KR960009388B1 - 슬러지 건조 고형분 처리방법 - Google Patents

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Description

슬러지 건조 고형분 처리방법

제1도는 본 발명에 의한 슬러지 건조 고형분 처리방법을 개략적으로 나타낸 공정도.

제2도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬러지 건조 고형분 처리방법을 개략적으로 나타낸 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 호퍼 2 : 제1반응기

3 : 제2반응기 14,15 : 연소부

16,17 : 송급장치

본 발명은 유기물을 함유하고 있는 하수 및 공장폐수 슬러지의 처리방법, 특히 슬러지의 건조 고형분을 열분해하여 환경오염 문제를 유발하지 않고, 슬러지의 유기물을 에너지로 변환시키는 슬러지 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 도시하수 및 공장폐수에는 에너지로 변환가능한 유기물과 중금속이 포함되어 있다. 하·폐수 처리방법에 있어서, 기존에는 처리장의 침전조에 침전된 슬러지를 탈수하여 매립하는 경우가 주종을 이루었으나, 이 경우 매립량이 매우 많고 매립된 슬러지에 함유된 유기물이 분해되어 심한 악취와 함께 바이오가스(biogas)가 발생하고, 또한 슬러지에 함유된 중금속이 용출되어 매립지 주변지역이 오염되는 등의 심각한 환경오염 문제가 야기되어 왔다.

또한, 에너지절약 차원에서 슬러지에 포함된 유기물로부터 에너지를 회수하는 방안이 요구된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 노력으로 슬러지 고형분을 열분해하여 에너지를 회수하고 최종 처분량도 크게 감소시키는 방법이 제안되었다.

특히, 미국 특허 제4,321,150호(1982. 3. 23.)는 건조 슬러지를 열분해하여 유기물의 휘발성분을 연소가능한 연료가스로 가스화하여 회수하며, 잔류하는 차르(char)는 소각하여 슬러지로부터 에너지를 회수하여 연료로서 사용하고 매립등의 방법으로 최종 처리해야 할 회분(ash)의 양을 최소화시키는 처리방법을 제시하고 있다.

그러나, 이러한 특허의 슬러지 처리방법은 에너지회수면에서는 효율적이지만, 슬러지에 함유된 중금속과 황이 슬러지 열분해시 반응하여 차르내에 금속황화물로 안전한 상태로 존재하던 중금속이 차르를 소각함에 따라 유리되고 금속산화물로 전환되어 소각온도에서 상당량 휘발되며, 따라서 고가의 대기오염방지 설비를 필요로 한다. 특히, 소각후 잔류 회분내에는 유리금속 및 금속산화물이 존재하게 되는데, 이들은 산성용액에 잘 용해되므로 대기중에 노출되거나 매립장에 매립되는 경우 산성비 또는 산성화된 토양으로부터의 산성용액에 의해 쉽게 용출되며 그 결과 중금속에 오염된 물과 토양에서 성장한 동식물에는 중금속 함량이 높으며, 이들 동식물을 섭취한 사람의 몸에는 중금속이 농축되게 되어 각종 공해병을 야기할 수 있다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 슬러지 열분해에 의해 생성되는 차르(Char)를 매립하는 방법을 생각할 수 있으나, 차르 생성비는 슬러지 건조 고형분의 약 55-70wt%가 된다. 또한, 한국건설기술연구원의 1991년 조사통계에서 밝혀진 바와 같이 서울의 4개소 하수처리장에서 하루에 발생되는 슬러지 건조 고형분이 약 580ton에 이른다는 사실을 감안하면, 차르를 단순히 매립하는 것은 여전히 많은 양의 매립에 따른 환경 및 사회적 문제를 내포하고 있으며 회수가능한 에너지의 낭비를 초래하므로, 보다 근본적인 슬러지 처리방법이 요망되어 왔다. 따라서, 슬러지 처리는 크게 두가지 면에서 즉, 슬러지에 함유된 유기물로부터 효율적으로 에너지를 회수하는 방법과 슬러지에 함유된 중금속을 환경오염의 관점에서 보다 안전하게 처리하는 방법에 대하여 연구되고 있다.

