KR100752791B1

KR100752791B1 - 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템

Info

Publication number: KR100752791B1
Application number: KR1020070013290A
Authority: KR
Inventors: 이미란
Original assignee: (주)대성그린테크
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2007-08-29

Abstract

본 발명은 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수슬러지 및 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 탄화, 건조, 퇴비화, 혐기성화 및 소각처리시 발생하는 유해가스를 처리하기 위해, 파쇄기로 이송되어 파쇄되고, 그 파쇄된 유기성 폐기물은 정량공급기를 통해 열풍건조기로 공급되고, 그 공급된 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기는 탄화기에서 배출된 열풍에 의해 건조되면서 가스를 발생시켜 그 열풍건조기의 일측에 구비되어 있는 가스 처리부를 통해 외부로 배출되고, 그 열풍건조기에서 건조된 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기 내에 포함되어 있는 비닐과 같은 이물질을 선별기를 통해 선별되고, 그 이물질이 선별된 유기성 폐기물을 간접 열을 가하여 탄화기에서 탄화처리 하는 것에 있어서,

상기 가스 처리부는 열풍건조에 의해 발생한 가스에 포함되어 있는 분진 및 미세입자를 포집하는 싸이클론과, 그 싸이클론에서 분진이 포집처리된 가스를 1차 필터처리하는 금속박막필터와, 1차 필터처리된 가스에 포함되어 있는 악취와 유해물질을 재연소 처리하는 축열식 산화기와, 다이옥신을 필터처리하는 이중흡착필터를 거쳐 배기 팬을 통해 외부로 배출되도록 구성됨을 특징으로 하는 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템에 관한 것이다.

유기성, 탄화, 건조, 가스, 싸이클론, 필터, 흡착, 열풍

Description

하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템{DS-VT-2}

도 1은 본 발명에 따른 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템을 도시한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 싸이클론을 도시한 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 싸이클론을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 금속박막필터를 도시한 정면도.

도 5는 본 발명에 따른 금속박막필터를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 축열식산화기를 도시한 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 이중흡착필터를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부호에 대한 설명 *

1 : 저장호퍼 2 : 파쇄기 3 : 정량공급기

4 : 열풍건조기 5 : 가스처리부 6 : 선별기

7 : 탄화기 71: 열풍이송덕트 8 : 탄화물(숯)

51: 싸이클론 52: 금속박막필터 53: 축열식산화기

54: 이중흡착필터 55: 팬

본 발명은 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수슬러지 및 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 탄화, 건조, 퇴비화, 혐기성화 및 소각처리시 발생하는 유해가스를 처리하기 위해, 파쇄기로 이송되어 파쇄되고, 그 파쇄된 유기성 폐기물은 정량공급기를 통해 열풍건조기로 공급되고, 그 공급된 유기성 폐기물은 탄화기에서 배출된 열풍에 의해 건조되면서 가스를 발생시켜 그 열풍건조기의 일측에 구비되어 있는 가스 처리부를 통해 외부로 배출되고, 그 열풍건조기에서 건조된 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 비닐과 같은 이물질을 선별기를 통해 선별되고, 그 이물질이 선별된 유기성 폐기물을 간접 열을 가하여 탄화기에서 탄화처리 하는 것에 있어서,

음식물쓰레기의 함수율은 75 ~ 85%로서 수분은 free water, surface water, interstitial water, bound water 등이 존재한다. 수분 중 대부분을 차지하고 있는 것은 음식물 표면에 부착하고 있는 free water이고, 음식물쓰레기 분쇄고형물의 분 자와 분자사이에 존재하는 수분이 interstitial water이며, bound water는 폐기물분자에 화학적으로 결합되어 있다.

이중 free water와 surface water는 100±5℃에서 건조되지만 interstitial water와 bound water는 약 400℃에서 분자가 파괴되면서 건조가 일어난다. 이러한 원리를 이용하여 자유수나 표면수를 제거하는 것만으로는 함수율이나 감용율을 줄일 수 없을 뿐만 아니라 내부수나 층간수가 존재하기 때문에 소각이나 탄화 시 시간과 열량이 많이 소모되게 된다. 일반적으로 남은 음식물의 건조속도와 시간과의 곡선은 도 1에 도시된 바를 통해 알 수 있듯이 A단계 예열기간과 B단계까지 온도가 100℃ 정도로 변동이 없어도 수분이 증발하게 되나, 임계점을 지나면서 수분이 증발율은 온도가 높아져야 하는 관계를 보여주고 있다. 즉, C단계는 온도를 급격히 높여 400℃까지 증가하면 내부수나 층간수가 증발하게 되고 그 후에는 대상 고형물 건조의 한계에 달하며 D단계에서는 더 이상 건조시간을 늘려도 함수율이 감소하기 않아 수분이 없는 상태로 된다.

