KR102393197B1 - 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 음식물 폐기물 유래 유기 탄소원을 제조하는 데 있어서, 음식물 폐기물을 고형분과 음폐수로 분리하여, 고형분은 열분해하여 유기 탄소원 함량이 높은 열분해 수용액을 제조하고, 음폐수는 산발효하여 유기산 발효액을 제조한 후, 열분해 수용액과 유기산 발효액을 혼합한 후 이를 증류 및 농축시켜 유기 탄소원을 제조하며, 고형분을 열분해하는 공정에서 발생되는 폐열을 음폐수를 산발효하는 공정에 이용하는 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 음식물 폐기물 유래 유기 탄소원을 제조하는 데 있어서, 음식물 폐기물 내 고형분을 열분해하고 열분해 결과물로부터 유기 탄소원 함량이 높은 열분해 수용액을 추출하고, 음식물 폐기물에서 고형분이 제거된 음폐수는 산발효하여 유기산 발효액을 제조한 후, 상기 열분해 수용액과 유기산 발효액을 혼합하여 고품질의 유기 탄소원을 제조하며, 열분해 공정의 폐열을 발효 공정에 이용하여 고효율로 유기 탄소원을 제조할 수 있는 고품질 고효율 유기 탄소원 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 혐오시설의 부지를 선정하기 힘든 점, 기존의 하수 처리장이 하수 관거의 미비, 지표수 유입 등으로 빈부하 운전되고 따라서 혐기성 소화조도 빈부하 운전되고 있음을 감안하여 하수슬러지 소화조에 음식물 폐기물을 투입 처리하는 대안(슬러지/음식물 폐기물의 통합소화)이 연구되고 있다.
하수처리장의 혐기성 소화종의 여유용량을 활용한 음식물 폐기물의 병합처리는 사회 현안인 음식물 폐기물의 처리에 기여할 뿐 아니라 소화종의 효율증대 및 메탄가스의 증산을 통하여 하수처리장 내 발전 및 온수생산에 이용할 수 있는 장점 때문에 최근 주목을 받고 있으며, 이와 같이, 음식물 폐기물 처리에 하수고도처리시설을 도입할 경우 유기 탄소원으로의 이용이 가능하다.
이 방법은 음식물 폐기물을 하수처리장에 병합처리 하는 것이 아니라 하수처리장 소화조에서 슬러지/음식물 폐기물의 통합소화로 처리하는 것으로, 일부 발효액(가수분해/산발효)을 하수고도처리시설에서 질소·인 고도처리를 위한 외부 탄소원으로 활용하는 것이다.
일반적으로 음식물 폐기물 유래 유기 탄소원 제조 공정은 음식물 폐기물에서 고형분을 제거한 후 음폐수를 발효시켜 미생물을 다량 함유한 유기 탄소원을 제조하는 방법이 사용되며, 이를 위해 높은 농도의 유기산 함유하는 산발효액 생산기술이 요구된다.
그러나, 음폐수를 산발효시켜 유기 탄소원을 제조하는데 있어서, 상온인 30 ℃의 온도에서는 음폐수의 약 30% 만이 발효되어, 발효액 내 유기산의 함량이 약 2 wt% 정도 밖에 안되는 문제가 있었다.
이는 유기 탄소원으로서의 발효액 내 유기산 적정 함량인 4 wt%에는 한참 모자란 수치이며, 이를 높이기 위한 방안으로 발효율을 증가시키는 방안이 있을 수 있다. 그러나 발효율을 증가시켜 음폐수의 약 80 wt% 까지 유기 탄소원으로 전환시키려면, 온도를 60℃ ~ 70℃까지 올려야 하나, 이 경우 생산되는 유기 탄소원의 열량 대비, 발효온도를 높이기 위한 에너지의 소비가 과도하여 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
이에 따라 본 발명은 음식물 폐기물로부터 유기 탄소원을 제조하는 데 있어서, 유기산의 함량이 높은 고품질의 유기 탄소원을 고효율로 제조할 수 있는 새로운 기술을 제시하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비하여 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 한국등록특허공보 KR 10-1909736 B1 (2018.10.12. 등록일)에는 음식폐기물의 음폐수를 이용한 유기탄소원의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 유기탄소원에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 음식폐기물의 자원화 과정에서 발생하는 음폐수 중의 유분 및 고형분을 전처리공정을 통해 제거하는 전처리공정과; 상기 전처리공정에서 생성되는 음폐수를 수용하고 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는 산발효 공정; 상기 산발효공정에서 생성되는 상기 유기산 발효액을 증류 및 농축하여 농축산 발효액을 생성하는 제1증류공정; 및 상기 제1증류공정을 거친 농축산 발효액에 황산을 첨가하고 증류 및 농축하여 증류액을 생성하는 제2증류공정;을 포함하며, 상기 음폐수의 처리과정에서 발생하는 폐열을 상기 제1증류공정 및 상기 제2증류공정에 열원으로 공급하여 재활용하는 음식폐기물의 음폐수를 이용한 유기탄소원의 제조 기술이 기재되어 있다.
