KR100418129B1 - 비산회처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비산회를 처리하는 방법 및 플랜트에 관한 것이며, 플랜트에서는 중금속을 분리하고, 침출 내성 슬래그를 형성한다. 비산회 처리는 반응기(2)에서 수행되며, 비산회는 플라즈마 발생기(1)에서 적어도 2500℃로 가열되는 산화 기체 스트림중으로 유입된다. 비산회를 용융시켜서 액체 방울의 슬래그를 형성한다. 이를 연소하여 공정에 외부 에너지를 공급한다. 산소와 탄소의 비는 CO2/CO + CO2비가 0.4-0.9 범위내에 유지되도록 조절된다. 이렇게 하여, 아연 및 납과 같은 비산회중의 중금속이 감소되어 기체상으로 통과한다. 상기 기체는 반응기(2)로부터 배기, 냉각, 세척시켜지며 이렇게 하여 금속 산화물을 분리한다. 상기 기체는 스크러버에서 분리된 염소 및 황을 또한 함유할 수도 있다. 슬래그는 반응기(3)의 바닥에 수거되고 연속해서 슬래그 록(9)에 의해 가두어 질 수 있다. 슬래그의 CaO와 SiO2함량은 고함량의 SiO2와 슬래그 형성재와의 혼합물에 의해 조절될 수가 있다. 이렇게 하여 우수한 침출 내성을 지닌 슬래그가 수득된다.
Description
기술 분야
본 발명은 비산회(fly ash)를 용융시켜 내침출성 고체 물질(leaching resistant solid materials)을 수득하는 동시에 아연과 납이 부화된 이차 분진을 회수하는 방법 및 플랜트에 관한 것이다.
배경 기술
쓰레기 소각에 의해 발생되는 비산회의 문제는, 매각에 따른 중금속 및 독성 유기물의 침출로 인하여 많은 관심을 끌고 있다. 비산회를, 예를 들어 시멘트의 형태로 결합시켜 이러한 문제를 해결하려는 연구가 있었으나 받아들일 만한 결과를 제공하지는 못했다. 이러한 목적에 이용할 수 있는 방법이 공지되어 있다. 유리 제조로 및 아크로에서 비산회를 용융시키는 것과 관련된 실험이 현재 진행 중이다. 그러나 이들 방법에서는 균질 슬래그를 수득하기 위한 조절이 어렵다는 것이 입증되었다. 또 이들 방법에서는 아연 및 납과 같은 중금속을 제거할 수 있는 가능성이 제한된다.
본 발명의 목적은 중금속이 분리되고 내침출성 슬래그가 형성되는 비산회 처리 방법 및 플랜트를 제공하는 데에 있다. 본 발명에 따르면, 이들 목적은 청구의 범위에 제시되는 특징을 가지는 방법 및 플랜트에 의해 달성된다.
본 발명에서, 비산회는 2500℃ 이상의 온도에서 고온의 기체 스트림 내로 유입됨으로써 용융점에 이르게 된다. 비산회는 반응기 내의 좁은 통로부 (constriction)로 유입되어 80 내지 120도의 각도로 기체 흐름에 유입된다. 비산회를 함유하는 상기 기체 스트림은 용적이 증가하는 원뿔 모양의 반응기 내에서 팽창한다. 반응기를 통한 운반 중에 열에너지가 비산회에 공급되어, 비산회를 용융시켜서 액체 슬래그 방울을 형성시킨다.
상기 기체는 공기 또는 다른 산화성 기체(oxidizing gas)로 구성될 수 있다. 비산회와 함께, 예를 들어 탄소 또는 탄화수소 물질(hydrocarbons)과 같은 연료가 유입되어 불완전 연소를 유발시킨다. 이러한 불완전 연소는 공정에 에너지를 공급하여, 기체 스트림에게서 요구되는 에너지를 감소시킨다. 상기 기체는 플라즈마 발생기에서 전기 에너지 수단에 의해 가열되는 것이 유리하다.
비산회에 존재할 수 있는 산화성 기체, 공급되는 연료 및 탄소 또는 탄화수소 물질 사이의 비는 CO2/CO + CO2비가 0.4∼0.9 범위 내에 유지되도록 조절된다. 이로 인하여, 비산회에 존재하는 대부분의 아연 및 납 산화물은 금속으로 환원되며, 이 금속은 높은 증기압 때문에 기체상으로 존재할 것이다. 에너지 공급에 추가하여, 탄소 또는 탄화수소 물질의 혼합물은 NOX의 형성을 억제하는 능력도 지니며, 따라서 상기 혼합물은 폐기 가스로부터의 NOX방출량을 감소시키는 아주 중요한 보조제이다.
