02분반 7조 인터슝텔라

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수해폐기물 처리를 위한 이동식 폐기물 건조기 설계

영문 : Design of Mobile Waste Dryer for Disposal of Flood Waste

과제 팀명

인터슝텔라

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2019890044 이예원(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890064 장재현

서울시립대학교 환경공학부 2019890057 정근희

서울시립대학교 환경공학부 2019890075 엽기호

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 기후 변화로 인한 여름철 홍수 증가로 수해폐기물이 예측 불가능하게 발생하고 있다. 일반적으로 수해폐기물은 임시 적환장에서 체류, 분류 과정을 거쳐 최종 처리를 진행한다. 본 과제에서는 수해 폐기물의 건조를 위한 이동식 건조기 설계를 통해 임시 적환장의 장기 체류 폐기물의 관리 부담을 줄이고 인근 주민의 불편을 해소하고자 하였다.

이동식 건조기는 캐터필러를 이용해 전후 방향으로 운전이 가능하도록 설계하였다. 수해 폐기물은 다양한 형상을 가지므로 여러 종류의 폐기물을 한 번에 처리할 수 있는 로타리 킬른(Rotary Kiln) 형식을 채택하였다.

폐기물 처리 용량을 시간당 2 t으로 설정하여 폐기물을 건조시키기 위해 필요한 열량, 필요 공기량, 건조 공기 가열에 필요한 열량을 계산한 후 건조 공기 가열을 위한 연료로써 열분해유와 등유를 고려하여 연료비를 계산, 비교하였다. 또, 장치를 이동시키는 데에 필요한 엔진의 동력과 로타리 드럼을 회전시키기 위해 필요한 동력을 계산하였다.

개발 과제의 배경 및 효과

그림 1. 재난폐기물 처리 개요도

그림 2. 처리 계획 수립 절차

최근 기후 변화로 인한 집중 호우 및 태풍, 홍수 발생의 증가로 수해 폐기물 발생량 또한 늘어나 피해 지역 주민들이 피해를 겪고 있다. 수해 폐기물은 임시 적환장에 수거한 폐기물을 모아 선별 후 최종 처리시설로 운송한다. 일반적으로 운동장, 시민회관 등을 임시 적환장으로 선정하고 폐기물의 수분으로 인한 침출수 방지를 위해 부지에 아스팔트를 포설하거나 차수 시트를 설치한다. 장기 체류 폐기물의 경우 유기물의 부패로 인한 악취, 세균, 해충 발생 등의 문제 때문에 매일 2-3회의 소독을 진행한다. 그러나 운송 차량 부족, 처리시설 용량 한계 등의 이유로 임시 적환장에 머무르게 되는 폐기물이 늘어나고 이로 인해 주민들의 불편과 관리 비용이 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 임시 적환장에 사용할 수 있는 이동식 건조기(MDE, Mobile Drying Equipment)를 설계하고자 한다. 폐기물을 건조하면 부피 및 무게가 감소하며 수분의 감소로 침출수, 악취, 해충 문제를 줄이고 장기 체류 폐기물 관리의 부담을 줄일 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 목표: 수해 폐기물을 건조하여 수분 함유량을 감소시킨다.

- 부피 및 무게 감소로 적은 운송 차량으로 발생한 폐기물을 소화할 수 있게 되어 장기 폐기물의 발생을 해결할 수 있다. 추가로 운송에 관련된 인건비도 줄일 수 있다.

- 적환장에서의 분류의 편의성이 증가하고 이후 최종 처리시설에서 건조과정을 진행할 필요가 없어져 처리 효율을 높일 수 있다.

- 체류 폐기물의 침출수 발생량 감소로 인해 임시 적환장의 침출수 유출 방지 설비에 드는 비용을 줄일 수 있다.

- 악취, 해충, 세균 발생 감소로 적환장 인근 주민 불편을 해소할 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 로타리 킬른(Rotary Kiln)

3˚-5˚ 정도의 경사를 가진 드럼을 수평으로 회전시키고 가열하여 건조하는 방식이다. 가열 방식으로는 열원을 이용하여 드럼을 가열하는 직접가열과 가열된 공기를 주입하는 간접가열이 있다. 원료는 드럼 윗부분에서 투입되며 회전이 진행되며 경사를 따라 내벽을 미끄러져 이동한다. 혼합, 파쇄 등의 전처리 과정 없이도 다양한 형상의 폐기물을 동시 처리가 가능하다.

표 1. 로타리 킬른 소각대상

그림 3. 슬러지의 건조화 주요 공정

◇ 슬러지 건조화 기술

수해 폐기물 특성상 수분 함유량이 높다는 공통점을 이용해 슬러지 건조 기술을 활용할 수 있을 것으로 판단하였다.

1. 드럼식 건조: 직접가열과 간접가열 모두 사용 가능. 유입된 슬러지는 기류를 따라 일정 속도로 회전하며 이동하면서 점차적으로 건조됨.

2. 디스크식 건조: 간접가열 방식. 외부 열원으로 버너를 가열한 후 크레인 구조로 된 디스크에 열에너지를 전달하며 내부가 회전.

