KR101296011B1

KR101296011B1 - 슬러지를 이용한 연료용 펠렛

Info

Publication number: KR101296011B1
Application number: KR1020110118149A
Authority: KR
Inventors: 박수철
Original assignee: 박수철
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-08-12
Also published as: KR20130052846A

Abstract

본 발명은 슬러지를 이용한 연료용 펠렛에 관한 것으로, 상세하게는 하수 슬러지와 생활쓰레기 중 폐비닐 및 폐플라스틱의 제1폐기물을 분쇄하여 혼합하면서 펠렛으로 제조함으로써 제1폐기물을 1차선별, 파쇄, 건조, 2차분쇄, 2차선별 및 분쇄, 혼합, 성형 및 열풍발생 공정에 의해 제1폐기물을 하수 슬러지와 혼합하여 폐기물 고형 연료(RDF; Refuse Derived Fuel)로 제조하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛에 관한 것이다.

Description

슬러지를 이용한 연료용 펠렛{Fuel pellets using sludge}

각종 사업장에서 발생되는 슬러지(일명 탈수케이크)는 하수, 폐수 ,축산, 분뇨처리를 함에 있어 발생되는 수중의 부유물질이 액체로부터 분리 농축된 수중의 부유물질이 중력 작용으로 바닥에 침전된 고 함수비의 고형물을 기계적으로 처리하여 함수율을 저하시킨 물질을 슬러지라 하는데 이는 산업발달 및 인구증가에 의하여 슬러지가 대량으로 발생되고 있어, 이들 슬러지의 처리는 국가적인 당면과제가 되었으며 몇몇 자치단체 및 지역사회에서는 슬러지 처리 문제가 현실적으로 시급하게 대두되고 있다.

현재, 발생되는 슬러지의 많은 부분은 매립과 해양투기에 의존하고 있는 데, 매립의 경우에는 매립부지가 부족할 뿐만 아니라 침출수가 발생하여 지하수가 오염되는 등의 문제가 있고, 해양투기의 경우에는 해양투기 방지법 시행규정규칙 개정으로 유기성오니에 대한 해양배출규제가 대폭 강화됨에 따라 그간 대부분 해양 투기하던 슬러지를 2012년 1월부터는 해양배출 전면금지함에 따라 슬러지 처리방안에 대한 강구가 불가피한 실정에 있다.

이렇게 슬러지 처리 방안에 시급한 실정에 있어 퇴비화, 소각, 탄화, 건조, 안정화/고형화 처리 등의 방법이 제시되고 있는 데, 유가급등, 물류비용인상, 전처리 부지확보, 처리량에 따른 공간확보등의 문제점을 안고 있으며, 가장 큰 문제는 모든 육상에서 발생된 폐기물은 이제는 육상에서 해결해야 하는데 2012년 이후 10년 내외로 매립고갈 될 수 있어 향후 쓰레기 대란이 가장 큰 문제점으로 2008년 7월 환경부에서는 자원화,에너지화,재활용,연료화하여 매립부지의 고갈을 억제하고 환경적이면서 실증적인 슬러지 처리방안 대책을 각 지방 자치단체와 함께 최근 다각적으로 개발되고 있는 것이 현 실정에 있다.

그리고, 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수 슬러지와 같은 유기성 폐기물을 혐기성 소화시켜 메탄 등의 바이오가스를 생산하고 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 개발되고 있다. 이와 같이 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생산, 이용하는 방법은 바이오가스를 에너지원으로 사용할 수 있다는 점 이외에 환경 오염 부하를 감소시킬 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다.

이와 함께, 도심지의 각종 생활 폐기물 중에서 가연성 물질을 선별하고 이를 건조, 성형하여 폐기물 고형연료(Refuse Derived Fuel, 이하 'RDF'라 칭함)를 제조하는 방법 역시 널리 이용되고 있다. 이러한 방식으로 제조된 RDF는 환경오염의 근원인 각종 생활 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있다는 측면과 아울러 자원을 재활용할 수 있다는 장점이 있다.

이와 같이, 최근에는 환경오염 방지와 자원 재활용의 목적으로 유기성 폐기물 및 생활 폐기물을 재처리하여 이용하는 방법들이 보편화되고 있다.

한편, 생활 폐기물을 이용하여 RDF를 제조함에 있어서, 선별된 가연성 물질을 성형하여 RDF로 제조하기 위해서는 생활 폐기물 내에 포함되어 있는 수분을 제거하는 건조 공정이 필수적으로 요구된다. 이에 따라, 해당 건조공정에는 별도의 열원이 제공되어야 하며, 이는 RDF 제조비용 상승의 원인으로 작용한다.

