KR102648761B1 - 음식물류 폐기물과 하수슬러지 혼합 친환경 고형연료 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (A) 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 혼합단계, (B) 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계, (C) 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계, (D) 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계, 및 (E) 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단계를 포함하는 친환경 고형연료의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 발열량이 높고 염분 및 중금속 함량이 낮은 친환경 고형연료를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은, 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 활용하여 전소 및 혼소가 가능한 고형연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
음식물류 폐기물, 하수슬러지와 같은 유기성폐기물의 자원화는 화석연료를 대체하여 에너지를 생산할 수 있는 수단일 뿐만 아니라 폐기물을 적정 처리할 수 있는 효과적인 방안이다. 2011년 신재생에너지 공급의무화제도의 도입에 따라 500MW 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자는 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급할 의무가 있다. 바이오매스 혹은 폐기물 기반 고형연료는 혼소 및 전소를 통해 신재생에너지 공급 의무량을 만족할 수 있는 효과적인 대안이다.
2019년 기준 국내 음식물류 폐기물은 약 14,000 톤/일 발생하고 있으며, 약 97%가 비료화, 사료화, 바이오가스 등을 통해 재활용되고 있다. 하지만 비료화된 음식물류 폐기물은 고함량 염소 문제를 가지고 있고, 사료화된 음식물류 폐기물은 아프리카 돼지열병 등 전염병의 원인 중 하나로 지목되었다. 바이오가스화된 음식물류 폐기물 역시 저품질 및 음폐수 발생의 문제를 가지고 있다.
음식물류 폐기물을 고형연료로 제조하는 경우, 발열량이 높은 장점이 있으나 높은 염소 함량으로 인해 연소 시 다이옥신 및 다이옥신 유사물질이 발생할 우려가 있다. 이에 한국등록특허 제 10-2244259 호는 음식물 쓰레기를 연료화시키는 과정에서 발생하는 폐수를 처리하는 시설을 구비하는 음식물류 폐기물의 에너지화 처리장치에 대하여 개시하고 있고, 한국공개특허 제 10-2019-0120637 호는 음식물 쓰레기를 고형분과 여액으로 분리하고, 상기 여액을 다시 삼상분리기를 이용하여 슬러지를 회수하는 단계를 통해 최종적으로 하천으로 방류 가능한 정도의 폐수를 생산하도록 하고 있다.
한편, 2019년 기준 하수슬러지는 11,565 톤/일 발생하고 있지만, 80%가 넘는 함수율과 높은 중금속 함량, 낮은 발열량으로 인해 고형연료로서 활용도가 낮고 2차 오염의 문제가 있다. 따라서 대표적인 유기성폐기물인 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 처리 및 자원화 방안 마련이 시급하다.
본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
(A) 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 혼합단계,
(B) 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계,
(C) 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계,
(D) 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계, 및
(E) 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단계를 포함하는 친환경 고형연료의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 친환경 고형연료의 제조방법에 의해 제조된 친환경 고형연료를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,
(A) 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 혼합단계,
(B) 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계,
(C) 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계,
(D) 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계, 및
(E) 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음식물류 폐기물의 조성은,
C/N 11.6 내지 21.6, 13.3 내지 19.9, 또는 15.0 내지 18.3,
H/C 0.18 내지 0.33, 0.21 내지 0.31, 또는 0.23 내지 0.28, 및
O/C 0.44 내지 0.81, 0.5 내지 0.75, 또는 0.56 내지 0.69일 수 있다.
그리고, 상기 음식물류 폐기물의 조성은,
C 36 내지 67 wt%, 41 내지 62 wt%, 또는 46 내지 57 wt%,
H 9.2 내지 17.2 wt%, 10.6 내지 15.8 wt%, 또는 11.9 내지 14.5 wt%,
N 2.2 내지 4.0 wt%, 및 2.5 내지 3.7 wt%, 또는 2.8 내지 3.4 wt%, 및
O 22 내지 42 wt%, 25 내지 39 wt%, 또는 29 내지 36 wt%를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 하수슬러지의 조성은,
C 14 내지 24 wt%, 16 내지 22 wt%, 또는 18 내지 20 wt%,
H 1 내지 10 wt%, 2 내지 8 wt%, 또는 3 내지 5 wt%,
N 0.1 내지 8 wt%, 0.5 내지 5 wt%, 또는 1 내지 2 wt%, 및
O 14 내지 24 wt%, 16 내지 22 wt%, 또는 18 내지 20 wt%를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 15 % 미만, 13 % 미만, 또는 10 % 미만의 수분 함량으로 건조 후 혼합할 수 있다.
