KR101013874B1

KR101013874B1 - 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트와, 소화유니트

Info

Publication number: KR101013874B1
Application number: KR1020080115511A
Authority: KR
Inventors: 박경식
Original assignee: 박경식
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-02-10
Also published as: KR20100056625A

Abstract

본 발명은 200℃ 이상의 고온에서 가수분해된 고온의 유기물 슬러지와 가수분해될 저온의 유기물 슬러지가 서로 열교환하도록 함으로써 가수분해에 소요되는 열에너지를 절감할 수 있는 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트와, 소화유니트에 관한 것이다.

유기물 슬러지, 가수분해, 증기 폭파, 접촉식 열교환, 증기식 열교환

Description

유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트와, 소화유니트{Apparatus for hydrolysis treatment of organic sludge and, methods of the same and, unit for heat exchange of contact type provided for the apparatus, unit for heat exchange of steam type provided for the apparatus, unit for heating provided for the apparatus, unit for digestion provided for the apparatus}

본 발명은 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트와, 소화유니트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 200℃ 이상의 고온에서 가수분해된 고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지 사이에 접촉식 열교환이 일어나도록 하여 저온의 유기물 슬러지를 '한번' 가열하고, 고온의 유기물 슬러지를 증기 폭파시켜 발생하는 수증기로 저온의 유기물 슬러지를 '다시 한번' 가열함으로써 저온의 유기물 슬러지를 가수분해하기 위해서 200℃ 이상으로 가열하는 데 소요되는 열에너지를 절감하고, 가수분해된 유기물 슬러지를 고형성분과 수용액으로 간단하게 분리하여 고형성분은 고체연료로 활용하고 수용액은 혐기성 소화로 발생되는 메탄가스를 상 기 가수분해의 가열 에너지로 이용하는 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트와, 소화유니트에 관한 것이다.

한편, 본 명세서에서 '고온의 유기물 슬러지'는 '가수분해된' 고온의 유기물 슬러지를 뜻하고, '저온의 유기물 슬러지'는 '아직 가수분해되지 않은 즉, 가수분해될' 저온의 유기물 슬러지를 뜻한다. 고온의 유기물 슬러지는 가열용기에서 가수분해되어 배출된 후 제3,2,1 열교환용기와 접촉식 열교환유니트를 순차적으로 경유하고 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트와 제1,2,3 열교환용기를 순차적으로 경유한 후 가열용기에 공급된다(도 3 참조). 따라서, 접촉식 열교환유니트에서의 고온의 유기물 슬러지의 온도가 제2,3 열교환용기에서의 저온의 유기물 슬러지의 온도보다 낮을 수 있다. 즉, 상기 '고온'과 '저온'은 열교환 단계에 한정되어 상대적으로 저온과 고온을 의미한다.

일반적으로, 하수슬러지와 음식물 쓰레기 및 축산폐수 등의 유기물 슬러지가 폐기물로 그대로 배출되면 침출수, 악취, 해충 발생 등의 환경오염을 일으킬 수 있다. 한편, 유기물 슬러지에는 1톤당 600,000kcal 이상의 많은 에너지가 포함되어 있는데, 유기물 슬러지의 함수율이 80％ 수준으로 높아서 상기 수분을 제거하는데 1톤당 1,000,000 kcal 이상의 더 많은 에너지가 소요되기 때문에 아직까지는 유기물 슬러지에 포함된 에너지가 경제적으로 활용되지 못하고 있다. 따라서, 현재까지는 대부분의 유기물 슬러지가 해양투기나 퇴비 활용 등으로 처리되고 있다.

한편, 모든 천연 유기물은 식물 세포에서 광합성으로 생성된 포도당의 결합에 의하여 형성된 것으로, 수용성인 포도당이 결합되거나 질소나 인 등의 원소가 추가되어 결합된 다양한 고분자 화합물로서, 보통 상태에서는 물에 녹지 않는다. 천연 유기물은 세포벽과 세포 내의 각종 기관을 구성하는 구조 유기물과, 세포의 에너지로 사용되는 영양 유기물로 구분할 수 있다. 세포를 구성하는 구조 유기물은 셀룰로오스, 리그닌, 인지질, 폴리펩티드 등이며, 영양 유기물은 녹말, 단백질, 지방 등이다.

구조 유기물은 세포벽이나 세포막을 구성하는 물질로서, 화학적으로 안정되어 있어 250℃에서도 가수분해되지 않기 때문에 불용성으로 남는다. 영양 유기물은 세포의 에너지로 사용되기 때문에 효소 작용으로 저장과 운반이 가능하도록 쉽게 변화하는데, 물분자를 제거하면 불용성 고분자 화합물로 결합하고, 물분자를 추가하면 수용성 단당류로 분해되며 이것을 가수분해라고 한다.

상기 영양 유기물을 100℃ 정도로 가열하면 영양유기물의 분자층 사이에 물이 가두어지는 팽윤현상이 발생하는데, 녹말의 호화반응이나 단백질 응고 현상이 이에 해당하며 이런 팽윤 현상이 발생하면 물을 분리하기 어렵다.

이렇게 팽윤한 영양 유기물은 200℃ 이상의 고온에서 물분자와 결합하는 가수분해가 일어나 고분자 화합물이 물에 녹는 단당류로 분해된다. 영양 유기물이 모두 가수분해되면 유기물은 불용성 유기물과 수용액으로 쉽게 분리할 수 있다.

유기물을 가수분해하는 기술은 함수비 80% 이상으로 많은 물을 포함하기 때문에 보유한 에너지를 이용하지 못하고 환경을 오염시키며 폐기되는 하수 슬러지, 축산폐수, 음식물 쓰레기, 농업 폐기물, 해조류 폐기물 등을 불용성 고형분과 수용액으로 깨끗하게 분리하고, 분리된 고형성분과 수용액을 에너지 자원으로 활용하는 기술이다.

즉, 상기 유기물을 200℃ 이상의 고온으로 가열하여 30분 정도 가수분해하면, 물과 엉겨 탈수를 방해하는 고분자 화합물인 탄수화물과 단백질이 수용성 단당류인 포도당과 아미노산으로 분해되어 물에 녹아 수용액으로 변한다. 가수분해된 상기 유기물은 간단한 탈수 장치를 이용하여 고형성분과 수용액으로 쉽게 분리될 수 있다.

상기 고형성분은 발열량이 4000kcal/kg 수준으로 발전 연료로 사용할 수 있고, 상기 수용액은 혐기성 소화로 바이오 가스를 생산할 수 있다.

이러한 가수분해 효과는 이미 알려져 있다.

유기물을 가수분해하는 장치는 배치식으로 작동된다. 상기 배치식 가수분해 장치는 가열용기에 유기물 슬러지를 넣고 밀폐한 다음 유기물 슬러지를 고온 고압으로 가열하여 가수분해시킨 후, 가열용기를 냉각시켜 압력이 낮아진 다음에 가열용기를 열어 가수분해된 유기물을 외부로 배출하고, 다시 새로운 유기물을 가열용기에 넣어 가수분해하는 과정을 반복한다.

이러한 배치식 가수분해 장치는 상온(20℃)의 유기물을 200℃로 가열하기 위하여 180℃의 온도 상승에 필요한 열에너지를 투입해야 할 뿐 아니라 가수분해 장치의 가열 및 냉각에 많은 열에너지를 사용하기 때문에 열효율이 낮다. 또한, 가수분해할 때마다 가열용기를 냉각시키기 위하여 냉각수단이 필요하고, 처리 양도 적 어 전체적인 효율이 낮다.

이와 같이, 상기 배치식 가수분해 장치는 투입 에너지에 비하여 회수 에너지가 적기 때문에 에너지 비용이 비싸서 폐기물 처리 방법으로 경제성이 없다. 따라서, 가수분해를 이용한 '경제적인' 폐기물 처리 방법과 장치의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 유기물 슬러지의 가수분해에 소요되는 열에너지를 절감할 수 있는 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 소정 압력(예를 들어, 10기압) 이상에서는 직접 가열로 유기물 슬러지를 가열하고 상기 소정 압력 미만에서는 열교환 방식(고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지 사이에 열교환이 일어나도록 하여 저온의 유기물 슬러지를 가열하는 방식)으로 유기물 슬러지를 가열하기 때문에 장치의 제조비용을 줄일 수 있음과 동시에 에너지 비용을 최대한 줄일 수 있는, 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지 사이에 열교환이 일어나도록 하되, 고온의 유기물 슬러지는 증기식 열교환유니트와 접촉식 열교환유니트를 순차적으로 경유하게 하고 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트와 증기식 열교환유니트를 순차적으로 경유하게 함으로써 가수분해된 유기물 슬러지에 포함된 열을 효과적으로 회수할 수 있을 뿐만 아니라 장치의 제조비용도 줄일 수 있는, 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고온의 유기물 슬러지를 여러 차례에 걸쳐 증기 폭파시키고, 증기 폭파에 의하여 만들어진 수증기를 이용하여 저온의 유기물 슬러지를 가열하는 증기식 열교환을 반복함으로써 가수분해된 유기물 슬러지에 포함된 열을 효과적으로 회수할 수 있는, 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 처리 완료된 유기물 슬러지의 수용액을 혐기성 소화시켜 메탄가스를 만들고, 만들어진 메탄가스를 연소시켜 고온의 수증기를 만들어 가수분해에 이용함으로써 유기물 슬러지의 처리에 소용되는 에너지를 최대한 줄일 수 있는 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 접촉식 열교환유니트는, 고온 의 유기물 슬러지가 이동하는 고온 슬러지 이동부와 저온의 유기물 슬러지가 이동하는 저온 슬러지 이동부가 서로 접하도록 설치되어 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달될 수 있되, 상기 고온 슬러지 이동부는 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 제1,2 슬러지관을 포함하고, 상기 저온 슬러지 이동부는 수직으로 적층된 다수의 단위부재를 포함하고, 상기 단위부재는 저온의 유기물 슬러지가 유입되는 입구; 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 출구; 및, 입구와 출구 사이에 형성된 이동공간;을 포함하고, 이동공간을 따라 제1,2 슬러지관이 설치되고, 상기 입구는 상측에 설치된 단위부재의 출구와 연결되고 상기 출구는 하측에 설치된 단위부재의 입구와 연결되며, 입구를 통하여 유입된 저온의 유기물 슬러지가 출구로 이동되는 동안에 제1,2 슬러지관과의 접촉에 의하여 가열된다.

바람직하게, 고온 슬러지 이동부는, 제1 슬러지관의 외주면에 제1 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제1 돌출부; 제2 슬러지관의 외주면에 제2 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제2 돌출부; 및 제1,2 슬러지관을 회전시키는 회전수단;을 포함하여, 회전수단에 의하여 제1,2 슬러지관이 회전되면서 제1,2 돌출부가 저온의 유기물 슬러지를 출구쪽으로 이동시킨다.

더욱 바람직하게, 하측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제1 슬러지관의 끝단은 상측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제1 슬러지관의 끝단과 연통되고, 하측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제2 슬러지관의 끝단은 상측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제2 슬러지관의 끝단과 연통되어, 하측의 제1,2 슬러지관을 통하여 이동된 고온의 슬러지는 상측의 제1,2 슬러지관으로 이동된다.

더욱 바람직하게, 고온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관을 통하여 아래에서부터 위쪽으로 이동하고, 저온의 유기물 슬러지는 단위부재를 통하여 위에서부터 아래로 이동된다.

본 발명의 또 다른 측면인 증기식 열교환유니트는, 고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부와, 상기 슬러지가 배출되는 제1 배출부와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부와, 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 제2 배출부가 형성되고, 내부에는 밀폐공간이 형성된 열교환 용기; 제1 주입부에 설치되고, 고온의 유기물 슬러지가 상기 고압을 유지한 채로 제1 주입부를 통하여 열교환 용기에 소정량씩 주입되도록 하는 주입수단; 및, 제2 주입부를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 고온의 유기물 슬러지와 서로 섞이지 않은 상태로 제2 배출부로 이동시키는 이동수단;을 포함하고, 제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지는 주입 전의 높은 압력과 밀폐공간의 낮은 압력의 차이에 의하여 증기 폭파되고 수증기를 발생시키면서 냉각된 후 제1 배출부를 통하여 배출되고, 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 저온의 유기물 슬러지는 이동수단에 의하여 이동되는 동안에 상기 수증기와 혼합되면서 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 제2 배출부를 통하여 배출된다.

바람직하게, 열교환 용기가 적어도 두 개 이상 구비되고, 고온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기로부터 아래쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동되며, 저온의 유기물 슬러지는 아래쪽의 열교환 용기로부터 위쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동하되, 제2 배출부를 통하여 배출된 저온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교 환 용기의 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입되거나 가열유니트로 배출되고, 제1 배출부를 통하여 배출된 고온의 유기물 슬러지는 제1 주입부를 통하여 아래쪽의 열교환 용기의 밀폐공간에 주입되거나 접촉식 열교환유니트로 이동된다.

