KR101391523B1 - 에너지소비가 적은 열전도 가열식 건조기와 그 운전방법 - Google Patents

에너지소비가 적은 열전도 가열식 건조기와 그 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러지의 건조에 관한 기술이다.
해결하려는 과제는 에너지소비가 적고 크기가 작고 악취발생이 없는 건조기를 제공하는 것이다.
히트펌프를 사용하는 슬러지 건조기에 있어서, 히트 펌프의 열로 증기보일러에서 증기를 발생하고 이 증기를 이용하여 열전도가열식 건조기에서 슬러지를 건조하고 증기보일러를 통과한 냉매의 잔여열에너지를 이용하여 슬러지를 예열하게 하였다.
본 발명은 건조에 필요한 에너지 소비가 적고 크기가 작으며 악취발생이 없고, 온실가스 배출량이 감소하여 친환경적이고 경제적인 효과가 있다.

Description

에너지소비가 적은 열전도 가열식 건조기와 그 운전방법{Low energy consumption heat conduction heating type dryer and operation method thereof}
본 발명은 슬러지 등 습윤한 물체를 건조하는 건조기에 관한 기술이다.
하수처리장이나 폐수처리장에서 오염물질을 정화할 때 반드시 슬러지(sludge)가 발생한다.
슬러지는 유기물을 다량 포함하고 있기 때문에 그대로 버리면 환경을 심하게 오염시킨다.
우리나라는 2012년부터 공공기관에서 발생하는 슬러지의 해양투기가 금지되고, 민간부분의 슬러지도 2014년부터 해양투기가 금지된다.
슬러지의 수분을 일부 제거하여 땅속에 매립을 하는 경우도 있지만, 매립장 확보도 어렵고, 슬러지가 가지고 있는 유효한 열에너지(3,500kcal/kg)를 버리는 것이므로 바람직하지 않다.
전 세계적으로 에너지 자원이 고갈되어 감에 따라, 국가의 정책적으로 슬러지를 에너지자원으로 재활용하는 추세이다.
그러나 슬러지의 함수율이 통상 65~85%로 높아서, 연료로 사용하는데 필요한 함수율인 10%까지 낮추기 위해서는 슬러지를 건조해야 한다.
슬러지 건조시 상온 상태의 슬러지 중의 수분 1kg을 증발시켜서 건조하는데 약 625kcal의 열량이 필요하다.
종래에는 전기에너지나 경유와 같은 연료를 연소할 때 발생하는 열로 슬러지를 건조하였으나, 연료가격의 급격한 상승으로 건조비용이 너무 비싸져서 경제적 부담이 증가하였고, 건조 후의 배기가스의 분진, 악취 등 오염물질의 처리가 매우 어려웠다.
본 발명자의 선등록특허 제 10-1177671호 에너지소비가 적은 건조기(2012.08.21일)와 같이 COP(성적계수; coefficient of performance)가 큰 히트펌프와 통기 컨베이어를 조합한 건조기는 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있고 악취발생도 없는 등 성능이 매우 우수한 것이나, 건조기의 부피가 커서 설치할 건물을 크게 지어야 하고, 기존의 시설을 건축물의 개조 없이 교체하거나 개량하는데 제한이 있는 등의 단점이 있었다.
