KR100670230B1 - 유기폐액의 전기 소각과 매개 산화에 의한 완전산화 장치 및 이를 이용한 완전산화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기폐액의 전기 소각에 의한 부분산화와 전기화학적 매개산화에 의한 완전산화 장치 및 완전산화 방법에 관한 발명으로서, 본 발명에 따른 유기 폐액의 완전산화 장치는 유기폐액을 부분 산화시키는 전기소각로; 상기 전기 소각로로부터 배출되는 부분 산화 유기폐액을 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응에 의하여 완전 산화시키는 매개산화반응기; 상기 매개산화반응기로 매개산화 이온을 공급하는 매개이온 공급기; 상기 매개산화반응기로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 기액 접촉시켜 제거하는 스크러버; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유기폐액의 완전산화 장치는 난분해성 유기폐액을 완전산화시키는 친환경 처리장치임과 동시에 전기 소각로에 의한 부분 산화 방법을 전기화학적 매개 산화와 결합시킴으로서 매개산화반응장치의 크기를 줄일 수 있으며 매개산화시의 에너지를 줄일 수 있어 경제적인 처리 장치이다.

유기폐액, 전기 소각, 부분산화, 매개산화, 전기화학, 매개이온, 스크러버, 전해셀, 세륨

Description

유기폐액의 전기 소각과 매개 산화에 의한 완전산화 장치 및 이를 이용한 완전산화 방법{Apparatus for Destroying Organic Wastes by Electric Incineration and Mediated Oxidation}

도 1. 본 발명에 따른 완전산화 공정 개략도.

도 2. 본 발명에 따른 완전산화 장치 구성도.

도 3. 본 발명에 따른 매개 산화를 구현하기 위한 오존 산화공정과 결합된 복합매개산화 장치를 포함하는 완전산화 공정 구성도.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 전기 소각로 11 : 전기 소각로

12 : 유기폐액 13 : 고온산소

14 : 배출구 15 : 냉각기

16 : 공급펌프 17 : 분사노즐

20 : 매개산화 반응기 21 : 액상산화 반응조

22 : 혼합기 23 : 유입관

24 : 자켓 25 : 액상산화반응조 스크러버

26 : 환기류 27 : 농도 측정기

30 : 복합산화 반응기 31 : 산기관

40 : 전해셀 41 : 아노드실

42 : 캐소드실 43 :　격막

44 :　정류기 53 : 산기관

50 : 환원재생기 60 : 스크러버

70 : 오존발생기

본 발명은 유기폐액의 전기 소각에 의한 부분산화와 전기화학적 매개산화에 의한 완전산화 장치 및 완전산화 방법에 관한 발명이다.

최근 다양한 화학공정에서 유기폐액이 발생하고 있으며, 발생하는 유기폐액들은 소각하여 제거하거나 전기화학적인 방법으로 산화시켜 제거하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 유기 폐액의 경우 처리과정에서 완전 산화가 되지 않는 경우 다이옥신 등의 발생으로 인하여 각종 민원이 발생할 뿐만 아니라 주변 생물에의 생물농축으로 인하여 각종 사회문제를 야기 시키고 있다.

특히 1930년대 이후 변압기와 축전기의 절연유, 접착제, 페인트 등에 사용되던 PCB(Polychlorinated Biphenyl)의 경우 환경오염물질로 문제시된 이후 세계 각 국에서 생산이 중단되었지만 종래에 사용되던 PCB 절연유를 교체 및 폐기하는 과정에서 폐 PCB가 다량 발생하게 되었으며, 상기 PCB를 소각 처리하는 경우 필연적으로 다이옥신이 다량 발생할 수밖에 없는 상황이며, LPG 연료 등을 이용한 일반적인 소각 방법의 경우 다량의 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 것이 필연적이므로 아무리 공정을 개선한다 하여도 친환경적인 공법에서는 거리가 먼 처리공정일 수밖에 없다.

PCB와 같은 유독성 유기 물질을 처리하는 방법으로서 미국특허공보 제5,420,088호에는 폐고체촉매 물질로부터 촉매물질을 회수하는 방법으로 전기화학 셀에서 세륨이온을 사용하는 방법이 개시되어 있고, 이 반응을 유기폐액의 산화처리에 적용한 것으로 국제공개특허공보 97/38943호에는 초음파 혼합기로 혼합한 아노드액에 고농도의 세륨이온을 가하고 전기화학 셀을 이용하여 아노드액 중의 유기물질을 산화하는 매개이온을 이용한 전기화학적인 매개산화반응을 통하여 유기폐액을 처리하는 공정이 공지되었으나, 상기 공정은 기액 산화반응 등이 충분하지 않아 유기폐액의 충분한 산화반응에 한계가 있는 단점이 있다. 최근 국제공개특허공보 99/28239호에서는 유기폐액을 물과 산의 에멀젼 상태에 세륨 4가 양이온을 첨가하여 세륨 4가 양이온의 산화력을 이용한 유기폐액의 매개산화반응을 통하여 유기폐액을 이산화탄소와 물로 전환시키는 공정이 개시되었으나, 이 공정은 지나치게 많은 장치구성으로 인하여 초기 투자비가 많이 들뿐만 아니라 장치의 유지보수 및 운용에도 많은 문제점이 있는 단점이 있다.

