KR101433141B1 - 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 법정 폐기물인 하수슬러지를 중화 처리함과 동시에 건조 처리된 하수슬러지를 재활용하여 열량이 높은 고효율의 연료를 얻을 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.
전술한 본 발명의 특징은, 하수슬러지를 수거하여 열매체유를 고르게 혼합하면서 열을 가하여 건조시키는 1차 건조단계; 열매체유가 혼합된 하수슬러지를 건조탱크에 투입하고, 진공상태에서 열을 가하여 수분을 건조시키는 2차 건조단계; 건조된 하수슬러지를 원심 분리하여 유분을 분리하는 단계; 수분과 유분이 분리된 하수슬러지 분말에 탄소 첨가제를 혼합하고, 물을 투입하여 반죽하는 단계; 반죽물을 압출성형기에 투입하고 스크루로 압축 · 이송하여 배출하면서 절단하여 고형연료를 성형하는 단계; 성형된 고형연료를 건조하여 연료탄을 완성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

Description

하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법{a manufacturing method of Refuse Derived Fuel using sewage sludge}

본 발명은 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 법정 폐기물인 하수슬러지를 중화 처리함과 동시에 건조 처리된 하수슬러지를 재활용하여 열량이 높은 고효율의 연료를 얻을 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.

현재 대한민국에서 발생되는 음식물쓰레기의 양은 약 11,798톤에 상당하여 전체 고형폐기물의 약 26.5％를 차지하고 있으며, 이로 인해 음식물쓰레기는 수집 및 운반, 매립에 있어 부패, 악취, 침출수의 발생 등 여러 가지 환경문제를 유발하고 있다.

또한, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 가축분뇨, 동식물 잔재물 등의 유기성 폐기물은 주로 해양에 투기되고 있었으나, 런던협약에 의하여 하수슬러지와 가축분뇨는 2012년부터, 음식물쓰레기는 2013년부터 해양배출이 금지되어 있으며, 이러한 유기성 폐자원을 2012년까지는 25％, 2020년까지 100％ 바이오가스화 또는 고형연료화를 추진할 계획이다.

특히, 음식물쓰레기는 우리의 문화적 특성에 의해 그 발생 비중이 매우 높다는 점을 감안하면 에너지 자원화로서의 이용가치가 충분할 것으로 판단되며, 생활폐기물은 1990년대에 들어서 정부의 각종 정책에 힘입어 감소하고 있으나, 음식물쓰레기의 발생량에는 큰 변화가 없는 실정이며, 향후 인구증가와 삶의 질 향상으로 인하여 발생되는 량도 크게 증가할 것으로 전망된다.

따라서, 전술한 폐기물들을 고형연료화 할 수 있는 처리방법이 절실히 요구되었다. 상기 고형연료 중에서 연료탄은 석탄이나 코크스와 같은 연료를 처리하여 탄소성분을 갖는 물질로 가공한 것으로서 연소시키면 용해하여 덩어리 모양으로 굳는 성질을 가진 연료탄의 일종으로 점결성(粘結性)의 정도에 따라서 발전용·제철용·주물용과 같이 다양한 목적으로 사용된다.

종래에는 등록특허 제10-0770371호 "폐지를 이용한 고형 연료탄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형 연료탄"(선행기술1) 및 등록특허 제10-0979391호 "입자 왕겨 연료탄 및 그 제조방법"(선행기술2)이 제안된 바 있다.

상기 선행기술1은 폐신문지류를 물에 담그고 부풀려 침상구조의 섬유질을 얻는 단계; 섬유질혼합물에 대하여 전분 3∼15중량％를 혼합하고 95℃∼100℃의 온도로 10분 이상 끓이는 단계; 섬유질과 전분의 혼합물 10∼40중량％와 미분탄 60∼90 중량％를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 압축하면서 압출하여 일정 크기로 절단하는 단계; 절단된 성형물에 진동을 부여하면서 구르게 하여 5∼30㎜의 직경을 갖는 구(球) 형상의 고형 연료탄을 형성하는 단계; 고형 연료탄을 건조하는 단계를 포함하는 폐지를 이용한 고형 연료탄의 제조방법이고,

