WO2010030086A2 - 슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치 - Google Patents

슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a sludge heating unit, a sludge heating method, and a sludge hydrolysis apparatus using the same, and more particularly, while reducing the energy required, the sludge is continuously heated to a hydrolysis temperature of 200 ° C. or more to effectively hydrolyze the sludge.
  • the present invention relates to a sludge heating unit, a sludge heating method, and a sludge hydrolysis apparatus using the same.
  • sludge organic sludge
  • sewage sludge and food waste and livestock waste water is discharged as waste
  • environmental pollution such as leachate, odor and pest generation.
  • the sludge contains more than 3000 kcal of energy per kg after drying, it would be very economically useful if the energy can be recovered during the treatment of sludge, but the water content of the sludge is high to 80% so far, The energy involved is not being used economically.
  • the sludge can recover energy by removing more than 80% of the water contained or decomposing it into microorganisms, and many technologies have been developed for this purpose. Or there is a problem such as odor occurrence. Therefore, up to now, most of the sludge has been treated by ocean dumping or compost utilization.
  • the sludge is composed of nutrient organic substances such as carbohydrates, proteins, lipids, and the like, which are high molecular compounds in which glucose, amino acids, and fatty acids are combined, and when the nutrient organics are heated to 200 ° C. or higher with water, they are decomposed into glucose or amino acids. This phenomenon is called hydrolysis.
  • the sludge needs to be heated for hydrolysis.
  • the conventional method for heating the external vessel is widely used.
  • the sludge has poor fluidity and heat transfer is not good.
  • As the pressure increased high pressure was generated throughout the stationary, and gas was generated by pyrolysis, and thus, the post-treatment device was complicated, and hydrolysis was not economically achieved.
  • a steam injection heater that mixes steam and heats the sludge with heat of condensation of steam to inject high pressure steam into the sludge passing through the pipe.
  • Conventional steam injection heater is a device to shorten the heating section and the heating time very short, and this requires the use of steam with a pressure of much higher temperature than the heating temperature. It is only heated to about 180 °C using.
  • the steam pressure rises sharply above 200 ° C. and shows a vapor pressure of 40 atm at 250 ° C.
  • the manufacturing cost and operating cost of the high pressure boiler producing such high temperature high pressure steam are rapidly increased.
  • the heating temperature during hydrolysis is 180 ° C, which takes a long time to hydrolyze and injects water vapor into the sludge filled in the hydrolysis vessel to maintain the temperature of the sludge cooled during this time. It is difficult to configure the steam injection device for keeping warm, and the device is very complicated, and the pressure fluctuation of the hydrolysis vessel is severe, causing a lot of failures.
  • the stirring device is unavoidable for uniform temperature transmission, but if the whole container is filled with sludge, sludge leaks in the bearing part of the external drive shaft for rotating the stirring device, and the bearing is easily broken, so that the bearing cannot be operated for a long time and should be frequently repaired.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is a sludge heating unit and a sludge which can heat sludge and continuously perform hydrolysis of sludge using low pressure steam having a vapor pressure of hydrolysis temperature. It is to provide a heating method.
  • Another object of the present invention is to provide a sludge heating unit and a sludge heating method for heating the sludge at a temperature of 200 ° C. or higher so that hydrolysis of the sludge proceeds rapidly.
  • Still another object of the present invention is to provide efficient heating of the sludge by the water vapor supplied to insulate the sludge for hydrolysis of the heated sludge. It is to provide a sludge heating unit and a sludge heating method which can be increased.
  • Still another object of the present invention is to provide a sludge hydrolysis apparatus capable of reducing energy required for hydrolysis of sludge.
  • the present invention has developed a technique for heating with steam at a pressure substantially the same as the steam pressure of the heating temperature to replace the conventional steam injection heating method to 200 °C or more with a lower pressure steam Heating to reduce the hydrolysis time to 30 minutes or less to provide a sludge heating unit that increases the hydrolysis efficiency of the device by three times or more.
  • the present invention also provides a heating unit in which the cold sludge passes through steam having a temperature and pressure along a vapor pressure curve, whereby the cold sludge is heated by condensation by contact with the cold sludge.
  • the water vapor having a temperature and pressure in the vapor pressure curve changes to water immediately after being slightly cooled, and the heating unit is filled with water vapor in this state, and when the low temperature sludge comes into contact with the water vapor, the contacted water vapor is cooled.
  • the surrounding water vapor moves into the vacated space and continuously contacts the low temperature sludge, thereby condensing the water vapor continuously.
  • the surface of the cold sludge is heated by the heat of condensation of the steam, the heat of condensation is heated by the steam contact heating method designed to heat the cold sludge is heated to the inside of the sludge is heated.
  • the present invention provides a heating container designed to install a partition wall in the hydrolysis vessel so that heavy sludge space and light steam space are separated up and down, so that the sludge is continuously contacted with water vapor during the hydrolysis time so that the sludge is not cooled.
  • a heating container designed to install a partition wall in the hydrolysis vessel so that heavy sludge space and light steam space are separated up and down, so that the sludge is continuously contacted with water vapor during the hydrolysis time so that the sludge is not cooled.
  • the present invention provides a discharge container designed to be hydrolyzed and sludge having good fluidity such as water enters the discharge vessel beyond the partition and is discharged by the water level sensor and the discharge device.
  • the present invention heats the sludge by direct heating at a predetermined pressure (for example, 10 atm) or higher, and at a temperature lower than the predetermined pressure so that heat exchange occurs between the hydrolyzed high-temperature sludge and the low-temperature sludge.
  • New sludge waterer consisting of a sludge heating unit and a heat exchange unit to heat the sludge in order to reduce the cost of heat energy required for hydrolysis as well as to reduce the cost of the chiller.
  • the present invention is a hydrolysis vessel that is hydrolyzed by contact with the water vapor in the space filled with the introduced sludge, discharge vessel forming a passage for discharging the hydrolyzed sludge, the interior of the hydrolysis vessel
  • It provides a sludge heating unit comprising a stirring device for stirring the sludge and at the same time to move the sludge in the discharge container direction.
  • the sludge may be heated by steam contact heating in which water vapor condenses on the surface of the sludge.
  • the constant sludge heating unit may further include a heating vessel for allowing the sludge to be heated by contact with the water vapor before the sludge is transferred to the hydrolysis vessel.
  • the sludge heating unit is installed on at least one side of the heating vessel, the hydrolysis vessel, the discharge vessel is a pressure sensor for measuring the water vapor pressure inside the vessel, and the heating vessel based on the measured value of the pressure sensor It may further include a control device for controlling the supply amount of water vapor introduced into.
  • the controller may control the amount of water vapor supplied to maintain the internal pressure of the hydrolysis vessel at a constant pressure equal to the vapor pressure of the hydrolysis temperature of the sludge.
  • the sludge heating unit further includes a water level sensor installed in the discharge vessel to measure the level of the sludge, the control device is based on the measured value of the water level sensor discharge of the sludge discharged from the discharge vessel. Can be controlled.
  • the apparatus may further include a sludge injection device installed at an inlet of the heating container to inject sludge into the heating container, and the control device controls the sludge injection device based on the measured value of the water level sensor. The amount of sludge injected can be adjusted.
  • the sludge conveying apparatus further includes a sludge conveying apparatus for conveying the sludge to the hydrolysis vessel while horizontally moving and lowering the sludge repeatedly in order to increase the contact time and the contact area between the sludge injected into the heating vessel and the steam. It may include.
  • the sludge conveying apparatus is a first rotating body for transporting the sludge downward while pushing the sludge in the direction of the inner wall of the heating vessel, a second rotating body for transporting the sludge downward while attracting the sludge toward the center of the heating vessel, and the It may include a rotating shaft for rotating the first rotating body and the second rotating body.
  • the sludge unit may further include a distribution device connected to the sludge injection device installed in the inlet of the heating vessel, to distribute the supplied sludge to the upper portion of the sludge transfer device.
  • the distribution device is installed to penetrate the upper portion of the heating vessel and the sludge is injected into the fixed injection tube, the distribution tank in communication with the fixed injection pipe to rotate, the connecting device for connecting the fixed injection pipe and the distribution tank, and It may include a nozzle which is spaced apart from the central axis of the distribution tank and installed in a position corresponding to the upper portion of the sludge transport apparatus.
  • the present invention includes the sludge heating unit described above, and a sludge injection device installed in the injection portion of the heating vessel of the heating unit, the sludge injection device generates a suction pressure in the sludge It provides a sludge hydrolysis apparatus including a pressure injection device having an injection means for avoiding and a pressurizing means for pressurizing the sludge via the injection means.
  • the sludge hydrolysis apparatus may further include a contact heat exchange unit for contacting the outer surface of the high temperature sludge tube in which the high temperature sludge is moved to heat exchange the low temperature sludge.
  • the sludge hydrolysis apparatus may further include a steam heat exchange unit to heat exchange the cold sludge discharged from the contact heat exchange unit between the hot sludge discharged from the sludge heating unit and the injected low temperature sludge.
  • the injection means has a case having an inlet through which the sludge flows downward by its own load and a discharge port through which the cold sludge is discharged, the sludge introduced from the inlet is rotated while being geared and coupled to each other inside the case and the discharge port. It may include a pair of rotating bodies to push in the direction.
  • the present invention provides a steam injection step of filling a container with steam, a sludge injection step of injecting sludge into the container, and a vapor space and a sludge space formed by a partition wall provided in the container. It provides a sludge heating method comprising a step of stirring the steam and the sludge is moved by the stirring device to rotate in, and the steam contact heating step of heating the sludge while condensing by contact with the surface of the sludge. do.
  • the sludge heating method may further include maintaining a constant internal pressure of the vessel at a pressure substantially the same as the vapor pressure of the hydrolysis temperature of the sludge.
  • the sludge heating method may further include a movement step for allowing the sludge to flow into the discharge portion of the container from the sludge space only when the sludge has a predetermined height inside the container.
  • the sludge can be continuously heated to the high temperature necessary for hydrolysis of the sludge, which shortens the hydrolysis time and greatly improves the efficiency of the apparatus.
  • the sludge and water vapor exchange heat in the state in which only about half of the sludge is filled in the hydrolysis vessel, thereby reducing the load on the stirring device provided in the hydrolysis vessel and connecting the external shaft of the driving device in the steam space to make the sludge hydrolyze. Since it does not leak to the outside of the decomposition vessel, there is an advantage that the maintenance of the heating unit is small and the service life is long.
  • 1 is a graph showing a vapor pressure curve of water and a relationship between water temperature and thermal energy.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a sludge heating unit according to the invention.
