@01 하□폐수 슬러지의 연속식 액화 공정 가동

@02 이호태,박상호,정헌,윤왕래

@03 한국에너지기술연구소

@04 Operation of continuous process on sludge liquefaction ficility

@05 Ho-Tae Lee,Snag-Ho Park,Heon Jung,Wang-Lai Yoon

@06 Korea Institute of Energy Research

@07 prn_wst.hwp

@08 sludge,liquefaction,continuous unit

@09 F

@10 산업의 발달과 함께 증가하는 공업용수의 사용으로 처리되는 폐수의 양이 증가하였으며, 이와 함께 폐수처리장에서 발생하는 슬러지의 양도 점차로 증가하고 있는 실정이다. 현재 국내 하·폐수처리장에서 발생하는 슬러지의 양은 하루에 3,000톤에 달하고 있으며, 매년 증가하는 추세에 있다. 특히 공단등에서 발생하는 양을 포함시키면 7,000톤 이상이 하루에 발생하는 것으로 추산되고 있다. 슬러지를 처리하여 에너지를 회수할 수 있는 슬러지 액화 공정은 2차적인 오염을 일으키지 않으면서 처리에 많은 문제를 갖고 있는 매립, 해양투기 등 보다는

@99

서론

산업의 발달과 함께 증가하는 공업용수의 사용으로 처리되는 폐수의 양이 증가하였으며, 이와 함께 폐수처리장에서 발생하는 슬러지의 양도 점차로 증가하고 있는 실정이다. 현재 국내 하·폐수처리장에서 발생하는 슬러지의 양은 하루에 3,000톤에 달하고 있으며, 매년 증가하는 추세에 있다. 특히 공단등에서 발생하는 양을 포함시키면 7,000톤 이상이 하루에 발생하는 것으로 추산되고 있다.

각 처리장에서 발생하는 슬러지는 대부분이 매립하거나 해양투기로 처리하고 있으나, 수분을 75-85% 함유하고 있기 때문에 매립을 할 경우 침출수 문제가 심각하며, 해양 투기도 런던협약에 의해 1996년부터 전면 금지되었기 때문에 처리에 많은 어려움이 예상되고 있다. 슬러지는 소각로에서 연료와 함께 소각하는 것이 가장 손쉬운 방법이지만 높은 함수율로 인해 건조의 과정을 거쳐야하기 때문에 보조연료의 사용이 불가피하며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 미국, 독일 등의 선진국에서는 발열량이 비교적 높은 석탄 또는 도시 쓰레기와 혼합하여 소각하면서 발생하는 열을 이용하여 스팀의 생산 또는 발전에 활용하기도 한다. 그러나 슬러지의 소각은 해결하여야할 문제가 아직도 많이 남아 있으며, 특히 슬러지에는 질소 및 황과 같은 오염 유발 물질이 많이 함유되어 있기 때문에 오염물질의 배출에 대한 세심한 주의가 필요하다. 이러한 문제점들을 해결하면서 슬러지를 이용하는 기술들이 각국에서 연구중에 있다.

최근에는 슬러지를 처리하면서 슬러지에 포함된 유기물을 연료로 활용할 수 있는 기술의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 슬러지를 액체연료로 전환하는 기술은 독일의 Bayer와 Kutubbudin1)이 가능성을 제시한 이후 캐나다의 Briddle과 Campell2)이 슬러지에 포함된 유기물의 열분해시 에너지 발생 가능성을 보고하고 있으며, 일본의 Suzuki등3)이나 미국의 Molton등4)은 고압의 액화반응을 통하여 고품질의 액체연료를 얻을 수 있다고 보고하고 있다.

국내의 경우 아주대학교의 이건모 등이 슬러지의 열분해에 의한 오일회수기술 연구를 수행한바 있으며5), 현재 용인 하수처리장에 슬러지 열분해 시설이 설치되어 가동중에 있다. 또한 본 연구팀에서는 슬러지의 직접 액화반응에 의해 오일의 전환율이 70% 가량 되는 것을 보고한바 있다6).

본 연구에서는 공단폐수처리장에서 발생한 슬러지를 대상으로하여, 회분식 반응기를 이용한 실험과, 연속공정을 이용한 슬러지 액화반응성 및 탈수성능의 향상에 관한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 살펴보았다.

실험

실험에 사용한 슬러지는 C 공단 폐수종말처리장에서 채취한 슬러지로, 수분 82.6%, 건조 발열량 4,230kcal/kg 이며, 분석결과는 <표 1>에 나타내었다.

<표 > 슬러지의 분석 결과

원소분석(wt%)				공업분석(wt%)				발열량 (kcal/kg)
C	H	N	S	수분	회분	휘발분	고정탄소
39.7	5.56	7.11	2.42	4.1	23.9	61.5	10.5	4,230

실험은 회분식 반응 실험과 연속식 반응실험으로 구분하여 수행하였다. 회분식 실험은 200 ml 용량의 회분식 반응기를 이용하여 250℃-350℃에서 30분간 슬러지에 포함된 수분의 증기압에 의해 가압된 상태에서 수행하였다. 사용한 실험장치의 개략은 [Fig. 1]에 나타낸바와 같다.

