CN104001708A - 由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法及其生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法及其生成装置，上述方法包括向具有蒸气发生装置的加温压力反应器投入食物垃圾的步骤及从蒸气发生装置向加温压力反应器的内部投入饱和水蒸气来使食物垃圾分离为可溶液及碳化固体物的步骤。本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法中，由蒸气发生装置供给的饱和水蒸气通过一次蒸气供给管及二次蒸气供给管分别向反应器内部供给，在这里，一次蒸气供给管及二次蒸气供给管在加温压力反应器开始运行的同时打开并迅速达到所要求的热力学条件，在加温压力反应器运行的过程中，二次蒸气供给管间歇性地向加温压力反应器的内部供给为了追加供给不足的热能及提高内部的热传递所需的饱和水蒸气。

Description

由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法及其生成装置

技术领域

本发明涉及一种由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法及其生成装置（A method for production of carbonized solid and soluble liquidfrom food waste and a device for production of the same）。

背景技术

通常，在韩国国内所产生的食物垃圾达到2008年环境部统计基准14452吨/日，其中，占大约92.2%的13326吨/日的食物垃圾被再利用。但现状是，这些食物垃圾再利用设施中的80.8%的206处的处理设施作为堆肥或饲料等单纯低附加价值产品而被再利用。

食物垃圾存在如下问题：食物垃圾作为含水率高的有机性废弃物，在有机物的细胞壁的内部存在大量结合水形态的水分，因而利用机械脱水，很难维持70%以下的含水率，并且容易腐烂，因这种特性而会引发浸出水、恶臭及害虫产生等二次环境污染。目前，现有的大部分食物垃圾处理设施与工艺无关地在预处理工序中实施机械脱水，在这过程中所产生的渗滤液鉴于处理费用及效率等而几乎依赖于海洋投弃。但是，根据伦敦公约自2013年开始全面禁止了海洋投弃，因此急需应对方案，即合理的陆地处理方案。

如上所述，食物垃圾的脱水效率非常低，因此，现有的处理设施在进行脱水之后还使用如锯末等水分调节剂或通过借助热风的干燥工序来调节含水率。但是，利用锯末的情况下，存在不仅要随着价格的持续上升而承担高成本而且因过多的使用量而无法实现减量化的严重的问题。并且，利用热风干燥的情况下，干燥时利用120℃左右的热风来进行处理，因此，需要过高的能量费用，并且因热风挥发出恶臭物质并需要供给外部空气源等原因引发了周边地区居民的严重的民怨。

1970年代石油危机（oil shock）以后，开发出了能够由煤炭或生物质（Biomass）生产能量的热分解（液化、气化）处理技术。热分解处理技术是一种在无氧或低氧状态下向有机物施加热时有机物转换为能量的技术，进行吸热反应，因此作为能源的利用率高，且因没有外部空气源的注入，而几乎没有大气污染。特别是，食物垃圾作为代表性的有机物，能够实现减量化、防止恶臭、生成能源，因此，最近正在开发用于利用上述食物垃圾的诸多技术。

分析食物垃圾的成分和元素含量的结果，大部分为水分，有机物仅占12.6%，无机物仅占6.8%，有机物中碳（C）含量为49%，至于热量，因含水率高而在直接燃烧时具有492kcal/kg的低发热量。但是，对经过热分解过程生成的碳化固体物的发热量进行分析的结果，具有3000kcal/kg～4000kcal/kg左右的发热量，这与火力发电用无烟煤类似，因此，作为清洁燃料其利用率非常高。

食物垃圾热分解处理技术按照温度范围区分为常温（60℃～100℃）、中温条件（100℃～175℃）及高温条件（175℃～225℃）。并且，根据试样的含水量可区分为在高温低压的条件下进行的干式热分解和在高温高压的条件下进行的湿式热分解。本发明的湿式热分解不对试样进行酸处理或碱处理，而是在利用密闭型加温压力水平式反应器的还原环境下进行反应，因此，与湿式氧化等技术大有区别。

高温低压的干式热分解工序是一种经过干燥等预处理过程预先除去食物垃圾的水分之后通过热分解回收能源的工序，反应温度为350℃～750℃，压力低至大气压水平。虽存在需要另行承担预处理干燥费用并解决恶臭产生问题的缺点，但能量回收时生成的冷凝水少，因此冷凝水分离费用少，且方便运行，是实际应用广泛的技术（加拿大环境部Bayer&Kutubuddin，1982等）。高温高压的湿式热分解工序是一种不通过预处理除去水分（含水率为80%以上）的情况下进行热分解的技术，在反应温度为300℃～750℃时，随着试样内的水分气化的同时反应压力可达到170气压。因此，需要根据食物垃圾试样所包含的含水量加大反应器的大小，并且水分气化而形成的蒸气压致使反应器的压力上升至所需压力以上。除此之外还存在如下缺点：由于需要水分的气化能量（在1个标准大气压下539cal/g），因而热分解本身就需要较多的能量，而且热分解之后生成大量冷凝水致使冷凝水分离装置变大至所需大小以上，很难运行（Metcalf&Eddy，1978）。

