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제출문
보고서 초록
요약문
SUMMARY(영문요약문)
CONTENTS
목차
제1장 서론 12
제1절 연구의 필요성 12
제2절 연구개발의 목표 15
1. 연구개발의 최종 목표 15
2. 연차별 연구개발 목표 15
3. 연차별 추진전략 16
4. 연차별 사업내용 및 성과품 17
제3절 연구개발 내용 및 범위 18
1. 1차년도 연구내용 및 범위 18
2. 2차년도 연구내용 및 범위 18
제2장 국내외 기술개발 현황 22
제1절 국내 기술개발 현황 22
제2절 국외 기술개발 현황 24
1. 국외의 Sludge 처분 동향 24
2. 선진국에서 RDF의 기술개발 동향 25
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 28
제1절 이론적 고찰 28
1. 슬러지 건조 28
2. 슬러지 감량화를 위한 주요 영향 인자 33
3. 저온건조기술 41
4. 슬러지 연료화 42
제2절 실험방법 54
1. 실험 방법 전체 개요 54
2. 염색 슬러지 특성분석 55
3. 분코크스의 특성분석 58
4. 염색 슬러지 전처리 실험 58
5. 발열량 분석실험 62
6. 저온건조실험 62
제3절 연구결과 및 고찰 63
1. 염색폐수의 수질 및 공정특성 63
2. 염색 슬러지 공정 및 이화학적 특성분석 69
3. 슬러지 첨가제로서 분코크스의 특성분석 78
4. 염색 슬러지의 전처리 82
5. 염색 슬러지의 감량화 99
6. 염색 슬러지의 연료화 104
7. 염색 슬러지의 저온건조 128
8. 경제성분석 및 기대효과 153
제4절 결론 155
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 158
제1절 연구개발목표 달성도 158
제2절 대외 기여도 159
1. 환경적인 측면 159
2. 경제적인 측면 160
3. 산업체 기술지원 측면 160
4. 활용실적(지적재산권) 160
제5장 연구개발결과의 활용계획 162
1. 참여업체에 활용 162
2. 차세대 슬러지재활용기술 개발에 활용 162
3. 참여기업의 사업화 계획 163
제6장 참고문헌 165
그림 1. Electrophoresis 메카니즘. 41
그림 2. Electroosmosis 메카니즘. 42
그림 3. 탈수 슬러지의 함수율과 발열량 (유기물의 발열량은 5,000kcal/kg으로 가정) 43
그림 4. 슬러지 건조에 의한 고형연료화 발전의 예 48
그림 5. 주입 탈수 케익의 고형분 함량에 따른 케익의 발열량 및 출구가스 온도와의 관계 51
그림 6. Inuuctively Coupled Plasma(ICP)Emisson Spectroscopy 사진 55
그림 7. PSS, NICOMP (Particle Siging System) 사진 56
그림 8. 수분함량 분석기기(Moisture Determination Balance FD-600) 57
그림 9. 응집제 교반장치 59
그림 10. 분코크스 전처리실험 (24Hr 교반) 60
그림 11. 슬러지에 분코크스 투입 후 24Hr 교반작업 사진 61
그림 12. AUTOMATIC CALORIMETER LECO MODEL : AC350) 사진 62
그림 13. D시 염색공단공동폐수처리장 염색폐수처리 계통도 66
그림 14. D시 염색공단공동폐수처리장 화학 Sludge 농축조 전경 73
그림 15. D시 염색공단공동폐수처리장 생물 Sludge 농축조 전경 73
그림 16. 화학농축 Sludge의 입도분석 그래프 74
그림 17. 화학농축 Sludge의 Zeta Potential분석 그래프 74
그림 18. 탈수기 유입 염색 슬러지의 입도분포 특성 75
그림 19. 일반 분코크스의 SEM 사진 81
그림 20. 침전조 코크스의 SEM 사진 81
그림 21. CDQ 분코스의 SEM 사진 81
그림 22. E화학 음이온 Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 83
그림 23. K사 음이온 Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 83
그림 24. B사 음이온 Polymer1에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 83
