KR101947630B1 - 다기능 배설물 폐기물 및 쓰레기 처리기 및 관련 방법 - Google Patents

다기능 배설물 폐기물 및 쓰레기 처리기 및 관련 방법 Download PDF

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Abstract

이 기술의 적어도 하나의 양태는 배설물 슬러지 및 쓰레기와 같은 유기성 고수분 함유 폐기물을 전기로 전환하면서 음료수를 생성 및 수집하는 자급식 처리 설비를 제공한다.

Description

다기능 배설물 폐기물 및 쓰레기 처리기 및 관련 방법{Multi-Functional Fecal Waste and Garbage Processor and Associated Methods}
본 기술은 다기능 배설물 폐기물 및 쓰레기 처리 시스템, 장비 및 관련 방법에 관한 것이다.
세계의 많은 지역은 인간의 폐기물 및 다른 쓰레기를 처리하기 위한 개방형 위생 시스템을 이용하는 반면, 다른 지역은 미처리 하수를 개방 배수 또는 표층수로 배출하는 미흡한 정화조 시스템 또는 다른 시스템을 이용한다. 이러한 열악한 위생 조건은 이런 지역에서 건강 문제의 전조가 되는 데 기여한다. 부적절한 위생 시스템을 가진 이런 많은 지역은 또한 청결한 음료수를 유지하는 데 어려움을 겪으며, 이는 잠재적인 건강 문제를 더욱 증가시킨다. 이런 지역은 종종 전기를 생산하는데 이용하기 위한 제한된 자원을 가지거나 전기를 생산하기 위한 비용이 엄청나게 비싸다. 등록특허공보 제10-0734092호에는 분쇄된 음식물에서 수분 및 악취를 제거하는 음식물 처리 시스템이 개시되어있다. 등록특허공보 제10-1290767호는 고함량의 슬러지를 건조시켜 에너지 낭비를 감소시키는 방법 및 시스템을 개시한다. 일본 공개특허공보 특개2004-075779호에는 폐기물 가스화 시스템이 개시되어있다.
따라서, 청결한 음료수에 대한 접근을 제공하고 유지하며, 저렴한 전기를 생성하기 위해 환경으로부터 폐기물을 제거하는 적절한 위생 시스템이 필요하다.
본 기술은 종래 기술에서 경험한 결점을 극복하고 부가적인 이점을 제공하는 방식으로 폐기물을 처리하면서 전기 및 음료수를 생성하기 위한 다기능 시스템을 제공한다. 이 기술의 적어도 하나의 양태는 배설물 슬러지 및 쓰레기와 같은 유기성, 고수분 함유 폐기물을 전기로 전환하면서 음료수를 생성하고 수집하도록 구성된 자급식 처리 설비를 제공한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 기술의 많은 양태는 다음의 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 일정한 축척을 가질 필요는 없다. 대신, 현재 기술의 원리를 명확하게 설명하는데 중점을 둔다. 참조의 용이함을 위해, 본 발명 전반에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일하거나 적어도 일반적으로 유사하거나 유사한 구성요소 또는 특징을 식별하는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 기술의 한 실시태양에 따른 다기능 폐기물 처리 시스템의 구성요소의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 도 1의 다기능 폐기물 처리 시스템의 등각투상도이다.
도 3은 본 기술의 한 양태에 따른 슬러지 보유 및 전달 시스템의 등각투상도이다.
도 4는 슬러지 보유 및 운반 시스템의 한 실시태양의 인-피드 어셈블리(in-feed assembly)의 등각투상도이다.
도 5는 도 2의 어셈블리로부터 분리된 슬러지 건조기 어셈블리의 등각투상도이다.
도 6은 도 4의 인-피드 어셈블리의 컨베이어 어셈블리에 연결된 슬러지 건조기 어셈블리의 단부의 확대 부분 등각투상도이다.
도 7은 도 5의 슬러지 건조기 어셈블리에서 처리 동안 슬러지 흐름의 개략적 인 등각투상도이다.
도 8은 슬러지의 흐름을 포함하는 스팀 가열된 홈에 회전 가능하게 위치된 스팀 가열된 오거(auger)를 갖는 슬러지 건조기 어셈블리의 부분 등각투상도이다.
도 9는 도 8의 오거로부터 분리되어 도시된 홈의 확대 등각투상도이다.
도 10은 도 8의 홈으로부터 분리되어 도시된 오거의 확대 등각투상도이다.
도 11은 슬러지의 흐름을 포함하는 증기 가열된 홈에 회전 가능하게 위치된 증기 가열된 오거 부재를 갖는 다른 실시태양의 슬러지 건조기 어셈블리의 부분 등각투상도이다.
도 12는 도 11의 홈으로부터 분리되어 도시된 증기 가열된 오거의 확대 등각투상도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 기술의 실시태양에 따른 고압, 제 1 단(first-stage) 슬러지 건조기 어셈블리의 등각투상도이다.
도 14는 본 기술의 실시태양에 따른 2단(two-stage) 슬러지 건조 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 15는 도 1의 폐기물 처리 시스템의 음료수 처리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 16은 도 1의 폐기물 처리 시스템의 다른 실시태양의 음료수 처리 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 17은 도 5의 슬러지 건조기 어셈블리에 부착된 건조 연료 저장소 어셈블리의 등각투상도이다.
도 18은 슬러지 건조기 어셈블리로부터 제거되어 도시된 도 17의 건조 연료 저장소 어셈블리의 확대 부분 투명 등각투상도이다.
도 19는 도 1의 시스템에서 유동층 연소기에 부착된 도 18의 건조 연료 저장소 어셈블리의 개략적인 측면도이다.
도 20은 도 19의 유동층 연소기의 화실 및 배출 저장소의 부분 절결 등각투상도이다.
도 21은 도 20의 화실로부터 분리되어 도시된 연소 공기 압축기 및 인-라인 버너 어셈블리의 확대 등각투상도이다.
도 22는 도 20의 화실로부터 분리되어 도시된 공기 분배 화격자의 확대 등각 투상도이다.
도 23은 보일러를 통과하는 가열된 배기 가스 통로를 도시하는 도 1의 시스템의 건조 연료 연소기 및 보일러의 확대된, 부분적으로 절결된 등각투상도이다.
도 24는 도 23의 건조 연료 연소기로부터 분리되어 도시된 절약기 하우징(economizer housing) 및 다중-클론 어셈블리의 확대 부분 등각투상도이다.
도 25는 도 23의 건조 연료 연소기 어셈블리로부터 분리되어 도시된 절약기 하우징 및 애쉬 오거의 확대 부분 등각투상도이다.
도 26은 보일러를 통과하는 1차 수로를 도시하는 도 23의 건조 연료 연소기 및 보일러 어셈블리의 확대 부분 절결 등각투상도이다.
도 27은 다른 실시태양의 보일러의 배관 구성요소의 부분 절결 등각투상도이다.
도 28은 다른 실시태양에 따른 유동층 연소기 및 보일러의 등각투상도이며, 모듈식 보일러 구성요소는 개방된 노출 위치에 도시된다.
도 29는 도 28의 유동층 연소기 및 보일러의 등각투상도이며, 모듈식 보일러 구성요소는 적재된 작동 위치에 도시된다.
도 30은 도 1의 시스템으로부터 분리되어 도시된 증기 엔진 및 발전기를 구비한 발전소 어셈블리의 등각투상도이다.
도 31은 본 기술의 한 실시태양에 따른 캠 샤프트, 캠, 로커 암 및 밸브 트레인을 구비한 엔진 헤드 어셈블리의 부분 절개 확대 상부 등각투상도이다.
도 32는 흡기 캠, 흡기 및 배기 밸브, 및 관련된 로커 암을 구비한 도 31의 증기 엔진의 헤드 어셈블리의 확대 부분 단면의 등각투상도이다.
도 33은 도 31의 33-33 선을 실질적으로 따라 취한 증기 엔진의 헤드 어셈블리의 확대 단면도이다.
부록 A는 현재 기술의 양태에 관한 부가적인 정보 및 계산을 포함한다.
본 발명은 본 기술의 특정 실시태양에 따라 전기 및 음료수를 생성하도록 구성된 다기능 폐기물 처리 시스템을 기술한다. 이 기술의 몇몇 특정 세부 사항은 본 기술의 특정 실시태양에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 다음의 설명 및 도 1 내지 도 33에 제시된다. 그러나, 당업자는 본 기술이 부가적인 실시태양을 가질 수 있고 기술의 다른 실시태양은 아래에서 설명되는 몇몇 특정 특징이 없이 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 다기능 폐기물 처리 시스템(10)의 구성요소의 개략적인 흐름도이고, 도 2는 본 기술의 한 실시태양에 따른 폐기물 처리 시스템(10)의 등각투상도이다. 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 시스템(10)은 습식 폐기물 슬러지(12)의 흐름을 수용하여 처리하고 건조하고 고체 연료 물질, 전기 및 음료수를 생성하도록 구성된다. 시스템(10)의 하나 이상의 실시태양은 물 및 배설물 및/또는 유기 폐기물과 같은 다른 쓰레기를 함유하는 습식 슬러지를 포함하는 처리 폐기물과 관련하여 본 발명에서 논의되고 예시된다. 그러나, 시스템(10)은 다른 습식 폐기물의 흐름을 처리하도록 구성될 수 있다. 한 실시태양에서, 시스템은 수성 액체의 혼합물을 함유하는 습식 슬러지 및 물로부터 분리되어 가연성 고체 연료 물질을 제공하기 위해 건조될 수 있는 최대 약 50%의 총 고체를 처리하도록 구성된다. 일부 구성에서, 시스템(10)은 최대 약 15% 총 고체를 가진 습식 슬러지와 함께 사용될 수 있고, 다른 실시태양에서 시스템(10)은 약 20% 내지 50% 총 고체를 갖는 슬러지와 함께 사용하도록 구성된다. 다른 실시태양의 시스템(10)은 슬러지 내의 다른 범위의 총 고체와 함께 사용하도록 구성될 수 있다.
슬러지(12)는 슬러지로부터 물을 증발시켜 증기를 발생시키는 슬러지 건조기어셈블리(14)를 통과하여, 고체 물질이 충분히 건조되어 가연성 고체 연료 물질을 제공한다. 이 설명을 위해, 슬러지로부터 증발된 증기는 슬러지 증기로 지칭된다. 유리된 슬러지 증기는 충분한 기간 동안 매우 고온이어서, 슬러지 증기는 살균된다 (즉, 병원균이 없다). 시스템(10)은 깨끗한 음료수를 제공하기 위해 수 처리 시스템(16)에 살균 슬러지 증기를 함유하고 응축시킨다. 시스템(10)은 또한 유동층 연소기(18)와 같은 연소기에서 건조된 고체 연료 물질을 연소시킨다. 일부 실시태양에서, 석탄, 목재 펠릿, 쓰레기 또는 다른 유기 물질과 같은 다른 건조된 연료는 연소기(18)에 추가 연료를 제공하는 것이 필요한 경우 첨가될 수 있다. 예시된 실시태양의 시스템(10)은 하루당 약 150kW(대략 200 hp)의 전기를 연속적으로 생산하고 약 8500kg 또는 8.5m3의 배설물 슬러지 및 1100kg의 쓰레기를 처리하도록 구성된다.
연소기(18)에서 연료 연소에 의한 열은 보일러(20)를 가열하는데 사용되며 보일러(20)는 실질적으로 폐쇄된 1차 수로(21)에서 물을 가압하여 전기를 생산하는 증기 구동 발전소(22)에 의해 사용되는 증기를 발생시킨다. 1차 수로(21)의 물은 1차 수로 불리며, 1차 수로 내의 위치에 따라 1차 증기 또는 1차 액체 수일 수 있다. 증기 출구(23)를 통하여 증기 엔진(26) 및 발전기(25)를 포함하는 발전소(22)로부터 배출된 1차 증기는 1차 증기가 응축기(24)를 통해 흐르기 전에 연료 건조기 어셈블리(14)에 의해 열원으로서 사용되어 1차 액체 수로 다시 변환되고 보일러(20)로 펌프에 의해 다시 보내진다. 발전기(22)로부터의 전기의 일부는 시스템(10)의 전기 구성요소에 전력을 공급하고, 나머지 전기는 전력 그리드에 제공되거나 그렇지 않으면 외부 전기 제품에 전력을 공급하기 위해 국부적으로 사용된다.