若食物垃圾经过高温高压的湿式热分解工序，细胞壁就会遭到破坏而使得结合水分离，因此，固体物的脱水性得以提高的同时通过碳成分的固定化而转换为发热量高的固体燃料。并且，在这种过程中，所分离的结合水转换为具有热能的水蒸气而使除了固体燃料之外的其余有机物水解，使高分子转换为低分子，从而在反应余液中随着低分子的溶解性有机物的溶解使SCOD（Soluble COD，溶解性化学需氧量）增加。即，作为食物垃圾的主要构成成分的碳水化合物、脂肪、蛋白质等高分子物质通过热水解转换为单糖/多糖类、脂肪酸、氨基酸、丙三醇等可溶性低分子物质，而被微生物吸收，从而生物降解性得以提高，以容易作为代谢和生长能源利用。

另一方面，在韩国专利第515497号中公开了经过高温高压的湿式热分解工序生成固体碳化物的方法。这里所述的方法局限于将下水污泥（sludge）作为原料来生成固体碳化物的方法，为了对反应器进行加热，加温压力水平式反应器的加热采用通过加温压力水平式反应器的外部的电热器进行的间接加热方式，而存在以下问题：致使传热率降低，并且由于仅利用污泥所具有的水分来维持热力学温度及压力条件，因而最终导致升温/升压所需的时间变长，碳化率下降。并且，上述专利的高温高压的湿式热分解反应器作为垂直式反应器，若要投入并排出污泥，需要使反应器的上部与下部全部分离。进而，由于只有上部存在搅拌器的驱动轴，因而装备进行大容量化时，将会经常发生因搅拌器的负荷引起的机械故障，非常不便。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述韩国专利第515497号所述的技术的局限性，提供一种由食物垃圾同时制备碳化固体物及借助厌氧消化（anaerobic digestion）能够生成沼气（methane gas）的可溶液的方法。

本发明的再一目的在于，通过提高高温高压的湿式热分解反应器的热传递效率来缩短反应器的处理时间的同时提高固体碳化率及可溶化率。

本发明的另一目的在于，提供一种同时生成发热量即单位质量热量（kcal/kg）高的碳化固体物及适合厌氧消化且回收能量率高的可溶液的方法。

本发明的又一目的在于，提供一种容易对反应器进行维护维修且无压力泄露担忧，因而不仅安全，而且通过直接向反应器的内部传递热而能够降低热损失的食物垃圾的处理方法。

本发明的还一目的在于，提供一种用于实现本发明的多个方法的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置。

本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法包括：向具有蒸气发生装置的加温压力反应器投入食物垃圾的步骤；从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器内部投入饱和水蒸气来使食物垃圾分离为可溶液和碳化固体物的步骤。

本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法的特征在于，由蒸气发生装置供给的饱和水蒸气通过一次蒸气供给管及二次蒸气供给管分别向加温压力反应器的内部供给，在这里，一次蒸气供给管及二次蒸气供给管被控制为在加温压力反应器开始运行的同时打开并迅速达到所要求的热力学条件，在加温压力反应器运行的过程中，控制二次蒸气供给管使其间歇性地向加温压力反应器的内部供给为了追加供给不足的热能及提高内部的热传递所需的饱和水蒸气。

并且，本发明提供一种由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的装置，其特征在于，包括：加温压力反应器，其用于收容食物垃圾；搅拌器，其与上述加温压力反应器相结合，用于搅拌收容在上述加温压力反应器的内部的食物垃圾；蒸气发生装置，其用于加热上述加温压力反应器；蒸气供给管，其用于从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器供给作为热源的饱和水蒸气；以及温度/压力调节单元，其用于根据热力学基准来调整上述加温压力反应器的温度及压力，以抑制从食物垃圾提取的水分的气化能量需要。

本发明的主要效果如下：通过提高高温高压的湿式热分解反应器的热传递效率来大幅缩短反应器的处理时间的同时提高固体碳化率及可溶化率，从而同时提供单位质量热量（kcal/kg）高的碳化固体物和适合厌氧消化的可溶液。

并且，通过本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法生成的可溶液被均质化成在生物学上容易处理，以SCOD基准，有机物浓度高达100000mg/L以上，有利于生成生物气（biogas），并且碳化固体物的发热量同样为4000kcal/kg以上，能量回收率非常高。

并且，本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法及装置具有如下优点：能够大幅减少食物垃圾量，发生事故的危险低，因而安全，维护维修更加方便，并且因运行时间短而能够在更短的时间内处理大量的食物垃圾，从而能够将处理效率最大化。

附图说明

图1是本发明的一实施例的具有加温压力反应器100、蒸气发生装置200、控制盘300、废气冷凝器400、冷却器500、清洗箱（tank）600及浆料回收箱700等的固体碳化物及可溶液生成装置的整体简图。

图2放大示出图1中所示的诸多装置中的加温压力反应器100及其周边装置。

图3是从正面观察本发明的一实施例的加温压力反应器100的透视图。

图4立体性地示出在本发明的一实施例的加温压力反应器100的内部安装的搅拌器140的结构。

图5立体性地示出在本发明的一实施例的加温压力反应器100的内部安装的搅拌轴141、搅拌杆143、搅拌翼149的排列。

图6是基于温度和压力的水的相平衡图。

具体实施方式

本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法包括：向具有蒸气发生装置的加温压力反应器投入食物垃圾的步骤；以及从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器的内部投入饱和水蒸气来使食物垃圾分离为可溶液和碳化固体物的步骤。

