국내 하수슬러지 발생량은 매년 증가하고 있으며, 2011년 말 기준 하루 평균 8,739 ton이 발생된다. 이 중, 약 42 %가 해양투기로 처리되고 있지만 런던협약이 발효됨에 따라 국내에서는 2012년부터 하수슬러지의 해양투기가 전면 금지된다. 이에 따라 2012년부터 하수슬러지는 육상에서 처리해야 하며 이를 위하여 새로운 대안들을 찾는 노력이 현재 광범위하게 진행되고 있다. 하수슬러지의 육상 처리를 위한 강력한 대안으로 열화학적 전환공정 중 하나인 가스화 기술이 대두되고 있는데, 가스화는 하수슬러지의 유기성분들을 H2, CO, CH4 등이 혼합된 프로듀서 가스 (producer gas)로 전환시켜 보일러에 적용하여 열원 회수 및 내부연소엔진, 가스터빈 및 연료전지 등에 활용하여 전기를 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 이러한 가스화가 이루어지는 동안 필연적으로 동반하여 다량 생성되는 타르 (tar)는 전력생산 장치, 가스화 장치 설비와 배관 등에 부식과 막힘 현상을 유발하기 때문에 이를 저감하는 연구가 가스화 장치의 상용화를 위해서 매우 중요하다.
본 연구에서는 하수슬러지 가스화 시 발생하는 타르 및 NH3를 획기적으로 저감하고 생산 프로듀서 가스 내 높은 H2 함량을 이루기 위해, 기포 유동층 하부반응기와 타르 분해 상부반응기로 구성된 이단 가스화기 (two-stage gasifier)에서 다양한 운전변수들을 가지고 건조하수슬러지의 공기 가스화를 수행하였다.
모래를 유동층 물질 (fluidized bed material)로 사용한 가스화 실험에서는 이단 가스화기 중 상부반응기에 자연적으로 발생된 광물 중 소성 천연 제올라이트 (calcined natural zeolite), 소성 올리빈 (calcined olivine), 소성 돌로마이트 (calcined dolomite)와 바이오매스 유래 활성탄 (biomass-based activated carbon) 및 석탄 유래 활성탄 (coal-based activated carbon) 등의 다양한 첨가제들을 투입하여 이들의 타르 저감 능력을 확인하고자 하였다. 이와 더불어 석탄 유래 폐활성탄 (spent coal-based activated carbon)과 소성 폐돌로마이트 (spent calcined dolomite)의 타르 저감에 대한 재사용 가능성 (reuseability)을 확인하고자 하였다.
유동층 물질로써 모래 대신 소성 돌로마이트를 투입한 가스화 실험에서는 프로듀서 가스 내 높은 H2 생산 및 타르 저감을 위해 소성 돌로마이트와 ash의 양, 상부반응기 내의 첨가제, 하수슬러지 내의 수분함량 변화를 운전변수로 선택하였다.
마지막으로 유동층 물질로 올리빈을 사용한 가스화 실험에서는 올리빈의 소성방법, 구조적 특성 (textural property)이 다른 두 종류의 석탄 유래 활성탄의 영향, 타르 저감 및 비활성화 (deactivated)된 석탄 유래 활성탄의 재생 (regeneration)을 위해 개질제 (reforming agent)로 사용된 CO2와 스팀의 주입량 변화와 상?하부반응기 사이에 니켈로 도금된 분산판의 이용 등을 반응변수로 선택하였다.
먼저, 재사용된 석탄 유래 폐활성탄과 소성 폐돌로마이트가 사용된 실험에서는 H2 및 CO 함량과 타르 제거율이 첨가제를 사용하지 않은 실험에서보다 여전히 높아 이들 폐 첨가제들의 활성이 계속 유지되는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 유동층 물질로써 사용된 소성 돌로마이트와 상부반응기 내 석탄 유래 활성탄의 조합을 통한 가스화 실험에서는 총 타르 양이 모래만 사용된 실험에서 보다 약 91 % 나 저감되는 결과를 도출할 수 있었다. 모래를 유동층 물질로 사용한 실험에서 생성된 프로듀서 가스들의 저위발열량은 모두 9 MJ/Nm3 이상이었다. 상?하부반응기에 각각 석탄 유래 활성탄과 소성 돌로마이트의 조합과 30 %의 수분을 함유하는 건조하수슬러지 가스화에서는 다른 실험들에 비해 가장 높은 타르 제거율 (88.4 %)과 H2 생산 (32 vol.%)이 이루어졌다. 또한 유동층 물질로써 사용된 천연 올리빈과 상부반응기 내 첨가제로써 사용된 석탄 유래 활성탄 그리고 상?하부반응기 사이에 니켈로 도금된 분산판을 삽입한 실험에서는 생성된 프로듀서 가스 내 타르 함량 (10 mg/Nm3)과 NH3 함량 (11 ppm)이 하부반응기에 소성 올리빈만 사용된 실험들의 결과 (타르: 2082-2874 mg/Nm3, NH3: 702-876 ppm)보다 상당히 감소되는 것을 확인하였다. 또한 STF (steam to fuel ratio) 1.11에서 수행된 가스화 실험에서의 타르 제거율과 프로듀서 가스 내 H2 함량은 각각 98 %와 34 vol.%로 모든 실험결과들에 비해 가장 높았으며, 이 실험 후 회수된 석탄 유래 활성탄의 비표면적 (surface area)과 총 세공 용적 (total pore volume)은 개질제가 투입되지 않은 실험에서 회수된 석탄 유래 활성탄의 값들보다 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 가스화 동안 사용된 석탄 유래 활성탄의 재생이 일어난 것을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 하수슬러지 가스화의 안전한 운전이 가능하였으며, 매우 낮은 타르와 NH3 함량 및 높은 H2 농도를 갖는 프로듀서 가스를 생산할 수 있었다. 또한 비록 짧은 운전시간 동안의 결과이지만 이단 가스화기 및 첨가제의 활용을 통해 가스엔진과 연료전지 등에 적용하여 전력생산이 가능할 정도의 프로듀서 가스를 생산할 수 있었다는 것은 매우 고무적인 결과였다. 앞으로 장시간 가스화 운전 연구 결과에 따라 본 공정의 상업화가 판가름 날 것으로 판단된다.

