KR102647976B1 - Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge and sludge fuel coal manufactured by the method - Google Patents

Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge and sludge fuel coal manufactured by the method Download PDF

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Abstract

본원 발명은 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로, (1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization and to high-calorie sludge fuel coal produced by the method, (1) sewage sludge of one type or a mixture of two or more types with a size of 0.05 to 2 mm. pulverizing; (2) pulverizing one or a mixture of two or more lignocellulosic biomass additives to a size of 0.05 to 2 mm; (3) preparing a mixed material by mixing the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive with water or steam; (4) Injecting the mixed material into a hydrothermal carbonization reaction tank, blocking oxygen, and maintaining a temperature of 200 to 250 ° C. and a pressure of 20 to 40 bar in a hydrothermal carbonization tank equipped with a stirrer to perform a hydrothermal carbonization reaction for 1 to 2 hours; (5) transferring the carbide produced by the hydrothermal carbonization reaction to a molding dehydrator and molding and dehydrating it; and (6) drying the molded and dehydrated carbide; a method for producing high calorific value sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, and a low calorific value of 3,500 kcal/kg or more and 10% by weight of moisture produced by this method. Hereinafter, it relates to high-calorie sludge fuel coal with sulfur content of 1.0% by weight or less and odor level of 300 or less.

Description

하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄{Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge and sludge fuel coal manufactured by the method}Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge and sludge fuel coal manufactured by the method}

본원 발명은, 하수슬러지로부터 하이브리드 수열탄화(Hybrid hydrothermal carbonization)반응을 이용하여 악취저감 효과가 우수하고 높은 발열량 가진 고열량 슬러지 연료탄을 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 기술로서, 에너지 수급 문제를 통합적으로 해결하는 것이 가능하고 한국판 그린뉴딜 정책에 기여할 수 있는 저탄소 에너지화 기술이다. 또한 발전소용 신재생에너지의무할당규정(RPS, Renewable Portfolio Standard)에 대응하기에 적합한 고형연료 제조 기술 및 고형연료에 관한 기술인 것이다.The present invention relates to a method for producing high-calorie sludge fuel coal with excellent odor reduction effect and high calorific value using a hybrid hydrothermal carbonization reaction from sewage sludge, and a technology related to high-calorie sludge fuel coal produced by the method, which provides energy It is a low-carbon energy technology that can solve supply and demand issues in an integrated manner and contribute to the Korean version of the Green New Deal policy. In addition, it is a solid fuel manufacturing technology and solid fuel technology suitable for responding to the Renewable Portfolio Standard (RPS) for power plants.

하수슬러지는 대표적인 도시 폐기물로 이를 에너지화 하는 방법은 고형연료로 제조하는 것이다. 고형연료화 방법에는 건조 공정, 탄화 공정, 반탄화 공정 및 수열탄화 공정이 있다. Sewage sludge is a representative urban waste, and the way to turn it into energy is to manufacture it into solid fuel. Solid fuel conversion methods include a drying process, carbonization process, torrefaction process, and hydrothermal carbonization process.

탄화 및 반탄화 공정은 필수적으로 반응물의 수분을 제거해야하고 수열탄화 반응조에 불활성 기체(아르곤, 질소, 헬륨 등)를 주입하여 산소가 차단된 분위기를 조성해야하는 단점이 있다. Carbonization and torrefaction processes have the disadvantage of essentially removing moisture from the reactant and creating an oxygen-blocked atmosphere by injecting an inert gas (argon, nitrogen, helium, etc.) into the hydrothermal carbonization reaction tank.

또한 건조 공정은 열원만 있으면 수행할 수 있는 간단하고 일반적인 방법이지만 하수슬러지의 함수율이 약 70~90중량%인 것을 고려하면 건조 과정에서 투입되는 열에너지 수요가 높고 고형연료로써 열량도 높지 않기 때문에 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 그리고 건조 시 발생되는 하수슬러지 악취 발생에 대한 문제는 끊임없이 지적되어 왔으며 이를 해결하기 위한 여러 방법들이 시도되고 있다.In addition, the drying process is a simple and common method that can be performed only with a heat source, but considering that the water content of sewage sludge is about 70 to 90% by weight, the demand for heat energy input during the drying process is high and the heat content as a solid fuel is not high, making it economical. It is not desirable from this point of view. In addition, the problem of sewage sludge odor generated during drying has been constantly pointed out, and various methods are being attempted to solve this problem.

종래의 건조 공정의 문제점을 구체적으로 보면 아래와 같다.Specifically, the problems with the conventional drying process are as follows.

첫째, 열에너지가 소모가 많은 문제점이 있는 것이다. 즉, 고형연료 제조를 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요한 문제점이 있는 것이다.First, there is a problem that a lot of heat energy is consumed. In other words, in order to produce solid fuel, sewage sludge (moisture content 70-90% by weight) must be dried to a moisture content of 10% by weight or less, and in the case of hot air drying, there is a problem that the temperature needs to be raised up to 400°C.

둘째, 발열량이 낮아 열량 보조제 투입이 필요한 문제점이 있는 것이다. 즉, 선행기술문헌에 따르면, 하수슬러지 고유의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이다.Second, there is a problem that the caloric value is low, requiring the introduction of caloric supplements. In other words, according to prior art literature, the inherent calorific value of sewage sludge is not high, so there is a problem in that up to 240% of wood must be added compared to sewage sludge to meet the sludge fuel coal standard for power plants, and waste oil must be added up to 10%. There is a problem, and if necessary, high-calorie auxiliaries such as anthracite and oil must be added.

셋째, 악취 발생량이 많은 문제점이 있는 것이다. 즉, 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 상당하며 이를 해결하기 위한 수단으로 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템이 발명되었지만, 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입, 탈취 및 배출 설비)가 필수적이라는 문제점이 있는 것이다.Third, there is a problem with the amount of odor generated. In other words, since sewage sludge is dried as is, the amount of bad odor generated is considerable. Although new drying systems such as vacuum drying have been invented as a means to solve this problem, expensive additional equipment (vacuum equipment, odor suction, deodorization and discharge equipment) is essential. There is a problem.

이러한 측면에서 수열탄화 공정은 습식공정이기 때문에 1차 건조 과정이 불필요하여 하수슬러지를 전처리 과정 없이 직접 반응에 사용 가능할 뿐만 아니라, 기존 건조 공정으로부터 생산된 고형연료 보다 발열량이 우수하면서도 악취저감 효과가 높은 기술이다.In this respect, since the hydrothermal carbonization process is a wet process, the primary drying process is not necessary, so sewage sludge can be used directly for reaction without pretreatment, and it has a higher calorific value than solid fuel produced from the existing drying process and has a high odor reduction effect. It's technology.