与现有的加温压力反应器不同，本发明中采用非电热器的蒸气发生装置，来对加温压力反应器进行加热。就现有的加温压力反应器中所采用的电热器而言，利用的是从外部对热分解用加温压力反应器进行加温的间接加热方式，而这存在以下问题：致使传热率下降，并且由于仅利用食物垃圾所具有的水分来维持热力学条件所要求的压力及温度条件，因而最终导致升温及升压所需的时间变长，固体碳化率及可溶化率下降。

本发明采用的是直接加热方式，即，使用蒸气发生装置来代替电热器，来直接向加温压力反应器的内部投入热力学所要求的条件的饱和水蒸气，从而明显缩短升温及升压所需的时间，不仅利用食物垃圾水分，还利用所投入的饱和水蒸气，从而实现碳化率及可溶化率的提高。

外部加热因关于间接热传递的非可逆性而导致低的热效率。热传递大体上通过对流、传导、辐射来进行，其中，对流的传热速度最快，比辐射、传导有效。现有技术利用的是利用电热器的间接加热方式，通过传导来进行热传递，而目前利用直接向加温压力反应器的内部喷射蒸气的直接加热方式，通过对流来供热，从而能够得到比现有的传导更快的传热速度。例如，现有技术中，利用电热器来进行升温及升压的情况下，经过30分钟～60分钟的加热时间才能达到热力学所要求的反应条件，但是，在本发明中，直接向加温压力反应器的内部供给与反应条件相应的蒸气，从而只需10分钟以下或几分钟就能够达到反应条件。并且，至于热传递，温度差越大，热的移动越快，现有技术中，由于通过电热器来慢慢地进行加热，因而供热源与加温压力反应器的内部的温度差不大，但在本发明中，随着直接供给与反应条件相应的蒸气，供热源与加温压力反应器的内部的温度差变大，因而能够进行更快的热传递，因此，能够缩短整个处理时间。

利用蒸气的直接加热方法与其他热介质相比能够进行均匀而迅速的加热，因此，具有能够缩小传热面积从而能够减轻设备投资的优点。作为一例，将蒸气作为热源来使用的情况下，直接加热方式针对传热面表现出6000W/m²K～15000W/m²K的传热率，相反，间接加热方式仅为850W/m²K～1700W/m²K的水平，相对而言表现出非常低的传热率。

本发明的加温压力反应器并不局限于此，但优选为使用水平式反应器。垂直式反应器存在若要投入及排出需要使反应器的上部和下部全部分离的缺点。并且，垂直式反应器中只有上部存在搅拌器的驱动轴，因而装备进行大容量化时，将会经常发生因搅拌器的负荷引起的机械故障，非常不便。因此，利用垂直式反应器来构成用于投入及排出的单独的管道，并在前后两处设置搅拌器的驱动轴，从而能够弥补上述问题。并且，由双重结构来构成反应器的内部，从而防止压力泄露导致的安全事故，并且能够降低随着热传递而产生的直接的放热损失。

本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法的特征在于，由蒸气发生装置供给的饱和水蒸气分别通过一次蒸气供给管和二次蒸气供给管向加温压力反应器的内部供给，在这里，一次蒸气供给管和二次蒸气供给管被控制为在加温压力反应器开始运行的同时打开并迅速达到所要求的热力学条件，在加温压力反应器运行的过程中，控制二次蒸气供给管使其间歇性地向加温压力反应器的内部供给为了追加供给不足的热能及提高内部的热传递所需的饱和水蒸气。并且，优选地，上述二次蒸气供给管安装在加温压力反应器的内部的搅拌器，从而向加温压力反应器的内部供给饱和水蒸气的同时通过搅拌器的搅拌来迅速与加温压力反应器的内容物相混合，从而使具有饱和水蒸气的热源迅速向整个加温压力反应器扩散。

利用大约20分钟至大约60分钟的时间在100℃至300℃的温度下，使得本发明的加温压力反应器的压力落在相对于上述100℃至300℃的温度范围的特定温度值为101.3KPa至8592.7KPa范围内的特定压力范围，来抑制从食物垃圾提取的水分的气化能量需要。

上述压力通过借助在加温压力反应器内从上述食物垃圾提取的水分的体积增加和/或从外部供给的部分饱和水蒸气压而自动升压的方式形成。在这里，可利用相对于100℃～300℃范围内的特定温度值为101.3KPa～8592.7KPa范围内的特定压力值来设定热力学基准，例如，上述温度为100℃时为101.3KPa，150℃时为475.9KPa，200℃时为1554.8KPa，250℃时为3977.6KPa，300℃时为8592.7KPa，参照表1和图6可更为详细地了解。优选地，在上述加温压力反应器的内部压力超过根据上述热力学基准设定的压力的情况下，向反应器的外部放出上述饱和水蒸气。本处理方法在密闭的状态下进行，因此，能够从根本上防止恶臭发生。

在本发明的处理方法中，优选地，为了迅速回收结束处理的处理物，仅向外部排出202KPa至1013KPa的饱和水蒸气，之后利用留在加温压力反应器内的内部余压来使处理物瞬间向浆料回收箱扩散并排出，从而缩短处理物的排出时间。

