KR101007990B1

KR101007990B1 - 음식물 쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 방법 및 그 생성 장치

Info

Publication number: KR101007990B1
Application number: KR1020100032635A
Authority: KR
Inventors: 최창식; 김호; 김정훈
Original assignee: 지테크(주); 김정훈; 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-01-14

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 동시 생성하는 방법 및 그 장치를 제공하며, 상기 방법은 음식물쓰레기를 스팀발생장치가 구비된 가온압력 반응기에 투입하는 단계, 및 상기 스팀발생장치로부터 상기 가온압력 반응기 내부로 포화수증기를 투입하여 음식물쓰레기를 가용화액과 탄화 고형물로 분리시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 스팀발생장치로부터 공급되는 포화수증기는 1차 및 2차 스팀 공급관을 통해 각각 반응기 내부로 공급되며, 여기서 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관은 반응기의 운전 시작시 동시에 개방되어 요구되는 열역학적 조건에 신속하게 도달하도록 제어되고, 반응기 운전 중에는 2차 스팀 공급관이 부족한 열에너지의 추가 공급 및 내부의 열전달 향상을 위해 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급하도록 제어됨을 특징으로 한다.

Description

음식물 쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 방법 및 그 생성 장치{A method for production of carbonized solid and soluble liquid from food waste and a device for production of the same}

본 발명은 음식물 쓰레기로부터 탄화 고형물과 가용화액을 생성하는 방법 및 그 생성 장치에 관한 것이다.

일반적으로 국내에서 발생되는 음식물 쓰레기는 2008년 환경부 통계기준 14,452톤/일에 달하고 있으며 이중 약 92.2%인 13,326톤/일의 음식물 쓰레기가 재활용되고 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나 이들 음식물 쓰레기 재활용 시설의 80.8%인 206개소의 처리시설이 퇴비 또는 사료와 같은 단순 저부가가치 제품으로 재활용되고 있는 실정이다.

음식물 쓰레기는 고함수율의 유기성 폐기물로 유기물 세포벽 내부에 결합수 형태의 수분이 다량 존재하여 기계적 탈수로는 함수율 70% 이하의 유지가 어렵고 쉽게 부패되는 특성으로 인해 침출수, 악취 및 해충 발생 등의 2차 환경오염을 유발시키는 문제점이 있다. 기존 대부분의 음식물 쓰레기 처리시설들은 공법에 상관없이 전처리 공정에서 기계적 탈수를 실시하고 있으며 이 과정에서 발생되는 탈리액은 처리비용 및 효율 등을 이유로 해양투기에 거의 의존하고 있는 실정이다. 그러나 런던협약에 의해 2013년부터는 해양투기가 전면 금지되어 이에 대한 대안, 즉 적절한 육상처리 방안이 시급히 요구되고 있다.

앞서 기술한 바와 같이 음식물 쓰레기의 탈수효율은 매우 낮기 때문에 종래의 처리시설들은 탈수 후에도 톱밥과 같은 수분 조절제를 사용하거나 열풍을 이용한 건조공정을 통해 함수율을 조절하였다. 그러나 톱밥의 경우 지속적인 가격상승에 따른 원가부담 뿐만 아니라 과도한 사용량으로 인해 감량화가 이루어지지 않는다는 심각한 문제점이 대두되고 있다. 또한 열풍건조의 경우 건조 시 120℃ 전후의 열풍으로 처리하게 되므로 과도한 에너지 비용이 요구되며 열풍에 의해 휘발된 악취물질 및 외부 공기원의 공급 등으로 인해 주변지역 주민들에게 심각한 민원을 유발하고 있다.

1970년대 오일 쇼크 이후 석탄 또는 바이오매스(Biomass)로부터 에너지를 생산할 수 있는 열분해(액화, 가스화) 처리기술이 개발되어 왔다. 열분해 처리기술은 무산소 또는 저산소 상태에서 유기물에 열을 가할 때 유기물이 에너지로 전환되는 기술로서 흡열반응이 진행되어 에너지원으로 활용도가 높고, 외부 공기원의 주입이 없으므로 대기오염이 거의 없다. 특히 음식물쓰레기의 경우 대표적인 유기물이며 감량화, 악취방지 및 에너지원 생성이 가능하여 최근 이를 활용하기 위한 많은 기술개발이 이루어지고 있다.

음식물쓰레기의 성분과 원소함량을 분석해보면 대부분이 수분으로 유기물은 12.6%, 무기물은 6.8%에 불과하며 유기물 중 탄소(C) 함량이 49%이고 열량의 경우 높은 함수율로 인해 직접 연소 시 492kcal/kg의 낮은 발열량을 가진다. 그러나 열분해 과정을 거쳐 생성된 탄화 고형물의 발열량을 분석해보면 3,000~4,000kcal/kg 정도로 화력발전용 무연탄과 유사한 발열량을 보유하고 있어 청정연료로서 그 활용도가 매우 높다.

음식물쓰레기 열분해 처리기술은 온도범위에 따라 일반온도(60~100℃), 중온조건(100~175℃) 및 고온조건(175~225℃)로 구분된다. 또한 시료의 수분 함유량에 따라 고온저압의 조건에서 진행되는 건식 열분해와 고온고압의 조건에서 진행되는 습식 열분해로 구분할 수 있다. 본 발명의 습식 열분해는 시료에 대해 산 또는 알칼리 처리를 하지 않고 밀폐형 가온압력 수평형 반응기를 이용한 환원분위기에서 반응이 진행되므로 습식 산화 등의 기술과는 대별된다.

고온저압의 건식 열분해 공정은 음식물쓰레기의 수분을 건조 등의 전처리 과정을 거쳐 미리 제거시킨 후 열분해를 통해 에너지원을 회수하는 공정으로서, 반응온도는 350~750℃이고 압력은 대기압수준으로 낮다. 별도의 전처리 건조 비용 부담 및 악취발생 문제를 해결하여야 하는 단점이 있으나, 에너지 회수 시 생성되는 응축수가 적으므로 응축수 분리 비용이 적게 들고 운전이 편리하여 현실적으로 많이 이용되는 기술이다(캐나다 환경부 Bayer & Kutubuddin, 1982 등). 고온고압의 습식 열분해 공정은 전처리를 통한 수분의 제거 없이(함수율 80% 이상) 열분해하는 기술로서, 반응온도가 300~750℃ 일 경우 시료 내의 수분이 기화하면서 반응압력은 170기압까지도 이르기도 한다. 따라서 음식물쓰레기 시료에 포함되어 있는 수분 함유량만큼 반응기의 크기가 증가되어야 하고, 수분 기화에 의한 증기압으로 반응기의 압력이 필요 이상으로 상승된다. 또한 수분의 기화에너지(539cal/g, at 1atm.)를 필요로 하므로 열분해 자체에서 다소 많은 에너지를 필요로 하게 되며 열분해 후 다량의 응축수가 생성되어 응축수 분리장치가 필요이상으로 커지게 되고 운전이 어려운 단점이 있다(Metcalf & Eddy, 1978).

