KR20230145585A

KR20230145585A - 탄소-네거티브 야금 생성물

Info

Publication number: KR20230145585A
Application number: KR1020237031232A
Authority: KR
Inventors: 제임스 에이. 멘넬; 데런 다우가드; 더스틴 슬랙
Original assignee: 카본 테크놀로지 홀딩스, 엘엘씨
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2022-02-17
Publication date: 2023-10-17
Also published as: EP4294759A1; US20220259684A1; BR112023016400A2; US20220267869A1; CA3207965A1; JP2024508270A; BR112023016141A2; CA3207963A1; AU2022221681A1; KR20230145586A; WO2022178063A1; EP4294955A1; CN117015514A; WO2022178071A1; JP2024512242A; US20230407421A1; AU2022224581A1; CN117015624A; US11851723B2

Abstract

일부 변형은 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e미만의 탄소 강도를 특징으로 하는 탄소-네거티브 탄소 생성물을 제공하며, 여기서 탄소-네거티브 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유한다. 일부 구현예에서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 -500 kg CO₂e 미만이다. 다른 변형은 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하는 탄소-네거티브 금속 생성물 (예를 들어, 강철 생성물)을 제공하며, 여기서 금속 생성물은 50 wt% 내지 100 wt%의 하나 이상의 금속 및 임의로 하나 이상의 합금 원소를 함유한다. 일부 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 -200 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 한다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 폭넓게 다양한 금속을 함유할 수 있다.

Description

탄소-네거티브 야금 생성물

관련 출원(들)의 상호 참조

본 출원은 2021년 2월 18일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 63/151,026의 이익을 청구하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함한다.

기술 분야

본 개시내용은 일반적으로, 네거티브 탄소 강도(carbon intensity)를 갖는, 탄소 및 금속을 포함하는 야금 생성물에 관한 것이다.

온실 가스 ("GHG")는 열 적외선 범위 내에서 복사 에너지를 흡수하고 방출하는 가스이다. 온실 가스는 지구의 표면으로부터 방출되는 적외선 복사보다 태양으로부터의 가시 복사에 대한 대기의 투명성이 더 큰 것으로 인해, 지구의 보다 낮은 대기에 태양의 열을 가두는 온실 효과를 유발한다. 지구의 대기의 주요 온실 가스는 이산화탄소(CO₂), 메탄, 아산화질소, 오존, 및 수증기이다. 화석 연료의 연소는 엄청난 양의 CO₂를 생성하는 것으로 널리 공지되어 있다. 대기 중 CO₂는 열을 흡수하는데, 이는 CO₂의 대기 체류 시간이 대략 100년이기 때문에 갇히게 된다. 산업 혁명 (1750년경)이 시작된 이래 인간 활동은 CO₂의 대기 중 농도를 1750년 280 ppm에서 2020년 414 ppm으로 45% 증가시켰다. 2019년 전 세계 CO2 배출량은 370억 미터톤으로 추정된다.

1992년 기후 변화에 관한 유엔 기본 협약은 인위적 배출이 지구 온난화의 주요 원인이라는 증거에 근거하여 서명국이 GHG 배출량을 감소시킬 것을 약속하도록 하였다 (기후 변화에 관한 유엔 기본 협약, 1992). 합의에도 불구하고, 1992년부터 2019년까지, 전 세계 GHG 배출량은 약 40% 증가하였다. 2015년 파리에서의 제21차 당사국 총회 (COP 21)는 거의 200개국이 탄소 배출을 감소시키고 지구 온난화를 최대 1.5℃로 제한하기로 약속하는 구속력 없는 합의에 도달하였다 (Rogelj et al., "Paris Agreement climate proposals need a boost to keep warming well below 2℃", Nature 534, 7609, 2016). 탄소세, 배출권 거래제, 및 저-탄소 연료 표준을 포함한 수많은 정책이 제안되었고 그 중 일부가 시행되었다.

금속 가공은 전 세계적으로 매우 중요한 산업이다. 예를 들어, 강철 (철의 합금)과 관련하여, 문헌 [Steel Market Size, Share & Trends Analysis 2018-2025, Grand View Research, Inc. (2017)]에 따르면, 전 세계 강철 시장 규모는 2025년까지 미화 1조 달러에 이를 것으로 예상된다. 금속 가공은 매년 전 세계적으로 상당한 순 CO₂ 배출량을 유발한다. 지속가능하고 저렴하며 내구성 있는 건축 자재에 대한 선호도가 높아지면서 산업 인프라 및 주거 프로젝트에서 강철 수요가 증가하고 있다. 높은 구조적 무결성을 갖는 조립식(pre-engineered) 금속 건물에서, 강철은 안정성, 설계 유연성, 및 미적 매력에서 필수적인 기능을 한다. 친환경적이고 에너지 효율적인 건물을 장려하는 엄격한 규제 또한, 특히 산업 구조에서, 강철 수요에 기여하고 있다.

제강은 오늘날 세계에서 CO₂ 배출의 가장 큰 산업 기여자 중 하나이다. 산소화된 철광석이 전 세계적으로 채굴된다. 전형적으로, 철 분획을 분쇄하고 농축하는 선광 공정을 통해 철광석을 얻고, 이어서 펠릿 (바인더와의)으로 롤링하고 열을 위해 석탄을 연소시키는 경화로에서 가열하여, 펠릿을 용광로(blast furnace)로의 운송을 위해 경질화시키고, 여기서 코크스는 산소화된 광석을 금속 철로 환원시키는 데 사용된다. 경화 및 코킹 공정은 엄청난 양의 CO₂ 및 기타 오염물을 생성한다. 전체 강철의 약 70%는 산소-취입 전로에서의 환원 전에 코크스 또는 석탄을 사용하여 용광로에서 산화철을 환원시킴으로써 생산된 선철로부터 제조된다. 재생불가능한 석탄 또는 석탄-유래 코크스의 사용은, 화석 자원의 고갈에 추가로, 재생불가능한 이산화탄소가 대기 중으로 배출되게 한다.

CO₂ 배출 규제 증가에 추가로, 현재 탄소-친화적 강철 생성물 및 기타 금속 생성물에 대한 수요가 높아지는 추세에 있다. 또한, 지속가능성에 대한 투자자와 대중의 관심이 높아지고 있다. 예를 들어, 수백 명의 투자자와 미화 30조 달러(USD) 초과의 자산을 관리하는 전 세계적 네트워크인, 기후 변화에 관한 기관 투자자 그룹(Institutional Investors Group on Climate Change)은 강철 산업이 기후 변화에 직면하여 그의 미래를 보호해야 한다는 기대를 높였다.

보다 환경 친화적인 야금 생성물에 대한 강한 요망이 있다. 낮은 탄소 강도를 갖는 (탄소-중립 또는 바람직하게는 탄소-네거티브의) 강철 및 기타 금속 생성물 (구리, 니켈, 알루미늄, 티타늄, 금 및 규소 포함)이 특히 요망된다. 금속 가공에서 통상적인 공급원료인 야금 코크스가 높은 탄소 강도를 갖기 때문에, 낮은 탄소 강도를 갖는 야금 탄소가 또한 요망된다.

본 개시내용은 당업계에서의 상기에 언급된 필요성을 다룬다.

일부 변형은 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물을 제공한다. 일부 구현예에서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물 미터톤 당 약 -500, -1000, -1500, -2000, -2500, 또는 -3000 kg CO₂e, 또는 그 미만이다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 약 60 wt% 탄소, 적어도 약 70 wt% 탄소, 적어도 약 80 wt% 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 탄소를 함유한다. 일부 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 고정 탄소, 적어도 약 75 wt% 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 고정 탄소를 함유한다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 일부 재생가능 탄소를 함유한다. 탄소-네거티브 탄소 생성물은 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 약 100 wt% 재생가능 탄소 함량을 함유할 수 있다.

탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% 수분, 예컨대 약 5 wt% 내지 약 15 wt% 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt% 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt% 수분을 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 첨가제를 추가로 함유한다. 첨가제의 농도는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.2 wt% 내지 약 25 wt%, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%일 수 있다.

일부 구현예에서, 첨가제는 부분적으로 산화되고/되거나 연소될 수 있다. 특정 구현예에서, 첨가제는 재생가능 물질이다. 특정 구현예에서, 첨가제는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제이다.

일부 구현예에서, 첨가제는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물에 대한 결합제이다. 결합제는 유기 결합제, 무기 결합제, 또는 이들의 조합일 수 있다.

일부 구현예에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트(met) 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된 결합제이다.

일부 구현예에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된 결합제이다. 결합제는 임의로 가교된 열가소성 전분일 수 있다. 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물이며, 여기서 폴리올은 임의로 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 여기서 반응 생성물은 임의로, 예를 들어, 산에 의해 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성된다.

일부 구현예에서, 첨가제는 첨가제가 없는 다른 동등한 탄소 생성물과 비교하여 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물의 반응성을 감소시킨다.

반응성은 열 반응성일 수 있다. 예를 들어, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 첨가제가 없는 다른 동등한 탄소 생성물과 비교하여 더 낮은 자기-가열(self-heating)을 가질 수 있다. 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예를 들어, 철 또는 산화철), 또는 이들 종 중 하나 초과와의 화학 반응성일 수 있다.

일부 구현예에서, 첨가제는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물 내에서 기공-충전성이다. 이들 또는 다른 구현예에서, 첨가제는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물의 표면 상에 배치된다.

탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 분말 형태일 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 응집된 형태일 수 있다.

예를 들어, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은, 임의로 결합제를 갖는, 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿으로서의 응집된 형태일 수 있다. 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수(Hardgrove Grindability Index)를 특징으로 할 수 있다. 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 80%의 펠릿 내구성 지수(Pellet Durability Index)를 특징으로 할 수 있다.

일부 변형은 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물을 제공한다.

일부 변형은 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 탄소 생성물을 제공한다.

일부 변형은 탄소-네거티브 탄소 조성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 탄소 조성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 탄소 조성물을 포함하는 생성물을 제공한다.

다른 변형은 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 금속 생성물은 약 50 wt% 내지 약 100 wt%의 하나 이상의 금속 및 임의로 하나 이상의 합금 원소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 금속 생성물을 제공한다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 약 -100, -200, -300, -400, 또는 -500 kg CO₂e, 또는 그 미만의 탄소 강도를 특징으로 한다.

탄소-네거티브 금속 생성물에서, 하나 이상의 금속은, 예를 들어, 철, 구리, 니켈, 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 주석, 아연, 코발트, 크로뮴, 텅스텐, 몰리브데넘, 티타늄, 금, 은, 납, 규소, 리튬, 붕소, 지르코늄, 바나듐, 백금, 팔라듐, 로듐, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 비스무트, 또는 이들의 조합 또는 합금으로부터 선택될 수 있다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 적어도 약 60 wt%, 70 wt%, 80 wt%, 90 wt%, 95 wt%, 또는 99 wt%의 하나 이상의 금속을 함유할 수 있다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 1, 2, 3, 4, 5개, 또는 그 초과의 금속 원소를 함유할 수 있다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 약 0.1 wt% 내지 약 50 wt%의 하나 이상의 합금 원소, 예컨대 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 하나 이상의 합금 원소를 함유한다. 하나 이상의 합금 원소는 Al, Bi, B, C, Ce, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mn, Mo, N, Nb, Ni, P, Pb, Si, Sn, S, Ta, Ti, W, V, Zr, Zn, 임의의 이들 원소의 산화물, 탄화물, 수소화물, 질화물, 또는 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다른 원소가 탄소-네거티브 금속 생성물에 포함될 수 있고, 이들 다른 원소는 합금 원소로서 기능할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.

일부 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 탄소를 포함한다. 탄소-네거티브 금속 생성물에 탄소가 존재하는 경우, 탄소는 하나 이상의 금속 내에서 평형 농도로 존재할 수 있다. 대안적으로, 탄소는, 탄소에 대한 평형 농도보다 더 낮거나 평형 농도보다 더 높을 수 있는, 하나 이상의 금속 내의 비-평형 농도로 존재할 수 있다.

일부 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 탄소를 포함하고, 그 탄소는 본원에 개시된 바와 같은 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 유래된다. 다른 원소는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 유래될 수 있고, 이는 합금 원소로서 활용되며, 이는 수소, 질소, 산소, 황, 또는 인을 포함한다 (그러나 이에 제한되지는 않음).

특정 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 수소를 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 수소가 유래되는 경우, 수소는 광합성을 통해 대기 중 물로부터 성장하는 바이오매스에 첨가되기 때문에, 이는 탄소 중립 또는 탄소-네거티브 수소일 수 있다.

특정 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 질소를 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 질소가 유래되는 경우, 질소가 질소 사이클을 통해 대기 중 N₂로부터 성장하는 바이오매스에 첨가될 때 이는 탄소 중립 또는 탄소-네거티브일 수 있다.

특정 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 산소를 포함한다. 산소는, 특히 금속 산화물을 피해야 하는 경우, 전형적으로 바람직한 합금 원소가 아니다. 그러나, 특정 합금, 특히 비-철 합금은, 틈새(interstitial) 고용체 강화를 통해 금속을 강화시키는 틈새 합금 원소로서 산소 (O 원자)를 이용할 수 있다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 산소가 유래되는 경우, 산소는 광합성을 통해 대기 중 CO₂로부터 유래됨이 인식될 것이다.

특정 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 황을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 황이 유래되는 경우, 황의 탄소 강도는 황의 공급원 (예를 들어, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 달라질 것이다.

특정 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는 인을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 인이 유래되는 경우, 인의 탄소 강도는 인의 공급원 (예를 들어, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 달라질 것이다.

다양한 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 분말, 펠릿, 시트, 막대, 바, 와이어, 코일, 파이프, 플레이트, 벽, 탱크, 주조 구조물, 공학적 구조물, 전자석, 영구 자석, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 형태이다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 최종 구조일 수 있거나, 종래의 절삭 제조, 적층 제조, 또는 다른 기술을 통해 금속-함유 구조를 제조하기 위한 공급원료일 수 있다.

특정 변형에서, 탄소-네거티브 강철 생성물은 탄소-네거티브 강철 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 강철 생성물은 약 50 wt% 내지 약 99 wt% 철 및 약 1 wt% 내지 약 50 wt%의 하나 이상의 합금 원소를 함유한다.

탄소-네거티브 강철 생성물의 다양한 구현예에서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 강철 생성물 미터톤 당 약 -100, -200, -300, -400, 또는 -500 kg CO₂e, 또는 그 미만이다.

탄소-네거티브 강철 생성물은 적어도 약 80 wt% 철, 적어도 약 90 wt% 철, 또는 적어도 약 95 wt% 철을 함유할 수 있다. 탄소-네거티브 강철 생성물은 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 하나 이상의 합금 원소를 함유할 수 있다. 하나 이상의 합금 원소는 Al, Bi, B, C, Ce, Cr, Cu, H, Mg, Mn, Mo, N, Nb, Ni, P, Pb, Si, Sn, S, Ta, Ti, W, V, Zr, Zn, 임의의 이들 원소의 산화물, 탄화물, 수소화물, 질화물, 또는 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

일부 탄소-네거티브 강철 생성물에서, 하나 이상의 합금 원소는 탄소를 포함하고, 이는 철 내에서 평형 농도 또는 비-평형 (열역학적 평형보다 높거나 낮은) 농도로 존재할 수 있다. 탄소-네거티브 강철 생성물 내의 탄소의 일부 또는 전부가 본원에 기재된 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 유래될 수 있다.

일부 탄소-네거티브 강철 생성물에서, 하나 이상의 합금 원소는 수소를 포함한다. 탄소-네거티브 강철 생성물 내의 수소의 일부 또는 전부는 본원에 기재된 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 유래될 수 있다.

탄소-네거티브 강철 생성물은 분말, 펠릿, 시트, 막대, 바, 와이어, 코일, 파이프, 플레이트, 벽, 탱크, 주조 구조물, 공학적 구조물, 전자석, 영구 자석, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 형태일 수 있다.

다른 변형은 개시된 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물 및/또는 개시된 탄소-네거티브 금속 생성물 (예를 들어, 탄소-네거티브 강철 생성물)의 생성을 포함하는 공정을 제공한다.

도 1은, 일부 변형에서, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿을 생성하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다.
도 2는, 일부 변형에서, 탄소-네거티브 금속 생성물을 생성하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다.
도 3은, 일부 변형에서, 탄소-네거티브 금속 생성물을 생성하기 위한 단순화된 블록-흐름도이다.

이 설명은 당업자가 개시된 기술을 만들고 사용할 수 있게 할 것이며, 기술의 여러 구현예, 개조, 변형, 대안, 및 사용을 설명한다. 이들 및 다른 구현예, 특징, 및 이점은 첨부된 도면과 함께 하기 상세한 설명을 참조할 때 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an", 및 "the"는 문맥에서 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수 지시대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 해당 기술이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.

달리 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 반응 조건, 화학량론, 성분의 농도 등을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 하기 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 적어도 특정 분석 기술에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.

"포함하는(including)", "함유하는", 또는 "특징으로 하는"과 동의어인 용어 "포함하는(comprising)"은 포괄적이거나 개방적이며 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "포함하는"은 청구범위 언어에서 사용되는 기술 용어로, 이는 명명된 청구 요소가 필수적이지만 다른 청구범위 요소가 추가될 수 있고 여전히 청구범위의 범위 내에서 구성물을 형성할 수 있음을 의미한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 어구 "~로 이루어진"은 청구범위에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계, 또는 성분을 배제한다. 어구 "~로 이루어지다" (또는 그의 변형)가 전문 바로 다음에 오는 것이 아니라 청구항 본문의 절에 나타날 때, 이는 해당 절에 기재된 요소만을 제한하며; 다른 요소는 전체적으로 청구범위로부터 배제되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 어구 "본질적으로 ~로 이루어진"은 청구범위의 범위를 명시된 요소 또는 방법 단계에 더하여 청구된 요지의 기초 및 신규 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것들로 제한한다.

용어 "포함하는", "~로 이루어진", 및 "본질적으로 ~로 이루어진"과 관련하여, 이들 세 용어 중 하나가 본원에서 사용되는 경우, 본원에 개시 및 청구된 요지는 다른 두 용어 중 하나의 사용을 포함할 수 있다. 따라서, 달리 명시적으로 언급되지 않은 일부 구현예에서, "포함하는"의 임의의 경우는 "~로 이루어진"에 의해 또는, 대안적으로, "본질적으로 ~로 이루어진"에 의해 대체될 수 있다.

기술 개시를 가능하게 하기 위해, 다양한 설명, 가설, 이론, 추측, 가정 등이 개시된다. 본 개시내용은 이들 중 임의의 것이 사실상 진실임에 의존하지 않는다. 이 상세한 설명의 어떠한 설명, 가설, 이론, 추측, 또는 가정도 어떠한 방식으로든 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되어선 안 된다.

본 목적상, "생물기원"은 수 개월, 수 년, 또는 수십 년의 시간 척도에서 재생가능한 탄소 등의 원소를 함유하는 물질 (공급원료, 생성물, 또는 중간체)을 의미하도록 의도된다. 비-생물기원 물질은 비-재생가능할 수 있거나, 수 세기, 수천 년, 수백만 년, 또는 훨씬 더 긴 지질학적 시간 척도에서 재생가능할 수 있다. 생물기원 물질은 생물기원과 비-생물기원 공급원의 혼합물을 포함할 수 있음을 인지한다.

본 목적상, "시약"은 그의 가장 넓은 의미에서 물질을 의미하는 것으로 의도되며; 시약은 연료, 화학물질, 물질, 화합물, 첨가제, 블렌드 성분, 용매 등일 수 있다. 시약은 반드시 화학 반응을 일으키거나 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 물질의 기계적, 물리적, 또는 유체역학적 특성 조정을 유발하거나 그에 참여할 수 있다. 예를 들어, 금속에 특정 강도 특성을 부여하기 위해 시약을 금속에 도입할 수 있다. 시약은 화학적 분석 또는 물리적 시험에서의 사용을 위해 충분한 순도 (이는, 본 맥락에서, 전형적으로 탄소 순도임)의 물질일 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "바이오탄소 펠릿"은 생물기원 탄소를 함유하는 펠릿을 의미한다. 펠릿 기하구조는 본원에 교시된 바와 같이 광범위하게 변할 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "고-탄소"는, 생물기원 시약이 고-탄소 생물기원 시약을 생성하기 위해 활용되는 초기 공급원료와 비교하여 상대적으로 높은 탄소 함량을 갖는 것과 같은, 특정 생물기원 시약을 설명한다. 전형적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 그의 중량의 적어도 약 절반을 탄소로서 함유할 것이다. 보다 전형적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 적어도 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95 wt% 탄소를 함유할 것이다.

상기 내용에도 불구하고, 용어 "고-탄소 생물기원 시약"은, 다양한 구현예에서, 개시된 바와 같은 공정 및 시스템에 의해 생성될 수 있는 물질을 일관되게 설명하기 위한 실용적인 목적을 위해 본원에서 사용된다. 탄소 함량, 또는 임의의 다른 농도에 대한 제한은, 용어 자체로부터 귀속되지 않고 오히려 특정 구현예 및 그의 등가물에 대한 참조에 의해서만 귀속된다. 예를 들어, 개시된 공정에 적용되는, 매우 낮은 탄소 함량을 갖는 출발 물질은, 출발 물질에 비해 탄소가 매우 풍부하지만 (높은 탄소 수율), 그럼에도 불구하고, 50 wt% 미만의 탄소를 포함한, 비교적 낮은 탄소 (낮은 탄소 수율)의 고-탄소 생물기원 시약을 생성할 수 있음을 인지할 것이다.

본원에 개시된 공정은 감소된 탄소 발자국을 갖는 환경 친화적 기술이다. 출발 공급원료가 생물기원 및 재생가능 탄소를 함유하는 바이오매스인 경우, 열분해로부터의 생성된 탄소도 생물기원이다. 이는, 예를 들어 ASTM D6866을 사용한, 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 나타날 수 있다. 일부 구현예에서, 가공된 모든 탄소는 재생가능하다. 다른 구현예에서, 모든 탄소 미만의 탄소가 재생가능하다.

이산화탄소로 산화되는 임의의 생물기원 탄소는 생물기원 CO₂를 생성한다. 이것 또한 생성된 CO₂의 샘플에서의 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 나타날 수 있다. 바이오매스로부터 유래되는 이 생물기원 CO₂는, 광합성을 통한 바이오매스의 성장에 의해 환경으로 돌아가 다시 흡수된다. 이러한 방식으로, 순 CO₂ 배출이 상당히 감소한다. 추가로, 출발 바이오매스의 수소 함량은 공정의 순 CO₂ 배출을 상당히 감소시킬 수 있다. 그 이유는 바이오매스 중의 수소가 오프가스에서의 H₂, 또는 오프가스로부터 형성된 환원 가스가 되기 때문이다. H₂는 CO에 의해 유발되는 것과 거의 동일한 방식으로 금속 산화물의 화학적 환원을 유발할 수 있지만, CO₂를 생성하기보다는, H₂ 산화는 문제 있는 온실 가스로 간주되지 않는 H₂O를 생성한다.

개시된 공정이 종래의 기술보다 환경적으로 더 우수한 또 다른 이유는 에너지 균형과 관련이 있다. 금속 산화물 환원은 전체적 화학 반응이 흡열 반응이기 때문에 본질상 에너지를 필요로 한다. 금속 산화물을 금속과 산소로 분할하여 임의의 직접적인 CO₂생성을 방지하는 공지된 전기화학적 전환 접근조차도, 통상적으로 또한 비-재생가능 공급원으로부터 만들어지는 다량의 전기를 필요로 한다. 종래의 금속 광석 가공은 필수적인 열을 생성하기 위해, 뿐만 아니라 환원 화학을 위한 탄소를 제공하기 위해 다량의 석탄 또는 메트 코크스를 활용한다. 일부 구현예는, 대조적으로, 에너지 효율적인 방식으로 탄소 및 수소를 활용하는 통합된 생물-환원 공정을 제공한다. 금속 광석의 통합된 생물-환원은 석탄 및 메트 코크스와 같은 전통적인 화석 연료 사용에 비해 환경적 영향을 크게 감소시킨다.

본 개시내용에서, "생성물"은, 예를 들어, 조성물, 물질, 물체, 또는 구조물일 수 있다. 용어 "생성물"은, 그것이 판매되는지, 저장되는지, 거래되는지, 추가 가공되는지, 추가 가공을 위한 중간체로서 또 다른 당사자에게 판매되는지 등과 같은 그의 상업적 운명에 의해 제한되지 않는다.

생성물의 "탄소 강도"는 생성물 톤 당 생성된 이산화탄소의 중량 기준 순량이다. CO₂-환산 탄소 강도는 생성물 톤 당 생성된 이산화탄소 환산량의 순량으로서 정의될 수도 있다. "이산화탄소 환산량" 또는 "CO₂e"는 동등한 지구-온난화 영향을 미칠 수 있는 CO₂의 양을 의미한다. 탄소 강도의 전형적 단위는 생성물 미터톤 (1000 kg) 당 이산화탄소 환산량 킬로그램이다. "탄소-네거티브" 생성물은 0 미만의 CO₂e를 갖는 생성물을 의미한다. 형용사 탄소-네거티브는 생성물 조성 자체의 탄소 함량이 아닌, CO₂e < 0를 지칭하는 것이다.

온실 가스 (또는 "GHG")는, 열을 흡수하고 재방출하고, 이로써 그렇지 않은 경우보다 지구의 대기를 더 온난하게 유지하는 대기 중의 임의의 가스이다. 지구 대기 중의 주요 GHG는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 및 오존이다. 관례적으로, CO₂의 지구-온난화 지수는 1로 정의된다. CH₄의 지구-온난화 지수는 약 30이고, 즉, 메탄은 온실 가스로서 CO₂보다 30× 더 강력하다. 본원에 참조로 포함되는 문헌 ["IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007", Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge (2007)]을 참조한다.

일반적으로 생성물의 탄소 강도를 계산하기 위해서는, 출발 물질의 탄소 강도가 추정되어야 하며, 출발 물질의 중간체로의 전환과 관련된 탄소 강도, 및 중간체의 최종 생성물로의 전환과 관련된 탄소 강도도 마찬가지이다. 공지된 수명-주기 평가 원칙이 탄소 강도 계산에 사용될 수 있다. 수명-주기 평가 (LCA)는, 원료의 가공, 제조, 유통, 사용, 재활용, 및 최종 폐기를 포함하는 그의 수명 주기를 통해 생성물의 환경적 영향을 평가하는 데 사용되는 공지된 방법이다. LCA 수행시, 최종 생성물의 운명이 통상적으로 명시되어야 한다. 예를 들어, 강철의 경우, 강철은 종종 그것이 장기간 동안 배치되도록 설치된다. 일부 구현예에서, 산업용 재활용 옵션을 포함한 강철에 대한 수명 종료 옵션이 고려된다 (강철은 지구상에서 가장 많이 재활용되는 물질임).

LCA는 또한 특정 물질과 관련된 환경 입력 및 출력과 관련하여 현상 유지를 고려할 수 있다. 예를 들어, 벌목되지 않은 삼림 잔류물은 분해되어 다량의 메탄을 방출하고, 이는 심각한 GHG 패널티를 유발한다. 이들 삼림 잔류물이 대신 바이오탄소, 또한 이어서 금속의 생성으로 지향되는 경우, 회피된 메탄 배출이 전체 탄소 강도에서 고려될 수 있다. 매우 많은 가능성이 존재하고 현상 유지 자체가 진화하고 있기 때문에, 적절한 산업 평균이 사용되도록 LCA 소프트웨어 내에서 데이터베이스를 활용하는 것이 바람직하다. LCA 계산은 소프트웨어, 예컨대 GREET®, SimaPro®, 또는 GaBi, 또는 다른 LCA 소프트웨어에 의해 보조될 수 있다.

일부 변형은 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e미만의 탄소 강도를 특징으로 하는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물을 제공하며, 여기서 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유한다.

탄소-네거티브 탄소 생성물 (예를 들어, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물)의 다양한 구현예에서, 탄소 강도는 임의의 중간 범위 포함하여, 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -100, -200, -300, -400, -500, -600, -700, -800, -900, -1000, -1100, -1200, -1300, -1400, -1500, -1600, -1700, -1800, -1900, -2000, -2100, -2200, -2300, -2400, -2500, -2600, -2700, -2800, -2900, -3000, -3100, -3200, -3300, -3400, 또는 -3500 kg CO₂e, 또는 그 미만이다. 예를 들어, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -400 kg CO₂e 내지 약 -800 kg CO₂e일 수 있다.

본 개시내용에서, "야금 탄소"는 하나 이상의 금속을 포함하는 공정에서 사용되도록 의도된 탄소를 의미한다. 야금 탄소는, 예를 들어, 금속 광석을 금속으로 전환시키는 공정, 금속을 정제하는 공정, 합금 원소로서 탄소를 금속에 첨가하는 공정, 탄소-금속 복합체를 제조하는 공정, 또는 이들의 조합에서의 공급원료일 수 있다. 야금 탄소는 금속-제조 공정에 대한 첨가를 필요로 하지 않는 다른 용도도 가짐을 인식할 것이다. 따라서 형용사 야금은, 일부 (그러나, 전부는 아님) 구현예에서, 탄소를 야금 용도의 의도된 용도로 제한한다. 본원에 개시된 야금 탄소가 실제로 야금술에 활용되지 않는 경우, 형용사 야금의는 탄소를 그의 물리적 구조, 화학적 조성, 또는 물질 특성 면에서 달리 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 야금 탄소를 제공하는 임의의 구현예는 또한 하나 이상의 비-야금 응용에서 사용되는 비-야금 탄소를 제공하는 구현예에 대한 참조로서 이해되어야 한다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 재생가능 탄소를 함유한다. 다양한 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 또는 99.9% 재생가능 탄소 함량을 함유한다. 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정은 ASTM D6866을 활용할 수 있다.

탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 0 내지 약 30 wt% 회분, 예컨대 약 2 wt% 내지 약 25 wt% 회분, 약 5 wt% 내지 약 20 wt% 회분, 또는 약 8 wt% 내지 약 15 wt% 회분을 포함할 수 있다. "회분"은 열분해 동안 증발하지 않는 비-탄소 성분을 지칭한다. 회분 함량은 ASTM D3175 또는 다른 기술에 의해 측정될 수 있다. 회분 조성은 ASTM D4326 또는 다른 기술에 의해 분석될 수 있다. 목질 바이오매스의 열분해로부터의 회분은 전형적으로 주로 SiO₂, CaO, K₂O, 및 Fe₂O₃을 함유한다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 첨가제를 추가로 함유한다. 첨가제의 농도는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.2 wt% 내지 약 25 wt%, 약 2 wt% 내지 약 25 wt%, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%일 수 있다. 특정 구현예에서, 첨가제의 농도는 1 wt% 미만, 예컨대 약, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.15, 0.10, 0.05, 0.02, 0.01 wt%, 또는 그 이하일 수 있다. 첨가제는 임의적이기 때문에, 일부 구현예에서 첨가제 농도는 0이다.

일부 구현예에서, 첨가제는 부분적으로 산화되고/되거나 연소될 수 있다. 특정 구현예에서, 첨가제는 재생가능 물질이다. 특정 구현예에서, 첨가제는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제이다. 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제의 일례는 광합성을 통해 생성되는 전분 (특히, 태양광 에너지는 전분으로서 바이오매스에 의해 저장될 수 있음)이다.

일부 구현예에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루 (예를 들어, 콩 수지), 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된 결합제이다.

일부 구현예에서, 첨가제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된 결합제이다. 결합제는 임의로 가교된 열가소성 전분일 수 있다. 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물일 수 있으며, 여기서 폴리올은 임의로 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 반응 생성물은 임의로, 예를 들어, 산에 의해 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성된다. 반응이 산에 의해 촉매되는 경우, 산은, 예를 들어, 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

반응성은 열 반응성일 수 있다. 예를 들어, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 첨가제가 없는 다른 동등한 탄소 생성물과 비교하여 더 낮은 자기-가열을 가질 수 있다. 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예를 들어, 철 또는 산화철), 또는 이들 종 중 하나 초과와의 화학 반응성일 수 있다.

예를 들어, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은, 임의로 결합제를 갖는, 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿으로서의 응집된 형태일 수 있다. 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 할 수 있다. 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물은 적어도 80%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다.

개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물은 야금 탄소 생성물 또는 비-야금 탄소 생성물일 수 있다. 일부 변형은, 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물을 제공한다.

일부 변형은, 탄소-네거티브 탄소 조성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 탄소 조성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 탄소 조성물을 포함하는 생성물을 제공한다. 전체 생성물 내의 탄소-네거티브 탄소 조성물의 농도는 폭넓게, 예컨대 약, 적어도 약, 또는 최대 약 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 99, 또는 100 wt%로 달라질 수 있다.

일부 변형은, 탄소-네거티브 탄소 조성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 탄소 조성물은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 탄소 조성물로부터 적어도 부분적으로 유래되는 생성물을 제공한다. 탄소-네거티브 탄소 조성물로부터 유래되는 생성물의 백분율은 폭넓게, 예컨대 약, 적어도 약, 또는 최대 약 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 99, 또는 100 wt%로 달라질 수 있다.

일부 변형은, 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 금속 생성물은 약 50 wt% 내지 약 100 wt%의 하나 이상의 금속 및 임의로 하나 이상의 합금 원소를 함유하는 것인, 탄소-네거티브 금속 생성물을 제공한다. 다양한 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 임의의 중간 범위 포함하여, 탄소-네거티브 금속 생성물 미터톤 당 약 -50, -100, -150, -200, -250, -300, -350, -400, -450, 또는 -500 kg CO₂e, 또는 그 미만의 탄소 강도를 특징으로 한다.

탄소-네거티브 금속 생성물에서, 하나 이상의 금속은 철, 구리, 니켈, 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 주석, 아연, 코발트, 크로뮴, 텅스텐, 몰리브데넘, 티타늄, 금, 은, 납, 규소, 리튬, 붕소, 지르코늄, 바나듐, 백금, 팔라듐, 로듐, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 비스무트, 또는 이들의 조합 또는 합금으로부터 선택될 수 있다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 적어도 약 50 wt%, 60 wt%, 70 wt%, 80 wt%, 90 wt%, 95 wt%, 또는 99 wt%의 하나 이상의 금속을 함유할 수 있다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 본질적으로 100 wt%의 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있다. 탄소-네거티브 금속 생성물은 1, 2, 3, 4, 5개, 또는 그 초과의 금속 원소를 함유할 수 있다.

금속은 개시된 탄소-네거티브 탄소 조성물을 사용하여 생성될 수 있는 생성물의 중요한 클래스이다. 대부분의 금속은 금속 광석의 형태로 지각의 암석 내에 자연적으로 함유되어 있다. 금속 광석은 일반적으로 금속 산화물, 금속 황화물, 및/또는 금속 규산염이다. 광석 광물로부터 관심 금속을 생성하기 위하여 금속 광석이 가공되어야 한다. 순수 금속으로의 금속 광석의 가공은, 금속 플러스 탄소-함유 반응 생성물을 생성하는 다양한 환원 반응에서 반응물로서 탄소를 활용할 수 있다. 철로의 철광석 전환이 통상적으로 일반적인 예이지만, 많은 금속 광석이 금속 생성에서 일부 시점에서 탄소를 사용하여 가공될 수 있다. 금속 광석이 금속 황화물을 함유하는 경우, 금속 황화물은 탄소 (예컨대, 개시된 탄소-네거티브 탄소 조성물)와의 반응 전에 금속 산화물로 전환될 수 있다.

