KR101668290B1 - 음식물쓰레기 탈리액을 이용한 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기 탈리액을 이용한 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 방법은, 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액을 가열하여 탈리액 습증기로 생성하는 단계와; 상기 생성된 탈리액 습증기를 가열하여 탈리액 건조 증기로 생성하는 단계와; 과열증기화로에 연료 및 공기를 투입하여 해당 연료의 연소에 의해 상기 과열증기화로를 가열시키는 단계와; 상기 탈리액 건조 증기를 상기 과열증기화로에 투입함과 아울러 불완전 연소가 발생하도록 연료와 공기 중 적어도 어느 하나의 양을 제어하여, 일산화탄소와 수소를 포함하는 수성가스(water gas)를 생성시키는 단계와; 상기 생성된 수소를 포함하는 열풍을 열원으로 외부에 공급하는 단계 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

음식물쓰레기 탈리액을 이용한 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING HEAT WIND ENERGY USING EFFLUENT OF FOOD WASTE}

본 발명은 보일러를 가열하기 위한 열풍을 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음식물쓰레기 탈리액을 이용한 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

음식물 쓰레기를 사료나 퇴비로 자원화하기 위해 필수적으로 탈수 과정을 거치게 되는데 이 과정에서 70~80%의 탈리액이 발생된다.

이 탈리액 속에는 음식물찌꺼기(고형분), 냄새를 유발하는 각종 유기화합물, 염분, 유분 및 수분 등이 포함되어 있는데, 현재까지 탈리액은 대부분 해양 투기를 하고 있으나 일부는 공공 하수처리 시설을 통해 생활하수와 병행 처리를 시도하고 있다.

그런데 이러한 공공 하수 처리 시설을 이용하여 음식물 쓰레기 탈리액을 처리하는 경우 탈리액이 일반 생활하수 보다 농도가 진하고 강해서 처리 시간이 오래 걸리고 이에 따라 비용이 상승하는 문제점이 드러나면서 사실상 공공 하수 처리 시설을 이용한 음식물 쓰레기 탈리액 처리가 중단된 상태이다.

한편, 특정물질의 해양투기를 금지하여 해양오염 예방을 목적으로 하는 런던협약에 우리나라는 1993년 가입하였고, 1996년 런던협약 의정서가 우리나라에서 2009년부터 발효됨에 따라 음식물 쓰레기 탈리액을 무단으로 해양에 투기하는 것이 제한되고 있다.

따라서 음식물 쓰레기 탈리액을 효율적으로 이용하는 방안이 요망되고 있다.

등록특허 제10-0227456호

본 발명은 상기한 종래의 필요성을 충족시키기 위해 안출된 것으로서, 음식물 쓰레기로부터 발생될 수밖에 없는 탈리액의 처리 비용을 줄이고 해당 탈리액을 유용하게 이용할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치는, 제1 증기관을 포함하는 1차 화로와; 제2 증기관을 포함하고, 배출구가 구비된 2차 화로와; 상기 제1 증기관과 상기 제2 증기관을 잇는 연결 증기관과; 상기 제1 증기관 내에 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액과 해당 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액에 대응되는 습증기 중 적어도 어느 하나를 분사하는 탈리액 분사장치와; 상기 1차 화로 내부에 연료 및 공기를 주입하고 점화하여 상기 1차 화로 내부를 가열하는 제1 연료 공급/점화 장치와; 상기 2차 화로 내부에 연료 및 공기를 주입하고 점화하여 상기 2차 화로 내부를 가열하는 제2 연료 공급/점화 장치를 포함하여 구성되고, 상기 제1 증기관에 분사된 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액에 대응되는 탈리액 습증기는 상기 1차 화로 내부의 가열에 의해 탈리액 건조 증기로 변환된 후 상기 연결 증기관과 상기 제2 증기관을 경유하여 과열 증기가 된 상태로 상기 2차 화로 내부에 투입되고, 상기 2차 화로 내에서는 불완전 연소에 의해 발생된 일산화탄소와 상기 2차 화로 내로 주입된 과열 증기에 의해 생성된 수소를 포함하는 수성가스(water gas)가 생성되며, 상기 수소를 포함하는 열풍은 상기 배출구를 통해 외부에 공급되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 방법은 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액을 가열하여 탈리액 습증기로 생성하는 단계와; 상기 단계에서 생성된 탈리액 습증기를 가열하여 탈리액 건조 증기로 생성하는 단계와; 과열증기화로에 연료 및 공기를 투입하여 해당 연료의 연소에 의해 상기 과열증기화로를 가열시키는 단계와; 상기 탈리액 건조 증기를 상기 과열증기화로에 투입함과 아울러 불완전 연소가 발생하도록 연료와 공기 중 적어도 어느 하나의 양을 제어하여, 일산화탄소와 수소를 포함하는 수성가스(water gas)를 생성시키는 단계와; 상기 생성된 수소를 포함하는 열풍을 열원으로 외부에 공급하는 단계 단계를 포함하여 이루어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 음식물 쓰레기 탈리액을 해양 투기를 하지 않아도 되므로 국제 협약을 준수할 수 있게 됨과 아울러 환경 보호에 이바지 할 수 있다.

