KR200199645Y1

KR200199645Y1 - 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기의 건조화 및 소각처분장치

Info

Publication number: KR200199645Y1
Application number: KR2020000010527U
Authority: KR
Inventors: 최용운
Original assignee: 주식회사대한건설엔지니어링
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2000-10-02

Abstract

본 고안은 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기의 소각처분장치에 대하여 개시한다. 본 장치는, 다수의 음식쓰레기 발생장소에서 운반되어온 가연분 약 58%, 약 회분 7%, 함수율 80 내지 85%의 생음식쓰레기를 소각로에 투입하기 위한 음식 쓰레기 호퍼(30), 상기 음식 쓰레기 호퍼를 통하여 음식쓰레기를 공급받으며 상기 호퍼 하부에 설치되는 제 1 정량 스크류 콘베이어(31), 상기 제 1 정량 스크류 콘베이어로부터 공급된 음식쓰레기를 소정의 크기로 절단하기 위한 절단기(36), 상기 절단기에서 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 수분을 수집하기 위한 오수수집관(32), 상기 절단기에서 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 고형물을 운반하기 위한 제 1 콘베이어(37), 상기 제 1 콘베이어(37) 운반물에 함유되어 있는 지류, 합성수지류를 선별하기 위한 트롬멜 선별기(39), 상기 트롬멜 선별기 유출물에 함유되어 있는 수분을 1차 제거하여 함수율을 75%로 낮추기 위한 스크류 탈수기(40), 상기 탈수기에서 분리된 수분을 받기 위한 오수관(32), 상기 1차 탈수된 음식쓰레기를 이송하기 위한 제 2 콘베이어(41), 상기 제 2 콘베이어(41)에서 유출되는 1차 탈수 음식쓰레기를 받기 위한 제 2 정량 스크류 콘베이어(42), 상기 제 2 정량 스크류 콘베이어(42)를 통해 공급된 1차 탈수 음식쓰레기를 열전달 매체를 사용하여 함수율 50%의 음식쓰레기로 건조시키기 위한 하나이상의 간접가열식 건조기(50), 생활쓰레기의 연소에 의하여 방출되는 고온의 증기를 유입받아 상기 간접가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키기 위한 증기 챰버(Steam chamber)(48), 구동용 전동기에 의하여 회전자(46)가 회전하면서 음식쓰레기를 열전달매체(44) 벽면에 투척하여 상기 간접가열식 건조기(50)에 의하여 건조된 음식쓰레기를 배출시키기 위한 배출구(49), 상기 배출구(49) 유출물에 함유되어 있는 철제물질을 선별하기 위한 진동선별기(38), 상기 진동선별기(38)를 통해 공급된 건조 음식쓰레기를 미세입자로 분쇄하기 위한 분쇄기(grinder)(54), 흡입관(56)을 통해 공급받은 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관(60)을 통해 배출하기 위한 분사용 송풍기(59), 상기 토출관을 통해 배출된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 함유한 공기를 방사시키기 위한 토출노즐(61), 평형추(counter weight)를 사용하여 상기 송풍기를 통해 상기 토출노즐(61)로 공급되는 흡입공기량을 조절함으로써 상기 토출노즐의 확산상태를 조절하기 위하여 상기 흡입관의 초입에 설치되는 댐퍼(damper)(55), 상기 토출노즐에 의하여 광범위하게 균등분포된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 순간적으로 완전연소시키기 위한 연소실(5) 및 상기 간접가열식 건조기(50)에서 상기 1차 탈수 음식쓰레기의 건조로 인하여 발생된 수증기를 상기 연소실(5)에서 열분해시키기 위하여, 상기 간접가열식 건조기(50)에서 발생된 증발기체를 회수하여 압입송풍기(15)를 경유하여 상기 연소실(5)로 공급하기 위한 증발기체 배출관(47)을 포함하여 구성된다.

Description

쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기의 건조화 및 소각처분장치{Garbage dehydration disposal by incineration utilizing waste heat generated by solid wastes incinerator}

본 고안은 음식쓰레기의 소각처분장치에 대한 것으로서, 특히 도시에서 매일 발생하는 많은 양의 음식쓰레기를 함수율 50%이하로 건조시켜 쓰레기 소각로에서 발생하는 폐열을 이용하여 이 음식쓰레기를 소각처분하는 장치에 대한 것이다.

우리나라 전체의 95년도 음식쓰레기의 발생량은 총 생활폐기물 발생량 47,774톤/일의 31.6%인 15,097톤/일이나 된다. 1일당 음식쓰레기의 양이 계속적으로 감소추세에 있으나 선진 OECD제국과 비교할 때 우리나라의 음식쓰레기의 발생량은 너무 많다. 참고로 예를들면 우리나라가 생활폐기물 발생량의 31.6%(95), 미국이 25.0%(95), 영국이 19.0%(90) 및 독일이 28.0%(89)이다. 또한 1인당 음식쓰레기의 발생량은 우리가 0.34㎏/일, 독일이 0.27㎏/일 및 영국이 0.26㎏/일이다.

현재 우리나라 음식쓰레기의 주요 발생원은 요식업소와 가정이며 요식업소의 발생량은 전체 음식쓰레기 발생량의 42%, 가정이 41%, 대형 유통업소 및 시장이 13%, 집단급식소가 4%를 차지하고 있으며, 성상별로는 채소류가 53.1%로서 주종을 이루고 있으며 어육류 18.6%, 곡류 14.7% 및 과일류 13.6%로 되어 있다. 이렇게 배출되는 음식쓰레기(15,097톤/일)의 95.4%(14,403톤/일)가 매립처분되고 있으며 2.5%(377톤/일)가 소각처분되며, 재활용되고 있는 양은 316톤/일 즉, 2.1%만이 소규모 가축먹이 및 퇴비이용등의 취약한 방법에 의하여 이용되고 있을 뿐이다.

