KR101013488B1 - 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템으로서 종래 획일적 기능으로만 수행되던 하수 처리 공정과 열병합 발전 공정을 조합하되, 열병합 발전 공정에서 발생하지만 유효하게 사용되지 못하고 방출되는 배열과 슬러지 건조열, 소각열을 회수하고 열교환하여 상호 유기적이면서 단계적, 선택적으로 주고 받게 하여 열에너지를 공유시키는 최적의 배열 회수 라인 구성으로 열전달능력이 최대화되고 열손실이 최소화되는 열에너지 열교환 구조로서,

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 있는 효과가 있다.

하수 처리 장치, 열병합 발전기, 소화가스, 슬러지 건조, 슬러지 소각, 소각 폐열, 발전폐열

Description

다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템{Integrated circulation energy recycling system for waste water treatment system and cogeneration system}

본 발명은 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 열병합 발전장치에 하수 처리 장치를 유기적으로 연계 조합하여 도시 가스의 공급 없이도 하수처리장치의 슬러지 등 폐수 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스는 수분이나 황화수소 등을 제거 정화처리 공급하여 열병합 발전 공정의 열원으로 사용하여 에너지를 절감하고,

열병합 발전 공정에서 생산된 열로 열교환되어 승온된 열매체(예: 물)는 축열조에 축열 저장하여 계절에 관계 없이 난방 및 급탕수의 온도를 적정온도로 유지하게 함으로서 시간차가 있는 열수요처의 에너지 부하에 유연하게 대처하여 수용가에 난방열 및 급탕열을 공급하며,

또한 하수처리장치의 슬러지 농축조에서 농축되어 감량화되고 소화조에서 처리 배출되는 잔여 슬러지는 그대로 폐기하지 않고 슬러지 건조로에서 건조하고 슬러지의 부피 및 중량을 감소시켜 소각연료로 사용하되 슬러지 건조시 부족한 열량은 열병합 발전기의 발전 폐열과 후속 장치인 슬러지 소각로에서 건조 슬러지를 소 각하는 과정에서 발생하는 소각열로 각각 보충하여 슬러지를 효과적으로 저감함과 동시에 공정열을 효과적으로 이용함으로서,

각 단위 공정간 소요 열량을 복합 열원 상호 간에 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조로 발열량이 높은 저가의 대체 에너지를 얻을 수 있어 열병합 발전소 및 하수 처리 장치의 운영에 필요한 에너지를 자급 자족하게 하면서 2차 환경오염도 방지하게 하는 고효율의 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.

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 1차에너지에서 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 시스템으로서, 일반적으로 발전에 의한 전력 외에 열에너지를 회수하여 이용하는 시스템을 말한다

그러나 상기와 같은 종래의 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 절감효과를 구현할 수 있으나 초기 투자비가 많이 소요되는데 비하여 석유나 천연가스 등의 상대적으로 비싼 연료를 열병합 발전의 단일한 용도로만 사용하는 문제점이 있으며,

또한 종래의 열병합 발전시스템에서는 열병합 발전기에서 전력을 생산한 후 배출되는 배기가스의 폐열과 엔진 배열을 그대로 방출하거나 또는 적절하게 회수 재활용하고 있지 못하여 열손실이 크게 발생하게 된다.

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 필요하며,

국내에서 발생되는 유기성 폐기물공공주택 및 지방자치 단체에서는 매립 또는 소각 물량을 줄이면서 효과적으로 재이용하는 방법으로 발생원에서 자체적으로 처리하여야 한다.

그러나 하수처리과정에서 발생되는 소화 가스는 소화가스에 함유된 황화수소나 염화수소, 황산화물, 질소산화물 등의 산성가스가 완전히 정제되지 않은 상태로 사용되므로서 발열량이 낮게 되고 메탄 함유량도 일정하지 않게 되는 등 소화가스 정제 효율면에서 문제점이 많아 소화 가스를 이용하는 시설로는 고도정제처리를 요하는 열병합발전기에는 사용되지 못하고 저급의 소화가스만을 사용하는 보일러 장 치 가온 용도로만 적용되는 문제점이 있었다.

