KR102031854B1 - 아임계수 유체를 이용한 하수슬러지의 액상연료 제조장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르는 슬러지의 액상연료 제조장치는 공급된 슬러지를 침전시켜 상기 슬러지 중 침전된 무기물을 제거하도록 형성되는 침전조, 상기 침전조에서 상기 무기물이 제거된 슬러지가 공급되며, 상기 무기물이 제거된 슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성조, 상기 숙성조에서 적어도 일부가 숙성된 상기 슬러지에 물을 공급하도록 형성되는 혼합조, 상기 혼합조에서 물과 혼합된 상기 슬러지에 고압을 가하는 펌프, 상기 펌프에 의해 아임계 상태의 상기 슬러지가 유입되며, 아임계 상태에서 상기 슬러지를 액상연료를 포함하는 혼합물 상태로 반응시키는 아임계 반응기 및 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 액상연료를 분리 및 추출하는 분리부를 포함할 수 있다.

Description

아임계수 유체를 이용한 하수슬러지의 액상연료 제조장치 및 방법{AN APPARATUS AND　METHOD FOR PRODUCING LIQUID FUEL OF SEWAGE SLUDGE USING CRITICAL WATER FLUID}
본 발명은 아임계수 유체를 이용한 하수슬러지의 액상연료 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 석유 자원 고갈 및 CO2 발생 등 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라, 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며 환경친화성이 높은 연료에 대한 관심이 급증하고 있다. 이러한, 추세에 비추어 정수, 하수, 산업폐수, 분뇨 등의 처리과정 발생하는 유기성 폐기물인 슬러지를 활용하여 바이오 중유와 같은 액상연료를 생산하는 기술이 제안되어 왔다.
한국 등록특허 제10-1749582호(2017.06.22.)에서는 하수슬러지를 이용하여 바이오 중유를 제조하는 기술을 제안하고 있다. 하수슬러지를 연속식 초임계 알코올 공정을 이용하여 탈산소화 반응, 에스테르화 반응 및 저분자 유기물질 용해 반응 등을 통해 발열량과 유기 함량이 높은 바이오 중유로 전환하는 방법을 개시한다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술에는 무기물(흙, 모래 등)을 사전에 제거하는 전처리 설비가 구비되지 않아, 무기물에 의한 장비 손상 및 초임계 조건을 충족시키기 위한 불필요한 에너지 소모가 발생하게 된다.
뿐만 아니라, 초임계의 압력 조건을 충족시키기 위하여 사용되는 용매 및/또는 하수슬러지의 압력을 초임계 조건의 압력(약 400bar)으로 승압 가능한 고압 펌프가 필수적으로 필요하게 된다. 이와 같은 고압 펌프를 사용하게 되는 경우, 하수슬러지의 성분 특성상 고압펌프의 운전 건전성을 확보하기 어려우며, 유체를 알코올 사용할 경우 하수슬러지 액상연료를 얻기 위해 알코올 제거 공정이 추가적으로 수행됨에 따라 비용이 증가하는 문제가 발생하였다.
KR10-1749582 (공고일: 2017.06.22.)
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제를 해결하기 위하여, 하수슬러지를 원료로 하는 액상연료 제조 장치 및 방법에 있어서, 아임계수 유체를 이용하여 효율 및 경제성이 증가된 하수슬러지의 액상연료 제조장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여, 본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치는 하수슬러지를 물의 아임계 상태에서 반응시켜 액상연료를 추출할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치는 하수슬러지를 반응시키기 전 무기물을 침전시켜 제거할 수 있다.
본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치는, 공급된 슬러지를 침전시켜 상기 슬러지 중 침전된 무기물을 제거하도록 형성되는 침전조, 상기 침전조에서 상기 무기물이 제거된 슬러지가 공급되며, 상기 무기물이 제거된 슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성조, 상기 숙성조에서 적어도 일부가 숙성된 상기 슬러지에 물을 공급하도록 형성되는 혼합조, 상기 혼합조에서 물과 혼합된 상기 슬러지에 고압을 가하는 펌프, 상기 펌프에 의해 아임계 상태의 상기 슬러지가 유입되며, 아임계 상태에서 상기 슬러지를 액상연료를 포함하는 혼합물 상태로 반응시키는 아임계 반응기 및 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 액상연료를 분리 및 추출하는 분리부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리부는, 상기 반응부에서 생성된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리부는, 상기 냉각부에서 기 설정된 온도로 냉각된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 원심 분리하여 물을 포함하는 무기물을 제거하는 제1 분리부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리부는 상기 제1 분리부에서 수분이 제거된 상기 혼합물에 기설정된 극성을 갖는 유기용매를 투입하여 상기 혼합물에서 물을 제거하도록 형성되는 제2 분리부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리부는 상기 제2 분리부에서 상기 유기용매 및 물이 제거된 상기 혼합물에서 고형의 불순물 제거하여 상기 액상연료만을 추출하도록 형성되는 제3 분리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제3 분리부에서 출된 액상연료에 수소를 첨가하여 상기 액상연료에 포함된 황(S)을 황화수소(H2S)로 반응시키는 수소 첨가부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조방법은 공급된 하수슬러지를 침전시켜 상기 하수슬러지에 포함된 무기물을 제거하는 전저리 단계, 상기 하수슬러지를 기 설정된 압력 및 기 설정된 온도 조건에서 반응시켜 액상연료를 포함하는 혼합물을 생성하는 반응 단계, 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 액상연료를 분리 및 추출하는 분리 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기 설정된 압력은 180 atm 내지 210 atm 이며, 상기 기 설정된 온도는 300℃ 내지 370℃ 일 수 있다.
