KR102218612B1 - 저함수 바이오 매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법 - Google Patents

저함수 바이오 매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기성 폐기물(biomass)과 소화액을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합조; 상기 혼합조에서 생성된 혼합물을 공급받아 혐기소화 반응을 일으키는 고상혐기소화 반응기; 상기 고상혐기소화 반응기로부터 배출되는 소화 잔재물을 탈수하는 탈수기; 상기 탈수기에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 통해 액체 생성물과 고체 생성물을 생성하는 수열탄화 반응기; 상기 수열탄화 반응기의 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리하며, 상기 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하는 제1 고액분리기; 상기 탈수기에서 분리되는 소화액 및 상기 제1 고액분리기에서 분리된 상기 액체 생성물을 공급받아, 혐기소화를 통해서 미생물 배양과 유기물 제거를 수행하는 습식혐기소화 반응기; 상기 습식혐기소화 반응기에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리하여 상기 액비는 생산하고, 상기 고형물은 상기 수열탄화 반응기로 공급하는 제2 고액분리기; 및 상기 습식혐기소화 반응기 및 상기 고상혐기소화 반응기 중 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 저장하는 바이오가스 저장조;를 포함하는 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치가 제공될 수 있다.

Description

저함수 바이오 매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY HIGH EFFICIENCY ENERGY TO LOW WATER CONTENT BIOMASS}
본 발명은 저함수 바이오 매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 함수율이 높은 유기성폐기물은 처리 비용 및 환경 문제로 인해서 주로 매립 또는 해양 투기로 처리되었다. 그러나, 직매립 금지와 런던 협약에 의거하여 해양 투기 금지, 기후변화 협약에 따른 이산화탄소의 저감을 위해서 지속적인 신재생에너지 자원 확보가 매우 중요한 문제로 대두되면서 새로운 바이오매스 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 가축 분뇨와 같이 유기물의 함량은 높고 함수율이 상대적으로 낮은 저함수 바이오 매스(Total Solid(TS) 15% 이상)에 대한 에너지 전환 기술 개발이 필요하다.
현재 TS 함량이 15% 이상 되는 대표적 저함수 바이오매스인 가축 분뇨 자원화는 기본적으로 농지환원 체계를 기반으로 가축분뇨 퇴,액비 이용이 주를 이루고 있어, 가축 사육 밀집 지역의 경우 농경지 양분 요구량이 가축분뇨에서 유래하는 비료성분 발생량을 초과하는 경우 농업 환경 오염의 우려가 있다. 또한, 퇴,액비화 공정에서 발생하는 악취를 제어하는 것이 쉽지 않으며, 퇴,액비의 수요가 봄과 가을에 집중되는 것에 비해 생산은 1년 내내 지속적으로 생산되기 때문에 수요와 공급의 균형이 맞지 않아 퇴비보관 시설의 확보가 어려운 상황이다. 또한 안정적인 품질유지의 어려움과 수분 조절제의 가격 폭등으로 인해 퇴,액비가 화학비료보다 고가로 판매되는 역전 현상이 발생하여 퇴비의 판매 부진이 나타나고 있다. 따라서 국가적 차원의 근본적인 대책이 필요하다.
국내 가축분뇨 바이오가스화 시설은 대부분은 습식 혐기소화 시스템으로 TS 함량이 5% 이하인 돈분뇨를 주원료로 하고 있으며, 병합소화를 통해서 일부 TS 함량이 높은 바이오 매스를 처리하고 있으나, 혼합비율로 인해서 처리량의 한계가 있다.
