슬러지 소각과 열 가수분해의 이점

슬러지 소각은 슬러지 처리를 위한 여러 가지 방법 중 하나이며, 육상 적용 및 매립을 제외하고는 가장 일반적인 방법이라고 할 수 있습니다. 이 열처리 방법은 슬러지의 부피를 가장 많이 줄일 수 있습니다. 많은 경우, 공급 원료로 사용하는 바이오 고형물을 열 가수분해 공정(THP) 또는 THP와 소화를 통해 처리할 때 더 효율적으로 만들 수 있습니다. 그 원리를 알아보고 소각 전략을 개선하기 위해 전략적으로 THP를 활용하고 있는 몇 가지 시설에 대해 알아보세요.

슬러지 또는 바이오고형물 소각을 선택하는 이유는 무엇인가요?

슬러지 또는 바이오고형물의 처리 방법으로 소각을 선택하는 데는 여러 가지 요인이 포함되며, 현지 법률이 중요한 역할을 하는 경우가 많습니다. 예를 들어 네덜란드와 독일과 같은 국가에서는 농경지에서의 바이오고형물 사용을 광범위하게 제한하거나 금지하고 있기 때문에 슬러지 소각을 선호합니다. 극동 아시아에서 발견되는 것과 같이 고농도의 중금속이나 기타 유해 물질이 포함된 슬러지는 지자체에서 바이오고형물을 토지에 살포하는 것을 막을 수 있습니다.

지형은 열처리를 고려하는 또 다른 요인입니다. 예를 들어 홍콩은 인구 밀도가 높은 산악지대로, 주거 지역에서 떨어진 곳에 바이오 고형물을 육상 처리할 수 있는 농지가 부족합니다.

슬러지 소각은 규제나 위치에 따른 제약으로 인해 선택의 여지가 없는 것처럼 보일 수 있지만, 분명한 장점이 있습니다:

• 소각로를 사용하는 것은 최종 처리 단계가 필요하거나 추가 관리가 필요한 바이오고형물을 생성하는 슬러지 건조기를 사용하는 것과 달리, 플라이애시를 최종 생성물로 하는 최종 처리 경로로 간주됩니다.
• 경우에 따라 소각된 슬러지의 재에서 인 (_P205)을 얻을 수 있어 영양소 회수 옵션이 될 수 있습니다.
• 소각은 매립보다 나은 수십 년 된 검증된 기술입니다.

이러한 장점에도 불구하고 소각은 슬러지 처리 옵션으로서 여전히 도전에 직면해 있습니다. 첫째, 소각은 관리가 필요한 유해 폐기물을 발생시키기 때문에 소각에 대한 인식이 여전히 부정적입니다. 둘째, 소각은 자본 투자와 연료가 필요하기 때문에 비용이 많이 드는 방법입니다. 모니터링 요건도 운영 비용을 증가시킵니다.

그러나 이러한 요인들이 슬러지 소각의 미래를 막지는 못할 것으로 보이는데, 특히 PFAS(과불화 및 폴리플루오로알킬 물질)와 그 후속 물질, 처리된 슬러지에 잔류할 수 있는 기타 오염물질에 대한 관심이 높아지고 있기 때문입니다.

슬러지 소각 프로세스 간소화

 그림 1. 일반적인 슬러지 소각 공정. 출처: Waterleau

슬러지 소각에 대한 혐기성 소화(AD)와 열 가수분해의 이점을 이해하려면 먼저 일반적인 슬러지 소각 공정을 살펴보고 그 구성 요소를 이해하는 것이 좋습니다(그림 1 참조).  

슬러지 케이크 수령 및 건조

슬러지 소각장은 여러 폐수 처리 또는 슬러지 처리 시설에서 대형 사일로에 케이크 또는 바이오 고형물을 받습니다. 소각장에서는 일반적으로 드래그 링크 이송 시스템이나 케이크 펌프를 사용하여 건조 고형물이 20~30%인 슬러지를 소각로로 펌핑할 수 있습니다.

가장 이상적인 경우는 입고된 슬러지 케이크가 '자가 연소' 또는 '자가 열' 상태인 경우로, 이는 자체 연소가 가능할 정도로 건조하여 재료를 연소하는 데 보조 연료가 필요하지 않다는 것을 의미합니다. 그러나 이러한 플랜트에 도착하는 슬러지 케이크는 보통 건조 고형물이 20~25% 정도이며, 이는 일반적으로 자가 연소할 만큼 충분히 건조하지 않습니다. 이러한 공급 원료는 사전 건조가 필요하며, 이는 일부 지자체에서 규제 요건이 될 수 있습니다. 슬러지 건조기에 사용되는 열은 뒤따르는 소각 공정에서 나올 수 있습니다.

화장

충분히 건조된 슬러지는 일반적으로 약 850~950℃의 온도에서 작동하는 유동층 소각로에 공급됩니다.