대한민국 등록특허공보 10-2037447호(하수 슬러지 진공건조 연료화 시스템)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2037447 (Sewage sludge vacuum drying fuel system) 대한민국 등록특허공보 10-1584621호(하수슬러지를 연료화하기 위한 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1584621 (Mixing drying device for converting sewage sludge into fuel and manufacturing method of sewage sludge fuel coal)

본원 발명은, 하수슬러지 연료탄 제조에 일반적으로 사용되어 왔던 종래의 건조 공정 기술로부터 발생하는 문제점들을 보완 및 개선한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로서, 다음과 같은 해결하고자 하는 과제를 구비한 것이다.The present invention is a method of producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, which complements and improves problems arising from the conventional drying process technology that has been commonly used in the production of sewage sludge fuel coal, and high-calorie sludge produced by the method. As it relates to fuel coal, it has the following problems to be solved.

첫째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요하므로 열에너지가 다량 소요되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다. First, in order to produce solid fuel through a drying process according to the prior art, sewage sludge (moisture content 70-90% by weight) must be dried to a moisture content of 10% by weight or less, and in the case of hot air drying, heating up to a maximum of 400°C is required, so heat energy is required. There is a problem that a large amount of is required, and the purpose of the present invention is to provide a method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization and high-calorie sludge fuel coal that solves this problem.

둘째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조할 경우, 하수슬러지 자체의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 열량 보조제로 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다.Second, when producing solid fuel through a drying process according to the prior art, the calorific value of sewage sludge itself is not high, so wood must be added up to 240% as a caloric supplement compared to sewage sludge to meet the sludge fuel coal standard for power plants, and waste oil There is a problem that up to 10% must be added, and if necessary, high-calorie auxiliaries such as anthracite coal and oil must also be added. The present invention solves this problem by manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization. The purpose is to provide a method and high-calorie sludge fuel coal.

셋째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 상당히 많은 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 수단으로 채택된 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템은 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입 및 배출 설비)가 필수적으로 요구되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다.Third, in order to produce solid fuel using the drying process according to the prior art, there is a problem in that sewage sludge is dried as is, resulting in a significant amount of odor, and new drying systems such as vacuum drying adopted as a means of solving this problem are expensive and expensive. There is a problem that additional equipment (vacuum equipment, odor suction and discharge equipment) is essentially required, and the present invention provides a method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, which solves this problem, and high-calorie sludge fuel coal. It is to have a purpose.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본원 발명을 통해 달성한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법은, (1) 하수슬러지를 분쇄하는 단계; (2) 목질계 바이오매스 첨가물을 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.In order to achieve the above object, the method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor achieved through the present invention includes the steps of (1) pulverizing sewage sludge; (2) grinding the lignocellulosic biomass additive; (3) preparing a mixed material by mixing the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive with water or steam; (4) Injecting the mixed materials into a hydrothermal carbonization reaction tank, blocking oxygen, and performing a hydrothermal carbonization reaction in a hydrothermal carbonization reaction tank equipped with a stirrer; (5) transferring the carbide produced by the hydrothermal carbonization reaction to a molding dehydrator and molding and dehydrating it; and (6) drying the molded and dehydrated carbide; a method for producing high calorific value sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, and a low calorific value of 3,500 kcal/kg or more and 10% by weight of moisture produced by this method. Hereinafter, it relates to high-calorie sludge fuel coal with sulfur content of 1.0% by weight or less and odor level of 300 or less.

여기서, 상기 하수슬러지는 1종을 이용할 수 있고 2종 이상의 다양한 하수슬러지를 혼합하여 이용할 수도 있는 것으로서, 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.Here, the sewage sludge can be used as one type or by mixing two or more different types of sewage sludge. It is preferable to pulverize the sewage sludge to a size of 0.05 to 2 mm, and to pulverize the sewage sludge to a size of 0.1 to 1 mm. It is more preferable, and it is most preferable to grind it to a size of 0.1 to 0.5 mm.

또한, 상기 목질계 바이오매스 첨가물은 톱밥, 폐목재 등 목질계 바이오매스를 이용하는 것으로서 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.In addition, the lignocellulosic biomass additive uses lignocellulosic biomass such as sawdust and waste wood, and is preferably pulverized to a size of 0.05 to 2 mm, more preferably pulverized to a size of 0.1 to 1 mm, and 0.1 to 0.5 mm. It is most desirable to crush it to a size of .

그리고, 상기 하수슬러지는 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이며(목질계 바이오매스 첨가물 : 하수슬러지 = 1 : 1 ~ 9 중량), 상기 물 또는 스팀은 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이다(하수슬러지 및 목질계 바이오매스 첨가물 : 물 또는 스팀 = 1 : 0.5 ~ 2 중량). In addition, the sewage sludge is preferably mixed with 1 to 9 times the weight of the lignocellulosic biomass additive (lignocellulosic biomass additive: sewage sludge = 1: 1 to 9 by weight), and the water or steam is mixed with pulverized sewage. It is preferable to mix sludge and pulverized lignocellulosic biomass additives in an amount of 0.5 to 2 times the weight (sewage sludge and lignocellulosic biomass additives: water or steam = 1:0.5 to 2 weight).

또한, 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계에서 얻어진 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 시키는 과정에서 물 또는 스팀은 수열탄화 반응조의 용량과 공정 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되도록 반응시키는 것이 바람직한 것인데, 상기 수열탄화 반응시키는 단계는 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 바람직한 것이며, 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 더욱 바람직한 것이다.In addition, the mixed material obtained in the step of producing a mixed material by mixing the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive with water or steam is introduced into a hydrothermal carbonization reaction tank, oxygen is blocked, and a stirrer is installed. In the process of hydrothermal carbonization in the hydrothermal carbonization reaction tank, water or steam is supplied considering the capacity of the hydrothermal carbonization tank and the process moisture content, and it is desirable to react so that ionicity is maximized under subcritical water conditions. The hydrothermal carbonization reaction step is carried out at temperature. It is preferable to carry out the hydrothermal carbonization reaction for 1 to 2 hours by maintaining the temperature at 200 to 250 ℃ and the pressure at 20 to 40 bar, and it is more preferable to carry out the hydrothermal carbonization reaction at 210 to 230 ℃ and the pressure at 25 to 35 bar for 1 to 2 hours.

