KR20220149068A - 슬러지의 처리 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계; 상기 슬러지를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및 상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계를 포함하는 슬러리 처리 공정에 관한 것이다.

Description

슬러지의 처리 공정{TREATMENT PROCESS OF SLUDGE}
본 발명은 슬러지의 처리 공정에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 슬러지의 처리 과정 중 배출되는 유해 화합물의 양을 최소화할 수 있는 처리 공정에 관한 것이다.
현대 사회가 고도화됨에 따라 다양한 종류의 제품들이 개발 및 생산되고 있다. 화학 공정과 같은 제품의 생산 과정에서는 제품뿐 아니라, 많은 양의 산업 폐기물이 생성된다. 또한, 생산되어 판매되는 제품 역시 수명을 다한 후 폐기물로 회수된다. 따라서, 수 많은 제품들이 생산되고 폐기되는 현대 사회에서 매년 발생하는 폐기물의 양은 상당하며, 특히 폐기물은 인체에 유해한 화합물들을 포함하는 경우가 많다. 이에, 유해한 화합물들을 포함하는 폐기물을 적절히 처리하여 배출하는 것이 바람직하다.
예컨대 화학 공정, 펄프 공정, 소각 공정 등 다양한 제품의 생산 공정에서 원치 않는 부산물로 유해 염소 화합물이 생성될 수 있다. 이들은 다양한 처리 과정을 거치더라도 상당량이 토양, 물, 대기 중으로 방출될 수 있다.
폐기물 처리 방법으로 널리 알려진 방법으로는 소각, 매립, 플라즈마 처리, 고온 염기 반응, 아임계수 처리 등이 있다.
소각의 경우, 폐기물의 부피를 크게 낮출 수 있고, 사용된 에너지 일부를 회수할 수 있다는 점에서 일반적으로 선호되는 방법이기는 하나, 소각 단계에서 유해 화합물들이 원활히 제거되지 못하거나 이후 재합성될 수 있으며, 유해 화합물이 기화하여 대기중으로 방출됨으로써 대기를 오염시킨다. 특히, 소각은 최근 대기 환경 보호에 대한 사회적 요구가 증가함에 따라 높아진 기준을 쉽게 충족하지 못한다는 문제점이 있다. 매립의 경우, 간단하다는 이유로 많이 사용되는 방법이나, 유해 화합물들은 열화학적으로 안정적이기 때문에 매립되는 경우 분해되지 못하고, 토양을 오염시키거나, 지방 등에 잘 녹아 생물체 안에 축적되어 먹이사슬에 악영향을 초래하고, 최종적으로는 인체로 유입될 수 있다는 문제점이 있다.
플라즈마 처리, 고온 염기 반응, 아임계수 처리 등도 역시 고농도의 유해 화합물들을 처리할 수 없고, 설비 운용에 소모되는 비용이 높으며, 분해된 유해 화합물들이 재합성되는 문제점이 있다. 또한 유해 화합물들을 제거하는 방법으로 말단 공정에서 활성탄 흡착, 백필터(bag filter), 스크러빙 등을 사용하는 방법도 있으나, 유해 화합물들이 분해되는 것이 아닌, 물리적으로 유해 화합물들을 제거하는 것이기 때문에 유해 화합물들의 총량에는 큰 변화가 없고, 제거의 효율 역시 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 화학적으로 유해 화합물을 최대한 분해할 수 있으면서도, 유해 화합물들의 재합성이 억제될 수 있고, 복잡한 설비를 요하지 않아 간단하게 수행할 수 있는 처리 공정에 대한 연구가 필요하다.
한국 출원공개공보 제10-2011-0129845호 한국 출원공개공보 제10-2014-0039647호
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유해 화합물을 온전히 분해시킬 수 있으면서도, 유해 화합물의 재합성을 억제하여 유해 화합물의 제거 효율을 극대화할 수 있는 슬러지의 처리 공정을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는
슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계;
상기 슬러지를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및
상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계
를 포함하는 슬러지의 처리 공정을 제공한다.
일 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 파쇄 또는 분쇄하는 단계를 포함한다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 건조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 슬러지는 유해 염소 성분을 1,000 ppm 내지 20,000 ppm의 농도로 포함한다.