열풍건조기를 통과한 함수율 10 ~ 15%의 건조물이 탄화기에서 10 ~ 20분간의 짧은 시간 내에 탄화물(숯)로 연속 회수되는 탄화 반응은 다음과 같다.

C_xH_y(유기물) → xCH₄ + yH₂ + C(숯) ------------------ (1)(주탄화반응)

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ ------------------------------- (2)

C + H₂O → CO + H₂ ---------------------------------- (3)

C + CO₂ → 2CO -------------------------------------- (4)

위의 반응은 폐기물을 열분해 탄화할 때 고체카본(숯)과 유기성물질로부터 H₂, CO, CO₂, CH₄ 등의 가스가 생성되는 반응을 나타내고 있는 것으로 위의(1)반응이 탄화하는 과정이고 (2)의 반응은 CO와 H₂ 합성가스를 생성하는 반응이며, 분리된 고체탄소(숯)는 필요한 경우 H₂O와 반응하여 연료가스를 만든다.

이와 같은 탄화과정에서 의해 발생된 가스는 다이옥신 등 다수의 유해물질 및 악취를 포함하고 있어 그대로 대기로 배출될 경우에는 대기오염 및 주거환경에 피해를 줄 수 있다.

음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 탄화처리하는 기술은 다수 있으며, 그 예로, 등록특허공보 10-0413041호(공고일자 2003.12.31)에는 생활쓰레기 또는 비닐 하우스로부터발생되는 폐기 비닐필름을 탄화처리함과 동시에 수분, 악취, 다이옥신류를 제거할 수 있는 폐기물의 탄화 및 배기장치에 대해 개시하고 있고,

등록특허공보 10-0503490호(공고일자 2005.07.22)에는 슬러지나 음식물 쓰레기 등의 유기물 및 목재나 폐비닐 등의 폐기물을 완전하게 연소하여 건조 및 탄화시 발생되는 유기성 유해가스 및 악취를 제거할 수 있는 유기물 및 폐기물 건조 탄화 처리시스템에 대해 개시하고 있으나,

상기 등록특허공보 10-0413041호는 미세먼지의 포집이 잘 이루어지지 않아 대기중으로 배출시 대기오염우려가 있고, 등록특허공보 10-0503490호의 경우에는 싸이클론의 후단에 백 필터처리를 통한 필터처리를 하고 있어, 백 필터의 수명이 매우단축되고, 그 처리효율이 떨어지며, 악취제거에 약한 기술적 구성을 가지고 있어, 그 처리된 공기가 대기중으로 배출될 때에는 환경오염의 문제를 갖는다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 싸이클론 후단에 금속박막필터를 설치하고, 축열식 산화기 후단에 이중흡착필터를 설치하여 악취는 물론 유해성 물질 제거 효율이 뛰어나 환경오염을 예방할 수 있는 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템의 제공을 그 목적으로 합니다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해,

본 발명은 저장호퍼에 임시 저장되어 있던 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기를 파쇄기로 이송되어 파쇄되고, 그 파쇄된 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기는 정량공급기를 통해 열풍건조기로 정량 공급되고, 그 열풍건조기 내에서의 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기는 탄화기에서 열풍이송덕트를 통해 이송되는 열풍에 의해 건조되고, 그 건조과정에서 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기에서 발생한 가스는 가스처리부를 통해 처리되어 외부로 배출되고, 건조처리된 유기성 폐기물인 하수슬러지 및 음식물쓰레기는 선별기로 이송되어 비닐과 같은 이물질이 선별되고, 그 이물질이 선별된 하수슬러지 및 음식물쓰레기에 간접열을 가하여 하수슬러지 및 음식물쓰레기를 탄화시키는 탄화기를 거쳐 탄화물이 되어 처리되는 것에 관한 것으로,

상기 가스처리부는 열풍건조기에서 발생한 가스에 포함되어 있는 분진 및 미세입자를 포집하는 싸이클론과, 그 싸이클론에서 분진이 포집처리된 가스를 1차 필터처리하는 금속박막필터와, 1차 필터처리된 가스에 포함되어 있는 악취와 유해물질을 재연소 처리하는 축열식산화기와, 최종적으로 그 축열식산화기를 거친 가스에 포함되어 있는 다이옥신을 필터처리하는 이중흡착필터를 거쳐 배기팬을 통해 외부로 배출되도록 구성되어 있는 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템을 그 주요 구성으로 한다.

