KR101555491B1 - 자발적 가연성에 의해 필수적으로 가열된 폐수의 습식산화방법, 및 이에 상응하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수내의 유기물 부분이 광물화되고, 암모니아 및 전체 질소가 산화되도록 적어도 하나의 산화제의 존재하에서, 상기 약 20℃ 내지 350℃ 범위의 온도에서 약 1bar 내지 약 160bar 범위의 압력으로 상기 폐수를 산화시키며, 상기 산화는 상분리 반응기내에서 수행되고, 여기서 가스상이 폐수에 의해 구성되는 상기 액상 상부에 배치되고, 적어도 하나의 폐수 가열 단계를 포함하는 폐수의 수상 산화를 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 상기 가열 단계가 필수적으로 상기 반응기내에서 유기물을 산화하는 반응열에 의해 수행되며, 상기 가열단계는 상기 폐수의 농축단계에 우선하는 것을 특징으로 한다.

폐수정화, 폐수 산화, 슬러지, 탈수, 농축

Description

자발적 가연성에 의해 필수적으로 가열된 폐수의 습식산화방법, 및 이에 상응하는 장치{METHOD FOR WET OXIDATION OF EFFLUENTS HEATED ESSENTIALLY BY SELF- COMBUSTIBILITY, AND CORRESPONDING INSTALLATION}

본 발명의 분야는 고형입자, 보다 상세하게는, 정화장(purification station)으로부터 나오는 슬러지 대부분을 포함한 산업 또는 생활 폐수의 처리에 대한 것이다.

보다 일반적으로, 본 발명은 유기물 및/또는 서스펜션(suspension)상 물질을 대부분 포함하는 폐수(effluents)의 처리에 적용한다.

문제의 처리는 자연수신환경(natural receiving environment), 정화장 또는 시스템으로 배출할 목적으로 처리되는 폐수로부터 함유된 바람직하지 않은 화합물의 상당 부분을 제거하는데 있다. 문제의 폐수는 수분뿐만 아니라, 본 발명이 적용될 수 있는 어떠한 다른 산업 유체가 필수적으로 존재할 수 있다.

전형적으로, 본 처리는 정화장에서 이행되고, 정화장으로 유입되는 폐수를 정화하는 공정으로부터 슬러지를 처리하기 위한 목적이다. 상기 처리는 슬러지를 서스펜션으로 전환시키고, 이의 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand; COD)이 상당히 감소된다. 고도로 광물화된 상기 서스펜션의 고체상이 배출될 수 있고, 이러한 경우가 일어난다면, 상기 서스펜션의 수상(aqueous phase)은 정화장의 앞쪽에서 회수될 수 있다.

생활 또는 산업 폐수를 처리하기 위해 사용되는 정화 방법은 이들을 축적하는 동안, 이들의 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand; BOD)을 감소할 목적으로 생물학적 공정을 포함하고, 자연현상을 재현한다. 그러나, 특정 폐수는 자연분해가 어렵고, 특수한 방법의 사용이 요구되며/요구되거나 화학적 기재(substrates)의 관여가 빈번히 요구되는 오염물질을 지닌다.

이러한 유형의 적용처에 적용되는 효율적인 처리 중 하나는 영국의 WAO(Wet Air Oxidation), 또는 (Hydrothermal Oxidation)의 습식 환경(습식법에 의한 산화 또는 열수(hydrothermal) 산화)에서의 산화이다.

습식 환경에서의 산화는 종래 기술, 특히, 미국 특허 US 4,721,575 및 4,272,383과 아울러 예를 들어, 프랑스 특허 FR 2,334,635에 매우 잘 기술되어 있는 기술이다. 상기 기술은 거의 또는 전혀 생분해되지 않는 고농도의 유기물을 지닌 용액에 함유된 유기물의 산화를 통해 성취되는 것이 목적이다. 산업 폐수 처리의 환경에 기본적으로 사용되어왔고, 액상태로 용액이 유지되는 동안 고온의 상기 용액과 접촉하도록 산화 가스를 제공하는 것으로 이루어진다. 상기 목적을 위해, 이러한 방법을 수행하기 위하 조건은 통상적으로 압력은 약 5 내지 약 160bar, 온도는 약 100℃ 내지 약 350℃로 한다. 사용된 산화성 가스는 특히 공기, 산소가 강화된 공기 또는 산소분자일 수 있다.