본 발명의 실시상태들에 따른 슬러지의 처리 공정에 따르면, 유해 염소 화합물 등의 독성 물질을 효율적으로 분해할 수 있는 동시에, 전체적인 공정에서 공정 시간 및 에너지를 절약할 수 있다. 구체적으로, 열분해 및 연소 단계에 의하여 슬러지 내의 염소 화합물과 같은 유해 화합물들이 온전히 분해될 수 있도록 함과 동시에, 열분해 전에 슬러지의 입경을 45 mm 이하, 바람직하게는 평균 입경이 0.5 mm 내지 45 mm로 조절함으로써 에너지 효율을 높이고 공정시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정의 순서의 모식도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시상태는
슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계;
상기 슬러지를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및
상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계
를 포함하는 슬러지의 처리 공정을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 슬러지는 화학 공정 분야에서 얻어지는 폐기물로서, 고체 입자와 공정 중 발생하는 수분 등이 혼합된 상태를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서의 처리 대상이 되는 폐기물은 에틸렌으로부터 에틸렌 디클로라이드(Ethylene dichloride), 염화 비닐 단량체(Vinyl chloride monomer) 등을 제조하는 공정 중 발생되는 폐액 및 폐수를 처리하면서 생성된 고형의 침전물을 포함하는 것일 수 있다. 또한 상기 폐기물은 다염소화 바이페닐(polychlorinated biphenyl), 다염소화 디벤조-p-다이옥신(polychlorinated dibenzo-p-dioxin), 다염소화 디벤조퓨란(polychlorinated dibenzofuran), 클로로페놀(chlorophenol)과 같은 유해 염소 성분을 1,000 ppm 내지 20,000 ppm 정도의 농도로 포함한 것일 수 있다. 여기서, 유해 염소 성분의 농도는 슬러지에 존재하는 모든 염소의 농도를 의미하며, 이는 이온 크로마토그래피(Ion chromatography, IC)를 이용하여 측정할 수 있다.
특히, 이와 같이 유해 염소 성분을 고농도로 포함하는 슬러지에서, 후술하는 슬러지의 입경이 열분해 및 연소 단계에서의 효율에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 일반 폐기물에서의 독성은 1,000 pg I-TEQ/g 이하, 대부분은 100 pg I-TEQ/g 이하이며, 이와 같은 저독성은 다양한 방법으로 제거하는 것이 비교적 용이하다. 반면, 고독성 폐기물, 예컨대 30,000 pg I-TEQ/g 이상의 폐기물은 일반적인 방법으로는 제거가 용이하지 않다. 본 발명에서는 고독성 폐기물에서 후술하는 열분해 및 연소 단계와 함께 슬러지의 입경 조절을 통하여 효율적으로 독성 제거를 할 수 있다. 본 명세서에서, 상기 독성 농도(pg I-TEQ/g)는 독성을 가지고 있는 PCDD(polychlorinated dibenzodioxin)와 PCDF(polychlorinated dibenzofuran)의 동류물 17 종의 농도와 독성 펙터(I-TEF)의 곱의 합으로 도출한 값이다.
Figure pat00001
<식>
독성 농도(I-TEQ) = Σ(PCDDi X I-TEFi) + Σ(PCDFi X I-TEFi)
상기 식에서 i는 독성 화합물 중의 염소의 개수를 의미한다
상기 폐기물은 유기물과 무기물을 중량 기준으로 3:7 내지 7:3, 구체적으로 4:6 내지 6:4, 예컨대 1:1로 포함하는 것일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시상태들에 따른 처리 공정을 단계 별로 설명한다.
탈수 단계(S0)
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계 이전에, 상기 슬러지를 탈수하는 단계를 더 포함한다. 예컨대, 폐수 슬러지를 탈수하여 함수율이 30 wt% 내지 70wt%가 되도록, 바람직하게는 50 wt% 내지 70 wt%가 되도록, 더욱 바람직하게는 50wt% 내지 60wt%가 되도록 할 수 있다. 탈수를 위하여 필요한 방법을 채용할 수 있으며, 예컨대 필터 프레스(filter press) 또는 디켄터(decanter)를 이용하여 함수율 50wt% 내지 60wt%의 반고형의 물질을 회수할 수 있다.
입경 조절 단계(S1)
본 발명의 상기 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정은 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계를 포함한다. 슬러지의 입경을 45 mm 이하로 조절하는 경우 후술하는 열분해 단계 및 연소 단계에서 유해 염소 화합물의 제거 효율을 극대화할 수 있으며, 유해 염소 화합물을 열분해한 후 가스 상으로 배출하는 경우 유해 염소 화합물의 배출량을 극단적으로 줄일 수 있다.