본 개시내용에서, "탄소-네거티브 금속 생성물"은 개시된 탄소-네거티브 탄소 조성물, 및/또는 그로부터 유래되는 탄소 산화물을 사용하여 금속-함유 전구체로부터 생성되는 임의의 금속을 포함할 수 있다. 금속은 폭넓게 다양할 수 있고, 철, 구리, 니켈, 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 주석, 아연, 코발트, 크로뮴, 텅스텐, 몰리브데넘, 티타늄, 금, 은, 납, 규소, 리튬, 붕소, 지르코늄, 바나듐, 백금, 팔라듐, 로듐, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 비스무트; 이들의 조합; 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예시적 합금은 철-크로뮴-니켈-몰리브데넘 합금, 예를 들어 316 스테인레스 강철이다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 철 생성물 또는 강철 생성물이다. "강철"은, 전 세계적으로 구조재로서 광범위하게 사용되는, 철과 적어도 탄소 및 통상적으로 다른 원소의 합금을 지칭한다. 철 및 강철 생성은 본 명세서에서 이후에 보다 상세히 논의된다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 니켈 생성물이다. 니켈 광석은 다량의 황화니켈을 함유한다. 황화니켈은 40-80℃의 온도에서 황 촉매의 존재 하에 일산화탄소와 반응하여 니켈 카르보닐, Ni(CO)₄를 형성할 수 있다. 이어서 Ni(CO)₄를 Ni 및 CO로 열 분해함으로써 니켈 카르보닐로부터 니켈이 얻어지고, 이는 출발 황화니켈과 추가 반응을 위해 재활용될 수 있다. 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물로부터 초기 CO가 생성될 수 있다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 코발트 생성물이다. 코발트 광석은 전형적으로 황화코발트를 함유하며, 이는 로스팅에 의해 황산코발트로 전환될 수 있다. 산화코발트는, 예를 들어, 차아염소산나트륨과의 반응을 사용하여, 황화코발트 및 황산코발트로부터 생성될 수 있다. 이어서 산화코발트 (예를 들어, Co₃O₄)는 용광로에서의 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물로의 환원에 의해 금속으로 환원될 수 있다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 망가니즈 생성물 또는 페로망가니즈 생성물이다. 망가니즈의 생성을 위해서는, 망가니즈 광석을 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과 혼합하고, 이어서 용광로에서 또는 전기 아크로에서 환원시킬 수 있다. 페로망가니즈의 생성을 위해서는, 망가니즈 광석을 철광석 및 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과 혼합하고, 이어서 용광로에서 또는 전기 아크로에서 환원시킬 수 있다. 생성된 페로망가니즈는 30 wt% 내지 80 wt%의 망가니즈 함량을 갖는다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 알루미늄 생성물이다. 통상적으로, 알루미늄은, 흡열 반응에 필요한 극도로 높은 온도로 인해, 탄소 환원을 사용하여 그의 광석 (통상적으로 Al₂O₃-풍부 보크사이트)으로부터 그를 추출하기에는 전기화학 시리즈에서 너무 높다. 결과적으로, 높은 에너지 요건은 높은 탄소 강도를 유발한다. 그러나, 본 개시내용에서, 탄소-네거티브 알루미늄 생성물은 개시된 탄소-네거티브 알루미늄 생성물과 관련하여 생성된 에너지 활용 (예를 들어, 열분해 증기의 연소)과 함께, 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물로의 알루미늄 산화물의 환원에 의해 생성될 수 있다. 즉, 큰 고유 에너지 요건은 반응 역학 및 열역학에 의해 결정되지만, 알루미늄 광석의 전환에 필요한 에너지 및 사용되는 탄소 둘 다 알루미늄 생성을 통과하는 낮은 또는 네거티브 탄소 강도에 기인할 수 있다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 백금 생성물이다. 백금 광석 전형적으로 백금 황화물을 함유한다. 백금 황화물은 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물, 및/또는 그로부터 얻어진 일산화탄소와 반응하여, 백금 금속 (Pt) 및 카르보닐 술피드 (COS) 또는 다른 황화물 생성물을 형성할 수 있다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 규소 생성물이다. 본 개시내용에서, 규소는 금속으로 간주된다. 야금-등급 규소는 전형적으로 흑연 전극을 활용하는 전기 아크로에서 생성된다. 고온 가스는 전기 아크로부터의 강렬한 에너지 및 온도의 입력 하에 규소의 형성 동안 반응기의 저부 구역에서 생성된다. Al₂O₃으로부터 Al의 생성과 유사하게, SiO₂로부터 Si의 생성은 반응 역학 및 열역학과 다투어야한다. 전체적 화학 반응 SiO₂ + C → Si + CO₂를 달성하기 위해 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물을 활용함으로써, 탄소-네거티브 규소 (Si) 생성물이 생성될 수 있다. 화학에 요구되는 에너지는 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과 관련된 공정 (예를 들어, 열분해 증기의 연소)으로부터 유래될 수 있으며, 이는 규소 생성물의 탄소 강도를 추가로 감소시킨다.

특정 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 리튬 생성물이다. 리튬 광석은 산화리튬을 함유할 수 있다. 이어서 산화리튬은 고온 반응기 또는 퍼니스에서 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과의 반응에 의해 리튬으로 환원될 수 있다. 일부 광석 (예를 들어, 스포듀민 및 페탈라이트)은 Li₂O, Al₂O₃,및 SiO₂를 포함하며, 이를 처리하여 Li, Al, 및 Si를 함유하는 금속 합금, 또는 잠재적으로 분리 금속 생성물 (Li, Al, 및/또는 Si)을 생성할 수 있다. 리튬 광석은 또한 규산리튬을 함유할 수 있다. 규산리튬은 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과 반응하여 리튬 금속을 형성할 수 있다.

상기 두 단락에서 언급된 규소 및 리튬 생성은, 특히 오늘날의 경제와 관련이 있다. 규소는 컴퓨터 및 많은 전자제품에서 중요한 물질이고, 리튬은 배터리 (예컨대 리튬-이온 배터리)에서 중요한 물질이다. 규소 및 리튬 둘 다 부족하다. 또한, 전기 자동차와 같은 규소 및 리튬의 많은 응용이 전통적인 화석 연료에 대한 저-탄소 강도 대안으로서 촉진된다. 따라서, 탄소-네거티브 규소 및 탄소-네거티브 리튬은 상업적으로 특히 매력적이라고 믿어진다.

비교적 순수한 금속 또는 금속 합금인 생성물에 추가로, 탄소-네거티브 탄소-금속 복합체가 또한 생성될 수 있다. 탄소-금속 복합체는 적어도 1 wt% 탄소, 전형적으로 적어도 5 wt% 탄소, 또는 적어도 10 wt% 탄소를 함유한다. 탄소-금속 복합체는 금속보다 더 많은 탄소, 예를 들어 50 wt% 초과의 탄소, 내지 약 95 wt% 탄소를 함유할 수 있다.

탄소-금속 복합체는 다양한 용도를 갖는다. 탄소-금속 복합체는 궁극적으로 금속으로의 전환을 위해 또 다른 장소로 운송될 수 있는 중간 생성물로서, 펠릿 또는 분말로서 제작될 수 있다. 탄소-금속 복합체는 또한 배터리 물질용 전극으로서의 응용을 갖는다. 예를 들어, 일부 전극에서, 금속은 흑연 또는 탄소의 또 다른 형태와 조합되어 전극을 구축한다. 일례는 애노드(anode)에서의 사용을 위한 탄소-리튬 복합체이다. 리튬 광석은 개시된 탄소-네거티브 탄소 생성물과 반응하여 리튬-탄소 복합체 생성물을 형성할 수 있고, 여기서 첨가된 탄소의 일부는 남아 있지만, 탄소의 또 다른 부분은 산화리튬 및/또는 황화리튬을 리튬 금속으로 환원시킨다.

비교적 순수한 금속, 금속 합금, 또는 탄소-금속 복합체에 추가로, 탄소-네거티브 금속 탄화물이 생성될 수 있다. 예는 탄화규소, SiC; 탄화티타늄, TiC; 및 탄화텅스텐, WC를 포함한다. 금속 탄화물은 화합물 내에 화학량론적 양의 탄소를 갖기 때문에, 다량의 탄소가 효과적으로 격리되고, 이는 온실-가스 잠재력 및 그에 따라 탄소 강도를 추가로 감소시킨다. 일부 구현예에서, 예컨대 규소 생성에서, 생성물은 금속 (Si) 뿐만 아니라 금속 탄화물 (SiC)을 함유한다. 일부 구현예에서, 금속 탄화물은 금속 생성에서의 반응 중간체이다.

금속 광석을 금속, 금속 합금, 탄소-금속 복합체, 또는 금속 탄화물로 전환시키는 상기에 기재된 반응은 용광로, 탑가스 재활용로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 풍로로서 공지됨), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드(Tecnored) 퍼니스, 오스멜트(Ausmelt) 퍼니스, 이사스멜트(ISASMELT) 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로(Bogie hearth furnace), 연속 체인로, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로(rotary hearth furnace), 워킹 빔 퍼니스(walking beam furnace), 전기 아크로, 유도로, 기본 산소로, 퍼들링 퍼니스, 베세머(Bessemer) 퍼니스, 직접-환원-금속로, 제련소, 또는 이들의 조합 또는 파생물에서 수행할 수 있다. 특정 유형의 퍼니스는 본 명세서에서 이후에 상세히 기재되며, 이들 모든 퍼니스/반응기는 당업자에게 널리 공지된 장치임을 인지한다.

일부 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 약 0.1 wt% 내지 약 50 wt%의 하나 이상의 합금 원소, 예컨대 약 1 wt% 내지 약 10 wt%의 하나 이상의 합금 원소를 함유한다. 다양한 구현예에서, 하나 이상의 합금 원소는, 개별적으로 또는 집합적으로, 임의의 중간 범위 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 또는 20 wt%의 농도로 탄소-네거티브 금속 생성물 중에 존재한다.

하나 이상의 합금 원소는 Al, Bi, B, C, Ce, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mn, Mo, N, Nb, Ni, P, Pb, Si, Sn, S, Ta, Ti, W, V, Zr, Zn, 임의의 이들 원소의 산화물, 탄화물, 수소화물, 질화물, 또는 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 다른 원소가 탄소-네거티브 금속 생성물 중에 포함될 수 있으며, 이들 다른 원소는 합금 원소로서 기능할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.

일부 구현예에서, 합금 원소는 탄소를 포함한다. 탄소가 탄소-네거티브 금속 생성물 중에 존재하는 경우, 탄소는 하나 이상의 금속 내에서 평형 농도로 존재할 수 있다. 대안적으로, 탄소는 하나 이상의 금속 내에서 비-평형 농도로 존재할 수 있고, 이는 탄소에 대하여 평형 농도보다 더 낮거나 평형 농도보다 더 높을 수 있다.

일부 구현예에서, 합금 원소는 본원에 개시된 바와 같은 탄소-네거티브 탄소 생성물로부터 유래되는 탄소를 포함한다. 다양한 구현예에서, 탄소-네거티브 금속 생성물은 임의의 중간 범위 포함하여, 약, 적어도 약, 또는 최대 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2.1, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 또는 5 wt%의 농도로 탄소를 함유한다.

일부 구현예에서, 합금 원소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 부분적으로 재생가능한 탄소를 포함한다. 합금 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 적어도 95% 재생가능, 또는 100% 재생가능할 수 있다.

다른 원소가 탄소-네거티브 탄소 생성물로부터 유래되고 수소, 질소, 산소, 황, 또는 인을 포함한 (그러나 이에 제한되지는 않음) 탄소-네거티브 금속 생성물에서 합금 원소로서 활용될 수 있다.

특정 구현예에서, 합금 원소는 수소를 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 수소가 유래되는 경우, 수소는 이것이 광합성을 통해 대기 중 물로부터 성장하는 바이오매스에 첨가되기 때문에 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 수소일 수 있다.

탄소 (고체 탄소에서, 또는 증기 형태의 탄소, 예컨대 CO, CO₂, 또는 CH₄에서)의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정은 입증된 기술이다. 유사한 개념이 수소에 적용될 수 있고, 여기서는 ²H/¹H 동위원소비가 측정된다 (²H는 또한 중수소, D로서 공지됨). 화석 공급원은 바이오매스와 비교하여 중수소가 고갈되는 경향이 있다. 본원에 참조로 포함되는 문헌 [Schiegl et al., "Deuterium content of organic matter", Earth and Planetary Science Letters, Volume 7, Issue 4, 1970, Pages 307-313; 및 Hayes, "Fractionation of the Isotopes of Carbon and Hydrogen in Biosynthetic Processes", Mineralogical Society of America, National Meeting of the Geological Society of America, Boston, MA, 2001]을 참조한다.

재생가능 수소는 다양한 방식으로, 예컨대 재생가능-에너지 표준, 재생가능-에너지 크레딧, 재생가능 식별 번호 등을 통해 시장에서 인식될 수 있다. 단지 일례로서, 휘발유 생산에 재생 수소를 사용하는 정유 공장은 이러한 H₂ 함량에 대해 재생가능-에너지 크레딧을 받을 수 있다. 강철 등의 금속 생성물에서, 재생가능 수소가 금속의 생성 (예를 들어, H₂로의 금속 광석 환원) 동안 활용될 수 있고/있거나 재생가능 수소는 최종 생성물에서 측정가능한 합금 원소일 수 있다.

특정 구현예에서, 합금 원소는 질소를 포함한다. 고-강도 오스테나이트 스테인레스 강철은 질소로부터 이익을 얻을 수 있다. 질소는 탄소보다 더 큰 고체 용해도를 갖고, 강한 오스테나이트 안정화제이고, 우수한 틈새 고용체 강화제이고, 공식(pitting corrosion) 저항성을 개선한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 질소가 유래되는 경우, 질소가 질소 사이클을 통해 대기 중 N₂로부터 성장하는 바이오매스에 첨가될 때 이는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브일 수 있다. 한편, 합금 질소가 궁극적으로 NH₃기반 비료로부터 유래되고, NH₃이에너지-집약적 하버(Haber) 합성으로부터 유래되는 경우, 이러한 질소는 일반적으로 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 질소가 아니다. 금속 생성물의 전체 탄소 강도에 대한 기여는, 질소 함량이 존재하는 경우에도 통상적으로 1 wt% 미만이기 때문에 매우 낮을 수 있다. 예를 들어 H₂생성을 위해 물을 분할하기 위해 재생 에너지를 사용하거나, 본 특허 출원의 다른 부분에 개시된 바와 같은 재생가능 수소를 이용함으로써, 하버 공정도 보다 낮은 탄소-집약도로 이루어질 수 있다.

특정 구현예에서, 합금 원소는 산소를 포함한다. 산소는, 특히 금속 산화물을 피해야 하는 경우, 전형적으로 바람직한 합금 원소가 아니다. 그러나, 특정 합금, 특히 비-철 합금은, 틈새 고용체 강화를 통해 금속을 강화시키는 틈새 합금 원소로서 산소 (O 원자)를 사용할 수 있다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 산소가 유래되는 경우, 산소는 광합성을 통해 대기 중 CO₂로부터 유래됨이 인식될 것이다.

특정 구현예에서, 합금 원소는 황을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 황이 유래되는 경우, 황의 탄소 강도는 황의 공급원 (예를 들어, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 달라질 것이다.

특정 구현예에서, 합금 원소는 인을 포함한다. 그 자체가 바이오매스 공급원료로부터 유래되는 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 인이 유래되는 경우, 인의 탄소 강도는 인의 공급원 (예를 들어, 토양 대 첨가된 비료)에 따라 달라질 것이다.

탄소-네거티브 강철 생성물의 다양한 구현예에서, 탄소 강도는 임의의 중간 범위 포함하여, 탄소-네거티브 강철 생성물 미터톤 당 약 -50, -100, -150, -200, -250, -300, -350, -400, -450, 또는 -500 kg CO₂e, 또는 그 미만이다. 예를 들어, 탄소 강도는 탄소-네거티브 강철 생성물 미터톤 당 약 -100 내지 약 -300 kg CO₂e일 수 있다.

일부 탄소-네거티브 강철 생성물에서, 하나 이상의 합금 원소는 탄소를 포함하고, 이는 철 내에서 평형 농도 또는 비-평형 (열역학적 평형보다 높거나 낮은) 농도로 존재할 수 있다. 탄소-네거티브 강철 생성물 내의 탄소의 일부 또는 전부가 본원에 기재된 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물로부터 유래될 수 있다

기술의 변형은, 임의로 조정가능한 하드그로브 연삭성 지수 (HGI)와 함께, 탄소 기판을 생성하기 위한 바이오매스의 최적화된 열분해, 탄소 기판의 기계적 크기 감소, 및 탄소 기판을 응집시켜 바이오탄소 펠릿을 형성하기 위한 결합제의 사용에 근거한다. 바이오탄소 펠릿의 수분 수준은 펠릿 내의 치밀화를 변화시키기 위해 최적화될 수 있다. 하류 응용 (예를 들어, 용광로에서의 사용)이 다양한 HGI 요건을 갖기 때문에 바이오탄소 펠릿의 HGI를 조정하는 능력이 매우 유리하다. 바이오탄소 펠릿은 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿일 수 있다.

바이오매스 (예를 들어, 목재 칩)를 생성물로 전환하는 폭넓게 다양한 바이오리파이너리 공정의 맥락에서, 입자-크기 감소가 필수적이다. 크기 감소 단계는 필수적이지만, 존재하는 자연 발생 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌 중합체의 강한 결합으로 인해 매우 에너지-집약적이다. 문제는 작은 입자가 요망될 때 특히 심각하다. 예를 들어, 바이오매스의 해머-밀 분쇄의 에너지 소비는 스크린 메쉬 크기 감소의 함수로서 기하급수적으로 증가한다.

미가공 바이오매스는, 많은 것들이 본 특허 출원에 기재된, 폭넓게 다양한 상업적 응용에서 열분해된 형태의 바이오매스보다 더 열등하다. 바이오매스가 생물기원 시약으로 열분해될 때, 이는 종종 용광로 또는 미분탄 보일러와 같은 하류 용도에 도움이 되지 않는 기계적 특성을 갖는다. 이러한 이유로, 생물기원 시약을 바이오탄소 펠릿으로 펠릿화하는 것이 특정 경우에 바람직할 수 있다. 그러나, 일단 펠릿화되면, 미가공 바이오매스에 대해 상기에 언급되었던 문제가 되는 분쇄 에너지가 다시 도전적이 되고 종종 펠릿을 산업용 분말로 전환시키는 것이 더욱 어려워진다. 이는 본질적으로 약한 펠릿인 느슨한 응집체를 만들어 잠재적으로 극복할 수 있지만, 이는 이어서 수송 및 공장 취급 동안, 또한 때로는 반응기 자체 내에서 (예를 들어, 금속 층을 지지하기 위해) 펠릿 내구성이 요구되는 많은 경우에서, 펠릿화의 목적을 무산시킨다. 문제는, 한편으로는 펠릿 내구성이 요망되고 다른 한편으로는 펠릿 분쇄성이 요망되기 때문에, 해결하는 것이 거의 불가능해 보인다. 그러나, 본 발명자들은 양호한 분쇄성 및 적절한 내구성을 갖는 바이오탄소 펠릿, 및 이를 제조하는 공정을 제공함으로써, 이러한 타협을 깨뜨렸다.

또한, 각각 그 고유의 요건을 갖는, 바이오탄소 펠릿의 매우 많은 하류 용도가 존재하기 때문에, 펠릿의 분쇄성을 조정할 수 있는 것이 매우 유리하다. 본 발명자들은 조정가능하게 분쇄성인 바이오탄소 펠릿에 매우 적합한 공정 및 조성물을 설계하였다.

일부 변형에서, 바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)이 제공되며,

(a) 건조 기준으로, 적어도 약 60 wt% 탄소를 함유하는, 약 35 wt% 내지 약 99 wt%의 생물기원 시약;

(b) 약 0 wt% 내지 약 35 wt% 물 수분; 및

(c) 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 결합제

를 포함하고, 여기서 바이오탄소 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.

일부 구현예에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt% 탄소, 적어도 약 80 wt% 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 탄소를 함유한다. 다양한 구현예에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 약 또는 적어도 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95 wt% 탄소를 함유한다. 이들 백분율은 전체 생물기원 시약에 대한 총 탄소 (고정 탄소 및 휘발성 탄소)의 농도를 지칭한다.

일부 구현예에서, 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt% 고정 탄소, 적어도 약 75 wt% 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 고정 탄소를 함유한다. 다양한 구현예에서, 생물기원 시약은 약 또는 적어도 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95 wt% 고정 탄소를 함유한다. 이들 백분율은, 총 탄소에 대한 것이 아니라, 전체 생물기원 시약에 대한 고정 탄소의 농도를 지칭한다. 고정 탄소는 총 탄소에서 휘발성 탄소를 뺀 것과 같다.

일부 바이오탄소 펠릿에서, 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 예를 들어, 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 99%, 또는 적어도 99.9% 재생가능할 수 있다. 특정 구현예에서, 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다. 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정은 ASTM D6866을 활용할 수 있다.

특정 구현예에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt% 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt% 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt% 수소를 함유한다.

바이오탄소 펠릿 중에 존재하는 수분은 탄소 또는 결합제에 화학적으로 결합된 물, 탄소 또는 결합제에 물리적으로 결합된 (흡수된 또는 흡착된) 물, 탄소 또는 결합제에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되지 않은 수성 상 중에 존재하는 자유수(free water), 또는 이들의 조합일 수 있다. 결합 공정 동안 수분이 요망되는 경우, 이러한 수분은 자유수이기보다는 탄소 및/또는 결합제에 화학적으로 또는 물리적으로 결합되는 것이 바람직하다.

다양한 수분 수준이 존재할 수 있다. 예를 들어, 바이오탄소 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% (예를 들어, 32 wt%) 수분, 예컨대 약 5 wt% 내지 약 15 wt% 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt% 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt% 수분을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 약 4-8 wt% 수분을 함유한다. 다양한 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 모든 중간 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% 수분을 포함한다.

바이오탄소 펠릿의 제조 공정 동안 물이 존재하지만, 이어서 이들 펠릿은 임의로 건조되며, 이는 최종 바이오탄소 펠릿이 반드시 수분을 함유하지는 않음을 의미한다. 농업과 같은 일부 시장 응용의 경우, 먼지 제어 또는 다른 이유로 더 높은 수분 수준이 바람직하다. 다른 시장 응용의 경우, 보다 낮은 수분 수준이 바람직할 수 있다 (예를 들어, 1 wt% 수분 이하). 일부 야금 응용의 경우, 낮은 수분이 바람직하지만, 다른 야금 응용의 경우에는, 전체 화학을 보조하기 위해 일부 수분이 용인가능하거나 심지어 바람직하다.

일부 바이오탄소 펠릿에서, 바이오탄소 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 결합제, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 결합제, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 결합제를 포함한다. 다양한 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 모든 중간 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% 결합제를 포함한다. 일부 구현예에서, 수분 함량과 결합제 농도 사이에는 역의 관계가 있다.

결합제는 바이오탄소 펠릿의 생물기원 시약 내에서 기공-충전성일 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 결합제는 바이오탄소 펠릿의 표면 상에 배치될 수 있다.

결합제는 유기 결합제 또는 무기 결합제일 수 있다. 일부 구현예에서, 결합제는 재생가능 물질이거나 이를 포함한다. 일부 구현예에서, 결합제는 생분해성 물질이거나 이를 포함한다. 일부 구현예에서, 결합제는 부분적으로 산화되고/되거나 연소될 수 있다.

다양한 구현예에서, 결합제는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된다. 결합제는 분쇄가능 가소제이거나 이를 포함할 수 있다.

특정 구현예에서, 결합제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 기반 중합체 (예를 들어, 아밀로스 및 아밀로펙틴 기반의 중합체), 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 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 순환적 구조는 전분에 강성 구조를 제공하고 고도로 질서화된 결정 및 과립 영역으로 이어진다. 그의 과립 상태에서 전분은 일반적으로 열가소성 가공에 적합하지 않다. 열가소성 전분을 얻기 위해, 반-결정질 전분 과립은 열적 및 기계적 힘에 의해 분해될 수 있다. 순수 전분의 융점은 그의 분해 온도보다 상당히 더 높기 때문에, 가소제, 예컨대 물 및/또는 글리콜이 첨가될 수 있다. 이어서 열가소성 전분을 생성하는 승온에서 격렬한 혼합 (전단)에 의해 자연 결정도가 파괴될 수 있다. 전분은 물, 글리세롤, 또는 소르비톨 등의 전분 히드록실 기와 수소 결합할 수 있는 비교적 낮은 수준의 분자에 의해 가소화 (탈구조화)될 수 있다.

열가소성 전분은 화학적으로 변형되고/되거나 다른 생체중합체와 블렌딩되어 보다 인성이고 보다 연성 및 탄력성인 바이오플라스틱을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전분은 천연 및 합성 (생분해성) 폴리에스테르, 예컨대 폴리락트산, 폴리카프로락톤, 또는 폴리히드록시부티레이트와 블렌딩될 수 있다. 전분/폴리에스테르 블렌드의 상용성을 개선하기 위해, 적합한 상용화제, 예컨대 폴리(에틸렌-co-비닐 알콜) 및/또는 폴리비닐 알콜이 첨가될 수 있다. 전분의 친수성 히드록실 기 (-OH)는, 에스테르화 또는 에테르화 등에 의해, 소수성 (반응성) 기로 대체될 수 있다.

일부 구현예에서, 전분-함유 결합제는 가교 전분이거나 이를 포함한다. 전분 가교를 위한 다양한 방법이 당업계에 공지되어 있다. 전분 물질은, 예를 들어 수성 매질 중에 이를 용해시키거나 분산시킨 후 산 또는 알칼리 조건 하에 가교될 수 있다. 알데히드 (예를 들어, 글루타르알데히드 또는 포름알데히드)를 사용하여 전분을 가교시킬 수 있다.

가교 전분의 일례는 전분 및 글리세롤 또는 또 다른 폴리올, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이들의 조합의 반응 생성물이다. 반응 생성물은 산, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 글루쿠론산, 또는 이들의 조합에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다. 가교 반응을 촉매하기 위해 무기 산, 예컨대 황산이 활용될 수도 있다. 일부 구현예에서, 열가소화 및/또는 가교 반응 생성물은 대신에 염기, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 암모니아 또는 붕산나트륨에 의해 촉매되는 가교 반응으로부터 형성될 수 있다.

일부 구현예에서, 결합제는 내수성 결합제가 되도록 설계된다. 예를 들어, 전분의 경우, 친수성 기는 물에 더 잘 저항하는 소수성 기에 의해 대체될 수 있다.

일부 구현예에서, 결합제는 다른 목적, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 바이오탄소 펠릿의 물 보유, 미생물의 먹이 공급원 등을 제공한다.

일부 구현예에서, 결합제는 결합제가 없는 다른 동등한 바이오탄소 펠릿과 비교하여 바이오탄소 펠릿의 반응성을 감소시킨다. 반응성은 열 반응성 또는 화학 반응성 (또는 둘 다)을 지칭할 수 있다.

열 반응성의 경우, 바이오탄소 펠릿은 결합제가 없는 다른 동등한 바이오탄소 펠릿과 비교하여 더 낮은 자기-가열을 가질 수 있다. "자기-가열"은 바이오탄소 펠릿의 내부 온도를 상승시키기 위해 임의의 외부 발화 부재 하에 비교적 낮은 온도 및 산화성 분위기에서 자발적인 발열 반응을 겪는 바이오탄소 펠릿을 지칭한다. 일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 문헌 [Manual of Tests and Criteria, Seventh revised edition 2019, 유닛ed Nations, Page 375, 33.4.6 시험 N.4: "Test method for self-heating substances"]에 따라 자기-가열 시험에 적용시 비-자기-가열을 특징으로 한다.

화학 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예를 들어, 철), 또는 이들의 조합과 반응성일 수 있다. 화학 반응성은, 예를 들어, CO, CO₂, H₂O, 열분해 오일, 및 열에 대한 반응과 관련될 수 있다.

임의로, 탄소-함유 펠릿은 하나 이상의 첨가제 (반드시 결합제는 아님), 예컨대 무기 벤토나이트 점토, 석회석, 전분, 셀룰로스, 리그닌, 또는 아크릴아미드를 포함한다. 리그닌이 결합제로서 또는 다른 첨가제로서 사용되는 경우, 리그닌은 열분해 공정에서 사용되는 것과 동일한 바이오매스 공급원료로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 출발 바이오매스 공급원료를 리그닌-추출 단계에 적용하여, 결합제 또는 첨가제로서의 사용을 위한 일정량의 리그닌을 제거할 수 있다.

다른 가능한 첨가제는 플럭싱 작용제, 예컨대 무기 염화물, 무기 플루오린화물, 또는 석회를 포함한다. 일부 구현예에서, 첨가제는 산, 염기, 또는 그의 염으로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 첨가제는 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 수소화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어, 첨가제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 산화마그네슘, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 인산이암모늄, 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 철 할로겐화물, 염화철, 브로민화철, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파(fluorospar), 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다 (그러나 이에 제한되지는 않음). 첨가제는, 수확되기 전 또는 후에, 임의의 시점에 공급원료 자체로의 첨가를 포함하여 공정의 임의의 하나 이상의 단계 전에, 동안, 또는 후에 첨가될 수 있다.

바이오탄소 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수는 적어도 30, 적어도 40, 적어도 50, 적어도 60, 적어도 70, 적어도 80, 적어도 90, 또는 적어도 100일 수 있다. 일부 구현예에서, 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 포함된다. 달리 나타내지 않는 한, 하드그로브 연삭성 지수 또는 HGI에 대한 본 개시내용에서의 모든 참조는 ASTM-표준 D 409/D 409M을 참조한다.

다양한 구현예에서, 하드그로브 연삭성 지수는 모든 중간 범위를 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, 100 (예를 들어, 25-40, 30-60 등)이다.

바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)은 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 99%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 할 수 있다. 바이오탄소 펠릿은 99% 미만, 95% 미만, 90% 미만, 85% 미만, 또는 80% 미만의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 한다. 달리 나타내지 않는 한, 펠릿 내구성 지수에 대한 본 개시내용에서의 모든 참조는, 그 전체가 본원에 참조로 포함되는, ISO 17831-1:2015 "Solid biofuels ― Determination of mechanical durability of pellets and briquettes ― Part 1: Pellets"을 참조한다.

바이오탄소 펠릿의 크기 및 기하구조는 달라질 수 있다. "펠릿"이란, 본원에서 사용되는 바와 같이, 느슨한 분말보다는 응집된 물체를 의미한다. 펠릿 기하구조는 구형 또는 대략 구형으로 제한되지 않는다. 또한, 본 개시내용에서, "펠릿"은 "브리켓"과 동의어이다. 펠릿 기하구조는 구형 (원형 또는 볼 형상), 입방체 (정사각형), 팔각형, 육각형, 벌집/벌통 형상, 타원형, 달걀 형상, 기둥 형상, 막대 형상, 베개 형상, 랜덤 형상, 또는 이들의 조합일 수 있다. 개시의 편의상, 용어 "펠릿"은 일반적으로 결합제와 응집된 분말을 함유하는 임의의 물체에 대해 사용될 것이다.

바이오탄소 펠릿은 평균 펠릿 직경에 의해 특징화될 수 있고, 이는 구의 경우 진(true) 직경, 또는 임의의 다른 3D 기하구조의 경우 등가 직경이다. 비-구형 펠릿의 등가 직경은 실제 펠릿과 동등한 부피의 구의 직경이다. 일부 구현예에서, 평균 펠릿 직경은 모든 중간 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 구현예에서, 평균 펠릿 직경은 모든 중간 범위를 포함하여, 약, 또는 적어도 약, 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 또는 6500 마이크론이다.

일부 구현예에서는, 평균 펠릿 직경의 ±100% 미만, ±50% 미만, ±25% 미만, ±10% 미만, 또는 ±5% 미만의 표준 편차와 같이 크기가 비교적 균일한 복수의 바이오탄소 펠릿이 존재한다. 다른 구현예에서는, 폭넓은 범위의 크기의 바이오탄소 펠릿이 존재하며, 이것이 일부 응용에서 유리할 수 있다.

일부 변형은

(b) 약 0 wt% 내지 약 35 wt% 물 수분; 및

(c) 약 1 wt% 내지 약 30 wt%의 반응성-완화 작용제

를 포함하는 바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 펠릿)을 제공하며, 여기서 반응성-완화 작용제는 반응성-완화 작용제가 없는 다른 동등한 바이오탄소 펠릿과 비교하여 바이오탄소 펠릿의 반응성을 감소시킨다.

일부 구현예에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt% 탄소를 함유한다. 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt% 고정 탄소를 함유할 수 있다.

생물기원 시약은, 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt% 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt% 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt% 수소를 함유할 수 있다.

일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% 수분을 포함한다.

일부 구현예에서, 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능하다. 특정 구현예에서, 탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 완전히 재생가능하다.

일부 바이오탄소 펠릿에서, 바이오탄소 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 반응성-완화 작용제를 포함한다. 바이오탄소 펠릿은, 예를 들어, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 반응성-완화 작용제를 포함할 수 있다.

반응성-완화 작용제는 유기 또는 무기물일 수 있다. 반응성-완화 작용제는 재생가능 물질일 수 있다.

일부 구현예에서, 반응성-완화 작용제는 부분적으로 산화되고/되거나 연소될 수 있다.

반응성-완화 작용제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

일부 구현예에서, 반응성-완화 작용제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된다.

특정 구현예에서, 반응성-완화 작용제는 임의로 가교된 열가소성 전분이다. 예를 들어, 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물일 수 있다. 폴리올은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 반응 생성물은 산, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 포름산, 아세트산, 락트산, 시트르산, 옥살산, 우론산, 및/또는 글루쿠론산에 의해, 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성될 수 있다.

반응성-완화 작용제가 바이오탄소 펠릿의 반응성을 감소시키는 일부 바이오탄소 펠릿에서, 반응성은 열 반응성이다. 예를 들어, 바이오탄소 펠릿은 반응성-완화 작용제가 없는 다른 동등한 바이오탄소 펠릿과 비교하여 더 낮은 자기-가열을 특징으로 할 수 있다.

반응성-완화 작용제가 바이오탄소 펠릿의 반응성을 감소시키는 일부 바이오탄소 펠릿에서, 반응성은 산소, 물, 수소, 일산화탄소, 금속 (예컨대 철), 또는 이들의 조합과의 화학 반응성이다.

일부 바이오탄소 펠릿에서, 반응성-완화 작용제는 바이오탄소 펠릿의 생물기원 시약 내에서 기공-충전성이다. 다른 바이오탄소 펠릿에서, 반응성-완화 작용제는 바이오탄소 펠릿의 표면 상에 배치된다. 또한 다른 바이오탄소 펠릿에서, 반응성-완화 작용제는 생물기원 시약 내에서 기공-충전성이면서, 바이오탄소 펠릿의 표면 상에 배치된다.

반응성-완화 작용제는 바이오탄소 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수를 조정가능하게 제어하기 위한 결합제로서 기능할 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 적어도 30, 예컨대 약 30 내지 약 50 또는 약 50 내지 약 70의 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다. 다른 HGI 범위가 본 명세서의 다른 부분에 개시되었고, 반응성-완화 작용제가 이용되고 결합제로서 기능하는 구현예에 동일하게 적용가능하다.

