KR20120021591A - 슬러지 가수분해 장치 및, 이를 이용한 슬러지 가수분해 방법 - Google Patents

슬러지 가수분해 장치 및, 이를 이용한 슬러지 가수분해 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 물에서 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)이 가수분해에 효율적인 농도 수준으로 발생하는 온도인 180도?250도의 온도 및 상기 온도에서의 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력에서 슬러지를 연속적으로 가수분해하기 때문에 가수분해가 효과적으로 이루어질 수 있으며, 고온, 고압의 환경에서도 접촉식으로 열교환이 이루어질 수 있기 때문에 제조 비용과 유지 관리비용 및 장치의 공간점유를 줄일 수 있다.

Description

슬러지 가수분해 장치 및, 이를 이용한 슬러지 가수분해 방법{Apparatus for hydrolysis treatment of sludge, methods using the same}
본 발명은 슬러지 가수분해 장치와 그 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가수분해되는 슬러지를 순환시키면서 가수분해를 하기 때문에 슬러지를 더 효과적으로 가수분해할 수 있고, 물에서 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)이 가수분해에 효율적인 농도 수준으로 발생하는 온도인 180도?250도의 온도 및 상기 온도에서의 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력에서 슬러지를 연속적으로 가수분해하기 때문에 가수분해가 효과적으로 이루어질 수 있으며, 고온, 고압의 환경에서도 접촉식으로 열교환이 이루어질 수 있기 때문에 제조 비용과 유지 관리비용 및 장치의 공간점유를 줄일 수 있는, 슬러지 가수분해 장치와 그 방법에 대한 것이다.
일반적으로, 하수슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지가 폐기물로 그대로 배출되면 침출수나 악취 및 해충 발생 등의 환경오염을 일으킬 수 있다. 한편, 유기물 슬러지에는 건조 후 1kg당 3000 kcal 이상의 많은 에너지가 포함되어 있는데, 유기물 슬러지를 처리하는 과정에서 상기 에너지를 회수할 수만 있다면 경제적으로 매우 유용하겠지만, 유기물 슬러지의 함수율이 80% 수준으로 높아서 아직까지는 유기물 슬러지에 포함된 에너지가 경제적으로 활용되지 못하고 있다.
즉, 유기물 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 유기물 슬러지가 해양투기나 퇴비 활용 등으로 처리되고 있다. 그런데, 해양투기는 해양 오염 문제를 일으키고, 퇴비 활용은 분해과정에서 지구 온난화를 일으키는 메탄가스를 다량으로 발생시키는 문제가 있다.
한편, 유기물은 대부분 포도당이나 아미노산 및 지방산이 결합한 고분자 화합물인 탄수화물, 단백질, 지질로 구성되고, 이 유기물을 물과 함께 180℃이상 고온으로 가열하면 물에서 발생하는 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)에 의하여 포도당이나 아미노산 등으로 분해되는데, 이러한 현상을 '가수분해'라고 한다.
상기 가수분해의 원리를 이용하여 유기물 슬러지를 처리하는 여러 가지 방법이 고안되었지만, 기존의 가수분해장치는 유기물 슬러지를 가수분해하기 위하여 상온의 슬러지를 180℃ 이상으로 직접 가열하기 때문에 온도상승에 과다한 열에너지가 요구될 뿐 아니라 밀폐형 가용용기를 만들어 가수분해를 한번씩 '배치식'으로 처리해야 하는 문제점이 있다.
이러한 문제로 인하여 상기 가수분해장치는 투입되는 열에너지에 비하여 회수되는 고형물 등의 에너지가 적기 때문에 슬러지 처리방법으로는 경제성이 없다는 문제점이 있다.
또한, 저온 유기물 슬러지는 유동성이 극히 불량하여 대류에 의한 열전달이 이루어지지 않으며 열전도율도 매우 낮아 접촉에 의한 열전달도 잘되지 않기 때문에 기존의 기술로는 열교환 장치의 구성이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 20세기부터 지하에 매장된 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대량으로 채굴 및 사용함에 따라 이산화탄소가 과다하게 배출되었고, 이에 따라 지구 온난화 문제가 심각하게 발생하여 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소나 메탄가스의 발생을 줄이는 기술이 현재 절실하게 필요하게 되었다.
이산화탄소나 메탄가스의 발생을 줄이는 기술 중 광합성으로 생성되는 바이오매스를 이용하는 재생 에너지 기술은 태양에너지와 공기 중의 이산화탄소와 물을 이용하여 식물의 광합성으로 생성되기 때문에 에너지를 생성하면서 이산화탄소를 감소시키므로 가장 지구 환경을 보호하는 청정에너지 기술로 각광을 받고 있다. 특히, 크로렐라 같은 광합성 조류는 곡물보다 15배 이상 성장 속도가 빨라 재생 에너지를 대량으로 생산할 수 있다.
그런데, 건조되지 않은 바이오매스는 80% 내외의 물을 함유하기 때문에 에너지 자원으로 사용하기 위하여 함유된 물을 제거해야 한다. 바이오매스에 함유된 물은 기계적으로 제거되지 못하고 가열 증발로만 제거할 수 있기 때문에 이 과정에서 바이오매스로부터 회수되는 열에너지보다 더 많은 열에너지가 필요할 뿐 아니라 악취가 발생하여 바이오매스를 에너지 자원으로 활용하지 못하고 있다.
이러한 바이오매스나 유기물 슬러지를 경제적이고 환경 친화적으로 처리하기 위하여 유기물 속의 물을 증발시키는 방법보다 유기물을 물과 결합시켜 저분자 유기물로 분해하는 가수분해 기술이 에너지 측면이나 환경 측면에서 더 효과적이며, 이러한 가수분해를 통하여 폐기물인 바이오매스와 유기물 슬러지를 부가가치가 높은 고형 연료와 수용액으로 쉽게 변환시킬 수 있다.
이를 위해서 본 출원인은 유기물 슬러지를 연속적으로 가수분해하고, 가수분해된 고온 유기물 슬러지와 가수분해될 저온 유기물 슬러지 사이에 접촉식 열교환 및 증기식 열교환이 이루어지도록 하여 가수분해에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 장치를 고안한 바 있다.
상기 장치에서 가수분해 유니트는 고온, 고압의 환경에서 유기물 슬러지를 연속적으로 가수분해한다. 상기 가수분해된 유기물 슬러지는 증기식 열교환 및 접촉식 열교환을 통하여 저온의 가수분해될 유기물 슬러지를 가열하면서 냉각된 후, 외부로 배출된다.
한편, 상기 가수분해는 온도에 따라 그 효과가 달라지는데, 유기물 슬러지의 온도가 높아질수록 가수분해는 잘 이루어지지만 온도가 높아지는 만큼 에너지가 많이 소모되고 온도가 높아짐에 따라 장치를 고온, 고압에 견디도록 제조해야 하기 때문에 장치의 제조비용이 높아진다는 문제점이 있다. 따라서, 가수분해가 잘 이루어지면서도 에너지 및 장치의 제조비용을 줄일 수 있는 방안을 찾는 것이 중요하다.
그리고, 상기 증기식 열교환은 대기압 초과의 압력과 온도에서 이루어지고 접촉식 열교환은 대기압 이하의 압력과 온도에서 이루어진다. 즉, 상기 장치는 증기식 열교환과 접촉식 열교환으로 저온 유기물 슬러지를 가열한다. 이와 같이, 두 번의 열교환이 이루어지는 것은 접촉식 열교환 장치를 고온, 고압에 적합하도록 제조하기가 어렵기 때문이다. 만약, 상기 고온 유기물 슬러지와 저온 유기물 슬러지 사이의 열교환이 한꺼번에 이루어질 수 있다면 장치의 제조비용, 유지관리 비용 및, 장치가 점유하는 공간을 크게 줄일 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 장치와 방법은 하수슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지를 효과적으로 처리하여 환경 오염을 방지하고 에너지를 생산하며, 바이오 매스를 효과적으로 처리하여 에너지를 생산할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에 따른 장치와 방법은 유기물 슬러지와 바이오 매스에 모두 사용될 수 있는데, 아래에서는 설명의 편의를 위해 유기물 슬러지와 바이오 매스를 통칭하여 '슬러지'라고 하기로 한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 물에서 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)의 농도가 가수분해에 필요한 수준으로 발생하는 온도인 180도?250도의 온도 및 상기 온도에서의 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력에서 슬러지를 연속적으로 가수분해하기 때문에 가수분해가 효과적으로 이루어질 수 있는, 슬러지 가수분해 장치와 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가수분해 공정에서 슬러지를 순환시킴으로써 효율적인 가수분해를 할 수 있는 슬러지 가수분해 장치와 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온, 고압의 환경에서도 접촉식으로 열교환이 이루어질 수 있기 때문에 복잡한 증기식 열교환 유니트의 제조 비용 및 유지 관리비용을 줄일 수 있는, 슬러지 가수분해 장치와 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온, 고압의 환경에서 이루어지는 열교환 및 가수분해에 적합하도록 배관의 연결부가 구성되고 배관이 열변형에 대응할 수 있는, 슬러지 가수분해 장치와 그 방법을 제공하는데 있다.
