KR101364491B1 - 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬러지의 처리장치에 관한 것으로서,
상기 슬러지를 농축 및 산화하고 탈수하는 슬러지감량설비(10)와; 상기 슬러지감량설비(10)의 슬러지케익을 건조 및 분쇄하여 분체연료로 제조하는 건조연료화설비(20); 상기 건조연료화설비(20)에 의해 제조된 분체연료를 연소하여 열 및 전기를 생산하는 폐열발전설비(30); 상기 건조연료화설비(20)의 건조공정에서 발생하는 악취를 분체연료와 함께 연소하여 처리하는 악취제거 및 연소설비(60); 및 상기 폐열발전설비(30)와 상기 악취제거 및 연소설비(60)의 분체연료 연소공정에서 발생하는 배가스를 처리하여 유해물질을 제거하는 배가스처리설비(40)를 포함함으로써;
상기 슬러지의 함수율이 최소화되어 처리비용이 절감되고 악취발생이 원천적으로 차단될 뿐만 아니라 상기 분체연료에 의해 전기 및 열을 생산함으로써 슬러지를 신재생에너지 원료로 재활용할 수 있도록 한 것이다.

Description

산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치{Treatment device of sludge using oxidation dewatering and dry combustion}

본 발명은 하폐수, 분뇨, 축산폐수, 음식물폐수, 산업폐수 등의 처리과정에서 발생하는 슬러지를 농축하고 농축된 슬러지를 고효율 제트반응기를 이용한 미생물 산화공정과 산, 염기, 열 등을 이용한 물리화학적 산화공정을 거쳐 고효율 탈수기에서 탈수함으로써 슬러지 케익의 함수율을 획기적으로 줄이고 함수율이 저감된 탈수케익은 건조공정과 분체연소과정에서 연료로 사용되며, 분체보일러에서 생산되는 폐열은 폐열발전기를 사용하여 전력을 생산하고 잉여배가스 및 폐열발전기 회수 열원은 슬러지 건조열원으로 사용함으로써 슬러지 케익의 발생량을 획기적으로 줄이고 발생되는 슬러지 케익을 에너지로 재이용할 수 있는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 폐수처리과정에서 발생하는 슬러지는 대부분 약품응집 후 탈수하여 함수율 80% 전후의 고함수율 슬러지 케익으로 배출되어 슬러지 건조, 탄화, 퇴비화 등의 중간처리시설의 운영에 소요되는 에너지 비용이 과다하게 소요되나 현실적으로 마땅한 기술이 없어 시설비나 운영비가 고가인 시설을 설치 및 운영하고 있는 실정이다.

종래의 슬러지 처리시설은 폐기물처리시설의 일종으로 간주되어 처리시설의 운영에 막대한 에너지가 소비될 뿐만 아니라 운영과정에서 발생하는 악취, 침출수, 분진 등 유해요인으로 인해 운영자의 근무환경을 열악하게 하고 주변 환경을 오염시킴으로써 민원발생의 요인이 되고 있다.

또한, 재생에너지로 활용 가능한 자원을 폐기물로 처리함으로써 자원의 재활용이라는 국가적 정책에도 역행하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 폐기물의 처리과정에서 발생하는 슬러지를 미생물산화조의 산화반응으로 슬러지를 감량하고 미생물산화과정에서 생성되는 미생물을 산, 염기, 열 등 의 물리화학적 산화과정을 통해 계외고분자물질 등의 탈수방해 물질을 제거함으로써 고효율 산화 탈수로 함수율을 줄여 폐기물의 처리과정에서 발생하는 슬러지 케익의 발생량을 획기적으로 줄이는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 탈수된 케익을 건조하고, 건조된 슬러지는 분체보일러에서 연소하며, 건조과정에서 발생하는 악취는 분체보일러에서 연소하여 슬러지 건조시설의 악취 발생을 최소화하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 분체 보일러에서 생산된 폐열을 폐열발전기를 이용하여 전기 및 열을 생산함으로써 건조슬러지를 신재생에너지 원료로 재활용하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 분체보일러의 배가스를 이용한 간접건조와 폐열발전기의 회수열원을 이용한 직접건조를 조합한 고효율 건조장치로 슬러지 케익을 효율적이고 안정적으로 건조하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 슬러지의 감량, 고효율 건조, 분체연료 제조, 분체연소, 악취제거, 에너지회수, 폐열발전 장치를 동일 설비내에 구성하여 폐기물처리시설의 에너지소비를 최소화하는 데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은; 슬러지를 수용하여 농축 및 산화하고 탈수하여 슬러지케익의 부피와 무게 및 함수율을 저감하는 슬러지감량설비와; 상기 슬러지감량설비에 의해 감량된 슬러지케익을 건조 및 분쇄하여 에너지원인 분체연료로 제조하는 건조연료화설비; 상기 건조연료화설비에 의해 제조된 분체연료의 연소로 얻어지는 폐열을 통해 열 및 전기를 생산하는 폐열발전설비; 상기 건조연료화설비의 건조공정에서 발생하는 악취를 분체연료와 함께 연소하여 처리하는 악취제거 및 연소설비; 및 상기 폐열발전설비와 상기 악취제거 및 연소설비의 분체연료 연소공정에서 발생하는 배가스를 처리하여 유해물질을 제거하는 배가스처리설비를 포함한다.

이상과 같이, 본 발명은 적어도 다음과 같은 효과를 포함한다.

