열 분해 (TDP)는 복합 유기 물질 (일반적으로 다양한 종류의 폐기물, 주로 바이오 매스 및 플라스틱)을 경질 원유로 환원시키기 위해 함수 열분해를 이용한 해중합 공정입니다. 그것은 화석 연료의 생산과 관련이 있다고 생각되는 자연 지질 학적 과정을 모방합니다. 압력과 열에 의해 수소, 산소 및 탄소의 긴 사슬 고분자는 최대 길이가 약 18 인 단쇄 석유 탄화수소로 분해됩니다.
중합체가 분해 될 수있는 가능한 방법은 다음과 같습니다.
열처리 : 긴 건조 시간, 압출기 또는 연료 이송에서의 긴 체류 시간
역학 : 가공 중 마찰, 마찰
광화학
화학 방사선
생물학 : 미생물
화학 : 가수 분해, 가수 분해
해중합 (dissolymerization)은 분해의 특수 범주이며 단량체, 단량체 또는 올리고머의 혼합물에서 중합체를 전환시키는 과정입니다. 탈 중절은 중합체 사슬을 단량체 또는 올리고머로 분해하는 과정입니다.이는 일반적으로 고온 (열) 또는 가수 분해 (화학적) 약품으로 이루어집니다.
일반적으로, 열적 해중합은 고분자 단량체가 고온 단량체로 전환되는 화학 반응으로 분류됩니다.
해중합은 polimetilmetactilato (PMMA), 폴리스티렌 (PS) 및 메타 크릴 레이트의 일부 수지의 열분해 중에 발생합니다. 일반적으로 폴리 아미드 (PA)와 폴리 에스테르 (PET, PBT)와 같은 응축 중합체는 열 중합 화되지 않는 반면, 첨가에 의해 생성 된 중합체는 고온에서 해중합 될 수있다.
화학적 해중합은 활성 수소 원자를 함유 한 화합물이 축합 중합체의 주쇄의 극성 그룹과 반응한다는 것이다. 일반적으로이 반응은 아미드, 에스테르 또는 우레탄의 결합의 산성 또는 염기성 가수 분해 (수소 결합 분해)입니다.
이론과 과정
탄화수소 중합체를 분해하기위한 이전의 기술은 과도한 물을 제거하기 위해 많은 에너지를 소비했다.한편, 열 분해는 물을 사용하여 가열 과정을 개선하고 물은 수소 분자를 반응 물에 전달합니다.
원료가 너무 건조한 경우 공급 원료를 먼저 분쇄하고 물과 혼합합니다. 그런 다음 250 ° C로 가열하고 약 15 분 동안 4 MPa의 압력을가한다. 그런 다음 압력이 급속히 떨어지고 대부분의 물이 증발합니다.결과는 분리 된 탄화수소와 고형물의 혼합물입니다. 탄화수소는 500 ° C로 다시 가열되어 더 많은 분자가 절단됩니다. 생성 된 액체 탄화수소 혼합물은 통상적 인 오일과 유사한 방식으로 증류된다.
회사는이 프로세스의 에너지 효율성이 560 %라고 주장합니다 (소비되는 에너지 15 단위 당 85 단위의 에너지 생성). 플라스틱 폐기물과 같은 탄소가 풍부한 건조제 투입으로 더 높은 효율을 얻을 수 있습니다.
비교를 위해 농업 원천에서 바이오 디젤과 바이오 에탄올을 생산하는 데 사용되는 현재의 방법은 약 320 %의 에너지 효율을 갖는다.
열적 해중합 화를 통해 독극물 및 분해가 잘되지 않는 병원 폐기물을 비롯한 다양한 물질을 절단 할 수 있습니다.
반면에, 원료로 사용될 수있는 많은 농업 폐기물은 이미 비료, 연료 또는 동물 사료로 사용됩니다.