또한, 한국등록특허공보 KR 10-1369718 B1 (2014.02.24. 등록일)에는 음식물 탈리액을 이용한 유기탄소원 제조장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 음식물 쓰레기를 전처리할 때 생기는 음식물 탈리액을 원료로 사용하여 폐수처리에 유용한 고품질의 유기탄소원을 생성하고 질소제거에 따른 C/N비를 높여 폐수처리의 효율을 높이도록, 전처리된 음식물 탈리액인 원수를 유입하여 고형분을 걸러내고 미세한 입자의 원수를 계속해서 공급하는 미립자처리기와; 상기 미립자처리기로부터 유입된 원수를 내부에 수용하고 원수로부터 유분을 분리한 후 배출 제거하는 유량조정조와; 상기 유량조정조의 원수 중에서 일정한 유량이 공급되고 원수의 수소이온농도를 조정하여 고온 유용미생물을 배양하는 미생물배양조와; 상기 유량조정조의 원수 중에서 일정한 유량이 공급됨과 함께 상기 미생물배양조로부터 생성된 다량의 미생물을 갖는 배양액이 공급되어 원수를 유기탄소원으로 발효하는 유기탄소원발효조;를 포함하고, 상기 유량조정조와 미생물배양조 및 유기탄소원발효조에는 각각 수용된 유기물을 고온성 미생물의 활동에 적합한 45~65℃를 유지하여 유기물을 빠르게 분해하고, 질산화 과정을 거치지 않고 암모니아 스트리핑으로 질소를 제거하며 슬러지를 감량화하는 고온호기성소화기(ATAD, Autothermal Thermophlic Aerobic Digestion)를 포함하는 음식물 탈리액을 이용한 유기탄소원 제조장치에 관한 기술이 기재되어 있다.
또한, 한국공개특허공보 KR 10-2015-0109779 A (2015.10.02. 공개일)는 자체발열유도를 이용한 고효율 슬러지감량화와 이를 통한 유기탄소원 회수방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기성폐기물을 스크린을 통해 협잡물을 분리한 후 유량조정조을 거쳐 고액분리를 시키는 단계1; 단계1 에서 분리된 액체성분을 기질로 하여 자체발열유도 고온호기성산화로 처리하여 슬러지를 감량시키는 단계2; 및 단계2 에서 소화된 유기탄소원을 물리적으로 탈수시킨 후 탈수케익과 탈리여액으로 분리시켜 탄소원을 생산하는 단계3를 포함하는 유기탄소원 회수방법 및 장치에 관한 기술이 기재되어 있다.
상기 선행기술문헌들은 음식물 폐기물로부터 고형분을 제거한 음폐수를 산발효 미생물과 반응시켜 유기 탄소원을 제조하는 기술을 포함하고 있으나, 선행기술문헌에서는 발효 효율을 높이기 위하여 발효조에 열을 공급하는 별도의 구성을 포함하거나, 또는 발효조 내에서의 유기물 반응을 통한 자체 발열에 의존하고 있어, 유기 탄소원 제조에 과도한 에너지가 소모되거나 또는 낮은 발효율에 따라 유기 탄소원으로의 충분한 전환이 이루어지지 않는 문제가 있었다.
