KR20100138484A - 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치 - Google Patents

마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수분함량이 80% 이상인 하수 슬러지를 마이크로파 열원 적용을 통해 400℃ 이상에서 분해 및 건조가 이루어지는 난분해성 수분을 140 내지 150℃에서 화력발전소 혼합연소용 하수 슬러지탄으로 건조하고, 생석회의 소화반응을 통해 소석회를 생성시켜 건조 슬러지내 유기물 분해로 발생하는 암모니아 및 황화수소 악취를 제거할 수 있는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치인 것이다.
하수슬러지, 마이크로파, 화력발전소, 슬러지탄

Description

마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치{Method and apparatus for preparing sewage sludge fuel for the blended combustion at coal fired plant using microwave}
본 발명은 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 수분함량이 80% 이상인 하수 슬러지를 마이크로파 열원 적용을 통해 400℃ 이상에서 분해 및 건조가 이루어지는 난분해성 수분을 140 내지 150℃에서 화력발전소 혼합연소용 하수 슬러지탄으로 건조하고, 생석회의 소화반응을 통해 소석회를 생성시켜 건조 슬러지내 유기물 분해로 발생하는 암모니아 및 황화수소 악취를 제거할 수 있는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치인 것이다.
세계적으로, 전체 에너지 수요의 약 80%는 화석연료에 의존하고 있으며, 화석연료 중 약 50%는 석탄에 의존하고 있다. 국내의 경우에도 전체 전력 생산의 약 30% 정도는 계속 석탄으로 유지될 전망이다. 환경문제가 21세기의 중요한 테마로 부상하면서 화석연료 사용에 의한 유해 대기오염물질의 배출이 문제가 되고 있으며 그 규제는 점차 강화되어, 최근에는 SO2와 NOx에 강화된 규제가 적용되고 있고, CO2 규제도 2013년부터는 구체화되고 있다.
바이오매스는 석탄과 석유 다음으로 세계에서 세 번째로 풍부한 에너지원이다. 세계 에너지의 약 14%에 해당하는 1,250백만 TOE를 차지하고 있으며, 개발도상국의 경우에는 전체 에너지의 약 35%를 바이오매스로 공급하고 있고, 선진국의 경우에도 중요한 에너지원으로 자리 잡고 있어서 미국의 경우 약 70백만 TOE, 유럽의 경우에는 국가마다 다르지만 약 20∼40백만 TOE를 바이오매스가 공급하고 있다. 바이오매스에는 전통적인 농림부산물과 에너지작물(Energy Crop)이 포함되며 화석연료를 제외한 슬러지, 폐기물 등이 모두 포함된다.
특히, 생활폐기물인 하수슬러지에 관해 미국의 경우 DOE와 EPRI에서 주관하고 유럽에서는 슬러지 혼합연소 연구결과, 대규모의 미분탄 발전소에 적용하는 경우 발전소에 유효할 뿐만 아니라 환경적으로도 매우 유효하다는 결론이 도출되었다.
우리나라의 경우, 2001년 7월부터 일정규모 이상의 배출시설에서 발생하는 슬러지는 직 매립을 금지하고 있다. 최근에는 슬러지 처리규제의 강화에 따라 폐기처분하여야 할 폐기물에서 가연성 유기물질을 다량 함유하고 있는 슬러지 특성을 이용하여 자원으로 재활용하려는 추세에 있으며, 슬러지 대신 바이오 고형물(Biosolids)로 칭하기도 한다. 따라서, 정부는 2011년 하수 슬러지 연료화를 포 함한 신재생 에너지 보급목표를 1차 에너지 대비 5%, 전력생산량 대비 7%를 목표로 하고 있으며, 에너지 관련 9개 공기업과 정부 간 자발적 신재생 에너지 개발공급 협약체결('05.7.25)에 따라 2008년 까지 1.1조원을 목표로 신재생 에너지에 투자하고 있다.
