The treatment of sewage sludge using hydrothermal carbonization (HTC) can be an attractive alternative to conventional sludge disposal, but it should be accompanied by a drying process that uses Refuse-derived Fuel (RDF). However, the largest proportion of the energy demand in sludge-drying techniques is for heat sources, which has led to increased operation and maintenance costs. Recovering residual heat to apply to sludge drying significantly reduces both the operating cost and the greenhouse gas emissions. Suitable integration can be realized between drying technology and waste-to-energy (WtE) plants through the recovery of waste heat in WtE conversion as a heat source for sludge drying. This present paper investigates the indirect disk drying performance of the hydrothermal carbonization of sewage sludge using a low-temperature heat source in a laboratory and proposes an integration process with the drying technology of hydrothermal carbonization using waste heat. This paper concludes with experimental results that indirect disk drying technology can be applied in waste-heat recovery systems.

수열탄화 기술은 고온에서 반응이 발생하는 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로 일정 온도조건(150~200oC)와 고압(10~20 kg/cm²)의 증기를 이용해 슬러지 내 미생물의 세포벽을 파괴함으로서 탈수성을 향상시키고 고액분리를 통해 액체생성물의 가용화 효율을 높이는 기술이다. 본 연구에서는 하수슬러지와 음식물폐기물을 혼합하여 수열탄화반응을 통해 생성된 고체생성물을 이용하여 최종적인 에너지원으로 사용하기 위한 건조실험을 진행하였다. 건조기는 0.9m²의 Lab 테스트용 디스크건조기를 사용하였고, 건조단계에서 많은 에너지가 소비되는 특성에 맞는 최적의 건조조건을 찾고자 하였다. 실험에 투입된 수열탄화물(함수율 57%)은 먼저 전처리(파쇄) 유무에 따라 각각 나누었으며, 건조열원은 스팀압력(1.2~3.7 kg/cm²G)로 초기온도에 따라 설정하였고 수열탄화물 투입량은 3.8~4.7 kg/batch, 디스크 회전속도는 약 15~19 rpm, 체류시간은 함수율 10wt%가 되었을 때까지 실험을 진행하였다. 본 실험을 통해 수열탄화물의 건조특성 곡선을 통해 건조효율을 종합적으로 평가하고, 최적의 설계인자를 확보하고자 하였다.

다량으로 발생하는 하/폐수 슬러지를 처리하는 방법중 하나는 건조하여 고형연료로 활용하는 것이다. 본 연구에서는 파일럿 규모의 설비를 설계, 제작하여 하/폐수슬러지 탈수 및 건조특성을 연구하였다. 전처리 과정으로 슬러지 함수율을 낮추고 악취를 감소하기 위하여 염화제2철을 투입하여 탈수하였다. 건조공정은 연소실과 건조실이 통합된 최대 처리규모 40[kg/hr]인 일체형 건조기와 건조기에서 배출되는 고온, 고습의 배가스를 외부공기와 열교환하는 열교환기, 열교환기에서 가열된 외부공기를 열원으로 하는 밴드통기형건조기로 구성하였다. 슬러지는 탈수과정에서 함수율이 저감되므로 pin mill을 사용하여 분말화하여 밴드통기형건조기에 투입하였다. 밴드통기형건조기는 4단으로 구성되며 상부로부터 분말 슬러지가 공급되고 열풍은 하부로 공급되는 향류접촉방식이다. 1차 건조된 슬러지는 일체형건조기에 공급된다. 건조기 상부에 가스버너가 설치되어 발생한 열풍은 축열재를 거쳐 하부에 위치한 건조실을 지나 열교환기를 통과한 후 외부로 배출된다. 건조실내에는 4단의 paddle형 건조기가 설치되어 있으며 슬러지는 상부로부터 공급되어 차례대로 건조기를 통과한 후 로타리밸브를 거쳐 외부로 배출되고 건조용공기는 외부공기가 건조실내 pipe를 통과하면서 가열되어 각 건조기에 공급된다. 운전 데이타는 건조기가 열적평형에 도달한 기간중 취득하였다. 함수율 71.5%의 탈수슬러지를 31[kg/hr] x 8.5[hr] 공급시 배출된 건조슬러지는 72.96[kg]이었으며 이때 투입한 에너지는 203,320[Kcal]이었다. 순에너지소비율은 1,104[Kcal/kg-H2O]이었으며 함수율은 5.9%이었다. 함수율이 60.62%인 탈수슬러지를 36[kg/hr] x 4[hr]공급시 배출된 건조슬러지는 48.78[kg]이었으며 이때 투입한 에너지는 86,144[Kcal]이었다. 순에너지소비율은 1,009[Kcal/kg-H2O]이었으며 함수율은 3.96%이었다.

