KR20170018012A - 짧은 체류 시간을 갖고 펌프를 구비하지 않는 유기 물질의 열적 가수분해를 위한 방법 및 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 물질의 열적 가수분해를 위한 연속적 작동 방법에 관한 것으로, 펌프나 다른 기계적 요소를 사용할 필요 없이 유기 물질이 반송되는 임펠링 단계, 매우 짧은 시간에 고온에 도달할 때까지 라이브 스팀을 사용하여 가수분해 대상 물질이 가열되고, 구조의 최초 파괴를 겪은 이후 사전결정된 시간 동안 가수분해 온도에서 유지되는 가수분해 단계, 및 2개 엔탈피 레벨의 증기에 의한 에너지 회수 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 임펠링 단계에서 상호연결된 로드 및 가압 탱크, 가수분해 단계에서 급속 혼합기 및 릴리프 챔버, 그리고, 회수 단계에서 생성된 증기를 혼합하는 이젝터와 순간증발 챔버를 갖는 감압 시스템을 포함하는 상기 방법을 이행하기 위한 설비에 관한 것이다.

Description

짧은 체류 시간을 갖고 펌프를 구비하지 않는 유기 물질의 열적 가수분해를 위한 방법 및 설비{METHOD AND FACILITY FOR THERMAL HYDROLYSIS OF ORGANIC MATTER HAVING SHORT RESIDENCE TIMES AND NO PUMPS}

본 발명은 슬러지, 오수, 가정용 및 산업용 폐수 및 혐기성 소화 프로세스에서 메탄화되기 쉬운 임의의 물질을 포함하는 유기 물질의 처리에 적용될 수 있다. 본 발명은 처리 대상 고체 물질과 접촉하는 기계적 요소 없이 작동하고, 고온에서 작동할 수 있으며, 극도로 짧은 체류 시간을 갖고, 부 반응(secondary reaction)이 존재하지 않으며 적절한 에너지 통합을 달성하는 시스템에 대응한다.

고체의 혐기성 소화를 위한 종래의 체계에 기초하여, 가수분해(용해, 액화) 스테이지는 프로세스의 전체적(global) 역학을 제한한다. 서로 다른 물리적, 화학적 및 생물학적 전처리 프로세스가 혐기성 소화에 적용되어 가수분해 스테이지의 역학을 향상시키고, 따라서, 전체적 메탄생성 프로세스의 역학을 개선시킨다. 열적 가수분해 프로세스는 보통 30분보다 긴 비교적 긴 기간 동안 고온 및 고압에서 고체를 유지하는 것에 기초한다. 그후, 고온 물질의 고압을 이용하여, 고체의 구조를 파괴하는 소위 스팀 폭발 효과를 달성하도록 급격한 감압 또는 순간증발(flash) 프로세스가 진행될 수 있다. 다른 프로세스는 고온 물질로부터 에너지를 회수하기 위해 열 교환기를 사용한다.

다양한 상업적 열적 가수분해 프로세스는 일괄처리(batch) 작업을 사용한다. 거의 연속적 프로세스를 달성하기 위해, 이들은 시간조정된 로딩 및 언로딩 사이클에서 다수의 반응기를 작동시킨다. 잘 정립된 CAMBI 상업적 프로세스는 이들 조건 하에서 작동한다. 특허 FR 2820735는 병렬로 작동하는 두 개의 일괄처리 반응기의 사용을 포함한다. 특허 WO 2011/006854 A1 "Method and device for thermal hydrolysis and steam explosion of biomass"는 거의 연속적 유동 패턴을 달성하기 위해 순차적 모드에서 작동하는 세 개의 반응기를 사용한다.

연속적 작동에 관하여, 탈수성을 개선시킬 목적으로 라이브 스팀 주입이 이루어지는 반응기를 사용하여 혐기성 조건 하에서 소화된 슬러지에 포테우스(Portheous) 프로세스가 적용된다.

몇몇 특허가 연속적으로 작동하는 시스템을 제안하여 왔다. 1997년 미국 특허 제5593591호는 펌핑되고 가압된 슬러지가 노즐을 통해 감압되어 순간증발 용기로 진입하기 이전에 동일한 파이프 내에서 가열되는 시스템을 청구한다. 목적은 양호한 유동 특성(자유 유동 고체)을 갖는 가수분해된 슬러지를 생성하는 것이다.

1998년 미국 특허 제5785852호는 부 혐기성 소화를 개선시키기 위해 생물학적 슬러지의 처리를 위한 프로세스 및 장비를 청구한다. 다중 스테이지 프로세스는 가열, 순간증발 및 전단력 적용을 조합한다. "하이드로트리터(hydrotreater)"는 가장 효율적인 것으로 제안되어 있는 스팀 및 슬러지 혼합 시스템이다. 고온의 가압된 슬러지는 대기압 조건에서 작동하는 순간증발 용기에 진입한다. 부분적으로 분해된 슬러지는 새로운 스테이지에 진입하고, 여기서, 셀 구조 파괴 프로세스를 완료하기 위해 전단력이 인가된다.

유럽 특허 EP 1 198 424 B1 "A method and arrangement for continuous hydrolysis of organic material"는 사전가열, 반응 및 감압 스테이지가 연속적으로 이루어지는 탱크, 용기 또는 수취기로 구성되는 시스템을 개시한다. 가열 스팀 주입은 외부적 혼합 장치에서 수행된다. 가수분해 반응기에서의 슬러지 체류 시간은 5분과 60분 사이로 고정되어 있다.

