KR20160102193A - 높은 건조 값을 갖는 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 물질을 함유하는 처리될 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법, 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 방법은 적어도 a. 상기 처리될 슬러지를 분해(de-structuring)하여 분해된 슬러지를 생성하는 단계; b. 상기 분해된 슬러지를 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해하여 가수분해된 슬러지를 생성하는 단계; 및 c. 상기 가수분해된 슬러지를 냉각하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 분해(de-structuring) 단계는 상기 처리될 슬러지를 동적 혼합기에 도입하는 단계; 및 상기 동적 혼합기로부터 나온 상기 슬러지를 가열하는 단계로 구성되며, 이 가열은 상기 동적 혼합기로부터 나온 슬러지 및 상기 가수분해된 슬러지를 모두 열 교환기 내로 도입함으로써 얻어지고, 이 도입은 상기 냉각을 유도한다.

Description

높은 건조 값을 갖는 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법{METHOD FOR THE CONTINUOUS THERMAL HYDROLYSIS OF SLUDGE WITH A HIGH DRYNESS VALUE}

1. 본 발명의 분야

본 발명의 분야는 정화 스테이션(cleansing stations)에서의 슬러지와 같은 유기 물질을 함유하는 슬러지의 처리에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기 물질을 함유하는 기타 폐기물과 혼합되거나 혼합되지 않은, 유기 물질을 함유하는 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법에 관한 것이다. 이 슬러지 또는 이러한 폐기물은 예를 들어 생활 폐수의 처리로부터 나올 수 있거나(예를 들어, 정화 스테이션으로부터 나온 소화된 또는 소화되지 않은 슬러지, 전처리 공정으로부터의 지방 등), 또는 산업 폐수의 처리로부터 나올 수 있거나(예를 들어, 농업 식품 산업으로부터 나온 폐수, 도살장에서의 유출물, 당밀 등), 또는 그리스 탱크(grease tank)로부터 방출된 물질에 의해 구성될 수 있다. 용어 "슬러지"는 이하에서 이러한 슬러지 및/또는 이러한 폐기물을 지정하는데 사용될 것이다.

2. 종래 기술

생활 폐수 또는 산업 폐수의 처리에서 나온 슬러지는 특히 혐기성 소화에 의해 생물학적으로 처리될 수 있다.

생물학적 처리의 목적은, 안정화를 위하여 슬러지에 함유된 유기 물질을 분해하여, 그것의 최종 부피를 감소시키고, 바이오 가스의 생산을 통해 에너지를 회수하는 것이다. 그러나, 일부 유기 화합물은 생물학적 수단에 의해 분해하기 어렵다. 슬러지 분해의 한계를 늘리기 위해, 열 가수분해 방법에 의존할 수 있다. 이 열처리는 일반적으로 가압 하에서 100℃ 이상의 온도, 실제로 최대 220℃로 될 수 있는 온도에서, 소정의 시간, 실제로 일반적으로 반 시간 동안 수행된다. 이러한 열 가수분해 처리를 통해, 초기에는 생분해되기 어려운 유기 물질의 일부가 보다 쉽게 생물학적으로 분해가능한 화합물로 전환된다.

종래에, 이러한 후속적인 생물학적 분해는 소화기(digester)라는 혐기성 반응기(anerobic reactor) 내에서 소화에 의해 행하여 진다. 이러한 혐기성 소화기는, 일반적으로 가열 시스템을 필요로 하는 적절하고 일정한 온도에서 작동하는 경우 및 적절하게 교반되는 경우에만 정상적으로 작동할 수 있다. 이러한 교반은 소화기에 유입되는 슬러지가 유체인 경우, 즉 낮은 점도를 갖는 경우, 보다 쉽게 수행될 수 있다.

종래 기술에서, 다양한 타입의 열 가수분해 방법이 공지되어 있다. 이들 방법들 중 일부는 주어진 양의 가수분해될 슬러지를 하나씩, 즉 불연속적으로 처리함으로써 수행된다(이것은 배치 조작으로 알려져 있음). 다른 방법들은 가수분해될 슬러지의 연속적인 처리 또는 적어도 반 연속적인 처리를 가능하게 하도록 설계된다.

이러한 장치 및 열 가수분해 방법에 관한 종래 기술 중에서, 특히 특허 문헌 WO96/09882 및 WO2006/027062를 참조할 수 있으며, 양자 모두 배치 방법에 관한 것이다.