3. 원심 건조: 기계의 원심력을 이용하여 탈수한 후 배출된다. 고열 상태의 뜨거운 공기가 건조기 내부로 유입되어 슬러지는 고형질 백분율 80%까지 건조됨.

4. 유동층 건조: 직접가열, 직/간접 혼합 방식 모두 가능. 슬러지 전처리 없이 건조기로 바로 전달.

건조기의 바닥 전체 다년에 유동화체를 균일하게 불어 넣어 그 내부가 유동층을 형성. 이때, 슬러지가 점차 건조되면서 밀도가 감소하여 상단부로 올라가며 가스를 따라 유동층으로 전달. 본 설계에서는 공정이 간단하고 대규모 처리에 적합한 드럼식을 사용하였다.

◇ 일정온도로 가열되는 원통 형상 슬러지 박막의 건제에 대한 3차원 해석

그림 4. 하수 슬러지용 수평 박막 건조기 및 물리적 건조 모델의 도식

슬러지 박막에 대한 건조과정을 실제 건조기 형상과 유사한 3차원 형상에 대하여 해석을 한 연구이다. 박막 건조기에 사용되는 로터의 회전수와 블레이드 경사각을 주요 변수로 설정하여 해석했다. 그 결과 회전속도와 경사각에 따른 건조 효과가 달라짐을 확인할 수 있었다. 이 때 회전 속도의 증가 또는 블레이드 경사각의 증가는 건조가 완료되는 길이를 증가시켰다.

◇ 하수슬러지의 탈수율 향상을 위한 열 탈수 연구

그림 5. 열 탈수 메커니즘

본 연구는 슬러지 탈수율 향상을 위한 연구로 탈수 시 형성되는 케이크 층내 기공을 통해 수분의 효과적인 배출에 대한 방법을 찾는 것이 슬러지의 탈수에 있어 가장 중요한 요소로서 이에 대한 방법으로 열 탈수를 제시하였다. 결과적으로 슬러지 탈수율을 높여 탈수 케이크의 무게와 부피를 줄여, 공정과 환경의 부담을 최소화할 수 있다. 슬러지뿐만 아니라 폐기물의 함수율 감소를 통해 부피, 무게 감량의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 수분을 가진 폐기물 탈수장치 및 그 탈수장치를 이용한 탈수시스템(10-2005-0116234)

그림 6. 수분을 가진 폐기물 탈수장치 및 그 탈수장치를 이용한 탈수시스템(대표도)

특허 요약 : 본 장치는 음식물 쓰레기, 하수슬러지, 돈분 등 수분을 가진 폐기물 탈수장치 및 그를 이용한 탈수시스템에 관한 것으로 폐기물을 분쇄, 교반, 탈수를 수행하는 장치로 이를 사용할 때에는 이송분쇄기(20)의 투입구(21)를 상부 교반통(1) 밑에 있는 배출구(15)와 직선상에 위치하도록 하는 계단식 배치를 통해 폐기물과 탈수촉매제를 여러 차례 연속적으로 분쇄 및 교반 한다.

◇ 산업폐기물 탈수장치(20-0270984)

그림 7. 산업폐기물 탈수장치(대표도)

특허 요약 : 본 설비는 산업폐기물의 탈수장치에 관한 것으로 주목적은 탈수기구에서 실시하는 탈수과정 이전에 예비탈수를 목표로 하는 제2차 탈수과정을 거치도록 하여 탈수 효율을 개선하는 데 있다. 이 장치의 주목적은 폐기물의 이송이지만 탈수설비를 추가로 설비하여 폐기물의 처리 전 1차 예비 탈수를 실시하여 탈수의 효율을 높일 수 있다.

◇ 이중 로터리 킬른을 이용한 동물 사체 소각 및 건조 시스템과 이를 이용한 소각 및 건조 방법(10-1777658)

그림 8. 이중 로터리 킬른을 이용한 동물 사체 소각 및 건조 시스템(대표도)

특허 요약 : 본 발명의 실시예에 따른 이중 로터리 킬른을 이용한 동물 사체 소각 및 건조 시스템은 동물 사체를 분쇄하는 제 1 공정; 소각 및 건조시키는 제2 공정 및 상기 제2 공정에서 배출된 가스를 처리하는 제3 공정을 포함하고, 상기 제1 공정은, 제1 이동차량; 상기 제1 이동차량에 구비되고, 이동된 동물 사체를 저장하는 제1 호퍼; 상기 제1 호 퍼 하단과 연결되는 동물 사체 분쇄부를 포함하고, 상기 제2 공정은, 제2 이동차량; 상기 제2 이동차량에 구비되고 상기 동물 사체 분쇄부에 연결되는 소각 및 건조 처리부를 포함하고, 상기 제3 공정은, 제3 이동차량 및 상기 제3 이동차량에 구비되는 배출가스 처리부를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 이동 차량을 각각 연결하여 이동하며 제1 내지 제3 공정을 순차적으로 처리하고, 동물 사체의 양에 따라 각각 공정을 병렬로 연결하여 처리가 가능한 이중 로터리 킬른을 이용한 동물 사체 소각 및 건조 시스템을 제공할 수 있다.

