KR100581136B1 - 음식물쓰레기의 탄화 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최근 환경에 있어 큰 문제거리가 되고 있는 음식물 쓰레기의 자원화와 관련된 기술이다. 기존의 음식물쓰리기는 퇴비화와 사료화 등의 방법으로 재활용이 진행되고 있으나, 퇴비화는 염분제거문제로 인한 토양에의 문제점이 완전히 일소화되지 못하였고, 사료화는 세군과 바이러스로 인한 가축의 폐사문제로부터 자유롭지 못한 것이 현재의 사실이다.

이에 본 발명은 음식물 쓰레기를 탄화(炭化)처리하여 자원화함으로써 퇴비화와 사료화가 지닌 문제점을 일소하고, 숯을 자원화할 수 있도록 하여 음식물 쓰레기 재활용의 목적도 아울러 성수할 수 있는 잇점을 지닌 새로운 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탄화 처리방법은 음식물쓰레기를 "저정호퍼, 파쇄/파봉기, 탈수기, 건조기, 탄화기, 연소기, 성형기" 등의 공정을 거쳐 이루어진다.

본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탄화처리방법은 환경친화적이며 최소한의 에너지 소모를 통한 최대한의 효과를 지닌 숯을 생산하여 재활용하도록 하는 자원재활용방안이다. 또한 본 발명에 따라 제조된 숯은 탄소의 함유율이 높아 열효율이 높기 때문에 다양한 용도로의 활용이 가능한 잇점을 아울러 지니고 있다.

음식물 쓰레기, 탄화(炭化)처리, 숯

Description

음식물쓰레기의 탄화 처리방법{The carbonization of food waste}

도1은 본 발명에 따른 음식물쓰레기 탄화처리공정에 있어서의 처리과정도이다.

[폐기물관리법]에 따르면, 산업폐기물(특정폐기물) 이외의 폐기물인 일반폐기물 중 분뇨를 제외한 것을 쓰레기라고 하고 있다. 여기서 산업폐기물이란 산업활동에 수반하여 발생하는 폐기물을 말하며, 일반 폐기물은 사람의 일상생활에 수반되어 발생하는 쓰레기·분뇨 등을 지칭한다(방사성 폐기물은 ＜원자력법＞에 별도로 규정되었다). 쓰레기는 그 크기나 모양·성질에 따라 여러가지로 분류할 수 있는데, 냉장고·텔레비전·세탁기 등의 폐가전제품과 책상·장롱 등의 폐가구류, 폐차·폐자전거 등과 같이 비정기적으로 배출되는 대형의 쓰레기가 있는 반면 일상적으로 배출되는 폐·휴지나 음식물 찌꺼기와 같은 쓰레기도 있다. 또 불연성 쓰레기·가연성 쓰레기로 분류할 수도 있으며, 소각시 유해가스를 발생하는 쓰레기나 토양·수질을 오염시키는 유해 쓰레기로도 나눌 수 있다. 이 중 가연성 쓰레기는 소각처리하는 것이 좋으며, 불연성 쓰레기와 유해가스를 발생하는 쓰레기는 매립 처 리하고 수은전지나 형광등과 같이 중금속이 든 유해 쓰레기는 재활용하거나 안전매립하여야 한다. 또 음식류의 쓰레기는 퇴비로 재활용하는 방안 등이 있다. 무엇보다 쓰레기를 적게 배출하는 것이 중요하며, 쓰레기가 배출되었을 때는 그 처리방법을 고려하여 분리·위생수거하여 재활용하거나 안전하게 처리할 수 있게 하여야 한다.

