KR20100031056A - 증기식 열교환 유니트 및 그를 이용한 증기식 열교환 방법 및 그를 이용한 슬러지 가수분해 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도와 압력에 따라 기체와 액체로 변하는 물의 물리적 성질을 이용하여 고온의 슬러지를 냉각시키고 저온의 슬러지를 가열하는 증기식 열교환 유니트, 증기식 열교환 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 시스템에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 고온의 슬러지가 유입되어 온도와 압력에 따라 기체와 액체로 변하는 유체의 상태변화에 의하여 증기압 차이만큼 고온의 수증기가 발생되며 고온의 슬러지는 냉각되는 고온 열교환 용기와, 그리고 저온의 슬러지가 유입되어 이동하면서 상기 고온의 수증기의 응축에 의해 승온되도록 하는 저온 열교환 용기를 포함하여 이루어지는 증기식 열교환 유니트 및 증기식 열교환 방법 그리고 이를 이용한 슬러지 가수분해 시스템을 제공한다.

슬러지, 열교환, 가수분해

Description

증기식 열교환 유니트 및 그를 이용한 증기식 열교환 방법 및 그를 이용한 슬러지 가수분해 시스템{Apparatus of steam type heat exchanging and method of heat exchanging sludge using the same and sludge treatment system using the same}

본 발명은 유기물 슬러지의 가수분해 기술에서 증기식 열교환 유니트, 증기식 열교환 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬러지를 가수분해하기 위하여 슬러지를 가열하는 과정에서, 온도와 압력에 따라 기체와 액체로 변하고 이러한 기화나 액화 과정에서 수증기를 통하여 에너지를 전달할 수 있는 물의 물리적 성질을 이용하여 고온의 슬러지를 냉각시키고 저온의 슬러지를 가열하는 증기식 열교환 유니트, 증기식 열교환 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 하수슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지 (여기서는 슬러지라고 칭한다)가 폐기물로 그대로 배출되면 침출수나 악취 및 해충 발생 등의 환경오염을 일으킬 수 있다. 한편, 슬러지는 건조 후 1kg당 3000 kcal 이상의 많은 에너지가 포함되어 있는데, 슬러지를 처리하는 과정에서 상기 에너지 를 회수할 수만 있다면 경제적으로 매우 유용하겠지만, 슬러지의 함수율이 80% 수준으로 높아서 아직까지는 슬러지에 포함된 에너지가 경제적으로 활용되지 못하고 있다.

즉, 슬러지는 함유된 80% 이상의 많은 물을 제거하거나 미생물로 분해하면 에너지를 회수할 수 있고, 이를 위하여 많은 기술이 개발되었지만, 대부분의 기술이 아직 회수되는 에너지보다 투입되는 에너지가 더 커서 경제성이 없거나 악취발생 등의 문제가 있다. 따라서, 현재까지는 대부분의 슬러지가 해양투기나 퇴비 활용 등으로 처리되고 있다.

한편, 슬러지는 포도당이나 아미노산 및 지방산이 결합한 고분자 화합물인 탄수화물, 단백질, 지질 등의 영양 유기물이 포함되어 구성되고, 이 영양 유기물을 물과 함께 200 이상 고온으로 가열하면 포도당이나 아미노산 등으로 분해되는데, 이러한 현상을 가수분해라고 한다.

상기 가수분해의 원리를 이용하여 슬러지를 처리하는 여러 가지 방법이 고안되었지만, 고온으로 가열하는 과정에서 많은 열에너지가 필요할 뿐 아니라 고온에 수반되는 물의 높은 증기압을 견디며 연속적으로 작동될 수 있는 장치 구성이 어려워 슬러지의 가수분해 장치가 아직 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

특히, 종래의 가수분해장치는 슬러지를 가수분해하기 위하여 상온의 슬러지를 200℃이상으로 직접 가열해야 하기 때문에 온도상승에 필요한 과다한 열에너지가 요구된다는 문제점이 있었다.

또한, 반복되는 가수분해 공정에서 가열 및 냉각 과정에 많은 열에너지를 사 용하고, 사용된 에너지가 그대로 버려지기 때문에 열손실이 클 뿐 아니라 별도의 냉각장치를 설치 운영해야 하기 때문에 장치의 효율이 낮다는 문제점이 있었다.

상기와 같이, 종래기술에 따른 가수분해장치는 투입되는 열에너지에 비하여 회수되는 고형물 등의 에너지가 적기 때문에 에너지효율이 낮으므로 폐기물인 슬러지의 처리방법으로는 경제성이 없었다.

따라서, 가수분해장치에 별도의 가열에 사용된 에너지가 재사용될 수 있도록 열교환을 시킬 수 있는 열교환 장치 등이 요구되며, 이러한 공급에너지 대비 회수에너지 효율을 높일 수 있는 장치가 적용되는 가수분해장치의 개발이 요구되는 실정이다.

이렇게 가수분해된 고온의 슬러지와 가수분해될 저온의 슬러지를 열교환하면 에너지를 절약하는 좋은 방법이라는 것은 쉽게 이해하고 가수분해 기술에서 열교환의 필요성을 언급하고 있지만 탈수 슬러지의 유동성이 나빠서 열전달이 되지 않아 이 저온 슬러지를 열교환 가열하는 장치를 구성하는 구체적인 벙법을 아직 개발하지 못하여 슬러지 가수분해에서 전체 온도를 가열하고 다시 냉각하고 있다.

한편, 물은 온도와 압력에 따라 액체나 기체로 상태가 변화하는데 물이 액체에서 기체로 상태가 변화는 온도 압력 곡선을 물의 증기압 곡선이라 한다. 특정 온도에서 증기압 곡선 압력보다 외부 압력이 높으면 물은 액체로 존재하고 외부 압력이 낮으면 기체로 존재한다.

물이 수증기로 상태가 변할 때 100℃ 1기압에서 540㎉/㎏의 에너지를 흡수하고 부피는 대략 1700배 팽창하며, 수증기에서 물로 변화할 때는 같은 에너지를 방출하고 응축한다. 상기 물의 증기압 곡선에서 압력과 온도 관계는 표 1에 나타나 있는데 온도가 높아지면 물의 증기압은 매우 급격하게 증가하여 가수분해가 잘 이루어지는 210℃ 에서는 19.2 기압에 달한다.

온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)
100	1.0	140	3.6	180	10.0	220	23.3
110	1.4	150	4.7	190	12.6	230	28.2
120	2.0	160	6.2	200	15.6	240	33.8
130	2.7	170	7.9	210	19.2	250	40.1

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가수분해시 슬러지 가열에 사용된 에너지를 열교환을 통하여 재사용하는 구체적인 기술과 장치를 개발하여 가수분해에 에너지 효율을 높일 수 있는 열교환 장치를 개발하는 것이다.

이를 위하여, 유동성이 극히 불량하여 열전달이 잘되지 않아 열교환 장치의 구성이 어려운 슬러지에 고압을 가하여 열교환할 수 있도록 유동화하거나, 가수분해가 효과적으로 진행되는 210℃에서 발생하는 20기압의 높은 증기압 환경의 용기에 슬러지를 주입하고, 열교환 장치에서 가열된 슬러지를 용기에서 배출할 수 있는 슬러지 가압 주입장치를 개발하는 것이다.

또한, 본 발명은 연속적으로 가수분해하는 기술을 개발하고, 가열에 사용된 에너지를 열교환을 통하여 재사용하는 기술을 개발하여 가열에 필요한 에너지를 절감할 뿐 아니라 가수분해된 고온의 슬러지를 냉각하는 장치도 필요 없는 열교환 유니트를 개발하는 것이다.

