KR20190005008A - 메테인 발효 처리 방법 및 처리 장치 - Google Patents

Abstract

(과제)
유기성 폐기물로부터 메테인 가스를 발생시키는 장치의 제공.
(해결 수단)
폐기물을 투입하는 폐기물 투입조(2), 메테인 가스가 발생하는 발효조(1), 이 메테인 가스를 사용하여 가동하는 발전기(3), 이 발전기(3)가 가동할 때의 폐열을 사용하여 가열된 온수(15)를 순환시켜 순환로(11)를 흐르는 유기성 폐기액(9)을 소정의 온도로 가열하는 가열기(4)를 가지고, 이 발효조(1)의 하단부에 설치한 유출구(10)로부터 흐르고 발효조 내의 유기성 폐기액(9)의 액면(12)보다 상방에 유입구(17)를 가지는 순환로(11)를 설치하고 있다.

Description

메테인 발효 처리 방법 및 처리 장치{METHOD AND APPARATUS FOR METHANE FERMENTATION TREATMENT}

본 발명은 소규모인 구조로 구성하여 가축의 분뇨나 부엌 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 메테인 발효 처리할 수 있는 메테인 발효 처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

부엌 쓰레기, 가축의 배설물, 식품 가공 잔사, 오니 등의 유기성 폐기물을 원료로 하여 메테인을 발효시킬 수 있고, 이 메테인 가스는 화석 연료를 대신하는 것으로서 친환경적인 재생 가능한 에너지이다.

메테인 가스는 유기물의 부패나 발효 등에 수반되어 발생하고, 색도 냄새도 없는 가연성의 가스이며, 메테인 발효 기술을 활용하여 대량으로 발생하는 폐기물의 처리가 주목되고 있다.

메테인 발효 기술은 화석 연료를 거의 사용하지 않고, 카본 뉴트럴인 유기성 폐기물을 에너지 원료로서 이용하는 점에서, 지구온난화 방지의 관점에서의 온실 효과 가스 억제에 기여하는 시스템이다.

그런데 종래에도 부엌 쓰레기, 가축의 배설물, 식품 가공 잔사 등의 유기성 폐기물을 원료로 하여 메테인을 발효시키는 장치는 알려져 있지만, 대규모의 설비가 되어버리는 것이 현 실정이다.

예를 들면 일본 특개 2011-31167호에 따른 「오니 소화 장치」는 이 장치의 순환 경로는 조의 내부로부터 외부에 걸쳐 조 벽을 관통하여 연장되는 제1 횡관 및 제2 횡관(23, 26)을 가지고, 이들 횡관의 조의 외부에 배치된 부분의 외측에 외관을 배치하여, 제1 횡관 및 제2 횡관과 외관 사이에 외측 유로를 형성하고 있다. 각 외관의 조 벽측의 단부를 배관으로 접속하여 양 외측 유로를 연통시키고 있다. 제2 횡관의 외관에 열매체 도입관을 접속하고, 제1 횡관의 외관에 열매체 도출관을 접속하고, 외관이 배치된 부분에서, 제1 횡관 및 제2 횡관 내에 오니가 통과하고, 외측 유로에 열매체가 통과한다. 이것에 의해 순환 경로 내의 오니가 가열된다.

일본 특허 제4218504호에 따른 「메테인 발효 처리 방법」은 메테인 발효조 내의 균수를 줄이지 않고 메테인 발효조의 온도를 고온으로 유지할 수 있는 메테인 발효 처리 방법이다.

즉 유기성 폐기물을 원료 슬러리화하여 메테인 발효조 내에 공급하고, 혐기성 미생물에 의해 메테인 발효시키고, 발효 폐액으로서 취출하는 메테인 발효 처리 방법에 있어서, 메테인 발효조의 외부에 접속된 순환 경로에 의해 발효액의 일부를 순환시키고, 이 순환 경로의 도중에 열교환기를 설치하고, 메테인 발효조 내의 온도가 53~57℃가 되도록 발효액의 순환 유량을 순환 펌프로 제어하고 있다.

일본 특개 평11-290827호에 따른 「발효조 내의 유기성 폐기물의 가온 방법」은 고농도의 유기성 폐기물을 발효시킬 때에 균등하게 가온할 수 있도록 하고 있다.

그래서 메테인균 등을 포함한 발효조 내의 TS 농도 1.5~7%의 오니를 이 발효조에 연통시켜 조 밖에 설치한 오니 순환관에 걸쳐 순환 펌프 장치로 순환시킴으로써 교반 혼합하고, 교반 혼합에 수반하여 발생하는 마찰열로 가온한다.