첫째, 본 발명은 산소전달효율이 탁월한 호기성산화조에 의한 슬러지 감량과 탈수 저해물질의 제거를 위한 물리화학적 산화, 그리고 고효율 가압탈수기의 적용을 통해 탈수케익의 함수율을 최소화함으로써 슬러지의 처리과정에서 발생하는 슬러지 케익의 발생량을 극소화하여 슬러지 처리비용을 절감할 수 있다.

둘째, 본 발명은 건조과정에서 발생하는 악취를 분체보일러의 연소용 공기와 함께 투입하여 고온 연소처리함으로써 악취의 외부 누출을 방지하고 악취발생을 원천적으로 차단하여 슬러지 건조기에서 발생하는 고농도의 악취에 대한 별도의 악취방지설비를 설치하지 않아도 된다.

셋째, 본 발명은 건조슬러지를 미분화하여 분체연료를 생산하고 생산된 분체연료를 연소 및 폐열회수, 폐열발전 등의 일련의 과정을 통해 전기 및 열을 생산함으로써 슬러지를 신재생에너지 원료로 재활용하여 슬러지에너지를 확대 보급하고자 하는 국가 정책에 부응할 수 있다.

넷째, 본 발명은 슬러지의 원천 감량, 함수율 저감, 고효율 건조, 분체연소, 악취제거, 폐열발전 설비를 동일 설비 내에 구성함으로써 기존의 슬러지처리시설에 비해 시설규모를 현저히 줄일 수 있어 초기투자비가 절감되며, 처리과정에서 생산되는 건조슬러지의 연소 및 열회수, 그리고 폐열발전을 통해 열 및 전기 에너지를 생산하고 공급함으로써 처리시설의 운영비를 획기적으로 줄일 수 있는 경제적 이득이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지화장치를 전체적으로 도시한 기본공정도,
도 2는 본 발명에 따른 슬러지감량설비의 미생물산화조의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 건조연료화설비의 건조기의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 폐열발전설비의 분체연소장치의 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 폐열발전설비의 폐열발전기의 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 산화탈수와 건조기를 이용하여 건조슬러지 연료를 제조하는 공정을 도시한 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 물리화학적 산화탈수와 건조연소를 이용하여 열에너지를 회수하는 공정을 도시한 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 건조연소와 폐열발전기를 이용하여 열 및 전기에너지를 생산하는 공정을 도시한 개략도이다.

도 1 내지 8에서와 같이, 본 발명은 슬러지를 수용하여 농축 및 산화하고 탈수하여 슬러지케익의 부피와 무게 및 함수율을 저감하는 슬러지감량설비(10)와; 상기 슬러지감량설비(10)에 의해 감량된 슬러지케익을 건조 및 분쇄하여 에너지원인 분체연료로 제조하는 건조연료화설비(20); 상기 건조연료화설비(20)에 의해 제조된 분체연료의 연소로 얻어지는 폐열을 통해 열 및 전기를 생산하는 폐열발전설비(30); 상기 건조연료화설비(20)의 건조공정에서 발생하는 악취를 분체연료와 함께 연소하여 처리하는 악취제거 및 연소설비(60); 및 상기 폐열발전설비(30)와 상기 악취제거 및 연소설비(60)의 분체연료 연소공정에서 발생하는 배가스를 처리하여 유해물질을 제거하는 배가스처리설비(40)를 포함한다.

이때, 상기 슬러지감량설비(10)를 포함한 구성요소(20,30,40,60)의 연동 및 가동에 따른 일련의 작업과정을 자동제어하는 자동제어설비(50)를 더 포함한다.

이하, 상기 슬러지감량설비(10)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 슬러지감량설비(10)는, 도 1에서와 같이, 상기 슬러지의 원천감량 및 함수율을 줄여 케익의 발생량을 최소화하는 설비로서, 상기 슬러지의 농도를 미생물 산화에 요구되는 농도로 농축하는 농축기(12)와, 상기 농축기(12)에 의해 농축되는 슬러지를 공기 또는 산소와의 접촉을 통해 호기성 분해 미생물에 의해 감량하는 적어도 2조 이상의 미생물산화조(14), 상기 미생물산화조(14)에 의해 미처리된 슬러지를 약품 또는 열처리하여 탈수방해물질을 제거하는 슬러지개질조(16), 및 상기 슬러지개질조(16)에 의해 산화처리되는 슬러지의 함수율을 저감하여 케익으로 제조하는 탈수기(18)로 이루어진다.

또한, 상기 농축기(12)는 상기 슬러지저류조에서 공급되는 저농도의 슬러지를 미생물 산화에 적합한 농도로 농축하는 것으로서, 드럼농축기나 다중원판식 농축기나 벨트농축기나 원심농축기 등을 다양하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 미생물산화조(14)는, 도 2에서와 같이 상기 농축기(12)에 의해 농축된 슬러지를 공기 또는 산소와의 접촉효율을 극대화하여 호기성 분해 미생물에 의해 슬러지를 감량하는 장치로서, 산화조(14-1)와 탈기조(14-2)가 일체로 구성되며, 상기 산화조(14-1)와 탈기조(14-2)에 보조수단으로서 순환펌프(14-3)와 송풍기(14-4)와 이젝터(14-5)와 순환유도관(14-6)과 탈기장치(14-7)와 열회수장치(14-8)를 더 구비하고, 특히 상기 산화조(14-1)와 상기 탈기조(14-2)는 보온재로 감쌈이 바람직하다.

