KR102505123B1 - 에너지 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템 - Google Patents
에너지 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
에너지 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 저장하는 저류조, 상기 저류조의 유기성 폐기물을 유입받아 유기물을 소화시키고 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 유기성 폐기물을 1차 탈수하는 탈수기, 상기 탈수된 유기성 폐기물을 유입받아 수열탄화 시키는 수열탄화 장치 및 상기 수열탄화 장치로부터 배출되는 수열탄화 생성물을 2차 탈수하는 필터프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 저장하는 저류조, 상기 저류조의 유기성 폐기물을 유입받아 유기물을 소화시키고 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 유기성 폐기물을 1차 탈수하는 탈수기, 상기 탈수된 유기성 폐기물을 유입받아 수열탄화 시키는 수열탄화 장치 및 상기 수열탄화 장치로부터 배출되는 수열탄화 생성물을 2차 탈수하는 필터프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 에너지 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
유기성 폐기물의 직매립 금지, 해양투기 금지와 같은 제도 개정으로 인해, 유기성 폐기물의 감량, 재활용 및 유기성 폐기물을 활용한 바이오 가스 생산에 대한 관심이 급증하고 있다.
혐기성 소화는 유기성 폐기물의 감량화, 안정화에 매우 적합한 처리 방법이며, 특히, 혐기성 소화 과정에서 생성되는 메탄(CH4) 가스는 또 다른 에너지원으로 이용할 수 있기에 혐기성 소화는 환경 친화적인 공정으로 유기성 폐기물 처리에 매우 유용하다.
그러나 혐기성 소화를 거친 소화물은 여전히 혐기성 소화조에서 생산된 바이오매스를 포함하고 있으며, 이러한 바이오매스들은 세포 내 내부수, 세포 사이의 간극수 등으로 인해 기계적 탈수를 이용한 감량에 있어 한계를 갖는다.
이러한 슬러지 감량과 관련하여, 소화조에서 생성된 바이오매스를 처리하기 위해 추가적인 감량화 처리를 적용하는 것에 관하여 최근 주목하고 있으며, 특히 고온과 고압을 이용한 수열탄화의 적용이 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 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치를 혐기성 소화조의 후단에 연계시킴으로써, 최종적으로 발생되는 슬러지의 양을 최소화하여 유기성 폐기물의 최종 처리 비용을 절감할 수 있는 유기성 폐기물의 처리 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 혐기성 소화슬러지가 수열탄화 반응과 필터프레스에 의한 탈수 과정을 거치면서 발생되는 탈리액을 혐기성 소화조로 반송하여 바이오가스를 증산할 수 있는 바이오가스 증산 시스템을 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 수열탄화 장치의 에너지 소비효율을 향상시킨 유기성 폐기물의 감량 시스템으로, 시스템 내에서 열에너지를 재사용하여 시스템의 에너지 소비량을 절감한 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 혐기성 소화를 거친 슬러지 탈리액에 포함된 고농도의 질소 성분을 제거하기 위한 질소 제거 장치를 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템 내에 포함시킴으로써, 소화탈리액이 연계되는 처리 계통에 가중되는 충격 부하를 저감시키는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 유입받아 저장하는 저류조와, 상기 저류조의 유기성 폐기물을 유입받아 유기물을 소화시키고 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조, 상기 혐기성 소화조에서 배출되는 유기성 폐기물을 1차 탈수하는 탈수기, 상기 탈수된 유기성 폐기물을 유입받아 수열탄화 시키는 수열탄화 장치 및 상기 수열탄화 장치로부터 배출되는 수열탄화 생성물을 2차 탈수하는 필터프레스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 수열탄화 장치는 상기 탈수기에서 배출된 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조, 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 수열탄화하는 복수의 수열탄화 반응기, 각 수열탄화 반응기에서 수열탄화된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 기체 외의 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 나머지 생성물을 배출하는 감압탱크와, 어느 하나의 수열탄화 반응기에서 수열탄화된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 수열탄화 반응기로, 액체 성분을 상기 감압탱크로 배출하는 스팀 정제조, 상기 감압탱크에서 배출되는 수열탄화 생성물을 유입받아 기 설정된 온도로 냉각시킨 후, 상기 필터프레스로 공급하는 열교환기 및 상기 수열탄화 장치 내의 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 각 수열탄화 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 수열탄화시키되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제어부는 어느 하나의 수열탄화 반응기 내 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 상기 스팀 정제조로 기체 성분의 일부를 배출하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 환경은 5 내지 64 bar의 압력과 150 내지 280℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 수열탄화 장치는 외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 수열탄화 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 열교환기는 상기 수열탄화된 생성물을 냉각시킴에 따라 발생되는 승온된 냉각수를 상기 수열탄화 장치에 스팀을 공급하는 보일러로 합류시키거나, 상기 혐기성 소화조를 가온시키는 보일러의 급수용수에 합류시켜 에너지 소비량을 절감시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터프레스는 상기 수열탄화 생성물의 탈수시 배출되는 탈리액을 상기 저류조로 배출시켜, 혐기성 소화에 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 유기성 폐기물은 하·폐수 처리장치에서 발생되는 농축슬러지, 음식물류 폐기물, 음폐수, 가축분뇨 슬러지 및 이들 중 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템은 소화탈리액 처리장치를 더 포함하여 상기 탈수기에서 배출되는 탈리액 내의 질소 성분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 소화탈리액 처리장치는 상기 소화 탈리액을 유입받아 부분 아질산화를 수행하는 부분 아질산화 반응조, 부분 아질산화 반응조조에 존재하는 침강성이 저하된 슬러지를 유입받아 암모늄 산화 박테리아(AOB) 그래뉼을 생성하는 AOB 그래뉼 생성조, 부분 아질산화 반응조의 처리수를 유입받아 저류하면서, 처리수로부터 고형물을 침전 제거하는 중간저장조 및 상기 중간저장조로부터 처리수를 공급받아 혐기성 암모늄 산화(Anammox) 반응에 의해 질소 성분을 제거하는 아나목스(Anammox) 반응조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 혐기성 소화를 거친 소화슬러지를 후단에서 수열로 가용화하고 필터프레스로 탈수함으로써, 후속 건조를 위한 에너지 소비량 또는 최종 처분을 위한 처리비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 수열탄화 장치에서 발생되는 열에너지를 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템 내에서 재이용하여 시스템의 에너지 소비효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템의 공정도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 수열탄화 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 5 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열탄화 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 수열탄화 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 5 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열탄화 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
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 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)(이하에서 ‘시스템(100)’이라 한다)은 제1 저류조(110), 혐기성 소화조(120), 제2 저류조(130), 탈수기(140), 케익 저장조(150), 수열탄화 장치(160), 필터프레스(170) 및 소화탈리액 처리장치(180)를 포함한다.