여기에서, 이동수단은, 중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구가 형성된 제1 받침대와, 제1 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부를 포함하는 제1 회전체; 중심으로부터 안쪽에 제2 토출구가 형성된 제2 받침대와, 제2 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부를 포함하는 제2 회전체; 및, 제1 회전날개부와 제2 회전날개부를 회전시키는 축;을 구비하고, 제1 회전체와 제2 회전체는 교대로 반복적으로 복수 개가 적층되고, 제1 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부에 의하여 제1 토출구로 이동된 후 아래의 제2 받침대로 떨어지고, 제2 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부에 의하여 제2 토출구로 이동된 후 아래로 떨어지는 것이 바람직하다.

또한, 고온 슬러지의 주입수단은, 길이 방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부; 회전부의 윗면을 덮도록 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 및, 회전부의 아랫면을 덮도록 설치되어 상기 밀폐공간에 연결되고, 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 나머지 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개;를 포함하고, 회전부가 회전하여 저장공과 제1 관통공이 서로 연통되면 고온의 유기물 슬러지가 저장공에 유 입되고, 상기 저장공에 유입된 유기물 슬러지는 회전부가 회전하여 저장공과 제2 관통공이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지가 자유 낙하하여 제1 배출부로 이동될 수 있도록 제1 배출부는 제1 주입구의 수직 하측에 설치된다.

본 발명의 또 다른 측면인 가열유니트는, 내부에 교반날개가 설치되고, 밀폐된 적어도 3개의 가열용기; 각각의 가열용기에 저온의 유기물 슬러지를 주입하는 슬러지 주입관; 상기 저온의 유기물 슬러지를 주입할 때 가열용기 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 각각의 가열용기에 설치된 가스 배출관; 상기 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 각각의 가열용기에 고온의 수증기를 공급하는 고온증기 공급관; 및, 가수분해된 유기물 슬러지가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 슬러지 배출관;을 포함하고, 적어도 3개의 가열용기 중 적어도 어느 하나에 저온의 유기물 슬러지가 슬러지 주입관을 통하여 주입되는 동안에는 적어도 어느 하나의 가열용기에 고온증기 공급관을 통하여 고온의 수증기가 공급되어 가수분해가 이루어지고, 적어도 어느 하나의 가열용기는 슬러지 배출관을 통하여 가수분해된 유기물 슬러지를 배출한다.

바람직하게, 상기 가열유니트는 가수분해된 슬러지 배출이 완료된 후 가열용기 내부의 압력을 낮추기 위해 냉각수를 분무하여 고압 수증기를 응축시킬 수 있도록 냉각수를 가열용기 내부에 주입하는 냉각수 공급관을 포함한다.

여기에서, 가열용기와 교반날개가 수평으로 설치된 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면인 소화유니트는, 슬러지 수용액이 유입되는 입구와, 혐기성 처리가 완료된 상기 수용액이 배출되는 출구와, 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되고, 밀폐된 내부공간을 가지는 프레임; 상기 입구에서부터 출구 쪽으로 미리 정해진 간격으로 적어도 두 개 이상의 수직 칸막이가 설치되어 만들어지는 좁고 긴 이동통로; 및, 수직 칸막이에 설치되어 슬러지 수용액을 입구에서부터 출구쪽으로 이동시키는 이송수단;을 포함하고, 입구를 통하여 유입된 슬러지 수용액은 이송수단에 의하여 이송되면서 미생물에 의하여 무산소 상태에서 유기물 성분이 가스로 분해된 후 출구를 통하여 배출된다.

본 발명의 또 다른 측면인 유기물 슬러지 가수분해 장치는, 증기식 열교환유니트로부터 이동된 저온의 유기물 슬러지가 고온에서 가수분해되어 고온의 유기물 슬러지로 되어 배출되는 가열유니트; 가수분해된 고온의 유기물 슬러지 및 접촉식 열교환유니트로부터 배출된 저온의 유기물 슬러지가 각각 유입된 후, 고온의 유기물 슬러지는 압력차에 의하여 증기 폭파되면서 수증기를 발생시키고 냉각된 후 배출되고, 저온의 유기물 슬러지는 상기 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 배출되는 상기 증기식 열교환유니트; 및, 증기식 열교환유니트로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지가 이동하는 고온 슬러지 이동부와, 저장탱크로부터 이동된 저온의 유기물 슬러지가 이동하는 저온 슬러지 이동부가 서로 접촉되도록 설치되어 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달되는 상기 접촉식 열교환유니트;를 포함한다.

바람직하게, 상기 가수분해 장치는 접촉식 열교환유니트로부터 배출된 유기 물슬러지의 고형성분과 수용액을 분리한 후, 상기 수용액을 무산소 상태에서 협기성 소화하여 메탄가스를 만드는 소화유니트를 포함한다.

여기에서, 상기 증기식 열교환유니트는, 고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부와, 고온의 유기물 슬러지가 배출되는 제1 배출부와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부와, 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 제2 배출부가 형성되고, 내부에는 밀폐공간이 형성된 열교환 용기; 제1 주입부에 설치되고, 고온의 유기물 슬러지가 고압을 유지한 채로 제1 주입부를 통하여 열교환 용기에 소정량씩 주입되도록 하는 주입수단; 제1 주입부를 통하여 주입된 고온의 유기물 슬러지와 제2 주입부를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 서로 섞이지 않은 상태로 각각 제1 배출부 및 제2 배출부로 이동되도록 하는 이동수단;을 포함하고, 제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지는 주입 전의 높은 압력과 밀폐공간의 낮은 압력의 차이에 의하여 증기 폭파되고 수증기를 발생시키면서 냉각된 후 제1 배출부를 통하여 배출되고, 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 저온의 유기물 슬러지는 이동수단에 의하여 이동되는 동안에 상기 수증기와 혼합되면서 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 제2 배출부를 통하여 배출된다.

바람직하게, 열교환 용기가 적어도 두 개 이상 구비되고, 고온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기로부터 아래쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동되며, 저온의 유기물 슬러지는 아래쪽의 열교환 용기로부터 위쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동하되, 제2 배출부를 통하여 배출된 저온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기의 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입되거나 가열유니트로 배출되고, 제 1 배출부를 통하여 배출된 고온의 유기물 슬러지는 제1 주입부를 통하여 아래쪽의 열교환 용기의 밀폐공간에 주입되거나 접촉식 열교환유니트로 이동된다.

바람직하게, 이동수단은, 중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구가 형성된 제1 받침대와, 제1 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부를 포함하는 제1 회전체; 중심으로부터 안쪽에 제2 토출구가 형성된 제2 받침대와, 제2 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부를 포함하는 제2 회전체; 및, 제1 회전날개부와 제2 회전날개부를 회전시키는 축;을 구비하고, 제1 회전체와 제2 회전체는 교대로 반복적으로 복수 개가 적층되고, 제1 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부에 의하여 제1 토출구로 이동된 후 아래의 제2 받침대로 떨어지고, 제2 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부에 의하여 제2 토출구로 이동된 후 아래로 떨어진다.

바람직하게, 상기 주입수단은, 길이 방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부; 회전부의 윗면을 덮도록 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 및, 회전부의 아랫면을 덮도록 설치되어 상기 밀폐공간에 연결되고, 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 나머지 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개;를 포함하고, 회전부가 회전하여 저장공과 제1 관통공이 서로 연통되면 고온의 유기물 슬러지가 저장공에 유입되고, 상기 저장공에 유입된 유기물 슬러지는 회전부가 회전하여 저장공과 제2 관통공이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출된다.

바람직하게, 상기 접촉식 열교환유니트는, 상기 고온 슬러지 이동부는 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 제1,2 슬러지관을 포함하고, 상기 저온 슬러지 이동부는 수직으로 적층된 다수의 단위부재를 포함하며, 상기 단위부재는, 저온의 유기물 슬러지가 유입되는 입구; 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 출구; 및, 입구와 출구 사이에 형성된 이동공간;을 포함하고, 이동공간을 따라 제1,2 슬러지관이 설치되고, 상기 입구는 상측에 설치된 단위부재의 출구와 연결되고 상기 출구는 하측에 설치된 단위부재의 입구와 연결되며, 입구를 통하여 유입된 저온의 유기물 슬러지가 출구로 이동되는 동안에 제1,2 슬러지관과의 접촉에 의하여 가열된다.

바람직하게, 고온 슬러지 이동부는, 제1 슬러지관의 외주면에 제1 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제1 돌출부; 제2 슬러지관의 외주면에 제2 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제2 돌출부; 및, 제1,2 슬러지관을 회전시키는 회전수단;을 포함하여, 회전수단에 의하여 제1,2 슬러지관이 회전되면서 제1,2 돌출부가 저온의 유기물 슬러지를 출구쪽으로 이동시킨다.

바람직하게, 상기 가열유니트는, 내부에 교반날개가 설치되고, 밀폐된 적어도 3개의 가열용기; 각각의 가열용기에 저온의 유기물 슬러지를 주입하는 슬러지 주입관; 상기 저온의 유기물 슬러지를 주입할 때 가열용기의 내부 압력이 일정하게 유지되도록 가열용기 내부의 기체가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 가스 배출관; 상기 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 가열용기에 고온의 수증기를 공급하는 고온증기 공급관; 및, 가수분해가 완료된 유기물 슬러지가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 슬러지 배출관;을 포함하고, 적어도 3개의 가열용기 중 적어도 어느 하나에 가수분해될 슬러지가 슬러지 주입관을 통하여 주입되는 동안에는 적어도 어느 하나의 가열용기에 고온증기 공급관을 통하여 고온의 수증기가 공급되어 가수분해가 이루어지고, 적어도 어느 하나의 가열용기는 슬러지 배출관을 통하여 가수분해된 유기물 슬러지를 배출한다.

바람직하게, 가수분해가 완료된 후 가열용기 내부의 수증기 압력을 낮추기 위해 냉각수를 가열용기 내부에 분무하는 냉각수 공급관을 포함한다.

바람직하게, 가열용기와 교반날개가 수평으로 설치된다.

바람직하게, 상기 가열용기에 저온의 유기물 슬러지가 절반 정도만 채워진다.

바람직하게, 소화유니트는, 슬러지 수용액이 유입되는 입구와, 혐기성 처리가 완료된 슬러지 수용액이 배출되는 출구와, 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되고, 밀폐된 내부공간을 가지는 프레임; 상기 입구에서부터 출구 쪽으로 미리 정해진 간격으로 적어도 두 개 이상의 수직 칸막이가 설치되어 만들어지는 좁고 긴 이동통로; 및, 수직 칸막이에 설치되어 슬러지 수용액을 입구에서부터 출구쪽으로 이동시키는 이송수단;을 포함하고, 입구를 통하여 유입된 슬러지 수용액은 이송수단에 의하여 이송되면서 미생물에 의하여 무산소 상태에서 유기물 성분이 가스로 분해된 후 출구를 통하여 배출된다.

바람직하게, 유기물 슬러지는 하수처리장에서 배출되는 하수 슬러지, 음식물 쓰레기를 분쇄한 음식물 슬러지, 공장에서 배출되는 폐수 슬러지, 가축 분뇨인 축 산폐수 및, 농산물이나 해조류를 분쇄한 식물 슬러지 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면인 유기물 슬러지 가수분해 방법은, (a) 저온의 유기물 슬러지가 이동되는 저온 슬러지 이동부와 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 고온 슬러지 이동부를 서로 접촉되도록 하여 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달되도록 하는 단계; (b) 가열용기에서 가수분해되어 만들어진 고온의 유기물 슬러지를 낮은 내부압력을 가진 열교환용기에 주입하여 압력차에 의한 폭파를 일으키고, 상기 폭파에 의하여 발생되는 수증기를 이용하여 (a) 단계를 경유한 후 열교환 용기에 주입된 저온의 유기물 슬러지를 가열하는 단계; (c) 상기 (b) 단계를 경유하면서 가열된 저온의 유기물 슬러지를 가열용기에 공급하여 가열함으로써 가수분해하여 고온의 슬러지로 만든 후 (b) 단계의 열교환용기로 공급하는 단계; 및, (d) 상기 (a) 단계에서 고온 슬러지 이동부에서 냉각되어 배출된 유기물 슬러지를 무산소 상태에서 협기성 소화시켜 메탄가스를 발생시키는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 (b) 단계를 경유하면서 가열된 저온의 유기물 슬러지를 가열용기에 공급하는 단계; (c2) 상기 (c1) 단계가 완료되면 고온 고압의 수증기를 가열용기에 공급하여 유기물 슬러지를 가수분해하여 고온의 유기물 슬러지를 만드는 단계; 및, (c3) 상기 가수분해가 완료되면 고온 고압 상태를 유지하면서 가수분해된 고온의 유기물 슬러지를 (b) 단계의 열교환용기로 공급하는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 가열용기가 적어도 3개 이상 구비되고, 적어도 3개 이상의 가열용기는 열교환용기에 병렬로 연결되며, 상기 (c1), (c2), (c3) 단계는 적어도 어느 하나의 가열용기에서 각각 진행되어서 가수분해된 유기물 슬러지가 열교환용기에 연속적으로 공급된다.

바람직하게, (b) 단계는 고온의 유기물 슬러지를 고압을 유지한 채로 소정량씩 열교환용기에 공급한다.

