WO2023085613A1 - 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법 - Google Patents

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법 Download PDF

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WO2023085613A1
WO2023085613A1 PCT/KR2022/015252 KR2022015252W WO2023085613A1 WO 2023085613 A1 WO2023085613 A1 WO 2023085613A1 KR 2022015252 W KR2022015252 W KR 2022015252W WO 2023085613 A1 WO2023085613 A1 WO 2023085613A1
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organic waste
thermal hydrolysis
tank
hydrolysis reactor
waste treatment
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최영수
정국
정민기
최재민
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주식회사 부강테크
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/40—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless involving thermal treatment, e.g. evaporation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/60—Biochemical treatment, e.g. by using enzymes
    • B09B3/65—Anaerobic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/12—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for treating organic waste with improved energy consumption efficiency and heating rate.
  • Organic waste contained in sewage and wastewater is treated by sludge reduction processes such as anaerobic digestion and dewatering.
  • organic waste composed of a complex and rigid structure, such as sludge is difficult to biologically decompose or requires a long time to decompose.
  • organic waste has limitations in dehydration due to internal water in cells and pore water between cells.
  • physical, chemical, or combined pretreatment combining two or more was performed for organic waste treatment. There were limitations in applicability due to energy consumption and secondary pollution.
  • Pyrohydrolysis using high temperature and high pressure is a pretreatment technology that has recently attracted attention, partially solving energy consumption problems and not causing secondary pollution, so its applicability is expanding.
  • high-temperature thermal energy is used, methods for maximizing utilization while conserving energy and attempts to compensate for operational problems that may occur due to high pressure are being conducted.
  • One object of the present invention is to provide an organic waste treatment apparatus and method with improved energy consumption efficiency and temperature increase rate.
  • a preheating tank for receiving and preheating the organic waste to be treated, and receiving the preheated organic waste from the preheating tank to heat the organic waste in a predetermined environment.
  • a plurality of thermal hydrolysis reactors for hydrolysis and some of the gaseous components of the products thermally hydrolyzed in one thermal hydrolysis reactor are introduced to separate the gaseous and liquid components, and the gaseous components are transferred to another thermal hydrolysis reactor, and the liquid
  • the steam purification unit that discharges the components to the pressure reduction tank and all products other than some of the gas components among the products thermally hydrolyzed in each thermal hydrolysis reactor are introduced to separate gas components and liquid components, and the gas components are transferred to the preheating tank.
  • a decompression tank for discharging liquid components to the outside, a post-processing unit for receiving, post-processing, and discharging the liquid components discharged from the decompression tank, and a control unit for controlling the operation of each component in the organic waste treatment device.
  • An organic waste treatment device is provided.
  • each of the plurality of thermal hydrolysis reactors receives the preheated organic waste from the preheating tank at intervals of time and thermally hydrolyzes the organic waste in a predetermined environment.
  • the preset environment is characterized by having a pressure of 1 to 23 bar and a temperature of 100 to 220 ° C.
  • the pressure reducing tank is characterized in that it has a relatively lower pressure than the thermal hydrolysis reactor to liquefy some of the thermal hydrolysis products.
  • the post-treatment unit is characterized in that it can be implemented as an anaerobic digestion tank or a dehydrator.
  • the organic waste treatment apparatus further comprises an ejector for injecting steam introduced from the outside and gas components separated and discharged from the steam purification unit into any one thermal hydrolysis reactor. do.
  • the ejector is characterized in that the speed at which the gas component separated and discharged from the steam purification unit is injected into any one thermal hydrolysis reactor.
  • a preheating process of receiving and preheating organic waste to be treated using a preheating tank and a first thermal hydrolysis reactor A hydrolysis process in which the organic waste preheated in the preheating process is applied and thermally hydrolyzed in a predetermined environment using a steam purifying unit to receive some of the gas components of the thermally hydrolyzed product in the hydrolysis process and A purification process in which liquid components are separated, gas components are discharged to the second thermal hydrolysis reactor, and liquid components are discharged to the decompression tank, and in the hydrolysis process using the decompression tank, the rest except for some of the gas components among the thermally hydrolyzed products
  • a discharge process in which all products are introduced and reduced in pressure to separate gas and liquid components, and the gas component is discharged to the preheating tank and the liquid component is discharged to the outside, and the liquid component discharged from the decompression tank is received and post
  • the first thermal hydrolysis reactor and the second thermal hydrolysis reactor receive the preheated organic waste from the preheating tank at a time interval and thermally hydrolyze it in a predetermined environment.
  • the preset environment is characterized by having a pressure of 1 to 23 bar and a temperature of 100 to 220 ° C.
  • the pressure reducing tank is characterized in that it has a relatively lower pressure than the thermal hydrolysis reactor to liquefy some of the thermal hydrolysis products.
  • the post-treatment unit is characterized in that it can be implemented as an anaerobic digestion tank or a dehydrator.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an organic waste treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the operation sequence of the thermal hydrolysis reactor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the operation sequence of each thermal hydrolysis reactor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS 4 to 9 are diagrams showing the operation sequence of the organic waste disposal apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating an organic waste treatment method according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an organic waste treatment apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing some of the operations of the organic waste disposal apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.
  • each configuration, process, process or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range that does not contradict each other technically.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an organic waste treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • an organic waste treatment apparatus 100 includes a preheating tank 110, a plurality of thermal hydrolysis reactors 120, a pressure reduction tank 130, and a steam purification tank 140. , It includes a post-processing unit 150 and a control unit (not shown).
  • the preheating tank 110 receives organic waste to be treated and preheats it. Since the thermal hydrolysis reactor 120, which will be described later, hydrolyzes organic waste under conditions of relatively high temperature and high pressure, relatively large amounts of heat energy must be consumed. In order to reduce energy consumption, a preheating tank 110 is disposed in front of the thermal hydrolysis reactor 120 in the process to preheat organic waste to be hydrolyzed.
  • the preheating tank 110 does not receive thermal energy from a separate heat source, but receives gas components separated from the decompression tank 130 to be described later. Gas components separated in the decompression tank 130 have a constant temperature.
