KR20090045161A

KR20090045161A - 펠렛 형태의 고체연료 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20090045161A
Application number: KR1020090026129A
Authority: KR
Inventors: 손민일
Original assignee: 손민일
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-05-07
Also published as: KR101033860B1

Abstract

본 발명은 폐제지슬러지와 폐유를 이용한 고체연료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지에 폐유, 바인더, 유화제 및 0.01 ~ 20중량%의 수분함량을 갖는 폐제지슬러지 분말 또는 폐지 분말을 일정한 비율로 혼합한 후, 상기 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛으로 제조한 다음, 수분함량이 0.01 ~ 10중량%가 되도록 건조함으로써, 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상의 높은 발열량을 가지면서 친환경적인 고체연료를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 고체연료를 제공한다.

폐제지슬러지, 폐유, 고체연료, 펠렛(pellet), 수분함량

Description

펠렛 형태의 고체연료 및 그의 제조방법{Solid fuel of pellet form and method for preparing the same}

본 발명은 현재 환경공해를 발생시키는 제지슬러지와 폐유를 이용한 고체 연료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

고체연료를 제조하기 위하여 출발물질로 사용되는 제지슬러지는 제지공장의 최종공정에서 함수율 70 ~ 85중량％인 탈수케익 형태로 발생되며, 수분을 제외한 고형물을 기준으로 유기물이 적게는 30중량％에서 많게는 70중량％ 이상까지도 함유되어 있고, 이로 인한 고형분의 발열량이 적게는 2,000kcal/kg ~ 5,000kcal/kg 정도의 비교적 높은 열량을 갖고 있다. 따라서 이와 같은 유기성 제지슬러지는 학문상으로도 저급탄소계 연료로 분류되고 있으며, 우리나라에서는 2004년 기준으로 650 만톤씩 발생하고 있으나 현재는 이들 제지슬러지에 대한 처리방법이 환경문제를 비롯한 여러 가지 사회문제를 일으키는 것으로 인식되자 정부에서는 2011년 2월 까지 제지슬러지의 해양투기를 금지하고, 재활용 등을 통한 육상처리 원칙을 발표 한 바 있어 이 분야에서 적절한 재활용 기술의 개발 보급이 매우 시급한 실정이다.

또한 폐유의 경우 년 간 약 4억L 이상이 발생하고 있으며, 발생량 대비 약 30중량％가 매립에 의하여 처리되고 있다. 폐유의 재활용율은 67중량％로 높은 편이나 정제에 따른 방법에 있어 많은 에너지 비용이 소모되므로, 이 또한 공정 개선이 시급한 실정이다.

지금까지 제지슬러지를 재활용 처리하는 방법 중에서 대체연료로 활용하고자 하는 노력이 계속되고 있기는 하나 제지슬러지의 수분함량이 약 70중량％ 이상을 차지하고 있어 연료화에 큰 장애가 되고 있고, 건조를 통해 얻은 제지슬러지 고형분의 경우도 연료로서의 물성을 결정하는 데 가장 중요한 휘발분의 함량과 고정탄소의 함량이 기존의 석탄계 화석연료와는 정반대의 비율로 구성되어 있어 기존의 연소 시스템에서는 연료로 활용하는 것에는 많은 제약이 따르고 있는 실정이어서 이를 극복하는데 많은 어려움이 있는 상황이다.

최근에는 우리나라에서도 다양한 슬러지를 연료로 재활용하기 위하여 슬러지에 도시에서 배출되는 가연성 생활 폐기물 및 기름을 보조연료로 혼합하고, 성형성을 높이기 위하여 점토나 모래를 섞어 기존의 연탄이나 조개탄 모형의 연료탄을 제조하거나, 슬러지에 다량의 코크스 및 석탄류를 혼합하여 고형 연료화하는 사례들이 발표되었다.