구체적으로, 슬러지를 입경 45 mm 이하의 입경을 갖는 입자로 제조하는 경우, 슬러지 형태의 폐기물 그대로의 상태에 비하여 상대적으로 낮은 함수율을 갖도록 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 함수율을 제어하기 용이하고, 원하는 함수율을 갖도록 제어할 수 있으므로, 열분해 및 연소 단계에서 분해되어야 할 유해 화합물로의 열전달에 유리하다. 또한, 구체적으로, 동일 질량을 기준으로 할 때, 입자 형태의 폐기물은 슬러지 형태의 폐기물보다 더 넓은 표면적을 가질 수 있고, 이러한 넓은 표면적은 열전달이 원활하게끔 할 수 있는 요소가 되어 이후의 열분해 및 연소 단계의 효율성을 더욱 높일 수 있다.
상기 입경은 고체의 입도를 측정할 수 있는 방법에 의하여 측정할 수 있으며, 예컨대 레이져회절 산란법, 전자 현미경을 이용한 입도 분석 등에 의하여 측정할 수 있으나, 이들 방법으로만 한정되는 것은 아니다.
일 실시상태에 따르면, 상기 슬러지의 입경은 0.5 mm 45 mm 이하인 것이 바람직하며, 2 mm 내지 45 mm인 것이 더욱 바람직하다. 필요에 따라, 상기 슬러지의 입경을 2 mm 내지 4 mm로 조절할 수도 있고, 슬러지의 입경을 4 mm 내지 6 mm로 조절할 수 있으며, 또는 6 mm 내지 45 mm로 조절할 수 있다.
본 발명의 상시 실시상태는 슬러지의 입경을 조절할 때, 입경의 상한 기준을 45 mm로 하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 상대적으로 입경의 상한 기준을 더 작게 하는 것에 비하여 파쇄 또는 분쇄 및 분급 공정에 소요되는 시간이 줄어들고 에너지 절약을 가능하게 할 수 있다. 또한, 상기 슬러지의 입경을 조절할 때, 입경의 상한 기준을 45 mm로 하는 경우, 입경의 상한 기준을 더 작게 하는 경우에 비하여 미세 입자, 예컨대 입경이 0.5 mm 미만의 입자가 더 작게 발생할 수 있기 때문에 분진 발생량이 줄어든다. 따라서, 작업 환경 유지 및 장비의 유지 보수에 소요되는 시간과 비용을 감소시키는 효과가 있다. 더욱이, 상기 슬러지의 입경을 2 mm 내지 45 mm로 조절하는 경우 유해 화합물의 제거 효율이 2 mm 이하로 슬러지의 입경을 조절하는 것과 동등한 수준이다.
슬러지에 너무 작은 입자들이 존재하는 경우 열분해 또는 연소 단계에서 기체 유동에 의하여 분진이 날리게 되고, 이 과정에서 분진에 유해 화합물이 흡착되어 처리되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 너무 작은 입경의 슬러지를 포함하는 경우, 이들이 대기로 배출될 가능성이 있으므로, 백필터 등의 후처리 공정에 대한 투자비가 증가, 유지보수를 위한 비용 및 시간이 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 상기 실시상태에 따르면, 슬러지의 입경을 0.5 mm 이상, 바람직하게는 2 mm 이상으로 조절함으로써, 상기와 같은 문제들을 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 파쇄 또는 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 슬러지 형태의 폐기물을 파쇄 또는 분쇄하여 입자 형태로 제조하는 경우, 폐기물의 입자를 상대적으로 균일하게 제어함으로써, 슬러지 내의 불균일한 입자 크기로 인한 유해 화합물로의 열전달 방해를 최소화할 수 있다. 슬러지를 파쇄 또는 분쇄하는 단계는 입경을 상기 범위로 조절할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 파쇄 또는 분쇄는 일반적인 파쇄기 또는 분쇄기를 이용하여 수행될 수 있으며, 구체적으로 조오 크러셔(jaw crusher) 등을 이용할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 슬러지를 건조하는 단계에서 건조 조건에 따라 입경이 전술한 범위로 조절될 수 있다. 건조 조건은 입경을 상기 범위로 조절할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 건조 방법 및 건조 정도는 후술하는 건조 단계(S2)의 설명이 적용될 수 있다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 건조하는 단계와, 상기 슬러지를 건조하기 전, 도중 또는 후에 상기 슬러지를 파쇄 또는 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 이 실시상태는 건조 단계와 파쇄 또는 분쇄 단계를 모두 포함한다. 건조, 파쇄 및 분쇄는 전술한 설명이 적용될 수 있다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 입경 45 mm 이하의 입자를 분리하는 분급 단계를 포함할 수 있다. 전술한 탈수 단계, 파쇄/분쇄 단계 및/또는 건조 단계를 통하여 특정 입경을 갖는 입자가 형성된 경우, 상기의 분급 단계를 통하여 입경 45 mm 이하의 입자를 분리할 수 있다. 분급 단계는 입자를 크기별로 분리하는 방식으로 공지된 것을 사용할 수 있으며, 체를 사용한 방법이 이용될 수 있다. 입경을 0.5 mm 이상으로 조절하는 경우, 상기 분급 단계를 통하여 전체 슬러지에서 입경 0.5 mm 미만의 미세 입자를 분리하는 방법을 이용할 수 있다.