스페인 특허 2 341 064 "Reactor and energy integration system for continuous thermal or thermochemical hydrolysis of organic material"는 연속적으로 작동하며 바이오가스 기반 전력 생성 시스템 내에 에너지 통합되는 시스템을 개시한다.

특허 US2011114570 "An apparatus and a method for continuous thermal hydrolysis of biological material"는 관형 반응기를 개시하며, 여기서, 생물학적 고체가 스팀 주입에 의해 가열되고, 후속하여 냉각수로 냉각되어 감압 프로세스 동안 순간증발을 회피한다.

특허 WO2008/115777 A1 "Treatment of particulate biodegradable organic waste by thermal hydrolysis using condensate recycle"는 가열 스팀을 수용하는 외부적 공급 예열기를 사용한다. 고온 물질은 관형 반응기를 통해 유동하고, 순간증발 용기에 진입하며, 순간증발 챔버로부터의 증기는 응축되고 예열 탱크로 재순환된다.

유럽 특허 출원 제13382077.9호 "Continuously operating method for the thermal hydrolysis of organic material and installation for implementing the method"는 내부 재생 회로의 사용에 기초한다.

분석된 모든 특허에서, 가수분해 반응은 탱크, 관형 반응기 또는 내부 재순환 회로를 사용하여 수행된다. 이들 프로세스는 열적 가수분해 작동이 긴 수력학적 체류 시간으로 수행되는 것을 나타낸다.

모든 경우에, 가수분해 대상 고온 물질은 다양한 유형의 기계적 펌프를 사용하여 압축된다. 주로 펌핑 대상 물질의 높은 점도 및 연마성 특성에 기인하여 이들 펌프의 정비는 매우 요구사항이 많다.

도 1의 블록도에 예시된 바와 같이, 절차는 다음의 단계를 갖는다: 추진(impulsion)(1), 가수분해(2), 열 회수(3).

본질적으로, 이 절차는 추진 스테이지(1)가 일괄처리로 작동하고 가압 탱크에 급송하여 가수분해 스테이지에 진입하는 물질의 연속적이고 제어가능한 유동을 달성하는 도시피케이션(dosification) 용기를 포함한다. 가수분해 스테이지(2)는 감압되고 나면 가수분해 온도로 유지되는 라이브 스팀(4)으로 가수분해되는 물질의 급속한 혼합을 포함한다. 열 회수 스테이지(3)는 예열 유체로서 작용하도록 로딩 스테이지(5)로 재생되는 중압 및 저압 증기의 생성에 기초한다.

추진 스테이지는 두 개의 도시피케이션 용기를 포함하고, 가수분해 대상 물질은 교번적으로 로딩되고 가압 탱크로 순차적으로 급송된다. 가압 탱크 중 하나는 4 - 25 barg 사이에 포함되는 압력까지 공기 또는 스팀으로 가압되며, 그래서, 유기 물질이 펌프나 임의의 다른 기계적 장치를 필요로 하지 않고 배관을 통해 밀려진다. 이 탱크가 언로딩되는 동안, 다른 가압 탱크가 도시피케이션 용기로부터 공급물을 수용하고, 로딩이 완료되었을 때, 용기가 가압되며, 제1 가압 용기가 그 최소 레벨에 도달하면 프로세스 라인에 연결되어 새로운 사이클을 시작할 준비가 된다.

도시피케이션 용기에 이미 로딩된 물질은 열 회수 스테이지로부터 증기 유동을 수용하여 105℃와 180℃ 사이의 온도에 도달한다.

일련의 사이클의 이러한 조합으로, 프로세스는 연속적으로 작동한다. 또한, 용기의 적절한 가압으로, 특수 펌프의 사용이 회피되며, 이러한 특수 펌프의 마모 및 정비는 높은 압력 및 온도로 작동하는 연속 프로세스의 문제의 주 근원을 구성한다(Kopmann & Kopp(2010), "Full scale continuous thermal hydrolysis of waste activated sludge for the improvement of the sludge digestion and sludge dewatering in WWTP Geiselbulach Germany"(European Biosolids and Organic Resources. Leeds) 및 Fdz-Polanco 등(2010), "Squeezing the sludge. Thermal Hydrolysis to improve WWTP sustainability"(IWA - 13 World Congress on Anaerobic Digestion, Santiago de Compostela)).

따라서, 청구된 기술은 초기 주변 온도 및 대기압으로부터 가수분해 스테이지에 의해 요구되는 높은 압력 및 온도까지 유기 물질을 연속적으로 반송하기 위해 간단하고 강인한 기술에 기초한다. 청구된 시스템은 기존 시스템과는 달리 어떠한 유형의 펌프의 사용도 필요로 하지 않아서 그 높은 정비 비용을 제거한다.

가압되고 예열된 유기 물질은 가수분해 스테이지에 도달하고, 여기서, 필요한 양의 라이브 스팀이 유체를 위한 정적 혼합기에 5초 미만 내에 극도로 신속하게 주입되고, 온도 설정점에 도달된다. 기존 시스템은 유기 물질을 비-생물분해성 또는 심지어 독성 물질로 변환하는 반응이 발생하여 유기 물질의 메탄생성 포텐셜을 저하시키기에 충분히 길게 고온에서 가수분해 대상 물질을 유지한다. 이 때문에, 실제로, 표준 가수분해 온도는 180℃를 초과하지 않는다.