그리고, 상기 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 85 내지 180 ℃, 90 내지 150 ℃, 또는 100 내지 110 ℃에서 건조 후 혼합할 수 있다.
그리고, 상기 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 6 내지 24 시간, 7 내지 12 시간, 또는 8 내지 10 시간 건조 후 혼합할 수 있다.
그리고, 상기 음식물류 폐기물와 하수슬러지의 혼합 중량비가 4:6 내지 8:2, 5:5 내지 7:3, 또는 6:4 내지 7:3일 수 있다.
또한, 상기 열분해 온도는 280 내지 500 ℃, 300 내지 450 ℃, 또는 300 내지 400 ℃일 수 있다.
또한, 상기 열분해는 외부 공기와의 접촉이 차단되고 질소가 연속적으로 공급되는 열분해로에서 수행될 수 있다.
그리고, 상기 열분해 시간은 30 내지 90 분, 40 내지 80 분, 또는 50 내지 70 분일 수 있다.
그리고, 상기 탈염단계는 탄화체의 세정 및 탈수를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탈염단계는, 탄화체 1 중량부에 대하여 물 6 내지 18 중량부, 8 내지 12 중량부, 또는 9 내지 11 중량부를 혼합하여 교반할 수 있다.
그리고, 상기 용액은 물일 수 있다.
그리고, 상기 용액은 20 내지 30 ℃의 물일 수 있다.
그리고, 상기 고액분리 단계는 유리섬유필터를 통해 필터링할 수 있다.
그리고, 상기 고액분리 단계는 0.1 내지 1.5 ㎛, 0.5 내지 1 ㎛, 또는 0.6 내지 0.8 ㎛ 필터를 통해 필터링하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 단계 E의 건조는 80 내지 140 ℃, 90 내지 120 ℃, 또는 100 내지 110 ℃에서 건조할 수 있다.
그리고, 상기 단계 E의 건조는 4 내지 20 시간, 5 내지 12 시간, 또는 6 내지 10 시간 동안 건조할 수 있다.
또한, 상기 고형연료의 발열량이 4,000 내지 8,000 kcal/kg, 4,500 내지 7,500 kcal/kg, 또는 5,000 내지 7,000 kcal/kg일 수 있다.
그리고, 상기 고형연료의 수분 함량이 5 wt% 미만, 4 wt% 미만, 또는 3 wt% 미만일 수 있다.
또한, 상기 고형연료의 염소 함량이 1.8 wt% 이하, 1.3 wt% 이하, 또는 1 wt% 이하일 수 있다.
그리고, 상기 고형연료는 아연, 구리, 크롬, 카드뮴, 비소, 및 납을 포함하는 중금속 함량이 2.5 g/kg, 2 g/kg, 또는 1.5 g/kg 이하일 수 있다.
한편, 본 발명의 친환경 고형연료는, 상기 본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 친환경 고형연료는 화석연료와 혼소되어 사용할 수 있다.
