KR101539224B1 - 바이오메스 고형연료의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하,폐수 처리장의 유기성 슬러지케익을 주원료로 이용한 바이오메스 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법에 의해 발열량이 3,000kcal/kg 이상이고, 함수율이 10중량% 이하인 고품질의 바이오메스 고형연료를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 슬러지를 주원료로 하는 고품질의 바이오메스 고형연료(biomass solid refuse fuel, B-SRF)의 제조방법에 관한 것이다.
2008년 환경부 통계에 따르면 전국 392개 하수처리장에서 하루에 1,711만톤의 하수처리가 이루어지고, 그 결과로 함수율 78 내지 82중량% 슬러지 케익 7,729톤 발생되며, 이중 4,732톤(61.2%)은 해양배출, 육상매립 149톤(1.5%), 소각 1,255톤(16.2%), 재활용 1,447톤(18.8%)이 최종처분 되었다.
슬러지는 매년 증가하여 2012년 말에는 하루 10,259톤이 발생되었고, 2013년 1월부터는 런던협약에 의해 해양보호 차원에서 해양배출이 전면 금지되면서 슬러지 발생 전량을 육상에서 처리, 처분하고 있다.
육상 처리방법은 함수율 78 내지 82중량%의 슬러지 케익을 함수율 50중량% 이하로 건조한 후 생활쓰레기와 혼합하여 소각시키는 방법과, 800℃ 열원에 의해 용융 및 탄화시킨 후, 톱밥을 섞어서 퇴비화하거나, 고화제를 첨가하여 매립지 복토제 등으로 사용하는 방법이 있으며, 이들 방법 모두 고가의 비용이 발생되어 비경제적이다. 구체적으로, 소각 외 톤당처리 비용의 경우, 용융은 톤당 63,874원, 고화는 64,791, 단순건조는 91,822원, 탄화공법은 112,884원인 것으로 알려졌다.
한편, 정부에서는 기후변화에 따른 국제적 대응의 일환으로, 저탄소 녹색성장과 폐자원 및 바이오메스 에너지 대책을 2009년 7월에 수립하여 법제화하였다. 그 내용은 에너지 자립도가 낮은 우리나라의 경우 에너지 자원의 안정적 확보가 시급하며, 이를 위해 재생에너지 등의 국가적 부존자원을 효율적이고 친환경적으로 이용하는데 있어서, 폐자원 바이오메스 중 대표적인 유기성 폐자원인 하폐수 슬러지를 고형연료화 함으로써 대체에너지 개발과 함께, 해양 배출을 줄이는 것이다. 정부의 고형연료화 사업의 추진현황은 광양 하수슬러지(10톤/일)와 수원시 하수슬러지(450톤/일) 사업을 시작으로, 국고 1,400억원을 투입하여 수도권 매립지내에 하루 2,100톤, 부산에 552억원의 시설비로 550톤/일, 광주에 320억원의 시설비로 하루 330톤, 대전하수처리장에 360억원을 들여 하루 300톤의 고형연료를 제조하는 시설이 운영되고 있다. 이들 사업들은 대형화 사업으로서 운영비가 많이 요구되는 데도 불구하고, 제조되는 고형연료는 국가 기준치에 매우 부족하여 화력발전소에서 석탄과 혼용해서 최종 처분되고 있는 실정이다.
이에 상기와 같은 문제점을 해결하고, 소비자가 선호하는 고품질의 고형원료를 제조하는 방법의 개발이 요구된다.
종래 슬러지를 이용한 고형연료 제조에 관한 기술로서, 한국특허등록 제1383914호에는 유기성 슬러지를 탈수건조 반응조에 넣고 수산화라디칼 발생장치를 이용하여 수산화라디칼에 의해 슬러지를 분해시킨 후, 분해된 유기성 슬러지와 가열된 열매체를 혼합하고, 탈수건조 하여 고체연료를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 또, 한국특허등록 제1369344호는 제지슬러지와 생활쓰레기를 섞어서 진공과 무산소 상태에서 열분해 시킨 후, 그 잔류 탄화물을 다시마 또는 우무와 같은 응집제와 혼합, 성형 건조시켜 고형연료를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
또 한국특허등록 제1319283호에는 슬러지에 열량보강제인 석탄회와 연소시 악취 발생을 예방하기 위한 탈취제 및 방향제를 첨가하여 고형 연료를 생산하는 방법이 기재되어 있으며, 한국특허등록 제1296011호에 하수슬러지와 폐비닐 또는 폐플라스틱을 분쇄, 혼합한 후 펠렛으로 성형하여 고형 연료화 하는 기술이 기재되어 있다.
또, 한국특허등록 제1293642호는 하수슬러지에 음식쓰레기 및 돈분을 혼합하고, 1mm 이하 크기의 옥수수대, 콩깍지, 코코넛, 팜, 톱밥 및 왕겨를 혼합한 후 킬른건조기에서 건조시켜 고형연료로 제조하는 방법이 기재되어 있고, 한국특허등록 제1281672호에는 하수슬러지를 탈수건조 시킨 건조물에 화석연료, 폐제지, 폐플라스틱, 목재 등을 열량보강제로 하여 펠렛형으로 성형한 후 연료표면에 착색제 또는 연소촉매제를 코팅시키는 기술이 기재되어 있다.
