KR20010045615A - 슬러지 소각용융 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수·폐수 처리장에서 발생되는 슬러지를 건조 및 분쇄후 소각용융로에 기류수송하여 슬러지내에 포함된 유기물을 소각하고, 소각된 재와 무기물을 함께 용융시키는 슬러지 소각용융 처리장치에 관한 것으로,

본 발명의 슬러지 소각용융 처리장치는 유기물을 함유하는 하·폐수 슬러지의 처리장치에 있어서, 상기 슬러지를 수분함량 5이하로 건조하는 건조기와, 그 건조기에서 건조된 슬러지를 입자크기 100 ㎛ 이하로 분쇄하는 분쇄기와, 그 분쇄된 슬러지를 소각용융로에 일정량 기류로 이송시키는 기류송급장치와, 이송된 슬러지내의 유기물은 소각시키고 그 소각된 재와 슬러지내의 무기물을 1,300 ℃ 이상으로 함께 용융시키는 소각용융로와, 그 소각용융로에 슬러지와 산화제를 공급하는 메인버너와, 상기 소각용융로에서 용융된 슬래그를 배출하는 슬래그 배출수단으로 구성되는 것을 특징으로 하며,

본 발명의 실시에 따르면 하수·폐수 처리장의 슬러지의 처리방법중 슬러지내에 함유된 중금속을 슬래그 광물내에 고용시킴으로써 중금속의 용출량을 줄일 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

슬러지 소각용융 처리장치 {Device for the treatment of the sludge by burning and melting}

본 발명은 하수·폐수 처리장에서 발생되는 슬러지의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명은 하수·폐수 처리장에서 발생되는 슬러지를 건조 및 분쇄후 소각용융로에 기류수송하여 슬러지내에 포함된 유기물을 소각하고, 소각된 재와 무기물을 함께 용융시키는 슬러지 소각용융 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 도시하수 및 공장폐수에는 무기물 이외에 가연성의 유기물이 포함되어 있다. 1996년도 통계에 의하면 하수·폐수 처리장의 침전조에 침전시켜 발생되는 슬러지는 연간 1,276 천톤에 이르며, 이중 대부분이 즉 약 76가 매립되고 있는 실정이며, 약 20는 공해상의 일정해역에 무단 투기되고 있으며, 퇴비 등으로 재활용되고 있는 양은 불과 3.6정도이고 소각처리되는 양은 극히 적다.

그러나, 상기 종래의 하·폐수 처리방법중 매립방법은 침출되는 오수와 슬러지내에 함유된 중금속 등의 용출 문제, 매립지반의 약화 문제 등이 발생되며, 상기 문제의 완화를 위한 비용증가로 매립지 반입료가 크게 상승하는 추세에 있고, 장차 매립에 따른 환경적 문제를 고려하면 경제적인 방법이라 할 수 없다. 그리고, 슬러지의 해양투기방법은 오물관리,저장,운반 등의 문제와 해양 오염 문제로 결코 좋은 방법이라 할 수 없다. 또한 과수원 등의 퇴비, 지렁이의 사육 등으로의 재이용은 처리량에 있어서 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 슬러지의 소각방법은 현재 우리나라에서 3개의 전용 소각장이 운영되고 있으나, 일부 하수 슬러지는 도시 쓰레기 소각장에서 혼합처리되고 있다. 상기 슬러지 전용 소각장은 계속 증가될 전망이며 슬러지의 고함수율(슬러지 무게의 80가 수분임) 때문에 도시 쓰레기 소각장에서 다른 쓰레기와 혼합소각될 때 불완전 연소로 인한 다이옥신이 발생되는 문제가 있으며, 또한 도시 쓰레기의 특성에 맞게 설계된 소각장에서 하수 슬러지를 소각하는 데에는 까다로운 기술적 문제를 야기하고 있으며, 상기 슬러지 소각방법은 연소과정에서 배출되는 인체에 유해한 개스와 소각된 재의 매립에 의한 중금속의 침출 문제로 인하여 폐기물의 양은 감소되지만 폐기물의 완전한 처리방법으로는 적합하지 못하였다.

