KR101978428B1 - 유기성폐기물의 에너지화 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
유기성폐기물의 에너지화 시스템 및 방법이 소개된다.
이 중에서 유기성폐기물의 에너지화 시스템은, 유기성폐기물의 저장이 이루어지는 폐기물 저장조와, 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성폐기물을 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 반응기와, 유기성폐기물 내 질소를 탈기시켜 암모니아수를 생성하는 탈기조와, 생성된 암모니아수를 저장하는 암모니아수 저장조와, 탈기조에서 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 고액분리장치와, 고형물을 건조 및 성형하는 건조 성형기와, 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 혐기소화조와, 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리하는 전처리장치와, 암모니아수 저장조의 암모니아수와 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 중탄산암모늄 제조장치를 포함할 수 있다.
이 중에서 유기성폐기물의 에너지화 시스템은, 유기성폐기물의 저장이 이루어지는 폐기물 저장조와, 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성폐기물을 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 반응기와, 유기성폐기물 내 질소를 탈기시켜 암모니아수를 생성하는 탈기조와, 생성된 암모니아수를 저장하는 암모니아수 저장조와, 탈기조에서 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 고액분리장치와, 고형물을 건조 및 성형하는 건조 성형기와, 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 혐기소화조와, 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리하는 전처리장치와, 암모니아수 저장조의 암모니아수와 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 중탄산암모늄 제조장치를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 유기성폐기물의 에너지화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가용화 및 수열탄화 기반 공정으로 한 바이오메탄 및 고형연료의 생산시, 고농도 질소의 처리 문제를 해결할 수 있는 유기성폐기물의 에너지화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유기성폐기물은 높은 유기물함량을 가지므로 혐기소화에 적용시 메탄가스를 회수하여 열과 전기생산이 가능하고, 높은 발열량을 있어 우수한 고형연료로 관심을 받고 있다.
그러나 혐기소화의 경우 대부분의 유기성폐기물이 높은 고형물 농도로 인해서 긴 가수분해 시간이 필요하여 처리시간이 길고, 유입 폐기물의 성상이 균일하지 못하여 소화효율이 낮으며, 안정적인 처리에 어려움이 있다. 또한, 고형연료의 이용시 높은 함수율로 인하여 건조에 많은 에너지가 소비될 뿐만 아니라, 건조시 발생하는 악취 문제를 해소하기 위한 다양한 악취 제거 설비가 복합적으로 설치되어야 하므로, 상용화에 어려움이 많이 있다.
이러한 문제를 해결하면서 친환경적이면서 대규모 처리가 가능하고, 경제성 있는 처리방법의 개발이 활발히 진행되고 있다. 일 예로, 혐기소화의 전처리 기술로 열화학적 가용화와 수열탄화 기술이 많이 적용되고 있다.
열화학적 가용화와 수열탄화 기술은, 가용화를 통해 유입 기질의 균질화가 가능하고, 가수분해 시간을 단축하여 전체 공정의 처리시간을 단축하면서 가용화된 유기물을 통해서 소화효율 향상으로 회수되는 바이오메탄을 증가시킬 수 있다. 그리고 고체연료에 수열탄화 기술을 적용하면, 건조에 필요한 에너지와 악취물질을 최소화할 수 있고, 탄화반응으로 생산되는 고체연료의 단위발열량을 향상시킬 수 있다.
그러나 이러한 종래 열화학적 가용화와 수열탄화 기술의 경우, 유기물의 분해로 인해서 액체생성물에 암모니아의 농도가 증가하는데, 이 암모니아는 혐기소화 적용시 혐기소화 미생물의 저해 인자이고, 고형연료 생산시 고액분리를 통해서 얻어지는 탈리액의 생물학적 처리를 위해서도 질소(암모니아)의 제거가 필요하다.