제1 저류조(110)는 외부로부터 반입된 유기성 폐기물과 필터프레스(170)에서 배출되는 탈리액을 공급받아, 혐기성 소화조(120)로 투입되기 전까지 저류한다.
한편, 외부로부터 반입되는 유기성 폐기물은 하·폐수 처리장치에서 발생되는 농축슬러지, 전처리가 수행된 음식물류 폐기물, 음폐수 및 가축분뇨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이러한 유기성 폐기물은 후단에서의 효과적인 혐기성 소화를 위해, 제1 저류조(110)로 유입되기 전 별도의 전처리가 수행될 수 있다.
일 예로, 하·폐수 처리장치에서 발생되는 슬러지는 농축기를 통해 4~5% 정도의 총 고형물 농도(Total Solid, TS)를 갖도록 농축된 상태로 제1 저류조(110)로 이송될 수 있다. 음식물류 폐기물은 파쇄선별, 비중선별 및 미세파쇄 등을 통해 소화 불가능한 성분을 제거하고 소화를 위한 적정 크기로 파쇄된 상태로 제1 저류조(110)로 이송될 수 있다. 가축분뇨 슬러지의 경우는 협잡물 제거 후 제1 저류조(110)로 이송될 수 있다. 또한, 2종 이상의 유기성 폐기물을 혼합하여 처리하는 경우에도 각 폐기물에 따른 전처리를 개별적으로 수행 후 제1 저류조(110)에서 혼합할 수 있으나, 유기성 폐기물의 전처리 방법은 이에 한정되지 않는다.
혐기성 소화조(120)는 제1 저류조(110)로부터 유기성 폐기물과 필터프레스(170)의 탈리액이 혼합된 폐기물을 공급받아 소화시켜 유기성 폐기물을 감량 및 안정화시키며, 기체 생성물(바이오가스)과 소화슬러지를 생성한다.
혐기성 소화조(120)는 혐기성 미생물의 작용에 의해 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생성하고, 유기물을 분해시킨다. 혐기성 소화조(120)에서 발생한 바이오가스는 바이오가스 정제시설을 거쳐 이용설비로 공급되어 전력을 생산하거나, 열 에너지 형태로 재이용된다. 혐기성 소화조(120)에서 생성된 소화슬러지는 제2 저류조(130)로 배출된다.
제2 저류조(130)는 혐기성 소화조(120)에서 발생된 소화슬러지를 공급받아 탈수기(140)에서 1차 탈수되기 전까지 일시적으로 저장한다. 또한, 제2 저류조(130)는 후단의 소화탈리액 처리장치(180)에서 배출되는 잉여 슬러지를 더 공급받아, 소화슬러지와 함께 탈수기(140)로 배출되기 전까지 저장할 수 있다.
탈수기(140)는 제2 저류조(130)의 소화슬러지와 잉여슬러지의 혼합물을 공급받아 1차로 수분을 제거한다. 탈수기(140)는 슬러지 혼합물을 탈수된 케익과 탈리액으로 분리하여, 케익은 케익 저장조(150)로, 탈리액은 소화탈리액 처리장치(180)로 배출한다.
탈수기(140)는 기계적 탈수기이며, 일 예로 원심 탈수기일 수 있다. 탈수기(140)에서 1차로 탈수된 유기성 폐기물(슬러지)은 대략 78% 내외의 함수율을 갖는다. 탈수기(140)에서 1차 탈수된 유기성 폐기물은 수열탄화 장치(160)로 배출되어, 유기성 폐기물의 감량을 위한 후처리(수열탄화)가 실시된다.
또한, 탈수기(140)에서 배출되는 탈리액은 소화탈리액 처리장치(180)로 이송되어 질소 성분을 제거하는 후처리가 적용된다.
케익 저장조(150)는 탈수기(140)에서 1차 탈수된 유기성 폐기물을 공급받아 수열탄화 장치(160)로 이송하기 전까지 일시적으로 저류한다.
수열탄화 장치(160)는 케익 저장조(150)의 유기성 폐기물을 공급받아, 유기성 폐기물을 수열탄화(Hydrothermal Carbonization, HTC)하여 수열탄화 생성물을 필터프레스(170)로 배출한다.
수열탄화는 폐쇄형 반응기의 닫힘계(Closed System)에서 외부 열원에 의해 반응기를 승온시키면 150 내지 280℃의 범위에서 열수(Hot Water)에 의해 고형물의 유기물 일부가 분해되고, 수분의 증발 없이 탄화 반응이 진행되는 것이다. 이 과정에서 탈카르복실화(Decarboxylation) 반응과 탈수(Dehydration) 반응이 유도되고, 탄소 고정을 통해 고형연료의 에너지 밀도가 높아지며, 소수성화로 인해 탈수성이 개선될 수 있다.
수열탄화 장치(160)는 유기성 폐기물을 기 설정된 온도 및 압력 하에서 폐기물의 세포벽을 파괴하고 내부수를 배출시킴에 따라 폐기물의 탈수성을 향상시키며, 고분자 물질을 저분자 물질로 분해한다. 따라서, 유기성 폐기물의 수열탄화 처리는 후단의 필터프레스(170)에서의 수분 제거율을 더욱 향상시킨다.