  • FIG 3 shows another embodiment of a sludge heating unit according to the invention.
  • FIG. 4 is a sectional view of an essential part of the sludge heating unit of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the heating vessel provided in the sludge heating unit of FIG.
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the sludge transport apparatus provided in the heating vessel of FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an embodiment of a sludge hydrolysis apparatus according to the present invention.
  • organic sludge storage tank 200 contact heat exchange unit
  • hydrolysis vessel 460 sludge conveying apparatus
  • the temperature rises or the state changes from liquid to gas, while the temperature pressure curve is called the water vapor pressure curve.
  • water is present as a liquid if the external pressure is higher than the vapor pressure curve pressure and as a gas when the external pressure is low.
  • water vapor having a temperature and pressure on the vapor pressure curve turns into water immediately after being slightly cooled, and water having a temperature and pressure on the vapor pressure curve turns into water vapor even when the pressure is slightly lowered to maintain the equilibrium of the steam pressure curve.
  • the heat energy required to raise the temperature of water is 100cal up to 100 °C, 151cal up to 150 °C, 203cal up to 200 °C, 259cal up to 250 °C, and 321cal up to 300 °C.
  • the temperature-energy relationship is similar at low and high temperatures, but for temperature and pressure As shown in Table 1, the pressure-to-pressure relationship rapidly rises at 1 ° C at 100 ° C, 4.7 atm at 150 ° C, 15.6 at 200 ° C, 40.1 at 250 ° C, and 86.5 at 300 ° C.
  • the temperature-energy relationship and the temperature-pressure relationship are shown in FIG. 1.
  • the sludge heating unit includes a hydrolysis vessel 450 hydrolyzed by contact with the water vapor in a space filled with water sludge, and a discharge vessel 440 forming a passage through which the hydrolyzed sludge is discharged. And a partition 453 installed in the hydrolysis vessel 450.
  • the hydrolysis vessel 450 is connected to the discharge vessel 440 around the partition 453 and is substantially the same as the vapor pressure of the hydrolysis temperature through the steam injection device 482 installed in the discharge vessel 440. Pressured steam is supplied, which fills the interior space by heating all internal devices, including the vessel.
  • a sludge inlet 401 is formed at the inlet of the hydrolysis vessel, and the sludge inlet includes a pressurized injection device 420 for injecting the sludge into the hydrolysis vessel.
  • the sludge injection device pressurizes and injects the sludge at a pressure higher than the water vapor pressure inside the hydrolysis vessel in order to inject the sludge into the hydrolysis vessel filled with steam of high temperature and high pressure.
  • the sludge injection apparatus includes a pressure injection device 420 having injection means for preventing the suction pressure is generated in the sludge, and a pressure means 423 for pressing the sludge via the injection means.
  • the sludge injection apparatus may be configured to include a separate sludge pump for transferring the low temperature sludge to the pressure injection device.
  • the sludge space 451b is formed at the lower portion of the hydrolysis vessel and the water vapor space 451a is formed at the upper portion of the hydrolysis vessel 450 by the partition wall and gravity, and the injected sludge is sludge space 451b. ) And the water vapor passes freely in the vapor space (451a).
  • the upper surface of the sludge formed by the partition 453 is continuously in contact with the water vapor to maintain the temperature of the sludge and at the same time when the height of the sludge space 451b is higher than the partition 453, the partition 453 Is configured to flow to the discharge vessel 440 beyond.
  • the sludge that is hydrolyzed by the partition wall to improve fluidity is accumulated in the hydrolysis vessel and the vessel formed by the partition wall to form the sludge space, and the upper part naturally forms a vapor space.
  • the sludge when the sludge is higher than the height of the partition 453, the sludge flows to the discharge container 440 beyond the partition 453.
  • the hydrolysis vessel 450 may be provided as one cylindrical tube, but may be installed by connecting two cylindrical tubes horizontally to each other in order to increase the hydrolysis interval or shorten the length of the hydrolysis vessel.
  • sludge space 451b and the steam space 451a are reciprocated in the hydrolysis vessel 450 to stir the water vapor and the sludge and simultaneously move the sludge toward the discharge container 440.
  • Stirring device 455 is installed.
  • the sludge inside the hydrolysis vessel 450 is heated and hydrolyzed while coming into contact with the water vapor. That is, the sludge is heated and hydrolyzed by steam contact heating in which water vapor condenses on the surface of the sludge.
  • Hydrolyzed sludge is conveyed by the stirring device 455 in a state in which the fluidity is improved. Thereafter, when the sludge is higher than the partition 453, the sludge flows into the discharge container 440 beyond the partition 453.
  • the hydrolysis vessel 450 is provided with a pressure sensor 457 capable of measuring the water vapor pressure inside the hydrolysis vessel.
  • the pressure sensor 457 may be installed in the discharge container 440.
  • the discharge container 440 is provided with a water level sensor 447 for measuring the water level of the sludge.
  • a sludge discharge device 481 for controlling the discharge of the sludge is installed in the discharge portion of the discharge container 440.
  • the sludge discharge device 481 may be configured as a valve.
  • the sludge heating unit is provided with a control device (not shown) for controlling the amount of water vapor introduced into the heating container by controlling the steam injection device 482 based on the measured value measured by the pressure sensor 457. .
  • the controller controls the supply amount of the steam to maintain the internal pressure of the hydrolysis vessel 450 at a pressure substantially the same as the vapor pressure of the hydrolysis temperature of the sludge.
  • the steam inlet 482 may be installed in the hydrolysis vessel 450.
  • control device controls the sludge discharge device 481 based on the measured value measured by the water level sensor 447 to adjust the discharge of the sludge. That is, the control device (not shown) controls the opening and closing degree of the sludge discharge device 481 according to the measured value of the water level sensor 447 provided in the discharge container to adjust the sludge discharge. The control device (not shown) may adjust the injection amount of the sludge injected into the hydrolysis vessel based on the measured value measured by the water level sensor 447.
  • the sludge heating unit according to the present invention is connected at a predetermined angle with the heating vessel 430 and the heating vessel 430, which are moved while being heated by contact with the steam in a space filled with the introduced sludge, and the heating is performed.
  • the hydrolysis vessel 450 which is hydrolyzed by contact with the water vapor in the space filled with the steam in the space filled with the steam, is installed on one side of the hydrolysis vessel 450, the hydrolyzed sludge It includes a discharge container 440 to form a passage through which it is discharged.
  • the inlet portion of the heating vessel 430 is provided with a sludge injection device for injecting the sludge to a pressure higher than the pressure inside the container in order to inject the low temperature sludge into the heating container filled with steam of high temperature and high pressure.
  • the sludge injection apparatus includes a pressure injection device 420 having injection means for preventing the suction pressure is generated in the sludge, and a pressure means 423 for pressing the sludge via the injection means.
  • the sludge injection device may further include a separate sludge pump 470 for transferring the low temperature sludge to the pressure injection device.
  • a water vapor injection device 482 for injecting water vapor for heating the sludge is installed at the inlet of the heating vessel 430.
  • the sludge is repeatedly transferred to the hydrolysis vessel 450 while horizontally moving and descending.
  • the sludge conveying apparatus 460 is installed.
  • a distribution device 410 for distributing and supplying the sludge injected into the heating container 430 to the upper portion of the sludge conveying device 460 between the sludge conveying device 460 and the pressure injection device 420 is Is installed.
  • the low temperature sludge injected into the heating container 430 filled with water vapor is distributed to the upper portion of the sludge conveying apparatus 460 by the dispensing apparatus 410. Thereafter, the sludge is heated by the sludge conveying apparatus 460 while being in contact with water vapor in a temperature and pressure state of a steam pressure curve filled inside the heating vessel 430. Thereafter, the heated sludge is injected into the hydrolysis vessel 450 connected to the heating vessel 430 at a predetermined angle.
  • the heating vessel 430 and the hydrolysis vessel 450 is preferably coupled to form a vertical. This is because, when the sludge is transferred from the heating vessel 430, if the heating vessel 430 is erected vertically, it is most effectively transferred to the lower side by the self-load of the sludge.
  • a partition wall is disposed in the sludge space 451b disposed below the sludge space and an upper portion of the sludge space, and separated into a vapor space 451a through which water vapor can pass freely ( 453) is installed.
  • a stirring device and a pressure sensor are installed in the hydrolysis vessel, and a water level sensor is installed in the discharge vessel.
  • the heating unit is provided with a control device for controlling the amount of water vapor introduced into the heating vessel, the sludge amount and the amount of sludge discharged to the discharge vessel based on the measured values measured by the pressure sensor and the water level sensor. Since these configurations are substantially the same as those provided in the sludge heating unit according to the above-described embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
  • the pressure injection device 420 is provided in the injection portion of the heating vessel 430 includes injection means for preventing the suction pressure is generated in the sludge, and pressing means 423 for pressing the sludge via the injection means. do.
  • the injection means is provided with a case 421 having an inlet 421b for allowing the sludge to flow downward by its own load and a discharge port 421a for discharging the sludge, and are installed inside the case 421 and gears with each other. It includes a pair of rotors 422 coupled to rotate to push the sludge introduced from the inlet in the direction of the outlet.
  • the inlet 421b is wide, the sludge itself has a greater force than the sludge's viscous resistance, even though the sludge has low fluidity. As a result, even low temperature sludge having poor fluidity is moved downward by the self load of the sludge.
  • the rotating body 422 may be provided to form a pair in the horizontal direction, it is preferable that each of the rotating body 422 is geared to each other so as to rotate in the inner center direction of the case 421. To this end, the rotating body 421 may be a gear that meshes with each other.
  • the rotating body 421 may be made of a rubber material having a high elastic force so that the low temperature sludge can move more smoothly.
  • the pressing means 423 is provided below the injection means, and the pressing means 423 may be a rotary gear pump.
  • the rotary gear pump may receive power by the first driving motor 525, and the driving shaft of the rotary body 422 is connected to the driving shaft of the rotary gear pump by a power transmission member such as a chain or a belt.
  • the rotating body 422 can also rotate.
  • the upper portion of the pressing means 423 is preferably connected to the lower side of the outlet 421a, one side of the pressing means 423 may be provided with a pressurizing discharge portion (423a). Accordingly, the sludge discharged from the organic sludge reservoir may be supplied into the heating container 430 by the pressure injection device 420.
  • the suction pressure is not generated in the process of injecting low-temperature sludge having poor fluidity by the injection means, so that the low-temperature sludge can be smoothly and easily injected in one direction by the pressing means 423. do.
