KR101714043B1 - 유기성 폐기물 처리장치와 그 방법 - Google Patents

Abstract

폐플라스틱, 식품 폐기물, 농·축·수산물의 폐기물 및 하수 오니 등의 유기성 폐기물을 압력용기에 수용한 후에 소정의 수증기를 이용하여 멸균처리, (열·가수)분해처리, (부분)탄화처리 등을 거쳐서 가축사료, 토양개량제, 퇴비, 유기질 비료, (고체·바이오)연료 등으로 손쉽게 재자원화할 수 있는, 유기성 폐기물 처리장치와 그 방법을 제공한다.
본 발명의 유기성 폐기물 처리장치는, 압력용기와, 압력용기와 연결된 그 외부에 1차 포화수증기 생성용 저압 내지는 중압 보일러 또는 1차 과열수증기 생성용 과열기가 설치되고, 압력용기 내부에는 압력용기 외부에서 생성된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 그대로 재가열시키거나 이들을 포함하여 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물에 함유되어 있거나 별도로 준비된 수분을 가열시켜서 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 압력용기 내부로 공급할 때의 압력과 온도 중의 어느 하나 이상의 인자의 값과 동등하거나 그보다 더 높은 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 생성하고 소정의 시간을 유지시킬 수 있는 히터가 설치된다. 그리고, 유기성 폐기물의 처리방법은 이와 같이 하여 생성된 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 사용하여서, 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물의 성상이나 처리 후의 용도를 고려하여 교반을 하면서 소정의 시간 유지를 하고, 처리가 완료되면 압력용기 내부를 감온 감압시켜서 회수한다.

Description

유기성 폐기물 처리장치와 그 방법{The system for sterilizing and recycling of organic waste and Its method}

본 발명은 음식물류 쓰레기, 식품 폐기물, 농·축·수산물의 폐기물, 하수 오니 및 폐플라스틱 등의 유기성 폐기물을 밀폐된 압력용기 내에 수용한 후에 압력용기의 외부에서 생성된 소정의 1차 수증기(본 발명에서의 수증기는 100℃ 0.1ＭＰａ이상의 포화수증기와 포화수증기를 더욱 가열하여 건조시킨 과열(건)수증기를 통틀어서 지칭함. 이하, 수증기)를 도입하여 재가열의 수단을 통해서 소정의 2차 수증기를 생성시키고, 생성된 소정의 2차 수증기를 이용하여서 유기성 폐기물의 성상에 알맞게 멸균처리·(부분)분해처리·(부분)탄화처리 등을 거치면서 그로부터 얻게 되는 처리물을 안전하게 재자원화할 수 있는 유기성 폐기물 처리장치와 그 방법에 관한 것이다.

직매립 금지제도가 실시된(2005.1) 이후, 종래 상술한 유기성 폐기물을 자원화처리하기 위해서 지렁이 사육, 사료화, 퇴비화 등으로 적극적으로 검토되고 실시되고 있지만, 소각처리를 포함하여 아래에 지적하는 바와 같은 문제점을 내포하고 있어서 그 어느 방법 하나 충분한 해결책이 되지 못하고 있다. 더욱이, 사료화나 퇴비화시설에서는 처리장에 반입되는 음식물류 쓰레기의 양보다도 더 많은 양의 침출수나 오폐수 등을 재차 배출하기도 하고 있으며, 1일 약 5,000톤 정도의 해양투기(2008년도 음식물쓰레기 1일 전국발생량 15,142톤 중 해양투기 분, 한국경제, 2010.7.18)도 이루어지고 있는 실정이다. 참담하게도 이 방법은 잠정적인 수단에 지나지 않을 뿐이다. 2011년 2월부터 점진적으로 해양투기를 중지하려던 계획(2006년발표)도 올 6월에 변경 연장하여서 2013년부터 전면 금지한다고 하지만 이 또한 지켜질지가 의문이고, 최근 20여 년간 해양에 버려온 것만 하더라도 1억톤 이상이다 보니 세계 최대의 오폐수 해양 투기국으로서의 비난은 면치 못할 것이다.

(1)소각처리: 불완전 연소시 다이옥신 발생과 함수물의 냉각효과에 의한 소각로의 훼손. (2)지렁이 사육: 악취발생, 관리 및 처리량의 한계(2006년도 여주 지렁이 사육장 폐쇄). (3)사료화: 낮은 산도(pH4~5)와 파쇄된 유리나 도자기 조각 등 이물질이 잔유(가축의 번식과 산란 등에 문제발생) 및 불충분한 멸균 처리조건에 의한 외래 종자의 임화(稔化)와 가축이나 가금류 전염병(조류 독감, 구제역 등)의 확산 우려. (4)퇴비화: 악취발생, 대단위 부지 필요, 미숙 퇴비 발생(후숙기간 3개월 이상 요), 수분억제용으로 톱밥 추가시 추가 비용발생과 고 C/N비(50 이상)로 인한 작물피해 등.

