KR20230084569A - 수열처리 장치 및 수열처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
수열처리 장치(10)는, 밀폐 용기(11)와, 이 내부 온도를 계측하는 온도 계측 장치(18)와, 밀폐 용기(11)에 수증기를 도입하는 도입관(14)과, 도입관(14)에 배치된 전자밸브(15)와, 감압 장치(17)와, 제어장치(19)를 갖는다.
밀폐 용기(11) 내에 유기물함유 폐기물이 투입된 후, 제어장치(19)는 다음과 같이 제어하여, 유기물함유 폐기물을 수열반응시킨다. 즉, 내부 온도가 제1 온도로 될 때까지 승온한 후, 제1 온도를 제1 시간 계속하고 나서 강온하고, 내부 온도가 제1 온도로부터 제2 온도로 저하된 후, 제2 온도를 제2 시간(제1 시간과 동등하거나 또는 이보다도 긴 시간) 계속하고 나서 승온하고, 내부 온도가 제1 온도와 동등한 제3 온도에 도달한 후, 제3 온도를 제1 시간과 마찬가지의 제3 시간 계속하고 나서 강온한다.
밀폐 용기(11) 내에 유기물함유 폐기물이 투입된 후, 제어장치(19)는 다음과 같이 제어하여, 유기물함유 폐기물을 수열반응시킨다. 즉, 내부 온도가 제1 온도로 될 때까지 승온한 후, 제1 온도를 제1 시간 계속하고 나서 강온하고, 내부 온도가 제1 온도로부터 제2 온도로 저하된 후, 제2 온도를 제2 시간(제1 시간과 동등하거나 또는 이보다도 긴 시간) 계속하고 나서 승온하고, 내부 온도가 제1 온도와 동등한 제3 온도에 도달한 후, 제3 온도를 제1 시간과 마찬가지의 제3 시간 계속하고 나서 강온한다.
Description
본 발명은 유기물 함유 폐기물을 처리하는 수열처리 장치(hydrothermal treatment device), 및 당해 수열처리 장치를 이용하여 가스 생성을 행하는 수열처리 시스템에 관한 것이다.
도시쓰레기 등의 가정으로부터 배출되는 부엌쓰레기(음식물 쓰레기), 종이나 초목 등의 목질계 폐기물, 가축분뇨, 슬러지와 같은 유기물함유 폐기물을 고온고압의 수증기로 수열반응시켜서 가용화(수열처리)하고, 수열처리 후의 슬러리를 이용하여 미생물이나 균에 의한 가스 생성, 예를 들어 메탄 발효를 행하는 시스템이 개발되어 있다(예를 들어 특허문헌 1, 2).
특허문헌 1에는, 밀폐 가능한 용기에 유기물함유 폐기물을 투입하여 교반하면서 수열처리를 행하는 수열처리 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 용기 내의 온도가 180℃ 미만이면, 생물의 뼈 등의 단단한 성분이 충분히 가용화하지 않기 때문에, 180℃, 1.0 MPa로 수열처리를 하고 있다.
그러나 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 150℃ 이상으로 수열처리를 하면, 유기폐기물에 포함되는 당과 단백질과의 메일라드 반응(Maillard reaction)이 촉진되어, 질소함유 항산화물질이며, 그리고 가스 생성의 저해 물질인 멜라노이딘(melanoidin)의 생성이 현저하게 된다. 따라서 특허문헌 2에서는, 멜라노이딘의 양을 저감하기 위해, 2개의 수열처리 장치를 구비한 시스템을 개시하고 있다.
먼저, 제1 수열처리 장치에서, 메일라드 반응을 억제할 수 있는 저온(예를 들어 120℃)에서 수열처리를 행한다. 다음에, 고액 분리(solid-liquid separation)에 의해, 제1 수열처리 장치로 생성한 액체(편의상 「수열처리액 1」이라고 표기한다)를 제거한 후, 생성한 고체를 제2 수열처리 장치에 이송한다. 그리고 제2 수열처리 장치에서, 고온(예를 들어 220℃)에서 수열처리를 행하고, 제2 수열처리 장치로 생성한 액체(편의상 「수열처리액 2」이라고 표기한다)와 앞서 제거한 수열처리액 1을 발효 장치에 이송하고, 발효 장치로 메탄 발효시킨다.
수열처리액 1은, 메일라드 반응을 억제하는 저온에서의 수열처리로 생성되고 있기 때문에, 원리적으로 멜라노이딘의 생성은 미량으로 된다. 또한, 수열처리액 1을 제거함으로써 제2 수열처리 장치로 이송되는 질소화합물의 양이 감소하기 때문에, 메일라드 반응이 촉진되는 고온에서 수열처리를 행하는 제2 수열처리 장치로 생성하는 멜라노이딘의 양도 감소한다. 따라서 제1 수열처리 장치를 배치하지 않고, 제2 수열처리 장치만의 시스템으로 수열처리를 하는 경우에 비해, 제1 및 제2 수열처리 장치를 구비한 시스템은, 수열처리액 1 및 수열처리액 2에 포함되는 멜라노이딘의 총량을 저감할 수 있고, 결과로서 메탄 발효 시의 발효 저해를 저감할 수 있다는 것이다.