  • the sludge passing through the pressure injection device 420 flows into the distribution device 410 installed inside the heating container 430.
  • the dispensing device 410 serves to disperse the sludge thinly so that the sludge can be mixed with the water vapor and to supply the sludge feeder 460 to the upper portion.
  • the distribution device 410 is installed to penetrate the upper portion of the heating vessel 430, the fixed injection tube 411 is injected with sludge, the distribution tank 412 in communication with the fixed injection tube 411 and rotates, A connection device 414 for connecting the fixed injection pipe 411 and the distribution tank 412, and a position spaced apart from the central axis of the distribution tank 412 and corresponding to the upper portion of the sludge conveying device 460 And a nozzle 413 to be installed.
  • the fixed injection pipe 411 is in communication with the pressure discharge port 423a of the pressing means, the sludge is introduced through the fixed injection pipe 411, the sludge passed through the fixed injection pipe 411 is a distribution tank 412 is entered.
  • connection device 414 for example, a rotary joint, rotates with the fixed injection tube 411 fixed while communicating the fixed injection tube 411 and the distribution tank 412. It is installed between.
  • connection device 414 One side of the connection device 414 is a worm wheel gear 415 for rotating the distribution tank 412, a worm gear 416 meshing with the worm wheel gear 415, for transmitting a driving force to the worm gear 416
  • the second drive motor 417 is installed.
  • the distribution tank 412 has a shape corresponding to the cross-sectional shape of the heating vessel 430, and a nozzle 413 for discharging the sludge is coupled to the bottom surface of the distribution tank 412.
  • the sludge injected through the fixed injection pipe 411 is moved to the distribution device 410 through the connecting device 414, the sludge moved to the distribution device 410 is the nozzle 413 It is moved to the top of the sludge conveying apparatus 460 through.
  • the worm gear 416 rotates due to the driving of the second driving motor 417
  • the worm wheel gear 415 engaged with the worm gear 416 rotates to rotate the distribution tank 412.
  • the sludge is distributed to the upper portion of the sludge conveying apparatus 460 through the nozzle 413.
  • the sludge conveying apparatus 460 is a first rotating body 462 for transporting the sludge downward while pushing the sludge in the inner wall direction of the heating vessel 430, and pulls the sludge toward the center of the heating vessel 430 And a second rotating body 463 for feeding downward and a rotating shaft 461 for rotating the first rotating body 462 and the second rotating body 463.
  • the first rotating body 462 is fixed to the inner surface of the heating container 430 and is rotatable on a first pedestal 462b having a first discharge port 462c formed at the center thereof, and an upper surface of the first pedestal 462b. And a first rotary blade 462a formed to draw the sludge toward the first discharge port 462c.
  • the second rotating body 463 is fixed to the inner surface of the heating container 430 and is closely attached to the second pedestal 463b having a second discharge port 463c and an upper surface of the second pedestal 463b.
  • the second rotary blade 463a is rotatably installed in the second discharge port 463c to push the low temperature sludge into the second discharge port 463c.
  • the first rotating body 462 and the second rotating body 463 are provided in alternating plurality to form a layer.
  • first rotary blade 462a and the second rotary blade 463a are rotated in the same direction by the same rotation axis, but the bent directions of the wings are provided in opposite directions.
  • the rotation shaft 461 is connected to the lower surface of the distribution device 410 to rotate together with the distribution device 410.
  • the first rotary blade 462a rotates while the sludge is rotated to the center of the first pedestal 462b. Will be collected.
  • the sludge collected at the center of the first pedestal 462b is separated from the center of the second pedestal 463b which is located under the first pedestal 462b by its own load through the first discharge port 462c. do.
  • the second rotary blade 463a rotates to disperse sludge that has fallen to the center of the second pedestal 463b to the edge of the second pedestal.
  • the sludge dispersed at the edge of the second pedestal 463b falls back to its lower part by its own load through the second discharge port 463c.
  • the sludge injected into the upper portion of the sludge conveying apparatus 460 is in contact with the water vapor while moving horizontally and descending by the first and second rotary bodies 462 and 463.
  • the sludge conveying apparatus horizontally and downwardly moves the sludge, so that the contact time and the contact area of the sludge and the water vapor are increased, whereby heat exchange between the water vapor and the sludge occurs efficiently.
  • the sludge of the heating vessel is moved to the hydrolysis vessel by the sludge conveying apparatus.
  • the hydrolysis vessel 450 agitates the water vapor and the sludge while reciprocating the sludge space 451b and the steam space 451a inside the hydrolysis vessel and at the same time the sludge is discharged toward the discharge vessel 440.
  • a stirring device 455 for moving is provided.
  • the stirring device 455 is installed in the longitudinal direction of the heating vessel, and one side of the stirring device 455 is provided with a third drive motor 452 for driving the stirring device 455.
  • the stirring device 455 includes a stirring blade 457 for stirring the water vapor and sludge and a stirring rotating shaft 456 for rotating the stirring blade 457.
  • the water vapor supplied from the boiler is filled in the heating vessel 430, the hydrolysis vessel 450, the discharge vessel 440.
  • sludge is injected into the heating vessel 430, and the injected sludge is moved in the direction of the hydrolysis vessel 450 while being heated in contact with the water vapor.
  • the sludge is first horizontally moved in the center direction of the heating vessel 430 by the first rotating body 462, the sludge moved in the center direction is moved downward by its own load. Thereafter, the sludge is horizontally moved in the rim direction of the heating vessel 430 by the second rotating body 463 and then moved downward again by its own load. The sludge is moved to the hydrolysis vessel 450 while being in contact with water vapor while being transported by the sludge conveying apparatus 460 in which the first and second rotating bodies 462 and 463 are alternately stacked. .
  • the sludge moved to the hydrolysis vessel 430 is moved in the direction of the discharge vessel 440 by a stirring device 455 for stirring the steam and the sludge while reciprocating the sludge space and the steam space.
  • the steam is in contact with the upper surface of the sludge while freely moving in the vapor space formed by the partition wall 453 provided in the hydrolysis vessel, the sludge is fixed in the sludge space of the hydrolysis vessel 450 Only above the height is moved to the discharge container 440.
  • the internal pressure of the hydrolysis vessel is kept constant at the same pressure as the vapor pressure of the hydrolysis temperature of the sludge.
  • the sludge moved to the discharge vessel 440 is discharged to the outside of the discharge vessel 440 when the sludge is above a certain level. At this time, the discharge of the sludge is determined based on the measured value measured by the water level sensor.
  • the sludge heating unit according to the present invention can hydrolyze the sludge even in a situation where a heating container is not separately provided as shown in FIG. 2.
  • the inside of the hydrolysis vessel is filled with steam, and sludge is injected into the hydrolysis vessel 450.
  • the steam and the sludge are agitated by a stirring device 455 rotating in the steam space 451a and the sludge space 451b formed by the partition wall 453 provided inside the hydrolysis vessel 450. Will move. At this time, the sludge is heated by steam contact heating as the water vapor contacts and condenses the surface of the sludge.
  • the internal pressure of the hydrolysis vessel is preferably kept constant at a pressure substantially the same as the vapor pressure of the hydrolysis temperature of the sludge.
  • the sludge flows into the discharge container 440 only in the sludge space when the sludge has a predetermined height inside the hydrolysis vessel. Thereafter, the sludge is discharged based on the measured value of the water level sensor 447.
  • the sludge hydrolysis apparatus includes a sludge heating unit 400, a steam heat exchange unit 300, and a contact heat exchange unit 200.
  • the heating unit 400 is hydrolyzed by discharging the low temperature sludge injected from the low temperature heat exchange vessel 310 of the steam type heat exchange unit 300 by the steam supplied from the boiler 640 to discharge the high temperature sludge. .
  • the steam heat exchange unit 300 includes a low temperature heat exchange vessel 310 and a high temperature heat exchange vessel 350. At this time, the hot sludge discharged from the heating unit 400 is injected into the high temperature heat exchange container 350 side.
  • the water vapor is condensed by contacting the cold sludge injected into the low temperature heat exchange vessel 310 after moving in the high temperature heat exchange vessel 350 toward the low temperature heat exchange vessel 310, and is generated due to the condensation of the water vapor.
  • the low temperature sludge is heated by the heat of condensation.
  • the low temperature sludge injected into the low temperature heat exchange vessel is supplied from the contact type heat exchange unit 200. Since the low temperature sludge has poor fluidity, the low temperature sludge is pressurized by the second pressure injection device 380 and injected into the low temperature heat exchange container 310.
  • the contact heat exchange unit 200 is a low temperature sludge is injected from the organic sludge tank 100, the injected low temperature sludge primarily performs a contact heat exchange with the hot sludge injected from the high temperature heat exchange vessel (350). . Specifically, the contact heat exchange unit 200 is to contact the outer surface of the high temperature sludge tube 240 to move the high temperature sludge of the low temperature sludge to exchange heat between the low temperature sludge and the high temperature sludge. Even at this time, since the low temperature sludge has poor fluidity, the low temperature sludge is supplied to the contact heat exchange unit by the first pressure injection device 270.
  • the low temperature sludge heated through the contact heat exchanger is injected into the low temperature heat exchange vessel 310 of the steam heat exchange unit 300, and then exchanges heat with the high temperature sludge injected into the high temperature heat exchange vessel 350. Thereafter, the cold sludge heated up through the steam heat exchanger is injected into the sludge heating unit 400 to be heated and hydrolyzed. In this case, similarly, the heated low temperature sludge is supplied to the heating unit 400 by the third pressure injection device 420.
  • the steam heat exchange unit 300 is provided between the sludge heating unit 400 and the contact heat exchange unit 200, and a plurality of steam heat exchange units 300 may be connected in series to increase the heat exchange efficiency between the low temperature sludge and the high temperature sludge. Can be. Similarly, a plurality of contact heat exchange units 200 may be connected in series.
  • each heat exchange unit Since each heat exchange unit is arranged in series, the heat exchange between the hot sludge and the cold sludge may be repeated several times to maximize the reuse of thermal energy, thereby efficiently increasing the temperature of the cold sludge.
  • the solid precipitated through the solid-liquid separator 610 is moved to the dehydrator 620, the aqueous solution is discharged.
  • the dehydrator 620 is dehydrated the introduced solids to move the dehydrated solids to the solid fuel storage tank 630 side, the dewatered aqueous solution is discharged.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the sludge hydrolysis device may be composed of only the sludge heating unit 400 and the third pressure injection device 420.
