KR100704272B1 - 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치에 관한 것으로서, 반입조에 투입된 원료로부터 이물질을 제거하기 위한 이물질 제거장치; 상기 이물질 제거장치로부터 원료를 공급받고, 고온의 청정공기와 열을 공급받아 원료를 발효하기 위한 발효장치; 상기 발효장치로부터 발효된 원료를 이송받아 열에 의해 건조시키고 유해성분을 제거하기 위한 슬러리 건조 및 이송장치; 상기 발효장치로부터 공급된 MFG가스와 산소 및 보조연료를 공급받아 연소시켜 열을 발생시키는 가열장치; 상기 발효장치에서 발생하는 MFG가스를 포집하기 위해 상기 발효장치와 상기 가열장치 사이에 설치되는 MFG 포집탱크; 상기 가열장치의 후단에 설치되어 증기를 생성하는 보일러장치; 상기 보일러장치로부터 폐열을 공급받아 청정 외부공기와 열교환을 함으로써, 고온의 청정공기를 상기 발효장치에 공급하는 열교환기; 및 상기 슬러리 건조 및 이송장치로부터 이송된 원료로부터 이물질을 선별하는 선별기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
축산분뇨, 비료, 에너지, 발효장치, 열교환기, 가열장치, 보일러장치, 가스

Description

축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법{APPARATUS FOR PRODUCING ENERGY AND MANUFACTURING FERTILIZER BY USING EXCRETIONS, WASTE WATER AND SLURRY, AND METHOD OF THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 도 1의 장치에서 발효장치를 구체적으로 나타낸 도면;
도 3은 도 1의 장치에서 가열장치를 구체적으로 나타낸 도면;
도 4는 도 1의 장치에서 슬러리 건조 및 이송장치를 구체적으로 나타낸 도면;
도 5는 도 1의 장치에서 냉각장치를 구체적으로 나타낸 도면; 및
도 6은 도 1의 장치에서 선별기 및 그를 통한 포장장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 이물질 제거장치 20: 발효장치
30 : 슬러리 건조 및 이송장치 40 : 가열장치
50 : 보일러장치 55 : 증기저장탱크
60 : 열교환기 61 : 본체
63 : 외부공기유입구 65 : 열교환관
70 : 선별기 80 : MFG 포집탱크
90 : 산소발생기 100 : 증기터빈
본 발명은 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축산분뇨, 폐수 및 슬러리를 발효조에 투입하고 열을 간접적으로 공급하면서 고속발효를 시행하여 여기서 얻어지는 MFG(Methane Fermentation Gas)에 도시가스(LNG)나 LPG를 순 산소와 함께 혼합 적용하여 가열장치와 보일러를 가동하여 증기를 생산하여, 생산된 증기로 증기터빈을 구동시켜 전기 생산을 하고, 또한 발효된 원료를 열을 이용하여 고속건조함으로써 유기질 비료를 생산하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 분뇨의 경우는 폐낙－G를 살포할 경우 미생물로 인한 발효가 2개월 정도 지나면 완전히 숙성된 액비가 되고 거름으로 사용할 수 있으나, 축산 폐수는 사료에 첨가되어 있는 항생제나 소독용 살균제 및 살충제를 많이 함유하고 있어 자연발효 시에는 3개월 정도의 많은 시간이 필요하다.
농축산 폐수는 대규모 축산 농가의 경우 이들 축산업 수입원 중 환경처리 비 용에 대한 지출이 40％를 상회하고 있으며, 앞으로 점점 환경비용 부담이 증가하는 추세에 있다．이들 발생 폐수를 처리하기 위해서는 지하에 콘크리트 탱크를 만들어 폐수를 저장 후 발효 또는 다른 곳으로 운반 처리하는 방식을 택하고 있다．콘크리트 탱크의 경우 콘크리트 구조물을 수밀하게 시공할 경우 방수가 가능하나， 축산 분뇨가 워낙 부식성이 있어 콘크리트의 부식이 빨라 균열이 쉽게 발생하며, 균열이 발생할 경우 보수가 거의 어려운 형편이다. 이 균열을 통하여 폐수가 지하로 흘러갈 경우 발견이 쉽지 않고 이렇게 폐수가 누출될 경우 토지가 오염되고 복원시키는 것은 거의 불가능한 실정이다.
