WO2016137145A1 - 에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법 - Google Patents

에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법 Download PDF

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solubilization
waste
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이종인
이창열
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SK Chemicals Co Ltd
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    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/02—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by convection, i.e. heat being conveyed from a heat source to the materials or objects to be dried by a gas or vapour, e.g. air

Definitions

  • the present invention relates to a high temperature anaerobic digestion method of organic waste using energy recycling and energy-saving continuous heat solubilization pretreatment, and more particularly, to heat solubilizing pretreatment of organic waste prior to anaerobic digestion.
  • the present invention relates to a method and apparatus for high temperature anaerobic digestion of organic wastes in which solubilization efficiency is improved and energy saving can be achieved by applying solubility recycling method by applying solubilization with primary solubilization and flash reaction using temperature and pressure difference.
  • 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, long time spent, due to the low anaerobic digestion yield organic 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.
  • Anaerobic digestion focuses on the generation of methane that can be used as an energy source as some of the anaerobic microorganisms that can survive in the absence of oxygen are infused with organic matter by injecting anaerobic microorganisms into the reactor where the anaerobic condition is continuously maintained.
  • Means a method of continuously supplying waste.
  • the injected organic waste is used to feed anaerobic microorganisms, and then the volume is reduced and discharged.
  • the organic wastes ingested by anaerobic microorganisms are converted into biogas containing methane and carbon dioxide as main components.
  • the produced biogas can be used as an energy source through purification and compression processes, and can also be produced as electric energy using a cogeneration generator.
  • 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.
  • the heat solubilization pretreatment method applied in the conventional anaerobic digestion method helps to increase anaerobic digestion efficiency and stabilize the digestion process in the treatment of organic wastes using anaerobic digestion to increase the reduction rate and increase biogas production. It is a method for giving, and similar pretreatment methods include ultrasonic and chemical (alkali) injection.
  • the ultrasonic pretreatment method is to irradiate organic wastes with ultrasonic waves to reduce the molecular weight of the polymer.
  • the equipment is simpler than other methods, and the initial investment cost is low, but there is a limit to the large-sized device, and the sewage sludge and Likewise, there is a disadvantage in that efficiency is drastically lowered for highly viscous organic wastes.
  • Pretreatment using chemicals is a method of increasing the pH of organic wastes by adding alkaline chemicals and pretreatment in conjunction with methods such as crushing or thermal solubilization by applying ultrasonic pretreatment or pressure. It is mainly used as a method to increase the efficiency in conjunction with, but after the pre-treatment pH must be adjusted again, there is a disadvantage that the drug purchase costs continue to occur.
  • thermal pretreatment has a stable efficiency
  • expensive installation cost and high energy input amount are disadvantages.
  • 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 Korean Patent Registration No. 10-0849671
  • the present invention to solve the above problems, in the thermal solubilization pretreatment of organic waste, to improve the heat solubilization pretreatment process to increase the solubilization efficiency while reducing energy use and to enable anaerobic digestion treatment more economically. Shall be.
  • an object of the present invention is to efficiently heat solubilization by heat solubilization pretreatment by increasing the solubilization efficiency by performing solubilization by first solubilizing high temperature and high pressure and flash reaction using temperature and pressure difference. To provide a high temperature anaerobic digestion method for treating organic wastes.
  • another object of the present invention is to reduce the amount of heat to be injected for the thermal solubilization reaction by first heating up the organic waste using a high temperature steam generated in the second solubilization process and then injected into a thermal solubilization reactor.
  • Another object of the present invention is to reduce the amount of heat input to the warmth required during the anaerobic digestion process by using the liquefied steam (hot water) after heating up the organic waste to heat the high temperature anaerobic digestion reaction.
  • another object of the present invention is to heat up the organic waste injected into the thermal solubilization reactor through the heat exchange of the first heat up the organic waste injected into the thermal solubilization reactor and the high temperature heat solubilizing waste flowing out of the flash tank. In other words, it is to reduce the amount of heat needed to heat up organic waste for thermal solubilization.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for high temperature anaerobic digestion of organic waste useful for achieving the above object.
  • the present invention comprises the steps of removing the contaminants to remove foreign substances contained in the organic waste; Shredding the organic waste from which the contaminants have been removed, shredding the organic waste to homogenize the size, and firstly warming the waste using steam; Second warming of the first warmed organic waste after crushing by contact with a high temperature heat solubilizing waste which is solubilized and discharged in advance; A primary heat solubilization step of converting the second warmed organic waste into high molecular weight organic waste using low temperature and high pressure heat solubilization reaction; A secondary heat solubilization reaction step of causing a flash reaction by spraying hot and high pressure organic waste discharged through the heat solubilization reaction to an atmospheric pressure state; Contacting and heat-storing the second heat solubilization waste after the heat solubilization waste is contacted with the organic waste from which the contaminants injected for the heat solubilization reaction are removed; Anaerobic digestion of the stored heat solubilizing waste; Circulating steam generated during the second
  • the present invention is a contaminant removal device for removing foreign matter contained in the organic waste;
  • a heat exchanger for supplying heat required for secondary warming by contacting the first warmed organic waste after crushing with a high temperature heat solubilizing waste which is solubilized and discharged in advance;
  • a flash tank for injecting high temperature and high pressure organic waste discharged through the first heat solubilization reaction into an atmospheric pressure state and performing a second heat solubilization reaction through a flash reaction;
  • a thermal solubilization waste storage device connected to the heat exchanger and configured to contact the thermal solubilization waste, which has completed the secondary heat solubil
  • the organic waste is subjected to anaerobic digestion by thermal solubilization pretreatment, the following effects are obtained.
  • the organic waste which needs to be heated up for the heat solubilization is heated.
  • the steam which is converted into the hot water after the heat exchange is connected to the high temperature anaerobic digester to keep warm in the anaerobic digester.
  • the amount of heat required in the process can be reduced by appropriately covering the amount of heat required in the heat solubilization pretreatment and the high temperature anaerobic digestion.
  • 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 is discharged at a high temperature even through two-stage heat exchange in the heat solubilization pretreatment step.