상기 미생물산화조(14)의 구조는 2상 제트노즐을 반응기 상부에 설치하고 상기 순환펌프(14-3)를 통해 순환하는 액체와 상기 송풍기(14-4)를 통해 공급되는 공기나 산소가 미세기포를 포함한 순환수 형태로 반응조 내로 분산되는 구조를 갖도록 구성함이 바람직하다.

이때, 상기 순환유도관(14-6)에 의해 순환되는 유체가 중앙 하단으로 배출된 다음, 상기 중앙 하단에 도착한 유체는 공기의 부력에 의해 반응기의 외측으로 상승함으로써 슬러지와의 접촉 효율을 극대화하고 반응조 내의 혼합효율을 극대화하는 것이다.

상기 산화조(14-1)에서 월류된 유체는 탈기조(14-2)로 유입되어 상부에 부상되는 거품은 별도의 탈기장치(14-7)를 통해 제거하고 하부의 안정화된 유체는 순환펌프(14-3)를 통해 이젝터(14-5)로 이송된다.

상기 순환펌프(14-3)는 이젝터(14-5)에 의해 미세기포로 변환되어 순환되는 기포의 부력을 극복하고 상기 산화조(14-1)의 바닥까지 혼합유체를 이송할 수 있는 유량 및 속도를 구비한 용량으로 구성한다.

상기 순환펌프(14-3)와 상기 송풍기(14-4)의 토출측에는 유량계와 조절용 밸브를 설치하여 산화조내의 온도, pH, 거품상태 등과 연동하여 순환유량 및 공기공급량을 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 산화조(14-1)를 2조 이상 배치함으로써 순차적 처리에 따른 고효율 제거 특성을 지닌 PFR반응기(plug flow reactor)와 단위 처리시설에서의 부하변동에 대응성이 높은 완전혼합형반응기(CFSTR, Continuous Flow Stirred Tank Reactor)의 장점을 동시에 발휘할 수 있도록 구성된다.

상기 산화조(14-1)의 구동과정에서 최종 반응기에서 유출되는 고온의 슬러지와 최초 반응기로 투입되는 저온슬러지를 열회수장치(14-8)에서 열교환함으로써 투입슬러지의 온도를 상승시켜 산화조에서 필요한 에너지 비용을 절감하고 산화 처리된 슬러지의 안정적 처리가 가능하다.

이때, 미설명 부호 14-9는 배출밸브이다.

또한, 상기 슬러지개질조(16)는 산, 염기, 염소, 오존, 페레이트, 열처리 등의 물리화학적 산화 처리를 통해 슬러지 중에 포함된 계외고분자 물질, 콜로이드 물질, 겔상태 물질 등 탈수방해 물질을 제거하여 탈수효율을 극대화하기 위한 설비로서, 물리화학적 산화처리를 통해 슬러지와 물의 친화력을 감소시키고 입자를 크게 함으로써 탈수시에 비저항을 감소시켜 탈수 효율을 향상시킨다.

상기 슬러지개질조(16)는 원통형, 각형, 구형 등 다양한 형태의 다단 반응조로 구성함이 바람직하고, 특히 각 반응조에는 교반장치를 설치하며 산화제에 의한 부식 문제가 발생하지 않도록 에폭시수지, 경질염화비닐, 도자기, 경질고무 등으로 방식처리하여 제작한다.

또한, 상기 탈수기(18)는 미생물 산화와 물리화학적 산화를 거쳐 개질된 슬러지를 저함수율의 케익으로 탈수하기 위한 것으로서, 스크류프레스 탈수기, 필터프레스 탈수기, 벨트프레스 탈수기, 원심탈수기 등 슬러지의 특성과 발생량에 맞는 다양한 방식의 탈수기를 적용할 수 있다.

이때, 상기 필터프레스 탈수기는 유압으로 탈수판 전체를 연결시킨 다음 유압펌프를 이용하여 탈수판의 가운데에 있는 구멍으로 슬러지가 가득 찰 때까지 유입시키고, 상기 슬러지가 가득 차면 슬러지의 공급을 중지하고 가압수에 의해 탈수판을 가압하여 슬러지에 포함된 수분의 탈수를 실시하는 탈수기를 의미하며, 특히 상기 탈수판의 가압에 의해 발생하는 탈리액은 탈수판상에 파여 있는 다수의 홈통을 통해 탈수판 밑에 있는 배출구로 빠져나가는 구조로 제작하여 슬러지 개질과 가압탈수를 통해 함수율을 극소화할 수 있도록 제작된다.

이하, 상기 건조연료화설비(20)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 건조연료화설비(20)는 도 1에서와 같이, 슬러지감량설비(10)에 의해 무게가 줄어든 슬러지를 건조하고 분체형태로 분쇄하여 연료화하는 설비로서, 상기 슬러지감량설비(10)의 슬러지케익을 수용하고 수분을 증발시켜 배출하는 건조기(22)와, 상기 건조기(22)에 의해 건조된 슬러지를 분체보일러의 연료에 적합한 크기로 분쇄하는 분체제조기(24), 및 상기 분체제조기(24)에 의해 분쇄된 연료를 임시저장하는 원료저장탱크(26)로 이루어진다.

또한, 상기 건조기(22)는 도 3에서와 같이, 탈수기(18)로부터 배출되어 유입구(22-9)로 유입되는 슬러지를 건조하는 것으로서, 단열처리된 외함(22-1) 및 상기 외함(22-1)의 내부공간에 연속적으로 배치된 건조장치(22-2)를 포함하며, 싱기 유입구(22-9)에 공급되는 케익이 상기 건조장치(22-2)의 내부공간을 따라 지그재그식으로 이송되어 건조상태로 배출된다.