또한, 수질의 오염은 오염된 물이 자연의 정화 능력을 상회하여 유입되면서 인위적으로 사용목적에 적합하지 못한 상태를 말한다．이들 주 오염원은 생활하수，산업폐수 및 농축산 폐수로 분류할 수 있다． 그 중 산업폐수는 수질환경보존법에 정하는 규정에 따라 오염 저감 시설을 설치하여 운영하고 있으며，생활 하수는 발생하는 하수를 하수 처리시설을 통해 하수 처리를 하든지 기타 방법으로 하천이나 해역 등의 공공 수역에 방류시키고 있다．
그러나 축산 폐수는 경제 성장과 더불어 가축 수요가 계속 증가하는 추세로 축산 폐수에 대한 대책은 상당히 미흡한 것으로 관계 기관은 이들 폐수 처리를 위해 많은 애로를 피력하고 있는 것으로 알고 있다．
이들 축산 폐수는 오염부하량이 폐수 발생량에 비해 크기 때문에 미처리 방류 시 하천의 수질 악화，호수의 부영양화 등을 초래하여 상수원 또는 농업 용수를 오염시킬 뿐 아니라 악취 및 해충 발생이 환경을 저해하는 요인이 되고 있다．
또한 하수 슬러리 처리도 애로를 겪고 있다. 그래서 이들 오염원을 최소화하기 위하여 정부는 맑은 물 공급 종합대책을 수립하여 매년 막대한 투자를 하고 있다．
그러나 축산 폐수처리장의 경우 축산 농가의 산재(散在)로 이들을 처리하는데 한계가 있다고 판단된다．이러한 한계를 극복하고 환경보전형 유기영농의 활성화를 위하여 본 발명으로 이들 분뇨를 고속 발효시켜 유기영농에 사용하는 한편 에너지화하는 방안을 제시하고자 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 환경오염을 없애고 이들을 원료로 하여 발효를 시행하여 MFG를 얻어 에너지화하여 자원으로 되돌려 주고 유기질비료를 생산하여 농가 소득증대를 꾀하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치는, 반입조에 투입된 원료로부터 이물질을 제거하기 위한 이물질 제거장치; 상기 이물질 제거장치로부터 원료를 공급받고, 고온의 청정공기와 열을 공급받아 원료를 발효하기 위한 발효장치; 상기 발효장치로부터 발효된 원료를 이송받아 열에 의해 건조시키고 유해성분을 제거하기 위한 슬러리 건조 및 이송장치; 상기 발효장치로부터 공급된 MFG가스와 산소 및 보조연료를 공급받아 연소시켜 열을 발생시키는 가열장치; 상기 발효장치에서 발생하는 MFG가스를 포집하기 위해 상기 발효장치와 상기 가열장치 사이에 설치되는 MFG 포집탱크; 상기 가열장치의 후단에 설치되어 증기를 생성하는 보일러장치; 상기 보일러장치로부터 폐열을 공급받아 청정 외부공기와 열교환을 함으로써, 고온의 청정공기를 상기 발효장치에 공급하는 열교환기; 및 상기 슬러리 건조 및 이송장치로부터 이송된 원료로부터 이물질을 선별하는 선별기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발효장치는, 원료를 발효시키기 위한 다수의 발효조; 원료에 열을 공급하기 위해 상기 각각의 발효조의 외벽 및 바닥부에 일체로 설치되는 발효조 가열실; 및 상기 열교환기로부터의 고온의 청정공기를 상기 각각의 발효조들에 공급하기 위해, 상기 각각의 발효조 내부에 설치되며, 다수의 공기 분사노즐을 구비하는 다수의 발효교반관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 발효조는 순차적으로 제 1발효조, 제 2발효조 및 제 3발효조를 포함하며, 상기 발효조들은 발효조와 발효조 사이를 적정한 높이로 관통되게 하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 발효조 가열실의 전단에는 상기 열교환기와 연결된 폐열공급관이 연결되어 있고, 그 후단에는 폐열 흡입용 송풍기와 폐열배출관이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열장치는, 밀폐식 구조로서, 다수의 버너들을 구비하고, 그 전단의 상기 다수의 버너는 MFG 포집탱크, 산소발생기 및 보조연료공급부와 연결되어 있으며, 그 후단은 상기 보일러장치와 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 MFG 포집탱크는 상기 발효조의 밀폐된 상부벽과 연통된 MFG 이송관과 연결되고, 상기 MFG 이송관의 일측에는 MFG가스를 흡입하기 위한 MFG 흡입송풍기가 설치되며, 상기 MFG 포집탱크의 상부에는 MFG 공급펌프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러리 건조 및 이송장치는, 상기 가열장치를 횡방향으로 가로질러 설치되는 것으로,
일측에 원료투입구가 설치되고 타측에 원료배출구가 설치되며, 횡으로 긴 중공의 원통벽; 상기 중공의 원통벽의 내부에 원료를 이송하기 위해 설치된 스크류 컨베이어; 가열장치로부터의 열을 상기 슬러리 건조 및 이송장치에 전달하기 위해, 상기 원통벽의 외주부에 둘러싸여 설치되며, 상부쪽에는 상기 원통벽과 연통된 다수의 가스배출노즐이 일체로 형성된 열매체; 및 원료의 적정한 습도에 따라 슬러리 건조 및 이송장치의 속도를 조절하기 위해, 상기 슬러리 건조 및 이송장치의 일측 내부에 설치되는 습도조절장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러리 건조 및 이송장치에 원료를 공급하기 위하여 상기 원료투입구와 상기 발효조 사이에 슬러리 이송펌프와 슬러리 공급관이 연결되고, 상기 원료배출구는 상기 선별기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 보일러장치는, 그로부터 발생된 증기를 저장하기 위하여, 그 상부 일측에 증기저장탱크를 더 설치하는 것을 특징으로 한다.