이들 이외에도 일본 특개 2004-837호에 따른 「유기성 폐기물의 혐기성 처리 방법 및 처리 시스템」, 일본 특개 소59-186700호에 따른 「물·오니 처리 시스템」, 일본 특개 소58-205592호에 따른 「하수 처리 장치」, 일본 특개 2007-229657호에 따른 「유기물 함유액의 발효조 투입 방법 및 처리 장치」, 일본 특개 2000-157255호에 따른 「바이오가스 제조 방법 및 장치」 등이 있다.

일본 특개 2011-31167호에 따른 「오니 소화 장치」 일본 특허 제4218504호에 따른 「메테인 발효 처리 방법」 일본 특개 평11-290827호에 따른 「발효조 내의 유기성 폐기물의 가온 방법」 일본 특개 2004-837호에 따른 「유기성 폐기물의 혐기성 처리 방법 및 처리 시스템」 일본 특개 소59-186700호에 따른 「물·오니 처리 시스템」 일본 특개 소58-205592호에 따른 「하수 처리 장치」 일본 특개 2007-229657호에 따른 「유기물 함유액의 발효조 투입 방법 및 처리 장치」 일본 특개 2000-157255호에 따른 「바이오가스 제조 방법 및 장치」

이와 같이 종래부터 메테인 발효 처리 장치는 다양하게 알려져 있다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 특히 상기 일본 특허 제4218504호에 따른 「메테인 발효 처리 방법」의 문제점을 개량한 것이며, 보다 간소화한 공정으로 효율적으로 메테인 가스를 생성할 수 있는 메테인 발효 처리 방법 및 컴팩트화한 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 메테인 발효 기술을 이용한 소형이며 필요한 장소에 반송·설치하는 것이 가능한 메테인 발효 처리 장치이며, 발생한 메테인 가스를 이용하여 발전하고, 발전시에 발생하는 폐열을 가열용으로서 이용하고, 또 폐기물을 처리하여 메테인 가스를 취출한 후의 소화액을 농작물의 비료로서 이용할 수 있는 시스템이다.

그런데 본 발명에 따른 메테인 발효 처리 장치는 메테인 가스를 발생시키기 위한 발효조, 부엌 쓰레기 등의 폐기물을 투입하기 위한 폐기물 투입조, 그리고 가스 엔진 발전기를 가지고 있다. 폐기물 투입조에는 교반기를 부착하고, 그리고 폐기물 투입조에 투입한 폐기물(유기성 자원)을 발효조에 보내기 위해서, 폐기물 투입조와 발효조 사이에 반송관을 접속하고, 사이에는 폐기물을 송출하기 위한 펌프를 설치하고 있다. 여기서 유기성 폐기물은 교반기로 교반됨으로써 액상화되어 유기성 폐기액이 된다.

발효조에 보내진 유기성 폐기액은 발효되어 메테인 가스가 생성되는데, 이 발효조 내의 유기성 폐기액을 순환시키기 위해서 순환로를 설치하고, 그것을 위해 발효조의 하단부에 유출구를, 유기성 폐기액의 액면 상방에 유입구를 가지고 있다.

따라서 발효조 내의 유기성 폐기액은 순환로를 순환하고, 상방으로부터 흘러내리도록 유입구를 액면 아래에 설치하고 있지 않다. 발효조의 상부 공간에는 발생한 메테인 가스가 충만하고, 이 메테인 가스는 외부로 이끌어져 발전기를 가동하는 에너지원으로서 소비된다.

유기성 폐기액이 순환로를 통하여 흘러내림으로써 발효조 내부는 교반되고, 또 발효조 내부에는 교반기를 부착하여 교반하고 있다. 그리고 순환로의 도중에는 가열기를 부착하여, 이 순환로를 흐르는 유기성 폐기액을 소정의 온도로 가열하도록 하고 있다.

여기서 가열 수단으로서 온수가 사용되고, 이 온수는 발효조에서 생성되는 메테인 가스를 사용하여 가동하는 발전기의 폐열이 사용된다. 상기 가열기의 구체적인 구조는 한정하지 않는 것으로 하지만, 일반적으로는 2중관 구조로 하여, 온수가 순환하여 흐르는 외경이 큰 관의 중심축부를 상기 순환로가 관통하는 구조로 할 수 있다.

단, 전기를 필요로 하지 않는 경우이면, 상기 발전기 대신에 보일러나 온수 발생 장치(가스 급탕기)를 부착할 수도 있다.