비산회의 용융, 및 아연 및 납의 증발 이후에, 기체 방향을 변경시킴으로써액체 슬래그 방울이 기체로부터 분리되어, 상기 기체 흐름은 반응기 바닥에서 액체 슬래그의 표면을 향하여 편향된다. 슬래그 방울은 액체 슬래그 형태로 수거된다. 상기 기체가 반응기로부터 배출, 냉각 및 세정되고, 아연 및 납 부화 제 2 분진이 회수될 수 있다.
내침출성이 높은 슬래그를 얻기 위해, 슬래그의 CaO 및 SiO2함량은 CaO/SiO2비가 1.2 미만에서 유지되도록 조절될 수 있다. 이러한 조절은 비산회와 함께 고함량의 SiO2를 지닌 슬래그 형성재를 가함으로써 이루어질 수 있다.
슬래그는 슬래그 록(lock)을 통하여 반응기로부터 연속적으로 배출되어, 블록 형태로 주조되거나, 물로 처리되어 과립의 수쇄 슬래그(granulated slag)로 응고될 수 있다.
아연 및 납과는 달리, 용적이 큰 몇몇 알칼리뿐만 아니라 염소 및 황은 증발하여 비산회로부터 분리될 수 있다. 이들 물질은 기체 스크러버(scrubber) 내에서 기체로부터 분리되는 것이 유리하다.
본 발명은 도면 및 표와 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면은 단지 개략적인 형태로 반응기와 플랜트의 구체예를 도시하여, 본 발명의 원리만이 도해된다.
도 1은 반응기의 길이방향 단면도이다.
도 2는 단순화된 플랜트를 도시한 도면이다.
표 1은 본 발명에 따른 플랜트에서 형성된 비산회의 슬래그 침출 시험 이후,금속 원소(㎎/ℓ)의 분석 결과를 나타낸다. 상기 분석 결과가 종래의 비산회 침출 시험과 비교되어 있다.
표 2는 한 가지 형태의 비산회에 대하여 화학 성분 및 원소를 중량%로 기재하고 있다.
표 3은 플랜트에서 형성된 슬래그, 슬러지, 환수 및 폐기 가스 중의 화학 성분의 주함량을 기재하고 있다.
표 4는 내침출성 슬래그 중의 화합물 및 원소를 중량%로 기재하고 있다.
표 5는 슬러지 중의 화합물 및 원소를 중량%로 기재하고 있다.
표 6은 기체 세정 이후의 폐기 가스 중의 화합물 및 원소를 중량%로 기재하고 있다.
도 1은 반응기(2)와 연결된 플라즈마 발생기(1)로 구성된 플랜트의 주요 부분을 도시하고 있다. 플라즈마 발생기(1)에 케이블(4)을 통하여 전기 에너지가 공급되고 파이프 라인(5)을 통하여 공기가 공급된다. 공기는 플라즈마 발생기(1)에서 가열되고 이온화하여, 화살표(11)로 도시된 바와 같이 반응기(2) 내로 흐른다. 반응기의 유입구에는 좁은 통로부(6)가 설치된다. 이러한 좁은 통로부(6)에 비산회 공급 파이프(7)가 설치된다. 비산회는 공기 흐름(11)에 대해 80∼120°의 각도로 유입된다. 좁은 통로부(6)에는 연료 공급 파이프(8)도 설치된다. 연료는 탄소 또는 탄화수소 물질일 수 있다.
반응기(2)는 플라즈마 발생기로부터의 거리가 증가됨에 따라서 용적이 증가하는 원뿔 모양이다. 반응기(2)에는 추가의 반응기(3)가 연결되는데, 이러한 반응기(3)는 그 바닥에서 액체 비산회의 방울을 슬래그로서 수거하는 슬래그 사이클론으로서 고안될 수 있다. 반응기(3)는 슬래그 록(9) 형태의 슬래그 배출 장치 및 기체 배출 파이프(10)를 갖는다.
도 2에 기술된 플랜트는 본 발명의 중요한 주요 특징을 설명하고 있으며, 다른 파이프 라인 및 배선도 일반적으로 존재하여 상기 플랜트에서 사용될 것이지만, 이해를 쉽게 하기 위해 생략된다. 따라서 도면은 본 발명에서 사용되는 원리만을 설명할 뿐이다.
플랜트의 주요 부분은 반응기(2) 및 슬래그 사이클론(3)과 연결된 플라즈마 발생기(1)로 구성된다. 플라즈마 발생기는 전기 에너지 공급 케이블(4) 및 공기 공급 파이프 라인(5)을 구비하고 있다. 반응기(2)의 유입구에는 좁은 통로부(6)가 설치된다. 좁은 통로부(6)에 공기 공급 파이프(5), 비산회 공급 파이프(7) 및 연료 공급 파이프(8)가 설치된다. 플라즈마 발생기(1) 및 반응기(2)는 모두 수냉식으로 냉각되는 구성요소, 즉 수냉식 부품일 수 있으며, 냉각수 파이프 라인은 도면 부호 11로 표시된다.
