KR20050112931A - 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법 - Google Patents

하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법에 관한 것으로, 하수슬러지와 폐플라스틱을 연료로 재활용함으로써 환경친화적인 자원순환을 실현하고, 하수슬러지의 함수율을 저감하여 액상폐기물에 광범위한 적용이 가능하며, 저비용의 시설비와 운영비로 설치가 가능하고 폐수의 발생이 없어 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 고형화 연료를 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 고형화 연료를 만들기 적합한 조건으로 하수슬러지와 폐플라스틱을 처리하는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 용융한 뒤, 순간적으로 냉각하여 펠렛을 형성하는 혼합믹서공정과; 상기 혼합믹서공정에서 입자화된 펠렛을 제품화하기 위해 냉각하는 냉각공정과; 상기 전처리공정과 혼합믹서공정으로부터 발생한 증기 및 먼지 등의 불순물을 처리하는 배기가스처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법{manufacture method of solid fuel to mix sewage sludge and waste plastic}
본 발명은 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법에 관한 것으로, 이미 1차 탈수된 슬러지를 전기분해 방식으로 재탈수하여 함수율을 낮춘 다음 폐플라스틱과 섞어서 용융시킨 뒤 급냉각 하여 발생하는 펠렛 형상의 고형화 연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
2002년도 말 기준으로 국내 지자체가 운영하는 하수종말처리장은 약 200개소가 있으며, 여기에서 발생하는 하수슬러지량은 5700톤/일 정도인데, 이중 70%정도가 해양 투기되고 있는 실정이다.
하수슬러지의 처리의 대부분은 퇴비화 방법, 해양투기, 매립방법이나 소각방법 등의 다양한 방법이 시행되고 있었으나, 상기 퇴비화 방법의 경우 사용시기가 제한되고 염류에 의해 토양이 오염되어 작물에 피해를 입히는 문제가 있었고, 상기 해양투기의 경우 해양환경을 오염시키고 국제협약에 따른 제한이 있었다.
상기 매립방법의 경우 매립장 확보가 어렵고 침출수가 발생하여 2차오염을 초래하였으며, 상기 소각방식은 주민의 저항은 물론 시설비와 유지관리비가 많이 들고, 대기오염을 발생시키는 문제가 있었다.
또 폐플라스틱은 처리주체가 제도적으로 마련되어 있지 않아 그동안 자원재생공사에서 농촌폐비닐을 중심으로 수거해오고 있으나, 생활계의 폐플라스틱은 적정 처리되지 못하고 있다.
이러한 폐플라스틱은 연간 400~500만톤 정도가 발생되고 있고 이중 20%만이 재활용되고 있으며, 대부분은 단순매립이나 소각처리 되고 있어 심각한 환경문제를 일으키고 있으나 폐플라스틱 처리의 특성과 전문성을 감안한 재활용 기술이 개발되지 못하고 있는 실정이다.
모든 폐기물에 대해서 단순처리(소각, 매립, 해양투기 등) 보다는 재활용 처리가 바람직하지만, 전처리 공정이나 최종 생산된 제품의 사용처 확보와 경제성이 담보되지 않는 문제점으로 인해 재활용 처리가 활성화 되지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해 창출한 것으로, 하수슬러지와 폐플라스틱을 연료로 재활용함으로써 환경친화적인 자원순환을 실현하고, 하수슬러지의 함수율을 저감하여 액상폐기물에 광범위한 적용이 가능하며, 저비용의 시설비와 운영비로 설치가 가능하고 폐수의 발생이 없어 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 고형화 연료를 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고형화 연료를 만들기 적합한 조건으로 하수슬러지와 폐플라스틱을 처리하는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 용융한 뒤, 순간적으로 냉각하여 펠렛을 형성하는 혼합믹서공정과; 상기 혼합믹서공정에서 입자화된 펠렛을 제품화하기 위해 냉각하는 냉각공정과; 상기 전처리공정과 혼합믹서공정으로부터 발생한 증기 및 먼지 등의 불순물을 처리하는 배기가스처리공정으로 이루어진다.
이하 첨부된 도면을 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 고형화 연료의 제조방법을 보인 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고형화 연료의 제조방법을 보인 개략도이며, 도 3은 슬러지의 함수율에 따른 처리능력을 보인 표이고, 도 4는 본 발명에 따른 2차탈수기의 전극결선도이며, 도 5는 본 발명의 혼합믹서기를 보인 개략도이다.