예를 들어, HGI를 제어가능하게 조정할 뿐만 아니라 반응성-완화 작용제로서 작용하도록 기능하는 결합제가 선택될 수 있다. 이들 경우에, 결합제가 생물기원 탄소 전반에 걸쳐 분산될 (바이오탄소 펠릿의 기공을 충전) 뿐만 아니라 바이오탄소 펠릿의 표면 상에 배치되도록 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 결합제의 농도는 펠릿의 벌크 (내부적)와 비교하여 표면 상에서 상이할 수 있다. 일부 경우에, 표면에 비해 펠릿 벌크 중에 보다 높은 농도의 결합제가 존재하며, 다른 경우에는 (예를 들어, 감소된 자기-가열 펠릿에 대한 특정 구현예), 표면에서 보다 높은 결합제 농도가 요망된다. 2개의 상이한 결합제 (화학 종) - 예를 들어 펠릿의 벌크 내에 1개 및 표면에 1개를 갖는 것도 가능하다. 이러한 경우, 벌크 결합 작용제는 결합제로서 언급될 수 있고, 펠릿 표면 작용제는 펠릿 반응성-완화 작용제로서 언급될 수 있다. 이러한 구현예에서도, 결합제가 펠릿 생성 공정 동안 첨가되는 경우, 결합제의 일부 양은 펠릿 표면에 존재할 것임이 인식될 것이다. 마찬가지로, 반응성-완화 작용제가 이들이 형성된 후에 펠릿 상에 코팅되는 경우, 펠릿 기공으로의 일부 양의 반응성-완화 작용제의 확산이 예상될 수 있다.

다른 변형은 바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)의 생성 공정을 제공하며, 공정은

(a) 바이오매스 공급원료를 제공하는 단계;

(b) 바이오매스 공급원료를 열분해하여, 적어도 약 50 wt% 탄소 및 적어도 약 5 wt% 수분을 함유하는 생물기원 시약을 생성하는 단계;

(c) 생물기원 시약을 기계적으로 처리하여 복수의 탄소-함유 입자를 생성하는 단계;

(d) 탄소-함유 입자를 결합제와 조합하여 탄소-결합제 혼합물을 형성하는 단계;

(e) 단계 (d) 후에 또는 단계 (d)와 동시에, 탄소-결합제 혼합물을 펠릿화하여 바이오탄소 펠릿을 생성하는 단계; 및

(f) 임의로, 바이오탄소 펠릿을 적어도 부분적으로 건조시키는 단계

를 포함하고, 여기서 바이오탄소 펠릿은 적어도 30의 평균 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.

일부 공정 구현예에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 적어도 약 70 wt% 탄소, 적어도 약 80 wt% 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 탄소를 함유한다.

일부 공정 구현예에서, 생물기원 시약은 적어도 약 50 wt% 고정 탄소, 적어도 약 75 wt% 고정 탄소, 또는 적어도 약 90 wt% 고정 탄소를 함유한다.

탄소는 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 완전히 재생가능할 수 있다. 일부 구현예에서, 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정은 ASTM D6866을 활용한다.

특정 공정에서, 생물기원 시약은, 건조 기준으로, 약 75 wt% 내지 약 94 wt% 탄소, 약 3 wt% 내지 약 15 wt% 산소, 및 약 1 wt% 내지 약 10 wt% 수소를 함유한다.

일부 공정에서, 생물기원 시약은 단계 (b)에서 적어도 약 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, 30 wt%, 35 wt%, 또는 40 wt% 수분을 함유한다. 40 wt% 초과의 수분 함량에서, 바이오탄소 펠릿이 여전히 제조될 수 있지만, 펠릿 밀도는 보다 열등할 (많은 응용에 대하여 지나치게 낮을) 것으로 예상된다. 일부 구현예에서, 단계 (c), 단계 (d), 및/또는 단계 (e)는 단계 (b)의 수분보다 더 낮은 수분으로 수행된다. 예를 들어, 단계 (f)가 수행되는 경우, 건조는 단계 (b)에서의 수분보다 더 낮은 수분 및 임의로 단계 (c), 단계 (d), 및/또는 단계 (e)에서의 수분보다 더 낮은 수분을 초래할 수 있다.

일부 구현예에서, 단계 (f)는 단계 (e) 후에 수행된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 단계 (f)는 단계 (e)와 통합된다. 예를 들어, 펠릿화 유닛은 펠릿이 형성되고 있을 때 이로부터 물 방출을 가능하게 할 수 있고, 즉, 펠릿화 유닛은 또한 건조기로서 작용할 수 있다. 특정 구현예에서, 일부 양의 건조가 펠릿화 동안 발생하고, 추가 건조는 펠릿화 후에, 예컨대 건조 유닛에서 또는 주변 조건 하에 발생한다.

일부 구현예에서, 생물기원 시약은 단계 (c) 동안 건조되지 않는다. 이들 또는 다른 구현예에서, 생물기원 시약은 단계 (d) 동안 건조되지 않는다. 이들 또는 다른 구현예에서, 생물기원 시약은 단계 (e) 동안 건조되지 않는다.

바이오탄소 펠릿은 약 1 wt% 내지 약 30 wt% 수분, 예컨대 약 5 wt% 내지 약 15 wt% 수분, 약 2 wt% 내지 약 10 wt% 수분, 또는 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt% 수분을 포함할 수 있다.

일부 공정에서, 단계 (b)는 약 250℃ 내지 약 1250℃, 예컨대 약 300℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도에서 수행된다. 일부 공정에서, 단계 (b)는 약 10초 내지 약 24시간으로부터 선택된 열분해 시간 동안 수행된다. 다른 가능한 열분해 조건은 본 명세서에서 이후에 기재된다.

단계 (c)는, 예를 들어 해머 밀, 압출기, 마멸 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 크러셔, 조 크러셔, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 기계적-처리 장치를 활용할 수 있다.

일부 공정에서, 단계 (c) 및 단계 (d)는 통합된다. 예를 들어, 결합제는 해머 밀 또는 압출기, 또는 다른 기계적-처리 장치에 직접 공급될 수 있다.

바이오탄소 펠릿은 약 2 wt% 내지 약 25 wt%의 결합제, 예컨대 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 결합제, 또는 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 유기 및/또는 무기물일 수 있다.

결합제는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 공정에서, 결합제는 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택된다.

단계 (e)는 압출기, 링 다이 펠릿 밀, 플랫 다이 펠릿 밀, 롤 압착기, 롤 단광기, 습윤 응집 밀, 건조 응집 밀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 펠릿화 장치를 활용할 수 있다.

일부 공정에서, 단계 (d) 및 단계 (e)는 통합된다. 예를 들어, 결합제는 펠릿화 유닛에 직접 도입될 수 있다. 단계 (d) 및 단계 (e)가 별도로 수행되는 경우, 결합제를 탄소-함유 입자와 조합하여 탄소-결합제 혼합물을 형성한 후에 이러한 혼합물을 탄소-결합제 혼합물의 펠릿화를 위해 구성된 유닛에 도입한다.

일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 보다 작은 물체를 만들기 위한 출발 물질로서 활용되며, 이는 또한 "펠릿"이 기하구조를 제한하지 않기 때문에 바이오탄소 펠릿으로서 언급될 수 있다. 예를 들어, 평균 펠릿 직경이 10 mm인 초기 바이오탄소 펠릿이 제작될 수 있다. 이어서, 이들 초기 바이오탄소 펠릿은 다양한 기계적 수단을 사용하여 (예를 들어, 해머 밀을 사용하여) 파쇄될 수 있다. 파쇄된 펠릿은 크기에 따라, 예컨대 스크리닝에 의해 분리될 수 있다. 이러한 방식으로, 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 마이크론의 평균 펠릿 직경을 갖는, 보다 작은 바이오탄소 펠릿이 생성될 수 있다. 보다 작은 바이오탄소 펠릿의 평균 펠릿 직경은 바람직하게는, 결합제와 펠릿을 만들기 위해 사용된 초기 탄소-함유 입자의 평균 입자 직경보다 더 크다.

바이오탄소 펠릿이 보다 작은 바이오탄소 펠릿으로 파쇄되는 경우, 파쇄 (또한 임의로 스크리닝) 단계는 단계 (e)와 통합될 수 있거나, 단계 (e)에 이어질 수 있거나, 단계 (f)와 통합될 수 있거나, 단계 (f)에 이어질 수 있고, 이는 잠재적으로 산업용 장소를 포함한다. 보다 작은 바이오탄소 펠릿을 생성하기 위한 임의적 단계는 해머 밀, 마멸 밀, 디스크 밀, 핀 밀, 볼 밀, 콘 크러셔, 조 크러셔, 락 크러셔, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 파쇄 장치를 활용할 수 있다.

다양한 공정 구현예에서, 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 or 약 50 내지 약 70일 수 있다.

다양한 공정에서, 공정 조건은 모든 중간 범위를 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, 100 (예를 들어, 30-60, 33-47 등)의 하드그로브 연삭성 지수를 갖는 최종 바이오탄소 펠릿을 생성하도록 선택되고 최적화된다.

일부 공정에서, 바이오탄소 펠릿은 적어도 80%, 적어도 90%, 또는 적어도 95%의 펠릿 내구성 지수를 특징으로 한다.

일부 구현예에서, 공정은 하드그로브 연삭성 지수의 예비-선택, 예비-선택된 하드그로브 연삭성 지수를 기반으로 한 공정 조건의 조정, 및 바이오탄소 펠릿에 대한 예비-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±20% 내의 달성을 포함하며, 여기서 공정 조건의 조정은 열분해 온도, 열분해 시간, 기계적-처리 조건, 펠릿화 조건, 결합제 유형, 결합제 농도, 결합 조건, 및 건조 중 하나 이상의 조정을 포함한다. 특정 구현예의 공정은 바이오탄소 펠릿에 대해 예비-선택된 하드그로브 연삭성 지수의 ±10% 이내 또는 ±5% 이내를 달성할 수 있다.

일부 구현예는 도 1을 참조로 하여 이해될 수 있다. 점선 상자 및 선은 각각 임의적 유닛 및 스트림을 나타낸다. 도 1의 블록-흐름도에서는, 바이오매스 공급원료를 열분해하여 생물기원 시약 및 오프가스를 생성한다. 생물기원 시약을 기계적-처리 유닛으로 이송하여 바이오탄소 입자 (예를 들어, 분말)를 생성한다. 바이오탄소 입자를 펠릿화 유닛으로 이송하고, 여기에 또한 결합제를 공급하여, 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 바이오탄소 펠릿을 임의로 건조시킨다. 열분해 오프가스를 임의로 연소시켜 공정 목적을 위한 열을 생성하고, 이는 펠릿 건조 작업을 포함한다 (그러나 이에 제한되지는 않음). 최종 생성물은 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿이다.

일부 구현예는 도 2를 참조로 하여 이해될 수 있다. 점선 상자 및 선은 각각 임의적 유닛 및 스트림을 나타낸다. 도 2의 블록-흐름도에서는, 바이오매스 공급원료를 열분해하여 생물기원 시약 및 오프가스를 생성한다. 생물기원 시약을 임의로 펠릿화 유닛으로 (결합제와 함께) 이송하여 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 바이오탄소 펠릿을 임의로 건조시킨다. 열분해 오프가스를 임의로 연소시켜 공정 목적을 위한 열을 생성하고, 이는 펠릿 건조 작업을 포함한다 (그러나 이에 제한되지는 않음). 화학적 환원 반응기 (예를 들어, 용광로)에서, 금속 광석을 탄소-네거티브 펠릿과 함께 공급한다. 임의로, 펠릿화되지 않은 탄소 (예를 들어, 탄소 분말)를 화학적 환원 반응기에 직접 공급할 수 있다. 최종 생성물은 탄소-네거티브 금속 생성물이다.

일부 구현예는 도 3을 참조로 하여 이해될 수 있다. 점선 상자 및 선은 각각 임의적 유닛 및 스트림을 나타낸다. 도 3의 블록-흐름도에서는, 바이오매스 공급원료를 열분해하여 생물기원 시약 및 오프가스를 생성한다. 생물기원 시약을 임의로 펠릿화 유닛으로 (결합제와 함께) 이송하여 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 바이오탄소 펠릿을 임의로 건조시킨다. 이 공정 구성에서는, 열분해 오프가스를 부분 산화시켜 공정 목적을 위한 열을 생성하고, 이는 열분해 반응기 및/또는 건조 유닛에서의 흡열 반응을 포함한다 (그러나 이에 제한되지는 않음). 화학적 환원 반응기 (예를 들어, 용광로)에서, 금속 광석을 하기 중 하나 이상과 함께 공급한다: 탄소-네거티브 펠릿, 직접적으로 생물기원 시약 (예를 들어, 탄소 분말로서), 및 열분해 오프가스의 부분 산화로부터의 환원 가스. 대안적 구현예에서는, 오프가스를 완전히 산화시키고(연소시키고), 열을 열분해 반응기 및/또는 건조 유닛에서 흡열 반응을 위해 활용한다. 최종 생성물은 탄소-네거티브 금속 생성물이다.

다른 변형은 바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)의 생성을 위한 시스템을 제공하며, 시스템은

바이오매스 공급원료를 열분해하여 적어도 약 50 wt% 탄소 및 적어도 약 5 wt% 수분을 함유하는 생물기원 시약을 생성하도록 구성된 열분해 반응기;

생물기원 시약을 기계적으로 처리하여 복수의 탄소-함유 입자를 생성하도록 구성된 기계적 장치;

탄소-함유 입자 및 결합제의 혼합물을 펠릿화하여 바이오탄소 펠릿을 생성하도록 구성된 펠릿화 유닛; 및

임의로, 바이오탄소 펠릿을 적어도 부분적으로 건조시키도록 구성된 건조기

를 포함하고, 시스템은 적어도 30의 조정가능한 평균 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 하는 바이오탄소 펠릿을 생성할 수 있다.

다른 변형은

(a) 바이오매스 공급원료를 제공하는 단계;

를 포함하는 공정에 의해 생성된 바이오탄소 펠릿 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)을 제공하며, 바이오탄소 펠릿은 적어도 30의 평균 하드그로브 연삭성 지수를 특징으로 한다.

본원에 개시된 바이오탄소 펠릿은 폭넓게 다양한 하류 용도를 갖는다. 바이오탄소 펠릿은 저장되고, 운송되고, 다른 생성물로 전환될 수 있다. 바이오탄소 펠릿은 금속 제조에서 퍼니스, 예컨대 용광로로의 공급을 위해 미분, 파쇄, 또는 밀링될 수 있다. 바이오탄소 펠릿은 금속 제조에서 퍼니스, 예컨대 테크노레드 퍼니스로 직접 공급될 수 있다. 바이오탄소 펠릿은 탄소를 연소시키고 전기 에너지 및/또는 열을 생성하도록, 보일러에서의 사용을 위해 미분될 수 있다. 바이오탄소 펠릿은 바이오탄소 펠릿으로부터 합성가스를 제조하기 위한 목적으로 가스화기로의 공급을 위해 미분, 파쇄, 또는 밀링될 수 있다.

특정 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은, 직접적으로 또는 미분, 파쇄, 밀링, 또는 다른 방식의 입자 크기 감소 단계 후에, 퍼니스로 공급되는 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿이다. 퍼니스는 용광로, 탑가스 재활용로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 풍로로서 공지됨), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로, 연속 체인로, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크로, 유도로, 기본 산소로, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원-금속로, 또는 이들의 조합 또는 파생물일 수 있다.

바이오탄소 펠릿의 하드그로브 연삭성 지수와 관계없이, 이들은 나중에 분쇄 공정을 거칠 필요가 없음을 인지한다. 예를 들어, 바이오탄소 펠릿은 농업 응용에서 직접 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 바이오탄소 펠릿은 조경 벽과 같은 공학 구조물에 직접 통합될 수 있다. 바이오탄소 펠릿을 함유하는 구조의 수명 종료시, 펠릿은 분쇄, 연소, 가스화, 또는 다른 방식으로 재사용 또는 재활용될 수 있다.

본 개시내용의 일부 변형은, 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿 미터톤 당 0 kg CO₂e 미만의 탄소 강도를 특징으로 하며, 여기서 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿은 적어도 약 50 wt% 탄소를 함유하고, 이는 펠릿 하드그로브 연삭성 지수와 관계없는 것인, 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿을 제공한다. 다양한 구현예에서, 야금 탄소 펠릿 탄소 강도는 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿 미터톤 당 약 -100, -200, -300, -400, -500, 또는 -600 kg CO₂e, 또는 그 미만이다. 예를 들어, 탄소 강도는 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿 미터톤 당 약 -400 kg CO₂e 내지 약 -800 kg CO₂e일 수 있다.

열분해 공정 및 시스템

탄소를 포함하는 생물기원 시약을 생성하기 위한 바이오매스 공급원료의 열분해에 적합한 공정 및 시스템을 이제 추가로 상세히 기재할 것이다.

"열분해" 및 "열분해하다"는 일반적으로 탄소질 물질의 열 분해를 지칭한다. 열분해에서는, 물질의 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 구현예에서, 열분해는 산소의 부재 하에 수행된다.

열분해 동안 발생할 수 있는 예시적 변화는 하기 중 임의의 것을 포함한다: (i) 열원으로부터의 열 전달은 공급원료 내부의 온도를 증가시킴; (ii) 이러한 보다 고온에서의 1차 열분해 반응의 개시는 휘발성 물질을 방출하고 숯을 형성함; (iii) 보다 저온의 고체를 향한 고온 휘발성 물질의 유동은 고온 휘발성 물질과 보다 저온의 열분해되지 않은 공급원료 사이의 열 전달을 일으킴; (iv) 공급원료의 보다 저온의 부분에서 일부 휘발성 물질의 응축 후 2차 반응이 타르를 생성할 수 있음; (v) 경쟁에서 1차 열분해 반응이 동시에 일어나는 동안 자가촉매 2차 열분해 반응이 진행됨; 및 (vi) 체류 시간, 온도, 및 압력 프로파일의 함수인, 추가적인 열 분해, 개질, 물-가스 전환 반응, 자유-라디칼 재조합, 및/또는 탈수가 또한 발생할 수 있음.

열분해는 출발 공급원료 (예를 들어, 리그노셀룰로스 바이오매스)를 적어도 부분적으로 탈수시킨다. 다양한 구현예에서, 열분해는 출발 공급원료로부터 약 50%, 75%, 90%, 95%, 99% 초과, 또는 그 초과의 물을 제거한다.

일부 구현예에서, 출발 바이오매스 공급원료는 침엽수 칩, 활엽수 칩, 수목 수확 잔류물, 나뭇가지, 나무 그루터기, 잎, 나무껍질, 톱밥, 옥수수, 옥수수대, 밀, 밀짚, 벼, 볏짚, 사탕수수, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 에너지 케인, 사탕무, 사탕무 펄프, 해바라기, 수수, 캐놀라, 조류, 억새, 알팔파, 스위치그래스, 과일, 과일 껍질, 과일 줄기, 과일 껍질, 과일 구덩이, 채소, 채소 껍질, 채소 줄기, 채소 껍질, 채소 구덩이, 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 포장, 종이 트리밍, 식품 포장, 건설 및/또는 철거 폐기물, 리그닌, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 도시 하수, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 전형적으로 바이오매스 공급원료는 적어도 탄소, 수소, 및 산소를 함유함을 인지한다.

생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt% 탄소 (총 탄소)를 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 생물기원 시약은 약, 적어도 약, 또는 최대 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 99 wt% 탄소를 함유한다. 총 탄소는 휘발성 물질 중에 존재하는 고정 탄소 플러스 비-고정 탄소이다. 일부 구현예에서, 성분 중량 백분율은 절대적 기준의 것이며, 이는 달리 언급되지 않는 한 가정되는 것이다. 다른 구현예에서, 성분 중량 백분율은 수분-무함유 및 회분-무함유 기준의 것이다.

생물기원 시약은 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt% 고정 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 생물기원 시약은 약, 적어도 약, 또는 최대 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 99 wt% 고정 탄소를 함유한다.

(생물기원 시약 내의) 탄소는, 예를 들어, 적어도 약 50 wt%, 적어도 약 75 wt%, 또는 적어도 약 90 wt% 고정 탄소일 수 있고, 나머지 탄소는 휘발성 탄소이다. 다양한 구현예에서, 탄소는 약, 적어도 약, 또는 최대 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 99, 또는 100 wt% 고정 탄소를 함유한다.

열분해 조건은 생물기원 시약 및 열분해 오프가스에 대한 요망되는 조성, 출발 공급원료, 반응기 구성, 및 다른 요인에 따라 폭넓게 달라질 수 있다.

일부 구현예에서, 다수의 반응기 대역은, 공급원료 변형에 대한 유연성 및 조정성 및 생성물 요건을 유지하면서, 열분해로부터의 탄소 수율 및 생성물 품질을 최적화하는 방식으로 설계되고 작동된다.

일부 비-제한적 구현예에서, 온도 및 체류 시간은 비교적 느린 열분해 화학을 달성하도록 선택된다. 이점은 잠재적으로 바이오매스 구조에 함유된 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 다른 방식으로 바이오매스 입자를 작은 미립자로 전환시키는 장치가 활용될 수 있다. 이러한 구현예에 대한 반응기 구성은 하기에서 공정 설명 후에 논의된다.

추가로, 공급원료가 밀링된 또는 사이징된 공급원료, 예컨대 목재 칩 또는 펠릿인 경우, 공급원료를 주의깊게 밀링 또는 사이징하는 것이 바람직할 수 있다. 주의깊은 초기 처리는 네이티브(native) 공급원료 공급원 (예를 들어, 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 구현예에서, 열분해 반응기의 제1 대역은 바이오매스에 "충격"을 가하지 않는 방식으로 바이오매스 (또는 또 다른 탄소-함유 공급원료)를 공급하도록 구성되며, 이는 세포 벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시할 것이다. 이 제1 대역은 온화한 열분해로 생각될 수 있다.

일부 구현예에서, 열분해 반응기의 제2 대역은, 예열된 바이오매스가 열분해 화학을 겪어 가스 및 상당한 증기를 방출하여, 고-탄소 반응 중간체인 상당량의 고체 물질을 남기는 1차 반응 대역으로서 구성된다. 바이오매스 성분 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌)은 증기를 분해 및 생성하고, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 나노기공을 생성함으로써 빠져나간다. 후자의 효과는 다공성 및 표면적 생성에 기여한다.

일부 구현예에서, 열분해 반응기의 제3 대역은 고-탄소 반응 중간체를 수용하고 고체를 어느 정도 냉각시키도록 구성된다. 전형적으로, 제3 대역은 제2 대역보다 더 낮은 온도일 것이다. 제3 대역에서, 화학 및 물질 수송은 놀랍게 복잡할 수 있다. 임의의 특정 이론 또는 제안된 메커니즘에 의해 제한되지 않고, 2차 반응이 제3 대역에서 발생할 수 있는 것으로 믿어진다. 본질적으로, 가스 상 중에 있는 탄소-함유 성분은 분해되어 추가의 고정 탄소를 형성하고/하거나 탄소 상에 흡착될 수 있다. 따라서, 최종 탄소질 물질은 단순히 고체, 가공 단계의 탈휘발된 잔류물일 수 없으며, 그보다는 탄소를 형성할 수 있는 유기 증기 (예를 들어, 타르)의 분해에 의한 것과 같이 가스 상으로부터 침착된 추가의 탄소를 포함할 수 있다.

특정 구현예는, 최종 생성물의 탄소 함량 향상을 위해, 냉각된 탄소가 탄소-함유 종을 포함하는 환경에 적용되는 별도의 유닛을 포함함으로써 추가의 탄소 형성 개념을 확장한다. 이 유닛의 온도가 열분해 온도 미만인 경우, 추가의 탄소는 추가의 고정 탄소보다는 흡착된 탄소질 종의 형태일 것으로 예상된다.

임의의 특정 대역에 존재하는 하나 이상의 상의 중간 입력 및 출력 (퍼지 또는 프로브) 스트림, 다양한 질량 및 에너지 재활용 계획, 공정의 임의의 장소에 도입될 수 있는 다양한 첨가제, 생성물 분포를 맞춤화하기 위한 반응 및 분리 조건 둘 다를 포함하는 공정 조건의 조정가능성 등에 관한 것과 같은 다수의 옵션이 존재한다. 대역-특이적 입력 및 출력 스트림은, FTIR 샘플링 및 동적 공정 조정을 통한 것과 같이, 우수한 공정 모니터링 및 제어를 가능하게 한다.

일부 구현예는 빠른 열분해를 이용하지 않고, 일부 구현예는 느린 열분해를 이용하지 않는다. 놀랍게도, 매우 높은 분율의 고정 탄소를 갖는 조성물을 포함한 고품질 탄소 물질이 개시된 공정 및 시스템으로부터 얻어질 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약의 생성을 위한 열분해 공정은 하기 단계를 포함한다:

(a) 바이오매스를 포함하는 탄소-함유 공급원료를 제공하는 단계;

(b) 임의로 공급원료를 건조시켜 공급원료 내에 함유된 수분의 적어도 일부를 제거하는 단계;

(c) 임의로 공급원료를 탈기시켜 공급원료 내에 함유된 틈새 탄소 (존재하는 경우)의 적어도 일부를 제거하는 단계;

(d) 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 적어도 하나의 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 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계.

"바이오매스"는, 본 개시내용의 목적상, 임의의 생물기원 공급원료 또는 생물기원 및 비-생물기원 공급원료의 혼합물로서 해석된다. 기본적으로, 바이오매스는 적어도 탄소, 수소, 및 산소를 포함한다. 개시된 방법 및 장치는 다양한 유형, 크기, 및 수분 함량의 폭넓은 범위의 공급원료를 수용할 수 있다.

바이오매스는, 예를 들어, 식물 및 식물-유래 물질, 초목, 농업 폐기물, 임업 폐기물, 목재 폐기물, 종이 폐기물, 동물-유래 폐기물, 가금류-유래 폐기물, 및 도시 고형 폐기물을 포함한다. 바이오매스를 활용하는 다양한 구현예에서, 바이오매스 공급원료는 하기로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다: 수목 수확 잔류물, 침엽수 칩, 활엽수 칩, 나뭇가지, 나무 그루터기, 옹이, 잎, 나무껍질, 톱밥, 규격외 종이 펄프, 셀룰로스, 옥수수, 옥수수대, 밀짚, 볏짚, 사탕수수 바가스, 사탕수수 짚, 스위치그래스, 억새, 동물 거름, 도시 쓰레기, 도시 하수, 상업 폐기물, 포도 퍼미스, 아몬드 껍질, 피칸 껍질, 코코넛 껍질, 커피 찌꺼기, 풀 펠릿, 건초 펠릿, 목재 펠릿, 판지, 종이, 탄수화물, 플라스틱, 및 천. 당업자는 공급원료 옵션이 실질적으로 제한되지 않음을 쉽게 인식할 것이다.

본 기술은 또한, 바이오매스 및 화석 연료의 혼합물 (예컨대 바이오매스/석탄 블렌드)에 사용될 수 있으며, 최종 생성물의 탄소 강도가 순수 바이오매스 공급원료만큼 낮지는 않지만 순수 화석-연료 공급원이 사용되는 경우보다 낮을 것임을 인식한다. 일부 구현예에서, 공급원료는, 석탄, 오일 셰일, 원유, 아스팔트, 또는 원유 가공으로부터의 고체 (예컨대 페트코크)를 포함한다. 공급원료는 폐기 타이어, 재활용 플라스틱, 재활용 종이, 건설 폐기물, 해체 폐기물, 및 기타 폐기물 또는 재활용 물질을 포함할 수 있다.

특정 공급원료 또는 공급원료들의 선택은 기술적으로 중요한 것으로 간주되지 않지만, 경제적 공정을 유리하게 하는 경향이 있는 방식으로 수행된다. 전형적으로, 선택된 공급원료와 관계없이, (일부 구현예에서는) 바람직하지 않은 물질을 제거하기 위한 스크리닝이 존재할 수 있다. 공급원료는 가공 전에 임의로 건조될 수 있다. 탄소-함유 공급원료는 임의의 공지된 수단에 의해, 예컨대 트럭, 기차, 선박, 바지선, 트랙터 트레일러, 또는 임의의 다른 차량 또는 운송 수단에 의해 수송가능할 수 있다.

사용되는 공급원료는 폭넓게 다양한 입자 크기 또는 형상으로 제공되거나 가공될 수 있다. 예를 들어, 공급 물질은 미분말, 또는 미세 및 조대 입자의 혼합물일 수 있다. 공급 물질은 큰 조각의 물질, 예컨대 목재 칩 또는 다른 형태의 목재 (예를 들어, 원형, 원통형, 정사각형 등) 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 공급 물질은, 예컨대 결합제와, 함께 압착되거나 다른 방식으로 결합된, 펠릿 또는 입자의 다른 응집 형태를 포함한다.

크기 감소는 비용이 많이 들고 에너지-집약적인 공정임을 인지한다. 열분해된 물질은 훨씬 더 적은 에너지 입력으로 사이징될 수 있다 (즉, 공급 원료가 아닌 생성물의 입자 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있음). 공정이 미세한 출발 물질을 필요로 하지 않고, 가공 동안 임의의 상당한 입자-크기 감소가 필수적이지 않기 때문에 이는 옵션이다. 매우 큰 조각의 공급원료를 가공하는 능력은 상당한 경제적 이점이다. 특히, 고-탄소 생성물의 일부 시장 응용은 실제로 큰 크기 (예를 들어, 센티미터 정도)를 요구하므로, 일부 구현예에서는, 큰 조각이 공급되고, 생성되고, 판매된다.

실린더 형태와 같이 구조적 무결성을 갖는 최종 탄소질 생물기원 시약을 생성하는 것이 요망되는 경우, 본 개시내용의 맥락에서 적어도 두 가지 옵션이 있다. 먼저, 공정으로부터 생성된 물질을 수집하고, 이어서 기계적으로 요망되는 형태로 추가 가공할 수 있다. 예를 들어, 생성물을 결합제와 압착시키거나 펠릿화할 수 있다. 제2 옵션은, 일반적으로 최종 생성물에 대한 요망되는 크기 및/또는 형상을 갖는 공급 물질을 활용하고, 공급 물질의 기본 구조를 파괴하지 않는 가공 단계를 이용하는 것이다. 일부 구현예에서, 공급물 및 생성물은 유사한 기하구조 형상, 예컨대 구, 원통, 또는 입방체를 갖는다.

생성물 강도가 중요한 경우, 공정 전반에 걸쳐 공급 물질의 대략적 크기를 유지하는 능력이 중요하다. 또한, 이는 높은 고정-탄소 물질을 펠릿화하는 것의 어려움 및 비용을 피한다.

출발 공급 물질은 인식되는 바와 같이 다양한 수분 수준으로 제공될 수 있다. 일부 구현예에서, 공급 물질은 이미 충분히 건조 상태여서 열분해 전에 추가로 건조될 필요가 없을 수 있다. 전형적으로, 통상적으로 수분을 함유하고 열분해 반응기로의 도입 전에 건조 단계를 통해 바이오매스를 공급하는 바이오매스의 상업적 공급원을 활용하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 일부 구현예에서는 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 바람직하다. 먼저, 안전성의 이유로, 열분해 반응기에서 제어되지 않은 연소를 피해야 한다. CO₂로의 전체 중 일부 양의 탄소 산화가 일어날 수 있고, 발열 산화로부터 방출된 열은 흡열 열분해 화학을 보조할 수 있다. 합성 가스로의 부분 산화를 포함한 다량의 탄소 산화는 고체에 대한 탄소 수율을 감소시킬 것이다.

실질적으로, 반응기에서 엄격하게 산소-무함유 환경을 달성하는 것은 어려울 수 있다. 이 한계에 접근할 수 있으며, 일부 실시예에서 반응기는 가스 상에서 분자 산소를 실질적으로 갖지 않는다. 열분해 반응기에서 산소가 존재하지 않거나 거의 존재하지 않도록 보장하기 위해, 공급 물질을 반응기에 도입하기 전에 그로부터 공기를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 공급원료 중의 공기를 제거하거나 감소시키기 위한 다양한 방식이 존재한다.

일부 구현예에서, 탈기 유닛이 활용될 수 있고, 여기서 공급원료는, 건조 전 또는 후에, 흡착된 산소를 제거하고 공급원료 기공에 침투하여 기공으로부터 산소를 제거할 수 있는 또 다른 가스의 존재 하에 이송된다. 21 vol% 미만의 O₂를 갖는 본질적으로 임의의 가스가 다양한 유효성으로 이용될 수 있다. 일부 구현예에서는, 질소가 이용된다. 일부 구현예에서는, CO 및/또는 CO₂가 이용된다. 혼합물, 예컨대 질소와 소량의 산소의 혼합물이 사용될 수 있다. 스팀이 탈기 가스 중에 존재할 수 있지만, 공급물에 상당한 수분을 다시 첨가하는 것은 피해야 한다. 탈기 유닛의 유출물은 (대기 또는 배출 처리 유닛으로) 퍼징되거나 재활용될 수 있다.

원칙적으로, 탈기 유닛으로부터의 유출물 (또는 그의 일부)은, 고체로부터 제거된 산소가 이제 고도로 희석될 것이기 때문에, 열분해 반응기 자체로 도입될 수 있다. 이 구현예에서는, 반응기가 역류 구성으로 작동될 때, 탈기 유출 가스를 반응기의 마지막 대역으로 도입하는 것이 유리할 수 있다.

다양한 유형의 탈기 유닛이 이용될 수 있다. 건조가 수행되어야 하는 경우, 존재하는 수분으로부터 가용성 산소를 스크러빙하는 것이 비효율적일 수 있으므로, 건조시키고 이어서 탈기하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 구현예에서는, 건조 및 탈기 단계를 단일 유닛으로 조합하거나, 또는 탈기의 일부 양을 건조 동안 달성하고, 기타 등등이다.

임의로 건조되고 임의로 탈기된 공급 물질은 직렬 또는 병렬로 열분해 반응기 또는 다수의 반응기에 도입된다. 공급 물질은, 예를 들어 스크류 공급기 또는 잠금 호퍼를 포함한 임의의 공지된 수단을 사용하여 도입될 수 있다. 일부 구현예에서, 물질 공급 시스템은 에어 나이프를 포함한다.

단일 반응기가 이용되는 경우, 다중 대역이 존재할 수 있다. 다중 대역, 예컨대 2, 3, 4개, 또는 그 초과의 대역은, 전체 공정 성능을 조정하기 위해 온도, 고체 체류 시간, 가스 체류 시간, 가스 조성, 유동 패턴, 및/또는 압력의 별도 제어를 가능하게 할 수 있다.

"대역"에 대한 언급은 단일 물리적 유닛, 물리적으로 별도의 유닛, 또는 임의의 이들의 조합 내의 공간 영역을 포함하는 것으로 광범위하게 해석된다. 연속적 반응기에 대하여, 대역의 구분은 별도의 대역에 열을 제공하기 위한 반응기 내의 플라이트 또는 별개의 가열 요소의 존재 등의 구조와 관련될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 연속적 반응기 내의 대역의 구분은 별개의 온도, 유체 유동 패턴, 고체 유동 패턴, 반응 정도 등과 같은 기능과 관련될 수 있다. 단일 배치식 반응기에서, "대역"은 공간보다는 시간에 따른 작동 체제이다. 다수의 배치식 반응기가 사용될 수도 있다.

하나의 대역에서 또 다른 대역으로의 갑작스러운 전이가 반드시 존재하는 것은 아님이 인식될 것이다. 예를 들어, 예열 대역과 열분해 대역 사이의 경계는 다소 임의적일 수 있고; 일부 양의 열분해가 예열 대역의 일부에서 일어날 수 있고, 일부 양의 "예열"이 열분해 대역에서 계속 일어날 수 있다. 반응기에서의 온도 프로파일은, 반응기 내의 대역 경계를 포함하여, 전형적으로 연속적이다.