수열탄화 장치(160)의 구체적인 구성 및 동작 순서는 도 2 내지 11을 참조하여 후술하기로 한다.
필터프레스(170)는 수열탄화 장치(160)에서 배출되는 수열탄화 생성물을 공급받아 고액 분리하여 탈리액은 제1 저류조(110)로, 탈수된 케익은 최종 처분을 위해 배출시킨다.
필터프레스(170)에서 배출되는 탈수 케익은 처분 방식에 따라 건조 후 연료화에 사용되거나, 외부로 반출되어 위탁 처리될 수 있다. 수열탄화 생성물을 필터프레스(170)에서 탈수한 후 배출되는 탈수 케익의 함수율은 45% 이하이다.
필터프레스(170)는 압입여과 및 압착 방식으로 탈수를 수행하며, 적은 부지면적에서 간편하게 설치되어 일반적인 기계식 탈수기 대비 낮은 함수율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
필터프레스(170)는 회분식(Batch)으로 운전되고, 대상물의 투입, 압입여과에 의한 1차 고액분리, 고압 스퀴징에 의한 탈수 및 분리된 케익 탈리의 순서로 동작한다. 이때, 수열탄화된 생성물을 필터프레스(170)로 투입하기 위해 별도의 저류조(미도시)가 수열탄화 장치(160)와 필터프레스(170)의 사이에 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 필터프레스는 통상의 기계식 탈수기들 가운데 가장 낮은 함수율을 달성할 수 있다. 일반적으로 필터프레스만으로 1차 탈수된 슬러지(함수율 80% 정도)를 탈수하는 경우, 배출되는 탈수 케익의 함수율은 55~65% 수준이다.
그러나 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 수열탄화 장치(160)와 필터프레스(170)를 순차적으로 배치하여 혐기성 소화를 거친 유기성 폐기물을 수열탄화시켜 탈수성을 향상시킨 상태로 감량 처리하기 때문에, 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)에서 배출되는 최종 탈수 케익은 45% 이하의 함수율을 갖는다. 그 결과, 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 배출되는 폐기물의 양을 75% 이상 감량할 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(100)에서는 혐기성 소화슬러지가 수열탄화되어 고분자 유기물질들이 저분자 유기물질로 전환되면서, 폐기물의 탈수성과 생분해도가 향상된다. 따라서, 필터프레스(170)의 고액분리 과정에서 배출되는 탈리액은, 생분해 가능한 용존성 유기물질을 다량 함유하고 있다.
이러한 탈리액은 제1 저류조(110)로 반송되어 혐기성 소화조(120)에서 다시 소화처리에 사용되어 바이오가스로 전환되고, 그 결과 혐기성 소화조(120)의 바이오가스 생산량은 탈리액을 반송하지 않은 경우 대비 20% 이상 증산될 수 있다.
소화탈리액 처리장치(180)는 탈수기(140)에서 소화슬러지 등의 혼합 슬러지를 1차 탈수한 탈리액을 공급받아, 탈리액 내 질소 성분을 제거하여 처리수를 배출한다. 소화탈리액 처리장치(180)에서 배출되는 처리수는 후단에서 별도로 후처리 하거나, 하·폐수 처리장치 등 다른 수처리장치로 연계시켜 처리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(100)은 필터프레스(170)의 탈리액을 회수하여 혐기성 소화조(120)에서 바이오가스로 전환하므로, 혐기성 소화조(120) 후단의 탈수기(130)에서 발생하는 탈리액은 저농도의 유기물질과 고농도의 질소성분을 함유하고 있다.
탈리액의 질소성분은 탈리액이 하·폐수 처리장치로 연계 처리 시 하·폐수 처리장치의 처리수질에 영향을 미칠 수 있고, 직접 방류도 쉽지 않다. 따라서, 소화탈리액 처리장치(180)는 탈리액에 대하여 질소의 제거를 수행하고, 그 처리수를 하·폐수 처리장치로 반류시키거나 방류한다.
또한, 소화탈리액 처리장치(180)는 탈리액의 질소 처리과정에서 잉여슬러지를 배출하는데, 소화탈리액 처리장치(180)의 잉여슬러지는 제2 저류조(130)로 다시 회수되어 탈수기(140)와 수열탄화 장치(160)에서 재처리 된다.
소화탈리액 처리장치(180)의 구체적인 구성은 도 12에서 후술하기로 한다.
전술한 바와 같이, 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 혐기성 소화조(120)의 후단에 수열탄화 장치(160)와 필터프레스(170)를 순차적으로 배치함으로써, 시스템(100)에서 배출되는 탈수 케익의 함수율을 45% 이하(35 내지 45%)로 낮출 수 있다.
통상 하·폐수 공정에서 배출되는 1차 탈수된 슬러지의 함수율은 80% 이상이며, 건조기만을 사용하여 슬러지의 함수율 10% 이하로 낮추기 위해서는 상당한 열에너지가 소비된다. 그러나 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 함수율 45% 이하의 탈수 케익을 생성하므로, 탈수 케익의 건조에 소요되는 열에너지 소비량을 절감할 수 있다.
나아가, 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 필터프레스(170)에서 배출되는 탈리액을 혐기성 소화조(120)로 반송하여 바이오가스 생산에 추가적인 유기물원으로 사용하기 때문에, 혐기성 소화만을 단독으로 실시하는 경우 대비 혐기성 소화조(120)에서의 바이오 가스 발생량도 20% 이상 증가시킬 수 있다.
즉, 유기성 폐기물 감량 및 바이오가스 증산 시스템(100)은 수열탄화 장치(160)에서 생물학적 난분해성 물질들이 파괴되고 생분해도가 향상된 유기성 물질이 다시 전단의 혐기성 소화조(120)로 반송됨에 따라, 혐기성 소화조(120)의 바이오가스 생산량이 일반 혐기성 소화 시스템(혐기성 소화 단독 처리)보다 향상될 수 있다.