또, 한국특허등록 제1254398호에 의하면 건조된 유기성 폐기물에 동/식물성 폐유를 혼합하여 제조한 고형연료 및 그 제조장치가 기재되어 있고, 한국특허등록 제1227952호에는 유기성 슬러지와 음식물 쓰레기를 혼합 탈수시킨 건조물에 정제유 또는 부생유지가 함유된 우드칩을 혼합하여 진공상태에서 교반 건조 분쇄시킨 다음 고형연료로 성형시키는 기술이 기재되어 있다. 또, 한국특허등록 제1098785호에는 곡물, 목재, 분뇨, 음식물쓰레기 등의 바이오메스나 폐제지 등을 탈수건조시켜 고체연료를 제조하는 방법이 기재되어 있고, 한국특허등록 제1039378호에는 슬러지 분말에 석유화학제 분말, 소석회 분말 및 물을 첨가하여 고형연료로 성형하는 방법이 기재되어 있다.
또, 한국특허등록 제0997522호에는 하수슬러지 케익을 함수율이 60% 정도로 자연건조 시킨 다음, 건류탄화물, 분쇄왕겨 및 잣피 분말 등을 열량보강제로 첨가하고, 이후 무연탄 분말을 첨가하는 동시에 해조류 추출농축액을 결합제로하여 고체 연료로 성형하는 방법이 기재되어 있다.
이외에도 많은 기술들이 개발되었으나, 환경부의 폐기물관리법 시행규칙 표 16호에 제시된 슬러지 고형화연료(RDF) 품질기준과 산업통상자원부 기술표준원 고시 제2009-125호에 제시된 하수 슬러탄의 GR 적용범위와 품질기준, 그리고 환경부의 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률, 일명 제촉법 제20호의 3 제2항의 바이오매스 고형연료 제품 기준을 모두 충족하는 연료는 여전히 개발되지 않은 실정이다.
환경부, 폐기물 관리법 시행규칙 표 16호, 슬러지 고형연료 품질규격
산업통상자원부, 기술표준원 고시 제2009-125호, 하수슬러지 연료탄의 GR 적용범위와 품질기준
환경부, 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙 별표 7. 고형연료제품의 품질등급기준
환경부(일본) 폐기물관리법에 제시된 슬러지 고형화연료(RDF) 품질기준
본 발명의 목적은 오폐수 처리장에서 발생되는 유기성 하,폐수 슬러지를 바이오메스 자원으로 이용하여, 환경부의 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제20조의 3 제2항에서 제시하는 고형연료제품의 품질등급기준과 산업통상자원부 기술표준원 고시 제2009-125호에 제시된 하수슬러지 연료탄의 GR 품질 기준을 충족하는 바이오메스 고형연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 바이오메스 고형연료를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 목질계 또는 초본계의 열량보강제와 균질 혼합하여 균질연료 혼합물을 제조하는 균질 혼합 단계; 그리고 상기 균질연료 혼합물을 성형하는 성형단계를 포함하는 바이오메스 고형연료의 제조방법이 제공된다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 슬러지 건조 분말은, 함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익을, 톱밥, 왕겨 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 부형제과 혼합한 후 압착탈수시켜 함수율 45 내지 55중량%의 슬러지 덩어리를 제조하는 재탈수 단계; 상기 슬러지 덩어리를 파쇄 및 분쇄하여 슬러지 분쇄물을 제조하는 파쇄 및 분쇄 단계; 그리고 상기 슬러지 분쇄물을 함수율 20 내지 25중량%가 되도록 건조시키는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
또, 상기 부형제는 상기 하,폐수 슬러지 케익의 함수율이 최대 65 내지 75중량%가 되도록 하는 동시에 최소의 공극율을 높일 수 있는 양으로 사용될 수 있다.
또, 상기 하,폐수 건조 분쇄물의 직경이 3mm 이하일 수 있다.
또, 상기 열량보강제는 함수율 20중량% 이하의 목질계 또는 초본계 열량보강제이며, 상기 건조 하,폐수 분말 총 중량에 대하여 40 내지 60중량%의 함량으로 사용될 수 있다.
또, 상기 열량보강제는 코코넛 분말, 팜피 분말, 송아리 분말, 잣피 분말, 갈대 분말, 밀대 분말, 옥수수대 분말, 피마자대 및 유박분말, 해바라기대 및유박분말, 두릅나무 분말, 소나무 분말, 땅콩피 및 줄거리 분말, 콩깍지 분말, 깻묵 분말, 참께묵 분말, 목탄분말, 저유황 페트로-코크스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 고형연료의 제조방법은 상기 열량보강제의 혼합 시, 탈취제, 연소촉진제, 결합제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를 더 첨가하는 공정을 더 포함할 수 있다.
또, 상기 탈취제는 알루미늄 탄산나트륨, 과붕산소다 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 슬러지 건조 분말 총 중량에 대해 0.1 내지 2중량%로 포함될 수 있다.
