KR101999650B1 - 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 rps대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다량의 침출수 발생에 의하여 지하수 오염을 일으키는 등 악성폐기물인 하수슬러지를 친환경적 처리를 통하여 고열량의 발전소용 RPS(이산화탄소 저감을 위한 신재생 에너지 의무사용) 대응 연료를 만들어 기존에 전량 수입에 의존하던 우드펠릿(Wood Pellet)연료를 대체 함으로써 외화절약에도 크게 기여할 수 있는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것으로 기존 하수슬러지를 활용한 고형연료 제조 시스템에 비하여 에너지 소요량이 저감되는 효과 및 고발열량을 갖는 고형연료의 공급을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법 {Hybrid Sludge Fuel, Manufacturing Method and System of Fuel Production thereof}

본 발명은 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 다량의 침출수 발생에 의하여 지하수 오염 등을 일으키는 악성폐기물인 하수슬러지를 친환경적으로 처리하여 고열량의 발전소용 RPS(이산화탄소 저감을 위한 신재생 에너지 의무사용) 대응 연료로 만들어, 기존에 전량 수입에 의존하던 우드펠릿(Wood Pellet)연료를 대체 함으로써 외화절약에 크게 기여할 수 있는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.

화석연료는 이산화탄소 배출량이 많기 때문에 지구 온난화 문제에 대한 경쟁력이 낮은 에너지원으로 지적되고 있다. 이와 관련하여, 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원으로서, 기존의 석유 및 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되는 신재생 에너지의 이용 및 보급이 세계적으로 이슈화되고 있다.

국내에서는 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 일정규모(500MW) 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급하도록 의무화한 신재생 에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard; RPS)가 도입되었다. 또한, 의무공급량 미이행분에 대해서는 불이행사유, 불이행 횟수 등을 고려하여 공급인증서 평균거래가격의 150%이내에서 과징금을 부과할 수 있도록 법제화 하였다.

신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)는 발전사업자가 신재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산 및 공급하였음을 증명하는 인증서이며, 상기 RPS 제도의 공급의무자는 상기 신재생에너지 공급인증서를 구매하여 의무할당량을 채워야 한다.

신재생에너지 원별 가중치는 환경, 기술개발 및 산업활성화에 미치는 영향, 발전원가, 부존잠재량, 온실가스 배출저감에 미치는 효과 등을 고려하여 정부가 재정하고 3년마다 재검토하고 있다.

이에 따라 대규모 석탄화력 발전사에서는 이러한 신재생에너지 공급의무 비중을 달성하기 위하여 석탄의 이산화탄소 발생을 감축시키는 발전 플랜트 연계를 진행하며, 개선방안으로서 석탄 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle; IGCC), 초초임계압(Ultra Supercritical, USC)기술, CO₂ 포집 및 저장기술 등의 청정 석탄 기술(Clean Coal Technology, CCT), 바이오매스(bio-mass), 고형 폐기물 연료(Solid Refuse Fuel, SRF), 폐플라스틱 고형 연료(Refuse Plastic Fuel, RPF) 등의 도입 등을 시도하고 있으나 근본적인 문제해결을 위하여 개선해야 할 부분이 다수 존재하고 있는 실정이다.

한편, 국내에서 발생되는 음식물쓰레기의 양은 약 11,798톤(2012년 기준)에 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, 하수 처리량이 급증함에 따라 슬러지의 양도 증가하고 있는 바, 상기 슬러리를 처리하는 것도 심각한 문제로 대두되고 있다. 특히 유해폐기물의 해양배출을 금지하는 바젤 협약(Basel Convention)에 의하여 음식물 쓰레기나 하수슬러지의 처리가 더욱 문제되고 있다.

이와 관련하여, 금지 시점 이전의 경기도의 하수슬러지 처리방법은 소각 35%, 해양배출 32%, 연료화 및 재활용 21%, 매립 12%였으나 해양배출금지 이후 소각 49%, 자원화 28%, 매립 20%로 소각과 매립처리에 따른 비용 또한 증가하는 실정이고, 수도권매립지 처리시설부족으로 처리에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다.

또한, 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지는 대부분 탈수단계를 거처 일부 수분을 함유한 상태로 민간위탁 처리하고 있는데, 위탁처리율이 10%이상 증가함에 따라 처리비용이 증가하여, 환경비용 부담에 대한 갈등이 발생하고 있다. 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지는 일반적으로 처리방법 및 탈수방법에 따라 함수율이 77% ~ 82%이며, 하수슬러지를 처리하는 방법에는 수거 후 매립처리 방법과 소각처리 방법이 사용되고 있다.

상기 하수슬러지 및 음식물쓰레기를 활용한 고형연료 개발 연구는 지속되고 있으나, 바이오매스의 발열량이 상대적으로 낮기 때문에 발전효율이 저하된다는 문제점이 있다. 이에, 발전소에서 요구하는 고발열량의 고형연료의 제조기술 개발이 절실하게 필요한 시점이다.

한편 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.

한국공개특허 제2002-0015759호(2002.03.02)에서는 하수처리과정에서 발생되는 유기물질인 하수/폐수 슬러지 케이크와 음식물쓰레기 건조물, 그리고 고열량의 가연성 폐기물 분말(폐타이어, 폐비닐, 폐 발포 폴리스틸렌, 폐 PET, 폐 HDPE 등)을 일정비율 투입하여 혼합 이송기로 파쇄 및 혼합하는 제 1 단계; 혼합된 슬러지 케이크와 음식물쓰레기 건조물, 그리고 가연성 폐기물 분말을 성형기로 투입하여 소정의 크기로 고형화하는 제 2 단계; 성형물을 연소수단으로부터 발생된 열풍이 공급되는 건조기에서 건조하는 제 3 단계; 건조된 고체연료를 연소수단에 소정량 투입하는 제 4 단계; 등이 순차적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고체연료 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 공정 중에 혼합되는 고발열량의 가연성 폐기물의 확보 및 건조 운전비용이 높은 단점이 있다.

한국등록특허 제0162130호(1999.01.15)에서는 폐기물 집하장에 하치된 각종 쓰레기들을 가연성 쓰레기와 불가연성 쓰레기로 분류하여 사용가능한 가연성 쓰레기만을 선별하여 이송컨베이어를 통해 이송시키면, 제1차, 제2차, 및 제3차에 걸친 파쇄공정에 의하여 점차 작은 입자로 파쇄시키고, 파쇄된 쓰레기를 제1차 분배에 의하여 3개라인으로 분배 시킨 후 소각로의 폐열을 이용하여 각각 건조시켜 완전건조를 이루며, 건조된 쓰레기들에 가스 및 악취의 중화제인 첨가제를 살포하여 1차적인 압력과 고온의 열을 가하여 초기의 고체연료 덩어리로 성형하며, 제2차 분배에 고체연료 덩어리를 양측으로 분배하여 전체적으로 6개의 라인으로 균등하게 분배시킨 후 제2차 및 제3차에 걸쳐 완전 성형을 이루어 완성된 고체연료 덩어리로 제조되면 소정의 크기로 절단하여 산업현장의 연료로 사용할 수 있도록 함을 특징으로 하는 쓰레기를 이용한 고체 연료의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술로 생성되는 고형연료의 발열량이 발전소에서 요구하는 수준의 열량에 도달하지 못하며, 건조 비용이 높은 단점이 있다.