한편, 각종 유기성 폐기물에 대한 새로운 자원화 방법의 하나로서, 밀폐된 공간의 압력용기 내에서 소정의 수증기를 이용하여 간단하고도 안전하게 그리고 단시간에 처리하여 즉시 사용할 수 있는 방법(유기성 폐기물의 가축 사료화, 토양개량제화, 퇴비화, 비료화, RDF화, 바이오 가스화 등)과 장치구성 등에 대해서, 10여 년 전부터 일본에서는 정력적인 연구 검토와 지적재산화가 이루어지고 있다. 본 발명과 관련하여서 유기성 폐기물에 포화수증기를 적용시켜서 연료화하는 예로서는, 일본 특개2007-112880호(연료화 장치 및 연료 제조방법), 동2007-75659호(연료 제조장치 및 연료 제조방법), 동2006-28272호(연료 제조방법 및 장치) 등이 있고, 토양개량제 또는 산포제로서 사용하기 위한 예로서는, 일본 특개2006-26539호(유기성 폐기물 재이용 처리방법), 동2005-146024호(토양산포제 제조방법) 등이 있으며, 장치의 구성 예로서는, 일본 특개2005-230726호(증기처리 장치), 동2004-130235호(폐기물 감용장치 및 감용방법), 동2003-164826호(잔반, 음식물쓰레기 처리장치 및 처리방법) 등을 들 수가 있다. 그리고 이들 방법과 장치 등에서는 개략 1.5~2.5ＭＰａ정도의 낮은 아임계수 영역의 포화수증기를 사용하고 있지만, 장치를 구성함에 있서는 적어도 2.5ＭＰａ 이상의 포화수증기를 생성할 수 있는 고압력 발생용 보일러(이하, 고압력 발생용 보일러를 단순히 고압 보일러라고 함.)를 도입할 필요성이 있게 된다. 더욱이 유기성 폐기물을 생산성 있게 처리하기 위해서는, 압력용기의 대용량화와 함께 고압 보일러의 대형화도 불가피한 사항으로서, 대형의 고압 보일러는 비용 발생이 크게 되고, 고압 보일러에 대한 법적 규제와 난해한 멘터넌스 및 안전성 등에서 많은 문제점을 내포하기도 한다. 그리고, 압력용기에 수용된 유기성 폐기물을 소정의 수증기에 의해 처리하는 동안에는, 수증기 공급용 배관과 압력용기 내외부 간에 온도차와 연결부 등에서 압력 누출도 발생하기 때문에, 이와 같은 경우에는 누설된 열원을 보충하기 위해서라도 고압 보일러를 지속적 또는 단속적으로라도 가동도 시켜야 하는 등, 에너지 낭비가 크게 되는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하고 개선하기 위해서 제안하는 것이다. 구체적으로는, 음식물류 쓰레기, 농·축·수산물의 폐기물, 하수 오니 및 폐플라스틱 등의 각종 유기성 폐기물과, 음식물류 쓰레기로서는 분류하기가 힘든 어패류나 골분류 등을, 소정의 수증기를 사용하여서 밀폐된 공간 내에서 단시간에 효과적이고 대량으로 멸균 처리 또는 (부분)분해 처리(열분해, 가수분해, 분쇄 등) 또는 (부분)탄화 처리를 하여서 그 처리물을 재자원화하는 장치와 방법을 제공함에 있어서, 전술한 종래와 같이 고압 보일러를 사용하지 않고서도 유기성 폐기물을 처리할 수 있는 장치를 제공하여 초기 설비투자 비용의 억제와 함께 사용상에 안전성과 편리성을 높이고, 이를 이용하여 처리하는 방법에서는 유기성 폐기물이 압력용기 내에서 소정의 수증기에 의해 처리되는 동안에는 압력용기와 외부 수증기 열원과의 열공급을 차단하여 불필요한 에너지 소비를 줄이고, 소정의 수증기 처리가 끝난 후에도 폐증기를 재활용함으로써 외부로부터의 수증기 공급 없이도 다음 처리를 가능케 하여 경제성도 극대화시킬 수 있게 함을 그 과제로 하고 있다.

상기 과제를 수행하기 위한 본 발명의 유기성 폐기물처리 장치는, 소정의 유기성 폐기물이 수용되어 처리되기 위한 압력용기와, 압력용기와 연결된 그 외부에, 고압 보일러보다는 관리면이나 가격면 안전면 등에서 월등히 유리한, 1차 포화수증기 생성용 저압 보일러나 중압 보일러(업계에서도 보일러의 구분이 명확하지 아니한 관계로, 본 발명에서는 포화수증기의 발생압력을 기준으로 하여서, 0.1ＭＰａ(100℃)~1.0ＭＰａ(179℃) 포화수증기 생성용 보일러를 저압 보일러, 0.1ＭＰａ(100℃)~2.0ＭＰａ(211℃) 포화수증기 생성용 보일러를 중압 보일러, 2.1ＭＰａ(211℃) 이상의 포화수증기를 생성할 수 있는 보일러를 고압 보일러로 분류함.), 바람직하게는 저압보일러(0.1ＭＰａ,100℃~1.0ＭＰａ,179℃의 포화수증기 생성기)를 설치하거나, 또는 2.0ＭＰａ이하 200~800℃ 정도, 바람직하게는 1.0ＭＰａ이하 200~400℃ 정도의 1차 과열수증기를 생성할 수 있는 과열기를 설치하고, 압력용기 내부에는 압력용기 외부에서 생성된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 그대로 재가열시키거나 또는 이를 포함하여 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물에 함유되어 있거나 별도로 준비된 수분을 가열시켜서 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 압력용기 내부에 공급할 때의 압력과 온도 중의 어느 하나 이상의 인자의 값과 동등하거나 그보다 더 높은 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 생성하고 소정의 시간을 유지시킬 수 있는 히터를 설치한다. 그리고, 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물은 이와 같이 하여 생성된 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 이용하여서 배출물의 성상과 재활용 용도에 알맞게 소정의 처리를 하고, 처리가 끝나면 서서히 감온 감압을 하여서 압력용기 밖으로 그 처리물을 회수한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 기대된다.

