KR100894154B1

KR100894154B1 - 유기성 슬러지로부터 고체 고형물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는, 유기성 슬러지의 연속식처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100894154B1
Application number: KR1020080094772A
Authority: KR
Inventors: 최창식; 호 김; 장은석; 김양배
Original assignee: 고등기술연구원연구조합; 주식회사 디스텍
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-04-22

Abstract

본 발명은 유기성 슬러지를 밀폐형 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하고, 당해 반응기의 온도 및 압력을 일정 수준으로 유지시킴으로써, 고체 고형물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 장치에 관한 것이다.

연속식, 가온 가압 반응기, 유기성 슬러지, 공급 펌프, 고액 슬러리, 액상 탈리액, 고체 고형물

Description

유기성 슬러지로부터 고체 고형물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는, 유기성 슬러지의 연속식 처리 장치 및 방법{Apparatus and methods of a successive treatment of organic sludges for producing solid-liquid slurry containing solids and secessional liquids from organic sludge}

미생물 처리방식으로 운영되는 하수처리장의 경우 대량의 폐 잉여슬러지가 발생하는데, 2006년 한 해 274 만여톤에 달하였으며 이 중 73.45%가 해양투기로 처리되었다. 그러나, 런던협약 '96 의정서가 2006년 3월 발효되면서 유기성 슬러지의 해양 배출 기준이 대폭 강화되었으며, 2011년부터는 유기성 슬러지의 해양 투기가 전면 금지되어, 해양투기를 대체할 환경친화적 유기성 슬러지 처리 기술의 개발 이 시급하다.

유기성 슬러지는 2 ㎛의 크기를 갖는 미생물의 사체가 주된 물질로서, 점도를 갖는 물질이 플록을 형성하여 100 내지 1,000㎛크기의 입자를 형성하고, 플록 및 세포벽 내부에 수분이 다량 함유된다. 이와 같은 슬러지의 높은 함수율로 인해 유기성 슬러지의 재이용, 감량화 또는 연료화 등의 기술을 적용하는 데 있어서 걸림돌이 되고 있다(1차 탈수 처리 후 함수율 80%).

유기성 슬러지의 후처리 및 재이용을 위해서는 우선 수분의 양을 낮추어야 하는데, 소각의 경우 슬러지의 함수율이 60% 미만이어야 하고, 재이용을 위해서도 함수율이 20% 미만이어야 한다. 따라서, 일반적인 건조공정을 통해 400℃가량의 열풍으로 처리하게 되는데 에너지 비용이 과다하고, 외부 공기원을 주입하게 되어 악취발생이 심하므로 주변 지역 주민에 의한 민원의 소지가 되고 있으며, 무엇보다 함수율이 65-55% 범위인 경우 점도가 높아져 장치 고장의 원인이 되며, 슬러지 세포벽의 파괴가 어려워 함수율 50% 미만으로 탈수 또는 건조하기가 어렵다.

짐프로 공정(Zimpro process)으로 알려진 열적 습식 산화 기술은 밀폐형 반응장치를 통해 처리되는 기술이지만 슬러지의 유기물을 산화시키기 위한 산화제가 투입되어 생성물의 경우 궁극적으로 CO₂와 H₂O가 생성되는 반응이다.

또한, 대한민국 특허 제515497호는 가온 가압 반응기에서 유기성 슬러지를 가열하면서 슬러지에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 가온 가압 반응기의 온도와 압력을 열역학적 기준에 의거 조정함으로써 하수 슬러지로부터 고체 탄화물을 생성하는 방법 및 이의 장치를 개시한다.

