KR20220086105A - 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜은 수분 함량이 1 중량% 미만인 하수 슬러지와 콜타르를 포함하되, 상기 하수 슬러지 100 중량% 대비 상기 콜타르를 50 중량% 이상 포함한다.

Description

하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 및 이의 제조방법{BIOCOAL USING SEWAGE SLUDGE AND COAL TAR SLUDGE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 및 이의 제조방법 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코크스 제조 공정에서 발생된 콜타르 슬러지와 하수 슬러지를 이용한 바이오콜 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 제철소 고로공정은 철광석으로부터 쇳물을 생산하기 위해 코크스를 사용한다.

코크스는 여러 종류의 석탄을 혼합하여 혼합된 석탄을 코크스 오븐에 투입한 후, 약 1000℃ 온도의 무산소 분위기 하에서 건류함으로써 제조되며, 코크스 제조 시 석탄 내 휘발성 성분은 콜타르와 같은 부산물로 제거된다.

하지만 석탄 기반의 코크스는 연소과정에서 온실가스가 발생되기 때문에 코크스의 사용량을 감소시켜야 하며, 이를 위해 코크스의 원료인 석탄을 대체할 수 있는 새로운 형태의 에너지원에 대한 개발이 필요한 실정이다.

또한, 하수를 처리하는 과정에서 침전분리되는 진흙상태의 물질인 하수 슬러지는 미생물로 구성되어 있어 바이오매스로 분류되고 있는 일반폐기물이다. 생활수준의 향상으로 인해 하수처리량이 증가하여 하수슬러지의 발생량은 지속적으로 증가하고 있지만 하수슬러지 처리방안은 매우 제한적이라는 문제점을 가지고 있다. 온실가스 감축효과을 인정해주고 있는 바이오매스인 하수슬러지 뿐만 아니라 코크스공장에서 발생하는 부산물인 콜타르 슬러지와 같은 오염물질에 대한 처리도 함께 필요하다.

본 발명은 코크스의 원료인 석탄을 대체할 수 있으며, 하수 슬러지 및 석탄에서 발생되는 온실가스를 감소시킬 수 있는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 수분 함량이 1 중량% 미만인 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 포함하되, 상기 하수 슬러지 100 중량% 대비 상기 콜타르 슬러지를 50 중량% 이상 포함하는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜을 개시한다.

또한, 상기 콜타르 슬러지의 연화점은 80 내지 100℃일 수 있다.

또한, 상기 콜타르 슬러지는 코크스 제조 공정에서 발생될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 하수 슬러지를 건조하여 수분 함량을 1 중량% 미만으로 제어하는 하수 슬러지 건조 단계; 상기 건조된 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 혼합하되, 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 슬러지 50 중량% 이상의 비율로 혼합하는 원료 혼합 단계; 상기 원료 혼합 단계를 통해 혼합된 원료를 가압하는 혼합 원료 가압 단계; 및 상기 혼합 원료 가압 단계를 거쳐 가압된 혼합 원료를 질소 분위기에서 열처리하는 열처리 단계;를 포함하는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법을 개시한다.

또한, 상기 혼합 원료 가압 단계는 10 내지 20 기압에서 진행될 수 있다.

또한, 상기 열처리 단계는 350 내지 500℃에서 진행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용하여 바이오콜을 제조하기 때문에 온실가스를 감소시킬 수 있으며, 콜타르 슬러지를 재활용하기 때문에 폐기물 처리 비용을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바이오콜은 수분 함량이 1 중량% 미만인 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 슬러지를 50 중량% 이상 포함하기 때문에 강도가 높아 제품의 품질특성이 우수한 바이오 코크스를 제조할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명에 따른 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜은 수분 함량이 1 중량% 미만인 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 포함하되, 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 슬러지를 50 중량% 이상 포함한다. 여기서, 하수 슬러지는 생활 하수에서 발생되는 하수 슬러지를 의미한다. 콜타르 슬러지는 코크스오븐가스의 냉각과정에서 발생되는 부산물을 의미하며, 석탄 유래 코크스 제조 공정에서 발생된다.