특히, 정화 방법에 있어서, 활성화 슬러지 및 물리-화학적(physico- chemical) 침전 방법에 의한 다른 처리들이 존재한다. 이러한 처리들은 일반적으로 불용성 광물성분 및 비분해성 유기물로 필수적으로 구성되는 잔류 슬러지의 생성을 일으킨다.

프랑스에서, 정화장에 의해 생성되는 슬러지의 양은 연간 건조물로 100만 톤이다. 상기 슬러지의 약 절반은 농업에 재활용되는 한편, 35%는 폐수로 저장된다.

정화수가 반드시 부합해야 하는 새로운 기준의 수립에 따라, 정화 슬러지의 생성은 더욱 중요해지고 있다. 동시에, 이들의 저장, 농업적 재활용 또는 분해를 조직화하는 제어 설비(regulatory provisions)는 이러한 슬러지가 이의 특성으로 인한 환경 및 건강에 대한 주어진 결점을 책임져야 하는 사실 때문에 더욱 더 제한적이다.

슬러지의 문제를 해결할 목적으로, 처리의 개선은 일군의 해결책을 제공하는 본 발명에 대한 기술적 도전이다. 상기 처리는 또한 특정한 경우에 배출 또는 재사용 기준에 직접적으로 부합하게 할 수 있다.

통상적으로, 이는 본질적으로 폐수 처리 공정의 슬러지를 별도로, 독립적으로 처리하도록 시도되어 왔다. 이러한 처리는 특히 라이밍(liming), 소각(incineration), 혼합(composting)에 의한 호기성 안정화(stabilisation), 혐기성 소화(anaerobic digestion), 분해, 안정화로 구성될 수 있다.

생성된 초과 슬러지의 이러한 처리와 동시에, 공급원의 감소(reduction) 처리가 나타나기 시작한다.

이러한 처리의 목적은 특히 유기물의 양을 감소시킴으로써 생성된 슬러지의 양을 감소시키기 위한 것이다.

그러나, 대부분의 경우에 있어서, 이러한 방법은 상기 장소(station)의 올바른 역할에 부정적인 영향을 가지고 있다.

이러한 악영향의 주요 이유는 슬러지 처리로부터 물이 방출되는 장소 상부로의 회수와 관련되며, 이는 COD 뿐만 아니라 상기 장소에 의해 제거되는 니트레이트에 관한 과적을 일으키며, 이러한 과적은 초기 적재(load)의 10% 내지 30%로 나타낼 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 시도에 관해, 한 가지 해결법은 특히, 잔류 슬러지의 광물화를 두드러지게 하고, 폐수 처리 시스템으로 순환하는 오염물을 줄이도록 사용된 폐수 처리의 공정조건을 강화하는 것으로 구성된다. 그러므로, 습식 공기 산화(WAO)에 의한 처리의 경우에 있어, 처리시간을 연장, 또는 압력, 온도 또는 산화성 가스의 농도를 증가시킴으로써 광물화를 강화하는 시도가 이루어질 것이다.

그러나, 이러한 전략은 그 방법이 매우 비싼 경향이 있다.

나아가, 통상적인 WAO 유닛에서, 에너지 회수는 처리된 폐수를 이용하여 처리되도록 폐수를 예열함으로써 일어난다. 생활 슬러지에서, 상기 배열은 새로운 슬러지를 45g/l(또는 4.5%의 건조물)에서 소화된 슬러리를 약 80g/l(또는 8% 건조물)의 슬러지로 에너지에서 자급자족할 수 있는 역할을 성취하기 위한 반응열 회수를 가능하게 한다.

그러나, 슬러지의 점도가 매우 높아지고, 교환기에서 압력 강하가 증가하며, 오염의 위험 때문에 현재 디자인의 교환기는 더 높은 농도에서 구동되는 것이 불가능하다.

