KR20190120637A - 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 음식물 쓰레기의 탈리액을 고액분리장치에서 고상의 부유분 및 액상의 여액으로 분리하고, 상기 여액을 다시 삼상분리기를 이용하여 고형분 형태의 슬러지로 회수하며, 상기 슬러지를 건조하고 성형하여 제조하는 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법{MANUFACTURE METHOD FOR SOLID FUEL USING FOOD WASTE}
본 발명은 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 음식물 쓰레기의 탈리액을 고액분리장치에서 고상의 부유분 및 액상의 여액으로 분리하고, 상기 여액을 다시 삼상분리기를 이용하여 고형분 형태의 슬러지로 회수하며, 상기 슬러지를 건조하고 성형하여 제조하는 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.
현재 우리나라는 음식물류폐기물이 1일당 13,701톤 정도가 발생하고 있으며, 1일 1인당 발생량은 약 0.28kg이다. 이는 1일당 전체 생활폐기물 50,906톤의 27.7%로 전체 생활폐기물의 상당 부분을 차지하고 있다.
상기와 같은 음식물류폐기물을 살펴보면 채소류, 과일류, 곡류, 어육류 등으로 구성되어 있으며, 채소류, 과일류, 곡류, 어육류 등은 통상 함수율이 80~85%이므로, 축산분뇨, 분뇨, 하수슬러지 등의 유기성 폐기물에 비해 고형물의 함량이 15%이상으로 높고, 분해율도 80%이상으로 높은 특징을 보유하고 있다.
이와 같은 음식물류폐기물은 일반적으로 대부분 사료화, 퇴비화 및 소각을 통해 처리되고 있었으나, 생산된 최종 부산물인 사료나 퇴비의 품질 저하, 수요처 확보의 어려움 및 소각시 유해가스가 발생하는 등의 문제점이 있었다.
이에 본 출원인은 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 안출하였다. 또한, 음식물 쓰레기를 고형연료로 만들기 위한 탈수과정에서 발생하는 유분 및 폐수를 재활용할 수 있는 고형연료의 제조방법을 제공하고자 한다.
이하, 선행기술을 살펴보면 대한민국 등록특허공보 제10-1497810호에는 음식물류폐기물의 고체연료 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 고체연료에 대해 기재되어 있다.
내용을 간략히 살펴보면, 호기성미생물 및 톱밥을 혼합하여 1~10%의 함수율을 갖는 제1혼합물이 구비되는 제1단계와, 상기 제1혼합물에 80~90%의 함수율을 갖는 음식물류폐기물을 투입하여, 제1혼합물 및 음식물류폐기물의 함수율이 50~60%가 되도록 혼합하여 제2혼합물을 형성하는 제2단계와, 상기 제2혼합물이 건조되면서도 제2혼합물에 포함된 호기성미생물 및 음식물류폐기물이 발효되도록 히팅수단으로 제2혼합물의 온도를 45~90℃로 가열하여 5~20%의 함수율을 갖는 건조물을 형성하는 제3단계를 포함하고 있다.
상기 선행기술은 호기성미생물을 이용하여 발효하는 단계를 포함하여야 하고, 음식물 쓰레기의 고체연료 제조시 발생하는 음식물 쓰레기의 유분 및 폐수를 처리할 수 있는 방법에 대해서는 개시하고 있지 않다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1497810호 (2015.03.04.)