본 발명은 히트펌프와 열전도가열식 건조기를 포함한 에너지 소비가 적고, 크기도 작고 악취발생이 없는 건조기와 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성한 히트펌프를 이용하는 건조기에 있어서,
히트펌프의 고온의 열을 발생하는 응축기(20)를 내장하여, 히트 펌프에서 발생한 열로 물을 증발시켜 증기를 발생하는 증기 보일러(400);
상기 증기 보일러에 내장된 응축기(20)를 통과한 냉매가 가진 잔여 열을 이용하여, 건조해야 할 슬러지를 예열하는 슬러지 예열기 60);
상기 증기 보일러(400)에서 공급한 증기의 열을 전달하는 전도 가열 부에서
슬러지를 가열하여 슬러지 중의 수분을 증발시키고, 하부에서 공급하는 공기로 증발된 수증기를 흡수하여 외부로 배출하면서 슬러지를 건조하는 열전도가열식 건조기(300);
상기 열전도 가열식 건조기에, 압송된 슬러지의 압력을 이용하여, 펠릿 또는 과립형태로 슬러지를 성형하여 공급하는 성형공급기(200);
상기 열전도 가열식 건조기에 증기를 공급하는 증기관(410);
상기 열전도 가열식 건조기에서 발생한 응축수를 상기 증기보일러로 이송하는 응축수 관(420)과 응축수 펌프(430);
상기 열전도 가열식 건조기에서 발생한 습윤한 고온의 공기를 잉여 열 제거기(600)로 이송하는 고온공기순환 관(500);
냉각수와 열교환기를 이용하여 고온공기에서 잉여 열에너지를 제거하고 일부 응축수를 배수하는 잉여 열 제거기(600);
히트 펌프의 증발기(40)를 내장하여, 상기 잉여 열 제거기를 통과한 공기와 접촉시켜서 열교환을 하여, 냉매는 열 에너지를 흡수하고, 공기는 냉각시키고 응축수를 배수하는 공기 냉각기(700);및
상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기를 상기 열전도 가열식 건조기로 이송하는 저온공기순환 관(550)과 순환 팬(510)으로 폐쇄회로를 구성한 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 열전도 가열식 건조기와 ,
증기 보일러 내에 설치된 응축기로 공급하는 냉매의 액화 온도를 물의 비등점보다 높게 설정하고, 냉매의 현열과 잠열을 이용하여 물을 가열하여 증기를 발생하고, 증기 보일러를 통과한 고온의 냉매는 슬러지 예열기로 보내서, 열교환을 하여 냉매의 온도는 저온으로 낮추고 슬러지는 고온으로 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 열전도 가열식 건조기의 운전방법을 제공한다.
본 발명은 에너지 소비가 적고, 크기가 작으며, 악취발생이 없고 온실가스 발생량이 감소하므로 친환경적이고 경제적인 효과가 있다.
제1도는 본 발명의 실시 예를 나타낸 구성도.
제2도는 슬러지 예열기의 실시 예를 나타낸 구성도.
제3도는 열전도가열식 건조기를 입형 다단 건조기로 구성한 실시 예.
제4도는 열전도가열식 건조기를 스크류식 건조기로 구성한 실시 예.
제5도는 본 발명의 각 단계별 운전상태를 나타낸 실시 예.
압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브로 구성한 히트펌프를 이용한 건조기에 있어서,
압축기(10)에서 냉매를 압축하여 고온고압의 상태로 만들어서 증기 보일러 (400)에 내장한 응축기(20)로 압송한다.
상기 히트펌프에 사용하는 냉매는 임계온도가 133℃인 R-717 냉매 (암모니아)또는 동일 성능을 내는 다른 냉매나 혼합냉매를 사용할 수 있다.
상기 응축기는 증기보일러 내의 물과 열교환을 해서, 물을 증발시켜 증기를 발생하고, 냉매는 120~130℃의 고온가스 상태에서 열에너지를 방출함에 따라 액화하고 액화할 때 다량의 잠열을 방출하여서 물이 증기로 변하는데 필요한 증발 잠열을 공급한다.
일반적으로 히트펌프를 사용하여, 응축수를 재가열하여 증기를 발생하는 것은 불가능한 것이지만, 본 발명에서는 히트펌프에 임계온도가 물의 비등온도보다 훨씬 높은 냉매를 사용하고, 운전압력을 조절하여 냉매가 물의 비등온도인 100℃ㅂ보다 높은 120~130℃에서 액화하게 하여, 냉매의 현열과 잠열을 이용하여 물을 가열하여 증기를 발생하게 하고, 증기 보일러를 통과한 냉매는 액화상태가 되게 하였다.