경쟁력 분석

설계의 경쟁력 분석을 위해 SWOT 분석을 진행하였다. SWOT 분석법은 기업에서 효과적인 경영 전략을 수립하기 위해 사용하는 분석 방법으로, 강점(strength), 약점(weakness), 기회(opportunity), 위기(threat)의 각 앞 글자를 따 SWOT 분석이라 부른다. 기업이 적절한 전략을 세우기 위해서는 스스로의 강점과 약점, 기회와 위기를 정확히 파악하는 것이 매우 중요하다. 강점과 약점은 기업의 내부 요인과 관련이 있고, 기회와 위기는 기업의 외부 요인과 관련이 있다. 먼저 강점(strength)이란 기업 내부 역량에 의해 기업에게 유리한 상황을 말한다. 그와 반대로 기업 내부의 원인에 의해 기업에게 불리한 상황은 약점(weakness)이 된다. 기회(opportunity)란 기업 외부 요인에 의해 기업에게 유리한 상황, 위기(threat)는 기업 외부의 요인에 의해 기업에게 불리한 상황을 말한다. 이러한 4가지 요소를 2개씩 연결하여 SO 전략, ST 전략, WO 전략, WT 전략을 세울 수 있다.

-본 설계의 강점 : 본 설계는 수해 폐기물의 수분을 제거해 폐기물의 부피와 그 무게를 감소시킨다. 그렇기 때문에 폐기물의 수분이 제거되어 폐기물 분류작업을 진행할 때 어려운 요소가 많이 감소되어 폐기물 분류의 편의성이 증가할 것이다. 또한 장기 체류 수해폐기물에서 발생하는 악취의 가장 큰 원인이 수해 폐기물의 수분이기 때문에 본 공정을 통해 수해폐기물의 악취발생문제를 저감할 것이고 동시에 폐기물에서 발생하는 침출수 문제도 해결할 것이다. 또한 이동식 장비이기 때문에 장소의 제약을 덜 받는다.

- 본 설계의 약점 : 설계한 장비가 대형장치이기 때문에 이 장비를 운반할 수 있는 트럭의 크기가 제한된다는 제약이 있다. 그리고 폐기물을 건조하는 역할을 하는 로타리 킬른의 원통 지름 크기가 1200mm이기 때문에 모든 크기의 수해 폐기물을 이 공정을 통해 건조할 수는 없을 수 있다. 수해폐기물의 크기는 워낙 다양하기 때문에 이러한 상황도 고려해야 한다. 본 장치는 화석연료를 사용할 가능성이 높은데 화석연료의 가격이 유동성이 크다는 단점이 있다.

-본 설계의 기회 : 전 세계적으로 환경 문제의 중요성이 대두되고 있기 때문에 우리나라 정부도 환경문제를 중요시 여기고 있다. 이러한 상황에서 우리나라의 여름철에 기후변화로 인한 여름철 집중호우와 태풍의 발생량이 증가하고 있고 이로 인해 한 번에 처리하기 힘든 수해폐기물의 발생횟수와 발생량이 증가하고 있다. 수해폐기물의 경우 일반적인 폐기물들과 달리 그 양이 급격히 발생하여 이를 한 번에 처리할 수 없기 때문에 수해폐기물을 잠시 보관하는 임시 적환장에서 체류하는 폐기물의 발생빈도가 증가하고 있고 이로 인한 인근 주민들의 불편 발생이 증가하고 있다.

-본 설계의 위기 : 수해폐기물은 지역마다 발생량이 다르지만 한 번에 폭발적으로 발생한다. 그렇기 때문에 일상적으로 운영하는 폐기물 처리시설로는 이를 처리하는데 한계가 있다. 또한 최근엔 디젤 등의 화석연료를 사용하는 것을 제재하는 경우도 발생하고 있다.

표 2. SWOT 분석 결과

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

본 장치는 폐기물을 건조하는 설비에 이동을 위한 장치인 캐터필러를 결합한 이동식 폐기물 건조기로, 폐기물의 함수율을 낮춰 수해폐기물의 무게, 부피 감소에 기여할 수 있을 것으로 예상한다. 또한 가열실 내부에 온도측정 장치를 결합하여 가열실의 온도가 원하는 수준까지 계속 유지될 수 있도록 설계하였다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 경제적 파급효과

수해폐기물 이동식 건조기를 운영할 때에는 설비 제작에 관한 비용, 시설을 설비 후 운영 및 점검에 관한 비용이 추가적으로 들어가지만 설비를 운영함으로써 얻을 수 있는 경제적 효과는 다음과 같다.

수해 폐기물의 분류가 용이해지며 이로 인해 수해폐기물의 재활용, 재사용율 또한 증가할 것이다. 수해폐기물은 임시 적환장에 저장되었다가 분류를 거쳐 폐기물 처리시설로 이동한다. 이때 분류된 폐기물에는 재활용이나 재사용이 힘든 폐기물도 많지만 목재나 플라스틱 등 가치가 높은 폐기물도 많다. 이러한 폐기물들이 처리시설로 곧바로 가는 것이 아니라 적환장에서 사전 건조되게 된다면 이 폐기물들을 재사용, 재활용에 활용하는 사업체나 시설로 곧바로 이송 가능할 것이다. 이로 인해 경제적 환경적 이점을 얻을 것이다.

