KR102434643B1 - 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법 - Google Patents

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 분해하여 배출하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서, 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조와 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 복수의 열 가수분해 반응기와 각 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 감압 탱크와 어느 하나의 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 나머지를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 스팀 정제조와 외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터와 상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리부 및 유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치를 제공한다.

Description

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법{Organic Waste Treatment Apparatus and Method with Improved Energy Consumption Efficiency and Temperature Rising Rate}
본 발명은 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
하·폐수 내 포함된 유기성 폐기물은 혐기성 소화, 탈수 등과 같은 슬러지 감량화 공정으로 처리한다. 그러나 슬러지 등과 같이 복합적이며 단단한 구조로 구성된 유기성 폐기물은 생물학적 분해가 느리거나 어렵다. 또한, 세포 내 내부수, 세포 사이의 간극수 등으로 인해 탈수에 한계가 있다. 상기된 문제점을 해결하고자 기존에는 물리학적, 화학적 또는 2개 이상을 결합한 병합 전처리를 적용하였으나 에너지 소비, 2차 오염 등으로 적용성에 한계가 있었다.
고온과 고압을 이용한 열가수분해는 최근 주목받고 있는 전처리 기술로써, 에너지 소비 문제를 일부 해결하였으며 2차 오염이 발생하지 않아 적용성이 확대되고 있다. 그러나 고온의 열에너지를 사용하기 때문에 에너지를 보존하면서 활용성을 극대화하기 위한 방법과 고압으로 인해 발생할 수 있는 운영 상의 문제를 보완하기 위한 시도들이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 에너지 소비효율과 승온 속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 분해하여 배출하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서, 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조와 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 복수의 열 가수분해 반응기와 어느 하나의 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 스팀 정제조와 외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터와 각 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 감압 탱크와 상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리부 및 유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 열 가수분해 반응기는 각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 환경은 1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 감압탱크는 열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 이젝터는 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물 처리장치가 유기성 폐기물을 분해하여 배출할 수 있도록 처리하는 방법에 있어서, 예열조를 이용해 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열과정과 제1 열 가수분해 반응기를 이용해 상기 예열과정에서 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 가수분해 과정과 스팀 정제조를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 정제과정과 이젝터를 이용해 상기 정제과정에서 분리된 기체 성분을 제2 열 가수분해 반응기로 주입하는 주입과정과 감압탱크를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 감압하여 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 배출과정 및 상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 열 가수분해 반응기 및 제2 열 가수분해 반응기는 각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 환경은 10 내지 20bar의 압력과 100 내지 200℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 감압탱크는 열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 이젝터는 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 주입과정은 상기 정제과정에서 분리된 기체 성분과 함께 외부에서 유입되는 스팀을 제2 열 가수분해 반응기로 주입하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 후처리하기 위해 열 가수분해반응을 수행함에 있어, 에너지 효율과 처리속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 4 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치(100)는 예열조(110), 복수의 열 가수분해 반응기(120), 감압탱크(130), 스팀 정제조(140), 이젝터(150), 후처리부(160) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
예열조(110)는 처리될 유기성 폐기물을 유입받아, 예열시킨다. 후술할 열 가수분해 반응기(120)는 상대적으로 고온 및 고압의 조건에서 유기성 폐기물을 가수분해한다. 이에, 상대적으로 많은 열 에너지가 소비되어야 하는데, 이를 방지하기 위해, 처리과정 상에서 열 가수분해 반응기(120)의 전단에 예열조(110)가 배치되어, 가수분해될 유기성 폐기물을 예열한다.
예열조(110)는 별도의 열원으로부터 열 에너지(주로, 스팀 형태)를 인가받는 것이 아니라, 후술할 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들을 유입받는다. 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들은 일정한 온도를 갖는다. 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들이 외부로 배출(Vent)되는 것보다는 예열조(110)로 반송되어 예열에 이용되도록 한다. 이에 따라, 예열조(110)는 별도의 열원으로부터 열 에너지를 인가받을 필요없이, 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분에 의해 유입되는 유기성 폐기물을 예열시킬 수 있어 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
열 가수분해 반응기(120)는 예열조(110)로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 열 가수분해한다. 열 가수분해 반응기(120)는 유기성 폐기물을 열 가수분해하여, 후술할 후처리부(160)에서 원활히 후처리되어 외부로 배출될 수 있도록 한다.
