KR20150140656A

KR20150140656A - 슬러지 처리용 에너지 효율 시스템 및 공정

Info

Publication number: KR20150140656A
Application number: KR1020157026007A
Authority: KR
Inventors: 소엔 요하네스 호스가드; 라스 호헐드
Original assignee: 베올리아 워터 솔루션스 앤드 테크놀로지스 서포트
Priority date: 2013-03-09
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-12-16
Also published as: KR101758303B1; CN105073656A; HRP20170807T8; CA2904498C; HRP20170807T1; CN105073656B; US9527760B2; EP2964582B1; US20140251901A1; AU2014230916A1; JP2016514046A; JP6118428B2; CA2904498A1; PL2964582T3; WO2014139951A1; AU2014230916B2; ES2626046T3; EP2964582A1; DK2964582T3

Abstract

본 발명은 수처리로부터 슬러지를 가수분해하고, 최적의 무산소성 소화를 위하여 가수분해된 슬러지를 컨디셔닝하기 위한 장치 및 공정을 제공한다. 상기 방법은 탈수된 슬러지를 생산하는 탈수 단계, 증기 공급 공정에서 탈수된 슬러지를 가수분해하는 단계, 가수분해 전에 슬러지-대-슬러지 열전달을 통해 탈수된 슬러지를 예열하는 단계, 및 슬러지-대-물 열전달과 물 주입을 통해 슬러지를 냉각 및 희석하는 단계, 및 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키는 단계를 포함한다. 상기 제공되는 장치는 일반적으로 수직인 상반된 흐름의 슬러지-대-슬러지 열교환기, 가수분해 반응기 또는 및 이와 관련된 증기의 공급처, 슬러지-대-물 열교환기, 및 희석 유닛을 포함한다. 온도 및 압력 센서는 공정을 제어하기 위하여 다양한 가변 유량 펌프 및 밸브에 명령하도록 구성된다.

Description

슬러지 처리용 에너지 효율 시스템 및 공정{ENERGY EFFICIENT SYSTEM AND PROCESS FOR TREATING SLUDGE}

본 발명은 슬러지 처리용 시스템 및 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탈수된 슬러지가 가수분해 반응기를 통과한 후, 무산소성(anaerobic) 소화조를 거치게 되는 시스템 및 공정에 관한 것이며, 상기 시스템 및 공정은 에너지 효율을 위해 설계된 것이다.

무산소성 소화는 슬러지의 고형물로부터 바이오가스를 생산하고 폐기물 방출량을 감소시킬 수 있는 에너지 변환 공정이다. 바이오가스는 전체 슬러지 처리 또는 폐수 처리 시스템 또는 다른 분야에서 필요한 에너지로 사용될 수 있다. 슬러지의 무산소성 소화는 슬러지에 존재하는 유기체 때문에 일어나며, 적어도 두가지 온도 방식에서 일어나는 것으로 알려져 있다. 약 32 내지 38℃의 온도에서, 중온성 유기체(mesophilic organisms)는 활동적이며 소화에 기여하는 반면, 50℃ 내지 60℃의 온도에서는 호열성 유기체(thermophilic organisms)가 슬러지의 소화에 작용한다. 처리되는 슬러지의 유형에 따라 유기체의 다른 집단 프로파일이 수반될 수 있으며, 무산소성 소화는 일반적으로 슬러지 및 슬러지 내의 유기체의 유형과 일치하는 범위에서 작동된다. 보통, 무산소성 소화조를 30℃ 내지 60℃ 범위에서 작동시키는 것이 바람직하다. 소화조로부터의 열손실을 보상하고, 소화조 내의 작동 온도를 원하는 범위 내에 유지하기 위하여, 원하는 무산소성 소화 작동 온도 보다 약 1내지 10℃ 높은 온도에서 피드 슬러지를 소화조에 공급하는 것이 공지되어 있다. 또한, 슬러지의 무산소성 소화를 위한 최적의 고형물 농도는 약 3% 내지 10%의 고형물 농도다.

무산소성 소화를 위한 생슬러지(raw sludge)의 제조시, 슬러지를 가수분해하는 것으로 알려져 있다. 가수분해는 슬러지에서 유기물의 생분해성을 증가시키므로, 바이오가스 생산을 증가시키며, 무산소성 소화에서 폐기물 배출량을 감소시킨다. 슬러지의 가수분해는 각각 150℃ 내지 170℃ 및 6 내지 12 bar의 온도 및 압력 범위에서 일어난다. 반응 부피 및 에너지 소비를 최소화하기 위하여, 슬러지를 가수분해 반응기에 공급하기 전에 고형물이 약 20 내지 30 중량%이 되도록 슬러지를 탈수하는 것이 바람직하다.

슬러지의 가수분해를 위하여 바람직한 범위의 온도 및 압력은 일반적으로 증기를 슬러지와 함께 가수분해 반응기에 주입함으로써 형성된다. 증기 주입은 슬러지 가수분해의 고에너지 집약적 측면이며, 폐기물 에너지 회수는 슬러지 가수분해와 관련되어 상당히 중요한 문제이다. 일부의 경우에서, 1회분 가수분해 공정에 유입되는 슬러지에 증기를 급송하거나, 또는 증기를 새로 생산하기 위해 보일러 급수를 가열함으로써 부분적으로 에너지를 회수하는 방법이 알려져 있다. 이들 공정은 원하는 것보다 효율이 낮고 비용이 매우 높은 특징이 있다.

슬러지를 가수분해한 이후 슬러지를 무산소로 소화시키는 공정을 포함하는 슬러지 처리 시스템에 있어 에너지 효율을 개선할 필요가 지속되고 있다.

본 발명의 목적은 에너지 효율적인 방법으로 슬러지를 가수분해하고 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키는 시스템 및 공정을 제공하는 것이다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하여, 일 구현예에서, 본 발명은 탈수된 슬러지를 일반적으로 수직의 또는 약간 경사진 열교환기로 이동시키는 것을 포함하되, 여기서 열교환기는 열교환기 하부에 위치한 슬러지 입구 및 열교환기 상부에 위치한 슬러지 출구를 포함한다. 상기 열교환기는 열교환기 상부에 위치한 가수분해 슬러지 입구 및 열교환기 하부에 위치한 가수분해 슬러지 출구를 더 포함한다. 상기 방법 또는 공정은 가수분해된 슬러지가 유입되는 또는 탈수된 슬러지를 효율적으로 가열하는 슬러지-대-슬러지(sludge-to sludge) 열전달을 제공하기 위하여, 가수분해된 슬러지를 열교환기의 아래쪽으로 이동시키면서 슬러지를 열교환기를 통하여 위쪽으로 이동시키는 단계를 포함한다. 열교환기에서 나가는 가수분해된 슬러지는 무산소성 소화조로 이동된다. 무산소성 소화조에 도달하기 전에, 가수분해된 슬러지는 그 온도 및 고형물 함량이 조정되도록 처리될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 슬러지 처리 방법은 탈수된 슬러지를 가수분해 반응기로 이동시키는 단계를 포함한다. 가수분해된 슬러지는 무산소성 소화조로 이동되며, 여기서 슬러지는 무산소로 소화된다. 열교환기는 가수분해 반응기의 출구면에 배치되며, 탈수된 슬러지가 가수분해 반응기로 진입하기 전에 탈수된 슬러지를 가열하는데 사용된다. 열교환기는 가수분해된 슬러지와 탈수된 슬러지 간의 슬러지-대-슬러지 열전달을 제공한다. 상기 방법은 슬러지 처리의 특정 기간 중에 열교환기를 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 변화시키는 단계를 수반한다.

개시 모드 중에, 예를 들어, 상기 방법은 탈수된 슬러지의 대부분을 열교환기 우회 배관을 통하여 가수분해 반응기로 이동시키고, 안정상태 모드 중에는 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기를 통과하게 한 후 가수분해 반응기로 이동시키는 단계를 포함한다.