상기 선행기술2는 왕겨 속에 이물질을 망으로 걸러내는 이물질 선별 단계; 선별이 완료된 왕겨에 포함된 수분을 건조시키고, 휘발성 물질을 제거하는 건조단계; 코코넛 껍질, 팜 열매 껍질, 크리미 열매 껍질, 왕겨를 300∼450℃의 온도로 열처리하여 각각 숯을 형성하는 탄화단계; 탄화된 각각의 숯을 분쇄하여 8∼20메시 입도를 갖는 망으로 걸러내어 분말 상태의 탄화촉진제를 형성하는 분쇄단계; 분쇄된 탄화촉진제와 왕겨를 고르게 혼합하는 단계; 탄화촉진제와 왕겨의 혼합물을 55kg/㎠의 압력으로 압축하여 200∼350mm 크기를 갖는 왕겨 연료탄을 성형하는 압축성형 단계; 압축성형이 완료된 왕겨 연료탄을 냉각하고 포장하는 단계를 포함하여 이루어진 입자 왕겨 연료탄 제조 방법이다.

그러나, 종래의 선행기술1,2들은 연료탄의 제조에 사용되는 자재인 폐지와 왕겨는 쉽게 착화되어 연소되는 재질이므로 별도의 가공처리를 하지 않더라도 난방연료 등으로 사용할 수 있고, 기타 자원으로 재활용이 가능한 제품이므로 버려지는 폐기물을 고형연료화 할 수 있는 등의 효과는 기대할 수 없었다.

또한, 폐지와 왕겨는 일반적인 처리시설에서 간단하게 소각하여 처리하거나 재활용하여 사용할 수 있는 것이므로 본 발명과 같이 버려지는 폐기물을 정화처리 함과 동시에 재활용할 수 있도록 하는 기술은 찾아볼 수 없었다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 그 목적은 하수처리장에서 반입된 하수슬러지를 중화 처리하면서 하수슬러지를 재활용하여 열량이 높은 고효율의 연료를 얻을 수 있도록 한 하수슬러지를 이용한 연료탄의 제조방법을 제공함에 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 하수슬러지를 수거하여 열매체유를 고르게 혼합하면서 열을 가하여 건조시키는 1차 건조단계; 열매체유가 혼합된 하수슬러지를 건조탱크에 투입하고, 진공상태에서 열을 가하여 수분을 건조시키는 2차 건조단계; 건조된 하수슬러지를 원심 분리하여 유분을 분리하는 단계; 수분과 유분이 분리된 하수슬러지 분말에 탄소 첨가제를 혼합하고, 미량의 수분을 투입하여 반죽하는 단계; 반죽물을 압출성형기에 투입하고 스크루로 압축 · 이송하여 배출하면서 절단하여 고형연료를 성형하는 단계; 성형된 고형연료를 건조하여 연료탄을 완성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

이상에서 상술한 제조과정을 통해 완성된 본 발명의 연료탄은 수도권매립지에서 반입되는 하수슬러지를 정화 처리하여 환경오염을 방지하는 한편, 폐기물을 재활용하여 열량이 높은 연료탄을 제조한 것이므로 발전용·제철용과 같은 산업연료의 대체연료로 적극 활용할 수 있는 등의 이점이 있는 동시에 하수슬러지의 건조처리과정에서 열매체유를 혼합하여 비등점 차이를 이용한 건조가 진행되는 것이므로 적은 연료로 낮은 함수율까지 슬러지를 건조할 수 있어 에너지효율을 높여줄 수 있을 뿐 아니라 효율적인 건조가 이루어져 배기가스의 발생이 적게 이루어지면서도 소량으로 발생되는 악취는 보일러에서 연소되는 과정에서 처리되는 것이므로 대기의 환경오염을 방지할 수 있는 것으로서 대외 경쟁력이 우수한 고효율·고기능성의 고형연료화 제조방법을 제공할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 연료탄의 제조과정을 순차적으로 나타낸 제조공정도,
도 2는 본 발명에 의한 연료탄 제조장치를 개략적으로 나타낸 장치도.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1의 제조공정도와 도 2의 개략적인 장치도에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

수도권매립지에서 반입되는 하수슬러지를 수거하여 보관하는 슬러지 공급탱크(1)와 열매체유를 보관하는 기름 공급탱크(2)에서 하수슬러지와 열매체유를 각각 배출하여 혼합기(4)로 공급한 후 열을 가하면서 고르게 혼합하는 단계를 실시하였다.