이에 유기성폐기물에 대한 가용화 및 수열탄화 기반 공정을 이용하여 바이오메탄 및 고형연료의 생산시 발생되는 고농도 질소의 처리 문제를 해소할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 가용화 및 수열탄화와 질소회수를 하나의 시스템 내에서 수행하여 질소회수 공정에서 필요한 소비에너지와 약품사용량을 최소화하고, 다양한 유기성폐기물을 적용하여 안정적이고 연속적인 운전이 가능한 유기성폐기물의 에너지화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템은, 유기성폐기물의 저장이 이루어지는 폐기물 저장조; 상기 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성폐기물을 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 반응기; 상기 유기성폐기물 내 질소를 탈기시켜 암모니아수를 생성하는 탈기조; 생성된 상기 암모니아수를 저장하는 암모니아수 저장조; 상기 탈기조에서 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 고액분리장치; 상기 고형물을 건조 및 성형하는 건조 성형기; 상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 혐기소화조; 상기 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리하는 전처리장치; 및 상기 암모니아수 저장조의 암모니아수와 상기 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 중탄산암모늄 제조장치를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명은 상기 반응기 또는 상기 탈기조에 수산화나트륨을 공급하는 수산화나트륨 공급장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탈기조는 상기 유기성폐기물 내 질소를 탈기하는 탈기 반응조; 공기압에 따라 상기 탈기 반응조에 공기를 선택적으로 공급하는 공기 공급기; 및 상기 탈기 반응조에서 탈기된 상기 질소를 물과 반응시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아 흡수탑을 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기 공급기는 상기 탈기 반응조에 공기를 공급하기 위한 공기 공급라인; 반구형의 노즐 캡; 공기압에 의해 상기 노즐 캡이 승강되도록 상기 공기 공급라인과 상기 노즐 캡 사이를 연결하는 연결구; 및 상기 노즐 캡의 상승시, 상기 공기가 상기 탈기조로 투입되도록 상기 연결구의 상단부에 형성되는 복수의 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 유기성폐기물의 에너지화 방법은, 유기성폐기물을 저장하는 단계; 상기 유기성폐기물을 반응기에서 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 단계; 가용화 또는 수열탄화 반응된 반응물 내 질소를 탈기조에서 탈기하는 단계; 탈기된 질소를 회수한 암모니아수를 암모니아수 저장조에 저장하는 단계; 상기 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 단계; 상기 고형물을 건조 및 성형하는 단계; 상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 단계; 상기 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리장치에서 전처리하는 단계; 및 상기 암모니아수 저장조의 암모니아수와 상기 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계는, 상기 유기성폐기물을 가용화하기 위해, 상기 반응기의 온도를 100℃ ~ 160℃ 범위를 유지하고, 가용화 효율을 높이기 위한 수산화나트륨을 상기 반응기에 공급할 수 있다.
또한, 상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계는, 상기 유기성폐기물의 수열탄화를 위해, 상기 반응기의 온도를 190℃ ~ 250℃ 범위로 유지하고, 상기 탈기하는 단계는, 효율적인 탈기 반응을 위해, 수산화나트륨을 상기 탈기조에 공급할 수 있다.
또한, 상기 탈기하는 단계는, 공기압에 의해 승강되는 노즐 캡을 이용하여, 공기를 상기 탈기조에 선택적인 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 질소 회수에 적합한 온도와 pH를 가용화 및 수열탄화 반응온도로 이용함으로써, 추가적인 가온이 필요 없고, 높은 온도로 인해서 탈기에 필요한 공기량을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 가용화 및 수열탄화 반응물의 후속공정을 위해 필요한 냉각을 탈기 공기의 냉각으로 사용할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 가용화 반응에서 수산화나트륨(NaOH)를 사용하므로, 탈기를 위한 적정 pH를 맞추기 위한 수산화나트륨의 사용을 최소화 할 수 있고, 후속 공정의 악취 문제 또한 저감이 가능하다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 가용화 반응시, 유기성폐기물의 에너지화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 수열탄화 반응시, 유기성폐기물의 에너지화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템 에서, 반응기 및 탈기조를 상세하세 도시한 구성도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급 전, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급시, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 방법을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 수열탄화 반응시, 유기성폐기물의 에너지화 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템 에서, 반응기 및 탈기조를 상세하세 도시한 구성도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급 전, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급시, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 방법을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 가용화 반응시, 유기성폐기물의 에너지화 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 수열탄화 반응시, 유기성폐기물의 에너지화 시스템을 도시한 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템 에서, 반응기 및 탈기조를 상세하세 도시한 구성도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템(10, 10')은, 폐기물 저장조(100), 반응기(200), 탈기조(300), 암모니아수 저장조(410), 고액분리장치(420), 건조 성형기(510), 혐기소화조(530), 전처리장치(610), 중탄산암모늄 제조장치(520) 및 수산화나트륨 공급장치(700)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 폐기물 저장조(100)는 유기성폐기물의 저장이 이루어지는 저장조로, 폐기물 저장조(100)에는 유기성폐기물을 이송시키기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있다. 폐기물 저장조(100)에서 배출된 유기성폐기물은, 펌프의 작동시, 폐기물 저장조(100)와 반응기(200) 사이를 연결하는 배관을 통해, 반응기(200)로 이송될 수 있다.
