KR101141695B1 - 폐수 슬러지의 소각방법 - Google Patents

Abstract

하수 종말 처리장에서 발생되는 80%이상의 함수율을 갖는 슬러지를 폐목을 이용하여 건조 및 소각하는 것으로, 열손실을 최소화할 수 있고, 여기서 얻어진 소각재는 다량의 알칼리 화합물(Na₂O, K₂O)을 함유하게 되어 규산질 비료로서 활용이 가능하게 되는 폐수 슬러지의 소각방법이 개시된다. 본 발명에 따른 소각방법은 소각로에서 폐목을 연소시키고, 이 폐열을 분쇄기와 교반기를 거쳐서 배출되도록 하며, 폐수 슬러지를 교반기에서 고온으로 볶아준 후, 분쇄기에서 고온으로 건조하면서 분쇄하며, 건조된 분쇄 슬러지를 바람에 의해 소각로내에 투입시켜 비산시키면서 소각시키는 방법이다.

Description

폐수 슬러지의 소각방법{A incinerating method of waterwaste sludge}

본 발명은 폐수 슬러지의 소각방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 슬러지, 예를 들면 하수 종말 처리장에서 발생되는 슬러지나 제지공정에서 폐기되는 슬러지 등에 함유되어 있는 유기물을 소각하여 최종적으로는 무기산화물 만 처리물로 얻고자하는 소각방법에 관한 것이다.

하수 종말 처리장에서 발생되는 슬러지나 제지공정에서 폐기되는 슬러지의 경우 유동층 소각로를 이용한 소각이나, 다단소각로(multiple hearth furnace, MHF) 또는, 로타리 킬른(rotary kiln, RK)을 이용하는 방법이 슬러지 처리의 일반적인 방법이었다.

소각처리법이 경제성을 갖기 위해서는 슬러지에 함유된 휘발성 유기탄소화합물을 이산화탄소, 물 등으로 완전히 분해하기 위하여 조업 온도를 820℃까지 올린다 하더라도 슬러지 자체 열량에 의해 소각시킬 수 있어야 한다.

보조 연료 없이 슬러지 자체열량만을 가지고 소각시키기 위해서는 탈수 장치가 개선되어야 하고 더 나아가 열 회수기술이나 슬러지 건조기술이 개발 및 개선되어야할 것이다.

독일 오스트리아의 Vienna에 있는 대규모 소각시설들은 900℃가 훨씬 넘는 조업 온도에서 운전되고 있으며, 미국이나 선진국에서 보조 연료 없이 운전하는 방법에 대하여 많은 연구를 수행하고 있다.

우리나라에서도 슬러지 처리의 효율성과 경제성을 고려하여 에너지 절약형의 열 회수 장치의 개발, 폐열의 이용, 건조시스템, 슬러지의 고화 및 용융에 의한 처리 등에 관심을 두고 많은 특허들이 출원되었다.

그러나 이와 같은 모든 방법들이 결국 보조연료를 이용하거나 보조재료를 이용하는 방법으로 슬러지를 처리하고 있으므로 에너지의 소모는 발생하게 되어 있는 것이다.

일반적으로 슬러지 연소에서 슬러지내에 함유되어 있는 유기물이 1차연료 역할에 매우 경제적일 수 있다. 즉, 슬러지 케이크가 주 열원이 되도록 충분히 탈수 및 건조되어야만 한다.

대부분의 경우 유리한 연공비를 유지하는데 필요한 케이크 고형물의 함량과 최적 부하를 유지하기 어렵기 때문에 슬러지가 에너지 유입량의 전부를 공급하는 것은 불가능하다.

더욱이 슬러지 케이크를 사용하여 연소장치를 가열하는 것은 슬러지가 건조하고 미분 연료 버너에 적합하지 않는 한 적당하지 않다.

이런 이유로 대부분의 연소장치는 연소되는 슬러지의 에너지 부족분을 보충하고 연소로를 예열하기 위하여 항상 보조 연료를 사용하여야 한다.