일부 구현예는 예열 및/또는 온화한 열분해의 조건 하에 작동되는 제1 대역을 이용한다. 제1 대역의 온도는 약 150℃ 내지 약 500℃, 예컨대 약 300℃ 내지 약 400℃로부터 선택될 수 있다. 제1 대역의 온도는 바람직하게는 바이오매스 물질에 충격을 줄만큼 높지 않고, 이는 세포벽을 파열시키고 고체 상의 증기 및 가스로의 빠른 분해를 개시한다.

본 명세서에서 대역 온도에 대한 모든 언급은 존재하는 벌크 고체, 또는 가스 상, 또는 반응기 벽 (공정 측면에서)에 적용될 수 있는 온도를 포함하도록 비-제한적 방식으로 해석되어야 한다. 일시적으로 (즉, 시동 후 또는 과도 현상으로 인해) 뿐만 아니라, 축방향 및 방사상 둘 다로, 각각의 대역에 온도 구배가 존재할 것임이 이해될 것이다. 따라서, 대역 온도에 대한 언급은 실제 동역학에 영향을 줄 수 있는 평균 온도 또는 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 대역, 또는 일반적으로 1차 열분해 대역은, 열분해 또는 탄화 조건 하에 작동된다. 제2 대역의 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 대역 내에서, 예열된 바이오매스는 열분해 화학을 겪어 가스 및 응축성 증기를 방출하여, 상당량의 고체 물질을 고-탄소 반응 중간체로서 남긴다. 바이오매스 성분 (주로 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌)은 분해되고 증기를 생성하고, 이는 기공을 통해 침투하거나 새로운 기공을 생성함으로써 빠져나간다. 바람직한 온도는 적어도 제2 대역의 체류 시간, 뿐만 아니라 공급원료의 성질 및 요망되는 생성물 특성에 따라 달라질 것이다.

제3 대역, 또는 냉각 대역은, 고-탄소 반응 중간체를 다양한 정도로 냉각시키기 위해 작동된다. 최소한, 제3 대역의 온도는 제2 대역의 온도보다 더 낮은 온도여야 한다. 제3 대역의 온도는 약 100℃ 내지 약 550℃, 예컨대 약 150℃ 내지 약 350℃로부터 선택될 수 있다.

화학 반응은 냉각 대역에서 계속 일어날 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 제한되지 않으며, 2차 열분해 반응은 제3 대역에서 개시될 수 있는 것으로 믿어진다. 가스 상 중에 있는 탄소-함유 성분은 응축될 수 있다 (제3 대역의 감소된 온도로 인해). 그러나, 응축된 액체로부터 추가의 고정 탄소를 형성하거나 (2차 열분해) 적어도 흡착된 종과 고정 탄소 사이의 결합을 형성할 수 있는 반응을 촉진하도록, 온도는 충분히 높게 유지된다. 일어날 수 있는 하나의 예시적 반응은 일산화탄소를 이산화탄소 플러스 고정 탄소로 전환시키는 부두아르(Boudouard) 반응이다.

반응기 대역의 체류 시간은 달라질 수 있다. 시간과 온도의 상호작용이 존재하므로, 요망되는 양의 열분해에 대해, 보다 높은 온도는 보다 낮은 반응 시간을 허용할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 연속 반응기 (대역)에서의 체류 시간은 부피를 부피 유량으로 나눈 것이다. 배치식 반응기에서의 체류 시간은, 반응 온도로의 가열 후, 배치 반응 시간이다.

다상 반응기에는 다수의 체류 시간이 존재함을 인식해야 한다. 본 맥락에서, 각각의 대역에는 고체 상과 증기 상 둘 다의 체류 시간 (및 체류-시간 분포)이 존재할 것이다. 다중 대역을 이용하고, 주어진 처리량을 갖는, 주어진 장치에 대하여, 대역에 걸친 체류 시간은 일반적으로 고체 측에서 커플링되지만, 개별 대역에서 다수의 유입구 및 유출구 포트를 활용하는 경우, 체류 시간은 증기 측에서 커플링 해제될 수 있다. 고체 및 증기 체류 시간은 커플링 해제된다.

예열 대역의 고체 체류 시간은 약 5 min 내지 약 60 min, 예컨대 약 10, 20, 30, 40, 또는 50 min으로부터 선택될 수 있다. 온도에 따라, 바이오매스가 요망되는 예열 온도에 도달할 수 있게 하도록 충분한 시간이 요망된다. 입자 유형 및 크기, 물리적 장치, 및 가열 파라미터에 따라 달라질 열-전달 속도는, 고체가 요망되는 예열 온도에 도달할 수 있기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 추가의 시간은, 예열 대역에서 일부 양의 온화한 열분해가 의도되지 않는 한, 보다 높은 자본 비용에 기여하므로 바람직하지 않을 수 있다.

열분해 대역의 고체 체류 시간은 약 10 min 내지 약 120 min, 예컨대 약 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 min으로부터 선택될 수 있다. 이 대역에서의 열분해 온도에 따라, 필수적인 열 전달 후, 탄화 화학이 일어날 수 있게 하도록 충분한 시간이 존재해야 한다. 약 10 min 미만의 시간에서는, 다량의 비-탄소 원소를 제거하기 위해, 온도가 700℃ 초과와 같이 상당히 높아야 한다. 이 온도는 빠른 열분해 및 탄소 자체로부터 유래되는 그의 증기 및 가스 생성을 촉진하고, 이는 의도된 생성물이 고체 탄소인 경우에 피해야 하는 것이다.

정적 시스템에서는, 특정 시간에 실질적으로 도달할 수 있는 평형 전환이 존재한다. 특정 구현예에서와 같이, 연속적인 휘발성 물질 제거와 함께 증기가 고체 위로 연속적으로 유동할 때, 반응 속도가 0에 접근할 때까지 계속되는 열분해 및 탈휘발을 허용하기 위해 평형 제약이 제거될 수 있다. 보다 긴 시간은 남아있는 난분해성(recalcitrant) 고체를 실질적으로 변경하는 경향이 없다.

냉각 대역의 고체 체류 시간은 약 5 min 내지 약 60 min, 예컨대 약 10, 20, 30, 40, 또는 50 min으로부터 선택될 수 있다. 이 대역에서의 냉각 온도에 따라, 탄소 고체를 요망되는 온도로 냉각시키는 것을 허용하도록 충분한 시간이 존재해야 한다. 냉각 속도 및 온도는 탄소가 냉각되는 것을 허용하기 위해 필요한 최소 체류 시간을 결정할 것이다. 일부 양의 2차 열분해가 요망되지 않는 한, 추가의 시간은 바람직하지 않을 수 있다.

상기에서 논의된 바와 같이, 증기 상의 체류 시간은 별도로 선택되고 제어될 수 있다. 예열 대역의 증기 체류 시간은 약 0.1 min 내지 약 15 min, 예컨대 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 min으로부터 선택될 수 있다. 열분해 대역의 증기 체류 시간은 약 0.1 min 내지 약 20 min, 예컨대 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 또는 15 min으로부터 선택될 수 있다. 냉각 대역의 증기 체류 시간은 약 0.1 min 내지 약 15 min, 예컨대 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 min으로부터 선택될 수 있다. 짧은 증기 체류 시간은 시스템으로부터 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진하지만, 보다 긴 증기 체류 시간은 고체 상과 증기 상 중의 성분의 반응을 촉진한다.

반응기, 및 전체 시스템에 대한 작동 방식은 연속식, 반-연속식, 배치식, 또는 임의의 이들의 조합 또는 변형일 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기는, 고체 및 증기가 실질적으로 반대 방향으로 유동하는 연속식 역류 반응기이다. 반응기는 또한 배치식이지만 증기의 시뮬레이션 역류 유동으로, 예컨대 배치식 용기로부터 가스 상의 주기적 도입 및 제거에 의해 작동될 수도 있다.

다양한 유동 패턴이 요망되거나 관찰될 수 있다. 다수의 반응기 대역에서의 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, 증기 유동은 완전히 혼합된 유동 (방사상 및 축방향 차원 둘 다에서 빠른 수송)에 접근할 수 있다. 증기에 대한 다수의 유입구 및 유출구 포트가 전체적 혼합에 기여할 수 있다.

각각의 대역에서의 압력은 별도로 선택되고 제어될 수 있다. 각각의 대역의 압력은 약 1 kPa 내지 약 3000 kPa, 예컨대 약 101.3 kPa (정상 대기압)로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 대기압 미만의 대역 압력이 요망될 때 가스를 인출하기 위한 진공 포트를 포함하여 다수의 가스 유입구 및 유출구가 사용되는 경우에 압력의 독립적 대역 제어가 가능하다.

일부 구현예에서, 공정은 대기압에서 편리하게 작동될 수 있다. 기계적 단순성에서 향상된 안전성에 이르기까지 대기압에서의 작동과 관련된 많은 이점이 존재한다. 특정 구현예에서, 열분해 대역은 약 90 kPa, 95 kPa, 100 kPa, 101 kPa, 102 kPa, 105 kPa, 또는 110 kPa (절대 압력)의 압력에서 작동된다.

진공 작동 (예를 들어, 10-100 kPa)은 시스템으로부터 휘발성 물질의 빠른 스위핑을 촉진한다. 오프가스가 고압 작동에 공급되는 경우, 보다 높은 압력 (예를 들어, 100-1000 kPa)이 유용할 수 있다. 열 전달, 화학, 또는 분리를 촉진하기 위해 승압이 또한 유용할 수 있다.

고온의 열분해된 고체로부터 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부의 분리 단계는 반응기 자체에서, 또는 별개의 분리 유닛을 사용하여 달성될 수 있다. 실질적으로 불활성인 스윕 가스가 대역 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 이어서 응축성 증기 및 비-응축성 가스가 스윕 가스의 대역(들)로부터 반응기 밖으로 운반된다.

스윕 가스는, 예를 들어, N₂, Ar, CO, CO₂, H₂, H₂O, CH₄, 기타 경질 탄화수소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 스윕 가스는 도입 전에 먼저 예열되거나, 또는 가열된 공급원으로부터 얻어지는 경우에는 냉각될 수 있다.

스윕 가스는, 휘발성 성분이 응축되거나 추가로 반응할 수 있기 전에 시스템으로부터 이들을 제거함으로써 이들을 보다 철저하게 제거한다. 스윕 가스는 주어진 공정 온도에서 단순히 휘발로부터 달성되는 것보다 더 높은 속도로 휘발성 물질이 제거될 수 있게 한다. 또는, 스윕 가스의 사용은 특정량의 휘발성 물질을 제거하기 위해 보다 온화한 온도가 사용될 수 있게 한다. 스윕 가스가 휘발성 물질 제거를 개선하는 이유는, 분리 메커니즘이 단순히 상대적인 휘발성이 아니라 스윕 가스에 의해 보조되는 액체/증기 상 이탈(disengagement)이기 때문이다. 스윕 가스는, 열역학적 평형을 달성하기 위해 더 많은 휘발성 종을 증발시키도록, 주어진 휘발성 종을 계속적으로 고갈시킴으로써 열역학적 제한을 감소시킬 뿐만 아니라 휘발의 물질-이동 제한을 감소시킬 수 있다.

일부 구현예는, 높은 고정 탄소를 갖는 생성물을 생성하기 위해, 후속 가공 스테이지로부터 휘발성 유기 탄소가 적재된 가스를 제거한다. 제거 없이, 휘발성 탄소는 열분해된 고체 상에 흡착되거나 흡수됨으로써, 요망될 수 있는 탄소의 보다 순수한 형태를 달성하기 위해 추가의 에너지 (비용)를 필요로 할 수 있다. 증기를 빠르게 제거함으로써, 열분해된 고체에서 다공성이 향상될 수 있는 것으로 추측된다. 일부 생성물에 대해서는 보다 높은 다공성이 바람직하다.

특정 구현예에서, 대기압과 같은 비교적 낮은 공정 압력과 함께 스윕 가스는 다량의 불활성 가스의 필요 없이 빠른 증기 제거를 제공한다.

일부 구현예에서, 스윕 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 역류로 유동한다. 다른 구현예에서, 스윕 가스는 공급원료의 유동 방향에 대해 병류로 유동한다. 일부 구현예에서, 고체의 유동 패턴은 플러그 유동에 접근하는 반면, 스윕 가스, 및 가스 상의 유동 패턴은 일반적으로 하나 이상의 대역에서 완전히 혼합된 유동에 접근한다.

스윕은 반응기 대역 중 임의의 하나 이상에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 스윕 가스는 냉각 대역에 도입되고 냉각 및/또는 열분해 대역으로부터 (생성된 휘발성 물질과 함께) 추출된다. 일부 구현예에서, 스윕 가스는 열분해 대역에 도입되고 열분해 및/또는 예열 대역으로부터 추출된다. 일부 구현예에서, 스윕 가스는 예열 대역에 도입되고 열분해 대역으로부터 추출된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 스윕 가스는 예열, 열분해, 및 냉각 대역 각각에 도입되고 또한 대역 각각으로부터 추출될 수 있다.

일부 구현예에서, 분리가 수행되는 대역 또는 대역들은 반응기로부터 물리적으로 별도의 유닛이다. 요망되는 경우 반응기 대역 사이에 분리 유닛 또는 대역이 배치될 수 있다. 예를 들어, 열분해 및 냉각 유닛 사이에 위치하는 분리 유닛이 존재할 수 있다.

스윕 가스는, 특히 고체 유동이 연속적인 경우, 연속적으로 도입될 수 있다. 열분해 반응이 배치식 공정으로서 작동되는 경우, 휘발성 물질 제거를 위해 특정량의 시간 후에 또는 주기적으로 스윕 가스가 도입될 수 있다. 열분해 반응이 연속적으로 작동되는 경우에도, 요망되는 경우, 적합한 밸브 또는 제어를 가지며 반-연속적 또는 주기적으로 스윕 가스가 도입될 수 있다.

휘발성 물질-함유 스윕 가스는 하나 이상의 반응기 대역으로부터 배출될 수 있고, 다중 대역으로부터 얻어지는 경우 조합될 수 있다. 이어서, 다양한 증기를 함유하는 생성된 가스 스트림은 공기 배출의 제어를 위해 열 산화기에 공급될 수 있다. 임의의 공지된 열-산화 유닛이 이용될 수 있다. 일부 구현예에서는, 열 산화기에, 그 안에 함유된 휘발성 물질의 실질적인 파괴를 위해 충분한 온도에 도달하기 위해, 천연 가스 및 공기가 공급된다.

열 산화기의 유출물은 물, 이산화탄소, 및 질소를 포함하는 고온 가스 스트림일 것이다. 이 유출물 스트림은 요망되는 경우 공기 배출물에 직접 퍼징될 수 있다. 바람직하게는, 폐열 회수 유닛에서와 같이, 열 산화기 유출물의 에너지 함량이 회수된다. 에너지 함량은 또한 또 다른 스트림 (예컨대 스윕 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 구현예에서는, 본질적으로 모든 열 산화기 유출물이 건조기의 간접 가열 (유용성 측면)에 이용된다. 열 산화기는 천연 가스 이외의 다른 연료를 이용할 수 있다.

탄소질 물질의 수율은, 공급원료의 유형 및 공정 조건을 포함한 상기에 기재된 요인에 따라 달라질 수 있다. 일부 구현예에서, 건조 기준으로, 출발 공급원료의 백분율로서의 고체의 순(net) 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 가스에 비해 응축성 증기의 상대적 양은 또한, 존재하는 물을 포함한 공정 조건에 따라 달라질 것이다.

탄소 균형의 관점에서, 일부 구현예에서, 공급원료 중의 출발 탄소의 백분율로서의 탄소의 순 수율은 적어도 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 또는 그 초과이다. 예를 들어, 일부 구현예에서 탄소질 물질은 출발 공급원료 중에 함유된 약 40% 내지 약 70%의 탄소를 함유한다. 나머지 탄소는 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 경질 탄화수소, 방향족 물질, 타르, 테르펜, 알콜, 산, 알데히드, 또는 케톤을 다양한 정도로 형성한다.

대안적 구현예에서, 이들 화합물의 일부 부분은 탄소-풍부 고체와 조합되어 생성물의 탄소 및 에너지 함량을 풍부화시킨다. 이들 구현예에서, 다양한 증기를 함유하는, 반응기로부터의 생성된 가스 스트림의 일부 또는 전부는 적어도 부분적으로 응축되고, 이어서 냉각 대역으로부터 및/또는 별도의 냉각 유닛으로부터 유래된 냉각된 열분해된 고체 위로 통과할 수 있다. 이들 구현예는 하기에 보다 상세히 기재된다.

냉각 대역 (존재하는 경우) 내에서의 반응 및 냉각 후, 탄소질 고체는 별개의 냉각 유닛에 도입될 수 있다. 일부 구현예에서는, 고체가 수집되고 낮은 속도로 단순히 냉각되도록 허용된다. 탄소질 고체가 공기 중에서 반응성 또는 불안정적인 경우, 불활성 분위기를 유지하고/하거나 고체를 예를 들어 40℃ 미만의 온도, 예컨대 주변 온도로 빠르게 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다. 일부 구현예에서는, 급속 냉각을 위해 물 켄칭이 이용된다. 일부 구현예에서는, 유동층 냉각기가 이용된다. "냉각 유닛"은 컨테이너, 탱크, 파이프, 또는 이들의 부분을 또한 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다.

일부 구현예에서, 공정은 냉각 유닛을 작동시켜 온난한 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시킴으로써 저온의 열분해된 고체 및 과열된 스팀을 생성하는 것을 추가로 포함하며; 여기서 건조는, 적어도 부분적으로, 냉각 유닛으로부터 유래된 과열된 스팀으로 수행된다. 임의로, 냉각 유닛을 작동시켜 먼저 온난한 열분해된 고체를 스팀으로 냉각시켜 제1 냉각-유닛 온도에 도달하고, 이어서 공기로 냉각시켜 제2 냉각-유닛 온도에 도달하며, 여기서 제2 냉각-유닛 온도는 제1 냉각-유닛 온도보다 더 낮고, 이는 공기의 존재 하에 온난한 열분해된 고체에 대한 감소된 연소 위험과 관련된다.

주변 조건으로의 냉각 후, 탄소질 고체는 회수 및 저장되거나, 또 다른 장소 작동으로 이송되거나, 또 다른 장소로 수송되거나, 다른 방식으로 배치, 거래, 또는 판매될 수 있다. 고체는 입자 크기 감소를 위한 유닛에 공급될 수 있다. 파쇄기, 슈레더, 분쇄기, 미분기, 제트 밀, 핀 밀, 및 볼 밀을 포함한 다양한 크기-감소 유닛이 당업계에 공지되어 있다.

스크리닝 또는 입자 크기를 기반으로 한 분리를 위한 일부 다른 수단이 포함될 수 있다. 분쇄는 존재하는 경우 분쇄의 상류 또는 하류일 수 있다. 스크리닝된 물질의 일부 (예를 들어, 큰 덩어리)는 분쇄 유닛으로 반환될 수 있다. 작은 및 큰 입자는 별도의 하류 스트림 사용을 위해 회수될 수 있다. 일부 구현예에서, 냉각된 열분해된 고체는 미분말, 예컨대 미분 탄소 또는 활성탄 생성물로 분쇄된다.

다양한 첨가제가 본원에 개시된 임의의 단계 전에, 동안, 또는 후에 공정 전반에 걸쳐 도입될 수 있다. 첨가제는, 요망되는 탄소 순도를 달성하기 위한 탄소 수율 또는 열분해 시간/온도 등의 공정 성능 개선을 위해 선택된 공정 첨가제; 및 고-탄소 생물기원 시약, 또는 시약을 혼입한 하류 생성물의 하나 이상의 특성 개선을 위해 선택된 생성물 첨가제로서 광범위하게 분류될 수 있다. 특정 첨가제는 향상된 공정 및 생성물 (생물기원 시약 또는 생물기원 시약을 함유하는 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, 보관함, 컨베이어 (개방형 또는 폐쇄형 컨베이어 포함), 건조기, 공정 히터, 또는 임의의 다른 유닛에 또는 이들 유닛 상에 혼입될 수 있다. 첨가제는, 첨가제 도입을 위한 적합한 수단을 사용하여, 열분해 공정 자체로의 임의의 장소에 첨가될 수 있다. 첨가제는, 요망되는 경우, 탄화 후, 또는 심지어 미분 후에 첨가될 수 있다.

일부 구현예에서, 첨가제는 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어 첨가제는 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있지만, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지는 않는다.

일부 구현예에서, 첨가제는 산, 염기, 또는 그의 염으로부터 선택된다. 예를 들어 첨가제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 산화마그네슘, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 인산이암모늄, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있지만, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지는 않는다.

일부 구현예에서, 첨가제는 금속 할로겐화물로부터 선택된다. 금속 할로겐화물은 금속과 할로겐 (플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 및 아스타틴) 사이의 화합물이다. 할로겐은 금속과 많은 화합물을 형성할 수 있다. 금속 할로겐화물은 일반적으로 직접 조합, 또는 보다 통상적으로는, 할로겐화수소산으로의 염기성 금속 염의 중화에 의해 얻어진다. 일부 구현예에서, 첨가제는 염화철 (FeCl₂ 및/또는 FeCl₃), 브로민화철 (FeBr₂ 및/또는 FeBr₃), 또는 이들의 수화물, 및 임의의 이들의 조합으로부터 선택된다.

첨가제는 보다 높은 에너지 함량 (에너지 밀도)을 갖는 최종 생성물을 제공할 수 있다. 에너지 함량 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소, 또는 심지어 수소의 증가로부터 발생할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 에너지 함량 증가는 불연성 물질 또는 탄소보다 더 낮은 에너지 밀도를 갖는 물질의 제거로부터 발생할 수 있다. 일부 구현예에서, 첨가제는 고체 및 가스 형성에 유리하게, 또는 고체 형성에 유리하게, 액체 형성의 정도를 감소시킨다.

임의의 특정 가설에 제한되지 않으며, 첨가제는 출발 바이오매스, 또는 열분해 전의 처리된 바이오매스를 화학적으로 개질하여, 보다 큰 강도/무결성을 위해 세포 벽의 파열을 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 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 제공할 수 있다. 첨가제는 단순히 존재에 의해 (예를 들어, 첨가제 자체가 혼합물에 강도를 부여함) 또는 첨가제 상 내에서 또는 생성된 혼합물 내에서 발생하는 일부 변환으로 인해 기계적 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 유리화 등의 반응은 첨가제를 포함하는 생물기원 시약의 일부 내에서 일어날 수 있으며, 이로써 최종 강도가 개선된다.

화학적 첨가제는 습윤 또는 건조 바이오매스 공급원료에 적용될 수 있다. 첨가제는 고체 분말, 스프레이, 미스트, 액체, 또는 증기로서 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 첨가제는 액체 용액 (예컨대 수용액 또는 용매 중)의 분무를 통해, 또는 탱크, 통, 백, 또는 기타 컨테이너에 담금으로써 도입될 수 있다.

특정 구현예에서, 고체 공급 물질로의 첨가제의 침투를 허용하기에 충분한 시간 동안, 배치식 또는 연속적으로, 첨가제를 포함하는 배쓰 내에 고체 공급원료를 침지시키는 침지 전처리가 이용된다.

일부 구현예에서, 공급원료에 첨가된 첨가제는 열분해를 위한 에너지 요건을 감소시키고/시키거나 탄소질 생성물의 수율을 증가시킬 수 있다. 이들 또는 다른 구현예에서, 공급원료에 적용되는 첨가제는 탄소질 생성물의 의도된 사용을 위해 요망되는 기능성을 제공할 수 있다.

처리량, 또는 공정 용량은, 작은 실험실-규모 유닛에서 임의의 파일럿, 시연, 또는 준상업적 규모를 포함한 전체 작업에 이르기까지 폭넓게 달라질 수 있다. 다양한 구현예에서, (공급원료, 생성물, 또는 이들 둘 다에 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 구현예에서, 생성된 고체의 일부는 공정의 전방 단부, 즉 건조 또는 탈기 유닛으로 또는 직접 반응기로 재순환될 수 있다. 전방 단부로 반환되고 다시 공정을 통과함으로써, 처리된 고체가 고정 탄소에 있어 더 높아질 수 있다. 생성된 또는 공정 내에서 존재하는 고체, 액체, 및 가스 스트림은 독립적으로 재순환되거나, 후속 단계로 통과되거나, 임의의 시점에 공정으로부터 제거/퍼징될 수 있다.

일부 구현예에서는, 열분해된 물질을 회수하고 이어서 추가의 열분해를 위해 별도의 유닛에 공급하여, 보다 높은 탄소 순도를 갖는 생성물을 생성한다. 일부 구현예에서, 2차 공정은 가열된 불활성 가스 (예컨대 가열된 N₂)가 통과하는 강철 드럼과 같은 간단한 컨테이너에서 수행될 수 있다. 이러한 목적상 유용한 다른 컨테이너는 공정 탱크, 배럴, 통, 토트, 자루, 및 롤오프를 포함한다. 휘발성 물질을 갖는 이 2차 스윕 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 또 다른 스트림을 고체로 통과시켜 고체를 냉각시키고, 이어서 불활성 가스 예열 시스템으로 반환시킬 수 있다.

일부 변형은

(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;

(b) 탄소-함유 공급원료 내에 함유된 수분을 제거하도록 구성된, 공급기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 임의적 건조기;

(c) 공간적으로 분리된 냉각 대역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 열분해 대역을 적어도 함유하며, 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 유출구와 함께 구성된, 건조기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 다중-대역 반응기;

(d) 다중-대역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기; 및

(e) 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛

을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약 생성 시스템을 활용한다.

일부 변형은

(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;

(c) 공급원료를 가열하고/하거나 온화하게 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 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛

을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약 생성 시스템을 활용하며,

여기서 시스템은 고체로부터 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 제거하도록 적어도 하나의 가스 유출구와 함께 구성된다.

공급기는 제1 반응 대역으로의 공급물 고체의 도입을 위한 스크류 공급기 또는 오거(auger) 메커니즘의 사용을 통한 것과 같이 다중-대역 반응기와 물리적으로 통합될 수 있다.

일부 구현예에서, 시스템은 열분해 대역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 대역을 추가로 포함한다. 열분해 대역, 냉각 대역, 및 예열 대역 (존재하는 경우) 각각은 단일 유닛 내에 위치할 수 있거나, 별도의 유닛에 위치할 수 있다.

임의로, 건조기는 다중-대역 반응기 내의 건조 대역으로서 구성될 수 있다. 임의로, 고체 냉각기는 다중-대역 반응기 내에 배치 (즉, 추가의 냉각 대역으로서 구성되거나 주 냉각 대역과 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 전위된 산소를 제거하기 위한 하나 이상의 유출구를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 퍼징 수단은 건조기와 다중-대역 반응기 사이에서 작동가능하게 소통되도록 배치된 탈기기이다.

다중-대역 반응기는 바람직하게는 적어도 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구와 함께 구성된다. 제1 가스 유입구 및 제1 가스 유출구는 상이한 대역과, 또는 동일한 대역과 소통되도록 배치될 수 있다.

일부 구현예에서, 다중-대역 반응기는 제2 가스 유입구 및/또는 제2 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 구현예에서, 다중-대역 반응기는 제3 가스 유입구 및/또는 제3 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 구현예에서, 다중-대역 반응기는 제4 가스 유입구 및/또는 제4 가스 유출구와 함께 구성된다. 일부 구현예에서, 다중-대역 반응기 내에 존재하는 각각의 대역은 가스 유입구 및 가스 유출구와 함께 구성된다.

가스 유입구 및 유출구는 증기의 도입 및 인출을 허용할 뿐만 아니라, 가스 유출구 (프로브)는 특히 정밀한 공정 모니터링 및 공정의 다양한 스테이지에 걸쳐, 공정의 모든 스테이지까지 가능하게는 모든 스테이지 포함하여, 공정의 제어를 가능하게 한다. 정밀한 공정 모니터링은, 공정 조건을 조정하기 위해 작동 이력을 활용할 수 있는 기간 동안 뿐만 아니라 동적으로 수율 및 효율 개선을 제공할 것으로 예상된다.

일부 구현예에서, 반응 가스 프로브는 열분해 대역과 작동가능하게 소통되도록 배치된다. 이러한 반응 가스 프로브는, 반응 정도, 열분해 선택성, 또는 다른 공정 모니터링을 결정하기 위해, 가스를 추출하고 이를 분석하기에 유용할 수 있다. 이어서, 측정을 기반으로 하여, 임의 수의 방식으로, 예컨대 공급 속도, 불활성 가스 스윕의 속도, (하나 이상의 대역의) 온도, (하나 이상의 대역의) 압력, 첨가제 등을 조정함으로써, 공정이 제어되거나 조정될 수 있다.

본원에서 의도되는 바와 같이, 반응 가스 프로브를 통한 "모니터링 및 제어"는, 반응 가스 프로브를 통한 임의의 하나 이상의 샘플 추출, 및 임의로, 널리 공지된 공정 제어 원리 (피드백, 피드포워드, 비례-적분-미분 논리 등)를 사용한, 필요하거나 바람직하다고 간주되는 경우, 측정을 기반으로 한 공정 또는 장비 조정을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

반응 가스 프로브는 다수의 방식으로 가스 샘플을 인출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 샘플링 라인은 열분해 반응기 압력보다 더 낮은 압력을 가질 수 있고, 그에 따라 샘플링 라인이 개방되고, 일정량의 가스가 열분해 대역으로부터 쉽게 인출될 수 있다. 열분해 대역이 대기압 근처에 있는 경우와 같이, 샘플링 라인은 진공 하에 있다. 전형적으로, 반응 가스 프로브는 하나의 가스 출력, 또는 그의 일부 (가스 출력 라인으로부터 분할된 라인)와 연합될 것이다.

일부 구현예에서, 가스 입력 및 가스 출력 둘 다, 불활성 가스를 대역에 주기적으로 도입하고 가스 출력으로부터 공정 샘플과 함께 불활성 가스를 끌어냄 ("샘플 스윕")으로써 반응 가스 프로브로서 활용된다. 이러한 배열은, 다른 경우에는 가공을 위한 실질적으로 불활성 가스에 대한 가스 유입구/유출구를 갖지 않는 대역에서 사용될 수 있거나, 또는 반응 가스 프로브가 공정 유입구 및 유출구에 추가되는 별도의 가스 유입구/유출구와 연합될 수 있다. (샘플 스윕을 활용하는 구현예에서) 샘플링을 위해 주기적으로 도입되고 인출되는 샘플링 불활성 가스는, 분석 정확도의 이유로 또는 분석 추적자의 도입을 위해, 요망되는 경우, 공정 불활성 가스와 상이할 수도 있다.

예를 들어, 샘플 추출을 위해 가스 프로브를 사용하여 열분해 대역의 가스 상 중의 아세트산 농도를 측정할 수 있고, 이어서 이를 적합한 기술 (예컨대 가스 크로마토그래피, GC; 질량 분광법, MS; GC-MS, 또는 푸리에-변환 적외선 분광법, FTIR)을 사용하여 분석한다. 가스 상 중의 CO 및/또는 CO₂ 농도가 측정되고 예를 들어 가스/증기를 향한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 상 중의 터르펜 농도가 측정되고 예를 들어 액체를 향한 열분해 선택성의 지표로서 사용될 수 있다.

일부 구현예에서, 시스템은 냉각 대역과, 또는 건조 대역 (존재하는 경우) 또는 예열 대역 (존재하는 경우)과 작동가능하게 소통되도록 배치된 적어도 하나의 추가의 가스 프로브를 추가로 포함한다.

냉각 대역에 대한 가스 프로브는, 예를 들어, 냉각 대역에서 임의의 추가의 화학이 일어나는 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 냉각 대역 내의 가스 프로브는 또한 독립적 온도 측정으로서 유용할 수 있다 (예를 들어, 냉각 대역에 배치된 열전대에 추가로). 이 독립적 측정은 특정 종의 측정량과 냉각 온도의 상관관계일 수 있다. 상관관계는 별도로 개발될 수도 있고 일정 기간의 공정 작동 후에 확립될 수도 있다.

건조 대역에 대한 가스 프로브는 예를 들어 물 함량 측정에 의해 건조의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다. 예열 대역에서의 가스 프로브는 예를 들어 임의의 온화한 열분해의 정도를 결정하기 위해 유용할 수 있다.

특정 구현예에서, 냉각 대역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 대역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적으로 역류 유동을 생성한다. 대안적으로, 또는 추가로, 예열 대역 (존재하는 경우)은, 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적으로 역류 유동을 생성할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 건조 대역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 실질적으로 역류 유동을 생성할 수 있다.

열분해 반응기 또는 반응기들은 열분해 공정을 수행할 수 있는 임의의 적합한 반응기 구성으로부터 선택될 수 있다. 예시적 반응기 구성은 고정층 반응기, 유동층 반응기, 동반-유동 반응기, 오거, 절제(ablative) 반응기, 회전 콘, 회전식 드럼 킬른, 하소기, 로스터, 이동층 반응기, 수송층 반응기, 절제 반응기, 회전 콘, 또는 마이크로파-보조 열분해 반응기를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

오거가 사용되는 일부 구현예에서, 샌드 또는 또 다른 열 캐리어가 임의로 이용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료 및 샌드가 스크류의 한쪽 단부에서 공급될 수 있다. 스크류는 샌드 및 공급원료를 혼합하고, 반응기를 통해 이들을 이송한다. 스크류는 공급원료 체류 시간의 우수한 제어를 제공할 수 있고, 열분해된 생성물을 캐리어 또는 유동화 가스로 희석하지 않는다. 샌드는 별도의 용기에서 재가열될 수 있다.

절제 공정이 사용되는 일부 구현예에서, 공급원료는 고온 금속 표면에 대항하여 고속으로 이동한다. 표면에서의 임의의 숯 형성의 절제는 높은 속도의 열 전달을 유지할 수 있다. 이러한 장치는 생성물의 희석을 막을 수 있다. 대안으로서, 공급원료 입자가 캐리어 가스 중에 현탁되고 벽이 가열되는 사이클론을 통해 고속으로 도입될 수 있다.

유동층 반응기가 사용되는 일부 구현예에서, 공급원료는, 전형적으로 재순환된 생성물 가스인, 가스에 의해 유동화된 고온 샌드의 층에 도입될 수 있다. 본원에서 "샌드"의 언급은 또한 유사한, 실질적으로 불활성 물질, 예컨대 유리 입자, 회수된 회분 입자 등을 포함한다. 유동화된 샌드로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 일으킬 수 있다. 샌드 입자로의 마멸에 의한 일부 절제가 존재할 수 있다. 열은 통상적으로 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 제공된다.

가스, 샌드, 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 이용될 수 있다. 예시적 수송 가스는 재순환된 생성물 가스 및 연소 가스를 포함한다. 샌드로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 규칙적 유동층에서보다 더 강할 것으로 예상된다. 샌드 및 숯 입자로부터 생성물 가스를 분리하기 위해 분리기가 이용될 수 있다. 샌드 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재순환될 수 있다.

일부 구현예에서, 다중-대역 반응기는 공급원료 유입구, 각각의 반응 대역 내에서 온도 및 혼합을 개별적으로 제어하도록 구성된 복수의 공간적으로 분리된 반응 대역, 및 탄소질-고체 유출구를 포함하는 연속 반응기이며, 여기서 반응 대역 중 하나는 반응기로의 실질적으로 불활성 가스의 도입을 위한 제1 가스 유입구와 함께 구성되고, 여기서 반응 대역 중 하나는 제1 가스 유출구와 함께 구성된다.