따라서 본 발명의 목적은 하수슬러지와 생활쓰레기를 연료화 상품성 물질로 전환시키기 위한 것으로, 슬러지와 생활쓰레기를 고형연료로 처리함에 있어 통상의 적용되었던 건조방법, 성형방법, 탄화방법, 에너지 자원화방법을 보다 효율적으로 적용하면서 종래에 여러 우수한 기술들이 현실성이 떨어져 사장 되거나 더 이상의 예산낭비를 막고 선행되었던 슬러지 처리기술에 연료화 촉진제 조성물인 생활쓰레기를 적용하여 슬러지와 생활쓰레기를 혼합한 고형연료를 제조함으로써 슬러지와 생활쓰레기를 고형연료로 처리하는 방법 및 고형원료의 상품성 향상을 통한 슬러지 연료화 처리기술을 제공하는 것이다.

이에, 하수슬러지에 생활쓰레기 중 폐비닐 또는 폐플라스틱의 제1폐기물을 분쇄하여 혼합하면서 펠렛으로 제조함으로써 하수슬러지가 혼합된 생활쓰레기를 밀폐된 용융기에서 탄화가스와 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOCs)과 공해물질를 제거하여 펠렛형태로 제조하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슬러지를 이용한 연료용 펠렛의 제조방법은,

하수슬러지 50~80wt%와 생활쓰레기 중 폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 혼합물인 제1폐기물 50~20wt%를 용융기에서 온도 50~150℃에서 1~10초간 용융하여 직경 5~50mm의 길이 2~20cm의 원통형 펠렛을 제조하도록 하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛을 제공한다.

한편, 제1폐기물의 총 중량에 대하여 톱밥, 왕겨, 폐지 또는 폐타이어 중 하나이상을 선택하여 5~10% 비율로 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛을 제공한다.

본 발명에 따른 슬러지를 이용한 연료용 펠렛 조성물을 이용하여 제조된 슬러지 고형연료는 최소량의 생활쓰레기를 연료화 촉진제 조성물을 첨가하는 것만으로도 열량, 회분 및 점화성에 있어서 연료로서 고효율을 가질 뿐만 아니라, 완전연소가 가능해지고, 최대발열량이 향상되는 효과가 있어, 슬러지와 생활쓰레기 처리 및 재활용 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시형태를 실시예를 참고로 보다 구체적으로 설명한다. 하지만 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 슬러지 연료화 펠렛 조성물의 제조

본 발명에 따른 슬러지 연료화 펠렛 조성물을 제조하기 위하여, 우선 하수슬러지 50~80wt%와 생활쓰레기 중 폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 혼합물인 제1폐기물 50~20wt%를 교반장치에 넣고, 서서히 교반하면서 혼합하여 슬러지 연료화 펠렛 조성물을 제조하였다.

상기 슬러지가 생활 폐기물 슬러지, 하/폐수 슬러지 또는 분뇨 슬러지를 사용할 수 있으며, 본 발명세서는 하주종말 처리장에서 처리된 하수슬러지를 사용하였다.

그리고, 본 발명에서 사용되는 폐플라스틱은 폴리염화비닐(PVC), 폴리스틸렌(PS), ABS수지, 폴리아세탈(POM), 폴리에틸렌(PE), 폴리아미드(PA), 나일론(NAL), 나일론섬유, 폴리프로필렌(PP), 아크릴, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에텔렌테레프탈레이트(PETP), 초산셀롤로오스(CA), 에틸셀롤로오스(EC), 폴리초산비닐(PVAC) 등 열가소성 폐플라스틱과; 멜라민수지(MF), 페놀수지(PF), 우레아수지(PUR), 에폭시수지(EP), 폴리디아릴프탈레이트(PVAE) 등 열경화성 폐플라스틱이 사용되며, 이들 각 폐플라스틱은 수명이 다하여 폐기처리되는 순수 플라스틱 제품은 물론이고 금속, 지류, 목재 등 플라스틱이 아닌 재료와 함께 혼용되어 제조된 모든 제품으로부터 얻어지는 폐플라스틱을 전부 포함한다.

상기 폐비닐과 폐플라스틱은 석유계화합물로서, 상기 폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 총 중량에 대하여 각각 폐비닐은 50~80wt%와 폐플라스틱은 20~50wt%로 혼합하여 사용하여 제공된다.

이는, 상기 폐비닐이 초기 연소를 시작하고, 폐플라스틱으로 중간연소를 시작하여 연소 후에 폐비닐과 폐플라스틱이 연소시간을 연장하는 잠열로서 화력을 연장하는 역할로 사용된다.

