강정식한국기계연구원선임연구원
알겠습니다. 고맙습니다, 시간을 더 주셔서. 두 번째는 탄화기술이 되겠습니다. 이것은 뒤에도 자세히 나오겠습니다만 어떤 건조기에서 나온 건조물이 투입되는 위치가 여기가 되겠습니다. 투입되고 나면 스크류 콘베이어 다단식이라고 하는 것은 저희들이 통상 사료나 곡물을 이송할 때 스크류 외통에 내부에 스크류가 되어 있어서 스크류가 회전되면서 건조물 같은 것이 이송되는 그런 원리를 이용한 것으로 이런 건조기에서 나온 건조물이 스크류 통에 투입되고 나면 그 통은 스크류가 회전함에 따라서 오른쪽으로 이동하고 오른쪽 끝에 다다르게 되면 다시 밑에 단, 아래 단으로 다운되어서 다시 또 왼쪽으로 이동하는, 지그재그로 계속 다단식으로 이송해서 연속적으로 숯을 생산하는 탄화기가 되겠습니다. 이때 탄화되는 열은 1차 버너에서 약 400∼550 로 LNG를 쓴다든가 경유를 써서 1차 가열을 하게 되겠습니다. 가열을 하게 되면 스크류 통의 외통이 가열되게 되겠고 내통에서 이송되고 있는 건조물이 간접열에 의해서, 즉 400∼550 의 간접열에 의해서 탄화되어서 연속적으로 냉각되는 통을 통해서 숯으로 배출되어 나오는 원리가 되겠습니다만 뒤에 자세히 한 번 더 설명드리도록 하겠습니다. 이것을 요약하면 탄화기는, 공기가 차단되었다 라는 얘기는 스크류 내통에는 저희들이 공기를 주입하지 않습니다. 즉, 스크류 외통만 가열하는 곳에 공기를 주입해서 외통을 가열하기 때문에 공기가 차단된 상태로 스크류 내통에 있는 약400∼550 에 의해서 가열이 되고 있습니다. 이 탄화과정에서는 방금 전에 김 교수께서 말씀하셨듯이 휘발성 가스가 발생되는데 이런 휘발성 가스는 대기오염방지를 위해서 물론 2차 연소기에서 850 이상으로 재연소를 해서 배출하고 있습니다만 이 휘발분을 저희들은 탄화시키는 열원으로 쓰기 위해서 위에 홀을 뚫어서 휘발성 가스가 나오면 태워서 연료로 쓰고 있습니다. 또한 방금 전에 말씀드렸듯이 이 휘발성 가스는 예열관 상부에 2차 버너를 설치를 해서 2차 버너에서 대기오염 방지 규제 치인 850 ∼1100 로 완전히 연소시켜서 배출해서 대기오염을 완전히 방지시키는 그런 시스템으로 운영되고 있습니다. 따라서 이러한 건조물은 체류 시간 10∼20분 내에 연속적으로 탄화물로 처리되어서 회수할 수 있는 탄화기가 되겠습니다. 이것을 좀 더 확대해서 도식적으로 보여주는 것이 왼쪽 그림이 되겠습니다. 즉 건조기에서 나온 건조물이 이러한 스크류의 내통으로 투입되게 되면 투입된 건조물은 날개가 달려있는 스크류가 회전함에 따라 이송하게 되겠고 이 때 밑에, 아까 말씀드린 대로 400∼550 로 가열되는 연소에 의해서 외통이 가열되고 가열된 외통의 열에 의해서, 내통의 간접열에 의해서 이것이 탄화되는 과정에서 건류가스, 즉 휘발분이 발생하게 되겠습니다. 이러한 휘발분은 외통 위쪽에 뚫어놓은 홀을 통해서 배출되게 되는데 이러한 배출된 휘발성 가스는 자체 연소 열에 의해서 가스가 연소가 되어서 즉, 열원으로 쓰여서 활용하고 있습니다. 이것을 좀 더 요약해 보면 400∼550 에서 공기가 차단된 간접열, 간접열이라는 것이 굉장히 중요한데요, 간접열에 의해서 탄화시키고 있습니다. 즉 간접열에 의해서 탄화하는 과정은 불꽃이 발생되지 않습니다. 또한 불꽃이 없기 때문에 비산재, 즉 Fly ash가 발생되지 않거나 또는 먼지가 아주 적게 발생하는 특징을 가지고 있습니다. 