또한, 상기 반응단계는 상기 하수슬러지를 아임계 상태에서 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 전처리 단계는, 상기 하수슬러지를 침전시켜, 침전된 무기물을 제거하도록 형성되는 침전 단계 및 상기 침전 단계에서 상기 무기물이 제거된 상기 하수슬러지가 공급되며, 상기 하수슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전처리 단계는 적어도 일부가 숙성된 상기 하수슬러지에 물을 공급하며, 교반하는 혼합 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응 단계 이후, 액상연료를 포함하는 혼합물을 냉각시키는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리 단계는 상기 냉각부에서 기 설정된 온도로 냉각된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 물을 제거하는 수분 제거 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수분 제거 단계는 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 원심 분리하는 제1 수분 제거 단계 및 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에 기설정된 극성을 갖는 유기용매를 투입하여 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 물을 액액분리하는 제2 수분 제거 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수분 제거 단계 이후, 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 여과하여 고형의 불순물을 제거하여 상기 액상연료를 추출하는 고액분리 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상연료에 수소(H)를 첨가하여 상기 액상연료에 포함된 황(S)을 황화수소(H2S)로 반응시키는 황 제거 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 하수슬러지의 액상연료 제조방법은 하수슬러지로부터 액상연료를 제조하는 방법에 있어서, 상기 하수슬러지를 침전시켜 무기물을 제거하는 침전 단계 및 상기 무기물이 제거된 하수슬러지를 물의 아임계 상태에서 반응시켜 액상연료를 제조하는 반응 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하수슬러지는, 100 중량부(wt%)에 대하여, 유기물 13 내지 18 중량부(wt%)와 무기물 3 내지 8 중량부(wt%)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 침전 단계 이후, 상기 무기물이 제거된 슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 숙성 단계 이후, 상기 숙성 단계에서 적어도 일부가 숙성된 상기 슬러지에 물을 공급하도록 형성되는 혼합 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 혼합 단계에서 공급되는 물과 상기 하수슬러지의 중량비는 7:3 내지 6:4일 수 있다.
상기 반응 단계는 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 생성하며, 상기 반응 단계 이후, 상기 혼합물에서 상기 액상연료를 분리하는 분리 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분리 단계는, 상기 혼합물에서 물을 포함하는 무기물을 제거하는 액액 분리 단계 및 상기 혼합물에서 고형의 불순물을 제거하는 고액 분리 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 돌, 모래, 흙 등과 같은 무기물을 제거함에 따라, 상기 하수슬러지를 상기 액상연료로 전환시, 무기물에 가해지는 불필요한 에너지 소모를 감소할 수 있어 액상연료 제조 효율이 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 무기물이 차지하는 불필요한 부피를 저감시킬 수 있어, 상기 액상연료 추출 수율을 높일 수 있다.
나아가, 상기 하수슬러지에서 돌, 모래, 흙 등과 같은 무기물 같이 기 설정된 크기 및/또는 비중을 갖는 무기물이 제거됨에 따라, 무기물에 의해 발생할 수 있는 상기 혼합조의 교반장치, 상기 혼합조와 상기 반응부를 연결하는 배관 및 펌프의 손상이 저감될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 하수슬러지를 숙성시킴에 따라, 아임계 상태에서 반응시 액상연료의 추출 수율이 증가될 수 있다.
본 발명에 따르면, 아임계 조건하에 하수슬러지로부터 액상연료를 생산함에 따라, 액상연료 제조공정 중 압력과 온도를 초임계 상태의 압력 및 온도 조건보다 낮은 아임계 상태의 압력 및 온도 조건으로 수 액상연료를 제조할 수 있게 된다. 이로 인하여, 초임계 상태에서 요구되는 설비의 신뢰성이 요구되지 않으므로, 제조설비의 품질조건 하향시킬 수 있어, 제조설비의 제작비가 저감될 수 있다.
