반 건조 하수슬러지와 폐플라스틱 혼합물의 파일롯 규모 연속식 열분해에 의한 생산물과 발생 오염물질 Products and pollutants of half dried sewage sludge and waste plastic co-pyrolysis in a pilot-scale continuous reactor원문보기
반 건조 소화 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 파일롯 규모(85.3kg/hr)의 연속식 저온($510^{\circ}C{\sim}530^{\circ}C$) 열분해 실험을 하였다. 실험결과 열분해가스 발생량은 투입물 건량의 최대 68.3%, 발열량은 $40.9MJ/Nm^3$이었으며, 연속식 열분해에 따른 외기 유입율이 19.6%이었다. 오일은 투입물 건량의 4.2%가 발생하였고, 저위발열량은 32.5 MJ/kg이었으며 시설부식 등을 일으킬 수 있는 황과 염소의 함량이 각각 0.2% 이상이었다. 투입물 건량의 27.5%가 발생한 탄화물의 저위 발열량은 10.2 MJ/kg이었고, 용출시험 결과 지정폐기물에 해당하지 않았다. 열분해가스의 연소 배가스는 일산화탄소, 황산화물, 시안화수소 등의 배출농도가 특히 높았고, 다이옥신 (PCDDs/DFs)은 $0.034ng-TEQ/Sm^3$로서 법적 기준치 이내였다. 건조 배가스 응축으로 발생한 폐수는 수질오염물질 47개 항목 중 총질소, n-H 추출물질, 시안 등의 고농도 항목이 많아 전처리 후 하수처리장 등에서의 병합처리 방식을 고려할 필요가 있었다.
반 건조 소화 하수슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 파일롯 규모(85.3kg/hr)의 연속식 저온($510^{\circ}C{\sim}530^{\circ}C$) 열분해 실험을 하였다. 실험결과 열분해가스 발생량은 투입물 건량의 최대 68.3%, 발열량은 $40.9MJ/Nm^3$이었으며, 연속식 열분해에 따른 외기 유입율이 19.6%이었다. 오일은 투입물 건량의 4.2%가 발생하였고, 저위발열량은 32.5 MJ/kg이었으며 시설부식 등을 일으킬 수 있는 황과 염소의 함량이 각각 0.2% 이상이었다. 투입물 건량의 27.5%가 발생한 탄화물의 저위 발열량은 10.2 MJ/kg이었고, 용출시험 결과 지정폐기물에 해당하지 않았다. 열분해가스의 연소 배가스는 일산화탄소, 황산화물, 시안화수소 등의 배출농도가 특히 높았고, 다이옥신 (PCDDs/DFs)은 $0.034ng-TEQ/Sm^3$로서 법적 기준치 이내였다. 건조 배가스 응축으로 발생한 폐수는 수질오염물질 47개 항목 중 총질소, n-H 추출물질, 시안 등의 고농도 항목이 많아 전처리 후 하수처리장 등에서의 병합처리 방식을 고려할 필요가 있었다.
A continuous low temperature ($510^{\circ}C{\sim}530^{\circ}C$) pyrolysis experiment in a pilot-scale of 85.3 kg/hr was carried out by the mixed feedstock of half dried digested sewage sludge and waste plastics. As a result, the amount of pyrolysis gas generated was maximum 68.3% of input...
A continuous low temperature ($510^{\circ}C{\sim}530^{\circ}C$) pyrolysis experiment in a pilot-scale of 85.3 kg/hr was carried out by the mixed feedstock of half dried digested sewage sludge and waste plastics. As a result, the amount of pyrolysis gas generated was maximum 68.3% of input dry mass and scored $40.9MJ/Nm^3$ of lower heating value (LHV), and the percentage of air inflow caused by continuous pyrolysis was 19.6%. The oil was produced 4.2% of the input dry mass, and the LHV was 32.5 MJ/kg. The sulfur and chlorine contents, which could cause corrosion of the facility, were found to be 0.2% or more respectively. The carbide generated was 27.5% of the input dry mass which shows LHV of 10.2 MJ/kg, and did not fall under designated waste from the elution test. The concentration of carbon monoxide, sulfur oxides and hydrogen cyanide of emitted flu gas from pyrolysis gas combustion was especially high, and dioxin (PCDDs/DFs) was within the legal standards as $0.034ng-TEQ/Sm^3$. Among the 47 water pollutant contents of waste water generated from dry flue gas condensation, several contents such as total nitrogen, n-H extract and cyanide showed high concentration. Therefore, the merge treatment in the sewage treatment plants after pre-treatment could be considered.
