WO2013066081A1 - 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치 - Google Patents

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WO2013066081A1
WO2013066081A1 PCT/KR2012/009134 KR2012009134W WO2013066081A1 WO 2013066081 A1 WO2013066081 A1 WO 2013066081A1 KR 2012009134 W KR2012009134 W KR 2012009134W WO 2013066081 A1 WO2013066081 A1 WO 2013066081A1
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WO
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sludge
sealing member
space
rotating shaft
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PCT/KR2012/009134
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박경식
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코리아워터텍 주식회사
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/40—Valorisation of by-products of wastewater, sewage or sludge processing

Definitions

  • the present invention relates to a closed unit and a continuous thermal hydrolysis apparatus using the same, and more particularly, even though the rotating shaft is installed through the container in which the organic sludge is thermally hydrolyzed continuously, the inside of the container is stably maintained at a high temperature and high pressure. It relates to a sealing unit capable of sealing between the rotating shaft and the container so that it can be, and a continuous thermal hydrolysis apparatus using the same.
  • the sealing problem is difficult to secure a material having rigidity and elasticity to seal the rotating body to withstand the high chemical decomposition force and high temperature and high pressure of the water of 200 °C.
  • the problem to be solved of the present invention is composed of a material that can withstand high temperature and high pressure of 200 °C and at the same time withstand the chemical decomposition power of water, by preventing the fine outflow of thermal hydrolysis organic matter to solve the wear problem caused by the organic particles caused by evaporation of water It is to provide a sealed unit for sealing between the rotating shaft and the container and a continuous thermal hydrolysis device using the same while maintaining long-term durability.
  • Another problem to be solved by the present invention is to reduce the cost and efficiency by allowing the container and the rotating shaft to be naturally sealed by using a hydrostatic pressure caused by the difference in height, that is, a natural phenomenon generated during the hydrolysis process without depending on a separate mechanical device It is to provide a high sealed unit and a continuous thermal hydrolysis device using the same.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a continuous thermal hydrolysis apparatus that allows the thermal hydrolysis organic material to be heated well while keeping the inside of the container, which is a place where the organic sludge is thermally hydrolyzed, at a high temperature and high pressure. will be.
  • Another problem to be solved of the present invention is a continuous thermal hydrolysis apparatus that can reduce the thermal energy through heat exchange between the high temperature organic material and the low temperature organic material to be hydrolyzed using a continuous heat hydrolysis of organic sludge To provide.
  • the present invention provides a sealed housing disposed adjacent to one end of the container to seal between the container filled with the contents in at least some space therein and the rotating shaft passing through the container; And the outer side is coupled to the sealing housing and the inner side includes a sealing member having a first sealing member and a second sealing member disposed at regular intervals to seal between the sealing housing and the rotating shaft while the rotary shaft penetrates,
  • the sealed space formed by the sealed housing, the rotating shaft and the sealing member is filled with a fluid, but the pressure of the fluid provides a sealed unit, characterized in that maintained at a pressure higher than the internal pressure of the container.
  • the present invention and the sealing unit; And a sludge heating unit for heating sludge, wherein the sludge heating unit has the container and the rotating shaft, and the container heats the organic material while contacting the organic material at the top of the organic material and the sludge space in which the organic material is filled.
  • the present invention provides a continuous thermal hydrolysis apparatus having a stirrer which forms a steam space filled with steam and is coupled to the rotary shaft to stir the steam and the organic material while reciprocating rotation of the steam space and the sludge space.
  • a sealed unit between the vessel and the rotating shaft penetrating the vessel By installing a sealed unit between the vessel and the rotating shaft penetrating the vessel, the inside of the vessel is stably maintained at a high temperature and high pressure, and there is an advantage of preventing the thermal hydrolysis organic material from leaking from the vessel.
  • a sealed unit to supply the condensed water of the distilled water tank connected to the steam space of the container, and to ensure that clean distilled water having a pressure higher than the internal pressure of the container is supplied to the sealed unit so as not to rely on a separate mechanical device
  • the inside of the container is separated into a vapor space and a sludge space, and the organic sludge is rapidly heated in a situation where the inside of the container is stably maintained at a high temperature and high pressure by stirring the organic material and the steam with a rotating stirrer to form the organic sludge.
  • Continuous thermal hydrolysis is possible, which has the advantage of treating a large amount of organic sludge quickly and efficiently.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a continuous thermal hydrolysis apparatus according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing a cut state of the sludge heating unit provided in the continuous thermal hydrolysis apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a view showing a cross section of the sludge heating unit provided in the continuous thermal hydrolysis device of FIG.
  • Figure 4 is a view showing a cross section of the closed unit provided in the continuous thermal hydrolysis device of FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view illustrating a coupling state of a sealed housing and a blade provided in the sealed unit of FIG. 4;
  • the continuous hydrothermal decomposition apparatus is a sludge heating unit 210, a sealed unit 300, a sludge heat exchange unit 250, a boiler unit 240 and a sludge injection unit 260. ) And a discharge unit 270.
  • the most important configuration of the present invention is the sealed unit 300, but before explaining the sealed unit 300, the configuration and function of the overall continuous thermal hydrolysis apparatus will be described first.
  • the boiler unit 240 includes a boiler body 241 and a steam supply pipe 243 for supplying steam generated from the boiler body 241 to the sludge heating unit 210.
  • the sludge heating unit 210 is to heat the organic sludge by using the steam supplied from the steam supply pipe 243 to make a thermal hydrolysis organic material.
  • the sludge heating unit 210 includes a container 211 forming a sludge space in which the organic sludge is filled and a vapor space in which the steam is filled so as to contact the organic sludge at an upper portion of the organic sludge, and the container 211.