  • the organic wastes can be directly used, high organic waste reduction rate and biogas generation rate are maintained compared to the medium temperature anaerobic digestion, and the residence time can be lowered compared to the medium temperature anaerobic digestion.
  • two steps of heat solubilization increase the pretreatment efficiency of organic wastes
  • two steps of steam reuse and contact heat exchange reduce the amount of heat to be injected from the outside for thermal solubilization pretreatment and anaerobic digestion.
  • a high temperature anaerobic digestion apparatus it is possible to raise the heat exchange target temperature, thereby reducing the heat exchange area and the installation cost.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an anaerobic digestion system suitable for using an anaerobic digestion method of organic waste using energy recycling and energy-saving continuous heat solubilization pretreatment according to an embodiment of the present invention.
  • the anaerobic digestion method does not mean only an anaerobic digestion step, but also includes a step of pretreating organic waste by a method such as heat solubilization.
  • Anaerobic digestion equipment in the present invention is to distinguish from the anaerobic digestion apparatus for simple anaerobic digestion, it means a facility including a device necessary for operating the entire system from the thermal solubilization pre-treatment of organic waste to anaerobic digestion.
  • the present invention relates to a method for economically operating an anaerobic digestion facility through various energy recovery in an anaerobic digestion process using organic wastes such as sewage sludge.
  • organic wastes are generated in a sewage treatment facility.
  • organic wastes such as food waste and waste manure can be used.
  • the biogas generated in the anaerobic digestion facility is used to produce electricity through the cogeneration plant.
  • the energy required in the heat solubilization pretreatment step is changed by changing the temperature of the organic waste through contact heat exchange between the organic waste injected for the heat solubilization reaction and the solubilization waste discharged in the heat solubilization pretreatment step. It can be reduced.
  • the present invention undergoes a step of eliminating organic wastes, crushing organic wastes, primary and secondary heat solubilization reactions, and anaerobic digestion, and circulating steam generated during thermal solubilization,
  • the present invention relates to an anaerobic digestion method of environmentally friendly energy-saving organic wastes by circulating the steam converted into steam for use in the anaerobic digestion reaction, and an anaerobic digestion system suitable for the application.
  • the organic waste of the polymer in the primary thermal warming reaction, may be converted into a low molecular weight material of a monosaccharide, an organic acid or a mixture thereof.
  • the primary thermal warming reaction may be carried out under conditions of high temperature of 130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C and high pressure of 13 ⁇ 25 bar.
  • the steam supplied to the crushing step of the organic material may supply heat energy of 120 ⁇ 160 ⁇ 10 °C.
  • the temperature of the organic waste may be heated to 35 ⁇ 55 ⁇ 10 °C in the crushing step by receiving the thermal energy from the steam.
  • the heat energy supplied by the steam or hot water, etc. may be configured to be supplied and circulated in a manner in which contact heat exchange is performed by configuring the inner pipe and the outer flow of the double pipe in opposite directions.
  • the organic waste introduced in the shredding step may include a step of heating up to a temperature of 120 ⁇ 130 ⁇ 10 °C through contact heat exchange.
  • the secondary heat solubilization reaction is carried out in the step of contacting the heat- solubilizing wastes of the secondary heat solubilization reaction with the organic wastes from which the contaminants injected for the heat solubilization reaction are removed, followed by heat exchange and storage.
  • the finished heat solubilizing waste may comprise a heat exchange step that is brought to a temperature of 55-75 ⁇ 10 ° C. through contact heat exchange.
  • the organic waste may include a process of flowing into the lower part after the first solubilization and flowed out to the upper portion for the primary heat solubilization reaction.
  • the organic waste flowing into the upper part after the first solubilization may include a process in which steam is generated while a flash phenomenon occurs during a flash reaction maintained at atmospheric pressure.
  • the flash reaction may include a process of stacking the second solubilized organic waste through the flash phenomenon.
  • the steam generated in the flash reaction is sent to the crushing step and supplied to the organic waste, the steam converted into hot water through steam heat exchange is supplied as thermal energy for the insulation of the anaerobic digestion reaction Can be.
  • the second solubilized thermal solubilization waste in the flash reaction may be subjected to an anaerobic digestion reaction.
  • the anaerobic digestion method according to the present invention is not only a medium temperature (35 ⁇ 10 °C) operating at a high temperature (55 ⁇ 5 °C) but also configured to efficiently perform the heat solubilization reaction, which occurs during the heat solubilization process It is a method of anaerobic digestion of organic wastes having an energy-saving system with a very high energy utilization efficiency by recirculating thermal energy and reusing it for thermal solubilization and anaerobic digestion.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an anaerobic digestion apparatus suitable for using a high temperature anaerobic digestion method of organic waste using energy recycling and energy-saving continuous heat solubilization pretreatment.
  • the anaerobic digestion apparatus includes a pretreatment facility for thermally solubilizing 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.
  • a pretreatment facility for thermally solubilizing 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.
  • the continuous heat solubilization pretreatment facility according to the present invention is configured to be connected to an anaerobic digestion apparatus for receiving and receiving organic wastes.
  • the storage device 1 may be additionally included immediately before or after concentration of the organic waste. .
  • the anaerobic digestion apparatus of the present invention comprises: a dust removal device (2) for removing organic matter by transporting organic wastes from the storage device (1); A shredding device (3) for storing the organic waste from which the contaminants have been removed, further shredding, and firstly raising the temperature using steam; A heat exchanger (5) for heating the first temperature and the crushed organic waste in the crushing unit for a second temperature; The heat solubilizer 6 for solubilizing the organic waste secondaryly heated at the heat exchanger 5 at a high temperature and high pressure, the outlet of the heat solubilizer 6 is maintained at atmospheric pressure, the primary A flash tank 7 for generating a flash phenomenon on the solubilized organic waste and solubilizing the organic waste secondly; A steam discharge device (8) positioned above the flash tank (7) to collect and discharge steam generated during flash development; A heat solubilizing waste discharge device (9) positioned below the flash tank (7) and configured to be connected to a heat exchange device (5) for heat exchange of the second solubilized
  • the storage device (1) is a device for storing before input to the final disposal or anaerobic digestion device 12 at the point where organic waste such as sewage sludge, food waste, livestock manure, etc., Additional devices may be installed to adjust the concentration of organic waste as needed.