  • the heat exchange unit may be configured to use only one of the steam heat exchange unit 300 or the contact heat exchange unit 200. Since the specific configurations of the sludge heating unit 400 and the third pressure injection device 420 used in the sludge hydrolysis apparatus have been described above, they will be omitted.

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Abstract

본 발명은 소요되는 에너지를 줄이면서 슬러지의 가수분해를 효과적으로 수행할 수 있는 슬러지 가열유니트, 슬러지 가열 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 유입된 슬러지가 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가수분해 되는 가수분해 용기, 상기 가수분해 된 슬러지가 배출되는 통로를 형성하는 배출용기, 상기 가수분해 용기의 내부공간을 상기 슬러지가 채워지는 슬러지 공간과, 상기 수증기가 통과할 수 있는 수증기 공간으로 구획하기 위한 격벽, 그리고 상기 슬러지 공간과 상기 수증기 공간을 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시킴과 동시에 상기 슬러지를 상기 배출용기 방향으로 이동시키는 교반장치를 포함하는 슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치를 제공한다.

Description

슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치
본 발명은 슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소요되는 에너지를 줄이면서 슬러지를 200℃ 이상의 가수분해 온도로 연속적으로 가열하여 슬러지의 가수분해를 효과적으로 수행할 수 있는 슬러지 가열유니트, 슬러지 가열 방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하수슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지 (여기서는 슬러지라고 칭한다)가 폐기물로 그대로 배출되면 침출수나 악취 및 해충 발생 등의 환경오염을 일으킬 수 있다. 한편, 슬러지는 건조 후 1kg당 3000 kcal 이상의 많은 에너지가 포함되어 있는데, 슬러지를 처리하는 과정에서 상기 에너지를 회수할 수만 있다면 경제적으로 매우 유용하겠지만, 슬러지의 함수율이 80% 수준으로 높아서 아직까지는 슬러지에 포함된 에너지가 경제적으로 활용되지 못하고 있다.
즉, 슬러지는 함유된 80% 이상의 많은 물을 제거하거나 미생물로 분해하면 에너지를 회수할 수 있고, 이를 위하여 많은 기술이 개발되었지만, 대부분의 기술이 아직 회수되는 에너지보다 투입되는 에너지가 더 커서 경제성이 없거나 악취발생 등의 문제가 있다. 따라서, 현재까지는 대부분의 슬러지가 해양투기나 퇴비 활용 등으로 처리되고 있다.
한편, 슬러지는 포도당이나 아미노산 및 지방산이 결합한 고분자 화합물인 탄수화물, 단백질, 지질 등의 영양 유기물이 포함되어 구성되고, 이 영양 유기물을 물과 함께 200℃ 이상 고온으로 가열하면 포도당이나 아미노산 등으로 분해되는데, 이러한 현상을 가수분해라고 한다.
상기 가수분해의 원리를 이용하여 슬러지를 처리하는 여러 가지 방법이 고안되었지만, 고온으로 가열하는 과정에서 많은 열에너지가 필요할 뿐 아니라 고온에 수반되는 물의 높은 증기압을 견디며 연속적으로 작동될 수 있는 장치 구성이 어려워 슬러지의 가수분해 장치가 아직 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
가수분해를 위하여 슬러지를 가열해야 하는데 이러한 가열을 위한 종래의 방법으로 외부용기를 가열하는 방법이 많이 사용되고 있으나 슬러지의 유동성이 나빠 열전달이 잘 되지 않고 가열 과정여서 용기의 과열이 불가피하며 이때 부분적인 증기압력이 높아져 정치 전체에 높은 압력을 발생시키며 열분해로 가스가 발생하여 후처리 장치 구성이 복잡하여 가수분해가 경제적으로 이루어지지 못하였다.
기존의 외부용기 가열의 과열 문제를 개선하는 가열 방법으로 수증기를 혼합하여 수증기의 응축열로 슬러지를 가열하는 방법으로 배관속을 지나는 슬러지에 고압 증기를 주입하여 가열하는 증기 주입 가열기가 있다.
종래의 증기 주입식 가열기는 가열 구간과 가열시간을 매우 짧게 단축하기 위한 장치로 이를 위하여 가열온도보다 훨씬 높은 온도의 증기압을 가진 증기 사용이 필요하며 이 때문에 실제로는 225℃에서 250℃의 고온 고압 증기를 사용하여 180℃ 정도로만 가열되는 것이다.
그런데 물의 증기압 곡선에 의하면 200℃ 이상에서 증기압이 급격히 상승하여 250℃에서는 40기압의 증기압을 보이는데 이러한 고온 고압 증기를 생산하는 고압 보일러의 제작 비용과 가동 비용이 급격히 비싸진다.
또한, 가수분해시의 가열 온도가 180℃ 낮아 가수분해 시간이 오래 걸리며 이 시간동안 냉각되는 슬러지의 온도 유지를 위하여 가수분해 용기에 가득찬 슬러지 속에 수증기를 주입하는데 가수분해 용기의 하부에서 주입하여 교반시키는 보온용 수증기 주입 장치의 구성이 어렵고 장치도 대단히 복잡해지며 가수분해 용기의 압력 변동도 심하여 고장도 많이 발생한다.
또한 균일한 온도 전달을 위하여 교반장치가 불가피한데 용기 전체가 슬러지로 채워지게 되면 교반장치 회전을 위한 외부 구동축의 베어링 부분에서 슬러지가 누액되어 베어링이 쉽게 망가지므로 오래 가동하지 못하고 자주 보수해야 한다.
따라서 이러한 문제점을 개선하여 효율적인 슬러지 가수분해를 위하여 새로운 가열장치와 열교환 장치의 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가수분해 온도의 증기압을 가진 저압의 수증기를 이용하여 슬러지를 가열하고 슬러지의 가수분해를 연속적으로 수행할 수 있는 슬러지 가열 유니트 및 슬러지 가열방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 슬러지의 가수분해가 빠르게 진행되도록 200℃ 이상의 온도로 상기 슬러지를 가열하는 슬러지 가열 유니트 및 슬러지 가열방법을 제공하는 것이다.
물의 증기압 특성으로 인하여 가수분해가 효과적으로 진행되는 210℃에서 발생하는 20기압의 높은 증기압 환경에서도 슬러지를 효과적으로 가수분해하는 슬러지 가수분해 장치를 개발하는 것이다
본 발명의 또 다른 목적은 가열된 슬러지의 가수분해를 위하여 상기 슬러지를 보온하기 위하여 공급되는 수증기가 상기 슬러지를 효율적으로 가열할 수 있으며, 장치의 외부 구동축으로 누액이 발생하지 않아 장치의 사용 수명을 증가시킬 수 있는 슬러지 가열 유니트 및 슬러지 가열방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 슬러지의 가수분해에 소요되는 에너지를 줄일 수 있는 슬러지 가수분해 장치를 제공하는 것이다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기존의 증기 주입식 가열법을 대체하도록 가열온도의 증기압과 실질적으로 동일한 압력의 증기로 가열하는 기술을 개발하여 더 낮은 압력의 증기로 200℃ 이상으로 가열하여 가수분해 시간을 30분 이하로 단축하여 장치의 가수분해 효율을 3배 이상 높이는 슬러지 가열유니트를 제공한다.
또한, 본 발명은 저온 슬러지가 증기압 곡선을 따르는 온도와 압력을 가진 수증기 속을 지나면, 상기 저온 슬러지에 수증기가 접촉하여 응축하면서 가열되는 가열 유니트를 제공한다. 구체적으로, 증기압 곡선의 온도와 압력을 가진 수증기는 약간만 냉각되면 바로 물로 변하는 상태인데 상기 가열 유니트에서는 이런 상태의 수증기로 가득 채워져 있으며, 상기 저온 슬러지가 상기 수증기와 접촉하게 되면 접촉된 수증기는 냉각되어 응축되고, 응축된 수증기가 차지하던 공간이 비워지면서 주변 수증기가 상기 비워진 공간으로 이동하면서 저온 슬러지와 계속 접촉되어 수증기의 응축이 지속적으로 진행된다. 이때, 상기 저온 슬러지의 표면은 상기 수증기의 응축열에 의하여 가열되고, 상기 응축열은 상기 슬러지 내부로 열전달되어 상기 저온 슬러지가 가열되도록 고안된 증기 접촉 가열 방식에 의하여 저온 슬러지가 가열된다.
또한 본 발명은 가수분해 용기에 격벽을 설치하여 무거운 슬러지 공간과 가벼운 수증기 공간이 상하로 분리되도록 구성하여 가수분해 시간동안 슬러지가 수증기와 계속적으로 접촉하여 슬러지가 냉각되지 않도록 고안된 가열용기를 제공한다. 상기 격벽에 의하여 슬러지 공간과 수증기 공간이 분리되는 가열용기의 수증기 공간에 구동장치의 외부축을 연결하면 슬러지 누액이 발생하지 않는다.
또한 본 발명은 가수분해되어 물처럼 유동성이 좋아진 슬러지는 상기 격벽을 넘어 배출 용기로 들어가 수위센서와 배출장치에 의하여 배출되도록 고안된 배출용기를 제공한다.
또한, 본 발명은 소정 압력(예를 들어, 10기압) 이상에서는 직접 가열로 슬러지를 가열하고 상기 소정 압력 미만에서는 열교환 방식(가수분해된 고온의 슬러지와 저온의 슬러지 사이에 열교환이 일어나도록 하여 저온의 슬러지를 가열하고 고온의 슬러지는 냉각하는 방식)으로 슬러지를 가열하여 가수분해에 필요한 열에너지 비용을 최대한 줄일 수 있음과 동시에 냉각장치 비용도 줄일 수 있도록, 슬러지 가열 유니트와 열교환 유니트로 구성된 새로운 슬러지 가수분해 장치를 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 유입된 슬러지가 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가수분해 되는 가수분해 용기, 상기 가수분해 된 슬러지가 배출되는 통로를 형성하는 배출용기, 상기 가수분해 용기의 내부공간을 상기 슬러지가 채워지는 슬러지 공간과, 상기 슬러지 공간의 상부에 위치하면서 상기 수증기가 통과할 수 있는 수증기 공간으로 구획하기 위한 격벽, 그리고 상기 슬러지 공간과 상기 수증기 공간을 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시킴과 동시에 상기 슬러지를 상기 배출용기 방향으로 이동시키는 교반장치를 포함하는 슬러지 가열 유니트를 제공한다. 여기서, 상기 슬러지는 상기 슬러지의 표면에 수증기가 응축되는 증기접촉가열에 의하여 가열될 수 있다.
