KR101281672B1 - 하수 슬러지를 이용한 고형 연료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조 방법으로서 하수 슬러지를 탈수(건조)-컨디셔닝-압출성형-냉각 건조의 순서로 처리하여 일정한 크기와 고강도를 갖는 펠렛 형태의 고형 연료를 제조하는 방법을 제공한다. 따라서, 발전소와 같은 대규모 연소장치에서 사용되는 스크류식 또는 진동식 정량 공급기에서 전기제어를 통하여 자동으로 공급량을 정량조절할 수 있게 한다.

Description

하수 슬러지를 이용한 고형 연료의 제조 방법{Method for Preparing Solid Fuel Using Waste Water Sludge}

본 발명은 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하수 슬러지를 이용하여 경제적인 방법으로 고강도의 고형연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

하수 처리 과정에서 하수관 등에 쌓이는 침전물을 하수 슬러지라고 한다. 서울시에서 하루에 약 1,800여 톤의 하수 슬러지가 발생하고, 이를 처리하는 방법은 국내의 경우, 매립 30%, 해양 투기 45%, 소각 20%, 재활용 5%로 매립과 해양 투기가 대부분을 차지하고 있다. 해양 투기의 경우 2012년부터는 런던 협약에 의해 전면 금지하도록 되어 있고, 최근 원유의 가격 상승으로 이를 대체할 수 있는 대체 연료의 개발이 시급하다 하겠다.

그 대체 연료의 개발의 일환으로, 하수 슬러지를 이용하여 이를 고체 연료화 하는 경우, 하수에 포함되어 있는 음식찌꺼기, 분뇨 등의 유기성 물질을 먹고 사는 미생물 덩어리를 탈수, 건조, 성형 등의 과정을 거쳐 발열량이 3500㎉/㎏ 안팎의 저급 석탄과 유사한 유기성 연료를 만들 수 있다.

하지만, 유기성 연료 슬러지는 유기물이 많아 열량이 높으나, 수분 함량도 높아 연료로서 사용하기에는 부적합하다. 다만, 이러한 유기성 연료 슬러지의 함수율을 10중량% 이하가 되도록 건조시키면 훌륭한 재생에너지로 사용할 수 있게 된다.

현재 전국에서 발생하는 하수 슬러지의 양은 하루에 7000여 톤으로 집계되고 있으며, 하수 슬러지를 1000톤을 건조시키면 함수율 10중량% 이하의 건조 슬러지 200톤이 생성된다. 건조 슬러지 1㎏을 얻는데 드는 열량이 2,600㎉이지만, 이 건조 슬러지에서 얻을 수 있는 열량은 3500㎉/㎏ 정도이며, 이는 보조 연료로서 유용하다.

건조 슬러지는 가루상태로 사용하는 것보다는 고형화된 상태로 사용하게 되면 다음과 같은 이점이 있다.

첫째, 가루 상태보다는 고형화된 상태로 사용하면 부피가 줄게 된다.

둘째, 고형화된 상태는 가루 상태보다 연소시 열과 바람에 의해 비산이 되지 않아 연료의 손실을 줄이고 주위환경을 청결하게 할 수 있다.

셋째, 고형화된 상태는 가루 상태에 비하여 연소시간을 장시간 지속시키며, 단위 무게당 열량이 더 높아 연소장치의 효율성이 향상된다.

넷째, 고형화된 상태는 입도와 비중이 일정하여 정량공급이 가능하게 된다.

다섯째, 고형화된 상태는 부피를 줄여 시설비 등 설비비를 절감시킨다.

여섯째, 가루에 비하여 고형화된 상태는 고형 연료 간 공극이 커져 공기 공급이 용이하게 되어 연소가 더 잘 된다.

한편, 종래의 스크류식 압출기 형태의 펠렛 성형기(특허문헌 1 참조)는 펠렛 형태로 성형하기 위해서는 하수 슬러지의 수분의 함수율이 30∼50중량%이므로 압출 과정에서 저항을 감소시켜야 압출이 가능하다. 그러므로 성형 후에는 잔류 수분으로 인하여 강도가 약해 펠렛 형태를 유지하기가 어렵다. 따라서, 펠렛 형태를 유지하기 위하여 압출 성형 후에는 반드시 열풍건조기를 사용하여 추가로 건조시켜야 한다. 이와 같이 건조된 펠렛 슬러지는 수분이 건조되면서 내부에 기공이 생겨 압축 강도가 저하되므로, 운반 및 취급시에 쉽게 부서지는 경향을 갖는다.

