KR20230076562A - Reactor and anaerobic disgedtion device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성된 반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치가 개시된다.A reactor and an anaerobic digestion device including the same are disclosed. More specifically, a reactor configured to enable high-efficiency agitation and smooth recycling without an agitator and an anaerobic digestion device including the same are disclosed.
축산 분뇨 및 음식물 쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물은 부패 및 침출수 등에 의해 환경을 심각하게 훼손시킬 수 있는 것으로서, 폐기시 반드시 종류별로 취합하여 정해진 폐기물 처리과정을 거쳐서 폐기되어야 한다.Organic wastes such as livestock manure and food waste can seriously damage the environment due to decay and leachate, and must be collected by type and disposed of through a prescribed waste treatment process.
그러나, 유기성 폐기물의 단순 폐기 처리는 처리시설 마련과 인력의 소모가 요구되는 것으로서, 생산적인 측면보다는 낭비적인 측면이 상대적으로 강하다.However, the simple disposal of organic waste requires the preparation of treatment facilities and the consumption of manpower, and the wasteful aspect is relatively stronger than the productive aspect.
이에 따라, 유기성 폐기물을 재활용하기 위한 방법과 기술들이 개발되고 있는데, 대표적으로는 유기성 폐기물을 이용하여 바이오 가스(또는 메탄 가스)를 생산하고, 유기성 폐기물을 통해 생산된 바이오 가스를 에너지화하는 기술 등을 꼽을 수 있다.Accordingly, methods and technologies for recycling organic waste are being developed. Representatively, biogas (or methane gas) is produced using organic waste, and biogas produced through organic waste is converted into energy. can be cited.
유기성 폐기물은 탄소, 수소, 소량의 무기물(질소, 황, 인: 무기물 총량 0.1% 미만)로 구성되어 있고, 혐기성 미생물 분해시 무기물이 배출되어 반응기에 축적된다. 축적되는 무기물은 제거되어야 하는데, 혐기성 미생물은 극소량의 무기물만 취하고 나머지는 축적되고, 축적된 무기물은 혐기성 미생물에 독성으로 작용하여 미생물의 활성을 저해한다.Organic waste is composed of carbon, hydrogen, and a small amount of inorganic substances (nitrogen, sulfur, and phosphorus: less than 0.1% of the total amount of inorganic substances), and when anaerobic microorganisms decompose, inorganic substances are discharged and accumulated in the reactor. Accumulated minerals must be removed. Anaerobic microorganisms take only a small amount of minerals and the rest accumulates, and the accumulated minerals act as toxic substances to anaerobic microorganisms and inhibit their activity.
한국공개특허 제10-2021-0113104호에 개시된 순환식 바이오 가스 생산 설비는 1차 반응기와 2차 반응기를 거친 반응액이 스트리핑 칼럼으로 공급되며, 거기서 증류공정을 통하여 무기산은 농축되고 깨끗한 물만 탑상물질로 배출되어 다시 1차 반응기로 공급되는 시스템으로서 결국 반응기 내에서의 무기물 축적을 막아준다. 그러나, 상기 순환식 바이오 가스 생산 설비는 무기물의 축적을 막기 위해 상당한 순환량이 필요하다는 문제점이 있다. 순환량이 많다는 것은 스트리핑 칼럼에서 엄청난 양의 깨끗한 물을 탑상물질로 배출한다는 것이며, 이것은 막대한 에너지 손실을 초래할뿐만 아니라, 물을 응축시키기 위한 추가 에너지 비용이 너무 커지게 된다.In the circulating biogas production facility disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2021-0113104, the reaction solution that has passed through the first reactor and the second reactor is supplied to the stripping column, where inorganic acids are concentrated through a distillation process, and only clean water is the top material. It is a system that is discharged to the primary reactor and supplied back to the primary reactor, eventually preventing the accumulation of minerals in the reactor. However, the circulating biogas production facility has a problem in that a considerable amount of circulation is required to prevent accumulation of inorganic substances. A high circulation amount means that the stripping column discharges a huge amount of clean water as overhead material, which not only causes a huge energy loss, but also makes the additional energy cost for condensing the water too large.
본 발명의 일 구현예는 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성된 반응기를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a reactor configured to enable high-efficiency agitation and smooth recirculation without an agitator.
본 발명의 다른 구현예는 바이오 가스의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 혐기성 소화 장치를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an anaerobic digestion device capable of improving the production efficiency of biogas.
본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention,
커버부;cover part;
상기 커버부와 이격되게 배치된 것으로 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 내벽;a hollow inner wall disposed to be spaced apart from the cover and configured to allow fluid to flow upward in the internal space;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 내벽을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 내벽과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 중간벽;a hollow intermediate wall coupled to the cover part and configured to partially surround the hollow inner wall so that fluid flows downward in a space between the hollow inner wall and the hollow inner wall;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 중간벽을 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 중간벽과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성된 중공형 외벽; 및a hollow outer wall coupled to the cover part and configured to surround the hollow intermediate wall so that solid-liquid separation occurs in a space between the hollow intermediate wall and liquid flows upward and solid flows downward; and
상기 중공형 내벽의 내부 공간에 배치된 헬리컬 배플을 포함하는 반응기를 제공한다.A reactor including a helical baffle disposed in an inner space of the hollow inner wall is provided.