또한, 반응에 소모되는 에너지를 저감시킬 수 있어, 액상연료 제조공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
나아가, 아임계 반응시 반응 유체를 알코올과 같은 유기용매가 아닌 물(H2O)을 사용함에 따라, 알코올과 같은 유기용매를 사용함에 따라 발생하는 운영비를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치에 대한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치에 대한 상세한 개념도이다.
도 3는 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
하수슬러지(Sewage sludge)란, 하수 혹은 폐수 처리 과정에서 액상체로부터 고형물이 분리되어 형성되는 물질이나 하수 침전물찌꺼기를 의미할 수 있다. 정수, 하수, 산업폐수, 분뇨 등의 처리과정에서 물리·화학적으로 분리된 최종부산물로서, 일반적으로 처리공정에 투입되어 증식된 불용성 고형분인 미생물덩어리를 의미할 수 있다.
일반적으로 하수슬러지는 악취 등이 심하기 때문에, 활성슬러지공정과 같은 방법으로 처리된다.
본 발명에 따르면, 하수슬러지를 물리적 또는 화학적 공정을 통하여 하수슬러지로부터 바이오 중유와 같은 액상연료를 추출할 수 있다. 본 명세서에서 하수슬러지는 정수, 하수, 산업폐수, 분뇨 등의 처리과정에서 물리·화학적으로 분리시후 최종부산물로 일반적으로 처리공정에 투입되어 증식되며, 소정의 수분이 함유된 불용성 고형분인 미생물덩어리를 의미할 수 있다. 다만, 하수슬러지의 의미는 전술한 기재에 한정되지 않으며, 유기성 부산물 등을 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치 및 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치에 대한 개략적인 개념도이며, 도 2는 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치에 대한 상세한 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 하수슬러지의 액상연료 제조장치(10)는 전처리부(100), 반응부(200) 및 분리부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전처리부(100)는 상기 반응부(200)에서 상기 하수슬러지를 반응시키기 전 액상연료 추출 수율을 증가시키기 위하여 무기물을 제거하거나 일부를 활성화시키는 전처리 공정을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전처리부(100)는 침전조(110), 숙성조(120) 및 혼합조(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 침전조(110)에는 상기 하수슬러지를 수용할 수 있는 소정의 수용공간이 형성될 수 있다. 상기 침전조(110)에 상기 하수슬러지가 공급된 후, 소정의 시간이 경과되면 상기 하수슬러지 중 상대적으로 비중이 높은 흙, 모래와 같은 기 설정된 크기 및/또는 기 설정된 비중 이상인 무기물이 가라앉게 된다. 이 경우에 상층수 및 무기물을 제외한 유기물 등 상층수에 부유하는 하수슬러지를 이송시켜 상기 하수슬러지로부터 상대적으로 비중 높은 무기물을 분리할 수 있게 된다.
무기물이 분리된 하수슬러지는 상기 침전조(110)에서 상기 숙성조(120)로 공급된다. 상기 숙성조(120)에서는 액상연료 제조 수율을 증가시키기 위하여, 상기 하수슬러지를 상기 반응부(200)에 공급하기 전 기 설정된 시간동안 숙성시킬 수 있다. 여기서, 기 설정된 시간이란, 약 1day ~ 2day 일 수 있다. 상기 숙성조(120)에서는 생슬러지 상태인 하수슬러지의 적어도 일부를 활성슬러지로 활성화될 수 있으며, 적어도 일부가 활성화된 하수슬러지를 반응시킴에 따라, 액상연료 제조 수율이 증가될 수 있다. 여기서, 활성슬러지란 미생물을 포함하는 슬러지를 의미할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 숙성조(120)에서는 공급된 상기 하수슬러지에 공기를 불어 넣어 산화 작용 및 호기성 미생물에 의한 소화 작용을 촉진시킬 시키는 폭기(에어레이션)와 일정시간 방치하는 침전을 반복하게 된다. 여기서, 상기 하수슬러지 중 미생물을 포함하여 응집된 물질을 활성슬러지라 할 수 있다. 활성슬러지에는 산화된 양성의 수산화물 둘레에 음성의 오수 콜로이드가 응집하여 산화균류가 부착될 수 있다.