예를 들어, 쓰레기 수집차로 회수되는 유기물함유 폐기물이나 쓰레기 청소공장의 쓰레기 피트(pit)에 저류된 유기물함유 폐기물을 이용하여, 미생물이나 균으로 가스 발생시키는 경우, 부엌쓰레기류, 종이류, 초목류를 선택적으로 수열처리하는 것이 좋다. 그러나 유기물함유 폐기물 중으로부터 부엌쓰레기류, 종이류, 초목류를 선택적으로 취출했다고 해도, 당해 가스 발생에 기여하지 않거나 또는 기여하기 어려운 유기물이 완전히는 제거되지 않고 잔류하고 있는 것이 일반적이다. 금속 등의 무기물 및 플라스틱 등의 유기물은 미생물 등에 의한 가스 생성에 기여하지 않거나 또는 기여하기 어렵다. 이 때문에, 예를 들어 6 ㎜ 직경보다 큰 금속 등의 무기물이나 플라스틱 등의 유기물은, 수열처리 후의 고액 분리(예를 들어, 메시 크기 6 ㎜ 직경의 스크린)로 제거된다.
그러나 이 경우, 수열처리에 의해 6 ㎜ 직경 이하로 미세화한 플라스틱은, 수열처리 후에 고액 분리된 액(이하, 「수열처리액」이라고 한다)에 포함된 채, 미생물이나 균을 이용하여 가스를 생성하는 가스 생성 장치(예를 들어, 발효 장치)에 이송될 우려가 있다. 가스 생성 장치에 투입되는 수열처리액은, 미리 정해진 규정량(일정량)이므로, 수열처리액에 미세화한 플라스틱이 많이 포함될수록, 당해 규정량에 차지하는 플라스틱의 비율이 증가하고, 가스의 생성 효율이 저감한다. 따라서 미세화한 플라스틱은, 미생물 등에 의한 가스 생성에 기여하지 않으며, 또한 미생물 등에 의한 가스 생성을 방해하는 것은 아니지만, 규정량의 수열처리액으로부터 생성하는 가스의 생성량을 감소시킨다는 의미로, 역시 가스 생성의 저해 물질이라고 할 수 있다.
본 발명자의 실험에 따르면, 180℃의 일정한 온도로 60분간의 수열처리를 행하면, 유기물 함유 폐기물에 함유된 플라스틱 중, 약 65%가 치수 6 ㎜ 이하로 미세화되는 것이 판명되고 있다. 따라서 메시 크기 6 ㎜ 직경의 스크린으로 고액 분리가 행해지는 경우, 유기물함유 폐기물에 함유된 플라스틱의 대부분이, 수열반응에 의해 미세화되어 가스 생성 장치에 이송되게 된다. 그렇게 하여서는, 효율 좋은 가스 생성을 할 수 없을 우려가 있어, 개선이 요망된다.
따라서 개선의 일안으로서, 저온으로 수열처리하는 것이 고려된다. 왜냐하면, 미세한 플라스틱은 멜라노이딘과 마찬가지로 수열반응이 고온에서 행해질수록 많이 생성되기 때문이다. 그러나 이 경우, 특허문헌 1에 의하면 유기물함유 폐기물이 충분히 가용화되지 않고, 수열처리액에 용해되는 유기물의 양이 저감하고, 역시 효율 좋은 가스 생성을 할 수 없을 우려가 있다.
또한, 특허문헌 2의 기술에서는, 멜라노이딘의 생성량은 저감할 수 있어도, 미세한 플라스틱의 양은 여전히 저감할 수 없고, 게다가 2개의 수열처리 장치를 사용하기 때문에, 시스템의 비용 증대는 피할 수 없다.
따라서 본 발명에서는, 하나의 수열처리 장치로, 유기물함유 폐기물을 가용화시키는 동시에, 가스 생성에 관한 2개의 저해 물질인 멜라노이딘과 미세한 플라스틱의 생성량을 저감하는 것을 가능하게 하는 수열처리 장치 및 수열처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 수열처리 장치는, 투입구와 배출구를 구비하고, 유기물함유 폐기물이 투입되는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 내부 온도를 계측하는 온도 계측 장치와, 상기 밀폐 용기에 수증기를 도입하는 도입관과, 상기 도입관에 배치되어, 밸브를 개방함으로써 상기 수증기를 상기 밀폐 용기에 도입하고, 밸브를 폐쇄함으로써 상기 도입을 정지하는 전자밸브와, 상기 수증기가 도입된 상기 밀폐 용기로부터 상기 수증기를 방출함으로써 상기 밀폐 용기 내의 압력을 감압하는 감압 장치와, 상기 온도 계측 장치가 계측한 상기 내부 온도에 기초하여, 상기 전자밸브 및 상기 감압 장치를 제어하여, 상기 밀폐 용기 내의 유기물함유 폐기물을 수열반응시키는 제어장치를 갖는다.
