KR102610781B1 - 반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치 - Google Patents
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Abstract
반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치가 개시된다. 개시된 반응기는 커버부, 상기 커버부와 이격되게 배치된 것으로 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 내벽, 상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 내벽을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 내벽과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 중간벽, 상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 중간벽을 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 중간벽과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성된 중공형 외벽, 및 상기 중공형 내벽의 내부 공간에 배치된 헬리컬 배플을 포함한다.
Description
반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성된 반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치가 개시된다.
축산 분뇨 및 음식물 쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물은 부패 및 침출수 등에 의해 환경을 심각하게 훼손시킬 수 있는 것으로서, 폐기시 반드시 종류별로 취합하여 정해진 폐기물 처리과정을 거쳐서 폐기되어야 한다.
그러나, 유기성 폐기물의 단순 폐기 처리는 처리시설 마련과 인력의 소모가 요구되는 것으로서, 생산적인 측면보다는 낭비적인 측면이 상대적으로 강하다.
이에 따라, 유기성 폐기물을 재활용하기 위한 방법과 기술들이 개발되고 있는데, 대표적으로는 유기성 폐기물을 이용하여 바이오 가스(또는 메탄 가스)를 생산하고, 유기성 폐기물을 통해 생산된 바이오 가스를 에너지화하는 기술 등을 꼽을 수 있다.
유기성 폐기물은 탄소, 수소, 소량의 무기물(질소, 황, 인: 무기물 총량 0.1% 미만)로 구성되어 있고, 혐기성 미생물 분해시 무기물이 배출되어 반응기에 축적된다. 축적되는 무기물은 제거되어야 하는데, 혐기성 미생물은 극소량의 무기물만 취하고 나머지는 축적되고, 축적된 무기물은 혐기성 미생물에 독성으로 작용하여 미생물의 활성을 저해한다.
한국공개특허 제10-2021-0113104호에 개시된 순환식 바이오 가스 생산 설비는 1차 반응기와 2차 반응기를 거친 반응액이 스트리핑 칼럼으로 공급되며, 거기서 증류공정을 통하여 무기산은 농축되고 깨끗한 물만 탑상물질로 배출되어 다시 1차 반응기로 공급되는 시스템으로서 결국 반응기 내에서의 무기물 축적을 막아준다. 그러나, 상기 순환식 바이오 가스 생산 설비는 무기물의 축적을 막기 위해 상당한 순환량이 필요하다는 문제점이 있다. 순환량이 많다는 것은 스트리핑 칼럼에서 엄청난 양의 깨끗한 물을 탑상물질로 배출한다는 것이며, 이것은 막대한 에너지 손실을 초래할뿐만 아니라, 물을 응축시키기 위한 추가 에너지 비용이 너무 커지게 된다.
본 발명의 일 구현예는 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성된 반응기를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 바이오 가스의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 혐기성 소화 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
커버부;
상기 커버부와 이격되게 배치된 것으로 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 내벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 내벽을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 내벽과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 중간벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 중간벽을 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 중간벽과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성된 중공형 외벽; 및
상기 중공형 내벽의 내부 공간에 배치된 헬리컬 배플을 포함하는 반응기를 제공한다.
상기 중공형 내벽은 그 하단부가 상기 중공형 외벽에 결합된 것일 수 있다.
상기 중공형 내벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부의 높이가 상기 중공형 내벽의 하단부의 높이 보다 높도록 구성될 수 있다.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 중공형 외벽은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플 및 상기 제1 경사 배플과 엇갈리도록 상기 중공형 내벽에 결합된 복수개의 제2 경사 배플을 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합된 유출배관 및 복수개의 유입배관을 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 중간부의 서로 다른 높이에 하나씩 유체 연통되게 결합된 복수개의 다른 유출배관을 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는 상기 커버부에 유체 연통되게 결합된 또 다른 유출배관을 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는 내부 교반기를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
1차 반응기;
상기 1차 반응기의 후단에 배치된 2차 반응기;
상기 2차 반응기의 후단에 배치된 스트리핑 칼럼; 및
상기 2차 반응기의 유출물과 상기 스트리핑 칼럼의 유출물을 열교환시키도록 구성된 열교환기를 포함하는 혐기성 소화 장치를 제공한다.