한편, 적어도 일부가 활성화된 상기 하수슬러지는 상기 반응부(200)에 공급된다. 그러나, 상기 숙성조(120)에서 적어도 일부가 활성화된 상기 활성슬러지에 포함된 수분은 대부분 슬러지를 구성하는 입자 내부에 결합된 결합수로 존재하게 되어, 상기 하수슬러지는 유동성이 매우 낮은 상태로 존재하게 된다. 이에 따라, 상기 하수슬러지를 배관을 통해 상기 반응부(200)에 공급하기 어렵게 된다.
이에 따라, 상기 전처리부(100)는 상기 하수슬러지에 수분을 공급하는 상기 혼합조(130)를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합조(130)에는 상기 숙성조(120)에서 적어도 일부가 활성화된 상기 하수슬러지가 유입된다. 또한, 상기 혼합조(130)에는 상기 하수슬러지의 유동성을 증가시키기 위하여, 물를 투입시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 혼합조(130)에서 공급되는 물과 상기 하수슬러지의 중량비는 대략 7:3 내지 6:4일 수 있다. 여기서, 물은 상기 하수슬러지의 입자와 결합된 상태의 결합수가 아닌, 표면수를 의미한다.
아울러, 상기 혼합조(130)는 상기 하수슬러지와 물이 균일하게 섞일 수 있도록 교반장치가 구비될 수 있다. 상기 교반장치에 의해 상기 하수슬러지와 상기 물이 균일하게 섞인 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물은 상기 반응부(200)로 이송된다.
한편, 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물이 상기 반응부(200)로 이송되는 경우, 펌프(140)에 의해 이송될 수 있다. 상기 혼합조(130)와 상기 반응부(200)는 배관에 의해 연결될 수 있다. 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물은 배관을 통하여 상기 혼합조(130)에서 상기 반응부(200)로 이송된다. 여기서, 펌프(140)는 성기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물에 아임계 압력 조건의 상태에 이를 수 있도록 기 설정된 압력을 가하게 된다.
한편, 상기 반응부(200)는 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물을 수용할 수 있도록 밀폐된 공간을 형성하는 아임계 반응기(210)를 포함할 수 있다. 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물은 아임계 상태로 아임계 반응기(210)에 수용될 수 있다.
또한, 상기 반응부(200)는 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물에 열을 가하는 가열기를 구비할 수 있다. 상기 가열기는 아임계 반응시, 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물이 아임계 상태의 범위데 도달하도록 열을 가하게 된다.
여기서, 아임계 상태란, 물질의 임계점 이하의 인접 범위에 해당하는 상태를 의미한다. 본 발명에서는 반응 용매로서 물을 이용하므로, 아임계 상태란 물의 아임계 상태를 의미할 수 있다. 물의 임계점(Critical point)는 온도 약 374℃, 압력 218.3 atm 이다. 따라서, 아임계 반응시, 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물의 온도는 300℃ 내지 370℃의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 아임계 반응시 상기 하수슬러지 및 상기 물의 혼합물의 압력은 180 atm 내지 210 atm 범위에 포함될 수 있다.
상기 하수슬러지는 상기 반응부(200)에서 아임계 상태로 반응됨에 따라 탄산소화 반응, 에스테르화 반응 및 저분자 유기물질 용해 반응 등을 통해 바이오 중유와 같은 액상연료, 고형의 불순물 및 물을 포함하는 반응 후 혼합물로 변화될 수 있다. 즉, 물을 용매로 이용하여, 상기 하수슬러지로 바이오 중유과 같은 액상연료를 생성할 수 있다.
한편, 상기 반응부(200)에서 생성된 상기 반응 후 혼합물은 상기 분리부(300)에서 정제 및 추출과정을 거쳐 발전소 등에서 사용될 수 있는 상기 액상연료를 추출할 수 있다. 이하, 상기 분리부(300)에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 분리부(300)는 냉각부(310), 제1 내지 제3 분리부(320, 330, 340) 및 수소 첨가부(350)를 포함할 수 있다.
상기 반응부(200)에서 반응이 완료된 상기 반응 후 혼합물은 아임계 조건의 온도 또는 이에 근접하는 고온의 상태가 된다. 이러한 상기 반응 후 혼합물은 상기 반응부(200)와 연결된 냉각부(310)로 이송될 수 있다. 상기 냉각부(310)는 열교환기를 구비하여 고온의 상태인 상기 반응 후 혼합물을 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각부(310)에서 300℃ 이상의 온도에서 상온에 해당하는 약 25℃로 냉각된다. 상기 냉각부(310)에서 발생하는 폐열은 상기 반응부(200)로 회수되어 상기 반응부(200)의 아임계 반응에 활용될 수 있다.
한편, 상기 냉각부(310)에서는 상온의 온도로 냉각된 상기 반응 후 혼합물이 상기 제1 분리부(320) 내지 상기 제3 분리부(340)를 순차적으로 통과함에 따라, 상기 반응 후 혼합물에서 액상연료가 분리 및 추출될 수 있다.