또한, 시스템(100)은 소화탈리액 처리장치(180)를 더 포함하여 혐기성 소화조(120)를 거치면서 발생된 고농도의 질소 성분을 포함한 탈리액을 처리함으로써, 탈리액이 연계 처리되는 하·폐수 처리장치의 처리수질에 대한 영향을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치(160)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 장치(160)는 예열조(210), 이송 펌프(215), 복수의 수열탄화 반응기(220), 감압탱크(230), 스팀 정제조(240), 열교환기(250) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
예열조(210)는 처리될 유기성 폐기물을 케익 저장조(150)로부터 유입받아 예열시킨다. 후술할 수열탄화 반응기(220)는 상대적으로 고온 및 고압의 조건에서 유기성 폐기물을 수열탄화시킨다. 이에, 상대적으로 많은 열 에너지가 소비되어야 하는데, 이를 방지하기 위해, 처리과정 상에서 수열탄화 반응기(220)의 전단에 예열조(210)가 배치되어, 탄화될 유기성 폐기물을 예열한다.
예열조(210)는 별도의 열원으로부터 열 에너지(주로, 스팀 형태)를 인가받는 것이 아니라, 후술할 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분들을 유입받는다. 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분들은 일정한 온도를 갖는다. 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분들이 외부로 배출(Vent)되는 것보다는 예열조(210)로 반송되어 예열에 이용되도록 한다. 이에 따라, 예열조(210)는 별도의 열원으로부터 열 에너지를 인가받을 필요없이, 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분에 의해 유입되는 유기성 폐기물을 예열시킬 수 있어 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
이송 펌프(215)는 케익 저장조(150)에 저류된 유기성 폐기물을 예열조(210)로 이송한다. 이송 펌프(215)는 케익 저장조(150)로부터 유기성 폐기물을 일정하게 예열조(210)로 이송하기 위해, 제어부(미도시)에 의해 수열탄화 장치(160)의 동작 순서와 연동되어 제어된다.
수열탄화 반응기(220)는 예열조(210)로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 수열탄화시킨다. 수열탄화 반응기(220)는 유기성 폐기물을 수열탄화시킴으로써, 필터프레스(170)에서 원활히 탈수 처리되어 최종 처분(건조 또는 위탁 처리) 될 수 있도록 한다.
수열탄화 반응기(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 동작한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열탄화 반응기(220)의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 수열탄화 반응기(220)로 예열된 유기성 폐기물이 투입된다. 유기성 폐기물이 투입되면, 수열탄화 반응기(220)에서 수열탄화 반응이 일어날 수 있도록 기 설정된 환경이 조성되어야 한다. 기 설정된 환경은 5 내지 64bar, 보다 구체적으로 10 내지 40 bar 내외의 압력 하에서, 150 내지 280℃, 보다 구체적으로는 유기성 폐기물의 분해능 향상을 위해 180 내지 250℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 이때, 수열탄화 반응기(220)가 기 설정된 온도 환경을 확보할 수 있도록 외부 열원으로부터 열 에너지(스팀)가 인가된다. 기 설정된 환경, 특히, 충분한 승온이 일어나 온도 조건이 갖추어지면, 수열탄화 반응기(220) 내에서 수열탄화 반응이 일어난다. 수열탄화 반응은 기 설정된 시간(예를 들어, 수십 분)동안 진행되며, 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(240)로, 나머지 모든 성분은 감압탱크(230)로 배출된다. 수열탄화 반응기(220)는 이처럼 동작하며 유기성 폐기물을 수열탄화시킨다.
다시 도 2를 참조하면, 수열탄화 반응기(220)는 복수 개로 구현될 수 있다. 어느 하나의 수열탄화 반응기(220)에서 수열탄화 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부는 스팀 정제조(240)로 배출된다. 전술한 대로, 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분은 예열조(210)로 유입되는 한편, 후술할 스팀 정제조(240)에서도 감압탱크(230)와 유사하게, 기체 성분(스팀) 내 포함되어 있을 수 있는 액체 성분을 분리한다. 스팀 정제조(240)에서 분리된 기체 성분은 다른 수열탄화 반응기(220)로 유입되어 수열탄화를 위한 온도 조성을 보조한다. 이는 복수의 수열탄화 반응기(220a 내지 220d)들이 각각 도 4에 도시된 바와 같이 동작하기에 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 수열탄화 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
각 수열탄화 반응기(220a 내지 220d)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 동작하되, 서로 시간 차를 두고 동작을 수행한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 수열탄화 반응기(220a)가 유기성 폐기물을 예열조(210)로부터 유입받아 승온을 하고 있는 과정에 진입하였을 경우, 비로소, 수열탄화 반응기(220b)는 유기성 폐기물을 예열조(210)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 수열탄화 반응기(220c)는 수열탄화 반응기(220a)가 유기성 폐기물을 수열탄화하기 시작할 시점에 유기성 폐기물을 예열조(210)로부터 유입받기 시작할 수 있으며, 수열탄화 반응기(220d)는 반응이 완료된 생성물을 외부로 배출하는 시점에 유기성 폐기물을 예열조(210)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 이처럼 동작할 경우, 전술한 대로, 어느 하나의 수열탄화 반응기(220)에서 배출되어 정제된 기체 성분(스팀)은 승온 중인 다른 하나의 수열탄화 반응기로 유입됨으로서, 승온을 위해 필요한 열 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 이처럼 수열탄화 반응기(220)는 수열탄화 반응을 위해 필요한 열량 중 일부를 다른 수열탄화 반응기(220)에서 생성된 기체 성분으로부터 확보할 수 있어, 버려지는 에너지를 최소화하고 승온을 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
수열탄화 반응기(220)는 내부에 압력 센서를 포함하여, 제어부(미도시)의 제어에 따라 수열탄화 반응에 의한 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(240)로 분리 배출한다. 수열탄화 반응기(220)는 반응기 내부의 압력을 센싱하여, 감압탱크(230)에서 분리되어 예열조(210)로 반송됨으로써 예열조(210)를 예열시키는 데 충분한 양을 제외한 나머지 기체 성분은 모두 스팀 정제조(240)로 분리 배출한다. 수열탄화 반응기(220)는 압력 센싱을 수행함으로써, 정확히 예열에 필요한 양 이외의 나머지는 스팀 정제조(240)로 배출하여 다른 수열탄화 반응기를 승온시킬 수 있도록 한다. 종래에는 전량 감압탱크(230)로 배출되었으며, 기체 성분이 예열조로 모두 반송되어 예열에 사용된다 하더라도 예열에 필요한 양 이상이 반송되었기에 예열에 사용된 나머지 기체 성분은 모두 배출되어 버려졌다.
