KR100611358B1 - 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자력발전소에서 발생하는 폐수지 가운데 환원성이 높은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 등의 전이금속(transition metal)을 함유한 폐수지(spent resin)를 유도전류가열식(induction heating) 저온벽용융로(cold crucible melter : CCM)를 이용하여 유리물질 상태로 유리화(vitrification) 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 상기 상부용융로(10)의 중앙 상하부로 돌출 구비되며, 일측에 산소가스를 공급하는 공급관이 구비된 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구(20); 상기 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구의 상하부로 경사지게 돌출 구비되며, 산소가스를 분사시키게 일정 간격으로 다수개 구비된 분사기(injector)(12); 상기 하부용융로(30)의 내부 중앙 상부로 돌출 구비되며, 오존가스를 주입하는 주입기(40); 상기 주입기의 하단에 구비되며, 주입기에 오존가스를 공급하는 오존발생기(50); 및 상기 오존발생기는 산소탱크(60);와 연결 구비됨을 특징으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 원자력발전소 수질정화 계통에서 전이금속 등의 오염물질들을 처리하고 발생하는 이온교환수지 즉, 폐수지를 유도전류가열식(induction heating) 저온벽용융로(이하"CCM"이라 칭합니다)를 이용하여 유리물질 상태로 유리화(vitrification) 할 경우에 금속합금상 및 황결정상 등 유리물질이 아닌 상태로의 생성과 침전을 방지하기 위한 것이다.
저온벽용융로, 가연성잡고체, 전이금속 함유 폐수지 유리화.

Description

전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법{Equipment and Method for Vitrification of Spent Resin Containing Transition Metals}
도 1 은 본 발명에 의한 전이금속 함유 폐수지를 투입하여 유리물질 상태로
유리화하는 유도전류가열식 저온벽용융로의 단면도.
도 2 는 상기 도 1 의 부분 평단면도.
도 3 은 본 발명에 적용된 오존가스 주입기의 부분 단면도.
도 4 는 본 발명 전이금속 함유 폐수지의 연소와 열분해 영역인 용융유리 상
부 중앙 부분에 오존가스를 주입하기 위해 사용하는 오존가스 발생기
의 부분 단면도.
도 5 는 본 발명 저온벽용융로의 바닥 외벽을 따라 설치된 버블러의 위치,
수량 및 버블링 방향을 나타내는 저면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 상부용융로 20: 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구
30: 하부용융로 31: 냉각유로
32: 유도코일 38: 온도계
39: 버블러 40: 주입기
43: 오존가스공급관 44: 산소가스공급관
50: 오존발생기 60: 산소탱크
본 발명은 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원자력발전소 수질정화 계통에서 전이금속 등의 오염물질들을 처리하고 발생하는 이온교환수지 즉, 폐수지를 유도전류가열식(induction heating) 저온벽용융로를 이용하여 유리물질 상태로 유리화(vitrification) 할 경우에 금속합금상 및 황결정상 등 유리물질이 아닌 상태로의 생성과 침전을 방지하기 위한 것이다.
주지하다시피 원자력발전소의 화학 및 체적제어 계통 등에서 발생하는 폐수지에는 타 원소들 보다 환원성이 높은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 등의 전이금속들이 다량 함유되어 있다. 유리물질 상태로 유리화하는 공정 중 이들 전이금속을 산화물로 전환시키지 못할 경우 금속합금상 및 황결정상 등이 유리물질이 아닌 상태로 침전되고 CCM 하부에 용융유리보다 상대적으로 전기전도도가 높은 층을 형성하여 전기적 쇼트 등의 문제가 발생하여 지속적이고 안정적인 전기에너지 공급이 어렵게 된다. 또한, 유리상태가 아닌 상이 유리 배출구를 막아 용융유리의 배출을 어렵게 하여 용융로의 지속적 운전을 중단하게 만든다.