한국공개특허 제2007-0076557호(2007.07.24)에서는 하수슬러지를 함수율 10~20% 이하로 건조시킨 다음 분쇄하는 과정과, 음식물쓰레기 70%(중량비)를 황토 10%(중량비); 갈탄 10%(중량비): 코우크스 10%(중량비)의 첨가제와 혼합하는 과정과, 가연성 폐기물을 입도 30~50mm의 크기로 분쇄시키는 과정과, 건조시킨 하수슬러지, 첨가제를 혼합한 음식물쓰레기, 분쇄시킨 가연성 폐기물을 하수슬러지30%(중량비) : 음식물쓰레기30%(중량비) : 가연성 폐기물40%(중량비)의 비율로 혼합하는 과정과, 혼합물을 수분함유율이 10%이하가 되도록 건조시키는 과정과, 혼합과 건조가 이루어진 혼합물에 조연재를 첨가하여 일정 크기로 압출, 성형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 음식물쓰레기 및 가연성 폐기물을 이용한 고체연료의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 고형연료의 발열량 및 건조 조건을 만족하기 위해 투입되는 갈탄 및 코우크스 공급에 따른 고형연료 제조 비용 증가의 단점이 있다.

한국공개특허공보 제2002-0059074호(2002.07.12)에서는 생활 쓰레기, 음식물 쓰레기, 비닐, 플라스틱, 슬러지 등과 같은 가연성 폐기물을 연료화 함에 있어서, 상기 각 가연성 폐기물들을 개별적으로 파쇄시키는 공정과; 상기 파쇄공정에 의해 파쇄된 가연성 폐기물들을 건조장치를 통해 건조시키는 공정과; 상기 건조공정에 의해 건조된 가연성 폐기물들을 원하는 열량에 따라 적당한 비율로 혼합하는 공정과; 혼합된 혼합물들을 최상의 연소효율을 갖는 형상의 고체연료로 고온 압축 성형하는 공정과; 성형공정에 의해 고온 압축 성형된 고체연료를 냉각시켜 포장하는 공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물 연료화 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 건조공정의 효율 저하 및 고온 압축 공정의 공정비용이 높은 단점이 있다.

따라서 신재생 에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 하수슬러지 및 쓰레기 처리 운영 안정성을 확보하며, 기존에 전량 수입에 의존하던 우드펠릿 연료를 효과적으로 대체하기 위한 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

한국공개특허공보 제2002-0015759호(2002.03.02) 한국등록특허공보 제0162130호(1999.01.15) 한국공개특허공보 제2007-0076557호(2007.07.24) 한국공개특허공보 제2002-0059074호(2002.07.12)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로, 다량의 침출수 발생에 의하여 지하수 오염을 일으키는 등 악성폐기물인 하수슬러지를 친환경적 처리를 통하여 고열량의 발전소용 RPS(이산화탄소 저감을 위한 신재생 에너지 의무사용) 대응 연료를 만들어 기존에 전량 수입에 의존하던 우드펠릿(Wood Pellet)연료를 대체 함으로써 외화절약에도 크게 기여할 수 있는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템으로서, 제1하수슬러지, 제2하수슬러지 및 열량보강제를 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합유닛, 상기 혼합물을 원주상의 펠릿으로 압출 성형하는 성형유닛, 및 상기 펠릿을 탄화시키는 탄화유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 성형유닛의 유입구와 연결되도록 수분 측정기가 위치할 수 있다.

또한, 상기 성형유닛에 유입된 상기 혼합물의 함수율을 15% 내지 21%로 유지할 수 있도록, 상기 성형유닛 내부로 수분을 공급할 수 있다.

또한, 상기 탄화유닛은 20분 내지 60분의 시간 동안 작동하며, 구체적으로 20분 내지 40분의 시간 동안 작동할 수 있다. 또한, 200℃ 내지 300℃의 온도로 열처리를 진행할 수 있다.

또한, 상기 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템은 상기 탄화유닛에서 가열된 펠릿을 냉각하기 위한 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1하수슬러지는 저열량 하수슬러지이고, 상기 제2하수슬러지는 고열량 하수슬러지이며, 상기 제1하수슬러지 및 제2하수슬러지의 발열량은 2,500kcal/kg 보다 크다.

또한, 상기 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템을 이용하여 생산되고, 저위발열량이 3,500kcal/kg 보다 큰 하이브리드 슬러지 연료탄일 수 있고, 상세하게는 4,000kcal/kg 보다 큰 하이브리드 슬러지 연료탄일 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 슬러지 연료탄은 황을 1중량% 이하로 포함할 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 슬러지 연료탄은 휘발성분을 50중량% 이하로 포함할 수 있다.

또한, 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 방법으로서, 하기의 단계들을 포함하는 하이브리드 슬러지 연료탄의 생산 방법일 수 있다.

(a) 제1하수슬러지, 제2하수슬러지 및 열량보강제를 혼합하는 단계;

(b) 상기 단계 (a)에서 혼합된 혼합물을 원주상의 펠릿으로 압출 성형하는 단계; 및

(c) 상기 펠릿을 탄화하는 단계

또한, 상기 단계 (b) 이전에 혼합물의 함수율을 측정하는 단계 (a-1)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 혼합물의 함수율이 15% 내지 21%가 되도록 상기 단계 (b)에서 스팀을 공급할 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 슬러지 연료탄의 생산 방법은 상기 단계 (c)에서 탄화된 펠릿을 냉각하는 단계 (d)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (c)는 20분 내지 60분의 시간 동안 200℃ 내지 300℃의 온도 이루어질 수 있다.

본 발명의 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템 및 그 제조방법에 따르면, 기존 하수슬러지를 활용한 고형연료 제조 시스템에 비하여 에너지 소요량이 저감되는 효과가 있다.

또한, 고발열량을 갖는 고형연료의 공급을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 2종 이상의 하수슬러지를 이용하여 제조된 하이브리드 슬러지 연료탄을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템을 나타낸 공정도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 혼합유닛에 공급하기 위한 수분발열량조절제 공급호퍼 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 혼합유닛의 트윈 패들 믹서 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 성형유닛 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 마이크로웨이브가 설치된 다단 패들 건조유닛 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 배가스 처리유닛의 구성장치 사진이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 탄화유닛 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 밀폐저장조 구성유닛 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 400kg 생산 시스템의 에너지 밸런스이다.
도 11은 기존 슬러지 성형연료의 흡습성 실험 사진이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 흡습성 실험 사진이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 소수성을 확인하기 위한 접촉각 측정실험 사진이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 연소특성을 확인하기 위한 TGA 분석 결과이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하수슬러지를 이용한 복합 연료 반탄화 생산 시스템을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템을 나타낸 공정도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하수슬러지를 이용한 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템은 제1하수슬러지, 제2하수슬러지 및 열량보강제를 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합유닛(100), 상기 혼합물을 원주상의 펠릿으로 압출 성형하는 성형유닛(200), 및 펠릿을 탄화시키는 탄화유닛(300)을 포함하는 구조로 이루어진다.

