KR20120027623A

KR20120027623A - 하수슬러지의 탄화연료 제조장치

Info

Publication number: KR20120027623A
Application number: KR1020100089312A
Authority: KR
Inventors: 윤종건; 윤관원
Original assignee: 주식회사 천지이엔지
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-03-22

Abstract

본 발명의 하폐수 처리시 발생하는 다량의 유기성슬러지를 유용한 탄화연료로 생산하는 기술이다. 본 탈수된 슬러지의 함수율을 더 낮추어 위해서 슬러지에 초음파 처리를 하여 함수율을 85%에서 72%로 조절하였다. 그리고 에너지의 회수를 위하여 대기로 대출되는 열원에 대하여 열교환기를 설치하여 에너지를 절약하였다. 또한, 열분해시 유기물의 손실에 따른 슬러지 자체의 잠열감소에 대배하여 탄화로의 운전조건을 기존의 400℃ 전후에서 345℃로 낮추고 접촉시간을 줄이는 대신에 회전식 로타리 킬린 방식으로 운전하였다. 이에 따라 탄화된 연료제품의 발열량이 2,800kcal/kg 이상을 유지할 수 있었다. 또한, 잔류유기물에 의한 냄새 역시 상기의 탄화로의 운전조건에 의하여 해결할 수 있었다. 연소가스가 대기중으로 배출되는 것을 방지하기 위하여 2차 연소실을 설치하여 유해가스를 제어할 수 있었다. 본 발명을 통하여 유기성하수 슬러지의 감량화에 따른 비용절감은 물론 처리공정내 폐기물 발생이 없으며 연료제품으로 활용 가능하여 수익성 확보시 경제성 우수하다 볼 수 있다. 이에 따라 버려지는 폐기물을 대체연료로써 가치를 가지며 제품으로 제조시 유해가스 발생을 차단하여 대기오염을 극소화 한다는 장점을 지닌다. 특히, 다른 처리 설지에 비하여 소규모 장비 설치가 가능하며 소각, 용융시스템보다 설치비가 적게 들어 각 슬러지가 발생하는 각 업체가 자체적으로 설치하고 운영할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 탄화시스템은 연소 시스템에 비하여 저이산화탄소를 발생시키는 바이오매스 자원으로 탄소중립 에너지원으로서 평가되고 있으며 온실효과가스 감소에도 기여하는 외에 순환형 사회를 구축하는데도 공헌한다. 슬러지 감량화는 물론 연료제품으로 활용 가능하여 수익성 확보시 경제성 우수하다.

Description

하수슬러지의 탄화연료 제조장치 {Carbonization fuel manufacturing equipment of sewage sludge}

본 발명의 하폐수 처리시 발생하는 다량의 유기성슬러지를 유용한 탄화연료로 생산하는 기술이다. 현재 하수의 슬러지 처리에 대한 연구 및 특허는 다양하게 나와 있다. 그러나 슬러지의 탄화기술과 연료화 기술은 미미한 실정이다. 특히 상기 두 가지 처리공정의 장점만을 부각시킨 기술로 슬러지 감량화는 물론 연료제품으로 활용 가능하여 수익성 확보시 경제성 우수하다. 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 본 발명에 대한 기술이 미흡한 실정이다.

현재 김포매립지의 매립부하와 매립과정에서의 악취를 줄이기 위한 논란이 제기된 이후, 수분함량이 높고 악취가 발생하는 유기성슬러지와 음식물류폐기물에 대한 규제를 강화하게 되었다. 이러한 규제에 대한 내용은 폐기물관리법 시행규칙 별표4(폐기물의 수집, 운반, 보관, 처리에 관한 구체적 기준 및 방법)에 상세하게 제시되고 있다. 생활폐기물과 사업장 건설폐기물 중 슬러지는 탈수와 건조 등에 의하여 수분함량 85% 이하로 사전처리를 한 후에 매립하여야 한다. 사업장일반폐기물 무기성슬러지는 소각 또는 85%이하로 탈수/건조처리하여 관리형 매립시설에 매립하여야 하며, 다만 물을 이용하여 폐기물을 운반한 후 침전처리하는 경우에는 탈수/건조처리를 하지 않을 수도 있다.