열 가수분해 반응기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 동작한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 열 가수분해 반응기(120)로 예열된 유기성 폐기물이 투입된다. 유기성 폐기물이 투입되면, 열 가수분해 반응기(120)에서 열 가수분해 반응이 일어날 수 있도록 기 설정된 환경이 조성되어야 한다. 기 설정된 환경은 1 내지 23bar의 압력 하에서 100 내지 220℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 보다 구체적으로, 기 설정된 환경은 5 내지 20 bar 내외의 압력 하에서 160 내지 210℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 이때, 열 가수분해 반응기(120)가 기 설정된 온도 환경을 확보할 수 있도록 외부로부터 열 에너지가 인가된다. 기 설정된 환경, 특히, 충분한 승온이 일어나 온도 조건이 갖추어지면, 열 가수분해 반응기(120) 내에서 열 가수분해 반응이 일어난다. 열 가수분해 반응은 기 설정된 시간(예를 들어, 수십분)동안 진행되며, 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 성분은 감압탱크(130)로 배출된다. 열 가수분해 반응기(120)는 이처럼 동작하며 유기성 폐기물을 열 가수분해한다.
다시 도 1을 참조하면, 열 가수분해 반응기(120)는 복수 개로 구현될 수 있다. 어느 하나의 열 가수분해 반응기(120)에서 열 가수분해 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(140)로 배출된다. 전술한 대로, 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분은 예열조(110)로 유입되는 한편, 후술할 스팀 정제조(140)에서도 감압탱크(130)와 유사하게, 기체 성분(스팀) 내 포함되어 있을 수 있는 액체 성분을 분리한다. 스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분은 다른 열 가수분해 반응기(120)로 유입되어 열 가수분해를 위한 온도 조성을 보조한다. 이는 복수의 열 가수분해 반응기(120a 내지 120d)들이 각각 도 3에 도시된 바와 같이 동작하기에 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
각 열 가수분해 반응기(120a 내지 120d)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 동작하되, 서로 시간 차를 두고 동작을 수행한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 가수분해 반응기(120a)가 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받아 승온을 하고 있는 과정에 진입하였을 경우, 비로소, 열 가수분해 반응기(120b)는 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 열 가수분해 반응기(120c)는 열 가수분해 반응기(120a)가 유기성 폐기물을 열 가수분해하기 시작할 시점에 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있으며, 열 가수분해 반응기(120d)는 반응이 완료된 생성물을 외부로 배출하는 시점에 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 이처럼 동작할 경우, 전술한 대로, 어느 하나의 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되어 정제된 기체 성분(스팀)은 승온 중인 다른 하나의 열 가수분해 반응기로 유입됨으로서, 승온을 위해 필요한 열 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 이처럼 열 가수분해 반응기(120)는 열 가수분해 반응을 위해 필요한 열량 중 일부를 다른 열 가수분해 반응기(120)에서 생성된 기체 성분으로부터 확보할 수 있어, 버려지는 에너지를 최소화하고 승온을 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
열 가수분해 반응기(120)는 내부에 압력 센서를 포함하여, 제어부(미도시)의 제어에 따라 열 가수분해 반응에 의한 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로 분리배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 반응기 내부의 압력을 센싱하여, 감압탱크(130)에서 분리되어 예열조(110)로 반송됨으로서 예열조(110)를 예열시키는 데 충분한 양을 제외한 나머지 기체 성분은 모두 스팀 정제조(140)로 분리배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 센싱을 수행함으로서, 정확히 예열에 필요한 양 이외의 나머지는 스팀 정제조(140)로 배출하여 다른 열 가수분해 반응기를 승온시킬 수 있도록 한다. 종래에는 전량 감압탱크(130)로 배출되었으며, 기체 성분이 예열조로 모두 반송되어 예열에 사용된다 하더라도 예열에 필요한 양 이상이 반송되었기에 예열에 사용된 나머지 기체 성분은 모두 배출되어 버려졌다.
또는, 열 가수분해 반응기(120)는 내부 압력을 센싱하여 반응기 내 비정상적으로 과도하게 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되었는지를 센싱한다. 반응기 내에 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 열 가수분해 반응기(120)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, 압력이 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 모두 스팀 정제조(140)로 배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 일정량의 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출함으로서, 열 가수분해 반응기의 폭발 위험을 방지하고, 열을 회수하여 다른 열 가수분해 반응기의 가열에도 이용할 수 있다.