또는, 수열탄화 반응기(220)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, 수열탄화 반응기(220)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, 압력이 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 모두 스팀 정제조(240)로 배출한다. 수열탄화 반응기(220)는 일정량의 기체 성분을 스팀 정제조(240)로 배출함으로써, 수열탄화 반응기의 폭발 위험을 방지하고, 열을 회수하여 다른 수열탄화 반응기의 가열에도 이용할 수 있다.
감압탱크(230)는 수열탄화 반응기(220) 내에서 수열탄화 반응이 완료되어 생성된 생성물 대부분을 유입받아 기체 성분과 기체 외의 수열탄화 생성물을 분리시킨다. 수열탄화 반응으로 생성된 생성물 중 기체 성분 외의 수열탄화 생성물(예를 들면, 슬러리 상태)만이 필터프레스(170)에 의해 탈수가 수행될 성분에 해당하며, 기체 성분은 탈수와 무관한 성분에 해당한다. 따라서, 해당 성분을 분리하여 예열에 이용할 수 있도록, 감압탱크(230)는 생성물로부터 기체 성분과 기체 성분 외의 생성물을 분리한다. 감압탱크(230)는 수열탄화 반응기(220)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 액상의 생성물로 액화된다. 이처럼, 감압탱크(230)는 수열탄화 반응기(220)와 압력 차이를 발생시켜, 일정한 성분들을 기체 외의 생성물로, 나머지 성분들을 기체 상태로 만든다. 감압탱크(230)는 분리된 기체 성분은 예열조(210)로 반송하고, 나머지 수열탄화 생성물은 후처리를 위하여 열교환기(250)로 배출된다.
스팀 정제조(240)는 수열탄화 반응기(220)에서 배출되는 기체 성분 중 일부를 유입받아 액체 성분을 정제한다. 수열탄화 반응기(220)는 상대적으로 높은 압력을 갖는 상태이기 때문에, 반응기(220)에서 기체 성분만이 배출된다 하더라도 배출된 후에 액체 성분으로 모두 생성되거나, 높은 압력에서 기체 성분이 배출되면서 액체 성분이 동반하여 배출될 수 있다. 이에, 스팀 정제조(240)는 기체 성분과 액체 성분을 각각 분리하여, 액체 성분은 감압탱크(230)로, 기체 성분은 예열된 유기성 폐기물이 유입될 다른 수열탄화 반응기로 전송한다. 스팀 정제조(240)가 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리하는 것은 다음과 같다.
수열탄화 반응기(220)에서 생성된 생성물 중 기체 외의 성분은 이미 수열탄화 반응을 마친 성분에 해당한다. 이와 같은 성분이 다시 수열탄화 반응기로 투입되어 수열탄화 반응을 거치게 될 경우, 비효율에 해당하며 에너지 소비 측면에서도 낭비에 해당한다. 또한, 유기성 폐기물은 예열조(210)로부터 특정 수열탄화 반응기(220)로 투입됨에 있어, 수열탄화 반응기(220)에서 수열탄화 반응이 원활히 이뤄질 수 있도록 하는 적정량이 투입된다. 이때, 다른 수열탄화 반응기에서 생성된 생성물 중 기체 성분 외의 생성물이 해당 수열탄화 반응기로 유입될 경우, 적정량 이상이 해당 수열탄화 반응기에 유입되게 된다. 이는 비효율적인 수열탄화 반응을 불러일으키며, 적정량 이상의 열 에너지를 소비하게 하는 원인이 된다. 이러한 문제들을 방지하기 위해, 스팀 정제조(240)는 수열탄화 반응기(220)에서 배출되는 생성물 내에서 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 각각을 서로 다른 구성으로 이송한다.
스팀 정제조(240)는 기체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있다면, 어떠한 형태나 구조로 구현되어도 무방하다.
열교환기(250)는 감압탱크(230)에서 배출되는 수열탄화 생성물의 온도를 낮추어, 후단에 적용되는 필터프레스(170)의 기 설정된 운전온도까지 조절한다.
열교환기(250)는 냉각수를 순환시켜 고온의 수열탄화 생성물과 열교환함으로써, 수열탄화 생성물의 온도를 낮춘다. 감압탱크(230)에서 배출되는 수열탄화 생성물의 온도는 약 100℃ 수준이므로, 열교환기(250)는 수열탄화 생성물의 온도를 필터프레스(170)의 적정 온도범위인 60℃ 정도까지 낮춘 후, 수열탄화 생성물을 필터프레스(170)로 공급한다.
한편, 고온의 수열탄화 생성물과의 열교환 작용에 의해 승온된 냉각수는, 수열탄화 반응기(220)로 열에너지(스팀)를 공급하기 위한 외부 열원(보일러)으로 회수될 수 있다. 즉, 승온된 냉각수가 스팀 생성용 보일러 용수에 합류됨으로써, 스팀 발생을 위해 소비하는 에너지가 절감된다.
또한, 열교환기(250)에서 배출되는, 승온된 냉각수는 혐기성 소화조(120)의 가온을 위한 보일러(미도시) 급수용수에 합류될 수도 있다. 이 경우, 혐기성 소화조(120)의 가온용 보일러의 에너지 소비량이 절감된다. 마찬가지로, 승온된 냉각수는 후술할 아나목스 반응조(1250)의 기 설정된 운전온도의 유지를 위한 열교환수로서 재순환될 수도 있다.
