KR100908450B1 - 슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 제조방법 및 이를 이용한 고형연료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 고형연료의 제조방법 및 이를 이용한 고형연료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오폐수, 분뇨, 음식물 쓰레기의 처리 과정에서 발생하는 각종 슬러지를 함수율이 높은 상태에서 성형한 후 건조시킴으로써 많은 기공을 형성시켜 완전연소가 가능하며 제조과정에서 에너지와 비용을 절감할 수 있는 다공성 고형연료화 방법 및 고형연료에 관한 것이다.
본 발명의 슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 제조방법은 슬러지를 준비하는 슬러지준비단계와, 슬러지를 성형기에서 가압하여 성형하는 성형단계와, 성형단계에서 성형된 성형물 중에 포함된 수분을 증발시켜 다수의 기공이 형성된 고형연료를 얻는 건조단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 슬러지를 건조시키는 과정에서 수분이 증발하면서 무수한 기공이 형성되어 공극률이 높은 고형연료를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 수분 함량이 높은 슬러지를 건조시키기 이전에 성형하므로 낮은 압력에서도 성형이 가능하여 고압의 압축성형에 따른 에너지 및 제조비용을 절감할 수 있다.
슬러지, 고형연료, 연료화, 다공성, 건조, 마이크로파, 이중

Description

슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 제조방법 및 이를 이용한 고형연료{Method to manufacture porous solid fuel using sludge and solid fuel thereof}
본 발명은 다공성 고형연료의 제조방법 및 이를 이용한 고형연료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오폐수, 분뇨, 음식물 쓰레기의 처리 과정에서 발생하는 각종 슬러지를 함수율이 높은 상태에서 성형한 후 건조시킴으로써 많은 기공을 형성시켜 완전연소가 가능하며 제조과정에서 에너지와 비용을 절감할 수 있는 다공성 고형연료화 방법 및 고형연료에 관한 것이다.
현재 대부분의 오·폐수처리 방식은 20세기초 개발된 활성슬러지법이 하수처리의 대표적 공정으로 발전하였고, 그 처리목표가 유기물, 부유고형물에서 질소, 인 및 미량물질로 변화하면서 처리 공정이 고도화되는 비약적 발전이 있었다.
그러나 오·폐수의 처리 과정에서 유기물은 25~30% 정도만 무기화 처리되고 나머지는 폐활성슬러지 또는 1차 슬러지 형태로 남게 된다. 상기 오폐수뿐만 아니라 분뇨, 음식물 쓰레기를 처리하는 과정에서도 다량의 수분을 포함하는 슬러지가 발생된다.
이와 같이 오폐수, 분뇨, 음식물 쓰레기의 처리 과정에서 발생하는 각종 슬러지를 최종적으로 처리하기 위해 종래에 육상매립, 해양투기, 소각, 연료화와 같은 다양한 방법들이 제안되고 있다. 이러한 종래의 처리방법은 비록 그 방식을 달리하고 있으나 공통적으로 함수율을 낮추는 감량화 및 환경오염의 방지라는 공통적인 목적을 갖는다.
육상매립은 함수율이 70 내지 80%인 슬러지를 직매립하는 것으로서, 매립지 확보 곤란 및 2차 오염의 문제점이 있다. 그리고 해양투기법 역시 해양을 오염시키는 문제가 있어 적절한 대응책이 될 수 없다. 매립이나 투기에 대한 대안으로서 소각 방식이 논의되고 있으나, 소각 처리의 경우 자원 회수에 불리하고, 소각장 건설에 대한 지역주민의 반발 및 높은 함수율로 인한 막대한 운전비용 등이 문제가 된다.
상기한 것처럼 슬러지를 단순히 매립, 투기, 소각하는 것보다는 재활용하여 에너지 및 자원을 회수하는 것이 최선일 것이다. 이러한 기술은 선진국에서는 이미 연구가 진행되었으며 그 중 일부는 실용화되고 있다. 슬러지의 재이용 방안으로 토양환원, 고형연료, 건설자재, 장식품, 에너지 생산, 자원회수 등을 들 수 있다.
이 중 슬러지를 유효하게 처리하는 방법 중 하나로 고형연료로 재활용하는 기술이 부각되고 있다.
대한민국 등록 특허 제 0700110호의 생활하수/오폐수 슬러지의 처리장치 및 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법, 등록특허 제 0847247호의 하수 및 폐수 슬러지를 주원료로 한 고형원료의 제조방법, 등록특허 제 0653957호의 유기성 슬러지 를 이용한 고체연료제조장치가 개시되어 있다.
