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2023년 12월 18일 (월) 04:38 판

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

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.

특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 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

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

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

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

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)

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)

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.

기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 *전 세계적인 기술현황
-내용
+◇ 로타리 킬른(Rotary Kiln)
+˚-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.
 *특허조사 및 특허 전략 분석
-내용
+◇ 슬러지 건조화 기술
+ 수해 폐기물 특성상 수분 함유량이 높다는 공통점을 이용해 슬러지 건조 기술을 활용할 수 있을 것으로 판단하였다.
+. 드럼식 건조: 직접가열과 간접가열 모두 사용 가능. 유입된 슬러지는 기류를 따라 일정 속도로 회전하며 이동하면서 점차적으로 건조됨.
+. 디스크식 건조: 간접가열 방식. 외부 열원으로 버너를 가열한 후 크레인 구조로 된 디스크에 열에너지를 전달하며 내부가 회전.
+. 원심 건조: 기계의 원심력을 이용하여 탈수한 후 배출된다. 고열 상태의 뜨거운 공기가 건조기 내부로 유입되어 슬러지는 고형질 백분율 80%까지 건조됨.
+. 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
+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
+ 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
+◇ 수분을 가진 폐기물 탈수장치 및 그 탈수장치를 이용한 탈수시스템(10-2005-0116234)
+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)
+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)
+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.
 *기술 로드맵
 내용