또한 간접열에 의해서 발생되는 휘발분과 탄화물로 분리되어서 바닥재 역시도 없습니다. 저희들이 바닥재라고 하면 부산물인 숯을 생산하는 것으로 바닥재 대용으로 생각할 수 있습니다. 따라서 이런 탄화물은 전량 재활용이 가능하다라는 것을 뒤에 말씀드리도록 하겠습니다. 왼쪽 그림은 현장, 경북 경산에 설치되어 있는 탄화기의 전경이 되겠습니다. 오른 쪽은 단면도가 되겠습니다. 다음은 계통도 및 물질 수지도를 좀 더, 음식물 쓰레기인 경우로 보겠습니다. 즉 음식물 쓰레기가 반입되고 나면 1차 저장 호퍼와 2차 저장 호퍼를 통과하게 되는데 그 중간에 파쇄기가, 파봉기 또는 파쇄기로 파봉을 하게 되겠고 파봉된 음식물들은 1차 선별기에 의해서 선별을 거친 후에 2차 호퍼에 저장되게 되겠습니다. 호퍼에 저장된 폐기물들은 건조기로 투입되게 되는데 건조기로 투입된 것은 아까도 말씀드렸듯이 탄화기에서 나온 폐열을 이용해서 건조기의 일부를 활용해서 건조를 시키게 되겠고 일부는 배기가스 연통으로 빠져나가는데 이 온도가 2차 연소에서 850∼1100 까지의 고열이기 때문에 그 재활용하는 측면에서 건조기에서 나온 가스를 재연소 시키기 위한 그런 데워주는 역할로 열교환기 1차를 거치고, 아까 말씀드렸듯이 2차에서는 이 때 필요한 외통을 가열하는데 필요한 연료의 연소 후 공기를 데우는 역할로 해서 2차 소모를 한 다음에 싸이클론 백필터를 통해서 연통으로 빠져나가면 저희들이 예측하기로는 150 ∼200 근방의 배기가스가 배출되어서 겨울철에 발생하는 백연현상이라든가 이런 것들도 충분히 방지할 수 있는 그런 시스템으로 되어 있습니다. 물질 수지도를 보면 1차 호퍼에서는 반입된 투입물을 1일 30t 처리한다고 봤을 때 수분 함량은 약 85%로 보고 그 때에 투입 t수를 보면 약 25.5t 정도가 되고 그 다음에 고형물이 4.5t이 되어서 30t이 되겠습니다. 두 번째로 가서 건조 전, 즉 1차, 2차에 파봉기나 선별기를 거치고 난 다음에 건조 전으로 가면 그 때 약 4.2t의 고형물이 되고 이 때 선별되는 것이 숟가락이나 쇠붙이 등이 1차 선별되어 나오기 때문에 조금 적게 되겠습니다. 다음에 탄화 전, 즉 건조기를 거치고 난 폐기물들은 2차 드럼 선별기에서 비닐이나 플라스틱 등이 걸러지게 되겠고 자력 선별기에서 조그마한 쇠붙이들이 미세하게 선별된 다음에 탄화기로 들어가기 전 단계를 보면 이 때는 이미 건조기에서 85%의 수분을 함량하고 있던 것이 15%까지 다운되어서 건조되었기 때문에 수분의 양이 엄청나게 많이 줄어들어서 이렇게 다운되고 있습니다. 그런 다음에 탄화기를 거치고 나면 약 8%의 함수율을 갖는 그런 탄화물이 연속해서 회수해서 나오는 그런 시스템으로 되어 있습니다. 이것은 동일한 내용입니다만 하수 슬러지인 경우에는 파봉기라든지 선별기가 생략될 수 있기 때문에 이것은 생략하도록 하겠습니다. 다음 이것은 열적 평형도인데 여기에서 중요한 것은 건조기에서 필요한 열량인 98만㎉, 시간당 98만㎉가 폐열, 즉 탄화기에서 나오는 건류가스를 태워서 나오는 폐열을 이용할 수 있다는 그런 특징을 가지고 있습니다. 자세한 계산내용들은 자료를 참고해 주시기 바랍니다. 