KR100817622B1 - 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합에너지 순환 이용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리 시스템의 오폐수 처리 과정에서 부수적으로 발생하는 폐기물 유래의 천연 에너지로서 메탄 가스와 폐열로서 건조열, 소각열을 각각 전기와 열을 생산하는 열병합 발전 시스템의 연료원 및 열원으로 순환 공급하여 발전기에서 전력을 생산하여 수용가에 전기를 공급함은 물론 전력 생산 과정에서 필연적으로 발생하는 폐열(배열)을 회수하고 열교환시켜 수용가에 난방열 및 급탕열을 공급하며 다시 파생되는 슬러지는 소각 연료로 발전 폐열은 슬러지 건조로에 재차 공급하므로서 하수 처리장과 열병합 발전소의 운영에 필요한 에너지를 자급 자족하는 시스템으로서 단위 공정 시스템으로서 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 조합시켜 병행 및 연계시켜 가동하되 발생 및 재생되므로서 유용한 에너지는 순차적으로 서로 주고 받는 통합 에너지 순환 이용 시스템이므로 자원절약적이고 환경친화적이며 경제적인 효과가 있다,

하수 처리 공정, 열병합 발전 공정, 메탄가스, 슬러지 건조 및 소각, 발전 및 소각 폐열 회수, 발전, 열공급

Description

하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템{integrated circulation energy recycling system for waste water treatment system and cogeneration system}

도 1은 본 발명의 전체 시스템 구성을 개략적으로 도시한 블럭 구성도

도 2는 본 발명의 에너지 순환 이용 시스템 흐름을 예시적으로 도시한 에너지 흐름도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10:하수처리공정 11: 메탄 가스

12:슬러지 건조 공정 13:슬러지 소각 공정

12a:건조기 13b:소각로

20:열병합발전공정 21:발전 공정

21a:발전기 22:폐열 회수 공급

23:열공급 공정 23a:폐열 회수 보일러

24:난방 25:급탕

26:전기

본 발명은 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 하수처리 시스템의 오폐수 처리 과정에서 부수적으로 발생하는 폐기물 유래의 천연 에너지로서 메탄 가스(바이오 가스)와 폐열로서 건조열, 소각열을 각각 전기와 열을 생산하는 열병합 발전 시스템의 연료원 및 열원으로 순환 공급하여 발전기에서 전력을 생산하여 수용가에 전기를 공급함은 물론 전력 생산 과정에서 필연적으로 발생하는 폐열(배열)을 회수하고 열교환시켜 수용가에 난방열 및 급탕열을 공급하며 다시 파생되는 슬러지는 소각 연료로 발전 폐열은 슬러지 건조로에 재차 공급하므로서 하수 처리장과 열병합 발전소의 운영에 필요한 에너지를 자급 자족하는 시스템으로서 단위 공정 시스템으로서 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 조합시켜 병행 및 연계시켜 가동하되 발생 및 재생되므로서 유용한 에너지는 순차적으로 서로 주고 받는 통합 에너지 순환 이용 시스템이므로 자원절약적이고 환경친화적이며 경제적인 효과가 있다,

열병합발전시스템(Cogeneration System)은 석유, 석탄, 천연가스, 소화가스와 같은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합 에너지 시스템으로 발전에 수반하여 발생되는 배열 또는 폐열을 회수 이용하여 1차에너지 에서 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 시스템으로서, 일반적으로 발전에 의한 전력 외에 열에너지를 회수하여 이용하는 시스템을 말한다

따라서 상기한 열병합 발전시스템은 고효율 에너지 이용기술로서 전력 생산공정에서 발생하는 폐열(배열)을 재활용하므로서 에너지 절약 및 경비절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 축전과 축열기능으로 전기와 열수요의 계절적 불균형에 적극 대응 할 수 있는 효과가 있어서 종래의 일반적인 발전방식보다 30∼40%의 전력 및 연료 등의 에너지 절감효과로를 구현할 수 있게 되므로 아파트 등의 공동주택이나 업무용 빌딩, 중소규모 산업 단지 등에 수요가 폭발적으로 증가하고 있으나 초기 투자비가 많이 소요되는데 비하여 석유나 천연가스 등 의 상대적으로 비싼 연료를 열병합 발전의 단일한 용도로만 사용하는 문제점이 있다.

