KR100484682B1 - 폐액 산화 분해 장치 및 이를 이용한 폐액 산화 분해 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초임계수가 통과하여 산화제를 함유하는 폐액와 직접 접촉할 수 있는 다공성 세라믹관을 내부에 설치하여 초임계수막을 장치 내부 표면에 형성함으로서 부식방지, 무기물 축적 방지, 고비용 방지라는 문제를 동시에 효과적으로 해결할 수 있는 폐액 산화 분해 장치를 제공하는 것으로, 내부 공간을 둘로 분리하는 지지플랜지를 기준으로 상부에 초임계수가 유입되는 초임계수유입구가 형성되고, 하부에 중화수가 유입되는 중화수 유입구가 형성되는 본체; 상기 본체의 상단에 결합되고 폐액이 유입되는 폐액 유입구가 형성되는 밀봉판; 상기 본체의 하단에 결합되고 노즐이 형성된 노즐판; 상기 지지플랜지를 관통한 채 상기 폐액 유입구와 노즐에 연통되고, 측면에 다수개의 미세구멍이 형성되는 세라믹관을 포함한다.

Description

폐액 산화 분해 장치 및 이를 이용한 폐액 산화 분해 시스템{WASTE WATER OXIDATION APPARATUS AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 폐액을 처리하는 장치 및 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 다공성 세라믹관과 초임계수 산화법을 이용하여 유기물이 함유된 폐액을 처리할 수 있는 폐액 산화 분해 장치 및 이를 이용한 폐액 산화 분해 시스템에 관한 것이다.

산업화의 진행에 따라 발생되는 부산물의 대표적인 것으로 여러 산업 현장에서 배출되는 폐액을 들 수 있다. 이러한 폐액의 처리 방안으로 가장 넓게 사용되는 방식은 생물학적 처리 방법이지만 상기 방법은 고농도의 유기물을 함유하거나, 특히 난분해성 유기물 또는 독성 유기물을 함유한 폐액의 처리에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

상기한 문제를 해결하기 위해 최근 초임계수 산화법에 의한 폐액 처리 기술에 관해 많은 기술 연구 및 개발이 진행되고 있다. 상기 초임계수 산화법은 오염물이 존재하는 물 자체를 물의 임계점(온도 374℃, 압력 218 기압) 이상으로 조정하고 산소 또는 공기와 같은 산소원의 존재하에서 오염물을 산화 처리하는 방법으로서, 초임계수에서 산화 반응은 수분 이내에 대부분의 유기 오염물을 99.99% 이상 분해시킬 수 있다. 이 경우 주 생성물은 수증기, 이산화탄소 등이며 최종 수용액 혼합물은 무해하기 때문에 특별한 후처리없이 그대로 배출할 수 있다.

상기한 초임계수 산화 기술은 미국의 에너지성(DOE), 미항공우주국(NASA), 국방성(DOD) 및 육군과 해군연구소 등의 정부와 군 관련 단체에서 대학이나 연구소에 자금을 지원하여 화학 무기와 기타 군사용 화학 제품에서 발생되는 폐액을 처리하기 위한 기술 개발에 주안점을 두어 기술 개발이 진행되어 왔다. 이들 연구 결과들을 폐액 처리에 상업적으로 적용하기 위해 설립된 가장 오래된 회사는 Modar Inc.로 ABB Lummus Crest, 일본의 Organo 등에 기술을 판매한 것으로 알려져 있다. Modar Inc.의 기술은 반응기내에서 초임계 영역과 아임계 영역을 공존시키며, 고형 성분을 아임계영역으로 분리 및 용해시켜 반응기에서 배출되도록 설계되어 있다(미합중국 특허 제 4,338,199호, 제 4,543,190호, 제4,822,497호, 제 5,106,513호, 및 제 5,190,560호). 초임계수 산화 기술의 최초의 상업화 설비는 미국 텍사스의 Huntsman Corp.에 설치된 것으로, 이 설비는 EWT(Eco Waste Technologies)사와 미국 텍사스 주립대학교의 연구 결과로 설치되었다. 일본에서는 1995년 2월 동경의 Toda에 위치한 Organo Corp.의 중앙 연구 시설내에 처음으로 초임계수산화 시험시설이 건설되었다. Organo Corp.의 기술은 미국 Modar사의 기술(처리 용량 1톤/일)을 도입하여 발전시킨 것으로,특히, PCB, TCE, 다이옥신(dioxin)등 난분해성 및 독성 염화 유기물의 분해에 주안점을 두고 연구 개발되고 있다(일본특개평 제 9-85075호).