고온고압의 습식 열분해 공정을 거치게 되면 음식물 쓰레기는 세포벽이 파괴되어 결합수가 분리되므로 고형물의 탈수성이 향상됨과 동시에 탄소성분의 고정화를 통해 발열량이 높은 고형연료로 전환되게 된다. 또한 이러한 과정에서 분리된 결합수는 열적 에너지를 가지는 수증기로 전환되어 고형연료를 제외한 나머지 유기물을 가수분해시킴으로써 고분자를 저분자로 전환시켜 반응여액에는 저분자의 용존성 유기물이 용해됨에 따라 SCOD(Soluble COD)를 증가시킨다. 즉, 음식물 쓰레기의 주요 구성성분인 탄수화물, 지방, 단백질과 같은 고분자 물질은 열적 가수분해를 통해 단당/다당류, 지방산, 아미노산, 글리세롤과 같은 가용성 저분자 물질로 전환되어 미생물이 흡수하여 대사와 성장 에너지원으로 활용하기에 용이하도록 생분해성이 향상되게 된다.

한편, 고온고압의 습식 열분해 공정을 거쳐 고체 탄화물을 생성하는 방법은 대한민국 특허 제515497호에 개시되어 있다. 여기에 기술된 방법은 하수 슬러지를 원료로 하여 고체탄화물을 생성하는 방법에 국한되며, 반응기의 가열을 위해 가온압력 수평형 반응기의 가열은 이의 외부에 존재하는 전기 히터를 통한 간접가열방식을 채택함으로써 열전달율이 저하되며 슬러지가 갖는 수분만으로 열역학적 온도 및 압력 조건을 유지하게 되므로 결과적으로 승온/승압에 요구되는 시간이 길어지고 탄화율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 상기 특허의 고온고압의 습식 열분해 반응기는 수직형 반응기로 슬러지의 투입 및 배출을 위해 반응기의 상부와 하부가 모두 분리되어야 한다. 나아가, 교반기의 구동축이 상부에만 존재하여 장비가 대용량화될 경우 교반기의 부하로 인한 기계적 고장이 자주 발생하는 불편함을 초래하게 된다.

본 발명의 목적은 상기한 대한민국 특허 제515497호의 기술의 한계를 극복하여 음식물 쓰레기로부터 탄화 고형물뿐 아니라 혐기성 소화에 의해 메탄 가스를 생성할 수 있는 가용화액을 동시에 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 고온고압의 습식 열분해 반응기의 열전달 효율을 증가시킴으로써 반응기의 처리 시간을 단축함과 동시에 고체 탄화율 및 가용화율을 증가시킴에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 이로써 발열량, 즉 질량당 열량(kcal/kg)이 높은 탄화 고형물과, 혐기성 소화에 적합하여 회수 에너지율이 높은 가용화액을 동시에 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 반응기의 유지 보수가 용이하고 압력 누출 염려가 없어 안전하며 열을 반응기 내부에 직접 전달함으로써 열 손실을 저감시킬 수 있는 음식물쓰레기 처리 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 나머지 목적은 본 발명의 방법들을 구현하기 위한 음식물쓰레기의 탄화 고형물 및 가용화액 생성장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 방법은, 음식물쓰레기를 스팀발생장치가 구비된 가온압력 반응기에 투입하는 단계; 상기 스팀발생장치로부터 상기 가온압력 반응기 내부로 포화수증기를 투입하여 음식물쓰레기를 가용화액과 탄화 고형물로 분리시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 스팀발생장치로부터 공급되는 포화수증기는 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관을 통해 각각 반응기 내부로 공급되며, 여기서 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관은 반응기의 운전 시작시 동시에 개방되어 요구되는 열역학적 조건에 신속하게 도달하도록 제어되고, 반응기 운전 중에는 2차 스팀 공급관이 부족한 열에너지의 추가 공급 및 내부의 열전달 향상을 위해 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급하도록 제어됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하기 위한 장치는,

음식물쓰레기를 수용하기 위한 가온압력 반응기;

상기 반응기에 결합되고 상기 반응기 내부에 수용된 음식물쓰레기의 교반을 위한 교반기;

상기 반응기를 가열하기 위한 스팀발생장치;

상기 스팀발생장치로부터 상기 반응기에 포화 수증기를 열원으로서 공급하기 위한 스팀 공급관; 및

음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 열역학적 기준에 의거 상기 반응기의 온도와 압력을 조정하기 위한 온도 및 압력의 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주된 효과는 고온고압의 습식 열분해 반응기의 열전달 효율을 증가시킴으로써 반응기의 처리 시간을 극적으로 단축시킴과 동시에 고체 탄화율 및 가용화율을 증가시켜 질량당 열량(kcal/kg)이 높은 탄화 고형물과 혐기성 소화에 적합한 가용화액을 동시에 제공하는 데 있다.

나아가, 본 발명의 방법에 의해 생성된 가용화액은 생물학적으로 처리하기에 용이하도록 균질화되어 있으며, 유기물 농도가 SCOD_cr 기준으로 최소 100,000 mg/L 이상으로 높아 바이오가스 생성에 유리하며, 탄화 고형물의 발열량 역시 최소 4,000 kcal/kg 이상으로 에너지 회수율이 매우 높다.

또한, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 음식물쓰레기 양을 대폭적으로 감량시킬 수 있고, 사고 발생 위험이 낮아 안전하고 유지 보수가 더욱 편리하며 가동 시간이 짧아 대량의 음식물쓰레기를 보다 짧은 시간에 처리함으로써 처리 효율을 극대화시킨 이점이 있다.

도 1은 가온압력 반응기(100), 스팀발생장치(200), 제어반(300), 배가스 응축기(400), 냉각기(500), 세정탱크(600) 및 슬러리 회수탱크(700) 등을 구비한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고형탄화물 및 가용화액 생성 장치의 전체 개요도이다.
도 2는 도 1에 도시된 여러 장치 중에서도 가온압력 반응기(100) 및 그 주변 장치만을 확대하여 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가온압력 반응기(100)를 정면에서 바라본 투시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가온압력 반응기(100) 내부에 장착된 교반기(140)의 구조를 입체화한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가온압력 반응기(100) 내부의 교반축(141)과 교반봉(143), 교반날개(149)의 배열을 입체적으로 도시한다.
도 6은 온도와 압력에 따른 물의 상평형도이다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 방법은, 음식물쓰레기를 스팀발생장치가 구비된 가온압력 반응기에 투입하는 단계; 및 상기 스팀발생장치로부터 상기 가온압력 반응기 내부로 포화수증기를 투입하여 음식물쓰레기를 가용화액과 탄화 고형물로 분리시키는 단계를 포함한다.

본 발명에서는 종래 가온압력 반응기와는 달리 반응기의 가열을 위해 전기 히터가 아닌 스팀발생장치를 채택하였다. 종래의 가온압력 반응기에서 채택한 전기 히터의 경우 열분해용 가온압력 반응기를 외부에서 가온하는 간접가열방식으로 열전달율이 저하되며 음식물 쓰레기가 가지는 수분만으로 열역학적 조건에서 요구하는 압력 및 온도 조건을 유지하게 되므로 결과적으로 승온 및 승압에 요구되는 시간이 길어지고 고체 탄화율 및 가용화율이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명에서는 전기 히터 대신에 스팀발생장치를 사용함으로써 반응기 내부로 열역학적으로 요구되는 조건의 포화수증기를 반응기 내 직접 투입하는 직접 가열 방식을 채택하여 승온 및 승압에 요구되는 시간을 현저히 단축시켰으며 음식물쓰레기의 수분뿐만 아니라 투입된 포화수증기를 모두 활용함으로써 탄화율 및 가용화율의 향상을 도모하였다.

