100%의 생물기원 활성탄을 포함한다.
예를 들어 그리고 제한 없이, 활성탄은 필터 내에서-단독으로 또는 전통적인 활성탄 생성물과 조합되어-사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 충전층 또는 충전 컬럼은 개시된 활성탄을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 생물기원 활성탄은 특정 충전층 또는 충전 컬럼에 적합한 크기 특징을 갖는다. 가스 스트림으로의 생물기원 활성탄의 주입은 석탄 화력 발전소, 바이오매스 화력 발전소, 금속 가공 공장, 원유 정련소, 화학 공장, 중합체 공장, 펄프 및 제지 공장, 시멘트 공장, 폐기물 소각로, 식품 가공 공장, 가스화 공장, 및 합성가스 공장으로부터 유래된 가스 스트림 또는 액체 스트림 중의 오염물 배출물의 제어에 유용할 수 있다.
금속 옥사이드 환원에서의 바이오카본 조성물의 사용
본원에 개시된 바이오카본 펠릿, 또는 이의 미분된 형태, 또는 다른 바이오카본 조성물이 금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스에 공급되는 다양한 실시양태가 있다.
금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 용광로, 탑-가스 재활용 용광로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 공기로(air furnace)로서 알려짐), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로 퍼니스, 연속 연쇄 퍼니스, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로 퍼니스, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크 퍼니스, 유도 퍼니스, 기본적 산소 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원된-금속 퍼니스, 또는 이의 조합 또는 파생물일 수 있다.
금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 수평으로, 수직으로, 또는 기울어지게 배열될 수 있다. 고체 및 유체 (액체 또는 가스)의 유동은 병류 또는 역류일 수 있다. 퍼니스 내의 고체는 고정층 또는 유동층에 있을 수 있다. 금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원 퍼니스는 온도, 압력, 및 체류 시간의 다양한 공정 조건에서 작동될 수 있다.
일부 변형은 특히 용광로와 관련된다. 용광로는 산업용 금속, 예컨대, 철 또는 구리를 생산하기 위한 제련에 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 용광로는 상업용 철 및 강철의 생산에 사용되는 중간 재료인 선철을 생산하기 위한 철광석 제련에 활용된다. 용광로는 또한 예를 들어, 비금속 제련에서 소결 플랜트와 조합하여 사용된다.
"블라스트"는 대기압 초과로 강제되거나 공급될 연소 공기를 지칭한다. 용광로에서, 금속 광석, 탄소 (본 개시내용에서, 생물기원 시약 또는 이의 유도체), 및 통상적으로 플럭스 (예컨대, 석회석)는 용광로의 상단을 통해 연속적으로 공급되는 반면, 공기의 고온 블라스트 (임의로 산소 풍부화됨)는 송풍구라 불리는 일련의 파이프를 통해 용광로의 하부 섹션에 취입된다. 재료가 하향으로 떨어짐에 따라 퍼니스 전반에 걸쳐 화학적 환원 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 하단으로부터 탭핑된 용융 금속 및 슬래그 상, 및 퍼니스의 상단으로부터 나오는 폐기물 가스 (환원 오프-가스)이다. 금속 광석의 하향 유동은 고온의 CO-풍부 가스의 상향류와 역류 접촉하는 플럭스와 함께 금속 광석을 금속으로 환원시키는 효율적인 화학 반응을 허용한다.
공기로 (예컨대, 반사로)는 통상적으로 굴뚝 연도에서 고온 가스의 대류에 의해 자연적으로 흡기된다. 이 광범위한 정의에 따르면, 철을 위한 괴철로, 주석을 위한 취입 하우스, 및 납을 위한 제련 밀이 용광로로서 분류된다.
용광로는 현대식 철 생산의 중요한 부분으로 남아 있다. 연도 가스로부터의 폐열을 포함하는 들어오는 블라스트 공기를 예열하는 카우퍼(Cowper) 스토브 및 퍼니스에서 나오는 고온 가스로부터 열을 추출하는 회수 시스템을 포함한 현대식 퍼니스는 고도로 효율적이다. 용광로는 전형적으로 높은 구조의 형태로 지어지고, 내화 벽돌로 늘어서 있으며, 공급 재료가 하강 동안 가열됨에 따라 이들의 팽창, 및 용융이 시작됨에 따라 후속적인 크기의 감소를 허용하도록 프로파일링된다.
철 생산에 관한 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿, 철광석 (산화철), 및 석회석 플럭스가 용광로의 상단에 장입된다. 철광석 또는 석회석 플럭스는 바이오카본 펠릿 내에 통합될 수 있다. 임의로, 바이오카본 펠릿은 용광로에 대한 공급 전에 크기-감소된다. 예를 들어, 바이오카본 펠릿은 분말로 미분될 수 있고, 이것이 용광로에 공급된다.
용광로는 일산화탄소 함량이 높은 고온의 더러운 가스가 퍼니스 목부를 빠져나가는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있으며, 블리더 밸브는 갑작스러운 가스 압력 서지로부터 퍼니스의 상단을 보호할 수 있다. 배기 가스 중의 거친 입자는 침강되고 폐기될 수 있으며, 가스는 정화된 가스의 온도를 감소시키도록 벤추리 스크러버 또는 전기 집진기 또는 가스 냉각기를 통해 유동할 수 있다. 퍼니스의 하단에 있는 주조소는 액체 철 및 슬래그를 주조하기 위한 장비를 포함한다. 내화성 플러그를 통해 탭홀을 뚫을 수 있으므로, 액체 철 및 슬래그가 개구부를 통해 홈통 아래로 유동하여, 철 및 슬래그를 분리한다. 선철 및 슬래그가 탭핑되면, 탭홀이 내화성 점토로 플러깅될 수 있다. 송풍구라고 불리는 노즐은 용광로의 효율을 증가시키기 위해 고온 블라스트를 구현하는 데 사용된다. 고온 블라스트는 베이스 근처의 냉각된 송풍구를 통해 퍼니스로 지시된다. 고온 블라스트 온도는 예를 들어, 900℃ 내지 1300℃ (공기 온도)일 수 있다. 용광로 내의 온도는 2000℃ 이상일 수 있다. 다른 탄소질 재료 또는 산소는 또한 송풍구 수준에서 퍼니스에 주입되어, (바이오카본 펠릿으로부터의) 탄소와 조합되어, 추가적인 에너지를 방출하고 존재하는 환원 가스의 백분율을 증가시켜 생산성을 증가시킬 수 있다.
용광로는 상응하는 금속보다 금속 광석 (예컨대, 철광석)의 산소에 대하여 더 강한 친화도를 갖는 일산화탄소가 금속을 이의 원소 형태로 환원시키는 화학적 환원의 원리로 작동한다. 용광로는, 용광로에서 연도 가스가 광석 및 금속과 직접 접촉하여 일산화탄소가 광석으로 확산되고 금속 옥사이드가 탄소와 혼합된 원소 금속으로 환원되는 것을 가능하게 한다는 점에서, 괴철로 및 반사로와 상이하다. 용광로는 통상적으로 연속적인 역류 교환 공정으로서 작동한다.
실리카는 통상적으로 선철로부터 제거된다. 실리카는 칼슘 옥사이드와 반응하고, 슬래그로서 용융된 선철의 표면에 부유하는 실리케이트를 형성한다. 금속 광석, 플럭스, 탄소, 및 반응 생성물의 하향-이동 컬럼은 연도 가스가 통과하기에 충분히 다공성이어야 한다. 이는 생물기원-시약 탄소가 투과성이 되도록 충분히 큰 입자 (예컨대, 바이오카본 펠릿 또는 펠릿으로부터 유래된 더 작은 물체)일 것을 필요로 한다. 따라서, 펠릿 또는 파쇄된 펠릿은 위에 있는 재료의 중량에 의해 파쇄되지 않도록 충분히 강해야 한다. 탄소의 물리적 강도 외에도, 바람직하게는 또한 황, 인 및 회분이 적다.
많은 화학 반응이 용광로에서 일어난다. 화학은 출발 금속 옥사이드로서 헤마타이트 (Fe2O3)를 참조하여 이해될 수 있다. 초기 공급원료의 또는 용광로 내에서 생산된 바와 같은 이러한 형태의 산화철은 철광석 가공에서 통상적이다. 다른 형태의 철광석 (예컨대, 타코나이트)은 다양한 농도의 상이한 산화철 (Fe3O4, Fe2O3, FeO 등)을 가질 수 있다.
용광로에서 용융 철을 생산하는 주요 전체 화학 반응은 다음과 같다:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
이는 흡열 반응임. 이 전체 반응은 많은 단계에 걸쳐 발생하며, 제1은 퍼니스에 취입된 예열된 블라스트 공기가 탄소 (예컨대, 바이오카본 펠릿으로부터의)와 반응하여 일산화탄소 및 열을 생성하는 것이다:
2 C + O2 → 2 CO
고온 일산화탄소는 철광석에 대한 환원제이며, 산화철와 반응하여 용융 철 및 이산화탄소를 생산한다. 퍼니스의 상이한 부분에서의 온도 (전형적으로 하단에서 최고)에 따라, 철은 여러 단계로 환원된다. 통상적으로 온도가 200-700℃의 범위인 상단에서, 산화철은 철(II,III) 옥사이드, Fe3O4로 부분적으로 환원된다:
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
약 850℃의 온도에서, 퍼니스에서 더 아래로 내려가면, 철(II,III)이 추가로 철(II) 옥사이드, FeO로 환원된다:
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
공기로부터의 고온의 이산화탄소, 미반응 일산화탄소, 및 질소는 신선한 공급 재료가 반응 구역으로 내려감에 따라 퍼니스를 통과하여 지나간다. 재료가 하향 이동함에 따라, 역류 가스는 공급 장입물을 예열하고 석회석 (사용되는 경우)을 칼슘 옥사이드 및 이산화탄소로 분해한다:
CaCO3 → CaO + CO2
분해에 의해 형성된 칼슘 옥사이드는 철 중의 다양한 산성 불순물 (특히 실리카)과 반응하여 슬래그를 형성하며, 이는 주로 칼슘 실리케이트, CaSiO3이다:
SiO2 + CaO → CaSiO3
FeO가 최대 1200℃ 범위의 더 높은 온도를 갖는 영역으로 하향 이동함에 따라, FeO는 다시 반응물로서의 일산화탄소와 함께, 철 금속으로 추가로 환원된다:
FeO + CO → Fe + CO2
이 공정에서 형성된 이산화탄소는 부두아르 역 반응을 통해 탄소와 반응함으로써 다시 일산화탄소로 전환될 수 있다:
C + CO2 → 2 CO
위에 도시된 화학 반응에서, 환원 가스가 퍼니스 내의 인-시츄 생성물이기보다는, 대안적으로 또는 추가적으로 용광로에 직접 도입될 수 있음에 유의하는 것이 중요하다. 전형적으로, 이들 실시양태에서, 환원 가스는 수소 및 일산화탄소 둘 모두를 포함하며, 이는 둘 모두 금속 옥사이드를 화학적으로 환원시키도록 기능한다. 임의로, 환원 가스는 개질, 가스화, 또는 부분적 산화에 의해 바이오카본 펠릿으로부터 개별적으로 생산될 수 있다.
기존의 용광로에서, 금속 옥사이드 환원을 유발하기 위해 이용가능한 수소가 없다. 용광로에 수소가 직접 주입될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 수소는 바이오카본 펠릿이 수소와 연관된 휘발성 탄소 (예컨대, 중질 타르 구성요소)를 포함할 때, 용광로에 공급되는 바이오카본 펠릿 내에서 이용가능할 수 있다. 공급원에 관계없이, 수소는 위의 것들과 유사한 추가적인 환원 반응을 유발할 수 있지만, CO가 H2로 대체된다:
3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + 4 H2 → 3 Fe + 4 H2O
이는 CO와의 환원 반응과 병렬적으로 발생함. 역 물-가스 시프트 반응에서, 수소는 또한 이산화탄소와 반응하여 더 많은 CO를 생성할 수 있다. 특정 실시양태에서, 본질적으로 수소로 이루어진 환원 가스가 용광로에 공급된다.
용광로에 의해 생산된 "선철"은 전형적으로 약 3-6 wt%의 상대적으로 높은 탄소 함량을 갖는다. 선철은 주철을 만드는 데 사용될 수 있다. 용광로에 의해 생산된 선철은 통상적으로 탄소 및 황 함량을 감소시키는 추가의 가공을 겪고 상업적으로 사용되는 다양한 등급의 강철을 생산한다. 기본적 산소 제강으로서 지칭되는 추가 공정 단계에서, 탄소는 액체 선철 상에 산소를 취입함으로써 산화시켜, 조질의 강철을 형성한다.
기존의 탈황은 액체 철을 제강소로 수송하는 동안, 선철에 포함된 철 설파이드와 반응하여 칼슘 설파이드를 형성하는 칼슘 옥사이드를 첨가함으로써 수행된다. 일부 실시양태에서, 탈황은 또한 금속 설파이드를 (환원 가스 중) CO와 반응시켜 금속 및 카보닐 설파이드, CSO를 형성함으로써, 퍼니스 내에서 또는 퍼니스의 다운스트림에서 일어날 수 있다. 이들 또는 다른 실시양태에서, 탈황은 또한 금속 설파이드를 (환원 가스 중) H2와 반응시켜 금속 및 수소 설파이드, H2S를 형성함으로써, 퍼니스 내에서 또는 퍼니스의 다운스트림에서 일어날 수 있다.
다른 유형의 퍼니스는 다른 화학 반응을 사용할 수 있다. 전환에서 탄소 또는 환원 가스를 사용하는 금속 옥사이드의 금속으로의 화학 전환에서, 탄소는 바람직하게는 재생가능한 탄소임을 이해할 것이다. 본 개시내용은 바이오매스의 열분해를 통해 생산되는 생물기원 시약 중에 재생가능한 탄소를 제공한다. 특정 실시양태에서, 퍼니스에서 활용되는 일부 탄소는 재생가능한 탄소가 아니다. 다양한 실시양태에서, 금속 광석 퍼니스에서 소비되는 총 탄소 중, 재생가능한 탄소의 백분율은 적어도 약 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, 또는 100%일 수 있다.
일부 변형에서, 테크노레드 퍼니스, 또는 이의 변형이 활용된다. 테크노레드 공정은 원래 브라질의 Tecnored Desenvolvimento Tecnolgico S.A.에 의해 개발되었으며, 비소성(cold-bonded), 탄소-보유, 자가-플럭싱, 및 자가-환원 펠릿을 감소시키는 저-압 이동층 환원 퍼니스에 기반한다. 환원은 전형적인 환원 온도에서 높이가 짧은 샤프트 퍼니스에서 수행된다. 공정은 고효율로 고온의 금속 (전형적으로 액체 철)을 생산한다.
테크노레드 기술은 코크스 없는 제철 공정으로 개발되어, 고온의 금속의 생산에서 온실 가스 배출물을 유의하게 감소시키는 것 외에도 환경에 유해한 코크스 오븐의 투자 및 작동을 피한다. 테크노레드 공정은 고온의 및 저온의 블라스트의 조합을 사용하며 추가적인 산소를 필요로 하지 않는다. 이는 코크스 공장, 소결 공장, 및 톤수 산소 공장에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 공정은 전통적인 제철 경로보다 훨씬 더 낮은 작동 및 투자 비용을 갖는다.
본 개시내용에서, 테크노레드 공정은 다양한 방식으로 사용하기 위해 적합화될 수 있다. 일부 실시양태는 본원에 개시된 철광석 미립분 또는 철-보유 잔류물로부터 생산된 자가-환원 응집체 (예컨대, 바이오카본 펠릿) + 생물기원 시약을 제공한다. 플럭싱제 및 결합제와 혼합된 이들 재료는 응집되고 열 경화되어, 테크노레드 공정의 물리적 및 야금학적 요구에 대해 충분한 강도를 갖는 바이오카본 펠릿을 생산한다. 이어서, 생산된 응집체는 테크노레드 퍼니스에서 제련된다. 테크노레드 퍼니스에 대한 연료는 그 자체로 바이오카본 펠릿 또는 비-펠릿 바이오카본 조성물 (예를 들어, 분말)일 수 있다.
브리켓 내에서 산화철의 미세 입자 및 환원체를 조합함으로써, 환원체와 접촉하는 옥사이드의 표면적 및 결과적으로 반응 속도 둘 모두는 극적으로 증가한다. 자가-환원 브리켓은 임의로 원하는 슬래그 화학을 제공하기 위한 플럭스를 가지며, 포함된 철-보유 공급물의 완전한 환원을 허용하기에 충분한 환원체를 포함하도록 설계될 수 있다. 자가-환원 브리켓은 퍼니스로의 공급 전에 낮은 온도에서 경화된다. 자가-환원 브리켓 내의 반응을 구동하기 위해 필요한 열은, 퍼니스 내에서 자가-환원 브리켓이 공급되는, 또한 브리켓의 형태일 수 있는 고체 연료의 층에 의해 제공된다.