물 분자는 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합하여 형성되는데, 물 분자 중의 일부는 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)으로 분해되어 존재한다. 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)의 농도는 온도에 따라 일정한데, 이를 물의 이온화 상수 Kw = [H+][OH-]라고 나타낸다.
물의 이온화 상수는 온도에 따라서만 변하는 평형 상수로서, 도 1에 나타난 바와 같이, 상온(25℃)에서 1.2×10-14(mol/L)2이지만 온도의 상승에 따라 급격하게 상승하여 200℃온도에서는 상온보다 500배 이상 증가하고 이후 약간 농도가 증가하면서 약 250℃?300℃에서 최대치에 도달하고 350℃를 초과하면 급격하게 감소한다.
슬러지는 대부분 세포로 이루어져 물이 세포액으로 함유되어 있는데, 이 세포액은 세포막의 보호를 받으며 삼투압이 작용하여 기계적으로 탈수되지 않는다. 상기 세포막의 출입구나 삼투압을 유지하는 물질은 모두 단백질로 구성되어 있는데, 이 단백질은 고분자 영양 유기물로서, 180℃?250℃의 온도에서는 물의 수소 이온(H+)과 수산 이온(OH-)의 농도가 가수분해에 필요한 수준에 도달하여 공유결합의 고리를 절단하는 가수분해가 발생하여 상기 단백질이 저분자 유기물로 분해되면서 물에 녹는다. 이에 따라 세포막의 보호와 삼투압이 모두 소멸되어 가수분해가 이루어진 고함수 슬러지는 고형분과 수용액으로 쉽게 분리된다.
또한, 180℃?250℃의 온도에서 생성되는 높은 수소 이온과 수산 이온의 농도는 악취 물질을 생성시키지 않는다. 따라서, 슬러지는 악취가 생기지 않는 저분자 유기물로 바로 가수분해되어 악취 발생이 방지되며, 가수분해되지 않는 세포막 잔재물과 같은 구조 유기물은 고형분으로 남아 필터 프래스로 쉽게 분리하여 바이오석탄과 같은 에너지 자원으로 사용할 수 있다.
가수분해는 온도 구간에 따라 다소 차이가 나는데, 180℃?200℃구간에서는 압력이 10기압에서 15기압이 작용하며 200℃?210℃ 구간에서는 15기압에서 20기압 이 작용하며 210℃?250℃ 구간에서는 20기압에서 40기압이 작용하는데, 온도가 높으면 가수분해 시간이 짧아지지만 밀봉 장치 구성이 어려워지는 장단점이 있으므로 상황에 따라 적당한 온도와 압력을 선택하여 사용한다.
가수분해가 잘 이루어지는 180℃?250℃의 온도에서 물을 액체 상태로 유지하기 위해서는 온도에 대응하는 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력을 유지해야 하는데, 본 출원인은 이와 같은 고온, 고압에서 슬러지를 연속적으로 가수분해하되, 가수분해 중인 슬러지의 일부를 순환시켜 슬러지의 온도를 높이고, 이에 따라 슬러지의 온도를 높은 상태로 유지하여 가수분해가 잘 이루어지도록 하는 장치와 방법(본 발명)을 고안하였다. 이러한 본 발명은 가수분해된 고온 슬러지와 가수분해될 저온 슬러지 사이에 연속적으로 열교환이 이루어지기 때문에 에너지를 절약하는 '연속식' 열교환 가수분해 방법과 장치이다.
특히, 본 발명은 가수분해 공정에서 슬러지를 순환시킴으로써 슬러지가 더 효율적으로 가수분해되도록 한다. 또한, 본 발명은 수소이온과 수산이온의 농도가 높아서 가수분해가 잘 이루어질 수 있는 온도(180도 내지 250도)에서 가수분해가 이루어지도록 하였다. 아울러, 가수분해 유니트를 격벽을 이용하여 가수분해 용기와 배출용기로 구획하고, 가수분해 용기에서는 빠른 가열과 가수분해가 이루어지고 배출용기에서는 가수분해된 슬러지와 공기의 배출을 처리하도록 역할을 분담하여 연속식으로 가수분해가 이루어지도록 하였다.
아울러, 접촉식 열교환 유니트는 고온 슬러지가 열교환하면서 이동되는 경로 내내 압력이 유지되도록 하여 고압에서도 접촉식 열교환이 가능하도록 개선되었고 2개의 고온 슬러지관을 맞물려 빠르게 회전시키면 2개의 고온 슬러지관이 맞물렸다가 분리되는 부분에서 저온 슬러지가 고온 슬러지관의 홈에 흡입되어 고온 슬러지관과 접촉하며 이동하다가 고온 슬러지관이 맞물리는 부분에서 빠져나오며 압력이 형성되어 다시 흡입되는 부분으로 이동하는 형태로 저온 슬러지를 강제로 순환시켜 접촉 열교환이 지속적으로 반복될 수 있도록 함으로써 열교환 효율을 획기적으로 향상시켰다. 이에 따라, 기존의 증기식 열교환과 접촉식 열교환으로 분리하여 복잡하게 구성된 열교환 방법을 개선하였다.
나아가, 본 발명에 따른 장치는 접촉식 열교환이 고온, 고압에서 이루어짐에 따라 고압을 유지하는 밀봉수단과, 열팽창, 열수축에 따른 변형을 방지할 수 있는 수단을 구비한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 물에서 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)이 가수분해에 필요한 농도 수준으로 되는 온도인 180도?250도의 온도 및 상기 온도에서의 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력에서 슬러지를 연속적으로 열교환 가수분해하기 때문에 가수분해가 효과적으로 이루어질 수 있다.
둘째, 가수분해 공정에서 슬러지를 순환시킴으로써 효율적인 가수분해를 할 수 있다.
셋째, 고온, 고압의 환경에서 접촉식 열교환이 이루어지더라도 배관의 열팽창, 열수축에 따른 변형을 흡수할 수 있고 접촉식 열교환 유니트로부터 외부로 슬러지 또는 수증기가 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 고온, 고압의 환경에서도 접촉식으로 열교환이 이루어질 수 있고, 이로 인해서 장치의 제로부비용, 유지 관리비용 및 장치가 점유하는 공간을 줄일 수 있다.
도 1은 온도에 따른 물의 이온화 상수 값을 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 슬러지 가수분해 장치를 보여주는 사시도.
도 3은 도 2의 슬러지 가수분해 장치의 각 구성요소 사이에서 저온 슬러지와 고온 슬러지가 이동되는 경로를 보여주는 구성도.
도 4는 도 2의 슬러지 가수분해 장치에 구비된 가수분해유니트를 보여주는 사시도.
도 5는 도 4의 가수분해유니트의 단면도.
도 6은 도 4의 가수분해유니트에 구비된 교반부를 보여주는 사시도.
도 7은 도 6의 교반부를 구성하는 교반날개를 보여주는 사시도.
도 8은 도 4의 가수분해 유니트에서 슬러지가 순환되는 경우와 순환되지 않는 경우에서 슬러지의 온도를 비교한 그래프.
도 9는 도 2의 슬러지 가수분해 장치에 구비된 접촉식 열교환유니트의 프레임과 제1,2 고온 슬러지관을 보여주는 사시도.
도 10은 도 9의 프레임과 제1,2 고온 슬러지관을 보여주는 분해 사시도.
도 11은 도 10의 제1 고온 슬러지관을 보여주는 분해 사시도.