그러나, 상기한 초임계수 산화법은 이하에서 후술하는 바와 같은 몇가지 문제점이 있어 왔고, 이러한 문제점을 효율적으로 해결하는 것이 주요한 과제로 되어 왔다.

첫째, 가장 큰 문제점은 산화력이 매우 강한 관계로 장치의 부식이 매우 크다는 점이다. 즉, 이러한 부식을 방지하기 위해 고가의 금속 재질을 사용하여야 하므로 장치비가 많이 소요된다는 점이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내부식성 재료로 반응기 내부를 코팅하는 기술들이 개발되어 왔고(미합중국 특허 제 5,461,648호, 제 5,527,471호, 제 5,545,337호), 부식에 잘 견디는 재질로 이중관을 설치하고 압력을 견디는 반응기 외벽은 저가의 금속으로 설치하는 기술도 개발되어 왔다(미합중국 특허 제 5,591,415호, 일본특개평 제 9-085075호, PCT 공개특허 WO 9602471호, WO 9218426호). 그리고, 이중관 내부로 부식성이 없는 물 등을 연속적으로 고르게 주입해 벽면에 부식성 물질이 직접 접촉하지 못하게 하는 기술도 개발되어 왔다(미합중국 특허 제 5,670,040호, 제 5,571,424호, 제 5,571,423호, 및 유럽공개특허 제 708058호). 그러나 상기한 기술들은 부식방지에는 효과적이나 이하의 문제점까지 해결하기에는 미약한 면이 있었으며 무엇보다도 고비용이라는 문제점을 있다.

둘째, 또 하나의 문제점은 초임계 상태의 물에서는 무기물 성분이 석출되어 반응기 벽면에 축적된다는 점이다. 유기물질은 초임계수에서 완전히 용해되는 반면에, 무기물질은 초임계 상태에서 염의 상태로 존재하거나 초임계 산화반응 동안에 생성되어진다. 축적되어 석출되는 고형분은 반응기 내부 벽면을 오염(fouling)시켜 반응기의 장기간 운전을 불가능하게 한다. 상기한 문제점을 해결하기 위해 반응기를 초임계와 아임계 영역으로 유지하면서 고형분들을 녹여서 배출하는 기술이 개발되어 왔고(미합중국 특허 제4,338,199호, 제 4,543,190호, 제 4,822,497호, 제 5,106,513호, 및 제 5,190,560호), 또한 입자들이 유동되면서 벽면에 스케일이 발생되는 것을 방지해주는 기술(미합중국 특허 제 5,543,057호, PCT 공개특허 WO 9418128호) 등과 반응기 운전 조건을 변경하는 방식(PCT 공개특허 WO9519323호, WO 9619415호) 등의 기술이 개발되어 왔다. 그러나 상기한 기술들도 고비용을 창출하고 부식방지에는 미약한 문제점까지 해결하기는 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 초임계수가 통과하여 산화제를 함유하는 폐액와 직접 접촉할 수 있는 다공성 세라믹관을 내부에 설치하여 초임계수막을 장치 내부 표면에 형성함으로서 부식방지, 무기물 축적 방지, 고비용 방지라는 문제를 동시에 효과적으로 해결할 수 있는 폐액 산화 분해 장치 및 이를 이용한 폐약 산화 분해 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 폐액 산화 분해 장치는 내부 공간을 둘로 분리하는 지지플랜지를 기준으로 상부에 초임계수가 유입되는 초임계수유입구가 형성되고, 하부에 중화수가 유입되는 중화수 유입구가 형성되는 본체; 상기 본체의 상단에 결합되고 폐액이 유입되는 폐액 유입구가 형성되는 밀봉판; 상기 본체의 하단에 결합되고 노즐이 형성된 노즐판; 상기 지지플랜지를 관통한 채 상기 폐액 유입구와 노즐에 연통되고, 측면에 다수개의 미세구멍이 형성되는 세라믹관을 포함한다.

그리고 폐액 산화 분해 장치를 이용한 폐액 산화 분해 시스템은 폐액 산화 분해 장치의 폐액 유입구에 연결되어 폐액저장탱크로부터 상기 폐액 유입구로 유입되는 폐액을 가열하는 폐액 가열기; 상기 초임계수 유입구에 연결되어 초임계수 저장탱크로부터 상기 초임계수 유입구로 유입되는 초임계수를 가열하는 초임계수 가열기; 상기 중화수 유입구에 연결되는 중화수 저장탱크; 및 상기 처리수 배출구에 연결되는 처리수 증발기를 포함한다.

