KR100908409B1 - 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열회수율이 향상되고 배기가스 처리시스템이 개선된 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비는, 슬러지를 고온증기에 의하여 가열시켜 상기 슬러지에 함유된 수분을 제거하고, 수분이 제거된 건조 슬러지를 컨베이어를 통해 탄화로로 공급하는 간접가열증기건조기와; 상기 건조 슬러지를 고온분위기하에서 탄화시키는 탄화로와; 상기 탄화로에서 발생된 가스를 연소시키는 재연소로와; 상기 재연소로에서 발생한 열을 고온증기로서 상기 간접가열증기건조기로 공급하는 폐열보일러와; 상기 간접가열증기건조기로부터 배출되는 증기를 냉각하여 증발한 증기를 응축하여 발생되는 일부 수증기를 상기 재연소로로 공급하는 응축기;를 포함하여 이루어진다.
Figure R1020090016678
슬러지, 간접가열증기건조기, 탄화로, 재연소로, 폐열보일러, 응축기

Description

슬러지를 이용한 탄화물 제조설비{Equipment for manufacturing carbides using sludge}
본 발명은 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열회수율이 향상되고 배기가스 처리시스템이 개선된 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에 관한 것이다.
종래에는 하천이나 하수폐기물을 통상적으로 소각 처분시키는게 일반적이었으나, 소각처분 과정에 있어 다이옥신류가 발생하는 문제가 있고, 특히 슬러지등은 다량의 수분이 포함되어 있어 소각처분을 위해 다량의 연료를 필요로하기 때문에 에너지 소비 등의 환경문제를 발생시키게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 근래에 와서는 슬러지등을 건조 탄화시켜 탄화물을 제조하여 자원의 재활용 및 환경문제를 개선시키는 추세에 있다.
일반적으로 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1를 참조하여, 일반적인 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비를 살펴본다.
도시된 바와 같이, 종래의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비는 슬러지(111)를 공급받아 슬러지(111)에 포함된 수분량을 고온가열하여 감소시키는 직접가열열풍건조기(112)와, 건조된 슬러지분말을 일정한 형태의 패렛 또는 칩형태로 성형하는 성형기(113)와, 고온분위기하에서 슬러지패렛 또는 슬러지칩을 탄화시키는 탄화로(114)와, 탄화로(114)에서 발생한 가스를 연소시키는 재연소로(115)와, 재연소로(115)에서 발생한 연소가스를 고온가스로서 직접가열열풍건조기(112)로 재공급하는 공급로와, 재연소로(115)에서 발생하는 고압가스를 냉각시켜 백연저감공기예열기(118)로 보내는 가스냉각탑(116) 및 연소공기예열기(117)와, 연소공기예열기(117)으로부터 전달된 가스의 백연저감 및 집진시키는 백연저감공기예열기(118), 여과식집진기(119) 및 세정식집진기(120)를 포함하여 이루어진다.
하지만, 이러한 종래의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에서 재연소로(115)에서의 에너지회수 효율 및 배기가스 처리의 공정상의 문제가 발생된다.
종래의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비의 경우 배기가스의 현열을 이용하기 때문에 다량의 배기가스가 필요하고, 배기가스량이 많기 때문에 그대로 재연소로에서 850℃로 연소시키려면 많은 연료가 소모되는 문제가 있다.
또한, 종래의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비의 경우 후단에서 가스냉각탑(116), 연소공기예열기(117), 백연저검공기예열기(118), 여과식집진기(119) 및 세정식집진기(120)의 5공정으로 이루어져 처리공정이 복잡하고 더스트(dust)가 퇴적했을 경우의 제거가 어려우며, 배기가스량이 다량으로 발생되는 문제가 있다.