본 발명은 상기된 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 음식물 폐기물 유래 유기 탄소원을 제조하는 데 있어서, 음식물 폐기물을 전처리하여 고형분과 음폐수로 분리한 후, 고형분은 열분해를 통해 유기 탄소원 함량이 높은 열분해 수용액을 생산하고, 고형분이 분리된 음폐수는 산발효시켜 제조되는 유기산을 제조하며, 상기 음폐수의 산발효액에 열분해 수용액을 혼합함으로써, 유기산 함량이 높은 고품질의 유기 탄소원을 제조할 수 있는 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 음식물 폐기물을 전처리하여 분리된 고형분을 열분해하면서 발생되는 폐열을 음폐수 발효 공정에 이용함으로써, 외부 열원 없이도 음폐수 발효율을 높여 고품질의 유기 탄소원을 고효율로 제조할 수 있는 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법은, 음식물 폐기물을 전처리하여 고형분과 음폐수로 분리하는, 음식물 폐기물 전처리 단계; 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 열분해하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성하는, 고형분 열분해 단계; 상기 고형분 열분해 단계에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리하는, 열분해 결과물 분리 단계; 상기 열분해 결과물 분리 단계에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득하는, 열분해 수용액 추출 단계; 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리되는 음폐수를 혐기 반응조에서 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는, 음폐수 발효 단계; 및 상기 열분해 수용액 추출 단계에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효 단계에서 생성된 유기산 발효액을 혼합한 후, 증류 및 농축하는 유기 탄소원 제조단계;를 포함하며, 상기 음폐수 발효 단계는, 상기 고형분 열분해 단계에서 발생되는 폐열을 음폐수가 발효되는 반응조에 공급하여 음폐수 발효 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에서, 상기 음식물 폐기물 전처리 단계는, 적어도 하나 이상의 원심 분리기를 이용하여 음식물 폐기물 내 고형분을 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에서, 상기 열분해 결과물 분리 단계는, 적어도 하나 이상의 사이클론을 이용하여 열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에서, 상기 열분해 수용액 추출 단계는, 적어도 하나 이상의 응축기를 이용하여 열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화한 후, 상기 바이오 오일과 열분해 수용액의 밀도차를 이용하여, 열분해 수용액을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에서, 상기 고형분 열분해 단계는, 450℃ 내지 550℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 열분해 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에서, 상기 음폐수 발효 단계는, 60 내지 70 ℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 발효하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법은, 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 미분쇄한 후, 가압 및 가열한 뒤 압력을 급속히 낮추어 고형분을 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 한 후 상기 고형분 열분해 단계로 공급하는 고형분 미분쇄 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치는, 음식물 폐기물을 고형분과 음폐수로 분리하는, 음식물 폐기물 전처리부; 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분은 하기 고형분 열분해부로 공급하고, 음폐수는 하기 음폐수 발효부로 공급하는, 바이오매스 공급부; 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 열분해하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성하는, 고형분 열분해부; 상기 고형분 열분해부에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리하는, 열분해 결과물 분리부; 상기 열분해 결과물 분리부에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득하는, 열분해 수용액 추출부; 상기 음식물 폐기물 전처부에서 분리된 음폐수를 혐기 반응조에서 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는, 음폐수 발효부; 상기 열분해 수용액 추출부에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효부에서 생성된 유기산 발효액을 혼합한 후, 증류 및 농축하는 유기 탄소원 제조부; 및 상기 고형분 열분해부에서 발생되는 폐열을 음폐수 발효부에 공급하는 폐열 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 음식물 폐기물 전처리부는, 음식물 폐기물 내 고형분을 분리하는 적어도 하나 이상의 원심 분리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 열분해 결과물 분리부는, 열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리하는 