특히 발전회사들은 2011년까지 RDF및 하수슬러지 연료전용 발전소 건설을 목표로 하여, 하수 슬러지탄 연료화에 대한 석탄화력 발전소 현장 적용을 위해 전력연구원과 공동연구 중에 있다. 그러나, 국내에서 년간 650만 톤 가량 발생되는 하·폐수 슬러지를 주축으로 한 유기성 슬러지의 대부분이 함수율이 70∼80%여서 곧바로 연료로 활용할 수 없어 효율적인 건조과정을 거쳐야 하며, 건조 후 고위 발열량 또한 2,000∼4,000kcal/kg 정도여서 자소성이 떨어지고, 연소 특성이 기존의 고형의 화석연료와는 전혀 다른 특성을 보이고 있어 그 자체로는 연료로 활용하기 어렵다. 따라서, 독립적인 연료로 만들어 기존의 화석연료를 사용하고 있는 연소로에서 연료로 사용하기 위해서는 열량을 보강하여 4,500 kcal/kg 이상으로 유지하고, 연소의 특성을 유연탄 혹은 무연탄의 성상과 유사하게 보정해 줄 필요가 있다.
Figure 112009038631150-PAT00001
특히, 하수슬러지의 석탄화력 발전소에 연료화를 위해서는 상기 표 1과 같이 함수율을 10%이하로 낮추어야 한다. 그러나 슬러지내의 수분은 도 1과 같이 자유수, 내부수(간극수), 표면수, 결합수 등으로 구분 되며 슬러지 수분 중 상당 부분을 차지하고 있는 것은 슬러지 표면에 부착하고 있는 자유수와 표면수이고, 슬러지의 분자와 분자 사이에 존재하는 수분이 내부수이며, 결합수는 슬러지 분자에 화학적으로 결합되어 있다. 하수슬러지 자유수와 표면수는 100±5℃에서 건조되지만 내부수와 결합수는 약 400℃에서 파괴 및 건조가 일어나므로 기존의 건조방법으로는 슬러지 내부까지 이 높은 온도를 유지하기가 곤란하다.
석탄 화력 발전소까지의 운송 및 작업 취급자의 안전을 위해서는 건조 슬러지에서 발생하는 암모니아 악취를 제거해야만 한다. 또한, 본 출원인이 출원한 특허출원 제10-2008-91644호(2008.09.18)의 "화력발전소 혼합연소용 슬러지탄 제조장치"의 경우 105℃ 온도범위에서 건조과정 중 마이크로파 건조기 내에서 분해된 증기가 응축되어 반응기 표면에 결로 현상을 일으키는 단점과 건조된 슬러지내에서 암모니아 및 황화수소 냄새가 발생하는 문제점이 발견되었다.
이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 본 발명은 추출시 열원 적용기술을 가열로 및 전기로와 같은 직간접가열방식이 방식이 아닌 마이크로파 열원을 적용하여 수분함량이 80% 이상인 하수 슬러지를 400℃ 이상에서 분해 및 건조가 이루어지는 난분해성 수분을 140 내지 150℃에서 화력발전소 혼합연소용 하수 슬러지탄으로 건조하고, 생석회의 소화반응을 통해 소석회를 생성시켜 건조 슬러지내 유기물 분해로 발생하는 암모니아 및 황화수소 악취를 제거할 수 있는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법 및 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제 방법은, 수분함량이 80%이고 마이크로파를 투과할 수 있는 습 하수 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기에 공급하는 단계; 상기 반응기내의 습 하수 슬러지에 마이크로파 열원을 적용하여 140 내지 150℃의 온도하에서 30분 ~ 1시간 동안 반응시켜 상기 습 하수 슬러지의 수분함량을 10% 이하의 슬러지탄으로 건조시키는 단계; 상기 건조되는 슬러지탄에 생석회(CaO/슬러지)를 0.01 내지 0.1의 중량비의 양으로 공급하여 상기 슬러지탄의 암모니아, 황화수소 등의 악취를 제거하는 단계; 및 상기 건조 및 악취제거된 슬러 지탄을 분쇄하여 배출하는 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치는 80% 이상의 수분을 함유하는 습 하수슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기로 공급하기 위한 습 슬러지 저장탱크, 습 슬러지 이송 스크류 콘베이어, 상기 습 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기로 투입하기 위한 습 슬러지 공급 투입구로 구성된 습 슬러지 원료 공급부;
