KR100195687B1 - 유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치 - Google Patents

Abstract

유류 오염 토양 복원용 가열식 장치에 있어서, (1) 유류 오염 토양의 유류를 탈착시키기 위한 유동상 열탈착 시스템, (2) 상기 유동상 열탈착 시스템에서 탈착된 유류분을 연소시키기 위한 산화 촉매가 장착된 저온 열파괴 시스템, (3) 상기 유동상 열탈착 시스템과 상기 저온 열파괴 시스템 사이에 위치하여 이들 시스템 (1, 2)와 함께 다단식 구조를 형성하며, 상기 열파괴 시스템내에서 발생된 상기 탈착된 유류분의 연소열을 상기 유동상 열탈착 시스템의 열원으로 제공하기 위한 가열관 시스템, 및 (4) 상기 시스템들 (1, 2, 3) 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되도록 하기 위한 순환 시스템으로 이루어지는, 유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치 및 이 장치를 사용하여 유류로 오염된 토양을 복원하는 방법이 개시되어 있다.

본 발명에 따른 간접 가열식 유동상 장치를 사용함으로써 에너지 이용을 극대화시켜 유류로 오염된 토양을 고효율로 복원시킬 수 있다.

Description

유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치

본 발명은 유류 (油類)로 오염된 토양을 복원하는데 사용될 수 있는 가열관 (heat pipe)이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치에 관한 것이다.

최근, 주유소 주변의 토양은 석유류 또는 화학물질 제품에 의해 심각하게 훼손되고 있으며, 이와 같은 석유류 또는 화학물질 제품에 의한 토양의 오염 실태는 지난 1996년 8월 8일자 조선일보의 환경 심층 취재에도 나타나있는 바와 같이 국내 175군데 주유소 529개 지하 저장 탱크 중 약 36.1%의 탱크에서 유류가 누출되고 있으며, 특히 매설 후 10 내지 40년이 경과된 주유소 탱크 6군데 중 5군데의 주변 토양의 시료에서 토양이 경유와 중유 성분으로 오염되어 있는 것으로 보도되고 있어 그 심각성을 단적으로 보여준다. 더구나 이러한 오염 토양의 기름들에는 벤젠, 톨루엔 등의 발암 물질을 포함한 150가지 이상의 유독 물질이 포함되어 있어 이들로 오염된 지하수로 인해 백혈병 및 각종 질환이 유발되므로 주민들의 건강이 치명적으로 위협받는 결과를 초래하게 된다.

이들 석유류 제품에 의해 오염된 토양에 대한 복원 기술 (Remediation)은 관리 처리 체제를 통하여 오염된 토양 및 지하수를 자연 상태로 환원시키는 기술로서 미국을 위시한 선진 각국에서 그 연구 및 현장 적용을 통한 처리가 활발하게 진행 중에 있다. 오염 토양 복원 기술은 i) 인-시츄 (in-situ) 시스템과 ii) 엑스-시츄 (ex-situ) 시스템으로 분류되어진다. 인-시츄 복원 시스템은 오염된 토양을 굴착 이동시키지 않고 원 위치에서 오염 물질을 제거 및 분해시키는 기술이다. 이 기술은 유해한 휘발성 오염 물질을 제거시키는데 효과적인 증기 추출 (vapor extraction) 복원 기술과 함께 원 위치에서 생물학적 복원을 행하기 위해 연구와 적용이 활발하게 진행되고 있다. 엑스-시츄 시스템은 오염된 토양을 굴착하여 오염 토양 처리 시설 및 외부와의 차단 시설이 설치된 새로운 장소로 옮겨 처리한 후 복원된 토양을 원래의 굴착지로 환원시키는 시스템이다. 이 기술에는 물리, 화학 및 생물학적 방법들이 모두 사용가능하다.

