KR101377197B1 - 대체 연료용 하수 슬러지 펠렛과 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석유나 석탄 등과 같은 화석연료를 대체할 수 있는 대체 연료에 관한 것으로, 상세하게는 상/하수 처리 과정에서 나오는 각종 슬러지를 이용한 대체연료용 하수 슬러지 펠렛과 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하수용 슬러지 펠릿을 제조함에 있어, 슬러지에 함유되어 있는 수분을 빠르고 간편하게 제거할 수 있도록 하여 에너지의 낭비를 절감할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 하수 슬러지를 건조시켜 수분율 10% 미만의 펠렛화 하여서 된 것으로, 슬러지를 응집시키는 폴리머를 제거한 다음 건조를 함으로써 슬러지가 함유하고 있는 수분을 쉽게 증발시켜 건조의 효율을 높일 수가 있다.
따라서 본 발명은 하수 슬러지 펄렛의 건조 작업시간을 단축하고, 이로 인하여 건조시 발생하는 에너지의 낭비를 획기적으로 절감할 수가 있는 유용한 발명이다.

Description

대체 연료용 하수 슬러지 펠렛과 그 제조 방법{The sewage sludge pellet for alternative fuel and thereof manufacturing method}

본 발명은 석유나 석탄 등과 같은 화석연료를 대체할 수 있는 대체 연료에 관한 것으로, 상세하게는 상/하수 처리 과정에서 나오는 각종 슬러지를 이용한 대체연료용 하수 슬러지 펠렛과 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 2013년부터 음식물 폐수(음폐수)의 해양투기가 금지됨에 따라 음폐수 처리문제의 해결과 이를 활용한 자원화 처리방안이 정부와 각 지자체의 현안으로 부상하고 있다.

그리고 우리나라는 지난 1992년 산업폐기물을 포함한 각종 폐기물의 해양투기로 인한 해양오염을 방지하고자 채택된 런던협약에 가입하였으나, 해양투기를 금지하지는 않았으며 이로 인하여 해양투기로 인한 문제는 심각했다.

따라서 중금속 등 유해물질이 투기해역에 침전돼 해저퇴적물 오염이 심화됐고, 지난 2005년에는 동해투기해역 조사 결과에서 고동 류는 카드뮴 기준치의 15배, 홍게는 2배 초과한 것으로 나타났다.

또한 외교적으로도 주변국과 마찰이 발생했다. 즉 런던협약 가입국(86개국) 중 우리나라가 유일하게 하수오니를 해양에 배출하면서 다른 가입국들이 지속적인 시정을 촉구하였고 여기에 일본과 중국이 우리나라에 해양투기 실태조사 및 중단을 촉구하기에 이르렀다.

결국 우리나라 정부는 지난 2009년 기존 협약보다 강화된 '런던협약 96의정서'에 가입하면서 육상폐기물의 해양투기 금지를 준비해왔다.

이후 정부는 2012년 하수오니 및 가축분뇨 해양배출 금지, 올해는 2013년 음식물류폐기물폐수(음폐수) 해양배출 금지 등 단계적으로 실시했고 내년에는 산업폐수와 폐수오니 등 산업폐기물의 해양투기가 금지될 예정이다.

그리고 현대에는 산업발달로 인하여 에너지의 사용량이 급격히 늘어났고 에너지의 사용량의 증가로 인하여 화석연료의 매장량이 감소하면서 연료부족이라는 심각한 문제점을 않고 있다.

그리고 화석연료는 지구상에서 매장 지역, 즉 자원의 편중이 심하기 때문에 가격과 공급 면에서 항상 불안정한 요소를 지니고 있으며, 우리나라와 같은 석유 비생산국임과 동시에 자원이 부족한 국가는 에너지파동에 민감하며, 이로 인하여 화석연료를 대체할 대체 연료의 개발을 하고 있는 추세이다.

따라서 최근에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 국내외의 수많은 하수종말처리장 및 하수처리 과정에서 발생하는 하수도의 슬러지를 수거하였고 수거된 슬러지 가공하여 대체연료로 사용하였다.

상기 종래에 하수 슬러지를 이용한 대체연료의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

하수 슬러지를 수거한 다음 슬러지에 톱밥이나 폐합성수지 또는 석탄 등을 혼합하여 성형한 다음 다시 건조하여 펠렛을 제작하여 연료로 사용하였다.

