KR100319803B1 - 오니탄의 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오니탄의 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 하수종말처리장으로부터 발생된 하수 오니와 석탄을 분쇄기를 통해 분말화한 석탄분말을 각각 준비한 다음, 탈수 오니와 석탄분말의 무게비를 8:2~ 2:8로 하여 혼합하고 이때 석탄분말과 오니 건조 총량의 0.2 %정도의 연소촉매제로 알카리금속화합물을 첨가하여 혼합장치에서 세가지 원료가 잘 혼합되도록 한 후에,

상기 혼합물을 압축형 성형기에 공급하며 입형은 불규칙 하지만 평균 입경이 약10mm크기정도의 펠릿형 신형연료를 성형한 다음, 이를 건조기에서 건조시킨 후 슈트(5)를 통해 이송된 성형물에 성형성 혹은 발수성을 높히기 위하여 고분자화합물을 원료 총량 대비 0.01 ∼ 1% 로 하여 분사 코팅시킨 후에, 회전하고 있는 트롬멜체(6)에 공급되면서 건조된 신형연료 중 분말을 제거하여 열량은 최저 4,500Kcal/Kg으로 제조함을 특징으로 하는 오니탄의 제조방법에 관한 것이다.

Description

오니탄의 조성물 및 그의 제조방법{New Formed Fuels and preparation Method from Sewage Waste Sludge}

본 발명은 오니탄의 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히 설명하면, 도시 하수종말처리장에서 배출되는 도시 하수 오니를 효율적으로 이용하기 위해서 지구상에서 가장 많이 사용하고 있는 석탄 자원과 환경 문제 해결 및 연소 촉진을 위한 연소 촉진제를 혼합하여 경제적인 신연료인 오니탄의 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

국내의 5대도시(서울, 대전, 부산, 대구, 인천 등)에는 대형의 도시 하수종말처리장이 설치되어 있고, 도시 하수종말처리장에서 배출되는 도시 하수 오니의 양만 해도 년간 800여 만톤 정도 추산되고, 지금까지는 이들 도시 하수 오니는 거의 매립이나 해양투기에 의해 처분되어 왔다. 그러나 2001년 1월부터는 지금까지 직매립 처리되던 도시 하수 오니를 전량 매립할 수 없게 됨으로써 이를 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 고안하게 되었다.

80 ∼ 85%이상의 수분을 함유한 도시 하수 오니를 매립하지 않고 종래의 연소 처리방법으로 처리하는 경우에는 막대한 비용을 들여 도시 하수 오니를 건조하여 태워버리므로 전혀 경제성이 맞지 않고, 일부 시멘트제조공장에서 태우는 경우도 있겠지만, 건조 오니의 열량이 2,000∼3,000kcal/kg인 것을 고려하면 이 또한 에너지 자원의 낭비인 것을 알 수 있다.

최근에 연료로의 재활용 차원에서 도시의 가연성 생활 폐기물과 보조연료로 석탄과 기름을 혼합하고, 이의 성형성을 높이기 위하여 점토나 모래를 섞어 기존의 연탄이나 조개탄 모형 연료탄을 제조한 여러가지 사례가 발표되었다.

