KR101591031B1 - 생물 재료의 연속 열가수분해를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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베오리아 워터 솔류션즈 앤드 테크놀로지즈 서포트
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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Abstract

슬러지를 튜브 반응기 안으로 공급하는 것과, 후속해서 반응기 내의 온도와 압력을 높이는 것을 통해서, 슬러지를 연속 열가수분해시키는 방법이다. 열교환기 또는 이와 유사한 장치를 가지고 슬러지를 냉각시키는 대신에, 슬러지 안에 물을 도입시킴으로써 슬러지를 냉각시킨다.

Description

생물 재료의 연속 열가수분해를 위한 장치 및 방법{AN APPARATUS AND A METHOD FOR CONTINUOUS THERMAL HYDROLYSIS OF BIOLOGICAL MATERIAL}
본 발명은 생물 재료의 연속 열가수분해를 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
세계 대부분의 지역에서 가정, 산업 공정 및 농경에서 배출되는 폐수는 개울, 샛강, 강으로 방출되기 전에 생물학적으로 처리된다. 이는 몇몇 생물학적 성분들이 개울, 샛강, 강을 오염시키지 않도록 하기 위해 행해지는 것이다.
그와 같은 처리는 생물학적 입자들이 분리되는 생물학적 분리(biological degrading)일 수 있다. 그러나 어떤 생물 입자들은 다른 것에 비해 분리시키기가 더 어렵고, 그래서, 알려져 있는 바로는, 생물 재료를 포함하는 생물 재료를 가열해서 일례로 약 1시간 반 동안의 소정 시간 동안 약 140 내지 160℃의 온도로 유지시킴으로써 생물 재료를 처리하는 분리 공정을 가속시키려고 하고 있다. 이와 같은 공정은 열가수분해로 알려져 있는데, 이는 생물학적 분리와 의존 관계를 보이는 생물 재료가 쉽게 분리될 수 있는 재료로 바뀔 수 있게 한다.
이와 같은 열가수분해는 일단의 슬러지가 열가수분해를 겪게 되고 후속해서 침지기(digester)로 보내지는 배치 공정에서 행해지는 것이 통상적이다. 그러나 열가수분해를 연속 공정에서 행할 수 있으면 바람직하다.
그와 같은 연속 공정의 일례가 유럽 특허 공보 EP 1 198 424호에 개시되어 있는데, 이 공보에는 건고체 성분이 1 내지 20중량%인 슬러지를 반응기 안으로 공급하는 방법이 개시되어 있다. 그 슬러지는 반응기 내에서 130 내지 180℃의 온도 및 3 내지 10바의 압력에서 5 내지 60분의 시간 동안 유지된다.
후속해서, 처리된 생물 재료는 침지기 내의 박테리아가 소멸되는 것을 피할 수 있을 정도로 슬러지의 온도가 충분히 낮추어지도록 열교환기에 의해 냉각된다. 에너지를 재생하기 위해, 열교환기는 슬러지를 반응기 안으로 공급되기 전에 예열할 수 있게 배치되는 경우도 종종 있다.
또 다른 배경 기술은 국제 공개 WO 96/09882호, WO 2006/027062호, WO 92/06925호, 그리고 WO 2004/096866호에서 찾아 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시 태양에서의 목적은 건고체 성분이 적어도 20중량%인 슬러지를 처리할 수 있도록 적합화된 연속 열가수분해용 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시 태양에서의 다른 목적은 슬러지를 냉각시키기 위한 열교환기가 필요 없는 연속 열가수분해용 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시 태양에서의 또 다른 목적은 생물 재료(biological material)의 냉각이 튜브 반응기의 내면으로의 입자 부착을 전혀 또는 거의 야기하지 않는 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 실시 태양에서의 목적은 열가수분해용 반응기에 연결된 일례로 스팀 공급 도관과 같은 공급 도관 내에 입자가 부착되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 실시 태양에 있어서, 본 발명은,
- 생물 재료를 비등시키지 않고도 압력이 증가되도록 하고 온도가 100℃ 이상이 될 수 있도록 생물 재료를 반응기의 공급 구역 안으로 공급하는 것과,
- 온도가 100℃ 이상의 온도까지 증가하도록 스팀 공급 구역에서 반응기 안에 스팀을 공급하는 것과,
- 반응기 내의 압력을 소정의 시간 동안 유지하는 것과,
- 온도를 100℃ 이하의 온도로 감소시킬 수 있도록 냉각 구역에서 반응기 안에 물을 공급하는 것과,
- 배출 구역에 생물 재료를 배출시키는 것을, 연속적으로 행함으로써, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 시스템의 한 가지 이점은 비비안나이트(vivianite) 및/또는 스트루바이트(struvite) 등과 같은 물질이 전혀 부착하지 않거나 약간만 부착한다는 것이다. 이와 같은 물질의 부착은, 소정의 화학 물질의 농도가 온도 감소에 따라 용해성이 감소함으로 인해 과포화되게 하는 범위까지 생물 재료가 냉각될 때에 일반적으로 발생한다. 과포화는, 일반적으로는, 화학 물질이 그의 새로운 포화 수준에 이를 수 있게 하기에 충분한 양이 부착한 결과로서 야기되는 것이다.