예시된 실시태양의 처리 시스템(10)은 습식 슬러지를 처리하고 전기 및 음료수를 생성하기 위해 실질적으로 외부 전기, 물 또는 배수가 필요하지 않은 자급식 시스템이다. 한 실시태양에서, 예시된 시스템(10)은 시스템(10)이 운송 가능할 수 있도록 전형적인 운송 컨테이너에 상응하는 약 15m x 3m의 풋 프린트(footprint)로 볼륨을 차지하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시스템(10)은 부적절한 하수도 시스템을 가질 수 있는 개발된 도시 위치와 같은 다양한 지리적인 위치에서 사용하기에 적합하며, 전기 및 깨끗하고 신선한 음료수의 추가적인 공급원으로부터 이익을 얻을 수 있다.
예시된 실시태양의 시스템(10)의 구성요소는 아래에 더욱 상세하게 논의된다.
슬러지 저장 및 전달 시스템
도 3에 도시된 예시된 실시태양의 시스템(10)은 슬러지 저장 및 전달 시스템(30)을 포함한다. 슬러지 저장 및 전달 시스템(30)은 실질적으로 미처리의 습식 슬러지를 수용하는 저장 탱크(32)를 갖는다. 저장 탱크(32)는 저장 탱크(32)가 보충될 필요가 있기 전 며칠 동안 시스템(10)의 연속 작동을 위해 선택된 체적의 슬러지를 저장하도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시태양에서, 저장 탱크(32)는 약 3일의 작동을 제공하는 약 30 m3의 습식 슬러지를 저장하도록 설계되며, 시스템(10)은 하루당 약 9-10 m3의 슬러지를 처리할 수 있다. 저장 탱크(32)의 상부는 슬러지 운반 차량이 슬러지(12)를 탱크 속으로 용이하게 비울 수 있도록 지면에 가깝게 설정될 수 있다. 탱크(32)를 유지하는 바닥은 슬러지 인-피드 어셈블리(34)에 연결된 출구를 향하여 경사질 수 있다. 한 실시태양에서, 인-피드 어셈블리(34)는 저장 탱크(32)로부터 슬러지 건조기 어셈블리(14)의 입구(40)로 습식 슬러지를 운반하는 오거 또는 벨트 컨베이어와 같은 완전히 또는 부분적으로 둘러싸인 컨베이어(38)를 포함할 수 있다.
도 4는 한 실시태양의 슬러지 인-피드 어셈블리(34)의 등각투상도이며, 저장 탱크(32)가 컨베이어(38) 상에 습식 슬러지를 퇴적시키는 출구(36)를 갖는 드래그-체인 스프레더 박스(drag-chain spreader box)를 포함하는 등각투상도이다. 컨베이어(38)는 지면에 대해 선택된 각도로 상방으로 연장되고 입구(40)에 인접한 슬러지 건조기 어셈블리(14)에 연결된다. 다른 각도가 다른 실시태양에서 사용될 수 있으나, 예시된 실시태양에서, 컨베이어(38)는 지면에 대해 약 30°의 각도로 상방으로 경사진다.
슬러지 건조기 어셈블리
도 5는 도 2의 어셈블리로부터 분리되어 도시된 슬러지 건조기 어셈블리(14)의 등각투상도이다. 슬러지 보유 및 운반 시스템(30)(도 3)으로부터 수송된 습식 슬러지는 슬러지 건조기 어셈블리(14)의 슬러지 입구(40) 속에 공급된다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 슬러지 인-피드 어셈블리(34)의 컨베이어(38)의 단부에 연결된 슬러지 수송 오거(52)는 습식 슬러지를 건조기, 어셈블리 입구(40) 속에 공급한다. 슬러지 건조기 어셈블리(14) 속으로 슬러지의 흐름은 실질적으로 연속적이다. 도 6은 입구(40)를 포함하는 슬러지 건조기 어셈블리(14)의 단부의 확대된 부분 등각투상도이다. 습식 슬러지를 수용하는 것 이외에, 슬러지 건조기 어셈블리(14)는 또한 발전소(22)의 증기 엔진(26)으로부터 빠져나온 1차 증기를 수용한다(도 1). 약 207 kPa(약 30 psia)로 증기 엔진(26)을 빠져나가는 배기 1차 증기는 하나 이상의 관형 쉘(42) 속으로 흐르며, 관형 쉘의 각각은 관형 슬러지 캐리어(44)를 각각 포함한다. 배출된 1차 증기로부터의 열은 슬러지 캐리어(44) 내의 슬러지를 가열하여, 슬러지로부터 물을 증발시켜(슬러지 증기를 발생시키고), 슬러지를 건조시켜 고체 연료 물질을 제공한다.
예시된 실시태양의 슬러지 건조기 어셈블리(14)는 각각 중공형 슬러지 캐리어(44)를 형성하는 작은 직경의 파이프를 수용하는 쉘(42)을 형성하는 두 개의 밀폐된 대형 직경 파이프를 포함한다. 각각의 슬러지 캐리어(44)는 회전 가능한 중공형 오거(46)를 함유하며, 슬러지 캐리어(44)는 입구(40)를 통해 슬러지를 수용하여 슬러지가 중공형 오거(46)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 예시된 실시태양에서, 각 쉘(42)은 증기 엔진(26)(도 1)으로부터 배출된 1차 증기를 수용하는 증기 입구 (48)를 포함하여 고온의 1차 증기는 쉘의 내부 영역과 슬러지 캐리어(44) 주위로 흘러서, 슬러지 캐리어(44) 내의 슬러지를 가열한다. 따라서, 1차 증기는 슬러지로부터 물리적으로 격리되지만 슬러지에 열을 전달할 수 있어서, 슬러지를 비등시키고 동시에 1차 증기를 냉각시킨다. 또한, 슬러지 건조기 어셈블리(14)로 들어가는 1차 증기의 일부는 오거(46)를 통해 슬러지를 가열하기 위해 중공형 오거(46) 내의 내부 영역 속으로 흐른다. 예시된 실시태양에서, 각각의 중공형 오거(46)는 슬러지 캐리어(44) 내에서 오거(46)를 회전시키고 슬러지가 건조됨에 따라 슬러지 캐리어(44)를 통해 축 방향으로 습식 슬러지를 연속적으로 이동시키는 구동 모터 (47)에 연결된다. 한 실시태양에서, 각각의 구동 모터(47)는 독립 가변 주파수 드라이브에 의해 제어되는 전용 5마력, 인버터-듀티(inverter-duty), 3상 전기 모터이다. 다른 실시태양은 다른 구동 모터를 사용할 수 있다.
두 개의 슬러지 캐리어(44)는 이송 하우징(50)에서 슬러지 통로를 통해 슬러지가 한 방향으로 하나의 슬러지 캐리어(44)를 통해, 축 방향으로 및 다른 방향으로 다른 슬러지 캐리어(44)를 통해 축 방향으로 흐르도록 하는 슬러지 통로를 각각 갖는 이송 하우징(50)에 의해 말단에서 서로 연결된다.
도 7은 입구(40)로부터 슬러지 건조기 어셈블리에서 슬러지 흐름의 개략적 인 등각투상도이다. 슬러지가 슬러지 어셈블리(44)를 통해 순환함에 따라, 슬러지 내의 물은 비등된다. 슬러지로부터의 고체 연료 물질이 충분히 건조되면, 슬러지 캐리어(44) 및 상응하는 쉘(42)의 측면에 형성된 하나 이상의 건조된 연료 출구(54)를 통해 슬러지 건조기 어셈블리(14)를 빠져나간다. 건조 연료 출구(54)는 슬러지 캐리어(44) 및 쉘(42) 사이에서 밀봉되어 슬러지 물질이 1차 증기로부터 격리되도록한다. 예시된 실시태양에서, 건조 연료 출구는 다른 형상(즉, 정사각형, 원형, 타원형 등) 및 크기를 가질 수 있지만, 건조 연료 출구(54)는 직사각형 개구이다.
작동시, 슬러지 건조기 어셈블리(14) 내의 슬러지 레벨은 추가의 습식 슬러지가 전이 오거(52)에 의해 슬러지 캐리어(44) 속으로 전달됨에 따라 증가한다(도 6). 슬러지 캐리어(44)를 통해 이동하는 슬러지 내의 고체는 전형적으로 건조 연료 출구(54)에 도달할 때 충분히 건조되고, 충분히 건조된 고체 연료 물질은 아래 논의한 대로 건조 연료 출구(54)로부터 건조 연료 호퍼(56) 속으로 흐른다(도 2). 슬러지가 회전식 중공형 오거(46)에 의해 슬러지 캐리어(44)를 통해 이동하고 취성을 유지하는 것을 보장하기 위해, 적절한 양의 건조된 슬러지가 입구(40)에 인접한 건조 시스템의 개시부 내로 재순환될 것이다. 일부 슬러지는 건조 연료 호퍼(56) 속으로 이동하기 전에 여러 번 슬러지 어셈블리를 통해 재순환될 수 있다(도 2).
건조 슬러지의 이러한 재순환은 또한 슬러지가 "점착" 상으로 불리는 상태에 도달하는 것을 방지하며, 여기서 슬러지 수분 함량은 건조 물질 또는 25% 내지 75% 건조 고체의 킬로그램 당 약 0.3523kg H2O이다. 슬러지가 유체와 같은 특성을 나타내는 "습식" 또는 "페이스트" 구역과는 달리, "점착 상"에서 슬러지 및 슬러지 캐리어(44)의 가열된 사이의 접촉은 급격히 감소하여 증발 속도에 부정적 영향을 미친다. 슬러지가 "점착 "상을 지나서 "과립" 상으로 건조될 때, 건조되는 슬러지는 슬러지 캐리어(44)의 가열된 벽과 균일한 접촉을 더욱더 유지하여, 증발 속도가 원래의 값으로 되돌아가게 한다. 감소된 열 전달 효과에 추가하여, "점착" 구역의 물질은 상당한 전단 강도를 나타내며, 슬러지 물질은 회전 오거(46)에 의해 운반되는 것이 아니라 회전 오거(46)에 더 쉽게 부착될 수 있다. 일부 건조 슬러지 물질의 재순환은 슬러지 건조기 어셈블리의 내용물이 항상 "과립" 구역 내에 또는 가까이에 있도록 하여 "점착" 구역을 피하도록 도와준다.
도 5에 도시된 예시된 실시태양에서, 슬러지 건조기 어셈블리(14)의 동심 관형 디자인은 매우 내구성이 있다. 그러나, 건조 연료 출구(54)는 가압된 관형 쉘 (42)의 측벽을 관통하여 관형 구조를 약화시킬 수 있다. 따라서, 하나 이상의 보강 립(64)은 건조 연료 출구(54) 주위의 쉘(42)에 부착되어 구조적 완전성을 유지하는 것을 도우며 건조기 어셈블리 내의 1차 증기의 열 및 압력하에서 관형 구조가 소성 변형하는 것을 방지한다.
슬러지 캐리어(44)로부터 건조된 고체 연료 물질을 제거하는 것 이외에, 슬러지로부터 방출된 슬러지 증기는 각 슬러지 캐리어(44)의 내부 영역과 연결되는 증기 출구 포트(66)를 통해 슬러지 건조기 어셈블리(14)로부터 제거된다. 슬러지 증기는 증기 출구 포트(66)로부터 도관을 통해 수 처리 시스템(16)으로 흐르고(도 1), 이는 아래에서 보다 상세히 논의한다. 예시된 실시태양에서, 출구 포트가 다른 위치에 위치될 수 있지만, 적어도 하나의 증기 출구 포트(66)가 슬러지 건조기 어셈블리의 각 단부에 제공된다.
