KR100353394B1 - 하수 슬러지를 이용한 시멘트 클링커 소성용 연료와 그제조 장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 슬러지의 처리방안에 관한 것으로, 상기 하수 슬러지를 처리하여 시멘트 클링커 소성용 연료를 제조하는 장치, 그에 따른 제조방법 및 그 결과물로서의 시멘트 클링커 소성용 연료를 제공한다. 본 발명에 따르면, 환경오염물질인 하수 슬러지와 폐유를 혼합하여 시멘트 클링커 소성용 연료를 제조함으로써, 기존 시멘트 클링커 소성용 보조연료인 유연탄을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 하수 슬러지와 폐유의 연소 후 잔류물은 시멘트 클링커의 보조원료를 사용할 수 있어, 2차 오염의 우려없이 상기 하수 슬러지와 폐유를 처리할 수 있다.

Description

하수 슬러지를 이용한 시멘트 클링커 소성용 연료와 그 제조 장치 및 제조 방법{Fuels for clinker fabrication using waste-water sludges, and manufacturing system and method thereof}

본 발명은 하수 슬러지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수 슬러지를 처리하는 방법에 관한 것이다.

하수 슬러지란 일상 생활에서 발생하는 오수, 폐수 등을 정화처리하는 과정에서 발생하는 점도가 매우 높고, 다량의 수분과 함께 유기물 및 무기물을 함유하는 물질이다. 통상 하수종말 처리장에서는 하수 및 폐수 등을 처리함에 따라 침전되는 부산물인 하수 슬러지를 기계적인 방법, 농축 또는 열에 의한 탈수 등의 방법으로 케익형태의 슬러지를 만들어 매립하거나 해양투기하고 있다.

그러나, 이러한 매립이나 해양투기는 매립지의 부족, 토양이나 해양환경의 오염 등을 문제점을 발생시킴으로 이를 처리하기 위한 다른 방안들이 모색되고 있다. 이러한 방법들의 하나로 하수 슬러지를 소각하는 방법이 고려되었으나, 상기 방법은 소각에 소요되는 설비 및 연료로 인하여 그 비용이 과도하게 요구되고, 연소시 발생하는 다이옥신 등으로 인하여 대기오염의 문제점을 일으킬 뿐만 아니라 연소 잔류물인 회분을 다시 처리해야 하는 등의 문제점을 발생시키게 된다.

따라서, 앞서 살펴본 바와 같이 하수 슬러지를 처리하기 위해서는 처리과정에 부수되는 환경문제를 고려해야 할 뿐만 아니라 처리에 드는 비용의 문제도 고려해야 한다. 또한 처리에 따른 부산물로 인한 또 다른 문제를 발생시키지 않는 치리방법이 요구된다. 본 발명은 이러한 하수 슬러지의 처리방안에 관한 것이다. 하수 슬러지는 다량의 유기물 뿐만 아니라 SiO₂, CaO, Al₂O₃및 Fe₂O₃와 같은 무기물을 함유하고 있어, 하수 슬러지 내에 포함된 유기물은 연소시 약 1,500 ~ 3,500kcal의 높은 열량을 제공할 뿐만 아니라, 무기물은 연소에 의해 소멸되지 않고 잔류하게 되므로 이러한 슬러지의 성분을 이용하여 시멘트 클링커 소성 연료로 재이용하는 방안을 개발하는 것이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 앞서 살펴본 바와 같이 하수 슬러지를 처리하여 시멘트 소성용 연료로 사용하기 위한 제조장치 및 제조 방법과 그 결과물로서의 시멘트 소성용 연료에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 시멘트 소성용 연료를 제조하기 위하여 하수 슬러지를 처리하는 시스템 및 하수 슬러지의 처리과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 간접가열방식의 가열로의 구조에 대한 개략적인 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합기의 구조를 도시한 단면도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 시멘트 클링커 소성용 연료 제조시스템은, 탈수된 하수 슬러지를 건조하는 가열로 및 상기 가열로를 통해 건조된 상기 하수 슬러지에 폐유를 분사하기 위한 폐유분사기를 상부에 내장하여 상기 건조 하수 슬러지와 폐유를 혼합하기 위한 혼합기를 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 시멘트 클링커 소성용 연료 제조방법은, 탈수된 하수슬러지를 가열로에서 가열하여 수분을 증발시킴으로써 함수율이 중량비로 25% 이하인 건조 하수슬러지를 제조하는 단계 및 상기 건조 하수슬러지와 폐유를 혼합하는 단계를 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 시멘트 클링커 소성용 연료는, 함수율이 중량비로 25% 이상이고, 고형분이 시멘트 클링커의 구성성분에 해당하는 규소, 알루미늄 및 철 산화물을 주성분으로 하는 하수 슬러지 및 상기 하수 슬러지의 발열량을 증가시키기 위하여 상기 하수 슬러지 내에 균일하게 혼합된 폐유를 그 조성으로 포함한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 시멘트 소성용 연료를 제조하기 위하여 하수 슬러지를 처리하는 시스템 및 하수 슬러지의 처리과정을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서 연속선으로 도시된 화살표는 하수 슬러지의 유입경로를 나타내며, 점선으로 도시된 화살표는 가스, 분진(particle) 등의 유출 경로를 나타낸다.

