KR101732695B1 - 슬러지 건조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치는 슬러지를 가압 및 이송하는 이송장치, 상기 이송장치로부터 이송 받은 슬러지를 통과시키는 반응관, 상기 반응관의 외측에 배치되어 슬러지를 가온하는 열교환관, 상기 반응관의 후단에 배치되어 후단 내의 압력을 조절하는 밸브, 상기 반응관에 연결되어, 가스는 외부로 배출시키고 슬러지는 하부로 배출시키는 싸이클론, 상기 싸이클론으로부터 배출되는 슬러지의 수분을 증발시키는 건조기를 포함한다.

Description

슬러지 건조장치{An apparatus for drying sludge}
본 발명은 슬러지를 탈수 및 건조시키는 슬러지 건조장치에 관한 것으로, 상세하게는 아임계수 조건으로 가온 및 가압하여 수분을 슬러지로부터 탈리시키는 슬러지 건조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 오폐수를 처리하는 과정에서 발생되는 슬러지는 다량의 수분을 포함하고 있기 때문에 반드시 소정의 건조 과정을 거쳐야 한다. 이러한 건조 과정에서 수분이 일정치 이하로 감소되지 않은 경우 매립지로의 반입이 금지되며, 그밖에 소각처리하는 경우 수분의 함량이 크면 연료의 소모량도 증대되어 경제적이지 못하다.
나아가, 슬러지의 함수율이 충분히 낮아지지 않으면 슬러지의 중량도 클 수 밖에 없어 슬러지를 매립하거나 소각처리를 위해 불편이 수반된다. 또한, 매립된 슬러지에서는 다량의 침출수가 흘러나와 주변의 토양이나 하천 등을 심각하게 오염시키게 된다.
한편, 유기성 슬러지는 주로 미생물의 사체가 주종을 이루고, 미생물 사체의 세포벽 표면 및 내부에는 수분이 다량 함유된다. 상기 수분은 세포 사이에 배치된 수분과는 달리 통상적인 탈수/건조공정에서 제거율이 낮다.
따라서, 유기성 슬러지의 효율적인 재사용 및 자원화를 위해서는 유기성 슬러지를 적정 함수율로 저감시키는 전처리 기술이 필수적으로 요구된다. 전처리 기술로서 대표적인 건조 기술의 경우 슬러지를 구성하는 세포벽으로부터 수분을 분리하기 위하여 세포벽을 파괴시키기 위한 에너지의 다량 소모는 불가피하다.
이 경우, 슬러지를 건조하는 과정에서 수반되는 악취와 점도의 증가는 다음건조 공정으로 진행하는데 힘든 요인이 되며, 특히 건조 장치에 슬러지가 부착되는 경우 문제가 된다. 또한, 감소되지 않은 점도의 슬러지는 건조 장치에 부착되어 건조 장치의 수명을 감소시킨다.
한국공개특허 KR 10-2015-0048438 "산업폐열을 이용한 유기성폐기물 복합건조장치"
본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치는 전술한 문제점을 해결하기 위함이며, 설비의 교체 또는 증가 없이 기존 건조 공정을 사용하여 종전의 건조 공정에 비하여 30%이상 시간을 단축시키고자 함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치는 슬러지를 가압 및 이송하는 이송장치, 상기 이송장치로부터 이송 받은 슬러지를 통과시키는 반응관, 상기 반응관의 외측에 배치되어 슬러지를 가온하는 열교환관, 상기 반응관의 후단에 배치되어 후단 내의 압력을 조절하는 밸브, 상기 반응관에 연결되어, 가스는 외부로 배출시키고 슬러지는 하부로 배출시키는 싸이클론, 상기 싸이클론으로부터 배출되는 슬러지의 수분을 증발시키는 건조기를 포함한다.