그리고 상기 제어장치는 상기 수열반응 시, 상기 밀폐 용기에 상기 수증기를 도입하여 상기 내부 온도가 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 제1 온도로 될 때까지 승온한 후, 상기 제1 온도를 제1 시간 계속하고, 상기 제1 시간 경과 후 즉시, 상기 압력을 감압하여 상기 제1 온도보다 상기 내부 온도를 강온(降溫)시키고, 상기 강온에 의해 상기 내부 온도가 상기 제1 온도로부터 수열반응 하한 온도 이상인 제2 온도로 저하된 후, 상기 제2 온도를 상기 제1 시간과 동등한 또는 상기 제1 시간보다 긴 제2 시간 계속하고, 상기 제2 시간 경과 후 즉시, 상기 내부 온도가 상기 제1 온도와 동등한 제3 온도로 될 때까지 승온한 후, 상기 제3 온도를 상기 제1 시간과 동등한 제3 시간 계속하고, 상기 제3 시간 경과 후 즉시, 상기 압력을 감압하여 상기 내부 온도를 상기 제3 온도보다 강온한다.
또한, 본 발명의 수열처리 시스템은, 본 발명의 수열처리 장치와, 상기 수열처리 장치로 수열반응시킨 유기물함유 폐기물을 수열처리액과 잔여물로 분리하는 고액 분리 장치와, 상기 고액 분리 장치로 분리한 상기 수열처리액을 원료로 하여 미생물 또는 균에 의한 가스 생성을 행하는 가스 생성 장치를 갖는다.
본 발명의 수열처리 장치는, 밀폐 용기 내에 유기물 함유 폐기물을 투입 후, 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 제1 온도로 밀폐 용기 내의 온도를 승온하여 제1 시간만 제1 온도를 유지하고, 그 후 즉시 제1 온도보다도 낮은 제2 온도(단, 수열반응 하한 온도 이상의 온도)로 강온하여 제2 온도를 제2 시간만 유지한 후, 다시 제3 온도로 승온하여 제3 시간만 제3 온도를 유지하고, 그 후 즉시 제3 온도보다 강온한다. 즉, 수열처리 장치를 기동하고 나서의 온도 변화를, 시간 경과를 「*」로 나타내어 기재하면, 「저(상온: 장치 기동 시)」*「 고(메일라드 반응 촉진 온도 이상으로 수열반응)」*「 저(수열반응 하한 온도 이상으로 수열반응)」*「 고(메일라드 반응 촉진 온도 이상으로 수열반응)」*「저」로 한다.
환언하면, 밀폐 용기의 내부 온도를, 먼저 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 제1 온도로 상승시켜서 유기물함유 폐기물의 수열반응을 원활하게 개시시키는 동시에, 제1 시간 경과 후 즉시 하강시키고, 그 후 다시 제1 온도와 동등한 제3 온도로 상승시키고, 그 후 강온시킨다. 이에 따라, 수열반응의 도중에 유기물함유 폐기물의 유기물에 온도 변화를 주어서 그 세포벽에 복수회의 열충격을 가해, 당해 유기물의 가용화를 촉진한다. 즉, 본 발명의 수열처리 장치로 수열반응한 유기물함유 폐기물은, 유기물의 세포벽이 수열반응 중에 가해진 열충격에 의해 일부 파괴되어 있기 때문에, 단순히 제2 온도의 일정값만으로 수열반응하는 경우에 비해, 본 발명에 있어서의 제2 온도의 영역에 있어서도, 보다 많이 가용화한다.
또한, 제1 온도보다도 저온의 제2 온도로 수열처리를 행하는 제2 시간이, 제1 시간과 동등하거나 또는 제1 시간보다 길기 때문에, 제1 온도만의 일정 온도로 수열처리를 행하는 경우에 비해, 멜라노이딘의 양과 미세한 플라스틱의 양 모두 저감한다.
따라서 본 발명의 수열처리 장치로 생성한 수열처리액에서는, 유기물의 함유량이 많으며, 그리고 종래에 비해, 가스 생성의 저해 물질인 멜라노이딘과 미세한 플라스틱의 함유량이 적어진다.
게다가, 본 발명의 수열처리 장치 시스템은, 본 발명의 수열처리 장치로 생성한 수열처리액을 이용하여 가스 생성을 하기 때문에, 효율 좋게 가스 생성을 할 수 있다.
본 발명의 수열처리 장치에 따르면, 하나의 수열처리 장치이면서도, 유기물 함유 폐기물을 가용화시키는 동시에, 미생물이나 균에 의한 가스 생성의 저해 물질인 멜라노이딘 및 미세한 플라스틱의 생성량을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 수열처리 시스템에 따르면, 이들 2개의 저해 물질이 적은 수열처리액을 이용하여 가스 생성을 하기 때문에, 효율 좋게 가스 생성을 할 수 있다.