테크노레드 퍼니스는 다음의 3 개의 구역을 갖는다: (i) 상부 샤프트 구역; (ii) 용융 구역; 및 (iii) 하부 샤프트 구역. 상부 샤프트 구역에서, 고체 연료 (바람직하게는 생물기원 시약)가 장입된다. 이 구역에서, 부두아르 반응 (C + CO2 → 2 CO)이 방지되어 에너지가 절약된다. 퍼니스의 이 구역에서의 후-연소는 예열 및 장입물의 환원을 위한 에너지를 제공하는 CO를 연소시킨다. 펠릿 내부에서, 다음의 반응이 매우 빠른 속도로 일어난다:
Fe x O y + y CO → x Fe + y CO2
y CO2 + y C = 2y CO
여기서 x는 1 내지 전형적으로 5이고, y는 1 내지 전형적으로 7임.
용융 구역에서, 장입물의 환원 분위기로 인해 재산화가 방지된다. 장입물의 용융은 환원 분위기 하에서 일어난다. 하부 샤프트 구역에서, 고체 연료가 장입된다. 고체 연료는 바이오카본 펠릿을 바람직하게는 포함하고, 더 바람직하게는 본질적으로 이로 이루어질 수 있다. 이 구역에서, 잔류 산화철의 추가의 환원 및 맥석 재료 및 연료 회분의 슬래깅 반응이 액체 상태에서 일어난다. 또한, 금속 및 슬래그 액적의 과열이 일어난다. 이들 과열된 금속 및 슬래그 액적은 중력으로 인해 퍼니스 난로에 가라앉아 거기에 축적된다.
이 변형된 테크노레드 공정은 2 개의 상이한 탄소 유닛의 입력 - 즉 환원체 및 고체 연료를 사용한다. 환원제는 기존의 석탄 미립분이지만, 본 개시내용에서 환원제는 미분된 바이오카본 펠릿을 포함할 수 있다. 자가-환원 응집체는 본원에 개시된 바이오카본 펠릿일 수 있다. 필요한 탄소 미립분의 수량은 탄소 대 광석 미립분의 비에 의해 확립되며, 이는 금속 옥사이드의 완전한 환원을 달성하도록 선택될 수 있다.
고체 연료는 미립분의 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 고체 연료는 테크노레드 공정에서 고체 연료로부터 요구되는 물리적 및 열적 요구를 취급하기 위해 약 40-80 mm 크기와 같은 덩어리 형태일 수 있다. 이들 덩어리는 바이오카본 펠릿을 부수어 (예컨대, 파쇄하여) 만들 수 있지만, 완전히 분말로 만들 수는 없다. 고체 연료는 측면 공급기를 통해 장입되며 (상부 샤프트에서 흡열 부두아르 반응을 피하기 위해), 공정에 의해 요구되는 대부분의 에너지를 제공한다. 이 에너지는 일차 블라스트 (C + O2 → CO2) 및 이차 블라스트에 의해 형성되며, 여기서 난로에서 고체 연료의 가스화에 의해 생성되는 업스트림 CO가 연소된다 (2 CO + O2 → 2 CO2).
특정 예시적인 실시양태에서, 변형된-테크노레드 공정은 바인더로서 시멘트를 사용하여, 140 메쉬 미만의 크기를 갖는 철광석 미립분, 200 메쉬 미만의 크기를 갖는 생물기원-시약 미립분, 및 140 메쉬 미만의 크기의 플럭스, 예컨대, 수화된 석회를 펠릿화하는 단계를 포함한다. 펠릿은 이들이 테크노레드 퍼니스의 상단에 공급되기 전에 200℃에서 경화 및 건조된다. 퍼니스에서 장입물의 총 체류 시간은 약 30-40 분이다. 40 mm 내지 80 mm 범위의 크기의 고체 연료 형태의 생물기원 시약이 측면 공급기를 사용하여 고온의 펠릿 영역 아래의 퍼니스에 공급된다. 약 1150℃의 고온 블라스트 공기가 퍼니스의 측면에 위치한 송풍구를 통해 취입되어, 생물기원 탄소에 연소 공기를 제공한다. 고체 연료 건조 및 예열에 사용하기 위해 적은 양의 퍼니스 가스를 측면 공급기를 통해 유동시키는 것이 가능하다. 저온의 블라스트 공기는 상부 샤프트에서의 CO의 후-연소를 촉진하기 위해 더 높은 지점에서 취입된다. 생산된 고온 금속은 탈-슬래깅을 위해 레이들을 기울일 수 있는 레이들 카의 레이들로 탭핑된다. 액체 철은 임의로 레이들에서 탈황되고, 슬래그는 슬래그 포트로 긁어모아진다. 고온 금속은 전형적으로 약 3-5 wt% 탄소를 포함한다.
기존의, 외부 CO 또는 H2는 테크노레드 퍼니스를 사용하는 자가-환원 공정에서 유의한 역할을 하지 않는다. 그러나, 외부 H2 또는 CO (환원 가스로부터)는 위의 반응 (Fe x Oy + y CO → x Fe + y CO2)에서 또는 반응물로서의 수소와의 반응 (Fe x Oy + y H2 → x Fe + y H2O)에서 속도 및 산화철의 전환을 증가시킴으로써 전체 화학을 보조할 수 있다. 환원 화학은 적어도 펠릿 또는 브리켓의 표면에서 그리고 가능하게는 고온 환원 가스의 질량 전달이 빠르기 때문에 펠릿 또는 브리켓의 벌크 상 내에서 보조될 수 있다. 본 개시내용의 일부 실시양태는 용광로의 양태를 테크노레드 퍼니스의 양태와 조합하고, 그에 따라 퍼니스 내에서 환원 가스의 사용에 더하여, 자가-환원 펠릿 또는 브리켓이 활용된다.
이전에 언급된 바와 같이, 금속 광석 가공을 위한 다수의 가능한 퍼니스 구성이 있다. 본 명세서는 모든 가능한 퍼니스에서 일어날 수 있는 다양한 조건 및 화학을 상세히 기술하지 않을 것이지만, 본 개시내용의 원리가 금속 광석으로부터 금속을 만드는 공정 어딘가에서 탄소를 사용하는 임의의 퍼니스 또는 공정에 본질적으로 적용될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.
또한, 일부 공정은 바이오카본 펠릿을 활용하고, 일부 공정은 환원 가스를 활용하고, 일부 공정은 바이오카본 펠릿 및 환원 가스 둘 모두를 활용함을 관찰할 것이다. 본원에 제공된 공정은 고체 바이오카본 펠릿뿐만 아니라 환원 가스 둘 모두를 생산할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 바이오카본 펠릿만이 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 다른 실시양태에서, 환원 가스만이 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 바이오카본 펠릿 및 환원 가스 둘 모두가 금속 광석 전환 공정에 사용된다. 재생가능한 탄소의 두 공급원 모두를 사용하는 이들 실시양태에서, 환원 가스로부터의 금속 광석 전환에서의 전체 탄소 사용량의 백분율은 약, 적어도 약, 또는 최대 약, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 100%일 수 있다. 다른 탄소 사용량은 바람직하게는 바이오카본 펠릿으로부터의 것이다. 대안적으로, 다른 탄소 사용량의 일부 또는 전부는 기존의 탄소 입력물, 예컨대, 석탄 미립분으로부터의 것일 수 있다.
바이오카본 조성물의 환원 가스로의 전환
일부 변형에서는 (펠릿, 분말, 또는 다른 형태와 같은) 바이오카본 조성물을 사용하여, 환원 가스를 생성하며, 여기서 환원 가스는 공정에서 인 시츄에서 활용될 수 있거나, 회수되고 판매될 수 있다. 관련 실시양태에서, 저 고정-탄소 재료의 일부 또는 고 고정-탄소 재료의 일부(예를 들어, 이들 재료 중 하나의 오프-스펙인 일부, 또는 최종 생성물 수요에 필요하지 않은 여분 양의 재료)가 블렌딩 작업에서 전환되어 대신 환원 가스를 생성하는 데 활용될 수 있다.
환원 가스 (또한 본원에서 "생물-환원체 가스"로서 지칭됨)의 임의적 생산이 이제 추가로 기재될 것이다. 바이오카본 조성물의 환원 가스로의 전환은, 생물-환원체 형성 유닛으로서 지칭될 수 있는 반응기에서 일어난다.
반응물을 사용하여, 바이오카본 조성물과 반응시키고 환원 가스를 생산할 ㅅ수 있다. 반응물은 산소, 스팀 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 산소는 스팀과 혼합되고, 생성된 혼합물은 제2 반응기에 첨가된다. 산소 또는 산소-풍부화 공기가 첨가되어, 산소를 이용한 탄소의 부분적 또는 전체적 산화와 같은 발열 반응을 유발하거나; 환원 가스에서 보다 유리한 H2/CO 비를 달성하거나; (iii) 환원 가스의 수율을 증가시키거나; (iv) 예컨대, CO2, 열분해 생성물, 타르, 방향족 화합물 또는 다른 바람직하지 않은 생성물의 양을 감소시킴으로써, 환원 가스의 순도를 증가시킨다.
일부 실시양태에서, 스팀은 바람직한 반응물이다. 스팀 (즉, 증기 상의 H2O)은 하나 이상의 입력 스트림에서 반응기에 도입될 수 있다. 스팀은 바이오카본 펠릿에 포함된 수분에 의해 생성된 스팀, 뿐만 아니라 물을 생산하는 임의의 화학 반응에 의해 생성된 스팀을 포함할 수 있다.
본원에서 화학 종의 "비"에 대한 모든 언급은, 달리 나타내지 않는 한, 몰비에 대한 언급이다. 예를 들어, 1의 H2/CO 비는 이산화탄소 몰당 수소 1 몰을 의미한다.
산소 또는 스팀이 첨가될 때 스팀 개질, 부분적 산화, 물-가스 시프트 (WGS), 또는 연소 반응이 발생할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 공급원료에서 발견되는 셀룰로스 반복 유닛 (C6H10O5)과 관련하여 예시적인 반응을 아래에 도시되어 있다. 유사한 반응이 바이오카본 펠릿을 포함하여 임의의 탄소-함유 공급원료를 이용하여 발생할 수 있다.
스팀 개질 C6H10O5 + H2O → 6 CO + 6 H2
부분적 산화 C6H10O5 + ½ O2 → 6 CO + 5 H2
물-가스 시프트 CO + H2O ↔ H2 + CO2
완전 연소 C6H10O5 + 6 O2 → 6 CO2 + 5 H2O
생물-환원체 형성 유닛은 환원 가스를 생산하는 하나 이상의 화학 반응을 유발할 수 있는 임의의 반응기이다. 당업계에 잘 알려진 기존의 스팀 개질기가 촉매와 함께 또는 촉매 없이 사용될 수 있다. 다른 가능성은 자열 개질기, 부분적-산화 반응기, 및 여러 반응 메커니즘 (예컨대, 부분적 산화 후 물-가스 시프트)을 조합하는 다단계 반응기를 포함한다. 반응기 구성은 고정층, 유동층, 복수의 마이크로채널, 또는 일부 다른 구성일 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응물로서의 스팀의 총량은 공급 재료 중 탄소 몰당 적어도 약 0.1 몰의 스팀이다. 다양한 실시양태에서, 탄소 몰당 적어도 약 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 또는 그 초과의 몰 중 임의의 몰의 스팀이 첨가되거나 존재한다. 일부 실시양태에서는, 탄소 몰당 약 1.5-3.0 사이의 몰의 스팀이 첨가되거나 존재한다.
제2 반응기에 첨가되는 스팀의 양은 열분해 반응기의 조건과 같은 인자에 따라 달라질 수 있다. 열분해가 탄소-풍부 고체 재료를 생산할 때, 일반적으로 보다 많은 스팀 (또는 보다 많은 산소)를 사용하여, CO 및 H2를 생성하기 위해 이용가능한 C에 필수적인 H 및 O 원자를 첨가한다. 전체 시스템의 관점에서, 바이오카본 펠릿에 포함된 수분은 공정에서 첨가할 추가적인 물 (스팀)의 양을 결정하는 데 있어 고려될 수 있다.
스팀에 대한 산소의 예시적인 비 (O2/H2O)는 제2 반응기에서, 약 2, 1.5, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 그 미만 중 임의의 수와 동등거나 더 작다. O2/H2O의 비가 1 초과일 때, 연소 반응은 부분적 산화보다 우세해지기 시작하며, 이는 바람직하지 않게 낮은 CO/CO2 비를 생산할 수 있다.
일부 실시양태에서, 스팀이 없는 산소가 반응물로서 사용된다. 산소는 실질적으로 순수한 형태로 첨가될 수 있거나, 이는 임의로 산소로 풍부화된 공기의 첨가를 통해 공정에 공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 산소로 풍부화되지 않은 공기가 첨가된다. 다른 실시양태에서, 예를 들어, 근처의 공기-분리 공장으로부터의 스트림일 수 있는, 오프-스펙 또는 재활용 스트림으로부터의 풍부화된 공기가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 감소된 양의 N2 (즉, 79 vol% 미만)를 포함하는 풍부화된 공기의 사용은 생성된 환원 가스에서의 보다 적은 N2를 초래한다. N2의 제거는 고비용이 들 수 있기 때문에, 보다 적은 N2를 포함하는 또는 N2 없이 환원 가스를 생산하는 방법이 전형적으로 바람직하다.
일부 실시양태에서, 산소의 존재는 산소의 부재 하에 동일한 방법에 의해 생산된 비와 비교하여, 환원 가스에서 H2/CO의 비를 변경한다. 환원 가스의 H2/CO 비는 약 0.5 내지 약 2.0, 예컨대, 약 0.75-1.25, 약 1-1.5, 또는 약 1.5-2.0 사이일 수 있다. 인식될 것인 바와 같이, 증가된 물-가스 시프트 (더 높은 속도의 스팀 첨가에 의해)는 더 높은 H2/CO 비, 예컨대, 적어도 2.0, 3.0. 4.0. 5.0, 또는 심지어 그 초과를 생산하는 경향이 있을 것이며, 이는 수소 생산을 포함한 특정 적용을 위해 요망될 수 있다.
환원 가스 생성을 위한 반응기에서 촉매가 임의로 활용될 수 있다. 촉매는 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 옥사이드 및 염, 광물 물질 또는 석탄 중 회분, 전이 금속 및 이들의 옥사이드 및 염, 및 공융 염 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 촉매의 구체적인 예는 포타슘 하이드록시드, 칼륨 카보네이트, 리튬 하이드록시드, 리튬 카보네이트, 세슘 하이드록시드, 니켈 옥사이드, 니켈-치환된 합성 운모 몬트모릴로나이트 (NiSMM), NiSMM-지지 몰리브덴, 철 하이드록시옥사이드, 철 니트레이트, 철-칼슘-함침된 염, 니켈 우라닐 옥사이드, 소듐 플루오라이드, 및 빙정석을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다른 예시적인 촉매는 니켈, 니켈 옥사이드, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 및 백금을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 촉매는 하나 이상의 지지체 재료, 예컨대, 예를 들어, 감마-알루미나 (임의로 안정화 원소, 예컨대, 마그네슘, 란타넘 또는 바륨으로 도핑됨) 상에 코팅되거나 침착될 수 있다.
시스템에 첨가되기 전에, 임의의 촉매는 총 표면적, 활성 표면적, 사이트 밀도, 촉매 안정성, 촉매 수명, 촉매 조성, 표면 거칠기, 표면 분산, 다공성, 밀도, 또는 열 확산도에 영향을 미치는 알려진 기술을 사용하여 전처리되거나 활성화될 수 있다. 촉매의 전처리는 하소, 워시코트 첨가, 입자-크기 감소, 및 열적 또는 화학적 수단에 의한 표면 활성화를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
촉매 첨가는 가스화 또는 개질될 수 있는 물 또는 임의의 탄화수소와 같은 용매에 촉매(들)를 먼저 용해시키거나 슬러리화함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 촉매는 용기로의 이러한 슬러리의 직접 주입에 의해 첨가된다. 일부 실시양태에서, 촉매가 스팀에 첨가되고, 스팀/촉매 혼합물이 시스템에 첨가된다. 이들 실시양태에서, 첨가된 촉매는 스팀에서 이의 평형 용해도에 있거나 그 근처에 있을 수 있거나, 스팀에 동반된 입자로서 도입됨으로써 시스템에 도입될 수 있다.