그리고, 상기 친환경 고형연료는 화석연료 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하, 8 중량부 이하, 또는 5 중량부 이하로 혼합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법에 따르면, 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 자원화하여 발전소에서 전소 또는 석탄과 혼소하여 사용할 수 있는 고품질 고형연료를 생산할 수 있다. 또한, 특별한 첨가제 없이 상기 고형연료의 염소 및 중금속 함량을 현저히 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법에 따르면, 하수슬러지 대비 음식물류 폐기물의 비율을 높이고 고온에서 열분해하여 발열량이 높은 동시에 유해물질의 배출을 방지할 수 있는 친환경 고형연료를 생산할 수 있으며, 연료의 효율과 활용도를 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 유기성 폐기물의 유효 자원화 기술을 제공함으로써 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 효과적인 처리와 신재생에너지를 이용한 에너지 생산을 동시에 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 고형연료의 제조방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 발열량 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 염소 함량 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 중금속 함량 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 발열량 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 염소 함량 측정 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고형연료의 중금속 함량 측정 결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
다만, 아래는 특정 실시예들을 예시하여 상세히 설명하는 것일 뿐, 본 발명은 다양하게 변경될 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에, 예시된 특정 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, '포함하다', '함유하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소(또는 구성성분) 등이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 적정 비율로 혼합하고, 열분해하고, 탈염 후 건조하여 높은 발열량, 낮은 염소 함량, 및 낮은 중금속 함량의 조건을 만족하는 고형연료의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 활용하여 전소 및 혼소가 가능한 고형연료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 혼합하여 염소 및 중금속 배출의 문제점을 해결하고 발열량은 높은 고효율 친환경 고형연료를 생산하는 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법은,
(A) 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 혼합단계,
(B) 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계,
(C) 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계,
(D) 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계, 및
(E) 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예로서 친환경 고형연료의 제조방법의 공정도이다. 이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 단계 (A)는 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 건조 및 혼합단계이다. 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 각각 건조한 후 분쇄하여 혼합하거나 혼합 후 분쇄하거나, 1차 분쇄, 혼합, 및 2차 분쇄 순으로 처리할 수 있다.
이때 상기 음식물류 폐기물의 조성은, C/N 11.6 내지 21.6, 13.3 내지 19.9, 또는 15.0 내지 18.3, H/C 0.18 내지 0.33, 0.21 내지 0.31, 또는 0.23 내지 0.28, 및 O/C 0.44 내지 0.81, 0.5 내지 0.75, 또는 0.56 내지 0.69일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 음식물류 폐기물의 조성은, C 36 내지 67 wt%, 41 내지 62 wt%, 또는 46 내지 57 wt%, H 9.2 내지 17.2 wt%, 10.6 내지 15.8 wt%, 또는 11.9 내지 14.5 wt%, N 2.2 내지 4.0 wt%, 및 2.5 내지 3.7 wt%, 또는 2.8 내지 3.4 wt%, 및 O 22 내지 42 wt%, 25 내지 39 wt%, 또는 29 내지 36 wt%를 포함할 수 있다.
음식물류 폐기물과 혼합되는 하수슬러지는 하수처리장에서 발생하는 슬러지로서 탈수된 것일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 하수슬러지는 C 14 내지 24 wt%, 16 내지 22 wt%, 또는 18 내지 20 wt%, H 1 내지 10 wt%, 2 내지 8 wt%, 또는 3 내지 5 wt%, N 0.1 내지 8 wt%, 0.5 내지 5 wt%, 또는 1 내지 2 wt%, 및 O 14 내지 24 wt%, 16 내지 22 wt%, 또는 18 내지 20 wt%를 포함할 수 있다.
상기 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 혼합되기 전, 15 % 미만의 수분 함량으로 건조한 후 혼합할 수 있다. 이때 건조는 85 내지 180 ℃, 90 내지 150 ℃, 또는 100 내지 110 ℃에서 건조할 수 있고, 상기 온도 하에서 6 내지 24 시간, 7 내지 12 시간, 또는 8 내지 10 시간 건조 후 혼합할 수 있다. 상기 건조 온도 및 시간이 상기 범위 미만인 경우 수분 함량이 과하게 높을 수 있고, 반면에 상기 범위를 초과할 경우 경제성이 저하될 수 있다.
본 발명은 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 소정의 비율로 혼합하여 고형연료화하는 것을 중요한 기술적 특징으로 한다. 음식물류 폐기물은 탄소 함량이 높아 발열량을 높이는 데 유리하나, 염분 함량이 높아 연료로 활용 시 유해한 물질이 대기로 배출될 수 있다. 한편 하수슬러지는 발열량이 상대적으로 낮고 중금속 함량이 높은 단점이 있다.