보통 사용되는 보조 연료로는 다단 소각로에서는 경유나 천연가스를 주로 사용하여 왔다. 경유나 다른 연료를 사용하는 것보다 가스를 사용하는 것이 유지 관리비가 더 적게 든다.

유동층 연소로에서는 연료 주입은 1차 연소 영역에 직접 첨가되어 소각되는데 층 온도를 최소로 하기 위해서는 경유를 사용하는 것이 가스를 사용하는 것보다 유리하다. 그 밖의 보조연료로는 고체연료로 석탄이 사용된다.

석탄은 지구상에서 가장 풍부한 연료이며 석유 단가의 30~40%이다.

석유는 유동층 반응기에서 층에 직접 투입됨으로써 보조연료로 사용되어 왔으며, 다단 소각로에서는 석탄이 미분 석탄 버너(powdered coal burner)에 사용된다. 예외적인 고체 연료로는 일반 생활 쓰레기와 톱밥/나무조각 등이 있다.

일반 생활 쓰레기의 배출량이 폐수슬러지 고형물 함량의 10~20배 정도이며 상대적으로 건조하기 때문에 탈수(건조)슬러지-생활쓰레기의 혼합물은 자생 연소가 가능할 것이다. 그러나 문제는 생활 쓰레기와 슬러지의 혼합물에 대한 소각이 효율적으로 이루어지기 어렵다는 것이 문제다.

본 특허에서는 탈수, 건조 증진을 위하여 톱밥/나무조각을 소각할 때 얻어지는 고온의 공기를 이용하여 슬러지를 탈수, 건조시키고 탈수 건조된 슬러지를 분쇄하여 톱밥 나무조각 등과 함께 혼합 연소시키는 과정을 개시하게 된다.

우리나라는 국토의 70%가 산으로 구성되어 있고 연료로 석유, 가스 등을 사용하여 생활하고 있으므로 산림이 우거져 화재에 대한 위험이 높다.

화재예방과 산의 미관을 깨끗하게 유지하기 위하여 간벌을 시행하고 있다. 여기서 얻어지는 폐잡목이 산에 방치됨으로써 여름철 우기에 홍수와 함께 하천에 유입되어 교량이나 제방에 걸려 댐을 형성하게 된다.

이런 이유로 파괴되는 교량이 연간 200개 이상이 되며 이를 수거하여 제거하는데 드는 비용이 지자체 별로 많은 예산이 소요되고 있다.

즉, 폐목을 분쇄하거나 적당한 크기로 절단하여 소각하면서 이때 얻어지는 열을 이용하여 슬러지를 탈수 건조시키고 건조된 슬러지를 분쇄하여 소각하는 것이다.

국내에 출원되어 있는 열원으로 석유 또는 가스를 이용하여 소각, 건조시키는 과정을 도입하고 있으나 석유나 가스의 경우 화석연료를 사용함으로써 지구 온난화를 조장하는 주요 원인이 되고 있음은 주지의 사실이다.

한편, 건조된 슬러지의 경우 시멘트 생산이나 기타 화력 발전소 연료로 사용할 것을 시도하고 있으나 슬러지 자체에 함유되어 있는 무기물이 다른 연료에 비하여 상대적으로 과도하게 많으므로 연료로 사용하기에는 매우 부적합한 재료라고 할 수 있다.

또한, 비록 건조된 슬러지라고 하더라도 악취가 심하여 이송 과정중 특별한 취급이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 필요에 의해 안출된 것으로, 하수 종말 처리장에서 발생되는 함수율 80%이상의 슬러지를 폐목을 이용하여 건조 및 소각하는 것으로, 열손실을 최소화 할 수 있고, 여기에서 얻어지는 소각재는 다량의 알칼리 화합물(Na₂O, K₂O)을 함유하고 있으므로 규산질 비료로서 활용이 가능하여 매립이나 기타의 비용이 부가적으로 사용할 필요가 없게 되는 소각방법을 제공하는데 있다.