고도로 산업화되는 산업 사회의 발달로 인하여 고농도로 오염된 각종 폐수나 폐기물의 발생량이 급속히 증가하고 있으며, 강화된 환경 오염 방지법에 따른 총량 규제, 부영양화 대책 등 으로 고도의 수질관리가 요구되고 있고 특히 국제협약에 따라 매립과 해양 투기가 금지되므로서 폐기물 슬러지의 감량화 등 이에 따른 대책이 절실히 필요하다.

상기한 바와 같이 하수 처리 공정에서 발생되는 슬러지를 효율적이고 대량 으로 처리하는 최적의 방안으로는 소각 처리가 유일한 대안이나 수분이나 유기물을 많이 함유하고 있는 슬러지 소각 처리에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 하수 처리장의 슬러지 처리를 매립에서 소각으로 전환할 경우 안정화시키기 위하여 함수량 최소화와 감량화 공정이 부가되는 슬러지 처리를 위해 열과 동력 등 상당한 에너지가 추가적으로 소모되므로서 처리 비용이 급증하게 되는 문제점이 발생하게 되어 슬러지 처리의 경제성을 향상시키기 위한 새로운 기술의 개발을 필요로 한다.

본 출원인은 폐수 처리를 위해서도 자체적으로도 열과 동력을 필요로 하며 일반적으로 수처리 과정과 슬러지 처리 과정으로 나누어지는 하수 처리 공정에서 발생하고 그냥 버려지는 메탄 가스나 건조 발열량이 약 2,500 - 4,500kcal/kg 이 되므로 건조시켜 함수량을 최소화 할 경우 연료 자원으로서 가치가 있는 슬러지를 건조 및 처리하는 과정에서 발생하는 에너지를 중간처리 및 최종 처리 과정에 활용하여 자원절약과 에너지회수 효과를 얻을 수 있고 최종 처리 과정의 부담을 덜어 주는 방법을 강구하게 되었다.

이에 본 출원인은 발상의 전환을 하여 종래의 일반적인 하수 처리 공정에서 발생하는 폐기물 유래의 에너지 자원으로서의 충분한 가치가 있는 천연의 메탄 가스와 슬러지를 연료로서 이용하고 이의 처리 과정에서 발생하는 소각열 등의 폐열을 유효 활용하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 다단계의 연속 단위 공정으로 구성되는 열병합 발전 공정과 하수 처리 공정의 단위 공정간에 서로 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 각 공정의 에너지를 버리지 않고 그대로 이용하거나 재생시켜 에너지를 순환 이용하므로서 열병합발전과 폐수처리를 병행 조합하여 전력을 생산함은 물론 폐수를 효율적으로 처리하여 자원절약적이고 환경친화적이며 경제적인 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템을 개발한 것이다.

본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 하수 처리 시스템의 오폐수 처리 과정에서 부수적으로 발생하는 폐기물 유래의 천연 에너지로서 메탄 가스(바이오 가스)와 폐열로서 건조열, 소각열을 각각 전기와 열을 생산하는 열병합 발전 시스템의 연료원 및 열원으로 순환 공급하여 발전기에서 전력을 생산하여 수용가에 전기를 공급함은 물론 전력 생산 과정에서 필연적으로 발생하는 폐열(배열)을 회수하고 열교환시켜 수용가에 난방열 및 급탕열을 공급하며 다시 파생되는 슬러지는 소각 연료로 발전 폐열은 슬러지 건조로에 재차 공급하므로서 하수 처리 시스장과 열병합 발전소의 운영에 필요한 에너지를 자급 자족하는 시스템으로서 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부 도면에 의하여 상세하게 기술 하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 하수 처리장에서의 메탄 가스 발생 공정(10)과 건조기(13b)의 슬러지 건조 공정(13), 소각로(13a)의 슬러지 소각 공정(13)으로 이루어지는 하수 처리 공정(10)과 하수 처리 공정에서 발생하는 메탄 가스를 연료원으로 발전기(21)에 의하여 전기(26)를 생성하는 발전 공정(21)과 폐열을 회수하는 폐열 회수 공급 공정(22), 난방(24) 및 급탕(25) 기능을 수행하는 열공급 공정(23)을 구비하는 열병합 발전 공정(20)을 연계하여 열에너지와 전기 에너지를 같이 생산하는 에너지 시스템에 있어서,

