KR20150106561A - 하수슬러지를 연료화하기 위한 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수에서 발생하는 슬러지를 연료로서 자원화하기 위한 하수슬러지 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 관한 것으로, 하수슬러지와 첨가물들의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정을 동시에 수행하는 하수슬러지 혼합건조장치 및 이를 적용하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 관한 것이다.

Description

하수슬러지를 연료화하기 위한 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법 {Mixing dry apparatus and mathod of manufacturing fuel using sewage sludge}

본 발명은 하수에서 발생하는 슬러지(sludge; 이하 하수슬러지로 명기함)를 연료로서 자원화하기 위한 하수슬러지 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 관한 것으로, 하수슬러지와 첨가물들의 혼합공정과 열풍건조공정 및 분쇄공정을 동시에 수행하는 하수슬러지 혼합건조장치 및 이를 적용하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 관한 것이다.

하수슬러지로 고형연료화 제품을 만들기 위해서는 슬러지 자체가 갖고 있는 수분함량을 저하시켜야 하는데 현재 하수처리장에서 운영되고 있는 탈수설비기술로서는 한계가 있다. 하수슬러지 케익 자체의 함수율은 평균 80%로서 연료로 전환시키기 위해서는 수분함량을 10%이하로 저감시켜야하는데 막대한 비용이 요구됨으로 최소의 에너지로 건조시키는 기술개발이 연료화에 시급한 과제이다. 하수슬러지 대상 유기성슬러지의 고형연료화 기술은 크게 탄화기술과 건조-고화기술 및 건조-가스화 기술로 구분된다.

탄화기술은 무산소 혹은 저산소상태 즉, 환원상태에서 원료를 고온으로 열처리함으로서 산소원자나 수소원자가 휘발되어 유기분은 소멸하며, 탄소분과 회분을 남기는 것으로 유기성폐기물을 탄화처리하는 경우, 슬러지의 안정화와 감량화를 할 수 있다. 탄화공정은 온도에 따라 건조, 건류가스형성, 탄화의 순서로 진행된다. 건조-고화기술은 슬러지에 첨가제를 혼합한 후 건조-성형장치에서 1차로 수분을 제거하여 펠렛을 형성시키고 성형된 슬러지를 양생하여 고형화시키는 기술이다. 또한 건조-가스화 기술은 일차적으로 슬러지를 건조시킨 후 건조된 슬러지를 적정온도에서 가스화하여 이를 중간처리과정을 거쳐 에너지원으로 사용하는 기술이다. 그래서 에너지 이용기술이라 한다.

상기의 종래의 방법들에 의하면 슬러지를 고형연료화시키기 위해서 1차로 탈수된 함수율 70 내지 80%의 슬러지를 함수율 10% 이내로 건조시킨 후 무연탄, 목재, 기름 등의 열량보조제와 혼합한 다음 특정 형상으로 성형함으로써 고형연료가 만들어진다. 이러한 대부분의 종래의 고형연료화 기술들은 어떤 방식으로 슬러지를 건조시키느냐 혹은 어떤 방식으로 성형하느냐에 따라 다를 뿐 슬러지를 건조시킨 후 열량보조제 또는 열량보조제와 성형제를 혼합하여 고압으로 압축해서 성형하는 방식을 택하고 있다.

대한민국 등록특허 공보 제 1210376호

종래의 고형연료화 기술에 의하면 다음과 같은 문제점들이 있다.

첫째, 성형시 슬러지와 열량보조제가 혼합된 혼합물을 고압으로 압축하여 성형하기 때문에 입자와 입자 간의 간격이 너무 조밀하여 공극이 거의 없거나 공극률이 너무 낮다는 문제점이 있다. 이러한 고형 연료는 연소시 연소가 용이하지 않고 완전 연소하기까지 시간이 많이 소요되며 불완전 연소에 따른 유해가스 및 악취가 발생한다.