상기 중공형 내벽은 그 하단부가 상기 중공형 외벽에 결합된 것일 수 있다.The hollow inner wall may have a lower end coupled to the hollow outer wall.
상기 중공형 내벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀을 포함할 수 있다.The hollow inner wall may include a plurality of first through holes formed along a circumference of a lower end thereof.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부의 높이가 상기 중공형 내벽의 하단부의 높이 보다 높도록 구성될 수 있다.The height of the lower end of the hollow intermediate wall may be higher than that of the lower end of the hollow inner wall.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀을 포함할 수 있다.The hollow middle wall may include a plurality of second through holes formed along a circumference of a lower end thereof and a third through hole formed at an upper end thereof.
상기 중공형 외벽은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.The hollow outer wall may be configured such that an upper portion extends to have a constant width along the longitudinal direction and a lower portion gradually narrows toward the center along the longitudinal direction.
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플 및 상기 제1 경사 배플과 엇갈리도록 상기 중공형 내벽에 결합된 복수개의 제2 경사 배플을 더 포함할 수 있다.The reactor may further include a plurality of first inclined baffles coupled to a narrowing portion of the hollow outer wall and a plurality of second inclined baffles coupled to the hollow inner wall so as to cross each other with the first inclined baffle. .
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합된 유출배관 및 복수개의 유입배관을 더 포함할 수 있다.The reactor may further include an outlet pipe and a plurality of inlet pipes coupled to a lower end of the hollow outer wall in fluid communication.
상기 반응기는 상기 중공형 외벽의 중간부의 서로 다른 높이에 하나씩 유체 연통되게 결합된 복수개의 다른 유출배관을 더 포함할 수 있다.The reactor may further include a plurality of other outflow pipes coupled to each other in fluid communication with each other at different heights of the middle portion of the hollow outer wall.
상기 반응기는 상기 커버부에 유체 연통되게 결합된 또 다른 유출배관을 더 포함할 수 있다.The reactor may further include another outlet pipe coupled to the cover part in fluid communication.
상기 반응기는 내부 교반기를 포함하지 않을 수 있다.The reactor may not include an internal stirrer.
본 발명의 다른 측면은,Another aspect of the present invention is
1차 반응기;primary reactor;
상기 1차 반응기의 후단에 배치된 2차 반응기; a secondary reactor disposed after the primary reactor;
상기 2차 반응기의 후단에 배치된 스트리핑 칼럼; 및a stripping column disposed at the rear end of the secondary reactor; and
상기 2차 반응기의 유출물과 상기 스트리핑 칼럼의 유출물을 열교환시키도록 구성된 열교환기를 포함하는 혐기성 소화 장치를 제공한다.It provides an anaerobic digestion apparatus including a heat exchanger configured to heat-exchange the effluent of the secondary reactor and the effluent of the stripping column.
상기 1차 반응기는 상술한 반응기일 수 있다.The primary reactor may be the above-described reactor.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 1차 반응기의 유출물이 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성될 수 있다.The anaerobic digestion apparatus may be configured such that an effluent of the primary reactor is recycled to at least one of the primary reactor and the stripping column.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 1차 반응기의 유출물을 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.The anaerobic digestion apparatus may further include a pump for recirculating the effluent of the primary reactor to at least one of the primary reactor and the stripping column.
상기 2차 반응기는 활성탄층을 포함할 수 있다.The secondary reactor may include an activated carbon layer.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성될 수 있다.The anaerobic digestion device may be configured such that the effluent of the second reactor is recycled to at least one of the first reactor and the second reactor via the heat exchanger.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물을 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환시키는 다른 펌프를 더 포함할 수 있다.The anaerobic digestion device may further include another pump for recirculating the effluent of the secondary reactor to at least one of the primary reactor and the secondary reactor via the heat exchanger.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 바이패스하여 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성될 수 있다.The anaerobic digestion device may be configured such that the effluent of the secondary reactor is recycled to at least one of the primary reactor and the secondary reactor by bypassing the heat exchanger.
상기 혐기성 소화 장치는 상기 스트리핑 칼럼의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성될 수 있다.The anaerobic digestion device may be configured such that an effluent of the stripping column is recycled to at least one of the primary reactor and the stripping column via the heat exchanger.
본 발명의 일 구현예에 따른 반응기는 교반기 없이 고효율의 교반 및 원활한 재순환이 가능하도록 구성되어 운전비용을 대폭 절감할 수 있다.The reactor according to one embodiment of the present invention is configured to enable high-efficiency agitation and smooth recirculation without an agitator, thereby significantly reducing operating costs.