  • the organic waste disposal apparatus 100 does not vent gas components separated in the pressure reduction tank 130 to the outside, but returns them to the preheating tank 110 and uses them for preheating. Accordingly, the preheating tank 110 can preheat the organic waste introduced by the gas component separated in the decompression tank 130 without the need to receive thermal energy from a separate heat source, thereby reducing energy consumption.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 thermally hydrolyzes the preheated organic waste from the preheating tank 110 .
  • the thermal hydrolysis reactor 120 thermally hydrolyzes organic waste so that the organic waste can be smoothly post-treated in a post-processing unit 150 to be described later and discharged to the outside.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 operates as shown in FIG. 2 .
  • FIG. 2 is a diagram showing an operating sequence of a thermal hydrolysis reactor according to an embodiment of the present invention.
  • preheated organic waste is introduced into the thermal hydrolysis reactor 120 .
  • a predetermined environment must be created so that a thermal hydrolysis reaction can occur in the thermal hydrolysis reactor 120 .
  • the preset environment may be an environment having a temperature of 100 to 220 °C under a pressure of 1 to 23 bar. More specifically, the preset environment may be an environment having a temperature of 160 to 210 °C under a pressure of about 5 to 20 bar.
  • heat energy is applied from the outside so that the thermal hydrolysis reactor 120 can secure a preset temperature environment.
  • a predetermined environment in particular, a sufficient temperature rise occurs and the temperature conditions are met, the thermal hydrolysis reactor 120 proceeds with a thermal hydrolysis reaction.
  • the thermal hydrolysis reaction proceeds for a predetermined time (eg, tens of minutes), and after the reaction is completed, the thermal hydrolysis reactor 120 transfers some of the gaseous components of the product to the steam purification tank 140 and reduces all other components to the reduced pressure. Discharge to tank 130.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 operates in this way and thermally hydrolyzes the organic waste.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 may be implemented in plurality. Any one of the thermal hydrolysis reactors 120 discharges some of the gaseous components of the product to the steam purification tank 140 after the thermal hydrolysis reaction is completed.
  • the gas component separated in the decompression tank 130 flows into the preheating tank 110, while the steam purification tank 140, which will be described later, is also included in the gas component (steam), similar to the decompression tank 130. Separate liquid components that may be present.
  • the gaseous components separated in the steam purification tank 140 are introduced into another thermal hydrolysis reactor 120 to assist the temperature composition for thermal hydrolysis. This is possible because each of the plurality of thermal hydrolysis reactors 120a to 120d operates as shown in FIG. 3 .
  • FIG. 3 is a diagram showing the operation sequence of each thermal hydrolysis reactor according to an embodiment of the present invention.
  • Each of the thermal hydrolysis reactors 120a to 120d operates as described with reference to FIG. 2, but operates with a time difference from each other.
  • the thermal hydrolysis reactor 120b may start receiving organic waste from the preheating tank 110.
  • the thermal hydrolysis reactor 120c may start to receive the organic waste from the preheating tank 110 when the thermal hydrolysis reactor 120a starts to thermally hydrolyze the organic waste, and the thermal hydrolysis reactor 120d reacts
  • organic waste may start to be introduced from the preheating tank 110 .
  • the purified gas component (steam) discharged from one of the thermal hydrolysis reactors 120 is introduced into the other thermal hydrolysis reactor in which the temperature is being raised, so that the required heat energy consumption for the temperature is raised. can reduce
  • the thermal hydrolysis reactor 120 can secure some of the heat required for the thermal hydrolysis reaction from the gas component generated in the other thermal hydrolysis reactor 120, thereby reducing wasted energy. It can minimize and reduce energy consumption for temperature rise.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 includes a pressure sensor therein, and separates and discharges some of the gaseous components of the thermal hydrolysis product to the steam purification tank 140 under the control of a controller (not shown).
  • the thermal hydrolysis reactor 120 senses the pressure inside the reactor and separates and discharges all remaining gas components except for the amount required to preheat the preheating tank 110 to the steam purification tank 140 .
  • the thermal hydrolysis reactor 120 performs sensing, so that other thermal hydrolysis reactors can be heated by discharging the remaining amount other than the amount required for accurate preheating to the steam purification tank 140.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 senses the internal pressure to sense whether an abnormally excessive amount of gas components in the reactor or an excessive amount of steam is injected from the outside.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 under the control of a controller (not shown), supplies all the gas components to the steam purification tank 140 until the pressure becomes equal to or less than the reference value.
  • the thermal hydrolysis reactor 120 discharges a certain amount of gaseous components to the steam purification tank 140, thereby preventing the thermal hydrolysis reactor from exploding, and recovering heat to be used for heating other thermal hydrolysis reactors.
  • the decompression tank 130 receives some of the products generated by the thermal hydrolysis reaction in the thermal hydrolysis reactor 120 to separate gaseous and liquid components. Among the products produced by the thermal hydrolysis reaction, only the liquid component corresponds to a component to be discharged after being post-treated, and the gas component corresponds to a component irrelevant to the post-treatment. Therefore, the pressure reduction tank 130 separates the gas component and the liquid component from the product so that the gas component can be separated and used for preheating.
  • the pressure reducing tank 130 has a relatively lower pressure than the thermal hydrolysis reactor 120 .
  • the temperature of the products is lowered by the reduced pressure, and components with a lower boiling point (than the temperature in the decompression tank) maintain a gaseous state, while components with a higher boiling point (than the temperature in the decompression tank) are liquefied into liquid components.
  • the pressure reduction tank 130 generates a pressure difference with the thermal hydrolysis reactor 120 to turn certain components into a liquid state and other components into a gaseous state.
  • the decompression tank 130 transfers the separated gas component to the preheating tank 110 and transfers the liquid component to the post-processing unit 150 .
  • the steam purification tank 140 receives some of the gas components discharged from the thermal hydrolysis reactor 120 and purifies the liquid components. Since the thermal hydrolysis reactor 120 has a relatively high pressure, even if only the gas component is discharged from the reactor 120, a liquid component is generated after being discharged, or a liquid component is generated while the gas component is discharged at a high pressure. may be released together. Accordingly, the steam purification tank 140 separates the gas component and the liquid component, and transfers the liquid component to the decompression tank 130 and the gas component to another thermal hydrolysis reactor into which the preheated organic waste is introduced. The reason why the steam purification tank 140 separates the gas component and the liquid component from the product is as follows.
