KR102343027B1

KR102343027B1 - IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템

Info

Publication number: KR102343027B1
Application number: KR1020210109456A
Authority: KR
Inventors: 김진태; 신재권; 안천용; 전중인; 양승연; 배진호
Original assignee: (주)파이브텍
Priority date: 2021-08-19
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2021-12-24

Abstract

본 발명은 바이오에너지 발전 시설물을 구성하는 혐기성 소화조의 누수 및 가스 누출의 위험에 대한 정보를 실시간 수집하면서도 안전성이 보장될 수 있는 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에 관한 것으로, 유입유로를 통하여 이송된 폐기물을 소화하는 소화챔버(110)와, 상기 소화챔버의 상측에 배치되는 계면구간(111)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 가스이송유로로 이어지는 배출공간(121)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 배출공간의 하측에 배치되는 제1버퍼챔버(122)와, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 계면구간의 상측에 배치되는 제2버퍼챔버(123)와, 상기 계면구간에 배치되는 챔버IoT센서(410)와, 상기 배출공간에 배치되는 배출측센서(412)와, 상기 제1버퍼챔버에 배치되는 제1IoT센서(411)와, 상기 제2버퍼챔버에 배치되는 제2IoT센서(412)를 구비하는 혐기성 소화조(100); 및 상기 챔버IoT센서, 배출측센서, 제1IoT센서 또는 제2IoT센서 중에서 두 개 이상으로부터 혐기성 소화조 내부의 환경감지신호를 수신하여 계면구간과 배출공간, 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중의 어느 하나 이상의 연통 여부 및 저장부로의 메탄 가스 전송 여부를 선택하는 컨트롤러부(1000);를 포함하여 구성되는 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템을 제공한다.

Description

IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템{IoT BASED SAFETY MANAGEMENT SYSTEM FOR ANAEROBIC DIGESTER}

본 발명은 폐기물 처리와 관련된 것으로, 바이오에너지 발전 시설물을 구성하는 혐기성 소화조의 누수 및 가스 누출의 위험에 대한 정보를 실시간 수집할 수 있고 안전성이 보장될 수 있는 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에 관한 것이다.

혐기성 소화란 유기성 폐기물을 혐기성 조건에서 다양한 미생물에 의해 메탄가스로 전환시키는 과정을 말하며, 혐기성 소화 방법을 통하여 다양한 유기성 폐기물에 적용이 가능하고 폐기물처리와 동시에 메탄과 같은 에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.

혐기성 소화를 위한 반응조는 배치 형태에 따라 단일로 배치되는 경우와 복수로 배치되는 경우로 구분되기도 한다. 단일 반응조의 경우 혐기성 소화의 과정인 가수분해기, 산생성기 그리고 메탄생성기를 하나의 반응조에서 진행되도록 한 것이며, 두 개 이상의 반응조를 구비한다는 의미는 각각의 단계에 대응하여 반응조를 둔 것을 말한다.

단일 반응조의 경우 혐기성 소화의 3단계가 순차적으로 이루어져야 하며, 유기물부하에 직접적인 영향을 받는데 이는 가수분해기에서 과도한 산생성에 따라 pH값이 급감하여 메탄생성균의 활동을 받기 때문이다. 이에 유기물 부하를 높이기 위해 추가적인 반응조가 필요하며 실제 EU에 설치된 단일 습식소화중 10%가 추가적인 반응조를 가지고 있다.

복수의 반응조를 가진 경우 대부분 가수분해기와 산생성기를 첫 단계에 두고 두 번째 단계에 메탄생성기를 배치하여 최적화시킨다. 메탄생성 미생물은 pH 7~8.5 사이의 범위에 적절하고 산생성 미생물은 좀 더 낮은 pH에 적절하여, 유기산의 농도를 희석시켜 두 번째 반응조로 유입시킨다. 또한, 가수분해되지 않은 유기물질을 반응에 용이한 형태로 바꿔주기 위해 내부 재순환을 통해 접촉시간을 늘린 경우도 빈번히 있는 편이다. 두 개 이상의 반응조를 가진 경우에는 공정의 유연성은 좋으나 이에 따라 비용적인 측면과 공정의 복잡성은 증가하는 단점이 있다.