하수종말 처리장에서 탈수되어 케익형태로 공급되는 하수 슬러지는 70 ~ 90%정도의 함수율을 가지고 있다. 따라서, 상기 하수 슬러지를 연료로 사용하기 위해서는 상기 하수 슬러지에 포함된 수분을 제거하여야 한다.

도 1을 참조하면, 건조를 위해 가열로(3)에 유입되는 하수 슬러지는 저장사일로(1)로부터 일정량씩 주기적으로 혹은 연속적으로 유입될 수 있다. 상기 저장사일로(1)의 출구와 가열로(3)의 유입구 간에는 하수 슬러지의 이송을 자동적으로 수행하기 위한 컨베이어벨트(미도시)가 설치될 수 있다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 핸들링이 용이하도록 일정한 크기와 형상을 가진 괴상의 하수 슬러지를 만들기 위한 성구기(2)가 게재될 수도 있다.

케익 형태로 제공되는 하수 슬러지는 하수 종말처리장에서의 처리과정에서 첨가된 응집제로 고분자 물질을 함유하고 있기 때문에 성형이 매우 용이하며, 원심력 성형 장치, 블레이드 혹은 롤러 프레스 등의 성구기에 의해 손숩게 성형될 수 있다. 여기서, 하수슬러지의 점성이 성구를 형성하기에 적당치 않을 경우에는 롤러 프레스를 이용한 압착성형방법을 사용하는 것이 바람직하다.

계속 도 1을 참조하면, 상기 가열로(3)에 유입된 하수 슬러지는 일정한 온도에서 가열되어 내부에 포함된 수분이 증발되게 된다. 이 때 하수 슬러지의 온도는 250℃를 초과하지 않아야 하며, 100 ~ 210℃의 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. 충분한 건조를 위한 상기 하수 슬러지의 건조 시간은 건조 온도에 따라 다르지만, 20 ~ 60분간 유지하는 것이 바람직하다. 또한 상기 가열로의 열원(미도시)과 상기 하수슬러지가 직접 접촉하는 경우에는 상기 하수 슬러지의 산화를 방지하기위해 가열로(3) 내부는 산소농도를 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 외부의 펌프(6)에 의해 내부의 공기를 적당히 펌핑함으로써 상기 목적을 달성할 수 있다. 한편 상기 하수 슬러지의 산화방지목적을 위해 간접가열방식의 가열로를 사용할 수 있다. 이러한 일례로서 간접가열방식의 가열로(200)에 대한 개략적인 사시도 및 단면도를 도 2의 (a) 및 (b)에 각각 도시하였다. 도 2를 보면, 하수 슬러지와 열원과의 접촉을 차단하기 위해 열원은 가열로(200) 내부를 관통하는 하나 또는 복수개의 배관(210)을 통해 공급된다. 따라서, 건조에 필요한 열은 상기 배관을 통해 하수 슬러지로 간접적으로 전달될 뿐 직접적인 접촉은 차단된다.

