KR20110133098A - 태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템 - Google Patents

Abstract

태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템이다. 본 발명은 일종의 습한 물료에 대한 건조장치에 관련되며 그에는 건조기와 열펌프가 포함되며 건조기내에는 다수층 벨트식 이송장치, 공기통로 및 열펌프를 연결하는 공기통로가 설치되어 있고 건조기의 입료구에는 다습한 물료의 공급장치가 설치되어 있으며 출료구로 건조된 물료가 송출되고, 본 시스템에는 태양열공기집열기가 설치되어 있으며 열펌프에는 보조 입기구가 설치되어 있다; 태양열공기집열기에는 송풍기가 설치되어 있으며 그 출기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 열펌프의 보조 입기구, 건조기와 열펌프 사이의 공기진입통로가 서로 연결되어 있고 그 입기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 건조기와 열펌프 사이의 공기배출통로, 외부가 서로 연결되어 있다. 본 발명은 건조에 필요한 에너지소모를 대폭 절약할 수 있으며 건조 후의 오니는 안정화, 감량화, 무해화, 자원화가 실현될 수 있고, 기계적인 자동화는 물론, 처리효과가 탁월하다.

태양열, 오니건조, 열펌프, 건조기, 제립기, 태양열집열기, 응축기, 압축기, 스로틀 장치, 증발기, 냉매.

Description

태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템 {Solar Energy and High Temperature Hybrid System Sludge Drying System}

본 발명은 일종의 습한 물료를 건조시키는 장치에 관련되며 특히 함수율이 높은 오니를 대량으로 건조시킬 수 있는 가공설비에 관련된다.

현재 오니건조화는 이미 오니처리의 주요 수단이 되었으며 환경분야계의 중시를 받고 있다. 현존의 오니건조방식은 주로 기계건조를 사용하며 주로 플래시 증발법, 박막식, 분무식, 다중효용법 등의 유형이 있다. 그 기술원리는 열전도, 열대류(heat convection)와 열복사이다. 그러나 이런 기술들을 이용하여 오니를 건조하면 대량의 에너지를 소모하게 되고 건조시스템 운전의 안전한 성능과 2차 오염 발생방지를 보장하기 위해 별도로 세트화 된 설비를 부가시켜 확실한 보증을 해야 하므로 오니 처리원가가 대폭으로 높아진다. 오니건조의 일회성 투자 및 운행비용이 높아 많은 도시오수처리장들은 일정 비용을 지불하고 오니전문처리업체에 위탁처리하여 매립 및 소각을 하고 있는 실정이며, 우리나라는 2003년7월 이후부터 하수오니 육상매립은 금지하였지만 오니처리에 대한 대안이 미비하여 발생된 하수오니 대부분을 해양투기 하고 있다.

본 발명의 목적은 태양열을 보조열에너지로 이용하고 아울러 태양열, 고온두 열원에 열펌프를 결합시킨 오니건조시스템을 제공하여 에너지소모를 대폭 절약하며 건조 후의 오니는 안정화, 감량화, 무해화, 자원화를 시키고 자동화 수준을 높여 에너지 소모를 최대한 줄이고 처리효과가 좋도록 하는 것이다.

본 발명은 태양열을 보조열에너지로 이용하고 아울러 태양열, 고온 두 열원에 열펌프를 결합시킨 오니건조시스템을 제공한다.

본 발명의 기술방안: 본 발명의 오니건조시스템에는 건조기와 열펌프가 포함되며 건조기 내에는 다수층 벨트식 이송장치, 공기통로 및 열펌프를 연결하는 공기통로가 설치되어 있고 건조기의 입료구에는 다습한 물료의 공급장치가 설치되어 있으며 출료구로 건조된 물료가 송출되고, 본 시스템에는 태양열공기집열기가 설치되어 있으며 열펌프에는 보조 입기구가 설치되어 있다; 태양열공기집열기에는 송풍기가 설치되어 있으며, 그 출기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 열펌프의 보조 입기구, 건조기와 열펌프 사이의 공기진입통로가 서로 연결되어 있고 그 입기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 건조기와 열펌프 사이의 공기배출통로 및 외부가 서로 연결되어 있다.