한편, 현재 문제가 되고 있는 주유소의 유류 저장소 주변의 입지 환경을 고려하고 선진국 등지에서 개발되고 있는 오염 토양 복원에 적용할 수 있는 주요한 기술들을 비교해 보면 어떠한 기술이 적합할 지는 어느 정도 추론이 가능하다. 먼저 국내 주유소 주변의 입지 환경을 살펴보면,

첫째, 복원 대상이 되는 노후한 주유소 대부분이 도심 또는 교통량이 많은 장소에 집중되어 있으며, 따라서 토양 복원을 위한 시설물과 같은 작업 환경은 주변 주민들에게나 이 곳을 통행하는 차량 흐름에 방해가 되어 새로운 민원을 유발시킬 가능성이 크고,

둘째, 도심 주변의 주유소 일대는 대부분 토지 가격이 비싸서 토지 소유주 입장에서 볼 때 토양 복원을 위해 토지를 장기간 동안 유휴지로 방치할 수 없으며,

셋째, 석유류 제품에 오염된 토양은 오염원의 종류가 다양하여 어느 한가지 기술만을 사용해서는 오염 토양의 처리가 곤란하다.

상술한 바와 같은 이유로 인해, 인-시츄 시스템의 토양 복원 방식들은 본래 가지고 있는 여러 가지 장점에도 불구하고 국내 지하 저장 탱크 주변의 오염된 토양 현장에 적용하기에는 많은 한계점을 가지고 있다. 따라서, 광범위하고도 다양한 오염원에 오염된 토양을 단기간에 그리고 완전히 처리할 수 있는 효과를 가지는 열처리법은 특히, 생물학적 처리나 다른 물리/화학적 처리들과 비교해도 현재까지 오염 토양을 복원시키기 위해 개발된 방법들 중에서 그 효과가 가장 잘 입증된 기술이라고 사료된다.

이러한 열처리법 중에서 대표적인 방법인 소각은 독성 제거와 부피 감량이 함께 가능하지만 설치비가 비쌀 뿐만 아니라 고형 잔류물 처리 및 발생되는 배기 가스 처리에도 유의해야 한다. 즉, 이와 같은 소각에는 오염 토양의 온도를 오염 물질이 연소되는 점까지 올릴 때 발생되는 연소 가스의 양을 조절하는 것이 불가능할 뿐만 아니라 고온에서의 운전에 따른 황 산화물 및 질소 산화물의 발생은 물론 토양에 함유된 중금속까지도 토양에서 대기로 옮아가는 결과가 초래되는 등의 문제점들이 있다.

