KR101226160B1 - 음식물의 폐기물 및 하,폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 가압열수분해를 위한 처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압증기열수분해를 이용하여 음식물의 폐기물과 하,폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물을 효율적으로 처리하기 위한 장치와 이러한 장치의 구동방법에 관한 것으로 1차 반응기에서 시료 투입 후 가열과 가압 및 반응과 배기과정을 경과할 경우에 배기되는 수증기를 또 다른 반응기의 가열라인에 연결하여 1차로 예열하고 또 다른 반응기에 투입된 시료를 1차로 예열토록 함으로서 또 다른 반응기에 고온의 수증기의 공급에 의한 가열시 보일러의 에너지낭비를 최소로 하며 반응시간에 시료의 가열증기열수분해가 진행되는 온도의 변화를 측정하여 반응시간 및 반응기로 투입되는 고온의 수증기의 공급을 조절하면서 보일러의 연속가동에 따른 에너지의 효율을 우수하게 하여 에너지의 낭비요인을 제거하고 동시에 많은 양의 음식폐기물과 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 처리가 연속으로 가능하면서 안정적으로 음식물 및 하. 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물을 가압열수분해 처리되며 보일러의 가동 및 수명이 우수토록 한 것이다.

Description

음식물의 폐기물 및 하,폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 가압열수분해를 위한 처리장치 및 방법{THE DISPOSAL PLANT FOR ORGANIC WASTE SUCH AS SLUDGE, AND WASTE}

본 발명은 가압열수분해를 이용하여 음식물의 폐기물과 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물을 효율적으로 처리하기 위한 방법과 장치에 관한 것으로 특허 처리효율을 우수하게 한 것이다.

기존의 음식물 쓰레기 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성 폐기물처리는 매립, 소각, 사료화, 퇴비화, 해양투기 등의 방식으로 처리하고 있다.

하지만 상기의 각각은 다음과 같은 문제점이 있어 완벽한 처리가 어려운 실정이다.

매립 시에는 악취, 파리, 모기, 구더기 등 각종 해충 및 병원성 세균들이 발생하며 고농도의 음식쓰레기 침출수에 의한 토양, 수질, 대기, 지하수 오염 등에 심각한 오염으로 발생한다.

소각 시에는 음식물 쓰레기 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성 폐기물은 높은 함수율과 낮은 발열량으로 소각효율이 낮아 연료 소모량이 많고 소각비용이 많이 필요하며 또 소각 시 다이옥신(발암물질)과 기타 대기 유해물질을 배출할 가능성이 있다.

사료화 시에는 음식물쓰레기의 특성상 부패가 쉬워 불량사료화가 발생하며 동물성 음식물쓰레기는 치명적인 전염병이 유발 할 수 있고 우리나라 음식물쓰레기의 특성상 높은 염분은 불량 사료 유발 가능이 있다.

또한 퇴비화 시에는 음식물쓰레기에 함유된 높은 염분으로 인해 작물의 고사, 질병, 낙과, 발아불량 등 작물생산성과 생산품질이 저하된다.

해양투기 시에는 해양배출량 급증으로 인한 해양환경 악화, 런던의정서 당사국으로 음식물 폐수 및 하, 폐수오니등 유기성 폐기물을 바다에 투기 가 2012년 1월 1일부터 하수오니와 가축분뇨의 해양 배출을 금지하고 2013년 1월 1일부터는 음식물류 폐기물 폐수(음폐수)의 해양배출을 금지하도록 규정하여 해양투기가 어려운 실정이다.

따라서 최근의 음식물 쓰레기 처리장치는 분쇄, 건조, 발효 등의 방법으로 처리하는 방식으로 처리가 되고 있다.

그러나 이러한 방법은 염분 농도를 제거하지 못하고 처리되므로 염분으로 인한 퇴비, 사료, 발효 등이 어려운 실정이다.

따라서 최근에 염분의 문제해결을 위하여 가압열수분해 방식을 이용한 처리방법이 사용되고 있고 이러한 가압열수분해에 의해 염분이 분리되어 음식물쓰레기에 포함된 수분과 함께 물로 분리 방출한다.