현재 전 세계적으로 이용하고 있는 방사성폐기물 유리화 용융로는 대부분 인코넬(Inconel-690) 및 몰리브데넘(Mo) 전극(electrode)을 이용한 세라믹 용융로(ceramic melter)나 플라즈마(plasma) 열원을 이용한 플라즈마 토치 용융로(plasma torch melter)를 사용하고 있다. 그러나, 세라믹 용융로의 경우 대부분 유기물이 미량 함유된 현탁액 상태의 슬러리(slurry)와 산화물로 구성된 액체 폐기물을 처리하는 경우에 주로 적용되어 왔으며 폐수지와 같이 환원성 유기물과 전이금속이 대부분인 폐기물 처리에는 적합하지 않은 관계로 이를 유리물질 상태로 유리화하는 연구 및 개발을 기피해온 실정이다. 그 이유는 세라믹 용융로 내에서 전기에너지를 발생시키는 인코넬 및 몰리브데넘 전극은 폐수지와 유리화시 환원상태에서 발생하는 금속합금상 및 황결정상에 의해 전기적 쇼트(electrical shortage)가 발생하며 전기발진기(electric generator)의 주요 정류소자인 SCR(silicon controlled rectifier) 등에 치명적인 영향을 주기 때문이다.
그리고 플라즈마 열원을 이용하여 폐수지를 처리할 경우 폐수지에 존재하는 대부분의 방사성물질이 휘발하여 방출가스 처리공정의 방사선 오염이 증가하고 플라즈마 토치 전극을 자주 교환할 때 방사선 피폭이 증가하는 등의 약점(drawback)으로 인해 전이금속 함유 폐수지와 같은 불에 타는 가연성 방사성폐기물에 적용하는 것은 비효율적임이 밝혀졌다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 원자력발전소에서 발생되는 불에 타는 가연성잡고체(combustible dry active waste)(이하"DAW"이라 칭합니다)를 전이금속 함유 폐수지 투입량의 4배 또는 그 이상의 무게비로 함께 투입하여 유리물질 상태로 유리화할 경우 가연성잡고체의 연소(combustion)와 열분해(pyrolysis) 과정에서 발생하는 물리·화학적 영향으로 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 금속합금상 및 황결정상 침전을 방지할 수 있도록 함을 제1목적으로 한 것이고, 제2목적은 전이금속 함유 폐수지와 가연성잡고체를 투입할 때 원자가 5가 상태인 비소(As), 세리움(Ce), 바나디움(V)이 함유된 융해한 유리원료(frit)를 동시에 투입하여 이들 원소가 5가에서 3가와 2가로 환원되면서 발생하는 산소로 말미암아 유리용탕이 상시 산화상태를 유지하게 하여 금속합금상 및 황결정상 등의 유리물질이 아닌 상태로 생성되고 침전되는 것을 방지할 수 있는 융해한 유리원료(frit)을 제공하는 것이며, 제3목적은 전이금속 함유 폐수지가 투입되어 용융유리 표면과 접촉하는 영역에 오존가스(O3)를 주입하기 위하여 환원성 탄소를 제거하는데 탁월한 촉매 역할을 하는 백금(Pt) 재질의 가스 주입기(sparger)를 고안하여 전이금속 함유 폐수지 유리화시 산화반응(oxidation reaction)을 촉진시킬 뿐만 아니라 금속상 침전을 방지할 수 있도록 한 것이고, 제4목적은 투입하는 폐기물을 완전연소 및 열분해 시키기 위하여 오존가스 주입량, 산소가스 버블링 유량, CCM 상부공간에서 폐기물이 투입되는 유리용탕 영역에 산소가스를 분사하는 분사기(injector)로부터 산소가스 공급 유량을 조절하여 적절한 산소가스 공급량을 유지하는 방법과 버블러와 분사기의 공급위치 및 수량 등을 최적화 한 것이며, 제5목적은 폐기물의 연속투입시간, 폐기물 투입종료 후 미연소물 연소시간, 유리용탕 혼합시간 및 용융유리 배출시간을 하나의 운전주기로 하는 운전공정을 제공하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법을 제공한다.
이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 내부에 냉각수가 순환되게 각각 냉각유로가 형성되는 상,하부용융로 및 상기 하부용융로의 외주면에는 유도코일이 권취되어 전이금속이 함유된 폐수지를 용융로에서 유리화 하는 장치에 있어서, 상기 상부용융로의 중앙 상하부로 돌출 구비되며, 일측에 산소가스를 공급하는 공급관이 구비된 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구; 상기 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구의 상하부로 경사지게 돌출 구비되며, 산소가스를 분사시키게 일정 간격으로 다수개 구비된 분사기(injector); 상기 하부용융로의 내부 중앙 상부로 돌출 구비되며, 오존가스를 주입하는 주입기; 상기 주입기의 하단에 구비되며, 주입기에 오존가스를 공급하는 오존발생기; 및 상기 오존발생기는 산소탱크;와 연결 구비됨을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치를 제공한다.
