KR100914727B1 - 열 펌프 플랜트 건식 바이오매스 재생 장치 - Google Patents
열 펌프 플랜트 건식 바이오매스 재생 장치Info
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Abstract
본 발명은, 축산분뇨 음식물찌꺼기 하수슬러지 분뇨 등 바이오매스 처리에 관한 것으로 오염원을 처리 자원재생 하고자 하는 것이다.
원자재는 발생지에서 적치장에 옮겨져 공급장치에 의하여 로터리 킬른(Rotary Kiln)에 공급되며 배기가 열 펌프 저 열원이 되어, 고열원의 온풍 및 온열을 공급 바이오매스를 적절한 건도로 건조, 혐기 및 호기소화, 메탄가스, 유기비료, 액체비료를 생산 오염원을 경제성 높은 자원으로 재생한다.
원재료는 80% 내외 습도로 소화에 적절치 않아 30~40 % 내외로 건조하며 2중 튜브 로터리 킬른에 온수를, 전면 투입구에 핀 튜브식 온풍을 압입, 배면으로 토출시키며, 온수와 온풍으로 순환건조, 배기에서 열 에너지를 회수, 이를 열 펌프 열원으로 재 사용하므로 이 열 에너지가 열원으로 열 펌프의 압축기, 송풍기, 순환펌프, 교반기, 이송기기 운송동력 외에 추운겨울 1~2개월 열원보조를 제외하면 다른 열 에너지를 필요로 하지 않아 폐기물처리 열을 재 사용, 처리의 경제성을 높인다.
폐기물은 거의 완전 발효된 유기비료, 메탄가스, 액비로 재생하며 배출하는 배기까지도 세정 배출하므로 환경정화에도 크게 기여한다.
소화에 적정하게 건조된 중간재는 잘 보온된 혐기소화조에서 혐기발효하며 메탄가스를 얻고 다시 호기발효 유기비료를 얻고 세정수를 압축 액비를 얻으므로 폐기물은 귀중한 자원으로 재생된다.
Description
본 발명은 열 펌프를 이용하는 바이오매스 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열 펌프 사이클에서 발생하는 고 저온의 열을 이용하여 바이오매스를 건조시켜 혐기소화 후 호기소화하여 거의 완전 발효된 유기비료를 얻고, 혐기소화시 발생하는 메탄가스를 회수 에너지로 활용하고, 공기세정기에서 처리되는 세정수를 농축 농사용 액비로 활용, 공해의 주범을 자원화 하는 것으로 동절 외기온도가 하강하는 1~2개월의 보조열원으로, 얻어지는 메탄가스의 제한된 일부를 사용하므로 처리의 경제성과 환경친화를 달성할 수 있는 열 펌프 플랜트 건식 바이오매스 재생 장치에 관한 것이다.
좁은 면적에서의 축산은 분뇨처리가 어렵고, 방치하면 환경오염을 일으키는 공해물질이 되며 음식물 찌꺼기, 하수슬러지도 같은 맥락의 폐기물이다.
이 공해물질이 적치되므로 처리기법이 벨기에 프랑스 덴마크 일본 등에서 특히 연구 개발되고 있으며 건조소화가, 처리기간이 짧고 좁은 면적에서 처리할 수 있어 깊이 있게 연구되지만 아직 적절한 처리기법이 완성되지 못하여 이 폐기물로 인한 공해가 극심하여, 육지는 물론 해양에까지 투기 극심한 오염에 시달리고 있다.
종래 석유값이 쌀 때는 석유를 이용 건조처리 한 예도 있었으나, 석유값이 상승 유류를 이용 처리하는 것은 생각할 수 없어, 자연건조에 의존하는 형편이며 음식물 찌꺼기 등은 원심분리 탈수 후 소화처리하고 있으나 건도를 높이기 어려워 처리에 어려움이 많은 실정이다, 축산분뇨, 음식물 찌꺼기, 분뇨, 하수슬러지(Sludge)를 해양 투기하는 예가 다반사였으나, 해양환경 오염과 환경단체의 규제가 심하여 처리에 대한 대책이 필요하다.
이를 자원 재생하려 하지만 처리비용이 재생 소득보다 훨씬 높아 경제성이 없어 처리에 많은 어려움이 있다.