반응기(200)는 폐기물 저장조(100)에서 공급받은 유기성폐기물에 대한 열화학적 가용화 또는 수열탄화 반응을 진행할 수 있다. 열화학적 가용화(Thermochemical solubilization) 및 수열탄화(HTC, HydroThermal Carbonization)는 수분함량이 높은 유기성폐기물을 닫힌계에서(closed system)에서 승온시키면, 100℃ ∼ 250℃ 범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형의 유기물을 부분 분해함으로써, 고형분에 부착된 수분을 증발 없이 액상으로 분리시키는 역할을 수행할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 반응기(200)는 유기성폐기물을 가용화하기 위해, 반응기(200)의 온도를 100℃ ~ 160℃ 범위로 온도를 유지할 수 있다(도 1 관련). 아울러, 반응기(200)는 유기성폐기물의 수열탄화(Hydrothermal carbonization)를 위해, 약 100℃ ~ 250℃ 범위로 온도를 유지할 수 있다(도 2 관련).
이러한 반응기(200)는 별도의 열매유공급기(미도시)로부터 고온의 열매유를 공급받아 유기성폐기물을 승온시키는 반응 하우징(210)과, 반응 하우징(210)에 수용된 유기성폐기물의 균일한 혼합을 위한 폐기물 교반기(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 반응 하우징(210)의 내부에는 가용화 또는 수열탄화를 위해 유기성폐기물이 수용을 반응공간이 형성될 수 있고, 반응 하우징(210)의 상부측에는 유기물폐기물의 공급이 이루어지는 제 1 공급구(211)와, 수산화나트륨(NaOH)의 선택적인 투입이 이루어지는 제 2 공급구(212)가 마련될 수 있다.
탈기조(300)는 감압 및 감온 과정을 거쳐 반응물 내 질소의 탈기시키고, 탈기된 질소를 암모니아수에 흡수시킬 수 있다. 탈기조(300)에 적용되는 탈기법은 질소의 물리적 처리 방법으로, 고농도 질소에 적용성과 농도변화에 대한 대응성이 우수하다. 또한, 유기물, 이온과 같은 다른 물질의 영향이 낮아서 유기성폐기물 가용화 및 수열탄화 반응물에 적용하기 적합하다.
탈기법의 효율을 높이기 위해서는, 반응온도와 pH가 중요한 운전인자인데, 본 실시예에서는, 가용화 및 수열탄화의 반응물을 후속공정에서 이용하기 위해서, 감압 및 감온하는 탈기 반응조(310 : product vessel)에서 바로 이용하기 때문에 추가적인 에너지를 이용한 가온이 필요 없다.
예컨대, 탈기법으로 질소를 회수할 때, 반응온도가 증가할수록 탈기에 사용되는 공기량이 감소하는 바, 탈기 반응조(310) 내 반응물은 100℃ 이상의 고온으로 탈기를 위한 추가적인 가온이 필요 없어 탈기공정의 소비에너지를 최소화 할 수 있다. 아울러, 반응온도가 높고 pH가 높을수록 암모니아의 분율이 높아지는데, 반응온도가 100℃이상이고 pH 8 이상으로 유지되면, 대부분의 질소성분이 암모니아의 형태로 존재하기 때문에 탈기반응이 효율이 높아질 수 있다.