이러한 배치 방법은 처리되어야 할 슬러지의 상이한 배치를 처리하기 위한 사이클의 관리 및 예를 들어 조기 마모를 초래할 수 있는 밸브의 개폐와 같은 특정 장치의 반복적인 동작을 필요로 하는 단점을 갖는다. 이러한 작업 모드는 또한 생 증기(live steam) 및 플래쉬 증기(flash steam)의 사이클의 관리를 필요로 한다. 무엇보다도, 이러한 작업 모드는 에너지 회수에 대한 낮은 잠재성을 갖는다.

열 가수분해에 의해 연속 또는 반 연속적으로 슬러지를 처리하는 기술은 특허 문헌 EP1198424 및 특허 문헌 WO2009/121873에 기재된 것들을 포함한다.

이러한 기술은, 소화기에 주입 이전에, 가수분해된 슬러지의 냉각을 위한 가수분해되고 농축된 물-슬러지 교환을 수행한다. 실제로, 교환기의 관리는 유지 보수 및 청소를 위한 중단 기간을 요구하기 때문에 사용자에게 어렵고 제약을 수반한다. 또한, 이 구성은 10% 이상의 건조 함량을 갖는 슬러지를 처리하는데 사용될 수 없을 정도로, 처리될 슬러지의 농도의 관점에서 제한된다. 또한, 슬러지가 보다 농축될 경우(즉, 건조 함량이 20%를 초과하여 수분 함량이 80% 미만인 경우), 증기와 함께 가열될 (슬러지에 함유된) 물의 체적이 감소하여 증기에 대한 필요성이 더욱 감소할 것이므로, 에너지 소비의 관점에서 최적화되지 않는다. 용어 슬러지의 "건조 함량"(또는 "건조-고체 함량")은 슬러지가 함유하는 건조 물질의 중량 퍼센트(percentage by weight)를 나타낸다. 실제로, 슬러지는 유기 물질, 미네랄 물질(mineral matter) 및 물의 혼합물로 형성된 유체이다. 슬러지의 건조 함량은 건조 물질의 중량과 슬러지의 총 중량 사이의 비율을 설정함으로써 계산된다.

특허 문헌 WO2009/121873에 기재된 기술에서, 슬러지는 증기가 직접 주입되는 튜브 형상을 갖는 열 가수분해 반응기에서 연속적으로 처리된다.

이 방법은 진정으로 연속적이라는 장점을 갖는다. 그러나, 그 방법은 시장에 존재하는 다른 방법에 비해 열 가수분해에 의해 상당히 개선된 슬러지의 처리를 가짐에도 불구하고, 일부 단점을 갖는다.

실제로, 반응기에 도입된 가수분해될 슬러지의 건조 함량이 너무 높으면, 이 슬러지에 증기를 주입하는 것이 어려운 것으로 밝혀졌다. 건조 함량의 일정 수준을 넘으면, 열 가수분해는 불완전하고, 이 가수분해의 하류에서 제공되는 혐기성 소화의 성능을 제한할 수 있다.

따라서, 높은 건조 함량을 갖는 슬러지의 열 가수분해 방법은 이 슬러지에 증기의 주입 및 주입된 증기와 슬러지의 혼합을 효율적으로 수행하는데 있어서 어려움에 직면해 있다.

종래의 열 교환기는 슬러지와 같은 끈적한 유체(pasty fluid)를 처리하도록 설계되지 않아서, 연속적인 열 가수분해 방법은 현재 그 에너지 소비를 최적화할 수 없다. 따라서, 실제로, 가수분해된 슬러지로부터 열을 회수하기 위해 이러한 열 교환기의 사용을 생각하는 것은 불가능하다.

그러나, 열 교환기 또는 추가적인 기계적 수단을 사용하는 장치에 슬러지를 밀어넣기 위해 사용되는 스크레이퍼 축(scraper shaft)이 제공되는 "스크레이프 표면(scraped surface)" 열 교환기라 칭하여지는 열 교환기가 알려져 있다.

그러나, 이러한 열교환기는 이론적으로 10% 이상의 건조 함량을 갖는 슬러지로 작동할 수 있지만, 이들은 실제로 8% 내지 10%의 건조 함량 값으로 한정된다. 이는, 슬러지가 유기 물질, 미네랄 물질 및 물로 구성된다는 슬러지의 특성에 의해 설명될 수 있다. 슬러지의 끈적하고(pasty), 점성이고, 비 균일한 특성은 그 흐름을 방해한다. 스크레이프 표면 열 교환기의 또 다른 중요한 단점은 그것이 들어오는 슬러지를 가열하거나 또는 나가는 슬러지를 냉각하기 위하여 중간 유체, 일반적으로 물을 요구한다는 것이다. 보다 구체적으로, 열 가수분해 공정으로부터의 출구에서 가수분해된 슬러지에 의해 가열된 물은 가수분해 공정에 대한 입구에서 처리될 슬러지로 열의 일부를 전송할 것이다. 10%의 최대 건조 함량 한계를 초과하면, 처리될 슬러지의 건조 함량에 따라 일부 bar의 순으로 압력 손실이 관찰되고, 열 교환기의 동작의 어려움은 상기 방법을 경제적으로 유망하지 못하게 한다.