상기의 종래의 방법들에 의하면 슬러지를 고형연료화시키기 위해서 1차로 탈수된 함수율 70 내지 80%의 슬러지를 함수율 10% 이내로 건조시킨 후 무연탄, 목재, 기름 등의 열량보조제와 혼합한 다음 특정 형상으로 성형함으로써 고형연료가 만들어진다.
이러한 대부분의 종래의 고형연료화 기술들은 어떤 방식으로 슬러지를 건조시키느냐 혹은 어떤 방식으로 성형하느냐에 따라 다를 뿐 슬러지를 건조시킨 후 열량보조제 또는 열량보조제와 성형제를 혼합하여 고압으로 압축해서 성형하는 방식을 택하고 있다.
상기와 같이 종래의 고형연료화 기술에 의하면 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 성형시 슬러지와 열량보조제가 혼합된 혼합물을 고압으로 압축하여 성형하기 때문에 입자와 입자간의 간격이 너무 조밀하여 공극이 거의 없거나 공극률이 너무 낮다는 문제점이 있다. 이러한 고형 연료는 연소시 연소가 용이하지 않고 완전 연소하기까지 시간이 많이 소요되며 불완전 연소에 따른 유해가스 및 악취가 발생한다.
둘째로, 종래에는 슬러지를 건조시키는 데 1차적으로 에너지가 소비되고, 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하는 과정에서 2차적으로 에너지가 소비된다. 따라서 고형연료를 제조하는 과정에서 많은 에너지가 소비되어 제조비용이 상승된다는 문제점이 있다. 이는 슬러지를 재생에너지로 재활용한다는 취지를 무색하게 한 다.
셋째로, 성형시 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하기 때문에 성형이 용이하도록 별도의 성형제 또는 흡착제를 첨가하여야 한다는 문제점이 있다. 이는 최종적으로 고형연료의 공극률을 더욱 저하시키는 하나의 원인이 될 뿐만 아니라 연소시 유해한 성분이 발생될 수 있다.
넷째, 슬러지의 건조 후 균일한 혼합을 위해서는 건조된 고형물을 가루로 분쇄하는 과정을 거치거나 건조 전 최대한 분산시키는 과정을 거쳐야 하므로 시설이 복잡하고 설비비용이 과다하게 소용되어 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.
이와 같이 슬러지를 이용한 종래의 고체연료화 기술은 상술한 문제점들 때문에 재생에너지로 재활용하기 위한 유효 대안으로서 실제 적용이 어려운 실정이다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 종래와 같이 슬러지를 건조시킨 다음에 고압에서 압축성형하는 것이 아니라 수분 함량이 높은 슬러지를 낮은 압력에서도 성형할 수 있어 고압의 압축성형에 따른 에너지를 절감할 수 있음과 동시에 별도의 성형제 없이도 성형이 용이한 고형연료의 제조방법 및 고형연료를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 슬러지를 건조시키기 전에 성형공정을 먼저 수행하므로 건조과정에서 수분이 증발하면서 발생하는 무수한 기공이 그대로 유지되어 공극률이 높은 다공성의 고형 연료의 제조방법 및 고형연료를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 제조방법은 슬러지를 준비하는 슬러지준비단계와; 상기 슬러지를 성형기에서 가압하여 성형하는 성형단계와; 상기 성형단계에서 성형된 성형물 중에 포함된 수분을 증발시켜 다수의 기공이 형성된 고형연료를 얻는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러지준비단계 완료 후 준비된 슬러지 100중량부에 대하여 열량보조제 30 내지 100중량부를 혼합하는 혼합단계;를 더 포함하며, 상기 성형단계는 상기 슬러지에 상기 열량보조제가 혼합된 혼합물을 성형하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물은 함수율이 50 내지 90%인 것을 특징으로 한다.
상기 건조단계는 상기 성형물에 마이크로파를 조사하여 공극률 10 내지 80%의 상기 고형연료를 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 성형물은 내부에 중공이 형성된 관형으로 성형된 것을 특징으로 한다.