이하 본 발명에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 폐액 산화 분해 장치의 구조를 간략하게 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폐액 산화 분해 장치를 이용한 폐액의 산화 분해 과정을 설명하기 위한 구성도이다.

도면에서 알 수 있듯이, 본 발명의 장치는 초임계 반응기(1)로서 크게 내부식성의 합금관(SUS 316과 Hastelloy C 합금)으로 이루어진 본체(11)와, 이 본체(11)의 중심에 있는 세라믹관(12)으로 이루어져 있다.

그리고 본체(11)는 상부본체관(11a)과 하부본체관(11b)으로 구분되는 데, 상부본체관(11a)과 하부본체관(11b)의 사이에는 지지플랜지(25)가 배치되고, 상부본체관(11a)의 상측에는 밀봉판(14)이 상부본체관(11a)의 플랜지에 결합되고, 하부본체관(11b)의 하측에는 노즐(15a)이 형성된 노즐판(15)이 결합된다.

상부본체관(11a)의 상측에는 초임계수유입구(16)가 형성되고, 하부본체관(11b)의 상측에는 중화수유입구(17)가 형성된다.

이러한 본체(11)의 중심에는 측면에 다수개의 미세한 구멍이 형성된 세라믹관(12)이 지지플랜지(25)에 삽입된 채로 밀봉판(14)과 노즐판(15)에 양단이 지지된다.

지지플랜지(25)는 하부본체관(11b)의 상부 플랜지와 결합되어 상부본체관(11a)과 하부본체관(11b)을 공간적으로 분리하게 되며, 지지플랜지(25)와 세라믹관(12)이 밀착 결합됨으로써 초임계수유입구(16)로 유입되는 초임계수와, 중화수유입구(17)로 유입되는 중화수를 상호 혼합되지 않는다.

상술한 노즐판(15)의 하측에 볼팅되는 배출통(18)은 하부와 측면에 처리수를 배출하는 처리수배출구(19)가 형성된다.

상기한 상부본체관(11a)과 하부본체관(11b) 그리고 배출통(18)의 외측에는 온도측정기(20)가 설치되어 각 공간에서의 온도를 측정하게 된다.

이상과 같이 구성되는 초임계 반응기(1)는 도 2에 도시한 바와 같은 폐액 산화 분해 시스템에 포함되어 폐수 및 폐액을 처리하게 된다.

그 처리되는 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

초임계 반응기(1)는 내부조건이 물의 압력이 220 내지 350 기압 및 온도 400 내지 600℃, 일례로 물의 임계압력 218기압과 물의 임계온도(374℃) 이상으로 유지되는 상부본체관(11a)에 해당하는 상부영역; 내부조건이 압력이 220 내지 350 기압 및 온도 25 내지 200℃, 일례로 218 기압 이상 및 374℃ 미만인 하부본체관(11b)에 해당하는 하부영역; 그리고 처리수가 배출되어지는 배출통(18)에 해당하는 배출영역으로 구분할 수 있다. 따라서 상부영역은 초임계 상태를 유지하고, 하부영역과 배출영역은 아임계 상태를 유지하게 된다.

상기 상부영역의 최상부에는 세라믹관(12)에 연통되는 폐액 유입구(13)가 밀봉판에 설치된다. 산화제를 함유한 폐액은 폐액저장탱크(21)에 일시 저장되었다가 고압 주입용 펌프(22)를 통하여 물의 임계 압력(218 기압) 이상의 운전압력까지 상승된 후 폐액 가열기(23)에서 온도 250 내지 300 ℃까지 가열된 후 상기 폐액 유입구(13)를 거쳐 본 발명의 장치, 즉 초임계 반응기(1)로 유입되어진다.

상기 폐액 가열기(23)에서 폐액 유입구(13)까지의 이송관(24)에는 열의 외부로의 방출을 막기 위하여 단열처리가 되어 있다. 유기물을 함유한 폐액으로는 폐수, 오수, 슬러지 및 유기성 폐액 등이 될 수 있고, 산화제로는 산소, 공기, 산소를 포함한 기체, 과산화수소 수용액 또는 오존 및 산소를 포함한 액체를 사용할 수 있다.