상기 연소촉진제는 바륨옥살레이트, 중탄산나트륨, 산화나트륨, 산화칼슘, 질산나트륨, 질산칼슘, 알루미나, 숯가루, 건류탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.05 내지 2.0중량%로 포함될 수 있다.
또, 상기 결합제는 폐기 당질용액, 해조류추출 농축액, 키토산 용액, 옥수수전분, 폐기 동,식물성 유지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.1 내지 2.0중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현 예에 따르면, 상기한 제조방법에 의해 제조된 바이오메스 고형연료가 제공된다.
상기 바이오메스 고형연료는 저위발열량이 3,000kcal/kg 이상이고, 함수율이 10중량% 이하인 것일 수 있다.
기타 본 발명의 구현 예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 의해 오폐수 처리장에서 발생되는 유기성 하,폐수 슬러지를 바이오메스 자원으로 이용하여, 환경부의 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제20조의 3제2항에서 제시하는 고형연료제품의 품질등급기준과 산업통상자원부 기술표준원 고시 제2009-125호에 제시된 하수슬러지 연료탄의 GR 품질 기준을 충족하는 고품질의 바이오메스 고형연료를 제조할 수 있다.
또, 상기 제조방법은 오폐수 처리장에서 발생되는 유기성 하,폐수 슬러지를 이용함으로써, 종래 오폐수 처리장에서 배출되는 유기성 하폐수 슬러지를 해양배출, 매립, 또는 소각 등의 방법으로 처리하는 경우, 발생되는 해양오염, 대기오염, 토양/지하수 오염에 대한 우려가 없고, 또 유기성 하폐수 슬러지 처리 비용을 감소시킬 수 있다.
또, 상기 제조방법에 따라 제조된 바이오메스 고형연료는 신재생 에너지 중 바이오 및 폐기물 에너지원으로 활용가능하기 때문에, 국가경쟁력 향상을 도모할 수 있고, 또, 축산농가나 비닐하우스 보온용으로 사용되고 있는 석유 및 경유의 대체연료로서 활용가능하기 때문에 농촌 경제에 크게 이바지 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오메스 고형연료의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 슬러지 케익에 있어서의 수분 분포를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 실시 예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오메스 고형연료를 관찰한 사진으로서, (a)는 실시 예 2에서 제조한 바이오메스의 고형연료이고, (b)는 실시 예 3에서 제조한 바이오메스의 고형연료이며, (c)는 실시 예 1에서 제조한 바이오메스의 고형연료이다.
도 2는 슬러지 케익에 있어서의 수분 분포를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 실시 예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오메스 고형연료를 관찰한 사진으로서, (a)는 실시 예 2에서 제조한 바이오메스의 고형연료이고, (b)는 실시 예 3에서 제조한 바이오메스의 고형연료이며, (c)는 실시 예 1에서 제조한 바이오메스의 고형연료이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로, 하폐수 처리장의 유기성 슬러지 케익을 주원료로 하여 바이오메스 고형연료를 제조할 때, 환경부 및 산업통상자원부의 법령에서 규정하는 고형연료의 발열량을 확보하기 위해서는 함수율이 낮으면서 유기물 함량이 높은 것이 바람직하다. 그러나 하폐수 처리장에서 발생하는 슬러지 케익들은 수소, 질소, 탄소 등의 원소로 구성되어 있어 연소시에 건조물 기준으로 2,500kcal/g 이하의 발열량을 갖춘 폐기임에도 불구하고, 평균적으로 함수율이 78 내지 82중량% 정도이고 자체발열량이 600kcal/kg 내외로 낮아 어떤 경우에도 연소가 곤란하며, 연료로서 가치가 매우 부족하다.
또, 환경부와 산업통상자원부에서 제시하는 고형연료와 바이오메스 고형연료 제품의 규격 중 함수율 10중량% 이하의 저위발열량을 3,000kcal/kg 이상의 고형연료 제품을 제조하기 위해서는, 우선적으로 슬러지 케익의 함수율을 낮추기 위한 탈수 및 건조 공정이 필수적이다. 그러나, 함수율이 78 내지 82중량%인 슬러지 케익 자체의 유기물 함량을 그대로 유지하면서 함수율을 10중량% 이하로 낮추기에는 고가의 비용문제로 현실적으로 불가능하다.