본 발명의 기술적 과제는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 음식물 쓰레기를 이용하여 고형연료를 제조방법을 제공하되, 제조과정에서 음식물 쓰레기의 유분과 수분을 제거하는 과정을 포함하고, 음식물 쓰레기에서 제거된 유분은 바이오디젤 원료로 사용할 수 있게 하며, 수분은 하천 방류 가능한 상태로 처리할 수 있는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법은, 호퍼에 음식물 쓰레기를 투입하고 일시 저장하는 단계와; 상기 호퍼에 저장된 음식물 쓰레기 내의 금속성 이물질 및 협잡물을 선별하여 분리한 후, 파쇄하는 단계와; 상기 선별 및 파쇄된 음식물쓰레기를 스크류프레스에서 탈수하고, 압축하여 고형물과 탈리액으로 분리하는 단계와; 상기 스크류프레스로부터 배출된 탈리액을 유입받아, 고액분리장치에서 고상의 부유 고형분 및 액상의 여액으로 분리하는 단계와; 상기 고액분리장치로부터 배출된 여액을 유입받고, 별도로 연결된 유기용제 추출액 저장조로부터 유기용제 추출액을 유입받아, 유기용제 추출액이 가해진 여액을 가열 교반기에서 가열하고 교반하는 단계와; 상기 가열교반기에서 증발한 유기용제 추출액을 응축기를 통해 응축하고 재순환시키는 단계와; 상기 가열교반기에서 배출된 여액을 삼상분리기를 통해 고형분 형태의 슬러지로 배출하는 단계와; 상기 삼상분리기를 통해 배출된 슬러지를 건조기에서 함수율 15%이하로 건조하는 건조단계와; 상기 건조된 건조물을 성형기를 통하여 연소가 용이한 형태의 일정한 규격으로 성형하는 단계로; 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 건조단계와 성형단계사이에 혼합되는 단계가 추가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 혼합단계에서 혼합물은 흑연분말, 수산화 마그네슘, 숯가루 및 송진인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법은 음식물 쓰레기를 재활용하여 고형연료로 사용하되, 제조과정에서 발생되는 유분은 바이오디젤 연료로 사용할 수 있으며, 수분은 하천 방류가능할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고형연료에서 음식물 쓰레기의 악취가 나지 않고, 성형성이 우수하여 미분이 날리지 않으므로, 고형연료의 보관이 용이한 효과가 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 음식물 쓰레기를 이용한 고체연료의 제조방법의 흐름도이다.
이하 본 발명을 도면과 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예, 참조예 및 도면에 기술된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 일 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
실시예 1. 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법
1) 음식물 쓰레기를 호퍼에 일시 저장하는 단계
본 발명의 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에서는, 음식물 쓰레기를 재처리하기 위하여 호퍼에 일시 저장하고 저장과정에서 발생하는 침출수를 일시 저장한다.
상기 호퍼는 당업계에서 일반적으로 사용하는 것으로 음식물 쓰레기를 일시 저장하는 설비이며, 상기 저장과정에서 자연적으로 음식물 쓰레기 투입량의 5~10중량%정도가 침출수로 발생하게 된다.
2) 음식물 쓰레기의 이물질 및 협잡물을 분리한 후, 파쇄하는 단계
선별 및 파쇄단계에서는 상기 호퍼에서 저장된 음식물 쓰레기 내에 금속성 이물질 및 협잡물을 선별하여 분리한 후, 파쇄기로 파쇄한다. 이때, 상기 금속성 이물질을 제거하기 위하여 자력선별기를 이용하고, 연료화에 부적합한 비닐 등의 협잡물을 분리한다.
3) 음식물 쓰레기를 탈수 및 압축하여 고형물과 탈리액으로 분리하는 단계
상기 선별 및 파쇄된 음식물 쓰레기를 스크류프레스 파쇄기 또는 원심분리기에서 압축에 의하여 탈수하고, 압축과정에서 고형물과 탈리액으로 분리한다.
4) 탈리액을 부유 고형분 및 액상의 여액으로 분리하는 단계
상기 탈리액에는 다량의 부유 고형분과 유분이 포함되어 있다. 따라서 고액분리장치(예, 데칸타)를 사용하여 탈리액을 1차로 비교적 큰 입자상의 부유 고형분과 여액으로 분리한다. 여기에서 분리된 비교적 큰 입자상의 부유 고형분은 건조기로 공급되어 고형 연료의 재료로 사용할 수 있다.
5) 여액에 유기용제를 가하여 가열 교반하는 단계
상기 고액분리장치로 부터 분리되어 나온 여액에는 작은 입자상의 부유 고형분, 유분 및 수분이 혼합되어 있다. 이 중 여액으로부터 부유 고형분과 유분을 분리하기 위하여 유기용제 추출액 저장조로 부터 공급되는 유기용제 추출액을 여액에 가하고 가열교반기에 유입시켜 교반과 동시에 가열한다.
6) 유기용제 추출액을 재순환하는 단계
상기 가열 교반하는 단계에서, 상기 가열교반기에는 응축기가 연결 구비되어 있도록 하여 상기 가열교반기로부터의 증발액을 다시 응축하여 회수되도록 함으로써, 유기용제의 손실을 최소화하도록 하는 것이 바람직하다.