所排出的处理物可通过脱水单元（例如：脱水器）分离为碳化固体物和可溶液。

因此，本发明利用从如食物垃圾等含水率高的有机性废弃物提供作为能量资源利用率高的碳化固体物及可溶液。就通过本方法生成的可溶液而言，不仅溶解的有机物的浓度高，而且与所注入的食物垃圾的种类无关地，可溶液中所含成分的种类及含量大致被均质化，因而能够通过厌氧消化提高沼气生成效率，并且能够稳定地提高厌氧消化槽的运行性。

本发明中的发热量是指高位发热量或低位发热量。高位发热量是指燃料燃烧后将燃烧气体的温度降低至初始温度时分离的热量，此时，燃烧气体中的水蒸气冷凝而成为液体，并且冷凝时释放冷凝热，包括冷凝热在内的热量被称为总发热量。低位发热量是指从上述高位发热量中减去燃烧气体中所含的水蒸气的蒸发热的热量。通过本发明的上述碳化固体物的发热量，即单位热量优选为3000kcal/kg～7000kcal/kg，更优选为4000kcal/kg～6000kcal/kg，特别优选为4500kcal/kg～5500kcal/kg，以SCODcr为基准，上述可溶液的有机物浓度为100000mg/L～200000mg/L，特别优选为100000mg/L～160000mg/L。上述碳化固体物可以在本发明的加温压力反应器热源或在外部作为锅炉等的燃料再使用。

在本发明中，调节加温压力反应器的运行变数来控制向加温压力反应器流入的饱和水的气化的同时，从食物垃圾中分离出水分来提高脱水作用，将能够通过碳固定而作为燃料再使用的碳化固体物（Carbonized solid）回收的同时，能够生成低分子化的有机物的可溶液。本发明适用高温高压的湿式热分解条件，因此，优选地，以未进行干燥或脱水处理的状态投入上述食物垃圾。在不施行如食物垃圾的干燥或脱水处理等预处理的情况下，具有不需要用于预处理的装置、时间及人力且所生成的碳化物的单位热量高的特征。并且，通过机械脱水作为渗滤液流失的固体物也均可以回收为碳化物及可溶液，因此，也有利于物质及能量回收。

若向本发明的加温压力反应器内投入含水率为75%至90%水平（固体物为10%至25%）的含水率高的食物垃圾，并通过蒸气进行加温（100℃至300℃），以相对于特定温度值的101.3KPa～8592.7KPa范围内的特定压力进行加压的同时，引发大约20分钟至大约60分钟左右的反应，作为食物垃圾内含有水分的结合水就会从细胞中分离。此时，在加温压力反应器的内部，具有170℃～250℃的高温的热的水分起到热介质的作用，与外部热源一同执行破坏食物垃圾的纤维质细胞及细胞壁的功能，从而使得食物垃圾的分解及结合水分离。反应后生成物无水分蒸发地以固液的浆料状存在，此时，结合水大部分分离成自由水形态，很容易脱水，仅利用机械脱水就能够实现30%以下的含水率，因此，使含水率从90%基准降低至30%时，除去每吨857kg的水。

就脱水的固体物而言，上述反应在密闭型条件下进行反应，因此，无法从外部供给氧气源，能够维持还原环境，从而进行能够确保优异的发热量的碳固定。分离出固体物后的反应余液作为一种均质性状的可溶液，借助高温高压的热介质即加温压力反应器的内部的饱和水蒸气使食物垃圾水解来将食物垃圾的高分子性有机物转换为低分子性有机物，从而容易将厌氧微生物用作基质。

本发明的用于由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的装置包括：加温压力反应器，其用于收容食物垃圾；搅拌器，其与上述加温压力反应器相结合，用于搅拌收容在上述加温压力反应器的内部的食物垃圾；蒸气发生装置，其用于加热上述加温压力反应器；蒸气供给管，其用于从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器供给作为热源的饱和水蒸气；以及温度/压力调节单元，其用于根据热力学基准来调整上述加温压力反应器的温度及压力，以抑制从食物垃圾提取的水分的气化能量需要。

本发明的加温压力反应器为包括外部夹套的双重结构，这种双重结构用于改善利用单一夹套仅利用保温材料对外部实施保温而导致放热损失大的现有的方式，使用双重结构的情况下，设置外部夹套，并利用保温材料收尾，从而能够将加温压力反应器的放热损失最小化。

在本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的装置中，上述蒸气供给管包括一次蒸气供给管和二次蒸气供给管，优选地，该二次蒸气供给管安装在加温压力反应器的内部的搅拌器，间歇性地向加温压力反应器的内部供给维持加温压力反应器的运行条件所需的饱和水蒸气。上述二次蒸气供给管可以包括蒸气供给喷嘴。上述二次蒸气供给管附着在搅拌器的内部，优选为搅拌杆143的规定位置，用于帮助加温压力反应器的内部的顺畅的蒸气分布。即，可以在搅拌器安装可以供给蒸气的蒸气供给喷嘴，以随着加温压力反应器持续运行，供给追加要求的热源或饱和水蒸气。上述蒸气供给喷嘴在通过搅拌器的内部的同时使搅拌器的放热损失最小化，从而提高加温压力反应器的内部的热传递，并随着间歇性地供给维持运行条件所需的蒸气，能够进行稳定地维持处理条件。上述温度/压力调节单元在100℃至300℃的温度下控制加温压力反应器使其压力落在相对于上述100℃至300℃的温度范围的特定温度值为101.3KPa至8592.7KPa范围内的特定压力范围来抑制从食物垃圾提取的水分的气化能量需要。