우분과 같은 TS 함량이 높은 가축분뇨는 대부분 퇴비화로 재활용되고 있으며, 에너지화를 위한 고상 혐기소화 시스템은 국내에 상용화된 사례가 없다. 따라서 가축분뇨를 신재생 에너지 확보와 재활용 측면에서 고상 혐기소화를 통해서 1차적인 바이오 가스를 회수하고 생물학적 가수분해가 어려운 유기물의 열화학적 가용화가 가능한 수열탄화 기술을 이용하여 액체생성물을 이용한 습식 협기소화로 바이오가스 회수를 극대화하고 고형물은 수열탄화 반응의 탄소고정을 통해서 에너지밀도를 높여서 연료로서의 가치를 높이고 최종 습식 혐기소화의 액체는 액비화 공정을 통해서 자원화하여 폐기물처리와 에너지생산 및 기후변화협약에 대응할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-0453418호
본 발명의 실시예는, TS 함량이 높은 저함수 바이오 매스를 에너지화하기 위하여 고상 혐기소화 기술을 이용하여 바이오 메탄과 퇴비 또는 고형 연료 생산을 가능하게 하되, 이러한 고상 혐기소화 기술과 수열탄화를 통한 습식 혐기소화 기술을 통합하여 바이오 가스의 회수를 극대화하고 에너지 밀도가 높아진 고형 연료와 생물학적으로 안정화된 액비를 얻을 수 있는 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기성 폐기물(biomass)과 소화액을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합조; 상기 혼합조에서 생성된 혼합물을 공급받아 혐기소화 반응을 일으키는 고상혐기소화 반응기; 상기 고상혐기소화 반응기로부터 배출되는 소화 잔재물을 탈수하는 탈수기; 상기 탈수기에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 통해 액체 생성물과 고체 생성물을 생성하는 수열탄화 반응기; 상기 수열탄화 반응기의 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리하며, 상기 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하는 제1 고액분리기; 상기 탈수기에서 분리되는 소화액 및 상기 제1 고액분리기에서 분리된 상기 액체 생성물을 공급받아, 혐기소화를 통해서 미생물 배양과 유기물 제거를 수행하는 습식혐기소화 반응기; 상기 습식혐기소화 반응기에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리하여 상기 액비는 생산하고, 상기 고형물은 상기 수열탄화 반응기로 공급하는 제2 고액분리기; 및 상기 습식혐기소화 반응기 및 상기 고상혐기소화 반응기 중 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 저장하는 바이오가스 저장조;를 포함하는 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치가 제공될 수 있다.
여기서 상기 탈수기는, 상기 소화 잔재물이 지나도록 내부에 관로가 형성되고, 원주면에 액체가 배출되는 메쉬부가 형성된 인너 바디; 및 상기 인너 바디의 외주면을 감싸서 상기 액체를 수용하며, 일측에 배출구가 형성된 아웃터 바디를 포함할 수 있다.
상기 인너 바디는 상기 소화 잔재물의 이동 경로에 대하여 후방으로 갈수록 직경이 점차 좁아지는 구조로 구성될 수 있다.
또한 상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 제공되며, 내부에 침전된 상기 고체 생성물에 의하여 관이 막히는 것을 방지하는 관 막힘 방지수단을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 관 막힘 방지수단은, 상기 액체 생성물과 상기 고체 생성물의 이동을 위해 상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 설치되는 제1 관 부재; 및 상기 제1 관 부재의 내부에 회전 가능하게 설치되어 상기 고체 생성물을 이동시키며, 상기 제1 관 부재의 상부를 통해 상기 액체 생성물이 이동되도록 상기 제1 관 부재의 상부와 이격되고 상기 제1 관 부재에 편심되도록 설치되는 스크류부를 포함할 수 있다.
또한 상기 관 막힘 방지수단은, 상기 액체 생성물과 상기 고체 생성물의 이동을 위해 상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 설치되는 제2 관 부재; 및 상기 제2 관 부재의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 내부를 통해 상기 액체 생성물 및 상기 고체 생성물이 이동되도록 내부에 개구부가 형성된 부분 개방형 스크류를 포함할 수 있다.
또한 상기 고상혐기소화 반응기는 상기 습식혐기소화 반응기에서 처리된 소화액을 공급받을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 유기성 폐기물(biomass)과 소화액을 혼합조에서 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; (b) 상기 혼합물 및 소화액을 고상혐기소화 반응기에 투입하여 혐기소화 반응을 수행하는 단계; (c) 상기 고상혐기소화 반응기로부터 배출되는 소화 잔재물을 탈수하고, 탈수를 통해 분리된 소화액을 습식혐기소화 반응기에 공급하는 단계; (d) 상기 탈수기에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 수행하는 단계; (e) 상기 수열탄화 반응을 통해 생성된 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리하여 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하고, 상기 액체 생성물을 상기 습식혐기소화 반응기로 보내는 1차 고액분리 단계; (f) 상기 습식혐기소화 반응기에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리하여 상기 액비는 생산하고, 상기 고형물은 상기 수열탄화 반응기로 공급하는 2차 고액분리 단계; 및 (g) 상기 습식혐기소화 반응기 및 상기 고상혐기소화 반응기 중에서 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 생산하는 단계를 포함하는, 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 방법이 제공될 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 소화 잔재물이 점차 좁아지는 관로를 통과하면서 가압되어 탈수될 수 있다.