상기 제1 분리부(320)에서는 상기 반응 후 혼합물 중 물을 포함한 무기물을 분리하도록 형성될 수 있다. 여기서 무기물은 침전조(110)에서 걸러지지 않은 무기물을 의미한다. 상기 제1 분리부(320)는 원심분리기를 구비할 수 있다. 상기 제1 분리부(320)에서는 상기 반응 후 혼합물을 원심 분리하여, 상기 반응 후 혼합물에서 물을 포함한 무기물을 분리시킬 수 있다.
한편, 상기 제2 분리부(330)에서는 상기 제1 분리부(330)에서 완전히 분리 및 제거되지 않은 물을 2차적으로 분리 및 제거할 수 있다.
제2 분리부(330)에서는 디클로로메탄(DCM, dichloromethane), 에틸렌(ethylene)과 같은 유기용매를 투입하여 상기 반응 후 연료에서 상기 물을 제거할 수 있다. 구체적으로, 디클로로메탄(DCM, dichloromethane), 에틸렌(ethylene)과 같은 기설정된 극성을 갖는 유기용매를 제2 분리부(330)에서 공급된 상기 반응 후 혼합물에 투입하는 경우, 상기 유기용매는 상기 액상연료와 상기 물 사이에 층을 형성하게 되며, 필터 등을 통하여 제1 분리부(320)에서 걸러지지 않은 물을 제거한다.
상기 제1 및 제2 분리부(320, 330)을 통과하여 상기 물을 포함한 무기물을 제거한 상기 반응 후 혼합물은 상기 액상연료 및 고형의 불순물만 남게 된다. 여기서, 상기 액상연료와 상기 고형의 불순물만 남은 상기 반응 후 혼합물은 제3 분리부(340)를 통해 상기 고형의 불순물을 분리할 수 있다.
상기 제3 분리부(340)는 고체와 액체를 분리하는 고액분리기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고액분리기는 고체-액체 혼합물을 여과필터에 통과시켜 분리하는 여과 방식과 원심분리를 통해 고체-액체 혼합물을 분리하는 원심분리 방식 등이 존재한다. 본 발명에 따르면, 상기 제3 분리부(340)는 여과 방식을 이용하여 상기 액상연료와 상기 고형의 불순물이 혼합된 혼합물에서 상기 고형의 불순물을 분리할 수 있다.
한편, 상기 제3 분리부(340)에서 분리 및 추출된 상기 액상연료에는 소정의 황(S) 성분이 포함될 수 있다. 국내에서 발생하는 하수슬러지에는 황(S) 함유량이 높아, 이를 이용하여 액상연료를 생산하는 경우, 상기 액상연료에 포함된 황(S) 함유량이 액상연료 100wt% 대비 3 wt%를 초과하게 된다. 이 경우, 현재 사용중인 발전용 바이오 중유 품질 규격에 충족되지 않아, 발전용 연료로는 사용할 수 없게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조장치는 액상연료에 포함된 황(S) 성분을 제거하기 위하여 수소 첨가부(360)를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 첨가부(360)는 상기 하수슬러지로부터 추출된 상기 액상연료에 수소(H2)를 투입시킬 수 있도록 형성된다. 황(S) 성분이 포함된 상기 액상연료에 수소(H2)가 투입되는 경우, 수소(H2)와 황(S)은 황화수소(H2S)를 생성하게 된다. 이 때, 생성되는 황화수소(H2S)는 기체 상을 띄게 되며, 수소 참가장치와 함께 구비된 황화수소(H2S)를 포집장치를 이용하여 포집하게 된다.
이와 같은 액상연료 제조 장치 구조에 의하여, 하수슬러지로부터 액상연료를 생산시, 효율 및 수율이 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 제조설비의 설치비 및 운영비 등을 절감할 수 있다.
한편, 도 3는 본 발명을 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조방법의 흐름도이다. 이하, 도면을 참고하여 하수슬러지의 액상연료 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따르는 하수슬러지의 액상연료 제조방법은 전처리 단계(S100), 반응 단계(S200) 및 분리 단계(S300)를 포함할 수 있다.
상기 전처리 단계(S100)는 하수슬러지를 이용하여 상기 액상연료를 제조하기 전, 상기 액상연료의 수율 및 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 전처리 단계(S100)는 무기물을 제거하는 침전 단계(S110)와 상기 하수슬러지의 적어도 일부를 활성시키는 숙성 단계(S120) 및 적어도 일부가 활성화된 상기 하수슬러지에 물을 투입하는 혼합 단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 침전 단계(S110)에서는 공급된 상기 하수슬러지를 침전조에서 기 설정된 시간 동안 체류시킨다. 이로 인하여, 상기 하수슬러지에 포함된 기 설정된 크기 및 비중을 갖는 돌, 모래, 흙 등과 같은 무기물을 침전시키게 된다. 여기서, 상기 침전 단계(S110)에서는 침전된 무기물을 제거할 수 있다.
