KR101942007B1 - 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치 - Google Patents

하수 슬러지 펠렛의 건조 장치 Download PDF

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Abstract

태양열을 이용하여 하수 슬러지 펠렛을 건조하여 연료탄을 제조하는 장치가 개시된다. 상기 하수 슬러지 펠렛 건조 장치는, 일단으로 외부 공기를 유입시키고, 유입된 공기를 가열시킨 다음, 다른 일단으로 가열된 공기를 배출시키는 태양열 집열기(20); 상기 태양열 집열기(20)에서 배출된 가열 공기를 이송하는 공기 이송 덕트(70); 및 내부에 하수 슬러지 펠렛이 위치하고, 상기 공기 이송 덕트(70)에서 이송된 가열 공기가 공급되어, 하수 슬러지 펠렛을 건조시키는 밀폐식 건조 장치(80)를 포함한다.

Description

하수 슬러지 펠렛의 건조 장치{Apparatus for drying sewage sludge pellet}
본 발명은 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 태양열을 이용하여 하수 슬러지 펠렛을 건조하여 연료탄을 제조하는 장치에 관한 것이다.
우리나라에서는 연간 약 353만톤(2013년 기준)의 하수 슬러지가 발생되고 있다. 하수 슬러지는 유기물과 무기물로 이루어진 고형물과 물로 구성되어 있으며, 물을 제거하기 위한 탈수과정을 거쳐도 약 80 %의 수분을 포함하므로, 부패되기 쉽고, 폐기 처리가 어려운 문제가 있다. 통상적으로 하수 슬러지는 소각, 건조, 퇴비화, 탄화, 고화, 바이오가스화 등의 방법으로 처리되고 있으나, 처리 과정에서 에너지소비, 에너지효율, 부산물 활용성, 2차 오염성, 최종 처분 등에 대한 문제로 공법 선정이 까다롭고, 연료, 녹생토, 시멘트원료, 퇴비 등의 처리 부산물의 활용도가 낮은 문제점도 있다.
한편, 화석연료의 고갈과 세계적인 기후변화 문제에 대응하여, 유기성 폐기물의 자원화 및 에너지화 필요성이 대두되고 있고, 국내 하수처리수의 수질규제가 강화되어 하수 슬러지의 발생량도 매년 증가하고 있다. 하수 슬러지는 약 50 내지 60 %의 유기물을 포함하고 있어, 하수 슬러지를 건조 및 고형화하여 연료탄(pellet)을 제조하면, 연료로서의 활용 가치가 높을 뿐만 아니라, 기후변화에 대한 국제적 대응노력에 부응할 수 있고, 에너지 자원의 안정적 확보에도 기여할 수 있다. 하수 슬러지를 연료로 이용하기 위해서는, 수분 함량을 약 80 중량%에서 약 10 중량%까지 낮추어야 한다. 통상적으로 하수 슬러지의 건조에는, 다단식 또는 로타리식(rotary) 보일러를 이용한 기계식 건조 방법이 사용되고 있으나, 이러한 기계식 건조 방법은 화석연료(LNG, 석유 등)를 사용하므로, 이산화탄소(CO2) 등 지구 온난화 물질을 배출하여, 환경적으로 바람직하지 못할 뿐만 아니라, 건조 비용이 높고, 건조 과정에서 악취, 응축수 등 오염물질이 배출되어 2차 환경오염이 발생하는 문제도 있다.
본 발명의 목적은, 보일러 등의 복잡한 설비를 사용하지 않고도, 대량의 하수 슬러지 펠렛을 균일하게 건조시킬 수 있는 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 기존의 화석 연료 대신, 청정에너지인 태양광을 사용하여 경제적이고 환경 친화적으로 하수 슬러지를 건조할 수 있는 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 일단으로 외부 공기를 유입시키고, 유입된 공기를 가열시킨 다음, 다른 일단으로 가열된 공기를 배출시키는 태양열 집열기(20); 상기 태양열 집열기(20)에서 배출된 가열 공기를 이송하는 공기 이송 덕트(70); 및 내부에 하수 슬러지 펠렛이 위치하고, 상기 공기 이송 덕트(70)에서 이송된 가열 공기가 공급되어, 하수 슬러지 펠렛을 건조시키는 밀폐식 건조 장치(80)를 포함하는 하수 슬러지 펠렛 건조 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치는, 보일러 등의 복잡한 설비를 사용하지 않고도, 대량의 하수 슬러지 펠렛을 균일하게 건조시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 기존의 화석 연료 대신, 청정에너지인 태양광을 사용하여 경제적이고 환경 친화적으로 하수 슬러지를 건조시킬 수 있다.
도 1은 하수 슬러지를 건조 및 고형화하여 연료탄을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 슬러지 펠렛 건조 장치의 전체 구성을 보여주는 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛 건조 장치에 사용될 수 있는 태양열 집열기의 구조를 보여주는 단면도 및 평면도.