한편, 혐기성 소화는 그 방식에 따라 처리대상 유기물의 수분 함량을 기준으로 건식 혹은 습식소화로 분류된다. 습식소화의 경우 고형물 함량(TS)이 일반적으로 15% 이하인 경우이고 완전혼합 반응조(CSTR)를 주로 사용한다. 건식소화의 경우 고형물 함량이 20~40%의 경우이며 완전혼합 반응조(CSTR), 관형 반응조(PFR), 회분식 반응조를 사용한다. 건식 혐기성 소화의 경우 습식의 경우보다 물의 사용이 적고 메탄발생 수율이 좋으며 소화잔재물(digestate)의 최종산출물의 상품성이 좋은 장점이 있다. 건식 혐기성 소화의 경우 가수분해 단계에서 자체 수분함량이 적어 추가적인 수분 공급을 통한 가수분해 촉진 및 반응조 유입 TS함량을 맞춰주어야 하며, 혼합이 잘 안되어 있을 경우 국부적으로 반응이 잘되지 않는 부분이 존재할 수 있어 반응조 유입 전 혼합을 해줘야 하는 단점이 있다.

또한, 습식 및 건식 소화방식에 상관없이 혐기성 소화가 잘 수행되기 위해서는 메탄생성기 이전 단계에서 발생되는 산, 수소 등의 저해물질에 대한 확실한 제어 및 모니터링이 되어야 메탄생성단계에서 적절한 조치를 취할 수 있고 효율적인 메탄생성을 기대할 수 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0003915호는 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치를 개시하고 있으며, 도 1은 이에 대한 구성도이다.

혐기성 소화조(1)는 유기성 혼합물을 수용하기 위하여 바닥면(11), 측벽(12), 천정면(13)에 의하여 이루어지는 공간부를 가진 수용조(10)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 수용조(10)는 내부에 소화조내 혼합물을 교반하는 교반기(20)가 설치되고, 상기 교반기(20)의 임펠러가 교반기의 축(21)의 회전에 의하여 회전되면서 소화조내 혼합물을 교반한다. 이러한 수용조(10)의 일측 측벽(12)에는 전처리기로부터 유입되는 유기성 혼합물을 상기 수용조(10) 내부로 주입하는 주입구(30)가 형성된다. 또한, 상기 수용조(10)의 주입구(30)가 형성된 측벽(12)과 대향하는 타측 측벽(12)에는 혐기성 미생물에 의하여 혐기성 소화가 수행된 소화후 혼합물을 수용조(10)의 외부로 배출하는 배출구가 형성된다.

상기 소화조(1)에서 정제되지 않은 바이오가스가 생성되고, 정제되지 않은 바이오가스는 가스 배출부(90)를 통해 가스수집조(200)로 운반되며, 상기 정제되지 않은 바이오가스는 업그레이딩을 통해 바이오메탄(CH4 함유율 97%)으로 전환된다.

상기와 같은 혐기조는 외부로부터 폐쇄되어 있고, 통상적인 경우 가스를 대기중으로 방출하였으나 최근에는 이를 수집하여 자원으로 재활용하는 시도들이 증가하고 있다. 그러나, 이러한 자원 회수 공정에서 혐기조 내부 및 배관에 가스의 누출 및 폭발위험이 상존한다.

근래에는 공간적 이점을 극대화하기 위하여 바이오가스 생산시설을 지하화하고자하는 시도들이 증가되고 있어, 가스 폭발이 발생하는 경우 물적 손실과 인명 피해가 더욱 커질 것으로 예상된다. 하지만, 혐기조에서는 종래기술에 따를 때 내부에 압력센서를 배치하는 것만으로 상황을 모니터링하여 왔기 때문에 정확한 제어가 어려운 한계가 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, IoT기술을 적용하고 혐기조 내에 바이오가스 발생 및 수집 과정에서 위험 예측 및 유연한 대응이 가능한 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 유입유로를 통하여 이송된 폐기물을 소화하는 소화챔버(110)와, 상기 소화챔버의 상측에 배치되는 계면구간(111)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 가스이송유로로 이어지는 배출공간(121)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 배출공간의 하측에 배치되는 제1버퍼챔버(122)와, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 계면구간의 상측에 배치되는 제2버퍼챔버(123)와, 상기 계면구간에 배치되는 챔버IoT센서(410)와, 상기 배출공간에 배치되는 배출측센서(412)와, 상기 제1버퍼챔버에 배치되는 제1IoT센서(411)와, 상기 제2버퍼챔버에 배치되는 제2IoT센서(412)를 구비하는 혐기성 소화조(100); 상기 혐기성 소화조로부터의 메탄 가스를 가스이송유로를 통하여 전송받는 저장부(200); 상기 혐기성 소화조로부터의 가스를 전달받아 산소를 혼합하여 황화물을 제거하는 탈황장치(300); 및 상기 챔버IoT센서, 배출측센서, 제1IoT센서 또는 제2IoT센서 중에서 두 개 이상으로부터 혐기성 소화조 내부의 환경감지신호를 수신하여 계면구간과 배출공간, 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중의 어느 하나 이상의 연통 여부 및 저장부로의 메탄 가스 전송 여부를 선택하는 컨트롤러부(1000);를 포함하여 구성되는 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템을 제공한다.