  • the liquid component corresponds to a component that has already undergone a thermal hydrolysis reaction.
  • a liquid component When such a liquid component is put back into the thermal hydrolysis reactor and subjected to thermal hydrolysis, it corresponds to inefficiency and waste in terms of energy consumption.
  • the organic waste is input from the preheating tank 110 to the specific thermal hydrolysis reactor 120, an appropriate amount is input so that the thermal hydrolysis reaction can be smoothly performed in the thermal hydrolysis reactor 120.
  • an appropriate amount or more is introduced into the corresponding thermal hydrolysis reactor. This causes an inefficient thermal hydrolysis reaction, and causes more than an appropriate amount of thermal energy to be consumed.
  • the steam purification tank 140 separates liquid components and gas components in the product discharged from the thermal hydrolysis reactor 120 and transfers them to different configurations.
  • the steam purification tank 140 may be implemented in any shape or structure as long as it can separate gas components and liquid components.
  • the post-processing unit 150 post-processes the products that have undergone the thermal hydrolysis reaction into a form that is no problem to discharge.
  • the post-processing unit 150 can be implemented as an anaerobic digestion tank to perform anaerobic digestion and then discharge digested components to the outside, and implemented as a dehydrator to perform dehydration and then discharge dehydrated components to the outside. there is.
  • a control unit (not shown) controls the operation of each component in the organic waste disposal apparatus.
  • a controller (not shown) controls organic waste to be treated into the preheating tank 110 to flow into the preheating tank 110, and transfers the separated gas component 130 to the preheating tank 110 to preheat the organic waste. can control.
  • a controller controls the preheating tank 110 to transfer the preheated organic waste to a thermal hydrolysis reactor (eg, 120a). After the transfer, the control unit (not shown) controls the gas component separated from steam and other products in the thermal hydrolysis reactor (eg, 120c) so that the thermal hydrolysis reaction can occur in the thermal hydrolysis reactor 120a. (Steam) is introduced into the thermal hydrolysis reactor 120a. Accordingly, the thermal hydrolysis reactor 120a may proceed with a thermal hydrolysis reaction.
  • the controller determines whether the pressure in the thermal hydrolysis reactor 120a is equal to or less than a predetermined reference value. If the pressure in the thermal hydrolysis reactor 120a is less than a predetermined reference value, it corresponds to a situation in which the thermal hydrolysis reaction proceeds without any abnormality. On the other hand, when the pressure in the thermal hydrolysis reactor 120a exceeds a predetermined reference value, this corresponds to a situation in which an abnormality in the reactor 120 may occur due to an abnormally large amount of gas components or excessive input of steam from the outside. Accordingly, the control unit (not shown) discharges gaseous components to the steam purification tank 140 until the pressure in the thermal hydrolysis reactor becomes less than a predetermined reference value. Accordingly, the control unit (not shown) solves the abnormality in the thermal hydrolysis reactor (120a).
  • the controller (not shown) discharges some of the gas components to the steam purification tank 140 and all other products to the pressure reduction tank 130. do.
  • the control unit (not shown) is separated from the decompression tank 130 and discharges all but an amount sufficient to preheat the organic waste in the preheating tank 110 to the steam purification tank 140. Accordingly, all of the gas components other than those required for preheating can be used to heat other thermal hydrolysis reactors without being discharged to the outside, thereby maximizing energy efficiency.
  • the controller controls the decompression tank 130 to separate the gas component and the liquid component, and the decompression tank 130 to discharge the gas component to the preheating tank 110 and the liquid component to the post-processing unit 150. Control.
  • thermal hydrolysis reactors 120b to 120d are controlled in parallel so as to operate in sequence.
  • a process of controlling the operation of each thermal hydrolysis reactor by a controller will be described later with reference to FIGS. 4 to 9 .
  • controller controls each component in this way, it is possible to minimize the application of heat energy from a separate heat source by recycling the heat energy source as much as possible without wasting the heat energy source.
  • FIGS. 4 to 9 are diagrams showing the operation sequence of the organic waste disposal apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the organic waste treatment apparatus 100 first receives and treats the organic waste, and then shows the process in detail.
  • organic waste is (first) introduced into the preheating tank 110 and preheated.
  • the preheated organic waste is introduced into a thermal hydrolysis reactor 120a and heat energy (in the form of steam) is applied (first) from the outside to raise the temperature.
  • heat energy in the form of steam
  • the thermal hydrolysis reactor 120a preheats organic waste in the preheating tank 110 under the control of a controller (not shown). The rest of the gas components other than the amount sufficient for the steam purification tank 140, all the remaining products are discharged to the pressure reduction tank (130).
  • the thermal hydrolysis reactor 120a discharges gaseous components to the steam purification tank 140 until the internal pressure falls below the predetermined reference value, and All remaining products are discharged to the pressure reducing tank (130).
  • organic waste flows into the preheating tank 110 and is preheated by the conveyed gas component, and the preheated organic waste flows into the thermal hydrolysis reactor 120c.
  • the liquid component separated in the steam purification tank 140 is introduced into the decompression tank 130, and the gas component is introduced into the thermal hydrolysis reactor 120c. At the same time, heat energy (steam form) from the outside is introduced. is applied and the temperature of the thermal hydrolysis reactor 120c is raised.
  • the gas component and thermal energy are applied to the thermal hydrolysis reactor 120c
  • the gas component is applied first, and then the thermal energy is applied from the outside.
  • the external device for applying thermal energy to the thermal hydrolysis reactor has a relatively high pressure.
  • the steam purification tank 140 has a relatively low pressure. Accordingly, when both are applied to the thermal hydrolysis reactor 120c at the same time, a problem occurs in that the gas component in the steam purification tank 140 is not completely applied to the thermal hydrolysis reactor 120c due to the pressure difference. Even, a problem may occur in that heat energy (steam) applied from the outside to the thermal hydrolysis reactor 120c is rather discharged toward the steam purification tank 140. In order to prevent this, the steam purification tank 140 first applies a gas component to the thermal hydrolysis reactor 120c, and then externally applies thermal energy (steam) to the thermal hydrolysis reactor 120c. Thus, intact all components can be applied to the thermal hydrolysis reactor.
