[국내논문]습식산화반응을 통한 중력식반응기로부터의 슬러지 처리 및 유기산 생산 공정모사 Simulation Analysis of Sludge Disposal and Volatile Fatty Acids Production from Gravity Pressure Reactor via Wet Air Oxidation원문보기
오늘날 폐수처리는 슬러지의 증가와 환경규제의 이유로 매우 중요해지고 있다. 슬러지처리는 폐수처리플랜트에 있어서 운영비의 50%를 차지하므로 슬러지 분해에 있어서 경제성 있는 방법이 대두되고 있다. 습식산화 반응은 폐수의 유기물을 효과적으로 제거해주고 슬러지 분해 뿐만 아니라 바이오연료의 전구체로 쓰일 수 있는 휘발성 유기산이 부산물로도 나온다. 습식산화 반응은 고온 고압의 높은 조건의 단점이 존재하지만 중력식 반응기를 통한 수두압으로 운영비를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 상용프로그램인 Aspen Plus를 이용하여 아임계 조건에서 PSRK 상태방정식을 이용하여 공정모사 하였다. 중력식 반응기의 길이, 산화제 종류, 슬러지 유량과 산화제 주입 위치에 따라 사례 연구를 해보았으며 중력식 반응기 1000 m, 유량이 2 ton/h일 때에 유기물의 전환률은 92.02%, 유기산 효율은 0.17 g/g이였다.
오늘날 폐수처리는 슬러지의 증가와 환경규제의 이유로 매우 중요해지고 있다. 슬러지처리는 폐수처리플랜트에 있어서 운영비의 50%를 차지하므로 슬러지 분해에 있어서 경제성 있는 방법이 대두되고 있다. 습식산화 반응은 폐수의 유기물을 효과적으로 제거해주고 슬러지 분해 뿐만 아니라 바이오연료의 전구체로 쓰일 수 있는 휘발성 유기산이 부산물로도 나온다. 습식산화 반응은 고온 고압의 높은 조건의 단점이 존재하지만 중력식 반응기를 통한 수두압으로 운영비를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 상용프로그램인 Aspen Plus를 이용하여 아임계 조건에서 PSRK 상태방정식을 이용하여 공정모사 하였다. 중력식 반응기의 길이, 산화제 종류, 슬러지 유량과 산화제 주입 위치에 따라 사례 연구를 해보았으며 중력식 반응기 1000 m, 유량이 2 ton/h일 때에 유기물의 전환률은 92.02%, 유기산 효율은 0.17 g/g이였다.
Efficacious wastewater treatment is essential for increasing sewage sludge volume and implementing strict environmental regulations. The operation cost of sludge treatment amounts up to 50% of the total costs for wastewater treatment plants, therefore, an economical sludge destruction method is cruc...
Efficacious wastewater treatment is essential for increasing sewage sludge volume and implementing strict environmental regulations. The operation cost of sludge treatment amounts up to 50% of the total costs for wastewater treatment plants, therefore, an economical sludge destruction method is crucially needed. Amid several destruction methods, wet air oxidation (WAO) can efficiently treat wastewater containing organic pollutants. It can be used not only for sludge destruction but also for useful by-product production. Volatile fatty acids (VFAs), one of many byproducts, is considered to be an important precursor of biofuel and chemical materials. Its high reaction condition has instituted the study of gravity pressure reactor (GPR) for an economical process of WAO to reduce operation cost. Simulation of subcritical condition was conducted using Aspen Plus with predictive Soave-Redlich-Kwong (PSRK) equation of state. Conjointly, simulation analysis for GPR depth, oxidizer type, sludge flow rate and oxidizer injection position was carried out. At GPR depth of 1000m and flow rate of 2 ton/h, the conversion and yield of VFAs were 92.02% and 0.17g/g, respectively.