그리고, 상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물은 정수처리장치로 이송되어 정수처리한 후, 급수탱크로 이송시켜 재사용하는 것으로서, 물의 사용량을 크게 절감시키는 효과를 구비한 것이다.In addition, the water recovered in the molding and dehydration steps in the molding dehydrator is transferred to a water purification device, purified, and then transferred to a water tank for reuse, which has the effect of greatly reducing water usage.

또한, 상기 혼합 재료를 제조하는 단계에서 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀이 혼합되는 것인데, 이에 더하여 촉매가 추가로 투입되어 혼합될 경우 수 있다.In addition, in the step of preparing the mixed material, water or steam is mixed with the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive. In addition, a catalyst may be additionally added and mixed.

여기서, 상기 촉매는 원료의 특성에 따라 산 촉매(Acid Catalyst), 염기 촉매(Base Catalyst), 무기금속 촉매(Inorganic Metal Catalyst) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인바, 산촉매는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)과 같은 강산류가 바람직하고, 염기촉매는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기류가 바람직하며, 무기금속 촉매는 염화철(FeCl3, FeCl2), 산화제이철(Fe2O3)과 같은 철(Iron)계 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직한 것이다.Here, the catalyst is selected from the group consisting of an acid catalyst, a base catalyst, an inorganic metal catalyst, or a mixture thereof depending on the characteristics of the raw material. The acid catalyst is hydrochloric acid (HCl). ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are preferred, and the base catalyst is preferably a strong base such as sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH), and an inorganic metal catalyst. It is preferable that it is an iron type such as iron chloride (FeCl 3 , FeCl 2 ), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), or a mixture thereof.

한편, 본원 발명은, 위에서 설명한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.Meanwhile, the present invention relates to high-calorie sludge fuel coal with reduced odor produced by the method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization described above.

종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정을 거쳐 제조된 고형연료의 저위발열량은 평균적으로 3,000kcal/kg 수준에 불과한 것일 뿐 아니라 건조 공정 중에 악취가 다량 발생하는 것이었다. 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정 중에 발생하는 악취 발생으로 인하여 건조 공정을 수행하는 것이 불가능한 것이었을 뿐 아니라, 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정에 의하여 제조된 고형연료의 저위발열량을 높이기 위하여 톱밥을 혼합할 경우에도 약 3,500 kcal/kg 수준에 불과한 것이므로 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정은 수행이 불가능한 것이었다.The low calorific value of solid fuel produced through the drying process of sewage sludge according to the prior art was only 3,000 kcal/kg on average, and a large amount of bad odor was generated during the drying process. Not only was it impossible to perform the drying process due to the foul odor generated during the sewage sludge drying process according to the prior art, but sawdust was used to increase the low calorific value of the solid fuel produced by the sewage sludge drying process according to the prior art. Even when mixed, the amount was only about 3,500 kcal/kg, so the drying process of sewage sludge according to the prior art was impossible.

이에 비하여 본원 발명의 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)에 따른 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하인 조건을 충족시키는 것이고, 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따른 악취도 300 이하인 조건을 충족시키는 것이므로, 본원 발명은 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄을 바람직한 것으로 제공되는 것이다.In comparison, the high calorific value sludge fuel coal with reduced odor of the present invention meets the conditions of a low calorific value of 3,500 kcal/kg or more, moisture 10% by weight or less, and sulfur 1.0% by weight or less according to the quality standard for sewage sludge fuel coal for power generation (GR M 9018-2019). Since it satisfies the condition of an odor level of 300 or less according to the National Institute of Environmental Research Notice No. 2019-17 (Odor Process Test Standard), the present invention provides a high-calorie sludge fuel coal with reduced odor as a desirable one.

그리고, 본원 발명의 더욱 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량 3,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 10 중량%, 황 0.05 내지 1.0 중량%, 악취도 80 내지 300인 조건을 충족시키는 것이다.In addition, the more preferred high-calorie sludge fuel coal with reduced odor of the present invention satisfies the conditions of low-level calorific value of 3,500 to 7,000 kcal/kg, moisture 1 to 10% by weight, sulfur 0.05 to 1.0% by weight, and odor degree of 80 to 300.

나아가, 본원 발명의 가장 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 조건을 충족시키는 것이다.Furthermore, the most preferred high-calorific value sludge fuel coal with reduced odor of the present invention satisfies the conditions of low calorific value of 4,500 to 7,000 kcal/kg, moisture of 1 to 7% by weight, sulfur of 0.05 to 0.7% by weight, and odor degree of 80 to 250.

본원 발명은, 슬러지 연료탄 제조에 일반적으로 사용되어 왔던 종래의 건조 공정 기술로부터 발생하는 문제점들을 보완 및 개선한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 구비한 것이다.The present invention is a method of producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, which complements and improves problems arising from the conventional drying process technology that has been generally used in the production of sludge fuel coal, and high-calorie sludge fuel coal manufactured by the method. As it relates to, it has the following effects.

첫째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요하므로 열에너지가 다량 소요되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.First, in order to produce solid fuel through a drying process according to the prior art, sewage sludge (moisture content 70-90% by weight) must be dried to a moisture content of 10% by weight or less, and in the case of hot air drying, heating up to a maximum of 400°C is required, so heat energy is required. There is a problem that a large amount of is required, and the present invention shows a remarkable effect of providing a high-calorie sludge fuel coal and a method of producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization that solves this problem.

둘째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조할 경우, 하수슬러지 자체의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 열량 보조제로 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.Second, when producing solid fuel through a drying process according to the prior art, the calorific value of sewage sludge itself is not high, so wood must be added up to 240% as a caloric supplement compared to sewage sludge to meet the sludge fuel coal standard for power plants, and waste oil There is a problem in that up to 10% must be added, and if necessary, high-calorie auxiliaries such as anthracite coal and oil must also be added. The present invention is a method of producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, which solves this problem. And it shows a remarkable effect of providing high-calorie sludge fuel coal.

셋째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 매우 많은 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 수단으로 채택된 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템은 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입 및 배출 설비)가 필수적으로 요구되는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.Third, in order to produce solid fuel using the drying process according to the prior art, there is a problem in that sewage sludge is dried as is, resulting in a very large amount of odor, and new drying systems such as vacuum drying adopted as a means to solve this problem are expensive and expensive. There is a problem that additional equipment (vacuum equipment, odor intake and discharge equipment) is essentially required, and the present invention provides a method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, which solves these problems, and provides high-calorie sludge fuel coal. It shows a remarkable effect.

