KR101339718B1 - 다점 증기 분사방식의 반응장치 및 이를 구비한 유기성 폐기물 처리장치 - Google Patents

다점 증기 분사방식의 반응장치 및 이를 구비한 유기성 폐기물 처리장치 Download PDF

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Abstract

유기성 폐기물 처리용 반응장치는, 외부의 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 반응조 내로 공급할 수 있도록 반응조 내에 설치된 증기공급관을 구비한다. 증기공급관에는 복수의 증기공급용 홀이 형성되어 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 홀들을 통해 반응조 내의 폐기물로 공급한다. 이러한 구성의 반응장치를 구비한 유기성 폐기물 처리장치는 가 제공된다. 반응장치에 공급되는 증기에 의한 열이 반응조 내의 폐기물에 단시간에 고르게 공급되어 처리 효율이 높아진다.

Description

다점 증기 분사방식의 반응장치 및 이를 구비한 유기성 폐기물 처리장치 {Reactor using Multi Injection of Steam, and Organic Waste Processing Apparatus employing the same}
본 발명은 다점 증기 분사방식(Multi Steam Injection Method)을 이용한 유기성 폐기물의 처리장치 및 이를 구비한 유기성 폐기물 처리장치에 관한 것으로서, 유기성 폐기물을 효율적으로 분해할 수 있는 (고온:150~220℃,고압:3.7~22bar) 처리공정으로 폐기물 처리 효과를 극대화시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
하폐수슬러지, 음식물류, 폐기물, 축산분뇨, 동물사체 등의 처리과정에서 발생하는 유기성 폐기물(함수율80~90%)을 처리하기 위한 유기성 폐기물 처리장치는, 유기성 폐기물을 일정량 투입하여 처리하기 위한 폐기물 저장조(Sludge Hopper), 저장된 폐기물을 고온에서 분해시키는 반응장치, 분해된 폐기물을 기액분리하는 기액분리장치, 기액분리되어 일정량의 고형분을 포함하는 액화된 반응생성 폐기물의 수분제거를 위한 탈수장치(Filter Press) 등을 구비하고 있다.
반응장치는 유기성폐기물에 물과 열을 가하여 분해하는 장치로서, 분해를 위해서는 반응에 적절한 온도를 유지하여야 한다. 이를 위하여 반응장치는 통상적으로 반응조와, 반응조에 증기를 공급하여 적정 온도를 유지하기 위한 증기공급장치와, 공급된 증기에 의한 열이 반응조 내의 유기성 폐기물에 고르게 전달되도록 교반하는 교반기를 구비한다.
그런데, 종래의 반응장치는, 반응조에 공급되는 열이 처리 대상 폐기물에 고르게 공급되지 못하여 처리 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 종래의 방식에서는 반응조의 상부에 외부의 증기공급관이 연결되어 반응조 내의 상부로 증기를 공급하는 방식을 사용함으로써 증기의 열이 1차적으로는 반응조에 적층된 폐기물의 상부에만 공급되고, 이와 같이 공급된 증기가 폐기물 전체에 고르게 퍼질 수 있도록 교반기가 폐기물을 교반하여야 한다. 그러나, 교반기의 교반 동작에도 불구하고 증기의 열이 폐기물에 고르게 전달되는 데에 시간이 필요하며, 따라서 반응의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반응장치에 공급되는 증기에 의한 열이 반응조 내의 폐기물에 단시간에 고르게 공급되도록 함으로써, 처리 효율을 높일 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부의 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 반응조 내로 공급할 수 있도록 상기 반응조 내에 설치된 증기공급관을 구비하며, 상기 증기공급관에는 복수의 증기공급용 홀이 형성되어 상기 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 상기 홀들을 통해 상기 반응조 내의 폐기물로 공급하는 것을 특징으로 하는 반응장치를 제안한다.
바람직하게는, 복수의 상기 증기공급관이 상기 반응조 내에 수평으로 설치된다.
상기 증기공급관은 상기 반응조의 하부에 설치되며, 상기 홀들은 상방으로 개구되어 있는 것이 바람직하다.
상기 증기공급관은, 상기 반응조 내에 수직 방향으로 배치된 제1증기공급관, 및 상기 제1증기공급관으로부터 수평 방향으로 연장된 제2증기공급관을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1증기공급관은 상기 반응조의 내벽면측에 배치되며, 상기 제2증기공급관은 상기 반응조의 중앙 부위를 향해 연장된다.