한편, 상기 가열로(3)로는 시멘트 제조에 주로 사용되는 로타리 킬른을 사용할 수 있다. 통상의 로타리 킬른의 동작을 보면, 유입측이 유출측보다 높게 일정한 각도로 경사져서 챔버가 회전함에 따라 유입물이 유출측으로 이동하게 되며, 열원은 유출측에 위치하게 된다. 따라서, 킬른 내의 하수 슬러지의 유동을 위한 별도의 장치가 없이 연속적으로 하수슬러지의 공급이 가능하므로 본 발명의 실시에 매우 효과적이다. 로타리 킬른에는 열원의 공급방식에는 화염을 킬른챔버 내로 직접 분사하는 방식과 화염을 직접 분사하지 않고 보일러(미도시)에서 가열된 열풍을 챔버 내로 유입하는 방식이 있다. 직접 분사의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 열원의 유입을 위한 별도의 배관을 통해 하수 슬러지와의 접촉을 방지하는 것이 바람직하며, 열풍을 유입하는 경우 별도의 배관없이 챔버 내의 압력을 대기에 비해 낮게 유지하여 하수 슬러지의 산화를 방지할 수 있다. 상기 로타리 킬른의 챔버 압력은 도 1에 도시된 바와 같이 하수 슬러지의 유입측에 연결된 펌프(6), 예컨대 IDF(InducedDraft Fan)에 의한 펌핑에 의해 유지될 수 있다. 상기 IDF로 유입되는 공기에 포함된 분진 및 악취를 제거하기 위해 필터(5), 예컨대 백 필터(bag filter)가 추가로 설치될 수 있다.

가열로(3)를 통과한 하수 슬러지는 폐유와의 혼합을 위하여 혼합기(4)로 투입된다. 상기 혼합기(4)에는 그 상부에 일정한 간격으로 배치된 복수개의 분사기(미도시)가 설치되어 있다. 상기 분사기를 통해 분사된 폐유는 유입된 하수슬러지의 표면에 흡착하게 된다. 여기서 주의해야 할 것은, 상기 혼합기(4)로 유입되는 하수슬러지는 여전히 높은 온도이므로, 하수 슬러지의 산화를 방지하기 위해 가열로에서와 같이 혼합기 내부의 압력을 낮게 유지해야 한다는 것이다. 따라서, 일정한 낮은 압력을 유지하기 위해서 가열로에서와 같이 펌프에 의한 펌핑이 필요하다. 이것은 도 1에 도시된 바와 같이, 가열로에 사용된 펌프(6)로 연결되는 배관에서 분기하여 혼합기 내로 연결함으로써 별도의 펌프 없이 수행될 수 있다.

상기 혼합기에서 일정한 압력을 유지하기 위해서, 혼합기(도 3의 300)에 더블 데크(double-deck)구조를 설치할 수 있다. 도 3에 이를 도시하였는데, 즉 가열로로부터 하수 슬러지는 제 1 데크(310)→제 2 데크(320)의 순으로 순차적으로 통과하며, 하수슬러지가 투입될 때 각 데크는 입구(311, 312) 개폐동작에 의해 외부의 대기의 유입을 방지할 수 있다. 따라서 제 2 데크(320)의 상부에 설치된 폐유 분사기(330)에 의해 분사된 폐유는 하수슬러지의 여열에 의해 흡착이 빨리 일어나며, 또한 혼합과 함께 여열에 의한 하수 슬러지의 추가적인 건조효과도 거둘 수 있게 된다.

상기 혼합과정에서 분사되는 폐유로는 폐윤활유, 폐기계유 등이 사용될 수 있다. 상기 폐유들은 약 10,000kcal/kg 이상의 높은 열량을 가지고 있으므로 약 1,500 ~ 3,500 kcal/kg의 열량을 가진 하수 슬러지와 적당한 비율로 조합할 경우 유연탄과 동등한 수준인 6,000 ~ 7,000kcal/kg 정도의 열량을 가지는 고체 연료로 제작할 수 있게 된다.