(1) 수증기 발생 압력이 낮은 보일러나 과열기를 사용함으로써 고압 보일러를 사용할 때보다도 장치제작이 저렴하고, 관리가 용이하며, 안전하게 사용할 수 있다.

(2) 압력용기 외부에서 생성한 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 압력용기 내부에 도입하여 유기성 폐기물을 처리하여 완료하기까지는 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 더 이상 공급할 필요성이 없기 때문에, 이들 수증기 생성용 보일러나 과열기의 가동정지에 따른 에너지를 절약할 수 있게 되고, 이들의 사용 수명도 보다 더 오래 유지할 수 있다.

(3) 압력용기 내부에 구성된 히터에 의해서 유기성 폐기물의 성상에 알맞는 2차 수증기를 생성하여 직접 처리하기 때문에, 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

(4) 적어도 2개 이상이 병렬로 연결된 압력용기를 사용하게 될 때에는 폐증기를 인접하는 압력용기 간에 재공급하여 사용할 수 있기 때문에, 2번째 처리 이후부터는 압력용기에 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 공급하는 대신에 폐증기를 공급 사용함으로써 에너지 절약을 물론 경제성도 추구할 수 있다.

(5) 밀폐된 압력용기 내에서 유기성 폐기물의 성상과 처리 후의 용도 및 수증기 조건에 따라서 가축의 사료, 토양개량제, 퇴비, 유기질 비료, 고체연료(ＲＤＦ), 바이오 가스 등으로 그 처리물의 용도를 다양하게 전개할 수 있다.

도 1은 고상과 액상의 유기성 폐기물을 번갈아 가며 처리하기 위해 한 쌍의 압력용기를 병렬로 구성한 본 발명 실시 일 예를 나타내는 시스템 도이다.
도 2는 고상 처리용 횡형의 압력용기에 히터를 설치한 일 예이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.
도 4는 액상 처리용 종형의 압력용기에 히터를 설치한 일 예이다.

이하 본 발명의 구성 및 작용에 대해서 도면을 들어 설명한다.

(1) 장치 구성

도 1은, 본 발명자의 특허 제10-0772008호를 인용하여 고상과 액상으로 성상이 분류된 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하기 위해서, 한 쌍의 압력용기(Ｐ1,Ｐ2)를 1차 수증기 열원(Ｂ,Ｅ)과 병렬로 구성한 일 예를 나타내는 시스템 도이다.

도에서, 압력용기Ｐ1에서는 수분이 어느 정도 제거되었거나 인위적으로 짜여 저서 건더기 상으로 된 고상의 유기성 폐기물(1)만이 수용되어 처리되기 위한 구조로서, 교반기가 횡축으로 구성됨에 따라 횡축 압력용기라고 하였고, 압력용기Ｐ2에서는 고상에서 제외된 침출수나 폐수 등 액상의 유기성 폐기물(2)만이 수용되어 처리되기 위한 구조로서, 교반기가 종축으로 구성됨에 따라 종축 압력용기라고 이름을 붙였다. 이들 Ｐ1,Ｐ2의 압력용기에는 성상이 분류되어 저장조에 저장되어 있는 각각의 고상(1)과 액상(2)의 유기성 폐기물이 동시에 수용되어서 소정의 수증기에 의해서 동시에 처리될 수도 있지만, 압력용기 간에 폐증기(본 발명에서의 폐증기는, 압력용기 내에서 고상이나 액상의 유기성 폐기물을 처리하는데 사용되었던 소정의 수증기로, 열용량이 충분하여 개략 1.0ＭＰａ정도 이상의 포화수증기나 0.5ＭＰａ 300℃ 정도 이상의 과열수증기를 말함. 이하, 폐증기)를 재이용하여 경제성을 추구한다는 관점에서는, 각각의 압력용기에 유기성 폐기물이 수용되는 것을 동시에 하거나 또는 후술하는 예에서와 같이 압력용기 간에 공전하는 시간을 최소화하기 위해서 차등을 두어 수용을 하지 마는, 압력용기 내에서의 소정의 수증기처리는 시스템을 가동하기 위한 초회를 제외하고 2번째 처리부터를 인접하는 압력용기 간에 폐증기가 수주된 이후에야 가능케 하는 시퀀스 구성법이라고 할 수 있겠다.

그리고, 각각의 압력용기Ｐ1과 Ｐ2는, 1차 수증기의 열원으로서 저압력(0.1~1.0ＭＰａ) 내지는 중압력(0.1~2.0ＭＰａ)의 1차 포화수증기 생성용 보일러, 바람직하게는 저압력(0.1~1.0ＭＰａ)의 1차 포화수증기 생성용 보일러(Ｂ), 또는 0.1~2.0ＭＰａ, 200~800℃정도의 1차 과열수증기 생성용 과열기, 바람직하게는 0.1~1.0ＭＰａ, 200~400℃ 정도의 1차 과열수증기 생성용 과열기(Ｅ)와 병렬로 구성한다.