그러나 종래에 사용되어온 슬러지를 이용한 대체연료의 제조방법은 작업 시간이 오래 걸리고, 슬러지를 대체 연료로 사용하기 위하여 슬러지를 건조하는 에너지의 낭비가 심한 문제점이 있다.

좀더 상세하게 설명하면 하수처리장에서 슬러지를 수집하게 되면 슬러지에는

97%의 수분과 3%의 슬러지로 건져지게 된다.

따라서 하수 처리장에서는 물속에서 슬러지를 응집시키기 위하여 폴리머(polymer)를 투입하여 슬러지가 응집되게 한다음 슬러지를 건져 올리게 된다.

상기와 같이 폴리머에 의하여 응집된 슬러지를 탈수하여 수분율이 78~83%인 슬러지를 만들어지게 된다.

이때 하수 슬러지는 수분율 약 80%에서 슬러지 속의 슬러지를 응집시키는 폴리머가 혼합되어 있기 때문에 폴리머에 의하여 수분이 배출되지 않아 쉽게 건조된 펠렛을 만들 수 없다.

수분율 공식 : 수분무게X는 100: X+완전건조무게 = 수분율 :X

수분율을 80%에서 70%로 낮추면 수분무게가 80에서 47로 낮추어져 전조할 때 전기료가 59% 들고, 80%에서 60%로 낮추면 수분무게가 80에서 30으로 낮추어져 건조할때 전기료가 37,5%가 든다.

상기의 표에서 와 같이 수분율이 약 80%인 슬러지 속에 1Kg의 수분이 있다고 가정할 때, 수분율을 약 80%에서 약 70%로 낮추는데 10분의 건조로 330g의 수분을 증발시킬 수가 있다.

여기서 다시 수분율을 약 50~70%로 낮추는데 30분 동안의 건조로 270g의 수분 밖에 증발 시키지 못했다.

그 이유는 수분율이 적어질수록 하수 슬러지 속에 폴리머가 응집되어 있어서 수분의 증발을 막기 때문이다.

따라서 종래에는 슬러지를 대체 연료로 사용하기 위하여 건조되는 시간이 많이 걸리고, 이로 인한 비용이 고가여서 슬러지를 이용한 대체연료가 종래의 화석연료와 그 비용이 비슷하거나 더 높아 하수 슬러지를 이용한 대체연료의 사용이 어려운 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 슬러지의 내부에 톱밥이나 석탄 또는 폐합성수지를 혼합하여 대체연료를 제작하는 방법(대한민국 특허 제10-0681494호)이 안출되였다

그러나 상기의 특허는 슬러지에 톱밥이나 석탄 또는 폐합성수지를 혼합하여 열 효율을 높인 대체연료로서, 이를 제작하기 위하여 슬러지에 함유되어 있는 수분을 탈수하여 건조하는 작업이 오래 걸리고 비용이 고가인 문제점이 있다.

본 발명의 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 특허 제1-1216148호 슬러지 건조방법 및 그 장치(2012년 12월 31일공고)와 특허 제10-1310816호 대체연료용 슬러지 건조방법(2013년 9월 25일 공고)및 특허 제10-1123832호 슬러지 성형장치(2012년 3월 16일 공고)를 발명하였다.

상기의 특허들은 슬러지에 함유되어 있는 수분을 제거하기 위하고 대체연료의 효율을 높이기 위한 것이다.

그러나 상기의 방법들은 건조 시간이 오래 걸리는 단점이 있고, 에너지의 사용이 비 효율적인 문제점이 있다.

즉 하수 처리장에서 슬러지를 건저 올리기 위하여 슬리지에 폴리머를 투입하여 슬러지를 응집시키게 되는 되는바, 응집된 슬러지를 건저 올린 다음 슬러지에 함유된 수분을 제거하기 위하여 탈 수 및 건조할 때 슬러지에 함유되어 있는 폴리머가 수분이 증발되는 것을 차단하게 되므로 작업 시간이 오래 걸리고 에너지의 낭비가 심하였다.

좀더 상세하게 설명하면 종래에 슬러지를 가로 200㎜, 세로400㎜, 두께 10㎜ 크기로 성형하고 이 슬러지를 건조기에 넣고 건조하면 다음과 같다.

건조하기 전의 상태	건조 후의 상태

.상기와 같이 왼쪽 사진처럼 슬러지를 가로200mm*세로400mm*두께10mm 사이즈로 건조기에 넣고 건조하면 오른쪽 사진처럼 폴리머의 응집력 때문에 슬러지가 자기들끼리 응집하여 수분이 증발하는 것을 방해하여 잘 건조되지 않는다.

