슬러지 건조 시스템

국가에서 발행한 도시 하수처리장 슬러지 처리 및 처분 기술 지침에 따르면, 슬러지 처리 방법으로는 토지 이용, 위생 매립, 건축 자재 활용, 건식 소각의 네 가지가 제시되어 있습니다. 농업, 매립, 해양 등 여러 분야에서 슬러지가 야기하는 제약과 부정적인 영향이 점점 더 두드러짐에 따라, 슬러지 건식 소각 처리 방법이 여러 국가에서 널리 사용되고 장려되고 있으며, 앞으로 가장 중요하고 이상적인 기술적 처리 방안 중 하나로 자리매김할 것으로 예상됩니다.

기업에서 발생하는 슬러지는 유해 폐기물의 기술적 특성을 지니고 있어 건조 후 소각 및 폐기 시 증기 열원이 필요하므로 안전성, 기술적 적응성, 경제적 적응성, 적용 가능성 및 보급 가능성을 종합적으로 고려해야 합니다. 또한, 현재 가동 중인 슬러지 건조 설비의 종류를 고려하여 유동층형, 2단형, 박막형, 패들형, 디스크형, 분무형 등 6가지 슬러지 건조 설비를 비교 분석했습니다. 각 설비의 기술적 성숙도, 시스템 안정성, 운전 안전성 및 폐기 환경 보호 측면을 종합적으로 평가하여 최종적으로 박막 건조 설비를 선정했습니다.

1. 박막 건조기의 장비 구성 요소

일반적으로 박막 건조기는 가열층이 있는 원통형 본체, 본체 내부에 회전하는 로터, 그리고 로터를 구동하는 장치로 구성됩니다. 로터에는 다양한 형상과 규격의 패들이 장착되며, 패들과 로터는 볼트로 고정되어 조립 방식을 유연하게 조절할 수 있어 슬러지의 특성과 처리 용량 변화에 맞춰 사용할 수 있습니다. 박막 건조기의 본체는 여러 부분으로 나뉘어 조립되며, 처리 요구 사항에 따라 여러 개의 가열 영역으로 분할하여 개별 제어, 온도 조절, 유연한 스위치 전환 등의 기능을 구현할 수 있습니다.

확산 날개는 로터의 진흙 유입구와 진흙 배출구에 배치됩니다. 실린더의 진흙 유입구 끝단에는 각 기둥에 4개의 확산 스크레이퍼 날개가 기둥 라인과 45° 각도로 설치되어 있습니다. 이러한 설치 목적은 슬러지가 실린더에 유입된 직후 뜨거운 벽면에 즉시 부착되어 배출구로 이송되도록 하는 것입니다(총 72개). 진흙 유입구 끝단에는 각 기둥에 2개의 엔드 커버 확산 스크레이퍼 날개가 설치되어 있으며, 공급단의 확산 스크레이퍼 날개는 45° 경사각으로 설치되어 배출 시 제품의 관성력을 완충하여 중력에 의한 자유 배출 기능을 구현하는 것을 목적으로 합니다(총 36개).

동력 전달 날개는 로터의 중앙 부분에 분포되어 있으며, 각 열에 40개씩, 총 720개의 날개가 설치되어 있습니다.

다양한 종류의 블레이드는 슬러지 분산, 확산, 긁어내기, 교반, 역혼합, 자가 세척 및 이송과 같은 중요한 기능을 고온 벽면에서 종합적으로 구현합니다. 요약하자면, 습식 슬러지가 수평 건조기의 한쪽 끝에서 유입되면 회전하는 로터에 의해 고온 벽면에 즉시 연속적으로 분산되어 얇은 막을 형성합니다. 로터에 장착된 블레이드가 고온 벽면에 분산된 습식 슬러지 막을 지속적으로 롤링하는 동안, 로터에 설치된 가이드 앵글 기능이 있는 이송 블레이드는 로터의 원형 회전과 함께 회전합니다. 슬러지 막 형성 및 건조 과정에서 생성된 반건조 슬러지 입자는 로터의 축 방향으로 일정한 선속도로 수평 이동하며, 박막 건조기의 다른 쪽 끝에 있는 슬러지 배출구로 이동합니다. 박막 건조기의 축 방향 길이는 투입구에서 배출구까지의 수평선뿐만 아니라 수평 원통형 박막 건조기 전체에 걸쳐 슬러지의 투입 및 배출을 포함합니다. 이 공정에서 습식 슬러지는 증기 가열벽에 의해 고르게 가열되고 수분이 증발됩니다. 박막 건조기 내 습식 슬러지의 체류 시간은 10~15분으로, 빠른 시작, 정지 및 배출이 가능하며 장비의 공정 운영 및 조정 제어가 매우 신속합니다.