또다른 구현예에서, 본 발명은 슬러지 처리 시스템을 제공하며, 이 시스템은 슬러지의 탈수를 위해 구성된 슬러지 탈수 유닛; 탈수된 슬러지를 가수분해하기 위해 구성된 슬러지 가수분해 반응기; 탈수된 슬러리가 가수분해 반응기에 진입하기 전에 탈수된 슬러리의 적어도 일부를 가열하기 위해 구성된 열교환기로서, 이 열교환기는 가수분해된 슬러지와 탈수된 슬러지 간의 슬러지-대-슬러지 열전달을 위해 구성된 것인 열교환기; 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키기 위하여 구성된 무산소성 소화조; 및 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 슬러지 처리의 소정의 기간 중에 열교환기를 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 변화시킴으로써 슬러지 처리를 제어하기에 적합한 것으로, 개시 모드 중에는 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기 우회 배관을 통하여 가수분해 반응기로 이동시키고; 및 안정상태 모드 중에는 탈수된 슬러지의 대부분을 열교환기를 통과하게 한 후 가수분해 반응기로 이동시킴으로써, 탈수된 슬러지의 통과 유량을 변화시킨다.

이 기술분야의 숙련자는 본 발명의 첫번째 및 두번째 구현예와 조합된 어떤 특징도 본 발명의 세번째 측면과 조합될 수도 있고, 그 반대의 경우도 가능함을 쉽게 인식할 수 있음이 이해될 것이다.

본 발명의 그밖의 목적 및 장점은 이하의 설명을 연구함으로부터 명백하고 분명해질 것이며, 첨부된 도면은 이러한 발명을 단순히 예시한 것이다.

이하, 본 발명의 구현예를 도면을 참고하여 더욱 상세하게 묘사한다.

도 1은 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템의 전체 개략도이다.
도 2는 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템의 개략도이다.
도 3은 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템을 위한 슬러지-대-슬러지 열전달의 단면이다.
도 4a는 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템을 위한 제어 시스템의 일 예시적 구현예를 나타내는 시스템 제어 논리도(logic diagram)의 제1 부분이다.
도 4b는 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템을 위한 제어 시스템의 일 예시적 구현예를 나타내는 시스템 제어 논리도의 제2 부분이다.
도 4c는 슬러지 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 컨디셔닝 시스템을 위한 제어 시스템의 일 예시적 구현예를 나타내는 시스템 제어 논리도의 제3 부분이다.

상세한 설명 및 특정 실시예는 본 발명의 구현예를 나타내면서 단지 예시적으로 주어진 것이며, 상세한 설명으로부터 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변화 및 수정은 이 기술분야의 숙련자에게 명백할 것임이 이해될 것이다.

본 발명은 슬러지 처리 시스템 및 공정을 수반한다. 이 시스템은 도 1 및 도 2에 도시하였으며, 일반적으로 도면부호 100으로 표시된다. 시스템(100)은 생슬러지를 수용하여 바이오가스 및 폐기물을 생산한다. 구체적으로, 시스템(100)은 슬러지를 탈수하기 위한 탈수 유닛(110)을 포함하며, 여기서 슬러지 내의 고형물, DSIN은 약 20 내지 30 중량%로 증가한다. 또한, 시스템(100)은 부호 200으로 표시되는 서브시스템(subsystem)을 포함한다. 서브시스템(200)은 슬러지 가수분해 시스템(210), 및 부호 250으로 표시되는 가수분해된 슬러지를 컨디셔닝하기 위한 시스템과 공정을 포함한다. 가수분해 공정은 도 2에 나타낸 부호 214로 표시되는 가수분해 반응기에서 약 140 내지 약 165℃ 범위로 슬러지를 가열하는 단계를 포함한다. 일 구현예에서 반응기(214) 내의 압력은 공정 온도에 따라 약 8 bar로 유지된다. 이는 슬러지의 가수분해를 지원하고, 슬러지 내 고형물 농도의 감소를 가져온다. 슬러지가 가수분해 고정을 거치고 나면, 슬러지는 무산소성 소화조(120)로 이동한다. 그러나, 무산소성 소화조에 도달하기 전에, 가수분해된 슬러지는 컨디셔닝을 거치게 된다. 컨디셔닝의 목적은 무산소성 소화조(120)에서 일어나는 무산소성 소화 공정을 최적화하기 위함이다. 따라서, 이하의 기재를 통해서 알게 될 것이지만, 컨디셔닝 시스템과 공정은 주로 대략 가수분해된 슬러지의 온도뿐만 아니라 가수분해된 슬러지의 고형물 농도를 조정하는 것을 수반한다. 온조 조정은 일련의 열교환기에 의해 달성될 수 있으며, 고형물 농도는 가수분해된 슬러지에 희석수를 주입함으로써 조정된다. 컨디셔닝 공정에서는 보통, 가수분해된 슬러지의 온도가 약 40℃로 떨어지고, 소화조(120)로 이동하는 슬러지의 고형물 농도, DSOUT이 약 6 내지 14 중량%가 될 정도로 슬러지의 고형물 농도가 감소한다. 컨디셔닝된 가수분해된 슬러지는 무산소성 소화조(120)로 이동되며, 여기서 중온성 및/또는 호열성 유기체가 고형물을 더욱 분해하고 변환시켜 바이오가스 및 폐기물을 생산한다. 가수분해된 슬러지가 무산소성 소화조(120)로 유입될 때의 온도를 제어하는 것은 소화조의 열손실을 보상하여, 소화조가 최적의 온도 범위인 약 30 내지 60℃에서 작동하도록 하며, 이 온도는 소화조가 중온성 조건 또는 호열성 조건 중 어느 조건에서 작동하는지에 따라 결정된다. 또한, 고형물 농도를 약 6 내지 14 중량%로 조정하는 것은 효율적 및 효과적인 무산소성 소화를 지원하는 경향이 있다.

더욱 구체적으로 서브시스템(200)을 살펴보면, 도 2에 도시한 바와 같이, 서브시스템은 배관(11)을 통해 탈수 유닛(110)의 일부일 수 있는 호퍼(12)를 거쳐서 탈수된 슬러지를 수용하는데, 탈수 유닛의 기능은 폐기물 처리 및 슬러지 관리 기술분야의 숙련자들에게 익숙한 것이다. 개시 기간 후에, 가변 유량 용적형 슬러지 펌프(14)는 탈수된 슬러지를, 일반적으로 끊임없이, 배관(15)을 통해 가수분해 반응기(214)로 공급한다. 개시 기간 후 하나의 작동 모드에서, 탈수된 슬러지는 우회 가변 유량 제어 밸브(18)를 통해 배관(19)로 이동하고, 그 다음으로 배관(25)를 통해 가수분해 반응기(214)로 이동한다. 증기 발생기(212)는 가수분해 반응기(214)와 연결되어 있다. 증기 발생기(212)는 가수분해 공정 중에 끊임없이 증기를 밸브 V4(24) 및 배관(23 및 25)을 통해 가수분해 반응기(214)로 이동시키도록 작동한다. 그러나, 증기가 대안적으로 외부 출처(source)로부터 공급될 수 있음을 명백하게 알 수 있다.

그러나, 소화조(120)에서 생성된 바이오가스를 에너지로 이용하는 증기 발생기(212)를 도입하는 것이 유리할 수 있는데, 이 경우 열교환기(270)를 이용하여 슬러지로부터 증기용 물로 열을 회수함으로써 통상 약 10%의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다. 뜨거운 가수분해된 슬러지는 배관(27)을 통해 열교환기(216)의 가수분해 슬러지 입구(228)로 이동하며, 그 다음 일반적으로 아래쪽인 열교환기를 통하여 열교환기의 가수분해 슬러지 출구(226)로 이동하고, 그 다음 배관(29)를 통하여 전체 시스템의 다양한 부분으로 이동하며, 여기서 전체 시스템은 무산소성 소화조에서의 적절한 처리를 위하여 가수분해된 슬러지를 컨디셔닝하는 장소를 포함한다.

작동의 다른 모드에서, 탈수된 슬러지는 배관(17)을 통해 가변 유량 제어 밸브(20)로 이동하고, 그 다음 배관(31)을 통해 열교환기(216)의 탈수된 슬러지 입구(222)로 이동한다. 몇가지 구현예에서, 밸브(20)는 점선의 배관(17A)으로 표시한 바와 같이 생략될 수 있다. 탈수된 슬러지는 열교환기(216) 내에서 일반적으로 위쪽인 탈수된 슬러지 출구(224)로 이동하고, 그 다음 배관(21)을 통해 배관(19)으로, 및 배관(25)를 통해 가수분해 반응기(214)로 이동한다.

탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기(216)을 통하여 이동시키는 것은 가수분해 슬러지의 냉각을 돕고, 가수분해 중에 첨가된 에너지의 일부를 회수하는 두가지 역할을 할 수 있다. 가수분해된 슬러지의 적어도 일부는 열교환기(216)에 유입되는 탈수된 슬러지에 의하여 부분적으로 냉각되고, 회수된 열은 슬러지가 반응기(214)로 이동하기 전에 유입되는 슬러지를 덥힌다. 이러한 "슬러지-대-슬러지" 열전달 방법은 증기 생산에 필요한 에너지를 감소시킬 수 있고, 따라서 가수분해 및 무산소성 소화를 위한 슬러지 컨디셔닝 비용을 감소시킬 수 있다.

열교환기(216)는 역류 열교환기(counter-flow heat exchanger)로 작동된다. 도 3 참조. 이는 두가지 유체, 즉 유입되는 탈수된 슬러지 및 뜨거운 가수분해된 슬러지가 열교환기(216)를 통해 일반적으로 서로 반대 방향으로 흐른다는 것을 의미한다. 이 경우, 뜨거운 가수분해된 슬러지는 가수분해 반응기(214)로부터 열교환기(216)을 통하여 아래쪽으로 흐르고, 열교환기를 통해 위쪽으로 흐르는 유입되는 탈수된 슬러지에 열을 전달한다. 일 구현예에서, 열교환기(216)는 도 3에 도시한 바와 같이 튜브-인-쉘 열교환기(tube-in-shell heat exchanger)이다. 이 구현예에서, 열교환기(216)는 수직 방향으로 연장된 관모양의 쉘(217)을 포함하며, 여기서 가수분해된 슬러지 입구(228)는 반응기(214)로부터 슬러지를 수용하고 슬러지를 열교환기의 쉘(217)로 이동시키도록 구성된다. 가수분해된 슬러지 출구(226)는 그곳까지 일반적으로 아래쪽으로 흘러내린 가수분해된 슬러지를 수용하고, 부분적으로 냉각된 가수분해된 슬러지를 배출한다. 열교환기(216)는 쉘(217) 내부에, 일반적으로 쉘과 평행으로 배치된, 1개 이상의 일반적으로 서로 평행하는 튜브들(219)을 더 포함함으로써, 튜브들은 일반적으로 열교환기의 하부에서 상부로 연장된다. 각 튜브(219)는 각각 열교환기(216)의 탈수된 슬러지 입구(222) 및 탈수된 슬러지 출구(224)와 유체 소통을 이루는 양단을 갖는다. 탈수된 슬러지 입구(222)는 유입되는 탈수된 슬러지를 수용하고 슬러지를 튜브(219)의 하단으로 이동시키도록 구성된다. 탈수된 슬러지 출구(224)는 튜브(219)의 상단으로부터 덥혀진 탈수된 슬러지를 수용하고 반응기(214)를 향하여 슬러지를 배출하도록 구성된다. 몇가지 구현예에서, 열교환기(216)는 튜브 표면에 인접한 생슬러지 및 스터브 표면들 사이의 따뜻한 슬러지 간에 열전달을 향상시키기 위하여, 수직방향으로부터 적어도 약간 경사져 있을 수 있다. 몇가지 경우에 열교환기(216)의 수직 방향은 튜브(291) 주변에서 경계층 형성을 일으킬 수 있다. 튜브(219) 주변의 경계층은 튜브를 튜브 사이에 있는 더 뜨거운 가수분해된 슬러지로부터 고립시키는 경향이 있다. 열교환기(216)를 비스듬히 기울이는 것은 튜브(219) 밖의 가수분해된 슬러지의 혼합을 촉진하고, 일반적으로 튜브 주변에서 경계층 형성 방지를 촉진하며, 가수분해된 슬러지로부터 튜브의 벽을 통해, 튜브 내에서 일반적으로 위쪽으로 흐르는 더 차가운 탈수된 슬러지로의 열전달의 향상을 촉진하는 것이 관찰되었다. 또한, 수직에 비하여 기울어진 각도는 약 15°만큼이 유리할 수 있다.

상술한 바와 같이, 열교환기(216)는 일반적으로 수직 방향이므로, 반응기(214)로부터 뜨거운 가수분해된 슬러지가 열교환기에서 일반적으로 아래쪽으로 흐르는 동안, 더 차가운 탈수된 슬러지는 호퍼(12)로부터 열교환기를 통해 일반적으로 위쪽으로 펌핑된다. 따라서, 유입되는 탈수된 슬러지는 열교환기의 하단에서 열교환기(216)로 진입하여 일반적으로 위쪽으로 흐르며, 열교환기의 상단으로 공급되어 일반적으로 아래쪽으로 흐르는 뜨거운 가수분해된 슬러지와 만난다. 이러한 배치는 뜨거운 가수분해된 슬러지의 모든 입상의 물질을 열교환기 쉘(217) 하부로 확실히 운반하는 경향이 있다. 슬러지가 열교환기(216)에 있을 때, 가수분해된 슬러지는 탈수된 생슬러지에 열을 넘겨주므로, 적어도 부분적으로는 가수분해된 슬러지의 냉각 때문에 가수분해된 슬러지의 밀도는 변화될 수도 있다. 약 4% 내지 8%의 가수분해된 슬러지 밀도의 상승이 관찰될 수 있으며, 이는 열교환기(216)의 상단에서 하단으로 상승하는 중력 프로파일을 생성할 수 있다. 이러한 중력 프로파일은 뜨거운 가수분해된 슬러지 및 유입되는 탈수된 슬러지 사이의 열전달을 향상시킬 수도 있다. 반응기(214)의 효율적인 작동에 필요한 압력은 용적형 펌프(positive displacement pumps), 예컨대 구체적으로 펌프(14 및 56) 사용시 통상적으로 발생하는 압력 서지로부터 반응기, 즉 전체 시스템을 보호하는 방식을 갖는 것을 바람직하게 한다는 것이 관찰된다. 반응기(214)는 반응기 상단에 위치하는 에어포켓 또는 섹션을 포함하며, 이들은 압력 서지에 의해 발생할 수 있는 쇼크를 흡수하거나 댐핑하기 위한 압축 수단으로 작용한다.

가수분해 공정은 긴 사슬의 분자를 작은 분자로 분해하고, 그 결과 다양한 비응축성 가스, 예컨대 이산화탄소 및 질소를 발생시킨다. 이들 가스는 반응기(214)에서 부피를 차지하므로, 이는 슬러지가 반응기에 머무는 효과적인 체류 시간을 감소시킬 수 있고, 가스는 시스템에서 열교환 효율을 감소시킨다. 이들 비응축성 가스를 제거하면 시스템의 효과적인 작동에 도움을 줄 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 가스들을 날려 버리기 위하여 반응기(214)를 환기시키는 능력을 포함한다.

시스템(100), 더욱 구체적으로는 서브시스템(200)의 제어를 촉진하기 위하여, 여러 개의 센서를 그 안에 배치한다. 압력 센서(16)는 배관(15)에 설치되어 유입되는 탈수된 슬러지의 압력(P1)을 감지한다. 압력 센서(22)는 배관(19)에 설치되어 가수분해 반응기(214)에 진입하는 슬러지의 압력(P2)를 감지한다. 압력 차이, ΔP = P1 - P2는 일반적으로 열교환기(216)의 튜브(219)에서 압력 손실을 표시함을 알 수 있다. 몇가지 구현예에서, 이러한 압력 차이는 가수분해 반응기(214)로 가는 루트에서 열교환기(216)를 우회하는 유로 및 열교환기를 통하는 유로 사이의 탈수된 생슬러지 유량의 비율조절을 담당한다.

압력 센서(58) 및 온도 센서(50)는 반응기(214) 내에 배치되어 작동 중에 반응기의 압력(P3) 및 온도(T3)를 감지한다. 반응기(214)의 압력(P3)은 압력 설정점을 기반으로 펌프(56)의 제어에 의해 원하는 설정점에 고정되며, 여기서 펌핑속도는 시스템 압력을 유지하고, 따라서 반응기 내의 압력을 유지하기 위하여 조정될 수 있다. P3를 위한 압력 설정점은 끓음을 방지하기 위하여 반응기 온도로부터 계산된다. 계산된 비등 압력에 필요한 안전 여유분이 추가되어 반응기(214)의 압력을 위한 설정점을 산출한다. 증기 발생기(212)에 의한 배관(25)으로의 증기 전달은 T3를 기반으로 밸브(24)에 의해 제어된다.