그러나, 상기 특허는 반응이 끝난 후에 실온까지 냉각시켜 반응물을 회수하는 회분식 반응에 관한 것으로, 에너지 손실이 크고 연속 운전이 어려워 상용화가 어렵다는 문제점이 있다. 특히, 당해 특허의 회분식 반응 장치는 순차적으로 운전되므로 반응시간(HRT)이 2시간일 경우 대기시간 및 승온시간을 대략 2시간 포함하여 하루 처리가능 시간은 12시간에 불과하므로, 처리량에 한계가 있어 대량 처리가 불가능하여 상용화되기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은, 상기 특허 제515497호의 회분식 처리 장치의 처리 시간 및 처리량의 한계와 에너지 손실의 문제점을 개선시키기 위해, 회분식 처리 장치를 연속식으로 운전 가능하도록 구현한 것으로, 유기성 슬러지를 연속적으로 반응기 내 투입하고 반응 완료된 반응물은 회수하면서 온도와 압력이 유지되는 연속식 가온 가압 반응기를 고안하여, 대기시간 및 승온시간 필요없이 1일 24시간의 대량 처리 가능하고, 에너지 소모를 줄여 에너지 비용 면에서 개선시키고자 하였다.

본 발명은, 유기성 슬러지를 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하는 단계, 및 상기 투입된 유기성 슬러지를 가열하는 단계를 포함하고, 상기 가열하는 단계가 상기 슬러지에서 추출된 수분의 기화 에너지 소요가 억제되도록 상기 가온 가압 반 응기의 온도와 압력을 열역학적으로 조정하여 상기 유기성 슬러지의 세포로부터 결합수를 분리시킴으로써, 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 유기성 슬러지를 밀폐형 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하는 단계, 및 당해 반응기를 1 내지 3시간 동안 100 내지 300℃의 온도에서, 당해 온도 범위의 특정 온도 값에 대한 1 내지 90 kg/cm² 범위 내의 특정 포화 수증기압 이상으로 가압시키는 단계를 포함하는, 유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 장치에 관한 것으로, 당해 장치는, 유기성 슬러지를 수용하기 위한 밀폐형 연속식 가온 가압 반응기, 상기 반응기 내부에 장착된 유기성 슬러지를 교반하기 위한 교반기, 상기 반응기 내부의 온도 측정을 위한 온도 센서, 상기 반응기 내부의 압력 측정을 위한 압력계, 상기 반응기 내부에 장착된 승온 및 온도조절 장치, 유기성 슬러지를 지속적으로 반응기에 공급하고 반응기 내 생성된 고액 슬러리를 지속적으로 이동시키기 위한 공급 펌프(feed pump), 및 반응기 후단에 설치되고, 상기 반응기 후단의 압력이 일정 수준 이상이 되는 경우 고액 슬러리 형태의 생성물을 배출 및 이송시키기 위한 압력 조절 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 밀폐형 연속식 가온 가압 반응기를 이용함으로써, 환원 분위기에서 가온 가압하여 슬러지로부터 수분을 분리하고 유기물의 손실을 최소화하면서 고열량의 고체 고형물과 액상 탈리액을 생산할 수 있으며, 이를 연속식 장치로 구현함으로써 슬러지를 더욱 간편하게 처리할 수 있는 이점이 있다. 상세히는, 본 발명의 연속식 제조 장치 및 제조 방법은, 대기시간 및 승온 시간이 필요 없어 1일 24시간 처리가 가능하여 에너지 소모를 줄이면서 기존의 회분식 처리 장치에 비해 2배 이상 슬러지를 간편하게 처리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연속식 처리 장치는 회분식 처리장치에 비하여 에너지 투입량이 적어 처리 비용이 적게 들고, 동일한 반응기 용량을 기준시 대량처리가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 생성된 고체 고형물의 경우 기존의 건조공정 또는 건식 열분해 적용 후의 고체 생성물과 비교시 높은 열량을 보존하고 있어 쓰레기 재생 연료(Refuse Derived Fuel) 등의 연료로서 활용가치가 높고, 액상 생성물로 분리되는 액상 탈리액의 경우는 용존 유기물 농도(SCOD: Soluble COD)가 평균 60,000 내지 80,000 mg/L로서 혐기소화를 통해 메탄가스의 생산이 가능하다.