상기 이송장치는 슬러지를 아임계 상태의 압력조건으로 가압하고, 상기 열교환관은 슬러지를 아임계 상태의 온도조건으로 가온할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조방법은 슬러지를 건조하는 방법에 있어서, 상기 슬러지를 가압하여 반응관으로 이송시키는 가압 이송 단계, 상기 반응관의 외측에 배치된 열 교환관을 통해 슬러지를 가온하여 수분을 슬러지로부터 탈리시키는 반응 단계, 상기 슬러지를 싸이클론 방식으로 탈수하여, 가스를 외부로 배출시키고 슬러지를 건조기로 배출시키는 배출 단계 및 상기 슬러지의 수분을 증발시키는 건조 단계를 포함한다.
상기 가압 이송 단계는 슬러지를 아임계 상태의 압력조건으로 가압하고, 상기 가온 단계는 슬러지를 아임계 상태의 온도조건으로 가온할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 슬러지의 함수율을 낮춰 슬러지의 점성을 감소시킴으로써, 슬러지의 건조속도 및 건조효율이 향상시킬 수 있다. 또한 연료로서의 품질이 향상되며, 건조장치의 수명 감소를 방지할 수 있다.
또한, 밀폐환경에서 고온, 고압으로 슬러지를 살균하게 되어 슬러지의 악취의 원인을 제거할 수 있다.
또한, 슬러지 건조시 전체 건조시간의 절반 이상을 차지하는 가열 시간과, 내부 수분의 탈리를 유도하여 종전의 건조 공정에 비하여 30% 이상의 시간을 단축시킴으로써 설비의 교체 또는 증가 없이 기존 건조 공정을 사용할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 슬러지의 함유 수분을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조방법의 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치(10)를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조장치(10)를 도시한 개략도이고, 도 2는 슬러지의 함유 수분을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 슬러지 건조장치(10)는 이송장치(100), 반응관(200), 열교환관(300), 싸이클론(400), 건조기(500)를 포함한다.
이송장치(100)는 슬러지(20)를 가압하여, 가압된 상태의 슬러지(20)를 반응관(200)에 이송한다. 이송장치(100)는 아임계수 상태의 압력조건이 될 때까지 슬러지(20)를 가압한다. 아임계수는 고압상태에서 온도를 올려도 액체상태를 유지하는 상태의 물을 말한다. 일반적으로 아임계수 상태의 압력조건은 4bar 내지 400bar 범위이나, 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프는, 15kgf/cm2 내지 25kgf/cm2 범위의 압력으로 가압하여 슬러지(20)를 이송한다.
이송장치(100)는 펌프를 포함하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 이송장치(100)는 피스톤 펌프를 포함한다. 피스톤 펌프는 피스톤의 왕복 운동과 왕복 운동에 따르는 관의 개폐에 의해서 슬러지(20)를 이송하는 장치이다. 실린더 내에 있는 피스톤의 왕복 운동에 의해서 흡입한 다음 가압하여 아임계수 상태조건의 압력으로 슬러지(20)를 송출한다. 송출된 슬러지(20)는 피스톤 펌프에 의해 반응관(200)으로 이송된다. 피스톤 펌프는 점도가 높은 슬러지(20)도 압축을 가능하게 할 수 있고, 고압을 가할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 슬러지(20)의 함유 수분은 세포 사이의 수분(21), 세포벽 표면의 수분(22) 및 세포벽 내의 수분(23) 등 크게 세가지로 나뉜다. 이 때, 세포 사이의 수분은 통상적인 건조과정에서 용이하게 분리될 수 있으나 세포벽 표면의 수분(22)과 세포벽 내의 수분(23)은 제거되는데 어려움이 있다.
반응관(200)은 펌프로부터 슬러지(20)를 이송받아 도 2의 세포벽 표면의 수분(22) 및 세포벽 내의 수분(23)을 탈리시킬 수 있는 관이다. 반응관(200)의 길이와 지름은 체류시간을 고려하여 결정된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지(20)의 반응관(200) 내에서의 체류시간은 5분 내지 15분으로 결정된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응관(200)은, 슬러지(20)가 반응관(200)내에서 5분 내지 15분의 체류 시간을 갖도록 설계된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응관(200)은 지그재그 형상을 갖는 관일 수 있다. 이 경우, 반응관(200)은 지그재그로 위치하면서 다수 적층된다. 이로써 열 교환관과 접촉되는 면적을 늘려 열 효율을 높일 수 있다. 또한, 지그재그 형상의 반응관(200)은 반응관(200) 내 슬러지(20)의 체류 시간을 조절하여 설계하기에 용이하다.
