KR100887280B1 - Reuse equipment of waste thermal energy by use of heat pump in high concentration waste water treatment plant - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고농도 폐수처리장, 축산폐수처리장, 분뇨처리장 등에서 생물반응조에 공기를 공급하는 송풍기의 토출 측 공기가 가진 고온의 공기를 냉각시키고, 그 열에너지를 히트펌프로 회수하여 유용하게 재이용하는 것에 관한 기술이다.The present invention relates to a technique for cooling high temperature air of the discharge side air of a blower for supplying air to a bioreactor in a high concentration wastewater treatment plant, livestock wastewater treatment plant, and manure treatment plant, and recovering the thermal energy with a heat pump for reuse. to be.
본 발명은 고농도폐수처리장의 송풍기에서 발생하는 고온의 공기를 냉각시키고, 그 열에너지를 히트펌프로 회수하여 유용하게 재이용하는 것에 관한 기술이다.The present invention relates to a technique for cooling high temperature air generated in a blower of a high concentration wastewater treatment plant, recovering its thermal energy with a heat pump, and reusing it usefully.
축산폐수 등 고농도 폐수처리장의 생물 반응조는 축산폐수중의 유기물과 질소 인등의 염양염류를 제거하는 공정인데 이 공정의 운전에는 공기가 필요하여 송풍기에서 공기를 압축하여 산기관을 통하여 폐수 중에 공급한다.Biological reactors in high concentration wastewater treatment plants such as livestock wastewater remove organic salts and salt salts such as nitrogen and phosphorus in livestock wastewater. The operation of this process requires air, and the air is compressed by a blower and supplied to the wastewater through an acid pipe.
고농도 폐수처리장의 생물 반응조는 일반적으로 수리학적 체류시간이 10∼30일로 길어서 폐수가 생물 반응조에 체류하는 기간이 매우 길다.The bioreactor in the high concentration wastewater treatment plant generally has a long hydraulic residence time of 10-30 days, so the wastewater stays in the bioreactor for a long time.
생물 반응조는 물 깊이가 보통 5m정도인데 이런 물깊이에 공기를 공급하기 위하여서는 송풍기에서 수압보다 높은 압력으로 공기를 압축하여 공급하여야 하고 , 송풍기에서 단열 압축으로 압축된 공기는 계절적으로 약간의 변동이 있지만 80∼90℃로 가열된다.The bioreactor has a water depth of about 5m, and in order to supply air to the water depth, it is necessary to compress air from the blower at a pressure higher than the water pressure, and the air compressed by the adiabatic compression in the blower does not change slightly seasonally. Although heated to 80-90 ℃.
이러한 고온의 압축 공기가 생물 반응조에 공급되면 이 압축공기가 가진 열에너지가 생물반응조의 폐수에 전달되어 기온이 높은 하절기에는 폐수의 온도가 40℃이상으로 상승하여, 생물학적 처리의 적정온도인 25℃보다 높아지고, 생물학적 처리의 저해온도인 38℃를 초과하게 되어서 폐수처리의 효율이 저하하고 처리 수질이 악화되며, 거품이 다량 발생하는 등 여러 가지 문제를 야기한다.When such high temperature compressed air is supplied to the bioreactor, the thermal energy of the compressed air is transferred to the wastewater of the bioreactor and the temperature of the wastewater rises above 40 ° C in the summer when the temperature is high, and it is higher than the optimum temperature of 25 ° C for biological treatment. It becomes higher and exceeds the inhibition temperature of biological treatment, 38 ° C., which causes various problems such as deterioration of the efficiency of wastewater treatment, deterioration of treated water quality, and generation of large amounts of foam.
송풍기의 효율은 60%정도로서, 100 kwh의 용량을 가진 송풍기라면 약 40kwh 의 전력에 해당하는 막대한 열에너지가 발생한다.The efficiency of the blower is about 60%, and a blower with a capacity of 100 kwh generates enormous thermal energy corresponding to a power of about 40 kwh.
이와 같이 송풍기의 토출 공기가 가진 막대한 양의 열에너지는 고농도 폐수 처리장에서는 공정의 효율성이나 안정적 운전에 매우 해로운 것으로 반드시 제거할 필요가 있는 것이다.As such, the enormous amount of thermal energy of the discharged air of the blower is very detrimental to the efficiency and stable operation of the wastewater treatment plant, and must be removed.