이것은 좀 더 배기가스 후처리 계통도를 도식적으로 나타냈는데, 즉 우리가 필요로 하는 탄화기에서 나온 배기가스는 아까도 말씀드렸습니다만 850 ∼1100 로 대기오염 방지를 할 수 있는 온도로 재연소해서 나오고 있습니다. 그러한 배기가스는 열풍건조기를 건조하는 데 쓰기 위해서 열풍건조기로 투입되게 되는데 열풍건조기에 투입되고 나서 나온 온도가 100∼150 정도 또는 200 근방이 됩니다. 이러한 온도는 열풍 건조하는 과정에서 나오는 먼지라든가 이러한 것을 포집하기 위해서 싸이클론을 거치게 되겠고 싸이클론을 거치고 난 후 건조시키고 나서 수분이 많이 함유되어 있기 때문에 응축기를 거쳐서, 이 배기가스 중에서 75∼80% 정도를 응축해서 물로 빼 내고 그 나머지 온도가 약 100 되는 것들을 배기가스 일부에서 나온 배기가스로 데워서 다시 탄화기로 넣어서 연소시키는 크로스 루프로 계속 건조된 배기가스들을 연소시키는 그런 시설로 되어 있습니다. 두 번째는 처리성능인데요, 처리성능에 함수율의 변화를 볼 것 같으면 남은 음식물인 경우에 함수율이 75∼85%짜리가 들어갔을 때 건조 후에는 약 15%가 되겠고 탄화 후에는 약 6% 정도를 나타내고 있어서 감수율 같은 경우는 평균 약 92∼93% 정도의 감수율, 함수율의 변화를 보여주고 있습니다. 이런 것들은 굉장히 많은 고효율로 감수가 되고 있다는 것을 보여주고 있고 감량률을 봤을 때 남은 음식물인 경우에 처리용량을 30t을 투입했을 때 남은 최종 탄화물이 약 2t 정도가 나오게 되는데 이렇게 봤을 때 감량률은 93∼94% 정도의 감량률을 나타내고 있기 때문에 정부시책의 폐기물처리 감량률의 달성에도 크게 기여할 수 있다고 저희들은 생각을 하고 있습니다. 두 번째는 보다 나은 성능결과인데요, 하수 슬러지를 예로 들었습니다만 t/1일당, 약 30t을 투입했을 때 함수율은 85% 정도가 되겠고 건조단계에서는 30t이 약 3.5∼4t 정도까지 건조돼서 나오게 되겠고 함수율은 11∼13% 정도의 함수율을 건조단계에서는 나타내게 되겠습니다. 이렇게 건조된 후에 탄화물이 들어가게 되겠는데 탄화기에서는 약 2t 정도의 탄화물이 나오게 되겠고 함수율은 5∼6% 정도의 함수율을 나타내게 되므로 따라서 감량률, 즉 음식물 쓰레기가 약 85%의 함수율을 가진 것을 약 5∼6%까지 감량을 시키므로 해서 감량률은 약 94∼95% 정도의 감량률을 나타내고 있습니다. 연료소모량도 굉장히 중요한 요소 중의 하나가 되겠는데 저희들 같은 경우에는 가동 후 약 1시간 반까지는 건류가스가 완전히 나오지 않기 때문에 1일 처리용량 30t을 기준 했을 때 시간당 약 60 의 경유를 사용한 바가 있습니다. 그러나 1시간 반이 지나고 나면 아까 말씀드렸듯이 탄화과정에서의 휘발성 가스를 연소해서 열원으로 쓰기 때문에 연료소모량이 반으로 줄어드는 그런 현상을 보여주고 있습니다. 연간 운영유지비도 굉장히 중요한 요소 중의 하나가 되겠습니다. 즉 연간 운영유지비 중에 노무비나 전력비, 연료비, 감가상각비, 인건비, 유지보수비를 전부 합쳐서 저희들이 연간 운영비를 계산해 봤을 때 t당 약 3만원 정도면 감가상각비를 포함해서 처리가 가능한 것으로 판단이 되고, 만약 감가상각비를 제외한다면 2만 1,500원, 약 2만 2,000원 정도면 처리가 충분한 것으로 판단을 하고 있습니다. 시설투자비도 굉장히 중요한 요소 중의 하나가 되겠습니다. 