또한, 특허문헌 2 및 3에서는 펠렛 슬러지의 성형이 용이하도록 함수율이 높은 상태의 하수 슬러지를 원료로 투입하여야 하기 때문에 완성된 최종 제품의 강도가 약하고, 수분함량이 높아 펠렛 형상이 일정하지 않거나 절단기에 의하여 절단하는 경우 절단면이 깨끗하지 못한 단점이 있다.

또 다른 종래 기술인 조개탄 성형기 및 구공탄 연탄성형기 계통의 압축성형기(특허문헌 4 및 5 참조)는 건조된 하수 슬러지를 사용할 수 있기 때문에 성형 후 별도의 건조장치가 불필요하나, 이런 기종의 압축성형기는 단순히 고압으로 압축하여 고형으로 만든 사각형 슬러지이기 때문에 엄밀한 의미에서 펠렛 슬러지라 할 수 없으며, 제품의 크기가 너무 커서 특수 목적의 연소기의 연료로서는 사용할 수 있으나, 보일러와 같은 보통의 연소기에 사용되는 정량을 공급하는 자동 공급기 등에는 사용될 수 없기 때문에 고체연료로 부적합하다.

특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-0908450호 특허문헌 2: 한국 공개특허 제2009-0045161호 특허문헌 3: 한국 공개특허 제2005-0121785호 특허문헌 4: 한국 등록특허 제10-0700110호 특허문헌 5: 한국 등록특허 제10-0914993호

이에 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 수행한 결과, 하수 슬러지의 수분함량을 10% 이하로 건조한 다음, 수분을 공급하면서 펠렛화시킬 경우, 일정한 크기와 고강도를 갖는 고형화된 고형연료를 경제적인 방법으로 제조할 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 발전소와 같은 대규모 연소장치에서 사용되는 스크류식 또는 진동식 정량 공급기에서 전기제어를 통하여 자동으로 공급량을 정량조절할 수 있는 하수 슬러지를 이용한 고강도의 고형연료를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체예에 따른, 하수 슬러지를 이용한 고형 연료의 제조방법은 다음과 같다.

(1) a) 하수 슬러지를 탈수한 다음, 건조시켜 10중량% 이하의 함수율을 갖는, 건조 슬러지를 제공하는 단계;

b) 함수율이 13∼17중량% 범위가 되도록 상기 건조 슬러지를 수분을 제공하면서 분쇄 및 혼합하여 건조 슬러지의 입자 표면에 수분을 공급하는 컨디셔닝 단계;

c) 상기 수분이 공급된 건조 슬러지를 압출 다이를 구비한 펠렛 성형기에서 압축 성형하여 적어도 90㎏/㎠의 충격 강도 및 11 내지 15 중량%의 함수율을 갖는 펠렛화된 슬러지를 형성하는 단계; 및

d) 상기 단계 c)에서 펠렛화된 슬러지를 함수율이 10중량% 이하가 되도록 공기를 이용한 카운터 플로우 방식에 의하여 냉각 건조하는 단계;

를 포함한다.

(2) 상기 구체예 (1)에서, 상기 슬러지 내 유기물 함량이 30 중량% 이하인 경우, 상기 단계 b)는 슬러지에 탄소계 화석연료, 폐제지, 플라스틱 폐기물 및 목재로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 가연성 폐기물을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

(3) 상기 구체예에 있어서, 단계 b)는 컨디셔닝 혼합기에서 수행될 수 있다.