이를 해결하기 위하여 적치장에 적치가 필요하고, 적치물은 처리속도에 따라 로터리 킬른에 공급되며, 적절한 건도로 건조하는 방법은 열 펌프에 의한다. 열 펌프 열원은 처리 후의 배기 함유 현열 및 잠열로 동절 1~2개월은 처리과정에서 얻어지는 메탄가스의 일부를 열 보충에 쓸 수도 있다.
열 펌프 저열원은 세정수 하단 및 냉각 포집실 온도강하를 위하여 설치하는 저열원의 관내를 순환하는 브라인(brine)으로 하고 부족한 동절 1~2개월은 이 순환수 일부를 가열 공급 할 수 있다. 고열원은 제 1 작동유체의 응축열을 이용하고 필요에 따라 과열을 유도 고온을 공급한다. 로터리 킬른 캔의 온도를 높게 유지하고 건조한 적정량 고온 공기를 취입함으로 공급되는 원자재는 일정시간 이후 건도를 유지하며 챔버복스로 배출 저온화 하므로 공기 중 비산 없이 포집되어 이송장치를 따라 혐기소화조 상단에 공급되어 배출속도에 따라 하강하며 혐기소화 한다. 혐기소화 과정 에서는 발생하는 메탄가스를 포집하며 과정을 거치면 호기소화 완전발효 한 유기 비료가 되어 포장 출하되므로 지금껏 유통하던 것 보다 양질의 비료를 제공한다.
소화조는 사이로(Silo)형태로 필요한 기간을 적치하며 저속 하강하고 외부는 보온처리하여 발열되는 열의 손실을 줄여줄 수 있도록 한다. 이로써 분체는 거의 완전 발효한 유기비료로 기체는 탄화연료(메탄가스, LNG)로 포집 자원화 한다.
챔버복스를 거친 배기는 공기세정기에 유입 세정 과정에서 로터리 킬른에서 얻은 기화 유기물을 세정수에 배출하는 과정과, 열 펌프 저온부에 열 에너지를 잃은 후 저온이 되어 외부에 배출되거나 부분적 급기로 재 사용된다. 세정수는 시간이 지나며 다량의 성분을 함유하는 액비가 되므로 적정한 농도가 유지되는 시간에 이를 회수 정제 액비로 이용하는 바이오매스 생성장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면 도 1 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 적치장이 필요하고, 자원은 로터리 킬른(3)으로 필요한 만큼씩 이송되며, 이 이송은 스크류(2) 콘베어 등으로 할 수 있는 자원적치장(1)과,
열 펌프(10)로부터 공급되는 열을 이용하는 건조 열풍이 회전으로 낙하하는 로터리 킬른의 자원을 서서히 건조시키며 배기되고, 저온화를 방지하기 위한 튜브의 온수가 이를 보조하는 로터리킬른(3)과,
상기 로터리킬른(3)의 후단에 설치되어 배기를 얻어 열 펌프(10)의 저온 열원을 이용하여 공기를 냉각시켜 습기 및 영양분을 포함한 공기의 밀도가 축소되도록 하여 바이오매스 입자가 습기를 머금은 공기에 포집되도록 하여 후단의 공기세정기(5)로 공급하고, 또한 건조 배출되는 원자재(바이오매스)를 소화조(6,7)에 이송하는 콘베어(4a)가 일단에 설치된 에어챔버(4)와,
에어챔버(4)에서 공급되는 공기를 세정하는 공기세정기(5)와,
로터리킬른(3)에 건조 열풍을 공급하고 에어챔버(4)와 공기세정기(5)에 저온을 공급하는 열 펌프(10)와,
에어챔버(4)에서 적정 건도로 건조된 바이오매스를 혐기소화 메탄가스를 분리하는 혐기소화조(6)와,
혐기소화조(6)에서 혐기소화 된 바이오매스를 호기소화하여 거의 완전발효 유기비료를 얻는 호기소화조(7)로 구성한다.
공기세정기(5)는 내측 상부에 다수의 세정수 분사용 노즐을 설치하여 노즐에서 분사되는 세정수가 샤워형태로 분사, 공기세정기(5)로 유입된 공기 중에 포함된 유기비료성분을 세정수와 함께 집수하도록 구성, 분사되는 세정수는 미립자상태로 분무축적, 농도에 의한 액비로 회수한다.
