Ap미ied Chemistry,

Vol. 12, No.2, November 2008, 345-엉8

국내 하수슬러지와 무연탄의 혼합 연소특성

와혈동·김재관·김미영·부창진·김성철

한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소

요약

국내 발생 하수슬러지는 일일 약 35，000천톤 이상으로서 막대한 양이 발생하지만 이에 대

한 처리 방법은 주로 해양투기나 소각에 의존하고 있다. 그러나 2012년 해양투기가 전면적

으로 금지될 상황으로써 이에 대비한 슬러지 처리 방법 마련이 시급한 상황이다. 이러한 상

황에서 하수슬러지의 연료화를 통한 에너지회수 및 향후 이산화탄소 배출저감 효과 인정 시

이에 따른 경제적 효과 등에 따라 슬러지를 연료화 하여 활용하고자 하는 방안이 다각적으

로 연구되고 있는 실정으로， 본 연구에서는 이러한 슬러지 연료의 활용방안 중 하나로 예상

되는 발전용 석탄과의 혼합 연소를 통한 대량 소비를 위한 기초 연소특성 평가 실험을 수행

했다. 실험결과 슬러지의 휘발분 함량이 석탄에 비해 높은 비율을 나타냈지만 다양한 유기

성 물질의 혼합체인 슬러지 연료의 특성상 석탄에 비해 여러 차례 유기성 혼합물의 탈휘 반

응이 반복적으로 관찰되었으며， 화 성분의 활성화에너지 값은 석탄의 화에 비해 약 36% 높

아 상대적으로 낮은 연소반응성을 보였다.

1. 서론

현재 전 세계적으로 원유 및 석탄의 가격이 폭등하면서 에너지 비용 절감을 위한 다양한

대체에너지원 개발 연구들이 진행되고 있으며， 특히 이산화탄소 저감효과를 유발하는 신재

생에너지원 개발 분야에도 많은 노력이 투입되고 있다. 이러한 상황에서 연간 대량으로 발

생하고 있어 처리에 막대한 비용과 환경오염 문제를 야기하고 있는 하수슬러지를 연료화 하

여 에너지회수와 연료비 절감을 도모하고자 하는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 그

러나 슬러지 연료화는 다량의 수분을 함유하고 있는 슬러지 특성상 건조를 위한 사전처리와

악취 제거 등의 문제를 가지고 있어 충분한 전처리과정이 펼요하며 이에 따른 경제성 측면

에서의 효용성을 유지해야 하는 문제가 있다. 그럼에도 불구하고 슬러지를 연료화 하여 특

별히 발전용 보조연료로서 소비 가능하게 한다면 이는 소각을 위한 추가적인 대규모 신규

설비구축 없이 단순히 약간의 설비 보완을 통해 기존의 발전소에서 대량소비가 가능하도록

하는 매우 효과적인 처리방법이며 동시에 폐기물로서 폐기되던 자원을 에너지자원화 했다

는 측면에서도 매우 이상적인 처리 방법이 될 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에

서는 건조 슬러지의 열중량 분석 연소실험을 수행하여 슬러지의 연소특성 분석을 수행하였

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고 또한 건조 슬러지를 석탄과 일정비율 혼합한 후 역시 열중량 분석 수행하여 반응성을 분

석 활성화에너지를 구함으로써 향후 예상되는 석탄과의 혼합연소에 따른 연소성을 사전에

예측해보는 실험을 수행하였다.

2. 실험방법

본 실험은 건조슬러지 1종에 대하여 공기를 이용한 산화성 분위기에서 5°C/min 의 승온조

건으로 비등온 열중량분석을 수행하였으며， 또한 국내탄 1종에 건조슬러지를 각 3%, 5%,

7% 10% , 15% 혼합하여 각각의 연료를 탈휘시킨 화 상태로 역시 전술한 조건에서 열중량

분석을 수행하고 시험결과를 이용하여 각각의 혼합조건에서의 활성화에너지 변화패턴을 분

석하였다. 활성화에너지 해석은 미분법 Chatterjee-Conrad Method과 적분법 Stava Method

를 사용하였으며 실험에 사용된 열중량분석기는 Cahn 2100 모델로서 온도측정 오차 범위는

±2·C 이내이며， 질량측정 오차는 ±O.1mg이내이다.