본 발명의 중요한 기술적 구성인 가스 처리부를 살펴보기에 앞서, 상기 탄화처리에 대한 과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

하수슬러지 및 음식물쓰레기를 탄화처리하기 위해서는 먼저, 폐기물 수거 차량으로부터 반입된 함수율 75 ~ 85%인 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 저장호퍼에 일시 저장되고, 파쇄기로 공급되는 필요량에 따라 일정하게 스크루 컨베이어로 이송되어 파쇄기에서 시간당 1.8톤으로 잘게 파쇄된 후 중간저장호퍼인 정량공급기를 거쳐 열풍건조기로 투입된다.

그 열풍건조기에서는 고함수율인 음식물쓰레기는 연속회전 교반 이송형 열풍건조기를 통해 신속히 연속건조되어 그 함수율이 10 ~ 15% 이하로 떨어진다.

이와 같은 열풍건조기를 거친 음식물쓰레기는 비닐과 같은 폐기성물질을 선별하여 탄화기로 이송되고, 그 탄화기에서 탄화처리되어 탄화물로 되어 출하된다.

상기 탄화기에서는 음식물쓰레기의 탄화과정을 통해 유해가스와 열풍이 생성 되고, 이와 같은 탄화기에서 배출된 유해가스 및 열풍은 열풍이송덕트를 통해 400 ~ 550℃의 온도로 열풍건조기 드럼 내부로 유입되어 투입된 음식물쓰레기를 건조하고, 이때 발생한 가스는 가스처리부를 통해 처리되어 대기중으로 배출된다.

이하, 본 발명의 가스처리부를 도면을 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

상기 가스처리부(5)는 도 1에 도시된 바와 같이, 열풍건조기(4)에서 배출된 가스를 처리하기 위해, 싸이클론(51), 금속박막필터(52), 축열식산화기(53), 이중흡착필터(54) 및 배기팬(55)이 순차적으로 연속 배열되어 유기적 결합관계를 갖도록 구성된다.

상기 가스처리부(5)를 통해 처리되는 탄화처리를 통해 열풍건조기로부터 발생하는 가스의 조성을 음식물 쓰레기를 기준으로 살펴보면 다음의 표 1과 같다.

표 1: 음식물 쓰레기의 열분해 가스 조성

항목	단위	측정			평균
항목	단위	1차	2차	3차	평균
N₂	vol%	76.27	76.82	76.19	76.43
O₂	vol%	12.09	8.26	6.40	8.92
CO	vol%	2.07	1.67	4.48	2.74
CO₂	vol%	7.09	10.39	12.03	9.84
CH₄	vol%	0.41	0.39	0.45	0.42
C₂H₂	vol%	0.03	0.05	0.03	0.04
C₂H₄	vol%	0.24	0.25	0.42	0.30
C₂H₆	vol%	1.79	2.16	0.00	1.32

가스처리부(5)는 열풍건조기(41)의 상부 일측에 연결되어 그 열풍건조기(41)로부터 배출되는 유해성 가스를 처리하여 대기 중으로 배출하는 곳으로, 상기 열풍건조기(41)로부터 유입된 가스를 처음 처리하는 곳이 싸이클론(51)이다.

그 싸이클론(51)은 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 열풍건조기(41)로부터 유입된 가스에 포함되어 있는 미세분진 입자들을 프리차저(511)를 통과시켜 예비하전시키고, 그 예비하전된 미세분진 입자들은 싸이클론(51)에 진입하면서 먼저 싸이클론의 내부 중심부에서부터 일정간격으로 이격되어 있는 여과포(512)를 먼저 거치고, 여과포를 거쳐 1차 필터처리된 미세분진 입자들은 싸이클론(51)의 중심부에 설치되어 있는 전극(513)에 의해 원심력과 정전작용에 의해 하강하여 자중에 의해 싸이클론호퍼(514)에 모여 배출되도록 구성되어 있다. 상기 싸이클론(51)에서 처리된 가스는 싸이클론(51)의 상측 중심부에 구비되어 있는 배출구를 통해 금속박막필터(52)로 이송된다.