상기 단계에서 사용된 열매체유는 C중유(C fuel oil), 폐식용유, 폐광물유 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것을 사용하였으며, 하수슬러지 40∼60중량％와 열매체유 40∼60중량％를 혼합기(4)에 투입하여 모터에 의하여 회전되는 교반날개로 저어주면서 고르게 혼합하였다.

이때, 혼합기(4)의 내부온도를 70∼90℃로 가열하면서 약 20분간 하수슬러지를 1차 건조시켜 하수슬러지의 유동성을 증대시킴과 아울러 하수슬러지에 열매체유가 고르게 혼합되도록 하여 하수슬러지에 포함된 수분을 효과적으로 증발시키고 열량을 높여 후술되는 2차 건조에서 효과적인 건조가 이루어질 수 있도록 하였다.

이어서, 열매체유가 혼합되어 1차 건조가 이루어진 하수슬러지를 건조탱크(4)에 투입하고, 진공상태에서 열을 가하여 수분을 건조시키는 2차 건조를 실시하였다.

상기 단계에서는 건조탱크(4)의 내부에 투입된 슬러지를 -450torr의 진공(眞空) 상태에서 감압(減壓)하여 수분의 증발이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 한편, 건조탱크(4)의 내부온도가 80∼100℃가 유지되도록 가열하면서 40∼50분간 건조시켜 수분 함수율이 1％ 이하가 되도록 건조하였다.

이때, 건조과정에서 발생되는 수분과 가스는 기액분리기(5)를 통과시켜 수분과 가스를 분리한 후 응축하여 가스는 보일러 등의 연료로 연소시키고 수분은 오수 처리장치를 통해 정수(淨水) 처리하였다.

이어서, 건조된 하수슬러지를 원심분리기(6)에 투입하고, 내통을 고속 회전시켜 하수슬러지에 포함된 유분을 분리시키는 원심분리 단계를 실시하였다.

상기 하수슬러지에서 분리된 유분(oil)은 저장용기(2a)에 일시 저장하였다가 폐기처리 하거나 기름 공급탱크(2)로 이송되어 재활용된다.

이어서, 수분과 유분이 분리된 하수슬러지 분말 75∼90중량％에 탄소 첨가제 10∼25중량％를 고르게 혼합하고 미량의 수분을 투입하여 반죽하는 단계를 실시하였다.

상기 탄소 첨가제는 탄소질 함유량이 높은 무연탄, 유연탄, 열처리 유연탄, 페트로 코크스(Petro cokes) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것을 사용하였다.

이어서, 하수슬러지와 탄소 첨가제 반죽물을 압출성형기(7)에 투입하여 바렐(barrel) 내부에서 회전하는 스크루(screw)로 압축 및 이송하여 컨베이어(Conveyer)를 통해 배출하면서 절단하여 고형연료를 성형하는 단계를 실시하였다.

이어서, 성형이 완료된 고형연료를 함수율 10％ 이하로 건조하여 연료탄(8)을 완성하였다.

본 발명의 제조방법에 의하여 완성된 연료탄(8)은 4,000Kcal/Kg 이상의 발열량을 갖는 고효율의 고형연료를 얻을 수 있었으며 GR기준인 고정탄소 20％이상, 휘발성분 50％이하, 회분 35％이하, 수분 10％이하, 시안화합물 1.0mg/L이하, 구리 3.0mg/l이하, 카드뮴 0.3mg/l이하, 수은 0.005mg/l이하, 비소 1.5mg/l이하, 납 3.0mg/l이하, 6가크롬 1.5mg/l이하인 GR인증 기준을 충족하는 고효율 · 고기능성을 갖는 연료탄을 제조할 수 있었다.