본 발명에 있어서, 슬러지는 냉각수를 주입함으로써 냉각되고, 그에 의해 생물 재료가 튜브 반응기 내에서는 냉각되지만, 표면을 따라서는 냉각되지 않는다. 종래의 시스템에서, 생물 재료는 튜브 반응기의 하나 이상의 내부 표면을 냉각시키도록 구성한 열교환기에 의해 냉각되고, 이에 의해 그 내부 표면과 접촉하는 슬러지가 냉각된다. 그러나 내부 표면이 냉각됨에 따라 그 냉각되는 내부 표면의 영역에 위치하거나 혹은 그 내부 표면에 접촉하는 슬러지는, 생물 재료가 냉각되고 상기 온도를 통과함에 따라, 상기 내부 표면에 입자들을 부착시키게 된다. 이 결과, 이와 같은 시스템은 정상적으로 기능하도록 하기 위해서는 주기적으로 청소해야 한다.
본 발명의 다른 이점으로는, 생물 재료가 슬러지 공급 입구의 하류측 지점에서 묽어지게 됨에 따라 시스템 안으로 공급되는 생물 재료의 건고체 성분이 더 많아진다는 것이다. 건고체 성분의 수준이 더 많아짐으로 인해 본 발명의 시스템의 용량은 공지의 시스템, 즉 생물 재료를 후속하는 침지기에서 처리하기에 적절한 온도까지 냉각시키는 열교환기를 포함하는 공지의 시스템에 비해서 크다.
본 발명의 또 다른 이점으로는, 높은 온도와 증가된 압력으로 인해 긴 사슬의 탄소 분자들의 효소 가수분해와 같은 소망하는 화학 반응이 야기된다는 것이다.
본 발명과 관련하여 "생물 재료(biological material)"라는 용어는 생물체의 임의의 재료와 유기물을 함유하는 임의의 재료로 이해되어야 한다. 그 예로는 산업 처리 과정에서 나오는 폐기물, 농업/농장의 처리 과정에서 나오는 폐기물(도살장에서 나오는 똥거름(manure) 및 폐기물을 포함), 가정, 산업체 및/또는 농업/농장에서 나오는 폐수의 처리로부터 발생하는 슬러지가 있다.
대부분의 실시예에서 튜브 반응기는, 생물 재료가 소정의 속도로 한 단부 안으로 공급되어서 공정 온도와 압력을 유지하면서 튜브 반응기 내측으로 점진적으로 이동할 수 있도록, 길게 형성된다. 반응기의 길이가 동일하게 유지된다는 전제 하에서, 정해진 공급 속도(단위 시간 당 질량)에서, 두꺼운 튜브 반응기에서의 유지 시간은 얇은 반응기에서의 유지 시간에 비해 더 길다는 것을 알 수 있다. 또한, 주어진 공급 속도 하에서, 반응기의 두께(직경)와 길이는 유지 시간을 결정한다는 것을 알 수 있다.
튜브 반응기는 생물 재료가 수평 방향으로 유동하는 적어도 하나의 수평 부분과, 그리고/또는 생물 재료가 수직 방향으로 유동하는 적어도 하나의 수직 부분을 포함할 수 있다. 일례로, 전체의 튜브 반응기가 수평 방향으로 연장되거나, 수직 방향으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 수직 부분은 수평 부분의 상류에 마련되고, 스팀 공급 구역은 수직 부분의 하부에 마련된다. 생물 재료에 대한 스팀의 부력으로 인해, 스팀 공급 구역을 수직 부분의 하부에 마련하게 되면, 스팀과 생물 재료의 혼합은 스팀 공급 구역을 수평 부분에 마련했을 때에 비해 더 양호해진다. 그 이유는 스팀 공급 구역을 수평 부분에 마련하게 되면 스팀과 생물 재료가 2개의 층, 즉 스팀을 포함한 상부층과 생물 재료를 포함하는 하부층으로 분리되는 경향이 있기 때문이다.
본 발명과 관련하여 튜브 반응기의 "수직 부분"이라는 용어는 수직 형상의 부품을 구비한 반응기의 부분을 지칭하는 것이다. 따라서, 수직 부분은 수평 방향을 가로지르는 방향으로 연장된다.
한 가지 특정 실시예에 있어서, 즉 수직 부분이 정확히 수직으로 배치된 실시예에 있어서, "수직 부분"은 단지 수직 형상의 부품을 구비하고, 수평 형상의 부품은 구비하지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 수직 부분은 수직 방향에 대해서 0도 내지 90도 범위에 있는 각기 다른 각도로 마련될 수 있다. 그 각도는 일례로 수직 방향에 대해서 30도의 각도, 45도의 각도, 60도의 각도로 할 수 있다.
본 발명과 관련하여 튜브 반응기의 "수평 부분"이라는 용어는 수평 형상의 부품을 구비한 반응기의 부분을 지칭하는 것이다. 따라서, 수직 부분은 수직 방향에 대해서 가로지는 방향으로 연장된다.
한 가지 특정 실시예에 있어서, 즉 수평 부분이 정확히 수평으로 배치된 실시예에 있어서, "수평 부분"은 단지 수평 형상의 부품을 구비하고, 수직 형상의 부품은 구비하지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 수평 부분은 수평 방향에 대해서 0도 내지 90도 범위에 있는 각기 다른 각도로 마련될 수 있다. 그 각도는 일례로 수직 방향에 대해서 30도의 각도, 45도의 각도, 60도의 각도로 할 수 있다.