그림 25. B사 음이온 Polymer2에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 84
그림 26. B사 음이온 Polymer3에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 84
그림 27. S실업 양이온 Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 85
그림 28. S화학 양이온 Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 85
그림 29. B사 양이온 Polymer1에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 86
그림 30. B사 양이온 Polymer2에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 86
그림 31. B사 양이온 Polymer3에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 87
그림 32. B사 양이온 Polymer4에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 87
그림 33. B사 양이온 Polymer2에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 87
그림 34. H사 Non-ion Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 89
그림 35. K사 Non-ion Polymer에 의한 염색 슬러지 전처리 효과 89
그림 36. S화학 양이온 Polymer와 CDQ분코크스 동시 첨가 효과 90
그림 37. S실업 양이온 Polymer와 분코크스 동시 첨가 효과 90
그림 38. B사 양이온 Polymer와 CDQ분코크스 동시 첨가에 전처리 효과 91
그림 39. K사 양이온 Polymer와 CDQ분코크스 동시 첨가에 전처리 효과 91
그림 40. 염색 슬러지 대량 전처리 장치 개념도 93
그림 41/42. Lab. Scale 대용량 전처리실험 장치 설계도 97
그림 42/43. Lab. Scale 대용량 전처리실험장치 사진 97
그림 43/44. 염색 슬러지의 고-액 분리효과 실험사진 98
그림 44/45. D시 염색공단 공동폐수처리장 Sludge 처리 공정도 99
그림 45/46. D시 염색공단 공동폐수처리장 Sludge 응집반응공정 전경 101
그림 46/47. D시 염색공단 공동폐수처리장 Sludge 농축기 전경 101
그림 47/48. D시 염색공단 공동폐수처리장 Sludge 탈수기(벨트프레스) 전경 101
그림 48/49. D시 염색공단 공동폐수처리장 탈수 Cake 처분 전경 104
그림 49/50. #1 - #3 보일러의 연소공기 및 배가스 처리설비 계통도 109
그림 50/51. #4 보일러의 연소공기 및 배기가스(배가스) 처리설비 계통도 110
그림 51/52. #4 보일러의 공기 및 배기가스 계통도(100%/MCR) 110
그림 52/53. 슬러지 연료화 연소에 사용되는 소각구조 113
그림 53/54. 염색 슬러지의 TGA Profile 119
그림 54/55. 수분함량에 따른 염색 슬러지의 발열량변화 120
그림 55. 분코크스 첨가에 따른 건조염색 슬러지의 발열량 변화 122
그림 56. 분코크스 첨가량에 따른 발열량 변화(염색 슬러지 함수율 55%) 123
그림 57. 가압 탈수와 전기탈수시 여과포별 탈수 효율 평가 129
그림 58. 석산용 나일론 여과포를 이용한 저온건조 효율(함수율) 129
그림 59. 제선BrG'여과포 개발에 따른 실험 결과. 130
그림 60. 염색 슬러지의 저온건조실험 효과 132
그림 61. 시간 변화에 따른 전류 변화 132
그림 62/621. 시간 변화에 따른 온도의 변화 133
그림 63. 분코크스 투입량과 함수율 변화 134
그림 64. 분코크스 투입량과 전기소모량 변화 134
그림 65. 저온건조시간에 따른 함수율 변화 135
그림 66. 전기저온건조 시간변화에 의한 전력 사용량 변화 136
그림 67. 저온건조 System의 구성도 143
그림 68. 슬러지 대용량 전처리 장치를 포함하는 저온건조 System 구성 사진 144
그림 69. 대용량 슬러지 전처리 System 145
그림 70. 저온건조 시간에 따른 전력사용량 변화 146
