KR20230001049A - 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄 - Google Patents

하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로, (1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.

Description

하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄{Method for manufacturing high-calorie sludge fuel coal with reduced odor using hybrid hydrothermal carbonization of sewage sludge and sludge fuel coal manufactured by the method}
본원 발명은, 하수슬러지로부터 하이브리드 수열탄화(Hybrid hydrothermal carbonization)반응을 이용하여 악취저감 효과가 우수하고 높은 발열량 가진 고열량 슬러지 연료탄을 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 기술로서, 에너지 수급 문제를 통합적으로 해결하는 것이 가능하고 한국판 그린뉴딜 정책에 기여할 수 있는 저탄소 에너지화 기술이다. 또한 발전소용 신재생에너지의무할당규정(RPS, Renewable Portfolio Standard)에 대응하기에 적합한 고형연료 제조 기술 및 고형연료에 관한 기술인 것이다.
하수슬러지는 대표적인 도시 폐기물로 이를 에너지화 하는 방법은 고형연료로 제조하는 것이다. 고형연료화 방법에는 건조 공정, 탄화 공정, 반탄화 공정 및 수열탄화 공정이 있다.
탄화 및 반탄화 공정은 필수적으로 반응물의 수분을 제거해야하고 수열탄화 반응조에 불활성 기체(아르곤, 질소, 헬륨 등)를 주입하여 산소가 차단된 분위기를 조성해야하는 단점이 있다.
또한 건조 공정은 열원만 있으면 수행할 수 있는 간단하고 일반적인 방법이지만 하수슬러지의 함수율이 약 70~90중량%인 것을 고려하면 건조 과정에서 투입되는 열에너지 수요가 높고 고형연료로써 열량도 높지 않기 때문에 경제적인 측면에서 바람직하지 않다. 그리고 건조 시 발생되는 하수슬러지 악취 발생에 대한 문제는 끊임없이 지적되어 왔으며 이를 해결하기 위한 여러 방법들이 시도되고 있다.
종래의 건조 공정의 문제점을 구체적으로 보면 아래와 같다.
첫째, 열에너지가 소모가 많은 문제점이 있는 것이다. 즉, 고형연료 제조를 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요한 문제점이 있는 것이다.
둘째, 발열량이 낮아 열량 보조제 투입이 필요한 문제점이 있는 것이다. 즉, 선행기술문헌에 따르면, 하수슬러지 고유의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 문제점이 있는 것이다.
셋째, 악취 발생량이 많은 문제점이 있는 것이다. 즉, 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 상당하며 이를 해결하기 위한 수단으로 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템이 발명되었지만, 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입, 탈취 및 배출 설비)가 필수적이라는 문제점이 있는 것이다.
이러한 측면에서 수열탄화 공정은 습식공정이기 때문에 1차 건조 과정이 불필요하여 하수슬러지를 전처리 과정 없이 직접 반응에 사용 가능할 뿐만 아니라, 기존 건조 공정으로부터 생산된 고형연료 보다 발열량이 우수하면서도 악취저감 효과가 높은 기술이다.
대한민국 등록특허공보 10-2037447호(하수 슬러지 진공건조 연료화 시스템) 대한민국 등록특허공보 10-1584621호(하수슬러지를 연료화하기 위한 혼합건조장치 및 하수슬러지 연료탄의 제조방법)
본원 발명은, 하수슬러지 연료탄 제조에 일반적으로 사용되어 왔던 종래의 건조 공정 기술로부터 발생하는 문제점들을 보완 및 개선한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로서, 다음과 같은 해결하고자 하는 과제를 구비한 것이다.
첫째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요하므로 열에너지가 다량 소요되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다.
둘째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조할 경우, 하수슬러지 자체의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 열량 보조제로 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다.
셋째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 상당히 많은 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 수단으로 채택된 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템은 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입 및 배출 설비)가 필수적으로 요구되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하기 위한 목적을 갖는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본원 발명을 통해 달성한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법은, (1) 하수슬러지를 분쇄하는 단계; (2) 목질계 바이오매스 첨가물을 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.
여기서, 상기 하수슬러지는 1종을 이용할 수 있고 2종 이상의 다양한 하수슬러지를 혼합하여 이용할 수도 있는 것으로서, 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.
또한, 상기 목질계 바이오매스 첨가물은 톱밥, 폐목재 등 목질계 바이오매스를 이용하는 것으로서 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.
