[논문]마이크로웨이브 가열 하수 슬러지 고온 열분해에 의한 바이오 연료 에너지 생산

정벼리; 전영남

doi:10.4491/ksee.2017.39.1.34

마이크로웨이브 가열 하수 슬러지 고온 열분해에 의한 바이오 연료 에너지 생산
Production of Biofuel Energy by High Temperature Pyrolysis of Sewage Sludge Using Microwave Heating 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.39 no.1, 2017년, pp.34 - 39

초록
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현재까지 에너지의 지속적인 요구는 대부분 화석연료에 의해 충족되고 있다. 하지만 화석연료의 한계성과 온실가스 발생 등의 환경문제로 인해 새로운 대체에너지 연구 개발에 대한 관심이 크다. 탈수 하수 슬러지를 연료 에너지로 전환하기 위해 슬러지 촤와 흑연의 두 가지 열수용체를 적용한 경우 마이크로웨이브 열분해 특성을 파악하였다. 두 수용체 모두 열분해 생성물 발생량은 가스, 슬러지 촤 그리고 타르 순으로 생성되었다. 열분해의 경우 생성가스의 주성분은 수소와 메탄이고 일부 경질 탄화수소 등이 포함되었다. 흑연 수용체의 경우 중질타르가 다량 발생되었고, 많은 양의 경질탄화수소가 발생되었다. 이 상의 실험결과로 볼 때 탈수 하수 슬러지의 마이크로웨이브 열분해에 의해 생성된 가스를 연료로 이용이 가능하지만, 가스 중에 함유된 응축성 PAH 타르를 처리해야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent gradual increase in the energy demand is mostly met by fossil fuel, but the research on and development of new alternative energy sources is drawing much attention due to the limited fossil fuel supply and the greenhouse gas problem. This paper assesses the feasibility of producing fuel energy from a dewatered sewage sludge by microwave-induced pyrolysis with sludge char and graphite receptor. Both receptors produced gas, char, and tar in order from product amount. The gas produced for the sludge char receptor contained mainly hydrogen and methane with a small amount of light hydrocarbons. The graphite receptor generated higher gravimetric tar and generated higher light tar. Through the results, the product gas from the microwave processes of wet sewage sludge might be possible as a fuel energy. But the product gas has to be removed the condensable PAH tars.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 탈수 하수 슬러지를 고온 마이크로웨이브 열 분해하여 바이오가스연료 에너지 전환을 위한 가능성에 대해 연구하였다. 이를 위해 두 종류의 수용체에 대해 마이크로웨이브 열분해 시 가스, 타르, 슬러지 촤(sludge char)생성에 대한 특성을 규명하였다.
본 연구에서는 하수처리장의 탈수 슬러지를 열풍 건조 없이 직접 마이크로웨이브 가열 건조-열분해 특성을 파악하고자 하였다. 실험에 사용된 탈수 슬러지 시료의 특성을 파악하기 위해 개략 분석(Thermolyne Co.
탈수 슬러지를 고온 마이크로웨이브 열 분해하여 바이오 가스 연료 에너지 전환을 위한 가능성에 대해 연구하였다. 이를 위해 슬러지 촤와 흑연 수용체에 대해 마이크로웨이브 열분해 시 가스, 타르, 슬러지 촤 생성에 대한 특성을 규명하였다.

가설 설정

이들은 모두 condensable tar (light PAH tar)가 다량 포함된 가스를 연료 등으로 사용할 경우 가스 이송, 장치 손상 등의 문제가 발생되며, 특히 엔진 연료로 사용될 경우 응축성 타르가 1,027 mg/m³ 이내이어야 한다.⁶⁾ 그러나 light aromatic tar인 벤젠은 비응축성으로 타르이긴 하지만 상기에 언급된 응축성 타르와 달리 에너지원으로 활용될 수 있고 이로 인해 가스의 발열량이 높아진다.

