유기성폐기물의 수열처리 기술은 고온에서 운전하여 에너지 소비가 큰 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로, 세포벽을 파괴하여 탈수성을 향상시켜 탈수공정에서 함수율을 약 40% 수준까지 낮출 수 있는 장점을 가지고 있어 유기성폐기물의 고형연료화 분야에서 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 수열처리가 유기성폐기물의 건조효율에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 대상물질로는 대표적인 유기성폐기물인 하수슬러지와 음식물류폐기물을 이용하여 $200^{\circ}C$에서 1시간동안 수열처리한 후 건조효율 변화를 관찰하였다. 유기성폐기물은 수열처리 후에 건조시간이 단축되어 $100^{\circ}C$에서 건조한 음식물류폐기물의 경우 원시료보다 건조시간이 52.9% 감소하였다. 따라서 수열탄화 반응이 하수슬러지와 음식물류폐기물의 건조효율을 상승시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 건조특성곡선의 예열기간에서 건조속도가 원시료 대비하여 각각 148%($80^{\circ}C$ 하수슬러지), 151%($100^{\circ}C$ 하수슬러지), 209%($80^{\circ}C$ 음식물류폐기물), 366%($100^{\circ}C$ 음식물류폐기물)로 모든조건에서 증가되는 것으로 보아 수열반응에서 세포벽이 파괴되면서 표면적이 늘어났음을 간접적으로 파악할 수 있었다. 건조시간이 단축됨에 따라 한계함수율이 높아져 감율건조기간이 증가하였으므로 이에 주의하여야 하며, 탄화정도에 따라 건조효율이 더 개선될 수 있을 것으로 기대된다.
유기성폐기물의 수열처리 기술은 고온에서 운전하여 에너지 소비가 큰 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로, 세포벽을 파괴하여 탈수성을 향상시켜 탈수공정에서 함수율을 약 40% 수준까지 낮출 수 있는 장점을 가지고 있어 유기성폐기물의 고형연료화 분야에서 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 수열처리가 유기성폐기물의 건조효율에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 대상물질로는 대표적인 유기성폐기물인 하수슬러지와 음식물류폐기물을 이용하여 $200^{\circ}C$에서 1시간동안 수열처리한 후 건조효율 변화를 관찰하였다. 유기성폐기물은 수열처리 후에 건조시간이 단축되어 $100^{\circ}C$에서 건조한 음식물류폐기물의 경우 원시료보다 건조시간이 52.9% 감소하였다. 따라서 수열탄화 반응이 하수슬러지와 음식물류폐기물의 건조효율을 상승시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 건조특성곡선의 예열기간에서 건조속도가 원시료 대비하여 각각 148%($80^{\circ}C$ 하수슬러지), 151%($100^{\circ}C$ 하수슬러지), 209%($80^{\circ}C$ 음식물류폐기물), 366%($100^{\circ}C$ 음식물류폐기물)로 모든조건에서 증가되는 것으로 보아 수열반응에서 세포벽이 파괴되면서 표면적이 늘어났음을 간접적으로 파악할 수 있었다. 건조시간이 단축됨에 따라 한계함수율이 높아져 감율건조기간이 증가하였으므로 이에 주의하여야 하며, 탄화정도에 따라 건조효율이 더 개선될 수 있을 것으로 기대된다.
The technology for hydrothermal reaction of organic waste is one of the promising process to improve energy efficiency of biomass waste recycling system since moisture contents of treated biomass could be reduced at 40% or less than by dehydration processes. For these reasons, many parts of the worl...
The technology for hydrothermal reaction of organic waste is one of the promising process to improve energy efficiency of biomass waste recycling system since moisture contents of treated biomass could be reduced at 40% or less than by dehydration processes. For these reasons, many parts of the world are interested in hydrothermal reaction of organic waste. In this paper, drying performances were evaluated with and without hydrothermal reaction of organic wastes which are sewage sludge and food wastes. For the hydrothermal reaction, organic wastes were treated at $200^{\circ}C$ for 1hr. Drying time of treated organic waste by hydrothermal reaction was reduced. In case of food waste drying at $100^{\circ}C$, drying time of treated wasted was reduced more 52.9% than non-treated. Hence, drying performances of sewage sludge and food wastes should be improved by hydrothermal reaction. Drying rates of treated wastes were considerably increased at preheat period of drying characteristic curve as followings; at $80^{\circ}C$ sludge as 148%, $100^{\circ}C$ sewage sludge as 151%, $80^{\circ}C$ food waste as 209%, $100^{\circ}C$ food waste as 366%. It means the surface area of treated wastes could be increased with destruction of cell membrane by hydrothermal reaction. However, the designer and operator of drying process should be careful, since enhanced drying rate cause the extension the decreasing drying period.