搅拌器用于对收容在加温压力反应器的内部的食物垃圾进行搅拌，从而使食物垃圾与所供给的热源，即蒸气充分混合，来提高处理效率。

除上述的结构之外，本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置还可以包括：浆料回收箱，其用于回收处理物；控制盘，其用于控制蒸气发生装置和/或饱和水蒸气排出阀的动作；温度测定传感器，其设在上述加温压力反应器，用于测定上述加温压力反应器的内部的温度；以及压力测定传感器，其设在上述加温压力反应器，用于测定上述加温压力反应器的内部的压力。并且，根据需要，本发明的加温压力反应器可分别包括用于排出上述加温压力反应器的内部的饱和水蒸气的阀及用于处理所排出的饱和水蒸气的处理及热回收的清洗箱、冷凝器、冷却器。

上述温度测定传感器和上述压力测定传感器与温度/压力调节单元相连接，用于向上述控制盘提供上述加温压力反应器的内部的温度信息及压力信息，期望的是，上述控制盘按照由上述温度测定传感器和压力测定传感器施加的温度及压力信息来控制上述蒸气发生装置和上述饱和水蒸气排出阀的动作。

具有如上所述的结构的本发明在利用热分解技术时，根据热力学资料向密闭的反应器施加适当反应温度（100℃至300℃），并调节借助饱和水及饱和水蒸气自动升压的压力（约101.3kPa至8592.7kPa），从而在不需要气化能量的情况下除去食物垃圾（含水率约为80%）的细胞内部的结合水分，并同时生成碳化固体物和可溶液，能够表现为加温压力热分解碳化技术（或湿式热分解碳化技术）。

以下，参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明。以下实施例只是为了帮助理解本发明而作为例子提供的，并不限定本发明的范围。

如图1至图4所示，本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的装置由热分解用加温压力反应器100和周边装置构成，周边装置可以包括搅拌器140、搅拌轴141、搅拌杆143、搅拌翼149、投入口110、排出口120、一次蒸气供给管130、二次蒸气供给管145、饱和水蒸气排出管160、161、蒸气发生装置200、温度测定传感器151、压力测定传感器153、蒸气发生装置200、控制盘300、废气冷凝器400、冷却器500、清洗箱600、浆料回收箱700及脱水器800等。

作为本发明的一个例子的固体碳化物及可溶液的生成装置的动作的实施例如下。

封闭加温压力反应器100的排出口120的排出阀121，之后通过投入口110投入食物垃圾，之后封闭投入口110的投入阀111来阻断加温压力反应器100的内部和外部，形成加温压力反应器内的升压/升温条件。接着，通过加温压力反应器100所具有的一次蒸气供给管130来供给由蒸气发生装置200所产生的高温高压的蒸气的同时，利用能够对加温压力反应器100的内部的搅拌器140进行正逆向控制的驱动马达103以10rpm～40rpm速度，优选为20rpm的速度运行并旋转，从而实现加温压力反应器100内部的蒸气和原料的混合。就食物类废弃物而言，优选地，利用大约20分钟至60分钟左右的时间进行搅拌作业，在进行搅拌作业期间，发生由投入原料的温度和蒸气的温度之差引起的热及压力下降，这由附着在加温压力反应器100的温度测定传感器151和压力测定传感器153来进行检测，并由控制盘300输出测定值。为了使上述测定值符合适合反应的内部温度150℃～250℃及压力范围475.9KP～3977.6KPa的条件，通过一次蒸气供给管130和图4中示出的经由搅拌轴141内的二次蒸气供给管145来向加温压力反应器100的内部供给由蒸气发生装置200供给的蒸气。若达到适合反应的条件，则封闭一次蒸气供给阀171和二次蒸气供给阀172，中断通过一次蒸气供给管130和二次蒸气供给管145供给蒸气，在运行的过程中，为了维持反应条件，间歇性地打开二次蒸气供给阀172，来通过二次蒸气供给管145和二次蒸气供给喷嘴150供给蒸气。

在加温压力反应器100开始运行时，为了迅速达到反应条件，而通过一次蒸气供给管130和二次蒸气供给管145向加温压力反应器100的内部供给由蒸气发生装置200供给的蒸气。在搅拌器140安装可以供给蒸气的二次蒸气供给喷嘴150，以随着加温压力反应器100持续运行，供给追加要求的热源或饱和水蒸气。上述二次蒸气供给喷嘴150通过搅拌杆143和搅拌翼149内部的同时使搅拌器的放热损失最小化，从而提高加温压力反应器100的内部热传递，并随着间歇性地供给维持运行条件所需的蒸气，能够维持稳定的处理条件。

打开饱和水蒸气排出管160、161的饱和水蒸气排出阀162的压力根据本发明的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的装置的运行方式被设定成各种，但其范围为101.3KPa～8592.7KPa。加温压力反应器100的内部温度为150℃～250℃的情况下，适当的压力范围为475.9KPa～3977.6KPa（大约5气压～40气压）（参照表1）。当然，饱和水蒸气排出阀162也可以用于作业结束之后排出加温压力反应器100内部的水蒸气的用途。