  • the contaminant removal device 2 may be provided with a screen having a diameter of the organic waste passage 50 ⁇ 200 ⁇ m, preferably 80 ⁇ 120 ⁇ m. It is responsible for removing various wastes such as sand, hair, hair and vinyl contained in sewage sludge or livestock manure among organic wastes, and it is possible to determine whether to install or not according to the characteristics of organic waste at the site where the thermal solubilization pretreatment unit is installed. have.
  • the shredding device 3 may include a shredder while storing the organic waste from which the contaminants have been removed, and serves to uniformly grind the size of the organic waste by using the shredder.
  • the shredding device 3 is installed inside the pipe through which the steam generated in the heat solubilization reaction passes to warm the temperature of the organic waste through contact heat exchange between the steam and the organic waste. It may be configured to include a steam heat exchanger (4).
  • the crusher of the crusher 3 serves to continuously agitate the organic waste to uniformly distribute the organic waste in the crusher 3, contact with steam Heat exchange can also be configured to perform a role that can be made actively.
  • the heat exchanger (5) is an organic waste flowing out of the shredding device (3) and introduced into the heat solubilizer (6), and discharged from the flash tank (7) heat solubilizing waste storage device
  • Contact heat exchange between organic wastes moving to (10) may serve to reduce the energy consumption of the thermal solubilization reaction as the low temperature organic waste is converted to high temperature and the high temperature heat solubilized waste is converted to low temperature.
  • the heat exchanger 5 is preferably configured in the form of a double tube may be configured so that the flow of the inner tube and the outer face respectively.
  • the heat solubilizing device 6 is a polymer by holding the organic waste at a high temperature (130 ⁇ 230 ⁇ 10 °C) and high pressure (13 ⁇ 25 bar) for a predetermined time about 30 to 60 minutes
  • the organic waste consisting of consisting of low sugar, such as monosaccharides and organic acids can be changed to remove the bound water.
  • the flash tank 7 exposes the organic waste that passed through the heat solubilizing device 6 to atmospheric pressure to cause a flash reaction in which the diffusion phenomenon occurs instantaneously. It can also play a role in bringing about the low molecular weight of the organic waste remaining unchanged.
  • the high temperature water vapor is generated due to the pressure difference, and the generated water vapor is the steam heat exchange through the steam discharge device (8) To the device 4.
  • the heat solubilization waste that has been flash-reacted in the flash tank 7 is accumulated in the lower portion by gravity, and then through the heat solubilization waste discharge device 9, the heat exchanger ( To 5).
  • the heat-solubilizing waste heat exchanged in the heat exchange device 5 is then transferred to the anaerobic digestion device 12, a predetermined period in the thermal solubilization waste storage device 10 for a stable supply After storage, it may be configured to be supplied to the anaerobic digestion apparatus 12.
  • the hot water condensed by cooling is discharged to the lower part of the crushing device (3) to maintain the hot water storage device (11).
  • the insulation of the anaerobic digestion apparatus 12 may be transferred to the hot water pipe 13 for performing the insulation role of the anaerobic digestion apparatus 12 and then discharged.
  • the anaerobic digestion method and the anaerobic digestion apparatus for treating organic wastes according to the present invention include a continuous heat solubilization pretreatment process, and the heat solubilization pretreatment during heat treatment performed in order to proceed the anaerobic digestion more smoothly and stably.
  • by-products thermal energy
  • thermo energy such as waste heat and steam generated in the process to be heated to the process that needs to be heated to warm through contact heat exchange
  • the amount of heat to be injected in the injection heat solubilization pretreatment device is reduced, the waste heat generated after heat solubilization pretreatment This can reduce the energy consumption and improve the process to save energy more efficiently than conventional heat solubilization pretreatment.
  • the solubilization waste lowered to 55 ⁇ 75 ⁇ 10 °C through heat exchange into the high temperature anaerobic digestion equipment maintained at 55 ⁇ 5 °C to room temperature (0 ⁇ 25 °C) It is possible to operate the high temperature anaerobic digestion plant without inputting less or additional energy than the general anaerobic digestion plant, which is heated after heating up organic wastes.
  • 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 steam generated in the flash tank of the present invention is first used for heating the organic waste from which the contaminants have been removed, and then converted into hot water, and the hot water pipe for warming the anaerobic digester after being collected by the hot water storage device.
  • the temperature at which steam is converted into hot water can be controlled by adjusting the contact time with organic waste during the process of converting steam into hot water, which is applicable to both anaerobic digestion facilities operating at medium or high temperatures.
  • the present invention is a method of operating an energy-saving facility that is very useful to apply to a treatment facility using a high temperature anaerobic digestion method of a general organic waste treatment facility.
  • the method according to the present invention When 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, the low molecular weight organic waste is introduced into the anaerobic digestion apparatus through thermal solubilization pretreatment. Increased productivity, increased digestion efficiency, reduced residence time in the anaerobic digestion system, and reduced moisture content of the final discharged organic waste can be expected to effectively implement energy saving of organic waste.
  • an anaerobic digestion facility such as a sewage treatment plant, a food waste treatment plant, and a livestock manure treatment plant
  • biogas produced by applying the method of the present invention may be utilized as fuel for general power generation or fuel for vehicles through purification.

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Abstract

본 발명은 에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 혐기소화 처리하기 이전에 열가용화 전처리하는데 있어서, 고온·고압의 1차 가용화와 온도 및 압력차를 이용한 플래시 반응으로 2차 가용화를 실시하되 에너지 재순환 방법을 함께 적용함으로써 가용화 효율을 향상시키고 에너지 절약이 가능한 유기성 폐기물의 혐기소화방법과 그 장치에 관한 것이다.

Description

에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법
본 발명은 에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 혐기소화 처리하기 이전에 열가용화 전처리 하는데 있어서, 고온·고압의 1차 가용화와 온도 및 압력차를 이용한 플래시 반응으로 2차 가용화를 실시하되 에너지 재순환 방법을 함께 적용함으로써 가용화 효율을 향상시키고 에너지 절약이 가능한 유기성 페기물의 고온 혐기소화 방법과 그 장치에 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, 오랜 시간이 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.