또 다른 단점은 이들 교환기가 용량이 제한되어 있다는 것이며, 따라서 충분한 양을 처리하기 위해 일련의 여러 교환기를 배치할 필요가 있다. 그 결과, 교환기를 구동하는 모터의 에너지 소비가 증가하고, 이것은 에너지 소비의 관점에서 불리하다.

이러한 스크레이핑 축 교환기 또는 추가적인 기계적 수단을 사용하는 교환기의 또 다른 단점은 그 유지 보수에 관한 것이다. 끈적한 슬러지의 순환과 관련된 오염(fouling)은 수행되기 어려운 정기적인 유지 보수를 필요로 한다. 이러한 정기적인 유지 보수는 공정의 완전한 중단, 또는 다른 동작을 계속하면서 일부 교환기의 유지 보수를 허용하도록 교환기의 수의 증가를 내포한다.

3. 본 발명의 목적

본 발명은, 특히 종래 기술의 이러한 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 적어도 일 실시예에서, 10% 이상의 건조 함량을 갖는 슬러지의 처리를 가능하게 하는 슬러지의 열 가수분해 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 적어도 일 실시예에서, 종래의 방법과 비교하여 에너지 절약을 달성할 수 있는 이러한 방법을 수행하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 적어도 일 실시예에서, 슬러지의 예열을 수행하고, 동시에 압력 손실을 제한하는 것이 가능한 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 또한, 적어도 일 실시예에서, 사용된 장치의 유지 보수를 용이하게 하는 것이 가능한 종류의 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

4. 본 발명의 요약

이하에서 명백하게 될 이러한 목적 등은, 유기 물질을 함유하는 처리될 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 적어도:

a. 상기 처리될 슬러지를 분해(de-structuring)하여 분해된 슬러지를 생성하는 단계;

b. 상기 분해된 슬러지를 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해하여 가수분해된 슬러지를 생성하는 단계;

c. 상기 가수분해된 슬러지를 냉각하는 단계를 포함하고,

분해(de-structuring) 단계는,

- 상기 처리될 슬러지를 동적 혼합기에 도입하는 단계;

- 상기 동적 혼합기로부터 나온 상기 슬러지를 가열하는 단계, 이 가열은 상기 동적 혼합기로부터 나온 슬러지 및 상기 가수분해된 슬러지를 모두 열 교환기 내로 도입함으로써 얻어지고, 이 도입의 단계는 상기 가수분해된 슬러지의 냉각을 유도함;으로 구성된다.

따라서, 본 발명은, 처리될 슬러지를 동적 혼합기에서 높은 속도 구배로 적용시키고, 둘째로 임의의 중간 유체를 사용하지 않고 열 가수분해에 의해 처리된 슬러지로부터 열을 회수하는데 있어서 처리될 슬러지를 가열함으로써, 열 가수분해 방법의 상류에서 처리될 슬러지의 유동성을 증가시킨다. 본 발명자들은 실제로, 슬러지에 높은 전단 스트레인(shear strain)을 적용하는 것이 슬러지의 구조를 파괴하고 그 점도를 낮게 하여서, 슬러지를 유동화시키는 것을 인식하였다. 열에 의한 슬러지의 점도 상의 긍정적 작용 및 기계적 분해의 조합은 처리될 슬러지를 더욱 유동화시킬 수 있다.

슬러지가 동적 혼합기에서의 높은 속도 구배의 적용에 의해 유동화되면, 이들은 열 교환기 내로 통과함으로써 가열된다. 본 발명에 따르면, 이러한 열 교환기는 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 중간 유체를 가지고 작동하지 않으며, 즉 이러한 열 교환기는 가수분해된 슬러지로부터 열을 직접적으로 회수하여 처리될 분해된 슬러지를 가열한다. 다시 말해서, 본 발명에 의해 제안된 바와 같은 슬러지/슬러지 열 교환기는, 처리될 슬러지가 임의의 중간 열 전달 유체를 사용하지 않고 고온에 있는 배출 슬러지로부터 열을 직접적으로 회수하는 열 교환기이다. 이러한 특징은, 예를 들어 이하의 많은 장점을 가진다.