현재 가압열수분해를 이용한 음식물의 폐기물과 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성 폐기물을 처리할 경우에 장점으로는 특히 음식물일 경우에는 음식물에 함유되어진 염분을 가압열수분해 반응기에서 일정한 온도 및 압력과 반응 시간 등 반응 조건을 적절히 제어함으로 염분농도가 약 3% 정도의 높은 염분 농도를 가진 폐기물을 0.5%이하까지 제거가 가능하므로 사료나 비료 등으로 사용이 가능하다는 점이다.

그러나 가압열수분해시의 단점은 열수분해의 방법이 반응기에 시료를 투입한 후 보일러에서 고온, 고압의 수증기를 반응기에 투입하여 반응기에 투입된 시료를 가열한 상태에서 가압하여 반응토록 한 후 고온,고압의 수증기를 배기토록 한 후 처리 완료된 고형물을 유출하는 과정으로 이루어지게 되어 회분식으로 이루어짐으로서 그 효율에 많은 문제점이 있다라는 것이다.

그 이유는 반응기에 투입된 시료의 가열을 위한 고온, 고압의 수증기를 발생하여 공급하는 보일러가 시료의 가열을 위한 수증기의 공급 시에는 가동되어지다가 가열된 시료를 가압 및 반응과 배기와 고형물을 유출하는 과정에서 일시 정지 상태를 유지하게 됨으로 보일러의 에너지 사용에 따른 열효율이 낮다는 점이다.
또한 반응기에 시료의 가열을 위하여 투입되어지는 고온, 고압의 수증기가 반응기에서 시료의 반응과 배기 시까지도 고온의 상태를 유지하게 된 상태에서 그냥 대기로 배기토록 함으로서 이러한 수증기의 낭비가 발생된다는 것이다.
또한 이러한 고온, 고압수증기를 그냥 대기로 배기할 경우에 환경오염 등의 문제로 인하여 응축하기 위한 별도의 리액터가 필요하다는 것이다.

따라서 본 발명에서는 반응기에서 시료를 반응토록 한 후 배기되는 고온, 고압의 수증기를 또 다른 반응기에 투입토록 하여 또 다른 반응기에 투입된 시료를 보일러에서 공급되는 고온고압의 수증기로 가열하기 전에 예열토록 함으로서 에너지의 낭비요소를 줄이면서도 보일러의 효율증대와 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 처리효율을 우수하게 한 것이다.

이를 위하여 시료가 각각으로 투입되어지는 복수의 반응기를 구비하고 1차 반응기에서 배기되는 고온고압의 수증기를 2차 반응기로 투입하여 시료를 예열토록 함으로서 2차 반응기에 추가로 공급되는 고온,고압의 수증기의 공급에 의한 가열시 보일러의 에너지낭비를 최소로 하면서도 보일러의 연속가동에 따른 에너지의 효율을 우수하게 함은 물론 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 처리효율을 우수하게 한 것이다.

현재 보일러의 효율은 최고사용압력상태에서 발생하는 최대 연속증발량으로 표시하게 되는데 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 처리시 가압열수분해를 위하여 반응기에 투입되는 고온, 고압 수증기 발생기인 보일러가 최대 효율을 발생 하기위해서는 연소효율을 높이는 방법이 가장 경제적인 운전 방법이다.

삭제

통상의 연소효율은 발생한 열량 값으로 이것은 완전연소 시 열량 값에서 미연분, 불완전 연소에 의한 손실량 값을 제외한 열량값으로 계산하게 되는데 기존의 가압열수분해 방식에서 가열시간에만 증기가 투입되고 반응을 위한 가압과 가압후의 반응시간은 물론 기타공정(시료의 반응후 고형물의 배출을 위한 고온고압의 수증기의 배기상태시)에서는 증기 투입이 중단된 상태로 운전하게 되는 것이다.

삭제

따라서 보일러의 가동과 중단의 반복으로 에너지의 낭비요인이 발생되어 이러한 낭비요인을 제거토록 하고, 동시에 많은 음식폐기물 및 하, 폐수슬러지의 처리가 가능토록 하면서도 보일러의 가동수명의 연장은 물론 가동효율을 우수하게 하며 처리효율도 우수하게 되는 것이다.

