[논문]하수 슬러지의 열분해 및 연소 Kinetics 연구

노선아

doi:10.7844/kirr.2014.23.6.47

하수 슬러지의 열분해 및 연소 Kinetics 연구
A Kinetic Studies of Pyrolysis and Combustion of Sewage Sludge 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.23 no.6, 2014년, pp.47 - 53

초록
AI-Helper

런던협약으로 인하여 하수 슬러지 및 유기성 폐기물의 해양투기가 전면 금지되어 이의 효과적인 처리 및 에너지 전환 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 하수 슬러지의 빠른 감량과 에너지화가 가능한 열적 에너지 전환 기술의 적용을 위해서는 하수 슬러지의 열분해 및 연소 특성에 대한 기본적인 kinetics 자료가 필수적이다. 본 연구에서는 열중량 분석기(thermogravimetric analyzer, thermobalance)를 이용하여 하수 슬러지의 열분해 및 연소 kinetics를 도출하였다. 열분해의 경우 총 세 단계의 반응이 일어나 각각에 대하여 subtraction method에 의하여 activation energy와 빈도 인자를 도출하였다. 촤 연소의 경우 반응 kinetics 해석은 기체-고체 화학반응의 세 가지 모델이 이용되었고 shrinking core model이 연소 특성을 가장 잘 나타내어 이 모델을 기준으로 activation energy와 빈도 인자를 도출하고 산소농도 영향을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effective treatment and energy conversion technologies are necessary due to the ban of the dumping of organic waste including the sewage sludge. In this study, the kinetics of pyrolysis and combustion were derived in a TGA and thermobalance reactor, which is essential for thermal conversion of sewage sludge to energy. Three steps are shown for the pyrolysis in TGA and the different pre-exponential factors and activation energies are derived depending on the temperature range. Three models of gassolid reaction were applied to the reaction kinetics analysis for the combustion of sewage sludge char and shrinking core model was an appropriated model. Apparent activation energy and pre-exponential factor were evaluated and the effect of oxygen partial pressure was examined.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 하수 슬러지의 열분해를 통한 탈휘발 특성을 thermogravimetric analyzer (TGA)에서, 하수 슬러지 촤(char)의 연소 반응 특성을 thermobalance에서 분석하고 kinetics를 고찰하였다. 하수 슬러지의 탈휘발은 질소 조건하에서 비등온 실험을 통하여 수행되었으며 각 온도 구간별로 kinetics를 도출하였다.

가설 설정

. 고체 입자 전체에서 균일한 반응이 일어난다고 가정한 volumetric reaction model과 촤 입자의 외부표면에서 연소 반응이 시작하여 내부로 이동되며 고체 입자의 직경이 줄어들면서 반응하는 것으로 가정한 shrinking core model, volumetric reaction model을 기본으로 속도가 전환율에 따라 변하는 것으로 가정한 modified volumetric reaction model의 세 가지 모델이 이용되었으며 모델에 대한 설명은 다음과 같다.