넷째, 하수슬러지와 첨가물(톱밥, 폐목재)을 혼합하여 종래기술에 따른 건조 공정을 거쳐 슬러지 연료탄을 제조할 경우, 균질성이 낮으므로 연소 시, 성상의 분리 문제나 슬러지 연료탄의 낮은 착화점과 낮은 연소온도 그리고 석탄보다 빨리 연소하는 문제가 발생할 수 있지만, 본원 발명은 하수슬러지와 첨가물(톱밥, 폐목재 등의 목질계 바이오매스)을 혼합하더라도 수열탄화의 화학적 반응을 통해 생성물의 균질성과 연소의 안정성을 향상시키는 효과를 구비한 것이다.Fourth, when mixing sewage sludge and additives (sawdust, waste wood) to produce sludge fuel coal through a drying process according to the prior art, the homogeneity is low, so there are problems with separation of properties during combustion, low ignition point of sludge fuel coal, and low combustion. Although there may be problems with temperature and combustion faster than coal, the present invention maintains the homogeneity of the product and the stability of combustion through the chemical reaction of hydrothermal carbonization even when sewage sludge and additives (lignocellulosic biomass such as sawdust and waste wood) are mixed. It has an improving effect.

다섯째, 본원 발명의 하이브리드 수열탄화 공정에서 소모되는 열에너지는 220kcal/kg인 것인데 비하여, 종래의 건조 공정에서 소모되는 열에너지인 640kcal/kg인 것이어서, 본원 발명에서 소모되는 열에너지는 종래의 건조 공정에서 소모되는 열에너지의 33%수준인 것이므로 에너지 효율이 매우 높은 현저한 효과를 구비한 것이다. 나아가 본원 발명은 200~250℃ 낮은 온도에서 1~2시간 내로 신속하게 진행되기 때문에 공정의 경제성 측면에서도 매우 우수한 효과를 구비한 것이다.Fifth, the heat energy consumed in the hybrid hydrothermal carbonization process of the present invention is 220 kcal/kg, whereas the heat energy consumed in the conventional drying process is 640 kcal/kg, so the heat energy consumed in the present invention is less than that consumed in the conventional drying process. Since it is at the level of 33% of thermal energy, it has a remarkable effect of very high energy efficiency. Furthermore, since the present invention proceeds quickly within 1 to 2 hours at a low temperature of 200 to 250 ° C, it has an excellent effect in terms of economic efficiency of the process.

여섯째, 종래기술에 따른 건조 공정에서 목재류를 혼합하여 하수슬러지를 건조하는 물리적 처리와 달리, 본원 발명의 수열탄화는 화학적인 처리로써 원료에 포함된 수소와 산소 비율을 낮추고 고정탄소를 높여주기 때문에 톱밥을 소량 첨가하더라도 발열량이 높아(저위발열량 5,000kcal/kg 이상) 열량 보조제 첨가가 불필요한 효과를 구비한 것이며, 게다가 이러한 수열탄화(화학적 처리)를 통해 악취원인물질을 제거하여 악취저감 효과 또한 매우 우수한 것이다.Sixth, unlike the physical treatment of drying sewage sludge by mixing wood in the drying process according to the prior art, the hydrothermal carbonization of the present invention is a chemical treatment that lowers the ratio of hydrogen and oxygen contained in the raw materials and increases the fixed carbon in sawdust. Even if a small amount is added, the calorific value is high (lower calorific value of 5,000 kcal/kg or more), so the addition of caloric auxiliaries is unnecessary, and the odor-causing effect is also very excellent by removing odor-causing substances through this hydrothermal carbonization (chemical treatment). .

도 1은 본원 발명의 실시예에 따른 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 고열량 및 악취저감 슬러지 연료탄의 제조 장치의 구성도이다.
도 2은 하수슬러지 원물, 하수슬러지와 톱밥을 혼합한 혼합물에 대해 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1), 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 고위발열량을 비교한 그래프이다.
도 3은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)의 주요 항목과 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 특성을 비교한 표이다.
Figure 1 is a configuration diagram of an apparatus for producing high-calorie and odor-reducing sludge fuel coal using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph comparing the high calorific value of sludge fuel coal that has gone through a drying process (Comparative Example 1) and sludge fuel coal that has gone through a hydrothermal carbonization process (Example 1) with respect to raw sewage sludge, a mixture of sewage sludge and sawdust.
Figure 3 is a table comparing the main items of the sewage sludge fuel coal quality standard for power generation (GR M 9018-2019) and the characteristics of sludge fuel coal (Example 1) that underwent a hydrothermal carbonization process.

본원 발명은 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 생산이 불가능했던 하수슬러지의 고열량 및 악취저감 효과가 우수한 슬러지 연료탄 제조를, 하이브리드 수열탄화를 통해 생산해 낼 수 있는 기술을 제공한다.The present invention provides a technology that can produce sludge fuel coal with high heat and excellent odor reduction effects from sewage sludge, which was impossible to produce through the drying process according to the prior art, through hybrid hydrothermal carbonization.

본원 발명에서 하수슬러지라 함은 하수 처리로부터 남은 잔유물로서 일차적인 물리적 처리로부터 생성되는 유기성 폐기물을 포함한다.In the present invention, sewage sludge is a residue remaining from sewage treatment and includes organic waste generated from primary physical treatment.

본원 발명에서 수열탄화라 함은 물의 초임계 조건(374℃, 221.1bar) 이하의 압력과 온도에서 증기(고온중압) 혹은 물(중온고압)의 형태일 때 이온성이 최대가 되고 유전율이 감소하는 성질을 이용하여 수열을 가하여 유기물을 가수분해 및 탈카르복실화 반응을 일으켜 수소와 산소의 양을 줄여주고 탄소의 양을 늘려줌에 따라 고정탄소의 양을 높여 최종적으로 생성된 고형연료의 열량을 높여주고 악취원인물질을 줄여주어 악취를 저감할 수 있는 반응이다. 수열탄화의 온도와 압력은 200~250℃, 20~40bar의 조건이며 이상의 압력을 견딜 수 있는 용기 안에서 1~2시간 정도 공정시간을 두어 습식탄화시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, hydrothermal carbonization means that ionicity is maximized and dielectric constant is reduced when in the form of steam (high temperature and medium pressure) or water (high temperature and high pressure) at a pressure and temperature below the supercritical condition of water (374°C, 221.1 bar). Using this property, hydrolysis and decarboxylation of organic substances are applied by applying hydrolysis, thereby reducing the amount of hydrogen and oxygen and increasing the amount of carbon, thereby increasing the amount of fixed carbon, thereby reducing the calorific value of the final solid fuel produced. It is a reaction that can reduce bad odor by increasing and reducing odor-causing substances. The temperature and pressure of hydrothermal carbonization are 200-250°C and 20-40 bar, and wet carbonization is performed over a process time of 1 to 2 hours in a container that can withstand pressure above that.