슬러지 컨디셔닝 시스템(250)에 있어서, 이 시스템은, 이하에 기술하는 바와 같이, 증기 발생기(212)를 위한 급수를 예열하기 위하여 열교환기(270)을 포함할 수 있다. 열교환기(270)가 존재하면, 이는 가수분해 반응기(214)로부터 배관(29)를 통해 공급되는 뜨거운 가수분해된 슬러지를 냉각시키는 역할을 할 수도 있다. 가수분해된 및 부분적으로-냉각된 슬러지는 열교환기(270)로부터 배관(59)를 통해 슬러지 냉각 열교환기 유닛(280)으로 이동하며, 일 구현예에서, 이 유닛은 가압 루프 보일러 급수 열교환기 유닛일 수 있다. 가수분해된 슬러지는 열교환기 유닛(280)으로부터 배관(63)을 통해 가변 유량 용적형 펌프(56)로 이동하며, 이의 배압(back pressure)은 시스템 압력, 결과적으로 반응기(214)에서의 압력을 유지하도록 조절될 수 있다. 이때, 펌프(56)은 뜨거운 가수분해된 슬러지를 무산소성 소화조(120)로 전달한다. (도 1 참조)

컨디셔닝 시스템(25)은 희석 유닛(70)을 더 포함한다. 일 구현예에서, 유닛(70)은 외부 출처로부터 배관(71) 및 펌프(72)를 통해 희석수를 수용한다. 희석은 소화조(120)에서 필요한 만큼 슬러지 내 고형물 농도를 감소시키는 수단이다. 일반적으로, 수용된 희석수는 저온살균 처리된 폐수일 수 있으며, 이는 보통 실질적으로 슬러지 보다 차갑다. 따라서, 희석수가 첨가되는 경우, 슬러지 내 고형물 농도를 감소시킬 뿐만 아니라, 가수분해된 슬러지의 온도도 감소시킬 수 있다. 펌프(72)로부터 희석수는 세갈래의 유량 제어 밸브(74)로 이동하며, 이 밸브는 배관들(75 및 77) 사이에서 희석수 유량을 분배할 수 있다. 배관들(75 및 77)를 통과하는 유량- 및 그에 따른 제어 밸브(74)에 의한 분배-은 각 경우마다 센서(52 및 54)의 온도 설정점을 충족하도록 선택된다. 따라서, 희석 유닛(70)은 통과하는 가수분해된 슬러지의 온도를 조정할 뿐만 아니라 슬러지 내 고형물의 농도를 조정하는 두가지 역할을 할 수 있음을 알 수 있다. 몇가지 구현예에서, 가수분해된 슬러지는 희석수를 슬러지에 투입하기 전에 희석수를 가열함으로써 가열될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(290)에 공급되는 보일러수를 사용하여 희석수를 가열하는 것은 반응기 개시 단계 중에 이루어질 수 있다. 이러한 구현예에서, 희석수는 열교환기(290)을 통하여 이동하고, 슬러지에 투입되기 전에 펌프(78)로 공급되는 보일러수에 의해 가열된다. 이러한 구현예에서, 밸브(20)는 생략되어, 탈수된 슬러지가 열교환기(216)을 통해 일반적으로 연속적으로 흐를 수 있도록 허용한다. 이러한 구현예에서, 열교환기(216)를 통과하는 탈수된 슬러지의 일반적으로 연속된 흐름은 배관(29)에 진입하는 가수분해된 슬러지를 과냉각시키는(overcooling) 결과를 가져올 수 있는데, 상기 가열된 희석수의 주입은 가수분해된 슬러지를 필요한 만큼 더 가열할 수 있게 해준다.

전술한 바와 같이, 희석수는 가열된 가수분해된 슬러지의 고형물 함량을 무산소성 소화를 위해 바람직한 수준으로 조절하기 위하여 첨가될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이, 일반적으로, 희석수의 첨가는 가열된 가수분해된 슬러지를 더욱 냉각시키거나 가열시키는 역할을 할 수 있다. 몇가지 조건에서, 예를 들어, 희석수는 매우 차갑다. 이러한 상황에서, 탈수된 슬러지도 마찬가지로 매우 차가운 것이 일반적이다. 이들 조건에서, 전술한 바와 같이, 유입되는 탈수된 슬러지는, 반응기(214)에서 배출된 가열된 가수분해된 슬러지를 과냉각시키는 것을 방지하기 위하여, 개시 기간 중 적어도 한 기간 동안, 열교환기(216) 주변으로 우회할 수 있다. 본 발명의 일 구현예는, 희석수 주입이 가수분해된 슬러지의 온도를 상승시킬 수 있도록, 전술한 바와 같이 희석수를 가열함으로써 이러한 개시 상황을 처리할 수 있다. 이는 열교환기(216)를 우회하는 탈수된 슬러지의 양을 감소시킬 수 있으므로, 가수분해된 슬러지가 열교환기(216)을 통과하는 통로에서 과냉각되는 비용으로 증기 발생기(212)로부터 증기 요구량을 감소시킬 수 있다. 과냉각은 열교환기(216)에서 나온 가수분해된 슬러지에 가열된 희석수를 주입함으로써 보상될 수 있다. 개시 조건에서, 이러한 기술적 특성은, 비록 가수분해된 슬러지가 일부 일시적으로 과희석되는(over-dilution) 결과가 있을 수 있더라도 유리할 수 있다. 이러한 일시적 과희석은, 증기 발생 비용에 비하여 희석수를 가열하는 비용이 낮기 때문에, 수용가능한 것이다. 그러나, 주변 희석수 및/또는 탈수된 슬러지 온도가 충분히 따뜻한 경우, 개시 공정은 탈수된 슬러지를 열교환기(216) 주변으로 우회시킴으로써 효율적으로 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 열교환기(270)는, 사용될 경우, 증기 발생기(212)를 위하여 급수를 예열한다. 수처리 유닛(260)은 증기 발생기(212)로 급수할 물을 처리하기 위하여 포함될 수 있다. 외부 출처로부터 수처리 유닛(26)으로 공급되는 물은 증기 발생기(212)에서 사용하기에 적합하도록 처리된다. 물은 배관(53), 열교환기(270), 및 배관(55)를 통하여 증기 발생기(212)로 이동할 수 있다. 증기 발생기(212)를 위하여 급수를 예열시, 열교환기(270)은 반응기(214)로부터 공급된 뜨거운 가수분해된 슬러지를 냉각시킬 수도 있음을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 시스템(100)은 대안적인 증기 출처를 사용하기로 한 경우, 증기 발생기(212) 및 열교환기(270) 없이 작동될 수 있다.

일 구현예에서, 열교환기 유닛(280)은 제1 열교환기(280A) 및 제2 열교환기(280B)를 포함한다. 열교환기(280A 및 280B)는 루프(87)로 서로 연결되며, 루프에서는 가변 유량 펌프(82)에 의해 물이 순환된다. 이러한 배치는 때로 가압 루프 열교환기로 불리운다. 열교환기(280A)는 필요에 따라 가수분해된 슬러지를 냉각시키는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 루프(87)에서 물의 온도는 조절되어 열교환기(280A)를 통과하는 가수분해된 슬러지를 원하는 만큼 냉각시킬 수 있다. 처리된 폐수는 가열되고, 루프(87)의 물은 열교환기(280B)에서 냉각된다. 도 2 참조. 처리된 폐수는 배관(91), 가변 유량 펌프(88), 및 그 다음 배관(93)을 통해 열교환기(280B)로 수용될 수 있다. 처리된 폐수는 열교환기(280B)로부터 배관(95)를 통해 배수관(84)으로 이동할 수 있다. 열교환기로부터 배출되는 처리된 폐수의 온도는 스케일링(scaling)을 방지하기 위하여 특정 최대 온도(예컨대, 약 45℃) 미만으로 유지된다는 것을 알 수 있다. 루프(87)의 물은 교환기(280B)에서 냉각되며, 루프의 물은 이 교환기와 열교환기(280A) 사이를 순환하여 가수분해된 슬러지를 냉각시킨다. 일 구현예에서, 루프(87)의 물 온도는 보일러수를 루프로 주입함으로써 조절될 수 있다. 적절한 외부 출처에서 수용될 수 있는 보일러수는 배관(83)을 통해 가변 유량 보일러수 펌프(86)을 통과하고, 그 다음 배관(85)를 통해 루프(87)로 이동한다. 물은 루프(87)로부터 배출배관(89)을 통해 배출되어 다른 곳에서 사용될 수 있다. 보일러수 가열을 이용하는 것은 선택적이며, 시스템 외부에서 근접한 가열이 필요할 때 사용할 수 있다. 예를 들어, 가열이 필요한 다른 근접한 공간 또는 근접한 처리 또는 공정 시스템의 부분이 있을 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이 보일러수 가열 특성이 추가될 수 있다. 보일러수 가열 이용시, 열교환기(280)에 의한 냉각이 필요한 경우, 일반적으로 보일러수 가열이 최우선적으로는 이용되는 것으로 관찰되었다.