또한 상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 소화액은 상기 습식혐기소화 반응기로부터 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면, TS 함량이 높은 저함수 바이오 매스를 에너지화하기 위하여 고상 혐기소화 기술을 이용하여 바이오 메탄과 퇴비 또는 고형 연료 생산을 가능하게 하고, 고상 혐기소화 기술과 수열탄화를 통한 습식 혐기소화 기술을 통합하여 바이오 가스의 회수를 극대화하며, 에너지 밀도가 높아진 고형 연료와 생물학적으로 안정화된 액비를 얻을 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 탈수기의 구성 및 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 수열탄화 반응기와 제1 고액분리기 사이에 설치되는 관 막힘 방지수단의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 수열탄화 반응기와 제1 고액분리기 사이에 설치되는 관 막힘 방지수단의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치(10)는 혼합조(100), 습식혐기소화 반응기(200), 고상혐기소화 반응기(300), 탈수기(400), 수열탄화 반응기(500), 제1 고액분리기(600), 제2 고액분리기(700) 및 바이오 가스 저장조(800)를 포함할 수 있다.
혼합조(100)는 유기성 폐기물과 소화액을 혼합하기 위해 제공되는 것으로서, 혼합조(100)에 공급되는 유기성 폐기물은 TS 함량이 15% 이상이 되는 저함수(함수율 85% 이하) 유기성 폐기물(biomass)로서, 소화액과 일정 비율로 혼합조(100)에 공급되어 소화액에 의해 1차 미생물을 접종함으로써 유기성 폐기물과 소화액이 혼합된 혼합물이 생성될 수 있다.
또한, 습식혐기소화 반응기(200)는 액상의 유기성 폐기물을 공급받아 혐기소화를 통해서 미생물 배양과 유기물 제거 과정을 수행할 수 있다. 습식혐기소화 반응기(200)에서 상기한 과정을 거쳐 생성되는 최종 소화액은 혼합조(100)와 고상혐기소화 반응기(300)로 공급될 수 있다.
또한, 고상혐기소화 반응기(300)는 혼합조(100)에서 생성된 혼합물 및 습식혐기소화 반응기(200)로부터 소화액을 다시 공급받아 혼합물과 소화액을 재 혼합시킴으로써 혐기소화 반응을 수행할 수 있다.
고상혐기소화 반응기(300)는 TS 함량이 15% 이상 되는 바이오매스의 혐기소화에 적용되는 기존 고상혐기소화 기술의 문제점을 해결하기 위해 수직형 반응기의 형태를 적용하고, 바이오매스가 적층되지 않고 회전체 상에 고르게 분포하도록 설계될 수 있다. 즉, 유기성 폐기물과 소화액이 위에서 투입되어 아래로 내려가면서 혐기소화 반응이 이루어지게 된다.
TS 함량이 15% 이상되는 저함수 바이오매스의 고상혐기소화는 바이오매스가 고체 상태로 존재하기 때문에 혐기소화 미생물을 접종하여 활성화하는데 어려움이 있다.
고상혐기소화 반응기(300)는 수직형의 반응기 내부에서 천천히 회전하는 회전체의 중앙에 유기성 폐기물과 소화액의 혼합물이 투입되고, 투입되면서 혼합물이 적층되지 않도록 파쇄기에 의해 파쇄될 수 있다. 이 혼합물은 회전하는 회전체 상에서 서서히 하부로 미끄러져 내려오게 될 수 있다. 회전체는 완만하게 경사진 나선형 형태로 형성될 수 있다.