이하에서는 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용된 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법은 도 1 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 본 발명은 원자력발전소에서 발생되는 방사성폐기물을 유리물질 상태로 유리화하는 장치인 CCM (참조, 출원번호: 10-2000-0079274, 10-2000-0079454)을 사용하여 폐수지를 유리화할 때 금속합금상과 황결정상(sulfide)의 생성을 방지하기 위한 유리화 공정의 개선, CCM 운전방법 최적화, 폐수지 처리용 유리개발 등에 관한 것이다.
본 발명에서 이룩하고자 하는 유리화 공정개선의 기술적 과제중 하나는 폐수지와 가연성잡고체를 함께 투입하여 폐수지의 연소효율을 증대시키고 DAW의 연소 후 발생되는 무기물 성분들을 활용하여 폐수지에 함유되어 있는 환원성 원소들이 유리용탕(glass melt)내에서 완전히 산화 되도록 하는 것이다.
또한 폐수지와 DAW를 투입할 때 As, Ce, V 등의 다원자가 원소(multivalent element)가 함유된 유리원료(frit)를 개발하여 폐기물과 일정비율로 함께 투입함으로써 이들 다원자가 원소가 환원되면서 발생하는 다량의 산소로 말미암아 유리용탕이 상시 산화상태를 유지하게 하여 금속합금상 및 황결정상 등의 유리물질이 아닌 상태로 생성되고 침전되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이다.
세 번째 기술적 과제는 전이금속 함유 폐수지와 DAW가 투입되는 CCM의 중앙 연소부분에 산소보다 강한 산화제(strongly oxidation agent)인 오존가스 주입기(sparger)를 설치하여 오존가스를 주입하여 강한 산화력을 유지시키는 것이다. 이를 위해 오존가스 주입기는 백금을 사용하여 제작함으로써 산화반응시 촉매(catalyst) 역할을 할 수 있도록 한다.
또한 CCM 운전방법 개선 측면에서는 CCM 하부에 설치된 버블러(bubbler)의 수량과 위치를 최적화하고 버블링 유량을 적절하게 제어하는 방법을 도출하여 용융유리의 혼합 및 산화력을 향상시켜 폐수지를 안정적으로 유리화하는 것이다.
이하 본원발명의 보다 구체적인 기술적 구성을 설명하면 다음과 같다.
우선, 본원발명은 내부에 냉각수가 순환되게 각각 냉각유로(31)가 형성되는 상,하부용융(10)(30)로 및 상기 하부용융로(30)의 외주면에는 유도코일(32)이 권취되어 전이금속이 함유된 폐수지를 용융로에서 유리화 하는 장치로 구성된다.
이를 보다 상세히 설명하면, 상기 상부용융로(10)의 중앙 상하부로 돌출 구비되며, 일측에 산소가스를 공급하는 공급관(21)이 구비된 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구(20)와, 상기 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구(20)의 상하부로 경사지게 돌출 구비되며, 산소가스를 분사시키게 일정 간격으로 다수개 구비된 분사기(injector)(12)와, 상기 하부용융로(30)의 내부 중앙 상부로 돌출 구비되며, 오존가스를 주입하는 주입기(40)와, 상기 주입기(40)의 하단에 구비되며, 주입기(40)에 오존가스를 공급하는 오존발생기(50); 및 상기 오존발생기(50)는 산소탱크(60);와 연결 구비됨을 특징으로 구성된다.
또한 상기 상부용융로(10)의 상단에는 후술하는 오존가스공급관(43)이 잠기지 않도록 용융유리(34)의 높이를 측정하는 높이측정기(13)가 구비된다.
그리고 상기 하부용융로(30)의 하단에는 용융유리(34)의 온도를 측정하는 온도계(38)가 적어도 하나 이상 더 설치됨을 특징으로 구성된다.