또한 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치는 무기물의 제거효율이 우수하여 비용절감과 함께 높은 바이오 가스 생산 효율을 달성할 수 있다. In addition, the anaerobic digestion device according to one embodiment of the present invention has excellent removal efficiency of inorganic substances, and thus can achieve high biogas production efficiency with cost reduction.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기의 길이방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 반응기의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 반응기 중 “A” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 반응기 중 “B-B” 선을 절단하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 반응기 중 “C” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a longitudinal cross-sectional view of a reactor according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view for explaining the operating principle of the reactor of Figure 1.
FIG. 3 is an enlarged view of part “A” of the reactor of FIG. 1 .
4 is a cross-sectional view of the reactor of FIG. 1 taken along line “BB”.
FIG. 5 is an enlarged view of part “C” of the reactor of FIG. 1 .
6 is a schematic view of an anaerobic digestion apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기 및 이를 포함하는 혐기성 소화 장치를 상세히 설명한다. Hereinafter, a reactor according to an embodiment of the present invention and an anaerobic digestion device including the same will be described in detail with reference to the drawings.
본 명세서에서, “상방”이란 중력의 역방향을 의미하고, “하방”이란 중력방향을 의미한다.In the present specification, "upward" means the opposite direction of gravity, and "downward" means the direction of gravity.
또한 본 명세서에서, “유체”란 액체, 기체, 액체와 고체의 혼합물 또는 이들의 조합을 의미한다.Also, in this specification, “fluid” means a liquid, a gas, a mixture of a liquid and a solid, or a combination thereof.
또한 본 명세서에서, “중공형”란 속이 빈 모든 형상을 의미하는 것으로, 예를 들어, 실린더형 또는 이와 유사한 형태를 말한다.In addition, in this specification, "hollow" refers to any hollow shape, for example, a cylindrical shape or a shape similar thereto.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기(100)의 길이방향 단면도이고, 도 2는 도 1의 반응기(100)의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 반응기(100) 중 “A” 부분을 확대하여 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 반응기(100) 중 “B-B” 선을 절단하여 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1의 반응기(100) 중 “C” 부분을 확대하여 도시한 도면이다.1 is a longitudinal cross-sectional view of a
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기(100)는 커버부(101), 중공형 내벽(102), 중공형 중간벽(103), 중공형 외벽(104) 및 헬리컬 배플(105)을 포함한다.1 and 2, the
커버부(101)에는 유출배관(EX3)이 유체 연통되게 결합될 수 있다.An outflow pipe EX3 may be coupled to the
유출배관(EX3)은 가스 유출배관일 수 있다.The outlet pipe EX3 may be a gas outlet pipe.
중공형 내벽(102)는 그 상단부가 커버부(101)와 이격되게 배치된 것일 수 있다. 이러한 중공형 내벽(102)은 그 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 유체는 중공형 내벽(102)의 하단부 보다 낮은 위치에서부터 중공형 내벽(102)의 상단부 보다 높은 위치까지 흐를 수 있다(도 2의 화살표 참조). An upper end of the hollow
또한, 중공형 내벽(102)는 그 하단부가 중공형 외벽(104)에 결합된 것일 수 있다.In addition, the hollow
또한, 중공형 내벽(102)는 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀(h1)을 포함할 수 있다. 이러한 제1 관통홀(h1)을 통해 중공형 내벽(102)의 내부 공간과, 중공형 내벽(102)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간이 서로 연통되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공형 내벽(102)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로부터 중공형 내벽(102)의 내부 공간으로 유체가 유입될 수 있다(도 2의 화살표 참조).In addition, the hollow
중공형 중간벽(103)은 그 상단부가 커버부(101)에 결합된 것일 수 있다. 이러한 중공형 중간벽(103)은 중공형 내벽(102)을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 중공형 내벽(102)과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 중공형 내벽(102)의 상단부 위로 오버플로우된 유체는 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간에서 하방으로 흐를 수 있다(도 2의 화살표 참조). The hollow
또한, 중공형 중간벽(103)은 그 하단부의 높이가 중공형 내벽(102)의 하단부의 높이 보다 높도록 구성될 수 있다.In addition, the hollow