(4) 상기 구체예에 있어서, 상기 압출 다이는 다수의 압출공을 가지며, 상기 압출공은 3∼10㎜의 직경을 갖는 압축부; 상기 압축부가 끝나는 종단으로부터 상기 압축부의 내경 직경에 대해 외측으로 1∼2㎜로 확장 형성되어 압출물을 공기 중에 냉각시키기 위한 냉각부; 및 상기 냉각부가 형성되는 상기 압축부의 반대측 종단에 압출다이의 내측 방향으로 1.5°∼30°로 확장 경사지게 형성되어 압출을 유도하기 위한 제1 경사부, 상기 제1 경사부의 종단으로부터 상기 압축부의 내경 직경에 대해 외측으로 1∼2㎜로 확장 형성되어 상기 압출물을 유도하는 주입부, 및 상기 주입부의 종단으로부터 압출다이의 내측 방향으로 10°∼30°로 형성되어 상기 압축물을 초기 유도하기 위한 제2 경사부로 구성된 인입부;를 구비할 수 있다.

(5) 상기 구체예에 있어서, 펠렛화된 슬러지의 표면에 착색제 또는 연소 촉매제를 코팅시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

(6) 상기 구체예에 있어서, 펠렛화된 슬러지는 3∼10㎜의 직경 및 6∼30㎜의 길이를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 하수 슬러지로부터 일정한 크기 및 높은 강도를 갖는 펠렛 형태의 고형 연료를 제조할 수 있다. 따라서, 발전소와 같은 대규모 연소장치에서 사용되는 스크류식 또는 진동식 정량 공급기에서 전기제어를 통하여 자동으로 공급량을 정량 조절할 수 있게 한다.

본 발명에 따라 제조되는 고형 연료는 일정한 충격 강도 이상을 갖기 때문에 쉽게 부서지지 않으며, 제조 공정시 별도의 열원을 추가로 가하는 건조 장치가 요구되지 않아 종래에 비하여 경제적이며 높은 강도의 고형 연료를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제조되는, 일정한 크기의 펠렛화된 고형 연료는 운반장비, 저장시설, 공급장치 등의 시설규모를 줄일 수 있기 때문에 시설비, 운반비, 물류비 및 보관비 등이 저렴하며 취급이 용이하여 원가를 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하수 슬러지를 이용한 고형 연료의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하수 슬러지를 이용한 고형 연료의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 컨디셔닝 혼합기 및 펠렛 성형기를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 펠렛 성형기를 이용한 성형 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 펠렛 성형기의 압출공을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 냉각 건조 장치의 개략도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조 방법을 나타낸다.

도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 방법을 살펴보면, 먼저, 하수처리장에서 농축시킨 하수 슬러지를 탈수기에 투입하고(S 101), 그 다음 탈수기에서 하수 슬러지를 탈수시킨다(S 102). 이와 같이 탈수된 슬러지의 함수율은 일반적으로 70∼85중량%의 범위를 나타낸다. 그 다음, 이를 건조기로 이송하여 건조시켜(S 103) 10중량% 이하, 특히 8∼10중량%의 함수율을 갖도록 한다(건조된 하수 슬러지). 이와 같이, 건조 단계에서 슬러지의 함수율을 10중량% 이하의 범위(바람직하게는, 8∼10중량%) 내에서 적절히 조절할 경우, 후속적으로 수분을 첨가하여 성형하고, 다시 성형된 슬러지의 함수율을 10중량% 이하로 재건조하여 고형 연료를 제조하는 일련의 공정의 경제성을 제고할 수 있는 장점을 갖는다. 상기 탈수기와 건조기로서 통상적으로 시판되는 탈수기와 건조기를 사용할 수 있다. 상기 건조 단계를 거친 후에는, 건조 슬러지를 공급기(200)를 통하여 혼합기(300)에 공급한다(S 104).

한편, 건조 슬러지의 유기물 함량이 30 중량% 이하인 경우, 단계 (S 104)에서 선택적으로 가연성 폐기물(S 201)을 건조 슬러지에 첨가할 수 있다. 즉, 유기물 함량이 30중량% 이하인 경우에는 슬러지의 발열량이 떨어져 연료로서의 가치가 감소하기 때문이다. 따라서, 슬러지 내 유기물 함량이 낮은 경우에는 슬러지에 탄소계 화석연료, 폐제지, 플라스틱 폐기물 및/또는 목재 등(이에 한정하지 않고 그 외의 연소할 수 있는 유기첨가물을 모두 포함함)과 같은 가연성 폐기물을 첨가하여 펠렛 성형률도 높이고 발열량도 높여서 연료로서의 가치도 높이는 것이 바람직하다. 상기 가연성 폐기물은 균일하고 미세하게 분쇄시켜 첨가될 수 있으며, 이렇게 첨가된 가연성 폐기물은 혼합기에서 건조 슬러지와 균일하게 혼합하는 것이 바람직하다.