바람직하게, 상기 열교환 용기는 적어도 두 개가 구비되고, (b) 단계는, 가열용기에서 가수분해되어 만들어진 고온의 유기물 슬러지가 열교환용기에 주입되어 증기 폭파되고 배출된 후, 다른 열교환용기에 주입되거나 (a) 단계로 배출되며, (a) 단계를 거치면서 가열된 저온의 유기물 슬러지는 상기 다른 열교환용기에 주입되어 가열되고 배출된 후, 상기 열교환용기에 주입된다.

바람직하게, 상기 (d) 단계에서 만들어진 메탄가스를 보일러 부재에 공급하고, 상기 보일러 부재는 상기 메탄가스를 이용하여 고온 고압의 수증기를 만든 후 가열용기에 공급하여 저온 저압의 유기물 슬러지를 가열한다.

본 발명에 따른 유기물 슬러지 가수분해 장치와, 그 방법 및, 가수분해 장치에 구비되는 접촉식 열교환유니트와, 증기식 열교환유니트와, 가열유니트 및, 소화유니트는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 유기물 슬러지의 가수분해에 소요되는 열에너지를 절감할 수 있다.

둘째, 유기물 슬러지 가수분해 장치를 연속식으로 구성하여 장치의 제조비용 을 줄일 수 있음과 동시에 에너지 비용을 최대한 줄일 수 있다.

셋째, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지 사이에 열교환이 일어나도록 하되, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 증기식 열교환유니트와 접촉식 열교환유니트를 순차적으로 경유하게 하고 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트와 증기식 열교환유니트를 순차적으로 경유하게 함으로써 가수분해된 고온의 유기물 슬러지에 포함된 열을 효과적으로 재사용할 수 있을 뿐만 아니라 장치의 제조비용도 줄일 수 있다.

넷째, 가수분해된 고온 고압의 유기물 슬러지에 포함된 에너지를 열교환을 이용하여 회수할 수 있어서 함수율 80％의 유기물 슬러지 1톤을 15만 kcal 이하의 작은 열에너지만을 사용하여 가수분해에 필요한 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 유기물 슬러지가 보유한 60만 kcal의 에너지를 바이오 가스나 고형 연료로 회수하여 슬러지 1톤당 45만 kcal 이상의 재생 에너지를 확보할 수 있다.

다섯째, 해양 투기되어 해양을 오염시키는 유기물 폐기물을 악취없이 깨끗하게 처리하여 환경오염을 방지한다.

여섯째, 처리 완료된 유기물 슬러지를 혐기성 소화시켜 메탄가스를 만들고, 만들어진 메탄가스를 연소시켜 고온의 수증기를 만들어 가수분해에 이용함으로써 유기물 슬러지의 처리에 소용되는 에너지를 최대한 줄일 수 있다.

일곱째, 복수 개의 가열용기가 가수분해 완료된 유기물 슬러지를 열교환 용기에 '연속적으로' 공급할 수 있기 때문에 유기물 슬러지의 처리 용량이 크다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

한편, 본 발명과 관련된 물의 열적 특성에 대해 먼저 설명하기로 한다.

물은 에너지를 흡수하면 온도가 상승하거나 액체에서 기체로 상태를 변화하는데 물이 액체에서 기체로 상태가 변화는 온도 압력 곡선을 물의 증기압 곡선이라 한다. 특정 온도에서 증기압 곡선 압력보다 외부 압력이 높으면 물은 액체로 존재하고 외부 압력이 낮으면 기체로 존재한다.

물이 수증기로 상태가 변할 때 100℃ 1기압에서 540㎉/㎏의 에너지를 흡수하고 부피는 대략 1700배 팽창하며, 수증기에서 물로 변화할 때는 같은 에너지를 방출하고 응축한다. 상기 물의 증기압 곡선에서 압력과 온도 관계는 표 1에 나타나 있다.

온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)	온도 (℃)	압력 (기압)
100	1.0	140	3.6	180	10.0	220	23.3
110	1.4	150	4.7	190	12.6	230	28.2
120	2.0	160	6.2	200	15.6	240	33.8
130	2.7	170	7.9	210	19.2	250	40.1

물의 온도를 올리는데 필요한 열에너지는 100℃까지 100cal, 150℃까지 151cal, 200℃까지 203cal, 250℃까지 259cal, 300℃까지 321cal 로 온도-에너지 관계는 저온과 고온에서 서로 비슷하지만, 온도와 압력의 경우 표 1에 보는 것처럼 100℃에서 1기압이 150℃에서 4.7기압, 200℃에서 15.6기압, 250℃에서 40.1기압, 300℃에서 86.5기압으로 온도-압력 관계는 온도가 높아지면 급격하게 상승한다. 상기 온도-에너지 관계와 온도-압력 관계를 도시하면 도 1과 같다.

한편, 유기물 슬러지는 보통 직접 가열하지만 열교환 방법으로도 가열할 수 있는데, 열교환 가열은 고온의 유기물 슬러지가 가진 열에너지를 저온의 유기물 슬러지에 열교환으로 전달하여 저온의 유기물 슬러지를 가열하는 방법이다.

상기 직접 가열에 소요되는 비용과 열교환 가열에 소요되는 비용을 비교하면, 직접 가열은 에너지 비용과 장치비용이 모두 필요하지만 열교환 가열은 에너지 비용은 없고 장치비용만 필요하다.

본 발명에서는 접촉 열교환과 증기열교환으로 이루어진 여러 단계의 열교환을 거쳐 상온에서 175℃ 정도까지 가열하고, 이렇게 열교환으로 가열된 유기물 슬러지를 최종 가열 단계에서 고온 고압의 수증기를 이용하여 200℃ 이상으로 가열하여 가수분해한다. 한편, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 새로이 유입되는 가수분해될 저온의 유기물 슬러지와 열교환 방식으로 열을 교환하여 냉각되어 배출된다. 열교환이 없는 경우에 비하여, 본 발명은 1/3∼1/5 정도의 열에너지만으로도 유기물 슬러지를 가수분해할 수 있고 별도의 냉각장치도 필요하지 않다. 아울러, 가수분해 처리가 완료된 유기물 슬러지를 고형분과 수용액으로 고액분리한 후, 수용액은 혐기성 소화로 바이오가스(메탄가스)를 만들고, 만들어진 바이오 가스(메탄가스)를 연소시켜 가수분해 온도까지 가열하기 위한 상기 고온 고압의 수증기를 만들기 때문에 에너지 비용을 최소화시킬 수 있다.

아울러, 본 발명은 가수분해된 고온의 유기물 슬러지를 증기 폭파하여 유기물 슬러지를 효과적으로 처리한다는 특징을 가진다. 상기 증기폭파는 고온의 유기물 슬러지가 저압 상태에 노출되면 물의 증기압 곡선을 따라 물이 순간적으로 기화하면서 폭발적으로 부피가 팽창하기 때문에 발생되는 현상을 뜻한다.

유기물 슬러지 속에서 영양 유기물인 녹말이나 단백질은 고분자 화합물로 길게 늘어지고 그 사이 사이에 물이 갇혀 있어 물리적으로 물과 분리되지 않는 고함수 상태로 존재한다. 그런데, 녹말이나 단백질 등이 고온 고압으로 가수분해되면 상기 고분자 상태의 긴 녹말과 단백질은 가수분해로 물분자가 삽입되기 때문에 서로 분리되어 단당류인 포도당이나 아미노산으로 쪼개지고, 상기 포도당이나 아미노산은 물에 잘 녹기 때문에 더 이상 물을 가두어 두지 못하고 물이 유기물 슬러지에서 분리되면서 영양 유기물은 수용액으로 녹아서 배출된다.

이 때, 상기 증기폭파는 가수분해로 분해되지 않는 구조 유기물을 미세한 입자로 파괴하여 유기물 슬러지를 고형분과 수용액으로 쉽게 분리될 수 있도록 한다. 또한, 증기 폭파 기술을 이용하면 용기의 압력을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 이 압력에 상응하는 일정한 온도의 수증기를 생산하여 증기 열교환을 할 수 있기 때문에 이를 이용하여 증기 열교환을 여러 단계로 구성할 수 있으며, 이렇게 하면 열에너지를 더욱 절감할 수 있다.

한편, 본 명세서에서 '유기물 슬러지'는 하수처리장에서 배출되는 하수 슬러지, 음식물 쓰레기를 분쇄한 음식물 슬러지, 공장에서 배출되는 폐수 슬러지, 가축 분뇨인 축산폐수 및, 농산물이나 해조류를 분쇄한 식물 슬러지 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

그러면, 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기물 슬러지 가수분해 장치를 보여주는 구성도이고, 도 3은 고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지가 상기 가수분해 장치에서 처리되는 과정에서의 온도와 압력을 보여주는 구성도이다.

상기 유기물 슬러지 가수분해 장치(100)는 고온 슬러지 이동부와 저온 슬러지 이동부가 서로 접촉되도록 설치된 접촉식 열교환 유니트(10)와, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 압력차로 인하여 증기 폭파되면서 수증기를 발생시키고 상기 수증기가 가수분해될 저온의 유기물 슬러지를 가열함으로써 열교환이 일어나는 증기식 열교환유니트(30)와, 증기식 열교환유니트(30)를 경유한 저온의 유기물 슬러지를 직접 가열하여 가수분해하는 가열유니트(50) 및, 접촉식 열교환유니트(10)로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지의 수용액을 협기성 소화하여 메탄가스를 생성하는 소화유니트(70)를 포함한다.

가열유니트(50)에서 가수분해된 유기물 슬러지는 19.2기압 210℃ 이상의 고온 고압이기 때문에 증기식 열교환유니트(30)를 먼저 경유한 후 접촉식 열교환유니트(10)로 유입된다. 이에 비하여, 유기물 슬러지 저장탱크로부터 새롭게 공급된 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트(10)를 먼저 경유한 후 증기식 열교환유니트(30)에 유입된다. 증기식 열교환유니트(30)는 수증기를 이용하여 열교환하기 때문에 증기압이 대기압보다 높은 100℃ 이상인 경우에 적합하다. 한편, 접촉식 열교환유니트(10)는 접촉식으로 열전달이 이루어지기 때문에 열교환 이후에 배출되는 온도가 100℃ 미만인 경우에 적합한데, 이것은 접촉식 열교환유니트(10)를 배출 온도가 100℃ 이상(즉, 1기압 이상)인 경우에 사용하려면 높은 압력을 견딜 수 있도록 제조해야 하는데, 이렇게 제조하면 제조비용이 너무 증가하기 때문이다.

접촉식 열교환 유니트(10)는, 도 4 내지 도 8에 나타난 바와 같이, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 이동하는 고온 슬러지 이동부와, 가수분해될 저온의 유기물 슬러지가 이동하는 저온 슬러지 이동부를 포함한다. 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 잘 전달될 수 있도록 제1,2 슬러지관(11)(12)은 열전도성이 양호한 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다.

접촉식 열교환유니트(10)는 주로 100℃ 미만(즉, 1기압 미만)에서 점성이 큰 저온의 유기물 슬러지를 접촉식으로 열교환하는 유니트로서, 점성이 큰 유기물 슬러지의 특성에 맞도록 슬러지에 제1,2 돌출부(11a)(12a)를 이용하여 압력을 가하여 이동시키면서 제1,2 슬러지관(11)(12) 내부의 고온 유기물 슬러지와 제1,2 슬러지관(11)(12) 외부의 저온 유기물 슬러지 사이에 접촉식 열교환이 최대로 일어나도록 구성한 것이다. 즉, 저온의 유기물 슬러지가 제1,2 슬러지관(11)(12)과 최대한의 접촉면적을 유지하면서 저온 슬러지 이동부를 통하여 이동하고 고온의 유기물 슬러지가 제1,2 슬러지관(11)(12)을 통하여 이동하도록 함으로써 저온의 유기물 슬러지와 고온의 유기물 슬러지 사이에 열교환이 최대한으로 이루어질 수 있도록 한다.

고온 슬러지 이동부는 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 제1,2 슬러지관(11)(12) 및, 제1,2 슬러지관(11)(12)을 회전시키는 회전수단을 포함한다.

제1,2 슬러지관(11)(12)은 그 내부에 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 관이다. 상기 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 증기식 열교환유니트(30)로부터 배출된 것으로서, 주입펌프(13)에 의하여 제1,2 슬러지관(11)(12)에 각각 주입된다. 이어서, 고온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관(11)(12)을 통하여 이동되면서 가수분해될 저온의 유기물 슬러지와의 열교환에 의하여 냉각된 후 고액분리기(81)로 배출된다. 상기 고온의 유기물 슬러지는 유동성이 매우 양호하여 제1,2 슬러지관(11)(12)을 통하여 용이하게 이동될 수 있다.

제1,2 슬러지관(11)(12)의 내부면은 가수분해된 고온 유기물 슬러지의 압력에 견디는 형태를 유지하면서 요홈(11b)(12b)이 반복적으로 형성된 구조가 바람직한데, 이것은 요홈(11b)(12b)이 반복적으로 형성된 구조가 열전달에 효과적이기 때문이다.

바람직하게, 제1 슬러지관(11)의 외주면에 제1 슬러지관(11)의 길이 방향을 따라 제1 돌출부(11a)가 형성되고, 제2 슬러지관(12)의 외주면에 제2 슬러지관(12)의 길이 방향을 따라 제2 돌출부(12a)가 형성된다. 제1,2 돌출부(11a)(12a)는 제1,2 슬러지관(11)(12)이 회전되는 경우에 저온의 유기물 슬러지를 제1 돌출부(11a) 사이에 수용하거나 제2 돌출부(12a) 사이에 수용한 상태에서 가열하면서 입구(16a)에서부터 출구(16c) 쪽으로 효과적으로 이동시킨다.