- 열은 분해된 슬러지의 낮은 점도를 유지하는 데 기여하고,

- 임의의 중간 유체를 사용하지 않고, 가수분해된 슬러지의 열의 회수는 실질적인 에너지 절약, 특히 에너지 소비의 반감(halves energy consumption)을 가능하게 하고,

- 유동화된 슬러지는 열 교환기에서 보다 쉽게 순환하며, 여기서 슬러지는 온도가 연속적으로 상승하고 그 점도가 추가로 감소하며, 따라서 종래 기술과 비교하여 압력 손실이 크게 제한되며, 그리고 교환기의 오염이 제한된다.

보다 구체적으로, 열은 슬러지의 점도를 감소시키고, 슬러지를 낮은 점도의 상태로 유지하며, 따라서 열 교환기에서 압력 손실을 크게 줄이고, 열 교환기의 오염을 제한한다.

단독 증기의 주입은 슬러지를 유동화하기에 충분하지 않고, 열 교환기에서 슬러지의 흐름의 문제를 해결하지 않는다.

따라서, 본 발명은, 슬러지의 구조에서 속도(speed)의 효과 및 임의적으로 열 효과를 조합한 슬러지의 분해 단계를 제공한다. 슬러지에 높은 전단율의 적용은 슬러지의 구조를 파괴해서, 그 점도를 감소시킨다. 슬러지에 열을 적용하는 것은, 온화한 수준이라 하더라도, 분해된 슬러지를 더욱 유동화시킨다. 따라서, 슬러지가 열 교환기를 통과하도록 하는 것이 쉽고, 즉 유동화된 슬러지는 보다 쉽게 흘러서, 압력 손실이 상당히 감소한다.

또한, 가수분해 반응기로부터 배출된 슬러지는 160℃ 이상의 온도에 있게 된다. 그 열을 회수하는 것은 본 방법에서 에너지 소비를 현저히 감소시킨다. 특히, 가수분해된 슬러지는 그들의 열을 처리될 분해된 슬러지에 제공해서, 첫째로 가수분해된 슬러지가 후속적인 처리 단계로 이송되지 전에 냉각될 수 있게 하고, 둘째로 분해된 슬러지가 저렴한 비용으로 가열될 수 있게 한다.

본 발명의 방법은 또한, 동적 혼합기에 처리될 슬러지를 도입하기 위해, 처리될 슬러지를 펌핑(pumping)하는 예비 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 처리될 슬러지는 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 40%의 건조 함량을 갖는다.

특히 바람직한 실시예에서, 분해(de-structuring) 단계는 상기 동적 혼합기에 증기를 주입하는 단계를 더 포함한다.

동적 혼합기에 증기의 주입, 즉 처리될 슬러지를 전단력에 의해 분해하는 단계 동안, 슬러지의 점도를 크게 감소시킬 수 있다.

유리하게, 상기 처리될 슬러지는 상기 동적 혼합기 내에 1500 rpm 내지 4000 rpm의 속도 구배로 적용된다. 본 발명에 따르면, 동적 혼합기는 열 교환기의 상류에 위치한다.

바람직하게, 상기 열 가수분해 단계는 165℃ 내지 180℃의 온도 및 8 bar 내지 10 bar의 압력에서 수행된다.

바람직하게, 상기 동적 혼합기에 주입된 증기는 120℃ 내지 190℃의 온도 및/또는 2 bar 내지 13 bar의 압력을 갖는다. 바람직하게, 상기 동적 혼합기에서의 슬러지는 25℃ 내지 55℃, 바람직하게 35℃ 내지 45℃, 보다 바람직하게 약 40℃의 온도를 갖는다. 본 발명자들은 190℃에서 증기의 주입은 상기 동적 혼합기에서 약 40℃의 슬러지의 온도를 제공하는 것을 관찰하였다. 이것은 분해된 슬러지의 점도가 약 60% 감소할 수 있게 한다.

특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 열 교환기로부터 배출된 상기 슬러지에 가압 하에서 증기의 주입 및 동적 주입-혼합기에 의해 상기 증기와 상기 슬러지의 혼합을 동시에 수행하여, 원하는 열 가수분해 온도로 가열된 분해된 슬러지의 균일한 혼합물을 얻는 단계를 더 포함하며, 상기 혼합물은 상기 열 가수분해 반응기로 이송된다.

바람직하게, 상기 동적 주입-혼합기에 주입된 증기는 1 bar 내지 23 bar의 압력, 및/또는 13℃ 내지 220℃의 온도를 갖는다.

