WO2016111410A1 - 에너지 재순환을 이용한 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법 - Google Patents

에너지 재순환을 이용한 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법 Download PDF

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WO2016111410A1
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anaerobic digestion
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organic waste
waste
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이종인
이창열
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SK Chemicals Co Ltd
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SK Chemicals Co Ltd
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/20—Sludge processing

Definitions

  • the present invention relates to a high temperature anaerobic digestion method of an organic waste using energy recycling, and more particularly, in an organic waste anaerobic digestion process consisting of a thermal solubilization pretreatment step of an organic waste, a high temperature anaerobic digestion step, and cogeneration with biogas.
  • Organic wastes including sewage sludge from sewage treatment, wastewater containing a large amount of organic matter such as food waste and livestock manure, can produce methane that can be used as an energy source through the anaerobic digestion process. .
  • the anaerobic digestion process using organic waste is generally carried out at a medium temperature of 35 ⁇ 10 °C, low biogas yield, a long time is consumed, due to the low anaerobic digestion yield, even after the anaerobic digestion process Since the volume of the waste is not greatly reduced, the reduction ratio was also kept low.
  • Anaerobic digestion can be proposed as a way to solve such energyization / resource / reduction of organic waste.
  • Korean Patent Registration No. 10-1066124 an acid fermentation tank and a microbial culture tank are connected by connecting a dry digester and a wet digester in series in the process of generating methane using organic waste such as food waste, sewage sludge, and livestock manure. It suggests an anaerobic digestion method that is not necessary.
  • Korean Patent No. 10-1092018 discloses a method for producing continuous high temperature single phase anaerobic fermentation activated sludge using sewage sludge
  • Korean Patent No. 10-0588166 discloses a high temperature anaerobic digester connected internally to a medium temperature anaerobic digester. An anaerobic digestion method of organic wastewater and wastes by a temperature-fancy process has been proposed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-126780 proposes a method of generating methane gas through biotreatment of excess sludge for wastewater sludge
  • Korean Patent No. 10-1051729 discloses a high concentration wastewater including organic waste.
  • a wastewater treatment method is provided that includes an acid generating reactor, a methane fermentation tank, a sedimentation tank, and a sludge storage tank for treatment
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-011494 involves treatment of methane fermentation activated sludge under high temperature anaerobic atmosphere.
  • a method for treating organic sewage has been proposed, and US Patent No. 7742466 proposes an apparatus and a method for anaerobic digestion of biomass and generation of biogas.
  • anaerobic digestion focuses on producing methane gas, a biogas that can be used as an energy source while growing some of the anaerobic microorganisms that can survive in the absence of oxygen, so that the anaerobic microorganisms in the reactor are continuously maintained. It means the method of continuously supplying organic waste by feeding after injection. The injected organic waste is used to feed anaerobic microorganisms, and then the volume is reduced and discharged. Thus, the organic wastes ingested by anaerobic microorganisms are converted into biogas containing methane and carbon dioxide as main components. The generated biogas can be used as an energy source through purification and compression, but is generally converted into electrical energy through cogeneration and then used or sold.
  • the organic waste may be pretreated using heat solubilization pretreatment.
  • the thermal solubilization pretreatment is a process of converting the organic material constituting the organic waste into low-molecular substances which are easily used by anaerobic microorganisms such as monosaccharides and organic acids by keeping the organic waste at high temperature and high pressure for a certain time.
  • the heat solubilization pretreatment method has the disadvantage that a lot of energy has to be put in because it has to warm the organic waste at the high temperature of 130 ⁇ 230 °C, and the high temperature and high pressure organic waste is put into the anaerobic digester.
  • the disadvantage is that the temperature and pressure should be lowered to room temperature and atmospheric pressure as much as possible.
  • the medium temperature anaerobic digestion around 35 °C is mainly used rather than the high temperature anaerobic digestion of 55 °C due to the nature of heating the organic waste at room temperature and injecting it into the anaerobic digestion apparatus.
  • a high residence time is required along with a low organic waste reduction rate and biogas generation rate.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1066124
  • Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-1092018
  • Patent Document 3 Korean Registered Patent No. 10-0588166
  • Patent Document 4 Japanese Laid-Open Patent No. 2002-126780
  • Patent Document 5 Korean Registered Patent No. 10-1051729
  • Patent Document 6 Japanese Laid-Open Patent No. 2002-011494
  • Patent Document 7 US Patent No. 7742466
  • the organic waste is heat-solubilized pre-treatment process, anaerobic digestion at high temperature, and using a biogas to drive a cogeneration generator to operate by integrating the production of power
  • the challenge is to reduce the economic burden.
  • the problem is to reduce the economic burden by recovering the waste heat generated in each process to recycle it.
  • an object of the present invention is to generate power by driving a cogeneration generator using biogas generated during thermal solubilization pretreatment and anaerobic digestion of organic waste, and by recycling and recycling waste heat generated in each process, It is to provide an energy-independent anaerobic digestion method that can be covered without receiving the energy required by the unit process from the outside.
  • another object of the present invention is to increase the anaerobic digestion efficiency by the anaerobic digestion by solubilizing the organic waste through heat solubilization pretreatment to increase the reduction rate and biogas generation rate at the final disposal of the organic waste, the anaerobic microorganism is organic It is to reduce the residence time required in the anaerobic digestion process by making the waste more smoothly available.
  • another object of the present invention is to provide an anaerobic digestion method for treating organic wastes in an efficient process and an economical method, and for use in the economical anaerobic digestion method.
  • the present invention is a heat exchange step of exchanging the temperature by contact heat exchange with the organic waste discharged by the heat solubilization reaction in advance; Thermal solubilizing the organic waste heat-exchanged through the heat exchange step to convert the organic waste of the polymer into a solubilized waste which is a low molecular material; Anaerobic digestion of the solubilized waste converted in the thermal solubilization step at a high temperature; A gas collecting step of collecting the biogas generated in the high temperature anaerobic digestion process; A cogeneration step of performing cogeneration with the collected biogas; An exhaust gas heat exchange step of recovering heat from the high temperature exhaust gas generated from the engine of the cogeneration unit in the cogeneration step to warm the fruit; An exhaust gas heat energy supplying step of supplying the heated fruit to a heat solubilization step; A fruit circulation step of circulating the fruit whose temperature has been lowered after being supplied to the heat solubilizing step in the exhaust gas heat energy supplying step
  • the present invention is an embodiment of a preferred device for applying to the anaerobic digestion method as described above, the heat exchange device for heat exchange before the organic waste is added to the heat solubilization device;
  • a heat solubilizing device in which organic wastes heat-exchanged by the heat exchanger are heated and solubilized at high temperature and high pressure;