외부가열은 간접 열전달과 관련된 비가역성 때문에 낮은 열효율을 초래한다. 열전달은 크게 대류, 전도, 복사를 통해 이루어지며 이 중 열의 전달 속도는 대류가 가장 빨라 복사, 전도보다 효율적이다. 기존의 경우 전기히터를 이용한 간접가열 방식으로 열 전달은 전도를 통해 이루어 졌으나 현재는 스팀을 반응기 내부로 직접 분사하는 직접가열 방식으로 대류를 통해 열을 공급함으로써 기존의 전도보다 빠른 열전달 속도를 얻을 수 있다. 예를 들어 기존의 경우 전기히터를 이용하여 승온 및 승압을 할 경우 30~60분의 가열시간을 거쳐야만 열역학적으로 요구되는 반응조건에 도달하였으나 본 발명의 경우 반응조건에 상응하는 스팀을 직접 반응기 내부에 공급함에 따라 10분 이하, 또는 수분 만에 반응조건까지 도달이 가능하다. 또한 열전달은 온도의 차가 크면 클수록 열이 이동이 빨라지게 되는데 기존의 경우 전기히터를 통해 서서히 가열되므로 열 공급원과 반응기 내부의 온도차가 크지 않았으나 본 발명의 경우 반응조건에 상응하는 스팀이 직접 공급됨에 따라 열공급원과 반응기 내부의 온도차가 크기 때문에 더욱 빠른 열전달이 이루어지게 되므로 전체 처리시간의 단축이 가능하다.

스팀을 이용한 직접 가열방법은 다른 열매체에 비해 균일하고 신속한 가열이 가능하므로 전열면적을 축소할 수 있어 설비투자의 경감이 가능한 장점이 있다. 일 예로 스팀을 열원으로 사용할 경우 직접가열방식은 전열면에 대해 6,000~15,000 W/m²K의 열전달율을 보이는 반면 간접가열 방식은 850~1,700 W/m²K의 수준에 불과하여 상대적으로 매우 낮은 열전달율을 나타낸다.

본 발명의 가온압력 반응기는 이에 한정되는 것은 아니지만 수평형 반응기인 것이 바람직하다. 수직형 반응기의 경우 투입 및 배출을 위해 반응기의 상부와 하부가 모두 분리되어야 하는 단점이 있다. 또한 수직형 반응기의 경우 교반기의 구동축이 상부에만 존재하는 바, 장비가 대용량화될 경우 교반기의 부하로 인한 기계적 고장이 자주 발생되는 불편함을 초래하게 된다. 따라서, 수평형 반응기로 투입 및 배출을 위한 별도의 배관을 구성하고 교반기의 구동축을 전후 2개소로 하여 상기의 문제점들을 보완할 수 있다. 또한 반응기 내부를 이중구조로 구성하여 압력누출로 인한 안전사고를 방지하고 열전달에 따른 직접적인 방열손실을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 스팀발생장치로부터 공급되는 포화수증기(스팀)는 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관을 통해 각각 반응기 내부로 공급되며, 여기서 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관은 반응기의 운전 시작시 동시에 개방되어 요구되는 열역학적 조건에 신속하게 도달하도록 제어되고, 반응기 운전 중에는 2차 스팀 공급관이 부족한 열에너지의 추가 공급 및 내부의 열전달 향상을 위해 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급하도록 제어됨을 특징으로 한다. 또한, 상기 2차 스팀 공급관은 바람직하게 반응기 내부의 교반기에 장착되어 포화 수증기가 반응기 내로 공급됨과 동시에 교반기의 교반을 통해 반응기 내용물과 신속하게 혼합됨으로써 포화 수증기가 갖는 열원이 반응기 전체로 신속하게 충분히 확산되도록 한다.

본 발명에 따른 가온압력 반응기를 약 20분 내지 약 60분 동안 100 내지 300℃의 온도에서 당해 온도 범위의 특정 온도 값에 대한 101.3 내지 8592.7 KPa 범위 내의 특정 압력 범위가 되도록 하여 음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 조정할 수 있다.

상기 압력은 가온압력 반응기 내에서 상기 음식물쓰레기로부터 추출된 수분의 부피 증가 및/또는 외부에서 공급되는 일부 포화수증기압에 의해 자동 승압이 이루어짐으로써 형성된다. 여기에서 열역학적 기준은 상기 온도가 100℃일 때 101.3 KPa, 150℃일 때 475.9 KPa, 200℃일 때 1554.8 KPa, 250℃일 때 3977.6 KPa, 300℃일 때 8592.7 KPa 등과 같은 방식으로 100~300℃ 범위 내의 특정온도 값에 대한 101.3 ~ 8592.7 KPa 범위 내의 특정압력 값으로 정해질 수 있으며 이는 표 1과 도 6을 참조하면 더 자세히 알 수 있다. 상기 반응기의 내부 압력이 상기 열역학적 기준에 의해 정해진 압력을 초과하는 경우 상기 포화수증기가 반응기 외부로 방출되도록 하는 것이 바람직하다. 본 처리 방법은 밀폐된 상태에서 운전되므로 악취 발생을 원천적으로 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 처리 방법은, 처리 종료 후의 처리물을 신속하게 회수하기 위해 202 내지 1,013 KPa까지만 외부로 포화 수증기를 배출하고 이후 반응기 내에 존재하는 내부 여압을 이용하여 처리물을 슬러리 회수 탱크로 순간적으로 확산 배출시켜 처리물의 배출시간을 단축시키는 것이 바람직하다.

배출된 처리물은 탈수 수단(예: 탈수기)를 통해 탄화 고형물과 가용화액으로 분리할 수 있다.

따라서, 본 발명은 음식물 쓰레기와 같은 고함수율의 유기성 폐기물로부터 에너지 자원으로서 활용도가 높은 탄화 고형물 및 가용화액을 제공한다. 본 방법에 따라 생성된 가용화액은 용존된 유기물 농도가 높을 뿐 아니라 주입된 음식물쓰레기의 종류에 상관없이 당해 가용화액에 함유된 성분의 종류 및 함량이 대체적으로 균질화되어 있어 혐기성 소화를 통한 메탄 가스 생성효율을 높이며 안정적으로 혐기 소화조의 운전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 발열량이라 함은 고위발열량 또는 저위발열량을 의미한다. 고위 발열량이라 함은 연료가 연소한 후 연소가스의 온도를 최초 온도까지 내릴 때 분리하는 열량이며 이때 연소 가스 중의 수증기는 응축하여 액체가 되며 응축할 때 응축열을 발산하고 그 응축열까지를 포함하여 열랑을 계산한 것으로 총발열량이라고도 한다. 저위 발열량은 상기 고위발열량에서 연소가스 중에 함유된 수증기의 증발열을 뺀 것을 말한다. 본 발명을 통한 상기 탄화 고형물의 발열량, 즉 단위열량은 바람직하게는 3,000~7,000 kcal/kg, 더욱 바람직하게는 4,000~6,000 kcal/kg, 특히 바람직하게는 4,500~5,500 kcal/kg이며 상기 가용화액의 유기물 농도가 SCOD_cr을 기준으로 100,000~200,000 mg/L, 특히 바람직하게는 100,000~160,000 mg/L 이다. 상기 탄화 고형물은 본 발명의 가온압력 반응기 열원 또는 외부에서 보일러 등의 연료로써 재사용이 가능하다.

