하수슬러지의 유동층 열분해 특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

한근희, 이승용, 류호정, 선도원, 류정인．, 진경태

한국에너지기술연구원 유동층기술연구센터, 충남대학교．

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Pyrolysis characteristics of sewage sludge in fluidized bed

Keun-Hee Han, Seung-Yong Lee, Ho-Jung Ryu, Dowon Shun,

Jung-In Ryu* and Gyoung-Tae Jin

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research

71-2, Jang-Dong, Yusung-Ku, Taejon, 305-343, Korea

*Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University

서  론

식량, 에너지, 물은 인간의 생존을 위하여 절대적으로 필요한 자원이다. 세계적으로 산업발달과 경제성장, 문화수준의 향상으로 폐기물의 발생량이 증가하고, 특히 도시 인구의 증가와 더불어 생활하수의 처리를 위한 하수처리장의 건설이 증가하고 있다. 국내하수슬러지는 약 년간 약 170만톤이 발생하여 대부분 단순매립이나 해양투기로 처리하고 약 20%를 소각하고 있다. 하수슬러지를 처리하는 방법에는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각, 열분해, 소각용융등이 있다. 수분함량 80%의 하수슬러지를 매립할 경우 침출수가 발생하여 지하수의 오염을 야기할 수 있다. 해양투기는 해양오염의 원인을 제공하게 되므로 주로 소각에 의한 처리가 매우 빠르게 증가하고 있다. 소각은 슬러지의 대량처리, 처리물의 감량 및 안정화, 에너지의 회수, 매립지의 축소등의 장점을 가져올 수 있다. 소각처리에 의한 방법은 소각잔재의 매립이 뒤따르게 된다[1]. 그러므로 최근에 하수슬러지의 처리방법으로 고온에서 소각용융처리하는 방식의 기술이 개발되고 있다. 수분함량 80%의 슬러지를 고온의 용융로에 주입하여 소각과 동시에 잔재를 용융시켜 유리화하는 기술이다. 이때 고온의 열이 필요하게 되므로 보조연료의 사용이 불가피한 관계로 에너지의 소비가 뒤따른다. 이런 에너지의 소비를 줄이기 위하여 슬러지를 용융로에 주입하기전에 유동층 열분해반응기에서 슬러지의 건조와 열분해를 동시에 수행하고 나서 이 과정에서 회수한 오일과 char를 고온의 용융로에 주입하여 보조연료를 대체하는 연구가 진행되고 있다.

본 연구의 목적은 함수율 80%의 슬러지를 유동층열분해에서 어느정도의 감량화가 가능한지를 판단하고, 또 용융로에서 용융처리할 때 필요한 보조연료를 줄이기 위하여 유동층에서 건조와 열분해를 동시에 수행하고 열분해를 통하여 얻어진 char와 오일이 연료로서의 가치를 가질 수 있는지를 판단하기 위한 것이다.

실험장치 및 방법

Fig. 1에 유동층 열분해 장치의 공정도를 나타냈다. 공정의 구성은 가스 및 연료의 공급장치, 열분해 반응기와 사이클론, 가스 응축기 및 가스처리장치로 나뉜다. 열분해반응기는 스텐레스강(SUS316)으로 제작된 내경 0.083m, 높이 0.75m의 층(bed)부분과 가스의 유속을 떨어뜨리기 위하여 freeboard부분은 내경 0.12m 높이 0.45m으로 제작되고, 반응기 하부에는 가스의 고른 분배를 위하여 가스분배기가 설치되어 있다. 또 반응기는 층(bed)이 반응온도를 측정할 수 있도록 열전대(가스분배기로부터 높이 0.1, 0.25, 0.45, 1.25m)가 설치되었고, 층의 압력을 알 수 있도록 압력측정구(가스분배기로부터 높이 0.1, 0.25, 0.45, 1.25m)가 있다. 반응기 외부에는 층(bed)과 freeboard에 두 개의 전기히터가 반응기를 가열할 수 있도록 되어 있다. 가스상자에 전기히터를 설치하여 반응기에 주입되는 가스의 온도가 하강하는 것을 방지할 수 있다. 작은 입도를 가진 모래나 char가 유동화로 인하여 비산된 입자를 포집하기 위하여 사이클론이 설치되어 있다. 열분해 가스중의 물이나 오일을 회수하기 위하여 3개의 응축기가 설치되어 있다. 1차, 2차 응축기는 물을 순환하여 가스를 응축하는 방식을 사용하였고, 3차 응축기는 내부에 철편 조각을 충전하여 열분해가스중의 미세한 액적이 철편조각에 부착되어 포집하는 방식을 사용하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of fluidized bed pyrolysis reactor

반응가스는 질소와 이산화탄소 그리고 산소를 사용할 수 있도록 가스공급장치가 있고, 반응기내에 유입되기 전에 전기 히터를 통과하면서 예열할 수 있도록 하였다.