다양한 센서는 컨디셔닝 시스템(250)에 포함된다. 온도 센서(52)는 배관(29)에 설치되어, 슬러지가 컨디셔닝 시스템(250)에 진입할 때 가수분해된 슬러지의 온도(T1)를 감지한다. 온도 센서(54)는 배관(63)에 설치되어, 가수분해된 슬러지가 소화조(120)로 이동할 때 그 온도(T2)를 감지한다. 온도 센서(62)는 배출배관(89)에 위치하여, 루프(87)의 물 온도(T5)를 감지한다. 온도 센서(64)는 배관(95)에 위치하여, 열교환기(280B)로부터 배출되는 가열된 폐수의 온도(T6)를 감지한다. 유량 센서(66, 68, 및 76)은 설치되어, 각각 소화조로 진입하는 컨디셔닝된 가수분해된 슬러지의 유속(flow rates)(Fl), 처리 유닛(260)에서 나오는 증기 발생기 급수의 유속(F2), 및 배관(71)을 통과하는 희석수의 유속(F3)를 감지한다. 추가적으로, 펌프(14)의 스피드(Hzl4)는 압력강하 ΔP = P1 - P2와 같이 시스템 변수이다.

전술한 바와 같은 센서들은, 여러가지 가변 유량 펌프 및 상술한 밸브들에 의하여 시스템(100), 구체적으로는 서브시스템(200)을 모니터하고 제어하는데 사용될 수 있는 시스템 변수 데이터를 제공한다. 상기 제어 접근법의 일반적인 목적은 특정한 온도 및 고형물 농도 수치를 갖거나 그와 유사한 수준의 가수분해된 슬러지를 소화조(120)에 전달하는 것이다. 이들 수치는 생슬러지와 기타 환경조건을 조합한 지식에 근거하여 선택가능하다. 제어 시스템의 구동에 있어서, 다양한 설정값-이중 일부는 상술됨-을 정한다. 제어 시스템을 설명하기 위하여, 시스템 변수의 부호 및 관련 설정점을 표 1에 나열한다. 표 2는 일반적인 선택된 설정값 및 상수를 제공한다.

시스템 변수 및 설정점
변수	설정점
F1	F1SET
F2	F2SET
F3	F3SET
Hz14	Hz14SET
P1	P1SET
P2	P2SET
ΔP	ΔPSET
P3	P3SET
T1	T1SET
T2	T2SET1, T2SET2
T3	T3SET
T4	T4SET
T5	T5SET
T6	T6SET

선택된 설정점 및 상수의 일반적 값
설정점 또는 상수	일반적 값
F3SET	F1×(1-DSOUT/DSIN)-F2
ΔPSET	4 bar
P3SET	T3⁴ × 10^-8 +1
T1SET	100℃
T2SET1	43℃
T2SET2	50℃
T3SET	165℃
T5SET	45℃
DSOUT	10%
DSIN	25%
K2T2	60초
K2T3	60초
K4T2	60초
K5T2	60초
K6T2	60초
Kt	2시간
K1T2	60초
K3T2	60초
K3T3	60초
K7T2	60초

시스템(100)의 제어에 수반되는 공정을 설명하기 위하여, 호퍼(12)로부터 시작하여 탈수된 슬러지가 처리되는 일반적인 공정 상황을 고려하는 것이 유익할 수 있다. 설명을 위하여, 개시 관리(start-up management)로서 열교환기(216) 및 반응기(214) 사이에서 탈수된 슬러지 유량의 배분을 제어하는 일 구현예를 기술한다. 전술한 바와 같은 탈수된 슬러지는 고형물을 약 20 내지 30 중량% 포함할 수 있으며, 이 슬러지의 온도는 약 5℃ 내지 약 40℃ 범위일 수 있다. 처리 목적은 30℃ 내지 60℃ 및 고형물 농도 6 내지 14 중량%의 가수분해된 슬러지를 일반적으로 끊임없는 유량으로 무산소성 소화조(120)에 전달하는 것이다. 전술한 바와 같이, 처리 공정의 초기 또는 개시 단계 또는 모드는 공정을 설립하는데 필요하다. 개시 모드를 시작하기 위하여, 밸브(18 및 20)는 제어 시스템에 의하여 완전히 개방되고, 펌프(88)는 전술한 바와 같은 최소 속도로 작동하도록 활성화된다. 슬러지 펌프(56)는 액체를 소화조(120)로부터 시스템(100)으로 펌핑하여 시스템에 압력을 설정하도록 통전되고 작동된다. 시스템에 압력을 셋팅하기 위한 소화조(120)로부터 펌핑된 액체는 소화조에서 가열된, 물 또는 슬러지를 갖는 소화조의 초기 충전물에서 나온 것일 수 있다. 소화 및 바이오가스 생산을 위해 가수분해된 슬러지를 수용하기 전에, 소화조를 액체로 충전하고, 이 액체를 가열하는 방법은 잘 알려져 있다. 반응기(214)로의 증기 주입은 최소 수치에서 시작된다. 상술한 바와 같이, 펌프(88)는 공식(pitting corrosion)을 방지하기 위하여, (시스템의 나머지 부분이 작동하지 않을 때에도) 최소 유량으로 작동되도록 유지된다. T3가 설정점(T_3SET)에 접근하면, 펌프(14)는 탈수된 슬러지의 수용을 시작하고, 희석수 시스템을 활성화하기 위하여 펌프(72)와 함께 시작된다. 그런 다음, 펌프(14)는 시스템 전체가 가열되어 T2가 T₂SET에 가까워질 때까지 최소 속도로 끊임없이 작동된다. 그 다음, 펌프(14)의 속도(Hzl4)는 그 설정점 Hzl4SET까지 조절될 수 있다. 마찬가지로, 밸브(V4)는 필요에 따라 증기를 반응기(214)에 수용하는 것을 조절하는데 이용될 수 있다. 반응기(214)로의 증기 수용 제어는 반응기에서의 원하는 작동 온도 T3SET 및 온도 센서(50)에 의해 감지된 실제 반응기 온도 T3를 기준으로 한다.