이와 같은 열처리법의 문제점을 해결하기 위한 방식으로서 개발된 열탈착법은 오염된 토양에 열에너지를 가하여 토양 세공 속이나 토양 입자들 사이에 존재하는 오염 물질을 액상 또는 고상으로부터 기상으로 탈착시키는 방법이다. 열탈착법은 열 공급 방식에 따라 직접 가열 방식과 간접 가열 방식으로 나뉘어지며, 직접 가열 방식은 열탈착기 내부에 제한된 양의 산소를 공급하여 불완전 연소열을 이용하는 방식이고 간접 가열 방식은 연소 반응을 배제시킴으로써 열탈착기에 내삽된 가열체의 열원만을 이용하는 방식이다. 이와 같은 간접 가열식 열탈착 시스템은 발생되는 폐가스의 양을 현저하게 감소시켜 처리 가스의 처리 규모를 작게할 수 있는 효과를 가져올 수 있다. 그러나, 현재까지 개발된 기술로는 내부에서 뜨거운 기름이 순환되는 고온 스크류우를 열탈착기에 내삽하는 방법 (LT³Technology, P.T. Kostecki and E.J. Calabrese, Petroleum Contaminated Soils : Remediation Techniques Environmental Fate Risk Assessment, Vol. 1, pp 201 ∼ 209, Lewis Publisherss, Inc., Chelsea, Michigan, 1989; EPA Report, Low Temperature Thermal Treatment (LT³) Technologyy, EPA/540/AR-92/019, Dec. 1992 참조)이 사용되고 있으나 이러한 방법은 사용되는 장치가 복잡하고 열전달 효율의 한계로 인해 처리 규모가 제한되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 이와 같은 종래의 방법들의 한계를 극복하기 위해 예의 연구한 결과 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 목적은 유류 오염 토양 복원용 가열식 장치에 있어서, (1) 유동상 열탈착 시스템, (2) 산화 촉매가 장착된 저온 열파괴 시스템, (3) 상기 유동상 열탈착 시스템과 상기 저온 열파괴 시스템 사이에 위치하여 다단식 구조를 형성하는 가열관 시스템, 및 (4) 상기 시스템들 (1, 2, 3) 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되도록 하기 위한 순환 시스템으로 이루어지는, 유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유류 오염 토양 복원을 위한 가열 방법에 있어서, (1) 유동상 열탈착 시스템내에서 유류에 오염된 토양을 연속적으로 탈착시키는 단계, (2) 탈착된 유류분을 열파괴 시스템내에서 분해 및 제거하는 단계, (3) 상기 탈착된 유류분의 연소열을 상기 가열관 시스템에 의해 상기 유동상 열탈착 시스템의 열원으로 제공하는 단계, 및 (4) 상기 시스템들 (1, 2, 3) 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되도록 하는 단계를 포함하는, 유류 오염 토양 복원 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 유류로 오염된 토양을 복원시킬 때 발생되는 폐가스를 최소화시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 유류로 오염된 토양을 복원시키는데 있어서 에너지 이용률을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 유동상 열탈착 시스템에서 10% 디젤유로 오염된 토양을 정화할 때 시간 경과에 따른 열탈착 시스템내 오염 토양의 유류분 변화를 나타낸 그래프도.

도면의주요부분에대한부호의설명

1 : 오염 토양 공급관

2 : 정화된 토양 배출관

3 : 사이클론

4 : 탈착 가스 배출관

5 : 유동화 가스 공급관

6 : 폐가스 배출관

7 : 산소 보충 공급관

8 : 탈착 가스 공급관

본 발명의 유류 오염 토양 복원용 장치는 오염된 유류가 연소되지 않고 단지 탈착 과정만이 진행되는 500 ℃ 이하에서 열탈착 시스템을 운전하고 탈착된 유류분은 산화 촉매를 사용하여 저온에서 연소시키며, 이 때 발생되는 열에너지의 대부분을 다시 가열관에 의해 열탈착 시스템으로 전달시키는 고효율 장치로서, 열탈착 시스템에는 유동층을 이용하여 시스템간의 열전달 효율 및 고상으로부터 기상으로의 물질 전달도 극대화될 수 있도록 하였다.

본 발명의 시스템은 높은 에너지 효율을 달성하기 위해서 유동상 열탈착 시스템과 벌집형 산화 촉매로 이루어진 열파괴 시스템이 가열관에 의해 연결되어 있는 다단식 오염 토양 열처리용 시스템이다. 이 시스템에서 오염 토양에 존재하는 유류의 탈착에 필요한 탈착 에너지는 탈착된 유류분이 열파괴 시스템에서 연소되면서 발생되는 연소열을 특별한 열 운송 기구 없이 가열관에 의해 고효율로 열탈착 시스템에 간접 전달되는 방식으로 구성되어 있으며, 열파괴 시스템을 유류의 연소 온도 보다 훨씬 낮은 온도 (300 ℃ 전후)에서 운전함으로써 고온 운전시 발생되는 황 산화물 및 질소 산화물 (NOx)의 발생을 원천적으로 억제시키는 특징을 가지고 있다.

본 발명의 시스템은 다음과 같은 구성요소, 즉 (1) 유동상 열탈착 시스템, (2) 저온 열파괴 시스템, (3) 가열관 시스템, 및 (4) 기체 순환 시스템으로 이루어져 있다.