더하여 상기 하부용융로(30)의 하단에는 산소가스를 주입하게 일정 간격으로 다수의 버블러(39)가 설치된다. 이때 상기 버블러(39)의 높이는 하부용융로(30)의 바닥으로부터 1∼3㎝가 되도록 구성한다.
본 발명은 또한 상기 하부용용로(30)의 하단에는 배출구(36)에 돌출구(hump)가 구비된 개폐슬라이드(37)가 설치되어 용융유리(34)의 배출시 용융로 바닥면에 고화된 유리(33)를 기계적으로 제거하여 일순간에 용융유리를 배출하게 된다.
한편, 상기 주입기(40)의 보다 구체적인 기술적 구성은, 외부 케이스(41)를 중심으로 내부 중앙에 냉각수를 공급하는 냉각유로(42)와, 상부에 오존가스를 공급하는 오존가스공급관(43) 그리고 하부에 산소가스를 공급하는 산소가스공급관(44)이 각각 구비되어 구성된다.
또한 상기 오존발생기(50)의 보다 구체적인 기술적 구성은 내부에 고압전극(56)이 구비된 세라믹튜브(55)가 구비되되, 이 세라믹튜브(55)의 양단에는 일정 간격을 유지한체 냉각수가 유입된 접지전극(51)이 구비되고, 상기 고압전극(56)의 일단에는 퓨즈(54), 이 퓨즈(54)의 일단에는 전원(53) 그리고 이 전원(53)의 일단은 상기 접지전극(51)에 연결 구비된다.
도면상 미 설명부호 11은 배기관이고, 33은 하부용융로(30)의 냉각유로(31) 에 의해 고화된유리, 35는 폐기물이다.
한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치 및 방법의 작용을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 1 은 본 발명에 의한 폐수지 방사성폐기물을 투입하여 처리하는 저온벽용융로(CCM)의 단면을 보여 주고 있다. 저온벽용융로(CCM)내에 충진한 유리원료를 1,150±30℃의 용융유리상태로 만들기 위한 초기기동(start-up)을 위하여 유리원료 약 50∼80kg을 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구(20)를 통하여 충진 하여 약 16∼26cm 높이의 유리원료층을 만든다. 유리원료층 높이 16∼26cm 사이에 무게 약 40∼80g의 환형 티타늄 고리를 안치한다. 유리의 충전이 완료되면 전기에너지를 인가하여 유리를 녹여 용탕이 형성되면 버블러(39)에 산소가스를 주입시켜 하부용융로(30) 외벽을 따라 둥근 버블링 고리가 형성되도록 한다. 용융유리의 온도 1,150±30℃에서 유리용탕의 높이는 약 14cm 이상이 유지 되도록 하며 폐기물과 유리원료 투입으로 유리용탕이 주입기(sparger)(40)의 상단에 구비된 오존가스공급관 (43)을 잠기게 하지 않도록 상부용융로(10)의 상단에 유리높이 측정기(ultrasonic transducer 또는 rod ruller)(13)를 설치하여 감시한다.
또한 저온벽용융로 기동이 완료되면 폐수지와 함께 가연성잡고체(DAW)를 일정비율로 함께 투입하기 시작한다. 현재 원자력발전소에서 발생되고 있는 중·저준위 방사성폐기물 중 약 70%는 폐수지와 방호복, 제염지 등으로 구성된 가연성잡고체(DAW)이다. 폐수지의 경우 환원성이 강한 물질이므로 연소와 열분해과정에서 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 등의 원소들이 환원되어 금속합금 및 황결정상으로 침전되는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 가연성잡고체(DAW)를 50∼60% 수분이 함유되어 있는 폐수지 투입량의 약 4배 또는 그 이상 투입할 경우 가연성잡고체(DAW)가 폐수지에 대하여 산화제 역할을 하여 금속합금상 및 황결정상 침전을 막을 수 있다.
또한, 폐수지와 가연성잡고체(DAW)를 투입할 때 As, Ce, V 등 5가가 함유된 유리원료를 동시에 일정 비율로 투입한다. 이렇게 하면 이들 원소가 5가에서 3가와 2가로 환원되면서 발생되는 다량의 산소로 말미암아 유리용탕이 상시 산화상태를 유지하게 되어 금속합금상 및 황결정상 등의 유리물질이 아닌 상태로 생성되고 침전되는 것을 방지할 수 있다. 유리원료에 함유된 다원자가 원소를 유리용탕에 투입하면 다원자가 원소는 아래식과 같은 산화·환원 상태(redox state)를 나타내게 된다.