바람직하게는, 상기 컨트롤러부가 챔버IoT센서에서 감지된 압력이 제1설정압력 이상인 경우 계면구간과 배출공간을 연통시키고, 배출측센서에서 감지된 압력이 제2설정압력 이상인 경우 가스이송유로를 개방하여 저장조로 메탄 가스를 전송시키고, 챔버IoT센서 또는 배출측센서에서 감지된 압력이 제3설정압력 이상인 경우 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중의 어느 하나 이상을 계면구간과 연통시키되, 배출공간에서 황화수소 농도가 설정황화수소농도 이상인 경우는 제2버퍼챔버를 제1버퍼챔버보다 먼저 개방하여 밀도차이에 의한 효율성을 고려한다.

또한, 상기 컨트롤러부는, 챔버IoT센서, 배출측센서, 제1IoT센서 또는 제2IoT센서로부터 감지값을 수신하여 온도를 판단하는 온도판단부(1411)와 압력을 판단하는 압력판단부(1412)와 황화수소, 메탄 또는 산소의 농도 중에서 하나 이상의 농도를 판단하는 농도판단부(1413)와, 상기 판단된 온도, 압력 및 농도를 계면구간, 배출공간, 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중에서 어느 두 가지 이상의 공간에 상호 대비하여 가스 분포를 예측하고 공간의 개폐 여부를 판단하는 분포판단부(1420)와, 각 공간의 연통을 제어하는 챔버제어부(1610)를 구비할 수 있다.

본 발명에 따라, 혐기성 소화조 내의 가스의 압력조건을 능동적으로 제어함과 동시에 비중의 차이에 따른 농도 분포를 예측하고 자원을 분배할 수 있어 바이오가스의 수득 효율을 높임은 물론 안전성을 비약적으로 향상할 수 있는 효과가 있다.

또한, IoT 기술을 접목하여 각종 변화하는 환경에 유연하게 적응할 수 있고 시설비용이 저감되어 경제적일 뿐만 아니라, 높은 품질의 바이오가스를 획득할 수 있어 자원을 재활용하면서 환경오염을 저감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 컨트롤러부를 나타내는 블록도이다.
도 4는 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에서 분포판단부를 설명하기 위한 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템의 구성도이다.

혐기성 소화조(100)는 내부에 혐기성 소화와 침출수의 저장을 수행할 수 있도록 중공으로 이루어지되 형태나 배치관계는 반드시 도면에 도시된 예에 한정되는 것은 아니다.

이러한 혐기성 소화조(100)의 상측에는 폐기물 유입부가 형성되어 유입유로(2111)로부터 전송된 음식물과 같은 폐기물 내지는 전처리가 수행된 슬러지 등이 투입될 수 있다. 이렇게 투입된 폐기물은 혐기성 반응을 통하여 소화작용을 거치면서 바이오가스를 획득할 수 있도록 한다.

본 발명의 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에서 혐기성 소화조(100)는 생활폐기물 중 유기물 함량이 높은 음식물류 폐기물을 원료로 하여 혐기성 소화를 거쳐 에너지를 얻을 수 있도록 한다. 여기서 혐기성 소화는 산소가 없는 조건하에 혐기성 미생물이 유기물을 먹이로 하여 바이오가스를 생산하는 것을 의미하며, 생산된 바이오가스의 성상은 약 메탄 60%, 이산화탄소 40%로 구성되어 있다. 이에 대해 탈황공정을 거친 이후에 현장에서 필요한 전력을 생산하고 남는 전력은 판매될 수 있다.