전술한 제조과정을 통해 완성된 본 발명의 연료탄은 수도권매립지에서 반입되는 하수슬러지를 건조 및 정화 처리하여 환경오염을 방지하는 한편, 폐기물을 재활용하여 열량이 높은 연료탄을 제조한 것이므로 발전용·제철용과 같은 산업연료의 대체연료로 적극 활용할 수 있는 등의 이점이 있는 것이다.

또한, 하수슬러지의 처리과정에서 열매체유를 혼합하여 비등점 차이를 이용한 건조가 진행되는 것이므로 적은 연료로 낮은 함수율까지 슬러지를 건조할 수 있고 생산된 건조슬러지를 연료탄으로 생산하여 공정에 재이용하여 공정에 사용되는 에너지효율을 높여줄 수 있는 동시에 매체유를 사용하여 건조장치의 내구성이 높으면서도 유지보수비용을 절감시킬 수 있고, 감압상태에서 건조처리를 함으로 효율적인 건조가 이루어져 배기가스의 발생이 적게 이루어지면서도 소량으로 발생되는 악취는 보일러와 연계하여 산화처리하여 대기의 환경오염을 효과적으로 방지할 수 있는 것으로서 고효율·고기능성의 연료탄 제조방법을 제공할 수 있는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

1 : 슬러지 공급탱크
2 : 기름 공급탱크
2a : 저장용기
3 : 혼합기
4 : 건조탱크
5 : 기액분리기
6 : 원심분리기
7 : 압출성형기
8 : 연료탄

Claims (6)

1. 하수슬러지를 수거하여 열매체유를 고르게 혼합하면서 열을 가하여 건조시키는 1차 건조단계;
   열매체유가 혼합된 하수슬러지를 건조탱크에 투입하고, 진공상태에서 열을 가하여 수분을 건조시키는 2차 건조단계;
   건조된 하수슬러지를 원심 분리하여 유분을 분리하는 단계;
   수분과 유분이 분리된 하수슬러지 분말에 탄소 첨가제를 혼합하고, 수분을 투입하여 반죽하는 단계;
   반죽물을 압출성형기에 투입하고 스크루로 압축 · 이송하여 배출하면서 절단하여 고형연료를 성형하는 단계;
   성형된 고형연료를 건조하여 연료탄을 완성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 하수슬러지와 열매체유의 혼합은 하수슬러지 40∼60중량％와 열매체유 40∼60중량％로 이루어지고,
   상기 열매체유는 C중유, 폐식용유, 폐광물유 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 반죽단계에서 혼합비율은 수분과 유분이 분리된 하수슬러지 분말 75∼90중량％에 탄소 첨가제 10∼25중량％의 혼합으로 이루어지고,
   상기 탄소 첨가제는 무연탄, 유연탄, 열처리 유연탄, 페트로 코크스(Petro cokes) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 하수슬러지에서 분리된 유분(oil)은 저장용기에 일시 저장하였다가 기름 공급탱크로 공급되어 재활용되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 반죽물을 성형하는 압출성형기는, 바렐(barrel) 내부에서 회전하는 스크루(screw)로 반죽물을 압축 및 이송하여 컨베이어(Conveyer)를 통해 배출하면서 절단하여 고형연료를 성형할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   완성된 연료탄의 발열량은 4,000Kcal/Kg 이상이고, 고정탄소 20％이상, 휘발성분 50％이하, 회분 35％이하, 수분 10％이하, 시안화합물 1.0mg/L이하, 구리 3.0mg/l이하, 카드뮴 0.3mg/l이하, 수은 0.005mg/l이하, 비소 1.5mg/l이하, 납 3.0mg/l이하, 6가크롬 1.5mg/l 이하인 것을 특징으로 하는 하수슬러지를 이용한 고형연료화 제조방법.

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