상기 분급 단계를 통하여 입경이 45 mm 초과의 입자들이 분리되는 경우, 이들은 다시 파쇄/분쇄 및/또는 건조를 함으로써 입경을 조절한 후, 상기 분급 단계를 거쳐 후술하는 열분해 및 연소 단계의 대상이 될 수 있다. 이와 같이 하는 경우, 전체적인 공정의 경제성을 개선할 수 있다.
건조 단계(S2)
본 발명의 일 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정은, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계 전 또는 후에, 상기 슬러지를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 슬러지를 건조하는 단계는 상기 슬러지의 함수율이 20 wt% 이하가 되도록 수행할 수 있다. 이와 같은 함수율을 갖는 경우, 후술하는 열분해 단계 및 연소 단계에서 유해 화합물의 제거 효율 및 에너지 효율을 높일 수 있다. 상기 건조 단계 이후, 슬러지의 함수율은 바람직하게는 10 wt% 이하, 더욱 바람직하게는 5 wt% 이하일 수 있다.
상기 건조 단계는 상기와 같은 함수율 범위를 만족할 수 있도록 하는 방식, 조건 및 시간으로 수행될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상온 보다 높고 열분해 단계의 온도 보다 낮은 온도에서 전술한 함수율을 만족할 때가지 슬러지를 방치함으로써 수행될 수 있다.
전술한 건조 온도의 조절 및 함수율의 조절은 공지된 방법을 이용하여 수행될 수 있으며, 건조에 사용되는 일반적인 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
열분해 단계(S3)
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전술한 건조 단계(S2)를 거친 후, 상기 슬러지를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계(S3)를 수행한다.
상기 열분해 단계는 저산소 또는 무산소 분위기 하에서 수행된다. 본 명세서에 있어서, 무산소 분위기란 분위기를 조성하는 기체 중 산소가 실질적으로 존재하지 않는 분위기를 의미한다. 상기 열분해 단계는 산소의 농도가 3 vol% 이하, 바람직하게는 1 vol% 이하인 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하며, 산소가 전혀 존재하지 않는, 즉 산소 농도가 0 vol%인 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 열분해 단계가 저산소 또는 무산소 분위기 하에서 수행되는 경우, 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도 및 저산소 또는 무산소 조건에서는 슬러지 내 유해 염소 화합물의 C-Cl 결합이 깨지는 탈염소 반응과 함께, 유해 염소 화합물의 일부 분해 및 완전 분해가 원활하게 일어날 수 있다. 반면, 산소가 3 vol% 초과하여 존재하는 조건에서는 산소가 슬러지 내 유기물 및 유해 염소 화합물과 반응하여 또 다른 유해 염소 화합물을 형성하거나, 분해된 유해 염소 화합물이 재합성되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 저산소 또는 무산소 분위기는 특정 기체에 제한을 두지 않으며, 예컨대 질소 분위기, 불활성 분위기 또는 진공 분위기일 수 있다. 상기 불활성 분위기는 아르곤 분위기 또는 헬륨 분위기가 사용될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 이 중 특히 저산소 또는 무산소 분위기로 질소 분위기를 적용할 경우, 상대적으로 저렴한 질소를 이용할 수 있어 경제적이며, 분위기 조성이 용이하다는 이점이 있다. 상기 저산소 또는 무산소 분위기는 캐리어 가스(carrier gas)를 열분해 단계에서 사용하는 열분해 장치에 투입함으로써 조절될 수 있다.