1차 증기로부터의 열이 슬러지로 전달됨에 따라, 1차 증기는 냉각되어 슬러지 건조기 어셈블리(14)가 응축기로서 작용하며, 1차 증기는 쉘(42) 내에서 1차 액체 수로 응축된다. 응축물은 슬러지로부터 분리되어 유지되고 1차 액체 수를 추출하여 슬러지 건조기 어셈블리(14)로부터 1차 수로(21)를 따라 1차 액체 수를 운반하는 하나 이상의 1차 수 라인(62) 속으로 향하게 하는 응축물 사이펀 튜브(siphon tube) 어셈블리에 의해 쉘(42)로부터 제거된다(도 1). 도 2에 도시된 예시된 실시태양에서, 슬러지 건조기 어셈블리(14)는 쉘(42) 및 슬러지 캐리어(44)가 수평에 대해 약 1도 기울기로 기울어져서 사이펀 튜브 어셈블리에 의한 1차 수의 추출을 용이하게 하도록 설치된다. 그런 후에 추출된 1차 액체 수는 증기로서 슬러지 건조 어셈블리(14)로 다시 복귀하기 전에 보일러(20) 및 증기 엔진(26)에 의한 사용을 위해 1차 수로(21)를 따라 다시 순환된다.
도 8은 슬러지를 혼합하고 건조하기 위해 배출된 1차 증기에 의해 약 100 psig 및 328℉까지 가열된 복수의 회전 및 고정 압력 용기를 포함하는 슬러지 건조기 어셈블리(70)의 다른 실시태양의 부분 등각투시도이다. 예시된 건조기 어셈블리 (70)는 슬러지를 홈통(72)의 한 단부에 있는 출구를 향해 축 방향으로 이동시키는 회전가능한 오거(74)를 함유하는 폐쇄된 밀봉 홈통(72)을 갖는다. 홈통(72)은 한 말단에 있는 입구를 통해 습식 슬러지의 흐름을 수용하여 오거(74)의 적어도 일부가 슬러지 내에 있는다. 홈통(72)은 홈토(72) 내의 구성 요소를 명확하게 도시하기 위해 뚜껑 또는 단부를 도시하지 않고 8에 예시된다. 뚜껑 및 단부는 건조 과정 동안 슬러지 및 배출된 슬러지 증기를 완전히 함유하도록 홈통 본체(76)에 밀봉된다. 한 실시태양에서, 유압 작동 뚜껑은 슬러지 건조기 어셈블리(70)의 내부 구성요소의 전부에 대한 완전하고 용이한 접근뿐만 아니라 홈통(72) 내의 모든 증기, 연무 및 가스를 밀봉하게 한다. 따라서, 슬러지 증기 및 홈통(72) 내의 헤드스페이스로부터의 휘발물질은 정화(즉, 수증기) 및/또는 재연소(즉, 가스 및/또는 휘발물질)를 위해 포획 및 재처리된다.
도 9는 오거(74)가 분리되어 도시된 증기 가열된 홈통(72)의 확대 등각 투상도이다. 홈통(72)은 증기 엔진(26)(도 1)으로부터 고온으로 배출된 1차 증기를 수용하고 1차 증기를 만곡된 증기 파이프(78)에 균일하게 분배하는 신장된 매니폴드 파이프(80)에 의해 서로 연결된 복수의 고정식, 이격된 곡선형 증기 파이프(78)를 함유한다. 따라서, 슬러지가 입구 근처의 홈통(72)으로 유입되고 오거(74)를 통해 홈통(72)을 따라 이동함에 따라, 슬러지는 곡선형 증기 파이프(78)의 적어도 일부분 위로 이동하여 슬러지를 비등시키고 건조시킨다. 슬러지가 홈통 바디(76)의 단부에 있는 출구에 도달할 때까지, 슬러지는 충분히 건조된다. 또한, 1차 증기는 곡선형 증기 파이프(78) 내에서 응축되고, 응축액은 1차 수로(21)에 연결된 리턴 매니폴드 파이프(82)에 수집된다.
도 10은 홈통(72)으로부터 분리된 상태로 도시된 증기 가열식 가압 오거(74)의 확대 등각투상도이다. 오거(74)는 배출된 1차 증기를 수용하는 중공형 중심 샤프트(84)를 가진다. 또한, 오거(74)는 중심 샤프트(84)의 내부와 연결되고 중심 샤프트(84)로부터 나선형으로 방사상으로 연장하는 복수의 만곡된 증기 파이프(86)를 가진다. 따라서, 만곡된 증기 파이프(86)는 중심 샤프트(84)로부터 1차 증기를 수용한다.
오거(74)는 홈통(72) 내에서 회전하도록 구성되어 만곡된 증기 파이프(86)는 홈통(72) 내의 증기 파이프(78) 사이의 공간을 통과한다. 오거의 만곡된 증기 파이프(86)는 중앙 샤프트(78) 위로 홈통을 통해 축 방향으로 슬러지를 결합 및 밀어내는 추진 부재로서 작용하도록 중앙 샤프트(84)에 대해 약간 경사질 수 있어서, 슬러지를 가열하고 비등시킨다. 중앙 샤프트(84) 및 만곡된 증기 파이프(86) 내의 뜨거운 1차 증기는 슬러지를 가열하여, 오거(74) 내에서 1차 증기 응축을 초래한다. 오거의 중심 샤프트(84)의 한 단부는 1차 액체 수로서 응축물을 오거로부터 1차 수로(21)(도 8)를 따라 향하게 하는 응축물 출구를 가진다. 예시된 실시태양에서, 회전하는 오거(74)는 슬러지가 홈통(72)의 한 단부에서 다른 단부로 이동하게 하는 자기 평탄화 효과를 제공하는 혼합 작용을 제공한다. 오거(74)는 또한 건조된 연료 출구로부터 건조된 고체 연료 물질을 계량한다. 적어도 하나의 실시태양에서, 하나 이상의 건조 연료 오거가 건조된 연료 출구에 인접한 홈통(72)에 연결되어 건조된 연료 물질을 건조된 연료 호퍼(56)로 운반할 수 있다.
도 11 및 도 12는 도 8과 관련하여 위에서 논의한 홈통 바디(76), 만곡된 증기 파이프(78) 및 슬러지 건조기 어셈블리와 실질적으로 유사한 축 방향 연장 매니폴드 파이프(80)를 구비한 홈통(72) 갖는 슬러지 건조기 어셈블리(70)의 다른 실시태양의 등각투시도이다. 따라서, 만곡된 증기 파이프(78) 및 매니폴드 파이프(80)를 구비한 홈통(72)은 1차 증기에 의해 가열된 고정 압력 용기를 한정한다. 이런 대안적인 실시태양에서, 오거(90)는 홈통(72) 내에 회전 가능하게 위치되고 구동 모터(92)에 의해 구동된다.
오거(90)는 중심 샤프트(94)로부터 반경 방향으로 돌출하는 복수의 중공형 직선 핑거 파이프(96)에 연결된 실질적으로 중공형 중심 샤프트(94)를 가진다. 각각의 핑거 파이프(96)는 오거(90)가 회전하고 스팀 가열 핑거 파이프(96)가 슬러지를 통해 이동하고 건조 슬러지를 건조 연료 출구를 향해 축 방향으로 천천히 이동시킬 때 각각의 핑거 파이프(96)에 추가 강도 및 강성을 제공하도록 중심 샤프트(94)에 고정된 지지 웹(98)을 포함한다. 한 실시태양에서, 지지 웹(98)은 또한 중앙 샤프트의 길이 방향 축에 대해 경사질 수 있으며, 지지 웹(98)은 슬러지의 일부와 결합하여 혼합을 용이하게 하고 및/또는 홈통(72)의 길이를 따라 건조 슬러지를 증가되게 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 오거(90)의 중심 샤프트(94)는 그 길이를 따라 파이프 둘레에 분포된 대략 140개의 돌출하는 5인치 핑거 파이프(96)에 작동 가능하게 연결된 경질의 24-인치 직경 파이프이다. 핑거 파이프(96)는 작업 동안 1차 증기의 응축시 적절한 응축물 제거를 보장하기 위해 증기로 채워진 중심 샤프트(94)의 내부로 연장된다. 각각의 핑거 파이프(96) 및 관련 지지 웹(98)은 그 토크가 핑거 파이프(96) 중 하나의 단부에 완전히 인가되면 구동 모터의 전체 토크의 힘을 수용하면서, 오거의 설계 압력 및 약 100 psig 및 328 ℉과 같은 온도에 대한 물질 허용 응력 아래로 실제 물질 응력을 유지하도록 구성된다. 한 실시태양에서, 핑거 파이프(96)는 구성에서 중심 샤프트(94)의 길이를 따라 대체로 나선형으로 배열된 패턴으로 배향되어 두 개의 핑거 파이프(96)가 정확하게 동일한 순간에 슬러지 물질과 처음에 결합하지 않아서, 오거의 전체 회전을 통해 충격 하중을 고르게 분산시킨다. 또한, 인접한 평면 핑거 파이프 그룹화는 건조 과정 동안 홈통(72)을 통해 슬러지 흐름을 용이하게 하기 위해 약 45°만큼 회전 오프셋된다.
전술한 바와 같이, 홈통(72) 내에 생성된 슬러지 증기는 증기 출구를 통해 추출된다. 한 실시태양에서, 증기 출구는 건조 공정 중에 슬러지가 향해 이동하는 홈통의 단부 패널에 인접하여 위치된다. 홈통(72)으로부터 제거된 슬러지 증기는 이하에 상세히 논의된 바와 같이, 슬러지 증기가 정화되고 수집되는 수 처리 시스템(16) 속으로 흐른다.
한 실시태양에서 시스템(10)이 매우 습한 슬러지(예를 들어, 약 15% 고체 물질 이하의 고체 함량을 갖는 슬러지)를 처리하는데 사용된다. 시스템(10)은 고압 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200) 및 저압 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)를 포함하는 2단(two-stage) 슬러지 건조기 시스템을 이용하여 습식 슬러지를 건조한다. 도 13a 및도 13b는 본 기술의 한 실시태양에 따라 고압 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200)의 등각투상도이다. 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200)는 하나 이상의 타이 로드(tie rods)(205)에 의해 서로 구조적으로 서로 연결된 복수의 이격된, 축 방향으로 정렬된 스크래퍼 디스크(204)를 포함하는 신장된 큰 직경의 외부 파이프(202)를 포함한다. 이 논의의 명확성을 위해, 외부 파이프(202)는 내부 구성 요소를 불명확하게 하는 것을 방지하기 위해 일반적으로 투명하게 도 13a 및 도 13b에 도시된다.
각각의 스크래퍼 디스크(204)는 다른 스크래퍼 디스크(204) 내의 구멍 (206)과 축 방향으로 정렬되는 복수의 구멍(206)을 가진다. 복수의 증기 튜브(208)는 실질적으로 외부 파이프(202)의 길이를 따라 스크래퍼 디스크 (204) 내의 정렬된 구멍(206) 끝까지 연장된다. 스크래퍼 디스크(204)는 또한 외부 파이프의 내부 표면과 결합하는 베어링(209)을 포함한다. 외부 파이프(202)의 단부는 증기 튜브(208)의 내부와 연결되는 매니폴드 부분(210)에 연결된다. 매니폴드 부분(210) 중 하나(즉, 입구 매니폴드(210a))는 1차 수로와 연결되고 증기 엔진(26)(도 1)으로부터 배출된 고온의 1차 증기를 수용하도록 구성된 증기 입구 포트(212)를 가진다. 1차 증기는 입구 매니폴드(210a)로부터 외부 파이프(202) 내의 증기 튜브 (208) 속으로 흐른다.