도 1은 실시형태에 관한 수열처리 시스템을 나타내는 모식도이다.
도 2는 실시형태에 관한 수열처리 장치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시형태에 관한 수열처리 장치로 실시되는 밀폐 용기의 내부 온도 제어 및 교반 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 실시형태에 관한 수열처리 장치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시형태에 관한 수열처리 장치로 실시되는 밀폐 용기의 내부 온도 제어 및 교반 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여, 실시형태로서의 수열처리 장치 및 이를 갖는 수열처리 시스템에 대해 설명한다. 이하에 나타내는 구성 등은 어디까지나 예시에 불과하며, 명시하지 않는 여러 변형이나 기술의 적용을 배제할 의도는 없다. 이하에 나타내는 구성 등은, 본 발명에 있어서의 필수적인 구성 요건 및 그의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 수열처리 시스템(1)을 나타내는 모식도이다. 수열처리 시스템(1)은, 유기물함유 폐기물을 고온고압의 수증기로 수열반응시켜서 가용화하는 수열처리 장치(10)와, 수열처리 장치(10)로 수열반응시킨 유기물함유 폐기물(이하, 수열처리물이라고 한다)을 수열처리액과 잔여물로 분리하는 고액 분리 장치(20)와, 고액 분리 장치(20)로 분리한 수열처리액을 원료로 하여 미생물 또는 균에 의해 가스 생성을 행하는 가스 생성 장치(30)(예를 들어, 메탄 발효를 행하는 메탄 발효 장치)를 갖는다.
수열처리 장치(10)에 투입되는 유기물함유 폐기물로서는, 가정으로부터 배출되는 음식물 쓰레기, 목질계 폐기물, 가축분뇨, 슬러지 등을 들 수 있다. 쓰레기 수집차로 회수된 유기물 함유 폐기물이나 쓰레기 청소공장의 쓰레기 피트에 저류된 유기물 함유 폐기물을 그대로 수열처리 장치(10)에 투입해도 좋고, 이들 유기물함유 폐기물로부터 무기물을 제거한 후, 수열처리 장치(10)에 투입해도 좋다. 물론, 이들 유기물함유 폐기물 중으로부터 부엌쓰레기류, 종이류, 초목류를 선택적으로 취출하고, 취출된 부엌쓰레기류, 종이류 또는 초목류를 수열처리 장치(10)에 투입해도 좋다. 그러나 어느 쪽의 경우에 있어서도, 일반적으로 유기물함유 폐기물로부터 미생물이나 균 등에 의한 가스 생성에 기여하지 않는 또는 기여하기 어려운 유기물인 플라스틱을 완전히는 제거할 수는 없다.
또한, 수열처리 장치(10)의 구성 및 제어는 도 2 및 도 3을 이용하여 후술한다.
고액 분리 장치(20)는, 특정 입도(粒度) 미만의 액체는 통과시키면서 당해 입도 이상의 고체를 통과시키지 않고 분리하는 장치이며, 소정의 메시 크기(예를 들어, 6 ㎜ 직경의 메시 크기)를 구비한 스크린이나 스크류 프레스 등을 사용할 수 있다. 수열처리액에는, 유기물함유 폐기물의 유기물이 다량으로 용해되어 있어, 후술의 가스 생성 장치(30)에 있어서의 가스 생성의 원료가 된다.
또한, 고액 분리 장치(20)로부터 배출된 잔여물은 폐기 또는 소각 처분된다.
가스 생성 장치(30)는, 예를 들어 메탄 발효에 의해 메탄가스를 생성하는 장치이다. 수열처리 시스템(1)은, 후술하는 수열처리 장치(10)에 있어서 멜라노이딘이나 미세한 플라스틱의 양을 저감할 수 있으므로, 효율적으로 가스 생성을 하는 것이 가능해진다.
또한, 가스 생성 장치(30)는, 수열처리액을 원료로 하여 미생물 또는 균으로 가스를 생성하는 장치이면, 수소 등의 가스를 생성하는 장치일 수도 있다.
도 2는 본 실시형태의 수열처리 장치(10)를 나타내는 모식도이다. 수열처리 장치(10)는, 내부를 밀폐 가능한 밀폐 용기(11)와, 밀폐 용기(11)에 수증기를 도입하는 도입관(14)과, 도입관(14)에 배치된 전자밸브(15)와, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 계측하는 온도 센서(18)(온도 계측 장치)와, 수증기가 도입된 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압하는 감압 장치(17)와, 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물을 교반하는 교반 장치(16)와, 온도 센서(18)의 계측한 내부 온도에 기초하여 전자밸브(15), 감압 장치(17), 및 교반 장치(16)를 제어하는 제어 장치(19)를 갖는다.
밀폐 용기(11)는 투입구(12)와 배출구(13)를 구비한다. 수열반응시키는 유기물함유 폐기물은, 투입구(12)로부터 밀폐 용기(11)의 내부에 투입된다. 수열처리 시는, 투입구(12)와 배출구(13)는 폐쇄되고, 밀폐 용기(11)는 밀폐된다.