제안 방법

5) 습식 샘플링은 실험 시 발생된 타르를 포집하여 GC-FID를 이용한 경질타르 분석과 중량 측정을 통한 중량타르(gravimetric tar)를 측정하였다. 경질타르는 벤젠고리가 1부터 4링으로 구성된 대표 물질로서 치환기를 가지지 않는 방향족 화합물인 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 피렌을 분석하였다.
⁵⁾ 습식 샘플링은 실험 시 발생된 타르를 포집하여 GC-FID를 이용한 경질타르 분석과 중량 측정을 통한 중량타르(gravimetric tar)를 측정하였다. 경질타르는 벤젠고리가 1부터 4링으로 구성된 대표 물질로서 치환기를 가지지 않는 방향족 화합물인 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 피렌을 분석하였다.⁶⁾
열분해 시 특정 온도로 설정할 수 있으며 반응기 내 열전대(thermocouple: k-type, 직경 2 mm)와 연결된 컨트롤러에 의해 미세 제어된다. 또한, 데이터로거(data logger: Model Hydra data logger 2625A, Fluke, USA)에 의해 시료 내부의 온도변화를 연속적으로 모니터링 하였다.
열분해 실험은 1 kW의 전력으로 초기 시동 후 온도가 상온에서 선형적으로 증가하여 최종온도에서 일정시간 유지하도록 하였다. 생성 가스 샘플링은 실험의 시작과 동시에 타르 분석용 흡수병과 가스 포집용 테들라 백에 각각 50분간 포집을 진행하여 타르와 각각의 가스 성분을 분석하였다. 슬러지 촤는 타르와 가스의 포집 후에도 운반 가스를 지속적으로 흘려 보내며 노내 온도가 20℃가 될 때까지 반응기 내에 유지시켰다.
그 중심 부위에 수직으로 석영관(직경 40 mm, 길이 320 mm)이 설치 되었다. 석영관 내부에 슬러지 시료 바스켓(sample basket)이 별도로 상하 가변 되도록 하여 시료의 반응기 내로 유입과 배출이 가능 하도록 하였다. 열분해 시 특정 온도로 설정할 수 있으며 반응기 내 열전대(thermocouple: k-type, 직경 2 mm)와 연결된 컨트롤러에 의해 미세 제어된다.
열중량분석기(NETZSCH, STA 409PC)를 이용한 비등온열중량 분석(Thermo gravimetric Analysis)은 특정한 반응조건하에 일정 승온 속도로 열을 가하여 비교적 넓은 온도범위에서 시료의 분해 거동을 파악할 수 있는 분석방법이다. 시료를 105℃에서 6시간 동안 건조하여 전 처리한 후 분석기기를 이용하여 10℃/min의 승온 속도로 상온에서 1,000℃ 까지 온도를 상승시켜 분석을 실시하였다. 열중량 분석을 실시한 결과를 TGA (Thermo-Gravimetric Analysis)곡선과 DTA (Derived Thermogravimetric Analysis) 곡선으로 Fig.
본 연구에서는 하수처리장의 탈수 슬러지를 열풍 건조 없이 직접 마이크로웨이브 가열 건조-열분해 특성을 파악하고자 하였다. 실험에 사용된 탈수 슬러지 시료의 특성을 파악하기 위해 개략 분석(Thermolyne Co., Type48000 Furnace/Hansung Co., HS2140 Electronic Balance)과 원소분석(Thermofinnigan Co., EA2000/EA1112)을 수행하였다. Table 1은 슬러지 시료의 4가지 성분, 원소분석 성분의 특성을 나타내었다.
열분해 실험은 1 kW의 전력으로 초기 시동 후 온도가 상온에서 선형적으로 증가하여 최종온도에서 일정시간 유지하도록 하였다. 생성 가스 샘플링은 실험의 시작과 동시에 타르 분석용 흡수병과 가스 포집용 테들라 백에 각각 50분간 포집을 진행하여 타르와 각각의 가스 성분을 분석하였다.
본 연구에서는 탈수 하수 슬러지를 고온 마이크로웨이브 열 분해하여 바이오가스연료 에너지 전환을 위한 가능성에 대해 연구하였다. 이를 위해 두 종류의 수용체에 대해 마이크로웨이브 열분해 시 가스, 타르, 슬러지 촤(sludge char)생성에 대한 특성을 규명하였다.
탈수 슬러지를 고온 마이크로웨이브 열 분해하여 바이오 가스 연료 에너지 전환을 위한 가능성에 대해 연구하였다. 이를 위해 슬러지 촤와 흑연 수용체에 대해 마이크로웨이브 열분해 시 가스, 타르, 슬러지 촤 생성에 대한 특성을 규명하였다.
남은 2개의 임핀져 중 1개는 이소프로필 알코올 100 mL를 채우고 1개는 공병으로 설치하여 두 번째 냉각조에 담아 20℃ 이하를 유지하였다. 타르 분석을 위한 GC-FID (GC-14B, Shimadzu, Japan), 증발기(Model N-1000-SW, Eyela, Japan)와 가스 분석을 위한 GC-TCD (CP-4900, Varian, Netherlands) 로 구성되었다.
탈수 슬러지의 무기 원소 분석을 위해 ICP spectrometer (Agilent Technologies Co., 720 I CP-OES)를 통해 Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn 성분들을 측정하였으며, 무기산화물 분석을 위해 X-ray fluorescence (XRF) Spectrometer (Shimadzu Co., ED-720)를 통해 Al, Si, Fe, Mn 등을 측정 하였다(Table 2).
탈수 하수 슬러지를 마이크로웨이브 건조-열분해 특성을 파악하기 위해 실험실 규모의 실험을 수행하였다.