이에 대해 본 발명에서는 바이오메스 고형연료 제조를 위한 주원료로서 함수율 15 내지 25중량%의 하폐수 슬러지 건조 분말이나, 또는 하,폐수 슬러지 케익을 재탈수, 파쇄 및 분쇄, 그리고 건조화 하여 상기한 함수율을 갖도록 제조한 하폐수 슬러지 건조 분말을, 목질계 또는 초본계 열량보강제와 균질 혼합함으로써, 함수율 10중량% 이하이고 저위발열량이 3,000kcal/kg 이상인 고품질의 바이오메스 고형연료를 제조하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오메스 고형연료의 제조방법은, 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 목질계 또는 초본계의 열량보강제와 균질 혼합하여 균질 연료혼합물을 제조하는 균질 혼합 단계, 및 상기 균질 연료혼합물을 성형하는 성형 단계를 포함한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말은 함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익을, 톱밥, 왕겨 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 부형제와 혼합 후 압착탈수 시켜 함수율 45 내지 55중량%의 슬러지 덩어리를 제조하는 재탈수 단계, 상기 슬러지 덩어리를 파쇄 및 분쇄하여 슬러지 분쇄물을 제조하는 파쇄 및 분쇄 단계, 그리고 상기 슬러지 분쇄물을 건조시켜 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 제조하는 건조화 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있으며, 이에 따라 상기 제조방법은 균일 혼합 단계에 앞서, 함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익에 대한 재탈수, 파쇄 및 분쇄, 그리고 건조화 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 또 다른 일 구현 예에 따른 바이오메스 고형연료로의 제조방법은, 함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익을, 톱밥, 왕겨 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 부형제와 혼합 후 압착탈수 시켜 함수율 45 내지 55중량%의 슬러지 덩어리를 제조하는 재탈수 단계, 상기 슬러지 덩어리를 파쇄 및 분쇄하여 슬러지 분쇄물을 제조하는 파쇄 및 분쇄 단계, 그리고 상기 슬러지 분쇄물을 건조시켜 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 제조하는 건조화 단계; 상기 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 목질계 또는 초본계의 열량보강제와 균질 혼합하여 균질 연료혼합물을 제조하는 균질 혼합 단계, 그리고 상기 균질 연료혼합물을 성형하는 성형 단계를 포함한다. 이때 상기 재탈수단계, 파쇄 및 분쇄 단계, 건조화단계, 균질혼합단계, 성형단계는 앞서 설명한 바이오메스 고형연료의 제조방법에서와 동일한 방법으로 실시될 수 있다.
도 1은 바이오메스 고형연료 제조를 위한 주원료로서 하,폐수 슬러지 케익을 사용한 본 발명의 일 구현 예에 따른 바이오메스 고형연료의 제조방법을 나타낸 공정도이다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이하 도 1을 참조하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
단계 1은 하폐수 슬러지 케익을 재탈수 하여 슬러지 덩어리를 제조하는 재탈수 단계이다(S11)
구체적으로, 상기 재탈수 단계는 함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익을 톱밥 또는 왕겨 분말과 같은 부형제와 혼합 후 압착탈수시킴으로써 실시될 수 있으며, 그 결과로서 함수율 45 내지 55중량%의 슬러지 덩어리가 제조된다.
본 발명의 제조방법에서 주원료로 이용되는 하폐수 슬러지 케익은, 함수율 78 내지 82중량%의 유기체 슬러지 케익이라면 특별히 한정되지 않고 사용가능하다. 구체적으로 지방자치단체에서 운영하는 하폐수 처리장의 탈수 케익이거나, 또는 사업 및 산업 폐수처리장에서 발생되는 생물학적 유기체 탈수 슬러지 케익 등일 수 있다.
또, 상기 부형제는 슬러지 케익 자체의 공극율을 증가시켜 슬러지 케익 내부에 포함된 수분의 이탈, 제거를 용이하도록 하는 것으로, 구체적으로는 톱밥, 왕겨 분말 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또, 상기 부형제는 자체 함수율이 25중량% 이하, 혹은 20중량% 이하인 것이 바람직하다. 톱밥 또는 왕겨 분말와 같은 부형제의 함수율이 25중량%를 초과할 경우, 자체의 높은 함수율로 인해 슬러지 케익내 함수율 감소를 위한 공정시간이 증가되고, 처리 효율이 저하될 우려가 있다.
또, 상기 부형제는 슬러지 케익의 함수율이 65 내지 75중량%가 되도록 하는 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
상기 슬러지 케익과 부형제의 혼합은 통상의 방법에 따라 실시될 수 있으며, 구체적으로는 무중력 혼합기 내에서 급속혼합되는 것이 바람직하다.
또, 상기 혼합 후에는 슬러지 케익과 부형제의 혼합물에 대한 압착 탈수 공정이 실시된다.
상기 압착 탈수 공정은 무중력 혼합기에서의 급속 교반에 의해 실시될 수 있으며, 슬러지 케익과 부형제의 혼합물내 함수율이 약 45 내지 55중량%가 될 때까지 실시되는 것이 바람직하다.
도 2는 슬러지 케익에 있어서의 수분 분포를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 케익내에는 내부수(1)를 제외한 케익 틈새의 모관결합수(3) 간극모관결합수(4), 쇄기상의 모관결합수(5) 및 표면부착수(6) 등이 존재한다. 이 같은 슬러지 케익에 대해 톱밥 또는 왕겨 분말과 같은 부형제를 혼합하게 되면 슬러지 케익내 공극이 증가하게 되고, 이후 압착 건조하면, 케익내 존재하는 수분들이 강제로 이탈, 제거되게 된다.
재탈수 단계의 결과로 수득된 슬러리 케익은 매우 딱딱한 상태의 덩어리로서 저위발열량이 최대 2,500kcal/kg 까지 상승된다. 그러나, 이 상태에서도 함수율이 여전히 높아 발열량이 기준치에서 미달되므로, 발열량을 기준치 이상으로 높이는 추가의 조작과 방법이 필요하다.