혐기성 소화는 산소가 없는 상황에서도 살아갈 수 있는 혐기성 미생물 중 일부가 생장하면서 에너지원으로 이용 가능한 메탄을 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 가능하며, 열병합발전기를 이용하여 전기에너지로의 생산 또한 가능하다.
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.
이러한 기존의 혐기소화 방법에서 적용되는 열가용화 전처리 방법은 이러한 혐기성 소화를 이용한 유기성 폐기물의 처리에 있어서 혐기성 소화 효율을 증가시키고 소화 공정을 안정화시키는데 도움을 주어 감량률을 증대시키고 바이오가스 생성량을 증대시켜 주기 위한 방법이며, 유사한 전처리 방법으로 초음파, 화학물질(알칼리) 투입 등이 존재한다.
그 중 초음파에 의한 전처리 방법은 유기성 폐기물에 초음파를 조사하여 고분자를 저분자화 하는 방법으로 다른 방법들에 비해서 설비가 간단하여 초기투자비가 저렴한 장점은 있지만, 장치를 대형화하는데 한계가 있으며, 하수슬러지와 같이 점성이 높은 유기성 폐기물에 대해서 효율이 급격하게 낮아지는 단점 등이 존재한다.
화학물질을 이용한 전처리 방법은 알칼리성 화학물질을 투입하여 유기성 폐기물의 pH를 증가시킨 후 초음파 전처리나 압력을 가하여 파쇄 또는 열가용화 전처리 등의 방법과 연계하여 전처리를 하는 방법으로서, 단독 운전보다는 다른 전처리 시스템과 연계하여 효율을 증가시키기 위한 방법으로 주로 사용되지만, 전처리 후 pH를 다시 조절해주어야 하며, 약품 구매 비용이 지속적으로 발생하는 단점이 있다.
이와 같이, 다양한 방법의 유기성 폐기물 전처리 기술들이 개발되어 사용되고 있으나, 전처리 효율 및 유지 관리 등에서 가장 효과적인 방법으로 알려지고 있는 기술은 유기성 폐기물을 고온 및 고압에서 일정시간 체류시킴으로써 고분자로 이루어져 있는 유기성 폐기물을 단당류나 유기산 등의 저분자 물질로 변환시켜 혐기소화 미생물이 사용하기 용이한 물질로 전환되게 하는 열적 전처리를 통한 가수분해 방식이다.
그러나 열적 전처리 방식의 경우 안정적인 효율이 있음에도 불구하고, 고가의 장치 설치비 및 높은 에너지 투입량 등이 단점으로 지적되고 있다.
이러한 열가용화 전처리 방식으로 유기성 폐기물, 특히 하수 슬러지를 가용화 시키는 선행기술로써, 한국등록특허 제10-0849671호에서 “열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법”이 이미 제안된 바 있으나, 이러한 종래의 기술 또한 에너지 손실이 많은 문제점을 가지고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국특허등록 제10-1066124호
(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-1092018호
(특허문헌 3) 한국등록특허 제10-0588166호
(특허문헌 4) 한국등록특허 제10-0849671호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하는데 있어서, 열가용화 전처리 과정을 개선하여 가용화 효율을 상승시키면서 에너지 사용을 줄이고 보다 경제적으로 혐기소화 처리가 가능하도록 하는 것을 해결 과제로 한다.
따라서 본 발명의 목적은 유기성 폐기물을 열가용화 전처리 하는데 있어서, 고온·고압의 1차 가용화와 온도 및 압력차를 이용한 플래시 반응으로 2차 가용화를 실시함으로써, 가용화 효율을 상승시키는 열가용화 전처리를 통해 효율적으로 유기성 폐기물을 처리하는 고온 혐기소화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 2차 가용화 과정에서 발생된 고온의 스팀을 이용하여 유기성 폐기물을 1차 승온시킨 후 열가용화 반응기에 주입함으로써 열가용화 반응을 위해 주입해줘야 하는 열량을 감소시키는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 유기성 폐기물을 승온시킨 후 액화된 스팀(열수)을 고온 혐기소화 반응의 보온에 이용함으로써, 혐기소화 공정 시 필요한 보온에 투입되는 열량을 감소시키는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 열가용화 반응기로 주입되는 1차 승온된 유기성 폐기물과 플래시 탱크에서 유출되는 고온의 열가용화 폐기물의 접촉 열교환을 통해 열가용화 반응기로 주입되는 유기성 폐기물을 2차 승온 시킴으로써, 열가용화 반응을 위해 유기성 폐기물을 승온하는데 필요한 열량을 감소시키는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 목적 달성에 유용한 유기성 폐기물을 고온 혐기소화 처리하는 설비를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 과제 해결을 위하여, 본 발명은 유기성 폐기물에 함유된 이물질을 제거하는 협잡물의 제거단계; 상기 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄하여 크기를 균질하게 하고 스팀을 이용하여 1차 가온하는 유기성 폐기물의 파쇄 단계; 상기 파쇄된 후 1차 가온된 유기성 폐기물을, 미리 가용화하여 배출되는 고온의 열가용화 폐기물과 접촉시켜 2차 가온하는 단계; 상기 2차 가온화된 유기성 폐기물을 고온·고압의 열가용화 반응을 이용하여 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질로 전환하는 1차 열가용화 반응 단계; 상기 열가용화 반응을 통해 배출되는 고온·고압의 유기성 폐기물을 대기압 상태로 분사시켜 플래시 반응을 일으키는 2차 열가용화 반응 단계; 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 단계; 상기 저류된 열가용화 폐기물을 혐기소화 반응시키는 단계; 상기 2차 열가용화 시 발생되는 스팀을 상기 1차 가온에 순환시켜 열 에너지를 공급하는 단계; 상기 1차 가온에 열 에너지를 공급한 후 열수로 변환한 스팀을 저류시키는 단계; 및 상기 저류된 열수를 상기 혐기소화 반응 과정에서 보온에 사용하도록 순환시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물에 함유된 이물질을 제거하는 협잡물제거장치; 상기 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄하여 크기를 균질하게 하고 스팀을 이용하여 1차 가온하는 유기성 폐기물의 파쇄장치; 상기 파쇄된 후 1차 가온된 유기성 폐기물을, 미리 가용화하여 배출되는 고온의 열가용화 폐기물과 접촉시켜 2차 가온에 필요한 열을 공급하는 열교환장치; 상기 열교환장치에서 2차 가온화된 유기성 폐기물을 고온·고압의 열가용화 반응을 이용하여 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질로 전환하는 1차 열가용화 반응 위한 열가용화장치; 상기 1차 열가용화 반응을 통해 배출되는 고온·고압의 유기성 폐기물을 대기압 상태로 분사시켜 플래시 반응을 통해 2차 열가용화 반응시키는 플래시 탱크; 상기 열교환장치와 연결되어 있고 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 열가용화 폐기물저류장치; 상기 열가용화 폐기물저류장치에 저류된 열가용화 폐기물을 공급받아 고온에서 혐기소화 처리하는 고온 혐기소화 장치; 그리고, 상기 파쇄장치의 내부에 설치되어, 상기 플래시 탱크로부터 발생된 스팀이 공급되어 유기성 폐기물에 열을 공급한 후 열수로 전환되는 스팀 열교환장치; 상기 플래시 탱크의 상부에 설치되며, 스팀 열교환장치와 연결되게 설치되어 플래시 탱크에서 발생하는 스팀을 스팀 열교환 장치로 공급되도록 구성된 스팀배출장치; 상기 스팀 열교환장치의 하부와 연결되게 설치되어 혐기소화 장치의 보온배관으로 이송하기 전 고온의 열수로 바뀐 스팀을 저류하는 열수저류장치; 및 상기 열수저류장치에 저류된 열수를 상기 혐기소화 장치의 보온에 사용하도록 순환시키는 온수배관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비를 제공한다.