재료는 일반적으로 단일 스크류, 트윈 스크류 및 램 등에 의해 반응기 안팎으로 이송될 수 있다. 재료는 물리적 힘 (금속 접촉), 압력-구동 유동, 공압 구동 유동, 원심 유동, 중력 유동, 유동화된 유동, 또는 고체 및 가스 상을 이동시키는 일부 다른 알려진 수단에 의해 기계적으로 이송될 수 있다. 특히 기계적으로 견고해야 하는 바이오카본 펠릿 층 위에 배치된 금속 옥사이드의 층을 사용하는 실시양태에서, 반응기 내 바이오카본 펠릿의 고정층을 활용하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응기는 환원 가스 생성을 위해 바이오카본 조성물의 가스화를 사용한다. 가스화는 상승된 온도, 전형적으로 약 600℃ 내지 약 1100℃에서 수행된다. 덜-반응성인 생물기원 시약은 더 높은 작동 온도를 필요로 한다. 도입되는 반응물 (예컨대, 공기, 산소, 풍부화된 공기, 또는 산소-스팀 혼합물)의 양은 전형적으로 가스화 온도를 제어하는 주요 인자일 것이다. 대기압 내지 약 50 bar의 작동 압력이 바이오매스 가스화에서 사용되어 왔다. 가스화는 또한 반응물, 통상적으로 공기, 고-순도 산소, 스팀, 또는 이들 가스의 일부 혼합물을 필요로 한다.
가스화기는 용기 내의 고체를 지지하는 수단, 고체 및 가스 둘 모두의 유동의 방향, 및 반응기에 열을 공급하는 방법에 기반하여 구별될 수 있다. 가스화기가 대기압 근처에서 또는 상승된 압력에서 작동하는지, 그리고 가스화기가 공기-취입 또는 산소-취입되는지가 또한 구별되는 특징이다. 통상적인 분류는 고정층 상승기류, 고정층 하강기류, 버블링 유동층, 및 순환 유동층이다.
고정층 가스화기는 일반적으로, 섬유질 초본 공급원료, 예컨대, 밀짚, 옥수수대, 또는 마당 폐기물을 취급할 수 없다. 그러나, 개시된 공정에서, 바이오매스는 먼저 생물기원 시약으로 열분해되고, 이것이 펠릿화되고, 바이오카본 펠릿이 가스화될 수 있다. 바이오카본 펠릿은 반드시 펠릿의 크기를 감소시키지 않고도, 고정층 가스화기를 사용하여 직접 가스화될 수 있다.
순환 유동층 가스화 기술은 Lurgi 및 Foster Wheeler로부터 이용가능하고, 바이오매스 및 기타 폐기물에 활용되는 기존 가스화 기술의 대부분을 나타낸다. 버블링 유동층 가스화 (예컨대, U-GAS® 기술)가 상업적으로 사용되었다.
직접 가열된 가스화기는 단일 반응 용기에서 흡열 및 발열 가스화 반응을 실시하며; 추가적인 가열은 필요하지 않다. 대조적으로, 간접 가열된 가스화기는 열의 외부 공급원을 필요로 한다. 간접 가열된 가스화기는 통상적으로 2 개의 용기를 사용한다. 제1 용기는 스팀을 이용하여 공급물을 가스화한다 (흡열 공정). 열-전달 매질, 통상적으로 광사를 순환시킴으로써 열이 공급된다. 광사와 함께, 제1 용기에서 생산된 환원 가스 및 고체 숯이 분리된다. 혼합된 숯 및 광사는 제2 용기에 공급되고, 여기서 숯은 공기와 함께 연소되어, 광사를 가열한다. 고온 광사는 다시 제1 용기로 순환된다.
바이오카본 조성물은 "건조 공급물" (임의로 수분을 갖지만, 유리 액체 상은 없음)로서, 또는 슬러리 또는 물 중 현탁액으로서 가스화기에 도입될 수 있다. 건조-공급물 가스화기는 전형적으로 환원 가스로의 높은 통과-당(per-pass) 탄소 전환 및 양호한 에너지 효율을 가능하게 한다. 건조-공급물 가스화기에서, 가스화 반응에 의해 방출되는 에너지는 가스화기가 극히 높은 온도에 도달하도록 유발할 수 있다. 이 문제는 습식-벽 설계에 의해 해결될 수 있다.
일부 실시양태에서, 가스화기로의 공급물은 높은 수소 함량을 갖는 바이오카본 펠릿이다. 생성된 환원 가스는 수소가 상대적으로 풍부하고, 높은 H2/CO 비, 예컨대, 1.5 또는 그 초과의 H2/CO를 갖는다.
일부 실시양태에서, 가스화기로의 공급물은 낮은 수소 함량을 갖는 바이오카본 펠릿이다. 생성된 환원 가스는 상대적으로 낮은 H2/CO 비를 가질 것으로 예상된다. H2/CO > 1을 필요로 하는 다운스트림 공정에 대해, 가스화기 온도를 조정하고 (현열(sensible-heat) 효과 또는 흡열 화학을 통해), H2/CO 비를 더 높은, 보다 바람직한 비로 시프트하기 위해, 가스화기에 물 또는 스팀을 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 물 첨가는 또한 스팀-개질 화학을 통해, 흡열 소비에 의한 온도 조정에 기여할 수 있다. 스팀 개질에서, H2O가 탄소와 또는 탄화수소, 예컨대, 타르 또는 벤젠/톨루엔/크실렌과 반응하여, 환원 가스를 생산하고 단열 가스화 온도를 낮춘다.
특정 변형에서, 가스화기는 유동층 가스화기, 예컨대, 버블링 유동화된 가스화 반응기이다. 유동화는 가스화기 층 내의 실질적으로 균일한 온도를 초래한다. 유동층 재료, 예컨대, 알루미나 광사 또는 실리카 광사는 잠재적 마멸 문제를 감소시킬 수 있다. 가스화기 온도는, 바람직하게는 회분 입자가 가스화기 내에서 응집 및 유동화의 손실을 유발할 수 있는, 고체로부터 용융 형태로의 변환을 시작하지 않도록 충분히 낮은 온도로 조정된다.
유동층 가스화기가 사용될 때, 모든 구성요소의 총 유량은 가스화기 층이 유동화되도록 보장하여야 한다. 총 가스 유량 및 층 직경은 가스화기를 통과하는 가스 속도를 확립한다. 적절한 유동화를 보장하기 위해 정확한 속도가 유지되어야 한다.
변형에서, 가스화기 유형은 동반-유동 슬래깅, 동반 유동 비-슬래깅, 수송, 버블링 유동층, 순환 유동층, 또는 고정층일 수 있다. 일부 실시양태는 가스화 촉매를 사용한다.
순환 유동층 가스화기가 사용될 수 있고, 여기서 가스, 광사 및 공급원료 (예컨대, 파쇄된 또는 미분된 바이오카본 펠릿)가 함께 이동한다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재활용 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하며, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 사용하여 광사 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 광사 입자는 유동 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.
역류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 가스화제 (예컨대, 스팀, 산소 또는 재활용 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층으로 이루어진다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.
병류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 적은 양의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열 공급원으로부터 열을 층의 상부에 첨가한다. 생산된 가스는 고온에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층의 상단에 첨가된 가스화제로 전달되어, 양호한 에너지 효율을 초래한다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 재활용 가스, 산소, 공기 또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질 응집체로서 제거될 수 있다. 고체의 재활용 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다. 유동층 반응기는 슬래깅 반응기의 벽을 손상시키는 고도로 부식성인 회분을 형성하는 공급원료에 유용하다.
동반-유동 가스화기가 사용되는 일부 실시양태에서, 바이오카본 펠릿은 미분되고, 병류 유동에서 산소, 공기 또는 재활용 가스로 가스화된다. 가스화 반응은 매우 미세한 입자의 조밀한 구름에서 일어난다. 높은 온도가 사용될 수 있고, 이에 따라 환원 가스에 적은 수량의 타르 및 메탄이 제공된다.
동반-유동 반응기는 작동 온도가 전형적으로 회분 융합 온도보다 훨씬 더 높기 때문에, 회분의 대부분을 슬래그로서 제거한다. 더 작은 분율의 회분이 매우 미세한 건조 비산회로서 또는 비산회 슬러리로서 생산된다. 특정 동반층 반응기는 부분적으로 고화된 슬래그로 덮인 내부 물- 또는 스팀-냉각된 벽을 갖는다.
가스화기 챔버는 프리보드(freeboard)의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 열 회수에 적합한 수준에서 고체 다운스트림 작동의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 탄소를 가스화기 챔버의 하단으로부터 끌어내어, 냉각하고 회수할 수 있다.
가스화기는 하나 이상의 촉매, 예컨대, 탄소-함유 종의 부분적 산화, 역 물-가스 시프트, 또는 건조 (CO2) 개질에 효과적인 촉매를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 버블링 유동층 탈휘발 반응기가 활용된다. 반응기는 적어도 부분적으로, 고온 재활용 가스 스트림에 의해 대략 600℃-예상 슬래깅 온도 미만까지 가열된다. 스팀, 산소, 또는 공기가 또한 제2 반응기에 도입될 수 있다. 제2 반응기는 프리보드의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 다운스트림에서 열 회수에 적합한 수준에서 고체의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 숯을 탈휘발 챔버의 하단으로부터 끌어내고, 냉각한 다음, 유틸리티 보일러에 공급하여, 이 스트림의 나머지 발열량을 회수할 수 있다.
유동층 가스화기가 사용될 때, 공급원료는 재활용 가스와 같은 가스에 의해 유동화된 고온 광사의 층에 도입될 수 있다. 본원에서 "광사"에 대한 언급은 또한 유리 입자 및 회수된 회분 입자 등과 같은 유사한, 실질적으로 불활성인 재료를 포함한다. 유동화된 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 초래할 수 있다. 광사 입자를 이용한 마멸에 의해 일부 절제가 있을 수 있다. 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 열이 제공될 수 있다.
가스, 광사 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 사용될 수 있다. 예시적인 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재활용 가스를 포함한다. 광사로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 사용하여, 광사 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 광사 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.
역류 고정층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 가스화제 (예컨대, 스팀, 산소 또는 재활용 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층으로 이루어진다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.
병류 고정층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 적은 양의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열 공급원으로부터 열을 층의 상부에 첨가한다. 환원 가스는 높은 온도에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층의 상단에 첨가된 반응물로 전달되어, 양호한 에너지 효율을 초래한다. 타르는 이 구성에서 탄소의 고온의 층을 통과하기 때문에, 타르 수준은 역류 유형을 사용할 때보다 더 낮을 것으로 예상된다.
유동층 반응기가 사용되는 일부 실시양태에서, 공급원료는 재활용 가스, 산소, 공기 또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질의 응집체로서 제거된다. 고체의 재활용 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다.
열 및 질량 전달을 향상시키기 위해, 물은, 일반적으로 오리피스를 통해 동봉된 챔버 또는 파이프로 진입함에 따라 유체 유동의 방향 또는 특징을 제어하도록 설계된 기계적 디바이스인 노즐을 사용하여 반응기에 도입될 수 있다. 노즐은 물 액적 크기를 감소시켜 미세한 물 스프레이를 생성할 수 있다. 노즐은 분무기 노즐 (연료 주입기와 유사), 및 액체를 접선 방향으로 주입하는 스월 노즐 등으로부터 선택될 수 있다.
물 공급원은 공정 응축수, 기타 재활용 물, 폐수, 보충수, 보일러 공급수, 및 상수도 등으로부터의 직접 파이핑을 포함할 수 있다. 물은 임의로 먼저 세척, 정제, 처리, 이온화, 증류 등이 될 수 있다. 여러 물 공급원이 사용될 때, 다양한 부피비의 물 공급원이 가능하다. 일부 실시양태에서, 제2 반응기에 대한 물의 일부 또는 전부가 폐수이다.
일부 변형에서, 환원 가스는 다른 생성물로 전환되기 전에 여과, 정제, 또는 달리 컨디셔닝된다. 예를 들어, 냉각된 환원 가스는 벤젠, 톨루엔, 에틸 벤젠, 크실렌, 황 화합물, 질소, 금속 또는 다른 불순물이 임의로 환원 가스로부터 제거되는 컨디셔닝 유닛에 도입될 수 있다.
일부 실시양태는 환원-가스 정화 유닛을 포함한다. 환원-가스 정화 유닛은 이의 설계에 특별히 제한되지 않는다. 예시적인 환원-가스 정화 유닛은 사이클론, 원심분리기, 필터, 멤브레인, 용매-기반 시스템, 및 미립자 또는 기타 특이적 오염물을 제거하는 기타 수단을 포함한다. 일부 실시양태에서는, 산-가스 제거 유닛이 포함되고, 이는 환원 가스로부터 H2S, CO2, 또는 다른 산 가스를 제거하기 위한 당업계에 알려진 임의의 수단일 수 있다.
산-가스 제거 단계의 예는 CO2에 대한 하나 이상의 용매를 이용한 CO2의 제거, 또는 압력-스윙 흡착 유닛에 의한 CO2의 제거를 포함한다. 반응성 용매-기반 산 가스 제거에 적합한 용매는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로필아민, 및 아미노에톡시에탄올을 포함한다. 물리적 용매-기반 산 가스 제거에 적합한 용매는 (Selexol® 공정에서와 같은) 폴리에틸렌 글리콜 중 디메틸 에테르 및 (Rectisol® 공정에서와 같은）냉장된 메탄올을 포함한다.
환원 가스는 다수의 방식으로 활용될 수 있다. 환원 가스는 일반적으로 수소, 일산화탄소, 메탄, 올레핀 (예컨대, 에틸렌), 산소화물 (예컨대, 디메틸 에테르), 알콜 (예컨대, 메탄올 및 에탄올), 파라핀, 및 다른 탄화수소로 화학적으로 전환되거나 정제될 수 있다. 환원 가스는 피셔-트롭쉬 화학에 의해 선형 또는 분지형 C5-C15 탄화수소, 디젤 연료, 가솔린, 왁스, 또는 올레핀; 다양한 촉매에 의해 혼합 알콜; 이소합성에 의한 이소부탄; 수소 생산 후 하버(Haber) 공정에 의한 암모니아; 산소합성에 의한 알데히드 및 알콜; 및 다양한 공정에 의한 디메틸 에테르, 아세트산, 에틸렌, 프로필렌, 및 포름알데히드를 포함한 메탄올의 많은 유도체로 전환되거나 정제될 수 있다. 환원 가스는 또한 에너지-전환 디바이스, 예컨대, 고체-산화물 연료 전지, 스털링(Stirling) 엔진, 마이크로-터빈, 내연 기관, 열-전기 발전기, 스크롤 팽창기, 가스 버너, 또는 열-광발전 디바이스를 사용하여 에너지로 전환될 수 있다.
본 상세한 설명에서, 기술이 어떻게 이해되고 실시될 수 있는지에 관한 다중 실시양태 및 비-제한적인 실시예에 대한 참조가 이루어졌다. 본 개시내용의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서, 본원에 제시된 모든 특징 및 이점을 제공하지 않는 다른 실시양태가 활용될 수 있다. 이 개시내용은 본원에 기재된 방법 및 시스템의 일상적인 실험 및 최적화를 포함한다. 이러한 변형 및 변동은 청구범위에 의해 정의되는 본 기술의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
본 명세서에 인용된 모든 공개물, 특허 및 특허 출원은 마치 각각의 공개물, 특허 또는 특허 출원이 본원에 구체적이고 개별적으로 제시된 것처럼 그 전체가 본원에 참조로 원용된다.
위에 기재된 방법 및 단계가 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트를 나타내는 경우, 당업자는 특정 단계의 순서가 변형될 수 있고 이러한 변형이 본 개시내용의 변동에 따름을 인식할 것이다. 추가적으로, 특정 단계는 가능한 경우, 병렬 공정에서 동시에 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 순차적으로 수행될 수 있다.
따라서, 본 개시내용의 사상 내에 있거나 첨부된 청구범위와 등가인 변동이 있는 정도까지, 본 특허는 이러한 변동도 포함할 의도이다.
실시예
실시예 1
본질적으로 더글라스 퍼(Douglas fir)로 이루어진 바이오매스 공급원료는 연속 열분해 반응기에서 약 650℃의 온도에서 약 25 분 동안 열분해된다.