또한, 상기 상부영역의 상부본체관(11a)의 원통면 상단에는 초임계수가 유입되는 초임계수 유입구(16)가 형성되어 있는 데, 초임계수는 초임계수 저장탱크(31)에 일시 저장되었다가 고압 주입용 펌프(32)를 통하여 물의 임계 압력(218 기압)을 훨씬 초과할 때까지 승압된 후 초임계수 가열기(33)에서 온도 550 내지 600 ℃까지 가열된 다음, 상기 초임계수 유입구(16)를 거쳐 초임계 반응기(1)의 상부영역으로 유입되어진다.

상기 초임계수 가열기(33)에서 초임계 반응기(1)까지의 이송관(34)에는 열의 외부로의 방출을 막기 위하여 단열처리가 되어 있다. 상부영역으로 유입되는 폐액은 물의 초임계온도 미만으로 유입되지만 유입되는 초임계수의 온도가 상기한 바와 같이 550 내지 600℃이므로 초임계반응을 위한 초임계조건에는 영향을 미치지 않고 오히려 상부영역의 최상부에서 폐액을 효과적으로 예열함으로서 열의 효율적인 사용을 할 수 있도록 하는 작용을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 세라믹관에서의 초임계수와 산화제를 함유하는 폐액의 이동흐름을 나타내는 확대단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 초임계영역으로 유지되는 상부영역의 본체(11)의 중앙에는 세라믹관(12)이 구비된다.

상기 세라믹관(12)은 미세한 구멍들이 무수히 뚫려있는 다공성 관으로서, 상기 초임계수 유입구(16)로부터 유입된 초임계수가 외측에서 내측으로 통과하여 상기 세라믹관(12)의 내부 및 내부 표면에서 상기 산화제를 함유한 폐액과 산화반응을 효과적으로 할 수 있도록 한다. 이와 동시에 세라믹관(12)에 뚫려 있는 미세한 구멍들은 초임계수가 세라믹관(12)의 외부에서 하나의 초임계수막을 형성하도록 함으로서 산화제를 함유한 폐액중에 세라믹관(12)을 통과할 수 있을 정도의 미세한 물질이 있을 지라도 본체(11)에 도달할 수 없도록 하여 본체(11)의 부식 및 무기물질의 반응기 오염(fouling)을 방지한다.

나아가 미세한 구멍에 의해 형성된 초임계수막은 초임계영역에서 초임계수에 염의 상태로 존재하는 무기물질을 일부 흡착하여 초임계수의 폐액 중의 유기물질의 산화에 효율적이도록 하는 작용을 한다.

또한, 세라믹관(12)의 상부영역은 열의 반응기 외부로의 방출을 막기 위하여 단열처리가 본체(11)를 둘러싸여 이루어져 있다.

상기한 바와 같이 상부영역에서 초임계 산화반응을 마친 폐액은 중력에 의해 아임계상태로 유지되는 하부영역으로 이동한다. 하부영역의 본체(11)에는 약 25℃의 중화수가 유입되는 중화수유입구(17)가 구비되어 있다. 중화수는 도 2에 도시한 바와 같이, 중화수 저장탱크(41)에 일시 저장하였다가 고압 주입용 펌프(42)를 통하여 물의 임계 압력(218 기압) 이상의 운전압력까지 상승된 후 상기 중화수유입구(17)를 통하여 하부영역으로 유입된다.

상기 상부영역과 마찬가지로 초임계 반응기(1)의 하부영역에서도 폐액은 다공성의 세라믹관(12)의 내부 및 내부 표면에서 중화수와 효율적으로 반응하여 무해한 성분으로 전환되며 세라믹관(12)의 외부로 폐액이 나가지 않도록 하나, 상부영역과 달리 폐액 중의 무기성분은 아임계영역 이하에서는 염의 상태가 아닌 물에 용해된 상태로 존재하게 된다.

중화된 폐액, 즉 처리수는 중력에 의해 하부영역에서 임계영역 이하로 유지되는 배출영역으로 이동하는 데 그 입구는 노즐(nozzle, 15a)로서 뾰족하게 되어 있어 처리수의 유속을 증가시키는 역할을 한다.

배출영역은 임계조건 미만으로 유지되는 영역으로서, 상부 및 하부영역과 달리 내부에 세라믹관(12)이 구비되어 있지 않고, 측면 및 하부에 처리수배출구(19)가 구비되어 있다.

