KR100249762B1 - 유기성슬러지로부터오일회수를위한장치및방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 그 목적은 슬러지를 가압하에서 고온으로 반응시킴으로써 슬러지에 포함된 유기물을 기름 성분으로 전환하여 회수함으로써 폐기되는 자원을 회수하고, 최종 처분되는 슬러지의 양을 감소시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 슬러지를 고압의 반응기로 주입하기 위한 슬러지 공급부(1)와; 슬러지를 고온.고압에서 반응시키는 반응부(2)와; 생성물을 감압한 후 물과 오일 슬러리를 분리하는 감압 및 분리부(3)로 구성되는데, 상기 슬러지 공급부(1)는 슬러지 저장탱크(11)와 물탱크(12)와 슬러지 펌프(111)와 두 개의 피스톤 펌프(121, 121')와 피스톤 펌프에 압력을 가하는 고압펌프(122)와 슬러지펌프(111)로 슬러지를 이동시키는 탱크 하부의 스크류 피더(112)로 구성되고, 상기 슬러지 반응기(2)는 외부를 3부분으로 나눈 가열부(21, 22, 23)와 각 가열부의 중심부에 삽입된 열전대(211, 221, 231)와 반응기 내부 표면에 슬러지가 코킹되어 붙는 것을 방지하는 교반기(24)로 구성되며, 상기 감압 및 분리기(3)는 감압 밸브(31)와 저장조(32)와 오일을 저정하는 오일저장조(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지로 부터 오일회수를 위한 장치 및 이를 이용한 방법으로 구성된다.

Description

유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 장치 및 방법
본 발명은 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 하·폐수 처리장에서 발생한 슬러지로부터 에너지를 회수하기 위하여 함수상태의 슬러지를 반응온도 250-350℃, 반응압력 40-150 atm의 압력으로 반응시켜 고점도의 슬러지가 유동성의 유체로 전환되면서 수분이 기계적인 방법으로 제거됨과 동시에 슬러지에 포함된 유기분이 오일상으로 변하고 물이 제거된 슬러리는 보조연료 없이 연소가 가능한 상태로 한 장치 및 방법에 관한 것이다.
하수처리장이나 폐수처리장에서 발생하는 슬러지는 함수율이 80% 가량으로 매립시킬 경우 침출수위 과다 발생 또는 매립지 지반 약화 등의 문제점이 발생하기 때문에 최근에는 슬러지의 매립지 반입을 꺼리는 실정이다.
또한 공단 등에서 발생하는 대부분의 슬러지를 처리하는 방법인 해양투기는 1996년부터 전세계적으로 금지되었으며 국내에도 1998년부터 금지될 전망이다.
슬러지 매립이나 해양투기를 대체할 수 있는 방법으로는 소각, 비료화, 연료화등의 여러 가지 방법이 있으나, 아직까지 슬러지를 완벽하게 처리할 수 있는 방법은 아직 없는 실정이다.
하.폐수 처리장에서 발생하는 슬러지는 수분을 제외한 나머지는 생물학적 수처리 공정 중에 발생한 미생물과 무기물이다.
따라서 고형분은 C, H, N, S 등의 유기물과 모래 등을 주성분으로 하는 무기물로 구성되어 있다.
이 가운에 유기물은 35% 가량의 탄소(C), 5.5%의 수소(H), 5.5%의 질소, 1.8%의 황, 그리고 나머지는 산소로 구성되어 있으며, 다소 황과 질소 등을 함유한 비균일 분자의 함량이 높으며, 특히 미생물 세포로 인하여 산소의 함량이 매우 높은 편이다.
무기물은 대부분이 모래 등의 주성분인 알루미나 또는 규산염으로 구성되어 있으며, 지역에 따라 철분도 많이 함유하고 있다.