열분해 반응기로부터 수집된 생성물은 숯 (고체 생물기원 시약) 및 열분해 증기를 포함한다. 열분해 증기는 콘덴서를 사용하여 중질 열분해 타르 (또한 열분해 침전물이라고 함) 및 오프-가스로 분리된다. 건조 기준으로, 숯 수율은 21.6 wt%이고 중질 타르의 수율은 9.1 wt%이며, 조합된 총 수율은 30.7 wt%이다.
숯은 2.0 wt%의 수분, 7.6 wt%의 휘발성 물질, 및 3.0 wt%의 회분으로서 특징되며; 나머지는 고정 탄소이다. 중질 타르는 46.6 wt%의 수분, 85.6 wt%의 휘발성 물질, 0.04 wt%의 회분, 및 14.3 wt%의 고정 탄소 (계산됨)로서 특징된다.
다음으로, 중질 타르 및 숯을 초기에 생산된 것과 동일한 질량비로 함께 블렌딩하여, 중간체 재료를 생성한다. 중간체 재료는 펠릿화에 도움이 되는 일부 물을 제외하고는 첨가제를 포함하지 않는다. 중간체 재료는 건조 기준으로, 70.3 wt%의 숯 및 29.7 wt%의 중질 타르를 포함한다.
플랫-다이 펠릿 밀을 사용하여 중간체 재료를 펠릿화하고, 펠릿을 오븐에서 105℃에서 약 18 시간 동안 건조시킨다.
그런 다음, 건조된 펠릿을 연속 열분해 반응기에서 650℃에서 15 분 동안 탄화 (추가 열분해)하여, 바이오카본 펠릿을 생성한다. 바이오카본 펠릿의 수율은 중간체 재료의 질량을 기준으로 88.3 wt%이다. 이 추가 열분해는 출발 목재 공급원료를 기준으로, 전체 수율을 30.7 wt%로부터 28.8 wt%로 떨어트린다. 바이오카본 펠릿은 7.4 wt%의 휘발성 물질만을 포함하고 있는 반면, 전형적으로 이 쿠킹(cook) 프로파일에서는 정상적인 숯에는 약 20 wt%의 휘발성 물질이 남아 있을 것이다. 바이오카본 펠릿의 회분 함량은 2.7 wt%이다. 최종 생성물 (바이오카본 펠릿)은 약 90.0 wt%의 고정 탄소이다. 첨가된 중질 타르의 60.4 wt% 정도가 고정 탄소로 전환된다. 제1 열분해에서 중질 타르 중 어느 것도 고정 탄소로 전환되지 않았다는 점을 고려하면 이는 놀라운 일이다.
극적으로 개선된 수율은 동일한 중질 타르를 동일한 시간 및 온도에서 열분해하려고 시도하는 별도의 측면 실험과 비교할 때 훨씬 더 놀랍다. 측면 실험에서, 중질 타르는 10-16 wt%의 숯 수율만 달성한다. 다른 측면 실험에서, 40 wt%의 중질 타르 및 60 wt%의 바이오매스 공급원료를 이용하여 공급원료를 제조할 때 약 16.5 wt%의 숯 수율이 달성된다. 이러한 수율은 위의 이 실시예에 기재된 바이오카본 펠릿 중 중질 타르로부터의 고정 탄소의 ~60 wt% 수율보다 유의하게 낮다. 추측에 의해 제한됨 없이, 중질 타르의 재-탄화 이전에 또는 이와 조합한 펠릿화는 우수한 수율을 야기하는 것으로 여겨진다. 특히, 생물기원 시약은 열분해 침전물의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 역할을 하는 것으로 여겨진다.
바이오카본 펠릿은 도 3의 열중량 분석 (TGA)에 도시된 바와 같이 산소 반응성을 특징으로 한다. TGA 테스트는 오른쪽 y-축에 도시된 바와 같이 실온으로부터 900℃ 초과까지 온도 램프를 사용하여 산소의 산화를 평가하고, 질량 손실은 왼쪽 y-축에 도시된다. 산화 반응은 약 6 시간 이내에 완료된다 (도 3에서 시간은 x-축임).
도 3은 열분해 타르 탄화가 없는 바이오카본 펠릿의 프로파일과 비교하여, 열분해 타르 탄화가 있는 실시예 1의 바이오카본 펠릿의 TGA 결과를 도시한다. 열분해 침전물을 바인더로서 바이오카본 펠릿에 포함시킴으로써, 펠릿의 산소 반응성이 유의하게 감소되며, 이는 많은 상업적 적용에 유리한 것으로 관찰되었다. 조정된 산소 반응성은 수율 이익에 추가로 이점이 된다.
실시예 2
이 실시예 2에서, 본 개시내용의 일부 실시양태에 따른 바이오카본 펠릿의 여러 샘플 (RC1, RC2, RC3, RC4 및 RC5로서 지칭됨)을 열중량 분석을 사용하여 비교용 바이오카본 샘플 및 무연탄 대조군 샘플과 비교한다.
샘플 RC1을, 50 wt%의 휘발성 물질을 포함하는 저-고정-탄소 바이오카본 조성물을 먼저 생성함으로써 생산한다. 바이오매스는 반응기에서 열분해되어, 저-고정-탄소 고체를 생성한다. 이 고체 재료는 임의의 바인더 없이 펠릿화된다. 펠릿화를 돕기 위해 혼합 단계에서 물을 첨가한다. 펠릿을 건조한 다음, 이차 열분해를 통해 추가로 탄화시켜, 샘플을 생성한다.
샘플 RC2를, 먼저 바이오매스를 열분해하여 고-고정-탄소 바이오카본 재료를 생성하고, 열분해된 재료를 29.4 wt%의 열분해 침전물과 혼합하여 혼합물을 생성함으로써 생산한다. 열분해 침전물은 고-고정-탄소 바이오카본 재료를 생성하기 위한 바이오매스의 열분해로부터 생성된 열분해 증기의 응축된 형태이다. 그런 다음, 혼합물은 외부 바인더 없이 펠릿화된다. 펠릿화를 돕기 위해 혼합 단계에서 물을 첨가한다. 펠릿을 건조한 다음, 이차 열분해를 통해 추가로 탄화시켜, 샘플을 생성한다.
샘플 RC3을, 먼저 바이오매스를 열분해하여 고-고정-탄소 바이오카본 재료를 생성하고 해당 열분해된 재료를 10 wt%의 분말형 페놀 수지와 혼합하여 혼합물을 생성함으로써 생산한다. 그런 다음, 혼합물을 펠릿화한다. 펠릿화를 돕기 위해 혼합 단계에서 물을 첨가한다. 펠릿을 건조한 다음, 이차 열분해를 통해 추가로 탄화시켜, 샘플을 생성한다.
샘플 RC4를, 먼저 바이오매스를 열분해하여 고-고정-탄소 바이오카본 재료를 생성하고 해당 재료를 20 wt%의 분말형 페놀 수지와 혼합하여 혼합물을 생성함으로써 생산한다. 그런 다음, 혼합물을 펠릿화한다. 펠릿화를 돕기 위해 혼합 단계에서 물을 첨가한다. 펠릿을 건조한 다음, 이차 열분해를 통해 추가로 탄화시켜, 샘플을 생성한다.
유닛 내부의 이차 반응 및 열분해 증기 응축으로부터 형성된 탄소 회수 유닛에서 고체 탄소가 나오며, 재료를 회수하고, 이차 열분해 유닛을 통해 보내, 고 (더 높은) 고정 탄소 고체를 생성한다.
샘플 RC5를, 먼저 탄소 회수 유닛으로부터 고체 탄소를 회수함으로써 생산하며, 여기서 고체 탄소는 탄소 회수 유닛 내부의 열분해 증기의 이차 반응 및 응축에 의해 형성된다. 응축된 열분해 증기는 고체 탄소를 생성하기 위한 바이오매스의 열분해로부터 생성된다. 그런 다음, 고체 탄소를 이차 열분해 유닛을 통해 보내, 더 높은-고정-탄소 고체 샘플을 생성한다.
샘플 RC1, RC2, RC3, RC4 및 RC5, 및 과립 비교 샘플은 초기에 약 8 밀리미터 길이를 갖는 대략 원통형 펠릿 형태이다. 산화 반응에 대한 질량-전달 제한을 피하기 위해, 모든 샘플을 열중량 분석을 위한 분말로 분쇄한다 (표준화된 입도측정법). 무연탄 대조군 샘플은 또한 분말 형태이다. 모든 분말은 약 75 미크론의 D99 입자 크기를 가지며; 분말 입자의 99%는 약 75 미크론 이하의 직경을 갖는다.
도 4에 "100 mt 과립"으로 라벨링된 비교 샘플을, 초기 열분해 후 추가적인 탄화 또는 열분해 없이 바이오매스 열분해로부터 생성한다. 펠릿화를 돕기 위해 혼합 단계에서 물을 첨가한다.
무연탄 대조군 샘플은 전형적인 분말형 무연탄 재료이다. 무연탄은 최고 등급의 변성작용을 거친 석탄을 대표하는 고급 석탄이다. 무연탄은 광택이 나는 흑색이고 단단하고 부서지기 쉬우며, 약 90-95 wt%의 고 고정-탄소 함량을 갖는다.
7 개의 샘플 모두는 도 4의 열중량 분석 (TGA)에 도시된 바와 같이 이들의 산소 반응성에 의해 특징지어진다. TGA 테스트는 오른쪽 y-축에 도시된 바와 같이 실온으로부터 약 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 순수 산소 (ASTM D7582)의 산화를 평가하고, 질량 손실은 왼쪽 y-축에 도시된다. 산화 반응은 약 5 시간 이내에 완료된다 (도 4에서 시간은 x-축임).
샘플 RC2 및 RC3, 및 무연탄 대조군 샘플은 모두 도 4에 따르면 약 4 시간 51 분에 실질적인 산화 완료에 도달한다. 샘플 RC4는 약 4 시간 25 분에 실질적인 산화 완료에 도달한다. 샘플 RC5는 약 4 시간 35 분에 실질적인 산화 완료에 도달한다. 샘플 RC1은 약 4 시간 20 분에 실질적인 산화 완료에 도달한 것으로 보이지만, 질량-손실 곡선은 다른 샘플의 경우처럼 완전히 평평해지지는 않는다. 비교 샘플은 약 4 시간 25 분에 실질적인 산화 완료에 도달한다.
도 4의 각각의 샘플은 3 개의 별개의 질량-손실 이벤트를 보인다. 약 100℃의 온도 및 약 30 분에서, 물 증발과 연관된 제1 질량 손실이 관찰된다. 약 90 분 내지 약 150 분에서, 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제2 질량 손실이 관찰된다. 이는 또한 제1 탄소-산화 체제로서 지칭될 수 있다. 마지막으로, 약 165 분의 시간에서, 고정 탄소의 산화와 연관된 제3 질량 손실이 관찰된다. 이는 또한 제1 탄소-산화 체제에 뒤따르는 제2 탄소-산화 체제로서 지칭될 수 있다. 도 4의 개별 곡선의 검사는 제1 및 제3 질량 손실에 대한 시간은 모든 샘플에서 대략적으로 동일하지만, 제2 질량 손실에 대한 시간은 다양함을 나타낸다. 그 외에도, 개시의 정확한 시간 (및 온도), 시간 또는 온도에 따른 질량 손실의 미분, 및 질량 감소의 정도를 포함한 제2 질량 손실의 역학은 모두 샘플에 따라 유의하게 다르다.
도 4의 TGA 그래프에 따르면, 샘플 RC1, RC2, RC3, RC4 및 RC5의 산소 반응성은 다양한 정도로 무연탄과 질적으로 유사하다. 비교 대조군 샘플은 산소 반응성과 관련하여 모든 샘플 RC1, RC2, RC3, RC4 및 RC5 및 무연탄보다 성능이 나빴다. 이러한 결과를 보는 다른 방법은, 샘플 RC1, RC2, RC3, RC4 및 RC5를 초래하는 추가적인 열분해 및 탄화로 인해 이들 예시적인 바이오카본 재료가 산소 반응성과 관련하여 무연탄과 유사하게 거동하게 한다는 것이다. 이 조정된 산소 반응성은 바이오카본 생성물의 많은 상업적 적용에 유익하다.

Claims (173)

  1. 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정으로서,
    (a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
    (b) 분리 유닛에 열분해 증기를 도입하여, 열분해 침전물을 생성하는 단계이되, 여기서 열분해 침전물은 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 단계;
    (c) 제1 생물기원 시약을 열분해 침전물과 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 열분해 침전물을 포함하는, 단계;
    (d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
    (e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
    (f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
    (g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계를 포함하며,
    여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
    여기서, 열중량 분석에 따르면, 제2 생물기원 시약의 산소 반응성은 제1 생물기원 시약의 산소 반응성보다 작고, 열중량 분석은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용하여 수행되는, 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약이 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 5% 더 긴 시간을 필요로 하는, 공정.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약이 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 탄소 산화에 도달하는 데 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 하는, 공정.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열중량 분석으로부터의 TGA 그래프가 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타내는, 공정.
  5. 제4항에 있어서,
    휘발성-탄소 산화 시간이 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의되고, 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약의 질량 손실이 제2 생물기원 시약의 질량 손실보다 적어도 25% 더 큰, 공정.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약의 질량 손실이 제2 생물기원 시약의 질량 손실보다 적어도 50% 더 큰, 공정.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 탄소-산화 체제 동안, 열중량 분석이 제1 생물기원 시약의 질량 손실률이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 적어도 25% 더 크다는 것을 나타내는, 공정.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 탄소-산화 체제 동안, 열중량 분석이 제1 생물기원 시약의 질량 손실률이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 적어도 50% 더 크다는 것을 나타내는, 공정.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타내는, 공정.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 열중량 분석이 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내는, 공정.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오매스-함유 공급원료가 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기(shell), 과일 줄기, 과일 껍질(peel), 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 응축 시스템을 포함하는, 공정.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 응축 시스템이 다중 단계를 갖는, 공정.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 다중 단계 중 제1 콘덴서 단계의 응축된 생성물인, 공정.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 액체-증기 사이클론 분리기를 포함하는, 공정.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 데미스터를 포함하는, 공정.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 증류 유닛을 포함하는, 공정.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 여과 유닛을 포함하는, 공정.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 멤브레인 유닛을 포함하는, 공정.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 스크러빙 유닛을 포함하는, 공정.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 화학적 침전 유닛을 포함하는, 공정.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 액체-액체 추출 유닛을 포함하는, 공정.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 유닛이 전기 집진 유닛을 포함하는, 공정.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 열분해 침전물을 포함하는, 공정.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 열분해 침전물을 포함하는, 공정.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 액체 형태인, 공정.
  27. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 고체 형태인, 공정.
  28. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 슬러리 형태인, 공정.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c) 및 (d)가 통합되는, 공정.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더가 중간체 재료에 도입되는, 공정.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  33. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는, 공정.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조를 위한 단계 (e)가 실시되는, 공정.
  35. 제34항에 있어서,
    단계 (d) 및 (e)가 통합되는, 공정.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서,
    단계 (e) 및 (f)가 통합되는, 공정.
  37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 생물기원 시약이 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀(attrition mill), 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링되는, 공정.
  38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제2 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링되는, 공정.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (d)가 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용하는, 공정.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열분해 반응기가 제2 열분해 반응기와 별개인, 공정.
  41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기가 동일한 유닛이고, 단계 (a) 및 (f)가 상이한 시간에 실시되는, 공정.
  42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 생물기원 시약이 열분해 침전물의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 작용하는, 공정.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (a)가 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시되는, 공정.
  44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (f)가 약 300℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시되는, 공정.
  45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (a)가 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시되는, 공정.
  46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (f)가 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시되는, 공정.
  47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    열분해 비-침전물이 분리 유닛에서 생성되며, 열분해 비-침전물이 임의로 회수되고 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 열이 임의로 공정 내에서 사용되는, 공정.
  48. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 증기의 일부가 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 열이 임의로 공정 내에서 사용되는, 공정.
  49. 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 오프-가스가 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 열이 임의로 공정 내에서 사용되는, 공정.
  50. 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 오프-가스가 분리 유닛에 이송되는, 공정.
  51. 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 오프-가스가 효과적인 침전 조건 하에서 작동되는 제2 분리 유닛에 이송되어 제2 열분해 침전물을 생성하며, 여기서 제2 열분해 침전물이 액체, 고체 또는 슬러리 형태인, 공정.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 공정이 제1 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 공정이 제2 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
    [청구항 51]
    제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 60 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 52]
    제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 70 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 53]
    제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 80 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
  54. 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 85 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
  55. 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
  56. 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 10 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
  57. 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 5 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
  58. 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 1 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
  59. 제1항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 최대 1 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
  60. 제1항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 최대 0.1 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
  61. 제1항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물이 본질적으로 회분을 포함하지 않는, 공정.