이러한 혐기성 소화의 과정은 가수분해기, 산생성기, 메탄생성기의 3단계로 구분할 수 있다. 이러한 각각의 단계는 동시에 일어날 수 있으며, 혐기성 반응부(101)가 적절하게 기능하기 위하여 앞선 두 개 단계의 중간생성물의 전환이 완전하게 이루어져야 한다. 가수분해기는 단백질, 다당류, 지방과 같은 고분자 물질들이 저분자인 펩티드, 단당류, 지방산과 같은 수용성 물질로 전환하며, 이러한 반응은 발효 미생물에서 분비된 효소에 의해 진행된다. 가수분해기는 다른 단계보다 상대적으로 느린 단계로 전체적인 혐기성 소화 공정의 속도결정 단계로 이해될 수 있다.

두 번째 단계인 산생성기는 가수분해기의 생성물이 VFA, 알콜, 알데히드와 같은 낮은 분자량의 물질들과 이산화탄소, 수소, 암모니아로 전환되는 단계이다. 산생성기에는 다양한 종의 균들이 영향을 끼치며, 이들 중 대다수는 완전한 혐기성 조건을 필요로 한다. 다행히도 이러한 엄격한 혐기성 미생물에는 항상 산소를 사용하는 미생물이 있으며, 이 미생물로 인해 시스템을 완전한 혐기성 상태로 바꿔준다. 산생성 미생물은 유기물질을 매우 낮은 pH 4에서 물질대사를 할 수 있다. 앞서 생성된 물질들은 다시 아세트산, 수소, 이산화탄소로 초산생성균에 의해 전환된다.

앞선 두 단계에서 액상으로부터 제거된 유기물질은 없으며, 이는 메탄생성기에 적합한 기질의 형태로 전환된 것이다.

또한, 혐기성 소화의 마지막 단계인 메탄생성기는 산생성기에서 생성물(주로 아세트산)이 메탄생성균에 의해 이산화탄소, 메탄으로 전환되는 단계를 말한다.

소화챔버(110) 내부에서 상기 폐기물의 소화가 진행되며, 상기 소화챔버(110)의 하측에는 스크린(참조번호 미표시)가 배치되어 슬러지의 침출수와의 혼입을 방지할 수 있다. 이러한 소화챔버(110)의 내부에는 교반기, 순환펌프, 임펠러 등의 공지의 구성들이 조합될 수 있을 것이다.

이렇게 획득된 바이오가스는 가스이송유로(212)로 전송되고 바이오가스 저장조(200)에 수집되어 저장된다.

본 발명의 개념에서는 상기 혐기성 소화조(100)에 소정의 구획된 공간을 형성하고 IoT복합 센서들을 적용하여 가스의 상태를 모니터링하고 안전 및 효율을 제어하는데, 이를 위하여 계면구간(111)의 상측으로 배출공간(121), 제1버퍼챔버(122), 제2버퍼챔버(123) 등을 구비한다. 이와 관련한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.

한편, 상기 소화챔버(110)로 폐기물이 유입되는 유입유로(211)와, 슬러지가 유출되는 배출유로(미도시) 및 배가스가 배출되는 가스이송유로(212)의 전후단에는 소정의 유동성 물질의 전처리 또는 후처리를 위한 공지의 기술들이 적용될 수 있을 것이며, 본 발명의 실시예에서는 상기 가스이송유로(212)로부터 분기되어 탈황장치(300)가 구성된다. 또한, 상기 혐기성 소화조(100) 전처리를 위하여 침전조나 분리조 등과, 가스의 후처리공정을 위한 공지의 기술들이 적용될 수 있을 것이며 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