예를 들면, 국내공개특허공보 공개번호 제94-14200호에 슬러지를 탈수한 후 리를 기름에 튀겨내어 연료로 사용하는 가열된 기름을 이용한 슬러지의 수분 추출방법 및 장치와, 특허공개번호 제91-1084호에는 펄프슬러지를 파라핀왁스에 혼합한 후 헥사민 과망간산칼륨을 가압성형하여 제조된 고형연료와, 특허공개번호 제860356호에는 코크스분, 목탄분, 톱밥, 제지슬러지를 가압성형시켜 제조된 고체연료의 제조방법과, 특허공개번호 제94-204040호에는 나무류, 폐지류슬러지등의 폐기물에 탄산칼슘, 제오라이트, 결합제 등을 혼합한 다음 압축 성형기로 가압하여 제조된 가연성 각종폐기물을 이용하여 숯을 만드는 제조방법과, 특허공개번호 제99-74336호에는 유기성폐기물의 슬러지에 석탄가루를 첨가하여 성형하여 제조된 유기성 폐기물의 연료화 방법등이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래의 기술들은 지나치게 상이한 물성의 재료가 섞여있어 연소시 최적의 조건을 맞추기 어려워 불완전 연소 등에 의한 공해 배출물이 많으며, 불연성인 성형재의 과다로 열량의 저하를 초래하여 자소 가능한 연료로 활용하기 어려워 아직 실용화가 전혀 되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하고 하수오니를 폐기물이 아닌 휴자원으로 간주하고, 새로운 개념의 고열량 연료로 제조하여 이를 대체에너지로 산업에서 활용할 수 있는 기술을 개발하는데 중점을 두고 있다. 하수종말처리장에서 발생하는 탈수 오니를 자원절약 및 환경적 측면에서 보다 효과적이고 경제적으로 처리하기 위하여 오니를 석탄 분말 및 화학첨가제와 혼합시킨 후 성형기를 사용하여 용도에 따라 과립, 펠릿, 브리켓 형태의 신형연료인 오니탄 조성물 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 오니탄 제조공정을 나타낸 요약도

<도면의 부호설명>

분쇄기(1), 혼합장치(2), 성형기(3), 건조장치(4),

슈트(5), 트롬멜체(6), 포장장치(7)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탈수 오니와 석탄분말의 무게비를 8:2~2:8로 하여 혼합하고, 이때 석탄분말과 오니 건조 총량의 0.2 %정도의 연소촉매제를 첨가하여 혼합장치에서 혼합시킨 후, 압축형 성형기에 압축 성형시킨 다음 건조시켜 제조함을 특징으로 하는 오니탄조성물 및 오니탄을 제조하는 기술에 관한 것이다.

이하 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 오니탄 제조공정을 나타낸 요약도를 도시한 것으로서, (1)분쇄기, (2)혼합장치, (3)성형기, (4)건조장치, (5)슈트, (6)트롬멜체, (7)포장장치 임을 알수 있다.

원료탄을 분쇄기(1)에서 2mm 이하의 크기로 분쇄하여 석탄분말 원료를 준비하고, 혼합장치(2)에 투입되는 도시 하수 오니에 일정량씩 몇 군데에서 공급하여 혼합장치에서 도시 하수 오니, 석탄 분말 및 화학 첨가제가 잘 혼합되도록 한다. 하수종말처리장에서 최종 배출되는 오니 탈수케이크와 석탄의 혼합비는 중량비로 2:8에서 8:2의 비율 범위에서 최종 얻고자 하는 열량에 따라 조절한다.

본 발명에서 사용되는 화학 첨가제는 크게 2가지로 구분되며, 한가지는 석탄과 오니의 연소 촉진제로 알칼리 금속화합물로 건조 총 고형물 기준 0.1 ∼ 1.0% 범위 내에서 혼합한다. 사용된 알칼리금속화합물로는 기존에 잘 알려진 수산화물이외에 아세트산화합물 혹은 탄산화합물 중에서 한가지 혹은 혼합한 것을 사용한다. 예를 들면 수산화리튬, 탄산리튬, 초산리튬,수산화나트륨, 탄산나트륨, 초산나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨 및 초산칼륨등에서 선택된 어느 하나의 화합물을 말하는 것이다.

다른 한가지 화학 첨가제는 혼합된 시료의 성형성 혹은 발수성을 높이기 위하여 고분자화합물을 시료 총량 대비 0.01 ∼ 1% 범위에서 첨가한다. 시료의 성형성을 높이기 위해서는 오니와 석탄의 혼합시 첨가하며, 성형 시료의 발수성만을 높이기 위해서는 0.01 ∼ 0.1% 용액으로 만들어 시료 건조 후 슈트(5)를 통해 시료에 분사 코팅시키는 과정을 통해서 첨가할 수 있다. 고분자수지로는 폴리비닐알코올계, 폴리우레탄계, 포리아크릴아마이드계 혹은 폴리아크릴에스테르계의 고분자 수지를 한가지 선택하여 사용한다.