또한, 고상혐기소화 반응기(300)에 투입되는 소화액은 혼합물에 분사되어 소화액의 유기물 접촉을 원활하게 함으로써 초기 혐기소화 미생물의 접종 문제(즉, 혼합물이 고체 덩어리 상태로 존재하기 때문에 발생하는 미생물 접종과 미생물의 유기물 접촉, 교반, 불투과층 생성의 문제)를 해결할 수 있다.
한편, 탈수기(400)는 고상혐기소화 반응기(300)로부터 배출되는 소화 잔재물의 함수율을 80% 이하로 낮추기 위한 탈수 목적으로 제공될 수 있다. 이때 탈수를 통해 분리되는 소화액은 습식혐기소화 반응기(200)로 보내지고, 탈수된 소화 잔재물은 배관을 통해 수열탄화 반응기(500)로 보내질 수 있다. 탈수기(400)의 구체적인 구성 및 구조는 뒤에서 다시 설명한다.
또한, 수열탄화 반응기(500)는 탈수기(400)에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 통해 액체 생성물과 고체 생성물을 생성할 수 있다. 수열탄화 반응기(500)로 공급된 소화 잔재물은 열화학적 가용화 및 수열탄화 반응을 통해서 용해성 유기물이 농축된 액체 생성물과 에너지 밀도가 높은 고체 생성물이 될 수 있다. 수열탄화 반응은 일반적으로 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 설명은 생략한다.
한편, 제1 고액분리기(600)는 수열탄화 반응기(500)로부터 공급되는 혼합된 형태의 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리할 수 있다. 제1 고액분리기(600)는 분리된 고체 생성물로부터 건조, 성형 등의 과정을 거쳐서 최종적으로 고형 연료를 생산할 수 있다.
또한, 제1 고액분리기(600)는 분리된 액체 생성물을 습식혐기소화 반응기(200)로 공급할 수 있다. 습식혐기소화 반응기(200)로 보내진 액체 생성물은 습식혐기소화를 통해서 바이오가스를 회수할 수 있으며, 습식혐기소화 이후에 배출되는 소화폐액은 제2 고액분리기(700)로 보내질 수 있다.
제2 고액분리기(700)는 습식혐기소화 반응기(200)에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리할 수 있다. 소화폐액으로부터 분리된 액체는 생물학적으로 안정화되어 최종적으로 액비화 공정을 통해서 액비가 될 수 있는바, 제2 고액분리기(700)는 액비를 생산할 수 있다.
또한, 제2 고액분리기(700)를 통해 분리되는 고형물은 수열탄화 반응기(500)로 공급되어 수열탄화 공정을 다시 거쳐서 에너지화할 수 있다. 이때 이 고형물은 수열탄화 반응기(500)로 직접 공급될 수도 있으나, 소화 잔재물 저장로로 임시 이송한 후 수열탄화 반응기(500)로 보내질 수도 있다.
또한, 바이오가스 저장조(800)는 습식혐기소화 반응기(200) 및 고상혐기소화 반응기(300) 중 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 저장할 수 있다. 즉, 습식혐기소화 과정과 고상혐기소화 과정에서 회수된 바이오 가스는 바이오 가스 저장조(800)에 저장될 수 있는데, 이렇게 저장된 바이오 가스는 바이오 가스 활용시설에서 사용할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 상기 탈수기(400)의 구성 및 구조에 대하여 설명한다.
탈수기(400)는 고상혐기소화 반응기(300)에서 최종 배출된 소화 잔재물로부터 함수율이 80% 이하가 되도록 탈수하기 위한 장치로서, 인너 바디(410) 및 아웃터 바디(420)를 포함할 수 있다.
인너 바디(410)는 고상혐기소화 반응기(300)에서 배출된 소화 잔재물이 지나도록 내부에 소정 직경의 관로가 형성되고, 원주면에 액체가 배출 가능하도록 메쉬부(411)가 형성될 수 있다.
여기서 인너 바디(410)는 소화 잔재물이 인너 바디(410)의 내부에서 관로를 따라 이동될 때 이동 경로에 대하여 후방으로 갈수록 관로의 직경이 점차 좁아지는 구조로 형성될 수 있다.