바람직하게, 상기 동적 주입-혼합기는 로터를 포함하며, 상기 분해 단계 동안 상기 로터의 회전 속도는 500 rpm 내지 2000 rpm이다. 바람직하게, 로터의 회전 속도는 약 2000 rpm이다.

바람직한 일 실시예에서, 상기 냉각 단계 이후, 가수분해되고 냉각된 상기 슬러지를 소화하는 단계가 수행된다.

본 발명의 특징은 또한 가수분해된 슬러지가 그것의 열을 슬러지/슬러지 열 교환기에서 예열된 기계적으로 분해된 슬러지에 직접 제공한다는 점이다. 이러한 방식으로, 분해되고 예열된 슬러지는 가수분해된 슬러지에 의해 직접 가열되어서, 그것의 유동성을 증가시키는데 기여한다. 따라서, 가수분해된 슬러지는 동시에 냉각되고 소화 단계에 적용될 수 있다.

높은 건조 함량을 갖는 슬러지의 유동화를 허용하는 본 발명에 따르면, 임의의 중간 유체(물(water))를 이용하지 않고 열 교환기를 사용할 수 있으며, 즉 가수분해된 슬러지가 그 열을 분해된 처리될 슬러지에 직접 제공한다. 따라서, 상당한 에너지 절약이 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치에 관한 것이며, 상기 장치는:

a. 처리될 슬러지를 이송(conveying)하는 수단;

b. 상기 처리될 슬러지를 위한 입구 및 분해된 슬러지를 위한 출구를 포함하는 동적 혼합기;

c. 상기 분해된 슬러지의 출구 및 가열 분해된 슬러지의 출구에 연결된 제1 입구를 포함하는 열 교환기;

d. 상기 가열 분해된 슬러지의 출구, 가압 하의 증기의 입구 및 가수분해된 슬러지의 출구를 포함하는 열 가수분해 반응기;

e. 상기 가수분해된 슬러지를 재순환하는 수단을 포함하며, 상기 재순환하는 수단은 상기 열 교환기의 제2 입구에 연결되고, 상기 열 교환기는 냉각 가수분해된 슬러지의 출구를 더 포함한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 상기 동적 혼합기에 증기를 주입하기 위한 수단을 더 포함한다. 동적 혼합기에 증기의 주입은 분해된 슬러지의 점도를 감소시켜서 분해된 슬러지가 열 교환기로 전달되게 한다. 이것은 또한 로터를 작동시키는데 사용되는 에너지를 절약할 수 있다.

특히 바람직한 일 실시예에서, 본 발명에 따른 장치는 동적 주입-혼합기를 더 포함하며, 상기 동적 주입-혼합기는 상기 열 교환기로부터 나온 분해된 슬러지를 위한 입구, 증기 입구, 및 상기 열 가수분해 반응기의 입구에 연결된 가열 분해된 슬러지의 균일한 혼합물을 위한 출구를 포함한다.

본원 명세서에서, 용어 "동적 주입-혼합기(dynamic injector-mixer)"는, 출구에서 균일한 혼합물을 얻기 위해 챔버로 들어가는 상이한 상(different phases)의 교반을 모터 구동의 기계적 수단을 통해 일으키는데 사용되는 수단 및 챔버에 의해 구성된 임의의 혼합기를 나타낸다. 이러한 구성요소는, 예를 들어 로터에 의해 구동되는 블레이드 또는 스크류로 구성되거나 또는 로터에 의해 구동되는 임의의 다른 혼합 수단으로 구성될 수 있다. 동적 주입-혼합기는 분해된 슬러지의 균일한 혼합물을 생산할 수 있다. 혼합물의 균일성은 열 가수분해 반응의 효율성에 기여한다. 상기 동적 주입-혼합기에 주입된 증기는 생 증기(live steam) 또는 재순환된 증기(recycled steam)일 수 있다. 재순환된 증기는, 특히 열 가수분해 단계로부터 발생할 수 있다. 바람직하게, 주입된 증기는 생 증기이다.

바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 상기 냉각 가수분해된 슬러지의 출구에 연결된 입구를 포함하는 소화기를 더 포함한다.

본 발명의 일 변형예에서, 상기 열교환기는 필수적으로 수직 또는 수평으로 연장된다. 바람직하게, 상기 열 교환기는 실질적으로 수직 방향으로 연장되어서 슬러지의 흐름의 보다 큰 균일성을 얻을 수 있으며, 또한 교환은 풋 프린트(footprint)를 감소시킬 수 있다.