그리고 또 제어기가 설치되어 있으며 각 관도 내에 온도, 풍량 감지센서가 설치되어 있고 서술한 각 관도 상의 밸브는 솔레노이드 밸브이며 각 온도, 풍량 감 지센서, 솔레노이드 밸브에는 각각 제어기가 연결되어 있다.

건조기 입료구의 다습한 물료 공급장치에는 물료 컨베이어, 혼합수송기, 제립기가 차례로 연결되어 있다.

서술한 제립기는 2차 제립기이다.

본 발명은 현존의 단일 열원으로 다습한 물료를 건조시키는 모드를 바꾸었고 시스템에 태양열공기집열기를 설치하여 열펌프의 보조 열원으로 사용하므로써 에너지소모를 대폭 줄였다. 건조 후의 오니는 안정화, 감량화, 무해화, 자원화가 실현된다. 시스템에서 설치한 제어기, 감지센서, 솔레노이드 밸브는 시스템이 주변환경에 근거하여 자동화 조작이 실현되도록 하고 환경온도에 근거하여 열펌프를 가동할 것인지 여부를 결정하는데 이는 여름철 태양열의 온도는 가공에 필요한 온도에 가깝기 때문이다. 본 발명의 자동화 수준이 높고 에너지 소모가 적으며 처리효과가 좋다.

본 발명은 에너지소모를 대폭 절약하며 건조 후의 오니는 안정화, 감량화, 무해화, 자원화가 실현되고 본 발명의 자동화 수준이 높고 에너지 소모를 대폭 줄였으며 처리효과가 좋다. 태양열과 열펌프의 연합작업으로 에너지소모가 더 줄었으며 환경을 오염시키지 않고, 그린에너지인 태양열을 이용하고, 태양열펌프로 오니를 건조시키는 전체 과정은 밀폐식 시스템이므로 습분(濕分)을 배출할 필요가 없음과 동시 유해한 악취도 배출되지 않고 건조 후 함수율이 10％정도인 오니는 이미 무취의 과립이 되어 환경을 오염시키지 않는다.

도1과 같이 본 발명은 건조기(2)와 열펌프(5)가 포함되며 건조기(2) 내에는 다수층 벨트식 이송장치, 공기통로 및 열펌프(5)를 연결하는 공기통로가 설치되어 있고 건조기(2)의 입료구에는 다습한 물료의 공급장치가 설치되어 있으며 출료구(1)로 건조된 물료가 송출되고 본 시스템에는 태양열공기집열기(6)가 설치되어 있으며 열펌프(5)에는 보조 입기구가 설치되어 있다; 태양열공기집열기(6)에는 송풍기(7)가 설치되어 있으며 그 출기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 열펌프(5)의 보조 입기구, 건조기(2)와 열펌프(5) 사이의 공기진입통로가 서로 연결되어 있고 그 입기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 건조기(2)와 열펌프(5) 사이의 공기배출통로, 외부가 서로 연결되어 있다.

그리고 또 제어기가 설치되어 있으며 각 관도 내에 온도, 풍량 감지센서가 설치되어 있고 서술한 각 관도 상의 밸브는 솔레노이드 밸브이며 각 온도, 풍량감지센서, 솔레노이드 밸브는 각각 제어기가 연결되어 있다.

건조기(2)의 입료구의 다습한 물료 공급장치에는 물료 컨베이어, 2차 제립기(3), 혼합수송기(4)가 차례로 연결되어 있다.

도2와 같이 본 발명의 작업원리는:

1. 오니가 탈수기에서 기계탈수를 하고 탈수한 후 오니의 함수율은 80％가량이며 스크류컨베이어를 거쳐 정량공급기에 보내져 오니를 정량으로 공급시킨다.