증기를 공급받아 전기를 생산하기 위하여, 상기 증기저장탱크와 연결되는 증기터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는, 본체와 상기 본체의 내부에 설치된 다수의 열교환관을 포함하고;
상기 본체는 상부 일측이 상기 보일러장치에 연통된 폐열공급관에 연결되고 그 상부 일측에 다수의 열교환관이 연결되며, 그들 다수의 열교환관은 상기 본체의 내부를 감고 돌아서 상기 본체의 상부 타측에 연결되며, 상기 본체의 상부 타측에는 상기 발효조 가열실에 폐열을 공급하는 폐열공급관과 연결되고, 상기 본체의 하부에는 외부공기유입구가 형성되며, 상기 본체의 다른 일측에는 고온 청정공기공급관이 연결되는 것을 특징으로 한다.
원료에 포함된 여러 가지 유해성분을 제거하기 위하여, 원료에 부형제를 투 입할 수 있도록 상기 슬러리 건조 및 이송장치의 입구에 부형제 투입장치를 더 설치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조방법은, 축산분뇨 및 폐수와 슬러리로 구성된 원료로부터 이물질을 제거하는 단계; 이물질이 제거된 원료를 다수의 발효조를 구비한 발효장치에 공급하여 발효하는 단계; 상기 발효장치의 발효조 가열실에 폐열을 공급하는 단계; 원료교반 및 발효촉진을 위해, 상기 발효장치의 내부에 설치된 다수의 발효교반관을 통해 고온의 청정공기를 공급하는 단계; 상기 발효장치의 발효조로부터 생성된 MFG 가스를 MFG 포집탱크에 저장하고, 저장된 MFG 가스를 가열장치에 공급하는 단계; 상기 MFG 가스의 결점인 연소 불안정성을 효과적으로 연소하기 위하여 산소를 공급하고 도시가스 또는 LPG가스와 같은 보조연료를 공급하는 단계; 상기 포집된 MFG, 산소 및 보조연료로 가열장치, 보일러장치 및 증기터빈을 가동하여 에너지를 생성하는 단계; 상기 발효된 원료를 가열장치를 통과시킴으로써 건조하여 유기질 비료를 제조하는 단계; 및 상기 발효공정에 필요한 열을 공급하기 위하여 열교환기를 통한 열교환단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 목적 및 구성상의 특징은 첨부된 도면 및 이하에서 기술되는 본 발명의 상세하고 바람직한 실시예들의 설명에 의하여 더욱 명확하게 될 것이다. 또한, 도면들에서 서로 동일 내지 유사한 부분들은 설명 및 이해의 편의상 동일 내지 유사한 참조 부호들로 기재되어 있는 점에 주목할 필요가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
설명하기에 앞서 본 발명에 있어서는 축산분뇨폐수 및 폐수와 슬러리를 원료로 한 것이기 때문에 이하 원료로 칭하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명 따른 장치는, 크게 이물질 제거장치(10), 발효장치(20), 슬러리 건조 및 이송장치(30), 가열장치(40), 보일러장치(50), 열교환기(60) 및 선별기(70)를 포함한다.
또한, 상기 발효장치(20)에서 발생하는 MFG가스를 포집하는 MFG 포집탱크(80)가 상기 발효장치(20)와 상기 가열장치(40) 사이에 구비되고, MFG의 연소효율을 높이고 저 공기비로 고온의 온도를 더 얻도록 산소를 공급하기 위한 산소발생기(90)를 상기 가열장치(20)의 전단에 설치하며, 상기 보일러장치(50)로부터 증기를 공급받아 전기를 생산하는 증기터빈(100)이 상기 보일러장치(50)의 후단에 설치된다.