나아가, 상대적으로 낮은 농도에서 기능은 특히, 반응기 크기의 증가에 의해 처리 라인에서 수용할 수 있는 유압(hydraulic flow)을 제한한다. 현재, 상기 방법에 따르면, 상기 실용상의 제한은 라인당 10 내지 30m³/h으로 놓인다. 더 많은 양의 슬러지의 처리는 단지 처리라인 수를 증가시킴으로써 이루어질 수 있다. 이러한 낮은 농도에서의 기능은 일반적으로 매우 낮은 온도 수준에서 단지 에너지 회수를 하게 함으로써, 재순환의 가능성을 전제의 가열로 제한한다.

그러므로, 슬러지의 특성과 관련하여, 상기 교환기는 정기적으로(통상적으로 매주 또는 최선으로 2 내지 3달에 한번) 반드시 세척되어야 한다.

그러므로, 반응 열을 회수하기 위한 교환기의 사용은 이러한 기술의 발전에 제약을 남기는 것으로 이해될 수 있다.

피스톤 타입의 반응기 내에 산화성 물질을 함유하는 폐수를 가열 및 산화 그리고, 초임계 조건하에서 기능하기 위한 시스템 및 방법은 이전의 기술분야에서 기술되어 왔다.

처리되기 위한 폐수의 가열은 특히, 밀도가 다른 두 가지의 유체가 반응함으로써 혼합이 촉진되도록 배열된 피스톤 반응기에서 반응 매개체로 혼합함으로써 일어난다.

다른 기술에 따르면, 가열 시스템은 특정 반응기에서 반응열을 사용하거나 여러 단계; 산화 반응 중에, 이전에 가열된 산화성 흐름으로 처리되도록 폐수를 증발된 물의 응축된 열과 혼합하는 열이동단계, 그리고, 반응기에 갖추어진 교환기에서 직접 가열 단계에서 열의 이동이 일어나게 한다. 상기 배치는 임계치 이하인 산화 시스템 또는 초임계 조건하 중 하나에서 용인될 수 있다.

이러한 기술의 단점은 반응시스템에서 특정한 장비의 설치가 요구된다는 점과 오로지 피스톤 타입의 반응기에 적용될 수 있다는 점이다.

이러한 정황으로, 다량의 산화성 유기물질을 포함하는 것으로 정의되는 처리되기 위한 폐수는 고온(500℃ 내지 600℃)의 조건하에서 산화제와 직접적으로 접촉되도록 놓인다.

나아가, 가열은 초임계 조건(기술에 따라 220bar 내지 700bar로 변경될 수 있는 압력)하에서 유지되는 반응 혼합물을 사용하여 수행된다.

또한, 처리된 폐수의 팽창중에 얻어진 플래쉬 스팀으로 처리된 폐수를 가열하기 위한 시스템이 제시되어 왔다. 이러한 시스템은 비-산화성 시스템의 배치에서 구동되고, 다른 하나에 의해 제조된 플래쉬 스팀을 사용하는 하나와 복합체 및 고가의 장치를 포함하는 다른 하나인 적어도 두 개의 반응기가 요구된다.

본 발명의 목적은 특히 이전의 기술분야에서의 단점을 완화하기 위한 것이다.

보다 정확하게, 본 발명의 목적은 초임계 조건하에서 반응 혼합물을 유지하는데에 필요로 하는 것 없이 통상적으로 폐수를 가열하는데 사용되는 열교환기의 사용을 생략하는 것이 가능하게 하는 습식 방법으로 폐수의 산화 방법을 제시하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 알려진 장치와 비교하여 상응하는 장치의 에너지 회수 잠재력을 증가시키는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이전의 기술분야의 해결법에 비교하여 상응하는 장치를 위한 유지 운용을 제한하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 장치 및/또는 장치의 운용 비용을 최대한 활용하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 더 또 다른 목적은 연속적으로 폐수의 처리를 가능하게 하는 방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적들과 아울러 후속적으로 나타날 수 있는 다른 목적들은 본 발명의 장점에 의해 성취되며, 이의 대상은 폐수에 함유된 유기물의 일부를 광물화하고, 암모니아 및 전체 질소가 산화되도록 상기 폐수를 적어도 하나의 산화제의 존재하, 약 20℃ 내지 약 350℃의 온도에서, 약 1bar 내지 약 160bar의 압력으로 산화시키는 것으로 구성되는 수상에서의 폐수 산화 방법이며, 상기 산화는 상-분리 반응기내에서 수행되고, 여기서 가스상은 상기 폐수에 의해 형성된 액상의 상부에 제공되며, 상기 방법은 적어도 하나의 상기 폐수를 가열하는 단계를 포함하고, 상기에서 특성이 기술된 상기 가열 단계는 필수적으로 유기물의 산화 반응열에 의해 상기 반응기내에서 수행되며, 상기 가열 단계는 상기 폐수의 농축 단계에 우선된다.