한편, 종래의 소각 및 용융기술로는 도 1a에 도시한 바와 같이, 슬러지를 건조부(21)에서 건조한 후 그 건조된 슬러지를 소각부(22)에서 소각한 후, 소각되고 남은 슬러지재를 별도의 용융부(23)에서 용융시키는 방법이 있으며, 상기 슬러지재를 용융부(23)에 공급하는 방식으로서 수송용 공기와 함께 기류수송하여 분사시키는 분류층(entrained bed) 방식과 슬러지재를 기계적 방법으로 용융로에 투입하는 고정층(fixed bed) 방식이 있다. 일반적으로 분류층 방식은 잔재의 입자크기가 수백 마이크론 이하로 기류수송이 용이한 경우에만 사용하며, 고정식 방식과 비교하여 용융로 단위체적당 처리량이 많고, 로내 체류시간이 짧은 장점이 있다. 반면에 고정층 방식은 공급하는 슬러지재의 물리적 성상(크기 등)과 수분함량 등에 제한이 적은 장점이 있다. 그러나 도 1a의 공정은 슬러지의 유기물을 소각하는 소각부(22)와 소각후 잔재(무기물)을 용융시키는 용융부(23)가 각각 필요하며, 용융에 필요한 에너지원을 모두 외부에서 공급하는 에너지에 의존하므로 처리비용이 많이 드는 문제점이 있엇다.

또한, 도 1b의 공정은 슬러지를 건조부(21)에서 건조한 후, 그 건조된 슬러지를 열분해부(24)에서 열처리하여 생성된 열분해 개스와 탄화물로 분리된 후, 소각용융부(25)에 공급하는 방식이며, 탄화물의 성상에 따라 분류층 방식과 고정층 방식을 채택한다. 그러나 도 1b의 공정은 열분해부(24)와 소각용융부(25)의 2개의 반응로가 필요하며, 열분해 잔류물을 기류수송하여 소각용융부(25)에 공급하기 위해서는 별도의 분쇄기를 필요로 하며, 고정층 방식을 채택시는 소각용융부(25)의 크기가 커지고 장시간의 로내 체류시간이 요구되는 문제점이 있었다.

그리고, 도 1c의 공정은 슬러지를 건조부(21)에서 건조한 후, 그 건조된 슬러지에 고체연료인 코크스 또는 액체연료와 보조연료인 기체연료를 사용하여 직접 소각 및 용융시키는 고정층 방식을 택하고 있다. 그러나 도 1c의 공정은 소각용융부(25)내 체류시간이 길고, 동일한 양의 슬러지를 처리하는 데 분류층 방식보다 큰 소각용융로를 필요로 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하·폐수 처리장에서 발생되는 슬러지에 포함된 유기물을 소각하고 소각된 재와 슬러지내에 있는 중금속 등의 용출을 효율적으로 방지하는 장치를 제공하는 데 있다.

도 1a는 소각부와 용융부가 분리된 공정도,

도 1b는 열분해부와 소각용융부가 분리된 공정도,

도 1c는 고정층 베드방식 소각용융의 공정도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 슬러지 소각용융 처리 공정의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 건조기 4 : 분쇄기

6 : 정량공급기 7 : 기류송급장치

9 : 소각용융로 10 : 슬래그 배출수단

12 : 열교환기 21 : 건조부

22 : 소각부 23 : 용융부

24 : 열분해부 25 : 소각용융부

본 발명의 상기의 목적은 유기물을 함유하는 하·폐수 슬러지를 건조기로 공급하고, 상기 건조된 슬러지를 분쇄기에 공급하여 분쇄한 후, 상기 분쇄된 슬러지를 기류송급장치로 소각용융로에 일정한 양으로 이송시켜 슬러지내의 유기물을 소각시킨 다음, 소각된 재와 슬러지내의 무기물을 함께 용융시킴으로써 달성되었다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성을 첨부도면을 참조하여 실시예에 따라 상세히 설명한다.