상기 성형물은 상기 성형단계에서 성형시 상기 중공에 열량보조제로 이루어진 코어부가 더 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슬러지를 이용한 다공성 고형연료는 슬러지를 성형하여 형성시키되 내부에 중공이 형성된 본체부와; 상기 본체부의 중공에 형성되며 열량보조제로 이루어진 코어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 본체부는 제 1성형노즐이 구비된 제 1성형기에서 가압하여 성형되며, 상기 코어부는 제 2성형기에서 가압하여 성형되고, 상기 제 2성형기는 상기 제 1성형기의 내부로 연장되어 상기 열량보조제가 가압이송되는 이송관과, 상기 이송관과 연결되어 상기 제 1성형노즐의 내경보다 더 작은 외경을 가지며 상기 제 1성형노즐의 내측에 설치되는 제 2성형노즐을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 다른 예는 열량보조제를 성형하여 형성시키되 내부에 중공이 형성된 본체부와; 상기 본체부의 중공에 형성되며 슬러지로 이루어진 코어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 슬러지를 건조시키는 과정에서 수분이 증발하면서 무수한 기공이 형성되어 공극률이 높은 고형연료를 제조할 수 있다. 이 와 같이 공극률이 높은 고형 연료는 연소시 통기성이 좋아져 연소가 용이하고 연소율이 높으며, 최대한 완전연소에 근접할 수 있어 종래의 고형연료의 불완전 연소시 발생되는 악취 및 유해가스의 발생을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수분 함량이 높은 슬러지를 건조시키기 이전에 성형하므로 낮은 압력에서도 성형이 가능하여 고압의 압축성형에 따른 에너지 및 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 성형이 용이하여 별도의 성형제 없이도 성형이 가능하며, 건조과정에서 마이크로파 조사에 의한 수분증발시 입자와 입자가 서로 유착하여 고결되므로 일정한 강도를 유지할 수 있다.
그리고 본 발명은 슬러지와 열량보조제를 혼합하지 않고 이체로 성형하여 형성함으로써 열량보조제의 비율을 증대시킬 수 있으며, 슬러지의 성형강도를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 슬러지를 이용한 다공성 고형연료의 제조방법 및 이를 이용한 고형연료에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 고형연료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교 예에 따라 만들어진 고형연료를 나타내는 사진이고, 도 5는 본 발명의 다공성 고형연료를 제조하기 위한 성형기를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고형연료를 나타내는 일부 절개 사시도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예들에 따른 고형연료를 나타내는 종단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 고형연료의 제조방법은 크게 슬러지준비단계와, 혼합단계와, 성형단계와, 건조단계로 이루어진다.
본 발명에서 슬러지의 예는 특별히 제한되지 아니하며, 상수, 하수, 산업폐수, 분뇨, 음식물쓰레기 등의 처리과정에서 발생되는 슬러지 모두 적용가능하다. 슬러지는 통상적인 활성슬러지, 잉여슬러지, 반송슬러지, 농축슬러지, 소화슬러지 등을 포함한다.
슬러지준비단계에서 고형연료의 주원료가 될 슬러지를 준비한다. 슬러지의 종류에 따라 함수량이 각기 다르나 대략 50 내지 92%의 함수율을 가진다. 슬러지만을 단독으로 사용하여 고형연료를 제조하는 슬러지의 함수율이 90% 이하가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
주로 상수나 하/폐수로부터 발생되는 슬러지와 같이 함수율이 90%를 초과하는 경우 통상적인 벨트프레스, 필터프레스, 스크루 데칸터, 원심분리기 등의 탈수장치에서 전처리 과정으로 탈수공정을 거칠 수 있다. 탈수 후 여액이 제거된 슬러지 케이크를 이용하여 본 발명의 고형연료를 제조할 수 있다. 이 경우 슬러지의 함수량을 효과적으로 낮추기 위해 탈수보조제를 첨가할 수 있다. 탈수보조제로 무기화합물을 이용할 수 있다. 일예로, 무기화합물은 함수율 약 95%의 하/폐수 슬러지 1ℓ기준으로 50 내지 100mg을 첨가하는 것이 바람직하다.
무기화합물을 이용하는 경우 고체연료의 소각시 무기산화물의 형태로 회수할 수 있다. 무기 탈수보조제로서, Al2(SO4)3·8H2O 또는 Al(OH)2Cl 등의 알루미늄 무기 화합물이나 FeCl3·H2O, FeSO4·H2O 또는 Fe2(SO4)3·H2O 등의 철 무기화합물 또는 Ca(OH)2 등의 칼슘무기화합물 등이 이용될 수 있다. 이러한 무기화합물은 물속에서 무기 수화물을 형성하여 슬러지의 음전하에 흡착하여 물속을 불안정화시켜 작은 크기의 슬러지를 서로 응집하여 큰 물질의 응집체를 형성하게 되는데, 이는 함수율의 저하와 처리효율의 증진을 제공한다.