이와 같은 현황에 있는 음식쓰레기의 문제점으로는 ①음식쓰레기의 특성상 수분함량이 80 내지 85%나 되고 쉽게 부패되어 수거.운반시 악취가 발생되고, 3%정도나 되는 과다 염분을 함유하고 있어 퇴비화에 난점이 있고 매립처분시에는 다량의 침출수가 발생하여 지하수 오염등의 2차 환경오염을 유발하고 침출수 처리에는 많은 비용이 소요된다. 뿐만 아니라 국토가 좁은 우리나라에서는 매립장 구하기도 매우 어려운 실정이다. 따라서 국가정책으로 수년내에 음식쓰레기 매립은 종지부를 찍는 것으로 알려지고 있다. 따라서 음식쓰레기의 마지막 처분법은 소각처분하는 것이다.

상기 소각처분법을 선택할 경우에는 소각에 앞선 전처리로서 탈수 즉, 건조과정이 필수적이다. 그러나 이때 건조에 따른 악취가 발생하게 되며 또한 건조된 음식쓰레기를 소각할 때 유해가스가 발생하게 된다는 문제가 있다. 따라서 소각처분법의 도입을 위하여 악취와 유해가스로 인한 피해를 감소시키기 위한 노력이 경주되어야 한다.

게다가 현재 국내에서 운전되고 있는 음식쓰레기 소각로는 음식쓰레기 소각전용 소각로로 구성되어 있기 때문에 운영상의 융통성이 적을 뿐만 아니라 경제성도 적다. 따라서, 음식쓰레기를 융통성있고 경제적으로 소각처분하기 위해서는 함수율 80 내지 85%의 음식쓰레기를 소각법에 의하여 처리하기 위해서는, 음식쓰레기가 자체 연소될 수 있도록 하기 위한 건조방법과, 투입된 건조 음식쓰레기가 소각로 안에서 순식간에 연소되게 하는 방법 및 음식쓰레기를 건조할 때 발생하는 악취와 음식쓰레기의 연소시 유해가스의 발생을 미연에 방지하거나 극소화할 방법을 개발할 필요가 있다. 또한 음식쓰레기의 소각을 더욱 효율적으로 하기 위해서는 전용소각이 아니고 어떤 잉여열량을 이용하여 음식쓰레기를 건조하는 방안이 강구됨이 바람직하다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에 음식쓰레기 소각장치를 병설하여 전용 음식쓰레기 소각로의 경직성을 보완하고 생활쓰레기 소각로의 연소실에서 발생된 열량중 폐열량을 흡수하여 얻은 고온의 증기를 이용하여 음식쓰레기를 건조시켜 소각하는, 쓰레기 소각로에 병설된 음식쓰레기의 소각처분장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 일반적인 중소규모의 생활쓰레기 소각로 구성도

도 2 는 본 고안에 따른 음식쓰레기 소각처분장치의 바람직한 실시예의 구성도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 생활쓰레기 임시저장소 2 : 크레인

3 : 버너 4 : 쓰레기 소각로 본체

5 : 연소실 6 : 쓰레기 투입구

7 : 배가스유출관 8 : 1차 공기 압입관

9 : 보일러식 열교환기 10 : 고온증기 배출관

11 : 냉각배가스 유출관 12 : 증발기체 및 냉각증기 흡입구

13 : 1차 공기흡입구 14 : 임페러

15 : 압입송풍기 16 : 공기예열기

17 : 반건식 반응탑 18 : 백필터(Bag filter)