상기 회전수단은 제1 슬러지관(11)에 설치된 웜휠기어(14a)와, 구동모터(14b)에 의하여 회전되는 웜기어(14c) 및, 제1,2 슬러지관(11)(12)에 각각 설치된 맞물림 기어(14d)를 구비한다. 웜기어(14c)는 수직으로 설치되어 다수 개의 웜휠기어(14a)를 동시에 회전시킨다.

웜기어(14c)는 구동모터(14b)에 의하여 회전되고, 웜휠기어(14a)는 웜기어(14c)와 맞물려서 회전되어 제1 슬러지관(11)을 회전시킨다. 제1 슬러지관(11)이 회전되면 맞물림 기어(14d)에 의하여 제1,2 슬러지관(11)(12)이 함께 회전된다. 제1,2 슬러지관(11)(12)이 함께 회전되면, 제1,2 돌출부(11a)(12a)에 의하여 저온의 유기물 슬러지가 입구(16a)에서부터 출구(16b) 쪽으로 이동된다.

바람직하게, 상측과 하측의 제1 슬러지관(11)은 서로 연결되고, 상측과 하측의 제2 슬러지관(12)은 서로 연결된다. 즉, 하측의 단위부재(16)의 이동공간(16c)을 경유하는 제1 슬러지관(11)의 끝단은 상측의 단위부재(16)의 이동공간(16c)을 경유하는 제1 슬러지관(11)의 끝단과 제1 연결관(17)에 의하여 서로 연결된다. 또한, 하측의 단위부재(16)의 이동공간(16c)을 경유하는 제2 슬러지관(12)의 끝단은 상측의 단위부재(16)의 이동공간(16c)을 경유하는 제2 슬러지관(12)의 끝단과 제2 연결관(18)에 의하여 서로 연결된다.

상기 제1 연결관(17)과 제1 슬러지관(11) 사이에는 로터리 조인트(미도시)가 설치되고, 제2 연결관(18)과 제2 슬러지관(11) 사이에는 로터리 조인트(미도시)가 설치된다. 로터리 조인트는 회전하는 관과 고정된 관을 서로 연결하기 위해서 통상적으로 사용되는 장치이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.

이와 같이, 상,하측의 제1 슬러지관(11)이 서로 연결되고, 상,하측의 제2 슬러지관(12)이 서로 연결되어 있기 때문에 주입펌프(13)에 의하여 주입된 고온의 유기물 슬러지는 아래에서부터 위로 이동된다. 최상단의 제1,2 슬러지관(11)(12)으로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지는 고액분리기(81)로 이동된다.

저온 슬러지 이동부는 수직으로 적층된 다수의 단위부재(16)를 포함한다.

단위부재(16)는 저온의 유기물 슬러지가 유입되는 입구(16a)와, 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 출구(16b) 및, 입구(16a)와 출구(16b) 사이에 형성된 이동공간(16c)을 포함한다.

상기 입구(16a)는 상측에 설치된 단위부재(16)의 출구(16b)와 연결되고 상기 출구(16b)는 하측에 설치된 단위부재(16)의 입구(16a)와 연결되며, 입구(16a)를 통하여 유입된 저온의 유기물 슬러지는 출구(16b)로 이동되는 동안에 제1,2 슬러지관(11)(12)에 의하여 가열된다. 제1,2 슬러지관(11)(12)은 이동공간(16c)을 따라 설치된다.

상기 저온의 유기물 슬러지는 유기물 슬러지 저장탱크로부터 이동된 후, 최상단에 위치한 단위부재(16)의 입구(16a)를 통하여 유입된다. 이어서, 저온의 유기물 슬러지는 이동공간(16c)과 출구(16b)를 경유하여 아래의 단위부재(16)로 이동한다. 이 때, 제1,2 돌출부(11a)(12a)에 의하여 저온의 유기물 슬러지의 상기 이동이 촉진된다. 상기 이동공간(16c)을 경유하는 동안에 저온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관(11)(12)에 의하여 가열된다. 최하단 단위부재(16)의 출구(16b)를 통하여 배출된 저온의 유기물 슬러지는 배출펌프(19)에 의하여 증기식 열교환유니트(30)로 이동된다.

위에서 설명한 바와 같이, 고온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관(11)(12)의 하단에서 주입된 후 상단에서 배출되고 저온의 유기물 슬러지는 최상단의 단위부재(16)에서 주입된 후 최하단의 단위부재(16)를 통하여 배출되는 것이 바람직한데, 이것은 고온의 유기물 슬러지는 가수분해가 완료되어서 유동성이 크기 때문에 아래에서 위로 용이하게 이동될 수 있기 때문이다. 또한, 고온의 유기물 슬러지와 저온의 유기물 슬러지가 서로 반대방향으로 이동하면 열교환에 필요한 온도 차이를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 열교환이 잘 이루어질 수 있다.

이와 같이, 상기 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트(10)에서 가열된 후, 증기식 열교환유니트(30)로 이동된다.

도 9에 나타난 바와 같이, 증기식 열교환유니트(30)는 내부에 밀폐공간을 가지는 열교환 용기(31a)(31b)(31c)와, 고온의 유기물 슬러지의 고압상태를 유지한 채로 밀폐공간에 고온의 슬러지를 소정량씩 주입하는 주입수단(40)과, 열교환 용기(31a)(31b)(31c) 내에서 저온의 슬러지를 이동시키면서 가열하는 이동수단(45)을 포함한다.

도면에는 세 개의 열교환 용기(31a)(31b)(31c)가 도시되어 있지만, 열교환용기(31a)(31b)(31c)의 개수는 한 개에서 여러 개로 적절히 적절히 증감될 수 있다. 즉, 상기 증기식 열교환은 열교환 온도를 여러 단계로 나누어 증기폭파와 열응축에 의한 열교환이 여러 차례에 걸쳐서 일어나도록 할 수 있는데, 이렇게 여러 차례에 걸쳐서 열교환이 이루어지면 가수분해된 고온의 유기물 슬러지에 포함된 열을 더욱 효과적으로 사용할 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 가수분해될 저온의 유기물 슬러지는 접촉식 열교환유니트(10), 증기식 열교환유니트(30)를 순차적으로 경유하면서 가수분해된 고온의 유기물 슬러지와 열교환하여 가열된 후 가열유니트(50)로 공급되고, 가열유니트(50)에 공급된 저온의 유기물 슬러지는 가열유니트(50)에서 200℃ 이상으로 가열되어 가수분해되어 고온의 유기물 슬러지가 된 후 증기식 열교환유니트(30), 접촉식 열교환유니트(10)를 순차적으로 경유하면서 저온의 유기물 슬러지와 열교환한다.

증기식 열교환유니트(30)는 여러 개의 열교환용기(31a)(31b)(31c)를 가지는데, 주입수단(40)은 가수분해된 고온 고압의 유기물 슬러지의 상기 고압과 열교환용기(31a)(31b)(31c) 내부의 압력을 그대로 유지하면서 각각의 열교환용기(31a)(31b)(31c)에 고온의 유기물 슬러지를 소정량씩 주입하여 압력차에 의한 증기폭파가 이루어지도록 한다. 예를 들어, 가열유니트(50)로부터 배출된 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 19.2kg/cm²의 압력을 가지고 제3 열교환용기(31c)는 8.9kg/cm²의 내부압력을 가지는데, 주입수단(40)은 유기물 슬러지의 19.2kg/cm² 압력과 제3 열교환용기(31c)의 8.9kg/cm² 압력을 그대로 유지한 채로 소정량의 유기물 슬러지를 제3 열교환용기(31c)에 소정 시간 간격으로 주입하여 즉, 19.2kg/cm²의 유기물 슬러지가 8.9kg/cm²의 내부압력에 갑자기 노출되도록 하여 급격한 부피팽창에 의한 폭파가 이루어지도록 한다.

이와 같이, 증기식 열교환유니트(30)는 가수분해된 고온 고압의 유기물 슬러지가 각각의 열교환용기(31a)(31b)(31c)에 주입될 때마다 이러한 증기 폭파가 일어나도록 한다. 열교환 용기(31a)(31b)(31c)가 여러 개 설치되어서 열교환 용기(31a)(31b)(31c)의 개수만큼 열교환이 반복되면 열교환이 이루어지지 않는 경우보다 가수분해에 필요한 에너지를 열교환 횟수만큼 대폭 절감할 수 있다. 설명의 편의상 하측의 열교환용기를 제1 열교환용기(31a)라 하고, 중간의 열교환용기를 제2 열교환용기(31b)라 하며, 상측의 열교환용기를 제3 열교환용기(31c)라 하기로 한다.

가열용기(51)(52)(53)로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지와 접촉식 열교환유니트(10)로부터 이동된 저온의 유기물 슬러지는 서로 반대방향으로 이동되면서 열을 교환한다. 즉, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 제3 열교환용기(31c), 제2 열교환용기(31b), 제1 열교환용기(31a)를 순차적으로 거치되 각각의 열교환 용기(31a)(31b)(31c)에 주입되는 순간에 압력차에 의하여 증기폭파되고, 가수분해될 저온의 유기물 슬러지는 제1 열교환용기(31a), 제2 열교환용기(31b), 제3 열교환용기(31c)를 순차적으로 거치면서 이동한다. 즉, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 위에서 아래로 이동하고, 가수분해될 저온의 유기물 슬러지는 아래에서 위로 이동한다.

열교환 용기(31a)(31b)(31c)의 내부는 수증기로 가득찬 밀폐공간을 이룬다. 열교환 용기(31a)(31b)(31c)는 고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부(32a)(32b)(32c)와, 고온의 유기물 슬러지가 배출되는 제1 배출부(33a)(33b)(33c)와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부(34a)(34b)(34c)와, 저온의 유기물슬러지가 배출되는 제2 배출부(35a)(35b)(35c)를 포함한다.

제1 주입부(32a)(32b)(32c)는 가열유니트(50)의 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)과 연결되거나 다른 제1 배출부(33b)(33c)와 연결된다. 제1 주입부(31a)(31b)(31c)에는 주입수단(40)이 설치되는데, 주입수단(40)은 고온의 유기물 슬러지를 열교환 용기(31a)(31b)(31c)의 내부로 소정량을 압력차를 유지하면서 소정시간 간격으로 주입한다. 따라서, 주입수단(40)을 통하여 주입된 고온의 슬러지는 밀폐공간에 주입됨과 동시에 폭파되어 수증기를 발생시키면서 냉각되는데, 증기폭파되어 냉각된 슬러지는 자유낙하하여 제1 배출부(33a)(33b)(33c)로 이동된다.

상기 주입수단(40)은 가수분해된 유기물 슬러지의 상기 고압과 열교환 용기(31a)(31b)(31c) 내부의 압력을 유지한 상태에서 소정량의 가수분해된 유기물 슬러지를 열교환 용기(31a)(31b)(31c)의 내부에 소정 시간 간격으로 주입함으로써 주입된 가수분해된 유기물 슬러지가 급격한 압력변화에 의한 부피팽창으로 폭파되도록 한다. 다시 말해, 주입수단(40)은 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)과 제3 열교환 용기(31c)의 압력차, 제1 배출부(33c)와 제2 열교환 용기(31b)의 압력차, 제1 배출부(33b)와 제1 열교환 용기(31a)의 압력차를 그대로 유지하면서 순간적으로 가수분해된 고압 고압의 슬러지를 배출함으로써 증기 폭파가 일어나도록 한다.

도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 주입수단(40)은 원통케이스(41)와, 원통케이스(41)의 내부에 회전가능하게 설치된 회전부(42)와, 회전부(42)의 윗면을 덮는 상부덮개(43)와, 회전부(42)의 아랫면을 덮는 하부덮개(44)를 포함한다.

회전부(42)에는 길이 방향으로 복수 개의 저장공(42a)이 관통되어 형성된다. 회전부(42)는 회전모터(42b)에 의하여 소정 R.P.M.으로 회전된다.

상부덮개(43)는 회전부(42)의 윗면을 덮도록 원통 케이스(41)에 설치된다. 상부덮개(43)에는 저장공(42a) 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공(43a)이 형성된다. 바람직하게, 제1 관통공(43a)은 회전부(42)의 외주와 동일한 곡률로 굽어져서 길게 형성된다. 이것은 가수분해된 고온의 슬러지가 저장공(42a) 속으로 유입될 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있도록 하기 위해서이다.

하부덮개(44)는 회전부(42)의 아랫면을 덮도록 원통 케이스(41)에 설치된다. 하부덮개(44)에는 제1 관통공(43a)과 대응되는 저장공(42a)을 제외한 나머지 저장공(42a) 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공(44a)이 형성된다. 바람직하게, 제2 관통공(44a)은 회전부(42)의 외주와 동일한 곡률로 굽어져서 길게 형성된다. 이것은 저장공(42a)에 저장된 가수분해된 고온의 슬러지가 상기 밀폐공간으로 배출될 수 있는 충분한 시간을 줄 수 있도록 하기 위해서이다.