The technology for hydrothermal reaction of organic waste is one of the promising process to improve energy efficiency of biomass waste recycling system since moisture contents of treated biomass could be reduced at 40% or less than by dehydration processes. For these reasons, many parts of the world are interested in hydrothermal reaction of organic waste. In this paper, drying performances were evaluated with and without hydrothermal reaction of organic wastes which are sewage sludge and food wastes. For the hydrothermal reaction, organic wastes were treated at $200^{\circ}C$ for 1hr. Drying time of treated organic waste by hydrothermal reaction was reduced. In case of food waste drying at $100^{\circ}C$, drying time of treated wasted was reduced more 52.9% than non-treated. Hence, drying performances of sewage sludge and food wastes should be improved by hydrothermal reaction. Drying rates of treated wastes were considerably increased at preheat period of drying characteristic curve as followings; at $80^{\circ}C$ sludge as 148%, $100^{\circ}C$ sewage sludge as 151%, $80^{\circ}C$ food waste as 209%, $100^{\circ}C$ food waste as 366%. It means the surface area of treated wastes could be increased with destruction of cell membrane by hydrothermal reaction. However, the designer and operator of drying process should be careful, since enhanced drying rate cause the extension the decreasing drying period.
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문제 정의
열중량 분석기의 승온속도는 6 ℃/min이며, 송풍은 Air를 사용하여 10 LPM으로 일정하게 공급하였다. 건조온도는 80℃ 및 100℃로 설정하여 온도에 따른 건조효율로부터 건조에너지를 간접적으로 확인하고자 하였다. 분석에 사용된 시료량은 3±0.
본 연구에서는 유기성폐기물의 수열처리 따른 건조효율을 확인하기 위해 하수슬러지와 음식물류폐기물을 택하여 수열처리 유무에 따른 건조효율을 비교 테스트하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
9),10) 건조단계에서 많은 에너지가 소비되는 슬러지의 특성에 맞는 최적의 건조조건과 운전조건의 설정이 중요하다. 이에 본 연구에서는 유기성폐기물의 수열처리에 유무에 따라 건조효율변화를 파악하고자 한다.
제안 방법
1과 2에 나타내었다. 건조분위기 온도는 80℃와 100℃로 설정하여 온도변화에 따른 영향을 추가로 확인하고자 하였으며, 건조곡선을 시간에 따른 수분율 곡선(MR vs. Time)으로 나타내어 건조시간을 확인하였다.
건조특성곡선의 구간은 각 곡선마다 다르나 같은 조건에서 비교를 위해 MR 1.0∼0.8을 예열기 (Preheat period), MR 0.8∼0.4를 항률건조기 (Constant drying rate period), MR 0.4∼0.2를 감율건조전기 (Decreasing drying period first), MR 0.4∼0.1을 감율건조후기 (Decreasing drying period second)로 일정하게 나누었다.
수분을 약 105℃에서 무게변화가 없을 때까지 건조시켜 수분함량을 측정한 뒤, 뚜껑이 있는 도가니에 넣고 질소 분위기에서 약 900℃에서 7분간 가열하여 휘발분을 측정하였다. 그 후 도가니의 뚜껑을 열고 공기와 접촉시킨 상태에서 약 725℃로 가열 회화한 후 시료의 잔류량을 측정하여 회분과 고정탄소를 측정하였다.
대상 고형연료의 건조속도와 건조특성을 파악하고자 열중량 분석기(TGA 701, LECO, USA)를 이용하여 일정온도에서 무게변화를 측정하였다. 열중량 분석기의 승온속도는 6 ℃/min이며, 송풍은 Air를 사용하여 10 LPM으로 일정하게 공급하였다.
2 mg을 취하여 연소법에 의한 원소분석기(Flash 2000, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 측정하였다. 발열량은 항온환경열량계(6200 Isoperibol Calorimeter, Parr, USA)를 이용하여 시료를 연소시키는 동안의 온도상승을 측정하고, 샘플 1 g에 대한 cal 값으로 결과값을 표시하였다.
본 연구에 사용된 원시료와 수열탄화 탈수슬러지에 대한 성상을 비교분석하기 위하여, 공업 분석, 원소 분석 그리고 발열량을 아래와 같은 방법으로 분석하였다.
분석에 사용된 시료량은 3±0.01 g이며, 193±7 sec 간격으로 무게변화를 측정하여 시간에 따른 누적 무게 감소량을 구하였다.
01 g이며, 193±7 sec 간격으로 무게변화를 측정하여 시간에 따른 누적 무게 감소량을 구하였다. 분석은 시료 당 3회 실시하였으며, 중간값만 취하여 아래의 식을 이용하여 수분율(Moisture ratio, MR)로 나타내었다.