그리고, 필요할 경우 슬러지준비단계 후 슬러지에 포함된 금속 등의 이물질을 제거하기 위한 분별단계가 추가적으로 수행될 수 있다.
슬러지준비단계에서 준비된 슬러지에 열량보조제를 혼합한다. 열량보조제는 슬러지의 열량을 보조하고, 연소패턴을 조절하기 위함이다. 열량보조제로는 탄소계 화석연료, 목재, 합성수지, 쌀겨, 가연성 생활폐기물, 기름 등을 이용할 수 있다. 열량보조제는 슬러지 100중량부에 대하여 30 내지 100중량부를 혼합한다. 열량보조제의 혼합량은 슬러지의 종류와 함수율, 발열량에 따라 조절될 수 있다.
일반적으로 슬러지를 건조시켜 얻은 슬러지 고형분의 경우 슬러지의 종류에 따라 차이는 있으나 2000 내지 5000kcal/㎏의 열량을 가지고 있다. 하지만 연료로서 물성을 결정하는 데 가장 중요한 휘발분의 함량과 고정탄소의 함량에 있어서 슬러지 고형연료와 기존의 탄소계 화석연료와는 많은 차이가 있다. 무연탄의 경우 휘발분 8 내지 10%, 고정탄소 62 내지 82% 인데 비해 슬러지 고형분의 경우 휘발분 40 내지 80%, 고정탄소 6 내지 13%로서 많은 차이를 보이고 있다.
이러한 특성으로 인해 열량보조제로 탄소계 화석연료를 이용하는 것이 바람직하다. 슬러지 단독 연료로 사용시 발화가 되는 300℃이하에서 다량의 휘발분이 방출하면서 불완전연소가 되고, 400 내지 500℃ 이상의 영역에서는 연소가 계속적으로 이어지지 않을 수 있다. 따라서 탄소계 화석연료는 상기의 슬러지의 단독 연소시 발생할 수 있는 문제점을 보완하여 슬러지의 열량을 높임과 동시에 연료로서의 물성을 향상시킨다. 탄소계 화석연료로서 유연탄은 300℃근처에서 발화되어 500℃근처에서 최고의 열량을 내기 때문에 슬러지와 혼합된 경우 500℃ 근처에서 높은 열량을 가지도록 고체연료를 연소시킬 수 있다.
바람직하게는 열량보조제로 유연탄과 무연탄을 함께 혼합한다. 무연탄은 유연탄에 비해 점화온도가 더 높다. 무연탄은 400 내지 450℃에서 발화가 되어 500 내지 700℃에서 주로 연소하는 특성을 가진다. 따라서 슬러지에 열량보조제로서 유연탄과 무연탄을 혼합하는 경우 슬러지의 점화온도에서부터 무연탄의 연소온도에 이르기까지 계속적으로 높은 열량을 유지하면서 연소될 수 있다.
열량보조제는 성형 과정에서의 성형성을 고려하여 잘게 분쇄하여 혼합한다. 특히, 탄소계 화석연료의 경우 평균 입경 1 내지 10mm로 잘게 파쇄하여 이용하는 것이 바람직하다.
상기 혼합단계에서 열량보조제가 일정량 혼합이 되면 슬러지의 함수율이 어느 정도 낮아진다. 하지만 이 경우 슬러지와 열량보조제가 혼합된 혼합물의 함수율은 50 내지 90% 인것이 바람직하다. 함수율이 50% 미만이면 최종적으로 만들어지는 고형연료의 공극률이 저하되고 성형성이 크게 저하된다. 그리고 함수율이 90%를 초 과하게 되면 점성이 낮아 성형하더라도 형상이 흐트러져 일정한 형상을 유지할 수 없다.
상기 혼합단계에서 얻어진 혼합물은 성형틀이 구비된 성형기에서 가압하여 성형단계를 수행한다. 성형시 압출압력은 50 내지 200kgf/cm2이면 충분하다. 성형기를 거치면서 혼합물은 대략 직경 10 내지 30mm, 길이 10 내지 100mm의 펠렛형상으로 성형된다. 펠렛형상 외에도 성형틀의 형상에 따라 구형, 타원형, 다이아몬드형 등 다양한 형상으로 성형될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 함수율이 50 내지 90%인 혼합물을 성형하므로 종래와 같이 함수율 10% 이하로 건조시킨 슬러지 또는 슬러지 및 열량보조제가 혼합된 혼합물을 성형하는 것에 비하여 성형과정에서 소요되는 에너지를 크게 감소시킬 수 있다.