이런 문제를 해결하기 위하여 원시적 방법으로는 송풍배관에 물을 뿌리기도 하고, 기계적으로 전력을 이용한 냉각기를 사용하여 공기의 온도를 낮추어서 생물 반응조의 온도를 적정 수준으로 유지하기도 하는데, 고가의 냉각장비가 필요하고 다량의 에너지를 투입하여 공기를 냉각시키기만 할뿐 투입된 에너지와 공기가 지니고 있던 열에너지를 그대로 버리기 때문에 매우 비효율적이고 비경제적이었다.In order to solve this problem, primitive methods are to spray water on the blower pipe, and to keep the temperature of the bioreactor at an appropriate level by lowering the temperature of the air by using a mechanically powered electric cooler. It was very inefficient and uneconomical because it only needed to cool the air by inputting a large amount of energy and discarded the input energy and the thermal energy of the air.
따라서 송풍기 토출 측의 압축공기가 가진 열에너지를 효과적으로 회수하여 재이용하여야 할 필요가 대두 되었다.Therefore, there is a need to effectively recover and reuse the thermal energy of the compressed air on the discharge side of the blower.
본 발명의 과제는 탄산가스를 냉매로 사용하는 히트펌프를 이용하여 흡열부에서는 송풍기의 토출 공기가 가진 열에너지를 회수하여 송풍기 토출 공기 온도를 낮추어 생물 반응조를 안정적으로 유지하고, 방열부에서는 냉매가 가진 고온을 방열하면서, 고온의 온수나 고온의 공기를 생산하여 이것을 급탕, 난방, 슬러지건조, 지렁이 사육 등에 유용하게 사용하게 하는 히트펌프를 이용한 고농도 폐수처리장의 폐열 재이용장치를 구성하는 것이다.An object of the present invention is to recover the thermal energy of the discharge air of the blower in the heat absorbing portion by using a heat pump using carbon dioxide gas as a refrigerant to lower the blower discharge air temperature to maintain the bioreactor stable, the refrigerant in the heat radiating portion While dissipating high temperature, high temperature hot water or high temperature air is produced and the waste heat recycling apparatus of the high concentration wastewater treatment plant using a heat pump which makes it useful for hot water supply, heating, sludge drying, and earthworm breeding.
본 발명은 탄산가스를 냉매로 사용하는 히트펌프에 있어서, 냉각코일(1-4)과 압력 냉각통(5)로 흡열부를 구성하고 , 냉매를 고압으로 압축하는 압축기(1-1, 방열코일(1-2)과 압력 가열통(10)으로 방열부를 구성하고 , 팽창밸브(1-3)을 폐회로로 연결하여 히트 펌프를 구성하고;According to the present invention, in a heat pump using carbon dioxide gas as a refrigerant, a heat absorbing portion is constituted by a cooling coil (1-4) and a pressure cooling cylinder (5), and a compressor (1-1, a heat radiating coil (1) for compressing the refrigerant to a high pressure. A heat dissipation part with 1-2) and a
흡열부에서는 송풍기(3)의 토출 공기를 통과시키면서 송풍기 토출 공기의 열에너지를 회수하여 송풍기 토출 공기의 온도를 낮추어 생물반응조의 온도를 적정하게 유지하고 , 방열부에는 물 또는 공기를 통과시키면서, 냉매가 가진 고온의 열에너지로 물이나 공기를 가열하여 고온의 온수나 고온의 공기를 생산하여 급탕등에 유용하게 사용할 수 있게 하였다.The heat absorbing portion recovers the thermal energy of the blower discharge air while passing the discharge air of the
본 발명은, 고농도 폐수처리장에서 송풍기 토출 공기가 가지고 있는 불필요한 다량의 열에너지를 탄산가스를 이용한 냉매를 사용하여 회수하고, 이 회수한 열 에너지로 고온의 온수나 가스를 발생하여 급탕, 난방, 슬러지 건조 등 다양한 용도로 이용하며, 히트펌프의 특성상 회수한 열에너지 량에 대하여 1/3∼1/5의 전력에너지만 공급하면 되기 때문에 매우 경제적이며, 냉각된 공기를 생물 반응조에 공급함으로서, 생물 반응조를 적정한 온도로 유지할 수 있고, 수 처리효율을 높여서, 처리수질을 향상시킬 수 있을 뿐만이 아니라 거시적으로는 에너지 절약에 의한 탄산가스 발생량 저감 및 지구 온난화 방지에도 기여하는 효과가 있다.The present invention recovers an unnecessary amount of thermal energy possessed by a blower discharge air in a high concentration wastewater