적어도 하나 이상의 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 열분해 수용액 추출부는, 열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화하는 적어도 하나 이상의 응축기;를 포함하며, 상기 바이오 오일과 열분해 수용액의 밀도차를 이용하여 열분해 수용액을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 고형분 열분해부는, 고형분 열분해시 반응온도가 450 내지 550 ℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 음폐수 발효부는, 음폐수 발효시 반응온도가 60 내지 70 ℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에서, 상기 바이오매스 공급부는, 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 기계적인 분쇄방법을 통해 분쇄하는 고형분 분쇄기; 및 상기 고형분 분쇄기에서 분쇄된 고형분을 공급받아 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 하는 고형분 미분쇄 압력용기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 음식물 폐기물에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 열분해하여 바이오 오일을 제조하는 동시에 유기산이 다량 포함되어 있는 열분해 수용액을 추출하여, 이를 음식물 폐기물에서 고형분이 제거된 음폐수를 산발효시켜 생산되는 유기산 발효액과 혼합함으로써, 높은 유기산 함량이 가지는 고품질의 유기 탄소원을 제조하여 음식물 폐기물의 자원화 효율을 극대화 할 수 있으며, 동시에 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 고형분을 열분해시키면서 발생되는 폐열을 음폐수 발효조에 공급함으로써, 외부 열원없이 음폐수의 발효율을 높여 고효율로 고품질의 유기 탄소원을 제조할 수 있어 비용 및 생산의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 음식물 폐기물을 이용하여 유기 탄소원을 제조하는 데 있어서, 음식물 폐기물을 고형분과 음폐수로 분리하여, 고형분은 열분해하여 고농도로 유기산을 포함하는 열분해 수용액을 생산하고, 음폐수는 산발효하여 유기산 발효액을 생산하며, 상기 열분해 수용액을 유기산 발효액에 혼합하여 고품질의 유기성 탄소원을 제조하는 데 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치 및 그 방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 유고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치는, 음식물 폐기물 전처리부, 바이오매스 공급부, 고형분 열분해부, 열분해 결과물 분리부, 열분해 수용액 추출부, 음폐수 발효부, 유기 탄소원 제조부 및 폐열 공급부를 포함하여 구성된다.
상기 음식물 폐기물 전처리부는 음식물 폐기물을 고형분과 음폐수로 분리하는 것으로, 음식물 폐기물 내 고형분을 분리하는 적어도 하나 이상의 원심 분리기를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 바이오매스 공급부는, 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 상기 고형분 열분해부로 공급하고, 음폐수는 상기 음폐수 발효부로 공급하는 것이다.
한편, 상기 바이오매스 공급부는 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 상기 고형분 열분해부로 공급하기 전 고형분을 미분쇄하기 위하여 고형분 분쇄기 및 고형분 미분쇄 압력용기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 고형분 분쇄기는 상기 고형분 열분해부로 음식물 폐기물내 고형분을 공급하기 전 1차로 고형분를 분쇄하는 것으로, 일반적으로 사용되고 있는 기계적인 분쇄장치를 모두 포함할 수 있다.
또한, 상기 고형분 미분쇄 압력용기는 상기 고형분 분쇄기에서 1차로 분쇄된 고형분를 공급받아 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 함으로써, 열분해 반응성을 향상시킬 수 있도록 고형분을 2차로 분쇄하는 것이다.
보다 구체적으로는, 상기 고형분 미분쇄 압력용기에서는 상기 고형분 분쇄기에서 분쇄된 고형분을 공급받아 가압 및 가열한 뒤 압력을 급속히 낮추어 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 되도록 한다.
즉, 상기 고형분 분쇄기에서 1차 분쇄된 음식물 폐기물 고형분은 수분을 어느 정도 포함하고 있는데, 상기와 같이 고형분 미분쇄 압력용기 내에서 상기 1차 분쇄된 고형분을 가압 및 가열한 후 압력을 급속히 낮추게 되면, 가열 및 가압되었던 고형분 내부에서 수분이 한순간 폭발하듯이 팽창하면서 1차 분쇄된 고형분을 더욱 미세하게 재분쇄하거나, 재분쇄되지 않더라도 다공질 상태로 부풀게 한다. 이렇게 함으로써, 급속 열분해시 열의 전달이 용이하도록 하여, 급속 열분해 효율을 높일 수 있다.
한편, 상기 고형분 열분해부로 고형분을 투입하는 방식은 스크루와 같은 기계적 방식과 압력을 이용하는 공압 방식을 모두 포함할 수 있다.
상기 고형분 열분해부는 상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 열분해 하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성하는 것으로, 열분해 반응기를 포함하여 구성된다.
이를 위해 상기 고형분 열분해부는 상기 바이오매스 공급부로부터 2차 분쇄된 고형분을 공급받아 열분해를 수행한다.
한편, 상기 열분해 반응기는 모래 등의 열분해 매질과 열분해 대상 물질을 접촉시켜 급속 열분해를 수행하는 급속 열분해 반응기를 사용할 수 있다.