그림 71. 합성슬러지의 저온건조 후 탈수케이크의 사진 146
그림 72. 압력변화에 따른 탈수케이크 함수율 변화 147
그림 73. 압력변화에 따른 탈수케이크 함수율 변화 148
그림 74. 압력 변화에 따른 전력사용량 비교 149
그림 75. 전력인가세기 변화에(변화 에) 따른 저온건조 효과 151
그림 76. 염색 슬러지를 전처리조로 우송 152
그림 77/74. 염색 슬러지를 슬러지전처리조로 유입 152
그림 78/77. 저온건조 후 장치의 내면과 염색 슬러지케이크 사진 152
초록보기
I. 제목
저온 건조 기술에 의한 슬러지 감량화 및 연료화에 관한 연구
II. 연구개발의 목적 및 필요성
본 연구의 최종 목표는 철강 슬러지 폐기물 발생량을 기존 방법 대비 30% 이상 저감시킬 수 있는, 상업용 규모의 전기탈수기 설계기술을 도출하는 것으로, 이와 같은 기술개발을 위해 1차 년도에는 철강슬러지의 특성분석에 대한 연구를 수행하였고, 2차 년도에는 Pilot Plant를 제작하였으며, 또한 현장적용실험을 통해 전기식 가압탈수기술을 개발하고자 하였다. 본 연구의 필요성은 슬러지 발생량 저감 및 재활용 촉진을 위한 고도탈수에 대한 연구가 현재 절실히 필요하기 때문이다. 즉 산업화가 진행되고 환경에 관한 인식이 증대될수록 슬러지 발생량은 증가하나, 국내외의 환경에 관한 법 때문에 현재와 같은 매립과, 해양투기 등이 점점 어렵기 때문이다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구 개발의 내용 및 범위는, 저온건조기술을 염색 슬러지 처리 및 처분 분야에 도입하기 위해 필요한 기술을 도출하기 위한 것으로, 염색 슬러지의 발생량을 30% 이상 감량화하고, 발생된 염색 슬러지케이크의 발열량이 1,500kcal/kg-슬러지(건조 기준) 이상 되는 것을 특징으로 하는 슬러지 감량화 및 연료화시스템을 개발하는 것이며, 이와 같은 목표를 달성하기 위해, Lab. 규모 및 Pilot 규모의 저온건조실험을 통해 염색 슬러지의 전처리 및 저온건조 기술의 기반을 구축하고, 발생된 슬러지 케이크의 환경 및 경제성 평가를 통해 염색 슬러지 처리 처분용 저온건조기술을 개발하는 것이다.
IV. 연구개발결과
염색 슬러지의 감량화와 연료화를 위해 저온 건조연구를 수행한 결과 다음과 같은 연구결과를 얻었다.
(1) Sludge의 입도를 분석한 결과, 화학농축 Sludge의 평균 입도값은 17.90㎛이고, 생물농축 Sludge의 평균 입도값은 50.49㎛이었다. 탈수기 유입 엄색 슬러지의 입도 분포는 0.5~110 ㎛ 정도까지 광범위하게 분포되어 있었으나, 대부분의 슬러지 입자는 20㎛ 전 후에 위치하고 있었다. 또한 슬러지 입도별 입자의 개수가 차지하는 비율 분석에서 2㎛ 이하의 입도를 갖는 슬러지가 대부분을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
(2) 농축 Sludge의 이화학적 특성 분석결과 CN, Hg, As, Cr6+(윗첨자6+), 유기인, PCB 등은 함유되어 있지 않았고, Cr, Zn, Cu 등은 미량 함유되어 있다.
라) 탈수 슬러지 분석에서 Ignition-loss가 69%정도이고, 무기물의 대부분은 Fe이었는데 그 비율은 15% 정도이다.
(3) 노말헥산추출시험방법을 사용해 염색 슬러지에 함유된 기름성분은 31,032~43,092ppm 정도 함유된 것으로 조사되었고, D시의 탈수된 염색 슬러지의 함수율은 약 84~88% 정도이다.
(4) 제철소에서 부산물로 발생되는 분코크스의 비중은 대체로 2 정도이고, 함유된 탄소는 79~82% 정도이다. 또한 입도분석에서 CDQ분코크스는 0.15mm 이하가 약 62% 정도인 반면, 소화조분코크스는 0.15~6mm가 88%정도이다. 일반 분코크스는 6~15mm가 56% 정도이며, 분코크스의 표면분석에서 CDQ 분코크스가 타 분코크스에 비해 표면이 잘 발달되어 있다.
(5) 슬러지를 소각하는 경우, 연료가 안전하게 계속되게 하려면 1,200kcal/kg정도의 열량이 필요하며, 슬러지만을 소각하기 위해 설계된 다단로나 유동상로에서도 800kcal/kg정도가 필요하다. 슬러지의 열량분석결과 건조슬러지의 경우 3,500~4,700kcal/kg정도의 열량을 갖는 것으로 분석되었다. 그리고 분코크스의 발열량을 측정한 결과 발열량은 6,700~6,900cal/g으로 종류에 따른 차이는 적었다.