탈황장치(300)는 제거유로(213)로부터 유입되는 혐기성 소화조(100)로부터 생성된 바이오가스의 전부 또는 일부를 전송받아 탈황처리하는 기능을 수행한다. 이를 위하여, 바람직하게는 상기 탈황장치(300)는 산소발생기와 희석조를 포함하여 구성될 수 있다. 바이오가스로 순수한 메탄가스를 회수하기 위해서는 불순물에 해당되는 황화수소를 바이오가스로부터 제거하여야 하고, 황화수소는 황산화 미생물에 의해 산화되어 입자상 황으로 분리되는 것이 바람직하다. 이때 황화수소를 황입자로 산화시키기 위해서는 산소가 필요하고, 따라서, 상기 혐기성 소화조(100)에 공기를 주입하여 황화수소의 산화를 유도할 수도 있지만 공기 중의 질소 유입으로 인하여 메탄가스의 순도가 낮아지는 한계가 존재한다. 한편, 순수한 산소를 혐기성 소화조(100)에 공급하여 황화수소의 산화를 유도하는 것도 고려해볼 수 있으나 이는 폭발의 위험을 증가시키기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시예와 같이 소정의 황화물 산화가 가능한 산소공급조 및 반응조로서의 탈황장치(300)를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 가스이송유로(212)와 제거유로(213)의 유동의 선택은 컨트롤러부(1000)에서 제어되며 황화물의 농도에 따라 결정될 수 있을 것이다.

또한, 상기 컨트롤러부(1000)는 혐기성 소화조(100)의 상태정보들을 수집하기 위한 신호라인으로 연결되어 있으며, 상기 신호라인은 유선 또는 무선 방식을 불문한다. 다만, 시공의 간편성과 환경에의 적응성 및 유지보수성을 고려하면 각각의 센서들이 IoT 환경을 구성하여 무선연결 방식으로 연결되어 있는 것이 바람직할 것이다. 상기 무선통신방식으로서 Zigbee, Bluetooth, RF통신, WiFi, 3G, 4G, LoRa(Long Range) 통신 등의 다양한 무선통신방식이 적용되는 경우도 고려해볼 수 있다. 다만, 소정의 외부 전력을 공급받는 경우 외부 장비와 유선의 통신이 이루어질 수 있을 것이며, 예를 들어 RS485통신이 적용될 수 있다.

본 발명의 개념에서는 상기 계면구간(111)의 상측으로 선택 가능한 제1버퍼챔버(122) 및 제2버퍼챔버(123)와, 가스이송유로(212)에 연결되는 배출공간(121)이 형성되어 있으며, 상기 각 공간에는 IoT 복합센서들이 적용되어 있다.

상기 IoT센서들은 온도센서, 압력센서, 가스농도센서 중에서 선택된 어느 하나 이상과, 통신모듈로 구성될 수 있을 것이다. 가스농도센서는 메탄농도, 산소농도, 황화수소농도 등을 측정할 수 있다. 상기 IoT센서들은 컨트롤러부(1000)에 혐기성 소화조(100) 내부의 상태를 전송하여 모니터링할 수 있도록 하며 안전관리 팩터와 효율성 관리 팩터들이 각각 수집되어 실시간 감시되고 제어될 수 있도록 한다.

상기 IoT센서들은 계면구간(111)에 배치되는 챔버IoT센서(410), 배출공간(121)에 배치되는 배출측센서(412), 제1버퍼챔버(122)에 배치되는 제1IoT센서(411), 제2버퍼챔버(123)에 배치되는 제2IoT센서(412)로 구성될 수 있다.

상기 제1버퍼챔버(122) 및/또는 제2버퍼챔버(123) 및/또는 배출공간(121)은 각각 공간의 개폐가 가능한 개폐수단을 구비하여 소화챔버(110)와의 연통의 선택이 가능할 수 있으며, 상기 개폐수단은 밸브 또는 댐퍼일 수 있다.

도 3은 상기 컨트롤러부에 대한 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.

이하에서 컨트롤러부(1000)의 구성들에서 각 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

상기한 혐기성 소화조(100)에 설치되는 IoT센서들은 복합적인 센서 및 각 통신모듈을 구비할 수 있으며, 컨트롤러부(1000)는 각 IoT센서의 감지값을 수신하여 각 공간 및 유동을 제어한다.

이를 위하여 본 발명의 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에서 컨트롤러부(1000)는 혐기성 소화조(100)의 내부 환경에 즉시적으로 적응하거나 외부의 인공지능 서버와 연동하여 작동하는 로직을 포함하여 구성될 수 있다.

기본적으로 조내 온도를 판단하기 위하여 온도판단부(1411)를 포함할 수 있다. 상기 온도는 소화조 내의 반응시 가열되는 상황을 감지할 수 있으며 폭발 위험시의 온도상승을 판단하여 위험에 대한 경보를 수행할 수 있다.