이와 같이, 수열탄화 장치(160)에서 발생하는 열에너지는, 시스템(100) 내에서 다양한 방식으로 회수될 수 있다. 따라서, 수열탄화 장치(160)에서 발생되는 열에너지들이 모두 재이용됨으로써, 시스템(100)의 에너지 소비효율이 개선된다.
제어부(미도시)는 수열탄화 장치(160) 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 예열조(210)로 처리되어야 할 유기성 폐기물이 유입되도록 이송 펌프(215)를 제어한다. 이를 위하여, 예열조(210)는 수위계를 포함할 수 있고, 제어부(미도시)는 예열조(210)의 수위가 기 설정된 수위 이하이면 케익 저장조(150)의 폐기물을 예열조(210)로 투입하고, 기 설정된 수위 이상이면 폐기물 투입을 중단하도록 제어한다.
제어부(미도시)는 유기성 폐기물을 예열시키기 위해 감압탱크(230)에서 분리된 기체 성분을 예열조(210)로 반송하도록 감압탱크(230)를 제어할 수 있다.
제어부(미도시)는 예열조(210)에서 예열된 유기성 폐기물이 수열탄화 반응기(예를 들어, 220a)로 이송되도록 제어한다. 이송된 후, 제어부(미도시)는 수열탄화 반응기(220a)에서 수열탄화 반응이 일어날 수 있도록, 외부 열원으로부터 스팀과 다른 수열탄화 반응기(예를 들어, 220c)에서의 생성물로부터 분리된 기체 성분(스팀)을 수열탄화 반응기(220a)로 유입시킨다. 이에 따라, 수열탄화 반응기(220a)에서 수열탄화 반응이 일어난다.
이때, 제어부(미도시)는 수열탄화 반응기(220a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단한다. 수열탄화 반응기(220a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인 경우라면, 수열탄화 반응이 이상없이 진행되고 있는 상황에 해당한다. 반면, 수열탄화 반응기(220a) 내 압력이 기 설정된 기준치를 초과할 경우, 비정상적으로 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되어 반응기(220)에 이상이 발생할 수도 있는 상황에 해당한다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 압력이 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 스팀 정제조(240)로 배출시킨다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 수열탄화 반응기(220a) 내 이상을 해소한다.
수열탄화 반응기(220a) 내에서 수열탄화 반응이 기 설정된 시간 동안 진행된 경우, 제어부(미도시)는 기체 성분 일부를 스팀 정제조(240)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(230)로 배출한다. 이때, 기체 성분을 배출함에 있어서, 제어부(미도시)는 감압탱크(230)에서 분리되어 예열조(210)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외에는 모두 스팀 정제조(240)로 배출시킨다. 이에 따라, 예열에 필요한 기체 성분 외에 나머지 기체 성분은 외부로 배출됨 없이 모두 다른 수열탄화 반응기를 가열하는데 사용될 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제어부(미도시)는 감압 탱크(230)가 기체 성분과 기체 외의 수열탄화 생성물을 분리하도록 제어하고, 기체 성분을 예열조(210)로, 나머지 수열탄화 생성물을 혐기성 소화를 위해 열교환기(250)로 배출하도록 제어한다.
이와 동시에, 나머지 수열탄화 반응기(220b 내지 220d)도 순서에 따라 동작하도록 병렬적으로 제어한다. 제어부(미도시)가 각 수열탄화 반응기들의 동작을 제어하는 과정은 도 5 내지 10을 참조하여 후술한다.
제어부(미도시)가 이와 같이 각 구성들을 제어함에 따라, 버려지는 열 에너지원 없이 최대한 열 에너지원을 재활용함으로써, 외부 열원으로부터 인가되는 열에너지를 최소화할 수 있다.
도 5 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다. 도 5 내지 10에 수열탄화 장치(160)가 유기성 폐기물이 유입받아 처리하는 과정을 상세히 도시하였다.
도 5를 참조하면, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 예열조(210)로 (최초로) 유기성 폐기물이 유입되어 예열된다.
도 6을 참조하면, 예열된 유기성 폐기물은 일 수열탄화 반응기(220a)로 유입되며 외부 열원에서 열에너지(스팀 형태)를 (최초로) 인가받아 승온한다.
도 7을 참조하면, 수열탄화 반응기(220a)에 특별한 이상이 발생하지 않을 경우, 수열탄화 반응기(220a)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 감압탱크(230)에서 분리되어 예열조(210)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외의 나머지 기체성분은 스팀 정제조(240)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(230)로 배출한다. 수열탄화 반응기(220a) 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우, 내부 압력이 기 설정된 기준치 이하로 내려갈 때까지, 수열탄화 반응기(220a)는 기체 성분을 스팀 정제조(240)로 배출하고 나머지 모든 생성물은 감압탱크(230)로 배출한다
도 8을 참조하면, 예열조(210)는, 유기성 폐기물이 유입되고, 감압탱크(230)에서 반송된 기체 성분에 의해 예열되며, 예열된 유기성 폐기물은 수열탄화 반응기(220c)로 유입된다.
도 9를 참조하면, 스팀 정제조(240)에서 분리된 액체 성분은 감압탱크(230)로, 기체 성분은 수열탄화 반응기(220c)로 유입된다, 이와 함께 외부 열원으로부터 열에너지(스팀 형태)가 인가되어 수열탄화 반응기(220c)가 승온하게 된다.
이때, 수열탄화 반응기(220c)로 기체 성분과 열에너지가 인가됨에 있어, 기체 성분이 우선적으로 모두 인가되고 그 후에 외부 열원으로부터 에너지가 인가된다. 열에너지를 수열탄화 반응기로 인가하는 외부 열원은 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(240)는 상대적으로 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 수열탄화 반응기(220c)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(240)에서 기체 성분이 온전히 수열탄화 반응기(220c)로 인가되지 못하는 문제가 발생하게 된다. 심지어, 외부에서 수열탄화 반응기(220c)로 인가된 열에너지(스팀)가 오히려 스팀 정제조(240) 쪽으로 배출되는 문제가 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 스팀 정제조(240)에서 우선적으로 수열탄화 반응기(220c)로 기체 성분을 인가하고, 그 후에 외부 열원에서 열에너지(스팀)를 수열탄화 반응기(220c)로 인가한다. 이에 따라, 온전히 모든 성분이 수열탄화 반응기로 인가될 수 있다.