이를 위하여, 100℃ 이상의 온도에서는 물의 증기압이 대기압보다 높아 수증기가 쉽게 발생하기 때문에 수증기를 이용하여 열교환 가열하기 위하여, 고온의 슬러지가 압력이 낮아지면 수증기가 발생하면서 급속히 냉각되고, 저온의 슬러지에 수증기가 응축하면 가열되는 특성이 있으므로 이러한 성질을 이용하여 고온의 슬러지와 저온의 슬러지를 수증기 발생과 응축으로 열교환 하는 증기식 열교환 방법을 개발하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고온 슬러지를 주입, 이동, 배출시키면서 고온측 열교환 용기 내의 고온 슬러지에서 수증기가 발생되도록 하여 고온 슬러지를 냉각시키고, 고온측 열교환 용기에서 발생하는 수증기를 저온측 열교환 용기에 이동시켜 저온 슬러지와 접촉하여 저온 슬러지를 가열함으로써 저온 슬러지와 고온 슬러지 간에 수증기 이동으로 열교환할 수 있는 증기식 열교환 유니트를 개발하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 증기식 열교환 유니트를 다수 개를 직렬로 배치함으로써 열교환을 반복하여 에너지를 여러 번 재사용하여 가수분해에 필요한 열에너지를 현저히 절감시키며 연속적으로 슬러지를 가수분해하는 슬러지 가수분해 시스템을 개발하는 데 있다.

상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 최대한 탈수되 어 높은 점성저항으로 유동성이 극히 불량하여 일반 펌프로 흡입이 되지 않는 저온의 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과 슬러지에 높은 압력을 가하는 가압수단으로 구성된 슬러지 주입장치를 이용하여 슬러지에 20기압 이상의 높은 압력으로 유동화함으로서 저온 슬러지를 열교환 가열하는데 필요한 장치와 밀폐 경로로 이동할 수 있도록 구성한다.

또한, 본 발명은 한가지 액체의 증기로만 채워진 밀폐된 용기속에서 액체의 기화와 응축에 의하여 고온부에서 저온부로 열전달이 신속하게 진행되는 히트파이프에서 용기의 외부 열전달을 위하여 용기 내부에서 증기가 기화 이동 응축하는 방법과 같은 효과를 내도록, 밀폐된 용기에 고온과 저온의 슬러지를 공급하면 증기압의 차이에 의하여 수증기를 발생시키고 이동시켜 응축시킴으로서 용기 내부에서 고온 슬러지에서 저온 슬러지로 열전달이 이루어지는 증기 열교환 방법을 활용하며,이러한 증기 열교환 방법은 대기압보다 높은 증기압이 작용하는 100℃ 이상의 온도 구간에서 열교환하도록 구성한다.

구체적으로, 본 발명의 증기식 열교환 유니트는 주입 전의 슬러지의 높은 압력과 상기 슬러지가 주입된 용기내부의 낮은 압력으로 인한 압력 차이에 의하여 고온 슬러지가 수증기를 발생시키면서 냉각되어 배출되는 고온 열교환 용기; 주입된 저온 슬러지가 이동하면서 상기 수증기와 접촉되고 상기 수증기의 응축에 의하여 승온되어 배출되는 저온 열교환 용기; 그리고, 상기 수증기가 상기 고온 열교환 용기에서 상기 저온 열교환 용기로 이동할 수 있는 통로를 제공하는 연통부를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 고온 열교환 용기의 주입부에 설치되어, 높은 압력의 고온 슬러지를 낮은 압력 상태의 상기 고온 열교환 용기 내부로 주입하는 고온 슬러지 주입장치; 그리고,

상기 고온 열교환 용기의 배출부에 설치되어, 상기 수증기와 분리된 고온 슬러지를 배출하는 고온 슬러지 배출장치를 더 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 고온 열교환 용기에 설치되어 상기 고온 열교환 용기의 내부압력을 측정하는 압력센서; 그리고, 상기 고온 열교환 용기에 설치되어 상기 고온 열교환 용기 내부의 슬러지 수위를 측정하는 수위센서를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

더욱이, 상기 압력센서의 측정값을 바탕으로 상기 고온 열교환 용기 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 상기 고온 슬러지 주입장치를 제어하고, 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 고온 열교환 용기 내부의 슬러지 수위가 일정하게 유지되도록 상기 고온 슬러지 배출장치를 제어하는 제어장치를 더 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 저온 열교환 용기의 주입부로 주입된 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 배출부로 이송시키는 저온 슬러지 이송장치를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 저온 슬러지 이송장치는 일측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 주입부와 대응되는 위치에 설치되고, 타측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 배출부와 대응되는 위치에 설치되는 컨베이어 벨트를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 저온 슬러지 이송장치는 상기 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 내벽 방향으로 밀어내면서 하부로 이송시키는 제1 회전체; 상기 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 중심방향으로 끌어들이면서 하부로 이송시키는 제2 회전체; 그리고, 상기 제1 회전체와 상기 제2 회전체를 회전시키는 회전축을 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 저온 열교환 용기의 주입부에 설치되어, 주입된 저온 슬러지를 상기 저온 슬러지 이송장치의 상부로 분산 공급하는 분배장치를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 분배장치는 상기 저온 열교환 용기의 상부를 관통하여 설치되며 저온의 슬러지가 주입되는 고정 주입관; 상기 고정주입관과 연통되며 회전하는 주입탱크; 상기 고정 주입관과 상기 주입탱크를 연결하기 위한 연결장치; 상기 주입탱크의 중심축에서 이격되며 상기 저온 슬러지 이송장치의 상부와 대응되는 위치에 설치되는 노즐을 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 저온 열교환기 용기의 양측 또는 일측에 설치되어 상기 저온 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 저온 슬러지를 가압하는 가압수단을 갖는 가압주입장치를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 주입수단은 상기 저온 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구와, 상기 저온 슬러지가 배출되는 배출구(111a)를 갖는 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되고, 서로 기어 결합되어 회전하면서 상기 입구에서 유입 된 저온 슬러지를 상기 배출구(111a) 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체를 포함한다.

또한, 상기 고온 슬러지 주입장치는 길이방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부; 상기 회전부의 상부에 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 그리고, 상기 회전부의 하부에 설치되며, 상기 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 다른 저장공 중의 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개를 포함한다.

그리고, 상기 고온 슬러지 주입장치와 상기 고온 슬러지 배출장치는 고온 슬러지가 주입 및 배출되는 밸브와, 상기 밸브의 개폐정도를 조절하는 조절부를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트를 이용한 슬러지 가수분해 시스템은 공급된 증기에 의하여 저온 슬러지가 고온에서 가수분해되어 고온 슬러지로 되어 배출되는 가열유니트; 저온 열교환 용기로 저온 슬러지가 공급되고 고온 열교환 용기로 고온 슬러지가 공급되며, 상기 저온 열교환 용기 및 고온 열교환 용기가 연통형성되어 상기 고온 열교환 용기에서 고온 슬러지가 증기폭파 후 발생된 수증기와 상기 저온 열교환 용기의 저온 슬러지가 상호 열교환되는 증기식 열교환 유니트; 그리고 상기 증기식 열교환 유니트로부터 배출된 고온 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관의 외측면에 저온 슬러지를 접촉시켜 상호 열교환 시키는 접촉식 열교환 유니트를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트를 이용한 증기식 열교환 방법은 높은 압력의 고온 슬러지가 낮은 압력 상태의 고온 열교환 용기 내부로 유입되는 단계; 저온 열교환 용기로 저온의 슬러지가 유입되는 단계; 상기 고온 슬러지의 압력변화로 인하여 수증기가 발생되어 상기 고온의 슬러지가 냉각되는 단계; 그리고, 상기 수증기가 상기 저온의 슬러지와 접촉하여 응축되면서 상기 저온의 슬러지가 승온되는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트 및 그를 이용한 슬러지 열교환 방법 및 그를 이용한 슬러지 처리 시스템의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 유동성이 불량하여 열교환 하기 어려운 슬러지를 증기 열교환 유니트로 열교환 가열하여 슬러지 가수분해에 필요한 가열 에너지를 대폭 절감한다.