그리고 각각의 압력용기의 내부에는, 압력용기의 외부에서 생성된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 그대로 더욱 가열시키거나, 또는 이들을 포함하여 유기성 폐기물에 수분이 함유되어 있거나 수분이 함유되어 있지 않다면 별도로 준비된 수분을 가열시켜서, 유기성 폐기물의 처리에 적합한 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기의 압력과 온도 중의 어느 하나 이상의 인자의 값과 동등하거나 그보다 더 높은 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 생성하기 위한 히터(60ａ,60ｂ)를 설치한다.

도 2에는, 횡형의 압력용기Ｐ1에 압력용기의 내주면의 곡률에 따라 구부려서 일체화한 형상으로서, 압력용기Ｐ1의 외부에서 히터세트의 다발을 취출취부할 수 있도록 한 플랜지타입의 판상 히터(60ａ)가 설치된 일 예의 내부구성을 나타내고 있고, 도 3에서는 도 2의 A-A 단면을 나타내고 있다. 그리고, 도 4에서는 종형의 압력용기Ｐ2에 히터의 개개를 압력용기 외부에서 취출취부할 수 있는 구조로서, 테이퍼 나사식의 봉상의 히터(60ｂ)가 설치된 일 예를 나타내고 있다.

도에 나타내고 있는 바와 같이, 압력용기를 횡형(Ｐ1)으로 구성하게 될 때의 히터(60ａ)의 설치는, 본 출원자의 특허 제10-0736267호를 적용할 필요성이 있게 된다. 교반 축(53ａ)의 중심을 압력용기의 중심 축보다 어느 정도 하부 쪽에 구성을 함으로써, 모터(Ｍ)의 구동에 의해서 축(53ａ)이 회전하게 될 때에 교반 날개(55ａ)와 교반 중의 고상 폐기물과 가장 멀리 떨어지게 되는 천장 부위에 설치되게 하자는 것으로, 가급적이면 이들과 접촉되지 않도록 하여서 히터 파손의 위험성을 방지하거나 최소화를 꾀할 수 있게 된다. 그리고 히터(60ａ)를 설치할 때에는, 이와 같은 위험성의 배제와 더불어서, 히터가 천장에서 낙하 되지 않고, 발열시에 변형이 생겨서 쳐지는 일 등도 방지해 주기 위해서, 선반이나 후크 등의 형상을 도입하여 소정의 지지대(61ａ)를 함께 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여서 설치된 히터에 전원이 투입되면, 압력용기 내에 수용된 고상 폐기물을 직접 가열하는 것이 아니라, 히터 주위의 수증기를 가열함으로써 열전달에 의해서 수용된 고상의 유기성 폐기물이 가열하게 되는 간접 가열 방식으로 운용하게 된다.

그리고, 압력용기를 종형(Ｐ2)으로 구성하게 될 때의 히터(60ｂ)의 설치는, 교반 날개(55ｂ)가 짧아도 액상의 폐기물을 교반하는 데는 지장이 없기 때문에, 교반 날개(55ｂ)의 회전 외주부 즉 압력용기의 내주면에 따라서 수직인 방향에, 액상 폐기물의 회전중의 요동이나 충격 등에도 견딜 수 있도록 소정의 지지대(61ｂ)와 함께 설치를 한다. 이와 같이 하여서 설치된 히터는, 압력용기 내에 수용된 액상 폐기물에 침적된 발열부에 의해서 가열되기 때문에, 직접 가열 방식으로 운용하게 된다.

한편, 히터를 선정할 때에는 유기성 폐기물의 특성을 고려하여서, ｐＨ3 정도의 산에 대한 충분한 내식성과 3.0ＭＰａ정도 이상의 포화 수증기에도 견딜 수 있는 것이 안전상 바람직하다. 대표적인 예로서, 스테인리스 튜브 등으로 표면이 보호된 시스형 히터(Sheathed Heater)를 사용하는 것이 양호하다고 할 수 있겠지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 열쟈켓과 같은 간접 가열방식의 히터도 물론 압력용기 내부에 설치 사용할 수가 있다. 그리고, 히터의 형상으로서는, 실시 예에서는 봉상(60ｂ)의 싱글형이나 압력용기의 곡률과 길이에 준하여서 구부려 형성한 판상(60ａ)의 세트형의 일 예를 소개하였지만, 그 밖에 압력용기의 내부구조에 맞춰서 다양하게 설정할 수도 있다. 그리고, 히터의 열전도율을 높여주기 위해서 히터에 방열판이나 방열핀을 설치할 수도 있으며, 히터와 가까운 곳의 압력용기에는 과열을 방지하기 위해서 단열재를 설치할 수도 있게 된다는 것은 당 업자라면 주지할 수 있는 일이다. 그리고, 히터는 단선시에도 압력용기의 일측이나 양측의 외부로부터 간단하게 교환하여 사용할 수 있도록 본 발명 실시 일 예에서 나타내고 있는 것과 같은 외삽형의 히터를 설치하는 것이, 압력용기에 플랜지형 경판부(70ａ,70ｂ)가 구성되어 있어서 이 경판부를 해제하여 내부에 취부취출을 하는 것보다는 시간이나 노력 운영 등에 있어서 바람직한 방법이라고 할 수 있다. 그리고, 히터가 설치된 곳에서는 압력이 누출되지 않도록 하기 위해서, 압력용기와의 연결부를 플랜지 타입의 히터(예,60ａ)나 테이퍼나사 구조의 히터(예,60ｂ)로 하면서 실링을 하면 더욱 좋다. 그리고 히터를 교반물로부터 보호하기 위해서, 히터주위에 그물과 같은 보호망을 설치할 수도 있다. 이와 같은 보호망이나 지지대(61ａ, 61ｂ) 등의 형상과 크기는, 히터의 형상이나 압력용기의 내부구조 등에 따라서 다양하게 변경하여 사용할 수 있게 됨은 자명한 일이다.