도 12는 도 9의 제1 고온 슬러지관의 둘레를 실링하는 씰링부재를 보여주는 단면도.
도 13은 도 9의 제1 고온 슬러지관과 외부 배관을 연결하는 로터리 조인트를 보여주는 단면도.
도 14는 도 9의 접촉식 열교환유니트에 구비된 배출유니트를 보여주는 사시도.
도 15a는 도 14의 배출유니트에 구비된 원통부재를 보여주는 정면도.
도 15b는 도 14의 배출유니트에 구비된 내부 회전부재를 보여주는 정면도.
도 16(a)와 도 16(b)는 도 14의 배출유니트가 작동되는 것을 보여주는 단면도.
도 17은 도 2의 슬러지 가수분해 장치에 구비된 고액 분리탱크를 보여주는 사시도.
도 18은 도 2의 슬러지 가수분해 장치의 배관에 설치된 주름관과 페롤부재를 보여주는 분해 사시도.
도 19는 도 18의 결합 사시도.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 가수분해가 가장 효과적으로 일어나는 온도(180도?250도) 및 상기 온도에 대응하는 증기압 곡선상의 압력보다 높은 압력에서 가수분해를 실시한다는 특징을 가진다. 또한, 본 발명은 고온, 고압에서 접촉식 열교환이 이루어지도록 함으로써 기존의 증기식 열교환과 접촉식 열교환을 하나의 열교환(접촉식 열교환)으로 단순화시킬 수 있다는 특징을 가진다. 아울러, 본 발명은 가수분해 공정에서 슬러지를 순환시킴으로써 가수분해 공정 내의 슬러지가 보다 높은 온도를 유지하도록 함으로써 가수분해가 더 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다는 특징을 가진다.
아래에서는 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명을 먼저 전체적으로 설명하고, 이어서 각 구성요소를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 슬러지 가수분해 장치를 보여주는 사시도이고, 도 3은 상기 장치의 각 구성요소 사이에 슬러지가 이동되는 경로를 보여준다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 유기물 슬러지와 바이오 매스의 가수분해에 모두 사용될 수 있다. 아래에서는 상기 유기물 슬러지와 바이오 매스를 통칭하여 '슬러지'로 기재하기로 한다.
도면을 참조하면, 상기 가수분해 장치는 수증기를 발생시켜서 공급하는 수증기 공급부(150)와, 수증기 공급부(150)로부터 발생된 수증기를 공급받아 저온 슬러지를 가수분해하는 가수분해유니트(100)와, 가수분해유니트(100)에서 배출된 가수분해된 고온 슬러지와 가수분해될 저온 슬러지 사이에 접촉식 열교환이 일어나는 접촉식 열교환 유니트(200)와, 접촉식 열교환 유니트(200)로부터 고온 슬러지를 배출시키는 배출유니트(300)와, 배출유니트(300)를 통하여 배출되는 슬러지를 저장하는 고액 분리탱크(T2)와, 접촉식 열교환 유니트(200)에 저온 슬러지를 공급하는 저온 슬러지 저장탱크(T1)를 구비한다.
한편, 상기 각 구성요소에서의 압력은 다음과 같은데, 아래 표의 압력은 바람직한 예시로서, 본 발명이 상기 압력에만 국한되는 것은 아니고 필요에 따라 다양한 압력을 가질 수도 있다.
구성요소 압력
저온 슬러지 저장탱크(T1) 1기압
주입펌프(P1) 1기압→10기압
프레임(210)의 내부 10기압
주입펌프(P2) 10기압→20기압
가수분해 유니트(100) 20기압
고온슬러지관(220)(230)(240)(250) 20기압
배출유니트(300) 20기압→1기압
고액분리 탱크(T2) 1기압
저온 슬러지 저장탱크(T1)에 저장된 상온, 상압 상태의 저온 슬러지는 주입펌프(P1)에 의해서 프레임(210)에 주입된다. 프레임(210)에 주입된 저온 슬러지는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)을 통해 이동하는 고온 슬러지와 열교환을 하여 가열된다. 상기 고온 슬러지는 가수분해 유니트(100)로부터 배출된 것이다.
상기 열교환에 의해서 가열된 저온 슬러지는 주입펌프(P2)에 의하여 가압되어 가수분해 유니트(100)에 주입된다. 가수분해 용기(120)의 내부는 프레임(210) 내부보다 고압이기 때문에 저온 슬러지를 주입하기 위해서 주입펌프(P2)를 사용한다. 접촉식 열교환 유니트(200)로부터 배출되어 가수분해 유니트(100)에 주입되는 저온 슬러지는 순환배관(145)과의 연결부(148)를 통하여 순환배관(145)에 주입되는 것이 바람직하다.
한편, 가수분해 유니트(100)는 수증기 공급부(150)로부터 공급된 수증기에 의해서 고온, 고압 상태를 유지한다. 바람직하게, 가수분해 유니트(100)의 내부공간은 10-40기압, 180도-250도를 유지한다.
가수분해 유니트(100)에 주입된 저온 슬러지는 격벽(110)과 중력에 의하여 하부에 모이고 상부는 수증기로 채워져 상기 수증기에 의해서 가열되고 가수분해 된다. 저온 슬러지는 상기 내부공간의 일측에서 타측으로 이동하면서 수증기의 열에너지가 슬러지로 전달되어 가열되는데, 가열된 저온 슬러지의 일부는 상기 타측에 설치된 순환배관(145)을 통해서 상기 내부공간을 순환한다. 상기 순환을 위해서 순환배관(145)에 순환용 펌프(P3)를 설치하는 것이 바람직하다.
순환되는 가열된 슬러지는 상기 순환에 의해 기계적인 교반이 더욱 잘 이루어져 가수분해가 촉진되며, 순환하는 가열된 슬러지와 주입되는 저온 슬러지를 혼합하면 저온 슬러지의 가열이 촉진되며, 이에 따라 저온 슬러지는 상기 순환이 없을 때보다 상기 내부공간에서 더 높은 온도를 유지할 수 있으며, 이에 따라 가수분해가 더 잘 이루어질 수 있다. 이 점은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
이와 같이, 저온 슬러지는 가열되면 슬러지 내부의 물에 이온 농도가 증가하면서 가수분해되어 유동성이 높은 고온 슬러지가 되는데, 가수분해된 슬러지는 배출용기(130)로 이동된 후 배출된다. 배출용기(130)로부터 배출된 고온 슬러지는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)으로 주입된다.
고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)에 주입된 고온 슬러지는 가수분해 유니트(100)의 압력을 유지한 상태에서 저온 슬러지와 열교환을 하여 냉각된 후 배출유니트(300)를 통하여 배출된다. 상기 열교환은, 고온 슬러지와 저온 슬러지가 혼합되지 않은 상태에서, 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)에 저온 슬러지가 접촉된 상태에서 열전도에 의해서 이루어진다.
상기 접촉식 열교환 유니트(200)는 상온, 상압부터 250도, 40기압까지의 범위에서 작동될 수 있다. 이와 같이, 접촉식 열교환 유니트(200)의 내부는 고온, 고압이기 때문에 상기 고온, 고압을 유지하기 위해서 여러 가지 수단들, 예를 들어 배출 유니트(300), 립씰부재, 씰링부재, 패롤과 체결부재 등이 구비되는데, 상기 수단들에 대해서는 아래에서 상세히 설명될 것이다.
배출 유니트(300)는 접촉식 열교환 유니트(200)의 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)의 내부 압력을 유지하면서 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)으로부터 배출되는 냉각된 고온 슬러지의 압력을 제거하면서 고액 분리탱크(T2)로 배출한다.
고액 분리탱크(T2)에 저장된 슬러지의 내용물은 그 비중에 따라 상부의 수용액과 하부의 고형분으로 분리된다. 상기 수용액은 배관을 통하여 외부로 배출되고, 상기 고형분은 배출펌프(P4)를 이용하여 외부로 배출한다.
그러면, 본 발명에 따른 슬러지 가수분해 장치의 각 구성요소를 설명하기로 한다.