  62. 제1항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질을 포함하는, 공정.
  63. 제1항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함하는, 공정.
  64. 제1항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 10 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
  65. 제1항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 20 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
  66. 제1항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물에 포함된 탄소의 적어도 50 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
  67. 제1항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 침전물에 포함된 탄소의 30 wt% 내지 90 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
  68. 제1항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 1 wt% 내지 50 wt%가 열분해 침전물로부터 유래되는, 공정.
  69. 제1항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 10 wt% 내지 40 wt%가 열분해 침전물로부터 유래되는, 공정.
  70. 제1항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 공정의 단계 (b)로부터 제공되지 않은 추가적인 열분해 침전물을 추가로 포함하는, 공정.
  71. 제1항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 제1 생물기원 시약의 전부 미만이 열분해 침전물과 접촉되는, 공정.
  72. 제1항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 열분해 침전물의 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉되는, 공정.
  73. 제1항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능한, 공정.
  74. 제1항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능한, 공정.
  75. 제1항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능한, 공정.
  76. 제1항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 하는, 공정.
  77. 제1항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 하는, 공정.
  78. 제1항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는, 공정.
  79. 제1항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형(pillow), 렌틸형(lentil), 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는, 공정.
  80. 제1항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 약 100 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 하는, 공정.
  81. 제1항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 하는, 공정.
  82. 제1항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 하는, 공정.
  83. 제1항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징되는, 공정.
  84. 제1항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
  85. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제가 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택되는, 공정.
  86. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제가 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  87. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제가 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파(fluorospar), 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  88. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제가 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택되며, 여기서 여과액 pH가, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정되는, 공정.
  89. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정하며, 여기서 여과액 pH가 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정되는, 공정.
  90. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시키는, 공정.
  91. 제84항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시키는, 공정.
  92. 제83항에 있어서,
    상기 제2 생물기원 시약의 산소 반응성이 제2 생물기원 시약에 대한 첨가제의 첨가에 의해 감소되는, 공정.
  93. 제1항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 바이오매스-함유 공급원료에 포함된 탄소의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공하는, 공정.
  94. 제93항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 60%인, 공정.
  95. 제93항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 70%인, 공정.
  96. 제93항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 80%인, 공정.
  97. 제1항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 연속적 또는 반-연속적인, 공정.
  98. 제1항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내인 펠릿 유효 직경을 갖는, 공정.
  99. 제1항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿을 기계적으로 처리하여, 바이오카본 분말을 생성하는, 공정.
  100. 제1항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 다른 양의 제2 생물기원 시약과 조합되어, 바이오카본 물체를 생성하는, 공정.
  101. 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정으로서,
    (a) 제1 열분해 반응기에서 바이오매스-함유 공급원료를 열분해하여, 제1 생물기원 시약 및 열분해 증기를 생성하는 단계;
    (b) 탄소-함유 응축된-물질 재료를 제공하는 단계이되, 여기서 탄소-함유 응축된-물질 재료가 액체, 고체 또는 슬러리인, 단계;
    (c) 제1 생물기원 시약을 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉시켜, 중간체 재료를 생성하는 단계이되, 여기서 중간체 재료는 제1 생물기원 시약 및 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 단계;
    (d) 중간체 재료를 펠릿화하여, 중간체 펠릿을 생성하는 단계;
    (e) 임의로, 중간체 펠릿을 건조시키는 단계;
    (f) 단계 (a)와 별도로, 제2 열분해 반응기에서 중간체 펠릿을 열분해하여, 제2 생물기원 시약 및 열분해 오프-가스를 생성하는 단계이되, 여기서 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기는 동일한 반응기 또는 별개의 반응기인, 단계; 및
    (g) 제2 생물기원 시약을 바이오카본 펠릿으로서 회수하는 단계를 포함하며,
    여기서 제2 생물기원 시약의 고정 탄소 함량은 제1 생물기원 시약의 고정 탄소 함량보다 크고;
    여기서 제2 생물기원 시약은 순수한 산소의 존재 하에 25℃로부터 950℃까지 40℃/분의 온도 램프를 사용한 열중량 분석에 따라 제1 생물기원 시약보다 더 낮은 산소 반응성을 갖는, 공정.
  102. 제101항에 있어서,
    상기 열중량 분석으로부터의 시간 대비 중량 손실의 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약이 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 산화에 도달하는 데 적어도 5% 더 긴 시간을 필요로 하는, 공정.
  103. 제102항에 있어서,
    상기 TGA 그래프에 따르면, 제2 생물기원 시약이 제1 생물기원 시약과 비교하여 99% 산화에 도달하는 데 적어도 10% 더 긴 시간을 필요로 하는, 공정.
  104. 제101항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열중량 분석으로부터의 TGA 그래프가 휘발성 탄소의 산화와 연관된 제1 탄소-산화 체제, 그 뒤에는 고정 탄소의 산화와 연관된 제2 탄소-산화 체제가 이어짐을 나타내는, 공정.
  105. 제104항에 있어서,
    휘발성-탄소 산화 시간이 제1 탄소-산화 체제의 개시로부터 제2 탄소-산화 체제의 개시까지 정의되고, 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약이 제2 생물기원 시약과 비교하여 적어도 25% 초과의 질량 손실을 갖는, 공정.
  106. 제105항에 있어서,
    상기 휘발성-탄소 산화 시간 동안, 제1 생물기원 시약이 제2 생물기원 시약과 비교하여 적어도 50% 초과의 질량 손실을 갖는, 공정.
  107. 제104항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 제1 생물기원 시약이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 25% 더 큰 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타내는, 공정.
  108. 제104항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 제1 생물기원 시약이 제1 탄소-산화 체제 동안의 제2 생물기원 시약의 질량 손실률보다 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 50% 더 큰 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타내는, 공정.
  109. 제104항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 제1 생물기원 시약이 제2 탄소-산화 체제와 비교하여 제1 탄소-산화 체제 동안 적어도 10% 더 큰 평균 질량 손실률을 갖는다는 것을 나타내는, 공정.
  110. 제104항에 있어서,
    상기 열중량 분석이 500℃보다 높은 온도에서 제2 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내고, 열중량 분석이 200℃ 내지 500℃의 온도에서 제1 생물기원 시약에 대한 제1 탄소-산화 체제 내에서의 제1-미분 곡선 피크를 나타내는, 공정.
  111. 제101항 내지 제110항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오매스-함유 공급원료가 침엽수 칩, 견목 칩, 목재 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 쌀, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 수수, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 카놀라, 조류, 억새, 알팔파, 지팽이풀, 과일, 과일 껍데기, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 씨, 야채, 야채 껍데기, 야채 줄기, 야채 껍질, 야채 씨, 포도 퍼미스, 아몬드 껍데기, 피칸 껍데기, 코코넛 껍데기, 커피 찌꺼기, 음식물 쓰레기, 상업 폐기물, 잔디 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 종이 펄프, 종이 패키징, 종이 트리밍, 식품 패키징, 건설 또는 철거 폐기물, 철로 침목, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  112. 제101항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 열분해 증기로부터 유래된 열분해 침전물인, 공정.
  113. 제101항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 상이한 공정으로부터 외부적으로 제공된 열분해 침전물인, 공정.
  114. 제101항 내지 제113항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 방향족 종을 포함하는, 공정.
  115. 제114항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 오프-스펙 또는 폐기물 방향족 스트림인, 공정.
  116. 제101항 내지 제115항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 리그닌을 포함하는, 공정.
  117. 제101항 내지 제116항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 당 또는 당-분해 생성물을 포함하는, 공정.
  118. 제101항 내지 제117항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 중합체 또는 중합체-분해 생성물을 포함하는, 공정.
  119. 제101항 내지 제118항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 합성가스의 화학 반응에 의해 생산된 액체 생성물을 포함하고, 합성가스가 임의로 열분해 증기 또는 열분해 오프-가스로부터 수득되는, 공정.
  120. 제101항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%의 재생가능한 탄소를 포함하는, 공정.
  121. 제101항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%의 재생가능한 탄소를 포함하는, 공정.
  122. 제101항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료가 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능한 탄소를 포함하는, 공정.
  123. 제101항 내지 제122항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 제1 생물기원 시약의 표면 상에 흡착된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 공정.
  124. 제101항 내지 제123항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 제1 생물기원 시약의 벌크 상으로 흡수된 탄소-함유 응축된-물질 재료를 포함하는, 공정.
  125. 제101항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c) 및 (d)가 통합되는, 공정.
  126. 제101항 내지 제125항 중 어느 한 항에 있어서,
    바인더가 중간체 재료에 도입되는, 공정.
  127. 제126항에 있어서,
    상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립분, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 크산탄 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락타이드, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 지붕널, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  128. 제126항에 있어서,
    상기 바인더가 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 전술한 것들 중 임의의 것의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  129. 제101항 내지 제125항 중 어느 한 항에 있어서,
    펠릿화 동안 외부 바인더가 중간체 재료에 도입되지 않는, 공정.
  130. 제101항 내지 제129항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조를 위한 단계 (e)가 실시되는, 공정.
  131. 제130항에 있어서,
    단계 (d) 및 (e)가 통합되는, 공정.
  132. 제130항 또는 제131항에 있어서,
    단계 (e) 및 (f)가 통합되는, 공정.
  133. 제101항 내지 제132항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 생물기원 시약이 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제1 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링되는, 공정.
  134. 제101항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간체 재료가 해머 밀, 압출기, 어트리션 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 파쇄기, 조 파쇄기 또는 이의 조합으로부터 선택된 제2 기계적-처리 장치를 활용하여 밀링되는, 공정.
  135. 제101항 내지 제134항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (d)가 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 브리켓, 습식 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용하는, 공정.
  136. 제101항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열분해 반응기가 제2 열분해 반응기와 별개인, 공정.
  137. 제101항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열분해 반응기 및 제2 열분해 반응기가 동일한 유닛이고, 단계 (a) 및 (f)가 상이한 시간에 실시되는, 공정.
  138. 제101항 내지 제137항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 생물기원 시약이 탄소-함유 응축된-물질 재료의 고정-탄소 형성 반응을 위한 촉매 또는 반응 매트릭스로서 작용하는, 공정.
  139. 제101항 내지 제138항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (a)가 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 제1 열분해 온도에서 실시되는, 공정.
  140. 제101항 내지 제139항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (f)가 약 300℃ 내지 약 1250℃로부터 선택된 제2 열분해 온도에서 실시되는, 공정.
  141. 제101항 내지 제140항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (a)가 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제1 열분해 시간 동안 실시되는, 공정.
  142. 제101항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (f)가 약 1 분 내지 약 4 시간으로부터 선택된 제2 열분해 시간 동안 실시되는, 공정.
  143. 제101항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 증기가 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 열이 임의로 공정 내에서 사용되는, 공정.
    [청구항 125]
    제101항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 오프-가스가 적어도 부분적으로 산화되어 열을 생성하고, 열이 임의로 공정 내에서 사용되는, 공정.
    [청구항 126]
    제101항 내지 제125항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 오프-가스가 효과적인 침전 조건 하에서 작동되는 분리 유닛에 이송되어 제2 열분해 침전물을 생성하며, 여기서 제2 열분해 침전물이 액체 또는 고체 형태인, 공정.
    [청구항 127]
    제126항에 있어서,
    상기 공정이 제1 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
    [청구항 128]
    제126항에 있어서,
    상기 공정이 제2 생물기원 시약을 제2 열분해 침전물과 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
    [청구항 129]
    제101항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 60 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 130]
    제101항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 70 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 131]
    제101항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 80 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 132]
    제101항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 85 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 133]
    제101항 내지 제128항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 90 wt%의 고정 탄소를 포함하는, 공정.
    [청구항 134]
    제101항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 10 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
    [청구항 135]
    제101항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 5 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
    [청구항 136]
    제101항 내지 제133항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 1 wt%의 회분을 포함하는, 공정.
    [청구항 137]
    제101항 내지 제136항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 20 wt%의 총 휘발성 물질을 포함하는, 공정.
    [청구항 138]
    제101항 내지 제136항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 최대 10 wt%의 총 휘발성 물질을 포함하는, 공정.
    [청구항 139]
    제101항 내지 제138항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 25 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
    [청구항 140]
    제101항 내지 제138항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 50 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
    [청구항 141]
    제101항 내지 제138항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 적어도 75 wt%가 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소로 전환되는, 공정.
    [청구항 142]
    제101항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 1 wt% 내지 50 wt%가 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래되는, 공정.
    [청구항 143]
    제101항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 중 고정 탄소의 10 wt% 내지 40 wt%가 탄소-함유 응축된-물질 재료로부터 유래되는, 공정.
  144. 제101항 내지 제132항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 상기 제1 생물기원 시약의 전부 미만이 탄소-함유 응축된-물질 재료와 접촉되는, 공정.
  145. 제101항 내지 제144항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 상기 탄소-함유 응축된-물질 재료의 전부 미만이 제1 생물기원 시약과 접촉되는, 공정.
  146. 제101항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능한, 공정.
  147. 제101항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능한, 공정.
  148. 제101항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿 내의 총 탄소가 총 탄소의 14C/12C 동위원소 비의 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능한, 공정.
  149. 제101항 내지 제148항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 하는, 공정.
  150. 제101항 내지 제149항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 건조 기준으로, 적어도 약 20 lb/ft3의 벌크 밀도를 특징으로 하는, 공정.
  151. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 바이오카본 펠릿의 유효 직경으로서 계산된, 약 1 mm 내지 약 10 cm로부터 선택된 평균 펠릿 크기를 갖는, 공정.
  152. 제101항 내지 제151항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 구형, 원통형, 입방체, 팔각형, 육각형, 벌집형, 타원형, 기둥형, 막대형, 베개형, 렌틸형, 무작위 과립형, 또는 이의 조합으로부터 선택된 펠릿 형상을 갖는, 공정.
  153. 제101항 내지 제152항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 약 100 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 하는, 공정.
  154. 제101항 내지 제152항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 적어도 약 150 lbf/in2의 25℃에서의 펠릿 압축 강도를 특징으로 하는, 공정.
  155. 제101항 내지 제154항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 물에 담근 지 24 시간 후 25℃에서 최대 20 wt%의 수분 흡수를 특징으로 하는, 공정.
  156. 제101항 내지 제155항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 Manual of Tests and Criteria, 7차 개정판 2019, United Nations, Page 375, 33.4.6 Test N.4: "Test method for self-heating substances."에 따른 자가-가열 테스트에 적용시 비-자가-가열로서 특징되는, 공정.
  157. 제101항 내지 제156항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 공정 동안 첨가제를 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 공정.
  158. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제가 산, 염기 또는 이들의 염으로부터 선택되는, 공정.
  159. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제가 금속, 금속 옥사이드, 금속 하이드록시드, 금속 할라이드 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  160. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제가 소듐 하이드록시드, 포타슘 하이드록시드, 마그네슘 옥사이드, 수소 브로마이드, 수소 클로라이드, 소듐 실리케이트, 포타슘 퍼망가네이트, 마그네슘, 망간, 알루미늄, 니켈, 크롬, 규소, 보론, 세륨, 몰리브덴, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할라이드, 철 클로라이드, 철 브로마이드, 백운석, 백운석 석회, 플루오라이트, 플루오로스파, 벤토나이트, 칼슘 옥사이드, 석회, 티타늄 디옥사이드, 또는 이의 조합으로부터 선택되는, 공정.
  161. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제가 바이오카본 펠릿의 여과액 pH를 조정하도록 선택되며, 여기서 여과액 pH가, 건조 기준으로 20 그램의 바이오카본 펠릿 또는 이의 분말 형태를 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정되는, 공정.
  162. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 조정하며, 여기서 여과액 pH가 건조 기준으로 20 그램의 제2 생물기원 시약을 100 밀리리터의 증류수와 조합하여, 혼합물을 형성하고; 혼합물을 여과지를 통해 여과시키고; pH 측정기로 여과액의 pH를 측정함으로써 측정되는, 공정.
  163. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 감소시키는, 공정.
  164. 제157항에 있어서,
    상기 첨가제를 제2 생물기원 시약에 첨가하여, 제2 생물기원 시약의 여과액 pH를 증가시키는, 공정.
  165. 제157항에 있어서,
    상기 제2 생물기원 시약의 산소 반응성이 제2 생물기원 시약에 대한 첨가제의 첨가에 의해 감소되는, 공정.
  166. 제101항 내지 제165항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 바이오매스-함유 공급원료 중 탄소 + 탄소-함유 응축된-물질 재료 중 탄소의 합계의 백분율로서, 바이오카본 펠릿에 포함된 탄소로서 계산된, 적어도 50%의 전체 탄소 수율을 제공하는, 공정.