소화 잔재물은 펌프에 의하여 관로 내부에서 이송될 수 있는데, 관로의 직경이 후방으로 갈수록 좁아지는 구조로 가변되기 때문에 소화 잔재물은 병목 현상에 의해 가압되면서 인너 바디(410)의 원주면에 형성된 메쉬부(411)를 통해 소화 잔재물의 탈수가 수행된다. 즉, 소화 잔재물이 관로의 후방으로 갈수록 가압되어 소화 잔재물에 함유된 액체(수분 및 소화액)가 메쉬부(411)를 통해 인너 바디(410)의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 아웃터 바디(420)는 인너 바디(410)의 외주면을 감싸도록 구성되어 메쉬부(411)를 통해 외부로 배출된 액체를 수용할 수 있다. 아웃터 바디(420)의 일측에는 수용된 액체가 외부로 배출될 수 있는 배출구(421)가 형성된다. 배출구(421)를 통해 배출되는 수분과 소화액은 습식혐기소화 반응기(200)로 보내질 수 있다.
한편, 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치(10)는 관 막힘 방지수단(도 3, 도 4; 900,900')을 더 포함할 수 있다.
관 막힘 방지수단(900,900')은 수열탄화 반응기(500)와 제1 고액분리기(600) 사이에 제공될 수 있으며, 고체 생성물이 수열탄화 반응기(500)에서 제1 고액분리기(600)로 이동하는 도중에 관로의 내부에 침전되어 관이 막히는 것을 예방할 수 있다.
참고로, 저함수 바이오매스 중에서 목질계 바이오매스의 함량이 높아지면 수열탄화 이후에 목질계 바이오매스는 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration) 반응으로 인해 소수성 특성이 강해져 배관으로 이송시 유체의 흐름이 멈추면 빠르게 침전하여 하부에 적층되고 이후 유체가 다시 흐를 때 유체와 같이 이동하지 못하여 관이 막히는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 수열탄화 반응 이후 고액 분리 등 여러 공정에서 유체가 지속적으로 흐르지 못하는 상황이 될 수 있기 때문에 배관의 막힘 현상을 해결하기 위한 수단이 제안된다.
도 3을 참조하면, 관 막힘 방지수단(900)의 제1 실시예는 제1 관 부재(910) 및 스크류부(920)를 포함할 수 있다.
제1 관 부재(910)는 액체 생성물과 고체 생성물의 이동을 위해 상기 수열탄화 반응기(500)와 제1 고액분리기(600) 사이에 설치될 수 있다.
또한, 스크류부(920)는 제1 관 부재(910)의 내부에 회전 가능하게 설치되어 제1 관 부재(910)의 내부에 침전된 고체 생성물을 강제로 이동시킬 수 있다.
이때, 제1 관 부재(910)의 상부에는 유체인 액체 생성물이 이동하도록 스크류부(920)는 제1 관 부재(910)의 상부와 이격되어 제1 관 부재(910)에 편심되도록 설치될 수 있다. 즉, 제1 관 부재(910)의 중심축과 스크류부(920)의 중심축이 서로 일치하지 않도록 스크류부(920)가 편심되도록 설치되어 스크류부(920)와 제1 관 부재(910)의 상부 사이에 이격 공간이 형성됨으로써 액체 생성물은 해당 이격 공간을 통해 이동될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 관 막힘 방지수단(900')의 제2 실시예는 제2 관 부재(910') 및 부분 개방형 스크류(920')를 포함할 수 있다.
제2 관 부재(910')는 액체 생성물과 고체 생성물의 이동을 위해 수열탄화 반응기(500)와 제1 고액분리기(600) 사이에 설치될 수 있다.
또한, 부분 개방형 스크류(920')는 도 4에 도시된 바와 같이 제2 관 부재(910')의 내부에 회전 가능하게 설치되는 것으로, 부분 개방형 스크류(920')의 내측에 형성되는 개구부(921')를 통해 액체 생성물 및 고체 생성물이 이동되도록 하는 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 부분 개방형 스크류(920')는 내부 중앙에 개구부(921')가 형성되면서 가장 자리가 나선 구조로 이루어져 회전시 침전된 고체 생성물을 이송시키면서 개구부(921')를 통해 액체 생성물을 이송시킬 수 있다. 이러한 부분 개방형 스크류(920')에는 예컨대 무주축 스크류, 혼합 스크류 및 리본 스크류 등이 적용될 수 있다.