슬러지(20)는 15kgf/cm2 내지 25kgf/cm2 범위의 압력조건에서, 온도를 130℃ 내지 170℃의 범위내로 온도 조건으로도 슬러지(20)의 수분을 탈리시키는데 유리하다. 즉, 25kgf/cm2 이상으로 가압하는 경우, 슬러지(20)의 수분을 탈리시키는데 더 높은 온도가 필요하게 되지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 아임계수 상태의 압력조건은 상대적으로 낮은 온도 범위내에서 슬러지(20)의 수분을 탈리시킬 수 있어 온도를 올리기 위한 에너지를 절약하게 되므로, 공정상 비용절감에 유리하다.
또한, 반응관(200)은 후단에 배치되는 밸브(210)를 포함한다.
밸브(210)는 반응관(200) 후단 내의 슬러지(20)를 가압 또는 감압하면서 압력을 조절하는 밸브(210)이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브(210)는 비례제어밸브를 포함한다. 비례제어밸브는 압력이나 온도, 유량 등에 따라 자동으로 제어되는 밸브로, 통과되는 슬러지(20)의 압력에 따라 입력 연산값에 의해 슬러지(20) 흐름의 속도나 반응관(200)을 개폐하는 정도를 제어한다. 반응관(200) 내의 압력은 펌프와 멀어질수록 감소하게 되는데, 밸브(210)가 반응관(200)의 개폐 정도를 조절하며 압력을 증가시켜 감압을 상쇄시킨다. 따라서, 반응관(200) 내의 압력은 싸이클론(400)과 연결되는 후단까지 15kgf/cm2 이상으로 유지시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 열교환관(300)은 반응관(200)의 외측에 배치되어, 반응관(200) 내의 열과 열교환을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 반응관(200)은 가열된 스팀 또는 열매체유를 통과시킨다. 가열된 스팀 또는 열매체유는 반응관(200)에 열을 전달하여 반응관(200) 내에 있는 슬러지(20)를 가온한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀 또는 열매체유는 반응관(200) 내의 온도를 130℃ 내지 170℃ 범위로 가온시킨다.
이 경우, 함수율이 높은 슬러지(20)는 약 15kgf/cm2 의 압력 조건 및 130℃ 내지 170℃의 온도 조건에서 5분 내지 15분 가량 반응을 진행하며, 세포 내 함유 수분이 분리된다. 또한, 반응관(200) 내의 분리된 수분은 열매체로 작용하여 외부 열원과 함께 슬러지(20) 세포를 파괴한다. 마지막으로, 슬러지(20)는 고체 고형물과 액상 탈리액으로 분리된다. 이 경우, 반응관(200) 내의 압력은 아임계수 상태의 조건에서도 상대적으로 낮은 압력에 속하므로, 온도를 130℃ 내지 170℃ 유지하는 것만으로도 슬러지(20)의 함유 수분을 탈리시키는데 유리해 공정상 시간과 비용을 절약할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환관(300)은 일측에서 스팀 또는 열매체유를 유입하고, 개방된 타측의 단부에서 스팀 또는 열매체유를 배출한다. 이 과정에서 가온된 스팀 또는 열매체유를 열 교환관에 공급할 수 있다. 이 때, 열매체유는 높은 열용량을 갖기 때문에, 급격한 온도 변화 없이 안정적으로 온도를 유지하고 열손실을 최소로 줄일 수 있다.