본 발명 실시 일 예에 있어서 압력용기는, 일측에 용접된 경판부와 함께 또 다른 일측에는 몸통부(71ａ,71ｂ)와 분리하거나 결합할 수 있는 구조로서의 플랜지 형성 경판부(70ａ,70ｂ)의 설치 일례를 보여주었다. 그 밖에도, 양측 모두가 용접되어 있으면서 몸통부의 일부에 압력용기의 개폐구가 설정되는 구조라든지, 양측 모두에 플랜지 형성의 경판부가 설치되는 구조도, 본 발명에 적용할 수 있게 됨은 자명한 일이다.

(2)유기성 폐기물의 처리방법

도 1의 시스템상에서는, 고상 처리용 압력용기Ｐ1과 액상 처리용 압력용기Ｐ2에 성상이 서로 다른 유기성 폐기물을 동시에 수용하여서 소정의 수증기 처리를 동시에 진행할 수도 있으나, 폐증기를 재활용하고자 하는 에너지 절약의 관점에서, 고상 처리용 압력용기Ｐ1에서 먼저 소정의 수증기 처리를 하고 나서 고상 처리용 압력용기Ｐ1에 남아 있는 폐증기를 액상 처리용 압력용기Ｐ2에 1차 수증기 열원으로 공급하여 처리하는 방법에 대해서 설명한다.

유기성 폐기물을 처리하기 위한 모든 준비(예, 유기성 폐기물의 성상 분류, 장치의 이상유무 확인 및 워밍업 완료, 모든 밸브 차단 등)가 완료되면, 압력용기Ｐ1의 모터(Ｍ, 50)를 가동하여 교반 축(53ａ)을 회전시키고, 압력용기Ｐ1의 고상 폐기물 투입구(3)의 밸브(26)와 고상 폐기물 저장조(1)의 배출밸브(25)를 개방하여 스크류피더 등의 정량 반송수단(9)을 사용하여서 압력용기Ｐ1에 적정량의 고상 폐기물을 수용하고, 고상 폐기물 저장조(1)의 배출밸브(25)와 압력용기Ｐ1의 고상 폐기물 투입구(3)의 밸브(26)를 차단한다. 그리고 이와 병행하여서, 압력용기Ｐ1과 연결되어 있는 포화수증기 생성용 저압 내지는 중압 보일러, 바람직하게는 저압 보일러(Ｂ)를 가동시켜서 최대 1.0ＭＰａ(179℃)의 1차 포화수증기를 생성하거나, 또는 2.0ＭＰａ이하 200~800℃ 정도의 과열수증기, 바람직하게는 1.0ＭＰａ이하 200~400℃ 정도의 과열수증기 생성용 과열기(Ｅ)를 가동시켜서 1차 과열수증기를 생성하고, 압력용기Ｐ1에 수증기 공급 밸브(20)를 개방하여 1차 포화수증기 내지는 1차 과열수증기를 공급하면서 압력용기Ｐ1 내의 압력(43)과 온도(42)를 감시한다. 그리고 압력용기에 수용된(되는) 유기성 폐기물의 성상과 처리 후의 용도 등을 고려하여서, 다음과 같이 처리를 한다.

① 유기성 폐기물(음식물 쓰레기)의 가축사료화

음식물 쓰레기를 사료화하기 위해서는, 돼지용으로서 80℃에서 30분 이상의 처리, 닭이나 오리용으로서는 100℃에서 30분 이상의 처리를 요구하고 있다. 그러나, 근년 만연하고 있는 전염성 병원균을 근절하고 외래 종자의 불임화 등을 고려한다면, 포화수증기를 사용하여서 115℃에서 30분 이상의 처리, 또는 121℃에서 20분 이상의 처리, 또는 126℃에서 15분 이상의 처리(일본의 약방 규격)를 하는 방법이 바람직할 것 같다. 따라서, 압력용기Ｐ1에 수용된 음식물 쓰레기에 대한 가축사료용으로서 수증기 처리는, 저압 보일러(Ｂ)를 가동시켜서 최대 1.0ＭＰａ(179℃)의 1차 포화수증기를 생성하거나, 1.0ＭＰａ이하 200~400℃ 정도의 과열수증기 생성용 과열기(Ｅ)를 가동시켜서 1차 과열수증기를 생성하여 압력용기Ｐ1에 서서히 공급을 하고, 그 내부압력을 처리조건에 맞는, 예를 들어서 약 0.2ＭＰａ(121℃) 정도가 되면 수증기 공급 밸브(20)를 차단하여 20~30분 정도를 더 교반해 준다. 그리고, 처리 중에 압력용기 내의 온도와 압력이 설정 값보다 떨어지게 되면, 압력용기에 공급해 주다 남은 1차 수증기가 높은 열용량을 유지한 채 보일러(Ｂ)나 과열기(Ｅ)에 남아 있으면 수증기 공급 밸브(20)를 열어서 공급해 주고, 그렇지 않다면 압력용기 내에 설치된 히터(60ａ)를 사용하여서 올려 준다. 그러나, 소정의 수증기 처리를 끝낸 후의 폐증기는 인접하는 압력용기Ｐ2에 공급하여 1차 수증기 열원으로서 사용할 수도 있지만, 이 경우 약 0.2ＭＰａ(121℃) 정도의 포화수증기의 열용량은 대단히 미미하기 때문에, 소정의 탈취처리를 하여서 방출시키는 것이 좋다.