제1하수슬러지 저장조(10), 제2하수슬러지 저장조(11) 및 열량보강제 저장조(12)는 혼합유닛(100)과 연통되어 있는 바, 제1하수슬러지, 제2하수슬러지 및 열량보강제는 혼합유닛(100)에 공급되기 전에 만난 후 혼합유닛(100)으로 공급될 수 있으며, 또는 제1하수슬러지, 제2하수슬러지 및 열량보강제가 혼합유닛(100)에 직접 공급된 후 혼합유닛(100) 내부에서 혼합이 이루어질 수 있다.

상기 열량보강제와 혼합하기 전의 하수슬러지는, 건조된 상태의 하수슬러지가 공급될 수 있으며, 또는 건조 전 상태의 하수슬러지가 공급될 수 있다.

건조된 상태의 하수슬러지를 공급하기 위하여, 상기 하수슬러지는 전기탈수, 마이크로파, 광파, 열풍 및 스팀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 건조 과정을 거칠 수 있다.

상기 건조 과정이 2종 이상으로 구성되는 경우에는, 순차적인 건조 과정이 이루어질 수 있고, 또는 동시에 2종 이상의 건조 과정이 진행될 수 있다.

혼합유닛(100)과 성형유닛(200) 사이, 즉 성형유닛의 유입구와 연결되도록 수분측정기(110)가 위치할 수 있는 바, 예를 들어, 건조된 상태의 하수슬러지가 공급되는 경우로서 상기 수분측정기(110)에서 측정된 혼합물의 함수율이 성형유닛(200)을 이용하여 압출 성형하는 데에 적절한 함수율 범위인 15% 내지 21% 보다 낮은 경우에는 성형유닛(200)과 연결된 수분 공급장치(220)에서 수분이 공급될 수 있다. 또는 미건조 또는 반건조 상태의 하수슬러지가 공급되는 경우로서 상기 수분측정기(110)에서 측정된 혼합물의 함수율이 15% 내지 21% 보다 높은 경우에는 추가적으로 혼합유닛(100) 및/또는 성형유닛(200)에 건조유닛이 부가되어 상기 혼합물 내지 펠릿의 건조가 이루어질 수 있다.

탄화유닛(300)의 후단에는 냉각유닛(400)이 위치할 수 있으며, 냉각유닛(400)은 냉풍을 공급하지 않고 외부공기와 차단된 상태로 펠릿을 저장할 수 있다.

상기 탄화유닛은 내부가 양압 상태로 운전될 수 있다. 상기 양압 조건은 외부의 산화제가 상기 탄화유닛으로 유입되는 것을 방지할 수 있으면 어떠한 조건이어도 제한되지 않는다. 상기 양압은 0.01 내지 10 atm일 수 있다. 바람직하게는 0.05 내지 5atm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 1atm일 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 상기 탄화유닛의 효과적인 양압을 유지할 수 없다.

상기 냉각유닛은 상기 탄화유닛을 통해서 배출되는 연료탄의 발화를 방지하기 위하여 냉각하는 것으로 상기 발화를 방지할 수 있다면 냉각조건에 제한되지 않는다. 상기 연료탄의 냉각온도는 1 내지 20℃일 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 효과적인 냉각이 이뤄지지 않는다.

또한, 선택적으로 냉각유닛(400)의 후단에는 저장유닛이 위치할 수 있는 바, 펠릿의 함수율이 유지될 수 있도록 외부 공기와 차단된 상태로 펠릿을 저장할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 생산 시스템의 혼합유닛에 공급하기 위한 열량보강제의 일종인 수분발열량조절제 공급호퍼 사진이다.

일반적으로, 열량보강제는 폐타이어, 폐비닐, 폐 발포 폴리스틸렌, 폐 PET, 폐 HDPE, 건조된 음식물쓰레기, 초본계 또는 목질계 바이오매스 중 어느 하나 또는 2 이상 일 수 있다. 상세하게는 건조된 음식물쓰레기 및 톱밥 일 수 있고, 더욱 상세하게는 톱밥일 수 있다.

상기 열량보강제는 주원료인 하수슬러지의 수분을 조정하기 위한 용도 및 하수슬러지의 열량보조제로 사용된다. 상기 열량보강제는 벌크백(Bulk bag) 형태로 공급 받을 수 있고, 벌크백은 건물에 설치되는 호이스트(Hoist)에 의하여 공급용 열량보강제 호퍼(Hopper) 상부로 이송되어 호퍼에 공급될 수 있다.

열량보강제 호퍼는 상부에 벌크백이 안치 될 수 있는 입구를 가지며, 상기 입구 주변은 호퍼와 벌크백 사이에 공극이 발생하지 않도록 원형 콘(Round Cone)의 형태로 제작된다. 상기 호퍼 하부에는 정량공급용 스크류 피더가 장치되며, 상기 스크류 피더는 회전속도를 조정하는 인버터가 탑재되어 속도조정에 의한 공급량을 조정할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 혼합유닛의 트윈 패들 믹서 사진이다.

도 3을 참조하면, 상기 혼합유닛은 상기 하수슬러지 및 상기 열량보강제를 효과적으로 혼합할 수 있다면 그 형태가 제한되지 않지만, 상세하게는 연속 혼합을 위하여 트윈패들형(twin paddle type) 혼합기일 수 있다.

상기 트윈패들형 혼합기에서 상기 하수슬러지와 열량보강제(톱밥, 음식물 쓰레기 건조품)는 5:5 내지 7:3의 비율로 혼합될 수 있으며, 2개의 축을 따라 배치된 패들은 각기 반대방향으로 회전할 수 있고, 연속 혼합을 위하여 일측에서 하수슬러지 및 열량보강제가 투입되고 타측 방향으로 이송되면서 혼합되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 수분이 많은 하수슬러지가 먼저 투입되고 그 위에 톱밥, 음식물 쓰레기 건조품이 투입되며, 패들의 회전에 의하여 서로 혼합될 수 있다.

상기 트윈패들형 혼합기에서, 상기 패들의 회전수는 서로 동일할 수 있으며, 또는 서로 상이한 회전수를 갖도록 구성될 수 있는 바, 예를 들어, 어느 하나의 패들의 회전수를 1이라 가정할 때, 나머지 하나의 패들의 회전수는 1 내지 3일 수 있다.