또한, 압력판단부(1412)를 포함하여 챔버 내부의 압력값을 위험관리 인자로 판단하며, 상기 소화챔버(110) 내부의 압력이 개방 허용수치에 도달할 때까지 가스이송유로(212)와의 연통을 폐쇄할 수 있으며, 안전수치에 도달하는 경우 릴리즈밸브 등을 개방하여 위험상황에 대응하도록 할 수 있을 것이다.

또한, 농도판단부(1413)를 더 포함하고, 주로 내부의 메탄가스 농도 및/또는 산소 및/또는 황화물의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에서는 소정의 구획된 공간에서 높이 차이에 따라 각 IoT센서들이 가스의 농도를 측정할 수 있기 때문에 비중의 차이에 따른 분포의 예측이 가능하다.

또한, 분포판단부(1420)는 각 위치별 가스의 농도를 통하여 가스 분포를 예측판단하는 기능을 수행한다. 이는 조내의 반응 효율성과 안전성 판단에 영향을 미치는바 이와 관련된 실시예는 후술한다.

연동화부(1601)는 각 공간별 IoT센서의 감지값, 바람직하게는 온도, 압력 및 농도의 감지값을 시간별로 연관지어 분포를 판단할 수 있도록 기능한다.

또한, 챔버제어부(1610)는 챔버의 유출입측 밸브를 직접 개폐하여 폐기물의 유출입, 가스의 유출을 관리하는 기능을 수행한다.

또한, 제거장치제어부(1620)는 제거유로(213)의 개방 및 탈황장치(300)의 동작을 제어하는 기능을 수행할 수 있다.

추가적으로, 상기 컨트롤러부(1000)는 소정의 음향 또는 광출력하여 경보가 가능한 출력부(미도시)할 수 있고, 상기 분포판단부의 판단 결과를 기초로 소정의 설정 기준치를 벗어나거나, 그 이하이거나, 그 이상인 경우 사용자에게 알림하는 경보를 수행하도록 할 수 있다.

이하에서는 상기 분포판단부(1420)에 의하여 혐기성 소화조(100) 내의 각 공간이 제어되기 위한 실시예를 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명의 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템에서 분포판단부를 나타내는 블록도이다.

상기 혐기성 소화조(100)의 내부에는 소화챔버(110)의 계면 상부의 가스가 직접 발생하는 계면구간(111)을 형성하고 있으며, 그 상부로 제2버퍼챔버(123), 제1버퍼챔버(122) 및 배출공간(121)이 배치되어 있다.

상기 제1버퍼챔버(122) 및 제2버퍼챔버(123)는 상기 계면구간(111)과 연통될 수 있는 공간을 구성하고 있고, 공기, 황화수소, 메탄의 밀도차이에 의하여 서로 다른 구성 및 작동을 가질 수 있다.

단독작동모드로서, 상기 혐기성 소화조(100)의 작동이 시작될 때, 가스이송유로(212)의 밸브는 폐쇄된 상태에서 소정의 허용 압력조건까지 반응이 시작된다. 이때, 계면구간(111)과 다른 공간의 연통은 차단되어 있다.

제1작동모드로서, 챔버IoT센서(410)의 압력이 제1설정압력 이상이 되고, 메탄의 농도가 제1설정농도 이상이 되면, 배출공간(121)을 개방한다. 상기 공간의 개폐 관리는 챔버제어부(1610)에서 수행할 수 있음은 상기와 같다.

상기 배출공간(121)과 계면구간(111)이 연통된 상태에서는 다시 압력이 하강되기 때문에 배출측센서(412)에서 제2설정압력에 도달하는 경우 가스이송유로(212)를 개방하여 저장부(200)로의 전송이 개시된다. 이를 제2작동모드로 정의한다.

상기 저장부(200)로의 전송이 이루어지는 과정에서 챔버IoT센서(410) 및/또는 배출측센서(412)의 압력 센싱값이 제3설정압력에 도달하는 경우는 안전성에 문제가 발생한 경우로 본다. 여기서는 제1버퍼챔버(122) 및/또는 제2버퍼챔버(123)를 개방하여 압력에 대한 허용값을 낮추도록 기능하는데, 이 경우는 황화수소와 메탄의 분포에 따라 다른 결정을 수행할 수 있으며, 이에 대해서는 후술하도록 한다. 여기서, 제1버퍼챔버(122) 및/또는 제2버퍼챔버(123)를 개방하는 제3작동모드로 정의한다.