본 발명의 목적은 유기물 함유 슬러지 열분해에 있어서, 슬러지에 함유된 중금속을 유해한 상태로 배출시키지 않고 슬러지의 유기물에 내재하는 에너지를 회수하는 슬러지 건조 고형분 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 유기물 함유 슬러지 건조 고형분의 처리방법은 슬러지 건조 고형분을 무산소의 환원성 분위기하에서 제1반응기에서 300-550℃의 온도로 열분해하여 슬러지의 유기물로부터 휘발성분을 가스화하는 제1단계 열분해와, 그로부터 생성된 차르를 무산소의 환원성 분위기의 제2반응기에서 스팀을 공급하면서 750-1000℃의 온도로 가열하여 차르내의 유기탄소를 스팀가스화하는 제2단계 열분해를 포함한다.

이하 본 발명의 실시예를 예시한 첨부도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명의 슬러지 건조 고형분 처리방법을 수행하기 위한 장치를 개략적으로 도시하고 있으며, 슬러지 건조 고형분은 하·폐수처리장의 농축조에서 농축된 슬러지를 함수율 5-15wt%로 건조한 것으로 슬러지는 미세입자의 모래를 포함한 무기물, 에너지로 변환가능한 유기물 및 미량의 철, 구리, 아연, 크롬, 카드뮴 등의 중금속을 포함한다.

슬러지 건조 고형분 처리장치는 건조된 슬러지 고형분을 저장하는 호퍼(1)와 슬러지를 열분해하는 제1반응기(2) 및 그로부터 생성된 차르를 가스화하는 제2반응기(3)를 포함한다. 호퍼(1)와 제1반응기(2), 그리고 제1반응기(2)와 제2반응기(3)는 스크류 타입의 송급장치(4,5)로 기밀상태로 연결되며, 반응기(2)의 인입구(6)측과 제2반응기(3)는 배출구(9)에는 에어록밸브(air lock valve : 10,11)가 제공되어 반응기(2,3)들의 운전중에 반응기들로 공기유입을 막아 무산소상태를 유지하도록 반응기(2,3)들을 전체적으로 밀폐공간으로 형성한다.

또한, 반응기(2,3)들은 각각 외측에 자켓형 연소부(14,15)를 가지며, 내부에는 모터로 구동되는 스크류 타입의 송급장치(16,17)가 제공되어 반응기(2,3) 내부의 장입물을 간접 가열하면서 이송하도록 하며, 제2반응기의 저면에는 복수개의 분출구멍을 지닌 스팀공급장치(12)가 제공되어 장입물 가열시 스팀이 제공되도록 한다.

제1반응기(2)에서의 슬러지 건조 고형분의 열분해와 그로부터 생성된 차르를 제2반응기(3)에서 가스화하는 것은 무산소의 환원성 분위기하에서 간접 가열방식에 의해 수행되며, 환원성 분위기는 반응개시전에 에어록밸브들(10,11)에 의해 반응기 시스템내로의 공기유입이 차단된 상태에서 제1반응기(2)의 인입구측에 제공된 분위기 가스주입구(18)를 통하여 미리 준비된 CO₂가스를 주입하여 제1반응기(2)와 제2반응기(3) 및 연결통로 내부공간의 공기를 밀어내어 제2반응기(3)의 가스배출구(30)를 통해 외부로 배출시켜 형성한다.

반응이 시작되어 비응축성 가스(NCG)가 발생되면 CO₂가스주입을 중단하고 비응축성 가스를 분위기 가스로 사용한다.

호퍼(1)로부터의 슬러지 건조 고형분은 송급장치가 제공된 통로(4)를 통하여 제1반응기(2)에 장입되고 대기압, 300-550℃의 온도에서 열분해된다. 이때 제1반응기(2) 내부에 제공된 송급장치(16)는 슬러지 고형분을 반응이 잘되도록 섞으면서 배출구(8)를 향해 천천히 이송시킨다. 슬러지의 유기물 열분해시 유기물의 60-70wt% 되는 휘발성분은 휘발되어 CO, CO₂, H₂, CH₄, C₂H₆등의 비응축성 가스(NCG)와, 탄화수소 등을 함유하는 오일성분 및 슬러지의 건조 고형분에 잔류된 수분으로부터의 열분해 응축수 등을 포함하는 응축성 가스가 발생되며 이러한 가스를 1차 가스라 한다. 1차 가스는 제1반응기(2)의 가스배출구(20)를 통해 배출된다. 슬러지 유기물의 30-40wt%는 완전히 열분해되지 않고 유기탄소로 잔류하여 슬러지의 무기물 성분과 혼합된 상태로 되며 이것을 차르라 한다. 상기 잔류 유기탄소에는 슬러지 유기물에 내재된 에너지의 30-50%가 잔존한다.