이러한 탈기조(300)는 탈기 교반기(311)가 구비되어 유기성폐기물 내 질소를 탈기하는 탈기 반응조(310)와, 탈기를 위한 공기를 탈기 반응조(310)에 공급하는 공기 공급기(320)와, 탈기 반응조(310)에서 탈기된 질소를 물과 반응시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아 흡수탑(330)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 탈기 반응조(310) 내 공기의 공급으로 탈기된 질소는, 탈기 반응조(310)의 상부를 통해서 암모니아 흡수탑(330)으로 이동하여 암모니아수로 회수될 수 있다. 그리고 탈기 반응조(310) 내 나머지 반응물은 탈기를 위해서 공급된 공기를 통해서 냉각된 후, 질소회수가 마무리 되면, 탈기 반응조(310)의 하부를 통해서 배출되어 고액분리장치(420)로 이송될 수 있다.
본 실시예에 따른 탈기조(300)는, 탈기 반응조(310)의 반응온도가 높아서 탈기에 소요되는 공기량도 최소화가 가능하고, 탈기과정에서 반응물이 냉각되는 효과를 얻을 수 있어 추가적인 냉각장치가 불필요할 수 있다. 그리고 가용화 반응에서는 가용화 효율을 높이기 위해서 수산화나트륨을 사용하기 때문에 최적의 pH에서 탈기를 진행하는데, 소요되는 약품을 최소화할 수 있다. 또한, 밀폐 반응기(200)에서 질소회수 공정을 진행하여 탈기와 흡수 공정을 통해서 악취를 저감하는 효과를 부가적으로 얻을 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급 전, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 시스템에서, 탈기조에 대한 공기의 공급시, 공기 공급기의 작동 상태를 도시한 상태도이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 공기 공급기(320)는 공기압에 따라 공기를 선택적으로 탈기 반응조(310)에 공급함으로써, 탈기조(300)의 공기 주입을 위한 공기 노즐(공기 주입구)이 입자물질(반응물질)에 의해 막히는 현상을 방지할 수 있다. 탈기조(300)의 탈기 반응조(310)로 이동되는 반응물은, 100℃~250℃ 온도와 5~40bar 정도의 압력을 유지한 부유성 입자물질(SS, Suspended Solid)을 많이 포함하고 있는 슬러리 상태의 반응물인데, 이 반응물이 높은 압력으로 탈기 반응조(310)로 이동하면, 탈기 반응조(310 :product vessel)의 공기 노즐을 막을 수 있기 때문이다.
이를 위해, 공기 공급기(320)는 탈기조(300)에 공기를 공급하는 공기 공급라인(321)과, 반구형의 암모니아 흡수탑(330)과, 공기 공급라인(321)을 통한 공기의 공급시, 공기압에 의해 암모니아 흡수탑(330)이 승강되도록 공기 공급라인(321)과 암모니아 흡수탑(330) 사이를 연결하는 연결구(323)와, 연결구(323)의 상단부에 형성되는 복수로 제공되어 암모니아 흡수탑(330)의 상승시, 공기를 탈기조(300)로 공급하는 관통홀(324)을 포함할 수 있다.
이때, 연결구(323)는 공기압에 의한 승강이 가능한 서스 재질의 자바라 형태로 제공될 수 있다. 물론, 연결구(323)는 자바라 형태 이외에도, 공기압에 의한 승강이 가능한 구조를 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 연결구(323)는 승강이 가능한 실린더 형태로 제공될 수도 있을 것이다.
이와 같이, 공기 공급기(320)를 통한 공기의 공급시, 탈기 반응조(310)에서 탈기 반응이 진행될 때만 공기 노즐이 노출되고, 탈기 반응이 진행되지 않을 때는 공기 노즐이 공기 공급라인(321)으로 들어가면서 공기 노즐이 노출되지 않도록 설계함으로써, 공기 노즐의 막힘 현상을 최소화할 수 있다.