소각하는 동안 슬러지의 에너지에 영향을 미치는 성분이 작용하는데, 이를 휘발성 고형물(VS)이라고 합니다. 슬러지에 탄소와 수소와 같이 에너지를 제공하는 휘발성 고형물의 비율이 높으면 자연적으로 더 많은 에너지(열)를 추출할 수 있습니다.

이러한 휘발성 고형물 및 기타 슬러지 성분을 소각하면 열과 "연도 가스"가 발생합니다.

열 회수

예를 들어 에너지 회수 시스템은 열을 받아 터빈을 가동하여 전기를 생산하는 데 사용할 수 있으며, 일부 열은 슬러지의 사전 건조를 위해 전환됩니다.

연도 가스 처리 및 비산재 회수

소각로에서는 처리해야 할 재와 기타 입자가 포함된 연도가스가 배출됩니다. 규제 요건에 따라 처리는 여러 단계로 구성될 수 있으며, 종종 정전기 침전으로 이루어집니다.

이 부분에서는 종종 가스 스크러버를 사용하여 재나 수은과 같은 유해 성분을 제거합니다. 이 단계에서는 매립되거나 건설 또는 기타 산업에서 원료로 사용되는 비산재, 추가 처리 또는 폐기되는 특수 폐기물, 굴뚝에서 배출되는 처리 가스 등 세 가지 주요 배출물이 발생합니다.

소화 및 THP를 통해 더 건조하고 에너지가 풍부한 슬러지 달성

이 과정을 이해하면 슬러지 소각은 연소할 물질이 충분히 건조하고 에너지원인 휘발성 고형물의 균형이 잘 맞을 때 최적화된다는 것을 알 수 있습니다. 그렇다면 소화와 열 가수분해는 어떻게 소각용 고에너지, 충분히 건조한 공급 원료를 만드는 데 기여할까요? 짧은 대답은 슬러지 건조도를 높여 소각용 자가 열 슬러지를 제공한다는 것입니다.

슬러지 소각 공정은 공급 원료가 자가 열, 즉 연소하는 데 연료가 필요하지 않을 정도로 충분히 건조할 때 소각이 개선된다는 것을 보여주었습니다. 슬러지가 자가 열이 되려면 습식 톤당 1100~1500kWh에 해당하는 범위 내에서 에너지를 생산해야 합니다. 그러나 슬러지의 종류에 따라 에너지 구성이 다릅니다. 따라서 이러한 자가 열 상태를 달성하기 위해서는 슬러지의 건조도가 달라져야 합니다. 아래 그림 2는 여러 종류의 슬러지에 필요한 건조 고형물 수준을 보여줍니다.   

그림 2. 소각로에서 다양한 슬러지의 자동 열 작동에 필요한 건조도(건조 고형물). 출처: Cambi

생혼합 슬러지와 생1차 슬러지가 자가 열화되기 위해서는 거의 같은 수준의 건조 고형물 비율이 필요하지만, 소화된 슬러지는 이보다 약간 높은 26~30% DS(건조 고형물)가 필요합니다. 생 생물학적 슬러지 또는 폐기물 활성 슬러지(WAS)는 소화된 슬러지와 유사한 건조도가 필요하지만, 점성 때문에 생 WAS는 이 건조도를 달성할 수 없습니다. 화학적으로 처리된 슬러지(인 회수용)는 산소가 너무 많기 때문에 에너지 수준이 낮아지고 건조도에 대한 요구 사항이 높습니다.

폐수 처리장에서 효과적으로 탈수하는 것은 위에서 언급한 필요한 자가 열 수준을 달성하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 바로 이 부분에서 열 가수분해가 차이를 만들어냅니다. 열 가수분해는 슬러지를 압력 조리하여 물질의 점도를 변화시켜 슬러지 탈수성을 크게 개선하고 필요한 수준의 건조도를 달성하는 데 도움을 줍니다.

아래 차트는 탈수성 개선 효과를 고려한 원 슬러지 및 소화 슬러지 대비 THP 처리된 슬러지의 에너지 함량을 표시합니다. 이는 THP 처리된 슬러지가 소각에 필요한 수준의 건조도에 도달했음을 보여줍니다.

 그림 3. 탈수성을 고려한 원 슬러지, 소화 슬러지, THP 처리 슬러지의 에너지 함량. 출처: Cambi

소화 전 THP로 처리한 슬러지(열 3 및 4)의 경우 탈수성을 고려하면 발열량이 원 슬러지와 거의 같거나 그 이상입니다. 위에서 점도가 높아 자가 열 조건에 도달할 수 없다고 지적한 2차 슬러지 또는 WAS도 THP로 인해 건조도와 에너지 함량이 크게 개선되어 소각할 수 있습니다.  

소화 후 THP로 처리된 슬러지(열 5)가 주목할 만합니다. 이 구성을 사용하면 탈수 효율을 약 2배로 높일 수 있으며, 특히 에너지 함량을 다른 것보다 앞서 향상시킬 수 있습니다.

동일한 발열량을 가진 바이오고형물 사용량을 줄이면 소각로 효율이 높아집니다.