상기 1차 반응기는 상술한 반응기일 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 1차 반응기의 유출물이 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성될 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 1차 반응기의 유출물을 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 2차 반응기는 활성탄층을 포함할 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성될 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물을 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환시키는 다른 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 바이패스하여 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성될 수 있다.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 스트리핑 칼럼의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 반응기는 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성되어 운전비용을 대폭 절감할 수 있다.
또한 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치는 무기물의 제거효율이 우수하여 비용절감과 함께 높은 바이오 가스 생산 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기의 길이방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 반응기의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 반응기 중 “A” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 반응기 중 “B-B” 선을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 반응기 중 “C” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 반응기의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 반응기 중 “A” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 반응기 중 “B-B” 선을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 반응기 중 “C” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치를 상세히 설명한다.
본 명세서에서, “상방”이란 중력의 역방향을 의미하고, “하방”이란 중력방향을 의미한다.
또한 본 명세서에서, “유체”란 액체, 기체, 액체와 고체의 혼합물 또는 이들의 조합을 의미한다.
또한 본 명세서에서, “중공형”란 속이 빈 모든 형상을 의미하는 것으로, 예를 들어, 실린더형 또는 이와 유사한 형태를 말한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기(100)의 길이방향 단면도이고, 도 2는 도 1의 반응기(100)의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 반응기(100) 중 “A” 부분을 확대하여 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 반응기(100) 중 “B-B” 선을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1의 반응기(100) 중 “C” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기(100)는 커버부(101), 중공형 내벽(102), 중공형 중간벽(103), 중공형 외벽(104) 및 헬리컬 배플(105)을 포함한다.
커버부(101)에는 유출배관(EX3)이 유체 연통되게 결합될 수 있다.
유출배관(EX3)은 가스 유출배관일 수 있다.
중공형 내벽(102)는 그 상단부가 커버부(101)와 이격되게 배치된 것일 수 있다. 이러한 중공형 내벽(102)은 그 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 유체는 중공형 내벽(102)의 하단부 보다 낮은 위치에서부터 중공형 내벽(102)의 상단부 보다 높은 위치까지 흐를 수 있다(도 2의 화살표 참조).
또한, 중공형 내벽(102)는 그 하단부가 중공형 외벽(104)에 결합된 것일 수 있다.
또한, 중공형 내벽(102)는 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀(h1)을 포함할 수 있다. 이러한 제1 관통홀(h1)을 통해 중공형 내벽(102)의 내부 공간과, 중공형 내벽(102)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간이 서로 연통되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공형 내벽(102)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로부터 중공형 내벽(102)의 내부 공간으로 유체가 유입될 수 있다(도 2의 화살표 참조).
중공형 중간벽(103)은 그 상단부가 커버부(101)에 결합된 것일 수 있다. 이러한 중공형 중간벽(103)은 중공형 내벽(102)을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 중공형 내벽(102)과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 중공형 내벽(102)의 상단부 위로 오버플로우된 유체는 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간에서 하방으로 흐를 수 있다(도 2의 화살표 참조).
또한, 중공형 중간벽(103)은 그 하단부의 높이가 중공형 내벽(102)의 하단부의 높이 보다 높도록 구성될 수 있다.
또한, 중공형 중간벽(103)은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀(h2) 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀(h3)을 포함할 수 있다. 제2 관통홀(h2)을 통해 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간과, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간이 서로 연통되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간으로부터 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로 유체가 유입될 수 있다(도 2의 화살표 참조). 또한, 제3 관통홀(h3)을 통해 기체가 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로부터 중공형 중간벽(103)의 내부 공간으로 유출된 후 유출배관(EX3)을 통해 반응기(100)의 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제3 관통홀(h3) 및 유출배관(EX3)을 통해 외부로 배출되는 기체는 바이오 가스(메탄)를 포함할 수 있다.
중공형 외벽(104)은 그 상단부가 커버부(101)에 결합된 것일 수 있다. 이러한 중공형 외벽(104)은 중공형 중간벽(103)을 둘러싸도록 구성되되, 중공형 중간벽(103)과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성될 수 있다(도 2의 화살표 참조). 구체적으로, 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간에서 하방으로 흘러내린 유체(즉, 액체와 고체의 혼합물)는 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로 유입되어 상방으로 흘러올라가면서 고액분리가 일어나게 된다. 즉, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간은 상방으로 흐르는 유체의 유속을 낮춰 그 공간내에서 고액분리가 일어나기에 충분히 넓도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간에서는 슬러지와 같은 큰 고형물이 침전될 수 있다.