가수분해유니트(100)는 그 내부공간에서 저온 슬러지를 가열하여 가수분해 한다. 도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 가수분해유니트(100)는 밀폐된 내부공간(S)을 가지는데, 내부공간(S)은 격벽(110)에 의해서 가수분해가 이루어지는 가수분해 용기(120)와, 가수분해된 고온 슬러지가 배출되는 배출용기(130)로 구획된다. 상기 격벽(110)은 소정 높이로 설치되는데, 배출용기(130)의 수위는 격벽 높이보다 낮게 유지되며 가수분해 용기(120)와 배출용기(130)는 격벽(110)의 상측을 통하여 서로 연통된다. 즉, 가수분해 용기(120)의 슬러지는 격벽(110)을 흘러 넘쳐서 배출용기(130)로 이동된다.
가수분해 용기(120)에는 그 내부에 가수분해될 슬러지가 수용된다. 가수분해 용기(120)는, 중력과 격벽(110)에 의하여 자연스럽게, 하부는 슬러지가 수용된 슬러지 공간과 상부는 수증기로 채워진 수증기 공간으로 이루어진다.
가수분해 용기(120)에는 상부 수증기 공간의 열에너지를 하부 슬러지 공간으로 전달하기 위하여 가수분해될 슬러지를 교반하는 교반부(140) 및, 순환배관(145)이 설치된다.
교반부(140)는, 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 교반날개(141)가 회전축(143)에 연속적으로 설치된 것으로 구성될 수 있다. 구동모터(144)가 회전축(143)을 회전시키면 교반날개(141)는 회전하면서 수증기 공간과 슬러지 공간을 왕복한다.
수증기 공간에서 교반날개(141)에 접촉된 수증기가 응축되면서 응축열에 의해서 교반날개(141)가 가열되는데, 가열된 교반날개(141)가 슬러지 공간에 잠기면 슬러지를 가열하면서 냉각된다. 교반날개(141)의 상기 가열과 냉각은 교반날개(141)가 회전되기 때문에 반복적으로 이루어진다.
상기 수증기는 수증기 공급부(150) 예를 들어, 보일러에서 만들어진 후, 수증기 주입구(151)를 통하여 가수분해 용기(120)에 주입된다. 한편, 수증기는 제철소나 폐기물 소각로 등에서 발생하는 폐열을 이용하여 만들어질 수도 있다. 이때 제철소나 폐기물 소각로에서 생성되는 이산화탄소를 이용하여 크로렐라 등의 미세조류를 배양하는 방법으로 바이오매스를 생산하고, 이렇게 생산된 바이오매스를 본 기술을 이용하여 가수분해하면 저렴하게 고형연료를 생산할 수 있다.
상기 수증기의 주입량은 상기 내부공간(S)에 설치된 압력센서(미도시)에 의해서 조절된다. 압력센서에 의해서 측정된 압력이 증기압 곡선상의 압력보다 낮으면 가수분해가 이루어질 수 없기 때문에 수증기를 더 공급하여 증기압 곡선상의 압력보다 높게 되도록 한다. 한편, 가수분해는, 전술한 바와 같이, 180도 내지 250도의 온도에서 가장 잘 이루어지기 때문에 슬러지의 온도가 180도 내지 250도의 범위에 있도록 상기 수증기의 온도와 수증기의 공급량을 조절하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 내부공간(S)의 온도는 180도 내지 250도의 범위에 있도록 하고 상기 내부공간(S)의 압력은 내부공간(S)의 온도에 대응하는 증기압 곡선상의 압력보다 높게 유지되도록 압력센서를 이용하여 수증기의 공급량을 조절한다.
상기 내부공간(S)에 수증기를 제외한 공기나 기타의 기체가 포함되어 있으면 교반날개(141)에서 수증기 응축이 잘 이루어지지 않아서 교반날개(141)의 가열이 잘 이루어지지 않기 때문에 내부공간(S)의 기체를 선택적으로 배기구(137)를 통하여 외부로 배출한다. 공기의 밀도가 수증기보다 높기 때문에 배기구(137)를 가수분해 용기(120)의 수위보다 낮도록 배출용기(130)에 설치하며 상기 배기구(137)를 통하여 내부공간(S)의 기체를 외부로 배출하고 수증기 주입구(151)를 통하여 수증기를 공급함으로써 수증기의 농도를 높일 수 있다.
순환배관(145)은 가수분해 용기(120)의 일측과 타측을 연결하도록 설치된다. 저온 슬러지는 가수분해 용기(120)의 일측에서 내부공간(S)에 주입된 후, 배출용기(130)와 연결된 타측으로 이동하면서 가열되며 가수분해되어 격벽(110)을 넘어 배출용기(130)쪽으로 이동하는데, 순환배관(145)은 상기 타측에 있는 가열된 슬러지 중의 일부를 다시 일측으로 이동시킨다. 상기 이동은 순환용 펌프(P3)에 의해서 이루어질 수 있다.
한편, 가수분해될 저온 슬러지는 접촉식 열교환 유니트(200)로부터 순환배관(145)에 연결부(148)를 통하여 공급되는데, 저온 슬러지는 접촉식 열교환 유니트(200)에서 고온 슬러지와 열교환을 하여 가열된 것이다.
도 8은 상기 순환이 있는 경우와 상기 순환이 없는 경우에 내부공간(S)에 수용된 슬러지 온도를 비교한 그래프이다.
상기 순환이 없는 경우에, 접촉식 열교환 유니트(200)로부터 배출된 저온 슬러지의 온도가 170도이면, 상기 저온 슬러지는 상기 일측에서 내부공간(S)에 주입된 후 내부공간(S)을 따라 이동하면서 가열 및 가수분해되어 타측에서 대략 200도가 된다.
한편, 순환배관(145)을 통한 순환이 있고 새로 주입된 저온 슬러지(170도)와 순환배관(145)을 통하여 순환되는 슬러지(200도)의 비율이 1(새로 주입되는 저온 슬러지):10(순환되는 슬러지)이면 순환배관(145)을 통하여 일측에 주입된 슬러지는 대략 197도를 가지고, 이러한 슬러지가 내부공간(S)을 따라 이동되면서 가열 및 가수분해되어 타측에서 대략 200도가 된다.
상기 그래프에 나타난 바와 같이, 순환배관(145)을 통한 순환이 있는 경우는 순환이 없는 경우에 비하여 내부공간(S)에서 슬러지가 더 높은 온도를 유지하기 때문에 가수분해가 더 효율적으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 상기 순환배관(145)을 통한 순환을 가짐으로써 슬러지의 가열에 필요한 에너지를 절약하면서도 효율적인 가수분해를 할 수 있다.
상기 사항을 더 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
실험에 따르면, 170도에서는 가수분해가 거의 발생하지 않고, 180도에서는 가수분해에 80분, 200도에서는 가수분해에 30분 정도의 시간이 소요된다. 물의 이온화 지수와 가수분해 시간을 기초로 5분 동안에 이루어지는 온도별 가수분해 효율을 산출하면 아래의 표 2와 같다.
온도 가수분해 효율
170 ℃ 0.2 %
180 ℃ 6.18 %
190 ℃ 11.78 %
200 ℃ 16.63 %
이를 기초로, 접촉식 열교환 유니트에서 170℃로 배출된 슬러지를 200℃에서 가수분해하는 가수분해 유니트의 가수분해 성능을 비교하면, 새로 주입되는 저온 슬러지의 10배를 순환시키는 순환 주입식(순환배관(145)을 통한 순환이 있는 경우)은 가수분해 효율이 단순주입식(순환배관(145)을 통한 순환이 없는 경우) 보다 약 2배 높다. 즉, 온도와 순환되는 슬러지의 양에 따라 가수분해 효율이 달라지지만 순환주입식이 단순주입식보다 가수분해 효율이 높음을 알 수 있다.
배출용기(130)는 격벽(110)을 흘러 넘쳐서 이동된 가수분해된 고온 슬러지를 수용하고, 고온 슬러지를 접촉식 열교환 유니트(200)에 공급한다. 접촉식 열교환 유니트(200)에 공급된 고온 슬러지는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)을 통하여 이동된다.
배출용기(130)는 그 하단에 설치된 배출구(136)를 구비한다. 배출용기(130)의 수위는 가수분해 용기(120)의 수위보다 낮다. 수위센서(132)에 의해서 측정된 수위가 적정 수위보다 높으면 배출부재는 고온 슬러지를 배출한다.