제1반응기(2)내에서 유기물의 열분해 반응이 진행되면서 슬러지에 함유된 중금속과 황이 반응하여 금속황화물로 변환되며, 차르에 잔류하게 된다. 금속황화물은 그 용해도적이 극히 작아서 용해되기 어렵기 때문에, 차르를 매립하더라도 차르내의 중금속 성분은 침출수에 용출되지 않음으므로 중금속에 의한 지하수 오염 등의 환경오염 문제가 야기되지 않는다. 그러나, 1단계의 슬러지 열분해 생성물인 차르에 함유된 금속황화물로부터 중금속이 유리되거나 금속산화물로 변환되지 않도록 하면서 차르로부터 잔류 에너지를 회수하고 최종 처리할 회분의 양을 최대한 감소시키기 위하여 차르를 재처리해야 한다.

슬러지의 1단계 열분해에서 생성된 차르는 제1반응기(2)로부터 송급장치(5)에 의해 제2반응기(3)로 이송된다. 제2반응기(3) 내부에는 제1반응기(2)의 송급장치(16)와 동형의 송급장치(17)가 제공되어 차르를 스팀가스화 반응이 잘 되도록 섞으면서 출구쪽으로 이송하는 한편, 제2반응기(3) 저면에 제공된 복수의 분출구를 포함한 스팀 분배장치(12)로부터 스팀이 분출된다. 차르는 제2반응기(3)에서 대기압, 무산소의 환원성 분위기에서 스팀 주입하에 750-1000℃로 간접 가열되어 가스화된다.

차르의 스팀가스화는 차르내의 유기탄소와 가열수증기가 다음과 같이 반응하여 수행된다.

C(s)+H₂O(g)→ CO(g)+H₂(g)

상기 반응에서 생성된 CO와 H₂는 가스상에서 다음 반응이 진행된다.

CO(g)+H₂O(g)→ H₂(g)+CO₂(g)

CO(g)+3H₂(g)→ CH₄(g)+H₂O(g)

한편, 이들 반응과 동시에 진행되는 반응은 차르 표면에서 차르의 유기탄소와 가스간의 다음 반응이다.

C(s)+2H₂(g)→ CH₄(g)

C(s)+CO₂(g)→ 2CO(g)

위와 같은 차르의 열분해시, Na₂CO₃나 돌로마이트(Dolomite)를 촉매로 사용하면 차르의 스팀가스화는 더욱 촉진되어 반응시간 및 반응온도가 낮아지며, 최종 처리할 회분도 더욱 감소된다.

본 발명에 따른 차르의 스팀가스화 반응에 영향을 줄 수 있는 변수로는 반응온도, 반응시간, 스팀주입 및 촉매주입 여부 등이다.

아래 표 1은 이들 변수의 영향을 보여주는 실험실에서의 실험결과 표이다.

표 1에 나타낸 바와 같이 열분해 온도가 증가함에 따라 차르 자체와 돌로마이트의 경우는 거의 동일한 추세로 유기물 감소효율이 증가되지만, 촉매로 Na₂CO₃를 투입한 경우에는 나머지 두 경우와는 달리 매우 높은 유기물 감소효율을 달성하고 있다. 특히 750℃ 이상에서는 차르 자체나 돌로마이트 경우에 비하여 36%의 감소효율의 차이를 보이고 있다. 반응온도가 800℃일 경우 유기물 감소효율은 100%에 달하고 있다.

[표 1]

* 차르내 유기물량대 스팀량의 비를 1 : 20으로 함.

스팀이 주입된 경우 역시 표 1에 나타낸 바와 같이 촉매로 Na₂CO₃를 사용한 경우가 다른 두 경우보다 높은 유기물 감소효율을 달성하고 있으며, 750℃ 이상에서는 100%의 감소효율을 나타내고 있다. 한편 촉매로 돌로마이트를 사용한 경우가 차르 자체만을 사용한 경우는 스팀 사용전에는 거의 동일하였으나, 스팀 주입시에는 돌로마이트를 사용한 경우가 차르만 사용한 경우보다 약 10% 정도 높은 유기물의 감소효율을 달성하였다. 이같은 결과는 차르내의 무기물 성분에는 돌로마이트와 유사한 성분이 함유되어 있음을 시사하는 것이라고 판단된다. 그러나, 촉매를 사용하는 경우에 최종 처리되는 화분의 양이 커지고, 촉매사용의 경제적 부담 등을 고려하면 촉매를 사용하지 않는 최적의 반응조건을 얻는 것이 필요하다.

