하수슬러지와 폐기물고형연료(RDF)의

혼합 연소 특성에 관한 연구

이동규, 곽  현, 전성우, 배성렬*

한양대학교 화학공학과

Co-Combustion Characteristics of

Sewage Sludge and RDF(Refuse Derived Feul)

Dong-Gyu Lee, Hyun Kwak, Sung-Woo Jeon, Sung-Youl Bae*

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서   론

경제가 발전하고 생활수준이 향상됨에 따라 생활 쓰레기의 양도 증가하게 되고 최근들어 세계적으로 폐기물처리에 대한 환경문제가 심각하게 대두되기 시작했다. 증가하는 폐기물 배출량은 지구의 자연적인 자정작용으로 처리될 수 있는 한계량을 초과하게 됨과 더불어 기존의 폐기물 처리방식은 한계에 다다르게 되었다. 그리하여 우리나라와 같이 협소한 국토면적을 가진 국가들은 고전적인 폐기물의 처리방식이었던 최종매립처리방법이 매립지 부족과 침출수 발생 등의 우려가 발생함에 따라, 감량 효과가 큰 폐기물 소각방법이 선호되고 있지만 폐기물의 소각처리 방법은 NYMBY(Not In My Back Yard)현상과 NIMTO(Not In My Term of Office)현상, 그리고 초기투자의 과부담등으로 인하여 심각한 사회문제를 발생시키고 있어서 소각기술 개선이 요구되고 있다. 특히 생활하수나 공업폐수에 의한 오염을 방지하기 위한 하수처리장의 증가에 따라 발생하는 하수슬러지 처리의 경우 감량효과가 큰 소각처리시설이 주로 설치되어 운영되고 있지만 높은 함수율과 낮은 발열량으로 인해 고가의 연소 보조연료가 사용되고 있어 현재 슬러지 소각방법의 효과적인 개선이 요구되고 있는 실정이다. 또한 생활쓰레기로 배출되는 폐기물의 경우 에너지원으로 재활용하는 기술이 개발되고 있는데 그중 가장 실용적인 기술로 수분과 불연물을 제거하고 남은 가연물을 조개탄과 같이 사용하기 쉬운 형상으로 성형하여 화석연료의 대체에너지로 이용되어질 수 있는 폐기물고형연료(Refuse Derived Fuel)가 차세대 재활용 에너지로 대두되고 있다.

본 연구에서는 국내 하수처리장에서 발생되는 슬러지의 소각처리시 보조연료로 필요하게 되는 경유 또는 LNG등의 대체연료로써 일반 가정 및 사업장에서 발생하는 폐기물을 원료로 제조한 폐기물고형연료(RDF)를 사용하여 혼합 소각 처리함으로서 하수슬러지의 적정처리와 함께 폐기물의 상호보완적인 재이용에 따른 재생이용율 향상에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.

실  험

본 실험에서는 국내 특정 하수처리장에서 발생한 1차 탈수를 거친 후 추가 건조과정을 거치지 않은 하수 슬러지와 도시고형폐기물(MSW)로 제조된 RDF를 사용하였다. 연소실험에 사용한 소각장치의 개략도를 Fig. 1.에 나타내었다. Flow gas로는 Air를 사용하였으며 Purge gas로는 N2를 사용하였다. 연소로의 온도를 조절하기 위해 IR-Furnace에 controller를 부착하여 사용하였다. 연소 후 발생물질에 대해서는 액체질소를 사용한 trap으로 연소 배가스 중에 포함된 volatile 물질을 제거하였다. IR-Furnace 내부의 중앙부분에 Thermocouple과 시료접시가 위치되게 하였으며 시료접시에 놓여진 시료는 Air중의 산소와 반응하여 연소되고 연소 배가스는 volatile 물질이 제거된 후 Gas sampler에 포집되게 하였다.

1 : Quartz reactor

2 : IR-Furnace

3 : Mixed RDF&Sewage Sludge

4 : Thermocouple

5 : Liquid Nitrogen bottle

6 : Flow meter

7 : Gas sampler

Fig. 1. Schematic diagram of RDF&Sewage Sludge Co-Combustion apparatus

실험방법은 먼저 Sewage Sludge와 RDF시료를 비율을 다르게 하여 혼합한다. 반응기의 시료접시에 이 혼합시료를 총 질량 10g으로 정량하여 넣고 반응기의 양쪽 마개를 sealing하여 닫는다. Flow gas로 air의 유속을 300□/min로 일정하게 한 후 IR-Furnace에 냉각수를 흐르게 한다. 냉각용 액체질소를 준비하여 플라스크를 장치한 후 Gas sampler를 진공상태로 하여 연결한다. IR-Fernace controller로 원하는 온도와 시간조건으로 연소를 시작한다. 연소가 끝나면 Gas sampler에 포집된 배가스를 sampling하여 GC로 분석하였다. 연소 전 시료의 기초 성상을 알아보기 위한 삼성분 분석과 C, H, N, O, S, Cl의 원소분석, TGA와 DTP 분석의 열적 특성 그리고 Bomb Calorimeter를 사용한 시료의 발열량등은 슬러지와 RDF의 각각의 단독 실험 때 얻어진 결과를 참고하였다. 슬러지 연소에 보조연료의 역할을 하는 RDF의 영향을 알아보기 위하여 연소가 시작되는 시점에 추가 열공급을 제한한 상태에서 반응기내 온도변화를 측정하였다.