상기 열분해 단계의 온도 조건은 350℃ 내지 500℃일 수 있고, 바람직하게는 350℃ 내지 450℃ 일 수 있다. 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위 내일 경우, 후술하는 연소 단계와의 연계적 관점에서 최종적인 유해 화합물 제거율이 더 높을 수 있다. 특히, 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위보다 낮은 경우 충분한 유해 화합물 제거가 일어나지 않을 수 있고, 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위보다 높은 경우에는 유해 염소 화합물의 제거 효율 향상은 거의 없는 반면, 에너지 사용량만 크게 증가하여 전체적인 공정의 경제성이 악화될 수 있다.
상기 열분해 단계의 수행 시간은 1 시간 내지 6 시간일 수 있고, 바람직하게는 2 시간 내지 6 시간일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 3 시간 내지 5 시간일 수 있다. 상기 열분해 단계의 수행 시간이 너무 짧은 경우에는 유해 화합물의 충분한 열분해가 이루어질 수 없고, 상기 열분해 단계의 수행 시간이 너무 긴 경우에는 에너지 사용량이 증가하는 것 대비 유해 화합물의 제거율의 상승 효과가 미미하다.
연소 단계(S4)
상기 열분해 단계에서는 슬러지 내 유해 화합물이 분해되어 기체를 형성하며, 형성된 기체 성분 중 일부는 여전히 유해성을 가질 수 있다. 따라서, 기체 상태의 유해 화합물을 추가적으로 연소시켜 제거할 필요가 있다. 본 단계에서의 연소를 통해 잔존하는 기상의 유해 화합물은 이산화탄소나 물과 같은 무해한 저분자 화합물로 전환될 수 있다.
상기 연소 단계에서는 전술한 열분해 단계에서 발생한 가스 이외에 공기 또는 산소를 함께 투입하는 것이 바람직하다.
일 실시상태에 따르면, 상기 연소 단계에서의 온도는 900℃ 내지 1,200℃일 수 있으며, 바람직하게는 1,000℃ 내지 1,200℃일 수 있다. 연소 단계에서의 온도가 상기 범위의 하한 보다 낮은 경우에는 잔존하는 기상 유해 화합물이 충분히 산화될 수 없으며, 상기 범위의 상한 보다 높은 경우에는 연소에 사용되는 에너지량이 과도하여 전체적인 처리 공정의 경제성을 악화시킬 수 있다.
상기 연소 단계의 시간은 5분 내지 60분, 바람직하게는 15분 내지 30분 일 수 있다. 상기 연소 단계의 시간이 너무 짧은 경우에는 충분한 산화가 수행될 수 없고, 너무 긴 경우에는 온도의 경우와 마찬가지로 연소에 사용되는 에너지량이 과도하여 전체적인 처리 공정의 경제성을 악화시킬 수 있다.
냉각 단계(S5)
본 발명의 또 하나의 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정은 상기 연소 단계에서 연소되어 발생한 연소 가스를 냉각하는 단계(S5)를 더 포함할 수 있다. 전술한 열분해 단계(S3) 및 연소 단계(S4)를 거치더라도 완전히 분해 및 제거되지 못한 유해 화합물이 잔존할 수 있으며, 일부만 분해된 유해 화합물은 이후 다시 유해 화합물로 재합성될 수 있다. 따라서, 이와 같은 재합성을 방지하기 위해서는 미분해 유해 화합물이 잔존할 수 있는 연소 가스를 냉각시켜, 재합성에 필요한 에너지를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 냉각은 일반적으로 사용되는 방법, 예컨대 냉각수를 이용하는 방법을 통해 수행될 수 있으며, 재합성을 최대한 억제하기 위해 급속 냉각인 것이 바람직하다.
후처리 단계(S6)
일 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정은, 전술한 냉각 단계 이후에 여전히 미량의 유해 가스와 산성 가스가 남아 있는 경우, 이를 제거하기 위한 후처리 단계(S6)을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 슬러지의 처리 공정은 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시키는 스크러빙 단계(S6-1) 및/또는 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시키는 집진 단계(S6-2)를 더 포함할 수 있다. 상기 스크러빙 단계(S6-1) 및 상기 집진 단계(S6-2)는 어느 하나만 포함되거나, 둘 모두 포함될 수 있다.