공업분석은 ASTM method(D3752)에 근거하여 열중량 분석기(TGA 701, LECO, USA)를 이용하여 분석하였다. 수분을 약 105℃에서 무게변화가 없을 때까지 건조시켜 수분함량을 측정한 뒤, 뚜껑이 있는 도가니에 넣고 질소 분위기에서 약 900℃에서 7분간 가열하여 휘발분을 측정하였다. 그 후 도가니의 뚜껑을 열고 공기와 접촉시킨 상태에서 약 725℃로 가열 회화한 후 시료의 잔류량을 측정하여 회분과 고정탄소를 측정하였다.
수열처리를 위해 하수슬러지와 음식물류폐기물의 원시료를 각각 200℃에서 1시간동안 반응시킨 후 수열처리 반응물을 유리섬유여과지(GFC, Whatman,UK)를 이용한 진공감압여과 방법으로 고액을 분리하여 고형물만을 최종산물로 사용하였다.
건조특성곡선(Drying characteristic curve)은 피건조물을 일정한 건조 조건하에서 건조했을 때의 함수율과 건조속도와의 관계를 나타내는 곡선으로, 공업적 건조 장치의 설계나 운영에 기초가 되는 중요한 곡선이다. 수열탄화 반응전과 후의 하수슬러지와 음식물류폐기물에 대한 건조특성곡선을 비교 가능하도록 수분율에 따른 건조속도곡선(dMR/dt vs. MR)으로 표현하여 각각 Fig.3과 4에 나타내었다. 건조속도를 수치적으로 비교하고자 건조특성곡선을 4구간으로 나누어 각 구간에 따른 건조속도를 Table 1과 2에 나타내었다.
원소 분석(C, H, O, N, S)과 발열량 분석을 위해 시료를 105±3℃에서 하루 동안 완전 건조시킨 후 1mm 이하로 미분하여 사용하였다.
원소분석은 시료 2.0±0.2 mg을 취하여 연소법에 의한 원소분석기(Flash 2000, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 유기성폐기물의 원시료는 하수슬러지와 음식물류폐기물로 하수슬러지는 G시의 하수처리장에서 탈수슬러지를 채취하였으며, 음식물류폐기물은 I 연구원에서 발생하는 음식물류폐기물을 7일간 채취하여 혼합한 후 사용하였다.
이론/모형
공업분석은 ASTM method(D3752)에 근거하여 열중량 분석기(TGA 701, LECO, USA)를 이용하여 분석하였다. 수분을 약 105℃에서 무게변화가 없을 때까지 건조시켜 수분함량을 측정한 뒤, 뚜껑이 있는 도가니에 넣고 질소 분위기에서 약 900℃에서 7분간 가열하여 휘발분을 측정하였다.
성능/효과
1. 수열처리에 의한 유기성폐기물 개질을 통해 건조시간이 단축될 수 있으며 이로 인해 건조에 필요한 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 탄화가 진행된다면 건조시간이 더욱 단축 될 수 있으므로 수열탄화반응은 건조에 좋은 영향을 미친다.
2. 수열처리 유무에 따라 예열기간에서 온도차가 있으므로, 수열처리에 의해 세포벽이 파괴되고 이로 인한 표면적 증대로 열전도율이 증가함을 간접적으로 확인하였다.
3. 수열처리에 의해 건조속도가 크게 향상되어 건조효율이 증가하더라도, 한계함수율은 높아져 감율건조기간이 길어지므로 실공정의 설계 또는 운전시 주의하여야 한다.
49배 증가하였으므로 탄화되었다고 볼 수 있다. 그러므로 하수슬러지의 경우 200℃를 초과하는 고온에서 탄화시킨다면 건조효율이 더욱 향상될 여지가 있으며, 유기성폐기물을 수열처리를 통해 개질만 하더라도 건조효율이 향상 될 수 있음을 확인하였다.
모든 결과에서 수열탄화 반응 후에 피건조물의 건조시간이 반응 전 건조시간보다 줄어들어 수열처리가 피건조물의 건조에 좋은 영향을 미침을 알 수 있었다. 190℃ 이상의 수열탄화반응에서는 유기성 폐기물 플럭과 단백질, 탄수화물 등에 존재하는 결합수가 세포벽이 파괴되면서 자유수로 변화하여 탈수효율이 향상되는 것으로 알려져 있다12).
수열탄화 유무에 따른 건조특성곡선은 유사한 경향성을 보였으나, 다른 두 종의 유기성폐기물(하수슬러지 및 음식물류폐기물)의 경향성은 다르게 나타났다. 하수슬러지의 경우 한계함수율 이후 지점부터 건조속도가 즉시 감소하였으나, 음식물류폐기물의 경우 한계함수율 이후에도 일정기간 동안 변화가 없다가 MR 0.