증기보일러를 통과한 고온의 액화된 냉매를 직접 팽창밸브를 통하여 증발기로 보낼 경우 증발기 내 냉매온도가 높아서 외부로부터 열에너지를 흡수하지 못하거나 열에너지 흡수량이 대폭 감소하여 히트펌프가 정상적으로 작동하지 못한다.
본 발명은 액화한 고온의 냉매를 슬러지 예열기(60)로 보내서 저온의 슬러지와 열교환을 시켜서, 슬러지는 고온으로 가열하고, 냉매의 온도는 낮추는 방법을 사용하여, 증발기에서 열 에너지를 충분히 흡수할 수 있도록 하여, 히트 펌프가 정상적으로 작동할 수 있게 하였다.
액화된 냉매의 온도는 105~110℃에서 슬러지 압송 관(100)의 중간에 설치된 슬러지 예열기(60)로 이송되어, 슬러지 예열기 내의 저온 상태의 슬러지와 열 교환을 하여 슬러지를 90℃이상으로 가열하고, 냉매는 45℃로 온도가 저하된 상태에서 팽창밸브를 통과하면서 압력이 강하한 상태로 공기 냉각기(700)의 내부에 설치된 증발기(40)로 분사되면서 온도가 저하하고, 잉여 열 제거기(600)를 통과한 고온의 공기와 증발기가 접촉하면서 열교환을 하여 고온의 공기는 냉각되고, 냉매는 열에너지를 흡수하여 온도가 상승한 상태로 상기 압축기(10)로 이송되고, 상기와 같은 상태를 반복하면서 운전된다.
공기 냉각기에서 고온의 공기에 포함되었던 수증기는 냉각된 온도의 포화증기 상태로 응축되면서 응축수가 발생하고, 이 응축수는 응축수 배수 관 2(710)를 통하여 외부로 배수된다.
한편 상기 증기보일러(400)에서 발생한 고온의 증기는 105~110℃의 온도로 증기관(410)을 통하여 열전도 가열식 건조기(300)로 이송되어 건조기를 가열한다.
증기는 증발 잠열을 다 방출할 때까지는 일정한 온도를 유지하기 때문에 건조기 각부의 온도는 거의 일정하게 유지되고, 증기가 발생하는 다량의 잠열로 인하여 슬러지 중의 수분이 100℃로 가열되어 대기압상태에서 증발이 일어나면서 슬러지가 건조된다.
열전도가열식 건조기(300)에서 열을 방출한 증기는 응축수가 되어 응축수관(420)과 응축수 펌프(430)를 통하여 상기 증기 보일러(400)로 회수되어 재가열되며, 이런 과정을 반복한다.
슬러지는 성형공급기에서 펠릿 또는 과립형상으로 성형이 되어서 건조가 쉽게 일어나도록 하고, 건조된 슬러지는 슬러지 배출구(310)를 통하여 외부로 이송된다.
슬러지가 건조되면서 발생한 수증기는 상기 공기 냉각기에서 냉각된 저온의 공기가 순환 팬(510)의 작용으로 열전도 가열식 건조기의 하부로부터 공급되면서 수증기를 흡수하여 고온 상태의 습한 공기로 된 상태로 고온공기순환 관(500)으로 이송되면서 열전도가열식 건조기(300)의 외부로 이송되고, 상기 고온 공기는 잉여 열 제거기(600)에서 냉각수(도시하지 않음)와 열교환을 하여 냉각되면서 1/COP에 해당하는 잉여 열에너지를 제거하고, 공기 냉각기(700)로 이송되는 것을 반복한다. 상기 열전도 가열식 건조기(300)는 여러 가지 형태로 실시할 수 있으며, 일 실시 예로서 제3도의 입형 다단건조기가 있다.
슬러지 예열기(60)에서 가열된 슬러지는 슬러지 압송관(100)을 통하여 성형 공급기에서 펠릿 또는 과립형으로 성형 된 다음 맨 위쪽의 가열건조 상(330)의 위로 공급된다.