상시 슬러지 가열 유니트는 상기 슬러지가 상기 가수분해 용기로 이송되기 전에 상기 슬러지가 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가열되도록 하는 가열용기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 가열 유니트는 상기 가열용기, 상기 가수분해 용기, 상기 배출용기 중의 적어도 어느 일측에 설치되어 상기 용기 내부의 수증기압을 측정하는 압력센서와, 상기 압력센서의 측정값을 바탕으로 상기 가열용기로 유입되는 수증기의 공급량을 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 제어장치는 상기 수증기의 공급량을 제어하여 상기 가수분해 용기의 내부 압력을 상기 슬러지의 가수분해 온도의 증기압과 동일한 압력으로 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 가열유니트는 상기 배출용기에 설치되어 상기 슬러지의 수위를 측정하는 수위센서를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 배출용기에서 배출되는 슬러지의 배출량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 가열용기의 입구부에 설치되어, 상기 가열용기 내부로 슬러지를 주입하는 슬러지 주입장치를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 슬러지 주입장치를 제어하여 상기 슬러지의 주입량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 이송장치는 상기 가열용기로 주입된 슬러지와 상기 수증기의 접촉시간과 접촉면적을 증가시키기 위하여 상기 슬러지를 반복적으로 수평이동 및 하강이동시키면서 상기 가수분해 용기로 이송시키는 슬러지 이송장치를 더 포함할 수 있다.
상기 슬러지 이송장치는 상기 슬러지를 상기 가열용기의 내벽 방향으로 밀어내면서 하부로 이송시키는 제1 회전체, 상기 슬러지를 상기 가열용기의 중심방향으로 끌어들이면서 하부로 이송시키는 제2 회전체, 그리고 상기 제1 회전체와 상기 제2 회전체를 회전시키는 회전축을 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 유니트는 상기 가열용기의 입구부에 설치되는 슬러지 주입장치와 연결되어, 주입된 슬러지를 상기 슬러지 이송장치의 상부로 분산 공급하는 분배장치를 더 포함할 수 있다.
상기 분배장치는 상기 가열용기의 상부를 관통하여 설치되며 슬러지가 주입되는 고정 주입관, 상기 고정주입관과 연통되며 회전하는 분배탱크, 상기 고정주입관과 상기 분배탱크를 연결하기 위한 연결장치, 그리고 상기 분배탱크의 중심축에서 이격되어 상기 슬러지 이송장치의 상부와 대응되는 위치에 설치되는 노즐을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 상술한 슬러지 가열유니트, 그리고 상기 가열 유니트의 가열용기의 주입부에 설치되는 슬러지 주입장치를 포함하며, 상기 슬러지 주입장치는 상기 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 슬러지를 가압하는 가압수단을 갖는 가압주입장치를 포함하는 슬러지 가수분해 장치를 제공한다.
상기 슬러지 가수분해 장치는 고온의 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관의 외측면에 저온의 슬러지를 접촉시켜 상호 열교환 시키는 접촉식 열교환 유니트를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 가수분해 장치는 상기 슬러지 가열 유니트에서 배출되는 고온의 슬러지와 주입된 저온 슬러지 사이에 상기 접촉식 열교환 유니트에서 배출되는 저온 슬러지를 열교환 되도록 하는 증기식 열교환 유니트를 더 포함할 수 있다.
상기 주입수단은 상기 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구와 상기 저온 슬러지가 배출되는 배출구를 갖는 케이스, 상기 케이스 내부에 설치되고 서로 기어 결합되어 회전하면서 상기 입구에서 유입된 슬러지를 상기 배출구 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 본 발명은 수증기로 용기 내부를 채우는 수증기 주입단계, 상기 용기 내부로 슬러지를 주입하는 슬러지 주입단계, 상기 용기 내부에 구비된 격벽에 의하여 형성되는 수증기 공간과 슬러지 공간에서 회전하는 교반장치에 의하여 상기 수증기와 상기 슬러지가 교반되면서 이동되는 교반단계, 그리고 상기 수증기가 상기 슬러지의 표면에 접촉되어 응축되면서 상기 슬러지가 가열되는 증기접촉 가열단계를 포함하는 슬러지 가열 방법을 제공한다.
또한, 상기 슬러지 가열 방법은 상기 용기의 내부 압력을 상기 슬러지의 가수분해 온도의 증기압과 실질적으로 동일한 압력으로 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬러지 가열 방법은 상기 슬러지가 상기 용기 내부에서 일정 높이가 되는 경우에만 상기 슬러지 공간에서 상기 용기의 배출부로 흘러들어가도록 하는 이동단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트, 슬러지 가열방법 및 이를 이용한 슬러지 가수분해 장치의 효과는 다음과 같다.
첫째, 슬러지의 가수분해에 필요한 높은 온도로 슬러지를 연속적으로 가열할 수 있기 때문에 가수분해 시간을 단축하고 장치의 효율을 대폭 향상시킨다.
둘째, 슬러지를 가수분해하기 위하여 요구되는 가열온도의 증기압과 동일한 압력의 증기를 사용하여 슬러지를 가열함으로서 고온의 증기를 생산하는 고압 보일러의 제작비용과 보일러의 운전비용이 줄어드는 이점이 있다.
셋째, 가수분해 용기의 공간을 슬러지 공간과 수증기 공간으로 상하 구획하는 격벽을 설치함으로써 상부에 위치하는 수증기가 자유롭게 통과하면서 하부의 슬러지 상면에 접촉함으로써 보다 효율적으로 슬러지가 보온될 수 있는 이점이 있다.
아울러, 가수분해 용기에 슬러지가 절반 정도만 채워진 상태에서 상기 슬러지와 수증기가 열교환을 하게 됨으로써 가수분해 용기에 구비된 교반장치에 가해지는 부하가 줄어들고 수증기 공간에서 구동장치의 외부축을 연결하여 상기 슬러지가 가수분해 용기의 외부로 누액되지 않아 가열 유니트의 보수가 적고 사용 수명이 길어지는 이점이 있다.
넷째, 슬러지를 가열함에 있어서 수증기를 사용한 직접 가열 방식과 열교환 방식(증기식 열교환 및 접촉식 열교환)을 통하여 슬러지의 가수분해에 필요한 에너지를 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 물의 증기압 곡선 및, 물의 온도와 열에너지의 관계를 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트에 대한 일 실시예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트에 대한 다른 실시예를 나타내는 도면.
도 4는 도 3의 슬러지 가열 유니트에 대한 주요부의 단면도.
도 5는 도 3의 슬러지 가열 유니트에 구비된 가열용기의 단면도.
도 6는 도 5의 가열용기에 구비된 슬러지 이송장치의 분해 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 슬러지 가수분해 장치에 대한 일 실시예를 나타내는 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명>
100: 유기물 슬러지 저장탱크 200: 접촉식 열교환 유니트
300: 증기식 열교환 유니트 400: 슬러지 가열 유니트
410: 분배장치 420: 가압주입장치
430: 가열용기 440: 배출용기
450: 가수분해 용기 460: 슬러지 이송장치
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여, 물의 열적 특성에 대하여 먼저 설명하면 다음과 같다.
물은 에너지를 흡수하면 온도가 상승하거나 액체에서 기체로 상태를 변화하는데 물이 액체에서 기체로 상태가 변화는 온도 압력 곡선을 물의 증기압 곡선이라 한다. 특정 온도에서 증기압 곡선 압력보다 외부 압력이 높으면 물은 액체로 존재하고 외부 압력이 낮으면 기체로 존재한다.
특히 증기압 곡선상의 온도와 압력을 가진 수증기는 약간만 냉각되면 바로 물로 변하고, 또한 증기압 곡선상의 온도와 압력을 가진 물은 약간만 압력을 낮추어도 수증기로 변하며 증기압 곡선의 평형상태를 유지한다.
물이 수증기로 상태가 변할 때 100℃ 1기압에서 540 kcal/kg의 에너지를 흡수하고 부피는 대략 1700배 팽창하며, 수증기에서 물로 변화할 때는 같은 에너지를 방출하고 응축한다. 상기 물의 증기압 곡선에서 압력과 온도 관계는 표 1에 나타나 있다.
표 1
온도(℃) 압력(기압) 온도(℃) 압력(기압) 온도(℃) 압력(기압) 온도(℃) 압력(기압)
100 1.0 140 3.6 180 10.0 220 23.3
110 1.4 150 4.7 190 12.6 230 28.2
120 2.0 160 6.2 200 15.6 240 33.8
130 2.7 170 7.9 210 19.2 250 40.1
물의 온도를 올리는데 필요한 열에너지는 100℃까지 100cal, 150℃까지 151cal, 200℃까지 203cal, 250℃까지 259cal, 300℃까지 321cal 로 온도-에너지 관계는 저온과 고온에서 서로 비슷하지만, 온도와 압력의 경우 표 1에 보는 것처럼 100℃에서 1기압이 150℃에서 4.7기압, 200℃에서 15.6기압, 250℃에서 40.1기압, 300℃에서 86.5기압으로 온도-압력 관계는 온도가 높아지면 급격하게 상승한다. 상기 온도-에너지 관계와 온도-압력 관계를 도시하면 도 1과 같다.
도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트의 일 실시예에 대하여 설명한다.
상기 슬러지 가열 유니트는 유입된 슬러지가 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가수분해 되는 가수분해 용기(450)와, 상기 가수분해 된 슬러지가 배출되는 통로를 형성하는 배출용기(440)와, 상기 가수분해 용기(450)에 설치되는 격벽(453)을 포함한다.
상기 가수분해 용기(450)는 상기 격벽(453)을 경계로 배출용기(440)와 연결되어 있으며 상기 배출 용기(440)에 설치된 수증기 주입장치(482)를 통하여 가수분해 온도의 증기압과 실질적으로 동일한 압력의 수증기가 공급되며, 이 수증기는 용기를 포함한 모든 내부장치를 가열하면서 내부 공간을 가득 채우게 된다.
상기 가수분해 용기의 입구부에는 슬러지가 주입되는 슬러지 주입구(401)가 형성되어 있고, 상기 슬러지 주입구에는 상기 슬러지를 상기 가수분해 용기 내부로 주입하기 위한 가압주입장치(420)를 포함하는 슬러지 주입장치가 구비된다. 상기 슬러지 주입장치는 고온 고압의 수증기로 채워진 상기 가수분해 용기 내부로 슬러지를 주입하기 위하여 상기 가수분해 용기 내부 수증기 압력보다 더 높은 압력으로 상기 슬러지를 가압하여 주입하게 된다.