외부 파이프(202)는 습윤 슬러지가 고온 증기 튜브(208)와 직접 결합하도록 매우 습한 슬러지의 흐름을 파이프의 내부 영역으로 향하게 하는 슬러지 입구 포트(211)를 가진다. 구조적으로 서로 연결된 스크래퍼 디스크(204)는 입구 매니폴트(210a)를 통해 밀봉 가능하게 연장되고 유압 실린더와 같은 액츄에이터(213)에 연결되는 왕복 구동 샤프트(212)에 연결된다. 액츄에이터(213)는 구동 샤프트 (212)를 밀고 당기게 하여, 스크래퍼 디스크(204)를 한 유닛으로 외부 파이프(202) 내에서 습식 슬러지를 통해 축 방향으로 전후 방향으로 이동시킨다. 증기 튜브(208) 내의 고온 1차 증기는 슬러지 내의 물을 비등시켜 슬러지 증기를 발생시켜서, 슬러지의 물 함량을 감소시킨다.
신장된 오거 어셈블리(214)는 슬러지와 맞물리도록 입구 매니폴드(210a)를 통해 외부 파이프의 내부 영역 속으로 밀봉 가능하게 연장된다. 물 증발 때문에 슬러지가 두꺼워짐에 따라, 오거 어셈블리(214)는 증발된 슬러지를 외부 파이프 (202)를 통해 건조기 어셈블리(200)의 입구 포트(211) 반대쪽의 외부 파이프(202)의 단부에서 있는 슬러지 출구 포트(215)로 이동시키는 것을 돕는다. 추출된 두꺼워진 슬러지는 스로틀(220)을 통과하여 압력을 감소시키고 후술하는 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)(도 14)로 향하게 된다.
증기 튜브(208) 내의 1차 증기가 습식 슬러지를 가열 및 비등시킴에 따라, 1차 증기가 응축되고 결과적인 1차 액체 수는 증기 튜브(208)로부터 출구 매니 폴드(210b) 내의 수집 영역으로 흘러나온다. 1차 액체 수는 1차 수 출구 포트를 통해 수집 영역 밖으로 나와 1차 수로(21)의 액체 수를 냉각시키는 라디에이터(190)(이하에서 논의)에 연결된 도관으로 흐른다. 슬러지로부터 배출된 슬러지 증기는 가열되고 건조 공정 동안 고온을 유지하여, 외부 파이프(202)에 있는 동안 슬러지 증기를 살균한다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 슬러지 증기는 회수구 포트(216)를 통해 외부 파이프(202)로부터 슬러지 증기를 수 처리 시스템(16)으로 운반하는 슬러지 증기 출구 도관(218) 속으로 배출된다. 그런 후에, 슬러지 증기는 사이클론, 하나 이상의 프리 필터(~25 마이크론 필터) 및 하나 이상의 미세 필터 (~1 마이크론)를 통해 여과된다. 그런 후에 여과된 살균 슬러지 증기는 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)로 향하게 된다.
예시된 실시태양에서, 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)는 홈통(72) 내의 만곡된 증기 파이프(78) 및 회전 오거(74 또는 90) 속으로 통과하는 고온 증기가 증기 엔진으로부터의 고온 1차 증기가 아닌 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200)(도 13)로부터의 여과된 살균 슬러지 증기인 것을 제외하고, 도 8-10 또는 도 11-12의 슬러지 건조기 어셈블리와 실질적으로 동일하다. 이 실시태양에서, 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200)로부터의 여과된 살균 슬러지 증기로부터의 열은 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220) 내의 배설물 슬러지를 건조하는데 사용된다. 따라서, 이 2단(two-stage) 슬러지 건조 시스템은 두 배의 슬러지가 실질적으로 동일한 양의 1차 수로 처리되게 한다.
가열된 가압 슬러지 증기가 만곡 파이프(78) 및/또는 오거(74/90)를 통해 흐른 후에, 슬러지 증기가 응축된다. 리턴 매니폴드 파이프(82) 및 오거의 중공형 중심 샤프트(84)로부터 추출된 최종 응축물은 수 처리 시스템(16)으로 흐른다. 또한, 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220) 내의 건조 과정은 건조된 배설물 슬러지로부터 물을 비등시키고, 슬러지 증기는 건조기 어셈블리(70)의 홈통(72)을 빠져나와 수 처리 시스템(16)으로 흐른다(도 15).
수 처리 시스템
도 15는 수 처리 시스템(16)의 개략적인 흐름도이다. 슬러지 증기는 슬러지 증기 내에 있을 수 있는 다른 미립자로부터 수증기를 분리하는 사이클론을 포함하는 증기 여과 시스템(100) 속으로 흐른다. 남아있는 가스 및 임의의 미립자(예를 들어, 휘발성 물질 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 등)은 연소기(18)로 다시 운반되어 재연소될 수 있어서, VOC는 대기로 방출되지 않고 파괴되어 슬러지 처리 동안 대기 속으로 악취의 배출을 상당히 감소시키거나 제거한다. 그런 후에 분리된 슬러지 증기는 큰 기공 필터(즉, 25 마이크론 필터)와 같은 하나 이상의 프리 필터를 통과한 후 미세 증기 필터(즉, 1 마이크론 필터)를 통과한다. 그런 다음, 여과된 슬러지 증기는 슬러지 증기를 응축시키고 생성된 살균 액체 수를 수집하는 응축기 (104)로 흐른다. 그런 후에 여과된 슬러지 증기 및 생성된 응축수는 약간의 불순물을 포함할 수 있지만, 슬러지 증기는 슬러지 증기 내의 임의의 병원체를 죽일 수 있을 정도로 충분히 고온에 노출되기 때문에 여과된 증기 및 응축된 액체 수는 병원균이 없다.
그런 후에, 살균수는 폭기 공정, 표백 공정, 및 하나 이상의 숯 필터와 같은 선택된 정화 필터를 통한 여과 공정에 의해 정제된다. 그런 후에 정제된 깨끗한 음료수는 정수 저장 탱크(108)에 수집되며, 이로부터 정수가 분배될 수 있다.
도 16은 2단(two-stage) 건조기 어셈블리를 사용하는 한 실시태양과 관련된 수 처리 시스템(16)의 개략적인 흐름도이다. 이 실시태양에서, 제 1 단(first-stage) 건조기 어셈블리(200)로부터의 고압 슬러지 증기는 위에서 논의한 바와 같이 수 처리 시스템(16)을 통해 흐르고 여과되어 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)에서 사용된다. 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220) 내의 슬러지 증기로부터의 응축물은 수집되어 수 처리 시스템(16)을 통과하며 수 처리 시스템에서 응축물은 위에서 논의한 바와 같이 폭기, 표백 및 여과 공정을 통해 정제된다. 수 처리 시스템(16)으로 들어가는 제 2 단(second-stage) 건조기 어셈블리(220)로부터의 슬러지 증기는 또한 여과되고(즉, 사이클론, 프리 필터 및 미세 필터로), 응축되고, 생성된 응축물은 정화되어 저장 탱크(108)에 수집된다.
건조 고체 연료 처리 시스템
건조 고체 연료 물질로 돌아와서, 위에서 논의한 바와 같이, 건조 고체 연료 물질이 슬러지 건조기 어셈블리 14/70/200/220을 빠져나감에 따라, 건조 고체 연료 물질은 건조 연료 호퍼(56)로 들어간다. 도 17은 보강 립(64)에 인접한 슬러지 건조기 어셈블리(14)에 부착된 건조 연료 호퍼(56)의 등각투상도이다. 도 18은 슬러지 건조기 어셈블리로부터 분리된 건조 연료 호퍼(56)의 확대된 부분 투명 등각투상도이다. 예시된 실시태양의 건조 연료 호퍼(56)는 건조된 고체 연료 물질을 개방된 상부 측면을 통해 수용하는 저장소를 포함한다. 가열 코일(110)은 저장소의 측면에 부착되어 저장소를 가열하여 임의의 공급원으로부터의 액체 수의 응축이 건조된 고체 연료 물질에 도달하지 않도록 한다. 가열 코일(110)로부터의 열은 또한 고체 연료 물질을 더 구동시킬 수 있다. 한 실시태양에서, 연료 저장소 가열 코일(110)은 슬러지 건조기 어셈블리(14)(도 17)에 의해 생성된 슬러지 증기의 일부를 수용하는 증기 코일일 수 있어서, 저장소의 내용물은 약 120℃(240℉) 이상으로 예열된다.
물 또는 습기가 여하튼 호퍼(56)로 들어가서 건조된 고체 연료 물질을 적시거나, 또는 건조된 연료 고체 물질이 너무 습기가 있어서 효율적으로 연소하기 힘든 경우, 호퍼(56)는 비워져야 할 것이다. 따라서, 호퍼(56)는 습식 연료를 습식 슬러지 유지 탱크(32)로 되돌리는 습식 연료 아웃-피드(out-feed) 오거(115)를 포함한다(도 1).
도 18 및 도 19에서 볼 수 있듯이, 예시된 실시태양의 호퍼(56)는 호퍼의 저장소의 바닥에 연결된 건조 연료 컨베이어(112)를 포함한다. 컨베이어(112)는 건조 고체 연료 물질을 연소기(18)의 화실 또는 유동층(116)으로 운반하는 연료 인-피드 오거 어셈블리(114)에 연결되고(도 19), 건조된 고체 연료 물질은 모래 현탁액 입자에서 연소된다. 예시된 실시태양에서, 인-피드 오거(114)는 건조된 고체 연료 물질을 유동층 (116) 약 12cm(4.5 인치) 위 및 이하에서 상세하게 논의된 바와 같이, 연소 팬으로부터 수용된 연소 공기의 흐름과 대략 동일한 높이로 유동층 연소기(18) 속에 공급한다. 예시된 실시태양이 건조 연료 공급 오거 어셈블리(114)를 이용하는 반면, 고체 연료 재료를 연소기에 제공하기 위한 중력 공급 시스템 또는 다른 통증 시스템을 포함하는 다른 연료 전달 시스템이 사용될 필요가 있다.
한 실시태양에서, 쓰레기 처리 시스템(10)(도 1)은 석탄, 목재 펠릿, 유기 쓰레기 또는 필요한 경우 건조 고체 연료 물질과 함께 유동층 연소기(18)에서 연소될 수 있는 다른 적절한 건조 연료와 같은 보조 연료를 함유하는 보조 건조 연료 호퍼(118)(도 1)를 포함할 수 있다. 보조 건조 연료 호퍼(118)는 또한 연소를 위해 유동층(116)으로 보조 연료를 전달하기 위해 연소기(18)에 연결된 인-피드 오거(120)(도 19)를 포함한다. 인-피드 오거(120)는 또한 연소기(18)의 유동층(116)에 모래, 석회석 또는 다른 선택된 층 물질을 첨가하는데 사용될 수 있다.
연소기 어셈블리
도 19에 도시된 바와 같이, 유동층 연소기(18)는 보일러(20)의 하부에 연결되어 건조된 고체 연료 물질을 연소시키고 보일러(20)를 가열한다. 예시된 실시태양의 연소기(18)는 유동층(116) 및 관련 열 전달 장치를 수용하는 화실(122)을 가진다. 도 20은 배출 오거(128)에 의해 회분 배출 저장소(126)에 연결된 화실(122)의 부분 절결 등각투시도이다. 도 22는 화실(122)로부터 분리되어 도시된 공기 분배 화격자(130)의 확대 등각투시도이다. 예시된 공기 분배 화격자(130)는 균질하고 안정한 방식으로 층(116)을 유동화하도록 구성되며, 연소기 어셈블리(18) 내의 연소 공정을 위한 1차 연소 공기를 공급한다. 석회석 또는 다른 적절한 물질, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있지만, 예시된 유동층(116)은 모래를 포함한다. 공기 분배 화격자(130)는 뒤틀림, 제동 또는 막힘없이 장시간 동안 작동하도록 구성된다. 공기 분배 화격자(130)는 또한 연소기(18) 및 관련 시스템(10)의 임의의 정지 시간을 최소화하도록 쉽고 신속하게 대체되거나 수리될 수 있도록 하는 방식으로 화실(122)에 통합된다.