따라서 종래에는 슬러지를 전조하여 대체연료로 사용할 때 슬러지를 응집하고 있는 폴리머로 인하여 건조시간이 오래 걸리고, 이로 인한 에너지의 낭비가 심한 문제점이 있다.

대한민국 특허 제10-0681494호(2007년 2월 12일 공고) 대한민국 특허 제1-1216148호(2012년 12월 31일공고) 대한민국 특허 제10-1310816호(2013년 9월 25일 공고) 대한민국 특허 제10-1123832호(2012년 3월 16일 공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하수용 슬러지 펠릿을 제조함에 있어, 슬러지에 함유되어 있는 수분을 빠르고 간편하게 제거할 수 있도록 하여 에너지의 낭비를 절감할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 부가적인 목적으로는 하수용 슬러지에 함유되어 슬러지를 응집시키는 폴리머를 슬러지 건조시에 제거할 수 있도록 하여 슬러지의 건조 효율을 최대로 높이는데 그 부가적인 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단을 설명하면 다음과 같다.

하수 슬러지를 응집시키기 위하여 하수 종말처리장에서 슬러지에 폴리머를 혼합하는 폴리머 혼합단계;

상기 하수처리과정에서 수집된 폴리머가 혼합되어 슬러지가 응집되고 수분율 80%를 혼합하고 있는 슬러지를 전기삼투분해 하여 슬러지가 함유하고 있는 폴리머를 증발시키고 수분을 배출시켜 수분율이 65%가 되도록 하고 폴리머를 1차 제거하는 전기삼투분해단계;

상기 전기삼투분해 단계에 의하여 수분율이 65%가 된 슬러지에 톱밥을 무게비로 슬러지의 5%를 투입하여 혼합함으로써 전기삼투분해탈수 후 슬러지에 남아 있는 잔여 폴리머와 수분(약5%)이 톱밥에 흡수되어 제거되는 폴리머 2차 제거단계;

상기 폴리머 제거단계에 의하여 슬러지에 혼합되어 있는 폴리머를 제거한 다음 슬러지를 성형기에 투입하여 지름 10㎜ 두께 이하(4~6㎜의 크기가 가장 효율적임)로 압착 성형하여 수분율 60%의 펠렛을 만드는 펠렛 성형단계;

상기 펠렛 성형단계에 의하여 성형된 슬러지 펠렛을 투입하여 컨베이어에 의하여 이송되는 펠렛에 원적외선을 조사하고, 히터에 의하여 가열된 열풍이 공급되어 건조시키는 건조기에 투입하여 슬러지 펠렛을 건조시켜 수분율 10% 이하로 건조시키는 건조단계; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

실시 예

상기 건조공정에 있어서,

원적외선이 조사되는 램프와 컨베이어를 타고 이송되는 하수 슬러지 펠렛 사이의 높이는 90mm ~ 40mm가 되도록 하여서 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 건조기는 다음과 같다.

전기 삼투분해 탈수기(1)가 설치되고 슬러지를 투입하여 하수 슬러지를 펠렛으로 성형시키는 성형기(2)의 배출부 하단에 설치되며 하수 슬러지 펠렛(3)을 일정한 속도로 이송시키는 이송 컨베이어(8);

상기 이송 컨베이어(8)의 상부에 일정한 간격으로 다수 개가 설치되어 이송 컨베이어 상측으로 원적외선을 조사시키는 원적외선 램프(4);

상기 이송 컨베이어(8)의 하단에 일정한 간격으로 다수 개가 설치되어 하수 슬러지 펠렛(3)을 가열하는 발열체(7);

상기 원적외선 램프(4)가 설치된 몸체의 상부와 하수 슬러지 펠렛(3)을 가열하는 발열체(7)의 하단부에 일정한 간격으로 설치되어 하수 슬러지에서 배출되는 증기를 흡입하여 외부로 배출하는 팬(5)(6); 이 포함된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하수 슬러지를 건조시켜 수분율 10% 미만의 펠렛화 하여서 된 것으로, 슬러지를 응집시키는 폴리머를 제거한 다음 건조를 함으로써 슬러지가 함유하고 있는 수분을 쉽게 증발시켜 건조의 효율을 높일 수가 있다.