나아가, 본 발명에 따른 제조 방법 및 제조 장치는, 유기성 슬러지의 폐기 처리 비용을 절감시키고 슬러지 폐기로 인한 환경 오염을 감소시킬 뿐 아니라, 고액 슬러리 내 함유된 고체 고형물과 액상 탈리액의 효과적인 자원화 또는 재활용화 가능성을 제공한다.

본 발명은, 유기성 슬러지를 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하는 단계, 및 상기 투입된 유기성 슬러지를 가열하는 단계를 포함하고, 상기 가열하는 단계가 상기 슬러지에서 추출된 수분의 기화 에너지 소요가 억제되도록 상기 가온 가압 반응기의 온도와 압력을 열역학적으로 조정하여 상기 유기성 슬러지의 세포로부터 결합수를 분리시킴으로써, 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은, 유기성 슬러지를 밀폐형 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하는 단계, 및 당해 반응기를 1 내지 3시간 동안 100 내지 300℃의 온도에서, 당해 온도 범위의 특정 온도 값에 대한 1 내지 90 kg/cm² 범위 내의 특정 포화 수증기압 이상으로 가압시키는 단계를 포함하는, 유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법을 제공한다.

함수율 80%의 유기성 슬러지를 습식 열분해(가온 가압) 반응기 안에 연속적으로 투입하고 가온(100 내지 300℃) 및 각각의 온도에서의 포화 수증기압 이상으로 가압(1 내지 90 kg/cm²이상)하면서 1 내지 3시간 가량 반응을 진행시키면, 유기성 슬러지 세포 내 함유 수분인 결합수가 분리되어 반응기 내에 포화수로 존재하게 되는데, 반응기 내부에서 고온의 열을 갖는 수분은 열매체로서 작용하여 외부열원과 함께 자체적으로 슬러지 세포를 파괴하는 역할을 수행하게 된다. 함수율 80%인 탈수 슬러지(DS: Dewatered Sludge)를 원료로 하였을 때 반응 후 미세 입자(입경 10㎛ 내외)와 액상의 탈리액이 혼합된 고액(고체+액체) 슬러리 상태의 생성물을 얻게 되는데 이를 탈수 수단(예: 탈수기)를 통해 고액 분리하면 간단하게 함수율 30% 미만의 고체 고형물과 탈리액을 얻게 되며, 이미 자유수로 전환된 수분이 대부분이므로 저온건조를 수행하여 함수율 5% 미만의 고형물을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제조 방법은, 고액 슬러리 상태의 생성물을 탈수 수단을 사용하여 고체 고형물과 액상 탈리액으로 분리시키는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 또한 함수율 5% 미만의 고체 고형물을 얻기 위해 탈수 후 수득된 함수율 30% 미만의 고체 고형물을 저온 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 포화 수증기압 이상의 압력은, 별도의 가압 장치 없이 유기성 슬러지의 투입 압력과 상기 반응기 내부에서 발생하는 저분자량 유기물의 휘발분 및 수증기의 증기압에 의해 형성된다. 당해 압력은 100℃에서는 1.03 kg/cm²의 포화수증기압 이상, 150℃에서는 4.85 kg/cm²의 포화수증기압 이상, 200℃에서는 15.85 kg/cm²의 포화수증기압 이상, 250℃에서는 40.56 kg/cm²의 포화수증기압 이상, 300℃에서는 87.62 kg/cm²의 포화수증기압 이상과 같은 방식으로, 100 내지 300℃ 범위 내의 특정 온도 값에 대한 1.03 내지 87.62 kg/cm² 이상의 특정 압력 값으로 정해질 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법은, 상기 반응기에서 생성된 고액 슬러리 형태의 생성물을 배출 및 이송하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 당해 단계는 상기 반 응기 후단의 압력이 일정 수준 이상이 되는 경우 고액 슬러리를 반응기 밖으로 배출 및 이송하도록 한다. 반응기 후단에서 비교적 고압의 압력을 일시에 해제하는 것은 반응기 내 압력 강하의 문제 및 공정 구성에도 어려움이 있으므로, 순차적으로 다단계를 거친 압력 해제를 통해 생성물이 원활하고 연속적인 배출 및 이송하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 슬러리 상태의 반응 생성물의 일부, 예를 들어 5 내지 50%를, 상기 연속식 가온 가압 반응기 입구로 반송시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이로써, 반응기로 투입되는 원료의 점성을 낮출 뿐 아니라 생성물이 가지고 있는 고온을 이용하여 초기 유입되는 반응물의 온도를 올리는 데 수월한 장점이 있다.