유기성슬러지는 소각, 고형화, 고화, 생물학적처리방법 및 매립방법(수분함량 85% 이하)으로 처리할 수 있으나, 매립과 관련하여 2001년부터는 수질환경보전법과 하수도법에 의한 1일 10,000m³이상의 폐수종말처리시설과 하수종말처리시설, 수질환경보전법의 1일 폐수배출량 2,000m³ 이상의 폐수배출시설의 유기성 슬러지, 2005년부터는 대상 시설을 더욱 확대하여 축산폐수처리시설와 분뇨처리시설 및 1일 폐수배출량 700m³ 이상 2,000m³ 미만의 배출업소 유기성슬러지도 바로 매립을 금지하고 있다.

2007년도에는 매립지에서 가스를 회수하면서 유기물의 함량이 저하되어 매립가스의 발생량이 낮은 관계로 매립가스를 회수하여 재이용하는 시설이 설치된 매립시설의 경우에 수분함량이 75%이하인 슬러지에 한하여 바로 매립할 수 있도록 하였으며, 단, 1일 500톤 이하를 매립할 수 있도록 하고 있다.

최근에 전술한 해양배출에 대한 규제가 강화되고, 현재 슬러지의 처리방법에 있어서 제한적 요인(소각지양, 시설의 안정성, 최종생성물의 이용용도 등)이 증가하고 있는 것으로부터 슬러지가 대량으로 발생되는 처리장에서는 공법의 선정에 많은 고민을 하게 되었다. 한편으로는 기후변화협약 및 에너지 문제, 저탄소녹색성장에 따라 폐자원 및 바이오메스의 에너지화에 대한 관심이 증가하여 유기성슬러지의 에너지화에 관심이 집중하게 되었다.

이러한 현장요구와 정책방향에 따라 유기성슬러지류의 에너지화가 검토되었으며, 에너지화 기술로서는 탄화, 건조-시멘트원료, 건조-화력발전소 등의 방법이 검토되고 있다. 특히 대량발생 하수처리장 등에서는 최종생성물의 이용용도의 한계에 따라 건조 후에 RPS 제도를 모색하고 있는 화력발전소 등에 반입하는 방안을 검토하고 있으나, 현행 폐기물관리법에서 에너지회수를 목적으로 폐기물을 이용할 시에는 저위 발열량이 3,500kcal/kg이상 요구하고 있어 어려움을 안고 있다.

현재 슬러지 하수처리장에서 발생되는 탈수슬러지의 경우에 저위발열량 700kcal/kg의 이하를 보여주고 있으며, 이러한 탈수케익을 건조하여 수분을 10%이하로 유지하여도 3,500kcal/kg의 열량을 확보하기에는 어려움이 있는 실정이다. 특히 소화조를 설치하여 운영하는 처리장의 경우에는 유기물이 분해되어 발열량이 낮은 실정이다.

선진외국에서는 하수처리장의 에너지 자립화 방안으로서 농축슬러지의 소화에 의한 메탄가스를 회수하는 방안을 적극적으로 검토하고 있으나, 우리나라의 경우에는 탈수케익을 발열량을 유지하여 에너지화를 위하여 혐기성소화조의 운영 혹은 활성화 여부를 검토해야하는 시점에 와 있다

또한 지금까지 오염물질의 농도를 분석할 시에 폐기물관리법에 준하여 용출실험방법을 이용하였으나, 용출실험방법이 실제 유해물질의 농도를 파악하는 수단으로서 미비하다는 점에서 함량실험으로 전환시켰다. 즉 지금까지는 폐기물을 물에 희석하여 진탕 후 물 쪽으로 전이되는 오염물의 농도를 측정했으나, 폐기물을 산에 의하여 분해시켜 포함되어 있는 오염물의 전량을 분석방법을 채택하고 있다.