A continuous low temperature ($510^{\circ}C{\sim}530^{\circ}C$) pyrolysis experiment in a pilot-scale of 85.3 kg/hr was carried out by the mixed feedstock of half dried digested sewage sludge and waste plastics. As a result, the amount of pyrolysis gas generated was maximum 68.3% of input dry mass and scored $40.9MJ/Nm^3$ of lower heating value (LHV), and the percentage of air inflow caused by continuous pyrolysis was 19.6%. The oil was produced 4.2% of the input dry mass, and the LHV was 32.5 MJ/kg. The sulfur and chlorine contents, which could cause corrosion of the facility, were found to be 0.2% or more respectively. The carbide generated was 27.5% of the input dry mass which shows LHV of 10.2 MJ/kg, and did not fall under designated waste from the elution test. The concentration of carbon monoxide, sulfur oxides and hydrogen cyanide of emitted flu gas from pyrolysis gas combustion was especially high, and dioxin (PCDDs/DFs) was within the legal standards as $0.034ng-TEQ/Sm^3$. Among the 47 water pollutant contents of waste water generated from dry flue gas condensation, several contents such as total nitrogen, n-H extract and cyanide showed high concentration. Therefore, the merge treatment in the sewage treatment plants after pre-treatment could be considered.
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문제 정의
본 연구는 이를 위해 반 건조 하수슬러지와 공동주택에서 분리배출된 플라스틱류 폐기물에서 재활용을 위한 선별 후 발생하는 폐잔재 플라스틱을 혼합하여 투입물을 만들고, 이를 파일롯 규모의 열분해 시설을 설치하여 실험하였다. 즉, 이들 혼합폐기물의 연속식 저온 열분해시 발생하는 생산물 및 배출오염물질의 종류와 특성에 대한 연구를 수행하였고, 이를 통해 시스템 설계에 필요한 기초 정보를 제공하고자 하였다.
제안 방법
함수율 41.6%의 반 건조 하수처리장 소화슬러지 271.6 kg를 자원회수 선별 후의 폐플라스틱 잔재물 112.4 kg과 혼합하여 함수율 29.5%의 파일롯 규모 연속식 저온 (85.3kg/hr, 510℃~530℃) 열분해 실험을 하였다.
그림에서 보듯 실험에 사용된 저온 열분해 장치의 주 공정설비는 투입물 건조장치와 건조된 투입물에 대한 열분해 장치이다. 건조장치와 열분해 장치는 직렬로 연결하였고, 열 전달 효율을 높이기 위하여 상부 건조기와 하부 열분해기의 2단으로 구성하였다. 투입물은 스크류 교반·이송 형식으로 하였으며, 건조기는 0.
5시간에 걸친 운영시간, 열분해 온도의 변화 등 실험 여건상 측정상의 오차가 컸다. 따라서 가스량에 대한 직접 계측보다는 물질수지에 의하여 추정하는 방법을 사용하였다. 총 생산된 열분해 가스량은 투입물 건조총량에서 오일류와 탄화물의 양을 제할 경우 184.
한편 건조기에서 발생한 건조 배가스 응축수에 대하여는 47개 수질항목을 분석하였다. 또한, 자체 열원으로 사용하기 위해 열분해 가스가 연소된 후 열분해기와 건조기를 거쳐 최종 배출되는 연소 배가스에 대하여는 대기환경보전법 시행규칙 별표8 규정의 배출허용기준 항목을 분석하였다. 아울러 잔류성 유기오염물질관리법 시행규칙 별표 3 규정에 따른 다이옥신 농도를 열분해가 안정적으로 이루어지는 시점부터 열분해 실험이 종료된 이후까지 총 4시간 15분 동안 별도로 측정하였다.