슬러지의 특성 및 구성 성분은 발생 장소에 따라 다소 차이는 있으나 유기물이 고형분의 50-80%를 차지하고 있으며, 슬러지를 건조시켰을 경우 국내에서 발생하는 무연탄과 비슷한 발열량(3,500∼5,000 kcal/kg)을 갖고 있어 높은 에너지 포텐셜을 갖고 있는 물질이다.
따라서 효율적인 처리를 거치면 유용한 에너지는 회수하는 동시에 좀더 안정된 물질로 변환하여 안정적인 폐기가 가능하게 된다.
그러나 슬러지에 포함되어 있는 수분을 슬러지 입자의 미세한 기공 사이에 있거나, 무수물의 형태로 약한 화학적 결합을 하고 있기 때문에 함수율 70% 이하로는 기계적인 방법으로 제거할 수 없다는 문제점이 있다.
그리고 슬러지로부터 오일을 얻는 방법으로는 슬러지를 건조 후 열분해 하는 방법이 있는데, 이 방법은 건조된 슬러지를 사용하여 오일을 얻기 때문에 에너지의 소모가 많다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 하·폐수 처리장에서 발생한 슬러지를 가압하에서 고온으로 반응시킴으로써 슬러지에 포함된 유기물을 기름 성분으로 전환하여 회수함으로써 폐기되는 자원을 회수하고, 최종 처분되는 슬러지의 양을 감소시키기 위한 반응공정과 생성된 생성물로부터 기계적인 방법으로 물을 제거하고 이를 다시 연소기로 보내 연소하여 열을 회수하고, 최종 잔류물로 안정한 상태의 회분을 얻는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 슬러지를 고압의 반응기로 주입하기 위한 슬러지 공급부와; 슬러지를 고온.고압에서 반응시키는 반응부와; 생성물을 감압한 후 물과 오일 슬러리를 분리하는 감압 및 분리부로 구성되는데, 상기 슬러지 공급부는 슬러지 저장탱크와 물탱크와 슬러지 펌프와 두 개의 피스톤 펌프와 피스톤 펌프에 압력을 가하는 고압펌프와 슬러지펌프로 슬러지를 이동시키는 탱크 하부의 스크류 피더로 구성되고, 상기 슬러지 반응기는 외부를 3부분으로 나눈 가열부와 각 가열부의 중심부에 삽입된 열전대와 반응기 내부 표면에 슬러지가 코킹되어 붙는 것을 방지하는 교반기로 구성되며, 상기 감압 및 분리기는 감압 밸브와 저장조와 오일을 저장하는 오일저장조로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 장치와 이 장치를 사용한 단계적 공정을 가지는 방법을 제공함으로써 달성된다.
도1은 본 발명의 슬러지 액화반응 공정도이고,
도2는 본 발명에서 도1의 슬러지 액화 반응기에 대한 개략도이며,
도3은 온도에 따른 물의 분리성능 변화에 대한 그래프이고,
도4는 본 발명에서 용매 및 촉매의 첨가량에 따른 반응 생성물의 수율의 변화에 대한 그래프이며,
도5는 슬러지 액화 생성물 사진이고,
도6은 슬러지 액화반응에 의한 에너지 회수율 및 오일 회수율 그래프이며,
도7은 생성오일의 비점분포를 벙커C(bunker-C)유와 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 슬러지 공급부 2 : 슬러지 반응기
3 : 감압 및 분리기 11 : 슬러지 저장탱크
21, 22, 23 : 가열부 24 : 교반기
31 : 감압 밸브 32 : 저장조
33 : 오일저장조 111 : 슬러지 펌프
112 : 스크류 피더 121, 121' : 피스톤 펌프
121 : 고압펌프 211, 221, 231 : 열전대
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 슬러지 액화반응 공정도이고,
도2는 본 발명에서 도1의 슬러지 액화 반응기에 대한 개략도이며,
도3은 온도에 따른 물의 분리성능 변화에 대한 그래프이고,
도4는 본 발명에서 용매 및 촉매의 첨가량에 따른 반응 생성물의 수율의 변화에 대한 그래프이며,
도5는 슬러지 액화 생성물 사진이고,
도6은 슬러지 액화반응에 의한 에너지 회수율 및 오일 회수율 그래프이며,
도7은 생성오일의 비점분포를 벙커C(bunker-C)유와 비교한 그래프이다.
