KR100760017B1

KR100760017B1 - 피트모스와 타르 슬러지 및 하수 슬러지를 이용한 고체연료조성물

Info

Publication number: KR100760017B1
Application number: KR1020060075473A
Authority: KR
Inventors: 조권호; 양종규; 하상안; 김지영; 김형준
Original assignee: 조권호
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2007-09-19

Abstract

본 발명은 주 연료에 통상적인 연료첨가제가 첨가된 고체연료 조성물에 있어서,

상기 주 연료는 타르 슬러지 45~60중량%와 하수 슬러지 15~25중량% 및 피트모스 15~20중량%로 이루어지고,

상기 연료첨가제는 연소촉진제인 질산화합물 7~10중량%와 연소지연제인 탄산칼슘 3~6중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피트모스를 이용한 고체연료 조성물에 관한 것이다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 고체연료 조성물은 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지를 사용하여, 여기에 다공성 물질인 피트모스(peat moss)를 혼합시킴으로써, 통기성이 뛰어나기 때문에 고체연료의 연소성이 향상되어 발열량이 높으며, 도시 하수에서 대량 발생되는 하수 슬러지와 석탄의 부산물인 타르 슬러지를 재활용할 수 있기 때문에 친환경적인 고체연료를 제조할 수 있는 장점이 있다.

피트모스, 타르 슬러지, 하수 슬러지, 고체연료, 질산바륨, 질산나트륨, 질산암모늄

Description

피트모스와 타르 슬러지 및 하수 슬러지를 이용한 고체연료 조성물{Solid fuel composition using Peat moss and tar sludge and waste water sludge}

본 발명은 피트모스(peat moss)와 하수 슬러지를 이용한 고체연료 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피트모스와 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지 및 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지를 주성분으로 하고, 여기에 연소보조제로서 질산화합물을 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 피트모스(peat moss)와 하수 슬러지를 이용한 고체연료 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 가정에서 배출하는 생활하수를 처리하는 하수처리장에서 발생되는 하수 슬러지는 함수율이 높고, 유기물질을 다량 함유하고 있어 부패하기 쉬운 특성이 있으며, 처리과정에서 악취 및 해충의 발생으로 인해 환경오염이 발생될 우려가 있다. 그리고 이렇게 발생되는 하수 슬러지는 2005년 말 기준으로 전국 294개 하수처리장에서 하루 평균 7,053톤이 발생되고 있으며, 이중 77% 정도가 해양에 투기되고, 나머지는 소각 11%, 재활용 11% 및 매립 1% 등으로 처리되고 있다. 이와 같이 하수 슬러지는 거의 대부분 해양 투기되어 처리되고 있으나 2003년 7월 이후 직매립이 금지되었으며, 2007년엔 런던협약에 의거 해양투기마저 법으로 금지됨에 따라 이 이후에 발생되는 하수 슬러지는 소각처리 하여야 하나 많은 에너지가 소요되는 문제점이 발생되고 있다.

한편, 일반적인 고체연료는 갈탄, 역청탄과 같은 석탄류의 주성분과 여기에 왕겨, 톱밥 또는 폐플라스틱 등과 같은 폐기물들을 혼합하여 다양하게 제조되어지고 있지만 상기와 같이 통상적으로 제조되어지는 고체연료 중에서 석탄 등에 왕겨, 톱밥 등과 같은 부산물을 이용한 고체연료의 경우에는 부산물을 이용하여 고체연료를 제조한다는 이점이 있는 반면에 발열량이 5,000~7,000kcal/kg 정도로 떨어지는 문제점이 있고, 또 폐플라스틱과 같은 폐기물을 이용할 경우에는 발열량이 7,500~8,000 kcal/kg까지 높아지는 반면에 폐플라스틱에 함유되어 있는 가소제 등과 같은 첨가제에 의해 발암물질인 다이옥신이 발생될 우려가 있다.