상기 후처리 단계를 통하여 대부분의 유해 화합물이 제거될 수 있다.
상기 스크러빙 단계(S6-1)에서 사용되는 스크러버는 유기 가스를 제거하기 위한 유기 용매 스크러버와 산성 가스를 제거하기 위한 염기 용액 스크러버 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 연소 가스는 유기 용매 스크러버를 통과한 뒤 염기 용액 스크러버를 통과하는 것일 수 있다. 상기 유기 용매 스크러버로는 톨루엔 스크러버를 사용할 수 있으며, 염기 용액 스크러버로는 수산화나트륨 스크러버를 사용할 수 있다. 상술한 스크러버를 사용할 때 유해 화합물 제거 효과가 극대화될 수 있다.
상기 집진 단계(S6-2)에서 사용되는 집진기는 백필터 등을 포함하는 것일 수 있다.
상기 후처리 단계에서, 상기 스크러빙 단계(S6-1)와 상기 집진 단계(S6-2)가 모두 포함되는 경우, 그 순서는 특별히 제한되지 않으며, 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시킨 후, 스크러버에 통과시키거나, 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시킨 후 집진기에 통과시킬 수 있다. 유해 가스의 제거 관점에서 스크러버와 집진기 중 집진기에 먼저 통과시키는 것이 더 바람직할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 슬러지의 처리 공정의 순서의 모식도이다. 도 1에 따르면, 슬러지를 파쇄하여 입경을 조절한 후, 열분해 단계 및 연소 단계를 거친 후 후처리 단계가 수행된다. 도 1의 파쇄 단계는 입경을 조절할 수 있는 건조 단계로 대체될 수 있다. 또한, 필요에 따라 도 1의 파쇄 단계 전 또는 후에 건조 단계가 추가될 수 있다. 열분해 단계에는 N2 가스와 같은 불활성 분위기가 조성되는 것이 바람직하고, 연소 단계에서는 공기 또는 산소가 투입될 수 있다. N2 가스와 같은 캐리어 가스는 열분해 장치에 직접 투입될 수도 있고, 열분해 장치에 시료가 투입되는 경로에 투입될 수도 있다. 연소 단계에서 사용되는 공기 또는 산소는 연소 장치에 직접 투입될 수도 있고, 열분해 장치에서 발생한 기체가 연소 장치로 이동하는 경로 중에, 즉 열분해 장치와 연소 장치의 사이에 투입될 수도 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 연소 단계에서 배출된 연소 가스를 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
시료 준비 및 전처리 공정
염소계 물질을 포함하는 액상 슬러지를 탈수하여 함수율이 약 55 wt%인 시료를 준비하였다. 시료의 초기 독성 농도는 96,000 pg I-TEQ/g이었다.
시료는 단단하게 뭉쳐있는 흙과 같은 형상이었으며, 유기물과 무기물의 중량 비율이 거의 1 : 1로 거의 유사한 수준이었다.
시료는 탈수 후 입경이 하기 표 1과 같이 되도록 분쇄하였다. 이어서, 시료를 건조하여 함수율이 5 wt% 미만이 되도록 하였다.
실험예
연소 장치의 온도를 타겟 온도인 1100℃로 승온하였다. 전처리된 시료 10g을 도가니에 넣은 후 열분해기에 투입하였다. 이어서, 열분해기에 N2를 1시간 이상 퍼징(purging)하여 무산소 분위기를 조성하였다. 이어서, 열분해기의 온도를 350℃까지 1시간 동안 승온하였고, 이와 함께 열분해 장치와 연소 장치 사이에 공기(air)를 투입하였다. 열분해기에서 2시간 동안 열분해를 진행하고, 배출되는 열분해 가스는 연소 장치(1100℃, 시작전 미리 승온)로 이동하게 하여 공기와 함께 고온에서 연소되도록 하였다. 열분해 및 연소가 끝난 후 발생되는 배가스가 냉각장치를 거치도록 한 후, 스크러버(톨루엔 및 NaOH)를 통과시킨 후 외부로 배출하였다. 스크러버 내 톨루엔 및 NaOH을 농축한 후 염소화합물을 추출(분리 정제 포함)하고, HR-GCMS(고해상도 가스크로마토그래피 질량분석)을 통하여 독성 농도를 확인하였다.