또한, 일반적인 생활쓰레기를 처리하는 소각로나 기타의 소각로에서는 폐열이 발생할 때 이와 같은 폐열의 활용을 발전에 이용하거나, 때로는 냉각을 위하여 지하수 등을 가열하는 방법으로 활용하고 있으나, 본 발명에서는 함수된 슬러지를 건조시키는데 활용할 수 있으므로 폐열의 생성을 최소화할 수 있는 소각방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

하수 종말 처리장이나 제지공정에서 발생된 폐수 슬러지를 교반기에 넣고, 교반기를 가열시키면서 섞어주는 단계;

가열 교반된 슬러지를 분쇄기에 넣고 분쇄기를 가열시키면서 분쇄시키는 단계;

가열 분쇄된 건조 슬러지를 바람에 의해 소각로내로 투입시켜 상측으로 분출시키는 단계; 그리고

소각로내에 폐목을 투입하여 연소시키면서 분출되는 건조 슬러지를 소각시킨후, 폐목의 재와 슬러지의 재를 모아 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법을 제공한다.

이때, 소각로에서 발생되는 폐열은 분쇄기와 교반기를 거쳐서 배출되도록 하여 열사용의 효율을 높일 수 있다.

또한, 소각로의 내부에는 적어도 하나 이상의 타공판이 설치되고, 타공판의 중앙부에는 상측으로 점점 커지는 관통공이 형성되어 비산되는 슬러지들이 가열된 타공판에 내려앉으면서 빠른 소각을 시킬 수 있게 된다.

그리고 소각로의 바닥면상에는 외부공기를 끌어들여 타공판쪽으로 불어주어 타공판에 앉은 슬러지들이 붙지 않도록 털어내게 된다.

그리고 건조된 슬러지를 투입시키기 위한 바람은 소각로에서 발생된 고온의 공기를 회수하여 사용함으로써, 건조 슬러지에 예열을 하게 되어 빠른 소각을 유도할 수 있게 된다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 슬러지 소각방법은 슬러지의 처리비용을 최소화하여 소각할 수 있으므로 경제성이 우수하고, 최종 생성물이 무기 산화물이므로 이들 산화재를 규산질 비료 등으로 재활용할 수 있으며, 공해 발생을 최소화 할 수 있으므로 이용가치가 높게 된다.

또한 본 발명의 소각방법을 응용할 경우 음식물 쓰레기, 축산 분뇨 처리 등의 각종 고함수 유기 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있는 잇점이 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 소각방법의 순서를 나타낸 공정도이고,
도 2는 본 발명에 따른 소각장치를 개략적으로 나타낸 정면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 소각장치를 개략적으로 나타낸 측면도이고,
도 4는 소각로에 건조슬러지가 투입되는 모습을 보인 도면이고,
도 5는 소각로 내부의 타공판 설치모습이고,
도 6은 소각로 내부의 소각모습을 보인 도면이고,
도 7은 소각로에서 발생된 폐열이 배출되는 모습이며, 그리고
도 8은 소각로 내부의 열회수 모습을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐수 슬러지의 소각방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 폐수 슬러지의 소각방법은 도 1에서 보는 바와 같이 크게 분류하여 폐수슬러지를 수집한 후, 이를 교반기에 넣어 가열 교반시키고, 다시 분쇄기에 넣어 가열 분쇄시키며, 건조 분쇄된 슬러지를 바람을 이용해 소각로내로 투입하여 비산시키면서 소각시키는 방법이다.

전체적인 소각장치에 대해 설명하면, 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 하층부에는 소각로(110)가 형성되고, 상층부에는 건조기(130)내에 분쇄기(132)와 교반기(135)로 구성된다.

도 1의 가열교반 공정을 수행하는 교반기(132)에서는 이송스크류(133)를 이용하여 전진과 후진을 반복하면서 교반시키고, 교반기(132)를 가열시킴으로써, 슬러지를 볶아주게 된다.