② 수분함유 고상 유기성 폐기물의 토양개량제화, 퇴비화, 유기비료화 및 액상 폐기물의 안정화 처리

고상으로 분류된 유기성 폐기물을 토양개량제, 퇴비, 유기 비료 등으로 사용하기 위해서는, 압력용기에 수용한 후에 1.5ＭＰａ이상의 2차 포화수증기, 바람직하게는 2.0ＭＰａ정도의 2차 포화수증기를 사용하여서 10~30분 정도 처리를 하는 것이, 가수분해율의 면에서 이상적이고(20%이상), 처리물의 색상과 형태도 마치 흙처럼 유사하게 되어서 위화감도 없어서 좋다.

따라서, 고상으로 분류된 유기성 폐기물(1)이 압력용기Ｐ1에 수용이 되면, 고상 폐기물 저장조(1)의 배출밸브(25)와 압력용기Ｐ1의 고상 폐기물 투입구(3)의 밸브(26)를 차단한다. 그리고, 이와 병행하여서 압력용기Ｐ1과 연결하여 설치된 저압 보일러(Ｂ)를 가동시켜서 최대 1.0ＭＰａ(179℃) 포화수증기를 생성하거나, 또는 1.0ＭＰａ이하 200~400℃ 정도의 과열수증기 생성용 과열기(Ｅ)에서 1차 과열수증기를 생성하여서, 압력용기Ｐ1에 수증기 공급 밸브(20)를 개방하여서 1차 포화수증기 내지는 1차 과열수증기를 서서히 공급한다. 그리고 압력용기Ｐ1 내의 압력(43)과 온도(42)가 1차 포화수증기의 최대 공급압력(1.0ＭＰａ)과 온도(179℃), 또는 1차 과열수증기의 공급 압력(1.0ＭＰａ)과 거의 일치하게 되면(*이때 투입되는 200~400℃ 정도의 과열수증기는 유기성 폐기물에 포함되어 있는 수분에 의해 열을 빼앗겨서 점차 포화수증기화하기 때문에 수치화가 불가.) 압력용기Ｐ1의 수증기 공급 밸브(20)를 폐쇄하고, 1차 포화수증기 생성용 보일러(Ｂ) 또는 1차 과열수증기 생성용 과열기(Ｅ)의 전원을 완전히 차단한다. 그리고, 동시에 압력용기Ｐ1 내에 설치된 히터에 전원을 투입하여 압력용기에 공급된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 포함하여 유기성 폐기물에 포함되어 있는 수분을 가열하여 압력용기Ｐ1에 수용된 유기성 폐기물 처리에 적합한, 예를 들면 2.0ＭＰａ(211℃)정도의 2차 포화수증기를 생성하여 유지시키고, 토양개량제나 퇴비 또는 유기질 비료 등으로 사용하기 위한 소정의 시간 5~60분, 바람직하게는 10~20분을 더 교반하여 서 완료한다.

여기서, 예를 들어 1차 수증기 공급 열원이 1.0ＭＰａ 179℃의 포화수증기이고, 압력용기 내에 설치된 히터에 의해서 수증기처리에 적합한 2.0ＭＰａ 211℃의 2차 포화수증기를 생성하였다면, 2차 포화수증기와 1차 포화수증기의 온도차는 32℃가 된다. 다시 말하면,

열량=비열×(밀도×체적)×온도차

로 계산되기 때문에, 이 정도의 온도차를 압력용기 내에 구성된 히터를 사용하여서 단시간에 올리는 것은 용이한 일이다(*압력은 밀폐된 상태이기 때문에, 온도 상승과 더불어서 동반 상승).

이와 같이하여서 압력용기Ｐ1에서 소정의 수증기처리(① 또는 ②)를 하는 동안에 다음 처리를 하기 위해서, 인접한 압력용기Ｐ2에는 액상 폐기물 저장조(2)의 공급 밸브(24)를 개방하여 로터리 밸브 등의 정량 송출 기구(10)를 통하여 압력용기Ｐ2에 액상 폐기물 투입구의 밸브(23)을 개방하여 수용하고, 액상 폐기물 저장조의 공급 밸브(24)와 압력용기Ｐ2의 액상 투입구의 밸브(23)를 차단하여, 수용된 액상 폐기물을 교반하면서 대기한다.