다양한 구현예에서, 반응기는 적어도 2, 3, 4개, 또는 그 초과의 반응 대역을 포함한다. 반응 대역 각각은 전기적 열 전달, 스팀 열 전달, 고온-오일 열 전달, 상-변화 열 전달, 폐열 전달, 또는 이들의 조합으로부터 독립적으로 선택된 별도로 조정가능한 가열 수단과 소통되도록 배치된다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 반응기 대역은 존재하는 경우 열 산화기로부터의 유출물 스트림으로 가열된다.

반응기는 반응기에 존재하는 모든 반응 대역까지 포함하여 적어도 2개의 반응 대역의 가스-상 조성 및 가스-상 체류 시간을 별도로 조정하도록 구성될 수 있다.

반응기에는 제2 가스 유입구 및/또는 제2 가스 유출구가 장착될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기는 각각의 반응 대역에서 가스 유입구와 함께 구성된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 반응기는 각각의 반응 대역에서 가스 유출구와 함께 구성된다. 반응기는 병류 또는 역류 반응기일 수 있다.

일부 구현예에서, 공급원료 유입구는 스크류 또는 오거 공급 메커니즘을 포함한다. 일부 구현예에서, 탄소질-고체 유출구는 스크류 또는 오거 출력 메커니즘을 포함한다.

특정 구현예는 스크류 공급기를 갖는 회전 하소기를 활용한다. 이들 구현예에서, 반응기는 축방향으로 회전가능하고, 즉 이는 그의 중심선 축을 중심으로 회전한다. 회전 속도는 고체 유동 패턴, 및 열 및 물질 수송에 영향을 줄 것이다. 반응 대역 각각은 고체의 교반을 제공하기 위해 내부 벽에 배치된 플라이트와 함께 구성될 수 있다. 플라이트는 각각의 반응 대역에서 별도로 조정가능할 수 있다.

다른 고체 교반 수단, 예컨대 오거, 스크류, 또는 패들 컨베이어가 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기는 각각의 반응 대역 전반에 걸쳐 배치된 단일, 연속 오거를 포함한다. 다른 구현예에서, 반응기는 각각의 반응 대역 전반에 걸쳐 배치된 트윈 스크류를 포함한다.

일부 시스템은 공정 전반에 걸쳐 공급 물질의 대략적인 크기를 유지하는 능력, 즉 그 구조를 파괴하거나 현저히 손상시키지 않고 바이오매스 공급원료를 가공하는 능력을 갖도록 특별히 설계된다. 일부 구현예에서, 열분해 대역은 열분해되는 공급 물질의 크기를 크게 감소시키는 경향이 있는 오거, 스크류, 또는 갈퀴를 함유하지 않는다.

일부 구현예에서, 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 챔버 내로 수용하도록 구성된다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대 CO 또는 CH₄가 CO₂로 산화될 수도 있다.

열 산화기가 이용되는 경우, 시스템은, 건조기의 연소 열의 적어도 일부를 활용하도록 구성된, 열 산화기와 건조기 사이에 배치된 열 교환기를 포함할 수 있다. 이 구현예는 공정의 전체 에너지 효율에 현저히 기여할 수 있다.

일부 구현예에서, 시스템은 고체와 응축성 증기를 적어도 부분적으로 응축된 형태로 조합하기 위해 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 탄소-향상 유닛을 추가로 포함한다. 탄소-향상 유닛은 회수 유닛으로부터 얻어진 고-탄소 생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시킬 수 있다.

시스템은 고-탄소 생물기원 시약의 탄소 함량을 추가로 증가시키기 위해 이를 추가로 열분해하도록 적합화된 별도의 열분해 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 별도의 열분해 유닛은 비교적 간단히 컨테이너, 유닛, 또는 장치, 예컨대 탱크, 배럴, 통, 드럼, 토트, 자루, 또는 롤오프일 수 있다.

전체 시스템은 고정 위치에 있을 수 있거나, 또는 이는 여러 위치에 분포될 수 있다. 시스템은 실제 확장을 위해 간단히 복제할 수 있는 모듈을 사용하여 구축될 수 있다. 시스템은 공정 산업에서 널리 공지되어 있는 바와 같이 규모의 경제 원칙을 사용하여 구축될 수도 있다.

이제, 고체의 탄소 향상에 관한 일부 변형이 추가로 기재될 것이다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약의 생성 공정은

(c) 임의로 공급원료를 탈기시켜 공급원료와 함유된 틈새 산소 (존재하는 경우)의 적어도 일부를 제거하는 단계;

(d) 열분해 대역에서, 공급원료를 실질적으로 불활성 가스의 존재 하에 적어도 10분 동안 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기, 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;

(f) 냉각 대역에서, 고온의 열분해된 고체를 실질적으로 불활성 가스의 존재 하에 적어도 5분 동안 열분해 온도 미만의 냉각 온도로 냉각시켜, 온난한 열분해된 고체를 생성하는 단계;

(g) 임의로 온난한 열분해된 고체를 냉각시켜 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계;

(h) 이어서 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부 및/또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 온난한 열분해된 고체 및/또는 저온의 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 형성하는 단계; 및

(i) 향상된 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계를 포함한다.

일부 구현예에서, 단계 (h)는, 증기 및/또는 응축 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 온난한 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 단계 (h)는, 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 온난한 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 것을 포함한다.

대안적으로, 또는 추가로, 증기 또는 가스는 저온의 열분해된 고체와 접촉될 수 있다. 일부 구현예에서, 단계 (h)는, 증기 및/또는 응축 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 단계 (h)는, 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 적어도 일부를 저온의 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 것을 포함한다.

특정 구현예에서, 단계 (h)는, 증기 및/또는 응축 형태의, 단계 (e)로부터의 응축성 증기의 실질적으로 전부를 저온의 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 것을 포함한다. 특정 구현예에서, 단계 (h)는, 단계 (e)로부터의 비-응축성 가스의 실질적으로 전부를 저온의 열분해된 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 열분해된 고체를 생성하는 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 얻어진 응축성 증기의 적어도 일부 및 비-응축성 가스의 적어도 일부를 포함하는 중간 공급 스트림이 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 공급될 수 있다. 특정 구현예에서, 중간 공급 스트림은 응축성 증기의 전부, 비-응축성 가스의 전부, 또는 이들 둘 다를 포함한다.

분리 기술은 증류 컬럼, 플래쉬 용기, 원심분리기, 사이클론, 멤브레인, 필터, 충전 층, 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 임의의 이들의 조합의 차이를 활용할 수 있다.

일부 구현예에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성을 기반으로 하여 중간 공급 스트림으로부터 분리된다. 예를 들어, 분리 유닛은 증류 컬럼, 플래쉬 탱크, 또는 응축기일 수 있다.

따라서, 일부 구현예에서, 제1 출력 스트림은 응축성 증기를 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-응축성 가스를 포함한다. 응축성 증기는 테르펜, 알콜, 산, 알데히드, 또는 케톤으로부터 선택된 적어도 하나의 탄소-함유 화합물을 포함할 수 있다. 열분해로부터의 증기는 방향족 화합물, 예컨대 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 크실렌을 포함할 수 있다. 보다 중질 방향족 화합물, 예컨대 내화성 타르가 증기 중에 존재할 수 있다. 비-응축성 가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 및/또는 메탄으로부터 선택된 적어도 하나의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 극성을 기반으로 한 분리된 중간 공급 스트림이다. 예를 들어, 분리 유닛은 스트리핑 컬럼, 충전층, 크로마토그래피 컬럼, 또는 멤브레인일 수 있다.

따라서, 일부 구현예에서, 제1 출력 스트림은 극성 화합물을 포함하고, 제2 출력 스트림은 비-극성 화합물을 포함한다. 극성 화합물은 메탄올, 푸르푸랄, 및/또는 아세트산으로부터 선택된 적어도 하나의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다. 비-극성 화합물은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 터르펜, 및/또는 터르펜 유도체로부터 선택된 적어도 하나의 탄소-함유 분자를 포함할 수 있다.

단계 (h)는, 단계 (h)가 없는 다른 동일한 공정에 비해, 고-탄소 생물기원 시약의 총 탄소 함량을 증가시킬 수 있다. 탄소 함량의 증가 정도는, 다양한 구현예에서, 예를 들어, 약 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 25%, 또는 심지어 그 초과일 수 있다.

일부 구현예에서, 단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 고정 탄소 함량을 증가시킨다. 이들 또는 다른 구현예에서, 단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 휘발성 탄소 함량을 증가시킨다. 휘발성 탄소 함량은 시약의 휘발성 물질에 기인한 탄소이다. 휘발성 물질은, 지방족 또는 방향족 화합물 (예를 들어, 테르펜)을 포함한 탄화수소; 알콜, 알데히드, 또는 케톤을 포함한 산소첨가제; 및 다양한 타르일 수 있으나, 이에 제한되지는 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 관련된 조건에 따라, 일부 양의 휘발성 탄소가 고정 탄소가 되는 것 (예를 들어, CO로부터의 부두아르 탄소 형성을 통해)이 가능하다. 전형적으로, 휘발성 물질은 고정 탄소의 미세 기공으로 진입할 것이고 응축/흡착 종으로서 존재할 것이지만 비교적 휘발성으로 유지된다. 이러한 잔류 휘발성은 높은 표면적 및 다공성을 필요로 하는 생성물 응용과 비교하여 연료 응용에 있어 보다 유리할 수 있다.

단계 (h)는 고-탄소 생물기원 시약의 에너지 함량 (즉, 에너지 밀도)을 증가시킬 수 있다. 에너지 함량 증가는 총 탄소, 고정 탄소, 휘발성 탄소, 또는 심지어 수소의 증가에 기인할 수 있다. 에너지 함량 증가 정도는, 다양한 구현예에서, 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 이용될 수 있다. 예를 들어, 정제된 일산화탄소 및/또는 수소를 생성하기 위해 추가의 가공이 포함될 수 있다.

또 다른 예로서, 아세트산의 분리가 수행된 후, 아세트산의 에탄올로의 환원이 이어질 수 있다. 아세트산의 환원은, 적어도 부분적으로, 생성된 비-응축성 가스로부터 유래된 수소를 사용하여 달성될 수 있다.

응축성 증기는, 고-탄소 생물기원 시약의 탄소 함량을 증가시키기 위해, 공정 (예컨대 열 산화에 의한)에서 또는 탄소 풍부화에서의 에너지에 대해 사용될 수 있다. 특정 비-응축성 가스, 예컨대 CO 또는 CH₄가 공정에서의 에너지에 대하여 또는 열분해 단계를 위한 실질적으로 불활성 가스의 부분으로서 활용될 수 있다. 임의의 이들의 조합 또한 가능하다.

단계 (h)를 포함하는 것의 잠재적 이점은 가스 스트림이 스크러빙되고 생성된 가스 스트림이 CO 및 CO₂ 풍부하다는 점이다. 생성된 가스 스트림은 에너지 회수에 대하여 활용되고/되거나, 고체의 탄소 풍부화를 위해 재활용되고/되거나, 반응기에서 불활성 가스로서 사용될 수 있다. 유사하게, 비-응축성 가스를 응축성 증기로부터 분리함으로써, 예를 들어 반응기 시스템 또는 냉각 시스템에서 불활성 가스로서의 사용을 위해 CO/CO₂ 스트림이 제조된다.

다른 변형은 탄소 첨가가 요망되는 임의의 공급원료에 탄소-향상 단계의 원리가 적용될 수 있다는 인식을 전제로 한다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약의 생성을 위한 배치식 또는 연속식 공정은

(a) 탄소-함유 물질을 포함하는 고체 스트림을 제공하는 단계;

(b) 응축성 탄소-함유 증기, 비-응축성 탄소-함유 가스, 또는 응축성 탄소-함유 증기와 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함하는 가스 스트림을 제공하는 단계; 및

(c) 가스 스트림을 적합한 조건 하에 고체 스트림에 걸쳐 통과시켜 탄소-함유 물질에 비해 증가된 탄소 함량을 갖는 탄소-함유 생성물을 형성하는 단계를 포함한다.

일부 구현예에서, 출발 탄소-함유 물질은 열분해된 바이오매스 또는 반탄화된(torrefied) 바이오매스이다. 가스 스트림은 탄소-함유 물질을 제공하는 통합 공정 동안 얻을 수 있다. 또는, 가스 스트림은 탄소-함유 물질의 별도의 가공으로부터 얻을 수 있다. 가스 스트림, 또는 그의 일부는 외부 공급원 (예를 들어, 제재소의 오븐)으로부터 얻을 수 있다. 가스 스트림의 혼합물, 뿐만 아니라 다양한 공급원으로부터의 탄소-함유 물질의 혼합물도 가능하다.

일부 구현예에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 및/또는 에너지 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 것을 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 공정은 탄소-함유 물질과 상이한 또 다른 공급원료의 탄소 및/또는 에너지 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 것을 추가로 포함한다.

일부 구현예에서, 공정은, 적어도 제1 및 제2 출력 스트림을 생성하도록 구성된 분리 유닛에 가스 스트림을 도입하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 가스 스트림은 응축성 탄소-함유 증기와 비-응축성 탄소-함유 가스의 혼합물을 포함한다. 제1 및 제2 출력 스트림은 상대적 휘발성, 상대적 극성, 또는 임의의 다른 특성을 기반으로 하여 분리될 수 있다. 가스 스트림은 탄소-함유 물질의 별도의 가공으로부터 얻을 수 있다.

일부 구현예에서, 공정은 탄소-함유 생성물의 탄소 함량을 추가로 증가시키기 위한 공정을 반복하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 것을 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 공정은 또 다른 공급원료의 탄소 함량을 증가시키기 위한 공정을 수행하기 위해 가스 스트림을 재활용 또는 재사용하는 것을 추가로 포함한다.

탄소-함유 생성물은, 출발 탄소-함유 물질에 비해 증가된 총 탄소 함량, 보다 높은 고정 탄소 함량, 보다 높은 휘발성 탄소 함량, 보다 높은 에너지 함량, 또는 임의의 이들의 조합을 가질 수 있다.

관련 변형에서, 고-탄소 생물기원 시약 생성 시스템은

(a) 탄소-함유 공급원료를 도입하도록 구성된 공급기;

(d) 다중-대역 반응기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 고체 냉각기;

(e) 응축성 증기 및/또는 비-응축성 가스를 고체에 걸쳐 통과시켜, 증가된 탄소 함량을 갖는 향상된 고체를 형성하도록 구성된, 고체 냉각기와 작동가능하게 소통되도록 배치된 물질-풍부화 유닛; 및

(f) 물질-풍부화 유닛과 작동가능하게 소통되도록 배치된 고-탄소 생물기원 시약 회수 유닛을 포함한다.

시스템은 열분해 대역과 작동가능하게 소통되도록 배치된 예열 대역을 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 건조기가 다중-대역 반응기 내의 건조 대역으로서 구성된다. 각각의 대역은 단일 유닛 내에 또는 별도의 유닛에 위치할 수 있다. 또한, 고체 냉각기는 다중-대역 반응기 내에 배치될 수 있다.

일부 구현예에서, 냉각 대역은 가스 유입구와 함께 구성되고, 열분해 대역은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적으로 역류 유동을 생성한다. 이들 또는 다른 구현예에서, 예열 대역 및/또는 건조 대역 (또는 건조기)은 가스 유출구와 함께 구성되어, 고체 상에 대하여 가스 상의 실질적으로 역류 유동을 생성한다.

특정 구현예에서, 시스템은

(i) 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 하우징;

(ii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스를 운반하도록 구성된 하우징의 하부 부분의 저부에 있는 유입구;

(iii) 응축성 증기 및 비-응축성 가스로부터 유래된 농축된 가스 스트림을 운반하도록 구성된 하우징의 상부 부분의 상단에 있는 유출구;

(iv) 하우징의 상부 부분과 하부 부분 사이에서 정의되는 경로; 및

(v) 고체를 수송하도록 구성된, 경로를 따르는 수송 시스템

을 포함하는 물질-풍부화 유닛을 포함하며, 여기서 하우징은 고체가 응축성 증기의 적어도 일부 및/또는 비-응축성 가스의 적어도 일부를 흡착하도록 형상화된다.

개시된 기술은 고-탄소 생물기원 시약으로서 유용한 다양한 조성물, 및 이러한 시약을 혼입한 생성물을 생성할 수 있다. 일부 변형에서, 고-탄소 생물기원 시약은 본원에 개시된 임의의 공정, 예컨대 하기 단계를 포함하는 공정에 의해 생성된다:

(c) 임의로 공급원료를 탈기시켜 공급원료와 함께 함유된 틈새 탄소 (존재하는 경우)의 적어도 일부를 제거하는 단계;

(d) 열분해 대역에서, 약 250℃ 내지 약 700℃로부터 선택된 열분해 온도로 적어도 10분 동안 실질적으로 불활성 가스의 존재 하에 공급원료를 열분해하여, 고온의 열분해된 고체, 응축성 증기, 및 비-응축성 가스를 생성하는 단계;

(g) 온난한 열분해된 고체를 냉각시켜 저온의 열분해된 고체를 생성하는 단계; 및

(h) 저온의 열분해된 고체의 적어도 일부를 포함하는 고-탄소 생물기원 시약을 회수하는 단계.

일부 구현예에서, 시약은 건조 기준으로 약 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 또는 적어도 95 wt% 총 탄소를 포함한다. 총 탄소는 적어도 고정 탄소를 포함하고, 휘발성 물질로부터의 탄소를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 휘발성 물질로부터의 탄소는 고-탄소 생물기원 시약 중에 존재하는 총 탄소의 약 적어도 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.

고-탄소 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 구현예는 수소 (존재할 수 있는 임의의 수분 제외), 질소, 인, 또는 황을 거의 갖지 않거나 본질적으로 갖지 않는 시약을 제공하고, 실질적으로 탄소 플러스 임의의 회분 및 수분이 존재한다. 따라서, 일부 구현예는, 건조/회분-무함유 (DAF) 기준으로, 최대 100% (100% 포함) 탄소를 갖는 생물기원 시약을 제공한다.

일반적으로, 공급원료, 예컨대 바이오매스는, 열분해 동안 쉽게 방출되지 않는 실리카 및 다양한 금속을 포함한 비-휘발성 종을 함유한다. 물론 회분-무함유 공급원료를 활용하는 것도 가능하며, 이 경우 열분해된 고체 중에 상당량의 회분이 존재하지 않아야 한다. 회분은 예를 들어 ASTM D3174를 사용하여 측정될 수 있다.

다양한 양의 불연성 물질, 예컨대 회분이 존재할 수 있다. 고-탄소 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 구현예에서, 시약은 회분을 거의 함유하지 않거나, 심지어 회분 또는 다른 불연성 물질을 본질적으로 함유하지 않는다. 따라서, 일부 구현예는 건조 기준으로 100% 탄소를 포함한 본질적으로 순수한 탄소를 제공한다.

다양한 양의 수분이 존재할 수 있다. 총 질량 기준으로, 고-탄소 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. 본원에서 의도되는 바와 같이, "수분"은 흡수된 수분, 흡착된 물 분자, 화학적 수화물, 및 물리적 수화물을 포함한, 생물기원 시약 중에 존재하는 물의 임의의 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 평형 수분 함량은 적어도 상대 습도와 같은 국소 환경에 따라 달라질 수 있다. 또한, 수분은 수송, 사용 준비, 및 기타 물류 과정에서 달라질 수 있다. 수분은 예를 들어 ASTM D3173을 사용하여 측정될 수 있다.

고-탄소 생물기원 시약은, 본 목적상 완전-건조(bone-dry) 시약의 총 연소와 관련된 보다 높은 발열량 기반의 에너지 밀도를 의미하는 다양한 에너지 함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 고-탄소 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 가질 수 있다. 특정 구현예에서, 에너지 함량은 약 14,000-15,000 Btu/lb이다. 에너지 함량은 예를 들어 ASTM D5865를 사용하여 측정될 수 있다.

고-탄소 생물기원 시약은 분말, 예컨대 조대 분말 또는 미분말로 형성될 수 있다. 예를 들어, 시약은, 구현예에서, 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 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 압착, 결합, 또는 응집 입자를 포함하는 구조적 물체로 형성된다. 이들 물체 형성을 위한 출발 물질은 분말 형태의 시약, 예컨대 입자-크기 감소에 의해 얻어진 중간체일 수 있다. 물체는, 임의로 결합제 또는 입자를 함께 응집하는 다른 수단과 함께, 기계적 압착 또는 다른 힘에 의해 형성될 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 구조가 실질적으로 공급원료로부터 유래되는 구조적 물체 형태로 생성된다. 예를 들어, 공급원료 칩은 고-탄소 생물기원 시약의 생성물 칩을 생성할 수 있다. 또는, 공급원료 실린더는 고-탄소 생물기원 시약 실린더를 생성할 수 있고, 이는 다소 더 작지만 다른 경우에는 출발 물질의 기본 구조 및 기하구조를 유지할 수 있다.

고-탄소 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 생성되거나, 이러한 물체로 형성될 수 있다. 다양한 구현예에서, 최소 치수 또는 최대 치수는 길이, 폭, 또는 직경일 수 있다.

다른 변형은 공정으로의, 생성물로의, 또는 이들 둘 다로의 첨가제의 혼입에 관한 것이다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 공정 동안 혼입된 적어도 하나의 공정 첨가제를 포함한다. 이들 또는 다른 구현예에서, 시약은 공정 후에 시약에 도입되는 적어도 하나의 생성물 첨가제를 포함한다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 건조 기준으로,

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 산화물, 금속 수산화물, 금속 할로겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제를 포함한다.

첨가제는 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있지만, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지는 않는다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 건조 기준으로,

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 그의 염으로부터 선택된 첨가제를 포함한다.

첨가제는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 산화마그네슘, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 인산이암모늄, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있지만, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지는 않는다.

특정 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 건조 기준으로

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 산화물, 금속 수산화물, 금속 할로겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 제1 첨가제; 및

산, 염기, 또는 그의 염으로부터 선택된 제2 첨가제

를 포함하며, 여기서 제1 첨가제는 제2 첨가제와 상이하다.

제1 첨가제는 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으며, 제2 첨가제는 독립적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨, 산화마그네슘, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

특정 고-탄소 생물기원 시약은 본질적으로, 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제로 이루어진다.

특정 고-탄소 생물기원 시약은 본질적으로, 건조 기준으로, 탄소, 수소, 질소, 인, 황, 불연성 물질, 및 수산화나트륨, 수산화칼륨, 산화마그네슘, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 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. 비교적 다량, 예컨대 약 1 wt% 초과의 첨가제가 혼입되는 경우, 총 시약 중량 (첨가제 포함)을 기반으로 하여 계산된 에너지 함량 감소가 존재할 것임이 인식될 것이다. 또한, 다양한 구현예에서, 첨가제(들)를 갖는 고-탄소 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 가질 수 있다.

생성물 형태와 관련된 상기 논의는 첨가제를 혼입하는 구현예에도 적용된다. 사실상, 특정 구현예는 결합 작용제, 플럭싱 작용제, 또는 특정 응용을 위한 최종 특성을 향상시키기 위한 다른 개질제로서 첨가제를 혼입한다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약 중에 함유된 대부분의 탄소는 재생가능 탄소로서 분류된다. 일부 구현예에서, 실질적으로 모든 탄소가 재생가능 탄소로서 분류된다. 특정 시장 메커니즘 (예를 들어, 재생가능 식별 번호, 세금 공제 등)이 존재할 수 있으며, 여기서 가치는 고-탄소 생물기원 시약 내의 재생가능 탄소 함량에 기인한다.

특정 구현예에서, 고정 탄소는 비-재생가능 탄소 (예를 들어, 석탄으로부터)로서 분류될 수 있으며, 별도로 첨가될 수 있는 휘발성 탄소는 에너지 함량 뿐만 아니라 재생가능 탄소 가치를 증가시키기 위한 재생가능 탄소일 수 있다.

본원에 기재된 바와 같이 생성된 고-탄소 생물기원 시약은 폭넓게 다양한 탄소질 생성물에 유용하다. 고-탄소 생물기원 시약은 그 자체가 바람직한 시장 생성물일 수 있다. 본원에 제공된 바와 같은 고-탄소 생물기원 시약은 최신 기술과 비교하여 더 낮은 수준의 불순물, 감소된 공정 배출물, 및 개선된 지속성 (보다 높은 재생가능 탄소 함량 포함)과 관련된다.

변형에서, 생성물은 개시된 공정에 의해 얻어질 수 있는, 또는 본원에 기재된 조성물에 기재된 고-탄소 생물기원 시약, 또는 임의의 이들의 부분, 조합, 또는 파생물 중 임의의 것을 포함한다.

일반적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 연소되어 에너지 (전기 및 열 포함)를 생성하거나; 부분적으로 산화, 가스화, 또는 스팀-개질되어 합성가스를 생성하거나; 이들의 흡착 또는 흡수 특성에 대해 활용되거나; 금속 정제 (예컨대 금속 산화물의 환원) 또는 다른 산업 가공 동안 이들의 반응성 특성에 대해 활용되거나; 탄소 강철 및 다양한 다른 금속 합금에서의 이들의 물질 특성에 대해 활용될 수 있다. 본질적으로, 고-탄소 생물기원 시약은 개발될 특수 용도를 포함한 탄소 기반 상품 또는 고급 물질의 임의의 시장 응용에 대해 활용될 수 있다.

임의의 생성물 응용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 고-탄소 생물기원 시약은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 개질 (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.

고-탄소 생물기원 시약을 포함할 수 있는 생성물 또는 물질은 탄소 기반 용광로 첨가 생성물, 탄소 기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물, 레이들 첨가 탄소 기반 생성물, 메트 코크스 탄소 기반 생성물, 석탄 대체 생성물, 탄소 기반 코킹 생성물, 탄소 브리즈 생성물, 유동층 탄소 기반 공급원료, 탄소 기반 퍼니스 첨가 생성물, 주입가능 탄소 기반 생성물, 미분 탄소 기반 생성물, 스토커 탄소 기반 생성물, 탄소 전극, 또는 활성탄 생성물을 포함하나, 어떠한 방식으로든 이에 제한되지 않는다.

금속 생성에서의 개시된 고-탄소 생물기원 시약의 사용은 슬래그를 감소시키고, 전체 효율을 증가시키고, 생활주기 환경 영향을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일부 구현예는 금속 가공 및 제조에 특히 잘 적합화된다.

일부 변형은 탄소 기반 용광로 첨가 생성물로서 고-탄소 생물기원 시약을 활용한다. 용광로는 철과 같은 (그러나 이에 제한되지는 않음) 산업용 금속을 생성하기 위해 제련하는 데 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 제련은 추출 야금의 형태이며; 그의 주요 용도는 그의 광석으로부터 금속을 생성하는 것이다. 제련은 광석을 분해하기 위해 열 및 화학적 환원 작용제를 사용한다. 탄소 및/또는 탄소로부터 유래된 일산화탄소는 광석으로부터 산소를 제거하여, 원소 금속을 남긴다.

환원 작용제는 본질적으로 고-탄소 생물기원 시약으로 이루어지거나 이를 포함할 수 있다. 용광로에서, 고-탄소 생물기원 시약, 광석, 및 전형적으로 석회석은 용광로의 상단을 통해 연속 공급될 수 있으며, 공기 (임의로 산소 풍부화를 가짐)는 챔버의 저부로 취입되고, 그에 따라 물질이 하향 이동함에 따라 용광로 전반에 걸쳐 화학 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 용융된 금속 및 저부로부터 탭핑되는 슬래그 상, 및 용광로의 상단으로부터 배출되는 연도 가스이다. 고온의 일산화탄소-풍부 가스의 상향 유동과 접촉되는 광석의 하향 유동은 역류 공정이다.

용광로에서의 탄소 품질은 그의 열화 저항성에 의해 측정된다. 투과성 매질로서의 탄소의 역할은 경제적인 용광로 작동에서 매우 중요하다. 탄소의 열화는 용광로의 위치에 따라 다르며, CO₂, H₂O 또는 O₂와의 반응 및 서로와 다른 부하 성분에 대한 탄소 입자의 마모의 조합을 포함한다. 열화된 탄소 입자는 플러깅 및 불량한 성능을 유발할 수 있다.

코크스 반응성 시험은 용광로에서 탄소의 성능을 측정하는 것으로 높이 평가된다. 이 시험은 2개의 구성요소를 갖는다: 코크스 반응성 지수 (CRI) 및 반응 후 코크스 강도 (CSR). 낮은 CRI 값 (높은 반응성) 및 높은 CSR 값을 갖는 탄소 기반 물질이 보다 우수한 용광로 성능을 위해 바람직하다. CRI는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어 수신 상태 기반의 ASTM 방법 DS341에 의해 결정될 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 용광로에 직접 도입하기에 적합한 특성을 갖는 탄소 생성물을 제공한다.

고-탄소 생물기원 시약의 강도는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어 낙하-충격(drop-shatter) 시험, 또는 CSR 시험에 의해 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 임의로 또 다른 탄소 공급원과 블렌딩시, 고-탄소 생물기원 시약은, 적어도 약 50%, 60%, 또는 70%의 CSR을 갖는 최종 탄소 생성물을 제공한다. 조합 생성물은 또한 용광로에서의 연소에 적합한 반응성을 갖는 최종 코크스 생성물을 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 생성물은 고-탄소 생물기원 시약이 메트 석탄, 메트 코크스, 코크스 브리즈, 주물 코크스, 또는 주입가능 석탄에 대한 대체물 또는 첨가제로서의 사용에 적합하게 되도록 하는 CRI를 갖는다.

일부 구현예는, 용광로 생성물로서의 사용을 위해 불충분한 CRI 또는 CSR를 갖는 또 다른 탄소 공급원 (예를 들어, 코크스)에 첨가시, 용광로에서의 사용을 위해 충분한 CRI 및/또는 CSR을 갖는 복합체 생성물을 제공하는 고-탄소 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 하나 이상의 첨가제를 이용한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 약 40%, 30%, 또는 20% 이하의 CRI를 갖는 고-탄소 생물기원 시약을 제공하기에 충분한 양으로 존재한다.

일부 구현예에서, 알칼리 토금속, 또는 그의 산화물 또는 탄산염으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제가 고-탄소 생물기원 시약의 생성 공정 동안 또는 후에 도입된다. 예를 들어, 칼슘, 산화칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 또는 탄산마그네슘이 첨가제로서 도입될 수 있다. 열분해 전에, 동안, 또는 후에 이들 화합물의 첨가는 용광로에서의 고-탄소 생물기원 시약의 반응성을 증가시킬 수 있다. 이들 화합물은 보다 강한 물질, 즉 보다 높은 CSR을 제공할 수 있고, 이로써 용광로 효율을 개선한다. 추가로, 알칼리 토금속, 또는 그의 산화물 또는 탄산염으로부터 선택된 것들과 같은 첨가제는 보다 낮은 배출물 (예를 들어, SO₂)을 제공할 수 있다.

일부 구현예에서, 용광로 대체 생성물은 적어도 약 55 wt% 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 물질, 및 적어도 약 11,000 Btu/파운드의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 구현예에서, 용광로 대체 생성물은 약 0.035 wt% 이하의 인, 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt% 휘발성 물질, 및 임의로 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 용광로 대체 생성물은 약 2 wt% 내지 약 15 wt% 백운석, 약 2 wt% 내지 약 15 wt% 백운석 석회, 약 2 wt% 내지 약 15 wt% 벤토나이트, 및/또는 약 2 wt% 내지 약 15 wt% 산화칼슘을 포함한다. 일부 구현예에서, 용광로 대체 생성물은 실질적으로 약 1 cm 내지 약 10 cm 범위의 치수를 갖는다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 주물 코크스 대체 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% 인, 약 30의 CRI 값, 및 약 5 cm 내지 약 25 cm 범위의 치수를 갖는 것을 특징으로 한다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 탄소 기반 타코나이트 펠릿 첨가 생성물로서 활용한다. 철 및 강철 제조에서 사용되는 광석은 산화철이다. 주요 산화철 광석은 적철광, 갈철광 (또한 갈색 광석이라 불림), 타코나이트, 및 자철석, 흑색 광석을 포함한다. 타코나이트는 낮은 등급이지만 중요한 광석이고, 이는 자철석 및 적철광 둘 다를 함유한다. 타코나이트의 철 함량은 일반적으로 25 wt% 내지 30 wt%이다. 용광로는 효율적인 작동을 위해 전형적으로 적어도 50 wt% 철 함량 광석을 필요로 한다. 철광석은 파쇄, 스크리닝, 텀블링, 부유, 및 자력 분리를 포함한 선광을 거칠 수 있다. 정제된 광석은 60% 초과의 철로 풍부화되며 종종 운송 전에 펠릿으로 형성된다.

예를 들어, 타코나이트는 미분말로 분쇄되고 결합제, 예컨대 벤토나이트 점토 및 석회석과 조합될 수 있다. 예를 들어, 대략 65 wt% 철을 함유하는 약 1 센티미터 직경의 펠릿이 형성될 수 있다. 펠릿은 소성되어 자철석을 적철광으로 산화시킨다. 펠릿은 내구성이고, 이는 가열된 가스가 통과하여 펠릿화된 광석과 반응할 수 있도록 용광로 장입물이 충분히 다공성을 유지하도록 보장한다.

타코나이트 펠릿은, 용광로 첨가 생성물과 관련하여 상기에 기재된 바와 같이, 철 생성을 위해 용광로에 공급될 수 있다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약이 용광로에 도입된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 타코나이트 펠릿 자체에 혼입된다. 예를 들어, 타코나이트 광석 분말은, 선광 후, 고-탄소 생물기원 시약 및 결합제와 혼합되고 작은 물체로 롤링되고, 이어서 경질이 될 때까지 베이킹될 수 있다. 이러한 구현예에서, 적절한 조성을 갖는 타코나이트-탄소 펠릿은 별도의 탄소 공급원의 필요 없이 용광로에 편리하게 도입될 수 있다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 레이들 첨가 탄소 기반 생성물로서 활용한다. 레이들은 용융된 금속을 수송하고 붓기 위해 사용되는 용기이다. 용융된 금속을 금형에 부어 주물을 생성하기 위해 주조 레이들이 사용된다. 다량의 용융된 금속을 하나의 공정으로부터 또 다른 공정으로 수송하기 위해 수송 레이들이 사용된다. 레이들 내로의 다양한 원소 첨가에 의한 주철의 연성 철로의 전환과 같이, 용융된 금속의 일부 측면을 변화시키기 위해 레이들 내에서 가공이 일어나도록 하기 위해 처리 레이들이 사용된다.

고-탄소 생물기원 시약은 임의의 유형의 레이들에 도입될 수 있지만, 전형적으로 탄소는 표적 탄소 함량을 기반으로 하여 적합한 양으로 처리 레이들에 첨가될 것이다. 레이들에 주입된 탄소는, 최종 조성물로의 탄소의 우수한 물질 수송을 위해, 미분말 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 레이들 첨가 생성물로서 사용시, 약 0.5 cm, 예컨대 약 0.75 cm, 약 1 cm, 약 1.5 cm, 또는 그 초과의 최소 치수를 갖는다.

일부 구현예에서, 고탄소 생물기원 시약은, 탄소의 레이들 첨가가 사용되는 (예를 들어, 강철 제조 동안 레이들 탄소에 첨가되는) 임의의 경우에, 예를 들어, 기본 산소로 또는 전기 아크로 설비에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다.

일부 구현예에서, 레이들 첨가 탄소 첨가제는 추가로 최대 약 5 wt% 망가니즈, 최대 약 5 wt% 산화칼슘, 및/또는 최대 약 5 wt% 백운석 석회를 포함한다.