이러한 혼합원료물질은 신형연료 성형기(3)에 공급되면서 용도에 따라 과립, 펠릿, 브리켓 형태의 신형연료를 제조 생산케 한다.

그러나 이러한 형태의 신형연료는 수분의 함량이 50%전후이기 때문에 그대로 연료로 사용할 수 없으므로 건조장치(4)에 자동 연속적으로 옮겨지면서 수분함량을 조절한다.

건조된 상태의 성형 연료는 건조장치 끝부분에 설치한 슈트(5)를 통과하여회전하고 있는 트롬멜체(6)에 공급되면서 건조된 신형연료 중 분말을 제거하고 용도에 따라 과립, 펠릿, 브리켓 형태의 신형연료만 포장장치(7)에 공급시켜 일정량씩 포장제품을 만들어 출하시킬 수 있는 제품의 특성, 방법 및 공정을 말한다.

이때 발생되는 분말제품을 다시 분쇄기(1)로 분쇄하여 다시금 신형연료로 사용되거나 분말 형태의 연료가 요구되는 곳에 제품으로 사용될 수 있다. 본 발명에서 제조된 신형연료의 열량은 최저 4,500Kcal/Kg정도이나 이보다 높을수록 유리하며, 사용되는 석탄 분말은 유연탄이든 무연탄이든 관계없으며, 코크스 분말 및 기타 고채 형태의 탄소 화합물도 포함하며,

상기 설명에 따라 건조된 신형연료의 형태가 과립이라 함은 10 mm 크기 이하, 펠릿이라 함은 10∼20 mm 정도, 브리켓이라 함은 20∼100 mm 크기 정도를 나타내는 형태의 도시 하수 오니로 부터 제조한 연료를 말한다.

본 발명의 오니탄 제조공정을 나타낸 요약도는 도1에서 알 수가 있다.

표 1. 본 발명에서 사용되는 도시 하수 오니의 특성

특성종류	수분함량(%)	유기성고형분(%)	열량(kcal/kg)	냄새	자소
탈수 케익	80	45	350	강한 악취	불가능
건조케익	15	40	2,000	악취	부분적가능

1. 수분을 제외한 고형분 중의 연소 가능한 유기성 고형분의 함량

표 2. 본 발명에서 사용되는 석탄분말의 특성(실시예1)

특성	평균입도(㎛)	탄종	열량(kcal/kg)	회분(%)	수분(%)
결과	500	무연탄	6,500	15	2

표 3. 본 발명에서 사용되는 석탄분말의 특성(실시예2)

특성	평균입도(㎛)	탄종	열량(kcal/kg)	회분(%)	수분(%)
결과	500	유연탄	7,000	11.3	1.9

이하 본 발명을 실시 예를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

하수종말처리장으로부터 발생된 하수 오니와 무연탄을분쇄기를 통해분말화한 무연탄분말을 각각 준비한 다음, 탈수 오니와 무연탄분말의 무게비를 3:7로 하여 혼합하고 이때 무연탄분말과 오니 건조 총량의 0.2 %정도의 연소촉매제로 수산화칼륨을 첨가하여 혼합장치에서 세 가지 원료가 잘 혼합되도록 한 후에,

상기 혼합물을 압축형 성형기에 공급하며 입형은 불규칙 하지만 평균 입경이 약10mm크기정도의 펠릿형 신형연료를 성형한 다음, 이를 건조기에서 건조시킨 후 슈트(5)를 통해 혼합물에 상기 혼합물의 성형성 혹은 발수성을 높이기 위하여 폴리우레탄을 원료 총량 대비 0.01 ∼ 1% 로 하여 분사 코팅시킨 후에, 건조장치 끝부분에 설치한 슈트(5)를 통과하여, 회전하고 있는 트롬멜체(6)에 공급되면서 건조된 신형연료 중 분말을 제거하고 용도에 따라 과립, 펠릿, 브리켓 형태의 신형연료인 오니탄을 제조하였다.