한편, 암모니아수 저장조(410)는 탈기조(300)의 암모니아 흡수탑(330)에서 제공한 암모니아수를 저장할 수 있다. 암모니아수 저장조(410)에 저장된 암모니아수는, 중탄산암모늄 제조장치(520)로 공급되어, 혐기소화조(530)에서 제공한 이산화탄소와 반응할 수 있다.
고액분리장치(420)는 탈기조(300)의 탈기 반응조(310)로부터 질소가 제거된 반응물을 공급받고, 공급받은 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리할 수 있다. 이때, 고액분리된 고형물은 건조 성형기(510)로 이송될 수 있고, 고액분리된 탈리액은 혐기소화조(530)로 이송될 수 있다.
건조 성형기(510)는 고형물을 건조 및 성형하여 고형연료를 제조할 수 있고, 혐기소화조(530)는 탈리액을 이용하여 혐기소화함으로써, 바이오가스를 생산할 수 있고, 전처리장치(610)는 혐기소화조(530)에서 발생된 바이오가스를 전처리할 수 있으며, 중탄산암모늄 제조장치(520)는 암모니아수 저장조(410)에서 회수된 암모니아수와 전처리장치(610)에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산할 수 있다. 건조 성형기(510), 혐기소화조(530), 전처리장치(610) 및 중탄산암모늄 제조장치(520)는, 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 건조 성형기, 혐기소화조, 전처리장치 및 중탄산암모늄 제조장치와 대응되므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
수산화나트륨 공급장치(700)는 반응기(200)에 연결될 수 있고, 가용화 반응성과 반응온도를 낮추기 위한 수산화나트륨을 반응기(200)에 공급할 수 있다. 물론, 가용화 공정에서 수산화나트륨의 사용 여부에 따라, 수산화나트륨 공급장치(700)는 반응기(200)에 수산화나트륨을 선택적으로 공급할 수 있다.
아울러, 수산화나트륨 공급장치(700)는 탈기조(300)에 연결될 수 있고, 탈기를 위한 적정 pH를 맞추기 위해, 수산화나트륨을 탈기조(300)에 공급할 수 있다. 탈기법의 효율을 높이기 위해서는 반응온도와 함께, pH가 중요한 운전인자이기 때문이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 방법을 도시한 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물의 에너지화 방법은, 유기성폐기물을 저장하는 단계(S100)와, 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계(S200)와, 탈기하는 단계(S300)와, 암모니아수를 암모니아수 저장조에 저장하는 단계(S400)와, 고액분리하는 단계(S500)와, 고형물을 건조 및 성형하는 단계(S600)와, 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 단계(S700)와, 전처리하는 단계(S800)와, 중탄산암모늄을 생산하는 단계(S900)를 포함할 수 있다.
상기 유기성폐기물을 저장하는 단계(S100)는, 유기물함량이 높은 유기성폐기물을 폐기물 저장조에 저장할 수 있다. 이때, 폐기물 저장조에서 저장된 유기성폐기물은 가용화 또는 수열탄화 반응을 위해, 반응기로 이송될 수 있다.
상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계(S200)는, 폐기물 저장조로부터 공급받은 유기성폐기물을 반응기에서 가용화 또는 수열탄화 반응시킨다.
상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계(S200)에서는, 유기성폐기물을 가용화하기 위해서, 고온의 열매유를 이용하여 반응기의 온도를 100℃ ~ 160℃ 범위로 유지할 수 있다. 이때, 가용화 효율을 높이기 위한 수산화나트륨을 반응기에 공급할 수 있다.
아울러, 상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계(S200)에서는, 유기성폐기물을 수열탄화하기 위해, 고온의 열매유를 이용하여 반응기의 온도를 190℃ ~ 250℃ 범위를 유지할 수 있다.
상기 탈기하는 단계(S300)는, 반응기에서 가용화 또는 수열탄화 반응된 반응물 내 질소를 감압 및 감온 과정을 통해 탈기시키고, 탈기된 질소를 암모니아수에 흡수시킨다. 탈기 반응조 내 공기의 공급으로 탈기된 질소는, 탈기 반응조의 상부를 통해서 암모니아 흡수탑으로 이동하여 암모니아수로 회수될 수 있고, 탈기 반응조 내 나머지 반응물은 탈기를 위해 공급된 공기를 통해서 냉각된 후, 탈기 반응조의 하부를 통해서 배출되어 고액분리장치로 이송될 수 있다.