수열처리가 된 유기물함유 폐기물(수열처리물)은, 배출구(13)를 개방하여 밀폐 용기(11)의 외부로 배출되며, 예를 들어 컨베이어 등으로 고액 분리 장치(20)로 이송된다. 또한, 수열처리물은, 유기물함유 폐기물이 수열처리에 의해 가용화하고 있기 때문에, 슬러리의 상태인 경우가 많다.
도입관(14)은, 그의 일단이 밀폐 용기(11)에 연통되고, 그의 타단 측으로부터 고온의 수증기가 도입되는 배관이다. 당해 수증기로서, 예를 들어 쓰레기 소각로의 터빈으로 발전 이용 후의 수증기를 이용할 수 있다. 또한, 발전 이용 직후의 수증기 온도는 200℃를 넘는 고온이기 때문에, 후술하는 제1 온도(C1)의 설정에 따라, 발전 이용 직후의 수증기를 그대로 밀폐 용기(11)에 도입하는 경우나, 당해 수증기를 자연 냉각 또는 냉각 장치로 적절히 냉각한 후에 사용하는 경우가 있을 수 있다.
전자밸브(15)는, 밸브를 개방함으로써 도입관(14)을 통해 수증기를 밀폐 용기(11)에 도입하고, 밸브를 폐쇄함으로써 수증기의 도입을 정지한다. 전자밸브(15)의 개폐는 제어 장치(19)에 의해 제어된다.
온도 센서(온도 계측 장치)(18)는 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 계측하여 제어 장치(19)로 송신한다.
교반 장치(16)는, 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물의 수열반응을 촉진시키며, 그리고 눌어붙음을 방지하기 위해 유기물함유 폐기물을 교반한다. 교반 장치(16)는, 예를 들어 밀폐 용기(11) 내에 배치된 교반 날개를 구비하고, 고정된 밀폐 용기(11) 내에서 교반 날개를 회전시키는 형식일 수도 있고, 밀폐 용기(11) 자체를 회전시키는 형식일 수도 있다. 교반 장치(16)의 교반 속도는 제어 장치(19)에 의해 제어된다.
감압 장치(17)는, 수증기가 도입된 밀폐 용기(11)로부터, 수열처리 중에 당해 수증기의 일부를 밀폐 용기(11)의 외부로 방출하거나, 또는 수열처리 종료 후에 당해 수증기의 전부를 밀폐 용기(11)의 외부로 방출하여, 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압한다. 당해 감압의 정도는 제어 장치(19)에 의해 제어된다.
제어 장치(19)는, 수열처리 시, 온도 센서(18)로 계측된 내부 온도에 기초하여, 전자밸브(15)를 밸브 개방 또는 밸브 폐쇄하고, 또한 감압 장치(17)를 제어하여 밀폐 용기(11)의 내부의 압력을 적절히 감압하고, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 제어한다. 또한, 제어 장치(19)는 온도 센서(18)로 계측된 내부 온도에 기초하여, 교반 장치(16)를 제어하여, 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물에 대한 교반 속도를 증감한다.
그러면, 제어 장치(19)의 제어에 대해 도 3을 이용하여 설명한다.
제어 장치(19)는, 밀폐 용기(11)에 유기물함유 폐기물이 투입되어, 밀폐 용기(11)가 밀폐된 후, 전자밸브(15)를 개방하여 밀폐 용기(11)에 고온의 수증기를 도입하고, 밀폐 용기(11)의 내부 온도가 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 제1 온도(C1)로 될 때까지 승온한다. 그 후, 전자밸브(15)를 폐쇄하고, 또는 밸브 개방과 밸브 폐쇄를 적절히 반복하여, 제1 온도(C1)를 제1 시간(T1)만큼 계속한다. 이 때, 제어 장치(19)는 교반 장치(16)를 제어하여, 제1 교반 속도(R1)로 밀폐 용기(11) 내의 유기물함유 폐기물을 교반한다. 이 제어에 의해, 수열처리 개시 후, 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 온도로 유기물함유 폐기물의 수열반응이 발생하기 때문에, 유기물함유 폐기물의 가용화를 원활하게 개시할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 메일라드 반응 촉진 온도는 특허문헌 2에 따르면 150℃ 이상이다. 그리고 특허문헌 2에서는, 메일라드 반응을 억제하는 온도로서 120℃를 설정하고 있다. 따라서 메일라드 반응 촉진 온도의 하한은 120℃보다 높고, 150℃보다 낮은 온도라고 말할 수 있다. 따라서 양 수치의 중간점인 135℃를 당해 하한으로 가정한다. 따라서 여기서는, 메일라드 반응 촉진 온도는 135℃ 이상, 바람직하게는 150℃ 이상으로 설정한다.
그리고 제1 시간(T1)의 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 감압 장치(17)를 제어하여 밀폐 용기(11) 내의 수증기를 밀폐 용기(11)의 외부로 일부 방출한다.