스팀과 생물 재료의 혼합을 향상시키기 위해 스팀 공급 구역 영역이나 그 하류측에 정적 또는 동적 혼합기(static or dynamic mixer)를 구비시킬 수 있다. 온도가 균질화 된다는 한 가지 효과가 있다. 상기 정적 또는 동적 혼합기는 스팀 공급 구역이 수평 부분에 마련될 때에 아주 유익하다는 것을 알 수 있다. 또한, 정적 또는 동적 혼합기를 수직 부분에 마련하게 되면 스팀과 생물 재료의 혼합이 향상되게 된다는 것도 알 수 있다.
스팀 공급 구역은 수직 부분의 절반 하부에, 일례로 1/3 하부, 1/4 하부, 혹은 1/5 하부에 마련할 수 있다. 일 실시예에서, 스팀 공급 구역은 수직 부분의 바닥에 마련할 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 정적 및/또는 동적 혼합기가 스팀 공급 구역과 냉각 구역 사이에 마련된다. 상기 다수의 혼합기는 균일하게(즉, 실질적으로 등간격으로) 분포되거나, 무리를 지어 마련될 수 있다. 다수의 혼합기들은 2개의 혼합기, 3개의 혼합기, 4개의 혼합기, 5개의 혼합기, 6개의 혼합기, 혹은 10개의 혼합기로 구성할 수 있다. 일 실시예에서, 반응기 튜브는 튜브의 내용물이 튜브의 전체 길이를 따라서 혼합될 수 있도록 설계된다. 이는 다수의 혼합기들을 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 또는 1미터의 작은 간격으로 배치함으로써 달성된다.
반응기는 냉각수가 반응기의 상류 방향에서 역류하는 것을 방지하도록 구성된다. 이는 냉각 구역의 상류측에 일방향 밸브(unidirectional valve)를 제공함으로써 달성된다. 이의 대안적 혹은 보충적 구성으로서, 반응기의 수평 부분에서 냉각 구역의 상류측에 수직 벽과 같은 제한부를 마련할 수 있다. 상기 제한부는 반응기의 하부에 마련할 수 있다. 이의 대안적 혹은 보충적 구성으로서, 반응기는 냉각 구역의 상류측에서 수직 부분을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 반응기는 제1 수직 부분과 제2 수직 부분을 포함하고, 상기 수직 부분들 사이에는 수평 부분이 마련되고, 이 때 제1 수직 부분은 수평 부분의 상류측에 마련되도록 하고 제2 수직 부분은 수평 부분의 하류측에 마련되도록 한다. 이 실시예에서, 스팀 공급 구역은 제1 수직 부분의 하부에 마련될 수 있고, 냉각 구역은 제2 수직 부분에, 일례로 제2 수직 부분의 하부에 마련될 수 있다. 선택적인 실시예에 있어서, 제2 수직 부분의 하류측에 추가적인 수평 부분이 마련되고 이 추가적인 수평 부분에 냉각 구역이 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 튜브 반응기의 길이는 5 내지 50미터의 범위로 할 수 있는데, 일례로 10 내지 40미터, 혹은 20 내지 30미터의 범위로 할 수 있다. 일 실시예에서, 튜브 반응기의 직경은 50 내지 500mm의 범위로 할 수 있는데, 일례로 100 내지 400mm, 혹은 200 내지 300mm로 할 수 있다.
본 발명과 관련하여, "연속 열가수분해"라는 용어는, 처리되지 않은 새로운 생물 재료가 시스템 안으로 공급되는 동안에 열가수분해가 행해지고 이와 동시에 처리된 생물 재료가 시스템을 빠져나가는 공정으로 이해되어야 한다.
튜브 반응기 안으로 공급된 스팀의 압력은 2바 이상으로 할 수 있는데, 일례로 5바 이상, 10바 이상, 15바 이상, 혹은 20바 이상으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 튜브 반응기는 소정의 유지 시간을 5분 이상이 되게 설계할 수 있는데, 일례로 20분 이상, 30분 이상, 45분 이상, 60분 이상, 90분 이상, 혹은 180분 이상이 되게 설계할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법은 반응기의 적어도 하나의 화학제 공급 구역에 화학제를 공급하는 단계도 포함한다. 일 실시예에서, 화학제 공급 구역은 스팀 공급 구역의 상류측에 마련된다. 이의 대안적 실시예로서, 화학제 공급 구역은 스팀 공급 구역의 하류측에 마련될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 화학제 공급 구역을 냉각 구역의 상류측에 마련하고, 그리고/또는 화학제 공급 구역을 냉각 구역의 하류측에 마련한다. 주입된 화학제는 NaOH와 같은 알칼리일 수 있는데, 이는 긴 사슬의 유기물(일례로, 바이오매스의 리노셀루롤스(Lignocellulosic) 성분 및 미생물 세포 벽 성분과 같은 유기물)의 가수분해 반응을 증가시키기 위해 주입될 수 있는 것이다. 선택적 또는 보충적인 것으로, 알칼리는 감소된 온도(일례로 120℃) 및/또는 감소된 압력(일례로 7바)에서 가수분해가 일어날 수 있도록 주입될 수도 있다.
알칼리는 본 발명의 장치를 식품 산업 또는 도시 생활에서 나오는 지방질 폐기물과 같은 기름진 폐기물을 사전에 가수분해시키는 데에 사용할 때에 추가될 수 있다.
다른 실시예에서, 화학제는 생물 재료로부터 중금속을 제거하기 위한 산성화를 위해 추가된다. 산성인 상태에서의 가수분해는 일례로 산업 폐기물 처리 설비의 생물 재료 내에 흡수된 용해성 금속일 수 있다. 열가수분해 후에는, 액체로부터 금속이 분리 침전 및 제거되어서 고상이 pH-중화 후에 비호기성 침지기로 보내질 수 있도록, 액상이 고체 부분으로부터 분리된다.