상기 여과포(512)는 직경(Φ)이 150mm인 것으로, 비중 1.38, 20℃에서의 수분흡수율(%)이 0.4인 폴리에스테르 섬유를 이용하여 제조한 것이다.

상기 싸이클론(51)에서 분진 및 미세입자가 처리된 가스는 금속박막필터(52)로 이송된다. 그 금속박막필터(52)는 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 카본스틸(Carbon steel) 재질을 사용하여 원통형 형상으로 제작된 것으로, 그 원통형 금속박막 필터의 직경(Φ)이 150mm이고, 길이는 2500mm이고, 이때 여과면적은 1.18㎡ 인 것을 사용한다.

그 금속박막필터(52)에서의 필터(521)의 두께는 120㎛, 기공크기는 110㎛인 것으로, 집진효율, 내부식성 향상 및 기공크기를 작게 하기 위해 표면처리를 한 것이다.

그 표면처리는 아연 전기도금처리한 것으로, 그 전기아연도금은 아연금속이 이온형태로 녹아있는 전해용액에서 강판 표면에 아연 또는 아연합금을 전기화학적으로 석출시켜 도금하는 방법이다.

그 전기아연도금의 처리 방법은 산처리를 한 후, 1차 수세과정을 거쳐 40분간 도금을 하고, 2차 수세과정을 거쳐 크로메이트(후처리)를 하고, 3차 수세과정을 거친 후에 탈수 및 열풍건조를 통해 이루어진다.

일반적으로 필터의 인장강도는 필터의 수명과 밀접한 관계를 갖는 매우 중요한 물성으로써, 필터는 가스가 통과되며 탈진시 고압의 압축 공기로 펄싱을 하기 때문에 일정 이상의 강도를 지녀야 한다.

본 발명에 따른 금속박막필터는 그 인장강도가 160kg_f 이상의 강도를 유지하는 것으로, 160kg_f 이하로 강도를 유지할 경우에는 그 금속박막필터의 수명이 급속히 떨어져 그 교체시기가 짧다는 단점이 있다.

상기 160kg_f의 인장강도는 박판의 두께가 120㎛인 금속박막필터를 2겹으로 하여 제작한 경우에 달성된다.

상기 금속박막필터의 인장강도 측정결과(Carbon steel 재질)는 다음의 표 2 와 같다.

표 2: 금속박막필터의 인장강도 측정결과

박판 두께(㎛)	재질	인장 강도(Kg_f)
120	carbon steel	길이	폭
		84	69.5

상기 금속박막필터(52)를 거친 가스는 그 금속박막필터(52) 후단에 설치되어 있는 축열식산화기(R.T.O; One Can Type Rotary Wing)(53)로 이송된다.

그 축열식산화기(53)는 그 용량이 150S㎥/min인 것으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 축열식산화기(53)에서의 가스처리 원리는 유입된 VOCs 및 악취물질을 함유한 가스는 제1세라믹(Ceramic)축열층(531)에 공급되어 축열층에 저장된 열에너지에 의해 연소실(532)에서 산화 가능한 온도로 승온되고, 그 제1세라믹축열층(53)을 통과한 가스는 고온산화하여 완전연소가 이루어지고 이때 발생하는 산화열을 제2세라믹(Ceramic)축열층(533)을 거치면서 열을 전달하고 이중흡착필터(54)로 이송된다.

상기 축열식산화기(53)에서 VOCs 및 악취물질이 제거된 가스는 이중흡착필터(Dual Bag Filter, DBF)(54)로 이송되어 그 가스에 포함되어 있는 다이옥신을 제거하여 배기팬(55)을 통해 외부로 배출된다.

상기 이중흡착필터(54)는 도 7에 도시된 바와 같이, 테프론(541) 재질의 여과필터로써, 그 두께는 1.2 ~ 1.5mm이고, 그 가동 가용온도는 250 ~ 270℃로써, 그 테프론 이중흡착필터(54)는 고온, 유해환경에서의 우수한 기계적 물성을 유지하는 것으로 그 이유는 그 이중흡착필터(54)에 사용되는 테프론(PTFE)의 경우 불화탄소로 만든 필터백으로 내열 및 내화학성, 어떤 온도에서도 변하지 않는 기계적 물성, 세척이 용이성 등 우수한 특성이 있기 때문이다.