이는 향후 현장에서 이러한 처리방법의 적용시 생산연료의 정제, 오염 물질에 대한 처리방안과 관련한 공법선택과 경제성을 판단하는데 필요하기 때문이다. 본 연구는 이를 위해 반 건조 하수슬러지와 공동주택에서 분리배출된 플라스틱류 폐기물에서 재활용을 위한 선별 후 발생하는 폐잔재 플라스틱을 혼합하여 투입물을 만들고, 이를 파일롯 규모의 열분해 시설을 설치하여 실험하였다. 즉, 이들 혼합폐기물의 연속식 저온 열분해시 발생하는 생산물 및 배출오염물질의 종류와 특성에 대한 연구를 수행하였고, 이를 통해 시스템 설계에 필요한 기초 정보를 제공하고자 하였다.
또한, 자체 열원으로 사용하기 위해 열분해 가스가 연소된 후 열분해기와 건조기를 거쳐 최종 배출되는 연소 배가스에 대하여는 대기환경보전법 시행규칙 별표8 규정의 배출허용기준 항목을 분석하였다. 아울러 잔류성 유기오염물질관리법 시행규칙 별표 3 규정에 따른 다이옥신 농도를 열분해가 안정적으로 이루어지는 시점부터 열분해 실험이 종료된 이후까지 총 4시간 15분 동안 별도로 측정하였다. 열분해 생성물과 배출오염물질 등에 대한 각각의 분석 항목과 분석법은 Table 3과 같다.
열분해 실험결과 발생되는 물질인 가스, 오일, 탄화물에 대해 공업분석과 원소분석 등을 하였다. 열분해 가스는 비응축 가스를 그리고 오일류는 오일 생산설비에서 열분해 가스의 응축으로 발생된 오일류를 대상으로 하였다.
잉여가스는 별도라인으로 배출하여 소각처리 하였으며, 잉여 가스량에 대하여는 다이아프램식 가스미터(형식승인번호: 제MPI-H–07–83–8호)를 사용하여 그 양을 측정하였다.
투입물은 스크류 교반·이송 형식으로 하였으며, 건조기는 0.75 RPM으로 그리고 하부 열분해기는 0.71 RPM로 하여 시간당 85.3kg으로 정속 투입하였다.
열분해 가스는 비응축 가스를 그리고 오일류는 오일 생산설비에서 열분해 가스의 응축으로 발생된 오일류를 대상으로 하였다. 한편 건조기에서 발생한 건조 배가스 응축수에 대하여는 47개 수질항목을 분석하였다. 또한, 자체 열원으로 사용하기 위해 열분해 가스가 연소된 후 열분해기와 건조기를 거쳐 최종 배출되는 연소 배가스에 대하여는 대기환경보전법 시행규칙 별표8 규정의 배출허용기준 항목을 분석하였다.
대상 데이터
건조·열분해에 필요한 에너지는 최초 가동시 예열을 위하여 등유 18.7 L를 사용하였고, 열분해 가스 생성이 이루어진 이후에는 열분해 가스를 건조 및 열분해를 위한 열원으로 사용하였다.
대상 실험재료는 반 건조 하수슬러지와 폐플라스틱 잔재물의 혼합물이다. 하수슬러지는 반 건조 슬러지에 해당하도록 탈수 슬러지와 건조 슬러지를 사전에 혼합하여 제조하였다.