본 발명은 연속식 가온 가압 반응기에 의해 유기성 슬러지로부터 결합수를 탈리시킴으로써 슬러지를 액상 탈리액과 고체 고형물로 분리시킬 수 있다.

상기 슬러지는 건조 처리를 하지 않은 상태로 투입하는 것이 좋다. 슬러지를 사전에 건조 처리를 하지 않기 때문에, 건조 처리를 위한 장치와 시간 및 인력이 필요치 않고, 생성된 고체 고형물의 단위 열량도 높다.

또한, 상기 가온가압 반응기는 악취발생의 억제를 위해 밀폐된 상태에서 운전된다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 반응 온도의 범위는 유기성 슬러지의 세포파괴 및 결합수 분리에 있어서 도 2에서와 같이 반응온도가 상승할수록 세포 파괴가 잘되어 입도 크기가 초기의 50 내지 1000㎛로부터 10㎛ 영역대로 수렴 하는 것을 알 수 있으며, 도 3의 TGA/DTA 도표에서, 유기물 감량구간이 250 내지 500℃임을 알 수 있다. 또한 도 4에서 슬러지의 세포물질이 파괴되어 점도가 감소하는 구간을 알 수 있는데, 대략 190℃ 이상의 온도가 필요하다는 것을 알 수 있다. 이로부터 슬러지의 세포 파괴 및 결합수의 분리를 위한 온도조건으로 190 내지 250℃ 범위가 최적의 온도구간이다. 다만, 다소간의 유기물 손실 및 미반응 상태가 큰 영향이 없는 상황에서 일반적으로 온도 100 내지 300℃의 조건에서 운전할 수 있다.

반응기 내 내부의 압력은 별도의 가압 장치가 필요없는 것이 특징이며, 공급 펌프에 의한 원료 물질의 투입 압력과 일부 저분자량 유기물/수증기의 증발 압력이 서서히 증가하여 포화수증기압 이상의 압력이 형성된다. 따라서 기화에너지로의 소모가 없어 도 5에서 보는 바와 같이 처리비용 절감이 가능하다. 즉, 유기성 슬러지 원료 1톤 처리시 수분을 증발시킬 경우 직접 건조방법은 977,400 kcal, 간접 건조방법은 1,629,000 kcal가 소요되지만 비증발형 습식 열분해 가온가압 반응에서는 433,163 kcal/kg의 에너지가 소요된다.

다음의 표 1은 정해진 반응온도를 상승시키는데 필요한 최소한의 소요압력인 포화수증기압의 열역학적 자료이며, 도 6을 통해 연속식 반응기 내부에서 온도가 상승함에 따라 압력도 점차적으로 상승하는 것을 확인할 수 있다.

스팀/물 표 (단위: kcal/kg)

반응온도 (℃)	포화 수증기압 (kg/cm²)	포화수	포화수증기	기화에너지
반응온도 (℃)	포화 수증기압 (kg/cm²)	물(0℃)->포화수	물(0℃)->포화수증기	포화수->포화수증기
100	1.03	100.1	639.1	539
150	4.85	150.9	655.7	505
200	15.85	203.6	666.6	463
250	40.56	259.3	668.8	409
300	87.62	321.3	657.1	336