또한, 중공형 외벽(104)은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.
헬리컬 배플(helical baffle)(105)은 중공형 내벽(102)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 이러한 헬리컬 배플(105)은 반응기(100)에 유입되는 유체에 와류(vortex)를 형성하여 유체에 함유된 성분들간의 혼합도(degree of mixing)를 증가시키는 역할을 수행한다. 구체적으로, 펌프 등에 의해 유체가 소정의 압력으로 반응기(100)에 유입되어 상방으로 상승하게 되면, 그 유체는 헬리컬 배플(105)의 작용에 의해 와류를 형성하여 내부 교반기가 없어도 잘 혼합되게 된다. 따라서, 반응기(100)는 내부 교반기를 포함하지 않을 수 있다.
구체적으로, 헬리컬 배플(105)은 스크류 형상으로 구성될 수 있다.
또한, 반응기(100)는 헬리컬 배플(105)에 고정되게 설치된 스크린 및 상기 스크린에 충진된 활성탄을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 반응액과 활성탄의 접촉 면적이 증가할뿐만 아니라 반응액의 유로가 막히지 않고 미생물이 축적되지 않으므로 바이오 가스의 생산 효율성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플(106-1) 및 제1 경사 배플(106-1)과 엇갈리도록 중공형 내벽(102)에 결합된 복수개의 제2 경사 배플(106-2)을 더 포함할 수 있다.
제1 경사 배플(106-1) 및 제2 경사 배플(106-2)은 와류를 형성하여 유체가 하방(즉, AR1 방향)으로는 흐르도록 하되, 압력손실이 큰 상방(즉, AR2 방향)으로는 유체가 흐르지 못하게 하는 역할을 수행한다(도 5 참조). 예를 들어, 제1 경사 배플(106-1) 및 제2 경사 배플(106-2)의 경사각은 중공형 내벽의 중심축 연장선(즉, 수직선)을 기준으로 최대 30°일 수 있다(도 5 참조).
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 하단부에 유체 연통되게 결합된 유출배관(EX4) 및 복수개의 유입배관(EN1, EN2)을 더 포함할 수 있다.
유출배관(EX4)은 주로 이물질(즉, 미생물이 분해 못하는 각종 이물질(흙, 기타 불순물 등))의 배출 통로로 사용될 수 있다.
유입배관(EN1)으로는 원료 및/또는 후술하는 스트리핑 칼럼에서 배출된 스팀의 응축수가 유입될 수 있다.
유입배관(EN2)으로는 반응기(100)의 유출물 및/또는 후술하는 2차 반응기의 유출물이 유입될 수 있다.
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 중간부의 서로 다른 높이에 하나씩 유체 연통되게 결합된 복수개의 다른 유출배관(EX1, EX2)을 더 포함할 수 있다.
유출배관(EX1)으로는 물과 함께 극미량의 부유물질(suspended solid)이 배출될 수 있으며, 이러한 물질들은 유출배관(EX1)에 펌프(미도시)를 연결하더라도 그 펌프에 영향을 주지 않을 수 있다.
유출배관(EX2)으로는 거대 고형물을 함유하지 않는 유체가 배출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100), 2차 반응기(200), 열교환기(300) 및 스트리핑 칼럼(400)을 포함한다.
1차 반응기(100)는 유기성 폐기물 원료를 미생물과 혐기성 발효시켜 저급 유기산과 무기산으로 가수분해시키고 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행한다.
1차 반응기(100)로 투입되는 유기성 폐기물 원료는 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.1중량% 미만의 무기물(질소, 황 및 인)을 포함할 수 있다.
상기 유기성 폐기물 원료는 음식물 쓰레기, 동물의 사체, 식물, 인분, 가축분뇨, 도살장 폐기물(예를 들어, 가축 피 등) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
구체적으로, 1차 반응기(100)는 유기물과 미생물을 소정 온도내에서 일정 시간동안 반응시켜 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행한다.