모든 조건에서 수열탄화 반응에 의해 한계함수율이 높아졌으므로 건조효율이 낮아질 수 있다고 판단 할 수도 있으나 건조속도와 함께 비교해볼 경우 한계함수율 이후 지점에서도 여전히 수열 탄화 반응물의 건조속도가 높음을 알 수 있다. 즉, 100℃의 수열탄화 후 음식물류폐기물의 한계함수율지점은 MR 0.44이며, 원시료는 0.41로 수열처리 후 한계함수율이 높아졌더라도 이후 구간에서 건조속도는 각각 1.19 및 2.50 g/hr로 수열처리 후에 건조속도가 월등하게 높음을 알 수 있다. 따라서 수열처리 반응물의 경우 한계함수율과 함께 건조속도도 높아져 건조효율이 높기는 하지만, 건조공정의 운영에 있어 에너지손실을 줄이기 위해서는 이점에 주의해야 한다.
하수슬러지에 비해 식품성분이 전체를 이루는 음식물류폐기물에서 이러한 경향성이 더 크다고 사료된다. 특히 Fig. 2에 나타난 음식물류폐기물의 경우 100℃ 원시료보다 80℃ 수열탄화 후 음식물류폐기물의 건조에 소비되는 시간이 단축되었으며, 100℃의 수열탄화 후 음식물류폐기물 또한 원시료에 비해 건조시간이 52.9%(MR 0.1 기준) 감소하였다. 따라서, 동일한 조건에서 건조시간이 단축되었다는 의미는 곧 건조에 필요한 에너지효율이 향상되었다는 것을 의미하므로 유기성폐기물의 수열처리 시건조에 필요한 에너지도 저감할 수 있다.
하수슬러지와 음식물류폐기물의 건조특성곡선의 경향성에는 차이가 있으나, 모든 건조특성곡선에서 수열탄화 후 반응물의 건조속도가 원시료보다 더 빠르게 측정되었다. 특히 예열기에서 수열탄화 반응물의 건조속도가 다른 구간보다 상대적으로 급격하게 상승하여, 예열구간에서 수열탄화 반응 전과 후의 최고점을 비교할 경우 각각 148%(80℃ 하수슬러지), 151%(100℃ 하수슬러지), 209%(80℃ 음식물류폐기물), 366%(100℃ 음식물류폐기물) 상승하였다. 이로부터, 앞서 말한 바와 같이 수열처리과정에서 세포벽 파괴로 인한 표면적 증가가 열전달 면적을 상승시키고, 이에 따라 열전도도가 커져 건조물의 온도가 빠르게 증가하여 건조효율을 상승시킬 수 있다는 사실을 입증할 수 있다.
하수슬러지와 음식물류폐기물의 건조특성곡선의 경향성에는 차이가 있으나, 모든 건조특성곡선에서 수열탄화 후 반응물의 건조속도가 원시료보다 더 빠르게 측정되었다. 특히 예열기에서 수열탄화 반응물의 건조속도가 다른 구간보다 상대적으로 급격하게 상승하여, 예열구간에서 수열탄화 반응 전과 후의 최고점을 비교할 경우 각각 148%(80℃ 하수슬러지), 151%(100℃ 하수슬러지), 209%(80℃ 음식물류폐기물), 366%(100℃ 음식물류폐기물) 상승하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수열탄화 공정이란 무엇인가?
이중에서 수열탄화 기술은 고온에서 반응이 발생하는 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로서 에너지 소비가 적어 다양한 유기성폐기물의 에너지화에 활용도가 높은 기술로 최근 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.5-8) 수열탄화 공정은 슬러지를 일정한 온도조건(150∼200℃)과 고압(10∼20 kg/cm2)의 증기를 통해 슬러지 내 미생물의 세포벽을 파괴하고 저분자 액상물질로 분해하는 기술로서 처리된 슬러지는 탈수성이 크게 향상되고 고액분리를 통해 고체생성물의 탄화도상승 및 액체생성물의 가용화 효율을 높이는 장점을 갖고 있으며, 물리적인 탈수공정을 통해 함수율을 약 40% 이하까지 낮출 수 있는 장점을 갖고 있는 것으로 알려져 있다.5),6)
유기성폐기물의 수열처리 기술의 장점은 무엇인가?
유기성폐기물의 수열처리 기술은 고온에서 운전하여 에너지 소비가 큰 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로, 세포벽을 파괴하여 탈수성을 향상시켜 탈수공정에서 함수율을 약 40% 수준까지 낮출 수 있는 장점을 가지고 있어 유기성폐기물의 고형연료화 분야에서 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 수열처리가 유기성폐기물의 건조효율에 미치는 영향에 대하여 평가하였다.
유기성폐기물의 수열처리가 건조공정 중 예열구간에서 온도차를 발생시키는 이유는?
2. 수열처리 유무에 따라 예열기간에서 온도차가 있으므로, 수열처리에 의해 세포벽이 파괴되고 이로 인한 표면적 증대로 열전도율이 증가함을 간접적으로 확인하였다.
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