그러므로, 본 발명은 상의 분리로 종래 기술에 사용되는 교환기의 제거를 가능하게 하며, 반응기에서 모든 반응열을 회수하게 한다.

이는 유기물의 산화에 의해 생성된 반응가스의 반응기내 분리가 액상에 의해 단독 처리되는 폐수의 가열을 가능하게 하며, 한편으로는 이들을 임계이하의 조건하에서 유지할 수 있기 때문이다.

그러므로, 산화제는 항상 반응기에서 높은 안전도를 획득하는 낮은 유기물 함량을 지닌 반응 매개체에 접촉한다.

나아가, 이러한 반응 시스템에서, 교환기의 제거는 일반적으로 이러한 타입의 시스템에서 처리된 것들보다 매우 더 높은 건조물 함량을 지닌 폐수 또는 슬러지와 함께 구동하게 할 수 있다. 예를 들어, 건조물의 비율이 13% 내지 16%인 생활 또는 산업 슬러지는 이전에 예열없이 직접 반응기에 도입될 수 있다.

나아가, 본 발명은 교환기를 제거함으로써 이를 가능하게 하고, 산성환경에서 세정 시퀀스와 같은 이들과 관계한 모든 유지 시퀀스가 회피될 수 있다. 그러므로, 상기 유닛의 이용가능성이 증가된다.

더욱이, 농도의 증가 또한 장치의 크기를 줄일 수 있어, 이러한 유닛을 장치하고 작동시키는 비용을 최적화한다.

본 발명에 장점에 의하여, 반응 매개체는 이의 모든 감지할 수 있는 열 및 에너지 회수를 위한 잠재적 증가를 처리되도록 폐수를 가열하기 위한 반응 매개체의 비-사용 또는 부분적 사용의 감지할 수 있는 열을 유지한다는 것에 주목하여야 한다. 반응기로부터 나오는 반응 혼합물이 반응 온도이며, 반응기로부터 배출되는 상기 혼합물의 감지가능한 대부분의 열은 이의 다양한 형태(스팀, 열적 유체 또는 전기)로 에너지를 생성하는데 사용될 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 방법으로, 개시(starting)를 위해 필요한 열은 열매체유(thermal oil) 또는 스팀과 같은 뜨거운 유체의 순환을 지닌 이중 자켓(double jacket)을 반응기에 고정하거나 반응기내에 스팀의 직접 주입으로 용이하게 도입될 수 있다.

하나의 이로운 용액에 따라, 상기 산화는 무한 혼합 타입(infinitely mixed type)의 반응기에서 수행된다.

본 발명에 따른 무한 혼합 타입의 이러한 반응기의 조합은 이러한 타입의 유닛에서의 안정성이 상당히 증가된다.

유리하게, 상기 슬러지 농축 단계는 약 4% 내지 약 20%의 건조물을 포함하는 폐수를 얻도록 수행된다.

바람직하게, 상기 슬러지의 농축 단계는 약 15%의 건조물을 포함하는 폐수를 얻도록 수행된다.

하나의 유리한 용액에 따라, 상기 농축은 상기 폐수에서 탈수되거나 진한 슬러지의 희석에 의해 얻어진다.

유리한 변형(variant)에 따라, 상기 슬러지 농축은 상기 처리된 폐수의 침전단계로부터 유출되는 액상의 상기 폐수에 대한 회수에 의해 얻어진다.

특정 구현예에 따라, 상기 방법은 상기 반응기의 상기 폐수 상부스트림을 예열하는 단계를 포함한다.