이와 같이, 돌, 모래, 흙 등과 같은 무기물을 제거하는 침전 단계(S110)를 수행함에 따라, 상기 하수슬러지를 상기 액상연료로 전환시, 무기물에 가해지는 불필요한 에너지 소모를 감소할 수 있어 액상연료 제조 효율이 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 무기물이 차지하는 불필요한 부피를 저감시킬 수 있어, 상기 액상연료 추출 수율을 높일 수 있다.
나아가, 상기 하수슬러지에서 돌, 모래, 흙 등과 같은 무기물 같이 기 설정된 크기 및/또는 비중을 갖는 무기물이 제거됨에 따라, 무기물에 의해 발생할 수 있는 상기 혼합조(130)의 교반장치, 상기 혼합조(130)와 상기 반응부(200)를 연결하는 배관 및 펌프의 손상이 저감될 수 있다.
상기 침전 단계(S110) 이후, 무기물이 제거된 상기 하수슬러지를 숙성시키는 상기 숙성 단계(S120)를 수행할 수 있다. 상기 숙성 단계(S120)에서는 상기 하수슬러지를 기 설정된 시간 동안 체류시키면서 생슬러지 상태의 상기 하수슬러지의 적어도 일부를 활성슬러지로 활성시킬 수 있다. 여기서 기 설정된 시간은 1 day 내지 2 day 일 수 있다.
아울러, 상기 숙성 단계(S120)에서는 상기 하수슬러지의 활성이 촉진되도록 상기 하수슬러지에 공기를 불어 넣는 폭기와 상기 하수슬러지를 일정 시간 방치하는 침전을 반복할 수 있다. 이와 같이 상기 하수슬러지를 숙성시킴에 따라, 아임계 상태에서 반응시 액상연료의 추출 수율이 증가될 수 있다.
하기 표 1을 참고하면, 하수슬러지의 숙성시간에 따른 추출된 액상연료의 추출이 개시되어 있다.
하수슬러지 숙성시간 액상연료 추출율(%)
0 30
10 35
24 40
하수슬러지를 숙성시킴에 따라, 액상연료 추출율(%)이 30%에서 40%로 증가됨을 알 수 있다.
상기 숙성 단계(S120)에서 적어도 일부가 활성화된 상기 하수슬러지는 상기 혼합 단계(S130)가 수행된다. 상기 혼합 단계(S130)에서는 상기 하수슬러지의 유동성을 높일 수 있도록 상기 하수슬러지에 물을 공급할 수 있다. 나아가, 상기 혼합 단계(S130)에서는 상기 하수슬러지와 상기 물이 균일하게 섞이도록 교반될 수 있다.
상기 숙성 단계(S120) 이후, 상기 반응 단계(S200)가 수행될 수 있다. 상기 반응 단계(S200)에서 상기 하수슬러지와 상기 물이 섞인 혼합물은 아임계 상태에서의 반응을 통해 액상연료, 물 및 고형의 불순물이 포함된 반응 후 혼합물로 전환될 수 있다. 여기서, 아임계 상태는 전술한 기재와 동일한 바, 생략한다.
이와 같이, 아임계 조건에서 하수슬러지로부터 액상연료를 생산함에 따라, 액상연료 제조공정 중 압력과 온도를 초임계 상태의 압력 및 온도 조건보다 낮은 아임계 상태의 압력 및 온도 조건으로 상기 액상연료를 제조할 수 있게 된다. 이로 인하여, 초임계 상태에서 요구되는 설비의 신뢰성이 요구되지 않으므로, 제조설비의 품질조건 하향시킬 수 있어, 제조설비의 제작비가 저감될 수 있다. 또한, 반응에 소모되는 에너지를 저감시킬 수 있어, 액상연료 제조공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 표 2를 참고하면, 아임계 조건(용매로 물 사용)과 초임계 조건(용매로 알코올 사용) 각각에서의 액상연료 추출 수율이 개시되어 있다.
액상연료 추출수율 Water Gas WSO Inorganic SR Total (%)
아임계 조건 64.2 0 3.6 17.7 0 14.5 100
초임계 조건 58.0 0 4.4 28 0 9.6 100
WSO(Water soluble organic)는 수용성 유기물을 의미하는 것으로서, WSO는 하수슬러지 자체에 포함된 유기물의 양을 나타낸다, SR(Solid residue)은 고체 불순물을 의미한다.
