KR100966133B1 - 폐수의 농축건조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수 처리 공정 중 폐수를 농축한 후에 건조하여 배출하는 최종 단계에 사용되는 장치에 관한 것으로, 특히 농축과정과 건조과정이 하나의 소규모 장치에서 이루어지게 구성한 폐수의 농축건조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폐수의 농축건조장치는 폐수가 저장되는 저장조와, 저장조의 내부에서 회전되며, 그 내부에는 가열된 폐수가 유통되는 열교환기를 겸한 젓개 및 저장조의 외부를 감싸며 내부에 고온 기체가 유통되는 건조재킷이 포함되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 저장조 내의 공간에서 농축과 건조가 차례로 진행되어 장치의 전체 크기를 작게 설계할 수 있어 전체 폐수 처리 시설의 차치 면적을 줄이고 집약적인 설비가 가능해지는 장점을 갖는다.

Description

폐수의 농축건조장치{concentration and drying device for waste water}

본 발명은 폐수 처리 공정 중 폐수를 농축한 후에 건조하여 배출하는 최종 단계에 사용되는 장치에 관한 것으로, 특히 농축과정과 건조과정이 하나의 소규모 장치에서 이루어지게 구성한 폐수의 농축건조장치에 관한 것이다.

현대사회에 들어 각종 산업이 발전하면서 각종 환경오염물질의 배출도 날로 증가하고 있다.

특히, 일반 생활폐수와는 달리 석유화학 등에서 발생하는 산업폐수는 고농도의 유분 및 유기물질이 다량으로 함유된 상태이므로 환경오염에 치명적인 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 함유물질의 분해가 어려워 그 처리과정에 전문성이 요구된다.

이러한 난분해성 산업폐수의 처리하는 종래의 기술은 폐수에 포함된 오염물질을 폐수를 슬러지의 성상에 따라 물리적, 화학적, 생물학적 처리단계별로 제거하는 방식으로 이루어지는 것이 보통이다. 상기의 처리단계를 거친 후에 얻어지는 폐수 속에는 다량의 미세 유기물이 함유되어 있어 함수율을 낮추는 농축단계를 거친 후에 건조과정에서 함수율을 더욱 낮추어 유기물 가루로 배출하게 된다. 이후 유기물 가루는 다시 탄화물로서 새로운 폐수에 반응촉진재로 사용되거나, 소성로의 연소재로 재활용된다.

종래의 기술에서 농축과정과 건조단계는 별도의 장치에서 이루어지는 것이 일반적이다.

도 5에는 종래의 기술에 따른 농축 장치를 개략적으로 도시하였다. 상기 농축 장치(200)는 폐수가 담기는 저장공간(210)과, 상기 저장공간(210) 내에 담긴 폐수를 가열하기 위한 열교환기(220)와, 저장공간(220)의 상부에 연통되어 있어 가열된 폐수에서 발생된 증기가 배출되는 배출라인(230)으로 이루어진다. 열교환기(220)에는 보일러 시설(240)에서 얻어지는 고온의 증기가 유입되어 저장시설에 담긴 폐수를 대략 70℃ 이상으로 상승시키게 된다. 폐수 온도의 상승에 따라 증발된 수증기는 배출라인을 통하여 저장공간의 외부로 반출됨에 따라 저장공간 내의 폐수는 점차 농축되어 진다.

충분히 농축된 폐수는 도 6에 도시된 건조장치(300)로 유입된다. 건조장치는 농축된 폐수가 빠른 시간 내에 완전히 건조할 수 있도록 스팀재킷(310)에 둘려진 내부공간 내에 다수의 대략 300℃ 정도의 고온이 유지되는 전열판(320)을 구비하고 있다. 농축된 폐수는 분사수단(330)에 의하여 전열판(320)에 흩뿌려지게 됨에 따라 접촉된 폐수의 수분이 바로 증발되고, 남은 유기물은 중력에 의하여 하부로 떨어져 수집, 배출된다.

이러한 종래의 기술에 있어서, 농축 장치와 건조 장치는 운영 온도 조건이 서로 다르며, 그에 따라 구조가 달라지기 때문에 별도의 장치로 설비되어 운영되는 것이 일반적으로 여겨지게 되었다.