도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 태양열 집열기의 다른 예를 보여주는 평면도(A) 및 단면도(B).
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 하수 슬러지를 건조 및 고형화하여 연료탄(pellet)을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하수 슬러지로부터 연료탄을 제조하기 위해서는, 하수 슬러지 및 미생물을 혼합하는 전처리 단계(10); 상기 하수 슬러지 및 미생물의 혼합물을 발효시키는 호기성 발효 단계(12); 발효된 하수 슬러지를 압축 성형하여 펠렛화시키는 성형 단계(14); 및 펠렛화된 하수 슬러지를 건조시키는 건조 단계(16)를 포함한다. 통상적으로, 미처리된 하수 슬러지의 함수율은 약 80 중량%이고, 전처리 단계 후의 함수율은 약 60 중량%, 호기성 발효 후의 함수율은 약 40 중량%, 최종 건조 단계 후의 연료탄(pellet)의 함수율은 약 10 중량%이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 슬러지 펠렛 건조 장치의 전체 구성을 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛 건조 장치는 태양열 집열기(20), 공기 이송 덕트(70); 및 밀폐식 건조 장치(80)를 포함한다. 상기 태양열 집열기(20)는 태양열을 흡수하고, 흡수된 태양열로 공기를 가열하는 장치로서, 상기 태양열 집열기(20)의 일단으로 외부 공기를 유입시키고, 유입된 공기를 가열시킨 다음, 태양열 집열기(20)의 다른 일단으로 가열된 공기를 배출시킨다. 태양열 집열기(20)에서 배출된 가열 공기는 공기 이송 덕트(70)를 통하여 밀폐식 건조 장치(80)로 이송되며, 밀폐식 건조 장치(80) 내부의 공기를 가열하여, 밀폐식 건조 장치(80) 내부에 위치한 하수 슬러지 펠렛(pellet)을 건조시킨다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛 건조 장치에 사용될 수 있는 태양열 집열기(20)의 구조를 보여주는 단면도 및 평면도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 태양열 집열기(20)는 외부의 공기가 통과하는 공기 이동 통로(22a)가 형성되어 있는 공기 이송판(22), 및 태양광을 흡수하여 가열되며, 가열에 의해 축적된 열에너지를 전달하여 상기 공기 이송판(22)을 통과하는 공기를 가열하는 태양열 흡수판(24, absorber plate)을 포함한다. 외부의 공기는 상기 공기 이송판(22) 하부의 유입구(22b)를 통하여 공기 이송판(22) 내부로 유입되고, 공기 이동 통로(22a)를 통하여 이동하면서 가열되고, 상기 공기 이송판(22) 상부의 유출구(22c)를 통하여 공기 이송판(22) 외부로 배출된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 공기 이송판(22) 하부에 형성된 공기 유입구(22b)는 다량의 공기가 유입될 수 있도록 상대적으로 넓은 단면적을 가지고, 상기 공기 이송판(22) 상부에 형성된 공기 유출구(22c)는 가열된 공기가 빠른 속도로 배출 및 이송될 수 있도록 상대적으로 좁은 단면적을 가지는 것이 바람직하다. 공기 이동 통로(22a)를 통과하면서 공기가 가열되면, 가열된 공기는 부피가 증가하고 밀도가 감소하므로, 상부의 유출구(22c) 방향으로 이동하며, 좁은 단면적으로 가지는 유출구(22c)를 통해 빠른 속도로 배출된다. 상기 공기 이송판(22) 상부에 형성된 공기 유출구(22c)에는 가열된 공기를 이송하기 위한 공기 이송 덕트(70)가 형성되어 있다.
상기 태양열 흡수판(24)은 태양광을 흡수하여 가열되고, 가열에 의하여 태양열 흡수판(24)에 축적된 열에너지는 상기 공기 이송판(22)을 통과하는 공기로 직접 전달되어, 공기를 가열시킨다. 상기 태양열 흡수판(24)은 태양광을 흡수하여 가열될 수 있으며, 열전도도가 우수한 열흡수성 및 열전도성 물질로 이루어질 있고, 예를 들면, 알루미늄, 철, 주석, 구리, 이들의 혼합물 등의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 태양열 흡수판(24)의 크기는, 예를 들면, 100 cm x 1400 cm 이다. 