이 경우, 급속 열분해 반응기 하부에는 열전달 매질이 충전되어 있고, 급속 열분해 수행 시 상기 열전달 매질에 열을 가하여 가열된 상태로 유지시킨다. 상기 가열된 열매질 위에 미분쇄된 음식물 폐기물 고형분이 공급되며, 상기 열전달 매질이 공급되어 채워져 있는 곳의 하단에서 캐리어 가스 공급부를 통해 캐리어 가스(carrier gas)가 공급된다.
상기 급속 열분해 반응기 내부로 공급되는 상기 캐리어 가스는 가열된 열전달 매질과 음식물 폐기물 고형분를 유동화 시키고, 이 과정에서 열전달 매질 입자가 고형분 입자와 짧은 시간 접촉하여 열을 전달함으로써 고형분의 열분해가 이루어진다. 이와 같이 열분해를 수행한 후 생성되는 열분해 결과물은 고온의 증기상태로 배출된 후 상기 열분해 결과물 분리부로 이동된다.
한편, 상기 열분해가 수행될 때의 반응온도는 450 내지 550℃ 이며, 바람직하게는 500℃가 적합하다. 또한, 반응압력은 상압을 유지하며 열분해 반응시간은 5초 이내의 급속 열분해 방식을 사용한다. 상기 반응기 내부로 공급되는 캐리어 가스는 산소가 포함되어 있지 않은 불활성 가스(예: 질소 등)를 사용하여야 한다.
참고로, 급속 열분해 반응조건과 이에 대한 제어방법 및 열분해 장치에 일반적으로 사용되는 구성은 통상의 급속 열분해 장치와 다르지 않으며, 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 설명하는 데 반드시 필요한 부분이 아니므로 생략하기로 한다.
또한, 상기 열분해 결과물 분리기는 상기 고형분 열분해부에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리하는 것으로, 열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리하기 위한 적어도 하나 이상의 사이클론을 포함하여 구성된다. 상기 사이클론에서 분리된 바이오 촤는 별도의 바이오 촤 저장부에 저장된다.
열분해 결과물에서 바이오 촤가 제거되고 남는 열분해 가스는 상기 열분해 수용액 추출부 공급되어 냉각 및 응축 공정을 통해 바이오 오일과 열분해 수용액으로 변환된다.
상기 열분해 수용액 추출부는 상기 열분해 결과물 분리부에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득하는 것으로, 상기 고형분 열분해부에서 배출되는 열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화하는 적어도 하나 이상의 응축기를 포함하여 구성되며, 상기 액화된 결과물에서 밀도차를 이용하여 바이오 오일로부터 열분해 수용액을 추출한다. 또한, 상기 열분해 수용액 추출부는 분리된 바이오 오일과 열분해 수용액이 각각 저장되는 저장부를 포함한다.
상기 생성된 바이오 오일은 연료유로 사용될 수 있어, 화석연료를 대체할 수 있으므로 본 발명에 따른 유기산 생산 과정의 경제성을 제고할 수 있다.
또한 상기 고형분 열분해에 의한 바이오 가스를 응축하여 생성된 열분해 수용액은 유기산의 농도가 10~20wt%로 매우 높게 나타나 미생물의 생장을 저해할 수도 있으므로, 바이오 가스를 생성량을 늘리기 위하여는 오히려 유기산의 농도를 낮출 필요가 있다.
한편, 상기 음폐수 발효부는 상기 음식물 폐기물 전처부에서 분리된 음폐수를 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는 것으로, 혐기 발효조를 포함하여 구성된다.
상기 음폐수 발효부는 음폐수 발효시 반응조의 반응온도가 60 내지 70 ℃의 온도로 제어된다.
이렇게 폐열을 이용하여 음폐수 발효조의 온도를 증가시킴으로써, 음폐수의 발효 효율을 높일 수 있어, 전체 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 유기 탄소원 제조부는 상기 열분해 수용액 추출부에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효부에서 생성된 유기산 발효액을 혼합하여 유기 탄소원을 제조하는 것으로, 열분해 수용액과 유기산 발효액이 혼합되는 혼합조를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 유기 탄소원 제조부는 상기와 같이 열분해 수용액과 유기산 발효액을 혼합하여 제조된 유기 탄소원을 증류 및 농축하기 위한 구성을 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 폐열 공급부는 상기 고형분 열분해부에서 발생되는 폐열을 음폐수 발효부에 공급하는 것으로, 상기 고형분 열분해부 및 상기 음폐수 발효부에 각각 적어도 하나 이상씩 구비되는 열교환기를 포함하여 구성된다.