일반적으로 쓰레기는 악취를 내며, 쥐·파리 등이 번식하게 되어 생활환경을 악화시키고 공중위생상으로도 유해하다. 또한 귀중한 생활 공간을 차지함으로써 사람들에게 불편을 주며 미관을 해치고 불쾌감을 준다. 이처럼 쓰레기는 환경을 훼손하기 때문에 용기에 담아 수집·운반·중간처리·최종처리 등 일련의 과정을 거쳐 폐기되어야 한다. 과거에는 쓰레기의 대부분이 주방용 쓰레기였고, 이것들은 개나 돼지 등 가축의 먹이로 주거나 퇴비로 만들어 비료로 이용하는 등 자체적으로 처리할 수 있었다. 그러나 제 2 차세계대전 후 급속한 경제성장에 따라 쓰레기도 급속히 증가하여 각국의 문젯거리가 되기 시작하였다. 경제수준의 향상과 함께 편리하게 쓰고 버리는 식의 상품이 대거 등장하여 소비량이 증대하고 이에 따라 쓰레기 발생량도 증대되었다. 또 소비자의 의식과 수요의 변화에 부응하여 식품을 비롯한 각종 상품을 대량생산·대량공급하기 위해 상자나 용기로 포장하게 되었다. 더욱이 신선도를 유지하고 상품을 안전하게 소비자에게 전달한다는 포장의 고유기능과는 상관없이 매출제일주의에 따른 과잉포장이 많아지고, 사용하기에 편리한 통조림이나 병제품, 기타 1회용용기(종이·플라스틱 등)에 담은 상품이 일반화됨으로써 쓰레기의 발생량은 엄청나게 증대되었다. 한편 쓰레기의 질도 주방 쓰레기 등의 천연 물 중심에서 종이·합성수지·유리·금속 등의 공업제품이나 부산물로 바뀌어 왔기 때문에 자연순환형의 처리는 매우 힘들게 되었고, 현재 일반적으로 이용되는 처리방식인 소각·매립 등의 처리에 의해서도 대기오염을 유발하거나 매립지에서 침출액에 의한 수질오염을 일으키는 등 많은 환경문제를 야기하고 있다. 쓰레기문제에 대처하기 위한 처리비용도 쓰레기 발생량의 증가에 따라 급증하고 있으며, 쓰레기처리시설의 입지 선정에도 큰 어려움을 맞고 있다. 특히 넓은 공간을 필요로 하는 매립장은 주민과의 이해관계와 용지확보에 어려움이 있기 때문에 국가차원에서 계획·검토되고 있다. 이처럼 심각해지는 쓰레기문제의 해결을 위해 세계 각국은 많은 기술적·제도적 장치를 연구·시행하고 있다. 기술적으로는 쓰레기의 자원·에너지로의 재활용과 안전하고 효율적인 매립 등의 측면에서 여러 방안이 연구되고 있으며, 제도적으로는 폐기물처리의 책임소재에 대한 원칙과 유해제품의 생산·판매 등에 규제를 마련하여 시행하고 있다. 한편 쓰레기문제에 대한 공동의 책임이라는 관점에서 시민에게는 식생활을 비롯하여 생활양식 전반에 걸친 반성과 재고가 요구되고 있다.

쓰레기처리는 원칙적으로 지방자치단체가 그 지역을 대상으로 일정한 계획을 정하여 실시한다. 따라서 쓰레기처리는 지방자치단체의 직영 또는 위탁에 의해 이루어지거나, 지방자치단체로부터 허가를 얻은 일반폐기물처리업자가 처리한다.

(1) 쓰레기처리의 기본 방향:우선 쓰레기 발생을 가능한 한 억제하며, 일단 발생된 쓰레기는 효율적으로 재활용하여 처리 대상이 되는 쓰레기를 최소화한 후 소각 등에 의한 중간처리로 쓰레기를 안정화·감량화하고, 최종적으로는 위생적으 로 매립한다. 그러나 매립장의 확보가 어렵기 때문에 가연성 쓰레기는 전량 소각하는 것이 기본이다.

(2) 쓰레기수집:쓰레기수집은 지방자치단체나 위탁업자 또는 허가를 받은 수집업자에 의해 이루어진다. 쓰레기수집은 차량에 의한 것이 대부분인데, 여건에 따라 차량과 선박에 의해 중계수송되어 쓰레기처리시설까지 운반되기도 한다. 또 새로운 방식으로, 쓰레기를 지하에 매설한 파이프를 통해 공기로 수송하는 파이프수집 또는 파이프수송(공기수송)도 있다.

(3) 쓰레기처리방법:가장 일반적인 쓰레기처리방법으로는 쓰레기를 소각하여 감량화·안정화한 후 소각잔유물을 매립하는 방법이다. 한편 재활용쓰레기를 자원으로 이용하거나 소각을 통한 열에너지로의 전환 등도 유효한 쓰레기처리방법이라 할 수 있다. 한국에서 쓰레기처리의 방법별 현황을 보면, 직접매립이 압도적으로 많고, 소각처리하거나 재활용되는 비율은 극히 미약하다. 따라서 매립 위주의 쓰레기처리에 대한 방법적 전환이 요구되고 있다. 쓰레기중 음식물 쓰레기는 자원화방안으로 주로 퇴비화와 사료화를 통하여 이루어지고 있다.