상기 이물질제거장치(10)는 에너지와 유기질 비료를 얻기 위하여 반입조(11)에 투입된 원료로부터 이물질을 제거하기 위한 것이다. 상기 이물질제거장치(10)는 일반적으로 당업계에 공지된 바와 같이 회전 롤러와 그물망과 같은 구조로 이루어진다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이물질제거장치(10)를 통과한 원료는 발효장치(20)로 이송된다. 상기 발효장치(20)는 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250)를 포함한다. 상기 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250)의 사이에는 각각 분리벽(215)이 장착되는데, 상기 분리벽(215)은 상부벽으로부터 하부로 연장되어 바닥으로부터 일정 높이까지만 연장된다.
상기 각각의 발효조의 외벽 및 바닥부에는 원료를 고속으로 발효하기 위해 열을 공급하는 발효조 가열실(220)이 설치된다. 상기 발효조 가열실(220)은 상기 열교환기(60)로부터 고온의 열을 공급받으며, 이렇게 공급된 고온의 열은 각각의 발효조의 외벽과 바닥부를 순환하면서 그들 발효조에 열을 공급한 후 방출된다. 또한, 상기 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250) 각각의 내부에는 제 1발효교반관(223), 제 2발효교반관(224) 및 제 3발효교반관(225)이 각각 설치되어, 상기 열교환기(60)로부터의 고온의 청정공기를 상기 각각의 발효조들에 공급할 수 있는 것이다. 상기 제 1발효교반관(223), 제 2발효교반관(224) 및 제 3발효교반관(225)은 청정공기공급관(222)으로 통합되어 상기 열교환기(60)에 연결되고, 상기 청정공기공급관(222)의 일측에는 고온의 청정공기를 공급하기 위한 터보송풍기(227)가 설치된다.
상기 각각의 발효조(230),(240),(250) 속에 삽입되는 상기 각각의 발효교반 관(223),(224),(225)에는 다수의 공기 분사노즐(253)이 설치되어 있어 고온의 청정공기를 공급함으로써, 원료 교반 및 발효를 촉진시킬 수 있다.
이러한 고온의 청정공기나 열의 공급은 축산분뇨나 슬러리의 발효를 촉진시켜 발효기간을 크게 단축할 수 있는 것이다.
상기 발효조, 발효교반관 및 청정공기공급관의 제작은 부식에 의한 원료 유출을 막기 위해 염분이나 수분에 의해 부식에 강한 재질(SUS316L) 등으로 사용한다.
또한, 상기 발효조 내부의 원료가 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250)를 순차적으로 진행하기 위하여 각각의 발효조를 연결하고, 발효조와 발효조 사이를 적정한 높이로 관통되게 하여, 제 1발효조(230)에 원료가 완전히 채워지면 제 2발효조(240)에 원료가 넘어가며, 제 2발효조(240)에 원료가 완전히 채워지면 제 3발효조(250)로 자연적인 밀려서 이송되도록 한다. 원료의 흐름 경로는 도 2에 도시되어 있다.
상기 발효조 가열실(220)의 전단에는 상기 열교환기(60)와 연결된 폐열공급관(238)이 연결되어 있고, 그 후단에는 폐열 흡입용 송풍기(242)와 폐열배출관(244)이 연결되어 있다. 상기 폐열공급관(238)은 상기 열교환기(60)로부터의 폐열을 상기 발효조 가열실(220)에 공급하고, 상기 폐열 흡입용 송풍기(242)는 발효용 폐열 흡입을 유도함과 동시에 발효 후 배출되는 가스를 대기방지설비로 공급하여 청정가스로 처리하여 대기로 방출한다.
상기 가열장치(40)는 MFG 포집탱크(80)으로부터 MFG가스를 공급받고 산소발생기(90)로부터 산소를 공급받아 버너를 통해 가열된다. 이때, 상기 MFG 포집탱크(80)는 상기 제 3발효조(250)의 밀폐된 상부벽과 연통되게 연결된 MFG 이송관(261)과 연결되고, 상기 MFG 이송관(261)의 일측에는 MFG가스를 흡입하기 위해 MFG 흡입송풍기(263)가 설치되어 있다. 또한, MFG 포집탱크(80)의 상부에는 MFG 공급펌프(265)를 구비하여, 포집된 MFG를 가열장치(40)에 의 버너로 공급한다.
상기 가열장치(40)의 버너에 산소를 공급하는 이유는 MFG 가스의 연소효율을 높이고 저 공기비로 고온의 온도를 얻기 위한 것이다.
상기 가열장치(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 밀폐식 구조로서 다수의 버너(270)들을 구비하고 있다. 또한, 상기 가열장치(40)의 전단은 MFG 포집탱크(80), 산소발생기(90) 및 보조연료공급부(276)와 연결되어 있으며, 그 후단은 상기 보일러장치(50)와 연통되어 있다.