3. 박막 건조기의 배기가스 포집 공정

박막건조기에 투입되는 슬러지의 수분 함량은 75%~85%(80%로 계산)이며, 박막건조기에서 생성된 슬러지의 수분 함량은 약 35%입니다. 과립 형태의 반건조 슬러지는 다음 단계 이송 장비를 통해 다음 공정으로 이송됩니다. 박막건조기 작동 과정에서 발생하는 수증기, 분진, 악취 가스 등의 혼합 운반 가스는 실린더 내에서 슬러지와 역방향으로 이동하며, 슬러지 투입구 위의 배기가스 탱크에서 파이프라인을 통해 응축기로 배출됩니다. 응축기에서는 운반 가스의 수분이 수증기에서 응축되고, 응축되지 않은 가스는 액적 형태로 분리되어 배기가스 유도 통풍 팬을 통해 건조 시스템으로 배출됩니다. 박막건조기의 공정 배기가스량은 비교적 적으며, 일반적으로 시스템 전체 증발량의 5%~10%에 불과합니다. 배기 유도 통풍 팬은 건조 시스템 전체를 미세한 음압 상태로 만들어 악취 가스와 먼지의 유출을 방지합니다.

2. 박막 건조 공정 주요 장비의 기술 매개변수

본 프로젝트의 요구사항에 따라, 단일 슬러지 건조 시스템의 슬러지 처리 용량은 시간당 2.5톤(수분 함량 80% 기준)으로 결정되었으며, 슬러지 수분 함량은 35%입니다. 단일 박막 건조기의 일일 슬러지 처리 용량은 일일 60톤(수분 함량 80% 기준)이고, 단일 박막 건조기의 정격 증발 용량은 시간당 1.731톤, 단일 박막 건조기의 열교환 면적은 50m²이며, 슬러지 유입 수분 함량은 80%, 슬러지 유출 수분 함량은 35%입니다. 박막 건조기의 열원은 포화 증기이며, 증기 공급 품질은 수입 매개변수를 따릅니다. 증기 온도는 180℃, 증기 압력은 1.0MPa이며, 박막 건조기 한 대당 증기 소비량은 2.33t/h입니다. 박막 건조기는 총 2대가 있으며, 1대씩 사용됩니다.

180℃의 포화 증기는 압력 배관을 통해 선형 건조기로 이송되어 반건조 슬러지를 간접적으로 가열하는 열원으로 사용됩니다. 반건조 슬러지 내의 수분은 선형 건조기에서 추가로 증발됩니다. 슬러지 제품의 실제 수요(시작 및 종료 시점)에 따라 최종 슬러지는 수분 함량 10%까지 낮춰져 제품 냉각기로 이송됩니다.

선형 건조기의 처리 용량은 0.769t/h(수분 함량 35%)이고, 정격 증발량은 0.214t/h이며, 열교환 면적은 50m2입니다. 선형 건조기 유입 슬러지의 수분 함량은 35%, 유출 슬러지의 수분 함량은 10%입니다. 선형 건조기 증기 유입 조건은 증기 온도 180℃, 증기 압력 1.0MPa이며, 단일 선형 건조기의 증기 소비량은 0.253t/h이고, 1세트가 설치되어 있습니다.