또한 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 고열량 및 악취저감 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 주요 품질 규격(GR M 9018-2019), 즉 저위발열량 3,500kcal/kg 이상, 수분 10중량% 이하, 황 1.0중량% 이하, 악취도 300 이하의 조건을 만족하는 것으로 특징으로 한다.In addition, sludge fuel coal with high calorific value and odor reduction using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge meets the main quality standards for sewage sludge fuel coal for power generation (GR M 9018-2019), that is, low calorific value of 3,500 kcal/kg or more, moisture 10% by weight or less, and sulfur 1.0 weight. It is characterized as satisfying the conditions of % or less and odor level of 300 or less.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본원 발명을 통해 달성한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법은, (1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.In order to achieve the above object, the method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor achieved through the present invention includes the steps of (1) pulverizing one type or a mixture of two or more types of sewage sludge to a size of 0.05 to 2 mm; (2) pulverizing one or a mixture of two or more lignocellulosic biomass additives to a size of 0.05 to 2 mm; (3) preparing a mixed material by mixing the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive with water or steam; (4) Injecting the mixed material into a hydrothermal carbonization reaction tank, blocking oxygen, and maintaining a temperature of 200 to 250 ° C. and a pressure of 20 to 40 bar in a hydrothermal carbonization tank equipped with a stirrer to perform a hydrothermal carbonization reaction for 1 to 2 hours; (5) transferring the carbide produced by the hydrothermal carbonization reaction to a molding dehydrator and molding and dehydrating it; and (6) drying the molded and dehydrated carbide; a method for producing high calorific value sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization, and a low calorific value of 3,500 kcal/kg or more and 10% by weight of moisture produced by this method. Hereinafter, it relates to high-calorie sludge fuel coal with sulfur content of 1.0% by weight or less and odor level of 300 or less.

여기서, 상기 하수슬러지는 1종을 이용할 수 있고 2종 이상의 다양한 하수슬러지를 혼합하여 이용할 수도 있는 것으로서, 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.Here, the sewage sludge can be used as one type or by mixing two or more different types of sewage sludge. It is preferable to pulverize the sewage sludge to a size of 0.05 to 2 mm, and to pulverize the sewage sludge to a size of 0.1 to 1 mm. It is more preferable, and it is most preferable to grind it to a size of 0.1 to 0.5 mm.

또한, 상기 목질계 바이오매스 첨가물은 톱밥, 폐목재 등 목질계 바이오매스를 이용하는 것으로서 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.In addition, the lignocellulosic biomass additive uses lignocellulosic biomass such as sawdust and waste wood, and is preferably pulverized to a size of 0.05 to 2 mm, more preferably pulverized to a size of 0.1 to 1 mm, and 0.1 to 0.5 mm. It is most desirable to crush it to a size of .

그리고, 상기 하수슬러지는 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이며(목질계 바이오매스 첨가물 : 하수슬러지 = 1 : 1 ~ 9 중량), 상기 물 또는 스팀은 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이다(하수슬러지 및 목질계 바이오매스 첨가물 : 물 또는 스팀 = 1 : 0.5 ~ 2 중량). In addition, the sewage sludge is preferably mixed with 1 to 9 times the weight of the lignocellulosic biomass additive (lignocellulosic biomass additive: sewage sludge = 1: 1 to 9 by weight), and the water or steam is mixed with pulverized sewage. It is preferable to mix sludge and pulverized lignocellulosic biomass additives in an amount of 0.5 to 2 times the weight (sewage sludge and lignocellulosic biomass additives: water or steam = 1:0.5 to 2 weight).

또한, 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계에서 얻어진 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 시키는 과정에서 물 또는 스팀은 수열탄화 반응조의 용량과 공정 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되도록 반응시키는 것이 바람직한 것인데, 상기 수열탄화 반응시키는 단계는 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 더욱 바람직한 것이다.In addition, the mixed material obtained in the step of producing a mixed material by mixing the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive with water or steam is introduced into a hydrothermal carbonization reaction tank, oxygen is blocked, and a stirrer is installed. In the process of hydrothermal carbonization in the hydrothermal carbonization reaction tank, water or steam is supplied considering the capacity of the hydrothermal carbonization tank and the process moisture content, and it is desirable to react so that ionicity is maximized under subcritical water conditions. The hydrothermal carbonization reaction step is carried out at temperature. It is more preferable to carry out the hydrothermal carbonization reaction by maintaining the temperature at 210 to 230°C and the pressure at 25 to 35 bar for 1 to 2 hours.

그리고, 상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물은 정수처리장치로 이송되어 정수처리한 후, 급수탱크로 이송시켜 재사용하는 것으로서, 물의 사용량을 크게 절감시키는 효과를 구비한 것이다.In addition, the water recovered in the molding and dehydration steps in the molding dehydrator is transferred to a water purification device, purified, and then transferred to a water tank for reuse, which has the effect of greatly reducing water usage.

또한, 상기 혼합 재료를 제조하는 단계에서 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀이 혼합되는 것인데, 이에 더하여 촉매가 추가로 투입되어 혼합될 경우 수 있다.In addition, in the step of preparing the mixed material, water or steam is mixed with the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive. In addition, a catalyst may be additionally added and mixed.

여기서, 상기 촉매는 원료의 특성에 따라 산 촉매(Acid Catalyst), 염기 촉매(Base Catalyst), 무기금속 촉매(Inorganic Metal Catalyst) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인바, 산촉매는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)과 같은 강산류가 바람직하고, 염기촉매는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기류가 바람직하며, 무기금속 촉매는 염화철(FeCl3, FeCl2), 산화철(Fe2O3)과 같은 철(Iron)계 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직한 것이다.Here, the catalyst is selected from the group consisting of an acid catalyst, a base catalyst, an inorganic metal catalyst, or a mixture thereof depending on the characteristics of the raw material. The acid catalyst is hydrochloric acid (HCl). ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are preferred, and the base catalyst is preferably a strong base such as sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH), and an inorganic metal catalyst. It is preferable that it is an iron type such as iron chloride (FeCl 3 , FeCl 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), or a mixture thereof.