또한, 중공형 중간벽(103)은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀(h2) 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀(h3)을 포함할 수 있다. 제2 관통홀(h2)을 통해 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간과, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간이 서로 연통되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간으로부터 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로 유체가 유입될 수 있다(도 2의 화살표 참조). 또한, 제3 관통홀(h3)을 통해 기체가 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로부터 중공형 중간벽(103)의 내부 공간으로 유출된 후 유출배관(EX3)을 통해 반응기(100)의 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제3 관통홀(h3) 및 유출배관(EX3)을 통해 외부로 배출되는 기체는 바이오 가스(메탄)를 포함할 수 있다. In addition, the hollow
중공형 외벽(104)은 그 상단부가 커버부(101)에 결합된 것일 수 있다. 이러한 중공형 외벽(104)은 중공형 중간벽(103)을 둘러싸도록 구성되되, 중공형 중간벽(103)과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성될 수 있다(도 2의 화살표 참조). 구체적으로, 중공형 내벽(102)과 중공형 중간벽(103) 사이의 공간에서 하방으로 흘러내린 유체(즉, 액체와 고체의 혼합물)는 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간으로 유입되어 상방으로 흘러올라가면서 고액분리가 일어나게 된다. 즉, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간은 상방으로 흐르는 유체의 유속을 낮춰 그 공간내에서 고액분리가 일어나기에 충분히 넓도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 중공형 중간벽(103)과 중공형 외벽(104) 사이의 공간에서는 슬러지와 같은 큰 고형물이 침전될 수 있다.The hollow
또한, 중공형 외벽(104)은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성될 수 있다.In addition, the hollow
헬리컬 배플(helical baffle)(105)은 중공형 내벽(102)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 이러한 헬리컬 배플(105)은 반응기(100)에 유입되는 유체에 와류(vortex)를 형성하여 유체에 함유된 성분들간의 혼합도(degree of mixing)를 증가시키는 역할을 수행한다. 구체적으로, 펌프 등에 의해 유체가 소정의 압력으로 반응기(100)에 유입되어 상방으로 상승하게 되면, 그 유체는 헬리컬 배플(105)의 작용에 의해 와류를 형성하여 내부 교반기가 없어도 잘 혼합되게 된다. 따라서, 반응기(100)는 내부 교반기를 포함하지 않을 수 있다.A
구체적으로, 헬리컬 배플(105)은 스크류 형상으로 구성될 수 있다.Specifically, the
또한, 반응기(100)는 헬리컬 배플(105)에 고정되게 설치된 스크린 및 상기 스크린에 충진된 활성탄을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 반응액과 활성탄의 접촉 면적이 증가할뿐만 아니라 반응액의 유로가 막히지 않고 미생물이 축적되지 않으므로 바이오 가스의 생산 효율성이 더욱 향상될 수 있다.In addition, the
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플(106-1) 및 제1 경사 배플(106-1)과 엇갈리도록 중공형 내벽(102)에 결합된 복수개의 제2 경사 배플(106-2)을 더 포함할 수 있다.In addition, the
제1 경사 배플(106-1) 및 제2 경사 배플(106-2)은 와류를 형성하여 유체가 하방(즉, AR1 방향)으로는 흐르도록 하되, 압력손실이 큰 상방(즉, AR2 방향)으로는 유체가 흐르지 못하게 하는 역할을 수행한다(도 5 참조). 예를 들어, 제1 경사 배플(106-1) 및 제2 경사 배플(106-2)의 경사각은 중공형 내벽의 중심축 연장선(즉, 수직선)을 기준으로 최대 30°일 수 있다(도 5 참조).The first inclined baffle 106-1 and the second inclined baffle 106-2 form a vortex so that the fluid flows downward (ie, AR1 direction), but upward with a large pressure loss (ie, AR2 direction) The furnace serves to prevent fluid from flowing (see FIG. 5). For example, the inclination angle of the first inclined baffle 106-1 and the second inclined baffle 106-2 may be up to 30° based on the central axis extension line (ie, vertical line) of the hollow inner wall (FIG. 5). reference).
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 하단부에 유체 연통되게 결합된 유출배관(EX4) 및 복수개의 유입배관(EN1, EN2)을 더 포함할 수 있다.In addition, the
유출배관(EX4)은 주로 이물질(즉, 미생물이 분해 못하는 각종 이물질(흙, 기타 불순물 등))의 배출 통로로 사용될 수 있다.The outlet pipe EX4 may be mainly used as a discharge passage for foreign substances (ie, various foreign substances (soil, other impurities, etc.) that microorganisms cannot decompose).
유입배관(EN1)으로는 원료 및/또는 후술하는 스트리핑 칼럼에서 배출된 스팀의 응축수가 유입될 수 있다. Raw materials and/or condensed water from steam discharged from the stripping column described below may flow into the inflow pipe EN1.
유입배관(EN2)으로는 반응기(100)의 유출물 및/또는 후술하는 2차 반응기의 유출물이 유입될 수 있다.An effluent of the
또한, 반응기(100)는 중공형 외벽(104)의 중간부의 서로 다른 높이에 하나씩 유체 연통되게 결합된 복수개의 다른 유출배관(EX1, EX2)을 더 포함할 수 있다.In addition, the
유출배관(EX1)으로는 물과 함께 극미량의 부유물질(suspended solid)이 배출될 수 있으며, 이러한 물질들은 유출배관(EX1)에 펌프(미도시)를 연결하더라도 그 펌프에 영향을 주지 않을 수 있다.A very small amount of suspended solids along with water can be discharged through the outlet pipe EX1, and these substances may not affect the pump even if a pump (not shown) is connected to the outlet pipe EX1. .