본 발명은 가온압력 반응기의 운전변수를 조절하여 반응기로 유입된 포화수의 기화를 억제하면서 음식물 쓰레기로부터 수분을 분리시켜 탈수능을 향상시키고 탄소고정을 통해 연료로 재사용이 가능한 탄화 고형물(Carbonized solid)을 회수함과 동시에 저분자화된 유기물의 가용화액을 생성할 수 있다. 본 발명은 고온고압의 습식 열분해 조건이므로 상기 음식물 쓰레기는 건조 또는 탈수처리를 하지 않은 상태로 투입하는 것이 바람직하다. 음식물 쓰레기의 건조 또는 탈수처리와 같은 전처리를 시행하지 않는 경우, 전처리를 위한 장치와 시간 및 인력이 필요치 않고, 생성된 탄화물의 단위 열량도 높은 특징이 있다. 또한 기계적 탈수를 통해 탈리액으로 유실되는 고형물도 모두 탄화물 및 가용화액으로 회수가 가능하므로 물질 및 에너지 회수 면에서도 매우 유리하다.

함수율 75 내지 90% 수준(고형물 10 내지 25%)의 고함수율의 음식물 쓰레기를 본 발명에 따른 가온압력 반응기 안에 투입하고 스팀을 통해 가온(100 내지 300℃)하고 특정온도 값에 대한 101.3~8592.7 KPa 범위 내의 특정압력으로 가압하면서 약 20분 내지 약 60분 시간 가량 반응을 진행시키면, 음식물 쓰레기 내 함유 수분인 결합수가 세포로부터 분리된다. 이 때 반응기 내부에서 170~250℃의 고온의 열을 갖는 수분은 열매체로서 작용하여 외부열원과 함께 음식물 쓰레기의 섬유질 세포 및 세포벽을 파괴하는 역할을 수행하여 음식물 쓰레기의 분해 및 결합수의 분리를 가능케 한다. 반응 후 생성물은 수분증발 없이 고액의 슬러리 상으로 존재하며 이때 결합수는 대부분이 자유수 형태로 분리되어진 바, 탈수가 매우 용이하여 기계적 탈수만으로도 함수율 30% 이하가 가능하므로 함수율을 90% 기준에서 30%로 저감시 1톤당 857kg의 물을 제거하게 된다.

탈수된 고형물은 상기 반응이 밀폐형 조건에서 반응이 이루어지므로 외부에서의 산소원이 공급되지 않아 환원 분위기가 유지됨에 따라 우수한 발열량을 가질 수 있도록 탄소고정이 이루어진다. 고형물이 분리된 반응여액은 고온고압의 열매체, 즉 반응기 내부의 포화 수증기로 인해 음식물 쓰레기가 가수분해되어 음식물 쓰레기의 고분자성 유기물을 저분자성 유기물로 전환시켜 혐기 미생물이 기질로 활용하기에 용이한 균질한 성상의 가용화액이다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하기 위한 장치는 음식물쓰레기를 수용하기 위한 가온압력 반응기; 상기 반응기에 결합되고 상기 반응기 내부에 수용된 음식물쓰레기의 교반을 위한 교반기; 상기 반응기를 가열하기 위한 스팀발생장치; 상기 스팀발생장치로부터 상기 반응기에 포화 수증기를 열원으로서 공급하기 위한 스팀 공급관; 및 음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 열역학적 기준에 의거 상기 반응기의 온도와 압력을 조정하기 위한 온도 및 압력의 조절 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 반응기가 외부 자켓을 포함하는 이중 구조로 되어 있으며 이러한 이중 구조는, 단일 자켓으로 외부에 보온재만으로 보온을 실시하여 방열 손실이 큰 종래 방식을 개선코자 한 것으로 이중 구조를 사용하는 경우 외부자켓을 설치하고 보온재로 마감을 함에 따라 반응기의 방열손실을 최소화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 장치에 있어서 상기 스팀 공급관은 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관을 포함하며, 당해 2차 스팀 공급관은 바람직하게는 반응기 내 교반기에 장착되어 반응기 운전 조건 유지에 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급한다. 상기 2차 스팀 공급관은 스팀공급노즐을 포함할 수 있다. 상기 2차 스팀 공급관이 교반기의 내부, 바람직하게는 교반봉(143)의 일정 위치에 부착되어 반응기 내부의 원활한 스팀 분포를 돕는다. 즉, 운전이 지속되면서 추가로 요구되는 열원 또는 포화수증기의 공급을 위해 교반기에 스팀공급이 가능한 스팀 공급노즐이 장착될 수 있다. 상기 노즐의 경우 교반기 내부를 통과하면서 교반기의 방열손실을 최소화하여 반응기 내부의 열전달을 향상시키며 운전조건 유지에 필요한 스팀을 간헐적으로 공급함에 따라 안정적인 처리조건의 유지를 가능하게 한다. 상기 온도와 압력 조절 수단은 가온압력 반응기를 100 내지 300℃의 온도에서 당해 온도 범위의 특정 온도 값에 대한 101.3 내지 8592.7 KPa 범위 내의 특정 압력 범위가 되도록 제어함으로써 음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 한다.

교반기는 가온압력 반응기 내부에 수용된 음식물쓰레기를 교반함으로써 공급된 열원, 즉 스팀과 충분히 혼합하여 처리효율을 향상하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 탄화 고형물 및 가용화액 생성 장치는 상기한 것 외에 처리물을 회수하기 위한 슬러리 회수 탱크; 스팀발생장치 및/또는 포화수증기 배출 밸브의 동작을 제어하기 위한 제어반; 및 상기 가온압력 반응기에 설치되고 상기 가온압력 반응기 내부의 온도측정을 위한 온도측정센서 및 상기 가온압력 반응기에 설치되고 상기 가온압력 반응기 내부의 압력측정을 위한 압력측정센서를 추가로 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 가온압력 반응기에는 필요에 따라 상기 가온압력 반응기 내부의 포화 수증기 배출을 위한 밸브, 및 배출된 포화 수증기의 처리 및 열회수를 위한 세정탱크, 응축기, 냉각기를 각각 포함할 수 있다.