통상적으로 종래의 고형연료화 기술에서는 함수율 10% 이하로 건조시킨 슬러지를 성형하기 위해서는 고압 압축성형기에서 약 250 내지 1000kgf/cm2의 압력을 가해 압출시킨다. 따라서 1ton/hr의 고형연료를 제조하기 위해서 약 100 내지 130마력의 동력이 소요된다. 이에 반해 본 발명의 고형연료화 방법에 의하면 성형시 약 20 내지 40마력의 동력만 필요할 뿐이다.
그리고 종래의 기술은 성형과정에서 아주 높은 압력으로 압출되어 고형연료가 고밀화되므로 공극률이 5%미만으로 극히 낮다.
또한, 본 발명은 혼합물의 성형시 혼합물의 수분 함량이 높아 자체적으로 점 성을 가지므로 별도의 성형제나 점결제를 혼합할 필요가 없다. 이에 비해 종래의 기술에서는 건조시킨 슬러지가 점성이 없어 용이한 성형을 위해 성형제나 점결제를 추가적으로 혼합하여야 한다.
상기 성형단계에서 성형된 성형물은 성형된 상태 그대로 건조된다. 건조단계에서 높은 함수량을 가지는 성형물은 수분이 제거되어 함수율 1 내지 10%의 고형원료로 만들어진다.
본 발명의 건조단계에서는 성형물을 가급적으로 빠르게 건조시켜 많은 기공을 형성시키는 것이 중요하다. 건조방법으로는 마이크로파를 성형물에 조사하여 성형물내의 수분을 가열하여 증발시킨다. 1,000MHz 내지 300GHz의 주파수를 가지는 마이크로파가 조사되면 물 분자는 1초간 약 24억5000만 회의 분자 배향에 의해 진동, 병진, 회전운동을 일으키며 이때 발생되는 분자 간의 마찰열에 의해 수분이 가열된다. 가열에 의해 성형물 내에 함유된 수분이 증발되고, 수분이 증발된 자리에 무수한 기공이 형성된다. 건조시 악취발생을 방지하기 위하여 송풍기를 이용하여 악취를 제거한다.
상기 마이크로파 조사에 의한 건조방법 외에도 성형물에 열을 가해 성형물을 가열하여 건조시킬 수 있다. 이 경우 기공 형성이 용이하도록 급가열 하여 수분을 증발시킨다.
이와 같이 제조된 본 발명의 다공성 고형원료의 공극률은 10 내지 80%이다. 이러한 다공성의 고형원료는 성형을 먼저 한 후 건조시키는 것에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 적용된 건조단계는 일 예로 성형기에서 배출된 성형물이 무한궤도를 따라 이동하고, 이 과정에서 마그네트론에서 생성된 마이크로파가 성형물에 조사되어 수분을 증발시킨다. 그리고 마이크로파를 조사하기 전 성형기에서 배출된 성형물을 열풍으로 예비가열시킬 수 있다.
이러한 건조방법으로 본 발명자가 발명한 마이크로웨이브 슬러지 건조장치(대한민국 등록특허 제 0836664호)를 이용하여 송풍기의 폐열을 열풍으로 이용하여 성형기에서 배출된 성형물을 가열시킨 다음 마이크로파를 조사하여 건조시킬 수 있다. 이는 마이크로파를 이용한 건조시간을 단축시키고, 효과적으로 슬러지를 건조시킬 수 있다.
본 발명의 고형 연료화 방법에 의해 제조된 고형연료는 공극률이 높아 연소시 통기성이 좋아져 최대한 완전연소에 근접할 수 있으며 연소율이 높은 연료는 연소시간이 빠르므로 종래의 고형연료의 연소시 발생되는 악취 및 유해가스의 발생을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 마이크로파 조사에 의한 수분증발시 입자와 입자가 서로 유착하여 고결되므로 일정한 성형 강도를 유지하게 되므로 별도의 흡착제나 성형제가 필요없다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로 상술한 바와 달리 열량보조제를 혼합하지 않고 슬러지만을 단독으로 성형한 후 건조시켜 고형연료를 제조할 수 있음은 물론이다.