본 발명은 또한 유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 장치를 제공하며, 당해 장치는 유기성 슬러지를 수용하기 위한 밀폐형 연속식 가온 가압 반응기, 상기 반응기 내부에 장착된 유기성 슬러지를 교반하기 위한 교반기, 상기 반응기 내부의 온도 측정을 위한 온도 센서, 상기 반응기 내부의 압력 측정을 위한 압력계, 상기 반응기 내부에 장착된 승온 및 온도조절 장치, 유기성 슬러지를 지속적으로 반응기에 공급하고 반응기 내 생성된 고액 슬러리를 지속적으로 이동시키기 위한 공급 펌프, 및 반응기 후단에 설치되고, 상기 반응기 후단의 압력이 일정 수준 이상이 되는 경우 고액 슬러리 형태의 생성물을 배출 및 이송시키기 위한 압력 조절 수단을 포함한다.

상기 연속식 가온 가압 반응기는 세부적으로 관형 반응기(21), 교반기(22), 승온 및 온도조절장치(23), 온도 센서(24), 압력계(25), 생성물 배출 및 이송을 위한 압력 조절 수단(27)을 포함한다. 반응기는, 슬러리 상태의 반응 생성물의 일부, 예를 들어 5 내지 50%를, 반응기 입구로 반송하기 위한 생성물 일부 반송관(26)을 추가 포함할 수 있다. 이로써 유기성 슬러지 열수 가압 반응기에서의 발생한 고온을 이용하여 반응기의 에너지 효율을 높일 수 있다.

밀폐된 구조의 연속식 가온가압 반응기(13)는 예를 들어, 연속식 루프 타입 관형 반응기(continuous loop type tubular reactor)이다.

본 발명의 한 양태에서 루프 형태의 반응기는 관형 타입의 배관을 이용하여 제작가능하므로 공급 펌프(12)의 용량에 맞추어 반응기 부분만 추가 장착이 가능한 확장성이 있으며, 공간 활용이 용이하여 회분식(PFR:Plug Flow Reactor) 반응기보다 설치 면적이 적어지는 장점이 있다.

본 발명의 한 양태에서 연속식 반응기 내에 장착하는 교반기(22)는 완벽한 밀봉(seal)이 요구되어 지는데, 기존의 구동축 및 베어링에 의한 스크류 타입의 교반기는 압력이 존재하는 조건에서는 반응생성물의 누수 현상이 발생하게 되어, 본 발명에서는 기계적 밀봉이 필요없는 정적 혼합기(STATIC MIXER)를 채용하였다.

상기 밀폐된 구조의 가온 가압 반응기(13)의 주변 장치들로는 공급 펌프(12)가 있으며, 이외에 호퍼(11), 고액 슬러리 이송을 위한 생성물 이송관(14), 고액 슬러리의 2단계 배출을 위한 배출 용기(15), 고액 슬러리의 3단계 배출을 위한 녹-아웃(knock-out) 용기(16), 고액분리용 탈수기(17), 수증기 열회수를 위한 열 회수 용기(18)를 추가 포함할 수 있다.

본 발명의 한 양태에서 공급 펌프(12)는 원하는 압력 범위까지 유기성 슬러지 원료를 지속적으로 공급하고, 반응기 내 고액 슬러리 생성물을 지속적으로 이동시킬 수 있는 단일 펌프(mono pump)를 채용하였다.

상기 반응기는 필요에 따라 상기 압력 조절 수단 외에 추가로 압력을 순차적으로 해제시키기 위해, 배출 용기(15) 및 녹-아웃 용기(16)과 이에 부착된 자동 밸브를 추가 함유할 수 있다. 반응기 후단의 압력 조절 수단(27)은 반응기의 압력이 20 kg/cm² 이상이 되면 자동적으로 밸브를 열어 생성물을 배출 용기(15)로 배출시켜주고, 배출 용기(15)에서는 10 kg/cm² 이상의 수증기압이 생성될 경우 수증기를 열 회수 용기(18)로 배출시키면서 일정 시간 간격으로(대략 30분) 녹-아웃 용기(16)으로 고액 슬러리를 배출시킨다.