청구된 기술은 단지 수초의 가열 시간으로 작동하며, 따라서, 180℃가 초과되는 경우에도 부 반응의 정도가 제한된다.

매우 짧은 시간에 220℃까지의 가열 이후, 고온의 가압된 유체는 순간증발되고, 안정적인 압력과 용이한 시스템 제어를 달성할 수 있게 하는 조절 및 릴리프 탱크에 진입한다. 하나로부터 다른 하나로의 천이시 혼합 스테이지와 릴리프 탱크 사이의 압력차로 인해, 최초 순간증발 및 연계된 유기 물질 구조의 파괴가 존재하며, 이는 그후 릴리프 탱크에서 고정된 체류 시간을 갖게 될 것이다.

이 작동 이론은 모든 기존 가수분해 기술, 특히, 가열과 순간증발을 조합하는 기술과 개념적으로 다르다. 본 발명에서, 가열 시간은 극도로 짧고, 이는 이론적으로 180℃ 한계를 초과하는 온도를 가능하게 한다. 추가적으로, 혼합기로부터 릴리프 탱크로의 전달시 최초 파괴를 받게 되는 유기 물질은 추후 최적 체류 시간 동안 가수분해 온도에서 유지된다. 기존 기술은 먼저 비교적 긴 체류 시간과 원치않는 부 반응을 위한 한계 미만의 온도로 가수분해하고, 그 후에만 이들이 순간증발되는 반면, 본 발명에서, 순서가 반대이다: 물질은 먼저 기존 프로세스에서보다 고온에서 순간증발되고, 그후, 물질이 이미 흩어진 상태에서, 가수분해 온도에서 반응를 받게 된다.

릴리프 탱크에 수용된 유체는 밸브 및 팽창 오리피스 시스템을 통해 진행하고, 순간증발 용기에 진입하며, 여기서, 유체가 순간증발된다. 순간증발 용기는 -0.5 barg와 4 barg 사이에서 작동할 수 있다. 이러한 순간증발은 유기 물질의 구조를 파괴함으로써 하류 혐기성 소화(블록도에는 포함되지 않음)의 용해화 및 접근성을 돕는다.

순간증발 스테이지의 양호한 제어성을 위해, 도 2에 도시된 시스템의 기술이 청구된다. 설계 유량에 따라서, 오리피스는 작동 압력에서, 그를 통한 유동이 전체 유량의 60%와 90% 사이가 되도록 치수설정된다. 자동 밸브는 잔여 유동의 유량을 제어하여 더 미세하고 더 안정적인 조절을 보증한다.

마지막으로, 순간증발 용기에서 생성된 저압 스팀과 릴리프 용기에서 생성된 중압 스팀은 이젝터 또는 열적압축기에 진입하고, 이젝터 또는 열적압축기로부터 스팀 혼합물이 급송 시스템으로 재순환되고, 이들은 응축되어 공급물을 예열하며; 가수분해된 액체는 혐기성 소화를 지속하거나 다른 시스템으로 이어진다. 중압 스팀 라인은 고압 스팀 라인에 연결되고, 그래서, 필요시, 고압 스팀이 주입될 수 있고, 따라서, 추진 시스템에 도달한다.

청구된 발명은 기존 기술과는 달리 세 개의 스팀 압력 레벨에서 작동하여, 큰 유연성을 제공하고, 서로 다른 작동 조건 하에서 열적 가수분해 프로세스의 최적의 통합을 달성하기 위한 다양한 해결책을 가능하게 한다.

도 1은 작동의 블록도를 예시한다. (1) 로딩 및 추진 섹션, (2) 가수분해 섹션, (3) 에너지 회수 섹션, (4) 스팀의 가열 및 가압, (5) 회수된 증기.
도 2는 가수분해 섹션의 릴리프 탱크와 상 분리 챔버 또는 순간증발 탱크, 예비 치수설정된 오리피스(6) 및 자동 조절 밸브(7)를 연결하는 감압 시스템의 도면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 변형에 따른 절차를 적용한 시설의 개요를 나타낸다.

도 3에 의해 예시된, 본 발명에 청구된 절차와 시설(8)을 구축하기 위해 사용되는 설비에 대한 설명이 이어진다.

시설 설비는 도시피케이션 용기(9, 10), 가압 용기(11, 12), 주입 및 급속 스팀 혼합 시스템(13), 조절 탱크(14), 순간증발 용기(15), 이젝터 또는 열적압축기(16)이다.

이전에 농축되어 있는 가수분해 대상 물질(17)은 배관, 컨베이어 벨트 또는 임의의 다른 기계적 수단(18, 19)을 거쳐 도시피케이션 시스템(9, 10)으로 반송되고, 여기서, 미리 결정된 시간에, 그리고, 배관(22, 23)을 거쳐 이는 가압 용기(11, 12)로 반송된다. 도시피케이션 및 가압 용기는 파이프 래크(52) 및 대응 차단 밸브(53, 54, 55, 56)를 거쳐 상호연결된다. 도시피케이션 용기는 밸브(35, 36)를 통해 비응축물을 퍼지하기 위해 통기구(37, 38)를 갖는다. 밸브(41, 42)는 이젝터(16)로부터의 증기 유동(51)을 원하는 도시피케이션 용기로 유도할 수 있게 하고, 여기서, 응축부를 거쳐 온도가 증가한다.