따라서 본 발명은 하수 슬러지 펄렛의 건조 작업시간을 단축하고, 이로 인하여 건조시 발생하는 에너지의 낭비를 획기적으로 절감할 수가 있는 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명의 방법을 보인 블럭도
도 2는 본 발명 건조기를 보인 개략도
도 3은 본 발명 하수 슬러지 펠렛이 건조되기 전의 상태를 보인 개략도
도 4는 본 발명 하수 슬러지 펠렛이 건조 된 상태를 보인 개략도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1에서와 같이 하수처리 과정에서 폴리머를 혼합하여 응집된 슬러지를 수거하면 슬러지에는 수분율 80%가 남아 있는 되고, 이 상태에서 수분율 80%인 슬러지를 전기삼투분해 탈수장치에 투입하여 슬러지에 함유된 수분을 배출시키며 이때 슬러지 속에 있는 폴리머도 분해되어 함께 증발되어 1차 제거시킨다.

상기와 같이 슬러지를 전기삼투분해 시키면 슬러지에는 수분율 65%가 남아 있게 되며, 수분율 65% 인 슬러지에 톱밥을 무게비로 슬러지의 5%를 투입하여 혼합함으로써 전기삼투분해탈수 후 슬러지에 남아 있는 잔여 폴리머가 와 수분(약5%)이 톱밥에 흡수되어 2차 제거시킨다.

이와 같이 슬러지에 혼합되어 수분이 증발되는 것을 방해하고 있는 폴리머를 톱밥을 투입하여 제거한 다음 슬러지를 성형기에 투입하여 지름10㎜ 이하(4~5㎜가 가장 효율적임)의 크기로 압착 성형하여 수분율 60%의 펠렛을 만든다.

상기와 같이 지름10㎜ 이하(4~5㎜가 가장 효율적임)의 크기로 압착 성형하여 수분율 60%의 펠렛을 컨베이어에 의하여 이송되며 상부에서 다수개가 설치되어 펠렛에 원적외선을 조사하고, 중간부에는 다수개가 설치되어 히터에 의하여 가열된 열풍이 공급되어 건조시되며 슬러지에서 증발된 수분을 배출시키는 다수 개의 팬이 설치된 건조기에 투입하여 슬러지 펠렛을 건조시켜 수분율 10% 이하로 건조시키면 되는 것이다.

한편 상기 건조기에서 하수 슬러지 펠렛을 이송시키는 컨베이어와 원적외선이 조사되는 램프 사이의 높이를 90mm ~ 40mm가 되도록 한다.

상기와 같이 본 발명은 현재 하수 슬러지에 톱밥 믹스하면 슬러지 속에 있는 폴리머가 톱밥에 흡수되어 펠렛으로 쉽게 만들 수가 있다.

그리고 톱밥을 혼합하여 건조한 하수 슬러지 펠렛은 약3,600~4,000cal로 보조연료화가 가능하다.

따라서 본 발명에 의하여 제조 된 하수 슬러지 펠렛은 우리나라의 화력발전소에서 보조연료로 사용할 수가 있다.

한편 톱밥이 혼합되어 슬러지에 있는 폴리머를 제거한 하수 슬러지 펠렛은 10mm 이하의 크기가 좋으며, 그 중에서 특히 4~5mm가 이상적이다.

그리고 화력발전소는 연료를 로에 불어서 넣는데 크기가 너무 작거나 가루 상태로 로에 불어 넣으면 로의 벽면에 붙어 버리고 너무 커면 불어 넣기 힘들므로 4~5mm 크기의 하수 슬러지 펠렛이 바람직하다.

그리고 수분 70~80%의 일반 하수 슬러지를 펠렛화 시키면 성형기에서 나오자마자 다시 바로 흩어져 버리고 고형화 되지 못한다.

따라서 하수 슬러지에 톱밥을 섞지 않으면 4~5mm도 건조가 잘 되지 않는다.

이때 하수 슬러지에 톱밥이 섞인 것과 비교하면 4배 정도의 건조 시간이 필요하여 효율이 저하된다.

이와 같이 성형기를 통하여 성형화 된 하수슬러지 펠렛을 도 2에서와 같이 건조기에 투입한다.

건조기에 투입된 하수 슬러지 펠렛은 건조기에 설치된 이송 컨베이어를 타고 이송되면서 건조기의 내부 상측에 설치된 원적외선 램프에 의하여 원적외선이 조사되어 수분을 가열하여 하수 슬러지에 있는 수분을 수분율 10% 미만으로 건조 시킨다.