如图2所示，在搅拌轴141附着有滑动/旋转接头142，从而与搅拌轴141是否旋转无关始终能够供给作为流体的二次蒸气，搅拌轴141旋转，在反应物质的混合过程中也进行二次蒸气的供给，从而引导反应物质与蒸气的均匀的接触及反应。二次蒸气的供给断断续续地反复进行，直到预定时间的反应结束为止，由此防止二次蒸气供给喷嘴150的堵塞现象。若预定时间的反应结束，就需要降低加温压力反应器100内部的压力和温度，因此，需要打开加温压力反应器100上部的饱和水蒸气排出阀162，来通过饱和水蒸气排出管160、161排出饱和水蒸气。加温压力反应器100的大小与排出时间成正比，排出饱和水蒸气时，会发生部分固体物的流出，因此，向清洗箱600输送所有排出的饱和水蒸气。经由在清洗箱的内部填充的水的排出饱和水蒸气中的固体物借助水捕集并留住，只将其余的气体状物质向废气冷凝器400输送，借助废气冷凝器400相连接的冷却器500，废气的温度变低并向大气中排出。根据需要，不向废气冷凝器400输送排出饱和水蒸气而是其再循环而作为用于对加温压力反应器100进行加温或对要投入的处理对象物进行预热的热源使用。优选地，虽然未图示，但通过常规的除臭设备来除恶臭物质之后进行排出。如果饱和水蒸气的排出结束，加温压力反应器100内部的压力满足202KPa～1013KPa的条件，则打开排出口120的排出阀121，向浆料回收箱700排出处理物。在韩国现有专利（10-0515497）中，通过蒸汽口以常压水平使饱和水蒸气完全脱气，从而得到处理物。但在这种情况下，具有从处理结束之后至处理物的回收所需的时间变长的缺点，在本发明中，为了缩短上述运行所需时间，而向外部排出202KPa～1013KPa的饱和水蒸气，之后利用加温压力反应器100内的内部余压来使处理物瞬间向浆料回收箱700扩散并排出，从而通过缩短处理物的排出时间。储存在浆料回收箱700的处理物通过脱水器800分离为能够用作固体燃料的碳化固体物和用于厌氧消化的反应余液，即可溶液。

如上所述的过程为单次工序，反复进行该工序的方法为连续工序的例子。

在上述的工序运行的过程中，如图3所示，使用与反应器内筒101和反应器外筒102相连接的压力测定传感器153来分别测定压力，并向控制盘300传输反应器外筒102发生异常压力变化时输出的测定值，按照控制盘300内的顺序（sequence）或PLC（可编程逻辑控制器）工作，使搅拌器140停止工作，并使蒸气发生装置200进行紧急排出动作，与此同时打开饱和水蒸气排出管160、161的饱和水蒸气排出阀162，来解除加温压力反应器100内的压力。借助这种信号，能够在不向使用者及外部环境暴露因反应器内筒101的龟裂及破损引起的压力喷出的情况下进行安全的运行。在上述过程中，加温压力反应器100的结构为双重圆筒形结构，使用钢铁材质或特殊钢材质，并在加温压力反应器100的两端用板形突缘105收尾之后，利用螺栓（bolt）等紧固件来进行强制紧固，以便在维护维修时容易进行拆卸及组装，并形成贯通突缘的中央部的孔，来使搅拌轴141通过该孔。在加温压力反应器100的上部形成用于投入原料的投入口110，在加温压力反应器100的下部形成用于排出处理物的排出口120。

如图4所示，搅拌轴141为内部空的结构的中空轴，供给二次蒸气的轴的末端部通过位于搅拌轴141内部的二次蒸气供给管145从蒸气发生装置200接收蒸气。在搅拌轴141的外表面设置搅拌杆143，并形成蒸气喷射流路146，以使搅拌轴141和搅拌杆143之间的蒸气供给顺畅，并附着硅或碳系列的圆形环144，以便更换或密闭搅拌杆143，通过螺栓等强制紧固来紧固圆形环144。

在搅拌杆143的外围紧固平板形状的钢铁材质或不锈钢（stainless）材质的搅拌翼149，来使加温压力反应器的内部的搅拌顺畅地进行。搅拌杆143均等地排列为使得搅拌轴141以自身总长旋转一次，借助螺栓或强制紧固机构来紧固搅拌杆143，以容易调节搅拌翼149的附着角度。在搅拌杆143的规定的位置附着二次蒸气供给喷嘴150，以帮助蒸气在加温压力反应器的内部顺畅分布。为了容易装拆及附着，用螺栓等紧固件将二次蒸气供给喷嘴150紧固在搅拌杆143，以便进行维护维修。二次蒸气供给喷嘴150的形状优选为圆形，并由上部的蒸气喷出口181和下部的压力调节螺栓152来构成，二次蒸气供给喷嘴150的内部设有弹簧（spring）或压缩性流体等的压力测定传感器153。与压力测定传感器153相联动地内设了针形状的流路开闭用销154，流路开闭用销154用于在规定压力条件以下阻断二次蒸气供给喷嘴150内部和搅拌杆143内部的蒸气喷射流路146。