둘째, 증기 열교환을 반복적으로 구성함으로서 절감되는 에너지를 더 많이 확보하게 되는데 이렇게 반복적으로 구성하면 약 105 정도의 가열에너지를 열교환으로 무료로 확보할 수 있어 많은 열에너지 비용을 절감한다.

셋째, 고온으로 배출되는 가수분해된 고온 슬러지를 냉각하는 별도의 과정과 장치가 필요없게 된다.

넷째, 연속식 가수분해 시스템 구성에서 100 이상의 온도 구간에서 증기식으로 열교환 가열하는 기술을 제공하여 전체적인 가수분해 시스템의 에너지 효율을 향상한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트 및 그를 이용한 슬러지 열교환 방법 및 그를 이용한 슬러지 처리 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트는 저온 열교환 용기(100), 고온 열교환 용기(300), 그리고 고온 열교환 용기(300)에서 저온 열교환 용기(100)로 수증기가 원활하게 이동할 수 있도록 연결하는 연통부(200)를 포함하여 이루어지며 내부는 증기압 곡선의 온도와 압력이 유지되는 수증기로 가득 채워져 있다.

상기 고온 열교환 용기(300)는 상기 연통부(200)를 통하여 상기 저온 열교환 용기(100)에서 발생된 수증기가 원활하게 이동할 수 있도록 연결되며, 고온 슬러지 주입장치(310), 용기 본체(330), 그리고 고온 슬러지 배출장치(350)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 고온 슬러지 주입장치(310)는 제2 주입구(301) 일측에 구비되어 상기 제2 주입구(301)를 통하여 주입되는 점도가 낮은 고온 슬러지의 주입량을 조절한다.

상세히, 상기 고온 슬러지 주입장치(310)는 밸브의 개폐 정도의 조절을 통하여 상기 고온 열교환 용기(300) 내부의 압력을 조절할 수 있다.

이에 따라, 상기 고온 슬러지 주입장치(310)에 의해 주입된 고온 슬러지가 가지는 고온의 증기압과 상기 고온 열교환 용기(300) 내의 압력과의 차이에 따라 고온의 수증기가 폭발적으로 발생되면서 고온의 슬러지는 빠른 속도로 냉각되는데, 이렇게 고온 슬러지가 자기 증기압보다 압력이 낮은 용기로 주입하여 고온 슬러지에서 폭발적으로 수증기가 발생하며 슬러지가 냉각되는 과정을 증기폭파라고 부른다.

상기와 같이, 상기 고온 열교환 용기(300) 내에 발생된 고온의 수증기는 상기 고온 열교환 용기(300)와 연결된 연통부(200)를 통하여 상기 저온 열교환 용기(100)로 이동하여 상기 저온 열교환용기(100)에서 이송되는 저온 슬러지와 접촉하여 응축하여 급속하게 물로 변하며, 고온 용기에서 발생 수증기와 저온 용기의 응축 수증기가 균형을 이루어 고온 열교환 용기의 압력은 일정하게 유지된다.

한편, 전술한 바와 같은 상기 고온 슬러지 주입장치(310)는 상기 제2 주입구(301)의 주입 단면적을 조절하는 제1 볼밸브로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 고온 슬러지 주입장치(310), 즉 상기 제1 볼밸브는 구동력 전달장치(미도시)로부터 전달되는 구동력에 의해 회전하는 웜기어(311), 상기 웜기어(311)와 연동되는 웜휠기어(313), 그리고 상기 웜휠기어(313) 일측에 연결되어 상기 제2 주입구(301)의 주입 단면적을 조절 및 밀폐하는 볼(315)을 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

이때, 상기 볼(315)은 구 형상으로 구비되어 중앙에 관통공(317)이 형성되며, 상기 웜휠기어(313)와 연결로드(314)에 의해 연결된다.

더욱이, 상기 볼(315)은 상기 관통공(317) 일단 및 타단에 상기 관통공(317)보다 지름이 크게 상기 볼(315)의 중심 측으로 소정의 길이만큼 함몰된 요홈(316)이 형성될 수도 있다.

한편, 상기 고온 슬러지 배출장치(350)는 상기 고온 슬러지 주입장치(310)를 통하여 주입된 고온 슬러지가 수증기와 분리되고 자중에 의하여 자유 낙하하여 이송되는 상기 용기 본체(330)의 이송공간(331)을 경유한 후, 제2 배출구(111a)(309) 측으로 배출시킨다.

여기서, 상기 고온 슬러지 배출장치(350)는 전술한 바와 같은 상기 고온 슬러지 주입장치(310)와 동일한 구조를 가지는 제2 볼밸브로 이루어짐이 바람직하다.

이러한 상기 고온 슬러지 배출장치(350)는 상기 제2 배출구(111a)(309)를 통한 고온 슬러지의 배출량을 조절한다.

또한, 상기 고온 열교환 용기(300)는 일측에 상기 고온 슬러지 주입장치(310)와 상기 고온 슬러지 배출장치(350)를 제어하는 제어장치(미도시)가 더 구비됨이 바람직하다.

여기서, 상기 제어장치(미도시)는 상기 고온 열교환 용기(300) 내에 수증기 압력을 감지하는 압력센서(미도시)와, 주입된 고온 슬러지의 수위를 감지하는 수위센서(미도시)와, 상기 압력센서 및 상기 수위센서에 의해 감지된 값에 의하여 상기 고온 슬러지 주입장치(310) 및 고온 슬러지 배출장치(350)를 제어하는 마이컴(미도시)을 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 제어장치(미도시)가 구비됨으로써 상기 수위센서로부터 감지된 수위에 따라 마이컴을 통하여 고온 슬러지 배출장치(350)를 제어하여 배출량을 조절할 수 있으며, 상기 압력센서에 의하여 감지된 압력을 조절하기 위하여 상기 고온 슬러지 주입장치(310)를 제어하여 상기 용기 본체(330)의 이송공간(331) 내의 수증기 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

상세히, 상기 제어장치(미도시)에 의해 상기 고온 슬러지 주입장치(310)의 개폐 정도가 조절되어 상기 고온 열교환 용기(300) 내부의 수증기 공급량을 조절할 수 있으며, 상기 수위센서로부터 감지된 수위에 따라 상기 고온 슬러지 배출장치(350)의 개폐 정도가 조절되어 배출량의 조절이 가능하다.

전술한 바와 같이, 상기 고온 열교환 용기(300) 내부의 압력, 즉 상기 이송공간(331) 내의 압력이 일정하게 유지됨으로서 상기 고온 열교환 용기(300) 내측으로 주입되는 고온 슬러지의 압력(고압)과 상기 고온 열교환 용기(300) 내의 이송공간(331)의 압력(저압)의 압력차에 따라 주입된 고온 슬러지가 증기폭파될 수 있다.