  167. 제166항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 60%인, 공정.
  168. 제166항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 70%인, 공정.
  169. 제166항에 있어서,
    상기 전체 탄소 수율이 적어도 80%인, 공정.
  170. 제101항 내지 제169항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정이 연속적 또는 반-연속적인, 공정.
  171. 제101항 내지 제170항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 중간체 펠릿의 유효 펠릿 직경의 10% 이내인 펠릿 유효 직경을 갖는, 공정.
  172. 제101항 내지 제171항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿을 기계적으로 처리하여, 바이오카본 분말을 생성하는, 공정.
  173. 제101항 내지 제172항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오카본 펠릿이 다른 양의 제2 생물기원 시약과 조합되어, 바이오카본 물체를 생성하는, 공정.
KR1020247004529A 2021-07-09 2022-07-07 고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿 KR20240034210A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163220073P 2021-07-09 2021-07-09
US63/220,073 2021-07-09
PCT/US2022/036292 WO2023283289A1 (en) 2021-07-09 2022-07-07 Processes for producing biocarbon pellets with high fixed-carbon content and optimized reactivity, and biocarbon pellets obtained therefrom

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240034210A true KR20240034210A (ko) 2024-03-13

Family

ID=84802005

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247004510A KR20240032977A (ko) 2021-07-09 2022-07-07 고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿
KR1020247004529A KR20240034210A (ko) 2021-07-09 2022-07-07 고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020247004510A KR20240032977A (ko) 2021-07-09 2022-07-07 고 고정-탄소 함량 및 최적화된 반응성을 갖는 바이오카본 펠릿을 생산하기 위한 공정, 및 이로부터 수득된 바이오카본 펠릿

Country Status (7)

Country Link
US (2) US20230020752A1 (ko)
EP (2) EP4367200A1 (ko)
KR (2) KR20240032977A (ko)
CN (2) CN117940534A (ko)
AU (2) AU2022308660A1 (ko)
CA (2) CA3225978A1 (ko)
WO (2) WO2023283290A1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4219657A3 (en) 2011-04-15 2023-08-23 Carbon Technology Holdings, LLC High-carbon biogenic reagents and uses thereof
MX2023003071A (es) 2020-09-25 2023-05-24 Carbon Tech Holdings Llc Biorreducción de minerales metálicos integrados con pirólisis de biomasa.
JP2024506244A (ja) * 2021-01-21 2024-02-13 カーボン テクノロジー ホールディングス， エルエルシー 調整可能な粉砕性指数を有するバイオカーボンペレットを製造するためのプロセス
CN117015624A (zh) 2021-02-18 2023-11-07 卡本科技控股有限责任公司 碳负冶金产品
US20220396529A1 (en) 2021-04-27 2022-12-15 Carbon Technology Holdings, LLC Biocarbon blends with optimized fixed carbon content, and methods for making and using the same
US20230020752A1 (en) 2021-07-09 2023-01-19 Carbon Technology Holdings, LLC Producing biocarbon pellets with high fixed-carbon content and optimized reactivity, and biocarbon pellets obtained therefrom
DE102021006191A1 (de) 2021-12-15 2023-06-15 Foot Print UG (haftungsbeschränkt) Tischfertiges Kochgeschirr aus einem polymeren Material
WO2024076666A1 (en) * 2022-10-05 2024-04-11 University Of Wyoming High strength and durable char-based bricks and methods of making char-based bricks

Family Cites Families (317)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2289917A (en) 1942-07-14 Process of continuous carbonization
US1609097A (en) 1922-07-15 1926-11-30 Orin F Stafford Process of making charcoal briquettes and product derived therefrom
US1662357A (en) 1926-09-01 1928-03-13 Larry J Barton Abrasive-resisting metal and process for making same
US2448223A (en) 1936-06-30 1948-08-31 Azote & Prod Chim Low-temperature distillation of fuels by direct contact with reheated distillate vapors
US2475767A (en) 1946-04-30 1949-07-12 Williams Bauer Corp Method of making artificial fuel from paper
US2577730A (en) 1949-06-24 1951-12-11 Hydrocarbon Research Inc Iron oxide reduction
US3088983A (en) 1957-06-17 1963-05-07 Celanese Corp Conditioning of activated carbon
US3235374A (en) 1962-07-11 1966-02-15 Harold A Mahony System and process for the direct reduction of iron ore
US3298928A (en) 1963-11-22 1967-01-17 Weyerhaeuser Co Pyrolysis of cellulosic material in concurrent gaseous flow
US3290894A (en) 1965-01-21 1966-12-13 Lummus Co Cooling system for reactor
US3650711A (en) 1969-03-14 1972-03-21 Ethyl Corp Fuel composition
GB1412407A (en) 1971-11-06 1975-11-05 Robson Refractories Ltd Treatment of slag in iron and steelworks
US3928023A (en) 1972-01-31 1975-12-23 Kaiser Steel Corp Method of treating off gases from iron processes
US3853498A (en) 1972-06-28 1974-12-10 R Bailie Production of high energy fuel gas from municipal wastes
US3852048A (en) 1972-07-14 1974-12-03 Kingsford Co Process for producing industrial fuel from waste woody materials
US4011129A (en) 1975-04-11 1977-03-08 Domtar Limited Pulp mill recovery system
US4324561A (en) 1975-06-26 1982-04-13 Nipac, Ltd. Combustible fuel pellets formed from botanical material
US4002565A (en) 1975-08-25 1977-01-11 Chevron Research Company Waste-water process
US4322222A (en) 1975-11-10 1982-03-30 Occidental Petroleum Corporation Process for the gasification of carbonaceous materials
US4026678A (en) 1975-12-17 1977-05-31 Guaranty Performance Co., Inc. Process for treating municipal wastes to produce a fuel
US4082694A (en) 1975-12-24 1978-04-04 Standard Oil Company (Indiana) Active carbon process and composition
US4015951A (en) 1976-01-05 1977-04-05 Gunnerman Rudolf W Fuel pellets and method for making them from organic fibrous materials
US4102653A (en) 1976-01-14 1978-07-25 Charles T. Simmons Aromatic wood fuel briquette and method of making and using the same
US4158643A (en) 1976-07-15 1979-06-19 Calgon Corporation Catalytic carbon for oxidation of carbon monoxide in the presence of sulfur dioxide
US4201831A (en) 1976-09-27 1980-05-06 General Electric Company Magnetic adsorbent composite
US4532227A (en) 1976-12-27 1985-07-30 Texaco Development Corporation Low ash pelleted carbon and process of preparation
US4152119A (en) 1977-08-01 1979-05-01 Dynecology Incorporated Briquette comprising caking coal and municipal solid waste
US4149994A (en) 1977-12-02 1979-04-17 The Carborundum Company Granular activated carbon manufacture from brown coal treated with dilute inorganic acid
DE2813227C2 (de) 1978-03-28 1984-05-17 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Reaktor zur kontinuierlichen thermischen Behandlung von verunreinigten kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmitteln
US4236897A (en) 1978-09-18 1980-12-02 Johnston Ian F Fuel pellets
US4310334A (en) 1979-02-15 1982-01-12 Dale D. Hammitt Methods of producing fuels from solid materials
US4210423A (en) 1979-04-06 1980-07-01 Mobil Oil Corporation Solid fuel use in small furnaces
US4247528A (en) 1979-04-11 1981-01-27 Dow Corning Corporation Method for producing solar-cell-grade silicon
US4255129A (en) 1979-07-11 1981-03-10 Thomas N. DePew Apparatus and method for processing organic materials into more useful states
US4248839A (en) 1979-07-30 1981-02-03 Nl Industries, Inc. Chlorination of impure magnesium chloride melt
US4246024A (en) 1979-10-31 1981-01-20 Grupo Industrial Alfa, S.A. Method for the gaseous reduction of metal ores using reducing gas produced by gasification of solid or liquid fossil fuels
US4561860A (en) 1980-03-24 1985-12-31 The Secretary Of State For The Environment In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Process and apparatus for production of refuse derived fuel
US4385905A (en) 1980-04-04 1983-05-31 Everett Metal Products, Inc. System and method for gasification of solid carbonaceous fuels
US4308033A (en) 1980-10-23 1981-12-29 Gunnerman Rudolf W Fuel pellet and process for making it by shaping under pressure an organic fibrous material
US4317703A (en) 1980-12-03 1982-03-02 American Can Company Pyrolysis process utilizing pyrolytic oil recycle
US4529407A (en) 1981-06-25 1985-07-16 Pickering Fuel Resources, Inc. Fuel pellets
FR2512053B1 (fr) 1981-08-28 1985-08-02 Armines Procede de transformation de matiere ligneuse d'origine vegetale et matiere d'origine vegetale ligneuse transformee par torrefaction
US4395265A (en) 1981-12-16 1983-07-26 Charles Reilly Fuel pellets
US4398917A (en) 1982-03-23 1983-08-16 Reilly Charles J Process for the preparation of fuel pellets
US4405331A (en) 1982-04-23 1983-09-20 Acres American Incorporated Refuse derived fuel and a process for the production thereof
AU559284B2 (en) 1982-07-08 1987-03-05 Takeda Chemical Industries Ltd. Adsorption of mercury vapour
US4494962A (en) 1982-11-24 1985-01-22 Christie George M Fuel product
US4886519A (en) 1983-11-02 1989-12-12 Petroleum Fermentations N.V. Method for reducing sox emissions during the combustion of sulfur-containing combustible compositions
JPS60238144A (ja) 1984-05-11 1985-11-27 Idemitsu Petrochem Co Ltd 砒素化合物除去剤
US5153242A (en) 1985-03-18 1992-10-06 The Board Of Regents Of The University Of Nebraska Composition board including plant protein in binder
US4632731A (en) 1985-06-26 1986-12-30 Institute Of Gas Technology Carbonization and dewatering process
DK152291C (da) 1985-08-19 1988-07-11 Habrit Aps Fremgangsmaade til fremstilling af halmbriketter
US4891459A (en) 1986-01-17 1990-01-02 Georgia Tech Research Corporation Oil production by entrained pyrolysis of biomass and processing of oil and char
US4652433A (en) 1986-01-29 1987-03-24 Florida Progress Corporation Method for the recovery of minerals and production of by-products from coal ash
DE3773853D1 (de) 1986-06-06 1991-11-21 Dow Chemical Co Katalytisches verfahren in der dampfphase zur herstellung von kohlenwasserstoffkarbonaten.
US4679268A (en) 1986-09-11 1987-07-14 Gurries & Okamoto, Inc. Method and apparatus for burning solid waste products using a plurality of multiple hearth furnaces
US4810255A (en) 1987-01-15 1989-03-07 Kimberly-Clark Corporation Manufactured fuel article
US4828573A (en) 1987-04-13 1989-05-09 Technology Research & Development, Inc. Method of manufacturing a pelletized fuel
US4855276A (en) 1987-09-02 1989-08-08 Purafil, Inc. Solid filtration medium incorporating alumina and carbon
US4834777A (en) 1988-01-28 1989-05-30 Hydraulic Services, Inc. Fuel pelletizing apparatus and method
DE3820913A1 (de) 1988-06-21 1989-12-28 Metallgesellschaft Ag Verfahren zum schwelen von holz zur erzeugung von holzkohle
CH678289A5 (ko) 1988-08-05 1991-08-30 Weber Anneler Hans
US5202301A (en) 1989-11-22 1993-04-13 Calgon Carbon Corporation Product/process/application for removal of mercury from liquid hydrocarbon
JP3029841B2 (ja) 1990-04-16 2000-04-10 株式会社豊田中央研究所 複合吸着材およびその製造方法
US5342418A (en) 1990-04-25 1994-08-30 Jesse Albert H Method of making pelletized fuel
US5187141A (en) 1990-08-24 1993-02-16 Jha Mahesh C Process for the manufacture of activated carbon from coal by mild gasification and hydrogenation
US5167797A (en) 1990-12-07 1992-12-01 Exxon Chemical Company Inc. Removal of sulfur contaminants from hydrocarbons using n-halogeno compounds
JPH0564789A (ja) 1991-06-14 1993-03-19 Mitsubishi Gas Chem Co Inc 水質汚濁性有機物質含有廃液の処理方法
US5141526A (en) 1991-05-20 1992-08-25 Shell Oil Company Fuel preparation from a waste sludge
US5346876A (en) 1991-12-12 1994-09-13 Nippon Chemical Industrial Co., Ltd. Air purifying agent and a process for producing same
TW316850B (ko) 1992-02-28 1997-10-01 Takeda Pharm Industry Co Ltd
US5248413A (en) 1992-02-28 1993-09-28 University Of Kentucky Research Foundation Process for removing sulfur and producing enhanced quality and environmentally acceptable products for energy production from coal
JPH0688077A (ja) 1992-09-07 1994-03-29 Katsufumi Akizuki 木炭製造方法
US5338441A (en) 1992-10-13 1994-08-16 Exxon Research And Engineering Company Liquefaction process
US5431702A (en) 1993-03-25 1995-07-11 Dynecology, Inc. Waste conversion process and products
US5513755A (en) 1993-02-03 1996-05-07 Jtm Industries, Inc. Method and apparatus for reducing carbon content in fly ash
US5458803B1 (en) 1993-09-30 1999-08-03 Dynamotive Corp Acid emission reduction
US5352252A (en) 1993-12-07 1994-10-04 Tolmie Richard W Process for making fuel cubes from straw
DE4408455A1 (de) 1994-03-12 1995-09-14 Metallgesellschaft Ag Verfahren zum Erzeugen von Holzkohle im Wanderbett
US5589599A (en) 1994-06-07 1996-12-31 Mcmullen; Frederick G. Pyrolytic conversion of organic feedstock and waste
US5916438A (en) 1994-07-01 1999-06-29 International Fuel Cells, Llc Removal of hydrogen sulfide from anaerobic digester gas
US6057262A (en) 1995-05-19 2000-05-02 University Of Kentucky Research Foundation Activated carbon and process for making same
US5643342A (en) 1995-08-02 1997-07-01 Pelletech Fuels, Inc. Fuel pellet and method of making the fuel pellet
IT1276116B1 (it) 1995-11-10 1997-10-24 O E T Calusco S R L Procedimento ed impianto per la produzione di carbone vegetale mediante pirolisi di prodotti legnosi o biomasse vegetali in genere
US5910440A (en) 1996-04-12 1999-06-08 Exxon Research And Engineering Company Method for the removal of organic sulfur from carbonaceous materials
US6114280A (en) 1996-05-06 2000-09-05 Agritec, Inc. Highly activated carbon from caustic digestion of rice hull ash and method
JP3943179B2 (ja) 1997-01-24 2007-07-11 日本エンバイロケミカルズ株式会社 活性炭電極およびその製造法
DK0930091T3 (da) 1997-04-25 2004-09-06 Jfe Eng Corp Fremgangsmåde til behandling af röggasser
US6043392A (en) 1997-06-30 2000-03-28 Texas A&M University System Method for conversion of biomass to chemicals and fuels
US5916826A (en) 1997-12-05 1999-06-29 Waste Technology Transfer, Inc. Pelletizing and briquetting of coal fines using binders produced by liquefaction of biomass
US6506223B2 (en) 1997-12-05 2003-01-14 Waste Technology Transfer, Inc. Pelletizing and briquetting of combustible organic-waste materials using binders produced by liquefaction of biomass
US6342129B1 (en) 1998-05-14 2002-01-29 Calgon Carbon Corporation Process for production of carbonaceous chars having catalytic activity
JP2000157832A (ja) 1998-11-30 2000-06-13 Nkk Corp 廃活性炭の処理方法及び活性コークスの処理方法