슬러지만을 단독으로 성형하는 경우 통상적인 성형기에서 펠렛형상으로 성형 할 수 있다. 이외에도 도 5에 도시된 성형장치를 이용하여 내부가 중공인 관형의 형상으로 성형할 수 있다. 또한, 상기 성형시 상기 슬러지로 성형된 성형물의 중공에 열량보조제로 이루어진 코어부가 더 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 다공성 고형연료에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 고형연료는 슬러지를 펠렛형상으로 성형시키거나 슬러지와 열량보조제를 혼합한 다음 성형하여 펠렛형상으로 성형될 수 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 실시 예들은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 이중 구조를 가진다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 고형연료(10)는 본체부(13)와, 코어부(15)를 구비한다.
본체부(13)는 슬러지를 성형하여 형성시킨다. 이때 본체부(13)는 내부에 중공이 형성되어 관형의 형태를 가진다. 그리고 본체부(13)의 중공에는 열량보조제로 이루어진 코어부(15)가 형성된다.
이는 슬러지와 열량보조제를 혼합하여 일체로 성형시킨 고형연료에 비해 열량보조제의 함량을 높일 수 있는 장점을 가진다. 슬러지와 열량보조제를 혼합하여 일체로 성형시 열량보조제는 슬러지의 성형성을 저하시키므로 일정량 이상 혼합하기 어렵다. 하지만 도 6에 도시된 바와 같이 본체부(13)와 코어부(15)로 이루어진 이중 구조의 고형연료는 본체부(15)의 내부에 형성된 중공의 크기에 따라 열량보조제의 함량을 크게 높일 수 있고 원하는 발열량을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 고형연료(10)의 외피를 이루는 본체부(13)는 슬러지만의 단일 성분으로 이루어지므로 건조 후 성형강도를 크게 증대시킬 수 있어 기계적 물성이 향상된다. 따라서 제조 후 보관 및 유통과정에서 취급이 용이하다.
이러한 고형연료는 도 5에 도시된 성형장치를 이용하여 성형할 수 있다.
본 발명의 고형연료를 성형하기 위한 성형장치로 제 1성형기(50) 및 제 2성형기(70)가 구비된다. 제 1 및 제 2성형기(50)(70)로 통상적인 스크루 프레스를 이용할 수 있다.
제 1성형기(50)의 내부에 투입된 슬러지(3)가 제 1성형노즐(51)을 통해 압출되면서 성형된다. 제 2성형기(70)는 내부에 열량보조제(5)가 분말로 투입되어 제 2성형노즐(71)을 통해 압출되면서 성형된다. 이 경우 제 2성형노즐(71)은 제 1성형기(50)의 내부에 설치된다. 제 2성형노즐(71)은 제 2성형기의 하우징(73)과 이송관(75)으로 연결된다. 제 2성형노즐(71)은 제 1성형노즐(51)의 내경보다 더 작은 외경을 가진다. 그리고 제 2성형노즐(71)은 제 1성형노즐(51)의 내측에 설치된다. 이 경우 제 2성형노즐(71)은 제 1성형노즐(51)의 입구 측 내측면에 형성된 연결바(55)에 고정되어 제 1성형노즐(51)의 내측면과 이격되도록 설치된다.
상기와 같은 성형장치를 이용하여 슬러지(3)는 제 1스크루(57)의 회전에 의해 가압되면서 제 1성형노즐(51)을 통해 관형으로 성형됨과 동시에 열량보조제(5)가 제 2스크루(77)의 회전에 의해 가압되면서 제 2성형노즐(71)을 통해 압출되면서 이중구조의 성형물이 형성된다. 상기와 같이 성형된 성형물은 마이크로파를 조사하여 슬러지를 건조시켜 고형연료를 제조한다.
상술한 성형장치 이외에도 통상적인 이중 노즐 구조를 가지는 성형기에 의해 성형될 수 있음은 물론이다. 또한, 슬러지가 투입된 제 1성형기(50)를 이용하여 내부가 중공인 본체부(13)만을 성형한 후 마이크로파를 조사하여 건조시킨 다음 열량보조제를 본체부(13)의 중공에 충진시켜 본 발명의 고형연료를 형성할 수 있다.
또한, 본체부(13) 또는 코어부(15)는 슬러지와 열량보조제의 혼합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예의 고형연료는 도 7에 도시된 바와 같이 본체부(23)는 보조열량제로 이루어지며, 코어부(25)는 슬러지로 이루어진다. 이 경우 도 5에 도시된 제 1성형기(50)에 열량보조제를 투입하고, 제 2성형기(70)에 슬러지를 투입하여 성형함으로써 고형연료(20)가 형성된다.