  • Rotating shaft 213 is installed through the stirrer, while stirring the reciprocating rotation of the water vapor space and the sludge space and the agitator for stirring the water vapor and the organic sludge, and a discharge vessel 217 for discharging the thermal hydrolysis organic matter do.
  • the water vapor at the interface between the water vapor space and the sludge space in the vessel 211 loses thermal energy while contacting the relatively cold organic sludge, and turns into water.
  • the volume occupied by the water vapor is 1 At atmospheric pressure it is reduced to 1/1700, forming an empty space.
  • the heated organic sludge is lighter than the cold organic sludge and is present on the upper surface of the sludge space, that is, on the interface, so that there is no difference in temperature between water vapor and organic sludge at the interface so that the heating rate of the organic sludge is lowered.
  • the stirrer mixes the steam and the organic sludge with each other while reciprocating the steam space and the sludge space, the contact between the steam and the organic sludge is promoted so that the organic sludge is heated at a high speed.
  • the organic sludge injected into the container 211 is required to undergo thermal hydrolysis during the time of moving the heating section. It can quickly heat up to temperature.
  • the stirrer includes a cylindrical blade 215 coupled to the rotating shaft 213.
  • a plurality of blades 215 are arranged in a row along the rotation axis 213, the lower portion of the blade 215 is in contact with the organic sludge being thermally hydrolyzed, the upper portion of the blade 215 is the water vapor Exposed to
  • the discharge container 217 is installed to communicate with the container 211 at one end of the container 211.
  • a partition 219 is formed between the container 211 and the discharge container 217.
  • the thermal hydrolysis organic material overflows over the partition wall 219 and moves from the container 211 to the discharge container 217 so that the sludge space and the water vapor space are naturally formed by the partition wall 219.
  • the discharge container 217 is provided with a water level sensor 218 for measuring the water level of the thermal hydrolysis organic material.
  • a discharge port through which the thermal hydrolysis organic material is discharged is formed at a lower portion of the discharge container 217.
  • the thermal hydrolysis organic material discharged from the discharge container 217 is cooled while passing through the sludge heat exchange unit 250, and is discharged to the outside through the discharge unit 270.
  • the thermal hydrolysis organic material discharged from the discharge unit 270 is cooled to a temperature lower than a temperature corresponding to the vapor pressure after cooling through heat exchange with the outside. It is preferable to discharge to the outside.
  • the thermal hydrolysis organic material hydrothermally decomposed in the container 211 forms the partition 219. It flows into the discharge vessel 217 beyond.
  • the container 211 is separated into the water vapor space and the sludge space, and the water vapor space and the sludge space are mixed through the stirrer, and the water level of the discharge container 217 is higher than the water level of the container 211.
  • the organic sludge is continuously injected along the sludge space, and as it flows, it is thermally hydrolyzed by the water vapor, and a continuous stream is discharged to the discharge container 217.
  • a piston pump, a mono pump, a gear pump, etc. suitable for the properties of the organic sludge may be used.
  • the sludge heat exchange unit 250 heat-exchanges the high-temperature thermal hydrolysis organic material discharged from the sludge heating unit 210 and the low-temperature sludge to be hydrothermally supplied from the outside.
  • the sealing unit 300 seals between the container 211 and the rotating shaft 213 to prevent leakage of the thermal hydrolysis organic material from the container 211, as well as to ensure durability of the sealing unit 300
  • the lubricating surface has a structure that prevents wear.
  • a sealing block 320 including a sealing member having a first sealing member 323 and a second sealing member 325 disposed at predetermined intervals, the sealing housing 321, the rotating shaft 213, and the sealing member. It comprises a fluid supply device 310 for supplying a fluid to the closed space (P1) formed by the sealing member.
  • sealing members may be used as the sealing member used to seal the rotating shaft 213, and typically, a lip seal is used.
  • the lip seal is configured in a cylindrical shape such that the lubricating surface is a surface of the rotating shaft 213.
  • the sealing structure is quickly destroyed while the lubricating surface is worn. For example, even if a water film is formed on the lubricating surface of the sealing member in a high temperature and high pressure state of 210 ° C. and 20 atmospheres, water is vaporized due to high temperature heat to evaporate due to high temperature heat. The thermal hydrolysis organics, ie the hydrolyzed aqueous solution, continue to flow out and the water particles evaporate and wear out the lubricating surface.
  • the sealed unit 300 uses the first sealing member 323 and the second sealing member 325 between the container 211 and the rotating shaft 213 to seal the sealed space P1. ) And supplies a clean fluid such as distilled water to the closed space (P1) to maintain the pressure applied to the fluid higher than the internal pressure of the container (211).
  • a clean fluid such as distilled water
  • the pressure of the closed space (P1) is higher than the internal pressure of the container 211, the contents of the container 211 does not flow, but the fluid of the sealed space (P1) flows into the container partly to the container At 211, the thermal hydrolysis organic substance does not leak, and at the same time, since a clean fluid, ie, a lubrication surface of distilled water, is always maintained on the lubricating surface of the sealing member, no foreign matter is generated on the lubricating surface of the sealing member.
  • a sealing structure in which durability can be maintained is implemented.
  • first sealing member 323 and the second sealing member 325 are installed with a predetermined interval inside the sealing housing 321, the first sealing member 323 and the second.
  • the outer side of the sealing member 325 is coupled to the sealing housing 321 and the inner side is lubricated surface is formed while the rotating shaft 213 is penetrated.
  • the first sealing member 323 and the second sealing member 325 seal between the sealing housing 321 and the rotating shaft 213, the sealing housing 321, the first sealing member 323 ),
  • the sealed space P1 is formed by the second sealing member 325 and the rotating shaft 213.
  • the sealed space (P1) is filled with distilled water without foreign matter, the pressure of the distilled water, that is, the internal pressure of the sealed space (P1) is maintained higher than the pressure of the inner space (P2) of the container.