둘째, 종래에는 슬러지를 건조시키는 데 1차적으로 에너지가 소비되고, 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하는 과정에서 2차적으로 에너지가 소비된다. 따라서 고형연료를 제조하는 과정에서 많은 에너지가 소비되어 제조비용이 상승된다는 문제점이 있다. 이는 슬러지를 재생에너지로 재활용한다는 취지를 무색하게 한다.

셋째, 성형시 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하기 때문에 성형이 용이하도록 별도의 성형제 또는 흡착제를 첨가하여야 한다는 문제점이 있다. 이는 최종적으로 고형연료의 공극률을 더욱 저하시키는 하나의 원인이 될 뿐만 아니라 연소시 유해한 성분이 발생될 수 있다.

넷째, 슬러지의 건조 후 균일한 혼합을 위해서는 건조된 고형물을 가루로 분쇄하는 과정을 거치거나 건조 전 최대한 분산시키는 과정을 거쳐야 하므로 시설이 복잡하고 설비비용이 과다하게 소용되어 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.

이와 같이 슬러지를 이용한 종래의 고체연료화 기술은 상술한 문제점들 때문에 재생에너지로 재활용하기 위한 유효 대안으로서 실제 적용이 어려운 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 첫 번째로 하수슬러지의 함수율을 저감시켜 연료화하기 위해서 본체부와 호퍼부, 교반부, 열풍공급부, 배출부 및 모터부를 구비하고, 교반부에 의한 혼합공정과 열풍공급부에 의한 열풍건조공정 및 회전력에 의한 분쇄공정이 동시에 수행되는 하수슬러지 혼합건조장치를 적용하게 된다.

두 번째는 본 발명인 하수슬러지 혼합건조장치를 이용하여 하수슬러지에 목분, 왕겨분 및 폐유를 첨가하여 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정을 거쳐 건조된 상태의 하수슬러지 연료탄을 제조한다.

첫 번째로 본 발명의 하수슬러지 혼합건조장치를 이용하면 하수슬러지와 그 밖의 첨가물을 교반하는 혼합공정, 열풍으로 건조하여 함수율을 낮추는 열풍건조공정 및 건조과정에서 고형화되는 하수슬러지를 분쇄하는 분쇄공정을 별도로 수행할 필요가 없이 본체부 내에서 한번에 수행되는 공정의 단순화 효과가 있을 뿐만 아니라, 상압조건에서 열풍건조하기 때문에 공극률을 확보하여 불완전 연소로 인한 유해가스 발생이 감소한다.

두 번째로 본 발명의 하수슬러지 혼합건조장치는 본체부 내에서 혼합공정과 열풍건조공정이 수행됨과 동시에 회전력에 의한 하수슬러지의 분쇄공정이 포함되기 때문에, 종래의 건조 후 혼합을 위해 건조된 고형물을 가루로 분쇄하는 과정 또는 건조 전 분산과정에 소요되었던 시설비가 경감되며, 분말형태의 연료탄을 제조함으로써 고압으로 압축하여 성형하는 2차적 에너지의 소모를 배제하였다. 뿐만 아니라 종래의 고온 탄화(탄화온도: 600~800℃)에 비해 저온영역(100~400℃)에서 건화를 실시하므로, 건조물의 고발열량화를 도모하여 석탄 대체 연료로서의 가치를 높였다.

세 번째로 함수율의 평균값이 80%인 하수슬러지에 화학적 성형제 또는 흡착제가 아닌 목분, 왕겨분 및 폐유를 첨가함으로써, 자연발화성을 억제함과 동시에 친환경적으로 하수슬러지 자체의 악취를 억제하고, 연료로서 발열량을 보다 증가시키며, 열풍건조 전 하수슬러지의 수분을 머금게하여 건조효율을 높이는 것이 가능하다.