그리고, 상기 하수슬러지는 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이며(목질계 바이오매스 첨가물 : 하수슬러지 = 1 : 1 ~ 9 중량), 상기 물 또는 스팀은 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이다(하수슬러지 및 목질계 바이오매스 첨가물 : 물 또는 스팀 = 1 : 0.5 ~ 2 중량).
또한, 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계에서 얻어진 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 시키는 과정에서 물 또는 스팀은 수열탄화 반응조의 용량과 공정 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되도록 반응시키는 것이 바람직한 것인데, 상기 수열탄화 반응시키는 단계는 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 바람직한 것이며, 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 더욱 바람직한 것이다.
그리고, 상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물은 정수처리장치로 이송되어 정수처리한 후, 급수탱크로 이송시켜 재사용하는 것으로서, 물의 사용량을 크게 절감시키는 효과를 구비한 것이다.
또한, 상기 혼합 재료를 제조하는 단계에서 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀이 혼합되는 것인데, 이에 더하여 촉매가 추가로 투입되어 혼합될 경우 수 있다.
여기서, 상기 촉매는 원료의 특성에 따라 산 촉매(Acid Catalyst), 염기 촉매(Base Catalyst), 무기금속 촉매(Inorganic Metal Catalyst) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인바, 산촉매는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)과 같은 강산류가 바람직하고, 염기촉매는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기류가 바람직하며, 무기금속 촉매는 염화철(FeCl3, FeCl2), 산화철(Fe2O3)과 같은 철(Iron)계 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직한 것이다.
한편, 본원 발명은, 위에서 설명한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.
종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정을 거쳐 제조된 고형연료의 저위발열량은 평균적으로 3,000kcal/kg 수준에 불과한 것일 뿐 아니라 건조 공정 중에 악취가 다량 발생하는 것이었다. 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정 중에 발생하는 악취 발생으로 인하여 건조 공정을 수행하는 것이 불가능한 것이었을 뿐 아니라, 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정에 의하여 제조된 고형연료의 저위발열량을 높이기 위하여 톱밥을 혼합할 경우에도 약 3,500 kcal/kg 수준에 불과한 것이므로 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정은 수행이 불가능한 것이었다.
이에 비하여 본원 발명의 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)에 따른 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하인 조건을 충족시키는 것이고, 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따른 악취도 300 이하인 조건을 충족시키는 것이므로, 본원 발명은 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄을 바람직한 것으로 제공되는 것이다.
그리고, 본원 발명의 더욱 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량 3,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 10 중량%, 황 0.05 내지 1.0 중량%, 악취도 80 내지 300인 조건을 충족시키는 것이다.
나아가, 본원 발명의 가장 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 조건을 충족시키는 것이다.
본원 발명은, 슬러지 연료탄 제조에 일반적으로 사용되어 왔던 종래의 건조 공정 기술로부터 발생하는 문제점들을 보완 및 개선한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 구비한 것이다.
첫째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지(함수율 70~90중량%)를 함수율 10중량% 이하로 건조시켜야 하며 열풍 건조의 경우, 최대 400℃ 까지 승온이 필요하므로 열에너지가 다량 소요되는 것이라는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.
둘째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조할 경우, 하수슬러지 자체의 발열량이 높지 않아 발전소용 슬러지 연료탄 규격을 맞추기 위해 하수슬러지 대비 열량 보조제로 목재류를 최대 240%까지 첨가해야 하고, 폐유를 최대 10%까지 첨가해야 하며, 필요할 경우 무연탄, 기름 등의 고열량의 열량 보조제도 첨가해야 하는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.
셋째, 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 고형연료를 제조하기 위해서는 하수슬러지를 그대로 건조하기 때문에 악취 발생량이 매우 많은 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 수단으로 채택된 진공 건조와 같은 새로운 건조 시스템은 고가의 부가 설비(진공 설비, 악취 흡입 및 배출 설비)가 필수적으로 요구되는 문제점이 있는데, 본원 발명은 이러한 문제점을 해결한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 고열량 슬러지 연료탄을 제공하는 현저한 효과를 나타내는 것이다.