  • a high temperature anaerobic digestion apparatus in which the solubilization waste discharged through the heat solubilization apparatus is anaerobic digested at a high temperature;
  • a gas collecting device in which biogas generated from the high temperature anaerobic digester is collected;
  • a cogeneration device for performing cogeneration with the collected biogas;
  • An exhaust gas heat exchanger that recovers heat from the high-temperature exhaust gas generated from the engine of the cogeneration unit and warms the fruit;
  • a fruit circulator for supplying the warmed fruit to a heat solubilizer; Cooling water heat exchanger for cooling the engine by water cooling to cool the engine of the cogeneration unit; It provides
  • the anaerobic digestion of organic wastes according to the present invention has the following advantages.
  • the solubilized waste that is cooled down in the heat solubilization pretreatment stage is fed to the anaerobic digestion plant in the state of being lowered to the operating temperature of the anaerobic digestion plant to remove the heat energy that must be input from the outside for the operation of the anaerobic digestion plant.
  • general anaerobic digestion in which the solubilization waste lowered to 55-75 ⁇ 10 ° C. through heat exchange is input to a high-temperature anaerobic digestion facility maintained at 55 ⁇ 5 ° C., after heating the organic waste at room temperature (0-25 ° C.). It will be possible to operate high temperature anaerobic digestion plants with less or no additional energy input.
  • the use of a solubilized waste heated to high temperature enables the operation of high temperature anaerobic digestion with higher organic waste reduction rate and biogas generation rate and lower residence time than medium temperature (35 ⁇ 10 °C) without additional energy input.
  • the anaerobic digestion equipment connected to the heat solubilization pretreatment is operated at a high temperature (55 ⁇ 5 ° C.), not at medium temperature (35 ⁇ 10 ° C.), and quickly increases the target temperature of the contact heat exchange in the heat solubilization pretreatment step. It enables the end of contact heat exchange, maintains high organic waste reduction rate and biogas generation rate compared to mesophilic anaerobic digestion, and the residence time can be lowered compared to mesophilic anaerobic digestion.
  • the biogas produced in the anaerobic digestion stage is converted into electricity through cogeneration, and the high temperature flue gas generated through the engine of the cogeneration generator warms the fruit through the fruit heat exchanger, and the warmed fruit is solubilized.
  • the waste heat discharged through the flue gas can be reused by supplying the energy required by the solubilizer and being recycled to the fruit heat exchanger.
  • the heat and heat exchanger of the cogeneration system provides only a method of heating hot water so that the method of utilizing a high temperature (350-450 ° C.) exhaust gas is insufficient, and the utilization efficiency is also low. After warming, it is utilized in the heat solubilization pretreatment device operated at high temperature (130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C) to increase the utilization efficiency of waste heat.
  • the cooling water produced by the water-cooled chiller for cooling the engine of the cogeneration unit is connected to the heat insulating pipe of the anaerobic digester to supply the heat required for the insulation of the anaerobic digester and recycled to the cooling water heat exchanger, thereby It can be used to replace the energy input to keep warm.
  • the waste heat generated at each stage must be recycled to another process of the integrated operation and injected from the outside while the unit processes of thermal solubilization pretreatment-anaerobic digestion-cogeneration are integrated and operated.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing a high temperature anaerobic digestion system equipped with a facility capable of using energy recycling as an embodiment of the high temperature anaerobic digestion system useful for applying the high temperature anaerobic digestion method of the organic waste according to the present invention.
  • the anaerobic digestion method does not only mean an anaerobic digestion step, but also includes an entire process from pretreatment of organic waste to anaerobic digestion and application to cogeneration.
  • Anaerobic digestion equipment in the present invention is to distinguish from the anaerobic digestion apparatus for simple anaerobic digestion, a facility comprising a device necessary for operating the entire system from pretreatment of organic waste to anaerobic digestion to apply to cogeneration Means.
  • the present invention relates to a method for economically operating an anaerobic digestion facility through various energy recovery in a process of cogeneration using biogas generated from an anaerobic digestion facility using organic waste such as sewage sludge.
  • organic waste such as food waste, manure and manure may be used, including sewage sludge generated in a sewage treatment facility.
  • the energy required in the heat solubilization pretreatment step is reduced by changing the temperature of the organic waste through contact heat exchange between the organic waste injected into the heat solubilization reactor and the solubilization waste discharged in the heat solubilization pretreatment step. It can be done.
  • the energy required by the anaerobic digestion plant can be reduced by transferring the organic waste having the temperature reduced to the anaerobic digestion plant operating temperature through the contact heat exchange.
  • the cooling water generated in the water-cooled cooler for cooling the engine can be configured to be used for the insulation of the anaerobic digestion equipment is capable of energy recycling.
  • the solubilized waste is preferably further carried out an anaerobic digestion step after reducing the temperature to the operating temperature of the anaerobic digestion apparatus through heat exchange.
  • the organic waste having undergone the heat exchange step may be heat exchanged at a high temperature of 120 ⁇ 140 ⁇ 10 °C at a normal temperature.
  • the solubilized waste that has undergone the heat solubilization step may be changed in temperature from a temperature of 130 to 230 ⁇ 10 °C to a low temperature of 55 ⁇ 75 ⁇ 10 °C.
  • the cogeneration step may be configured to connect the heat exchanger to the exhaust gas discharged in the process and the engine used for power generation to recover the waste heat and heat exchange.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an anaerobic digestion system having a facility capable of using energy recycling as an embodiment of the anaerobic digestion system useful for applying the organic waste anaerobic digestion method according to the present invention.
  • the present invention is to thermally solubilize the organic waste injected into the anaerobic digester (or anaerobic digester), so that the anaerobic microorganisms in the anaerobic digester can be quickly and easily used for feeding and increase the amount of biogas produced.
  • the generated biogas generates electricity through a cogeneration plant and recycles internally generated energy using various heat recovery devices and methods, thereby reducing the amount of heat required for heat solubilization and anaerobic digestion facilities. have.
  • the anaerobic digestion equipment applied to the anaerobic digestion method is preferably organic waste, fruit, hot water, etc. in the heat solubilization pretreatment apparatus, anaerobic digestion apparatus, cogeneration unit is connected to each other and circulated It is configured to make this possible and constitutes a very economical and efficient system.
  • the preferred anaerobic digestion equipment applicable to the economical anaerobic digestion method is a heat exchanger 10 for performing heat exchange before the organic waste is introduced into the thermal solubilizer;
  • the high temperature anaerobic digestion apparatus 30, which is discharged from the heat solubilizing apparatus 20 and then injected into the heat exchange apparatus 10, converts into a solubilized waste having a lowered temperature and anaerobic digestion thereof;
  • a gas collecting device 40 for collecting and storing the biogas generated by the high temperature anaerobic digestion device 30;
  • An exhaust gas heat exchanger (60) connected to the exhaust gas generated in the process of generating electricity in the cogeneration device (50) to heat the fruit by receiving thermal energy through the high temperature exhaust gas;
