KR101163512B1 - 가수분해를 이용한 유기물 건조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함수비가 높아 부패하면서 악취를 발생하는 함수 유기물을 건조하는 방법으로 180℃～250℃ 온도로 가수분해하여 악취가 제거된 액상유기물로 만들고 증발하여 농축유기물로 만들어 외부 가열로 건조유기물을 만들어 함수 유기물을 건조하는 방법에 관한 것이다.

하수슬러지나 음식물 쓰레기, 축산분뇨 같은 물이 많은 함수 유기물 속에 함유된 물을 가열하여 건조시킬 때 증발에 필요한 열에너지가 많이 소요될 뿐 아니라 악취가 발생하고 건조과정에서 유기물이 건조장치에 달라붙어 장치 가동이 중단되는데 이러한 문제점을 해결하기 위하여 함수 유기물을 열교환 가수분해하여 액상 유기물로 변화시키면서 악취성분을 분해하여 제거하고, 가수분해된 액상 유기물을 증발시켜 농축유기물을 만드는데 이 과정에서 발생하는 수증기를 응축하는 방법으로 가열장치를 구성하여 에너지를 재활용하고, 유동성이 상실된 농축 유기물은 외부가열 건조방법으로 건조하여 건조유기물을 만드는 방법으로 함수 유기물을 악취없이 경제적으로 건조하는 방법에 관한 것이다.

유기물, 가수분해, 열교환, 증기, 재생 에너지

Description

가수분해를 이용한 유기물 건조 방법{A Method for Drying Organic Compounds Using Hydrolysis}

본 발명은 폐기물로 버려지는 함수 유기물을 에너지 자원으로 활용할 수 있도록 함수 유기물이 보유한 에너지보다 적은 열에너지로 악취 발생 없이 물을 제거하고 연료로 만드는 함수 유기물 가수분해 건조 방법으로 폐기물을 에너지 자원으로 활용하는 환경에너지 기술에 관한 것이다.

본 발명은 악취없이 함수 유기물을 건조하는 방법으로 180℃～250℃ 온도로 열교환 가수분해하여 악취와 거품 발생 물질이 제거된 액상 유기물로 만들고 이를 증기압축 증발시켜 농축 유기물로 만들고 기계 건조로 건조 유기물을 만드는 함수 유기물 건조 기술에 관한 것이다.

또한 건조가 완료된 유기물을 산소가 없는 상태에서 고온으로 가열하는 열분해 방법으로 건조 유기물을 기체와 액체와 고체 연료로 분리하여 건조에 필요한 열에너지를 공급하는 연료로 사용하는 함수 유기물 건조 기술에 관한 것이다.

지구상에 존재하는 유기물은 식물의 광합성에서 생성된 것이 먹이사슬을 따 라 이동하여 다양한 형태로 변화하여 동식물에 걸쳐 광범위하게 존재하고 있으며 곡물이나 야채 및 고기 등의 각종 음식물을 포함하여 해조류나 분뇨 및 하수슬러지 등 다양하게 존재하지만 통상적으로 함수율이 전체 중량의 80% 이상으로 높고 유동성이 나빠 열전달이 잘 되지 않아 건조가 어렵고 시간이 지나면 부패하여 침출수나 악취가 발생하여 대부분 해양투기나 퇴비 등 폐기물로 처리되고 있다.

하지만 해양투기는 바다를 오염시키고 퇴비 활용도 부패되는 과정에서 대기중으로 다량의 메탄가스를 방출하는데 이 메탄가스 온난화지수가 이산화탄소의 27배로 높아 환경적으로 문제가 많은 실정이다.

이 함수 유기물의 물을 제거한 건조 유기물은 보통 3500 kcal/kg 이상의 많은 에너지가 포함되어 있기 때문에 이 함수 유기물의 물을 제거하여 에너지 자원으로 활용하기 위한 방법이 다양하게 시도되었다.

그러나 함수 유기물의 물을 제거하기 위하여 열에너지를 가하여 건조해야 하는데 건조 과정에서 심한 악취가 발생하고 함수 유기물이 가지고 있는 많은 물을 증발시키기 위하여 막대한 열에너지가 필요할 뿐 아니라 함수 유기물의 열전달 특성이 나빠 건조 열효율이 낮으며 건조 과정에서 건조 유기물이 장치에 달라붙어 고장을 유발하는 등 문제가 많아 실용화되지 못하고 있다.

현재가지 함수 유기물의 건조과정에서 발생하는 악취문제를 해결하고 건조 과정에 열전달 특성을 개선하여 투입 에너지보다 회수 에너지가 더 많은 환경 친화적이고 경제적인 건조 방법은 개발되지 못하고 있다.