상기 트윈패들형 혼합기는 무축혼합기일 수 있다. 상기 트윈패들형 혼합기에는 상기 하수슬러지 및 상기 열량보강제가 동시에 또는 특정 성분이 순차적으로 투입될 수 있다. 상세하게는 과량의 수분이 포함된 하수슬러지가 먼저 투입되고, 그 위에 열량보강제가 투입될 수 있다. 상기 조건에서 벗어나면 효과적인 혼합이 발생하지 않을 수 있다. 상기 패들의 형태는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 원형, 부정형 중 어느 하나 또는 2 이상의 형태로 이루어질 수 있다. 상기 패들의 간격은 등간격 또는 소정 비율의 패들 간의 간격차를 가질 수 있다. 상세하게는 상기 패들은 등간격으로 형성될 수 있다.

상기 하수슬러지 및 열량보강제가 혼합된 혼합물의 수분량은 상기 혼합유닛의 혼합기의 종류 및 소재와 관련될 수 있는 바, 혼합기의 내벽에 부착되어 혼합 효율이 저하되지 않도록 상기 혼합물의 수분량을 조절할 필요가 있다. 이에, 상기 혼합유닛에 대해 수분을 추가로 공급하거나, 또는 반대로 상기 혼합물을 건조하는 유닛이 추가로 적용될 수 있다.

일반적으로 하수슬러지 자체는 발열량이 낮기 때문에, 하수슬러지만을 연료탄으로 사용하는 경우에는 GR 규격에서 정한 발열량 기준에 맞추기 어려운 문제가 있다.

따라서, 본원 발명은 하수슬러지와 열량보강제를 혼합한 혼합물 형태로 사용한다.

상기 하수슬러지와 열량보강제의 혼합비는 예를 들어, 상기 하수슬러지 7중량부에 대하여 건조된 음식물쓰레기 대 톱밥의 투입조건은 1중량부 : 2중량부 내지 1.5중량부 : 1.5중량부 일 수 있고, 또는, 상기 하수슬러지 7중량부에 대하여 톱밥이 3중량부로 포함될 수 있다. 상기 하수슬러지와 열량보강제의 혼합비가 상기 조건에서 벗어나면 효율적인 건조 및 최종 고체연료의 발열량조건이 저하되게 된다.

한편, 상기 GR 규격은 열량보강제의 비율을 한정하여 제한하고 있는 바, 상기 혼합물의 발열량이 GR 규격에 맞출 수 있는 조건으로서, 상기 하수슬러지의 발열량은 2,500 kcal/kg 내지 6,000kcal/kg일 수 있고, 상세하게는 3,000 kcal/kg 내지 6,000kcal/kg일 수 있다.

상기 혼합물의 발열량이 2,500 kcal/kg 보다 낮거나 6,000kcal/kg 보다 높은 경우에는, 이를 보완하기 위하여 다른 종류의 하수슬러지를 혼합하여 2종 이상의 하수슬러지를 포함하는 혼합물을 제조할 수 있다.

따라서, 상기 혼합물을 제조하기 전에 하수슬러지의 발열량을 측정하는 유닛을 추가로 포함할 수 있고, 발열량 측정 유닛에서 측정된 발열량에 따라 열량보강제와 혼합되는 하수슬러지의 종류 및 함량비가 결정될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄의 생산방법은, 황의 함량이 1중량% 보다 많이 포함되는 하수슬러지를 이용하여 하이브리드 슬러지 연료탄을 제조하는 경우에도 적용이 가능한 바, 본 발명에 따라 제조된 하이브리드 슬러지 연료탄의 황 함량은 1중량% 이하로 포함된다. 한편, 상기 GR 규격은 황 함량을 한정하여 제한하고 있는 바, 본 발명에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄은 상기 GR 규격에 맞출 수 있는 황 함량 조건을 갖는다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 성형유닛 사진이다.

성형공정은 특정한 범위의 수분을 포함하는 원료에 고압을 가하여 펠릿(Pellet)모양으로 성형하는 과정이며, 상기 성형유닛은 가압 펠릿성형장치일 수 있다. 상세하게는, 상기 성형장치는 Vertical type Pelletizer 또는 Horizontal type Pelletizer를 이용할 수 있으며, 이외에도 기성품화 된 성형장치를 이용할 수 있다. 단 성형장치의 다이(Die)는 하수슬러지 특성에 맞도록 특수 형상으로 제작한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 사진이다. 도 5를 참조하면, 펠릿 형태의 하이브리드 슬러지 연료탄은 상대적으로 직경이 작고 길이가 긴 원통형으로 이루어질 수 있다.

상기 펠릿의 직경은 상세하게는 2mm 내지 20mm 일 수 있으며, 더욱 상세하게는 6mm 내지 10mm 일 수 있다. 상기 직경조건을 벗어나면 고체연료 활용성이 낮아질 수 있다.

상기 펠릿의 길이는 상세하게는 10mm 내지 100mm 일 수 있으며, 더욱 상세하게는 20mm 내지 50mm일 수 있다. 상기 길이조건을 벗어나면 고체연료 활용성이 낮아질 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템에서 마이크로웨이브가 설치된 다단 패들 건조유닛 사진이다.

도 6을 참조하면, 상기 다단 패들 건조유닛은, 상세하게는 2단 내지 10단의 다단이 설치될 수 있고, 더욱 상세하게는 3단 내지 5단의 다단 패들이 설치될 수 있다. 상기 단수로 형성되지 못하면 충분한 건조효율을 달성하기 어렵다. 상기 다단 패들은 패들스크류가 형성될 수 있으며, 상기 패들스크류가 형성된 내부케이싱은 상기 혼합물을 이송하면서 건조할 수 있다.

구체적으로, 상기 건조유닛은 내부케이스로서 원료의 이송 및 건조를 위한 패들스크류케이싱이 설치되고 상기 내부케이스를 둘러싸는 이중 자켓형태로 이루어진 외부케이스로 구성될 수 있다. 상기 외부케이스는 내부케이스로 원료를 이송하고, 에너지공급유닛으로부터 고온의 건조한 간접 열풍을 공급하는 바, 상기 간접 열풍이 상기 패들스크류케이싱으로 전달되어 내부케이스에 있는 원료를 가열 및 건조한다.

상기 간접 열풍에 의한 상기 혼합물의 건조는 내부에서 발생되는 수증기만 제거하면 되므로 직접 열풍 건조 방식에 비하여 배기가스량이 상대적으로 적을 수 있다. 또한, 생성된 배기가스는 상기 에너지공급유닛으로 보내어 재연소시킬 수 있다. 이때 상기 배기가스에 포함된 악취성분도 소각되어 제거될 수 있다.

따라서 마이크로웨이브 사용에 의한 건조시간 단축 및 배가스 저감에 의한 배기 에너지 저감 등 일반 열풍 건조기에 비하여 20% 이상의 건조 에너지 저감도 이루게 된다.