본 발명에 따른 메테인 가스 처리 방법은 폐기물 투입조에 투입된 유기성 폐기물을 액상화하여 발효조에 보내고, 이 발효조에서는 그 하단부에 설치한 유출구로부터 유출되어 순환로를 순환하고, 발효조의 상부인 액면 상방으로부터 흘러내리게 하고 있다. 따라서 유기성 폐기액은 발효조 내부의 상하층간에서 순환하고, 게다가 순환로의 도중에 설치되어 있는 가열기에 의해 적당한 온도로 가열됨으로써, 유기성 폐기액으로부터 효율적으로 메테인 가스를 발생시킬 수 있다.

그리고 발생한 메테인 가스는 순환하여 상방으로부터 흘러내리는 유기성 폐기액에 의해 액면 상에 다량의 거품이 발생하지 않고 찌그러져, 효율적으로 메테인 가스를 발생시킬 수 있다. 즉, 액면 상에 대량의 거품이 발생하여 발효조의 상부 공간이 거품으로 채워지면, 메테인 가스를 빼낼 수 없고, 또 상부 공간에 배치되어 있는 각종 계측기가 오작동할 우려가 있는데, 본 발명에서는 이들 현상을 방지하기 위해서 거품의 발생을 억제하고 있다.

발효조 내에는 교반기가 부착되어 있어, 유기성 폐기액이 수평면 내에서 순환하도록 하고 있고, 순환로의 유입구가 1개소여도 액면이 순환함으로써 발생하는 거품은 순차 소멸한다.

한편, 순환로를 흐르는 유기성 폐기액의 가열은 생성되는 메테인 가스를 이용하여 가동하는 발전기의 폐열로 데워지는 온수가 사용되어, 별도 가열원이 되는 에너지를 필요로 하지 않고, 또 교반기를 돌리는 전기 에너지는 발전기로부터 직접 공급된다.

도 1은 본 발명에 따른 메테인 발효 처리 장치의 개략도를 나타내고 있다.
도 2는 유기성 폐기액이 흐르는 순환로를 가열하기 위한 가열기이다.
도 3은 메테인 발효 처리 장치를 구성하는 발효조를 컨테이너에 수용한 경우이다.
도 4는 메테인 발효 처리 장치를 구성하는 폐기물 투입조, 발전기, 온수 유닛 및 메테인 가스 탱크를 컨테이너에 수용한 경우이다.

도 1은 본 발명에 따른 메테인 발효 처리 장치의 개략도이며, 동 도면의 1은 발효조, 2는 폐기물 투입조, 3은 발전기, 4는 가열기를 각각 나타내고 있다.

상기 폐기물 투입조(2)에는 메테인 가스를 발생시키는 원료가 되는 부엌 쓰레기, 가축의 배설물, 식품 가공 잔사, 오니 등의 유기성 폐기물(6)이 투입되고, 함께 서로 섞여 있는 고형물은 파쇄 기능을 구비한 펌프(5)로 자잘하게 부수어져 송출된다.

그 때문에 이 펌프(5)는 투입조(2)의 유출구에 배치되어, 발효조(1)로 송출되는 유기성 폐기물(6)은 파쇄 기능을 구비한 펌프(5)를 통과하게 된다. 또 투입조(2)에는 교반기(7)를 부착하고 있어, 투입된 다양한 물질이 서로 섞여 유기성 폐기물(6)이 균등하게 되도록 교반되고, 유기성 폐기물(6)은 유기성 폐기액(9)이 된다. 유기성 폐기액(9)은 상기 펌프(5)로 압출됨으로써 반송관(8)을 흘러 발효조(1)로 보내진다.

발효조(1)에서는 상기 폐기물 투입조(2)로부터 보내진 유기성 폐기액(9)은 발효하여 메테인 가스가 효율적으로 발생하도록 소정의 온도로 가열됨과 아울러 교반된다.

그래서 발효조(1)는 큰 탱크로 구성되어, 발효조 내의 유기성 폐기액(9)을 순환시킨다. 즉, 발효조(1)의 바닥부에 유출구(10)를 설치하여 파쇄 기능을 구비한 펌프(5)로 빨아들이고, 유기물 폐기액(9)은 순환로(11)를 흘러 순환하고, 발효조(1)의 상부에 설치되어 유입구로부터 흘러내릴 수 있다. 여기서 상기 유입구(17)는 액면(12)보다 상방에 배치되고, 그 때문에 유기물 폐기액(9)은 액면(12)에 흘러내리도록 되어 있다.

순환로(11)의 일부에는 가열기(4)를 설치하고, 이 가열기(4)에 의해 순환로(11)를 흐르는 액상의 유기성 폐기액(9)을 데울 수 있다.