이에 따라, 제어 장치(19)는 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압하고, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 제1 온도(C1)보다 빠른 속도로 강온시킨다. 이 때, 제어 장치(19)는, 전자밸브(15)를 폐쇄하는 것이 바람직하다.
이 제어에 의해, 유기물함유 폐기물의 유기물 세포벽에, 수열반응의 도중에 열충격(제1 열충격)이 가해져서, 당해 세포벽의 일부가 파괴된다. 한편, 내부 온도를 제1 온도(C1)로부터 강온시킬 때, 급격하게 단시간(0*10분간 이내, 바람직하게는 0*5분간 정도)로 강온시키는 것이 바람직하기 때문에, 감압 장치(17)에 와 함께, 냉각 장치(도시되지 않음)에 의해 밀폐 용기(11) 내를 강제 냉각해도 좋다.
여기서, 열충격은 유기물함유 폐기물에 포함되는 플라스틱도 수용하는 것으로 되지만, 유기물의 세포와 플라스틱을 비교하면, 수분의 유무나 열전도율의 차이가 있기 때문에, 플라스틱에 대한 열충격의 영향은 세포에 비해 작다. 따라서 여기서의 열충격이 원인으로 되는 플라스틱의 미세화는 실질적으로 발생하지 않는다.
밀폐 용기(11)의 내부 온도가, 제1 온도(C1)로부터 수열반응 하한 온도 이상인 제2 온도(C2)로 저하된 후, 제어 장치(19)는 제2 온도(C2)를 제1 시간(T1)과 동등하거나 또는 제1 시간(T1)보다 긴 제2 시간(T2)만 계속한다. 이 때, 제어 장치(19)는 교반 장치(16)를 제어하여, 제1 교반 속도(R1)보다 저속의 제2 교반 속도(R2)로, 밀폐 용기(11)의 유기물함유 폐기물을 교반한다.
이 제어에 의해, 제2 온도(C2)로 비교적 장시간의 유기물함유 폐기물의 수열반응이 행해지지만, 제1 열충격에 의해, 이미 일부의 세포벽이 파괴되어 있기 때문에, 제1 열충격이 없는 경우에 비해, 유기물함유 폐기물의 유기물의 가용화가 촉진된다. 또한, 제2 온도(C2)는 제1 온도(C1)보다 저온이기 때문에, 제2 온도(C2)보다 고온의 제1 온도(C1)만으로 수열처리하는 경우에 비해, 가스 생성의 저해 물질인 멜라노이딘이나 미세한 플라스틱의 생성이 억제된다. 이와 함께, 교반 속도도 저속인 제2 교반 속도(R2)이기 때문에, 제2 교반 속도(R2)보다 고속의 제1 교반 속도(R1)로 수열처리를 행하는 경우에 비해, 미세한 플라스틱의 생성을 더욱 억제할 수 있다.
또한, 제1 온도(C1)로부터 제2 온도(C2)에 도달하기 전에, 제어 장치(19)는 감압 장치(17)에 의한 감압을 정지하고 있다. 또한, 제어 장치(19)는 전자밸브(15)를 폐쇄하고, 또는 밸브 폐쇄와 밸브 개방을 적절히 반복하여, 제2 온도(C2)를 제2 시간(T2)만큼 계속한다. 또한, 수열반응은 수증기를 사용하기 때문에, 여기서는 수열반응 하한 온도는 대기압에서 수증기가 발생하는 100℃로 설정한다.
또한, 도 3에서는, 제2 교반 속도(R2)가 0 rpm보다 큰 값을 나타내고 있지만, 유기물 함유 폐기물이 눌어붙지 않은 경우는, 제2 교반 속도(R2)는 0 rpm으로 해도 좋다.
그리고 제2 시간(T2) 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 전자밸브(15)를 개방하여 밀폐 용기(11)에 수증기를 도입하고, 밀폐 용기(11)의 내부 온도가 제1 온도(C1)와 동등한 제3 온도(C3)로 될 때까지 승온한다. 이 제어에 의해, 제2 시간(T2)에 있어서 가용화가 불충분했었던 유기물함유 폐기물의 유기물 세포벽에 추가로 열충격(제2 열충격)이 가해져서, 당해 가용화가 불충분한 유기물의 세포벽의 일부가 파괴된다. 이 때문에, 뼈 등의 용이하게 가용화되지 않는 유기물도, 제1 및 제2 열충격(수열반응 중의 복수의 열충격)에 의해, 점차로 가용화가 촉진된다.
그 후, 제어 장치(19)는, 전자밸브(15)를 폐쇄하고, 또는 밸브 폐쇄와 밸브 개방을 적절히 반복하여, 제3 온도(C3)를 제1 시간(T1)과 동등한 제3 시간(T3)만큼 계속한다. 이 때, 제어 장치(19)는, 교반 장치(16)를 제어하여, 제2 교반 속도(R2)보다 고속, 그리고 제1 교반 속도(R1)와 동등(또는 다소 저속)의 제3 교반 속도(R3)로, 밀폐 용기(11)의 유기물함유 폐기물을 교반한다.