또한 해면철이라 불리는 직접-환원 철 (DRI)은 천연 가스 또는 석탄으로부터 통상적으로 생성되는 환원 가스에 의해 철광석 (덩어리, 펠릿, 또는 미립자 형태)의 직접 환원으로부터 생성된다. 환원 가스는 전형적으로 환원 작용제로서 작용하는 합성가스, 수소와 일산화탄소의 혼합물이다. 본원에 제공되는 바와 같은 고-탄소 생물기원 시약은 CO를 포함하는 가스 스트림으로 전환되어, 직접-환원 철 생성을 위한 환원 작용제로서 작용할 수 있다.

철 너겟은 고품질 제강 및 주철 공급 물질이다. 철 너겟은 본질적으로 모두 철 및 탄소이며, 맥석 (슬래그)이 거의 없고 금속 잔류물의 수준이 낮다. 이들은 운송 및 취급 특징이 우수한 프리미엄 등급 선철 생성물이다. 철 너겟, 또는 그의 임의의 부분에 함유된 탄소는 본원에 제공된 고-탄소 생물기원 시약일 수 있다. 철 너겟은, 고-탄소 생물기원 시약을 환원제 및 에너지원으로서 사용하여, 회전식 난로에서의 철광석의 환원을 통해 생성될 수 있다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 야금 코크스 탄소 기반 생성물로서 활용한다. 또한 "메트" 코크스로서 공지된 야금 코크스는, 통상적으로 역청탄의 다양한 블렌드의 분해 증류에 의해 제조되는 탄소 물질이다. 최종 고체는 야금 코크스라 불리는 비-용융 탄소이다. 휘발성 가스의 손실 및 부분적 용융의 결과로, 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 미분말에서 농구공 크기의 덩어리까지 폭넓은 범위의 크기로 이용가능하다. 전형적인 순도는 86-92 wt% 고정 탄소의 범위이다.

야금 코크스는 고품질의 인성, 탄력성, 내마모성 탄소가 요구되는 경우에 사용된다. 응용은 전도성 바닥재, 마찰 물질 (예를 들어, 탄소 라이닝), 주물 코팅, 주물 탄소 발생기, 부식 물질, 드릴링 응용, 환원 작용제, 열-처리 작용제, 세라믹 패킹 매체, 전해 공정, 및 산소 배제를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

메트 코크스는 약 10,000 내지 14,000 Btu/파운드의 발열량 및 약 10 wt% 이상의 회분 함량을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서, 메트 코크스 대체 생성물은 적어도 약 80 wt%, 85 wt%, 또는 90 wt% 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 고-탄소 생물기원 시약 (예를 들어, 탄소-네거티브 펠릿)을 포함한다. 고-탄소 생물기원 시약은, 메트 코크스 대체 생성물로서 사용시, 예를 들어, 약 2 cm 내지 약 15 cm의 크기 범위를 가질 수 있다.

일부 구현예에서, 메트 코크스 대체 생성물은 첨가제, 예컨대 크로뮴, 니켈, 망가니즈, 산화마그네슘, 규소, 알루미늄, 백운석, 플루오로스파, 산화칼슘, 석회, 백운석 석회, 벤토나이트 및 이들의 조합을 추가로 포함한다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 석탄 대체 생성물로서 활용한다. 석탄을 사용하는 임의의 공정 또는 시스템은 원칙적으로 고-탄소 생물기원 시약 사용에 대해 적합화될 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 하나 이상의 석탄 기반 생성물과 조합되어 석탄 기반 생성물(들)보다 더 높은 순위를 갖고/갖거나 연소시 순수 석탄 기반 생성물보다 더 적은 배출물을 갖는 복합체 생성물을 형성한다.

예를 들어, 저-순위 석탄, 예컨대 아역청탄은, 선택된 양의 고-탄소 생물기원 시약을 저-순위 석탄 생성물과 조합함으로써, 보다 고-순위 석탄 생성물, 예컨대 역청탄을 통상적으로 요구하는 응용에서 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 혼합 석탄 생성물 (예를 들어, 상이한 순위의 복수의 석탄의 조합)의 순위는 혼합 석탄을 일부 양의 고-탄소 생물기원 시약과 조합함으로써 개선될 수 있다. 석탄 생성물(들)과 혼합되는 고-탄소 생물기원 시약의 양은 석탄 생성물(들)의 순위, 고-탄소 생물기원 시약의 특징 (예를 들어, 탄소 함량, 발열량 등) 및 최종 조합 생성물의 요망되는 순위에 따라 달라질 수 있다.

예를 들어, 무단광은 일반적으로 적어도 약 80 wt% 탄소, 약 0.6 wt% 황, 약 5 wt% 휘발성 물질, 최대 약 15 wt% 회분, 최대 약 10 wt% 수분, 및 약 12,494 Btu/lb의 발열량을 갖는 것을 특징으로 한다. 일부 구현예에서, 무단광 대체 생성물은 적어도 약 80 wt% 탄소, 약 0.6 wt% 이하의 황, 약 15 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 열 석탄 대체 생성물로서 유용하다. 열 석탄 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 높은 회분 함량, 및 최대 약 15,000 Btu/lb의 발열량을 갖는 것을 특징으로 한다. 일부 구현예에서, 열 석탄 대체 생성물은 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 4 wt% 이하의 회분, 및 적어도 약 12,000 Btu/lb의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 탄소 기반 코킹 생성물로서 활용한다. 임의의 코킹 공정 또는 시스템은 코크스 생성을 위한 고-탄소 생물기원 시약 사용에 대해, 또는 코크스 공급원료로서의 그의 사용에 대해 적합화될 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 열 석탄 또는 코크스 대체 생성물로서 유용하다. 예를 들어, 열 석탄 또는 코크스 대체 생성물은 본질적으로 적어도 약 50 wt% 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 구현예에서, 열 코크스 대체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt % 휘발성 물질을 추가로 포함한다. 열 석탄 또는 코크스 대체 생성물은 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt% 수분을 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 석유 (페트) 코크스 또는 하소 페트 코크스 대체 생성물로서 유용하다. 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt% 탄소, 최대 4.6 wt% 황, 최대 약 5.5 wt% 휘발성 물질, 최대 약 19.5 wt% 회분, 및 최대 약 2 wt% 수분을 갖는 것을 특징으로 하고, 전형적으로 약 3 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 구현예에서, 하소 페트 코크스 대체 생성물은 적어도 약 66 wt% 탄소, 약 4.6 wt% 이하의 황, 약 19.5 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이고, 약 3 메쉬 이하로 사이징된다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 코킹 탄소 대체 탄소 (예를 들어, 예를 들어, 코킹 퍼니스에서 야금 석탄과 공동-소성됨)로서 유용하다. 하나의 구현예에서, 코킹 탄소 대체 생성물은 적어도 약 55 wt% 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 물질, 및 적어도 약 11,000 Btu/파운드의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 구현예에서, 코킹 탄소 대체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt% 휘발성 물질, 및/또는 하나 이상의 첨가제를 포함한다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 탄소 브리즈 생성물로서 활용하고, 이는 전형적으로 매우 미세한 입자 크기, 예컨대 6 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 또는 그 미만을 갖는다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 코크스 브리즈 대체 생성물로서 유용하다. 코크스 브리즈는 일반적으로 약 6 mm 이하의 최대 치수, 적어도 약 80 wt%의 탄소 함량, 0.6 내지 0.8 wt% 황, 1% 내지 20 wt% 휘발성 물질, 최대 약 13 wt% 회분, 및 최대 약 13 wt% 수분을 갖는 것을 특징으로 한다. 일부 구현예에서, 코크스 브리즈 대체 생성물은 적어도 약 80 wt% 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 고-탄소 생물기원 시약이다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 예를 들어, 타코나이트 펠릿 생성 동안 또는 제철 공정에서 탄소 브리즈 대체 생성물로서 유용하다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 다양한 유동층에 대한 공급원료로서, 또는 유동층 탄소 기반 공급원료 대체 생성물로서 활용한다. 탄소는 전체 연소, 부분 산화, 가스화, 스팀 개질 등을 위해 유동층에서 이용될 수 있다. 탄소는 주로 에너지 생성 (예를 들어, 열병합 발전), 또는 액체 연료 (예를 들어, 메탄올 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 디젤 연료)를 포함한 다양한 하류 용도를 위해 합성가스로 전환될 수 있다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, (예를 들어 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 임의의 경우에, 예를 들어, 유동층 퍼니스에서 유동층 석탄 대체 생성물로서 유용하다.

일부 변형은 고-탄소 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 것을 특징으로 하며, 이는 금속 생성물의 열화에 기여하고 대기 오염을 생성한다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약을 포함하는 탄소 퍼니스 첨가 대체 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 구현예에서, 탄소 퍼니스 첨가 대체 생성물 대체 생성물은 약 0.5 wt% 내지 약 50 wt% 휘발성 물질 및 약 0.4 wt% 내지 약 15 wt% 수분을 포함한다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 퍼니스 첨가 탄소가 사용되는 임의의 경우에, 예를 들어, 기본 산소로 또는 전기 아크로 설비에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제로서 유용하다. 예를 들어, 퍼니스 첨가 탄소는 전기-아크로 설비에서 강철 제조 동안 스크랩 강철에 첨가될 수 있다. 전기-아크로 응용에서는, 보다 조기의 불순물 제거 후 공정에 불순물이 다시 도입되지 않도록 고-순도 탄소가 요망된다.

일부 구현예에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 적어도 약 80 wt% 탄소, 약 0.5 wt% 이하의 황, 약 8 wt% 이하의 불연성 물질, 및 적어도 약 11,000 Btu/파운드의 발열량을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이다. 일부 구현예에서, 퍼니스 첨가 탄소 첨가제는 최대 약 5 wt% 망가니즈, 최대 약 5 wt% 플루오로스파, 약 5 wt% 내지 약 10 wt% 백운석, 약 5 wt% 내지 약 10 wt% 백운석 석회, 및/또는 약 5 wt% 내지 약 10 wt% 산화칼슘을 추가로 포함한다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 스토커 퍼니스 탄소 기반 생성물로서 활용한다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, (예를 들어 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 석탄이 사용되는 임의의 경우에, 예를 들어, 스토커 퍼니스 설비에서, 스토커 석탄 대체 생성물로서 유용하다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 주입가능 (예를 들어, 미분된) 탄소 기반 물질로서 활용한다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 주입-등급 하소 페트 코크스 대체 생성물로서 유용하다. 주입-등급 하소 페트 코크스는 일반적으로 적어도 약 66 wt% 탄소, 약 0.55 내지 약 3 wt% 황, 최대 약 5.5 wt% 휘발성 물질, 최대 약 10 wt% 회분, 최대 약 2 wt% 수분을 갖는 것을 특징으로 하고, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다. 일부 구현예에서, 하소 페트 코크스 대체 생성물은 적어도 약 66 wt% 탄소, 약 3 wt% 이하의 황, 약 10 wt% 이하의 회분, 약 2 wt% 이하의 수분을 포함하는 고-탄소 생물기원 시약이고, 약 6 메쉬 이하로 사이징된다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 주입가능 탄소가 사용되는 임의의 응용 (예를 들어, 강철 제조 동안 슬래그 또는 레이들 내로 주입됨)에서, 예를 들어, 기본 산소로 또는 전기 아크로 설비에서, 주입가능 탄소 대체 생성물로서 유용하다.

일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 예를 들어, (예를 들어 공정 열 또는 에너지 생산을 위해) 미분탄이 사용되는 임의의 경우에, 미분된 탄소 대체 생성물로서 유용하다. 일부 구현예에서, 미분탄 대체 생성물은 최대 약 10 퍼센트 산화칼슘을 포함한다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 금속 생성을 위한 탄소 첨가 생성물로서 활용한다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은 탄소 강철 또는 탄소를 포함하는 또 다른 금속 합금의 생성을 위한 탄소 첨가 생성물로서 유용하다. 석탄 기반 후기-스테이지 탄소 첨가 생성물은 일반적으로 높은 황 수준, 높은 인 수준, 및 높은 회분 함량, 및 높은 수은 수준을 갖는 것을 특징으로 하고, 이는 금속 품질을 열화시키고 공기 오염에 기여한다. 일부 구현예에서, 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 변형은 탄소 전극 내에서 고-탄소 생물기원 시약을 활용한다. 일부 구현예에서, 고-탄소 생물기원 시약은, 예를 들어, 알루미늄 생성에서의 사용을 위해 적합한 전극 (예를 들어 애노드) 물질로서 유용하다.

탄소 전극에서의 고-탄소 생물기원 시약의 다른 용도는 배터리, 연료 전지, 커패시터, 및 기타 에너지-저장 또는 에너지-전달 장치에서의 응용을 포함한다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리에서, 고-탄소 생물기원 시약은 리튬을 삽입하기 위해 애노드 측에 사용될 수 있다. 이들 응용에서, 탄소 순도 및 낮은 회분은 매우 중요할 수 있다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 촉매 지지체로서 활용한다. 탄소는, 합성가스로부터의 보다 고급 탄화수소의 피셔-트롭쉬 합성을 위한 탄소 상에 지지된 철 기반 촉매, 또는 탄소 상에 지지된 황화 코발트-몰리브데넘 금속 촉매를 사용하는 합성가스로부터의 혼합-알콜 합성과 같은 폭넓은 범위의 촉매 화학 반응에서의 공지된 촉매 지지체이다.

일부 변형은 고-탄소 생물기원 시약을 활성탄 생성물로서 활용한다. 활성탄은, 물 처리, 공기 정화, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 및 의약품을 포함한 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 응용에서 사용된다. 활성탄의 경우, 물질의 다공성 및 표면적이 일반적으로 중요하다. 본원에 제공된 고-탄소 생물기원 시약은, 다양한 구현예에서, (i) 화석-연료 기반 활성탄보다 더 큰 표면적; (ii) 탄소 재생가능성; (iii) 오염 물질 제어를 향상시키는 첨가제의 침투/분배를 더 잘 허용하는 첨가제와 함께 바이오매스 공급원료의 혈관 성질; 및 (iv) 보다 큰 반응성으로 이어지는 보다 적은 불활성 물질 (회분)로 인해, 우수한 활성탄 생성물을 제공할 수 있다.

고-탄소 생물기원 시약의 시장 응용에 대한 상기 기재에서, 기재된 응용은 배타적이지 않으며, 완전하지도 않음을 인식하여야 한다. 따라서, 다양한 구현예에서, 탄소 생성물 중 하나의 유형에 적합한 것으로 기재된 고-탄소 생물기원 시약은 기재된 임의의 다른 응용에도 적합할 수 있다. 이들 응용은 단지 예시적이며, 고-탄소 생물기원 시약의 다른 응용도 존재한다.

추가로, 일부 구현예에서, 동일한 물리적 물질이, 통합 방식으로 또는 순차적으로 다수의 시장 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 탄소 전극 또는 활성탄으로서 사용되는 고-탄소 생물기원 시약은, 성능 물질로서의 그의 유용 수명 종료시, 이어서 에너지 가치에 대한 연소 공정에 또는 금속-제조 (예를 들어, 금속 광석 환원) 공정 등에 도입될 수 있다.

일부 구현예는 반응성 또는 흡착 특성을 위해, 또한 연료로서 생물기원 시약을 이용할 수 있다. 예를 들어, 배출 스트림에 주입된 생물기원 시약은 오염 물질을 제거한 후 생물기원 시약 입자 및 가능하게는 오염물을 연소시켜 에너지를 생성하고 오염물을 열적으로 파괴하거나 화학적으로 산화시키는 데 적합할 수 있다.

종래의 화석-연료 기반 생성물과 비교하여, 상당한 환경 및 생성물 사용 이점이 고-탄소 생물기원 시약과 관련될 수 있다. 고-탄소 생물기원 시약은 환경적으로 우수할 뿐만 아니라, 예를 들어 보다 높은 순도로 인해 가공 관점에서 기능적으로도 우수할 수 있다.

금속 생성의 일부 구현예와 관련하여, 개시된 공정을 이용한 생물기원 시약의 생성은, 금속 생성에서의 사용을 위한 이들 제조에 필요한 석탄 기반 생성물의 코킹과 비교하여 CO, CO₂, NO_x, SO₂, 및 유해 공기 오염물의 배출을 상당히 낮출 수 있다.

석탄 또는 코크스 대신 고-탄소 생물기원 시약의 사용은 또한 SO₂, 유해한 공기 오염물, 및 수은의 환경 배출을 상당히 감소시킨다.

또한, 이들 고-탄소 생물기원 시약 (낮은 회분 함량 포함)의 순도로 인해, 개시된 생물기원 시약은 슬래그 감소 및 배치식 금속-제조 공정에서의 생산 용량 증가 가능성을 갖는다.

일부 구현예에서, 생물기원 시약은 활성탄으로서 기능한다. 특정 구현예에서, 생물기원 시약의 일부는 활성탄 생성물로서 회수되며, 생물기원 시약의 또 다른 부분 (예를 들어, 나머지)은 결합제와 펠릿화되어 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 다른 구현예에서, 생물기원 시약은 결합제와 펠릿화되어 나중에 활성탄 생성물로 전환하기 위해 운송되는 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 나중 전환은 다시 분말로의 미분을 포함할 수 있고, 예를 들어 스팀, 산, 또는 염기로의 화학 처리 또한 포함할 수 있다. 이들 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 활성탄 전구체 펠릿으로서 간주될 수 있다.

특정 구현예에서, 생물기원 시약 내의 고정 탄소는 주로 활성탄 제조에 사용될 수 있으며, 생물기원 시약 내의 휘발성 탄소는 주로 환원 가스 제조에 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 지향될 수 있다 (예를 들어, 휘발성 탄소의 CO로의 스팀-개질 반응을 통해).

활성탄은, 생성시, 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 800, 1000, 1500, 또는 2000의 아이오딘가(Iodine Number)를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 활성탄의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비의 측정으로부터 결정시 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 95%의 재생가능 탄소 함량을 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄은 활성탄의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능 활성탄을 특징으로 할 수 있다.

일부 구현예에서, 열분해 반응기는 상이한 유형의 활성탄의 생성을 최적화하도록 구성된다. 예를 들어, 반응 조건 (예를 들어, 시간, 온도, 및 스팀 농도)이 아이오딘가와 같은 특정 속성을 갖는 활성탄 생성물에 대해 선택될 수 있다. 상이한 반응 조건이 상이한 활성탄 생성물, 예컨대 보다 높은 아이오딘가를 갖는 것에 대해 선택될 수 있다. 열분해 반응기는 캠페인 모드에서 작동하여 하나의 생성물을 생성한 다음 또 다른 생성물을 위해 또 다른 모드로 전환될 수 있다. 제1 생성물은 제1 캠페인 동안 연속적으로 또는 주기적으로 제거되었을 수 있거나, 열분해 반응기의 반응 조건을 전환하기 전에 제거될 수 있다.

활성탄은, 예를 들어, 적어도 약 500, 750, 1000, 1500, 또는 2000의 아이오딘가를 특징으로 할 수 있다. 활성탄은 활성탄의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비의 측정으로부터 결정시 적어도 90%의 재생가능 탄소 함량을 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄은 활성탄의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비의 측정으로부터 결정시 (완전히) 재생가능 활성탄을 특징으로 할 수 있다.

본원에 개시된 공정에 의해 생성된 활성탄은 다수의 방식으로 사용될 수 있다.

일부 구현예에서, 활성탄은 하나 이상의 1차 생성물을 정제하기 위해 공정 현장에서 내부적으로 활용된다. 일부 구현예에서, 활성탄은 물을 정화하기 위해 현장에서 활용된다. 이들 또는 다른 구현예에서, 활성탄은 액체-상 배출물을 감소시키도록 액체 폐기물 스트림을 처리하기 위해 및/또는 공기 배출물을 감소시키도록 증기 폐기물 스트림을 처리하기 위해 현장에서 활용된다. 일부 구현예에서, 활성탄은 새로운 바이오매스의 생성을 보조하기 위해 토양 개량제로서 활용되며, 이는 현장에서 지역 공급원료로서 활용되는 것과 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 구현예에서, 활성탄은 화석 연료 기반 활성탄과 관련된 표면적과 비슷하거나, 같거나, 그보다 더 큰 표면적을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 오염물을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 전통적인 활성탄 생성물보다 더 잘 제어할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 불활성 물질 (예를 들어, 회분) 수준과 비슷하거나, 같거나, 그보다 더 낮은 불활성 물질 (예를 들어, 회분) 수준을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포와 비슷하거나, 같거나, 그보다 더 크거나 더 낮은 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포를 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 입자 형상과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나 동일한 입자 형상을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 입자 형상과 실질적으로 상이한 입자 형상을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 기공 부피와 비슷하거나, 같거나 그보다 더 큰 기공 부피를 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 기공 치수와 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 기공 치수를 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 입자의 내마멸성 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 입자의 내마멸성 값을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 경도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 경도 값을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 벌크 밀도 값과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 벌크 밀도 값을 갖는다. 일부 구현예에서, 활성탄 생성물은 전통적인 활성탄 생성물과 관련된 흡착 용량과 비슷하거나, 실질적으로 유사하거나, 동일한 흡착 용량을 갖는다.

임의의 생성물 응용에서의 적합성 또는 실제 사용 전에, 개시된 활성탄은 다양한 방식으로 분석되고, 측정되고, 임의로 변형 (예컨대 첨가제를 통해)될 수 있다. 가능한 일부 관심 특성은 밀도, 입자 크기, 표면적, 미세다공성, 흡수성, 흡착성, 결합 용량, 반응성, 탈황 활성, 염기도, 경도, 및 아이오딘가를 포함한다.

활성탄은, 물 처리, 공기 정화, 용매 증기 회수, 식품 및 음료 가공, 설탕 및 감미료 정제, 자동차 용도, 및 의약품을 포함한 폭넓게 다양한 액체 및 가스-상 응용에서 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. 예시적 표면적 (예를 들어, BET 표면적)은 약 400 m²/g 내지 약 2000 m²/g 또는 그 초과의 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 상관된다.

기공-크기 분포는 활성탄의 궁극적 성능 결정에 있어 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 활성화 정도를 측정하고, 미세기공 (예를 들어, 0-20 Å) 함량의 척도이다. 이는 액체-상 응용에 있어 중요한 측정이다. 개시내용의 구현예에 의해 생성되는 활성탄 생성물의 예시적 아이오딘가는 모든 중간 범위를 포함하여, 약 500, 600, 750, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1500, 1600, 1750, 1900, 2000, 2100, 및 2200을 포함한다. 아이오딘가의 단위는 밀리그램 아이오딘/그램 탄소이다.

또 다른 기공-관련 측정은 중간기공 함량 (예를 들어, 20-500 Å)을 측정하는 메틸렌 블루가(Methylene Blue Number)이다. 개시내용의 구현예에 의해 생성되는 활성탄 생성물의 예시적 메틸렌 블루가는 모든 중간 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 및 500을 포함한다. 메틸렌 블루가의 단위는 밀리그램 메틸렌 블루 (메틸티오니늄 클로라이드)/그램 탄소이다.

또 다른 기공-관련 측정은 거대기공 함량 (예를 들어, >500 Å)을 측정하는 당밀가(Molasses Number)이다. 개시내용의 구현예에 의해 생성되는 활성탄 생성물의 예시적 당밀가는 모든 중간 범위를 포함하여, 약 100, 150, 200, 250, 300, 350, 및 400을 포함한다. 당밀가의 단위는 밀리그램 당밀/그램 탄소이다.

일부 구현예에서, 활성탄은, 예를 들어, 적어도 약 0.5 cm³/g, 예컨대 적어도 약 1 cm³/g의 중간기공 부피를 특징으로 한다.

활성탄은 그의 물-보유 용량에 의해 특징화될 수 있다. 다양한 구현예에서, 개시내용의 구현예에 의해 생성되는 활성탄 생성물은 25℃에서 약 10% 내지 약 300% (물 중량을 건조 활성탄의 중량으로 나눈 것), 예컨대 약 50% 내지 약 100%, 예를 들어 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 마모가 발생할 수 있다. ASTM D3802에 따라 측정된 예시적 마모가는, 약 1% 내지 약 99% 초과, 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% 초과의 범위이다.

일부 구현예에서, 경도의 최적 범위는 활성탄이 합리적으로 내마멸성이지만 활성탄을 가공하는 자본 설비에서 마모(abrasion, wear)를 유발하지 않는 경우에 달성될 수 있다. 이 최적은 공급원료 뿐만 아니라 가공 조건의 선택으로 인해 본 개시의 일부 구현예에서 가능해진다. 하류 용도가 높은 경도를 취급할 수 있는 일부 구현예에서, 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 생성하기 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 정화, 지하수 처리, 폐수 처리, 에어 스트리퍼 응용, PCB 제거 응용, 악취 제거 응용, 토양 증기 추출, 제조된 가스 플랜트, 공업용수 여과, 산업용 훈증, 탱크 및 프로세스 벤트, 펌프, 송풍기, 필터, 사전 필터, 미스트 필터, 덕트설비, 배관 모듈, 흡착기, 흡수기, 및 컬럼에서 활용될 수 있다.

하나의 구현예에서, 배출물 감소를 위한 활성탄의 사용 방법은

(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 스트림으로부터 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계;

(d) 활성탄 입자 및 첨가제를 가스-상 배출물 스트림에 도입하여, 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 흡착시킴으로써, 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 생성하는 단계를 포함한다.

생물기원 활성탄 조성물에 대한 첨가제가 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 첨가제는 직접 가스-상 배출물 스트림으로, 연료 층으로, 또는 연소 대역으로 도입될 수 있다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 선택된 오염물의 제거를 위해 가스-상 배출물 스트림으로 직접적으로 또는 간접적으로 첨가제를 도입하는 다른 방식도 가능하다.

선택된 오염물 (가스-상 배출물 스트림 중)은 금속일 수 있고, 예컨대 금속은 수은, 붕소, 셀레늄, 비소, 또는 임의의 이들의 화합물, 염, 또는 혼합물로부터 선택된다. 선택된 오염물은, 예를 들어, 위험 공기 오염물, 유기 화합물 (예컨대 VOC), 또는 비-응축성 가스일 수 있다. 일부 구현예에서, 생물기원 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착, 흡수 및/또는 화학흡착한다. 일부 이러한 구현예에서, 선택된 오염물은 금속, 위험 공기 오염물, 유기 화합물 (예컨대 VOC), 비-응축성 가스, 또는 임의의 이들의 조합이다. 일부 구현예에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 구현예에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 구현예에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt% 수소 및/또는 적어도 약 10 wt% 산소를 포함한다.

위험 공기 오염물은 암, 또는 생식 장애, 선천적 결함, 또는 불리한 환경 및 생태학적 영향과 같은 다른 심각한 건강상의 영향을 유발하거나 유발할 수 있는 오염물이다. 수정된 청정대기법(Clean Air Act)의 112항은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 청정대기법의 112항에 따라, 미국 환경보호청 (EPA)은 189개의 위험 공기 오염물을 통제할 의무가 있다. EPA에 의해 위험 공기 오염물로서 분류된 임의의 현재의 또는 미래의 화합물이 본 맥락에서 가능한 선택된 오염물에 포함된다.

그의 일부가 또한 위험 공기 오염물인 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 §51.100에 기재되어 있고, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

비-응축성 가스는 일반적인 실온 조건 하에 응축되지 않는 가스이다. 비-응축성 가스는 질소 산화물, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 삼산화황, 메탄, 에탄, 에틸렌, 오존, 암모니아, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

개시된 활성탄 입자에 의해 다수의 오염물이 제거될 수 있다. 일부 구현예에서, 오염물-흡착된 탄소 입자는 적어도 2개의 오염물, 적어도 3개의 오염물, 또는 그 초과를 포함한다. 본원에 개시된 바와 같은 활성탄은 특정 표적화된 오염물 (예를 들어, 셀레늄)의 제어 뿐만 아니라 다중-오염물 제어를 허용할 수 있다.

일부 구현예에서는, 오염물-흡착된 탄소 입자를 처리하여 활성탄 입자를 재생시킨다. 일부 구현예에서, 방법은 오염물-흡착된 탄소 입자를 열적으로 산화시키는 것을 포함한다. 오염물-흡착된 탄소 입자, 또는 그의 재생 형태를 연소시켜 에너지를 제공할 수 있다.

일부 구현예에서, 활성탄에 대한 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 할로겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 특정 구현예에서, 첨가제는 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 철, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 유기 산 (예를 들어, 시트르산), 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.

일부 구현예에서, 가스-상 배출물 스트림은 금속 가공, 예컨대 높은-황-함량 금속 광석의 가공으로부터 유래된다.

수은 제어와 관련된 예시적 구현예로서, 전기 집진기 또는 직물 필터와 같은 미립자 물질 제어 장치의 상류에 활성탄이 주입될 수 있다 (예를 들어 덕트설비 내로). 일부 경우에, 연도 가스 탈황 (건조 또는 습윤) 시스템이 활성탄 주입 지점의 하류에 있을 수 있다. 활성탄은 분말로서 공압식으로 주입될 수 있다. 주입 위치는 전형적으로 기존 플랜트 구성 (새로운 장소가 아닌 경우) 및 추가 하류 입자상 물질 제어 장비 변형 여부에 의해 결정될 것이다.

현재 입자상 물질 제어 장치가 장착된 보일러의 경우, 수은 제어를 위한 생물기원 활성탄 주입을 구현하는 것은 다음을 수반할 수 있다: (i) 기존 입자상 물질 제어 장치 (전기 집진기 또는 직물 필터)의 상류에 분말화된 활성탄 주입; (ii) 기존 전기 집진기의 하류 및 개장 직물 필터의 상류에 분말화된 활성탄 주입; 또는 (iii) 전기 집진기 전기장 사이에 분말화된 활성탄 주입. 철 또는 철-함유 화합물의 포함은 수은 제어를 위한 전기 집진기의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 철 또는 철-함유 화합물의 포함은, 소비된 활성탄 고체가 다른 회분으로부터 분리될 수 있기 때문에, 수명 종료 옵션을 크게 변화시킬 수 있다.

일부 구현예에서, 분말화된 활성탄 주입 접근은 기존 SO₂ 제어 장치와 조합되어 이용될 수 있다. 활성탄은, 주입 지점 하류의 활성탄 흡착제 수집을 위한 수단의 이용가능성에 따라, SO₂ 제어 장치 전에 또는 SO₂ 제어 장치 후에 주입될 수 있다.

일부 구현예에서, 동일한 물리적 물질이, 통합 방식으로 또는 순차적으로 다수의 공정에서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 활성탄은, 성능 물질로서의 그의 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 포함한 액체-상 응용에 적용될 수 있다. 본원에서 의도되는 바와 같이, "액체 상"은 슬러리, 현탁액, 에멀젼, 다상 시스템, 또는 적어도 일부 양의 액체 상태가 존재하는 (또는 이를 갖도록 조정될 수 있는) 임의의 다른 물질을 포함한다.

하나의 구현예에서, 본 개시내용은 액체 정화를 위한 활성탄의 사용 방법을 제공하며, 이는 일부 변형에서,

(a) 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;

(b) 적어도 하나의 선택된 오염물을 포함하는 액체를 제공하는 단계;

(c) 액체로부터 선택된 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및

(d) 액체를 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 적어도 하나의 선택된 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 흡착시킴으로써, 오염물-흡착된 탄소 입자 및 오염물-감소된 액체를 생성하는 단계를 포함한다.

첨가제는 활성탄 입자의 부분으로서 제공될 수 있다. 또는, 첨가제는 액체에 직접 도입될 수 있다. 일부 구현예에서, 첨가제 (동일하거나 상이할 수 있음)는 활성탄 입자로서 뿐만 아니라 직접 액체에 도입된다.

액체-상 응용과 관련된 일부 구현예에서, 첨가제는 산, 염기, 염, 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 할로겐화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 예를 들어 첨가제는 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 니켈, 철, 크로뮴, 규소, 붕소, 세륨, 몰리브데넘, 인, 텅스텐, 바나듐, 염화철, 브로민화철, 산화마그네슘, 백운석, 백운석 석회, 형석, 플루오로스파, 벤토나이트, 산화칼슘, 석회, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 브로민화수소, 염화수소, 규산나트륨, 과망간산칼륨, 유기 산 (예를 들어, 시트르산), 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.

일부 구현예에서, 선택된 오염물 (처리될 액체 중)은 금속, 예컨대 비소, 붕소, 셀레늄, 수은으로부터 선택된 금속, 또는 임의의 이들의 화합물, 염, 또는 혼합물이다. 일부 구현예에서, 선택된 오염물은 유기 화합물 (예컨대 VOC), 할로겐, 생물학적 화합물, 살충제, 또는 제초제이다. 오염물-흡착된 탄소 입자는 2, 3개, 또는 그 초과의 오염물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄 생성물은 비슷한 양의 비-생물기원 활성탄 생성물보다 더 많은 양으로 선택된 오염물을 흡착, 흡수 및/또는 화학흡착한다. 일부 이러한 구현예에서, 선택된 오염물은 금속, 위험 공기 오염물, 유기 화합물 (예컨대 VOC), 비-응축성 가스, 또는 임의의 이들의 조합이다. 일부 구현예에서, 선택된 오염물은 수은을 포함한다. 일부 구현예에서, 선택된 오염물은 하나 이상의 VOC를 포함한다. 일부 구현예에서, 생물기원 활성탄은 적어도 약 1 wt% 수소 및/또는 적어도 약 10 wt% 산소를 포함한다.

처리될 액체는 전형적으로 수성일 것이지만, 본 발명의 원리에 있어 필수적인 것은 아니다. 일부 구현예에서, 액체는 고정층에서 활성탄 입자로 처리된다. 다른 구현예에서, 액체는 용액 중에서 또는 이동층에서 활성탄 입자로 처리된다.

하나의 구현예에서, 본 개시내용은 액체로부터 황-함유 오염물의 적어도 일부를 제거하기 위한 생물기원 활성탄 조성물의 사용 방법을 제공하며, 여기서 방법은

(a) 본원에 개시된 제2 반응기로부터 회수된 활성탄 입자를 제공하는 단계;

(b) 황-함유 오염물을 함유하는 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 입자 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계를 포함한다.

일부 구현예에서, 황-함유 오염물은 원소 황, 황산, 아황산, 이산화황, 삼산화황, 황산염 음이온, 중황산염 음이온, 아황산염 음이온, 중아황산염 음이온, 티올, 황화물, 이황화물, 다황화물, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 술폭시드, 술폰, 티오술피네이트, 술피미드, 술폭시미드, 술폰디이민, 황 할로겐화물, 티오케톤, 티오알데히드, 황 산화물, 티오카르복실산, 티오아미드, 술폰산, 술핀산, 술펜산, 술포늄, 옥소술포늄, 술푸란, 퍼술푸란, 또는 이들의 조합, 염, 또는 유도체로부터 선택된다. 예를 들어, 황-함유 오염물은 음이온 및/또는 염 형태의 황산염일 수 있다.

액체는 수성 액체, 예컨대 물일 수 있다. 일부 구현예에서, 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 선택되는 공정과 관련된 폐수이다. 물은 또한 호수, 강, 또는 개울과 같은 자연 수역 (또는 그의 부분)일 수 있다.

하나의 구현예에서, 본 개시내용은 물 중의 황산염의 농도를 감소시키는 공정을 제공하며, 여기서 공정은

(b) 황산염을 함유하는 물의 부피 또는 스트림을 제공하는 단계;

(c) 물로부터 황산염의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계; 및

(d) 물을 활성탄 입자 및 첨가제와 접촉시켜, 황산염의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 또는 입자 내에 흡착 또는 흡수시키는 단계를 포함한다.