유입되는 탈수된 슬러지는 생슬러지의 온도와 그 고형물 농도가 모두 상대적으로 낮을 때 점도가 매우 높을 수 있다. 개시 중에, 진입하는 슬러지의 점도 때문에, 유입되는 탈수된 슬러지의 대부분 또는 과반수는 열교환기(216)를 우회하여 가수분해 반응기(214)로 흘러 들어가고, 소량의 생슬러지가 열교환기로 흘러 들어간다. 뜨거운 가수분해된 슬러지가 반응기(214)로부터 열교환기(216)로 흐를 때, 열교환기를 통과하는 소량의 유입되는 탈수된 슬러지는 따뜻해진다. 그 결과, 열교환기 튜브(219)의 흐름 저항이 점차 감소되며, 센서(16 및 22)에서 감지된 압력차 ΔP가 점차 감소되고, 슬러지의 우회 유량이 감소되어 열교환기 튜브(219)의 흐름에 도움이 된다. ΔP가 점차 감소하면서, 밸브(18)(V1)은 점차 폐쇄되어, ΔP이 수용가능한 수치에 도달하면, 밸브가 완전히 폐쇄되어, 탈수된 슬러지의 전체 또는 실질적으로 전체가 반응기(213)에 진입하기 전에 열교환기(216)을 통과하는 일반적인 안정상태 조건을 형성한다. 이러한 방식으로, 가수분해시 첨가된 열의 일부는 회수되고 유입되는 탈수된 슬러지를 덥히거나 예열하는데 사용된다. 이 공정에서, 가수분해된 슬러지는 컨디셔닝 시스템(250)에 진입하기 전에 부분적으로 냉각된다. 전형적인 일반적인 안정상태 조건에서, 스팀 발생기(212)로부터의 스팀과 혼합되기 전에 슬러지의 온도는 약 85℃ 내지 110℃이다. 이는 유입되는 슬러지가 열교환기(216)에 의해 가열된 결과이다. 가수분해된 슬러지가 가수분해 반응기(214)를 떠날 때, 온도는 약 140℃ 내지 165℃, 압력은 약 10 bar, 및 고형물 농도는 약 17 내지 27%이다. 컨디셔닝 시스템(250)에 진입할 때, 슬러지 온도 T1은 약 80℃ 내지 110℃로 감소한다.

희석수의 주입은 가수분해된 슬러지 내 고형물 농도를 낮출 뿐만 아니라 가수분해된 슬러지의 온도를 더 낮출 수 있다. 희석수는 밸브(74)를 통해 이동하여, 각각 배관(77 및 75)를 통해 배관(29 및 63)에 있는 슬러지를 희석할 수 있다. 펌프(14)가 활성화될 때 활성화된 펌프(72)는 T2SET과 비교한 T2 및 F3SET과 비교한 F3를 기반으로 하여 조절된다. 밸브(74)는 T1SET과 비교한 T1을 기반으로 조절된다. T1이 T1SET 미만이면, 희석수는 배관(77)을 통해 배관(29)로 수용되지 않는다. 대신에, 이 조건하에서 전체 희석수는 배관(75)를 통해 배관(63)으로 수용된다. 다른 조건에서, T1이 T1SET을 초과하면, 밸브(74)는 T1이 T1SET 밑으로 떨어질 때까지 더 많은 희석수를 배관(77)을 통해서 배관(29)로 이동시키도록 작동될 수 있다. 시스템으로 들어가는 희석수의 유속 F3는 호퍼(12)에서의 고형물 농도, 소화조(12)로 이동하는 가수분해된 컨디셔닝된 슬러지의 원하는 고형물 농도, 소화조로 향하는 슬러지의 측정된 유속(F1), 및 증기 발생기(212)로 향하는 물의 측정된 유속(F2)의 감쇠 평균값에 기반하여 제어된다. 희석수 펌프(72)는 F3SET과 비교한 F3를 제어함으로써 조절된다.

배관(29)으로의 희석수 주입은 열교환기(270)로 진입하는 슬러지의 온도를 필요할 경우, 약 100℃까지 감소시킬 수도 있다. 열교환기(270)에서 증기 발생기(212) 급수의 예열은 가수분해된 슬러지를 냉각시킬 수도 있다. 예를 들어, 열교환기(270)가 사용될 경우, 배관(53)을 통해 공급된 처리된 물은 약 8℃일 수 있고, 이 폐수를 가열하면, 슬러지의 온도는 약 70 내지 90℃로 떨어질 수 있다. 슬러지가 아직 활성화되지 않은 부차적 열교환기(280A)를 통과했을 때, 필요할 경우 추가적인 희석수를 배관(75)를 통해 공급할 수 있다. 희석된 슬러지의 온도 T₂는 개시 중에 상승하고, T₂가 주어진 한계 내에서 T2SET에 도달하면, 개시 단계는 완료된 것으로 여겨질 수 있으며, 시스템은 정상 작동으로 넘어간다. 정상 작동 중에, T₂는 T2SET과 비교하여 밸브(20)(V2)의 조절에 의해 제어된다. 펌프(86), 펌프(82), 및 펌프(88)도 마찬가지로 T2SET과 비교한 T₂를 기반으로 조절된다. 안정 상태 작동 결과, 배관(59)에 있는 가수분해된 슬러지가 70 내지 90℃ 범위의 로우엔드(low end) 근처, 또는 약 70℃의 온도가 될 경우, 추가적 냉각의 필요는 일반적으로 희석만으로 해결된다. 따라서, 이 경우, 펌프(82 및 86)는 멈추고, 펌프(88)는 필요한 경우 열교환기 유닛(280A)이 슬러지 냉각에 사용되지 않는 동안 이 유닛의 표면부식 방지를 위하여 필요한 최소 속도까지 감속된다. 안정 상태 작동 결과, T1이 약 70 내지 90℃ 범위의 하이엔드(high end) 근처, 또는 약 90℃의 온도가 될 경우, 슬러지의 충분한 냉각은 일반적으로 희석수만으로는 효율적으로 성취될 수 없다. 이 경우, 펌프(86)는 약 40℃의 보일러수를 열교환기 유닛(280)의 루프(87)에 제공하도록 작동될 수 있고, 펌프(88)는 T6SET와 비교한 T6을 기반으로 조절되어 추가적 냉각을 위해 처리된 폐수의 필요한 흐름을 제공함으로써, 그 결과, 가수분해된 슬러지가 열교환기(280A)를 통과할 때 슬러지 온도가 약 70℃까지 하강한다. 슬러지의 온도는 전술한 바와 같이 희석에 의해 약 40℃까지 더 내려갈 수 있다. 70 내지 90℃ 범위 내의 슬러지 온도에서, 열교환기 유닛(280)에 의한 열제거율 또는 냉각율는 각각 설정점인 T2SET, T5SET, 및 T6SET에 비교한 T2, T5, 및 T6에 따라 펌프(82, 86, 및 88)의 제어에 의해 조절될 수 있다.

상술한 바와 같이, 일 구현예에서 희석수는 가열되고, 가수분해된 슬러지가 소화조(120)로 이동하기 전에 가수분해된 슬러지를 가열하기 위해 주입된다. 이렇게 하면, 유입되는 슬러지가 열교환기(212) 주변으로 우회하는 비율이 높아서 작동 효율이 감소하는 결과에 이를 수 있는 특정 매우 차가운 개시 및 작동 조건에서 유리할 수 있다. 이 구현예를 시스템(100)의 선택적 특징으로 활용하기 위하여, 제거 기술의 숙련자가 제어 공정을 간단하게 수정할 수 있음은 명백하다.

가수분해공정에서 가열된 슬러지 전부가, 유입되는 슬러지를 예열하는데 사용되어야 하는 것은 아님을 알 것이다. 선택적 자동 제어 우회 배관은 가열된 슬러지가, 위와 같은 방법에 의해서가 아니라, 희석과 연결된 하향류에서 필요에 따라 소화조(120)에 의해 사용될 수 있게 해준다.