상기 건조유닛의 다단부의 각 단 입구에는 마이크로웨이브 발생장치가 설치될 수 있다. 상기 마이크로웨이브 발생장치의 용량은 0.1kwh 내지 5kwh일 수 있으며, 상세하게는 0.5kwh 내지 3kwh일 수 있고 더욱 상세하게는 1kwh 내지 2kwh일 수 있다. 상기 용량범위를 벗어나면 하수슬러지 세포 내부 수분을 효과적으로 건조할 수 없다. 상기 건조유닛을 통과한 혼합물의 수분은 10% 내지 15%일 수 있다.

상기 하수슬러지와 톱밥 등의 혼합물을 펠릿으로 압출하기 위하여 상기 혼합물의 수분은 약 18% 정도로 유지되어야 한다. 이를 잔류수분 10%까지 건조하기 위하여 측정된 수분량에 따라 건조량을 제어할 수 있다.

이와 같이, 상기 건조유닛은, 상기 펠릿의 함수율을 3% 내지 7% 감소시키기 위하여 마이크로파의 조사로 건조가 이루어질 수 있다.

기성 하수슬러지는 유기물(미생물 등)이 주를 이루며, 상기 유기물 가운데 세포벽을 갖는 유기물이 있는 바, 상기 세포벽 내부에 물이 차 있다. 상기 세포벽 내부의 수분은 세포벽이 파괴되어야만 증발할 수 있기 때문에 일반 열풍건조는 오랜 시간이 걸린다. 상기 마이크로웨이브는 고주파(1.9GHz 또는 2.4 GHz, 915 MHz 또는 2,450Mhz)의 고유진동을 인가하여 물분자의 진동을 촉진하는 바, 세포벽 내부의 물분자를 진동시켜 열을 발생시킨다.

이와 같이, 상기 물분자의 온도가 증가하여 수증기로 상전이되면, 세포벽 내부의 압력이 높아져 세포벽을 파괴하게 된다. 따라서 마이크로웨이브를 이용할 경우 빠른 시간 내에 세포벽을 파괴시키고 물분자의 진동 및 충돌에 의하여 빠른 건조가 이루어질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 배가스 처리유닛의 구성장치 사진이다.

일반적으로 건조기에서 배출되는 악취를 포함한 수증기는 연소로로 보내지고 상기 연소로의 연소버너에서 발생되는 화염에 직접 접촉하여 재연소 된다. 연소된 뜨거운 가스는 건조기 외부를 감싸고 있는 자켓으로 보내져 건조에 이용되고, 건조에 이용된 가스는 배가스 처리장치를 거쳐 대기중으로 배출된다.

배출가스는 건조기에서 발생되고 연소로에서 연소된 소량의 미분(연소재)을 포함하고 있으며, 또한 악취가 연소된 가스상 물질도 포함하고 있다. 먼저 사이클론을 거치며 포함된 미분이 제거되고, 수증기 냉각 장치를 거치며 수증기는 물로 냉각되어 회수된다. 물이 제거된 배가스는 활성탄 흡착탑을 거쳐 가스상 물질을 흡착한후 배기 팬에 의하여 대기중으로 배출된다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 탄화유닛 사진이다.

일반적으로 성형된 슬러지 연료는 수분이 약 10% 내외로 남아 있으며, 상기 성형된 슬러지 연료는 많은 악취를 가지고 있다. 또한 습기를 만나 성형이 풀리는 약점을 가지고 있다.

반탄화 공정은 성형된 연료를 고온의 열과 접촉시켜 기공 내에 남아있는 수분을 제거하고 연료의 표면을 탄화시켜 탄소전구체로 만드는 공정이다. 상기 반탄화 공정에 의해 연료의 표면이 소수성(물을 배척하는 성질)으로 변하면 상기 연료가 물과 만나도 표면이 물에 젖지 않으므로 성형이 풀리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고온 열처리 과정에서 남아있는 악취도 제거되는 특성을 보인다. 이와 같은 반탄화 공정은 예를 들어, 간접열을 이용하는 로터리 킬른(Rotary Kiln) 탄화로를 이용하여 진행될 수 있다.

상기 로터리 킬른 탄화로는 내통에 원료(성형탄)를 통과시키며, 상기 내통 외부를 가열하는 가열 자켓(Heating Jacket)을 형성하여 자켓 내부에 고온의 열풍을 보낸다. 이와 같이, 상기 로터리 킬른 탄화로 내통을 가열하여 내통 내부에 있는 원료(성형탄)를 간접적으로 가열하게 된다.

이와 같이 간접가열을 할 때, 입구 및 출구 등에 공기가 들어가지 못하도록 Air seal을 설치하고 상기 로터리 킬른 탄화로 내부에는 산소를 차단하기 위하여 질소가스(N₂) 또는 약간의 수증기를 주입한다. 산소와 고온의 원료(성형탄)가 접촉되면 연소가 일어나게 되므로 산소를 차단하는 역할은 상당히 중요하다. 이때 원료를 가열하는 온도는 200~300 ℃ 범위가 적당하며, 약 20~40분 범위로 가열하게 된다. 가열된 원료는 배출될 때 공기중에(산소와) 노출되면 연소가 일어나므로 배출되기 전에 별도의 냉각장치를 통해 배출 하여야 한다. 이때 이용되는 냉각기로는 워터자켓 스크류 컨베이어(Water Jacket screw conveyor) 등을 이용할 수 있다.

건조장치와 마찬가지로 탄화 배가스에는 많은 악취를 포함하게 된다. 따라서 탄화로 가열을 위한 열풍발생장치로 가스를 주입시켜 재연소가 이루어 지게 하는 바, 탄화 가스 및 악취를 포함한 수증기는 연소로로 보내지고 연소로의 연소버너에서 발생되는 화염에 직접 접촉하여 재연소된다.

연소된 뜨거운 가스는 탄화로 외부를 감싸고 있는 자켓으로 보내져 탄화로에 열을 공급하고, 탄화에 이용된 가스는 배가스 처리장치를 거쳐 대기중으로 배출된다. 배출가스는 탄화기에서 발생된 미분이 연소된 소량의 미분(연소재)을 포함하며, 또한 악취가 연소된 가스상 물질도 포함하고 있다.

상기 배출가스는, 먼저 사이크론을 거치며 미분이 제거되고, 수증기는 냉각 장치를 거치며 물로 냉각되어 회수된다. 물이 제거된 배가스에 포함된 가스상 물질은 활성탄 흡착탑에 흡착되고 정화된 가스는 배기 팬에 의하여 대기중으로 배출된다. 이때 사이크론 후단은 건조기 후단과 같은 공정이므로 동일한 장치를 용량을 키워 동시에 이용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템의 밀폐저장조 구성유닛 사진이다.

