KR20120105852A

KR20120105852A - 고효율 슬러지 처리장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20120105852A
Application number: KR20110023536A
Authority: KR
Inventors: 김형태; 송민종
Original assignee: 김형태; 송민종
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-26
Also published as: KR101239832B1

Abstract

본 발명은 슬러지 처리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 슬러지를 아임계(亞臨界)상태로 처리하여 혐기소화(燒火)한 후 잔여 오니 및 상등수를 재처리하여 초임계상태에서 산화시켜 슬러지를 처리하는 것으로, 슬러지가 저장된 저장조와, 상기 저장조의 처리대상물을 펄프화시키는 펄프기와, 펄프화된 처리대상물을 임계압력 이상으로 가압하는 고압펌프와, 상기 고압펌프에서 공급된 처리대상물을 임계온도까지 가열하는 예열히터와, 상기 예열히터에서 유체를 공급받아 처리대상물과 열교환이 이루어지는 열교환기와, 상기 열교환기를 통과한 유체의 열을 회수하여 스팀을 생산하고 그 스팀으로 스팀발전기를 구동하는 스팀보일러와, 상기 스팀보일러를 통과한 유체를 감압하여 냉각시키는 유출수 냉각기와, 상기 유출수 냉각기를 통과한 유체를 선별적 분리 배출하는 3-way솔레노이드밸브와, 상기 3-way솔레노이드밸브를 통과한 유체가 보관되어 혐기발효단계이 일어나는 혐기발효조와, 상기 혐기발효조에서 발생된 메탄가스로 구동되는 메탄가스엔진발전기와, 상기 혐기발효조에서 잔류하는 잔여오니 및 상등수를 상기 저장조로 반송하는 유체 반송수단과, 상기 3-way솔레노이드밸브를 통과한 유체에서 가스와 액체를 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기를 통과한 유체에서 무기물과 상등수를 분리 배출하는 여과필터;를 포함하여 이루어지는 슬러지 처리장치와 그 방법에 관한 것이다.

Description

슬러지 처리장치 및 그 방법{Equipment and Method for Treating Sludge}

본 발명은 슬러지처리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬러지나 음식물쓰레기 등을 처리대상물을 아임계(亞臨界)상태로 처리하여 혐기소화(燒火)시키고, 혐기소화후 잔여슬러지 및 상등수를 재처리하여 초임계상태에 산화반응시켜 슬러지 등을 처리하는 처리장치 및 그 방법에 관한 것이다.

생활수준의 향상과 더불어 음식물쓰레기 등의 주방폐기물을 비롯한 기타의 유기성폐기물인 슬러지의 발생빈도가 점차 증가하고 있다. 이러한 국내 슬러지 발생량은 계속하여 증가하고 있으나 이를 농지환원, 건설자재, 조경, 지렁이 사육 등으로 재활용되고 있는 경우는 미미한 실정이다. 그리하여 대부분의 슬러지는 육상매립되거나 해양투기되고 있는데 해양투기는 국제적으로 해양환경보호의 관심이 고조되면서 유기성 폐기물의 해역배출이 전면 재검토가 필요한 실정이다.

현재 하수처리장에서 발생하는 하수 슬러지의 경우, 소각로에 연소하는 방법, 열원을 이용하여 건조 시킨 후 발전소의 보조연료를 사용하는 방법 및 건조하여 매립장의 복토재로 사용하는 방법이 주를 이루고 있다.

그러나 국토면적이 매우 작은 우리나라의 경우 언제까지 매립에만 의존할 수 없는 실정이고 특히 2012년 런던협약의 발효에 따라 슬러지의 해상투기가 전면 금지되므로 육상에서 반드시 슬러지를 처리해야 하는 실정이다.

정수과정 중 발생된 하수 슬러지를 육상 발생원인 하수처리장 내에서 처리하는 것이 가장 좋은 방법이라 생각되는데, 이 슬러지를 매립장으로 운송하기 위하여 대형트럭을 이용한다면 이의 운송에 따른 연료소모, 이산화탄소 발생 및 막대한 부대비용이 추가로 소용되는 문제가 있다.

한편, 슬러지 등을 소각하는 경우에 순수하게 전기만 이용하여 슬러지 등을 포함하는 처리대상물을 가열할 경우 전력사용량이 많기 때문에 슬러지를 처리하는데 들어가는 처리비용이 전기사용량 만큼 증가하는 문제점이 있다.