상기 슬러지 주입장치는 상기 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 슬러지를 가압하는 가압수단(423)을 갖는 가압주입장치(420)를 포함한다. 물론, 상기 슬러지 주입장치는 저온의 슬러지를 상기 가압주입장치로 이송하기 위한 별도의 슬러지 펌프를 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 상기 가수분해 용기(450)의 내부는 상기 격벽과 중력에 의하여 가수분해 용기 하부는 슬러지 공간(451b)이 형성되고 상부는 수증기 공간(451a)이 형성되는데, 주입된 슬러지는 슬러지 공간(451b)에 담기고 수증기는 수증기 공간(451a)에서 자유롭게 통과한다.
이 격벽(453)으로 형성된 상기 슬러지의 상면은 계속 상기 수증기에 접촉되어 슬러지의 온도가 유지되도록 함과 동시에 상기 슬러지 공간(451b) 높이가 상기 격벽(453)보다 높아지면 슬러지는 상기 격벽(453)을 넘어 상기 배출용기(440)로 흐르도록 구성된다.
구체적으로, 상기 격벽에 의하여 가수분해되어 유동성이 좋아지는 슬러지는 가수분해 용기와 격벽으로 형성되는 용기에 고이게 되어 상기 슬러지 공간을 형성하고 상부는 자연스럽게 수증기 공간이 형성된다. 여기서, 상기 슬러지가 상기 격벽(453)의 높이보다 높게 고이면 상기 격벽(453)을 넘어 상기 배출용기(440)로 흐르게 된다. 상기 가수분해 용기(450)는 하나의 원통관으로 구비될 수 있지만 가수분해 구간을 늘리거나 가수분해 용기의 길이를 단축하기 위하여 두 개의 원통관을 서로 수평으로 연결하여 설치될 수도 있다.
또한, 상기 가수분해 용기(450) 내부에는 상기 슬러지 공간(451b)과 상기 수증기 공간(451a)을 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시킴과 동시에 상기 슬러지를 상기 배출용기(440) 방향으로 이동시키는 교반장치(455)가 설치된다.
결과적으로, 상기 가수분해 용기(450)의 내부에서 상기 슬러지는 상기 수증기와 접촉하게 되면서 가열되어 가수분해된다. 즉, 상기 슬러지는 상기 슬러지의 표면에 수증기가 응축되는 증기접촉가열에 의하여 가열되어 가수분해된다.
가수분해 된 슬러지는 유동성이 좋아진 상태에서 상기 교반장치(455)에 의하여 이송된다. 이후에 상기 슬러지가 상기 격벽(453)보다 높게 고이면 상기 격벽(453)을 넘어 상기 배출용기(440)로 유입된다.
또한, 상기 가수분해 용기(450)에는 상기 가수분해 용기 내부의 수증기 압력을 측정할 수 있는 압력센서(457)가 설치된다. 물론, 상기 압력센서(457)는 상기 배출용기(440)에 설치될 수도 있다.
상기 배출용기(440)에는 상기 슬러지의 수위를 측정하는 수위센서(447)가 설치된다. 또한, 상기 배출용기(440)의 배출부에는 상기 슬러지의 배출량을 조절하기 위한 슬러지 배출장치(481)가 설치된다. 상기 슬러지 배출장치(481)는 밸브로 구성될 수 있다.
또한, 상기 슬러지 가열 유니트에는 상기 압력센서(457)에서 측정된 측정값을 바탕으로 상기 수증기 주입장치(482)를 제어하여 상기 가열용기로 유입되는 수증기량을 조절하는 제어장치(미도시)가 설치된다. 구체적으로, 상기 제어장치는 상기 수증기의 공급량을 제어하여 상기 가수분해 용기(450)의 내부 압력을 상기 슬러지의 가수분해 온도의 증기압과 실질적으로 동일한 압력으로 일정하게 유지시킨다.
상기 수증기는 배출용기(440)나 가수분해 용기(450)가 연통되어 자유롭게 이동하므로 수증기 주입구(482)는 가수분해 용기(450)에 설치될 수도 있다.
또한, 상기 제어장치(미도시)는 상기 수위센서(447)에서 측정된 측정값을 바탕으로 상기 슬러지 배출장치(481)를 제어하여 슬러지의 배출량을 조절한다. 즉, 상기 제어장치(미도시)는 상기 배출용기에 구비된 수위센서(447)의 측정값에 따라 상기 슬러지 배출장치(481)의 개폐정도를 제어하여 슬러지 배출량을 조절한다. 상기 제어장치(미도시)는 상기 수위센서(447)에서 측정된 측정값을 바탕으로 상기 가수분해 용기로 주입되는 슬러지의 주입량을 조절할 수 있다.
도3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트의 다른 실시 예를 설명한다.
본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트는 유입된 슬러지가 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가열되면서 이동되는 가열용기(430), 상기 가열용기(430)와 소정 각도를 이루면서 연결되며, 상기 가열용기(430)로부터 이동된 슬러지가 상기 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가수분해 되는 가수분해 용기(450), 상기 가수분해 용기(450)의 일측에 설치되어, 상기 가수분해 된 슬러지가 배출되는 통로를 형성하는 배출용기(440)를 포함한다.
또한, 상기 가열용기(430)의 입구부에는 저온의 슬러지를 고온 고압의 수증기로 채워진 상기 가열 용기 내부로 주입하기 위하여 슬러지를 용기 내부 압력보다 더 높은 압력으로 가압하여 주입하는 슬러지 주입장치가 구비된다. 상기 슬러지 주입장치는 상기 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 슬러지를 가압하는 가압수단(423)을 갖는 가압주입장치(420)를 포함한다. 물론, 상기 슬러지 주입장치는 저온의 슬러지를 상기 가압주입장치로 이송하기 위한 별도의 슬러지 펌프(470)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 가열용기(430)의 입구부에는 상기 슬러지를 가열하는 수증기를 주입하기 위한 수증기 주입장치(482)가 설치된다.
상기 가열용기(430)의 내부에는 상기 가열용기(430)로 주입된 슬러지와 상기 수증기와의 접촉 면적을 증가시키기 위하여 상기 슬러지를 반복적으로 수평이동 및 하강이동시키면서 상기 가수분해 용기(450)로 이송시키는 슬러지 이송장치(460)가 설치된다.
또한, 상기 슬러지 이송장치(460)와 상기 가압주입장치(420)의 사이에는 가열용기(430) 내부로 주입된 슬러지를 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 분산 공급하는 분배장치(410)가 설치된다.
결과적으로, 수증기로 가득채워진 가열용기(430) 내부로 주입된 저온의 슬러지는 상기 분배장치(410)에 의하여 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 분배된다. 이후에 상기 슬러지는 상기 슬러지 이송장치(460)에 의하여 이송되면서 상기 가열용기(430) 내부에 가득 채원진 증기압 곡선의 온도와 압력 상태에 있는 수증기와 접촉하여 가열된다. 이후에 가열된 슬러지는 상기 가열용기(430)와 소정의 각도로 연결된 가수분해 용기(450)로 주입된다.
상기 가열용기(430)와 가수분해 용기(450)는 수직을 이루면서 결합되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 가열용기(430)에서 슬러지가 이송될 때 가열용기(430)가 수직으로 세워지면 슬러지의 자체하중에 의하여 가장 효과적으로 하부로 이송되기 때문이다.또한, 상기 가수분해 용기 내부에는 상술한 일 실시예와 마찬가지로 상기 가수분해 용기(450)의 내부 공간 중에 하부에 위치하는 슬러지 공간(451b)과 상기 슬러지 공간의 상부에 위치하며, 수증기가 자유롭게 통과할 수 있는 수증기 공간(451a)으로 분리하는 격벽(453)이 설치된다. 뿐만 아니라, 상기 가수분해 용기 내부에는 교반장치 및 압력센서가 설치되고, 상기 배출용기에는 수위센서가 설치된다. 뿐만 아니라, 상기 가열유니트는 상기 압력센서와 수위센서에서 측정된 측정값을 바탕으로 상기 가열용기로 유입되는 수증기량, 슬러지량 및 상기 배출용기로 배출되는 슬러지량을 제어하는 제어장치가 설치된다. 이들 구성은 상술한 일 실시예에 따른 슬러지 가열유니트에 구비된 구성과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 슬러지 가열 유니트에 구비되는 가압주입장치(420), 분배장치(410), 슬러지 이송장치(460), 교반장치(455)에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 가압주입장치(420)는 가열용기(430)의 주입부에 설치되어 상기 슬러지에 흡입압이 발생하지 않도록 하는 주입수단과, 상기 주입수단을 경유한 슬러지를 가압하는 가압수단(423)을 포함한다.
상기 주입수단은 상기 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구(421b)와 상기 슬러지가 배출되는 배출구(421a)를 갖는 케이스(421)와, 상기 케이스(421) 내부에 설치되고, 서로 기어 결합되어 회전하면서 상기 입구에서 유입된 슬러지를 상기 배출구 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체(422)를 포함한다.
여기서, 상기 입구(421b)가 넓게 형성되어 있으므로 인하여 유동성이 불량한 저온의 슬러지라 하더라도 슬러지의 점성저항 보다 슬러지의 자체 하중이 더 큰힘을 갖게 된다. 결과적으로, 유동성이 불량한 저온의 슬러지라도 슬러지의 자체 하중에 의하여 하부로 이동되게 된다.
상기 회전체(422)는 수평방향으로 하나의 쌍을 이루도록 구비될 수 있으며, 각각의 회전체(422)가 상기 케이스(421)의 내측 중앙방향으로 회전하도록 서로 기어결합됨이 바람직하다. 이를 위해, 상기 회전체(421)는 서로 맞물려 돌아가는 기어일 수 있다. 상기 회전체(421)는 저온의 슬러지가 더욱 원활하게 이동할 수 있도록 탄성력이 높은 고무재질로 이루어질 수 있다
상기 주입수단의 하측에는 상기 가압수단(423)이 구비됨이 바람직하며, 상기 가압수단(423)는 로터리 기어 펌프로 이루어질 수 있다. 상기 로터리 기어 펌프는 제1 구동모터(525)에 의해 동력을 전달받을 수 있으며, 상기 회전체(422)의 구동축이 상기 로터리 기어 펌프의 구동축에 체인이나 벨트와 같은 동력전달부재에 의해 연결됨으로써 상기 회전체(422)도 회전할 수 있게 된다.
여기서, 상기 가압수단(423)의 상부는 상기 출구(421a)의 하측과 연결됨이 바람직하며, 상기 가압수단(423)의 일측에는 가압배출부(423a)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 유기물 슬러지 저장소로부터 배출되는 슬러지는 상기 가압주입장치(420)에 의해 상기 가열용기(430)의 내부로 공급될 수 있게 된다.