상기 폐열을 회수하는 과정은 상기 고형분 열분해부의 열분해 후의 열분해 가스를 냉각하는 과정에서 발생하는 열로써, 직접적인 열분해 가스를 상기 음폐수 발효부 등에 투입하여 음폐수를 가열하게 함으로써 열을 회수할 수도 있으나, 열분해 가스를 급속히 냉각하여야 하므로, 간접적인 열매체를 통하여 상기 열분해 가스로 부터 열을 회수하고, 상기 열매체를 사용하여 음폐수 발효부 등을 가열하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 발생된 고온가스(열분해부 발생)는 음식물 폐기물 전처리 등에 공급하여 분리된 고형분에서 수분을 일차로 제거하는 데에 사용된다. 이렇게 고형분에서 과량의 수분을 일부 제거하여, 후속적인 고형분의 열분해를 위한 고형분의 이송 및 열분해를 위한 가열이 용이해지며, 열분해시 수분의 함량을 미리 낮춰줌으로써, 열분해 오일의 수율이 높아지며, 에너지 사용량이 낮아진다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법은, 음식물 폐기물 전처리 단계(S101), 고형분 열분해 단계(S102), 열분해 결과물 분리 단계(S103), 열분해 수용액 추출 단계(S104), 음폐수 발효 단계(S105) 및 유기 탄소원 제조단계(S106)를 포함한다.
먼저, 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서는 음식물 폐기물을 전처리하여 고형분과 음폐수로 분리한다. 이때 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서는 적어도 하나 이상의 원심 분리기를 이용하여 음식물 폐기물 내 고형분을 분리한다.
상기 고형분 열분해 단계에서는 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 450 내지 550 ℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 열분해하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성한다.
상기 열분해 결과물 분리 단계에서는 상기 고형분 열분해 단계에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리한다. 이때 상기 열분해 결과물 분리 단계에서는 적어도 하나 이상의 사이클론을 이용하여 열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리한다.
상기 열분해 수용액 추출 단계에서는 상기 열분해 결과물 분리 단계에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득한다. 보다 구체적으로는, 적어도 하나 이상의 응축기를 이용하여 열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화한 후, 상기 바이오 오일과 열분해 수용액의 밀도차를 이용하여, 열분해 수용액을 추출한다.
상기 음폐수 발효 단계에서는 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리되는 음폐수를 혐기 반응조에서 산발효 미생물과 반응시켜 발효하며, 60 내지 70 ℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 발효시켜 유기산 발효액을 생성한다.
이때, 상기 음폐수 발효 단계는 상기 고형분 열분해 단계에서 발생되는 폐열을 음폐수가 발효되는 반응조에 공급하여 음폐수 발효 효율을 향상시킨다.
상기 유기 탄소원 제조단계에서는 상기 열분해 수용액 추출 단계에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효 단계에서 생성된 유기산 발효액을 혼합하여 유기 탄소원을 제조한다.