특히 음식물 쓰레기 탈리액을 고온의 열풍으로 변환시켜 이를 이용할 수 있도록 함으로써 음식물 쓰레기 탈리액 처리 비용을 상당부분 상쇄시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치의 개략 구성도이고,
도 2는 도 1에서 이용되는 음식물 쓰레기 탈리액을 몇 가지 필요 물질로 분리하는 전처리 과정을 위한 수행하는 장치들의 일 예를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하기 위한 장치의 기능 블록도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하기 위한 전체적인 과정을 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치의 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.

동 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치는 제1 증기관(110)을 포함하는 1차 화로(100), 제2 증기관(210)을 포함하고 배출구(240)가 구비된 2차 화로(200), 제1 증기관(110)과 제2 증기관(210)을 잇는 연결 증기관(310), 탈리액 분사 장치(400), 제1 연료 공급/점화 장치(510), 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 포함하여 구성될 수 있다.

우선 탈리액 분사 장치(400)는 제1 증기관(110) 내에 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액과 해당 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액에 대응되는 습증기 중 적어도 어느 하나를 분사하는 기능을 수행한다.

예를 들어 탈리액 분사 장치(400)에 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액이 포함되어 있는 경우에는 탈리액 분사 장치(400)는 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액을 제1 증기관(110) 내부로 분사하고, 다른 예로써, 탈리액 분사 장치(400)에 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액이 가열되어 습증기가 된 상태로 저장되어 있는 경우에는 탈리액 분사 장치(400)는 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액에 대응되는 습증기를 제1 증기관(110) 내부로 분사하는 것이다.

특히, 탈리액 분사 장치(400)가 내부에 소정의 가열 장치(미 도시함)를 포함하고 있거나, 또는 외부의 소정의 가열 장치(미 도시함)와 연동하여 운영되는 경우에는 해당 가열 장치에서 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액이 가열되어 습증기가 형성되면, 탈리액 분사 장치(400)는 그 형성된 습증기를 제1 증기관(110) 내부로 주입시킬 수 있는 것이다.

여기서 탈리액 분사 장치(400)가 제1 증기관(110)관 연결되는 부분에는 소정의 분사용 제어 밸브(미 도시함)가 구비될 수 있는데, 이처럼 액체 또는 기체를 분사하기 위한 구조 그 자체는 기 공지된 기술에 해당하므로 보다 상세한 설명을 생략한다.

한편 상술한 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액은 음식물 쓰레기 탈리액에서 고형분과 유분 성분이 제거된 대부분이 수분인 용액을 의미하는 것으로서, 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액에는 소정의 염분과 냄새를 유발하는 각종 유기화학물이 포함되어 있을 수 있다.

음식물 쓰레기 탈리액에서 이러한 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액이 분리 또는 추출되는 과정에 대해서는 도 2에 도시되어 있는데, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술토록 한다.

제1 증기관(110)은 상술한 바와 같이 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액 또는 이러한 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액의 가열에 의해 발생되는 탈리액 습증기가 분사 또는 투입되는 관으로서, 이하 본 실시예를 설명함에 있어서 탈리액 분사 장치(400)를 통해 제1 증기관(110)으로 투입 또는 분사되는 것은 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액임을 일 예로 한다.

제1 증기관(110)은 도 1에 도시된 바와 같이 수직방향 증기관(111)과 수평방향 증기관(112)으로 이루어질 수 있다.

수직방향 증기관(111)은 삼각 플라스크(원뿔 플라스크)와 유사하게 아랫면이 넓고 윗면으로 올라갈수록 좁아지는 형태가 될 수 있는데, 여기서 삼각 플라스크는 밑면이 평평한 원뿔 모양의 플라스크를 의미한다.

이러한 수직방향 증기관(111)은 수평방향 증기관(112)과 연결될 수 있는데, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 각 구성 요소들이 '연결'된다는 표현을 사용하지만, 이는 서로 다른 구성 요소가 결합되는 것에 한정하는 것이 아니라 일체로 구성되는 경우도 포함하는 것이다.

예를 들어 제1 증기관(110)의 경우도 설명의 편의상 수직방향 증기관(111)관 수평방향 증기관(112)이 연결되는 형태로 이루어져 있다고 설명하지만, 실제로는 연결부분 없이 일체로 구성될 수 있음은 물론이다.

이러한 '연결'에 관한 용어 정의는 본 발명의 다른 구성 요소에도 적용된다.