한편, 농축 장치와 건조 장치를 하나의 장치 내에서 구현하고자 하는 시도가, 대한민국 등록특허 제38703호(폐수증발농축건조장치) 등에 있었으나, 하나의 장치 내에서 농축 과정과 건조 과정이 순차적으로 이루어지게 구성함으로써 장치의 구성이 복잡해지는 단점과, 농축 과정과 건조 과정을 수행하기 위한 내부 공간이 각기 필요하므로 장치가 거대화되는 단점을 가진다.

본 발명의 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 폐수의 농축과 건조가 하나의 장치에서 이루어지게 하면서, 농축과 건조가 동일 공간에서 이루어지게 하는 목적을 갖는다.

또한, 농축과 건조 과정 중에 소요되는 에너지를 최소화하는 목적을 갖는다.

구체적으로 농축과정 또는 건조과정 중에 증기 형태로 외부로 빠져나가는 열에너지를 회수하여, 에너지 효율을 증대시키는 목적을 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 폐수가 저장되는 저장조, 상기 저장조의 내부에서 회전되며, 그 내부에는 가열된 폐수가 유통되는 열교환기를 겸한 젓개 및 상기 저장조의 외부를 감싸며 내부에 고온 유체가 유통되는 건조재킷;이 포함되는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치를 제시한다.

또한, 상기 저장조의 상단에는 증발된 수증기가 배출되는 증기라인에 설치되고, 상기 증기라인에는 상기 수증기를 고온 스팀으로 압축하는 히트펌프가 구비되어 있으며, 상기 고온 스팀은 상기 젓개로 공급되는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치를 제시한다.

또한, 상기 고온 유체를 생성하는 보일러의 연료원에는, 상기 저장조에서 생성되는 증발가스에서 수분을 제거한 건류가스가 포함되는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치를 제시한다.

본 발명에 따르면, 농축과정과 건조과정이 하나의 장치에서 이루어지게 구성하여 장치의 설비비용을 절감할 수 있게 하면서, 특히 저장조 내의 공간에서 농축과 건조가 차례로 진행되어 장치의 전체 크기를 작게 설계할 수 있어 전체 폐수 처리 시설의 차치 면적을 줄이고 집약적인 설비가 가능해지는 장점을 갖는다.

또한, 농축과정 중에 발생된 수증기를 히트펌프를 이용하여 승온시킨 후 열교환에 재활용함으로써 농축과정에 소요되는 에너지를 절감하며, 버려지는 열에너지를 재활용하여 에너지 효율이 증대되는 효과가 있다.

또한, 건조과정 중에 발생하는 증기가스를 이용하여 보일러의 연료원으로 재활용함에 따라 건조과정에 소요되는 연료를 절감하여, 건조과정에 소요되는 연료원을 절감하는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수의 농축건조장치의 개략적인 도면.
도 2는 본 발명에 채용된 젓개의 개략적인 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명으로 폐수를 농축하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명으로 폐수를 건조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 종래의 기술을 나타낸 도면.
도 6은 다른 종래의 기술을 나타낸 도면.

상기 도면을 참고하여 본 발명의 구성, 기능 및 작용관계를 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 폐수의 농축건조장치(100)에는 저장조(1), 젓개(2) 및 건조재킷(3)이 포함된다.

저장조(1)의 내부는 대략 원통형상이며, 도시된 바와 같이 하부로 갈수록 그 단면적이 좁아지게 형성될 수 있다. 저장조(1)의 상부에는 폐수가 유입되는 폐수유입라인(L1)이 형성되어 있으며, 저장조 내부의 천장에는 농축 또는 건조 과정 중에 발생되는 기체를 외부로 배출하기 위한 증기라인(L2)이 연통되어 있다.

한편, 젓개(2)는 상기 저장조(1)의 내부에서 회전되게 설치되는데, 젓개(2)의 내부에는 가열된 유체가 유통될 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 내부가 중공되어 있다.

구체적으로 젓개(2)에는 상하 방향으로 길게 신장된 상,하부 회전축(21,22)이 형성되며, 상기 회전축(21,22)에서 수평방향으로 연장된 날개부(23)가 형성되어 있다. 이러한 회전축(21,22)과 날개부(23)는 중공된 봉으로 제작되며, 각 접합부분에서 서로 내부 공간이 연통됨에 따라 상부 회전축(21)에서 유입되는 유체가 날개부(23)에서 좌우로 분산된 후 하부 회전축(22)으로 빠져나갈 수 있도록 구성된다.