녹-아웃 용기(16)에서는 고액 슬러리를 저장하면서 이를 고액 분리 탈수 수단(17)으로 이송해주게 된다. 반응기 후단에서 비교적 고압의 압력을 일시에 해제하는 것은 반응기 내 압력 강하의 문제 발생 및 공정 구성에도 어려움이 있으므로, 순차적으로 다단계를 걸친 압력 해제를 통해 생성물의 원활하고 연속적인 배출 및 이송이 가능하다.

상기 반응기에는 필요에 따라 공정 후단에 열 회수 용기(18)를 추가로 포함하고, 이는 주로 배출 용기(15)에서 배출되는 포화수증기를 포집하여 후단 공정에서 생성물의 건조 등에 열원으로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 유기성 슬러지의 열수 가압 반응에서 발생한 수증기의 폐열을 회수하여 최종 생성물을 건조하여 에너지 효율을 증가시킨다.

본 발명의 한 양태에 사용되는 연속식 습식 열분해 장치가 도 1에 도시되어 있으며, 당해 장치는 별도의 건조 공정이 필요 없는 가온가압형 열수 분해 장치로서, 밀폐된 구조의 가온 가압 반응기(13)와 주변장치들로 구성되어 있는데, 주변장치로는 호퍼(11), 공급 펌프(12), 생성물 이송관(14), 2단계 배출을 위한 배출 용기(15), 3단계 배출을 위한 녹-아웃 용기(16), 고액분리용 탈수 수단(17), 수증기 열회수를 위한 열 회수 용기(18)로 구성된다. 연속식 습식 열분해 반응기는 세부적으로 관형 반응기(21), 교반기(22), 승온 및 온도조절장치(23), 온도계(24), 압력계(25), 생성물 일부 반송관(26), 생성물 배출 및 압력조절장치(27) 등으로 구성된다.

본 발명의 실시예가 아래 기술되며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

유기성 슬러지로부터 고체 고형물 및 액상 탈리액 제조

도 1에 나타낸 유기성 슬러지 처리 장치와 동일한 구성으로 이루어진 장치를 이용해서 유기성 슬러지(함수율 80%) 시료 1톤을 200℃의 온도로 습식열분해 반응을 진행시켰다. 반응 압력을 포화수증기압보다 높은 20기압 수준으로 유지하여(도 6 참조), 액상 생성물이 증발되지 않아 기화에너지로의 소모를 최소화하였다. 습식열분해 후 생성된 고액 슬러리(함수율 80%)는 이미 결합수 대부분이 자유수로 전환된 상태로 간단한 탈수 처리에 의해 함수율 30% 수준의 고체 고형물 285.7kg이 수득되었다. 이를 저온 건조시 함수율 5% 미만의 고체 고형물 210.5kg가 수득되었으며, 탈수처리 후 탈리액 714.3kg을 수득하였다.

실시예 2

고체 고형물의 단위 열량 측정

실시예 1에서 수득된 고체 고형물과, 건조 공정이 필수 조건인 건식 열분해에 의해 얻어진 탄화고형물(Char)의 열량(HHV, High Heating Value)을 비교하였다. HHV 계산식은 Duloug의 식을 사용하였으며, 당해 식은 다음과 같다.

HHV 계산식= 8100(C)+34000(H-O/8)+2500(S)

일반적으로 건조 공정에서는 휘발성 고형물이 수분과 함께 쉽게 증발하고, 또한 건식 열분해 과정에서는 수분이 거의 없는 건조 고형물을 액화 또는 가스화처리를 목적으로 하므로, 다소 높은 온도 조건, 즉, 350 내지 750℃에서 운전되어 액화 물질(CxHy) 또는 가스화 물질(CH₄)이 생성되어, 탄화고형물(Char)의 열량이 감소된다. 건조 과정을 거치지 않은 본 발명에 의한 습식 열분해에 의해 생성된 단위열량은 4,500 내지 5,000 kcal/kg으로, 일반적인 유기성 슬러지 시료의 단위열량인 2,500 내지 3,000kcal/kg을 크게 상회하여 고품위 원료로서 활용이 가능함을 확인하였다.