수해 폐기물의 부피와 무게감소를 통해 보관량을 늘일 수 있으며 폐기물 운송비용 또한 절감이 가능하다. 더 많은 폐기물을 적환장에 보관할 수 있어 수해폐기물을 보관하는 적환장의 크기를 좀 더 작게 계획할 수 있을 것이다. 또한 건조된 폐기물은 운송차량에 더 많이 실을 수 있기 때문에 운송비용 절감의 효과도 가져올 것이다.

침출수와 악취, 해충 처리비용 감소 효과도 가져올 수 있다. 수해폐기물이 적환장에 체류할 때 악취와 해충 때문에 폐기물을 적환장에 보관할 때 추가적인 약품을 사용해야 하며 침출수 방지를 위해 부지에 아스팔트를 포설하거나 차수시트를 깔아야 한다. 폐기물 건조 장치를 통해 이에 필요한 비용과 인건비를 절감할 수 있다.

2. 사회적 파급효과

수해폐기물이 임시 적환장 내에 장기 체류하면 폐기물 내 수분으로 인해 심한 악취가 발생해 인근 주민에게 피해를 주게 된다, 설비를 통해 폐기물 수분을 제거하면 악취 발생량이 줄어 주민들의 피해를 줄일 수 있을 것이다. 또한 수해폐기물의 신속한 처리가 가능해져 임시 적환장이 본래의 용도로 사용될 수 있도록 하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 소개

표 3. 구성원 소개

추진 체계

표 4. 추진 체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

표 5. 설계 요구사항

집중 호우나 태풍, 홍수 이후와 같은 특수한 상황에서는 폐기물을 적절하게 처리하는 것이 어렵고, 많은 양의 수해 쓰레기가 생겨나 적환장에 그대로 방치되는 문제가 발생하기도 한다. 본 장치는 이러한 특수한 상황에서 적용할 수 있는 이동식 폐기물 건조 장치이며, 요구사항이 반드시 필요한 요소이면 D(필요사항), 필수적이지 않거나 추후 개선할 요소이면 W(희망사항)로 판단하여 1, 2, 3, 4는 D로, 5는 W로 결정하였다.

-폐기물 건조 능력: MDE는 중간 집하장 또는 수해 폐기물 임시 적환장에서 사용할 수 있는 이동이 가능한 폐기물 건조장치다. 폐기물의 원활한 처리를 저해하는 폐기물 내 과한 수분을 제거하는 것이 MDE의 주된 목표이고, 실질적으로 건조가 이루어져야 하므로 중요도는 상으로 설정하였다.

-폐기물 건조 속도: 수해폐기물의 가장 큰 문제점 중 하나는 수해 폐기물이 한꺼번에 많은 양이 발생한다는 점이다. 그렇기 때문에 최대한 빠른 속도로 많은 양의 폐기물을 건조하는 것은 MDE의 가장 큰 목표라고 할 수 있기 때문에 중요도는 상으로 설정하였다.

-이동식 기기로 제작: 이동식 설비는 고정식 설비에 비해 유연하게 운전이 가능하다는 장점이 있다. 폐기물 선별 과정 전 이동식 파쇄기를 사용해 폐기물을 일정한 크기로 파쇄하는 사례에 착안하여, 본 제품은 운전자의 작업 경로를 따라 폐기물 상단을 이동하며 건조할 수 있는 이동식 건조기가 되도록 한다. 중요도는 중으로 설정하였다.

-합리적 비용: 본 제품은 기존의 폐기물 처리 과정에서 추가로 운영되는 장치이기 때문에, 본 제품을 사용하는 데 드는 제작비, 인건비, 유류비, 유지보수비 등의 비용은 기대 효과에 비추어 보았을 때 합리적이어야 한다.

목적계통도

목적계통도를 작성하기 전 기반이 될 설계목적 리스트를 작성하였다. 각 항목을 구분하기 위해 기술성, 경제성, 공익성 3가지로 설계 목적을 분류하였다.

표 6. 설계 목적 리스트

위 표에 기반하여 작성한 목적 계통도는 다음과 같다.

그림 9. 목적 계통도

개념설계안

폐기물을 건조하는 방법에는 여러 가지 방법이 있다. 여러 방법 중 우리가 설계하고자 하는 폐기물 건조기에 필요한 능력은

① 다량의 폐기물을 동시에 처리

② 다양한 형상의 폐기물 동시 처리

③ 이동식으로 설계 가능할 것

④ 설비크기가 너무 크지 않을 것 정도로 나눌 수 있다.

그래서 이를 모두 고려해 로타리 킬른 방식이 가장 적절할 것으로 판단하여 설계를 진행했다.

가열 방식 및 드럼 소재

로타리 킬른은 열을 전달하는 방법에 따라 직접 가열과 간접 가열 방식으로 나뉜다.