이에 본 발명은 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 혼합하되, 상기 음식물류 폐기물와 하수슬러지의 혼합 중량비가 4:6 내지 8:2, 5:5 내지 7:3, 또는 6:4 내지 7:3인 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 음식물류 폐기물의 함량이 하수슬러지의 함량보다 높은 것이다. 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 혼합비율에 따라 생산되는 고형연료의 발열량, 염분 함량, 및 중금속 함량이 상이하게 나타날 수 있는데, 상기 음식물류 폐기물의 함량이 상기 범위 미만인 경우 고형연료의 발열량이 낮아질 수 있고, 반면에 상기 범위를 초과할 경우 다량의 염분으로 인해 다이옥신 및 이의 유사 화합물을 형성되어 건강에 악영향을 미치고 플랜트 시설의 부식을 유발할 수 있다. 또한, 상기 하수슬러지의 함량이 상기 범위 미만인 경우 연료의 염분 조절이 어렵고, 반면에 상기 범위를 초과할 경우 중금속 함량의 조절이 어렵다.
즉, 상기 범위의 혼합비를 가졌을 때 후술하는 열분해 처리 후 생성되는 고형연료의 발열량을 최대로 높일 수 있음과 동시에 낮은 염분량 및 낮은 중금속량을 달성할 수 있었다. 연료의 가장 중요한 특성은 발열량이라고 할 수 있으나, 본 발명과 같이 유기성 폐기물을 자원으로 사용하는 경우 염분과 중금속 함량을 낮추는 것이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다. 단순히 유기성 폐기물을 사용하여 연료화하는 기술과 달리, 본 발명은 서로 다른 유기성 폐기물의 비율과 열분해 온도를 조절하여 고형연료의 품질을 극대화하기 위한 것이다.
다음으로, 단계 (B)는 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계이다.
본 발명에 있어, 열분해 온도는 280 내지 500 ℃, 300 내지 450 ℃, 300 내지 400 ℃, 또는 400 내지 500 ℃일 수 있고, 열분해 시간은 30 내지 90 분, 40 내지 80 분, 또는 50 내지 70 분일 수 있다.
열분해 온도 또는 시간이 상기 범위 미만인 경우 염분 또는 중금속의 휘발량이 저하되고 음식물류 폐기물과 하수슬러지의 중량 변화가 적어 처리효율이 낮아질 수 있다. 또한, 저온 탄화의 경우 탄화 후에도 수분함량이 매우 높아 추가적인 공정이 필요하게 된다.
한편, 열분해 온도 또는 시간이 상기 범위를 초과할 경우 생성된 고형연료의 발열량이 저하되고 잔류 중금속 함량이 증가하는 것을 발견하였다. 같은 음식물류 폐기물 함량비를 갖더라도 열분해 온도가 높을수록 발열량이 낮아지는 경향이 있다. 이는 초과된 열분해 온도에서 하수슬러지 내 탄소의 휘발량이 급격히 증가하였기 때문일 수 있다. 반대로, 같은 음식물류 폐기물 함량비를 갖더라도 열분해 온도가 높을수록 중금속 함량은 낮아지는 경향이 있는데, 이는 열분해 온도가 높을수록 탄화체의 금속안정성이 향상되기 때문일 수 있다. 이 외에도 열분해 온도 또는 시간이 지나치게 높을 경우 전력 소모량이 지나치게 증가하여 전체 공정의 경제성이 낮아지는 요인이 된다.
본 발명의 열분해는 외부 공기와의 접촉이 차단되고 질소가 연속적으로 공급되는 열분해로에서 수행될 수 있다. 상기 열분해로는 샘플링 챔버, 냉각기, 및 가스 연소기가 있는 전기로를 포함하는 것으로, 전기로에서 생산된 바이오가스는 열교환기를 거쳐 연소되도록 설계된 것일 수 있다.
