KR20000066163A

KR20000066163A - 열분해용융에 의한 무기성 폐기물의 처리

Info

Publication number: KR20000066163A
Application number: KR1019990013050A
Authority: KR
Inventors: 박재형; 이민선
Original assignee: 박재형; 이민선
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-11-15

Abstract

무기물의 함유비가 높은 폐기물(소각재,석면류등)의 처리에 만족할만한 안전하고, 효율적인 처리방안의 개발이 미흡하여 문제로 대두되고 있는 지금, 처리 대상물(소각재중 비산재등)에 다이옥신등 독성물질 함유가 알려지기 시작하여 처리방안에 더욱 심각한 문제로 초래해 왔다. 이러한 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 방법으로 프라즈마의 초고온의 온도와 환원,중성,산화의 복합적인 반응조건을 활용하여 환경 친화적인 열분해의 환원조건과, 가연성분(탄소분)의 투입 및 부분산화로 인한 에너지 절약효과, 그리고 용융에 의해 감량화와 재활용 가능한 슬러그의 생산을 목적으로 한다.

Description

열분해용융에 의한 무기성 폐기물의 처리

무기물이 주성분인 폐기물은 Al₂O₃, SiO₂, CaO의 삼성분이 주성분이며 여기에 기타 성분이 첨가되며 각각의 성분에 의해 용점이 달라진다. 특히 소각재중에는 미연소 탄소분이 소각방식과 소각로의 성능에 따라 다르나 2-10% 정도 함유되었으며, 문제시되는 다이옥신류는 20-50ng/Sm³정도 검출되고 있다 .본발명은 이러한 유해물질을 안전하게 그리고 높은 분해율 (다이옥신류 의 분해율 99.999-99.99999%),에너지 절약,저 질소산화물의 배출을 목표로 한다

이를 달성하기 위해 과거의 프라즈마나 기타방식(화석연료 연소방식, 전기 사용방식)에서의 용융로에 연소용 공기을 공급하여 산화시켜 그 연소열을 이용하는 산화공정에서 미연소 탄소분 또는 첨가한 탄소분,그리고 스팀의 주입, 수소분의 공급을 위해 L.N.G나 L.P.G.등 탄화수소 가스연료 주입시켜 열분해하는 환원공정으로처분하는 방식과 필요에 따라서은 산화공정을 포함하는 방식이다.

이를 살펴보면

무기물폐기물 + 미연소 탄소(2-10%) + 기타(탄소분 첨가, 스팀, 탄화수소연료) +프라즈마의 고열 ------＞ 용융된 Slag + CO + H₂( 환원조건 )의 반응을 유도한다

프라즈마 열분해 용융반응에서의 열수지는 매우 복잡한 입 출입으로 계산하기가 어려우나

입열에서는 1.프라즈마 토치의 공급열 2.탄소분의 산화 및 일부산화의 연소열이 90%이상이되며

출열에서는 1.작열한 고온의 탄소분에 스팀과 반응한 (C + H₂O--＞ CO+H₂-2350Kcal/Kg)의 열분해 환원 흡열반응열 2.폐기물의 용융온도 및 열분해 온도의 승온열 3. 열분해 가스의 헌열 4. 기타 열손실로 볼수 있다.

다이옥신류의 분해는 초고온으로 환형의 탄화수소을 파괴하여 탄소고리을 펼치고 부착된 염소를 수소와 반응시켜 염화수소로 전환하고, 재합성을 방지하기 위해서는 이러한 일련의 반응조건을 일산화탄소와 수소가 충분한 조건 즉 환원상태을 유지하여야 한다. 무기물 폐기물에 탄소성분이 없다면 C + H₂O--＞ CO+H₂반응을 유지할 수 없으므로 탄소분을 첨가가 필요하며, 이러한 탄소분은 CO와 CO₂로 연소하는 과정에서 발생한 연소열을 얻을 수 있어 에너지 측면에서도 유리하다. 탄소분의 종류에서는 탄화수소류(L.N.G, L.P.G.등)는 탄소와 수소를 동시에 공급할 수 있어 매우 유리하다. 탄소분만을 주입 시에는 스팀을 주입하는 것보다는 산소를 공급하는 것이 에너지 수지상에는 유리하다.

이러한 환원반응이 주반응인 프라즈마 열분해 용융방식의 목적은

1. 다이옥신의 높은 분해율

2. 적은 질소산화물의 발생.

3.탄소분의 첨가로 불안전 연소 (C +1/2O₂---＞ CO +E(3O35Kcal/m³)시켜 용융열의 보충으로 에너지 절약을 목적으로 한다.