한편, 제1폐기물을 하수슬러지와 혼합하기 전(前)에 고주파 건조기를 통해 마이크로파 열원으로 건조한 후 상기 하수슬러지와 혼합하도록 제공된다.

이는, 폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 제1폐기물의 화학적 결합이 불안정하여 상기 마이크로파 열원에 의해 건조한 후 연료용 펠렛으로 제조하여 상기 펠렛을 연소시 순간 발화능력이 우수하며, 이는 제1폐기물의 안정된 화학적 결합으로 발화에 필요한 석유화학계 화합물로 존재하기 때문이다.

상기 고주파 건조기에 사용되는 열원인 마이크로파는 스펙트럼상 원적외선과 고주파사이에 위치(300MHz∼300GHz)하는 전자기파로서, 상기 마이크로파의 가장 큰 특징은 그 가열방식이 전자기파의 주파수에 해당하는 속도만큼의 분자회전 혹은 재배치에 의한 마찰력을 이용하기 때문에 마이크로파에 의해 건조된 제1폐기물이 연소시 가열온도 보다 신속한 승온이 가능하다는 것이다. 여기서 마이크로파는 100~300GHz의 주파수를 공급하여 제공된다.

또한, 마이크로파의 에너지는 화학결합을 손상시키지 않는 낮은 에너지를 가지므로 분자구조를 변형시키거나 파괴하지 않으며, 이러한 빠른 온도상승과 화학적 안정성 때문에 마이크로파 기술은 이미 여러 화학분야에서 응용되고 있다.

그리고, 마이크로파의 원리는 유전율(투과도)값이 낮은 재료의 경우 마이크로파를 투과하는 특성을 가진 반면 투과율이 높은 극성용매인 물과 같은 결합수분의 경우 마이크로파를 흡수하여 가열원으로 사용된다.

한편 제1폐기물과 같은 물질의 경우 마이크로파를 투과시키는 특성을 가지고 있어 마이크로파 건조장치의 경우 재료특성 및 건조하고자 하는 제1폐기물의 물리화학적 특성을 고려하게 되어 마이크로파를 흡수하는 높은 극성용매인 간극수, 결합수분, 내부보유수로 이루어져 있어 마이크로파 조사 시 수분들은 마이크로파를 흡수하여 분자회전력을 높여 수분자체에서 발열반응을 하기 때문에 150℃ 이하의 낮은 온도에서도 결합수분 및 모관결합수를 분해 건조할 수 있게 된다.

이때, 첨가되는 소수성을 갖는 하수슬러지의 탄소성분은 제1폐기물의 친수성을 갖는 결합수분과의 척력/반발력이 발생하여 분해된 수분을 슬러지 고형물 외부로 밀어내는 작용을 하는 촉매역할을 하게 된다.

상기 마이크로파 열원에 의해 150℃에서 분해 및 건조가 이루어지는 제1폐기물의 간극수, 모관결합수, 내부보유수의 난해성 수분을 150℃ 이하, 바람직하게는 100 내지 150℃의 온도에서 0.15 내지 1시간 동안 건조시켜서 수분함량을 10% 이하의 제1폐기물로 제조하고, 상기 건조된 제1폐기물을 하수슬러지와 혼합하여 연료용 펠렛으로 제조하게 된다.

한편, 상기 제1폐기물의 총중량에 대하여 점토, 황토, 규조토, 산성백토(생석회) 중 어느 하나인 점결제가 1~5wt%가 공급되며, 상기 점결제는 제1폐기물과 슬러지로 혼합하여 제조된 펠렛을 연소시 발생되는 악취를 흡착시키게 된다.

또한, 상기 제1폐기물의 총 중량에 대하여 톱밥, 왕겨, 폐지 또는 폐타이어 중 하나이상을 선택하여 5~10wt%로 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛을 제공한다.

또한, 제조된 연료용 펠렛의 초기 발화력을 높이기 위해 EVA스폰지, PP 또는 PE 스폰지 중 택일하여 제1폐기물의 총 중량에 대하여 1-5wt%를 더 첨가하여 제공된다.

상기 EVA스폰지, PP 또는 PE 스폰지는 그 처리에 곤란을 겼고 있다. 이 발명은 위와 같이 그 처리방안이 시급한 폐스폰지의 자원화 기술을 제공하여 자원 재활용함과 아울러 연료용 펠렛의 발화율을 높이는 데 제공된다.

실시예 2 : 슬러지 고형연료의 제조

상기 실시예 1에서 제조한 슬러지 연료화 펠렛 조성물을 온도 50~150℃에서 1~10초간 용융하여 직경 5~50mm, 길이 2~20cm의 원통형 펠렛의 고형연료를 제조하였다.