배출부재로는 통상적인 밸브가 사용될 수 있지만, 배출 속도를 적절하게 제어할 수 있는 배출유니트(300)를 사용할 수도 있다. 즉, 배출용기(130)의 수위센서(132)에 의하여 측정된 슬러지의 수위가 기준 수위보다 높으면 배출유니트(300)의 회전부재(도 16(b)의 320)를 회전시켜 가수분해된 고온 슬러지를 접촉식 열교환 유니트(200)로 배출한다.
배출용기(130)로부터 배출된 고온 슬러지는 압력을 유지한 상태로 접촉식 열교환 유니트(200)로 이동된다. 본 발명에 따른 접촉식 열교환 유니트(200)는 상온, 상압에서부터 250도, 40기압까지의 범위에서 작동될 수 있다. 저온 슬러지 저장탱크(T1)에서 공급된 저온 슬러지는 상온(예를 들어, 25도), 상압(1기압)을 가지고 가수분해유니트(100)에서 배출된 고온 슬러지는 최대 250도, 40기압을 가지기 때문에 상기 온도 범위 및 압력 범위에서 접촉식 열교환 유니트(200)가 작동될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 접촉식 열교환 유니트(200)는 가수분해유니트(100)에 '직접' 저온 슬러지를 공급하고, 가수분해유니트(100)로부터 '직접' 고온 슬러지를 공급받는다.
이와 같이 접촉식 열교환 유니트(200)가 상온, 상압에서부터 250도, 40기압까지의 범위에서 작동될 수 있기 때문에 기존의 장치에서 증기식 열교환유니트와 접촉식 열교환 유니트가 하던 열교환을 하나의 접촉식 열교환 유니트(200)가 수행할 수 있고, 이에 따라 장치의 제작비용 및 장치의 유지관리비용을 줄일 수 있고 장치가 점유하는 공간도 줄일 수 있다.
도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이, 접촉식 열교환 유니트(200)는 프레임(210)과, 프레임(210)을 관통하도록 설치된 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)을 구비한다.
프레임(210)은 밀폐된 원통으로서, 원통부(211) 및, 원통부(211)의 양측을 밀폐하는 플랜지부(212)를 구비한다. 원통은 내부 압력이 높더라도 잘 견딜 수 있다.
프레임(210)에는 저온 슬러지가 유입되는 유입구(213)와, 저온 슬러지가 배출되는 배출구(214)가 마련된다. 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)은 플랜지부(212)를 관통하도록 설치된다.
유입구(213)는 이웃하는 프레임(210)의 배출구(214) 또는 저온 슬러지 저장탱크(T1)와 연결되고, 배출구(214)는 이웃하는 프레임(210)의 유입구(213)와 연결되거나 순환배관(145)에 연결된다.
따라서, 유입구(213)에는 이웃하는 프레임(210)의 배출구(214)로부터 배출된 저온 슬러지 또는 저온 슬러지 저장탱크(T1)로부터 공급된 저온 슬러지가 주입된다. 유입구(213)를 통하여 주입된 저온 슬러지는 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)과 열교환하여 가열된 후 배출구(214)를 통하여 외부로 배출된다.
그리고, 배출구(214)를 통하여 배출된 저온 슬러지는 이웃하는 프레임(210)의 유입구(213)에 주입되거나 가수분해유니트(100)에 주입된다.
제1 고온 슬러지관(220)은 그 내부를 통하여 고온 슬러지가 이동된다. 제1 고온 슬러지관(220)은 외주면에 돌출부(221)가 형성된 본체(223)와, 본체(223)의 양끝단에 설치된 오링부재(225)와, 본체(223)의 양끝단에 설치되는 마구리 부재(227) 및, 모터(219)의 회전력을 전달받는 스프라켓(222)을 구비한다.
마구리 부재(227)는 덮개부(226)와 연결관(224)을 구비한다. 덮개부(226)는 오링부재(225)를 사이에 두고 볼트(도면에 미도시) 등에 의해 본체(223)의 양끝단에 결합된다. 연결관(224)은, 도 12에 나타난 바와 같이, 플랜지부(212)로부터 돌출되는 부분 즉, 제1 고온 슬러지관(220)의 연장된 부분으로서, 덮개부(226)의 중앙에 설치된다. 연결관(224)은 본체(223)의 내부와 연통된다. 따라서, 본체(223)에 수용된 고온 슬러지는 연결관(224)을 통하여 배출된다.
제2 고온 슬러지관(230)은 제1 고온 슬러지관(220)과 동일한 구조를 가지는데, 그 내부를 통하여 고온 슬러지가 이동되고, 그 외주면에는 돌출부(221)와 맞물리는 돌출부(231)가 형성된다. 즉, 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)은 서로 맞물려서 회전된다.
한편, 접촉식 열교환 유니트(200)는 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)에 추가하여 한 쌍의 고온 슬러지관(240)(250)을 더 구비할 수도 있다. 즉, 제3 고온 슬러지관(240)과 제4 슬러지관(250)을 구비할 수도 있다.
제3,4 고온 슬러지관(240)(250)은 그 내부를 통하여 고온 슬러지가 각각 이동되고, 그 외주면에는 돌출부(241)(251)가 각각 형성된다. 제3 고온 슬러지관(240)은 모터(219)의 회전력을 전달받아서 회전되고, 돌출부(241)(251)가 서로 맞물림에 따라 제4 고온 슬러지관(250)은 제3 고온 슬러지관(240)과 함께 회전된다.
고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)이 회전될 때, 저온 슬러지는 돌출부(221)(231)(241)(251) 사이의 홈에 수용된 상태에서 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)의 회전과 함께 회전되면서 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)과 열전달을 한다.
그리고, 제1,2 고온 슬러지관(220)(230)의 회전방향과 제3,4 고온 슬러지관(240)(250)의 회전방향에 따라 프레임(210) 내부에는 저온 슬러지의 압력이 높은 곳과 낮은 곳이 존재한다. 돌출부(221)(231)(241)(251)가 맞물리는 부분에서는 돌출부(221)(231)(241)(251) 사이의 홈에 있는 슬러지가 분리되면서 슬러지의 압력이 높아지고, 돌출부(221)(231)(241)(251)가 떨어지는 부분에서는 돌출부(221)(231)(241)(251) 사이의 홈에 슬러지가 삽입되면서 슬러지의 압력이 낮아진다. 저온 슬러지가 주입구(213)에서부터 배출구(214)로 이동하는 동안에 상기 압력 차이에 의해 저온 슬러지의 순환이 이루어지는데, 고온 슬러지 관(220)(230)(240)(250)에서 떨어져 가열되지 않는 저온 슬러지는 상기 순환에 의해서 돌출부(221)(231)(241)(251) 사이의 홈에 들어가 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)과 접촉하여 가열되며, 가열된 저온 슬러지는 상기 홈에서 밀려나와 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)에서 멀어지게 되어 열전달이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
고온 슬러지는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)을 통해서 이동하면서 저온 슬러지와 열교환을 하여 냉각된다. 제1 고온 슬러지관(220)은 이웃하는 프레임(210)의 제1 고온 슬러지관(220)과 연결되고, 제2 고온 슬러지관(230)은 이웃하는 프레임(210)의 제2 고온 슬러지관(230)과 연결되며, 제3 고온 슬러지관(240)은 이웃하는 프레임(210)의 제3 고온 슬러지관(240)과 연결되고, 제4 고온 슬러지관(250)은 이웃하는 프레임(210)의 제4 고온 슬러지관(250)과 연결된다.
한편, 프레임(210)의 내부는 고온, 고압 상태이기 때문에 프레임(210)을 외부로부터 밀폐시키는 것이 필요한데, 이를 위해서 본 발명에 따른 장치는 씰링 부재(270)와 로터리 조인트(280)를 구비한다. 만약, 프레임(210)이 밀폐되지 않으면 접촉식 열교환유니트(200)에서 고온, 고압 상태의 열전달이 이루어질 수 없다.
도 11 및 도 12에 나타난 바와 같이, 씰링 부재(270)는 제1 고온 슬러지관(220)이 외부로 연장된 부분(224)과 프레임(210) 사이를 밀봉한다. 상기 연장된 부분(224)은 마구리 부재(227)의 연결관이다. 도 12는 제1 고온 슬러지관(220)의 경우만을 보여주고 있지만, 당업자는 제1 고온 슬러지관(220)의 경우를 참조하면 제2,3,4 고온 슬러지관(230)(240)(250)의 경우를 자명하게 알 수 있을 것이다.