예를 들면, 한국 공개특허공보 1994-0014200에는 제지슬러지를 탈수한 후 이를 기름에 튀겨내어 연료로 사용하는 가열된 기름을 이용한 제지슬러지의 수분 추출방법 및 장치가 공개되었으며, 한국 공개특허공보 1991-0001084에는 펄프제지슬 러지를 파라핀왁스에 혼합한 후 헥사민 과망간산칼륨을 가하여 가압 성형하여 제조된 고형연료가 공개 되었고, 한국공개특허공보 1994-0024040에는 나무류 폐지류 제지슬러지 등의 폐기물에 탄산칼슘, 제오라이트 및 결합제로 혼합한 다음압축성형기로 가압하여 제조된 가연성 각종폐기물을 이용하여 숯을 만드는 제조방법이 공개 되었다. 이밖에도 한국공개특허공보 1999-0074336호, 한국등록특허공보 제10-0319803호, 한국등록특허공보 제 10-0419189호에서는 하수슬러지에 석탄가루 혹은 석유 코크스를 첨가하여 폐기물을 연료화 하는 방법 등이 공개 되어 있다. 그러나 상기 기술들은 서로 상이한 물성의 재료가 섞여있어 연소의 최적 조건을 맞추기가 힘들뿐 아니라 불완전연소 등으로 인한 각종 대기오염물질이 배출되며, 불연성 재료가 첨가되어 있어 연소시키기 힘들므로 실용화 되지 않고 있는 실정이다. 또한 석탄분말이나 석유 코크스 분말을 열량보강재로 첨가하는 방법에 있어서도 단순히 제지슬러지의 열량을 높이기 위하여 첨가제를 제지슬러지 고형분에 대하여 적게는 1.25배에서 많게는 45배 가까이 첨가하므로 이것은 열량보강재에 제지슬러지를 첨가하는 형태가 되므로 폐기물의 활용도가 상대적으로 크게 저하됨을 의미한다. 이와 같이 기존의 특허에 기재된 연료들은 과량의 첨가제 사용에 따른 원가부담 및 제도적인 밑받침을 받지 못하는 연료로서 그 활용도 측면에서 현실적으로 현장 보급이 어려운 기술이라고 할 수 있다.

폐유의 자원화 기술로는 이온정제법, 감압증류법 그리고 고온 열분해법 등이 있다. 이온정제법은 폐유중 수분과 침전물을 제거하고 약품처리를 통하여 중금속 등을 제거하여 제품을 생산하는 방법이며, 감압증류방법은 박막증류 또는 탑증류 방법의 감압증류 방식은 폐유중의 수분과 침전물 등을 제거하는 전처리 과정을 거친후 진공하에서 열매체를 가열원으로 하여 증류하는 방법이다. 그리고 고온열분해법은 폐유를 450-500℃로 가열하여 라디칼반응에 의하여 고분자를 저분자화 하여 경질유를 얻는 방법이다.

이와 같이 폐유의 재자원화를 위해서는 몇 개의 공정을 거쳐야만 자원할 수 있다. 그러나 폐유중 폐윤활유의 경우에는 연소시의 악취발생실태를 조사한 결과 배출허용기준 이내로 나타나, 고형화시켜 재생에너지로 활용할 경우에는 상기와 같은 전처리가 필요 없이 직접 소각 처리할 수 있다.

현재 폐제지슬러지는 땅에 매립하거나 해양투기를 하므로 환경공해를 야기시키고 있으며, 폐유의 경우 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 고비용으로 재자원화를 시행하고 있으므로 그 실효성에 의문이 제기되고 있다. 또한 2005년 부터는 상기 제지슬러지의 경우 땅에 매립하는 것을 점차적으로 줄여나가는 방법이 제기되고 있으며, 해양투기 또한 금지하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 이러한 폐자원을 자원화하는 방법의 일환으로 폐제지슬러지와 폐유 및 첨가제를 혼합하여 3,500 kcal/kg(저위발열량) 이상의 열량을 얻을 수 있으며, 이와 동시에 연소에 따른 염소나 황의 배출량 그리고 중금속 등을 조절하여 고체연료로서 갖춰야 할 조건(자원절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제20조의3 제2항 관련)을 갖는 양질의 고체연료를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 고체연료를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

바인더 및 폐유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 제1단계;

상기 제1단계에서 제조된 혼합용액에 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제2단계;

상기 제2단계에서 제조된 제1혼합물에 폐제지슬러지 건조 분말 또는 폐지 건 조 분말을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 제2혼합물을 제조하는 제3단계;

상기 제3단계에서 제조된 제2혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛 형태의 고체연료를 제조하는 제4단계; 및

상기 제4단계에서 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5단계를 포함하는 고체연료의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은,

제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 탈수, 건조 및 분쇄하여 폐제지슬러지 분말을 제조하는 제1공정;

바인더 및 폐유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 제2공정;

상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3공정;

상기 제3공정에서 제조된 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛 형태의 고체연료를 제조하는 제4공정; 및

상기 제4공정에서 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5공정을 포함하는 고체연료의 제조방법을 제공한다.