하수 처리 공정(10)의 건조기(13b)의 슬러지 건조 공정(13)에서는 열병합 발전 공정(20)에서 회수되는 폐열 회수 공급 공정(22)의 발전 폐열을 연료원으로 이용하여 슬러지를 건조 및 감량화시키고,

상기 슬러지 건조 공정(13)의 연속 공정으로서 소각로(13a)를 이용하는 슬러지 소각 공정(13)에서는 건조된 슬러지를 연료원으로 이용하고, 슬러지 소각 과정중 발생되는 소각열은 폐열 회수 공급 공정(22)을 매개로 폐열 회수 보일러(23a)에 공급하여 난방(24) 및 급탕(25) 기능을 수행하는 열공급 공정(23)에 연계시켜,

열병합 발전 공정과 하수 처리 공정을 병행 조합하는 단위 연속 공정간에 서로 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 에너지를 상호 보완적으로 순환 이용함을 특징으로 하는 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 있어서 하수 처리 공정(10)은 크게 메탄 가스 발생 공정(10)과 건조기(13b)의 슬러지 건조 공정(13), 소각로(13a)의 슬러지 소각 공정(13)으로 이루어지며, 산업장이나 가정 등에서 발생하는 생활 하수 및 공정수 등의 오폐수를 하수 처리장에서 수집하여 유입되는 원수중의 협잡물과 부유물질을 스크린(screen) 처리 등의 물리적 방법, 약품을 사용하는 화학적 방법, 생물학적 처리 방법 등 통상의 처리 방법을 상호 보완하고 선택적으로 연계 이용하여 수행하는 것으로서, 미생물을 이용하는 혐기성 소화 방법 등으로 고농도의 유기성 하수중 메탄 가스를 추출하여 열별합 발전 공정의 1차적 에너지원(연료)으로 이용하고 탈리액은 정화시켜 배출하며 수분과 유기물이 함유된 농도의 잔여 슬러지는 건조기를 통하여 일정비율의 함수율까지 탈수 및 건조 및 감량화시키고 건조되어 압축된 고형 슬러지는 소각로에서 최종적으로 소각 처리하여 자원절약과 에너지회수 효과를 동시에 구현하게 하는 것으로, 효율적으로 열 및 전기 에너지를 배분 재활용 하는데 공정의 특성이 있는 본 발명에 있어서 상기한 메탄 가스 발생 공정(10)과 슬러지 건조 공정(13), 슬러지 소각 공정(13)은 공지의 기술로서 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 생물학적 및 물리 화학적 처리 과정을 거친 슬러지의 슬러지 건조 공정(13)과 슬러지 소각 공정(13)을 열병합 발전과 연계시켜 폐열 재활용 및 회수를 극대화하면서 다양한 조건으로 운전 가능하게 조합하게 되며, 이때 상기 슬러지 건조 공정(13)의 연속 공정으로서 소각로(13a)를 이용하는 슬러지 소각 공정(13)에서는 건조된 슬러지를 연료원으로 이용하거나 동력원으로서 열병합 발전 공정(21)의 발전기(21a)에서 생성된 전기를 직접 이용하여 슬러지를 건조시키며, 슬러지를 연소시킬 때에 생성하는 열을 유효하게 이용하여 슬러지 소각 과정중 발생되는 소각열은 폐열 회수 공급 공정(22)을 매개로 폐열 회수 보일러(23a)로 구동하는 열공급 공정(23)에 연계시켜 열 수요처에 열 에너지를 공급하는 난방(24) 및 급탕(25) 기능을 수행하므로서 에너지와 폐기물 자원을 최대한 재활용 처리하거나 또는 재활용 물질을 상호 유기적으로 주거나 받아 처리하므로서 열병합 발전에 의하여 일반 전기 수요처나 열 수요처는 물론 하수 처리장에도 열과 동력 을 공급할 수 있어서 열과 동력의 자급 자족이 가능하여 다목적 다기능의 에너지 순환 활용 시스템이다.