유동상 열탈착 시스템에 이용되는 유동상이란 고체 입자가 액체 또는 기체에 의해 부유되어 있는 상태를 말하며, 이 상태에서는 고상과 액상 또는 기상간의 물질 전달 및 열 전달의 막저항이 매우 작아서 외부 시스템으로부터 유동층내로의 열전달 및 고상으로부터 액상 또는 기상으로의 물질 전달을 고정상 보다 10배 이상 높이는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같은 장점을 가지고 있는 유동상을 이용하여 오염 물질을 유동상내에서 열탈착시킴으로써, 열탈착에 필요한 유동층내로의 열전달 및 오염 토양으로부터 기상으로의 물질 전달이 고효율로 가능하도록 한다.

열파괴 시스템에서는, 유동층내에서 탈착된 유류의 휘발성 유기 화합물 (VOC: Volatile Organic Compounds)을 산화 촉매를 사용하여 저온에서 연소시키는 것이 가능하다. 본 발명에서는 백금계 벌집형 촉매를 사용하였다.

본 발명의 가열관 시스템은 간접 가열 방식을 이용한 것으로서, 가열관은 대량의 열 수송 능력, 온도 분포의 균일성, 가볍고 간단한 구조 및 빠른 응답성 뿐만 아니라 불응축 가스를 혼입시킴으로써 열 운송량과 시스템의 온도를 제어할 수 있는 점 등의 많은 장점을 가지고 있다. 가열관의 작동 원리는 지극히 단순하다. 즉, 진공으로 밀폐된 용기내에 적당량의 작동 유체를 주입하여 한쪽에서 고온의 열매체로 가열하면 작동 유체가 증발하여 다른쪽으로 압력차에 의해 이동하게 되며, 이 때 증발된 증기를 외부에서 저온의 매체로 응축시켜 작동 유체가 증발한 증발부로 순환시킴으로써 증발 잠열을 매개 수단으로 하여 고온의 열매체가 가지고 있는 열을 저온의 매체로 전달하는 방식으로, 외부의 열 운송 기구가 필요없는 장치이다. 본 발명에서는 이러한 가열관을 사용함으로써 열파괴 시스템의 열에너지를 유동상 열탈착 시스템내로 원활하게 전달하여 간접 가열할 수 있다.

본 발명의 장치에서는 본 장치를 구성하는 각 시스템 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되며 이는 다음의 물질 및 에너지 순환에 대한 설명에도 잘 나타나있다.

도 1은 본 발명에 따른 유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치의 개략도이며 물질 순환은 다음과 같다. 유류에 오염된 토양은 오염 토양 공급관 (1)을 통해 유동층내로 공급되고 정화된 토양은 정화된 토양 배출관 (2)를 통해 배출된다. 공정 중 비산되는 미세 토양은 사이클론 (3)을 통해 다시 오염 토양 공급관 (1)로 재공급되거나 정화된 토양 배출관 (2)에서 배출되는 토양과 합해져서 배출된다. 또한, 유동층내의 탈착된 유류 (탄화수소)는 탈착 가스 배출관 (4)를 통해 배출되어 순환 펌프에 의해 탈착 가스 공급관 (8)을 통해 열파괴 시스템으로 공급되고, 산화 촉매층에서 산화되어 이산화탄소 및 물로 전환되어 이산화탄소와 응축수 그리고 토양 중에 포함된 수증기는 폐가스 배출관 (6)으로 배출되며, 산화 반응에 의해 유류분을 연소시키는데 소모되는 양 만큼의 산소가 산소 또는 공기로서 산소 보충 공급관 (7)을 통해 열파괴 시스템내로 공급된다.