공기 분배 화격자(130)는 공기 입구(142) 및 공기 입구(142)의 공기 분배 파이프(140) 하류에 연결된 복수의 스파저형 공기 매니폴드 튜브(144)를 구비한 절연된 공기 분배 파이프(140)를 포함한다. 매니폴드 튜브(144)는 평행하게 서로 매우 가깝게 이격되어 회분 및 작은 모래 입자가 배출 오거(128)에 의한 배출 저장소(126)로의 제거를 위해 매니폴드 튜브(144) 사이에 용이하게 떨어지게 한다(도 20). 그러나, 이격된 매니폴드 튜브(144)는 석회덩어리 및 대형 미 연소 물질이 배출 오거 입구로 떨어지는 것을 방지한다. 각각의 매니폴드 튜브(144)는 격자 형태로 분포된 복수의 버블 캡 공기 노즐(146)에 연결된다. 버블 캡 공기 노즐(146)은 화실 내의 균일한 유동화를 위해 층(116) 위의 프리보드(freeboard) 부분 속으로 매끄럽고 균일한 공기 분배를 제공한다.
도 21에 도시된 예시된 실시태양에서, 공기 분배 화격자(130)는 유동층(116)의 초기 출발 및 웜업 동안과 같이 필요에 따라 유입 연소/유동화 공기를 예열하도록 활성화될 수 있는 인라인 버너 어셈블리(138)에 연결된다(도 20). 인라인 버너 어셈블리(138)는 연소 팬(148)으로부터 공기 흐름을 수용하는 덮개식 히터(150)를 포함한다. 히터(150)는 공기 분배 파이프(140)(도 22)의 공기 입구(142)에 연결되어 공기 분배 화격자(130)(도 20)를 통해 유동층(116)에 연소 공기를 제공한다. 예시된 실시태양의 연소 팬(148)은 약 50인치 H2O로 압축된 750 ft3/min까지의 대체로 정확한 유속에서 공기를 제공한다. 히터(150)는 필요 시 연소 공기를 예열하기 위해 천연 가스, 프로페인, 부테인 또는 다른 적절한 연료로 작동시킬 수 있다. 일단 연소기(18)가 작동 온도에 가깝게 웜업되면, 인-라인 버너 어셈블리(138)는 더 이상 필요치 않으며, 연소 팬(148)은 고체 연료 물질에 의한 연소를 위해 유동층 (116)에 비가열 공기를 제공한다.
보일러
연소기 어셈블리(18)는 보일러(20) 내에 위치되고, 건조된 고체 연료 물질을 연소시킬 때 발생된 열은 배출 가스 통로(158)(도 23)를 따라 보일러(20)를 통해 흐르고 증기 엔진(26)(도 1)에 동력을 공급할 고압 증기를 생성하기 위해 1차 수로(160)(도 24)를 따라 보일러(20)를 통해 일반적으로 반대 방향으로 흐르는 1차 액체 수의 연속적인 흐름을 비등시킨다. 보일러(20) 및 이의 구성요소는 배기 가스 통로(158)(도 23)와 관련하여 논의될 것이고, 그런 후에 1차 수로(160)와 관련하여 논의될 것이다.
도 23은 보일러를 통과하는 가열된 배기 가스 통로(158)를 도시하는 건조 연료 연소기(18) 및 보일러(20)의 확대된, 부분적으로 절결된 등각투상도이다. 보일러(20)의 하부는 유동층(116)의 적어도 일부에 매립되어 그 바로 위에 위치된 증발기(162)를 포함한다. 따라서, 유동층(116)에서 고체 연료 물질을 연소시킴으로써 발생된 고온의 열은 증발기(162) 둘레로 흘러서 효과적으로 가열한다. 배기 가스 통로(158)는 증발기(162)에 연결된 1차 과열기(164)를 통해 증발기(162)로부터 위쪽으로 흐른 다음 1차 과열기(164)에 연결된 2차 과열기(166) 위로 흐른다. 배기 가스 통로(158)는 2차 과열기(166)로부터 1차 절약기(168) 위로 흐른 다음 2차 절약기(170) 위로 흐른다. 배기 가스 통로(158)를 따라 흐르는 가열된 배기 가스는 열을 증발기(162), 1차 과열기(164), 2차 과열기(166), 1차 절약기(168), 및 2차 절약기(170)의 각각에 순차적으로 전달함으로써 냉각된다. 2차 절약기(170)는 절약기 하우징(172)에 포함되고 배출구(174)에 연결된다. 배기 가스가 2차 절약기(170)에 도달하여 위로 흐를 때까지, 배기 가스는 배기구(174)를 빠져나가기 전에 2차 절약기(170)에 저 등급 열만을 전달한다.
도 24는 절약기 하우징(172) 및 배기구(174)에 연결된 다중-클론 어셈블리(176)의 확대 부분 등각투시도이다. 배기 가스는 다중-클론 어셈블리(176)로 들어가고 하나 이상의 종래의 사이클론을 통해 흘러 배기 흐름으로부터의 임의의 잔류 회분 또는 미립자를 제거하여, 다중-클론 어셈블리(176)를 빠져나가는 깨끗한 배기 가스를 제공한다. 배기 가스는 화학적으로 처리된 수 칼럼을 통해 거품을 일으켜서 대기로 방출되기 전에 추가의 오염물을 제거할 수 있다. 실질적으로 미립자가 없는 배기 가스는 다중-클론 어셈블리(176)를 빠져나가고 대기로 개방된 배기 스택(178)을 통해 흐른다. 예시된 실시태양에서, 유도 통풍기 팬(180)은 다중-클론 어셈블리(176)와 배기 스택(178) 사이에 위치되고 전체 배기 가스 통로(158)를 따라 배기 스택(178) 외부로 배기 가스의 흐름을 용이하게 하도록 구성된다. 다른 실시태양은 배기 가스 통로(158)를 따라 배기 가스의 유량 및 속도를 제어하기 위해 다른 팬 또는 배기 연신 시스템을 사용할 수 있지만, 예시된 실시태양에서, 팬(180)은 대략 775 scfm의 유속으로 약 8인치의 H2O 진공 상태로 만들 수 있다.
도 25는 하우징의 바닥에 회분 수집 영역(182) 및 회분 수집 영역(182)에 연결된 회분 오거(184)를 갖는 절약기 하우징(172)의 확대 부분 등각투상도이다. 배기 가스가 절약기 하우징(172)에 들어갈 때까지, 배기 가스는 실질적으로 냉각되고, 배기 가스와 함께 흐를 수 있는 임의의 보다 무거운 회분 입자는 회분 수집 영역(182) 속으로 떨어지고 수집 영역(182)에 수집될 것이다. 회분 오거(184)는 절약기 하우징(172)으로부터 수집된 회분을 수집 저장소 또는 다른 수집 시스템(도시되지 않음) 속으로 운반하도록 구성된다.
보일러 이전 1차 수로
이제 1차 수로(160)로 돌아가서, 1차 수의 흐름이 보일러(20)로 액체 상으로 들어간다. 슬러지 건조기 어셈블리(14)와 관련하여 위에서 논의한 바와 같이, 증기 엔진(26)으로부터의 1차 수 흐름은 슬러지 건조기 어셈블리에서 액체 상으로 응축된다. 도 1에 도시된 예시된 실시태양에서, 슬러지 건조기 어셈블리(14)로부터의 1차 액체 수의 흐름은 1차 수로(21)를 따라 계속하기 전에 1차 액체 수를 냉각시키는 것을 돕기 위해 라디에이터(190)를 통과할 수 있다.
1차 수(때로는 "급수"로 불림)가 증기/안개 및 액체 상으로 1차 수로(21)를 통해 이동함에 따라, 1차 수의 일부가 손실될 수 있다. 예를 들어, 일부 1차 수는 증기가 엔진의 실린더 벽을 따라 피스톤을 지나면서 송풍되는 증기 엔진(26)에서의 증기 송풍에 의해 손실될 수 있다. 또한, 1차 수의 일부는 시스템(10)으로부터 제거되어 시스템(10)의 최저 지점에서 폐기되어, 블로우다운(blowdown)이라 불리는 1차 수로부터 침전될 수 있는 임의의 사용된 화학물질 또는 미네랄을 제거할 수 있다. 수질 및 시스템(10)에 따라, 블로우다운은 1차 수의 총 유량의 약 5%까지 구성될 수 있다. 따라서, 보충 수는 라디에이터(190)로부터 하류에 위치된 정수기(192)를 통해 1차 수로(21)에 첨가될 수 있다.
또한, 정수기(192)는 화학물질 또는 첨가제를 액체 상인 1차 수에 첨가할 수 있다. 일부 실시태양에서, 화학물질 및/또는 첨가제는 1차 수로(21) 속에 주입된 보충 수에 첨가된다. 예를 들어, 보충 수는 1차 수로에 들어가기 전에 화학 첨가제를 통해 연화되어 보일러(20)의 파이프의 스케일링(scaling)을 감소시킬 수 있다. 화학 첨가제는 불순물 및 부식 생성물을 최소화하기 위해 사용될 수 있는데, 이는 가열 효율에 부정적인 영향을 미치거나 1차 수가 1차 수로(21)에서 통과하여 흐르는 도관의 작동 수명을 잠재적으로 단축시킬 수 있다. 또한, 정수기(192)는 보충 수가 1차 수로(21)에 추가되기 전에 경질 공용수일 수 있는 유입수를 처리하는데 사용될 수 있다.
1차 수는 정수기(192)로부터 흘러나와 1차 액체 수가 보일러(20)로 주입되기 전에 급수 탱크(194)에 수집된다. 급수 탱크(194)는 레벨 스위치를 포함하여 1차 액체 수가 복귀된 후, 시스템은 1차 수로(21)에서의 손실을 설명하기 위해 적절한 양의 보충 수와 화학 물질을 측정하고 추가하는 방법을 갖는다. 1차 액체 수는 1차 액체 수를 보일러(20) 속으로 내보내는 급수 펌프(196)에 의해 급수 탱크(194)로부터 당겨진다.
보일러에서 1차 수로
이제 보일러(20)로 돌아가서, 도 26은 보일러(20)를 통과하는 1차 수로(160)를 도시하는 확대된 부분 절결 등각투시도이다. 급수 펌프(196)(도 1)로부터 수용된 1차 액체 수는 2차 절약기(170)에 인접한 수 입구(198)를 통해 보일러(20) 속에 찬 가압수를 공급한다. 급수 펌프(196)(도 1)은 수 입구(196a) 및 수 출구(196b)를 구비한다. 펌프(196)로부터의 차가운 1차 수는 약 4130 kPa(600 psia)로 가압되고, 보일러(20) 내의 배기 가스 통로(158)(도 23)의 가장 차가운 부분에서 배기 가스에 의해 가열된 2차 절약기(170)를 통해 흐른다. 예시된 실시태양에서, 2차 절약기(170)는 1차 액체 수를 4.135 MPa에서 약 525 K인 포화점까지 가열한다.
차 수는 2차 절약기(170)로부터 1차 절약기(168)를 통해 흐르고, 1차 수는 끓는점까지 가열된다. 1차 수는 증기로서 1차 절약기(168)로부터 증기 드럼(199) 속으로 흐르며, 건조된 포화 증기는 임의의 포화 액체로부터 분리된다. 증기 드럼(199) 내의 임의의 포화 액체는 회수되어 증발기(162)로 재주입된다. 건조된 1차 증기는 증기 드럼(199)으로부터 2차 및 1차 과열기(166 및 164)를 통해 순차적으로 흐른다. 1차 증기는 1차 수로(160)의 하류 부분을 따라 증기 출구(165)를 통해 보일러(20)로부터 증기 엔진(26)으로 흐르는 고온 과열 증기로서 1차 과열기(164)를 빠져나온다.
도 23 및 도 26에 예시된 보일러(20)가 두 개의 과열기(164/166) 및 두 개의 절약기(168/170)를 포함하지만, 다른 실시태양의 보일러(20)는 단지 하나의 과열기 및/또는 단지 하나의 절약기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 27은 증발기(228) 및 증기 드럼(199)에 연결된 단지 하나의 과열기(224) 및 하나의 절약기(226)를 포함하는 대안적인 실시태양의 보일러 어셈블리(222)의 배관 구성요소의 부분 절결 등각투시도이다. 이 대안적인 실시태양에서, 증기 드럼(199)은 증발기, 유동층(116), 및 화실(122)을 보호하는 것을 돕는 증발기(228)의 대향 측면 상의 수 벽(232)을 형성하는 복수의 수직 파이프에 연결되어 수벽 사이의 열을 보유하고, 수벽(232)을 통해 흐르는 포화 수를 가열하는 것을 돕는다. 따라서, 수벽(232)의 사용은 보일러 내에서 필요한 내화물의 양을 제거하거나 감소시키는 것을 돕는다.