또한 하수처리장치의 부산물인 슬러지도 고형물 농도가 높은 액상이며 부피가 매우 크므로 슬러지의 처리 및 처분은 하폐수 처리에서 매우 중요한 과제로서 감량화 및 효율적인 재이용을 위하여 농축, 소화, 건조 등의 공정이 선행되는데 슬러지 처리를 위해 열과 동력 등 상당한 에너지가 추가적으로 소모되므로서 처리 비용이 급증하게 되는 문제점이 발생하게 되어 슬러지 처리의 경제성을 향상시키기 위한 새로운 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 하수 처리 장치 중 하수 슬러지 처리 시스템을 나타낸 개략도로서,

하수처리장에서 발생된 하수 슬러지를 농축조에서 농축시키고, 농축된 슬러지를 혐기성 소화조에서 처리하여 메탄 및 이산화탄소를 발생시키고, 고형물을 탈수하여 케이크로 만들어 배출시키게 되는데,

이러한 방법은 혐기성 소화를 위하여 스팀(steam)에 의한 가온 방식으로 소화조를 가온하거나 슬러지를 건조, 소각함에 있어서 열량이 부족하여 별도의 에너지 연소열이 필요하여 슬러지 처리를 위해 열과 동력 등 비용이 증가하게 된다.

따라서 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 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 강구하여 본 발명을 완성하게 되었다.

전술한 바와 같이 종래의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템 각각 또는 양 공정을 연계한 복합 공정은 각각의 단점을 가지고 있는바,

하수 처리 장치에서 폐수 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 재활용해 열병합발전기 등의 열기관에 연료로 공급함에 있어서,

하수처리장치와 이에 연계되는 열병합 발전 시스템 양자의 장점을 모두 살리면서도 경제적이고 효율적인 난방 시스템을 구성하되,

고순도의 정제 가스가 요구되는 열병합발전기의 용도 요구 특성에 맞춰 고도의 정화 장치를 구비함과 동시에,

슬러지를 감량시킴에 있어서 건조 효율을 높이고 슬러지를 처리함에 있어서 부수적거으로 발생하게 되는 건조열과 소각열 등을 공정 상호간에 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조를 형성하여 열손실을 예방함은 물론 열효율을 향상시켜 시스템의 종합 에너지 효율을 높이고 2차 공해 발생을 억제하여야 하는 종합적인 기술적 과제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로,

하수처리장치와 이에 연계되는 열병합 발전 시스템 양자의 장점을 모두 살려 오폐수 처리 과정에서 부수적으로 발생하는 폐기물 유래의 천연 에너지로서 고순도의 정제된 소화가스를 열병합 발전에 공급하고 열을 축열시켜 열과 전기를 공급하게 하는 경제적이고 효율적인 열병합 발전 시스템을 구성하고,

슬러지를 효과적으로 농축 감량시키고 소화공정과 슬러지건조 공정, 소각공정에서 슬러지를 처리할 때 부수적으로 발생하게 되는 건조열과 소각열 등을 공정 상호간에 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조를 형성하여 열손실을 예방함은 물론 열효율을 향상시켜 시스템의 종합 에너지 효율을 높이고 2차 공해 발생을 억제하게 하여 에너지의 절약 효율을 획기적으로 개선시킨 고효율 다중 에너지 공급 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명은 종래 획일적 기능으로만 수행되던 하수 처리 공정과 열병합 발전 공정을 조합하되,

열병합 발전 공정에서 발생하지만 유효하게 사용되지 못하고 방출되는 배열과 슬러지 건조열, 소각열을 회수하고 열교환하여 상호 유기적이면서 단계적, 선택적으로 주고 받게 하여 열에너지를 공유시키는 최적의 배열 회수 라인 구성으로 열전달능력이 최대화되고 열손실이 최소화되는 열에너지 열교환 구조로서,

다단계의 연속 단위 공정으로 구성되는 열병합 발전 공정과 하수 처리 공정의 단위 공정간에 서로 에너지를 주고 받는 단계적이며 순차적인 방법으로 각 공정 의 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 있는 효과가 있다.

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

본 발명은 하수나 오폐수에 포함된 유기물을 분해하고 슬러지화시켜 배출하고 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 열병합 발전 장치에 공급하는 하수처리 시스템과 하수처리시스템에 연계되어 하수처리시스템에서 발생한 소화가스를 연료원으로 열에너지와 전기 에너지를 같이 생산하여 열수요처에 공급하는 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템에 있어서,

하수처리장치(1)에서 원수가 침전 및 스크리닝되어 유입된 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조(2)와, 슬러지 농축조(2)에서 유입된 유입 슬러지 중의 유기물을 혐기성 분해하여 소화가스(바이오 가스)를 발생하는 소화조(3), 소화조(3)에서 이송된 소화가스중의 황화수소를 통상의 황화합물 처리법에 의하여 처리하는 탈황장 치(5)로 구성되어 하수 처리장치(1)에서 유기물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 고순도로 정제하여 열병합 발전기(5)에 공급하고 열병합 발전기(5)에서는 하수 처리장치(1)에서 공급되는 소화가스를 연료원으로 열병합 발전기(5)에서 전기와 열을 공급하게끔 연계되고,