따라서, 고온 슬러지로부터 압력차에 의한 증기폭파후 발생된 수증기가 상기 연통부(200)를 통하여 상기 저온 열교환 용기(100)의 분배용기(122)를 통하여 저온 슬러지 이송장치(130)에 의해 이송되는 저온 슬러지와 접촉하여 수증기가 급속하게 응축하여 물로 변하여 고온 열교환 용기의 수증기의 압력이 일정하게 유지된다.

한편, 상기 저온 열교환 용기(100)에는 가압주입장치(110), 저온 슬러지 이송장치(130), 그리고 배출장치(150)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 가압주입장치(110)는 상기 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 슬러지를 가압하는 가압수단(113)을 포함한다.

도 5를 참고하면, 상기 주입수단은 상기 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구(111b)와 상기 슬러지가 배출되는 배출구(111a)를 갖는 케이스(111)와, 상기 케이스(111) 내부에 설치되고, 서로 기어 결합되어 회전하면서 상 기 입구에서 유입된 슬러지를 상기 배출구(111a) 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체(112)를 포함한다.

여기서, 상기 입구(111b)가 넓게 형성되어 있으므로 인하여 유동성이 불량한 저온의 슬러지라 하더라도 슬러지의 점성저항 보다 슬러지의 자체 하중이 더 큰힘을 갖게 된다. 결과적으로, 유동성이 불량한 저온의 슬러지라도 슬러지의 자체 하중에 의하여 하부로 이동되게 된다.

상기 회전체(112)는 수평방향으로 하나의 쌍을 이루도록 구비될 수 있으며, 각각의 회전체(112)가 상기 케이스(111)의 내측 중앙방향으로 회전하도록 서로 기어결합됨이 바람직하다. 이를 위해, 상기 회전체(112)는 서로 맞물려 돌아가는 기어일 수 있다. 상기 회전체(112)는 저온의 슬러지가 더욱 원활하게 이동할 수 있도록 탄성력이 높은 고무재질로 이루어질 수 있다

상기 주입수단의 하측에는 상기 가압수단(113)이 구비됨이 바람직하며, 상기 가압수단(113)는 20기압 이상의 고압으로 슬러지를 유동화할 수 있는 로터리 기어 펌프로 이루어질 수 있다. 상기 로터리 기어 펌프는 제1 구동모터(115)에 의해 동력을 전달받을 수 있으며, 상기 회전체(112)의 구동축이 상기 로터리 기어 펌프의 구동축에 체인이나 벨트와 같은 동력전달부재에 의해 연결됨으로써 상기 회전체(112)도 회전할 수 있게 된다.

여기서, 상기 가압수단(113)의 상부는 상기 배출구(111a)의 하측과 연결됨이 바람직하며, 상기 가압수단(113)의 일측에는 가압배출부(113a)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 유기물 슬러지 저장소로부터 배출되는 슬러지는 상기 가압주입장 치(110)에 의해 상기 저온 열교환 용기(100)의 내부로 공급될 수 있게 된다.

결과적으로, 상기 주입수단에 의하여 유동성이 불량한 저온의 슬러지가 주입되는 과정에서는 흡입압이 발생하지 않게 되고, 상기 가압수단(113)에 의해서는 저온의 슬러지가 일방향으로 원활하고 용이하게 주입될 수 있게 된다.

한편, 상기 저온 슬러지 이송장치(130)는 상기 가압주입장치(110)를 통하여 주입된 저온 슬러지가 고온의 수증기와 잘 혼합될 수 있도록 슬러지를 교반하여 일방향으로 이송시키며, 상기 가압주입장치(110)와 상기 저온 슬러지 이송장치(130) 사이에는 분배장치(120)가 개재됨이 바람직하다.

여기서, 상기 분배장치(120)는 상기 가압주입장치(110)를 통하여 주입된 저온 슬러지를 수증기와 잘 혼합되도록 하면서 이송시키기 위하여 상기 저온 슬러지 이송장치(130) 측으로 분배시킬 수 있도록 상기 제1 주입구(101)와 연통 형성되는 연통관(121)과 상기 연통관(121)을 통하여 유입된 저온 슬러지가 상기 저온 열교환 용기(100) 내부공간과 대응되는 분배용기(122)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 분배용기(122)는 원통형상으로 구비됨이 바람직하며, 상기 저온 슬러지 이송장치(130) 측으로 저온 슬러지가 일정한 양 및 속도를 가지고 분배될 수 있도록 바닥면에 분배공(123)이 원주 방향을 따라 다수 개가 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 분배장치(120)는 상기 분배용기(122)가 원주방향으로 회전될 수 있도록 상기 연통관(121) 외주 면과 밀착결합되는 웜휠기어(124)와, 상기 웜휠기어(124)와 맞물리는 웜기어(125) 및 상기 웜기어(125)에 구동력을 전달하는 구동모 터(127)를 포함하여 이루어진다.

상술한 바와 같이, 상기 가압주입장치(110)에 의해 상기 제1 주입구(101)를 통하여 주입된 저온 슬러지는 상기 분배용기(122)를 통하여 상기 저온 열교환 용기(100) 내부공간에 고르게 분산되어 상기 저온 슬러지 이송장치(130) 측으로 원활히 분배될 수 있다.

한편, 상기 저온 슬러지 이송장치(130)는 저온 열교환 용기(100) 내에 주입된 저온 슬러지의 표면에 수증기가 접촉하여 응축되면서 응축열로 저온 슬러지를 가열시킬 수 있도록 이송되는 저온 슬러지를 교반하는 회전축(131), 제1 회전체(132), 그리고 제2 회전체(136)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 회전체(132)는 상기 저온 열교환 용기(100) 내면에 밀착고정되고 중심부에 제1 토출구(134a)가 형성된 제1 받침대(134b)와, 상기 제1 받침대(134b)의 상면에 회전가능하도록 설치되어 상기 제1 토출구(134a) 측으로 저온 슬러지를 끌어들이도록 날개 방향이 시계방향으로 형성된 제1 회전날개(133)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 제2 회전체(136)는 상기 저온 열교환 용기(100) 내면에 밀착고정되고 외곽부에 제2 토출구(138a)가 형성된 제2 받침대(138b)와, 상기 제2 받침대(138b)의 상면에 회전가능하도록 설치되어 상기 제2 토출구(138a)로 저온 슬러지를 밀어내도록 날개 방향이 반시계 방향으로 형성된 제2 회전날개(137)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 제1 회전날개(133)와 제2 회전날개(137)를 상기 분배용기(122) 하부에 연결된 상기 회전축(131)으로 같이 회전시키면 상기 제1 받침대(134b)에 놓인 상기 제1 회전날개(133)는 슬러지를 끌어들여 상기 제1 토출구(134a)를 통해 아래에 놓인 상기 제2 받침대(138b)에 떨어뜨리고 상기 제2 회전날개(137)는 이것을 상기 제2 토출구(138a)를 통해 아래에 놓인 또 다른 제1 받침대(134b)에 떨어뜨리고 이러한 과정을 계속 반복하면서 저온 슬러지가 중력에 의하여 하측 방향으로 이송되면서 수증기와 원활하게 접촉되어 가열되면서 될 수 있도록, 상기 제1 회전체(132) 및 제2 회전체(136)는 상기 회전축(131)의 길이방향으로 교번되어 다수 개가 구비된다.

이때, 상기 회전축(131)의 하단부는 상기 저온 열교환 용기(100)의 하부 내측 공간에 형성된 지지리브(139)에 회전가능하도록 베어링 결합된다.

그리고, 상기 회전축(131)은 상기 분배장치(120)의 구동모터(127)에 의해 회전된다.