일반적으로 수분함량이 높고 악취 발생의 위험이 있는 하수슬러지는 밀폐식 저장조에 저장하는 것이 바람직하며, 상기 밀폐식 저장조에 저장된 하수슬러지는 연료 공급을 위한 시스템에 투입될 때 일정한 양이 정량공급 될 수 있다. 이에, 철판을 이용하여 완전 밀폐식 저장조를 제작하고, 상부에는 개폐식 자동도어 장치를 설치하여 덤프트럭 등으로 슬러지를 투입할 수 있다.

또한, 투입시에만 밀폐식 저장조를 개방하고 투입후에는 다시 닫아서 내부의 악취가 외부로 빠져 나가지 않도록 한다. 상기 밀폐식 저장조 상부에는 배기 노즐을 설치하고, 배기되는 악취를 처리할 수 있는 악취 저감장치 및 저장조 내부에 음압을 걸어 내부공기(악취 포함)가 외부로 빠져나가지 못하도록 하는 배기팬(I.D FAN)과 연결된다. 상기 밀페식 저장조 하부에는 일정량의 하수슬러지를 배출하여 다음공정에 연결되는 배출장치로서, 하부에 정량공급장치가 형성될 수 있으며, 상기 정량공급장치는 상기 하수슬러지를 정량 공급할 수 있다면 그 형태에 제한을 받지 않음은 자명하다. 상기 정량공급장치는 상세하게는 트윈 스크류 컨베이어(Twin screw Conveyor) 및 트윈 스크류 피더(Twin screw feeder)로 구성될 수 있다.

상기 트윈 스크류 컨베이어를 2열로 설치하여 호퍼 하부에 원료가 남아있지 못하고 완전배출이 이루어지게 하며, 또한 폭이 좁은 스크류에 의하여 배출할 경우 원료하부만 배출되고 상부는 그대로 남아있는 브릿지 현상(Bridging)이 발생되지 못하게 하여야 한다.

상기 트윈 스크류 컨베이어를 통해 공급되는 상기 하수슬러지는 상기 정량공급장치의 트윈 스크류 피더의 호퍼에 공급된다. 또한, 상기 호퍼의 형태는 경사각이 없는 형태를 가질 수 있다. 이러한 형태는 수분 및 점착성이 있는 하수슬러지가 벽면에 점착되어 정량공급을 방해하는 빌드업(Build-up)형성을 방지할 수 있는 효과가 있다.

구체적으로, 상기 빌드업 현상(Bild-up)을 방지하기 위하여 2개의 트윈 스크류 피더를 설치하고 상기 트윈 스크류 피더는 속도조절용 인버터(Inverter)가 설치되어 속도 조정에 의한 공급량 조정이 가능하도록 한다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 400kg 생산 시스템의 에너지 밸런스이다.

도 10의 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템은 혼합유닛에서 혼합된 하수슬러지 및 열량보강제의 수분량이 높은 경우로서 수분량을 감소시키기 위하여 건조 슬러지를 추가하는 과정 및 성형하기 전 건조하는 과정을 포함한다. 이후 과립화 과정(Granular)을 통해 연료를 성형하고 건조 및 탄화 과정을 거쳐 하이브리드 슬러지 연료탄(HSF)이 제조된다.

상기 과정에서, 투입되는 에너지량은 1,362,816 kcal/hr이고, 배출되는 에너지량은 1,614,264 kcal/hr인 바, 에너지 효율은 약 73.2%이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 생산 시스템은 매우 높은 에너지 효율을 갖는 것을 알 수 있다.

도 11은 기존 슬러지 성형연료의 흡습성 실험 사진이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 흡습성 실험 사진이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 도 11의 슬러지 성형연료는 하수슬러지 및 음식물쓰레기를 혼합하여 건조하여 펠릿으로 성형하여 제조된 것으로서, 추가로 탄화 과정을 거치지 않은 연료탄인 바, 물에 투입한 직후부터 5분을 경과하는 시점부터 연료탄의 형태가 풀어지기 시작하고, 24시간 경과 후에는 물에 완전히 풀어져 버림을 알 수 있다. 이는 물에 대한 흡습성이 높기 때문이다.

반면에, 도 12의 하이브리드 슬러지 연료탄은, 발열량이 2,500 kcal 이상인 저열량 하수슬러지 및 고열량 하수슬러지, 목분을 혼합하여 건조한 후 성형하고 탄화 과정을 거쳐 제조되었다. 이와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 하수슬러지 연료탄은 탄화 과정을 거치면서 표면이 개질되어 소수성으로 변화되기 때문에, 물에 대한 흡수성이 현저히 저하되어 물에 잠긴 후 24시간이 경과하더라도 형태가 풀어지지 않고 유지됨을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄 생산 시스템에서 생산된 성형연료의 소수성을 확인하기 위한 접촉각 측정실험 사진이다.

도 13의 실험은 한국의 SEO사의 PHODNIX-300 장치를 사용하여 측정되었으며, 두께 4 mm, 지름 24mm 크기의 disk로 측정시료를 제작하였다. 상기 측정시료 제작시 인가한 압력은 5 MPa이상이다.

측정시료의 조성 및 측정된 접촉각은 하기 표 1과 같다.

상기 PHODNIX-300 장치에 상기 disk를 올리고 물방울을 시료 위에 떨어뜨려 10초 이상 관측하면서 연속 촬영을 실시하였다.

상기 PHODNIX-300 장치에서 자동 측정된 접촉각은 관측된 접촉각의 평균값이다.

	하수슬러지 (wt%)	열량보강제 (당밀) (wt%)	접촉각 (ㅀ)
Raw sludge	100	0	54
HSF-M10%	90	10	124
HSF-M20%	80	20	129
HSF-M30%	70	30	135

상기 표 1 및 도 13을 참조하면, Raw sludge는 연료로 가공처리하지 않은 하수슬러지인 바, 접촉각이 54도로 측정되었다.

일반적으로 10초 이상 관측했을 때 접촉각이 120ㅀ이상으로 측정되는 경우 소수성으로 판단하는 점을 고려할 때, 본 발명에 따른 하이브리드 슬러지 연료탄은 120ㅀ의 접촉각이 측정된 바, 소수성을 갖음을 알 수 있다.

이는 도 12에 나타낸 배와 같이 물에 투입한 상태에서 형상이 유지되는 것으로도 알 수 있다.

상기 하이브리드 슬러지 연료탄 반탄화 생산 시스템은 연료 공급원으로서, 에너지공급유닛을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 에너지공급유닛은 상기 건조유닛의 건조에 요구되는 열에너지를 공급할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않으며, 상세하게는 연소기일 수 있다. 상기 연소기는 고체, 액체 및 기체 연료 중 어느 하나 또는 2 이상의 연료를 사용할 수 있다. 추가적으로 상기 건조유닛에서 생성되는 가연성 악취 배가스 및 부유 미분을 추가적으로 연료로 이용할 수 있다. 상기 가연성 악취 배가스는 수증기, 방향족 탄소화합물, 비산 중금속, 휘발성 유기화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 에너지공급유닛은 더욱 상세하게는 천연가스 연소기일 수 있다. 상기 천연가스 연소기에서 생성된 고온의 배가스를 직접 또는 간접으로 상기 건조유닛에 공급할 수 있다.