현재 하수슬러지 처리 및 처분 방법은 크게 전처리공정과 중간처리공정, 최종처리공정으로 구분된다. 전처리공정이란 폐기물관리법상의 중간처리하기 전의 단계로 농축, 안정화, 개량, 탈수와 같이 감량화를 주요목적으로 하고 있다. 중간처리는 탈수슬러지를 재이용 또는 최종처리하기 위하여 퇴비화, 고화, 연료화, 시멘트자원화, 건조, 소각, 탄화, 열분해용융 등이 이에 해당한다. 한편 최종처리는 전처리 또는 중간처리 공정에서 발생된 처리부산물을 매립 또는 재이용 하는 것이다. 따라서 슬러지의 안정적인 처리를 위해서는 지역의 여건과 각 처리방안의 기술적, 환경적, 사회적, 경제적 측면을 종합적으로 검토하여 적절한 처리방안을 선정하여야 할 것이다.

지금까지의 슬러지대책은 탈수케익 상태로 발생된 것을 어떻게 하느냐에 초점이 맞추어져 있었으며, 슬러지의 농축, 소화, 탈수공정에 대해서는 많은 검토가 이루지지 않았다. 슬러지는 기본적으로 수분, 유기물, 회분으로 구성되어 있어, 유기물을 분해시키고, 수분을 가능한 높은 효율로 탈수 시킬 경우에 케익의 발생량을 감량화시키는 것이 가능하다. 이를 위해서는 유기물의 농축효율을 높이고, 소화조에서 유기물의 분해효율을 높이고, 탈수를 효율적으로 할 필요가 있다. 이들 슬러지처리 과정은 서로 연계성이 있으며, 유기물의 농도를 낮추면 탈수효율이 증가하는 등의 효과가 있을 수 있다.

슬러지처리 공정내에서 농축 및 소화, 탈수 등을 개선시키는 것에 의하여 슬러지를 감량화시키는 외에 최근에 잉여슬러지 혹은 농축슬러지를 기계적, 화학적, 생물학적으로 분해시켜 감량화시키는 기술이 선보이고 있다. 이들 기술은 일본에서 초기에 제안되었으며, 일본 내에서는 슬러지의 소멸화라는 용어로 불리기도 하며, 가용화장치로서 불리고 있다.

처리방법의 선택도 국내에서는 아직까지 기술이 확립되어 있지 않지만 선진 외국에서 유용하게 사용되고 있는 기술의 검토가 필요하다. 지구 온난화 물질, 대기오염물질을 발생시키는 방법보다는 이러한 물질을 발생시키지 않는 공법의 선택이 중요하며 이에 대한 연구가 되어야 한다.

슬러지를 대량으로 처리한다는 전제에서 고화기술에 대하여 집중 검토되었으며, 폐기물관리법에서는 고화된 생성물을 매립복토재로서 사용하도록 명시하고 있다. 현재 수도권매립지에 2,000톤/일 용량의 고화시설을 설치하여 서울, 인천, 경기도에서 발생되는 슬러지를 처리하는 것으로 계획하고 있다.

탄화기술은 열분해기술에 속하며, 각종 유기물을 무산소상태에서 외부에서 열을 가해줄 경우에 유기물은 탄소가 깨지면서 저분자화 된다. 이러한 저분자화한 물질을 고상, 가스상, 액상으로 회수하여 열원으로 사용할 경우에 처리에 들어가는 에너지비용을 절감할 수 있는 전제에서 소각되고 있다. 일반적으로 열분해는 저온(액상화)열분해, 고온(기상화)열분해로 구분된다. 저온 열분해는 유화라는 용어로서 플라스틱을 이용한 기름생산에 이용되고 있다.

지금까지 우리나라에서는 많은 업체에서 기술개발을 진행, 탄화기술을 선보였으며, 신기술까지 획득하고 있다. 지금까지 Full 스케일로 설치된 적이 없었으나, 최근에 안성시 하수처리장에서 설치하여 가동중에 있다. 탄화의 경우에 외부에 열을 가하고, 반드시 사전에 건조조작이 필요하다는 점에서 소요에너지에 대한 집중 검토가 필요하다.

법적으로는 소각시설에 준하여 검사를 받아야 하는 것으로부터 2차연소로에서 850℃, 2초의 체류시간 조건을 만족하여야 하고, 대기오염방지시설을 완비하여야하는 제약 조건이 있다. 또한 폐기물관리법에서는 탄화생성물의 이용용도가 불투명한 것으로부터 매립복토재로서 사용하도록 허용하고 있다.