이에 따라 단계 2에서는 단계 1에서 제조된 슬러지 덩어리에 대한 파쇄 및 분쇄하여 슬러지 분쇄물을 제조하는 파쇄 및 분쇄 단계이다(S12).
상기 파쇄 및 분쇄 공정은 재탈수시킨 케익 덩어리의 수분을 더욱 낮추면서 밀도를 높이기 위한 것으로, 상세하게는 단계 1에서 재탈수시킨 딱딱한 슬러지 덩어리를 직경 3mm 이하, 혹은 2mm 이하가 되도록 기계적 설비를 이용하여 파쇄 및 분쇄 공정을 동시에 실시한다.
다음으로 단계 3은 상기 단계 2에서 제조한 슬러지 분쇄물을 건조하는 건조화단계이다(S13).
상기 건조화 단계는 슬러지 분쇄물이 함수율이 15 내지 25중량%의 건조 분말이 될 때까지 실시하는 것을 제외하고는 통상의 방법, 예를 들면 건조 설비 등을 이용하여 실시될 수 있다.
단계 4는 단계 3에서 제조한 슬러지 건조 분말을 목질계 또는 초본계의 열량보강제와 균질 혼합하여 균질연료 혼합물을 제조하는 단계이다(S14).
상기 열량보강제는 함수율 20중량% 이하, 혹은 10중량% 이하, 그리고 입자직경이 3mm 이하, 혹은 2mm 이하의 목질계 또는 초본계 물질일 수 있다. 상기와 같은 함수율을 가질 때, 최종 제조되는 고형연료의 저위발열량 개선 효과가 우수하고, 또 상기 입자직경을 가질 때 슬러지 건조 분말과의 균일 혼합이 용이하다.
구체적으로는 상기 열량보강제는 코코넛 분말, 팜피(palm shell) 분말, 송아리 분말, 잣피 분말, 갈대 분말, 밀대 분말, 옥수대 분말, 피마자 및 유박 분말, 해바라기대 및 유박 분말, 두릅나무 분말, 소나무 분말, 땅콩피 및 줄거리 분말, 콩깍지 분말, 깻묵 분말, 참께묵 분말, 목탄분말, 저유황 페트로-코크스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
또, 상기 열량보강제는 환경부와 산업통상자원부에서 제시한 B-SRF 또는 SRF 그리고 RDF 제품규격인 저위발열량 3,000kcal/kg 이상으로 건조 분말 슬러지 40중량% 이상 포함하고 최종 제품의 함수율이 10중량% 이하가 되도록 하는 양으로 사용되는 것이 바람직하며, 구체적으로 혼합비율, 즉 건조슬러지 분말에 첨가되는 열량보강제의 양(kg 또는 ton)은 하기 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
[수학식 1]
M=((A+B)+(C+D))/(A+C)
상기 식에서 M: 주원료인 건조슬러지 분말과 열량보강제가 완전혼합 되었을 때의 함수율 중량%, 여기서는 15 ~ 18중량% 수준으로 되어야 함
A: 주원료인 건조슬러지 분말의 중량(kg, ton)
B: 주원료인 건조슬러지 분말의 함수율 중량%, 여기서는 20 ~ 25중량%
C: 함수율이 20% 이하의 열량보강제 중량(kg, ton)
D: 열량보강제 자체의 함수율 중량%
보다 구체적으로는 상기 열량보강제는 건조 하,폐수 분말 총 중량에 대하여 40 내지 60중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 상기한 열량보강제에 대한 보조적인 열량보강제로서, 유황분 함량 1중량% 미만의 페트로 코크스(petro-cokes) 또는 합성폐기물의 열분해시에 발생되는 건류탄화물을 더 첨가할 수도 있다.
한편, 열량보강제의 혼합 시, 탈취제, 연소촉진제, 결합제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제가 더 사용될 수도 있다.
상기 탈취제는 연소시에 슬러지 고유의 냄새를 줄이거나 제거하기 위한 것으로, 구체적으로는 염기성 알루미늄탄산나트륨(basic sodium aluminum carbonate) 또는 과붕산소다(sodium perborate) 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 탈취제는 슬러지 건조 분말 총 중량에 대해 0.1 내지 2중량%로 사용되는 것이 바람직하다.
또, 상기 연소촉진제는 고형연료의 착화와 연소효율을 증가시키기 위한 것으로, 구체적으로는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 유기금속 화합물(예를 들면, 바륨옥살레이트, 헥사민, 중탄산나트륨, 산화나트륨, 산화칼슘, 질산나트륨, 또는 질산칼슘 등), 알루미나 분말, 숯가루, 또는 건류탄화물 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 연소촉진제는 상기 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.05 내지 2.0중량%로 사용되는 것이 바람직하다.