회전부(42)가 회전하여 저장공(42a)과 제1 관통공(43a)이 서로 연통되면 유동성이 좋은 가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 저장공(42a)에 유입되고, 상기 저장공(42a)에 유입된 가수분해된 유기물 슬러지는 저장공(42a)과 제2 관통공(44a)이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출된다. 상기 밀폐공간은 가열용기(51)(52)(53)와 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)에 비하여 상대적으로 낮은 온도와 압력을 가지기 때문에 압력차에 의하여 가수분해된 유기물 슬러지가 폭발하면서 수증기를 발생시킨다. 가수분해된 유기물 슬러지가 폭발되면서 만들어진 수증기는 열교환용기(31a)(31b)(31c)의 내부 즉, 밀폐공간을 가득 채우게 되는데, 상기 수증기는 제2 주입부(34a)(34b)(34c)를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지를 가열한다. 즉, 저온의 유기물 슬러지는 밀폐공간보다 상대적으로 낮은 온도를 갖기 때문에 저온의 유기물 슬러지에 주위의 수증기가 응축하게 되고, 이러한 응축과정에서 발생된 응축열에 의하여 저온의 유기물 슬러지가 가열된다.

이 때, 고온의 슬러지와 저온의 슬러지를 서로 동일한 속도로 동일한 양을 주입하면 상기 고온과 저온의 중간 온도에서 수증기의 기화와 응축이 일정하게 일어나면서 열교환 온도에 맞는 증기압이 일정하게 유지되는 열적 평형상태가 된다. 한편, 열교환용기(31a)(31b)(31c)의 내부에 냉각수 분무용 스프레이나 수증기 주입부재를 설치하여 냉각수를 분무하거나 수증기를 주입하면 상기 평형 온도를 변화시킬 수 있다.

제1 배출부(33a)(33b)(33c)는 증기폭파된 고온의 슬러지를 다른 열교환용기(31a)(31b) 또는 접촉식 열교환유니트(10)로 배출한다. 따라서, 제1 배출부(33a)(33b)(33c)는 다른 열교환용기(31a)(31b)의 제1 주입부(32a)(32b)와 연결되거나 배출용 펌프(91)와 연결된다. 제1 배출부(33a)(33b)(33c)는 증기폭파된 유동성이 좋은 가수분해된 고온 고압의 슬러지가 자유낙하하여 배출될 수 있도록 제1 주입부(32a)(32b)(32c)의 수직 하측에 설치되는 것이 바람직하다.

제2 주입부(34a)(34b)(34c)는 접촉식 열교환유니트(10)과 연결되거나 다른 열교환용기(31a)(31b)의 제2 배출부(35a)(35b)와 연결된다. 제2 주입부(34a)(34b)(34c)를 통하여 저온의 슬러지가 열교환용기(31a)(31b)(31c)의 내부 즉, 밀폐공간으로 주입된다. 밀폐공간으로 주입된 저온의 슬러지는 이동수단(45)에 의하여 제2 배출부(35a)(35b)(35c)쪽으로 이송된다.

밀폐공간으로 주입된 저온의 슬러지는 밀폐공간보다 저온이기 때문에 상기 이동과정 동안에 주위의 수증기가 응축되고, 이러한 응축과정에서 발생된 응축열에 의하여 가열된다.

가열된 저온의 슬러지는 제2 배출부(35a)(35b)(35c)를 통하여 배출된다. 제2 배출부(35a)(35b)(35c)는 이동수단(45)에 의하여 이송된 슬러지를 가열용기(51)(52)(53)로 배출하거나 다른 열교환용기(31b)(31c)의 제2 주입부(34b)(34c)로 배출한다.

이동수단(45)은 제1 주입부(32a)(32b)(32c)를 통하여 주입된 고온의 유기물 슬러지와 제2 주입부(34a)(34b)(34c)를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 서로 섞이지 않은 상태로 각각 제1 배출부(33a)(33b)(33c) 및 제2 배출부(35a)(35b)(35c))로 이동되도록 하면서 저온의 유기물 슬러지가 가열되도록 한다.

바람직하게, 이동수단(45)은 저온의 유기물 슬러지가 수증기와 쉽게 혼합될 수 있도록 제1 회전체(46)와 제2 회전체(48)가 교대로 반복적으로 적층되어 이루어진다.

이동수단(45)은 저온의 유기물 슬러지와 수증기와 혼합될 수 있는 충분한 여유공간을 가지고, 저온 유기물 슬러지가 이동하는 과정에서 유기물 슬러지가 잘 교반되어 고온의 수증기와 혼합되면서 저온의 유기물 슬러지 표면에 수증기가 접촉 및 응축하여 유기물 슬러지를 가열하는 구조를 가진다.

제1 회전체(46)는 중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구(46a)가 형성된 제1 받침대(46b)와, 제1 받침대(46b)의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구(46a)로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부(46c)를 포함한다.

제2 회전체(48)는 중심으로부터 안쪽에 제2 토출구(48a)가 형성된 제2 받침대(48b)와, 제2 받침대(48b)의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구(48a)로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부(48c)를 포함한다.

상기 제1 회전날개부(46c)와 제2 회전날개부(48c)는 축(49)과, 축(49)을 회전시키는 회전모터(47)에 의하여 회전된다.

제2 주입부(34a)(34b)(34c)를 통하여 제1 받침대(46b)에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부(46c)에 의하여 제1 토출구(46a)로 이동된 후 아래의 제2 받침대(48b)로 떨어지고, 제2 받침대(48b)에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부(48c)에 의하여 제2 토출구(48a)로 이동된 후 아래의 제1 받침대(46b)로 떨어진다. 이러한 과정을 반복하면서 저온의 유기물 슬러지는 교반되며 수증기와 잘 접촉할 수 있도록 수증기와 혼합된다. 이렇게 혼합된 저온의 유기물 슬러지는 증기폭파에 의하여 만들어진 수증기의 응축열에 의하여 가열된다.

이동수단(45)을 경유하면서 교반 및 가열된 저온의 유기물 슬러지는 제2 배출부(35a)(35b)(35c)를 통하여 배출된다.

가열유니트(50)는 증기식 열교환유니트(30)로부터 배출된 저온의 유기물 슬러지를 200℃ 이상의 고온 고압 상태에서 30분 이상 가수분해하여 고온의 유기물 슬러지를 만든다. 가열유니트(50)에서 만들어진 고온의 유기물 슬러지는 제1 주입부(32c)로 배출된다.

본 발명에서는 제3 열교환용기(31c)로부터 배출된 저온의 유기물 슬러지를 가수분해 온도까지 가열하기 위하여 물의 증기압곡선을 이용하여 고압 수증기를 응축시켜 가열하는 증기 가열방법을 채택한다. 이를 위하여 수평으로 설치된 가열용기(51)(52)(53)에 가수분해될 유기물 슬러지를 절반 정도로 채우고 교반날개(54)를 이용하여 유기물 슬러지가 20kg/cm²의 고압 수증기와 잘 혼합되도록 교반하면 고압 수증기가 유기물 슬러지와 접촉하며 응축되어 유기물 슬러지를 빠르게 가열시킨다. 200℃ 이상으로 가열된 유기물 슬러지는 영양 유기물이 모두 수용성 단당류로 가수분해되어 물에 녹아 수용액을 형성하여 가수분해된 유기물 슬러지는 물과 같은 상태로 변화하기 때문에 유동성이 크게 좋아져 가수분해 이후의 장치 구성이 용이하다.

도 13에 나타난 바와 같이, 가열유니트(50)는 내부에 교반날개(도 14의 54)가 설치된 가열용기(51)(52)(53)와, 각각의 가열용기(51)(52)(53)에 유기물 슬러지를 주입하는 슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)과, 상기 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 200℃ 이상으로 가열하고 가수분해된 유기물 슬러지가 배출되는 과정에서 용기의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 가열용기(51)(52)(53)에 고온의 수증기를 공급하는 고온증기 공급관(51c)(52c)(53c)과, 상기 가수분해될 유기물 슬러지 주입 과정에서 가스를 외부로 배출하여 가열용기(51)(52)(53)의 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 각각의 가열용기(51)(52)(53)에 설치된 가스배출관(51d)(52d)(53d)과, 가수분해가 완료된 유기물 슬러지가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기(51)(52)(53)에 설치된 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b) 및, 가열용기(51)(52)(53)에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급관(51e)(52e)(53e)을 포함한다.

상기 가열용기(51)(52)(53)는 제1 가열용기(51)와 제2 가열용기(52)와 제3 가열용기(53)를 포함하는데, 3개 또는 3개 이상의 가열용기가 구비될 수 있다. 가열용기(51)(52)(53)는 수평으로 설치되는 것이 바람직한데, 이것은 가열용기(51)(52)(53)가 수평으로 설치되면 고온의 수증기와 유기물 슬러지의 접촉면적이 증가되어 유기물 슬러지의 가열이 용이해지기 때문이다. 가열용기(51)(52)(53)의 절반 정도 높이까지만 가수분해될 유기물 슬러지를 채우고 교반 날개(54)로 교반하는 것이 바람직하다.

슬러지 주입관(51a)(52a)(53a), 가스배출관(51d)(52d)(53d), 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b), 증기 주입관(51c)(52c)(53c), 냉각수 공급관(51e)(52e)(53e)에는 각각 제어유니트(미도시)에 의하여 자동으로 개폐되는 밸브가 설치된다. 상기 밸브는 20기압, 220도 이상의 고온 고압을 견디는 밸브로서, 압축공기나 전기모터에 의하여 개폐된다.

도 13에는 압축공기에 의하여 작동되는 밸브가 장착되어 있는데, 상기 압축공기는 솔레노이드 밸브로 그 공급을 제어하고, 상기 솔레노이드 밸브는 PLC 제어장치에서 신호를 제어한다. PLC 제어장치는 가열용기(51)(52)(53) 내부의 온도와 압력을 입력받아서 프로그램에 의하여 상기 밸브들을 개폐하는 신호를 출력하는 제어장치이다. PLC 제어장치는 제어분야에서 널리 사용되는 것이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.

슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)은 제3 열교환용기(31c)로부터 이동된 저온의 슬러지를 가열용기(51)(52)(53)에 주입한다. 가스배출관(51d)(52d)(53d)은 주입되는 가수분해될 슬러지 양에 해당하는 기체를 배출하여 가열용기(51)(52(53)의 압력을 일정하게 유지하는데, 이때 외부에서 혼합되어 주입되는 공기나 가수분해 과정에서 발생된 불용성 가스도 외부로 배출된다. 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)은 가수분해된 고온의 슬러지를 제3 열교환용기(31c)로 배출한다. 증기 주입관(51c)(52c)(53c)은 보일러(85)와 연결되어 대략 20기압 내외의 수증기를 가열용기(51)(52)(53)에 공급한다.

보일러(85)는 고온 고압의 수증기를 만든 후 증기 주입관(51c)(52c)(53c)으로 공급한다. 보일러(85)는 20기압의 수증기를 공급할 수 있는 통상적인 것이 사용될 수 있다.

바람직하게, 보일러(85)는 소화유니트(70)로부터 공급된 바이오가스(메탄가스)를 연소시켜 고온 고압의 수증기를 만든다. 상기 바이오가스(메탄가스)를 사용하면 별도의 에너지 비용이 필요하지 않게 된다는 장점이 있다.

교반날개(54)는 교반용 모터(54a)에 의하여 회전되면서 용기의 절반정도만 채워진 슬러지를 교반하여 수증기와 혼합이 잘 이루어지도록 하고 가열된 슬러지에서 가수분해 반응이 잘 일어나도록 한다. 교반날개(54)에 작용하는 유기물 슬러지의 회전저항을 측정하면 슬러지의 가수분해 정도를 알 수 있다. 바람직하게, 교반용 모터(54a)는 5R.P.M - 30R.P.M으로 교반날개(54)를 회전시킨다.

이러한 구성을 가지는 가열유니트(50)는 가열 용기(51)(52)(53)에 가수분해될 유기물 슬러지를 주입하는 주입단계, 고온 고압의 수증기를 이용하여 가수분해가 가능한 온도로 가열하고 일정시간 동안 고온 고압 상태를 유지하는 가열단계, 가수분해된 슬러지를 배출하는 배출단계로 분리되어 작동한다.

저온의 유기물 슬러지의 유동성은 매우 불량하여 20기압 정도의 높은 압력이 작용하는 가열용기(51)(52)(53)에 직접 주입하기 어렵기 때문에, 가열용기(51)(52)(53)의 압력을 열교환 용기(31c)의 압력으로 낮추어 유기물 슬러지를 주입하고, 주입이 완료되면 20기압의 수증기로 가열하여 고온 고압 상태에서 가수분해가 이루어지도록 한다.