(6) 저온 건조 실험에서 전류의 변화는 초기 2~3분에서 최고치를 기록한 후 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 나타내었고, 슬러지의 온도 상승은 대체로 10분 이내에 50℃정도에서 최고치를 기록하고 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 함수율 97.5%의 슬러지를 저온 건조 했을 때, 분코크스를 첨가하지 않을 때는 87.2%의 함수율을 나타내었으나, 염색 슬러지 건조중량 대비 5~10%의 분코크스를 투입했을 때는 84.2~82.5%, 20~30% 정도 투입했을 때는 54.3~53.5%로 크게 감소되는 것으로 나타났다. 그리고 20~30% 분코크스를 투입해도 전력사용량은 약 12% 증가에 그쳤다.
(7) 침전이 어려운 염색 슬러지와 같은 슬러지를 연속적으로 고농축하기 위해 대용량 전처리장치 개념설계기술을 도출하였다.
(8) 염색 슬러지의 발열량이 낮으나, 완전히 건조시킬 경우 발열량이 3,900 kcal/kg에 달해 연료로서 충분히 이용할 수 있을 것으로 사료되었다.
(9) 염색 슬러지의 발열량은 함수율이 66% 이하일 경우, 급격하게 증가하는 것으로 나타나, 염색 슬러지를 연료화할 경우 함수율을 66% 이하로 하는 것이 적절함을 알 수 있다.
(10) 염색 슬러지는 유연탄에 비해 SiO₂와 Al₂O₃의 함량은 낮으나, Fe₂O₃의 함량은 크게 높은 것으로 나타났고, 특히 P₂O5(아래첨자5)의 함량도 높은 것으로 나타나, 소각 후 ASH 성분은 비료로 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
(11) 슬러지의 온도 상승은 대체로 10분 이내에 50℃정도에서 최고치를 기록하고 점차 감소하는 경향을 나타내었는데, 이 경향은 전류치 변화 경향과 유사하였다. 그러나 전류의 경우 초기 2~3분 정도에서 최고치를 기록하였으나, 온도의 경우는 10분대 정도에서 최고치를 나타내었다. 한편 분코크스 투입량을 20~30%로 할 경우 온도는 순간적으로 90℃까지 증가하였다.
(12) 분코크스 투입량에 따른 전기소모량을 나타낸 것으로, 분코크스를 10% 이상 투입할 경우 전기소모량이 크게 증가하였다. 특히 20% 이상 분코크스를 투입하면 전기 소모량은 더욱 증가하였는데, 이때 전기소량의 증가는 분코크스를 전혀 투입하지 않은데 비해 약 12% 증가하였다.
(13) Pilot plant 규모의 저온건조장치 설계기술을 도출하였다.
(14) 대용량 전처리에 의한 슬러지 전 처리를 통해 1% 정도의 고형분을 함유하는 침전 슬러지를 약 6.5% 이상으로 농축시킬 수 있는 것으로 나타났다.
(15) Pilot plant 규모의 시험을 통해 함수율을 기존의 85%에서 47%까지 저감시킬 수 있는 것으로 나타났는데, 이것은 72% 슬러지 발생량 저감을 의미한다.
(16) 함수율 47%에서 발열량은 약 2,500kcal/kg정도로 나타나, 충분히 연료화가 가능한 것으로 나타났다.
(17) D시 염색공단에 적용할 경우 본 기술적용에 의한 경제성은 약 55.8억/년 이상으로 기대되었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
현재 발생되는 슬러지는 대부분 해양투기 및 소각처리 되고 있다. 그러나 정부에서는 향후 강력하게 해양투기를 억제하려하고 있어, 슬러지 재활용에 관한 기술을 이용한 산업화는 향후 매우 전망이 좋을 것으로 예상된다. 참여업체인 그린엔지니아링(주)은 오랜 기간동안 환경설비 및 기술개발에 종사한 업체로 본 기술을 이용한 상용화 기술 개발을 연차적으로 추진할 예정에 있다. 따라서 참여업체는 본 연구기관과 이미 기술계약을 체결하였고, 향후 이전된 기술을 중심으로 상용화를 적극 추진할 계획에 있다.
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