또, 상기 결합제는 후속의 성형공정시 적절한 결착력을 제공하여 고형연료를 소정의 모양과 크기로 제조하고, 일정한 강도를 유지하도록 하기 위한 것으로, 구체적으로는 폐기 당질용액, 해조류추출 농축액, 키토산 용액, 옥수수전분, 또는 폐기 동,식물성 유지 등일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 해조류추출 농축액은 곤피 추출 농축액 일 수 있으며, 구체적으로 갈조류인 곤피의 15 내지 20배 중량에 해당하는 1.5중량%의 탄산소다용액을 가하여 온도 60 내지 70℃에서 3 내지 4시간 처리하여 제조한 것일 수 있다.
상기 결합제는 상기 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.1 내지 2.0중량%로 사용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계 5는 상기 단계 4에서 제조한 균질연료 혼합물을 소정의 형태로 성형하는 성형 단계이다(S15).
상기 성형공정은 통상의 방법에 따라 실시될 수 있으며, 구체적으로는 성형기를 이용하여 펠렛형, 조개탄형 등의 다양한 형태로의 성형 가공 공정이 실시될 수 있다. 보다 구체적으로, 성형체가 펠렛일 경우 직경 50mm 이하 및 길이 100mm 이하인 것이 바람직하다. 또, 이보다 큰 성형제품일 경우에는 연소 효율을 높일 수 있도록 가로X세로가 120mmX120mm 이하의 제품중심에 직경 10mm 이상의 구멍을 1개 이상 형성하여 가공할 수도 있다.
상기와 같은 성형공정의 결과로 다양한 형태를 갖는 성형체로서 고형연료가 제조된다.
본 발명에 따른 제조방법에 의해, 목질계 또는 초본계의 열량보강제를 이용하여 제조된 고형연료는 함수율 10중량% 이하이고 저위발열량이 3,000kcal/kg 이상인 고품질의 고형연료이다.
이에 따라 본 발명의 다른 일 구현 예에 따르면, 상기한 제조방법에 의해 제조된 바이오메스 고형연료를 제공한다.
상기 바이오메스 고형연료는 신재생 에너지 중 바이오 및 폐기물 에너지원으로 활용가능하며, 특히 축산농가나 비닐하우스 보온용으로 사용되고 있는 석유 및 경유의 대체연료로서 활용가능하다.
이하, 구체적인 실시 예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시 예 1]
하기 1 내지 5의 단계를 순차적으로 실시하여 바이오메스 고형연료를 제조하였다;
1. 재탈수 단계
1) 주원료로 사용된 하수슬러지 케익
자체함수율: 82중량%
사용된 케익중량 170kg
2) 재탈수를 위해 첨가된 부형제: 톱밥(중국산)사용
자체함수율: 8.2중량%
사용된 중량: 33kg
3) 하수슬러지 케익+톱밥, 혼합조작
혼합설비: 무중력 혼합기(시중판매용)
혼합조건: 180rpm, 3분간 급속 교반
혼합후의 함수율: 70.3중량%
중량: 약 203kg
4) 재탈수 조작: 압축탈수기 설비: 유공압식(시중판매용)
압축조건: 270ton 압력, 약8분간
압축후의 함수율: 55.2중량%
압축후의 중량: 135.3kg
2. 파쇄분쇄단계
파쇄분쇄설비: 2축 세단기(shredder)+파쇄기(시중판매용)
파쇄분말직경: 약 0.5 ~ 3mm
3. 건조화 단계
건조설비명: 고풍량/고속기류건조기(시중판매용)
건조조건: 150m3/min 공기, 270m/sec 유속
건조설비투입전 함수율: 55.2중량%
건조설비투입중량: 135.3.kg
건조 후의 함수율: 24.4중량%
건조 후의 배출량: 약 80kg(이는 하수슬러지 건조분말로서 B-SRF 주원료임)
4. 균질화 혼합단계(또는 열량보강제 첨가 단계)
1) 하수슬러지 건조 분말 자체 함수율: 24.4중량%
사용된 분말중량: 40kg
2) 열량보강제: 옥수수대 분말 선택
자체함수율: 8중량%
첨가된 중량: 28kg
3) 기타첨가제,
탈취제: 염기성 알루미나탄산나트륨 0.04kg
연소촉진제: 중탄산소다 0.034kg
결합제: 해조류추출액 0.068kg
4) 1)+2)+3)을 무중력 혼합기에서 200rpm에서 3분간 급속 혼합
혼합후의 함수율: 17.2중량%
혼합후의 총 중량: 68.2kg
5. 성형단계
성형기에 투입하여 직경 10mm, 길이 35mm의 펠렛형으로 가공(도 3c 참조)
상기 실시 예 1에 따른 고형연료의 성상을 분석하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 단위 | 성형제품 | |||
| 실시 예1 | 기준1 | 기준2 | 기준3 | ||
| 모양 | 성형 | 펠렛 | 성형 | 성형 | 과립/펠렛 |
| 길이 | mm | 35이하 | 100이하 | 100이하 | - |
| 직경 | mm | 10이하 | 50이하 | 50이하 | - |
| 함수율 | 중량% 이하 | 8.2 | 10 | 10 | 10 |
| 저위발열량 | kcal/kg 이상 | 4565 | 3000 | 3500 | 4000 |
| 회분 | 중량% 이하 | 3.8 | 15 | 20 | 35 |
| 염소 | 중량% 이하 | 0.2 | 0.5 | 2.0 | 0.5 |
| 황분 | 중량% 이하 | 0.15 | 0.6 | 0.6 | - |
| 수은(Hg) | mg/kg 이하 | 0.01 | 0.6 | 1.0 | 0.05 |
| 카드뮴(cd) | mg/kg 이하 | 0.02 | 5.0 | 5.0 | 0.3 |
| 납(Pb) | mg/kg 이하 | 9.1 | 100 | 150 | 3.0 |