19 : 유인송풍기 20 : 굴뚝

21 : 소각잔사 임시저장소 30 : 음식쓰레기 호퍼

31 : 정량 스크류 콘베이어 32 : 오수 수집관

33 : 오수배출관 34 : 오수배출펌프

35 : 오수탱크 36 : 절단기

37 : 제 1 콘베이어 38 : 진동선별기

39 : 트롬멜 선별기 40 : 탈수기

41 : 제 2 콘베이어 42 : 제 2 정량스크류콘베이어

43 : 고압증기유입관 44 : 열 전달매체

45 : 응축수 출구 46 : 회전자

47 : 증발기체 배출관 48 : 증기챰버

49 : 배출구 50 : 간접가열식 건조기

51 : 냉각증기배출관 52 : 증발기체 및 냉각증기배출관

53 : 건조 음식쓰레기 공급관 54 : 분쇄기

55 : 댐퍼 56 : 흡입관

57 : 흡입구 58 : 임페러

59 : 분사용 송풍기 60 : 토출관

61 : 토출노즐

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 바람직한 실시예는, 다수의 음식쓰레기 발생장소에서 운반되어온 가연분 약 58%, 회분 약 7%, 함수율 80 내지 85%의 생음식쓰레기를 소각로에 투입하기 위한 음식 쓰레기 호퍼(30), 상기 음식 쓰레기 호퍼를 통하여 음식쓰레기를 공급받으며 상기 호퍼 하부에 설치되는 제 1 정량 스크류 콘베이어(31), 상기 제 1 정량 스크류 콘베이어로부터 공급된 음식쓰레기를 소정의 크기로 절단하기 위한 절단기(36), 상기 절단기에서 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 수분을 수집하기 위한 오수수집관(32), 상기 절단기에서 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 고형물을 운반하기 위한 제 1 콘베이어(37), 상기 제 1 콘베이어(37) 운반물에 함유되어 있는 지류, 합성수지류를 선별하기 위한 트롬멜 선별기(39), 상기 트롬멜 선별기 유출물에 함유되어 있는 수분을 1차 제거하여 함수율을 75%로 낮추기 위한 스크류 탈수기(40), 상기 탈수기에서 분리된 수분을 받기 위한 오수관(32), 상기 1차 탈수된 음식쓰레기를 이송하기 위한 제 2 콘베이어(41), 상기 제 2 콘베이어(41)에서 유출되는 1차 탈수 음식쓰레기를 받기 위한 제 2 정량 스크류 콘베이어(42), 상기 제 2 정량 스크류 콘베이어(42)를 통해 공급된 1차 탈수 음식쓰레기를 열전달 매체를 사용하여 함수율 50%의 음식쓰레기로 건조시키기 위한 하나이상의 간접가열식 건조기(50), 생활쓰레기의 연소에 의하여 방출되는 고온의 증기를 유입받아 상기 간접가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키기 위한 증기 챰버(Steam chamber)(48), 구동용 전동기에 의하여 회전자(46)가 회전하면서 음식쓰레기를 열전달매체(44) 벽면에 투척하여 상기 간접가열식 건조기(50)에 의하여 건조된 음식쓰레기를 배출시키기 위한 배출구(49), 상기 배출구(49) 유출물에 함유되어 있는 철제물질을 선별하기 위한 진동선별기(38), 상기 진동선별기(38)를 통해 공급된 건조 음식쓰레기를 미세입자로 분쇄하기 위한 분쇄기(grinder)(54), 흡입관(56)을 통해 공급받은 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관(60)을 통해 배출하기 위한 분사용 송풍기(59), 상기 토출관을 통해 배출된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 함유한 공기를 방사시키기 위한 토출노즐(61), 평형추(counter weight)를 사용하여 상기 송풍기를 통해 상기 토출노즐(61)로 공급되는 흡입공기량을 조절함으로써 상기 토출노즐의 확산상태를 조절하기 위하여 상기 흡입관의 초입에 설치되는 댐퍼(damper)(55), 상기 토출노즐에 의하여 광범위하게 균등분포된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 순간적으로 완전연소시키기 위한 연소실(5) 및 상기 간접가열식 건조기(50)에서 상기 1차 탈수 음식쓰레기의 건조로 인하여 발생된 수증기를 상기 연소실(5)에서 열분해시키기 위하여, 상기 간접가열식 건조기(50)에서 발생된 증발기체를 회수하여 압입송풍기(15)를 경유하여 상기 연소실(5)로 공급하기 위한 증발기체 배출관(47)을 포함하여 구성된다.

본 고안은 도시에서 매일 생성되는 많은 양의 음식쓰레기를 소각 처분하는 기술에 대한 것이다. 본 고안은 종래기술에 의한 소각로의 경제성 제고를 위하여, 생활쓰레기 소각로에 투입하는 쓰레기의 양을 일부 줄이고, 상기 줄인 생활쓰레기가 발생할 수 있는 만큼이 열량을 낼 수 있도록 건조되고 분말화된 음식쓰레기를 소각로에 투입하면, 생활쓰레기 소각로를 겸한 음식쓰레기 소각시설을 구성할 수 있다.

생음식쓰레기의 함수율은 80 내지 85%정도이므로, 생음식쓰레기를 그대로 소각시키려면 보조연료와 함께 연소시켜야 된다. 그러나 함수율을 50%정도로 낮추면 보조연료없이 자체 연소가 가능한다. 따라서 본 고안은, 80 내지 85% 함수율을 가진 생음식쓰레기를 스크류 탈수기(40)에서 함수율 75%로 탈수한 후 함수율 50%로 건조시켜 소각한다.

생활쓰레기 소각로의 연소실(5)에서 발생되는 열의 온도는 900℃정도이므로, 후속장비를 부식으로부터 보호하기 위하여 배기가스의 온도를 350℃정도로 냉각하게 된다. 본 고안은 상기 온도차로부터 얻은 열량을 흡수하여 얻은 고온(150℃)의 증기를 이용하여 간접가열식 건조기(50)를 운전함으로써, 75%전후의 함수율을 가지는 1차 탈수 음식쓰레기를 함수율 50%로 건조시킨다.

도 1은 통상적인 중소규모의 생활쓰레기 소각로의 대표적인 구성도이다. 본 고안에 따른 생활쓰레기 소각로(4)의 폐열을 이용한 음식쓰레기의 소각처분시설을 설명하기에 앞서 생활쓰레기 소각로에 대하여 설명하면 다음과 같다.

한 실례로서 1997년도 현재 인구 186,000명의 도시에서 발생하는 생활쓰레기의 총량은 154.4톤/일(＝186,000c ×0.83kg/c.d ×0.001톤/kg)이고 이 중 가연성물질은 약 42%이므로, 생활쓰레기 154.4톤/일 가운데 가연성 쓰레기는 64.8톤/일이다. 이중에서 19.2톤/일 또는 800kg/h를 소각처리할 수 있는 소각로를 설치하였으나 실지로는 8h/일 정도로 소각처리하고 있는 것이 현실이다.

이하 상기 경우를 예를 들어 본 고안 장치의 동작원리에 대해 설명한다. 통상적으로, 소각로에서 생활쓰레기를 정상적으로 소각하면 그 배기가스의 온도는 900℃ 전후가 된다. 이와 같은 고온의 가스를 소각로 후단부에 설치된 각종 설비에 그대로 통과시키면, 이들 설비물에 대한 부식문제가 크게 대두된다.

즉, 생활쓰레기를 연소시키면 쓰레기중의 일부 성분으로부터 SO_x, NO_x, HCl등의 부식성 가스가 발생하여 금속류를 부식시키는데, 350℃ 내지 400℃ 또는 120℃ 내지 150℃에서 부식의 정도가 크기 때문에 900℃의 배기가스 온도를 150℃ 내지 350℃정도로 냉각시킬 필요가 있다. 이는 150℃ 내지 330℃ 범위에서 금속류의 부식정도가 가장 낮기 때문이다.

이와 같이 배기가스 온도를 하강시켜 소각로 후속의 각종 설비를 부식으로부터 보호하기 위해서는 필연적으로 냉각장치가 필요하게 된다. 냉각장치에는 수분사식, 공기흡입식, 간접 냉각식 등이 있다. 본 고안에서는 간접 냉각식인 폐열 보일러 방식의 열교환기(9)를 선택한다.