그림 10. 직접 가열방식 로터리 킬른

직접 가열 방식은 로타리 킬른 앞에 장착된 가열실에서 열을 생성해 재료에 열을 전달하는 방식이다. 이는 연료를 직접 킬른 내부에 공급하고, 그 곳에서 연료가 연소하여 발생한 가스와 열이 재료에 직접 전달되는 방식이다. 직접 가열 방식은 연료가 바로 재료와 상호 작용하기 때문에 열 손실이 적어, 일반적으로 높은 열효율을 가지며, 단순한 설계를 갖는 경우가 많아 설치 및 운영이 간편하다. 또한 재료가 연료와 바로 상호 작용하므로 가열 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 하지만 열이 직접적으로 재료에 전달되기 때문에 재료의 변형 가능성이 크다는 단점이 있다.

그림 11. 간접 가열 방식 로터리 킬른

간접 가열 방식은, 연소로 생성된 열을 킬른의 외부에 위치한 열 교환 매체를 통해 전달하는 방법이다. 간접 가열은 연소 가스와 재료 간의 직접적인 접촉이 없기 때문에, 재료의 특성이 변형되거나 오염되지 않는다는 장점과 연료의 연소 가스가 가열 매체에 직접 노출되지 않기 때문에, 고온 연료 또는 미세한 입자를 사용할 때 유용하다는 장점이 있다. 하지만 열 교환 매체를 추가로 사용하므로 설계와 운영이 더 복잡해지며 추가적인 장비 및 유지보수 비용이 들 수 있다는 단점과 열손실이 크다는 단점, 프로세스 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

이번 설계에서는 직접 가열 방식의 열효율, 설계의 단순함, 프로세스 속도의 신속함에 초점을 맞춰 직접 가열 방식을 활용하기로 결정했다. 재료의 변형위험이 있지만 이는 가열 온도를 낮춰서 대응해 보기로 결정했다.

직접 가열 방식에도 2가지의 운영 방식이 있다. Parallel flow는 열풍의 온도가 가장 높은 위치에 젖은 물질을 투입하여 접촉시는 방식이다. 물질의 온도보다 열풍의 온도가 훨씬 높아 수분을 빠르게 증발시키고 이후 감소한 가스의 온도는 장비의 온도를 낮춘다. 이로 인해 보다 빠른 건조가 가능하다. Counter flow는 수분이 적고 열에 민감한 소재에 적합한 건조 방식으로 고온의 가스의 반대방향으로 젖은 물질을 주입해 건조기 반대쪽 끝에 건조물질이 배출되는 방식이다. Counter flow는 먼지 발생량이 적다는 장점이 있지만 수해폐기물은 수분함량이 높기 때문에 적합하지 않다고 판단하였다.

드럼의 재질로 사용 가능한 소재로는 탄소강, 스테인레스강, 고탄소합금, 특수합금 등이 있는데, 폐기물 건조 시 부식성 가스 발생 가능성이 있기 때문에 스테인레스강을 사용하는 것이 적합할 것으로 판단했다.이번 설계에서는 직접 가열 방식의 열효율, 설계의 단순함, 프로세스 속도의 신속함에 초점을 맞춰 직접 가열 방식을 활용하기로 결정했다. 재료의 변형위험이 있지만 이는 가열 온도를 낮춰서 대응해 보기로 결정했다.

직접 가열 방식에도 2가지의 운영 방식이 있다. Parallel flow는 열풍의 온도가 가장 높은 위치에 젖은 물질을 투입하여 접촉시는 방식이다. 물질의 온도보다 열풍의 온도가 훨씬 높아 수분을 빠르게 증발시키고 이후 감소한 가스의 온도는 장비의 온도를 낮춘다. 이로 인해 보다 빠른 건조가 가능하다. Counter flow는 수분이 적고 열에 민감한 소재에 적합한 건조 방식으로 고온의 가스의 반대방향으로 젖은 물질을 주입해 건조기 반대쪽 끝에 건조물질이 배출되는 방식이다. Counter flow는 먼지 발생량이 적다는 장점이 있지만 수해폐기물은 수분함량이 높기 때문에 적합하지 않다고 판단하였다. 드럼의 재질로 사용 가능한 소재로는 탄소강, 스테인레스강, 고탄소합금, 특수합금 등이 있는데, 폐기물 건조 시 부식성 가스 발생 가능성이 있기 때문에 스테인레스강을 사용하는 것이 적합할 것으로 판단했다.

구성 요소 및 작동 원리

MDE는 로타리 드럼 건조기의 하단에 이동을 가능하게 하는 캐터필러를 부착한 형태로 고안되었다. 우선, 로타리 드럼 중앙에 위치한 상대적으로 큰 기어가 그 양 옆에 접한 작은 기어 2개로부터 동력을 제공받아 약 5 rpm의 속도로 회전되며, 건조의 성능을 높이기 위해 로타리 드럼 본체 하단에 위치한 각도조절용 유압장치를 이용해 반응기를 들어올려 3-8도의 경사각을 가하도록 한다. 로타리 드럼의 직경은 1.2 m, 길이는 6 m이며 전단부터 후단까지의 길이는 경사각을 0도로 하였을 때를 기준으로 약 7.5m이다.