상기 태양열 흡수판(24)과 공기 이송판(22) 사이의 열에너지 전달이 원활히 이루어질 수 있도록, 상기 태양열 흡수판(24)이 공기 이동 통로(22a)를 모두 덮도록 형성되고, 상기 태양열 흡수판(24)과 공기 이송판(22)이 서로 밀착되어 있는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 상기 공기 이송판(22)의 일면을 상기 태양열 흡수판(24)으로 형성할 수도 있고, 상기 공기 이송판(22) 전부를 금속 등의 열흡수성 및 열전도성 물질로 형성하면, 상기 공기 이송판(22)이 태양열 흡수판(24)의 역할을 동시에 수행할 수도 있다. 필요에 따라, 상기 태양열 흡수판(24)의 전면에는 태양열 흡수판(24)의 오염을 방지하거나, 보호하기 위한 태양광 투과성 보호 패널(26)이 더욱 형성되어 있을 수 있다. 상기 태양광 투과성 보호 패널(26)은 합성수지, 유리 등의 광투과성 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같은 태양열 집열기(20)을 이용하면, 일일 일사량이 통상 4500 Kcal/㎡ 이상인 지역에서, 태양열 집열기(20)에서 배출되는 가열 공기의 온도를 유입 공기의 온도 보다 25 내지 40 ℃ 높게 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 태양열 집열기의 다른 예를 보여주는 평면도(A) 및 단면도(B)이다. 도 4에 도시된 태양열 집열기(50)은 하부에 슬릿(slit) 형상의 공기 유입구(52a)가 지면에 수평 방향으로 형성되고, 상부에도 슬릿 형상의 공기 유출구(52b)가 수평 방향으로 형성된 금속 캔 칼럼(can column), 예를 들면, 내부에 공기 이통 통로가 형성된, 두께 1 내지 15 cm, 바람직하게는 3 내지 10 cm의 직육면체 금속 패널 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 태양열 집열기(50)의 넓은 표면으로 태양광이 조사되면, 태양열 집열기(50) 하부의 공기 유입구(52a)로 유입된 공기가 태양열 집열기(50) 내부를 통과하면서 가열되고, 가열된 공기가 태양열 집열기(50) 상부의 공기 유출구(52b)로 배출된다. 도 4에 도시된 예에서는, 태양열 집열기(50)의 금속제 하우징(housing)이 공기 이송판 및 태양열 흡수판의 역할을 동시에 수행한다.
또한, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하수 슬러지 펠렛 건조 장치에 사용되는 태양열 집열기(20)는, 상기 공기 이송판(22)의 공기 유출구(22c)에 설치되며, 공기 이송판(22)에서 가열된 공기를 공기 이송 덕트(70)로 강제 이송하기 위한 이송 팬(40, fan) 및 태양광을 공급받고, 상기 이송 팬(40)을 구동하기 위한 전력을 생산하는 태양광 패널(42)을 더욱 포함할 수 있다. 상기 태양광 패널(42)은 태양열 흡수판(24) 및 태양광 투과성 보호 패널(26)에 인접하게 설치되어, 태양광을 흡수하여 전력을 생산하며, 생산된 전력을 이용하여, 이송 팬(40, fan)을 구동함으로서, 공기 이송판(22)에서 가열된 공기를 공기 이송 덕트(70)로 강제 이송시킬 수 있다. 상기 이송 팬(40)의 공기 이송 유량은, 예를 들면, 110 m3/h 이고, 상기 공기 이송 덕트(70)는 원형, 사각형 등의 통상의 덕트(duct)를 사용할 수 있다.
상기 태양열 집열기(20)에서 배출된 가열 공기는 공기 이송 덕트(70)를 통하여 밀폐식 건조 장치(80)로 이송되며, 밀폐식 건조 장치(80) 내부의 공기를 가열하여, 밀폐식 건조 장치(80) 내부에 위치한 하수 슬러지 펠렛(pellet)을 건조시킨다. 다시 도 2를 참조하면, 상기 밀폐식 건조 장치(80)는 실내 온도를 외기 온도보다 25 내지 40 ℃ 높게 유지하여, 하수 슬러지 펠렛을 건조하기 위한 공간 차단 수단(space coverage)으로서, 예를 들면, 비닐하우스 형태의 시설물이다. 함수율이 약 40 중량%인 하수 슬러지 펠렛을 상기 밀폐식 건조 장치(80)에 위치시키고, 약 2일간 체류시키면, 하수 슬러지 펠렛의 함수율을 25 내지 35 중량%로 감소시킬 수 있으며, 이후 열풍 건조를 통하여, 하수 슬러지 펠렛의 함수율을 10 중량%로 감소시켜, 법적기준을 충족시킬 수 있다.
본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치는, 태양광을 이용하여 전기나 온수를 생산하는 방식이 아니라, 태양광의 열에너지로 공기를 직접 가열하고, 가열된 공기로 하수 슬러지 펠렛을 건조함으로써, 경제적이고 환경 친화적으로 하수 슬러지를 건조하고 연료탄을 제조할 수 있다. 이상, 특정 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 하수 슬러지 펠렛의 건조 장치를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 하기 청구범위 내에서, 다양한 변형이 가능하다.