본 발명은 하수처리장이나 공단 폐수 처리장에서 하.폐수를 처리한 후 발생하는 슬러지를 가압하에서 고온으로 반응시킴으로써 슬러지에 포함된 유기물을 기름 성분으로 전환하여 회수함으로써 폐기되는 자원을 회수하고, 최종 처분되는 슬러지의 양을 감소시키기 위한 반응공정과 생성된 생성물로부터 기계적인 방법으로 물을 제거하고 이를 다시 연소기로 보내 연소하여 물을 제거하고 이를 다시 연소기로 보내 연소하여 열을 회수하고, 최종 잔류물로 안정한 상태의 회분을 얻는 공정 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 슬러지를 종류에 따라 탄산염 촉매를 0.1∼10% 첨가한 후 고압의 반응기에서 수증기 분압을 이용하여 고압(40-150기압)과 고온(250-350℃)에서 반응을 시킴으로써 슬러리 상태의 물-오일-회분 혼합물을 얻으며, 이 생성물을 원심분리시키면 발열량 6,000-9,000kcal/kg의 오일을 얻는 공정이다.
본 발명은 도1에서 보는 바와 같이 슬러지를 고압의 반응기로 주입하기 위한 슬러지 공급부(1)와; 슬러지를 고온.고압에서 반응시키는 반응부(2)와; 생성물을 감압한 후 물과 오일 슬러리를 분리하는 감압 및 분리부(3)로 구성된다.
상기 슬러지 공급부(1)에서 슬러지는 점도가 높은 논-유토니안(non-Newtonian) 유체이기 때문에 펌프를 이용하여 반응기에 직접 공급하는 방법은 매우 힘이 들기 때문에 슬러지 저장탱크(11)와 물탱크(12)와 슬러지 펌프(111)와 두 개의 피스톤 펌프(121, 121')와 피스톤 펌프에 압력을 가하는 고압펌프(122)로 구성하여 슬러지를 반응기에 공급할 수 있도록 하였다.
하.폐수 처리장에서 발생한 슬러지를 슬러지 저장탱크(11)에 넣고, 탱크 하부의 스크류 피더(screw feeder: 112)에 의해 슬러지 펌프(mono type:111)로 보내어 2-5 bar의 압력으로 내부에 피스톤이 들어 있는 고압 용기(이하 피스톤 펌프라 칭함)에 보낸다.
피스톤 펌프(121, 121')에 채워진 슬러지는 반대쪽에서 고압펌프(122)로 물을 공급하면 내부의 피스톤이 슬러지를 고압으로 밀어내어 반응기로 공급하게 된다.
피스톤 펌프(121, 121')는 2개로 이루어져 번갈아 가며 슬러지를 연속적으로 공급 할 수 있도록 구성하였다.
상기 슬러지 반응기(2)는 고온 및 고압(350℃, 150 kg/㎠)에 견딜 수 있도록 제작하였다.
가열은 반응기 외부를 3부분의 가열부(21, 22, 23)로 나누어 각 부분의 중심부에 열전대(211, 221, 231)를 삽입하여 각각의 온도를 측정하고 제어 할 수 있도록 하였으며, 반응기의 하부는 슬러지의 예열을 위한 부분으로 반응 생성물이 지나도록 하여 열을 회수할 수 있도록 하였으며, 50∼150℃의 온도로 유지되도록 하였다.
반응은 반응기 중반 이후에서 이루어지며, 반응온도 250∼350℃, 반응압력 40∼150 기압, 반응시간은 20∼90분에 이루어지도록 하였다.