도 14 내지 도 17은 제1 가열용기(51)의 주입단계와 가열단계와 배출단계를 각각 보여준다. 제2,3 가열용기(52)(53)의 주입단계와 가열단계와 배출단계도 제1 가열용기(51)와 동일한 원리에 의하여 이루어진다. 따라서, 아래에서는 제1 가열용기(51)만의 주입단계와 가열단계와 배출단계를 설명하고, 제2,3 가열용기(52)(53)의 주입단계와 가열단계와 배출단계에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

상기 주입 단계는, 도 14에 나타난 바와 같이, 저온의 유기물 슬러지를 가열용기(51)에 주입하는 단계이다. 주입 단계에서는 8.9기압 정도의 수증기로 포화된 가열용기(51)에 슬러지 주입관(51a)의 밸브를 열고 유기물 슬러지를 주입하는데, 주입에 따라 압력이 높아지면 가스 배출관(51d)의 밸브를 열어 기체를 배출하여 압력을 유지한다. 저온 유기물 슬러지는 가열용기(51) 높이의 절반 정도까지만 주입한다.

상기 가열단계에서는 증기 주입관(51c)의 밸브를 개방하고 나머지 밸브는 밀폐한 상태에서 증기 주입관(51c)을 통하여 고온 고압(20기압)의 수증기를 가열용기(51)에 공급하여 저온 유기물 슬러지를 가수분해되도록 가열한다. 교반날개(54)를 회전시키면 고압 증기와 유기물 슬러지가 혼합되면서 유기물 슬러지를 급속도로 가열하여 200℃ 이상 온도로 가열된다.

유기물 슬러지가 200℃ 이상 온도로 가열되면 증기 주입관(51c)의 밸브를 잠근다. 이후, 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 30분 이상 상기 압력과 온도를 유지한다. 이 때, 온도가 내려가면 증기 주입관(51c)의 밸브를 개방하여 고온의 증기를 공급한다. 가수분해가 이루어지면 교반날개(54)의 회전저항이 현저하게 작아지는데, 상기 회전저항을 측정하여 가수분해의 정도를 파악한다.

상기 배출단계에서는 교반날개(54)의 회전을 정지시킨 후, 가수분해된 고온의 슬러지를 고압 상태를 유지하면서 열교환용기(31c)로 배출한다. 배출단계에서는 증기 공급관(51c)의 밸브와 슬러지 배출관(51b)의 밸브가 개방되고 나머지 밸브는 밀폐된다.

상기 배출이 완료되면 냉각수 공급관(51e)의 밸브를 개방하고 나머지 밸브를 잠근 상태에서 20기압 이상의 압력으로 냉각수를 분무노즐(미도시)을 통하여 가열용기(51) 내부에 분사하여 수증기를 응축시킴으로써 가열용기(51) 내부의 수증기 압력을 낮춘다. 가열용기(51)의 내부 압력이 8.9기압 정도로 낮아지면 냉각수 공급관(51e)의 밸브를 잠그고 냉각을 종료한 후, 다시 가수분해될 저온의 슬러지를 주입하여 새로운 가수분해 과정을 반복한다.

배출된 고온의 슬러지는 주입수단(40)을 경유하여 제3 열교환용기(31c)로 이동된다. 이 때, 상기 배출은 고온 슬러지의 고압 상태를 유지하면서 이루어지기 때문에 제3 열교환용기(31c)에 주입된 고온의 슬러지는 압력차에 의하여 순간적으로 폭파되면서 수증기를 발생시키게 된다.

바람직하게, 가열유니트(50)는 적어도 세 개 이상의 가열용기(51)(52)(53)를 구비하고, 주입단계와 가열단계와 배출단계는 가열용기(51)(52)(53) 중 적어도 어느 하나의 가열용기(51)(52)(53)에서 이루어진다. 즉, 제1 가열용기(51)가 주입단계에 있고 제2 가열용기(52)는 가열단계에 있으면 제3 가열용기(53)는 배출단계에 있게 되고, 제1 가열용기(51)가 주입단계에 있고 제3 가열용기(53)는 가열단계에 있으면 제2 가열용기(52)는 배출단계에 있게 되며, 제3 가열용기(53)가 주입단계에 있고 제2 가열용기(52)는 가열단계에 있으면 제1 가열용기(51)는 배출단계에 있게 된다. 즉, 가열용기(51)(52)(53) 중 적어도 어느 하나는 배출단계에 있기 때문에 제3 열교환용기(31c)에 가수분해된 유기물 슬러지가 연속적으로 공급된다.

이를 위해서 가열용기(51)(52)(53)의 슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)은 제3 열교환용기(31c)의 제2 배출부(35c)와 병렬로 연결되고, 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)도 제1 주입부(32c)와 병렬로 연결된다.

한편, 접촉식 열교환유니트(10)로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지는 고액분리기(81)로 이동된다. 가수분해된 유기물 슬러지는 악취를 발생하는 영양 유기물이 모두 가수분해로 제거되었기 때문에 더 이상 악취가 발생하지 않게 된다.

고온의 유기물 슬러지 중에서 가수분해되지 않은 구조 유기물은 불용성(고형성분)으로 비중이 물보다 무거워 고액분리기(81)에서 아래로 침전되고 가수분해된 영양 유기물은 물에 녹아 수용액으로 고액분리기의 위에 남게 된다. 이러한 비중 차이를 이용한 고액분리기(81)는 통상적인 장치이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.

상기 고액분리기(81)에서 아래에 침전된 고형성분은 탈수기(82)로 이동되고, 수용액은 소화유니트(70)로 이동된다.

탈수기(70)는 상기 침전된 고형 성분에 압력을 가하여 수용액을 최대한 제거하고, 나머지 고형성분은 고형연료 저장탱크(83)로 배출한다. 탈수기(82)로는 함수율 40% 내외로 탈수할 수 있는 필터 프레스, 원심분리식 탈수기, 벨트식 탈수기 등이 사용될 수 있는데, 이러한 장치는 통상적인 것이다. 고형연료 저장탱크(83)로 배출된 고형성분은 열량이 4000kcal/kg 수준으로 높아 건조 성형의 간단한 가공을 거치면 기후 협약에 따른 탄소 배출권을 확보할 수 있는 재생 연료로 사용될 수 있다. 탈수기(82)에서 고형성분으로부터 분리된 액체 성분은 소화유니트(70)로 이동된다.

소화유니트(70)는 슬러지 수용액을 수용하고 무산소 상태에서 슬러지 수용액을 혐기성 소화시켜 바이오가스 예를 들어, 메탄가스를 발생시킨다. 상기 슬러지 수용액은 가수분해된 유기물 슬러지를 고액분리기(81)와 탈수기(82)를 이용하여 분리한 수용액이다.

도 18에 나타난 바와 같이, 소화유니트(70)는 프레임(71)과, 프레임(71)의 내부에 형성된 좁고 긴 이동통로(74) 및, 슬러지 수용액을 입구(71a)에서부터 출구(71b)로 이동시키는 이송수단을 포함한다. 소화유니트(70)는 입구(71a)를 통하여 새로운 슬러지 수용액이 투입된 후 이동통로(74)를 따라 이동되면서 혐기성 소화되기 때문에 새로이 투입된 슬러지 수용액과 소화가 진행된 슬러지 수용액이 섞이는 것을 방지할 수 있다는 특징을 가진다.

프레임(71)은 그 내부에 밀폐된 내부공간을 가진다. 프레임(71)은 슬러지 수용액이 유입되는 입구(71a)와, 혐기성 처리가 완료된 소화 수용액이 배출되는 출구(71b)와, 가스가 배출되는 가스배출구(미도시)를 포함한다.

상기 이동통로(74)는 미리 정해진 간격으로 배치된 적어도 두 개 이상의 수직 칸막이(72)에 의하여 만들어진다. 이동통로(74)는 입구(71a)에서부터 출구(71b) 쪽으로 형성된다.

상기 이송수단은 수직 칸막이(72)에 설치되어 슬러지 수용액을 입구(71a)에서부터 출구(71b)쪽으로 이동시킨다. 바람직하게, 이송수단은 수직 칸막이(72)의 둘레에 설치된 컨베이어 벨트(76)이다.

입구(71a)를 통하여 투입된 슬러지 수용액은 컨베이어 벨트(76)에 의하여 컨베이어 벨트(76)의 다른쪽 끝단(76a)으로 이동되고, 상기 다른쪽 끝단(76a)으로 이동된 슬러지 수용액은 후방에 위치한 컨베이어 벨트(76)의 다른쪽 끝단(76a)으로 이동된 후, 후방 컨베이어 벨트(76)의 한쪽 끝단(76b)으로 이송된다. 즉, 슬러지 수용액은 컨베이어 벨트(76)의 한쪽 끝단(76b)에서부터 다른쪽 끝단(76a)으로 이송된 후, 후방에 위치한 컨베이어 벨트(76)의 다른쪽 끝단(76b)으로 이송된다. 상기 과정을 반복하면서 슬러지 수용액은 출구(71b)쪽으로 이송된다.

슬러지 수용액을 미생물로 분해하는 과정 중에서 발생된 대량의 바이오 가스(메탄가스)는 가스 저장탱크(84)에 저장된다. 가스 저장탱크(84)에 저장된 바이오 가스(메탄가스)는 보일러(85)에 공급되어 고온 수증기를 만드는데 사용될 수 있다.

소화유니트(70)에서 배출되는 소화 배출수는 하수 처리장 등으로 이동되어 처리된다.

상기 가수분해 장치(100)는 200℃ 이상의 온도로 가열되기 때문에 온도와 압력 조절이 필요한 장치이다. 필요한 부분에 압력센서와 온도센서를 부착한 후 측정된 압력과 온도에 따라 PLC 제어장치와 같은 중앙 조절부(미도시)가 밸브의 개폐와 모터의 작동속도를 조절하여 항상 최적 상태에서 운전이 이루어지도록 구성할 수 있다.

상기 가수분해 장치(100)는 유기물 슬러지를 이동시키고 각 구성요소에 유기물 슬러지를 주입하기 위하여 주입 장치를 사용할 수 있다. 가수분해될 저온의 유기물 슬러지는 유동성이 좋지 않기 때문에 주입장치로서 모노펌프를 사용하는 것이 바람직하고, 가수분해된 고온의 유기물 슬러지는 유동성이 좋기 때문에 주입장치로서 로터리 기어펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 유기물 슬러지의 가수분해에 산이나 염기 또는 각종 촉매재를 투입하여 가수분해를 촉진할 수 있으며, 이러한 촉매재를 사용하면 유기물 슬러지의 가수분해 온도를 200℃ 이하로 낮출 수 있다.

아울러, 상기 가수분해 장치(100)는 고온에서 작동하므로 적절한 단열재(미도시)를 사용하여 열손실을 최소화 하도록 구성하는 것이 바람직하다.

나아가, 이상에서는 특정한 온도와, 특정한 압력 및, 세 개의 열교환용기를 갖는 가수분해장치(100)를 설명하였으나, 유기물 슬러지의 종류 등 상황에 따라 다양한 온도와, 다양한 압력 및, 다양한 개수의 열교환용기를 사용하여 유기물 슬러지를 가수분해할 수 있다.

그러면, 본 발명에 따른 가수분해 장치(100)를 이용한 유기물 슬러지 처리과정을 설명하기로 한다.

유기물 슬러지 저장탱크(미도시)로부터 공급된 상온 상압(20℃, 1기압) 상태의 슬러지 즉, 저온의 유기물 슬러지는 모노펌프나 피스톤 펌프 등과 같은 펌프(92)에 의하여 접촉식 열교환유니트(10)에 주입된다. 상기 슬러지는 접촉식 열교환유니트(10)에서 65℃로 가열된 후, 제1 열교환용기(31a)로 주입된다.

제1 열교환용기(31a)의 내부는 증기 압력 1.2kg/㎠, 105℃인데, 제2 주입부(34a)를 통해 주입된 65℃의 저온 슬러지는 자유낙하 후 이동수단(45)에 의하여 아래로 이동 및 교반되면서 수증기의 응축열에 의하여 105℃로 가열된 후, 제2 배출부(35a)를 통하여 배출된다. 제2 배출부(35a)를 통하여 배출된 저온의 슬러지는 제2 열교환용기(31b)에 주입된다. 제2 열교환용기(31b)의 내부압력은 3.6kg/㎠이다.

제2 열교환용기(31b)에 주입된 105℃의 슬러지는 이동수단(45)에 의하여 아래로 이동 및 교반되면서 수증기의 응축열에 의하여 140℃로 가열된 후, 제2 배출부(35b)를 통하여 배출된다. 제2 배출부(35b)를 통하여 배출된 상기 저온의 슬러지는 제3 열교환용기(31c)에 주입된다. 제3 열교환용기(31c)의 내부 압력은 8.9kg/㎠이다.

제3 열교환용기(31c)에 주입된 140℃의 슬러지는 이동수단(45)에 의하여 아래로 이동 및 교반되면서 수증기의 응축열에 의하여 175℃로 가열된 후, 제2 배출부(35c)를 통하여 배출된다. 제2 배출부(35c)를 통하여 배출된 상기 가수분해될 슬러지는 가열용기(51)(52)(53)에 주입된다.

저온의 슬러지를 가열용기(51)(52)(53)에 주입하는 동안에는 가열용기(51)(52)(53)의 내부압력을 제3 열교환용기(31c)의 내부압력과 동일하게 8.9kg/㎠로 낮추어 주입이 용이하도록 한다. 상기 주입이 완료되면 슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)의 밸브를 잠근다.