또한, 슬러지 등 처리대상물을 살펴보면 무기물 비율이 약 16%, 유기물이 84% 정도 되는데 종래의 슬러지 처리방법에 의할 경우 유기물의 42% 정도만 분해되고 나머지 42%는 분해되지 않는 문제점이 있다. 특히, 유기물의 분해 효율이 낮은 이유는 처리대상물의 대부분인 유기성 생물체인 바이오매스의 경우 세포벽은 펩티드글리칸으로 구성되어 있어 생물분해로는 42%정도만 분해되고 나머지는 분해가 되지 않는 특성이 있기 때문이다.

이러한 유기물을 분해하여 처리효율을 증가시키는 공법의 필요성이 제기 되고 있는데, 물의 경우 고온고압의 상태로 가열이 되면 임계상태(374℃, 22.1MPa) 도달하게 되는데, 이 때는 물의 높은 용해력, 빠른 물질 이동과 열의 이동, 낮은 점도, 높은 확산계수, 낮은 표면장력, 유전율이 급속도로 감소(78에서 2-10 정도)하여 이상 유체에 가까운 상태가 된다. 특히 이와 같은 반응장의 제어를 온도와 압력만으로 제어할 수 있다는 것이 제어시스템적으로 매우 큰 장점이 될 수 있으며, 물의 잠열이 크기 때문에 물속에서 산화되는 유기물들의 발열에너지를 물이 모두 흡수할 수 있으므로 급격한 온도 변화를 방지할 수 있다는 장점이 있을 수 있다.

그 외 슬러지 등의 처리대상물을 처리하는 다른 공법들은 응집제, 산화제, 중화제 등을 사용하기 때문에 처리 후에 또 다른 문제를 야기하는 경우가 많다.

본 발명의 목적은 종래의 처리대상물의 처리장치에서 해결하지 못한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 처리대상물을 아임계 및 초임계 상태로 만들어 최종적으로 상등수와 흙과 같은 무기물만을 걸러낼 수 있는 환경오염 방지를 극대화한 슬러지 처리장치를 제공하고자 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 처리대상물이 일련의 공정을 반복 순환하여 고온 고압을 유지하는 아임계 및 초임계상태의 분위기를 거쳐 유기물을 효과적으로 분리 및 제거하고 최종적으로 상등수와 무기물만 걸러내어 환경오염방지를 극대화할 수 있는 슬러지 처리방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 슬러지 처리장치는 각종 슬러지나 침출수 또는 음식물쓰레기 등의 처리대상물이 투입 저장되는 저장조; 상기 저장조에서 처리대상물이 공급될 경우 이를 감지하여 외부에서 공급된 전원으로 동작되어 유입된 처리대상물을 분쇄 교반하여 펄프화시키도록 상기 저장조에 연결설치되는 펄프제조기; 상기 펄프제조기에서 펄프화된 처리대상물을 물의 임계압력 이상으로 가압 공급하도록 상기 펄프제조기의 배출관에 연결 설치되는 고압펌프; 상기 고압펌프에서 공급된 처리대상물을 물의 임계압력 및 임계온도 이상으로 가열할 수 있도록 전기히터와 가스버너가 설치된 가열부; 상기 가열부에서 가열되어 배출된 아임계(亞臨界)상태의 처리대상물에 산소를 공급하여 초임계상태에서 처리대상물의 유기물을 산화시키는 관형(管形)반응기; 상기 관형반응기에서 산소공급으로 처리대상물의 유기물이 산화되어 발생된 고열을 이용하여 상기 고압펌프에서 가열부로 공급되는 처리대상물과 열교환이 이루어져 예열되도록 초임계 상태의 처리대상물이 이동되는 이송관과 상기 고압펌프와 가열부 사이의 공급관이 만나는 교차부에 설치되는 열교환기; 상기 열교환기를 통과한 처리대상물을 공급받아 스팀 가열하는 스팀보일러; 상기 스팀보일러를 통과한 처리대상물을 감압밸브에 의해 일정압력 이하로 감압시키기 위해 냉각시킬 수 있도록 상기 스팀보일러를 통과한 처리대상물의 이송관에 설치되는 유출수 냉각기; 상기 유출수냉각기를 통과한 처리대상물이 감압밸브를 통과한 후에 감압된 처리대상물에서 상등수와 무기물 및 오니와 유기물을 선별적으로 구분하여 오니와 유기물을 따로 분리 이송되도록 감압밸브 후단에 설치되는 3-way솔레노이드밸브; 상기 3-way솔레노이드밸브에서 공급받은 유기물과 오니를 혐기분위기 상에서 혐기발효시켜 발생된 메탄가스를 별도로 배출하고, 혐기소화후 남은 상등수와 잔여물을 상기 저장조측으로 반송시키는 혐기발효조; 상기 혐기반응조에서 생성된 메탄가스를 공급받아 연소시키고, 연소시 발생된 배출가스는 관형반응기에 산소를 공급하는 산소공급수단측에 구비된 에어히팅 열교환기로 배출되도록 하는 메탄가스엔진발전기;를 포함한 구성으로 이루어진다.