퇴비화는 음식물 쓰레기를 처리하여 유기질 비료화하여 토양에 사용하는 방안이다. 본 방안은 가장 큰 난점이 염분제거 문제이다. 지속적인 연구에 의하여 많이 개선되기는 하였으나 여전히 완전한 염분과 이물질의 제거가 어려운 난제로 주어져 있으며, 탈리액의 처리도 어려운 과제중 하나이다.

사료화는 음식물 쓰레기를 가축의 사료로 재활용하는 방안이다. 본 방안은 세균과 바이러스로 인한 병폐로 인하여 최근 그 활용이 줄어들고 있는 추세이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 바와 같은 다양한 문제점들을 극복하여 저렴한 가격으로 양산이 가능하며, 인체에 위해성이 없으며 환경친화적이며 높은 경제성을 지닌 음식물 쓰레기의 자원화 방안을 제공하는데 있다.

음식물 쓰레기를 탄화처리하여 숯으로 재활용함으로써 음식물 쓰레기를 효과적으로 처리하는 방법이 됨은 물론, 고품질의 숯을 제조하여 저렴한 가격에 공급함으로써 에너지 절약에도 기여할 수 있는 잇점을 아울러 지니고 있다.

탄화(炭化)란 유기물질을 공기나 산소의 흐름을 차단하고 가열할 때 탄소를 많이 함유하는 검은색 물질로 변화하는 과정을 의미한다. 목탄은 이 탄화작용에 의한 생성물의 대표적 예이다. 생성된 것은 무정형탄소 등을 주성분으로 하는 집합체인데, 대부부 다공질이며 표면적이 매우 크다. 그 밖에 석탄을 건류하면 코크스가 되거나, 양초에 불을 켜면 검댕이가 생기는 등의 현상도 모두 탄화이다. 탄화의 반응이 어떻게 진행되는지는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많은데 가열에 의하여 탈수·탈수소 반응이 일어나고, 축합된 여러고리방향족 화합물이 생기며, 다시 그물코 모양의 구조를 형성해 가는 것으로 추정된다.

탄화공정은 탄소질 원료를 약 500℃ 정도로 가열하면 탈수,탈산 현상등의 분해작용으로 산소결합이 끊어진다. 이때 산소가 물과 일산화탄소 및 이산화탄소 등의 형태로 대기중으로 방출되고 휘발분은 거의 가연성가스로 제거되는 공정으로 최 종 고정탄소가 남게 된다.

이와같은 특성을 착안하여 음식물쓰레기를 탄화처리하는 것이 본 기술의 요지이다.

탄화기술은 소각처리와 같이 음식물의 탄소분을 태워서 제거하는 것이 아니고 무산소 상태에서 가열하여 건류가스를 만들고 이 건류가스를 재 연소시킬 때, 발생하는 열을 이용하여 음식물쓰레기를 최종적으로 숯(탄소+무기물)으로 생성하는 일련의 기술이다.

음식물쓰레기의 구성성분은 85％가 주로 수분이고, 15％가 총고형물(=증발잔유물: 수분을 증발시킨 후 남은 잔재물)로 이루어졌으며, 이 총고형물중에서 75％는 휘발성고형물(고온을 가할 때 휘발할 수 있는 물질)이다.

음식물 쓰레기를 고열처리하여 탄화하면 휘발성 고형물이 열분해되어 가연성 가스로 발생되는 데 이 가스를 건류가스라고 한다.

건류가스의 성상은 주로 음식물을 구성하는 분자형태 즉, C-C, C-H, C-N, C-O 결합 등의 형태로 이루어졌으며 열분해하면서 원자와 원자의 결합부분이 절단되어 메탄, 에탄, 에틸렌 등으로 생성된다.

생성된 건류가스는 탄화온도에 따라 다음과 같이 발생한다.