싸이클론(400)은 상단에 증기를 배출시킬 수 있는 개방부를 갖고, 하단에 배출구를 갖는다. 배출구는 통상의 밸브(210) 구동에 의해 개폐 가능한 구조를 갖는다. 싸이클론(400)은 수분이 이탈된 고체 고형물 및 수증기를 이송 받는다. 싸이클론(400)은 원심력에 의해 슬러지(20)를 고체 고형물과 액상 탈리액을 분리하여, 고체 고형물을 하부의 배출구로 침강시키고 수증기를 상부의 개방부로 배출시킨다.
건조기(500)는 싸이클론(400)에 연결되어, 고체 고형물을 파쇄시켜 함수율을 감소시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 건조기(500)는 교반식 건조기(500)를 포함한다. 교반식 건조기(500)는 내부에 형성된 교반 날개를 갖는다. 교반 날개는 싸이클론(400)으로부터 이송받은 슬러지(20)를 교반시키며 파쇄시켜 함수율을 감소시키고 동시에 파쇄되는 슬러지(20)를 이동할 수 있도록 가이드 역할을 한다.
또한, 건조기(500)는 건조기 온도 유지관(510)을 포함할 수 있다. 건조기 온도 유지관(510)은 건조기(500)의 일측에 스팀 또는 열매체유를 유입시킬 수 있는 유입관과 타측 단부에서 응축수를 배출할 수 있는 배출관을 포함할 수 있다. 유입관에는 가열된 스팀 또는 열매체유를 공급하여 건조기(500) 내의 온도를 유지시킬 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조 방법(30)을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 건조방법(30)의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 슬러지 건조방법(30)은 가압 이송 단계(31), 반응 단계(32), 배출 단계(33), 건조 단계(34)를 포함한다.
가압 이송 단계(31)는 투입된 슬러지(20)를 가압하여 반응관(200)으로 이송한다. 구체적으로, 펌프를 통해 슬러지(20)를 아임계수 상태의 조건으로 가압한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프는 피스톤 펌프를 포함한다. 이 때, 바람직하게는 15 kgf/cm2 내지 25kgf/cm2 범위의 압력으로 가압하여 슬러지(20)의 함수율을 감소시킬 수 있도록 한다.
반응 단계(32)는 피스톤 펌프로부터 이송된 슬러지(20)를 가온하여 슬러지(20)의 함수율은 감소시킨다. 구체적으로, 슬러지(20)는 피스톤 펌프로부터 바람직하게는 15 kgf/cm2 내지 25kgf/cm2 범위 내의 압력 상태로 반응관(200)에 이송된다. 다음, 반응관(200)의 외부에 배치된 열교환관(300)에 가열된 스팀 또는 열매체유를 유입시킨다. 스팀 또는 열매체유는 반응관(200)의 슬러지(20)와 열교환하며 가온시킨다. 이 때, 가열된 스팀 또는 열매체유의 온도는 반응관(200) 내에 있는 슬러지(20)가 약 130℃ 내지 170℃가 되도록 조절된다. 스팀은 가열 시간을 단축시킬 수 있고, 전열면적을 작게 설계할 수 있게 한다. 열매체유는 높은 열용량을 갖기 때문에, 급격한 온도 변화 없이 안정적으로 온도를 유지하고 열손실을 최소로 줄이며 열 교환을 할 수 있다.
슬러지(20)는 약 15kgf/cm2 의 압력 조건에서 열교환관(300) 내의 스팀 또는 열매체유와 열을 교환함에 따라 150℃ 내지 180℃의 온도 조건의 아임계수 조건이 된다. 이 조건에서 5분 내지 15분 가량 반응관(200) 내에 체류하며 반응을 진행한다.
한편, 슬러지(20)가 아임계수 상태가 되는 경우 분해력이 크고, 유기물과의 친화성이 좋아진다. 따라서, 아임계수 상태의 슬러지(20)로부터 기화에너지의 소요 없이 수분이 효율적으로 분리되어, 보다 용이하게 슬러지(20)의 함수율을 낮출 수 있다.