이에 더하여, 본 발명은,

제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 탈수공정 및 건조공정을 통하여 수분함량 0.01 ~ 20중량%가 되도록 한 후, 분쇄기를 통해 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기로 분쇄한 폐제지슬러지 분말을 제조하는 제1공정;

바인더, 유화제 및 폐유를 혼합하되, 고체연료 총 중량에 대하여 바인더 3 ~ 20중량%, 유화제 0.1 ~ 5중량% 및 폐유 5 ~ 31중량%가 되도록 혼합한 혼합용액을 제조하는 제2공정;

상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말을 고체연료 총 중량에 대하여 60 ~ 70중량％가 되도록 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3공정;

또한, 상기 바인더는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다.

아울러, 상기 혼합용액은 유화제를 더 포함할 수 있으며, 상기 유화제는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 제공한다.

본 발명은 3,500 kcal/kg(저위발열량) 이상의 발열량을 가지는 고체연료를 제조할 수 있으며, 이와 동시에 연소에 따른 염소나 황의 배출량 그리고 중금속 등을 조절하여 고체연료로서 갖춰야 할 조건(자원절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제20조의3 제2항 관련)을 갖는 양질의 고체연료를 제조할 수 있는 효과를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예를 도시한 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1형태에 따른 고체연료를 제조하기 위한 제조 공정도이고, 도 2는 본 발명의 제2형태에 따른 고체연료를 제조하기 위한 제조 공정도이다. 첨부된 도면에서, (1) 폐유 (2) 바인더 (3) 유화제 (4) 믹스기 (5) 폐제지슬러지 (6) 탈수기 (7) 분쇄기 (8) 폐제지슬러지 분말 (9) 펠렛(pellet)성형기 (10) 반고체상태의 펠렛(pellet) (11) 건조기 (12) 고체연료이다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1형태를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1형태에 따라서, 제지공장에서 배출된 상태의 폐제지슬러지(5), 예를 들어 수분함량이 30 ~ 80중량％인 폐제지슬러지(5)를 초기에 사용하여 고체연료(12)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 평면 공정 구성도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1형태에 따라서 고체연료(12)는, 바인더(2) 및 폐유(1)를 혼합하는 제1단계(혼합용액 제조단계); 상기 제1단계에서 제조된 혼합용액에 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5)를 혼합하는 제2단계(제1혼합물 제조단계): 상기 제2단계에서 제조된 혼합물에 수분함량이 0.01 ~ 20중량%인 폐제지슬러지 분말(8) 또는 폐지 분말을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3단계(제2혼합물 제조단계); 및 상기 제3단계에서 제조된 혼합물을 압출하여, 반고체 상태의 펠렛(10) 형태로 고체연료를 제조하는 제4단계(펠렛 형태의 고체연료 제조단계); 및 상기 제4단계에서 제조된 펠렛(10) 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5단계(고체연료의 건조단계)를 통하여 제조된다.

바람직하게는, 상기 제1단계(혼합용액의 제조단계)에서는 혼합용액에 유화제(3)가 더 포함되도록 혼합할 수 있다. 이때, 상기 제1단계(혼합용액의 제조단계)에서는, 고체연료 총 중량에 대하여 상기 바인더(2)는 3 ~ 20중량%, 상기 유화제(3)는 0.1 ~ 5중량%, 그리고 상기 폐유(1)는 5 ~ 31중량%가 되도록 믹스기(4)를 이용하여 혼합한다.

또한, 상기 제2단계(제1혼합물 제조단계)에서는, 상기 제1단계의 혼합용액에 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5)를 혼합하되, 수분을 제외한 순수 슬러지 중 량이 고체연료 총 중량에 대하여 60 ~ 70중량％가 되도록 혼합한다. 이때, 상기 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5)는 수분함량이 30 ~ 80중량％인 폐제지슬러지가 사용될 수 있다.