상기 습 슬러지 원료 공급부를 통해서 공급된 습 슬러지를 일정기간 건조 및 생석회와의 수화반응을 거쳐 수분 10% 이하 슬러지탄으로 건조 후 배출시키게 되는 스크류형 마이크로파 반응기로 구성되어 있는 마이크로파 건조장치부;
상기 건조장치부에서 건조되고 있는 슬러지탄의 암모니아, 황화수소 악취제거를 위한 생석회 분말 저장호퍼, 생석회 분말 공급 진동기, 생석회 분말 전달 이젝터, 상기 이젝터에 공기를 공급하는 블러워, 생석회를 마이크로파 건조장치부에 공급하는 공급 노즐로 구성되어 있는 생석회 공급부; 및
상기 마이크로파 건조장치부에서 건조 및 제조된 하수 슬러지탄을 이송시켜 화력 발전소 연료규격인 200메쉬 통과 분말로 분쇄하기 위한 건조 슬러지탄 분쇄기와 분쇄 건조 슬러지탄 저장호퍼로 구성되어 있는 슬러지탄 가공부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 스크류형 마이크로파 반응기에서, 마이크로파 공급을 위한 습 슬러지 공급 투입구 쪽 마그네트론과 건조 슬러지탄의 하부 배출구 쪽 마그네트론은 서로 조사방향이 회전축을 중심으로 반쪽 방향을 조사하도록 배치되어 있되 상기 투입구 쪽 마그네트론과 배출구 쪽 마그네트론은 마그네트론 보호 및 균일한 조사를 위해 서로 반대편에 설치되어 있으면서 상하단으로 구분하여 다른 단에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 생석회 주입노즐은 상하단에 엇각으로 설치되어 있으며 반응기의 중간지점을 주입위치로 하여 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로파 열원을 적용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지탄의 제조 기술은 마이크로파의 전자기파의 주파수에 해당하는 속도만큼의 분자회전 혹은 재배치에 의한 마찰력을 이용하기 때문에 기존의 열전도식 가열에 비하여 신속한 승온이 가능하고, 하수 슬러지를 140 내지 150℃의 낮은 온도에서 30분 ~ 1시간 정도의 짧은 시간 동안에 건조를 할 수 있어 불필요한 열량소비를 줄일 수 있으면서, 수분함량이 10% 이하로 매우 낮아 화력발전소 혼합연소용 연료로서 적합한 하수슬러지탄을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제방법은, 수분함량이 80%이고 마이크로파를 투과할 수 있는 습 하수 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기에 공급하는 단계; 상기 반응기내의 습 하수 슬러지에 마이크로파 열원을 적용하여 140 내지 150℃의 온도하에서 30분 ~ 1시간 동안 반응시켜 상기 습 하수 슬러지의 수분함량을 10% 이하의 슬러지탄으로 건조시키는 단계; 상기 건조된 슬러지탄에 생석 회(CaO/슬러지)를 0.01 내지 0.1의 중량비의 양으로 공급하여 상기 슬러지탄의 암모니아, 황화수소 등의 악취를 제거하는 단계; 및 상기 건조 및 악취제거된 슬러지탄을 분쇄하여 배출하는 단계로 구성되어 있다.
본 발명에서 하수 슬러지는 수분함량이 약 80% 이상이며, 마이크로파를 흡수하는 높은 극성용매인 간극수, 결합수분, 내부보유수로 이루어져 있다. 마이크로파의 조사 시 하수 슬러지의 수분들은 마이크로파를 흡수하여 분자회전력을 높여 수분자체에서 발열반응을 일으키게 된다. 이 때문에 140 내지 150℃의 낮은 온도에서도 결합수분 및 모관결합수를 분해 및 건조가 가능하게 된다.
상기한 바와 같이 마이크로파를 고르게 흡수시켜 분자회전에 의해 결합수를 제거하기 위해서는 스크류형 마이크로파 장치의 내부 재질을 마이크로파를 투과시킬 수 있는 테프론 재질로 하는 것이 바람직하며, 마이크로파의 고른 조사각도를 유지하기 위하여 측면 조사를 통해서 외통에서 반사되는 마이크로파를 반대편에 조사토록 구성하는 것이 좋다.