본 발명에 사용된 하수 슬러지와 폐유는 공히 환경오염물질로서 그 폐기가 곤란한 물질들이다. 본 발명은 이러한 물질들로 고체 연료를 제조하여 이를 시멘트 클링커 소성공정의 연료로 투입함으로써 일체의 2차 오염을 발생시키지 않고 상기 폐기물들을 유용하게 활용할 수 있게 된다. 즉, 앞서 살펴본 바와 같이 하수 슬러지는 유기물 뿐만 아니라 SiO₂, CaO, Al₂O₃및 Fe₂O₃등의 무기물을 함유하고 있는데, 이러한 성분들은 시멘트의 보조원료로 사용되는 점토의 구성성분과 유사하므로, 상기 하수 슬러지와 폐유를 혼합하여 시멘트 클링커 소성용 연료로 사용함으로써, 연료로서의 기능 및 연소 후 시멘트 원료로 혼합되어 보조원료로서의 기능을 함께 수행할 수 있게 된다.

표 1은 본 발명의 실시예에 사용된 하수슬러지의 조성 및 상기 하수 슬러지의 조성과 통상 시멘트의 원료로 사용되는 점토의 조성 및 각각의 강열감량을 나타낸 것이다.

구분	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	SO3	P2O5	Cl	강열감량
점토	64.8	18.1	5.6	2.5	1.2	2.3	1.2	-	-	-	5.3
하수슬러지	15~30	6~15	2~5	2~5	1 ~ 2	0.5 ~1.5	0.5 ~1.5	1~4	1.5~7	0.2 ~0.4	40~60

강열감량이란 일정한 온도 및 일정한 시간에서의 중량감소를 백분율을 나타내는 것이다. 상기 표 1에서 점토의 강열감량은 900℃에서 1시간 이상 유지하였을 때를 기준으로 한 것이며, 하수 슬러지의 강열감량은 110℃의 온도에서 1시간 이상 유지하였을 때를 기준으로 측정한 것이다. 표 1에 나타난 바와 같이, 하수슬러지는 고형분의 강열감량이 40~60%로 매우 높은데, 이는 하수 슬러지가 상당량의 유기물을 포함하고 있기 때문이며, 이러한 유기물이 하수 슬러지가 높은 발열량을 나타내는 이유로 작용한다. 한편, 하수 슬러지는 Al₂O₃와 Fe₂O₃의 함량이 커서 점토 및 철질 보조원료로서 적당한 조성을 가지고 있음을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 하수슬러지와 폐유를 혼합하여 시멘트 클링커 소성용 연료를 통해 시멘트를 제조한 일실험예를 설명한다.

본 실험예의 원료는 도 1과 관련하여 설명한 방법에 의해 제조되었다. 즉, 탈수된 하수 슬러지는 저장사일로로부터 계량되어져 컨베이어 등을 통해 성구기에 공급되어지고, 시간당 10 ~ 30톤의 속도로 성구된 하수 슬러지는 로타리 킬른에 투입된다. 로타리 킬른의 보일러의 연소에 의해 공급되는 열풍에 의해 건조된 후, 혼합실로 공급된다. 상기 혼합실로 투입된 하수 슬러지를 약 0.5기압의 압력하에서 폐유와 혼합되어 완전한 시멘트 클링커 소성용 보조연료로 제조하였다.

이와 같이 제조된 고형화 연료는 함수량이 약 25 중량% 이하, 폐유 함유량이 15 ~ 35 중량%이며, 발열량은 약 6,000 ~ 6,500 kal/kg였다.

상기와 같이 제조된 고형화 연료는 유연탄과 일정비율로 혼합하여 시멘트 클링커의 보조연료로 시멘트 원료와 함께 시멘트 소성용 킬른으로 투입하여 클링커를 제조하였다. 상기 고형화 연료는 열량기준으로 유연탄에 대해 각각 10%, 20%, 30%가 되도록 혼합되었다. 상기와 같이 제조된 클링커의 품질 및 클링커의 28일 강도를 표 2에 나타내었다. 또한 비교를 위해 본 발명의 고형화 연료가 혼합되지 않고 유연탄만을 보조연료로 사용한 경우에 대해서도 표 2에 나타내었다.