씰링 부재(270)는 상기 연장된 부분(224)이 그 내부를 관통하는 몸체(271)와, 몸체(271)의 내부에 설치되어 상기 연장된 부분(224)을 회전 가능하도록 지지하는 베어링(272)과, 몸체(271)의 내부에 설치된 제1,2 립씰(274)(275)을 구비한다.
제1 립씰(274)은 상기 연장된 부분(224)을 둘러싸도록 몸체(271)의 내주면에 고정 설치되어 상기 연장된 부분(224)이 회전 가능하도록 상기 연장된 부분(224)에 밀착되고, 프레임(210) 내부의 저온 슬러지가 외부로 유출되지 않도록 실링한다.
제1 립씰(274)과 상기 연장된 부분(224)이 접촉되는 제1 립씰(274)의 내주면은 테프론 소재로 제작되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 립씰(274)의 내주면은 내마모성이 우수하면서도 밀착성과 실링성능이 우수하여 저온 슬러지가 외부로 유출되지 않도록 실링한다. 그리고, 상기 연장된 부분(224)의 외주면 즉, 연결관(224)의 외주면은 표면경도를 높이면서 마찰계수를 낮추도록 DLC 코팅(diamond like carbon coating)되는 것이 바람직하다.
제2 립씰(275)은 제1 립실(274)과 동일한 구조를 가지는데, 제1 립씰(274)로부터 소정 간격 이격되도록 설치된다. 제1,2 립씰(274)(275)과, 상기 연장된 부분(224)과, 몸체(271)의 내주면에 의해서 형성된 공간에는 높은 비등점을 가진 윤활유가 수용되는 것이 바람직한데, 이것은 저온 슬러지가 유출된 경우에 저온 슬러지의 물이 대기압에서 증발하면서 유기물 고형분이 형성되어 립씰(274)(275)을 손상시키는 것을 방지하기 위해서이다. 미설명 참조부호 277은 상기 윤활유를 주입하기 위한 윤활유 주입공이다.
로터리 조인트(280)는 고정 배관과 회전 배관을 연결하는 부재로서, 씰링부재(270)의 후방에 설치되는데, 상기 연장된 부분(224)과 고정된 배관(도 13에 미도시, 도 2, 도 14의 289)을 연결한다. 전술한 바와 같이, 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)은 회전되고, 이웃하는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)을 서로 연결하는 배관(289)은 회전하지 않기 때문에 로터리 조인트(280)를 배관(289)과 상기 연장된 부분(224) 사이에 설치한다.
바람직하게, 로터리 조인트(280)는 케이스(281), 상기 연장된 부분(224)을 둘러싸도록 케이스(281)의 내주면에 설치된 제1,2 립씰(283)(284) 및, 상기 연장된 부분(224)을 회전 가능하도록 지지하는 베어링(285)을 구비한다.
케이스(281)의 일측에는 상기 연장된 부분(224)이 삽입되고, 타측에는 배관(289)이 연결된다.
제1,2 립씰(283)(284)은 전술한 제1,2 립씰(274)(275)과 동일한 구성을 가진다. 즉, 제1,2 립씰(283)(284)은 상기 연장된 부분(224)이 회전 가능하도록 상기 연장된 부분(224)에 밀착되어 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250) 내부의 고온 슬러지가 외부로 유출되지 않도록 실링한다.
그리고, 제1,2 립씰(283)(284)과, 케이스(281)의 내주면 및, 상기 연장된 부분(224)에 의해서 형성되는 공간에는 높은 비등점을 가진 윤활유가 주입되는 것이 바람직한데, 이것은 고온 슬러지가 유출된 경우에 고온 슬러지의 물이 대기압에서 증발하면서 유기물 고형분이 형성되어 립씰(283)(284)을 손상시키는 것을 방지하기 위해서이다. 미설명 참조부호 287은 상기 윤활유를 주입하기 위한 윤활유 주입공이다.
상기 프레임(210)은 하나만이 구비될 수도 있지만, 도면에 나타난 바와 같이 복수 개가 서로 연결되어 접촉식 열교환이 복수 회에 걸쳐서 일어나도록 할 수도 있다. 저온 슬러지는 프레임(210)의 내부에서 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)에 의해서 가열된 후 이웃하는 프레임(210)에 주입되거나 가수분해유니트(100)에 주입되고, 고온 슬러지는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)을 통과면서 저온 슬러지와 열교환을 하여 냉각된 후 이웃하는 프레임(210)의 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)으로 이동되거나 배출유니트(300)로 이동된다.
배출유니트(300)는 고압 상태를 유지하면서 냉각된 고온 슬러지를 압력을 제거하며 고액 분리탱크(T2)로 배출한다. 전술한 바와 같이, 접촉식 열교환 유니트(200)는 고온, 고압 상태를 유지하기 때문에 접촉식 열교환 유니트(200)의 상기 고온, 고압을 유지하면서 고온 슬러지를 배출하기 위해서는 특별한 장치가 필요하다. 이를 위해서 배출유니트(300)가 고안되었는데, 배출유니트(300)는 도 14 내지 도 16(b)에 나타난 바와 같이, 원통부재(310)와 내부 회전부재(320)를 구비한다.
원통부재(310)는 그 길이방향을 따라 형성된 빈공간을 가지는데, 그 측면에는 상기 빈공간과 외부를 연통시키는 주입홀(312)과 배출홀(314)이 형성된다.
주입홀(312)은 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)과 연통된 배관(318)과 연통된다. 따라서, 주입홀(312)의 개수는 고온 슬러지관(220)(230)(240)(250)의 개수와 동일하다. 배출홀(314)은 고액 분리탱크(T2)와 연결된 배관(319)과 연통된다. 주입홀(312)과 배출홀(314)은 x 방향을 따라 서로 대응되는 위치에 형성되고, 주입홀(312)과 배출홀(314)은 상기 빈공간을 중심으로 소정 각도를 이루도록 형성된다.
내부 회전부재(320)는 상기 빈공간에 삽입되는 부재이다. 내부 회전부재(320)는 미도시된 모터에 의해서 회전된다. 내부 회전부재(320)는 x 방향을 따라 주입홀(312) 및 배출홀(314)과 대응되는 위치에 형성된 수용홈(322)을 구비한다. 수용홈(322)은 소정 각도, 예를 들어 90도를 이루도록 내부 회전부재(320)의 외주면에 형성된다.
한편, 원통부재(310)의 양끝단에는 내부 회전부재(320)와의 틈을 통해서 슬러지 등이 배출되는 것을 방지하기 위해서 립씰(도면에 미도시)과 베어링(도면에 미도시)을 설치할 수도 있다. 이러한 점은 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.
아울러, 도면에는 주입홀(312)과 배출홀(314) 및 수용홈(322)이 x 방향을 따라 4군데에 형성된 것이 도시되어 있으나, 상기 개수는 적절하게 증감될 수 있다.
원통부재(310)의 내부에서 내부 회전부재(320)가 회전될 때, 도 16a에 나타난 바와 같이 수용홈(322)이 주입홀(312)과 대응되는 위치에 오면 고온 슬러지가 수용홈(322)에 주입되고, 이어서 내부 회전부재(320)가 회전되어 도 16b에 나타난 바와 같이 수용홈(322)이 배출홀(314)과 대응되는 위치에 오면 압력차이에 의해 수용홈(322)의 고온 슬러지가 배관(319)으로 배출된다. 이와 같은 과정을 거쳐서 배출유니트(300)는 압력 손실없이 고온 슬러지를 고액 분리탱크(T2)로 배출할 수 있다.
고액 분리탱크(T2)는 배출 유니트(300)로부터 배출된 슬러지를 수용한다. 상기 수용된 슬러지 중에서 고체 성분은 고액 분리탱크(T2)의 하부에 침전하고 액체 성분은 위쪽에 위치한다. 상기 고체 성분은 고액 분리탱크(T2)의 하부로부터 배출시켜 건조 후 재생 에너지 등으로 사용할 수 있고, 액체 성분은 외부로 배출한 후 정수공정을 거치도록 할 수 있다.