본 발명의 건조 슬러지탄에 생석회를 공급하여 악취를 제거하는 단계는, 상기 마이크로파 반응기의 중간부분에 설치된 생석회 분말 주입 노즐을 통해서 수분함량이 50% 이하로 분해된 수분과 수화(Hydration) 반응 및 소화(Slaking)에 의하여 소석회[Ca(OH)2]가 생성되며, 이 소석회는 건조물 내 pH 상승작용을 유도하여 미생물의 활동량을 줄어들게 하며, 이로 인해 건조 슬러지 내의 유기물의 분해를 중지시키게 되고, 암모니아, 황화수소와 같은 냄새의 발생을 억제하게 된다. 상기에 서, 소석회 생성반응은 발열반응으로 반응과정에서 열 발생으로 인해 전원 공급의 감소효과도 나타내며, 건조 슬러지 내에서 발생된 소석회는 냄새 억제뿐만 아니라 보일러 연료로서 사용시 노내 탈황제로의 역할도 병행하게 되므로 친환경 건조 슬러지탄의 제조도 가능하게 된다.
CaO + H2O ↔ Ca(OH)2 + 열(15.59 kcal/mol)
이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부 도면 중 도 2는 하수 슬러지를 원료로 하여 화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지탄을 제조하는 시스템을 나타낸 것으로, 수분함량이 80% 이상인 하수 슬러지를 수분 함량이 10% 이하의 화력 발전소 혼합 연소용 하수 슬러지탄으로 건조할 뿐만 아니라 생석회의 소화반응을 통해 소석회를 생성시켜 노내 탈황제로서 습슬러지를 가공하기 위한 공정으로 마이크로파 열원 적용을 통해 400℃ 이상에서 분해 및 건조가 이루어지는 간극수, 내부 보유수 등과 같은 난분해성 수분을 140 내지 150℃ 에서 건조할 수 있다.
또한, 본 출원인이 2008년 9월 18일에 출원한 특허출원 제10-2008-91644호의 경우 105℃ 부근에서 건조시 테프론 내통에 수증기의 결로현상이 발생하는 단점이 발견되어, 건조온도를 140 내지 150℃로 상승시켜 대기압보다 높게 압력을 상승시켜 수증기의 배출을 원활히 하도록 유도하였다. 한편, 생석회 분말 주입시 주입위치를 중간에 배치하여 하수 슬러지의 수분함량이 50% 이하에서 수화반응을 유도하 여 주입되는 생석회 농도를 최소화하였다.
도 2에서와 같이, 마이크로파 열원 적용을 통한 하수 슬러지 건조공정은 145±5℃ 범위에서 건조가 이루어지는 슬러지 고형물 외부의 자유수분과 표면 부착수 및 400℃ 이상에서 건조가 이루어지는 내부에 결합되어 있는 간극수, 모관결합수, 내부보유수를 140 내지 150℃에서 짧은 시간에 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제장치는,
80% 이상의 수분을 함유하는 습 하수슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기(7)로 공급하기 위한 습 슬러지 저장탱크(1), 습 슬러지 이송 스크류 컨베이어(2), 습 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기로 투입하기 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1)로 구성된 습 슬러지 원료 공급부;
상기 습 슬러지 원료 공급부를 통해서 공급된 습 슬러지를 140 내지 150℃에서 30분 내지 1시간 동안 건조 및 생석회와의 수화반응을 거쳐 수분 10% 이하 슬러지탄으로 건조 후 배출시키게 되는 스크류형 마이크로파 반응기(7)로 구성되어 있는 마이크로파 건조장치부;
상기 건조장치부에서 건조되고 있는 슬러지탄의 암모니아, 황화수소 등의 악취제거를 위한 생석회(CaO) 분말 저장호퍼(3), 생석회 분말 공급 진동기(4), 생석회 분말 전달 이젝터(5), 상기 이젝터에 공기를 공급하는 블러워(6), 생석회를 마이크로파 건조장치부에 공급하는 생석회 주입 노즐(7-15)로 구성되어 있는 생석회 공급부; 및
상기 마이크로파 건조장치부에서 건조 및 제조된 하수 슬러지탄을 이송시켜 화력 발전소 연료규격인 200메쉬 통과 분말로 분쇄하기 위한 건조 슬러지탄 분쇄기(8)와 분쇄 건조 슬러지탄 저장호퍼(9)로 구성되어 있는 슬러지탄 가공부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 구성요소의 핵심인 마이크로파 건조 장치부의 스크류형 마이크로파 반응기(7)의 측면 단면도로서, 습 슬러지를 공급하기 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1), 건조된 슬러지탄을 하부로 배출하기 위한 배출구(7-2), 투입된 습 슬러지를 이동시키기 위한 스크류 날개(7-3), 상기 스크류 날개(7-3)의 회전축(7-4)에 회전력을 주어 습 슬러지의 반응기 내 체류시간을 조절하기 위한 회전 모터(7-5), 마이크로파를 공급하기 위한 마그네트론(마이크로파 공급기: 7-7, 7-8)과 이를 보호하기 위한 반응기 내의 빈 공간인 마이크로파 동공(cavity)(7-6), 내부에 조사되는 마이크로파의 외부 누설을 차단하기 위한 알루미늄 재질의 누설방지 쵸크(7-9, 7-10, 7-11)로 구성되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 스크류형 마이크로파 반응기(7)는 마이크로파 투과저항이 높은 알루미늄 재질의 외통(7-12)과 반대로 마이크로파 투과율이 높아 마이크로파가 원활히 침투하고 반응기의 침식을 방지할 수 있도록 유전율이 낮은 테프론 재질의 내통(7-14)으로 구성되어 있다.