이하, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치의 작용 및 효과에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치를 이용하여 에너지를 회수하는 방법에 대해 설명하면, 먼저 유기성 폐기물(biomass)과 소화액을 혼합조(100)에서 혼합하여 혼합물을 생성한다.(S10)
혼합조(100)에서 혼합물이 생성되면 그 혼합물과 소화액을 고상혐기소화 반응기(300)에 투입하여 혐기소화 반응을 수행한다.(S20)
고상혐기소화 반응기(300)에서 혐기소화 반응 후 배출되는 소화 잔재물을 탈수기(400)에 공급하여 탈수하는데, 이때 탈수를 통해 분리된 소화액은 습식혐기소화 반응기(200)에 공급한다.(S30)
한편, 탈수기(400)에서 배출되는 함수율이 감소된 소화 잔재물은 수열탄화 반응기(500)로 공급되며, 수열탄화 반응기(500)에서 수열탄화 반응을 수행한다.(S40)
수열탄화 반응을 통해 생성된 액체 생성물과 고체 생성물은 제1 고액분리기(600)로 보내져 혼합되어 있는 액체 생성물과 고체 생성물을 1차로 고액 분리한다(S50). 이때 분리된 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하게 되고(S51), 액체 생성물은 습식혐기소화 반응기(200)로 보낸다.
습식혐기소화 반응기(200)로 보내진 액체 생성물은 혐기소화 반응을 거치면서 소화폐액을 배출하고(S60), 이 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 분리한다(S70). 분리된 액비는 생산하고(S80), 분리된 고형물은 수열탄화 반응기(500)에 공급한다.(S90)
또한, 습식혐기소화 반응기(200) 및 고상혐기소화 반응기(300) 중 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오가스를 저장하여 생산할 수 있다(S100).
상술한 바와 같은 탈수 단계(S30)에서 소화 잔재물의 함수율을 낮추는 방법은 소화 잔재물이 점차 좁아지는 관로를 통과하면서 가압되어 탈수되도록 한다.
그리고, 혼합조(100)에 투입되는 소화액 및 고상혐기소화 반응기(300)에 투입되는 소화액은 습식혐기소화 반응기(200)로부터 배출되는 소화액을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 실시예에 의하면, TS 함량이 높은 저함수 바이오 매스를 에너지화하기 위하여 고상 혐기소화 기술을 이용하여 바이오 메탄과 퇴비 또는 고형 연료 생산을 가능하게 하고, 고상 혐기소화 기술과 수열탄화를 통한 습식 혐기소화 기술을 통합하여 바이오 가스의 회수를 극대화하며, 에너지 밀도가 높아진 고형 연료와 생물학적으로 안정화된 액비를 얻을 수 있다는 효과가 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변경이 가능한 바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
10 : 고효율 에너지 회수 장치 100 : 혼합조
200 : 습식혐기소화 반응기 300 : 고상혐기소화 반응기
400 : 탈수기 410 : 인너 바디
411 : 메쉬부 420 : 아웃터 바디
421 : 배출부 500 : 수열탄화 반응기
600 : 제1 고액분리기 700 : 제2 고액분리기
800 : 바이오가스 저장조 900, 900' : 관 막힘 방지수단
910 : 제1 관 부재 920 : 스크류부
910' : 제2 관 부재 920' : 부분 개방형 스크류

Claims (10)

  1. 유기성 폐기물과 소화액을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합조;
    상기 혼합조에서 생성된 혼합물을 공급받아 혐기소화 반응을 일으키는 고상혐기소화 반응기;
    상기 고상혐기소화 반응기로부터 배출되는 소화 잔재물을 탈수하는 탈수기;
    상기 탈수기에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 통해 액체 생성물과 고체 생성물을 생성하는 수열탄화 반응기;
    상기 수열탄화 반응기의 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리하며, 상기 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하는 제1 고액분리기;
    상기 탈수기에서 분리되는 소화액 및 상기 제1 고액분리기에서 분리된 상기 액체 생성물을 공급받아, 혐기소화를 통해서 미생물 배양과 유기물 제거를 수행하는 습식혐기소화 반응기;
    상기 습식혐기소화 반응기에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리하여 상기 액비는 생산하고, 상기 고형물은 상기 수열탄화 반응기로 공급하는 제2 고액분리기;