전술한 바와 같이, 상기 제1 회전체(132) 및 제2 회전체(136)는 이송되는 저온 슬러지가 수증기와 원활히 접촉되어 교반되면서 이송될 수 있도록 각각 복수 개의 제1 회전날개(133) 및 제2 회전날개(137)를 가진다.

따라서, 상기 저온 슬러지 이송장치(130)를 통하여 상기 분배장치(120)를 통하여 분배된 저온 슬러지가 상기 고온 열교환 용기(300)의 고온 슬러지가 증기폭파되어 발생된 수증기와 접촉하여 수증기의 응축으로 가열됨과 동시에, 일방향으로 교반되며 원활히 이송될 수 있다.

이때 저온 슬러지와 접촉하여 응축되는 수증기는 상기 고온 열교환 용 기(300) 내에 주입되는 고온 슬러지에서 기화하여 생성된 수증기로 공급하며 서로 균형을 이루어 수증기 압력을 일정하게 유지하여 고온 슬러지는 냉각되고 저온 슬러지는 가열되는 증기 열교환이 계속 진행된다.

한편, 상기 배출장치(150)는 상기 저온 슬러지 이송장치(130) 하부에 연결되며, 제1 배출구(109) 측으로 승온되어 증기압이 높아진 저온 슬러지가 원활하게 배출될 수 있도록 슬러지에 흡입압이 발생하지 않으며 일방향으로 이송시키는 회전체(151)와, 상기 회전체(151)를 경유하여 주입된 저온 슬러지를 높은 압력을 가하여 상기 제1 배출구(109)로 배출시키는 로터리 기어 펌프(155)를 가진다.

이때, 상기 제1 배출구(109)는 상기 로터리 기어 펌프(155)의 배출부와 연결되는 소정의 길이를 갖는 배관으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 배출장치(150)는 상기 회전체(151) 및 로터리 기어 펌프(155)에 구동력을 전달하는 구동모터(157)를 포함하여 이루어짐이 바람직하며, 상기 구동모터(157)는 상기 로터리 기어 펌프(155)의 임펠러에 구동축이 연결되고 상기 로터리 기어 펌프(155)의 구동축과 상기 회전체(151)의 구동축이 체인, 벨트 등의 구성으로 연결될 수 있다.

따라서, 상기 로터리 기어 펌프(155)와 회전체(151)는 하나의 구동모터(157)에 의해 구동될 수 있다.

또한, 상기 회전체(151)는 상호 맞물려진 한 쌍의 기어로 구비됨이 바람직하며, 이때 각각의 기어는 가압주입장치(110)의 회전체(111)와 같은 원주 방향으로 다수 개의 치차를 가지는 기어로 구비됨이 바람직하다.

아울러, 상기 회전체(151)는 원주 방향으로 다수 개의 치차를 가지는 기어로 구비되되, 정면에서 봤을 때 세 개의 완만한 곡선 형상을 가지는 치차를 가지는 한 쌍의 맞물림 기어로 구비될 수도 있다.

전술한 바와 같은 저온 열교환 용기(100)에서의 저온 슬러지의 흐름을 살펴보면, 저온 슬러지는 상기 가압주입장치(110)에 의해 상기 제1 주입구(101)를 통해 주입되며, 이후 저온 슬러지는 상기 분배장치(120)를 거쳐 분배되고 상기 저온 슬러지 이송장치(130)를 통하여 교반되면서 이송되며, 접촉하는 수증기 응축에 의하여 가열되어 상기 배출장치(150)를 통하여 상기 제1 배출구(109) 측으로 배출된다.

결론적으로 상기 고온 열교환 용기(300) 내에 주입되는 고온 슬러지와 상기 저온 열교환 용기(100) 내에 주입되는 저온 슬러지 상호 간에 수증기를 열전달 매개체로 하여 고온 슬러지는 냉각되고 저온 슬러지는 승온되는 열교환이 이루어진다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트(400)는 슬러지 처리 시스템에서 열교환 온도를 여러 단계로 만들어 열효율을 높일 수 있도록 열교환 유니트 다수 개가 직렬 연결되도록 배치시켜 사용할 수 있다.

물론, 상기 증기식 열교환 유니트(400)는 슬러지 처리 시스템에서 다수 개가 직렬 연결되도록 배치되되, 수평방향 및 수직방향 등의 다양한 공간적 방향으로 배치되어 사용될 수 있다.

여기서, 증기식 열교환 유니트(400)는 소정의 설치대에 다수 개가 배치되며, 각각의 증기식 열교환 유니트(400)의 저온 열교환 용기(100)는 소정의 배관을 통하 여 연결됨이 바람직하다.

물론, 상기 각각의 증기식 열교환 유니트(400)의 고온 열교환 용기(100)도 소정의 배관을 통하여 상호 연결됨이 바람직하다.

또한, 상기 다수 개의 증기식 열교환 유니트(400)를 거쳐 고온 슬러지의 수증기와 열교환으로 가열된 저온 슬러지는 가열 유니트(도 6의 550)를 통하여 최종 가열되어 가수분해된다.

전술한 바와 같이, 증기식 열교환 유니트(400)를 다수 개를 직렬로 배치함으로써 고온 슬러지와 저온 슬러지의 열교환이 반복될 수 있으며, 이에 따라 저온 슬러지를 가열하여 가수분해시키는 가열 유니트(도 6의 550)에서 증기식 열교환 유니트로부터 공급된 저온 슬러지의 가수분해에 필요한 열에너지의 공급을 현저히 절감시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트를 이용한 슬러지 가수분해 시스템의 전체구성을 나타낸 블록도이다.

상기 슬러지 가수분해 시스템은 슬러지 가열 유니트(550), 증기식 열교환 유니트(400), 그리고 접촉식 열교환 유니트(530)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 100℃ 이상의 열교환은 상기 증기식 열교환 유니트(400)에서 그리고 100℃ 이하의 열교환은 상기 접촉식 열교환 유니트(530)에서 저온의 슬러지와 가수분해된 고온의 슬러지 사이에 열교환이 이루어짐이 바람직하다.

상기 가열유니트(550)는 보일러(560)로부터 공급된 증기에 의하여 증기식 열교환 유니트(400)의 저온 열교환 용기(100)로부터 주입된 저온 슬러지를 가열시켜 가수분해하여 고온 슬러지로 되어 배출시킨다.

또한, 상기 증기식 열교환 유니트(400)는 저온 열교환 용기(100) 및 고온 열교환 용기(300)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 가열유니트(550)로부터 배출된 고온 슬러지가 고온 열교환 용기(300) 측으로 주입된다.

이후, 주입된 고온 슬러지의 증기압과 용기 내의 압력차에 의해 고온 슬러지에서 고온의 수증기가 발생한다. 이때, 고온 슬러지에서 수증기가 발생되므로 인하여 고온 슬러지는 수증기의 기화열로 인하여 냉각된다.

그리고, 상기 수증기는 상기 고온 열교환 용기(300)에서 저온 열교환 용기(100) 방향으로 이동한 후 상기 저온 열교환 용기(100) 내로 주입된 저온 슬러지와 접촉하여 응축되고, 상기 수증기의 응축으로 인하여 발생되는 응축열에 의하여 상기 저온 슬러지는 가열된다. 이때, 저온 열교환 용기로 주입되는 저온 슬러지는 접촉식 열교환 유니트(530)로부터 공급된다. 상기 저온 슬러지는 유동성이 불량하기 때문에 제2 가압주입장치(110)에 의하여 가압되어 상기 저온 열교환 용기(100)로 주입된다.