상기에서 스크류 날개(7-3) 또한, 상기 내통을 통과하여 습 슬러지에 마이크로파가 흡수될 수 있도록 테프론 재질로 하는 것이 좋으며, 스크류 회전축(7-4)은 마이크로파를 반사하는 스테인레스 재질로 하는 것이 바람직하고, 반응기(7)의 내 부의 온도를 측정하여 마이크로파 출력을 제어하게 되는 차폐 열전대 온도계(7-13)도 스테인레스 재질로 구성하는 것이 좋다.
건조 슬러지의 악취제거를 위한 생석회 수화반응을 위해 생석회 주입 노즐(7-15)이 설치되어 있으며, 건조된 수증기의 배출을 위한 수증기 배출구(7-17), 상기 수증기 배출구(7-17)로 배출시 건조 슬러지 배출 방치를 위한 분진 배출 방지망(7-16)이 설치되어 있다. 그리고 본 발명에 따른 마이크로파 반응기(7)는 제거된 수증기의 원활한 배출과 기류의 상승작용을 위해 약 15 내지 20°정도로 기울어져 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 4는 마그네트론의 설치 위치를 보여주기 위한 스크류형 마이크로파 반응기(7)의 종단면도로서, 마이크로파 공급을 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1) 쪽 마그네트론(7-7)과 건조 슬러지탄의 하부 배출구(7-2) 쪽 마그네트론(7-8)은 서로 조사방향이 스크류 회전축(7-4)을 중심으로 반쪽 방향을 조사하도록 구성되어 있으며, 마이크로파는 반응기 내통(7-14)에 조사되어 습 슬러지가 마이크로파를 흡수하여 물분자의 분자회전을 통해 열분해되어 배출되고, 습 슬러지를 통과한 마이크로파는 알루미늄 재질의 외통(7-12)에 의해 반사 및 굴절되어 반대편 습 슬러지를 조사하도록 구성되어 있다. 마그네트론 보호 및 균일한 조사를 위해 투입구(7-1) 쪽 마그네트론(7-7)과 배출구(7-2) 쪽 마그네트론(7-8)은 서로 반대편에 설치되어 있으며, 상하단으로 구분하여 다른 단에 설치위치가 구성되어 있다.
도 5는 건조 슬러지의 암모니아 악취발생을 위해 건조과정에서 결합수분이 용출되는 잔여수분과 생석회의 반응을 유도하도록 구성한 생석회 분말 주입노즐부 를 상세하게 보여주기 위한 마이크로파 반응기의 종단면도이다. 생석회 주입노즐(7-15)은 수분 80% 이상의 습 슬러지내 수분이 50% 이상 수증기로 제거되어 슬러지의 용적이 매우 줄어들고 결합수분의 가장 활발하게 반응하는 중간지점을 주입위치로 설치하여 주입되는 생석회 농도를 최소하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예
본 발명에 의한 습 하수 슬러지로부터 하수 슬러지탄을 건조하기 위한 마이크로파 제조방법 및 장치를 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.
마이크로파 공급기는 2.45GHz, 2kW, 220V, 단상이며, 스크류 반응장치의 용적은 2L, 내통 직경 30cm, 외통 직경 40cm, 길이 80cm, 수증기 배출구 직경 13cm, 배출구망 SUS 314 재질 50메쉬, 스크류형 회전장치의 회전속도는 1~5 rpm 가변용, 온도계(7-13)는 스테인레스 스틸 차폐 열전대를 사용하였으며, 습 슬러지 공급 투입구(7-1) 및 건조 슬러지탄 하부 배출구(7-2)의 직경은 2인치이며, 온도계(7-13) 설치부 직경은, 1cm로 구성하였으며, 설비의 형태 및 구성은 도 3와 같다. 실험조건 및 결과는 다음과 같다.