제어 시스템의 일 구현예를 도 4a, 4b, 및 4c에 도시하였으며, 이 제어 시스템 논리는 전반적으로 부호 400으로 표시되었다. 이 구현예는 열교환기(216)와 반응기(214) 간에 탈수된 슬러지 흐름의 분배를 제어함으로써 개시 관리를 수행한다. 제어 시스템 논리(400)가 펌프 및 밸브의 PID 제어를 수행함은 제어 시스템 설계의 통상의 숙련자에게 명백할 것이다. 통상적으로 아는 바와 같이, 일반적 작동 조건 및 목적에 기반하여 선택된 일련의 상태 지표(status indicators) 및 상수는 제어 시스템(400)에 포함된다. 상태 지표인 Kl, K2, 및 K3는 다양한 밸브 및 펌프의 조절 상태를 표시하기 위하여 0 또는 1로 설정된다. 상수인 K2_T2, K2_T3, K4_T2, K5_T2, 및 K6₁₂는 시간값으로서, 특정 비교 기준을 평가하는 시간적 기간을 제공하는데 활용된다. 이들 상수는 거의 일치하는 값을 가질 수 있으며, 1 보다 약간 높거나 1 보다 약간 낮은 값은, 각각의 설정점과 비교하여 다양한 시스템 변수를 시험한 결과를 볼 때, 안정한 작동을 가능하게 한다. 상수 K_t도 마찬가지로 시간값으로서, 시스템의 어떤 요소가 조절되어야 하는지 결정하기 위하여, 설정 시간 동안 어떤 일이 일어나지 않는지 시험하는데 활용된다. 이러한 시간값은 통상 각각 약 2초일 수 있다. 상수인 K1_T2, K3_T2, K3_T3 및 K4_T4는 설정점에 완전히 이르기 전에 어떤 일을 수행하게 하거나, 또는 설정점이 주어진 경계를 초과할 때까지 어떤 일을 지연시킬 수 있다. 후자의 상수는 각각 통상 약 1 또는 보다 구체적으로는 약 0.96 내지 약 1.04일 수 있는 값을 갖는 무차원 양이다. 따라서, 상태 지표 및 상수는 신호 및 지원 제어 시스템 안정성을 제공한다. 또한, 이 기술분야의 숙련자들은 모터가 짧은 간격으로 여러 번 멈추고 시작하는 것을 피하고, 이렇게 짧은 간격일 경우 일어날 수 있는 열순환을 피하기 위하여, 이들 상수가 시스템(400)에서 어떻게 배치되는지 알 것이다. 추가적 상수인 Hzl4min는 슬러지 공급을 지속적으로 하기 위한 펌프(14)의 최소 작동 속도를 정립하기 위하여 채용된다.

따라서, 시스템(400)은 도 4a, 4b, 및 4c에 부호 410, 420, 425, 430, 440, 450, 460, 470, 및 480으로 표시한 아홉개의 PID 조절기를 포함한다. 이들 PID 조절기 각각은 1개 이상의 시스템 변수 및 각각 이들의 설정값을 기반으로 펌프 또는 밸브를 조절한다. PID 조절기(480)은 도 4c에서 두개의 가상공간에 나타나지만, 하나의 조절기임을 알 것이다. 이 배치는 도면을 단순화하기 위하여 활용된다. 예로서, 조절기(410)는 펌프(56)의 속도 및 방향을 제어한다. 시스템의 개시 모드 중에 펌프(86)는 시스템에 압력을 형성하기 위하여 소화조(120)으로부터 슬러지를 실제로 반대방향으로 펌핑할 수 있다는 것을 전술로부터 기억할 것이다. 도 4a에서 알 수 있듯이, PID 조절기(410)은 P1SET와 비교한 P1을 기반으로 펌프(56)을 제어한다. 유사하게, 다른 예로서, PID 조절기(480)는 APSET와 비교한 ΔP를 기반으로 밸브(18)(V1)를 제어한다. PID 조절기 또는 제어기의 사용에 있어, 비례, 적분, 및 미분 제어의 상대적 가중치의 튜닝은 통상 필요하며, 여러가지 공지된 절차에 따라 수행될 수 있음을 숙련자들은 알 것이다.

밸브(18 및 20)(V1 및 V2)의 PID 제어가 전부 PID 제어기로 이루어질 수 있는 반면, 본 발명의 시스템 특성은 PID 및 증분 제어(incremental control)를 조합하여 사용할 수 있게 한다. 증분 제어는 블록 435, 436, 및 437에 나타내었다. 실제로, 밸브(20)(V2)의 경우 증분 제어만이 호출된다. 특정 산출 제어 신호의 집합을 갖는 결정 블록(411, 415, 416, 417, 418, 419, 421, 422, 423, 424, 425, 427, 428, 및 429)에서 표시된 바와 같은 조건에서 V2는 블록 435에서 증분함으로써 조절된다. 이와 유사하게, V2는 그러나, 블록 429의 결정은 V2 증분이 일어나는 경우와는 달리, 결정 블록 431이 밸브(18)(V1)를 완전히 개방하라고 결정할 때에, 동일한 결정 사슬에서 표시된 바와 같이 감쇠함으로써 블록 437에서 조절된다. 상기 개시로부터, 시스템 논리(300)는 전술한 것에 더하여 결정 블록 426을 포함하는 일련의 결정 블록을 포함한다는 것이 명백하다. 각 결정 블록은 특정 제어 변수값에 적용되는 블록에서 알려진 기준을 기반으로 제어 동작 단계들 중에서 특정한 선택을 수행한다. 예를 들어, 결정 블록 426은 다음 질문에 대답한다: "T3는 K2T3 보다 긴 시간 동안 온도 T3SET 및 K3T3의 곱을 초과했는가?" 이 질문에 대한 대답은 반응기(214)의 온도가 원하는 값에 가까워지는지를 효과적으로 결정한다. T3가 T3SET에 근접하면, 펌프(14 및 72)는 제어 동작 블록 432에 나타낸 바와 같이 시작되고, 제어 단계 433, 434 및 480을 거쳐 410으로 되돌아간다. T3가 T3SET에 충분히 근접하지 못하면, 펌프(14 및 72)는 시작되지 않는다. 대신에 제어는 블록 410으로 되돌아간다.

논리(300)는 PID 조절기 또는 제어기에 더하여 일련의 제어 동작 블록을 포함한다는 것을 전술로부터 알 수 있다. 이들은 다른 것들 중에 블록 401, 402, 412, 413, 414, 438, 439, 441을 포함한다. 예를 들어, 제어 동작 블록 432가 위에 서술되었다. 다른 예로는, 제어 동작 블록 414는 증기 발생기(212)가 시작되었는지 표시하기 위하여 상태 표지 K3를 밸브 1에 대하여 설정한다. 논리(300)는 논리도의 블록들에 의해 대표되는 물리적 요소들을 접하는 컴퓨터에 작동하는 프로그램의 맥락에서 이해될 수 있음을 이 기술분야의 숙련자들은 알 것이다. 이러한 인터페이스는 컴퓨터가 명령, 예컨대 밸브(20)(V2)를 증분(increment) 또는 감소분(decrement)하기 위해 이 밸브와 관련된 모터의 단계를 상승시킬 수 있게 해준다. 또한, 프로그램은 디지털 루프에서 반복되는 사이클에서 논리를 통해 단계별로 작동시킨다. 각 단계에서, 논리는 어떤 사이클에서 결정에 도달했을 때, 각 결정 블록에서 도달된 결정에 기반하여 동작을 지시한다. 이러한 결정은 각 지점의 결정을 기반으로 논리의 서로 다른 가지들을 따르는 프로그램 단계들의 코스를 지시한다. 제어 사이클의 반복은 시스템이 작동하는한 끊임없이 반복된다. 제어 루프가 블록 410에서 시작하고, 그 다음번 사이클이 시작되는 블록 410으로 돌아감으로써 종료되는 사이클과 만나는 결정 블록의 결정을 따라 논리를 통해 추적한다고 여길 수 있음을 도 4a, 4b, 및 4c로부터 알 수 있다.

대안적 구현예는 본 발명의 범위 내에서 슬러지 온도를 제어하는 다양한 방법들을 대표하기 위하여 존재함을 알 것이다. 전술한 바와 같은 일 구현예는 대안적 슬러지 온도 제어법으로서 희석수를 예열하는 단계를 포함한다. 잘 알려진 제어 시스템 변환을 이용하여, 도 4a, 4b, 및 4c의 논리는 이 대안적 제어 전략을 수행하도록 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명은 슬러지의 효과적인 무산소 소화를 지원하기 위하여 최적의 온도 및 고형물 함량의 가수분해된 슬러지를 제공하기 위하여, 일련의 냉각 및 희석 서브공정과 함께 가수분해를 이용하는, 탈수된 슬러지의 연속적 처리를 위한 제어 시스템 및 공정을 제공한다. 여기에 개시된 바와 같은 제어법의 적용은 가수분해된 슬러지를 최적 온도로 제어하는 단계를 제공한다. 이러한 제어 시스템으로 효율적으로 작동할 경우, 무산소성 소화는 바이오가스로 연료 자원을 제공한다. 본 발명은 물론 본 발명의 필수적 특징에서 벗어나지 않으면서 상기 구체적으로 개시한 방식 외에 다른 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명의 구현예는 모든 면에서 설명하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것으로 여겨서는 안되고, 첨부된 청구범위의 의미 및 동등한 범위 내에서 모든 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