상기 건조장치(22-2)들의 사이에 각각의 배가스유도판(22-6)이 장착되고, 상기 건조장치(22-2)의 단부에 파쇄장치(22-2-2)가 장착된다.

상기 건조기(22)의 외측으로는 분체연료의 연소과정에서 발생하는 연소배가스가 지나면서 열원을 간접적으로 전달하는 구조로 제작함이 바람직하고, 내측으로는 연소장치에서 회수된 열풍을 통과시켜 슬러지와 직접 접촉하여 수분을 증발시키는 구조로 제작함이 바람직하다.

상기 건조장치(22-2)에는 중심축을 따라 일정각도로 경사지는 방향으로 다수개의 이송날개(22-3)가 형성되어 슬러지의 이송과정에서 건조열풍과 슬러지의 고른 접촉과 이송이 이루어진다.

상기 건조장치(22-2)의 축과 상기 이송날개(22-3)와 상기 케이싱(22-4)은 건조슬러지와의 마찰에 의한 마모를 최소화할 수 있도록 내마모성 재질로 제작하거나 세라믹이나 티타늄 등의 재질을 코팅한다.

분체연료의 연소과정에서 발생하는 연소배가스는 연소배가스 유입구(22-5)를 통해 건조기로 투입되며, 상기 외함(22-1)의 측면에 구성된 배가스유도판(22-6)을 따라 건조장치의 외측면을 따라 지그재그로 상부로 이동하면서 건조장치 내의 슬러지에 간접적으로 온도를 전달한다.

상기 건조장치(22-2)의 열풍공기는 고온건조공기 유입구(22-7)로 주입되어 슬러지에 직접 건조열원을 공급하고 슬러지의 진행과 반대방향으로 지그재그로 이동하여 배출되며, 이때 배출된 건조배가스는 수증기와 악취를 다량 포함하고 있으므로 상기 분체보일러(32)의 분체연소장치(32-2)로 이송하여 고온상태에서 소각처리하게 된다.

상기 건조장치(22-2)는 하나의 구동장치(22-8)에 풀리와 벨트 등의 동력전달장치로 연결되어 동시에 구동되게 함으로써, 건조장치의 회전속도를 일치시켜 각 단의 슬러지 이송속도를 동일하게 유지한다.

또한, 상기 분체제조기(24)는 상기 건조기(22)에서 건조상태로 공급되는 슬러지를 분체보일러(32)에서 연료로 사용하기에 적당한 입자 크기로 분쇄하는 것으로서, 햄머밀과 핀밀 등을 단독 또는 연속적으로 설치하여 사용한다.

또한, 상기 원료저장탱크(26)는 상기 분체제조기(24)에 의해 분쇄된 연료를 일시로 저장하는 것으로서, 먼지분리기와 흡입송풍기를 배치함으로써 상기 분체제조기(24)의 가동과정에서 발생하는 먼지 등을 부압으로 포집 및 제거하며, 특히 상기 흡입송풍기에 배제된 공기에는 일부 악취성분이 포함되어 있을 수 있으므로 분체보일러(32) 연소장치의 연소공기로 공급하여 악취처리와 공기공급의 역할을 동시에 수행하도록 구성된다.

이하, 상기 폐열발전설비(30)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 폐열발전설비(30)는, 도 4 및 5에서와 같이, 분체연소장치(32-2)와 폐열회수장치(32-4)로 이루어진 분체보일러(32)에서 생산되는 고온의 열원을 이용하여 발전하는 설비로서, 300℃이하의 중저온 열원에서도 고압의 증기로 변화는 유기물(R-245fa, R-134a 등)을 작동유체로 전력 및 열을 생산하는 유기 랭킨 사이클 발전시스템을 응용한 것이며, 상기 원료저장탱크(26)에 저장되어 정량공급장치에 의해 순차적으로 일정량 공급되는 분체연료를 연소하는 분체연소장치(32-2)와 폐열회수장치(32-4), 및 상기 분체연소장치(32-2)의 연소과정에서 발생하는 고온의 열원을 이용하여 발전하는 폐열발전기(34)로 이루어진다.

또한, 상기 분체보일러(32)는, 상기 원료저장탱크(26)의 원료를 정량공급하는 스크류식 또는 진동식 정량공급장치와, 분체연료에 와류를 발생시켜 공기와의 완전혼합을 유도하고 골고루 분사시키는 분체연소장치(32-2), 및 상기 연소장치(32-2)에 의해 발생하는 고온의 열풍 및 보일러수를 열풍회수보일러와 열수회수보일러를 이용하여 회수하는 폐열회수장치(32-4)로 이루어진다.

상기 연소장치(32-2)는, 상기 정량공급장치에서 공급되는 분체연료를 분체버너(32-2-2)로 연소공기와 함께 비산 공급하고 와류를 발생시켜 완전혼합하여 연소실(32-2-4)내에서 골고루 분사되도록 구성하고, 상기 폐열회수장치(32-4)는 상기 연소실(32-2-4)의 내부에 설치되는 열풍회수보일러 및 상기 연소실(32-2-4)의 후단에 설치되는 열수회수보일러를 포함하여 구성된다.

상기 열풍회수보일러는 상기 연소실(32-2-4)과 내화물의 사이에 설치되는 열풍회수관(32-4-4) 또는 상기 연소실(32-2-4)의 이중 내화물 사이의 공간을 이용하여 고온의 열풍으로 회수하는 방식이고, 상기 열수회수보일러는 연소장치 후단에 배치한 상태에서 열수회수보일러 내의 열교환기를 통과하는 보일러수를 고온의 스팀 또는 온수로 회수하는 방식이다.