또한 반응기 내부 표면에 슬러지가 코킹되어 붙는 것을 방지하기 위하여 마그네틱 드라이브(magnetic drive)로 구동되는 교반기(24)를 달아 반응기 벽면에 저속(10∼200 rpm)으로 긁어줄 수 있도록 하였다.
상기 감압 및 분리기(3)는 반응기에서 생성된 슬러지는 분해된 기름, 물 및 회분의 혼합 슬러리 형태로 반응기를 빠져 나오게 되는데, 감압 밸브(31)에 의해 감압되고 반응기 하부를 통과하며 일부의 열을 회수 한 후 저장조(32)에 모이게 되는데 저장된 슬러리는 다시 원심분리기(도시없음)에서 물을 분리하여, 분리된 물은 다시 하수처리장으로 반송하여 처리를 하게 되고, 나머지 잔류물은 저장하였다가 연소기로 보낸다.
또한 오일은 오일저장조(33)에 저장된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 작용을 살펴보겠다.
하.폐수 처리장에서 벨트프레스 등의 탈수기에서 발생한 함수율 75%∼85%의 슬러지를 슬러지의 종류에 따라 금속염(Ca, Na, K 등의 탄산염) 촉매와 일정비율(0.1∼10 wt%)로 혼합한 후 반응기에 직접 주입한다.
이때 슬러지의 종류에 따라 원활한 주입을 위하여 용매(물과 폐윤활유, 폐부동액 등의 유기성 폐액)를 일정비율로 첨가할 수도 있다.
이와 같이 첨가물이 첨가된 슬러지는 슬러지 펌프로 수송 전에 완전 혼합이 이루어지도록 슬러지 펌프 위에 설치된 교반기에 의해 계속적인 혼합이 이루어진다.
상기와 같이 준비된 슬러지는 반응기내에서 슬러지에 포함되어 있거나 첨가된 알칼리 염과 물에 의해 알칼리 수화 반응을 일으켜 유기물이 저분자의 오일로 분해반응이 일어나게 되며, 대략 다음과 같은 경로를 거치는 것으로 알려지고 있다.
탄산나트륨, 물 및 일산화탄소는 소디움 포메이트(sodium formate)를 형성하고,
Na2CO3+ 2CO + H2O → 2HCOONa + CO2
히드록실(hydroxyl)기는 탈수소화반응으로 에놀(enol)로, 이성화 반응으로 케톤(ketone)을 형성하며,
-CH(OH)-CH(OH) → -CH=C(OH)- → -CH2-CO-
케톤(ketone)은 포메이트(formate)이온 및 물과 함께 알코올과 유사한 새로운 카르보닐(carbonyl)기로 환원된다.
HCOO- + -CH2-CO- → -CH2-CH(O-)- + CO2
-CH2-CH(O-)- + H2O → -CH2-CH(OH)- + OH-
이때 발생한 수산이온은 다시 포메이트(formate)이온으로 전환한다.
OH- + CO → HCOO-
실제 반응에서는 CO 없이도 진행이 가능하다.
이러한 반응과 함께 슬러지 고형분의 미세입자 속에 갇혀 있거나 결정수 상태로 존재하고 있는 물이 온도가 올라가면서 분리되어 기계적인 탈수방법에 의해 물의 분리가 가능하도록 된다.
물의 분리 성능은 온도와 매우 밀접한 관계를 갖고 있으며, 그 결과는 도3에서 보는 바와 같다.
상기 도3에서 보는 바와 같이 온도의 증가에 따라 분리되는 물의 양도 증가함을 보이고 있으며, 이 결과는 결정수 또는 미세구멍에 갇혀 있는 물이 온도의 증가에 따라 분리됨을 보여주고 있다.
생성물의 처리는 슬러지 액화반응에 의해 생성된 생성물은 물, 오일 및 고형분으로 이루어진 슬러리 상태의 펌핑이 가능한 유체로 얻어지게 된다.