유사한 프로세스
열분해는 직접 수 열 액화 (Direct hydrothermal Liquefaction)와 같은 연료를 생산하기위한 주요 단계로 과열 된 물을 사용하는 다른 공정과 유사합니다. 이들은 열분해와 같은 해중합 물질을 사용하는 공정과 구별됩니다. 열 화학적 전환 (TCC)이라는 용어는 열분해를 통한 연료 생산에보다 일반적으로 적용되지만 과열 수를 사용하여 바이오 매스를 오일로 전환하는데도 사용되었습니다. 다른 상업적 규모의 공정에는 EnerTech에서 운영하는 “SlurryCarb”공정이 있는데, 비슷한 기술을 사용하여 습식 고체 바이오 폐기물을 탈 카복실 화 한 다음 물리적으로 탈수하여 E-Fuel이라는 고체 연료로 사용할 수 있습니다. 캘리포니아 리알토 공장은 하루 683 톤의 폐기물을 처리하도록 설계되었습니다. 그러나 표준 설계에 실패하여 폐쇄되었습니다. 리알토 시설은 채권 상환 불이행으로 현재 청산 중입니다. HTU (Hydro Thermal Upgrading) 프로세스는 과열 된 물을 사용하여 가정 폐기물에서 오일을 생산합니다.데모 플랜트는 하루 64 톤의 바이오 매스를 석유로 처리 할 수 있다고 네덜란드에서 시작될 예정이다.열분해는 수화 과정과 무수 균열 / 증류 과정을 포함한다는 점에서 다르다.
역사
열적 해산은 오늘날 사용되는 화석 연료를 생산 한 지질 학적 과정과 유사하지만 기술 과정은 시간 단위로 측정된다. 최근까지 인간이 설계 한 프로세스는 실제 연료 원으로 사용될만큼 효율적이지 않았습니다. 생산 된 것보다 더 많은 에너지가 필요했습니다.
석탄, 타르 또는 바이오 매스의 열분해를 통해 가스, 디젤 연료 및 기타 석유 제품을 얻는 첫 번째 산업 공정은 1920 년대 후반 피셔 – 트롭시 (Fischer-Tropsch)가 설계하고 특허를 취득했습니다. 1939 년에 발행 된 미국 특허 제 2,177,557 호에서 버크 스트롬 (Bergstrom)과 세더 퀴 스트 (Cederquist)는 목재를 수압 하에서 가열하고 상당한 양의 수산화칼슘을 혼합물에 첨가하여 목재로부터 오일을 얻는 방법에 대해 논의한다. 1970 년대 초 Herbert R. Appell과 동료들은 수압 열분해 법을 사용하여, 하수 슬러지 및 도시 쓰레기로부터의 석유 생산을 압력 하에서 물에서 가열함으로써 논의하는 미국 특허 3,733,255 (1973 년 발행) 일산화탄소가 존재할 때.
일리노이 미생물 학자 Paul Baskis는 1980 년대에 손익 분기점을 초과 한 접근법을 개발하여 다음 15 년 동안 정제했습니다 (1993 년 발행 된 미국 특허 5,269,947 참조). 이 기술은 마침내 Changing World Technologies (CWT)에 의해 1996 년 상업적 용도로 개발되었습니다. Brian S. Appel (CWT의 CEO)은 2001 년에이 기술을 도입하여이를 TCP (Thermal Conversion Process)로 변경하여 여러 특허를 출원 및 획득했습니다 (예 : 발행 된 특허 8,003,833 , 2011 년 8 월 23 일 발행). 열분해 시연 공장은 1999 년 Philadelphia에서 Thermal Demolymerization, LLC에 의해 완성되었으며 ConAgra Foods의 대규모 Butterball 칠면조 공장에서 약 100 야드 (91 m) 떨어진 미주리 주 카르타고에 최초의 본격적인 상업용 공장이 건설되었습니다. 하루에 약 500 톤의 칠면조 폐기물을 500 배럴 (79㎥)의 기름으로 처리 할 것으로 예상된다.
이론과 과정
CWT에서 사용되는 방법에서 물은 가열 과정을 개선하고 반응에 수소를 기여합니다.
변화하는 세계 기술 (CWT) 과정에서, 원료 물질은 먼저 작은 덩어리로 분쇄되고 특히 건조한 경우 물과 혼합됩니다. 그런 다음 압력 용기 반응 챔버로 공급되어 일정한 부피에서 약 250 ° C로 가열됩니다.압력 밥솥과 마찬가지로 (훨씬 높은 압력을 제외하고), 증기는 자연스럽게 600 psi (4 MPa)까지 압력을 상승시킵니다 (포화 수 근처). 이 조건은 혼합물을 완전히 가열하기 위해 약 15 분 동안 유지 한 후 압력을 신속하게 방출하여 대부분의 물을 끓입니다 (플래시 증발 참조). 그 결과 미정 제 탄화수소와 고체 미네랄이 혼합되어 있습니다. 미네랄이 제거되고 탄화수소는 2 단계 반응기로 보내지며 500 ℃로 가열되어 더 긴 탄화수소 사슬을 분해합니다. 그 다음, 탄화수소는 분별 증류에 의해 종래의 정유와 유사한 공정으로 분류된다.