수평방향 증기관(112)은 수직방향 증기관(111)과는 달리 너비가 일정한 원형 플라스크 형태일 수 있다.

제1 연료 공급/점화 장치(510)는 1차 화로(100) 내부에 연료 및 공기를 주입하여 점화하여 1차 화로(100) 내부를 가열하는 기능을 수행한다. 이를 위해 제1 연료 공급/점화 장치(510)와 제1 증기관(110)이 만나는 곳에는 주입구(511)가 구비될 수 있다.

도 1에는 주입구(511)가 편의상 하나로 표시되었지만, 주입구(511)는 복수 개의 형태로 구성될 수 있고, 특히 복수 개의 주입구(511) 중 어느 하나는 연료의 주입용이고 다른 하나는 공기 주입용으로 기능할 수 있다.

이때 제1 연료 공급/점화 장치(510)에는 공기 주입용 주입구에 공기를 주입하기 위해 외부의 공기를 흡입하는 흡입구(미 도시함)가 구성될 수 있다.

제1 연료 공급/점화 장치(510)는 이처럼 공기와 연료를 1차 화로(100) 내부에 주입하고 점화를 하여 해당 연료가 1차 화로(100) 내에서 연소되도록 제어하는 기능을 수행한다. 제1 연료 공급/점화 장치(510)에 의해 1차 화로(100) 내부로 주입되는 연료는 LPG가스, 석유, 등유 등이 이용될 수 있다.

상술한 연료 주입용 주입구 또는 공기 주입용 주입구에는 주입 제어 밸브(미 도시함)가 각각 구비되어 주입되는 연료 또는 공기의 양을 조절할 수 있다.

1차 화로(100)는 상술한 바와 같이 제1 증기관(110)을 포함하고 제1 연료 공급/점화 장치(510)가 연결된 것으로서, 제1 증기관(110)을 가열하기 위해 구성된 것이다.

1차 화로(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 증기관(110)의 모양을 따라 감싸는 형태로 구성될 수 있다.

즉, 1차 화로(100)는 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111)을 감싸는 부분(이하 '습증기 생성부'라 함)에서는 수직방향으로 긴 형태로 형성되고, 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)을 감싸는 부분(이하 '건조 증기 생성부'라 함)에서는 수평방향으로 긴 형태로 형성될 수 있다. 도 1에서는 이러한 1차 화로(100)의 단면을 보이고 있는데, 1차 화로(100)의 습증기 생성부와 건조 증기 생성부는 원통형 또는 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 제1 연료 공급/점화 장치(510)가 1차 화로(100)의 아래쪽(특히 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111) 하단 부근)에 연결되어 있는 경우, 습증기 생성부에서의 연료 연소에 따라 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111)은 직접 가열되고, 이에 따라 탈리액 분사 장치(400)에 의해 제1 증기관(110)에 분사된 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액은 고온에 의해 즉시 습증기로 생성되는 것이다.

이때 1차 화로(100)의 습증기 생성부 내의 온도는 450℃ 이상, 바람직하게는 450℃ ~ 500℃ 일 수 있다.

이러한 상태에서 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111) 안에서는 탈리액 분사 장치(400)에 의해 분사된 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액은 제1 연료 공급/점화 장치(510)에 의해 점화된 불꽃에 의해 급격히 가열되면서 팽창하는 습증기로 변화된다. 이러한 과정에서 습증기는 삼각 플라스크 형태의 수직방향 증기관(111) 아래쪽에서 다량 발생하게 된 후 좁은 위쪽 입구쪽으로 이동하게 되는데, 삼각 플라스크 형태의 특성상 위쪽의 압력이 아래쪽 압력보다 더 높을 수밖에 없다.

이러한 구조상의 특성으로 인해 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111) 내에서 생성된 습증기는 급속하게 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)쪽으로 이동하게 된다.

한편 제1 연료 공급/점화 장치(510)에 의해 연소 및 가열된 열기는 건조 증기 생성부에서도 지속적으로 유지될 수 있는데 이러한 열기에 의해 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112) 내부를 이동하는 습증기는 점차 건조 증기로 변환된다. 즉 도 1을 참조하면 113 지점의 공기는 습증기이나 112 지점의 공기는 건조 증기가 되는 것이다.

건조 증기를 생성하는 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)은 이름 그대로 수평방향으로 뻗어있고, 이때 건조 증기 생성부 역시 도 1에 도시된 바와 같이 수평 방향으로 길게 형성되므로, 이러한 건조 증기 생성부의 구조상 수평방향으로 고르게 열기가 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)에 전달될 수 있다.

예를 들어 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)과 건조 증기 생성부가 제1 증기관(110)의 수직방향 증기관(111) 및 습증기 생성부와 마찬가지로 세로 방향으로 길게 형성된 경우에는 제1 연료/공급 점화 장치가 아래쪽에 형성된 경우에는 골고루 열이 전달될 수 없는 문제점이 발생한다. 따라서 이를 극복하기 위해 즉, 고른 열의 전달을 위해서는 제1 연료 공급/점화 장치(510)를 여러 군데 설치해야 하므로 설치 비용이 올라간다.