한편, 상기 접촉식 열교환 유니트(530)는 유기물 슬러지 탱크(510)로부터 저온 슬러지가 주입되며, 주입된 저온 슬러지가 1차적으로 상기 고온 열교환 용기(300)로부터 주입된 고온 슬러지와 접촉식 열교환을 시킨다. 구체적으로, 상기 접촉식 열교환 유니트(530)는 고온의 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관(531)의 외측면에 저온의 슬러지를 접촉시켜 상기 저온의 슬러지와 고온의 슬러지를 상호 열교환 시키게 된다. 이때에도 상기 저온 슬러지는 유동성이 불량하기 때문에 제1 가 압주입장치(520)에 의하여 상기 접촉식 열교환 유니트로 공급된다.

접촉식 열교환을 통하여 승온된 저온 슬러지는 증기식 열교환 유니트(400)의 저온 열교환 용기(100)로 주입된 후, 고온 열교환 용기(300)에 주입된 고온 슬러지와 열교환을 하게 된다. 이후에, 증기식 열교환을 통하여 승온된 저온 슬러지는 상기 슬러지 가열유니트(550)로 주입되어 가열되고 가수분해 된다. 이때에도 마찬가지로, 승온된 저온 슬러지는 제3 가압주입장치(540)에 의하여 상기 가열유니트(550)로 공급된다.

전술한 바와 같은 증기식 열교환 유니트(400)는 상기 슬러지 가열유니트(550)와 접촉식 열교환 유니트(530) 사이에 구비되되, 저온 슬러지와 고온 슬러지 간의 열교환 효율을 증대시킬 수 있도록 다수 개가 직렬로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 상기 접촉식 열교환 유니트(530)도 다수개가 직렬로 연결될 수 있다.

각각의 열교환 유니트가 직렬연결되어 배치됨으로써 고온 슬러지와 저온 슬러지의 열교환을 여러 번 반복하여 열에너지 재사용을 최대화하여 저온 슬러지의 온도가 효율적으로 상승될 수 있다.

한편, 상기 슬러지 가열유니트(550)로부터 고온 열교환 용기(300), 접촉식 열교환 유니트(530)를 거친 슬러지는 고액 분리기(570)로 이동되어 고형물과 수용액으로 분리된다.

또한, 상기 고액분리기(570)를 통하여 침전된 고형물은 탈수기(580)로 이동되고, 수용액은 방출된다. 이때, 상기 탈수기(580)는 유입된 고형물을 탈수처리하여 탈수처리된 고형물은 고형연료 저장탱크(590) 측으로 이동시키고, 탈수처리된 수용액은 방출된다.

한편, 도 1 내지 5를 참조하여 설명한 증기식 열교환 유니트에서 저온 슬러지와 고온 슬러지의 상호 열교환되는 방법을 이하에서 설명하기로 하며, 구성요소에 대한 부호는 도 1 내지 5를 참조하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증기식 열교환 유니트(400)를 이용한 슬러지 열교환 방법은 먼저, 상기 저온 열교환 용기(100)와 연통되는 고온 열교환 용기(300) 내에 고온 슬러지 주입장치(310)의 조절에 의해 고온 슬러지가 주입된다.

상기와 같이, 주입된 고온 슬러지는 온도와 압력에 따라 기체와 액체로 변하는 물의 증기압 곡선 상의 평형상태에서 증기압 차이만큼 고온의 수증기가 발생시키면서, 냉각된다.

상세히, 상기 고온 슬러지 주입장치(310)의 조절을 통하여 고온 슬러지를 주입하면 상기 고온 열교환 용기(300) 내의 압력과 주입된 고온 슬러지의 증기압 차이만큼 고온의 수증기가 발생하고, 고온의 슬러지는 발생한 수증기에 해당되는 기화 열에너지를 잃어버리고 냉각되고, 상기 고온 열교환 용기(300)에서 발생한 수증기는 상기 연통부(200)를 통하여 연통되는 상기 저온 열교환 용기(100)로 공급된다.

상기 저온 열교환 요기(100) 내에서 가압주입장치(110)를 통해 저온 슬러지가 주입되어 저온 슬러지 이송장치(130)에 의해 교반하면서 일방향으로 이송시키는 단계가 이루어진다.

이때, 상기 저온 슬러지 이송장치(130)는 상기 가압주입장치(110)를 거쳐 분 배장치(120)를 통하여 원주방향으로 고르게 분산되는 저온 슬러지를 교반하면서 수증기 속을 지나도록 일방향으로 이송시킨다.

이때 고온 열교환 용기에서 발생되어 증기압 곡선의 온도와 압력 평형상태에 놓인 고온의 수증기가 저온 슬러지와 접촉하면 급속도로 응축되면서 액화 열에너지를 전달하여 저온 슬러지를 승온시킨다.

전술한 바와 같은 상기 증기식 열교환 유니트(400)를 이용하면 수증기의 이동을 통한 열교환 방법에 의해 상기 고온 열교환 용기(300) 내에 주입되는 고온 슬러지와 상기 저온 열교환 용기(100) 내에 주입되는 저온 슬러지 상호 간에 고온 슬러지는 냉각되고, 저온 슬러지는 가열되는 열교환이 원활하게 이루어질 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트의 다른 실시예를 보여주는 단면도이고, 도 8은 도 7의 증기식 열교환 유니트의 고온측 열교환 용기에 구비된 고온 슬러지 주입수단을 보여주는 분해 사시도이다.

도 9은 도 8의 고온 슬러지 주입수단이 증기식 열교환 유니트에 설치된 것을 보여주는 단면도이고, 도 10는 도 7의 증기식 열교환 유니트의 저온측 열교환 용기에 구비된 저온 슬러지 이동수단을 보여주는 분해 사시도이다.

도 7에 나타난 바와 같이, 증기식 열교환 유니트(30)는 내부에 밀폐공간을 가지는 열교환 용기(31a)와, 고온의 유기물 슬러지의 고압상태를 유지한 채로 밀폐공간에 고온의 슬러지를 소정량씩 주입하는 주입수단(40)과, 열교환 용기(31a) 내에서 저온의 슬러지를 이동시키면서 가열하는 이동수단(45)을 포함한다.

열교환 용기(31a)의 내부는 수증기로 가득찬 밀폐공간을 이룬다. 열교환 용 기(31a)는 고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부(32a)와, 고온의 유기물 슬러지가 배출되는 제1 배출부(33a)와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부(34a)와, 저온의 유기물슬러지가 배출되는 제2 배출부(35a)를 포함한다.

제1 주입부(32a)는 가열유니트의 슬러지 배출관과 연결되거나 다른 다수 개가 배치된 증기식 열교환 유니트 중 하나의 열교환 용기의 제1 배출부(미도시)와 연결된다. 제1 주입부(31a)에는 주입수단(40)이 설치되는데, 주입수단(40)은 고온의 유기물 슬러지를 열교환 용기(31a)의 내부로 소정량을 압력차를 유지하면서 소정시간 간격으로 주입한다.

따라서, 주입수단(40)을 통하여 주입된 고온의 슬러지는 밀폐공간에 주입됨과 동시에 압력 차이로 증기폭파되어 수증기를 발생시키면서 냉각되는데, 증기폭파되어 냉각된 슬러지는 자유낙하하여 제1 배출부(33a)로 이동된다.

상기 주입수단(40)은 가수분해된 유기물 슬러지의 상기 고압과 열교환 용기(31a) 내부의 압력을 유지한 상태에서 소정량의 가수분해된 유기물 슬러지를 열교환 용기(31a)의 내부에 소정 시간 간격으로 주입함으로써 주입된 가수분해된 유기물 슬러지가 급격한 압력변화에 의한 부피팽창으로 폭파되도록 한다.