더 나은 에너지 프로파일과 탈수성이라는 이점 외에도, THP는 소각 시 추가적인 이점이 있습니다. THP는 단위 부피당 에너지 함량을 거의 동일하게 유지하면서 전체적으로 바이오고형물을 감소시키기 때문에 소각로 용량을 확보할 수 있습니다. 도시 성장을 고려할 때, 이는 특히 고려해야 할 좋은 점이 됩니다.

이는 아래 예시에서 볼 수 있듯이 일부 캠비 고객사에게 중요한 요소입니다. 또한 다양한 구성과 슬러지 유형에 따른 소각의 가치를 보여줍니다.

사례 1: 기존 소각로 용량 증설(네덜란드 헨겔로)

2차 고형물 또는 폐기물 활성 슬러지 전처리 + THP + 소화 처리

네덜란드의 헨겔로 공장은 워터샤프 베흐트스트로멘이 소유한 20개 처리장에서 나오는 모든 2차 슬러지 또는 WAS를 처리합니다. 헨겔로 공장은 캠비의 열 가수분해 공정을 설치하여 연간 약 500대의 트럭이 소각할 수 있는 바이오고형물 양을 줄일 수 있었습니다.

이에 따라 모어딕의 소각장은 용량을 늘리고 지역 내 다른 시설에서 더 많은 슬러지 케이크를 수용할 수 있게 되었습니다.

소각용 폐활성 슬러지를 처리하는 다른 캠비 공장으로는 싱가포르의 주롱 공장, 벨기에 브뤼셀의 노스 공장, 그리스 아테네를 담당하는 프시탈리아 공장이 있습니다. 덴마크 코펜하겐의 담후센 공장은 2024년에 이 목록에 추가될 예정입니다.

사례 2: 소각을 통한 유연한 슬러지 전략 수립(영국 데이비헐름)

THP로 전처리된 혼합 슬러지 + 소화된 슬러지

데이비헐름은 파이프라인을 통해 슬러지를 머지 밸리 처리 센터로 보내 소각하는 United Utilities 소유의 여러 공장 중 하나입니다. 소화 전에 열 가수분해를 사용함으로써 소각장에 들어오는 모든 고형물의 전반적인 건조도를 개선하여 소각로 용량을 확보할 수 있었습니다. 또한 데이비헐미에서 생산된 바이오고형물은 향상된 케이크 제품이 되어 시설에서 바이오고형물로 무엇을 할 수 있는지에 대한 유연성을 제공했습니다. 파이프라인을 통해 소각장으로 계속 보내거나 충분한 토지가 확보되면 육상 살포할 수 있었습니다. 뿐만 아니라 바이오가스의 증가는 공장의 에너지 자급자족에도 도움이 되었습니다.

소각 전 소화를 위한 전처리로 THP를 사용하는 다른 공장으로는 슬러지를 음식물 쓰레기와 함께 소화하는 한국 안양의 박달 폐수처리장, 싱가포르 투아스 공장, 뉴질랜드 웰링턴의 모아 포인트 공장, 곧 가동될 홍콩의 섹 우 후이 공장 등 세 곳의 신규 캄비 계약이 있습니다.

THP는 전처리 역할 외에도 소각을 최종 목표로 하는 다른 구성에서 소화와 결합할 수도 있습니다. 이러한 사례는 바르샤바의 포우드니에(남부) 공장과 벨기에 앤트워프에서 곧 소개할 예정입니다.

전반적인 에너지 상황 살펴보기

요약하면, 소화 및 열 가수분해는 슬러지 탈수성을 현저히 개선하기 때문에 슬러지 소각에 도움이 됩니다. 따라서 폐수 처리 시설은 슬러지의 에너지 함량을 비슷하게 유지하면서 바이오 고형물의 양을 줄일 수 있습니다. 비슷한 발열량을 가진 슬러지를 줄이면 소각로 용량을 확보할 수 있습니다.

슬러지를 소각하기 전에 소화한다는 것은 소화 과정에서 생성되는 바이오메탄 또는 바이오가스와 소각 과정에서 생성되는 열의 두 단계로 물질에서 에너지를 얻는다는 의미이기도 합니다. 따라서 전체 에너지 상황을 고려할 때, 소각 전에 슬러지를 소화하고 열 가수분해하는 것은 재료의 재생 에너지 잠재력을 극대화하는 동시에 소각로 용량을 늘리는 것을 의미합니다. 많은 경우, 이러한 접근 방식은 유틸리티의 지출을 줄이고 기존 소각로의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

전 세계의 실제 사례는 소화 및 THP가 슬러지 소각 전략에서 상당히 경쟁력 있는 옵션이라는 것을 입증하고 있습니다. 향후 몇 년 동안 슬러지 또는 바이오고형물의 열처리를 개선하는 데 어떻게 활용될지 기대가 됩니다.

소각에 THP를 사용하는 캄비의 모든 프로젝트를 살펴보고 싶으신가요? THP를 사용하여 소각에서 토지 활용으로 전환한 플랜트에 대해 궁금하신가요? 다음을 살펴보세요. 캠비의 레퍼런스.