실시예 3 : 슬러지 고형연료의 물성 비교

상기 실시예 2에서 제조한 슬러지 고형연료의 물성을 평가하여, 대조구로서 건조 슬러지와 석탄과 비교하였다.

그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

물성	연료용 펠렛 제품	슬러지 (건조)	석탄
성상	고형 성형품	과립+분말	무연괴탄, 분탄
수분(%)	20% 이하	30% 이하	15% 이하
열량( kcal / kg )	4,500~6,500	2,000~4,000	3,000~7,000
휘발분 (%)	10~50	30~50	2~7
고정탄소분(%)	25~50	15~25	50~80
회분(%)	10~25	30~60	15~40
연소성	매우 양호	매우 불량	양호

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 대조구인 건조 하수 슬러지에 비해 본 발명에 따른 슬러지 고형연료가 열량, 회분 및 점화성에 있어서 연료로서 고효율을 가짐을 알 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 슬러지 연료용 펠렛을 이용하여 제조한 슬러지 고형연료가 완전연소를 도와주면서 슬러지의 최대발열량을 향상시키고 건조 하수 슬러지 보다 최대연소를 통한 회분 및 열량이 향상됨을 알 수 있다.

통상적으로 종래 슬러지를 연료화하기 위해 석탄이나 폐유를 첨가하는 경우,상용화에 필요한 열원을 제공하고, 또한 완전 연소를 구현하는데 있어 석탄 또는 폐유를 20%이상 첨가하여 사용하였으나, 본 발명에서는 슬러지 연료화 펠렛을 사용하여 슬러지 고형연료를 제조하였다.

이에 따른 본 발명의 슬러지 고형연료는 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 건조 하수 슬러지 보다 발열량이 크게 향상된 것을 알 수 있다.

실시예 4 : 슬러지 고형연료의 건조시험

본 발명에 따른 슬러지 연료용 펠렛 조성물에서 생활쓰레기중 폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 혼합물인 제1폐기물 50~20wt%와 슬러지 하수슬러지 50~80wt%를 혼합하여 건조 시 함수비 20%에 도달하는 시간을 하수 슬러지와 비교 시험하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

건조항목	슬러지 연료화 촉진제 조성물 혼합건조시간	하수 슬러지 (원시료)
함수비 81% 하수슬러지가 함수비 20% 도달하는 시간	10분	25분 이상

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예의 결과와 마찬가지로 본 발명에 따른 슬러지 고형연료는 건조 시 건조효과가 우수하였다.

즉, 본 발명에 따른 슬러지 연료화 펠렛 조성물을 통한 증발잠열의 감소로 전위 발열량은 향상되면서 수분함량은 떨어지고 발열량은 향상되는 것이다.

이와 같은 본 발명을 특정한 실시예로 설명하였지만, 본 발명의 슬러지 연료화 펠렛 조성물과 이를 이용한 제조한 고형연료는 본 발명을 바탕으로 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.

한편, 상기 원통형의 펠렛으로 만드는 과정에서 내부에 슬러지를 함유하고, 표면에 생활쓰레기중 폐비닐, 폐플라스틱 혼합물인 제1폐기물이 코팅되어 형성되며, 이러한 내부에 슬러지와 표면에 제1폐기물로 코팅되는 공법은 압출가공(Extrusion)공법을 이용하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 실시예에서 제시한 각 성분의 혼합 비율은 사용 용도에 따라서 혼합비율 과 성형방법, 건조과정, 연료화과정에 따라 다양하게 변경되어질 수도 있다. 그러나 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상으로 부터 별개인 것으로 이해되어서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

폐비닐과 폐플라스틱을 혼합한 혼합물인 제1폐기물을 고주파 건조기에서 마이크로파 100~300GHz의 주파수를 공급하여 100~150℃의 온도에서 0.15~1시간 동안 건조시켜 수분함량을 10% 이하로 제조된 제1폐기물에서 상기 마이크로파가 조사된 제1폐기물의 총중량에 대하여 점토, 황토, 규조토 중 어느 하나인 점결제가 1~5wt% 첨가한 제1폐기물 50~20wt%와 하수슬러지 50~80wt%를 용융기에서 온도 50~150℃에서 1~10초간 용융하여 직경 5~50mm, 길이 2~20cm의 원통형 펠렛을 제조하도록 하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛.
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제1항에 있어서, EVA스폰지, PP 또는 PE 스폰지 중 택일하여 마이크로파에 의해 조사된 제1폐기물의 총 중량에 대하여 1-5wt%를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용한 연료용 펠렛.