도1은 본 발명의 반응기가 2개가 형성되어진 처리장치의 구성도
도2는 본 발명의 반응기가 3개가 형성되어진 처리장치의 구성도
도3은 본 발명의 처리공정을 도시한 블럭도

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 복수개의 반응기(10,20)에 시료를 공급하는 시료저장조(60)와 상기 시료저장조(60)에서 공급한 시료를 처리토록 하기 위하여 복수개의 반응기(10,20)에 고온고압의 수증기를 공급하게 되는 스팀발생기(30)와 상기 스팀발생기(30)에서 제공된 고온고압의 수증기에 의하여 시료가 복수의 반응기(10,20)에서 가열되고, 가압되면서 반응되어 배기되는 순차 과정으로 처리된 고형물을 저장하는 처리 저장조(40)와 복수의 반응기(10,20)에서 시료가 고형물로 처리가 완료된 상태에서 배기토록 되는 고온고압의 수증기를 저장하게 되는 배기가스 저장조(50)로 이루어지는 것이다.

이때 스팀발생기(30)에서 공급되는 고온고압의 수증기는 복수개의 반응기(10,20)에 압력조절밸브(31,31a)를 통하여 공급되고, 이때 고온고압의 수증기를 공급하는 방식은 우선 제1반응기(10)에 투입된 시료의 처리를 위하여 스팀발생기(30)에서 1차로 압력조절밸브(31)를 통하여 고온고압으로 공급된 수증기가 제1반응기(10)로 유입되어지면 시료가 유입되어져 있는 제1반응기(10)에서는 시료의 처리를 위하여 반응이 이루어지게 되는데 그 과정은 고온고압의 수증기로 인하여 시료가 가열되어지고, 가열된 상태에서 압력을 가하여 반응을 유도하게 되는 가압과정과 상기 가압과정에 의하여 가압된 상태에서는 시료가 반응하게 되는 것이고, 이와 같이 반응처리가 완료된 상태에서 처리된 고형물을 처리저장조(40)로 보내기 위하여는 제1반응기(10)의 배기밸브(11)를 오픈하여 제1반응기(10)에 있는 고온고압을 유지하고 있는 수증기를 배기하게 되는데 이러한 배기하게 되는 수증기를 대기로 배기하지 않고 제2반응기(20)로 투입하게 되는 것이다.
이때 제1반응기(10)에서 배기되는 고온고압의 수증기가 제2반응기(20)로 투입토록 하기 위하여는 제2반응기(20)의 배기 드레인 밸브(22)는 차단하고, 배기밸브(21)를 오픈한 상태에서 제1반응기(10)에서 배기되는 수증기를 배기밸브(11,21)를 통하여 제2반응기(20)로 투입되어 제2반응기(20)에 시료저장조(60)에서 공급되어 투입되어 있는 시료를 1차로 예열하면서 가열하게 되는 것이다.
이때 제1반응기의 배기수증기가 제2반응기로 투입이 완료되면 배기밸브(11,21)는 닫히게 되는 것이다.

따라서 상기와 같이 제1반응기에서 반응이 완료된 상태에서 배기되는 수증기를 제2반응기(20)에 투입하여 시료가 예열된 상태에서 추가로 투입되는 고온고압의 수증기는 스팀발생기(30)에서 압력조절밸브(31a)를 통하여 제2반응기(20)로 유입되고, 이러한 고온고압의 수증기는 제2반응기(20)에 투입된 시료가 제1반응기(10)에서 배기되는 고온고압의 수증기로 1차 가열되면서 예열된 상태이기 때문에 적은 고온고압의 수증기로도 가압열수분해가 가능하게 되어 에너지 효율은 물론 1차 예열에 의하여 반응시간도 단축하게 되는 장점이 있는 것이다.

이때 본 발명에서는 스팀발생기(30)에서 제1반응기(10)와 제2반응기(20)로 고온고압의 수증기를 공급할 경우에 압력조절밸브(31,31a)를 사용하는 이유는 제1 및 제2반응기(10,20)의 내부압력에 따라 수증기의 유입량을 단속하기 위한 것이고, 이러한 유입량의 단속은 다양한 형태의 운전조건에 따라 또는 시료의 상태(농도)에 따라 반복적인 운전에 의하여 변화되어지는 것이다.