처리수 중에 용해되어 있는 무기물질은 무게가 무거워 가라앉고 따라서 하부의 하부 처리수배출구(19)로 배출되고, 이후 도 2에 도시한 바와 같이 냉각수가 공급되어지는 처리수 증발기(51)로 이송되어진 후 일부는 고압 주입용 펌프(52)에 의해 가압된 후 중화수와 혼합되어 상기 하부영역으로 주입되어 순환하고 일부는 외부로 배출되고 일부는 분석을 위해 분석기로 보내진다. 처리수 중의 무기물질을 제외한 처리수는 측면의 측면 처리수배출구(19)로 배출된 후 냉각수가 공급되는 처리수 증발기(53)로 이송되고 이후 처리수 저장탱크(54)로 이송되어지고 이후 외부로 배출되어진다.

상기한 본체(11)의 외부에는 온도측정기(20)가 다수 구비되어 있어 초임계영역, 아임계영역, 배출영역에 적당한 조건을 이루도록 제어 및 운전할 수 있도록 하고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 내부식성의 합금관으로 이루어진 본체와 유기물질의 초임계 산화반응을 효율적으로 할 수 있어서 부식방지와 고비용 방지를 할 수 있다.

또한 세라믹관의 미세한 구멍들의 외측에서 초임계수막을 형성함으로서 초임계수 처리를 처리하는 과정에서 문제로 되었던 부식을 방지할 수 있게 된다.

나아가 폐액 처리의 효율에 있어서 고효율 및 고순도로 처리할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 폐액 산화 분해 장치의 구조를 간략하게 나타낸 단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 폐액 산화 분해 장치를 이용한 폐액 산화 분해 시스템을 설명하기 위한 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 세라믹관에서의 초임계수와 산화제를 함유하는 폐액의 이동흐름을 나타내는 확대단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

1 : 초임계 반응기 11 : 본체

12 : 세라믹관 13 : 폐액 유입구

14 : 밀봉판 15a : 노즐

15 : 노즐판 16 : 초임계수 유입구

17 : 중화수 유입구 18 : 배출통

19 : 처리수배출구 20 : 온도측정기

21 : 폐액저장탱크 22, 32, 42, 52 : 고압 주입용 펌프

23 : 폐액 가열기 24, 34 : 이송관

31 : 초임계수 저장탱크 33 : 초임계수 가열기

41 : 중화수 저장탱크 51, 53 : 처리수 증발기

54 : 처리수 저장탱크

Claims (6)

1. 내부 공간을 둘로 분리하는 지지플랜지를 기준으로 상부에 초임계수가 유입되는 초임계수유입구가 형성되고, 하부에 중화수가 유입되는 중화수 유입구가 형성되는 본체;

   상기 본체의 상단에 결합되고 산화제를 함유하는 폐액이 유입되는 폐액 유입구가 형성되는 밀봉판;

   상기 본체의 하단에 결합되고 노즐이 형성된 노즐판;

   상기 지지플랜지를 관통한 채 상기 폐액 유입구와 노즐에 연통되고, 측면에 다수개의 미세구멍이 형성되는 세라믹관; 및

   상기 노즐판에 결합되어 상기 노즐과 연통되고, 처리수를 배출하는 처리수 배출구가 형성된 배출통

   을 포함하는 폐액 산화 분해 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 초임계수 유입구로 유입되는 초임계수의 온도는 550 내지 600℃ 인 폐액 산화 분해 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 초임계수가 유입되는 밀봉판과 지지플랜지 사이 내부공간의 조건은 220 내지 350 기압, 400 내지 600℃ 인 폐액 산화 분해 장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 중화수가 유입되는 지지플랜지와 노즐판 사이 내부공간의 조건은 220 내지 350 기압, 25 내지 200℃ 인 폐액 산화 분해 장치.
6. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 기재된 폐액 산화 분해 장치를 이용한 폐액 산화 분해 시스템에 있어서,

   상기 폐액 산화 분해 장치의 폐액 유입구에 연결되어 폐액저장탱크로부터 상기 폐액 유입구로 유입되는 폐액을 가열하는 폐액 가열기;

   상기 초임계수 유입구에 연결되어 초임계수 저장탱크로부터 상기 초임계수 유입구로 유입되는 초임계수를 가열하는 초임계수 가열기;

   상기 중화수 유입구에 연결되는 중화수 저장탱크; 및

   상기 처리수 배출구에 연결되는 처리수 증발기를 포함하는 폐액 산화 분해 시스템.