- 실험조건 -
실험에 사용한 습 하수 슬러지는 다음 표 2와 같다. 하수 슬러지의 경우 수분함량이 79.99(약80%) 정도이며, 고위 발열량은 건조 기준(dry base)분 3,600 Kcal/kg 으로 무연탄과 유사한 것으로 나타나 수분을 10% 이하로 건조시 화력발전 소 연료로서의 규격에 적합함을 확인할 수 있었다. 한편, 실험조건은 함수율 80% 정도의 대전 하수슬러지 15kg/hr로 하여 150℃에서 30분 체류시간 동안 마으크로파 열원 건조 반응시켰다. 사용된 생석회(CaO)는 순도 95% 이상, 분쇄를 통해 -200mesh pass 100%의 분말을 사용하였다. 생석회외 습 슬러지의 배합비(CaO/슬러지)는 0.062로 하였다.
Figure 112009038631150-PAT00002
- 실험결과 -
Figure 112009038631150-PAT00003
마이크로파 열원 적용을 통한 하수슬러지 건조실험 결과, 상기 표 3과 같이 수분함량 8% 이하로 매우 낮아지며, 일부수분은 Ca(OH)2의 소석회로 존재하였다. 또한 발열량은 생석회 없이 건조하는 경우 보다 높은 4,4500Kcal/kg으로 원료 하수 슬러지 보다 매우 높아 화력발전소 혼합연소용 연료로서 적합한 것으로 나타났다.
한편, 건조된 하수 슬러지탄의 경우 도 6 및 도 7과 같이 무정형(Amorphous Phase)의 성분들로 구성되어 있으며, 결정형태들도 미립자들이 뭉쳐있는 형태를 보였다. 한편 금속물질의 경우 도 8 및 도 9에서와 같이 하수 슬러지에 많은 인(P) 성분외에 생석회 주입으로 인해 칼슘(Ca) 성분이 매우 높게 나타났으며, 그 외 각종 광물질(Si, Al, Mg, Na, Fe 등)의 석탄회 성분들로 유연탄 및 무연탄의 구성과 동일한 것으로 확인되어 석탄화력발전소 혼합연료로서 적합함을 확인하였다.
또한, 습 슬러지를 생석회를 사용하지 않고 건조한 건조 슬러지의 경우 밀봉시스템에서 암모니아 취기농도가 5-15 ppm으로 실험여건에 따라 다르게 나타난 반면, CaO 분말을 주입하면서 건조시 다음 표 4와 같이 CaO/슬러지 배합비가 0.05 이상시 감지가 어려울 정도로 대폭 감소함을 확인할 수 있었다.
Figure 112009038631150-PAT00004
도 1은 하수슬러지탄의 수분결합 형태의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하수 슬러지탄 제조하는 시스템이다.
도 3은 도 2의 마이크로파 건조 장치부의 스크류형 마이크로파 반응기의 측면 단면도이다.
도 4는 마그네트론의 설치 위치를 보여주기 위한 도 2의 마이크로파 반응기의 종 단면도이다.
도 5는 생석회 분말 주입노즐부의 설치 위치를 보여주기 위한 도 2의 마이크로파 반응기의 종 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 건조된 하수 슬러지탄을 분쇄하기 전에 촬영한 SEM 사진이다.