공급된 슬러지는 입형 다단 건조기의 중앙에 수직으로 설치되어, 구동장치(350)에 의하여 회전하는 회전축(320)에 방사상으로 여러 개가 부착된 스크레이퍼의 작용으로 가열건조 상 의 위를 저속으로 이송하면서, 열전도에 의하여 가열되면서 수분이 증발하여 건조가 진행된다.
가열건조 상( 330)은 하나는 지름이 크게 다음 하나는 지름이 작게 만들어서 한번은 중앙의 홈을 통하여 안쪽에서 다음의 가열건조 상으로 슬러지가 이송되고 한번은 지름이 작은 가열건조 상의 외부에서 아랫단의 가열건조 상으로 슬러지가 순차적으로 이송되도록 하거나 또는 지름은 같게 하고 각각의 가열건조 상마다 지름 방향으로 홈을 형성하여 이 홈을 통하여 아래쪽 가열건조 상으로 슬러지가 순차적으로 이송되게 한다.
가열건조 상의 숫자는 건조될 슬러지의 양에 따라 정하되 적게는 5단에서 많게는 10단 이상 설치할 수 있다.
가열건조 상(320)의 하부에는 증기가열 부를 설치하여 증기의 열에너지를 열전도로 슬러지에 전달할 수 있도록 한다.
증기 가열 부의 한쪽에는 증기관(410)을 연결하고 다른 쪽에는 응축수관(420)을 연결하여 증기의 공급과 응축수의 배출이 용이하도록 한다.
건조가 완료된 슬러지는 하부에 설치한 슬러지 배출구(310)를 통하여 외부로 이송된다.
슬러지가 건조되면서 발생한 수증기는, 저온공기에 흡수되어 고온공기순환 관(500)을 통하여 외부로 이송되고 그 다음 냉각하는 것은 이미 상기에서 설명한 바와 같다.
증기와 슬러지 간의 열전도에 의한 열전달 량은 매우 크고 입형 다단 건조 기에서 건조 상은 여러 개를 설치할 수 있기 때문에 슬러지 건조기의 크기를 아주 작게 할 수 있다.
또한 상기에서 설명한 바와 같이 슬러지 건조시 발생한 고온 공기와 수증기는 폐쇄된 장치 내에서 냉각된 다음 응축수만 배출하고 다시 재순환하면서 건조를 계속하기 때문에 악취의 발생이 없다.
제4도는 열전도 가열식 건조기의 일 실시 예로서 스크류식 열전도 가열식 건조기를 예시한 것이다.
스크류식 열전도가열식 건조기에 있어서, 외부의 건조기 본체와 중공 스크류 축에 증기를 공급하여 가열하고, 열에너지를 방출한 증기는 응축하여 물이 되므로 응축수를 회수하여 증기보일러에서 재가열한다.
건조기 본체와 중공 스크류의 표면적은 열전달 량에 적합한 크기로 정한다.
슬러지는 건조기 본체와 중공 스크류의 표면으로부터 전도된 열에 의하여 온도가 상승하고 슬러지 내의 수분이 증발하면서 건조가 진행된다.
슬러지는 중공 스크류의 작용으로 입구 쪽에서 출구 쪽으로 서서히 이동하면서 건조된다.
스크류식 열전도 가열식 건조기의 상부는 덮개로 덮고(도시하지 않음), 제3도의 실시 예와 같이 건조시 발생한 수증기는 저온으로 냉각된 공기를 통과시키면서 흡수한 다음 외부로 이송하여 냉각시키고 다시 재순환시키면서 건조를 진행한다.
제5도는 상기에서 설명한 열전도식 건조기의 실시 예에서 각 단계에서의 바람직한 운전온도를 표시한 것이며, 각 단계의 바람직한 운전온도는 여기에 표시한 값으로 제한하는 것은 아니다.
열에너지의 이용효율은 히트펌프의 COP 값과 열전도 가열식 건조기에서 발생한 증기의 상대습도로부터 구할 수 있다.