일반생활쓰레기는, 수분과 가연분 및 회분의 3요소가 가지는 함수율에 따라 저질, 중질 및 고질로 분류된다. 수분이 41%, 가연분이 50%, 회분이 9%정도면 저질로 판단한다. 고질쓰레기는 수분이 35%, 기연분이 58%, 회분이 7%정도이다. 저질쓰레기의 발열량은 2,000kcal/kg, 고질은 2,500kcal/kg정도이다.

본 소각로(4)에 투입하는 쓰레기의 발열량을 2,500kcal/kg로 설정한다. 소각로(4)를 매일 아침에 가동하기 위해서는 초기 승온을 위해서 보조연료 즉 경유가 필요한데, 시간당 800kg의 쓰레기를 소각하는 로에서는 약 80kg/h의 경유가 필요하다. 또한 시간당 연소공기량은 4,896N㎥/h, 버너용 연소공기량은 1,296N㎥/h가 필요하게 된다.

즉, 쓰레기＋보조연료＋(연소공기＋버너용 연소공기)가 연소되어 이산화탄소 (CO₂) 464N㎥/h, 산소(O₂) 504N㎥/h, 질소가스(N₂) 3,864N㎥/h, 수분(H₂O) 688N㎥/h 합계 5,520N㎥/h의 배기가스가 발생하게 된다.

소각로(4)에서 방출되는 배기가스량이 생성하는 열량 즉, 폐열보일러식 열교환기(9)에 유입되는 열량은 수학식 1과 같이 계산된다.

유입열량(kcal/h) ＝ 배기가스량 × 900℃의 정압비열 × 배기가스온도

＝ 5,520(N㎥/h) × 0.3578(kcal/N㎥·℃) × 900(℃)

＝ 1,777,550(kcal/h)

열교환기(9)의 방산열량을 입열의 5%(통상 5%로 간주함)로 가정하면 열교환기(9)의 방산열량＝1,777,550×0.05＝88,878kcal/h이 된다.

또한 열교환기(9)의 냉각 배기가스 유출관(11)을 통해 이탈하는 배기가스 열량은 수학식 2와 같다.

열교환기 냉각 배기가스 유출관(11)을 통해 이탈하는 열량

＝ 배기가스량 × 350℃의 정압비열 × 배기가스온도

＝5,520(N㎥/h) × 0.3345(kcal/N㎥℃) × 350℃

＝646,254kcal/h이다.

따라서 열교환기(9)가 회수하는 열량은 수학식 3과 같다.

열교환기 회수열량

＝열교환기유입열량－(열교환기방산열량＋열교환기를 이탈하는 증기보유열량)

＝1,777,550－(88,878＋646,254)

＝1,042,418kcal/h이다.

열교환기(9) 내부의 증기압을 5kg/㎠(151℃)로 하면 이 때의 엔탈피 (enthalpy)는 656.1kcal/kg이므로, 열교환기의 증기발생량은 수학식 4와 같다.

열교환기의 증기발생량＝(열교환기회수열량/엔탈피)/1,000

＝(1,042,418(kcal/h)/656.1(kcal/kg))/1,000(kg/ton)

＝1.58ton/h 이다.

여러곳에서 수집된 생음식쓰레기의 함수율은 대체로 80 내지 85%인데 스크류탈수기(40)를 통과하면 함수율은 대체로 75%전후가 되는데, 이하 75%전후의 함수율을 가진 1차 탈수음식쓰레기를 음식쓰레기 케이크라 칭한다.

음식쓰레기 케이크는 유기질을 많이 함유하고 있기 때문에 수분을 충분히 제거하면 보조연료없이도 자체 연소가 가능하다. 일반적으로 음식쓰레기 케이크의 수분이 제거되어 고형물농도가 70∼50%면 보조연료없이도 연소가 계속된다.

본 명세서에서는 고형물 농도가 50%가 될 때까지 건조시키는 것으로 설정하고, 건조된 음식쓰레기 케이크를 건조 음식쓰레기라 한다. 이 건조 음식쓰레기의 발열량은 대체로 2,500kcal/kg로 알려지고 있다.

소각로(4)에 투입되는 생활쓰레기 발열량은 통상 2,500kcal/kg로 설계되기 때문에, 생활쓰레기와 건조 음식쓰레기를 1:1의 비율로 혼합하여 연소시킨다고 하면, 800kg/h로 설계된 소각로(4)의 쓰레기 투입량은 400kg/h로 줄게 되며, 생산되는 열량도 절반이 된다. 따라서 부족한 절반의 열량은 건조 음식쓰레기를 소각하여 얻는다. 이때, 건조 음식쓰레기의 양은 아래와 같이 계산된다.

소각로(4)에 2,500kcal/kg의 발열량을 가진 생활쓰레기 800kg/h를 소각하면 2,500×800＝2,000,000kcal/h의 열량이 발생되고 이 열량은 이 소각로가 발생할 수 있는 열량이지만, 같은 소각로(4)에 1/2의 쓰레기를 소각하면 2,500 ×400＝ 1,000,000kcal/h의 열량이 발생된다. 따라서 부족한 열량 1,000,000kcal/h를 건조 음식쓰레기의 소각열로 보충한다면, 건조 음식쓰레기량은 1,000,000(kcal/h)/ 2,500(kcal/kg)＝400kg/h이다. 즉 건조음식쓰레기를 시간당 400kg을 연소시키면 된다.

이것은 생활쓰레기 400대 건조 음식쓰레기 400의 비율이다. 즉, 생활쓰레기 1kg에 대해 건조 음식쓰레기 1kg의 비율로 소각로(4)에 투입하면 되고, 계획된 생활쓰레기 800kg/h를 소각하는데 소요되는 운전시간은 2배인 16h/일로 계산되는데, 이것은 서두에서 언급한 바와 같이 실제로는 문제될 것이 없다. 물론 경우에 따라서는 건조 음식쓰레기를 단독 소각할 경우도 있겠지만 여기서는 혼합 투입하는 것을 기준으로 한다.