구분	연료 사용량(kg/l-클링커)	클링커 품질
	유연탄	고형화연료	모듈러스(LSF)	미반응 산화칼슘(%)	Cl(ppm)	28일 강도(kg/cm2)
슬러지 10%	99.0	13.3	94.7	1.1	61	387
슬러지 20%	88.0	26.7	94.5	1.0	66	393
슬러지 30%	77.0	39.9	94.2	0.9	71	388
비교예	110.0	-	94.8	1.1	56	380

여기서 클링커의 화학조성 및 광물구성을 특징짓는 모듈러스인 석회포화도(Lime Saturation Factor; LSF)와 시멘트 클링커의 소성정도를 나타내는 미반응 산화칼슘(free lime)량 및 불순물인 염소(Cl)함량이 가지는 구체적인 의미는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 슬러지가 유연탄을 일정비율로 대체한 경우의 석회포화도와 미반응 산화칼슘의 함량이 유연탄만을 사용한 경우에 비해 크게 다르지 않음을 알 수 있다. 또한, 이에 따라 시멘트 강도발현의 척도가 되는 클링커의 모르타르 28일 압축강도가 비교예에 비해 크게 차이가 나지 않고, 오히려 약간씩 증가하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 하수 슬러지와 폐유를 혼합한 보조연료는 연소 후 시멘트 클링커의 소성중에 클링커의 보조원료로 포함되어도 시멘트 클링커의 품질의 열화를 초래하지 않음을 알 수 있다.

이상의 실험예에서 시멘트 클링커의 연료로써 첨가된 본 발명의 원료는 시멘트 킬른이 1,450℃ 이상의 고온에서 운전되므로, 연소시 다이옥신 같은 유해물질이 완전히 분해되어 하수 슬러지의 소각시 발생하는 대기오염의 문제가 생길 여지가 없게 된다.

본 발명에 따르면, 환경오염물질인 하수 슬러지와 폐유를 혼합하여 시멘트 클링커 소성용 연료를 제조함으로써, 기존 시멘트 클링커 소성용 보조연료인 유연탄이나 벙커 C유를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 하수 슬러지와 폐유의 연소 후 잔류물은 시멘트 클링커의 보조원료를 사용할 수 있어, 2차 오염의 우려없이 상기 하수 슬러지와 폐유를 처리할 수 있다.

Claims (6)

1. 탈수된 하수 슬러지를 건조하는 가열로; 및

   상기 가열로를 통해 건조된 상기 하수 슬러지에 폐유를 분사하기 위한 폐유분사기를 상부에 내장하여 상기 건조 하수 슬러지와 폐유를 혼합하기 위한 혼합기를 포함하는 시멘트 클링커 소성용 원료 제조 시스템.
2. 탈수된 하수슬러지를 가열로에서 가열하여 수분을 증발시킴으로써 함수율이 25% 이하인 건조 하수슬러지를 제조하는 단계;

   상기 건조 하수슬러지와 폐유를 혼합하는 단계를 포함하는 시멘트 클링커 소성용 원료 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 건조 하수슬러지를 제조하는 단계의 상기 가열로는 그 내부압력이 대기보다 낮은 압력에서 유지되어 상기 하수 슬러지의 산화를 억제하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 소성용 원료 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 건조 하수슬러지를 제조하는 단계의 상기 가열로는 상기 하수슬러지와 열원과의 직접적인 접촉이 차단되어 상기 하수 슬러지의 산화를 억제하는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 소성용 원료 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합단계는 혼합시 상기 하수 슬러지의 연소를 막기 위해 대기압보다 낮은 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 시멘트 클링커 소성용 원료 제조방법.
6. 함수율이 중량비로 25% 이하이고, 고형분이 시멘트 클링커의 구성성분에 해당하는 규소, 알루미늄 및 철 산화물을 주성분으로 하는 하수 슬러지;

   상기 하수 슬러지의 발열량을 증가시키기 위하여 상기 하수 슬러지 내에 균일하게 혼합된 폐유를 포함하는 시멘트 클링커 소성용 원료.