Sewage sludge production in South Korea is continually increasing every year, amounting to 8.7 ton/d in 2011. In 2011, about 42 % of the country’s sewage sludge was disposed via ocean dumping. With the enforcement of the London Convention, however, ocean dumping will be strongly limited from 2012. Therefore, new alternatives are necessary for treatment of sewage sludge on land, and much attention is being paid to gasification among thermo-chemical conversion processes. Gasification can convert sewage sludge into combustible gases, such as H2, CO and CH4 that can be used in boilers, in internal combustion engines or turbines and fuel cells to produce electricity. However, during gasification, tar formation as an undesirable matter can cause blocking and fouling of process equipments such as pipes and valves in gas engine and turbines. Hence, tar removal is necessary and important to successfully operate gasification.
In this study, to remove tar and ammonia and to improve producer gas quality, the air gasification of dried sewage sludge was performed with various operating conditions in a two-stage gasifier that consisted of a bubbling fluidized bed (lower-reactor applied bed materials, such sand, calcined dolomite and olivine) and a tar-cracking zone (upper-reactor applied coal-based activated carbon and so on).
In experiments with sand as bed material, by supplying various additives in the upper reactor of the two-stage gasifier, tar could be reduced. Additives used for the experiments are natural occurring materials, such as zeolite, olivine and dolomite, and biomass-based activated carbon and coal-based activated carbon. In addition, the reusability of spent activated carbons and calcined dolomites also investigated.
Secondly, in experiments with calcined dolomite as bed material, the amount of bed materials, the kind of additives in the upper-reactor, and the moisture content in the sewage sludge were selected as operating variables in order to investigate their effects on the development of the producer gas characteristics, such as included the hydrogen production and tar content in the producer gases.
Finally, in the experiments with olivine as bed material, three kinds of olivine obtained with different calcination methods, two kinds of coal-based activated carbon having different textural properties in the upper-reactor, the amount of the CO2 and steam, and the use of nickel-coated distributor between lower reactor and upper reactor were tested to investigate their effects on the development of the producer gas characteristics and reduction of tar and ammonia.
Firstly, in the results of experiments with sand as bed material, H2 and CO contents and tar removal efficiency with used spent coal-based activated carbons and spent calcined dolomites were still better than those without additive experiment. Most LHVs of producer gases had above 9 MJ/Nm3. Furthermore, total tar amount generated from the experiment with the combination of calcined dolomite as the bed material and coal-based activated carbon in the upper reactor was 91.0 % less than that generated without any additive in the upper-reactor and only sand as the bed material in the gasifier.
Secondly, gasification results of the dried sewage sludge sample containing 30 wt.% of moisture with a combination of calcined dolomite as the bed material and coal-based activated carbon in the tar-cracking zone resulted that the total tar removal efficiency and the H2 content in the producer gas reached 88.4 % and 32.1 vol.%, respectively.
Finally, in the experimental results with natural olivine as bed material, the contents of tar and ammonia in producer gas were significantly reduced from 2020-2874 mg/Nm3 and 702-748 ppm (Runs without activated carbon) to 10 mg/Nm3 and 11 ppm (Run 32 with coal-based activated carbon in the upper-reactor and a Ni-coated distributor), respectively. In addition, at a STF (steam to fuel ratio) of 1.11, tar removal efficiency was up to 98 % and the H2 content was the highest with a value of 34 vol.%. Moreover, BET surface area and total pore volume of coal-based activated carbon obtained after the experiment carried out at STF 1.11 were larger than those of used activated carbon after the experiment performed without any reforming agents. The above results could indicate that deactivated coal-based activated carbon could be regenerated at least in the early phase of gasification phase.
In summary, air gasification of dried sewage sludge was stably possible to operate in this research. Moreover, though short operation duration of about 90 min in our gasification experiment, the producer gas with very low tar and NH3 content and a high H2 content produced through the utilization of two-stage gasifier and additives, which could be applied to gas engine and fuel cell for energy production. In the near future, the commercialization of this gasification plant will be decided by the long-term operation of gasification using two-stage gasifier with additive.