상기 연소실(32-2-4)과 상기 단열재의 사이에 공기가 이동하는 열풍회수관(32-4-4)을 배치함으로써, 상기 연소실(32-4-2)의 단열효과를 극대화하고 고온의 열풍을 회수할 수 있는 장점이 있으며, 상기 열풍회수관(32-4-4)에 의해 회수된 열풍은 슬러지 건조기(22)의 열풍으로 공급할 수도 있다.

상기 분체보일러(32)의 미설명부호 32-5는 투시창이고, 32-6은 점검홀이며, 32-7은 방폭구이고, 32-8은 재배출구이다.

또한, 상기 폐열발전기(34)는 도 5에서와 같이, 상기 분체보일러(32)에서 공급되는 스팀이나 배기열을 이용하여 발전기능을 수행하는 것으로서, 상기 분체보일러(32)의 스팀이나 배기열로부터 열을 공급받아 저온 및 저압의 액체냉매를 고온 및 고압의 기체 냉매로 변환시키는 증발장치(34-1)와, 상기 증발장치(34-1)에 의해 가열된 냉매의 열에너지를 전기에너지로 변화하는 터빈 및 발전기(34-2), 상기 터빈 및 발전기(34-2)를 지난 냉매를 냉수나 냉풍을 이용하여 온도를 내려 저온 및 저압의 액체 냉매 상태로 변환시키는 응축장치(34-3), 상기 응축장치(34-3)에 의해 냉각되는 액상의 냉매를 저장하는 응축탱크(34-4), 상기 응축장치(34-3)에 응축되어 탱크에 일시 저류된 저온 및 저압의 냉매를 증발기로 공급하는 냉매공급펌프(34-5), 및 상기 증발장치(34-1)를 포함한 구성요소(34-2, 34-3, 34-4, 34-5)의 자동운전에 따른 일련의 작업공정을 제어하는 제어시스템(34-6)으로 이루어진다.

상기 증발장치(34-1)는 상기 분체보일러의 스팀이나 배기열로부터 열을 공급받아 저온, 저압의 액체 냉매를 고온, 고압의 기체 냉매로 변환시키는 장치로서, 보일러에서 공급되어 증발장치에서 열전달되고 남은 잉여열은 다시 분체보일러(32)의 폐열회수장치(32-4)로 순환하여 에너지 손실을 최소화할 수 있도록 구성한다.

상기 터빈 및 발전기(34-2)는 가열된 고온, 고압의 기체 냉매가 터빈 내에서 등엔트로피 팽창함으로써 냉매가 가지고 있는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로 열원의 공급조건에 따라 하나 또는 다수를 배치할 수 있도록 구성한다.

상기 응축장치(34-3)는 터빈을 지난 기체냉매를 냉수나 냉풍을 이용하여 온도를 내려 저온, 저압의 액체 냉매 상태로 변환시키는 열교환기로서, 응축과정에서 회수되는 온풍이나 온수는 건조열원이나 저온열원이 필요한 공정계통으로 공급하여 재활용하고, 특히 회수열원이 필요없는 경우를 대비하여 냉각탑 등의 냉각설비를 비상용으로 구성한다.

상기 응축탱크(34-4)는 상기 응축장치(34-3)에서 냉각된 액체상태의 냉매를 냉매 공급펌프를 통해 공급하기 위한 흡입탱크로서, 원통형, 각형, 구형 등 다양한 형태로 제작될 수 있다.

상기 냉매공급펌프(34-5)는 응축기에서 응축되어 탱크에 일시 저류된 저온, 저압의 냉매를 증발기로 공급하기 위한 설비로서, 터빈 가동에 필요한 압력에 맞추어 고압의 순환펌프를 적용한다.

상기 제어시스템(34-6)은 폐열발전기의 자동운전을 위한 제어 및 운영시스템으로 폐회로 제어 시스템 방식으로서, 증발장치, 터빈 및 발전기, 응축장치, 비상용 냉각탑, 냉매공급펌프, 발전 전력의 한전계통 동기화 등 일체를 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

이하, 상기 배가스처리설비(40)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 배가스처리설비(40)는 상기 폐열발전설비(30)의 작동과정에서 발생하는 배가스를 여과하여 외부로 배출하는 것으로서, 배가스 중에 포함된 질소산화물을 포함한 대기오염물을 제거하는 반건식반응탑(42)과, 상기 반건식반응탑(42)을 경유한 대기오염물질에 포함된 먼지를 여과함은 물론 배가스의 온도를 제어하는 백필터(44), 및 상기 백필터(44)에 의해 오염물질이 여과된 배가스를 굴뚝(48)을 통해 외부로 배출하는 유인송풍기(46)로 이루어진다.

상기 반건식반응탑(42)은 배가스 중에 포함된 질소산화물을 비롯한 대기 오염물질을 제거하기 위해 사용하며 백필터의 먼지 부하를 줄이며, 급수펌프와 노즐을 이용하여 백필터로 유입되는 배가스의 온도를 제어하는 역할을 병행한다.

상기 백필터(44)는 입자상 물질의 제거를 위해 설치하며 백포의 막힘 현상에 따른 성능저하를 방지하기 위해 공기압축기를 이용하여 펄싱장치와 압축공기 헤더를 이용하여 펄싱밸브를 교차 작동하여 백포의 분진을 제거한다. 또한, 결로현상을 제거하기 위해 보온 및 전기히팅장치를 하며 원활한 배출을 위한 바이브레이터와 로타리 밸브를 장착한다.