또 다른 실시예에서, 주입되는 화학제는 H2O2 또는 O3와 또는 과초산과 같은 산화제이다. 산화제는 pH 조정을 위한 미네랄 산 또는 알칼리를 포함하거나 혹은 포함하지 않을 수 있다. 산화제를 제공함으로써 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸 벤젠, 크실렌)과 같은 일부 유기물의 독성 효과를 저감시킬 수 있다. 따라서, PCB와 같은 유해 유기물로 인해 농지에 뿌리기에 적합하지 않은 생물 재료는 본 발명의 장치 및/또는 방법에 의해 해독시킬 수 있다.
일 실시예에서,
- 생물 재료의 온도를 100℃ 이하의 온도로 낮추기 위한 것과,
- 처리된 생물 재료의 소망하는 건고체 성분을 얻기 위한 것 중에서 적어도 하나를 충족시키기 위해 냉각 구역에서 반응기 안에 물을 공급한다.
일 실시예에서, 침지기에서의 후속하는 처리에 적합한 소정의 건고체 성분을 얻기 위해 농도를 희석시킬 수 있도록 냉각 구역에 물을 공급한다. 상기 소정의 건고체 성분은 15중량% 이하, 12중량% 이하, 9중량% 이하, 또는 6중량% 이하의 건고체 성분일 수 있다. 생물 재료의 이상적인 건고체 성분은 후속하는 침지기에 따라 달라지며 대부분의 실시예에서 건고체 성분은 침지기의 암모니아 독성 위험을 피할 수 있도록 선택되어야 한다는 것을 알 수 있다.
일 실시예에서, 냉각수는 생물 재료를 대략 9중량%의 건고체 성분으로까지 희석시킬 수 있도록 냉각 구역에 공급된다.
또한, 스팀 공급 구역에 스팀을 추가하는 것에 의해서도 건고체 성분의 수준/백분율을, 공급 구역에서 튜브 반응기 안으로 공급된 생물 재료의 수준/백분율에 비해서 떨어뜨릴 수 있음을 알아야 한다.
일 실시예에서, 온도를 100℃ 이하의 온도, 일례로 80℃ 이하, 60℃ 이하, 50℃ 이하, 또는 40℃ 이하의 온도로 감소시킬 수 있도록 냉각 구역에 냉각수를 공급한다.
냉각 구역 안으로 공급된 물은 1 내지 100℃의 온도 범위, 일례로 10 내지 50℃의 온도 범위에 있을 수 있다. 시스템 안으로 공급된 물은 수돗물 및/또는 일례로 폐수를 처리한 물과 같은 처리수일 수 있다.
대부분의 실시예에서, 슬러지의 온도를 냉각시키기 전에 상승시키기 위해 냉각 구역 상류측에 스팀 공급 구역이 마련된다.
일 실시예에서, 반응기는 일례로 서로 연속해서 마련되는 하나 이상의 냉각 구역을 포함한다. 일례로, 앞에서 설명한 바와 있는 제2 수직 부분과 같은 반응기의 수직 부분에 2개 이상의 냉각 구역을 마련할 수 있다. 또한, 반응기는 일례로 서로 연속해서 마련된 하나 이상의 스팀 공급 구역을 포함할 수 있다. 일례로, 앞에서 설명한 제1 수직 부분과 같은 반응기의 수직 부분에 2개 이상의 스팀 공급 구역이 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 생물 재료는 공급 구역에서부터 스팀 공급 구역 및 냉각 구역을 거쳐서 배출 구역까지 연속해서 공급된다.
일 실시예에서, 반응기는 생물 재료가 스팀 공급 구역에서 냉각 구역으로 공급될 때에 소정의 시간이 경과할 수 있도록 설계되어 제어된다. 상기 소정의 시간은 적어도 20분으로 할 수 있는데, 일례로 적어도 30분, 적어도 45분, 또는 적어도 60분으로 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 소정의 시간은 20 내지 120분의 시간 범위로 할 수 있는데, 일례로 30 내지 60분의 시간 범위로 할 수 있다.
본 발명의 시스템은 시스템 안으로 공급되는 스팀의 공급 속도, 온도 및 압력과, 생물 재료를 냉각시키기 위해 시스템 안으로 공급되는 냉각수의 온도 및 압력 중에서 하나 이상을 제어하는 제어기를 포함한다.
한 가지 특정 실시예에서, 주입되는 스팀의 양은 소망하는 온도가 달성될 수 있도록 폐기물/슬러지의 유입되는 유량에 맞게 조정된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 시스템은, 공급 구역 안으로 공급되는 슬러지 내에 생물 재료가 1 내지 50중량%의 건고체 성분을, 일례로 10 내지 40중량%의 건고체 성분을 제공할 수 있도록, 건고체 성분 함량이 높은 생물 재료를 시스템 안으로 공급하는 것이다. 다른 실시예에서, 생물 재료는 슬러지의 적어도 20중량%, 일례로 적어도 25중량%, 적어도 30중량%, 적어도 35중량%, 혹은 적어도 40중량%로 한정한다.
스팀 주입시에 생물 재료의 건고체 성분은 약간 감소한다는 것을 알게 될 것이다.