실시예 3

액상 탈리액의 탈수능 평가

실시예 1에서 수득된 액상 탈리액의 탈수능을 CST(Capillary Suction Time)와 TTF(Time to Filtrate)를 통해서 확인하였다. 표 2의 CST 결과는 같은 조건의 lab scale의 회분식 반응기의 결과보다 좋은 결과를 나타내었다. 따라서, 이상적인 반응조건인 회분식 반응 특성과 유사한 특성을 연속식 열수가압 반응에서도 확인할 수 있었다.

Lab scale 회분식과 연속식 열수가압반응 생성물의 CST 측정 결과(200℃)

	1회	2회	3회	평균
lab scale 회분식 200℃	63.7	64.4	65.4	64.5
연속식 반응기 200℃	46.2	49.7	47.5	47.8

또한, TTF의 탈수능 측정 결과에서도 이와 유사한 경향을 나타내었으며, 당해 결과를 하기 표 3에 나타낸다.

Lab scale 회분식과 연속식 열수가압반응 생성물의 TTF 측정 결과(200℃)

	1회	2회	3회	평균
lab scale 회분식 200℃	93	93	99	95
연속식 반응기 200℃	93	96	93	94

실시예 1의 액상 탈리액의 분석 결과 pH 7.0 내지 8.5, COD는 50,000 내지 60,000 mg/L, 총 질소(T-N)은 8,00 mg/L, 총 인(T-P)은 200mg/L 이하로 회분식 반응기 탈리액의 특성과 유사한 결과를 나타내었다. 이로써, 본 발명에 따라 제조된 액상 탈리액이 재자원 및 에너지원으로써 활용도가 높음을 확인하였다.

본 발명은 고함수 유기성 슬러지(함수율 50~90%)를 대상으로 안출한 것으로서, 유사한 성상을 갖는 음식물류 폐기물 및 발생 탈리액, 축산폐수 등에 적용이 가능하다.

본 발명에 따른 습식열분해 공정은, 유기성 슬러지를 파괴하여 결합수를 자유수로 전환하므로 비교적 간단하게 탈수공정을 통해 수분분리가 가능하다. 또한 생성물인 고체 고형물의 경우 기존의 건조공정 또는 건식 열분해 적용 후의 고체 생성물과 비교시 높은 열량을 보존하고 있어 단위열량이 4,500 내지 5,000kcal/kg을 상회하여 쓰레기 재생 연료 등의 연료로서 활용가치가 높다. 액상 생성물로 분리되는 탈리액의 경우는 용존 유기물 농도(SCOD: Soluble COD)가 평균 60,000 내지 80,000 mg/L로 혐기소화를 통해 메탄가스의 생산이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 처리 공정의 구성도이다. 당해 구성도는 호퍼(11), 공급 펌프(12), 습식열분해 연속식 반응기(13), 고액 슬러리 생성물 이송관(14), 배출 용기(15), 녹-아웃 용기(16), 고액 분리 탈수 수단(17), 열 회수 용기(18), 연속식 관형 반응기(21), 교반기(22), 승온 및 온도조절장치(23), 온도계(24), 압력계(25), 생성물 반송관(26) 및 생성물 배출 및 압력조절장치(27)를 포함한다.

도 2는 유기성 슬러지 시료(DS(dewatered sludge(함수율 80%))의 습식열분해에서 온도구간별 입자 크기의 용적%를 보여주는 그래프이다.

도 3은 유기성 슬러지를 원료로 하여 TGA(Thermogravimetric Analysis)(좌측도) 및 DTA(시차열분석)(우측도)를 각각 측정한 그래프이다.