상기 온도측정센서와 상기 압력측정센서는 온도/압력조절수단과 연결되어 상기 가온압력 반응기 내부의 온도정보와 압력정보를 상기 제어반으로 제공하고, 상기 제어반은 상기 온도측정센서와 압력측정센서로부터 인가되는 온도 및 압력정보에 따라 상기 스팀발생장치와 상기 포화 수증기 배출밸브의 동작을 제어하도록 하는 것이 좋다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 열분해 기술을 이용함에 있어 열역학 자료에 근거하여 밀폐된 반응기에 적정 반응 온도(100 내지 300℃)를 가하고 포화수 및 포화수증기에 의해 자동으로 승압이 되는 압력을 조절(약 101.3 내지 8592.7 kPa)하여, 음식물쓰레기(함수율 약 80%)의 세포 내부 결합 수분을 기화에너지 소요없이 제거하면서 탄화 고형물과 가용화액을 동시에 생성하는 것으로, 가온압력 열분해 탄화기술(또는 습식 열분해 탄화기술)로 표현할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 단지 예시로써 제공되는 것일 뿐 본 발명의 범위를 이로 제한하고자 함이 아니다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 음식물쓰레기의 탄화 고형물 및 가용화액 생성장치는 열분해용 가온압력 반응기(100)와 주변장치들로 구성되어 있는데, 주변장치로는 교반기(140), 교반축(141), 교반봉(143) 및 교반날개(149), 투입구(110) 및 배출구(120), 1차 스팀 공급관(130), 2차 스팀 공급관(145), 포화 수증기 배출관(160~161), 스팀발생장치(200), 온도측정센서(151), 압력측정센서(153), 스팀발생장치(200), 제어반(300), 배가스 응축기(400), 냉각기(500), 세정탱크(600), 슬러리 회수탱크(700) 및 탈수기(800) 등을 구비할 수 있다.

본 발명의 일예에 따른 고형 탄화물 및 가용화액 생성장치에 있어서 동작의 실시예는 다음과 같다:

반응기(100)의 배출구(120)의 배출밸브(121)를 폐쇄한 후 투입구(110)를 통하여 음식물쓰레기를 투입한 후 투입구(110)의 투입밸브(111)를 폐쇄하여 반응기(100) 내부와 외부를 차단하여 반응기 내의 승압/승온 조건을 준비한다. 이어 스팀발생장치(200)에 의하여 발생된 고온 고압의 스팀을 반응기(100)에 구비된 1차 스팀 공급관(130)을 통하여 공급토록 하며 동시에 반응기(100) 내부의 교반기(140)를 정역방향의 제어가 가능한 구동모터(103)를 이용하여 10~40rpm, 바람직하게는 20rpm의 속도로 가동 회전하여 반응기(100) 내부의 스팀과 원료의 혼합을 도모한다. 음식물류 폐기물에 있어서 약 20분에서 60분 정도의 시간 동안 교반 작동을 하는 것이 바람직하며 교반작동이 이루어지는 동안 투입원료의 온도와 스팀의 온도차로 인한 열 및 압력 강하가 일어나게 되고 이는 반응기(100)에 부착된 온도측정센서(151)와 압력측정센서(153)에 의하여 감지되며 제어반(300)으로 측정치를 출력하게 된다. 이의 측정치를 반응에 적합한 내부 온도 150∼250℃ 및 압력범위는 475.9∼3977.6KPa의 조건으로 맞추기 위하여 스팀발생장치(200)로부터 공급받은 스팀을 1차 스팀 공급관(130)과 도 4에서 도시된 교반축(141) 내를 통과하는 2차 스팀 공급관(145)을 통하여 반응기(100) 내부로 공급토록 한다. 반응에 적합한 조건에 도달하면 1차 스팀공급 밸브(171)와 2차 스팀공급 밸브(172)를 폐쇄하여 1차 스팀 공급관(130)과 2차 스팀 공급관(145)을 통한 스팀공급을 중단하고 운전 중 반응조건의 유지를 위해 간헐적으로 2차 스팀 공급밸브(172)를 개방하여 2차 스팀 공급관(145)과 2차 스팀 공급노즐(150)을 통하여 스팀을 공급한다.

스팀발생장치(200)에서 공급되는 스팀은 반응기(100) 가동 시작 시 신속한 반응조건의 도달을 위해 1차 스팀 공급관(130)과 2차 스팀 공급관(145)을 통해 반응기(100) 내부로 공급되어 진다. 운전이 지속되면서 추가로 요구되는 열원 또는 포화수증기의 공급을 위해 교반기(140)에 스팀공급이 가능한 2차 스팀 공급노즐(150)을 장착하였다. 상기 노즐의 경우 교반봉(143)과 교반날개(149) 내부를 통과하면서 교반기의 방열손실을 최소화하여 반응기 내부의 열전달을 향상시키며 운전조건 유지에 필요한 스팀을 간헐적으로 공급함에 따라 안정적인 처리조건의 유지를 가능하게 한다.

포화수증기 배출관(160~161)의 포화수증기 배출밸브(162)가 열리는 압력은 본 발명에 따른 음식물쓰레기의 탄화 고형물 및 가용화액 생성장치의 운전 방식에 따라 다양하게 정해질 수 있는데, 그 범위는 101.3KPa∼8592.7KPa이다. 반응기(100) 내부 온도가 150∼250℃인 경우, 그 압력범위는 475.9∼3977.6KPa(약 5∼40기압)이 적당하다(표 1 참조). 물론, 포화수증기 배출밸브(162)는 작업완료 후 반응기(100) 내부의 수증기를 배출하는 용도로도 사용될 수도 있다.

도 2에서 도시한 바와 같이 교반축(141)에는 슬립조인트 내지 로터리조인트(142)가 부착되어 교반축(141)의 회전유무와 상관없이 항상 유체인 2차 스팀의 공급이 가능하게 하며 교반축(141)이 회전하며 반응물질의 혼합과정 중에도 2차 스팀의 공급이 이루어지므로 반응물질과 스팀의 고른 접촉 및 반응을 유도한다. 2차 스팀의 공급은 단속적으로 반복되며 소정시간의 반응이 끝날 때까지 계속 이루어지므로 2차 스팀 공급노즐(150)의 막힘현상을 방지한다. 소정시간 동안의 반응이 끝나면 반응기(100) 내부의 압력과 온도를 낮추어야 하므로 반응기(100) 상부의 포화수증기 배출밸브(162)를 개방하여 포화수증기 배출관(160~161))을 통하여 배출토록 한다. 반응기의 크기에 따라 배출시간이 비례하며 배출시 일부의 고형물의 유출이 있으므로 배출된 포화수증기 전량을 세정탱크(600)로 보내도록 한다. 세정탱크의 내부에 채워진 물을 통과한 배출 포화수증기 중의 고형물은 물에 의하여 포집되어 남게 되며 그 외의 가스상 물질만 배가스 응축기(400)로 보내어지고 배가스 응축기(400)와 연결되어진 냉각기(500)에 의하여 배가스의 온도가 낮아져 대기 중으로 배출되어진다. 경우에 따라 필요한 경우 배출 포화수증기는 배가스 응축기(400)로 보내지 않고 재순환되어 가온압력반응기(100)의 가온 또는 투입되는 처리대상물의 예열을 위한 열원으로 사용될 수도 있다. 도시되어 있지 않지만 일반적인 탈취설비를 통하여 악취물질이 제거된 후에 배출되는 것이 바람직하다. 포화 수증기의 배출이 완료되어 반응기(100) 내부의 압력이 202~1,013KPa의 조건으로 만족되어지면 배출구(120)의 배출밸브(121)를 개방하여 처리물을 슬러리 회수탱크(700)로 배출토록 한다. 기존 특허(10-0515497)의 경우 수증기 벤트를 통해 상압수준으로 포화 수증기를 완전히 탈기시켜 처리물을 획득하였다. 그러나 이러한 경우 처리종료 후부터 처리물의 회수까지 소요되는 시간이 길어지는 단점이 존재하는 바, 본 발명에서는 상기의 운전 소요시간을 단축하기 위해 202~1,013KPa까지만 외부로 포화 수증기를 배출하고 이후 반응기(100)내에 존재하는 내부 여압을 이용하여 처리물을 슬러리 회수 탱크(700)로 순간적으로 확산 배출시켜 처리물의 배출시간을 단축시킬 수 있다. 슬러리 회수 탱크(700)에 저장된 처리물은 탈수기(800)를 통해 고형연료로 사용이 가능한 탄화고형물과 혐기 소화에 사용되는 반응여액, 즉 가용화액으로 분리되게 된다.