본 발명에 따라 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하여 혐기소화 처리하게 되면 다음과 같은 효과가 있다.
1. 2단계에 걸친 열가용화 반응을 통하여 유기성 폐기물의 전처리 효율을 증가시킴으로써 혐기성 소화 효율 및 감량률, 바이오가스 생성량 등을 증대시키며, 하수슬러지의 경우 최종 탈수 케익의 함수율을 낮출 수 있게 된다.
2. 플래시 과정에서 발생되는 고온의 스팀을 이용하여, 열가용화를 위해 승온이 필요한 유기성 폐기물을 가온하게 되며, 열교환이 끝나고 열수로 전환되는 스팀은 고온 혐기소화 장치로 연결되어 혐기소화 장치의 보온에 이용하게 하여, 열가용화 전처리 및 고온 혐기소화에서 필요로 하는 열량을 충당하게 함으로써, 공정에서 필요로 하는 열량의 투입을 줄일 수 있게 된다.
3. 스팀을 이용해 1차 승온된 유기성 폐기물을 플래시 탱크에서 유출되는 열가용화 폐기물과 접촉 열교환 시켜 2차 승온시킴으로써 열가용화 반응을 위하여 승온시켜야 하는 열량을 감소시키는 효과를 발생시킬 수 있다.
4. 상기 열가용화 전처리와 연결된 혐기소화 설비는 중온(35±10℃)이 아닌 고온(55±5℃)에서 운전되는 설비로써, 열가용화 전처리 단계에서 이루어지는 2단계에 걸친 열교환을 통해서도 고온으로 배출되는 유기성 폐기물을 직접적으로 이용 가능하게 하며, 중온 혐기소화 대비 높은 유기성 폐기물 감량률, 바이오가스 발생률이 유지되며, 체류시간은 반대로 중온 혐기소화 대비 낮출 수 있다.
즉, 2단계에 걸친 열가용화 반응을 통하여 유기성 폐기물의 전처리 효율을 증대시키며, 2단계에 걸친 스팀 재사용 및 접촉 열교환을 통하여 열가용화 전처리 및 혐기소화의 보온을 위하여 외부에서 주입하여야 되는 열량을 감소시킬 수 있게 되며, 고온 혐기소화 설비를 이용함으로써 열교환 목표 온도를 상승시켜, 열교환 면적 및 설치 비용을 감소시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법을 이용하기에 적합한 혐기소화설비의 일 구현예를 나타낸 개략 구성도이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 혐기소화방법은 단순한 혐기소화 단계만을 의미하는 것이 아니라 유기성 폐기물을 열가용화 등의 방법으로 전처리하는 공정을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서 혐기소화설비는 단순한 혐기소화를 위한 혐기소화장치와 구별하기 위한 것으로서, 유기성 폐기물을 열가용화 전처리하여 혐기소화 처리하는데 이르기까지의 전체 시스템을 운용하는데 필요한 장치를 포함하는 설비를 의미한다.
본 발명은 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 이용한 혐기소화 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, 혐기소화 설비에서 발생한 바이오가스는 열병합 발전설비를 통해 전기를 생산하는데 이용된다.
본 발명에 따르면, 이 과정에서 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 감소시킬 수 있는 것이다.