기타 기술로는 슬러지의 처리 및 자원화기술의 개발은 다양하게 진행되고, 또한 현장에 접목이 되었다. 그 중에서도 지렁이에 의한 슬러지의 처리이며, 난지하수처리장에서 오랫동안 진행되어 왔다. 분변토를 생산하여 유용한 토양개량제로 사용한다는 점에서는 충분한 공감대가 형성되었으나, 지렁이 사육상을 자동화하거나, 대량으로 슬러지를 처리하기 위한 시스템으로 설치하지 못한다는 점에서 한계성을 안고 있다

또한, 슬러지의 연료화에 대한 연구 및 장치개발이 진행되었으며, 슬러지에 저급의 석탄을 혼합하여 건조, 성형하여 조개탄을 생산하는 시스템이 Pilot 시스템까지 설치되었으나, 상용화에 이르지 못하고 있다. 최근에는 연료화 방안으로서 건조기능을 가진 탈수기에 의하여 60%선까지 수분을 저하시킨 후에 성형건조하여 RDF로서 공급하려는 연구도 진행되고 있다.

본 고안은 하수슬러지를 이용한 탄화시스템을 개발하는데 목적을 두었다. 하수슬러지에 함유된 자체성분의 특성을 살리는데 노력하였으며, 슬러지의 가연성분을 유용하게 활용할 수 있는 탄화연료로서의 가치를 부각시켜 폐기물을 이용한 에너지 이용측면을 중시하고자 한다.

본 고안에서 탈수된 슬러지의 함수율을 더 낮추어 건조시 에너지를 절감해야 한다. 또한, 열분해시 유기물의 손실에 따른 슬러지 자체의 잠열감소가 생겨 연료로써의 가치가 떨어지는 위험성을 가진다. 탄화된 연료제품이 최소한 2,800kcal/kg 이상의 발열량을 가져야 한다. 하수슬러지를 저산소 상태에서 가열하게 되면 수분과 흡착 가스성분, 일부 가스화 가연성분을 방출한 후에 탄소를 중심으로 한 탄화물이 남게 된다. 잠열감소를 막기 위해 낮은 온도에서 탄화하면 잔류하는 유기물에 의한 냄새도 나지 않는 고형물 형상으로서 바이오매스 연료가 되어야 한다. 본 발명에서는 열풍을 사용하기 때문에 에너지 손실이 생긴다. 이에 대한 대책이 필요하며, 연소가스가 대기중으로 배출될 경우에 발생할 수 있는 유해가스 제어에 대한 고안도 필요하다.

본 고안에서 탈수된 슬러지의 함수율을 더 낮추어 위해서 슬러지에 초음파 처리를 하여 함수율을 85%에서 72%로 조절하였다. 그리고 에너지의 회수를 위하여 대기로 대출되는 열원에 대하여 열교환기를 설치하여 에너지를 절약하였다. 또한, 열분해시 유기물의 손실에 따른 슬러지 자체의 잠열감소에 대배하여 탄화로의 운전조건을 기존의 400℃ 전후에서 345℃로 낮추고 접촉시간을 줄이는 대신에 회전식 로타리 킬린 방식으로 운전하였다. 이에 따라 탄화된 연료제품의 발열량이 2,800kcal/kg 이상을 유지할 수 있었다. 또한, 잔류유기물에 의한 냄새 역시 상기의 탄화로의 운전조건에 의하여 해결할 수 있었다. 연소가스가 대기중으로 배출되는 것을 방지하기 위하여 2차 연소실을 설치하여 유해가스를 제어할 수 있었다.