5. 도면의 목록
본 발명의 다른 특징 및 장점은 이하의 바람직한 실시예의 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 명백해질 것이며, 바람직한 실시예는 단순한 예시 및 비제한적인 예로서 주어진 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치(plant)의 일 실시예의 블록도이다.
도 2는, 종래의 방법에 의해 또는 분해 단계 동안 증기의 주입 및 증기의 주입 없이 본 발명에 따른 방법에 의해 처리된 슬러지의 점도에 대한 비교 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 도 2의 비교 시험 동안 1.5 m/DN16 튜브에서 측정된 압력 손실(pressure loss)의 변화를 유량(flow-rate)의 함수로서 나타내는 그래프이다.

6. 본 발명의 일 실시예에 대한 설명

본 발명의 일반적인 원리는, 슬러지의 분해 단계를 수행한 후, 열 가수분해 방법의 상류에서 열 교환기의 슬러지를 가열하는 단계를 수행하는 것에 의존한다. 슬러지를 분해하는 단계는 슬러지를 높은 속도 구배로 적용시킴으로써 수행되며, 이것은 그 구조가 파괴될 수 있게 하고, 임의적으로 증기의 주입을 통한 예열이 수반될 수 있게 한다. 따라서, 분해 및 임의적으로 가열된 슬러지는 열 교환기로 들어갈 수 있고, 여기서 가수분해된 슬러지로부터 열의 회수를 통해 가열될 것이다. 예열되거나 또는 예열되지 않은 분해된 슬러지의 가열은 그 점도를 감소시켜서, 제조될 슬러지가 열 교환기에서 순환될 수 있도록 하고, 열 교환기 내에서 압력 손실을 상당히 감소시키거나 완전히 제거할 수 있다. 따라서, 분해된 슬러지는 열 교환기 내에서 보다 쉽게 흐르고, 압력 손실이 크게 감소된다. 또한, 교환기는 보다 덜 오염되고, 이것은 유지 보수를 용이하게 한다.

6.1 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 일 실시예

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 일 실시예가 제시된다.

이 실시예에서, 탈수된 처리될 슬러지(1)를 호퍼(2)에 부으며, 상기 호퍼(2)는 상기 호퍼의 출구(3)에 설치된 공급 펌프(4)에서 캐비테이션(cavitation)을 방지하기 위해 사용되는 웜 스크류(worm screw)와 같은 혼합 수단(21)을 포함한다. 그러나, 탈수된 슬러지에 적용된 속도는 슬러지를 분해하여 그 점도를 감소시키기에 충분하지 않다. 탈수된 슬러지는 주위 온도, 즉 약 20℃에 있다.

펌프(4)는 탈수된 슬러지를 파이프(5)를 통해 동적 혼합기(6)로 보낸다. 동적 혼합기(6)는 로터를 포함하며, 본 실시예에서 로터는 2000 rpm으로 회전한다. 로터의 속도가 적어도 1500 rpm, 바람직하게 1500 내지 4000 rpm이 되어야 하는 것은 중요하다. 이러한 속도는 슬러지 내에 존재하는 내부 스트레인(internal strain)을 제거함으로써 슬러지를 분해하여 슬러지를 유동화시킬 수 있다.

선택적으로, 190℃의 온도에서의 생 증기(100)가 동적 혼합기(6)에 주입된다. 동적 혼합기(6)에 증기의 주입은 약 40℃의 온도로 슬러지를 예열한다. 이 예열 단계는 또한 탈수되고 분해된 슬러지의 점도를 감소시킨다.

분해되고 예열된 슬러지는 그 후 슬러지/슬러지 열 교환기(7)를 통해 이동한다. 열 교환기(7)에서, 예열되고 기계적으로 분해된 동적 혼합기 내의 슬러지는 가수분해된 슬러지에 역류하여 흐른다. 따라서, 분해된 슬러지는 가수분해된 슬러지에 의해 가열되고, 그 대신에 가수분해된 슬러지는 부분적으로 냉각된다. 이 열 교환기(7)는 동적 혼합기(6)의 출구에 연결된 제1 입구 및 동적 주입-혼합기(9)에 연결된 파이프(71)를 통해 가열 분해된 슬러지를 배출하는데 사용되는 제1 출구를 포함한다. 열 교환기(7)의 출구에서, 슬러지는 90℃ 내지 110℃의 온도를 갖는다.

증기(101)는 동적 주입-혼합기(9)에 주입된다. 동적 주입-혼합기(9)는 슬러지의 온도를 열 가수분해에 필요한 온도인 약 160℃로 올리기 위해 슬러지가 다시 가열될 수 있게 한다. 따라서, 보다 높은 온도가 적용된 슬러지는 파이프(10)를 통해 열 가수분해 반응기(11)로 보내진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반응기(11)는 상승부, 굴곡부 및 하강부를 갖는다.