넷째, 하수슬러지와 첨가물(톱밥, 폐목재)을 혼합하여 종래기술에 따른 건조 공정을 거쳐 슬러지 연료탄을 제조할 경우, 균질성이 낮으므로 연소 시, 성상의 분리 문제나 슬러지 연료탄의 낮은 착화점과 낮은 연소온도 그리고 석탄보다 빨리 연소하는 문제가 발생할 수 있지만, 본원 발명은 하수슬러지와 첨가물(톱밥, 폐목재 등의 목질계 바이오매스)을 혼합하더라도 수열탄화의 화학적 반응을 통해 생성물의 균질성과 연소의 안정성을 향상시키는 효과를 구비한 것이다.
다섯째, 본원 발명의 하이브리드 수열탄화 공정에서 소모되는 열에너지는 220kcal/kg인 것인데 비하여, 종래의 건조 공정에서 소모되는 열에너지인 640kcal/kg인 것이어서, 본원 발명에서 소모되는 열에너지는 종래의 건조 공정에서 소모되는 열에너지의 33%수준인 것이므로 에너지 효율이 매우 높은 현저한 효과를 구비한 것이다. 나아가 본원 발명은 200~250℃ 낮은 온도에서 1~2시간 내로 신속하게 진행되기 때문에 공정의 경제성 측면에서도 매우 우수한 효과를 구비한 것이다.
여섯째, 종래기술에 따른 건조 공정에서 목재류를 혼합하여 하수슬러지를 건조하는 물리적 처리와 달리, 본원 발명의 수열탄화는 화학적인 처리로써 원료에 포함된 수소와 산소 비율을 낮추고 고정탄소를 높여주기 때문에 톱밥을 소량 첨가하더라도 발열량이 높아(저위발열량 5,000kcal/kg 이상) 열량 보조제 첨가가 불필요한 효과를 구비한 것이며, 게다가 이러한 수열탄화(화학적 처리)를 통해 악취원인물질을 제거하여 악취저감 효과 또한 매우 우수한 것이다.
도 1은 본원 발명의 실시예에 따른 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 고열량 및 악취저감 슬러지 연료탄의 제조 장치의 구성도이다.
도 2은 하수슬러지 원물, 하수슬러지와 톱밥을 혼합한 혼합물에 대해 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1), 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 고위발열량을 비교한 그래프이다.
도 3은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)의 주요 항목과 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 특성을 비교한 표이다.
본원 발명은 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 생산이 불가능했던 하수슬러지의 고열량 및 악취저감 효과가 우수한 슬러지 연료탄 제조를, 하이브리드 수열탄화를 통해 생산해 낼 수 있는 기술을 제공한다.
본원 발명에서 하수슬러지라 함은 하수 처리로부터 남은 잔유물로서 일차적인 물리적 처리로부터 생성되는 유기성 폐기물을 포함한다.
본원 발명에서 수열탄화라 함은 물의 초임계 조건(374℃, 221.1bar) 이하의 압력과 온도에서 증기(고온중압) 혹은 물(중온고압)의 형태일 때 이온성이 최대가 되고 유전율이 감소하는 성질을 이용하여 수열을 가하여 유기물을 가수분해 및 탈카르복실화 반응을 일으켜 수소와 산소의 양을 줄여주고 탄소의 양을 늘려줌에 따라 고정탄소의 양을 높여 최종적으로 생성된 고형연료의 열량을 높여주고 악취원인물질을 줄여주어 악취를 저감할 수 있는 반응이다. 수열탄화의 온도와 압력은 200~250℃, 20~40bar의 조건이며 이상의 압력을 견딜 수 있는 용기 안에서 1~2시간 정도 공정시간을 두어 습식탄화시키는 것을 특징으로 한다.
또한 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 고열량 및 악취저감 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 주요 품질 규격(GR M 9018-2019), 즉 저위발열량 3,500kcal/kg 이상, 수분 10중량% 이하, 황 1.0중량% 이하, 악취도 300 이하의 조건을 만족하는 것으로 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본원 발명을 통해 달성한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법은, (1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계; (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계; (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계; (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및 (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하, 악취도 300 이하인 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.
여기서, 상기 하수슬러지는 1종을 이용할 수 있고 2종 이상의 다양한 하수슬러지를 혼합하여 이용할 수도 있는 것으로서, 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.
또한, 상기 목질계 바이오매스 첨가물은 톱밥, 폐목재 등 목질계 바이오매스를 이용하는 것으로서 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것이 더욱 바람직한 것이며, 0.1 내지 0.5mm의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직한 것이다.
