파일럿 검정을 통한 열풍 건조 및 융합 건조 성능 평가 연구 = A study on performance evaluation of hot air and microwave convergence drying for sewage sludge through pilot testing

국문 초록 (Abstract)

하수슬러지는 높은 함수율과 강한 점착성, 그리고 결합수(bound water)의 존재로 인해 기존의 기계적 탈수나 단순 열풍 건조 방식으로는 처리에 한계가 있다. 특히 열풍 건조는 표면 경화 현상으로 인해 내부 수분 제거 효율이 떨어지고 과다한 에너지가 소요되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 가열 방식인 열풍 건조와 내부 가열 방식인 마이크로파 건조를 결합한 벨트 컨베이어형 열풍-마이크로파 융합 건조 시스템을 제안하고, 파일럿 규모의 실증 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 연구 결과, 열풍과 마이크로파를 동시에 적용한 융합 건조 공정이 단일 열풍 건조 공정에 비해 건조 속도와 수분 제거 효율 면에서 월등한 성능을 보였다. 마이크로파 에너지는 슬러지 내부의 수분과 선택적으로 반응하여 열을 발생시킴으로써 내부 수분의 표면 이동을 가속화하였고, 이는 열풍에 의한 증발 작용과 시너지를 일으켜 전체 건조 시간을 획기적으로 단축시켰다. 또한 벨트 컨베이어 시스템은 슬러지의 이송 속도와 두께를 정밀하게 제어하여 연속 공정의 안정성을 확보하는 데 기여하였다. 본 연구는 융합 건조 기술이 하수슬러지의 감량화 및 자원화 효율을 극대화할 수 있는 실질적인 대안임을 입증하였으며, 향후 상용화 설비 설계를 위한 중요한 기초 데이터와 최적의 운전 인자를 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Efficient management of sewage sludge is a critical challenge due to its high moisture content, viscosity, and the presence of bound water, which limit the effectiveness of conventional mechanical dewatering and hot air drying methods. Specifically, hot air drying often suffers from low energy efficiency and slow drying rates caused by surface hardening (case hardening), which hinders the removal of internal moisture. To overcome these limitations, this study proposes a Belt Conveyor-type Hot Air and Microwave Convergence Drying System that combines surface heating (hot air) with volumetric heating (microwave) and evaluates its performance through pilot-scale experiments.

The results demonstrated that the convergence drying process significantly outperformed the single hot air drying process in terms of drying rate and moisture removal efficiency. Microwave energy selectively heated the moisture inside the sludge, creating an internal vapor pressure that accelerated the migration of water to the surface, where it was effectively evaporated by the hot air. This synergistic effect drastically reduced the drying time. Furthermore, the belt conveyor system allowed for precise control of residence time and sludge thickness, ensuring operational stability for continuous processing.

This study confirms that the proposed hybrid drying technology is a viable and energy-efficient solution for sewage sludge reduction and resource recovery. The findings provide essential baseline data and optimal operational parameters for the design and scale-up of commercial drying facilities.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서 론 1
• 1.1 하수슬러지 발생 구조와 처리 문제의 본질 1
• 1.2 기존 건조 기술의 구조적 한계 2
• 1.3 열전달 메커니즘 전환의 필요성 5
• 제2장. 이론적 배경 13
• 2.1. 하수슬러지 개요 13
• 2.1.1 하수슬러지의 개념 13
• 2.1.2 공정별 하수슬러지 분류와 성상 차이 13
• 2.1.3 하수슬러지의 물리·화학적 특성과 건조와의 직접 연계 14
• 2.2. 유기성 폐자원 16
• 2.2.1 유기성 폐자원 정의 및 범위 16
• 2.3. 하수슬러지 처리기술 17
• 2.3.1 고형화 17
• 2.3.2 건조기술 17
• 2.3.3 소각 21
• 2.3.4 시멘트 연료화 24
• 2.3.5 용융 24
• 2.3.6 토양화 25
• 2.4. 생활폐기물과의 혼소 26
• 2.4.1 개요 26
• 2.4.2 탈수슬러지의 직접투입에 의한 혼소 26
• 2.4.3 건조후 혼소 27
• 2.5. 건조이론 27
• 2.5.1 열풍건조의 원리 27
• 2.5.2 건조기술 종류 28
• 2.5.3 슬러지의 수분분포에 따른 건조이론 28
• 2.5.4 열풍건조 국내·외 연구 현황 33
• 2.6. 건조 36
• 2.6.1 건조원리 36
• 2.6.2 건조모델 40
• 2.6.3 습윤공기의 성질 43
• 2.6.4 건조재료의 성질 45
• 2.6.5 건조속도 48
• 2.6.6 열전달계수 51
• 2.7. 고습도 건조원리 및 특성 59
• 2.7.1 고습도 건조원리 59
• 2.7.2 고습도 건조특성 60
• 2.8. 건조기 이송시스템 61
• 제3장. 실험 및 방법 65
• 3.1. 고습도 건조원리 및 특성 65
• 3.1.1 열풍+마이크로파 융합 건조장치 67
• 3.1.2 고습도 건조특성 60
• 3.2. 시료 69
• 3.3. 실험방법 70
• 제4장. 실험결과 및 고찰 72
• 4.1 컨베이어 벨트 건조기의 전열면적 실험결과 72
• 4.1.1 건조기 전열면적 산정 및 피건조물 두께별 함수율 변화 72
• 4.1.2 컨베이어 열풍건조기 피건조물 투입두께별 건조효율 73
• 4.2 컨베이어 열풍건조기의 이송량 검증 75
• 4.2.1 컨베이어 벨트 하수슬러지 MRT 75
• 4.2.2 컨베이어 벨트 하수슬러지 hold-up 산정 76
• 4.3 컨베이어 벨트 건조기 열풍가열 시간에 따른 온도변화 79
• 4.3.1 열풍공급에 따른 온도변화 79
• 4.3.2 투입 피건조물 함수율에 따라 온도 변화 80
• 4.3.3 열풍+마이크로파 융합공정에 따른 온도변화 81
• 4.4 컨베이어 벨트 건조기 체류시간에 따른 함수율 변화 84
• 4.5 열풍 및 열풍+마이크로파 융합건조 효율 특성 90
• 4.6 열풍+마이크로파 융합공정의 전략강도에 따른 함수율의 변화 92
• 4.7 컨베이어 벨트형 건조기 열단위면적 열전달계수 모델평가 97
• 4.7.1 단일열풍과 마이크로파 융합 건조기내 온도별 총괄열전달계수 97
• 4.7.2 단일열풍 공정 총괄열전달계수 시뮬레이션 검증결과 99
• 4.7.3 열풍+마이크로파 융합공정 총괄열전달계수 시뮬레이션 검증결과 103
• 4.8 컨베이어 벨트의 열풍 및 융합공정 TGA 건조특성 106
• 제5장. 결론 110
• 참고문헌 114
• Abstract 124