슬러지 건조기: 열 가수분해로 에너지 사용 최적화

수많은 폐수 처리 시설에서 슬러지 건조는 슬러지 처리 접근 방식에서 중요한 구성 요소입니다. 슬러지의 수분 함량을 크게 줄이면서 유해 박테리아와 병원균이 없는 안정화된 제품을 만들어 소각, 퇴비화 또는 시멘트 생산, 열분해 및 가스화와 같은 대체 용도에 적합한 바이오 고형물을 만듭니다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 슬러지 건조기는 상당한 연료 소비로 악명이 높으며, 이로 인해 유틸리티 업체에서는 에너지 효율이 좋지 않을 수 있습니다. 많은 시나리오에서 열수분해 공정(THP)을 추가하면 이러한 에너지 딜레마에 대한 강력한 솔루션을 제공하며, 특히 폐활성 슬러지를 처리하는 플랜트의 경우 더욱 그렇습니다.

슬러지 건조의 기본

슬러지 건조( 열 건조라고도 함)는 간단히 말해 증발을 통해 슬러지에서 수분을 제거하는 것입니다. 벨트 프레스나 원심분리기와 같은 기계적 수단을 통해 액체 형태로 수분을 제거하는 슬러지 탈수와 혼동해서는 안 됩니다. 슬러지 건조기는 탈수보다 더 나아가 열을 사용하여 물을 증기로 분리하고 펠릿이나 분말과 같이 훨씬 건조한 형태의 바이오 고체를 생산합니다. 탈수로 슬러지 유형에 따라 슬러지를 약 10~55%의 건조 고형물(DS)로 만들 수 있다면, 건조는 일반적으로 65% 이상의 슬러지를 생산하지만 더 자주 약 90% DS의 슬러지를 생산합니다.

많은 유틸리티에서 슬러지를 이 정도까지 건조하여 다음을 달성합니다:

• 탈수를 통해 얻을 수 있는 것보다 바이오 고형물 또는 슬러지 부피를 더 많이 줄입니다. 이는 바이오 고형물 운송, 보관 또는 추가 처리 비용을 크게 절감할 수 있다는 의미입니다(단, 건조 비용도 고려해야 함).
• 퇴비나 다른 용도의 재료로 사용할 수 있는 미미한 냄새가 나는 병원균이 없는 제품을 만드세요.
• 슬러지 소각, 열분해 또는 가스화를 위한 충분한 건조도를 가진 바이오 고체를 얻을 수 있습니다.

"슬러지 건조기"라는 용어에 맞는 장비나 도구는 매우 광범위하지만, 크게 세 가지 범주로 나뉩니다:

• 대류식 건조기 (직접 건조기라고도 함)는 슬러지를 뜨거운 증기나 공기에 노출시켜 수분을 증발시킵니다. 대류식 건조기의 예로는 벨트 건조기, 유동층 건조기, 플래시 건조기, 회전식 또는 회전식 드럼 건조기 등이 있습니다.

• 전도성 건조기 (접촉식 또는 간접식 건조기라고도 함)는 슬러지가 접촉하는 가열된 표면이나 매체를 사용합니다. 간접 건조기의 장점은 공기 흐름이 줄어들어 공기로 낭비되는 열이 적고 악취가 덜 발생한다는 것입니다.

  접촉식 건조 장비에는 디스크 건조기, 박막 건조기, 패들 건조기 등이 있습니다.

• 태양열 건조기는 슬러지를 건조하기 위해 배치된 대형 온실입니다. 일반적으로 주거 지역에서 멀리 떨어진 충분한 공간을 확보한 지자체에서 사용합니다. 에너지 측면에서 매우 저렴한 옵션처럼 보일 수 있지만, 태양열 건조기는 슬러지를 더 빨리 건조하기 위해 장비를 사용하여 회전하거나 혼합할 수 있으며 일부는 보조 난방을 활용하기도 합니다. 온실의 공기를 탈취하는 것도 우선순위에 따라 추가 비용이 발생할 수 있습니다.

그림 1. 슬러지 건조기의 예. 왼쪽에서 오른쪽으로: 앤드리츠 드럼 건조기(대류식 건조기의 일종), LCI 코퍼레이션 박막 건조기(전도성 건조기), 슬러지 회전기가 장착된 후버 태양열 건조기.

건조되는 슬러지의 특성에 따라 태양열 건조기는 슬러지를 의도한 건조 수준까지 건조시키는 데 최대 30일이 걸릴 수 있습니다.

슬러지 건조기를 선택할 때 지자체는 슬러지의 특성, 선호하는 건조 용량, 에너지 효율 요구 사항, 사용 가능한 공간 등을 고려해야 합니다.

혐기성 소화 및 슬러지 건조: 바이오가스로 슬러지 건조기를 구동하기에 충분할까요?