[Fig.]  Schematic  of  batch experiment apparatus

연속식 실험은 회분식 반응 결과를 근거로 제작한 1~2 kg/hr 용량의 연속식 공정에서 수행하였으며, 압력은 60기압으로 고정하고 온도(250~300℃), 체류시간을 변화시켜 가면서 수분의 제거효율, 액화반응 수율, 공정의 안정적 가동성 등을 검토하였다. 본 실험에서 사용한 연속공정은 슬러지를 가압하여 공급하는 슬러지 공급부, 슬러지를 고온, 고압에서 반응시키는 반응부, 그리고 생성된 물질을 감압하면서 분리하는 감압 및 분리부로 구성되어 있으며, 전체의 압력 유지를 위하여 back- pressure-regulator를 사용하였다. 슬러지의 공급은 내부에 피스톤이 들어있는 두 개의 고압용기를 이용하여 고압으로 반응기에 수송할 수 있도록 구성하였다. 반응기는 체류시간 외부에서 고온의 오일을 순환시켜 가열하는 방식을 채택하였으며, 반응기를 빠져나온 생성물은 두 개의 분리기에서 번갈아가면서 모인 후 감압하여 생성물 시료를 채취할 수 있도록 하였다. 공정의 전체의 개략은 [Fig. 2]에 나타낸바와 같다.

[Fig. ] Schematic of continuous sludge liquefaction unit

반응후 생성된 생성물은 원심분리기에서 6,000 rpm으로 10분간 돌려 물이 주성분인 수용액과 오일과 잔류물이 혼합된 슬러리로 분리한 후 분석을 행하였다.

실험결과

1. 회분식 실험

슬러지에 포함된 수분은 슬러지에 포함된 고형물의 미세 기공에 들어있거나, 결정수 형태로 존재하기 때문에 기계적인 탈수의 방법으로는 70% 이하로 함수율을 낮추기가 매우 힘이든다. 따라서 수분을 효율적으로 제거하기위하여는 온도를 높여 주어 결정수 형태를 끊어 주어야 하며, 본 연구에서는 온도변화에 대한 수분 제거성능을 살펴보았다. 그 결과 온도 증가에 따라 수분의 제거 성능은 증가하며, 200 ℃에서 50%의 수분이 제거됨을 볼 수 있으며, 300℃에서는 70% 가량의 수분이 원심분리의 방법으로 제거가 됨을 볼 수 있었다. 또한 슬러지의 액화반응은 250℃ 이상에서 일어나며, 300℃에서 약 70%의 유기물이 오일로 전환됨을 볼수 있었다. 실험결과를 [Fig. 3]에 나타내었다.

[Fig. ] Temperature effect on separation of water and slurry.

2. 연속식 실험

연속공정은 50시간 이상 연속 가동에 성공하였으며, 가동중에 반응온도(250℃, 275℃, 300℃) 및 체류시간(15 ~ 40분)을 바꾸어 가면서 실험을 수행하였다. 그 결과 250℃에서는 체류시간 30분 이내에서는 생성물이 젤리와 같은 형태로, 원심분리하였을 때 수용액상과 슬러지 상으로의 분리가 잘 이루어지지 못함을 보였다. 그러나 체류시간 40분에서는 생성물은 물과 같이 유동성이 좋은 생성물을 얻었으며, 원심분리 결과도 양호한 결과를 보이고 있다. 또한 반응온도 275℃ 이상에서는 15분 이상의 체류시간에서 유동성이 좋은 생성물을 얻을 수 있었으며, 분리성능 또한 우수함을 볼 수 있었다.

결론

슬러지를 효율적으로 처리할 수 있는 액화공정의 개발을 위한 연속공정의 설계 및 설치, 가동을 완료하여 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 특히 수증기 분압보다 낮은 압력(60기압)하에서 슬러지의 액화반응이 진행됨을 볼 수 있었으며, 회분식 실험결과와는 조금 다르게 반응온도 250℃, 체류시간 40분 이상, 또는 반응온도 250℃ 이상에서 슬러지의 미세 기공에 들어있거나 결정수 형태로 존재하는 수분이 반응으로 떨어져 원심분리했을 때 70% 이상이 제거됨을 볼 수 있었다.

참고문헌

1. Bayer, E. and Kutubbudin, M., "Low temperature conversion of sludge and waste to oil", Proceedings of the International Recycling Congress, Berlin, West Germany (1982).

2. Bridle, T.R. and Campbell, H.W., "Conversion Of Sewage Sludge To Liquid Fuel", The 7th Annual AQTE Conf. Montreal Quebec, 350 - 360 (1984)

3. Suzuki, A., Nakamura, T., Itoh, S., Yokoyama, S., Ogi, T. and Minowa, T., "Continuous Thermochemical Liquefaction Of Sewage Sludge", Internation Chem. Congress Of Pacific Basic Soc., At Hawaii Dec. 17 - 22 (1989)

4. Molton, P.M., Fassbender, A.G. and Brown, M.D., "STORS: The sludge to oil reactor system" US Report, EPA/600/2-86/034, NTIS PB86-175684 (1986)

5. Yasuda, Y., "Sewage sludge utilization technology in Tokyo", Wat. Sci. Tech., 23, 1743-1752 (1991)

6. 이건모, 조순행, □하·폐수 슬러지의 열분해 공정 연구□, 동력자원부 연구보고서, 911D204-348FPI, (1992)

7. 이호태, 진경태, 이인철, 정헌, □하·폐수 슬러지의 액화반응성 연구□, 폐기물학회지, 12(5), 612-617 (1995)