상기 건조유닛에서 배출되는 악취를 포함하는 배가스는 선택적으로 상기 에너지공급유닛에 공급되어 재연소 및 소각처리 되거나 상기 배가스 처리유닛을 통해 대기중으로 배출될 수 있다. 상기 배가스는 상기 건조유닛에서 발생된 미연탄소분, 회분 등을 포함할 수 있다. 상기 배가스는 상기 에너지공급유닛에서 배출되는 상기 악취를 포함하는 배가스가 연소된 가스상 물질을 포함할 수 있다. 상기 배가스는 사이클론을 통해 1차로 미분이 제거될 수 있다. 상기 사이클론을 통과한 배가스는 컨덴서를 통과하면서 수증기가 응축 제거될 수 있다. 상기 컨덴서를 통과한 배가스는 흡착탑을 통해 가스상 유해물질을 흡착제거한 후 배기 팬에 의해 대기중으로 배출될 수 있다. 상기 흡착탑의 흡착제는 활성탄, 제올라이트 등이 사용될 수 있음은 자명하다.

이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

상기의 하이브리드 슬러지 연료탄 생산 시스템을 이용하여 통상의 하수슬러지(DSS, HSS) 및 석탄류(ILRC, KDCC, ATCC)의 특성시험을 수행하였다. 실험에 사용된 하수슬러지 및 석탄류의 기초 분석값은 아래 표 2와 같다.

(M : Moisture, VM : Volatile matter, FC : Fixed carbon, HHV : Higher Heating Value, LHV : Lower heating value, ACV : As-received calorific value, NCV : Net calorific value)

일반적으로, 높은 발열량을 결정하는 인자는 회분과 휘발분, 고정탄소의 함량으로 결정되며, 구체적으로, 회분이 적게 포함되고 연소물질인 고정탄소와 휘발분이 다량 포함되는 경우 높은 발열량을 갖는다.

또한, 수소와 산소는 탄소와 함께 H/C, O/C molar ratio를 계산하여 연료등급을 나타내는데 수소, 산소가 적을수록, 탄소가 많을수록 고급의 연료로 취급된다.

상기 표 2의 하수슬러지(DSS, HSS)와 열량보강제로서 석탄류(ILRC, KDCC, ATCC)를 오븐에 건조한 후 75㎛ 이하의 입자크기를 갖도록 분쇄하였다. 상기 하수슬러지 및 열량보강제를 동일한 비율로 배합한 후 당밀을 첨가하여 페이스트를 제조하였다. 구체적인 제조 비율은 하기 표 3과 같다.

상기 제조된 페이스트의 수분을 제거하고 당밀의 함침을 촉진하기 위하여 오븐에 건조시켰다. 이후 탄화장치로 불연성 가스(질소 가스) 분위기에서 1시간 동안 250℃로 탄화하였다.

상기 표 3의 조건에서 제조된 하수슬러지 복합연료의 연료특성 분석은 표 4 및 표 5와 같다.

상기 표 4를 참조하면, 첨가되는 석탄류의 휘발분, 회분 및 고정탄소의 고함량에 순서와 HSF의 휘발분, 회분 및 고정탄소의 고함량 순서가 동일하게 나타나고 있다.

원소분석의 경우는, 첨가되는 석탄의 원소 함량과 탄화 정도에 따라 탄소, 수소, 산소, 질소, 황분의 함량이 결정된다.

유황성분은 인도네시아 저급탄을 첨가할 때 가장 높았으며, 키데코 석탄과 무연탄의 경우 1 wt% 미만으로 포함한다.

질소는 석탄의 함유량과 무관한 결과를 보였는데, 이것은 저온탄화 시 일부의 질소성분이 소실되기 때문인 것으로 예측된다.

또한, 탄화 제조 과정에서 dehydration, decarboxylation, demethanation 현상에 의해 수분, 일부의 휘발분, 수소, 질소, 황, 산소가 제거 되며, 고정탄소 및 탄소 성분이 증가한다.

상기 HSF는 원 하수슬러지에 비해 비약적으로 수분이 제거 되고 고정탄소와 탄소성분이 증가 하게 되는데 이는 발열량 향상에도 영향을 미친다. 즉, 위 3가지 HSF의 경우 저위발열량 4,000 kcal/kg 이상을 보여 고등급의 연료로 전환 됨을 알 수 있다. 또한, HSF의 발열량도 마찬가지로 첨가되는 석탄의 발열량이 영향을 미치게 되는데, 가장 높은 발열량을 보이는 무연탄을 첨가 할 경우 5,030 kcal/kg으로 가장 높은 발열량을 나타내고 있다.

상기 표 5를 참조하면, 향남 하수슬러지 기반의 HSF의 경우에도 상기 표 4의 대전 하수슬러지 기반의 HSF와 유사한 결과를 보이는 것을 알 수 있으며, 위 3가지 HSF의 경우 저위발열량 56,000 kcal/kg 이상을 보여 고등급의 연료로 전환 됨을 나타내고 있다

<실시예 2>

상기 조건에서 하수슬러지 70wt%, 음식물쓰레기30wt%로 제조된 하이브리드 슬러지 연료탄(HSF-2017-1) 및 하수슬러지 70wt%, 음식물쓰레기20wt%, 및 톱밥 10wt%로 제조된 하이브리드 슬러지 연료탄(HSF-2017-2)의 공업분석, 유황분 및 저위발열량은 하기 표 6과 같다.

이상과 같은 공정을 거쳐 생산된 하이브리드 슬러지 연료탄(HSF-Hybrid sludge fuel)은 고열량의 에너지(4,300~4,700 kcal/kg)를 가지고 있으며 유황분을 1wt% 이하로 포함하고, 건조공정을 거치며 악취는 완전히 제거된다. 또한 고압축력의 성형과정을 통해 분진이 발생되지 않는다. 따라서 취급 및 운송이 편리한 재활용 연료로 탄생되었다.

상기 HSF 연료는 석탄화력 발전소 RPS(이산화탄소 저감을 위한 신재생 에너지 의무사용)연료로 사용가능 하여 기존에 RPS 연료로 사용되는 Wood pellet과 같은 용도로 이용할 수 있으므로 수입대체 효과를 얻을 수 있다. 또한 우드펠릿 수입가격(약 140 USD/ton)보다 싸게 공급이 가능하므로 발전소는 연료비를 큰 폭으로 줄일 수 있다.

<실시예 3>

상기 표 3에 기재된 샘플들의 연소특성을 확인하기 위한 TGA 분석을 실시하였다.