하수슬러지나 음식물 쓰레기, 축산분뇨 같은 물이 많은 함수 유기물 속에 함유된 물을 가열하여 건조시킬 때 증발에 필요한 열에너지가 많이 소요될 뿐 아니라 악취가 발생하고 건조과정에서 유기물이 건조장치에 달라붙거나 거품이 발생하여 장치 가동이 중단된다.

계면 활성 유기물이 다량으로 함유된 축산폐수와 같은 액상 유기물은 표면장력이 낮아 가열하면 쉽게 끓어올라 거품이 형성되어 건조 과정에서 여러 가지 문제를 일으키고 있다.

또한 하수슬러지나 음식물 쓰레기와 같은 고형 유기물의 경우 유동성아 나빠 전도에 의한 열전달에 의존할 뿐 아니라 건조되면 물이 있던 공간이 비워져 단열층을 형성하는데 열판과의 접촉면에서 이런 단열층이 형성되어 건조를 위한 열전달이 차단되어 건조 효율이 대단히 나쁘게 된다.

고온 공기를 이용하여 건조하는 방법은 공기의 열전달 능력이 나빠 함수 유기물 1톤을 건조하는데 10,000 ㎥ 이상의 고온 공기가 필요한데 이 공기에 포함되는 악취를 처리하기 어려워 민원으로 시설 설치가 곤란하다.

기존 건조 방법에서는 하수 슬러지 같은 함수율 80%의 함수 유기물을 건조하기 위하여 1톤당 150만 kcal 정도의 에너지가 필요하며 건조된 유기물에 함유된 70만 kcal보다 훨씬 많은 열 에너지를 필요로 하기 때문에 기존 건조방법은 함수 유기물을 에너지 자원으로 활용하지 못하고 있다.

함수 유기물의 건조가 어려운 원인은 함수 유기물을 구성하는 영양 유기물인 단백질이나 녹말분자가 100만개 이상의 연결되어 서로 엉겨 있으면서 그 사이 사이에 물을 가두어 물이 이동하지 못하게 방해하기 때문에 이 함수 유기물의 유동성이 없기 때문이다.

이로 인하여 건조 과정에 열전달 효율이 좋은 대류 열전달을 이용하지 못하고 열전달 특성이 나쁜 전도 열전달에 의존하며, 특히 건조하는 과정에서 열판과 접촉하여 물이 증발하면서 열에너지를 소모할 뿐 아니라, 증발이 완료되면 옆에 있는 물이 빈 공간을 채우지 못하여 그 공간이 공극으로 변하면서 열판과의 접촉면에 단열층을 형성하여 건조 시간과 효율을 크게 저하시키게 된다.

건조 시간을 단축하기 위하여 300℃ 이상의 고온으로 가열하면 유기물의 열분해가 발생하여 악취 물질이 대량으로 생성되고 이러한 물질이 외부로 배출되면서 환경을 오염시켜 이로 인하여 건조 장치의 설치에 악취 등으로 인한 민원이 발생하여 건조장치의 설치 자체가 무산되는 사례가 빈발하는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 건조 과정에서 악취물질을 생성하는 유기물을 가수분해하여 제거할 뿐 아니라 물의 이동을 방해하는 고분자 영양유기물의 사슬구조를 가수분해로 절단하여 포도당이나 아미노산 같은 수용성 물질로 분해하여 물에 녹게 만들어 유동성이 좋은 액상 유기물로 변화시킨 다음 이를 건조하는 새로운 건조 방법을 개발하는 것을 목적으로 한다.

또한, 가수분해에 필요한 고온 고압의 조건을 경제적으로 구성하기 위하여 가열 에너지를 여러 번 재사용하는 열교환 기술과, 가열 효율이 좋은 증기 혼합가 열 기술로 이루어진 열교환 가수분해 기술을 적용하는 건조방법을 개발하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 물의 표면장력을 저하시켜 거품을 생성하는 단백질 효소를 가수분해로 분해하여 제거하여 액상 유기물을 거품이 발생하지 않도록 증발시켜 대류 열전달을 이용하여 액상유기물을 가열하고 이 과정에서 발생하는 수증기를 응축하는 방법으로 가열장치를 구성하여 에너지를 재활용하여 농축유기물을 만들어 건조 에너지를 절감하는 건조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 본 발명은 유동성이 상실된 농축 유기물은 기계 장치를 이용하여 외부가열 건조방법으로 건조하여 건조유기물을 만드는 방법을 개발하며 이렇게 건조된 건조 유기물에서 에너지를 회수할 수 있도록 연료화하고 이 연료를 건조 과정에서 활용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 기술적 수단을 제공하고 있다.

함수 유기물을 건조하는 유기물 건조 방법에 있어서, 상기 함수 유기물을 가열하여 유동성의 액상 유기물로 가수분해를 시키는 제1 단계와, 상기 액상 유기물을 가열하여 수증기를 증발시키고, 증발된 수증기를 응축시키면서, 수증기를 응축시키는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 상기 액상 유기물을 가열하는 제2 단계와, 상기 제2 단계를 수행하여 상기 액상 유기물을 농축시켜 농축 유기물로 만드는 제3 단계를 포함한다.