CWT 회사는 원료 에너지의 15-20 %가 발전소에 에너지를 공급하는 데 사용된다고 주장합니다. 나머지 에너지는 변환 된 제품에서 사용할 수 있습니다. 칠면조 껍질을 공급 원료로 사용하여이 공정은 약 85 %의 생산 효율을 나타 냈습니다. 바꾸어 말하면, 공정의 최종 생성물에 포함 된 에너지는 공정 투입물에 포함 된 에너지의 85 % (가장 중요한 것은 공급 원료의 에너지 함량뿐 아니라 펌프 및 천연 가스 또는 난방을위한 목재 가스의 전기도 포함 함) ). 공급 원료의 에너지 함량을 무료로 고려하면 (예 : 다른 공정의 폐기물), 공정 열과 전기에서 소비되는 에너지 15 단위마다 85 단위의 에너지를 이용할 수 있습니다. 이는 “에너지로 환원 된 에너지”(EROEI)가 (6.67), 이는 다른 에너지 수확 공정과 비교할 만하다는 것을 의미합니다. 폐 플라스틱과 같이 건조하고 탄소가 풍부한 공급 원료를 사용하면 더 높은 효율이 가능할 수 있습니다.
비교해 보면, 현재의 생산 과정에서 에탄올과 바이오 디젤을 생산하는 데는 EROEI가 4.2 범위에 있는데, 공급 원료를 생산하는 데 사용되는 에너지가 고려 될 때 (이 경우 일반적으로 사탕 수수, 옥수수, 대두 및 처럼). 이러한 EROEI 값은 공급 원료를 생산하기위한 에너지 비용을 포함하고 있기 때문에 EROEI 값은 직접 비교할 수 없습니다. 반면 열분해 분해 프로세스 (TDP)에 대한 EROEI 계산은 그렇지 않습니다.
이 프로세스는 거의 모든 재료를 공급합니다. TDP는 심지어 독극물과 프리온과 같은 생물학적 물질을 파괴하기가 어려운 많은 종류의 유해 물질을 효율적으로 분해합니다.
| 공급 원료 | 유화 | 가스 | 고형분 (대부분 탄소 기반) | 물 (스팀) |
|---|---|---|---|---|
| 플라스틱 병 | 70 % | 16 % | 6 % | 8 % |
| 의료 폐기물 | 65 % | 10 % | 5 % | 20 % |
| 타이어 | 44 % | 10 % | 42 % | 4 % |
| 터키 산품 | 39 % | 6 % | 5 % | 50 % |
| 하수 슬러지 | 26 % | 9 % | 8 % | 57 % |
| 종이 (셀룰로오스) | 8 % | 48 % | 24 % | 20 % |
(참고 : 종이 / 셀룰로오스는 적어도 1 %의 미네랄을 함유하고 있으며 아마 탄소 고형물로 분류되어있을 것입니다.)
카르타고 식물 제품
Discover Magazine의 04/02/2006에보고 된 것처럼 Carthage, Missouri 공장은 270 톤의 칠면조 내장과 20 톤의 돼지 기름으로 만든 오일을 하루에 500 배럴 (79m3 / d) 생산합니다. 이는 22.3 %의 석유 생산량을 나타냅니다. Carthage 공장은 고가의 원유 인 API 40+를 생산합니다. 그것은 가볍고 무거운 나프타, 등유, 그리고 중질 연료 오일, 타르, 아스 팔틴 또는 왁스가없는 가스 오일 분획을 함유하고 있습니다. 2 번 연료 오일과 4 번 연료 오일을 더 정제 할 수 있습니다.
D-5443 PONA 방법에 의한 TDP-40 오일 분류
| 출력 재료 | 중량 % |
|---|---|
| 파라핀 | 22 % |
| 올레핀 | 14 % |
| 나프 텐 | 삼% |
| 방향족 | 6 % |
| C14 / C14 + | 55 % |
| 100 % |
TDP 공정에 의해 생산 된 고정 탄소 고형물은 필터, 연료 공급원 및 비료로서 여러 용도로 사용됩니다. 그것은 폐수 처리시, 비료로서, 또는 석탄과 유사한 연료로서 활성탄으로 사용될 수 있습니다.