건조 음식쓰레기의 소각량은 시간당 400kg이므로, 16시간동안에는 6,400(＝ 16 ×400)kg의 건조 음식쓰레기를 소각처분할 수 있다.

함수율 75%의 음식쓰레기케이크를 시간당 1kg씩 건조기(50)에 투입하여 고형물농도 50%로 되게 건조시키면 증발되는 수분량은 수학식 5와 같다.

증발수분량

＝음식쓰레기케이크 무게 ×(음식쓰레기케이크 함수율 － 건조 음식쓰레기함수율) / (100－건조 음식쓰레기함수율)

＝1kg/h×(75－50)/(100－50)

＝0.5kg/h이다.

따라서 건조 음식쓰레기 400kg/h이 음식쓰레기케이크 상태의 함수율이 되도록 하려면 200kg/h(＝400 ×0.5)의 수분을 건조 음식쓰레기 400kg/h에 더하면 된다.

결과적으로, 시간당 800kg(＝ 건조음식쓰레기 400kg ＋ 수분 400kg)의 음식쓰레기케이크를 간접가열식 건조기(50)에서 건조시키면, 함수율 50%의 건조 음식쓰레기 400kg이 생성된다. 재언하면, 함수율 75%의 음식쓰레기케이크 800kg에 대해 건조과정에서 400kg/h의 율로 수분을 제거하면 400kg/h의 건조 음식쓰레기가 생성된다.

하루 16시간 운전하는 것으로 계산할 때 음식쓰레기케이크의 양은 12,800kg/d(＝800kg/h ×16h/d)이 된다. 따라서, 함수율 75%의 음식쓰레기케이크 12,800kg를 16운전시간 동안에 건조시켜 함수율 50%의 건조 음식쓰레기 6,400kg(＝400×16)로 만들고, 이것을 소각처분한다.

800kg/h(함수율75%)의 음식쓰레기케이크를 간접가열식 건조기(50)로 건조하여 400kg/h(함수율 50%)의 건조 음식쓰레기로 만드는데 필요한 열전달 매체(44)의 면적 A는 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.

A ＝ X/Sv (한국수도협회, 1998.2 발행, 하수도시설기준, p.835)

여기서 A는 열전달 매체 면적(㎡)이고, X는 증발 수분량(400kg/h)이며, Sv는 증발속도(함수율 50%때 15kgH₂O/㎡·h)이므로, 열전달 매체 면적 A의 값은 수학식 7과 같다.

A = 400(kg/h) / 15(kgH₂O/㎡·h) ＝ 26.7㎡

즉, 건조기의 열전달 매체(44)의 면적은 26.7㎡이면 된다. 이 열전달 매체(44) 면적이 필요로 하는 열량은 아래와 같다.

800kg/h의 음식쓰레기케이크를 함수율 50%로 건조하는데 필요한 열량은 수학식 8에 의해 구할 수 있다.

Q＝U??dt??A (한국수도협회, 1998.2 발행, 하수도시설기준, p.835)

여기서, Q는 필요열량(kcal/h)이고, U는 총 열전달계수(100∼180) (kcal/㎡·h·℃)이고, A는 열전달 매체면적(26.7㎡)이며, dt는 음식쓰레기케이크와 열촉매의 대수평균온도차(℃)이다. 상기 dt는 수학식 9에 의하여 구할 수 있다.

dt=(dt1－dt2) / (2.3log(dt1/dt2))

여기서, dt1는 건조기 입구 열매체의 온도와 음식쓰레기케이크 온도와의 차(℃)이고, dt2는 건조기 출구 열매체의 온도와 음식쓰레기케이크 온도와의 차(℃)이다.

U는 100∼180에서 160kcal/㎡·h·℃를 선택하면, dt1은 130℃(=150－20)이고, dt2는 50℃(=130－80)이므로, 800kg/h의 음식쓰레기 케이크를 함수율 50%로 건조하는데 필요한 열량 Q는 수학식 10에 의하여 구할 수 있다.

Q＝160kcal/㎡·h·℃ × (130－50)/(2.3log(130/50)) ×26.7㎡

＝358,075kcal/h이다.

즉, 필요열량은 358,075kcal/h인데 비하여 이용 가능한 열량은 손실열량을 무시할 때 1,042,418kcal/h나 된다(수학식 3 참조). 이로서 보일러식 열교환기(9)에서 공급 가능한 열량은 상당한 여유가 있어 3배나 더 많은 음식쓰레기케이크의 건조도 가능함을 알 수 있다.

다시 말해 열전달 매체(44)의 면적이 26.7㎡인 간접가열식 건조기(50)를 상기에서 언급한 바와 같이 16시간 가동시키면, 75%의 함수율을 가지는 음식쓰레기케이크 12,800kg/d(＝800kg/h ×16h/d)을 50%의 함수율을 가지는 건조음식쓰레기 6,400kg(＝400kg/h ×16h/d)로 전환할 수 있다.

우리나라의 중소 도시에서 발생되는 음식쓰레기의 발생량을 0.34kg/c.d로 간주할 때 상기 쓰레기 소각로를 상기 예와 같이 운전한다면 상기 보일러식 열교환기(9)는 전술한 바와 같이 음식쓰레기케이크 12,800kg/일(1일을 16운전시간으로 간주)의 3배되는 38,400kg(＝12,800 ×3)의 음식쓰레기케이크를 함수율 50%의 건조 음식쓰레기로 만들 수 있다. 이 음식쓰레기를 생성하는 인원수는 수학식 11과 같이 계산된다.

인원수 ＝ 38,400(kg/d) / 0.34(kg/c.d)

＝ 112,941 명

즉, 예시된 800kg/h의 소형 쓰레기 소각로 폐열을 이용할 때, 그 처리 처분에 난점이 많은 음식쓰레기를 아주 쉽게 112,000명 이상의 인원이 만들어 내는 음식쓰레기를 소각처분할 수 있음을 말해 주고 있다.