또한 이때 제1 및 제2 반응기(10,20)에 투입되는 시료도 시료 저장조(60)에서 유입펌프(61)에 의하여 시료가 일정량을 강제로 투입되게 되는데 이때 투입되는 시료의 량에 따라 스팀발생기(30)에서 공급되는 고온고압의 수증기의 양이나 각종 조건들이 변화되어지게 됨으로 투입된 시료의 온도를 감지하는 시료온도감지센서(1)는 물론 반응기(10,20)의 내부온도를 감지하는 내부온도감지센서(2)와 수증기의 과다압력에 대응하기 위한 안전밸브(3)와 반응기(10,20)의 내부압력을 측정하게 되는 압력감지센서(4)가 장착되어지는 것이다.

이때 제1 및 제2반응기(10,20)에 시료가 투입되어지는 시료의 양은 유입펌프(61)에 의하여 시료가 강제로 투입될 경우에 투입되는 시료의 량에 따라 각각의 유량감지센서(12a,24a)로 측정하여 각각의 시료유입밸브(12,24)를 개폐하게 되면서 투입되는 것이다.

또한 제1 및 제2반응기(10,20)에서 시료가 가열,가압,반응,배출의 순차공정으로 처리가 완료될 경우에 이러한 각종 센서(1,2,4)에서의 조건에 충족될 경우에 유출밸브(13,23)가 자동으로 열리게 되면서 처리 저장조(40)로 배출되는 것이고 압력이 높을 경우에는 자동적으로 안전밸브(3)가 작동되면서 반응기(10,20)를 보호하게 되는 것이다.

또한 작업이 완료후에 제1 및 제2반응기(10,20)내에 잔류하고 있는 일정한 량의 배기가스는, 배기밸브(11,21)가 열려진 상태에서 제2반응기(20)에 설치되는 배기드레인 밸브(22)가 열리게 되면서, 배기되어 배기가스 저장조(50)로 드레인되어 저장되는 것이다.
이때 제1,2반응기(10,20)의 배기밸브(11,21)는 자동으로 열리게 되거나 또는 수동으로 열리도록 되는 것이다.

또한 제1반응기(10)와 제2반응기(20)의 가동방식은 제1반응기(10)에 시료가 투입된 상태에서 스팀발생기(30)에서 고온고압의 수증기를 공급하여 가열하는 단계와 가열되는 상태에서 반응을 유도하기 위하여 가압하는 단계와 가압에 의하여 반응하는 단계와 이러한 반응하는 단계에 의하여 시료는 열수반응이 일어나는 것이고, 그후 일정시간이 경과되어 고온고압의 수증기를 배기하고 유출하는 배기단계를 거치면서 제1반응기(10)가 가동되는 것이고, 이러한 제1반응기(10)의 가동과정인 고온고압의 수증기의 배기단계에서 고온, 고압의 수증기를 배기할 경우에 이러한 고온고압의 수증기를 제2반응기(20)에 투입하여 제2반응기(20)에 투입된 시료가 예열되면서 예비 가열단계가 이루어지는 것이다.
이와 같이 제2반응기(20)에 투입된 시료가 예비 가열단계에 의하여 예열된 상태에서 스팀발생기(30)에 고온고안의 수증기를 공급토록 하여 완전하게 가열토록 하는 것이다.

따라서 1차 예열로 인하여 스팀발생기(30)에서 가열을 위하여 공급되는 고온고압의 수증기의 양이 제2반응기(20)에는 적게 투입되어짐으로 에너지를 절약하게 되는 것이다.

따라서 이러한 반응은 각각의 복수의 반응기(10,20)의 열수분해반응단계가 가열, 가압, 반응, 배기단계와 같이 순차적인 단계를 거치게 됨으로 복수 개의 반응기(10,20)를 사용할 경우에 전단의 반응기(10)의 배기단계의 배기가스를 버리지 않고 후단의 반응기(20)의 예열을 위한 예열가스로 사용됨으로 스팀발생기(30)의 연속적인 가동에 따른 효율의 증대는 물론 복수의 반응기(10,20)의 가동효율을 우수하게 할 수 있게 되어 처리효율도 우수하게 되는 것이다.