다른 것하고 비교를 해서 안 됐습니다만 저런 탄화기인 경우에는 t당 약 4,000만원∼6,000만원, 평균 약 5,000만원 정도면 저희들이 설치할 수 있는데 이런 것들은 어떤 시설사양이라든가 시설내용에 따라 달라질 수 있겠습니다만 보통 소각시설의 1/3∼1/4 수준이면 저희들은 탄화시설로 설치가 가능한 것이고, 또 하나 중요한 조건 중의 하나가 이 탄화시설을 설치할 때 필요한 면적이 얼마나 될 것이냐, 저희들이 음식물 쓰레기인 경우 아까도 말씀드렸습니다만 파봉기라든가 선별기가 있기 때문에 t당 약 5평 정도가 필요한 것으로 판단되고 있고 하수슬러지인 경우에는 아까도 말씀드렸습니다만 파봉기나 선별기가 필요 없기 때문에 t당 약 3.5평 정도면 저희들의 탄화기는 설치가 가능한 것으로 되어 있습니다. 다음에 처리비용인데요, 처리비용은 아까 말씀드렸습니다만 저희들은 2만 1,500원 정도, 즉 많아야 2만 5,000원까지면 t당 처리를 할 수 있는데 비해서 소각인 경우에는 최하가 4만 5,000원∼5만 5,000원, 해양투기나 이런 것은 2만 5,000원∼2만 6,000원, 재활용 경우에도 3만 5,000원∼4만 8,000 정도 하고 있고 육상, 가장 싸다고 하는 음식물쓰레기 육상 매립도 현재 지역에 따라 다를 수 있습니다만 2만 3,000원∼2만 7,000원, 즉 어느 처리방법보다도 저희들 탄화시설로 저렴하게 처리할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 다음에는 대기오염도가 되겠습니다. 굉장히 중요한 악취하고 대기오염 물질 때문에 주민들의 반발이 심할 텐데 저희들이 측정한 결과 먼지라든가 매연, 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소 등이 일반배출 허용기준에 비해서 측정치가 굉장히 낮게 나왔기 때문에 안전한 것으로 그렇게 측정이 되었습니다. 또 하나 중요한 다이옥신 문제인데 방금 김성중 교수님께서도 말씀하셨습니다만 현재 저희들이 알고 있는 하수 슬러지는 일본인 경우에는 다이옥신이 안 나온다라는 연구보고서가 있는 것이 있고, 제가 자료를 가지고 있습니다. 필요할 경우에는 보여드리겠고요, 음식물 쓰레기인 경우도 며칠 전에 환경부 인터넷 사이트에 들어가 보니까 모 사람이 질문을 했는데 음식물에 과연 다이옥신이 나오느냐 했더니 현재까지 음식물은 안 나오고 나올 확률도 없다라는 환경부 생활폐기물 과장님인가가 회신한 내용을 가지고 있습니다. 좀 더 구체적으로 보면 좀 전에 우리 김 교수님께서 말씀하셨듯이 음식물 쓰레기에는 이러한 클로로벤젠이나 클로로페놀 이런 것들의 전구체가 포함되어 있지 않고 또 처리 과정에서 아까 말씀드렸듯이 파봉기나 선별기에서 이미 금속이나 비닐 등이 제거되기 때문에 촉매도 생성되지 않습니다. 또한 저희들이 탄화시키는 온도는 보통 소금이 휘산할 수 있는 온도가 700 정도라고 하는데 저희는 탄화시키는 온도가 400∼550 이기 때문에 소금 자체 즉, CL성분도 나타나지 않는 온도에서 처리를 하고 있습니다. 따라서 이러한 간접열에 의한 탄화방법은 화염이 없기 때문에 다이옥신 전구체라든가 촉매가 없을 뿐만 아니라 소금이 휘산되지 않기 때문에 다이옥신이 발생되지 않는다는 이론적 근거는 있습니다. 그러나 여러분들이 하도 염려를 하고 그러기 때문에 저희들이 이 과제가, 이 기술이 환경신기술 검증 중에 있기 때문에 실증프랜트에서 아마 9월∼10월달 중에 증명을 해 보일 예정입니다. 