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문제 정의
- 본 연구를 통해 하수슬러지의 유기성 성분의 고형물을 자원화 하기 위한 최적의 조건을 도출하기 위하여, 일반폐기물과 하수슬러지의 적정한 혼합 비율을 4차례의 시험을 통하여 고형연료 생산을 위한 최적조건으로 도출하고, 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 하수슬러지의 유기성 고형물 성분을 자원화 하기 위하여 기존의 단순건조 후 보조연료 생산방식을 탈피하고 보다 적극적인 방법을 적용하여 연료를 제조하는데 필요한 조건을 도출하고자 한다. 일반폐기물과 하수슬러지의 혼합을 통하여 고형연료의 최적조건을 도출하기 위해 열량, 수분함량, 연료성분의 고형연료 특성을 평가하여 최종적으로 연료로서의 가치를 증대시키고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수슬러지의 유기성 고형물 성분을 자원화 하기 위하여 기존의 단순건조 후 보조연료 생산방식을 탈피하고 보다 적극적인 방법을 적용하여 연료를 제조하는데 필요한 조건을 도출하고자 한다. 일반폐기물과 하수슬러지의 혼합을 통하여 고형연료의 최적조건을 도출하기 위해 열량, 수분함량, 연료성분의 고형연료 특성을 평가하여 최종적으로 연료로서의 가치를 증대시키고자 하였다.
제안 방법
- 1차 실험은 P시의 생활폐기물을 선별 후 적정 크기로 파쇄하여 생성한 비성형 고형연료를 본 실험의 목적에 맞게 가공하여 사용하였다. 실험결과는 [Fig 6]에 나타내었으며, 슬러지와 폐기물의 혼합비율에 따라 발열량의 경우 4,153~4,924kcal/ kg, 수분은 2.
- 2차 실험은 서산시의 생활폐기물을 수선별하여 시료로 사용하였으며, 성형한 고형연료를 ‘화학융합시험연구원’에 의뢰하여 분석하였다.
- 3차 실험은 P시의 비성형 고형연료를 시료로 사용하였으며, 성형한 고형연료의 발열량 및 수분, 회분을 분석하였다. 시험결과는 [Fig 7]에 나타내었으며, 발열량은 4,053~4,897kcal/kg이고, 수분함량은 3.
- 4차 실험은 서산시의 생활폐기물을 수선별하여 시료로 사용하였으며, 성형한 고형연료의 발열량 및 수분, 회분을 분석하였다. 4차 시험분석결과는 [Fig 8]에 나타내었으며, 발열량 4,011~4,801kcal/kg, 수분함량 3.
- P시, 서산시의 생활폐기물 고형연료와 비성형 고형연료를 사용하였다. 슬러지와 고체연료의 혼합비율은 각각 2:8, 3:7, 4:6, 5:5, 6:4, 7:3, 및 8:2로 하였다.
- 파쇄기 전면에는 원료의 수급을 위해 원료 Yard를 설치하고 건조기와 성형기에는 원료 공급을 위한 컨베이어를 설치하였다. 실험장치는 각각의 성능 및 조합을 위해 Batch 타입으로 설치, 운영하였으며 원료, 제품의 양을 파악하기 위해 계량기를 설치하였다. 탈수기는 경기도 별내 수질복원센터 설비를 이용하는 것으로 계획되어 별도 연구동을 설치하지 않았다.
- 최적의 성형조건을 결정하기 위하여 [Fig 5]에 나타낸 것과 같은 고체연료를 슬러지와 혼합비를 달리하여 4회에 걸친 실험을 하였다. P시, 서산시의 생활폐기물 고형연료와 비성형 고형연료를 사용하였다.
대상 데이터
- 최적의 성형조건을 결정하기 위하여 [Fig 5]에 나타낸 것과 같은 고체연료를 슬러지와 혼합비를 달리하여 4회에 걸친 실험을 하였다. P시, 서산시의 생활폐기물 고형연료와 비성형 고형연료를 사용하였다. 슬러지와 고체연료의 혼합비율은 각각 2:8, 3:7, 4:6, 5:5, 6:4, 7:3, 및 8:2로 하였다.
- 본 실험에 사용한 시료는 하수처리장 슬러지를 이용 하였으며, 그 성상은 [Table 1]에 나타내었고, 일반적인 범위 내에 있는 시료를 사용하였다. 또한 본 연구에 활용될 설비의 설치여부 등을 고려하여 슬러지는 경기도 남양주시 별내 푸른물센터에서 탈수한 슬러지를 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 시료는 하수처리장 슬러지를 이용 하였으며, 그 성상은 [Table 1]에 나타내었고, 일반적인 범위 내에 있는 시료를 사용하였다. 또한 본 연구에 활용될 설비의 설치여부 등을 고려하여 슬러지는 경기도 남양주시 별내 푸른물센터에서 탈수한 슬러지를 사용하였다.