마지막으로 혼합시설, 건조시설 및 분쇄시설을 모두 본체부에 구비하여 장치의 설치면적이 작고 제작이 단순하며 기계화 수준이 높아 전 공정에 필요한 시간은 현존의 여타 공정보다 단축되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치의 우측면도이다.
도 3은 본 발명의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치의 좌측면도이다.
도 4는 본 발명의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치의 일실시도이다.
도 5는 본 발명인 하수슬러지 연료탄의 제조방법의 공정 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 한편, 본 발명을 명확히 하기 위하여 본 발명의 구성과 관련없는 내용은 생략하기로 하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명한다.

한편, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 「포함」한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 있어서 「공정」이라는 말은, 독립된 공정만이 아니고, 다른 공정과 명확하게 구별할 수 없는 경우라도 그 공정의 소기의 작용이 달성되면, 본 용어에 포함하도록 한다.

또한 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서「~수단」,「~부」,「~부재」,「~모듈」,「~블록」으로 명명된 구성요소들은 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이들 각각은 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다.

1972 런던협약 1996 의정서에서 규정하는 하수슬러지의 정의는 "도시하수 처리로부터 남은 잔유물로서 일차적인 물리적 처리로부터 생성되는 유기물이 많은 폐기물이다. 하수는 표토수와 많은 경우에는 처리된 그리고 미처리된 산업유출수와 마찬가지로 수용성의 도시폐기물을 포함한다." 라고 되어 있다. 즉 통상 상수, 공업용수, 산업 용폐수, 하수 및 분뇨의 처리과정에서 발생하는 최종 산물로서 이 슬러지가 생성되는 과정은 미생물이 폐수 속에 용존되어 있는 영양물질을 섭취하여 증식된 후 이화학적으로 부상 또는 침전시켜 분리된 미생물 덩어리를 말한다.

런던협약에 가입된 우리나라는 2012년부터 해양투기가 근절되었으며, 2011년 1우러 환경부 통계에 따르면 전국 433개소의 하수처리 시설에서 나오는 연간 302만7,829톤의 하수슬러지 가운데 재활용되는 부분은 74만6005톤으로 전체의 24.6%에 불과한 실정이다.

기 재활용하는 분야로는 건축자재로의 활용, 택지개발 지역의 복토재, 연료화 등으로 현재에도 많은 연구가 진행되고 있으나 하수슬러지를 어떠한 분야 및 용도로 재활용하든 우선 기본적으로 하수슬러지가 함유하고 있는 수분을 제거 감량화시켜야하는 첫 번째 절차는 필수적이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 도시 하수슬러지 처리시의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 하수슬러지로부터 발생하는 악취를 효율적으로 제거하고, 건조 효율을 높이며, 연속적으로 대량의 하수슬러지를 건조 처리할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 하수에서 발생하는 슬러지를 연료로서 자원화하기 위한 하수슬러지 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 관한 것이다. 이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 하수슬러지의 함수율을 저감시켜 연료화하기 위한 하수슬러지 혼합건조장치로서, 평균 함수율이 80%정도인 하수슬러지를 건조하기 위한 공간인 중공을 갖춘 본체부(10)를 구비하며, 본체부(10) 외부 상면 일단에 설치되어 본체부(10) 내부인 중공과 연통하는 호퍼부(20)를 통해 연료화 대상인 하수슬러지와 여타 첨가물들의 투입이 가능하고, 본체부(10) 내부인 중공에 길이방향으로 일측에서 타측으로 설치되는 적어도 하나의 샤프트(31)와 상기 샤프트(31) 외주연에 설치되는 다수의 패들(미도시)로 구성되는 교반부(30)의 회전운동에 의해 하수슬러지와 첨가물들이 균일하게 혼합되며 배출부(50) 방향으로 이동하게 된다. 이때 패들(미도시)은 통상의 패들형 건조장치의 패들인 것으로 충족된다.