따라서 본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 피트모스와 석탄의 부산물인 타르 슬러지를 주성분으로 하고, 여기에 연소보조제로서 질산화합물을 첨가하여 고체연료의 발열량을 높인 것을 특징으로 하는 피트모스(peat moss)를 이용한 고체연료 조성물에 관한 특허를 제2005-120749호(2005. 12. 9. 출원)로 이미 출원한 바 있다. 그리고 일상생활의 폐기물로 대량 발생되고 있는 하수 슬러지가 주 성분인 탄소가 30중량%이상 함유되어 있고, 또한 연소시 3,000 kcal/kg 이상까지 발열량을 낼 수 있다는 점에 착안하여 본 발명자가 선출원한 고체연료에 하수 슬러지를 혼합시켜 고체연료의 주성분으로 이용하는 새로운 방법을 채택하여 하수 슬러지의 대량 처리할 수 있는 방안을 강구함으로서 상기와 같은 문제점들을 해결할 수 있게 되었다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명은 피트모스(peat moss)와 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지 및 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지를 주성분으로 하고, 여기에 연소보조제로서 질산화합물을 첨가하여 고체연료를 제조함으로써, 도시 하수에서 대량 발생되는 하수 슬러지와 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지를 재활용할 수 있기 때문에 친환경적인 고체연료를 제조하는 것을 특징으로 하는 피트모스와 타르 슬러지 및 생활하수를 이용한 고체연료 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 특히 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지와 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지의 혼합물에 피트모스(peat moss)를 혼합시킴으로써, 다공성 물질인 피트모스(peat moss)에 의해 통기성이 뛰어나기 때문에 고체연료의 연소성을 높일 수 있는 것이 특징이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고체연료 조성물은 주 연료에 통상적인 연료첨가제가 첨가된 고체연료 조성물에 있어서,

상기 연료첨가제는 연소촉진제인 질산화합물 7~10중량%와 연소지연제인 탄산칼슘 3~6중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용하는 석탄 타르 슬러지는 고체연료의 주 발열원으로 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지를 사용하며, 그 사용량은 45~60중량%가 바람직하다. 타르 슬러지의 사용량이 45중량% 미만이 될 경우에는 주 발열원인 타르 슬러지의 사용량 부족으로 인해 고체연료의 연소시 충분한 발열량을 유지시키지 못할 우려가 있고, 60중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 피트모스의 사용량이나 연소보조제의 사용량이 적어지기 때문에 고체연료의 충분한 연소가 일어나지 않고 불완전 연소 등이 일어나 발열량이 저하될 우려가 있다.

본 발명에서 사용하는 하수 슬러지는 고체연료의 주 발열원으로 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지를 사용하며, 그 사용량은 15~25중량%가 바람직하다. 하수 슬러지의 사용량이 15중량% 미만이 될 경우에는 생활폐기물의 재활용 효과가 적어지게 되며, 25중량%를 초과할 경우에는 상대적으로 타르 슬러지나 피트모스의 사용량이나 또는 연소보조제의 사용량이 적어지기 때문에 고체연료의 충분한 연소가 일어 나지 않고 불완전 연소 등이 일어나 발열량이 저하될 우려가 있다.

본 발명에 사용되는 도시 하수 슬러지의 원소조성 및 발열량을 분석한 결과는 다음 [표 1]의 내용과 같다.

구분	함수율 (중량%)	원소 조성(중량%)						발열량(kcal/kg)
구분	함수율 (중량%)	C	H	O	N	S	Ash	HHV	LHV
건조전 (탈수케익)	80.7	34.15	5.36	26.77	5.08	2.02	26.61	515.00	-251.52
건조후 (건조슬러지)	8.25	33.04	4.87	25.53	4.94	2.51	29.11	3,328.12	3,005.62

상기 [표 1]의 내용에 의하면, 본 발명에 사용되어지는 하수 슬러지는 건조 전 탈수케익 상태에서 수분의 함유량이 높아 함수율이 80.7중량%이므로 고위발열량(HHV)이 515.00 kcal/kg, 저위발열량(LHV)이 -251.52 kcal/kg로서 발열량이 낮으나 건조시킨 건조 슬러지의 경우에는 수분의 함유량이 8.25중량%로 낮아 고위발열량(HHV)이 3,328.12 kcal/kg, 저위발열량(LHV)이 3,005.62 kcal/kg로서 발열량이 높아 고체연료의 보조연료로서 타르 슬러지와 적정량 혼합시켜 사용할 경우 고체연료의 원료로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