    상기 습식혐기소화 반응기 및 상기 고상혐기소화 반응기 중 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 저장하는 바이오가스 저장조; 및
    상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 제공되며, 내부에 침전된 상기 고체 생성물에 의하여 관이 막히는 것을 방지하는 관 막힘 방지수단을 포함하고,
    상기 고상혐기소화 반응기는
    상기 유기성 폐기물과 상기 소화액이 위에서 투입되어 아래로 내려가면서 혐기소화 반응이 이루어지도록 수직형 반응기의 형태로 적용되고, 상기 수직형 반응기 내부에는 유기성 폐기물과 소화액의 혼합물이 중앙에 투입되는 회전체가 마련되는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈수기는,
    상기 소화 잔재물이 지나도록 내부에 관로가 형성되고, 원주면에 액체가 배출되는 메쉬부가 형성된 인너 바디; 및
    상기 인너 바디의 외주면을 감싸서 상기 액체를 수용하며, 일측에 배출구가 형성된 아웃터 바디를 포함하는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인너 바디는 상기 소화 잔재물의 이동 경로에 대하여 후방으로 갈수록 직경이 점차 좁아지는 구조로 구성되는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관 막힘 방지수단은,
    상기 액체 생성물과 상기 고체 생성물의 이동을 위해 상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 설치되는 제1 관 부재; 및
    상기 제1 관 부재의 내부에 회전 가능하게 설치되어 상기 고체 생성물을 이동시키며, 상기 제1 관 부재의 상부를 통해 상기 액체 생성물이 이동되도록 상기 제1 관 부재의 상부와 이격되고 상기 제1 관 부재에 편심되도록 설치되는 스크류부를 포함하는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 관 막힘 방지수단은,
    상기 액체 생성물과 상기 고체 생성물의 이동을 위해 상기 수열탄화 반응기와 상기 제1 고액분리기 사이에 설치되는 제2 관 부재; 및
    상기 제2 관 부재의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 내부를 통해 상기 액체 생성물 및 상기 고체 생성물이 이동되도록 내부에 개구부가 형성된 부분 개방형 스크류를 포함하는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상혐기소화 반응기는 상기 습식혐기소화 반응기에서 처리된 소화액을 공급받는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 장치.
  8. (a) 유기성 폐기물과 소화액을 혼합조에서 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계;
    (b) 상기 혼합물 및 소화액을 고상혐기소화 반응기에 투입하여 혐기소화 반응을 수행하는 단계;
    (c) 상기 고상혐기소화 반응기로부터 배출되는 소화 잔재물을 탈수하고, 탈수를 통해 분리된 소화액을 습식혐기소화 반응기에 공급하는 단계;
    (d) 탈수기에서 함수율이 감소된 소화 잔재물을 공급받아 수열탄화 반응을 수행하는 단계;
    (e) 상기 수열탄화 반응을 통해 생성된 액체 생성물과 고체 생성물을 각각 분리하여 고체 생성물로부터 고형 연료를 생산하고, 상기 액체 생성물을 상기 습식혐기소화 반응기로 보내는 1차 고액분리 단계;
    (f) 상기 습식혐기소화 반응기에서 배출되는 소화폐액으로부터 고형물과 액비를 각각 분리하여 상기 액비는 생산하고, 상기 고형물은 수열탄화 반응기로 공급하는 2차 고액분리 단계; 및
    (g) 상기 습식혐기소화 반응기 및 상기 고상혐기소화 반응기 중에서 적어도 어느 하나에서 배출되는 바이오 가스를 생산하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 유기성 폐기물과 상기 소화액의 혼합물은 상기 고상혐기소화 반응기의 위에서 투입되어 아래로 내려가면서 혐기소화 반응이 이루어지고, 상기 고상혐기소화 반응기의 회전체 상에서 하부로 미끄러져 내려오는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 소화 잔재물이 점차 좁아지는 관로를 통과하면서 가압되어 탈수되는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 및 (b) 단계에서 상기 소화액은 상기 습식혐기소화 반응기로부터 공급되는,
    저함수 바이오매스를 위한 고효율 에너지 회수 방법.
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