또한, 열 펌프(10)는, 제 1 작동유체 사이클을 위한 압축기(11), 제 1 열교환기(응축기)(12), 오리피스(13), 제 2 열교환기(증발기)(14)로 구성하고, 제 1 열교환기(12)는 로터리 킬른(3)의 입구에 설치되어 응축열로 건조 열풍을 발생 로터리킬른(3)에 공급하며, 제 2 열교환기는 본체에 설치되어 브라인과 열교환 에어챔버(4)와 공기세정기(5)에 설치되는 냉각코일(미도시되었음)에서 흡열 에어챔버(4) 및 공기세정기(5) 내부를 저온화하고 공기세정기 순환수에서 흡열한다.
미 도시되었지만, 상기 제 1 열교환기(12)에는 송풍기가 설치되어 건조열풍을 로터리킬른(3) 내부로 공급한다.
열 펌프(10)의 압축기(11)와 제 1 열교환기(12)사이 배관에는 온수열교환기(15)를 연결 설치하고, 그 배관에 냉매가 선택적으로 온수열교환기(15)를 경유하여 제 1 열교환기(12)로 유동되도록 하는 복수의 선택밸브(V1,V2)를 설치, 로터리 킬른(3)의 몸체 외부에 온수열교환기(15)에서 생성된 온수가 순환하는 온수튜브(8)를 형성하고, 온수튜브(8)와 온수열교환기(15)의 사이에는 순환펌프(16)를 설치하여 원활한 온수 순환이 이루어지도록 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 바이오매스 축산분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 분뇨를 원자재 적치장(1)에 적치한다.
상기 원자재 적치장(1)에 적치된 바이오매스는 병설한 공급기(2)에 의해서 적정량 로터리 킬른(3)(Rotary Kiln)으로 공급된다.
이때, 열 펌프(10)의 제 1 열교환기(12)는 압축기(11)에서 공급된 혼합 제 1 작동유체의 열을 이용, 외기를 고온의 건조공기로 미 도시된 송풍기 작동으로 건조 열풍을 로터리 킬른(3) 내부에 공급한다.
본 발명에서는 건조 열풍 뿐 아니라 온수를 로터리 킬른(3)에 형성된 2 중 튜브에 공급한다. 즉, 선택밸브(V1)를 차단하고, 또 다른 선택밸브(V2)를 오픈시켜 압축기(11)에서 배출되는 고온의 혼합가스가 열교환기(15)에서 제 1 열교환기(12)로 공급되도록 하므로, 순환펌프(16)에 의하여 순환되는 온수가 고온 혼합가스 열을 열교환 로터리 킬른(3)의 몸체 튜브(8)에 공급한다.
상기 온수는 필요에 따라 선택적으로 구동시킬 수 있다.
상기 설명과 같이 제 1 열교환기(12)에 의하여 공급되는 건조열풍과 온수 튜브(8)를 순환하는 온수에 의하여 로터리 킬른(3) 내부로 공급된 바이오매스는 서서히 건조되어 후단의 에어챔버(4)로 공급된다.
로터리 킬른(3) 내 건조공기는 다량의 습기와 유기비료(질소, 인산, 칼리 등)성분을 포함하게 된다.
에어챔버(4)로 공급된 바이오 폐기물은 적정한 건도로 건조된 상태로 혐기소화조(6)로 공급되어 혐기소화 처리되고, 공기는 열 펌프(10)의 제 2 열교환기(증발기;14)의 증발열을 흡수하면서 냉각되어 밀도가 축소되어 공기 중에 다량의 습도 및 비료성분이 응집된 상태로 공기세정기(5)로 공급된다.
상기 공기세정기(5)로 공급된 공기는 샤워노즐에서 분사되는 세정수에 의하여 세정된 상태로 온도가 강하된 상태로 외부로 배기되며, 세정수는 공기세정기(5)바닥부에 집수된다.
공기세정수는 공기 중에 응집된 유기비료성분을 세정 내포하여 정제처리 후 액비로 활용한다.
혐기소화조(6)의 바이오매스는 혐기소화조(6)에서 혐기소화 메탄가스를 분리하고, 가스가 분리된 바이오매스는 호기소화조(7)로 이동 거의 완전하게 호기소화 양질의 유기비료로 재생한다. 이를 원활하게 수행하기 위하여 소화조 외부는 양질의 보온재로 보온처리 한다.
혐기소화조(6)에서 분리된 메탄가스는 별도의 가스포집장치를 이용하여 포집에너지로 활용, 공기 중에 비산하여 지구를 온난화시키는 가스를 연소사용 하므로 GWP의 방지에도 기여한다.