그러나 도 1에 도시된 바와 같이 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)과 건조 증기 생성부가 가로 방향으로 길게 형성된 경우에는 이러한 문제점을 해결하고 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)에 열이 고르게 전달되도록 할 수 있는 것이다.

이처럼 제1 증기관(110) 내에서 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액이 습증기를 거쳐 건조 증기가 되는 과정에서 염분은 결정체 형태로 추출된다.

즉, 후술하는 바와 같이 2차 화로(200)로 투입되는 건조 증기 속에는 염분 성분이 대부분 제거되어 냄새를 유발하는 각종 유기화합물 성분만 남아 있게 된다.

한편, 연결 증기관(310)은 1차 화로(100)의 제1 증기관(110)과 2차 화로(200)의 제2 증기관(210)은 연결하는 구조로 되어 있다.

도 1에서 연결 증기관(310)은 외부로 노출된 형태를 일 예로 하고 있으나, 연결 증기관(310) 주변으로 보온 등의 목적으로 소정의 밀폐된 구조물이 형성될 수도 있음은 물론이다.

이러한 연결 증기관(310)은 너비가 일정한 수직방향의 원형 플라스크 형태일 수 있다. 압력에 의해 수평방향으로 밀려난 건조 증기들은 연결 증기관(310)을 만나면 급속히 상층으로 이동하게 된다.

한편, 제2 증기관(210)은 연결 증기관(310)을 통해 들어오는 건조 증기를 2차 화로(200) 내에서 소정의 가열 과정을 거쳐 2차 화로(200) 내로 투입되도록 하는 구조를 갖고 있다.

제2 증기관(210)은 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112)과 마찬가지로 너비가 일정한 수평방향의 원형 플라스크 형태일 수 있는데, 이때 제 2 증기관의 방향은 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112) 쪽으로 향하도록 구성됨이 바람직하다.

즉, 제1 증기관(110)의 수평방향 증기관(112), 연결 증기관(310), 제2 증기관(210)의 형상이 보는 각도에 따라 'ㄷ'자 형상이 되도록 하는 것이다.

이는 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치의 전체적인 형상이 공간 효율적으로 되도록 하는 장점이 있다.

즉, 수평 방향으로만 또는 수직 방향으로만 길게 뻗게 되면 공간을 효율적으로 이용하지 못하고 설치 공간을 확보하는 것이 힘들어지는 단점이 있지만, 본 발명과 같이 수평 방향과 수직 방향의 구조물이 함께 적절한 위치에 배치되도록 함으로써 설치 공간 확보가 용이해질 수 있는 것이다.

제2 연료 공급/점화 장치(520)는 2차 화로(200) 내부에 연료 및 공기를 주입하여 점화하여 2차 화로(200) 내부를 가열하는 기능을 수행하는 것이다. 이를 위해 제2 연료 공급/점화 장치(520)와 제2 증기관(210)이 만나는 곳에는 주입구(521)가 구비될 수 있다.

제1 연료 공급/점화 장치(510)의 주입구(511)와 마찬가지로 제2 연료 공급/점화 장치(520)의 주입구(521)는 복수 개의 형태로 구성될 수 있고, 특히 복수 개의 주입구(521) 중 어느 하나는 연료의 주입용이고 다른 하나는 공기 주입용으로 기능할 수 있다.

이때 제2 연료 공급/점화 장치(520)에는 공기 주입용 주입구에 공기를 주입하기 위해 외부의 공기를 흡입하는 흡입구(미 도시함)가 구성될 수 있고, 특히 예열된 공기를 미리 공기 주입용 주입구를 통해 주입할 수도 있다. 이는 2차 화로(200) 내에서 반응성을 높이는 효과가 있다. 이를 위해 제2 연료 공급/점화 장치(520)는 공기 예열을 위한 장치를 내부에 구비하거나 또는 공기 예열을 수행하는 별도의 장치와 연동하여 동작할 수 있다.

공기를 예열하는 구조 또는 장치 그 자체는 기 공지된 기술에 해당하므로 보다 상세한 설명을 생략한다.

제2 연료 공급/점화 장치(520)는 이처럼 공기와 연료를 2차 화로(200) 내부에 주입하고 점화를 하여 해당 연료가 2차 화로(200) 내에서 연소되도록 제어하는 기능을 수행한다. 제2 연료 공급/점화 장치(520)에 의해 2차 화로(200) 내부로 주입되는 연료는 석유, 등유 등이 이용될 수 있다.