한 가지 특별한 실시예에서, 액체 슬러지는 튜브 반응기에서 처리할 때에 건고체 성분이 약 9중량%인 상태로 침지기 안으로 들어간다. 슬러지가 일단 침지기 내에 위치되면 그 슬러지는 적어도 1주, 일례로 적어도 2주, 혹은 적어도 4주의 유지 시간을 갖는다.
일 실시예에서, 튜브 반응기 내측의 압력을 유지하는 압력 유지 수단이 튜브 반응기의 출구 영역에 마련된다. 상기 압력 유지 수단은 생물 재료가 소정의 압력을 유지하면서 출구를 거쳐서 튜브 반응기를 빠져나갈 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 압력 유지 수단은 튜브 반응기 내에서 처리가 행해지도록 하는 데 필요한 최소 압력 이하로 압력을 떨어뜨리지 않으면서 생물 재료가 튜브 반응기를 빠져나갈 수 있도록 구성된다. 상기 압력 유지 수단은 압력 밸브의 형태, 일례로, 압력이 소정의 압력 이상이 아니면 밸브가 폐쇄되게 하는 스프링 편의 부재를 포함하는 압력 밸브의 형태로 할 수 있다. 선택적인 실시예에서, 상기 압력 유지 수단은 생물 재료가 소정의 최소 압력을 유지하면서 튜브 반응기 밖으로 나갈 수 있도록 회전할 수 있게 배치된 전진형 공동 펌프(progressing cavity pump)의 형태로 할 수도 있다.
본 발명의 제2 태양은, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치로서, 튜브 반응기를 포함하는 장치에 관한 것으로, 상기 튜브 반응기는,
- 슬러지를 반응기의 공급 구역에서 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 슬러지 공급 입구와,
- 스팀을 반응기의 스팀 공급 구역에서 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 스팀 공급 입구와,
- 냉각수를 반응기의 냉각 구역에서 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 냉각수 공급 입구와,
- 처리된 슬러지를 반응기로부터 빠져나갈 수 있게 하는 적어도 하나의 출구를 포함한다.
상기 제2 태양에 따른 본 발명은 제1 태양에 다른 본 발명의 특징들 및/또는 요소들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일례로, 본 발명의 장치는, 튜브 반응기 내의 생물 재료를 비등시킴이 없이도 온도를 100℃ 이상으로 높이고 압력을 높일 수 있도록, 상기 스팀 공급 구역 안으로의 스팀 공급을 제어할 수 있게 구성된 제어 유닛을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 반응기는 본 발명의 제1 태양에서 설명한 바와 같은 정적 또는 동적 혼합기를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 반응기는 제1 태양에서 설명한 바와 같은 수평 및/또는 수직 부분을 포함할 수 있다.
대안적 혹은 보충적 구성으로서, 제어 유닛은 온도를 100℃ 이하의 온도 지점까지 감소시킬 수 있도록 하기 위해 냉각수를 냉각 구역 안으로 공급하는 것을 제어할 수 있게 구성된다.
일 실시예에서, 반응기는 반응기의 화학제 공급 구역에서 반응기 안에 화학제를 공급하기 위한 입구를 포함한다.
일 실시예에서, 반응기는 반응기의 상류 방향에서 냉각수가 역류하는 것을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 제2 태양에도 적용된다고 한 제1 태양으로부터 도출된 상기한 예들은 단지 예일 뿐이고, 제1 태양의 특징 및/또는 요소들은 그 어떤 것도 제2 태양에 적용시킬 수 있다.
제3 태양에 있어서, 본 발명은 생물 연료, 생물 화학제, 또는 생물 고분자와 같은 생물 생산물(bio product) 제조용 생물 재료를 제조하기 위하여 제1 및 제2 태양 각각에 따른 방법 및/또는 장치를 사용하는 것에 관한 것이다.
상기와 같은 생물 생산물을 제조할 때에, 원재료 바이오매스를 가치 있는 생산물로 변화시키는 것은 어려울 수 있고, 그렇기 때문에 그러한 생산물을 제조하는 첫 번째 단계는 원재료 바이오매스를 열가수분해시키는 것일 수 있다. 원재료인 생물 재료의 열가수분해 성분들을 이용함으로써 그 생물 재료를 최종의 생물 생산물로 화학적 및/또는 생물학적으로 변환시키는 것이 더욱 더 용이해진다.
가수분해 공정은 100 내지 200℃ 범위의 온도에서, 그리고/또는 1 내지 12 바의 압력에서, 그리고/또는 0 내지 5 시간의 소정 시간 동안에 취해진다. 또한, 상기 가수분해 공정은 수용성 화학제의 처리를 추가하거나 혹은 추가하지 않은 상태에서, 앞에서 설명한 바와 같은 고체 농도의 생물 재료를 가지고 행해진다.
제4 태양에 있어서, 본 발명은 생물 재료의 저온 살균을 위해 제1 태양과 제2 태양 각각에 따른 방법 및/또는 장치를 사용하는 것과 관련된다.
일 실시예에서, 저온 살균 공정은 70℃ 이상의 온도와 같은 소정의 온도에서 생물 재료를 가열하는 단계를 포함한다. 또한, 저온 살균 공정은 소정 시간, 일례로 1시간 동안 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 다음과 같은 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연속 열가수분해용 시스템의 일 실시예를 보이는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 튜브 반응기를 보이는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 튜브 반응기의 일 실시예를 보이는 도면이다.