상기에서 제조된 오니탄을 포장장치(7)에 공급시켜 일정량씩 포장제품으로 하여 출하시킬 수 있는 것이다.

표 4. 실시예1에서 제조된 신형연료의 물성

특성	입형	입도(mm)	열량(kcal/kg)	회분(%)	수분(%)	냄새
결과	불규칙	10	5,500	25	17	거의 없음

표 5. 실시예1에서 제조된 신형 연료의 연소 특성

특성	연소율(평균)	불꽃형태	냄새	연기발생
				연소초기	연료추가 투입시
결과	80%	단염	초기약간	초기 5분	거의없음

실시예 2

도시 하수 오니와 유연탄분말을 각각 무게비로 7:3으로 혼합하고 혼합 초기상태에서 도시 하수 오니와 유연탄분말의 혼합 무게에 0.2%의 연소 촉매제로 수산화나트륨을 주입한 후 이들 원료를 잘 혼합한 다음,

잘 혼합된 혼합물을 압축형 성형기에 공급하여 이하 실시예1과 같은 방법으로 펠릿형 도시 하수 오니의 신형연료인 오니탄을 제조하였다.

표 6. 실시예2에서 제조된 신형연료의 물성

특성	입형	입도(mm)	열량(kcal/kg)	회분(%)	수분(%)	냄새
결과	불규칙	10	5,800	25	15	악취 약간

표 7. 실시예2에서 제조된 신형연료 연소 특성

특성	연소율(평균)	불꽃 형태	냄새	연기 발생
				연소초기	연료 추가 투입시
결과	90%	장염	초기 약간	초기 7분	약간 있음

실험예

표 1 의 특성을 갖는 도시 하수 오니를 1Kg을 건조하고 건조된 상태의 도시 하수 오니와 무연탄과 유연탄을 혼합하여 제조한 신형 연료탄 각각의 물성과 이들을 앞의 각 실시예에서 사용한 연소장치에 장입하고 같은 방법으로 연소 실험을 시행하여 얻은 결과는 다음 표 8과 같았다.

표 8 건조된 하수 오니와 신형 연료탄의 물성 비교

물성종류	수분(%)	회분(%)	열량(Kcal/Kg)	냄새	연소특성	연소단가(연소비용)
건조 오니	5∼15	60∼70	1500∼3000	악취	자소 거의불가	100%
실시예1	15∼20	15∼25	5,000∼5,600	거의 없음	자소	50%
실시예2	15∼20	15∼25	5,300∼5,800	약간 악취	자소	55%

도시 하수 오니의 신형연료를 제조하기 위하여 실시예 1과 실시예 2의 실험결과와 본 발명과 연계하여 실행한 비교 실험예1을 각각 비교하면 다음과 같이 본 발명에서 얻어진 결과의 장점들을 제시할 수 있다.