그리고 도 7에 도시된 고형연료(30)는 슬러지를 성형시켜 형성되며 내부가 중공(35)인 관형의 본체부(33)만으로 이루어질 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예1)
축산분뇨 처리공정에서 발생한 함수율 약 80.6%의 분뇨슬러지를 스크루 프레스에 투입하여 100kgf/cm2의 압력으로 압출하여 직경 20mm, 길이 50mm의 펠렛형상으로 성형한 다음 마이크로파를 조사하여 함수율 10%의 고형연료를 제조하였다.
(실시예2)
상기 실시예 1과 동일한 분뇨슬러지 100중량부에 대하여 평균입경 3mm, 함수율 9.3%의 유연탄 분말 65중량부를 혼합하여 함수율 70%의 혼합물을 만들었다. 그리고 혼합물을 스크루 프레스에 투입하여 100kgf/cm2의 압력으로 압출하여 직경 20mm, 길이 50mm의 펠렛형상으로 성형한 다음 마이크로파를 조사하여 함수율 9.4%의 고형연료를 제조하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1과 동일한 분뇨슬러지 100중량부에 대하여 평균입경 3mm, 함수율 9.3% 유연탄 분말 35중량부와, 평균입경 3mm, 함수율 9.8%의 무연탄 분말 30중량부를 혼합하여 함수율 72%의 혼합물을 만들었다. 그리고 혼합물을 스크루 프레스에 투입하여 100kgf/cm2의 압력으로 압출하여 직경 20mm, 길이 50mm의 펠렛형상으로 성형한 다음 마이크로파를 조사하여 함수율 9.7%의 고형연료를 제조하였다.
(비교예)
상기 실시예 1과 동일한 분뇨슬러지를 원심분리기를 이용하여 탈수시킨 다음 마이크로파를 조사하여 건조시킨 다음 파쇄기에 투입하여 평균 입경 3mm크기로 잘게 분쇄하였다. 분쇄된 슬러지 100중량부에 대하여 평균입경 3mm, 함수율 9.3%의 유연탄 분말 65중량부, 성형제 10중량부를 혼합하여 혼합물을 만든 다음 혼합물을 통상적인 고압압축성형기에 투입하여 약 1000kgf/cm2의 압력으로 압출하여 함수율 8%, 직경 20mm, 길이 50mm의 펠렛형상의 고형연료를 제조하였다.
<실험예1: 열량 분석>
구분 열량(kcal/kg)
실시예1 3250
실시예2 5208
실시예3 5824
비교예 5396
발열량 측정을 위해 한국산업규격(KS E 3707)의 석탄류의 발열량 측정방법에 따라 항용 봄베열량계 내에서 시료를 연소시켜 상승한 온도를 측정하고 시료 1g에 대한 cal(20℃)를 구하여 무수기준으로 환산한 총 발열량을 구하였다.
슬러지만을 단독으로 사용한 실시 예 1의 경우 발열량이 3250kcal/kg으로 나타났다. 이에 비해 열량보조제를 첨가한 실시예 2, 3의 경우 실시 예 1보다 발열량이 크게 증대되었다. 특히, 유연탄과 무연탄을 첨가한 실시 예 3의 경우 가장 높은 발열량을 가짐을 알 수 있으며, 이로부터 열량개선효과가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 실시 예 3의 경우 슬러지의 점화온도에서부터 무연탄의 연소온도에 이르기까지 계속적으로 높은 열량을 유지하면서 연소할 것으로 기대된다.
<실험예2: 공극률측정>
구분 공극률(%)
실시예1 72.8
실시예2 51.2
실시예3 48.5
비교예 4.3
공극률 계산을 위해 먼저 각 시료의 부피(V0)를 측정한 다음 각 시료를 약 200메쉬 크기로 미분화시킨 후 원통형의 용기에 넣은 후 100kgf/cm2의 압력을 가해 압축시킨 부피(V1)를 측정하였다. 각 시료의 공극률은 다음과 같이 계산하였다.