상기 농축 유기물을 더 가열하여 건조 유기물로 만드는 제4 단계를 더 포함한다.

상기 제1 단계의 가수분해를 시키는 방법은, 접촉 열교환 및 증기 열교환 중 적어도 어느 하나를 통해 제1차 가열을 수행하고, 증기 혼합으로 제2차 가열을 수행한다.

상기 제2 단계를 수행하기 전에, 상기 액상 유기물을 발효용기에 투입하여 미생물로 발효시켜 알콜 또는 메탄가스로 분해한다.

상기 발효용기는, 상기 발효된 유기물이 발효 전의 상기 액상 유기물과 혼합되지 않도록, 상기 발효된 유기물을 별도의 통로를 통하여 배출하는 구조이다.

상기 제2 단계의 수증기를 응축하는 방법은, 상기 증발된 수증기를 증기 압축 장치를 사용하여 압축하는 단계와, 상기 증기 압축 장치와 연결된 중공(中空)의 금속봉을 서로 밀착시켜 형성된 증발용기 내부로 상기 압축된 수증기를 응축시켜 증발용기를 가열하는 단계와, 상기 증발용기의 외부에 상기 액상 유기물을 제공하여, 상기 증발용기와의 열전달을 통해 상기 액상 유기물을 가열하여 수증기를 증발시키는 단계와, 상기 증발된 수증기를 상기 증기 압축 장치로 공급하는 단계를 포함한다.

상기 액상 유기물을 고형분과 수용액으로 분리하여, 분리된 수용액만을 상기 농축 유기물로 만든다.

상기 제4 단계의 가열 방법은, 외부의 열원으로 가열되는 적어도 2개의 고온 열판 사이에 상기 농축 유기물을 주입하고, 상기 열판을 상기 농축 유기물과 밀착하여 건조시킨다.

상기 건조 유기물을 무산소 상태에서 가열하여, 기체와 액체 및 고체 연료로 분리하는 열분해 과정을 더 포함한다.

상기 분리된 연료를 상기 함수 유기물의 건조 과정 또는 상기 열분해 과정에 필요한 열에너지를 공급하기 위해 사용한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 함수 유기물 건조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 함수 유기물의 해양투기나 퇴비 사용을 대체하는 환경 친화적인 폐기물 처리 기술을 개발한다.

둘째, 건조과정에서 악취를 발생하는 유기물을 가수분해로 제거하여 악취 발생을 방지하여 악취 처리 비용을 절감한다.

셋째, 액상 유기물의 농축 과정에서 수증기 응축으로 가열에너지를 재활용하여 에너지 효율을 크게 향상시켜 함수율 80%의 함수유기물 1톤당 20만 kcal 이하로 건조하여 경제성을 높인다.

넷째, 폐기물인 함수 유기물이 보유한 에너지(함수율 80% 기준 함수 유기물 1톤당 70만 kcal 보유)를 회수하여 지구 온난화를 방지하는 이산화탄소 배출권을 확보한 에너지로 활용한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

본 명세서에서 제공하는 함수 유기물을 건조하는 방법은, 1) 함수 유기물을 가열하여 유동성의 액상 유기물로 가수분해하는 제1 단계와, 2) 상기 액상 유기물을 가열하여 수증기를 증발시키고, 증발된 수증기를 응축시키면서, 수증기를 응축시키는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 상기 액상 유기물을 가열하는 제2 단계와, 3) 상기 제2 단계를 계속 수행하여 상기 액상 유기물을 농축시켜 농축 유기물로 만드는 제3 단계를 포함한다.

일반적으로 본 발명이 실시되는 대상은 함수율 60% 이상의 함수 유기물을 대상으로 한다. 그리고, 본 발명의 주요한 핵심은 함수 유기물이 포함하고 있던 수분을 수증기로 변환시키고, 이러한 수증기가 응축하는 과정에서 발생하는 열을 가열에 재이용하여 건조 에너지를 절감하는 것이다. 따라서 함수율이 높은 함수 유기물의 경우에는 본 발명에 의한 효과가 더욱 증진될 수 있다.

특히 수증기가 잘 발생하기 위해서는 열전달 효율이 높은 대류 열전달이 가능하도록 유기물의 유동성이 좋아야 한다. 따라서 제1 단계를 실시하는 목적은 함수 유기물에서 물의 이동을 구속하던 유기물이 가수분해되면서 물에 녹아 수용액이 되어 유동성이 좋은 액상 유기물로 변환시키기 위함이다.

이를 위하여 함수 유기물을 용기에 넣고 180℃~250℃로 가열하여 함수 유기 물의 물과 유기물 사이에 가수분해를 일으켜 악취 성분이나 거품 형성 물질을 분해하여 제거한다.