열분해는 질소 하에서 진행되며, 시료를 열분해로에 투입하기 전 질소를 주입하여 내부를 질소로 채우고, 열분해 처리 중 질소를 계속해서 주입한다. 이때 질소는 1 내지 20 L/min, 2 내지 10 L/min, 또는 3 내지 8 L/min로 공급될 수 있다.
다음으로, 단계 (C)는 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계이다. 이를 통해 염분뿐만 아니라 중금속을 제거할 수 있다. 상기 탈염단계는 용액으로 탄화체를 세척한 후 탈수하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 열분해로 형성된 탄화체 1 중량부와 물 6 내지 18 중량부, 8 내지 12 중량부, 또는 9 내지 11 중량부를 혼합하여 교반하여 세척할 수 있다. 물의 양이 상기 범위 미만인 경우 교반이 어렵고, 반면에 상기 범위를 초과할 경우 폐수의 양이 지나치게 늘어날 수 있다. 또한, 상기 탈염 또는 세척에 사용되는 용액은 물일 수 있고, 20 내지 30 ℃의 물일 수 있다.
다음으로, 단계 (D)는 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계이다. 상기 고액분리 단계는 유리섬유필터를 통해 필터링할 수 있고, 특히 0.1 내지 1.5 ㎛, 0.5 내지 1 ㎛, 또는 0.6 내지 0.8 ㎛ 필터를 통해 필터링하는 것일 수 있다.
다음으로, 단계 (E)는 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단이다. 이를 통해 탄화체에 남아 있는 수분을 제거하여 고형연료를 형성할 수 있다.
이때 탄화체의 건조는 80 내지 140 ℃, 90 내지 120 ℃, 또는 100 내지 110 ℃에서 건조할 수 있고, 건조 온도가 상기 범위 미만인 경우 수분이 충분히 제거되지 않아 고형연료의 보관 상의 문제가 발생할 수 있고, 수분 제거까지 시간이 오래 걸리기 때문에 에너지 소비량이 증가할 수 있다. 반면에 건조 온도 및 시간이 상기 범위를 초과할 경우 2차 반탄화가 진행될 우려가 있다.
또한, 탄화체의 건조는 4 내지 20 시간, 5 내지 12 시간, 또는 6 내지 10 시간 동안 건조할 수 있다. 상기 건조를 통해 고형연료의 수분 함량이 5 % 미만이 될 수 있다. 건조 시간이 상기 범위를 초과할 경우 전체 공정의 에너지 소비가 지나치게 커지는 문제가 발생할 수 있다. 반면에 건조 시간이 상기 범위 미만일 경우 고형연료의 수분 함량이 5 %를 초과할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 고형연료의 제조방법에 따라 제조되는 고형연료는 발열량이 4,000 내지 8,000 kcal/kg, 4,500 내지 7,500 kcal/kg, 또는 5,000 내지 7,000 kcal/kg인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고형연료는 수분, 염소, 및 중금속 함량이 낮은 것을 특징으로 한다. 구체적으로는, 수분 함량이 5 wt% 미만, 4 wt% 미만, 또는 3 wt% 미만일 수 있으며, 염소 함량은 1.8 wt% 이하, 1.3 wt% 이하, 1 wt% 이하, 또는 0.5 wt% 이하일 수 있다. 또한, 아연, 구리, 크롬, 카드뮴, 비소, 및 납을 포함하는 중금속 함량은 2.5 g/kg, 2 g/kg, 또는 1.5 g/kg 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 고형연료는 연료비(고정탄소/휘발분)가 0.25 내지 2.5, 0.3 내지 2, 또는 0.4 내지 1.4인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 친환경 고형연료는, 상기 본 발명의 친환경 고형연료의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 한다. 상기 친환경 고형연료는 전소 또는 화석연료 등과 혼소되어 사용할 수 있다. 화석연료와 혼소될 경우, 화석연료 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하, 8 중량부 이하, 또는 5 중량부 이하로 혼합되어 사용될 수 있으나, 화석연료의 성질에 따라 조절될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예]
제조예 1: 음식물쓰레기 샘플 제조
곡물(16 %), 야채(51 %), 과일(14 %), 육류(4 %), 생선(12 %), 및 달걀 껍질(3 %)을 사용하여 인공 음식물쓰레기 샘플(FW)을 준비하였으며, FW의 조성 및 원자비는 C(51.5%), H(13.2%), N(3.1%), O(32.2%), C/N(16.38), H/C(0.26) 및 O/C(0.63)와 같았다.