유출배관(EX2)으로는 거대 고형물을 함유하지 않는 유체가 배출될 수 있다.A fluid that does not contain macro-solids can be discharged through the outflow pipe (EX2).
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.6 is a schematic view of an
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100), 2차 반응기(200), 열교환기(300) 및 스트리핑 칼럼(400)을 포함한다.Referring to FIG. 6 , an
1차 반응기(100)는 유기성 폐기물 원료를 미생물과 혐기성 발효시켜 저급 유기산과 무기산으로 가수분해시키고 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행한다.The
1차 반응기(100)로 투입되는 유기성 폐기물 원료는 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.1중량% 미만의 무기물(질소, 황 및 인)을 포함할 수 있다. The organic waste raw material introduced into the
상기 유기성 폐기물 원료는 음식물 쓰레기, 동물의 사체, 식물, 인분, 가축분뇨, 도살장 폐기물(예를 들어, 가축 피 등) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The organic waste raw material may include food waste, animal carcasses, plants, manure, livestock manure, slaughterhouse waste (eg, livestock blood), or a combination thereof.
구체적으로, 1차 반응기(100)는 유기물과 미생물을 소정 온도내에서 일정 시간동안 반응시켜 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행한다. Specifically, the
보다 구체적으로, 1차 반응기(100)는 이에 구비된 유입배관을 통해 음식물 쓰레기나 가축 분뇨와 같은 유기성 폐기물 원료가 유입될 경우, 이 유기성 폐기물에 대한 혐기성 발효를 진행함으로써 유기성 폐기물을 가수분해하여 저급 유기산 및 무기산으로 전환시키거나 메탄을 포함하는 바이오 가스를 생성할 수 있다.More specifically, when organic waste raw materials such as food waste or livestock manure are introduced through the inlet pipe provided therein, the
상기 저급 유기산은 아세트산(aetic acid), 프로피온산(popionic acid), 부티르산(butyric acid) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 이들 물질은 분자량이 작고 가벼워서 휘발이 잘되므로 휘발성 지방산(VFA: volatile fatty acid)으로 지칭될 수 있다.The lower organic acid may include acetic acid, popionic acid, butyric acid, or a combination thereof, and since these substances have a small molecular weight and are light and easily volatilize, volatile fatty acid (VFA) ) can be referred to as
상기 미생물은 메탄균, 가수분해균, 탈질세균, 황환원세균, 공생초산생성균, 호모초산생성균 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The microorganism may include methane bacteria, hydrolytic bacteria, denitrifying bacteria, sulfur-reducing bacteria, symbiotic acetic acid producing bacteria, homoacetic acid producing bacteria, or a combination thereof.
1차 반응기(100)에 원료로 투입되는 유기성 폐기물은 주거 시설에서 배출되는 음식물 쓰레기, 인분 및 생활 폐수; 축사에서 배출되는 축분 및 폐수; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 미생물과 혼합되어 미생물을 사멸시키지 않는 유기물이라면 모두 적용 가능하다.Organic waste input as a raw material to the
또한, 1차 반응기(100)의 상단부에는 바이오 가스 수집부가 설치되어 상술한 과정을 거쳐 생성된 바이오 가스를 포집할 수 있다.In addition, a biogas collection unit may be installed at the upper end of the
1차 반응기(100)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 상술한 반응기(100)와 동일하거나 유사한 것일 수 있다.The
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물이 1차 반응기(100)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물을 1차 반응기(100)로 재순환시키는 펌프(P1)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 펌프(P1)로 1차 반응기(100)의 유출물을 1차 반응기(100)로 재순환시킴으로써 1차 반응기(100) 내에서는 내부 교반기 없이도 유입 물질들 간의 혼합이 원활하게 일어날 수 있을 뿐만 아니라 1차 반응기(100) 내에서 무기물의 축적이 원활하게 이루어질 수 있다.In addition, the
또한, 1차 반응기(100)는 50~65℃의 온도로 유지될 수 있다. 1차 반응기(100)의 온도는 배관(L1)을 통해 이에 공급되는 원료의 유량, 1차 반응기(100)의 유출물 중 배관(L2)을 통해 펌프(P1)에 의해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 1차 반응기(100)의 유출물 중 배관(L3)을 통해 2차 반응기(200)로 공급되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L4, L41)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L9)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 열교환기(300)를 거치지 않고 배관(L4, L42, L9)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 스트리핑 칼럼(400)의 유출물 중 배관(L6)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L61)을 통해 1차 반응기(100)로 재순환되는 유량, 및 스트리핑 칼럼(400)의 유출물 중 배관(L6)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L62)을 통해 스트리핑 칼럼(400)으로 재순환되는 유량 등에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 각각의 유량은 펌프(P1, P2, P3) 및 컨트롤 밸브(CV1~CV5) 등에 의해 조절될 수 있다.In addition, the