상술한 2차 화로(200)의 연료 주입용 주입구 또는 공기 주입용 주입구에는 주입 제어 밸브(미 도시함)가 각각 구비되어 주입되는 연료 또는 공기의 양을 조절할 수 있음은 1차 화로(100)에서 설명한 바와 같다.

한편, 2차 화로(200)는 상술한 바와 같이 제2 증기관(210)을 포함하고 제2 연료 공급/점화 장치(520)가 연결된 것으로서, 제2 증기관(210)을 가열하여 최종 열풍을 생성하여 외부로 공급되도록 하기 위해 구성된 것이다. 이를 위해 2차 화로(200)에는 열풍 배출을 위한 별도의 배출구(240)가 형성되어 있을 수 있다.

2차 화로(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 제2 증기관(210)의 모양을 따라 감싸는 형태로 형성될 수 있다.

즉, 2차 화로(200)는 제2 증기관(210)을 따라 수평방향으로 긴 형태로 형성될 수 있다. 이러한 2차 화로(200)는 1차 화로(100)와 마찬가지로 원통형 또는 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 제2 연료 공급/점화 장치(520)가 2차 화로(200)의 오른쪽(특히 제2 증기관(210)이 연결 증기관(310)이 만나는 부분 즉, 제2 증기관(210)이 시작되는 지점 부근)에 연결되어 있는 경우, 연결 증기관(310)을 통해 들어온 건조 증기는 제2 증기관(210) 내부에서 제2 연료 공급/점화 장치(520)에 점화된 불꽃 및 연료 연소에 의해 고온으로 가열된 후 제2 증기관(210) 밖 2차 화로(200) 내부로 유입된다.

이때 2차 화로(200)의 온도는 980℃ ~ 1,100℃일 수 있다.

즉, 변화과정을 구체적으로 설명하면, 제2 증기관(210) 내부를 이동하던 건조 증기는 2차 화로(200) 내부의 고온에 의해 과열증기로 급속히 변화한다.

과열증기 상태에서는 물 분자 사이의 결합이 상당히 약하게 되어 물 분자 간의 간격이 벌어지게 될 뿐만 아니라, 열에 의한 증기의 물리적 변화로 물 분자 내부의 수소 원자와 산호 원자의 결합이 약해지거나 벌어진 상태가 된다.

이렇게 과열 증기가 제2 증기관(210)을 벗어나서 2차 화로(200) 내부로 유입되면 2차 화로(200) 내부의 980℃ ~ 1,100℃의 높은 열을 만나 벌어진 물 분자 분자 사이에 열이 침투하여 물 분자 양 끝에 위치한 수소가 연소되면서 높은 열을 발산시키고, 물 분자 아래 꼭짓점에 있던 산소는 수소를 연소시키는 활성화 역할을 하게 된다.

이때 각종 냄새를 유발하던 유기 화합물은 2차 화로(200) 내부의 고온에 의해 완전히 연소가 된다.

도 1을 참조하면 211 지점에서는 건조 증기 상태로 존재하다가 212 지점에서는 과열 증기가 되고, 213 지점에서는 수소를 포함한 열풍이 되는 것이다.

이처럼 제2 증기관(210) 내에 있던 건조 증기는 1차적으로 제2 증기관(210) 내에서 과열 증기 상태로 된 후 2차 화로(200) 내부로 유입되어야 열풍 발생 효율을 높일 수 있는데, 이를 위해 제2 증기관(210)은 2차 화로(200)의 가로 방향 길이의 1/3 ~ 1/2 정도 길이가 되도록 구성됨이 바람직하다.

제2 증기관(210)의 가로 방향 길이가 2차 화로(200)의 가로 방향 길이의 1/3보다 작은 경우에는 과열 증기 단계를 거치지 않은 건조 증기의 2차 화로(200) 내 유입이 늘어나 열풍 발생 효율이 떨어지고, 또한 제2 증기관(210)의 가로 방향 길이가 2차 화로(200)의 가로 방향 길이의 1/2보다 큰 경우에는 2차 화로(200) 내로 유입되는 과열 증기가 열풍이 되는 과정이 포화가 되어 열풍 발생 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

이처럼 2차 화로(200) 내부에서는 연소되는 연료의 탄소 성분의 함량에 따라 탄소 성분과 기체상태로부터 기인한 일산화탄소 성분과 수소가 혼합된 수성가스(water gas)가 발생되는데, 이러한 열풍 속에는 수성가스 특히, 수소가 다량 함유되어 불을 붙이면 매우 심한 불꽃반응을 일으키며 많은 열을 내며 연소되는 특징이 있다.

이때 수증기가 2차 화로(200) 내의 고온으로 인해 수소와 산소로 분리될 수도 있지만, 아직 분리되지 않은 경우라도 일산화탄소의 영향에 의해 그러한 분리가 가속화될 수 있다. 이 경우 일산화탄소는 수증기의 산소와 결합하여 이산화탄소가 되고 수증기의 수소는 기체 상태로 남게 된다.