상기 유인송풍기(46)와 굴뚝(48)은 백필터를 통해 분진 등이 여과된 배가스를 외부로 배출하는 장치로 각 공정 및 설비의 압력손실과 관내의 온도, 배관의 형태 그리고 배가스의 양 등을 감안하여 선정하며, 송풍량 제어용 댐프를 설치하고 인버터를 통하여 구동모터의 회전수를 제어하여 작동한다.

상기 굴뚝(48)은 독립연돌이며 금속판을 사용한다. 또한 대기오염물질 측정장치나 연돌의 유지보수를 위한 작업발판 및 사다리 등을 설치한다.

이하, 상기 악취제거 및 연소설비(60)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 악취제거 및 연소설비(60)는 상기 건조연료화설비(20)의 작동과정에서 발생하는 악취증기를 전처리 후 연소하여 제거하는 설비로서, 건조과정에서 발생하는 악취증기에 포함된 분진 등의 입자상 물질을 제거하는 입자분리기(62)와, 상기 입자분리기(62)를 통과한 악취증기에 포함된 수증기와 미처리 분진을 공정용수나 냉각순환수를 이용하여 제거하는 탈습탑(64), 및 상기 입자분리기(62)와 상기 탈습탑(64)를 통과한 악취를 분체연료와 함께 연소하여 처리하는 분체연소장치(32-2)로 이루어진다.

이하, 자동제어설비(50)를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 자동제어설비는 하폐수, 분뇨, 축산폐수, 음식물 폐수, 산업폐수 등의 처리과정에서 발생하는 부산물인 슬러지 케익, 음식물 쓰레기, 축산페기물 등을 감량하고 에너지화하기 위한 미도시된 전원제어 및 작동제어버튼이 각 장치의 일측에 설치되어 있으며, 상기 전원제어 및 작동제어버튼에 의해 펌프, 모터, 밸브 혹은 기타의 수단을 수위계, 온도계, 압력계, MLSS Meter, ORP Meter, 유량계, 가스분석기 등 각종 계측기와 연동하여 동작시켜 슬러지 케익의 발생량을 획기적으로 감량하고 발생슬러지를 에너지로 재이용할 수 있도록 각 설비를 자동 또는 수동으로 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

[실시 예]

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 본 발명에 따른 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치의 기본공정은 슬러지감량설비, 건조연료화설비, 악취제거 및 연소설비, 폐열발전설비, 배가스처리설비로 크게 구분할 수 있으며, 필요한 기능별로 단독 또는 조합하여 목적을 달성할 수 있도록 구성되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기본공정을 설비별로 나타낸 것이며, 미생물산화에 의한 슬러지의 원천감량과 슬러지 개질 및 탈수에 따른 슬러지 케익의 함수율 저감에 의한 슬러지 케익 발생량의 감량, 그리고 슬러지의 건조와 건조된 슬러지의 분체제조 및 연소를 통한 에너지화, 슬러지의 연소과정에서 얻어지는 폐열을 이용한 열 및 전기에너지의 생산, 연소배가스 처리를 위한 배가스처리설비, 발생 악취를 연소처리하는 악취제거설비를 모두 포함함으로써 슬러지 케익의 발생량을 획기적으로 감량하고 감량된 슬러지를 에너지화하여 열 및 전기를 생산할 수 있도록 구성되어 있다.

도 1의 기본 공정은 슬러지의 발열량이 높고 탈수 함수율이 낮아 건조슬러지의 연소를 통해 회수할 수 있는 에너지가 건조에 필요한 에너지보다 충분히 많아 잉여 열이 발생할 경우에 적용할 수 있는 공정의 실시 예이다.

도 6은 산화탈수와 건조기를 이용하여 건조슬러지 연료를 제조하는 공정을 설비별로 나타낸 것으로, 탈수케익의 함수율을 최대로 저감하여 건조에 필요한 에너지비용을 최소화하고 생산된 건조슬러지는 연료로 반출시킬 수 있도록 구성한 실시예로서, 슬러지저류조(11)에서 일시 저장된 슬러지를 다양한 형식의 농축기(12)를 통해 고농도로 농축하여 미생물산화조(14)로 투입하며, 상기 미생물산화조(14)는 자기발열고온호기성 소화의 원리를 이용하여 슬러지내에 포함된 유기물 성분을 감량한다.

미생물산화조(14)를 거친 슬러지는 슬러지개질조(16)로 투입되며 슬러지개질조는 산, 염기, 열 등의 물리화학적 산화처리를 통해 계외고분자물질(EPS) 등의 탈수방해 물질을 제거한다. 탈수방해 물질이 제거된 슬러지는 필터프레스 탈수기 등의 고효율 가압탈수기(18)를 통해 60%이하의 저함수율 케익으로 탈수하게 된다.

저함수율의 케익은 건조하기가 용이해지고 건조에 소요되는 에너지 비용이 적게 투입되므로 다단으로 설치된 저온 패들식 공기건조기를 통해 건조되어 연료로 반출된다. 건조배가스는 악취의 외부확산을 방지하기 위해 탈취기(13)를 통과시켜 악취를 제거한 후 대기로 배출한다.