그리고 상기 제3단계(제2혼합물 제조단계)에서는, 상기 제2단계에서 제조된 혼합물에 수분함량이 0.01 ~ 20중량%인 폐제지슬러지 분말(8) 또는 폐지 분말을 혼합하는데, 이때 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 또는 폐지 분말은 고체연료 총 중량에 대하여 5 ~ 20중량％가 되도록 믹스기(4)에 넣어 혼합한다. 이러한 제3단계를 통하여 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조한다. 상기 제3단계에서, 상기 폐제지슬러지 분말(8)과 폐지 분말은 수분함량 0.01 ~ 20중량%인 것이 사용되는데, 이때 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5), 예를 들어 수분함량이 30 ~ 80중량％인 폐제지슬러지(5)를 탈수기(6)를 이용한 탈수공정 및 건조기(11)를 이용한 건조공정을 통하여 수분함량 0.01 ~ 20중량％가 되도록 건조한 후, 분쇄기(7)를 이용하여 분쇄한 것을 사용한다. 아울러, 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 분쇄기(7)에서 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기로 분쇄될 수 있다. 보다 구체적인 구현예에 따라서, 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 수분함량 50 ~ 80 중량％의 폐제지슬러지(5)를 탈수 공정으로 수분함량이 40 중량％ 이하가 되도록 낮춘 후, 진공건조 또는 80℃ ~ 150℃에서 열풍 건조를 통하여 수분함량이 0.01 ~ 20중량％가 되도록 유지시킨 다음, 분쇄기(7)를 통하여 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기의 분말 형태로 제조한 것을 사용할 수 있다. 이러한 폐제지슬러지 분말(8)은 고체연료 중의 수분을 흡수하고 기름성분을 흡착시킬 수 있다.

상기 제4단계(펠렛 형태의 고체연료 제조단계)에서는, 상기 제3단계에서 제조된 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기(9)에 넣고 압출하여, 반고체 상태의 펠렛(10) 형태로 고체연료를 제조한다. 이때, 펠렛(10) 형태의 고체연료는 펠렛 성형기(9)를 통해 직경 30 mm 이하, 길이 100 mm 이하의 크기를 가질 수 있다.

또한, 상기 제5단계(고체연료의 건조단계)에서는, 상기 제4단계에서 제조된 펠렛(10) 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는데, 이때 고체연료(12)의 수분함량이 0.01 ~ 10중량％가 되도록 내부 온도가 80℃ ~ 150℃인 건조기(11)에 넣어 건조할 수 있다.

상기 제1형태에 따라 제조된 본 발명에 따른 고체연료(12)는 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상을 갖는다. 또한, 상기와 같이 제조된 고체연료(12)는 연소 후 수분을 제외한 중량 기준(건기준)으로 고체연료(12)로서 갖춰야할 조건인 회분 함유량 20 중량％ 이하, 염소 함유량 2.0 중량％ 이하, 황 함유량 0.6중량％ 이하를 만족한다. 아울러, 상기와 같이 제조된 고체연료(12)는, 금속성분이 연소 후 수분을 제외한 중량 기준(건기준)으로 고체연료(12)로서 갖춰야할 조건인 수은 1.20mg/kg 이하, 카드뮴 9.0 mg/kg 이하, 납 200 mg/kg 이하, 비소 13 mg/kg 이하를 만족한다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2형태를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제2형태에 따라서, 제지공장에서 배출된 상태의 폐제지슬러지(5), 예를 들어 수분함량이 50 ~ 80중량％인 폐제지슬러지(5)를 탈수기(6) 및 건조기(11)를 이용하여 수분함량이 0.01 ~ 20중량%인 폐제지슬러지 분말(8)로 만든 후, 이를 사용하여 고체연료(12)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 평면 공정 구성도이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2형태에 따라서 고체연료(12)는, 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5)를 이용하여 폐제지슬러지 분말(8)을 제조하는 제1공정(분말 제조공정); 바인더(2) 및 폐유(1)를 혼합하는 제2공정(혼합용액 제조공정); 상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말(5)을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3공정(혼합물 제조공정); 상기 제3공정에서 제조된 혼합물을 압출하여, 반고체 상태의 펠렛(10) 형태로 고체연료를 제조하는 제4공정(펠렛 형태의 고체연료 제조공정); 및 상기 제4공정에서 제조된 펠렛(10) 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5공정(고체연료의 건조공정)을 통하여 제조된다.