표 2를 참고하면, 아임계 조건으로 하수슬러지를 반응시킨 경우 액상연료 추출 수율은 하수슬러지 100wt% 대비 64.2 DAF wt%이며, 초임계 조건으로 하수슬러지를 반응시킨 경우 액상연료 추출 수율은 하수슬러지 100wt% 대비 58.0 DAF wt%으로 나타난다. 이를 고려하면, 아임계 조건으로 하수슬러지를 반응시킨 경우, 초임계 조건으로 하수슬러지를 반응시킨 경우보다 추출 수율이 높은 것을 알 수 있다.
나아가, 아임계 반응시 반응 유체를 알코올과 같은 유기용매가 아닌 물(H2O)을 사용함에 따라, 알코올과 같은 유기용매를 사용함에 따라 발생하는 운영비를 저감할 수 있다.
상기 반응 단계(S200)에서 생성된 액상연료, 물 및 고형의 불순물이 포함된 반응 후 혼합물은 상기 분리 단계(S300)를 거치며, 상기 액상연료만 분리 및 추출된다.
상기 분리 단계(S300)는 냉각 단계(S310), 제1 내지 제3 분리 단계(S320, S330, S340)를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 분리 단계(S300)는 수소 첨가 단계(S350)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 단계(S310)에서는 상기 반응 단계(S200)에서 반응이 완료된 상기 반응 후 혼합물을 아임계 조건에 근접한 약 300℃에서 상온의 온도 약 25℃로 냉각시킨다. ℃
상기 제1 분리 단계(S320)에서는 원심분리를 통해 상기 반응 후 혼합물에 포함된 물을 포함하는 무기물을 분리 및 제거한다. 상기 제2 분리 단계(S330)에서는 디클로로메탄(DCM, dichloromethane), 에틸렌(ethylene)과 같은 유기용매를 투입하여, 상기 제1 분리 단계(S310)에서 걸러지지 않은 물을 제거할 수 있다.
한편, 상기 제3 분리 단계(S340)에서는 상기 제1 및 제2 분리 단계(S320, S330)에서 물이 제거된 상기 반응 후 혼합물에서 상기 고형의 불순물을 제거할 수 있다. 상기 제3 분리 단계(S340)에서는 필터를 이용한 여과 방식을 통해 상기 반응 후 혼합물에 부유하는 고형의 불순물을 제거할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 내지 제3 분리 단계(S320, S330, S340)를 거치면서 상기 반응 단계(S200)에서 생성된 상기 반응 후 혼합물 중 상기 액상연료만을 분리 및 추출할 수 있게 된다.
한편, 수소 첨가 단계(S350)에서는 추출된 상기 액상연료에 수소(H2)를 투입하여 상기 액상연료에 함유된 황(S) 성분을 제거할 수 있다. 상기 액상연료에 수소(H2)가 투입됨에 따라, 상기 황(S) 성분과 반응하여 황화수소(H2S)가 생성되며, 상기 액상연료에는 허용치 미만의 황(S) 성분이 함유될 수 있다. 이로 인하여, 상기 액상연료는 발전용 바이오 중유의 기준치를 충족될 수 있다.
발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 하수슬러지의 액상연료 제조장치
100: 전처리부
110: 침전조
120: 숙성조
130: 혼합조
200: 반응부
300: 분리부
310: 냉각부
320: 제1 분리부
330: 제2 분리부
340: 제3 분리부
350: 수소첨가부
S100: 전처리 단계
S110: 침전 단계
S120: 숙성 단계
S130: 혼합 단계
S200: 반응 단계
S300: 분리 단계
S310: 냉각 단계
S320: 제1 분리 단계
S330: 제2 분리 단계
S340: 제3 분리 단계
S350: 수소 첨가 단계

Claims (20)

  1. 공급된 하수슬러지를 침전시켜 상기 하수슬러지 중 중력에 의해 하부로 침전된 무기물을 제거하도록 형성되는 침전조;
    상기 침전조에서 상기 무기물이 제거된 하수슬러지가 공급되며, 공급되는 공기에 의해 상기 무기물이 제거된 하수슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성조;
    상기 숙성조에서 숙성된 상기 하수슬러지에 물을 공급하도록 형성되는 혼합조;
    상기 혼합조에서 물과 혼합된 상기 하수슬러지에 고압을 가하는 펌프;
    상기 펌프에 의해 상기 물의 아임계 상태의 상기 하수슬러지가 유입되며, 상기 물의 아임계 상태에서 상기 하수슬러지를 액상연료를 포함하는 혼합물 상태로 반응시키는 반응부;
    상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 액상연료를 분리 및 추출하는 분리부를 포함하고,
    상기 아임계 상태에서의 압력은 180 atm 내지 210 atm이며, 상기 아임계 상태에서의 온도는 300℃ 내지 370℃ 인 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리부는,
    상기 반응부에서 생성된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리부는,
    상기 냉각부에서 기 설정된 온도로 냉각된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 원심 분리하여 물을 포함하는 무기물을 제거하는 제1 분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리부는,
    상기 제1 분리부에서 수분이 제거된 상기 혼합물에 기설정된 극성을 갖는 유기용매를 투입하여 상기 혼합물에서 물을 제거하도록 형성되는 제2 분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분리부는,
    상기 제2 분리부에서 상기 유기용매 및 물이 제거된 상기 혼합물에서 고형의 불순물 제거하여 상기 액상연료만을 추출하도록 형성되는 제3 분리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 분리부에서 출된 액상연료에 수소를 첨가하여 상기 액상연료에 포함된 황(S)을 황화수소(H2S)로 반응시키는 수소 첨가부를 포함하는 하수슬러지의 액상연료 제조장치.