본 발명을 통하여 유기성하수 슬러지의 감량화에 따른 비용절감은 물론 처리공정내 폐기물 발생이 없으며 연료제품으로 활용 가능하여 수익성 확보시 경제성 우수하다 볼 수 있다. 이에 따라 버려지는 폐기물을 대체연료로써 가치를 가지며 제품으로 제조시 유해가스 발생을 차단하여 대기오염을 극소화 한다는 장점을 지닌다. 특히, 다른 처리 설지에 비하여 소규모 장비 설치가 가능하며 소각, 용융시스템보다 설치비가 적게 들어 각 슬러지가 발생하는 각 업체가 자체적으로 설치하고 운영할 수 있는 장점을 가진다. 마지막으로 탄화시스템은 연소 시스템에 비하여 저이산화탄소를 발생시키는 바이오매스 자원으로 탄소중립 에너지원으로서 평가되고 있으며 온실효과가스 감소에도 기여하는 외에 순환형 사회를 구축하는데도 공헌한다.

[도 1]은 본 발명의 대표도로 하수슬러지 탄화연료 제조장치 흐름도를 나타낸 것이다.
[도 2]는 본 발명의 탄화로 그림이다.
[도 3]은 본 발명에서 생산한 하수슬러지 탄화연료이다.

본 발명에 따라서, 구체적인 내용은 다음과 같이 정리할 수 있다. 하수슬러지의 탄화연료 제조장치[도 1]는 탈수된 슬러지(11)의 85%전후의 함수율을 가진 슬러지를 초음파 처리조(12)에 투입되어 함수율을 72±3%로 낮추어 반입호퍼(13)에 투입되어 탈수슬러지 컨베이(14)를 통하여 정량공급장치(15)에 투입된다. 열풍에 의한 건조기(16)에서 다시 함수율을 5±1%로 낮춘다. 이때 0.3ton/hr으로 유입된 슬러지가 105±3℃에서 60±5분 동안 건조된다. 탄화로 투입되기 위한 슬러지 컨베이(17)를 통하여 탄화로(18)에 투입된다. 탄화로는 호퍼 지지대(19)에 의하여 지지되는 슬러지 반입호퍼(20)를 통하여 건조된 슬러지가 투입된다. 탄화로는 회전모터(21)에 의하여 탄화로 로타리킬린(22)은 0.5회/분으로 회전한다. 탄화로 로타리킬린은 탄화로 열풍(23)에 의하여 340±5℃의 온도로 탄화된다. 탄화시 발생하는 가스는 탄화로 순환팬(24)에 의하여 외기 배출된다. 이때 배출되는 열에너지를 탄화로 열교환기(25)가 에너지를 회수하고 유해가스 발생억제를 위하여 탄화로 2차연소기(26)를 작동한다. 이렇게 열과 유해가스를 저감시킨 가스를 연돌(27)을 통하여 외기로 배출된다. 이 탄화장치는 탄화로 콘트롤판넬(28)에 의하여 작동된다. 탄화로에서 처리된 슬러지는 제품냉각장치(29)를 통해 저류호퍼(30)로 저장된다.

건조기(16)의 열원을 위해서 우선 연소공기팬(31)에서 연소공기 예열실(32)을 통하여 열풍발생로(34)를 거체 건조기에 열원을 공급한다. 건조기에서 발생되는 가스는 열풍배가스열교환기(33)를 통하여 열이 회수되고 회수된 열은 열풍발생로로 공급된다. 열풍로 배기팬(35)은 건조기의 가스를 대기배출(36)한다. 또한 건조기에서 발생된 분진류는 집진기(37)를 통하고 순환팬(38), 그리고 열교환기(39)를 거친다. 그 후에 2차연소실(40)을 거쳐 대기배출 된다. 이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하며, 이로써 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

슬러지 초음파 처리 강도

처리된 슬러지의 함수율을 낮추어 건조기로 투입되기 전에 슬러지에 초음파 처리를 한다. 이때 초음파는 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5kW/L로 처리해본 결과를 [표 1]에 나타내었다.

슬러지 초음파처리 강도 및 함수율

초음파 (kW/L)	함수율 (%)
0.05	84.2
0.1	82.9
0.2	76.8
0.3	72.1
0.5	71.7

[표 1]의 결과에서 볼 때 초음파 처리의 강도는 0.3 kW/L로 결정하였다.

슬러지 초음파처리 시간 및 함수율

실시예 1에서 초음파 처리강도를 평가하였기에 초음파 처리시간을 결정하여야 한다. 시간은 10, 20, 30, 40, 50분로 처리해본 결과를 [표 2]에 나타내었다.