한편, 에너지 순환은 다음과 같다. 상온의 오염된 토양은 오염 토양 공급관 (1)을 통해 유동층내로 공급되어 200 내지 300 ℃ 범위내의 온도로 승온되면서 유류가 탈착되며 정화된 토양은 정화된 토양 배출관 (2)를 통해 배출된다. 또한, 유동층내의 가열된 기체는 유류분을 함유하며 탈착 가스 배출관 (4)를 통해 배출되어, 산화 반응에 의해 유류분을 연소시키는데 필요한 양 만큼의 산소 및 연소 반응 중 생성되는 수분을 제거하기 위해 순환시키는 기체 (주로 H₂O, CO₂및 O₂를 함유)와 합쳐져서 순환 펌프에 의해 탈착 가스 공급관 (8)을 통해 열파괴 시스템으로 공급된다. 이 시스템내에서 발생된 연소열은 가열관에 의해 유동화 가스 공급관 (5)를 통해 유동층내로 전달된다. 연소된 기체는 대부분 그대로 유동층으로 공급되어 오염 토양을 가열시키는 열원으로서 작용하지만 연소된 기체량의 10% 정도는 폐가스 배출관 (6)을 통해 배출되어 공정 중에 발생되는 수분이나 오염 토양에서 탈착되는 수분이 공정으로부터 제거된다.

이하, 본 발명을 대표적인 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명의 실시양태를 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

작동 유체로서 나프탈렌을 사용한 나프탈렌 가열관의 가열부 온도를 200 ℃, 300 ℃ 및 450 ℃로 변화시키면서 유동층내에서 10% 디젤유로 오염된 토양의 시간에 따른 온도 변화를 측정하고, 또한 시료를 10분 단위로 샘플링하여 열중량 분석법에 의해 시료의 무게 감량을 조사하여 열처리에 따른 무게 감량을 기준으로 계산한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 탈착률은 오염된 토양의 원래 무게에 대한 유동상 열탈착 시스템에서 샘플링한 시료의 단위 시간당의 무게 변화율로서 정의하였다.

[표 1]

가열부의 온도를 변화시키면서 측정한 10% 디젤유로 오염된 토양의 시간 경과에 따른 유동상 열탈착 시스템내의 온도 변화 및 탈착률.

표 1에 나타나있는 바와 같이 가열관의 온도가 증가함에 따라 탈착률은 증가하며 300 ℃의 유동상 온도에서 오염 물질이 약 95% 탈착되었다.

또한, 실제 디젤유 성분의 잔류량을 용매 추출법에 의해 측정하였다. 샘플링한 시료 2 g에 염화메틸렌 2 cc를 섞어 초음파 처리기로 약 2시간 추출한 후 여과하여 2 μl를 GC-FID (모델명: HP 6890, 휴렛 펙커드사 (Hewlett Packard)사 제)를 사용하여 성분 분석하였다. 도 2는 300 ℃의 유동상 열탈착 시스템에서 10% 디젤유로 오염된 토양을 정화할 때 시간 경과에 따른 열탈착 시스템내 오염 토양의 유류분 변화를 나타낸 그래프도이다.

도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제거되지 않고 잔류하는 디젤유 성분은 열처리 시간이 경과함에 따라 급격히 감소되는 것으로 나타났으며 무게 감량 기준으로 계산한 수치 보다 훨씬 높은 약 99%의 디젤유 성분이 제거되었음을 확인하였다. 또한, C₁₀-C₁₅성분은 열처리 시간이 경과함에 따라 급격히 제거되기 시작하여 30분 경과 후에는 완전히 제거되나 비교적 분자량이 큰 C₂₁이상의 탄화수소는 제거 속도가 상대적으로 늦어 열처리 시간 30분 후 잔존 성분의 대부분을 구성한다는 것을 알 수 있었다.

이러한 결과로부터, 가열관을 내삽한 유동상 열탈착 시스템은 별도의 열 운송 기구가 없이도 열탈착 시스템내로 열을 효과적으로 전달시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매 산화 연소시 발생되는 열에너지도 이용할 수 있어 에너지 이용을 극대화시킬 수 있는 경제적인 고효율 시스템이라는 것이 입증되었다.