  • Lip seals are used as the first sealing member 323 and the second sealing member 325.
  • the lip seal may be a lip seal made of polyamideimide resin, polyimide resin, or fluorocarbon resin having heat resistance, friction resistance, and abrasion resistance among engineering plastic materials.
  • the lip seal made of the polyamideimide resin can withstand temperatures and pressures of 250 ° C. and 40 atmospheres.
  • the first sealing member 323 and the second sealing member are always in intimate contact with the rotating shaft 213 and are disposed to face each other so that the sealed space P1 is inside the sealed housing 225. Will form.
  • the end 323a of the first sealing member and the end 325a of the second sealing member are bent toward the sealed space P1 in a state of being in contact with the rotation shaft 213 to seal the sealed space P1. Even if the fluid under high pressure is able to support this pressure.
  • the structures of the first sealing member 323 and the second sealing member 325 are also applicable to various sealing structures, for example, an injection pump used in a sludge injection unit for injecting sludge.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and since only clean distilled water is moved from the sealed space to the inner space of the container, the end of the first sealing member 323 may be provided in an unbent shape. have.
  • the sealed space P1 contains distilled water at a pressure higher than the pressure of the inner space P2 of the container
  • the distilled water exerts a pressure on the first sealing member 323, whereby a part of the distilled water
  • the thermal hydrolysis organic material is prevented from flowing out of the container 211 because it is pushed into the container 211.
  • the second sealing member 325 supports the pressure of the distilled water so that no foreign matter is formed on the lubricating surface. At this time, even if the distilled water is finely leaked to the outside of the second sealing member 325, since the distilled water is vaporized to be clean steam, there is no environmental problem such as odor generation and the lubricating surface is not worn.
  • the sealing member may be replaced with various sealing members.
  • any member such as an energized seal and a mechanical seal, may be used as long as it can withstand high temperature and high pressure, has low rotational resistance and is excellent in wear resistance.
  • the sealed housing 321 serves to support the sealing member and is disposed adjacent to one end of the container 211. Specifically, the sealed housing 321 may be combined with the container 211 or extended from the container 211. The rotating shaft 213 penetrating the container 211 also penetrates the sealed housing 321.
  • the inside of the sealed housing 321 is provided with a support member 327 for supporting the rotation while maintaining the position of the rotary shaft 213.
  • a support member 327 As the support member 327, a bearing having an outer ring coupled to the closed housing 321 and an inner ring contacting the rotating shaft may be used.
  • Between the outer ring and the inner ring may be provided with a rolling member, for example, beads, rollers to support the rotation of the rotating shaft 213 while transmitting a load.
  • a rolling member for example, beads, rollers to support the rotation of the rotating shaft 213 while transmitting a load.
  • the fluid supply device 310 fills the high pressure fluid, that is, distilled water, in the closed space P1 such that the pressure of the closed space P1 has a pressure higher than that of the internal space P2 of the container. do.
  • the fluid supply device 310 may be constituted by a high pressure pump or a pressure tank, but in the present embodiment, the fluid supply device 310 includes a distilled water tank 313 using the steam space of the container 211.
  • the distilled water tank 313 is disposed at a position higher than the vessel 211 with respect to the ground.
  • the fluid supply device 310 has a first connecting pipe (311) and the distilled water tank to guide the water vapor in the container to the distilled water tank 313 while communicating the vessel 211 and the distilled water tank (313)
  • the condensed water vapor is condensed at 313 and supplied to the sealed space P1 so that the internal pressure of the sealed space P1 is higher than the internal pressure P2 of the container due to the water pressure according to the level difference of the distilled water.
  • the distilled water tank 313 is in communication with the first connecting pipe 311 in the upper region of the space filled with distilled water condensed with the steam and the distilled water filled. Therefore, the level of the distilled water in the distilled water tank 313 is formed higher than the container 211 with respect to the ground.
  • the level of the distilled water in the distilled water tank 313 reaches the highest point near the point in communication with the first connecting pipe (311).
  • the amount of distilled water condensed by the water vapor introduced into the distilled water tank 313 becomes an amount having a higher water level than the highest point, the distilled water is introduced into the container 211 along the first connecting pipe 311.
  • the water vapor flowing through the steam supply pipe 243 is supplied to the vessel 211 and simultaneously supplied to the distilled water tank 313 so that the vessel 211 and the distilled water tank 313 communicate with each other.
  • the sealed housing 321 is provided with a housing communication port 321a serving as a passage for supplying the distilled water to the sealed space P1.
  • Water vapor filled in the upper region of the distilled water tank 313 is continuously condensed to continuously supply the distilled water to the distilled water tank 313.
  • the distilled water tank 313 is filled with distilled water at a predetermined level up to a portion communicating with the steam supply pipe 243. Since the water level of the distilled water is higher than the vessel 211, the water pressure corresponding to the corresponding water level difference. As much as it acts additionally to the closed housing 321, the pressure applied to the closed space (P1) in the distilled water tank 313 is always the pressure of the steam supply pipe 243, that is, inside the container 211 It will have a value greater than the pressure.
  • the pressure of the closed space (P1) is greater than the pressure of the interior space (P2) of the container, the organic sludge or thermal hydrolysis organic matter inside the container 211 does not enter the sealed space (P1). Therefore, only clean distilled water is filled in the sealed space P1, thereby lubricating, thereby maintaining the function of the sealing member without being worn out, thereby keeping the function between the rotating shaft 213 and the container 211 closed. It becomes possible.
  • the closed unit and the continuous thermal hydrolysis apparatus using the same according to the present invention can be widely used in the industry because it can be used to stably and quickly process a large amount of organic matter as one of the devices for continuously processing a large amount of organic matter.