상기 증기공급관은 상기 반응조 내에 설치된 교반기의 축으로부터 연장되도록 구성될 수 있으며, 이때 상기 교반기의 축은 상기 증기공급장치로부터 증기를 공급받아 상기 증기공급관으로 공급할 수 있도록 파이프의 형상으로 형성된다. 상기 증기공급관의 홀들은 상방 및 하방으로 개구되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기와 같은 구성의 반응장치를 구비한 유기성 폐기물 처리장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 반응장치에 공급되는 증기에 의한 열이 반응조 내의 폐기물에 단시간에 고르게 공급되어 처리 효율이 높아진다.
도 1 은 본 발명에 따른 반응장치에 사용되는 증기공급관의 구조를 도시한 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 1 실시예를 도시하는 도면.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 2 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 3 은 측방에서 그리고 도 4 는 상면에서 도시한 도면.
도 5 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 6 은 이와 같은 실시예들에 도시된 본 발명에 따른 반응장치가 적용되는 유기성 폐기물 처리장치의 전체 구성을 도시한 도면.
도 7 은 유기성 폐기물 처리장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 8 은 유기성 폐기물 처리장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
전술한 바와 같이, 유기성 폐기물 처리장치는 폐기물 저장조, 반응장치, 기액분리장치, 및 탈수장치를 구비한다. 본 발명은 이러한 유기성 폐기물 처리장치에 채용되는 반응장치에서 처리 효율을 높일 수 있는 구성을 제안한다.
도 1 은 본 발명에 따른 반응장치에 사용되는 증기공급관의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 증기공급관(P)은 통상적인 파이프의 구조에서 다수의 증기공급용 홀(H)이 천공된 구조를 구비한다. 홀(H)은 파이프의 길이방향을 따라 일정한 간격으로 형성되어 있으며, 이러한 홀(H)은 1렬로 형성될 수도 있고 복수 열로 형성될 수도 있으며, 간격이나 배치가 불규칙하게 될 수도 있다. 증기공급관(P)은 반응장치의 반응조 내에 설치되는 것으로서, 일단에 증기공급장치(S)와 연결되어 있다. 이러한 증기공급장치(S)로부터 증기공급관(P)에 증기가 공급됨에 따라 홀(H)에서 증기가 배출되고, 이에 의하여 반응장치의 반응조 내로 증기가 공급된다.
한편, 통상적으로 "증기"라는 용어는 물이 가열되어 기화된 상태를 의미하나, 본 발명에서는 이러한 경우는 물론이고 공기 자체가 가열되어 있는 상태, 즉 가열된 공기를 포함하는 개념으로 사용된다. 따라서, 본 발명에서의 증기공급장치(S)에 의해 공급되는 증기는 물이 가열되어 기화된 것은 물론이고 가열되어 뜨거워진 공기도 포함한다.
도 2 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 1 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 1 에 도시된 증기공급관(P)이 반응장치에 구체적으로 적용된 상태의 평면도를 도시한 것이다
도 2 에 도시된 바와 같이, 반응장치는 반응조(110)를 구비하고 있고, 증기공급관(180)은 외부의 증기공급장치(S)와 연결되어 다수의 관으로 분기된 후 반응조(110)를 관통하여 반응조(110) 내측으로 연장되어 있다. 반응조(110) 내측에서 증기공급관(180)은 다수의 파이프가 평행하게 수평 방향으로 연장된 형태로 배치된다. 증기공급관(180)의 홀(H)들은 증기공급관(180)의 부위 중 반응조(110) 내부측에 있는 부위에만 형성되어 있다. 따라서 증기공급장치(S)에 의해 공급되는 증기는 홀(H)들을 통해 반응조(110) 내로 공급된다.
이러한 구성에 의하면, 반응장치의 반응조(110) 내에 유기성 폐기물이 충진되어 있는 상태에서 유기성 폐기물 내측으로 증기가 공급되며, 이때 증기의 공급이 홀(H)들이 형성되어 있는 다수 지점에서 이루어지는 다점 증기 분사에 의한 열 공급이 이루어지게 된다. 따라서 유기성 폐기물의 여러 부위에 고르게 열이 공급되므로 반응의 효율이 높아진다.
한편, 상기와 같은 구조에서, 증기공급관(180)은 반응조(110)의 하부에 위치되는 것이 바람직하다. 공급되는 증기에 의한 열은 주로 상방으로 전달되므로 반응조(110) 하부에 증기공급관(180)을 배치함으로써 열 공급 효과를 높일 수 있다.
