This study provides a result of thermal mercury reduction for inventing a mercury recovery technology from the sludgewhich contains high concentration of mercury. Physical, chemical and thermal properties of the sludge were analyzed andmercury degradation at elevated temperatures was investigated to find out the optimum temperature range for thermalrecovery of mercury from the sludge generated from an industrial facility, which contained high concentration of mercury.The study was carried out in the temperature range of up to 650oC from 200oC, and 500~710µm particle size of wastesludge samples were selected from such industries. As primary thermal tests the sludge was heated up to observe weightdegradation at a continuous weight measurable thermogravimetric analyzer and a muffle furnace and the degradationcurves from both devices were found to be well matched. Mercury conversion to gaseous form was investigated fromthe analyzed data of mercury concentrations sampled every 25oC from a muffle furnace. Cold vapor atomic absorptionspectroscopy (CVAAS) Hg analyzer was used for the analysis of mercury content in solid and liquid samples. Most ofmercury was degraded and released as gas phase at the temperature range from 300oC to 550oC, which could be theoptimum temperature of mercury recovery by thermal method for the sludge containing high concentration of mercury.Based on these thermal mercury reduction studies, degradation kinetics study of mercury was conducted to provide thereaction kinetics data for further reactor design to recover mercury using a thermal method.

신재생에너지원 중 가장 큰 부분을 차지하고 있는 폐기물의 경우, 매립 등으로 폐기되고 있다. 특히 슬러지와 같은 저급연료는 에너지원으로 활용되지 못하고 70%이상 해양 투기되고 있으나 런던협약 이후 해양투기 금지로 인해 육상처리방안의 마련이 시급한 실정이다. 또한, 현재 유일한 온실가스 감축기술인 CCS(Carbon Capture and Storage)의 경우 연소공정의 후단에서 배출가스 내에 질산화물 등 다양한 오염물질의 혼입으로 회수되는 CO₂ 등의 순도가 낮아져 경제성의 확보가 어려운 실정이다. 따라서 연소공정에 투입되는 과잉공기 대신 순산소 연소(Oxy-fuel Combustion)를 시행하여 열원을 최대로 회수함과 동시에, FGR(Flue Gas Recirculation)을 통해 배출가스를 연소로 내로 재순환함으로 높은 농도의 CO₂흐름을 만들어 대기로 배출되는 CO₂를 분리하거나 고순도 저장이 가능한 CCS ready기술을 개발하여 국제적인 온실가스 감축의무화에 대비하기 위한 공정기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 연료로 적용할 슬러지와 혼합연료의 기초특성분석을 실시하였으며, Cold bed과 이론적인 계산을 통해 순환유동층을 형성하기 위한 유량을 도출하였고 이에 따른 연료 투입량을 산정하였다. Cold bed 실험을 통해서 최소유동화속도를 도출하였고, 유량과 유체의 성상 (Air, Oxy21%, Oxy25%, Oxy30%, Oxy40%) 따른 외부고체 순환률과 압력구배를 비교하였다. Hot bed를 통해서는 유체성상에 따른 온도구배를 비교하였고, 슬러지와 혼합연료 (30%, 50%, 70%)에 따른 온도구배와 주요 배가스 (CO₂, CO, O₂, NOx, SOx)를 비교하였다. 또한 FGR 운영을 통해 주요 배가스의 변화를 확인하였다. 하수슬러지의 기초특성분석결과 발열량은 약 3,000 kcal/kg, 원소분석은 탄소 28.64%, 수소 4.82%, 산소 18.94%, 질소 4.51%, 황 0.44%, 공업분석은 수분 7.32%, 휘발분 45.11%, 고정탄소 12.25%, 회분 35.32% 함량을 보였다. 펠렛의 기초특성분석결과 발열량은 약 4,200 kcal/kg, 원소분석은 탄소 48.59%, 수소 6.08%, 산소 42.03%, 공업분석은 수분 8.68%, 휘발분 74.16%, 고정탄소 16.83%, 회분 0.29% 함량을 보였다. 유속에 따른 Riser 층내 압력강하는 0.104 m/s에서 최소 유동화속도를 관측하였으며, 1.9 m/s 이상의 공탑속도에서 고속유동층으로 전이되는 것을 확인하였고, 2.4 m/s 이상의 공탑속도로 운전하는 것으로 판단하였다. 순환유동층 전이에 필요한 유량의 연료투입량은 13 kg이고, 연소 유체 성상에 따른 온도구배는 Oxy 비율이 높아질수록 배가스의 온도가 높게 유지되었다. 각 조건별 배가스 분석결과 고농도 CO₂ 농축가능성을 확인하였다.