상기와 같은 과정이 1회의 공정으로서 이를 반복적으로 작동하는 방법이 연속공정의 예이다.

상기한 공정의 운전 중 도 3에 도시한 바와 같이 반응기의 내통(101)과 외통(102)에 연결된 압력측정센서(153)로 각각의 압력을 측정하여 반응기 외통(102)의 이상 압력 변화 시 출력된 측정값이 제어반(300)으로 전송되며 제어반(300) 내의 시퀀스 또는 PLC 작동에 의하여 교반기(140)의 작동을 정지시키고 스팀발생장치(200)의 비상배출 동작을 주며 동시에 포화수증기 배출관(160~161)의 포화수증기 배출밸브(162)를 개방하여 반응기(100)내의 압력을 해소한다. 이와 같은 신호는 반응기 내통(101)의 균열 및 파손으로 인한 압력 분출을 사용자 및 외부환경에 노출시키지 않으면서 안전한 운전을 할 수 있도록 한다. 상기 한 과정에서 반응기(100)의 구조는 이중원통형구조로서 재질은 강철제 또는 특수강을 사용하며 반응기의 양단에 판형 플랜지(105)로 마감 후 볼트 등의 체결구로 강제 체결하여 유지보수 시 해체 및 조립이 용이하도록 하며 플랜지 중앙부에 관통하는 구멍을 형성하여 교반축(141)이 통과하도록 한다. 반응기(100)의 상부에 원료의 투입을 위한 투입구(110)와 반응기의 하부에 처리물의 배출이 가능하도록 배출구(120)를 구비한다.

도 4에 도시한 바와 같이 교반축(141)의 내부는 비어있는 구조의 중공축으로서 2차 스팀이 공급되는 축의 말단부에 교반축(141)의 내부에 위치한 2차 스팀 공급관(145)을 통해 스팀발생장치(200)로부터 스팀을 공급받는다. 교반축(141)의 외면에 교반봉(143)이 설치되며 교반축(141)과 교반봉(143)간의 스팀공급이 원활하도록 스팀분사 유로(146)를 형성하며 교반봉(143)의 교체와 밀폐가 가능하도록 실리콘 또는 카본 계열의 원형 링(144)을 부착하며 이를 볼트 등의 강제 결속을 통하여 체결한다.

교반봉(143)의 외곽에 평판형상의 강철제 또는 스테인리스제 교반날개(149)를 체결하여 반응기 내부의 교반이 원활하도록 한다. 교반봉(143)의 배열은 교반축(141)의 전체 길이동안 1회전 하도록 균등 배열하며 교반날개(149)의 부착각도의 조절이 용이하도록 볼트 또는 강제 결속 기구에 의하여 체결토록 한다. 교반봉(143)의 일정한 위치에 2차 스팀 공급노즐(150)을 부착하여 반응기 내부의 원활한 스팀 분포를 돕는다. 2차 스팀 공급노즐(150)은 교반봉(143)에 탈착 및 부착이 용이하도록 볼트 등의 체결구로 체결하여 유지 및 보수가 용이하도록 한다. 2차 스팀 공급노즐(150) 형상은 원형으로 하는 것이 바람직하며 상부의 스팀 분출구(181)와 하부의 압력조절 볼트(152)로 구성되며 내부에 스프링 또는 압축성 유체 등의 압력측정센서(153)를 구비한다. 압력측정센서(153)와 연동하여 침형상의 유로 개폐용 핀(154)을 내설하여 일정 압력 조건의 이하에서는 2차 스팀 공급노즐(150) 내부와 교반봉(143) 내부의 스팀분사 유로(146)를 차단한다.

2차 스팀 공급노즐(150)의 압력조절볼트(152)의 회전방향에 따라 압력측정센서(153)의 압축성 스프링(155)의 인장력에 의하여 스팀 분사 유로 개폐용 핀(154)의 개폐조건이 조정되며 스팀발생장치(200)에서 발생한 스팀의 일정압력 이하 조건에서는 항시 폐쇄조건을 유지한다. 이는 2차 스팀 공급이 이루어지지 않는 상황에서 반응기(100) 내부의 압력이 2차 스팀 공급노즐(150)과 연결된 스팀분사 유로(146)의 압력조건 보다 높을 경우 유기물 등의 밀착으로 2차 스팀 공급노즐(150)의 막힘현상을 일으킴과 동시에 처리물 배출시 반응기에 남아있는 열에 의하여 2차 스팀 공급노즐(150) 말단부의 유기물 고착과 같은 현상을 방지하기 위함이다. 2차 스팀 공급노즐(150)의 방향은 예를 들어 1번 축에 정면, 2번 축에 후면 등과 같이 상호 반대 방향을 취하여 고른 스팀 분포가 가능하도록 하며 노즐이 부착된 교반봉(143)의 평행축 상에 1개 이상의 교반봉(143)이 설치되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

배출되는 포화수증기는 고온 고압 상태에서 대기압 또는 상대적으로 저압의 조건으로 배출되므로 베르누이의 정리에 의하여 많은 유기물이 포함되어 배출된다. 원형 수조형상의 세정탱크(600)는 내부 일정 바닥부분에 원형 통기관(610)을 설치하고 통기관 내에 다수의 포화수증기 분출구(611)를 두어 세정탱크(600) 내부 전체에 배출 포화수증기의 고른 분배를 유도한다. 세정탱크(600)를 통과하게 되면 유입된 배출 포화수증기 중 유분 및 대부분의 고형물은 제거되며 이후 배출되는 배가스의 온도 및 압력은 낮아진다. 세정탱크(600)를 통과한 배가스라도 온도가 높기 때문에 대기 중으로 방출시 백연을 비롯하여 회수 가능한 에너지의 손실이 발생하므로 내부에 다수의 냉각관이 존재하는 배가스 응축기(400)를 구비하며 열교환에 의하여 전환 되어진 고온의 냉각수를 다시 보충수조(410)로 보내어 필요한 보일러 또는 스팀발생기(200)의 고온수로 공급토록 한다.