그림 12. MDE의 구성요소

표 7. MDE 구성 요소 및 설명

그림 13. MDE의 작동원리

작동 원리는 다음과 같다. 폐기물 투입구로 폐기물을 투입한 뒤 장치의 연료를 사용해 가열실을 가열하고 로타리 드럼의 회전 장치를 작동시킨다. 건조된 폐기물은 폐기물 배출구로 배출되며 증발된 수분은 증기 배출구로 배출된다. 건조 공정은 덮개 위에 부착된 배전반(제어부)를 활용하여 로타리 드럼 내 온도를 모니터링할 수 있는 형태로 설계하였다.

이론적 계산

투입 폐기물 조건 및 건조기 인자 설정

수해폐기물은 폭우, 태풍 등으로 인해 발생한 홍수, 산사태에 휩쓸려 발생한 점을 고려하여 폐기물의 함수율을 가정한다. 일반적인 상황에서 수거되는 폐기물의 평균 함수율이 30%이고 산사태가 발생하기 시작할 때 토사의 함수율이 80%이다. 이 둘의 평균은 55%이고 폐기물 중에는 유리, 고무 등의 평균 함수율이 낮은 물질도 포함되어 있으므로 이보다 낮을 수 있다고 판단하여 50%로 가정하였고 10%까지 건조하고자 한다. 폐기물 온도는 우천시 평균 기온인 25℃로, 비열은 0.3으로 설정하였다. 건조기 입구에서의 습비열은 0.25kcal/kg/℃, 입구 온도 150℃, 출구 온도 85℃로 가정하였다.

표 8. 이론적 계산을 위한 인자와 그 값

참고(별표) : 장우기계(주). “유기성 슬러지 고효율 건조기 개발”(2010). 중소기업기술개발지원사업 최종보고서. p. 27-28

건조에 소요되는 열량 및 공기량

건조물 수분 증발에 필요한 열량은 다음과 같이 계산한다.

위에 작성한 표를 기반으로 식을 계산하면 다음과 같다.

필요한 이론 열량 Q는 (97,500 +431,200 =528,700 kcal ) ⁄ ( hr )이다.

건조에 필요한 공기량 G는 다음과 같이 계산한다.

건조 공기가열에 필요한 열량은 다음과 같다.

이때 열효율은 필요한 이론 열랑에 건조 공기가열에 필요한 열량을 나누에 100%를 곱한 52%이다.

예상 연료비

필요연료는 LNG, 열분해유, 등유를 고려하였다.

LNG 가격은 18 원/MJ이다. 이를 이용해 LNG 사용 시 연료비를 계산하면 다음과 같다.

열분해유의 발열량은 10,920 kcal/kg이며 가격은 2,487 원/kg이다. 이를 이용해 연료비를 계산하면 다음과 같다.

등유의 발열량은 8,790 kcal/L이며 가격은 1,618.49 원/L이다. 연료비는 다음과 같다.

캐터필러 필요 엔진 동력

중심판의 소재는 알루미늄 합금이며 드럼의 소재는 304 스테인리스강이다. 알루미늄 합금의 밀도는 2730 kg/m3 이며 304 스테인리스강의 밀도는 7930 kg/m3이다.이를 활용하며 중삼판의 무게와 드럼의 무게를 구할 수 있다.

로타리 드럼 회전에 필요한 동력

동력은 토크를 통해 구할 수 있으며 토크는 관성모멘트와 각가속도를 곱해 구할 수 있다.

따라서 토크는

이를 통해 마력을 구할 수 있다.

조립도

본 설계의 조립도는 도면 1와 같다. 도면 2는 기어의 위치를 표현하기 위해 설계안에서 덮개가 없는 모습을 나타낸 것이다. 프로토타입 역시 도면 2와 같이 덮개 없이 제작한다. 완제품은 도면 1과 같이 덮개를 포함한다.

부품도

3D 모델링 및 프린팅을 통해 제작한 부품들의 부품도와 각 설명은 아래 내용과 같다. 모든 도면에 나타난 치수는 mm(밀리미터) 단위이다.

로타리 드럼

설계안에서 로타리 드럼 본체의 실제 크기는 내경 1.2 m, 길이 6 m이지만 이를 프로토타입에 적합한 25분의 1 규모로 수정하여 제작하였다. 로타리 드럼의 앞쪽은 가열실과 연결하기 위해 가운데가 뚫린 원판 형태의 뚜껑을 추가 제작하여 끼웠고, 드럼의 뒷쪽은 투입된 폐기물의 배출을 위해 뚫려 있는 형태로 제작하였다. (도면 3)

가열실

가열실은 원통형 몸체와 두 개의 원판형 물체를 조립하여 제작하였다. 앞쪽 원판은 막혀 있는 형태이며 송풍기를 조립한 모터를 부착하기 위해 돌출부를 추가하여 인쇄하였다. 뒤쪽 원판은 로타리 드럼과 연결하기 위해 가운데가 뚫려 있으며, 조립 및 해체가 용이한 형태로 제작하였다. (도면 4)