슬러지를 구성하는 내용물 중에서 고체 성분과 액체 성분의 색상이 다르므로 고액 분리탱크(T2)의 적어도 일부분은 투명한 소재로 제작하여 내부를 들여다 볼 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 투명한 부분을 통하여 작업자가 내부를 들여다 봄으로써 슬러지의 주입, 고체성분 및 액체성분의 배출을 조절할 수 있다.
바람직하게, 상기 투명한 부분에 광학센서(도면에 미도시)를 설치하여 수위를 측정하여 주입과 배출을 제어할 수도 있다. 상기 액체성분인 수용액은 고체성분(고형분)에 비하여 가볍기 때문에 고액 분리탱크(T2)의 상부에 위치하고 고체성분(고형분)은 고액 분리탱크(T2)의 하부에 위치하게 된다. 이 때, 상기 상부와 연통된 배관(351)을 통하여 수용액을 배출할 수 있고 상기 하부와 연통된 배출관을 통하여 고형분을 외부로 배출할 수 있는데, 광학센서가 측정한 수위(고형분의 수위 및 수용액의 수위)를 이용하여 상기 배출을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 장치는 고온, 고압에서 작동되기 때문에 각 부분을 연결하는 배관이 온도변화에 따라 열팽창, 열수축을 하게 된다. 상기 열팽창, 열수축에 대비하여 본 발명에 따른 장치는, 도 18 및 도 19에 나타난 바와 같이, 배관 중의 적어도 일부를 주름관(410)으로 설치한다. 즉, 저온 슬러지 저장탱크(T1)와 열교환 유니트(200)를 연결하는 배관, 열교환유니트(200)의 다수의 프레임(210)을 연결하도록 설치되어 저온 슬러지와 고온 슬러지가 각각 이동되는 저온 슬러지 배관과 고온 슬러지 배관, 가수분해유니트(100)와 열교환유니트(200)를 연결하는 배관, 가수분해 완료된 슬러지를 저장하는 탱크(T2)와 열교환유니트(200)를 연결하는 배관, 수증기를 가수분해유니트(100)에 공급하는 배관 중 적어도 일부는 열팽창과 열수축을 완충할 수 있도록 주름관(410)으로 형성된다.
이러한 주름관(410)은 내부 압력이 작용하며 팽창이 과다하게 발생할 수 있으므로 이 변형량을 적당한 수준 이하로 제어하도록 주름관(410)의 외부에 그물망(도면에 미도시)을 둘러싸는데 내부압력에 따라 상기 그물망을 2중이나 그 이상으로 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 배관과 배관을 연결하는 연결부(460)를 고압에 견디도록 제조한다. 상기 연결부(460)는 서로 연결하고자 하는 양측 배관에 설치된 패롤(P1)(P2), 패롤(P1)(P2) 사이에 설치되는 오링(R), 오링(R)을 사이에 두고 패롤(P1)(P2)이 마주보도록 한 상태에서 패롤(P1)(P2) 및 오링(R)을 둘러싸도록 설치되어 양측의 패럴(P1)(P2)이 오링(R)을 가압함으로써 배관의 연결부분이 밀봉되도록 하는 체결부재(450)를 구비한다.
패롤(P1)(P2)은 배관의 연결에 일반적으로 사용되는 플랜지보다 작은 크기로 형성되고 플랜지를 서로 연결하기 위한 나사 등을 필요로 하지 않기 때문에 공간을 작게 차지한다는 장점을 가진다.
상기 오링(R)은 일반적으로 고무와 같이 소정 쿠션을 가지는 소재로 만들어져서 패롤(P1)(P2) 사이를 밀봉한다. 바람직하게, 본 발명에 따른 가수분해 장치에서는 높은 온도와 높은 압력에 견딜 수 있도록 오링(R)을 테프론으로 만든다.
체결부재(450)는 원호 형상의 회동부재(451)들이 회동 가능하게 서로 연결된 본체와, 본체의 양끝단을 서로 연결하는 결합부를 구비한다.
회동부재(451)의 내측면에는 양측 배관의 페롤(P1)(P2)이 끼워지는 홈(452)이 형성되어 있다. 결합부는 본체의 한쪽 끝단에 설치된 걸림턱(453)과, 본체의 다른쪽 끝단에 설치된 나사부재(454)와, 나사부재(454)에 나사결합되는 너트부재(455)를 구비한다.
오링(R)과 양측 배관의 패럴(P1)(P2)이 회동부재(451)의 홈(452)에 끼워지도록 본체를 설치한 후, 나사부재(454)를 걸림턱(453)에 위치시킨 다음, 너트부재(455)를 회전시켜서 본체가 조여져서 양측 배관의 패럴(P1)(P2)을 가압하도록 한다.
100 : 가수분해유니트 200 : 접촉식 열교환 유니트
300 : 배출유니트 T1 : 저온 슬러지 저장탱크
T2 : 고액 분리탱크

Claims (30)

  1. 저온 슬러지가 고온의 증기에 의해서 가열되고 가수분해되어 고온 슬러지가 되어 배출되는 가수분해유니트; 및
    저온 슬러지와 가수분해유니트로부터 배출된 고온 슬러지가 서로 열교환하여 저온 슬러지는 가열되고 고온 슬러지는 냉각되는 열교환유니트;를 구비하고,
    저온 슬러지는 열교환유니트에서 상기 열교환에 의해서 가열된 후 가수분해유니트에서 가수분해되어 고온 슬러지로 되고, 고온 슬러지는 가수분해유니트에서 만들어진 후 열교환유니트에서 냉각된 후 외부로 배출되며,
    가수분해 유니트의 밀폐된 내부공간은 180도 내지 250도의 온도를 가지고,
    가수분해유니트와 열교환유니트에 있는 슬러지 압력을 슬러지 속에 함유된 물이 액체 상태를 유지하도록 슬러지의 온도에 해당하는 증기압 곡선상의 압력보다 높게 유지하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    저온 슬러지는 상기 내부공간의 일측에서 타측으로 이동하면서 가수분해 되며,
    상기 가수분해 유니트는 상기 일측과 타측을 연결하는 순환배관을 구비하고, 가수분해 유니트에 수용된 슬러지 중의 일부는 순환배관을 통하여 상기 타측에서 일측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    가수분해유니트는 슬러지를 교반하는 교반부를 구비하고,
    교반부는 슬러지를 교반하면서 상기 내부공간의 고온 증기의 열을 슬러지에 전달하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    가수분해 유니트는 상기 내부공간에 수용된 슬러지의 온도를 측정하는 온도센서를 구비하고,
    가수분해 유니트는 온도센서에 의해 측정된 온도를 이용하여 저온슬러지의 주입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    가수분해 유니트는 상기 내부공간의 압력을 측정하는 압력센서를 구비하고,
    가수분해 유니트는 압력센서에 의해 측정된 압력을 이용하여 상기 내부공간에 대한 수증기 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    가수분해 유니트는 상기 내부공간의 슬러지 수위를 측정하는 수위센서를 구비하고,
    가수분해 유니트는 수위센서에 의해 측정된 수위를 이용하여 고온 슬러지의 배출량을 조절하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내부공간은 가수분해될 슬러지가 수용된 가수분해 용기와, 가수분해된 슬러지가 외부로 배출되는 배출용기로 구획되며,
    가수분해 용기보다 배출용기의 수위가 낮아 가수분해 용기에 수용된 슬러지가 배출용기로 이동되는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    가수분해 용기의 수위보다 낮은 부분의 배출용기에 가스 배출구가 형성되고, 가스 배출구는 외부로부터 유입된 공기를 가수분해 유니트의 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    열교환 유니트로부터 배출된 저온 슬러지를 순환배관을 통하여 가수분해유니트에 주입하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열교환유니트는 고온 슬러지와 저온 슬러지가 혼합되지 않은 상태에서 열전도를 통하여 열교환이 이루어지는 접촉식 열교환유니트이고,
    접촉식 열교환유니트는 상온, 상압에서부터 250도, 40기압까지의 범위에서 작동될 수 있으며, 저온 슬러지와 고온 슬러지의 압력을 각각 유지할 수 있도록 접촉식 열교환유니트에서 저온 슬러지의 이동경로와 고온 슬러지의 이동경로가 각각 밀폐된 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    2개 이상의 접촉식 열교환 유니트가 설치되어 상기 접촉식 열교환이 접촉식 열교환 유니트의 갯수만큼 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    접촉식 열교환유니트는 상기 열교환에 의해 가열된 저온 슬러지를 가열 유니트에 직접 공급하고 고온 슬러지를 가열유니트로부터 직접 공급받는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    접촉식 열교환 유니트는,
    저온 슬러지 유입구와 저온 슬러지 배출구가 형성된 밀폐된 프레임;
    프레임에 설치되고, 그 내부에는 고온 슬러지가 이동하며, 외주면에는 돌출부(221)가 형성된 제1 고온 슬러지관; 및
    프레임에 설치되고, 그 내부에는 고온 슬러지가 이동하며, 외주면에는 상기 돌출부(221)와 맞물리는 돌출부(231)가 형성되어 제1 고온 슬러지관과 함께 회전되는 제2 고온 슬러지관;을 구비하고,