그리고, 상기 하수슬러지는 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이며(목질계 바이오매스 첨가물 : 하수슬러지 = 1 : 1 ~ 9 중량), 상기 물 또는 스팀은 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직한 것이다(하수슬러지 및 목질계 바이오매스 첨가물 : 물 또는 스팀 = 1 : 0.5 ~ 2 중량).
또한, 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계에서 얻어진 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 수열탄화 시키는 과정에서 물 또는 스팀은 수열탄화 반응조의 용량과 공정 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되도록 반응시키는 것이 바람직한 것인데, 상기 수열탄화 반응시키는 단계는 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 것이 더욱 바람직한 것이다.
그리고, 상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물은 정수처리장치로 이송되어 정수처리한 후, 급수탱크로 이송시켜 재사용하는 것으로서, 물의 사용량을 크게 절감시키는 효과를 구비한 것이다.
또한, 상기 혼합 재료를 제조하는 단계에서 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀이 혼합되는 것인데, 이에 더하여 촉매가 추가로 투입되어 혼합될 경우 수 있다.
여기서, 상기 촉매는 원료의 특성에 따라 산 촉매(Acid Catalyst), 염기 촉매(Base Catalyst), 무기금속 촉매(Inorganic Metal Catalyst) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인바, 산촉매는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)과 같은 강산류가 바람직하고, 염기촉매는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기류가 바람직하며, 무기금속 촉매는 염화철(FeCl3, FeCl2), 산화철(Fe2O3)과 같은 철(Iron)계 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직한 것이다.
한편, 본원 발명은, 위에서 설명한 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄에 관한 것이다.
종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정을 거쳐 제조된 고형연료의 저위발열량은 평균적으로 3,000kcal/kg 수준에 불과한 것일 뿐 아니라 건조 공정 중에 악취가 다량 발생하는 것이었다. 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정 중에 발생하는 악취 발생으로 인하여 건조 공정을 수행하는 것이 불가능한 것이었을 뿐 아니라, 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정에 의하여 제조된 고형연료의 저위발열량을 높이기 위하여 톱밥을 혼합할 경우에도 약 3,500 kcal/kg 수준에 불과한 것이므로 종래기술에 따른 하수슬러지의 건조 공정은 수행이 불가능한 상황인 것이었다.
이에 비하여 본원 발명의 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)에 따른 저위발열량 3,500 kcal/kg 이상, 수분 10 중량% 이하, 황 1.0 중량% 이하인 조건을 충족시키는 것이고, 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따른 악취도 300 이하인 조건을 충족시키는 것이므로, 본원 발명은 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄을 바람직한 것으로 제공되는 것이다.
그리고, 본원 발명의 더욱 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량 3,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 10 중량%, 황 0.05 내지 1.0 중량%, 악취도 80 내지 300인 조건을 충족시키는 것이다.
나아가, 본원 발명의 가장 바람직한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄은저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 조건을 충족시키는 것이다.
본원 발명의 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법을 수행하기 위한 장치에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다.
본원 발명에 따른 장치는 하수슬러지와 톱밥, 폐목재 등의 원료를 일정 비율로 혼합 및 공급하기 위한 원료 공급기(15); 물 또는 스팀을 공급하기 위한 급수탱크(30); 공급된 물과 상기 원료를 혼합 교반하면서, 상기 원료의 발열량 증진과 악취원인물질 제거를 위한 수열탄화 공정이 진행되는 수열탄화 반응조(45); 상기 수열탄화 반응조(45)의 수열탄화 공정으로 생성된 탄화물을 탈수하면서 펠렛 등의 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 성형 탈수기(60); 상기 펠렛 등의 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조기(90)를 포함한다.
그리고, 상기 성형 탈수기(60)에서 출력되는 물을 정수처리하여 상기 급수탱크(30)로 피드백하는 정수처리장치(75)를 더 포함한다. 수열탄화 반응조(45) 안에는 혼합이 잘되도록 교반기가 구비되어 있으며 수열탄화 반응조(45)는 최대 40bar, 280℃를 견딜 수 있는 압력용기로 만들어지고, 상부와 하부에는 개폐할 수 있는 게이트를 설치하여 상부로 공급되는 원료의 주입이 가능하도록 한다.