용융 공정은 소각공정 등에서 발생되는 ASH등 무기성 성분을 처리, 처분하는 공정으로 화석연료를 이용한 방식과, 전기를 열원으로 사용하는 방식으로 나눌 수 있다. 궁극적인 목적은 ASH등 무기성 성분에 포함된 다이옥신류 등의 독성물질과 중금속 등을 안전하게 처리하고, 처분 시 이러한 독성물질의 용출량을 최소한으로 줄이고 처리된 용융산물의 품위에 따라서 재이용, 재활용등의 활용도을 높일러고 한다. 기본 개념은 ASH등 무기성 폐기물를 가열하여 액상으로 만든 뒤 재 결정화하는 과정에서 표면적을 최소한으로 줄이므로서 중금속 용출면을 최소화하며, 무기성 폐기물에 함유된 SiO₂의 용해로 유리화된 결정체 내부에 유해한 중금속을 안전하게 봉입하며, 초고온의 용융 온도 조건으로 다이옥신류의 처리한다.

＜처리방식 구분＞

● PLASMA 용융방식

PLASMA 용융방식은 PLASMA TORCH에 연속적이고 안정된 ARC을 발생시켜 전기에너지를 열에너지로 변화시켜 용융물에 고밀도 에너지를 급속하고 강렬하게 주입 용해시키는 방법이다. 기본 구성은 PLASMA 발생장치(P.H.S)와 용융로, 그리고 배기가스 처리시설, SLAG 배출설비로 구성된다.

현재 일본에서 PLASMA ASH 용융설비가 가동중이 있고 신설 플랜트의 비율이 올라가고 있어 차세대 용융기술로 자리를 잡고 있는 공법으로 제작사에 따라 몇 개의 유형으로 나눌 수 있다.

·수냉자겟 용융로와 고정형 TORCH 용융 방식

이 방식은 1개 또는 2∼3개의 PLASMA TORCH가 용융로 상부에서 하부 방향으로 설치되어 있으며 용융로의 외벽을 수냉 자켓으로 설치되었으며 수쇄 SLAG를 배출된다.

·상하이동형 TORCH방식

이 방식은 TORCH가 상하로 이동이 가능하고 용융로가 ±10 °정도 경동이 가능하여 SLAG 배출이 용이하고 균일한 가열로 조작성이 양호하다.

·TORCH 회전형 방식

이 방식은 TORCH가 상하, 좌우 ±30∼45 °정도 움직임을 줄 수 있어 가열범위는 넓고 충분한 용융된 용량을 만들 수 있어 가장 편리한 방식이며 이 방식은 가연성 성분의 혼합물 처리도 가능하므로 건조 오니 처리도 가능하다.

·회전로 방식

기본적인 구성은 표면 용융로와 비슷한 2중회전로 방식으로 용융로 하부에 재연소실과 용융SLAG 배출장치가 있다. 균일한 용융과 배출이 용이하나 구조가 복잡하고 시설비가 고가이다.

·흑연 전극 PLASMA 방식

기존의 수냉전극 방식의 TORCH 방식과는 다른 속이 빈 흑연봉을 전극을 사용하며 전극 내부에서 N₂가스를 불어 넣어서 PLASMA 불꽃이 발생한다.

● 아크 용융로

아크 용융로는 흑연 전극을 용융면에 접근하여 전압을 걸어두면 기저부에 설치된 전극사이에서 절연이 파괴되면서 전기회로가 이루어지면서 ARC가 발생한다. 이 아크 방전이 지속되면서 발생한 고열이 ASH을 용융하게 된다. 따라서 전극과 용융물과의 간격이 계속적으로 조정해주는 주전극 승강장치가 필요하며 전극봉을 지속적으로 공급할 장치도 필요하다. 용융온도는 1200∼1400℃정도의 전기 방식중에는 중간정도의 가열온도를 가지며, 전극을 3개를 가진 교류 아크 방식과 직류를 전원으로 하는 단상 방식이 있다. 에너지 효율은 수냉식의 PLASMA TORCH 보다 약간 좋고 가스발생량이 적은 장점이 있어 유리하다.

● 전기저항식

전기저항식은 일명 JOULE HEATing 방식이라 부르며 아크 용융로와 비슷하나 전극이 용융면에 잠기면서 용융된 SLAG 층이 전기의 도체가 되면서 전기저항열을 발생시킨다. 따라서 상부가 ASH층이 덮은 상태가 되며 중금속의 휘발량은 적다.

● 유도가열 방식

저주파, 고주파 유도가열 방식이 있으며 자계를 변화시켜 전기 전도성 있는 물체(SLAG)에 전자 유도 작용에 의해 자석과 직각방향에서 코일 전류와는 반대방향으로 와전류가 일어나며 이 와전류가 J0ULE 열에 의해 발열한다. 소각재는 부도체이므로 먼저 선철을 투입해 일정량의 용융된 선철 에서 유도전류가 발생하도록 하여 용융작업에 들어간다. 전자적으로 교반이 이루어져 균일한 SLAG 와 배기가스가 적어 비산재의 발생이 적은 특징이 있다.