상기 탈기하는 단계(S300)에서, 공기압에 의해 노즐 캡이 승강되는 노즐 캡을 이용하여, 공기를 탈기조에 선택적인 공급할 수 있다. 예컨대, 탈기 과정시, 탈기조의 공기 주입을 위한 공기 노즐이 입자물질(반응물질)에 의한 막힐 수 있는데, 탈기 반응조에서 탈기 반응이 진행될 때만 공기 노즐이 노출되고, 탈기 반응이 진행되지 않을 때는 공기 노즐이 노출되지 않도록 함으로써, 공기 노즐의 막힘 현상을 최소화할 수 있다.
상기 암모니아수를 암모니아수 저장조에 저장하는 단계(S400)는, 탈기된 질소를 회수한 암모니아수를 암모니아수 저장조에 저장한다. 암모니아수 저장조에 저장된 암모니아수는, 중탄산암모늄 제조장치로 이송될 수 있다.
상기 고액분리하는 단계(S500)는, 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리한다. 고액분리된 고형물은 건조 성형기로 이송될 수 있고, 고액분리된 탈리액은 혐기소화조로 이송되거나, 매립지로 재순환될 수 있다.
상기 고형물을 건조 및 성형하는 단계(S600)는, 고형물을 건조 및 성형하여 고형연료를 생산한다. 생산된 고형연료는 발전소 또는 고형연료 수요처로 이송되거나, 자체 열공급시스템으로 사용될 수 있다.
상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 단계(S700)는, 상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하여 바이오가스를 생산할 수 있다. 생산된 바이오가스는 전처리장치로 이송될 수 있고, 나머지 탈리액은 하/폐수 처리장으로 이송될 수 있다.
상기 전처리하는 단계(S800)는, 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리장치에서 전처리한다. 전처리장치에서 생성된 이산화탄소는 중탄산암모늄 제조장치로 이송될 수 있고, 전처리장치에서 생성된 바이오메탄은 연료로 사용될 수 있다.
상기 중탄산암모늄을 생산하는 단계(S900)는, 상기 암모니아수 저장조의 암모니아수와 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예는 가용화(열화학적 가용화)를 통해서 혐기소화의 율속단계인 가수분해 단계를 최소화하여 전체 공정의 처리시간과 반응기의 용적을 줄일 수 있고, 바이오가스 생산을 증대 할 수 있고, 수열탄화의 경우 수분함량 80%수준의 유기성폐기물을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 기계적 탈수만으로 함수율 35~45%까지 물로 분리함으로써, 수분제거 시 소비되는 에너지를 건조대비 60%이상 절감함으로서 유기성폐기물 고형연료 공정의 경제성을 향상 시킬 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 :폐기물 저장조 200 :반응기
300 :탈기조 310 :탈기 반응조
320 :공기 공급기 321 :공기 공급라인
322 :노즐 캡 323 :연결구
324 :관통홀 330 :암모니아 흡수탑
410 :암모니아수 저장조 420 :고액분리장치
510 :건조 성형기 520 :중탄산암모늄 제조장치
610 :전처리장치 700 :수산화나트륨 공급장치
300 :탈기조 310 :탈기 반응조
320 :공기 공급기 321 :공기 공급라인
322 :노즐 캡 323 :연결구
324 :관통홀 330 :암모니아 흡수탑
410 :암모니아수 저장조 420 :고액분리장치
510 :건조 성형기 520 :중탄산암모늄 제조장치
610 :전처리장치 700 :수산화나트륨 공급장치
Claims (8)
- 유기성폐기물의 저장이 이루어지는 폐기물 저장조;
상기 폐기물 저장조에서 공급받은 상기 유기성폐기물을 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 반응기;
상기 유기성폐기물 내 질소를 탈기시켜 암모니아수를 생성하는 탈기조;
생성된 상기 암모니아수를 저장하는 암모니아수 저장조;
상기 탈기조에서 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 고액분리장치;
상기 고형물을 건조 및 성형하는 건조 성형기;
상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 혐기소화조;