상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 탄화로에서의 슬러지의 탄화에 동반하여 발생되는 가스를 연소시켜, 연소시 발생되는 잠열을 이용하여 건조기로 피드백시켜 열회수효율을 높이는 것과 함께 배기가스 처리 효율을 높일 수 있는 탄화물 제조설비를 제공하는 것에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비는, 슬러지를 고온증기에 의하여 가열시켜 상기 슬러지에 함유된 수분을 제거하고, 수분이 제거된 건조 슬러지를 컨베이어를 통해 탄화로로 공급하는 간접가열증기건조기와; 상기 건조 슬러지를 고온분위기하에서 탄화시키는 탄화로와; 상기 탄화로에서 발생된 가스를 연소시키는 재연소로와; 상기 재연소로에서 발생한 열을 고온증기로서 상기 간접가열증기건조기로 공급하는 폐열보일러와; 상기 간접가열증기건조기로부터 배출되는 증기를 냉각하여 증발한 증기를 응축하여 상기 재연소로로 공급하는 응축기;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에서 발생하는 배기가스의 처리는 백연저감공기예열기, 여과식집진기 및 세정식집진기의 3공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하여 이루어진다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 탄화로에서의 슬러지의 탄화에 동반하여 발생되는 가스를 연소시켜, 연소시 발생되는 잠열을 이용하여 건조기로 피드백시켜 열회수효율을 높이는 것과 함께 배기가스 처리 효율을 높일 수 있는 탄화물 제조설비를 제공하는 것이 가능하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비을 설명한다.
도 2는 본 발명의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비의 블록도를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비는 간접가열증기건조기(212), 성형기(213), 탄화로(214), 재연소로(215), 폐열보일러(216), 응축기(217), 백연저감공기예열기(218), 여과식집진기(219) 및 세정식집진기(220)를 포함하여 이루어진다.
간접가열증기건조기(212)는 슬러지(211)를 공급받아 슬러지(211)에 포함된 수분량을 고온가열하여 감소시켜 배출하며, 폐열보일러(216)로부터 열회수된 잠열 을 피드백받아 슬러지(211)를 건조하는 열량으로 사용한다.
성형기(213)는 간접가열증기건조기(212)로부터 건조된 슬러지의 분말형태를 일정한 형태의 패렛 또는 칩형태로 성형하여 탄화로(214)로 공급한다.
탄화로(214)는 고온분위기하에서 성형기(213)로부터 공급받은 슬러지패렛 또는 슬러지칩을 탄화시킨다. 탄화로(214)의 구조는 직접가열 회전로상식, 간접가열 회전로상식 및 간접가열 스크류식 등이 있다.
재연소로(215)는 탄화로(214)에서 발생한 가스를 연소시키며, 이때 발생되는 열을 폐열보일러(216)로 보낸다.
폐열보일러(216)는 재연소로(215)에서 발생한 열을 고온증기로 열회수하여 간접가열증기건조기(212)로 피드백 공급하여 간접가열증기건조기(212)로 하여금 슬러지(211)를 건조하는 열원으로 사용토록 한다.
응축기(217)는 간접가열증기건조기(212)로부터 배출되는 증기를 냉각하여 증발한 증기를 응축하여 재연소로(215)로 공급한다.
폐열보일러(216)로부터 발생된 증기의 대부분은 슬러지(211)를 건조하는 간접가열증기건조기(212)로 공급되고 나머지 일부 잔량은 부착된 더스트 제거를 위해 백연저감공기예열기(218)로 보내져 세정식집진기(220)를 거쳐 배기가스에 포함되어 대기로 방출된다.
또한, 폐열보일러(216)로부터 발생된 배기가스는 여과식집진기(219) 및 세정식집진기(220)를 거쳐 대기로 방출된다.
이러한 구조의 탄화로 제조설비는 종래의 탄화물 제조설비에 비해 에너지 회수율이 우수하고 배기가스의 처리공정이 단순화되며 배기가스 배출량도 소량이어서 에너지 및 환경친화적 설비를 제공할 수 있게 된다. 좀 더 구체적으로 에너지 회수율 및 배기가스 배출량을 종래의 것과 비교하여 이하에서 설명한다.
이하의 내용은 하수슬러지 100톤/일 탄화시 직접가열열풍건조(종래)와 간접가열증기건조(본 발명)의 프로세스 밸런스를 나타내며, 기본적인 비교를 위해 기기의 방열율 이나 리크(leak), 공기양, 탄화 열분해의 비율은 가능한 동일 조건으로 한다.
[슬러지 건조에 사용하는 열원의 비교 ]
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 슬러지를 건조하여 성형기(113, 213) 및 탄화로(114, 214) 까지의 공정은 동일하며, 슬러지 건조에 필요한 열량이나 탄화로(114, 214)로부터 배기되는 배기가스의 양도 동일하다.