보다 구체적으로, 1차 반응기(100)는 이에 구비된 유입배관을 통해 음식물 쓰레기나 가축 분뇨와 같은 유기성 폐기물 원료가 유입될 경우, 이 유기성 폐기물에 대한 혐기성 발효를 진행함으로써 유기성 폐기물을 가수분해하여 저급 유기산 및 무기산으로 전환시키거나 메탄을 포함하는 바이오 가스를 생성할 수 있다.
상기 저급 유기산은 아세트산(aetic acid), 프로피온산(popionic acid), 부티르산(butyric acid) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들 물질은 분자량이 작고 가벼워서 휘발이 잘되므로 휘발성 지방산(VFA: volatile fatty acid)으로 지칭될 수 있다.
상기 미생물은 메탄균, 가수분해균, 탈질세균, 황환원세균, 공생초산생성균, 호모초산생성균 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
1차 반응기(100)에 원료로 투입되는 유기성 폐기물은 주거 시설에서 배출되는 음식물 쓰레기, 인분 및 생활 폐수; 축사에서 배출되는 축분 및 폐수; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 미생물과 혼합되어 미생물을 사멸시키지 않는 유기물이라면 모두 적용 가능하다.
또한, 1차 반응기(100)의 상단부에는 바이오 가스 수집부가 설치되어 상술한 과정을 거쳐 생성된 바이오 가스를 포집할 수 있다.
1차 반응기(100)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 상술한 반응기(100)와 동일하거나 유사한 것일 수 있다.
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물이 1차 반응기(100)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물을 1차 반응기(100)로 재순환시키는 펌프(P1)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 펌프(P1)로 1차 반응기(100)의 유출물을 1차 반응기(100)로 재순환시킴으로써 1차 반응기(100) 내에서는 내부 교반기 없이도 유입 물질들 간의 혼합이 원활하게 일어날 수 있을 뿐만 아니라 1차 반응기(100) 내에서 무기물의 축적이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 1차 반응기(100)는 50~65℃의 온도로 유지될 수 있다. 1차 반응기(100)의 온도는 배관(L1)을 통해 이에 공급되는 원료의 유량, 1차 반응기(100)의 유출물 중 배관(L2)을 통해 펌프(P1)에 의해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 1차 반응기(100)의 유출물 중 배관(L3)을 통해 2차 반응기(200)로 공급되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L4, L41)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L9)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 열교환기(300)를 거치지 않고 배관(L4, L42, L9)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 스트리핑 칼럼(400)의 유출물 중 배관(L6)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L61)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 및 스트리핑 칼럼(400)의 유출물 중 배관(L6)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L62)을 통해 스트리핑 칼럼(400)으로 재순환되는 유량 등에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 각각의 유량은 펌프(P1, P2, P3) 및 컨트롤 밸브(CV1~CV5) 등에 의해 조절될 수 있다.
2차 반응기(200)는 1차 반응기(100)에서 완전히 분해되지 않은 저급 유기산(휘발성 지방산)을 혐기성 미생물로 분해하여 메탄을 포함하는 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행하는 것으로, 고정된 스크린(미도시)에 충진된 활성탄층을 포함할 수 있다.
구체적으로, 2차 반응기(200)에서는 1차 반응기(100)에서 완전히 분해되지 않은 저급 유기산이 활성탄층에 흡착된 후 미생물에 의해 분해되어 메탄 가스를 생성하게 된다.
보다 구체적으로, 2차 반응기(200)에서는 1차 반응기(100)에서 분리되어 유입된 저급 유기산이 메탄 생성 미생물들의 자양분이 되므로, 메탄을 포함하는 바이오 가스의 생산이 이루어지며, 1차 반응기(100)와 동일하게 2차 반응기(200)에서 생성되는 바이오 가스는 바이오 가스 수집부에 별도로 포집될 수 있다.
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 바이오 가스 수집부에 수집된 바이오 가스를 자원으로 활용할 수 있도록, 상기 바이오 가스 수집부에 연결된 가스 파워 플랜트를 더 포함할 수 있으며, 상기 가스 파워 플랜트에서는 전력을 생산할 수 있다.
또한, 2차 반응기(200)의 유출물의 유량은 스트리핑 칼럼(400)의 탑상유량(즉, 상부 유출물의 유량)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 스트리핑 칼럼(400)의 탑상유량이 증가하면 2차 반응기(200)의 유출물의 유량도 증가하게 된다.