즉, 본 발명에 있어서 연료로서 활용하는데 적합한 메탄 가스는 통상의 방법에 의하여 적절한 생물학적 수처리를 수행하므로서 2차 오염원의 발생을 억제하고 연료로서 재활용하게 되며, 스크린, 파쇄 등의 전처리과정을 수행한 오폐수의 중간 처리 과정으로서 슬러지 건조 공정(13)에서는 연소 소각에 적합하도록 슬러지의 함수율을 최적화시키고 감량화 시키게 되며. 슬러지 건조 공정(13)에 연속되는 슬러지 소각 공정(13)에서는 건조 상태에서 소각함으로써 열분해 및 완전 연소가 가능 하여 유해물질의 방출을 최소화시키고 처리비용이 절감되며, 공정중에 소각로에서 발생하는 소각 폐열은 열병합발전 공정의 폐열 회수 공급 공정(22)을 매개로 매개로 폐열 회수 보일러(23a)에 공급되는 것으로서, 일반적 폐기물 처리의 전과정인 폐기물 발생 억제 기능, 재활용 기능, 건조 소각 등 중간 처리 기능을 동시에 수행하게 되어 자원절약과 에너지 회수 및 재활용 효과와 매립 등의 최종 처리를 용이하게 한다.

상기한 슬러지 건조 및 소각 공정에 있어서, 소각 폐열은 건조기에 다시 이용할 수 있으며 특히 고온이 요구되는 공정에 있어서 발전 및 소각 폐열의 열량이 부족할 때에는 메탄 가스를 같이 혼합하여 사용한다.

상기한 하수 처리 과정에 병행하여 통합 운영하는 열병합 발전 공정은 하수 처리 공정에서 발생하는 메탄 가스를 연료원으로 발전기(21)에 의하여 전기(26)를 생성하여 수용가에 공급하는 발전 공정(21)과 폐열을 회수하는 폐열 회수 공급 공정(22), 난방(24) 및 급탕(25) 기능을 수행하는 열공급 공정(23)을 구비하는 열병합 발전 공정(20)을 연계하여 열에너지와 전기 에너지를 같이 생산하는 싸이클을 반복하는 에너지 시스템으로서, 통상의 가스 터빈을 구비하는 발전 설비로서 발전기(21a)와 메탄가스로 직접 또는 폐열 회수 공급 공정(22)의 수행에 따른 발전 폐열을 이용하여 열 에너지를 생산하는 설비로서 폐열 회수 보일러(23a)를 구비하여 열교환기를 통한 열 공급 공정을 수행하고 통상의 열수요처에 난방 및 급탕 공급을 수행하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 하수 처리 공정중 발생하는 소화 가스로서 메탄가스는 수분이나 황화 수소 등 황화합물, 미량 금속 등의 유해물질 등을 제거하는 전처리 과정을 거치게 하고 찌꺼기가 많이 발생 하지 않아서 안정화된 혐기성 발효 공법을 이용하고 도시하지는 않았으나 저장 탱크를 구비하여 잉여 가스를 선택적으로 활용하는 것이 바람직하다.