2. 함수율 약 80％와 함수율 약 10％인 오니가 두 세트의 정량공급기를 통해 각각 벨트컨베이어 Ⅰ, Ⅱ를 거쳐 혼합수송기(4) 내에 진입하여 마른 오니와 젖은 오니가 고르게 혼합된다(이렇게 하는 목적은 오니가 건조되는 과정에서 생성되는 접착특성을 없애어 건조 시 덩이로 굳어지고 완전건조되지 않는 현상이 일어나지 않도록 하는 동시 허락되는 젖은 오니 수분함량의 변동폭 범위를 확장시킴이다).

3. 오니혼합수송기(4)에서 50％(함수율 80％)의 다습한 오니와 50%(함수율 10％)의 마른 오니를 고르게 혼합하고 혼합 후의 오니함수율은 ≤50％이다.

4. 혼합오니는 입식 2차 제립기(3)에 진입하여 제립되며 제립기는 2단 제립이고 입경은 3mm이며 과립은 고르고 견실하며 완제품수율 ＞98％까지 도달시킬 수 있다.

5. 연속식 다수 조로 구성된 스테인리스 메쉬벨트 건조기(2)는 밀폐된 장방형의 구조체이며 길이×넓이×높이=5.3m×1.5m×3m이다. 내부에는 3개조의 스테인리스 메쉬벨트식 컨베이어가 설치되어 있으며 고도방향으로 상하 분포 되었고 처음과 끝이 서로 연결되어 있으며 유효건조면적은 15.6m²이다. 과립상 오니는 회전급료 밸브와 물료분포기를 통해 스테인리스 메쉬벨트 위에 고르게 분포시키고 컨베이어의 속도와 분포 되는 오니 두께는 자동으로 조절할 수 있다(설비 내의 열풍온도에 변화가 있을 시 메쉬벨트의 운행속도를 자동으로 조절되어 과립 오니의 최종 함수율을 보증한다). 컨베이어는 설정한 속도에 따라 왕복운송, 뒤집기를 하여 오니과립의 수분을 증발시키고 건조기(2)의 오니처리량은 250kg/h정도이며 건조기 내에서 체류하는 시간은 한시간정도이고 건조기(2)내의 열풍온도는 80℃이고 열풍은 송풍기를 거쳐 컨베이어를 향해 순환 송풍 되어 과립오니를 건조시키며 최종 함수율이 ≤10％에 도달한 과립오니는 회전밸브를 통해 건조기(2)에서 배출된다. 과립오니 속의 수분을 흡수한 습열기는 인풍기에 의해 집진기에 보내져 분진을 제거한 다음 열펌프(5)로 보내져 습기가 제거된다.

6. 열펌프(5)는 압축기, 응축기, 스로틀 장치(throttle device)와 증발기로 구성되었다. 그 속에서 유동하는 냉매가 증발기 속에서 건조기(2)로부터 배출되는 습열기 중의 열량이 흡수되어 저압 액상냉매에서 저압 증기로 증발되고 압축기를 거쳐 가압하여 고온고압의 수증기가 된다; 응축기 속에서 고온고압의 냉매가 방출하는 열량으로 가열제습 후 기체를 건조시키고 냉매는 기체에서 고압액상으로 응축되며 스로틀 장치를 통해 고압액상 냉매에 대해 블로킹현상(blocking effect)이 생성되어 압력을 낮춰지고 이렇게 반복되면 열펌프 가열제습의 순환이 형성된다.