따라서 2차 화로(200) 내에서는 불완전 연소에 의해 일산화탄소가 적절한 양으로 발생되도록 제어하는 것이 중요한데, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술토록 한다.

수소를 포함하는 열풍(이 열풍에는 이산화탄소 역시 포함될 수 있음)은 앞서 설명한 바와 같이 배출구(240)를 통해 외부에 공급될 수 있는데, 예를 들어 증기 보일러를 가열하는 에너지원(열원)으로 이용될 수 있고, 증기 보일러는 이러한 열풍에 의해 증기 터빈을 돌리며 결국 발전기가 전기를 생산하도록 할 수 있다.

한편, 상술한 1차 화로(100)와 2차 화로(200) 간에는 연도(600)가 구비될 수 있는데, 1차 화로(100)에서 생성된 연소 결과물 즉, 연소 가스는 2차 화로(200) 내로 유입되게 되는데, 1차 화로(100) 내에서 생성된 연소 가스가 외부로 직접 방출되는 경우에는 연소 가스의 열기를 그대로 버리는 것이 되고, 또한 연소 가스 내의 오염 물질은 공기 오염을 초래할 수 있는데, 특히 도 1과 같이 1차 화로(100)의 연소 가스를 2차 화로(200)의 제2 증기관(210) 아래쪽으로 유입되도록 하면 제2 증기관(210)이 식는 것을 방지함과 아울러 연소 가스 오염 물질은 2차 화로(200) 내 고온에서 깨끗하게 연소된 후 배출되므로 공기 오염을 방지할 수 있다.

이하에서는 도 2를 참조하여 상술한 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액을 생성하는 과정과 또한 그 과정에서 별도의 에너지원을 추출하는 과정을 설명한다.

우선 1차 분리 장치(11)는 음식물 쓰레기 탈리액에서 고형분을 제거한 1차 탈리 용액을 추출한 후 2차 분리 장치(12)로 공급하는 기능을 수행한다.

여기서 1차 분리 장치(11)는 음식물 쓰레기 탈리액에서 고형분을 제거하기 위해 부직포를 이용하거나 원심 분리를 수행할 수 있다. 부직포 또는 원심 분리기를 이용하여 소정의 물질을 분리하는 방법 그 자체는 기 공지된 기술에 해당하므로 보다 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 2차 분리 장치(12)는 1차 분리 장치(11)로부터 공급되는 1차 탈리 용액에서 비중 차이를 이용하거나 앞서 언급한 바와 같이 원심 분리를 이용하여 음식물 쓰레기 탈리 유분 용액과 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액을 분리한 후 공급하는 기능을 수행한다.

2차 분리 장치(12)에서 분리된 음식물 쓰레기 탈리 수분 용액은 앞서 설명한 바와 같이 탈리액 분사 장치(400)를 통해 1차 화로(100)의 제1 증기관(110) 내로 분사된다.

한편, 정제 처리 장치(13)는 2차 분리 장치(12)에서 분리된 음식물 쓰레기 탈리 유분 용액에서 불순물을 제거하여 순수 유분 성분만 남도록 정제한 후 혼합 처리 장치(14)에 공급하는 기능을 수행한다.

혼합 처리 장치(14)는 정체 처리 장치로부터 공급되는 음식물 쓰레기 탈리 유분 용액을 액체 연료와 혼합 처리한 혼합유를 앞서 설명한 제1 연료 공급/점화 장치(510)에 공급하는 기능을 수행한다.

이때 혼합유에 포함되는 액체 연료는 알코올, 석유, 등유 중 적어도 어느 하나일 수 있는데, 혼합유에 포함되는 액체 연료는 5% ~ 10%가 됨이 바람직하다. 혼합유에 포함되는 액체 연료를 5%보다 낮추는 경우에는 혼합유의 사용 효율이 떨어지고(즉, 1차 화로(100) 내부의 온도 정도를 동일하게 유지하는데 가격적으로 더 부담이 되는 정도의 혼합유가 필요하고), 혼합유에 포함되는 액체 연료를 10%보다 높이는 경우에는 혼합유의 소모를 상대적으로 크게 줄이지 못하면서도 오히려 액체 연료 비용이 상당히 커지는 문제점이 있다.

따라서 혼합유에 포함되는 액체 연료는 5% ~ 10%가 됨이 바람직하다.

한편 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치가 정상 동작하기 위해서는 상술한 바와 같이 온도 제어 또는 일산화탄소 농도 제어 등이 필요하다. 물론 이러한 기능들이 제1 연료 공급/점화 장치(510) 및 제2 연료 공급/점화 장치(520)에서 개별적으로 제어될 수 있다.