7) 여액을 삼상분리기를 통해 고형분의 슬러지로 배출하는 단계
상기 가열교반기에서 가열 교반된 여액은 삼상분리기로 이송되며, 상기 삼상분리기에서 고속 회전에 의하여 발생하는 원심력에 의하여 슬러지(고형분), 유분, 수분(폐수)의 세 성분이 서로 분리된다. 이중 폐수는 유분과 부유 고형분이 대부분이 제거된 상태이므로 폐수처리장에서 처리후 방류됨으로써, 수분의 분리가 완전히 이루어지게 된다. 또한, 상기 삼상분리기에서 분리되어 나온 슬러지는 상기 고액분리장치에서 분리된 비교적 큰 입자상의 고형분과 마찬가지로 건조기로 공급되어, 고형연료의 재료가 된다.
고형분, 유분 및 수분의 분리 단계를 각각 간략히 정리하며 다음과 같다.
먼저 수분의 경우, 토퍼에서 금속성 이물질 및 협잡물이 제거된 음식물 쓰레기가 스쿠류프레스에서 탈수되고 압축되어 고형물과 탈리액으로 분리되고, 상기 탈리액이 고액분리장치를 통과하여 비교적 큰 입자의 부유 고형분이 제거된 여액(작은 입자상 부유 고형분 + 유분 + 수분)이 얻어지고, 상기 여액이 삼상분리기를 통과하여 폐수 형태의 수분이 분리되며, 상기 수분이 폐수처리장을 통과함으로써 방류 가능한 수분으로써 완전히 처리되어 배출되게 된다.
다음으로 유분의 경우, 상기 탈리액(부유 고형분 + 유분 + 수분)이 얻어지고, 이 탈리액이 고액분리장치를 통과하여 비교적 큰 입자상의 부유 고형분이 제거된 여액(작은 입자상 부유 고형분 + 유분 + 수분)이 얻어진 후, 이 여액에 먼저 유기용제 추출액이 가해져 상기 가열교반기를 거침으로써 유분의 분리 효율이 향상되도록 처리된다.
삼상분리기에서 분리되어 나온 유분은 유기용제 추출액을 제거하는 과정 및 오일필터를 통과하는 과정을 통해 바이오디젤 원료로 사용할 수 있게 된다.
7) 고형분 형태의 슬러지가 얻어지는 단계
상술한 바와 같이, 상기 고액분리장치에서 탈리액으로부터 비교적 큰 입자상의 고형분이 얻어지고, 상기 삼상분리기에서 유기용제 추출액이 가해져 가열 교반된 여액으로부터 슬러지가 얻어지게 된다.
8) 슬러지를 건조하는 단계
건조단계에서는, 상기 슬러지를 건조기에서 함수율 15%이하로 건조한다. 상기 슬러지를 함수율 15%이하로 건조하는 것은 고형연료에 적합한 발열량을 가질 수 있도록 하기 위함이다. 이때, 건조는 50~150℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬러지와 함께 고액분리장치에서 분리된 고상의 부유 고형분이 함께 혼합되어 건조기에서 건조될 수 있다.
9) 건조물을 성형하는 단계
성형단계에서는, 상기 건조된 건조물을 성형기를 통하여 연소가 용이한 형태의 일정한 규격으로 성형하여 고형연료를 제조한다. 상기 고형연료는 음식물 쓰레기 원투입량의 5~15중량% 정도로 제조될 수 있다.
성형기로는 통상의 성형기를 사용할 수 있으며, 바람직하게 압축 성형기를 사용할 수 있다. 또한, 압축성형은 70~80℃에서 수행할 수 있다.
또한, 성형 후의 고체연료의 형태는 브리켓(brquet) 및 펠릿(pellet)의 형태로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법은, 상기 건조단계과 성형단계의 사이에 고형연료의 연소효율과 성형력을 제고하기 위하여 건조된 슬러지에 혼합물을 혼합하는 단계을 더 포함할 수 있다.
이때, 혼합물로는 흑연분말, 수산화 마그네슘, 숯가루 및 송진을 포함할 수 있으며, 상기 혼합물들은 건조물 100중량부 대비 1~10중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
흑연분말은 주요 구성성분이 탄소로 슬러지의 연소를 촉진할 수 있는 역할을 하며, 수산화 마그네슘은 연소효율을 상승시킬 수 있는 소재이다. 또한, 숯가루는 숯을 100~300mesh로 분쇄한 것으로, 숯은 탈취효과가 있을 뿐만 아니라 본래 연료로 사용되던 것으로 연소시의 온도를 1200℃까지 올릴 수 있는 소재로 슬러지와 혼합하여 음식물 쓰레기 슬러지의 악취를 제거하고, 고체연료의 효율성을 높이는데 도움이 될 수 있다.