제안 방법

전체 시스템은 시료의 중량 변화를 시간에 따라 측정하고 기록하기 위한 중량 분석 시스템, 하수 슬러지 촤와 반응할 산소와 질소의 공급 시스템으로 이루어져 있다. Thermobalance는 외부 furnace 안에 내경 6 cm의 관형 alumina가 설치된 형태로 시료의 중량 변화를 분석하는 저울과 시료를 담는 알루미나 접시와 이 접시를 받치는 기둥이 한 시스템으로 위아래로 움직이면서 시료를 투입하도록 설계되었다. 시료의 투입 후 연소에 따른 전체 중량 변화는 30초 간격으로 computer에 기록되게 된다.
6 atm으로 변화시키며 thermoblance에서 살펴보았다. 반응 온도가 올라갈수록 산소의 분압이 증가할수록 하수 슬러지의 연소 반응 속도는 증가하였으며, 세 가지 기-고체 화학반응모델을 이용하여 분석을 수행하였다. 이 중 하수 슬러지 촤의 연소는 shrinking core model이 kinetics 분석에 가장 적합한 것으로 나타났으며, activation energy 는 13.
반응기 내부에 시료가 위치하게 되면 잔류 수분 및 휘발분을 제거하기 위하여 중량 변화가 나타나지 않을 때까지 일정 시간을 기다린 후 반응 가스인 산소를 투입하게 된다. 산소를 투입하면서 연소로 인한 중량 변화를 저울을 이용하여 측정하게 되며, 반응기체의 총 투입유량은 400 ml/min이고 이 중 산소의 분압은 0.2, 0.4, 0.6 atm이 되도록 투입되었다.
실험방법은 thermobalance의 온도를 650℃ - 900℃로 설정한 후 온도가 안정화되면 carrier gas인 질소를 흘린 상태에서 0.5 g의 시료를 알루미나 접시(내경 3 cm)에 담아 반응기 내부로 투입하게 된다. 반응기 내부에 시료가 위치하게 되면 잔류 수분 및 휘발분을 제거하기 위하여 중량 변화가 나타나지 않을 때까지 일정 시간을 기다린 후 반응 가스인 산소를 투입하게 된다.
촤의 연소 특성 실험은 thermobalance를 사용하여 수행하였다. 연소시 반응 온도의 영향을 살펴보기 위하여 650℃, 700℃, 750℃, 800℃, 850℃℃, 900℃로 연소 반응의 온도를 변화시키고 산소의 분압에 대한 영향을 살펴보기 위하여 산소의 분압은 0.2 atm, 0.4 atm, 0.6 atm으로 변화시켰다. Fig.
촤의 연소 특성 실험은 thermobalance를 사용하여 수행하였다. 연소시 반응 온도의 영향을 살펴보기 위하여 650℃, 700℃, 750℃, 800℃, 850℃℃, 900℃로 연소 반응의 온도를 변화시키고 산소의 분압에 대한 영향을 살펴보기 위하여 산소의 분압은 0.
하수 슬러지 촤의 연소는 산소와 질소의 혼합 기체 상에서 수행되었으며 650℃에서 900℃까지의 온도 조건에서 반응 온도의 변화와 함께 투입 기체의 산소 분압을 변화시키면서 thermobalance 내에서 중량 변화를 고찰하였다. 촤의 연소는 volumetric model, shrinking core model, modified volumetric model의 세 가지 형태로 분석하고, activation energy 및 pre-exponential factor를 이용하여 kinetic equation을 도출하였으며 실제 전환율과 비교하였다.
하수 슬러지 촤의 연소 특성을 반응 온도 650℃-900℃에서 산소 분압을 0.2, 0.4, 0.6 atm으로 변화시키며 thermoblance에서 살펴보았다. 반응 온도가 올라갈수록 산소의 분압이 증가할수록 하수 슬러지의 연소 반응 속도는 증가하였으며, 세 가지 기-고체 화학반응모델을 이용하여 분석을 수행하였다.
하수 슬러지의 탈휘발은 질소 조건하에서 비등온 실험을 통하여 수행되었으며 각 온도 구간별로 kinetics를 도출하였다. 하수 슬러지 촤의 연소는 산소와 질소의 혼합 기체 상에서 수행되었으며 650℃에서 900℃까지의 온도 조건에서 반응 온도의 변화와 함께 투입 기체의 산소 분압을 변화시키면서 thermobalance 내에서 중량 변화를 고찰하였다. 촤의 연소는 volumetric model, shrinking core model, modified volumetric model의 세 가지 형태로 분석하고, activation energy 및 pre-exponential factor를 이용하여 kinetic equation을 도출하였으며 실제 전환율과 비교하였다.
Ash는 27 wt% 가량 존재하여 산소(O) 성분 이외에 가연 성분은 대부분 탄소(C)의 형태로 존재하며 발열량은 4,081 kcal/kg으로 나타났다. 하수 슬러지의 촤는 Table 2와 같이 튜브형 furnace를 이용하여 900℃ 조건에서 질소를 흘려주면서 열분해 조건을 만들어 공기와의 접촉을 차단하여 탈휘발 시켜 제조하였다.
본 연구에서는 하수 슬러지의 열분해를 통한 탈휘발 특성을 thermogravimetric analyzer (TGA)에서, 하수 슬러지 촤(char)의 연소 반응 특성을 thermobalance에서 분석하고 kinetics를 고찰하였다. 하수 슬러지의 탈휘발은 질소 조건하에서 비등온 실험을 통하여 수행되었으며 각 온도 구간별로 kinetics를 도출하였다. 하수 슬러지 촤의 연소는 산소와 질소의 혼합 기체 상에서 수행되었으며 650℃에서 900℃까지의 온도 조건에서 반응 온도의 변화와 함께 투입 기체의 산소 분압을 변화시키면서 thermobalance 내에서 중량 변화를 고찰하였다.