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Abstract

본 발명은 유기물 슬러지가 연속적으로 열수분해되는 용기에 회전축이 관통설치되어 회전하더라도 상기 용기 내부가 고온 고압의 상태로 안정적으로 유지될 수 있도록 상기 회전축과 상기 용기 사이를 밀폐시킬 수 있는 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치에 관한 것이다.

Description

밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치
본 발명은 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기물 슬러지가 연속적으로 열수분해되는 용기에 회전축이 관통설치되어 회전하더라도 상기 용기 내부가 고온 고압의 상태로 안정적으로 유지될 수 있도록 상기 회전축과 상기 용기 사이를 밀폐시킬 수 있는 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치에 관한 것이다.
최근에는 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지를 폐기물로 배출하여 침출수나 악취 및 해충 발생 등의 환경오염을 일으키는 대신 유기물 슬러지에 포함되어 있는 에너지를 회수하는 열수분해 기술이 지속적으로 개발되고 있다.
상기 열수분해의 원리를 이용하여 유기물 슬러지를 처리하는 여러 가지 방법이 고안되었지만, 기존의 열수분해장치는 밀폐형 용기로 가수분해를 한번 씩 배치식으로 처리함으로 인하여 효율성과 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 다양한 연속식 열수분해장치의 개발이 시도되고 있지만 회전축과 용기 사이의 밀봉문제를 해결하지 못하여 실용화되지 못하고 있다.
구체적으로, 상기 밀봉문제는 200℃의 물이 지닌 높은 화학적 분해력과 고온 고압에 견디면서 회전하는 회전체를 밀봉시키기 위하여 강성과 탄성을 가진 재료를 확보 하기가 어렵다.
뿐만 아니라, 밀봉장치에서 열수분해 유기물이 미세하게 유출되면 고온 상태에서 물은 수증기로 바로 증발하여 유기물 입자만 남게 되고, 남은 유기물은 고형화되어 밀봉부재의 마모재로 작용하게 되어 상기 밀봉부재를 급속하게 마모시켜 밀봉을 파괴하게 된다. 이러한 현상으로 인하여 밀봉장치의 내구성이 떨어지게 된다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 200℃의 고온 고압에 견디며 동시에 물의 화학적 분해력에도 견딜 수 있는 재질로 구성되어, 열수분해 유기물의 미세한 유출을 막아 물의 증발로 인하여 생기는 유기물 입자로 인한 마모문제를 해결함으로써 장기적인 내구성이 유지되면서 회전축과 용기 사이를 밀폐하는 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 별도의 기계적인 장치에 의존하지 않고 열수분해과정에서 발생하는 자연 현상, 즉 높이 차이에 의한 정수압을 이용하여 자연스럽게 용기와 회전축이 밀봉되도록 함으로써 비용이 저렴하고 효율이 높은 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 유기물 슬러지가 열수분해되는 장소인 용기 내부가 고온 고압의 상태로 안정적으로 유지되도록 하면서 상기 열수분해 유기물이 잘 가열될 수 있도록 하는 연속식 열수분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 유기물 슬러지의 연속적인 열수분해의 흐름을 이용하여 열수분해된 고온 유기물과 열수분해될 저온 유기물 사이에 열교환을 통하여 열에너지를 절감할 수 있는 연속식 열수분해장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 내부의 적어도 일부 공간에 내용물이 채워지는 용기와 상기 용기를 관통하는 회전축 사이를 밀폐시키기 위하여 상기 용기의 일단에 이웃하여 배치되는 밀폐 하우징; 그리고, 외측은 상기 밀폐 하우징과 결합되고 내측은 상기 회전축이 관통되면서 상기 밀폐 하우징과 상기 회전축 사이를 밀폐시키기 위하여 일정간격으로 배치되는 제1 밀폐부재 및 제2 밀폐부재를 갖는 밀폐부재를 포함하며, 상기 밀폐하우징, 상기 회전축 및 상기 밀폐부재에 의하여 형성되는 밀폐공간에는 유체가 채워지되 상기 유체의 압력은 상기 용기의 내부압력보다 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 밀폐유닛을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 밀폐유닛과; 슬러지를 가열하기 위한 슬러지 가열유닛을 포함하며, 상기 슬러지 가열유닛은 상기 용기와, 상기 회전축을 가지며, 상기 용기는 유기물이 채워지는 슬러지 공간과 상기 유기물의 상부에서 상기 유기물과 접촉되면서 상기 유기물을 가열하는 수증기가 채워지는 수증기 공간을 형성하고, 상기 회전축에 결합되어 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간을 교대로 왕복 회전하면서 상기 수증기와 상기 유기물을 교반시키는 교반기를 갖는 연속식 열수분해장치를 제공한다.
본 발명에 따른 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 200℃의 고온 고압에 견디며 동시에 물의 화학적 분해력에도 견딜 수 있는 재질로 구성되어, 열수분해 유기물의 미세한 유출을 막아 물의 증발로 인하여 생기는 유기물 입자로 인한 마모문제를 해결함으로써 장기적인 내구성이 유지될 수 있는 밀폐유닛을 용기와 상기 용기를 관통하는 회전축 사이에 설치함으로써 상기 용기의 내부가 고온 고압의 상태로 안정적으로 유지되며, 상기 용기에서 열수분해 유기물이 누출되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 용기의 수증기 공간과 연결된 증류수 탱크의 응축수가 공급되는 밀폐유닛을 설치하고, 상기 용기의 내부압력보다 항상 높은 압력을 가진 깨끗한 증류수가 상기 밀폐유닛에 공급되도록 함으로써 별도의 기계적인 장치에 의존하지 않고 자연 현상, 즉 높이차이에 의한 정수압을 이용하여 상기 용기와 회전축을 밀봉시킬 수 있는 저렴하고 효율이 높은 밀폐유닛을 확보할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 상기 용기 내부를 수증기 공간과 슬러지 공간으로 분리하고, 회전하는 교반기로 유기물과 수증기를 교반시킴으로써 상기 용기 내부가 고온 고압의 상태로 안정적으로 유지되는 상황에서 유기물 슬러지가 빠르게 가열되어 상기 유기물 슬러지의 연속적인 열수분해가 가능해지며, 이로 인하여 다량의 유기물 슬러지를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 이점이 있다.