  • the heat exchanger 10 is heat solubilized to be discharged after the end of the heat solubilization reaction before the organic waste such as sewage sludge, food waste, livestock manure, etc. It has a circulation structure that is introduced into the heat solubilizer 20 through contact heat exchange with the organic waste, in which the organic waste is heat exchanged to a high temperature of 120 ⁇ 140 ⁇ 10 °C at normal temperature.
  • the heat exchanger 10 may be configured in the form of a double tube is configured so that the flow of the inner tube and the exterior are directed to the opposite direction, the contact heat exchange is performed.
  • the solubilization waste discharged from the heat solubilizer 20 is changed from a temperature of 130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C to a low temperature of 55 ⁇ 75 ⁇ 10 °C, heat solubilizing device ( 20) It reduces the amount of heat energy required to warm up to the temperature (130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C) needed to drive.
  • the solubilization waste (55 ⁇ 75 ⁇ 10 °C) reduced in temperature through the heat exchange device 10 is specifically up to the operating temperature (55 °C) of the high temperature anaerobic digestion apparatus 30
  • the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 serves to reduce the amount of thermal energy to be injected from the outside for the operation of the high temperature anaerobic digestion apparatus (30).
  • the thermal solubilizing device 20 is by holding the injected organic waste for about 30 to 60 minutes at a high temperature (130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C) and high pressure (13 ⁇ 25 bar) for a certain time It plays a role of converting organic waste composed of polymer into solubilized waste, which is a low molecular substance such as monosaccharide or organic acid.
  • the organic waste is set to the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 at an appropriate operating temperature (55 ° C.), the heat energy required to warm the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 is minimized.
  • the volume after the final treatment of the organic waste can be increased since the anaerobic microorganisms can be fed more easily by using the solubilized waste which is pretreated by heat solubilization and converted into low molecular weight as a raw material.
  • the reduction rate decreases and the biogas generation rate generated through anaerobic digestion increases, and as the use amount of organic waste increases per unit time, construction time is reduced by reducing the residence time required by the high temperature anaerobic digestion apparatus 30. And the area of the required site and the like can be reduced.
  • the biogas generated through the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 is transferred to the gas collecting device 40 for the purpose of storage before being introduced into the cogeneration unit 50 of the rear stage.
  • desulfurization and refining may be additionally performed for smooth power generation and ease of process application.
  • the cogeneration device 50 serves to generate electricity by driving the engine by receiving the biogas stored in the gas collecting device 40.
  • the power generation method and the device configuration of the specific cogeneration device 50 can be made by a conventional method.
  • the high temperature (350 ⁇ 450 °C) exhaust gas generated in the process of producing electricity using the cogeneration device 50 is discharged to the outside of the cogeneration device 50 is the exhaust gas heat exchanger It is discharged by changing to a low temperature (250 °C) through (60), the fruit in the exhaust gas heat exchanger 60 serves to be heated to a high temperature of 250 ⁇ 350 ⁇ 50 °C by receiving the heat energy of the exhaust gas.
  • the fruit warmed through the exhaust gas heat exchanger 60 is supplied to the heat solubilizer 20 through the fruit circulation device 70, thereby supplying thermal energy
  • the organic waste (120-140 ⁇ 10 ° C) heated through the heat exchanger (10) serves to supply the insufficient portion of the thermal energy required for the smooth heat solubilization reaction (130-230 ⁇ 10 ° C). .
  • the fruit is supplied to the heat solubilizing device 2 through the fruit circulation device 7 to transfer the heat energy and the temperature is reduced again is transferred to the exhaust gas heat exchanger 60 to heat the heat energy. It is configured to be supplied and recycled.
  • the cooling water heat exchanger 80 is a high temperature of the cooling water of low temperature (55 ⁇ 75 ⁇ 10 °C) through water-cooled cooling in order to lower the engine temperature of the cogeneration device 50 It converts to (90 ⁇ 5 °C).
  • the cooling water warmed through the cooling water heat exchanger 80 is to be supplied to the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 through the cooling water circulation device 90, the heat exchanger 10
  • the cooling water circulation device 90 the heat exchanger 10
  • the cooling water supplied to the high temperature anaerobic digestion apparatus 30 through the cooling water circulator 80 to transfer thermal energy and then reduced in temperature is transferred to the cooling water heat exchanger 8 to be thermal energy. It is configured to be recycled after receiving.
  • the anaerobic digestion method of the preferred configuration according to the present invention and the anaerobic digestion system as applied to the energy are collected and recycled as energy in the whole process as described above, and recycled to supply energy to a device requiring energy. It consists of a recirculation system, which can be a very economical system.
  • the high temperature anaerobic digestion method for organic wastes according to the present invention and the anaerobic digestion system applied thereto are very useful energy-saving equipment operating systems to be applied to a treatment facility using a high temperature anaerobic digestion method among general organic waste treatment facilities.
  • the method according to the present invention is applied to an organic waste treatment plant having an anaerobic digestion facility such as a sewage treatment plant, a food waste treatment plant, and a livestock manure treatment plant
  • an organic waste treatment plant having an anaerobic digestion facility such as a sewage treatment plant, a food waste treatment plant, and a livestock manure treatment plant
  • the low molecular weight organic waste is introduced into the high temperature anaerobic digestion plant through thermal solubilization pretreatment.
  • Increased productivity of gas, increased extinguishing efficiency, reduced residence time in anaerobic digester, and reduced water content of the final discharged organic waste can be expected to effectively save energy of organic waste.
  • thermal solubilization pretreatment when operated by applying the method of the present invention, thermal solubilization by changing the temperature of the organic waste through contact heat exchange between the organic waste introduced into the thermal solubilization unit and the solubilizing waste discharged from the thermal solubilization unit. Energy savings can be efficiently realized by reducing the energy required in the pretreatment stage.
  • solubilized waste having a reduced temperature by applying the method of the present invention is preferably reduced in temperature to the same condition as the operating temperature of the anaerobic digester and then introduced into the anaerobic digester so that the energy required by the anaerobic digestion plant can be reduced. do.
  • biogas produced by applying the method of the present invention may be used for the production of electricity through cogeneration.
  • the exhaust gas generated in the process of driving the cogeneration unit by applying the method of the present invention recovers the heat energy using the fruit, circulates to the heat solubilizing device to supply the energy to the heat solubilizer in the process It can be supplied from the facility.
  • the cooling device for cooling to prevent overheating of the engine in the process of driving the cogeneration unit by applying the method of the present invention is replaced by a cooling water heat exchanger is circulated to a high temperature anaerobic digester to supply the energy required for warming by high temperature anaerobic
  • the thermal energy required by the fire extinguishing system can be applied as an economical system that can be supplied from the in-process equipment.

