슬러지 소각 공정의 개요와 영향인자

슬러지 소각의 개요

점차 강화되는 법규 및 매립공간 부족으로 인해 슬러지 처리에 있어 소각공정의 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 소각배가스 내 미세오염물 등으로 인해 소각공정이 제한되는 측면도 있으며 새로운 플랜트 건설 시 주민의 반대에 부딪히기도 한다. 퓨란(furan) 및 다이옥신(dioxin) 형성물질인 염소 함량의 경우 하수슬러지 소각 시 일반적 도시고형폐기물에 비해 훨씬 미량으로 존재한다. 하수슬러지 내 중금속은 휘발성, 염소의 존재 유무, 소각로 내 조건에 따라 소각배가스 내 존재할 수 있다. 그러므로 소각 공정을 운영/평가하기 위해서는 비산재 및 독성화합물 형성 등 환경문제에 밀접한 관계가 있는 슬러지 내 미세오염물, 중금속, 염소, 황, 인, 질소 농도에 대한 선행조사가 필수적이다. 또한 경제적 측면에서 공정의 발열량이 중요한 요소가 된다.

연소반응의 개요

연소는 탄소, 수소, 황과 산소의 결합으로 이산화탄소, 물 등의 부산물이 발생한다. 유기질소는 질소가스로 변환되는데 특별히 10% 이하 함량의 유기질소는 NO로 변환된다. 또한 대기줄의 질소는 질소산화물로 변환되는데 이러한 현상은 1100도 이상의 고온에서 주로 발생하고 온도가 상승함에 따라 변환율이 증가한다.

모든 연소반응에서 반응속도를 높이기 위해서는 과잉공기(excess air)가 요구된다. 과잉공기량은 시간(time), 온도(temperature), 난류(turbulence)의 함수로서 일반적으로 '3Ts of combustion'이라 일컫는다. 난류는 연소 설비의 종류에 따라 크게 변화하며 연료와 산소의 접촉을 원활하게 만든다. 과잉공기는 연소온도를 낮추는 역할을 하므로 과잉공기량을 최소화하는 것이 바람직하다. 과잉공기가 충분하지 않거나, 3Ts(time, temperature, turbulence) 중 어느 하나라도 부족한 경우에는 매연과 불완전연소화합물이 발생하게 된다. 염소로 인하여 오염물질이 생성되는데 구리가 있으면 반응이 더욱 촉진된다. 250-400도로 연소가스를 빠르게 냉각시켜 주거나 보일러 표면의 그을음을 제거해 주면 이 오염물질의 생성은 완화시킬 수 있다.

소각공정의 영향인자

화학적 또는 물리화학적 요인에 따라 슬러지를 특성화할 수 있다.

1. 화학적 인자

슬러지 소각에 영향을 미치는 주요 화학적 물질은 황, 질소와 인, 염소와 할로겐물질, 유기성 미세오염물, 중금속 등이 있다. 일반적으로 하수슬러지 내 황 함유량은 건조무게로 0.5~2% 정도이다. 황의 일부는 황산화물로 존재하므로 연소 시 모든 황이 이산화황으로 변화하지는 않는다. 배출물 내 이산화황은 대기 중 수분과 결합하여 황산으로 변환된다. 하수슬러지 내 인 농도는 건조무게로 1~5% 정도이다. 연소 과정 동안 인은 P2O5로 변환되는데 이 물질은 소각재의 약 15%를 차지한다. 하수슬러지 내 질소는 건조무게로 약 2~12%이며 연소과정 동안 NOx로 변환된다. 염소와 할로겐물질로 인해 부식을 발생시키는 산성화합물이 생성되는데 이러한 현상은 고온에서 더욱 활발하다. 하수슬러지 내 유기염소 농도는 일반적으로 50mg 이하의 미량으로 존재하지만 무기염소는 보다 높은 농도로 존재한다. 하수슬러지 내 브롬 함유량은 무시할 만한 정도이다. 하수슬러지 내 유기 미세오염물은 때때로 검출되지만 고형폐기물과 같이 소각 시 문제를 야기시키지는 않는다. 하수슬러지 내 중금속은 그 농도의 편차가 심하다. 슬러지 내 중금속은 연소 시 기체상태로 전환되어 냉각시 응축되어 미세입자로 변환된다. 포집된 비산재에서 휘발성 중금속이 높은 농도로 존재하는 경향도 보인다. 구리는 다이옥신이나 퓨란생성에 촉매작용을 하기도 한다.

2. 물리화학적 인자

소각에 영향을 미치는 물리화학적 인자는 건조물 및 휘발성고형물, 발열량, 열량분석, 유지, 스컴 등이 있다. 건조물은 필요연료량과 배가스에 영향을 미친다. 소각 전에 슬러지 건조를 통해 연소의 적정 수준과 배가스의 최소화를 달성할 수 있다. VS측정을 통해 슬러지 내 유기물 함량을 알 수 있다. 발열량 측정을 위해서는 Berthelot-Mahler calorimetric bomb이 이용된다. 연소물질의 기초분석 농도를 측정된 후 전발열량(gross calorific value)은 Du Long equation으로 계산할 수 있다.

3. 열량분석

열량분석시험을 통해 가열 및 냉각시 물질의 거동을 예측할 수 있다. 열량분석시험에는 중량분석과 열량측정의 두 가지 방법이 있다. 증량분석법으로 온도에 따른 질량손실을 파악할 수 있고 열량측정으로 반응이 흡열반응인지 발열반응인지를 알 수 있다.

4. 유지, 스컴

유지, 스컴 등은 슬러지와 함께 소각할 수 있지만 설계치가 부정확한 경우에는 몇몇 문제점이 발생하기도 한다.  Skimming 에는 95% 이상의 수분이 함유되어 있으므로 소각된 농축과정을 거쳐야 한다. Skimming의 총발열량은 37,000~44,000이다. 스컴과 유지가 소각과정에 포함된다면 에너지 함유량이 높아져 결과적으로 배가스의 전체 부피가 늘어나는 문제가 발생한다.