가압 용기는 배관(33, 34)을 통해 고압 스팀 또는 압축 공기 라인에 연결되며, 유동은 밸브(31, 32)를 통해 결정되고; 고온의 가압된 물질은 배관(26, 27) 및 연계된 밸브(28, 29)를 거쳐 가수분해 스테이지에 진입한다.

시간 사이클과 밸브 개폐를 조절하여, 도시피케이션 용기(9, 10)는 프로세스 증기를 회수하고 가압 용기로의 가수분해 대상 물질의 유동을 가능하게 하는 2중의 역할을 수행한다.

이런 가압 시스템은 또한 일괄처리, 연속 사이클에서 작동하는 두 개의 용기(11, 12)를 포함한다. 전형적인 사이클의 최초 부분에서, 로딩되고 가압된 용기(12)는 배관(27) 및 밸브(29)를 거쳐 배출하고, 따라서 연속적인 제어된 속도의 가수분해 대상 물질이 가열 스테이지(13)로 유동한다. 한편, 그 배출 사이클이 완료된 용기(11)는 먼저 감압되고, 그후, 용기(9)로부터의 공급물의 새로운 일괄처리분을 수용하며, 가압 이후, 그리고, 밸브(28)의 개방을 통해, 밸브(29)가 닫혀지고, 용기(12)가 최소 레벨에 도달하고 나서 가열 스테이지로의 급송을 시작할 준비가 된다.

모든 배관, 밸브 및 용기는 강철로 이루어지고, 30 barg까지의 압력을 견디도록 설계된다.

이 방법 및 작동 절차는 펌프나 어떠한 다른 기계적 수단도 필요로 하지 않고 고압에서 유체를 연속적으로 이동시킬 수 있게 한다. 설명된 두 개의 세미-사이클의 조합인 전체 사이클은 5분과 30분 사이로 지속될 수 있다.

도면에 포함되지 않은 표준 조절 및 제어 시스템에서, 그리고, 배관(39)을 통해, 물질이 가열 시스템(13)에 진입하고, 여기서, 밸브(40)에 의해 조정된 스팀 주입(30)을 통해, 미리 결정된 작동 온도가 신속히 달성된다. 액체-스팀 혼합 시스템(13)의 특수한 설계는 5초보다 짧은 주기에서의 작동을 가능하게 한다.

짧은 혼합 시간의 함수로서, 그리고, 더 미세한 압력 제어를 달성하기 위해, 조절 또는 릴리프 용기(14)가 사용되며, 이는 혼합기(13)보다 낮은 온도에서 작동하고, 여기서, 유기 물질의 체류 시간이 조정될 수 있고, 이는 릴리프 탱크(14)와 혼합기(13) 사이의 감압의 결과로서, 그 물리적 구조의 최초 파괴를 겪게되며; 배관(45)을 통해, 릴리프 탱크(14) 내의 고온의 가압된 물질이 감압 시스템으로 유동한다. 릴리프 용기(14)와 혼합기(13) 사이의 압력차에 기인하여, 가수분해된 물질의 일부가 기화하고, 증기 스트림(49)은 이젝터(16)에 진입한다.

감압 시스템(46)은 도 2에 설명되어 있고, 가압된 물질의 전체 유량의 60%와 90% 사이를 취하는 미리 치수설정된 오리피스(6)와, 잔여 유량을 취하는 자동 조절 밸브(7)를 포함함으로써 정확하고 펄스가 없는 조절을 가능하게 한다.

감압 시스템(46) 이후, 감압된 물질은 순간증발 용기(15)에 진입하며, 여기서, 압력은 -0.5 barg와 4 barg 사이에서 제어된다. 거기서, 그리고, 급작스러운 압력 변화에 기인하여, 순간증발이 발생하고, 물질 스트림은 프로세스를 벗어나고 하류의 혐기성 소화에 급송(도면에는 미도시)되는 가수분해된 액체(48)와 이젝터(16)로의 전송에 의해 그 에너지가 회수되는 증기(47)로 분할되고, 이젝터에서, 이 증기는 릴리프 탱크(49)로부터의 증기와 혼합되고, 마지막으로 밸브(41, 42)를 거쳐 도시피케이션 용기(9, 10)에 진입한다.

발명의 실시예의 예

지자체 폐수 처리 플랜트에서 생성된 모든 슬러지를 처리하는 시설에 대한 설명이 이어진다. 처리 대상 유량은 3000 kg/h의 슬러지에 상당하며, 이는 이전에 원심, 가압 필터 또는 임의의 다른 기계적 수단에서 농축되어 10%와 20% 사이의 총 고체 농도가 달성된다. 가수분해된 슬러지는, 본 발명의 배터리 제한 외측에서, 35℃에서 작동하는 중온성 혐기성 소화기로 전송된다. 본 예의 에너지 통합 요건을 충족하기 위해, 가수분해된 슬러지의 평균 출구 온도는 대략 130℃이다.

가수분해 대상 물질의 추진 스테이지의 통상적 사이클은 로딩, 열 회수, 가압 및 가수분해 스테이지에 연속적으로 급송하는 물질의 순환을 포함한다. 표준 20분 사이클은 두 개의 10분 세미-사이클로 분할됨으로써, 시간당 6개 세미-사이클을 수행할 수 있게 하며, 그래서, 도시피케이션 용기(9, 10)에 공급되는 물질은 로드 당 500 kg이고, 도시피케이션 용기(9, 10) 체적 및 가압 용기(11, 12) 체적은 1 m³ 미만이다.