또한, 송진은 악취를 제거할 뿐만 아니라 특유의 끈적끈적한 점도로 혼합물의 점도를 증가시킴으로써 성형을 용이하게 하며, 발열량을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 악취를 감소하기 위해 첨가되는 분말들을 혼합물과 균일하게 결합될 수 있도록 하여 연소효율을 높일 수 있다.
바람직하게 상기 혼합물은 흑연분말 5~10중량부, 수산화 마그네슘 0.1~0.5중량부, 숯가루 5~10중량부 및 송진 1~3중량부가 혼합된 것을 사용할 수 있다.
상기 혼합물은 본 발명의 실시예에 따른 고형연료의 연소효율을 제고하고 악취제거를 할수 있으나, 과도하게 포함될 경우 경제성이 떨어지므로 적정량만을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고형연료 제조방법은 건조단계, 혼합단계, 성형단계 중 하나의 단계 이후에 탄화단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 저온 탄화하여 탄화단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고형연료는 저온 탄화에 의해 발열량이 높아지고, 내구성(강도 등)이 향상된다. 또한, 저온 탄화되면 악취가 제거되어 악취가 거의 없어지는 효과를 보유한다.
저온 탄화는 100~350℃의 온도에서 진행되며, 진공 또는 통기가 되지 않는 밀폐된 공간에서 진행되는 것이 바람직하다. 이때, 온도가 100℃미만이면 탄화가 일어나지 않아 발열량 및 내구성 향상을 도모하기 어려우며, 온도가 350℃를 초과하면 발열량 증가 대비 내구성 감소가 진행될 수 있다.
[여액으로부터 분리한 고형분 특성]
공업분석(중량%) 원소분석(중량%) 저위발열량
[Kcal/kg]
수분 고정
탄소		 휘발분 회분 탄소 수소 질소 유황분
2.9 12.84 77.02 7.04 45.63 7.45 5.01 0.34 4,510
고형분은 슬러지 형태로 존재하며 분석을 위하여 100℃도로 유지되는 건조기에서 건조하였다. 공업분석은 도착시료 기준이며 원소분석, 발열량은 건조시료 기준이다. 고정 탄소에 비하여 휘발분의 함량이 높은 것이 특징이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims (3)

  1. 호퍼에 음식물 쓰레기를 투입하고 일시 저장하는 단계와;
    상기 호퍼에 저장된 음식물 쓰레기 내의 금속성 이물질 및 협잡물을 선별하여 분리한 후, 파쇄하는 단계와;
    상기 선별 및 파쇄된 음식물쓰레기를 스크류프레스에서 탈수하고, 압축하여 고형물과 탈리액으로 분리하는 단계와;
    상기 스크류프레스로부터 배출된 탈리액을 유입받아, 고액분리장치에서 고상의 부유 고형분 및 액상의 여액으로 분리하는 단계와;
    상기 고액분리장치로부터 배출된 여액을 유입받고, 별도로 연결된 유기용제 추출액 저장조로부터 유기용제 추출액을 유입받아, 유기용제 추출액이 가해진 여액을 가열 교반기에서 가열하고 교반하는 단계와;
    상기 가열교반기에서 증발한 유기용제 추출액을 응축기를 통해 응축하고 재순환시키는 단계와;
    상기 가열교반기에서 배출된 여액을 삼상분리기를 통해 고형분 형태의 슬러지로 배출하는 단계와;
    상기 삼상분리기를 통해 배출된 슬러지를 건조기에서 함수율 15%이하로 건조하는 건조단계와;
    상기 건조된 건조물을 성형기를 통하여 연소가 용이한 형태의 일정한 규격으로 성형하는 단계로; 이루어지는 것을 특징으로 한 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조단계와 성형단계사이에 혼합되는 단계가 추가되는 것을 특징으로 한 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 혼합단계에서 혼합물은 흑연분말, 수산화 마그네슘, 숯가루 및 송진인 것을 특징으로 한 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
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