상기와 같은 방식으로 반응기(100)의 내부 온도와 압력을 조절하면서 가열하면, 음식물 쓰레기 세포 내의 함유 수분인 결합수가 분리되어 반응기 내에 포화수와 포화수증기로 존재하게 되고, 수분을 제외한 잔여 찌꺼기는 쉽게 탄화반응을 일으켜 탄화 고형물이 된다. 또한 탄화 고형물을 제외한 음식물 쓰레기는 열화학적 가수분해 반응에 의해 분리된 결합수 및 반응기 내의 포화수와 결합하여 액상의 처리물, 즉 가용화액으로 전환되게 된다. 고체인 탄화 고형물은 상기에서 기술된 바와 같이 결합수가 모두 분리된 상태로 쉽게 고액분리 및 건조된다. 이렇게 건조된 탄화 고형물은 연료원으로 재사용이 가능하다. 상기의 반응과정에서 세포내부 결합수의 자유수로의 전환은 일반적으로 온도 150~250℃의 조건에서 이루어지며 또한 유기물의 탄소화에 필요한 온도는 100~300℃ 정도이다.

반응온도에 따른 포화수증기압력 및 소비에너지

반응온도 (℃)	포화수증기압력 (max.kPa)	소비에너지 kcal/kg
100	101.3	100.1
150	475.9	150.9
200	1554.8	203.6
250	3977.6	259.3
300	8592.7	321.2

반응기의 압력은 포화수의 부피 증가 및 수증기의 생성 압력에 의해 서서히 증가하게 되는데, 필요 이상의 압력은 포화수 생성에 방해가 되고, 압력이 작아지면 열에너지가 기화에너지로 소모되어 포화수증기량이 많아지게 된다. 따라서 반응온도와 압력에 따른 포화수, 포화수증기로의 변환에 필요한 열량을 나타내는 표 1과 같이 열역학적 자료를 근거로 반응온도에 적정한 압력을 조절하여 포화수 생성에 필요한 에너지 또는 그보다 약간 상회하는 정도의 에너지를 투입하여 주게 된다.

예를 들어, 음식물쓰레기 시료 1ton을 2m³(2,000L) 용량의 반응기에서 온도 200℃, 압력 1554 KPa로 기화에너지로의 소모를 최소화하면서 열분해 반응을 진행시키는 경우, 상기 반응조건에서 최소한의 소요 에너지는 203.6kcal/kg 으로서 함수율 80%인 시료 1ton의 수분은 800kg이므로 요구되는 총 소요 에너지는 162,900kcal 이상이다. 이 때 반응 후에 얻어지는 탄화 고형물은 건조 후 150 kg 가량(함수율 5% 이하)이고 열량은 5,000kcal/kg 정도이므로 총 회수되는 에너지는 750,000Kcal이다. 회수된 탄화 고형물을 보일러의 연료로 활용하여 반응기의 열원으로 사용할 경우 보일러 열효율이 60%라고 할지라도 450,000kcal로 287,100kcal의 에너지가 남게 되어 약 276%의 에너지 자급율 확보가 가능하다.

표 2는 상기 방식(습식 열분해)에 의해 얻어진 탄화 고형물(Carbonized solid)의 물성을 분석한 결과를 나타낸 것이다. 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 습식 열분해 과정을 거치면서 함수율이 급격히 낮아짐과 동시에 가연분의 함량이 높아져 연료로써의 가치가 높아짐을 알 수 있다. 또한 표 3은 상기 방식과 건식 열분해 공정에서 회수된 탄화고형물의 원소 및 발열량 분석 실측결과를 비교한 것이다. 일반적으로 건조 공정에서는 휘발성 고형물이 수분과 함께 쉽게 증발하고, 또한 기존의 건식 열분해 과정에서는 수분이 거의 없는 건조 고형물을 투입하여 탄화물 또는 건류탄화가스 생산이 목적이므로 높은 온도 조건(400-700℃)에서 운전되며 대부분의 탄화수소류가 건류탄화가스로 전환됨에 따라 고형물의 발열량이 감소하게 된다. 따라서 건조과정을 거치지 않는 본 발명에 의해 생성되는 탄화 고형물(Carbonized solid)의 열량이 더 높은 특징을 갖게 된다.

생성된 탄화 고형물의 성분분석

구 분	수 분 (%)	가연분 (%)		회 분 (%)
구 분	수 분 (%)	휘발분	고정탄소	회 분 (%)
음식물 쓰레기 원물	80.6	10.70	1.90	6.80
음식물 쓰레기 건조물	9.7	34.8	32.1	23.4
건류 탄화 고형물	5.4	19.8	38.7	36.1
본 발명 탄화 고형물	0.87	63.64	15.77	19.73

* 음식물 쓰레기 건조물 및 건류 탄화 고형물은 일반적인 상용시설 배출물 기준임

생성된 탄화 고형물의 원소 및 발열량 분석 결과 비교

구 분	원소분석 (%)					발열량 (kcal/kg)
구 분	C	H	N	O	S	발열량 (kcal/kg)
건조 고형물	49.6	6.7	4.8	38.9	0.1	3,327
건류 탄화물	43.2	5.1	4.2	11.2	0.1	3,759
탄화 고형물	57.8	7.5	3.9	16.3	0.2	5,013

본 발명에서 음식물 쓰레기의 탄화 고형물을 분리한 후 회수된 가용화액의 성분을 분석하여 표 4에 나타내었다. 표 4에서 보는 바와 같이 음식물 쓰레기의 탄화 고형물을 회수한 후 가용화액의 가용화율은 96.8%로 고형물을 제외한 나머지 유기물의 대부분을 액상으로 혐기성 소화 후 바이오가스 에너지로 회수가 가능하며 높은 가용화율로 볼 때 그 성상이 충분히 균질화되어 있음을 알 수 있다. 일반적으로 음식물 쓰레기의 유기물 농도를 COD_cr으로 환산할 경우 TCOD_cr(Total COD_cr)은 200,000~240,000 mg/L의 농도를 보이며 이중 탈수와 같은 고액분리를 통해 얻어지는 음식물 쓰레기 탈리액은 TCODcr으로 100,000~150,000 mg/L의 분포를 보인다. 음식물 쓰레기 탈리액을 혐기성 소화 등으로 처리할 경우 안정적인 처리효율의 확보를 위해 약품주입 및 원심분리와 전처리 공정이 필수적으로 요구되며 이들 전처리를 통해 고형물을 추가로 제거하여 혐기성 소화조로 유입되는 유입수의 농도는 약 50,000 mg/L에 불과한 것이 일반적이다. 본 발명의 경우 음식물 쓰레기의 가용화를 통해 에너지로 전환이 가능한 대부분의 유기물을 액상화 시킴으로써 표 4에서 보는 바와 같이 가용화액의 SCOD_cr의 농도가 원료인 음식물 쓰레기의 84,600 mg/L 보다 높은 145,680 mg/L인 것으로 볼 때 혐기성 소화에 따른 가스 상 에너지의 회수율이 증가하며 생물학적 처리시간도 단축이 가능하다. 본 발명을 통해 회수된 가용화액의 SCOD_cr 농도로 볼 때 최소 100,000mg/L 이상의 유기물 농도를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 유기물의 SCOD_cr 농도를 이용하여 혐기성 소화에 따른 CH₄의 발생량과 이에 따라 회수 가능한 에너지량의 산출이 가능하며 그 산출결과를 표 5에 나타내었다. 표 5에서 보는 바와 같이 음식물 쓰레기의 일 처리량을 1 ton/day, 유기물의 분해율과 가스 회수율을 각각 85.8%와 60%로 가정할 경우 본 발명을 통해 회수된 가용화액이 음식물 쓰레기 자체를 처리하는 것보다 회수 에너지의 양을 약 70% 증가시키는 것을 알 수 있다. 따라서 음식물 쓰레기 또는 기계적 탈수에 의한 탈리액을 혐기성 소화처리 후 에너지를 회수하는 것 보다 본 발명을 통하여 회수된 가용화액을 사용하는 것이 유기물 분해 및 에너지 회수율을 향상시킴을 확인할 수 있다.

