범정부적으로 2016년부터 유기성 폐수슬러지 해양배출이 전면 금지되고 육상처리를 권장하고 있어 주로 산업체에서 배출하는 폐수슬러지 육상처리 비용이 지속적으로 증가할 것으로 예상되며 따라서 슬러지 처리의 어려움으로 산업체의 경쟁력을 저하할 것으로 예상된다. 산업폐수 및 일부 하수슬러지에는 다양한 중금속과 미생물 분해가 어려운 유기물이 다량 포함되어 있어 기존 기술로 처리가 곤란한 실정이다. 육상처리 기술 중에서 비용이 저렴한 방법은 주로 매립에 준하는 것이므로 슬러지에 포함된 유기물에 의해 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소보다 21배 높은 메탄을 다량 배출하고 있으며, 중금속에 의한 지하수와 토양 오염이 우려된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 중금속 함유 산업슬러지를 건조 후 용융로에서 보조연료와 열분해 가스로 1,500℃이상의 고온 화염을 형성하여 폐수슬러지에 포함된 회분과 중금속을 용융 슬래그로 배출․유리화함으로써 분진 발생 감소와 회분에 포함된 중금속성분의 용출을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 건조 폐수슬러지를 용융하기 위하여 용융로 및 2차버너를 제작하여 용융실험을 수행하였으며, 열 회수 장치를 설치하여 열 회수 실험 또한 수행하였다.

Since 1987, the use of CFCs and HCFCs in various fields such as refrigerant of a refrigerator and a vehicle, a propellant for a spray, and a urethane foaming agent has been prohibited by Montreal protocol related to ozone depletion materials. Instead of the CFCs having a high ozone depletion potential (ODP), HFC-based refrigerants without a chlorine content were developed but determined as global warming materials. Therefore, to reduce greenhouse gas such as HFCs, including CFCs and HCFCs, having a global warming potential (GWP) of 150 or more, which is abandoned from the existing apparatus, it is required to develop a new eco-friendly, economic, and stable treatment technology. When the auxiliary fuel LPG was used at a flow of 1.0 kg/h with an air ratio of 1.1, the average temperature at the vertical section in the combustion chamber was 1,300 K, which is sufficient to destroy waste HFCs. In the waste refrigerant destruction test, the destruction ratio of waste HFCs was 100% when waste HFCs were injected at a flow of 2.8 kg/h.

하수슬러지의 해양배출은 2005년 77%, 2009년 47%, 2013년 14%로 점점 감소했으며, 유기성 슬러지의 직매립 금지, 런던협약에 의한 2012년부터 하수처리 슬러지의 해양투기가 전면 금지됨에 따라 전면적으로 육상처리를 위해 공공처리시설 및 민간위탁 시설에서 재활용 및 소각 등으로 대응하고 있으나 처리에 한계가 있다. 에너지 가격 상승에 따라 슬러지 처리비용이 지속적으로 상승하고 있어 설치･운영비 절감을 위해서는 육상처리 시설의 조속한 확충과 더불어 발생원에서 슬러지 감량화, 슬러지 처리 신기술개발이 필요하다. 이를 대체 할 처리 방법으로 우리나라와 중국 등에서 건조연료화 기술이 개발되어 적용하고 있다. 본 연구에서는 각종 사업장 폐수처리시설에서 다양하게 배출되는 폐수슬러지의 적정처리 및 재이용을 위하여 유중증발 건조기술을 이용하여 슬러지를 처리한 후 건조 전･후의 공업분석, 원소분석, 중금속분석, 발열량 측정을 하고 반응시간, 반응온도와 같은 건조조건에 따른 슬러지의 함수율 변화를 측정하여 각 조건에 따른 특성을 분석하여 유중증발 건조기술에 의한 폐수슬러지의 안정적이고 효율적인 처리 방법을 고찰하고 각종 산업단지에서 배출되는 폐수슬러지 성분에 포함된 다량의 중금속 등을 처리, 처분 시 용출량을 최소한으로 줄이고, 처리된 용융 부산물의 품위에 따라서 재이용, 재활용을 하기 위해서 용융실험을 수행하여 폐수슬러지를 친환경적이고 경제적으로 활용할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.