그 다음, 슬러지의 함수율이 13∼17중량% 범위, 바람직하게는 15중량%가 되도록 건조 슬러지에 수분을 공급하면서 상기 슬러지를 분쇄 및 혼합시킨다(S 105). 상기 단계는 함수율이 10중량% 이하인 건조 슬러지를 펠렛의 형태로 성형하는데 있어서, 건조 슬러지 입자의 표면에 적절한 수분을 첨가하여(컨디셔닝) 각각의 슬러지 입자 자체 또는 가연성 폐기물과의 혼합력을 유지하면서 성형된 펠렛의 결착력 및 결합력을 높일 수 있기 때문에 성형 효율을 개선할 수 있다. 이와 같이, 수분을 슬러지의 표면에만 공급하여 성형함으로써 동일한 함수율을 갖는 슬러지로 성형한 경우보다 고강도의 펠렛을 경제적으로 성형할 수 있다. 이때, 함수율이 17 중량%를 초과하면 건조 슬러지의 함수율이 높아져서 펠렛 성형기에서 성형하는 경우 동력비가 적게 들어 성형이 용이하기는 하나, 최종 고형 연료 제품 내 함수율을 낮춰야 하기 때문에(즉, 후술하는 바와 같이 10중량% 이하로) 요구되는 수분 증발 량이 증가하는 만큼, 건조 시간 및 비용 면에서 불리하다. 만약, 슬러지 내 수분 함량이 13중량% 미만이면, 후속 펠렛 성형 단계에서 건조 슬러지를 펠렛 형태로 성형하기 용이하지 않을 뿐만 아니라, 동력비가 증가하는 단점이 있다.

본 발명에 있어서, 상기 혼합공정은 컨디셔닝 혼합기(300)에서 수행될 수 있는 바(S 105), 이의 구체적인 태양을 도 3에 도시하였다. 도 3의 컨디셔닝 혼합기(300)의 구조를 상세히 설명하면, 원통형 본체의 중심에 전동기에 의하여 회전하는 한 개의 회전축(31)이 위치하며, 그 회전축에는 30° 정도로 경사진 다수 개의 날개(32)가 구비되어 있다. 이때, 회전축(31)을 약 350∼450 회전/분으로 고속 회전시킴에 따라, 날개(32)도 회전축(31)과 함께 고속 회전하게 되어 공급기(200)로부터 공급된 건조 슬러지를 경사진 날개(32)에 의하여 전진 이동시키면서 날개(32)의 말단이 원심력 하에서 슬러지 덩어리와 충돌하게 되고, 이에 따라 슬러지의 이동, 분쇄 및 혼합의 과정이 단일 장치 내에서 동시에 이루어질 수 있다. 상기 혼합기(300)에서의 회전이 지나치게 약한 경우에는 날개의 말단에 가해지는 원심력이 작기 때문에 분쇄가 제대로 이뤄지지 않는 반면, 지나치게 높은 경우에는 내용물들이 충분한 혼합이 곤란할 수 있기 때문에 상술한 범위로 조절하는 것이 적절하다.

혼합기(300)에서 약 350∼450회전/분으로 회전하면서 회전작용과 이동작용이 동시에 이루어지도록 하는 날개(32)와 공급기(200) 사이에 상술한 바와 같이 수분을 공급하여(컨디셔닝), 수분이 건조 슬러지 입자 각각의 표면에 균일하게 공급되도록 한다. 상기 수분 공급은 스프레이 노즐(33) 등과 같은 통상의 수분 공급기라면 어떠한 것이든 이용할 수 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 스프레이 노즐(33)에 연결된 물탱크를 사용하여 수분을 공급할 수도 있다(S 202).