  • the decompression tank 130 transfers the separated liquid component to the post-processing unit 150 under the control of a controller (not shown), and returns the separated gas component to the preheating tank 110 for preheating. Provides the necessary thermal energy.
  • the amount of heat energy applied from the outside may decrease by the amount of the gas component.
  • the thermal hydrolysis reaction proceeds in the thermal hydrolysis reactor 120c where the temperature is raised as described above, and the process of FIGS. 6 to 9 may be repeated again.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating an organic waste treatment method according to an embodiment of the present invention.
  • the organic waste preheated in the preheating tank 110 is introduced into the first pyrohydrolysis reactor 120 (S1010).
  • the preheating tank 110 receiving the gas component preheats the organic waste and introduces it into the second thermohydrolysis reactor 120 (S1030).
  • the gas component and the liquid component are separated in the steam purification unit 140, and the gas component is supplied to the second thermohydrolysis reactor 120 and the liquid component to the pressure reduction tank 130 (S1040).
  • the gas component and the liquid component are separated in the decompression tank 130, and the gas component is supplied to the preheating tank 110 and the liquid component to the post-processing unit 150 (S1050).
  • the second thermal hydrolysis reactor 120 receiving the gas component additionally receives thermal energy from the outside to proceed with the thermal hydrolysis reaction and repeats the process S1020 again.
  • the liquid component discharged from the decompression tank is post-processed (S1060).
  • FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an organic waste treatment apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • the organic waste treatment apparatus 1100 according to the second embodiment of the present invention further includes an ejector 1110 in addition to the internal components of the organic waste treatment apparatus 100 .
  • the ejector 1110 transfers the gas component separated from the steam purification tank 140 and the steam (thermal energy) applied from the outside to raise the temperature of the specific thermal hydrolysis reactor regardless of the pressure difference to the specific thermal hydrolysis reactor 120.
  • the external device for applying steam (thermal energy) to the thermal hydrolysis reactor has a relatively high pressure.
  • the steam purification tank 140 has a relatively low pressure. Accordingly, when both are simultaneously applied to the thermal hydrolysis reactor 120, a problem may occur in which gas components in the steam purification tank 140 are not completely applied to the thermal hydrolysis reactor 120 due to a pressure difference. Even, a problem may occur in that the heat energy (steam) applied from the outside to the thermal hydrolysis reactor 120 is rather discharged toward the steam purification tank 140.
  • the ejector 1110 is located at the intersection of a path for applying steam (thermal energy) from the outside to the thermal hydrolysis reactor and a path for applying gaseous components from the steam refinery 140 to the thermal hydrolysis reactor. are placed
  • the ejector 1110 receives the steam and gas components supplied to each path, and allows each component to be applied to the thermal hydrolysis reactor 120 regardless of the pressure difference.
  • the ejector 1110 allows gas components discharged from the steam purification tank 140 to be applied to the thermal hydrolysis reactor 120 together with the pressure at which steam is injected into the thermal hydrolysis reactor from the outside. Accordingly, the ejector 1110 may prevent gas components from being discharged from the thermal hydrolysis reactor to the steam purification tank 140, and may also improve the discharge rate of gas components from the steam purification tank 140.
  • the control unit (not shown) controls the ejector 1110 to perform the above-described operation together with the internal components of the organic waste disposal apparatus 100 .
  • FIG. 12 is a view showing some of the operations of the organic waste disposal apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the organic waste treatment device 1100 proceeds in the same way as the operation shown in FIGS. 4 to 9, but instead of the operation of the organic waste treatment device 100 shown in FIG. 8, the organic waste treatment device 1100 shown in FIG. 12 action proceeds.
  • the liquid component separated in the steam purification tank 140 is introduced into the pressure reducing tank 130, and the gas component is introduced into the thermal hydrolysis reactor 120c. At the same time, heat energy (steam form) from the outside is introduced. is applied and the temperature of the thermal hydrolysis reactor 120c is raised.
  • the ejector 150 since the ejector 150 is located on the path where each component is injected into the thermal hydrolysis reactor 120c, the gas component and thermal energy do not need to be sequentially injected due to the pressure difference, as they are generated regardless of the order. It may be injected into the thermal hydrolysis reactor (120c). In addition, by the ejector 150, the gas component can be more quickly injected into the thermal hydrolysis reactor (120c).
  • FIG. 10 it is described that each process is sequentially executed, but this is merely an example of the technical idea of one embodiment of the present invention. In other words, those skilled in the art to which an embodiment of the present invention pertains may change the order of the processes described in each drawing and execute one or more of the processes without departing from the essential characteristics of the embodiment of the present invention. 10 is not limited to a time-series sequence because it will be possible to apply various modifications and variations by executing the process in parallel.
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Abstract

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법을 개시한다. 본 실시예의 일 측면에 의하면, 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법을 제공한다.

Description

에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법
본 발명은 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
하·폐수 내 포함된 유기성 폐기물은 혐기성 소화 및 탈수 등과 같은 슬러지 감량화 공정으로 처리한다. 그러나 슬러지 등과 같이 복합적이며 단단한 구조로 구성된 유기성 폐기물은 생물학적으로 분해하기 어렵거나, 분해되는데 장시간을 필요로 한다. 또한, 유기성 폐기물은 세포 내 내부수, 세포 사이의 간극수 등으로 인해 탈수에 한계가 있다. 상기된 문제점을 해결하고자 기존에는 유기성 폐기물 처리를 위해 물리학적, 화학적 또는 2개 이상을 결합한 병합 전처리를 수행하였으나. 에너지 소비, 2차 오염 등으로 적용성에 한계가 있었다.