저온의 슬러지 주입이 완료되면 증기 주입관(51c)(52c)(53c)의 밸브를 개방하여 19.2kg/㎠의 고온 고압 수증기를 주입하고 교반날개(54)를 회전시켜 슬러지를 210℃로 가열한다. 상기 가열이 완료되면 가수분해가 이루어지도록 30분 이상 210℃, 19.2kg/㎠의 온도와 압력을 계속 유지하되, 필요한 경우에는 고온 수증기를 추가로 공급한다. 가수분해가 완료되면 슬러지의 점성이 낮아져 유동성이 좋아지기 때문에 가열용기(51)(52)(53) 바닥의 슬러지 배출관(51b)(52b)(53b)을 통하여 가수분해된 슬러지가 쉽게 배출되는데, 이때, 고압 상태를 그대로 유지하여 제3 열교환용기(31c)의 제1 주입부(32c)에 19.2kg/㎠의 압력이 작용되도록 한다.

가수분해된 슬러지의 배출이 완료되면 냉각수 공급관(51e)(52e)(53e)의 밸브를 개방하고 나머지 밸브를 밀폐하여 냉각수를 분무함으로써 수증기를 응축시켜 가열용기(51)(52)(53)의 압력을 저하시킨다. 가열용기(51)(52)(53)의 내부압력이 제3 열교환용기(31c)의 압력(8.9kg/㎠)과 동일해지면, 8.9kg/㎠의 압력을 유지하면서 슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)의 밸브를 열어 다시 가수분해될 저온의 슬러지를 가열용기(51)(52)(53)에 주입한다. 이 때, 가스 배출관(51d)(52d)(53d)의 밸브를 개방하여 주입되는 가수분해될 슬러지 양만큼의 기체를 배출하여 가열용기(51)(52)(53)의 압력이 일정하게 유지되도록 한다.

한편, 가수분해장치(100)에는 세 개의 가열용기(51)(52)(53)가 구비되는데, 각각의 가열용기(51)(52)(53)가 주입단계, 가열단계, 배출단계를 순차적으로 거치기 때문에 제3 열교환용기(31c)에는 가수분해된 슬러지가 연속적으로 배출된다. 즉, 세 개의 가열용기(51)(52)(53)가 제3 열교환용기(31c)의 제1 주입부(32c)에 병렬로 연결되고, 세 개의 가열용기(51)(52)(53)가 순차적으로 주입단계, 가열단계, 배출단계를 거치므로 세 개의 가열용기(51)(52)(53) 중 어느 하나는 배출단계에 있기 때문에 제3 열교환용기(31c)로 가수분해된 슬러지가 연속적으로 배출된다.

또한, 세 개의 슬러지 주입관(51a)(52a)(53a)이 제3 열교환용기(31c)의 제2 배출부(35c)에 병렬로 연결되고, 세 개의 가열용기(51)(52)(53)가 순차적으로 주입단계, 가열단계, 배출단계를 거치므로 세 개의 가열용기(51)(52)(53) 중 어느 하나는 주입단계에 있기 때문에 가수분해될 슬러지가 제3 열교환용기(31c)로부터 연속적으로 공급된다.

가열용기(51)(52)(53) 내부에서 210℃의 온도에서 30분 이상 수용되어 가수분해된 고온의 슬러지는 주입수단(40)을 통하여 제3 열교환용기(31c)에 주입되는데, 상기 가수분해된 슬러지가 19.2kg/㎠의 고압상태에서 8.9kg/㎠의 저압상태로 방출되기 때문에 압력차에 의하여 폭파되면서 수증기를 발생시키고 175℃로 냉각된다. 8.9kg/㎠, 175℃로 냉각된 고온의 슬러지는 제1 배출부(33c)를 통하여 배출된 후 제2 열교환용기(31b)의 주입수단(40)을 통하여 제2 열교환용기(31b)로 주입된다.

제2 열교환용기(31b)의 제1 주입부(32b)를 통하여 주입된 8.9kg/㎠ 압력 상태의 슬러지는 제2 열교환용기(31b)의 내부가 3.6kg/㎠의 저압이기 때문에 압력차에 의하여 폭파되면서 수증기를 발생시키면서 140℃로 냉각된다. 냉각된 슬러지는 제1 배출부(33b)를 통하여 배출된 후 제1 열교환용기(31a)의 제1 주입부(32a)를 통하여 제1 열교환용기(31a)의 내부에 주입된다.

제1 열교환용기(31a)의 내부에 주입된 고온의 슬러지는 3.6kg/㎠의 압력상태인데 비하여 제1 열교환용기(31a)의 내부는 1.2kg/㎠의 압력상태이다. 이러한 압력차에 의하여 고온의 슬러지는 폭파되면서 수증기를 발생시키고 105℃로 냉각된다. 냉각된 고온의 슬러지는 제1 배출부(33a)를 통하여 접촉식 열교환유니트(10)로 배출된다.

접촉식 열교환유니트(10)로 배출된 고온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관(11)(12)을 통하여 아래에서 위로 이동되면서 저온 슬러지 이동부를 통하여 위에서 아래로 이동되는 저온의 유기물 슬러지와 열교환을 한다. 이러한 열교환에 의하여 고온의 유기물 슬러지는 55℃로 냉각되어 고액분리기(81)로 배출된다.

가수분해된 유기물 슬러지는 고액분리기(81)와 탈수기(82)를 경유하면서 고형성분과 슬러지 수용액으로 분리되는데, 고형성분은 고형연료 저장탱크(83)로 이동되고, 슬러지 수용액은 혐기성 소화에 적합한 온도인 35℃로 냉각되어 소화유니트(70)로 이동된다.

소화유니트(70)에서는 입구(71a)를 통하여 슬러지 수용액이 투입된 후 이동통로(74)를 따라 이동되면서 혐기성 소화된다. 소화가 완료된 슬러지 수용액은 출구(71b)를 통하여 배출된 후, 하수처리장으로 방출된다. 상기 혐기성 소화 중에 발생된 바이오 가스(메탄 가스)는 가스 저장탱크(84)에 저장된다. 가스 저장탱크(84)에 저장된 바이오 가스(메탄 가스)는 고온 고압의 수증기를 생산하는 보일러(85)에 사용될 수 있다.

도 1은 물의 증기압 곡선 및, 물의 온도와 열에너지의 관계를 보여주는 그래프.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기물 슬러지 가수분해 장치를 보여주는 구성도.

도 3은 가수분해된 고온의 유기물 슬러지와 가수분해될 저온의 유기물 슬러지가 도 2의 가수분해 장치에서 처리되는 과정에서의 온도와 압력을 보여주는 구성도.

도 4는 도 2의 가수분해 장치에 구비된 접촉식 열교환유니트를 보여주는 사시도.

도 5는 도 3의 접촉식 열교환유니트를 보여주는 단면도.

도 6은 도 3의 접촉식 열교환유니트에 구비된 단위부재를 보여주는 사시도.

도 7은 도 3의 접촉식 열교환유니트에 구비된 회전수단을 보여주는 평면도.

도 8은 도 5의 VIII-VIII' 단면도.

도 9는 도 2의 가수분해 장치에 구비된 증기식 열교환유니트를 보여주는 단면도.

도 10은 도 9의 증기식 열교환유니트에 구비된 주입수단을 보여주는 분해 사시도.

도 11은 도 10의 주입수단이 증기식 열교환유니트에 설치된 것을 보여주는 단면도.

도 12는 도 9의 증기식 열교환유니트에 구비된 이동수단을 보여주는 분해 사시도.

도 13은 도 2의 가수분해 장치에 구비된 가열유니트를 보여주는 사시도.

도 14 내지 도 17은 도 13의 가열유니트에서 가수분해가 이루어지는 과정을 순차적으로 보여주는 단면도.

도 18은 도 2의 가수분해 장치에 구비된 소화유니트를 보여주는 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 접촉식 열교환유니트 30 : 증기식 열교환유니트

50 : 가열유니트 70 : 소화유니트

100 : 유기물 슬러지 가수분해 장치

Claims

가수분해된 고온의 유기물 슬러지가 이동하는 고온 슬러지 이동부와 가수분해될 저온의 유기물 슬러지가 이동하는 저온 슬러지 이동부가 서로 접하도록 설치되어 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달될 수 있되,

상기 고온 슬러지 이동부는 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 제1,2 슬러지관을 포함하고,

상기 저온 슬러지 이동부는 수직으로 적층된 다수의 단위부재를 포함하고,

상기 단위부재는,

저온의 유기물 슬러지가 유입되는 입구;

저온의 유기물 슬러지가 배출되는 출구; 및,

입구와 출구 사이에 형성된 이동공간;을 포함하고, 이동공간을 따라 제1,2 슬러지관이 설치되고,

상기 입구는 상측에 설치된 단위부재의 출구와 연결되고 상기 출구는 하측에 설치된 단위부재의 입구와 연결되며, 입구를 통하여 유입된 저온의 유기물 슬러지가 출구로 이동되는 동안에 제1,2 슬러지관과의 접촉에 의하여 가열되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 접촉식 열교환유니트.
제1항에 있어서,

고온 슬러지 이동부는,

제1 슬러지관의 외주면에 제1 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제1 돌출부;

제2 슬러지관의 외주면에 제2 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제2 돌출부; 및

제1,2 슬러지관을 회전시키는 회전수단;을 포함하여, 회전수단에 의하여 제1,2 슬러지관이 회전되면서 제1,2 돌출부가 저온의 유기물 슬러지를 출구쪽으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 접촉식 열교환유니트.
제2항에 있어서,

하측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제1 슬러지관의 끝단은 상측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제1 슬러지관의 끝단과 연통되고,

하측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제2 슬러지관의 끝단은 상측의 단위부재의 이동공간을 경유하는 제2 슬러지관의 끝단과 연통되어,

하측의 제1,2 슬러지관을 통하여 이동된 고온의 슬러지는 상측의 제1,2 슬러지관으로 이동되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 접촉식 열교환유니트.
제3항에 있어서,

고온의 유기물 슬러지는 제1,2 슬러지관을 통하여 아래에서부터 위쪽으로 이동하고, 저온의 유기물 슬러지는 단위부재를 통하여 위에서부터 아래로 이동되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 접촉식 열교환유니트.
고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부와, 상기 슬러지가 배출되는 제1 배출부와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부와, 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 제2 배출부가 형성되고, 내부에는 밀폐공간이 형성된 열교환 용기;

제1 주입부에 설치되고, 고온의 유기물 슬러지가 고압을 유지한 채로 제1 주입부를 통하여 열교환 용기에 소정량씩 주입되도록 하는 주입수단;

제2 주입부를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 고온의 유기물 슬러지와 서로 섞이지 않은 상태로 제2 배출부로 이동시키는 이동수단;

제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지는 주입 전의 높은 압력과 밀폐공간의 낮은 압력의 차이에 의하여 증기 폭파되고 수증기를 발생시키면서 냉각된 후 제1 배출부를 통하여 배출되고,

제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 저온 저압의 유기물 슬러지는 이동수단에 의하여 이동되는 동안에 상기 수증기와 혼합되면서 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 제2 배출부를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 증기식 열교환유니트.
제5항에 있어서,

열교환 용기가 적어도 두 개 이상 구비되고,

고온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기로부터 아래쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동되며, 저온의 유기물 슬러지는 아래쪽의 열교환 용기로부터 위쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동하되,

제2 배출부를 통하여 배출된 저온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기의 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입되거나 가열유니트로 배출되고, 제1 배출부를 통하여 배출된 고온의 유기물 슬러지는 제1 주입부를 통하여 아래쪽의 열교환 용기의 밀폐공간에 주입되거나 접촉식 열교환유니트로 이동되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 증기식 열교환유니트.
제5항 또는 제6항에 있어서,

이동수단은,

중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구가 형성된 제1 받침대와, 제1 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부를 포함하는 제1 회전체;

중심으로부터 안쪽에 제2 토출구가 형성된 제2 받침대와, 제2 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부를 포함하는 제2 회전체; 및

제1 회전날개부와 제2 회전날개부를 회전시키는 축;을 구비하고, 제1 회전체와 제2 회전체는 교대로 반복적으로 복수 개가 적층되고,

제1 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부에 의하여 제1 토출구로 이동된 후 아래의 제2 받침대로 떨어지고, 제2 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부에 의하여 제2 토출구로 이동된 후 아래로 떨어지는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 증기식 열교환유니트.
제5항 또는 제6항에 있어서,

주입수단은,

길이 방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부;

회전부의 윗면을 덮도록 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 및

회전부의 아랫면을 덮도록 설치되어 상기 밀폐공간에 연결되고, 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 나머지 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개;를 포함하고,

회전부가 회전하여 저장공과 제1 관통공이 서로 연통되면 고온의 유기물 슬러지가 저장공에 유입되고, 상기 저장공에 유입된 유기물 슬러지는 회전부가 회전하여 저장공과 제2 관통공이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 증기식 열교환유니트.
제8항에 있어서,

제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지가 자유 낙하하여 제1 배출부로 이동될 수 있도록 제1 배출부는 제1 주입구의 수직 하측에 설치된 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 증기식 열교환유니트.
내부에 교반날개가 설치되고, 밀폐된 적어도 3개의 가열용기;

각각의 가열용기에 가수분해될 유기물 슬러지를 주입하는 슬러지 주입관;