도 28 및 도 29는 다른 실시태양에 따른 보일러(240)의 등각투상도이다. 보일러(240)는 도 27과 유사한 구성요소 레이아웃을 가지며, 하나의 과열기(224) 및 하나의 절약기(226)가 증발기(228)와 나란히 위치되어, 유동층(116) 위의 증발기 섹션 내에서 현저히 많은 프리보드를 허용한다. 이 실시태양은 또한 증기 드럼(199)으로부터 연장되는 수벽(232)을 포함한다. 또한, 보일러(240)는 하우징 (241)을 갖고, 과열기(224), 절약기(226) 및 증발기(228)는 하우징(241)에 연결된 하나 이상의 레일 또는 활동부(244) 상에서 이동 가능하게 운반된 프레임 구조체 (242) 상에 각각 장착된다.
각각의 프레임 구조(242) 및 이의 각각의 보일러 구성요소(즉, 과열기(224), 절약기(226) 및/또는 증발기(228))는 개방된 노출 위치(도 28) 및 폐쇄된 작동 위치(도 29) 사이의 서랍 운동(drawer motion)과 유사한 이동 가능한 방식으로 하우징(241)에 대해 한 유닛으로서 이동 가능하다. 과열기(224), 절약기(226) 및/또는 증발기(228)의 하나 또는 전부는 시스템(10)(도 1)이 작동하지 않을 때 유지 보수 또는 교체를 위해 모듈 방식으로 개방된 노출 위치로 이동될 수 있다. 보일러 구성 요소가 개방된 노출 위치로 이동되기 전에, 1차 수로(160)를 한정하는 상호연결 파이프 중 일부가 분리될 필요가 있다. 과열기(224), 절약기(226) 및/또는 증발기 (228)는 하우징(241) 속으로 밀폐된 작동 위치까지 다시 미끄러질 수 있고, 상호연결 파이프가 재연결된다. 이러한 모듈 방식은 보일러(240)의 정기적인 유지보수에 대한 비용뿐만 아니라 시스템(10)의 잠재적 다운 타임을 크게 감소시킬 수 있다.
다른 실시태양에서, 보일러(20)는 중앙 연소 챔버 및 유동층을 갖는 동심원 보일러일 수 있다. 일반적으로 원통형 증발기는 연소실과 동축으로 배치되고, 과열기 및 절약기는 증발기의 반경 방향 외측에 동심원적으로 배치된다. 다른 실시태양은 다른 구성 및/또는 구성요소 및/또는 구성요소 장치를 구비한 보일러를 이용할 수 있다.
발전소
도 30은 증기 엔진(26)에 의해 구동되는 발전기(28)를 구비한 발전소 어셈블리(22)의 등각투상도이다. 예시된 실시태양에서, 발전기(28)는 약 150kW(200hp)까지의 작동 출력을 갖는 175kW 유도 발전기이다. 발전기(28)로부터 생산된 전기는 공기 송풍기, 모든 펌프, 오거를 돌리는 모터 등을 포함하는 모든 기생 부하에 전력을 공급하는데 이용된다. 초과 전력은 국부적으로 사용 가능하게 되거나 선택된 전력 그리드에 제공될 수 있다.
발전기(28)를 구동시키는 증기 엔진(26)은 보일러(20)(도 1)로부터 과열된 1차 증기를 수용하고, 1차 증기는 약 207kPa(~30psia)로 엔진에서 팽창된다. 증기 엔진은 약 480℃(900℉)까지의 온도에서 고온 증기를 사용하고 약 4130 KPa(600 psia)의 고압에서 장시간 동안 작동하도록 구성된 헤드 어셈블리(300)를 구비한 다중 실린더 왕복운동 피스톤 엔진이다. 예시된 실시태양에서, 엔진(26)은 V-8 왕복운동 피스톤 엔진과 같은 다른 엔진이 사용될 수 있지만, 6기통 엔진이다.
도 31은 블록으로부터 분리된 엔진 헤드(301)의 부분 절개된 확대 상부 등각투상도이다. 예시된 헤드 어셈블리(300)는 강으로 제조된 헤드(301)를 포함하고 각 실린더를 위한 증기 입구 포트(302)를 포함한다. 증기 입구 포트는 일반적으로 실린더 헤드의 상단에 위치된다. 헤드 어셈블리(300)는 포펫 밸브(306)를 구비한 밸브 트레인 (304) 및 각각의 실린더를 위한 관련 로커 암(308)을 포함한다. 캠 샤프트(310)는 흡기 및 배기 포펫 밸브(306a 및 306b)의 각각을 위한 복수의 정확하게 윤곽을 나타낸 캠(312)을 갖는다. 캠 샤프트(310) 및 관련 캠(312)의 회전은 증기 엔진(26)의 특정 작동 파라미터에 대한 흡기 및 배기 밸브(306a 및 306b)의 개폐를 제어한다.
증기 엔진(26)의 왕복 증기 사이클은 이의 실린더 내에서 엔진의 피스톤의 2 행정(stroke)에 걸쳐 일어나는 네 개의 별개의 이벤트로 구성된다. 상사점(TDC)에서 시작하여, 실린더의 흡기 밸브(306a)가 개방되고, 과열된 고압 증기(보일러로부터 수용됨)는 증기 입구 포트(302)를 통해 실린더 속으로 흐르는 반면 피스톤은 하사점(BDC)을 향해 아래로 이동한다. 증기의 특정 컷-오프 체적에서, 흡기 밸브(306a)가 폐쇄되고 피스톤은 BDC까지 동력 행정을 완료한다. BDC에서, 배기 밸브(306b)가 개방되고, 피스톤이 TDC를 향해 상향 이동함에 따라 배기 행정이 시작된다. TDC 전의 특정 시간에, 배기 밸브(306b)가 폐쇄되어 실린더 압력이 보일러 압력에 근접하게 상승한다. 이는 흡기 밸브(306a)가 개방될 때 스로틀링 손실을 최소화한다.
예시된 실시태양의 증기 엔진(26)이 약 4130 kPa(600 psia)의 보일러 압력에 기초한 증기로 작동하기 때문에, 주어진 보일러 압력과 엔진 토크 한계에 대해 엔진의 효율과 동력을 최대화하기 위해, 흡기 및 배기 밸브(306a 및 306b)는 정밀한 캠 프로파일 및 밸브 트레인 배열을 통해 조심스럽게 제어되어야 한다. 예시된 실시태양에서, 약 4130 kPa(600 psia)의 보일러 압력에서 각 실린더에 대한 컷 오프 비(즉, 실린더의 전체 체적에 대한 컷 오프 체적의 비)는 약 11%이다. 따라서, 흡기 밸브(306a)는 실린더의 11%를 고압의 1차 증기로 충전하기에 충분히 길게 개방되어야 한다. 증기 엔진(26)(도 30)은 약 9.8의 압축비를 갖는 엔진에 대해 약 70cc의 전형적인 통상적인 간극 체적보다는 오히려 약 17.7cc의 간극 체적을 제공하도록 구성된다. 17.7cc의 이 간극 체적은 28°의 크랭크 축 회전을 제공하여 11%의 원하는 컷오프 비를 성취한다. 캠 샤프트(310)가 크랭크 샤프트의 두 배 빠르게 회전하기 때문에, 캠 샤프트(310) 및 캠(312)은 14°의 회전 내에서 각각의 흡기 밸브(306a)를 개폐해야 한다. 이러한 빠른 운동은 캠 프로파일 및 흡기 밸브(306a) 구성에 의해 제어된다.
도 31 및 도 32는 흡기 캠(312a), 흡기 밸브(306a) 및 관련 로커 암(308a)을 도시하는 헤드 어셈블리(300)의 확대 단면도이다. 예시된 실시태양의 엔진에 대한 컷오프 비가 단지 11%인 것을 감안할 때, 각각의 흡기 캠(312a)에 대한 캠 프로파일은 각각의 로커 암(308a)을 신속하고 정확하게 선회시켜 관련된 흡기 밸브 (306a)를 개폐하도록 구성된 극히 작은 로브(314)를 포함한다. 이러한 작은 로브 형상은 캠 공이(318)가 따라야하는 실질적으로 오목하고 작은 반경의 곡선을 생성하는 캠 프로파일 상의 상당히 가파른 전이 영역(316)을 가져야 한다. 예시된 실시 태양에서, 캠 공이(318)는 각각의 흡기 캠(312a) 위의 로커 암(308a) 내의 한 쌍의 베어링(320)에 의해 회전 가능하게 운반되는 회전하는 캠 공이이다. 로커 암(308a) 내의 회전하는 캠 공이(318) 및 베어링(320)의 이러한 배치는 캠 공이(318)가 엔진 (26)의 작동 동안 관성 부하를 처리하게 한다.
도 33에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(306a)가 폐쇄될 때, 이의 밸브 헤드(319)는 헤드(301)의 밸브 시트(321) 및 증기 입구 포트(302)의 상부에 밀봉 가능하게 놓여서 흡기 밸브(306a) 위로 (즉, 밸브 헤드의 상부로) 1차 증기를 전달한다. 밸브 트레인(304)은 이의 각각의 캠(312) 위에 수직으로 위치된 캠 공이(318)와 함께 구성되고 캠 공이(318)는 로커 암의 피봇 핀(322)으로부터 이격되어 있다. 또한, 로커 암(308)의 말단부는 흡기 밸브 샤프트(326)의 상부에 나사식으로 부착된 칼라(324)의 하부 표면 아래에 위치되어 맞물린다. 흡기 캠(312a)이 회전하고 캠 공이(318)가 작은 로브(314)와 맞물릴 때, 로커 암(308)은 피봇 핀(322) 주위에서 위쪽으로 피봇되고, 흡기 밸브(306a)를 위로 상승시켜 밸브 헤드(319)를 밸브 시트(321)로부터 떨어지게 하여, 흡기 밸브(306a)를 잠시 개방한다. 따라서, 흡기 밸브(306a)는 풀 포펫 밸브이다. 캠의 로브(314)가 캠 공이(318)를 통과함에 따라, 흡기 밸브(306a)는 신속하게 폐쇄된다. 흡기 밸브(306a)와는 달리, 배기 밸브(306b)는 이런 신속한 반응하는 작용을 필요로 하지 않으며 푸시 포펫(push pppet) 밸브일 수 있다.
예시된 실린더 헤드 구성은 고온의 고압 증기가 실린더 헤드의 상부에 있고, 입구 밸브(306a)가 고압 증기와 동일한 면에 있을 필요가 있고, 그렇지 않으면 입구 밸브(306a)는 증기압에 의해 열리는 것이다. 입구 밸브의 위치가 증기 입구 포트(402) 아래의 헤드 상부에 있으므로, 고압 증기는 흡기 밸브(306a)를 폐쇄 상태로 유지시킨다. 예시된 실시태양에서, 흡기 밸브(306a)는 피스톤이 컷오프 체적(~ 11%)을 달성할 때까지 TDC로부터 이동함에 따라 실린더 내로 증기를 유입시키도록 흡기 밸브를 들어올리고 개방시키는 것을 돕는 추가적인 힘을 제공하는 스프링 (328)에 연결된다.