대상 데이터

열분해 및 연소 시료는 건조된 하수 슬러지(Fig. 1, 경기도 S시 하수 처리장)를 이용하였으며 성분 분석 데이터는 Table 1과 같다. Ash는 27 wt% 가량 존재하여 산소(O) 성분 이외에 가연 성분은 대부분 탄소(C)의 형태로 존재하며 발열량은 4,081 kcal/kg으로 나타났다.

이론/모형

하수 슬러지 열분해의 TGA와 DTG curve로부터 수분 증발 구간 이외에 탈휘발 구간이 200℃ - 400℃, 400℃ - 600℃, 600℃이상의 3단계로 나타남을 알 수 있었다. DTG에서 각 단계의 최고 peak 온도는 360℃, 500℃, 620℃로 나타났으며 각 구간에 대하여 subtraction method에 의해서 activation energy와 빈도인자를 구하였다. Activation energy와 빈도인자는 각각 첫 번째 구간에서 45 kJ/mol, 9.
TGA와 DTG로부터 각 구간에서 서로 다른 성분이 열분해 됨을 알 수 있으며 두 번째 단계까지는 organic component가 열분해되어 peak를 나타내고 마지막 높은 온도에서 나타나는 peak는 inorganic component가 일부 열분해 되는 것을 알 수 있다³⁾. 반응 속도식의 activation energy 와 빈도인자는 subtraction method에 의해서 도출하였다^4,5). 이에 따르면 서로 다른 형태를 나타내는 세 개의 열분해 구간 각각의 component가 간섭 없이 열분해가 일어난다는 가정하에 일정한 승온 속도 β = dT/dt (K/s)에서 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