본 발명에 따른 바이오콜은 하수 슬러지의 수분 함량이 1 중량% 미만이다.

하수 슬러지의 수분 함량이 1 중량% 이상인 경우에는 하수 슬러지 내 수분으로 인해 콜타르 슬러지와 혼합이 어려우며, 조개탄 형상의 형상을 갖출 수가 없다. 따라서, 하수 슬러지의 수분 함량은 1 중량% 미만으로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 하수 슬러지와 콜타르 슬러지의 혼합 비율은 1 : 0.5 이상이다.

바이오콜을 고온에서 탄화하여 제조한 바이오 코크스의 강도 수준을 만족하기 위해서는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지의 혼합 비율이 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 50 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 하수 슬러지가 혼합 비율보다 많을 시에는 바이오 코크스의 강도가 낮아져 바이오 코크스의 품질특성을 만족하지 못하게 된다. 따라서, 하수 슬러지 1g에 대하여 콜타르 슬러지를 0.5g 이상 혼합하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 하수 슬러지 1g에 대하여 콜타르 슬러지를 0.5g 내지 0.6g 혼합할 수 있다.

또한, 콜타르 슬러지의 연화점(softening point)은 80 내지 100℃이다.

콜타르 슬러지의 연화점이 100℃보다 높을 경우, 콜타르 슬러지의 유동성이 떨어져서 하수 슬러지와 혼합되기 곤란하며, 이로 인해 하수 슬러지와 콜타르 슬러지가 균일하게 혼합되지 않는 특성을 보인다. 또한, 콜타르 슬러지의 연화점이 80℃보도 낮을 시에는 콜타르 슬러지 성분이 대기중으로 휘발되어 하수 슬러지와 혼합성형이 어렵기 때문에 콜타르 슬러지의 연화점은 80 내지 100℃로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서, 연화점은 환구법(ring and ball test)에 의한 온도이며, 보다 상세하게는 강구가 두께 25mm 위치의 바닥판에 도달했을 때의 온도계의 눈금을 의미한다.

이하에서는 본 발명에 따른 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법에 대해 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법은 하수 슬러지 건조 단계(S110), 원료 혼합 단계(S120), 혼합 원료 가압 단계(S130) 및 열처리 단계(S140)를 포함한다.

하수 슬러지 건조 단계(S110)는 하수 슬러지를 건조하여 수분 함량을 1 중량% 미만으로 제어한다.

원료 혼합 단계(S120)는 건조된 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 혼합하되, 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 슬러지 50 중량% 이상의 비율로 혼합한다.

하수 슬러지의 수분 함량 및 혼합 비율에 대한 한정 이유는 상술한 바와 같아 생략한다.

혼합 원료 가압 단계(S130)는 원료 혼합 단계(S120)를 통해 혼합된 원료를 가압하여 조개탄 형태의 바이오콜을 제조한다.

혼합 원료 가압 단계(S130)는 10 내지 20 기압(atm)에서 진행될 수 있다. 혼합 원료 가압 단계(S130)가 20 기압보다 높은 기압에서 진행될 경우, 콜타르 슬러지의 유동성으로 인해 하수 슬러지와 콜타르 슬러지의 균일한 혼합이 곤란하게 된다. 또한, 10 기압보다 낮은 기압에서 진행될 경우, 압력이 너무 낮아 하수 슬러지와 콜타르 슬러지의 균일 혼합이 곤란하기 때문에 혼합 원료 가압 단계(S130)는 10 내지 20 기압(atm)에서 진행되는 것이 바람직하다.

열처리 단계(S140)는 혼합 원료 가압 단계를 거쳐 가압된 혼합 원료를 질소 분위기에서 열처리한다.

열처리 단계(S140)는 350 내지 500℃에서 진행될 수 있다.

열처리 온도가 500℃보다 높을 경우, 콜타르 슬러지의 휘발성분이 휘발되어 바이오콜을 제조할 수 없으며, 350℃보다 낮을 경우, 콜타르 슬러지의 유동성 저하로 인해 하수 슬러지와 콜타르 슬러지의 밀착성이 떨어져 바이오콜 제조가 곤란하다.