특히, 상기 3-way솔레노이드밸브에는 혐기조장조로 배출되지 않고 별도로 분리 배출되는 상등수와 무기물에서 무기물에 포함된 가스를 분리하도록 하는 기액분리기와, 상기 기액분리기에서 가스가 분리된 무기물만을 별도로 걸러내고 상등수만을 외부로 배출시키기 위한 여과필터가 추가로 설치된 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 혐기발효조와 메탄가스엔진발전기 사이에는 혐기반응 후 연소장치로 공급되는 가스에 포함된 수분과 황과 같은 유기물을 제거하기 위한 제습 및 탈황장치가 추가 설치되며, 상기 제습 및 탈황장치를 통과한 일부 메탄가스는초기 처리대상물이 공급되어 가열되는 상기 에열히터로 반송되어 연료로 사용될 수 있는 구성으로 이루어진다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬러지 처리방법은 저장된 처리대상물을 균일한 조직으로 만드는 펄프화 단계; 펄프화된 처리대상물을 200~250bar상태로 가압 압송하여 가열부로 공급하는 고압압송단계; 고압으로 공급된 처리대상물을 350~400℃ 사이의 아임계상태까지 가열하는 히팅단계; 상기 히팅단계에서 가열된 아임계 상태의 유체가 이송시에 열교환기를 통과하여 상기 고압압송단계에서 히팅단계으로 공급되는 처리대상물과 열교환이 이루어지는 열교환단계; 상기 열교환단계를 거친 유체의 이동시에 유체에 포함된 일부 열을 회수하여 스팀을 생산하고, 생산된 스팀을 이용하여 별도의 스팀발전기를 구동시키는 스팀보일러 운전단계; 상기 스팀보일러를 통과하여 이동한 유체의 반응상태에 따라 상등수나 유무기물을 선별적으로 구분하여 분리배출하는 유체분리배출단계; 상기 유체분리배출단계에서 분리 배출된 유기물을 저장 보관하여 혐기반응을 유도하고 혐기발효를 통해 발생된 메탄가스를 이용하는 혐기발효단계; 상기 혐기발효단계에서 발생된 메탄가스를 이용하여 메탄가스엔진발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 미발효된 유기물과 상등수를 최초 균일화단계 이전으로 반송하는 메탄가스 발전 및 재처리 반송단계; 상기 유체분리배출단계에서 분리된 상등수 및 무기물을 기액분리한 후에 상등수는 외부로 배출시키고, 무기물은 걸러내어 슬러지 처리를 완료하는 슬러지처리 완료단계;를 포함하는 과정으로 이루어진다.

본 발명에 따른 슬러지 처리장치 및 방법은 종래의 슬러지 처리장치 및 방법에서 사용하는 화학제, 즉 응집제나 산화제, 중화제 등을 사용하지 않기 때문에 슬러지 처리후에 추가적인 환경오염이 발생되지 않고 친환경적으로 슬러지 처리가 가능하도록 한다.

특히 슬러지 처리시 혐기반응을 통해 발생되는 메탄가스를 동력원으로 하여 메탄엔진발전기를 구동하여 생산된 전력과, 스팀발전기를 통해 생산된 전력을외부 기기의 전력이나 외부에 판매할 수 있도록 하여 슬러지 처리를 통해 부가적인 수익 창출이 가능하도록 한다.

또한, 처리대상물을 가열하는 경우, 혐기반응시 발생되는 메탄가스를 열원으로 사용하여 보일러를 가동함으로써 슬러지 가열에 소요되는 전력사용량을 줄여 슬러지 처리 운영비용을 절감시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슬러지 처리장치의 전체적인 시스템 구성 도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슬러지 처리단계를 블럭도로 도시한 것이다.