상기 하수 처리 시스템의 소화조(3)에는 보조 보일러(8)와 슬러지 건조로(6), 슬러지 소각로(7)가 순차적으로 부가 연결되어 소화조(3)에 부족한 열량을 보조 보일러(8)로 보충하며 슬러지 건조로(6)에서는 상기 열병합 발전기(5)의 발전에 수반되어 배출되는 발전폐열과 슬러지 소각로(7)의 소각 폐열을 각각 이용하여 유입된 농축슬러지를 건조시켜 감량화시키고 슬러지 소각로(7)에서의 건조 폐열은 소화조의 온도 보충 열원으로 공급하고,

상기 슬러지 소각로(7)에서는 상기 슬러지 건조로(6)로부터 이송된 건조 슬러지를 소각하여 배출하고 소각폐열은 슬러지 건조로(6)로 공급함으로써 하수처리장치와 열병합 발전장치의 각 구성 장치 상호간에 열에너지를 유기적으로 주고 받게 하는 환경친화적이고 에너지 절약적인 다중 에너지 열교환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 하수 처리장이나 쓰레기 매립지 등의 매립지에서 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 열병합 발전기(5)에 공 급하여 열에너지와 전기 에너지를 같이 생산하여 전기에너지는 수요처에 공급하고 발전 과정에 수반되는 열에너지로는 온수를 생산하고 축열조(9)에 저장하여 난방 및 급탕을 수행하는 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템이다.

본 발명의 하수 처리장치(1)는 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 유기물 제거과정을 수행하는 통상의 하수처리장치로서,

유기물 제거과정에서 발생된 슬러지는 슬러지 농축조(2)에서 농축하여 소화조(3)로 이송되며, 소화조(3)에서는 유입 슬러지 중의 유기물을 혐기성 분해하여 후공정 장치인 탈황장치(4)로 보내어 수분이나 황화합물 등이 고순도로 정제되어 열병합 발전기(1)의 연료 용구 특성을 충족하게 되는 소화가스를 열병합 발전기로 이송하여 폐기물을 처리하는 하수처리장치로부터 생활하수나 오폐수에 포함된 열원을 발생원인 하수 처리장치에서 직접 수집하여 도시가스 등의 외부 연료 공급 없이도 연료를 자급자족하게 하는 구성이다.

상기 열량 부족시 소화조(4)에서 필요로 하는 온도를 적정한 상태로 유지시키기 위한 추가 에너지는 보조 열원으로서 별도의 보조 보일러(back up boiler)(8) 또는 슬러지 건조로(6)의 건조 과정에서 발생하게 되는 건조 폐열을 열교환시켜 선택적으로 공급하게 되며 열병합 발전기의 발전에 수반되어 배출되는 대략 400 ℃∼470 ℃의 초고온 배기 가스 배열 등을 열교환한 발전 폐열을 추가 입력 에너지로 이용하여 상호 보완적인 에너지 공급 구조로 열공급 효율을 향상시키고 신속하 게 가스화(메탄화)시킴은 물론 가스 발생량도 증가시키게 한다.

또한 상기 소화조(3)에서 혐기성 소화 후 잔존하는 슬러지는 인발하여 슬러지 건조로(6)에서 자체적으로 공급하는 열 또는 열병합 발전 공정에서 회수되는 열병합 발전기(5)의 발전 폐열을 이용하여 건조시키며 건조폐열은 소화조(3)에 공급하는 방법으로 공정열을 상호 유기적으로 주고 받게 하는 에너지의 열교환 구조로 슬러지를 건조 및 감량화시키게 되는데,

열공급 구조를 도시하지는 않았으나 열병합 발전기(5)에서 생성된 전기를 슬러지 건조로(6)를 작동하기 위하여 사용할 수 있으며 슬러지 건조로에 원적외선 발생장치를 부가하게 되면 원적외선으로 생성된 복사 에너지를 이용 슬러지층 내부까지 투과되어 열을 전달하는 방법으로 보다 효율적으로 건조할 수 있어 건조처리효율과 경제성을 향상시킬 수 있다.

그리고 상기 슬러지 건조로(6) 후단의 슬러지 소각로(7)에서는 슬러지 건조로로부터 이송된 함수율이 낮은 건조 슬러지를 소각함으로서 환경친화적이고 에너지 절약적인 방법으로 슬러지를 처리하여 소각시 발생하는 배출 가스의 양과 최종 슬러지 소각재 량을 획기적으로 줄임으로써 슬러지 처리비용이 감소되고 2차 환경오염도 방지할 수 있게 하며 소각 폐열은 다시 슬러지 건조로(6)로 보내서 건조열량 보충용 열원으로 사용하게 되는데 슬러지 소각로의 벽면과 굴뚝에 열교환기를 달아 거기에서 나오는 고온 배열을 이용하게 된다.