그리고 본 발명에서 사용하는 피트모스(peat moss)는 식물질의 주성분인 리그린, 셀룰로오스 등이 주로 지표에서 분해작용을 받아 생성된 다공성 물질로서 발열량은 물론 통기성이 뛰어나기 때문에 고체연료의 연소성을 높이는 역할을 하며, 그 사용량은 15~20중량%가 바람직하다. 피트모스의 사용량이 15중량% 미만이 될 경우에는 피트모스 사용량의 부족으로 인해 주성분인 타르 슬러지나 하수 슬러지에 충분한 통기성을 부여할 수 없기 때문에 고체연료의 연소시 불완전 연소가 일어날 우려가 있고, 20중량%를 초과할 경우에는 타르 슬러지 및 하수 슬러지의 사용량에 비해 피트모스의 사용량이 상대적으로 증가하여 발열량이 저하될 우려가 있다.

그리고 본 발명에서 사용하는 연료첨가제로는 연소촉진제로서 질산화합물을 통상적으로 고체연료의 주성분인 하수 슬러지와 피트모스 혼합물의 완전 연소를 돕기 위해 첨가하며, 그 혼합량은 질산화합물에 대하여 질산바륨 40~60중량%, 질산나트륨 20~30중량% 및 질산암모늄 20~30중량%를 혼합시키는 것이 바람직하다.

상기 질산바륨은 착화시에 순간적인 불꽃의 발생을 억제시키는 역할을 하며, 그 사용량은 질산화합물에 대하여 40~60중량%가 질산바륨의 사용량이 40중량% 미만이 될 경우에는 고체연료에 착화가 잘 되지 않거나 또는 착화시에 순간적인 불꽃들이 심하게 발생될 우려가 있고, 그리고 60중량%를 초과할 경우에는 착화시에 순간적인 불꽃들은 억제되나 착화가 잘 되지 않을 우려가 있다.

그리고 상기 질산나트륨은 연소를 돕기 위한 산화제의 역할을 하는 화합물로서 그 사용량은 질산화합물에 대하여 20~30중량%인 것이 바람직하다. 질산나트륨의 사용량이 20중량% 미만이 될 경우에는 질산나트륨 사용량의 부족으로 인해 고체연료가 충분히 연소되지 않을 우려가 있고, 30중량%를 초과할 경우에는 과량의 질산나트륨 사용으로 인해 고체연료가 연소가 급격하게 일어날 우려가 있다.

또 상기 질산암모늄은 고체연료의 연소시에 암모니아 가스를 발생시켜 지속적으로 불꽃을 일으키게 하는 역할을 하며, 그 사용량은 질산화합물에 대하여 20~30중량%가 바람직하다. 질산암모늄의 사용량이 20중량% 미만이 될 경우에는 고체연료의 연소시 암모니아 가스의 발생량이 적기 때문에 불꽃이 잘 일어나지 않을 우려가 있고, 30중량%를 초과할 경우에는 고체연료의 연소시 암모니아 가스의 발생량이 너무 많아지기 때문에 급격하게 연소되어 고체연료가 빨리 소실될 우려가 있다.

그리고 본 발명에서는 고체연료가 일정시간 동안 연소가 유지될 수 있도록 첨가하는 연료첨가제인 연소지연제로서 탄산칼슘을 고체연료에 3~6중량%첨가한다. 탄산칼슘의 첨가량이 3중량% 미만이 될 경우에는 탄산칼슘 사용량의 부족으로 인해 고체연료의 연소시간이 원하는 시간만큼 유지되지 않을 우려가 있고, 6중량%를 초과할 경우에는 탄산칼슘의 과량 사용으로 인해 고체연료의 발열량이 저하될 우려가 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1. 고체연료의 제조

(실시 예 1 내지 3)

하기 [표 2]에 기재된 조성비의 내용에 따라 혼합한 고체연료 조성물을 이용하여 직경 150mm, 무게 400g인 고체연료를 각각 2개씩 제조하였다.

(비교 예 1 내지 3)

(단위 : g)

구성성분	실시예			비교예
구성성분	1	2	3	1	2	3
타르 슬러지¹ ⁾	450	480	600	700	540	780
하수 슬러지	250	200	150	180	-	-
피트모스	150	200	150	-	300	100
질산화합물² ⁾	90	70	70	90	100	90
탄산칼슘	60	50	30	30	60	30

주 1) 석유계 타르 슬러지임.