Efficacious wastewater treatment is essential for increasing sewage sludge volume and implementing strict environmental regulations. The operation cost of sludge treatment amounts up to 50% of the total costs for wastewater treatment plants, therefore, an economical sludge destruction method is crucially needed. Amid several destruction methods, wet air oxidation (WAO) can efficiently treat wastewater containing organic pollutants. It can be used not only for sludge destruction but also for useful by-product production. Volatile fatty acids (VFAs), one of many byproducts, is considered to be an important precursor of biofuel and chemical materials. Its high reaction condition has instituted the study of gravity pressure reactor (GPR) for an economical process of WAO to reduce operation cost. Simulation of subcritical condition was conducted using Aspen Plus with predictive Soave-Redlich-Kwong (PSRK) equation of state. Conjointly, simulation analysis for GPR depth, oxidizer type, sludge flow rate and oxidizer injection position was carried out. At GPR depth of 1000m and flow rate of 2 ton/h, the conversion and yield of VFAs were 92.02% and 0.17g/g, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는, 상용소프트웨어인 Aspen Plus를 통하여 수두압이 형성된 중력식 습식산화반응기를 모사하여 슬러지 분해 특성과 탈수율 및 산화제 효율을 중력식 반응기의 길이, 슬러지 유량, 산화제 종류 및 산화제 주입 위치에 따라 사례 연구를 하였다.
가설 설정
또한 아임계 조건하 모든 공정모사에서 유기물의 10% 이상 유기산으로 전환이 되므로 이를 추가적으로 활용하는 공정이 필요하다. 본 시뮬레이션에서는 이상적인 유체라 가정하여 관내마찰을 무시하였으며 실제조건에서는 이를 추후에 보정을 해 주어야 한다.
3와 같고 down flow와 up flow로 나뉘어져 있다. 방향이 다르기 때문에 서로 counter current로 열교환이 가능하며 이 때의 U값은 스틸로 가정하여 25 W/m2K로 했다[6]. 또한 반응기 유입전에 열교환기를 설정하여 산화반응을 통해 발열된 고온 슬러지가 중력식 반응기에 유입되는 슬러지에 전처리 효과를 주도록 하였다.
제안 방법
실제로 슬러지는 단일 성분이 아니며 Aspen Plus에 데이터 물성이 존재하지 않기 때문에 모델 물질로 유기물의 대표적인 단량체인 글루코즈를 이용하여 모사했다. 또한 유기산의 경우 아세트산, 프로피오닉산, 부티르산 등의 여러 유기산이 실제로는 발생되지만 대부분 아세트산이 나오는 것으로 알려져 있으므로 VFAs의 모델 물질로 아세트산으로 모사했다. 습식산화에서 슬러지는 10~100 g/L가 적합하므로 50 g/L의 농도를 기준으로 하여 모사했다[2,16].
5 ton/hr으로 하여 시뮬레이션을 한 결과를 정리했다. 1000 m 반응기 기준으로 하였고 반응기 하단에서 산화제를 투입하였고 글루코즈의 전환율의 경우 유량이 증가해도 크게 변화지 않았다. 유량의 증가함에 따라서 유기산을 생산을 제외한 모든 부분에 있어서 감소했다.
실제 산소 생성기나 봄베의 경우 가격이 매우 높기 때문에 산화제로 에어 컴프레셔를 통해 압축공기를 제공하는 것이 비용적 측면에서 효율적이므로 산화제로 산소와 공기를 이용하는 경우의 차이를 알아야 한다. 1 ton/h의 유량의 슬러지에 50 g/L의 글루코즈가 있으므로 53.5 kg/h의 산소가 필요로 하며 공기의 경우 질소:산소= 4:1로 가정하면, 이론적 요구량이 100% 일때에 267.5 kg/h 유량으로 주입해주어야 하고 이론적 요구량의 50%, 75%로도 시뮬레이션을 하였다. Fig.
방향이 다르기 때문에 서로 counter current로 열교환이 가능하며 이 때의 U값은 스틸로 가정하여 25 W/m2K로 했다[6]. 또한 반응기 유입전에 열교환기를 설정하여 산화반응을 통해 발열된 고온 슬러지가 중력식 반응기에 유입되는 슬러지에 전처리 효과를 주도록 하였다. 중력식 반응기는 높이에 따라 걸리는 수두압이 다르기 때문에 반응기 깊이 별로 다르게 모사했다.
중력식 반응기는 높이에 따라 걸리는 수두압이 다르기 때문에 반응기 깊이 별로 다르게 모사했다. 또한 초기 반응의 시작을 다르게 하기 위해 산화제 주입위치에 따라 모사했다.
은 기액 표면의 포화 산소농도이므로 산소 용해도가 커야 기체물질전달이 잘 됨을 알 수 있고 특히 고압조건에서의 기체는 Henry의 법칙에 따라 용해도가 증가하기 때문에 압력에 따른 공정모사가 잘 수행해야 하며 정확한 모사를 위해 Aspen Plus 내에서 고압의 환경상태에서 제공하는 상태방정식 모델인 PSRK, SRK, PRMHV2, PRWS에 대해 용해도를 모사하였다. Fig.