상기 제1공정에서는, 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지(5), 예를 들어 수분함량이 30 ~ 80중량％인 폐제지슬러지(5)를 탈수기(6)를 이용한 탈수공정 및 건조기(11)를 이용한 건조공정을 통하여 수분함량 0.01 ~ 20중량％가 되도록 건조한 후, 분쇄하여 폐제지슬러지 분말(8)을 제조한다. 이때, 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 분쇄기(7)를 통해 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기를 갖도록 분쇄된다. 보다 구체적인 구현예에 따라서, 상기 폐제지슬러지 분말(8)은 수분함량 50 ~ 80 중량％의 폐제지슬러지(5)를 탈수공정으로 수분함량이 40 중량％ 이하가 되도록 낮춘 후, 진 공건조 또는 80℃ ~ 150℃에서 열풍 건조를 통하여 수분함량이 0.01 ~ 20중량％가 되도록 유지시킨 다음, 분쇄기(7)를 통하여 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기의 분말 형태로 제조된다.

또한, 상기 제2공정(혼합용액의 제조공정)에서는 혼합용액에 유화제(3)가 더 포함되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제2공정(혼합용액의 제조공정)에서는, 고체연료 총 중량에 대하여 상기 바인더(2)는 3 ~ 20중량%, 상기 유화제(3)는 0.1 ~ 5중량%, 그리고 상기 폐유(1)는 5 ~ 31중량%가 되도록 믹스기(22)를 이용하여 혼합한다.

상기 제3공정(혼합물 제조공정)에서는, 상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말(5)을 혼합하는데, 이때 고체연료 총 중량에 대하여 폐제지슬러지 분말(5)이 60 ~ 70중량％가 되도록 믹스기(22)에 넣어 혼합한다. 이러한 제3공정을 통하여 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조한다.

또한, 상기 제4공정(펠렛 형태의 고체연료 제조공정)에서는, 상기 제3공정에서 제조된 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기(9)에 넣고 압출하여, 반고체 상태의 펠렛(10) 형태로 고체연료를 제조한다. 이때, 펠렛(10) 형태의 고체연료는 펠렛 성형기(9)를 통해 직경 30 mm 이하, 길이 100 mm 이하의 크기를 가질 수 있다.

아울러, 상기 제5공정(고체연료의 건조공정)에서는, 상기 제4공정에서 제조된 펠렛(10) 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는데, 이때 고체연료(12)의 수분함량이 0.01 ~ 10중량％가 되도록 내부 온도가 70℃ ~ 150℃인 진공 건조기(11)에 넣어 건조할 수 있다.

상기 제2형태에 따라 제조된 본 발명에 따른 고체연료(12)는 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상을 갖는다. 또한, 상기와 같이 제조된 고체연료(12)는 연소 후 수분을 제외한 중량 기준(건기준)으로 고체연료(12)로서 갖춰야할 조건인 회분 함유량 20 중량％ 이하, 염소 함유량 2.0 중량％ 이하, 황 함유량 0.6중량％ 이하를 만족한다. 아울러, 상기와 같이 제조된 고체연료(12)는, 금속성분이 연소 후 수분을 제외한 중량 기준(건기준)으로 고체연료(12)로서 갖춰야할 조건인 수은 1.20mg/kg 이하, 카드뮴 9.0 mg/kg 이하, 납 200 mg/kg 이하, 비소 13 mg/kg 이하를 만족한다.

본 발명(상기 제1형태 및 제2형태)에서, 상기 바인더와 유화제는 각각 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 유화제는, 구체적인 예를 들어 폴리비닐아세테이트(Poly Vinyl Acetate)와 프로필 알코올(propyl alcohol)을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 고체연료를 제조하기 위해서는 먼저 폐유의 종류에 따른 성분조사와 각 제지회사별로 배출되는 제지슬러지의 특성 연구가 선행되어야 하므로 다음과 같이 [표 1]에 폐유의 종류에 따른 성분조사와 [표 2]에 전국의 200여개 공장중 38개 공장(총생산량의 약 56중량％)에서 하루 발생되는 폐제지슬러지의 양과 물성에 관하여 조사하였다.

[표 1] 폐유의 종류에 따른 성분조사

폐유의 경우 종류에 따른 황의 함량이 상이하므로 고체연료 제조 시에 0.6 중량％ 이하가 되도록 고려하여 혼합하여야 할 것이다. 그러나 폐제지슬러지 중에는 탄산칼슘 성분이 포함되어 있으며, 이러한 탄산칼슘은 황의 흡착 능력이 우수하다는 연구 결과가 있으므로, 이로 인한 대기 중의 황의 배출은 어느정도 차단되는 효과를 갖게 될 것이다.