2차 반응기(200)는 1차 반응기(100)에서 완전히 분해되지 않은 저급 유기산(휘발성 지방산)을 혐기성 미생물로 분해하여 메탄을 포함하는 바이오 가스를 생성하는 역할을 수행하는 것으로, 고정된 스크린(미도시)에 충진된 활성탄층을 포함할 수 있다.The
구체적으로, 2차 반응기(200)에서는 1차 반응기(100)에서 완전히 분해되지 않은 저급 유기산이 활성탄층에 흡착된 후 미생물에 의해 분해되어 메탄 가스를 생성하게 된다.Specifically, in the
보다 구체적으로, 2차 반응기(200)에서는 1차 반응기(100)에서 분리되어 유입된 저급 유기산이 메탄 생성 미생물들의 자양분이 되므로, 메탄을 포함하는 바이오 가스의 생산이 이루어지며, 1차 반응기(100)와 동일하게 2차 반응기(200)에서 생성되는 바이오 가스는 바이오 가스 수집부에 별도로 포집될 수 있다.More specifically, in the
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 바이오 가스 수집부에 수집된 바이오 가스를 자원으로 활용할 수 있도록, 상기 바이오 가스 수집부에 연결된 가스 파워 플랜트를 더 포함할 수 있으며, 상기 가스 파워 플랜트에서는 전력을 생산할 수 있다.In addition, the
또한, 2차 반응기(200)의 유출물의 유량은 스트리핑 칼럼(400)의 탑상유량(즉, 상부 유출물의 유량)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 스트리핑 칼럼(400)의 탑상유량이 증가하면 2차 반응기(200)의 유출물의 유량도 증가하게 된다.In addition, the flow rate of the effluent of the
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 2차 반응기(200)의 유출물이 열교환기(300)를 거쳐 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 혐기성 소화 장치(10)는 1차 반응기(100)의 유출물을 열교환기(300)를 거쳐 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환시키는 다른 펌프(P2)를 더 포함할 수 있다. 이러한 재순환을 통해 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200) 내의 무기물의 농도가 증가할 수 있다. 1차 반응기(100) 및 2차 반응기(200) 내에서 무기물은 강한 무기산(질산, 황산, 인산) 등으로 존재하는데, 이러한 무기산은 농도가 낮을 경우 화학적으로 상당히 안정하다. 그러나, 이러한 무기산은 농도가 높아짐에 따라 화학적으로 불안정해지며, 특히 혐기성 소화는 수소가 많은 환경으로서 무기산 농도가 축적됨에 따라 화학적으로 불안정해진 무기산은 수소와 반응하여 암모니아 및/또는 황화수소로 변화하여 화학평형을 이룰 수 있다. 따라서, 무기산이 암모니아나 황화수소로 변하지 않는 최대허용농도가 존재하게 되며, 2차 반응기(200)는 최대허용농도가 넘지 않는 조건하에서 가동되는 것이 바람직하고, 이에 맞추어 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 양도 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 최대허용농도는 1중량%일 수 있다. 즉, 2차 반응기(200) 내의 무기물(즉, 무기산)의 농도가 높아지면, 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 양이 적더라도 많은 양의 무기물을 배출시킬 수 있다. 참고로, 암모니아 및 황화수소는 미생물에 독성으로 작용할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 2차 반응기(200)의 최대허용농도는 상황에 따라 달라질 수 있다. 또한, 2차 반응기(200)의 최대허용농도는 1차 반응기(100)의 크기, 2차 반응기(200)의 크기 및 스트리핑 칼럼(400)의 순환량에 의해 결정될 수 있다.In addition, the
그런데, 2차 반응기(200) 내의 무기물의 농도가 최대허용농도에 근접하지만 이를 초과하지 않는 수준까지 증가할 경우에는 2차 반응기(200)에서 스트리핑 칼럼(400)으로 배출되는 무기물의 양이 많아져서 무기물의 제거를 위한 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질의 운전 배출량이 감소할 수 있다. However, when the concentration of inorganic substances in the
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 2차 반응기(200)의 유출물이 열교환기(300)를 바이패스하여 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)로 재순환되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 스트리핑 칼럼(400)의 탑상물질이 응축되어 포화수(saturated water) 상태로 1차 반응기(100) 및/또는 스트리핑 칼럼(400)으로 재순환되도록 하기 위한 것일 수 있다.In addition, the
또한, 2차 반응기(100)는 30~35℃의 온도로 유지될 수 있다. 2차 반응기(200)의 온도는 배관(L3)을 통해 이에 공급되는 1차 반응기(100) 유출물의 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L5)을 통해 스트리핑 칼럼(400)으로 공급되는 유량, 2차 반응기(200)의 유출물 중 배관(L4, L41)을 통해 열교환기(300)를 거친 후 배관(L8)을 통해 2차 반응기(200)로 재순환되는 유량, 및 2차 반응기(200)의 유출물 중 열교환기(300)를 거치지 않고 배관(L4, L42, L8)을 통해 2차 반응기(200)로 재순환되는 유량 등에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 각각의 유량은 펌프(P1) 및 컨트롤 밸브(CV1~CV5) 등에 의해 조절될 수 있다.In addition, the