도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 주입수단(40)은 원통케이스(41)와, 원통케이스(41)의 내부에 회전가능하게 설치된 회전부(42)와, 회전부(42)의 윗면을 덮는 상부덮개(43)와, 회전부(42)의 아랫면을 덮는 하부덮개(44)를 포함한다.

회전부(42)에는 길이 방향으로 복수 개의 저장공(42a)이 관통되어 형성된다. 회전부(42)는 회전모터(42b)에 의하여 소정 R.P.M.으로 회전된다.

상부덮개(43)는 회전부(42)의 윗면을 덮도록 원통 케이스(41)에 설치된다. 상부덮개(43)에는 저장공(42a) 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공(43a)이 형성된다. 바람직하게, 제1 관통공(43a)은 회전부(42)의 외주와 동일한 곡률로 굽어져서 길게 형성된다. 이것은 가수분해된 고온의 슬러지가 저장공(42a) 속으로 유입될 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있도록 하기 위해서이다.

하부덮개(44)는 회전부(42)의 아랫면을 덮도록 원통 케이스(41)에 설치된다. 하부덮개(44)에는 제1 관통공(43a)과 대응되는 저장공(42a)을 제외한 나머지 저장공(42a) 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공(44a)이 형성된다. 바람직하게, 제2 관통공(44a)은 회전부(42)의 외주와 동일한 곡률로 굽어져서 길게 형성된다. 이것은 저장공(42a)에 저장된 가수분해된 고온의 슬러지가 상기 밀폐공간으로 배출될 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있도록 하기 위해서이다.

회전부(42)가 회전하여 저장공(42a)과 제1 관통공(43a)이 서로 연통되면 유동성이 좋은 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 저장공(42a)에 유입되고, 상기 저장공(42a)에 유입된 가수분해된 유기물 슬러지는 저장공(42a)과 제2 관통공(44a)이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출된다.

상기 밀폐공간은 가열용기(미도시)와 슬러지 배출관(미도시)에 비하여 상대적으로 낮은 온도와 압력을 가지기 때문에 압력차에 의하여 가수분해된 유기물 슬러지가 폭발하면서 수증기를 발생시킨다. 가수분해된 유기물 슬러지가 폭발되면서 만들어진 수증기는 열교환용기(31a)의 내부 즉, 밀폐공간을 가득 채우게 되는데, 상기 수증기는 제2 주입부(34a)를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지를 가열한 다. 즉, 저온의 유기물 슬러지는 밀폐공간보다 상대적으로 낮은 온도를 갖기 때문에 저온의 유기물 슬러지에 주위의 수증기가 응축하게 되고, 이러한 응축과정에서 발생된 응축열에 의하여 저온의 유기물 슬러지가 가열된다.

이때, 고온의 슬러지와 저온의 슬러지를 서로 동일한 속도로 동일한 양을 주입하면 상기 고온과 저온의 중간 온도에서 수증기의 기화와 응축이 일정하게 일어나면서 열교환 온도에 맞는 증기압이 일정하게 유지되는 열적 평형상태가 된다. 한편, 열교환용기(31a)의 내부에 냉각수 분무용 스프레이나 수증기 주입부재를 설치하여 냉각수를 분무하거나 수증기를 주입하면 상기 평형 온도를 변화시킬 수 있다.

제1 배출부(33a)는 증기폭파된 고온의 슬러지를 다른 열교환용기(31a) 또는 접촉식 열교환유니트(미도시)로 배출한다. 따라서, 제1 배출부(33a)는 다른 열교환용기(미도시)의 제1 주입부(미도시)와 연결되거나 배출용 펌프(미도시)와 연결된다. 제1 배출부(33a)는 증기폭파된 유동성이 좋은 가수분해된 고온 고압의 슬러지가 자유낙하하여 배출될 수 있도록 제1 주입부(32a)의 수직 하측에 설치되는 것이 바람직하다.

제2 주입부(34a)는 접촉식 열교환유니트(미도시)과 연결되거나 다른 열교환용기(미도시)의 제2 배출부(미도시)와 연결된다. 제2 주입부(34a)를 통하여 저온의 슬러지가 열교환용기(31a)의 내부 즉, 밀폐공간으로 주입된다. 밀폐공간으로 주입된 저온의 슬러지는 이동수단(45)에 의하여 제2 배출부(35a)쪽으로 이송된다.

밀폐공간으로 주입된 저온의 슬러지는 밀폐공간보다 저온이기 때문에 상기 이동과정 동안에 주위의 수증기가 응축되고, 이러한 응축과정에서 발생된 응축열에 의하여 가열된다.

가열된 저온의 슬러지는 제2 배출부(35a)를 통하여 배출된다. 제2 배출부(35a)는 이동수단(45)에 의하여 이송된 슬러지를 가열용기(미도시)로 배출하거나 다른 열교환용기(미도시)의 제2 주입부(미도시)로 배출한다.

이동수단(45)은 제1 주입부(32a)를 통하여 주입된 고온의 유기물 슬러지와 제2 주입부(34a)를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 서로 섞이지 않은 상태로 각각 제1 배출부(33a) 및 제2 배출부(35a)로 이동되도록 하면서 저온의 유기물 슬러지가 가열되도록 한다.

도 10은 도 7의 증기식 열교환 유니트에 구비된 이동수단을 보여주는 분해 사시도이다.

도 10을 참조하면, 바람직하게, 이동수단(45)은 저온의 유기물 슬러지가 수증기와 쉽게 혼합될 수 있도록 제1 회전체(46)와 제2 회전체(48)가 교대로 반복적으로 적층되어 이루어진다.

이동수단(45)은 저온의 유기물 슬러지와 수증기와 혼합될 수 있는 충분한 여유공간을 가지고, 저온 유기물 슬러지가 이동하는 과정에서 유기물 슬러지가 잘 교반되어 고온의 수증기와 혼합되면서 저온의 유기물 슬러지 표면에 수증기가 접촉 및 응축하여 유기물 슬러지를 가열하는 구조를 가진다.

제1 회전체(46)는 중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구(46a)가 형성된 제1 받침대(46b)와, 제1 받침대(46b)의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구(46a)로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부(46c)를 포함 한다.

제2 회전체(48)는 중심으로부터 안쪽에 제2 토출구(48a)가 형성된 제2 받침대(48b)와, 제2 받침대(48b)의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구(48a)로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부(48c)를 포함한다.

상기 제1 회전날개부(46c)와 제2 회전날개부(48c)는 축(49)과, 축(49)을 회전시키는 회전모터(47)에 의하여 회전된다.

제2 주입부(34a)를 통하여 제1 받침대(46b)에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부(46c)에 의하여 제1 토출구(46a)로 이동된 후 아래의 제2 받침대(48b)로 떨어지고, 제2 받침대(48b)에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부(48c)에 의하여 제2 토출구(48a)로 이동된 후 아래의 제1 받침대(46b)로 떨어진다. 이러한 과정을 반복하면서 저온의 유기물 슬러지는 교반되며 수증기와 잘 접촉할 수 있도록 수증기와 혼합된다. 이렇게 혼합된 저온의 유기물 슬러지는 증기폭파에 의하여 만들어진 수증기의 응축열에 의하여 가열된다.

이동수단(45)을 경유하면서 교반 및 가열된 저온의 유기물 슬러지는 제2 배출부(35a)를 통하여 배출된다.