본 발명은 초임계(超臨界) 및 아임계(亞臨界) 상태에서 침출수, 슬러지 및 음식물 쓰레기(이하, ‘처리대상물’이라 함)를 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 종래의 슬러지 등 처리대상물을 처리하기 위해 응집제, 산화제, 중화제 등을 사용하지 않고 처리대상물에 포함된 물과 공급된 산소만을 이용하여 처리대상물을 처리할 수 있도록 하는 장치와 그 방법을 제공하는 것이다.

특히, 처리대상물을 가열하는데 사용되는 열원을 전기히터와 가스버너로 겸용 사용가능하도록 구성하되, 가스버너의 연료는 처리대상물의 혐기반응시 발생된 메탄가스를 연소하여 가동되도록 구성됨으로써 전기만을 이용하는 슬러지를 가열하는데 소요되는 전력 사용비용을 절감시킬 수 있는 장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계의 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 보다 완전하게 실시할 수 있도록 설명하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명을 이루는 슬러지 처리장치의 전체구성을 다이어그램으로 도시한 것으로, 처리대상물이 모여서 저장되는 저장조(10)와, 상기 저장조(10)에 저장된 불균일하고 엉켜진 처리대상물을 균일한 상태가 되도록 처리하는 펄프기(20)와, 균일화된 처리대상물을 고압상태로 공급하기 위해 상기 펄프기(20)의 배출부에 연결 설치되는 고압펌프(30)와, 상기 고압으로 가압되어 공급되는 처리대상물을 아임계(亞臨界) 상태의 온도(200~370℃)와 압력상태(250atm)가 유지되도록 가열하기 위한 예열히터(40)와, 상기 예열히터(40)에서 가온가압된 유체가 배출되어 상기 저장조에서 상기 예열히터로 공급되는 고압의 처리대상물과 열교환이 이루어져 열을 회수하도록 상기 고압펌프와 예열히터 사이에 설치되는 열교환기(50)와, 상기 열교환기(50)를 통과하면서 일부 열을 빼앗긴 유체의 통과시 유체에 잔류하는 나머지 열을 회수하여 스팀발전기(65)를 구동하도록 하는 스팀보일러(60)와, 상기 스팀보일러(60)를 통과한 유체를 냉각시키기 위해 유체이동관에 설치되는 유체냉각기(70)와, 상기 유체냉각기(70)를 통과한 유체의 압력을 대기압까지 감압시키도록 유치냉각기 후단에 설치되는 감압밸브(80)와, 상기 감압밸브(80)를 통과하면서 감압된 유체로부터 아임계 또는 초임계단계 수행경과에 따라 상등수와 무기물 또는 오니와 유기물을 선별적으로 통과시킬 수 있도록 감압밸브 후단에 설치되는 3-way솔레노이드밸브(90)와, 상기 3-way솔레노이드밸브(90)의 조절에 의해 되어 아임계단계을 거친 유체가 보관되어 혐기발효단계이 일어나는 혐기반응조(100)와, 상기 혐기반응조(100)에서 유기물의 발효로 발생된 메탄가스를 공급받아 구동되도록 상기 혐기반응조의 메탄가스 배출관에 연결 설치되는 메탄가스엔진발전기(110)와, 상기 혐기반응조(100)에서 잔류하는 상등수와 잔여 오니를 최초 처리대상물이 저장되는 저장조(10)로 반송하도록 혐기조장조(100)와 저장조(10) 사이에 설치되는 유체 반송수단(120)을 포함하여 이루어진다.

또한, 이와 같이 유체반송수단(120)에 의해 1차 반송된 유체와 초기의 처리대상물이 혼합되어 상기 펄프기(20)와 고압펌프(30), 열교환기(50)를 거쳐 예열히터로(40)로 재공급되고, 예열히터(40)에서는 유입된 처리대상물을 아임계상태의 고온(200~370℃)까지 상승시킨 후에 외부에서 산소를 공급하여 산화반응을 통한 고열발생으로 초임계상태(350~380℃, 22MPa)를 유지하도록 예열히터(40)의 후단에는 관형(管形)반응기(130)가 설치된다.

상기 관형(管形)반응기(130)에 산소를 공급하기 위해서는 별도의 산소공급수단(140)이 구비되며, 상기 관형(管形)반응기(130)를 통과한 초임계상태의 유체는 상기 열교환기(50)측으로 공급되어 상기 예열히터(40)로 유입되는 처리대상물과 열교환이 이루어지도록 열교환기(50)를 통과하도록 구성된다.