생성된 슬러리는 원심분리기나 셋틀러(settler)에서 물을 분리해 내고 나머지는 최종 생성물로 남게 된다.
이때 얻어진 최종 생성물은 시멘트 회사의 로타리 킬른에 넣어 시멘트 원료 및 에너지원으로 활용이 가능하고, 별도의 소각 시스템을 통하여 미세한 구형의 분말을 얻을 수도 있어 다양하게 활용할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 바람직한 실시예이다.
[실시예 1]
실험에 사용한 슬러지는 폐수처리장에서 발생한 탈수 슬러지를 사용하였으며, 건조시킨 슬러지는 [표 1]에 나타내었다.
여기서 A 슬러지는 활성슬러지법에 의해 발생한 슬러지이며, B 슬러지는 화학처리에 의해 발생한 슬러지이다.
활성슬러지법에 의한 슬러지는 휘발분이 70% 이상 함유되어 있으며, 건조 발열량은 4,500 kcal/kg 이상이 됨을 볼 수 있으며, 회분의 양이 매우 낮은 수준을 보이고 있다.
그러나 도표에서 보는 바와 같이 화학처리법에 의해 발생한 B 슬러지의 경우에는 회분의 양이 33%, 휘발분 63% 그리고 건조발열량이 3,700 kcal/kg인 것을 볼수 있다.
[표 1]
Figure kpo00002
두 종류의 슬러지에 대한 회분식 실험결과는 폐수 처리법에 따라 큰 차이를 보이고 있으며, 그 결과를 도4에 나타내었다.
도면에서 보는 바와 같이 A 슬러지는 유기물의 90% 이상이 오일로 전환됨을 보이고 있으나 B 슬러지는 60% 이하의 전환율을 보여주고 있다.
[실시예 2]
표 1의 A 슬러지에 대한 연속 실험을 도1의 연속장치를 이용하여 1,000 시간 이상 수행하였으며, 연속실험 결과 반응온도에 따라 생성물이 유동성의 슬러리 상태로 전환됨을 알 수 있었고, 반응의 진행 정도를 도5에서 보인 것처럼 확연히 육안으로 확인할 수 있었다.
또한 각 온도에서 생성된 생성물은 도6에 나타낸 바와 같이 온도 증가에 따라 에너지 회수율 및 오일 회수율은 증가하며, 에너지 회수율은 40%∼70%에 이르며, 생성되는 오일의 양은 전체 슬러지 중량의 3%∼8%임을 볼 수 있었다.
특히 이때 생성물에서 분리한 오일은 발열량은 6,000∼9,000 kcal/kg 가량이며, 비점도는 도7에 나타낸 바와 같이 벙커C(bunker-C)오일보다 낮은 분포를 보이고 있다.
이때 오일의 비점별 분포를 [표 2]에 나타낸 바와 같다.
[표 2]
Figure kpo00003
상기와 같은 본 발명에 의해 생성된 슬러지는 원심분리기나 셋틀러에서 물을 분리해 내고 나머지는 최종 생성물로 남게 되는데 이때 얻어진 최종 생성물은 시멘트 회사이 로타리 킬른에 넣어 시멘트 원료 및 에너지원으로 활용이 가능하고, 별도의 소각 시스템을 통하여 미세한 구형의 분말을 얻을 수도 있어 다양하게 활용할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (3)

  1. (정정) 하수처리장치나 폐수처리장에서 발생하는 탈수 슬러지의 수분을 고형분 및 유기물과 분리하여 슬러지의 감량화 및 에너지를 회수하는 슬러지 액화장치를 구성함에 있어서, 슬러지를 고압의 반응기로 주입하기 위한 슬러지 공급부(1)와; 슬러지를 고온.고압에서 반응시키는 반응부(2)와; 생성물을 감압한 후 물과 오일 슬러리를 분리하는 감압 및 분리부(3)로 구성하되, 상기 슬러지 공급부(1)는 슬러지 저장탱크(11)와 물탱크(12)와 슬러지 펌프(111)와 두 개의 피스톤 펌프(121, 121')와 피스톤 펌프에 압력을 가하는 고압펌프(122)와 슬러지펌프(111)로 슬러지를 이동시키는 탱크 하부의 스크류 피더(112)로 구성되고, 상기 슬러지 반응기(2)는 외부를 3부분으로 나눈 가열부(21, 22, 23)와 각 가열부의 중심부에 삽입된 열전대(211, 221, 231)와 반응기 내부 표면에 슬러지가 코킹되어 붙는 것을 방지하는 교반기(24)로 구성되며, 상기 감압 및 분리기(3)는 감압 밸브(31)와 저장조(32)와 오일을 저장하는 오일저장조(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 장치.