계속해서, MFG의 결점인 연소 불안정성을 효과적으로 연소를 실현하기 위하여, 가열장치(40)에 구비된 버너(270)들로 MFG 가스가 공급될 때 도시가스(LNG)나 LPG가스를 혼합하여 공급할 수도 있다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 슬러리 건조 및 이송장치(30)는 상기 가열장치(40)를 횡방향으로 가로질러 설치된다. 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)는 발효된 원료의 수분을 제거하는 건조 단계와 원료의 이송 단계를 동시에 수행함으로써, 유기질 비료의 원재료를 제조한다.
상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)는 횡으로 긴 중공의 원통벽(311)을 구비하고, 상기 중공의 원통벽(311)의 내부에 원료를 이송하기 위한 스크류 컨베이어(313)가 설치되어 있다. 상기 원통벽(311)의 진행방향 전단의 상부에는 원료투입구(320)가 일체로 형성되고 그의 진행방향 후단의 하부에는 원료배출구(330)가 일체로 형성된다. 또한, 상기 원통벽(311)의 외주부에는 가열장치(40)로부터의 열을 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 전달하기 위한 열매체(340)가 둘러싸여 있다. 상기 열매체(340)의 상부쪽에는 상기 원통벽(311)과 연통된 다수의 가스배출노즐(345)이 일체로 형성되어 있다.
또한, 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 일측 내부에는 습도조절장치(315)가 부착되어 있어, 원료의 적정한 습도에 따라 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 속도를 조절할 수 있다.
상기 열매체(340)는 가열장치(40)에서 발생하는 열을 전달받아 일정한 열을 가지게 하고자 채택되었으며, 이 열매체(340)의 재질은 크롬과 니켈이 함유된 고강도 내화물로 제작된다. 상기 열매체(340) 내부에 내장되는 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 원통벽(311)은 내열성 및 내식성에 강한 재질인 스테인레스강(SUS310) 등으로 제작되며, 내부의 스크루 컨베이어(313) 또한 내열성 및 내식성에 강한 재질인 스테인레스강(SUS310)으로 제작된다.
상기에 있어서 발효된 상태의 원료 성분의 보호를 위하여 밀폐된 슬러리 건조 및 이송장치(30) 내부의 스크루 컨베이어(313)가 구비되고, 상기 스크루 컨베이어(313)에 의해 이송되는 원료는 수분을 동반한 가스가 포함되어 있다. 상기 원료 에 포함된 수분은 열에 의해 제거되고, 가스는 상기 다수의 가스배출노즐(345)에 의해 가열장치(40) 내부로 배출된다. 상기 다수의 가스배출노즐(345)의 재질 또한 내열성 및 내식성에 강한 재질(SUS310)로 제작된다.
상기 다수의 버너(270) 중 일부는 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 의해 이송되는 원료의 습도를 체크하는 습도조절장치(315)의 제어에 의해 자동으로 착화되거나 오프됨으로써, 최종적으로 가열장치(40) 내부의 온도를 조절할 수 있다.
여기서, 상기 열매체(340)가 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 간접적으로 열을 전달하게 되며, 그 열에 의해 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 이송되는 원료의 수분과 가스는 열팽창에 의해 가스배출노즐(315)을 통해 분사된다. 이렇게 배출되는 가스와 수분은 가열로(10)에서 연소하며, 이 가스와 수분이 연소되면서 에너지로 전환되므로 상기 MFG가스의 에너지화한 열과 만나 더욱 많은 양의 열을 생산하게 된다.
또한, 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 원료를 공급하기 위하여, 상기 원료투입구(320)와 상기 제 3발효조(250) 사이에 슬러리 이송펌프(286)와 슬러리 공급관(287)이 연결된다. 그리고, 상기 원료배출구(330)는 별도의 라인을 통해 상기 선별기(70)에 연결된다.
또한, 원료에 포함된 여러 가지 유해성분을 제거하기 위하여, 원료에 부형제를 투입할 수 있도록 부형제 투입장치(390)가 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 입구에 연결된다.
상기에 있어서, 슬러리 건조 및 이송장치(30)에서 건조된 원료는 슬러리 건 조 및 이송장치(30)의 원료배출구(330)로 배출된다. 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 원료배출구(330)를 통해 배출된 원료는 선별기(70)에서 원료에 포함된 이물질이 제거된 후에 포장된다.