根据二次蒸气供给喷嘴150的压力调节螺栓152的旋转方向，借助压力测定传感器153的压缩性弹簧155的拉伸力来调整蒸气喷射流路开闭用销154的开闭条件，在蒸气发生装置200产生的蒸气的规定压力以下的条件下时，始终维持封闭条件。这是为了在不进行二次蒸气供给的情况下，加温压力反应器100内部的压力比与二次蒸气供给喷嘴150相连接的蒸气喷射流路146的压力条件高时，防止因有机物等的紧贴而引起二次蒸气供给喷嘴150的堵塞现象的同时，防止因处理物排出时留在加温压力反应器的热而引起有机物粘在二次蒸气供给喷嘴150末端部这类现象。例如，优选地，将二次蒸气供给喷嘴150的方向设定为互相相反，例如，正面在第一轴，背面在第二轴等，从而使蒸气均匀分布，附着有蒸气供给喷嘴的搅拌杆143的平行轴上不设置一个以上的搅拌杆143。

要排出的饱和水蒸气在高温高压状态下以大气压或相对低压的条件排出，因此按照伯努利定律包含大量的有机物而排出。圆形水槽形状的清洗箱600在内部的规定的底面部分设置圆形通气管610，并在排气管内设置多个饱和水蒸气喷出口611，从而诱导向整个清洗箱600内部均匀地分配排出饱和水蒸气。若通过清洗箱600，所流入的排出饱和水蒸气中馏分及大部分固体物则被除去，之后排出的废气的温度及压力变低。即使是通过清洗箱600的废气，也由于温度高，因此向大气中放出时发生包含白烟在内的能够回收的能量的损失，因此内部设置具有多个冷却管的废气冷凝器400，将通过热交换转换而成的高温冷却水再次向补充水槽410输送，从而作为有用的锅炉或蒸气发生器200的高温水进行供给。

若利用如上所述的方式调节加温压力反应器100的内部温度和压力的同时加热，作为食物垃圾细胞内的含有水分的结合水就会分离，而以饱和水和饱和水蒸气的形成存在于加温压力反应器内，并且除了水分之外的剩余渣容易发生碳化反应而成为碳化固体物。并且，除了碳化固体物之外的食物垃圾与通过热化学水解反应而分离的结合水及加温压力反应器内的饱和水相结合，从而转换为液状的处理物，即可溶液。如上所述，作为固体的碳化固体物以结合水全部被分离的状态容易被固液分离及干燥。如此干燥后的碳化固体物可作为燃料源再使用。在上述反应过程中，细胞内部的结合水通常在150℃～250℃的条件下转换成自由水，并且有机物的碳化所需的温度为100℃～300℃左右。

表1：基于反应温度的饱和水蒸气压力及消耗能量

随着饱和水的体积增大及水蒸气的生成压力，加温压力反应器的压力慢慢增大，但必要以上的压力会妨碍饱和水生成，若压力变小，热能则转换成气化能量被消耗，致使饱和水蒸气量变多。因此，如表示基于反应温度和压力的变换成饱和水、饱和水蒸气时所需的热量的表1所示，根据热力学资料，相对于反应温度调节适当的压力，来施加生成饱和水所需的能量或稍微更多的能量。

例如，利用1吨食物垃圾试样在2m³（2000L）容量的反应器中以温度200℃、压力1554KPa将转换成气化能量引起的消耗最小化的同时使上述食物垃圾试样进行热分解反应的情况下，在上述反应条件下，最低消耗能量为203.6kcal/kg，含水率为80%的试样1吨的水分为800kg，因此，所要求的总消耗能量为162900kcal以上。此时，反应后所得的碳化固体物在进行干燥之后为150kg左右（含水率为5%以下），热量为5000kcal/kg左右，因此，回收的总能量为750000Kcal。将所回收的碳化固体物用作锅炉的燃料，从而作为加温压力反应器的热源使用的情况下，就算锅炉热效率为60%，所需能量也为450000kcal，还剩下287100kcal的能量，从而能够确保大约276%的能量自给率。

表2表示分析通过上述方式（湿式热分解）而得到的碳化固体物的物理性质的结果。由表2可知，在经过本发明的湿式热分解过程中含水率急剧下降的同时可燃成分的含量变高，使得作为燃料的价值提高。并且，表3是对在上述方式（湿式热分解）和干式热分解工序中回收的碳化固体物的元素及发热量分析实测结果进行比较的结果。通常，在干燥工序中挥发性固体物容易与水分一起蒸发，并且在现有的干式热分解过程中的目的是，投入几乎没有水分的干燥固体物来生产出碳化物或干馏碳化气体，因此在高温条件（400℃-700℃）下运行，并随着大部分碳氢化合物类转换成干馏碳化气体，固体物的发热量减少。因此，通过不经过干燥过程的本发明生成的碳化固体物（Carbonizedsolid）具有热量更高的特征。