이때, 날개부(23)는 상부에 가로로 형성된 윗봉(231)과, 하부에 저장조의 바닥형상에 따라 기울어지게 형성된 아랫봉(232)과, 상기 윗봉(231)과 아랫봉(232) 사이를 연결하면서 그 내부공간이 연통되게 하는 다수의 세로봉(233)으로 이루어져 있다. 이때, 상하부 회전축(22)의 중심을 통과하는 위치를 벗어나게 세로봉(233)이 배치됨으로써 상부에서 유입되는 가열된 유체가 하부 회전축으로 바로 빠져나가지 아니하고 가능한 날개부(23) 외측을 거쳐 통과하도록 구성하는 것이 바람직하다.

젓개(2)의 상부 회전축(21)은 저장조(1)의 상부를 관통하게 장착되며, 상부 회전축(21)은 기어와 구동모터(M)에 의하여 회전가능하게 구성된다. 이때, 구동모터(M)와 상부 회전축(21)과의 연결은 도시된 바와 같이 기어 연결로 이루어지거나, 통상적인 체인, 풀리 등 동력전달수단이 구비될 수 있다. 또한 구동모터(M)의 회전속도는 사용자가 임의로 조작가능한 공지된 구성을 갖는다.

젓개(2)는 저장조(1)의 내부에서 자유 회전이 가능하도록, 날개부(23)의 회전반경이 저장조(1)의 내측 반경보다 작게 형성된다.

한편, 건조재킷(3)은 저장조(1)의 외측 하부를 감싸도록 설치되어 있다. 건조재킷(3)은 추후 설명되는 축열식 소각로(44)에서 발생된 고온 스팀 등 고온 유체를 공급받아 저장조(1)의 내벽 온도를 고온으로 상승시키기 위한 것이다.

또한, 저장조(1)의 바닥측에는 건조재킷(3)을 통과하여 외부와 연결되는 배출구(11)가 형성되어 있다. 이 배출구(11)는 유압에 의해 작동되는 마개(111)에 의하여 막혀 있으며, 필요에 따라 개방할 수 있는 것이다.

한편, 저장조(1)의 상단부에 형성되는 증기라인(L2)에는 히트펌프(41)가 연결되어 있고, 히트펌프(41)를 통과한 증기라인(L2)은 젓개(2)에 연통되어 있다. 또한, 보일러(42)는 히트펌프(41)와 젓개(2) 사이의 증기라인(L2)에 병렬되게 연결되어 있으며, 보일러(42)에 연결된 증기라인과, 히트펌프(41)에 연결된 증기라인 각각에는 밸브(V)가 설치되어 있다. 또한, 젓개(2)의 하부 회전축(22)에는 도시하지 아니한 별도의 응축수 처리장치가 연결되어 있다.

나아가, 저장조(1)와 히트펌프(41) 사이의 증기라인(L2)에서 분기되는 가스라인(L3)이 더 구비되고, 상기 가스라인(L3)에는 기액분리기(43)와 축열식 소각로(44)가 순차적으로 연결되며, 축열식 소각로(44)에서 생성한 고온의 연소가스 등 대략 600~700℃정도의 고온 기체는 건조재킷(3)에 유입되도록 구성된다. 또한, 건조재킷(3)에는 유입된 고온 기체가 유통된 후 외부로 빠져나가기 위한 배출라인(31)이 형성되어 있다.

이때, 증기라인과 가스라인의 분기점에는 삼방변밸브가 장착되어 저장조에서 배출된 기체가 증기라인 또는 가스라인 중 어느 한 쪽으로만 이동되게 구성하거나, 도시된 바와 같이 가스라인(L3)과 증기라인(L2)에 밸브(V)를 설치하여 사용자가 저장조에서 배출된 기체의 흐름 방향을 조절할 수 있도록 구성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 작용관계를 설명한다.

도 3은 폐수의 농축과정을 나타낸 것이다. 저장조(1) 바닥의 배출구가 막힌 상태에서 폐수유입라인(L1)을 통하여 폐수가 저장조(1) 내부로 유입된다. 이때, 폐수는 통상적인 폐수처리 과정에서 미세기포를 이용하는 부유식 유기물제거과정 등에서 얻어지는 유기물이 높은 함량으로 함유된 상태이다.