하수슬러지는 반 건조 슬러지에 해당하도록 탈수 슬러지와 건조 슬러지를 사전에 혼합하여 제조하였다. 사용된 탈수 슬러지는 인천 서구에 위치한 수도권매립지로 반입되는 하수처리장의 소화 후 탈수 슬러지이며, 건조 슬러지는 동 매립지내 슬러지 건조연료화 시설 (1,000톤/일)에서 상기의 탈수 슬러지를 LNG를 이용하여 열 건조하여 생산한 것이다. 즉, 하수처리장 소화조에서 메탄가스 생산 후 농축 및 탈수된 하수슬러지 129.
열분해 실험결과 발생되는 물질인 가스, 오일, 탄화물에 대해 공업분석과 원소분석 등을 하였다. 열분해 가스는 비응축 가스를 그리고 오일류는 오일 생산설비에서 열분해 가스의 응축으로 발생된 오일류를 대상으로 하였다. 한편 건조기에서 발생한 건조 배가스 응축수에 대하여는 47개 수질항목을 분석하였다.
Table에서 보는 것처럼 실험에 사용된 폐플라스틱류는 거의 대부분이 플라스틱이며 소량의 비닐류와 고무류가 포함되어 있다. 이 폐플라스틱 112.4 kg를 상기 반 건조 하수슬러지와 혼합하여 최종적으로 수분 29.5%의 혼합 투입물 384.0 kg을 제조하였다. 탈수슬러지와 건조슬러지를 혼합하여 제조된 반 건조 슬러지, 폐플라스틱 잔재물 그리고 이 양자를 혼합한 혼합 투입물의 물리화학적 조성은 Table 2와 같다.
사용된 탈수 슬러지는 인천 서구에 위치한 수도권매립지로 반입되는 하수처리장의 소화 후 탈수 슬러지이며, 건조 슬러지는 동 매립지내 슬러지 건조연료화 시설 (1,000톤/일)에서 상기의 탈수 슬러지를 LNG를 이용하여 열 건조하여 생산한 것이다. 즉, 하수처리장 소화조에서 메탄가스 생산 후 농축 및 탈수된 하수슬러지 129.3 kg (수분 78.4%, 회분 6.8%, 가연분 17.3%)과 동 하수슬러지의 건조 슬러지 142.3 kg (수분 7.9%, 회분 34.6%, 가연분 57.5%)을 열분해 실험을 위하여 혼합하여 함수율 41.6 %인 반 건조 하수슬러지 271.6 kg을 제조하였다.
성능/효과
034 ng-TEQ/Sm3 로서 기준치 이내로 분석되었다. 건조 배가스를 응축하여 발생한 폐수는 수질오염물질 47개 항목 중 상대적으로 총 질소의 농도가 높았고, 이외에도 n-H 추출물질, 시안 등이 높기 때문에 총 발생량과 수질을 감안하여 전처리 후 하수처리장 등에서의 병합처리 방식을 고려할 필요가 있었다.
그러나 연속식 열분해 방식에 따른 외기 유입율이 19.6%이므로 잉여가스는 정제 후 외부 공급보다는 발전, 온수생산 등 자체 활용하는 것이 기술·경제성 면에서 합리적일 것으로 판단되었다.
따라서 향후 동 실험과 같이 슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 열분해를 할 경우 완전연소에 필요한 연소실 온도 유지, 2초 이상의 체류시간 그리고 SOx, HCl 과 같은 산성가스를 제거 할 수 있는 세정 시설 [21] 등의 설치가 필요할 것으로 판단되었다. 다이옥신에 대한 분석결과는 기준인 0.1ng-TEQ/Sm3 보다 작아 실제 운영에서 문제가 되지 않을 것으로 보였다.
또한 원소분석 결과 납성분이 225 mg/kg이었다. 동탄화물은 폐기물관리법 시행규칙 별표 5의 3 재활용기준 중 유기성오니를 가공하여 연료로 제조하는 경우의 납 항목을 충족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 탄화물의 경우 열분해 장치의 내부 소요에너지 등으로 자체 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
Table에서 보는 바와 같이 건조시설에서의 가열에 의한 유기질과 질소화합물의 휘산으로 BOD와 총질소가 높은 수준이었다. 생물학적 처리를 위한 BOD와 질소의 비율을 고려할 때 질소의 높은 농도는 수 처리 공법 선정에서 유의해야할 부분으로 판단되었다. 또한 n-H 추출물질, 시안, 음이온계면활성제, 기타 유기화합물질 등 미생물 활동에 영향을 주는 항목들에 대한 처리가 필요한 것으로 판단되었다.