상기 열교환기(50)를 통과한 유체는 상술한 스팀보일러(60), 유체냉각기(70), 감압밸브(80), 3-way솔레노이드밸브(90)를 경유하게 되고, 상기 3-way솔레노이드밸브(90)에서 상등수 및 무기물이 따로 분리 배출되어 물속에 녹아 있는 Co2, N2, O2를 분리하여 대기로 방출하기 위한 기액분리기(140)와, 기액분리기(140)를 통과한 나머지 물에서 무기물을 회수할 수 있도록 여과필터(150)가 설치된 구성으로 이루어진다.

물론, 상기 3-way솔레노이드밸브(90)를 통과하는 유체가 아임계상태인 경우에는 상기 기액분리기(140) 측으로 배출되는 것이 아니고, 혐기반응조(100) 측으로 분리 배출되어 상술한 혐기화 반응을 수행하게 된다.

또한, 상기 혐기반응조(100)에서 발생되어 메탄가스엔진발전기(110)로 보내지는 메탄가스 배출관(111)에는 발생된 메탄가스에 포함된 습기와 메탄가스엔진발전기 측의 기관부식을 유발하는 황화물, HS-, H2S 와 같은 유독가스가 포함되어 있어 이를 제거하기 위한 제습 및 탈황장치(115)가 설치되며, 상기 제습 및 탈황장치(115)를 통과한 일부 메탄가스는 다시 메탄가스 공급관(117)을 통해 상기 예열히터(40)측으로 공급되도록 구성되어 상기 예열히터(40)의 열원으로 재사용할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 예열히터(40)는 외부에서 공급된 전원으로 발열되는 전기식히터(42)와, 상기 메탄가스공급관(117)을 통해 공급되는 메탄가스를 연소시켜 열을 발생시킬 수 있도록 메탄가스 버너(44)가 동시에 구비된 구성으로 전기와 메탄가스를 동시에 사용할 수 있는 하이브리드형으로 이루어져 전기사용을 최대한 줄일 수 있도록 구성됨으로써 슬러지 처리비용을 절감할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 혐기반응조(100)에서 생성된 메탄가스를 이용하여 구동되는 메탄가스엔진발전기(110)의 배기측에는 배기가스유도관(119)이 추가로 설치되고, 상기 배기스유도관(119)은 상기 관형반응기(130)측으로 외부에서 산소를 공급하는 산소공급관(164)에 설치된 1차 에어히팅열교환기(165)에 공급되어 관형반응기(130)측으로 공급되는 산소를 가열할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 스팀보일러(60)에는 스팀발생에 필요한 물을 공급하는 물저장탱크(64)와 급수펌프(62)가 급수관(61)으로 연결설치되어 있으며, 상기 스팀보일러(60)에서 발생된 증기의 일부는 별도로 설치된 스팀발전기(65)를 구동하는 구동원으로 사용될 수 있도록 스팀발전기(65)에 스팀을 공급할 수 있도록 구성되고, 스팀발전기를 구동하고 남은 일부 증기(열)는 상기 관형반응기(130)측으로 외부에서 산소를 공급하는 산소공급관(164)에 설치된 2차 에어히팅열교환기(167)에 공급되어 관형반응기(130)측으로 공급되는 산소를 가열하도록 구성된다.

상기 관형반응기(130)측으로 외부에서 산소를 공급하는 산소공급수단(160)은 산소저장탱크(161)와, 상기 산소저장탱크(161)에서 일정한 압력으로 관형반응기(130)측으로 산소를 공급하기 위한 산소공급펌프(163)와, 산소공급을 조절하기 위한 산소공급조절스위치(166)가 구비되어 있으며, 상기 산소공급조절스위치(166)의 동작은 작업자가 직접 수동조작하거나 일정한 사이클을 수행한 후에 자동으로 공급되도록 자동조절 가능한 구성으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 혐기반응조(100)에서 발생된 메탄가스를 이용하여 구동되는 메탄가스엔진발전기(110)와 상기 스팀보일러(60)를 이용하여 구동되는 스팀발전기(65)에서 생산되는 전기는 별도의 충전장치에 저장되거나 외부 전원공급수단으로 제공되어 부수적으로 생산되는 전기를 이용하여 부가수익을 창출할 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 혐기저장조(100)에는 내부에서 발생된 메탄가스로 인해 저장조 내부의 압력이 지나치게 올라갈 경우나 또는 진공압이 발생될 경우 내부 압력을 강하시키기 위한 감압밸브(105)가 추가로 설치되는 구성으로 이루어진다.

또한, 도면에는 도시되지 않았지만 각 장치의 안전한 동작과 운영을 위해 각 개소에는 안전밸브 등이 설치되어 전체 시스템의 안정적인 동작과 운영이 가능하도록 한다.