본 발명은 유기성 폐기물의 협잡물 제거단계, 유기성 폐기물의 파쇄 단계, 1차 및 2차 열가용화 반응 단계, 및 혐기소화 처리하는 단계 등을 거치며, 이 과정에서 열가용화 시 발생되는 스팀을 순환시키고, 열수로 변환한 스팀을 혐기소화 반응에 사용하도록 순환시키는 방법을 통해 에너지 재순환이 가능하게 하여 환경 친화적인 에너지 절감형 유기성 폐기물의 혐기소화방법과 그에 적용하기에 적합한 혐기소화설비에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 1차 열가온화 반응에서는 고분자의 유기성 폐기물이 단당류, 유기산 또는 이들의 혼합물 상태의 저분자 물질로 전환될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 1차 열가온화 반응은 130~230±10℃의 고온 및 13~25 bar의 고압의 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 유기물의 파쇄단계로 공급 순환되는 스팀은 120~160±10℃의 열에너지를 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 스팀으로부터 열에너지를 공급받아 상기 파쇄단계에서 유기성 폐기물의 온도가 35~55±10℃로 가온될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 스팀 또는 열수 등에 의해 공급되는 열에너지는 이중관의 형태의 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하도록 구성하여 접촉 열교환이 이루어지는 방법으로 공급되고 순환되도록 구성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파쇄단계에서 유입된 유기성 폐기물은 접촉 열교환을 통해 120~130±10℃의 온도로 승온되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 단계에서 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물은 접촉 열교환을 통해 55~75±10℃의 온도로 낮아지는 열교환단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 유기성 폐기물이 1차 열가용화 반응을 위해서는 하부로 유입되어 1차 가용화된 후 상부로 유출되는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 1차 가용화된 후 상부로 유출되는 유기성 폐기물은 대기압으로 유지되는 플래시 반응시에 플래시 현상이 발생하면서 스팀이 생성되는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 플래시 반응에서 플래시 현상을 통해 2차 가용화된 유기성 폐기물이 하부에 쌓이는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 플래시 반응에서 발생한 스팀이 상기 파쇄단계로 보내져 유기성 폐기물에 공급되는 과정을 거치고, 스팀 열교환을 통해 열수로 전환된 스팀이 혐기소화 반응의 보온을 위한 열 에너지로 공급될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 플래시 반응에서 2차 가용화 된 열가용화 폐기물은 열교환 과정을 거쳐 혐기소화 반응을 수행할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 혐기소화방법은 중온(35±10℃)이 아닌 고온(55±5℃)에서 운전되는 설비로써 열가용화 반응을 효율적으로 수행하도록 구성되어 있을 뿐만 아니라, 열가용화 과정에서 발생하는 열에너지를 재순환시켜서 열가용화 반응과 혐기소화 반응에 다시 이용하도록 구성함으로써 에너지 활용 효율이 매우 큰 에너지 절감형 시스템을 가지는 유기성 폐기물의 혐기소화방법이다.
한편, 본 발명에 따른 상기와 같은 유기성 폐기물의 혐기소화방법을 적용하기에 유용한 혐기소화설비를 도면과 함께 하나의 구현예로 설명한다.
도 1은 본 발명의 에너지를 재순환 및 에너지 절약형 연속식 열가용화 전처리를 이용하는 유기성 폐기물의 고온 혐기소화 방법을 이용하기에 적합한 혐기소화설비의 일 구현예를 나타낸 개략 구성도이다.
본 발명에 따른 혐기소화설비는 혐기소화장치(혹은 혐기소화조)에 주입되는 유기성 폐기물을 혐기소화장치 내의 혐기성 미생물이 빠르고 용이하게 먹이로 이용하게 할 수 있도록 열가용화하는 전처리 설비를 포함하는 것으로, 고온·고압에서 유기성 폐기물을 체류시킴으로써 1차 가용화한 후 대기압 상태로 분사하여 플래시 반응을 일으키는 2차 가용화를 통해 가용화 효율을 증대시키며, 다양한 열 에너지의 회수 및 순환을 위한 장치 이용하여 열가용화 전처리에 필요한 열 에너지의 소비를 감소시킬 수 있다.
이에 본 발명에 따른 연속식 열가용화 전처리 설비는 유기성 폐기물을 공급받아 수용하는 혐기소화장치와 연결할 수 있도록 구성된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 연속식 열가용화 전처리 공정이 이용되는 고온 혐기소화 설비의 바람직한 구현예에 따르면, 유기성 폐기물의 최종 처분 직전 혹은 농축 직후 체류하는 저류장치(1)를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 혐기소화설비는 상기 저류장치(1)에서 유기성 폐기물을 이송해 협잡물을 제거시키는 협잡물 제거장치(2); 상기 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류하고 추가 파쇄하며 스팀을 이용해 1차 승온하는 파쇄장치(3); 상기 파쇄장치에서 1차 승온 및 파쇄된 유기성 폐기물을 2차 승온하는 열교환장치(5); 상기 열교환장치(5)에서 2차 승온된 유기성 폐기물을 고온·고압에서 1차 가용화 하는 열가용화장치(6), 상기 열가용화장치(6)의 배출부에 연결되어 대기압 상태로 유지되며, 1차 가용화 한 유기성 폐기물에 플래시 현상을 발생시켜 유기성 폐기물을 2차 가용화하는 플래시 탱크(7); 상기 플래시 탱크(7)의 상부에 위치하여 플래시 현상 시 발생하는 스팀을 포집 및 배출하는 스팀배출장치(8); 상기 플래시 탱크(7)의 하부에 위치하여 2차 가용화가 끝난 유기성 폐기물의 열교환을 위하여 열교환 장치(5)와 연결되게 구성한 열가용화 폐기물배출장치(9); 상기 열교환장치(5)를 통해 열교환이 완료된 열가용화 폐기물을 저류하고 혐기소화장치(12)로 이송할 수 있도록 연결 구성된 열가용화 폐기물저류장치(10); 상기 스팀배출장치(8)와 연결되게 구성하며, 상기 파쇄장치(3) 내로 스팀이 이송되고 1차 승온이 진행되는 스팀 열교환장치(4); 상기 스팀 열교환장치(4)에서 열교환이 끝난 후 온수로 전환된 스팀을 저류하고, 혐기소화조 내의 보온 배관과 연결되도록 구성한 열수저류장치(11)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 저류장치(1)는 하수슬러지나 음식물쓰레기, 축산분뇨 등과 같이 유기성 폐기물이 발생되는 지점에서 최종 처분 혹은 혐기소화장치(12)에 투입 전 저류하는 장치로서, 필요에 따라 유기성 폐기물의 농도를 조절할 수 있는 장치가 추가로 설치될 수 있다