  7. 공급된 하수슬러지를 침전시켜 상기 하수슬러지에 포함된 무기물을 제거하는 전처리 단계;
    상기 하수슬러지를 물의 아임계 상태에서 반응시켜 액상연료를 포함하는 혼합물을 생성하는 반응 단계;
    상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 액상연료를 분리 및 추출하는 분리 단계를 포함하고,
    상기 전처리 단계는,
    상기 하수슬러지를 침전시켜, 중력에 의해 하부로 침전된 무기물을 제거하도록 형성되는 침전 단계; 및
    상기 침전 단계에서 상기 무기물이 제거된 상기 하수슬러지가 공급되며, 공기를 공급하여 상기 하수슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성 단계를 포함하고,
    상기 아임계 상태에서의 압력은 180 atm 내지 210 atm이며, 상기 아임계 상태에서의 온도는 300℃ 내지 370℃ 인 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전처리 단계는,
    적어도 일부가 숙성된 상기 하수슬러지에 물을 공급하며, 교반하는 혼합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응 단계 이후, 액상연료를 포함하는 혼합물을 냉각시키는 냉각 단계를 더 포함하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분리 단계는 기 설정된 온도로 냉각된 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 물을 제거하는 수분 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수분 제거 단계는,
    상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 원심 분리하는 제1 수분 제거 단계; 및
    상기 액상연료를 포함하는 혼합물에 기설정된 극성을 갖는 유기용매를 투입하여 상기 액상연료를 포함하는 혼합물에서 물을 액액분리하는 제2 수분 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수분 제거 단계 이후, 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 여과하여 고형의 불순물을 제거하여 상기 액상연료를 추출하는 고액분리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 액상연료에 수소(H)를 첨가하여 상기 액상연료에 포함된 황(S)을 황화수소(H2S)로 반응시키는 황 제거 단계를 포함하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  16. 하수슬러지로부터 액상연료를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 하수슬러지를 중력에 의해 하부로 침전시켜 무기물을 제거하는 침전 단계;
    상기 무기물이 제거된 하수슬러지를 물의 아임계 상태에서 반응시켜 액상연료를 제조하는 반응 단계; 및
    상기 침전 단계 이후, 공기를 공급하여 상기 무기물이 제거된 슬러지의 적어도 일부가 활성화되도록 숙성되는 숙성 단계를 포함하고,
    상기 아임계 상태에서의 압력은 180 atm 내지 210 atm이며, 상기 아임계 상태에서의 온도는 300℃ 내지 370℃ 인 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하수슬러지는,
    100 중량부(wt%)에 대하여, 유기물 13 내지 18 중량부(wt%)와 무기물 3 내지 8 중량부(wt%)를 포함하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 숙성 단계 이후, 상기 숙성 단계에서 적어도 일부가 숙성된 상기 슬러지에 물을 공급하도록 형성되는 혼합 단계를 더 포함하며,
    상기 혼합 단계에서 공급되는 물과 상기 하수슬러지의 중량비는 7:3 내지 6:4인 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 반응 단계는 상기 액상연료를 포함하는 혼합물을 생성하며,
    상기 반응 단계 이후, 상기 혼합물에서 상기 액상연료를 분리하는 분리 단계를 더 포함하며,
    상기 분리 단계는,
    상기 혼합물에서 물을 포함하는 무기물을 제거하는 액액 분리 단계; 및
    상기 혼합물에서 고형의 불순물을 제거하는 고액 분리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 액상연료 제조방법.
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