Figure 112004055054984-pat00001
상기 원소의 산화(oxidation)는 전자를 잃어버리는 것이고, 환원(reduction)은 그 반대 상태이다. 식에서 n은 전이하는 전자의 수를 나타내며, 반응이 왼쪽에서 오른쪽으로 진행되면 양이온이 환원되는 것을 의미하고, 반대방향으로의 진행은 원자가가 낮은 양이온이 산화되는 것을 의미한다. 유리원료에 있는 다원자가 원소들을 유리용탕에 투입할 경우 그 자체들은 원자가가 낮은 상태로 되며 이때 식에서 보여 주듯이 산소가스를 발생하게 되며, 그 발생된 산소가스로 말미암아 금속합금상이나 황결정상으로의 환원성이 높은 원소들이 환원되는 것을 방지해 준다. 단, 유리원료에 첨가된 As, Ce, V은 그 자체가 금속합금으로나 황결정상으로 침전되지 않은 원소들이다.
더하여 상기 폐수지와 가연성잡고체(DAW)의 동시 투입 시 폐기물의 완전연소와 유리용탕의 산화 분위기를 유지하기 위하여 상부용융로(10) 상부공간에 설치되어 있는 주변(peripheral) 분사기(injector)(12)를 통하여 산소가스(O2)를 공급해 주는 것이 중요하다. 산소가스 공급량은 완전연소에 필요한 이론적 산소요구량(stoichiometry)의 1.4∼1.8배 정도 공급하여 방출가스 중에 존재하는 먼지내 미연분과 미연탄소 함량이 거의 없도록 한다. 산소가스를 이론적 산소요구량의 1.8배 이상 공급할 경우 폐기물 연소와 열분해 작용에 기여하지 않는 산소가스는 방출가스 상태로 배출되기 때문에 비경제적이게 된다.
또한 폐기물이 축적되는 하부용융로(30)의 중앙부분에서는 오존가스 주입기(sparger)(40)를 통하여 강한 산화제로 알려져 있는 오존가스(O3)를 주입함으로써 연소과정과 열분해 과정에서 산화되지 않은 무기물들이 완전산화 되도록 해준다. 오존은 3개의 산소 원자 중 하나를 다른 물질에 주는 동작이 아주 빠른 특징이 있으며 강력한 산화력을 가지고 있어서 많은 유기, 무기화합물들을 산화시킨다. 상기 하부용융로(30)의 주입기(40)를 통하여 주입되는 오존가스량은 시간당 약 5Nm3 이상 필요하므로 이 정도의 오존가스를 발생시킬 수 있는 적절한 오존가스 발생기를 사용한다. 그리고 오존가스 발생기로 가장 기본적인 고압무성방전방식의 구조는 도 4 와 같다. 유리나 세라믹 재질로 된 관의 내부가 고압전극(56)이 되고, 관 외부의 냉각수가 접촉되는 부분이 접지전극(51)이 되어 고압 교류 전원(6,000V 이상)(53)을 인가하면 절연체와 접지전극(51)사이에 코로나 방전(corona discharge)이 일어나고 이 간극에 산소가스를 통과시키면 오존가스가 발생되는 원리이다. 이 반응은 발열반응으로 공급하는 산소가스의 온도가 높으면 역반응이 일어나므로 일정한 온도를 유지하도록 하는 것이 중요하며 아래와 같은 식으로 설명된다.
3O2 + 전기에너지 = 2O3 + 68 kcal
즉, 이론상으로는 2mol(96g)의 오존가스를 생성시키려면 약 285kJ의 에너지(0.9Wh/1g·O3)가 필요하다. 그러나 실제에서는 위 에너지의 20배에 달하는 에너지(15-20Wh/1g·O3)가 필요한 것으로 알려져 있다. 오존가스 발생기 외에 고려해야할 사항들로 산소가스 공급장치 및 전기공급장치, 오존가스 접촉시스템, 잉여오존가스 처리장치, 오존가스의 측정장치 및 제어장치가 추가로 필요하나 본 발명에서는 이 부분들에 대한 내용은 생략한다.