대상 데이터

MWR은 마이크로웨이브 유전체 가열 열분해 실험을 위해 자체 설계․제작하였다. MWR은 상업용 전자 오븐과 같이 직사각형 형태로 벽면에 2,450 MHz의 1 kW 마그네트론 (LG magnetron, 2M246)이 탑재되어 있는 다중 모드 캐비티 (multiple mode cavity) 방식이다.
가스공급라인은 운반 가스(carrier gas)인 아르곤(Ar)의 공급장치는 유량계인 MFC (M3030V, Linetech, Korea)와 그 컨트롤러(FM-30VE, Korea)로 구성되었다.
MWR은 상업용 전자 오븐과 같이 직사각형 형태로 벽면에 2,450 MHz의 1 kW 마그네트론 (LG magnetron, 2M246)이 탑재되어 있는 다중 모드 캐비티 (multiple mode cavity) 방식이다. 그 중심 부위에 수직으로 석영관(직경 40 mm, 길이 320 mm)이 설치 되었다. 석영관 내부에 슬러지 시료 바스켓(sample basket)이 별도로 상하 가변 되도록 하여 시료의 반응기 내로 유입과 배출이 가능 하도록 하였다.
마이크로웨이브 열분해 실험은 수분함량이 82%인 탈수 슬러지(dewatered sludge) 시료 10 g과 마이크로웨이브를 잘 흡수하는 열 수용체(heat receptor) 5 g을 혼합해서 사용하였다. 열 수용체 탄화물은 MWR에서 열분해과정 중 생성된 슬러지 촤(sludge char)와 이에 대한 비교를 위해 상용 흑연 (graphite)이 사용되었다.
마이크로웨이브 열분해 실험을 위한 장치는 Fig. 1과 같이 마이크로웨이브 반응기(Microwave Reactor, MWR), 가스 공급 라인, 가스/타르 샘플링 및 분석라인으로 구성되었다.
마이크로웨이브 열분해 실험은 수분함량이 82%인 탈수 슬러지(dewatered sludge) 시료 10 g과 마이크로웨이브를 잘 흡수하는 열 수용체(heat receptor) 5 g을 혼합해서 사용하였다. 열 수용체 탄화물은 MWR에서 열분해과정 중 생성된 슬러지 촤(sludge char)와 이에 대한 비교를 위해 상용 흑연 (graphite)이 사용되었다. 생성된 가스를 운반하기 위해 아르곤 1 L/min의 유량을 지속적으로 MWR로 공급하였다.
가스/타르 샘플링 및 분석 라인은 열 분해시 생성되는 가스와 타르를 포집하는 라인과 분석할 수 있는 장치들로 구성되어있다. 포집 라인은 타르 포집용 임핀져(impinge)가 들어 있는 항온조와 칠러(ECS-30SS, Eyela Co., Japan)에 의해 냉각되는 냉각조(cooling bath), 습식 가스미터(W-NK-1A, Shinagawa, Japan), GC(gas chromatography) 보호를 위한 활성탄필터와 목화필터로 구성되었다. 타르 흡수액으로 사용된 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, 99.