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 2차 반응기(200)의 유출물이 열교환기(300)를 거쳐 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물을 열교환기(300)를 거쳐 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환시키는 다른 펌프(P2)를 더 포함할 수 있다. 이러한 재순환을 통해 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200) 내의 무기물의 농도가 증가할 수 있다. 1차 반응기(100) 및 2차 반응기(200) 내에서 무기물은 강한 무기산(질산, 황산, 인산) 등으로 존재하는데, 이러한 무기산은 농도가 낮을 경우 화학적으로 상당히 안정하다. 그러나, 이러한 무기산은 농도가 높아짐에 따라 화학적으로 불안정해지며, 특히 혐기성 소화는 수소가 많은 환경으로서 무기산 농도가 축적됨에 따라 화학적으로 불안정해진 무기산은 수소와 반응하여 암모니아 및/또는 황화수소로 변화하여 화학평형을 이룰 수 있다. 따라서, 무기산이 암모니아나 황화수소로 변하지 않는 최대허용농도가 존재하게 되며, 2차 반응기(200)는 최대허용농도가 넘지 않는 조건하에서 가동되는 것이 바람직하고, 이에 맞추어 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 양도 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 최대허용농도는 1중량%일 수 있다. 즉, 2차 반응기(200) 내의 무기물(즉, 무기산)의 농도가 높아지면, 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 양이 적더라도 많은 양의 무기물을 배출시킬 수 있다. 참고로, 암모니아 및 황화수소는 미생물에 독성으로 작용할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 2차 반응기(200)의 최대허용농도는 상황에 따라 달라질 수 있다. 또한, 2차 반응기(200)의 최대허용농도는 1차 반응기(100)의 크기, 2차 반응기(200)의 크기 및 스트리핑 칼럼(400)의 순환량에 의해 결정될 수 있다.
그런데, 2차 반응기(200) 내의 무기물의 농도가 최대허용농도에 근접하지만 이를 초과하지 않는 수준까지 증가할 경우에는 2차 반응기(200)에서 스트리핑 칼럼(400)으로 배출되는 무기물의 양이 많아져서 무기물의 제거를 위한 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 운전 배출량이 감소할 수 있다.
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 2차 반응기(200)의 유출물이 열교환기(300)를 바이패스하여 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질이 응축되어 포화수(saturated water) 상태로 1차 반응기(100) 및/또는 스트리핑 칼럼(400)으로 재순환되도록 하기 위한 것일 수 있다.
또한, 2차 반응기(100)는 30~35℃의 온도로 유지될 수 있다. 2차 반응기(200)의 온도는 배관(L3)을 통해 이에 공급되는 1차 반응기(100) 유출물의 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L5)을 통해 스트리핑 칼럼(400)으로 공급되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L4, L41)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L8)을 통해 2차 반응기(200)로 재순환되는 유량, 및 2차 반응기(200)의 유출물 중 열교환기(300)를 거치지 않고 배관(L4, L42, L8)을 통해 2차 반응기(200)로 재순환되는 유량 등에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 각각의 유량은 펌프(P1) 및 컨트롤 밸브(CV1~CV5) 등에 의해 조절될 수 있다.
열교환기(300)는 2차 반응기(200)의 유출물과 스트리핑 칼럼(400)의 유출물을 열교환시키도록 구성될 수 있다. 즉, 열교환기(300)는 스트리핑 칼럼(400)에 의해 생성된 스팀(즉, 탑상물질)으로 1차 반응기(100) 및 2차 반응기(200)를 가열하는데 활용될 수 있다. 특히, 열교환기(300)는 스트리핑 칼럼(400)의 유출물(즉, 스팀)로부터 열을 흡수하여 1차 반응기(100)로 공급되는 물질의 온도를 높여 1차 반응기(100) 내에 존재하는 미생물의 활성을 향상시키는 역할을 수행한다.
스트리핑 칼럼(400)은 2차 반응기(200)의 유출물 중의 무기물을 제거하는 역할을 수행한다. 즉, 스트리핑 칼럼(400)은 2차 반응기(200)의 유출물을 무기물 성분이 농축된 농축수와 청수(스팀)로 분리할 수 있다.
상술한 바와 같이 스트리핑 칼럼(400)에 의해 생성된 스팀은 열교환기(300)를 통하여 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)를 가열하는데 활용될 수 있다.