대부분의 국가에서는 수은이 함유된 제품이나 각종 산업공정에서 사용되는 수은은 단계적으로 제거해 나가고 있으며 특히 선진국에서는 수은의 독성, 생물농축 및 환경에의 유해성으로 인하여 수은이 함유된 제품이나 수은을 사용하는 산업공정을 대체하기 위하여 노력하고 있다. 그러나 여전히 수은이나 수은을 함유한 제품은 특정 공정이나 오래된 공정에서 사용되고 있으며 지금까지는 수은 함유 폐기물을 재활용하거나 처리하는 것은 폐기물 관리 분야에서 주요 관심사가 아니었다. 수은의 국제적 규약 및 관리 동향이 1차적으로는 대기배출 수은에 치중되어 왔으나 배출원에서의 제어 및 회수된 수은이 부산물과 폐수 중에 남게 되면서 선진국에서는 이를 안정화하며 회수 저장하는 문제와 수은의 매체 간 통합적인 관리로의 접근이 시도되고 있어 우리나라도 이에 대한 방안 마련이 필요한 상황이다. 2013년 2월 제5차 INC (Intergovernmental Nagotiating Committee)의 결정에 따라 국제수은협약의 주요 조항으로 수은함유 폐기물의 관리 강화 및 환경친화적 수은 저장 능력 증대가 포함됨에 따라 향후 국제적인 규제 조치 시행이 예상되고 있다. EU는 수은화합물 수출 금지 및 수은 저장 의무화 규제 시행 (‘11.3.15 발효, Regulation (EC) No 1102/2008, 22 Oct. 2008)하여 원자재 수은을 폐기물로 규정하고, 클로랄-알칼리 분야, 비철금속 채광 및 제련, 천연가스 정제 및 금채광시설의 수은 회수 및 저장을 의무화하였다. 미국 또한 금속 수은 및 특정 수은화합물의 수출금지 법안을 발표하였으며, 미국 DNSC (Defense National Stockpile Center)는 1970년대 부터 4,400 톤 이상의 원자재용 수은을 보관해왔으며, 이를 영구저장시설로의 이전 사업이 추진 중이다. US EPA에서는 LDR 기준을 통해 수은 함유 폐기물 중 260 ppm 이상의 폐기물의 경우 일반 매립지로 갈 수 없으며 특수 설계 매립지를 통해 매립을 하거나 수은 저감 처리방법을 통해 수은 함유 농도 저감을 해야 한다고 규정하였다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 반응기를 구축하여 국내 고수은함유 폐기물을 대상으로 열적처리를 통한 수은 감량 특성을 연구하였다. 이는 TG 분석 결과를 바탕으로 온도범위를 700 ~ 800 ℃로 설정하여 각 온도조건에서 체류시간에 따를 수은 감량 특성을 평가하였으며, 각 조건 별로 수은 증기를 냉각시켜 수은 회수율을 평가하였다.

국내에서는 약 3,500천 톤 이상의 슬러지가 매년 배출되고 있다. 슬러지 처리 방법으로는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각 등의 방법이 있으며, 매립으로 인한 토양오염과 매립지 제한, 해양투기 금지로 인하여 소각에 의한 슬러지 처리가 빠르게 증가하고 있다. 슬러지 소각 기술은 다단로, 로터리 킬른, 순환 유동층 기술 등이 있으며, 이 중 순환 유동층 소각 기술은 슬러지를 연속적으로 투입하면서 소각이 가능하고 회분을 연속적으로 제거하면서 운전이 가능할 뿐만 아니라 유동층 내의 격렬한 혼합에 의한 열전달이 우수하기 때문에 유동층 소각에 의한 슬러지 처리 기술 개발이 많이 진행되고 있다. 국내의 경우 유동층 슬러지 소각시설의 수가 적고, 대부분의 소각 시설이 외국의 기술로 설계되어 있으며, 연구기관, 학교, 기업에서 연구를 수행하고 있으나 현재까지 유동층 소각 시설의 설계와 운전, scale-up 기술은 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 순환 유동층 연소기의 최적설계와 운전을 위해서는 압력분포, 고체 체류시간, 고체 순환율, 고체 체류량 등 연소기 내 수력학적 특성에 대한 정보가 필요하며, 수력학적 특성에 따라 기체와 고체간의 물질전달 및 반응속도는 영향을 받는다. 본 연구에서는 순환 유동층 연소기의 cold bed 실험장치 및 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamic)를 이용하여 운전 조건 변화에 따른 순환 유동층 내 기체-고체의 수력학적 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도, 우드펠렛과 슬러지의 투입비에 따른 순환 유동층 연소기 내 압력강하, 고체 체류시간, 고체 순환율 변화에 대하여 고찰하였으며, 전산해석 결과와 cold bed 실험 결과를 비교/평가하였다.