결과적으로, 상기 주입수단에 의하여 유동성이 불량한 저온의 슬러지가 주입되는 과정에서는 흡입압이 발생하지 않게 되고, 상기 가압수단(423)에 의해서는 저온의 슬러지가 일방향으로 원활하고 용이하게 주입될 수 있게 된다.
상기 가압주입장치(420)를 경유한 슬러지는 상기 가열용기(430) 내부에 설치된 분배장치(410)로 유입된다. 상기 분배장치(410)는 슬러지가 수증기와 잘 혼합이 될 수 있도록 상기 슬러지를 가늘게 분산시켜 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 공급하는 역할을 한다.
상기 분배장치(410)는 상기 가열용기(430)의 상부를 관통하여 설치되며 슬러지가 주입되는 고정 주입관(411), 상기 고정 주입관(411)과 연통되며 회전하는 분배탱크(412), 상기 고정 주입관(411)과 상기 분배탱크(412)를 연결하기 위한 연결장치(414), 그리고 상기 분배탱크(412)의 중심축에서 이격되어 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부와 대응되는 위치에 설치되는 노즐(413)을 포함한다.
상기 고정 주입관(411)은 상기 가압수단의 가압배출구(423a)와 연통되어 있으며, 상기 고정 주입관(411)을 통하여 슬러지가 유입되고, 상기 고정 주입관(411)을 통과한 슬러지는 분배탱크(412)로 유입된다.
이때, 상기 연결장치(414), 예를 들면 로터리 조인트는 상기 고정 주입관(411)과 상기 분배탱크(412)를 연통시키면서 고정된 상기 고정 주입관(411)과 회전하는 상기 분배탱크(412) 사이에 설치된다.
상기 연결장치(414)의 일측에는 상기 분배탱크(412)를 회전시키기 위한 웜휠기어(415), 상기 웜휠기어(415)와 맞물리는 웜기어(416), 상기 웜기어(416)에 구동력을 전달하기 위한 제2 구동모터(417)가 설치된다.
상기 분배탱크(412)는 상기 가열용기(430)의 단면 형상과 대응되는 형상을 가지며 상기 분배탱크(412)의 하면에는 슬러지가 배출되는 노즐(413)이 결합되어 있다.
결과적으로, 상기 고정 주입관(411)을 통하여 주입된 슬러지는 상기 연결장치(414)를 통하여 상기 분배장치(410)로 이동되고, 상기 분배장치(410)로 이동된 슬러지는 상기 노즐(413)을 통하여 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 이동된다. 이때, 상기 제2 구동모터(417)의 구동으로 인하여 상기 웜기어(416)가 회전하게 되면 상기 웜기어(416)와 맞물린 웜휠기어(415)가 회전하면서 상기 분배탱크(412)를 회전시키게 된다. 상기 분배탱크가 회전하면서 상기 노즐(413)을 통하여 슬러지를 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 분산시키게 된다.
상기 슬러지 이송장치(460)는 상기 슬러지를 상기 가열용기(430)의 내벽 방향으로 밀어내면서 하부로 이송시키기 위한 제1 회전체(462), 상기 슬러지를 상기 가열용기(430)의 중심방향으로 끌어들이면서 하부로 이송시키 위한 제2 회전체(463), 그리고 상기 제1 회전체(462)와 상기 제2 회전체(463)를 회전시키는 회전축(461)을 포함한다.
상기 제1 회전체(462)는 상기 가열용기(430) 내면에 밀착고정되고 중심부에 제1 토출구(462c)가 형성된 제1 받침대(462b)와, 상기 제1 받침대(462b)의 상면에 회전가능하도록 설치되어 상기 제1 토출구(462c) 측으로 상기 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제1 회전날개(462a)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제2 회전체(463)는 상기 가열용기(430) 내면에 밀착고정되고 외곽부에 제2 토출구(463c)가 형성된 제2 받침대(463b)와, 상기 제2 받침대(463b)의 상면에 회전가능하도록 설치되어 상기 제2 토출구(463c)로 저온 슬러지를 밀어내도록 형성된 제2 회전날개(463a)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1 회전체(462)와 제2 회전체(463)는 복수개가 번갈아 가면서 설치되어 층을 이루고 있다.
여기서, 상기 제1 회전날개(462a)와 제2 회전날개(463a)는 동일한 회전축에 의하여 같은 방향으로 회전되지만, 날개의 굽어진 방향이 서로 반대방향으로 구비되어 있다. 그리고, 상기 회전축(461)은 상기 분배장치(410)의 하면과 연결되어 상기 분배장치(410)와 함께 회전하게 된다.
상기 슬러지 이송장치에 의하여 슬러지가 이송되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 노즐(413)에 의하여 분배된 슬러지가 상기 제1 받침대(462b)의 테두리부에 위치하게 되면 상기 제1 회전날개(462a)는 회전하면서 상기 슬러지를 제1 받침대(462b)의 중심부로 모으게 된다.
그러면, 상기 제1 받침대(462b)의 중심부로 모인 슬러지는 상기 제1 토출구(462c)를 통하여 자체 하중에 의하여 상기 제1 받침대(462b)의 하부에 위치하는 제2 받침대(463b)의 중심부로 떨어지게 된다. 이후에, 상기 제2 회전날개(463a)는 회전하면서 상기 제2 받침대(463b)의 중심부로 떨어진 슬러지를 제2 받침대의 테두리로 분산시키게 된다. 이후에, 상기 제2 받침대(463b)의 테두리로 분산된 슬러지는 상기 제2 토출구(463c)를 통하여 자체 하중에 의하여 다시 하부로 떨어지게 된다.
결과적으로, 상기 슬러지 이송장치(460)의 상부로 주입된 슬러지는 상기 제1 회전체(462)와 제2 회전체(463)에 의하여 수평이동 및 하강이동을 하면서 수증기와 접촉을 하게 된다. 상기 슬러지 이송장치가 상기 슬러지를 수평이동 및 하강이동 시킴으로써 슬러지와 수증기의 접촉시간과 접촉면적은 증가하게 되고, 이로 인하여 수증기와 슬러지 사이의 열교환이 효율적으로 일어나게 된다.
상기 슬러지 이송장치에 의하여 가열용기의 슬러지는 가수분해 용기로 이동하게 된다. 상기 가수분해 용기(450)에는 상기 가수분해 용기 내부의 슬러지 공간(451b)과 수증기 공간(451a)을 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시킴과 동시에 상기 슬러지를 상기 배출용기(440) 방향으로 이동시키는 교반장치(455)가 구비된다.
상기 교반장치(455)는 상기 가열용기의 길이방향으로 설치되며, 상기 교반장치(455)의 일측에는 상기 교반장치(455)를 구동시키기 위한 제3 구동모터(452)가 구비된다.
상기 교반장치(455)는 상기 수증기와 슬러지를 교반시켜 주기 위한 교반날개(457)와 상기 교반날개(457)를 회전시키기 위한 교반 회전축(456)을 포함하여 구성된다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트에서 슬러지가 가수분해 되는 과정을 전체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 보일러에서 공급되는 수증기가 가열용기(430), 가수분해 용기(450), 배출용기(440)에 가득 채워진다.
이후에, 상기 가열용기(430) 내부로 슬러지가 주입되고, 주입된 슬러지는 상기 수증기와 접촉하여 가열되면서 상기 가수분해 용기(450) 방향으로 이동된다.
이때, 상기 슬러지는 상기 제1 회전체(462)에 의하여 일차적으로는 가열용기(430)의 중심방향으로 수평이동되고, 상기 중심방향으로 이동된 슬러지는 자체하중에 의하여 하부방향으로 이동된다. 이후에, 상기 슬러지는 상기 제2 회전체(463)에 의하여 가열용기(430)의 테두리 방향으로 수평이동된 후 자체 하중에 의하여 다시 하부방향으로 이동된다. 상기 슬러지는 상기 제1 회전체(462)와 제2 회전체(463)가 교대로 적층된 상기 슬러지 이송장치(460)에 의하여 이송되면서 수증기와 접촉을 하면서 상기 가수분해 용기(450)로 이동된다.
상기 가수분해 용기(430)로 이동된 슬러지는 상기 슬러지 공간과 수증기 공간을 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시키는 교반장치(455)에 의하여 상기 배출용기(440) 방향으로 이동하게 된다.
*이때, 상기 수증기는 상기 가수분해 용기에 구비된 격벽(453)에 의하여 형성되는 수증기 공간에서 자유롭게 이동되면서 상기 슬러지의 상면과 접촉하고, 상기 슬러지는 상기 가수분해 용기(450)의 슬러지 공간에서 일정 높이 이상인 경우에만 상기 배출용기(440)로 이동된다. 여기서, 상기 가수분해 용기의 내부 압력은 상기 슬러지의 가수분해 온도의 증기압과 동일한 압력으로 일정하게 유지된다.
상기 배출용기(440)로 이동된 슬러지는 일정한 수위 이상인 경우에 상기 배출용기(440)의 외부로 배출된다. 이때 슬러지의 배출 여부는 상기 수위센서에서 측정된 측정값을 바탕으로 결정된다.
물론, 본 발명에 따른 슬러지 가열 유니트는 도 2와 같이 가열용기를 별도로 구비하지 않은 상황에서도 슬러지를 가수분해할 수 있다.
구체적으로, 먼저 수증기로 가수분해 용기 내부를 가득 채우고, 상기 가수분해 용기(450) 내부로 슬러지를 주입한다.
그리고, 상기 가수분해 용기(450) 내부에 구비된 격벽(453)에 의하여 형성되는 수증기 공간(451a)과 슬러지 공간(451b)에서 회전하는 교반장치(455)에 의하여 상기 수증기와 상기 슬러지가 교반되면서 이동하게 된다. 이때, 상기 수증기가 상기 슬러지의 표면에 접촉되어 응축되면서 상기 슬러지가 증기접촉 가열에 의하여 가열된다
여기서, 상기 가수분해 용기의 내부 압력은 상기 슬러지의 가수분해 온도의 증기압과 실질적으로 동일한 압력으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 슬러지가 상기 가수분해 용기 내부에서 일정 높이가 되는 경우에만 상기 슬러지 공간에서 상기 배출용기(440)로 흘러들어가게 된다. 이후에는 수위센서(447)의 측정값을 바탕으로 상기 슬러지가 배출되게 된다.
도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 가수분해 장치에 대하여 설명한다.