열처리 단계(S140)를 거친 바이오콜은 마무리열처리를 통해 최종 제품인 바이오 코크스 형태로 제조될 수 있다. 마무리열처리는 무산소 분위기의 900℃ 이하에서 진행될 수 있다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

본 발명에서는 표 1과 같이 수분 함량, 연화점 및 혼합 비율을 제어하여 바이오콜을 제조한 후, 무산소 분위기에서 900℃ 열처리를 통해 바이오 코크스를 제조하였다. 제조된 바이오 코크스는 드럼 인덱스(Drum Index: DI)로 표기되는 강도를 측정하여 표 1에 기재하였다.

코크스 강도는 상온에서 일정량의 코크스를 드럼에 넣고 드럼을 회전시킨 후 전량을 체분하여 일정 크기(15mm) 이상 되는 코크스 함량을 백분율로 나타낸 것이다. 이것은 상온에서 코크스의 분화특성을 평가하는 것으로 미분으로 분화되는 함량이 작을수록 코크스 강도가 높은 것을 의미한다. 따라서, 드럼 인덱스(Drum Index: DI)로 표기되는 코크스 강도는 DI 지수가 높을수록 고강도 코크스로 평가된다.

구분	수분 함량 (중량%)	연화점 (℃)	혼합 비율 (하수 슬러지 : 콜타르 슬러지)	열처리 온도(℃)	Drum Index(DI)
발명예 1	1 미만	80	1 : 0.5	900	85
발명예 2	1 미만	100	1 : 0.5	900	83
발명예 3	1 미만	100	1 : 0.6	900	84
비교예 1	2	100	1 : 0.5	900	75
비교예 2	1 미만	50	1 : 0.5	900	73
비교예 3	1 미만	100	1 : 0.3	900	65

표 1을 살펴보면, 발명예 1 내지 3은 수분 함량이 1 중량% 미만이고, 연화점이 80 내지 100℃이며, 혼합 비율이 1 : 0.5 이상으로, 900℃ 열처리 시 바이오 코크스의 강도인 DI지수가 83 이상으로 나타났다.

반면, 비교예 1은 수분 함량이 2 중량%로, 900℃ 열처리 시 DI지수가 75로 나타나 하수 슬러지의 수분 함량이 높아짐에 따라 최종 제품인 바이오 코크스의 강도가 저하됨을 확인하였다.

또한, 비교예 2는 연화점이 50℃로, 본 발명의 연화점 범위를 벗어나고 있으며, DI지수가 73으로 나타나 연화점에 따라 최종 제품인 바이오 코크스의 강도가 저하됨을 확인하였다.

아울러 비교예 3의 경우, 수분 함량 및 연화점은 본 발명의 범위를 만족하나, 혼합 비율이 1 : 0.3으로, 하수 슬러지의 비율이 높아 최종 제품인 바이오 코크스의 강도가 저하됨을 확인하였다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 수분 함량이 1 중량% 미만인 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 포함하되, 상기 하수 슬러지 100 중량% 대비 상기 콜타르 슬러지를 50 중량% 이상 포함하는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜.
2. 제1항에 있어서,
   상기 콜타르 슬러지의 연화점은 80 내지 100℃이며, 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜.
3. 제1항에 있어서,
   상기 콜타르 슬러지는 코크스 제조 공정에서 발생된 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜.
4. 하수 슬러지를 건조하여 수분 함량을 1 중량% 미만으로 제어하는 하수 슬러지 건조 단계;
   상기 건조된 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 혼합하되, 하수 슬러지 100 중량% 대비 콜타르 슬러지 50 중량% 이상의 비율로 혼합하는 원료 혼합 단계;
   상기 원료 혼합 단계를 통해 혼합된 원료를 가압하는 혼합 원료 가압 단계; 및
   상기 혼합 원료 가압 단계를 거쳐 가압된 혼합 원료를 질소 분위기에서 열처리하는 열처리 단계;를 포함하는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 혼합 원료 가압 단계는 10 내지 20 기압에서 진행되는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 열처리 단계는 350 내지 500℃에서 진행되는 하수 슬러지와 콜타르 슬러지를 이용한 바이오콜 제조방법.

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