실험은 반응기내에 적당한 층 높이의 층물질(자연산 강모래)을 충전하고 반응기 외부에 설치된 3개의 전기히터에 전원을 공급하고 가스를 유입시켜, 반응기 온도를 상승시킨다. 설정된 온도가 유지되면 가스의 공급상태, 반응기 내부의 층 높이 등을 관찰한 후 슬러지를 주입한다. 슬러지는 수분함량에 따라 주입이 용이하거나 까다롭기 때문에 주의를 기울여야 한다. 층 온도 유지상태를 점검하면서 정량의 슬러지를 공급한다. 슬러지의 공급이 시작되면 층온도가 갑자기 하강할 수 있고, 유동화상태가 급변할 수 있다.  Table 1은 실험에 사용된 슬러지의 특성을 나타냈고, Table 2에 열분해 반응의 실험조건을 나타냈다. 층물질로 사용된 모래의 입도가 0.33mm로 상온에서 최소유동화속도가 11.2cm/s로 측정되었다. 그러므로 유동화속도는 최소유동화속도의 5배로 결정하였고, 층(bed)온도는 400, 500, 600, 700℃로 변화시켰으며, 슬러지의 수분함량이 하수처리장에서 배출된 80%상태와 50%와 10%로 건조한 상태의 것을 사용하였고, 반응가스의 조건도 열분해를 위한 N2만을 주입한 조건으로 실험하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

<Table > Properties of coal & limestone

Proximate analysis(%)	Moisture	81.79
	Volatile meter	10.57
	Ash	6.39
	Fixed carbon	1.66
Elemental analysis(%)	Carbon	5.60
	Hydrogen	1.05
	Nitrogen	0.56
	Sulfur	0.26
	Oxygen	2.33
Mean particle diameter(mm)		0.33
Calorific heating value(kcal/kg)		3,810

<Table > Experimental variables

Experimental parameter	Conditions
Superficial gas vel. (m/s)	Ug/Umf = 5.0
Bed temperature(℃)	400, 500, 600, 700
Content of moisture(%)	10, 50, 80
Bed height (L/D)	2.0
<table 1>의 분석기 명 -Proximate analyzer(MAC-400, LECO) -Elemental analyzer(CHN-1000, LECO) -Sulfur analyzer(SC-432DR, LECO) -Calorific analyzer(AC-300, LECO)

결과 및 고찰

Fig. 2은 유동층열분해온도의 변화에 따른 2상(Char, Liquid)의 잔유물의 무게분율을 나타낸 것이다. 일정한 양의 슬러지를 열분해 한 후 층내에 잔존하는 char의 무게와 응축기에서 응축된 액체의 무게를 총 슬러지의 투입량의 비로 나타낸 것이다. 층온도가 상승함에 따라 char의 수율은 약 10%에서 15%로 증가하는 반면 응축된 액체의 수율은 약 65%에서 60%로 감소하는 경향을 보였다. 수분함량 10%인 경우 char의 수율은 약 40%에서 층온도 700℃일 때 약 50%까지 증가하였고, 응축된 액체의 회수율은 약 25%에서 13%이하로 감소하였다. 이것은 슬러지에 함유된 많은 양의 수분이 반응기에서 건조에 의하여 가스와 함께 유동하여 응축기에서 응축되었기 때문이라고 사료된다. 한편 총 회수율은 100%에 훨씬 못 미치게 되는데 주로 미분탄소와 오일액적이 mist 형태로 배가스를 따라 유실되기 때문이다[2].