또한, 건조공기는 건조기에서 배출되는 건조 배가스와 열교환하여 1차적으로 공급온도를 상승시키고 태양열, 지열 등의 신재생에너지 열원이나 소량의 연료를 사용하는 열원공급장치에서 추가 열원을 공급함으로써 건조에 필요한 에너지 비용을 최소화 할 수 있도록 구성되어 있다.

도 6의 공정은 건조슬러지의 연소를 통한 에너지 회수가 어려운 경우 미생물 산화와 물리화학적 산화를 이용한 고효율 탈수를 통해 함수율을 최대한 낮춤으로써 건조에 소요되는 에너지비용을 최소화하여 태양열 등의 신재생에너지나 미활용 저온 열원 등을 활용하여 슬러지를 건조 처리할 수 있는 공정의 실시 예이다.

한편, 도 7은 물리화학적 산화 탈수와 건조연소를 이용하여 열에너지를 회수하는 공정을 설비별로 나타낸 것으로 건조슬러지의 열량을 최대한 유지하면서 건조슬러지의 연소열을 건조에 필요한 열에너지로 공급할 수 있도록 구성한 실시예로서, 상기 슬러지저류조(11)에서는 처리시설에서 발생하는 슬러지와 탈수기에서 반송되는 탈리액이 혼합 저류되며 탈리여액에는 슬러지 개질과정에서 투입된 약품 중 미 반응된 약품이 잔류하게 되는데 이 잔류 약품이 슬러지저류조(11)에서 처리시설 발생슬러지와 사전 반응하게 되어 슬러지 개질과정에 소요되는 약품비용을 절감할 수 있다.

상기 슬러지저류조(11)에서 일시 저장된 슬러지를 다양한 형식의 농축기를 통해 고농도로 농축하여 슬러지개질조(16)로 투입되며, 상기 슬러지개질조(16)는 산, 염기, 열 등의 물리화학적 산화처리를 통해 계외고분자물질(EPS) 등의 탈수방해 물질을 제거한 후 필터프레스 탈수기 등의 고효율 가압 탈수기를 통해 저함수율의 케익으로 탈수하게 된다.

저함수율의 케익은 다단으로 배치된 패들식 공기건조기를 이용하여 건조하고 분체제조기에서 분체연료에 적합한 크기로 분쇄된 후, 정량공급장치를 통해 분체버너로 공급되어 연소실 내에서 연소처리 한다.

연소실의 열풍회수관이나 이중단열 벽 사이에서 생산되는 열풍과 연소장치에서 배출되는 연소배가스는 건조기(22)로 공급되어 건조열원으로 사용된다. 건조과정에서 발생하는 악취증기는 탈습탑(29)을 거치면서 보유하고 있는 다량의 수분을 배출된 후 분체보일러(32)로 공급되어 분체의 고온 연소과정에서 악취를 열분해 처리할 때 필요한 에너지 비용을 최소화한다. 상기 건조기(22)를 통과하면서 온도가 낮아진 연소 배가스는 반건식 반응탑, 백필터, 유인송풍기, 굴뚝으로 구성된 배가스처리설비를 통해 대기로 방출된다.

도 7의 공정은 건조에 필요한 열량이 건조슬러지의 연소열량보다 같거나 많을 경우, 슬러지의 발열량 저하를 최소화하여 건조슬러지의 연소 열량을 최대한 확보하고 연소에 의한 열에너지를 건조에 필요한 열량으로 공급할 수 있는 공정의 실시 예이다.

도 8은 본 발명에 따른 건조연소와 폐열발전을 이용하여 열 및 전기에너지를 생산하는 공정을 설비별로 나타낸 것으로 퇴비화시설, 슬러지 건조시설, 슬러지 탈수시설 등에서 배출되는 함수율이 극히 낮은 슬러지가 처리시설로 반입될 경우, 반입된 슬러지는 슬러지 저장조에서 일시 저장된 후 스크류콘베이어, 벨트콘베이어, 링크식콘베이어, 플라이트콘베이어 등 다양한 이송장치를 통해 일정량씩 건조기로 투입된다.

건조기(22)로 투입된 슬러지는 다단으로 배치된 패들식 공기건조기를 이용하여 건조하고 분체제조기에서 분체연료에 적합한 크기로 분쇄된 후, 정량공급장치를 통해 분체버너로 공급되어 연소실 내에서 연소처리 한다. 연소실의 이중단열 벽 사이에서 생산되는 열풍이나 후단의 스팀열교환기에서 생산되는 스팀은 폐열발전기(34)로 공급되어 발전용 열원으로 공급된다.

폐열발전기(34)는 증발장치, 터빈 및 발전기, 응축장치, 응축냉매 탱크, 냉매 공급펌프, 제어시스템으로 구성되어 발전기에서 전기에너지를 생산하고 응축장치에서 온수나 온풍을 생산하게 된다.

응축장치(34-3)에서 생산되는 온풍과 연소장치에서 배출되는 연소배가스는 건조기로 공급되어 건조열원으로 사용된다. 건조기를 통과하면서 온도가 낮아진 연소 배가스는 반건식 반응탑, 백필터, 유인송풍기, 굴뚝으로 구성된 배가스처리설비를 통해 대기로 방출된다.