또한 상기 폐기물을 투입하여 연소 및 열분해가 일어나는 영역에 주입되는 오존가스는 도 3 에 나타나 있는 오존가스공급관(43)을 통하여 주입 된다. 하부용융로(30)의 바닥으로부터 4∼6cm 높이에 있는 지름 0.1∼0.2cm 산소가스공급관(44)은 6개 이상이며 용도는 폐수지와 가연성잡고체(DAW) 투입 시에는 용탕 혼합에 큰 영향을 주지 않으면서 단지 막히지 않을 정도인 0.3Nm3/h 이하로 산소가스를 공급하다가 폐기물 투입이 정지되고 유리용탕의 전체 혼합을 할 경우에 사용된다. 만약 버블링 유량이 이 보다 높을 경우 용탕이 운전 중 부풀어 오르는 현상을 유발하게 된다. 오존가스 주입기(sparger)(40))를 통하여 오존가스를 주입하면서 유리용탕의 높이는 오존가스공급관(43)의 구멍보다 낮게 유지하고, 상기 오존가스공급관(43)이 유리용탕에 잠기지 않도록 유리용탕의 높이를 감시하여야 한다. 이 부분에서 제시하고자 하는 중요한 것은 오존가스 주입기의 재질이다. 즉, 기존 주입기 재질로는 대부분 수냉식 스테인레스를 사용하였으나, 투입되는 폐기물의 연소와 열분해를 산화반응으로 가속화 할 수 있는 촉매역할을 할 수 있는 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 백금은 환원성 물질들을 산화시키는 탁월한 촉매제 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 백금 촉매 역할은 반응 전후에 자기 자신의 양과 질에 변화가 없는데도 환원성 폐수지의 연소와 열분해 반응계 내에 들어가면 계가 산화반응으로 원활하게 진행하도록 하므로 분석화학분야에서 많이 응용되고 있다.
상기 용용로에 폐수지와 가연성잡고체(DAW)를 투입시 금속합금상과 황결정상 침전을 방지하고 유리용탕을 산화상태로 계속 유지하기 위한 또 하나의 방법과 장 치로 도 5 에 나타낸 것과 같이 하부용융로(30) 벽면으로부터 10∼15cm 떨어진 바닥영역에 9개 또는 그 이상의 산소가스 버블러(39)를 설치하는 것이다. 용융상태 유리의 점도가 10∼100poise 범위에 들어오도록 만든 유리용탕에 각 버블러(39)를 통하여 0.5Nm3/h 또는 그 이상의 산소가스를 흘려주게 되면 하부용융로(30)의 외벽을 따라 연속적인 버블링 고리(continuous bubbling ring)가 형성된다. 이 산소가스 버블링은 유리용탕 상부의 중앙에서 폐기물이 연소한 후 남아있는 무기물을 산화시키는 역할을 하며, 유리용탕과 균질하게 혼합시키는 역할을 하여 무기물이 유리구조와 화학적 결합을 하도록 유도한다.
더하여 상기 버블링 고리의 또 하나의 역할은 유리용탕 상부의 중앙에 쌓인 폐기물이 미연상태로 차가운 용융로의 벽면으로 이동하여 달라붙는 것과 유리용탕 내부로 함침 되는 것을 방지하는 것이다. 각 버블러(39)의 높이는 하부용융로(30)의 바닥으로부터 1∼3cm가 가장 효과적이다. 만약 1cm 보다 낮을 경우 하부용융로(30) 바닥에 굳어진 유리 때문에 버블링이 원활하지 못하며, 반대로 3cm 보다 높을 경우 바닥 부분의 유리의 혼합이 이루어지지 않고 이로 인해 유리용탕 하부영역 온도가 하강하게 되어 유리의 결정화가 진행될 수 있다. 상기 버블러(39)의 재질은 스테인레스를 사용하며 물리·화학적 부식 반응을 방지하기 위하여 내부에 냉각유로를 만들어 수냉각 하여야 한다. 산소가스의 분출 방향은 유리용탕의 위로 직접 나오도록 하는 방법보다 도 2 의 화살표가 나타낸 바와 같이 용융로의 가운데 영역을 향하도록 하여 폐기물의 연소와 열분해 반응이 용융로의 가운데 영역에서만 일 어나게 유지되도록 한다. 만약, 폐기물이 용융로의 벽면으로 이동할 경우 수냉각으로 인해 낮은 온도를 유지하고 있는 용융로의 벽면에서의 열분해 반응속도는 지연되게 된다.