예시된 실시태양의 증기 엔진(26)의 구성은 또한 작동 동안, 특히 고 RPM (즉, ~1850)에서 매우 긴 시간 주기 동안 엔진의 개선된 온도 제어를 제공한다. 피스톤의 양측에 교대로 인가되고 피스톤의 양측에서 배출되는 증기 압력을 갖는 이중 작용 실린더를 사용하는 종래의 증기 엔진과 달리, 예시된 실시태양의 증기 엔진(26)은 단일 작용 실린더를 갖는다. 특히 낮은 작동 온도(즉, 시동 중에)에서 피스톤 주위로 증기 누출을 피하기 위해, 현재의 엔진(26)은 엔진의 온도를 제어하기 위해 라디에이터 및 히터 모두와 함께 엔진에 내장된 액체 냉각제를 이용한다. 엔진(26)이 시동되고 아직 웜업되지 않을 때, 히터는 엔진의 실린더를 물의 비등 온도보다 양호하게 유지하여 증기가 응축되지 않도록 할 것이다. 고압 증기가 뜨겁기 때문에, 엔진이 작동하면, 온도 제어 시스템은 냉각 모드에 있게 된다. 따라서, 온도 제어 시스템은 엔진 온도를 조심스럽게 제어하여 엔진(26)이 너무 뜨거워져서 오일을 손상시키고 너무 차가워(즉, 약 160℉ 미만)지는 것을 방지하며, 크랭크 케이스 내의 오일 및 블로우-바이(blow-by)를 통해 피스톤을 지나가는 임의의 물은 섞여서 분리가 불가능한 에멀젼을 형성한다.
제어장치
예시된 실시태양의 배설물 슬러지 폐기물 처리 시스템(10)은 또한 정상 작동 중에 작업자로부터의 최소한의 감독만으로 전체 시스템(10)을 제어하도록 상호연결되고 구성된 복수의 자동화되고, 통합된 컴퓨터 제어장치를 포함한다. 장비 및 프로세스의 제어 및 모니터링은 주로 센서에서 입력 정보를 수집하고 밸브 및 모터와 같은 제어 장치에 대한 출력 레벨을 설정하는 중앙 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC)를 통해 수행된다. 또한 PLC는 시동 중에 사용된 발전기 시스템 및 프로페인 버너에 대한 특수 제어장치의 작동을 제어하도록 구성된다. 또한 PLC는 전체 시스템을 정수/증기, 연소, 연료 처리 및 발전과 같은 관리가능한 서브시스템으로 나누도록 구성된다. 제어 입력정보는 원하는 정도로 서브시스템을 서로 분리하도록 제공된다. 서브시스템은 개별 출력정보에 대한 설정 값을 제공하기 위해 제어 루프로 더 나뉠 수 있다.
정수/증기 서브시스템은 일정한 온도 및 압력에서 증기를 발전소(22)에 제공하고, 충분히 건조한 고체 연료를 생성하기 위해 (증기의 형태로) 열을 슬러지 건조기 어셈블리(14)에 제공하도록 구성된다. 제어 루프는 시스템에 유입되는 보충 수의 양, 증발기로 들어가는 응축수 양, 증기 엔진을 우회하는 증기의 양 및 슬러지 건조 어셈블리에 가해지는 열을 조절하는 데 사용된다. 정수/증기 시스템은 또한 도시 물과 같이 시스템에 유입되는 임의의 외부의 물을 모니터하고 처리하며, 블로우다운 시스템(blowdown system)을 통해 보일러 물의 총 용해 고체 함량을 제어하도록 구성된다.
연소 서브시스템은 정수/증기 시스템이 정확한 양과 온도의 증기를 생성하도록 충분한 열을 제공하도록 구성된다. 시동 중에 프로페인 버너를 작동시키고 연소실의 공기 압력을 제어하기 위해 유동층을 통과하는 공기 흐름을 조절하는 제어 루프가 제공된다. 이 시스템은 또한 연소 배출 및 배기 가스 처리 및 제거 및 유동층 재료 교체와 같은 유지 보수 작업을 모니터할 것이다.
연료 처리 서브시스템은 정확한 양의 건조 연료를 연소 공정에 제공하고 건조 공정으로부터 생성된 폐수를 처리하도록 구성된다. 제어 루프는 정확한 양의 습식 연료를 제공하고, 슬러지 건조기 어셈블리에서 고체 연료 물질의 체류 시간을 조절하고, 건조된 고체 연료 물질을 연소기로 계량하고, 물 응축 및 처리 공정을 처리하는데 사용된다.
전력 발생 서브 시스템은 이용 가능할 때 그리드에 전력을 제공하도록 구성된다. 이 서브시스템은 전기 출력을 조절하고 엔진 스로틀의 조정을 통해 엔진 속도와 토크를 조절하는 제어 루프를 가진다. 제어 서브시스템 및 저 레벨 루프는 상위 레벨 제어기에 통합되어 시동 및 종료 순서를 처리하고 비상 및 경보 상황을 적절하게 처리할 수 있다.
전술한 내용으로부터, 예시의 목적으로 본 발명의 특정 실시태양이 설명되었지만, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 특정 실시태양 또는 실시예의 내용에서 기술된 본 발명의 양태는 다른 실시태양에서 결합되거나 제거될 수 있다. 본 발명의 특정 실시태양과 관련된 이점은 이들 실시태양의 내용에서 기술되었지만, 다른 실시태양은 또한 이러한 장점을 나타낼 수 있다. 또한, 모든 실시태양이 반드시 본 발명의 범위 내에 속하는 이런 장점을 나타낼 필요는 없다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (38)

  1. 물과 고체를 포함하는 슬러지를 함유하도록 구성된 제 1 가압 용기(202)를 가지며, 상기 제 1 가압 용기에 인접한 제 2 가압 용기(208)를 가지는 제 1 단(first-stage) 연료 건조기 어셈블리, 여기서 제 2 가압 용기는 슬러지로부터 분리되고 슬러지를 가열하고 부분적으로 건조시켜 증기 상의 제 1 슬러지 수와 증점된 슬러지를 생산하는 고온 배기 증기를 함유하도록 구성된다;
    증점된 슬러지를 수용하도록 구성된 제 3 가압 용기(72) 및 제 3 가압 용기에 인접한 제 4 가압 용기(78)를 가지는 제 2 단(second-stage) 연료 건조기 어셈블리, 여기서 제 4 가압 용기는 증기 상의 제 1 슬러지 수를 수용하고 포함하도록 구성되어, 제 1 슬러지 수는 증점된 슬러지로부터 분리되고, 증기 상의 제 1 슬러지 수는 증점된 슬러지를 가열하고 건조시켜 증기 상의 제 2 슬러지 수 및 건조된 고체 연료 물질을 제공하며, 제 1 슬러지 수의 적어도 일부는 액체 상으로 응축된다;
    증기 상 또는 액체 상 또는 둘 다의 제 1 및 제 2 슬러지 수를 수용하며, 응축기 및 필터를 가지는 수 처리 시스템, 여기서 증기 상의 제 1 또는 제 2 슬러지 수는 응축되고, 액체 상의 제 1 및 제 2 슬러지 수는 정제 및 여과되어 음료수를 제공한다;
    보일러에서 증기를 생성시키기 위해 제 2 단(second-stage) 연료 건조기 어셈블리로부터 건조된 고체 연료를 연소하도록 구성된 연소기 어셈블리; 및
    보일러로부터의 증기에 의해 동력을 받고 전기를 생성시키도록 구성되며, 고온 배기 증기를 생성하는 증기 동력 발전기 어셈블리
    를 포함하는 전기 및 음료수 생성을 위한 다기능 폐기물 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 가압 용기는 제 2 가압 용기 내에 함유되는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 3 가압 용기는 제 4 가압 용기 내에 함유되는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 단(first-stage) 연료 건조기 어셈블리는 제 1 가압 용기에 회전 가능하게 지지된 증기 가열 오거를 포함하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 단(first-stage) 연료 건조기 어셈블리는 제 1 가압 용기 내에 위치되고 제 2 가압 용기에 대해 상기 슬러지를 이동시키도록 제 2 가압 용기에 대해 이동 가능한 복수의 스크래퍼 디스크를 포함하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    증기 동력 발전기 어셈블리는 증기 엔진 및 발전기를 포함하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 단(first-stage) 및 제 2 단(second-stage) 연료 건조기 어셈블리, 수 처리 시스템 및 증기 동력 발전기 어셈블리는 프레임 상에 장착되고 프레임과 함께 한 유닛으로 운반 가능한 시스템.
  8. 물과 고체 연료 물질의 혼합물을 포함하는 습식 유기성 슬러지의 흐름을 수용하도록 구성된 연료 입구를 구비한 연료 통로를 갖는 연료 건조기 어셈블리로서, 연료 건조기 어셈블리는 슬러지를 비등시키고 물을 고체 연료 물질과 열적으로 분리하여 건조 연료를 제공하도록 구성된 히터 부분을 가지며, 연료 건조기 어셈블리는 제 1 증기 출구, 건조 연료 출구, 및 증기 입구 및 유체 출구를 구비한 유체 통로를 가진 응축기 부분을 가지며, 유체 통로는 연료 통로로부터 격리된다;
    제 1 증기 출구(66)에 결합되고 슬러지로부터 증발된 물을 깨끗한 액체 수로 응축하도록 구성된 담수 응축기 어셈블리(104);
    연료 건조기 어셈블리의 건조 연료 출구에 결합되고, 연소기 부분을 가지며 연소기 부분으로부터 열을 수용하도록 구성된 보일러를 갖는 건조 연료 연소기 어셈블리로서, 상기 보일러는 제 1 수 입구(198) 및 제 2 증기 출구(165)를 가진다;
    보일러의 제 2 증기 출구에 연결되고 전기를 생성시키도록 구성된 증기 동력 발전기로서, 증기 동력 발전기는 응축기 부분의 증기 입구에 연결된 제 3 증기 출구(23)를 가진다; 및
    연료 건조기의 응축기 부분의 유체 출구에 연결된 제 2 수 입구(196a)를 갖는 수 펌프; 및 보일러의 제 1 수 입구에 연결된 수 출구를 갖는 수 펌프;
    를 포함하며,
    보일러는 보일러로 유입되는 물의 흐름을 증기 동력 발전기에 동력을 공급하는 증기의 흐름으로 전환시키도록 구성되는 전기 및 정수 생성을 위한 다기능 습식 폐기물 처리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리는 연료 통로 내의 증기 가열 오거를 포함하고, 건조 공정 동안 슬러지를 이동시키고 가열시키도록 구성된 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리는 응축기 부분에 각각 연결되고 증기 동력 발전기로부터의 배기 증기로부터의 열을 사용하여 슬러지로부터 물을 증발시켜 슬러지를 건조하도록 구성되는 순차적인 제 1 건조기 단편(200) 및 제 2 건조기 단편(200)을 갖는 2단-단편 건조기인 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 1 건조기 단편(segment)은 슬러지로부터 슬러지 증기를 생성하고, 제 2 건조기 단편(segment)은 제 1 건조기 단편(segment)으로부터의 슬러지 증기를 사용하여 슬러지를 건조시키는 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    제 1 건조기 단편(segment)은 슬러지로부터 증발된 물로부터 제 1 증기를 생성하고, 제 2 건조기 단편(segment)은 제 1 건조기 단편(segment)에 결합되고 슬러지에 인접한 제 1 증기를 운반하도록 구성된 제 1 증기 캐리어 부분(78)을 가지며, 제 1 증기 캐리어 부분으로부터의 열은 그 내부에서 이동하는 슬러지를 건조시키는 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리는 증기 동력 발전기로부터 배기 증기를 응축기 부분에 수용하도록 구성되며, 연료 건조기 어셈블리는 연료 입구에 연결되고 응축기 부분에 연결되고 배기 증기로부터의 열로 슬러지로부터의 물의 제 1 부분을 증발시키도록 구성된 쉘(42)을 갖는 제 1 건조기 단편(segment), 및 제 1 건조기 단편(segment)에 연속적으로 연결되고 배기 증기로부터의 열로 제 1 건조기 단편(segment)으로부터 수용된 증점된 슬러지로부터의 물의 제 2 부분을 증발시키도록 구성된 제 2 건조기 단편(segment)을 갖는 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리의 응축기 부분은 제 1 증기 입구를 통해 증기 동력 발전기로부터 배기 증기를 수용하도록 구성되고, 연료 건조기 어셈블리는 연료 입구에 연결되고 응축기 부분에 인접한 쉘(42)을 가지며, 쉘(42)은 응축기 부분에서 배기 증기로부터의 열을 사용하여 슬러지로부터 물을 증발시키도록 구성되는 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서,
    연소기 부분은 유동층 연소기 어셈블리인 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리, 담수 응축기 어셈블리, 건조 연료 연소기 어셈블리, 증기 동력 발전기 및 수 펌프는 프레임 상에 장착되고 프레임과 함께 한 유닛으로 운반 가능한 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    증기 동력 발전기는 단일 작용, 액체 냉각 증기 엔진인 시스템.