Fig. 3는 열분해온도의 변화에 따라 층(bed)내의 잔유물인 char의 원소분석치를 나타낸 것이다. 원소분석치중에서 Carbon의 함량은 수분이 많은 상태보다 적은 상태에서 열분해한 조건에서 약 5%정도 높게 나타났고, 열분해 온도가 증가함에 따라 carbon의 함량은 증가하는 것을 보였다. 탄소분과 마찬가지로 질소와 수소의 함량도 수분이 적은 상태로 열분해한 조건에서 더 높은 결과를 보였다. 탄소분이 열분해온도가 증가함에 따라 증가한 것과는 달리 질소와 수소의 함량은 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 열분해 온도가 동일한 조건에서 주입되는 슬러지의 수분함량 차이로 원소분석치가 차이가 있는 것으로 나타났다.

Fig.  Recovery rate comparison of char and liquid from sludge

Fig.  Comparison of ultimate analysis result versus temperature

Fig. 4는 열분해온도의 변화에 따라 층(bed)내의 잔유물인 char의 열량분석치를 나타낸 것이다. 발열량은 층온도의 증가에 따라 증가하는 것을 보였다. 수분함량 80%상태에서 열분해에 의하여 얻어진 char는 온도의 증가에 따라 1050kcal/kg에서 1250kcal/kg으로 증가하였고, 함수율 60%로 건조한 상태에서 열분해한 char의 발열량은 1450kcal/kg에서 1600kcal/kg로 증가하였다. 한편 함수율 10%상태에서 열분해한 경우 온도의 증가에 따라 1650kcal/kg에서 2200kcal/kg로 증가하였다. 층온도가 증가함에 따라 발열량이 증가한 것은 열분해성이 좋아지기 때문이다. 그리고 수분함량이 높은 경우 발열량이 적은 것은 주입된 슬러지의 수분이 많아 열분해반응에서 열분해보다 건조가 이루어지기 때문이라고 사료된다.

Fig. 5는 열분해온도의 변화에 대한 실험에서 응축에 의하여 얻은 액체의 발열량을 나타낸 것이다. 함수율 80%상태로 열분해한 경우 모든 조건에서 발열량이 거의 없었으며, 함수율 60%인 경우 층온도의 증가에 따라 큰 변화는 없었으나 약간 증가하는 경향을 보였다. 함수율 10%의 슬러지를 열분해한 액체의 경우 층온도의 변화에 따라 급격히 상승하는 경향을 보였고, 특히 700℃조건에서는 약 1800kcal/kg을 보여 연료의 가치가 있는 것으로 사료된다. 이러한 경향으로 미루어 보아 슬러지의 열분해는 함수율 10%이하의 조건에서 층온도 700℃이상으로 수행하여야 회수된 char와 liquid가 연료로서의 발열량을 가질 수 있다고 사료된다.

Fig.  Higher heating value of char

Fig.  Higher heating value of liquid

결  론

유동층 반응기에서 하수슬러지를 열분해온도와 함수율을 변화시켜 열분해하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) Char와 liquid의 회수율은 층온도가 증가함에 따라 char는 증가하고 liquid는 감소하였다.

2) 열분해에 의한 탄화물의 carbon은 원시료보다 약 2배정도 증가하며 층온도가 증가함에 따라 증가하고, nitrogen과 hydrogen은 큰 영향은 없었으나, 층온도가 증가함에 따라 약간 감소하였다.

3) 열분해에 의하여 회수된 char와 liquid의 발열량은 층온도가 증가함에 따라 증가하고 함수율이 낮은 슬러지일수록 높은 발열량을 보였다.

4) Char와 liquid의 발열량은 층온도의 상승에 따라 증가하고, 주입되는 슬러지의 수분함량이 낮을수록 증가하는 것을 보였다. 고위발열량 1800kal/kg이상의 char와 liquid를 얻기위하여 함수율 10%이하의 슬러지를 층온도 700℃이상의 조건으로 열분해하여야 얻을 수 있다.

감사의 글

본 연구는 환경부가 지원하는 ECOTECH21사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Tom Ogada and Joachim Werther, : "Combustion characteristics of wet sludge in a fluidized bed", Fuel Vol. 75(5), pp. 617-626(1996).

2. 최정욱, 선도원 등, : □폐플라스틱 열분해 상업화 공정개발□, 통상산업부 연구과제보고서, pp. 49-60(1996).