상기 유기물 슬러지를 주입할 때 가열용기의 내부 압력이 일정하게 유지되도록 가열용기 내부의 기체가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 가수 배출관;

상기 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 가열용기에 고온의 수증기를 공급하는 고온증기 공급관; 및

가수분해가 완료된 유기물 슬러지가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 슬러지 배출관;을 포함하고,

적어도 3개의 가열용기 중 적어도 어느 하나에 가수분해될 슬러지가 슬러지 주입관을 통하여 주입되는 동안에는 적어도 어느 하나의 가열용기에 고온증기 공급관을 통하여 고온의 수증기가 공급되어 가수분해가 이루어지고, 적어도 어느 하나의 가열용기는 슬러지 배출관을 통하여 가수분해된 유기물 슬러지를 배출하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 가열유니트.
제10항에 있어서,

가수분해된 슬러지의 배출이 완료된 후, 가열용기 내부의 압력을 낮추기 위해 냉각수를 분무하여 고압 수증기를 응축시킬 수 있도록 냉각수를 가열용기 내부에 주입하는 냉각수 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 가열유니트.
제10항 또는 제11항에 있어서,

가열용기와 교반날개가 수평으로 설치된 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 처리용 가열유니트.
삭제
증기식 열교환유니트로부터 이동된 저온의 유기물 슬러지가 고온에서 가수분해되어 고온의 유기물 슬러지로 되어 배출되는 가열유니트;

가수분해된 고온의 유기물 슬러지 및 접촉식 열교환유니트로부터 배출된 저 온의 유기물 슬러지가 각각 유입된 후, 고온의 유기물 슬러지는 압력차에 의하여 증기 폭파되면서 수증기를 발생시키고 냉각된 후 배출되고, 저온의 유기물 슬러지는 상기 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 배출되는 상기 증기식 열교환유니트; 및

증기식 열교환유니트로부터 배출된 고온의 유기물 슬러지가 이동하는 고온 슬러지 이동부와, 저장탱크로부터 이동된 저온의 유기물 슬러지가 이동하는 저온 슬러지 이동부가 서로 접촉되도록 설치되어 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달되는 상기 접촉식 열교환유니트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제14항에 있어서,

접촉식 열교환유니트로부터 배출된 유기물슬러지의 고형성분과 수용액을 분리한 후, 상기 수용액을 무산소 상태에서 협기성 소화하여 메탄가스를 만드는 소화유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제14항 또는 제15항에 있어서,

상기 증기식 열교환유니트는,

고온의 유기물 슬러지가 주입되는 제1 주입부와, 고온의 유기물 슬러지가 배출되는 제1 배출부와, 저온의 유기물 슬러지가 주입되는 제2 주입부와, 저온의 유기물 슬러지가 배출되는 제2 배출부가 형성되고, 내부에는 밀폐공간이 형성된 열교 환 용기;

제1 주입부에 설치되고, 고온의 유기물 슬러지가 고압을 유지한 채로 제1 주입부를 통하여 열교환 용기에 소정량씩 주입되도록 하는 주입수단;

제1 주입부를 통하여 주입된 고온의 유기물 슬러지와 제2 주입부를 통하여 주입된 저온의 유기물 슬러지가 서로 섞이지 않은 상태로 각각 제1 배출부 및 제2 배출부로 이동되도록 하는 이동수단;을 포함하고,

제1 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 고온의 유기물 슬러지는 주입 전의 높은 압력과 밀폐공간의 낮은 압력의 차이에 의하여 증기 폭파되고 수증기를 발생시키면서 냉각된 후 제1 배출부를 통하여 배출되고,

제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입된 저온의 유기물 슬러지는 이동수단에 의하여 이동되는 동안에 상기 수증기와 혼합되면서 수증기의 응축열에 의하여 가열된 후 제2 배출부를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제16항에 있어서,

열교환 용기가 적어도 두 개 이상 구비되고,

고온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기로부터 아래쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동되며, 저온의 유기물 슬러지는 아래쪽의 열교환 용기로부터 위쪽의 열교환 용기로 순차적으로 이동하되,

제2 배출부를 통하여 배출된 저온의 유기물 슬러지는 위쪽의 열교환 용기의 제2 주입부를 통하여 밀폐공간에 주입되거나 가열유니트로 배출되고, 제1 배출부를 통하여 배출된 고온의 유기물 슬러지는 제1 주입부를 통하여 아래쪽의 열교환 용기의 밀폐공간에 주입되거나 접촉식 열교환유니트로 이동되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제16항에 있어서,

이동수단은,

중심으로부터 바깥쪽에 제1 토출구가 형성된 제1 받침대와, 제1 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제1 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 밀어내도록 형성된 제1 회전날개부를 포함하는 제1 회전체;

중심으로부터 안쪽에 제2 토출구가 형성된 제2 받침대와, 제2 받침대의 상면에 회전 가능하도록 설치되어 제2 토출구로 저온의 유기물 슬러지를 끌어들이도록 형성된 제2 회전날개부를 포함하는 제2 회전체; 및

제1 회전날개부와 제2 회전날개부를 회전시키는 축;을 구비하고, 제1 회전체와 제2 회전체는 교대로 반복적으로 복수 개가 적층되고,

제1 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제1 회전날개부에 의하여 제1 토출구로 이동된 후 아래의 제2 받침대로 떨어지고, 제2 받침대에 떨어진 저온의 유기물 슬러지는 제2 회전날개부에 의하여 제2 토출구로 이동된 후 아래로 떨어지는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제16항에 있어서,

상기 주입수단은,

길이 방향으로 복수 개의 저장공이 관통되어 형성된 회전부;

회전부의 윗면을 덮도록 설치되고, 상기 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제1 관통공이 형성된 상부덮개; 및

회전부의 아랫면을 덮도록 설치되어 상기 밀폐공간에 연결되고, 제1 관통공과 대응되는 저장공을 제외한 나머지 저장공 중 어느 하나와 대응되는 제2 관통공이 형성된 하부덮개;를 포함하고,

회전부가 회전하여 저장공과 제1 관통공이 서로 연통되면 고온의 유기물 슬러지가 저장공에 유입되고, 상기 저장공에 유입된 유기물 슬러지는 회전부가 회전하여 저장공과 제2 관통공이 서로 연통되면 밀폐공간으로 배출되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제14항에 있어서,

상기 접촉식 열교환유니트는,

상기 고온 슬러지 이동부는 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 제1,2 슬러지관을 포함하고, 상기 저온 슬러지 이동부는 수직으로 적층된 다수의 단위부재를 포함하며,

상기 단위부재는,

저온의 유기물 슬러지가 유입되는 입구;

저온의 유기물 슬러지가 배출되는 출구; 및,

입구와 출구 사이에 형성된 이동공간;을 포함하고, 이동공간을 따라 제1,2 슬러지관이 설치되고,

상기 입구는 상측에 설치된 단위부재의 출구와 연결되고 상기 출구는 하측에 설치된 단위부재의 입구와 연결되며, 입구를 통하여 유입된 저온의 유기물 슬러지가 출구로 이동되는 동안에 제1,2 슬러지관과의 접촉에 의하여 가열되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제20항에 있어서,

고온 슬러지 이동부는,

제1 슬러지관의 외주면에 제1 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제1 돌출부;

제2 슬러지관의 외주면에 제2 슬러지관의 길이 방향을 따라 형성된 제2 돌출부; 및,

제1,2 슬러지관을 회전시키는 회전수단;을 포함하여,

회전수단에 의하여 제1,2 슬러지관이 회전되면서 제1,2 돌출부가 저온의 유기물 슬러지를 출구쪽으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제14항에 있어서,

상기 가열유니트는,

내부에 교반날개가 설치되고, 밀폐된 적어도 3개의 가열용기;

각각의 가열용기에 저온의 유기물 슬러지를 주입하는 슬러지 주입관;

상기 저온의 유기물 슬러지를 주입할 때 가열용기의 내부 압력이 일정하게 유지되도록 가열용기 내부의 기체가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 가스 배출관;

상기 유기물 슬러지가 가수분해될 수 있도록 가열용기에 고온의 수증기를 공급하는 고온증기 공급관; 및

가수분해가 완료된 유기물 슬러지가 배출될 수 있도록 각각의 가열용기에 설치된 슬러지 배출관;을 포함하고,

적어도 3개의 가열용기 중 적어도 어느 하나에 가수분해될 슬러지가 슬러지 주입관을 통하여 주입되는 동안에는 적어도 어느 하나의 가열용기에 고온증기 공급관을 통하여 고온의 수증기가 공급되어 가수분해가 이루어지고, 적어도 어느 하나의 가열용기는 슬러지 배출관을 통하여 가수분해된 유기물 슬러지를 배출하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제22항에 있어서,

가수분해가 완료된 후 가열용기 내부의 수증기 압력을 낮추기 위해 냉각수를 가열용기 내부에 분무하는 냉각수 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제22항에 있어서,

가열용기와 교반날개가 수평으로 설치된 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제22항에 있어서,

상기 가열용기에 저온의 유기물 슬러지가 절반 정도만 채워지는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제15항에 있어서,

소화유니트는,

슬러지 수용액이 유입되는 입구와, 혐기성 처리가 완료된 슬러지 수용액이 배출되는 출구와, 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되고, 밀폐된 내부공간을 가지는 프레임;

상기 입구에서부터 출구 쪽으로 미리 정해진 간격으로 적어도 두 개 이상의 수직 칸막이가 설치되어 만들어지는 좁고 긴 이동통로; 및

수직 칸막이에 설치되어 슬러지 수용액을 입구에서부터 출구쪽으로 이동시키는 이송수단;을 포함하고,

입구를 통하여 유입된 슬러지 수용액은 이송수단에 의하여 이송되면서 미생물에 의하여 무산소 상태에서 유기물 성분이 가스로 분해된 후 출구를 통하여 배출 되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
제14항에 있어서,

유기물 슬러지는 하수처리장에서 배출되는 하수 슬러지, 음식물 쓰레기를 분쇄한 음식물 슬러지, 공장에서 배출되는 폐수 슬러지, 가축 분뇨인 축산폐수 및, 농산물이나 해조류를 분쇄한 식물 슬러지 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 장치.
(a) 저온의 유기물 슬러지가 이동되는 저온 슬러지 이동부와 고온의 유기물 슬러지가 이동되는 고온 슬러지 이동부를 서로 접촉되도록 하여 고온 슬러지 이동부의 열이 저온 슬러지 이동부로 전달되도록 하는 단계;

(b) 가열용기에서 가수분해되어 만들어진 고온의 유기물 슬러지를 낮은 내부압력을 가진 열교환용기에 주입하여 압력차에 의한 폭파를 일으키고, 상기 폭파에 의하여 발생되는 수증기를 이용하여 (a) 단계를 경유한 후 열교환 용기에 주입된 저온의 유기물 슬러지를 가열하는 단계;

(c) 상기 (b) 단계를 경유하면서 가열된 저온의 유기물 슬러지를 가열용기에 공급하여 가열함으로써 가수분해하여 고온의 슬러지로 만든 후 (b) 단계의 열교환용기로 공급하는 단계; 및,

(d) 상기 (a) 단계에서 고온 슬러지 이동부에서 냉각되어 배출된 유기물 슬러지를 무산소 상태에서 협기성 소화시켜 메탄가스를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.
제28항에 있어서,

상기 (c) 단계는,

(c1) 상기 (b) 단계를 경유하면서 가열된 저온의 유기물 슬러지를 가열용기에 공급하는 단계;

(c2) 상기 (c1) 단계가 완료되면 고온의 수증기를 가열용기에 공급하여 유기물 슬러지를 가수분해하여 고온의 유기물 슬러지를 만드는 단계; 및

(c3) 상기 가수분해가 완료되면 고온 고압 상태를 유지하면서 가수분해된 고온의 유기물 슬러지를 (b) 단계의 열교환용기로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.
제29항에 있어서,

상기 가열용기가 적어도 3개 이상 구비되고, 적어도 3개 이상의 가열용기는 열교환용기에 병렬로 연결되며,

상기 (c1), (c2), (c3) 단계는 적어도 어느 하나의 가열용기에서 각각 진행되어서 가수분해된 유기물 슬러지가 열교환용기에 연속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.
제28항에 있어서,

(b) 단계는,

고온의 유기물 슬러지를 상기 고압을 유지한 채로 소정량씩 열교환용기에 공급하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.
제31항에 있어서,

상기 열교환 용기는 적어도 두 개가 구비되고,

(b) 단계는,

가열용기에서 가수분해되어 만들어진 고온의 유기물 슬러지가 열교환용기에 주입되어 증기 폭파되고 배출된 후, 다른 열교환용기에 주입되거나 (a) 단계로 배출되며,

(a) 단계를 거치면서 가열된 저온의 유기물 슬러지는 상기 다른 열교환용기에 주입되어 가열되고 배출된 후, 상기 열교환용기에 주입되는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.
제28항에 있어서,

상기 (d) 단계에서 만들어진 메탄가스를 보일러 부재에 공급하고, 상기 보일러 부재는 상기 메탄가스를 이용하여 고온 고압의 수증기를 만든 후 가열용기에 공급하여 저온 저압의 유기물 슬러지를 가열하는 것을 특징으로 하는 유기물 슬러지 가수분해 방법.