表2；生成的碳化固体物的成分分析

*食物垃圾干燥物及干馏碳化固体物以普通常规设施排出物为基准。

表3：生成的碳化固体物的元素及发热量分析结果比较

本发明中，分离食物垃圾的碳化固体物之后，对所回收的可溶液的成分进行分析，其结果见表4。如表4所示，回收食物垃圾的碳化固体物之后，可溶液的可溶化率为96.8%，对除了固体物之外的其余有机物的大部分以液相进行厌氧消化之后，能够作为生物气能量进行回收，从高的可溶化率可知其性状已充分被均质化。通常，在利用CODcr换算食物垃圾的有机物浓度度的情况下，TCODcr（Total CODcr）表现出200000mg/L～240000mg/L的浓度，通过如双重脱水等固液分离而得到的食物垃圾渗滤液以TCODcr为基准时表现出100000mg/L～150000mg/L的分布。在利用厌氧消化等对食物垃圾渗滤液进行处理的情况下，为了确保稳定的处理效率，必不可少的是药品注入、离心分离及预处理工序，通过这种预处理追加地除去固体物，从而向厌氧消化槽流入的流入水的浓度通常仅为约50000mg/L。在本发明中，通过食物垃圾的可溶化使能够进行能量转换的大部分有机物液相化，如表4所示，可溶液的SCODcr的浓度为145680mg/L，这高于作为原料的食物垃圾的浓度84600mg/L，因此，能够提高基于厌氧消化的气相能量的回收率，并缩短生物学处理时间。由通过本发明回收的可溶液的SCODcr浓度预计，能够得到100000mg/L以上的有机物浓度。利用有机物的SCODcr浓度可以计算基于厌氧消化的CH₄的产生量，据此能够计算出可回收的能量，其计算结果见表5。如表5所示，假设食物垃圾的日处理量为1吨/日，有机物的分解率的气体回收率分别为85.8%和60%的情况下，通过本发明回收的可溶液与处理食物垃圾本身相比能够将回收能量增加大约70%。由此可以确认，与对食物垃圾或基于机械脱水得到的渗滤液进行厌氧消化处理之后回收能量相比，使用通过本发明回收的可溶液，能够提高有机物分解及能量回收率。

表4：食物垃圾和将食物垃圾可溶化而得的溶液的浓度比较

表5：食物垃圾和将食物垃圾可溶化而得的溶液的甲烷（methane）产生及能量回收比较

*电力能量换算因子：算出时，有机物分解率为80%，沼气发热量为8500kcal/m³，860kcal/kwh，发电效率为30%，不考虑其他热损失等。

图6是基于温度及压力的水的相平衡图。如图所示，根据温度及压力的条件，水以固体、液体或气体的状态存在。在图6中，液体及气体之间的曲线被称为蒸气压曲线，参照该蒸气压曲线可知，压力越高，水的沸点就越高。上述蒸气压曲线成为本发明的热力学基准。这与如表1所述内容相同。在蒸气压曲线上液体和气体共存，如果进而投入气化能量，液体变成气体的同时温度上升。在这里，蒸气压也可以利用水蒸气压或饱和水蒸气压等。

Claims (8)

1.一种由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法，其特征在于，

包括：

向具有蒸气发生装置的加温压力反应器投入食物垃圾的步骤，上述蒸气发生装置用于直接向加温压力反应器的内部供给热力学所要求的条件的饱和水蒸气；

通过一次蒸气供给管及二次蒸气供给管从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器的内部双重地供给热力学所要求的条件的饱和水蒸气，来使食物垃圾形成为可溶液及碳化固体物的步骤；以及

对上述可溶液及碳化固体物进行脱水来分离出可溶液及碳化固体物的步骤。

2.根据权利要求1所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法，其特征在于，上述一次蒸气供给管及二次蒸气供给管被控制为在加温压力反应器开始运行的同时打开并迅速达到所要求的热力学条件，二次蒸气供给管被控制为在加温压力反应器运行的过程中间歇性地向加温压力反应器的内部供给维持运行条件所需的饱和水蒸气。

3.根据权利要求2所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法，其特征在于，上述二次蒸气供给管安装在加温压力反应器的内部的搅拌器。

4.根据权利要求2所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的方法，其特征在于，在加温压力反应器的内部的压力超过上述热力学的基准所设定的压力的情况下，上述饱和水蒸气的一部分向上述加温压力反应器的外部放出。

5.一种由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置，其特征在于，包括：

加温压力反应器，其用于收容食物垃圾；

搅拌器，其与上述加温压力反应器相结合，用于搅拌收容在上述加温压力反应器的内部的食物垃圾；

蒸气发生装置，其用于直接向上述加温压力反应器的内部供给热力学所要求的条件的饱和水蒸气；

一次蒸气供给管及二次蒸气供给管，用于从上述蒸气发生装置向上述加温压力反应器的内部双重地供给热力学所要求的条件的饱和水蒸气；

温度/压力调节单元，其用于根据热力学基准来控制上述加温压力反应器的温度及压力，以抑制从食物垃圾所提取的水分的气化能量需要；以及

废气冷凝器，其向补充水槽输送通过热交换将从上述加温压力反应器排出的废气而转换而成的高温的冷却水，而作为高温水来供给。

6.根据权利要求5所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置，其特征在于，上述一次蒸气供给管及二次蒸气供给管被控制为在加温压力反应器开始运行的同时打开并迅速达到所要求的热力学条件，在加温压力反应器运行的过程中，控制二次蒸气供给管使其间歇性地向加温压力反应器的内部供给维持运行条件所需的饱和水蒸气。

7.根据权利要求6所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置，其特征在于，上述二次蒸气供给管安装在加温压力反应器的内部的搅拌器。

8.根据权利要求5所述的由食物垃圾生成碳化固体物及可溶液的生成装置，其特征在于，在上述加温压力反应器结束加温压力反应之后，利用加温压力反应器的内部的余压来回收处理物。