한편, 본원 발명은, 위에서 설명한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.Meanwhile, the present invention relates to high-calorie sludge fuel coal with reduced odor produced by the method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization described above.

종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정을 거쳐 제조된 고형연료의 저위발열량은 평균적으로 3,000kcal/kg 수준에 불과한 것일 뿐 아니라 건조 공정 중에 악취가 다량 발생하는 것이었다. 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정 중에 발생하는 악취 발생으로 인하여 건조 공정을 수행하는 것이 불가능한 것이었을 뿐 아니라, 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정에 의하여 제조된 고형연료의 저위발열량을 높이기 위하여 톱밥을 혼합할 경우에도 약 3,500 kcal/kg 수준에 불과한 것이므로 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정은 수행이 불가능한 상황인 것이었다.The low calorific value of solid fuel produced through the drying process of sewage sludge according to the prior art was only 3,000 kcal/kg on average, and a large amount of bad odor was generated during the drying process. Not only was it impossible to perform the drying process due to the foul odor generated during the sewage sludge drying process according to the prior art, but sawdust was used to increase the low calorific value of the solid fuel produced by the sewage sludge drying process according to the prior art. Even when mixed, the amount was only about 3,500 kcal/kg, so the drying process of sewage sludge according to the prior art was impossible to perform.

이에 비하여 본원 발명의 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)에 따른 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하인 조건을 충족시키는 것이고, 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따른 악취도 300 이하인 조건을 충족시키는 것이므로, 본원 발명은 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄을 바람직한 것으로 제공되는 것이다.In comparison, the high calorific value sludge fuel coal with reduced odor of the present invention meets the conditions of a low calorific value of 3,500 kcal/kg or more, moisture 10% by weight or less, and sulfur 1.0% by weight or less according to the quality standard for sewage sludge fuel coal for power generation (GR M 9018-2019). Since it satisfies the condition of an odor level of 300 or less according to the National Institute of Environmental Research Notice No. 2019-17 (Odor Process Test Standard), the present invention provides a high-calorie sludge fuel coal with reduced odor as a desirable one.

그리고, 본원 발명의 더욱 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량 3,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 10 중량%, 황 0.05 내지 1.0 중량%, 악취도 80 내지 300인 조건을 충족시키는 것이다.In addition, the more preferred high-calorie sludge fuel coal with reduced odor of the present invention satisfies the conditions of low-level calorific value of 3,500 to 7,000 kcal/kg, moisture 1 to 10% by weight, sulfur 0.05 to 1.0% by weight, and odor degree of 80 to 300.

나아가, 본원 발명의 가장 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 조건을 충족시키는 것이다.Furthermore, the most preferred high-calorific value sludge fuel coal with reduced odor of the present invention satisfies the conditions of low calorific value of 4,500 to 7,000 kcal/kg, moisture of 1 to 7% by weight, sulfur of 0.05 to 0.7% by weight, and odor degree of 80 to 250.

본원 발명의 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법을 수행하기 위한 장치에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다.An apparatus for performing a method of producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.

본원 발명에 따른 장치는 하수슬러지와 톱밥, 폐목재 등의 원료를 일정 비율로 혼합 및 공급하기 위한 원료 공급기(15); 물 또는 스팀을 공급하기 위한 급수탱크(30); 공급된 물과 상기 원료를 혼합 교반하면서, 상기 원료의 발열량 증진과 악취원인물질 제거를 위한 수열탄화 공정이 진행되는 수열탄화 반응조(45); 상기 수열탄화 반응조(45)의 수열탄화 공정으로 생성된 탄화물을 탈수하면서 펠렛 등의 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 성형 탈수기(60); 상기 펠렛 등의 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조기(90)를 포함한다.The device according to the present invention includes a raw material supply device (15) for mixing and supplying raw materials such as sewage sludge, sawdust, and waste wood at a certain ratio; A water tank (30) for supplying water or steam; A hydrothermal carbonization reaction tank (45) in which a hydrothermal carbonization process is performed to increase the calorific value of the raw materials and remove odor-causing substances while mixing and stirring the supplied water and the raw materials; A forming dehydrator (60) that dehydrates the carbide generated in the hydrothermal carbonization process of the hydrothermal carbonization reaction tank (45) and performs a molding process to make solid fuel in the form of pellets, etc.; It includes a dryer 90 that removes moisture remaining on the surface of the solid fuel in the form of pellets.

그리고, 상기 성형 탈수기(60)에서 출력되는 물을 정수처리하여 상기 급수탱크(30)로 피드백하는 정수처리장치(75)를 더 포함한다. 수열탄화 반응조(45) 안에는 혼합이 잘되도록 교반기가 구비되어 있으며 수열탄화 반응조(45)는 최대 40bar, 280℃를 견딜 수 있는 압력용기로 만들어지고, 상부와 하부에는 개폐할 수 있는 게이트를 설치하여 상부로 공급되는 원료의 주입이 가능하도록 한다.In addition, it further includes a water purification device 75 that purifies the water output from the molded dehydrator 60 and feeds it back to the water tank 30. The hydrothermal carbonization tank (45) is equipped with a stirrer to ensure good mixing. The hydrothermal carbonization tank (45) is made of a pressure vessel that can withstand a maximum of 40 bar and 280°C, and gates that can be opened and closed are installed at the top and bottom. Enables injection of raw materials supplied to the top.

또한 생산량을 증진을 목적으로 두 개 이상의 수열탄화 반응조(45)를 배치하여 운전할 수 있으며 수열탄화 과정이 종료된 후 아직 남아 있는 폐열을 다른 수열탄화 반응조(45)에서 활용할 수 있는 방식으로 연결할 수 있다.In addition, for the purpose of increasing production, two or more hydrothermal carbonization reactors (45) can be placed and operated, and after the hydrothermal carbonization process is completed, the remaining waste heat can be connected in a way that can be utilized in other hydrothermal carbonization reactors (45). .