즉, 슬러지에 함유된 수분을 증발시키기 위해 3,056Kg/h(증발시키는 수분)×600 kcal/kg(증발 잠열)=1,833,333 kcal/h가 필요 열량이 된다.
직접가열열풍 건조(종래)의 경우 배기가스의 현열을 이용하기 때문에, 다량의 배기가스가 필요하며, 반대로 간접가열증기 건조(본 발명)의 경우 증기의 잠열로 가열하기 때문에 소량의 증기로 건조할 수 있다.
일반적으로 잠열(latent heat)은 상태의 변화를 수반하는 열량으로, 예를 들면 수분이 액체의 물로부터 수증기로 변화하는 경우 그 온도는 변화하지 않고 약 600 kcal/kg의 열량의 변화만 있다. 이에 비해 현열(sensible heat)은 온도 변화를 수반하므로 상태의 변화가 없는 열량 변화로 비열(kcal/Nm3℃)×온도 변화(℃) 분의 열량 변화밖에 없게 된다.
현열은 온도 변화를 알 수 있지만, 잠열은 온도 변화를 모르기 때문에, 이러한 단어로 구별되며, 당연히 잠열의 경우는 온도가 변화하지 않아도 상태의 변화 (액체→기체, 기체→액체)로 열량 변화를 알 수 있다.
직접가열열풍 건조(종래)의 경우, 필요 배기가스량 = 증발에 필요한 열량÷배기가스 평균 비열÷(배기가스 입구 온도-배기가스 출구 온도)가 된다.
배기가스의 비열은 대체로 0.35kcal/Nm3℃　출입구 온도차는 약 500℃ 이므로 단순히 계산하면 1,833,333÷0.35÷500=10,500 Nm3/h의 배기가스가 필요하며, 리크(leak) 공기에 의한 냉각을 고려하면 좀 더 여유를 둔 12,346Nm3/h의 배기가스가 필요하게 된다.
간접가열증기 건조(본 발명)의 경우, 간접적으로 증기가 슬러지를 건조하고 증기가 드레인이 되는 잠열을 이용하기 때문에, 적은 양의 수증기로 건조할 수 있다. 즉, 필요 증기량 = 증발에 필요한 열량÷증기의 잠열이 된다.
9 kgf/cm2의 증기를 응축시켜 2 kgf/cm2의 열수에서 회수하는 경우 662(9 kgf/cm2에서의 엔탈피)-133(2 kgf/cm2에서의 엔탈피)=529 kcal/kg 수증기이므로, 단순 계산에서 필요 증기량을 구하면 1,833,333÷529=3,465 kg-수증기/h가 되며, 8 kgf/cm2의 증기를 응축시켜 2 kgf/cm2의 열수에서 회수하는 경우는 3,972kg/h 수증기량이 필요하게 된다.
[건조기에서의 배기가스량]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우, 직접 슬러지에 접촉하여 수분을 증발시키 기 위해 건조기(112)에서의 배기가스는 입구 배기가스＋슬러지의 증발 수분이 되어 18,148 Nm3/h 이고, 간접가열증기 건조의 경우(본 발명)는, 열교환된 증기는 드레인이 되어 회수되기 때문에 건조기(212) 배기가스는 슬러지로부터의 증발 수분＋리크(leak) 공기량만이 되어 5,802 Nm3/h 이 된다.
[재연소로로 들어오는 배기가스]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우는 배기가스량(14,838Nm3/h, 624℃)이 많기 때문에 그대로 재연소로(115)에서 850℃로 연소시키려면 많은 연료가 필요하기 때문에, 재연소로(115) 출구 배기가스의 일부와 연소공기예열기(117)에서 열교환시켜 배기가스 온도를 올려 연료소모량을 줄일 필요가 있다.
한편, 간접가열증기 건조(본 발명)의 경우는 배기가스가 응축기(217)에서 냉각하여 증발한 증기를 응축시키는 것으로 재연소로(215)로 전달되는 배기가스량(2,275 Nm3/h, 50 ℃)을 극단적으로 줄일 수 있다.
즉, 배기가스량이 적기 때문에 연소공기예열기로 열교환할 필요가 없게 되어 연소공기예열기가 필요없는 설비가 가능하다.