본 발명에 따르면, 이와 같이 수분과 혼합된 슬러지는 압출 다이를 구비한 펠렛 성형기에서 압축 성형하여 펠렛화시킨다(S 106). 그 다음, 상기 펠렛화된 슬러지를 상기 슬러지의 함수율이 10중량% 이하가 되도록 건조시키는(S 107) 일련의 후속 공정이 수행된다. 상술한 과정을 거쳐 최종 함수율이 10 중량%인 하수 슬러지를 이용한 펠렛형 연료를 제조할 수 있다(S 108). 선택적으로, 상기 펠렛화된 건조 슬러지의 표면에 착색제 또는 연소 촉매제를 코팅시킬 수 있다(S 203).

본 발명에 따르면, 압축 성형 단계에서 함수율 13∼17중량%, 바람직하게는 약 15 중량%를 함유하는 슬러지를 압출 다이를 구비한 펠렛 성형기(400)에 투입하여 충격강도 가 적어도 90㎏/㎠이 되도록 고압으로 압출하여 펠렛 형상으로 압축 성형된다.

한편, 본 발명에서는 시판되는 펠렛 성형기를 이용하여 전술한 슬러지(함수율 13∼17 중량%)를 압축 성형할 수 있다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 압축 성형 과정을 설명하면, 케이싱(45)내에 위치한 압출 다이 또는 회전륜(41)은 전동기에 의하여 회전을 하고, 압출 다이 또는 회전륜(41)의 내부로 공급된 슬러지(46)는 압출 다이 또는 회전륜(41)의 회전력에 의하여 압출 다이 또는 회전륜(41)과 동일한 방향으로 회전하게 된다. 압축 롤러(42 및 43)는 중심축이 고정판에 고정되어 있어 회전을 하지 않으며, 바깥쪽의 롤러(롤러 셀)만 공회전(아이들 회전)을 하게 된다. 이때, 압출 다이 또는 회전륜(41)의 내측벽을 따라서 회전하던 슬러지(46)가 압축 롤러(42 및 43)와 접촉함에 따라 회전하던 슬러지(46)가 압축 롤러(42 및 43)에 의해 정지하게 된다. 압축 롤러(42 및 43)에 의해 정지하게 된 슬러지(46)는 고압으로 압축되면서 압출 다이(41)의 압출공(50)을 통하여 배출된다. 이와 같이, 슬러지는 압축 성형을 통하여 단단히 고형화된 상태로 회전륜(41)의 외측으로 배출된다. 상기 배출된 슬러지는 절단기(44)에 의하여 일정한 크기의 펠렛 형태로 절단된다. 이때, 펠렛화된 슬러지(47)의 직경은 약 3㎜∼10㎜이고, 길이는 약 6㎜∼30㎜ 정도일 수 있으며, 적어도 90㎏/㎠의 충격강도를 갖도록 한다. 상술한 바와 같은 펠렛 성형기(400)를 사용할 경우, 그 밖의 다른 압출기, 압축 성형기 등에 비하여 일정한 크기와 모양을 가지면서 고강도를 유지하고 있는 고형 연료를 제조하는데 바람직할 수 있다.

도 5를 참조하여, 펠렛 성형기 내 압출 다이(41)의 압출공(50)의 작동 원리에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 도시된 바와 같이, 압출 다이(41)에 다수의 압출공(50)이 구비되어 있다. 상기 압출공(50)은 3∼10㎜의 직경을 갖는 압축부(51), 냉각부(52) 및 인입부(56)로 이루어져 있다. 상기 냉각부(52)는 상기 압축부(51)가 끝나는 말단으로부터 압축부(51)의 내경 직경에 대해 외측 방향으로 약 1∼2㎜로 확장 형성되는 바, 압출물(압축 성형물)을 공기 중에 냉각시키는 역할을 한다.

상기 인입부(56)는 제1 경사부(53), 주입부(54) 및 제2 경사부(55)로 구성된다. 상기 제1 경사부(53)는 냉각부(52)가 형성되는 압축부(51)의 반대측 말단에서 압출공(50)의 내측 방향으로 1.5°∼30°로 확장 경사지게 형성되어 압출을 유도한다. 상기 주입부(54)는 상기 제1 경사부(53)의 종단으로부터 상기 압축부(51)의 내경 직경에 대해 외측으로 1∼2㎜로 확장 형성되어 상기 압출물을 유도한다. 마지막으로, 상기 제2 경사부(55)는 주입부(54)의 종단으로부터 압출 다이(41)의 내측 방향으로 10°∼30°로 형성되어 압출물(즉, 슬러지)을 초기 유도한다.