장점
이 과정은 화학 결합을 파괴하고 독의 활동에 필요한 분자 모양을 파괴하여 유기물 독성을 분해 할 수 있습니다. 프리온을 포함한 병원체를 죽이는 데 매우 효과적 일 것입니다. 또한 시료에서 중금속을 이온화 또는 유기 금속 형태에서 안정한 산화물로 전환하여 중금속을 안전하게 제거 할 수 있습니다.이 산화물은 다른 제품과 안전하게 분리 될 수 있습니다.
유사한 공정과 함께 물을 먼저 제거하지 않고 유기 물질의 에너지 함량을 재활용하는 방법입니다. 그것은 건조 할 필요없이 물리적으로 물과 분리되는 액체 연료를 생산할 수 있습니다. 에너지를 회수하는 다른 방법은 종종 예비 건조 (예 : 연소, 열분해) 또는 가스 생성물 (예 : 혐기성 소화)을 필요로합니다.
잠재적 폐기물 배출원
미국 환경 보호국 (US Environmental Protection Agency)은 2006 년에 2 억 5 천 1 백만 톤의 도시 쓰레기가 발생했거나 미국에서 1 인당 하루에 4.6 파운드가 발생한다고 추정합니다. 이 질량의 대부분은 오일 전환에 적합하지 않은 것으로 간주됩니다.
제한 사항
그 과정은 단지 긴 분자 사슬을 더 짧은 분자 사슬로 분해하기 때문에 이산화탄소 나 메탄과 같은 작은 분자는이 과정을 통해 오일로 전환 될 수 없다. 그러나 공급 원료의 메탄을 회수하고 연소시켜 공정의 필수적인 부분 인 물을 가열합니다. 또한 가스는 전기를 생성하기 위해 발전기를 구동하는 가스 터빈과 배기 가스로부터 공정 수를 가열하기위한 열교환기로 구성된 결합 된 열병합 발전소에서 연소 될 수 있습니다. 전기는 전력 요금 체계 (feed-in tariff scheme)와 같이 전력망에 판매 될 수 있습니다. 이는 또한 공정의 전체 효율을 증가시킵니다 (이미 원료 에너지 함량의 85 % 이상이라고 말함).
또 다른 옵션은 메탄 제품을 바이오 가스로 판매하는 것입니다. 예를 들어 바이오 가스는 천연 가스와 마찬가지로 압축 될 수 있으며 자동차에 동력을 공급하는 데 사용됩니다.
많은 농업 및 축산 폐기물을 처리 할 수 있지만, 이들 중 많은 것들은 이미 비료, 동물 사료, 경우에 따라 제지 공장의 공급 원료 또는 보일러 연료로 사용됩니다. 에너지 작물은 열분해 화를위한 또 다른 잠재적으로 큰 공급 원료를 구성합니다.
현재 상태
2004 년 보고서에 따르면 카르타고 공장은 석유 가격보다 10 % 저렴한 가격에 제품을 판매했지만 생산 비용은 낮아 이익을 창출했다. 당시 칠면조 폐기물 (아래 참조)을 지불하고있었습니다.
이 공장은 270 톤의 칠면조 (칠면조 가공 공장의 생산량)와 20 톤의 계란 생산 폐기물을 매일 섭취했습니다. 2005 년 2 월 카르타고 공장은 하루 약 400 배럴 (64 m3 / d)의 원유를 생산하고있었습니다.
2005 년 4 월 공장은 손실로 운영되는 것으로보고되었습니다. 2005 년 보고서에는 카르타고 공장이 계획 단계에서 겪은 경제적 어려움이 요약되어 있습니다. 광우병에 대한 우려가 칠면조 폐기물 및 다른 동물성 제품을 소 사료로 사용하는 것을 막을 것이므로이 폐기물은 자유 롭다고 생각되었다. 사실 터키의 쓰레기는 미국에서 사료로 사용 될 수 있으므로이 시설은 톤당 30 ~ 40 달러의 비용으로 해당 사료를 구매해야하며 석유 가격에 배럴당 15 ~ 20 달러가 추가되어야합니다. 최종 비용은 2005 년 1 월 현재 $ 80 / barrel ($ 1.90 / gal)이었다.