상세하게는 슬러지(20)가 아임계수 상태로 돌입하면, 분해력이 커지기 때문에 세포 외에 있는 수분뿐만 아니라 세포 벽 표면에 있는 함유 수분과 세포 벽 내에 있는 함유 수분이 함께 분리된다. 또한, 반응관(200) 내의 분리된 수분은 열매체로 작용하여 외부 열원과 함께 슬러지(20) 세포를 파괴한다. 독성물질을 배출시키는 슬러지(20) 세포를 파괴하면 악취 또한 감소하게 된다.
슬러지(20)의 투입속도는 반응관(200) 내의 슬러지(20)의 열전도도 및 체류시간 등을 고려하여 결정한다. 반응관(200) 내의 슬러지(20)는 고체 고형물과 액상 탈리액으로 분리된다. 이 경우, 반응관(200) 내의 압력은 아임계수 상태의 조건에서도 상대적으로 낮은 압력에 속하므로, 온도를 130℃ 내지 170℃ 유지하는 것만으로도 슬러지(20)의 함유 수분을 탈리시키는데 유리해 공정상 시간과 비용을 절약할 수 있다.
한편, 슬러지(20)가 함수율이 감소되며 반응관(200)을 이동하여 피스톤 펌프로부터 멀어짐에 따라, 압력이 감소하게 된다. 이 경우, 반응관(200)의 후단에 배치된 밸브(210)로 반응관(200)의 개폐 정도를 조절하여 반응관(200) 내의 압력을 증가시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 후단의 압력은 약 15kgf/cm2 이상으로 조절하여, 아임계수 상태의 조건을 유지시켜 슬러지(20)의 탈리 반응을 지속시킬 수 있다.
배출 단계(33)는 슬러지(20)로부터 분리된 고체 고형물과 수증기를 분리하여 배출시킨다. 구체적으로, 싸이클론(400)은 수분이 이탈된 상태에서 수증기와 함께 이송되는 슬러지(20)를 이송받아, 원심력으로 고체 고형물을 하부로 침강시키고, 수증기를 상부로 배출시킨다. 이 경우, 외부 공기의 유입을 차단하면서 고체 고형물은 하부로 침강시켜 건조기(500)로 이동시킨다.
건조 단계(34)는 고체 고형물을 이송 받아 건조 시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 건조 방법은 교반식 건조기(500) 내부의 교반날개로 고체 고형물을 교반하면서 슬러지(20)를 교반시키며 파쇄시켜 함수율을 감소시키고 동시에 파쇄되는 슬러지(20)를 배출측으로 진행시킨다. 또한, 슬러지(20)가 파쇄되면서 건조기(500) 내부의 온도가 유지될 수 있도록, 건조기 온도 유지관(510)에 가온된 스팀 또는 열매체유를 유입시킬 수 있다.
10: 슬러지 건조장치 20: 슬러지
30: 슬러지 건조방법 100: 이송장치
200: 반응관 210: 밸브
300: 열교환관 400: 싸이클론
500: 건조기 510: 건조기 온도 유지관

Claims (4)

  1. 슬러지를 아임계수 상태의 압력조건으로 가압한 다음 이송하는 이송장치;
    상기 이송장치로부터 이송 받은 슬러지를 통과시키며 상기 슬러지의 수분을 탈리시키고, 상기 슬러지의 체류시간이 5분 내지 15분을 갖도록 지그재그 형상으로 형성된 반응관;
    상기 반응관의 외측에 배치되어 슬러지를 아임계수 상태의 온도조건으로 가온할 수 있게 상기 반응관과 열을 교환하고, 일측은 열매체유가 유입되고 타측은 유입된 열매체유를 배출하는 열교환관;
    상기 반응관의 후단에 배치되어 슬러지의 온도, 압력 및 유량을 제어하기 위해 반응관을 개폐하거나 슬러지 흐름의 속도를 제어하는 비례제어밸브;
    상기 반응관에 연결되어, 가스는 외부로 배출시키고 슬러지는 하부로 배출시키는 싸이클론; 및
    상기 싸이클론으로부터 배출되는 슬러지의 함수율을 감소시키는 건조기를 포함하는 슬러지 건조장치.
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  3. 삭제
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