고온과 고압을 이용한 열가수분해는 최근 주목받고 있는 전처리 기술로써, 에너지 소비 문제를 일부 해결하였으며 2차 오염이 발생하지 않아 적용성이 확대되고 있다. 그러나 고온의 열에너지를 사용하기 때문에, 에너지를 보존하면서 활용성을 극대화하기 위한 방법과 고압으로 인해 발생할 수 있는 운영 상의 문제를 보완하기 위한 시도들이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 에너지 소비효율과 승온속도를 향상시킨 유기성 폐기물 처리장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물을 분해하여 배출하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서, 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조와 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 복수의 열 가수분해 반응기와 어느 하나의 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 스팀 정제부와 각 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 감압 탱크와 상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리부 및 유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 복수의 열 가수분해 반응기는 각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 환경은 1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 감압탱크는 열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 후처리부는 혐기소화조 또는 탈수기로 구현될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 유기성 폐기물 처리장치는 외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제부에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 이젝터는 상기 스팀 정제부에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 유기성 폐기물 처리장치가 유기성 폐기물을 분해하여 배출할 수 있도록 처리하는 방법에 있어서, 예열조를 이용해 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열과정과 제1 열 가수분해 반응기를 이용해 상기 예열과정에서 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 가수분해 과정과 스팀 정제부를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 제2 열 가수분해 반응기로, 액체 성분을 상기 감압 탱크로 배출하는 정제과정과 감압탱크를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 감압하여 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 배출과정 및 상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 열 가수분해 반응기 및 제2 열 가수분해 반응기는 각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 환경은 1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 감압탱크는 열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 후처리부는 혐기소화조 또는 탈수기로 구현될 수 있는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 후처리하기 위해 열 가수분해반응을 수행함에 있어, 에너지 효율과 처리 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 각 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 4 내지 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리방법을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 중 일부를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치(100)는 예열조(110), 복수의 열 가수분해 반응기(120), 감압탱크(130), 스팀 정제조(140), 후처리부(150) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
예열조(110)는 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시킨다. 후술할 열 가수분해 반응기(120)는 상대적으로 고온 및 고압의 조건에서 유기성 폐기물을 가수분해하여야 하기에, 상대적으로 많은 열 에너지를 소비해야 한다. 에너지 소비를 감소시키기 위해, 처리과정 상에서 열 가수분해 반응기(120)의 전단에 예열조(110)가 배치되어, 가수분해될 유기성 폐기물을 예열한다.
예열조(110)는 별도의 열원으로부터 열 에너지를 인가받는 것이 아니라, 후술할 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들을 유입받는다. 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들은 일정한 온도를 갖는다. 유기성 폐기물 처리장치(100)는 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분들을 외부로 배출(Vent)시키지 않고, 예열조(110)로 반송하여 예열에 이용한다. 이에 따라, 예열조(110)는 별도의 열원으로부터 열 에너지를 인가받을 필요없이, 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분에 의해 유입되는 유기성 폐기물을 예열시킬 수 있어 에너지 소비량을 줄일 수 있다.
열 가수분해 반응기(120)는 예열조(110)로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 열 가수분해한다. 열 가수분해 반응기(120)는 유기성 폐기물을 열 가수분해하여, 유기성 폐기물이 후술할 후처리부(150)에서 원활히 후처리되어 외부로 배출될 수 있도록 한다.
열 가수분해 반응기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 동작한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 열 가수분해 반응기(120)로 예열된 유기성 폐기물이 투입된다. 유기성 폐기물이 투입되면, 열 가수분해 반응기(120)에서 열 가수분해 반응이 일어날 수 있도록 기 설정된 환경이 조성되어야 한다. 기 설정된 환경은 1 내지 23bar의 압력 하에서 100 내지 220℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 보다 구체적으로, 기 설정된 환경은 5 내지 20 bar 내외의 압력 하에서 160 내지 210℃의 온도를 갖는 환경일 수 있다. 이때, 열 가수분해 반응기(120)가 기 설정된 온도 환경을 확보할 수 있도록 외부로부터 열 에너지가 인가된다. 기 설정된 환경, 특히, 충분한 승온이 일어나 온도 조건이 갖추어지면, 열 가수분해 반응기(120)는 열 가수분해 반응을 진행한다. 열 가수분해 반응은 기 설정된 시간(예를 들어, 수십분)동안 진행되며, 반응이 완료된 후 열 가수분해 반응기(120)는 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 성분을 감압탱크(130)로 배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 이처럼 동작하며 유기성 폐기물을 열 가수분해한다.
다시 도 1을 참조하면, 열 가수분해 반응기(120)는 복수 개로 구현될 수 있다. 어느 하나의 열 가수분해 반응기(120)는 열 가수분해 반응이 완료된 후 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로 배출한다. 전술한 대로, 감압탱크(130)에서 분리된 기체 성분은 예열조(110)로 유입되는 한편, 후술할 스팀 정제조(140)도 감압탱크(130)와 유사하게, 기체 성분(스팀) 내 포함되어 있을 수 있는 액체 성분을 분리한다. 스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분은 다른 열 가수분해 반응기(120)로 유입되어 열 가수분해를 위한 온도 조성을 보조한다. 이는 복수의 열 가수분해 반응기(120a 내지 120d)들이 각각 도 3에 도시된 바와 같이 동작하기에 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 열 가수분해 반응기의 동작 순서를 도시한 도면이다.
각 열 가수분해 반응기(120a 내지 120d)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 동작하되, 서로 시간 차를 두고 동작을 수행한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 열 가수분해 반응기(120a)가 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받아 승온을 하고 있는 과정에 진입하였을 경우, 비로소, 열 가수분해 반응기(120b)는 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 열 가수분해 반응기(120c)는 열 가수분해 반응기(120a)가 유기성 폐기물을 열 가수분해하기 시작할 시점에 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있으며, 열 가수분해 반응기(120d)는 반응이 완료된 생성물을 외부로 배출하는 시점에 유기성 폐기물을 예열조(110)로부터 유입받기 시작할 수 있다. 이처럼 동작할 경우, 전술한 대로, 어느 하나의 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되어 정제된 기체 성분(스팀)은 승온 중인 다른 하나의 열 가수분해 반응기로 유입됨으로서, 승온을 위해 필요한 열 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 이처럼 열 가수분해 반응기(120)는 열 가수분해 반응을 위해 필요한 열량 중 일부를 다른 열 가수분해 반응기(120)에서 생성된 기체 성분으로부터 확보할 수 있어, 버려지는 에너지를 최소화하고 승온을 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
열 가수분해 반응기(120)는 내부에 압력 센서를 포함하여, 제어부(미도시)의 제어에 따라 열 가수분해 반응에 의한 생성물 중 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로 분리배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 반응기 내부의 압력을 센싱하여, 예열조(110)를 예열시키는 데 필요한 양을 제외한 나머지 기체 성분을 모두 스팀 정제조(140)로 분리배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 센싱을 수행함으로서, 정확히 예열에 필요한 양 이외의 나머지는 스팀 정제조(140)로 배출하여 다른 열 가수분해 반응기를 승온시킬 수 있도록 한다. 종래에는 전량 감압탱크(130)로 배출되었으며, 기체 성분이 예열조로 모두 반송되어 예열에 사용된다 하더라도 예열에 필요한 양 이상이 반송되었기에 예열에 사용된 나머지 기체 성분은 모두 배출되어 버려졌다.