뿐만 아니라, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 상기 저온 슬러지 이송장치는 일측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 주입부와 대응되는 위치에 설치되고, 타측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 배출부와 대응되는 위치에 설치되는 컨베이어 벨트를 포함할 수 있다.

저온 슬러지가 컨베이어 벨트에서 이송되면서 고온 슬러지에서 발생한 수증 기와 접촉하게 된다. 이때, 저온 슬러지와 접촉한 수증기는 응축되고, 상기 수증기의 응축으로 인하여 상기 저온 슬러지의 온도는 상승하게 된다. 결과적으로, 고온 슬러지는 수증기의 발생으로 인하여 기화열을 빼앗기게 되어 냉각되고, 상기 저온 슬러지는 수증기의 응축열에 의하여 가열된다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 전술한 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트의 내부구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트의 저온 열교환 용기에서 이송장치의 요부인 제1 및 제2 회전체를 나타낸 분리 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트에서 고온 열교환 용기의 요부인 고온 슬러지 주입장치를 나타낸 부분 절개 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트에서 저온 열교환 용기의 요부인 가압주입장치를 나타낸 부분 절개 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트를 이용한 슬러지 처리 시스템의 전체구성을 나타낸 블록도.

도 7은 본 발명에 따른 증기식 열교환 유니트의 다른 실시예를 보여주는 단면도.

도 8은 도 7의 증기식 열교환 유니트에 구비된 주입수단을 보여주는 분해 사시도.

도 9는 도 8의 주입수단이 증기식 열교환 유니트에 설치된 것을 보여주는 단면도.

도 10은 도 7의 증기식 열교환 유니트에 구비된 이동수단을 보여주는 분해 사시도.

<도면 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 521: 저온 열교환 용기 110: 주입장치

120: 분배장치 130: 이송장치

150: 배출장치 300, 523: 고온 열교환 용기

310: 고온 슬러지 주입장치 330: 고온 슬러지 배출장치

400, 520: 증기식 열교환 유니트

Claims (15)

1. 주입 전의 슬러지의 높은 압력과 상기 슬러지가 주입된 용기내부의 낮은 압력으로 인한 압력 차이에 의하여 상기 슬러지가 수증기를 발생시키면서 냉각되어 배출되는 고온 열교환 용기;

   주입된 저온 슬러지가 이동하면서 상기 수증기와 접촉되고 상기 수증기의 응축에 의하여 승온되어 배출되는 저온 열교환 용기; 그리고,

   상기 수증기가 상기 고온 열교환 용기에서 상기 저온 열교환 용기로 이동할 수 있는 통로를 제공하는 연통부를 포함하는 증기식 열교환 유니트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고온 열교환 용기의 주입부에 설치되어, 높은 압력의 고온 슬러지를 낮은 압력 상태의 상기 고온 열교환 용기 내부로 주입하는 고온 슬러지 주입장치; 그리고,

   상기 고온 열교환 용기의 배출부에 설치되어, 상기 수증기와 분리된 고온 슬러지를 배출하는 고온 슬러지 배출장치를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
3. 제2항에 있어서,

   상기 고온 열교환 용기에 설치되어 상기 고온 열교환 용기의 내부압력을 측 정하는 압력센서; 그리고,

   상기 고온 열교환 용기에 설치되어 상기 고온 열교환 용기 내부의 슬러지 수위를 측정하는 수위센서를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압력센서의 측정값을 바탕으로 상기 고온 열교환 용기 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 상기 고온 슬러지 주입장치를 제어하고, 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 고온 열교환 용기 내부의 슬러지 수위가 일정하게 유지되도록 상기 고온 슬러지 배출장치를 제어하는 제어장치를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
5. 제1항에 있어서,

   상기 저온 열교환 용기의 주입부로 주입된 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 배출부로 이송시키는 저온 슬러지 이송장치를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
6. 제5항에 있어서,

   상기 저온 슬러지 이송장치는

   일측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 주입부와 대응되는 위치에 설치되고, 타측 끝단은 상기 저온 열교환 용기의 배출부와 대응되는 위치에 설치되는 컨베이 어 벨트를 포함하는 증기식 열교환 유니트.
7. 제5항에 있어서,

   상기 저온 슬러지 이송장치는

   상기 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 내벽 방향으로 밀어내면서 하부로 이송시키는 제1 회전체;

   상기 저온 슬러지를 상기 저온 열교환 용기의 중심방향으로 끌어들이면서 하부로 이송시키는 제2 회전체; 그리고,

   상기 제1 회전체와 상기 제2 회전체를 회전시키는 회전축을 포함하는 증기식 열교환 유니트.
8. 제7항에 있어서,

   상기 저온 열교환 용기의 주입부에 설치되어, 주입된 저온 슬러지를 상기 저온 슬러지 이송장치의 상부로 분산 공급하는 분배장치를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
9. 제8항에 있어서,

   상기 분배장치는

   상기 저온 열교환 용기의 상부를 관통하여 설치되며 저온의 슬러지가 주입되 는 고정 주입관;

   상기 고정주입관과 연통되며 회전하는 주입탱크;

   상기 고정 주입관과 상기 주입탱크를 연결하기 위한 연결장치;

   상기 주입탱크의 중심축에서 이격되며 상기 저온 슬러지 이송장치의 상부와 대응되는 위치에 설치되는 노즐을 포함하는 증기식 열교환 유니트.
10. 제1항에 있어서,

    상기 저온 열교환기 용기의 양측 또는 일측에 설치되어 상기 저온 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 저온 슬러지를 가압하는 가압수단을 갖는 가압주입장치를 더 포함하는 증기식 열교환 유니트.
11. 제10항에 있어서,

    상기 주입수단은

    상기 저온 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구와, 상기 저온 슬러지가 배출되는 배출구(111a)를 갖는 케이스;

    상기 케이스 내부에 설치되고, 서로 기어 결합되어 회전하면서 상기 입구에서 유입된 저온 슬러지를 상기 배출구(111a) 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체를 포함하는 증기식 열교환 유니트.
12. 제2항에 있어서,

    상기 고온 슬러지 주입장치는

    길이방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부;

    상기 회전부의 상부에 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 그리고,

    상기 회전부의 하부에 설치되며, 상기 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 다른 저장공 중의 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개를 포함하는 증기식 열교환 유니트.
13. 제2항에 있어서,

    상기 고온 슬러지 주입장치와 상기 고온 슬러지 배출장치는 고온 슬러지가 주입 및 배출되는 밸브와, 상기 밸브의 개폐정도를 조절하는 조절부를 포함하는 증기식 열교환 유니트.
14. 공급된 증기에 의하여 저온 슬러지가 고온에서 가수분해되어 고온 슬러지로 되어 배출되는 가열유니트;

    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 증기식 열교환 유니트; 그리고

    상기 증기식 열교환 유니트로부터 배출된 고온 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관의 외측면에 저온 슬러지를 접촉시켜 상호 열교환 시키는 접촉식 열교환 유니트를 포함하여 이루어진 슬러지 가수분해 시스템.
15. 높은 압력의 고온 슬러지가 낮은 압력 상태의 고온 열교환 용기 내부로 유입되는 단계;

    저온 열교환 용기로 저온의 슬러지가 유입되는 단계;

    상기 고온 슬러지의 압력변화로 인하여 수증기가 발생되어 상기 고온의 슬러지가 냉각되는 단계; 그리고,

    상기 수증기가 상기 저온의 슬러지와 접촉하여 응축되면서 상기 저온의 슬러지가 승온되는 단계를 포함하는 증기식 열교환 방법.

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