[표 1] 탄화온도에 따른 생성가스

[표 1]에서 알 수 있듯이 200℃ 까지는 음식물 쓰레기 내에 존재하는 수분 및 흡착 가스가 주로 방출되고, 400℃ 까지는 H₂S, NH₃ , CH₄ , C₂ H₆, CO 등의 가스가 주로 발생하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 탄화과정을 설명하면 다음과 같다.

함유 수분이 80-85％ 이상인 각종 음식물 쓰레기를 반입받아, 저장호퍼를 통하여 자동파쇄선별기에 투입한다. 자동파쇄선별기는 음식물쓰레기를 5∼10㎜로 파쇄하여 미립자 상태로 만들고, 불필요한 협잡물(비닐류, 금속류, 기타)은 선별하여 분리하는 기능을 수행한다. 미립자 상태의 음식물쓰레기는 탈수기로 이동하여 탈수되고, 탈수 후 발생하는 탈리액은 오폐수처리장치로 이동하여 정화된다.

탈수처리된 미립자 상태의 음식물쓰레기는 건조기로 이동하여 건조된다. 이때 건조기는 버너에 의해 열을 공급받아 음식물쓰레기를 건조하고, 건조시 발생하는 수증기는 열교환기를 거치면서 온도가 낮아지고 그 다음 기수분리기를 통하여 수분과 기체로 분리된다. 수분은 오폐수처리장치로 이동하여 장화과정을 거치게 되 고, 증발된 기체는 송풍기가 대기오염장치로 불어줌으로써 대기오염방지시설에 의해 처리된후 대기방출된다.

건조기에는 열교환기와 기수분리기가 연결 설치된 장치가 설치되어 앞에서 언급한 바대로 열교환기와 기수분리기를 거친 후 대기오염방지시설로 보내지는 과정을 거치는 설비외에, 건조기에 바로 연결된 기수분리기가 설치된다. 다시말해 기수분리기가 2대 건조기와 연계되어 설치되는 것이다. 열교환기를 거치지 않고 바로 건조기에 연결부착된 기수분리기는 건조시 발생하는 수증기를 가스와 수분으로 분리하고 이중 가스부분을 송풍기가 연소기로 불어줌으로써 연소기에서 재사용함으로써, 에너지 절감효과를 높이고자 하는 목적에서 이루어진 공정이다.

건조기에 바로 연결된 기수분리기에서 분리된 기체(가스)와 수분중, 수분은 오폐수처리장치로 보내져 정화되고, 기체(가스)부분은 연소기로 보내져 에너지원으로 재사용되어지는 구조인 것이다. 가스를 기수분리기로부터 연소기로 제대로 공급하기 위하여 송풍기를 설치하여 가스를 연소기 내부로 불어 넣어주는 구조 또한 취하고 있다.

건조기를 통하여 건조된 음식물쓰레기는 싸이클론을 통해 다시 선별된다. 선별된 음식물쓰레기 미립자는 탄화기에 유입되어 탄화과정을 밟게 된다.

이때 탄화기의 열원은 연소기로부터 송풍기에 의해 공급되는 열풍인데, 연소기의 에너지원은 3가지로 크게 대별된다. 버너를 통한 연소기로의 에너지 공급과 건조기로부터 공급받은 열원을 기수분리기(수증기에서 기체와 수분을 구분하는 장치), 송풍기를 거쳐 공급받는 가스와, 또 하나는 탄화기에서 나온 건류가스를 에너 지원으로 재사용하는 것이다.

탄화기를 통하여 나오는 숯가루와 건류가스와 열풍은 각각 구별 처리된다. 먼저 숯가루로 변한 음식물쓰레기는 싸이클론을 한번 더 거친 다음, 냉각기로 보내진다. 탄화기를 통하여 나온 숯가루는 온도가 높기 때문에, 자연냉각에는 시간이 많이 소요된다.

따라서 냉각기에 넣어 신속히 냉각시킨 다음, 탄화물저정호퍼로 보낸다.

탄화기를 통하여 나오는 건류가스는 싸이클론을 거친 다음 다시 연소기로 보내져 연소기의 에너지원으로 재활용된다.

탄화기를 통하여 나오는 3가지 요소 즉, 숯가루, 건류가스, 열풍 중 열풍부분은 다시 건조기로 보내져 탈수처리가 된 음식물쓰레기의 건조에 재사용되어진다.