1: 시료온도감지센서 2: 내부온도감지센서
3: 안전밸브 4: 압력감지센서
10: 제1반응기 11: 배기밸브
12a: 유량감지센서 12: 시료유입밸브
13: 유출밸브
20: 제2반응기 21: 배기밸브
22: 배기드레인밸브 23: 유출밸브
24: 시료유입밸브 24a: 유량감지센서
30: 스팀발생기 31,31a: 압력조절밸브
40: 처리저장조 50: 배기가스저장조
60: 시료저장조 61: 유입펌프

Claims (5)

1. 반응기로 시료를 공급하는 시료저장조와, 상기 시료저장조에서 공급한 시료를 처리토록 하기 위하여 반응기에 고온고압의 수증기를 공급하게 되는 스팀발생기와, 상기 스팀발생기에서 제공된 고온고압의 수증기에 의하여 시료가 반응기에서 가열,가압,반응,배기 과정으로 순차 처리된 고형물을 저장하는 처리 저장조와, 상기 반응기에서 시료가 고형물로 처리가 완료된 상태에서 배기토록 되는 고온고압의 수증기를 저장하게 되는 배기가스 저장조로 이루어진 것에 있어서,
   상기 반응기를 복수개의 반응기(10,20)로 구비하고,
   상기 복수개의 반응기(10,20)에 고온고압의 수증기를 공급하기 위하여 우선 제1반응기(10)에 투입된 시료의 처리를 위하여 스팀발생기(30)에서 제1반응기(10)에 1차로 수증기를 공급하게 오픈되는 압력조절밸브(31)와
   상기 압력조절밸브(31)를 통하여 공급된 고온고압의 수증기가 제1반응기(10)로 유입되어지면 유입되어져 있는 시료가 반응이 이루어져 반응처리가 완료된 상태에서 처리된 고형물을 처리저장조(40)로 보내기 위하여 제1반응기(10)의 고온고압의 수증기를 배기토록 하기 위하여 오픈되는 배기밸브(11)와
   상기 배기밸브가 오픈된 상태에서 제1반응기(10)에 있는 고온고압의 수증기를 제2반응기(20)로 투입하기 위하여 닫히게 되는 배기가스드레인밸브(22)와 오픈되어지는 배기밸브(21)와
   상기 오픈된 배기밸브(21)를 통하여 유입된 제1반응기에서 배기된 고온고압의 수증기에 의하여 제2반응기(20)에 투입된 시료가 예열되어지는 제2반응기(20)에 추가로 고온고압의 수증기를 공급하기 위하여 오픈되는 압력조절밸브(31a)와
   상기 압력조절밸브(31a)에 의하여 추가로 투입된 고온고압의 수증기에 의하여 제2반응기(20)에서 시료가 반응이 완료된 상태에서 고형화된 시료를 각각 제1 및 제2반응기(10,20)에서 배출하기 위하여 오픈되는 유츨밸브(13,23)와
   상기 복수개의 반응기(10,20)에 시료반응이 완료된 상태에서 잔여수증기를 배기토록 하기 위하여 오픈되는 배기밸브(11,21)와 배기드레인밸브(22)로 이루어지는 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 가열증기열수분해를 위한 처리장치.
2. 제1반응기(10)와 제2반응기(20)에 1차로 시료가 투입된 상태에서 먼저 제1반응기(10)에 스팀발생기(30)에서 수증기를 공급하여 가열하는 단계와
   상기 가열되는 상태에서 가압하는 단계와
   상기 가압에 의하여 반응이 일어나는 단계와
   반응 후 일정시간이 경과되어 반응이 완료되어 수증기를 배기하고 유출하는 과정으로 열수반응처리하고,
   상기 제1반응기(10)의 처리 과정인 상기 수증기를 배기하는 단계에서 고온의 고압의 수증기를 배기할 경우에 이러한 배기를 제2반응기(20)에서 1차로 시료가 투입된 상태에서 1차 예열을 위하여 가열단계에서 유입토록 하는 단계와
   그후 2차로 제2반응기에 고온고압의 수증기를 스팀발생기를 통하여 추가토록 하는 단계로 이루어지는 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 가열증기열수분해를 위한 처리방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 반응은 반응기의 열수분해반응 단계가 가열, 가압, 반응, 배기단계를 거치게 됨으로 4개의 반응기를 사용할 경우에 스팀발생을 위한 스팀발생기(30)의 가동효율을 가장 우수하게 할 수 있게 되는 음식폐기물 및 하, 폐수 오니슬러지 등 유기성폐기물의 열수분해를 위한 처리방법.
4. 삭제
5. 삭제

Images