이상과 같이 본 건은 바이오폐기물을, 이송장치를 포함하는 원자재 적치장과, 열 펌프를 이용 공급하는 건조 열풍으로 폐기물이 함유한 수분을 제습하는 로터리 킬른과, 이 로터리 킬른에 병설되어 열 펌프 저열원의 냉열로 공기를 냉각, 함유분진과 로터리 킬른에서 건조 배출한 건조재를 포집 이송하는 콘베어 및 리프트가 포함된 에어챔버와, 이 배기를 다시 세정기로 보내는 통로와 용수가 샤워형태로 분사되는 공기세정기, 저온으로 세정된 공기를 배출통로 배출하고, 로터리 킬른에 건조 열풍을 공급하고 에어챔버 공기세정기에 냉을 공급하는 열 펌프, 이 에너지를 이용 바이오매스를 건조 혐기소화, 호기소화, 거의 완전 발효된 유기비료를 생산하고, 혐기소화시 발생되는 메탄가스를 회수 에너지로 활용하며, 공기세정기에서 발생되는 세정수를 정제처리 액비로 활용하고, 동절 1~2개월 부족한 열원은 자체 발생하는 메탄가스 열 에너지의 제한된 일부로 보충, 별도의 열원 없이 폐기물을 처리 자원을 재생산하는 장치이며 경제성있는 바이오매스 재생장치를 제공하게 된다.
도 1 은 본 발명의 열 펌프를 이용한 바이오매스 처리장치 계통도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 원자재 적치조, 2: 공급장치,
3: 로터리 킬른, 4: 에어챔버,
5: 공기세정기, 6: 혐기 소화조,
7: 호기 소화조, 10: 열 펌프,
11: 압축기, 12: 제 1 열교환기,
13: 팽창밸브, 14: 제 2 열교환기,
15: 온수열교환기, 16: 순환펌프,
V1,V2: 선택밸브,
Claims (8)
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- 열 펌프에서 제공되는 열풍을 이용하여 바이오매스를 적정건도로 건조시키고, 건조된 바이오폐기물을 혐기소화 후 호기소화 처리하여 재생처리하되,바이오매스 처리를 위하여,원자재가 적치되고, 로터리 킬른에 공급하는 공급장치를 포함하는 적치장을 포함하고,열 펌프로 공급하는 건조 열풍으로 바이오매스에 포함된 수분을 제거하는 로터리 킬른과, 상기 로터리 킬른과 병설되어 열 펌프에서 공급되는 저온을 이용하여 공기를 냉각시켜 분진 바이오매스 및 건조 배출되는 바이오매스를 포집하여 콘베어 및 리프트로 사일로에 이송하는 장치를 가지는 에어챔버와, 상기 에어챔버에서 배출되는 배기를 세정하여 배기하는 공기세정기와, 적정 건도로 건조된 바이오매스를 건식혐기소화 메탄가스를 분리시키는 혐기소화조와, 혐기소화된 바이오매스를 다시 호기소화 발효된 유기비료를 얻는 호기소화조와, 상기 로터리 킬른 몸통에 설치되어 온수열교환기에서 생성된 온수가 순환하는 온수튜브와, 상기 혐기소화조에 설치되어 소화과정에서 발생하는 메탄가스를 포집하는 메탄가스 포집장치를 더 포함하며,상기 열 펌프는 제 1 작동유체 사이클을 위한 압축기, 제 1 열교환기, 오리피스, 제 2 열교환기, 제 1 작동유체 내부 열교환기로 하고, 상기 제 1 열교환기는 로터리 킬른 입구에 설치된 응축기로, 건조열풍을 발생 로터리 킬른 내부에 공급하며, 제 2 열교환기는 열 펌프에 내장, 열교환 순환하는 브라인 일부를 에어챔버에, 나머지 일부를 공기세정기에 순환시켜 배열을 회수하고 분진상태의 원자재를 포집하는 열 펌프를 이용하는 배기를 열원으로 하며,상기 열 펌프 압축기와 제 1 열교환기 사이 배관에 온수열교환기를 연결 설치하고, 그 배관에 제 1 작동유체가 선택적으로 온수열교환기를 경유하여 제 1 열교환기로 유동되도록 하는 복수의 선택밸브를 설치한 것을 특징으로 하는 열 펌프 플랜트 건식 바이오매스 재생 장치.
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