상기된 바와 같이, 배기가스의 냉각열, 즉 보일러식 열교환기(9)가 흡수할 수 있는 폐열량은 음식쓰레기케이크를 자체 연소가 가능한 건조 음식쓰레기로 만들기에 충분하다. 따라서, 이하 음식쓰레기케이크를 어떤 기구와 방법을 통하여 연소시키는가에 대해 상세히 설명한다.

도 2 는 본 고안에 따른 음식쓰레기 전처리를 위한 소각처분장치의 바람직한 일 실시예의 구성도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 보일러식 열교환기(9)의 고온증기배출관(10)에서 방출되는 고온(약 150℃)의 증기는 간접가열식 건조기(50)의 증기챰버(Steam chamber)(48)의 고압증기 유입관(43)에 유입되고, 간접가열식 건조기(50)에 체류하는 동안에 냉각된 증기는 냉각증기배출관(51)을 통하여 회수되고 일부 응축된 액체는 응축수 출구(45)를 통하여 오수수집관(32)으로 유입된다.

여러 음식쓰레기 발생원에서 수집운반되어 음식쓰레기 호퍼(30)에 투입되면 일부 잉여수분은 중력에 의해 오수수집관(32)으로 유입되고 고형물은 정량 스크류콘베이어(31)에 의하여 절단기(36)에 유입되어 생음식쓰레기는 가급적 잘게 절단되어 건조기(50)에서 균등한 속도로 건조되게 하는데 사용목적이 있으므로, 절단기(36)의 최소 용량은 13.4kg/분(＝800(kg/h)/60(min/h))이다. 절단기(36)에서 잘게 절단된 음식쓰레기는 콘베이어(Conveyer)(37)에 의하여 트롬멜 선별기 (Trommel Screen)(39)에 투입된다. 여기서는 음식쓰레기에 포함되어 있는 협잡물, 특히 비닐류, 철 및 알미늄 깡통류, 기타 덩어리가 커서 체를 통과할 수 없는 것들이 제거된다. 트롬멜 선별기(39)에서 선별된 음식쓰레기는 탈수기(40)에 투입되어 함수율이 75% 전후가 되게 탈수된다. 탈수된 음식쓰레기 즉 음식쓰레기케이크는 콘베이어(41)에 의하여 간접 가열식 건조기(50)의 정량 스크류콘베이어(42)에 투하되어 간접 가열식 건조기(50) 내부로 들어간다.

실제로는 건조기(50)를 복수개 설치하는 것이 바람직하나, 본 명세서에서는 설명의 편의상 한 개의 건조기(50)를 사용하는 소각로에 대하여 설명한다.

앞서 언급한 바와 같이, 정량 콘베이어(42)의 투입율은 13.4kg/분 (＝800 (kg/h) / 60(min/h))이며, 건조기(50)는 함수율 75%의 음식쓰레기케이크를 시간당 800kg을 함수율 50%로 건조시킬 수 있는 능력을 가지고 있다.

간접가열식 건조기(50)의 효율을 올리기 위하여 여러 가지 방법이 동원되고 있으나, 본 고안에서는 내부의 회전자(46)를 사용하여, 계속적으로 투입되는 음식쓰레기케이크를 연속적으로 열전달 매체(44)에 강하게 투척함으로써, 건조가 촉진되게 하는 장치를 구비한 건조기(50)를 고려한다.

간접가열식 건조기(50)에 의하여 함수율 50%로 알맞게 건조된 건조 음식쓰레기는, 일정시간이 되면 배출구(49)로부터 배출되어 진동선별기(38)에 투하된다. 이 진동선별기(38)에는 2 내지 3단의 체(Screen)와 자석(Magnet)를 장치하여 이 진동선별기(38)후단에는 철분등이 유입되지 않도록 한다. 이 진동선별기(38)를 통과한 건조 음식쓰레기(함수율 50%이하)는 중력에 의하여 분쇄기(54)에 투입되어 가급적 미세한 입자로 분쇄된다.

분쇄기(54)를 사용하여 건조 음식쓰레기를 가급적 미세입자로 만드는 이유는, 소각로(4)의 연소실(5)에서 순식간에 연소되어 불완전연소된 재가 연소가스와 함께 연소실(5) 이후의 시설안으로 방출되어 배기가스 여과기 등의 부하가 증가되지 않도록 하기 위해서이다. 또 다른 이유로는 연소실(5)에서 불완전연소된 재가 화상아래로 떨어져서 재의 용적이 늘어나는 것을 예방하기 위함이다.

분쇄기(54)에 의하여 분말화된 건조 음식쓰레기를 분사용 송풍기(59)를 이용하여 소각로의 연소실(5)안으로 사출하기 위하여, 분말건조 음식쓰레기는 송풍기의 흡입관(56)속으로 자유낙하된다. 송풍기(59)의 흡입 및 토출력을 이용하여 분말화된 음식쓰레기를 이송하는 것이 특징이다. 그리고 송풍기(59)의 흡입 및 토출력을 이용하여 밀가루, 시멘트, 옥수수, 콩, 목탄, 모래, 점토 등의 고형입자를 이송할 경우, 흡입공기의 풍속은 10 내지 35m/s이고 고형입자와 공기의 혼합비는 2 내지 10이다.

이때 고형입자와 공기의 혼합비를 5로 가정하면, 분말건조 음식쓰레기를 흡입하는데 필요한 공기량(송풍기용량) Q(㎥/분)는 수학식 12와 같다. 이때, 분말건조 음식쓰레기의 고체비중은 실제로 0.5이하이며 분말건조 음식쓰레기의 양은 6.7kg/분((800 ×0.5)/60)이고 풍속은 25m/s로 한다.

Q ＝ T/(γ×M)

여기서, T는 수송량(kg/분)이고, γ는 공기비중(1.2kg/㎥)이며, 혼합비 M은 5로 할 때, 필요 공기량 Q의 값은 수학식 13과 같다.

Q ＝ T/(γ×M) ＝ 6.7/(1.2×5)

＝ 1.12㎥/분

또한 흡입관(56)의 지름 D는 수학식 14에 의하여 계산된다.