국내 하수슬러지는 2013년 기준 전국 569개 하수처리시설에서 약 3,531 천톤/년이 발생하고 있으나, “런던협약 ’96의정서”로 인해 2012년부터 해양투기가 전면금지 됨에 따라 하수슬러지의 최종 처분을 위한 다양한 논의 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. 슬러지 처리방안 중 국내에서는 폐기물관리법 시행규칙이 개정(‘09.8.7)됨에 따라 공공하수처리시설에서 발생하는 하수슬러지 중 발열량이 에너지회수 기준에 적합하고 환경에 문제가 없는 경우에는 화력발전소에서 5%이내로 석탄연료와 혼합하여 연료로 사용할 수 있게 되었다. 슬러지의 건조 공정은 건조 방식에 따라 직접건조와 간접건조 방식으로 나눌 수 있으며, 건조방법에 따라 기류건조, 원심박막건조, 열풍 회전건조, 다단건조, 열매체건조 방법 등으로 구분할 수 있다. 건조기 형식에는 유동상 건조기, 드럼건조기, 디스크 건조기, 패들 건조기 등이 있다. 건조슬러지를 연료로 재활용하기 위해서는 함수율 10% 이하까지 건조해야 하며 일반적인 건조 연료화 공정에서는 함수율 80% 내외의 탈수슬러지를함수율 10%까지 낮추도록 하고 있다. 그러나 기존 건조 방식과 같이 슬러지의 함수율을 80%에서 10%로 낮추기 위해서는 상당량의 화석연료가 소모되어야 하며, 이는 경제적 문제뿐만 아니라 슬러지를 연료로 활용함으로써 얻게 되는 온실가스 감축효과를 상쇄시키는 문제점이 있다. 또한 함수율 40~60%구간은 최대점성구간(Glue zone)으로 슬러지가 건조되어 함수율이 40~60%에 도달하게 되면 슬러지의 뭉침 현상이 발생하여 열 전달 감소 및 점성 증가로 인하여 건조 효율이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 처리용량 약 4톤/일의 pilot plant를 설치하여 자체 개발한 고압 프래스 탈수기와 패들 건조기를 이용한 슬러지 건조시스템의 성능을 평가하고자 하였다. 우선 슬러지를 탈수하기 전에 톱밥, 건조슬러지 등의 부형재를 슬러지와 혼합하여 슬러지의 뭉침 현상을 근본적으로 억제하여 함수율 40~60% 구간에서도 뭉침이 발생하지 않도록 하였다. 실험결과 최적 부형제 혼합비율은 1(슬러지):0.4(톱밥)로 분석되었다. 부형재와 혼합된 슬러지는 시스템 전단에 설치된 고압 프레스 탈수기에 투입되어 함수율 80% 내외의 슬러지에 약 30kgf/cm²의 압력을 가해 함수율 40~50%로 낮추도록 하였다. 이때 고압 프레스 탈수기의 탈수효율을 증대시키기 위하여 일방향 탈수 방식이 아닌 양방향 탈수 방식을 적용하였으며, 기존 일방향 탈수 대비 탈수효율을 약 25%증대시킬 수 있었다. 탈수된 슬러지는 패들형 건조기에 투입하여 함수율 10% 이하의 건조연료로 생산하며, 이때 건조기 내의 교차된 패들이 회전하면서 슬러지를 이송하고 패들의 내부에 스팀이 공급되어 패들 표면의 복사열을 통해 이송물의 건조가 순차적으로 이루어지도록 하였다. 본 실증 실험결과 건조기 투입 슬러지의 함수율을 40~50%까지 낮춤으로 인해 건조기 체류시간 및 화석연료 사용량을 감소시킬 수 있었다. 또한 고압 프레스 탈수기 운전 시 탈수효율의 개선을 위해 부형제로 톱밥을 사용하여 기존의 건조 방식과 비교하였을 때 부형제로 투입되는 톱밥의 비용 및 고압 프레스 장치의 전력 사용량을 고려하더라도 경제성 확보가 가능하였고, 건조효율 개선 및 건조 시간 단축의 우수성이 있는 것으로 나타났다.

For evaluating the effect of various artificial planting soil properties on the Euonymus fortunei ‘Emelad’n Gold’ growth, a container green wall system experiment was conducted in a wall of greenhouse at Konkuk University, Glocal campus. The experimental artificial planting grounds were prepared with different organic soil conditioner ratios (Control, A4O1, A2O1 and A1O1) and with drought tolerance and an ornamental value Euonymus fortunei ‘Emelad’n Gold’ was planted. The soil and plant characteristics were investigated from April to Jun 2010. The volumetric soil moisture contents were significantly increasing order as the amount of organic soil conditioner level increased in order to A1O1> A2O1> A4O1> Control. At 4 treatment, soil chemical properties were inversely related to organic soil container ratios increase. The differences of root collar caliper, number of branch, and survival rate between the organic soil conditioner ratio were not significantly affected by organic soil conditioner. But, plant height, internode length, leaf length and leaf width were significantly shorter on plants planted A1O1 than plants planted other treatments. Therefore, Euonymus fortunei ‘Emelad’n Gold’ had good growth response regardless of organic soil conditioner ratio and the plant is expected to be a highly valuable shrub for the green wall system if it should be considered in integration with stormwater retention or as a soil conditioner for increasing soil water contents in artificial planting soil.