농축된 물질은 필요에 따라 용기(9, 10)를 격리시키도록 차단 밸브(20, 21)가 설치된 배관 또는 컨베이어 벨트(18, 19)를 통해 도시피케이션 용기(9, 10)에 순차적으로 로딩된다.

도시피케이션 용기(9, 10)는 대응 차단 밸브(24, 25)가 설치된 배관(22, 23)을 통해 가압 용기(11, 12)에 연결된다. 이들 가압 용기(11, 12)는 용기의 순차적 가압을 가능하게 하는, 대응 차단 밸브(31, 32)를 갖는 스팀 입구(33, 34)를 포함한다.

사이클 시작시, 시간 0에서, 용기(9)는 로딩되고 부분적으로 고온이며, 용기(10)는 로딩되고 저온이며, 용기(11)는 비어있고 가압되며, 용기(12)는 로딩되고 고온이며 가압되어 있다.

사이클의 시작시, 밸브(28)는 차단되고, 밸브(29)는 동시에 개방되며, 그래서, 가압 용기(11)로부터의 유동이 중단되고, 용기(12)로부터 예열되고, 가압된 물질이 유동하기 시작하며, 이 유동은 다음 10분 동안 가수분해 프로세스로의 연속적 급송을 구성한다.

이 세미-사이클에서, 초기에 상온의 슬러지를 수용하는 도시피케이션 용기(10)는 이젝터(16)로부터 증기를 수용하고, 세미-사이클이 완료되고 나면, 해당 용기는 160℃의 예열된 슬러지로 로딩될 것이다.

이와 동시에, 그리고, 이 최초 세미-사이클 동안, 초기에 증기 응축으로 인해 고온의 가수분해될 슬러지를 수용하는 도시피케이션 용기(9)는 6 barg로 가압된다. 1분 후에, 그리고, 밸브(24)를 개방하고, 예열된 물질은 밸브(53, 55)를 거쳐 미리 감압되어 있던 용기(11)로 도시피케이션 용기(10)를 향해 유동한다. 이는 3분 동안 유동한다. 용기(9)가 비워지고 나면, 해당 용기를 도시피케이션 용기(10)에 연결하고 밸브(36)를 거쳐 통기시킴으로써 용기가 감압되고, 따라서 잔류 증기 및 비응축물이 배관(37)을 통해 회수 및 악취 제거 스테이지(도면에는 포함되지 않음)로 퍼지된다. 감압 이후, 용기(9)는 새로운 500 kg 로드의 슬러지를 수용하고, 그래서, 세미-사이클의 10분의 종료시, 이는 상온의 슬러지로 로딩된다.

사이클의 시작시 비어있고 가압되어 있는 가압 용기(11)는 1분 동안 감압되고; 해당 시간 이후, 밸브(24)가 개방되어 용기(9)로부터의 가수분해 대상 물질의 유동이 허용된다. 마지막으로, 시스템은 밸브(31)에 의해 제어되는 라이브 스팀(30)으로 가압되고, 세미-사이클의 종료시 용기(11)는 고온 슬러지로 로딩되고, 가압되며, 열적 가수분해 시스템(13, 14)에 급송할 준비가 된다.

이러한 순서로, 용기들의 최종 상태는, 용기(9)는 로딩되고 저온이고, 용기(10)은 로딩되고 고온이며, 용기(11)은 로딩되고, 고온이고 가압되며, 용기(12)는 비어있고 가압된다.

10분 뒤에 시작되는 새로운 세미-사이클에서, 가압 용기(11)는 연속적으로 열적 가수분해 시스템에 급송하는 반면, 용기(12)에서는 감압, 로딩 및 가압 프로세스가 진행된다. 유사한 바가 도시피케이션 용기에서 발생하며, 이 새로운 세미-사이클에서 용기(9)는 물질을 예열하기 위해 증기를 수용하고, 용기(10)에서는, 가압, 비움, 감압 및 로딩 프로세스가 진행된다.

두 번째 세미-사이클이 완료되고 나면, 즉, 20분 이후, 상술한 바와 동일한 특징을 갖는 새로운 사이클이 시작된다.

4 barg와 25 barg 사이의 가압 용기에서의 압력은 가수분해 대상 물질의 연속적 유동을 생성하고, 가수분해 대상 물질은 60℃와 140℃ 사이의 온도에서 배관(39)을 거쳐 가수분해 시스템에 도달한다. 제어 시스템은 표준적이고, 본 발명의 주제가 아니다.

가압 용기(11, 12)로부터의 물질은 급속 혼합기(13)에 진입하고, 급속 혼합기에서, 라이브 고압 스팀이 (30)에서 10 내지 25 barg로 주입되고 밸브(40)에 의해 제어된다. 급속 혼합 시스템은 5초 미만 내에 슬러지가 다른 상업적 기술에서 사용되는 것보다 높은 220℃까지의 고온에 도달할 수 있게 한다. 고온에서의 시간이 짧으면, 유기 물질은 열화되지 않으며, 혐기성 조건 하에서 생물분해성이 아닌 물질 또는 억제자를 생성하지 않는다.