이때 제1 연료 공급/점화 장치(510)는 도 1의 1차 화로(100) 내에 구비된 제1 온도 센서(120)로부터 온도 센싱 신호를 수신할 수 있고, 제2 연료 공급/점화 장치(520)는 2차 화로(200) 내에 구비된 제2 온도 센서(220)로부터 온도 센싱 신호를, 가스 센서(230)로부터 일산화탄소 센싱 신호를 수신할 수 있다.

그러나 바람직하게는 별도의 제어부(700)가 구비되어 각종 센서들로부터 신호를 수신하고 제1 연료 공급/점화 장치(510) 및 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 제어함이 바람직하다.

도 3은 소정의 제어부(700)가 각종 장치 및 센서와 통신하는 것을 설명하기 위한 도면인데, 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 장치의 기능 블록도라 할 수 있다.

동 도면에서 제1 온도 센서(120)는 상술한 바와 같이 1차 화로(100) 내에 구비되어 1차 화로(100) 내의 온도를 측정하는 센서이고, 제2 온도 센서(220)는 2차 화로(200) 내에 구비되어 2차 화로(200) 내의 온도를 측정하는 센서이며, 가스 센서(230)는 2차 화로(200) 내의 일산화탄소량을 측정하는 센서이다.

제1 연료 공급/점화 장치(510) 및 제2 연료 공급/점화 장치(520)는 제어부(700)의 제어에 따라 연료 또는 공기 주입 밸브를 제어하여 1차 화로(100) 또는 2차 화로(200) 내의 온도와 일산화탄소 농도 등을 조절할 수 있고, 그 기능은 앞서 살펴본 바와 같다.

제어부(700)는 제1 온도 센서(120)의 감지 결과를 이용하여 1차 화로(100) 내부 온도가 450℃ 이상이 되도록 하여 탈리액 습증기에 포함된 염분이 결정화 추출되도록 제1 연료 공급/점화 장치(510)를 제어할 수 있다.

연료와 공기의 양 및 혼합비에 따라 내부 온도를 변화시킬 수 있음은 공지된 기술에 해당하므로 보다 상세한 설명을 생략한다.

또한 제어부(700)는 제2 온도 센서(220)의 감지 결과를 이용하여 2차 화로(200) 내부 온도가 980℃ ~ 1,100℃이 되도록 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 제어할 수 있다.

그리고 제어부(700)는 2차 화로(200) 내부에서 불완전 연소를 발생시켜 일산화탄소가 기 설정된 범위의 양이 생성되도록 하기 위해 연료와 공기 중 적어도 어느 하나의 양을 조절하도록 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 제어할 수 있는데, 가스 센서(230)의 감지 결과를 이용하여 2차 화로(200) 내부에 일산화탄소량 또는 그 비율을 조절할 수 있다.

특히 제어부(700)에 일산화탄소 하한값이 설정된 경우, 제어부(700)는 가스 센서(230)의 감지 결과를 이용하여 2차 화로(200) 내 일산화탄소량의 감소율이 기 설정된 값보다 작다고 판단하는 경우에는 2차 화로(200) 내 일산화탄소량이 일산화탄소 하한값에 도달하는 시점에 2차 화로(200) 내의 연료 대비 공기 투입 비율을 기 설정된 값으로 낮추도록 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 제어하고, 2차 화로(200) 내 일산화탄소량의 감소율이 기 설정된 값 이상이라고 판단하는 경우에는 즉시 2차 화로(200) 내의 연료 대비 공기 투입 비율을 기 설정된 값으로 낮추도록 제2 연료 공급/점화 장치(520)를 제어한다.

예를 들어 온도가 일정하게 유지된다는 전제하에 일산화탄소량 감소율이 기 설정된 값보다 작은 경우에는 미리 설정된 일산화탄소 하한값이 될 때까지 기다린 후 일산화탄소량이 늘어나도록 제어하여도 원하는 열량을 발생시키는 열풍을 생성하는데 문제가 없지만, 일산화탄소량 감소율이 기 설정된 값보다 큰 경우에는 기 설정된 일산화탄소 하한값에 도달한 후 일산화탄소량이 늘어나도록 제어하게 되면 일정한 시간동안은 원하는 열량에 도달하지 못하는 열풍이 생성될 수 있다.

이는 수소를 포함하는 열풍을 이용하는 증기 보일러에 안정적으로 일정한 온도의 열풍을 공급하지 못함을 의미하는 것이다.

이러한 문제를 극복하기 위해 가령 급격하게 공기 또는 연료 주입량을 변경시키는 것은 연료 효율을 떨어뜨리는 또 다른 비용 문제를 발생시킨다.

따라서 일산화탄소량 감소율이 기 설정된 값보다 큰 경우에는 기 설정된 일산화탄소 하한값에 도달하기 전이라도 즉시 일산화탄소량의 증가 제어를 함으로써 상술한 문제점이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍 에너지를 생산하는 전체적인 방법을 설명한다.