| 비소(As) | mg/kg 이하 | 0.08 | 5.0 | 13 | 1.5 |
| 크롬(Cr) | mg/kg 이하 | 9.2 | 70 | - | - |
| 바이오메스 함량 | 중량%이상 | 99 | 95 | - | 40 |
| 착화온도 | ℃ 이하 | 184.4 | - | - | 350 |
| 연소율 | %, (800℃ 기준이상) |
98 | - | - | 95 |
| 휘발성분 | 중량% 이하 | 37.5 | - | - | 50 |
| 악취 | 관능법 이하 | 202 | - | - | 500 |
기준1: 환경부, 제촉법 제20조의 3제2항, 바이오메스 고형연료 제품기준
기준2: 환경부, 제촉법 제20조의 3제2항, 일반고형연료 제품기준
기준3: 산업통상자원부, 기술표준원 하수슬러지탄 GR 품질기준
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 함수율 24.4중량% 건조슬러지 분말 40kg에 옥수수대 분말의 열량보강제 28kg을 혼합해서 바이오메스 고형연료를 펠렛형으로 가공하였을 때, 환경부의 바이오메스 고형제품기준(B-SRF) 및 일반고형연료제품(SRF)에 모두 적합하였다.
다만, 실시 예 1에서 제조한 고형연료는 산업통상자원부의 GR 기준에서 납 항목만은 기준치를 초과하였으나 이는 산업통상자원부의 GR 기준이 환경부와는 기준이 다소 상이했기 때문이다. 즉, 기준 1의 환경부 B-SRF는 주원료가 초목/목질계의 바이오매스 함량이 95% 이상인 반면, 산업상자원부 표준원의 기준은 하수슬러지가 주원료인 점을 고려하면, 실시 예 1에서와 같이 하수슬러지에 초본계 열량보강제를 첨가하여 제조한 고형연료가 고형연료도 제품으로서 충분히 가치가 있음을 알 수 있다.
[실시 예 2]
실시 예 2에서는 상기 실시 예 1에서 1. 재탈수 단계, 2. 파쇄 분쇄단계, 3. 건조화단계를 거치고 남은 하수슬러지 건조 분말(B-SRF)을 시료로 하여 펠렛 성형하였다.
1. 균질화 혼합 단계(열량보강제 첨가 단계)
1) 하수슬러지 건조 분말 자체 함수율: 24.2중량%
사용된 분말중량: 40kg
2) 열량보강제: 팜피 분말(인도네시아산)
자체함수율: 6.0중량%
첨가된 중량: 20kg
3) 기타첨가제
탈취제: 염기성 알루미나 탄산나트륨 0.04kg
연소촉진제: 중탄산소다 0.034kg
결합제: 해조류추출액 0.068kg
4) 1)+2)+3)을 무중력 혼합기에서 200rpm으로 3분간 급속교반
혼합후의 함수율: 16.7중량%
혼합후의 총중량: 60kg
2. 성형단계
성형기에 투입하여 직경 10mm, 길이 35mm의 펠렛형으로 가공하였다(도 3의 (a) 참조).
상기 실시 예 2에서 제조한 고형연료의 성상을 분석하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 단위 | 성형제품 | |||
| 실시 예2 | 기준1 | 기준2 | 기준3 | ||
| 모양 | 성형 | 펠렛 | 성형 | 성형 | 과립/펠렛 |
| 길이 | mm | 35이하 | 100이하 | 100이하 | - |
| 직경 | mm | 10이하 | 50이하 | 50이하 | - |
| 함수율 | 중량% 이하 | 8.1 | 10 | 10 | 10 |
| 저위발열량 | kcal/kg 이상 | 5216 | 3000 | 3500 | 4000 |
| 회분 | 중량% 이하 | 2.8 | 15 | 20 | 35 |
| 염소 | 중량% 이하 | 0.2 | 0.5 | 2.0 | 0.5 |
| 황분 | 중량% 이하 | 0.27 | 0.6 | 0.6 | - |
| 수은(Hg) | mg/kg 이하 | 0.01 | 0.6 | 1.0 | 0.05 |
| 카드뮴(cd) | mg/kg 이하 | 0.01 | 5.0 | 5.0 | 0.3 |
| 납(Pb) | mg/kg 이하 | 10.1 | 100 | 150 | 3.0 |
| 비소(As) | mg/kg 이하 | 0.09 | 5.0 | 13 | 1.5 |
| 크롬(Cr) | mg/kg 이하 | 10.2 | 70 | - | - |
| 바이오메스 함량 | 중량% 이상 | 99 | 95 | - | 40 |
| 착화온도 | ℃ 이하 | 212 | - | - | 350 |
| 연소율 | %, (800℃ 기준이상) |
98 | - | - | 95 |
| 휘발성분 | 중량% 이하 | 35.2 | - | - | 50 |
| 악취 | 관능법 이하 | 192 | - | - | 500 |
기준1: 환경부, 제촉법 제20조의 3제2항, 바이오메스 고형연료 제품기준
기준2: 환경부, 제촉법 제20조의 3제2항, 일반고형연료 제품기준
기준3: 산업통상자원부, 기술표준원 하수슬러지탄 GR 품질기준
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 건조된 하수슬러지 분말에 발열량을 높이기 위해 열량보강제 팜피 분말을 첨가하고, 결합제 및 탈취제, 연소촉진제 등을 극소량 첨가 혼합하여 고형연료로 성형한 실시 예 2는, 환경부의 바이오메스 고형연료제품(B-SRF) 및 일반고형연료(SRF) 제품기준에 모두 적합하였다. 한편, 산업통상자원부의 하수슬러지탄 GR 기준의 고형연료인 함수율, 저위발열량, 회분 등의 기준치에는 적합하였으나, 유해물질시험 항목의 납 기준치 3.0mg/kg 이하에는 부적합하였다. 이는 도시하수 슬러지에 기인한 것으로 판단된다.