도 1a는 소각로와 용융로가 분리된 공정도이고, 도 1b는 열분해로와 용융로가 분리된 공정도이고, 도 1c는 고정층베드방식의 소각용융로의 공정도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 슬러지 소각용융 처리 공정의 개략도이다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 슬러지 소각용융 처리장치는 수분을 다량 함유하는 슬러지를 저장하는 제1차 슬러지 저장조(1)와, 상기 슬러지를 투입하여 건조시키는 건조기(2)와, 상기 건조된 슬러지를 저장하는 제2차 슬러지 저장조(3)와 상기 건조된 슬러지를 투입시켜 분쇄하는 분쇄기(4)와, 상기 분쇄기(4)로 부터 분쇄된 슬러지를 저장하는 제3차 슬러지 저장조 (5)와, 상기 슬러지를 정량공급하는 정량공급기(6)와, 상기 정량공급기로 부터 공급되는 슬러지를 소각용융로(9)에 기류수송하는 기류송급장치(7)와, 상기 슬러지내 유기물의 연소를 용이하게 하기 위하여 산소 비율을 21이상으로 상향조절할 수 있는 산화제 공급장치(71)와, 상기 소각용융로(9)에 슬러지와 산화제를 공급하는 메인버너(main burner)(8)와, 공급된 슬러지내의 유기물을 소각시키고 소각되고 남은 재와 슬러지내의 무기물을 용융시켜 슬래그를 만드는 소각용융로(9)와, 상기 슬래그를 배출하는 슬래그 배출수단(10)과, 상기 슬래그 배출수단(10)으로 부터의 슬래그를 저장하는 슬래그 저장조(11)와 상기 소각용융로(9)의 고온의 배출개스와 열교환을 통해 얻은 고온의 스팀을 얻어 상기 건조기(2)에 보내어 슬러지의 건조에 활용케하는 열교환기(12)와, 상기 소각용융로(9) 출구에서 용융된 슬래그가 냉각되어 배출되지 않는 것을 막기위한 보조버너(16)와, 발열량이 낮은 슬러지가 투입된 경우 슬러지내의 무기물이 용융되도록 소각용융로(9) 내부온도를 상승시킬 목적으로 사용하는 보조버너(13)와, 상기 소각용융로에서 배출되는 배출개스를 정화시키는 집진장치(14)와, 상기 배출개스를 당기는 팬(15)으로 구성된다.

상기 건조기(2)는 약 80정도 포함된 슬러지의 수분을 5이하로 낮추며, 상기 분쇄기(4)는 대부분의 슬러지의 입자크기를 70 ∼ 100 ㎛ 이하로 낮춘다.

상기 정량공급기(6)는 상기 제3차 슬러지 저장조에서 슬러지를 인출하는 장치(61)와 인출되는 슬러지 양을 재는 수단(미도시)과 공급 설정량과 실제 공급되는 양의 차이를 계산하여 상기 슬러지 인출수단의 속도를 제어하는 수단(미도시)으로 형성되며, 상기 기류송급장치(7)는 상기 정량공급기(6)로 부터 낙하된 슬러지를 공기 콤프레셔 또는 공기 블로워 (air blower) 등의 압축공기를 이용해서 상기 소각용융로(9)에 수송한다.

상기 소각용융로(9)의 내부온도는 슬러지의 용융온도보다 200 ℃ 이상인 1,500 ℃ 정도로 유지하기 위해서 2,000∼4,000 kcal/kg (건조중량 기준) 인 슬러지를 산화제와 함께 상기 메인버너(8)에 공급하여 소각함으로써 슬러지의 소각 및 용융에 필요한 에너지로 활용하고, 소각용융로의 온도가 1,500℃ 보다 낮은 경우 상기 보조버너(13,16)에 연료와 공기를 공급하여 연소시켜 상기 소각용융로(9)의 온도를 1,500 ℃ 정도 유지한다.