3kg/hr, 510℃~530℃) 열분해 실험을 하였다. 실험결과 열분해가스 발생량은 투입물 건량의 최대 68.3%이고 발열량은 40.9 MJ/Nm3로서 연료로서의 가치가 충분하였다. 그러나 연속식 열분해 방식에 따른 외기 유입율이 19.
열분해 가스 발생량 중 공기펌프 2대에 의한 건조 및 열분해 열원으로 사용된 가스량 측정은 전체 384.0 kg에 달하는 투입물 규모와 4.5시간에 걸친 운영시간, 열분해 온도의 변화 등 실험 여건상 측정상의 오차가 컸다. 따라서 가스량에 대한 직접 계측보다는 물질수지에 의하여 추정하는 방법을 사용하였다.
0 mg/L 로 매우 작았다. 열분해 가스는 이와 같이 수분함량이 낮고 저위발열량이 LNG와 유사하여 연료로의 사용 잠재력은 컸으나, 반면 CO2, N2 등 불연성 기체의 함량이 30%이상으로 높았다. 이는 파일롯 실험설비가 연속식 열분해시스템이므로 투입물 공급시 불가피 하게 외기가 유입되기 때문이다.
2 MJ/kg으로서 무연탄, 유연탄(연료용)의 절반정도에 불과하였으며 용출시험 결과 지정폐기물에는 해당하지 않았다. 열분해 가스를 연소하여 자체 열원으로 사용한 후 최종 배출되는 배가스는 특히 일산화탄소, 황산화물, 시안화수소의 배출농도가 높았고, 다이옥신 (PCDDs/DFs)은 0.034 ng-TEQ/Sm3 로서 기준치 이내로 분석되었다. 건조 배가스를 응축하여 발생한 폐수는 수질오염물질 47개 항목 중 상대적으로 총 질소의 농도가 높았고, 이외에도 n-H 추출물질, 시안 등이 높기 때문에 총 발생량과 수질을 감안하여 전처리 후 하수처리장 등에서의 병합처리 방식을 고려할 필요가 있었다.
따라서 가스량에 대한 직접 계측보다는 물질수지에 의하여 추정하는 방법을 사용하였다. 총 생산된 열분해 가스량은 투입물 건조총량에서 오일류와 탄화물의 양을 제할 경우 184.8 kg으로서 투입물 건량의 68.3%이다. 그러나 열분해기 내부에 왁스와 그을음 등 으로 부착된 일부 열분해 잔재물이 있기 때문에 이보다는 다소 적을 것으로 판단된다.
아울러 탄화물을 폐기물로 반출처리 할 경우 지정폐기물 여부가 시설 운영비에 큰 영향을 줄 수 있다. 탄화물에 대해 폐기물관리법 시행규칙 별표 1에서 규정하는 유해물질을 용출시험을 통해 분석한 결과 11개 항목 중 구리 및 그 화합물만 0.009 mg/kg이었고 나머지는 불검출로 나타나 지정폐기물에 해당하지는 않았다.
3 kg이 발생하였으며, 성상분석 결과는 Table 6과 같다. 탄화물의 저위 발열량은 10.2 MJ/kg으로서 열분해 가스나 오일류가 기존 연료제품과 유사한 발열량을 보이는 것과는 달리 국내 무연탄 19.3MJ/kg, 유연탄(연료용) 24.9 MJ/kg, 아역청탄 20.9 MJ/kg 대비 절반정도에 불과하였다. 또한 원소분석 결과 납성분이 225 mg/kg이었다.