도 4는 유기성 슬러지 분해시 반응 온도 변화에 따른 단백질 양 및 점도 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5는 함수율 80%의 슬러지를 직접건조, 간접건조 또는 열수 분해 후 저온건조하여 함수율 5%가 되게 처리하는 데 소요되는 에너지 투여량을 비교하여 도시한다.

도 6은 연속식 반응기 내부에서 온도 상승에 따라 포화수증기압 이상의 압력이 형성됨을 보여주는 그래프이다.

Claims

유기성 슬러지로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 장치에 있어서,

유기성 슬러지를 수용하기 위한 밀폐형 연속식 가온 가압 반응기;

상기 반응기 내부에 장착된 유기성 슬러지를 교반하기 위한 교반기;

상기 반응기 내부의 온도 측정을 위한 온도 센서;

상기 반응기 내부의 압력 측정을 위한 압력계;

상기 반응기 내부에 장착된 승온 및 온도조절 장치;

유기성 슬러지를 지속적으로 반응기에 공급하고 반응기 내 생성된 고액 슬러리를 지속적으로 이동시키기 위한 공급 펌프; 및

반응기 후단에 설치되고, 상기 반응기 후단의 압력이 일정 수준 이상이 되는 경우 고액 슬러리 형태의 생성물을 배출 및 이송시키기 위한 압력 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액 슬러리의 연속식 제조 장치.
제1항에 있어서, 유기성 슬러지의 투입 및 반응을 원활히 하기 위해, 반응기 후단에서 고온의 액상 형태로 존재하는 반응 생성물인 고액 슬러리의 일정량을 지속적으로 반응기로 반송이 가능하도록 하는 반송 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고액 슬러지의 연속식 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 압력 조절 수단이 순차적인 압력 해제를 위해, 압력 조절 장치, 배출 용기 및 녹-아웃(knock-out) 용기의 다단계로 이루어짐을 특징으로 하는, 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 고액 슬러리 형태의 생성물을, 고체 생성물과 액상 탈리액으로 각각 분리시키기 위한 분리 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응기 내부에 장착된 유기성 슬러지를 교반하기 위한 교반기가 반응기 외부에 연결되는 축 또는 베어링이 필요 없는 정적 혼합기(static mixer) 방식의 교반기임을 특징으로 하는 , 장치.
유기성 슬러지를 가온 가압 반응기에 연속적으로 투입하는 단계를 포함하며, 당해 단계에서 반응 온도가 100 내지 300℃, 압력이, 당해 온도 범위의 특정 온도 값에 대한 1 내지 90 kg/cm²범위 내의 특정 포화 수증기압 이상이 되도록 조정되어 상기 유기성 슬러지의 세포로부터 결합수를 분리시킴으로써, 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리를 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 연속적 투입 단계에서 반응 시간이 1 내지 3시간임을 특징으로 하는 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 반응기에서 생성된 고액 슬러리 형태의 생성물을 배출 및 이송하는 단계를 추가로 포함하며, 당해 단계가 상기 반응기 후단의 압력이 일정 수준 이상이 되는 경우 고액 슬러리를 반응기 밖으로 배출 및 이송하도록 함을 특징으로 하는, 제조 방법.
제8항에 있어서, 다단계의 압력 조절을 통해 압력이 순차적으로 해제됨을 특징으로 하는, 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 포화 수증기압 이상의 압력이, 별도의 가압 장치 없이 유기성 슬러지의 투입 압력과 상기 반응기 내부에서 발생하는 저분자량 유기물의 휘발분 및 수증기의 증기압에 의해 형성됨을 특징으로 하는, 제조 방법.
제6항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 고액 슬러리 형태의 반응 생성물을, 탈수 수단을 사용하여 고체 생성물 및 액상 탈리액으로 각각 분리시키는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
제2항에 있어서, 반응 생성물인 고액 슬러리의 일정량을 지속적으로 반응기로 반송시킴으로써, 반응기로 투입되는 원료의 점성을 낮추고 상기 반응 생성물이 가지고 있는 고온의 열원을 이용하여 반응기에 초기 유입되는 원료의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는, 장치.