슬러지 처리 방법으로서,
(a) 슬러지를 탈수하는 단계;
(b) 탈수된 슬러지를 일반적으로 수직 방향의 열교환기로 이동시키는 단계로서, 열교환기는 열교환기 하부에 위치한 슬러지 입구, 열교환기 상부에 위치한 슬러지 출구, 열교환기 상부에 위치한 가수분해 슬러지 입구 및 열교환기 하부에 위치한 가수분해 슬러지 출구를 포함하는 것인, 탈수된 슬러지를 열교환기로 이동시키는 단계;
(c) 슬러지를 슬러지 입구로, 및 열교환기를 통하여 위쪽으로, 및 슬러지 출구 밖으로, 및 가수분해 반응기 내로 이동시키는 단계;
(d) 가수분해 반응기에서 슬러지를 가수분해하는 단계;
(e) 가수분해된 슬러지를 열교환기의 가수분해 슬러지 입구로 통과시키는 단계;
(f) 슬러지가 열교환기를 통하여 위쪽으로 이동할 때 가수분해된 슬러지를 열교환기를 통하여 아래쪽으로 이동시킴으로써 슬러지-대-슬러지(sludge-to sludge) 열전달을 제공하는 단계;
(g) 가수분해된 슬러지를 열교환기의 가수분해 슬러지 출구 밖의 무산소성 소화조로 이동시키는 단계; 및
(h) 무산소성 소화조에서 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키는 단계
를 포함하는 슬러지 처리 방법.
제1항에 있어서, 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기를 통과하지 않고 열교환기 주변을 통해 가수분해 반응기로 이동시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 무산소성 소화조로 진입하는 가수분해된 슬러지의 온도를 높이기 위하여, 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기 주변을 통해 가수분해 반응기로 이동시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 슬러지 내의 고형물 비율을 조정하기 위하여, 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가수분해된 슬러지를 냉각시키기 위하여, 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가수분해된 슬러지를 가열하기 위하여, 희석수를 가열하고 가열된 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제6항에 있어서, 가열된 희석수는 상기 처리 방법의 개시기간 중에 가수분해된 슬러지에 투입되는 것인 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가수분해된 슬러지를 실린더의 상단으로 및 실린더를 통하여 아래쪽으로 이동시키고, 탈수된 슬러지를 실린더를 통해 연장되고 서로 이격된 일련의 도관들을 통해 위쪽으로 이동시킴으로써, 실린더를 관통하는 가수분해된 슬러지로부터 실린더의 도관들을 위쪽으로 관통하는 탈수된 슬러지에 열이 전달되기 때문에 슬러지-대-슬러지 열전달을 발생시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
가수분해된 슬러지를 무산소성 소화조의 상향류에 배치된 1개 이상의 열교환기를 통하여 이동시킴으로써, 무산소성 소화조의 상향류에서 가수분해된 슬러지를 냉각시키는 단계; 및
가수분해 반응기와 무산소성 소화조 사이의 어떤 지점에서 희석수를 가수분해된 슬러지와 혼합함으로써, 가수분해된 슬러지의 고형물 농도를 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
증기 발생기에 의해 생산된 증기로 가수분해 반응기를 가열시키는 단계; 및
증기 발생기 급수 및 가수분해된 슬러지를 가수분해 반응기의 하향류에 배치된 열교환기로 이동시키고, 가수분해된 슬러지로부터 증기 발생기 급수에 열을 전달함으로써 가수분해된 슬러지의 온도를 낮추는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가수분해된 슬러지로부터 탈수된 슬러지로의 열전달을 증가시키기 위하여, 일반적으로 수직인 열교환기가 수직에서 약간 기울어진 것인 방법.
제11항에 있어서, 열교환기를 통해 탈수된 슬러지에 열을 전달하는 열교환기 내에 배치된 튜브 주변의 가수분해된 슬러지에서 경계층이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 열교환기는 수직에 비해 약 15°기울어진 것인 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 반응기는 압력서지(pressure surge)를 흡수하기 위하여 열교환기의 상단에 배치된 에어포켓을 포함하는 것인 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가수분해 반응기는 가수분해 반응기로부터 비응축성 가스를 배출하기 위한 통기 시스템을 포함하는 것인 방법.
슬러지 처리 방법으로서,
(a) 슬러지를 탈수하는 단계;
(b) 탈수된 슬러지를 가수분해 반응기로 이동시키고, 탈수된 슬러지를 가수분해하는 단계;
(c) 가수분해된 슬러지를 무산소성 소화조로 이동시키는 단계;
(d) 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키는 단계;
(e) 탈수된 슬러지가 가수분해 반응기에 진입하기 전에 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 가열하기 위하여 가수분해 반응기의 출구면에 열교환기를 제공하는 단계로서, 상기 열교환기는 가수분해된 슬러지와 탈수된 슬러지 간의 슬러지-대-슬러지 열전달을 제공하는 것인 단계; 및
(f) 슬러지 처리의 특정 기간 중에 탈수된 슬러지의 열교환기 통과 유량을 변화시키는 단계로서,
(i) 개시 모드 중에는 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기 우회 배관을 통하여 가수분해 반응기로 이동시키고; 및
(ii) 안정상태(steady state) 모드 중에는 탈수된 슬러지의 대부분을 열교환기를 통과하게 한 후 가수분해 반응기로 이동시킴으로써, 탈수된 슬러지의 열교환기 통과 유량을 변화시키는 단계;
를 포함하는 슬러지 처리 방법.
제15항에 있어서, 개시 모드의 초기 중에는 탈수된 슬러지의 실질적 전량을 열교환기 우회 배관을 통하여 가수분해 반응기로 이동시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제16항에 있어서, 개시 모드의 초기 이후에는 시간이 지남에 따라 열교환기를 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 증가시키고, 개시 모드 중에 열교환기 우회 배관을 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 감소시키는 것인 방법.
제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 안정상태 모드의 선택된 기간 중에 탈수된 슬러리의 실질적 전량을 가수분해 반응기에 도달하기 전에 열교환기를 통하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 안정상태 모드 중에 열교환기를 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 감소시키고 열교환기 우회 배관을 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 증가시킴으로써, 무산소성 소화조로 이동하는 가수분해된 슬러지의 온도를 높이는 단계를 포함하는 것인 방법.
제15항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 슬러지 내의 고형물 비율을 조정하기 위하여 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제20항에 있어서, 가수분해된 슬러지에 희석수를 투입하는 단계는 희석수에 의해 가수분해된 슬러지를 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
제15항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 슬러지의 온도를 조정하거나, 또는 슬러지 내의 고형물 비율을 조정하기 위하여 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제22항에 있어서, 희석수를 가수분해된 슬러지에 투입하는 단계는 희석수를 슬러지에 투입하기 전에 희석수를 가열하는 단계, 및 가열된 희석수에 의하여 슬러지를 가열하는 단계를 포함하는 것인 방법.
슬러지 처리 시스템으로서,
(a) 슬러지의 탈수를 위해 구성된 슬러지 탈수 유닛;
(b) 탈수된 슬러지를 가수분해하기 위해 구성된 슬러지 가수분해 반응기;
(c) 탈수된 슬러리가 가수분해 반응기에 진입하기 전에 탈수된 슬러리의 적어도 일부를 가열하기 위해 구성된 열교환기로서, 이 열교환기는 가수분해된 슬러지와 탈수된 슬러지 간의 슬러지-대-슬러지 열전달을 위해 구성된 것인 열교환기;
(d) 가수분해된 슬러지를 무산소로 소화시키기 위하여 구성된 무산소성 소화조; 및
(e) 제어기;를 포함하며,
상기 제어기는 슬러지 처리의 소정의 기간 중에 열교환기를 통과하는 탈수된 슬러지의 유량을 변화시킴으로써 슬러지 처리를 제어하기에 적합한 것으로,
(i) 개시 모드 중에는 탈수된 슬러지의 적어도 일부를 열교환기 우회 배관을 통하여 가수분해 반응기로 이동시키고; 및
(ii) 안정상태 모드 중에는 탈수된 슬러지의 대부분을 열교환기를 통과하게 한 후 가수분해 반응기로 이동시킴으로써, 탈수된 슬러지의 통과 유량을 변화시키는 것인 슬러지 처리 시스템.