열량이 5,500 kcal/kg이상의 고열량 고체연료로 종래의 방법으로 만들어진 건조된 도시 하수 오니의 열량 2,000∼3,000 kcal/kg 보다도 2배이상 높고, 다른 연료를 첨가하여 만들어진 연료가 갖는 3,500 ∼ 4,500 kcal/kg의 열량보다 우수하고, 과거 도시 하수 오니를 소각시키기 위하여 고비용의 연소로 장치해서 건조 및 소각시켜 버린 것에 비하여 도시 하수 오니를 열원으로 사용할 수 있는 자원절약 측면에서 효과가 크며, 특히 현재의 소각비용의 1/2 수준으로도 5,500kcal/kg 이상의 고열량 연료를 만들 수 있어 대체 연료로 사용이 가능하고, 따라서 본 발명으로 하수 오니의 처리문제에 있어서 종래의 비생산적 소각에서 부가가치 창출의 가능하며, 연소 촉매제를 사용함으로써 과거에는 고체 연료에 이러한 종류의 연소촉매제를 사용한 경험이 거의 없는 것에 비하면 연소시 연소 열량의 5 ∼ 10% 향상을 기대할 수 있고, 과립, 펠릿 혹은 브리켓 형태로서 비산 먼지가 없으며, 호퍼를 이용한 연료의 자동 공급 제어가 가능하며, 회의 함량이 낮은 원료탄의 사용으로 연소시 발생 열량 대비 회재의 발생량이 적으며, 연소재의 단순화로 회재의 성분또한 환경 친화적인 점토류 광물과 매우 유사하여 재활용이 용이하고, 극히 소량의 고분자의 첨가로 제품의 성형성을 향상시켜 주었으며, 일단 건조된 제품의 경우, 약간의 발수성을 갖게 하여 높은 습도의 분위기에서도 성형된 그 형태를 유지하고, 첨가된 고분자는 연소 가능하여 오히려 열량의 향상시키며, 이와 같은 물성의 개량은 기존에 점토광물이나 녹말 등을 사용한 연료탄이 수분에 특히 약한 점, 그리고 첨가한 만큼의 열량 저하의 단점을 극복하였고, 혼합-성형-건조의 단순 처리과정으로 축소한 장점이 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 자발적인 연소가 가능하고 악취가 거의 없으며 제조 및 연소비용도 건조오니의 처리비용에 비해 절반정도 소요되고, 도시오니를 처리하여 환경문제를 해결하였고, 또 다른 대체연료를 제조하여 각종 원예 및 채소 재배용 보일러, 가정용 보일러, 각종 산업용 고체연료 이용 보일러, 열병합 또는 화력 발전소의 고체연료 대체 품으로 사용 가능한 경제적인 효과가 있는 것이다

Claims (4)

1. 도시하수 오니를 이용한 오니탄의 제조방법에 있어서, 하수종말처리장으로부터 발생된 하수 오니와 석탄을 분쇄기를 통해 분말화한 석탄분말을 각각 준비한 다음, 탈수 오니와 석탄분말의 무게비를 8:2~ 2:8로 하여 혼합하고 이때 석탄분말과 오니 건조 총량의 0.2 %정도의 연소촉매제로 알카리금속화합물을 첨가하여 혼합장치에서 세 가지 원료가 잘 혼합되도록 한 후에, 상기 혼합물을 압축형 성형기에 공급하며 입형은 불규칙 하지만 평균 입경이 약10mm크기정도의 펠릿형 신형연료를 성형한 다음, 이를 건조기에서 건조시킨 후 슈트(5)를 통해 이송된 성형물에 성형성 혹은 발수성을 높이기 위하여 고분자화합물을 원료 총량 대비 0.01 ∼ 1% 로 하여 분사 코팅시킨 후에, 건조장치 끝부분에 설치한 슈트(5)를 통과하여, 회전하고 있는 트롬멜체(6)에 공급되면서 건조된 신형연료 중 분말을 제거하여 열량은 최저 4,500Kcal/Kg으로 제조함을 특징으로 하는 오니탄의 제조방법.
2. 상기 제1항에 있어서, 상기 코팅제인 고분자화합물은 폴리비닐알콜, 폴리유레탄, 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴에스테르계 화합물에서 선택된 어느 하나의 화합물임을 특징으로 하는 오니탄의 코팅제.
3. 도시하수오니를 이용한 오니탄의 조성물에 있어서, 하수 오니와 석탄분말을 무게비를 8:2 ~ 2:8로 하여 혼합하고, 석탄분말과 오니 건조 무게총량의 0.2 %로 알카리금속화합물로 조성되어 열량은 최저 4,500Kcal/Kg임을 특징으로 하는 오니탄의 조성물.
4. 제3항에 있어서, 알카리 금속화합물은 수산화리튬, 탄산리튬, 초산리튬, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 초산나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨 및 초산칼륨에서 선택된 어느 하나의 화합물임을 특징으로 하수 오니탄의 조성물.