본 발명은 하수처리장에서 배출되는 함수율 80~85% 상태의 하수슬러지(10)를 2차 탈수기(110)로 재탈수하여 함수율 60% 이하로 저감시켜 저장호퍼(130)에 일시 저장된 후 건조기(120)에서 건조하고, 폐플라스틱을 파쇄기(150)로 파쇄한 뒤 자력선별기(160)와 풍력선별기(160)를 거쳐 금속류와 이물질을 분리하는 전처리공정과;
상기 전처리공정을 거친 폐플라스틱과 하수슬러지(10)를 혼합하여 혼합믹서(200)에 투입하여 회전마찰열로 플라스틱의 용융온도인 160도까지 승온시켜 겔 상태에서 슬러지(10)를 내부 마찰열로 건조하여 용융상태의 폐플라스틱에 흡착시키면서 원료투입량의 5%정도의 물을 혼합믹서(200) 내부에 일시에 분사하여 용융혼합물의 표면이 급냉되면서 펠렛 형태로 입자화시키는 혼합믹서공정과;
상기 혼합믹서공정에서 입자화된 펠렛을 제품화하기 위해 냉각믹서(300)에서 냉각되는 냉각공정과;
상기 혼합믹서(200) 내부에서 온도가 상승하여 분진형태로 배출되는 수분과 미세먼지가 수증기와 함께 배출되는데, 수증기는 응축기(410)에서 응축하여 제거하고 상기 전처리 공정에서 배출된 먼지 등은 싸이크론(420)에서 제거되며 입자상 물질, 악취와 유해물질 등 가스상 물질을 세정식 액상촉매 스크라버(430)에서 촉매반응으로 제거시킨 후 배기팬으로 배기시키는 배기가스처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
전처리공정은 하수슬러지(10)와 폐플라스틱이 혼합되어 고형화 연료로 제조될 수 는 조건을 만들기 위해 거치는 과정으로, 하수슬러지(10)는 재탈수 공정을 거쳐 함수율을 낮추고, 폐플라스틱은 잘게 파쇄하게 된다.
하수슬러지(10)는 재활용하기 위한 전처리 단계로서 건조시간을 단축시키기 위하여 슬러지(10) 내부의 화학적으로 결합된 형태의 수분을 제거하는 것이 필요하다.
하수처리장에서 배출되는 슬러지(10)의 함수율은 보통 80~85% 내외이며, 이런 상태의 슬러지(10)를 다시 한번 탈수하기 위하여 2차 탈수기(110) 호퍼에 콘베어나 모노펌프로 이송한다.
전기침투 방식의 2차 탈수기(110)로 재탈수된 하수슬러지(10)는 함수율 60% 이하로 저감되어, 저장호퍼(130)에 일시 저장된 후 건조기(120)에서 건조하거나, 건조하지 않고 직접 폐플라스틱과 혼합용융하기 위하여 스크류 콘베어를 통해 혼합믹서(200)에 투입된다.
2차 탈수기(110)에서 이루어지는 탈수공정은 슬러지(10) 내부에 화학적으로 결합된 수분을 제거하기 위해서 물의 전기분해 원리를 응용하여 양극과 음극사이에 슬러지(10)를 넣고, 3상 60V의 직류전원을 공급하면서 양극과 음극 사이에 있는 여포(111)(112)를 벨트와 압축롤러로 가압하면, 슬러지(10)의 수분이 전기분해 되면서 슬러지(10)에서 기포가 발생하고 이때 슬러지(10) 내부의 분자사이에 있는 수분과 화학적으로 결합되어 있는 수분이 제거되도록 하여 운반이나 재활용이 용이하도록 한다.
물의 전기분해시 음극에서 수소가 발생하고 양극에서 산소가 발생하는 원리를 응용하여, 슬러지(10)를 사이에 두고 3상 직류전원을 공급하면 슬러지(10)에 포함된 수분, 특히 슬러지(10) 세포내부의 미세입자에 있는 수분이 발열과 함께 밀려나와 탈수되는 방식으로 함수율을 낮출 수 있다.
이 2차 탈수기(110)는 규격에 따라 1대당 0.5~2.0톤/Hr의 1차 탈수된 슬러지(10)를 탈수할 수 있으며, 상여포(111)와 하여포(112) 사이에 슬러지(10)를 연속으로 투입하면서 회전롤러를 전극으로 조립된 케터필러(114)가 구동시켜주면 중심롤러가 회전하여 연속으로 회전하면서 가압 탈수하는 기술이다.
투입된 슬러지(10)가 연속적으로 공급되고 여포(111)(112) 사이에서 전기적 반응으로 탈수되면서 3~5분 동안에 함수율을 60%까지 낮출 수 있다.