도시된 바와 같이 제1버퍼챔버(122), 제2버퍼챔버(123) 및 배출공간(121)과 계면구간(111)의 연통은 일측으로 치우쳐 형성되고 각 경로 상에 공간 개폐수단이 적용될 수 있음은 상기와 같다.

농도대비부(1421)는 각 공간에서의 메탄, 황화수소 및/또는 산소의 농도를 측정하고, 분포예측부(1422)는 배출측센서(412), 제1IoT센서(411), 제2IoT센서(412), 챔버IoT센서(410) 중의 두 개 이상의 IoT센서에서 측정된 농도값을 대비하여 혐기성 소화조(100) 내부에서 각 성분별 분포를 예측한다.

예를 들어, 메탄의 경우는 황화수소 및 공기보다 밀도가 낮기 때문에 조 내에서 부상하려는 성질이 있고, 배출공간(121)과 그 하측의 농도를 대비하면 바이오가스의 수집을 위한 조건을 알 수 있다.

바람직하게, 황화수소의 경우는 메탄 및 공기보다 비중이 높기 때문에 계면구간(111)보다 상부에 높은 농도로 형성되어 있는 경우 바이오가스의 품질 문제가 발생한다 이 경우는 탈황장치(300)를 경유하여 저장부(200)로 전송하는 것이 유리하다. 따라서, 계면구간(111)에 대비하여 배출공간(121) 및/또는 제1버퍼챔버(122) 및/또는 제2버퍼챔버(123)의 황화수소 농도가 높은 경우 개폐판단부(1423)는 탈황장치(300)로 가스를 전송하여 후처리한다.

또한, 계면구간(111)의 메탄 농도가 설정값 이상인 경우는 품질이 양호한 것으로 볼 수 있고, 배출공간(121)에서 메탄 농도를 검증하여 바로 가스이송유로(212)를 거쳐 저장부(200)로 전송한다.

한편, 챔버IoT센서(410) 및/또는 배출측센서(412)의 압력 센싱값이 제3설정압력 이상이어서 제1버퍼챔버(122) 및/또는 제2버퍼챔버(123)를 개폐판단부(1423)에서 개방하는 것으로 판단하고, 배출공간(121)보다 하측의 버퍼챔버에서 메탄의 농도가 높은 경우 릴리즈밸브를 가동하여 즉시 배기를 수행하도록 할 수 있다.

이에, 상기 컨트롤러부(1000)가 챔버IoT센서(410)에서 감지된 압력이 제1설정압력 이상인 경우 계면구간(111)과 배출공간(121)을 연통시키고, 배출측센서(412)에서 감지된 압력이 제2설정압력 이상인 경우 가스이송유로(212)를 개방하여 저장부(200)로 메탄 가스를 전송시키고, 챔버IoT센서(410) 또는 배출측센서(412)에서 감지된 압력이 제3설정압력 이상인 경우 제1버퍼챔버(122) 또는 제2버퍼챔버(123) 중의 어느 하나 이상을 계면구간(111)과 연통시킬 수 있다. 이때, 배출공간(121)에서 황화수소 농도가 설정황화수소농도 이상인 경우는 제2버퍼챔버(123)를 제1버퍼챔버(122)보다 먼저 개방하여 밀도차이에 의한 효율성을 고려한다.

또한, 챔버IoT센서(410) 또는 배출측센서(412)에서 감지된 압력이 제3설정압력 이상인 경우 제1버퍼챔버(122) 또는 제2버퍼챔버(123) 중의 어느 하나 이상을 계면구간(111)과 연통시키되, 계면구간(111)에서 메탄 농도가 설정메탄농도 이상인 경우 전체적으로 바이오가스의 품질이 양호한 경우로 보아 둘 중의 하나의 챔버를 먼저 연통시킬 수 있다. 다만, 이 경우는 제1버퍼챔버(122)측이 제2버퍼챔버(123)측보다 품질이 더 높은 경우이기 때문에 황화수소의 농도가 높은 제2버퍼챔버(123)를 먼저 개방하여 완충하는 것이 유익할 수 있다.