또한, 상술한 실시예의 구성을 이용하여 슬러지를 처리하는 방법은 도 2의 블럭도에 도시된 바와 같이 각각의 단계를 거쳐 이루어진다.

즉, 각종 슬러지나 음식물쓰레기, 침출수 등을 균일하게 하는 처리대상물 균일화 단계(S1); 균일화된 처리대상물을 물의 임계압력 이상으로 가압하여 공급하는 고압압송단계(S2); 고압으로 가압된 처리대상물을 물의 임계온도 이상인 아임계상태로 가열하여 처리대상물의 조직을 분해시키는 히팅단계(S3); 상기 히팅단계에서 가열된 아임계상태의 유체의 이송을 통해 상기 고압압송단계(S2)에서 히팅단계(S3)으로 공급되는 처리대상물을 간접가열하도록 열교환기를 통과시키는 열교환단계(S4); 상기 열교환단계(S4)을 거치면서 열이 손실된 유체를 스팀보일러를 가열 이송하는 유체가열 및 이송단계(S5); 가열 이송디는 유체의 반응상태에 따라 선별적으로 유체를 구분하여 배출시키는 유체선별분리단계(S6); 상기 유체선별분리단계(S6)에서 분리 배출된 유기물을 저장 보관하여 혐기반응을 유도하고 혐기발효를 통해 발생된 메탄가스를 배출하는 유기물 혐기발효단계(S7); 상기 유기물 혐기발효단계(S7)에서 발생된 메탄가스를 이용하여 메탄가스엔진발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 미발효된 유기물과 상등수를 최초 균일화단계 이전으로 반송하도록 하는 메탄가스 발전 및 재처리 반송단계(S8); 상기 유체선별분리단계(S6)에 서 분리된 상등수 및 무기물을 기액분리한 후에 상등수는 외부로 배출시키고, 무기물은 걸러내어 슬러지 처리를 완료하는 슬러지처리 완료단계(S9);를 포함하여 이루어진다.

특히, 상기 히팅단계(S3)후 공급된 유체에 산소공급수단에 의해 외부에서 산소가 공급되어 유체의 산화반응을 통해 초임계상태가 유지되도록 하는 초임계 유도단계(S10)가 포함된다.

또한, 상기 메탄가스 발전 및 재처리 반송단계(S8)에서 발생된 고온의 배출가스가 상기 초임계 유도단계(S10)에 공급되는 산소와 열교환이 이루어져 공급되는 산소를 히팅시킬 수 있도록 산소공급전에 배기가스 열교환단계(S11)가 추가된 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 유체가열 및 이송단계(S5)에서 발생되는 일부 증기를 이용하여 증기발전기를 구동하고, 나머지 일부 증기를 이용하여 상기 초임계 유도단계(S10)에 공급되는 산소와 열교환이 이루어져 공급되는 산소를 히팅시킬 수 있도록 하는 증기가스열교환단계(S12)가 포함된 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 히팅단계(S3)은 상기 유기물혐기발효단계(S7)에서 발생된 메탄가스를 이용하는 메탄가스 공급단계(S13)이 포함되어 공급된 메탄가스를 이용하여 가스버너의 열원으로 사용할 수 있도록 함으로써, 전력사용을 줄여 시설 운영비를 절감시킬 수 있도록 이루어진다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 한정하여 상세하게 설명하였으나,본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 실시가 가능하며, 이러한 변형된 실시 또한 첨부된 청구범위에 속하는 것은 당연할 것이다.

본 발명은 처리대상물을 아임계 상태로 처리하여 혐기소화시키고, 혐기 소화후 남은 잔여 오니와 상등수는 다시 처리대상물이 유입, 저장되는 저장조로 반송하여 초임계 상태의 분위기를 형성한 후에 산화시키고, 남은 잔여물만 처리하도록 하는 슬러지 처리장치를 제공함으로써 하수처리장이나 가축분뇨처리장 및 음식물쓰레기 처리장 등 다양한 폐기물을 처리하는 곳에 설치되어 그 사용이 가능하도록 하여 대기 및 환경오염을 발생물질이 거의 배출되지 않은 유용한 슬러지 처리장치 및 그 방법을 제공하는데 이용될 수 있다.