도 7은 도 6의 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 하수 슬러지탄의 입도 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 8의 금속성분 분석결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ---- 습슬러지 저장탱크
2 ---- 습 슬러지 이송용 스크류 컨베이어
3 ---- 생석회(CaO) 분말 저장 호퍼
4 ---- 생석회 분말 공급 진동기
5 ---- 생석회 분말 전달 이젝터
6 ---- 블로워
7 ---- 스크류형 마이크로파 반응기
7-1 ---- 습 슬러지 공급 투입구
7-2 ---- 건조 슬러지탄 배출구
7-3 ---- 스크류 날개
7-4 ---- 스크류 회전축
7-5 ---- 회전모터
7-6 ---- 마이크로파 동공
7-7, 7-8 ---- 마그네트론
7-9, 7-10, 7-11 ---- 누설방지 쵸크
7-12 ---- 외통
7-13 ---- 온도 센서
7-14 ---- 내통
7-15 ---- 생석회 주입노즐
7-16 ---- 분진 배출 방지망
7-17 ---- 수증기 배출구
8 ---- 건조 슬러지탄 분쇄기
9 ---- 분쇄 건조 슬러지탄 저장호퍼

Claims (6)

  1. 80% 이상의 수분을 함유하는 습 하수슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기(7)로 공급하기 위한 습 슬러지 저장탱크(1), 습 슬러지 이송 스크류 컨베이어(2), 상기 습 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기로 투입하기 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1)로 구성된 습 슬러지 원료 공급부;
    상기 습 슬러지 원료 공급부를 통해서 공급된 습 슬러지를 일정기간 건조 및 생석회와의 수화반응을 거쳐 수분 10% 이하 슬러지탄으로 건조 후 배출시키게 되는 스크류형 마이크로파 반응기(7)로 구성되어 있는 마이크로파 건조장치부;
    상기 건조장치부에서 건조되고 있는 슬러지탄의 암모니아 악취제거를 위한 생석회 분말 저장호퍼(3), 생석회 분말 공급 진동기(4), 생석회 분말 전달 이젝터(5), 상기 이젝터에 공기를 공급하는 블러워(6), 생석회를 마이크로파 건조장치에 공급하는 생석회 주입 노즐(7-15)로 구성되어 있는 생석회 공급부; 및
    상기 마이크로파 건조장치부에서 건조 및 제조된 하수 슬러지탄을 이송시켜 화력 발전소 연료규격인 200메쉬 통과 분말로 분쇄하기 위한 건조 슬러지탄 분쇄기(8)와 분쇄 건조 슬러지탄 저장호퍼(9)로 구성되어 있는 슬러지탄 가공부로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로파 건조 장치부의 스크류형 마이크로파 반응 기(7)는 습 슬러지를 공급하기 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1), 건조된 슬러지탄을 하부로 배출하기 위한 배출구(7-2), 투입된 습 슬러지를 이동시키기 위한 스크류 날개(7-3), 상기 스크류 날개(7-3)의 회전축(7-4)에 회전력을 주어 습 슬러지의 반응기 내 체류시간을 조절하기 위한 회전 모터(7-5), 마이크로파를 공급하기 위한 마그네트론(7-7, 7-8), 내부에 조사되는 마이크로파의 외부 누설을 차단하기 위한 알루미늄 재질의 누설방지 쵸크(7-9, 7-10, 7-11)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스크류형 마이크로파 반응기(7)는 마이크로파 공급을 위한 습 슬러지 공급 투입구(7-1) 쪽 마그네트론(7-7)과 건조 슬러지탄의 하부 배출구(7-2) 쪽 마그네트론(7-8)이 서로 조사방향이 스크류 회전축(7-4)을 중심으로 반쪽 방향을 조사하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 투입구(7-1) 쪽 마그네트론(7-7)과 배출구(7-2) 쪽 마그네트론(7-8)은 마그네트론 보호 및 균일한 조사를 위해 서로 반대편에 설치되어 있으면서 상하단으로 구분하여 다른 단에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 생석회 주입노즐(7-15)은 상 하단에 엇각으로 설치되어 있으며 반응기의 중간지점을 주입위치로 하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 하수 슬러지 건조 및 악취 발생 억제 장치.
  6. 수분함량이 80%이고 마이크로파를 투과할 수 있는 습 하수 슬러지를 스크류형 마이크로파 반응기에 공급하는 단계; 상기 반응기내의 습 하수 슬러지에 마이크로파 열원을 적용하여 140 내지 150℃의 온도하에서 30분 ~ 1시간 동안 반응시켜 상기 습 하수 슬러지의 수분함량을 10% 이하의 슬러지탄으로 건조시키는 단계; 상기 건조된 슬러지탄에 생석회(CaO/슬러지)를 0.01 내지 0.1의 중량비의 양으로 공급하여 상기 슬러지탄의 암모니아, 황화수소 등의 악취를 제거하는 단계; 및 상기 건조 및 악취제거된 슬러지탄을 분쇄하여 배출하는 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 열원 및 생석회 첨가제를 이용한 석탄화력 발전소 혼합연소용 하수 슬러지의 건조 및 악취발생 억제 방법.
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