[표 2] 제지 생산 품목별 배출 슬러지의 특성

제지종류 (Papers)	슬러지 생산 (sludge production, 중량%)	고체 (solid, 중량%)	재 (ash, 중량%)	셀룰로오스 (cellulose, 중량%)
종이 (Paper)	21.87	32.34	30.08	46.19
신문용지 (News print paper)	28.60	28.92	31.92	40.62
크래프트지 (Kraft paper)	14.86	28.45	15.45	61.20
우드프리페이퍼 (Woodfree paper)	5.79	35.20	59.63	28.95
화장지 (Tissues)	31.70	34.93	36.58	39.37
기타 (Others)	8.14	30.08	34.74	35.07
평균 (Average)	20.75	31.04	32.11	43.44

폐제지슬러지의 고형분함량은 탈수 정도를 나타내는바 탈수가 많이 진행된 것일수록, 즉 고형분 함량이 낮은 것일수록 유동성이 적어 다루기 쉽고 전체 물량이 적어져 운반 및 기타 후속처리가 용이하다.

폐제지슬러지의 탈수 정도는 첫째, 폐제지슬러지 고유의 물빠짐 성질과 둘째, 탈수장비의 성능에 의해 결정된다. 최근 환경오염에 관한 관심이 높아지고 그에 대한 규제가 심해져서 공해방지를 위한 투자가 증대하고 폐수처리도 활성 오니법을 적용한 생물학적 처리가 보편화 경향을 보인다. 따라서 탈수가 매우 어려운 활성오니 제지슬러지의 발생이 증가하고 있다. 탈수장비는 공장에 따라 다양하지만 성능면에서 우수한 벨트 프레스(Belt Press)를 대부분의 공장에서 사용하고 있다.

또한 제지 공장에서의 폐제지슬러지의 회분은 종이의 용재에 따라 활석, 고령토, 탄산칼슘 등의 각종 광물질 충진제를 첨가하고 있으며, 이들 충진제는 많은 양이 폐수중에 섞여서 방출되어 이들이 폐수처리과정에서 폐제지슬러지의 요인이 된다. 따라서 저렴한 펄프와 다량의 충진제를 사용하는 백상지 공장의 폐제지슬러지 회분함량은 매우 높아서 성능이 좋은 백상지 공장의 폐제지슬러지에서는 유기성분이 별로 없고 70중량％ 이상의 회분을 함유한 것도 있다. 본 발명의 고체연료 제조를 위한 회분실험에서는 800℃에서 1g의 분쇄 폐제지슬러지를 사용하여 회분실험을 수행한 결과 페제지슬러지에 함유된 회분의 함량은 평균 0.08중량％였다.

또한 수분함량이 70중량％ 정도인 폐제지슬러지를 연료화하기 위해서는 폐제지슬러지의 수분에 대한 증발속도와 최대 함수율 등에 대한 기초 자료가 필요하므로 다음의 실험을 수행하였다.

첫 번째로 폐지슬러지의 수분에 관한 특성을 알아보기 위하여 수분의 함수율을 실험한 결과 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지에는 평균 27중량％의 순수 제지슬러지와 73중량％의 수분이 함유되어 있음을 알 수 있었다. 또한 수분의 증발속도를 측정한 결과는 도 3과 같으며 결과식은 다음과 같다. 이와 같은 실험의 결과로 수분의 증발속도는 시간에 정비례함을 알 수 있다.

V(증발속도, g/sec) = 0.99948×Time(sec) - 4.87372×10^-5

두번째로 분쇄 폐제지슬러지의 최대 수분 함수율에 대한 실험을 실시하였다.

즉, 폐제지슬러지가 단위 질량당 최대로 함유할 수 있는 수분의 함량을 측정하기 위하여 80℃에서 분쇄 폐제지슬러지를 티백에 1.00 g씩 담아 티백이 흡수하는 물의 양을 측정한 결과 약 4분만에 평형상태에 도달하였으며, 그 결과는 도 4와 같으며 분쇄제지슬러지의 최대 함수율은 약 320％였다.

세번째로 분쇄한 폐제지슬러지에 대한 첨가제의 흡착 효율을 고려하기 위하여 비표면적(BET법)에 대한 실험을 실시하였다.