감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120) 내에서 열 가수분해 반응이 완료되어 생성된 생성물 중 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리시킨다. 열 가수분해 반응으로 생성된 생성물 중 액체 성분만이 후처리되어 배출될 성분에 해당하며, 기체 성분은 후처리와 무관한 성분에 해당한다. 따라서, 해당 성분을 분리하여 예열에 이용할 수 있도록, 감압탱크(130)는 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리한다. 감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120)로부터 상대적으로 낮은 압력을 갖는다. 감압에 의해 생성물들의 온도는 하강하게 되어, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 낮은 성분들은 기체 상태를 유지하되, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 높은 성분들은 액체성분으로 액화된다. 이처럼, 감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120)와 압력 차이를 발생시켜, 일정한 성분들을 액체 상태로, 나머지 성분들을 기체 상태로 만든다. 감압탱크(130)는 분리된 기체 성분은 예열조(110)로 반송하고, 액체 성분은 후처리부(160)로 전송한다.
스팀 정제조(140)는 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되는 기체 성분 중 일부를 유입받아 액체 성분을 정제한다. 열 가수분해 반응기(120)는 상대적으로 높은 압력을 갖는 상태이기 때문에, 반응기(120)에서 기체 성분만이 배출된다 하더라도 배출된 후에 액체 성분이 모두 생성되거나, 높은 압력에서 기체 성분이 배출되면서 액체 성분이 동반하여 배출될 수 있다. 이에, 스팀 정제조(140)는 기체 성분과 액체 성분을 각각 분리하여, 액체 성분은 감압탱크(130)로, 기체 성분은 예열된 유기성 폐기물이 유입될 다른 열 가수분해 반응기로 전송한다. 스팀 정제조(140)가 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리하는 것은 다음과 같다. 열 가수분해 반응기(120)에서 생성된 생성물 중 액체 성분은 이미 열 가수분해 반응을 마친 성분에 해당한다. 이와 같은 액체 성분이 다시 열 가수분해 반응기로 투입되어 열 가수분해 반응을 거치게 될 경우, 비효율에 해당하며 에너지 소비 측면에서도 낭비에 해당한다. 또한, 유기성 폐기물은 예열조(110)로부터 특정 열 가수분해 반응기(120)로 투입됨에 있어, 열 가수분해 반응기(120)에서 열 가수분해 반응이 원활히 이뤄질 수 있도록 하는 적정량이 투입된다. 이때, 다른 열 가수분해 반응기에서 생성된 생성물 중 액체 성분이 해당 열 가수분해 반응기로 유입될 경우, 적정량 이상이 해당 열 가수분해 반응기에 유입되게 된다. 이는 비효율적인 열 가수분해 반응을 불러일으키며, 적정량 이상의 열 에너지를 소비하게 하는 원인이 된다. 이러한 문제들을 방지하기 위해, 스팀 정제조(140)는 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되는 생성물 내에서 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 각각을 서로 다른 구성으로 전송한다.
스팀 정제조(140)는 기체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있다면, 어떠한 형태나 구조로 구현되어도 무방하다.
이젝터(150)는 압력차와 무관하게 스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분과 외부에서 특정 열 가수분해 반응기의 승온을 위해 인가되는 스팀(열 에너지)을 특정 열 가수분해 반응기(120)로 동시에 주입시킨다. 스팀(열 에너지)를 열 가수분해 반응기로 인가하는 외부 장치는 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(140)는 상대적으로 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 열 가수분해 반응기(120c)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(140)에서 기체 성분이 온전히 열 가수분해 반응기(120c)로 인가되지 못하는 문제가 발생하게 된다. 심지어, 외부에서 열 가수분해 반응기(120c)로 인가된 열 에너지(스팀)이 오히려 스팀 정제조(140) 쪽으로 배출되는 문제가 발생할 수도 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 이젝터(150)는 외부에서 열 가수분해 반응기로 스팀(열 에너지)를 인가하는 경로와 스팀 정제조(140)에서 열 가수분해 반응기로 기체 성분을 인가하는 경로의 교점에 배치된다. 이젝터(150)는 각 경로로 제공되는 스팀과 기체 성분을 인가받되, 압력차와 무관하게 각 성분들이 열 가수분해 반응기(120c)로 인가될 수 있도록 한다. 나아가, 이젝터(150)는 외부에서 열 가수분해 반응기로 스팀이 분사되는 압력에 따라 함께 스팀 정제조(140)로부터 배출되는 기체 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 인가될 수 있도록 한다. 이에, 이젝터(150)는 열 가수분해 반응기로부터 기체 성분 등이 스팀 정제조(140)로 배출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 스팀 정제조(140)로부터 기체 성분의 배출 속도까지 향상시킬 수 있다.