예를 들어 설명하면, 압출 다이(41)의 내경 측에 14㎜ 구멍(제2 경사부)이 2㎜ 깊이로 나팔 모양으로 12㎜로 좁아지면서 15㎜를 내려오고(주입부), 다시 2㎜ 깊이로 직경이 다시 10㎜로 좁아지면서 35㎜를 곧게 내려오며(압축부), 그리고 말단에서는 다시 직경이 12㎜로 커지면서 15㎜를 내려오면서(냉각부), 압출 다이(41)의 외경 측으로 배출된다. 여기서, 직경 14㎜ 부분(제2 경사부)은 유도로 기능을 하는 것으로서 슬러지가 12㎜ 구멍으로 들어오기 용이하게 하기 위하여 보다 큰 사이즈를 갖는다. 이와 같이 유도된 슬러지는 12㎜ 구멍인 주입부(54)에서 15㎜ 길이만큼 통과하면서 일차적으로 압축이 되는데, 이때 슬러지는 대략 30㎏/㎠으로 압축되고, 상기 압축 슬러지는 다음 단계의 구멍으로 용이하게 들어가기 위하여 다시 한번 경사진 구멍을 통하여 10㎜ 구멍인 압축부(51)에서 35㎜ 길이만큼 통과하면서 최종적인 압축과정을 거치면서 압축력이 적어도 90㎏/㎠에 이르도록 압축된다. 이때, 압축과 마찰열에 의하여 압축 슬러지의 온도는 80℃∼90℃에 이르게 된다. 상술한 과정을 거쳐 형성된, 고온고압의 압축 슬러지는 구멍 직경이 확장된 말단에서의 12㎜ 구멍으로 15㎜ 길이만큼 통과하면서 더 이상 마찰이나 압축이 가해지지 않기 때문에 80∼90℃에서 더 이상 온도 상승 없이 배출되는 바, 이를 냉각부(52)라고 한다.

한편, 도 5에 도시된 구멍 및 길이의 치수는 일 예를 나타낸 것으로, 직경 및 길이는 비례적으로 변화할 수 있고, 예시된 도면의 10㎜ 압축부 구멍 직경에 비례하여 구멍 직경이 12㎜가 되면 다른 모든 치수도 비례적으로 커지게 될 수 있고, 구멍 직경이 5㎜일 경우, 또한 모든 치수가 비례적으로 작아질 수 있다. 압축부의 구멍 직경이 10㎜ 보다 커지게 되면 압축부의 길이 역시 35㎜보다 길어지며, 그 외 다른 모든 치수도 같이 비례적으로 증가할 수 있다. 압축부의 길이가 짧으면 압축강도가 요구수준인 90㎏/㎠에 미달하게 되어 펠렛으로 성형 후 운반이나 취급시 잘 부서지게 되는 반면, 압축부가 길면 압축강도가 90㎏/㎠보다 높아져서 잘 부서지지는 않으나 성형시에 과도한 압축력으로 회전륜의 파손 위험이 생기고 동력소비가 증가하는 단점이 있다. 압축부의 구멍 직경은 10㎜보다 크거나 작을 수 있으며, 다만, 구멍의 직경이 너무 작은 경우에는 회전륜의 구멍을 기계로 절삭가공하여 뚫을 때 어려움이 있다.

상기 공정을 거쳐 제조된, 펠렛화된 슬러지는 압출 다이(41)를 통과하는 과정에서 고압을 받게 되고, 고압 및 마찰열로 인하여 배출되는 펠렛화된 슬러지의 온도는 80 내지 90℃로 상승한다. 이때 발생한 온도 상승에 의하여 배출되는 펠렛화된 슬러지가 함유하고 있던 수분 13∼17 중량% 중 적어도 2 중량%의 수분이 건조되고 대기중으로 방출되어, 결과적으로 배출된 펠렛화된 슬러지의 함수율을 11∼15 중량%로 낮추게 된다.