우선 음식물 쓰레기 탈리액에서 고형분을 제거한다(단계 S1).

이때 고형분이 제거된 음식물 쓰레기 탈리액을 다시 유분 용액과 수분 용액으로 분리하여(단계 S3) 유분 용액은 정제 과정을 거치고(단계 S5) 액체 연료를 혼합한 후(단계 S7), 1차 화로(100) 가열용으로 이용한다(단계 S9).

물론 혼합유는 2차 화로(200)의 가열용으로 이용할 수도 있지만 화력 및 온도 제어 효율상 1차 화로(100) 가열용으로 사용함이 바람직하다.

다음으로 분리된 수분 용액은 가열하여 탈리액 습증기를 거쳐(단계 S11) 건조 증기로 변환시킨다(단계 S13).

이후 건조 증기에 더 높은 온도(980℃ ~ 1,100℃)의 열을 가하여 과열 증기를 변환되도록 하고(단계 S15) 불완전 연소가 발생하도록 해서 수소가 포함된 상당한 발열량을 가지는 열풍을 생성한 후(단계 S17), 증기 보일러에 공급한다(단계 S19).

한편, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정하여 실시할 수 있는 것이다. 특히 각종 센서의 위치 및 개수와 연료 공급/점화 장치의 개수와 위치는 다양하게 변형 가능하다. 이러한 변형 및 수정이 첨부되는 특허청구범위에 속한다면 본 발명에 포함된다는 것은 자명할 것이다.

11 : 1차 분리 장치 12 : 2차 분리 장치
13 : 정제 처리 장치 14 : 혼합 처리 장치
100 : 1차 화로 200 : 2차 화로
310 : 연결 증기관 400 : 탈리액 분사 장치
510 : 제1 연료 공급/점화 장치 520 : 제2 연료 공급/점화 장치
600 : 연도 700 : 제어부
110 : 제1 증기관 111 : 수직방향 증기관
112 : 수평방향 증기관 120 : 제1 온도 센서
210 : 제2 증기관 220 : 제2 온도 센서
230 : 가스 센서 240 : 배출구

Claims (13)

1. (a) 음식물쓰레기로부터 탈리된 수분 용액을 제1차 화로의 내부에서 분사시킨 후 제1연료공급/점화장치를 통하여 가열시켜 습증기로 변화시키는 단계;
   (b) 상기 습증기를 더욱 가열시켜 건조공기로 변화시키는 단계;
   (c) 제2차 화로의 내부에서 상기 건조공기가 더욱 가열되어 변화된 과열증기에 제2연료공급/점화장치로부터 소정의 연료가 불완전 연소되어 발생되는 일산화탄소를 가하여 수성가스를 생성시키는 단계; 및
   (d) 상기 수성가스를 포함하는 열풍을 열원으로 외부에 공급하는 단계를
   포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 방법.
   
2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에
   음식물 쓰레기 탈리액으로 고형분을 제거하는 첫번째 단계;
   상기 고형분이 제거된 탈리액의 상부에 위치하는 유분 용액과 하부에 위치하는 수분 용액을 분리하는 두번째 단계;
   상기 유분 용액을 정제한 후 상기 제1차 또는 제2차 화로의 연료로 공급하는 세번째 단계를 더 포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 방법.
   
3. 청구항 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는
   상기 습증기 내지 건조공기의 양에 따라 상기 제2차 화로에 공급되는 연료 및 공기의 양을 조절하여 상기 일산화탄소의 양을 제어하는 것을 더 포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 방법.
   
4. 음식물 쓰레기로부터 탈리된 수분 용액이 분사 및 가열되어 습증기로 변화된후 상기 습증기가 더욱 가열되어 건조공기로 변화되는 제1증기관;
   상기 제1증기관을 가열시키는 제1화로;
   상기 제1증기관으로부터 상기 건조공기를 공급받는 제2증기관;
   상기 제2증기관을 가열시켜 상기 건조공기를 과열증기로 변화시키고, 소정의 연료를 불완전 연소시켜 일산화탄소를 생성시키는 제2연료공급/점화장치;
   상기 제2연료공급/점화장치 및 상기 제2증기관를 통하여 상기 과열증기 및 일산화탄소를 공급받고 수성가스를 생성시키는 제2화로를 포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 탈리된 수분 용액을 상기 제1증기관 내부에 분사시키는 탈리액 분사장치를 더 포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 제2화로에 공급되는 연료 및 공기의 양을 조절하여 상기 일산화탄소의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 장치.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 제2증기관은 상기 제2화로 내부에 위치하며, 상기 제2연료공급/점화장치로부터 배출되는 연소가스 또는 불꽃에 의하여 가열되어 그 내부에 있는 상기 건조공기 역시 가열되는 음식물 쓰레기 탈리액을 이용하여 열풍을 생산하는 장치.
   
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