2차 탈수기(110) 호퍼에 공급된 슬러지(10)는 호퍼 바닥면이 개방되어 있어 탈수기(110) 여포(111)(112) 상부에 쌓이도록 되어 있다.
탈수기(110) 중심의 회전드럼(113)에 3상 전원을 정류시킨 후 3선을 접속하여 중성점 전극(N극)으로 하고, 회전드럼(113)의 외곽을 3등분으로 나누어 케터필러(114)를 체인롤러에 연결한 구조의 전극에 전원을 연결한다.
케터필러(114) 기어에 체인으로 구동모터를 연결하여 회전시키면 케터필러(114)의 압착력으로 중심의 N극 드럼이 회전하게 된다.
여포(111)(112)의 회전으로 상여포(111)와 하여포(112) 사이의 간극 조절로 투입량을 조절하면 슬러지(10)가 일정량씩 여포(111)(112) 사이에 공급된다. 여포(111)(112)의 주행속도는 분당 1~3m로 조절이 가능하며 중심 회전드럼(113)의 외곽을 한바퀴 회전하면 탈수가 완료된다.
여포(111)(112) 사이에 투입된 슬러지(10)는 중심 회전드럼(113) 외곽을 3등분한 형태로 감싸고 있는 케터필러(114) 전극이 중심드럼을 실린더로 압착하면서 회전한다. 여포(111)(112)가 회전하면서 여포(111)(112) 사이에 있는 슬러지(10)는 회전방향으로 먼저 회전드럼(113)의 N극과 3상 전원 중 순서적으로 N-R상, N-S상, N-T상 순으로 전기분해 반응을 하게 된다.
전기분해 반응으로 발열과 함께 증기와 기포로 슬러지(10) 내부에 결합된 수분이 빠져 나오게 된다. 함수율을 더욱 낮추기 위해서는 여포(111)(112) 속도를 낮추고 투입량을 줄이면 거의 건조된 상태로 배출이 가능하다.
2차 탈수기(110)는 운송비와 탈수여액 처리 등을 고려할 때 하수처리장의 슬러지(10) 배출장소에 설치하는 것이 바람직하다. 2차 탈수된 슬러지(10)는 폐플라스틱과 혼합하기 위하여 건조하거나, 함수율 60% 이하인 상태라면 별도의 건조공정을 거치지 않고 혼합믹서(200)로 투입하여 폐플라스틱과 용융반응으로 펠렛 형태의 RPF 연료로 제조할 수 있다.
폐기물 수집운반 차량으로부터 반입된 폐플라스틱은 주로 필름계로써 저장호퍼(140)에 일시 저장된 후 투입 콘베어를 통해 파쇄기(150)에 투입된다.
수집 운반된 폐플라스틱은 파쇄되지 않은 상태이므로 혼합 용융공정에서 펠렛 형태의 조립(造粒)제품을 만들기 위해서는 전처리 과정으로 폐플라스틱을 40~50mm 사이즈로 파쇄 하여야 한다.
특히 PE 필름계 폐플라스틱은 얇고 가벼워 파쇄하기가 매우 어려운데, 본 발명에 사용된 파쇄기(150)는 1축형 파쇄기(150)로 필름계 폐플라스틱을 효율적으로 파쇄된다.
파쇄기(150)에서 가로 세로 50mm 크기로 잘게 파쇄된 폐플라스틱은 자석선별기(160)와 풍력선별기(160)를 거쳐 금속류와 이물질을 분리한 다음 혼합믹서(200)의 호퍼에 투입된다.
수집 운반된 폐플라스틱 중에는 금속, 유리, 목재 등의 이물질이 섞여 있는데, 자력선별기(160)는 철재류 금속을 선별하여 연계된 기기의 손상을 방지하고, 풍력선별기(160)는 필름계 플라스틱과 열경화성수지 등을 비중차로 선별하여 기기의 손상을 방지하고 생산된 RPF의 품질을 향상시킨다.
상기 전처리공정을 거친 하수슬러지(10)와 폐플라스틱은 혼합믹서공정을 거쳐 서로 혼합되어 용융과 냉각과정을 거쳐 펠렛으로 형성된다.
혼합믹서공정은 하수슬러지(10)와 폐플라스틱을 혼합하여 회전마찰열로 용융하는 공정으로, 폐플라스틱을 용융시켜 펠렛으로 입자화하기 위해서는 폐플라스틱을 용융온도까지 가열해야 하고, 혼합믹서(200)는 폐플라스틱과 하수슬러지(10)를 혼합하면서 온도를 승온하는 기능을 갖고 있다.