이때 압력용기Ｐ1에서는 고상 폐기물에 대한 소정의 수증기 처리가 끝나게 되고, 처리에 사용되었던 소정의 수증기, 즉 폐증기가 실시 예(②)와 같이 2.0ＭＰａ 이상의 포화수증기로서 재활용하는데 충분한 열량이 있으면, 다음 처리를 위해서 대기중인 압력용기Ｐ2에 병렬밸브(22 또는 20과21)를 개방하여 폐증기의 일부를 압력용기Ｐ2에서 1차 포화수증기 열원으로서 사용되기 위해서 보내고, 압력용기Ｐ1과 Ｐ2 사이에서 증기압 평형이 이루어 지면 병렬밸브(22 또는 20과21)를 닫는다. 그리고 이와 동시에 압력용기Ｐ2 내에 설치된 히터(60ｂ)에 단자(44)를 통하여 전원을 공급하여 액상 폐기물의 처리에 적합한, 예를 들면 2.0ＭＰａ(211℃) 정도의 2차 포화수증기를 생성하고 유지를 시키면서 소정의 시간 5~60분, 바람직하게는 10~20분을 더 교반하여 처리를 완료한다. 이와 같이 하여 수증기 처리한 액상 처리물(9)은 안전한 액상 유기물로서의 토양개량제, 퇴비, 물비료, 천연 유기농약 등으로 사용할 수도 있지만, 잔폐증기(본 발명에서의 잔폐증기는, 압력용기 내에서 소정의 유기성 폐기물의 수증기 처리에 사용되었던 2차 포화수증기나 2차 과열수증기의 일부로서, 폐증기로서 인접하는 압력용기에 1차 수증기 열원으로서 공급하다가 남은 잔여 증기를 말함. 이하, 잔폐증기)의 열 등을 이용하여서 증발시킨 후에 염분을 회수할 수도 있게 된다.

그리고, 압력용기Ｐ2에서 사용되었던 2.0ＭＰａ(211℃) 정도의 포화수증기는 열용량이 높기 때문에, 폐증기의 일부로서 압력용기Ｐ1에서의 1차 포화수증기의 열원으로서 공급하여 재사용할 수가 있게 된다. 즉, 열용량이 있는 폐증기는 압력용기Ｐ1과 Ｐ2 사이를 반복하면서 1차 포화수증기 열원으로서 계속 사용할 수가 있기 때문에, 궁극적으로 시스템을 가동하고 있는 한은, 압력용기 외부에 설치된 1차 포화수증기 생성용 보일러 또는 1차 과열수증기 생성용 과열기가 사용되는 것은 시스템을 가동하기 위한 초기 1회에 한정할 수도 있게 된다. 따라서, 에너지를 절약하는데 많은 도움이 된다.

한편, 압력용기Ｐ2에서 소정의 수증기 처리를 하는 동안에, 압력용기Ｐ1에는 압력용기Ｐ2에 1차 포화수증기 열원으로서 공급하다가 남은 잔폐증기를 압력용기 밖으로 배출하기 위해서 배기밸브(28)를 개방한다. 그리고, 이때 배출되는 잔폐증기에 문제가 없으면 그대로 배출할 수도 있지만(10), 기액분리기와 가스분리기를 통과시켜 가며 응축수와 바이오 가스 등을 회수할 수도 있고, 냄새제거가 필요하게 될 경우에는 소정의 필터링과 연소처리를 한다. 이와 같이 하여서 압력용기Ｐ1 내에 남아있던 잔폐증기의 배출이 완료되면, 압력용기 하단에 설치된 고상 처리물 배출구(4)의 배출밸브(29)를 개방하여 압력용기 내에 남아 있는 처리물을 교반기의 교반 수단에 의해서 용기 밖으로 배출시킨다. 이때 용기 밖으로 배출되는 처리물에는 유기성 폐기물을 수거할 때에 포함되는 유리나 도자기 조각, 금속류 등의 이물질(8)이 그대로 남아있게 되기 때문에 진동판 컨베이어(5)를 통과시켜 걸러내고, 나머지는 잔폐증기의 폐열을 이용하여 건조시키기도 하면서 회수한다(7). 이와 같이 고상 처리물(7) 배출이 완료되면 다음의 처리를 위해서, 압력용기Ｐ1의 배출구 밸브(29)와 잔폐증기의 배기 밸브(28)를 닫고, 고상 폐기물 저장조(1)의 고상 폐기물을 수용하기 위한 태세에 들어간다. 그리고 이후의 공정은, 시스템을 가동하고 있는 한 기술한 바와 같이, 연속적이고 반복적으로 이루어지게 된다.

본 발명에서의 토양개량제는 토양의 물리적, 화학적, 생물학적 등의 조건을 개량해 주는 의미로 사용되기 위한 것이다. 본 발명에서의 처리물은 ｐＨ3~4 정도의 산도가 있어서, 예를 들면 하우스 재배 등으로 알칼리성으로 변해버린 토양을 개량하는데 유효하게 사용할 수가 있고, 응축수나 액상의 경우에도 예를 들면 목초액과 동일한 성분으로서 토양 미생물을 번식시키기도 하고, 독특한 냄새는 천연 유기 농약으로서의 해충으로부터의 작물보호에도 유용하게 사용할 수가 있다.

한편, 퇴비로서는 비료관리법에 의해서 그린(1급)퇴비(유기물 40%이상, Ｃ/Ｎ비 40 이하, 염분 2% 이하, 수분 45% 이하)나, 또는 퇴비(유기물 25%이상, Ｃ/Ｎ비 50 이하, 염분 2% 이하, 수분 55% 이하)로서, 성분분석 결과 문제없이 사용할 수가 있게 됨을 알 수 있었다. 그리고, 유기질 비료로 사용하기 위해서는 비료관리법을 개정할 필요성도 있으나, 예를 들면 골분의 경우에는 질소성분 1% 이상과 인산성분 15%이상(질소와 인산성분 합계20% 이상)일 때 해당 되고, 가공한 계분의 경우에는 질소 인산 칼리 각 성분의 합계가 6% 이상일 때 해당 되기 때문에, 본 발명 처리물을 유기질 비료로서 사용하기 위해서는 이들 부분에 적용시켜서 사용하는 것도 바람직한 방법이라고 사료된다. 따라서, 여기에 적용시키기 위한 방법으로서는 (1)음식물류 쓰레기, 골분류, 어패류, 계분 등을 별도로 소정의 수증기처리를 한 후에 상기 성분에 맞추거나, (2)상기 성분이 되게끔 음식물류 쓰레기, 골분류, 어패류, 계분 등을 일정한 비율로 혼합하여서 소정의 수증기처리를 하면 좋을 것 같다.