대상 데이터
2에 나타냈고 각각의 블록 및 스트림은 Table 1에 요약했다. 실제로 슬러지는 단일 성분이 아니며 Aspen Plus에 데이터 물성이 존재하지 않기 때문에 모델 물질로 유기물의 대표적인 단량체인 글루코즈를 이용하여 모사했다. 또한 유기산의 경우 아세트산, 프로피오닉산, 부티르산 등의 여러 유기산이 실제로는 발생되지만 대부분 아세트산이 나오는 것으로 알려져 있으므로 VFAs의 모델 물질로 아세트산으로 모사했다.
습식산화에서 슬러지는 10~100 g/L가 적합하므로 50 g/L의 농도를 기준으로 하여 모사했다[2,16]. Table 2처럼 슬러지 내부의 각각의 반응속도상수와 활성화에너지는 Ahn[2005]의 데이터를 사용했다[1]. 글루코즈를 산화하기 위한 이론적 필요 산소량은 1.
중력식 반응기는 길이가 길면 길수록 수두압이 높게 형성 되기 때문에 높은 압력조건하에서 산소의 높은 용해도와 그로 인하여 높은 전환율을 얻을 것으로 예상되며 각각에 대하여 300 m, 500 m, 750 m, 1000 m에 대하여 모사를 했다. 반응기 길이 별 온도 분포양상은 Fig.
산화반응은 산화제 주입위치에 반응의 시작이 달라지고 주입위치가 반응기의 하단이 아닌 상부 쪽에 해두었을 때, 체류시간이 길어져 전환율 향상에 도움이 될 수도 있지만, 수두압 형성이 낮은 상태이기 때문에 산화제의 용해도가 낮아 물질전달의 한계가 있을 것이며 산화제의 낮은 밀도에 인해 수두압이 반응기 깊이의 증가에 따라 미미한 변화를 보여 줄 것이다. 산화제 주입위치 시뮬레이션은 반응기 길이가 500 m 일 때에 125 m, 250 m, 375 m 그리고 제일 하단인 500 m에 주입을 해 보았다. Fig.
이론/모형
본 연구에서 다루는 중력식반응기에서의 습식산화반응은 실제 조업조건인 아임계조건을 모사하기 위해 Aspen Plus에서 제공하는 PSRK (Predictive Soave-Redlich-Kwong) 상태방정식을 사용했다. PSRK 방정식은 SRK 상태방정식과 특히, 고압에서의 기액 평형을 UNIFAC 변수를 사용하여 높은 온도 및 압력 에서 열역학적 특성을 예측할 수 있으며 모델식과 혼합법칙(mixing rule)에 따른 활동도 계수는 다음과 같이 표현된다[10,22].
성능/효과
기체의 용해도는 발열과정이여서 온도에 따라 용해도가 낮아지다 고온 고압 조건에서는 물 분자의 유전율 변화로 산소기체의 용해도가 올라가게 된다. 90도에서의 각 상태방정식에 따른 용해도 조사결과 PRMHV2와 PRWS는 역시 경향을 벗어 났고 SRK 상태방정식도 문헌수치에 비해 값이 50%의 수준정도를 보여주었지만 PSRK 상태방정식은 문헌치와 매우 비슷함을 확인 했다[18].
5 ton/h 이상의 유량으로 설정하여도 적합하다. 한편 반응기 길이를 1500 m로 및 유량을 5 ton/h로 하였을 때에, 전환율은 99.5%로 시간당 248.75 kg 유기물 처리가 가능하고 유기산 효율은 0.173이고 탈수율은 16.1%이며 산소 효율은 81.8% 였다. 중력식반응기가 더 길수록 슬러지 유량을 증가시켜도 되기 때문에 유기물 처리량이 크게 증가 할 것이다.
7에서 알 수 있듯이, 1000 m 길이의 반응기에 이론적 산소요구량의 100%로 공기를 주입할 때의 산소효율은 24%에 불구하였지만, 50%로 주입했을 때에 70%까지 증가하였다. 전환율은 35.3%에서 47.1%로 증가하여서 공기를 조금 넣었을 때 오히려 전환율이 더 높은 결과를 얻었다. 많은 유량으로 인하여 산소요구량이 100%의 경우 upflow에서 체류시간이 0.