후속연구
Table에서 보는 바와 같이 특히 일산화탄소, 황산화물, 시안화수소의 배출농도가 높은 수준이었다. 따라서 향후 동 실험과 같이 슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 열분해를 할 경우 완전연소에 필요한 연소실 온도 유지, 2초 이상의 체류시간 그리고 SOx, HCl 과 같은 산성가스를 제거 할 수 있는 세정 시설 [21] 등의 설치가 필요할 것으로 판단되었다. 다이옥신에 대한 분석결과는 기준인 0.
생물학적 처리를 위한 BOD와 질소의 비율을 고려할 때 질소의 높은 농도는 수 처리 공법 선정에서 유의해야할 부분으로 판단되었다. 또한 n-H 추출물질, 시안, 음이온계면활성제, 기타 유기화합물질 등 미생물 활동에 영향을 주는 항목들에 대한 처리가 필요한 것으로 판단되었다. 열분해 후 발생되는 건조 배가스와 열분해 가스에서 발생되는 응축수 일부는 투입물 내 산소와 수소에 의하여 생성되기도 하나 대부분은 투입물에서 공급된다.
이들 두 종류의 폐기물을 혼합하여 열분해처리 할 경우는 이들에 대한 개별 열분해 [17-19]나 다른 폐자원이나 바이오매스와의 혼합 열분해와는 가스, 오일, 탄화물의 발생량과 성상이 다를 수밖에 없다. 또한 열분해 시 투입물내 수분 등이 응축된 폐수와 생산된 열분해 가스를 연소하여 자체 건조 및 열분해 에너지원으로 사용하는 과정에서 발생하는 연소가스의 성분 등 역시 차이가 있게 되므로 이에 대한 사전 평가가 필요하다. 이는 향후 현장에서 이러한 처리방법의 적용시 생산연료의 정제, 오염 물질에 대한 처리방안과 관련한 공법선택과 경제성을 판단하는데 필요하기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소화가 끝난 슬러지의 단점은?
하수처리장 발생 슬러지는 대부분 생물 반응조에서 잉여슬러지로 발생하는 2차 슬러지이며, 대형 하수처리장의 경우 슬러지 소화를 통해 바이오가스를 생산하여 자체 에너지원으로 사용하므로 슬러지는 에너지 자원으로서의 가치를 지닌다. 그러나 소화가 끝난 슬러지의 경우 바이오가스 생산 잠재력이 낮아지는 반면 [2], 높은 함수율과 낮은 탈수효율 [3]로 인해 감량 및 자원화 그리고 최종처리가 기술적·경제적으로 매우 어렵다.
폐플라스틱을 소각처리하거나 시멘트소성로의 보조연료로 사용할 경우 문제점은?
이 때문에 대부분 소각처리하거나 시멘트소성로에서 보조연료로 사용되고 있다. 그러나 이러한 처리방식은 시설의 부식, 낮은 에너지회수효율 그리고 대기오염유발 등의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 소화슬러지와 폐플라스틱을 혼합하여 열분해 하는 방안은 처리가 곤란한 두 가지 폐기물에 대한 에너지화와 최종처분이라는 장점이 있다.
소화슬러지 자원화 방법 중 하나인 매립장 복토재 생산의 문제점은?
퇴비화는 슬러지를 토양개량제 [5]등의 용도로 사용하여 토양으로 환원시키는 친환경 및 저에너지 자원화 방안이지만, 넓은 소요부지와 악취발생 가능성 [6] 그리고 생산품의 안정적 소요처가 있어야 하는 단점이 있다. 매립장 복토재 생산은 고화제 첨가에 따른 악취발생 뿐만 아니라, 재분해가 이루어지지 않으려면 슬러지 건량보다 많은 양의 고화제를 사용해야하는 문제점이 있다. 건조 연료화는 슬러지를 함수율 10%이하로 건조하기 위한 과도한 에너지 소요[7]와 소화슬러지의 낮은 발열량으로 인해 전체 에너지 수지에 있어서는 투입에너지가 생산에너지 보다 더 큰 에너지 수지상의 불합리성을 가진다.
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