한편 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 특허출원 2004-23367호 로 "전기화학적 매개 산화 및 오존 산화에 의한 유기폐액의 복합 매개산화 처리장치"를 출원한바 있다.

그러나 매개산화 처리 공정에서 적정의 유기폐액을 처리하기 위해서는 매개이온의 양과 매개이온을 산화시키기 위한 정류기, 환원재생기 등의 장치가 커져야 함은 물론이고, 매개산화에 의한 유기폐액의 처리과정에서 생성되는 염 등이 축적되어 매개산화 반응 시스템 내에 부유하게 되거나 전해셀의 격막이 막히게 되어 매개산화 반응의 효율이 떨어지게 되며, 매개산화 반응시스템의 빈번한 유지보수가 필요한 문제가 있어 경제적인 면에서 효율이 매우 낮다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 난분해성 유기폐액을 완전산화시키는 처리장치를 제공하는 것이며, 또 다른 목적으로는 전기 소각로에 의한 부분 산화 방법을 전기화학적 매개 산화와 결합시킴으로서 매개산화반응장치의 크기를 줄일 수 있으며 매개산화시의 에너지를 줄일 수 있어 경제적인 처리 장치를 제공하는 것이며, 또한 전기 소각로에서의 부분 산화하는 공정도 보조 연료를 사용하지 않음으로서 온실가스인 이산화탄소의 발생을 최소화하는 친환경 유기폐액의 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 유기폐액의 전기 소각에 의한 부분산화와 전기화학적 매개산화에 의한 완전산화 장치 및 완전산화 방법에 관한 발명으로서, 본 발명에 따른 유기 폐액의 완전산화 장치는 유기폐액을 부분 산화시키는 전기소각로(10); 상기 전기 소각로(10)로부터 배출되는 부분 산화 유기폐액을 냉각하는 냉각기(15); 상기 냉각기(15)에서 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응에 의하여 완전 산화시키는 매개산화반응기(20); 상기 매개산화반응기(20)로 매개산화 이온을 공급하는 매개이온 공급기; 상기 매개산화반응기(20)로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 기액 접촉시켜 제거하는 스크러버(60); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 a) 유기폐액을 전기 소각로(10)에서 부분 산화시키는 단계; b) 상기 전기 소각로로부터 배출되는 부분 산화 유기폐액을 냉각기(15)에서 냉각하는 단계; c) 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개산화반응기(20)에서 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응에 의하여 완전 산화시키는 단계; d) 상기 매개산화반응기(20)로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 스크러버(60)에서 기액 접촉시켜 제거하는 단계; 로 구성되는 유기 폐액의 완전산화방법을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면을 바탕으로 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 완전산화 공정 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 완전산화 장치 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 매개 산화를 구현하기 위한 오 존 산화공정과 결합된 복합매개산화 장치를 포함하는 완전산화 공정 구성도이다.

본 발명에 따른 유기폐액의 완전산화장치는 먼저 유기폐액(12)을 부분 산화시키기 위한 전기 소각로(11)가 구비된다. 전기 소각로(11)는 외부로부터 고온의 산소(13) 또는 공기 조건 하에서 동시에 유기폐액(12)을 적절한 속도로 투입하여 유기폐액(12)을 부분적으로 산화시키게 된다. 본 발명에서 부분 산화의 의미는 유기폐액(12)을 이산화탄소와 물, 기타 무기물로 완전하게 산화시키는 것이 아닌 적절한 크기의 분자량을 가진 유기물로서 분해되는 것을 의미하나, 부분산화의 정도는 전기 소각로(11)의 용량이나 유기폐액(12)의 투입속도에 따라 차이가 날 수도 있으며, 또한 완전 분해된 물질을 일부 포함할 수도 있다.

상기 전기 소각로(11)의 하단에는 소각과정에서 생성되는 무기물을 배출시키기 위한 배출구(14)가 구비되며, 발열체는 SiC 발열체, MoSi₂ 발열체 등을 사용하며, 상기 발열체는 유기폐액이 촉매와 함께 접촉되어 소각 산화반응의 효율을 높게 할 수 있으며, 소각로의 운전온도는 900℃ 내지 1200℃가 바람직하다. 본 발명에서 채용되는 전기 소각로(11)는 통상의 전기 소각로이면 가능하며, 당업자라면 필요에 따라 종래의 전기 소각로를 변경하여 적용할 수 있다.