그러므로, 상술한 바와 같이 13% 내지 16%의 건조물에 있는 것보다 더 낮은 농도의 유기물을 지니는 폐수에 대해, 폐수의 예열 단계는 오로지 유기물의 산화열로 반응기내의 작동온도에 이르게 하기 위해 필요할 수 있다. 이 경우, 처리되기 위한 상기 폐수의 예열은 반응기의 교환기 상부스트림의 추가 뿐만 아니라, 분리장비의 반응기로부터 배출되는데 수행되는 반응 매개체의 부분 팽창에 의해 생성된 스팀으로 혼합됨이 없이 완료될 수 있다.

상기 산화 단계는 촉매의 부재하에서 수행되는 것에 따른 구현예에서, 체류시간의 증가에 의해 부분적으로 보상된다는 것을 유의하여야 한다.

또 다른 구현예에 따라, 상기 산화 단계는 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 및 이들의 하나 이상의 혼합물 및 화합물을 포함하는 그룹이 속하는 동종(homogeneous) 금속 촉매의 존재하에서 수행된다.

이러한 경우에, 상기 촉매는 바람직하게 구리 또는 아연 또는 이들의 혼합물, 그리고 유리하게 구리 설페이트의 가용성 화합물이다.

고형상을 포함하는 처리된 폐수에 적합한 변형에 따라, 본 방법은 상기 산화 반응기내에서 적어도 고체상 부분이 재순환하는 것으로 구성되는 단계를 포함한다.

재순환 실시는 상기 재순환된 고체상분획이 반응기에 재도입되기 전에 반응기로부터 반드시 나와야하는 것을 의미하지 않는다는 것을 유의하여야 한다. 고체상의 재순환은 단지 분리된 상기 고체상의 적어도 일부가 적어도 하나의 새로운 습식 공기 산화(연속적으로 또는 불연속적으로) 도중에 반응기내에 재사용되는 것을 의미한다.

유리하게, 반응기 내의 상기 폐수의 재순환의 단계는 상기 습식 공기 산화 도중에 수행된다.

이러한 단계는 폐수의 유기부분의 산화를 하게 하기 위한 충분한 접촉시간을 확보한다.

또한, 본 발명은 폐수에 포함된 유기물의 부분을 광물화하고 암모니아 및 전체 질소를 산화시키도록 약 20℃ 내지 약 350℃의 온도에서, 약 1 bar 내지 약 160 bar의 압력으로, 적어도 하나의 산화제의 존재하에서 폐수가 산화시키는 것으로 구성되는 폐수의 수상에서 산화 방법을 이행하기 위한 장치와 관계가 있으며, 상기 산화는 상분리 반응기 내에서 수행되고, 상기 반응기 내의 가스상은 상기 폐수를 구성하는 액상 위에 제공되며, 상기 장치는 상기 폐수를 가열하는 수단 즉, 상기 액상의 플래쉬 팽창으로 얻어진 스팀의 에너지 회수를 위한 수단들로 구성되는데 특징이 있고, 상기 반응기내에서 상기 가열 및 이의 자발적 가연성을 촉진하여 상기 폐수를 농축하는 수단을 얻도록 고안된 수단으로 구성된다.

바람직하게, 상기 반응기는 무한 혼합 타입 중 하나다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 예시 및 비제한적으로 주어진 본 발명의 바람직한 구현예의 하기 설명, 및 첨부된 도면을 읽음으로써 보다 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이고;

도 2는 본 발명에 따른 방법의 입자상 열균형(particular thermal balance) 의 개략도이고;

도 3은 자발적 가연성을 얻기 위한 폐수의 휘발성 분획에 따라 얻어지는 것인 건조(dryness)를 나타내는 곡선이고;

도 4는 플래쉬 팽창에 따라 회수가능한 스팀의 양을 나타내는 곡선이며;

도 5는 폐수의 공급물을 가열하는데 필요한 스팀의 양을 나타내는 곡선이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 원리는 상기 반응기 내에서 폐수의 자발적 가연성를 탐색하고, 이의 농도를 증가시킴으로써 습식 방법으로 반응기내에서 폐수의 산화를 수행하는데 있다. 폐수의 유기농도가 충분하지 않은 경우, 본 발명에 따른 방법은 또한 처리하고자 하는 폐수를 직접 접촉시킴으로써 가열에 사용되는 스팀을 생성하는 반응 액체의 플래쉬 팽창에 의한 에너지 회수를 제공한다.