넷째, 고온의 열수분해 유기물과 저온의 슬러지를 열교환시키는 슬러지 열교환유닛을 설치함으로써 슬러지의 가열에 소요되는 에너지를 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연속식 열수분해장치의 일 실시 예를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 연속식 열수분해장치에 구비된 슬러지 가열유닛의 잘려진 상태를 나타내는 사시도.
도 3은 도 1의 연속식 열수분해장치에 구비된 슬러지 가열유닛의 단면을 나타내는 도면.
도 4는 도 1의 연속식 열수분해장치에 구비된 밀폐유닛의 단면을 나타내는 도면.
도 5는 도 4의 밀폐유닛에 구비된 밀폐하우징과 블레이드의 결합상태를 나타내는 확대 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 연속식 열수분해장치의 실시 예를 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연속식 열수분해장치는 슬러지 가열유닛(210), 밀폐유닛(300), 슬러지 열교환유닛(250), 보일러 유닛(240) 및 슬러지 주입유닛(260) 및 배출유닛(270)을 포함한다.
본 발명의 가장 중요한 구성은 밀폐유닛(300)이지만, 상기 밀폐유닛(300)을 설명하기에 앞서 전체적인 연속식 열수분해장치의 구성과 기능에 대하여 먼저 설명한다.
상기 보일러 유닛(240)은 보일러 본체(241)와, 상기 보일러 본체(241)에서 발생하는 수증기를 상기 슬러지 가열유닛(210)으로 공급하기 위한 수증기 공급관(243)을 포함한다.
또한, 상기 슬러지 가열유닛(210)은 상기 수증기 공급관(243)으로부터 공급되는 수증기를 사용하여 유기물 슬러지를 가열하여 열수분해 유기물로 만들게 된다.
상기 슬러지 가열유닛(210)은 상기 유기물 슬러지가 채워지는 슬러지 공간과 상기 유기물 슬러지의 상부에서 상기 유기물 슬러지와 접촉되도록 상기 수증기가 채워지는 수증기 공간을 형성하는 용기(211)와, 상기 용기(211)를 관통하여 설치되는 회전축(213)과, 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간을 교대로 왕복회전하면서 상기 수증기와 상기 유기물 슬러지를 교반시키는 교반기와, 상기 열수분해 유기물이 배출되는 배출용기(217)를 포함한다.
상기 용기(211)내의 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간의 경계면에 있는 수증기는 상대적으로 차가운 상기 유기물 슬러지에 접촉하면서 열에너지를 잃게 되어 물로 변하게 되고, 상기 수증기가 물로 변하게 되면 상기 수증기가 차지하던 부피는 1기압에서 1/1700로 줄어들어 빈 공간을 형성하게 된다.
이때 줄어든 부피만큼 옆에 있던 새로운 수증기가 빈 공간을 채우면, 다시 상기 수증기가 상대적으로 차가운 유기물 슬러지와 다시 접촉하여 액체로 변하는 과정이 급속하게 반복되면서 상기 수증기가 고속으로 응축되어 상기 수증기로부터 상기 유기물 슬러지로 열에너지를 고속으로 전달되어 경계면의 유기물 슬러지가 고속으로 가열되게 된다.
가열된 유기물 슬러지는 차가운 유기물 슬러지보다 비중이 가벼워 상기 슬러지 공간의 상면, 즉 경계면에 존재하여, 상기 경계면에서 수증기와 유기물 슬러지가 온도 차이가 없어서 상기 유기물 슬러지의 가열속도가 느려지게 되는데, 이때 상기 교반기가 상기 가열속도를 높이기 위하여 상기 유기물 슬러지와 상기 수증기를 교반시키게 된다.
구체적으로, 상기 교반기가 상기 수증기 공간과 슬러지 공간을 왕복하면서 상기 수증기와 상기 유기물 슬러지를 서로 혼합시키게 되면 상기 수증기와 상기 유기물 슬러지의 접촉이 촉진되어 상기 유기물 슬러지가 고속으로 가열된다.
상기 수증기 공간을 통하여 다량의 수증기가 신속하게 연속적으로 공급되고, 증기 혼합 가열은 가열 속도가 빠르기 때문에 상기 용기(211)에 주입된 유기물 슬러지가 가열구간을 이동하는 시간 동안 열수분해에 필요한 200℃의 온도로 빠르게 가열될 수 있게 된다.
상기 교반기는 상기 회전축(213)에 결합된 원통형 블레이드(215)를 포함한다. 상기 블레이드(215)는 상기 회전축(213)을 따라 복수 개가 일렬로 배열되어 있고, 상기 블레이드(215)의 하부는 열수분해되고 있는 유기물 슬러지와 접촉하고 있고, 상기 블레이드(215)의 상부는 상기 수증기에 노출되어 있다.
상기 배출용기(217)는 상기 용기(211)의 일측단에서 상기 용기(211)와 연통되도록 설치된다. 상기 용기(211)와 상기 배출용기(217) 사이에는 격벽(219)이 형성되어 있다. 상기 열수분해 유기물은 상기 격벽(219) 위로 넘쳐서 상기 용기(211)에서 상기 배출용기(217)로 이동하게 되므로 상기 격벽(219)에 의하여 자연스럽게 상기 슬러지 공간과 수증기 공간이 형성된다.