그리고 상기 소화조(3)의 후단 연속 공정장치로서 탈황장치(4)에서는 이송된 소화가스 중의 황화수소를 통상의 황화합물 처리법에 의하여 정제 처리하여 열병합 발전기에 발열량이 높은 가스 연료로서 공급하게 되는데, 소화가스 보다 고순도로 정제 처리하기 위하여 소화가스를 공급하는 가스공급관로에 미도시한 송풍기나 소화 가스 저장탱크를 별도로 구비할 수 있다.

상기와 같이 정제 공급된 소화가스를 공급받은 열병합발전기(5)는 발전기로 전기를 생성 전력 수요처에 전기를 공급하고 연돌을 통해 손실되는 폐열을 이용하여 난방과 급탕을 하게 되는데,

열에너지는 물 등 열매체와 열교환하여 피크시간대 에너지 절감이 가능한 축열조에 열을 저장하고 에너지 부하에 만춰 열수요처의 난방 및 급탕 부하에 유연하게 대응할 수 있게 되며,

발전에 수반되는 배열은 전술한 바와 같이 슬러지 건조로의 열원으로 공급함으로서 에너지 손실 없이 열병합 발전 공정과 하수 처리 공정을 병행 조합하는 단위 연속 공정간에 서로 에너지를 상호 유기적으로 주고 받게 하는 단계적이며 순차적인 에너지의 열교환 구조로 열병합 발전소의 운영에 필요한 에너지를 자급 자족하게 하여 열병합 발전시스템의 종합 에너지 효율을 향상시키게 된다.

또한 이러한 일련의 공정은 컴퓨터에 의하여 전체적으로 자동 제어하는 제어 장치(미도시함)의 운전모드에 따라 제어된다.

결국 본 발명은 다양한 열원을 단계적으로 이용하는 열교환과 열교환과정에서의 열전달능력을 최적화시키고 열손실을 최소화할 수 있게 되어 폐열의 유효이용으로 종래 기술에 비하여 종합적인 시스템 효율이 대폭 향상되는 효과가 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.

도 1은 본 발명에 따른 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 개략적인 시스템 구성도

도 2는 종래기술에 따른 하수처리 장치를 나타낸 개략도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:하수처리장치 2:슬러지농축조

3:소화조 4:탈황장치

5:열병합발전기 6:슬러지 건조로

7:슬러지 소각로 8:보조 보일러

9:축열조

Claims (1)

1. 하수나 오폐수에 포함된 유기물을 분해하고 슬러지화시켜 배출하고 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 열병합 발전 장치에 공급하는 하수처리 시스템과 하수처리시스템에 연계되어 하수처리시스템에서 발생한 소화가스를 연료원으로 열에너지와 전기 에너지를 같이 생산하여 열수요처에 공급하는 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템에 있어서,

   하수처리장치(1)에서 원수가 침전 및 스크리닝되어 유입된 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조(2)와, 슬러지 농축조(2)에서 유입된 유입 슬러지 중의 유기물을 혐기성 분해하여 소화가스(바이오 가스)를 발생하는 소화조(3), 소화조(3)에서 이송된 소화가스중의 황화수소를 통상의 황화합물 처리법에 의하여 처리하는 탈황장치(5)로 구성되어 하수 처리장치(1)에서 유기물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 고순도로 정제하여 열병합 발전기(5)에 공급하고 열병합 발전기(5)에서는 하수 처리장치(1)에서 공급되는 소화가스를 연료원으로 열병합 발전기(5)에서 전기와 열을 공급하게끔 연계되고, 상기 하수 처리 시스템의 소화조(3)에는 보조 보일러(8)와 슬러지 건조로(6), 슬러지 소각로(7)가 순차적으로 부가 연결되어 소화조(3)에 부족한 열량을 보조 보일러(8)로 보충하며 슬러지 건조로(6)에서는 상기 열병합 발전기(5)의 발전에 수반되어 배출되는 발전폐열과 슬러지 소각로(7)의 소각 폐열을 각각 이용하여 유입된 농축슬러지를 건조시켜 감량화시키고 슬러지 소각로(7)에서의 건조 폐열은 소화조의 온도 보충 열원으로 공급하고, 상기 슬러지 소각로(7)에서는 상기 슬러지 건조로(6)로부터 이송된 건조 슬러지를 소각하여 배출하고 소각폐열은 슬러지 건조로(6)로 공급함으로써 하수처리장치와 열병합 발전장치의 각 구성 장치 상호간에 열에너지를 유기적으로 주고 받게 함을 특징으로 하는 다중 에너지 순환 구조의 하수처리장치 연계 열병합 발전 시스템

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