이하 폐수지와 가연성잡고체(DAW)를 투입하여 유리물질 상태로 유리화하는 대표적인 실시예는 다음과 같다.
[실시예] 폐수지 유리화를 위한 방법 및 운전공정
즉, 양이온/음이온 혼합 폐수지로 구성된 폐수지를 유리물질 상태로 유리화하기 위하여 약 1,150±30℃의 유리용탕에 폐수지는 시간당 4∼20kg로 가연성잡고체(DAW)(예: 작업복, 양말, 면장갑, 실내화, 제염지, 종이작업복, 고무장갑, 고무신, 시약병의 혼합물 등]는 시간당 16∼80kg으로 연속하여 투입하되 As, Ce, V가 함유된 유리원료를 시간당 2.2∼11.0kg 투입하여 유리용탕의 성분이 상시 일정한 성분 및 산화상태가 되도록 한다. 그리고 투입하는 폐기물들은 완전연소가 되도록 한개 또는 그 이상으로 구성된 주입기에서 오존가스를 주입하고, 9개 또는 그 이상의 버블러(39)와 6개 또는 그 이상으로 구성된 주변 분사기(injector)를 통하여 산소가스를 공급하여 40∼80% 정도의 잉여산소(excess oxygen)가 용융로의 내부에 공급되도록 한다. 용융로의 운전공정은 4시간 연속으로 폐기물을 투입하고 10분정도 미연소물 연소(end of combustion)를 유도한 다음 10분 정도 유리용탕을 균질하게 하기 위한 유리용탕의 전체혼합(full mixing)을 수행한다. 그런 다음 최종 10분 동안에 폐기물과 유리원료의 투입으로 증가한 유리를 배출(drainage)한다. 따라서 위에서 언급한 4.5시간 정도가 한 주기(one cycle)인 상태로 유리화 공정을 반복 수 행한다. 아래 표 1 에 폐수지와 가연성잡고체(DAW) 유리화 방법을 요약하였으며 표 2 에 폐기물과 함께 투입하는 유리원료(IG)의 성분 및 특성을 요약하였다.
<표 1. 폐수지 유리화 방법>
Figure 112004055054984-pat00002
<표 2. 폐기물과 함께 투입하는 유리원료(IG)의 성분 및 특성>
Figure 112004055054984-pat00003
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 원자력발전소에서 발생되는 방사성폐기물인 전이금속 함유 폐수지를 CCM을 이용하여 안정적으로 유리화할 수 있다. 이들 방법과 장치들의 가장 큰 장점은 전이금속 함유 폐수지 유리화시 생성되는 환원성 물질인 금속합금상 및 황결정상 생성을 근본적으로 방지할 수 있으므로 유리화 공정의 지속성과 안정성을 증대시킬 뿐 아니라 용융로 바닥면에 이들 물질이 쌓이는 것을 방지하므로 균질한 유리고화체 생산이 가능하게 된다. 게다가 이 발명은 CCM 기술에서뿐만 아니라 세라믹 용융로를 포함한 다른 용융로 기술에서도 적용 가능할 것으로 판단된다.
또한 유리화 대상폐기물인 DAW와 폐수지를 함께 유리화하여 얻을 수 있는 감용비는 92 정도이며 그 중 폐수지에 해당되는 감용비는 약 42로 평가되어 기대 이상의 높은 감용효과를 달성하는 것으로 평가되었다. 따라서 이들 폐기물들을 유리화 하여 처분장에 처분할 경우 처분비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라 처분 안전성도 극대화 할 수 있을 것으로 기대되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (13)

  1. 내부에 냉각수가 순환되게 각각 냉각유로(31)가 형성되는 상,하부용융(10)(30)로 및 상기 하부용융로(30)의 외주면에는 유도코일(32)이 권취되어 전이금속이 함유된 폐수지를 용융로에서 유리화 하는 장치에 있어서,
    상기 상부용융로(10)의 중앙 상하부로 돌출 구비되며, 일측에 산소가스를 공급하는 공급관이 구비된 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구(20);
    상기 폐기물 및 유리원료(frit) 투입구의 상하부로 경사지게 돌출 구비되며, 산소가스를 분사시키게 일정 간격으로 다수개 구비된 분사기(injector)(12);
    상기 하부용융로(30)의 내부 중앙 상부로 돌출 구비되며, 오존가스를 주입하는 주입기(40);
    상기 주입기의 하단에 구비되며, 주입기에 오존가스를 공급하는 오존발생기(50); 및
    상기 오존발생기는 산소탱크(60);와 연결 구비됨을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  2. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 상부용융로의 상단에 구비되며, 오존가스공급관이 잠기지 않도록 용융유리의 높이를 측정하는 높이측정기(13)가 더 구비됨을 특징으로 하는 전이금속 함 유 폐수지 유리화 장치.