위의 생산 비용에는 냄새 불만에 대한 응답으로 2005 년 5 월에 추가 된 열 산화 장치 및 세정기의 운영 비용도 제외됩니다 (아래 참조).
관련 미국 세법에 따라 생산 된 석유가 “바이오 디젤”의 정의를 충족시키지 않았기 때문에 미국 갤런 (26 ¢ / L) 당 약 1 달러의 바이오 연료 세액 공제가 가능하지 않았습니다. 2005 년의 에너지 정책 법 (Energy Policy Act of 2005)은 특히 열분해 화를 1 달러의 재생 가능 디젤 크레디트에 추가하여 2005 년 말에 효과적으로 발효 오일의 배럴당 4 달러의 이익을 허용했습니다.
회사 확장
이 회사는 캘리포니아, 펜실베니아 및 버지니아에서의 확장을 모색 중이며, 현재 동물 제품을 소 사료로 사용할 수없는 유럽 프로젝트를 검토 중입니다. TDP는 또한 미국에서 하수 처리의 대체 수단으로 간주되고 있습니다.
불만을 냄새 맡다.
카르타고의 시험 공장은 냄새로 인해 일시적으로 문을 닫았습니다. 공장에서 냄새가 거의 발생하지 않았다는 사실이 알려 지자 곧 다시 시작되었습니다. 또한이 공장은 향상된 열 산화 장치를 설치하고 법원 명령에 따라 공기 정화기 시스템을 업그레이드하기로 합의했습니다. 이 공장은 관광객 유치 도시 중심에서 불과 4 블록 떨어진 곳에 있기 때문에 시장과 카르타고 시민과의 관계가 어려워졌습니다.
회사 대변인에 따르면, 공장은 운영되지 않는 날에도 불만을 접수했다. 그녀는 또한 냄새가 여러 다른 농산물 가공 공장 근처에 위치한 시설에서 생산되지 않았을 수도 있다고 주장했다.
2005 년 12 월 29 일, 공장은 주지사로부터 MSNBC에 의해보고 된 악취에 대한 혐의에 대해 다시 한 번 명령을 내렸다.
2006 년 3 월 7 일 현재이 공장은 악취 문제가 해결되었는지 확인하기 위해 제한된 테스트를 시작했습니다.
2006 년 8 월 24 일 현재 냄새 문제와 관련한 마지막 소송은 기각되었고 문제는 해결 된 것으로 인정됩니다. 그러나 11 월 하순에 악취에 대한 또 다른 불만이 제기되었습니다. 이 불만 사항은 2007 년 1 월 11 일에 종결되었으며 벌금은 부과되지 않았습니다.
2009 년 2 월 현재 상태
Discover Magazine의 2003 년 5 월호 기사에 “Appel은 알라바마에서 닭고기 찌꺼기와 거름을 처리하고 네바다에서 잔류 물과 기름을 제거하는 시범 공장 건설에 도움이되는 연방 기금을 마련했습니다. 또한 칠면조 폐기물 및 거름을 처리하는 공장 그는 콜로라도와 돼지 고기 및 치즈 폐기물을 이탈리아에서 처리 할 것이라고 말하면서 2005 년에 1 세대 분해 중합 센터가 가동 될 것이라고 말하면서 그 기술이 후원자들의 주장만큼이나 기적인지 분명해야한다.
그러나 2008 년 8 월 현재 미주리 주 카르타고 (Carthage)에있는 유일한 운영 공장은 회사 웹 사이트에 나와 있습니다.
변화하는 세계 기술은 8 월 12 일 IPO 신청; 2008 년, 1 억 달러를 모으기를 희망합니다.
CWT가 거의 수익을 내지 못해 2,000 만 달러를 잃었 기 때문에 비정상적인 네덜란드 옥션 유형 IPO가 실패했을 수 있습니다.
재생 가능 에너지 솔루션의 모회사 인 CWT는 11 장 파산 신청을했다. 카르타고 공장 계획에 대한 세부 사항은 공개되지 않았다.
2013 년 4 월 캘거리에 본사를 둔 캐나다 회사 인 Ridgeline Energy Services가 CWT를 인수했습니다.
유사한 기술
플라즈마 변환기는 강력한 전기 아크를 사용하여 폐기물에서 에너지를 줄이고 추출합니다.
습식 산화
수소 첨가 분해