10 : 저장조 20 : 펄프기
30 : 가압펌프 40 : 예열히터
42 : 전기식히터 44 : 메탄가스버너
50 : 열교환기 60 : 스팀보일러
61 : 급수관 62 : 급수펌프
64 : 물탱크 65 : 스팀발전기
70 : 유체냉각기 80 : 감압밸브
90 : 3-WAY솔레노이드밸브 100 : 혐기발효조
105 : 안전밸브 110 : 메탄가스엔진발전기
111 : 메탄가스배출관 115 : 제습/탈황장치
117 : 메탄가스공급관 119 : 배기가스 유도관
120 : 유체반송수단 130 : 관형반응기
140 : 기액분리기 150 : 여과필터
160 : 산소공급수단 161 : 산소저장탱크
163 : 산소공급펌프 164 : 산소공급관
165 : 1차 에어히팅 열교환기 166 : 산소공급조절스위치
167 : 2차 에어히팅 열교환기

Claims

각종 슬러지나 침출수 또는 음식물쓰레기 등의 처리대상물이 투입 저장되는 저장조;
상기 저장조에서 처리대상물이 공급될 경우 이를 감지하여 외부에서 공급된 전원으로 동작되어 유입된 처리대상물을 분쇄 교반하여 펄프화시키도록 상기 저장조에 연결 설치되는 펄프제조기;
상기 펄프제조기에서 펄프화 된 처리대상물을 물의 임계압력 이상으로 가압 공급하도록 상기 펄프제조기의 배출관에 연결 설치되는 고압펌프;
상기 고압펌프에서 공급된 처리대상물을 물의 임계압력 및 온도 이상으로 가열할 수 있도록 전기히터가 설치된 예열히터;
상기 예열히터에서 가온된 유체가 배출되어 상기 저장조에서 상기 예열히터로 공급되는 고압의 유체와 열교환이 이루어지도록 상기 고압펌프와 상기 예열히터 사이에 설치되는 열교환기;
상기 열교환기를 통과하면서 일부 열손실이 이루어진 유체의 통과시에 유체에 잔류하는 나머지 열을 회수하여 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 이용하여 별도로 구비된 스팀발전기를 구동하도록 설치된 스팀보일러;
상기 스팀보일러를 통과한 유체를 감압밸브에 의해 일정압력 이하로 감압시키기 위해 냉각시킬 수 있도록 상기 스팀보일러의 배출구측과 감압밸브 사이에 설치되는 유출수 냉각기;
상기 감압밸브를 통과하면서 감압된 유체로부터 아임계 또는 초임계 상태에 따라 상등수와 무기물 또는 오니와 유기물을 선별적으로 통과시킬 수 있도록 감압밸브 후단에 설치되는 3-way솔레노이드밸브;
상기 3-way솔레노이드밸브의 조절에 의해 되어 아임계 단계을 거친 유체가 보관되어 혐기발효단계이 일어나는 혐기발효조;
상기 혐기발효조에서 유기물의 발효로 발생된 메탄가스를 공급받아 구동되도록 상기 혐기발효조의 메탄가스 배출관에 연결 설치되는 메탄가스엔진발전기;
상기 혐기발효조에서 잔류하는 상등수와 잔여 오니를 최초 처리대상물이 저장되는 저장조로 반송하도록 상기 혐기발효조와 상기 저장조 사이에 설치되는 유체 반송수단;
상기 감압밸브를 통과하여 감압된 유체를 3-way솔레노이드밸브를 통해 선별적으로 공급받아 가스와 액체를 분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기를 통과한 유체에서 무기물만을 별도로 걸러내고 상등수만을 배출하도록 상기 기액분리기 후단에 설치되는 여과필터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 예열히터의 후단에는 예열히터에 의해 아임계상태(200~370℃)를 유지한 유체에 외부에서 산소공급수단에 의해 산소를 공급하여 산화반응을 통한 고열발생으로 초임계상태(350~380℃)를 유지시키기 위한 관형(管形)반응기가 설치되고, 상기 관형반응기를 통과한 유체가 상기 열교환기에 공급되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 산소공급수단은 산소저장탱크와, 상기 산소저장탱크의 산소를 상기 관형반응기로 공급하기 위한 산소공급펌프와, 상기 산소공급펌프 말단의 산소공급관에 설치되어 산소공급펌프에서 상기 관형반응기로 투입되는 산소량을 조절하는 산소공급조절스위치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 혐기반응조와 메탄가스엔진발전기 사이에는 혐기반응 후 메탄가스엔진발전기로 공급되는 배기가스에 포함된 수분과 유기물을 제거하기 위한 제습 및 탈황장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예열히터에는 가스버너가 설치되고, 상기 가스버너는 메탄가스공급관이 연결 설치되며, 상기 메탄가스공급관은 상기 메탄가스엔진발전기로 공급되는 메탄가스배출관에 연결 설치되어 메탄가스를 공급받을 수 있는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제5항에 있어서,