또한, 상기 가열장치(40)의 후단에는 보일러장치(50)가 설치되어 있고, 상기 가열장치(40)에서 얻어지는 열로 상기 보일러장치(50)를 가동한다. 상기 보일러장치(50)의 상부 일측에는 증기저장탱크(55)를 연결하여 보일러장치(50)로부터 증기를 공급받아 증기터빈(100)으로 증기를 보내어 전기 생산을 한다. 상기 증기터빈(100)은 일반적으로 당업계에 공지된 기술로서 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(60)는 본체(61)와 그 내부에 설치된 다수의 열교환관(65)을 포함한다. 상기 본체(61)는 상부 일측이 상기 보일러장치(50)에 연통된 폐열공급관(371)에 연결되어 있고 그 상부 일측에 다수의 열교환관(65)이 연결되며, 그들 다수의 열교환관(65)은 상기 본체(61)의 내부를 감고 돌아서 상기 본체(61)의 상부 타측에 연결된다. 상기 본체(61)의 상부 타측에는 상기 발효조 가열실(220)에 폐열을 공급하는 폐열공급관(238)과 연결된다. 또한, 상기 본체(61)의 하부에는 외부공기유입구(63)가 형성되어 있어, 상기 본체(61)의 내부에 외부의 청정공기를 유입할 수 있게 한다. 또한, 상기 본체(61)에는 고온 청정공기공급관(222)가 연결되어 있어, 상기 각각의 발효조(230),(240),(250)에 고온의 청정공기를 공급할 수 있다.
상기 열교환기(60)의 작동을 보면, 다수의 열교환관(65)을 흐르는 고온의 폐열과 본체(61) 내부에 유입된 외부공기 사이에 열교환이 이루어짐으로써, 고온의 청정 외부공기는 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250)로 고압으로 분사되고, 고온의 폐열은 폐열공급관(238)을 통해 발효조 가열실(220)로 공급된다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 유기질 비료가 선별기를 통해 포장이 되는 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조 공정에 대하여 상세히 설명한다.
축산분뇨 및 폐수와 슬러리로 구성된 원료로부터 이물질을 제거한다.
이물질이 제거된 원료를 제 1발효조(230)에 투입하여 1차 발효한다. 제 1발효조(230)에서 1차 발효된 원료를 제 2발효조(240)으로 자연적으로 이송하여 2차 발효한다. 제 2발효조(240)에서 2차 발효된 원료를 제 3발효조(250)으로 자연적으로 이송하여 3차 발효한다.
이때, 상기 발효공정에서는 폐열을 공급받아 각각의 발효조 측면벽 및 바닥부에서 열을 가하여 발효 진행을 촉진시키기 위해, 발효조 가열실(220)을 통해 폐열을 공급한다. 또한, 원료교반 및 발효촉진을 위해 상기 각각의 발효조 내부에 고온의 청정공기를 공급한다.
상기 제 3발효조(250)로부터 생성된 MFG 가스를 MFG 포집탱크(80)에 저장하고, 상기 MFG 가스를 가열장치(40)에 공급한다.
상기 MFG 가스의 결점인 연소 불안정성을 효과적으로 연소하기 위하여 산소를 공급하거나 도시가스 또는 LPG가스와 같은 보조연료를 공급한다.
상기 포집된 MFG, 산소 및 보조연료로 가열장치(40), 보일러장치(50) 및 증기터빈(100)을 가동하여 에너지를 생성한다.
상기 발효된 원료를 가열장치(40)를 통과시킴으로써 건조하여 유기질 비료를 제조한다.
상기 발효공정에 필요한 열을 공급하기 위하여 열교환기(60)를 통해 고온의 청정공기를 만드는 열교환공정을 거친다.
본 발명에서 사용되는 가스는 편리상 MFG(Methane Fermentation Gas)라 칭하기로 한다. MFG에 대하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
MFG(Methane Fermentation Gas)는 발생 원리적으로는 유기성 폐기물 또는 바이오매스(Biomass)의 혐기성소화(Anaerobic digestion)에 의해 만들어지는 바이오가스(Bio gas)의 일종이다．MFG의 조성은 연료 성분인 CH4 이외에 CO2, O2, N2 등으로 구성되어 있으며，발열량이 약 3,000~6,000㎉/N㎥ 정도로 활용 가치가 충분한 저급연료(Low-calorific)라고 할 수 있다. 아직까지 이들 MFG에 대해 충분히 효율적인 이용은 이루어지지 않고 있으며，포집된 MFG를 태워 버리거나 방치하여 오염 되는 경우가 많다．MFG를 효율적으로 활용하는 방안으로는 다음 세 가지를 들 수 있다．첫째는，MFG 자체만을 연료로 이용하는 경우이다．이 경우에는 연소 안정성이 나쁘며, 이용 범위도 한정되기 때문에 대량의 MFG를 효과적으로 이용하는 데에는 한계가 있다．둘째로，MFG에 기존 도시가스(LNG)를 적절히 혼합하여 사용하는 경우로，이 경우 혼합연료의 발열량은 도시가스보다 낮으나 MFG의 결점인 연소 불안정성을 대폭 개선할 수 있다．이와 같은 MFG 혼합연료는 대형 플랜트，발전소，지역 냉난방 등에 유용하게 사용될 수 있다．셋째로는 MFG에 LPG를 혼합하여 사용하는 경우이다. 이 경우，LPG의 체적 당 발열량이 도시가스의 주성분인 CH4 보다 2배 정도 높기 때문에，혼합연료는 도시가스와 호환성(Wobbe Index : WI=13A)을 맞추어 가스 라인에 공급할 수도 있으며，또 발열량만을 도시가스 수준으로 맞추어(WI=10A) 도시가스 대체연료로 사용할 수도 있다. 하기의 표1은 가스 조성표이다.