또한 생산량을 증진을 목적으로 두 개 이상의 수열탄화 반응조(45)를 배치하여 운전할 수 있으며 수열탄화 과정이 종료된 후 아직 남아 있는 폐열을 다른 수열탄화 반응조(45)에서 활용할 수 있는 방식으로 연결할 수 있다.
수열탄화 반응조(45) 하부는 반응물이 성형 탈수기(60)로 갈 수 있도록 하며, 수열탄화반응의 핵심이 될 수열탄화 반응조(45)에는 급수탱크(30)를 연결하여 필요한 물을 톱밥, 폐목재 등의 원료에 비해 무게기준으로 0.5~2배까지 공급한다.
성형 탈수기(60)는 필터 프레스 방식을 사용하고, 폐수는 정수처리장치(75)에서 활성슬러지법이나 역삼투압법에 의해 처리 및 정수된 후 급수탱크(30)로 보내져서 재활용한다.
성형 탈수기(60)와 정수처리장치(75)는 필요에 따라 다른 방식으로 구현할 수 있다. 성형 탈수기(60)를 통해 성형이 된 반응물은 건조기(90)에서 저온 건조를 통해 건조된 후 최종 슬러지 연료탄(100)으로 생산이 된 다음에 저장조로 옮겨지게 된다. 이 모든 과정은 배치 생산방식을 기본으로 하는 구상이지만 공급되는 연료가 정형화되고 게이트의 개폐 등 공정을 자동화하여 연속운전 방식으로 구성할 수 있다.
물은 수열탄화 반응조(45)의 용량과 총 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되게 한다. 공정 중에 반응물들(하수슬러지, 톱밥, 폐목재, 물)이 잘 혼합되도록 교반을 해준다. 성형 제조된 슬러지 연료탄은 필요에 따라 자연건조 또는 열풍건조를 할 수 있다. 분자구조 내의 수분은 제거가 된 상태이기 때문에 100℃ 이하의 저온 건조로 짧은 시간 안에 충분히 건조 시킬 수 있다.
원료(하수슬러지와 톱밥, 폐목재)는 무게비 기준으로 물의 0.5~2배를 공급한다. 필요에 따라 원료(하수슬러지와 톱밥, 폐목재) 간의 비율을 바꿀 수 있으며 중량 기준으로 하수슬러지를 톱밥의 1~9배까지 공급한다. 또한 목질계 폐 바이오매스(폐목재 등)를 사용할 수도 있다. 하수슬러지는 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상의 다른 종류의 슬러지를 혼합하여 사용할 수도 있다.
[실시예 1]
하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 통해 슬러지 연료탄을 제조하였으며 하수슬러지와 톱밥을 동일한 비율로 혼합하여 수열탄화를 통해 다음과 같은 방법으로 슬러지 연료탄을 제조하였다.
하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하고 그 혼합물의 0.5~2배가 되게 중량 기준으로 물을 공급 및 혼합하였으며 이를 1L 수열탄화 반응조(45)에 공급하고 200~250℃까지 승온하여 1~2시간 동안 수열탄화를 수행하였다.
수열탄화 후, 생성물은 고액분리를 위해 Watman#1 여과지와 감압플라스크를 사용하여 진공 분리하였으며 고형물은 90℃에서 강제 순환 건조기(90)에서 건조한 후, Bomb Calorimeter(Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter)를 통해 고위발열량을 측정하였다.
[비교예 1]
하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하여 종래기술에 따른 건조 공정에 의하여 다음과 같은 방법으로 슬러지 연료탄을 제조하였다.
하수슬러지와 톱밥을 혼합하고 그 혼합물을 강제 순환 건조기(90)에서 90℃에서 건조하여 슬러지 연료탄을 제조하였으며 Bomb Calorimeter(Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter)를 통해 고위발열량을 측정하였다.
하수슬러지 원물/ 비교예 1(건조 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)/ 실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄) 각각에 따른 고위발열량을 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하여 설명하면, 하수슬러지 원물, 하수슬러지와 톱밥을 일정한 중량비로 혼합하고 그 혼합물에 대해 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1), 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 고위발열량은 각각 2,830kcal/kg, 3,840kcal/kg, 5,480kcal/kg으로 측정되었는바, 이러한 결과는 수열탄화 공정을 거친 슬러지 연료탄(실시예 1)의 발열량이 건조 공정을 거친 슬러지 연료탄(비교예 1)의 발열량 대비 약 43% 증진되었음을 확인할 수 있다.