실시예 1: 고형연료의 제조 - FW67
상기 제조예 1에서 제조한 음식물쓰레기 샘플(FW)과 하수슬러지(SS)(1차 및 2차 침전지, 일산 폐수처리장)를 105 ℃에서 24 시간 동안 건조한 다음 중량비 67:33으로 혼합 및 분쇄하였다. 그 후 샘플링 챔버, 냉각기, 및 가스 연소기가 있는 전기로로 구성되는 맞춤형 열분해로(한덕알페코)를 이용하여 300 ℃, 400 ℃, 및 500 ℃에서 60 분 간 혼합물의 열분해를 수행하였다. 운전 중 질소 가스는 5 L/min으로 공급하였으며 열분해 장치에서 발생되는 바이오 가스는 연소하였다. 열분해 후 형성된 탄화체에 대하여, 물로 세척하고 탈수하는 탈염처리를 30 분 동안 수행하였다. 세척된 탄화체는 유리 섬유 필터(0.7 ㎛, Whatman®)로 여과하고, 105 ℃에서 건조하였다.
실시예 2: 고형연료의 제조 - FW50
상기 실시예 1과 동일하게 실험하되, 음식물쓰레기 샘플(FW)과 하수슬러지(SS)의 혼합 중량비를 50:50으로 하였다.
실시예 3: 고형연료의 제조 - FW33
상기 실시예 1과 동일하게 실험하되, 음식물쓰레기 샘플(FW)과 하수슬러지(SS)의 혼합 중량비를 33:67으로 하였다.
비교예 1: 고형연료의 제조 - FW100
상기 실시예 1과 동일하게 실험하되, 음식물쓰레기 샘플(FW)과 하수슬러지(SS)의 혼합 중량비를 100:0으로 하였다.
비교예 2: 고형연료의 제조 - SS100
상기 실시예 1과 동일하게 실험하되, 음식물쓰레기 샘플(FW)과 하수슬러지(SS)의 혼합 중량비를 0:100으로 하였다.
시험예 1: 발열량 분석
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1, 및 비교예 2를 통해 제조된 고형연료에 대하여 ASTM D 5468-95에 따라 폭탄 열량계(6300 Calorimeter A1200 DDEE, Parr, IL, USA)를 사용하여 발열량을 측정하였으며, 그 결과는 도 2와 같다.
도 2와 같이, 발열량은 300 ℃, 400 ℃ 및 500 ℃의 열분해 온도에서 각각 12.6~27.1 MJ/kg, 15.5~28.6 MJ/kg, 및 18.0~27.8 MJ/kg 범위를 나타냈다. 상기 온도 범위 내에서 열분해 온도가 높아질수록 발열량이 낮아지는 경향을 보였다. 또한, FW의 비율이 증가할수록 발열량이 증가하는 경향을 보였다. 이는 FW의 탄소 함량이 SS보다 높기 때문이다. 또한, 혼합 조성비에 따라 열분해 온도에 의해 발생하는 발열량 차이 폭이 다르게 나타났으며, FW의 비율이 높아질수록 온도에 따른 발열량 차이가 작았다. 하수슬러지의 유기 성분은 열분해 시 쉽게 분해되기 때문에 하수슬러지 함량이 많을수록 열분해 온도의 상승에 따른 발열량 감소가 크게 나타나는 것이다.
시험예 2: 성분 분석
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1, 및 비교예 2를 통해 제조된 고형연료에 대하여 수분 함량, 휘발분, 애쉬, 고정탄소, 연료비(고정탄소/휘발분)를 측정 및 도출하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
표 1과 같이, 열분해 후 형성된 고형연료는 수분과 휘발성분 함량이 감소하고 고정탄소는 크게 증가하였다. 그러나 FW와 SS의 혼합비율 및 열분해 온도에 따라 변화폭이 상이하게 나타났다.