상기 제1버퍼챔버(122) 및 제2버퍼챔버(123)와 각 IoT센서의 조합에 따른 개폐판단부(1423)의 작동은 상황에 따라 유연하게 조합될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템은 혐기성 소화조 내의 가스의 압력조건을 능동적으로 제어함과 동시에 비중의 차이에 따른 농도 분포를 예측하고 자원을 분배할 수 있어 바이오가스의 수득 효율을 높임은 물론 안전성을 비약적으로 향상할 수 있다.

또한, IoT기술을 접목하여 각종 변화하는 환경에 유연하게 적응할 수 있고 시설비용이 저감되어 경제적일 뿐만 아니라, 높은 품질의 바이오가스를 획득할 수 있어 자원을 재활용하면서 환경오염을 저감할 수 있는 장점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

100...혐기성 소화조 110...소화챔버
111...계면구간 121...배출공간
122...제1퍼버챔버 123...제2버퍼챔버
200...저장부 211...유입유로
212...가스이송유로 213...제거유로
300...탈황장치 410...챔버IoT센서
411...제1IoT센서 412...제2IoT센서
413...배출측센서 1000...컨트롤러부
1411...온도판단부 1412...압력판단부
1413...농도판단부 1420...분포판단부
1421...농도대비부 1422...분포예측부
1423...개폐판단부 1601...연동화부
1610...챔버제어부 1620...제거장치제어부

Claims

유입유로를 통하여 이송된 폐기물을 소화하는 소화챔버(110)와, 상기 소화챔버의 상측에 배치되는 계면구간(111)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 가스이송유로로 이어지는 배출공간(121)과, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 배출공간의 하측에 배치되는 제1버퍼챔버(122)와, 상기 계면구간과 선택적으로 연통되며 계면구간의 상측에 배치되는 제2버퍼챔버(123)와, 상기 계면구간에 배치되는 챔버IoT센서(410)와, 상기 배출공간에 배치되는 배출측센서(413)와, 상기 제1버퍼챔버에 배치되는 제1IoT센서(411)와, 상기 제2버퍼챔버에 배치되는 제2IoT센서(412)를 구비하는 혐기성 소화조(100);
상기 혐기성 소화조로부터의 메탄 가스를 가스이송유로를 통하여 전송받는 저장부(200);
상기 혐기성 소화조로부터의 가스를 전달받아 산소를 혼합하여 황화물을 제거하는 탈황장치(300); 및
상기 챔버IoT센서, 배출측센서, 제1IoT센서 또는 제2IoT센서 중에서 두 개 이상으로부터 혐기성 소화조 내부의 환경감지신호를 수신하여 계면구간과 배출공간, 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중의 어느 하나 이상의 연통 여부 및 저장부로의 메탄 가스 전송 여부를 선택하는 컨트롤러부(1000);를 포함하며,
상기 컨트롤러부는,
챔버IoT센서에서 감지된 압력이 제1설정압력 이상인 경우 계면구간과 배출공간을 연통시키고, 배출측센서에서 감지된 압력이 제2설정압력 이상인 경우 가스이송유로를 개방하여 저장조로 메탄 가스를 전송시키고, 챔버IoT센서 또는 배출측센서에서 감지된 압력이 제3설정압력 이상인 경우 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중의 어느 하나 이상을 계면구간과 연통시키되, 배출공간에서 황화수소 농도가 설정황화수소농도 이상인 경우는 제2버퍼챔버를 제1버퍼챔버보다 먼저 개방하는 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러부는,
챔버IoT센서, 배출측센서, 제1IoT센서 또는 제2IoT센서로부터 감지값을 수신하여 온도를 판단하는 온도판단부(1411)와 압력을 판단하는 압력판단부(1412)와 황화수소, 메탄 또는 산소의 농도 중에서 하나 이상의 농도를 판단하는 농도판단부(1413)와, 상기 판단된 온도, 압력 및 농도를 계면구간, 배출공간, 제1버퍼챔버 또는 제2버퍼챔버 중에서 어느 두 가지 이상의 공간에 상호 대비하여 가스 분포를 예측하고 공간의 개폐 여부를 판단하는 분포판단부(1420)와, 각 공간의 연통을 제어하는 챔버제어부(1610)를 구비하는 IoT 기반 혐기성 소화조의 안전관리 시스템.