  3. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 하부용융로의 하단에는 용융유리의 온도를 측정하는 온도계(38)가 적어도 하나 이상 더 설치됨을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  4. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 하부용융로의 하단에는 산소가스를 주입하게 일정 간격으로 다수의 버블러(39)가 더 설치되어 연속적인 버블링 고리를 형성하도록 하여 폐기물이 용융로 벽면에 이동하는 것을 막고 유리용탕 내부로 함침되는 것을 방지토록 함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  5. 제 4 청구항에 있어서,
    상기 버블러(39)의 높이는 하부용융로(30)의 바닥으로부터 1∼3㎝가 되도록 하여 용융로 바닥면 유리의 버블링을 원활하게 함과 아울러 유리의 결정화를 방지하도록 함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  6. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 하부용용로의 하단에는 배출구의 개폐슬라이드(37)에 돌출구가 구비되어 배출시 고화된 유리(33)를 기계적으로 제거하여 용융유리(34)를 일순간에 배출하도록 함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  7. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 주입기(40)는, 외부 케이스를 중심으로 내부 중앙에 냉각수를 공급하는 냉각유로(42)와, 상부에 오존가스를 공급하는 오존가스공급관(43) 그리고 하부에 산소가스를 공급하는 산소가스공급관(44)이 각각 구비됨을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  8. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 오존발생기(50)는, 내부에 고압전극(56)이 구비된 세라믹튜브(55)가 구비되되, 이 세라믹튜브의 양단에는 일정 간격을 유지한체 냉각수가 유입된 접지전극(51)이 구비되고, 상기 고압전극의 일단에는 퓨즈, 이 퓨즈의 일단에는 전원 그리고 이 전원의 일단은 상기 접지전극에 연결 구비됨을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 장치.
  9. 전이금속이 함유된 폐수지를 용융로에서 유리화 하는 방법에 있어서,
    용융로에 전이금속 함유 폐수지를 투입하여 유리물질 상태로 유리화 할 경우 주변환경의 환원상태로 말미암아 발생되는 금속합금상 및 황결정상 방지를 위하여 가연성잡고체(DAW)를 함께 투입함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 방법.
  10. 제 9 청구항에 있어서,
    상기 전이금속 함유 폐수지와 가연성잡고체를 용융로에 투입할 때 원자가 5가 상태인 비소(As), 세리움(Ce), 바나디움(V)이 함유된 유리원료를 동시에 투입함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 방법.
  11. 제 10 청구항에 있어서,
    상기 전이금속 함유 폐수지를 완전연소 시키고 이때 발생한 무기물을 산화시키기 위하여 폐수지가 투입되는 용융로의 내부에 오존가스(O3)를 주입함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 방법.
  12. 제 10 청구항에 있어서,
    상기 전이금속 함유 폐수지와 가연성잡고체를 용융로에 투입할 때 폐기물의 완전연소와 용융로의 산화 분위기를 유지하기 위해 용융로의 상부에서 산소가스(O2)를 주입함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 방법.
  13. 제 10 청구항에 있어서,
    상기 용융로의 성분이 상시 일정한 성분 및 산화상태가 되도록 하기 위해 약 1,150±30℃의 용융로에 폐수지는 시간당 4∼20kg로, 가연성잡고체는 시간당 16∼80kg으로 연속하여 투입하되, 비소(As), 세리움(Ce), 바나디움(V)이 함유된 유리원료를 시간당 2.2∼11.0kg로 투입함을 특징으로 하는 전이금속 함유 폐수지 유리화 방법.
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