열교환기(300)는 2차 반응기(200)의 유출물과 스트리핑 칼럼(400)의 유출물을 열교환시키도록 구성될 수 있다. 즉, 열교환기(300)는 스트리핑 칼럼(400)에 의해 생성된 스팀(즉, 탑상물질)으로 1차 반응기(100) 및 2차 반응기(200)를 가열하는데 활용될 수 있다. 특히, 열교환기(300)는 스트리핑 칼럼(400)의 유출물(즉, 스팀)로부터 열을 흡수하여 1차 반응기(100)로 공급되는 물질의 온도를 높여 1차 반응기(100) 내에 존재하는 미생물의 활성을 향상시키는 역할을 수행한다. The
스트리핑 칼럼(400)은 2차 반응기(200)의 유출물 중의 무기물을 제거하는 역할을 수행한다. 즉, 스트리핑 칼럼(400)은 2차 반응기(200)의 유출물을 무기물 성분이 농축된 농축수와 청수(스팀)로 분리할 수 있다.The stripping
상술한 바와 같이 스트리핑 칼럼(400)에 의해 생성된 스팀은 열교환기(300)를 통하여 1차 반응기(100) 및/또는 2차 반응기(200)를 가열하는데 활용될 수 있다.As described above, steam generated by the stripping
스트리핑 칼럼(400)에서 무기물이 제거된 스팀은 상부 배관(L6)을 통해 배출되어 열교환기(300)를 통과한 후 일부는 배관(L61)을 통해 1차 반응기(100)로 공급되고, 나머지 일부는 배관(L62)을 통해 스트리핑 칼럼(400)의 상부로 재순환될 수 있다.The steam from which inorganic substances are removed from the stripping
또한, 스트리핑 칼럼(400)에서 무기물이 농축된 농축수는 하부 배관(L7)을 통해 외부로 배출될 수 있다.In addition, concentrated water in which inorganic substances are concentrated in the stripping
또한, 혐기성 소화 장치(10)는 스트리핑 칼럼(400)의 전단에 배치된 것으로, 2차 반응기(200)의 유출물을 가열하여 스트리핑 칼럼(400)에 공급하도록 구성된 재비기(Reboiler)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 재비기는 2차 반응기(200)의 유출물을 스팀과 열교환시켜 가열할 수 있다.In addition, the
이상에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the drawings above, but this is only exemplary, and those skilled in the art can understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. There will be. Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the appended claims.
10: 혐기성 소화 장치 100, 200: 반응기
101: 내벽 102: 중간벽
103: 외벽 104: 헬리컬 배플
105: 경사 배플 300: 열교환기
400: 스트리핑 칼럼10:
101
103: outer wall 104: helical baffle
105: inclined baffle 300: heat exchanger
400: stripping column
Claims (20)
상기 커버부와 이격되게 배치된 것으로 내부 공간에서 상방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 내벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 내벽을 부분적으로 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 내벽과의 사이 공간에서 하방으로 유체가 흐르도록 구성된 중공형 중간벽;
상기 커버부에 결합된 것으로 상기 중공형 중간벽을 둘러싸도록 구성되되, 상기 중공형 중간벽과의 사이 공간에서 고액분리가 일어나 액체는 상방으로 흐르고 고체는 하방으로 흐르도록 구성된 중공형 외벽; 및
상기 중공형 내벽의 내부 공간에 배치된 헬리컬 배플을 포함하는 반응기.cover part;
a hollow inner wall disposed to be spaced apart from the cover and configured to allow fluid to flow upward in the internal space;
a hollow intermediate wall coupled to the cover part and configured to partially surround the hollow inner wall so that fluid flows downward in a space between the hollow inner wall and the hollow inner wall;
a hollow outer wall coupled to the cover part and configured to surround the hollow intermediate wall so that solid-liquid separation occurs in a space between the hollow intermediate wall and liquid flows upward and solid flows downward; and
A reactor comprising a helical baffle disposed in an inner space of the hollow inner wall.
상기 중공형 내벽은 그 하단부가 상기 중공형 외벽에 결합된 반응기.According to claim 1,
The hollow inner wall is a reactor in which a lower end is coupled to the hollow outer wall.
상기 중공형 내벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제1 관통홀을 포함하는 반응기.According to claim 2,
The hollow inner wall includes a plurality of first through holes formed along a circumference of a lower end thereof.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부의 높이가 상기 중공형 내벽의 하단부의 높이 보다 높도록 구성된 반응기.According to claim 1,
The reactor according to claim 1 , wherein the height of the lower end of the hollow intermediate wall is higher than that of the lower end of the hollow inner wall.