수열탄화 반응조(45) 하부는 반응물이 성형 탈수기(60)로 갈 수 있도록 하며, 수열탄화반응의 핵심이 될 수열탄화 반응조(45)에는 급수탱크(30)를 연결하여 필요한 물을 톱밥, 폐목재 등의 원료에 비해 무게기준으로 0.5~2배까지 공급한다.The lower part of the hydrothermal carbonization reaction tank (45) allows the reactants to go to the molding dehydrator (60), and the water tank (30) is connected to the hydrothermal carbonization reaction tank (45), which will be the core of the hydrothermal carbonization reaction, so that the necessary water can be used for sawdust and waste wood. It is supplied in 0.5 to 2 times the amount by weight compared to raw materials such as

성형 탈수기(60)는 필터 프레스 방식을 사용하고, 폐수는 정수처리장치(75)에서 활성슬러지법이나 역삼투압법에 의해 처리 및 정수된 후 급수탱크(30)로 보내져서 재활용한다.The molding dehydrator 60 uses a filter press method, and the wastewater is treated and purified by the activated sludge method or reverse osmosis method in the water purification treatment device 75 and then sent to the water tank 30 for recycling.

성형 탈수기(60)와 정수처리장치(75)는 필요에 따라 다른 방식으로 구현할 수 있다. 성형 탈수기(60)를 통해 성형이 된 반응물은 건조기(90)에서 저온 건조를 통해 건조된 후 최종 슬러지 연료탄(100)으로 생산이 된 다음에 저장조로 옮겨지게 된다. 이 모든 과정은 배치 생산방식을 기본으로 하는 구상이지만 공급되는 연료가 정형화되고 게이트의 개폐 등 공정을 자동화하여 연속운전 방식으로 구성할 수 있다.The molded dehydrator 60 and the water purification device 75 can be implemented in different ways as needed. The reactant molded through the molding dehydrator 60 is dried through low-temperature drying in the dryer 90, is produced as the final sludge fuel coal 100, and is then transferred to a storage tank. All of these processes are designed based on the batch production method, but the supplied fuel is standardized and processes such as opening and closing the gate are automated, so it can be configured as a continuous operation method.

물은 수열탄화 반응조(45)의 용량과 총 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되게 한다. 공정 중에 반응물들(하수슬러지, 톱밥, 폐목재, 물)이 잘 혼합되도록 교반을 해준다. 성형 제조된 슬러지 연료탄은 필요에 따라 자연건조 또는 열풍건조를 할 수 있다. 분자구조 내의 수분은 제거가 된 상태이기 때문에 100℃ 이하의 저온 건조로 짧은 시간 안에 충분히 건조 시킬 수 있다.Water is supplied considering the capacity and total water content of the hydrothermal carbonization reaction tank 45, and ionicity is maximized under subcritical water conditions. During the process, the reactants (sewage sludge, sawdust, waste wood, and water) are stirred to mix well. The manufactured sludge fuel coal can be naturally dried or hot air dried as needed. Since the moisture in the molecular structure has been removed, it can be sufficiently dried in a short period of time by drying at low temperature below 100℃.

원료(하수슬러지와 톱밥, 폐목재)는 무게비 기준으로 물의 0.5~2배를 공급한다. 필요에 따라 원료(하수슬러지와 톱밥, 폐목재) 간의 비율을 바꿀 수 있으며 중량 기준으로 하수슬러지를 톱밥의 1~9배까지 공급한다. 또한 목질계 폐 바이오매스(폐목재 등)를 사용할 수도 있다. 하수슬러지는 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상의 다른 종류의 슬러지를 혼합하여 사용할 수도 있다.Raw materials (sewage sludge, sawdust, and waste wood) are supplied at 0.5 to 2 times the amount of water based on weight ratio. The ratio between raw materials (sewage sludge, sawdust, and waste wood) can be changed as needed, and sewage sludge is supplied at 1 to 9 times the amount of sawdust by weight. Additionally, lignocellulosic waste biomass (waste wood, etc.) can be used. One type of sewage sludge can be used alone, or two or more different types of sludge can be mixed.

[실시예 1] [Example 1]

하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 통해 슬러지 연료탄을 제조하였으며 하수슬러지와 톱밥을 동일한 비율로 혼합하여 수열탄화를 통해 다음과 같은 방법으로 슬러지 연료탄을 제조하였다.Sludge fuel coal was manufactured through hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge. Sewage sludge and sawdust were mixed in equal proportions and sludge fuel coal was produced through hydrothermal carbonization in the following manner.

하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하고 그 혼합물의 0.5~2배가 되게 중량 기준으로 물을 공급 및 혼합하였으며 이를 1L 수열탄화 반응조(45)에 공급하고 200~250℃까지 승온하여 1~2시간 동안 수열탄화를 수행하였다.Sewage sludge and sawdust were mixed at a certain weight ratio, and water was supplied and mixed by weight to make it 0.5 to 2 times the amount of the mixture. This was supplied to a 1L hydrothermal carbonization reactor (45) and heated to 200 to 250°C for 1 to 2 hours. Hydrothermal carbonization was performed.

수열탄화 후, 생성물은 고액분리를 위해 Watman#1 여과지와 감압플라스크를 사용하여 진공 분리하였으며 고형물은 90℃에서 강제 순환 건조기(90)에서 건조한 후, Bomb Calorimeter(Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter)를 통해 고위발열량을 측정하였다.After hydrothermal carbonization, the product was vacuum separated using Watman #1 filter paper and a pressure flask for solid-liquid separation, and the solid was dried in a forced circulation dryer (90) at 90°C and then measured through a Bomb Calorimeter (Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter). High-level calorific value was measured.

[비교예 1] [Comparative Example 1]

하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하여 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 다음과 같은 방법으로 슬러지 연료탄을 제조하였다.Sludge fuel coal was manufactured by mixing sewage sludge and sawdust at a certain weight ratio and using a drying process according to the prior art in the following manner.

하수슬러지와 톱밥을 혼합하고 그 혼합물을 강제 순환 건조기(90)에서 90℃에서 건조하여 슬러지 연료탄을 제조하였으며 Bomb Calorimeter(Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter)를 통해 고위발열량을 측정하였다.Sewage sludge and sawdust were mixed and the mixture was dried at 90°C in a forced circulation dryer (90) to produce sludge fuel coal, and the higher calorific value was measured using a Bomb Calorimeter (Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter).

하수슬러지 원물/ 비교예 1(건조 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)/ 실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄) 각각에 따른 고위발열량을 도 2에 나타내었다. The higher calorific values for raw sewage sludge/Comparative Example 1 (sludge fuel coal manufactured through a drying process)/Example 1 (sludge fuel coal manufactured through a hydrothermal carbonization process) are shown in Figure 2.