Claims (6)

  1. 일단으로 외부 공기를 유입시키고, 유입된 공기를 가열시킨 다음, 다른 일단으로 가열된 공기를 배출시키는 태양열 집열기(20);
    상기 태양열 집열기(20)에서 배출된 가열 공기를 이송하는 공기 이송 덕트(70); 및
    내부에 하수 슬러지 펠렛이 위치하고, 상기 공기 이송 덕트(70)에서 이송된 가열 공기가 공급되어, 하수 슬러지 펠렛을 건조시키며, 실내 온도를 외기 온도보다 25 내지 40℃ 높게 유지하여, 하수 슬러지 펠렛을 건조하기 위한 공간 차단 수단으로서, 비닐하우스 형태의 시설물인 밀폐식 건조 장치(80)를 포함하며,
    상기 태양열 집열기(20)는 외부의 공기가 통과하는 공기 이동 통로(22a)가 형성되어 있는 공기 이송판(22), 및 태양광을 흡수하여 가열되며, 가열에 의해 축적된 열에너지를 전달하여 상기 공기 이송판(22)을 통과하는 공기를 가열하는 태양열 흡수판(24)을 포함하고, 하부에 슬릿 형상의 공기 유입구(52a)가 지면에 수평 방향으로 형성되고, 상부에도 슬릿 형상의 공기 유출구(52b)가 수평 방향으로 형성되어 있으며, 내부에 공기 이통 통로가 형성된, 두께 1 내지 15 cm의 직육면체 금속 패널 구조를 가지는 하수 슬러지 펠렛 건조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 태양열 집열기(20)는 상기 공기 이송판(22)의 공기 유출구(22c)에 설치되며, 공기 이송판(22)에서 가열된 공기를 공기 이송 덕트(70)로 강제 이송하기 위한 이송 팬(40, fan) 및 태양광을 공급받고, 상기 이송 팬(40)을 구동하기 위한 전력을 생산하는 태양광 패널(42)을 더욱 포함하며,
    상기 공기 이송판(22) 하부에 형성된 공기 유입구(22b)는 다량의 공기가 유입될 수 있도록 넓은 단면적을 가지고, 상기 공기 이송판(22) 상부에 형성된 공기 유출구(22c)는 가열된 공기가 빠른 속도로 배출 및 이송될 수 있도록 좁은 단면적을 가지는 것인, 하수 슬러지 펠렛 건조 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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