슬러지 건조기는 작업을 완료하기 위해 열에 의존하기 때문에 이러한 시스템의 에너지 사용 효율을 높이는 것이 중요합니다. 건조기는 일반적으로 물 증발량 톤당 750~1,100킬로와트시의 에너지가 필요하며, 이는 상당한 에너지 소비량입니다. 하지만 폐수 처리 시설에서 슬러지의 혐기성 소화를 통해 바이오가스를 생산한다면 이 수요를 충당할 수 있을까요? 답은 슬러지 유형에 따라 다릅니다.

혼합 슬러지와 1차 슬러지는 일반적으로 동일한 수준의 건조도에 도달하기 위해 폐활성 슬러지(WAS)보다 훨씬 적은 수분 증발이 필요합니다. WAS는 결합된 수분의 양이 더 많기 때문에 기계적 탈수 후 낮은 건조도를 달성하는 바이오고형물을 만듭니다. 이러한 바이오고형물은 더 많은 수분 증발이 필요하므로 건조 고형물 톤당 더 많은 열이 필요합니다. 특정 공급 원료에서 활성 슬러지의 비율이 증가함에 따라 슬러지 건조기가 증기로 전환하는 데 필요한 수분 함량도 증가합니다. 따라서 소화된 혼합 슬러지를 처리하는 경우 건조기는 혐기성 소화를 통해 로컬에서 생산된 에너지로 작동할 수 있지만, 폐활성 슬러지는 추가 전력이 필요할 수 있습니다.

열 가수분해로 슬러지 건조기 성능 향상: 더 많은 용량, 더 적은 에너지 필요.

열 가수분해 는 슬러지 분해 및 탈수성을 개선하기 때문입니다, 슬러지를 건조하는 소화 시설에 특별한 이점을 제공합니다:

• THP는 슬러지 건조기 용량을 최적화합니다. THP는 휘발성 고형물 제거라고도 하는 슬러지 분해를 개선하기 때문에 탈수할 슬러지나 유기 물질이 줄어듭니다. 또한 탈수성을 개선하여 탈수된 슬러지가 건조기에 들어가기 전에 기존 방식으로 소화된 슬러지에 비해 수분이 적다는 것을 의미합니다. 

  건조할 슬러지가 적고 증발할 물이 적다는 것은 그린필드 프로젝트에서 유틸리티가 운영에 필요한 건조기의 양과 크기에 긍정적인 영향을 미치며, 재개발 프로젝트의 경우 용량을 확장할 수 있습니다.

• THP는 건조기의 에너지 수요를 줄이면서 건조에 더 많은 에너지를 제공합니다..

  아래 그래프는 네 가지 시나리오(왼쪽부터)에서 기계식 슬러지 건조기를 작동하는 데 필요한 에너지를 모델링한 것입니다:

  1. 소화되지 않은 생 슬러지 건조, 따라서 바이오 가스 없음
  2. 소화된 혼합 슬러지 건조
  3. 열 가수분해로 전처리된 폐활성 슬러지 부분과 소화된 혼합 슬러지 건조
  4. 열 가수분해로 전처리된 소화된 혼합 슬러지 건조

  

   

  그림 2. 슬러지 건조에 필요한 에너지(메트릭 백만 영국 열 단위 또는 MMBTU/d) 대 열 가수분해로 소화 및 분해하는 동안 바이오가스에서 얻은 에너지. 출처: 빌 바버 박사의 캠비 웨비나, 2021.

  "소화" 컬럼 세트는 혐기성 소화 중에 생성된 바이오가스가 슬러지 건조기에 전력을 공급하기에 충분할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 프로세스에서 사용할 수 있는 에너지는 마지막 두 열 세트에서 훨씬 더 높으며, 이는 THP의 효과를 보여줍니다.

  열 가수분해는 기존 소화 방식에 비해 바이오가스 생산량을 최대 50%까지 증가시킵니다. 증기 생산을 위해 추가로 생성되는 바이오가스의 일부를 소비할 수 있지만, THP는 여전히 현장에서 생산되는 전체 바이오가스를 증가시켜 건조기에 더 많은 에너지를 공급할 수 있습니다. 이는 특히 폐기물 활성 슬러지( )를처리하는 건조기에는 일반적으로 추가 연료가 필요하기 때문에 중요한 의미를 갖습니다 .

  위 그래프에는 표시되지 않았지만, it는 고려하는 것이 중요합니다.열 가수분해 시스템 작동하려면 증기 형태의 에너지가 필요합니다. 작동하려면를 작동하기 위해 증기 형태의 에너지가 필요하며, 이는 별도의 에너지 이점과 별도로 고려해야 합니다.  

슬러지 건조와 열 가수분해는 캄비 포트폴리오의 다양한 플랜트에서 좋은 조합임이 입증되었습니다. 슬러지 건조를 사용하는 Cambi THP 플랜트의 약 절반은 바이오고형물 종말점으로 육상에 적용하고 있으며, 나머지는 건조된 제품을 소각하거나 다른 용도로 사용하고 있습니다. 후자 그룹에 속하는 플랜트 중 하나가 그리스 아테네에 서비스를 제공하는 프시탈리아 플랜트입니다.

폐활성 슬러지 건조를 위한 성공적인 계획: 프시탈리아의 사례

그림 3. EYDAP가 소유하고 운영하는 프시탈리아 폐수 처리장은 그리스 아테네 앞바다의 한 섬에 위치해 있습니다.