아래 표 2는 탈수 슬러지를 500℃, 25분간 1단계 열분해시켜 얻은 차르로 벤치(Bench)규모 회분식 실험에 의해 촉매 사용하지 않고 스팀주입 여부에 따른 유기물 감소효율을 보여준다.

[표 2]

표 2에서 반응시간에 따른 유기물 감소효율의 증가폭이 950℃에서 최고 20%인데 반하여 온도에 따라서는 반응시간 60분에서 35%의 증가를 보인다. 이는 반응온도가 반응시간 보다 차르 가스화에 미치는 영향이 더 큼을 보여준다. 따라서 반응시간 60분, 900-950℃의 반응온도에서 스팀을 주입해 준다면 98% 이상의 높은 유기물 감소효율을 얻을 수 있을 것으로 보인다.

반응온도 900,950 및 1000℃에 대해서 반응시간 60분으로 스팀을 주입한 결과를 표 3에 나타내었다.

[표 3]

주 1) 반응시간 : 60min

2) 차르 : 100g

3) C/S비 : 차르내 유기물량 대 스팀량의 비

표 3에서 스팀 주입비율이 1 : 1이나 1 : 5보다는 1 : 10에서 유기물 감소효율이 큰 폭으로 증가함을 보이고 있다. 즉, 온도 900℃, 스팀 주입비율 1 : 1에서 1 : 5 사이의 감소효율 증가폭이 2.3%인데 비하여 1 : 5에서 1 : 10 사이에서는 감소효율이 12.2% 증가되었다. 반면 1 : 20에서 감소효율이 4.2% 증가에 그치고 있다. 따라서 차르 가스화에 있어서 스팀 주입비율이 큰 영향을 주고 있음을 나타낸다.

차르에서 금속황화물 형태로 존재하던 중금속은 제2반응기(3)를 환원성 분위기로 유지하기 때문에 산화물로 변환되지 않고 금속황화물의 상태로 유지된다.

따라서 최종 처리하는 회분에 포함된 금속황화물은 침출수에 용해되지 않는 안정된 상태이므로 환경오염방지 측면에서 매우 바람직하다.

차르가 가스화된 다음 제2반응기(3)의 배출구(9)에서 배출되는 회분은 에어록밸브(11)를 통하여 탱크(21)에 수집되어 최종 폐기된다. 최종 폐기할 회분은 최초 슬러지 건조 고형분에 함유된 무기물의 양으로 제한되므로 그 양은 최대한 감소된 상태로 환경오염에 대하여 안전하고 용이하게 매립 등의 최종 처리가 가능하다.

제1반응기(2)와 제2반응기(3)에서 생성된 CO, CO₂, CH₄, C₂H₆, H₂의 비응축성 가스와 오일 성분을 함유한 응축성 가스는 가스배출구(30,20)로부터 배출된 다음 합해져서 제1반응기 연소부(14)의 버너(22)와 제2반응기 연소부(15)의 버너(23)로 이송시켜 연료로 사용하는 한편, 연료로 사용되고 남는 가스는 직렬로 연결된 두개의 열교환기(24,25)를 통과한 후 가스 저장탱크(26)에 저장된다.

대기온도에서 가스 저장탱크(26)내의 가스중 응축된 가스는 유수분리기(27)로 배출되며 오일과 물이 분리된 후 각각 오일저장탱크(28)와 물저장탱크(29)에 저장된다. 저장된 오일은 정제시켜 사용하고 물은 하·폐수 처리장으로 반송시켜 처리한다. 가스저장탱크(26)에 저장된 CO, CO₂, C₂H₆, CH₄, H₂의 비응축성 가스(NCG)는 CO₂대신 반응기내의 무산소의 환원성 분위기 유지에 사용될 수 있다.

제2반응기(3)의 자켓형 연소부(15)에서 배출되는 연소가스는 연소가스배출구(31)를 거쳐 제1반응기(2)의 연소가스 주입구(32)를 통하여 자켓형 연소부(14)로 주입된다. 그 결과 제2반응기(3)의 자켓형 연소부(15)에서 배출되는 800-1000℃인 고온의 연소가스에너지를 제1반응기(2)의 300-550℃ 온도유지에 재사용하게 되어 에너지 효율을 증진시키는 역할을 한다. 제1반응기(2)의 자켓형 연소부(14)의 연소가스 배출구(33)에서 배출되는 배기가스는 팬(36)에 의해 열교환기(34)와 배기가스 세정장치(35)를 거친 후 대기중으로 방출된다.