운반 가스 응축기의 장비 유형은 직접 분사식 하이브리드 응축기이며, 공기 흡입량은 3,500 Nm3/h, 유입 가스 온도는 95~110℃, 유출 가스 온도는 90~180 Nm3/h, 유출 가스 온도는 55℃입니다.

운반 가스 유도 통풍 팬의 장비 유형은 고압 원심 팬이며, 최대 공기 흡입량은 400 Nm³/h, 공기 압력은 4.8 kPa이고, 운반 가스 매체의 물리적 매개변수는 온도 45℃, 습도 80%~100%의 습한 공기 악취 가스 혼합물이며, 건조 시스템은 1세트가 장착되어 있습니다.

제품 냉각기의 처리 용량은 시간당 1.8톤이고, 슬러지 유입 온도는 110°C, 슬러지 유출 온도는 45°C 이하이며, 열교환 면적은 20m²이고, 수량은 1대입니다.

3. 박막 건조기 시운전 중 경제적 에너지 소비 분석

박막 건조 공정 시스템의 단일 시운전 및 진흙 부하 시운전을 약 보름 동안 진행한 결과는 다음과 같습니다.

본 프로젝트의 단일 박막 건조기의 설계 처리 용량은 60톤/일입니다. 현재 시운전 기간 동안 평균 습식 슬러지 처리량은 50톤/일(수분 함량 79%)로, 설계 습식 슬러지 기준 처리 규모의 83%, 설계 건식 슬러지 기준 처리 규모의 87.5%를 달성했습니다.

박막 건조기로 생산된 반건조 슬러지의 평균 수분 함량은 36%이고, 선형 건조기로 수출된 반건조 슬러지의 수분 함량도 36%로, 설계 제품의 목표값(35%)과 거의 일치합니다.

슬러지 건조 작업장의 외부 포화 증기 계량기로 측정한 포화 증기 소비량은 25 t/d이고, 이론적인 일일 총 증기 증발 잠열 소비량은 25 t × 1 000 × 2 014.8 kJ/kg ÷ 4.184 kJ = 1.203 871 9 × 10⁷ kcal/d입니다. 건조 시스템의 일일 평균 총 증발수는 (50 t × 0.79) - [50 t × (1 - 0.79)] ÷ (1 - 0.36) × 1 000 = 23 875 kg/d이므로, 슬러지 건조 시스템의 단위 열 소비량은 1.203 871 9 × 10⁷ ÷ 23 875 = 504 kcal/kg 증발수입니다. 슬러지 건조 시스템은 습식 슬러지의 수분 함량 변화, 외부 증기의 품질, 반건조 슬러지 제품 이송 장비의 입자 크기 요구 사항 등 여러 요인의 영향을 받기 때문에 향후 장기간 시범 운전을 통해 다양한 변수 값을 최적화하여 시스템의 최적 운전 조건과 경제적인 에너지 소비 지표를 도출해야 합니다.

1. 박막 건조기

박막 건조기의 장비 구조는 가열층이 있는 원통형 본체, 본체 내부에 있는 회전 로터, 그리고 로터 구동 장치(모터 + 감속기)로 구성된다.

로터에는 코팅, 혼합 및 추진을 위한 블레이드가 장착되어 있습니다. 블레이드와 내부 쉘 사이의 거리는 5~10mm입니다. 가열 표면은 자가 세척 기능을 갖추고 있으며, 블레이드는 개별적으로 조정 및 분리할 수 있습니다.

구동 장치: (모터 + 감속기) 주파수 변환 모터 또는 정속 모터를 선택할 수 있으며, 벨트 감속기 또는 기어박스를 선택할 수 있고, 직접 연결 또는 커플링 연결을 사용할 수 있으며, 회전 속도는 100rpm으로 제어 가능하고, 회전자 외측 가장자리 선속도는 10m/s로 제어 가능하며, 슬러지 체류 시간은 10~15분입니다.