그리고 제3 시간(T3) 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 감압 장치(17)를 제어하여 밀폐 용기(11) 내의 수증기를 밀폐 용기(11)의 외부로 방출한다. 이에 의해, 제어 장치(19)는 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압하고, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 제3 온도(C3)보다 강온한다. 이 때, 감압 장치(17)와 함께, 전술한 바와 같이 냉각 장치를 이용하여 밀폐 용기(11) 내를 강제 냉각할 수도 있다.
여기서, 도 3은 제3 시간(T3) 경과 후 즉시 수열처리를 종료하여 수열처리 장치(10)를 정지하는 그래프이기 때문에, 제3 시간(T3) 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 감압 장치(17)를 제어하여 밀폐 용기(11) 내의 수증기를 밀폐 용기(11)의 외부로 전부 방출하여, 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압하고 있다.
또한, 제3 시간(T3) 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 교반 장치(16)를 정지하고 있다. 즉, 도 3에 나타낸 반응 시간(T)은, 내부 온도가 제1 온도(C1)에 도달하고 나서, 환언하면 제1 시간(T1)의 개시 시점부터 제3 시간(T3)의 계속이 종료할 때까지의 시간으로 하고 있다.
그러나 도 3은 어디까지나 일례이며, 제3 시간(T3) 경과 후에 수열처리를 계속할 수도 있다. 이 경우는, 도 3에 나타낸 반응 시간(T)이 당연히 길어진다. 반응 시간(T)은 제1 시간(T1)의 개시 시점부터, 수열처리 장치(10)로서 수열반응을 종료시킬 때까지의 시간이다.
예를 들어, 도 3의 제3 시간(T3) 경과 후에, 다시 제1 시간(T1) 및 제2 시간(T2)과 마찬가지의 제어, 즉 제1 열충격과 제2 열충격과 마찬가지의 열충격을 추가로 가하는 제어를 행할 수도 있다. 환언하면, 반응 시간(T) 내, 즉 수열반응의 도중에 2회 이상의 복수회의 열충격을 가하는 제어를 행할 수도 있다. 수열반응 중의 열충격의 회수가, 3회, 4회 등으로 많을수록, 뼈 등이 용이하게 가용화되지 않는 유기물이라도, 비교적 저온의 제2 온도(C2)에 있어서 가용화가 진행되게 된다.
또한, 이 경우는 제3 시간(T3) 경과 후 즉시, 제어 장치(19)는 감압 장치(17)를 제어하여 밀폐 용기(11) 내의 수증기를 밀폐 용기(11)의 외부로 일부(전부는 아니다) 방출하고, 밀폐 용기(11)의 내부 압력을 감압하여, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 제3 온도(C3)보다 강온하는 것으로 된다. 또한, 이 경우, 제어 장치(19)는 교반 장치(16)에 의한 교반을 수시로 계속할 수도 있다.
본 발명자에 따르면, 이론상 상기 구성과 상기 제어로 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명자에 따르면, 반응 시간(T)이 60분간, 제1 온도(C1)가 약 180℃, 제2 온도(C2)가 약 165℃, 제3 온도(C3)가 약 180℃, 제1 시간(T1)이 5분간 내지 10분간, 제2 시간(T2)이 약 30분간, 제3 시간(T3)이 5분간 내지 10분간, 제1 교반 속도(R1)가 약80 rpm, 제2 교반 속도(R2)가 실질적으로 0 rpm(1 rpm정도), 제3 교반 속도(R3)가 약80 rpm인 경우, 6 ㎜ 직경 이하로 미세화된 플라스틱의 양은, 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물에 있어서의 플라스틱 총량의 약45%라는 실험 결과를 얻고 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 밀폐 용기(11)의 내부 온도를 180℃만의 일정값, 반응 시간을 60분간, 교반 속도 30 rpm만의 일정값으로 수열처리한 경우는, 6 ㎜ 직경 이하로 미세화된 플라스틱의 양은, 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물에 있어서의 플라스틱 총량의 약65%라는 실험 결과를 얻고 있다.
여기서, 이들 2개의 실험 결과를 비교하면, 전자는 경시적인 온도 변화가 비교적 완만해서, 열충격의 영향이 조금 적은 것으로 생각되는데도 불구하고, 그래도 약 45%라는 수치를 얻을 수 있어, 후자의 수치보다도 양호한 결과라고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 수열처리 장치(10)에 의하면, 제1 온도(C1), 제2 온도(C2), 제3 온도(C3), 제1 시간(T1), 제2 시간(T2), 제3 시간(T3)을 적절히 설정함으로써, 경시적인 온도 변화를 보다 가파르게 하여 열충격의 영향을 크게 할 수 있기 때문에, 종래에 비해 밀폐 용기(11)에 투입된 유기물함유 폐기물에 있어서의 플라스틱 총량에 대해, 6 ㎜ 직경 이하로 미세화된 플라스틱의 양을 확실하게 저하시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 수열처리 장치의 수열처리액을 원료로 하고, 가스 생성 장치의 일종인 메탄 발효 장치로 메탄 발효를 행하면, 종래에 비해 효율적으로 메탄가스를 생성할 수 있었다.