MFG(평균) 100% LPG 100% LNG 100% MFG 70% +LPG 30% (10A) MFG 50% +LPG50% (13A) MFG 50% +LNG 50% MFG 30% +LNG 70%
조 성 CH4 54.5 0.0 89.78 38.15 27.25 72.14 79.20
C2H6 0.0 0.0 7.48 0.00 0.00 3.74 5.24
C3H8 0.0 100.0 2.02 30.00 50.00 1.01 1.41
C4H10 0.0 0.0 0.70 0.00 0.00 0.35 0.49
CO2 37.5 0.0 0.00 26.25 18.75 18.75 11.25
N2 7.0 0.0 0.02 4.90 3.50 3.51 2.11
O2 1.0 0.0 0.00 0.70 0.50 0.50 0.30
고위발열량 (HHV:㎉/㎥) 5215.0 23969.7 10598.4 10860.3 14605.8 7920.2 8901.6
웨버지수 고위발열량/ 비중(㎉/㎥) 5338.7 19389.8 13434.0 10232.4 13109.0 8920.5 10582.0
이론체적 공연비 5.14 23.80 10.49 10.74 14.47 7.82 8.89
비중(공기=1.0) 0.9542 1.5286 0.6224 1.1265 1.2414 0.7883 0.7220
화학평형온도 (K) 2115.7 2290.9 2254.2 2229.2 2257.7 2205.8 2228.2
본 발명에 따르면, 환경오염을 없애고 이들을 원료로 하여 발효를 시행하여 MFG를 얻어 에너지화하여 자원으로 되돌려 주고 유기질비료를 생산하여 농가 소득증대를 꾀할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 반입조(11)에 투입된 원료로부터 이물질을 제거하기 위한 이물질 제거장치(10);
    상기 이물질 제거장치(10)로부터 원료를 공급받고, 고온의 청정공기와 열을 공급받아 원료를 발효하기 위한 발효장치(20);
    상기 발효장치(20)로부터 발효된 원료를 이송받아 열에 의해 건조시키고 유해성분을 제거하기 위한 슬러리 건조 및 이송장치(30);
    상기 발효장치(20)로부터 공급된 MFG가스와 산소 및 보조연료를 공급받아 연소시켜 열을 발생시키는 가열장치(40);
    상기 발효장치(20)에서 발생하는 MFG가스를 포집하기 위해 상기 발효장치(20)와 상기 가열장치(40) 사이에 설치되는 MFG 포집탱크(80);
    상기 가열장치(40)의 후단에 설치되어 증기를 생성하는 보일러장치(50);
    상기 보일러장치(50)로부터 폐열을 공급받아 청정 외부공기와 열교환을 함으로써, 고온의 청정공기를 상기 발효장치(20)에 공급하는 열교환기(60); 및
    상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)로부터 이송된 원료로부터 이물질을 선별하는 선별기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발효장치(20)는,
    원료를 발효시키기 위한 다수의 발효조(230),(240),(250);
    원료에 열을 공급하기 위해 상기 각각의 발효조의 외벽 및 바닥부에 일체로 설치되는 발효조 가열실(220); 및
    상기 열교환기(60)로부터의 고온의 청정공기를 상기 각각의 발효조들에 공급하기 위해, 상기 각각의 발효조(230),(240),(250) 내부에 설치되며, 다수의 공기 분사노즐(253)을 구비하는 다수의 발효교반관(223),(224),(225);을 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다수의 발효조는 순차적으로 제 1발효조(230), 제 2발효조(240) 및 제 3발효조(250)를 포함하며, 상기 발효조들은 발효조와 발효조 사이를 적정한 높이로 관통되게 하여 연결되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 발효조 가열실(220)의 전단에는 상기 열교환기(60)와 연결된 폐열공급관(238)이 연결되어 있고, 그 후단에는 폐열 흡입용 송풍기(242)와 폐열배출관(244)이 연결되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가열장치(40)는, 밀폐식 구조로서,
    다수의 버너(270)들을 구비하고, 그 전단의 상기 다수의 버너(270)는 MFG 포집탱크(80), 산소발생기(90) 및 보조연료공급부(276)와 연결되어 있으며, 그 후단은 상기 보일러장치(50)와 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 MFG 포집탱크(80)는 상기 발효조(250)의 밀폐된 상부벽과 연통된 MFG 이송관(261)과 연결되고, 상기 MFG 이송관(261)의 일측에는 MFG가스를 흡입하기 위한 MFG 흡입송풍기(263)가 설치되며, 상기 MFG 포집탱크(80)의 상부에는 MFG 공급펌프(265)를 구비하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)는, 상기 가열장치(40)를 횡방향으로 가로질러 설치되는 것으로,