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 협잡물 제거장치(2)는 유기성 폐기물 통과 직경이 50~200㎛, 바람직하게는 80~120㎛의 직경을 가지는 스크린이 설치될 수 있다. 여기서는 유기성 폐기물 중 하수슬러지나 축산분뇨에 포함되어 있는 모래나 털, 머리카락, 비닐 등과 같은 각종 협잡물을 제거하는 역할을 담당하며 열가용화 전처리 장치가 설치되는 현장의 유기성 폐기물 특성에 따라 설치 유무를 결정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파쇄장치(3)는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄기를 포함할 수 있으며, 이를 이용하여 유기성 폐기물의 크기를 균질하게 분쇄시키는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파쇄장치(3)는 열가용화 반응에서 발생된 스팀이 통과하는 배관이 내부에 설치되어 있어 스팀과 유기성 폐기물 간의 접촉 열교환을 통해 유기성 폐기물의 온도를 가온시키는 스팀 열교환장치(4)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 파쇄장치(3)의 파쇄기는 유기성 폐기물을 지속적으로 교반시키는 역할을 수행하여 파쇄장치(3) 내에서 유기성 폐기물이 균일하게 분포하며, 스팀과의 접촉 열교환 또한 활발하게 이루어질 수 있게 하는 역할을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(5)는 파쇄장치(3)에서 유출되어 열가용화장치(6)로 유입되는 유기성 폐기물과, 플래시 탱크(7)에서 배출되어 열가용화 폐기물 저류장치(10)로 이동하는 유기성 폐기물 간의 접촉 열교환을 통해 저온의 유기성 폐기물이 고온으로, 그리고 고온의 열가용화 폐기물이 저온으로 바뀌면서 열가용화 반응 시 발생되는 에너지 소모를 줄이기 위한 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(5)는 바람직하게는 이중관의 형태로 구성되어 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하게 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열가용화장치(6)는 유기성 폐기물을 고온(130~230±10℃) 및 고압(13~25 bar)에서 일정시간인 약 30~60분 동안 체류시킴으로써 고분자로 이루어져 있는 유기성 폐기물을 단당류나 유기산 등의 저분자로 변화시키고 결합수를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 플래시 탱크(7)는 상기 열가용화 장치(6)를 거친 유기성 폐기물을 대기압 상태에 노출시켜 순간적으로 확산 현상이 발생되는 플래시 반응을 일어나게 함으로써 열가용화 단계에서 저분자로 변화되지 않고 남아있는 유기성 폐기물의 저분자화를 다시 한 번 일어나게 하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 플래시 탱크(7)에서 플래시 현상이 발생할 때 압력차이로 인해 고온의 수증기가 발생하게 되며, 이렇게 발생한 수증기는 스팀 배출장치(8)를 통하여 상기 스팀 열교환 장치(4)로 이송되게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 플래시 탱크(7)에서 플래시 반응이 끝난 열가용화 폐기물은 중력에 의해 하부에 쌓이게 되며, 그 후 열가용화 폐기물 배출장치(9)를 통하여 상기 열교환장치(5)로 이송되게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환장치(5)에서 열교환이 끝난 열가용화 폐기물은 이후 혐기소화장치(12)로 이송되게 되며, 안정적인 공급을 위하여 열가용화 폐기물저류장치(10)에서 일정기간 저류한 후 혐기소화장치(12)로 공급되게 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 스팀 열교환장치(4)에서 협잡물이 제거된 유기성 폐기물에 열을 공급한 후 냉각 응축된 열수는 상기 파쇄장치(3)의 하부로 배출되어 열수저류장치(11)에 포집된 후, 혐기소화장치(12)의 보온은 위한 온수배관(13)으로 이송되어 혐기소화장치(12)의 보온 역할을 수행한 후 배출되게 구성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리를 위한 혐기소화방법 및 혐기소화설비는 연속식 열가용화 전처리 공정을 포함하며, 혐기성 소화를 보다 원활하고 안정적으로 진행시키기 위하여 실시하는 열처리 중 열가용화 전처리에서 발생하는 폐열 및 스팀 등과 같은 부산물(열 에너지)을 승온이 필요한 공정으로 재순환시켜서 접촉 열교환을 통해 가온시켜 줌으로써, 주입 열가용화 전처리 장치에서 주입해주어야 하는 열량은 감소시키고, 열가용화 전처리 후 발생되는 폐열은 줄여 주게 되고, 이로 인해 기존의 열가용화 전처리 공정보다 에너지를 효율적으로 절감할 수 있도록 공정을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 열가용화 반응을 거친 가용화 폐기물의 경우, 열교환을 통해 55~75±10℃로 낮아진 가용화 폐기물을 55±5℃로 유지되는 고온 혐기소화 설비에 투입시킴으로써 상온(0~25℃)의 유기성 폐기물을 승온한 후 투입하는 일반적인 혐기소화 설비보다 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.
이와 같이, 본 발명의 플래시 탱크에서 발생되는 스팀은 1차적으로 협잡물이 제거된 유기성 폐기물의 가온에 사용한 후 열수로 전환시키게 되며, 열수저류장치에서 포집된 후 혐기소화장치의 보온을 위한 온수배관과 연결되며, 스팀이 열수로 전환되는 과정에서 유기성 폐기물과의 접촉시간을 조절해 줌으로써 열수로 전환되는 온도를 조절할 수 있기 때문에 중온 혹은 고온에서 운전하는 혐기소화설비에 모두 적용 가능하다는 이점이 있는 것이다.
본 발명은 일반적인 유기성 폐기물 처리시설 중 고온 혐기성 소화 방식을 사용하는 처리시설에 적용하기에 매우 유용한 에너지 절감형 설비의 운용 방법이다.