- 다량의 수분을 함유하는 원료(슬러지 또는 폐기물)는 컨베이어를 통해 역류나 먼지를 제거하는 에어수문(Air lock) 밸브를 통과하면서 건조기의 투입구에 떨어지게된다. 원료는 토러스 로터챔버에 들어가서 약 시간당 640km의 선단속도로 회전하는 막대(Sprinning bars) 위에 떨어진다. 원료는 토러스 양쪽 바와 충돌판에 반복적으로 부딪혀 파쇄되고 액체는 충격, 압축작용에 의해 재료에서 분리된다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 성형이 완료된 고형연료의 크기는 모두 가로, 세로 22mm 내외의 정사각형 단면 형태이며, 생성된 고형연료는 단면이 원형이 아니므로 단면적으로 환산하여 비교할 경우 직경 14mm 정도로 품질기준인 직경 50mm이내로서 적합하다. 길이는 전체에 걸쳐서 일정한 모양을 하고 있으며, 100mm 이하로 생성되어 이 또한 성형 고형연료제품 품질기준에 각각 만족하는 것으로 나타났다.
- (2) 하수슬러지 혼합 기초실험 결과 발열량이 3,000kcal/kg 내외로서 발전시설이나 시멘트 생산시설에서 주 연료로 사용하기에는 부적합하나, 폐기물을 20% 이상 혼합하였을 경우 3,900kcal/kg 이상의 발열량을 보여 화력발전소 등 고형연료 사용시설에서 충분히 주 연료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.
- (3) 발열량을 제외한 수분, 염소, 황분 및 중급속의 경우도 고형연료 품질기준에 적합한 것으로 분석되었으나, 회분의 경우는 슬러지의 혼합율이 증가할수록 높아지는 현상을 보이고 있어 현재의 고형연료 품질기준 중 회분의 품질기준(20wt.%)에 적합하지 않은 혼합비율도 있다.(슬러지 혼합율 40% 이상) 따라서 고형연료로서의 기준을 만족하기 위해서는 슬러지의 혼합율을 40% 이하로 조절하여 고형연료화 하여야 할 것으로 판단된다.
- 2차 실험은 서산시의 생활폐기물을 수선별하여 시료로 사용하였으며, 성형한 고형연료를 ‘화학융합시험연구원’에 의뢰하여 분석하였다. 2차 실험 분석결과는 [Table 4]에 나타내었으며, 폐기물을 20% 이상 혼합하였을 경우 4,000kcal/kg이상의 발열량을 보여 화력발전소등 고형연료 사용시설에서 충분히 주 연료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다. 다만, 4:6과 5:5의 혼합시 각각 수분함량이 11.
- (1) 본 연구에서 성형이 완료된 고형연료의 크기는 모두 가로, 세로 22mm 내외의 정사각형 단면 형태이며, 생성된 고형연료는 단면이 원형이 아니므로 단면적으로 환산하여 비교할 경우 직경 14mm 정도로 품질기준인 직경 50mm이내로서 적합하다. 길이는 전체에 걸쳐서 일정한 모양을 하고 있으며, 100mm 이하로 생성되어 이 또한 성형 고형연료제품 품질기준에 각각 만족하는 것으로 나타났다.
- 남양주시 위치하는 진건, 가운, 진접, 별내, 가축분뇨공공처리시설의 슬러지 중 중금속을 분석한 결과, 비소, 카드뮴, 납의 경우 ND(Not Detects : 불검출)로 나타났으며, 6가크롬의 경우 5.35~57.13mg/kg으로 조사되었다. 또한 납의 경우 별내 푸른물센터에서만 6.
- 남양주시 푸른물센터의 슬러지의 경우 비소, 카드뮴, 수은, 납 모두 불검출로 분석되었으며, 6가 크롬은 5.35~24.59 ㎎/㎏이 검출되었으며. 서산시소재의 3개 공공하수처리시설 슬러지의 경우 납, 6가크롬은 불검출로 분석되었으며, 비소 0.
- 슬러지만을 고형연료로 사용하는 것은 발열량이 낮고, 회분의 양이 많아 연료로서 사용은 부족한 것으로 판단되며, 이를 극복하고 주 연료로서의 가치를 갖기 위해서는 일정량 폐기물의 혼합이 필요한 것으로 판단된다. 따라서, 슬러지를 20% 혼합하여(일반폐기물 80% 함유) 제조한 성형연료의 발열량은 5,000 kcal/kg 이상으로 매우 우수한 품질을 보이고 있으며, 수분 및 회분도 각각 4.71%, 16.46%로 고형연료 품질기준에 적합한 것으로 분석되었다. 결과는 [Table 3]에 나타내었다.