도 1을 참고하면, 폐수는 처리하기 위한 폐수의 유기물 및 암모니아 질소 부분이 광물화되도록 반응기(1)내에서 동종의 촉매 및 산화제(이 경우 산소)의 존재하, 20℃ 내지 350℃ 범위의 온도로, 1 bar 내지 160 bar 범위의 압력에서 습식 방법으로 산화를 거친다.

습식 방법에 의한 산화는 또한 촉매의 부재하에서 수행될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 촉매의 부재는 체류시간의 증가로 보상될 수 있다.

반응기는 이 안에서 가스상이 액상 상부에 제공되는 상분리 반응기이다. 바람직하게, 반응기는 무한 혼합 타입 중 하나이다(그러나, 본 발명에 따른 방법은 어떠한 타입의 반응기에 적용될 수 있음에 유의하여야 한다).

본 발명의 주어진 구현예에 따르면, 예를 들어, 탈수 수단(5)을 사용하는, 폐수 농축 단계는 믹서(2)의 상부 스트림(upstream)으로 수행된다.

도 2로 설명되는 실시예에 따르면, 상기 농축 단계는 폐수내의 건조물의 비율을 5% 내지 15%가 되도록 수행된다.

폐수는 팽창 수단 또는 플래쉬 용기(3)에 의해 얻어진 플래쉬 스팀의 주입으로 믹서(2)에서 가열된다.

그러므로, 상기 믹서(2)는 이의 유기 농축물이 충분하기 않는 경우 교환기 기술을 수단으로 사용하지 않고 폐수가 가열되도록 하는 것과 아울러 물의 체류시간과 비교하여 고형물의 체류시간을 증가시키기 위해 광물화된 고체상 부분을 재순환함으로써 이를 가능하게 한다.

바람직하게, 폐수 농축 단계는 휘발성 물질에 대해 40% 내지 90%, 보다 바람직하게 약 60%의 유기물 함량을 지니는 약 15%, 보다 일반적으로 4% 내지 20% 건조물을 가지는 믹서(mixers) 폐수내로 도입하도록 수행된다.

침전기(4)에 의해 수행된 침전은 정화된(hygenised) 액상에 대응하는 상부흐름(overflow) 및, 또 다른 부분이 재처리되도록 할 목적으로, 믹서(2)로 부분적으로 재순환되는 고체상을 얻을 수 있도록 한다.

혼합단계는 또한 폐수가 처리되도록 침전단계의 마지막에 얻어진 상부흐름 부분을 피드백으로 수행될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.

변형에 따라, 처리되기 위한 폐수는 용기(3)에 저장된 플래쉬 스팀을 수단으로 믹서에서 예열되고, 믹서(2)로 재순환된다.

바람직하게, 반응기에 주입된 촉매는 구리 설페이트, 또는 보다 일반적으로 구리 또는 아연의 가용성 화합물, 또는 보다 더 널리 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 또는 하나 이상의 이들의 혼합물 및 화합물과 같은 동종 금속 촉매이다.

본 발명에 따른 방법은 습식 방법에 의한 산화중에 폐수를 반응기에서 재순환하는 단계를 포함한다는 것을 유의하여야 한다.

도 2에 설명된 실시예에 따르면, 10℃의 슬러지가 3000㎏/h의 속도(30,000㎏/h의 엔탈피 H를 표현)로 믹서(2)에 도입된다.

상기 슬러지는 단지 80/90℃로 가열한 후 반응기로 주입된다. 상기 가열은 수행될 수 있다. 상기 가열은 간단하게 슬러지를 열수의 순환을 지닌 더블 재킷이 장착된 교반 탱크에서 가열함으로써 또는 도 2에서 보는 바와 같이 슬러지를 작동압력 내지 약 7bar 압력으로 처리된 폐수의 팽창중에 얻어진 플래쉬 스팀으로 혼합함으로써, 또는 고형물의 온도 재순환에 의해 수행될 수 있다.

에너지 회수는 또한 처리된 슬러지를 냉각하는 단계에서 가능하다.