이상의 구성 및 제어에 의해, 본 발명의 수열처리 장치는 유기물함유 폐기물을 가용화시키고, 그리고 가스 생성의 저해 물질인 멜라노이딘의 생성량뿐만 아니라 미세한 플라스틱의 생성량을 저감할 수 있다. 하나의 수열처리 장치로 2개의 저해 물질의 양을 저감할 수 있기 때문에, 코스트 퍼포먼스(cost performance)가 높다.
또한, 본 발명의 수열처리 장치를 사용한 본 발명의 수열처리 시스템에 의하면, 효율 좋게 가스를 생성할 수 있다.
1: 수열처리 시스템
10: 수열처리 장치
11: 밀폐 용기
12: 투입구
13: 배출구
14: 도입관
15: 전자밸브
16: 교반 장치
17: 감압 장치
18: 온도 센서(온도 계측 장치)
19: 제어장치
20: 고액 분리 장치
30: 가스 생성 장치(예: 메탄 발효 장치)
10: 수열처리 장치
11: 밀폐 용기
12: 투입구
13: 배출구
14: 도입관
15: 전자밸브
16: 교반 장치
17: 감압 장치
18: 온도 센서(온도 계측 장치)
19: 제어장치
20: 고액 분리 장치
30: 가스 생성 장치(예: 메탄 발효 장치)
Claims (4)
- 투입구와 배출구를 구비하고, 유기물 함유 폐기물이 투입되는 밀폐 용기와,
상기 밀폐 용기의 내부 온도를 계측하는 온도 계측 장치와,
상기 밀폐 용기에 수증기를 도입하는 도입관과,
상기 도입관에 배치되어, 밸브를 개방함으로써 상기 수증기를 상기 밀폐 용기에 도입하고, 밸브를 폐쇄함으로써 상기 도입을 정지하는 전자밸브와,
상기 수증기가 도입된 상기 밀폐 용기로부터 상기 수증기를 방출함으로써 상기 밀폐 용기 내의 압력을 감압하는 감압 장치와,
상기 온도 계측 장치가 계측한 상기 내부 온도에 기초하여, 상기 전자밸브 및 상기 감압 장치를 제어하여, 상기 밀폐 용기 내의 유기물함유 폐기물을 수열반응시키는 제어장치를
가지며,
상기 제어장치는,
상기 수열반응 시, 상기 밀폐 용기에 상기 수증기를 도입하여 상기 내부 온도가 메일라드 반응 촉진 온도 이상의 제1 온도로 될 때까지 승온한 후, 상기 제1 온도를 제1 시간 계속하고,
상기 제1 시간 경과 후 즉시, 상기 압력을 감압하여 상기 제1 온도보다 상기 내부 온도를 강온시키고,
상기 강온에 의해, 상기 내부 온도가 상기 제1 온도로부터 수열반응 하한 온도 이상인 제2 온도로 저하된 후, 상기 제2 온도를 상기 제1 시간과 동등한 또는 상기 제1 시간보다 긴 제2 시간 계속하고,
상기 제2 시간 경과 후 즉시, 상기 내부 온도가 상기 제1 온도와 동등한 제3 온도로 될 때까지 승온한 후, 상기 제3 온도를 상기 제1 시간과 동등한 제3 시간 계속하고,
상기 제3 시간 경과 후 즉시, 상기 압력을 감압하여 상기 내부 온도를 상기 제3 온도보다 강온하는 수열처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 투입된 유기물함유 폐기물을 상기 밀폐 용기 내에서 교반하는 교반 장치를 더 가지며,
상기 제어장치는 상기 교반 장치를 제어하여, 상기 제1 시간에서는 제1 교반 속도로 상기 교반을 하고, 상기 제2 시간에서는 상기 교반을 하지 않고 또는 상기 제1 교반 속도보다도 늦은 제2 교반 속도로 상기 교반을 하고, 상기 제3 시간에서는 상기 제1 교반 속도와 동등한 제3 교반 속도로 상기 교반을 하는 수열처리 장치. - 제1 항 또는 제2 항에 기재된 수열처리 장치와,
상기 수열처리 장치로 수열반응시킨 유기물함유 폐기물을 수열처리액과 잔여물로 분리하는 고액 분리 장치와,
상기 고액 분리 장치로 분리한 상기 수열처리액을 원료로 하여 미생물 또는 균에 의한 가스 생성을 행하는 가스 생성 장치를
갖는 수열처리 시스템. - 제3 항에 있어서,
상기 가스 생성 장치는 메탄 발효 장치인 수열처리 시스템.
Applications Claiming Priority (3)
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