도 10을 참조하면, 감압탱크(230)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 분리한 기체 성분 외의 수열탄화 생성물을 열교환기(250)로 전송하고, 분리한 기체 성분을 예열조(210)로 반송하여 예열에 필요한 열에너지를 제공한다.
스팀 정제조(240)에서 분리된 기체 성분이 수열탄화 반응기(220c)로 유입됨에 따라, 외부 열원에서 인가되는 열에너지량이 기체 성분만큼 감소할 수 있다. 이처럼 승온된 수열탄화 반응기(220c)에서 수열탄화 반응이 진행되며, 다시 도 7 내지 10의 과정이 반복되어 처리될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열탄화 장치를 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열탄화 장치(160)는 이젝터(1110)를 더 포함할 수 있다.
이젝터(1110)는 스팀 정제조(240) 및 외부 열원으로부터 수열탄화 반응기(220)의 승온을 위해 인가되는 열에너지(스팀 형태)를 특정 수열탄화 반응기(220)로 공급하는 열에너지 공급 경로 상에 구비된다.
이젝터(1110)는 압력차와 무관하게 스팀 정제조(240)에서 분리된 기체 성분과 외부 열원에서 인가되는 열에너지를 특정 수열탄화 반응기(220)로 동시에 주입시킨다.
전술한 바와 같이, 외부 열원은 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(240)는 상대적을 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 수열탄화 반응기(220)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(240)에서 기체 성분이 온전히 수열탄화 반응기(220)로 인가되지 못할 수 있고, 오히려 외부 열원에서 인가된 열에너지가 스팀 정제조(240)로 배출되는 문제도 발생할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 이젝터(1110)는 외부 열원에서 열에너지를 인가하는 경로와 스팀 정제조(240)에서 기체 성분을 반응기(220)로 인가하는 경로가 합류되는 지점에 배치된다.
이젝터(1110)는 각 경로로 제공되는 스팀과 기체 성분을 인가받되, 압력차와 무관하게 각 성분들이 수열탄화 반응기(220)로 인가될 수 있도록 한다. 나아가, 이젝터(1110)는 외부 열원에서 스팀이 분사되는 압력에 따라 함께 스팀 정제조(240)로부터 배출되는 기체 성분이 수열탄화 반응기(220)로 인가될 수 있도록 한다. 이에 이젝터(1110)는 수열탄화 반응기(220)로부터 기체 성분이 스팀 정제조(240)로 배출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 스팀 정제조(240)의 기체 성분 배출 속도까지 향상시킬 수 있다.
이젝터(1110)를 포함하는 경우, 전술된 도 9에서의 수열탄화 장치(160)의 동작은 다음과 같다.
스팀 정제조(240)에서 분리된 액체 성분은 감압탱크(230)로, 기체 성분은 수열탄화 반응기(220c)로 유입된다. 이와 함께 외부 열원으로부터 스팀이 인가되어 수열탄화 반응기(220c)가 승온하게 된다.
이젝터(1110)가 외부 열원의 공급 경로와 스팀 정제조(240)의 기체 성분 공급 경로의 합류 지점에 위치하기 때문에, 기체 성분과 외부로부터 공급되는 스팀은 순서와 무관하게 생성되는 대로 수열탄화 반응기(220c)로 주입될 수 있다. 또한, 이젝터(1110)에 의해, 보다 신속하게 기체 성분이 수열탄화 반응기(220c)로 공급되어, 반응기의 승온속도가 상승된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화탈리액 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 소화탈리액 처리장치(180)는 유량조정조(1210), 부분 아질산화 반응조(1220), AOB 그래뉼 생성조(1230), 중간저장조(1240) 및 아나목스 반응조(1250)를 포함한다.
유량조정조(1210)는 탈수기(140)에서 배출되는 소화탈리액을 공급받아, 부분 아질산화 반응조(1220)로 투입되기 전까지 저류한다.
부분 아질산화 반응조(1220)는 유량조정조(1210)로부터 소화탈리액을 공급받아, 탈리액에 포함된 암모니아성 질소의 일부(대략 절반)를 아질산성 질소로 산화시킨다. 부분 아질산화 반응조(1220)는 암모늄 산화 박테리아(AOB: Ammonium Oxidation Bacteria) 그래뉼을 이용하여 반응조의 처리효율을 향상시키고 체류시간을 단축한다.
부분 아질산화 반응조(1220)에서는 AOB가 우점화되어 아질산화가 이루어진다. 부분 아질산화 반응조(1220)의 처리수는 중간저장조(1240)로 배출되고, 부분 아질산화 반응조(1220) 내의 침전성이 불량한 슬러지는 AOB 그래뉼 생성조(1230)으로 이송된다.
AOB 그래뉼 생성조(1230)는 부분 아질산화 반응조(1220)에서 침전성이 불량한 슬러지를 공급받아 AOB 그래뉼을 생성하고, 이를 다시 부분 아질산화 반응조(1220)로 공급한다. 이와 같은 과정들이 반복적으로 수행됨으로써, 부분 아질산화 반응조(1220)는 그래뉼 유지 및 안정적인 부분 아질산화를 수행할 수 있다.
AOB 그래뉼 생성조(1230)는 효과적으로 그래뉼을 생성하기 위해, 에어 리프트 형태 반응기(미도시)를 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
중간저장조(1240)는 부분 아질산화 반응조(1220)의 처리수를 공급받아, 아나목스 반응조(1250)로 공급되기 전까지 일시적으로 저류한다.