제2도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정도이다.

본 실시예가 제1도 실시예와 다른 점은 제2반응기 유형과 반응기들로부터의 배출가스라인의 배치에 있다. 즉, 제1도 실시예의 제2반응기(3)는 내부에 스크류 타입의 송급장치(17)를 갖고 간접 가열하면서 이송시키는 유형의 것이나, 본 실시예의 제2반응기(50)는 유입되는 차르의 가스화를 촉진시키기 위해 차르를 스팀에 의해 팽창시켜 간접 가열하는 유형(Expanded Bed Type)의 것으로 제2반응기(50)의 내측 저면에 다기관으로 된 스팀공급장치(52)가 제공되어 있다.

송급장치(5)에 의해 제1반응기(2)로부터 제2반응기(50)로 송급되는 차르는, 촉매저장조(53)로부터 송급장치(55)에 의해 공급되는 촉매와 함께 제2반응기(50)의 상부에 위치한 인입구(54)를 통해 들어가 제2반응기(50)의 저부로 낙하되며, 이때 저부에 제공된 스팀공급장치(52)로부터 분출되는 스팀에 의해 분산되어 미세입자상의 차르와 스팀의 접촉시간이 길어짐에 따라 전술한 차르의 가스화가 보다 완전하게 수행될 수 있다.

제2반응기(50)에서의 차르의 스팀가스화 결과 산출되는 회분은 배출구(56)로부터 송급장치(57)를 통해 회분저장조(58)에 저장된다. 차르의 스팀가스화가 750-1000℃에서 수행되어 배출되는 회분도 그와 같은 온도이므로 그 열에너지를 회수하기 위하여 송급장치(57)에는 자켓형의 열교환기(59)가 제공된다.

제1반응기(2)로부터 회분저장조(58)까지의 처리시스템내의 공기유입을 방지하여 중금속의 산화를 막기 위해 제공되는 에어록밸브(11)는 회분저장조(58)와 송급장치(57) 사이에 제공된다.

또한, 제1반응기(2)에서의 유기물 열분해와 제2반응기(50)에서의 차르의 스팀가스화에 의해 생성된 CO, CO₂, CH₄, C₂H₆, H₂의 비응축성 가스와 오일성분 및 증기의 응축성 가스는, 제1도 실시예에서와 같이 직접 제1 및 제2반응기(2,50)용 연소부 버너(22,23)에 연료로서 사용되지 않고 열교환기(60)를 거친 다음 가스저장탱크(26)에서 상기 버너(22,23)들로 공급되어 공해방지 측면에서 바람직하다.

본 발명에 따라, 슬러지에 함유된 유기물을 열분해 및 스팀가스화 하여 유기물의 거의 전량을 유용한 가스로 전환하여 회수함과 아울러, 슬러지에 함유된 중금속을 안전한 상태인 금속황화물로 변환시켜 오염의 문제를 발생시키지 않고, 최종 처리하는 회분의 양도 슬러지에 함유된 무기물 성분의 양에 불과하므로 폐기물의 양도 크게 감소되어 매립지 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 유기물을 함유하는 하·폐수 슬러지 건조 고형분 처리방법에 있어서, 건조된 슬러지 고형분을 환원성 분위기의 제1반응기(2)로 공급하고 제1반응기(2)내의 슬러지를 대기 압력하에서 간접 가열하여 유기물을 열분해하며, 제1반응기(2)에서 유기물 열분해에 의해 생성된 차르(Char)를 환원성 분위기의 제2반응기(3)로 공급하고 제2반응기(2)에 수증기를 주입하면서 대기 압력하에서 간접 가열하여 차르를 스팀가스화 하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 제1반응기에서의 열분해는 300-550℃에서 수행하고, 제2반응기에서의 스팀가스화는 750℃-1000℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
3. 제2항에 있어서, 슬러지 건조 고형분을 제1반응기(2)에 장입하기 전에, 제1반응기(2)와 제2반응기(3) 및 반응기 연결통로에 내부공기를 밀어내도록 CO₂를 주입시키고, 반응시작 후에는 발생되는 가스를 CO₂대신 주입시켜 반응기 내부의 공기를 외부로 밀어내어 전체적으로 무산소의 환원성분위기를 형성하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
4. 제3항에 있어서, 제2반응기(3)의 차르에 가스화 반응이 촉진되도록 Na₂CO₃, 돌로마이트로부터 선택된 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.