가열분쇄 공정을 수행하는 분쇄기(135)에서는 분쇄기(135) 내부에 분쇄용 칼날(137)이 형성된 스크류(136)를 이용하여 교반공정과 마찬가지로 전진과 후진을 반복하면서 분쇄시키고, 분쇄기(135)를 가열시킴으로써, 두 번에 걸친 가열에 의해 슬러지가 완전 건조되게 된다.

상기와 같은 교반기(132)와 분쇄기(135)는 따로 분리해 놓으면, 슬러지의 이동이 어렵기 때문에 같은 틀(건조기)(130)내에 하층에는 분쇄기(135)를 배치하고, 상층에 교반기(132)를 배치하여 연동시키게 된다.

그리고 교반기(132)의 하부에 개폐문을 설치하고, 개폐문과 분쇄기(135)의 내부를 이동로(134)에 의해 연결하여 개폐문을 선택적으로 열고 닫으면서 가열교반된 슬러지를 하측의 분쇄기(135)로 이동시키게 된다.

이러한 분쇄기(135)의 하부에는 슬러지 저장통(140)이 설치된다.

슬러지 저장통(140)은 분쇄기(135)에서 배출되는 건조 분쇄 슬러지가 배출되어 포집되는 통으로, 분쇄기(135)의 하부에 개폐문을 설치하고, 이동로(138)를 슬러지 저장통(140)과 연결하여 개폐문을 선택적으로 열고 닫으면서 슬러지를 슬러지 저장통(140)으로 배출하게 된다.

슬러지 저장통(140)에 포집된 슬러지는 소각로(110)로 투입되게 되는데, 슬러지 저장통(140)의 하부에 낙하로(142)를 설치하고, 이 낙하로(142)는 소각로(110)내로 연장된 투입로(144)와 연통된다. 그리고 투입로(144)의 외부에는 송풍기(f)가 연결되고, 소각로(110)내로 연장된 투입로(144)의 단부에는 사발 형태의 분사판(145)이 결합된다.

따라서 슬러지 저장통(140)에 있던 건조 분쇄 슬러지들은 도 4에서 보는 바와 같이 낙하로(142)를 통해 투입로(144)로 이송되고, 이송된 투입로(144)내의 슬러지는 투입 송풍기(f)에 의해 밀려 분사판(145)에서 상측으로 날라가게 된다.

여기에서, 슬러지 저장통(140)에는 일정량의 건조 슬러지를 반복적으로 배출시키도록 실린더에 의해 작동되는 배출펌프가 설치되어 건조 슬러지를 낙하로로 밀어내게 된다.

한편, 다시 도 2 및 도 3을 참고하면, 소각로(110)는 하부 중앙에 재배출스크류(112)가 설치되고, 이 재배출스크류(112)의 바로 위 상부에서 폐목이 연소된다. 이때, 투입로(144)의 분사판(145)이 폐목이 연소되는 바로 위에 연장되게 된다. 보다 바람직하게는 재배출스크류(112)는 소각로(110)의 바닥면상에 오목하게 골이 패이도록 형성되고, 그 양옆에는 바닥면이 재배출스크류(112)를 향해 오목하게 기울어진 경사판(114)이 설치된다.

소각로(110)의 내부 위쪽에는 비산된 슬러지가 내려앉을 수 있도록 다단의 타공판(118)이 설치된다. 타공판(118)은 적어도 하나 이상이 상하로 설치되는데, 이 타공판(118)의 중앙에는 슬러지가 타공판(118)위로 분출될 수 있도록 관통공(119)이 형성되고, 이 관통공(119)은 상측으로 올라갈수록 더욱 크게 형성됨이 바람직하다(도 5참조). 또한, 타공판(118)은 중앙부가 오목한 경사판 형상을 갖는다.

이렇게 설치된 타공판(118)은 슬러지가 비산되어 가라앉으면서 가열된 타공판(118) 위에서 슬러지가 톡톡 튀면서 연소된다.