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Abstract

본 발명은 에너지 재순환을 이용한 유기성 폐기물의 고온 기소화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물의 열가용화 전처리 단계, 고온 혐기소화 단계 및 바이오가스를 이용한 열병합발전으로 이루어지는 유기성 폐기물 고온 혐기소화 공정에서, 공정 중에 발생되는 내부 발생 에너지를 회수하고 재순환시켜서 외부에서 공급이 필요한 열량을 대체 이용하도록 함으로써 높은 에너지 자립율을 달성할 수 있어서 경제적으로 매우 유리한 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법과 그에 적용할 수 있는 고온 혐기소화설비에 관한 것이다.

Description

에너지 재순환을 이용한 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법
본 발명은 에너지 재순환을 이용한 유기성 폐기물의 고온혐기소화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물의 열가용화 전처리 단계, 고온 혐기소화 단계 및 바이오가스를 이용한 열병합발전으로 이루어지는 유기성 폐기물 혐기소화 공정에서, 공정 중에 발생되는 내부 발생 에너지를 회수하고 재순환시켜서 외부에서 공급이 필요한 열량을 대체 이용하도록 함으로써 높은 에너지 자립율을 달성할 수 있어서 경제적으로 매우 유리한 유기성 폐기물의 혐기소화방법과 그에 적용할 수 있는 혐기소화설비에 관한 것이다.
하수처리과정에서 발생하는 하수슬러지를 비롯하여 음식물쓰레기, 가축분뇨와 같이 유기물(질)을 다량으로 함유한 폐수 등을 포함하는 유기성 폐기물은 혐기소화 공정을 통해 에너지원으로 이용 가능한 메탄을 생성할 수 있다.
그러나, 유기성 폐기물을 이용한 혐기소화 공정은 일반적으로 35±10℃의 중온에서 이루어지게 되며, 바이오가스의 수율이 낮고, 오랜시간이 소모되며, 낮은 혐기소화 수율로 인하여 혐기소화 공정을 거치고 나오더라도 유기성 폐기물의 부피가 크게 줄어들지 않아 감량률 또한 낮게 유지되는 문제점을 가지고 있었다.
이러한 유기성 폐기물을 이용한 혐기소화 방법은 상대적으로 처리단가가 낮은 해양투기를 이용해 처리함으로써 공정의 개발 및 개선이 크게 이루어지지 않고 있었으나, 런던협약의정서(1996)의 발효와 함께 2012년부터 유기성 폐기물의 해양방출이 전면 금지됨에 따라 육상에서의 유기성 폐기물 처리방법과 유기성 폐기물의 부피를 감소시키는 것에 대한 관심이 높아짐에 따라 활발한 연구개발이 이루어지기 시작했다.
이에 따라 생성된 유기성 폐기물을 안정적이고 경제적으로 감량화하고 최종처리하면서도 에너지원 혹은 비료 등의 부산물을 생성하여 에너지화하고 재활용할 수 있는 자원화에 관한 방안 모색이 이루어지고 있다.
이러한 유기성 폐기물의 에너지화/자원화/감량화 등을 해결할 수 있는 방법으로 혐기성 소화 방법이 제시될 수 있다.
종래 기술로서, 한국특허등록 제10-1066124호에서는 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 이용하여 메탄을 생성하는 과정에서 건식 소화조와 습식 소화조를 직렬로 연결하여 산발효조 및 미생물 배양조가 필요없는 혐기소화 방법을 제시하고 있다. 또한, 한국등록특허 제10-1092018호에서는 하수오니를 이용한 연속 고온 단상 혐기 발효 활성오니 제조방법에 관해 개시되어 있으며, 한국등록특허 제10-0588166호에서는 중온 혐기성 소화조에 고온혐기성 소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성 폐수 및 폐기물의 혐기성 소화방법이 제안되어 있다.
또한, 일본공개특허 제2002-126780호에서는 폐수 오니에 대해 잉여 슬러지의 바이오 처리를 통해 메탄가스를 생성하는 방법이 제안되어 있고, 한국등록특허 제10-1051729호에서는 유기성 폐기물을 포함하는 고농도 폐수를 처리하기 위해 산생성 반응조와 메탄 발효조, 침전조, 오니 저류조를 포함하여 제공되는 폐수처리방법이 제안되어 있으며, 일본공개특허 제2002-011494호에서는 고온 혐기 분위기에서 메탄발효 가능한 활성오니의 처리를 수반한 유기성 오수의 처리방법이 제안되어 있고, 미국등록특허 제7452466호에서는 바이오매스의 혐기성 소화 및 바이오가스의 발생을 위한 장치 및 방법에 관하여 제안하고 있다.
그러나 이러한 종래의 기술들은 고온 단상 혐기소화 운전 방법이나 하수(생, 잉여 또는 생 + 잉여) 슬러지를 이용하는 기술을 부분적으로 제안하고 있기는 하지만, 단기간에 하수처리를 과정에서 발생하는 하수(생, 잉여 또는 생 + 잉여) 슬러지를 이용하여 메탄가스의 생성을 가능하게 하는 안정적인 방법을 제공하지 못하고 있어서 비경제적이고 효율성이 떨어질 뿐만 아니라, 혐기소화 운전을 위해 과도한 에너지가 필요한 문제가 있다.
일반적으로, 혐기성 소화는 산소가 없는 상황에서도 살아갈 수 있는 혐기성 미생물 중 일부가 생장하면서 에너지원으로 이용 가능한 바이오가스인 메탄가스를 생성해내는 것에 착안하여, 혐기성 상태가 지속적으로 유지되는 반응기 안에 혐기성 미생물을 주입한 후 먹이로써 유기성 폐기물을 지속적으로 공급해 주는 방법을 의미한다. 주입된 유기성 폐기물은 혐기성 미생물의 먹이로 이용된 후 부피가 감소되어 배출됨으로써 부피 감량이 발생되게 되며, 혐기성 미생물에게 섭취된 유기성 폐기물은 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 바이오가스로 전환되게 된다. 생성된 바이오가스는 정제 및 압축과정을 통하여 에너지원으로 사용 가능하지만 일반적으로 열병합 발전을 통하여 전기에너지로 변환된 후 활용하거나 판매하게 된다.
이러한 혐기성 소화를 보다 원활하게 이루어지게 해주기 위하여, 열가용화 전처리를 이용하여 유기성 폐기물을 전처리할 수 있다. 열가용화 전처리는 유기성 폐기물을 고온·고압에서 일정시간 체류시켜 줌으로써 유기성 폐기물을 구성하고 있는 고분자의 물질을 단당류나 유기산과 같이 혐기소화 미생물이 이용하기 쉬운 저분자의 물질로 전환시켜 주는 공정이다. 그러나 열가용화 전처리 방법은 일반적인 대기중의 온도와 동일한 유기성 폐기물을 130~230℃의 고온으로 가온시켜야 하기 때문에 많은 에너지가 투입되어야 한다는 단점을 지니고 있으며, 고온·고압의 유기성 폐기물을 혐기소화장치에 투입가능한 상온·상압까지 온도와 압력을 낮추어야 한다는 단점을 지니고 있다.
또한, 혐기성 미생물을 이용한 혐기소화의 경우, 일반적으로 상온의 유기성 폐기물을 가온한 후 혐기소화장치로 주입해 주는 공정의 특성상 55℃의 고온 혐기소화 보다는 35℃ 전후의 중온 혐기소화를 주로 이용하게 되며, 이로 인해 고온 혐기소화에 비해, 낮은 유기성 폐기물 감량률, 바이오가스 생성률과 함께 높은 체류시간이 요구된다.
또한, 바이오가스를 이용한 열병합 발전의 경우에도, 생산된 전기의 매전단가가 구입하는 전기의 매입단가 대비 2~3배 높아 판매차익을 이용한 수익을 만들어낼 수 있기 때문에 널리 이용되고 있지만, 투입되는 바이오가스의 약 30~35% 정도만이 전기로 전환되고 나머지는 폐열로 방출되는 단점을 지니고 있다. 또한 폐열을 회수하는 난방수 순환 시스템을 구성하여 에너지 효율을 증대시키고자 하는 노력이 이루어져 왔으나, 안정적으로 장기간 폐열을 공급할 수 있는 시설이 부족하여 효과적으로 활용되지 못하는 단점 또한 존재한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국특허등록 제10-1066124호
(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-1092018호
(특허문헌 3) 한국등록특허 제10-0588166호
(특허문헌 4) 일본공개특허 제2002-126780호
(특허문헌 5) 한국등록특허 제10-1051729호
(특허문헌 6) 일본공개특허 제2002-011494호