JP2000212568A (ja) 1999-01-28 2000-08-02 Sanada Tire Hanbai Kk 炭素素材製造方法及びその装置
JP4368964B2 (ja) 1999-03-16 2009-11-18 太平洋セメント株式会社 固形燃料の製造方法及びその装置
WO2000071936A1 (en) 1999-05-25 2000-11-30 Mbr Technologies, Inc. Rapid activation method, process, and apparatus for making pelletized activated carbon from carbonaceous wastes
US6698724B1 (en) 1999-08-11 2004-03-02 Joseph P. Traeger Post setting method
JP2004534641A (ja) 1999-09-29 2004-11-18 メルク　エンド　カムパニー　インコーポレーテッド 塩化銅（ｉｉ）を含有する炭素ベースの吸着性粉体
US8048528B2 (en) 1999-12-02 2011-11-01 Touchstone Research Laboratory, Ltd. Cellular coal products
FR2804042B1 (fr) 2000-01-25 2002-07-12 Air Liquide Procede de purification d'un gaz par adsorption des impuretes sur plusieurs charbons actifs
US7282072B2 (en) 2000-02-25 2007-10-16 University Of Kentucky Research Foundation Synthetic fuel and methods for producing synthetic fuel
JP4477186B2 (ja) 2000-02-29 2010-06-09 フタムラ化学株式会社 フィルター及びフィルター部材
US6447437B1 (en) 2000-03-31 2002-09-10 Ut-Battelle, Llc Method for reducing CO2, CO, NOX, and SOx emissions
JP2001300497A (ja) 2000-04-21 2001-10-30 Aimakku Engineering Kk 廃棄物処理装置と廃棄物処理方法
WO2001085307A1 (en) 2000-05-08 2001-11-15 Norit Nederland B.V. Process for the purification of flue gas
JP3840877B2 (ja) 2000-05-26 2006-11-01 昭和電工株式会社 ハロゲン系ガスの除害剤、除害方法及びその用途
US6729248B2 (en) 2000-06-26 2004-05-04 Ada Environmental Solutions, Llc Low sulfur coal additive for improved furnace operation
US7326263B2 (en) 2000-07-20 2008-02-05 Erling Reidar Andersen Method and apparatus for hydrogenating hydrocarbon fuels
DE60143107D1 (de) 2000-07-25 2010-11-04 Honda Motor Co Ltd Aktivierter Kohlenstoff, Herstellungsverfahren, polarisierbare Elektrode, und Doppelschichtkondensator
AU2002241523A1 (en) 2000-11-29 2002-06-11 Research Foundation Of The City University Of New York Process to prepare adsorbents from organic fertilizer and their applications for removal of acidic gases from wet air streams
JP3936574B2 (ja) 2000-11-30 2007-06-27 新日本製鐵株式会社 高炉用高反応性コークスの製造方法
EP1217318A1 (en) 2000-12-19 2002-06-26 Sea Marconi Technologies Di Wander Tumiatti S.A.S. Plant for the thermal treatment of material and operation process thereof
JP2002211911A (ja) 2001-01-12 2002-07-31 Rengo Co Ltd 親水性高分子由来水酸基含有炭化物及びその製造方法
WO2002069351A1 (en) 2001-02-26 2002-09-06 University Of Utah Research Foundation Magnetic activated carbon particles for adsorption of solutes from solution
JP3900245B2 (ja) 2001-03-01 2007-04-04 ヤンセン ファーマシューティカ エヌ．ベー． 口腔内速崩壊型錠剤及びその製造方法
JP2002289683A (ja) 2001-03-28 2002-10-04 Nec Corp トレンチ分離構造の形成方法および半導体装置
US6524354B2 (en) 2001-03-30 2003-02-25 Council Of Scientific And Industrial Research Process for the production of low ash fuel
US6719816B2 (en) 2001-05-03 2004-04-13 Duraflame, Inc. Artificial firelog with sodium bicarbonate additive
ATE437244T1 (de) 2001-05-30 2009-08-15 Kobe Steel Ltd Verfahren zur herstellung von reduzierten metallen
US6790317B2 (en) 2001-06-28 2004-09-14 University Of Hawaii Process for flash carbonization of biomass
JP2003038941A (ja) 2001-07-31 2003-02-12 Nitto Denko Corp 液体分離膜およびその運転方法
US20050279696A1 (en) 2001-08-23 2005-12-22 Bahm Jeannine R Water filter materials and water filters containing a mixture of microporous and mesoporous carbon particles
SE0103822D0 (sv) 2001-11-16 2001-11-16 Ecomb Ab Combustion optimisation
JP3760228B2 (ja) 2002-01-23 2006-03-29 独立行政法人産業技術総合研究所 高発熱量炭化物の製造法
US6726888B2 (en) 2002-01-25 2004-04-27 General Electric Company Method to decrease emissions of nitrogen oxide and mercury
JP2003238136A (ja) 2002-02-08 2003-08-27 Naonobu Katada 高比表面積炭素材料の製造方法と装置
JP3981759B2 (ja) 2002-03-06 2007-09-26 日立造船株式会社 下水汚泥処理方法
JP4540938B2 (ja) 2002-03-22 2010-09-08 日本エンバイロケミカルズ株式会社 水道水中の重金属除去剤
JP2003286021A (ja) 2002-03-28 2003-10-07 Naonobu Katada 高比表面積炭素材料の製造装置
US20030221363A1 (en) 2002-05-21 2003-12-04 Reed Thomas B. Process and apparatus for making a densified torrefied fuel
US7455704B2 (en) 2002-06-03 2008-11-25 Garwood Anthony J Method of processing waste product into fuel
WO2004000244A1 (en) 2002-06-24 2003-12-31 Dead Sea Laboratories Ltd. Cosmetic compositions comprising small magnetic particles
US20040045215A1 (en) 2002-09-09 2004-03-11 Guilfoyle Michael John Combustible fuel
EP1583601A4 (en) 2003-01-13 2006-04-05 Engineering Performance Soluti MAGNETIC CARBON AND REMOVAL OF CONTAMINATION FROM A FLUID CURRENT
DE50313627D1 (de) 2003-01-28 2011-06-01 Hans Werner Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Brennstoffen aus gepresster Biomasse und Verwendung derselben
US6818027B2 (en) 2003-02-06 2004-11-16 Ecoem, L.L.C. Organically clean biomass fuel
DE502004012415D1 (de) 2003-02-25 2011-06-01 Pytec Thermochemische Anlagen Gmbh Verfahren und vorrichtung zur pyrolyse von biomasse
US7435286B2 (en) 2004-08-30 2008-10-14 Energy & Environmental Research Center Foundation Sorbents for the oxidation and removal of mercury
JP4098167B2 (ja) 2003-06-16 2008-06-11 本田技研工業株式会社 燃料ガス発生方法及び装置
US20050095183A1 (en) 2003-11-05 2005-05-05 Biomass Energy Solutions, Inc. Process and apparatus for biomass gasification
CA2543320A1 (en) 2003-11-17 2005-06-02 Entropic Technologies Corporation Waste conversion process
US7514052B2 (en) 2004-01-06 2009-04-07 General Electric Company Method for removal of mercury emissions from coal combustion
JP2005263547A (ja) 2004-03-17 2005-09-29 Taiheiyo Cement Corp 複合活性炭化物及びその製造方法
JP2005298602A (ja) 2004-04-08 2005-10-27 Nippon Steel Corp 可燃性廃棄物の熱分解方法及び装置
US20050258093A1 (en) 2004-05-24 2005-11-24 Microban Products Company Antimicrobial activated carbon and method of making
JP2005334737A (ja) 2004-05-25 2005-12-08 Futaba Shoji Kk 磁性吸着剤、光触媒担持吸着剤、磁性光触媒、光触媒担持磁性吸着剤および有害物の分解処理方法
US20050274068A1 (en) 2004-06-14 2005-12-15 Morton Edward L Bio-solid materials as alternate fuels in cement kiln, riser duct and calciner
JP2006096615A (ja) 2004-09-29 2006-04-13 Taiheiyo Cement Corp セメントキルンの排ガスの処理方法
US7404262B2 (en) 2004-10-12 2008-07-29 Pesco, Inc. Heat-moisture control in agricultural-product production using moisture from water vapor extraction
JP4912587B2 (ja) 2004-12-08 2012-04-11 リグナイト株式会社 複合炭化材料の製造方法
DE102005002700A1 (de) 2005-01-19 2006-07-27 Cognis Deutschland Gmbh & Co. Kg Zusammensetzungen verwendbar als Biotreibstoff
JP2006263513A (ja) 2005-03-22 2006-10-05 Kobelco Eco-Solutions Co Ltd ごみ焼却炉排ガス中の水銀除去方法
US7357903B2 (en) 2005-04-12 2008-04-15 Headwaters Heavy Oil, Llc Method for reducing NOx during combustion of coal in a burner
PL1879979T3 (pl) 2005-05-03 2018-04-30 Danmarks Tekniske Universitet Sposób i urządzenie do pirolizy
JP2006315899A (ja) 2005-05-12 2006-11-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd 活性炭化物の製造方法とその装置
EP1888722A4 (en) 2005-05-16 2011-10-26 Evergreen Biofuels Inc AGRICULTURAL FIBER FUEL PELLETS
EP1893359A4 (en) 2005-06-08 2011-06-29 Univ Western Ontario APPARATUS AND METHOD FOR THE PYROLYSIS OF AGRICULTURAL BIOMASS
US20060280669A1 (en) 2005-06-10 2006-12-14 Jones Fred L Waste conversion process
US20070034126A1 (en) 2005-06-27 2007-02-15 Wei-Yin Chen In-Furnace Reduction Of Nitrogen Oxide By Mixed Fuels Involving A Biomass Derivative
US20070006526A1 (en) 2005-07-07 2007-01-11 New Energy Usa, Llc Fuel pellet briquettes from biomass and recovered coal slurries
CA2515879A1 (en) 2005-08-05 2007-02-05 Mark A. Dupuis Densification system
US7378372B2 (en) 2005-10-11 2008-05-27 Layne Christensen Company Filter and sorbent for removal of contaminants from a fluid
US7763098B2 (en) 2005-11-18 2010-07-27 Xebec Adsorption Inc. Rapid cycle syngas pressure swing adsorption system
US7468170B2 (en) 2005-12-21 2008-12-23 Douglas C Comrie Nitrogenous sorbent for coal combustion
NL1030864C2 (nl) 2006-01-06 2007-07-09 Stichting Energie Werkwijze en inrichting voor het behandelen van biomassa.
US8150776B2 (en) 2006-01-18 2012-04-03 Nox Ii, Ltd. Methods of operating a coal burning facility
CA2539012C (en) 2006-03-10 2013-07-09 John Flottvik Closed retort charcoal reactor system
US20070220805A1 (en) 2006-03-24 2007-09-27 Leveson Philip D Method for producing a homogeneous biomass fuel for gasification applications
US20070261295A1 (en) 2006-05-11 2007-11-15 Tolmie Richard W Water resistance, density, and durability of biomass fuels
US7942942B2 (en) 2006-05-21 2011-05-17 Paoluccio John A Method and apparatus for biomass torrefaction, manufacturing a storable fuel from biomass and producing offsets for the combustion products of fossil fuels and a combustible article of manufacture
WO2007147244A1 (en) 2006-06-19 2007-12-27 Michel Babeu Method for manufacturing a solid fuel with waste materials
JP5034062B2 (ja) 2006-08-02 2012-09-26 宇部興産株式会社 固体燃料及びその製造方法
US8198211B2 (en) 2006-08-23 2012-06-12 Sulvaris Inc. Acid-impregnated activated carbon and methods of forming and using the same
CA2664464C (en) 2006-10-02 2015-06-30 Global Research Technologies, Llc Method and apparatus for extracting carbon dioxide from air
US20090314185A1 (en) 2006-10-17 2009-12-24 Matrix Llc Treatment of fly ash
NZ731676A (en) 2006-10-26 2018-11-30 Xyleco Inc Processing biomass
US8926932B2 (en) 2006-11-08 2015-01-06 The Curators Of The University Of Missouri High surface area carbon and process for its production
EP2086687B1 (en) 2006-11-09 2016-02-17 ETH Zurich Carbon coated magnetic nanoparticles and their use in separation processes
JP5107565B2 (ja) 2006-11-30 2012-12-26 エステー株式会社 消臭芳香器、それに用いる揮散体およびこの揮散体の製造方法ならびに消臭芳香方法
US7691182B1 (en) 2006-12-12 2010-04-06 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Process for hydrogen production via integrated processing of landfill gas and biomass
WO2008076944A1 (en) 2006-12-15 2008-06-26 Ecoem, Llc Pyrolysis biomass chain reactor for clean energy production in closed loop
US8080088B1 (en) 2007-03-05 2011-12-20 Srivats Srinivasachar Flue gas mercury control
JP2008222901A (ja) 2007-03-14 2008-09-25 Kayaba System Machinery Kk 炭素化装置
DE102007050971B4 (de) 2007-03-14 2014-12-31 BLüCHER GMBH Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsadsorbentien auf der Basis von Aktivkohle mit hoher Meso- und Makroporosität, Hochleistungsadsorbentien und deren Verwendung
US20080281673A1 (en) 2007-05-07 2008-11-13 Mark Davis System and method for semi-automatic land planning
US7981835B2 (en) 2007-05-17 2011-07-19 Energy & Environmental Research Center Foundation System and method for coproduction of activated carbon and steam/electricity
JP2008284520A (ja) 2007-05-21 2008-11-27 Futaba Shoji Kk 担持触媒型磁性吸着剤および過酸化物含有廃水の処理方法
US11001776B2 (en) 2007-07-31 2021-05-11 Richard B. Hoffman System and method of preparing pre-treated biorefinery feedstock from raw and recycled waste cellulosic biomass
WO2009018543A1 (en) 2007-08-01 2009-02-05 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Thermochemical method for conversion of poultry litter
US20090056205A1 (en) 2007-08-28 2009-03-05 Stephane Gauthier Plant biomass solid fuel
US8436120B2 (en) 2007-11-20 2013-05-07 Jan Piskorz Method of producing hodge carbonyls and oligomeric lignin
US7905990B2 (en) 2007-11-20 2011-03-15 Ensyn Renewables, Inc. Rapid thermal conversion of biomass
JP4415199B2 (ja) 2007-11-22 2010-02-17 芳春 松下 回転釜加熱処理装置と製茶方法
US20090151251A1 (en) 2007-12-17 2009-06-18 Range Fuels, Inc. Methods and apparatus for producing syngas and alcohols
US20090188160A1 (en) 2008-01-30 2009-07-30 Henry Liu Method and Device to Compact Biomass
US7960325B2 (en) 2008-02-15 2011-06-14 Renewable Densified Fuels, Llc Densified fuel pellets
US9121606B2 (en) 2008-02-19 2015-09-01 Srivats Srinivasachar Method of manufacturing carbon-rich product and co-products
WO2009105441A1 (en) 2008-02-19 2009-08-27 Srivats Srinivasachar Method of manufacturing carbon-rich product and co-products
US8237006B2 (en) 2008-02-29 2012-08-07 Durr Systems, Inc. Thermal oxidizer with gasifier
US7887618B2 (en) 2008-04-15 2011-02-15 Albemarle Corporation Methods and sorbents for utilizing a hot-side electrostatic precipitator for removal of mercury from combustion gases
GB2460064A (en) 2008-05-15 2009-11-18 Maria Catherine Tabiner A method of forming a permanently magnetic absorbent composite material
US10072227B2 (en) 2008-07-04 2018-09-11 University Of York Microwave torrefaction of biomass
US10332226B2 (en) 2008-08-13 2019-06-25 Greentire Energy Llc Techniques for locating and operating gasification plant having predominately scrap tire rubber as feedstock
US8476480B1 (en) 2008-08-29 2013-07-02 Iowa State University Research Foundation, Inc. Bio-oil fractionation and condensation
US8669404B2 (en) 2008-10-15 2014-03-11 Renewable Fuel Technologies, Inc. Method for conversion of biomass to biofuel
EP2484437A3 (en) 2008-11-17 2017-01-18 Ingelia, S.L. Process of hydrothermal carbonization of biomass and installation for carrying out said process
FR2938536B1 (fr) 2008-11-18 2012-07-13 Arkema France Procede de fabrication d'un methacrylate de methyle derive de la biomasse
CN101412929B (zh) 2008-11-28 2012-02-01 武汉凯迪工程技术研究总院有限公司 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
EP2199365A1 (en) 2008-12-18 2010-06-23 Repsol Ypf S.A. Process for producing a recarburizer carbonaceous product
US8308911B2 (en) 2009-01-09 2012-11-13 Cool Planet Biofuels, Llc System and method for atmospheric carbon sequestration
US8309052B2 (en) 2009-07-02 2012-11-13 Pneumatic Processing Technologies, L.L.C. Carbon heat-treatment process
US20100139156A1 (en) 2009-01-26 2010-06-10 Mennell James A Corn stover fuel objects with high heat output and reduced emissions designed for large-scale power generation
US20100139155A1 (en) 2009-01-26 2010-06-10 Mennell James A Switch grass fuel objects with high heat output and reduced air emissions designed for large-scale power generation
US8900416B2 (en) 2009-02-24 2014-12-02 University Of Georgia Research Foundation, Inc. Production of higher quality bio-oils by in-line esterification of pyrolysis vapor