하나의 예로 보면 저희들이 탄화된 음식물의 각 공정별로 탄화물 속에 들어가 있는 염분의 농도를 측정해 보니까 탈수를 한 후에는 약 3.3%의 염분이 함유되어 있었고 건조를 한다면 4.8%, 탄화를 시킨다면 약 5.7%까지 염분 함유율이 증가되고 있습니다. 이것은 뭐를 의미하냐 하면 소금이 휘산돼서 날아가는 것이 아니고 탄화물 속에 내재돼서 함축돼 있다는 것을 볼 수 있기 때문에, 즉 소금이 휘산되지 않아서 대기 중으로 발생되지 않는다라는 것을 보여주고 있습니다. 그러면 이렇게 탄화처리한 탄화물은 어떻게 할 것이냐, 보통 소각 같은 것이라든가 다른 처리방법에서는 이것도 폐기물로 처리되는 문제점이 있는데 저희들은 숯이기 때문에 숯으로 재활용할 수 있는 재활용성을 검토했습니다. 즉, 성분분석을 했는데요, 슬러지 세 가지하고 음식물 쓰레기 두 개 정도를 했는데 음식물 쓰레기인 경우에 보통 C성분이 40∼50%, 탄소죠. 수분이 5∼6%, 그리고 휘발분이 17%정도, 회분이 평균 한 40%정도를 보유하고 있습니다. 특히 중요한 발열량은 약 3,500㎉, ㎏당 약 3,500㎉의 발열량을 가지고 있기 때문에, 다음에 말씀드리겠습니다만 이런 숯들은 보조연료나 이런 것으로 쓸 수 있다라는 근거가 되겠습니다. 좀더 정확하게 치환성 함량분석을 했는데, 이것은 서울대학교에 의뢰해서 했는데 내용을 보면 칼슘이라든가 마그네슘, 칼륨, 나트륨 같은 주로 알카리 성분이 대부분이라는 것을 알 수 있습니다. 이런 알카리 성분은 산성토양 개량용의 개토제라든가 이런 것으로 쓸 수 있는 근거를 보여주고 있습니다. 따라서 이런 부산물의 특성을 좀더 요약을 해보면 탄화물 즉, 숯은 흡착성이나 흡취성, 즉 악취라든가 오염물질을 흡착하는 성질이 좋겠습니다. 또 하나는 방금 전에 말씀드렸듯이 약 3,000∼3,500㎉의 발열량을 가지고 있고, 이 탄화물은 숯이기 때문에 비표면적이, 물론 활성탄보다는 적습니다만 비표면적이 높은 편입니다. 따라서 이런 환경 오염을 방지할 수 있는 환경오염 방지제 제품으로서 탈취흡착제로 즉, 요즘 하수처리장의 고도화를 위해서 필요한데 탈취흡착제로 충분히 쓸 수 있다라고 확인이 됐고요, 또한 흡음제나 방음제 즉, 벽돌이나 패널로 성형을 해서 흡음제나 방음제로 쓰고 있다는 것입니다. 즉, 이것을 일본에서는 현실화해서 지금 제품화해서 사용되고 있습니다. 음식물쓰레기 소멸기용 칩, 즉 간이 음식물을 소멸시키는 소멸기 칩의 대용으로도 현재 하이테크에서는 사용 중에 있고, 두 번째로 이런 열량이 많은 것으로 해서 현재 저희들하고 계약해서 쓰고 있습니다만 코우크스 대용의 철강 가탄제로의 사용이 가능하겠습니다. 또는 비닐하우스의 난방용 보조연료라든가 더 나아가서 번개탄, 즉 숯탄으로 사용이 가능할 것으로 보고 있습니다. 또한 뒤에 나오겠습니다만 적조구제물질이라든가 이런 해저저질 개선제로 우리 수산과학연구원에서 연구한 결과가 뒤에 나오게 되겠고, 인공어초로도 충분히 활용 가능한 것으로 보였습니다. 이것은 저희들이 탄화물을 가지고 여러 가지 시제품을 만들어본 샘플이 되겠는데, 사진이 되겠습니다. 필요할 경우 저희들이 샘플을 가지고 있으니까 보여드릴 수가 있겠습니다. 이것은 부산에 있는 국립수산과학원에서 적조구제 효과에 대해서 실험한 것이 되겠는데 탄화숯으로 적조구제를 할 수 있는 효과를, 즉시 투입했더니 84%의 구제효율을 가지고 있습니다. 