2) 질산화합물은 질산바륨 60중량%, 질산나트륨 20중량% 및 질산암모늄 20중량%를 혼합시킨 것임.

2. 총발열량 시험

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 시료를 각각 250㎛ 이하가 되도록 분쇄한 뒤 각각 잘 혼합하여 기건시료(氣乾試料)로 만든 후 이 기건시료를 포화식염용액을 담은 항습기속에 방치하여 제조한 항습시료(恒顯試料)를 각각 1g씩을 채취하여 KSE3707(석탄류 및 코크스류-발열량 시험방법)에 따라 시험한 결과는 아래 [표 3]의 내용과 같다.

(단위 : kcal/kg)

구분	실시예			비교예
구분	1	2	3	1	2	3
총발열량	7,012	7,097	7,134	5,190	6,221	6,895

상기 [표 2]의 내용과 같이 실시예 및 비교예에 대한 총발열량을 시험한 결과 실시예 1 내지 3의 경우에는 총발열량이 7,012~7,134 kcal/kg으로서, 비교예 1 내지 3의 시료에 비해 총발열량이 대체로 높으며, 석유계 타르 슬러지의 함량에 비례하고, 하수 슬러지의 함량에 반비례함을 알 수 있다.

그리고 비교예 1의 경우에는 하수 슬러지의 사용량이 많음에도 불구하고 다공성 물질인 피트모스가 혼합되지 않은 관계로 충분한 연소가 실시되지 아니하여 실시예 1 내지 3에 비해 총발열량이 떨어지며, 그리고 비교예 2 및 3의 경우와 같이 하수 슬러지의 사용량이 피트모스의 사용량에 비해 너무 많거나 적을 경우에도 실시에 1 내지 3에 비해 총발열량이 떨어지는 것을 알 수 있다. 그리고 본 발명에 의해 제조되어진 고체연료는 본 발명자가 선출원한 특허 제2005-120749호의 고체연료에 비해서는 생활하수 폐기물인 하수 슬러지가 일정량 첨가되는 관계로 발열량은 다소 떨어지지만 생활폐기물을 재활용한다는 차원에서 에너지의 재생효율이 높기 때문에 친환경적인 고체연료라는 장점이 있다.

따라서 본 발명에서는 생활폐기물인 하수 슬러지를 사용하였음에도 불구하고, 통기성이 있는 피트모스의 양을 적절히 혼합하여 고체연료를 제조할 경우에는 석탄을 주원료로 한 연료(평균 발열량 5,000~7,000kcal/kg)에 비해 발열량이 훨씬 높음을 알 수 있고, 그리고 발열량이 대체로 높다는 폐플라스틱을 주원료로 한 연료(평균 발열량 7,500~8,000 kcal/kg)에 비해서는 발열량이 다소 떨어지나 가소제를 첨가한 폐플라스틱을 연료로 사용하지 않기 때문에 다이옥신과 같은 발암물질을 발생할 우려가 없는 것이 특징이다.

상기 본 발명의 구성 및 실시예에서 나타낸 석유계 타르 슬러지의 중량%는 건조 슬러지를 기준으로 한 중량%이다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 고체연료 조성물은 생활하수의 폐기물인 하수 슬러지를 사용하여, 여기에 다공성 물질인 피트모스(peat moss)를 혼합시킴으 로써, 통기성이 뛰어나기 때문에 고체연료의 연소성이 향상되어 발열량이 높으며, 도시 하수에서 대량 발생되는 하수 슬러지와 석탄 또는 석유의 부산물인 타르 슬러지를 재활용할 수 있기 때문에 친환경적인 고체연료를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims

주 연료에 통상적인 연료첨가제가 첨가된 고체연료 조성물에 있어서,

상기 주 연료는 타르 슬러지 45~60중량%와 하수 슬러지 15~25중량% 및 피트모스 15~20중량%로 이루어지고,

상기 연료첨가제는 연소촉진제인 질산화합물 7~10중량%와 연소지연제인 탄산칼슘 3~6중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피트모스를 이용한 고체연료 조성물.
제 1항에 있어서,

상기 질산화합물은 각 성분의 혼합량이 질산화합물에 대하여 질산바륨 40~60중량%, 질산나트륨 20~30중량%, 질산암모늄 20~30중량%인 것을 특징으로 하는 피트모스를 이용한 고체연료 조성물.