이상에서와 같은 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템에 의해 처리된 후 배출되는 배기가스의 성분비율은 다음의 표3과 같다.

표 3: 가스상·입자상 오염물질 관련 법령규정 적용

구분		단위	배출기준	평균	비고
가 스 상 물 질	CO	ppm	200	82.51	적합
	HCl	ppm	40	12.20	적합
	SO_x	ppm	70	38.45	적합
	NO_x	ppm	150	100	적합
	HF	ppm	2	0.00	적합
	Hg	ppm	0.1	0.00	적합
	HCN	ppm	10	1.20	적합
	페놀	ppm	10	0.00	적합
	AS	ppm	0.5	0.00	적합
입 자 상 물 질	Dust	mg/S㎥	80	5.21	적합
	Cd	mg/S㎥	0.1	0.02	적합
	Cr	mg/S㎥	0.5	0.10	적합
	Pb	mg/S㎥	1.6	0.31	적합
	Zn	mg/S㎥	10	2.00	적합
	Cu	mg/S㎥	10	2.20	적합
	As	mg/S㎥	-	0.00	적합
악 취	암모니아	ppm	1	0.210	적합
	황화수소	ppb	20	12.52	적합
	황화메칠	ppb	10	0.000	적합

유 발 물 질	이황화메칠	ppb	9	0.000	적합
	메칠메르캅탄	ppb	2	0.000	적합
	트리메틸아민	ppb	5	0.000	적합
	아세트알데히드	ppb	50	0.000	적합
	스틸렌	ppb	400	0.000	적합
다이옥신	다이옥신	ng-TEQ/N㎥	5	0.03	적합

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템은 싸이클론 후단에 금속박막필터를 설치하여 필터의 수명을 연장시켜 필터 처리효율을 높이며, 축열식산화기 후단에 이중흡착필터를 사용하여 악취, 다이옥신 등 유해물질이 효율적으로 처리될 수 있도록 구성되어 있어, 하수슬러지 및 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물 탄화처리에 따라 발생하는 악취 및 유해성 물질을 포함하고 있는 가스의 처리가 효율적으로 이루어져 환경오염 개선 효과를 갖는다.

Claims

저장호퍼(1)에 임시 저장되어 있던 유기성 폐기물이 파쇄기(2)로 이송되어 파쇄되고, 그 파쇄된 유기성 폐기물은 정량공급기(3)를 통해 열풍건조기(4)로 정량 공급되고, 그 열풍건조기(4) 내에서의 유기성 폐기물은 탄화기(7)에서 열풍이송덕트(71)를 통해 이송되는 열풍에 의해 건조되고, 그 건조과정에서 유기성 폐기물에서 발생한 가스는 가스처리부(5)를 통해 처리되어 외부로 배출되고, 건조처리된 유기성 폐기물은 선별기(6)로 이송되어 비닐과 같은 이물질이 선별되고, 그 이물질이 선별된 유기성 폐기물에 간접열을 가하여 유기성 폐기물을 탄화시키는 탄화기(7)를 거쳐 탄화물(8)로 처리되는 탄화처리 설비에 있어서,

상기 가스처리부(5)는 열풍건조기(4)에서 발생한 가스에 포함되어 있는 분진 및 미세입자를 포집하는 싸이클론(51)과, 그 싸이클론(51)에서 분진이 포집처리된 가스를 1차 필터처리하는 금속박막필터(52)와, 1차 필터처리된 가스에 포함되어 있는 악취와 유해물질을 재연소 처리하는 축열식산화기(53)와, 최종적으로 그 축열식산화기(53)를 거친 가스에 포함되어 있는 다이옥신을 필터처리하는 이중흡착필터(54)를 거쳐 배기팬(55)을 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 탄화처리설비의 후처리 시스템.
제 1항에 있어서, 금속박막필터(52)는 카본스틸(Carbon steel) 재질로 박판의 두께가 120㎛인 필터를 2겹으로 겹쳐 원통형으로 제작하여 그 인장강도가 160kg_f인 것으로, 그 필터의 직경(Φ)이 150mm이고, 길이는 2500mm이고, 여과면적은 1.18㎡인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템.
제 1항에 있어서, 이중흡착필터(54)는 테프론 재질의 여과필터로써, 그 두께는 1.2 ~ 1.5mm이고, 그 가동 가용온도는 250 ~ 270℃인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 및 음식물 처리시 발생하는 배가스 제거 시스템.