    저온 슬러지 유입구를 통하여 유입된 저온 슬러지는 돌출부(221)(231) 사이의 홈에 수용되어 제1,2 고온 슬러지관과 열교환을 하고, 제1,2 고온 슬러지관의 회전에 의해서 프레임의 내부에는 저온 슬러지의 밀도가 높은 곳과 낮은 곳이 존재하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    프레임은 원통부와, 원통부의 양측을 밀폐하는 플랜지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    제1,2 고온 슬러지관은 프레임의 외부로 연장되고, 제1,2 고온 슬러지관의 상기 연장된 부분은 로터리 조인트에 의해서 배관과 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    로터리 조인트는,
    상기 연장된 부분이 그 내부의 일측에 삽입되고 그 타측은 상기 배관과 연결된 케이스;
    상기 연장된 부분을 둘러싸도록 케이스의 내주면에 설치되어 상기 연장된 부분이 회전 가능하도록 상기 연장된 부분에 밀착되고, 제1,2 고온 슬러지관 내부의 고온 슬러지가 외부로 유출되지 않도록 실링하는 립씰부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    립씰부재는 소정간격으로 이격되도록 설치된 제1 립씰과 제2 립씰을 구비하고,
    제1,2 립씰 사이에 비등점이 높은 윤활유가 채워지는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 립씰부재와 접촉하며 회전하는 상기 연장된 부분의 표면에 DLC 코팅(diamond like carbon coating)이 되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    저온 슬러지가 저장된 저장탱크와 열교환 유니트를 연결하는 배관, 열교환유니트의 다수의 프레임을 연결하도록 설치되어 저온 슬러지와 고온 슬러지가 각각 이동되는 저온 슬러지 배관과 고온 슬러지 배관, 가수분해유니트와 열교환유니트를 연결하는 배관, 가수분해 완료된 슬러지를 저장하는 탱크와 열교환유니트를 연결하는 배관, 수증기를 가수분해유니트에 공급하는 배관 중 적어도 일부는 배관의 열팽창과 열수축을 완충할 수 있도록 주름관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    주름관을 둘러싸도록 설치되어 주름관의 변형을 방지하는 그물망을 구비하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  21. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    저온 슬러지를 저장하는 저장탱크와 열교환 유니트를 연결하는 배관, 열교환유니트의 다수의 프레임을 연결하도록 설치되어 저온 슬러지와 고온 슬러지가 각각 이동되는 저온 슬러지 배관과 고온 슬러지 배관, 가수분해유니트와 열교환유니트를 연결하는 배관, 가수분해 완료된 슬러지를 저장하는 탱크와 열교환유니트를 연결하는 배관, 수증기를 가수분해유니트에 공급하는 배관 중 적어도 어느 하나의 배관을 서로 연결하는 연결부는,
    서로 연결하고자 하는 양측 배관에 각각 설치된 패롤;
    두 개의 패롤 사이에 설치되는 오링;
    오링을 사이에 두고 양측 배관의 패롤이 마주보도록 한 상태에서 상기 패롤 및 오링을 둘러싸도록 설치되어 양측의 패롤이 오링을 가압함으로써 배관의 연결이 밀봉되도록 하는 체결 부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  22. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환유니트의 슬러지의 압력을 유지하기 위하여 배출유니트를 구비하고,
    상기 배출유니트는,
    길이방향을 따라 내부에 빈공간이 형성되고, 상기 빈공간과 외부를 연통시키는 주입홀과 배출홀이 상기 길이방향의 대응되는 위치에서 상기 빈공간의 중심을 기준으로 소정각도를 이루도록 형성된 원통부재; 및
    길이 방향을 따라 주입홀 및 배출홀과 대응되는 위치에 수용홈이 형성되고, 상기 빈공간에 삽입되어 회전할 수 있는 내부 회전부재;를 구비하고,
    내부 회전부재가 회전되어 주입홀과 수용홈이 대응되는 위치에 오면 고압의 슬러지가 주입홀을 통하여 수용홈에 수용되고, 상기 슬러지가 수용홈에 수용된 상태에서 내부 회전부재가 더 회전되어 수용홈이 배출홀과 대응되는 위치에 오면 수용홈에 수용된 슬러지가 압력차이에 의해서 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  23. 제1항 또는 제18항에 있어서,
    적어도 일부분이 투명한 재질로 이루어져서 내부를 들여다 볼 수 있는 고액 분리탱크를 구비하고,
    열교환에 의해서 냉각된 후 열전달유니트로부터 배출된 가수분해된 슬러지는 고액 분리탱크에 투입되며, 고액 분리탱크에 투입된 슬러지 중에서 가벼운 수용액은 상부로 배출되고 무거운 고형분은 하부로 배출되고,
    상기 투명한 재질을 통하여 수용액의 수위와 고형분의 수위를 감지할 수 있는 광학센서를 이용하여 상기 수용액과 고형분의 배출을 제어하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  24. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    가수분해유니트에 공급되는 수증기는 제철소나 폐기물 소각로에서 생산된 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 장치.
  25. (a) 증기를 이용하여 저온 슬러지를 가열하고 가수분해하여 고온 슬러지로 만드는 가수분해 단계; 및
    (b) 저온 슬러지와 가수분해된 고온 슬러지가 서로 열교환 하도록 하는 열교환 단계;를 포함하고,
    상기 가수분해 단계는 180도 내지 250도의 온도를 가지는 밀폐된 내부공간에서 이루어지며,
    상기 가수분해 단계와 열교환 단계에서 슬러지 압력을 슬러지 속에 함유된 물이 액체 상태를 유지하도록 슬러지의 온도에 해당하는 증기압 곡선상의 압력보다 높게 유지하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 가수분해 단계는 가수분해 유니트에서 이루어지고,
    상기 가수분해 단계에서 가수분해 중인 슬러지의 일부는 순환배관을 통하여 가수분해 유니트를 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 저온 슬러지와 고온 슬러지가 서로 혼합되지 않는 상태에서 열전도에 의해서 상기 열교환을 하고,
    상기 (b) 단계는 상온, 상압에서부터 250도, 40기압까지의 범위에서 이루어질 수 있고 저온 슬러지와 고온 슬러지의 압력을 각각 유지할 수 있도록 저온 슬러지의 이동경로와 고온 슬러지의 이동경로는 각각 밀폐된 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환유니트는 상기 열교환에 의해 가열된 저온 슬러지를 가열 유니트에 직접 공급하고 고온 슬러지를 가열유니트로부터 직접 공급받는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
  29. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부공간은 상부의 수증기 공간과 하부의 슬러지 공간으로 이루어지고,
    상기 내부공간은 가수분해가 이루어지는 가수분해 용기와, 슬러지를 외부로 배출하는 배출용기로 구획되며,
    가수분해 용기에 설치된 교반부가 슬러지를 교반하면서 수증기 공간의 열을 슬러지 공간에 전달하여 슬러지를 가열하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    열교환 유니트로부터 배출된 저온 슬러지를 순환배관을 통하여 가수분해유니트에 주입하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가수분해 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160102193A (ko) * 2013-12-26 2016-08-29 베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트 높은 건조 값을 갖는 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법
EP3110261A4 (en) * 2014-02-26 2017-08-30 Innoway Co. Ltd. Super critical hydrolysis extraction apparatus and hydrolysis method using the same
WO2021245444A1 (en) * 2020-06-04 2021-12-09 Newway Technologies Ltd. Integrated sludge pulping and hydrolyzing equipment

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