  18. 물과 고체 연료 물질의 혼합물을 포함하는 슬러지의 흐름을 수용하도록 구성된 슬러지 입구를 구비한 연료 통로를 갖는 슬러지 건조기 어셈블리, 슬러지 건조기 어셈블리는 슬러지를 가열하고 고체 연료로부터 물을 열적으로 분리하여 건조 연료 물질을 제공하는 히터 부분을 가지며, 히터 부분은 제 1 증기 출구를 가지며, 슬러지 건조기 어셈블리는 히터 부분에 인접한 응축기 부분을 가지며 연료 통로로부터 격리되고 증기 입구 및 유체 출구를 갖는 유체 통로를 가진다;
    제 1 증기 출구(66)에 결합되고 슬러지로부터 증발된 물을 깨끗한 액체 수로 응축하도록 구성된 담수 응축기 어셈블리(104);
    슬러지 건조기 어셈블리에 결합되어 그로부터의 건조 연료 물질을 수용하도록 구성된 연소기 어셈블리, 연소기 어셈블리는 건조 연료 물질을 수용하고 연소하도록 구성된 연소기 및 수 입구와 제 2 증기 출구(165) 사이에서 연장되는 유체 통로에 증기를 생성하기 위한 연소기로부터 열을 수용하도록 구성된 보일러를 가진다; 및
    증기 엔진 및 증기 엔진에 의해 구동되는 발전기를 포함하는 발전소, 증기 엔진은 보일러로부터의 증기를 수용하기 위해 상기 보일러의 제 2 증기 출구에 연결되고, 발전기는 전기를 생성시키도록 구성되며, 증기 동력 발전기는 응축기 부분의 증기 입구에 연결된 제 3 증기 출구(23)를 가진다;
    를 포함하며,
    증기 엔진으로부터 배출된 증기로부터의 열은 슬러지 건조기 어셈블리 내의 슬러지 내의 물을 비등시키고,
    증기 엔진으로부터 배출된 증기는 액체 수의 흐름으로 응축되고;
    보일러는 액체 수의 흐름을 수용하여 증기의 흐름으로 전환시켜 발전기에 전력을 공급하도록 구성되는 전기 및 정수 생성을 위한 슬러지 처리 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리의 히터 부분은 슬러지가 이동하는 슬러지 캐리어 부분, 슬러지 캐리어에 인접하고 증기 캐리어 부분(78)의 증기로부터 슬러지로 열의 전달을 위해 슬러지에 인접하여 배치된 증기 캐리어 부분(78), 및 연료 통로 내에 이동 가능하게 배치되고 증기 캐리어에 대해 연료 통로 내의 슬러지를 이동시키도록 구성된 복수의 추진 부재를 포함하는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 응축기 부분에 각각 결합되고, 증기 엔진으로부터의 배기 증기로부터의 열을 사용하여 원하는 고체 연료 물질을 제공하여 슬러지 내의 물을 비등시킴으로써 슬러지를 건조하도록 구성된 순차적인 제 1 및 제 2 건조기 단(stage)을 갖는 2단(two-stage) 건조기인 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 순차적인 제 1 및 제 2 건조기 단(stage)을 갖는 2단(two-stage) 건조기이고, 제 1 건조기 단(stage)은 슬러지로부터 슬러지 증기를 생성하고, 제 2 건조기 단(stage)은 제 1 건조기 단(stage)으로부터의 슬러지 증기를 사용하여 슬러지를 건조시키는 시스템.
  22. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 순차적인 제 1 건조기 단편(200) 및 제 2 건조기 단편(segment)(220)을 갖는 2단-단편(segment) 건조기이고, 제 1 건조기 단편(segment)은 슬러지로부터 증발된 물로부터 제 1 증기를 생성하고, 제 2 건조기 단편(segment)은 제 1 건조기 단편(segment)에 결합되고 슬러지에 인접한 제 1 증기를 운반하도록 구성된 제 1 증기 캐리어 부분(78)을 가지며, 제 1 증기 캐리어 부분으로부터의 열은 그 내부에서 이동하는 슬러지를 건조시키는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    제 1 건조기 단편(segment)은 제 1 연료 통로, 제 1 연료 통로에 인접한 제 1 증기 캐리어, 제 1 연료 통로 내에 이동 가능하게 배치되고 슬러지를 제 1 연료 통로를 통해 제 1 증기 캐리어 부분을 지나가게 이동시키도록 구성된 복수의 추진 부재를 포함하며; 제 2 건조기 단편(segment)은 제 2 연료 통로, 제 2 연료 통로 내에 있으며 제 2 연료 통로에 대해 고정된 복수의 증기 가열 부재, 및 제 2 연료 통로 내에 회전 가능하게 배치되고 슬러지를 제 2 연료 통로 내에서 증기 가열 부재를 지나가게 이동시키도록 구성된 제 2 증기 캐리어 부분을 포함하는 시스템.
  24. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리의 응축기 부분은 증기 엔진으로부터 배기 증기를 수용하도록 배치되고, 슬러지 건조기 어셈블리는 응축기 부분에 결합되고 배기 증기로부터의 열로 슬러지로부터의 물의 제 1 부분을 증발시키도록 구성된 히터 부분을 구비한 제 1 건조기 단(stage), 및 제 1 건조기 단(stage)에 연결되고 배기 증기로부터의 열로 제 1 건조기 단(stage)으로부터 수용된 증점된 습식 슬러지로부터의 물의 제 2 부분을 증발시키도록 구성된 제 2 건조기 단(stage)을 갖는 시스템.
  25. 제 18 항에 있어서,
    응축기 부분은 증기 동력 발전기로부터 배기 증기를 수용하도록 구성되고, 슬러지 건조기 어셈블리는 응축기 부분에 인접하여 응축기 내의 배출 증기로부터의 열을 사용하여 슬러지로부터 물을 증발시키도록 구성된 히터 부분을 갖는 시스템.
  26. 제 18 항에 있어서,
    연소기 어셈블리는 건조 연료 연소를 위한 연소기 층 및 연소 공기를 연소기 층에 제공하도록 구성된 공기 화격자를 갖는 화실을 구비한 유동층 연소기 어셈블리이고, 보일러는 물 입구에 연결되고 이를 통해 흐르는 물을 가열하도록 구성된 2차 절약기, 2차 절약기에 결합되고 증발기로부터의 증기의 흐름을 수용하도록 구성된 증기 드럼, 증기 드럼에 결합되고 이로부터 가열되고 포화된 유체를 수용하도록 구성된 증발기, 증기 드럼에 결합되고 증기 드럼으로부터 건조 증기를 수용하도록 구성된 1차 절약기를 포함하며, 1차 절약기는 제 2 증기 출구에 연결되는 시스템.
  27. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 저장 탱크, 및
    슬러지 저장 탱크에 연결되고 슬러지를 슬러지 건조기 어셈블리의 슬러지 입구에 제공하도록 구성된 슬러지 운반기(34)를 추가로 포함하는 시스템.
  28. 서로 연결된 보일러 어셈블리, 증기 엔진 및 응축기를 포함하며 보일러 어셈블리, 증기 엔진 어셈블리 및 응축기를 통해 1차 수를 운반하는 1차 수로를 가지는 증기 동력 발전 시스템, 여기서, 증기 엔진 어셈블리는의 작동이 전기를 생산한다;
    증기 엔진 어셈블리로부터 발생된 전기의 적어도 일부를 수용하는 배설물 슬러지 시스템으로서, 배설물 슬러지 시스템은 슬러지 건조기 어셈블리 및 흐르는 배설물 슬러지를 슬러지 건조기 어셈블리로 전달하도록 구성된 슬러지 운반 시스템을 포함하며, 응축기는 슬러지 건조기 어셈블리에 부착되고 슬러지의 흐름에 제 1 열을 전달하여 배설물 슬러지로부터의 제 1 증기로서 물을 배출하여 배설물 슬러지 내의 고체 연료 물질을 건조시키도록 구성된다;
    슬러지 건조기 어셈블리에 연결되고 깨끗한 액체 음료수로서 수집 부분에서 수집하기 위해 제 1 증기를 수용 및 응축하도록 구성된 수 처리 시스템(16); 및
    배설물 슬러지 시스템 및 증기 동력 발전 시스템의 보일러에 연결된 연소기 시스템으로서, 배설물 슬러지 시스템으로부터 건조 고체를 연소시키고 증기 엔진 어셈블리에 증기를 제공하는 보일러 어셈블리 내의 수로에 열을 제공하도록 구성된 연소기를 포함하는 연소기 시스템을 포함하는 전기 및 음료수 생성을 위한 배설물 폐기물 처리 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 순차적인 제 1 및 제 2 건조기 단(stage)을 갖는 2단(two-stage) 건조기이며, 제 1 건조기 단(stage)은 슬러지로부터 슬러지 증기를 생성하고, 제 2 건조기 단(stage)은 제 1 건조기 단(stage)으로부터의 슬러지 증기를 사용하여 슬러지를 건조시키는 시스템.
  30. 제 28 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 순차적인 제 1 및 제 2 건조기 단(stage)을 포함하며, 제 1 건조기 단(stage)은 슬러지 운반 시스템으로부터 슬러지의 연속적인 흐름을 수용하고, 부분적으로 건조된 증점된 슬러지의 실질적으로 연속적인 흐름을 제 2 건조기 단(stage)에 제공하며, 제 2 건조기 단(stage)은 실질적으로 건조된 고체 연료 물질을 연소기에 제공하고, 제 1 및 제 2 건조기 단(stage)으로부터의 증기는 수 처리 시스템(16)에 제공되는 시스템.
  31. 제 27 항에 있어서,
    슬러지 저장 탱크는 배설물 슬러지 저장 탱크이며, 슬러지 운반기는 슬러지 건조기 어셈블리의 슬러지 입구로 배설물 슬러지를 제공하도록 구성되는 시스템.
  32. 제 18 항에 있어서,
    담수 응축기 어셈블리로 연결되며 정수를 수용하도록 구성되는 수 처리 시스템(16)을 추가로 포함하며, 물 여과 시스템은 정수를 여과하며 음료수를 제공하는 하나 이상의 필터를 가지는 시스템.
  33. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리의 슬러지 입구는 유기성 슬러지의 흐름을 수용하도록 구성되는 시스템.
  34. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 가열기 부분 내에 증기 가열 오거를 포함하며, 증기 가열 오거는 건조 과정 동안 슬러지를 이동시키고 가열하도록 구성되는 시스템.
  35. 제 18 항에 있어서,
    슬러지 건조기 어셈블리는 가열기 부분 내에 있으며 오거를 가열하기 위해 증기 엔진으로부터 배출된 증기를 수용하도록 구성된 회전가능한, 중공형 오거를 포함하며, 오거는 건조 공정 동안 슬러지를 이동시키고 가열하도록 구성되는 시스템.
  36. 제 8 항에 있어서,
    담수 응축기 어셈블리에 연결되고 정수를 수용하도록 구성되는 물 여과 시스템을 추가로 포함하며, 수 처리 시스템(16)은 정수를 여과하며 음료수를 제공하는 하나 이상의 필터를 가지는 시스템.
  37. 제 8 항에 있어서,
    연로 건조기 어셈블리의 유체 입구는 슬러지의 흐름을 수용하도록 구성되는 시스템.
  38. 제 8 항에 있어서,
    연료 건조기 어셈블리는 가열기 부분 내에 있으며 오거를 가열하기 위해 증기 엔진으로부터 배출된 증기를 수용하도록 구성된 회전가능한, 중공형 오거를 포함하며, 오거는 건조 공정 동안 슬러지를 이동시키고 가열하도록 구성되는 시스템.
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