저장조(1)에 폐수가 일정 수위로 채워진 후에 폐수유입라인(L1)의 밸브를 잠그고, 젓개(2)를 회전시키며, 보일러(42)에서 생성되는 고온의 수증기, 열 유체로 하여 젓개(2)의 내부로 유통시켜 저장조(1) 내부의 폐수 온도를 상승시킨다. 이때, 젓개(2)가 회전함에 따라 날개부(23)는 폐수와의 접촉 기회가 증대되며, 젓개(2)의 내부를 통과하는 수증기가 원심력에 의하여 날개부(23)의 가장자리에까지 용이하게 이르러 저장조 폐수와의 열교환 효율이 높아지게 된다.

보일러(42)의 연소에 의하여 저장조(1)의 폐수 온도가 대략 70℃ 이상으로 상승한 후에는 저장조(1) 내의 폐수에서 수증기가 발생된다. 이 수증기는 증기라인(L2)을 통하여 히트펌프(41)로 유입된다.

히트펌프(41)는 압축기로 이루어져, 저장조(1)에서 배출된 수증기를 압축하여 고온 스팀을 생성하고, 이를 젓개(2)로 유입시키게 된다. 이때, 보일러(42)의 작동을 정지하고, 보일러(42)를 통한 수증기의 유입을 차단함으로써 히트펌프(41)의 작동으로 인하여 얻어진 고온의 스팀이 보일러(42)로 역류되는 것을 차단한다.

이 경우, 보일러의 작동을 대체하여 히트펌프를 작동시켜면서 젓개에 의한 저장조 폐수와의 열교환이 연속적으로 이루어지게 되는데, 보일러의 운영비용보다 저렴한 히트펌프의 운영비용으로 인하여 에너지 소비를 최소화하면서 농축과정을 진행시킬 수 있는 장점을 갖게 된다. 즉, 증기라인으로 배출되는 저장조의 수증기의 열에너지에 작은 용량의 히트펌프를 작동시킴으로써 저장조 폐수의 지속적인 가열이 가능하게 되므로, 수증기로 버려지는 폐 열에너지를 회수하여 에너지 효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 4는 건조과정에 따른 본 발명의 작동상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 농축과정을 거쳐 저장조(1) 내의 폐수가 충분히 농축된 이후에는 히트펌프로 유입되는 증기라인(L2)의 밸브를 잠그고, 기액분리기(43)로 유입되는 가스라인(L3)의 밸브를 개방하여 건조과정으로 들어간다.

건조과정에서는 가스라인(L3)에 구비된 축열식 소각로(44)를 작동하여 고온 기체를 생성하여 건조재킷(3)에 유입시킨다. 이때, 상기 축열식 소각로(44)는 버너의 고열을 이용하여 대략 600~700℃ 정도의 고온 열가스를 생성할 수 있는 공지된 구성을 가질 수 있다. 축열식 소각로(44)에 의하여 얻어진 고온 열가스, 즉 고온 열매체는 건조재킷(3)의 상부로 유입되어 건조재킷(3)의 내부를 순환한 후에 건조재킷(3)의 하부에 형성된 배출라인(31)으로 빠져나간다. 이때, 도시하지 아니하였으나 배출라인에는 건조재킷을 빠져나가는 고온 유체의 폐열을 활용하기 위한 별도의 장치의 열원으로 유입되게 구성하거나, 다시 보일러로 회수되도록 구성할 수 있다.

고온 유체에 의하여 저장조(1)의 내벽은 고온으로 상승되어, 접촉되는 폐수를 순간 건조시킬 수 있게 된다. 이때, 젓개(2)는 지속적으로 회전함에 따라 농축된 폐수를 원심력에 의하여 저장조(1)의 내벽으로 밀어내게 된다. 따라서 저장조(1) 내의 폐수는 급격하게 건조되면서 더욱 농축되며, 신속하게 건조되기 시작한다.

상기 건조과정 중에 다량으로 증기가스가 발생하여, 증기라인(L2)과 가스라인(L3)을 거쳐 배출된다. 이 증기가스에는 다량의 유기물이 포함되어 있어, 기액분리기(43)에서 수분이 분리 배출된 후 유기물 성분이 다량 함유된 건류가스가 생성된다.