80℃에서 72시간 동안 건조시킨 분쇄 폐제지슬러지의 BET법에 따른 비표면적 측정 결과는 [표 3]과 같으며, 평균 비표면적은 5.903 m²/g이었다.

[표 3] BET 측정 결과

번호(No.)	시료 (Sample, g)	흡착물질 (Absorbate)	분석시간 (Analysis Time, min)	BET 비표면적 (m²/g)
1	0.3225	질소 (Nitrozen)	238	5.209
2	0.2669	질소 (Nitrozen)	187	6.666
3	0.5234	질소 (Nitrozen)	32	5.833

네 번째로는 폐제지슬러지와 폐유와의 최적혼합비를 선택하기 위하여 여러 비율에 따른 실험을 수행하였다.

분쇄한 폐제지슬러지를 용도에 따라 재 성형할 때 폐유 등의 액상 첨가제와의 혼합 후 재 성형에 적당한 최적의 농도를 선택하기 위하여 80℃에 72시간 동안 건조된 폐제지슬러지를 분쇄한 후, 총량이 1200 g이 되도록 폐제지슬러지와 폐유와의 혼합비를 1:1, 1:2, 1:3, 3:1, 2:1의 중량비로 각각 혼합한 다음, 분쇄기를 이용하여 재 분쇄한 후 각각의 성상을 비교한 결과 중량비가 3:1(폐제지슬러지:폐유) 인 경우가 가장 적당한 성상을 형성하였다. 이때의 판별 기준은 액상 성분 중 수분이 너무 많으면 건조에 막대한 지장을 초래하며, 액상이 적으면 재성형시에 원하는 모양을 만들 수 없기 때문에 육안과 재성형시의 편리성 그리고 증발속도 등 고려하여 적당한 중량비를 선택하였다.

다섯 번째로는 고체연료의 내부의 응집력 및 표면강도를 향상시키기 위해서 바인더의 함량에 따른 실험을 수행하였다. 특히 바인더의 양은 상기의 폐제지슬러지와 폐유와의 최적혼합비에 따라 고체상의 총량에 대한 바인더의 비를 100 : 3, 100 : 6, 100 : 9, 100 : 12, 100 : 15의 중량비로 하여 측정한 경우 100 : 7.3정도가 최적 조건임을 알 수 있었다.

＜ 실시 예 1 ＞

우드프리페이퍼(Woodfree paper)를 주로 생산하는 공장의 폐제지슬러지를 주원료로 하여 고체연료를 제조하였다. 이때 61중량％의 폐제지슬러지와 31중량％의 폐유와 7중량％의 바인더, 그리고 폴리비닐아세테이트(Poly Vinyl Acetate) 0.5중량％와 프로필 알코올(propyl alcohol 0.5중량％로 구성되는 혼합물을 이용하여 직경 6 mm 이하, 길이 20 mm 이하인 펠렛(pellet) 형태로 만들고, 이후 150℃열로 건조하여 고체연료를 제조하였다. 하기 표 4에 보인 바와 같이, 제조된 고체연료는, 저위발열량이 3,500 kcal/kg 이상이며, 수분함량이 10 중량％ 이하이고, 연소 후 수분을 제외한 중량 기준(건기준)으로 고체연료로서 갖춰야할 조건인 회분 함유량 20 중량％ 이하, 염소 함유량 2.0 중량％ 이하, 황 함유량 0.6 중량％ 이하, 그리 고 금속성분은 수은 1.20mg/kg 이하, 카드뮴 9.0 mg/kg 이하, 납 200 mg/kg 이하, 비소 13 mg/kg 이하의 조건을 만족함을 알 수 있었다.

[표 4] 우드프리페이퍼(Woodfree paper) 공장의 제지슬러지를 이용한 고체연료 시험 결과

＜ 실시 예 2 ＞

뉴스프린트페이퍼(News print paper)를 주로 생산하는 공장의 폐제지슬러지를 주원료로 하여 고체연료를 제조하였다. 이때 61중량％의 폐제지슬러지와 31중량％의 폐유와 7중량％의 바인더 그리고 폴리비닐아세테이트(Poly Vinyl Acetate) 0.5중량％와 프로필 알코올(propyl alcohol) 0.5중량％로 구성되는 혼합물을 이용하여 고체연료를 제조하였다. 이에 따라 제조된 고체연료의 분석결과를 하기 표 5에 나타내었다.