상기 슬래그 배출수단(10)은 용융된 슬러지를 공기냉각 또는 수냉시켜서 슬래그를 상기 슬래그 배출수단(10)으로 부터 배출시킨다.

상기 집진장치(14)는 건식 또는 습식 집진장치로서 환경기준치를 만족시키도록 집진한 후 개스를 대기로 배출시킨다.

이하, 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 하기 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.

실시예 : 슬러지 소각용융 처리과정의 단계별 슬러지의 특성 변화

본 발명의 슬러지 소각용융 처리방법의 실시에 있어서 슬러지가 건조 및 분쇄된 단계, 소각용융로에서 유기물이 소각된 단계(실험실에서 모사(simulation)), 소각용융로내에서 용융되어 슬래그로 된 단계로 구분하여 각각 그 시료를 채취하였다.

하수처리장에서 채취한 슬러지의 수분함량은 82였으며, 상기 슬러지를 본 발명의 슬러지 소각용융 처리방법에 따라 상기 건조기(2)에서 건조시킨 다음 상기 분쇄기(4)에서 분쇄한 후 상기 소각용융로(9)에 투입하기전에 샘플링한 슬러지 원시료의 공업분석을 표 1에 나타내었다.

건조, 분쇄된 슬러지 원시료의 공업분석

구분	무게중량,
수분	3.82
휘발분	40.97
고정 탄소	7.61
회재	47.60

상기 표 1에서 보듯이 상기 슬러지는 수분량이 3.8수준으로 충분히 건조된 상태이며 휘발분이 41수준, 고정탄소량이 7.6수준이며 발열량도 2,400 kcal/kg-dry base 수준으로 높았다.

상기 건조 및 분쇄된 슬러지를 상기 소각용융로(9)에 투입하여 1,500 ℃ 정도에서 용융시킨 후 슬래그 배출수단(10)으로 부터 슬래그의 샘플을 채취하였다.

또한 소각된 슬러지재를 모사(simulation)하기 위해서 상기 슬러지 원시료를 650 ℃의 실험실 전기로에서 열처리하여 슬러지내의 유기물을 완전히 소각시켜 회재(ash)를 얻었다.

상기 슬러지 원시료, 회재, 슬래그 각각의 시료내 미량성분량과 수용액에서 용출되는 미량성분의 용출량을 하기 표 2에 나타내었다.

슬러지,회재,슬래그 내의 미량성분량과 수용액에 용출된 미량성분량의 비교

구분	슬러지(ppm)	회재(ppm)	슬래그(ppm)	슬러지용출비	회재용출비	슬래그용출비	슬래그용출비/회재용출비
	원시료	용출액	원시료					용출액	원시료	용출액
Cr	121	〈 0.01	278	0.09	165	〈 0.01	-	.003	-	-
Zn	1322	0.89	4137	0.53	467	0.06	.007	.0013	.0013	1.0
Cd	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	-	-	-	-
Pb	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	〈 1	0.015	-	-	-	-
Ni	〈 1	1.14	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	-	-	-	-
Mn	1705	3.7	5328	2.31	5261	0.07	.022	.004	.0001	0.03
Cu	329	0.08	520	〈 0.01	523	0.13	.002	-	.0024	-
Ba	904	0.47	1228	0.16	1557	0.17	.006	.0013	.0011	0.85
Ca	17540	181	40070	625	48390	6.2	.103	.156	.0013	0.008
As	〈 1	〈 0.01	〈 1	0.09	〈 1	〈 0.01	-	-	-	-
Hg	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	〈 1	〈 0.01	-	-	-	-