③ 고상 유기성 폐기물의 고체연료화(ＲＤＦ:refuse derived fuel), 바이오 가스화

고상 유기성 폐기물의 고체연료화(ＲＤＦ) 방법은, 전출의 ②수분함유 고상 유기성 폐기물의 토양개량제화, 퇴비화, 유기 비료화의 수증기 처리와 거의 동일한 조건에서 이루어진다. 음식물류 쓰레기만으로서의 발열량은 2000㎉/㎏ 전후로 대단히 낮다. 따라서, 보일러 등의 고체연료로 사용되기 위해서는 음식물류 쓰레기와 함께 발열량이 높은 비닐봉지나 포장지, 비닐하우스용의 폐비닐 등을 포함한 폐플라스틱의 조각을 중량비로 5~30%정도를 첨가하여서 소정의 수증기 처리를 하면, 석탄에 필적할 만한 4000~7000㎉/㎏ 정도의 발열량을 얻을 수 있는 분말상의 고체연료를 얻을 수 있게 된다. 이것을 건조시켜 착화탄 등으로 사용할 수도 있다.

그리고 바이오 가스로 사용하고자 할 때에는, 처리하고자하는 유기성 폐기물을 가능하면 건조시켜서 압력용기에 수용을 하고, 과열증기하에서 소정의 처리를 하는 것이 양호한 열분해 결과를 얻을 수가 있기 때문에 바람직한 방법이 된다. 따라서 1차 수증기 열원으로서도 가능하면 높은 온도의 수증기, 적어도 1.0ＭＰａ의 포화수증기나 250℃ 이상의 과열수증기를 사용하는 것이 좋고, 온도가 더욱 높으면 처리시간의 단축에 효과적이 된다. 그리고, 압력용기 내에 1차 수증기가 공급되면 내부에 설치한 히터에 전원을 투입하여 더욱 가열시켜서 0.1~2.0ＭＰａ, 350~800℃의 2차 과열증기를 생성하여 유지시키면서 1~50분간 탄화처리를 한다. 이와 같이하여 열분해된 가스를 회수하여서 바이오 가스로로서 자동차의 연료, 가스화 발전연료 등으로 이용하고, 잔사는 토양개량제 등으로 이용한다.

1: 고상 폐기물 저장조 2: 액상 폐기물 저장조
3: 고상 폐기물 투입구 4: 고상 처리물 배출구
5: 진동 컨베이어 6: 이송 컨베이어
7: 고상 처리물 8: 이물질
9: 액상 처리물 10: 폐증기 배출구
20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 28, 30, 31, 32: 밸브
41, 44: 히터 단자, 60a, 60b: 히터, 61a, 61b: 히터 지지대
53a, 53b: 교반 축 55a, 55b: 교반 날개
59: 배관군(수증기 공급, 안전변, 온도계, 압력계 등 설치)
B: 보일러, E: 과열기, M: 교반용 모터, P: 압력계, T: 온도계
P1: 고상 폐기물 처리용 횡형 압력용기, P2: 액상 폐기물 처리용 종형 압력용기
RD: 교반 날개의 회전경, VD: 압력용기의 내경

Claims (3)

1. 유기성 폐기물을 압력용기에 수용하여 수증기 처리하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서,
   압력용기와 연결된 외부에 포화수증기 생성용 저압(0.1~1.0㎫) 내지는 중압(0.1~2.0㎫) 보일러 또는 과열수증기(2.0㎫이하 200~800℃) 생성용 과열기를 설치하여 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 생성하여서 압력용기 내부로 공급하고, 압력용기 내부에는 압력용기 외부에서 생성되어 공급된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 그대로 가열시키거나 이를 포함하여 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물에 함유되어 있거나 별도로 준비된 수분을 가열시켜서 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 압력용기 내부로 공급할 때의 압력과 온도 중의 어느 하나 이상의 인자의 값과 동등하거나 그보다 더 높은 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 생성하고 유지하기 위해서 히터가 구성됨을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   히터는, 횡형의 압력용기에서는 교반 축 중심이 압력용기의 중심 축보다 하부 쪽에 구성되면서 압력용기 내주면의 천장 부위에 설치되고, 종형의 압력용기에서는 압력용기의 내주면에 따라서 수직인 방향에 설치되는 유기성 폐기물 처리장치.
3. 압력용기 외부에서 생성된 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기와, 이를 압력용기 내부에 공급하여 압력용기 내부에 구성된 히터에 의해서 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 그대로 가열시키거나 이를 포함하여 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물에 함유되어 있거나 별도로 준비된 수분을 가열시켜서 1차 포화수증기 또는 1차 과열수증기를 압력용기 내부로 공급할 때의 압력과 온도 중의 어느 하나 이상의 인자의 값과 동등하거나 그보다 더 높게 생성된 2차 포화수증기 또는 2차 과열수증기를 이용하여서 압력용기 내부에 수용된 유기성 폐기물을 소정의 수증기 처리하는 유기성 폐기물 처리방법.

Images