D ＝ 146 (Q/V)^0.5

여기서, D는 관의 지름(mm)이고, Q는 풍량(㎥/분)이며, V는 풍속(25m/s)이므로, 흡입관(56)의 지름 D의 값은 수학식 15와 같다.

D ＝ 146(Q/V)^0.5＝ 146 ×(1.12/25)^0.5

＝ 31.0mm

흡입관(56)과 토출노즐(61)을 스테인레스 관으로 할 때 공칭 관경 25, 32 및 40mm 중에서 32mm를 선택하면 풍속 V의 값은 수학식 16과 같다.

V ＝ 146²×Q/D²＝ 146²×1.12/32²

＝ 23.3m/s

따라서 상기 계산 결과를 요약하면 풍량은 1.12㎥/분이고 흡입관(56) 및 토출노즐(61) 지름은 32mm이며, 이 때 풍속은 23.3m/s이다. 이 풍속이면 비중 0.5의 분말건조 음식쓰레기는 충분히 흡입 및 토출이 가능하다.

송풍기의 흡입관(56)과 토출노즐(61)의 압력손실은 수학식 17에 의하여 계산된다.

P_a＝ f×(L/D)×(γ/2g)×V²

여기서, P_a는 압력손실(mmAq)이고, f는 마찰손실계수(=0.02)이고, L은 관의 총길이(m)이고, D는 관경(m)이고, γ는 공기비중(1.2kg/㎥)이며, V는 풍속 (23.3m/s) 이다. 따라서 관의 총 연장을 5m로 하여 상기 압력손실 P_a의 값을 계산하면 수학식 18과 같다.

P_a＝ 0.02 ×(5/0.032) ×(1.2/(2 ×9.8)) ×23.3²

＝ 104 mmAq

이때 안전율을 2.0으로 보면 실제 압력손실은 104 ×2.0 ＝ 210mmAq이므로, 기타 압력손실을 감안하여 총 압력손실을 300mmAq로 설정한다.

따라서 송풍기의 소요동력 P의 값은 수학식 19에 의하여 구한다.

P ＝ ((Q ×dP)/(6,120 ×E)) ×α

여기서, P는 송풍기의 소요동력(kw)이고, Q는 분당 풍량(1.12㎥/분)이고, dP는 압력차(=300mmAq)이고, E는 효율(=0.55)이고, α는 여유율(=1.5)이라고 하면, 송풍기의 소요동력 P의 값은 수학식 20과 같이 계산된다.

P ＝ (1.12 ×300/(6,120 ×0.55)) ×1.5

＝ 0.15kw이다.

송풍기(59)는 비중이 0.5인 건조 음식쓰레기 분말을 공기와 혼합된 상태로 흡입 및 방출해야 되기 때문에 정압이 확보되고 기계적으로 임페러와 케이싱이 견고하여야 한다.

이에 적합한 송풍기는 방사익 송풍기(Radial blade fan)이다. 이 송풍기는 원심 송풍기중 가장 적은 6∼12매의 반경 방향깃을 가지고 있으며, 견고한 재질을 사용하므로 가격은 약간 비싸나, 구조가 매우 간단하고 강도가 강하므로 고속회전이 가능하며, 임페러 깃판의 교환 및 수리가 용이하다.

따라서 시멘트, 미분탄, 톱밥, 곡물 및 모래 등을 비롯한 고농도의 입자상 물질이나 부착성 및 마모성이 강한 분진을 흡입 및 이송하는데 이 방사익 송풍기가 널리 사용되고 있다.

송풍기의 흡입구(57)를 통해 흡입된 건조 음식쓰레기는 송풍기(59)에서 가속 및 가압되고, 토출노즐(61)을 통해 방출된다. 토출노즐(61)을 통해 방출된 건조 음식쓰레기는 소각로의 연소실(5)내로 분출된다.

상기 토출노즐(61)은 건조 음식쓰레기를 연소실(5) 안에서 골고루 광범위하게 분포시켜 순식간에 연소되게 한다. 앞서 설명한 바와 같이 음식쓰레기케이크는 건조되고 분말화되어 연소실(5)에서 순식간에 완전 연소되므로, 연소실(5)의 후속시설이나 화상 하부에 있는 재의 임시저장소에 건조 음식쓰레기로 인한 추가적인 재의 유입 및 축적은 거의 발생하지 않는다.

한편 흡입관(56) 초입에 위치한 댐퍼(damper)(55)는 흡입공기량을 조절하여 토출노즐(61)의 확산상태를 적절하게 조절함으로써, 분말 음식쓰레기가 연소실(5)내에서 순식간에 완전 연소될 수 있도록 한다. 댐퍼(55)에는 평형추(counter weight)를 부착하여 언제나 최상의 흡입이 되게 조정한다.

본 고안에 의한 소각처분장치에서, 상기 간접가열식 건조기(50)가 운전되고 있는 동안에는 음식쓰레기케이크의 건조로 인하여 많은 수증기가 발생된다. 이 수증기는 수분은 물론이고 여러 종류의 유해가스를 함유하고 있다. 따라서 상기 수증기를 대기 중으로 그냥 방출하지 않고, 증발기체 배출관(47)을 통하여 전량을 회수하여 증발기체 및 냉각증기흡입구(12)를 통하여 압입송풍기(15), 공기예열기(16) 및 1차 공기흡입관(8)을 경유하여 연소실(5)로 압송한다. 따라서 증발기체에 함유되고 있던 모든 유해물질은 생활쓰레기의 경우와 같이 고열(900℃)에서 열분해를 일으켜 환경적으로 무해한 것으로 변한다.

즉 함수율 75%의 음식쓰레기케이크가 함수율 50%로 건조되는 과정에서 증발하는 각종 유해물질을, 열분해를 통해 무해한 것으로 변화시킨다. 따라서 건조 음식쓰레기가 900℃의 고열로 연소되면 건조 음식쓰레기가 함유하고 있던 각종 유해성분도 생활쓰레기의 경우와 같이 열분해에 의해 환경에 무해한 것으로 된다. 또한 이와 같은 소각로의 연소실 후단에는 냉각장치와 대기오염 예방 내지는 방지를 위하여 여러 가지의 공기 정화장치를 첨부한다.