폐기물 투입구 및 배출구

폐기물 투입구는 짧은 원형 관의 형태로 로타리 드럼 앞쪽에 함입시켜 내경 22 mm로 제작하였다. 폐기물 배출구는 프로토타입으로써 원활한 제작 및 시연을 위해 경첩의 형태를 적용시키고, 상단에 증기 배출구를 포함한 형태로 제작하였다. (도면 5)

롤러

롤러는 회전체가 매끄러운 면 위에서 회전하기 위해 설치하는 부품으로, 롤러(大)를 로타리 드럼 본체에 부착, 롤러(小)를 중심판에 부착하였다. (도면 6)

기어

기어는 로타리 드럼이 회전할 수 있는 동력을 제공하기 위한 부품이다. 기어(大)를 로타리 드럼 본체 중앙에 부착하고, 기어(小)는 소형 DC 모터에 끼운 후 DC 모터를 작동시키면 톱니를 통해 동력이 전달되어 결과적으로 로타리 드럼 본체가 회전하게 된다. 각 기어의 설계 인자는 도면 6과 도면 7의 좌측 상단에 기재하였다. (도면 7 및 도면 8)

제어부 및 회로설계

아두이노 온도 센서 회로도

그림 14. 아두이노 온도 센서 회로도

아두이노 온도 센서 회로도는 그림과 같으며 UNO 아두이노 보드, 아두이노 OLED(0.96인치), 아두이노 DHT11 센서(온도 센서), 전선, 9V 건전지를 사용했다.

-아두이노 보드와 온도센서의 연결 : DHT11 센서에는 총 3개의 핀이 있는데 각각 GND, DATA, VCC이다. GND는 아두이노 보드의 GND 항목과 연결, DATA 항목은 아두이노 보드의 A1에, VCC 항목은 아두이노 보드의 5V항목에 연결한다.

-아두이노 보드와 아두이노 OLED의 연결 : 아두이노 OLED(0.96인치)패널에는 총 4개의 항목이 있는데 GND, VCC, SCL, SDA로 GND는 아두이노 보드의 GND 항목에, VCC는 아두이노 보드 3.3V 항목에, SCL항목은 아두이노 보드의 A5 항목에 SDA 항목은 아두이노 보드의 A4항목에 연결한다.

아두이노 모터 제어 회로도

그림 15. 아두이노 모터 제어 회로도

아두이노 모터 제어를 위한 회로도는 그림과 같으며 UNO 아두이노 보드, 아두이노 L298N 듀얼 모터 드라이버, DC모터 2개, aa 건전지 4개, 전선을 사용했다.

-L298N에 전원 연결 : L298N 모터 드라이버를 다른 기기와 연결하기 전 전기를 공급할 건전지와 연결한다. 모터 드라이버는 배터리 홀더에 끼운 4개의 AA 건전지들과 연결해줘야 하며 모터 드라이버에서 각각 +12V와 GND라고 명시된 구멍에 건전지의 (+)극과 (-)극을 연결해주면 모터 드라이브에 전기가 공급된다.

-L298N에 모터 연결 : L298N에는 각각 OUT1, OUT2, OUT3, OUT4라고 명시된 4개의 단자가 있다. OUT1과 OUT2를 한 쪽 모터에, OUT3와 OUT4를 다른 쪽 모터에 연결한다.

-L298N과 아두이노 연결 : 다음으로 GND, +5V라고 명시된 2개의 단자를 각각 아두이노의 GND와 +5V에 연결한다. 그리고 모터드라이버의 ENA, IN1, IN2, IN3, IN4, ENB 라고 명시된 핀을 아두이노 보드의 ~6, 7, 8, ~9, ~10, ~11번의 디지털 핀에 연결한다.

그림 16. 아두이노 온도 센서 코드

그림 17. 아두이노 모터 제어 코드

자재소요서

표 9. 자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

상세 설계안을 바탕으로 프로토타입은 상세설계 규모의 25분의 1의 크기로 제작하였다. 구매할 수 없는 부품은 3D 모델링 툴을 사용하여 도면을 제작, 인쇄 후 조립하였고, 조경 장식을 위한 잔디매트, 장식용 돌, 한지 및 인체 모형은 구매 후 바로 프로토타입에 사용하였다

부품도의 도면을 바탕으로 로타리 드럼, 가열실, 폐기물 투입구 및 배출구, 기어를 3D 프린팅하여 무선 조종 탱크 나무모형 위에 조립하여 프로토타입을 제작하였다. 건조기 내 열풍 건조를 표현하기 위해 소형 선풍기 팬을 소형 DC 모터에 조립하여 가열실 내에 설치하였고, 반응기 내 온도 모니터링을 표현하기 위해서 로타리 드럼 본체 내에 아두이노 DHT11 센서를 배치하고 외부의 OLED 패널과 연결하였다. 또, 로타리 드럼의 회전을 위해 기어(小)에 소형 DC 모터를 조립하고 이를 로타리 드럼에 부착된 기어(大)와 맞물려 돌아가도록 하였다.

4절지 우드락과 잔디매트, 돌을 이용하여 임시적환장의 바닥을 표현하였고, 한지와 철사를 사용하여 분류 전과 후의 수해폐기물을 표현하였다. 인체 모형의 경우 프로토타입의 스케일을 표현하기 위해 배치하였다.