건조기(2)에서 배출되는 기체는 수분이 매우 많이 함유된 습열기체이며 그 상대적인 습도는 75∼80％가량이고 열펌프(5)의 제습증발기에 진입할 때 증발기의 표면온도가 기체의 이슬점(듀 포인트)온도보다 낮기 때문에 증발기표면에서 물을 응축시켜 액상물의 상태로 시스템 밖으로 배출한다. 따뜻한 기체가 상대적으로 온도가 낮아지고 건조한 기체가 된 후 열펌프(5)에 진입하여 온도가 증가되어 오니건조에 열량을 제공하고 기체가 건조기(2) 내에서는 엔탈피가 일정한 (isenthalpic) 가열냉각과정이며 열펌프(5) 내에서는 제습가열과정이고 열펌프(5)가 배출하는 열풍온도는 ≥90℃이다. 이 시스템은 성능이 우수한 고온 냉매와 고효율 에너지절약형 제습온도제어 유니트를 사용하였고 열펌프(5)의 가열계수(heating efficiency)는 COP＞4이다. 열펌프(5)는 자체적인 순환 제습가열 외에도 다른 열원으로부터 열 을 얻을 수 있으며 태양열집열기(6)의 열풍온도가 건조기(2) 내의 온도를 만족시킬 때, 태양열집열기(6)의 열풍으로 열을 공급하고, 건조기(2) 내의 온도를 만족시키지 못할 때는 태양열집열기(6)의 열풍을 열펌프(5)의 낮은 에너지로 사용하며 추운 계절에도 전기 혹은 기타의 여열로 공기를 가열하여 열펌프(5)의 낮은 에너지로 사용할 수 있고 열펌프(5)의 에너지 전환은 모두 자동화로 완성된다.

7. 플랫 패널 태양열 수집기(6)

오니건조의 열원은 열펌프(5), 태양열 집열기(6)로 구성된 열공급시스템이고 열펌프(5)는 열공급시스템 중의 주요설비이다. 태양열 집열기(6)는 열공급시스템 중의 보조설비이고 수증기 압축식 열펌프(5)는 겨울철 온도가 매우 낮을 때 열펌프(5)시스템의 효율이 낮지만 태양열 집열기(6)는 저온일 때 집열효과가 높으므로 열펌프 시스템과 태양열집열시스템의 결합으로 이 문제를 효과적으로 해결하였다. 태양열의 이용은 건조의 에너지절약 효과와 이익을 제고시켰고 건조원가를 줄였다. 태양열 집열기(6)는 플랫 패널형, 조립식 공기집열기이며 총 채광면적은 130m²이다; 태양열공기 집열기(6)는 효과적으로 태양복사에너지를 수집하고 아울러 태양에너지로 전환시키며 공기를 일정한 온도까지 가열하여 관도를 거쳐 건조기(2) 혹은 열펌프(5)로 보낸다. 태양열 열공급시스템은 태양열 집열기(6), 송풍기(7), 입풍밸브, 배풍밸브 및 관도로 구성되었고 집열기는 진열배치를 취하였으며 집열기, 흡열판은 매쉬보드타입이다. 공기흐름의 설계가 합리적이고 보온층의 보온효과가 좋으며 태양의 복사에너지를 최대한 공기의 잠열에너지로 전환시키는 것을 확실히 보장할 수 있고 태양열 플랫 패널 집열기(6)의 열 수집효율은 약 60％에 달할 수 있다.