[재연소로의 연료소모량]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우 재연소로(115)에서의 배기가스량(14,838Nm3/h, 624℃)은 매우 많고, 간접가열증기건조(본 발명)의 경우 배기가 스량(2,275 Nm3/h, 50 ℃)은 온도가 낮음에도 불구하고 소량이기 때문에 재연소로에서의 필요 연료소모량은 크게 다르다.
즉, 직접가열열풍 건조(종래)의 경우 재연소로(115) 연료소모량 은 159kg/h (중유)이며, 간접가열증기 건조(본 발명)의 경우 재연소로(215) 연료소모량은 40kg/h(중유)만이 필요하여 연료소모량 면에서 약 4배의 에너지가 절감될 수 있다.
[재연소로 배기되는 배기가스량]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우 재연소로(115)로부터 배기되는 배기가스량(23,641 Nm3/h 850 ℃)은 많고, 간접가열증기 건조(본 발명)의 경우 재연소로(215)로부터 배기되는 배기가스량(9,446 Nm3/h 850 ℃)은 매우 적다.
[배기가스의 배분 필요관계]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우는 일부의 재연소로(115) 배기가스는 850℃에서 슬러지 건조용으로, 나머지는 가스 냉각탑(116)에서 온도를 떨어뜨려 연소공기예열기(117)로 보내진다. 이는 여과식집진기(119) 입구 가스 온도를 170~180℃까지 내릴 필요가 있기 때문이지만, 이 프로세스 온도 조절을 위한 가스 냉각탑(116)에서의 물 분무가 한층 더 배기가스 건조의 경우 배기가스량을 늘리게 된다. 반면에 간접가열증기 건조(본 발명)의 경우는 가스냉각탑이 필요없는 설비구조로 인하여 배기가스량을 적게할 수 있게 된다.
가스 냉각탑 분무수량(직접가열열풍건조)은 851 kg/h, 가스 냉각탑 분무수량(간접가열증기건조)의 경우 가스냉각탑이 필요없으며, 여과식집진기 입구 배기 가스(직접가열열풍건조)의 경우 15,749Nm3/h 180 ℃가 배출되고, 여과식집진기 입구 배기가스(간접가열증기건조)의 경우 9,446Nm3/h 175 ℃가 배출된다.
[백연저감을 포함한 최종 배기가스량]
직접가열열풍 건조(종래)의 경우, 굴뚝 배출 배기가스는 23,118 Nm3/h 198℃가 배출되며, 간접가열증기건조(본 발명)의 경우, 굴뚝 배출 배기가스는10,093Nm3/h 167℃가 배출된다.
[배기가스 조성과 백연 방지 범위]
[표 1]에 따라 직접가열열풍건조의 경우는 배기가스양도 많고 수분 비율도 높은 배기가스가 되며, 간접가열증기건조의 경우는 보일러에서 배기가스를 냉각하는 것에서 수분 비율이 낮은 배기가스가 된다. 그 때문에 다음 페이지에 나타냈듯이 간접가열증기건조의 배기가스가 확연히 백연 방지의 적용 범위가 넓어진다.
Figure 112009012216410-pat00001
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비의 블록도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비의 블록도를 도시한 것이다.

Claims (2)

  1. 슬러지를 폐열보일러로부터 피드백되어 공급된 고온증기에 의하여 가열시켜 상기 슬러지에 함유된 수분을 제거하고, 수분이 제거된 건조 슬러지를 컨베이어를 통해 탄화로로 공급하는 간접가열증기건조기와;
    상기 건조 슬러지를 고온분위기하에서 탄화시키는 탄화로와;
    상기 탄화로에서 발생된 가스를 연소시키는 재연소로와;
    상기 재연소로에서 발생한 열을 고온증기로서 상기 간접가열증기건조기로 공급하고 배기가스는 배출하는 폐열보일러와;
    상기 간접가열증기건조기로부터 배출되는 증기를 응축하여 응축수는 배출하고, 수증기는 상기 재연소로로 공급하는 응축기;를, 포함하는 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비에서 발생하는 배기가스의 처리는 백연저감공기예열기, 여과식집진기 및 세정식집진기의 3공정으로 이루어지는, 슬러지를 이용한 탄화물 제조설비.
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