프로토타입 사진

사진 1. 프로토타입 사진(전체)

사진 2. 프로토타입 사진(우측)

사진 3. 프로토타입 사진(전체)

포스터

그림 18. 발표 포스터

개발사업비 내역서

표 10. 개발사업비 내역서

완료작품의 평가

표 11. 완료 작품 평가표

자체 평가는 실현 가능성, 효율성, 경제성, 공익성과 관련된 5가지 항목을 선정, 각 항목당 20점을 만점으로 하여 진행하였다. 

- 실현가능성 : 로타리 드럼 건조기는 장치 자체의 무게가 매우 크므로 이동, 건조, 회전 시에 기술적 문제가 발생할 수 있으므로 15점을 부여하였다.

- 효율성 : 열풍 건조 기술은 건조 기술 중에서도 열효율이 낮은 기술이기 때문에 다른 건조 기술 대비 에너지(열) 효율성이 좋지 못하다고 평가하여 10점을 부여하였다.

- 경제성 : 임시적환장에 체류 중인 수해폐기물을 건조 처리할 경우 적환장에서 침출수 유출 방지를 위해 사용되는 차수 매트 및 악취, 해충 방지를 위한 소독 약품을 위한 비용을 절감시킬 수 있을 것으로 판단하여 첫 번째 경제성 항목에 관하여 20점을 부여하였다. 또, 수해폐기물을 건조하면 후에 있을 분류 공정 및 운송 과정에서 인건비, 연료비 등을 절감하여 분류 효율 및 재활용율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단하여 두 번째 경제성 항목에 대하여 10점을 부여하였다.

- 공익성 : 임시적환장에 체류 중인 수해폐기물을 건조 처리할 경우 임시적환장에 장기 체류되는 수해폐기물의 양이 현재보다 줄어들고 적환 장소의 빠른 회복을 도울 수 있으므로 인근 주민들의 불편을 해소시킬 수 있을 것으로 판단하여 20점을 부여하였다.

향후평가

1. 본 설계에서는 해양 수해 폐기물은 처리 대상으로 고려하지 않았으나 해양 수해 폐기물의 발생량 또한 상당하기 때문에 해수의 주요 성분인 염소 성분에 대해 내식성이 있는 소재를 사용하여 처리 가능 범위를 확대

2. 적환장 부지 상황에 따라 운용하기에 공간이 협소 할 수 있으므로 소형화 설계와 지역마다 폐기물 발생량이 상이하므로 발생량이 많은 지역에서도 사용 가능하도록 대형화 설계 필요

3. 로타리 드럼 건조기를 운전하기 위해 디젤, 경유 등의 화석연료가 주로 사용됨. 향후 기술 발전이 생긴다면 열분해유, 바이오매스 등의 다양한 재생연료를 활용할 수 있을 것으로 예상

4. 직접 가열 방식의 로타리 킬른을 사용하기 때문에 발생하는 가열가스가 발생하고 가연성 물질 처리 시 화재 발생 가능성이 있다. 이에 대한 안전상의 점검 및 대비가 필요

참고 문헌 및 참고 사이트

국내 문헌

KEITI(2020). 중국환경산업 주간기술동향 2020년 4월 5주차. P.3-4

Raymond A. Serway, Chris Vuille 일반물리학 84~85p, 270~272p 북스힐 2017.3.5

환경부. 재난폐기물 안전관리 지침. 2017. 3. p. 3-10

국내 보고서

이정언(2004). 하수슬러지의 탈수 향상을 위한 열 탈수 연구. 섬진 EST(주) HydroLAB 연구부.

이공훈, 김옥중(2009). 일정온도로 가열되는 원통 형상 슬러지 박막의 건조에 대한 3차원 해석. 한국기계연구원 에너지플랜트 연구본부.

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국내 특허

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황성기(2002). “산업폐기물의 탈수장치”. 특허풀원번호 20-0270984, 출원일 2002.01.15

인터넷 사이트

Everflow. <https://briquettesolution.com/rotary-dryer/>

FEECO INTERNATIONAL사의 ROTARY DRYERS. <https://feeco.com/rotary-dryers/>

Rotary Kiln, 로타리 킬른, 회전로 방식 소각로(2015). (주)쟝선. <https://blog.naver.com/giangson/220530942275>

부하 토크 계산방법. (주)엠씨테크. <https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=mctech0620&logNo=221541833060>

[재료역학] 모터 동력(power) 계산, 슬기나무. < https://study2give.tistory.com/entry/%EC%9E%AC%EB%A3%8C%EC%97%AD%ED%95%99-%EB%AA%A8%ED%84%B0-%EB%8F%99%EB%A0%A5power-%EA%B3%84%EC%82%B0>

환경부문-소각/대기방지시설. (주) 시그마테크놀로지. <http://www.sigma21c.com/default/sub02/01.php?sub=02>

국내 기사

소준철(2022.09.17). “힌남노가 남긴 2차 피해...수해 쓰레기를 어찌할까”. 한국일보. <https://m.hankookilbo.com/News/Read/A2022091215110000564>