이론/모형

생성된 타르를 측정하기 위한 습식 샘플링 방법 및 타르 분석법은 Biomass Technology Groups (BTGs)에서 제시한 방법을 이용하였다.⁵⁾ 습식 샘플링은 실험 시 발생된 타르를 포집하여 GC-FID를 이용한 경질타르 분석과 중량 측정을 통한 중량타르(gravimetric tar)를 측정하였다.
그리고 원소분석에서 보면 탄소가 약 30%로 다량 있으며, 수소가 일부 가연성분으로 존재한다. 원소분석 결과를 바탕으로 듀롱식(Dulong equation) 을 이용하여 발열량을 계산하였으며 13.6 MJ/kg이었다.

성능/효과

10) 1차 반응에 영향을 미치는 가열율은 수용체 슬러지 촤의 경우가 흑연에 비해 작으나 Fig. 2의 TGA곡선 설명에서 알 수 있듯이 대부분의 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 가스상물질의 탈착 등에 의한 생성물이 600℃ 이하에서 이루어지는데 이 온도 구간의 경우 거의 두 수용체의 가열율이 거의 일정하여 큰 차이를 보이지 않았다.
두 수용체 모두 가연성 가스는 수소(H₂)농도가 가장 높고 메탄(CH₄)과 경질 탄화수소(C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈)가 생성되었다. 그 외에 이산화탄소(CO₂)와 일산화탄소(CO) 일부가 발생되었다.
슬러지 촤 수용체의 경우는 가열율이 80℃/min이고 최종 열분해 온도는 1,000℃이다. 수용체 흑연은 슬러지 촤에 비해 상대적으로 온도증가율이 160℃/min로 큰 편이나 최종 열분해 온도는 800℃로 작은 값을 보였다.

후속연구

1) 그러므로 하수처리과정에서 생성되는 슬러지를 적절하게 처리를 한다면 유용한 자원이 될 수 있으며, 이를 위해서는 새로운 형태의 에너지 및 자원화 처리 기술의 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열 수용체를 마이크로웨이브에 혼합하는 이유는 무엇인가?	하지만 마이크로웨이브 유전체 가열(dielectric heating) 열 분해의 경우 하수 슬러지는 낮은 유전체 특성 때문에 충분한 마이크로파 흡수가 어려워 열분해에 필요한 온도를 달성하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 슬러지에 열 수용체(heat receptor)를 혼합하여 마이크로웨이브에 의한 고온 열분해가 가능하게 하며 어떠한 수용체를 선택하느냐에 따라 마이크로웨이브 열분해 특성과 생성물 등에 많은 영향을 미친다.
	열분해 방식이란 무엇인가?	이러한 기술 중의 하나가 유기성 슬러지 폐기물의 에너지 자원화를 위한 열․화학적 처리(thermo-chemical treatment)인 열분해 방법이다. 열분해는 공기나 산화제가 없는 상태에서 슬러지에 열을 가하여 처리하는 방식으로 가스와 오일, 그리고 탄소 고형물인 촤(char)를 만들어낸다. 열분해기술은 에너지회수과정에서 기존의 방법보다 낮은 농도의 NOx과 SOx를 배출하고 소각처럼 산화성 분위기에서 발생되는 독성 유기성물질이 거의 발생되지 않는다는 점에서 관심을 끌고 있다.
	매립 처리 방법의 단점은 무엇인가?	산업의 규모와 인구 증가로 인해 폐수처리시설에서 발생되는 하수 슬러지는 꾸준히 증가되고 있지만, 주된 처리 방법이었던 해양투기가 2012년부터 금지되어 매립과 소각처리 그리고 건조 후 석탄 화력발전소, 시멘트 공장 등에 사용되고 있는 실정이다. 그러나 매립 처리는 중금속 등 오염물질에 의한 토양오염문제, 소각 처리는 연소과정에서 발생되는 다이옥신 등 유해물질의 배출, 건조 처리 후 연료화는 건조 과정 중 발생되는 악취 등의 오염물 발생과 열풍 건조 비용이 많이 소요된다.

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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].

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