냉각기를 거쳐 탈화물저정호퍼로 이동한 숯가루는 숯성형기로 보내져 일정한 크기의 숯으로 성형된다. 이때 숯의 열효율을 높이기 위하여 유연탄을 15-25％ 정도 투입한다. 숯성형기를 통하여는 원하는 크기로 조절하여 사용하기 적합한 크기의 숯으로 성형이 가능하다. 이렇게 제작된 숯은 출하되어 원하는 곳에 출하된다.

음식물탄화처리장치의 구동에 소요되는 에너지를 절감하기 위하여 위의 공정들을 통하여 제조된 숯의 일부는 연소기에 재 투입되어 에너지원으로 재활용되어 진다. 이를 통하여 음식물탄화처리장치의 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 것이다. 숯의 연소기로의 투입량은 사용자가 출하되어 판매되는 숯의 양과 관련하여 자의적으로 정하여 원하는 만큼을 얼마든지 투입할 수 있다.

상술한 바와 같은 방법으로 음식물 쓰레기를 자원화할 경우, 저렴한 가격으로 양산이 가능하며, 인체에 위해성이 없으며 환경친화적이며 높은 경제성을 지닌 음식물 쓰레기의 자원화를 구현할 수 있다.

음식물 쓰레기를 탄화처리하여 숯으로 재활용함으로써 음식물 쓰레기를 효과적으로 처리하는 방법이 됨은 물론, 고품질의 숯을 제조하여 저렴한 가격에 공급함으로써 에너지 절약에도 기여할 수 있는 잇점을 아울러 지니고 있다. 또한 제조된 숯을 음식물쓰레기 탄화장치에 재투입하여 재활용함으로써 탄화장치 구동에 소요되는 에너지를 절감할 수도 있는 방안이다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허등록청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (1)

1. 함유수분이 80-85％ 이상인 음식물쓰레기를 반입하여 저장호퍼로 보낸 뒤, 자동파쇄선별기를 통하여 미립자로 분쇄하고 협잡물은 분리수거하여 처리하고, 분쇄된 음식물쓰레기 미립자는 탈수기로 보내져 탈수되고, 탈리액은 오폐수처리장치로 보내지고,

   탈수처리된 음식물쓰레기 미립자는 저장호퍼로 보내지고 이어 건조기로 보내진 뒤, 건조기에서 건조시킨 다음 싸이클론을 거쳐 탄화기로 보내져 숯가루로 변하는 과정을 밟은 뒤,

   싸이클론을 다시 한번 더 거친 다음, 냉각기를 통하여 냉각처리되고 이어 탄화물저장호퍼로 보내진 뒤, 유연탄을 15-25％ 정도 투입하여 숯성형기에서 원하는 크기의 숯으로 성현된 뒤, 출하되는 공정을 통하여 처리되는 음식물쓰레기 탄화방법에 있어서,

   건조기에서 발생하는 수증기를 열교환기, 기수분리기, 송풍기 과정을 통하여 대기오염방지 시설로 보내어 처리하는 방법과 발생한 수증기를 열교환기를 거치지 않고 기수분리기로 바로 보내어 송풍기를 활용하여 연소기의 에너지원으로 재활용하는 방법을 동시에 실시하고,

   버너,연소기,송풍기 과정을 통하여 열풍을 공급하는 탄화기에 있어 본 공정을 통하여 제조된 숯가루를 숯성형기에 넣어 숯으로 성형한뒤, 이를 연소기에 재투입하여 열에너지원으로 재사용이 가능한 방법을 통하여 에너지 절감 방법을 이루 고,

   탄화기에서 유출되는 숯가루와 건류가스와 열풍 3가지 중, 숯가루와 건류가스 부분은 싸이클론을 거쳐 숯가루는 냉각기로 보내어 식히고, 건류가스는 연소기로 다시 보내어져 재활용하며, 열풍은 다시 건조기로 보내어 건조기의 열원으로 재사용하는 것을 특징으로 하며,

   숯을 성형하는 과정에서 음식물쓰레기를 활용하여 제조한 숯가루외에 열효율을 높이기 위하여 유연탄을 15-25％ 숯성형기에 함께 투입하여 제조하는 것을 특징으로 하는,

   일련의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 탄화방법

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