하수슬러지 처리를 위한 다축 스크류 난류 접촉식 건조기의 최적 설계 연구

A Study on the Optimum Design of Multiple Screw Type Dryer for Treatment of Sewage Sludge

본 연구는 유 무기성 폐기물 처리를 위한 다축스크류 난류접촉식 고효율 건조기의 최적 설계를 위한 연구의 일환으로 실험적 연구와 수치해석적 연구를 통하여 건조기 내부의 열유동 메카니즘을 규명하고 건조효율을 높일 수 있는 설계 기준을 제시 하고자 수행되었다. 사용된 건조기의 대표적인 특성은 건조용 가스의 바이패스 시스템으로 연소를 통해 얻어진 고온의 가스가 다축 스크류 내부 축을 따라 흐르면서 분공을 통해 고속으로 슬러지 내부로 분출되면서 열풍 건조를 하게 되는 것이다. 다양한 열원의 적용이 가능하고 고온 난류 분사식으로 높은 건조속도를 갖고 있으며 고점성 물질에도 적용이 가능한 것이 장점이다. 여기서 건조가스의 분배는 슬러지를 체적 가열하는 한편 슬러지가 뭉치지 않고 지속적으로 열과 물질 전달을 원활하게 하는 기공을 유지하도록 해야 한다. 실험결과 하수슬러지 200 kg/hr를 처리하는데 스크류를 1 rpm으로 회전시킬 때 적정 체류시간은 100분 정도로 나타났다. 또한 다양한 열량 공급 결과 150,000 kcal/hr로 공급한 경우 높은 건조효율을 유지하면서 잉여 열량공급으로 인한 과도한 열피로 및 열량의 낭비를 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 유 무기성 슬러지의 설계기술 및 건조효율 향상을 위한 건조가스의 유동 및 온도분포를 수치해석적 연구를 통하여 계산하였으며 연소실과 건조실의 온도계산 결과는 실험 자료와 매우 유사하게 나타나서 성공적으로 비교검증을 수행하였으며, 향후 물질전달에 대한 세부적인 모델을 적용하여 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.

The purpose of this study is to investigate basically the mechanism of heat transfer by the resolution of complex fluid flow inside a sophisticated designed screw dryer for the treatment of sewage sludge by using numerical analysis and experimental study. By doing this, the result was quite helpful to obtain the design criteria for enhancing drying efficiency, thereby achieving the optimal design of a multiple screw type dryer for treating inorganic and organic sludge wastes. One notable design feature of the dryer was to bypass a certain of fraction of the hot combustion gases into the bottom of the screw cylinder, by the fluid flow induction, across the delicately designed holes on the screw surface to agitate internally the sticky sludges. This offers many benefits not only in the enhancement of thermal efficiency even for the high viscosity material but also greater flexibility in the application of system design and operation. However, one careful precaution was made in operation in that when distributing the hot flue gas over the lump of sludge for internal agitation not to make any pore blocking and to avoid too much pressure drop caused by inertial resistance across the lump of sludge. The optimal retention time for rotating the screw at 1 rpm in order to treat 200 kg/hr of sewage sludge was determined empirically about 100 minutes. The corresponding optimal heat source was found to be 150,000 kcal/hr. A series of numerical calculation is performed to resolve flow characteristics in order to assist in the system design as function of important system and operational variables. The numerical calculation is successfully evaluated against experimental temperature profile and flow field characteristics. In general, the calculation results are physically reasonable and consistent in parametric study. In further studies, more quantitative data analyses such as pressure drop across the type and loading of drying sludge will be made for the system evaluation in experiment and calculation.