상기 배출용기(217)에는 상기 열수분해 유기물의 수위를 측정하는 수위센서(218)가 설치된다. 또한, 상기 배출용기(217)의 하부에는 상기 열수분해 유기물이 배출되는 배출구가 형성되어 있다.
또한, 상기 배출용기(217)에서 배출된 열수분해 유기물은 상기 슬러지 열교환유닛(250)을 경유하면서 냉각되고, 상기 배출유닛(270)을 통하여 외부로 배출된다.
따라서, 상기 배출유닛(270)의 내부에 이물질이 쌓이는 것을 방지하기 위하여 상기 배출유닛(270)에서 배출되는 상기 열수분해 유기물은 외부와의 열교환을 통하여 냉각시킨 후에 증기압에 상당하는 온도보다 낮은 상태로 외부로 배출되는 것이 바람직하다.
상기 배출용기(217)의 수위를 상기 용기(211)의 수위보다 낮게 유지되도록 상기 배출밸브(275)를 조절하게 되면, 상기 용기(211)에서 열수분해된 열수분해 유기물은 상기 격벽(219)을 넘어 상기 배출용기(217)로 흘러들어가게 된다.
상기 용기(211)가 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간으로 분리되고, 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간을 상기 교반기를 통하여 혼합시켜주고, 상기 배출용기(217)의 수위를 상기 용기(211)의 수위보다 낮도록 조절함으로써 상기 유기물 슬러지가 상기 슬러지공간을 따라 연속적으로 주입되고, 흘러가면서 상기 수증기에 의하여 열수분해되고, 상기 배출용기(217)로 배출되는 연속적인 흐름이 형성된다.
상기 슬러지 주입유닛(260)으로는 상기 유기물 슬러지의 성상에 적합한 피스톤 펌프, 모노펌프, 기어펌프 등이 사용될 수 있다.
상기 슬러지 열교환유닛(250)은 상기 슬러지 가열유닛(210)에서 배출되는 고온의 열수분해 유기물과 외부에서 공급되는 열수분해될 저온의 슬러지를 열교환시키게 된다.
결과적으로, 고온의 열수분해 유기물과 저온의 슬러지를 열교환시키는 슬러지 열교환유닛을 설치함으로써 슬러지의 가열에 소요되는 에너지를 줄일 수 있게 된다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 열수분해장치에 구비된 밀폐유닛에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 밀폐유닛(300)은 용기(211)와 회전축(213) 사이를 밀폐시켜 상기 용기(211)에서 열수분해 유기물이 누출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 내구성을 확보하기 위하여 상기 밀폐유닛(300)의 윤활면은 마모되지 않도록 하는 구조를 가진다.
이를 위하여, 상기 밀폐유닛(300)은 밀폐하우징(321)과, 외측은 상기 밀폐 하우징과 결합되고 내측은 상기 회전축(213)이 관통되면서 상기 밀폐하우징(321)과 상기 회전축(213) 사이를 밀폐시키기 위하여 일정간격으로 배치되는 제1 밀폐부재(323) 및 제2 밀폐부재(325)를 갖는 밀폐부재를 포함하는 밀폐블럭(320)과, 상기 밀폐하우징(321), 상기 회전축(213) 및 상기 밀폐부재에 의하여 형성되는 밀폐공간(P1)에 유체를 공급하기 위한 유체공급장치(310)를 포함하여 구성된다.
상기 회전축(213)의 밀폐에 사용되는 밀폐부재로는 각 종 실링부재가 사용될 수 있는데, 대표적으로는 립실(lip seal)이 사용된다. 상기 립실은 상기 윤활면이 상기 회전축(213)의 표면이 되도록 원통형으로 구성된다.
상기 밀폐부재의 윤활면에서는 미세한 간격이 존재하기 때문에 상기 간격 사이에 기름이 유막을 형성하거나, 물이 수막을 형성하도록 하여 상기 윤활면이 직접 마찰되지 않도록 하여 상기 밀폐부재의 마모를 방지하면서 기밀성을 유지할 수 있는 구조가 필요하다.
만약에, 상기 윤활면에 이물질이 존재하게 되면, 상기 윤활면이 마모되면서 밀폐구조가 빠르게 파괴된다. 예를 들어, 210℃, 20기압의 고온 고압 상태에서 상기 밀폐부재의 윤활면에 수막이 형성되어도 대기와 접촉하는 부분에서는 고온의 열로 인하여 물이 수증기가 되어 증발하게 되므로 상기 용기(211) 내부의 열수분해 유기물이, 즉 가수분해된 수용액이 계속 흘러나오게 되고 물이 증발하고 남는 유기물 입자가 상기 윤활면을 마모시키게 된다.
이를 방지하기 위하여, 상기 밀폐유닛(300)은 상기 용기(211)와 상기 회전축(213) 사이를 상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)를 사용하여 상기 밀폐공간(P1)을 형성하고, 증류수와 같은 깨끗한 유체를 상기 밀폐공간(P1)에 공급한 여 상기 유체에 가해지는 압력을 상기 용기(211)의 내부압력보다 높게 유지하는 구조로 구성된다.
그러면, 상기 용기(211)의 내부 압력보다 상기 밀폐공간(P1)의 압력이 높아 상기 용기(211)의 내용물이 흘러나오지 못하고 상기 밀폐공간(P1)의 유체가 상기 용기로 일부 흘러들어가게 되어 상기 용기(211)에서 상기 열수분해 유기물이 누출되지 않게 되고, 동시에 상기 밀폐부재의 윤활면에는 항상 깨끗한 유체, 즉 증류수의 윤활면이 유지되기 때문에 상기 밀폐부재의 윤활면에 이물질이 생기지 않게 되어 상기 밀폐부재의 내구성이 유지될 수 있는 밀봉구조가 구현된다.