도 1은 생물 재료를 처리하기 위한 슬러지 처리 시스템(100)을 도시하고 있다. 상기 슬러지 처리 시스템(100)은 생물 재료를 수용하기에 적합하며 생물 재료 공급 시스템(104)에 유체 연통되게 연결된 저장실(102)을 포함한다. 생물 재료의 온도는 0 내지 100℃의 범위에 있을 수 있다. 생물 재료는 생물 재료 중의 건고체 성분 함량을 적어도 20중량%로 함유할 수 있다. 슬러지 처리 시스템(100)은 또한 튜브 반응기(106) 및 침지기(108)를 포함한다. 저장실(102)은 튜브 반응기(106) 및 냉각기(110)(이는 선택적인 것으로 시스템의 기능에 필수적인 것은 아님)를 거쳐서 침지기(108)에 유체 연통되게 연결된다. 튜브 반응기(106)는 슬러지가 튜브 반응기(106) 안으로 공급되게 하는 슬러지 입구(112)와, 5분 내지 5 시간의 범위로 할 수 있는 소정의 시간 후에, 일례로 30분, 60분, 2시간, 3시간, 또는 4시간 후에, 슬러지가 튜브 반응기(106)를 빠져나가게 하는 슬러지 출구(114)를 포함한다.
일 실시예에서, 튜브 반응기의 길이는 5 내지 50미터의 범위로 할 수 있는데, 일례로 10미터, 20미터, 30미터, 또는 40미터로 할 수 있다. 일 실시예에서, 튜브 반응기의 직경은 50 내지 500mm의 범위로 할 수 있는데, 일례로 100mm, 200mm, 300mm, 또는 400mm로 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 튜브 반응기의 직경은 1 미터로 할 수 있는데, 일례로 2 미터, 3미터, 4미터, 또는 5미터로 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 튜브 반응기의 길이는 100미터로 할 수 있는데, 일례로 200미터, 300미터, 400미터, 또는 500미터로 할 수 있다.
사용 중에 저장실(102) 내에 담긴 슬러지는 슬러지를 슬러지 입구(112)를 거쳐서 튜브 반응기(106) 안으로 공급하기 위한 공급기(116)에 의해 튜브 반응기(106) 안으로 공급된다.
공급기(116)는 튜브 반응기(106) 내측의 압력을 증가시킬 수 있도록 튜브 반응기(106) 안으로 슬러지를 압송시킬 수 있게 구성될 수 있다. 반응기 내의 압력이 증가할 때에 튜브 반응기(106) 내측의 슬러지의 온도는 슬러지를 비등시키지 않아도 100℃ 이상의 온도까지 증가될 수 있다.
슬러지 처리 시스템(100)은 스팀 공급 입구(118)를 포함하는데, 상기 스팀 공급 입구를 통해서 스팀이 튜브 반응기(106) 안으로 공급되고, 이로써 온도가 100℃ 이상의 온도까지 증가된다. 튜브 반응기(106) 내의 압력이 공급기(116)에 의해 증가함에 따라, 튜브 반응기(106) 내의 성분들을 가열하지 않아도 온도를 100℃ 이상의 온도 지점까지 상승시킬 수 있다. 일부 실시예에서는 튜브 반응기(106) 안으로 공급되는 스팀을 적어도 15 바의 압력으로 해서 튜브 반응기(106) 안으로 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 침지기(108)에서 생성된 가스의 적어도 일부는 스팀을 발생시키기 위해 물을 가열하는 데 사용된다. 따라서, 그 가스의 적어도 일부는 가스 공급 시스템(111)을 거쳐서 스팀 발생시(109) 안으로 공급된다.
출구의 압력 밸브(120)로 인해, 슬러지가 슬러지 입구(112)로부터 슬러지 출구(114)로 공급되는 동안에 튜브 반응기 안에는 소정의 압력이 유지될 수 있다. 상기 소정의 압력은, 튜브 반응기(106) 내의 성분의 비등으로 인해 반응기가 손상되는 것을 피하기에 충분한 정도의 압력이어야 한다.
또한, 튜브 반응기(106)는 대기 온도에 대해서 튜브 반응기(106)를 단열시키는 수단을 포함한다. 따라서, 슬러지는 슬러지 입구(112)로부터 슬러지 출구(114)로 향하여 이동하는 동안에 공정 과정에서 열을 가하지 않아도 실질적으로 동일한 온도를 유지할 수 있다.
대부분의 실시예에서, 출구 압력 밸브(120)의 하류측 압력은 대기압과 동일하거나 거의 같다. 따라서, 슬러지가 비등하는 것을 방지하기 위해서는 슬러지의 온도를 출구 압력 밸브(120)를 통과하기 전에 낮추어야 한다는 것을 알게 될 것이다. 상기 온도는 시스템이 있는 장소의 대기압에서의 비등점 이하의 지점까지, 즉 해수면 위치에서는 100℃ 이하의 지점까지 낮추어야 한다는 것을 알 수 있다.
슬러지의 온도를 감소시키기 위해, 슬러지 처리 시스템(100)은 슬러지에 냉각수를 가하는 하나 이상의 냉각수 입구(122)를 포함한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 냉각수를 가하는 한 가지 이점은 온도를 낮출 수 있다는 것이다. 또 다른 이점으로는 튜브 반응기(106) 안으로 들어가는 슬러지의 건고체 성분이, 종래의 시스템, 즉 물을 가하지 않으며 슬러지는 전적으로 열교환기에 의해서만 냉각되는 종래의 시스템에 비해서, 더 높아진다는 것이다.