열가소성 플라스틱의 용융온도인 150~170도까지 승온하기 위하여 폐플라스틱과 하수슬러지(10)를 혼합한 내용물을 혼합믹서(200) 내에 투입하면서 회전날개(211)를 회전시키면 마찰열에 의해 용융온도까지 상승하게 된다.
이때 겔상태의 폐플라스틱에는 하수슬러지(10) 입자가 부착되어 있는 상태이고, 여기에 물을 분사하여 겔상태의 표면을 급속히 냉각하면 작은 알갱이 입자가 형성된다.
혼합믹서(200) 회전날개(211)의 원심력에 의한 마찰열로 필름계 플라스틱의 용융온도인 160도까지 10~15분 동안에 승온시켜, 겔(GEL)상태에서 폐플라스틱과 함께 공급된 슬러지(10)를 내부 마찰열로 건조하여 용융상태의 폐플라스틱에 흡착시킨다. 이때 원료투입량의 5% 정도의 물을 혼합믹서(200) 내부에 일시에 분사하면 폐플라스틱과 슬러지(10)가 혼합된 용융혼합물은 표면이 급냉되면서 증기압력으로 펠렛 형태로 입자화된다.
입자화된 혼합물은 회전날개(211)와 고정날개(212) 사이에서 잘게 파쇄되면서 성형되어 배출되고, 펠렛 형태로 입자화된 제품은 하수슬러지(10)와 폐플라스틱이 동일함수율의 무게기준으로 3:7로 혼합된 폐플라스틱 고형연료(RPF)로서 발열량은 6000~6500kcal/kg이다.
폐플라스틱만을 연료로 만들면 발열량이 너무 높아 발전용 보일러에 이용하기에 적합하지 않지만, 하수슬러지(10)를 혼합하게 되면 발열량 조절이 가능하여 복합적인 효과를 거둘 수 있다.
필름계 플라스틱은 부피가 크고 무게가 작아 저장호퍼(140) 용량이 확보되어야 하므로 내부용적이 2000L인 혼합믹서(200)는 5L의 용적으로 혼합믹서(200) 상부에 호퍼가 설치되어 회전날개(211)가 가동되면서 투입게이트가 열리고 원료가 공급된다.
혼합믹서(200)는 회전부(210)와 상부호퍼부(220)로 나누어지며, 회전부(210)의 외부는 2층 자켓 구조로 온도보정을 위하여 열매체유(213)를 전기히터로 가열하여 온도를 유지하므로 연속 가동 시에는 열매체유(213)의 별도 가열은 필요치 않으며 회전날개(211)와 고정날개(212)로 구성된다.
혼합믹서(200)의 내부온도와 원료의 온도를 상부와 하부로 나누어 측정할 수 있도록 온도센서를 설치하고, 용융된 혼합물을 입자화하기 위하여 용수공급장치(214)를 장착한다.
폐플라스틱과 슬러지(10)가 가열되면서 배출되는 증기와 급수 시에 배출되는 증기를 배출하기 위하여 증기 배출구(215)를 온도센서와 연동되도록 설치하고, 증기는 함께 순환될 수 있도록 덕트시설로 연결되어 있다.
혼합믹서(200) 내부에서 가열된 폐플라스틱 용융물을 물 분사로 급냉되어 1~2분동안 회전하면서 입자화되어 배출되도록 배출구(215)를 원료투입구와 같이 에어실린더(216)로 작동하도록 장착된다.
냉각고정은 혼합믹서(200)에서 배출된 펠렛 형태의 조립품은 130도 이상의 고온으로 배출되므로, 고형연료로 제품화하기 위해서는 냉각과정을 거쳐야 하며, 배출된 상태의 RPF는 보관 시 자연발화 등의 화재위험이 있으므로 50도 이하로 냉각시켜 보관하여야 하기 때문에 냉각믹서(300)로 이동된다.
배기가스처리공정은 전처리공정과 혼합믹서공정에서 발생하는 가스를 처리하기 위한 공정이다.
혼합믹서(200)에서 온도가 상승하면 투입원료인 폐플라스틱과 하수슬러지(10)에 포함된 수분과 미세먼지가 분지형태로 수증기와 함께 배출되는데, 배출되는 수증기는 응축기(410)에서 응축수로 제거하고, 전처리 공정에서 발생되는 먼지 등은 1타 싸이크론(420)에서 먼지 및 기타 불순물이 제거된다.