음식물쓰레기와 이를 가용화한 용액의 농도 비교

구 분	총 유기물 TCOD_Cr (mg/L)	용존성 유기물 SCOD_Cr (mg/L)	가용화율 SCOD_Cr/TCOD_Cr (%)
음식물 쓰레기	215,600	84,600	39.2
음식물 쓰레기 탈리액	148,630	52,430	35.3
음식물 쓰레기 가용화액	150,500	145,680	96.8

음식물쓰레기와 이를 가용화한 용액의 메탄 발생 및 에너지 회수 비교^*

구 분	용존성 유기물 SCOD_Cr (kg/ton)	메탄가스 발생량 (m³/ton)	전력 에너지 환산 (KWH/ton)
음식물 쓰레기	84.60	23.7	70.27
음식물 쓰레기 탈리액	52.43	14.7	43.59
음식물 쓰레기 가용화액	145.68	40.8	120.98

* 전력에너지 환산 인자 : 유기물 분해율 80%, 메탄가스 발열량 8,500 kcal/m³, 860 kcal/kwh, 발전효율 30% 로 산정, 기타 열손실 등은 고려하지 않음

도 6은 온도와 압력에 따른 물의 상평형도이다. 도시된 바와 같이 물은 온도와 압력의 조건에 따라 고체, 액체 또는 기체의 상태로 존재한다. 도 6에서, 액체와 기체 사이의 곡선은 증기압곡선으로 부르며, 이를 참조하면 압력이 높아질수록 물의 끓는점은 높아짐을 알 수 있다. 이 증기압곡선이 본 발명에서의 열역학적 기준이 된다. 이는 표 1에서 설명한 바와 같다. 증기압 곡선상에서는 액체와 기체가 공존하는데 기화에너지가 더 투입되면 액체는 기체가 되면서 온도는 상승한다. 여기에서, 증기압은 수증기압 또는 포화수증기압 등으로도 표현될 수 있다.

100. 가온압력 반응기;
101. 반응기 내통;
102. 반응기 외통;
103. 교반기(140)의 정역방향의 제어가 가능한 구동모터;
105. 판형 플랜지;
110. 투입구;
111. 투입밸브;
120. 배출구;
121. 배출밸브;
130. 1차 스팀 공급관;
140. 교반기;
141. 교반축;
142. 슬립조인트 또는 로터리조인트;
143. 교반봉;
144. 원형 링;
145. 2차 스팀 공급관;
146. 스팀분사 유로;
149. 교반날개;
150. 2차 스팀 공급노즐;
151. 온도측정센서;
152. 압력조절 볼트;
153. 압력측정센서;
154. 유로 개폐용 핀;
155. 압축성 스프링;
160 및 161. 포화 수증기 배출관;
162. 포화수증기 배출 밸브;
171. 1차 스팀공급 밸브;
172. 2차 스팀공급 밸브;
181. 스팀 분출구;
200. 스팀발생장치;
300. 제어반;
400. 배가스 응축기;
410. 보충수로;
500. 냉각기;
600. 세정탱크;
610. 원형 통기관;
611. 포화수증기 분출구;
700. 슬러리 회수탱크; 및
800. 탈수기

Claims

열역학적으로 요구되는 조건의 포화수증기를 반응기 내부로 직접 공급하기 위한 스팀발생장치가 구비된 가온압력 반응기에 음식물쓰레기를 투입하는 단계; 및
상기 스팀발생장치로부터 상기 가온압력 반응기 내부로 열역학적으로 요구되는 조건의 포화수증기를 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관을 통해 반응기 내부로 이중적으로 공급하여 음식물쓰레기를 가용화액과 탄화 고형물로 분리시키는 단계를 포함하는 음식물 쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관은 반응기의 운전 시작시 동시에 개방되어 요구되는 열역학적 조건에 신속하게 도달하도록 제어되고, 반응기 운전 중에 2차 스팀 공급관은 운전 조건 유지에 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급하도록 제어됨을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 2차 스팀 공급관이 반응기 내부의 교반기에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 가온압력 반응기 내 음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 가온압력 반응기의 온도와 압력이 열수상태로 열역학적 기준에 의거하여 조정되는 방법.
제5항에 있어서, 가온압력 반응기 내부의 압력이 상기 열역학적 기준에 의해 정해진 압력을 초과하는 경우 상기 포화 수증기의 일부가 상기 반응기 외부로 방출되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탄화 고형물의 발열량, 즉 단위 열량이 4,000~6,000 kcal/kg 이고 상기 가용화액의 유기물 농도가 SCOD_cr을 기준으로 100,000~160,000 mg/L인 것을 특징으로 하는 방법.
음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하기 위한 장치에 있어서,
음식물쓰레기를 수용하기 위한 가온압력 반응기;
상기 반응기에 결합되고 상기 반응기 내부에 수용된 음식물쓰레기의 교반을 위한 교반기;
열역학적으로 요구되는 조건의 포화수증기를 상기 반응기 내부로 직접 공급하기 위한 스팀발생장치;
상기 스팀발생장치로부터 상기 가온압력 반응기 내부로 열역학적으로 요구되는 조건의 포화수증기를 이중적으로 공급하기 위한 1차 및 2차 스팀공급관; 및
음식물쓰레기에서 추출된 수분의 기화에너지 소요가 억제되도록 열역학적 기준에 의거 상기 반응기의 온도 및 압력을 제어하기 위한 온도 및 압력 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기로부터 탄화 고형물 및 가용화액을 생성하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 1차 스팀 공급관과 2차 스팀 공급관은 반응기의 운전 시작시 동시에 개방되어 요구되는 열역학적 조건에 신속하게 도달하고 반응기 운전 중에는 2차 스팀 공급관이 운전 조건 유지에 필요한 포화수증기를 반응기 내부로 간헐적으로 공급하도록 제어됨을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 2차 스팀 공급관이 반응기 내부의 교반기에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서, 상기 2차 스팀 공급관이 상기 교반기의 내부를 통과하는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응기가 외부 자켓을 포함하는 이중 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응기에서 가온압력 반응을 종료 후 반응기의 내부의 여압을 이용하여 처리물을 회수하는 것을 특징으로 하는 장치.
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