(특허문헌 7) 미국등록특허 제7452466호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하여 공정과, 고온에서 혐기소화하는 공정, 그리고 바이오가스를 이용하여 열병합발전기를 구동하여 전력을 생산하는 공정을 통합하여 운전함으로써 경제적인 부담을 줄이는 것을 해결과제로 한다. 또한, 각 공정에서 발생하는 폐열을 회수하여 재순환하여 사용하도록 하여 경제적인 부담을 줄이는 것을 해결과제로 한다.
따라서 본 발명의 목적은 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하고 혐기소화를 진행하는 과정에서 발생하는 바이오가스를 이용하여 열병합 발전기를 구동하여 전력을 생산하고, 이때 각 공정에서 발생하는 폐열을 회수하여 재순환함으로써, 단위 공정에서 필요로 하는 에너지를 외부에서 공급받지 않아도 충당이 가능한 에너지 자립형 혐기소화방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 열가용화 전처리를 통하여 유기성 폐기물을 가용화한 뒤 혐기소화를 실시함으로써 혐기소화 효율을 증대시켜 유기성 폐기물의 최종 처분 시 감량률과 바이오가스 발생률을 증가시키고, 혐기성 미생물이 유기성 폐기물을 보다 원활하게 이용할 수 있도록 하여 혐기소화 공정에서 필요로 하는 체류시간을 감소시키는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 효율적인 공정과 경제적인 방법으로 유기성 폐기물을 혐기소화 처리하는 방법과 이러한 경제적인 혐기소화방법에 적용하기에 유용한 혐기소화설비를 제공하는데 있다.
위와 같은 본 발명의 과제 해결을 통한 목적 달성을 위하여, 본 발명은 유기성 폐기물을 사전에 열가용화 반응에 의해 배출된 유기성 폐기물과 접촉 열교환시켜서 온도를 교환하는 열교환 단계; 상기 열교환 단계를 거쳐 열교환된 유기성 폐기물을 열가용화 반응시켜서 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질인 가용화 폐기물로 전환시키는 열가용화 단계; 상기 열가용화 단계에서 전환된 가용화 폐기물을 고온에서 혐기소화시키는 단계; 상기 고온 혐기소화 과정에서 생성된 바이오가스를 포집하는 가스 포집 단계; 상기 포집된 바이오가스를 이용하여 열병합 발전을 수행하는 열병합발전 단계; 상기 열병합발전 단계에서 열병합발전 장치의 엔진으로부터 생성된 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 열매를 가온시키는 배가스 열교환 단계; 상기 가온된 열매를 열가용화 단계로 공급하는 배가스 열에너지 공급단계; 상기 배가스 열에너지 공급단계에서 열가용화 단계로 공급된 후 온도가 낮아진 열매를 상기 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 가열되는 열매로 순환시키는 열매 순환단계; 상기 열병합발전 장치의 엔진을 냉각시키기 위하여 수냉식으로 엔진을 냉각시키는 냉각수를 주입하는 냉각수 열교환 단계; 상기 가온된 냉각수를 고온의 혐기소화조로 공급하는 냉각수 열에너지 공급단계; 상기 냉각수 열에너지 공급단계에서 혐기소화 단계로 공급된 후 온도가 낮아진 냉각수를 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수로 순환시키는 냉각수 순환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기와 같은 혐기소화 방법에 적용하기 위한 바람직한 장치의 구현예로서, 유기성 폐기물이 열가용화 장치에 투입되기 전에 열교환 하는 열교환장치; 상기 열교환장치에서 열교환되어 가온된 유기성 폐기물이 투입되어 고온 고압에서 열가용화되는 열가용화장치; 상기 열가용화장치를 거쳐 배출되는 가용화 폐기물이 고온에서 혐기소화되는 고온 혐기소화장치; 상기 고온 혐기소화장치로부터 생성된 바이오가스가 포집되는 가스포집장치; 상기 포집된 바이오가스를 이용하여 열병합 발전을 수행하는 열병합발전장치; 상기 열병합발전장치의 엔진으로부터 생성된 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 열매를 가온시키는 배가스 열교환장치; 상기 가온된 열매를 열가용화장치로 공급하는 열매 순환장치; 상기 열병합발전장치의 엔진을 냉각시키기 위하여 수냉식으로 엔진을 냉각시키는 냉각수 열교환장치; 상기 가온된 냉각수를 보온의 목적으로 고온 혐기소화장치로 공급하는 냉각수 순환장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화설비를 제공한다.
본 발명에 따라 유기성 폐기물을 혐기소화 처리하게 되면 다음과 같은 이점이 있다.
1. 열가용화 전처리를 위해 가용화 장치로 투입되는 유기성 폐기물과 열가용화 장치에서 배출되는 가용화 폐기물의 접촉 열교환을 통하여 가용화 장치로 투입되는 유기성 폐기물을 가온하고, 가용화 장치에서 배출되는 가용화 폐기물의 온도는 낮추어주어 열가용화 전처리 단계에서 외부에서 투입해야되는 에너지의 양을 감소시킬 수 있게 된다. 구체적으로, 상온(0~25℃)으로 존재하는 유기성 폐기물을 접촉 열교환을 통하여 고온(120~140±10℃)으로 승온시킨 후 부족한 온도(40~60±10℃)만큼의 에너지만을 공급함으로써 열가용화 전처리 단계에서 투입되는 에너지(135~205±25℃)를 대폭 감소시킬 수 있다.
2. 열가용화 전처리 단계에서 온도가 낮아지는 가용화 폐기물은 혐기소화설비의 운전 온도까지 낮아진 상태에서 혐기소화설비로 투임됨으로써 혐기소화설비의 운전을 위하여 외부에서 투입해주어야 하는 열에너지를 제거시킬 수 있다. 구체적으로, 열교환을 통해 55~75±10℃로 낮아진 가용화 폐기물을 55±5℃로 유지되는 고온 혐기소화설비에 투입시킴으로써 상온(0~25℃)의 유기성 폐기물을 승온한 후 투입하는 일반적인 혐기소화설비보다 적거나 추가적인 에너지의 투입 없이 고온 혐기소화 설비를 운전할 수 있게 된다. 또한, 고온으로 승온된 가용화 폐기물을 이용함으로 인해 중온(35±10℃)보다 유기성 폐기물 감량률과 바이오가스 생성률이 높고 체류시간이 적은 고온 혐기소화를 에너지의 추가적인 투입 없이 운전할 수 있게 된다.
3. 열가용화 전처리를 거쳐 가용화된 유기성 폐기물을 혐기소화 설비에 투입시킴으로써 혐기소화 효율을 증대시켜 유기성 폐기물의 최종 처분 시 감량률과 바이오가스 발생률이 증가하게 되며, 혐기성 미생물이 유기성 폐기물을 보다 원활하게 이용할 수 있게 됨에 따라 혐기소화 공정에서 필요로 하는 체류시간을 감소시킬 수 있게 된다.
4. 상기 열가용화 전처리와 연결된 혐기소화 설비는 중온(35±10℃)이 아닌 고온(55±5℃)에서 운전되는 설비로써, 열가용화 전처리 단계에서 이루어지는 접촉 열교환의 목표 온도를 높여 빠른 시간 안에 접촉 열교환이 끝날 수 있도록 해주며, 중온 혐기소화 대비 높은 유기성 폐기물 감량률, 바이오가스 발생률이 유지되며, 체류시간은 반대로 중온 혐기소화 대비 낮출 수 있다.
5. 혐기소화 단계에서 생산된 바이오가스는 열병합 발전을 통해 전기로 변환하게 되며, 이때 열병합 발전기의 엔진을 통해 발생하는 고온의 배가스는 열매 열교환 장치를 통해 열매를 가온시키게 되고, 가온된 열매는 가용화 장치로 이송되어 가용화 장치에서 필요로 하는 에너지를 공급해주고 열매 열교환 장치로 재순환됨으로써, 배가스를 통해 배출되는 폐열을 재사용할 수 있다. 일반적인 열병합발전의 열교환 장치는 온수를 가열시키는 방법만을 제공하여 고온(350~450℃)의 배가스를 활용할 수 있는 방안이 미흡하며, 활용 효율 또한 떨어지지만, 본 발명에서는 고온의 배가스를 이용하여 열매를 가온시킨 후 고온(130~230±10℃)으로 운전되는 열가용화 전처리 장치에 활용시킴으로써 폐열의 활용 효율을 높이게 된다.