또는, 열 가수분해 반응기(120)는 내부 압력을 센싱하여 반응기 내 비정상적으로 과도하게 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되었는지를 센싱한다. 반응기 내에 기체 성분으로 인한 압력이 기 설정된 기준치 이상인 경우, 열 가수분해 반응기(120)는 제어부(미도시)의 제어에 따라, 압력이 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 모두 스팀 정제조(140)로 배출한다. 열 가수분해 반응기(120)는 일정량의 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출함으로서, 열 가수분해 반응기의 폭발 위험을 방지하고, 열을 회수하여 다른 열 가수분해 반응기의 가열에도 이용할 수 있다.
감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120) 내에서 열 가수분해 반응에 의해 생성된 생성물 중 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리시킨다. 열 가수분해 반응으로 생성된 생성물 중 액체 성분만이 후처리되어 배출될 성분에 해당하며, 기체 성분은 후처리와 무관한 성분에 해당한다. 따라서, 기체 성분을 분리하여 예열에 이용할 수 있도록, 감압탱크(130)는 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리한다. 감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120)보다 상대적으로 낮은 압력을 갖는다. 감압에 의해 생성물들의 온도는 하강하며, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 낮은 성분들은 기체 상태를 유지하되, 끓는 점이 (감압탱크 내 온도보다) 높은 성분들은 액체 성분으로 액화된다. 이처럼, 감압탱크(130)는 열 가수분해 반응기(120)와 압력 차이를 발생시켜, 일정한 성분들을 액체 상태로, 나머지 성분들을 기체 상태로 만든다. 감압탱크(130)는 분리된 기체 성분은 예열조(110)로 반송하고, 액체 성분은 후처리부(150)로 이송한다.
스팀 정제조(140)는 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되는 기체 성분 중 일부를 유입받아 액체 성분을 정제한다. 열 가수분해 반응기(120)는 상대적으로 높은 압력을 갖는 상태이기 때문에, 반응기(120)에서 기체 성분만이 배출된다 하더라도 배출된 후에 액체 성분이 생성되거나, 높은 압력에서 기체 성분이 배출되면서 액체 성분이 동반하여 배출될 수 있다. 이에, 스팀 정제조(140)는 기체 성분과 액체 성분을 각각 분리하여, 액체 성분은 감압탱크(130)로, 기체 성분은 예열된 유기성 폐기물이 유입될 다른 열 가수분해 반응기로 이송한다. 스팀 정제조(140)가 생성물로부터 기체 성분과 액체 성분을 분리하는 이유는 다음과 같다. 열 가수분해 반응기(120)에서 생성된 생성물 중 액체 성분은 이미 열 가수분해 반응을 마친 성분에 해당한다. 이와 같은 액체 성분이 다시 열 가수분해 반응기로 투입되어 열 가수분해 반응을 거치게 될 경우, 비효율에 해당하며 에너지 소비 측면에서도 낭비에 해당한다. 또한, 유기성 폐기물은 예열조(110)로부터 특정 열 가수분해 반응기(120)로 투입됨에 있어, 열 가수분해 반응기(120)에서 열 가수분해 반응이 원활히 이뤄질 수 있도록 하는 적정량이 투입된다. 이때, 다른 열 가수분해 반응기에서 생성된 생성물 중 액체 성분이 해당 열 가수분해 반응기로 유입될 경우, 적정량 이상이 해당 열 가수분해 반응기에 유입되게 된다. 이는 비효율적인 열 가수분해 반응을 불러일으키며, 적정량 이상의 열 에너지를 소비하게 하는 원인이 된다. 이러한 문제들을 방지하기 위해, 스팀 정제조(140)는 열 가수분해 반응기(120)에서 배출되는 생성물 내에서 액체 성분과 기체 성분을 분리하여 각각을 서로 다른 구성으로 이송한다.
스팀 정제조(140)는 기체 성분과 액체 성분을 분리할 수 있다면, 어떠한 형태나 구조로 구현되어도 무방하다.
후처리부(150)는 열 가수분해 반응을 거친 생성물을 배출하기에 문제없는 형태로 후처리한다. 예를 들어, 후처리부(150)는 혐기소화조로 구현되어 혐기소화를 진행한 후 소화된 성분을 외부로 배출할 수 있으며, 탈수기로 구현되어 탈수를 진행한 후 탈수된 성분을 외부로 배출할 수 있다.
제어부(미도시)는 유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 예열조(110)로 처리되어야 할 유기성 폐기물이 유입되도록 제어하며, 유기성 폐기물을 예열시키기 위해 예열조(110)로 분리된 기체 성분(130)을 반송하도록 감압탱크(130)를 제어할 수 있다.
제어부(미도시)는 예열조(110)가 예열된 유기성 폐기물을 일 열 가수분해 반응기(예를 들어, 120a)로 이송하도록 제어한다. 이송 후, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a)에서 열 가수분해 반응이 일어날 수 있도록, 외부에서 스팀과 다른 열 가수분해 반응기(예를 들어, 120c)에서의 생성물로부터 분리된 기체 성분(스팀)을 열 가수분해 반응기(120a)로 유입시킨다. 이에 따라, 열 가수분해 반응기(120a)는 열 가수분해 반응을 진행할 수 있다.