상기 혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리하는 전처리장치; 및
상기 암모니아수 저장조의 암모니아수와 상기 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 중탄산암모늄 제조장치를 포함하고,
상기 탈기조는
상기 유기성폐기물 내 질소를 탈기하는 탈기 반응조와, 공기압에 따라 상기 탈기 반응조에 공기를 선택적으로 공급하는 공기 공급기를 포함하고,
상기 공기 공급기는
상기 탈기 반응조에 공기를 공급하기 위한 공기 공급라인과, 반구형의 노즐 캡과, 공기압에 의해 상기 노즐 캡이 승강되도록 상기 공기 공급라인과 상기 노즐 캡 사이를 연결하는 연결구와, 상기 노즐 캡의 상승시, 상기 공기가 상기 탈기조로 투입되도록 상기 연결구의 상단부에 형성되는 복수의 관통홀을 포함하는 유기성폐기물의 에너지화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응기 또는 상기 탈기조에 수산화나트륨을 공급하는 수산화나트륨 공급장치를 더 포함하는 유기성폐기물의 에너지화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 탈기조는
상기 탈기 반응조에서 탈기된 상기 질소를 물과 반응시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아 흡수탑을 더 포함하는 유기성폐기물의 에너지화 시스템. - 삭제
- 유기성폐기물을 저장하는 단계;
상기 유기성폐기물을 반응기에서 가용화 또는 수열탄화 반응시키는 단계;
가용화 또는 수열탄화 반응된 반응물 내 질소를 탈기조에서 탈기하는 단계;
탈기된 질소를 회수한 암모니아수를 암모니아수 저장조에 저장하는 단계;
상기 질소가 회수된 반응물을 고형물 및 탈리액으로 고액분리하는 단계;
상기 고형물을 건조 및 성형하는 단계;
상기 탈리액을 이용하여 혐기소화하는 단계;
혐기소화조에서 발생된 바이오가스를 전처리장치에서 전처리하는 단계; 및
상기 암모니아수 저장조의 암모니아수와 상기 전처리장치에서 생성된 이산화탄소를 이용하여, 중탄산암모늄을 생산하는 단계를 포함하고,
상기 탈기조는 상기 유기성폐기물 내 질소를 탈기하는 탈기 반응조와, 공기압에 따라 상기 탈기 반응조에 공기를 선택적으로 공급하는 공기 공급기를 포함하고,
상기 공기 공급기는 상기 탈기 반응조에 공기를 공급하기 위한 공기 공급라인과, 반구형의 노즐 캡과, 공기압에 의해 상기 노즐 캡이 승강되도록 상기 공기 공급라인과 상기 노즐 캡 사이를 연결하는 연결구와, 상기 노즐 캡의 상승시, 상기 공기가 상기 탈기조로 투입되도록 상기 연결구의 상단부에 형성되는 복수의 관통홀을 포함하는 유기성폐기물의 에너지화 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계는,
상기 유기성폐기물을 가용화하기 위해, 상기 반응기의 온도를 100℃ ~ 160℃ 범위로 유지하고, 가용화 효율을 높이기 위한 수산화나트륨을 상기 반응기에 공급하는 유기성폐기물의 에너지화 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 가용화 또는 수열탄화 반응하는 단계는,
상기 유기성폐기물의 수열탄화를 위해, 상기 반응기의 온도를 190℃ ~ 250℃ 범위로 유지하고,
상기 탈기하는 단계는,
효율적인 탈기 반응을 위해, 수산화나트륨을 상기 탈기조에 공급하는 유기성폐기물의 에너지화 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 탈기하는 단계는,
공기압에 의해 승강되는 노즐 캡을 이용하여, 공기를 상기 탈기조에 선택적인 공급하는 유기성폐기물의 에너지화 방법.
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| KR102145061B1 (ko) * | 2020-03-17 | 2020-08-14 | 한국산업기술시험원 | 막 투과 응축장치 |
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- 2017-12-19 KR KR1020170175153A patent/KR101978428B1/ko active IP Right Grant
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