슬러지 초음파처리 시간 및 함수율

초음파 (kW/L)	함수율 (%)
10	80.4
20	76.6
30	72.1
40	73.5
50	73.8

[표 2]의 결과에서 볼 때 초음파 처리시간은 30분으로 결정하였다.

건조기 처리온도와 시간

건조기에서 건조온도는 90, 95, 100, 105, 110℃을 각각 실시하여 처리온도를 평가하였다. 처리온도의 대한 결과는 [표 3]에 나타내었다. 이때 유입량은 0.3ton/hr으로 하였다.

건조기 처리온도 평가

온도 (℃)	함수율 (%)
90	18.2
95	10.5
100	7.9
105	5.0
110	4.8

[표 3]의 결과에서 볼 때 건조기 운영온도는 105℃로 결정하였다.

건조기에서 건조시간은 40, 50, 60, 70, 80분을 각각 실시하여 처리시간을 평가하였다. 처리시간의 대한 결과는 [표 4]에 나타내었다. 이때 0.3ton/hr의 유입량에 105℃의 온도로 평가하였다.

건조기 처리시간 평가

시간 (분)	함수율 (%)
40	32.2
50	15.7
60	5.0
70	4.8
80	4.6

[표 4]의 결과에서 볼 때 건조기 운영시간을 60분으로 결정하였다.

탄화로의 처리온도 평가

탄화로에서 처리온도는 ℃을 각각 실시하여 처리온도를 평가하였다. 처리온도의 대한 결과는 [표 5]에 나타내었다. 이때 로타리킬린의 회전속도는 0.5회/분으로 하였다. 발영량측정기는 영진코페레이션의 C2000 basic Calorimeter 으로 측정하였다.

건조기 처리온도 평가

온도 (℃)	슬러지발영량 (kcal/kg )	함수율 (%)
300	3,200	1.5
310	3,160	1.5
320	3,070	1.3
330	2,930	1.2
340	2,810	1.0 이하
350	2,720	1.0 이하
360	2,640	1.0 이하

[표 5]의 결과에서 볼 때 330℃까지는 함수율이 1이상 이었지만 340℃부터는 2,810 kcal/kg로 측정되어 적정 온도를 340℃로 하였다.

탈수 슬러지(11) 초음파 처리조(12)
반입호퍼(13) 탈수슬러지 컨베이(14)
정량공급장치(15) 건조기(16)
슬러지 컨베이(17) 탄화로(18
호퍼 지지대(19) 슬러지 반입호퍼(20)를
회전모터(21) 로타리킬린(22)
탄화로 열풍(23) 탄화로 순환팬(24)
탄화로 열교환기(25) 2차연소기(26)
연돌(27) 탄화로 콘트롤판넬(28)
제품냉각장치(29) 저류호퍼(30)
건연소공기팬(31) 연소공기 예열실(32)
열풍발생로(34) 열풍배가스열교환기(33)
열풍로 배기팬(35) 대기배출(36)
집진기(37) 순환팬(38)
열교환기(39) 2차연소실(40)

Claims

하수슬러지의 탄화연료 제조장치로 탈수된 슬러지를 초음파 처리조와 반입호퍼, 탈수슬러지 컨베이, 정량공급장치, 건조기, 로타리킬린이 있는 탄화장치를 거치는 하수슬러지의 탄화연료 제조장치
제 1항에 있어서,
상기 장치에서 하수슬러지의 탈수된 슬러지를 초음파 처리조에서 0.3±0.05 kW/L의 초음파강도로 처리하여 함수율을 72±3%로 낮추는 장치와 열풍에 의한 건조기에서 0.3ton/hr의 처리용량으로 105±3℃에서 60±5분 동안 건조하여 함수율을 5±1%로 낮추는 장치
제 1항에 있어서, 상기 장치에서 탄화로의 로타리킬린 회전모터의 회전속도를 0.5회/분하여 345±5℃의 온도에서 탄화하여 2,800 kcal/kg이상의 발열량을 가지는 탄화연료 제조장치