6. 열병합발전 장치의 엔진을 냉각시키기 위한 수냉식 냉각기를 통해 생산되는 냉각수는 혐기소화 장치의 보온 배관과 연결되어 혐기소화 장치의 보온에 필요한 열량을 공급해 주고 냉각수 열교환 장치로 재순환됨으로써, 혐기소화 장치의 보온에 투입되는 에너지를 대체하여 사용할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 혐기소화 방법을 이용하게 되면, 열가용화 전처리-혐기소화-열병합 발전의 단위공정을 통합하여 운전하면서 각 단계에서 발생되는 폐열을 통합 운전의 다른 공정으로 재순환시켜 외부에서 주입해 줘야 하는 에너지를 공급함으로써 혐기소화 설비에 추가적으로 공급하는 에너지가 없는 상태에서 고온 혐기소화 설비를 운전함으로써 경제성을 크게 증가시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법을 적용하기에 유용한 고온 혐기소화설비의 일 구현예로서 에너지 재순환을 이용할 수 있는 설비를 갖춘 고온 혐기소화설비를 간략하게 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 혐기소화방법은 단순한 혐기소화 단계만을 의미하는 것이 아니라 유기성 폐기물을 전처리한 후 혐기소화 처리하여 열병합발전에 적용하는데 이르기까지의 전체 공정을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서 혐기소화설비는 단순한 혐기소화를 위한 혐기소화장치와 구별하기 위한 것으로서, 유기성 폐기물을 전처리한 후 혐기소화 처리하여 열병합발전에 적용하는데 이르기까지의 전체 시스템을 운용하는데 필요한 장치를 포함하는 설비를 의미한다.
본 발명은 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 이용한 혐기소화 설비에서 발생하는 바이오가스를 이용하여 열병합발전을 하는 공정에서 다양한 에너지 회수를 통해 경제적으로 혐기소화설비를 운전하는 방법에 관한 것으로써, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 유기성 폐기물로서는 하수처리시설에서 발생하는 하수슬러지를 비롯하여, 음식물쓰레기, 기축분뇨 등과 같은 유기성 폐기물이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 유기성 폐기물을 혐기소화 처리함에 있어서, 열가용화 전처리한 후 혐기소화 설비로 투입하게 되며, 혐기소화설비에서 발생한 바이오가스는 열병합 발전설비를 통해 전기를 생산하게 된다.
본 발명에 따르면, 이 과정에서 열가용화 전처리 단계에서 열가용화 반응기로 주입되는 유기성 폐기물과 배출되는 가용화 폐기물 간의 접촉 열교환을 통하여 유기성 폐기물의 온도를 변화시켜 줌으로써 열가용화 전처리 단계에서 필요로 하는 에너지를 감소시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 접촉 열교환을 통해 혐기소화 설비 운전온도로 온도가 감소한 유기성 폐기물을 혐기소화 설비로 이송시킴으로써 혐기소화 설비가 필요로 하는 에너지를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 혐기소화 설비를 통해 발생되는 바이오가스를 이용한 열병합 발전 과정에서 엔진으로부터 배출되는 고온 배기 가스를 열매를 이용하여 회수한 후 열가용화 전처리에서 필요로 하는 에너지로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 엔진을 냉각시키기 위한 수냉식 쿨러에서 발생하는 냉각수를 혐기소화 설비의 보온에 사용할 수 있도록 구성할 수 있어서 에너지 재순환이 가능한 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 가용화 폐기물은 추가로 열교환을 통해 혐기소화 장치의 운전온도까지 온도를 감소시킨 후 혐기소화 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환 단계를 거친 유기성 폐기물은 통상의 온도에서 120~140±10℃의 고온으로 열교환될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열가용화 단계를 거친 가용화 폐기물은 130~230±10℃의 온도에서 55~75±10℃의 저온으로 온도가 변화될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열병합발전 단계에서는 그 과정에서 배출되는 배가스 및 발전에 이용되는 엔진에 열교환장치를 연결하여 폐열을 회수하고 열교환이 가능하도록 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기성 폐기물 혐기소화 방법을 적용하기에 유용한 혐기소화설비의 일 구현예로서 에너지 재순환을 이용할 수 있는 설비를 갖춘 혐기소화설비를 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명은 혐기소화장치(혹은 혐기소화조)에 주입되는 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하여 혐기소화장치 내의 혐기성 미생물이 빠르고 용이하게 먹이로 이용하게 할 수 있도록 해주며, 바이오가스 생성량을 증대시키도록 해준다. 또한, 생성된 바이오가스는 열병합 발전설비를 통해 전기를 생산하게 되며, 다양한 열 회수 장치 및 방법을 이용하여 내부 발생 에너지를 재순환하여 이용하도록 함으로써 열가용화 전처리 및 혐기소화설비에 필요한 열량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 혐기소화 방법에 적용되는 혐기소화설비는 바람직하게도 열가용화 전처리 장치, 혐기소화장치, 열병합 발전장치에서 유기성 폐기물, 열매, 열수 등이 상호 간에 연결되고 순환이 가능할 수 있도록 구성되어 매우 경제적이고 효율적인 시스템을 구성하고 있다.
도 1에 하나의 구현예로 나타낸 바와 같이, 상기 경제적인 혐기소화 방법에 적용할 수 있는 바람직한 혐기소화설비는 유기성 폐기물이 열가용화장치에 투입되기 전에 열교환을 수행하는 열교환장치(10); 상기 열교환장치(10)에서 열교환을 통해 가온된 유기성 폐기물이 투입되어 고온·고압에서 열가용화 되는 열가용화장치(20); 바람직하게는 상기 열가용화장치(20)에서 배출된 후 상기 열교환장치(10)로 주입되어 온도가 낮아진 가용화 폐기물로 전환하고 이를 혐기소화시키기 위해 투입되는 고온 혐기소화장치(30); 상기 고온 혐기소화장치(30)에서 생성된 바이오가스를 포집하여 저류하는 가스포집장치(40); 상기 가스포집장치(40)에서 포집된 바이오가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합발전장치(50); 상기 열병합발전장치(50)에서 전기를 생산하는 과정 중 발생하는 배가스와 연결되어 고온의 배가스를 통해 열에너지를 공급받아 열매를 가온시키는 배가스 열교환장치(60); 상기 배가스 열교환장치(60)를 통해 가온된 열매가 상기 열가용화장치(20)로 공급되어 열에너지를 공급하는 열매 순환장치(70); 다른 한편으로 상기 열병합발전장치(50)에 위치하는 엔진과 연결되어 냉각수를 이용한 수냉식 냉각을 통하여 엔진의 온도를 낮추어 주고 그 과정에서 냉각수가 가온되는 냉각수 열교환장치(80); 상기 냉각수 열교환장치(80)를 통해 가온된 냉각수가 상기 고온 혐기소화장치(30)로 공급되어 가온된 냉각수로부터 열에너지를 공급하는 냉각수 순환장치(90)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(10)는 하수슬러지나 음식물 쓰레기, 축산분뇨 등과 같은 유기성 폐기물이 열가용화장치(20)로 투입되기 전 열가용화 반응이 끝난 후 배출되는 열가용화된 유기성 폐기물과의 접촉 열교환을 통해 열가용화장치(20)로 투입되는 순환 구조를 가지는데, 이 과정에서 유기성 폐기물을 통상 온도에서 120~140±10℃의 고온으로 열교환된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(10)는 이중관의 형태로 구성되어 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하도록 구성하여 접촉 열교환이 이루어지는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 열가용화장치(20)에서 배출되는 가용화 폐기물은 130~230±10℃의 온도에서 55~75±10℃의 저온으로 온도가 바뀌게 되어, 열가용화장치(20)를 구동하기 위해 필요로 하는 온도(130~230±10℃)까지 가온하는데 필요한 열에너지의 양을 