상기 각 샘플에 대해 TGA 분석을 실시하고 그 결과를 도 14의 DTG 그래프로 나타내었다. TGA 분석은 한국화학연구원의 TGA Q500 분석 장비로 가열 속도는 10 ℃/min, 산소 유속은 100 ml/min의 조건으로 측정하였다.

도 14를 참조하면, HSF1, HSF2 및 HSF3의 경우 200~300℃의 구간에서 휘발분의 연소가 1차적으로 일어나며, 400℃ 이상에서 탄소가 연소되면서 급격한 무게 감량을 나타내고, 500℃ 이하에서 모든 연소과정이 종료되었다.

HSF4, HSF5 및 HSF6의 경우 상기 HSF1, HSF2 및 HSF3보다 앞선 약 150℃에서 휘발분의 연소가 시작되나, 더 많은 탄소함량으로 인하여 550℃까지 연소가 지속된다. 유연탄인 인도네시아 저급탄(HSF1 및 HSF4)과 키데코 석탄(HSF2 및 HSF5)의 경우 250℃ 부근에서 휘발분 연소에 의한 급격한 무게 감량이 일어나는 반면, 무연탄(HSF3 및 HSF6)은 400℃ 이상에서 급격한 무게감량을 나타났다. 당밀은 200℃ 부근에서 열분해에 의해 탄화되며, 400℃에서 연소되면서 큰 무게감량을 나타났다.

기 수행된 선행연구에서 연소반응성이 다른 두 가지 이상의 물질을 단순 혼합한 경우 각 물질이 가지고 있는 고유의 연소특성이 유지되는, 즉 각기 다른 연소피크를 나타내 연소반응성이 큰 물질이 우선적으로 연소되고 다른 물질의 연소를 방해해 다단연소가 일어나는 현상을 규명한 바 있으며, 실제 보일러에서 다단 연소특성을 보일 경우에는 미연탄소분(UBC)이 증가하게 되어 결국 발전효율을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

HSF1~HSF6에 걸쳐 모든 시료에서 450℃ 부근의 하수슬러지와 당밀의 연소피크가 사라지고 단일연료 연소특성을 나타냄을 확인할 수 있으며, 특히 무연탄을 혼합하여 제조한 HSF3와 HSF6의 경우 무게 감량이 시작되는 온도가 약 100℃가량 앞당겼음을 확인할 수 있다.

이는 하수슬러지에 다량 포함되어 있는 휘발분이 우선적으로 연소되면서 무연탄의 착화에 필요한 열량을 공급함으로써 무연탄의 연소성을 크게 개선한 것으로 생각되며, 여기서 분명한 점은 당밀에서 유래한 그린카본이 하수슬러지와 무연탄 간의 결합을 강화시켜 3개의 물질이 마치 하나의 연료처럼 연소되는, 즉 단일연료 특징을 나타낸다는 것이다. 따라서, 무연탄발전소에서 보조연료인 중유를 공급하지 않고 단독연료로 혹은 혼소용 연료로서 사용가능할 것으로 판단된다.

본 시스템은 고수분 및 악취발생, 침출수 발생 등 악성폐기물인 유기성 하수슬러지를 이용하여 고열량의 고급화된 에너지로 재활용이 가능한 연료탄을 제조하는 것은 물론이며, 이를 이용한 발전소 RPS 대응 연료로 공급하므로써 고가에 100% 수입되는 Wood pellet을 대체하므로 외화절약은 물론 국내 폐기물을 이용한 연료화에 의하여 폐기물 매립장의 사용연한을 연장할 수 있으며, 지자체에서 부담하는 슬러지 처리비 또한 많이 절약할 수 있어 지자체의 재정절약에도 한 몫 할 수 있게 된다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

10 : 제1하수슬러지 저장조
11 : 제2하수슬러지 저장조
12 : 열량보강제 저장조
100: 혼합유닛
110: 수분측정기
200: 성형유닛
220: 수분 공급장치
300: 탄화유닛
400: 냉각유닛

Claims (14)

1. 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템으로서,
   건조 전 상태의 제1하수슬러지, 건조된 상태의 제2하수슬러지 및 열량보강제를 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합유닛;
   상기 혼합물을 원주상의 펠릿으로 압출 성형하는 성형유닛; 및
   상기 펠릿을 탄화시키는 탄화유닛;
   을 포함하며,
   상기 혼합유닛과 상기 성형유닛 사이, 즉 상기 성형유닛의 유입구와 연결되도록 수분측정기가 위치하고,
   상기 수분측정기에서 측정된 혼합물의 함수율이 상기 성형유닛을 이용하여 압출 성형하는 데에 적절한 함수율 범위인 15% 내지 21% 보다 낮은 경우에는 상기 성형유닛과 연결된 수분 공급장치에서 수분이 공급되거나 또는
   상기 수분측정기에서 측정된 혼합물의 함수율이 15% 내지 21% 보다 높은 경우에는 추가적으로 상기 혼합유닛 및/또는 상기 성형유닛에 건조유닛이 부가되며,
   상기 탄화유닛은 0.05 atm 내지 1 atm의 양압을 유지하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄화유닛은 20분 내지 60분의 시간 동안 작동하며, 200℃ 내지 300℃의 온도로 열처리를 진행하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템.
5. 제1항에 있어서
   상기 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템은 상기 탄화유닛에서 가열된 펠릿을 냉각하기 위한 냉각유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 방법으로서,
    (a) 건조 전 상태의 제1하수슬러지, 건조된 상태의 제2하수슬러지 및 열량보강제를 혼합하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 혼합된 혼합물을 원주상의 펠릿으로 압출 성형하는 단계; 및
    (c) 상기 펠릿을 탄화하는 단계;를 포함하며,
    상기 단계 (b) 이전에 혼합물의 함수율을 측정하는 단계 (a-1)를 포함하고,
    혼합유닛과 성형유닛 사이, 즉 상기 성형유닛의 유입구와 연결되도록 수분측정기가 위치하고,
    상기 수분측정기에서 측정된 혼합물의 함수율이 상기 성형유닛을 이용하여 압출 성형하는 데에 적절한 함수율 범위인 15% 내지 21% 보다 낮은 경우에는 상기 성형유닛과 연결된 수분 공급장치에서 수분이 공급되거나 또는
    상기 수분측정기에서 측정된 혼합물의 함수율이 15% 내지 21% 보다 높은 경우에는 추가적으로 상기 혼합유닛 및/또는 상기 성형유닛에 건조유닛이 부가되며,
    탄화유닛은 0.05 atm 내지 1 atm의 양압을 유지하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 방법.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제10항에 있어서,
    상기 하이브리드 슬러지 연료탄의 생산 방법은 상기 단계 (c)에서 탄화된 펠릿을 냉각하는 단계 (d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 방법.
14. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 20분 내지 60분의 시간 동안 200℃ 내지 300℃의 온도 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지의 건조 여부를 이용한 발전소용 RPS대응 연료탄 반탄화 생산 방법.

Images