이때 원적외선 램프와 하수 슬러지 펠렛 사이의 간격은 90mm 이하가 좋으며, 그중에서 도 특히 46mm가 가장 좋다.

상기와 같이 46mm 간격에서는 3분부터 펠렛의 가장자리가 타기 시작하며, 90mm 간격에서는 6분부터 펠렛의 가장자리가 타기 시작하여 46mm 간격이 90mm 간격 보다 전기세 1/2 밖에 들지 않는다.

한편 원적외선은 가시광선보다 파장이 길어서 눈에 보이지 않고 열작용이 크며 침투력이 강하며 분자에 대한 공진 및 공명 작용이 강하다. 특히 수분과 단백질 분자에 닿으면 잘 흡수되는 성질이 있으므로 깊숙이 침투하여 1분에 2,000번씩 미세하게 흔들어줌으로써 열을 만든다.

따라서 원적외선을 이용한 가열은 열 손실이 적고 가열시간이 단축되어 에너지 절약효과가 클 뿐 아니라 열 손실이 없이 단시간 내에 가열이 가능하므로 에너지 절약효과가 탁월할 하며 설비면적의 감소, 작업환경의 개선 등에 효과가 있다.

한편 하수 슬러지를 전기삼투분해하여 폴리머를 증발 배출시키고 톱밥을 섞어 남은 잔여 폴리머를 흡수하여 분자 간의 결합을 방해함으로써 쉽게 수분의 증발을 할 수 있게 되어 인체에 악영향을 미치는 마이크로웨이브를 사용하지 않고 원적외선을 사용하여 비교적 적은 에너지로 빠른 시간 내에 하수 슬러지 펠렛을 건조할 수 있다.

그러나 더 빠른 건조를 위하여 일정한 간격으로 다수 개가 설치되는 원적외선 사이에 마이크로웨이브를 배치하여 원적외 램프와 같이 사용하여도 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에 따라 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진자에겐 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

1. 전기 삼투분해 탈수기 2. 성형기
3. 하수 슬러지 펠렛 4. 원적외선 램프
5. 6. 팬 7. 발열체
8. 이송 컨베이어

Claims (3)

1. 하수 슬러지를 응집시키기 위하여 하수 종말처리장에서 슬러지에 폴리머를 혼합하는 폴리머 혼합단계;
   상기 하수종말처리장에서 수집된 폴리머가 혼합되어 슬러지가 응집되고 수분율 80%를 혼합하고 있는 슬러지를 전기삼투분해 하여 슬러지가 함유하고 있는 폴리머를 증발시키고 수분을 배출시켜 수분율이 65%가 되도록 하고 폴리머를 1차 제거하는 전기삼투분해단계;
   상기 전기삼투분해 단계에 의하여 수분율이 65%가 된 슬러지에 톱밥을 무게비로 슬러지의 5%를 투입하여 혼합함으로써 전기삼투분해탈수 후 슬러지에 남아 있는 잔여 폴리머와 수분5%이 톱밥에 흡수되어 제거되는 폴리머 2차 제거단계;
   상기 전기 삼투분해단계 및 폴리머 2차 제거단계에 의하여 슬러지에 혼합되어 있는 폴리머를 제거한 다음 슬러지를 성형기에 투입하여 지름 10㎜ 두께 4~6㎜의 크기로 압착 성형하여 수분율 60%의 펠렛을 만드는 펠렛 성형단계;
   상기 펠렛 성형단계에 의하여 성형된 슬러지 펠렛을 투입하여 컨베이어에 의하여 이송되는 펠렛에 원적외선을 조사하고, 히터에 의하여 가열된 열풍이 공급되어 건조시키는 건조기에 투입하여 슬러지 펠렛을 건조시켜 수분율 10% 이하로 건조시키는 건조단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 대체연료용 하수 슬러지 펠렛의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   원적외선이 조사되는 램프와 컨베이어를 타고 이송되는 하수 슬러지 펠렛 사이의 높이는 90mm ~ 40mm가 되도록 하여서 된 것을 특징으로 하는 대체연료용 하수 슬러지 펠렛의 제조 방법.
3. 제 1항의 제조방법에 의하여 제조된 하수 슬러지 펠렛을 특징으로 하는 대체연료용 하수 슬러지 펠렛.
   

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