도 2를 참조하여 설명하면, 하수슬러지 원물, 하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하고 그 혼합물에 대해 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1), 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 고위발열량은 각각 2,830kcal/kg, 3,840kcal/kg, 5,480kcal/kg으로 측정되었는바, 이러한 결과는 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 발열량이 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1)의 발열량 대비 약 43% 증진되었음을 확인할 수 있다.Referring to Figure 2, sludge fuel coal obtained by mixing raw sewage sludge, sewage sludge and sawdust at a certain weight ratio and subjecting the mixture to a drying process (Comparative Example 1), and sludge fuel coal subjected to a hydrothermal carbonization process (Example 1). The high calorific value of was measured to be 2,830 kcal/kg, 3,840 kcal/kg, and 5,480 kcal/kg, respectively. These results show that the calorific value of sludge fuel coal (Example 1) that has gone through the hydrothermal carbonization process is higher than that of sludge fuel coal that has gone through the drying process (comparison). It can be seen that the calorific value has increased by about 43% compared to Example 1).

실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)의 저위발열량, 회분, 수분, 황 함량을 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)과 대비하기 위하여, 환경부고시 제2020-219호(고형연료제품 품질 시험·분석방법)에 따라 열중량분석기(TGA-701 Proximate Analyzer), 황분석기(SC-832DR Sulfur Analyzer), 원소분석기(SC-832DR Sulfur Analyzer), 발열량분석기(AC600 Semi-auto Calorimeter) 등의 분석 장비를 사용하여 공업분석, 원소분석, 고위 및 저위발열량을 측정하였다.In order to compare the low calorific value, ash, moisture, and sulfur content of Example 1 (sludge fuel coal produced by the hydrothermal carbonization process) with the sewage sludge fuel coal quality standard for power generation (GR M 9018-2019), Ministry of Environment Notice No. 2020-219 According to the standard (solid fuel product quality test and analysis method), thermogravimetric analyzer (TGA-701 Proximate Analyzer), sulfur analyzer (SC-832DR Sulfur Analyzer), elemental analyzer (SC-832DR Sulfur Analyzer), calorific value analyzer (AC600 Semi- Industrial analysis, elemental analysis, and high and low calorific values were measured using analytical equipment such as an auto Calorimeter.

또한, 실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)의 악취를 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따라 가스크로마토그래피(GC2010 Plus GC), 고성능 액체크로마토그래피 (LC-20A Series HPLC) 등의 장비를 사용하여 주요 악취원인물질 15종의 농도와 복합악취도를 측정하였다.In addition, the odor of Example 1 (sludge fuel coal produced by the hydrothermal carbonization process) was analyzed by gas chromatography (GC2010 Plus GC) and high-performance liquid chromatography ( The concentration and complex odor level of 15 major odor-causing substances were measured using equipment such as LC-20A Series HPLC.

위와 같이 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.The results of the measurement as above are shown in Figure 3.

도 3을 참조하여 설명하면, 상기 발명의 효과에서 언급한 것과 같이, 본원 발명에 따른 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량이 5,170kcal/kg이고 복합악취도가 144인 것으로서 고열량 및 악취저감 효과가 매우 탁월한 것일 뿐 아니라, 회분이 13.3중량%이고 수분이 2.4중량%이며 황 0.3%인 것이어서 모든 지료가 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)의 규정 값 보다 매우 우수한 것이라는 점이 확인된 것이다.Referring to FIG. 3, as mentioned in the effect of the invention, the method for producing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge according to the present invention, and the high-calorie sludge fuel coal produced by the method have a low With a calorific value of 5,170 kcal/kg and a combined odor level of 144, it not only has an excellent high calorific value and odor reduction effect, but also contains 13.3% by weight of ash, 2.4% by weight of moisture, and 0.3% of sulfur, so all feedstock is sewage sludge for power generation. It was confirmed that it was significantly superior to the values specified in the fuel coal quality standard (GR M 9018-2019).

15: 원료공급기
30: 급수탱크
45: 수열탄화 반응조
60: 성형 탈수기
75: 정수처리장치
90: 건조기
100: 슬러지 연료탄
15: Raw material supplier
30: Water tank
45: Hydrothermal carbonization reaction tank
60: Molding dehydrator
75: Water treatment device
90: dryer
100: Sludge fuel coal

Claims (15)

(1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 단계;
(2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 단계;
(3) 분쇄된 상기 하수슬러지를 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합하고, 물 또는 스팀을 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합하며, 촉매로 염산(HCl), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 염화제1철(FeCl2) 또는 산화제이철(Fe2O3)을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계;
(4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1시간 초과 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계;
(5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계;
(6) 상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물은 정수처리장치로 이송되어 정수처리한 후, 재사용하기 위하여 급수탱크로 이송하는 단계; 및
(7) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용하여 저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
(1) pulverizing one type or two or more types of sewage sludge into a size of 0.1 to 0.5 mm;
(2) pulverizing one or a mixture of two or more lignocellulosic biomass additives to a size of 0.1 to 0.5 mm;
(3) Mix the pulverized sewage sludge with 1 to 9 times the weight of the pulverized lignocellulosic biomass additive, and mix water or steam with 0.5 to 2 times the weight of the pulverized sewage sludge and the pulverized lignocellulosic biomass additive. The mixed material is prepared by mixing hydrochloric acid (HCl), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ferrous chloride (FeCl 2 ), or ferric oxide (Fe 2 O 3 ) as a catalyst. step;
(4) Injecting the mixed materials into a hydrothermal carbonization reaction tank, blocking oxygen, and maintaining a temperature of 210 to 230 ° C. and a pressure of 25 to 35 bar in a hydrothermal carbonization reaction tank equipped with a stirrer to perform a hydrothermal carbonization reaction for more than 1 hour to 2 hours;
(5) transferring the carbide produced by the hydrothermal carbonization reaction to a molding dehydrator and molding and dehydrating it;
(6) the water recovered in the molding and dehydration step in the molding dehydrator is transferred to a water purification device, purified, and then transferred to a water tank for reuse; and
(7) drying the molded and dehydrated carbide; using hybrid hydrothermal carbonization including a low heating value of 4,500 to 7,000 kcal/kg, moisture of 1 to 7% by weight, sulfur 0.05 to 0.7% by weight, and odor level of 80 to 80. 250 Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은, 저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 것을 특징으로 하는 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄.
High calorific value sludge fuel coal with reduced odor produced by the manufacturing method of claim 1 is characterized by a low calorific value of 4,500 to 7,000 kcal/kg, moisture of 1 to 7% by weight, sulfur of 0.05 to 0.7% by weight, and odor degree of 80 to 250. High-calorie sludge fuel with reduced odor.
삭제delete 삭제delete
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