함수 유기물에서 물의 표면장력을 저하시키는 단백질 효소 같은 계면활성 성분이 있어서 수증기가 발생하면 거품이 생성되어 응축과정에 많은 문제를 일으켜 2단계의 증발 건조를 방해하는데 1단계의 가수분해로 제거한다.

제1 단계의 결과 발생한 액상 유기물은 유동성이 좋아 가열장치로 가열하면 대류 열전달이 활발하게 이루어지며, 이를 통해 쉽게 가열되어 열효율이 증대된다. 특히 가수분해에서 자유롭게 이동하게 되는 물이 가열되면 수증기로 증발되며, 이 수증기는 통상 1기압 100℃의 고온의 상태이다.

제2 단계에서는 상기 증발된 수증기를 압력 차이를 만들어 이로 인하여 형성되는 온도 차이에 따른 냉각으로 응축시키면서, 수증기를 응축시키는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 액상 유기물을 가열하게 된다. 이때, 수증기가 응축된 응축수는 별도의 배출구를 통해 배출되는 것이 바람직하다.

물이 증발할 때 사용하는 기화열에너지와 응축할 때 방출하는 응축열에너지가 서로 동일하기 때문에 물의 온도와 압력에 따라 액체와 기체로 변하는 증기압 곡선의 성질을 활용하여 증발장치에서 기계장치로 수증기의 압력 차이를 만들고, 이를 이용하여 서로 다른 온도에서 수증기의 기화와 응축 조건을 형성하면서 기화와 응축의 온도차이에 의한 열전달이 이루어지게 하여 기화와 응축에너지를 순환시키며 액상 유기물의 물을 증발하여 농축하는 방법이다.

이의 과정에는 수증기를 가압하거나 감압하는 여러 장치들이 이용될 수 있으 나, 본 발명에서는 이러한 과정의 에너지 효율을 높일 수 있는 장치를 제공하고 있으며, 본 명세서에서 후술하기로 한다.

제2 단계가 반복적으로 수행됨에 따라, 액상 유기물 내의 물 성분은 점점 줄어들게 되고, 유기물 성분이 남게 되므로, 액상 유기물은 농축 유기물로 변환하는 제3 단계를 거치게 된다.

또한, 농축 유기물을 더 가열하여 건조 유기물로 만드는 제4 단계를 더 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 유기물 건조 방법이 수행하는 시스템 구조도를 나타낸다.

제1 단계에서 가수분해를 일으키기 위해서는 함수 유기물을 가열을 하여야 하는데, 본 발명에서는 1차 가열로 열교환 가열을 이용하고 2차 가열로 직접가열을 이용한다. 열교환 가열은 가수분해된 고온의 유기물과 가수분해될 저온의 유기물을 서로 열교환하여 가열과 냉각을 동시에 수행하면서 가열하는 과정으로 이를 통하여 가수분해에 필요한 열에너지를 대폭 절감하게 된다. 열교환 가열은 접촉 열교환 방식 또는 증기 열교환 방식 중의 어느 하나를 이용하거나, 혹은 두 가지 방법을 모두 이용할 수 있으며 2차 가열로 외부에서 증기 공급장치로 증기를 공급하여 가열하는 증기 혼합 가열을 이용한다.

본 명세서에서 사용하는 접촉 열교환이라 함은, 유동성이 극히 불량한 저온 슬러지를 고온의 용기에 접촉시켜 용기의 접촉면에서 열에너지를 전달받아 승온될 수 있도록 하는 열교환 방식을 의미한다. 또한, 유동성이 뛰어난 고온의 슬러지를 용기 내부로 통과시켜 열에너지를 용기로 열전달을 받아 이를 다시 저온 슬러지에 고온의 용기가 접촉에 의하여 열에너지를 전달하는 방식을 포함한다. 이러한 접촉 열교환을 이용한 실시예에 대해서는 한국특허출원번호 10-2009-0023282에 자세하게 기재되어 있으며, 상기 한국특허출원번호 10-2009-0023282의 명세서는 본 명세서와 병합되는 것으로 본다. 상기 한국특허출원번호 10-2009-0023282에서는 저온 슬러지는 유동성이 없어 열전달이 극히 불량하지만, 얇은 두께로 고온의 용기와 접촉하면 접촉면에서 열전달 효과가 향상될 수 있기 때문에 저온 슬러지가 얇은 두께로 고온의 용기에 접촉하고 이동하며, 고온 슬러지에서 저온 슬러지로 열전달이 이루어지는 방법을 제시하고 있다.