또한 상기한 하수 처리와 열병합발전 공정의 통합 제어는 소정의 운영 프로그램을 내장한 마이크로 프로세서와 온도 센서 등으로 구성되는 제어 장치를 구비하므로서 각 공정 설비를 효율적으로 제어하는 것이 바람직하다.

이렇게 본 발명은 종래 획일적 기능으로만 수행되던 하수 처리 공정과 열병합 발전 공정을 조합하되, 다단계의 연속 단위 공정으로 구성되는 열병합 발전 공정과 하수 처리 공정의 단위 공정간에 서로 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 각 공정의 에너지를 버리지 않고 그대로 이용하거나 재생시켜 에너지를 순환 이용하여 열병합발전과 폐수처리를 적절하고 조화롭게 병행 조합하여 하수 처리장 자체적인 전력과 열 에너지의 수요를 충족하고 여유 에너지는 전기 수용가나 난방 및 급탕 수요처에 공급함은 물론 폐수를 효율적으로 처리하므로서 환경 오염 방지와 처리비 절감 및 에너지 절약에 기여할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서 연료원으로서 하수 처리가스를 위주로 설명하엿으나 축산폐수 등에서 생성하는 바이오 가스(bio-gas)나 쓰레기 매립지 등의 매립지 발생 가스(LFG: Landfill gas) 등에도 여건에 맞춰 적절하게 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 된 본 발명은 다목적 다기능의 에너지 시스템으로서 다단계의 연속 단위 공정으로 구성되는 열병합 발전 공정과 하수 처리 공정의 단위 공정간에 서로 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 각 공정의 에너지를 버리지 않고 그대로 이용하거나 재생시켜 에너지를 순환 이용하므로서 에너지를 상호 보완적으로 순환 이용하는 방법으로 열병합발전과 폐수처리를 병행 조합하여 전력을 생산함은 물론 폐수를 효율적으로 처리하는 복합 시너지 상승 효과로 에너지 효율이 극대화되므로서 자원절약적이고 환경친화적이며 경제적인 효과가 있다.

Claims (1)

1. 오폐수의 정화 슬러지를 가지고 공지의 혐기성 소화조에서 메탄 가스를 추출하는 하수처리장치와 하수처리장치에서 이송된 수분과 유기물이 함유된 슬러지를 건조 및 감량화시켜 슬러지 소각로에 공급하는 건조기, 건조기에서 공급된 슬러지를 최종적으로 소각처리하는 소각로가 순차로 구성되는 하수처리시스템과,

   발전기의 발전 폐열을 회수하여 열을 공급하는 증기 발생 폐열회수 보일러와 메탄 가스를 연료원으로 전기를 생성하는 발전기를 같이 구비하여 전기와 난방 및 급탕의 열에너지를 동시에 생산 공급하는 열병합 발전 시스템이 연계 구성되는 에너지 순환 이용 시스템에 있어서,

   상기 열병합 발전 시스템의 발전기 후단에 발전 폐열을 회수하는 폐열회수 보일러를 구비하고 폐열회수 보일러에는 상기 하수처리장치의 슬러지 건조로와 슬러지 소각로를 에너지의 공급 및 회수가 가능하도록 연결하여,

   상기 하수처리장치에서 발생된 메탄 가스는 열병합발전기의 1차적 연료원으로 공급하고, 상기 건조기에서는 열병합 발전기에서 생성된 전기와 폐열을 이용하여 슬러지를 건조 및 감량화시키고, 상기 슬러지 소각로는 건조된 슬러지를 연료원으로 구동하여 소각 폐열을 열수요처의 열원으로 공급하며,

   상기 열병합 발전기에서는 메탄 가스를 연료원으로 하여 전기에너지를 생산하여 전기 수요처에 공급하고 회수된 발전 폐열을 열수요처에 공급하여 열병합발전기와 하수처리장치 상호간에 에너지를 보완적으로 이용하는 에너지공급구조임을 특징으로 하는 하수 처리 시스템과 열병합 발전 시스템을 연계하는 통합 에너지 순환 이용 시스템

Images