상기와 같이 실시한 결과, 독성 제거율을 하기 표 1에 기재하였다. 열분해 후 남은 폐고체에서 잔존 독성을, 연소 후 배출되는 가스에서 잔존 독성을 확인하였으며, 이를 시스템 전체를 기준으로 하여 잔존 독성을 평가하였다. 구체적으로, 시스템 전체의 독성 농도는 고체 잔존 독성 농도와 기체 잔존 독성 농도를 합산하여 계산하였으며, 독성 제거율은 최초 독성 농도 96,000 pg I-TEQ/g를 기준으로 하여 계산하였다.
실험 No. 열분해
(분위기 N2, 온도 350℃, 4hr)		 연소
(공기, 온도 1,100℃)		 시스템 전체
입자
크기
(mm)		 폐고체
독성농도
(pg I-TEQ/g)		 폐고체
독성 제거율
(%)		 배가스
독성농도
(pg I-TEQ/g)		 독성농도
(pg I-TEQ/g)		 독성
제거율
(%)
실시예 1 < 2 815 99.2 7820 8635 91.0
실시예 2 < 0.5 424 99.6 7520 7944 91.7
실시예 3 2~4 627 99.3 7020 7647 92.0
실시예 4 4~6 484 99.5 7760 8244 91.4
실시예 5 6~45 405 99.6 7240 7645 92.0
비교예 1 > 45 2210 97.7 10060 12270 87.2
상기 표에 기재된 바와 같이, 슬러지의 입경을 45 mm 이하로 조절한 실시예들의 경우, 슬러지의 입경을 45 mm 초과로 조절한 비교예 1에 비하여 시스템 전체의 독성 제거율이 91%를 초과하여 우수한 독성 제거율을 나타내었다. 이와 관련하여, 본 발명에서는 슬러지의 입경을 조절할 때, 입경의 상한 기준을 45 mm로 함으로써 파쇄 또는 분쇄 및 분급 공정에 소요되는 시간 및 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 슬러지 입경의 상한 기준을 45 mm로 함으로써 분진을 일으킬 수 있는 미세 입자의 발생량을 줄임으로써, 분진을 방지하여 작업 환경 유지 및 장비의 유지 보수를 위한 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계;
    상기 슬러지를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및
    상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계
    를 포함하는 슬러지의 처리 공정.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 파쇄하는 단계를 포함하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 건조하는 단계를 포함하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지를 건조하기 전, 도중 또는 후에 상기 슬러지를 파쇄 또는 분쇄하는 단계를 포함하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 입경 45 mm 이하의 입자를 분리하는 분급 단계를 더 포함하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계는 상기 슬러지의 입경을 2 mm 내지 45 mm로 조절하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계 전에, 상기 슬러지를 탈수하는 단계를 더 포함하는 슬러지의 처리 공정.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 슬러지를 탈수하는 단계는 슬러지의 함수율이 30 wt% 내지 70wt%가 되도록 수행되는 것인 슬러지의 처리 공정.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 슬러지를 입경 45 mm 이하로 조절하는 단계 전 또는 후에, 상기 슬러지를 건조하는 단계를 더 포함하는 슬러지의 처리 공정.
  10. 청구항 3 또는 9에 있어서, 상기 슬러지를 건조하는 단계는 상기 슬러지의 함수율이 20 wt% 이하가 되도록 수행되는 것인 슬러지의 처리 공정.
  11. 청구항 1 내지 4 및 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러지는 유해 염소 성분을 1,000 ppm 내지 20,000 ppm의 농도로 포함하는 것인 슬러지의 처리 공정.
  12. 청구항 1 내지 4 및 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 단계는 산소의 농도가 3 vol% 이하의 분위기에서 수행되는 것인 슬러지의 처리 공정.
  13. 청구항 1 내지 4 및 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 단계는 1 시간 내지 6 시간 수행되는 것인 슬러지의 처리 공정.
  14. 청구항 1 내지 4 및 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 단계는 900℃ 내지 1,200℃의 온도에서 수행되는 것인 슬러지의 처리 공정.
  15. 청구항 1 내지 4 및 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러지의 처리 공정은 상기 연소 단계에서 연소된 가스를 냉각하는 단계를 더 포함하는 슬러지의 처리 공정.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 슬러지의 처리 공정은 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시키는 스크러빙 단계 및 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시키는 집진 단계 중 적어도 한 단계를 더 포함하는 슬러지의 처리 공정.
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