이때, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단한다. 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치 이하인 경우라면, 열 가수분해 반응이 이상없이 진행되고 있는 상황에 해당한다. 반면, 열 가수분해 반응기(120a) 내 압력이 기 설정된 기준치를 초과할 경우, 비정상적으로 기체 성분들이 많아지거나 외부에서 스팀이 과도하게 투입되어 반응기(120)에 이상이 발생할 수도 있는 상황에 해당한다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기 내 압력이 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출시킨다. 이에 따라, 제어부(미도시)는 열 가수분해 반응기(120a) 내 이상을 해소한다.
열 가수분해 반응기(120a) 내에서 열 가수분해 반응이 기 설정된 시간 동안 진행된 경우, 제어부(미도시)는 기체 성분 일부를 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출한다. 이때, 기체 성분을 배출함에 있어서, 제어부(미도시)는 감압탱크(130)에서 분리되어 예열조(110)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외에는 모두 스팀 정제조(140)로 배출시킨다. 이에 따라, 예열에 필요한 기체 성분 외에 나머지 기체 성분은 외부로 배출됨 없이 모두 다른 열 가수분해 반응기를 가열하는데 사용될 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제어부(미도시)는 기체 성분과 액체 성분을 분리하도록 감압 탱크(130)를 제어하고, 기체 성분을 예열조(110)로, 액체 성분을 후처리부(150)로 배출하도록 감압 탱크(130)를 제어한다.
이와 동시에, 나머지 열 가수분해 반응기(120b 내지 120d)도 순서에 따라 동작하도록 병렬적으로 제어한다. 제어부(미도시)가 각 열 가수분해 반응기들의 동작을 제어하는 과정은 도 4 내지 9를 참조하여 후술한다.
제어부(미도시)가 이와 같이 각 구성들을 제어함에 따라, 버려지는 열 에너지원 없이 최대한 열 에너지원을 재활용함으로서, 별도의 열원으로부터 열 에너지의 인가를 최소화할 수 있다.
도 4 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 순서를 도시한 도면이다. 도 4 내지 9에 유기성 폐기물 처리장치(100)가 최초로 유기성 폐기물이 유입받아 처리하며, 그 후 처리하는 과정을 상세히 도시하였다.
도 4를 참조하면, 제어부(미도시)의 제어에 따라, 예열조(110)로 (최초로) 유기성 폐기물이 유입되어 예열된다.
도 5를 참조하면, 예열된 유기성 폐기물은 일 열 가수분해 반응기(120a)로 유입되며 외부에서 열 에너지(스팀 형태)를 (최초로) 인가받아 승온한다.
도 6을 참조하면, 열 가수분해 반응기(120a)에 특별한 이상이 발생하지 않을 경우, 열 가수분해 반응기(120a)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 예열조(110)에서 유기성 폐기물을 예열시키기에 충분한 양 이외의 나머지 기체성분은 스팀 정제조(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출한다. 열 가수분해 반응기(120a) 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우, 내부 압력이 기 설정된 기준치 이하로 내려갈 때까지, 열 가수분해 반응기(120a)는 기체 성분을 스팀 정제조(140)로 배출하고 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 배출한다
도 7을 참조하면, 예열조(110)로 유기성 폐기물이 유입되어 반송된 기체 성분에 의해 예열되며, 예열된 유기성 폐기물이 열 가수분해 반응기(120c)로 유입된다.
도 8을 참조하면, 스팀 정제조(140)에서 분리된 액체성분은 감압탱크(130)로, 기체 성분은 열 가수분해 반응기(120c)로 유입된다, 이와 함께 외부로부터 열 에너지(스팀 형태)가 인가되며 열 가수분해 반응기(120c)가 승온하게 된다.
이때, 열 가수분해 반응기(120c)로 기체 성분과 열 에너지가 인가됨에 있어, 기체 성분이 우선적으로 모두 인가되고 그 후에 외부에서 열 에너지가 인가된다. 열 에너지를 열 가수분해 반응기로 인가하는 외부 장치는 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(140)는 상대적으로 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 열 가수분해 반응기(120c)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(140)에서 기체 성분이 온전히 열 가수분해 반응기(120c)로 인가되지 못하는 문제가 발생하게 된다. 심지어, 외부에서 열 가수분해 반응기(120c)로 인가된 열 에너지(스팀)이 오히려 스팀 정제조(140) 쪽으로 배출되는 문제가 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 스팀 정제조(140)에서 우선적으로 열 가수분해 반응기(120c)로 기체 성분을 인가하고, 그 후에 외부에서 열 에너지(스팀)를 열 가수분해 반응기(120c)로 인가한다. 이에 따라, 온전히 모든 성분이 열 가수분해 반응기로 인가될 수 있다.
도 9를 참조하면, 감압탱크(130)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 분리한 액체성분을 후처리부(150)로 전송하고, 분리한 기체 성분을 예열조(110)로 반송하여 예열에 필요한 열 에너지를 제공한다.
스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 유입됨에 따라, 외부에서 인가되는 열 에너지량이 기체 성분만큼 감소할 수 있다. 이처럼 승온된 열 가수분해 반응기(120c)에서 열 가수분해 반응이 진행되며, 다시 도 6 내지 9의 과정이 반복되어 처리될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리방법을 도시한 순서도이다.
예열조(110)에서 예열된 유기성 폐기물이 제1 열가수분해 반응기(120)로 유입된다(S1010).
제1 열가수분해 반응기(120)에서 발생한 기체 성분 중 일부는 스팀 정제부(140)로, 나머지 모든 생성물은 감압탱크(130)로 분리배출된다(S1020).
기체 성분을 공급받은 예열조(110)는 유기성 폐기물을 예열하여 제2 열가수분해 반응기(120)로 유입시킨다(S1030).
스팀 정제부(140)에서 기체 성분과 액체성분을 분리하여, 기체 성분을 제2 열가수분해 반응기(120)로, 액체성분을 감압탱크(130)로 공급한다(S1040).
감압탱크(130)에서 기체 성분과 액체 성분을 분리하여, 기체 성분을 예열조(110)로, 액체 성분을 후처리부(150)로 공급한다(S1050).
기체 성분을 공급받은 제2 열가수분해 반응기(120)는 추가적으로 외부에서 열 에너지를 공급받아 열 가수분해 반응을 진행하며 다시 S1020 과정을 반복한다.