본 고안은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 고안의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 고안은 상기 고안의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 고안의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기와 같이 동작하는 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에 음식쓰레기 소각장치를 병설하여 소각로의 폐열 이용으로 전용 음식쓰레기 소각로의 경직성을 보완함으로써, 보다 융통성 있고 경제적이고 환경친화적으로 음식쓰레기를 소각처분한다.

즉, 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에서 필연적으로 발생되는 잉여 폐열량을 이용하여 음식쓰레기를 건조시키고 분말화하여 이 분말건조 음식쓰레기를 생활쓰레기와 함께 소각처분 함으로써, 나날이 생성량이 증가되는 음식쓰레기의 처분을 위한 매립지의 구득난, 음식쓰레기 매립으로 인한 침출수가 토양과 지하수를 오염시키고 음식쓰레기의 유기물부패 등이 야기할 수 있는 여러 가지 문제를 일거에 해결할 수 있는 경제적이고 환경친화적인 효과가 지대하다.

Claims

소정 비율의 가연분, 회분, 함수율을 갖는 생음식쓰레기를 소각로에 투입하기 위한 음식 쓰레기 호퍼(30);

상기 음식 쓰레기 호퍼를 통하여 음식쓰레기를 공급받으며 상기 호퍼 하부에 설치되는 제 1 정량 스크류 콘베이어(31);

상기 제 1 정량 스크류 콘베이어로부터 공급된 음식쓰레기를 소정의 크기로 절단하기 위한 절단기(36);

상기 절단기에서 음식쓰레기가 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 수분을 수집하기 위한 오수수집관(32);

상기 절단기에서 음식쓰레기가 일정규격으로 절단되는 동안 발생되는 고형물을 운반하기 위한 제 1 콘베이어(37);

상기 제 1 콘베이어(37) 운반물에 함유되어 있는 지류, 합성수지류를 선별하기 위한 트롬멜 선별기(39);

상기 트롬멜 선별기 유출물에 함유되어 있는 수분을 1차 제거하여 소정값의 함수율로 낮추기 위한 스크류 탈수기(40);

상기 탈수기에서 분리된 수분을 받기 위한 오수관(32);

상기 1차 탈수된 음식쓰레기를 이송하기 위한 제 2 콘베이어(41);

상기 제 2 콘베이어(41)에서 유출되는 1차 탈수 음식쓰레기를 받기 위한 제 2 정량 스크류 콘베이어(42);

상기 제 2 정량 스크류 콘베이어(42)를 통해 공급된 1차 탈수 음식쓰레기를 열전달 매체를 사용하여 소정값의 함수율을 갖는 음식쓰레기로 건조시키기 위한 하나 이상의 간접가열식 건조기(50);

생활쓰레기의 연소에 의하여 방출되는 고온의 증기를 유입받아 상기 간접가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키기 위한 증기 챰버(Steam chamber)(48);

구동용 전동기에 의하여 회전자(46)가 회전하면서 음식쓰레기를 열전달매체(44) 벽면에 투척하여 상기 간접가열식 건조기(50)에 의하여 건조된 음식쓰레기를 배출시키기 위한 배출구(49);

상기 배출구(49) 유출물에 함유되어 있는 철제물질을 선별하기 위한 진동선별기(38);

상기 진동선별기(38)를 통해 공급된 건조 음식쓰레기를 미세입자로 분쇄하기 위한 분쇄기(grinder)(54);

흡입관(56)을 통해 공급받은 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관(60)을 통해 배출하기 위한 분사용 송풍기(59);

상기 토출관을 통해 배출된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 함유한 공기를 방사시키기 위한 토출노즐(61);

평형추(counter weight)를 사용하여 상기 송풍기를 통해 상기 토출노즐(61)로 공급되는 흡입공기량을 조절함으로써 상기 토출노즐의 확산상태를 조절하기 위하여 상기 흡입관의 초입에 설치되는 댐퍼(damper)(55);

상기 토출노즐에 의하여 광범위하게 균등분포된 상기 분말화된 건조 음식쓰레기를 순간적으로 완전연소시키기 위한 연소실(5); 및

상기 간접가열식 건조기(50)에서 상기 1차 탈수 음식쓰레기의 건조로 인하여 발생된 수증기를 상기 연소실(5)에서 열분해시키기 위하여, 상기 간접가열식 건조기(50)에서 발생된 증발기체를 회수하여 압입송풍기(15)를 경유하여 상기 연소실(5)로 공급하기 위한 증발기체 배출관(47)을 포함하여 구성되는, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 소각로 하단부에 설치되는 다수의 설비를 부식으로부터 보호하기 위하여 상기 배기가스의 온도를 소정 범위내의 온도로 냉각시키는 수단을 더 구비하는, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 배기가스의 온도를 냉각하는 과정의 온도차에 의해 얻어지는 소정 온도의 증기를 사용하여 상기 간접가열식 건조기(50)를 운전하는 것이 특징인, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 냉각 수단은 폐열 보일러 방식의 열교환기(9)인 것이 특징인, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 진동선별기(38)는 상기 진동선별기 후단으로 철분이 유입되는 것을 막기위한 복수단의 체(screen)와 자석을 구비하는, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 송풍기(59)의 흡입 및 토출력을 이용하여 분말화된 음식쓰레기를 이송하는 것이 특징인, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 음식쓰레기의 건조과정에서 발생하는 수증기 중에 포함되는 유해가스를 증발기체 배출관(47)으로 회수한 뒤 연소실(5)로 압송하여 소정 온도의 고열로 열분해시키는 것이 특징인, 쓰레기 소각로 폐열을 이용한 음식쓰레기 소각 처분 장치.