일부 구현예에서, 황산염은 물 중 약 50 mg/L 이하의 농도, 예컨대 물 중 약 10 mg/L 이하의 농도로 감소된다. 일부 구현예에서, 황산염은 주로 황산염 음이온 및/또는 중황산염 음이온의 형태로 존재한다. pH에 따라, 황산염은 또한 황산염 염 형태로 존재할 수 있다.

물은, 폐수 스트림의 부분 또는 전체로부터 유래될 수 있다. 예시적 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 관련될 수 있는 것들이다. 물은 호수, 강, 또는 개울과 같은 자연 수역일 수 있다. 일부 구현예에서, 공정은 연속적으로 수행된다. 다른 구현예에서, 공정은 배치식으로 수행된다.

물이 활성탄으로 처리될 때, 물의 여과, 물의 삼투, 및/또는 물에 대한 활성탄 입자의 직접 첨가 (침강, 정화 등과 함께)가 존재할 수 있다. 삼투가 사용될 때, 활성탄은 삼투 장치 내에서, 또는 삼투 장치를 보조하기 위해 여러 방식으로 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투 전에 물에 직접 도입된다. 활성탄 입자 및 첨가제는 임의로 삼투 전에 예비-여과에서 이용된다. 특정 구현예에서, 활성탄 입자 및 첨가제는 삼투를 위해 멤브레인에 혼입된다.

본 개시내용은 또한 가스 상으로부터 황-함유 오염물을 제거하기 위한 생물기원 활성탄 조성물의 사용 방법을 제공하며, 여기서 방법은

(b) 적어도 하나의 황-함유 오염물을 포함하는 가스-상 배출물 스트림을 제공하는 단계;

(c) 가스-상 배출물 스트림으로부터 황-함유 오염물의 제거를 보조하기 위해 선택된 첨가제를 제공하는 단계;

(d) 가스-상 배출물 스트림에 활성탄 입자 및 첨가제를 도입하여, 황-함유 오염물의 적어도 일부를 활성탄 입자 상에 흡착 또는 흡수시키는 단계; 및

(e) 가스-상 배출물 스트림으로부터 활성탄 입자의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함한다.

일부 구현예에서, 황-함유 오염물은 원소 황, 황산, 아황산, 이산화황, 삼산화황, 황산염 음이온, 중황산염 음이온, 아황산염 음이온, 중아황산염 음이온, 티올, 황화물, 이황화물, 다황화물, 티오에테르, 티오에스테르, 티오아세탈, 술폭시드, 술폰, 티오술피네이트, 술피미드, 술폭시미드, 술폰디이민, 황 할로겐화물, 티오케톤, 티오알데히드, 황 산화물, 티오카르복실산, 티오아미드, 술폰산, 술핀산, 술펜산, 술포늄, 옥소술포늄, 술푸란, 퍼술푸란, 또는 이들의 조합, 염, 또는 유도체로부터 선택된다.

일반적으로, 개시된 활성탄은 전통적인 활성탄이 사용될 수 있는 임의의 응용에서 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 활성탄은 전통적인 활성탄에 대한 전체 (즉, 100%) 대체물로서 사용된다. 일부 구현예에서, 활성탄은 특정 응용에 사용되는 활성탄의 본질적으로 전부 또는 실질적으로 전부를 포함한다. 일부 구현예에서, 활성탄은 약 1% 내지 약 100%의 생물기원 활성탄을 포함한다.

예를 들어, 또한 제한 없이, 활성탄은 필터 내에서 (단독으로 또는 전통적인 활성탄 생성물과 조합되어) 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 충전층 또는 충전 컬럼은 개시된 활성탄을 포함한다. 이러한 구현예에서, 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 정제소, 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 산화물 환원에서의 바이오탄소의 사용

탄소-네거티브 바이오탄소, 예컨대 그의 펠릿 형태 또는 미분 형태가 금속 광석 퍼니스 및/또는 화학적-환원로에 공급되는 다양한 구현예가 존재한다. 예를 들어, 도 2 및 3 참조. 대안적으로, 또는 추가로, 탄소 산화물이 탄소-네거티브 바이오탄소로부터 생성될 수 있고, 이 탄소 산화물 (CO, CO₂, 또는 CO/CO₂의 혼합물)은 이어서 금속 제조에 사용된다.

금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원로는 용광로, 탑가스 재활용로, 샤프트 퍼니스, 반사로 (또한 풍로로서 공지됨), 도가니로, 머플링 퍼니스, 레토르트 퍼니스, 플래시 퍼니스, 테크노레드 퍼니스, 오스멜트 퍼니스, 이사스멜트 퍼니스, 퍼들링 퍼니스, 보기 난로, 연속 체인로, 푸셔 퍼니스, 회전식 난로, 워킹 빔 퍼니스, 전기 아크로, 유도로, 기본 산소로, 퍼들링 퍼니스, 베세머 퍼니스, 직접-환원-금속로, 또는 이들의 조합 또는 파생물일 수 있다.

금속 광석 퍼니스 또는 화학적-환원로는 수평으로, 수직으로, 또는 기울어지게 배열될 수 있다. 고체 및 유체 (액체 및/또는 가스)의 유동은 병류 또는 역류일 수 있다. 퍼니스 내의 고체는 고정층 및/또는 유동층에 있을 수 있다. 금속광석로 또는 화학적-환원로는 온도, 압력, 및 체류 시간의 다양한 공정 조건에서 작동될 수 있다.

일부 변형은 특히 용광로와 관련된다. 용광로는 산업용 금속, 예컨대 (그러나 이에 제한되지는 않음) 철 또는 구리를 생성하기 위한 제련에 사용되는 야금 퍼니스의 유형이다. 용광로는 상업용 철 및 강철 생성에 사용되는 중간 물질인 선철을 생성하기 위한 철광석 제련에 활용될 수 있다. 용광로는 또한 예를 들어 비금속(base metal) 제련에서 소결 플랜트와 조합되어 사용된다.

"블라스트(blast)"는 대기압 초과로 강제되거나 공급되는 연소 공기를 지칭한다. 용광로에서, 금속 광석, 탄소 (본 개시내용에서, 생물기원 시약 또는 그의 유도체), 및 통상적으로 플럭스 (예를 들어, 석회석)는 용광로의 상단을 통해 연속적으로 공급되는 반면, 공기의 열풍(hot blast) (임의로 산소 풍부화됨)은 송풍구라 불리는 일련의 파이프를 통해 용광로의 하부 섹션으로 취입된다. 물질이 아래로 떨어짐에 따라 용광로 전반에 걸쳐 화학적 환원 반응이 일어난다. 최종 생성물은 통상적으로 저부로부터 탭핑된 용융 금속 및 슬래그 상, 및 용광로 상단으로부터 배출되는 폐가스 (환원 오프가스)이다. 금속 광석의 하향 유동은 고온의 CO₂-풍부 가스의 상향류와 역류 접촉하는 플럭스와 함께 금속 광석을 금속으로 환원시키는 효율적인 화학 반응을 허용한다.

풍로 (예컨대 반사로)는 통상적으로 굴뚝 연도에서 고온 가스의 대류에 의해 자연 흡기된다. 이 광범위한 정의에 따르면, 철을 위한 블루머리, 주석을 위한 취입 하우스, 및 납을 위한 제련 밀이 용광로로서 분류된다.

용광로는 현대 철 생성의 중요한 부분으로 남아 있다. 연도 가스로부터 폐열로 들어오는 분사 공기(blast air)를 예열하는 카우퍼(Cowper) 스토브 및 용광로에서 나오는 고온 가스로부터 열을 추출하는 회수 시스템을 포함한 현대식 용광로는 매우 효율적이다. 용광로는 전형적으로 높은 구조의 형태로 지어지고, 내화 벽돌로 늘어서 있으며, 이들이 하강 동안 가열됨에 따라 공급 물질의 팽창 및 용융이 시작됨에 따라 후속적인 크기 감소가 일어날 수 있도록 프로파일링된다.

철 생성과 관련된 일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿, 철광석 (산화철), 및 석회석 플럭스가 용광로의 상단에 장입된다. 철광석 및/또는 석회석 플럭스는 바이오탄소 펠릿 내에 통합될 수 있다. 임의로, 바이오탄소 펠릿은 용광로에 대한 공급 전에 크기-감소된다. 예를 들어, 바이오탄소 펠릿은 분말로 미분될 수 있고, 이것이 용광로에 공급된다.

용광로는 일산화탄소 함량이 높은 고온의 더러운 가스가 용광로 목부를 빠져나갈 수 있게 하도록 구성될 수 있으며, 블리더 밸브는 갑작스러운 가스 압력 서지로부터 용광로 상단을 보호할 수 있다. 배기 가스의 조대 입자는 침강되어 폐기될 수 있으며, 가스는 정화된 가스의 온도를 감소시키도록 벤추리 스크러버 및/또는 전기 집진기 및/또는 가스 냉각기를 통해 유동할 수 있다. 용광로 저부에 있는 주조소는 액체 철 및 슬래그를 주조하기 위한 장비를 함유한다. 내화성 플러그를 통해 탭홀을 뚫을 수 있으므로, 액체 철 및 슬래그가 개구부를 통해 홈통 아래로 유동하여, 철과 슬래그를 분리한다. 선철 및 슬래그가 탭핑되면, 탭홀이 내화성 점토로 플러깅될 수 있다. 송풍구라고 불리는 노즐은 용광로의 효율을 증가시키기 위해 열풍을 구현하는 데 사용된다. 열풍은 베이스 근처의 냉각 송풍구를 통해 용광로로 지향된다. 열풍 온도는 예를 들어 900℃ 내지 1300℃ (공기 온도)일 수 있다. 용광로 내의 온도는 2000℃ 이상일 수 있다. 다른 탄소질 물질 및/또는 산소가 또한 송풍구 수준에서 용광로에 주입되어 (바이오탄소 펠릿으로부터의) 탄소와 조합되어 추가 에너지를 방출하고 존재하는 환원 가스의 백분율을 증가시켜 생산성을 높일 수 있다.

용광로는 상응하는 금속보다 금속 광석 (예를 들어, 철광석)의 산소에 대하여 더 강한 친화력을 갖는 일산화탄소가 금속을 그의 원소 형태로 환원시키는 화학적 환원 원리로 작동한다. 용광로는, 용광로에서 연도 가스가 광석 및 금속과 직접 접촉하여 일산화탄소가 광석으로 확산되고 금속 산화물이 탄소와 혼합된 원소 금속으로 환원될 수 있게 한다는 점에서, 블루머리 및 반사로와 상이하다. 용광로는 통상적으로 연속적인 역류 교환 공정으로 작동한다.

실리카는 통상적으로 선철로부터 제거된다. 실리카는 산화칼슘과 반응하고, 슬래그로서 용융된 선철의 표면에 부유하는 규산염을 형성한다. 금속 광석, 플럭스, 탄소, 및 반응 생성물의 하향-이동 컬럼은 연도 가스가 통과하기 위해 충분히 다공성이어야 한다. 이는 생물기원-시약 탄소가 투과성이 되도록 충분히 큰 입자 (예를 들어, 바이오탄소 펠릿 또는 펠릿으로부터 유래된 보다 작은 물체)일 것을 필요로 한다. 따라서, 펠릿, 또는 파쇄된 펠릿은, 위에 있는 물질의 중량에 의해 파쇄되지 않도록 충분히 강해야 한다. 높은 물리적 강도에 추가로, 탄소는 또한 바람직하게는 황, 인, 회분이 적다.

많은 화학 반응이 용광로에서 일어난다. 화학은 출발 금속 산화물로서 적철광(Fe₂O₃)을 참조하여 이해할 수 있다. 이러한 형태의 산화철은 철광석 가공에서 초기 공급원료에서 또는 용광로 내에서 생성되는 것이 통상적이다. 다른 형태의 철광석 (예를 들어, 타코나이트)은 다양한 농도의 상이한 산화철 (Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO 등)을 가질 수 있다.

용광로에서 용융 철을 생성하는 주요 전체 화학 반응은 다음과 같다:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

이는 흡열 반응이다. 이 전체 반응은 많은 단계에 걸쳐 일어나며, 첫 번째는 용광로에 취입된 예열된 분사 공기가 탄소 (예를 들어, 바이오탄소 펠릿으로부터의)와 반응하여 일산화탄소 및 열을 생성하는 것이다:

2 C + O₂ → 2 CO

고온 일산화탄소는 철광석의 환원 작용제이며 산화철과 반응하여 용융 철 및 이산화탄소를 생성한다. 용광로의 상이한 부분에서의 온도 (전형적으로 저부에서 최고)에 따라, 철은 여러 단계로 환원된다. 통상적으로 온도가 200-700℃의 범위인 상단에서, 산화철은 산화철(II,III), Fe₃O₄로 부분적으로 환원된다:

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

약 850℃의 온도에서, 용광로에서 더 아래로 내려가면, 철(II,III)이 추가로 산화철(II), FeO로 환원된다:

Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂

공기로부터의 고온 이산화탄소, 미반응 일산화탄소, 및 질소는 새로운 공급 물질이 반응 대역으로 내려감에 따라 용광로를 통과한다. 물질이 하향 이동함에 따라, 역류 가스는 공급 장입물을 예열하고 석회석 (사용된 경우)을 산화칼슘 및 이산화탄소로 분해한다:

CaCO₃ → CaO + CO₂

분해에 의해 형성된 산화칼슘은 철 중의 다양한 산성 불순물 (특히 실리카)과 반응하여 슬래그를 형성하고, 이는 주로 규산칼슘, CaSiO₃이다:

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

FeO가 최대 1200℃ 범위의 보다 고온을 갖는 영역으로 하향 이동함에 따라, FeO는, 다시 반응물로서의 일산화탄소와 함께, 철 금속으로 추가로 환원된다:

FeO + CO → Fe + CO₂

이 공정에서 형성된 이산화탄소는 역 부두아르 반응을 통해 탄소와의 반응에 의해 다시 일산화탄소로 전환될 수 있다:

C + CO₂ → 2 CO

상기에 나타낸 화학 반응에서, 환원 가스가, 퍼니스 내의 현장 생성물이기보다는, 용광로에 대안적으로 또는 추가로 직접 도입될 수 있음을 인지하는 것이 중요하다. 전형적으로, 이들 구현예에서, 환원 가스는 수소 및 일산화탄소를 둘 다 포함하고, 이는 둘 다 금속 산화물을 화학적으로 환원시키도록 기능한다. 임의로, 환원 가스는 개질, 가스화, 또는 부분 산화에 의해 바이오탄소 펠릿으로부터 별도로 생성될 수 있다.

종래의 용광로에서는, 금속 산화물 환원을 일으키기 위해 이용가능한 수소가 없다. 용광로에 수소가 직접 주입될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 바이오탄소 펠릿이 수소와 관련된 휘발성 탄소 (예를 들어, 중질 타르 성분)를 함유할 때, 용광로에 공급되는 바이오탄소 펠릿 내에서 수소가 이용가능할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 수소는 H₂ 및 CO₂를 생성하기 위해 H₂O 및 CO를 반응시키는 물-가스 전환의 결과로서, 또는 탄소의 스팀-개질 반응으로부터 이용가능할 수 있다. 이들 반응 (물-가스 전환 또는 스팀 개질) 중 하나는 바이오탄소 (예를 들어, 탄소-네거티브 바이오탄소 펠릿)와 함께 들어오는 수분에 의해 보조될 수 있다. 공급원에 관계없이, 수소는 상기 것들과 유사한 추가의 환원 반응을 일으킬 수 있지만, CO가 H₂로 대체된다:

3 Fe₂O₃ + H₂ → 2 Fe₃O₄ + H₂O

Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O

이는 CO와의 환원 반응과 병행하여 일어난다. 역 물-가스 전환 반응에서, 수소는 또한 이산화탄소와 반응하여 더 많은 CO를 생성할 수 있다. 특정 구현예에서, 본질적으로 수소로 이루어진 환원 가스가 용광로에 공급된다.

용광로에 의해 생성되는 "선철"은 전형적으로 약 3-6 wt%의 비교적 높은 탄소 함량을 갖는다. 선철은 주철을 만드는 데 사용될 수 있다. 용광로에 의해 생성되는 선철은 통상적으로 탄소 및 황 함량을 감소시키는 추가의 가공을 겪고 상업적으로 사용되는 다양한 등급의 강철을 생성한다. 기본 산소 제강으로서 언급되는 추가 공정 단계에서, 탄소는 조강을 형성하기 위해 액체 선철에 산소를 취입함으로써 산화된다.

통상적으로 탈황은, 액체 철을 제철소로 수송하는 동안, 선철에 함유된 황화철과 반응하여 황화칼슘을 형성하는 산화칼슘을 첨가함으로써 수행된다. 일부 구현예에서, 탈황은 또한, 금속 황화물을 CO (환원 가스 중)와 반응시켜 금속 및 황화카르보닐, CSO를 형성함으로써, 용광로 내에서 또는 용광로의 하류에서 일어날 수 있다. 이들 또는 다른 구현예에서, 탈황은 또한, 금속 황화물을 H₂ (환원 가스 중)와 반응시켜 금속 및 황화수소, H₂S를 형성함으로써, 용광로 내에서 또는 용광로의 하류에서 일어날 수 있다.

다른 유형의 퍼니스는 다른 화학 반응을 이용할 수 있다. 전환에서 탄소 및/또는 환원 가스를 이용하는 금속 산화물의 금속으로의 화학적 전환에서, 탄소는 바람직하게는 재생가능 탄소일 수 있음을 이해할 것이다. 본 개시내용은 바이오매스의 열분해를 통해 생성되는 생물기원 시약 중에 재생가능 탄소를 제공한다. 특정 구현예에서, 용광로에서 활용되는 일부 탄소는 재생가능한 탄소가 아니다. 다양한 구현예에서, 금속 광석 용광로에서 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 변형에서는, 테크노레드 퍼니스, 또는 그의 변형이 활용된다. 테크노레드 공정은 원래 브라질의 Tecnored Desenvolvimento Tecnol_gico S.A.에 의해 개발되었으며, 냉간-접착, 탄소-함유, 자체-플럭싱, 및 자체-환원 펠릿을 감소시키는 저압 이동층 환원로를 기반으로 한다. 환원은 전형적인 환원 온도에서 높이가 짧은 샤프트 퍼니스에서 수행된다. 공정은 고효율로 고온 금속 (전형적으로 액체 철)을 생성한다.

테크노레드 기술은 코크스 없는 제철 공정으로 개발되어 고온 금속의 생성에서 온실 가스 배출물을 상당히 감소시키는 것 외에도 환경에 유해한 코크스 오븐의 투자 및 운영을 피한다. 테크노레드 공정은 열풍 및 냉풍의 조합을 사용하며 추가 산소를 필요로 하지 않는다. 이는 코크스 공장, 소결 공장, 및 톤수 산소 공장에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 전통적인 제철 경로보다 운영 및 투자 비용이 훨씬 더 낮다.

본 개시내용에서, 테크노레드 공정은 다양한 방식으로 사용하기 위해 적합화될 수 있다. 일부 구현예는 철광석 미립자 또는 철-함유 잔류물로부터 생성된 자가-환원 응집체 (예컨대 바이오탄소 펠릿), 플러스 생물기원 시약을 제공한다. 플럭싱 및 결합 작용제와 혼합된 이들 물질은 응집되고 열 경화되어, 테크노레드 공정의 물리적 및 야금학적 요구를 위해 충분한 강도를 갖는 바이오탄소 펠릿을 생성한다. 이어서 생성된 응집물은 테크노레드 퍼니스에서 제련된다. 테크노레드 퍼니스에 대한 연료는 그 자체로 또한 바이오탄소 펠릿일 수 있다.

단광 내에서 산화철의 미립자 및 환원제를 조합함으로써, 환원제와 접촉하는 산화물의 표면적 및 결과적으로 반응 속도 둘 다 극적으로 증가한다. 자가-환원 단광은, 임의로 요망되는 슬래그 화학을 제공하기 위한 플럭스를 가지며, 함유된 철-함유 공급물의 완전한 환원을 허용하기에 충분한 환원제를 함유하도록 설계될 수 있다. 자가-환원 단광은 퍼니스로의 공급 전에 저온에서 경화된다. 자가-환원 단광 내의 반응을 구동하기 위해 필요한 열은, 퍼니스 내에서 자가-환원 단광이 공급되는, 또한 단광의 형태일 수 있는 고체 연료의 층에 의해 제공된다.

테크노레드 퍼니스는 3개의 대역을 갖는다: (i) 상부 샤프트 대역; (ii) 용융 대역; 및 (iii) 하부 샤프트 대역. 상부 샤프트 대역에는, 고체 연료 (바람직하게는 생물기원 시약)가 장입된다. 이 대역에서, 부두아르 반응 (C + CO₂ → 2 CO)이 방지되어 에너지가 절약된다. 퍼니스의 이 대역에서의 후-연소는 예열 및 장입물 환원을 위한 에너지를 제공하는 CO를 연소시킨다. 펠릿 내부에서는, 하기 반응이 매우 빠른 속도로 발생한다:

Fe_xO_y + y CO → x Fe + y CO₂

y CO₂ + y C = 2y CO

여기서 x는 1 내지 전형적으로 5이고, y는 1 내지 전형적으로 7이다.

용융 대역에서는, 장입물의 환원 분위기로 인해 재산화가 방지된다. 장입물의 용융은 환원 분위기 하에 발생한다. 하부 샤프트 대역에서는, 고체 연료가 장입된다. 고체 연료는 바이오탄소 펠릿을 포함하거나 본질적으로 이것으로 이루어질 수 있다. 이 대역에서, 잔류 산화철의 추가의 산화 및 맥석 물질 및 연료 회분의 슬래깅 반응이 액체 상태에서 발생한다. 또한, 금속 및 슬래그 액적의 과열이 발생한다. 이들 과열된 금속 및 슬래그 액적은 중력으로 인해 용광로 난로로 가라앉아 거기에 축적된다.

이 변형된 테크노레드 공정은 두 가지 상이한 탄소 단위 입력, 즉 환원제 및 고체 연료를 이용한다. 환원 작용제는 통상적으로 석탄 미립자이지만, 본 개시내용에서 환원 작용제는 미분된 바이오탄소 펠릿을 포함할 수 있다. 자가-환원 응집물은 본원에 개시된 바이오탄소 펠릿일 수 있다. 필요한 탄소 미립자의 양은 C/F (탄소 대 광석 미립자) 비율에 의해 확립되며, 이는 바람직하게는 금속 산화물의 완전한 환원을 달성하도록 선택된다.

고체 연료는 미립자 형태일 필요는 없다. 예를 들어, 고체 연료는 테크노레드 공정에서 고체 연료로부터 요구되는 물리적 및 열적 필요성을 처리하기 위해 크기가 약 40-80 mm인 덩어리 형태일 수 있다. 이들 덩어리는 바이오탄소 펠릿을 부수어 (예를 들어, 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 1차 블라스트 (C + O₂ → CO₂) 및 2차 블라스트에 의해 형성되며, 여기서 난로에서 고체 연료의 가스화에 의해 생성되는 상류 CO가 연소된다 (2 CO + O₂ → 2 CO₂).

특정 예시적 구현예에서, 변형된-테크노레드 공정은 결합제로서 시멘트를 사용하는 140 메쉬 미만의 크기를 갖는 철광석 미립자, 200 메쉬 미만의 크기를 갖는 생물기원-시약 미립자, 및 140 메쉬 미만의 크기의 소석회와 같은 플럭스의 펠릿화를 포함한다. 펠릿은 이들이 테크노레드 퍼니스의 상단으로 도입되기 전에 200℃에서 경화되고 건조된다. 퍼니스 내의 장입물의 총 체류 시간은 약 30-40분이다. 40 mm 내지 80 mm 범위의 크기의 고체 연료 형태의 생물기원 시약이 측면 공급기를 사용하여 고온 펠릿 아래의 퍼니스에 공급된다. 약 1150℃의 열풍 공기가 퍼니스 측면에 위치한 송풍구를 통해 취입되어 생물기원 탄소에 연소 공기를 제공한다. 고체 연료 건조 및 예열에 사용하기 위해 소량의 퍼니스 가스를 측면 공급기를 통해 유동시킬 수 있다. 저온 분사 공기는 상부 샤프트에서의 CO의 후-연소를 촉진하기 위해 보다 높은 지점에서 취입된다. 생성된 고온 금속은 슬래그제거를 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 함유한다.

통상적으로, 외부 CO 또는 H₂는 테크노레드 퍼니스를 사용하는 자가-환원 공정에서 중요한 역할을 하지 않는다. 그러나, 본 개시내용의 맥락에서, 외부 H₂ 및/또는 CO (환원 가스로부터)는 상기 반응 (Fe_xO_y + y CO → x Fe + y CO₂)에서 또는 반응물로서의 수소와의 반응 (Fe_xO_y + y H₂ → x Fe + y H₂O)에서 속도 및 산화철의 전환을 증가시킴으로써 전체 화학을 보조할 수 있다. 환원 화학은 적어도 펠릿 또는 단광의 표면에서, 또한 가능하게는 고온 환원 가스의 물질 이동이 빠르기 때문에 펠릿 또는 단광의 벌크 상 내에서 보조될 수 있다. 본 개시내용의 일부 구현예는 용광로의 측면을 테크노레드 퍼니스의 측면과 조합하고, 그에 따라 퍼니스 내 환원 가스의 사용에 추가로, 자가-환원 펠릿 또는 단광이 활용된다.

일부 구현예에서, 퍼니스는 제련을 수행하도록 구성된다. 제련은 비금속을 추출하기 위해 금속 광석에 열을 가하는 공정이다. 제련소는 은, 철, 구리, 및 기타 비금속을 포함하여 그의 광석으로부터 많은 금속을 추출하는 데 사용된다. 제련은 열 및 바람직하게는 개시된 탄소-네거티브 탄소 조성물을 사용하여 금속 광석을 분해하고, 다른 원소를 가스 또는 슬래그로서 축출하고 금속 염기를 남긴다.

전기 아크로는 전기 아크에 의해 물질을 가열하는 퍼니스이다. 전기 아크로 온도는 1800-3000℃에 도달할 수 있다. 전기 아크로에서, 장입 물질 (예를 들어, 금속 광석)은 전기 아크에 직접 노출되고, 퍼니스 단자로부터의 전류는 장입 물질을 통과한다. 아크로는, 장입물이 대신에 와류에 의해 가열되는 유도로와 상이하다.

이전에 언급된 바와 같이, 금속 광석 가공을 위한 다수의 가능한 퍼니스 구성이 존재한다. 본 명세서는 모든 가능한 퍼니스에서 발생할 수 있는 다양한 조건 및 화학을 상세히 기술하지 않을 것이지만, 개시된 원리가 금속 광석 또는 다른 금속-함유 전구체로부터 금속을 만드는 공정 어딘가에서 탄소를 사용하는 본질적으로 임의의 퍼니스 또는 공정에 적용될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 최종 금속은 철, 구리, 니켈, 마그네슘, 망가니즈, 알루미늄, 주석, 아연, 코발트, 크로뮴, 텅스텐, 몰리브데넘, 티타늄, 금, 은, 납, 규소, 리튬, 붕소, 지르코늄, 바나듐, 백금, 팔라듐, 로듐, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 비스무트, 또는 이들의 합금, 이들의 탄소와의 복합체, 이들의 탄화물 변종, 또는 이들의 조합일 수 있다.

또한, 일부 공정은 고체 바이오탄소를 활용하고, 일부 공정은 고체 바이오탄소로부터 얻어진 환원 가스를 활용하고, 일부 공정은 고체 바이오탄소 (예를 들어, 펠릿) 및 환원 가스 둘 다를 활용함을 인식할 것이다. 본원에 제공된 공정은 고체 바이오탄소 뿐만 아니라 환원 가스 둘 다를 생성할 수 있다. 일부 구현예에서는, 단지 고체 바이오탄소 펠릿이 금속 광석 전환 공정에서 이용된다. 다른 구현예에서는, 단지 환원 가스가 금속 광석 전환 공정에서 이용된다. 또한 다른 구현예에서는, 바이오탄소 펠릿 및 환원 가스 둘 다 금속 광석 전환 공정에서 이용된다. 재생가능 탄소의 두 공급원 모두를 이용하는 이들 구현예에서, 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 바이오탄소 펠릿으로부터의 것이다. 대안적으로, 다른 탄소 사용량의 일부 또는 전부는 종래의 탄소 입력물, 예컨대 석탄 미립자로부터의 것일 수 있다.

바이오탄소의 환원 가스로의 전환

일부 변형은 탄소-네거티브 바이오탄소 (예를 들어, 바이오탄소 펠릿)를 이용하여 탄소-네거티브 환원 가스 (예를 들어, 탄소-네거티브 합성가스 또는 탄소-네거티브 수소)를 생성한다. 환원 가스는 공정 (예를 들어, 금속-제조 공정)에서 현장에서 활용될 수 있거나 회수되고 판매될 수 있다.

환원 가스 (또한 본원에서 "생물-환원제 가스"로서 언급됨)의 임의적 생성이 이제 바이오탄소 펠릿 형태의 탄소-네거티브 바이오탄소와 관련하여 추가로 기재될 것이다. 이들은 비-제한적인 구현예이며, 탄소-네거티브 바이오탄소는 분말 형태, 슬러리 형태, 또는 또 다른 형태일 수 있음을 이해한다.

바이오탄소 펠릿의 환원 가스로의 전환은, 생물-환원제 형성 유닛으로서 언급될 수 있는 반응기에서 일어난다. 반응물을 이용하여 바이오탄소와 반응시키고 환원 가스를 생성한다. 반응물은 산소, 스팀, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 산소는 스팀과 혼합되고, 생성된 혼합물은 제2 반응기에 첨가된다. 산소 또는 산소-풍부화 공기가 첨가되어 산소로의 탄소의 부분적 또는 전체적 산화와 같은 발열 반응을 일으키고/거나; 환원 가스에서 보다 유리한 H₂/CO 비율을 달성하고/하거나; (iii) 환원 가스의 수율을 증가시키고/시키거나; (iv) 예를 들어, CO₂, 열분해 생성물, 타르, 방향족 화합물, 및/또는 다른 바람직하지 않은 생성물의 양을 감소시킴으로써, 환원 가스의 순도를 증가시킨다.

일부 구현예에서, 스팀은 바람직한 반응물이다. 스팀 (즉, 증기 상에서의 H₂O)은 하나 이상의 입력 스트림에서 반응기에 도입될 수 있다. 스팀은 바이오탄소 펠릿에 함유된 수분에 의해 생성된 스팀, 뿐만 아니라 물을 생성하는 임의의 화학 반응에 의해 생성된 스팀을 포함할 수 있다.

본원에서 화학 종의 "비율"에 대한 모든 언급은, 달리 나타내지 않는 한, 몰비에 대한 언급이다. 예를 들어, H₂/CO 비율이 1이라는 것은 이산화탄소 1 몰 당 수소 1 몰을 의미한다.

산소 또는 스팀이 첨가될 때 스팀 개질, 부분 산화, 물-가스 전환 (WGS), 및/또는 연소 반응이 일어날 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 공급원료에서 발견되는 셀룰로스 반복 단위(C₆H₁₀O₅)와 관련하여 예시적 반응을 하기에 나타낸다. 유사한 반응이 바이오탄소 펠릿을 포함한 임의의 탄소-함유 공급원료로 일어날 수 있다.

스팀 개질 C₆H₁₀O₅+ H₂O → 6 CO + 6 H₂

부분 산화 C₆H₁₀O₅ + ½ O₂ → 6 CO + 5 H₂

물-가스 전환 CO + H₂O ↔ H₂ + CO₂

완전 연소 C₆H₁₀O₅ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 5 H₂O

생물-환원제 형성 유닛은 환원 가스를 생성하는 적어도 하나의 화학 반응을 일으킬 수 있는 임의의 반응기이다. 당업계에 널리 공지된 종래의 스팀 개질기가 촉매와 함께 또는 촉매 없이 사용될 수 있다. 다른 가능성은 자열 개질기, 부분-산화 반응기, 및 여러 반응 메커니즘 (예를 들어, 부분 산화 후 물-가스 전환)을 조합하는 다중 스테이지 반응기를 포함한다. 반응기 구성은 고정층, 유동층, 복수의 마이크로채널, 또는 일부 다른 구성일 수 있다.

일부 구현예에서, 반응물로서의 스팀의 총량은 공급 물질 중 탄소 1 몰 당 적어도 약 0.1 몰이다. 다양한 구현예에서는, 탄소 1 몰 당 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 구현예에서는, 탄소 1 몰 당 약 1.5-3.0 몰의 스팀이 첨가되거나 존재한다.

제2 반응기에 첨가되는 스팀의 양은 열분해 반응기의 조건과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 열분해가 탄소-풍부 고체 물질을 생성하는 경우, 일반적으로 보다 많은 스팀 (및/또는 보다 많은 산소)를 사용하여 CO 및 H₂를 생성하기 위해 이용가능한 필수적인 H 및 O 원자를 첨가한다. 전체 시스템의 관점에서, 바이오탄소 펠릿에 함유된 수분은 공정에서 첨가할 추가의 물 (스팀)의 양을 결정하는 데 있어 고려될 수 있다.

스팀에 대한 산소의 예시적 비율 (O₂/H₂O)은, 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 같거나 더 작다. O₂/H₂O의 비율이 1 초과인 경우, 연소 반응은 부분 산화보다 우세해지기 시작하여, 바람직하지 않게 낮은 CO/CO₂비율을 생성할 수 있다.

일부 구현예에서, 스팀이 없는 산소가 반응물로서 사용된다. 산소는 실질적으로 순수한 형태로 첨가될 수 있거나, 또는 이는 임의로 산소로 풍부화된 공기의 첨가를 통해 공정에 공급될 수 있다. 일부 구현예에서, 산소로 풍부화되지 않은 공기가 첨가된다. 다른 구현예에서, 예를 들어, 근처의 공기-분리 플랜트로부터의 스트림일 수 있는, 오프-스펙 또는 재순환 스트림으로부터의 풍부화된 공기가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 감소된 양의 N₂ (즉, 79 vol% 미만)로 풍부화된 공기의 사용은 생성된 환원 가스에서 보다 적은 N₂가 생성되게 한다. N₂의 제거는 고비용이 들 수 있기 때문에, 보다 적은 N₂로 또는 N₂ 없이 환원 가스를 생성하는 방법이 전형적으로 바람직하다.

일부 구현예에서, 산소의 존재는, 산소의 부재 하에 동일한 방법에 의해 생성된 비율과 비교하여, 환원 가스에서 H₂/CO의 비율을 변경한다. 환원 가스의 H₂/CO 비율은 약 0.5 내지 약 2.0, 예컨대 약 0.75-1.25, 약 1-1.5, 또는 약 1.5-2.0일 수 있다. 인식되는 바와 같이, 증가된 물-가스 전환 (보다 높은 속도의 스팀 첨가에 의해)은 보다 높은 H₂/CO 비율, 예컨대 적어도 2.0, 3.0. 4.0. 5.0, 또는 심지어 그 초과를 생성하는 경향이 있을 것이며, 이는 수소 생성을 포함한 특정 응용을 위해 요망될 수 있다.