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 슬러지의 열처리로 회재,슬래그내의 미량성분 함유량이 증가되었으며, 다만 Zn의 경우는 비점이 낮아 슬래그내의 Zn 함유량이 크게 줄었다. 회재와 슬래그의 용출량을 비교하면 회재의 용출농도보다는 슬러지의 용출농도가 매우 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 슬러지의 용융과정에서 미량성분들이 새롭게 형성되는 광물에 고용되어 수용액에서 용출이 안되기 때문으로 나타났다. 따라서 회재를 슬래그로 처리하는 것은 환경적으로 무해한 처리방법임을 알 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 Cd, Pb, Ni, Hg 등의 중금속의 함유량이 적은 슬러지를 사용한 결과, 슬러지의 용융처리 효과를 직접 확인할 수는 없었지만 상기 표 1의 Cr,Mn,Ca 등의 데이타로 부터 볼 때, 슬래그내 고용으로 용출량이 크게 주는 것을 유추할 수 있다.

상기의 결과를 해석하기 위하여 용출비(Leaching ratio)를 아래와 같이 도입하였다.

Leaching ratio = (C_Lx V) / (C_Ix M)

여기서 C_L은 용축액 농도(mg/L), V는 용출액 부피(L), C_I는 시료내에 포함된 초기 중금속 함량(건조 중량기준, mg/kg) 그리고 M은 용출시험에 사용된 시료량

(건조중량 기준, kg)이다. 중금속 농도가 검출한계 이하인 경우를 제외한 상기 표 1의 용출비를 보면, 슬러지의 경우 0.103 ∼ 0.002 이며, 회재의 경우는 0.156 ∼ 0.001 의 값을 가지나 슬래그의 경우는 0.0024 ∼ 0.0001 이다. 따라서 슬러지와 회재의 미량성분 용출량은 같은 오더(order) 값을 가지나, 슬래그의 경우에는 현저히 감소됨을 알 수 있다. 따라서 회재를 용융처리함으로써 슬러지 내의 중금속 등의 미량성분의 용출량을 현저하게 줄일 수 있음을 재확인할 수 있었다.

이상 실시예를 통해서 설명한 바와 같이, 본 발명은 슬러지 소각용융 처리방법을 제공하는 효과가 있으며, 본 발명에 의하면 하수·폐수 처리장의 슬러지의 처리방법중 슬러지내에 함유된 중금속을 슬래그 광물내에 고용시킴으로써 가장 효과적으로 중금속의 용출량을 줄일 수 있다. 또한 1개의 소각용융로내에서 슬러지내의 유기물을 소각시켜 열에너지로 활용할 수 있을 뿐더러 슬러지를 분쇄하여 소각용융로에 기류수송함으로써 덩어리 상태의 슬러지 등을 처리하는 고정층(fixed bed) 방식보다 분류층(entrained bed) 방식을 채택할 수 있으므로 반응로의 단위체적당 슬러지 처리량이 증가되는 뛰어난 효과가 있으므로 환경산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 유기물을 함유하는 하·폐수 슬러지의 처리장치에 있어서, 상기 슬러지를 건조하는 건조기(2)와, 그 건조기(2)에서 건조된 슬러지를 분쇄하는 분쇄기(4)와, 그 분쇄된 슬러지를 소각용융로(9)에 일정량 기류로 이송시키는 기류송급장치(7)와, 이송된 슬러지내의 유기물은 소각시키고 그 소각된 재와 슬러지내의 무기물을 함께 용융시키는 소각용융로(9)와, 그 소각용융로(9)에 슬러지와 산화제를 공급하는 메인버너(10)와, 상기 소각용융로(9)에서 용융된 슬래그를 배출하는 슬래그 배출수단 (10)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬러지 소각용융 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 건조기(2)에서 슬러지을 수분함량 5이하로 건조하고, 상기 분쇄기(4)에서 건조된 슬러지를 입자크기 70 - 100 ㎛ 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 슬러지 소각용융 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소각용융로(9)에서 소각된 재와 슬러지내 무기물을 재의 용융점 이상으로 함께 용융시키는 것을 특징으로 하는 슬러지 소각용융 처리장치.