2012년 현재 우리나라 냉매 사용현황은 프레온류(CFCs, HCFCs, HFCs)는 연간 약 23,000톤으로 추정되며 HFCs 사용량은 1만 톤(R134a, 410a), CFCs, HCFCs 사용량은 1.3만 톤이다. 산업 분야별로는 자동차용이 4,000톤(R134a), 가정용･상업용이 7,000톤(R410a, R600), 산업용이 3,000톤(R22, R123, R134, NH3)이며 나머지 9천톤은 기타 유지보수용으로 사용되고 있으며, 이중 HFCs는 거의 대부분 자동차용 냉매로 사용되고 있다. 본 연구는 3단으로 구성된 연소장치에 배가스 재순환 기술과 2중관 선회식 연소공기 공급기술을 개발하고자 한다. 폐냉매 전용 소각을 위한 연소장치의 최적 설계를 위한 수치해석적 방법을 이용하여 설계인자를 도출하고 모델 연소로 성능 실험을 수행하고자 한다. Fig. 1에 2중관 선회식 연소장치 개발을 위한 수치해석용 연소장치와 연료로 사용한 메탄 연소반응 후 온도장을 나타내었다. 연소용 공기 주입은 연소장치 하단에서 주입되는 1차공기와 측면에서 공급되는 2차 공기로 구분되며, 2차 공기는 다시 주입위치에 따라 1단, 2단, 3단으로 구분된다. 2차 공기는 2중관 외부에서 예열되어 강력한 선회 유동으로 연소실 내부 각 단 상부에서 하부로 내부면을 선회하면서 공급된다.

하수종말처리장에서 발생하는 슬러지 발생량은 매년 증가하는 추세이다. 이 슬러지는 지금까지 해양투기와 매립에 의존해왔지만, 런던협약으로 인해 2012년부터 해양투기가 금지되었으며, 매립지 확보문제, 주민의 민원 등이 문제가 되고 있다. 그리하여 소각을 통해 슬러지를 처리하고 있는 것이 현실이다. 소각이 이루어지면서 많은 온실가스가 발생된다. 그중 소각으로 인해 발생하는 많은 물질 중 아산화질소(N₂O)는 대표적인 온실가스 중 하나이다. N₂O가 지구 온난화에 미치는 영향은 CO₂가 미치는 영향의 약 10 % 정도지만 대기 중에서 매우 안정하기 때문에 150년 동안 체류하며, 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential)를 보았을 때는 CO₂에 비해 310배나 높다. 하수슬러지는 화석연료에 비해 높은 함량의 질소성분을 함유하고 있어서 소각 시 고농도의 질산화물의 발생이 예측되고 슬러지의 무기물 중에 여러 가지의 중금속이 함유되어 있어 무해화 소각시스템 개발이 요구되고 있다. 이에 선진국에서는 감량화, 무해화, 자원화를 동시에 하고자하는 소각처리방법을 채택하고 있다. 유동층 소각과 같이 고정 연소장치에서 N₂O의 발생을 억제하는 방법으로는 연소온도의 상승, 산소농도의 저하, 접촉입자와의 혼합 촉진, 고압화(가압유동층 연소) 등이 있다. 이러한 방법의 문제로는 연소효율이 탈황율의 저하를 일으키는 경우가 발생하며, 유동층연소에서 N₂O 생성을 감소시키면 NOx의 생성이 증가하는 경우가 대부분이므로, 확실한 N₂O 억제로 보기 어려운 것이 현실이다. 본 연구에서는 하수슬러지를 소각시 유동매체를 사용하여 발생하는 온실가스인 N₂O의 발생은 억제하고자 실험을 수행하였다. 이때 유동매체의 변화로 인한 N₂O의 발생량을 알아 보았으며, 과잉공기비, 유동매체의 양, 등을 변화를 시키며 N₂O발생량의 변화를 지켜보았다. 그리하여 유동매체의 사용으로 효과적인 N₂O저감을 시킬 수 있을 것이며, 최적은 운전조건을 규명하고자 하였다.