이 건류가스는 상기 축열식 소각로(44)로 유입함으로써, 축열식 소각로(44)의 연소원으로 재활용한다. 도시하지 아니하였으나 이러한 건류가스의 수증기 함유율을 낮추기 위하여 기액분리기를 통과하기 전의 가스라인에는 응축기를 더 설치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 건조과정 중에서 발생된 증기가스에 소정의 처리과정을 더하여 축열식 소각로의 연소원로 활용하게 되므로, 보일러 운용에 소비되는 천연가스나 기름 등의 1차 연료원을 절감할 수 있게 된다.

건조과정이 진행된 후에 저장조(1)의 바닥에는 유기물이 가루 형태로 모이게 되며, 일정 시간 동안 저장조 냉각기간을 거친 후에 배출구(11)를 개방하여, 남은 유기물 가루, 즉 건조물을 외부로 반출하게 된다.

이때, 배출구로 나온 뜨거운 건조물은 상온에서 냉각되면서 악취가스를 다량 방출하게 된다. 따라서 상기 건조물은 별도의 밀폐된 장치에서 냉각시키며 발생된 악취가스는 따로 포집하여 플라즈마 이온처리 등 공지된 구성에 따라 별도의 악취가스 분해처리 과정을 거치는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명은 저장조의 내부 공간에서 농축과정과 건조과정을 차례로 진행하게 됨에 따라, 종래의 기술과는 달리 적은 공간을 차지하는 장점을 갖게 된다. 또한, 농축과정에서 발생하는 수증기의 폐열을 재활용함으로써 농축과정에 소요되는 열에너지 소모를 줄이고, 건조과정에서 발생되는 증기가스를 소정의 처리과정을 통하여 연료원으로 재활용함으로써, 농축과 건조에 요구되는 총 에너지를 줄여 경제적으로 이점이 있는 효과가 있게 된다.

100 : 농축건조장치 1 : 저장조
11 : 배출구 111 : 마개
2 : 젓개 21 : 상부 회전축
22 : 하부 회전축 23 : 날개부
231 : 윗봉 232 : 아랫봉
233 : 세로봉 M : 구동모터
3 : 건조재킷 31 : 배출라인
L1 : 폐수유입라인 L2 : 증기라인
L3 : 가스라인 41 : 히트펌프
42 : 보일러 V : 밸브
43 : 기액분리기 44 : 축열식 소각로

Claims (3)

1. 폐수가 저장되는 저장조(1);
   상기 저장조(1)의 내부에서 회전되며, 그 내부에서 가열된 유체가 유통하여 상기 폐수를 가열하는 젓개(2); 및
   상기 저장조(1)의 외부를 감싸며 내부에 고온 기체가 유통하는 건조재킷(3);을 포함하고,
   상기 젓개(2)는,
   상하 방향으로 길게 신장된 중공봉으로 형성한 상/하부 회전축(21,22); 및
   상부에 가로로 형성하고 상기 상부 회전축(21)과 연통하게 중공봉 형상의 윗봉(231)과, 하부에 저장조(1)의 바닥형상에 따라 기울어지게 형성하고 상기 하부 회전축(22)과 연통하게 중공봉 형상의 아랫봉(232)과, 상기 상/하부 회전축(21,22)의 중심을 통과하는 위치를 벗어나게 상기 윗봉(231)과 아랫봉(232) 사이에 형성하고 상기 윗봉(231) 및 아랫봉(232)과 연통하게 중공봉 형상의 다수의 세로봉(233)을 구비하여 상기 상/하부 회전축(21,22) 사이에서 수평방향으로 연장되게 형성한 날개부(23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치.
2. 제1항에서,
   상기 저장조(1)의 상단에는 증발된 수증기가 배출되는 증기라인(L2)이 설치되고, 상기 증기라인(L2)에는 상기 수증기를 고온 스팀으로 압축하는 히트펌프(41)가 구비되어 있으며, 상기 고온 스팀은 상기 젓개(2)로 공급되는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치.
3. 제2항에서,
   상기 고온 기체를 생성하는 축열식 소각로의 연료원에는,
   상기 저장조(1)에서 생성되는 증발가스에서 수분을 제거한 건류가스가 포함되는 것을 특징으로 하는 폐수의 농축건조장치.

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