  2. (정정) 하수처리장이나 폐수처리장에서 발생하는 탈수슬러지의 수분을 고형분 및 유기물과 분리하여 슬러지의 감량화 및 에너지를 회수하는 슬러지 액화방법에 있어서, 하.폐수 처리장에서 발생한 점도가 높은 슬러지와 이 슬러지의 종류에 따라 금속염 촉매를 0.1∼10 wt% 비율로 혼합하여 슬러지 저장탱크(11)에 넣고, 탱크하부의 스크류 피더(112)에 의해 슬러지 펌프(111)로 보내어 2∼5 bar의 압력으로 내부에 피스톤이 들어 있는 고압 용기에 보내고, 피스톤 펌프(121, 121')에 채워진 슬러지는 반대쪽에서 고압펌프(122)로 물을 공급하면 내부의 피스톤이 슬러지를 고압으로 밀어내어 반응기로 공급하며 피스톤 펌프(121, 121')는 2개로 이루어져 번갈아 가며 슬러지를 연속적으로 공급하도록 하는 슬러지 공급부(1)공정과; 상기 슬러지 공급부(1)에서 공급되는 슬러지를 고온 및 고압(350℃, 150 kg/㎠)에 견디고, 외부가 3부분의 가열부(21, 22, 23)로 나뉨과 동시에 각 부분의 중심부에 열전대(211, 221, 231)를 삽입하여 각각의 온도를 측정 및 제어하며, 슬러지의 예열을 위해 50∼150℃의 온도로 유지되는 하부에 반응 생성물이 지나게하여 열을 회수하도록 제작된 슬러지 반응기(2)에 공급하여, 반응기 반응기 중반 이후에서 이루어도록 하되, 반응온도는 250∼350℃를 유지하고, 반응압력은 40∼150기압을 유지하며, 반응시간은 20∼90분에 이루어지도록 하여 슬러지가 반응기내에서 슬러지에 포함되어 있거나 첨가된 알칼리 염과 물에 의해 알칼리 수화 반응을 일으켜 유기물이 저분자의 오일로 분해반응이 일어나도록 하고, 반응기 내부 표면에 슬러지가 코킹되어 붙는 것을 방지하기 위해서 마그네틱 드라이브(magnetic drive)로 구동되는 교반기(24)를 달아 반응기 벽면을 저속(10∼200 rpm)으로 긁어주는 슬러지 반응기(2)공정과; 상기 반응기에서 생성되어 분해된 기름, 물 및 회분의 혼합 슬러리 형태로 반응기를 빠져 나오는 슬러지를 감압 밸브(31)로 감압하고, 반응기 하부를 통과하면서 일부 열이 회수된 후 저장조(32)에 저장된 슬러리를 다시 원심분리기에서 물을 분리하고, 분리된 물을 다시 하수처리장으로 반송하여 처리를 하고, 나머지 잔류물은 저장하였다가 연소기로 보내며, 오일은 오일저장조(33)에 저장하는 감압 및 분리기(3)공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 방법.
  3. (정정) 제2항에 있어서, 상기 금속염은 Ca, Na, K로 구성된 군으로부터 선택된 탄산염인 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지로부터 오일회수를 위한 방법.
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