감소시키는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(10)를 통해 온도가 감소한 가용화 폐기물(55~75±10℃)은 구체적으로 고온 혐기소화장치(30)의 운전온도(55℃)까지 열교환을 진행한 후 고온 혐기소화장치(30)로 투입되게 함으로써 고온 혐기소화장치(30)의 운전을 위하여 외부에서 주입해주어야 하는 열에너지의 양을 감소시키는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열가용화장치(20)는 투입된 유기성 폐기물을 고온(130~230±10℃) 및 고압(13~25 bar)에서 일정시간인 약 30~60분 동안 체류시킴으로써 고분자로 이루어져 있는 유기성 폐기물을 단당류나 유기산과 같이 저분자 물질인 가용화 폐기물로 변화시켜 주는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 고온 혐기소화장치(30)에는 적정 운전온도(55℃)로 설정된 유기성 폐기물이 투입됨으로 인해, 고온 혐기소화장치(30)를 가온시키는데 필요로 하는 열에너지를 최소화할 수 있으며, 열가용화에 의해 전처리 되어 저분자 물질로 변환된 가용화 폐기물을 원료로 사용함에 따라 혐기성 미생물이 보다 용이하게 먹이를 섭취할 수 있어서 혐기소화 효율이 증가하기 때문에, 유기성 폐기물의 최종 처리 후의 부피가 감소하는 감량률과 혐기소화를 통해 생성되는 바이오가스 발생률이 증가하게 되며, 단위시간 당 유기성 폐기물의 이용량이 많아지게 됨에 따라 고온 혐기소화장치(30)에서 필요로 하는 체류시간을 감소시켜 건설 비용 및 필요 부지의 면적 등을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 고온 혐기소화장치(30)를 통해 생성된 바이오가스는 후단의 열병합발전장치(50)로 투입되기 전 저류하기 위한 목적으로 가스포집장치(40)로 이송되어 저장되게 되며, 이 과정에서 원활한 발전 및 공정 적용의 용이성 등을 위하여 탈황, 정제 등의 과정을 추가로 거칠 수 있다.
본 발명에서 상기 열병합발전장치(50)는 상기 가스포집장치(40)에 저류한 바이오가스를 이송받아 엔진을 구동하여 전기를 생산해내는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 구제적인 열병합발전장치(50)의 발전방법과 장치 구성은 통상의 방법에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열병합발전장치(50)를 이용해 전기를 생산해 내는 과정에서 생성되어 열병합발전장치(50) 외부로 배출되는 고온(350~450℃)의 배가스는 상기 배가스 열교환장치(60)를 통하여 저온(250℃)으로 변화하여 배출되게 되며, 상기 배가스 열교환장치(60) 내의 열매는 배가스의 열에너지를 공급받아 250~350±50℃의 고온으로 가온되는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 배가스 열교환장치(60)를 통해 가온된 열매는 상기 열매 순환장치(70)를 통하여 열가용화장치(20)로 공급되게 되며, 이로 인해 열에너지를 공급하게 되므로 상기 열교환장치(10)를 통하여 가온된 유기성 폐기물(120~140±10℃)이 원활한 열가용화 반응을 진행하기 위해(130~230±10℃) 필요로 하는 열에너지 중 부족한 부분을 공급하는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열매 순환장치(7)를 통하여 상기 열가용화 장치(2)로 공급되어 열에너지를 전달한 후 온도가 감소한 열매는 다시 상기 배가스 열교환장치(60)로 이송되어 열에너지를 공급받아 재순환될 수 있도록 구성된다.
한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 냉각수 열교환장치(80)는 상기 열병합발전장치(50)의 엔진 온도를 낮추어 주기 위해서 수냉식 냉각을 통하여 저온(55~75±10℃)의 냉각수를 고온(90±5℃)으로 변환시켜 주는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 냉각수 열교환장치(80)를 통해 가온된 냉각수는 상기 냉각수 순환장치(90)를 통해 고온 혐기소화장치(30)로 공급되게 되며, 상기 열교환장치(10)를 통하여 온도가 조절된 가용화 폐기물을 공급받아 운전함으로써 에너지 소모가 감소된 상기 고온 혐기소화장치(30)의 보온에 필요한 열에너지를 공급하는 역할을 수행하여, 상기 고온 혐기소화장치(30)의 안정적인 운전을 위하여 필요로 하는 보온 열에너지를 공급하는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 냉각수 순환장치(80)를 통하여 상기 고온 혐기소화장치(30)로 공급되어 열에너지를 전달한 후 온도가 감소한 냉각수는 다시 상기 냉각수 열교환 장치(8)로 이송되어 열에너지를 공급받아 재순환될 수 있도록 구성되어 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 바람직한 구성의 혐기소화방법과 이에 적용되는 상기와 같은 혐기소화설비는 상기와 같이 전체의 공정 내에서 발생되는 열을 에너지로 수집하고 재순환하여 에너지가 필요한 장치에 공급하도록 하는 에너지 재순환 시스템으로 이루어져 있어서 매우 경제적인 시스템으로 구성될 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법과 그에 적용되는 혐기소화설비는 일반적인 유기성 폐기물 처리시설 중 고온 혐기성 소화 방식을 사용하는 처리시설에 적용하기에 매우 유용한 에너지 절감형 설비의 운용 시스템이다.
본 발명에 따른 방법을 하수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 가축분뇨 처리장 등 혐기성 소화 시설이 있는 유기성 폐기물 처리장에 적용하는 경우 열가용화 전처리를 통해 저분자화된 유기성 폐기물이 고온 혐기성 소화 시설로 유입됨에 따라, 바이오 가스의 생산성 증대, 소화효율 증대, 혐기성 소화조 내 체류시간 감소, 최종 배출 유기성 폐기물의 함수율 감소 등의 효과를 기대할 수 있어 유기성 폐기물의 에너지 절감을 효율적으로 구현할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 열가용화 전처리를 운전하게 될 경우, 열가용화 장치로 투입되는 유기성 폐기물과 열가용화 장치에서 배출되는 가용화 폐기물 간의 접촉 열교환을 통하여 유기성 폐기물의 온도를 변화시켜 줌으로써 열가용화 전처리 단계에서 필요로 하는 에너지를 감소시켜 에너지 절감을 효율적으로 구현할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 온도가 감소한 가용화 폐기물은 바람직하게 혐기소화 장치의 운전 온도와 동일한 조건까지 온도가 감소한 뒤 혐기소화 장치에 투입됨으로써 혐기소화설비에서 필요로 하는 에너지를 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 생산된 바이오가스는 열병합 발전을 통하여 전기를 생산하는 용도로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 열병합 발전장치를 구동하는 과정에서 생성되는 배가스는 열매를 이용하여 열에너지를 회수하여 열가용화 장치로 순환시켜 에너지를 공급함으로써 열가용화장치가 필요로 하는 열에너지를 공정 내 설비에서 공급받을 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 열병합 발전장치를 구동하는 과정에서 엔진의 과열을 막기 위해 냉각시키는 냉각 장치는 냉각수 열교환 장치로 대체되어 고온 혐기소화장치로 순환시켜 보온에 필요한 에너지를 공급함으로써 고온 혐기소화장치가 필요로 하는 열에너지를 공정 내 설비에서 공급받을 수 있는 경제적인 시스템으로 적용할 수 있게 된다.
[부호의 설명]
10 : 열교환장치
20 : 열가용화장치
30 : 혐기소화장치
40 : 가스포집장치
50 : 열병합발전장치
60 : 배가스 열교환장치
70 : 열매 순환장치
80 : 냉각수 열교환장치
90 : 냉각수 순환장치