또한, 본 발명에 따른 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법은, 상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 미분쇄한 후, 가압 및 가열한 뒤 압력을 급속히 낮추어 고형분을 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 한 후 상기 고형분 열분해 단계로 공급하는 고형분 미분쇄 단계를 더 포함할 수도 있다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치
110 : 음식물 폐기물 전처리부
120 : 바이오매스 공급부
130 : 고형분 열분해부
140 : 열분해 결과물 분리부
150 : 열분해 수용액 추출부
160 : 음폐수 발효부
170 : 유기 탄소원 제조부
180 : 폐열 공급부
110 : 음식물 폐기물 전처리부
120 : 바이오매스 공급부
130 : 고형분 열분해부
140 : 열분해 결과물 분리부
150 : 열분해 수용액 추출부
160 : 음폐수 발효부
170 : 유기 탄소원 제조부
180 : 폐열 공급부
Claims (14)
- 음식물 폐기물을 전처리하여 고형분과 음폐수로 분리하는, 음식물 폐기물 전처리 단계;
상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 열분해하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성하는, 고형분 열분해 단계;
상기 고형분 열분해 단계에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리하는, 열분해 결과물 분리 단계;
상기 열분해 결과물 분리 단계에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득하는, 열분해 수용액 추출 단계;
상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리되는 음폐수를 혐기 반응조에서 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는, 음폐수 발효 단계; 및
상기 열분해 수용액 추출 단계에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효 단계에서 생성된 유기산 발효액을 혼합하는 유기 탄소원 제조단계;를 포함하며,
상기 음폐수 발효 단계는, 상기 고형분 열분해 단계에서 발생되는 폐열을 음폐수가 발효되는 반응조에 공급하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 음식물 폐기물 전처리 단계는,
적어도 하나 이상의 원심 분리기를 이용하여 음식물 폐기물 내 고형분을 분리하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열분해 결과물 분리 단계는,
적어도 하나 이상의 사이클론을 이용하여 열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열분해 수용액 추출 단계는,
적어도 하나 이상의 응축기를 이용하여 열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화한 후, 상기 바이오 오일과 열분해 수용액의 밀도차를 이용하여, 열분해 수용액을 추출하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고형분 열분해 단계는,
450 내지 550 ℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 열분해 하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 음폐수 발효 단계는,
60 내지 70 ℃의 온도 조건에서 소정의 시간동안 발효하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 음식물 폐기물 전처리 단계에서 분리된 고형분을 미분쇄한 후, 가압 및 가열한 뒤 압력을 급속히 낮추어 고형분을 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 한 후 상기 고형분 열분해 단계로 공급하는 고형분 미분쇄 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 방법.
- 음식물 폐기물을 고형분과 음폐수로 분리하는, 음식물 폐기물 전처리부;
상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분은 하기 고형분 열분해부로 공급하고, 음폐수는 하기 음폐수 발효부로 공급하는, 바이오매스 공급부;
상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 열분해 반응기에서 열분해하여 열분해 가스와 바이오 촤를 생성하는, 고형분 열분해부;
상기 고형분 열분해부에서 생성된 열분해 가스와 바이오 촤를 분리하는, 열분해 결과물 분리부;
상기 열분해 결과물 분리부에서 분리된 열분해 가스를 냉각 및 응축한 후, 바이오 오일이 제거된 열분해 수용액을 수득하는, 열분해 수용액 추출부;
상기 음식물 폐기물 전처부에서 분리된 음폐수를 혐기 반응조에서 산발효 미생물과 반응시켜 유기산 발효액을 생성하는, 음폐수 발효부;
상기 열분해 수용액 추출부에서 추출된 열분해 수용액과 상기 음폐수 발효부에서 생성된 유기산 발효액을 혼합하는 유기 탄소원 제조부; 및
상기 고형분 열분해부에서 발생되는 폐열을 음폐수 발효부에 공급하는 폐열 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 음식물 폐기물 전처리부는,
음식물 폐기물 내 고형분을 분리하는 적어도 하나 이상의 원심 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 열분해 결과물 분리부는,
열분해 반응 결과물로부터 바이오 촤를 분리하는 적어도 하나 이상의 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 열분해 수용액 추출부는,
열분해 가스를 응축하여 바이오 오일과 열분해 수용액으로 액화하는 적어도 하나 이상의 응축기;를 포함하며, 상기 바이오 오일과 열분해 수용액의 밀도차를 이용하여 열분해 수용액을 추출하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 고형분 열분해부는,
고형분 열분해시 반응온도가 450 내지 550 ℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 음폐수 발효부는,
음폐수 발효시 반응온도가 60 내지 70 ℃의 온도로 제어되는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 바이오매스 공급부는,
상기 음식물 폐기물 전처리부에서 분리된 고형분을 기계적인 분쇄방법을 통해 분쇄하는 고형분 분쇄기; 및 상기 고형분 분쇄기에서 분쇄된 고형분을 공급받아 폭발시키는 방법을 통해 고형분을 미세하게 재분쇄하거나 다공성 상태로 부풀게 하는 고형분 미분쇄 압력용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고품질 고효율 유기 탄소원 제조 장치.
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