JP5386195B2 (ja) 2009-02-27 2014-01-15 三菱重工マシナリーテクノロジー株式会社 レイアウト自動生成装置、レイアウト自動生成方法及びプログラム
JP5246663B2 (ja) 2009-02-27 2013-07-24 日立造船株式会社 リン化合物の回収方法
CN102341485B (zh) 2009-03-05 2015-06-10 G4因赛特公司 用于生物质的热化学转化的方法和系统
MY155415A (en) 2009-03-24 2015-10-15 Jfe Steel Corp Method for producing biomass charcoal and apparatus for producing biomass charcoal for the method
JP5501644B2 (ja) 2009-03-24 2014-05-28 Ｊｆｅスチール株式会社 バイオマス炭の製造方法およびこれに用いるバイオマス炭の製造装置
US20100273899A1 (en) 2009-04-22 2010-10-28 Range Fuels, Inc. Integrated, high-efficiency processes for biomass conversion to synthesis gas
FR2945294B1 (fr) 2009-05-07 2012-04-20 Olivier Lepez Procede et installation de densification energetique d'un produit sous forme de solides divises, en vue de l'obtention d'huiles pyrolytiques a vocation energetique
WO2010132602A1 (en) 2009-05-12 2010-11-18 Organic Power Solutions, LLC Pyrolytic thermal conversion system
CA2761362A1 (en) 2009-05-14 2010-11-18 Chaotech Pty Ltd A pyrolytic process and apparatus for producing biomass char and energy
AU2010246895A1 (en) 2009-05-15 2012-01-19 Venearth Group Llc Biochar complex
BRPI0901948A2 (pt) 2009-05-21 2011-02-08 Alvaro Lucio processo de obtenção do carvão vegetal que utiliza os constituintes gasosos emitidos durante a carbonização da matéria vegetal como fonte de energia para o processo e configuração construtiva do respectivo equipamento
US8226798B2 (en) 2009-05-26 2012-07-24 Alterna Energy Inc. Method of converting pyrolyzable organic materials to biocarbon
US8361186B1 (en) 2009-06-08 2013-01-29 Full Circle Biochar, Inc. Biochar
CN105226284B (zh) 2009-07-01 2017-11-28 巴斯夫欧洲公司 超纯合成碳材料
DE102009032810A1 (de) 2009-07-10 2011-01-13 BLüCHER GMBH Anlage und Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle
US20110011721A1 (en) 2009-07-16 2011-01-20 Champagne Gary E Vacuum Pyrolytic Gasification And Liquefaction To Produce Liquid And Gaseous Fuels From Biomass
US8449724B2 (en) 2009-08-19 2013-05-28 Andritz Technology And Asset Management Gmbh Method and system for the torrefaction of lignocellulosic material
US9279091B2 (en) 2009-09-11 2016-03-08 The Clorox Company Charcoal briquettes and methods of forming thereof
US8920609B2 (en) 2009-10-01 2014-12-30 Philip H. Steele Method of increasing anhydrosugars, pyroligneous fractions and esterified bio-oil
FI20096059A0 (fi) 2009-10-13 2009-10-13 Valtion Teknillinen Menetelmä ja laitteisto biohiilen valmistamiseksi
CN101693848B (zh) 2009-10-19 2013-01-02 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 内热式连续制备生物质热解气化煤气的方法及用的回转炉
HUE046044T2 (hu) 2009-11-02 2020-01-28 Cabot Corp Nagy fajlagos felületû és kis szerkezetû kormok, energiatárolási alkalmazásra
JP5678372B2 (ja) 2009-11-30 2015-03-04 独立行政法人産業技術総合研究所 窒素含有多孔質炭素材料とその製造方法、及び該窒素含有多孔質炭素材料を用いた電気二重層キャパシタ
US8404909B2 (en) 2009-12-09 2013-03-26 Chevron U.S.A. Inc. Method for capturing carbon dioxide from biomass pyrolysis process
PL2516926T3 (pl) 2009-12-22 2017-11-30 Accordant Energy, Llc Przerobione surowce paliwowe zawierające sorbent
JP5599186B2 (ja) 2009-12-28 2014-10-01 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 電気二重層キャパシタ電極用活性炭およびその製造方法
US20120021123A1 (en) 2010-01-19 2012-01-26 Leveson Philip D process to sequester carbon, mercury, and other chemicals
WO2011093294A1 (ja) 2010-01-27 2011-08-04 日本化学工業株式会社 セファロスポリン誘導体の製造方法
JP2011161330A (ja) 2010-02-05 2011-08-25 Nippon Steel Corp 排ガス脱硝装置
CN101775301A (zh) 2010-02-22 2010-07-14 肖国雄 一种生物质焦炭及其制备方法
US8383071B2 (en) 2010-03-10 2013-02-26 Ada Environmental Solutions, Llc Process for dilute phase injection of dry alkaline materials
WO2011119961A2 (en) 2010-03-26 2011-09-29 Virginia Commonwealth University Production of graphene and nanoparticle catalysts supported on graphene using microwave radiation
FR2958649B1 (fr) 2010-04-07 2012-05-04 Arkema France Copolymere a blocs issu de matieres renouvelables et procede de fabrication d'un tel copolymere a blocs
CN101805626A (zh) 2010-04-19 2010-08-18 洛阳龙羽圣扬投资有限公司 木材制炭自动生产线及生产工艺
JP5700651B2 (ja) 2010-04-21 2015-04-15 株式会社神戸製鋼所 重金属類を含有する汚染水の処理剤および処理方法
JP2011230038A (ja) 2010-04-26 2011-11-17 Japan Organo Co Ltd 水処理装置
US8496730B2 (en) 2010-05-14 2013-07-30 Midrex Technologies, Inc. System and method for reducing iron oxide to metallic iron using coke oven gas and oxygen steelmaking furnace gas
EP2571973B1 (en) 2010-05-18 2020-04-01 Milliken & Company Optical brighteners and compositions comprising the same
CA2728570C (en) 2010-06-18 2018-12-11 The Governors Of The University Of Alberta Method for preparation of activated carbon
US9309124B2 (en) 2010-06-25 2016-04-12 National University Of Singapore Methods of forming graphene by graphite exfoliation
US8519205B2 (en) 2010-07-23 2013-08-27 Ensyn Renewables, Inc. Low water biomass-derived pyrolysis oils and processes for producing the same
US20120023809A1 (en) 2010-07-28 2012-02-02 Uop Llc Methods for producing phase stable, reduced acid biomass-derived pyrolysis oils
EP4219657A3 (en) 2011-04-15 2023-08-23 Carbon Technology Holdings, LLC High-carbon biogenic reagents and uses thereof
BR112013027149A2 (pt) 2011-04-21 2017-01-10 Shell Int Research processo para a conversão de um material de biomassa sólida
US8663800B2 (en) 2011-05-04 2014-03-04 Renmatix, Inc. Lignin production from lignocellulosic biomass
US8173044B1 (en) 2011-05-09 2012-05-08 Cool Planet Biofuels, Inc. Process for biomass conversion to synthesis gas
US8100990B2 (en) 2011-05-15 2012-01-24 Avello Bioenery, Inc. Methods for integrated fast pyrolysis processing of biomass
US9212313B2 (en) 2011-05-15 2015-12-15 Avello Bioenergy, Inc. Methods, apparatus, and systems for incorporating bio-derived materials into oil sands processing
FI20110180A0 (fi) 2011-05-27 2011-05-27 Outotec Oyj Menetelmä puuhiilen valmistamiseksi
US8317891B1 (en) * 2011-06-06 2012-11-27 Cool Planet Biofuels, Inc. Method for enhancing soil growth using bio-char
US10322389B2 (en) * 2014-10-01 2019-06-18 Cool Planet Energy Systems, Inc. Biochar aggregate particles
US9216916B2 (en) 2013-10-25 2015-12-22 Cool Planet Energy Systems, Inc. System and method for purifying process water produced from biomass conversion to fuels
US9260666B2 (en) 2011-07-25 2016-02-16 Cool Planet Energy Systems, Inc. Method for reducing the carbon footprint of a conversion process
JP2013082588A (ja) 2011-10-11 2013-05-09 Japan Natural Energy & Resources Co Ltd 金属ケイ素の製造方法
EP2812416B1 (en) 2012-02-06 2019-04-10 McGolden, LLC Method and system for gasification of biomass
WO2013152337A1 (en) 2012-04-05 2013-10-10 Full Circle Biochar, Inc. Biochar compositions and methods of use thereof
US20130295628A1 (en) 2012-05-02 2013-11-07 Api Intellectual Property Holdings, Llc Processes for producing energy-dense biomass and sugars or sugar derivatives, by integrated hydrolysis and torrefaction
BR112014027978A2 (pt) 2012-05-07 2017-07-18 Biogenic Reagent Ventures Llc carbono ativado biogênico e métodos de produção e utilização do mesmo
NL2008835C2 (en) 2012-05-16 2013-11-20 Btg Biomass Technology Group B V Method for controlling the water content in pyrolysis liquids.
US20130326935A1 (en) 2012-06-11 2013-12-12 Bepex International, Llc System for treating biomass
AU2013274862A1 (en) 2012-06-15 2015-01-15 Carbonxt Group Ltd. Magnetic adsorbents, methods for manufacturing a magnetic adsorbent, and methods of removal of contaminants from fluid streams
CA2896771C (en) * 2012-12-05 2021-01-12 Ube Industries, Ltd. Biomass solid fuel
US8999885B2 (en) 2013-01-09 2015-04-07 General Electric Company Methods of activating charcoal resulting from biomass gasification
US9108186B2 (en) 2013-01-25 2015-08-18 Cabot Corporation Phosphoric acid treatment of carbonaceous material prior to activation
WO2014190235A1 (en) 2013-05-24 2014-11-27 Cool Planet Energy Systems, Inc. Enhancing biochar performance using pyrolysis acid stream
US20150104842A1 (en) 2013-10-10 2015-04-16 E I Du Pont De Nemours And Company Fuel compositions containing lignocellulosic biomass fermentation process syrup
US20150126362A1 (en) 2013-10-24 2015-05-07 Biogenic Reagent Ventures, Llc Methods and apparatus for producing activated carbon from biomass through carbonized ash intermediates
US11358119B2 (en) 2014-01-16 2022-06-14 Carbon Technology Holdings, LLC Carbon micro-plant
EP3110754A4 (en) 2014-02-24 2017-11-22 Biogenic Reagents Ventures, LLC Highly mesoporous activated carbon
US20220174985A1 (en) * 2014-10-01 2022-06-09 Talipot Cool Extract (Ip), Llc Biochars, biochar extracts and biochar extracts having soluble signaling compounds and method for capturing material extracted from biochar
WO2016065357A1 (en) 2014-10-24 2016-04-28 Biogenic Reagent Ventures, Llc Halogenated activated carbon compositions and methods of making and using same
US20160145519A1 (en) * 2014-11-20 2016-05-26 Washington State University Carbonized component-based fuel pellet
US11434509B2 (en) 2014-12-08 2022-09-06 Iogen Corporation Process for using biogenic carbon dioxide derived from non-fossil organic material
US10066179B2 (en) 2015-02-20 2018-09-04 Integro Earth Fuels, Inc. High energy content densified lignocellulose biomass
AU2016252354B2 (en) * 2015-04-22 2019-08-01 North-West University Production of a carbonaceous feedstock material from a waste carbon source
EP3095839A1 (en) 2015-05-20 2016-11-23 Total Marketing Services Biodegradable hydrocarbon fluids by hydrogenation
PL231090B1 (pl) 2015-07-02 2019-01-31 Jjra Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia Sposób i układ wytwarzania biometanu i ekometanu
WO2017011912A1 (en) * 2015-07-21 2017-01-26 British Columbia Biocarbon Ltd. Biocoal fuel product and processes and systems for the production thereof
US10647933B2 (en) 2015-11-12 2020-05-12 Gas Technology Institute Activated carbon as a high value product of hydropyrolysis
WO2017161445A1 (en) 2016-03-21 2017-09-28 Anaergia Inc. Two stage pyrolysis of organic waste
EP3315590A1 (en) 2016-10-27 2018-05-02 Total Marketing Services Use of hydrocarbon fluids in electric vehicles
WO2018186958A1 (en) * 2017-04-03 2018-10-11 The George Washington University Methods and systems for the production of crystalline flake graphite from biomass or other carbonaceous materials
US20180291276A1 (en) 2017-04-07 2018-10-11 Southern Research Institute Biomass Liquefaction to Produce Refinery-Ready Bio-Oil
FR3071840B1 (fr) 2017-10-04 2019-10-11 Arkema France Composition de poudre thermoplastique et objet tridimensionnel renforce fabrique par impression 3d d'une telle composition
MX2020006266A (es) 2017-12-15 2021-01-20 Talipot Cool Extract Ip Llc Biocarbones y extractos de biocarbón que tienen compuestos de señalización solubles y método de captura de material extracto de biocarbón.
WO2019200424A1 (en) 2018-04-16 2019-10-24 Renergi Pty Ltd Method of producing solid composites
CN110438335B (zh) 2018-05-02 2020-08-25 中南大学 一种用于微波还原的含生物炭复合铁矿球团及其制备和应用
CN108865195B (zh) 2018-06-14 2020-07-10 华中科技大学 一种生物质制备高强度炭材料的方法
JP2021527030A (ja) 2018-06-14 2021-10-11 カーボン テクノロジー ホールディングス， エルエルシー 生体多孔質炭素二酸化ケイ素組成物ならびにその作製方法および使用方法
US10961459B2 (en) 2018-08-20 2021-03-30 Marc A. Seidner System for production of a renewable liquid fuel
US11345860B2 (en) 2018-08-20 2022-05-31 Marc A. Seidner System and method for continuous production of a renewable liquid fuel
WO2020190862A1 (en) * 2019-03-21 2020-09-24 Regents Of The University Of Minnesota Melt-flowable extracts from biomass as a selective additive for agglomerated biomass with binding and moisture resistance properties
WO2020219635A1 (en) 2019-04-26 2020-10-29 Eastman Chemical Company Gasification of torrefied textiles and fossil fuels
KR20220044891A (ko) * 2019-08-08 2022-04-12 홍 메이 바이 고체 바이오매스 연료의 생산공정
RU2729810C1 (ru) 2020-01-17 2020-08-12 Сергей Петрович Сырямкин Раскислительная смесь
GB2591789A (en) * 2020-02-06 2021-08-11 Mei Bai Hong Process for producing solid biomass fuel
MX2023003071A (es) 2020-09-25 2023-05-24 Carbon Tech Holdings Llc Biorreducción de minerales metálicos integrados con pirólisis de biomasa.
GB2599728A (en) * 2020-10-12 2022-04-13 Mei Bai Hong Process for producing solid biomass fuel
JP2024506244A (ja) * 2021-01-21 2024-02-13 カーボン テクノロジー ホールディングス， エルエルシー 調整可能な粉砕性指数を有するバイオカーボンペレットを製造するためのプロセス
CN117015624A (zh) 2021-02-18 2023-11-07 卡本科技控股有限责任公司 碳负冶金产品
US20220396529A1 (en) 2021-04-27 2022-12-15 Carbon Technology Holdings, LLC Biocarbon blends with optimized fixed carbon content, and methods for making and using the same
US20230020752A1 (en) 2021-07-09 2023-01-19 Carbon Technology Holdings, LLC Producing biocarbon pellets with high fixed-carbon content and optimized reactivity, and biocarbon pellets obtained therefrom
WO2023014682A1 (en) 2021-08-02 2023-02-09 Carbon Technology Holdings, LLC Processes and systems for recapturing carbon from biomass pyrolysis liquids

Also Published As

Publication number Publication date
AU2022306012A1 (en) 2024-02-22
CA3225723A1 (en) 2023-01-12
WO2023283289A1 (en) 2023-01-12
US20230020752A1 (en) 2023-01-19
US20230015387A1 (en) 2023-01-19
CN117940534A (zh) 2024-04-26
WO2023283290A1 (en) 2023-01-12
EP4367070A1 (en) 2024-05-15
CA3225978A1 (en) 2023-01-12
US11987763B2 (en) 2024-05-21
EP4367200A1 (en) 2024-05-15
AU2022308660A1 (en) 2024-02-22
KR20240032977A (ko) 2024-03-12
CN117916204A (zh) 2024-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11987763B2 (en) Processes for producing biocarbon pellets with high fixed-carbon content and optimized reactivity, and biocarbon pellets obtained therefrom
KR20230133363A (ko) 조절 가능한 분쇄성 지수를 갖는 바이오카본 펠릿
KR20240005779A (ko) 최적화된 고정 탄소를 갖는 바이오카본 조성물 및 이를 생산하는 프로세스
US20230045385A1 (en) Processes and systems for recapturing carbon from biomass pyrolysis liquids
KR20230145585A (ko) 탄소-네거티브 야금 생성물