후처리부(160)는 열 가수분해 반응을 거친 생성물을 배출하기에 문제없는 형태로 후처리한다. 예를 들어, 후처리부(160)는 혐기소화조로 구현되어 혐기소화를 진행한 후 소화된 성분을 배출할 수 있으며, 탈수기로 구현되어 탈수를 진행한 후 탈수된 성분을 배출할 수 있다.
제어부(미도시)는 유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 예열조(110)로 처리되어야 할 유기성 폐기물이 유입되도록 제어하며, 유기성 폐기물을 예열시키기 위해 예열조(110)로 분리된 기체 성분(130)을 반송하도록 감압탱크(130)를 제어할 수 있다.
제어부(미도시)는 예열조(110)에서 예열된 유기성 폐기물이 일 열 가수분해 반응기(예를 들어, 120a)로 이송되도록 제어한다. 이송된 후, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a)에서 열 가수분해 반응이 일어날 수 있도록, 이젝터(150)를 제어하여 외부에서 스팀과 다른 열 가수분해 반응기(예를 들어, 120c)에서의 생성물로부터 분리된 기체 성분(스팀)을 열 가수분해 반응기(120a)로 단시간 내 유입시킨다. 이에 따라, 열 가수분해 반응기(120a)에서 열 가수분해 반응이 일어난다.
이때, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단한다. 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인 경우라면, 열 가수분해 반응이 이상없이 진행되고 있는 상황에 해당한다. 반면, 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치를 초과할 경우, 비정상적으로 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되어 반응기(120)에 이상이 발생할 수도 있는 상황에 해당한다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기 내 압력이 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출시킨다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a) 내 이상을 해소한다.
열 가수분해 반응기(120a) 내에서 열 가수분해 반응이 기 설정된 시간 동안 진행된 경우, 제어부(미도시)는 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출한다. 이때, 기체 성분을 배출함에 있어서, 제어부(미도시)는 감압탱크(130)에서 분리되어 예열조(110)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외에는 모두 스팀 정제조(140)로 배출시킨다. 이에 따라, 예열에 필요한 기체 성분 외에 나머지 기체 성분은 외부로 배출됨 없이 모두 다른 열 가수분해 반응기를 가열하는데 사용될 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제어부(미도시)는 감압 탱크(130)가 기체 성분과 액체 성분을 분리하도록 제어하고, 기체 성분을 예열조(110)로, 액체 성분을 후처리부(160)로 배출하도록 제어한다.
이와 동시에, 나머지 열 가수분해 반응기(120b 내지 120d)도 순서에 따라 동작하도록 병렬적으로 제어한다. 제어부(미도시)가 각 열 가수분해 반응기들의 동작을 제어하는 과정은 도 4 내지 9를 참조하여 후술한다.
제어부(미도시)가 이와 같이 각 구성들을 제어함에 따라, 버려지는 열 에너지원 없이 최대한 열 에너지원을 재활용함으로서, 별도의 열원으로부터 열 에너지의 인가를 최소화할 수 있다.
도 4 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다. 도 4 내지 9에 유기성 폐기물 처리장치(100)가 최초로 유기성 폐기물이 유입받아 처리하며, 그 후 처리하는 과정을 상세히 도시하였다.
도 4를 참조하면, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 예열조(110)로 (최초로) 유기성 폐기물이 유입되어 예열된다.
도 5를 참조하면, 예열된 유기성 폐기물은 일 열 가수분해 반응기(120a)로 유입되며 외부에서 이젝터(150)를 거친 열 에너지(스팀 형태)를 (최초로) 인가받아 승온한다.
도 6을 참조하면, 열 가수분해 반응기(120a)에 특별한 이상이 발생하지 않을 경우, 열 가수분해 반응기(120a)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 감압탱크(130)에서 분리되어 예열조(110)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외의 나머지 기체성분은 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출헌다. 열 가수분해 반응기(120a) 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우, 내부 압력이 기 설정된 기준치 이하로 내려갈 때까지, 열 가수분해 반응기(120a)는 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출하고, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출한다.
도 7을 참조하면, 예열조(110)로 유기성 폐기물이 유입되어 반송된 기체 성분에 의해 예열되며, 예열된 유기성 폐기물이 열 가수분해 반응기(120c)로 유입된다.