본 명세서에서 사용하는 증기 열교환이라 함은, 함수 유기물의 가수 분해 시에 온도와 증기압력의 상관관계를 이용하여 여러 개의 가열 용기에 각각의 여러 단계 온도를 설정하여 서로 다른 온도의 용기를 연결하면 용기의 증기 압력 차이로 발생된 증기가 이동하면서 고온의 유기물은 냉각되고 저온의 유기물은 가열되는 열교환으로 가열에 필요한 열 에너지를 절감시킬 수 있는 열교환으로서, 가수 분해 시에 발생된 고온의 증기를 저온의 함수 유기물로 공급하고 이를 이용하여 저온의 함수 유기물을 가열시키는 열교환 방법을 말한다. 이러한 증기 열교환을 이용한 실시예에 대해서는 한국특허출원번호 10-2009-0062760에 자세하게 기재되어 있으며, 상기 한국특허출원번호 10-2009-0062760의 명세서는 본 명세서와 병합되는 것으로 본다.

다만, 접촉 열교환 방식 또는 증기 열교환 방식을 수행하는 경우에는 최종적으로 가수분해가 이루어지는 온도까지 가열하는 것이 어렵다. 따라서 본 발명에서는 최종 가열은 외부의 증기 공급장치로 증기를 공급하여 유기물과 혼합하여 가수분해 온도까지 가열하여 가수분해를 완성하게 된다.

본 명세서에서 사용하는 증기 혼합 가열이라 함은, 슬러지를 가열함에 있어서, 열교환 만을 이용하여 저온의 함수 유기물을 가열하는 경우에는 온도의 상승에 한계가 있으므로, 열교환 가열이 종료된 단계에서 최종 가수분해 온도까지 가열하는 방법으로 외부에서 증기 공급장치로 가수분해 온도의 증기압을 가진 고온의 수증기를 공급하여 이 증기와 유기물을 서로 혼합하여 수증기의 응축으로 유기물을 가열하는 방식을 의미한다.

증기 혼합가열이나 증기 열교환을 위하여 가수분해 용기에 유기물을 절반 정도만 채우고 나머지는 수증기로 채워 압력 변화에 의한 수증기의 이동 공간을 확보하는 동시에 유기물과 수증기가 혼합되도록 가수분해 용기의 내부 공간은 수증기 공간과 유기물 공간으로 구성되도록 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유기물 탱크(1)에는 함수 유기물이 채워져 있다. 이러한 함수 유기물은 접촉 열교환을 수행하는 장치를 통과하면서, 제1차 열교환 가열의 선가열이 수행된다. 접촉 열교환은 가수분해 과정에서 사용될 수도 있으나, 함수 유기물을 액상 유기물로 변환하는 제1 단계에서 활용될 수도 있다.

액상 유기물은 가수분해용기에 담기게 되고, 앞에서 설명한 증기 열교환 방식으로 1차 열교환 가열의 후가열이 이루어지고, 외부에서 증기공급장치로 가열된 증기를 추가적으로 투입하여 2차 가열인 증기 혼합가열을 하게 된다. 이로써 최종적으로 가수분해가 이루어지게 된다.

가수분해가 이루어진 고온의 유기물은 증기열교환과 접촉열교환을 거치며 냉각되어 2단계로 이동한다. 그런데 이 냉각 이동 과정에서 고온의 유기물이 접촉열교환을 거치지 않고 바로 증발용기로 공급될 수도 있으며 이렇게 구성되는 경우는 증발용기에서 배출되는 고온의 응축수가 접촉열교환기에 사용되어 저온 유기물을 가열하도록 접촉열교환을 구성할 수 있다.

증기 열교환 및 증기 혼합 가열의 일실시 예로서 다음과 같은 방법을 고려하는 것이 바람직하다. 함수 유기물을 공급하는 함수 유기물 공급 장치와, 함수 유기물을 가수분해하는 복수 개의 분해조와, 분해조에 증기를 공급하는 증기 공급 장치를 포함하는 환경에서 이루어지며, 함수 유기물 공급 장치가 복수 개의 분해조에 함수 유기물를 공급하는 단계; 복수 개의 분해조가 각각 단계적으로 온도차를 가지도록 증기 공급 장치로부터 증기를 공급하여 각각의 분해조를 가열하는 단계; 가열된 복수 개의 분해조 중 가장 높은 온도의 분해조에 가수분해 조건이 되도록 증기를 공급하여 함수 유기물을 가수 분해하는 단계; 각각의 분해조 간에 함수 유기물의 이동없이, 가수 분해가 수행된 분해조의 증기를 가수 분해가 수행되지 않은 분해조에 전달하여 열교환을 하는 단계; 가수 분해가 수행된 분해조로부터 가수 분해된 함수 유기물을 배출하는를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 방법을 실시하는 예로서, 도 4에는 본 발명에서 이용하는 증기 열교환 및 증기 혼합 가열을 이용한 가수분해 시스템의 사시도가 도시되어 있다. 본 장치에 대한 자세한 설명은, 한국특허출원번호 10-2009-0062760에 자세하게 기재되어 있으므로, 본 명세서에서는 그 설명을 생략하기로 한다.