본 발명에 따른 방법을 하수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 가축분뇨 처리장 등 혐기성 소화 시설이 있는 유기성 폐기물 처리장에 적용하는 경우 열적 가용화 전처리를 통해 저분자화된 유기성 폐기물이 혐기소화장치로 유입됨에 따라, 바이오 가스의 생산성 증대, 소화효율 증대, 혐기소화장치 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 생산된 바이오가스는 정제를 통해 일반 발전용 연료 또는 차량용 연료로 활용할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 방법을 적용하여 생산된 바이오가스를 이용하여 발전을 실시하여 전력을 생산하여 활용할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
1 : 저류장치
2 : 협잡물 제거장치
3 : 파쇄장치
4 : 스팀 열교환장치
5 : 열교환장치
6 : 열가용화장치
7 : 플래시 탱크
8 : 스팀배출장치
9 : 열가용화 폐기물배출장치
10 : 열가용화 폐기물저류장치
11 : 열수저류장치
12 : 혐기소화장치
13 : 온수배관

Claims (20)

  1. 유기성 폐기물에 함유된 이물질을 제거하는 협잡물의 제거단계; 상기 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄하여 크기를 균질하게 하고 스팀을 이용하여 1차 가온하는 유기성 폐기물의 파쇄 단계; 상기 파쇄된 후 1차 가온된 유기성 폐기물을, 미리 가용화하여 배출되는 고온의 열가용화 폐기물과 접촉시켜 2차 가온하는 단계; 상기 2차 가온화된 유기성 폐기물을 고온·고압의 열가용화 반응을 이용하여 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질로 전환하는 1차 열가용화 반응 단계; 상기 열가용화 반응을 통해 배출되는 고온·고압의 유기성 폐기물을 대기압 상태로 분사시켜 플래시 반응을 일으키는 2차 열가용화 반응 단계; 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 단계; 상기 저류된 열가용화 폐기물을 혐기소화 반응시키는 단계; 상기 2차 열가용화 시 발생되는 스팀을 상기 1차 가온에 순환시켜 열 에너지를 공급하는 단계; 상기 1차 가온에 열 에너지를 공급한 후 열수로 변환한 스팀을 저류시키는 단계; 및 상기 저류된 열수를 상기 혐기소화 반응 과정에서 보온에 사용하도록 순환시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 열가용화 반응에서는 고분자의 유기성 폐기물이 단당류, 유기산 또는 이들의 혼합물 상태의 저분자 물질로 전환되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유기물의 파쇄단계로 공급 순환되는 스팀은 120~160±10℃의 열에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 파쇄단계에서 상기 스팀으로부터 열에너지를 공급받아 유기성 폐기물의 온도가 35~55±10℃로 가온되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시키는 과정은 이중관의 형태의 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하도록 구성하여 접촉 열교환이 이루어지는 방법으로 공급되고 순환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 파쇄단계에서 유입된 유기성 폐기물은 접촉 열교환을 통해 120~130±10℃의 온도로 승온되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 단계에서, 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물은 접촉 열교환을 통해 55~75±10℃의 온도로 낮아지는 열교환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 유기성 폐기물이 1차 열가용화 반응을 위해서는 하부로 유입되어 1차 가용화된 후 상부로 유출되는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 1차 가용화된 후 상부로 유출되는 유기성 폐기물은 대기압으로 유지되는 플래시 반응시에 플래시 현상이 발생하면서 스팀이 생성되는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 플래시 반응에서 플래시 현상을 통해 2차 가용화된 유기성 폐기물이 하부에 쌓이는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 플래시 반응에서 발생한 스팀이 상기 파쇄단계로 보내져 유기성 폐기물에 공급되는 과정을 거치고, 스팀 열교환을 통해 열수로 전환된 스팀이 혐기소화 반응의 보온을 위한 열 에너지로 공급되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 플래시 반응에서 2차 가용화 된 열가용화 폐기물은 열교환 과정을 거쳐 혐기소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화방법.
  13. 유기성 폐기물에 함유된 이물질을 제거하는 협잡물제거장치; 상기 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄하여 크기를 균질하게 하고 스팀을 이용하여 1차 가온하는 유기성 폐기물의 파쇄장치; 상기 파쇄된 후 1차 가온된 유기성 폐기물을, 미리 가용화하여 배출되는 고온의 열가용화 폐기물과 접촉시켜 2차 가온에 필요한 열을 공급하는 열교환장치; 상기 2차 가온화된 유기성 폐기물을 고온·고압의 열가용화 반응을 이용하여 고분자의 유기성 폐기물을 저분자 물질로 전환하는 1차 열가용화 반응 위한 열가용화 장치; 상기 열가용화 반응을 통해 배출되는 고온·고압의 유기성 폐기물을 대기압 상태로 분사시켜 플래시 반응을 통해 2차 열가용화 반응시키는 플래시 탱크; 상기 열교환장치와 연결되어 있고 상기 2차 열가용화 반응이 끝난 열가용화 폐기물을 열가용화 반응을 위해 주입되는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물과 접촉시켜서 열교환시킨 후 저류하는 열가용화 폐기물저류장치; 상기 열가용화 폐기물저류장치에 저류된 열가용화 폐기물을 공급받아 혐기소화 처리하는 혐기소화장치; 그리고, 상기 파쇄장치의 내부에 설치되어, 상기 플래시 탱크로부터 발생된 스팀이 공급되어 유기성 폐기물에 열을 공급한 후 열수로 전환되는 스팀 열교환장치; 상기 플래시 탱크의 상부에 설치되며, 스팀 열교환장치와 연결되게 설치되어 플래시 탱크에서 발생하는 스팀을 스팀 열교환 장치로 공급되도록 구성된 스팀배출장치; 상기 스팀 열교환장치의 하부와 연결되게 설치되어 혐기소화 장치의 보온배관으로 이송하기 전 고온의 열수로 바뀐 스팀을 저류하는 열수저류장치; 및 상기 열수저류장치에 저류된 열수를 상기 혐기소화장치의 보온에 사용하도록 순환시키는 온수배관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  14. 청구항 13에 있어서, 유기성 폐기물의 최종 처분 직전 혹은 농축 직후 체류하는 저류장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 협잡물 제거장치는 통과 직경이 50~200㎛의 직경을 가지는 스크린이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 파쇄장치는 협잡물이 제거된 유기성 폐기물을 저류시키면서 파쇄기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  17. 청구항 13에 있어서, 상기 파쇄장치는 열가용화 반응에서 발생된 스팀이 통과하는 배관이 내부에 설치되어 있어 스팀과 유기성 폐기물 간의 접촉 열교환을 통해 유기성 폐기물의 온도를 가온시키는 스팀 열교환장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  18. 청구항 13에 있어서, 상기 열교환장치는 이중관의 형태로 구성되어 내관과 외관의 흐름이 각기 반대로 향하게 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  19. 청구항 13에 있어서, 상기 열교환장치에서 열교환이 끝난 열가용화 폐기물은 안정적인 공급을 위하여 열가용화 폐기물저류장치에서 저류한 후 혐기소화장치로 공급되게 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
  20. 청구항 13에 있어서, 혐기소화장치에는 보온은 위한 온수배관이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기소화설비.
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