스트리핑 칼럼(400)에서 무기물이 제거된 스팀은 상부 배관(L6)을 통해 배출되어 열교환기(300)를 통과한 후 일부는 배관(L61)을 통해 1차 반응기(100)로 공급되고, 나머지 일부는 배관(L62)을 통해 스트리핑 칼럼(400)의 상부로 재순환될 수 있다.
또한, 스트리핑 칼럼(400)에서 무기물이 농축된 농축수는 하부 배관(L7)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 스트리핑 칼럼(400)의 전단에 배치된 것으로, 2차 반응기(200)의 유출물을 가열하여 스트리핑 칼럼(400)에 공급하도록 구성된 재비기(Reboiler)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 재비기는 2차 반응기(200)의 유출물을 스팀과 열교환시켜 가열할 수 있다.
이상에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 혐기성 소화 장치 100, 200: 반응기
101: 내벽 102: 중간벽
103: 외벽 104: 헬리컬 배플
105: 경사 배플 300: 열교환기
400: 스트리핑 칼럼
101: 내벽 102: 중간벽
103: 외벽 104: 헬리컬 배플
105: 경사 배플 300: 열교환기
400: 스트리핑 칼럼
Claims (20)
- 커버부;
상기 커버부와 이격되게 배치된 것으로 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 내벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 내벽을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 내벽과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 중간벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 중간벽을 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 중간벽과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성된 중공형 외벽; 및
상기 중공형 내벽의 내부 공간에 배치된 헬리컬 배플을 포함하고,
상기 헬리컬 배플에 고정되게 설치된 스크린 및 상기 스크린에 충진된 활성탄을 더 포함하고,
상기 중공형 외벽의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플 및 상기 제1 경사 배플과 엇갈리도록 상기 중공형 내벽에 결합된 복수개의 제2 경사 배플을 더 포함하고,
상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합되어 원료를 유입받는 제1 유입배관, 상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합되어 반응기 유출물을 유입받는 제2 유입배관을 더 포함하고,
상기 중공형 외벽의 중간부에 유체 연통되게 결합되어 물과 함께 극미량의 부유물질(suspended solid)을 배출시키는 제1 유출배관, 상기 제1 유출배관의 상부로서 상기 중공형 외벽의 중간부에 유체 연통되게 결합되어 거대 고형물을 함유하지 않는 유체를 배출시키는 제2 유출배관, 상기 커버부에 유체 연통되게 결합되어 가스를 배출시키는 제3 유출배관 및 상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합되어 이물질 배출 통로로 사용되는 제4 유출배관을 포함하는 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 중공형 내벽은 그 하단부가 상기 중공형 외벽에 결합된 반응기. - 제2항에 있어서,
상기 중공형 내벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀을 포함하는 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 중공형 중간벽은 그 하단부의 높이가 상기 중공형 내벽의 하단부의 높이 보다 높도록 구성된 반응기. - 제4항에 있어서,
상기 중공형 중간벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀을 포함하는 반응기. - 제1항에 있어서,
상기 중공형 외벽은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성된 반응기. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
내부 교반기를 포함하지 않는 반응기. - 1차 반응기;
상기 1차 반응기의 후단에 배치된 2차 반응기;
상기 2차 반응기의 후단에 배치된 스트리핑 칼럼; 및
상기 2차 반응기의 유출물과 상기 스트리핑 칼럼의 유출물을 열교환시키도록 구성된 열교환기를 포함하고,
상기 1차 반응기는 제1항 내지 제6항 및 제11항 중 어느 한 항에 따른 반응기인 혐기성 소화 장치. - 삭제
- 제12항에 있어서,
상기 1차 반응기의 유출물이 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치. - 제14항에 있어서,
상기 1차 반응기의 유출물을 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환시키는 펌프를 더 포함하는 혐기성 소화 장치. - 제12항에 있어서,
상기 2차 반응기는 활성탄층을 포함하는 혐기성 소화 장치. - 제12항에 있어서,
상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치. - 제17항에 있어서,
상기 2차 반응기의 유출물을 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환시키는 다른 펌프를 더 포함하는 혐기성 소화 장치. - 제12항에 있어서,
상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 바이패스하여 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치. - 제12항에 있어서,
상기 스트리핑 칼럼의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치.
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