상기 산소공급수단의 산소배출관에는 관형반응기로 공급되는 산소를 히팅하기 위한 산소히팅 열교환기가 설치되고,
상기 산소히팅 열교환기는 상기 메탄가스엔진발전기의 배기가스유도관에 의해 열을 공급받아 열교환이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제5항에 있어서
상기 산소공급수단의 산소배출관에는 관형반응기로 공급되는 산소를 히팅하기 위한 산소히팅 열교환기가 설치되고,
상기 산소히팅 열교환기는 상기 스팀보일러에서 스팀발전기로 공급되고 남은 일부 열을 이용하여 열교환이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
제5항에 있어서,
상기 스팀발전기와 상기 메탄가스엔진발전기에는 각 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 축전지와, 상기 축전지의 전력을 외부 전력으로 사용할 수 있도록 공급하는 외부전력공급수단이 구비되어 이루어진 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치.
각종 슬러지나 음식물쓰레기, 침출수 등을 균일하게 하는 처리대상물 균일화 단계(S1);
균일화된 처리대상물을 물의 임계압력(220bar) 이상으로 가압하여 공급하는 고압압송단계(S2);
고압으로 가압된 처리대상물을 물의 임계온도 이상인 아임계(亞臨界) 상태로 가열하여 처리대상물의 유기성 바이오매스 조직을 분해시키는 히팅단계(S3);
상기 히팅단계에서 가열된 아임계 상태의 유체가 이송시에 열교환기를 통과하여 상기 고압압송단계(S2)에서 히팅단계(S3)으로 공급되는 처리대상물과 열교환이 이루어지는 열교환단계(S4);
상기 열교환단계(S4)를 거친 유체의 이동시에 유체에 포함된 일부 열을 회수하여 스팀을 생산하고, 생산된 스팀을 이용하여 별도의 스팀발전기를 구동시키는 스팀보일러 운전단계(S5);
상기 스팀보일러를 통과하여 이동한 유체의 반응상태에 따라 상등수나 유무기물을 선별적으로 구분하여 분리배출하는 유체분리배출단계(S6);
상기 유체분리배출단계(S6)에서 분리 배출된 유기물을 저장 보관하여 혐기반응을 유도하고 혐기발효를 통해 발생된 메탄가스를 이용하는 혐기발효단계(S7);
상기 혐기발효단계(S7)에서 발생된 메탄가스를 이용하여 메탄가스엔진발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 미발효된 유기물과 상등수를 최초 균일화단계 이전으로 반송하는 메탄가스 발전 및 재처리 반송단계(S8);
상기 유체분리배출단계(S6)에서 분리된 상등수 및 무기물을 기액분리한 후에 상등수는 외부로 배출시키고, 무기물은 걸러내어 슬러지 처리를 완료하는 슬러지처리 완료단계(S9);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
제9항에 있어서,
상기 히팅단계(S3)와 열교환단계(S4) 사이에는 히팅단계 후 유체를 공급받아 산소공급수단에 의해 외부에서 산소를 공급받아 유기물의 산화반응을 통해 유체를 초임계상태가 유지되도록 하는 초임계 유도단계(S10)이 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러치 처리방법.
제10항에 있어서,
상기 초임계 유도단계(S10)에 공급되는 산소는 상기 메탄가스 발전 및 재처리 반송단계(S8)에서 발생된 고온의 배기가스와 열교환이 이루어지는 배기가스 열교환단계(S11)를 거친 히팅된 산소가 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 초임계 유도단계(S10)에 공급되는 산소는 스팀보일러 운전단계(S5)에서 발생된 열을 이용한 증기가스 열교환단계(S12)를 거친 히팅된 산소 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
제12항에 있어서,
상기 히팅단계(S3)에는 상기 혐기발효단계(S7)에서 발생된 메탄가스를 메탄가스 공급단계(S13)를 통해 공급받아 열원으로 사용될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
제13항에 있어서,
상기 메탄가스발전 및 재처리반송단계(S8)와 상기 스팀보일러운전단계(S5)는 각 단계에서 생산된 전기를 축전하여 외부 전력으로 사용할 수 있도록 하는 전력축전 및 외부전력공급단계(S14)가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.