전기 소각로(11)로부터 부분 산화된 유기폐액은 전기 소각로의 상단으로 고온의 가스 상태로 배출되며, 상기 배출되는 부분산화된 유기폐액은 매개 산화 반응기(20)로 투입되기 전에 적절한 온도로 냉각되도록 냉각기(15)를 거친다. 냉각 효 율을 높이기 위하여 전기 소각로(11)와 상기 냉각기(15) 사이의 라인에 분사노즐(17)을 구비하여 고온의 가스로 배출되는 부분산화 유기폐액을 냉각기로부터 순환펌프(16)를 이용하여 순환된 부분산화 유기폐액을 활용하여 냉각시키는 것도 본 발명의 범위이다.

냉각기(15)로부터 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개이온에 의한 산화를 위하여 상기 냉각기(15)에서 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응에 의하여 완전 산화시키는 매개산화반응기(20)와 상기 매개산화반응기(20)로 매개산화 이온을 공급하는 매개이온 공급기가 구비되어, 상기 냉각기(15)에서 배출되는 부분 산화 유기 폐액을 매개 산화반응(20)에 의하여 완전 산화시키게 된다.

매개산화반응기(20)는 유입된 유기폐액을 매개이온에 의하여 매개산화시키는 액상산화반응조(21)와 상기 액상산화반응조(21)의 상단에 위치하여 매개이온 공급기로부터 유출되는 매개이온이 유입되어 액상산화반응조로부터 발생하는 기체를 매개산화시키는 스크러버(25)가 구비되며, 매개산화반응은 고온에서 반응이 빨리 일어나므로 매개산화반응조(20)는 온도조절을 할 수 있는 자켓(24)이 구비되며, 유입된 매개이온이 직접 혼합되면서 매개산화반응이 일어나도록 상기 스크러버(25)의 하단으로부터 액상산화반응조(21)의 하부로 매개이온 유입관(23)이 구비된다.

매개이온 공급기(40)는 상기 매개산화반응기(20)로부터 유입되어 환원된 매개이온이 정류기(44)로부터의 전류에 의하여 산화되는 아노드실(41), 아노드실로부터 전자를 받아 캐소드액을 환원시키는 캐소드실(42) 및 상기 아노드실(41)과 캐소 드실(42)의 사이에 격막(43)이 구비된 전해셀(40), 상기 캐소드실로부터 유출되는 환원된 캐소드액을 산화시키는 환원재생기(50)로 구성되며, 상기 매개산화반응기(20)의 미반응 유기폐액을 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응과 오존발생기(70)로부터 발생된 오존을 이용한 산화반응을 동시에 수행하는 복합산화반응기(30)를 상기 매개산화반응기(20)와 상기 전해셀(40) 사이에 추가로 구비되는 것이 바람직하다.

매개이온으로 이용하는 이온으로는 전이금속 또는 전이금속 화합물이 적절하며, 특히 Ce⁺⁴, Ag⁺², Co⁺³, Mn⁺³으로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하고, 산화력 면이나 공정의 운용면에서 Ce⁺⁴, Ag⁺²이 더 바람직하고 Ce⁴⁺ 이온의 화합물로는 Ce(NO₃)₄가 가장 바람직하다. 상기 매개 이온은 질산 또는 황산 수용액 상에 용해되어 유기폐액을 매개산화반응에 의하여 산화시키고 자신은 환원된 후에 전해셀(40)의 아노드실(41)에서 전기화학적 방법으로 산화되어 다시 순환되는 과정을 거치며, 매개이온의 농도는 0.5M 내지 1.6M이며, 바람직하기는 0.8M 내지 1.5M이다.

전해셀(40)의 캐소드실(42)에서는 아노드실(41)에서의 매개이온의 산화와 동시에 캐소드액이 환원되게 되며, 상기 캐소드액은 HNO₃ 또는 H₂SO₄ 수용액이 바람직하다.

이때 매개산화반응의 온도는 상온 내지 100℃에서 수행하며, 바람직하기로는 70℃ 내지 100℃가 바람직하며, 캐소드액의 운전온도는 상온 내지 70℃가 바람직하 다.

매개산화 반응기(20)와 매개산화 이온 공급기는 종래의 매개이온 반응장치를 참조하여 구비할 수 있으며, 특히 본 발명자들이 출원한 특허출원 2004-23367호에 상세히 기재되어 있는 바 이에 대한 기재는 생략한다.