플랜트에는 비산회 저장용 사일로(12)와 완충액 사일로(13), 및 파이프 라인(7)을 통하여 반응기(2)로 비산회를 공급하는 컨테이너(14)와 주입 장치(15)가 설치된다.
슬래그 사이클론(3)은 슬래그 록(9) 형태의 슬래그 배출 장치를 구비하고 있다. 슬래그는 파이프 라인(16)을 통하여 도가니(17) 중으로 회수될 수 있다.
슬래그 사이클론(3)은 기체 배출 파이프 라인(10)을 구비하고 있다. 상기기체는 기체 세정 장치를 통과할 수 있으며, 세정 장치는 기체 냉각기(20), 벤트리관 스크러버일 수 있는 가스 스크러버(21), 및 세척탑일 수 있는 기체 상태조절기(22)로 이루어진다. 기체 냉각기(20)는 열 교환기의 형태일 수 있다. 기체 냉각기(20) 및 스크러버(21)는 냉각수를 위한 공급 파이프 라인(24)과 환수(return water)를 위한 배출 파이프 라인(25)을 구비하고 있다.
아연, 납 및 카드뮴과 같은 중금속은 스크러버(21)에서 세척되고 슬러지로서 회수될 수 있으며, 이러한 슬러지는 파이프 라인(26)을 통하여 마무리 공정으로 배출된다. 염소 및 황은 스크러버(21) 내에서 세척된 뒤, 수용성 염이 되어 파이프 라인(25)을 지난다. 기체 상태 조절 장치(22)에서 기체는, 혹시 있을 수 있는 바람직하지 않은 잔류물이 세정된다.
정수 플랜트(water purification plant, 30)에서, 기체 세정에서 온 분진 및 입자는 슬러지로서 침전되어 파이프 라인(26)을 통해서 방출될 것이다. 염화물 및 황산염을 형성하는 염은 일반적으로 수용성이어서 물에 용해될 것이다.
본 발명에 따른 플랜트의 구체예에서, 1000kg의 비산회에 대하여 630kg의 슬래그가 형성되었다. 플라즈마 발생기 내에서의 전기 에너지 소모량은 1000kg의 비산회에 대하여 920kWh이었다. 공기 공급량은 200Nm3/시간(h)이었다. 프로판이 연료로서 9Nm3시간(h)으로 공급되었다. 벤트리관 스크러버 내에서 폐기 가스가 세정되었고 이차 분진이 세정용 물에서 분리되었다. 이차 분진에는 약 60% 아연 및 납이, 주로 산화물로서 함유되었다.
표 1에, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 슬래그의 EPA 표준 침출 시험 이후의 결과를 나타내었다. 그 값은 충전재(filling material), 예를 들어 로드 빌딩(road building)에 대해 사용될 수 있는 물질에 대한 허용 한계치보다 낮았다.
침출 시험은 "최대로 침출 가능한 물질(Maximum leachable material)"에 따라 이루어졌는데, 이는 슬래그 물질에 대해 사용할 수 있는 시험 방법 중 가장 바람직하다. 물질의 최대 함량은 침출된 미세 연마 슬래그 샘플 네 개의 추출물로 결정된다.
상기 시험은 pH가 4.5인 황을 함유하는 물을 125g의 미세 연마된(finely-ground) 슬래그에 첨가함으로써 이루어진다. 침출은 상기 혼합물을 교반하면서 24시간 동안 이루어진다. 24시간이 지난 뒤 황산을 첨가하여 pH값을 4.5로 조정하는 동시에 새로운 슬래그를 일부 첨가한다. 침출수(leaching water)가 분석되기 전에 이러한 과정을 4번 반복한다.
표 1의 제 1 칼럼에는 본 발명에 따른 플랜트에서 형성된 슬래그의 침출 시험 이후 금속 원소의 분석 결과를 mg/l 단위로 나타내었다. 제 2 칼럼에는 비산회에서의 금속 원소의 분석 결과를 mg/l 단위로 나타내었다. 제 3 칼럼에는 EPA에 따른 모든 금속 원소에 대하여 음료수 표준으로서 인정된 최고치의 6배를 나타내었다.
비산회중의 화합물 및 원소는 표 2에 기재되어 있다. 표는 한 가지 형태의 비산회에 대한 중량% 분석 결과를 나타내고 있다.