상기 슬러지 가수분해 장치는 슬러지 가열 유니트(400), 증기식 열교환 유니트(300), 그리고 접촉식 열교환 유니트(200)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 가열 유니트(400)는 보일러(640)로부터 공급된 증기에 의하여 증기식 열교환 유니트(300)의 저온 열교환 용기(310)로부터 주입된 저온 슬러지를 가열시켜 가수분해하여 고온 슬러지로 되어 배출시킨다.
또한, 상기 증기식 열교환 유니트(300)는 저온 열교환 용기(310) 및 고온 열교환 용기(350)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 가열 유니트(400)로부터 배출된 고온 슬러지가 고온 열교환 용기(350) 측으로 주입된다.
이후, 주입된 고온 슬러지의 증기압과 용기 내의 압력차에 의해 고온 슬러지에서 고온의 수증기가 발생한다. 이때, 고온 슬러지에서 수증기가 발생되므로 인하여 고온 슬러지는 수증기의 기화열로 인하여 냉각된다.
그리고, 상기 수증기는 상기 고온 열교환 용기(350)에서 저온 열교환 용기(310) 방향으로 이동한 후 상기 저온 열교환 용기(310) 내로 주입된 저온 슬러지와 접촉하여 응축되고, 상기 수증기의 응축으로 인하여 발생되는 응축열에 의하여 상기 저온 슬러지는 가열된다. 이때, 저온 열교환 용기로 주입되는 저온 슬러지는 접촉식 열교환 유니트(200)로부터 공급된다. 상기 저온 슬러지는 유동성이 불량하기 때문에 제2 가압주입장치(380)에 의하여 가압되어 상기 저온 열교환 용기(310)로 주입된다.
한편, 상기 접촉식 열교환 유니트(200)는 유기물 슬러지 탱크(100)로부터 저온 슬러지가 주입되며, 주입된 저온 슬러지가 1차적으로 상기 고온 열교환 용기(350)로부터 주입된 고온 슬러지와 접촉식 열교환을 시킨다. 구체적으로, 상기 접촉식 열교환 유니트(200)는 고온의 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관(240)의 외측면에 저온의 슬러지를 접촉시켜 상기 저온의 슬러지와 고온의 슬러지를 상호 열교환 시키게 된다. 이때에도 상기 저온 슬러지는 유동성이 불량하기 때문에 제1 가압주입장치(270)에 의하여 상기 접촉식 열교환 유니트로 공급된다.
접촉식 열교환을 통하여 승온된 저온 슬러지는 증기식 열교환 유니트(300)의 저온 열교환 용기(310)로 주입된 후, 고온 열교환 용기(350)에 주입된 고온 슬러지와 열교환을 하게 된다. 이후에, 증기식 열교환을 통하여 승온된 저온 슬러지는 상기 슬러지 가열 유니트(400)로 주입되어 가열되고 가수분해 된다. 이때에도 마찬가지로, 승온된 저온 슬러지는 제3 가압주입장치(420)에 의하여 상기 가열 유니트(400)로 공급된다.
전술한 바와 같은 증기식 열교환 유니트(300)는 상기 슬러지 가열 유니트(400)와 접촉식 열교환 유니트(200) 사이에 구비되되, 저온 슬러지와 고온 슬러지 간의 열교환 효율을 증대시킬 수 있도록 다수 개가 직렬로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 상기 접촉식 열교환 유니트(200)도 다수개가 직렬로 연결될 수 있다.
각각의 열교환 유니트가 직렬연결되어 배치됨으로써 고온 슬러지와 저온 슬러지의 열교환을 여러 번 반복하여 열에너지 재사용을 최대화하여 저온 슬러지의 온도가 효율적으로 상승될 수 있다.
한편, 상기 슬러지 가열 유니트(400)로부터 고온 열교환 용기(350), 접촉식 열교환 유니트(200)를 거친 슬러지는 고액 분리기(610)로 이동되어 고형물과 수용액으로 분리된다.
또한, 상기 고액분리기(610)를 통하여 침전된 고형물은 탈수기(620)로 이동되고, 수용액은 방출된다. 이때, 상기 탈수기(620)는 유입된 고형물을 탈수처리하여 탈수처리된 고형물은 고형연료 저장탱크(630) 측으로 이동시키고, 탈수처리된 수용액은 방출된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 상기 슬러지 가수분해 장치는 상기 슬러지 가열 유니트(400)와 상기 제3 가압주입장치(420)로만 구성될 수도 있다. 또한 열교환 유니트로 증기식 열교환 유니트(300)나 접촉식 열교환 유니트(200)의 어느 하나만 사용하도록 구성할 수도 있다. 상기 슬러지 가수분해 장치에 사용되는 상기 슬러지 가열 유니트(400)와 상기 제3 가압주입장치(420)의 구체적인 구성에 대해서는 전술한 바 있으므로 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 외부로부터 유입된 슬러지가 수증기로 채워진 공간상에서 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가수분해 되는 가수분해 용기;
    상기 가수분해 된 슬러지가 배출되는 통로를 형성하는 배출용기;
    상기 가수분해 용기와 상기 배출 용기를 구분하는 격벽;
    상기 가수분해 된 슬러지가 격벽을 넘쳐 상기 배출용기로 이동 되게 함으로서 상기 가수분해 용기의 내부공간을 상기 슬러지가 채워지는 슬러지 공간과, 상기 수증기가 통과할 수 있는 수증기 공간으로 구획되게 하고
    상기 슬러지 공간과 상기 수증기 공간을 회전하면서 상기 수증기와 상기 슬러지를 교반시킴과 동시에 상기 슬러지를 상기 배출용기 방향으로 이동시키는 교반장치를 포함하는 슬러지 가열 유니트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지가 상기 가수분해 용기로 이송되기 전에 상기 슬러지가 상기 수증기와의 접촉에 의하여 가열되도록 하는 가열용기를 더 포함하는 슬러지 가열 유니트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가수분해 용기 내부의 수증기압을 측정하는 압력센서와, 상기 압력센서의 측정값을 바탕으로 상기 가수분해 용기 내부로 유입되는 수증기의 공급량을 제어하는 제어장치를 더 포함하는 슬러지 가열 유니트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 수증기의 공급량을 제어하여 상기 가수분해 용기의 내부 압력을 상기 슬러지의 가수분해 온도의 임계 증기압으로 유지하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가열 유니트.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배출용기에 설치되어 상기 슬러지의 수위를 측정하는 수위센서를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 배출용기에서 배출되는 슬러지의 배출량을 제어하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가열 유니트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 수위센서의 측정값을 바탕으로 상기 가수분해용기 내로 유입되는 상기 슬러지의 주입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 슬러지 가열 유니트.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 가열용기로 주입된 슬러지와 상기 수증기의 접촉시간과 접촉 면적을 증가시키기 위하여 상기 슬러지를 반복적으로 수평이동 및 하강이동시키면서 상기 가수분해 용기로 이송시키는 슬러지 이송장치를 더 포함하는 슬러지 가열 유니트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬러지 이송장치는
    상기 슬러지를 상기 가열용기의 내벽 방향으로 밀어내면서 하부로 이송시키는 제1 회전체;
    상기 슬러지를 상기 가열용기의 중심방향으로 끌어들이면서 하부로 이송시키는 제2 회전체; 그리고,
    상기 제1 회전체와 상기 제2 회전체를 회전시키는 회전축을 포함하는 슬러지 가열유니트.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가열용기의 입구부에 설치되는 슬러지 주입장치와 연결되어, 주입된 슬러지를 상기 슬러지 이송장치의 상부로 분산 공급하는 분배장치를 더 포함하는 가열 유니트.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분배장치는
    상기 가열용기의 상부를 관통하여 설치되며 슬러지가 주입되는 고정 주입관;
    상기 고정주입관과 연통되며 회전하는 분배탱크;
    상기 고정주입관과 상기 분배탱크를 연결하기 위한 연결장치;그리고,
    상기 분배탱크의 중심축에서 이격되어 상기 슬러지 이송장치의 상부와 대응되는 위치에 설치되는 노즐을 포함하는 슬러지 가열 유니트
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 슬러지 가열 유니트; 그리고,
    상기 가열 유니트의 가열용기의 주입부에 설치되는 슬러지 주입장치를 포함하는 슬러지 가수분해 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    고온의 슬러지가 이동하는 고온 슬러지관의 외측면에 저온의 슬러지를 접촉시켜 상호 열교환 시키는 접촉식 열교환 유니트를 더 포함하는 슬러지 가수분해 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 슬러지 가열 유니트에서 배출되는 고온의 슬러지와 주입된 저온 슬러지 사이에 상기 접촉식 열교환 유니트에서 배출되는 저온 슬러지를 열교환 되도록 하는 증기식 열교환 유니트를 포함하는 슬러지 가수분해 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 슬러지 가열 유니트에서 배출되는 고온의 슬러지와 주입된 저온 슬러지 사이에 상기 접촉식 열교환 유니트에서 배출되는 저온 슬러지를 열교환 되도록 하는 증기식 열교환 유니트를 포함하는 슬러지 가수분해 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 슬러지 주입장치는
    상기 슬러지가 자체하중에 의하여 하부로 유입되도록 하는 입구와, 상기 저온 슬러지가 배출되는 배출구를 갖는 케이스;
    상기 케이스 내부에 설치되고, 서로 기어 결합되어 회전하면서 상기 입구에서 유입된 슬러지를 상기 배출구 방향으로 밀어내는 한 쌍의 회전체를 포함하는 슬러지 가수분해 장치.
  16. 슬러지가열유니트 내부에 수증기를 주입하는단계;
    상기 슬러지가열유니트 내부로 슬러지를 주입하는 슬러지 주입단계;
    상기 슬러지가열유니트 내부에 구비된 격벽에 의하여 형성되는 수증기 공간과 슬러지 공간에서 회전하는 교반장치에 의하여 상기 수증기와 상기 슬러지가 교반되면서 이동되는 교반 및 가열 단계; 그리고,
    상기 수증기와 슬러지가 교반 및 가열되면서 상기 슬러지가열유니트 내부에서 가수분해 되는 슬러지 가수분해 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 슬러지가열유니트의 내부 압력을 상기 슬러지의 가수분해 온도의 임계 증기압으로 유지하는 단계를 더 포함하는 슬러지 가수분해 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 슬러지가 상기 슬러지 가열유니트 내부에서 격벽 높이 이상이 되는 경우에 상기 슬러지 공간에서 상기 슬러지가열유니트의 배출부로 흘러들어가도록 하는 이동단계를 더 포함하는 슬러지 가수분해 방법.
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