실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)의 저위발열량, 회분, 수분, 황 함량을 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)과 대비하기 위하여, 환경부고시 제2020-219호(고형연료제품 품질 시험·분석방법)에 따라 열중량분석기(TGA-701 Proximate Analyzer), 황분석기(SC-832DR Sulfur Analyzer), 원소분석기(SC-832DR Sulfur Analyzer), 발열량분석기(AC600 Semi-auto Calorimeter) 등의 분석 장비를 사용하여 공업분석, 원소분석, 고위 및 저위발열량을 측정하였다.
또한, 실시예 1(수열탄화 공정에 의하여 제조된 슬러지 연료탄)의 악취를 국립환경과학원고시 제2019-17호(악취공정시험기준)에 따라 가스크로마토그래피(GC2010 Plus GC), 고성능 액체크로마토그래피 (LC-20A Series HPLC) 등의 장비를 사용하여 주요 악취원인물질 15종의 농도와 복합악취도를 측정하였다.
위와 같이 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하여 설명하면, 상기 발명의 효과에서 언급한 것과 같이, 본원 발명에 따른 하수슬러지의 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 고열량 슬러지 연료탄은 저위발열량이 5,170kcal/kg이고 복합악취도가 144인 것으로서 고열량 및 악취저감 효과가 매우 탁월한 것일 뿐 아니라, 회분이 13.3중량%이고 수분이 2.4중량%이며 황 0.3%인 것이어서 모든 지료가 발전용 하수슬러지 연료탄 품질 규격(GR M 9018-2019)의 규정 값 보다 매우 우수한 것이라는 점이 확인된 것이다.
15: 원료공급기
30: 급수탱크
45: 수열탄화 반응조
60: 성형 탈수기
75: 정수처리장치
90: 건조기
100: 슬러지 연료탄

Claims (15)

  1. (1) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 하수슬러지를 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계;
    (2) 1종 또는 2종 이상이 혼합된 목질계 바이오매스 첨가물을 0.05 내지 2mm의 크기로 분쇄하는 단계;
    (3) 분쇄된 상기 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물에, 물 또는 스팀을 혼합하여 혼합 재료를 제조하는 단계;
    (4) 상기 혼합 재료를 수열탄화 반응조에 투입하고 산소를 차단하고 교반기가 갖추어진 수열탄화 반응조 안에서 온도 200 내지 250℃, 압력 20 내지 40bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계;
    (5) 상기 수열탄화 반응에 의하여 생성된 탄화물을 성형 탈수기로 이송하고 성형 및 탈수하는 단계; 및
    (6) 상기 성형 및 탈수된 탄화물을 건조하는 단계;를 포함하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하수슬러지를 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 목질계 바이오매스 첨가물을 0.1 내지 1mm의 크기로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하수슬러지는 목질계 바이오매스 첨가물의 1 내지 9배의 중량으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물 또는 스팀은 분쇄된 하수슬러지 및 분쇄된 상기 목질계 바이오매스 첨가물의 0.5 내지 2배의 중량으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수열탄화 반응시키는 단계는 온도 210 내지 230℃, 압력 25 내지 35bar를 유지하여 1 내지 2시간 수열탄화 반응시키는 단계인 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 성형 탈수기 내에서 성형 및 탈수하는 단계에서 회수된 물을 정수처리장치에서 정수처리하여 급수탱크로 이송시켜 재사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 재료를 제조하는 단계에서 촉매가 더욱 혼합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매는 산 촉매(Acid Catalyst), 염기 촉매(Base Catalyst), 무기금속 촉매(Inorganic Metal Catalyst) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산 촉매는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4)과 같은 강산류인 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 염기 촉매(Base Catalyst)는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)과 같은 강염기류인 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 무기금속 촉매는 염화철(FeCl3, FeCl2), 산화철(Fe2O3)인 것과 같은 철(Iron)계 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하이브리드 수열탄화를 이용한 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄 제조 방법.
  13. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의하여 제조된 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 슬러지 연료탄은 저위발열량 3,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 10 중량%, 황 0.05 내지 1.0 중량%, 악취도 80 내지 300인 것을 특징으로 하는 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 슬러지 연료탄은 저위발열량 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 수분 1 내지 7 중량%, 황 0.05 내지 0.7 중량%, 악취도 80 내지 250인 것을 특징으로 하는 악취가 저감된 고열량 슬러지 연료탄.
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