반응기(11) 내에서, 슬러지는 약 160℃의 온도 및 8 bar 내지 10 bar의 압력에서 가수분해된다. 반응기(11)는 파이프(12)에 의해 열 교환기(7)의 제2 입구에 연결된 출구를 포함한다. 이 파이프(12)는 가수분해된 슬러지를 열 교환기(7)로 이송하며, 여기서 슬러지는 그 열을 분해된 슬러지에 제공하여 이 슬러지 자체가 냉각될 수 있게 한다. 이에 따라 냉각되는 가수분해된 슬러지는 제2 출구에 의해 열 교환기(7)로부터 후속적인 처리 단계로 배출된다. 특히, 냉각 가수분해된 슬러지는 파이프(13)를 통해 소화기(15)로 보내진다. 파이프는 또한 가수분해된 슬러지의 순환 유량을 조절하여 그 중에서도 반응기(11) 내의 압력을 조절하는데 사용되는 펌프(14)를 포함할 수 있다.

슬러지/슬러지 교환기(7)의 사용은 열 가수분해 반응기를 나온 가수분해된 슬러지와 상기 열 가수분해 반응기로 들어가는 처리될 슬러지 사이의 에너지 회수를 최적화하며, 임의의 중간 유체의 사용 없이 수행될 수 있게 한다. 본 발명에 따른 방법은, 열 가수분해 반응의 열을 재순환시킴으로써, 즉 가수분해 공정의 상류에 재주입시키고, 열의 일부를 동일한 열 가수분해 반응의 하류에서 회수함으로써 많은 에너지를 절약한다. 분해 단계는 동적 혼합기에서 높은 속도 구배로 슬러지를 적용시켜 점도를 감소시킴으로써 슬러지를 기계적으로 분해하는 단계를 포함한다. 동시에, 동적 혼합기 내의 분해된 슬러지를 예열하는 단계는 그 자체로, 열 교환기에서 슬러지를 가열하기 전에 슬러지의 점도를 더욱 감소시킬 수 있다. 따라서, 종래 기술에 비해 크게 유동화된 슬러지가 얻어지며, 이에 의해 장치에서의 슬러지의 흐름은 매우 용이하게 되고, 압력 손실은 특히 열 교환기에서 상응하게 감소한다.

6.2 비교 시험

정화 스테이션에서 나온 슬러지에 대해 비교 시험을 수행하였다. 이 슬러지는 상당한 양의 유기 물질을 함유하고 약 27%의 건조 함량을 갖는다.

슬러지를 세 개의 배치로 분리하고, 각각을 이하의 방법들 중 하나로 처리한다.

- 증기의 주입 또는 임의의 기계적 분해 단계가 없는 종래의 방법(도 2의 곡선 1); 또는

- 동적 혼합기(6)에 증기의 주입 없이, 단락 6.1에 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법(도 2의 곡선 2); 또는

- 동적 혼합기(6)에 190℃에서 증기를 주입하여 처리될 슬러지의 온도를 40℃로 하고, 단락 6.1에 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법(도 2의 곡선 3).

초기에, 가수분해 반응기(11)의 입구에서 슬러지의 점도를 측정하였다. 알 수 있는 바와 같이, 슬러지는 요변성 레오-농화 유체(thixotropic rheo-thickening fluid)와 같이 행동하며, 즉 점도는 전단 스트레인(shear strain)을 증가시켰다. 그러나, 스트레인의 적용에 상관없이, 점도의 감소는 항상 동일한 비율로 일어나는 것이 그래프에서 관찰된다. 그러나, 본 발명에 따르는 도 2의 곡선 2 및 3은 종래 기술의 방법(곡선 1)에 의해 처리된 슬러지의 점도보다 낮은 점도를 나타낸다. 따라서, 분해 단계는 슬러지에 존재하는 내부 스트레인을 크게 감소시킨다. 190℃에서 증기를 주입하여 슬러지를 40℃로 가열하는 단계는 슬러지의 점도를 개선시키지만, 관찰된 점도 문제를 단독으로 해결하기에는 충분하지 않다. 분해 단계는 슬러지의 점도를 크게 감소시킨다.