실시예 2

백금계 벌집형 산화 촉매를 사용하여 탈착된 유기 화합물들의 열파괴 효율을 측정하였다. 반응 조건은 공간 속도를 12,000 시간^-1으로 하고, 산소 농도가 약 27%인 부화 공기를 사용하였다. BTX의 3종류 유기 화합물 및 디젤유의 공급 농도는 각각 벤젠의 경우 0.0032-0.0035 g/cc, 톨루엔의 경우 0.0025-0.0028 g/cc, 메타-크실렌의 경우 0.0022-0.0024 g/cc, 디젤유의 경우 0.000794 g/cc로 하여 파괴 실험을 수행하였으며 표 2에 나타낸 바와 같이 약 90% 이상이 제거된 것을 알 수 있었다.

[표 2]

각종 석유류 제품의 백금계 벌집형 산화 촉매상에서의 제거 효율

유류 오염 토양 복원을 위해 본 발명에 따른 간접 가열식 유동상 장치를 사용함으로써 유동상 열탈착 시스템에 의해 오염 토양을 탈착시킬 수 있고 탈착된 유류를 열파괴 시스템에서 산화 촉매를 이용하여 분해 및 제거시킬 수 있으며 가열관 시스템을 사용하여 간접 가열시킬 수 있으므로, 별도의 열 운송 기구가 없이도 열탈착 시스템내로 열을 효과적으로 전달시킬 수 있을 뿐만 아니라 촉매 산화 연소시 발생되는 열에너지도 이용할 수 있어 에너지 이용을 극대화시켜 오염 토양을 고효율로 복원시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 유류 오염 토양 복원용 가열식 장치에 있어서,

   (1) 유류 오염 토양의 유류를 탈착시키기 위한 유동상 열탈착 시스템,

   (2) 상기 유동상 열탈착 시스템에서 탈착된 유류분을 연소시키기 위한 산화 촉매가 장착된 저온 열파괴 시스템,

   (3) 상기 유동상 열탈착 시스템과 상기 저온 열파괴 시스템 사이에 위치하여 이들 시스템 (1, 2)과 함께 다단식 구조를 형성하며, 상기 열파괴 시스템내에서 발생된 상기 탈착된 유류분의 연소열을 상기 유동상 열탈착 시스템의 열원으로 제공하기 위한 가열관 시스템, 및

   (4) 상기 시스템들 (1, 2, 3) 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되도록 하기 위한 순환 시스템을 포함하는,

   유류 오염 토양 복원을 위한 가열관이 내삽된 간접 가열식 유동상 장치.
2. 유류 오염 토양 복원을 위한 가열 방법에 있어서,

   (1) 유동상 열탈착 시스템내에서 가열관 시스템에 의한 간접 가열을 통해 유류에 오염된 토양을 연속적으로 탈착시키는 단계,

   (2) 상기 유동상 열탈착 시스템에서 탈착된 유류분을 산화 촉매를 사용하는 열파괴 시스템내에서 분해 및 제거하는 단계,

   (3) 상기 열파괴 시스템내에서 발생된 상기 탈착된 유류분의 연소열을 상기 가열관 시스템에 의해 상기 유동상 열탈착 시스템의 열원으로 제공하는 단계, 및

   (4) 상기 시스템들 (1, 2, 3) 내외의 기체들이 서로 유기적으로 순환되도록 하는 단계를 포함하는,

   유류 오염 토양 복원 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 유동상 열탈착 시스템내에서 탈착되는 유류분을 순환 펌프에 의해 상기 열파괴 시스템으로 공급하고 이 열파괴 시스템내의 산화 촉매층에서 산화시켜 이산화탄소 및 물로 전환시키며, 생성된 이산화탄소와 응축수 그리고 토양 중에 포함된 수증기를 배출시키고, 상기 열파괴 시스템에서 산화 반응에 의해 소모되는 양 만큼의 산소를 외부에서 공급하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 유동상 열탈착 시스템내에서 탈착되는 유류분을 상기 열파괴 시스템내의 산화 촉매층에서 연소시킬 때 발생되는 연소열을 상기 가열관 시스템에 의해 상기 유동상 열탈착 시스템으로 전달하는 방법.

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