환원 가스 생성을 위한 반응기에서 촉매가 임의로 활용될 수 있다. 촉매는 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 산화물 및 염, 광물 물질 또는 석탄 중 회분, 전이 금속 및 그의 산화물 및 염, 및 공융 염 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 촉매의 구체적 예는 수산화칼륨, 탄산칼륨, 수산화리튬, 탄산리튬, 수산화세슘, 산화니켈, 니켈-치환된 합성 운모 몬모릴로나이트 (NiSMM), NiSMM-지지 몰리브데넘, 수산화철, 질산철, 철-칼슘-함침 염, 니켈 우라닐 산화물, 플루오린화나트륨, 및 빙정석을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

다른 예시적 촉매는 니켈, 산화니켈, 로듐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 및 백금을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 촉매는, 예를 들어, 감마-알루미나 (임의로 안정화 원소, 예컨대 마그네슘, 란타넘, 또는 바륨으로 도핑됨)와 같은 하나 이상의 지지체 물질 상에 코팅되거나 침착될 수 있다.

시스템으로의 첨가 전에, 임의의 촉매는 총 표면적, 활성 표면적, 장소 밀도, 촉매 안정성, 촉매 수명, 촉매 조성, 표면 조도, 표면 분산, 다공성, 밀도, 및 /또는 열 확산도에 영향을 미치는 공지된 기술을 사용하여 전처리되거나 활성화될 수 있다. 촉매의 전처리는 하소, 워시코트 첨가, 입자-크기 감소, 및 열적 또는 화학적 수단에 의한 표면 활성화를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.

촉매 첨가는 가스화 및/또는 개질될 수 있는 물 또는 임의의 탄화수소와 같은 용매 중에 촉매(들)를 먼저 용해시키거나 슬러리화함으로써 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매는 용기 내로의 이러한 슬러리의 직접 주입에 의해 첨가된다. 일부 구현예에서는, 촉매가 스팀에 첨가되고, 스팀/촉매 혼합물이 시스템에 첨가된다. 이들 구현예에서, 첨가된 촉매는 스팀에서 그의 평형 용해도에 있거나 그 근처에 있을 수 있거나 스팀에 동반된 입자로서 도입됨으로써 시스템에 도입될 수 있다.

물질은 일반적으로 단일 스크류, 트윈 스크류, 램 등에 의해 반응기 안팎으로 이송될 수 있다. 물질은 물리적 힘 (금속 접촉), 압력-구동 유동, 공압 구동 유동, 원심 유동, 중력 유동, 유동화된 유동, 또는 고체 및 가스 상을 이동시키는 일부 다른 공지된 수단에 의해 기계적으로 이송될 수 있다. 특히 기계적으로 강건해야 하는 바이오탄소 펠릿 층 위에 배치된 금속 산화물의 층을 이용하는 구현예에서는, 반응기에서 바이오탄소 펠릿의 고정층을 활용하는 것이 바람직할 수 있다.

일부 구현예에서, 반응기는 환원 가스 생성을 위해 바이오탄소 펠릿, 또는 그로부터 형성된 분말의 가스화를 이용한다. 가스화는 승온, 전형적으로 약 600℃ 내지 약 1100℃에서 수행된다. 보다 덜 반응성인 생물기원 시약은 보다 높은 작동 온도를 필요로 한다. 도입되는 반응물의 양 (예를 들어, 공기, 산소, 풍부화된 공기, 또는 산소-스팀 혼합물)은 전형적으로 가스화 온도를 제어하는 주요 요인일 것이다. 대기압 내지 약 50 bar의 작동 압력이 바이오매스 가스화에서 이용되어 왔다. 가스화는 또한 반응물, 통상적으로 공기, 고-순도 산소, 스팀, 또는 이들 가스의 일부 혼합물을 필요로 한다.

가스화기는 용기 내 고체를 지지하는 수단, 고체 및 가스 둘 다의 유동 방향, 반응기에 열을 공급하는 방법에 따라 구별될 수 있다. 가스화기가 대기압 근처에서 또는 승압에서 작동하는지, 또한 가스화기가 공기-취입 또는 산소 취입되는지도 구별되는 특징이다. 통상적인 분류는 고정층 상승 기류, 고정층 하강 기류, 버블링 유동층, 및 순환 유동층이다.

고정층 가스화기는, 일반적으로, 밀짚, 옥수수대, 또는 마당 폐기물과 같은 섬유질 초본 공급원료를 처리할 수 없다. 그러나, 개시된 공정에서, 바이오매스는 먼저 생물기원 시약으로 열분해되고, 이것이 펠릿화되고, 바이오탄소 펠릿이 가스화될 수 있다. 바이오탄소 펠릿은, 반드시 펠릿의 크기를 감소시키지 않고도, 고정층 가스화기를 사용하여 직접 가스화될 수 있다.

순환 유동층 가스화 기술은 루르기(Lurgi) 및 포스터 휠러(Foster Wheeler)로부터 이용가능하고, 바이오매스 및 기타 폐기물에 활용되는 기존 가스화 기술의 대부분을 나타낸다. 버블링 유동층 가스화 (예를 들어, U-GAS® 기술)가 상업적으로 사용되었다.

직접 가열 가스화기는 단일 반응 용기에서 흡열 및 발열 가스화 반응을 수행하며; 추가 가열은 필요하지 않다. 대조적으로, 간접 가열 가스화기는 외부 열원을 필요로 한다. 간접 가열 가스화기는 통상적으로 2개의 용기를 이용한다. 제1 용기는 스팀으로 공급물을 가스화한다 (흡열 공정). 열-전달 매질, 통상적으로 샌드를 순환시킴으로써 열이 공급된다. 샌드와 함께, 제1 용기에서 생성된 환원 가스 및 고체 숯이 분리된다. 혼합된 숯 및 샌드는 제2 용기에 공급되고, 여기서 숯은 공기와 함께 연소되어, 샌드를 가열한다. 고온 샌드는 다시 제1 용기로 순환된다.

바이오탄소 펠릿은 "건조 공급물" (임의로 수분을 갖지만, 유리 액체 상은 없음)로서, 또는 슬러리 또는 물 중 현탁액으로서 가스화기에 도입될 수 있다. 건조-공급 가스화기는 전형적으로 환원 가스로의 높은 통과 당(per-pass) 탄소 전환 및 우수한 에너지 효율을 허용한다. 건조-공급 가스화기에서, 가스화 반응에 의해 방출되는 에너지는, 가스화기가 극히 높은 온도에 도달할 수 있게 한다. 이 문제는 습윤-벽 설계에 의해 해결될 수 있다.

일부 구현예에서, 가스화기로의 공급물은 높은 수소 함량을 갖는 바이오탄소이다. 생성된 환원 가스는 수소가 비교적 풍부하고, 높은 H₂/CO 비율, 예컨대 H₂/CO > 1.5 또는 그 초과를 갖는다.

일부 구현예에서, 가스화기로의 공급물은 낮은 수소 함량을 갖는 바이오탄소 펠릿이다. 생성된 환원 가스는 비교적 낮은 H₂/CO 비율을 가질 것으로 예상된다. H₂/CO > 1을 필요로 하는 하류 공정에 대해서는, 가스화기 온도를 조절하고 (현열(sensible-heat) 효과 및/또는 흡열 화학을 통해), 또한 H₂/CO 비율을 보다 높은 보다 바람직한 비율로 전환시키기 위해, 가시화기로 물 또는 스팀을 주입하는 것이 바람직할 수 있다. 물 첨가는 또한, 스팀-개질 화학을 통해, 흡열 소비에 의해 온도 조절에 기여할 수 있다. 스팀 개질에서는, H₂O가 탄소와 또는 탄화수소, 예컨대 타르 또는 벤젠/톨루엔/크실렌과 반응하여, 환원 가스를 생성하고 단열 가스화 온도를 낮춘다.

특정 변형에서, 가스화기는 유동층 가스화기, 예컨대 버블링 유동화된 가스화 반응기이다. 유동화는 가스화기 층 내의 실질적으로 균일한 온도를 제공한다. 유동층 물질, 예컨대 알루미나 샌드 또는 실리카 샌드는, 잠재적 마멸 문제를 감소시킬 수 있다. 가스화기 온도는 바람직하게는 회분 입자가, 가스화기 내에서 응집 및 유동화 손실을 유발할 수 있는, 고체에서 용융 형태로의 변환을 시작하지 않도록 충분히 낮은 온도로 조정된다.

유동층 가스화기가 사용되는 경우, 모든 성분의 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 구현예는 가스화 촉매를 이용한다.

순환 유동층 가스화기가 이용될 수 있고, 여기서 가스, 샌드, 및 공급원료 (예를 들어, 파쇄된 또는 미분된 바이오탄소 펠릿)가 함께 이동한다. 예시적 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재순환 가스를 포함한다. 모래로부터의 높은 열-전달 속도는 공급 원료의 빠른 가열을 보장하며, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 이용하여 샌드 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 샌드 입자는 유동 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.

역류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 구현예에서, 반응기는 본질적으로, 가스화 작용제 (예컨대 스팀, 산소, 및/또는 재순환 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층으로 이루어진다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.

병류 고정층 가스화기가 사용되는 일부 구현예에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화 작용제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 소량의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열원으로부터 열을 층의 상부에 추가한다. 생성된 가스는 고온에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층 상단에 추가된 가스화 작용제로 전달되어, 우수한 에너지 효율을 제공한다.

유동층 반응기가 사용되는 일부 구현예에서, 공급원료는 재순환 가스, 산소, 공기, 및/또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질 응집물로서 제거될 수 있다. 고체의 재순환 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다. 유동층 반응기는 슬래깅 반응기의 벽을 손상시키는 매우 부식성인 회분을 형성하는 공급원료에 유용하다.

동반-유동 가스화기가 사용되는 일부 구현예에서, 바이오탄소 펠릿은 미분되고 병류 유동에서 산소, 공기, 또는 재순환 가스로 가스화된다. 가스화 반응은 매우 미세한 입자의 조밀한 구름에서 발생한다. 고온이 이용될 수 있으므로 환원 가스에 소량의 타르 및 메탄이 제공된다.

동반-유동 반응기는, 작동 온도가 전형적으로 회분 융합 온도보다 훨씬 더 높기 때문에, 회분의 대부분을 슬래그로서 제거한다. 보다 작은 분율의 회분이 매우 미세한 건조 비산회로서 또는 비산회 슬러리로서 생성된다. 특정 동반-층 반응기는 부분적으로 고화된 슬래그로 덮인 내부 수- 또는 스팀-냉각 벽을 갖는다.

가스화기 챔버는, 프리보드의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 열 회수에 적합한 수준에서 고체 하류 작동의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 탄소를 가스화 챔버 저부로부터 끌어내어 냉각하고 회수할 수 있다.

가스화기는 하나 이상의 촉매, 예컨대 탄소-함유 종의 부분 산화, 역 물-가스 전환, 또는 건조 (CO₂) 개질에 효과적인 촉매를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 버블링 유동-층 탈휘발 반응기가 활용된다. 반응기는, 적어도 부분적으로, 재순환 가스 스트림에 의해 대략 600℃ (예상 슬래깅 온도 미만)으로 가열된다. 스팀, 산소, 또는 공기가 또한 제2 반응기에 도입될 수 있다. 두 번째는, 프리보드의 적절한 구성 또는 내부 사이클론의 사용에 의해, 하류에서 열 회수에 적합한 수준에서 고체의 캐리오버를 유지하도록 설계될 수 있다. 미반응 숯이 탈휘발 챔버의 저부로부터 인출되고, 냉각되고, 이어서 유틸리티 보일러에 공급되어 이 스트림의 나머지 발열량을 회수할 수 있다.

유동층 가스화기가 이용되는 경우, 공급원료는 재순환 가스와 같은 가스에 의해 유동화된 고온 샌드의 층으로 도입될 수 있다. 본원에서 "샌드"에 대한 언급은 또한 유리 입자, 회수된 회분 입자 등과 같은 유사한, 실질적으로 불활성인 물질을 포함한다. 유동화된 샌드로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 초래할 수 있다. 샌드 입자로의 마멸에 의해 일부 절제가 있을 수 있다. 고온 연소 가스가 유동하는 열-교환기 튜브에 의해 열이 제공될 수 있다.

가스, 샌드, 및 공급원료가 함께 이동하는 순환 유동층 반응기가 이용될 수 있다. 예시적 수송 가스는 재순환된 생성물 가스, 연소 가스, 또는 재순환 가스를 포함한다. 샌드로부터의 높은 열-전달 속도는 공급원료의 빠른 가열을 보장하고, 절제는 일반적 유동층보다 더 강할 것으로 예상된다. 분리기를 이용하여 샌드 및 숯 입자로부터 환원 가스를 분리할 수 있다. 샌드 입자는 유동화 버너 용기에서 재가열되고 반응기로 재활용될 수 있다.

역류 고정층 반응기가 사용되는 일부 구현예에서, 반응기는 본질적으로, 가스화 작용제 (예컨대 스팀, 산소, 및/또는 재순환 가스)가 역류 구성으로 유동하는 공급원료의 고정층으로 이루어진다. 회분은 건조 상태로 또는 슬래그로서 제거된다.

병류 고정층 반응기가 사용되는 일부 구현예에서, 반응기는 역류 유형과 유사하지만, 가스화 작용제 가스는 공급원료와 병류 구성으로 유동한다. 소량의 공급원료를 연소시킴으로써 또는 외부 열원으로부터 열을 층의 상부에 추가한다. 환원 가스는 고온에서 반응기를 떠나고, 이 열의 대부분은 층 상단에 추가된 반응물로 전달되어, 우수한 에너지 효율을 제공한다. 타르는 이 구성에서 탄소의 고온 층을 통과하기 때문에, 타르 수준은 역류 유형 사용시보다 더 낮을 것으로 예상된다.

유동층 반응기가 사용되는 일부 구현예에서, 공급원료는 재순환 가스, 산소, 공기, 및/또는 스팀에서 유동화된다. 회분은 건조 상태로 또는 탈유동화하는 중질 응집물로서 제거된다. 고체의 재순환 또는 후속 연소를 사용하여 전환을 증가시킬 수 있다.

열 및 물질 전달을 향상시키기 위해, 물은 일반적으로 오리피스를 통해 밀폐된 챔버 또는 파이프로 진입함에 따라 유체 유동의 방향 또는 특징을 제어하도록 설계된 기계 장치인 노즐을 사용하여 반응기로 도입될 수 있다. 노즐은 수 액적 크기를 감소시켜 미세한 물 분사를 생성할 수 있다. 노즐은 분무기 노즐 (연료 인젝터와 유사), 액체를 접선 방향으로 주입하는 스월 노즐 등으로부터 선택될 수 있다.

물 공급원은 공정 응축수, 기타 재순환수, 폐수, 보충수, 보일러 급수, 상수도 등으로부터의 직접 배관을 포함할 수 있다. 물은 임의로 먼저 세척, 정화, 처리, 이온화, 증류 등이 될 수 있다. 여러 물 공급원이 사용되는 경우, 다양한 부피비의 물 공급원이 가능하다. 일부 구현예에서, 제2 반응기에 대한 물의 일부 또는 전부가 폐수이다.

일부 변형에서, 환원 가스는 또 다른 생성물로 전환되기 전에 여과, 정화, 또는 다른 방식으로 컨디셔닝된다. 예를 들어, 냉각된 환원 가스는 벤젠, 톨루엔, 에틸 벤젠, 크실렌, 황 화합물, 질소, 금속 및/또는 다른 불순물이 임의로 환원 가스로부터 제거되는 컨디셔닝 유닛에 도입될 수 있다.

일부 구현예는 환원-가스 정화 유닛을 포함한다. 환원-가스 정화 유닛은 그의 설계에 특별히 제한이 없다. 예시적인 환원-가스 정화 유닛은 사이클론, 원심분리기, 필터, 멤브레인, 용매 기반 시스템, 및 기타 입자상 및/또는 기타 특정 오염물 제거 수단을 포함한다. 일부 구현예에서는, 산-가스 제거 유닛이 포함되고, 이는 환원 가스로부터 H₂S, CO₂, 및/또는 다른 산 가스를 제거하기 위한 당업계에 공지된 임의의 수단일 수 있다.

산-가스 제거 단계의 예는 CO₂에 대한 하나 이상의 용매로의 CO₂ 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 글리콜의 디메틸 에테르 및 (Rectisol® 공정에서와 같은）냉장 메탄올을 포함한다.

환원 가스는 다수의 방식으로 활용될 수 있다. 환원 가스는 일반적으로 수소, 일산화탄소, 메탄, 올레핀 (예컨대 에틸렌), 산소첨가제 (예컨대 디메틸 에테르), 알콜 (예컨대 메탄올 및 에탄올), 파라핀, 및 다른 탄화수소로 화학적으로 전환되고/되거나 정화될 수 있다. 환원 가스는 피셔-트롭쉬 화학에 의해 선형 또는 분지형 C₅-C₁₅ 탄화수소, 디젤 연료, 휘발유, 왁스, 또는 올레핀; 다양한 촉매에 의해 혼합 알콜; 이소합성에 의해 이소부탄; 수소 생성 후 하버(Haber) 공정에 의해 암모니아; 산소합성에 의한 알데히드 및 알콜; 및 다양한 공정에 의해 디메틸 에테르, 아세트산, 에틸렌, 프로필렌, 및 포름알데히드를 포함한 메탄올의 많은 유도체로 전환될 수 있다. 환원 가스는 또한 고체-산화물 연료 전지, 스털링(Stirling) 엔진, 마이크로-터빈, 내연 기관, 열-전기 발전기, 스크롤 팽창기, 가스 버너, 또는 열-광발전 장치와 같은 에너지-전환 장치를 사용하여 에너지로 전환될 수 있다.

본 상세한 설명에서, 기술이 어떻게 이해되고 실시될 수 있는지에 관한 다수의 구현예 및 비-제한적 예에 대한 참조가 이루어졌다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 본원에 기재된 모든 특징 및 이점을 제공하지 않는 다른 구현예가 활용될 수 있다. 이 기술은 본원에 기재된 방법 및 시스템의 일상적인 실험 및 최적화를 포함한다. 이러한 수정 및 변형은 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

본 명세서에 인용된 모든 간행물, 특허, 특허 출원, 및 표준 (예를 들어, ISO 표준)은 마치 각각의 간행물, 특허, 또는 특허 출원이 본원에 구체적이고 개별적으로 제시된 것처럼 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

상기에 기재된 방법 및 단계가 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트를 나타내는 경우, 당업자는 특정 단계의 순서가 수정될 수 있으며, 이러한 수정이 본 발명의 변형에 따름을 인식할 것이다. 추가로, 특정 단계는 가능한 경우 병렬 공정에서 동시에 수행될 수도, 또한 순차적으로 수행될 수도 있다.

따라서, 본 개시내용의 사상 내에 있는 또는 첨부된 청구범위에 나타난 발명과 동등한 발명의 변형이 있는 한, 이 특허는 이들 변형 또한 포함하도록 의도된다. 본 발명은 청구된 것에 의해서만 제한될 것이다.

실시예

실시예 1

본 실시예는 저회분, 저황 역청탄으로부터 생성된 종래의 야금 코크스에 대한 탄소 강도 (수명-주기 CO2e 배출량)와 본 개시내용에 따라 생성된 야금 탄소 펠릿의 것의 비교를 제공한다. 추가로, 종래의 야금 코크스로부터 생성된 강철 생성물의 탄소 강도와 야금 탄소 펠릿으로부터의 것들의 비교가 제공된다.

본 실시예는 2019년 GREET® (Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Technologies) 모델을 활용한다. GREET 수명-주기 소프트웨어는 Argonne National Laboratory (미국 일리노이)에 의해 개발되었다. GREET는 고급 화학물질, 연료, 및 물질의 에너지 및 배출 영향을 완전히 평가한다.

야금 코크스 (또한 "메트 코크스"로서 공지됨)는 78.5 wt% 탄소 (이는 고정 탄소의 약 2/3임), 8.7 wt% 회분, 3.3 wt% 수분을 함유하는 출발 역청탄으로부터 생성되며, 32 MJ/kg (건조 기준)의 보다 높은 발열량을 갖는다. 야금 코크스의 생성 공정은 석탄 채굴; 석탄 준비 및 세척; 철도로 250 마일, 트럭으로 75 마일 석탄 수송; 및 열-회수 오븐에서의 코킹을 포함한다. 생성된 야금 코크스는 84.0 wt% 탄소, 13.0 wt% 회분을 함유하며, 본질적으로 수분이 없고, 29 MJ/kg의 보다 높은 발열량을 갖는다.

야금 코크스는 종래의 용광로를 사용하여 강철 제조시 이용된다. 종래의 공정은 문헌 [Schobert, "Comparative Carbon Footprints of Metallurgical Coke and Anthracite for Blast Furnace and Electric Arc Furnace Use", September 2015]에 개시되어 있으며, 이는 본원에 참조로 포함된다.

상기에 기재된 종래의 메트-코크스 공정을 기반으로 하여, GREET 모델을 사용한 계산에 따라, 야금 코크스의 탄소 강도는 석탄 미터톤 당 +3,025 kg CO₂e이다. 강철 생성물의 탄소 강도는 강철 미터톤 당 +1,661 kg CO₂e이다.

상기에 기재된 종래의 생성물과의 비교에 의해, 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿이 하기와 같이 생성된다. 출발 공급원료는, 51.6 wt% 탄소, 0.5 wt% 회분, 및 약 45 wt% 수분을 함유하며, 19.7 MJ/kg의 보다 높은 발열량 (건조 기준)을 갖는 삼림 잔류물로서 지속가능하게 수확된 목재이다. 공정은 삼림 수확 및 나무 깎기; 트럭으로 75 마일 동안 목재 수송; 건조, 열분해, 및 전분/왁스 결합제와의 펠릿화로 펠릿 생성; 철도로 250 마일 및 트럭으로 75 마일 펠릿 수송; 및 종래의 용광로를 사용한 강철 제조를 포함한다. 열분해 오프가스를 연소시켜 목재 공급원료 건조를 위한 열, 열분해 반응을 위한 열, 및 펠릿 건조를 위한 열을 제공하며, 초과량은 전기 생성을 위한 것이다. 생성된 야금 탄소 펠릿은 81.6 wt% 탄소, 13.0 wt% 회분, 및 8.0 wt% 수분을 함유하며, 29 MJ/kg의 보다 높은 발열량을 갖는다.

GREET 모델을 사용한 계산에 따라, 야금 탄소 펠릿의 탄소 강도는 탄소 펠릿 미터톤 당 -593 kg CO₂e이다. 강철 생성물의 탄소 강도는 강철 미터톤 당 -236 kg CO₂e이다. 이들 탄소 강도는 종래의 메트 코크스와 매우 유리하게 비교된다. 특히, 개시된 탄소-네거티브 야금 탄소 펠릿은 석탄-유래 야금 코크스보다 120% 더 낮은 탄소 강도를 갖고, 개시된 탄소-네거티브 강철은 종래의 강철보다 114% 더 낮은 탄소 강도를 갖는다.

실시예 2

본 실시예는, 강철 생성 공정에서 전통적인 탄소 공급원에 대한 대체물로서 바이오탄소를 사용하는 영향을 기재하는, 바이오탄소 펠릿과 관련된 "크래들-투-게이트(cradle-to-gate)" 탄소 강도의 평가를 제공한다. 수명 주기 평가 (LCA)가 이용된다. 이 LCA에서 관심 바이오탄소 생성물은 강철 생성을 위한 원료로서 사용될 수 있다. 따라서, 이 LCA는 문헌 [Product Category Rules for Building-Related Products and Services in North America, Part A: Life Cycle Assessment Calculation Rules and Report Requirements, UL Environment, UL 10010, Version 3.2; Product Category Rules for Building-Related Products and Services in North America, Part B: Designated Steel Construction Product EPD Requirements, UL Environment, UL 10010-34, 2nd edition]에 요약된 요건; 및 ISO 21930에 따라 수행된다.

LCA는 ISO 21930에 상술된 요건을 따르며 ISO 21930, §7.1.1에 요약된 속성 접근을 따른다. LCA는 2021 Professional Database 및 Extension Database XVII: Full US 2021에서 이용가능한 데이터세트를 활용하여 GaBi 소프트웨어 (Sphera Solutions, Inc., 미국 일리노이주 시카고)를 사용하여 수행된다. ISO 14044에 기재되고 ISO 21930, §7.2.2에서 참조된 계산을 적용한다.

본 실시예의 초점은 지구 온난화 지수인 "GWP 100"이다. 기후 변화에 관한 정부간 패널의 권장 사항에 따라, GWP 계산은 100년 시간 프레임을 기반으로 하며, 동등한 중량의 이산화탄소에 대한 가스의 열-포집 용량을 나타내고, 생물기원 탄소는 제외된다. 상대적 열-포집 용량은 분자의 복사 강제력 값 뿐만 아니라 대기 수명의 함수이다. 지구 온난화 지수는 생성물 미터톤 당 CO₂ 환산량 킬로그램 (kg CO₂e)으로 측정된다.

이 LCA 내에서 고려되는 크래들-투-게이트 수명-주기 스테이지는 원료 공급 (추출 및 가공), 수송, 및 제조의 생성물 스테이지를 포함한다. 연구 단위는 바이오탄소 생성물 1 미터톤이고, 이는 많은 상이한 산업에서 활용될 수 있다. 시스템 경계는 또한 기타 필수 입력 물질의 제조, 가공 작업간의 수송, 전기, 천연 가스 및 물과 같은 외부 서비스의 생산, 및 바이오탄소 생성 공정 내의 부산물 생성을 포함한다. 공기, 육지, 및 물로의 폐기물 및 배출물이 포함된다.

바이오매스 공급원료 (톱밥 및 소나무 잔재물)는 대형 트럭을 통해 바이오탄소 생산 공장으로 전달되고 수용 유닛으로 하역된다. 톱밥과 소나무 잔재물은 디젤-연료 대형 트럭을 통해 현지 설비로부터 바이오탄소 생산 공장까지 8 킬로미터 수송된다. 디젤 생성과 관련된 배출물이 이 분석에 포함된다.

컨베이어 벨트를 통해 전달 후, 바이오매스 물질을 스캘핑 (필요한 경우), 스크리닝, 해머-밀링하여 크기를 추가로 감소시키고, 스크리닝 및 사이징 구조에서 부착된 토양을 제거하기 위해 가공한다. 이 물질은 원료 저장 영역으로 전달된다. 스크리닝 및 사이징 구조에서 입자상 물질의 배출물은 백하우스에 의해 제어된다.

이어서, 가공된 바이오매스 공급원료를 원료 저장 구역에서 바이오매스 건조로 전달한다. 바이오매스는 열병합 발전 및 공정 히터 시스템의 열교환기로부터의 고온 공기에 의해 구동되는 회전식 건조기에서 건조된다. 이어서, 건조된 바이오매스는 공정 히터 인피드 에어록으로 전달된다. 바이오매스 건조기로부터의 배기 가스는 다른 공정 작업에서 재사용되는 물을 회수하기 위해 응축기를 통해 포집 및 전송된다. 제습 공정 가스는 열회수 열병합 공정으로 전송된다.

건조된 바이오매스는 공정 히터에 의해 가열되는 열분해를 거쳐 탄소 기판을 생성한다. 열분해는 약 650℃의 열분해 온도 및 약 15-30분의 열분해 시간으로 수행된다. 열분해 공정 동안 생성된 바이오가스는 연료로서의 바이오가스를 공정 히터로 반환하기 전에 탄소 회수를 위해 탄소 회수 유닛으로 보내진다. 공정 히터는 이 회수된 바이오가스에서 정상 상태로 가열된다. 건조기 응축기로부터 회수된 물은 기판 켄칭에 사용된다.

펠릿화 구역에서, 표적 벌크 밀도를 달성하기 위해 습한 탄소 기판이 혼합기 및 펠릿 밀을 통해 공급된다. 탄소 회수 유닛으로부터 회수된 탄소, 대두 기반 수지 첨가제, 및 물은 요망되는 수분 함량 도달을 보조하고 물질의 벌크 밀도를 증가시키기 위해 펠릿 혼합기에 첨가된다. 대두 기반 수지 첨가제의 생성은 Federal LCA Commons (https://www.lcacommons.gov)에 있는 US LCI 데이터베이스로부터의 데이터를 사용하여 모델링된다. 펠릿 밀은 물질을 압축하여 바이오탄소 펠릿을 형성한다. 펠릿화된 생성물은 수출 설비로의 수송을 위해 철도 차량에 적재되기 전에 저장된다.

열분해 공정은 열병합 발전 시스템에서 발전에 활용되는 바이오가스를 생성한다. 생성된 바이오가스는 바이오가스가 스팀 생성을 위해 연소 챔버 및 열-회수 스팀 발생기 (HRSG)로 구성된 열-회수 시스템으로 보내지기 전에 먼저 탄소 회수 장치에서 정화된다. HRSG로부터의 스팀은 터빈 발전기 및 표면 콘덴서로 보내져 시설 내에서의 활용 뿐만 아니라 지역 그리드로의 수출을 위한 전력을 생산한다. 선택적 촉매 환원 유닛 및 전기 집진기는 NO _x 및 입자상 물질 배출물의 환경 제어에 사용된다. 열병합 시스템은 또한 냉각탑 및 보일러 급수 시스템을 포함한다. 수성 암모니아는 현장 열병합 발전 공정에서 선택적 촉매 환원에 활용된다. 수성 암모니아의 생성은 합성가스를 생산하기 위한 천연 가스의 스팀 개질, 합성가스로부터의 H₂생성, 및 H₂ 및 대기 N₂로부터의 NH₃ 생성을 통한 통상적인 생성을 가정하는 GaBi US LCI 데이터세트를 사용하여 모델링된다.

바이오탄소 생산 공장은 현지에서 조달한 톱밥 및 소나무 잔재물을 바이오매스 공급원료로서 활용하며, 이는 다른 경우에는 소각 또는 육지 처분을 겪는다. ISO 21930에 따라, 목재가 지속가능하게 관리되는 삼림으로부터의 것인 경우 목재로부터 생물기원 탄소에 대하여 크레딧을 받을 수 있다. 완성된 바이오탄소에 포획된 이들 목재 트리밍으로부터의 생물기원 탄소는 하기 가정 하에 이 LCA에서 크레딧으로서 모델링된다: 공급원료 수분 함량은 26 wt%임; 건조된 공급원료 탄소 함량은 51.3 wt%임; 또한 바이오탄소 생성물 중에 남아 있는 건조 공급원료로부터의 탄소는 48.6 wt%임. 이들 가정의 결과는 공급원료 1 kg 당 생성물 중에 보유된 0.185 kg의 생물기원 탄소, 또는 공급원료 1 kg 당 0.667 kg의 회피된 생물기원 이산화탄소이다.

바이오탄소 생산 공장은 강철 생산 산업에서의 사용을 위해 의도된 바이오탄소 펠릿을 생산한다. 바이오탄소 펠릿의 조성은 다음과 같다: 85 wt% 고정 탄소; 11.4 wt% 휘발성 물질; 5.8 wt% 수분 (물); 및 3.6 wt% 회분.

바이오탄소 펠릿은 LCA를 사용하여 바이오탄소 펠릿 미터톤 당 -2659 kg CO₂e의 GWP, 또는 탄소 강도를 갖는 것으로 계산된다.

Claims

탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 0 kg CO₂e미만의 탄소 강도(carbon intensity)를 특징으로 하는 탄소-네거티브 탄소 생성물로서, 상기 탄소-네거티브 탄소 생성물은 적어도 약 50 wt% 고정 탄소를 함유하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -500 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -1000 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -1500 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -2000 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -2500 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항에 있어서, 탄소 강도는 탄소-네거티브 탄소 생성물 미터톤 당 약 -3000 kg CO₂e 미만인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 약 60 wt% 고정 탄소를 함유하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제8항에 있어서, 적어도 약 70 wt% 고정 탄소를 함유하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제8항에 있어서, 적어도 약 80 wt% 고정 탄소를 함유하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제8항에 있어서, 적어도 약 90 wt% 고정 탄소를 함유하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 약 1 wt% 내지 약 30 wt% 수분을 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제12항에 있어서, 약 5 wt% 내지 약 15 wt% 수분을 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제12항에 있어서, 약 2 wt% 내지 약 10 wt% 수분을 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 약 0.1 wt% 내지 약 1 wt% 수분을 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 첨가제를 추가로 함유하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 약 0.2 wt% 내지 약 25 wt%의 첨가제를 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제17항에 있어서, 약 5 wt% 내지 약 20 wt%의 첨가제를 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제17항에 있어서, 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 첨가제를 포함하는 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 부분적으로 산화 및/또는 연소될 수 있는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 재생가능 물질인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 탄소-중립 또는 탄소-네거티브 첨가제인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 결합제인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제23항에 있어서, 결합제는 유기 결합제인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제23항에 있어서, 결합제는 무기 결합제인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제23항에 있어서, 결합제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 카르복시메틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 헤미셀룰로스, 메틸셀룰로스, 키토산, 리그닌, 락토스, 수크로스, 덱스트로스, 말토덱스트린, 바나나 가루, 밀가루, 밀 전분, 콩 가루, 옥수수 가루, 목분, 콜타르, 석탄 미립자, 메트 코크스, 아스팔트, 콜타르 피치, 석유 피치, 역청, 열분해 타르, 길소나이트, 벤토나이트 점토, 붕사, 석회석, 석회, 왁스, 식물성 왁스, 베이킹 소다, 베이킹 파우더, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 철광석 정광, 실리카 흄, 석고, 포틀랜드 시멘트, 구아 검, 폴리비돈, 폴리아크릴아미드, 폴리락티드, 포름알데히드, 이탄, 물이끼 이탄, 페놀-포름알데히드 수지, 식물성 수지, 재활용 슁글, 재활용 타이어, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택되는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제23항에 있어서, 결합제는 전분, 열가소성 전분, 가교 전분, 전분 중합체, 이들의 유도체, 또는 임의의 이들의 조합으로부터 선택되는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제23항에 있어서, 결합제는 임의로 가교된 열가소성 전분인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제28항에 있어서, 열가소성 전분은 전분 및 폴리올의 반응 생성물이고, 여기서 폴리올은 임의로 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 부탄디올, 부탄트리올, 에리트리톨, 크실리톨, 소르비톨, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고, 여기서 반응 생성물은 임의로 산에 의해 또는 염기에 의해 촉매되는 반응으로부터 형성되는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 첨가제가 없는 다른 동등한 탄소 생성물과 비교하여 탄소-네거티브 탄소 생성물의 반응성을 감소시키는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 열 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제31항에 있어서, 첨가제가 없는 다른 동등한 탄소 생성물과 비교하여 더 낮은 자기-가열(self-heating)을 갖는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 산소와의 화학 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 물과의 화학 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 수소와의 화학 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 일산화탄소와의 화학 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제30항에 있어서, 반응성은 금속과의 화학 반응성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항에 있어서, 첨가제는 탄소-네거티브 탄소 생성물 내에서 기공-충전성인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제16항 또는 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 첨가제는 탄소-네거티브 탄소 생성물의 표면 상에 배치되는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 형태인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 과립 형태인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 응집 형태인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제42항에 있어서, 응집 형태는 탄소-네거티브 탄소 펠릿인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제43항에 있어서, 탄소-네거티브 탄소 펠릿은 적어도 30의 하드그로브 연삭성 지수(Hardgrove Grindability Index)를 특징으로 하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제43항에 있어서, 탄소-네거티브 탄소 펠릿은 적어도 80%의 펠릿 내구성 지수(Pellet Durability Index)를 특징으로 하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소-네거티브 야금 탄소 생성물인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소-네거티브 비-야금 탄소 생성물인, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 50% 재생가능 탄소 함량을 함유하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 적어도 90% 재생가능 탄소 함량을 함유하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.
제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소의 ¹⁴C/¹²C 동위원소비 측정으로부터 결정시 100% 재생가능 탄소 함량을 함유하는, 탄소-네거티브 탄소 생성물.