그리고 발효조(1)의 내부에는 교반기(13a, 13b)를 양측에서 대각선 상에 부착하고 있어, 내부에 수용되어 있는 유기성 폐기액(9)을 교반할 수 있다.

본 발명에서는 발효조(1)의 바닥부로부터 유출되어 액면 상방으로부터 흘러내림으로써, 그 흘러내리는 하중을 이용하여 발효조 내에서는 상하 방향으로 순환하는 흐름이 형성된다. 게다가 교반기(13a, 13b)를 발효조의 양측에서 대각선 상의 위치에 부착하여 교반함으로써, 수평면 내에서 순환하는 흐름이 형성되어 균등하게 서로 섞일 수 있다.

그런데 발효조(1)의 상부 공간(14)에는 유기성 폐기액(9)이 발효됨으로써 발생한 메테인 가스가 충만하고, 이 메테인 가스는 발효조(1)와는 별개로 설치한 용기(탱크)로 이끌어 수용하여, 이 메테인 가스를 별도 사용할 수 있다. 또 이 메테인 가스를 사용하여 상기 발전기(3)를 가동하고, 가스 엔진으로 가동하는 발전기(3)에 의해 발생하는 전기를 각 용도로 사용할 수 있다.

한편, 발전기(3)로부터 발생하는 폐열을 이용하여 가열된 온수가 온수 가열기(4)를 흐르도록 되어 있다.

상기 폐기물 투입조(2) 및 발효조(1)에 부착되어 있는 교반기(7, 13a, 13b)의 동력으로서, 또 펌프(5)를 구동하는 동력으로서의 전력도 상기 발전기(3)로부터 공급한다. 즉, 본 발명의 메테인 발효 처리 장치는 외부로부터의 에너지의 공급을 필요로 하지 않고 독립적으로 가동하도록 구성하고 있다. 그 때문에 본 발명의 장치를 필요한 장소에 반송·설치함으로써, 발전기(3)로부터 발생하는 전기 에너지를 또는 발전기(3)의 폐열을 손쉽게 이용할 수 있다.

이 온수 가열기(4)는 도 2에 구체예를 나타내는 바와 같이, 중심 축부를 상기 순환로(11)가 관통하고, 온수(15)가 가열기(4)를 흐름으로써 순환로(11)가 가열되고, 나아가서는 순환로(11)를 흐르는 유기성 폐기액(9)이 가열된다.

상기 발전기(3)가 가동함으로써 발생하는 폐열이 이용되어 온수 유닛(16) 내의 온수(15)가 데워지고, 이 온수(15)는 상기 가열기(4)를 순환하도록 되어 있다.

그리고 가열된 유기성 폐기액(9)은 순환로(11)를 흘러 발효조(1)의 액면 상방으로부터 흘러내리고, 발효조 내부의 유기성 폐기액(9)의 온도를 약30℃~40℃, 또는 50℃~60℃로 상승시켜 발효할 수 있다. 이 온도는 유기성 폐기액(9)이 발효하기 쉬운 온도이며, 이 2개의 온도대를 전환할 수 있도록 제어하고 있다. 또 액면 상방으로부터 흘러내림으로써 상하 방향으로 순환하는 흐름이 형성됨과 아울러, 유기성 폐기액(9)의 액면(12)에 발생하는 다수의 거품은 찌그러져 소멸되게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 메테인 발효 처리 장치의 발효조(1)를 나타내는 실시예이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도를 각각 나타내고 있다. 동 도면에 나타내는 발효조(1)는 개략 직육면체를 형성한 탱크이며, 이 발효조(1)에 상기 폐기물 투입조(2)로부터 보내지는 유기성 폐기액(9)이 수용되어 메테인 가스를 발생시킨다.

이 발효조(1)의 상단부에는 순환로(11)가 배치되고 그 유입구(17)가 선단에 설치되어 있다.

그리고 발효조(1)의 양측에는 교반기(13a, 13b)가 부착되고, 양 교반기(13a, 13b)의 높이는 동일한데 대각선 상에 위치하고 있다. 따라서 양 교반기(13a, 13b)가 회전하면, 유기성 폐기액(9)은 수평면 내에서 반시계 방향으로 순환하여 흐른다.

한편, 순환로(11)를 흘러 상기 유입구(17)로부터 흘러내리는 유기성 폐기액(9)은 상하 방향으로 순환하는 흐름이 형성되고, 발효조 내의 유기성 폐기액(9)은 균일하게 서로 섞이며, 게다가 수평면 내의 순환 흐름으로 액면 상에 발생하는 거품은 상방의 유입구(17)로부터 흘러내리는 유기성 폐기액(9)으로 순차 찌그러진다.