9은 산화제 주입위치에 따른 GPR 내부 온도양상으로써 시뮬레이션으로 얻은 값을 추세선으로 표현했고 산화제 주입을 down flow의 125 m에서 산화제 주입을 해 주었을 때 가장 온도 및 처리량이 높았으며 하단으로 갈수록 낮은 경향을 나타내었다. 즉 산화제 위치를 하단에 가깝게 주입해 주었을 때 전환율 67.5%에서 50.3%로 감소하였고, 산소효율도 50.3%에서 38.3%로 낮아졌다. 이는 산화제 주입 위치가 하단이 최적이 아님을 시사하지만 산화제가 down flow에서 슬러지와 함께 반응을 할 때에 밀도차에 수두압형성이 다르게 되어야 하는데 이점이 Aspen Plus에서는 적용이 되지 않으므로 다상수치해석을 통해 수두압의 해석하여 보정을 해주어야 한다.
C까지 올라 갈 수 있어 타 공정보다 운전비용이 매우 싸고, 효율적인 슬러지 처리 공정이 될 수 있다. 본 연구에서는 중력식 반응기의 길이, 슬러지 유량, 산화제 종류 및 산화제 주입 위치에 따른 슬러지 분해 특성을 알아보았으며 중력식반응기 길이가 깊어질수록 전환율과 탈수율 및 산화제 효율이 높아지는 경향이 있었고 중력식 반응기 1000 m, 유량이 2 ton/h일 때에 유기물의 전환률은 92.02%, 유기산 효율은 0.17 g/g보였다. 하지만 이는 긴 반응기 제작에 따르는 기술력 및 제작비용이 수반되어야 한다.
후속연구
또한 반응기 길이 외에 유량, 산화제 주입 위치에 따라 슬러지 처리율이 달라지기 때문에 최적화가 필요하고 산화제 선택에 있어 산소와 공기에 따라 크게 전환율이 변화게 되므로 산화제 자체비용과 슬러지 처리를 통해 얻을 수 있는 경제적 효과를 고려를 하여 선택 해야 한다. 또한 아임계 조건하 모든 공정모사에서 유기물의 10% 이상 유기산으로 전환이 되므로 이를 추가적으로 활용하는 공정이 필요하다. 본 시뮬레이션에서는 이상적인 유체라 가정하여 관내마찰을 무시하였으며 실제조건에서는 이를 추후에 보정을 해 주어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
습식산화의 과정은?
습식산화는 먼저 열적가수분해에 따른 고형분의 액상화 및 고분자가 저분자로 분해되고 나서 산화제(산소, 과산화수소)를 통한 산화반응이일어나게된다. 아임계조건하습식산화반응식의생성물로는 CO2, H2O, 유기산(Volatile Fatty Acids) 이 주 생성물이고 부수적으로 Alcohols, Aldehyde, N2, NH3 및 다양함 염들을 포함하고 있다[7,19].
중력식 습식산화방법이 폐기물 처리 및 에너지 생산에 효과적인 이유는?
중력식 습식산화방법은 수두압을 이용하여, 고압의 환경 유지에 효과적이기 때문에 일반 습식산화공정에 비해 공정에 있어서 매우 경제적이라는 장점이 있고 고온의 유출수를 통해 열교환방식으로 유입수를 전처리 해줄 수 있어 고온의 환경을 만들어 주는데 매우 경제적인 방법이다[8,11]. 또한 반응기 깊이에 따른 가압 수준의 변화를통해 목적에따른산화반응을다양하게 설계할수있기 때문에 폐기물 처리 및 에너지 생산에 매우 효과적이다.
폐수처리의 역할이 중요해지고 있는 이유는?
현재 폐수처리는 증가하고 있는 하수슬러지와 강력한 환경규제로 인해 그 역할이 더욱 중요해 지고 있는 추세이다. 슬러지 처리는 폐수처리플랜트에 있어서, 약 50%정도의 운영경비가 들어가기 때문에 경제적으로 슬러지를 처리하는 것이 중요하며 스톡홀름 협약이 발효됨으로써 흔히 폐기물 저온 소각과정에서 발생하는 잔류성 유기오염물질의 생산, 사용 그리고 국가 간 이동이 규제되고 있다[9].
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