중간저장조(1240)는 회분식으로 운전되는 부분 아질산화 반응조(1220)로부터 배출되는 처리수를 저류하고, 후단의 연속 흐름식으로 운전되는 아나목스 반응조(1250)의 흐름에 대응하여 아질산화된 처리수를 공급한다.
중간저장조(1240)는 부분 아질산화 반응조(1220)의 처리수를 저류하는 과정에서 처리수 중의 고형물이 침전됨에 따라 슬러지를 형성할 수 있다. 중간저장조(1240)에서 형성된 슬러지는 제2 저류조(130)로 다시 회수시킨다.
아나목스 반응조(1250)는 중간저장조(1240)로부터 부분 아질산화된 처리수를 유입받아 질소를 제거하고, 처리수를 하·폐수 처리장치로 연계 처리시킨다.
아나목스 반응조(1250)는 내부에 혐기성 암모늄 산화 박테리아(AnAOB: Anaerobic Ammonium Oxidizing Bacteria)를 보유하며, 혐기성 암모늄 산화 박테리아는 아질산염을 전자수용체로 이용하여 처리수 중의 암모니아를 질소가스로 전환함으로써 질소를 제거한다. 이와 관련된 화학식은 다음과 같다.
1.0NH4 + + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 1.02N2 + 0.26NO3 - + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O
아나목스 반응조(1250)는 완전혼합형 유동상 부착식 반응기(미도시)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
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.
100: 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템
110: 제1 저류조
120: 혐기성 소화조
130: 제2 저류조
140: 탈수기
150: 케익 저장조
160: 수열탄화 장치
170: 필터프레스
180: 소화탈리액 처리장치
210: 예열조
215: 이송 펌프
220: 수열탄화 반응기
230: 감압탱크
240: 스팀 정제조
250: 열교환기
1110: 이젝터
1210: 유량조정조
1220: 부분 아질산화 반응조
1230: AOB 그래뉼 생성조
1240: 중간저장조
1250: 아나목스 반응조
110: 제1 저류조
120: 혐기성 소화조
130: 제2 저류조
140: 탈수기
150: 케익 저장조
160: 수열탄화 장치
170: 필터프레스
180: 소화탈리액 처리장치
210: 예열조
215: 이송 펌프
220: 수열탄화 반응기
230: 감압탱크
240: 스팀 정제조
250: 열교환기
1110: 이젝터
1210: 유량조정조
1220: 부분 아질산화 반응조
1230: AOB 그래뉼 생성조
1240: 중간저장조
1250: 아나목스 반응조
Claims (11)
- 유기성 폐기물을 유입받아 저장하는 저류조;
상기 저류조의 유기성 폐기물을 유입받아 유기물을 소화시키고 바이오가스를 생성하는 혐기성 소화조;
상기 혐기성 소화조에서 배출되는 유기성 폐기물을 1차 탈수하는 탈수기;
상기 탈수된 유기성 폐기물을 유입받아 수열탄화시키는 수열탄화 장치; 및
상기 수열탄화 장치로부터 배출되는 수열탄화 생성물을 2차 탈수하는 필터프레스를 포함하되,
상기 수열탄화 장치는,
상기 탈수기에서 배출된 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조;
상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 수열탄화하는 복수의 수열탄화 반응기;
각 수열탄화 반응기에서 수열탄화된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 기체 외의 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 나머지 생성물을 배출하는 감압탱크;
어느 하나의 수열탄화 반응기에서 수열탄화된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 수열탄화 반응기로, 액체 성분을 상기 감압탱크로 배출하는 스팀 정제조;
상기 감압탱크에서 배출되는 수열탄화 생성물을 유입받아 기 설정된 온도로 냉각시킨 후, 상기 필터프레스로 공급하는 열교환기; 및
상기 수열탄화 장치 내의 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
각 수열탄화 반응기는 서로 동일한 과정을 거치며 유기성 폐기물을 수열탄화시키되, 시간차를 두고 서로 다른 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제어부는,
어느 하나의 수열탄화 반응기 내 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 상기 스팀 정제조로 기체 성분의 일부를 배출하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 기 설정된 환경은,
5 내지 64 bar의 압력과 150 내지 280℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 수열탄화 장치는,
외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제조에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 수열탄화 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 수열탄화된 생성물을 냉각시킴에 따라 발생되는 승온된 냉각수를 상기 수열탄화 장치에 스팀을 공급하는 보일러로 합류시키거나, 상기 혐기성 소화조를 가온시키는 보일러의 급수용수에 합류시켜 에너지 소비량을 절감시키는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 필터프레스는,
상기 수열탄화 생성물의 탈수시 배출되는 탈리액을 상기 저류조로 배출시켜, 혐기성 소화에 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유기성 폐기물은 하·폐수 처리장치에서 발생되는 농축슬러지, 전처리가 수행된 음식물류 폐기물, 음폐수, 가축분뇨 및 이들 중 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템은,
소화탈리액 처리장치를 더 포함하여 상기 탈수기에서 배출되는 탈리액 내의 질소 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 소화탈리액 처리장치는,
상기 소화 탈리액을 유입받아 부분 아질산화를 수행하는 부분 아질산화 반응조;
부분 아질산화 반응조조에 존재하는 침강성이 저하된 슬러지를 유입받아 암모늄 산화 박테리아(AOB) 그래뉼을 생성하는 AOB 그래뉼 생성조;
부분 아질산화 반응조의 처리수를 유입받아 저류하면서, 처리수로부터 고형물을 침전 제거하는 중간저장조; 및
상기 중간저장조로부터 처리수를 공급받아 혐기성 암모늄 산화(Anammox) 반응에 의해 질소 성분을 제거하는 아나목스(Anammox) 반응조를 포함하는 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템.
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| KR1020220101222A KR102505123B1 (ko) | 2022-08-12 | 2022-08-12 | 에너지 소비효율을 향상시킨 수열탄화 장치가 결합된 유기성 폐기물의 감량 및 바이오가스 증산 시스템 |
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