반응장치에서의 반응 과정을 기술하면, 반응조(110)에 투입된 저온폐기물은 본 발명에 따른 증기공급관(180)에 의한 고온(150~ 220℃), 고압(3.7~22bar)의 증기 공급에 의해 균일하고 신속하게 가열되며, 이에 따라 반응조(110) 내부는 고온(150~220℃), 고압(3.7~22bar)의 조건에서 밀폐상태로 액체상태를 유지하도록 증기압 곡선상의 압력보다 높게 약10~90분간 유지한다. 이에 따라 폐기물의 분해 처리가 이루어지게 된다.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 2 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 3 은 측방에서 그리고 도 4 는 상면에서 도시한 도면이다.
본 실시예에서는 증기공급관이 반응조(110) 내에서 수직 방향으로 배치되어 있는 제1증기공급관(120) 및 제1증기공급관(120)의 각 부위에서 일정 간격을 두고 측방으로 연장된 제2증기공급관(130)으로 구성되어 있다. 제1증기공급관(120)은 반응조(110)의 내벽면에 인접 배치되어 있고 홀들이 반응조(110) 내측을 향하도록 개구되어 반응조(110) 내측을 향해 증기를 공급한다. 제2증기공급관(130)은 제1증기공급관(130)으로부터 반응조(110) 내부의 중앙 부위를 향해 연장되어 있고 홀들이 상방으로 개구되어 반응조(110) 내에서 상방으로 증기를 공급한다. 외부의 증기공급장치(S)를 통해 공급된 증기는 제1증기공급관(120)을 거쳐 제2증기공급관(130)으로 공급되며, 이때 제1증기공급관(120)에서는 반응조 중앙부를 향하여, 제2증기공급관(130)에서는 상방으로 증기를 공급하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 증기가 반응조(110) 내의 각 부위로 증기를 공급하게 되며, 따라서 반응조(110) 내의 유기성 폐기물 전체에 대해 증기를 고르게 공급하는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 증기가 공급되는 동안 반응조 내의 교반기(104)는 반응조(110) 내의 유기성 폐기물을 교반하여 증기에 의해 공급된 증기와 함께 유기성 폐기물을 교반하여 반응 작용을 돕는다.
도 5 는 본 발명에 따른 반응장치의 제 3 실시예를 도시하는 도면이다. 도 5 의 실시예에서는 도 3 및 4 의 실시예의 구성에 더하여 교반기의 축(106)에 제3증기공급관(140)이 설치된 예를 도시하고 있다.
즉, 교반기의 축(106)은 파이프의 형태로 형성되어 있고 이 축(106)에 방사 방향으로 제3증기공급관(140)이 설치되어 있다. 외부의 증기공급장치(S)에서 공급되는 증기는 파이프 형상의 축(106) 내측으로 공급되며, 축(106)에 공급된 증기는 이어서 제3증기공급관(140)으로 공급된다. 제3증기공급관(104)에 공급된 증기는 제3증기공급관(140)에 형성된 홀들을 통해 반응조(110) 내부로 공급된다. 제3증기공급관(140)의 홀들은 상방과 하방으로 모두 개구되도록 형성되어 제3공기공급관(140)에서는 상방 및 하방으로 모두 증기가 배출되도록 구성되어 있다.
이러한 구성에서, 모터(M)에 의해 축(140)이 회전함으로써 제3증기공급관(140)은 축(140)을 중심으로 회전하면서 증기를 공급하게 된다. 따라서, 제3증기공급관(140)을 통한 증기의 공급은 보다 여러 부위에 균일하게 이루어질 수 있게 된다. 또한, 제3증기공급관(140)이 회전하면서 유기성 폐기물을 교반하게 되므로, 제3증기공급관(140)은 교반기의 기능까지 수행하게 된다. 따라서 교반기의 교반날개의 구성을 제3증기공급관(140)이 대체하게 된다.
한편, 외부의 증기공급장치(180)로부터 공급되는 관과 교반기 축(106)은 로터리조인트(J)에 의해 연결되도록 구성되어 있다. 따라서, 증기공급장치(180)로부터 증기를 공급받는 관은 회전하지 않고 고정되어 있더라도 교반기의 축(106)이 회전 가능한 상태로 연결될 수 있게 된다.
도 6 은 이와 같은 실시예들에 도시된 본 발명에 따른 반응장치가 적용되는 유기성 폐기물 처리장치의 일 예를 도시한 도면이다.