성능/효과

TGA 데이터에 위의 식을 적용하여 activation energy(E)와 pre-exponential factor(k)를 구하면 첫 번째 구간에서 activation energy는 45 kJ/mol, 빈도인자는 9.64 s−1이고 두 번째 구간에서는 activation energy 123 kJ/mol, 빈도인자는 1,165,895 s−1이며, 세 번째 구간에서는 activation energy 124 kJ/mol, 빈도인자는 2,373 s −1으로 나타났다.
세 가지 모델 중에서 regression coefficient를 고려하여 전체 그래프가 선형에 가장 가까운 모델을 정하게 되는데 하수 슬러지 촤의 연소 kinetics는 Fig. 8의 shirking core model이 전환율을 가장 잘 모사하였으며 (regression coefficient > 0.96), 이는 슬러지의 연소 반응이 입자 전체적으로 균일하게 나타나기 보다는 외부 표면에서 시작하여 내부로 이동되는 형태를 나타냄을 알 수 있다.
이 중 하수 슬러지 촤의 연소는 shrinking core model이 kinetics 분석에 가장 적합한 것으로 나타났으며, activation energy 는 13.2 kJ/mol, 빈도 인자는 0.07 s−1atm−1, 산소 분압에 대한 반응차수는 0.72를 나타내었다.
72를 나타내었다. 하수 슬러지 열분해와 하수 슬러지 촤의 연소 모두 kinetic equation을 이용한 modeling과 실제 실험 데이터가 잘 일치하고 있음을 확인하였다. 이와 같은 연소 kinetic data는 하수 슬러지 연소 반응기의 설계 데이터로 활용될 수 있다.
하수 슬러지 열분해의 TGA와 DTG curve로부터 수분 증발 구간 이외에 탈휘발 구간이 200℃ - 400℃, 400℃ - 600℃, 600℃이상의 3단계로 나타남을 알 수 있었다. DTG에서 각 단계의 최고 peak 온도는 360℃, 500℃, 620℃로 나타났으며 각 구간에 대하여 subtraction method에 의해서 activation energy와 빈도인자를 구하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 발생 하수 슬러지는 최근까지 어떠한 방법을 이용해 처리되어 왔는가?	하수 슬러지란 하수 혹은 폐수 처리 과정에서 최종적으로 생성되게 되는 잔재물로 전 세계적으로 육상 하폐수 처리장 증설에 의하여 슬러지의 발생량도 계속적으로 증가하고 있는 추세이다1). 최근까지 대부분의 국내 발생 하수 슬러지는 해양 투기를 통하여 처리되어 왔는데 2012년부터 런던협약의 발효로 해양투기가 전면 금지되면서 하수 슬러지의 높은 처리비용과 그 비용의 지속적인 상승이 예상되고 있다. 정부에서는 하수 슬러지의 연료화 목표를 2015년 42.
	하수 슬러지란 무엇인가?	하수 슬러지란 하수 혹은 폐수 처리 과정에서 최종적으로 생성되게 되는 잔재물로 전 세계적으로 육상 하폐수 처리장 증설에 의하여 슬러지의 발생량도 계속적으로 증가하고 있는 추세이다1). 최근까지 대부분의 국내 발생 하수 슬러지는 해양 투기를 통하여 처리되어 왔는데 2012년부터 런던협약의 발효로 해양투기가 전면 금지되면서 하수 슬러지의 높은 처리비용과 그 비용의 지속적인 상승이 예상되고 있다.
	TGA와 DTG curve로부터 도출한 탈휘발 구간별 특성은 어떠한가?	TGA와 DTG curve로부터 탈휘발 구간이 200℃ - 400℃, 400℃ - 600℃, 600℃이상의 3단계로 나타남을 알 수 있다. 첫 번째 단계인 200℃ - 400℃ 구간에서는 최고 열분해 속도를 나타내는 온도가 360℃이며, 두 번째 열분해 단계는 첫 번째 peak와 약간은 겹치는 현상을 나타내고 최고 속도를 나타내는 온도는 500℃이다. 세 번째 peak는 620℃의 온도에서 최고점을 나타내고 800℃부근까지 열분해가 진행된다. TGA와 DTG로부터 각 구간에서 서로 다른 성분이 열분해 됨을 알 수 있으며 두 번째 단계까지는 organic component가 열분해되어 peak를 나타내고 마지막 높은 온도에서 나타나는 peak는 inorganic component가 일부 열분해 되는 것을 알 수 있다3).

참고문헌 (7)

Lee, H.Y., 2008: A Study on the Preparation of Lightweight Materials with Sewage Sludge Ash, Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, 17, pp. 30-36.
Ham S,A,, You, M.Y., Kim, D.K., Wang, J.P., 2011: A Study on the RDF fuel mixing with household and organic wastes, Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, 20, pp. 52-57.

원문보기 상세보기
Biagini E., Lippi, F., Petarca, L., Tognotti, L., 2002: Devolatilization Rate of Biomasses and Coal-biomass Blends: An Experimental Investigation, Fuel, 81, pp. 1041-1050.

상세보기
Namkung, w., Roh S.A., Guy, C., Kim, S.D., 2004: Kinetics and Combustion Characteristics of Deinking Sludge in a Thermobalance and an Internally Circulating Fluidized Bed, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 82, pp. 939-947.

상세보기
Yu, Y.H., Kim, S.D., Lee, J.M., Lee, K.H., 2002: Kinetic Studies of Dehydration, Pyrolysis and Combustion of Paper Sludge, Energy, 27, pp. 457-469.

상세보기
Song, B.H., Zhu, X., 2012: A Kinetic Study of Steam Gasification of Rice Straw, Saw Dust Biomass and Coal, Korean Chemical Engineering Research, 50, pp. 76-82

원문보기 상세보기
Kim, K.W., Bungay, V.C., Song, B.H., Choi, Y.T. and Lee, J.W., 2013: A Kinetic Study of Steam Gasification of Woodchip, Sawdust and Lignite, Korean Chemical Engineering Research, 51, pp. 506-512.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증