구체적으로, 상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)는 상기 밀폐하우징(321)의 내부에서 일정간격을 가지면서 설치되며, 상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)의 외측은 상기 밀폐하우징(321)과 결합되고 내측은 상기 회전축(213)이 관통되면서 윤활면이 형성된다.
상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)는 상기 밀폐하우징(321)과 상기 회전축(213) 사이를 밀폐시키게 되고, 상기 밀폐하우징(321), 상기 제1 밀폐부재(323), 상기 제2 밀폐부재(325) 및 상기 회전축(213)에 의하여 상기 밀폐공간(P1)이 형성된다.
여기서, 상기 밀폐공간(P1)에는 이물질이 없는 증류수가 채워지고, 상기 증류수의 압력, 즉 상기 밀폐공간(P1)의 내부압력은 상기 용기의 내부공간(P2)의 압력보다 높게 유지된다.
상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)로는 립실(lip seal)이 사용된다. 상기 립실은 엔지니어링 플라스틱 재질 가운데 내열성, 내마찰성, 내마모성을 지는 폴리아미드이미드 수지나 폴리이미드 수지 또는 불소수지로 만든 립실이 사용될 수 있다. 일례로, 상기 폴리아미드이미드 수지로 만든 립실은 250 ℃, 40기압의 온도와 압력도 견딜 수 있다.
상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재는 항상 상기 회전축(213)에 긴밀하게 접촉된 상태에 있고, 서로 마주보도록 배치되어 상기 밀폐 하우징(225)의 내부에 상기 밀폐공간(P1)을 형성하게 된다.
특히, 상기 제1 밀폐부재의 끝단(323a) 및 상기 제2 밀폐부재의 끝단(325a)은 상기 회전축(213)에 접촉된 상태에서 상기 밀폐공간(P1) 방향으로 절곡되어 상기 밀폐공간(P1)의 유체가 높은 압력을 받더라도 이 압력을 지지할 수 있게 된다.
상기 제1 밀폐부재(323) 및 상기 제2 밀폐부재(325)의 구조는 다양한 밀폐구조, 예를 들면 슬러지를 주입하기 위한 슬러지 주입유닛에 사용되는 주입펌프에도 적용가능하다. 또한, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 상기 밀폐공간에서 용기의 내부공간으로는 깨끗한 증류수만이 이동되기 때문에 상기 제1 밀폐부재(323)의 끝단은 절곡되지 않은 형상으로 구비될 수도 있다.
상기 밀폐공간(P1)에 상기 용기의 내부공간(P2)의 압력보다 높은 압력의 증류수가 들어 있으면, 상기 증류수는 상기 제1 밀폐부재(323)에 압력을 가하게 되고, 이로 인하여 상기 증류수의 일부는 상기 용기(211) 속으로 밀고 들어가게 되기 때문에 상기 열수분해 유기물이 상기 용기(211)의 밖으로 유출되지 못하게 된다.
또한, 상기 제2 밀폐부재(325)는 상기 증류수의 압력을 지지하면서 윤활면에 이물질이 형성되지 않도록 한다. 이때, 상기 제2 밀폐부재(325)의 외측으로 상기 증류수가 미세하게 유출되더라도 상기 증류수는 기화하여 깨끗한 수증기가 되기 때문에 악취발생 등의 환경문제가 없을 뿐만 아니라 상기 윤활면은 마모되지 않게 된다.
본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 상기 밀폐부재는 다양한 실링부재로 대체될 수 있다. 예를 들면, 고온 고압에서 견딜 수 있고, 회전저항이 작으며 내마모성이 우수한 부재이면 에너자이드 실(energized seal), 메카니컬 실(mechnical seal) 등 어떠한 부재를 사용하여도 무방하다.
한편, 상기 밀폐하우징(321)은 상기 밀폐부재를 지지하는 역할을 하는 것으로서, 상기 용기(211)의 일단에 이웃하여 배치된다. 구체적으로, 상기 밀폐하우징(321)은 상기 용기(211)와 결합되거나 상기 용기(211)에서 연장형성될 수 있다. 상기 용기(211)를 관통하는 회전축(213)은 상기 밀폐하우징(321)도 관통하게 된다.
또한, 상기 밀폐하우징(321)의 내부에는 상기 회전축(213)의 위치를 유지하면서 회전을 지지하기 위한 지지부재(327)가 설치된다. 상기 지지부재(327)로는 상기 밀폐하우징(321)과 결합되는 외측링과, 상기 회전축과 접촉되는 내측링을 갖는 베어링이 사용될 수 있다.
상기 외측링과 상기 내측링 사이에는 하중을 전달하면서 상기 회전축(213)의 회전을 지지하는 구름부재, 예를 들면 구슬, 롤러가 설치될 수 있다.
한편, 상기 유체공급장치(310)는 상기 밀폐공간(P1)의 압력이 상기 용기의 내부공간(P2)의 압력보다 높은 압력을 가지도록 상기 밀폐공간(P1)에 고압의 유체, 즉증류수를 채우게 된다.
상기 유체공급장치(310)는 고압 펌프나 압력 탱크 등으로 구성될 수도 있으나, 본 실시 예에서는 상기 용기(211)의 수증기 공간을 이용하는 증류수 탱크(313)를 포함한다. 상기 증류수 탱크(313)는 지면을 기준으로 상기 용기(211)보다 높은 위치에 배치된다.
상기 유체공급장치(310)는 상기 용기(211)와 상기 증류수 탱크(313)를 연통시키면서 상기 용기 내부의 수증기를 상기 증류수 탱크(313)로 안내하는 제1 연결관(311)과, 상기 증류수 탱크(313)에서 상기 수증기가 응축되어 변화된 증류수를 상기 밀폐공간(P1)으로 공급하여 상기 밀폐공간(P1)의 내부압력이 상기 증류수의 수위차에 따른 수압으로 인하여 상기 용기의 내부압력(P2)보다 큰 값을 가지도록 하기 위한 제2 연결관(315)를 더 포함한다.