본 실시예에서의 유기성 폐기물 처리장치는, 폐기물 저장조(10), 제1반응장치(21), 제2반응장치(22), 증기회수장치(30), 기액분리장치(40), 탈수장치(50), 보일러(60)를 포함하여 구성된다.
폐기물 저장조(10)는 유기성 폐기물을 일정량 투입하여 처리한다. 폐기물 저장조(10)에 저장된 폐기물은 이송펌프에 의해 제1 및 제2반응장치(21, 22)로 이송된다. 제1 및 제2반응장치(21, 22)는 이송된 폐기물을 분해시키며 분해된 폐기물은 기액분리장치(40)에서 기액분리되고, 일정량의 고형분을 포함하는 액화된 반응생성 폐기물은 탈수장치(50)에 의해 탈수처리된다. 탈수장치(50)에서 배출되는 탈수케익은 보일러(60)로 공급되어 보일러의 연료로서 재활용되고, 탈수액은 탈수장치(50)로부터 배추되어 연계처리된다.
한편, 도 6 의 실시예에서는 두 개의 반응장치(21, 22)가 구비되어 있다. 보일러(60)는 전술한 도 1 내지 도 5 에 도시된 실시예들에서 증기공급장치(S)로서 명명된 구성의 일 예이고, 따라서 보일러(60)에서 생성된 증기는 반응장치(21, 22)에서의 분해 반응을 위해 공급되는 증기로서 사용된다.
이때, 보일러(60)의 증기는 제2반응장치(22)로 공급되며, 제2반응장치(22)의 증기가 제1반응장치(21)로 예열을 위한 증기로서 공급되도록 구성된다. 즉, 제2반응장치(22)에서 분해 후의 잔류 증기는 증기회수장치(30)에 의해 회수되어 제1반응장치(21)로 이송됨으로써 제1반응장치(21) 내의 폐기물을 예열한다. 이에 따라 제1반응장치(21)에서 폐기물을 예열함으로써 폐기물 가온에 필요한 에너지를 최소화할 수 있게 된다. 이와 같은 구성에서는 제1반응장치(21)에 대해서는 증기회수장치(30)가 증기공급장치(S)의 기능을 하게 된다.
한편, 제1 및 제2반응장치(21, 22) 내의 잔류 증기압력은 반응생성 폐기물을 기액분리장치(Flash Tank)로 이송하는 데에 사용된다. 즉, 반응장치(21, 22)에서의 반응완료 후 반응조(110)의 하부에 설치된 밸브를 서서히 열어 반응조(110) 내의 증기압력에 의해 반응 생성 폐기물이 기액분리장치(40)로 이송되도록 한다.
이와 같은 듀얼 반응장치(21, 22)를 구비한 폐기물 처리장치는, 연속운전이 가능하고, 증기회수를 통하여 가온에 필요한 에너지사용을 최소화하는 것이 가능하게 된다. 즉, 하나의 반응장치(22)로 먼저 반응을 진행하되 반응이 진행되는 동안에 동일한 크기의 반응장치(21)에 폐기물이 투입되고, 반응장치(22)의 반응이 완료된 후, 반응장치(22) 내부의 증기를 반응기(21)로 보내어 폐기물 예열을 함으로써 증기 회수에 의한 에너지 이용 효율을 상승시키는 효과가 있다. 또한, 반응장치(22)의 압력 및 온도 조절을 위해 간헐적으로 배출되는 증기 또한 반응장치(21)로 이송되어 폐기물 예열을 함으로써 증기 회수에 의한 에너지 이용 효율을 상승시키는 효과가 있다.
본 발명의 유기성 폐기물 처리장치는, 반응장치에 증기를 균일하게 공급하는 다점 증기 분사 방식으로 처리 효율이 향상된다는 장점이 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 반응장치가 적용되는 유기성 폐기물 처리장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
본 실시예의 유기성 폐기물 처리장치는, 고액분리기, 생물학적반응조, 고도산화부상처리기, 생물여과기, 슬러지저장조, 및 가용화장치를 구비한다. 고액분리기는 폐수 속에 포함되어 있는 고형분과 액체를 분리하는 장치이고, 생물학적 반응조는 고농도의 미생물을 이용하여 폐수 속의 유기물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거하는 반응조이다. 고도산화부상분리기는 전단의 생물학적반응조에서 처리하지 못한 난분해성 유기물 및 색도를 응집 및 오존산화를 이용하여 처리하는 장치이다. 생물여과기는 여재에 부착되어 있는 고농도의 미생물을 이용하여 고도 산화부상 분리 후 난분해성 유기물이 생분해성 유기물로 치환된 유기물을 처리하고, 잔류되어 있는 질소 및 부유물질을 처리하는 장치이다. 슬러지저장조(10)는 유기성 폐기물을 일정량 투입하여 처리하기 위한 저장조이다. 가용화장치는 전술한 도 1 내지 도 5 에서 도시한 본 발명에 따른 다점증기분사 방식의 반응장치이다.