또한 본체부(10) 외부 상면에 설치되어 본체부(10) 내부인 중공으로 고온건조한 열풍을 공급하기 위한 열풍공급부(40)는 열풍공급로(41)를 통해 중공 내부로 고온건조한 열풍을 강제적으로 불어넣게 되며, 이때 열풍의 온도는 100~400℃ 범위내에서 조절이 가능하고, 중공 내부의 온도는 별도로 설치된 온도감지센서에 의해 설정된 온도 값에 맞춰 일정 온도의 열풍을 유지하게 된다.

상술한 바와 같이 본체부(10) 내부인 중공에서 교반부(30)에 의한 혼합공정과 열풍공급부(40)에 의한 열풍건조공정이 동시에 수행되게 되어, 혼합 후 건조나 분쇄를 위해 시설을 따로 구비해야 했던 종래의 혼합장치, 열풍건조장치 및 분쇄장치를 일체화하여 공정의 단순화 및 시설비용의 절감의 효과를 얻을 수 있다.

본체부(10) 외부 하면 타단에 설치되어 상기 본체부(10) 내부인 중공과 연통하는 배출부(50)는 건조되어 함수율이 10% 이하로 저감된 분말상태의 하수슬러지 연료탄을 얻을 수 있으며, 교반부(30)의 샤프트(31)를 구동하기 위한 회전력을 제공하는 모터부(60)는 벨트(61)를 통해 본체부(10)의 샤프트(31)에 연결되어 구동력을 전달하게 된다.

도 2는 본 발명의 하수슬러지 혼합건조장치의 우측면도로서, 모터부(60)의 벨트(61)에 의해 본체부(10) 내부에 설치된 샤프트(31)의 구동력을 전달하는 구조를 도시하였으며, 도 3은 본 발명의 하수슬러지 혼합건조장치의 좌측면도로서, 열풍공급부(40)의 열풍공급로(41)에 의해 본체부(10) 내부인 중공으로 고온건조한 열풍을 공급하는 구조를 도시하였다. 또한 도 4는 본 발명의 하수슬러지 혼합건조장치의 실제 일실시예이다.

도 5는 본 발명인 하수슬러지 연료탄의 제조방법의 공정 순서도로서, 먼저 하수종말처리장에서 수거해 온 함수율 평균값이 80%인 하수슬러지를 혼합건조장치에 투입한 후, 하수슬러지에 목분, 왕겨분 및 폐유로 구성된 첨가제를 추가적으로 투입한다. 하수슬러지와 첨가제의 혼합물을 교반공정과 열풍건조공정을 통해서 균일하게 혼합하며 건조하게 되며, 이때 교반공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정은 동시에 수행된다. 함수율이 평균적으로 10%에 도달하게 되면 분말형태의 하수슬러지 연료탄이 완성되며, 이렇게 완성된 하수슬러지 연료탄을 수거하는 일련의 공정을 도시하였다.

하수슬러지에 첨가되는 목분, 왕겨분 및 폐유는 하수슬러지 자체의 악취를 제거하고, 연료로서 발열량을 증가시키며, 하수슬러지의 수분을 머금게 하기 위함이며, 이때 하수슬러지 100 중량부에 대하여, 목분 50~200 중량부, 왕겨분 5~40 중량부 및 폐유 1~10 중량부를 첨가하는 것이 바람직하며, 목분이나 왕겨분의 중량부 중 일정부를 코코넛껍질분이나 호두껍질분으로 대체하는 것 또한 가능하다.

또한 교반부(30)의 샤프트(31) 회전으로 인한 패들(미도시)의 스크류 운동에 의해 하수슬러지와 첨가제의 혼합물이 균일하게 혼합되며 타단의 배출부(50)를 향해 이동하게 되고, 교반부(30)의 회전운동에 의해 슬러지 연료 혼합물이 분쇄되는 공정을 포함하여 별도의 분쇄설비 없이 분말형태의 하수슬러지 연료탄을 제조하게 된다.