treatment plant by using a refrigerant using carbonic acid gas, and generates hot water or gas at high temperature using the recovered thermal energy to supply hot water, heating, and sludge drying. It is very economical because only 1/3 to 1/5 of the power energy needs to be supplied with respect to the amount of heat energy recovered due to the characteristics of the heat pump, and by supplying the cooled air to the biological reactor, The temperature can be maintained, the water treatment efficiency can be improved, and the quality of the treated water can be improved. In addition, the carbon dioxide gas can be reduced and the global warming can be prevented by energy saving.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
탄산가스를 냉매로 사용하고, 냉각코일(1-4)와 압축기(1-1), 방열코일(1-2), 팽창밸브(1-3)으로 구성한 히트펌프(1)에 있어서,In the heat pump (1) consisting of a cooling coil (1-4), a compressor (1-1), a heat radiation coil (1-2), and an expansion valve (1-3), using carbon dioxide gas as a refrigerant,
냉각코일(1-4)는 압력 냉각통(5)내를 관통하게 일체로 형성하여 흡열부를 구성하고, 압력 냉각통(5)의 입구 쪽에는 송풍기의 토출배관(4)와 연결하고 , 출구 쪽에는 공기배관(7)을 연결하고, 이 공기배관(7)은 생물 반응조(8)내에 설치한 산기장치(9)에 연결하였다.The cooling coils 1-4 are integrally formed to penetrate the inside of the
방열코일(1-2)는 압력 가열통(10)내를 관통하게 일체로 형성하여 방열부를 구성하고, 압력 가열통(10)의 입구에는 급수 구를 가진 순환펌프(11)에서 공급된 물이 순환배관(12)를 통하여 유입되게 하고, 출구 쪽에는 유출배관(13)이 급탕조(14) 또는 온수 난방기(15) 또는 지렁이 사육실(16)의 가온용 배관에 연결하고, 이 배관은 순환펌프(11)의 입구측에 연결하여 폐회로를 구성하였다.The heat dissipation coil (1-2) is integrally formed to penetrate the inside of the pressure heating tube (10) to form a heat dissipation unit, and the water supplied from the circulation pump (11) having a water inlet is provided at the inlet of the pressure heating tube (10). The
가열 냉각통(5)의 하부에는 응축수 배수기(5-1)을 설치하였다.The condensate drain 5-1 was provided in the lower part of the
송풍기(3)을 가동하여 공기를 압축하면, 공기는 단열 압축되어 압력이 높아짐과 동시에 온도가 높아지는데 축산폐수처리장과 같이 토출 공기 압력이 5,000mm∼6,000mmAq인 송풍기의 토출공기 온도는 80∼90℃ 정도이다.When the
이 고온의 압축공기는 토출배관(4)를 통하여 압력 냉각통(5)로 이송되고, 이 압력 냉각통(5)내에서 히트 펌프의 냉각코일(1-4)와 접촉한다.This high temperature compressed air is transferred to the
히트펌프(1)이 가동되면, 히트펌프의 냉매인 탄산가스는 압축기(1-1)에서 약 100기압으로 압축되고, 온도는 130℃까지 상승한다.When the
이 고온의 냉매는 방열코일(1-2)을 통과하고, 이 방열코일은 압력 가열통(10) 내에 있는 물과 접촉하여, 상온으로 냉각이 되고 , 압력 가열통(10)의 물은 90℃이상으로 가열된다.The high temperature refrigerant passes through the heat radiation coil 1-2, and the heat radiation coil is in contact with the water in the
냉각된 고압의 냉매는 팽창 밸브(1-3)에서 급격히 압력을 떨어뜨리는 단열 팽창을 하게하면, 냉매의 온도는 5℃까지 떨어지며, 냉각코일(1-4)를 통과하면서 압력 냉각통(5)내에 있는 고온의 압축공기로부터 열을 흡수하여 냉매의 온도는 상승하고, 압축공기는 열을 빼앗기면서 냉각이 되어 압축공기의 온도는 20℃까지 낮아진다.( 저하되는 압축공기의 온도는 냉각 코일(1-4)의 전열 면적을 조정하여 맞춘다)When the cooled high-pressure refrigerant causes adiabatic expansion that rapidly drops the pressure in the expansion valve (1-3), the temperature of the refrigerant drops to 5 ° C, and passes through the cooling coil (1-4) to the pressure cooling tube (5). The temperature of the refrigerant is increased by absorbing heat from the high-temperature compressed air in the inside, and the compressed air is cooled while losing heat, and the temperature of the compressed air is lowered to 20 ° C. Adjust the heat transfer area of -4)