이러한 무기물을 용융 시킨 공정은 프라즈마에 의한 경우에도 상업화 설비가 일본의 경우 6개소가 설치되어 가동 중에 있으나 용융로의 내부 조건이 연소반응으로 무기물의 용융하는 프라즈마 토치의 공급가스(공기을 사용)가 초고온으로 인한 질소산화물이 1400-700PPM정도 재 합성되여 방지시설이 꼭 필료하게 되며,다이옥신의 분해율은 기타방법보다 우수해 95-98%정도 분해시키고 있다

1. 안전하고 만족스러운 무기폐기물의 처리.

무기물 폐기물이 충분히 용융되어 액상으로 전환 후 재결정의 과정에서 비표면적이 최소화하여 중금속등 유해물질의 용출을 억제하며 충분한 내구력을 가진 Slag의 생산으로 재이용, 재활용의 용도을 학보하고, 처리대상물에 포함된 다이옥신류의 분해율을 99.9999%정도까지 올려서 안전한 처리가 되도록 하며,

2.2차 오염물질의 발생의 억제

기존의 산화반응에서 필연적으로 발생하는 많은 질소산화물(NOx등)을 열분해용융의 환원 분위기에서 처리하여 질소산화물(NOx등)의 발생을 근본적으로 억제한며,

3.에너지사용의 최소화

프라즈마의 용융, 열분해용융의 경우 모두 전기를 에너지원으로 전체에너지의 80-90%이상을 공급받는다. 따라서 탄소원이나 탄화수소류을 보충하여 일부 및 전부을 연소 시키므로서 프라즈마토치의 공급 에너지의 비율 낮출 수 있다.

도면의 간단한 설명 누락

본 발명은 프라즈마 토치등을 포함한 발생장치와, 산소 및 농축산소 공급설비 프라즈마 토치를 삽입한 용융로 , 탄소분 또는 탄화수소류의 가스 공급장치,Slag배출설비, 그리고 배기가스 처리설비 등으로 구성된다.

1. 프라즈마 발생장치

토치, 전원설비, 냉각설비, 제어시설 및 연결 케이블로 구성되며 전기에너지을 지속적으로 ARC을 발생시켜 고온을 발생한다.

2.산소 및 농축산소 공급시설

용용로에 탄소분이 일부 산화면서 필요한 산소원을 스팀을 열분해하여(C + H₂O--＞ CO+H₂-235O Kcal/Kg) 산소 공급하였으나 이 경우 흡열반응으로 에너지 소비가 많으르로 직접 산소를 공급하기 위함.

3.용융로

무기성폐기물을 토치의 공급열,내부의 일부 연소열등을 이용하여 용융시키며,탄소분,탄화수소류 가스와 반응하는 산화 환원 반응기.

4.탄소분, 탄화수소류 가스 공급시설

용융로에 탄소분, 탄화수소를 공급하는 시설

5.배기가스 처리시설

용융로의 배기가스에는 분진등 오염물질이 포함하고 있으므로 이를 적절히 처리하는 시설.

무기폐기물의 발생량과 위해 물질의 혼합이 날로 심각하는 현실에서 안전하고 경제적인 폐기물을 처리하여 환경보전에 기여코자 함.

1. 소각재등에 함유한 다이옥신류의 완벽한 분해처리

2.프라즈마토치의 용량을 낮추어서 운용하는 열분해용융로의 개발로 경제성학보로 환경비용의 효율적인 사용.

Claims

무기성 폐기물을 처리하는 용융로, 열분해용융로에서 다이옥신 분해효율을 높이고 재합성을 억제하며, 질소산화물 생성을 저감하기 위해 환원반응을 주된 반응으로 진행하는 프라즈마 토치을 이용한 열분해용융 방법.
제1항에 있어서 상기조건을 유지하고 열분해용융로나, 용융로에 에너지을 효율적으로 사용하기 위하여 탄소분이 부족한 무기성 폐기물에 탄소분(석탄등) 이나 탄화수소가스(L.N.G, L.P.G)류을 투입하는 방법.
제1항에 있어서 상기조건을 유지하기 위하여 열분해용융로나 용융로에 산소 및 스팀, 농축산소, 및 공기를 이론산소량 이하로 제한적으로 공급하는 방법.
제1항에 있어서 반응의 제어 및 에너지 절약, 슬러그의 품위 조절코자 환원, 중성 및 산화 조건을 형성을 위해 열분해용융로나 용융로에 산소, 및 농축 산소을 공급하는 방법.