처리된 슬러지는 반응 온도(250℃)에서 반응기로부터 나오고, 감지할 수 있는 열의 부분은 상기에 언급된 장치에 따라 처리되도록 슬러지를 가열하는데에 사용될 수 있고, 또 다른 부분는 스팀 또는 뜨거운 열전도 유체의 형태로 에너지를 생성하는데 사용된다.

상기에 기술된 경우에서, 처리된 슬러지의 감지할 수 있는 열은 예를 들어, 105℃의 끓는물로부터 약 650㎏/h의 6-bar 스팀을 얻을 수 있게 한다.

혼합(약 600,000kcal/h의 엔탈피를 나타냄)으로부터 배출하는 약 90℃의 슬 러지가 50/60bar의 압력에서 약 250℃의 온도로 유지되는 반응기내로 주입되며, 이 반응기에서 440kg/h로 반응기내로의 산소 주입을 통해 1,350,000kcal/h의 산화반응열이 생성되며, 이는 1000kcal/h의 엔탈피를 나타낸다.

습식 방법에 의한 산화는 250℃에서 1020kg/h의 속도로 반응가스를 생성한다. 즉 다시 말해 460,000kcal/h의 엔탈피이다.

반응기에서 139,000kcal/h에 해당하는 열손실이 기록된다.

처리된 슬러지는 반응기로부터 250℃의 온도에서 1,350,000kcal/h의 엔탈피를 나타내는 5380kg/h의 속도로 배출된다.

반응기에서 생성된 플래쉬 스팀의 이동은 믹서의 방향으로 437,000kcal/h의 에너지 수율을 갖는 스팀으로 수행된다.

혼합물의 방향으로 45℃에서 고체상의 재순환 단계는 2960kg/h의 속도로 133,000kcal/h의 엔탈피로 수행된다.

이미 나타낸 바와 같이, 본 발명의 원리는 반응기 내에서 폐수 반응열을 사용함으로써 폐수를 가열하는데 있다.

실제로, 상기를 취할 경우, 반응기 주위의 엔탈피 균형은 반응기내의 온도가 유기물의 반응열에 의해 유지되는 것을 분명히 보여준다.

이러한 균형은 다음과 같다:

- 도입 엔탈피 = 믹서(2) 후의 폐수의 엔탈피: 600,000kcal/h + O₂의 엔탈피(1,000kcal/h) + 산화반응열 = 1,350,000kcal/h 즉, 다시 말해 전체 1,951,000kcal/h;

- 유출 엔탈피 = 반응가스엔탈피(460,000kcal/h) + 반응기의 열손실(139,000kcal/h) + 250℃(1,350,000kcal/h)의 반응 혼합엔탈피, 즉, 다시 말해서 전체 1,949,000kcal/h의 엔탈피.

도 3의 곡선은 5,200kcal/kg VM의 VM 순발열량(net calorific value; NCV), 125g/l의 고체물 순환, 250℃의 반응온도, 65℃ 내지 85℃의 예열 온도 그리고, 200℃의 플래쉬 스팀 온도에서 휘발물 분획(또는 휘발성물질 함량 VM)에 따른 반응열의 사용에 의한 자발적인 가연성을 얻기 위해 획득되는 폐수의 건조를 나타낸다.

분명히, 폐수가 도 3의 곡선에 대응하는 조건하에서 유지되는 한, 폐수는 자발적으로 연소할 수 있다.

도 4의 곡선은 NCV의 동일한 조건, 이전에 나타난 바와 같은 고형물 순환 및 반응 온도, 10%의 폐수에서의 건조물질 농도 및 70%의 휘발성 분획하에서 플래쉬 팽창에 의해 회수될 수 있는 스팀의 양을 나타낸다.

이러한 플래쉬 스팀은 그 후 열공급에 사용된다. 도 5의 곡선은 가열 공급을 위해 필요한 스팀의 양을 제시한다.

그러므로, 이러한 세 곡선들은 모두 주어진 VM 함량 및 가열 온도에 해당하는 반응기의 온도를 유지하도록 충분한 반응열을 공급하기 위한 슬러지의 DM 농도를 나타낸다. 또한, 이들은 반응혼합물의 팽창에 의해 생성된 플래쉬 스팀이 주어진 온도에서 도입 슬러지의 가열을 확실하게 하기에 충분하다는 것을 나타낸다.