그런데 발효조(1)의 양측으로서 대각선 상에 부착된 교반기(13a, 13b)가 회전함으로써 유기성 폐기액(9)은 반시계 방향으로 순환하여 흐르는데, 교반기(13a, 13b) 대신에 유기성 폐기액(9)이 분사되는 노즐을 대각선 상에 부착하는 것도 가능하다. 즉, 순환로(11)를 도중에서 분기시켜 분사 노즐로부터 분사시킨다. 물론 필요하면 별개의 분사용 펌프를 부착해도 된다.

도 4는 도 3에 나타내는 발효조(1)를 제거한 폐기물 투입조(2), 발전기(3), 온수 유닛(16), 메테인 가스 탱크(18)를 각각 나타내고 있다. 본 발명에 따른 메테인 발효 처리 장치는 컨테이너에 수용하여 구성하고, 큰 탱크로 구성하고 있는 발효조(1)는 컨테이너(19)에 수용되며, 그 밖의 구성 부재인 상기 폐기물 투입조(2), 발전기(3), 온수 유닛(16), 메테인 가스 탱크(18)는 컨테이너(20)에 수용되어 있다.

따라서 이들 컨테이너(19, 20)를 트럭에 실어 소정의 장소로 운반할 수 있다. 운반된 양 컨테이너(19, 20)는 서로 접속하여, 폐기물 투입조(2)에 유기성 폐기물(5)을 투입함으로써 메테인 가스가 발생하여 가동할 수 있다.

이와 같이 컨테이너(19, 20)에 수용하여 구성함으로써, 각각의 장치를 현장으로 운반하여 설치할 필요가 없고, 그 때문에 전체가 컴팩트화됨과 아울러 거치 작업에 노동력이 절감된다.

1…발효조
2…폐기물 투입조
3…발전기
4…가열기
5…파쇄 펌프
6…유기성 폐기물
7…교반기
8…반송관
9…유기성 폐기액
10…유출구
11…순환로
12…액면
13…교반기
14…상부 공간
15…온수
16…온수 유닛
17…유입구
18…메테인 가스 탱크
19…컨테이너
20…컨테이너

Claims (10)

1. 유기성 폐기물로부터 메테인 가스를 발생시키는 장치에 있어서, 폐기물을 투입하는 폐기물 투입조, 메테인 가스가 발생하는 발효조, 이 메테인 가스를 사용하여 가동하는 발전기, 이 발전기가 가동할 때의 폐열을 사용하여 가열된 온수를 순환시켜 순환로를 흐르는 유기성 폐기액을 소정의 온도로 가열하는 가열기를 가지고, 상기 폐기물 투입조와 발효조를 반송관으로 접속함과 아울러 이 폐기물 투입조에 넣은 유기성 폐기물을 발효조로 보내기 위한 펌프를 부착하고, 그리고 이 발효조의 하단부에 설치한 유출구로부터 흐르고 발효조 내의 유기성 폐기액의 액면보다 상방에 유입구를 가지는 순환로를 설치한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 발효조 내에 교반기를 부착하고, 유기성 폐기액이 수평면 내에서 순환하는 흐름을 형성한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 발효조의 형상을 개략 직육면체로 한 경우의, 교반기를 양측에 부착함과 아울러 그 위치를 대각선 상으로 한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 교반기 대신에 분사 노즐을 부착한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 발전기 대신에 보일러를 사용한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
6. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 발전기 대신에 온수 발생 장치를 사용한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 장치.
7. 유기성 폐기물을 자잘하게 부순 유기성 폐기액으로부터 메테인 가스를 발생시키는 메테인 발효 처리 방법에 있어서, 발효조에는 그 하단부에 설치한 유출구로부터 순환로를 연장하고, 그 유입구를 발효조 내의 유기성 폐기액의 액면보다 상방에 설치하고, 상기 유기성 폐기액은 순환로를 흐름과 아울러 도중에 설치한 가열기에 의해 소정의 온도로 가열되고, 상기 유입구로부터 액면을 향하여 흘러내림으로써 상하 방향으로 순환하는 흐름을 형성한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 발효조의 측면에 교반기를 부착하고, 유기성 폐기액이 수평면 내에서 순환하는 흐름을 형성한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 발효조의 양측면으로서 대각선 상의 동일한 높이에 교반기를 부착한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 교반기 대신에 분사 노즐을 부착한 것을 특징으로 하는 메테인 발효 처리 방법.

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