프시탈리아 시설 소유주 EYDAP 는 아테네 외곽의 섬에 위치해 있으며, 약 350만 명의 인구를 수용하고 있습니다. 열 가수분해 공정을 활용하기 전에는 이 시설의 혼합 슬러지를 중성 혐기성 소화조로 보내 탈수한 다음 건조시켰습니다. 소화를 통해 생성된 바이오가스는 회전식 드럼 건조기 4대를 가동하는 데 사용되었고, 남은 바이오가스는 열병합 발전으로 보내졌습니다. 그런 다음 건조된 슬러지 또는 바이오 고형물은 소각을 위해 시멘트 가마로 보내졌습니다.

2014년에 EYDAP는 발전소의 에너지 사용을 개선하기 시작했고, 2015년에는 프로젝트 계약업체인 AKTOR와 캄비가 목표를 달성하기 위해 특정 구성으로 THP를 사용했습니다. 공장에서 발생하는 폐기물 활성 슬러지의 절반은 열 가수분해하여 소화 전에 현장의 1차 슬러지 일부와 혼합했습니다. 나머지 50%의 폐활성 슬러지는 별도의 소화조로 보내지기 전에 1차 슬러지의 나머지 부분과 결합됩니다. 그런 다음 소화된 두 부하는 별도의 탈수 시스템으로 이동한 다음 함께 건조됩니다.

이 계획의 프시탈리아에 대한 이 계획의 결과 에 대한 이 계획의 결과는 2017년에 AKTOR와 Cambi에 의해 발표되었습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• THP 처리된 활성 슬러지와 가수분해되지 않은 1차 슬러지를 받던 소화조에서 현장에서 생산되는 바이오가스 16% 증가
• 바이오고형물의 건조 고형물 비율 증가. 아래 그림과 같이 파일럿 연구에서 예상했던 것보다 더 높은 건조도를 달성했습니다:

  	THP 이전	THP 이후 기대치 파일럿 연구 기반	THP 이후 실제
  탈수된 케이크의 건조함 건조 고체(DS)	20-22%	28%	29-31%

• 휘발성 고형물 제거 증가와 탈수된 케이크의 건조도 증가로 슬러지 건조기의 에너지 수요가 40% 감소하여 아래의 다음 이점을 얻을 수 있습니다.
• 열 가수분해를 활용하기 전에 비해 260% 증가한 더 많은 바이오가스를 열병합 발전에 사용할 수 있게 되었습니다.

열수분해의 영향은 캠비 설치 전후의 현장 에너지 사용량을 보여주는 다음 다이어그램에서 보다 시각적으로 확인할 수 있습니다:

그림 4. 2015년 캄비 열수분해 공정 설치 전후 프시탈리아 폐수 처리장에서의 바이오가스 사용량. 출처: 빌 바버 박사의 캄비 웨비나, 2021.

프시탈리아의 열수분해 시스템을 가동하는 데 필요한 에너지는 열병합 발전(CHP) 또는 열병합 발전 시스템에서 나오는 고급 열로 공급되며, 이는 위의 산키 다이어그램에서 친환경 에너지 흐름의 수혜자입니다.

프시탈리아에서는 이차 고형물의 50%만 처리하는 독특한 구성 덕분에 열수분해 시스템에 더 적은 자본 투자를 하면서도 상당한 이점을 얻을 수 있었습니다. 2023년, 이 시설은 현장에서 생산되는 나머지 50%의 WAS를 처리할 수 있는 추가 열차를 통해 THP 플랜트를 업그레이드하여 현장의 에너지 사용에 대한 긍정적인 효과를 증대시켰습니다. 캄비의 열수분해 공정은 이제 현장에서 발생하는 폐활성 슬러지의 100%를 처리합니다.

그림 5. 현재 프시탈리아의 폐활성 슬러지를 100% 처리하는 캄비 THP의 두 열차(2023년)

슬러지 건조기 성능 개선을 위해 THP를 사용하는 공장으로는 한국의 안양 박달 공장, 싱가포르의 주롱 공장, 스코틀랜드의 링센드 시설, 스페인의 비고 공장, 리투아니아의 빌뉴스 공장 등 여러 곳이 있습니다.

슬러지 건조 환경을 바꿀 수 있는 잠재력

오늘날의 변동성을 고려하면's 화석 연료 시장과 유틸리티에 대한 절약 압력의 증가를 고려할 때 비용, 폐수 처리장에 의존하는 비용, 폐수 처리장 의존성 on 열 건조 잠재력을 살펴봄으로써 얻을 수 있는 시너지 얻을 수 있는 잠재적 시너지 사용함으로써 열 가수분해 를 사용하여 개선 슬러지 건조기 capacity. THP 는 더 나은 더 나은 에너지 그림을 그러한 유틸리티. 

THP를 통해 에너지 사용의 혜택을 받은 다른 사이트에 대해 자세히 알고 싶으신가요? 확인해보세요. 참조 페이지를 참조하세요.