또한, 본 발명에서는 제2 단계를 수행하기 전에, 액상 유기물을 발효용기에 투입하여 미생물로 발효시켜 알콜 또는 메탄가스로 분해하는 단계를 추가할 수 있다. 또한, 발효 용기는 발효된 유기물이 발효 전의 액상 유기물과 혼합되지 않도록, 발효된 유기물을 별도의 통로를 통하여 배출하는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 발효용기는 액상 유기물이 발효용기의 투입구에 투입되면 발효용기에 형성된 통로를 따라 이동하면서 미생물에 의하여 발효되어 배출구에서 배출되도록 구성된다.

도 8은 이러한 발효 용기(101)에 대한 사시도를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 그 내부가 개방된 것처럼 도시되었으나, 발효 용기는 산소와의 접촉을 차단하기 위해 밀폐된 구조로 되어 있는 것이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 액상 유기물은 입력관(102)을 통해 발효 용기 내부로 들어오고, 용기내부에서 분리벽(104)에 의해 단계별로 형성된 통로를 통하는 도중에 발효과정이 진행되고, 발효된 유기물은 배출관(103)을 통해 외부로 배출되는 구조이다.

분리벽(104)에 의해 액상 유기물이 흐르는 통로를 길게 형성함으로써, 액상 유기물과 발효된 유기물이 서로 섞이지 않고 진행과정에서 자연스럽게 분리된다.

이하 본 발명의 제2 단계의 수증기를 증발시키고 이 증발된 수증기를 응축하여 이 응축열을 이용하여 다시 수증기를 증발하는 방법을 설명하기로 한다.

수증기를 응축하는 방법은 물이 온도에 따라 다른 증기압을 가지고 있는 성질을 이용하여 압력이 낮은 곳에서 저온 증발이 일어나고 압력이 높은 곳에서 고온 응축이 일어나도록 하여 응축이 일어나는 곳을 증발용기로 구성하여 증발에 필요한 에너지를 외부에서 공급하지 않고 서로의 열교환으로 증발이 이루어지도록 한다.

증기의 압력을 변화시키기 위하여 가압하거나 감압하여 구성할 수 있는데 본 발명에서는 증기 압축장치를 이용하여 가압하는 방법을 사용할 수 있으며 이를 위한 증기 압축장치로 루츠 블로어나 터보 블로어 그리고 컴프레셔를 사용할 수 있다.

증발된 수증기를 증기 압축 장치를 사용하여 압축하는 단계와, 상기 증기 압축 장치와 연결된 중공(中空)의 금속봉을 서로 밀착시켜 형성된 증발용기 내부로 상기 압축된 수증기를 공급하여 수증기를 응축하는 단계와, 상기 증발용기의 외부에 상기 액상 유기물을 제공하여, 상기 증발용기와의 열전달을 통해 상기 액상 유기물을 가열하여 수증기를 증발시키는 단계와, 상기 증발된 수증기를 상기 증기 압축 장치로 공급하는 단계를 포함한다.

도 5는 이러한 증기 압축 장치(87)를 이용한 수증기를 응축하여 액상 유기물을 증발하는 증발장치(80)에 대한 사시도이다. 용기로 이루어진 증발장치(80)의 내부 공간에는 액상 유기물이 채워져 있고, 그 바닥면에는 고온, 고압의 수증기가 통과하는 증발용기(86)가 제공된다. 증발용기(86)에는 증기 압축 장치(87)를 통과한 고온, 고압의 수증기가 제공되어 높아진 압력에 상응하는 온도로 응축되면서 증발용기를 가열한다. 이 수증기는 열교환을 수행하는 장치(80) 내부에서 가열된 액상 유기물로부터 증발한 수증기이다. 이러한 증발한 수증기는 열교환을 수행하는 장치(80)의 내부와 증기 압축 장치(87)을 연결하는 관(90)을 통해서 이동하게 된다.

도 6은 증발용기(86)의 분해 사시도이다. 증기 압축 장치(87)로부터 발생한 고온, 고압의 수증기는 관(84)를 통해 분배기(82)로 들어오고, 분배기(82)를 통해 관통공이 설치된 금속봉(85)으로 제공된다. 이러한 금속봉(85)은 내부의 관통공을 서로 연결하여 압축된 수증기가 공급되어 응축하면서 금속봉을 가열하고, 금속봉 외부는 서로 밀착하여 평판을 구성하여 액상 유기물이 담기는 온돌열판의 형태로 증발용기(86)가 구성된다. 이러한 증발용기(86)위에 액상 유기물에 제공되어 가열된 금속봉(85)을 통해 열전달이 이루어져 수증기 증발이 이루어지는 구조이다.