본 발명에 따른 시스템을 통해 공급된 슬러지는 냉각수, 즉 슬러지를 묽게 하는 냉각수를 가함으로써 냉각된다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템에서 냉각수 입구(122)의 상류측에서의 건고체 함량은 필연적으로 많게 됨을 알 수 있다. 따라서, 당해 분야의 숙련인들이라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 시스템 안으로 공급되는 슬러지의 농도는, 종래의 시스템과 비교하자면, 이들 양 시스템을 빠져나가는 슬러지의 건고체 함량의 농도를 동일하기 때문에, 종래의 시스템에 비해 높다.
냉각수 입구(122) 안으로 공급되는 냉각수는 수돗물이거나, 침지기(108)에서 일반적으로 행해지는 처리를 교란하거나 방해하지 않을 수 있는 처리수나 임의의 종류의 물일 수 있다.
일 실시예에서, 튜브 반응기(106) 안으로 공급되는 슬러지의 건고체 성분은 대략 19중량%이고, 그 온도는 적어도 150℃까지 상승된다. 후자의 실시예에서, 유지 시간(즉, 슬러지가 튜브 반응기(106) 안에 유지되는 시간)은 반시간 또는 1시간의 범위일 수 있다. 후자의 실시예에서, 냉각수 입구(122)의 하류측에서 슬러지의 건고체 성분은 대략 9중량%이고 그 온도는 약 80℃이다.
일부 실시예에서, 본 발명의 시스템은 처리된 슬러지의 온도를 더욱 더 낮추는 냉각기(110)를 포함한다. 상기 냉각기(110)는, 슬러지가 슬러지 입구(112) 안으로 공급되기 전에 그 슬러지를 가열하는 데에 있어서 슬러지로부터 나온 열 에너지가 사용될 수 있도록 그 슬러지로부터 열 에너지를 회수하는 열교환기의 형태로 구성할 수 있다.
본 발명의 시스템의 최종 공정 단계는 슬러지를 침지기(108) 안으로 공급하고, 그 안에서 슬러지가 생물학적으로 분리되도록 세균 사용 공정을 개시하는 것이다.
처리된 슬러지를 침지기(108) 안에 이미 담겨 있던 슬러지와 혼합시키기 위해, 슬러지 처리 시스템(100)은 교반기(124)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 또는 보충적으로, 슬러지 처리 시스템(100)은 침지기(108) 내에 이미 존재하는 슬러지를 튜브 반응기(106)에서 빠져나오는 슬러지와 혼합시킬 수 있도록 구성된 재순환 시스템(126)을 포함할 수 있다.
침지기(108) 내에 이미 존재하는 슬러지의 온도는 일반적으로는 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지의 온도보다 낮으므로, 상기 재순환 시스템은 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지를 추가로 더 냉각시키는 데 기여하기도 한다.
일례로, 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지와 침지기(108) 내에 이미 존재하는 슬러지는 그 상관비를 1:19로 해서 혼합될 수 있다(즉, 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지 1 단위량이 침지기 내에 존재하는 슬러지 19 단위량과 혼합된다). 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지의 온도가 80℃이고 침지기(108)로부터 재순환하는 슬러지의 온도가 55℃이면, 재순환 시스템으로부터 침지기 안으로 들어가는 슬러지의 온도는, 침지기 내에 이미 존재하는 슬러지보다 1℃ 높은 온도인 약 56℃가 된다.
침지기(108) 내의 슬러지의 온도가 침지기(108) 안으로 들어오는 보다 높은 온도의 슬러지에 의해 점차 증가하는 것을 방지하기 위해서는, 침지기(108)를 그에 대응하여 단열시켜야 하거나, 아니면 튜브 반응기(106)를 빠져나오는 슬러지의 온도를 그에 상응하여서 조정해야 한다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템은 튜브 반응기(106)에 유체 연통되게 연결된 공급 도관에, 즉 스팀 공급 입구(118) 및/또는 냉각수 입구(122) 및/또는 슬러지 입구(112)에, (일례로 스투루바이트(struvite) 또는 비비안나이트(vivianite) 또는 칼슘이 부착되는 것을 방지하기 위한) 부착 방지 수단(128)을 포함할 수 있다. 위에 언급한 것과 같은 부착은 시스템을 정지시킨 중에 발생할 수 있다. 상기 부착 방지 수단(128)은, 하나 이상의 공급 입구가 감압되었을 때에 슬러지가 상기 입구로 되돌아가지 않도록 하고 그에 따라 슬러지가 냉각되었을 때에 상기 입구에 부착이 야기될 가능성이 없도록, 상기 입구 안으로 식물성 오일과 같은 오일을 펌핑하도록 구성될 수 있다. 상기 부착 방지 수단(128)은 자동 제어 및/또는 수동 제어 가능하게 할 수 있다. 광물질 오일의 가격이 저렴하다는 점을 감안하면 상기 부착 방지 수단(128)은 입구를 더 저렴한 비용으로 보호할 수 있는 간단하고 저렴한 방식으로 제공할 수도 있다는 것도 알 수 있다.
도 3은 튜브 반응기(106)의 일 실시예를 도시하는 것으로, 이 튜브 반응기(106)는 수직 부분(130)과 수평 부분(132)을 포함한다. 도 3의 실시예에서, 수직 부분(130)은 수평 부분(132)의 상류측에 마련된다. 또한, 도 3의 실시예에서, 상기 2개의 부분(130, 132)은 서로에 대해 직각으로 마련될 수 있는데, 이 경우에 수직 부분은 수평 형상의 구성부재(134)를 구비하지 않도록 하고 수평 부분은 수직 형상의 구성부재(136)를 구비하지 않도록 해서 마련된다.