2011년 고함수 슬러지 발생량을 보면 폐수슬러지가 년간 306만톤, 하수슬러지가 230만톤 배출된다. 정부는 런던협약 준수와 해양 생태계 보호를 위해 2012년부터 유기성 하수슬러지, 2013년 음식폐기물과 축산분뇨 해양배출을 전면 금지하였고, 2014년부터는 유기성 폐수슬러지도 해양배출이 금지될 예정이다. 폐수슬러지와 하수슬러지는 80% 이상이 수분인 고함수 슬러지이다. 따라서 본격적인 처리에 앞서 이를 건조시키는 기술이 매우 중요하다. 유중건조기술은 고함수 슬러지에서 짧은 시간에 많은 양의 수분을 증발시키는 건조기술이다. 유중 건조된 슬러지는 창고에 적재하거나 장거리 이동시 수송기관에 적재한다. 이때 가장 문제가 되는 것은 자연발화현상이다. 실제로 자연발화 현상은 석탄 야적장에서 종종 관찰되는 현상이다. 유중건조 기술에 의해 건조 된 슬러지의 자연발화 실험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 현재 국내외적으로 자연발화에 관한 구체적인 실험방법이 정해져있지 않기 때문에 각 연구기관에서 비공식적인 방법으로 자연발화 현상을 관찰하고 있다. 본 연구에서의 자연발화 실험은 측정하고자 하는 시료를 같은 크기로 분쇄하여 금속관에 투입 후 오븐에 수직으로 장착한 후 오븐의 온도를 일정하게 상승시키면서 시료가 채워진 금속관에 공기 및 질소를 주입하여 자연발화 현상을 관찰하는 방법이다. 슬러지 시료는 기름을 분리한 것과 분리하지 않은 것 2종류이다. 2종류 모두 오븐 온도보다 낮게 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서 시료의 온도가 200 ℃ 이내로 유지된다면 자연발화 현상이 일어나지 않는다.

In this study, fixed bed type CO2 gasification reactor was tested to enhance the production of synthetic gas (CO + H2) from low grade carbon source such as sewage sludge, wood chip, municipal waste, and low calofic valued coal. Various parameter effects on the 0.1 ton/day fixed bed gasifier operation were investigated. The parameters are reaction temperature, CO2/Air ratio, and total flow rate. Temperature was measured at the inlet and outlet of the reactor as well as at 18 positions along the reactor height and radius. The CO2 inlet concentration was tested between 0% and 30%. Total flow rate was varied from 40 L/min to 80 L/min at 20% CO2 inlet and 8 kg activated carbon packing. In the fixed bed CO2 gasification, CO2 took more parts in the gasification than combustion. But CO2 concentration higher than 40% made the two reactions unstable and the one between 20% and 40% did not give so much influence on the reaction time. The reaction time was shortened according to the total flow rate increase, and changed its slope gently above 50 L/min, illustarting CO2 gasification reaction is superior to combustion reaction in the low total flow rate condition.

In this study, C-CO2 reaction was investigated to achieve a simultaneous effect reducing green house gas and enhancing synthetic gas production. Carbon dioxide and oxygen were used as gasification agents in various concentrations. The Boudouard reaction in which CO2 reacts with carbon was expected for the enhancement of CO production. The reaction CO2 + C 2 CO was confirmed through thermo-gravimetric analysis (TGA) experiment. The weight of activated carbon used as a carbon source did not changed above 750oC in nitrogen condition, while sharply decreased in CO2 condition, illustrating the presence of Boudouard reaction. The weight of activated carbon and concentrations of H, H2, CH2, CH4, H2O, CO, O2, CO2 evolved from gasification reaction were continuously analysed in different gasification agent varying CO2 and O2 ratio. Weight loss rate increased according to the increase of oxygen ratio. The window on which CO peak evolved shifted to higher temperature according to CO2 concentration in gasification agent. It is proposed that varying CO2/O2 mole ratio can control the reaction ratio of combustion and gasification and shift concentration peak temperature.