이와 같은 구성에서, 슬러지저장조에 투입되어 있는 유기성 폐기물은 가용화장치로 이송되어 다점증기분사에 의한 분해 처리가 이루어진다. 가용화장치에서 분해된 폐기물은 생물학적반응조에 이송되어 유기물, 질소, 인 등의 오염물질이 미생물을 이용하여 제거되고, 고도산화부상분리기에서 난분해성 유기물 및 색도가 응집과 오존산화에 의해 처리된 후 생물여과기에서고도산화분리 등의 과정을 거쳐 방류된다. 이때, 생물학적반응조와 고도산화부상분리기에서 배출되는 케익은 고액분리기로 재 투입되고, 고액분리기에서 배출되는 케익은 슬러지저장도로 재투입되어 반복적인 처리가 이루어진다. 가용화장치의 배출물은 고형 연료로 사용될 수 있다.
본 실시예는 유기성 폐기물을 처리하는 공정의 일 예를 제시하며, 이러한 유기성 폐기물 처리 공정에서 가용화장치로서 다점증기 분사 방식의 반응장치를 채용함으로써 분해 효율을 상승시켰다.
도 8 은 본 발명에 따른 반응장치가 적용되는 유기성 폐기물 처리장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
본 실시예의 유기성 폐기물 처리장치는, 제1고액분리기, 혐기소화조, 제2고액분리기, 생물학적반응조, 고도산화부상처리기, 생물여과기, 슬러지저장조, 및 가용화장치를 구비한다. 전술한 도 7 의 실시예와 비교할 때, 고액분리기가 제1고액분리기와 제2고액분리기의 두 개로 구성되고, 이 두 개의 고액분리기 사이에 혐기소화조가 구비되어 있는 것이 상이하며, 다른 구성요소들은 동일하다.
혐기소화조는 산소가 없는 무산소 조건에서 혐기성 미생물을 이용하여 폐수 속의 유기물을 제거하면서 바이오가스를 생성하는 장치이다.
생물학적 반응조와 고도산화부상분리기에서 배출되는 케익은 제1고액분리기로 반송되며, 두 개의 고액분리기에서 배출되는 케익은 모두 슬러지저장조로 반송된다.
본 실시예는 전술한 도 7 의 실시예에서와 같은 방식으로 유기성 폐기물을 처리함과 동시에 처리 중에 두 고액분리기 사이에 배치된 혐기성 소화조를 이용하여 바이오가스를 생성하는 공정 즉, 유기성 폐기물의 처리와 함께 에너지화하는 공정을 제시한다. 이러한 공정에서도 가용화장치로서 본 발명에 따른 다점증기 분사 방식의 반응장치를 채용함으로써 처리 효율을 높임과 동시에 에너지화의 효율 또한 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 유기성 폐기물을 처리하기 위한 반응장치에 있어서,
    외부의 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 반응조 내로 공급할 수 있도록 상기 반응조 내에 설치된 증기공급관을 구비하며,
    상기 증기공급관에는 복수의 증기공급용 홀이 형성되어 상기 증기공급장치로부터 공급되는 증기를 상기 홀들을 통해 상기 반응조 내의 폐기물로 공급하며,
    상기 증기공급관은,
    상기 반응조 내에 수직 방향으로 배치된 제1증기공급관,
    상기 제1증기공급관으로부터 수평 방향으로 연장된 제2증기공급관, 및
    상기 반응조 내에 수직 방향으로 설치된 교반기의 축에 방사방향으로 설치된 제3증기공급관,
    을 포함하며,
    상기 제1증기공급관은 상기 반응조의 내벽면측에 배치되며,
    상기 제2증기공급관은 상기 반응조의 중앙 부위를 향해 연장되며,
    상기 교반기의 축은 상기 증기공급장치로부터 증기를 공급받아 상기 제3증기공급관으로 공급할 수 있도록 파이프의 형상으로 형성되며,
    상기 증기공급관의 홀들은 상방 및 하방으로 개구되어 있는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 따른 반응장치를 구비한 유기성 폐기물 처리장치.
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