본 발명에 따른 방법으로부터 내침출성 슬래그, 금속 부화 슬러지 및 폐기가스도 형성된다. 또 환수는 수용성 염으로부터 염화물 및 황산염을 함유할 것이다. 슬래그, 슬러지, 환수 및 기체 중 화학 원소의 주요 함량은 표 3에 기재되어 있다.
내침출성 슬래그 중의 화합물 및 원소는 표 4에 기재되어 있다. 표는 분석 결과를 중량%로 기재하고 있다.
기체 세정 이후에 환수로부터 침전된 슬러지 중의 화합물 및 원소는 표 5에 기재되어 있다. 표는 분석 결과를 중량%로 기재하고 있다.
표 6은 기체 세정 및 기체 상태 조절 후 폐기 가스 중의 화합물 및 원소를 기재하고 있다. 표는 분석 결과를 용적%로 기재하고 있다.
[표 1]
본 발명에 따라 처리된 슬래그 중 금속 원소의 분석 결과가 칼럼 1에 나타나 있다. 칼럼 2에서는 최초 비산회의 침출 시험에 대한 결과를 나타낸다. 칼럼 3은EPA 음료수 표준치로서 허용되는 최고치의 6배값을 나타낸다
[표 2]
한 가지 형태의 비산회 중의 화합물 및 원소
[표 3]
슬래그, 슬러지, 환수 및 기체 중의 주요 화학 원소
[표 4]
한 가지 형태의 슬래그 중의 화합물 및 원소(중량%)
[표 5]
한 가지 형태의 슬러지 중의 화합물 및 원소(중량%)
[표 6]
기체 세정 후 폐기 가스 중의 화합물 및 원소(용적%)
Claims (10)
- 비산회(fly ash)를 용융시켜 내침출성 슬래그를 수득하면서 동시에 중금속 함유물을 분리할 수 있는 방법으로서,온도가 2500℃ 이상인 산화성 기체 내로 비산회를 유입시키는 단계,추가의 에너지를 공정에 공급하는 탄소 또는 탄화수소 물질을 첨가하여 비산회를 슬래그의 방울로서 용융점에 이르게 하는 단계,중금속 산화물을 환원시키고, 기체상 내로 통과시켜, 이차 분진 중의 화합물로서 하나 이상의 후속 단계에서 회수하는 단계, 및슬래그 방울을 액체 침출에 내성이 있는 슬래그로서 수거하는 단계를 특징으로 하여, 비산회를 용융시키는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 산화성 기체가 플라즈마 발생기를 통과하여 가열됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 탄소 또는 탄화수소 물질의 공급을 조절함으로써 CO2/CO+CO2비를 0.4 내지 0.9 내에서 유지시키는 방식으로 기체의 산화 정도를 조절함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, CaO/SiO2비를 1.2 미만으로 유지시킴으로써, 형성된 슬래그의 침출도를 조절함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 고함량의 SiO2를 함유하는 슬래그 형성재를 비산회에 혼합시킴으로써 CaO/SiO2비를 조절함을 특징으로 하는 방법.
- 비산회를 용융시켜 내침출성 슬래그를 수득하면서 동시에 중금속을 분리할 수 있는 플랜트로서,전기 에너지 공급 장치(4)와 산화성 기체 공급 장치(5)를 구비한 플라즈마 발생기(1)가 제 1 반응기(2)와 연결되어 설치되고,상기 제 1 반응기(2)는 플라즈마 발생기(1)로부터 멀어지는 방향으로 용적이 증가하는 원뿔 모양이며,상기 제 1 반응기(2)의 유입구에 좁은 통로부(6), 비산회 공급 장치(7), 및 연료 공급 장치(8)가 장착되며,용융된 비산회 수집용의 제 2 반응기(3)가 상기 제 1 반응기(2)에 수직으로 설치되며, 상기 제 2 반응기(3)가 기체 배출 장치(10) 및 슬래그 록 형태의 슬래그 배출 장치(9)를 구비함을 특징으로 하는 플랜트.
- 제 6항에 있어서, 연료 공급 장치(8) 내의 CO2/CO+CO2비가 0.4 내지 0.9 내로 유지되도록 탄소 또는 탄화수소 물질의 공급을 조절하는 수단이 구비됨을 특징으로 하는 플랜트.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화물이 아연 산화물 및 납 산화물이고 상기 화합물이 아연 및 납 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 비산회 공급장치(7)가 슬래그 형성재도 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 플랜트.
- 제9항에 있어서, 상기 공급 장치(7) 내의 CaO/SiO2비가 1.2 미만으로 유지되도록, 비산회 내로의 슬래그 형성재 공급을 조절하는 수단이 구비됨을 특징으로 하는 플랜트.
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