- 60%의 분포를 보이고 있다. 발열량 및 수분의 경우는 고형연료 품질시험기준을 만족하고 있으나, 회분의 경우는 1차 시험의 결과에서와 같이 슬러지의 혼합비에 비례하는 결과를 보이고 있으며 슬러지 혼합율이 40% 이상이면 회분의 함량이 20%를 초과하는 것으로 나타나 고형연료 품질기준에는 부적합한 것으로 나타나고 있다.
- 발열량을 제외한 수분, 염소, 황분 및 중급속의 경우도 고형연료 품질기준에 적합한 것으로 분석되었으나, 회분의 경우는 슬러지의 혼합율이 증가할수록 높아지는 현상을 보이고 있어 현재의 고형 연료 품질기준 중 회분의 품질기준(20wt.%)에 적합하지 않은 혼합비율도 있다.(슬러지 혼합율 40%이상) 따라서 고형연료로서의 기준을 만족하기 위해서는 슬러지의 혼합율을 40% 이하로 조절하여 고형연료화 하여야 할 것이다.
- 4차에 걸친 실험분석 결과를 종합하여 [Fig 9]에 나타내었다. 슬러지만 고형연료화 하였을 경우는 발열량이 3,000kcal/kg 내외로서 발전시설이나 시멘트 생산시설에서 주 연료로 사용하기에는 부적합하나, 폐기물을 20% 이상 혼합하였을 경우 3,900kcal/kg 이상의 발열량을 보여 화력발전소 등 고형연료 사용시설에서 충분히 주 연료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.
- 1차 실험은 P시의 생활폐기물을 선별 후 적정 크기로 파쇄하여 생성한 비성형 고형연료를 본 실험의 목적에 맞게 가공하여 사용하였다. 실험결과는 [Fig 6]에 나타내었으며, 슬러지와 폐기물의 혼합비율에 따라 발열량의 경우 4,153~4,924kcal/ kg, 수분은 2.5~6.6%wt, 염소 0.81~1.10%wt, 황분 0.02~2.22%wt로 고형연료 품질기준을 만족하였으나 회분은 16.1~27.4%wt로 슬러지의 혼합율이 높아질수록 회분량도 높아지는 것으로 나타났으며, 대체로 4:6 혼합비율 이상에서는 기준치(20%wt)를 상회하고 있는 것으로 분석되었다.
- 90%wt로 나타났다. 전체적으로 앞서 시험한 결과들과 비슷한 양상을 보이며 발열량과 수분은 고형연료 품질기준에 적합, 회분은 슬러지 함량 40% 이상에서는 부적합한 것으로 나타나고 있다.
- 0008mg/kg가 검출되었다. 총 7개의 푸른물센터 및 공공하수처리시설 슬러지의 중금속 함유량은 극히 미량인 것으로 분석되었다.
후속연구
- %)에 적합하지 않은 혼합비율도 있다.(슬러지 혼합율 40% 이상) 따라서 고형연료로서의 기준을 만족하기 위해서는 슬러지의 혼합율을 40% 이하로 조절하여 고형연료화 하여야 할 것으로 판단된다.
- %)에 적합하지 않은 혼합비율도 있다.(슬러지 혼합율 40%이상) 따라서 고형연료로서의 기준을 만족하기 위해서는 슬러지의 혼합율을 40% 이하로 조절하여 고형연료화 하여야 할 것이다.
- 2차 실험 분석결과는 [Table 4]에 나타내었으며, 폐기물을 20% 이상 혼합하였을 경우 4,000kcal/kg이상의 발열량을 보여 화력발전소등 고형연료 사용시설에서 충분히 주 연료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다. 다만, 4:6과 5:5의 혼합시 각각 수분함량이 11.9%wt, 10.20%wt로 10%를 상회할 때 다른 혼합비율보다 낮은 열량을 나타나며 고형연료의 품질기준에도 부합하지 않으므로 건조시 수분의 조절이 필요할 것으로 판단되었다.
- 하수슬러지는 건조공정 등을 통해 재가공하면 연료화가 가능하며 이러한 과정을 거친 건조물은 수분함량 10%이하, 가연분 함량 50%이상, 탄소함량 35%이상 저위발열량 3,000kcal/kg이상의 성질을 보유하여 석탄과 매우 유사한 특성을 지니고 있다. 이과 같이 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지를 재가공하여 화력발전소의 연료로 활용함으로써 대체 에너지를 확보하는 에너지화 사업은 석탄 연료 대체효과와 온실가스 감축과 아울러 2012년부터 시행된 신재생 에너지의 무할당제인 RPS(Renewable Portfolio Standards)에 크게 기여할 것으로 사료된다.
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