튜브 반응기는 생물 재료가 공급될 때에 통과하는 슬러지 입구(112)와, 2개의 스팀 공급 입구(118)를 포함하고, 상기 스팀 공급 입구의 하부는 수직 부분(130)의 1/3 하부에 마련되고, 상기 스팀 공급 입구의 상부는 상기 수직 부분(130)의 절반 하부에 마련된다.
또한, 튜브 반응기(106)는 냉각수 입구(122)의 하류측에 마련된 출구 압력 밸브(120)를 포함한다. 냉각수의 역류를 방지하기 위해, 냉각수 입구(122)의 상류측에 역류 방지 수단(138)이 마련된다. 도 3의 실시예에서, 역류 방지 수단(138)은 튜브 반응기(106)의 하부 부분에 차단기의 형태로 마련된다. 그러나 앞에서 설명한 바와 같이 일방향 밸브를 상기 역류 방지 수단(138)으로서 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법으로서,
    - 생물 재료를 비등시키지 않고도 압력이 증가되도록 하고 온도가 100℃ 이상이 될 수 있도록 생물 재료를 튜브 반응기의 슬러지 공급 구역 안으로 공급하는 것과,
    - 온도가 100℃ 이상의 온도까지 증가하도록 스팀 공급 구역에서 튜브 반응기 안에 스팀을 공급하는 것과,
    - 튜브 반응기 내의 압력을 소정의 시간 동안 유지하는 것과,
    - 온도를 100℃ 이하의 온도로 감소시킬 수 있도록 냉각 구역에서 튜브 반응기 안에 물을 공급하는 것과,
    - 배출 구역에 생물 재료를 배출시키는 것을, 연속적으로 행함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    튜브 반응기의 화학제 공급 구역 안에 화학제를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    냉각 구역 안으로 공급되는 물의 온도가 1 내지 100℃의 범위인 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 튜브 반응기는, 생물 재료가 수평 방향으로 유동하는 적어도 하나의 수평 부분, 및/또는 생물 재료가 수직 방향으로 유동하는 적어도 하나의 수직 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스팀 공급 구역은 냉각 구역의 상류측에 마련된 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 생물 재료가 상기 슬러지 공급 구역으로부터 상기 스팀 공급 구역 및 냉각 구역을 거쳐서 배출 구역까지 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 튜브 반응기는, 생물 재료가 스팀 공급 구역에서 냉각 구역으로 공급될 때에 최소한 소정의 시간이 경과할 수 있도록 설계되어 제어되는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 튜브 반응기 안으로 공급되는 생물 재료의 건고체 함량을 추산하는 단계와,
    - 상기 튜브 반응기를 빠져나오는 처리된 생물 재료의 건고체 함량이 소정의 수준이 되도록 냉각 구역 안으로 물을 공급하는 단계도 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 생물 재료가, 상기 슬러지 공급 구역 안으로 공급되는 슬러지 내에서 1 내지 50중량%의 건고체 성분을 한정하는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 생물 재료가, 상기 슬러지 공급 구역 안으로 공급되는 슬러지의 적어도 20중량%의 건고체 성분을 한정하는 것을 특징으로 하는, 생물 재료를 포함하는 슬러지를 튜브 반응기 안에서 연속 열가수분해하는 방법.
  11. 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치로서,
    튜브 반응기를 포함하고,
    상기 튜브 반응기는,
    - 슬러지를 튜브 반응기의 슬러지 공급 구역에서 튜브 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 슬러지 공급 입구와,
    - 스팀을 튜브 반응기의 스팀 공급 구역에서 튜브 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 스팀 공급 입구와,
    - 냉각수를 튜브 반응기의 냉각 구역에서 튜브 반응기 안으로 공급하기 위한 적어도 하나의 냉각수 공급 입구와,
    - 처리된 슬러지를 튜브 반응기로부터 빠져나갈 수 있게 하는 적어도 하나의 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 반응기가, 튜브 반응기의 화학제 공급 구역 안에 화학제를 공급하는 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    - 튜브 반응기 내의 생물 재료를 비등시킴이 없이도 온도를 100℃ 이상으로 높이고 압력을 높일 수 있도록, 슬러지 공급 구역 안으로 슬러지를 공급하는 것과,
    - 온도를 높일 수 있도록 스팀 공급 구역 안으로 스팀을 공급하는 것을,
    제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 튜브 반응기는 튜브 반응기의 상류 방향에서 냉각수가 역류하는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 온도를 100℃ 이하의 온도 지점까지 감소시킬 수 있게 하기 위해 냉각 구역 안으로 냉각수를 공급하는 것을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    스팀용 입구가 냉각수용 입구의 상류측에 마련된 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    튜브 반응기 안으로 들어가는 생물 재료의 건고체 성분의 함량을 결정하는 수단도 추가로 포함하고,
    상기 제어 유닛은, 튜브 반응기를 빠져나오는 생물 재료가 소정의 건고체 성분 함량을 가질 수 있게, 냉각 구역 안에 냉각수를 공급할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    장치의 하나 이상의 입구에 부착이 발생하는 것을 방지하는 부착 방지 수단을 추가로 포함하고,
    상기 부착 방지 수단은 튜브 반응기의 작동이 정지된 때에 입구 안으로 오일을 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 생물 재료를 포함하는 슬러지를 연속 가수분해시키는 장치.
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