한편 열풍공급부(40)는 상압조건에서 100~400℃로 고온건조한 바람을 하수슬러지와 첨가제의 혼합물이 있는 밀폐된 공간(중공)에 열풍공급로(41)을 통해 강제적으로 불어 넣어 건조시킨다. 이때 내부의 온도를 감지하기 위한 온도감지센서를 본체부(10) 내부에 설치하여 열풍의 온도를 일정하게 유지시키게 된다.

상기 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정을 거친 하수슬러지 연료탄은 함수율이 10% 미만인 분말형태로 배출되며, 이것은 화력발전소의 연료로서 사용이 가능하고, 또는 차후의 성형공정을 거쳐 고형 연료탄 형태도 가능함은 물론이다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

10. 본체부
20. 호퍼부
30. 교반부
31. 샤프트
40. 열풍공급부
41. 열풍공급로
50. 배출부
60. 모터부
61. 벨트

Claims (6)

1. 하수슬러지의 함수율을 저감시켜 연료화하기 위한 하수슬러지 혼합건조장치에 있어서,
   건조공간이 제공되는 중공을 갖춘 본체부;
   상기 본체부 외부 상면 일단에 설치되어 상기 본체부 내부인 중공과 연통하는 호퍼부;
   상기 본체부 내부인 중공에 길이방향으로 일측에서 타측으로 설치되는 하나 의 샤프트와 상기 샤프트 외주연에 설치되는 다수의 패들로 구성되는 교반부;
   상기 본체부 외부 상면에 설치되어 상기 본체부 내부인 중공으로 고온건조한 열풍을 공급하기 위한 열풍공급부;
   상기 본체부 외부 하면 타단에 설치되어 상기 본체부 내부인 중공과 연통하는 배출부;
   상기 교반부의 샤프트를 구동하기 위한 회전력을 제공하는 모터부;
   를 포함하여 구성되어,
   상기 본체부 내부인 중공에서 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치.
   
2. 하수슬러지 연료탄의 제조방법에 있어서,
   ⅰ) 하수슬러지를 혼합건조장치에 투입하는 단계;
   ⅱ) 상기 하수슬러지에 목분, 왕겨분 및 폐유를 첨가하는 단계;
   ⅲ) 상기 ⅰ)과 ⅱ)의 혼합물을 교반 및 열풍건조하는 단계;
   ⅳ) 상기 건조된 하수슬러지 연료탄을 수거하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 ⅰ) 하수슬러지를 혼합건조장치에 투입하는 단계에서,
   상기 혼합건조장치는 제 1항의 혼합공정, 열풍건조공정 및 분쇄공정이 동시에 수행되는 일체형 하수슬러지 혼합건조장치인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   ⅱ) 상기 하수슬러지에 목분, 왕겨분 및 폐유를 첨가하는 단계는,
   하수슬러지 100 중량부에 대하여, 목분 50~200 중량부, 왕겨분 5~40 중량부 및 폐유 1~10 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법.
   
4. 제 2항에 있어서,
   ⅲ) 상기 ⅰ)과 ⅱ)의 혼합물을 교반 및 열풍건조하는 단계에서,
   상기 교반부의 샤프트 회전으로 인한 패들의 스크류 운동에 의해 상기 ⅰ)과 ⅱ)의 혼합물이 균일하게 혼합되며 타단의 배출부를 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법.
   
5. 제 2항에 있어서,
   ⅲ) 상기 ⅰ)과 ⅱ)의 혼합물을 교반 및 열풍건조하는 단계에서,
   상기 열풍공급부는 상압조건에서 100~400℃로 고온건조한 바람을 ⅰ)과 ⅱ)의 혼합물이 있는 밀폐된 공간에 강제적으로 불어넣는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법.
   
6. 제 2항에 있어서,
   ⅳ) 상기 건조된 하수슬러지 연료탄을 수거하는 단계에서,
   상기 건조된 하수슬러지 연료탄은 함수율이 10% 미만인 분말형태인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 연료탄의 제조방법.

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