이때 금속봉의 내부를 테프론으로 코팅하여 수증기의 응축과정에서 형성되는 스케일을 쉽게 제거할 수 있도록 구성할 수 있다.

3단계인 농축단계에는 2단계가 계속 진행되는 것으로, 이 과정에서 수증기가 응축되어 생성되는 응축수는 수집기(81)를 통해 모인 후, 배출관(83)을 통해 빠져나가게 된다. 다만, 배출관(83)을 통해 배출된 응축수는 열교환기(88)를 지나면서 냉각되고 증발장치에 공급되는 액상유기물은 열교환기의 가열관을 지나면서 가열되는 구조를 고려할 수 있다.

즉, 상기 장치를 통하여, 액상 유기물에서 증발되는 수증기를 관(86)을 통해, 증기 압축 장치(87)로 보내 고온, 고압의 상태로 압축하고, 이를 증발용기(86)에 공급하여 고온에 응축하도록 하여 액상 유기물에서 수증기를 증발시키는 과정에 열을 계속 재활용할 수 있는 효과가 있다.

이러한 과정을 통한다면, 증발장치(80)에 투입된 액상 유기물은 증발용기를 지나 배출되는 과정에서 수증기가 증발하여 농축 유기물이 되어 배출된다.

이러한 증발장치의 효율을 더욱 높이기 위해서, 액상 유기물을 고형분과 수용액으로 분리하여, 분리된 수용액만을 상기 농축 유기물로 만드는 방법을 제공할 수 있다. 즉, 액상 유기물을 고액 분리하여 고형분과 수용액으로 분리하고, 분리된 수용액만 위의 증발장치(80)로 농축한 다음, 이를 분리된 고형분과 혼합하여 농축 유기물을 형성하는 방법이다. 이는 불필요한 고형분에 열에너지를 공급하지 않아도 되기 때문에 그 효율을 증대할 수 있다. 또한, 액상 유기물에 대한 유동성을 더욱 오래동안 유지할 수 있어, 증발 농축을 더 많이 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제4 단계의 가열 방법은 외부의 열원으로 기계적인 건조장치를 가열하여 농축 유기물을 건조시켜 고형의 건조 유기물을 만드는 방법이다.

본 발명에서는 적어도 2개의 고온 열판 사이에 상기 농축 유기물을 주입하고, 상기 열판을 상기 농축 유기물과 밀착하여 건조시키는 방법이 바람직하다. 도 7은 이러한 열판 건조 장치(90)에 대한 개념도가 개시되어 있다.

도 7에서 개시된 것처럼, 외부의 열원으로 가열되는 고온 열판(91)이 2장 제공된다. 이러한 고온 열판 사이에 농축 유기물(92)을 일정한 간격으로 제공한다. 고온 열판은 200℃이하인 것이 바람직하다. 200℃ 이상인 경우에는 건조 유기물에서 열분해가 일어날 수 있기 때문이다. 200℃ 이하에서는 이러한 열분해가 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.

그리고 고온 열판(91) 사이에서 농축 유기물이 얇게 열판에 밀착되면 열전달이 빠르게 이루어져 3분 이내에 건조가 완료될 수 있다. 중요한 점은 이렇게 밀착되는 고온 열판 사이에 농축 유기물이 일정한 공간을 두고 배치하여 서서히 밀착하여 농축 유기물이 건조되면서 건조 과정에서 발생하는 수증기가 이 공간으로 빠져나갈 수 있도록 하는 것이 중요하다.

그리고 고온 열판(91)을 서로 밀착시키면 농축 유기물을 빠르게 가열하여 건조시킬 수 있다. 중요한 점은 이러한 고온 열판 사이에 농축 유기물을 배치할 때에는 일정 부분 떨어뜨려놓아 수증기가 빠져나갈 수 있도록 하는 것이 중요하다.

또한, 본 발명은 제4 단계에서 생성된 건조 유기물을 무산소 상태에서 가열하여, 기체와 액체 및 고체 연료로 분리하는 열분해 과정을 더 포함할 수 있다. 무산소 상태에서 가열하여 열분해를 하는 것은 건조 유기물을 직접 연소하는 과정에서 생성될 수 있는 다이옥신 등의 유해가스를 방지하기 위함이다. 보통은 산소가 없는 상태에서 300℃ 이상 700℃ 이하의 온도로 가열하는 열분해 방법이 바람직하다.

무산소 조건에서 건조 유기물을 가열하면 250℃ 에서부터 탄화수소의 분해가 시작되고 340℃에서 포화 환상 탄화수소의 분해가 시작되며 380℃에서 탄화가 시작 되고 400℃에서 탄소-산소 및 탄소-질소 결합의 분해가 일어나고 400℃~600℃에서 역청성분의 중질유 또는 타르 전환이 일어나며 600℃에서 역청성분이 가스나 저분자 탄화수소로 분해가 이루어져 기체나 액체로 배출되고 잔류하는 탄화물에 고정탄소가 남게 되어 이산화탄소 배출을 저감하게 된다.