도 8을 참조하면, 스팀 정제조(140)에서 분리된 액체성분은 감압탱크(130)로, 기체성분은 열 가수분해 반응기(120c)로 유입된다, 이와 함께 외부로부터 열 에너지(스팀 형태)가 인가되며 열 가수분해 반응기(120c)가 승온하게 된다.
이때, 이젝터(150)가 각 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 주입되는 경로에 위치하기 때문에, 압력차이로 인해 기체 성분과 열 에너지가 각각 순차적으로 주입될 필요없이 순서와 무관하게 생성되는 대로 열 가수분해 반응기(120c)로 주입될 수 있다. 또한, 이젝터(150)에 의해, 보다 신속하게 기체 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 주입될 수 있다.
도 9를 참조하면, 감압탱크(130)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 분리한 액체성분을 후처리부(160)로 전송하고, 분리한 기체성분을 예열조(110)로 반송하여 예열에 필요한 열 에너지를 제공한다.
스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 유입됨에 따라, 외부에서 인가되는 열 에너지량이 기체 성분만큼 감소할 수 있다. 이처럼 승온된 열 가수분해 반응기(120c)에서 열 가수분해 반응이 진행되며, 다시 도 6 내지 9의 과정이 반복되어 처리될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리방법을 도시한 순서도이다.
예열조(110)에서 예열된 유기성 폐기물이 제1 열가수분해 반응기(120)로 유입된다(S1010).
제1 열가수분해 반응기(120)에서 발생한 기체 성분 중 일부는 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 분리배출된다(S1020).
기체성분을 공급받은 예열조(110)는 유기성 폐기물을 예열하여 제2 열가수분해 반응기(120)로 유입시킨다(S1030).
스팀 정제조(140)에서 기체성분과 액체성분을 분리하여, 기체 성분을 제2 열가수분해 반응기(120)로, 액체성분을 감압탱크(130)로 공급한다(S1040).
감압탱크(130)에서 기체 성분과 액체 성분을 분리하여, 기체 성분을 예열조(110)로, 액체 성분을 후처리부(160)로 공급한다(S1050).
기체 성분을 공급받은 제2 열가수분해 반응기(120)는 추가적으로 외부에서 열 에너지를 공급 순서와 무관하게 공급받아 열 가수분해 반응을 진행하며 다시 S1020 과정을 반복한다.
후처리부에서 감압탱크에서 배출된 액체 성분을 후처리한다(S1060).
도 10에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각각의 도면에 기재된 과정의 순서를 변경하여 실행하거나 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 10에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 특허는 대한민국 정부(환경부)의 제원으로 환경산업기술원의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다(과제번호: 2020003170009, 과제명: 바이오가스 증산/슬러지 감량화 및 최적 반류수 처리 시스템의 사업화).
100: 유기성 폐기물 처리장치
110: 예열조
120: 열 가수분해 반응기
130: 감압탱크
140: 스팀 정제조
150: 이젝터
160: 후처리부

Claims (11)

  1. 유기성 폐기물을 분해하여 배출하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서,
    처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조;
    상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 복수의 열 가수분해 반응기;
    각 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 감압 탱크;
    어느 하나의 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 스팀 정제조;
    외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터;
    상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리부; 및
    유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
    각 열 가수분해 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 열 가수분해하되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    기 설정된 환경은,
    1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감압탱크는,
    열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이젝터는,
    상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  6. 유기성 폐기물 처리장치가 유기성 폐기물을 분해하여 배출할 수 있도록 처리하는 방법에 있어서,
    예열조를 이용해 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열과정;
    제1 열 가수분해 반응기를 이용해 상기 예열과정에서 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 가수분해 과정;
    감압탱크를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 감압하여 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 배출과정;
    스팀 정제조를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 제2 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압탱크로 배출하는 정제과정;
    이젝터를 이용해 상기 정제과정에서 분리된 기체 성분을 제2 열 가수분해 반응기로 주입하는 주입과정; 및
    상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리과정을 포함하며,
    상기 유기성 폐기물 처리장치는 복수의 열 가수분해 반응기를 포함하고,
    각 열 가수분해 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 열 가수분해하되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기 설정된 환경은,
    1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 감압탱크는,
    열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 이젝터는,
    상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 주입과정은,
    상기 정제과정에서 분리된 기체 성분과 함께 외부에서 유입되는 스팀을 제2 열 가수분해 반응기로 주입하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
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