후처리부에서 감압탱크에서 배출된 액체 성분을 후처리한다(S1060).
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치(1100)는 유기성 폐기물 처리장치(100) 내 구성에 추가적으로 이젝터(1110)를 더 포함한다.
이젝터(1110)는 압력차와 무관하게 스팀 정제조(140)에서 분리된 기체 성분과 외부에서 특정 열 가수분해 반응기의 승온을 위해 인가되는 스팀(열 에너지)을 특정 열 가수분해 반응기(120)로 동시에 주입시킨다. 스팀(열 에너지)를 열 가수분해 반응기로 인가하는 외부 장치는 상대적으로 상당히 고압을 갖는다. 한편, 스팀 정제조(140)는 상대적으로 상당히 낮은 압력을 갖는다. 이에 따라, 양자가 동시에 열 가수분해 반응기(120)로 인가될 경우, 압력 차이로 인해 스팀 정제조(140)에서 기체 성분이 온전히 열 가수분해 반응기(120)로 인가되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 심지어, 외부에서 열 가수분해 반응기(120)로 인가된 열 에너지(스팀)가 오히려 스팀 정제조(140) 쪽으로 배출되는 문제가 발생할 수도 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 이젝터(1110)는 외부에서 열 가수분해 반응기로 스팀(열 에너지)를 인가하는 경로와 스팀 정제조(140)에서 열 가수분해 반응기로 기체 성분을 인가하는 경로의 교점에 배치된다. 이젝터(1110)는 각 경로로 제공되는 스팀과 기체 성분을 인가받되, 압력차와 무관하게 각 성분들이 열 가수분해 반응기(120)로 인가될 수 있도록 한다. 나아가, 이젝터(1110)는 외부에서 열 가수분해 반응기로 스팀이 분사되는 압력에 따라 함께 스팀 정제조(140)로부터 배출되는 기체 성분이 열 가수분해 반응기(120)로 인가될 수 있도록 한다. 이에, 이젝터(1110)는 열 가수분해 반응기로부터 기체 성분 등이 스팀 정제조(140)로 배출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 스팀 정제조(140)로부터 기체 성분의 배출 속도까지 향상시킬 수 있다.
제어부(미도시)는 유기성 폐기물 처리장치(100) 내 구성과 함께, 전술한 동작을 수행하도록 이젝터(1110)를 제어한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기성 폐기물 처리장치의 동작 중 일부를 도시한 도면이다. 유기성 폐기물 처리장치(1100)는 도 4 내지 9에 도시된 동작과 동일하게 진행하되, 도 8에 도시된 유기성 폐기물 처리장치(100)의 동작 대신 도 12에 도시된 유기성 폐기물 처리장치(1100)의 동작이 진행된다.
도 12를 참조하면, 스팀 정제조(140)에서 분리된 액체성분은 감압탱크(130)로, 기체성분은 열 가수분해 반응기(120c)로 유입된다, 이와 함께 외부로부터 열 에너지(스팀 형태)가 인가되며 열 가수분해 반응기(120c)가 승온하게 된다.
이때, 이젝터(150)가 각 성분이 열 가수분해 반응기(120c)로 주입되는 경로에 위치하기 때문에, 압력차이로 인해 기체 성분과 열 에너지가 각각 순차적으로 주입될 필요없이 순서와 무관하게 생성되는 대로 열 가수분해 반응기(120c)로 주입될 수 있다. 또한, 이젝터(150)에 의해, 보다 신속하게 기체 성분이 열가수분해 반응기(120c)로 주입될 수 있다.
도 10에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각각의 도면에 기재된 과정의 순서를 변경하여 실행하거나 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 10에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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*본 특허출원은 2021년 11월 11일 한국에 출원한 특허출원번호 제10-2021-0154795호 및 제10-2021-0154803호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하면, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하면 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (12)

  1. 유기성 폐기물을 분해하여 배출하는 유기성 폐기물 처리장치에 있어서,
    처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열조;
    상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 복수의 열 가수분해 반응기;
    어느 하나의 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 다른 열 가수분해 반응기로 배출하는 스팀 정제부;
    각 열 가수분해 반응기에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 외부로 배출하는 감압 탱크;
    상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리부; 및
    유기성 폐기물 처리장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열 가수분해 반응기는,
    각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    기 설정된 환경은,
    1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감압탱크는,
    열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후처리부는,
    혐기소화조 또는 탈수기로 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    외부에서 유입되는 스팀과 상기 스팀 정제부에서 분리되어 배출된 기체 성분을 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  7. 제7항에 있어서,
    상기 이젝터는,
    상기 스팀 정제부에서 분리되어 배출된 기체 성분이 어느 하나의 열 가수분해 반응기로 주입되는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리장치.
  8. 유기성 폐기물 처리장치가 유기성 폐기물을 분해하여 배출할 수 있도록 처리하는 방법에 있어서,
    예열조를 이용해 처리될 유기성 폐기물을 유입받아 예열시키는 예열과정;
    제1 열 가수분해 반응기를 이용해 상기 예열과정에서 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 가수분해 과정;
    스팀 정제부를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 유입받아 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 제2 열 가수분해 반응기로 배출하는 정제과정;
    감압탱크를 이용해 상기 가수분해 과정에서 열 가수분해된 생성물 중 기체 성분 일부를 제외한 나머지 모든 생성물을 유입받아 감압하여 기체 성분과 액체 성분을 분리하고, 기체 성분을 상기 예열조로, 액체 성분을 배출하는 배출과정; 및
    상기 감압 탱크로부터 배출되는 액체 성분을 유입받아 후처리하여 배출하는 후처리과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열 가수분해 반응기 및 제2 열 가수분해 반응기는,
    각각 시간 간격을 두고 상기 예열조로부터 예열된 유기성 폐기물을 인가받아 기 설정된 환경 내에서 열 가수분해하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기 설정된 환경은,
    1 내지 23bar의 압력과 100 내지 220℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 감압탱크는,
    열 가수분해 반응기보다 상대적으로 낮은 압력을 구비하여, 열 가수분해된 생성물 중 일부를 액화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 후처리과정은,
    혐기소화조 또는 탈수기에 의해 진행될 수 있는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
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