[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 1485012399
[부처명] 환경부
[연구관리전문기관] 한국환경산업기술원
[연구사업명] 하·폐수고도처리기술개발사업 (환경부 글로벌탑 환경기술개발사업)
[연구과제명] 하수처리장 에너지 자립을 위한 한국형 바이오가스 생산·회수 및 활용 통합 실증화 기술 개발
[기여율] 1/1
[주관기관] ㈜SK케미칼
[연구기간] 2011.08.01~2016.04.30

Claims (10)

  1. 유기성 폐기물을 사전에 열가용화 반응에 의해 배출된 유기성 폐기물과 접촉 열교환시켜서 온도를 교환하는 열교환 단계;
    상기 열교환 단계를 거쳐 열교환된 유기성 폐기물을 열가용화 반응시켜서 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질인 가용화 폐기물로 전환시키는 열가용화 단계;
    상기 열가용화 단계에서 전환된 가용화 폐기물을 고온 혐기소화시키는 단계;
    상기 고온 혐기소화 과정에서 생성된 바이오가스를 포집하는 가스 포집 단계;
    상기 포집된 바이오가스를 이용하여 열병합 발전을 수행하는 열병합발전 단계;
    상기 열병합발전 단계에서 열병합발전 장치의 엔진으로부터 생성된 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 열매를 가온시키는 배가스 열교환 단계;
    상기 가온된 열매를 열가용화 단계로 공급하는 열에너지 공급단계;
    상기 열에너지공급 단계에서 열가용화 단계로 공급된 후 온도가 낮아진 열매를 상기 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 가열되는 열매로 순환시키는 열매 순환단계;
    상기 열병합발전 장치의 엔진을 냉각시키기 위하여 수냉식으로 엔진을 냉각시키는 냉각수를 주입하는 냉각수 열교환 단계;
    상기 냉각수 열교환 단계에서 가온된 냉각수를 보온의 목적으로 고온 혐기소화 단계로 공급하여 순환시키는 냉각수 순환단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가용화 폐기물은 추가로 열교환을 통해 고온 혐기소화장치의 운전온도까지 온도를 감소시킨 후 고온 혐기소화 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환 단계를 거친 유기성 폐기물은 통상의 온도에서 120~140±10℃의 고온으로 열교환되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열가용화 단계를 거친 가용화 폐기물은 130~230±10℃의 온도에서 55~75±10℃의 저온으로 온도가 변화되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 열가용화 전처리 단계에서 열가용화 반응을 위해 주입되는 유기성 폐기물과 배출되는 가용화 폐기물 간의 접촉 열교환을 통하여 유기성 폐기물의 온도를 변화시켜 줌으로써 열가용화 전처리 단계에서 필요로 하는 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 접촉 열교환을 통해 혐기소화 단계에 필요한 운전온도로 온도가 감소한 유기성 폐기물을 고온 혐기소화 단계로 이송시킴으로써 고온 혐기소화 단계에서 필요로 하는 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.

  7. 청구항 1에 있어서, 고온 혐기소화 단계를 통해 발생되는 바이오가스를 이용한 열병합 발전 단계에서 엔진으로부터 배출되는 고온 배가스를 열매를 이용하여 회수한 후 열가용화 반응에서 필요로 하는 에너지로 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화방법.

  8. 청구항 1에 있어서, 상기 열병합발전 단계에서는 그 과정에서 배출되는 배가스 및 발전에 이용되는 엔진에 열교환 장치를 연결하여 폐열을 회수하고 열교환이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법.

  9. 유기성 폐기물이 열가용화 장치에 투입되기 전에 열교환 하는 열교환장치;
    상기 열교환장치에서 열교환되어 가온된 유기성 폐기물이 투입되어 고온 고압에서 열가용화되는 열가용화장치;
    상기 열가용화장치를 거쳐 배출되는 가용화 폐기물이 고온 혐기소화되는 고온 혐기소화장치;
    상기 혐기소화장치로부터 생성된 바이오가스가 포집되는 가스포집장치;
    상기 포집된 바이오가스를 이용하여 열병합 발전을 수행하는 열병합발전장치;
    상기 열병합발전장치의 엔진으로부터 생성된 고온의 배가스로부터 열을 회수하여 열매를 가온시키는 배가스 열교환장치; 상기 가온된 열매를 열가용화장치로 공급하는 열매 순환장치;
    상기 열병합발전장치의 엔진을 냉각시키기 위하여 수냉식으로 엔진을 냉각시키는 냉각수 열교환장치;
    상기 가온된 냉각수를 보온의 목적으로 고온 혐기소화장치로 공급하는 열수 순환장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화설비.

  10. 청구항 9에 있어서, 상기 열교환장치는 이중관의 형태로 구성되어 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하도록 구성하여 접촉 열교환이 이루어지는 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화설비.

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