    일측에 원료투입구(320)가 설치되고 타측에 원료배출구(330)가 설치되며, 횡으로 긴 중공의 원통벽(311);
    상기 중공의 원통벽(311)의 내부에 원료를 이송하기 위해 설치된 스크류 컨베이어(313);
    가열장치(40)로부터의 열을 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 전달하기 위해, 상기 원통벽(311)의 외주부에 둘러싸여 설치되며, 상부쪽에는 상기 원통벽(311)과 연통된 다수의 가스배출노즐(345)이 일체로 형성된 열매체(340); 및
    원료의 적정한 습도에 따라 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 속도를 조절하기 위해, 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 일측 내부에 설치되는 습도조절장치(315);를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)에 원료를 공급하기 위하여 상기 원료투입구(320)와 상기 발효조(250) 사이에 슬러리 이송펌프(286)와 슬러리 공급관(287)이 연결되고, 상기 원료배출구(330)는 상기 선별기(70)에 연결되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 보일러장치(50)는, 그로부터 발생된 증기를 저장하기 위하여, 그 상부 일측에 증기저장탱크(55)를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    증기를 공급받아 전기를 생산하기 위하여, 상기 증기저장탱크(55)와 연결되는 증기터빈(100)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기(60)는, 본체(61)와 상기 본체(61)의 내부에 설치된 다수의 열교환관(65)을 포함하고;
    상기 본체(61)는 상부 일측이 상기 보일러장치(50)에 연통된 폐열공급관(371)에 연결되고 그 상부 일측에 다수의 열교환관(65)이 연결되며, 그들 다수의 열교환관(65)은 상기 본체(61)의 내부를 감고 돌아서 상기 본체(61)의 상부 타측에 연결되며, 상기 본체(61)의 상부 타측에는 상기 발효조 가열실(220)에 폐열을 공급하는 폐열공급관(238)과 연결되고, 상기 본체(61)의 하부에는 외부공기유입구(63)가 형성되며, 상기 본체(61)의 다른 일측에는 고온 청정공기공급관(222)가 연결되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  12. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    원료에 포함된 여러 가지 유해성분을 제거하기 위하여, 원료에 부형제를 투입할 수 있도록 상기 슬러리 건조 및 이송장치(30)의 입구에 부형제 투입장치(390)를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조장치.
  13. 축산분뇨 및 폐수와 슬러리로 구성된 원료로부터 이물질을 제거하는 단계;
    이물질이 제거된 원료를 다수의 발효조를 구비한 발효장치(20)에 공급하여 발효하는 단계;
    상기 발효장치의 발효조 가열실(220)에 폐열을 공급하는 단계;
    원료교반 및 발효촉진을 위해, 상기 발효장치의 내부에 설치된 다수의 발효교반관을 통해 고온의 청정공기를 공급하는 단계;
    상기 발효장치의 발효조로부터 생성된 MFG 가스를 MFG 포집탱크(80)에 저장하고, 저장된 MFG 가스를 가열장치(40)에 공급하는 단계;
    상기 MFG 가스의 결점인 연소 불안정성을 효과적으로 연소하기 위하여 산소를 공급하고 도시가스 또는 LPG가스와 같은 보조연료를 공급하는 단계;
    상기 포집된 MFG, 산소 및 보조연료로 가열장치(40), 보일러장치(50) 및 증기터빈(100)을 가동하여 에너지를 생성하는 단계;
    상기 발효된 원료를 가열장치(40)를 통과시킴으로써 건조하여 유기질 비료를 제조하는 단계; 및
    상기 발효공정에 필요한 열을 공급하기 위하여 열교환기(60)를 통한 열교환단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생성 및 유기질 비료 제조방법.
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