상기의 실시 예에서, 열전도 가열식 건조기에서 발생한 고온공기의 온도가 100℃, 상대습도가 85%이고, 열전도 가열식 건조기로 유입되는 저온공기의 온도가 40℃라면, 열전도 가열식 건조기의 열에너지 이용효율은 93.4%가 되고, 여기에 히트펌프의 COP 값을 5라고 하면, 전체적인 열 에너지 효율은 93.4×5=467%가 된다.
따라서 전기나 화석연료에서 발생하는 열 에너지를 직접이용하여 건조하는 경우에 비하여, 외부에서 공급하는 에너지 소비량이 21%로 대폭 감소하여, 에너지 절감효과가 매우 크고 온실가스의 배출도 감소한다.
10 압축기 20 응축기 30 팽창밸브 40 증발기
50 냉매배관 60 슬러지 예열기
100 슬러지 압송관
200 성형공급기
300 열전도가열식 건조기 310 슬러지 배출구
400 증기 보일러 410 증기관 420 응축수관 430 응축수 펌프
500 고온공기순환 관 510 순환 팬 550 저온공기순환 관
600 잉여 열 제거기 610 응축수 배수 관 1
700 공기 냉각기 710 응축수 배수 관 2

Claims (4)

  1. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성한 히트펌프를 이용하는 건조기에 있어서,
    히트펌프의 고온의 열을 발생하는 응축기(20)를 내장하여, 히트 펌프에서 발생한 열로 물을 증발시켜 증기를 발생하는 증기 보일러(400);
    상기 증기 보일러에 내장된 응축기(20)를 통과한 냉매가 가진 잔여 열을 이용하여, 건조해야 할 슬러지를 예열하는 슬러지 예열기 60);
    상기 증기 보일러(400)에서 공급한 증기의 열을 전달하는 전도 가열 부에서
    슬러지를 가열하여 슬러지 중의 수분을 증발시키고, 하부에서 공급하는 공기로 증발된 수증기를 흡수하여 외부로 배출하면서 슬러지를 건조하는 열전도가열식 건조기(300);
    상기 열전도 가열식 건조기에, 압송된 슬러지의 압력을 이용하여, 펠릿 또는 과립형태로 슬러지를 성형하여 공급하는 성형공급기(200);
    상기 열전도 가열식 건조기에 증기를 공급하는 증기관(410);
    상기 열전도 가열식 건조기에서 발생한 응축수를 상기 증기보일러로 이송하는 응축수 관(420)과 응축수 펌프(430);
    상기 열전도 가열식 건조기에서 발생한 습윤한 고온의 공기를 잉여 열 제거기(600)로 이송하는 고온공기순환 관(500);
    냉각수와 열교환기를 이용하여 고온공기에서 잉여 열에너지를 제거하고 일부 응축수를 배수하는 잉여 열 제거기(600);
    히트 펌프의 증발기(40)를 내장하여, 상기 잉여 열 제거기를 통과한 공기와 접촉시켜서 열교환을 하여, 냉매는 열 에너지를 흡수하고, 공기는 냉각시키고 응축수를 배수하는 공기 냉각기(700);및
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기를 상기 열전도 가열식 건조기로 이송하는 저온공기순환 관(550)과 순환 팬(510)을 포함한 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 열전도 가열식 건조기.
  2. 제1항에 있어서, 열전도 가열식 건조기는 입형 다단 건조기로 한 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 열전도 가열식 건조기.
  3. 제1항에 있어서, 열전도 가열식 건조기는 중공 스크류식 건조기로 한 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 열전도 가열식 건조기.
  4. 증기 보일러(400) 내에 설치된 응축기로 공급되는 냉매의 액화 온도를 물의 비등점보다 높게 설정하여, 냉매의 현열과 잠열을 이용하여 물을 가열하여 증기를 발생하고, 증기 보일러를 통과한 고온의 냉매는 슬러지 예열기로 보내서 열교환을 하여 냉매의 온도는 낮추고 슬러지는 고온으로 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지소비가 적은 열전도 가열식 건조기의 운전방법.
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