또한, 소각로(110)의 바닥면상 경사판(114)에는 외부에서 유입되는 에어를 상측으로 분출시키도록 외부공기 유입공(115)이 형성된다. 이러한 외부공기 유입공(115)은 타공판(118)의 타공들을 통과하면서 타공판(118)에 앉은 슬러지들을 다시 불어주어 붙지 않게 해준다.

보다 바람직하게는 도 6에서 보는 바와 같이 비산되는 슬러지들은 최상층이나 그 아래층의 타공판(118)위에 앉게 된다. 이처럼 안착된 슬러지들은 가열된 타공판(118)에 의해 순식간에 완전 건조된다. 완전 건조된 슬러지들은 아래의 외부공기 유입공(115)에서 불어오는 바람에 의해 타공판(118)위에서 톡톡 튀다가 타공판(118)의 타공을 통해 또는, 관통공(119)측으로 쏠려 내려가다가 최하층의 타공판(118)에서 폐목쪽으로 떨어지면서 연소된다.

한편, 소각로(110)에서 발생된 폐열은 연통을 통해 외부로 배출되는데, 이 폐열은 도 7에서 보는 바와 같이 분쇄기(135)와 교반기(132)를 거쳐서 배출되도록 하였다. 따라서 고온의 폐열이 분쇄기(135)와 교반기(132)를 가열하여 별도의 열원이 없이도 가열교반 및 가열분쇄시킬 수 있게 된다.

소각로에서 소각된 슬러지는 고농도의 실리카를 함유하게 되고, 이 고농도 실리카를 함유하고 있는 슬러지 소각재가 폐목 소각재와 합쳐지면서 배출되는 재는 다량의 알칼리 화합물(Na₂O, K₂O)을 함유하게 되므로 규산질 비료로서 활용이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 소각로에 투입되는 폐목은 외부의 호퍼에서 컨베이어(150)를 타고 유입되도록 구성시킬 수 있다(도 3참조).

또한, 투입 송풍기(f)는 도 8에서 보는 바와 같이 외부공기를 사용하지 않고, 소각로(110)내에서 발생되는 폐열이 포함된 공기를 회수하여 고온의 공기를 사용함으로써, 건조 슬러지에 예열을 시켜 더욱 빠른 소각을 유도할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 소각장치 110 : 소각로
112 : 재배출스크류 114 : 경사판
115 : 외부공기 유입공 118 : 타공판
119 : 관통공 130 : 건조기
132 : 교반기 135 : 분쇄기
137 : 분쇄용 칼날 140 : 슬러지 저장통
144 : 투입로 145 : 분사판

Claims (5)

1. 하수 종말 처리장이나 제지공정에서 발생된 폐수 슬러지를 교반기에 넣고, 교반기를 가열시키면서 섞어주는 단계;
   가열 교반된 슬러지를 분쇄기에 넣고 분쇄기를 가열시키면서 섞어주는 단계;
   가열 분쇄된 슬러지를 바람에 의해 소각로내로 투입시켜 상측으로 분출시키는 단계; 그리고
   소각로내에 폐목을 투입하여 연소시키면서 분출되는 건조 슬러지를 소각시킨후, 폐목의 재와 슬러지의 재를 모아 외부로 배출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소각로에서 발생되는 폐열은 상기 분쇄기와 교반기를 거쳐서 배출되도록 함을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소각로의 내부에는 적어도 하나 이상의 타공판이 설치되고, 상기 타공판의 중앙부에는 상측으로 점점 커지는 관통공이 형성되어 비산되는 슬러지들이 가열된 타공판에 내려앉게 됨을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 소각로의 바닥면상에는 외부공기를 끌어들여 상기 타공판쪽으로 불어줌을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법.
5. 제 1 항에 있어서, 건조된 슬러지를 투입시키기 위한 바람은 상기 소각로에서 발생된 고온의 공기를 회수하여 사용함을 특징으로 하는 폐수 슬러지의 소각방법.

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