도 8의 공정은 퇴비화 시설, 슬러지 건조시설, 슬러지 탈수시설 등에서 배출되는 함수율이 극히 낮은 슬러지를 건조하고 연소하여 열 및 전기에너지를 생산할 수 있도록 하여 에너지이용 효율을 극대화할 수 있도록 구성되는 것이 특징이다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 여기에 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 발명의 특허청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 슬러지감량설비 12 : 농축기
14 : 미생물산화조 16 : 슬러지개질조
18 : 탈수기 20 : 건조연료화설비
22 : 건조기 24 : 분체제조기
26 : 원료저장탱크 30 : 폐열발전설비
32 : 분체보일러 34 : 폐열발전기
40 : 배가스처리설비 42 : 반건식반응탑
44 : 백필터 46 : 유인송풍기
48 : 굴뚝 50 : 자동제어설비
60 : 악취제거 및 연소설비 62 : 입자분리기
64 : 탈습탑

Claims (8)

1. 슬러지를 수용하여 농축 및 산화하고 탈수하여 슬러지케익의 부피와 무게 및 함수율을 저감하는 슬러지감량설비(10)와,
   상기 슬러지감량설비(10)에 의해 감량된 슬러지케익을 건조 및 분쇄하여 에너지원인 분체연료로 제조하는 건조연료화설비(20),
   상기 건조연료화설비(20)에 의해 제조된 분체연료의 연소로 얻어지는 폐열을 통해 열 및 전기를 생산하는 폐열발전설비(30),
   상기 건조연료화설비(20)의 건조공정에서 발생하는 악취를 분체연료와 함께 연소하여 처리하는 악취제거 및 연소설비(60), 및
   상기 폐열발전설비(30)와 악취제거 및 연소설비(60)의 분체연료 연소공정에서 발생하는 배가스를 처리하여 유해물질을 제거하는 배가스처리설비(40),
   를 포함하며,
   상기 슬러지감량설비(10)는,
   상기 슬러지의 농도를 미생물 산화에 요구되는 농도로 농축하는 농축기(12)와, 상기 농축기(12)에 의해 농축되는 슬러지를 공기 또는 산소와의 접촉을 통해 호기성 분해 미생물에 의해 감량하는 적어도 2조 이상의 미생물산화조(14), 상기 미생물산화조(14)에 의해 미처리된 슬러지를 약품 또는 열처리하여 탈수방해물질을 제거하는 슬러지개질조(16), 및 상기 슬러지개질조(16)에 의해 산화처리되는 슬러지의 함수율을 저감하여 케익으로 제조하는 탈수기(18),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 건조연료화설비(20)는,
   상기 슬러지감량설비(10)의 슬러지케익을 수용하고 열풍을 이용하여 수분을 증발시켜 배출하는 건조기(22)와, 상기 건조기(22)에 의해 건조된 슬러지를 분체보일러의 연료로 사용하기에 적합한 크기로 분쇄하는 분체제조기(24), 및 상기 분체제조기(24)에 의해 분쇄된 연료를 저장하는 원료저장탱크(26),
   로 이루어진 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 폐열발전설비(30)는,
   상기 건조연료화설비(20)의 원료저장탱크(26)에 저장되어 정량공급장치에 의해 일정량 공급되는 분체연료를 연소하는 분체보일러(32), 및
   상기 분체보일러(32)에 의해 발생하는 고온의 열원을 이용하여 발전하는 폐열발전기(34),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 분체보일러(32)는,
   상기 정량공급장치에서 공급되는 분체연료를 연소공기와 함께 비산 공급하고 와류를 발생시켜 공기와 완전혼합하는 연소장치(32-2), 및
   상기 연소장치(32-2)에 의해 발생하는 고온의 열풍과 보일러수를 열풍회수보일러와 열수회수보일러로 회수하는 폐열회수장치(32-4),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
6. 제 4항에 있어서, 상기 폐열발전기(34)는,
   상기 분체보일러(32)의 스팀이나 배기열로부터 열을 공급받아 저온 및 저압의 냉매를 고온 및 고압의 기체 냉매로 변환시키는 증발장치(34-1)와,
   상기 증발장치(34-1)에 의해 가열된 냉매의 열에너지를 전기에너지로 변화하는 터빈 및 발전기(34-2),
   상기 터빈 및 발전기(34-2)를 지난 냉매를 냉수나 냉풍을 이용하여 온도를 내려 저온 및 저압의 액체 냉매 상태로 변환시키는 응축장치(34-3),
   상기 응축장치(34-3)에 의해 냉각되는 액상의 냉매를 저장하는 응축냉매 탱크(34-4), 및
   상기 응축장치(34-3)에 응축되어 탱크에 일시 저류된 저온 및 저압의 냉매를 증발기로 공급하는 냉매순환 펌프(34-5),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 배가스처리설비(40)는,
   상기 건조연료화설비(20)의 작동과정에서 발생하는 배가스 중에 포함된 질소산화물을 포함한 대기오염물을 제거하는 반건식반응탑(42)과,
   상기 반건식반응탑(42)을 경유한 대기오염물질에 포함된 먼지를 여과함은 물론 배가스의 온도를 제어하는 백필터(44), 및
   상기 백필터(44)에 의해 오염물질이 여과된 배가스를 굴뚝(48)을 통해 외부로 배출하는 유인송풍기(46),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 악취제거 및 연소설비(60)는,
   상기 건조연료화설비(20)의 작동과정에서 발생하는 악취증기에 포함된 입자상물질을 제거하는 입자분리기(62 )와,
   상기 입자분리기(62)를 경유한 악취증기에 포함된 수분과 미처리된 분진을 제거하는 탈습탑(64), 및
   상기 탈습탑(64)에 의해 수분이 감소된 악취를 분체연료화 함께 연소하여 처리하여 악취를 제거하는 분체연소장치(32-2),
   로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화탈수와 건조연소를 이용한 슬러지 에너지화 장치.
   

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