2. 선형 건조기 본체

선형 건조기는 U자형 스크류 컨베이어 방식을 채택하고 있으며, 이송 블레이드는 슬러지 입자의 압출 및 절단을 방지하도록 특수 설계 및 가공되었습니다. 선형 건조기의 외피와 회전축은 가열부이며, 외피는 분해 가능합니다. 가열부를 제외한 슬러지와 접촉하는 부분은 스테인리스강 316L 또는 이와 동등한 재질로 제작되었고, 나머지 부분은 탄소강으로 제작되어, 선형 건조 장비는 SS304+CS 재질로 구성됩니다.

3. 응축기

운반 가스 응축기의 기능은 슬러지 건조기에서 배출되는 배기가스를 세척하여 가스 내의 응축성 가스를 응축시키는 것입니다. 이 장비는 직접 분무식 응축기 구조이며, 사용 재질은 SS304입니다.

4. 제품 냉각기

제품 냉각기의 기능은 21m²의 열 전달 면적과 4kW의 출력으로 110°C의 반건조 슬러지를 약 45°C까지 낮추는 것입니다. 주요 가공 및 제조 재료는 SS304+CS입니다.

박막 슬러지 건조 공정은 기술적 특성으로 인해 효율적이고 효과적인 슬러지 처리 방법으로 최근 몇 년 동안 널리 사용되고 있습니다. 이 공정은 박막 건조기를 사용하여 슬러지에서 수분을 신속하고 효율적으로 제거하여 취급 및 운송이 용이한 건조된 과립형 제품을 얻는 것입니다. 슬러지 건조 및 소각 분야에서 다양한 기술의 공정 시스템 장비 운영 경험을 바탕으로 슬러지 박막 건조 공정의 기술적 특성은 다음과 같습니다.

1. 박막 슬러지 건조기의 핵심 기술적 특징은 간편한 통합입니다. 이 방식은 최소한의 보조 장비만 필요로 하며, 조작 및 제어가 간단합니다. 건조 과정에서 역혼합이 필요 없고, 슬러지가 "소성 단계"(슬러지 점도 영역)를 직접 건너뛰기 때문에 공정 효율이 높고 간소화됩니다. 또한, 배출 가스 발생량이 상대적으로 적고 배출 가스 처리 공정이 간단하여 경제적이고 효율적이며 환경 친화적인 슬러지 건조 방식입니다.

2. 박막 슬러지 건조 공정 장비의 또 다른 중요한 측면은 경제적인 운영입니다. 이 장비는 상대적으로 낮은 에너지 소비량과 높은 증발 효율을 자랑합니다. 가열 매체의 회수 및 재활용도 가능하여 에너지 비용을 더욱 절감할 수 있습니다. 또한, 장비가 견고하고 유지보수 비용이 저렴하며 최소한의 모니터링만 필요하므로 슬러지 건조에 있어 비용 효율적인 솔루션입니다.

3. 박막 슬러지 건조기의 또 다른 주목할 만한 특징은 뛰어난 작동 유연성입니다. 이 장비는 다양한 종류의 반죽형 슬러지 건조에 적합하며, 어떤 수분 함량에서도 균일한 슬러지 입자를 생산할 수 있습니다. 또한, 고형물 부하가 낮고, 시동 및 정지가 간편하며, 배출 시간이 짧아 작동 유연성이 더욱 향상됩니다.

4. 박막 슬러지 건조 공정은 안전성과 환경 보호 측면에서 우수합니다. 질소, 증기, 자기소화 감지 등 다각적인 불활성 설계가 적용되어 있으며, 저산소, 무취, 분진 누출이 없는 음압 밀폐 시스템에서 작동하여 분진 폭발 가능성을 줄이고 슬러지 건조 공정의 안전성과 환경 보호를 보장합니다.

요약하자면, 박막 슬러지 건조 공정의 기술적 특성은 효율적이고 경제적이며 환경 친화적인 슬러지 처리 방식을 가능하게 합니다. 이 공정은 전반적인 간편성, 경제성, 운영 유연성, 안전성 및 환경 보호 등의 특징을 지니고 있어 슬러지 건조 설비에 있어 가치 있는 솔루션입니다.