이와 같은 동작이 계속하여 이루어지면서 송풍기(3)의 토출공기는 20℃로 냉각이 되어 생물 반응조(8)의 산기장치(9)로 공급하여 생물 반응조에 필요한 공기를 공급함으로서, 생물 반응조(8)의 수온이 과도하게 상승하는 것을 방지하고, 미생물이 증식하기에 알맞은 온도로 생물 반응조를 유지관리 할 수 있고 결과적으로 생물 반응조의 안정성과 수처리 효율을 높여서 처리수질을 향상시킨다.As the above operation continues, the discharged air of the
압력 가열통(10)에서 발생한 90℃이상의 온수는 급탕조(14)에 공급되어 샤워나 목욕 등에 이용하거나, 폐수 처리장 내 사무실 등 건축물의 온수난방 배관에 연결하여 난방용으로 사용하거나, 슬러지의 지렁이 분변토 생산을 위한 지렁이 사육을 할 경우 동절기에 사육실의 온도를 적정하게 유지하는데 이용할 수 있다.Hot water of 90 ° C. or higher generated in the
또 다른 이용 용도로서는 [도면2] 와 같이 압력 가열통(10)에 송풍 홴 (18)로 공기를 공급하여 이 공기를 100℃이상으로 가열하여, 이 뜨거운 공기(열풍)를 슬러지 건조기(19)의 열원으로 이용하거나 퇴비화실(20)의 동절기 온도 조절용으로 이용할 수 있다.As another use, as shown in [Fig. 2], air is supplied to the
특히 급탕용, 슬러지 건조기 등에의 이용은 1년 내내 활용할 수 있어서 매우 효과적인 이용으로 경제성이 가장 높다.In particular, the use of hot water, sludge dryers, etc. can be used all year round, so it is very effective and has the highest economic efficiency.
히트펌프란 냉매의 단열팽창을 이용하여 주변으로부터 열에너지를 흡수하고, 냉매 압축기로 고압으로 가압하여 냉매를 고온으로 만든 다음 , 방열부에서 외부의 액체나 공기로 냉매를 냉각시키면서 열 에너지를 방출하게 한 기계장치로서, 저온부의 열에너지를 고온부로 이동시키는 작용을 하는 것으로서, 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 양수하는 펌프와 같다고 하여 히트 펌프라고 한 것이며 냉매의 물리적 현상을 이용하여 열에너지를 이동시키기 때문에 공기나 물을 직접 가열하거나 냉각시키는 것에 비하여, 1/3∼1/5의 적은 에너지만 필요하다.A heat pump absorbs thermal energy from the surroundings by using adiabatic expansion of the refrigerant, pressurizes it with a high pressure with a refrigerant compressor to make the refrigerant at a high temperature, and then radiates heat energy while cooling the refrigerant with external liquid or air at the heat radiating part. As a mechanical device, it acts to transfer the heat energy of the low temperature part to the high temperature part. It is called a heat pump because it is like a pump that pumps low water to a high part, and it moves air energy by using the physical phenomenon of the refrigerant. Compared to heating or cooling water directly, only 1/3 to 1/5 less energy is required.
탄산가스를 냉매로 사용하는 히트 펌프(1)를 이용하여 송풍기 토출 공기의 열에너지를 회수하여 재이용하는 본 발명의 장치는 열에너지 회수량의 1/3∼1/5의 적은 전력을 투입하여 열에너지를 회수하고, 회수한 열에너지로 물이나 공기를 고온으로 가열하여 재이용하고 있으므로, 폐열 에너지의 재이용이라는 에너지 절약효과와 경제성 및 폐수처리 효율 향상이라는 효과를 함께 가지고 있다.The apparatus of the present invention recovers and reuses the heat energy of the blower discharge air by using a
[도면1] 의 응축수 배수기(5-1)은 공기 냉각 과정에서 발생하는 응축수를 제거하기 위한 것이고 공기필터(2)와 홴 필터(17)은 공기중의 먼지등 이물질을 걸러서 장치의 오염을 방지하기 위한 것이다.The condensate drain 5-1 of FIG. 1 is for removing condensate generated in the air cooling process, and the
도면 1 은 본 발명의 구성을 표시한 예시도.1 is an exemplary view showing a configuration of the present invention.
도면 2 는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 예시도.2 is an exemplary view showing another embodiment of the present invention.
Claims (2)
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