시험예 3: 염소 함량 분석
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1, 및 비교예 2에 있어서, 열분해 후 형성된 탄화체에 대하여 염소 함량을 측정하였으며, 그 결과는 도 3과 같다. 상기 결과는 탈염 전 탄화체에 대한 염소 함량이며, 탈염단계 후 염소 함량이 더 감소될 것으로 예상된다.
염소 농도는 300 ℃, 400 ℃ 및 500 ℃의 열분해 온도에서 각각 0.18-1.06 %, 0.22-1.24 %, 및 0.17-1.77 %이었다. 도 3은 FW 비율이 증가함에 따라 염소 함량이 점진적으로 증가함을 보여준다. SS100 샘플은 Bio-SRF 기준을 준수하는 0.5% 미만의 염소 함량을 나타냈다.
또한, 400 ℃와 500 ℃의 열분해 온도에서 염분 함량이 FW 함량에 따라 선형으로 증가하지 않고 FW50 및 FW67의 염분 함량이 급격히 감소되는 것이 관찰되었다. 이는 염소와 유사한 패턴을 나타내는 탄화체의 수분 함량 때문일 수 있다. 염소는 NaCl, KCl과 같은 알칼리 금속 염화물로 탄화체에 존재하며, 이에 따라 염소 함량은 수분 함량과 관련될 수 있다.
시험예 4: 중금속 함량 분석
상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1, 및 비교예 2를 통해 제조된 고형연료에 대하여 아연, 구리, 크롬, 카드뮴, 비소, 수은, 및 납을 포함하는 중금속 함량을 측정하였으며, 그 결과는 도 4와 같다.
하수슬러지의 비율이 높을수록 중금속 함량이 높게 관측되었고, 반대로 음식물 쓰레기의 비율이 높을수록 중금속 함량은 줄었다. 또한, 높은 열분해 온도에서 중금속 함량이 더 높았는데, 열분해 온도가 높으면 탄화체의 금속 안정성이 향상되어 농축될 수 있다.
이상의 실험을 통해 생산된 고형연료의 발열량, 염소 함량, 6종의 중금속(아연, 구리, 크롬, 카드뮴, 비소, 납)함량을 측정한 결과 고형연료의 적합성과 친환경성이 검증되었다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (8)
- (A) 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 건조한 후 분쇄 및 혼합하는 혼합단계,
(B) 혼합물을 열분해하여 휘발분을 제거하고 탄화체를 형성하는 열분해단계,
(C) 용액을 이용하여 상기 탄화체의 염분을 제거하는 탈염단계,
(D) 탈염된 탄화체를 용액으로부터 분리하는 고액분리단계, 및
(E) 상기 탄화체를 건조하여 고형연료를 형성하는 건조단계를 포함하고,
상기 음식물류 폐기물와 하수슬러지의 혼합 중량비가 5:5 내지 7:3이고,
상기 열분해 온도는 280 내지 500 ℃이고,
상기 열분해 시간은 30 내지 90 분인,
친환경 고형연료의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 음식물류 폐기물의 조성은, C/N 11.6 내지 21.6, H/C 0.18 내지 0.33, 및 O/C 0.44 내지 0.81인 것을 특징으로 하는, 친환경 고형연료의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 음식물류 폐기물과 하수슬러지는 15 % 미만의 수분 함량으로 건조 후 혼합하는 것을 특징으로 하는, 친환경 고형연료의 제조방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 열분해는 외부 공기와의 접촉이 차단되고 질소가 연속적으로 공급되는 열분해로에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 친환경 고형연료의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 고형연료의 발열량이 4,000 내지 8,000 kcal/kg인 것을 특징으로 하는, 친환경 고형연료의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 고형연료의 염소 함량이 1.8 wt% 이하인 것을 특징으로 하는, 친환경 고형연료의 제조방법. - 청구항 1 내지 3 또는 청구항 5 내지 7 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된, 친환경 고형연료.
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