실험조건으로 슬러지와 RDF가 완전 연소하는 800□를 초기온도로 하여 5분후 보조전력을 차단하고 반응기내의 온도변화를 10초 간격으로 관찰하였으며 슬러지와 RDF의 혼합비를 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5로 달리하여 실험을 진행하였다.

결과 및 고찰

연소 시작 5분후에 IR-Furance의 보조 열 공급을 중단시킨 상태에서 슬러지와 RDF가 연소 할때의 반응기내 온도 변화를 10초 간격으로 측정한 그래프를 FIG.1에 나타내었다. 추가적인 열 공급이 없었으나 RDF가 연소하면서 생성되는 발열량으로 반응기내의 온도가 상승함을 볼 수 있었다. Graph상에서 반응시작 7~8분 정도가 경과했을 때 온도 상승이 한 번 더 일어나는 것은 슬러지에 함유된 수분이 모두 증발하고 슬러지가 연소하기 시작하면서 내는 열량이 더해진 결과라고 볼 수 있으며 10분 정도가 경과했을 때 반응기의 온도 감소로 인해 시료의 연소가 종료되었다는 것을 알 수 있었다. Fig. 1의 Graph 상에서 기준온도보다 낮은 연소온도를 보이는 혼합비율 1:3 이하 시료의 경우는 혼합비율이 적합하지 못하다고 할 수 있고 이와 반대로 RDF의 양이 슬러지의 5배로 혼합되어 있는 시료의 경우 과잉 RDF이 연소로 슬러지의 연소가 종료된 후에도 온도가 계속 상승하며 연소시간이 길어지고 있음을 볼 수 있다. 따라서 혼합비가 약 1:4정도의 경우가 가장 적합한 효율이라고 볼 수 있다. Fig. 2은 혼합비율에 따른 시료를 일정한 반응기 온도에서 연소시간을 다르게 하여 실험하였을 때 배출되는 배가스의 성분을 분석하여 sludge단독으로 연소시키는 경우와 비교한 것이다. 결과를 비교해 보았을 때 혼합비 1:4의 경우 연소시작 10분내에 배가스의 CO농도가 거의 검출되지 않음으로 보아 혼합시료가 완전연소 했다고 볼 수 있으나 혼합비 1:3의 경우 혼합시료중 RDF의 양이 적어 전체 발열량이 상대적으로 낮아졌기 때문에 완전연소에 이르는 시간이 길어짐을 알 수 있었다. 그리고 혼합비 1:5의 경우 충분한 RDF의 포함으로 슬러지 소각에는 효과적이나 과잉 RDF의 자체 연소로 인해 온도가 떨어지기 시작할 때까지의 시간이 늘어나는 것을 볼수 있으므로 완전연소에 걸리는 시간이 오히려 길어졌다고 할 수 있다. 배가스내 NOx의 농도는 혼합연소의 경우가 슬러지 단독연소의 경우보다 높게 나타났으며 혼합비율에 따라 RDF의 비율이 높을수록 높게 나타나는 것으로 보아 이는 RDF가 연소시에 영향을 끼치는 것으로 볼 수 있다. 배가스 중의 SOx의 농도는 단독연소시 보다 현저히 낮음을 볼 수 있는데 이는 상대적으로 황 성분이 적은 RDF의 혼합비가 높음으로 인하여 황 성분이 많은 슬러지의 황산화물 발생을 감소시킨다고 해석 할 수가 있다. 혼합연소의 배가스에 포함된 NOx와 SOx의 농도는 모두 국내 환경 규제농도보다는 낮음을 알 수 있다. 결론적으로 본 실험에서는 슬러지 단독 연소보다 보조연료의 역할을 하는 RDF와의 혼합연소를 하였을 때 더 좋은 효과를 볼 수 있었으며, 슬러지와 RDF의 혼합비율은 연소온도 800□, 반응시간 10분 이상에서 1:4인 경우가 가장 효과적인 조건과 혼합 연소 비율이라는 것으로 나타났다.

Fig. 1. Temperature curve of Co-combustion in reactor

Comparison of CO concentrations

in the flue gas by mixing ratio

Comparison of CO2 concentrations

in the flue gas by mixing ratio

Comparison of NOx concentrations

in the flue gas by mixing ratio

Comparison of SOx concentrations

in the flue gas by mixing ratio

Fig. 2. Comparison of flue gas concentrations by mixing ratio

(reaction temp. : 800℃)

참고문헌

[1] J. S. Lee, H. Kwak, S. W. Jeon and S. Y. Bae, "Combustion of Sewage Sludge", Proc. of the KSIEC Meeting, 135, 2002

[2] J. S. Lee, H. Kwak and S. Y. Bae, "Combustion of Refused Derived Fuel(RDF)", Theories and Applications of Eng., 2002, Vol. 8, No 2

[3] 배성근, □폐기물슬러지 소각을 위한 보조연료 대체가능성 확보에 관한 연구□, 에너지·자원 기술개발사업 중간보고서.

[5] T. Ogada and J. Werther, □Combustion characteristics of wet sludge in a fluidized bed□, Fuel, 75(5), 617-626 (1996).

[6] M. Otero, C. Diez, L. F. Calvo, A. I. Garcia and A. Moran, □Analysis of the co-combustion of sewage sludge and coal by TG-MS□, Biomass and Bioenergy, 22, 319-329 (2002).

[7] Y. S. Won, C. H. Lee and S. P. Choi, □Characteristics of Composition and Incineration of Sewage Sludge□, J. Korea Solid Waste Eng. Soc., 14(1), 43-53 (1997).