상기 증류수 탱크(313)는 상기 수증기가 응축된 증류수가 일정수위로 채워지고 상기 증류수가 채워진 공간의 상부영역에서 상기 제1 연결관(311)과 연통된다. 따라서, 상기 증류수 탱크(313)에서 상기 증류수의 수위는 상기 용기(211)보다 지면을 기준으로 높게 형성된다.
구체적으로, 상기 증류수 탱크(313)에서 상기 증류수의 수위는 상기 제1연결관(311)과 연통되는 지점의 근처에서 최고점에 이른다. 상기 증류수 탱크(313)로 유입된 수증기가 응축된 증류수의 양이 상기 최고점보다 높은 수위를 가지는 양이 되면, 상기 증류수는 상기 제1 연결관(311)을 따라 상기 용기(211)로 유입된다.
상기 수증기 공급관(243)을 흐르는 수증기는 상기 용기(211)로 공급됨과 동시에 상기 증류수 탱크(313)로 공급되면서 상기 용기(211)와 상기 증류수 탱크(313)가 연통된다.
상기 밀폐하우징(321)에는 상기 밀폐공간(P1)에 상기 증류수가 공급되도록 하는 통로가 되는 하우징 연통구(321a)가 형성되어 있다.
상기 증류수 탱크(313)의 상부영역에 가득 채워지는 수증기는 지속적으로 응축되면서 상기 증류수 탱크(313)에 상기 증류수를 지속적으로 공급하게 된다.
상기 증류수 탱크(313)에는 상기 증류수가 상기 수증기 공급관(243)과 연통되는 부위까지 일정수위로 채워지게 되는데, 상기 증류수의 수위가 상기 용기(211)보다 높은 곳에 있기 때문에 해당 수위차에 해당하는 수압만큼이 상기 밀폐하우징(321)에 추가로 작용하게 되어, 상기 증류수 탱크(313)에서 상기 밀폐공간(P1)에 가해지는 압력은 항상 상기 수증기 공급관(243)의 압력, 즉 용기(211) 내부의 압력보다 큰 값을 가지게 된다.
결과적으로, 상기 밀폐공간(P1)의 압력은 상기 용기 내부공간(P2)의 압력보다 크게 되어, 상기 용기(211) 내부의 유기물 슬러지 또는 열수분해 유기물은 상기 밀폐공간(P1)으로 들어오지 못하게 된다. 따라서, 깨끗한 증류수만 상기 밀폐공간(P1)에 채워지게 되어 윤활작용을 함으로써 상기 밀폐부재가 마모되지 않고 지속적으로 밀폐부재의 기능을 유지하게 되어 상기 회전축(213)과 상기 용기(211) 사이가 밀폐될 수 있게 된다.
본 발명에 따른 밀폐유닛 및 이를 이용한 연속식 열수분해장치는 대량의 유기물을 연속적으로 처리하는 장치의 하나로서 대량의 유기물을 안정적이고 빠르게 처리하는데 사용될 수 있으므로 산업상 널리 이용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 내부의 적어도 일부 공간에 내용물이 채워지는 용기와 상기 용기를 관통하는 회전축 사이를 밀폐시키기 위하여 상기 용기의 일단에 이웃하여 배치되는 밀폐 하우징; 그리고,
    외측은 상기 밀폐 하우징과 결합되고 내측은 상기 회전축이 관통되면서 상기 밀폐 하우징과 상기 회전축 사이를 밀폐시키기 위하여 일정간격으로 배치되는 제1 밀폐부재 및 제2 밀폐부재를 갖는 밀폐부재를 포함하며,
    상기 밀폐하우징, 상기 회전축 및 상기 밀폐부재에 의하여 형성되는 밀폐공간에는 유체가 채워지되 상기 유체의 압력은 상기 용기의 내부압력보다 높은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 밀폐유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밀폐부재 및 상기 제2 밀폐부재는 립실, 메카니컬 실, 에너자이드 실 중의 하나로 구성되며, 상기 제1 밀폐부재 및 상기 제2 밀폐부재는 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지, 불소 수지 중의 하나 이상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 밀폐유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    지면을 기준으로 상기 용기보다 높은 위치에 배치되며 상기 용기의 내부와 연통되는 증류수 탱크와, 상기 용기 내부의 수증기를 상기 증류수 탱크로 안내하는 제1 연결관과, 상기 증류수 탱크에서 상기 수증기가 응축되어 변화된 증류수를 상기 밀폐공간으로 공급하는 제2 연결관을 갖는 유체공급장치를 더 포함하며, 상기 밀폐공간의 내부압력이 상기 증류수 탱크의 수면과 상기 용기 내부의 수면의 수위차에 따른 수압만큼 상기 용기의 내부압력보다 큰 값을 가지도록 하는 밀폐유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 밀폐유닛; 그리고,
    상기 용기와, 상기 회전축을 가지며, 상기 용기는 유기물이 채워지는 슬러지 공간과 상기 유기물의 상부에서 상기 유기물과 접촉되면서 상기 유기물을 가열하는 수증기가 채워지는 수증기 공간을 형성하고, 상기 회전축에 결합되어 상기 수증기 공간과 상기 슬러지 공간을 교대로 왕복 회전하면서 상기 수증기와 상기 유기물을 교반시키는 교반기를 갖는 슬러지 가열유닛을 포함하는 연속식 열수분해장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬러지 가열유닛에서 배출되는 고온의 열수분해 유기물과 외부에서 공급되는 열수분해될 저온의 슬러지를 열교환시키는 슬러지 열교환유닛을 포함하는 연속식 열수분해장치.
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