본 발명의 요점을 정리하자면 에너지소모 비용이 낮고 열펌프(5)는 따뜻한 공기 중의 현열과 잠열을 회수할 수 있어 에너지가 충분히 합리적으로 이용되며 이는 인정된 고효율 에너지절약형 설비이고 태양열과 열펌프의 연합작업으로 에너지소모를 한층 줄일 수 있다. 환경을 오염시키지 않고, 태양열은 그린에너지이며, 태양열펌프로 오니를 건조시키는 전체 과정은 밀폐식 시스템이므로 습분(濕分)을 배출할 필요가 없음과 동시, 유해한 악취도 배출되지 않고 건조 후 함수율이 10％인 오니는 이미 무취의 과립이 되어 환경을 오염시키지 않는다. 건조된 오니의 품질이 좋고 본 발명의 태양열펌프건조시스템의 오니건조는 밀폐된 공간에서 순환식으로 진행되며 외부 기후조건의 영향을 받지 않아 일년 사계절을 동일한 조건 하에서 안정적으로 운행되므로 건조된 물료의 품질이 안정적이다. 오니는 응집제(Flocculant)를 이용하여 침전 후 짜낸 교질의 고체 미셀(micelle)이며 성분구조가 복잡하고 흡수력이 강한 물료이나 건조기의 건조온도는 조절이 가능할 뿐만 아니라 컨베이어의 속도도 제어할 수 있어 오니건조의 이상적인 조건을 만족시킬 수 있으며 건조 완제품의 함수율이 고르고 과립오니중의 유기성분(중금속 함량이 표준을 초과하지 않으면 비료로도 사용 가능하다)도 유지시킬 수 있어 오니 자원화에 유리한 조건을 갖출 수 있다. 안전성이 높고 오니과립은 건조과정에서 멀티-벨트 건조기를 사용하므로 운행속도가 낮고 운행이 안정적이며 오니 과립의 상호 마찰로 인한 분진이 생성되지 않고 합리적인 열풍구성도 먼지를 일으키지 않는다. 건조실 내의 온도는 ＜80℃로 저온건조이기에 오니과립이 건조과정에서 과열로 인한 자체연 소가 없다. 그러므로 재래식 오니건조 중에서와 같은 분진퇴적과 오니 자체연소로 인해 발생되는 안전상 잠재된 문제들을 배제시킬 수 있다. 구조가 치밀하고 설비 안치면적이 적으며 자동화 수준이 높고 전체 건조과정은 전자동이 가능하며 수요자의 필요에 따라 반자동 혹은 수동으로도 구성이 가능하다. 용도가 광범위하며 본 발명은 오니건조 외에 음식물쓰레기 및 농산물 건조에도 사용할 수 있다.

도1은 본 발명의 시스템 구조 설명도이다.

도면 중 1은 출료구, 2는 건조기, 3은 2차 제립기, 4는 혼합수송기, 5는 열펌프, 6은 태양열집열기, 7은 송풍기 이다.

도2는 본 발명의 작업원리도면이다.

Claims (4)

1. 태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템이며 여기에는 건조기와 열펌프가 포함되며 건조기 내에는 다수층 벨트식 이송장치, 공기통로 및 열펌프를 연결하는 공기통로가 설치되어 있고 건조기의 입료구에는 다습한 물료의 공급장치가 설치되어 있으며 출료구로 건조된 물료가 송출되고 본 시스템에는 태양열공기집열기가 설치되어 있으며 열펌프에는 보조 입기구가 설치되어 있다; 태양열공기집열기에는 송풍기가 설치되어 있으며 그 출기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 열펌프의 보조 입기구, 건조기와 열펌프 사이의 공기진입통로가 서로 연결되어 있고 그 입기구는 밸브가 설치되어 있는 관도를 통해 각각 건조기와 열펌프 사이의 공기배출통로 및 외부가 서로 연결되어 있다.
2. 청구항 1에서 서술한 태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템에 의하며 그 특징은 또 제어기가 설치되어 있으며 각 관도 내에 온도, 풍량 감지센서가 설치되어 있고 서술한 각 관도 상의 밸브는 솔레노이드 밸브이며 각 온도, 풍량 감지센서, 솔레노이드 밸브는 각각 제어기가 연결되어 있다.
3. 청구항 1에서 서술한 태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템에 의하며 그 특징은 건조기 입료구의 다습한 물료 공급장치에는 재료 컨베이어, 혼합수송기, 제립기가 차례로 연결되어 있다.
4. 청구항 3에서 서술한 태양열, 고온 두 열원의 열펌프 오니건조시스템에 의하며 그 특징은 서술한 제립기는 2차 제립기이다.

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