세정식 액상촉매 스크라버(430)에서 입자상 물질, 악취와 유해물질 등 가스상 물질을 촉매반응으로 제거시킨 후 배기팬(432)으로 배기시킨다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 폐플라스틱과 하수슬러지(10)를 고형연료(RPF)로 재활용하기 위하여 폐플라스틱을 용융시킨 다음 하수슬러지(10) 입자를 흡착시킬 수 있도록 이루어진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 하수슬러지와 폐플라스틱을 연료로 재활용함으로써 환경친화적인 자원순환을 실현하고, 하수슬러지의 함수율을 저감하여 액상폐기물에 광범위한 적용이 가능하며, 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합 제조하여 발열량이 균일하고 성형이 용이하게 하고, 저비용의 시설비와 운영비로 설치가 가능하고 대체에너지로서 사용되어 경제효과가 매우 높을 뿐만 아니라 폐수의 발생이 없어 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고형화 연료의 제조방법을 보인 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 고형화 연료의 제조방법을 보인 개략도,
도 3은 슬러지의 함수율에 따른 처리능력을 보인 표,
도 4는 본 발명에 따른 2차탈수기의 전극결선도,
도 5는 본 발명의 혼합믹서기를 보인 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10 : 슬러지 110 : 2차 탈수기
111 : 상여포 112 : 하여포
113 : 회전드럼 114 : 케터필러(catapiler)
120 : 건조기 130, 140 : 저장호퍼
150 : 파쇄기 160 : 선별기
200 : 혼합믹서 210 : 회전부
211 : 회전날개 212 : 고정날개
213 : 열매체유 214 : 용수공급장치
215 : 배출구 216 : 에어실린더
220 : 상부호퍼부 300 : 냉각믹서
410 : 응축기 420 : 싸이크론
430 : 스크라버

Claims (2)

  1. 하수처리장에서 배출되어 1차 탈수를 마친 함수율 80~85% 상태의 하수슬러지(10)를 2차 탈수기(110)로 재탈수하여 함수율 60% 이하로 저감시켜 저장호퍼(130)에 일시 저장된 후 건조기(120)에서 건조하고, 폐플라스틱을 파쇄기(150)로 파쇄한 뒤 자력선별기(160)와 풍력선별기(160)를 거쳐 금속류와 이물질을 분리하는 전처리공정과;
    상기 전처리공정을 거친 폐플라스틱과 하수슬러지(10)를 혼합하여 혼합믹서(200)에 투입하여 회전마찰열로 플라스틱의 용융온도인 160도까지 승온시켜 겔 상태에서 슬러지(10)를 내부 마찰열로 건조하여 용융상태의 폐플라스틱에 흡착시키면서 원료투입량의 5%정도의 물을 혼합믹서(200) 내부에 일시에 분사하여 용융혼합물의 표면이 급냉되면서 펠렛 형태로 입자화시키는 혼합믹서공정과;
    상기 혼합믹서공정에서 입자화된 펠렛을 제품화하기 위해 냉각믹서(300)에서 냉각되는 냉각공정과;
    상기 혼합믹서(200) 내부에서 온도가 상승하여 분진형태로 배출되는 수분과 미세머지가 수증기와 함께 배출되는데, 수증기는 응축기(410)에서 응축하여 제거하고 상기 전처리 공정에서 배출된 먼지 등은 싸이크론(420)에서 제거되며 입자상 물질, 악취와 유해물질 등 가스상 물질을 세정식 액상촉매 스크라버(430)에서 촉매반응으로 제거시킨 후 배기팬으로 배기시키는 배기가스처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 탈수기(110)는 중심의 회전드럼(113)에 전원을 정류시킨 후, 3선을 접속하여 중성점전극(N극)으로 하고 회전드럼(113)의 외곽을 3등분으로 나누어 케터필러(114)를 체인롤러에 연결한 구조의 전극에 전원을 연결하며, 케터필러(114) 기어에 체인으로 구동모터를 연결하여 회전시키면 케터필러(114)의 압착력으로 중심의 N극 드럼(113)이 회전하게 되어 슬러지(10)의 탈수가 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법.
KR1020040038382A 2004-05-28 2004-05-28 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합한 고형화 연료의 제조방법 KR20050112931A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150115166A (ko) 2014-04-03 2015-10-14 주식회사나눔 폐폴리우레탄과 제지슬러지를 이용한 재생 성형물 및 이의 제조방법
KR102215003B1 (ko) * 2020-12-08 2021-02-10 정진도 폐합성수지를 재생한 오일과 하수슬러지를 이용한 연료탄 제조장치
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