공극률=(V0 - V1)/V0
상기 표 2의 결과에서 알 수 있듯이 실시예들의 경우 공극률이 48.5 내지 72.8%로 나타났다. 이와 같이 본 발명의 고형연료화 방법에 의해 제조된 고형연료는 내부에 많은 기공이 형성되어 있어 연소가 용이하고 완전연소에 근접할 수 있는 것이다. 이에 비해 비교예의 경우 공극률이 4.3%로서 실시예들에 비해 현저하게 낮았다. 이는 종래의 기술에 의해 고형연료를 제조하는 경우 건조된 슬러지나 혼합물을 성형하기 위해 약 250 내지 1000kgf/cm2의 고압에서 압축하여 고밀화시키기 때문이다. 이는 실시 예 1를 촬영한 사진을 나타낸 도 2, 실시 예 2를 촬영한 사진을 나타낸 도 3, 비교예를 촬영한 사진을 나타낸 도 4에 도시된 바와 같이 육안으로도 확연한 차이가 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 고형연료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 블록도이고,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교 예에 따라 만들어진 고형연료를 나타내는 사진이고,
도 5는 본 발명의 다공성 고형연료를 제조하기 위한 성형기를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고형연료를 나타내는 일부 절개 사시도이고,
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예들에 따른 고형연료를 나타내는 종단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
13: 본체부 15: 코어부
50: 제 1성형기 51: 제 1성형노즐
55: 연결바 57: 제 1스크루
70: 제 2성형기 71: 제 2성형노즐
73: 하우징 75: 이송관
77: 제 2스크루

Claims (9)

  1. 하수슬러지, 산업폐수슬러지, 축산분뇨 또는 음식물쓰레기 처리과정에서 발생되는 슬러지를 수집하여 이물질을 제거하고 성형 건조하여 고형연료를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 이물질이 제거된 슬러지에 Al2(SO4)3·8H2O, Al(OH)2Cl, FeCl3·H2O, FeSO4·H2O 또는 Fe2(SO4)3·H2O 의 무기화합물로 구성된 탈수보조제를 슬러지 1L를 기준으로 50~100mg 첨가한 후 탈수장치를 이용하여 슬러지의 수분 함량이 65~83%가 되도록 탈수하는 슬러지 탈수단계; 및
    상기 탈수된 슬러지 100중량부에 탄소계 화석연료, 합성수지 또는 목재로 구성된 열양보조제 30 내지 100 중량부를 혼합하고 상기 혼합 슬러지를 성형기에서 50~200kgf/㎠의 압력으로 압출하여 성형물을 제조하는 슬러지 성형단계; 및
    상기 성형물은 1000MHz~300GHz 주파수의 마이크로파를 조사하여 압출 성형된 형태 그대로 유지되도록 하면서 수분함량을 2~10%로 건조시키는 성형물 건조단계; 및
    상기 건조단계에서 성형물의 수분이 증발된 부분이 다공성의 기공이 형성되어 공극률이 40~80%인 다공성 고형연료의 제조방법.
  2. (자진 삭제)
  3. (자진 삭제)
  4. (자진 삭제)
  5. (자진 삭제)
  6. 제1항의 제조방법으로 제조된 다공성 고형연료에 있어서,
    제 1성형노즐이 구비된 제 1성형기에서 수분함량이 65~83%인 슬러지를 50~200kgf/㎠의 압력으로 압출 성형하여 슬러지로된 중공의 본체부 만들고, 상기 본체부의 중공 부분에 제 2성형노즐이 구비된 제 2성형기를 이용하여 탄소계 화석연료, 합성수지 또는 목재 중 어느 하나로 구성된 열량보조제로를 채워 코어부가 형성된 성형물을 만든 다음, 상기 성형물을 압출 성형된 그대로의 형태가 유지되도록 성형물에 주파수 1000MHz~300GHz의 마이크로파를 조사하여 수분함량이 2~10%가 되도록 건조하고, 상기 성형물의 수분이 증발된 부분이 다공성의 기공이 형성되어 공극률 40~80%인 것을 특징으로 하는 다공성 고형연료.
  7. 제1항의 제조방법으로 제조된 다공성 고형연료에 있어서,
    제 1성형노즐이 구비된 제 1성형기에서 탄소계 화석연료, 합성수지 또는 목재 중 어느 하나로 구성된 열량보조제를 50~200kgf/㎠의 압력으로 압출 성형하여 중공의 본체부를 만들고, 상기 본체부의 중공 부분에 제 2성형노즐이 구비된 제 2성형기를 이용하여 수분함량이 65~83%인 슬러지를 상기 본체부의 중공 부분에 채워 코어부가 형성된 성형물을 만든 다음, 상기 성형물을 압출 성형된 그대로의 형태가 유지되도록 성형물에 주파수 1000MHz~300GHz의 마이크로파를 조사하여 수분함량이 2~10%가 되도록 건조하고, 상기 건조된 성형물의 수분이 증발된 부분이 다공성의 기공이 형성되어 공극률 40~80%인 것을 특징으로 하는 다공성 고형연료.
  8. (자진삭제)
  9. (자진삭제)
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