이것은 황토, 지금까지 가장 많이 쓰고 있는 황토를 초기에 투입했을 때 40% 정도의 구제효율을 가지고 있는데 약 배이상 구제효율을 보여주고 있다는 것을 보여주고 있고요, 두 번째는 ph를 측정해 봤는데 1%를 투여했을 때 약 9.7, 10%를 투여하면 10.3까지 돼서 알카리성이 굉장히 높은 강알카리성으로 숯이 나오고 있습니다. 따라서 황토하고 섞어서 해저저질 개선제 같은 데 쓰면 좋겠다고 하는 배헌민 박사님의 추천이 있었습니다. 이것은 영남대학교에서 실험한 결과가 되겠는데 오염하천, 하천이 오염됐을 때 정화할 수 있는 흡착효과를 보여준 것인데 숯의 흡착효과가 즉, SS 부유성 고형물질을 흡착하는 효과는 약 95%까지 흡착하는 효과를 보여주고 있고 BOD 즉, 생물학적 산소요구량도 53%의 효과를 보여주고 있습니다. 이것을 시간대별로, 과연 얼마나 투입한 다음에 얼마만한 시간이 흘렀을 때 100%의 효과가 나타나느냐 하는 BOD를 측정했는데 약 16시간, 설치를 한 다음에 16시간 후가 되면 BOD가 아주 적은 제로상태로까지 흡착을 감수하는 효과를 보여주고 있습니다. 이것은 영양염류 즉, 질소나 인이 제거되는 효과를 측정했는데 이것은 경북 경주의 용락천에서 영남대학교에서 실험을 했습니다. 질소는 약 67%, 인은 75%의 감소효과를 나타내주고 있습니다. 적용실적입니다. 이제 다 됐는데 저희들이 지금 경북 경산에 음식물 건조 및 탄화설비가 설치돼서 운전 중에 있고 현재 창원시청에서, 현대산업개발에서 발주한 것이 되겠습니다만 사료퇴비화 설비의 건조시설을 저희들이 설비를 한 바가 있고, 이러한 숯은 아진코크스에서 저희들하고 계약을 해서 탄화물로 즉, 코우크스의 가탄제로 철강가탄제로 사용되고 있습니다. 품질인증 및 산업재산권은 ISO9001을 인증하고 있고 특허는 전체 제조방법이나 제조 장치에 대한 특허가 출원 중에 있고 등록되어 있으며, 나머지 각각의 핵심부품에 대해서는 실용신안으로 등록이 되어 있습니다. 마지막으로 결론이 되겠습니다. 즉 함수율이 굉장히 높은 고함수율의 음식물 쓰레기나 하수슬러지를 해양투기나 육상매립보다 저렴하게, 또 폐기물을 투입한 후 약 1시간 반, 굉장히 빠른 시간 내에 신속하게 비산재나 먼지 등 제2의 환경오염이 없이 안정적으로 연속해서 숯을 생산할 수 있다라는 특징을 가지고 있으며, 저희들이 처리후 부산물인 숯, 탄화물은 아까도 말씀드렸습니다만 하수종말처리장이나 오염하천의 흡착, 탈취제로 충분히 쓸 수 있고 보조연료라든가 코우크스대용의 철강가탄제로 현재 쓰고 있으며 해양의 적조구제물이라든가 해저저질 개선제, 또는 인공어초, 아까 산성토양을 개토할 수 있는 알카리 성분을 가지고 있기 때문에 개토제, 또는 흡음 및 방음제 등으로 전량 사용이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다. 따라서 현재 수원시청에서 고민하고 있는 음식물 쓰레기 처리방안에 있어서 방금 말씀하신 열용해에서 소각하는 방법의 문제점이 고비용이 들어간다는 문제가 있습니다. 그러면 고비용이 아닌 저비용으로 탄화할 수 있는 방법이 가장 효과적이라고 저희들은 생각해서 기술을 소개해 드렸습니다. 제 발표를 마치겠습니다. 질문은 다음에 종합적으로 받도록 하겠습니다. 고맙습니다.