[표 5] 뉴스프린트페이퍼(News print paper) 공장의 폐제지슬러지를 이용한 고체연료 시험 결과

지난 2004년 기준 폐기물처리방식의 기준으로 볼 때, 아직도 자원회수가 가능한 가연성 폐기물의 60중량％ 이상이 매립되고 있다. 그러나 매립처리에 대한 규제강화로 인하여 폐제지슬러지의 경우 발생량 대비 40중량％ 정도가 해양투기 등의 방법으로 처리를 해오고 있으며, 폐유의 경우 발생량 대비 약 30중량％가 매립에 의하여 처리되고 있다.

따라서 본 발명에 따라서 폐제지슬러지 및 폐유의 재생 에너지로의 활용은 근래에 환경부에서 주장하는 "자원순환"과 "지속가능한 발전"에 크게 부합된다 할 수 있다.

또한 2002년 기준으로 폐제지슬러지의 경우 약 60만 톤/년이 위탁 처리되고 있으며, 위탁처리비용은 32,000 원/톤이므로 약 200억원/년의 처리비용 절감효과를 가지며, 약 4억L/년 이상의 폐유 발생에 대한 처리비용이 25원/L로서, 재생업체의 경우 약 100억원의 수익 효과가 발생한다. 하기 표 6은 연도별 슬러지 처리내역 및 처리비용을 나타낸 것이다.

[표 6] 슬러지 처리내역 및 처리비용

도 1은 본 발명의 제1형태에 따른 고체연료(12)를 제조하는 공정도이다.

도 2는 본 발명의 제2형태에 따른 고체연료(12)를 제조하는 공정도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

(1) 폐유 (2) 바인더 (3) 유화제 (4) 믹스기 (5) 젖은폐제지슬러지 (6) 탈수기 (7)분쇄기 (8) 폐제지슬러지 분말 (9) 펠렛성형기 (10) 반고체상태 펠렛 (11) 건조기 (12)고체연료

Claims

바인더 및 폐유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 제1단계;

상기 제1단계에서 제조된 혼합용액에 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제2단계;

상기 제2단계에서 제조된 제1혼합물에 폐제지슬러지 건조 분말 또는 폐지 건조 분말을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 제2혼합물을 제조하는 제3단계;

상기 제3단계에서 제조된 제2혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛 형태의 고체연료를 제조하는 제4단계; 및

상기 제4단계에서 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 탈수, 건조 및 분쇄하여 폐제지슬러지 분말을 제조하는 제1공정;

바인더 및 폐유를 포함하는 혼합용액을 제조하는 제2공정;

상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말을 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3공정;

상기 제3공정에서 제조된 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛 형태의 고체연료를 제조하는 제4공정; 및

상기 제4공정에서 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제지공장에서 배출된 폐제지슬러지를 탈수공정 및 건조공정을 통하여 수분함량 0.01 ~ 20중량%가 되도록 한 후, 분쇄기를 통해 30 ~ 100메쉬(mesh) 크기로 분쇄한 폐제지슬러지 분말을 제조하는 제1공정;

바인더, 유화제 및 폐유를 혼합하되, 고체연료 총 중량에 대하여 바인더 3 ~ 20중량%, 유화제 0.1 ~ 5중량% 및 폐유 5 ~ 31중량%가 되도록 혼합한 혼합용액을 제조하는 제2공정;

상기 제2공정에서 제조된 혼합용액에 상기 제1공정에서 제조된 폐제지슬러지 분말을 고체연료 총 중량에 대하여 60 ~ 70중량％가 되도록 혼합하여, 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 반고체 상태의 혼합물을 제조하는 제3공정;

상기 제3공정에서 제조된 혼합물을 펠렛(pellet) 성형기에 넣고 압출하여 반고체 상태의 펠렛 형태의 고체연료를 제조하는 제4공정; 및

상기 제4공정에서 제조된 펠렛 형태의 고체연료를 수분함량 0.01 ~ 10중량％가 되도록 건조하는 제5공정을 포함하는 고체연료의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 혼합용액은 유화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 폐유는 자동차유, 선박유, 절연유, 기어유 및 터빈유 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합폐유인 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 바인더는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 유화제는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 유화제는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 펠렛 형태의 고체연료.
제4항에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 펠렛 형태의 고체연료.