이러한 과정을 통해서 얻게 된, 기체나 액체 연료를 함수 유기물을 가수분해하는 과정이나 건조하는 과정, 그리고 열분해를 하는 과정에서 필요한 열에너지를 공급하는 연료로 사용한다면 함수 유기물 건조의 경제성을 더욱 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 첨부하는 특허청구범위에 의하여 결정되며, 전술한 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

또한, 당업자에게 자명하고 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 본질에서 벗어나지 않는, 변경, 개량 내지 수정된 기술도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해된다.

도 1은 본 발명에 의한 유기물 건조 방법이 수행되는 흐름도

도 2는 본 발명에 의한 유기물 건조 방법이 수행되는 흐름도

도 3은 본 발명에 의한 유기물 건조 방법이 수행되는 흐름도

도 4는 본 발명에서 이용하는 증기 열교환을 이용한 가수분해 시스템의 사시도

도 5는 이러한 증기 압축 장치를 이용한 농축 장치에 대한 사시도

도 6은 증기 압축 장치와 연결된 증발 용기의 분해 사시도

도 7은 열판 건조 장치의 개념도

도 8은 본 발명의 발효 용기의 사시도

Claims (11)

1. 함수 유기물을 건조하는 유기물 건조 방법에 있어서,

   상기 함수 유기물을 가열하여 유동성의 액상 유기물로 가수분해시키는 제1 단계;

   상기 액상 유기물을 가열하여 수증기를 증발시키고, 증발된 수증기를 응축시키면서, 상기 수증기가 응축되는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 상기 액상 유기물을 가열하는 제2 단계; 그리고,

   상기 제2 단계를 수행하여 상기 액상 유기물을 농축시켜 농축 유기물로 만드는 제3 단계를 포함하며,

   상기 제1 단계는 상기 함수유기물이 분해조(130)로 공급되는 단계와, 상기 분해조(130)에 증기를 공급하여 상기 함수유기물의 온도가 180℃~250℃이 되도록 가열하여 상기 함수유기물이 상기 액상유기물로 가수분해되도록 하는 가수분해 단계와, 가수분해된 고온의 상기 액상유기물과 가수분해될 저온의 함수유기물이 열교환되는 단계를 포함하고,

   상기 제2 단계는 상기 액상유기물이 증발장치(80)의 내부공간으로 공급되는 단계와, 상기 증발장치(80)의 내부공간에서 배출되는 수증기가 증기압축장치(87)로 공급되는 단계와, 상기 증기압축장치(87)에 의하여 상기 수증기가 증기압 곡선에 따른 고온의 수증기로 압축되는 단계와, 상기 내부공간의 바닥면에 위치하는 증발용기(86)로 압축된 상기 고온의 수증기가 공급되어 응축되는 단계와, 상기 고온의 수증기가 응축되면서 발생하는 열에 의하여 상기 내부공간에 위치하는 상기 액상유기물이 가열되는 단계를 포함하는 유기물 건조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 농축 유기물을 더 가열하여 건조 유기물로 만드는 제4 단계를 더 포함하는 유기물 건조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 가수분해단계에서 상기 함수유기물은 접촉 열교환 및 증기 열교환 중 적어도 어느 하나를 통해 제1차 가열되고, 증기 혼합으로 제2차 가열되는 것을 특징으로 하는 유기물 건조 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2 단계가 수행되기 전에, 상기 액상 유기물을 발효용기(101)에 투입하여 미생물로 발효시켜 알콜 또는 메탄가스로 분해하는 단계를 더 포함하는 유기물 건조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 액상유기물이 알콜 또는 메탄가스로 분해될 때 상기 발효된 유기물이 발효 전의 상기 액상 유기물과 혼합되지 않도록, 상기 발효된 유기물은 별도의 통로를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 유기물 건조 방법.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 액상 유기물을 고형분과 수용액으로 분리하여, 분리된 수용액만을 상기 농축 유기물로 만드는 것을 특징으로 하는 유기물 건조 방법.
8. 청구항 2에 있어서,

   상기 제4 단계의 가열 방법은 외부의 열원으로 가열되는 적어도 2개의 고온 열판(91) 사이에 상기 농축 유기물을 주입하고, 상기 열판(91)을 상기 농축 유기물과 밀착하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 유기물 건조 방법.
9. 청구항 2 또는 청구항 8에 있어서,

   상기 건조 유기물을 무산소 상태에서 가열하여, 기체와 액체 및 고체 연료로 분리하는 열분해 과정을 더 포함하는 유기물 건조 방법.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 분리된 연료를 상기 함수 유기물의 건조 과정 또는 상기 열분해 과정에 필요한 열에너지를 공급하기 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 유기물 건조 방법.
11. 삭제

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