상기 중공형 중간벽은 그 하단부 둘레를 따라 형성된 복수개의 제2 관통홀 및 그 상단부에 형성된 제3 관통홀을 포함하는 반응기.According to claim 4,
The hollow middle wall includes a plurality of second through holes formed along a circumference of a lower end thereof and a third through hole formed at an upper end thereof.
상기 중공형 외벽은 상부는 길이방향을 따라 폭이 일정하도록 연장되고 하부는 길이방향을 따라 중심을 향해 폭이 점점 좁아지도록 구성된 반응기.According to claim 1,
The hollow outer wall is configured such that the upper portion extends to have a constant width along the longitudinal direction and the lower portion gradually narrows toward the center along the longitudinal direction.
상기 중공형 외벽의 폭이 좁아지는 부분에 결합된 복수개의 제1 경사 배플 및 상기 제1 경사 배플과 엇갈리도록 상기 중공형 내벽에 결합된 복수개의 제2 경사 배플을 더 포함하는 반응기.According to claim 6,
The reactor further comprising a plurality of first inclined baffles coupled to the narrowed portion of the hollow outer wall and a plurality of second inclined baffles coupled to the hollow inner wall so as to cross each other with the first inclined baffle.
상기 중공형 외벽의 하단부에 유체 연통되게 결합된 유출배관 및 복수개의 유입배관을 더 포함하는 반응기.According to claim 1,
A reactor further comprising an outlet pipe and a plurality of inlet pipes coupled to the lower end of the hollow outer wall in fluid communication.
상기 중공형 외벽의 중간부의 서로 다른 높이에 하나씩 유체 연통되게 결합된 복수개의 다른 유출배관을 더 포함하는 반응기.According to claim 1,
The reactor further comprises a plurality of other outflow pipes coupled to each other in fluid communication with each other at different heights of the middle portion of the hollow outer wall.
상기 커버부에 유체 연통되게 결합된 또 다른 유출배관을 더 포함하는 반응기.According to claim 1,
A reactor further comprising another outlet pipe coupled to the cover part in fluid communication.
내부 교반기를 포함하지 않는 반응기.According to claim 1,
A reactor that does not contain an internal stirrer.
상기 1차 반응기의 후단에 배치된 2차 반응기;
상기 2차 반응기의 후단에 배치된 스트리핑 칼럼; 및
상기 2차 반응기의 유출물과 상기 스트리핑 칼럼의 유출물을 열교환시키도록 구성된 열교환기를 포함하는 혐기성 소화 장치.primary reactor;
a secondary reactor disposed after the primary reactor;
a stripping column disposed at the rear end of the secondary reactor; and
Anaerobic digestion apparatus comprising a heat exchanger configured to heat-exchange the effluent of the secondary reactor and the effluent of the stripping column.
상기 1차 반응기는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 반응기인 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
The primary reactor is an anaerobic digestion device according to any one of claims 1 to 12.
상기 1차 반응기의 유출물이 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
Anaerobic digestion apparatus configured such that the effluent of the primary reactor is recycled to at least one of the primary reactor and the stripping column.
상기 1차 반응기의 유출물을 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환시키는 펌프를 더 포함하는 혐기성 소화 장치.According to claim 14,
Anaerobic digestion apparatus further comprising a pump for recycling the effluent of the primary reactor to at least one of the primary reactor and the stripping column.
상기 2차 반응기는 활성탄층을 포함하는 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
The secondary reactor is an anaerobic digestion device comprising an activated carbon layer.
상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
Anaerobic digestion apparatus configured such that the effluent of the secondary reactor is recycled to at least one of the primary reactor and the secondary reactor via the heat exchanger.
상기 2차 반응기의 유출물을 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환시키는 다른 펌프를 더 포함하는 혐기성 소화 장치.According to claim 17,
Anaerobic digestion apparatus further comprising another pump for recycling the effluent of the secondary reactor to at least one of the primary reactor and the secondary reactor via the heat exchanger.
상기 2차 반응기의 유출물이 상기 열교환기를 바이패스하여 상기 1차 반응기 및 상기 2차 반응기 중 적어도 하나의 반응기로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
Anaerobic digestion apparatus configured such that the effluent of the secondary reactor is recycled to at least one of the primary reactor and the secondary reactor by bypassing the heat exchanger.
상기 스트리핑 칼럼의 유출물이 상기 열교환기를 거쳐 상기 1차 반응기 및 상기 스트리핑 칼럼 중 적어도 하나로 재순환되도록 구성된 혐기성 소화 장치.According to claim 12,
The anaerobic digestion apparatus is configured such that the effluent of the stripping column is recycled to at least one of the primary reactor and the stripping column via the heat exchanger.
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