도 3의 조건에 따라 처리된 슬러지의 세 개의 배치(생 슬러지, 2000 rpm으로 혼합된 슬러지, 및 2000 rpm으로 혼합되고 40℃로 가열된 슬러지)에 대하여, 16 mm의 공칭 직경(nominal diameter; DN)을 갖는 1.5 m 튜브에서 압력 손실의 변화를 평가하였다. 압력 손실에 대한 이러한 매개변수의 영향을 평가하기 위해, 튜브에서 슬러지의 순환의 유량을 변경하였다. 따라서, 슬러지를 66L/h의 유량(Q1) 또는 100 L/h의 유량(Q2)으로 순환시켰다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 유량이 클수록 압력 손실이 크게 증가하였다. 또 다른 중요한 점은, 본 발명의 방법이 종래 방법에 비해 2배로 압력 손실을 감소시킨다는 것이다. 동적 혼합기 내로 증기의 주입은 종래 방법에 비해 4배로 압력 손실을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 방법은 교환기를 통해 점도 및 압력 손실을 크게 감소시킨다.

Claims (14)

1. 유기 물질을 함유하는 처리될 슬러지의 연속적인 열 가수분해 방법으로서, 상기 방법은 적어도:
   a. 상기 처리될 슬러지를 분해(de-structuring)하여 분해된 슬러지를 생성하는 단계;
   b. 상기 분해된 슬러지를 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해하여 가수분해된 슬러지를 생성하는 단계;
   c. 상기 가수분해된 슬러지를 냉각하는 단계를 포함하고,
   분해(de-structuring) 단계는,
   - 상기 처리될 슬러지를 동적 혼합기에 도입하는 단계;
   - 상기 동적 혼합기로부터 나온 상기 슬러지를 가열하는 단계, 이 가열은 상기 동적 혼합기로부터 나온 슬러지 및 상기 가수분해된 슬러지를 모두 열 교환기 내로 도입함으로써 얻어지고, 이 도입은 상기 냉각을 유도함;으로 구성되는, 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   분해 단계는 상기 동적 혼합기 내로 증기를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 처리될 슬러지는 상기 동적 혼합기 내에서 1500 rpm 내지 4000 rpm, 바람직하게 1500 rpm 내지 2000 rpm의 속도 구배로 적용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동적 혼합기에 주입된 상기 증기는 120℃ 내지 190℃의 온도 및/또는 2 bar 내지 13 bar의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방법은 상기 열 교환기로부터 나온 상기 슬러지에 가압 하에서 증기의 주입 및 동적 주입-혼합기에 의해 상기 증기와 상기 슬러지의 혼합을 동시에 수행하여, 분해되고 원하는 열 가수분해 온도로 가열된 슬러지의 균일한 혼합물을 얻는 단계를 포함하고,
   상기 혼합물은 상기 열 가수분해 반응기로 이송되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 동적 주입-혼합기에 주입된 상기 증기는 1 bar 내지 23 bars의 압력, 및/또는 100℃ 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동적 주입 혼합기는 로터를 포함하며,
   상기 분해 단계 동안 상기 로터의 회전 속도는 500 rpm^-1 내지 2000 rpm^-1인 것을 특징으로 하는, 방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 처리될 슬러지는 적어도 20%, 바람직하게 적어도 40%의 건조 함량(dry content)을 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각 단계 이후, 가수분해되고 냉각된 상기 슬러지를 소화(digesting)시키는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 장치로서,
    a. 처리될 슬러지를 이송(conveying)하는 수단(5);
    b. 상기 처리될 슬러지를 위한 입구 및 분해된 슬러지를 위한 출구를 포함하는 동적 혼합기(6);
    c. 상기 분해된 슬러지의 출구 및 가열 분해된 슬러지의 출구에 연결된 제1 입구를 포함하는 열 교환기(7);
    d. 상기 가열 분해된 슬러지의 출구, 가압 하의 증기의 입구 및 가수분해된 슬러지의 출구를 포함하는 열 가수분해 반응기(11);
    e. 상기 가수분해된 슬러지를 재순환하는 수단(12)을 포함하며,
    상기 재순환하는 수단은 상기 열 교환기의 제2 입구에 연결되고,
    상기 열 교환기는 냉각 가수분해된 슬러지의 출구를 더 포함하는, 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 장치는 상기 동적 혼합기(6)로 증기를 주입하는 수단(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
    
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 장치는 동적 주입-혼합기(9)를 포함하며,
    상기 동적 주입-혼합기(9)는 상기 열 교환기로부터 나온 분해된 슬러지를 위한 입구, 증기 입구(101), 및 상기 열 가수분해 반응기의 입구에 연결된 가열 분해된 슬러지의 균일한 혼합물을 위한 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
    
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 가수분해된 슬러지의 출구에 연결된 입구를 포함하는 소화기(15)를 더 포함하는, 장치.
    
14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(9)는 필수적으로 수직 또는 수평으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 장치.
    

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