적절한 프로세스 제어를 위해, 그리고, 원하는 온도를 유지하기 위해, 고온 슬러지는 오리피스(57)를 거쳐 조절 또는 릴리프 탱크(14)로 유동하고, 슬러지는 해당 챔버 내에서 1분과 15분 사이에서 140℃와 180℃ 사이의 온도로 유지된다. 급속 혼합기(13)에서 20 barg까지, 그리고, 릴리프 탱크(14)에서 10 barg까지의 압력차로 인해, 오리피스(57)를 통과하는 슬러지는 그 구조의 최초 파괴를 겪는다. 릴리프 탱크(14)의 더 낮은 압력으로 인해, 10 barg까지의 압력의 증기가 생성되고, 이는 배관(49)을 거쳐 이젝터(16)에 진입하고 밸브(50)에 의해 제어된다.

170℃ 및 8 barg에서 배관(45)을 거쳐 빠져나가는 가수분해된 슬러지로부터 에너지를 회수하기 위해, 해당 슬러지는 시스템(46) 내에서 감압되며, 이는 도 2에 대응한다. 감압으로 인해, 순간증발이 발생하고, 순간증발 용기(15)는 전체 유동을 분할하여 중압 스팀(49)과 혼합되도록 이젝터(16)로 진행하는 증기 스트림(47)과 추진 시스템으로의 유동(51)을 생성한다. 용기(10) 내의 온도가 140℃에 도달하면, 라이브 스팀이 열적압축기에 도입되어 세미-사이클의 종점에서 온도가 165℃가 되도록 유동을 조절한다.

130℃의 가수분해된 슬러지 스트림(48)은 혐기성 소화(도면에는 포함되지 않음)로 유동한다.

이러한 작동은 다른 기술에 비해 우수한 에너지 통합을 달성하는데, 그 이유는 중압 및 저압 프로세스 증기의 전체적 응축, 30%를 초과하여 증가하는 생물가스 수율을 갖는 더 양호한 슬러지 가수분해, 강인하고 소형이며 표준화가 용이한 시스템 및 점성 및 연마성 물질을 사용하여 높은 압력 및 온도에서 작동하는 펌프를 필요로 하지 않아 결과적인 정비 문제를 피하는 추가적 장점 때문이다. 짧은 사이클 및 짧은 가수분해 스테이지 체류 시간으로 작동하는 것에 의해, 장비는 다른 기술보다 현저히 더 작고, 작동 유연성은 임의 용례에 대한 최적의 통합을 가능하게 한다.

Claims (13)