이러한 결과를 종합하여 볼 때 하수슬러지 자체는 높은 함수율로 고형연료제품기준에서 발열량이 매우 부족하였으나, 수분을 제거한 건조 분말에 열량을 보강시킬 수 있는 환경친화성의 목질제 또는 초본계의 열량보강제를 첨가할 경우 하수슬러지 케익도 고형연료의 원료 및 대체에너지원으로 유용함을 알 수 있다.
[실시 예 3]
상기 실시 예 1에서 옥수수대 분말 대신에 건휴탄화물 분말을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시 예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 펠렛형의 고형연료를 제조하였다(도 3의 (b) 참조).
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1: 내부수
2: 슬러지입자
3: 모관결합수
4: 간극모관결합수
5: 쇄기상모관결합수
6: 표면부착수
2: 슬러지입자
3: 모관결합수
4: 간극모관결합수
5: 쇄기상모관결합수
6: 표면부착수
Claims (12)
- 삭제
- 함수율 15 내지 25중량%의 슬러지 건조 분말을 목질계 또는 초본계의 열량보강제와 균질 혼합하여 균질연료 혼합물을 제조하는 균질 혼합 단계; 및 상기 균질연료 혼합물을 성형하는 성형단계;를 포함하며, 상기 슬러지 건조 분말은
함수율 78 내지 82중량%의 하,폐수 슬러지 케익을, 톱밥, 왕겨 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 부형제과 혼합한 후 압착탈수시켜 함수율 45 내지 55중량%의 슬러지 덩어리를 제조하는 재탈수 단계; 상기 슬러지 덩어리를 파쇄 및 분쇄하여 슬러지 분쇄물을 제조하는 파쇄 및 분쇄 단계; 그리고 상기 슬러지 분쇄물을 함수율 15 내지 25중량%가 되도록 건조시키는 단계를 수행하여 제조한 것이고,
상기 재탈수 단계의 부형제는 상기 하,폐수 슬러지 케익의 함수율이 최대 65 내지 75중량%가 되도록 하는 양으로 사용하며,
상기 균질 혼합 단계의 상기 열량보강제는 함수율 20중량% 이하의 목질계 또는 초본계 열량보강제이며, 상기 슬러지 건조 분말 총 중량에 대하여 40 내지 60중량%의 함량으로 사용하고,
상기 균질 혼합 단계는 균질 혼합은 슬러지 건조 분말과 열량보강제의 혼합 시, 탈취제, 연소촉진제, 결합제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를 더 첨가하며,
상기 연소촉진제는 바륨옥살레이트, 중탄산나트륨, 산화나트륨, 산화칼슘, 질산나트륨, 질산칼슘, 알루미나, 숯가루, 건류탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.05 내지 1.0 중량%로 사용하며,
상기 결합제는 폐기 당질용액, 해조류추출 농축액, 키토산 용액, 옥수수전분 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 균질연료 혼합물 총 중량에 대해 0.1 내지 2.0중량%로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오메스 고형연료의 제조방법.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 하,폐수 건조 분쇄물의 직경이 3mm 이하인 것인 바이오메스 고형연료의 제조방법.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 열량보강제가 코코넛 분말, 팜피 분말, 송이리 분말, 잣피 분말, 갈대 분말, 밀대 분말, 옥수수대 분말, 피마자대 및 유박분말, 해바라기대 및 유박 분말, 두릅나무 분말, 소나무 분말, 땅콩피 및 줄거리분말, 콩깍지 분말, 깻묵 분말, 참께묵분말, 목탄분말, 저유황 페트로코크스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 바이오메스 고형연료의 제조방법.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 탈취제가 알루미늄 탄산나트륨, 과붕산소다 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되며, 슬러지 건조 분말 총 중량에 대해 0.1 내지 2중량%로 포함되는 것인 바이오메스 고형연료의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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