즉, 절단기(44)에 의하여 일정한 길이로 절단된 펠렛화된 슬러지는 80℃ 내지 90℃의 온도이며, 평균적으로 약 13 중량%의 함수율을 갖게 된다. 이후, 상기 슬러지를 10 중량% 이하의 함수율이 되도록 냉각 건조한다. 이때, 함수율이 지나치게 높으면(즉, 10 중량%를 초과하면), 함유된 수분에 의하여 가열과 증발시 소비되는 손실열량이 많아져 연소의 효율성이 감소하게 되는 반면, 함수율이 지나치게 낮으면 연료로서 연소 효율성은 높아지나, 전술한 건조에 소요되는 비용을 상승시키는 원인이 될 수 있다.

상기 냉각 건조 단계의 경우, 펠렛화된 슬러지를 냉각하여 함수율이 10 중량% 이하가 되도록 건조할 수 있는 냉각 건조 장치인 한, 본 발명이 특정 냉각 건조 장치로 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명의 냉각 건조 장치의 바람직한 일 실시예로서, 도 6에 카운터 플로우 냉각 장치를 나타내었다.

도 6을 참조하면, 냉각 건조기(600)는 철재로 만든 사각형 모양의 냉각 건조기의 본체(61)를 구비한다. 상기 본체(61)의 상부에는 외부 공기를 차단하면서 80℃ 내지 90℃의 펠렛화된 슬러지만을 공급할 수 있도록 설계된 로타리 에어록(62)이 구비되어 있으며, 본체(61)의 하부에는 본체에 일정 높이(약 800㎜)까지 펠렛화된 슬러지가 쌓이면 자동적으로 작동되어 냉각된, 펠렛화된 슬러지(63)를 본체(61)의 하부로 전부 또는 일부가 자유낙하에 의하여 하강하여 배출되도록 하는 모터 구동식 왕복운동 배출기(64)가 구비되어 있다. 상기 카운터 플로우 냉각 건조기(600)는 공냉식 건조 방법에 의한 것이므로 열을 가하여 열로서 건조하는 건조 장치에 비하여 건조된 펠렛이 형상 및 고강도를 그대로 유지하며, 건조시 비용이 절감되며, 펠렛화된 슬러지를 쉽게 냉각 건조할 수 있는 이점이 있다.

아울러, 부수 설비로 외부 공기를 본체(61)로 흡입하도록 기능하는 터보팬(65) 및 흡입된 공기가 본체를 통과하면서 미세 먼지와 입자 등을 분리하여 필터링된 공기만 대기중으로 방출되도록 하며, 집진된 미세 먼지와 입자 등 집진물이 일정량이상 쌓이면 이를 배출하도록 하는 사이크론 집진기(66)를 구비하고 있다.

한편, 다른 압축 성형 기술에서는 성형기에서 압축 성형을 용이하게 하기 위하여 함수율이 30∼50중량%의 하수 슬러지를 사용하기 때문에 압축 성형 후에는 반드시 가열식 건조기가 필요하지만, 본 발명의 경우 압축 성형을 위하여 함수율 13∼17 중량%의 슬러지를 사용하여 건식으로(특히, 상온 상태에서) 고압의 펠렛화된 슬러지를 형성하고 펠렛 성형 과정 중 압축열과 마찰열에 의하여 80∼90℃로 승온된 펠렛 형태의 슬러지가 배출되는 과정 중 적어도 2 중량%의 수분이 공기 중으로 증발하면서 건조되며, 나머지 수분은 공기 냉각기에서 상온의 공기에 의하여 냉각되면서 동시에 증발되는 방식으로 건조된다. 그 결과, 최종적으로 냉각 건조된 슬러지는 10 중량% 이하의 최종 함수율, 즉 연료로서 사용하기에 적합한 함수율을 갖게 된다.

본 발명에 따르면, 하수 슬러지로부터 펠렛화된 슬러지를 제조한 후(냉각 건조 후), 상기 펠렛화된 슬러지의 표면에 적당한 코팅기를 이용하여 착색제 또는 연소 촉매제를 코팅시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 이는 외관상 모양을 개선하고 연료성분에 따라 입자의 색을 다르게 코팅하여 육안으로 연료의 구별을 가능하게 할 수 있거나, 연소 촉매제 등을 코팅하는 경우에는 연소 효율을 높일 수 있다.