1. 추진, 가수분해 및 에너지 회수 스테이지들을 포함하는, 연속 상태에서 작동하는 유기 물질의 열적 가수분해를 위한 방법에 있어서,
   추진 스테이지는 스팀 또는 압축된 공기를 사용하여 가압되는 두 개의 가압 용기와 두 개의 도시피케이션 용기를 포함하고, 이들의 사이클 작동에 기인하여, 유체에 에너지를 소통하는 펌프나 임의의 다른 장치 필요없이 일정한 유출 유량을 가능하게 하고; 제1 가압 용기는 도시피케이션 용기로부터 유기 물질의 로드를 수용하는 동안, 제2 용기는 60℃와 140℃ 사이의 온도로 예열된 유기 물질의 조절가능하고 일정한 유동이 생성되도록 4 barg와 25 barg 사이의 압력으로 가압되고; 가수분해 스테이지는 부 반응을 생성하지 않고 220℃까지의 온도를 달성하도록, 5초 미만 내에, 가압된 유체와 라이브 스팀의 매우 급속한 혼합을 포함하고; 예열된 유체는 오리피스를 통해 릴리프 또는 조절 탱크로 진행하고, 릴리프 또는 조절 탱크에서, 예열된 유체는 온도 프로세스에 의해 가수분해가 이루어지도록 1분과 15분 사이의 시간 기간 동안 140℃와 180℃ 사이의 온도에서 유지되고; 에너지 회수 스테이지는 급작스러운 감압 또는 순간증발이 발생하며 -0.5 barg와 4 barg 사이의 압력에서 작동하는 순간증발 용기로의 가압된 유체의 제어된 유동을 가능하게 하는 순간증발 시스템을 포함하고; 가수분해 섹션의 릴리프 탱크에서 생성된 중압 증기 및 순간증발 탱크에서 생성된 저압 증기는 이젝터 또는 열적압축기로 유도되고, 이젝터 또는 열적 압축기는 혼합된 증기를 추진 시스템으로 반송하고, 중압 증기 및 저압 증기는 응축되고 이미 로딩된 물질을 예열하고; 순간증발 탱크를 벗어나는 가수분해된 물질은 혐기성 소화 또는 임의의 다른 이런 시스템에 진입하는 것을 특징으로 하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 기존 시스템과는 달리, 로딩 시스템을 포함하고, 로딩 시스템은
   - 가압된 용기로서, 이의 사이클 작동에 기인하여 유체의 고압 수송을 위해 펌프나 어떠한 다른 기계적 장치 필요없이 연속적 방식으로 유체가 유동하게 하는, 가압된 용기를 포함하고;
   - 에너지를 회수하고 각 작동 사이클에서 압력을 균등화하기 위해 상호연결된 탱크를 포함하고;
   - 밸브의 개폐를 통해, 일괄처리 로드를 수용하는 도시피케이션 및 가압 용기가 사이클로 작동할 수 있게 하여, 펌프 필요없이 고압에서 가수분해 대상 물질의 일정하고 제어된 유동을 발생시키는 조절 및 자동 제어 시스템을 포함하고,
   - 더 양호한 에너지 통합 및 더 낮은 순(net) 가열 스팀 소비를 달성하기 위해 에너지 회수 스테이지에서 이젝터로부터의 혼합된, 고압, 중압 및 저압 증기를 위한 입구를 포함하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 기존 프로세스와 달리, 가수분해 스테이지는 감압 및 고온에서의 후속 반응을 통한 고체 구조의 최초 파괴에 기초하고; 상기 방법은
   - 매우 짧은 시간에 온도를 증가시키기 위해 라이브 스팀과 유체를 극도로 급속히 혼합하고, 증가된 온도에서도 억제자 또는 비-생물분해성 물질의 형성으로 이어지는 부 반응의 발생을 방지하는 단계;
   - 순간증발의 효과에 의해 유기 물질을 파괴하기 위해 높은 혼합기 압력으로부터 낮은 릴리프 탱크 압력까지 유기 물질을 유동시키는 단계; 및
   - 온도의 영향에 기인한 추가적 가수분해를 달성하기 위해 릴리프 탱크 내에서 미리 결정된 기간 동안 분해된 물질을 보유하는 단계를 포함하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
4. 제1항에 있어서, 기존 프로세스와는 달리, 에너지 회수 스테이지에서, 서로 다른 엔탈피 함량을 갖는 두 개의 상이한 증기 스트림이 사용되고, 최적 에너지 회수를 달성하기 위해 선택적으로 라이브 스팀이 추가되며; 중압 증기 스트림은 가수분해 스테이지의 릴리프 챔버에서 생성되고 이젝터 또는 열적압축기로 진행하고; 저압 증기 스트림은, 밸브 내에서의 침식이 최소화되도록, 2개 라인 분할부를 거친 가수분해된 물질의 적절한 유동 제어로 순간증발에서 생성되고, 상기 2개의 라인 분할부에서 제1 라인 분할부는 미리 결정된 크기의 오리피스를 갖고 제2 라인 분할부는 제어 밸브를 갖고; 순간증발된 물질은 순간증발 탱크 내에서, 가수분해된 유기 물질의 액체 상 및 이젝터로 또한 진행하는 증기 상으로 분할되고, 두 개의 증기, 그리고, 필요시, 고압 스팀의 혼합물은 추진 스테이지로 유동하며, 추진 스테이지에서 혼합물은 응축되고 가수분해 대상 물질의 온도가 증가하여 가열 스팀의 순 소비를 감소시키는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
5. 제1항 및 제2항에 있어서,
   - 펌프나 임의의 다른 기계적 장치 필요없이 가수분해 대상 유기 물질의 유동을 달성하기 위해, 스팀 또는 가스로 4 barg와 25 barg 사이의 압력까지 가압되는 도시피케이션 및 가압 용기,
   - 열적압축기로부터 고압, 중압 및 저압 증기를 수용함으로써 예열 단계로서 작용하는 도시피케이션 및 가압 용기로서, 상이한 온도의 증기들의 사용은 생성된 증기의 완전한 회수를 가능하게 하는, 도시피케이션 및 가압 용기,
   - 10분과 60분 사이의 적절한 기간으로 도시피케이션 및 가압 용기가 순차적 사이클에서 작동할 수 있게 하여 실제로 시스템이 펌프 필요없이 연속적 체계로 작동 가능하게 하는 제어 시스템을 포함하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
6. 제1항 및 제3항에 있어서, 가수분해 스테이지는
   - 고온에도 불구하고 부 반응 형성 억제자 또는 비-생물분해성 물질이 회피되도록, 5초 미만 내에 그리고 20 barg까지의 압력으로, 140℃와 220℃ 사이의 온도를 달성하기 위해 가열 스팀을 유체와 급속 혼합하는 단계;