그러므로, 새로운 에너지를 수단으로 하지 않고, 특히, 나타낼 수 있는 모든 단점을 지닌 교환기 기술을 사용하지 않고 반응기의 온도가 유지된다.

이와는 반대로, 폭넓은 사용 범위를 허용하는 형태로 에너지를 또한 생성할 수 있다.

Claims (17)

1. 폐수를 수상 산화하기 위한 방법으로서,

   폐수 내의 유기물 부분이 광물화되고, 암모니아 및 전체 질소가 산화되도록 적어도 하나의 산화제의 존재 하에서 20℃ 내지 350℃ 범위의 온도에서 1bar 내지 160bar 범위의 압력으로 상기 폐수를 산화시키는 단계를 포함하며, 상기 산화는 상분리 반응기 내에서 수행되고, 상기 상분리 반응기에서 가스상은 상기 폐수에 의해 형성된 액상 상부에 제공되며, 상기 방법은 적어도 하나의 상기 폐수의 가열 단계를 포함하며,

   - 상기 가열 단계는 필수적으로 상기 유기물의 산화 반응으로부터 발생된 열에 의해 상기 반응기 내에서 수행되며, 상기 가열 단계는 4% 내지 20%의 건조물을 함유하는 폐수를 획득하도록 수행되는 폐수의 농축 단계에 우선하며, 상기 농축 단계는 진한 슬러지로 탈수된 슬러지의 희석에 의해 획득되거나, 처리된 폐수의 침전 단계로부터 배출되는 액상을 처리될 폐수로 피드백하여 획득되며;

   - 농축된 액체 폐수(liquid effluent)는 상분리 반응기로 유입되기 전에 간접식 열교환기로 가열되지 않는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화는 무한 혼합 타입의 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는

   폐수의 수상 산화 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 농축 단계는 15%의 건조물을 함유하는 폐수를 획득하도록 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 반응기의 상기 폐수 상부 스트림을 예열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 예열 단계는 상기 반응기 내에서 부분 플래쉬에 의해 생성된 스팀의 재순환에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 산화는 촉매의 존재 또는 부재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 산화는 촉매의 부재 하에서 수행되고, 부분적으로 체류 시간의 증가에 의해 보상되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 산화는 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연 및 이들의 하나 이상의 혼합물 및 화합물을 포함하는 그룹에 속하는 동종 금속 촉매의 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 촉매는 구리 또는 아연 또는 이들의 혼합물의 가용성 화합물인 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    가용성 구리 화합물은 구리 설페이트인 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    처리된 폐수는 고형상을 포함하며, 상기 방법은 상기 산화 반응기 내에 존재하는 고형상의 적어도 일부가 재순환되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    폐수의 재순환단계는 상기 산화 중에 상기 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐수의 수상 산화 방법.
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 폐수의 수상 산화 방법을 실행하기 위한 장치로서,

    상기 방법은 폐수 내의 유기물질 부분이 광물화되고, 암모니아 및 전체 질소가 산화되도록 적어도 하나의 산화제의 존재 하에서, 20℃ 내지 350℃ 범위의 온도에서 1bar 내지 160bar 범위의 압력으로 상기 폐수를 산화시키는 단계를 포함하며, 상기 산화는 상분리 반응기(1) 내에서 수행되고, 상기 상분리 반응기(1)에서 가스상은 상기 폐수에 의해 형성된 액상 상부에 제공되며, 상기 방법은 적어도 하나의 상기 폐수의 가열 단계를 포함하며,

    상기 장치는, 상기 반응기(1) 내에서 상기 가열이 이루어지도록 제공되는 상기 액상의 플래쉬 팽창에 의해 획득되는 스팀의 에너지 회수를 위한 수단(3), 및 4% 내지 20%의 건조물을 함유하는 폐수를 획득하도록, 진한 슬러지로 탈수된 슬러지를 희석함으로써 또는 처리된 폐수의 침전 단계로부터 배출되는 액상을 처리될 폐수로 피드백함으로써, 이들의 자발적 연소를 촉진하는 상기 폐수의 농축 수단(5)을 포함하며, 상기 장치는 어떠한 열교환기도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 반응기(1)는 무한 혼합 타입(infinitely mixed type)인 것을 특징으로 하는, 장치.
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