실시예로서 미세 가루 상태의 숯가루를 펠렛화된 슬러지와 같이 코팅기에 투입하면서 회전시키면 펠렛화된 슬러지 표면에 검정색의 숯가루가 물리적으로 접착되면서 검정색으로 착색될 것이다. 또한, 숯가루 자체는 가연성이 좋은 물질이므로 연소 촉매제의 역할도 하게 된다. 시중에 판매되고 있는 다양한 무독성 페인트 안료를 숯가루와 혼합시켜 숯가루를 미리 착색시킨 후에 이를 코팅기에 투입하여 펠렛화된 슬러지와 접촉시키면 원하는 다양한 색으로 착색이 가능할 것이다.

또한, 분말 상태의 원료와 여러 가지 모양과 크기를 갖는 연료를 같이 혼합하여 연소시키는 경우 혼합 연료를 제조하기는 어렵지만, 본 발명에서와 같이 일정한 크기로 분쇄하여 가루 상태로 만든 다음 균일하게 혼합하여 압축 성형하여 만든 고형 연료는 적당한 비율로 혼합이 가능하고 여러 가지 성분이 골고루 섞인 혼합 연료를 제조할 수 있다.

200: 공급기
300: 혼합기 33: 스프레이 노즐
400: 펠렛 성형기 또는 펠렛 밀 41: 압출 다이 또는 회전륜
50: 압출공
600: 냉각기 62: 로타리 에어록

Claims (6)

1. a) 하수 슬러지를 탈수한 다음, 건조시켜 10중량% 이하의 함수율을 갖는, 건조 슬러지를 제공하는 단계;
   b) 함수율이 13∼17중량% 범위가 되도록 수분을 제공하면서 상기 건조 슬러지를 분쇄 및 혼합하여 건조 슬러지 입자 각각의 표면에 수분을 공급하는 컨디셔닝 단계;
   c) 상기 수분이 공급된 건조 슬러지를 압출 다이를 구비한 펠렛 성형기에서 압축 성형하여 적어도 90㎏/㎠의 충격 강도 및 11 내지 15 중량%의 함수율을 갖는 펠렛화된 슬러지를 형성하는 단계; 및
   d) 상기 단계 c)에서 펠렛화된 슬러지를 함수율이 10중량% 이하가 되도록 공기를 이용한 카운터 플로우 방식에 의하여 냉각 건조하는 단계;
   를 포함하는, 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 건조 슬러지 내 유기물 함량이 30중량% 이하인 경우, 상기 단계 b)는 상기 건조 슬러지에 탄소계 화석연료, 폐제지, 플라스틱 폐기물 및 목재로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 가연성 폐기물을 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 압출 다이(41)는,
   다수의 압출공(50)을 구비하며,
   상기 압출공은 3∼10㎜의 직경을 갖는 압축부(51);
   상기 압축부(51)가 끝나는 말단으로부터 상기 압축부(51)의 내경 직경에 대해 외측으로 1∼2㎜로 확장 형성되어 슬러지 압출물을 공기 중에 배출하는 냉각부(52); 및
   상기 냉각부(52)가 형성되는 상기 압축부(51)의 반대측 말단에 압출 다이(41)의 내측 방향으로 1.5∼30°로 확장 경사지게 형성되어 슬러지 압출을 유도하기 위한 제1 경사부(53), 상기 제1 경사부의 말단으로부터 상기 압축부(51)의 내경 직경에 대해 외측으로 1∼2㎜로 확장 형성된 주입부(54), 및 상기 주입부(54)의 말단으로부터 압출 다이(41)의 내측 방향으로 10∼30°로 형성되어 슬러지를 주입부(54) 내로 초기 유도하기 위한 제2 경사부(55)로 이루어지는 인입부(56);
   를 구비한 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 b)는 컨디셔닝 혼합기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 단계 d) 이후, 상기 펠렛화된 슬러지의 표면에 착색제 또는 연소 촉매제를 코팅시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 펠렛화된 슬러지는 3∼10㎜의 직경 및 6∼30㎜의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법.

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