   - 가수분해 대상 물질의 구조의 파괴를 달성하기 위해 오리피스를 거친 고온 물질의 유동을 통해 10 barg까지의 압력까지 감압하는 단계; 및
   - 가수분해 반응이 온도의 영향에 의해 프로세스의 효율을 증가시키는 것을 달성하기 위해, 1분과 15분 사이의 수력학적 체류 시간을 가능하게 하도록, 원활한 제어를 보증하고 가수분해 대상 물질의 온도를 140 - 180℃까지 감소시키는 릴리프 또는 조절 탱크를 포함하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
7. 제1항 및 제4항에 있어서, 고압, 중압 및 저압을 갖는 세 개의 증기 스트림의 혼합물을 로딩 스테이지에서 예열 매체로서 사용하여 더 양호한 에너지 회수를 달성하기 위한 이젝터 또는 열적압축기를 포함하고, 조절 탱크 내에서의 상 분할에 의해 10 barg까지의 중압 스트림이 생성되고, -0.5 barg와 4 barg 사이의 저압 증기 스트림이 순간증발 탱크 내에서 생성되고, 고압 스트림은 라이브 또는 가열 스팀에 대응하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
8. 제1항, 제4항 및 제6항에 있어서, 유량의 60%와 90% 사이가 미리 결정된 직경 크기의 오리피스를 통해 진행하고, 한편 나머지 유량은 제어 밸브 내의 침식의 영향을 최소화하기 위해 자동 제어 밸브로 조절되도록, 병렬적 파이프에 의한 감압 시스템을 포함하는, 유기 물질의 열적 가수 분해를 위한 방법.
9. 제1항, 제2항, 제3항 및 제4항의 방법을 이행하도록 구성된 설비(8)이며, 펌프를 갖지 않는 로딩 및 급송 시스템, 고온으로의 극도로 급속한 가열, 가수분해 온도에서의 물질의 감압 및 보유를 위한 장비를 사용하는 가수분해 시스템, 및 중압 및 저압 증기의 생성 및 사용을 포함하는 최종적 에너지 회수 시스템을 포함하는, 설비.
10. 제9항에 있어서,
    - 배관 또는 컨베이어 벨트(18, 19)와 가수분해 대상 유기 물질을 위한 입구로서의 차단 밸브(20, 21);
    - 가수분해 대상 물질을 위한 출구(22, 23), 과잉 증기 입구(43, 44), 비-응축물 출구(37, 38), 대응 차단 밸브(41, 42, 24, 25, 35, 36, 54, 55)를 갖는 용기 상호접속부(52)를 포함하는 두 개의 도시피케이션 용기(9, 10);
    - 입구 배관(22, 23), 스팀 또는 압축된 가스 입구(33, 34), 연속적 급송을 위한 출구 배관(26, 27), 대응 차단 밸브(24, 25, 31, 32, 53, 56)를 갖는 용기 상호접속부(52)를 포함하는 두 개의 가압 용기(11, 12);
    - 자동 유동 조절 시스템(도면에 도시되지 않음)을 갖는 가수분해 섹션 공급 배관(39);
    - 고압 영역(13)과 중압 챔버(14)를 연결하는 오리피스(57)를 거쳐, 릴리프 챔버 및 미세 압력 조절부(14)에 연결되는 자동 밸브(40) 및 가열 스팀 입구(30)를 포함하는 스팀 혼합기(13);
    - 릴리프 탱크(14)에서 생성된 중압 증기(49), 순간증발 용기(15)에서 생성된 저압 증기(47) 및 경우에 따라 라이브 또는 가열 스팀(58)을 수용하는 이젝터 또는 열적압축기(16)를 포함하는, 설비(8).
11. 제9항 및 제10항에 있어서, 로딩 섹션을 구비하고, 로딩 섹션은
    - 스팀 또는 압축된 공기로 용기(9, 10, 11, 12)를 가압하여 펌프 필요없이 가수분해 대상 물질의 추진 및 연속 유동을 달성하기 위한 장치;
    - 교번적 로딩 및 가압 시퀀스에서 용기(9, 10, 11, 12) 내의 사이클 작동을 조절 및 제어하며, 그 지속기간은 가열 스테이지로의 유출 유동이 연속적이도록 10분과 1시간 사이에서 변동될 수 있는, 장치;
    - 파이프 래크(52) 및 대응 밸브(53, 54, 55, 56)를 통해 용기(9, 10, 11, 12)를 상호연결하는 장치;
    - 대응 밸브(35, 36)에 의해 비-응축물 및 과잉 증기(37, 38)를 퍼지하기 위한 장치를 포함하고;
    - 로딩 시스템 용기(9, 10)는 대응 밸브(41, 42)를 갖는 이젝터(43, 44)로부터의 혼합된 증기를 위한 입구를 포함하는, 설비(8).
12. 제9항 및 제10항에 있어서, 가수분해 시스템은
    - 라이브 스팀이 주입되고(30), 자동 밸브(40)에 의해 제어되며, 5초 미만 내에 가수분해 대상 물질이 220℃까지의 온도로 가열될 수 있게 하며 20 barg까지 가압하는 급속 혼합기(13)로 구성되는 가열 시스템으로서, 이러한 혼합기는 또한 오리피스(57)를 거쳐 용기(14)에 연결되고, 이 용기는 릴리프 또는 조절 탱크로서 작용하며 감압이 가수분해 대상 유기 물질의 구조의 최초 파괴를 생성하도록 2-10 barg 및 140-180℃ 범위에서의 더 미세한 압력 및 온도 제어를 가능하게 하는, 가열 시스템을 포함하고,
    - 오리피스(57) 내에서 감압되는 물질은 감압에 의해 예비가수분해된 물질이 1분과 15분 사이의 미리 결정된 기간 동안 140℃와 180℃ 사이의 온도에서 유지되도록, 릴리프 챔버 내에서 보유되는, 설비(8).
13. 제9항 및 제10항에 있어서, 에너지 회수 섹션은
    - 2 barg와 10 barg 사이의 입구 압력 및 -0.5 barg와 4 barg 사이의 출구 압력을 유지하는 감압 시스템(46)으로서, 이러한 감압 시스템(46)은 전체 유량의 60%와 90% 사이의 유동을 허용하도록 구성된 직경을 갖는 오리피스 또는 다이아프램(6)을 포함하고, 한편 나머지 유량은 자동 밸브(7) 내에서 더 미세한 제어를 달성하기 위해 사용되는, 감압 시스템, 및
    - 상 분리 장치(14, 15)로서, 중압 스트림(49) 및 저압 스트림(47)이 분할되고, 이들 스트림은 공급물 예열 유체로서 사용되도록 이들을 로딩 섹션으로 전송하는 이젝터 또는 열적압축기(16)에 진입되는, 상 분리 장치를 포함하는, 설비(8).

Images