표 1. 실험용 슬러지 및 석탄 성상

」와훗목공업분석 (wt.%) 원소분석 (wt.%)

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탄소 즈l: -/」-、 질소 유황분 (kcal/kg(M) (V.M) (Ash) (탄F.소C) ( C ) (H) (N) (S)

슬러지 7.91 60.37 25.28 6.44 40.60 5.89 5.24 0.95 4,120

무연탄 2.64 6.20 55.69 35.47 39.55 0.50 0.32 0.12 3.040

3. 실험결과 및 논의

실험결과 슬러지의 경우 1oo·C 부근에서 성상분석 결과에 일치하는 약 8%의 자유수분의

탈수과정이 관찰되었으며， 140-480·C 온도영역에서 세 개의 구간에 걸쳐 탈휘반웅이 나타

나는 multiple 탈휘 구간이 관찰되었다. 이는 슬러지 연료 자체가 화합물 형태가 아닌 다양

한 유기물의 혼합체로 존재하며 이러한 슬러지 연료의 특성상 상대적으로 균일한 석탄에 비

해 여러 구간에서 유기물의 탈휘반응이 나타나는 것으로 사료된다. 또한 480-620·C 온도영

역에서 고정탄소의 화 연소반응이 진행되는 것으로 나타난다. 이처럼 슬러지 연료의 경우

석탄에 비해 상대적으로 성상자체가 균일하지 않아 여러 구간에서 탈휘반웅이 관찰됨에 따

라 석탄을 연료로 사용하는 기존 연소시스템에 슬러지를 혼소할 경우 연소속도의 변화에 따

른 연소영역 변화 둥을 고려하여 적정한 연소방법 개선이 펼요할 것으로 사료된다. 즉 대용

량 발전용 보일러에서 슬러지 연료를 석탄과 혼합연소 할 경우 석탄과는 다른 연소특성에

따라 슬러지연료의 버너 주입 위치 등을 검토해볼 필요가 있을 것으로 사료된다.

용용화학， 제 12 권 제 2 호， 2α%

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그림 1. 무연탄(좌)과 슬러지(우)의 TGAlDTA 곡선

또한 화 상태의 무연탄에 슬러지를 일정비율로 혼합하여(표 2) 열중량분석올 수행하고 활

성화에너지를 구한결과 슬러지 화 성분의 활성화에너지 값은 석탄에 비해 높은 것으로 나타

따라 슬러지를 혼합한 혼합시료의 증가하는점진적으로활성화에너값 자체도이에났으며

경향을 보였다.

표 2. 슬러지 흔소율에 따른 활성화에너지

혼소율(%) 무연탄 3 5 7 10 15스근 며닉

지탄

활성화에너지 25.52 25.63 27.21 27.28 28.98 30.56 34.21E(kca!/moI)

일반적으로 무연탄의 경우 낮은 휘발분 함량에 따라 역청탄에 비해 연소속도가 느리고 연

소 시작온도 역시 높아 상대적으로 높은 활성화에너지를 보이고 있으나 슬러지 연료의 경우

높은 휘발분 함량에도 불구하고 낮은무연탄보다도 다소 활성화에너지가 높은 결과를 보여

연소성을 보였다. 이는 연소과정 중 여러 구간에서 전체적인나타나는 multiple 탈휘 반응이

슬러지를 무연탄과 혼합연소할 경우 활연소반응에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 따라서

증가에 따른 미연분 증가 가능성도 예상된다. 그러나 상대적으로 높은 슬러지의

Applied Chemistry, Vol. 12, No.2, 2뼈

성화에너지

휘발분 함량이 전체적인 연소 반응에서 어떠한 영향을 미쳐 미연분 발생에 변화가 있을지에

대한 보다 구체적인 슬러지 및 무연탄의 혼합연소 특성평가 연구가 추가적으로 펼요하다.

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그림 2. 슬러지 혼소율에 따른 활성화에너지 변화

4. 결론

슬러지 자체는 다양한 성상의 유기물 혼합체로 존재하는 듯하다. 이는 다양한 원인에 의

해 발생한 폐수의 부유물이 침전의 과정을 통해 생성되는 슬러지의 발생 메커니즘을 고려해

볼 때 당연한 결과로 사료된다. 즉 슬러지 자체는 화합물 형태가 아닌 단순히 물리적 혼합

물 형태로 존재하는 유기물 기반의 침전물이기 때문이다. 따라서 전체적인 성상이 불균일상

의 물질인 석탄에 비해서도 상대적으로 더욱 불균일할 가능성이 높은 것으로 사료되며， 이

에 따라 연소과정에서도 다양한 온도 구간에서 볼규칙적인 탈휘 및 연소반응이 관찰되었다.

또한 슬러지 자체의 고정탄소분인 화의 활성화에너지도 무연탄에 비해 다소 높은 것으로 나

타나 슬러지를 연료화하여 대량으로 소비할 수 있는 발전용 연료로 사용할 경우 연소성 저

하에 따른 부분적인 미연분증가도 예상된다. 따라서 슬러지 혼소시 적절한 혼합 비율 조정

과 연소 반응시간 연장을 위한 연소실내 투입위치 선정을 위한 추가적인 연구가 필요한 것

으로 사료된다.

참고문헌

1. J J Murphy et aI., “ Combustion kinetics of coal chars in oxygen enriched

environments," Combustion and Flame 144,29, 710(2006).

2. Christopher R. Shaddix et al.," Effect of C02 on Coal Char Combustion Rates

in Oxy-Fuel Applications , USA Combustion Research Facility, Sandia Nat.

Lab. 24th international Pittsburgh Coal Conference, September 10-14(2007).

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