한편 유기 폐액은 탄소, 수소 및 산소 원소 이외에 다량의 할로겐원소, 특히 염소를 포함하고 있으며, 따라서 매개산화 반응에 의하여 유기 폐액이 완전산화되어도 배출되는 기체에는 염소 등이 함께 포함될 수밖에 없다. 본 발명에 따른 유기폐액의 완전산화장치는 매개산화 반응기로부터 배출되는 기체로부터 염소 등의 유독성 기체를 NaOH 수용액 등으로 스크러빙하기 위하여 매개산화반응기(20) 후단에 스크러버(60)를 구비하며, 본 발명에서 사용되는 스크러버(60)는 화학공정에서 사용되는 스크러버이면 가능하며, 필요에 따라 스크러버(60)를 복수로 구비하여 서로 다른 기체를 순차적으로 스크러빙 함으로서 대기중에 배출되는 기체를 최소화하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 하기의 단계를 거치는 유기폐액의 완전산화방법을 포함한다.

a) 유기폐액을 전기 소각로(11)에서 부분 산화시키는 단계.

b) 상기 전기 소각로(11)로부터 배출되는 부분 산화 유기폐액을 냉각기(15)에서 냉각하는 단계.

c) 상기 냉각된 부분 산화 유기폐액을 매개산화반응기(20)에서 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응에 의하여 완전 산화시키는 단계.

d) 상기 매개산화반응기(20)로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 스크러버(60)에서 기액 접촉시켜 제거하는 단계.

본 발명에 따른 유기폐액의 완전산화방법은 앞서 언급한 바와 같이 유기폐액은 1차로 전기 소각로(10)에서 부분 산화하는 단계와 2차로 매개산화반응기(20)에서의 매개산화에 의한 완전산화의 처리단계를 거치는 것을 특징으로 한다.

유기폐액을 전기 소각로(10)에서 부분 산화시키는 단계에서는 유기폐액을 펌프로 전기 소각로(11)로 투입하면서 고온의 공기 또는 산소를 함께 투입하면서 전기 소각로 내에서 유기폐액을 부분 산화시키게 되며, 이때 전기 소각로(11)의 운전온도는 900℃ 내지 1200℃가 바람직하다. 유기폐액의 부분산화 정도는 전기소각로(11)의 용량과 유기폐액의 투입속도 등 운전조건에 따라 달라질 수 있으며, 특히 유기폐액의 부분산화 정도에 따라 전기 소각로(11)의 후단에서의 매개산화반응기(20)의 용량, 투입속도 등에 영향을 미치게 된다.

전기 소각로에서의 부분 산화 단계는 가능한 이산화탄소의 발생량을 줄이기 위하여 LPG 등 보조연료 없이 고온의 공기 또는 산소와 전기 발열체에 의하여 유기 폐액을 부분 산화시키는 것이 바람직하다.

부분산화에 의하여 유기폐액은 적절한 크기의 분자량을 가진 유기물로서 분해되게 된다.

상기 전기 소각로(10)로부터 배출되는 부분 산화 유기폐액은 고온의 기체상태로 전기로의 상단으로 배출되게 되며, 배출된 부분산화 유기폐액은 전기 소각로 (11)와 상기 전기 소각로(11) 후단에 구비되는 냉각기(15) 사이의 라인에 구비되는 분사노즐(17)에서 상기 냉각기로부터 순환되어 분사되는 부분산화 유기폐액 순환액에 의하여 1차 냉각되며, 상기 1차 냉각된 부분산화 유기폐액은 냉각기(15)에서 2차 냉각되어 매개산화반응에 적합한 70℃ 내지 100℃ 온도로 냉각되어 매개산화반응기(20) 하부로 투입된다.

매개산화반응기(20) 하부에 구비된 액상산화반응기(21)로 투입되는 부분산화 유기 폐액은 매개이온 공급기로부터 공급되는 매개이온과 액상에서 혼합되어 산화반응이 진행되며, 이때 액상산화반응조(21)의 하단에 구비되는 초음파 혼합기를 이용하여 초음파 혼합을 함으로서 유기폐액과 매개이온의 반응속도를 높일 수 있다.

매개산화반응기(21)에서 매개산환 반응 중 발생하는 완전 산화되지 않은 저분자량의 기체는 액상산화반응조(21)의 상단에 위치한 스크러버(25)의 하단으로 유입되어 상기 스크러버(25) 상단에서 유입되는 매개이온과 기액 접촉시킴으로서 폐액의 완전산화를 유도한다.

매개산화 반응에 의하여 유기폐액에 산화됨과 동시에 매개이온은 환원되고 환원된 매개이온은 매개이온 공급기로 유입되어 아노드실(41)에서 정류기(44)에 의하여 다시 산화되며, 상기 아노드실(41)로부터 격막(43)을 통하여 전자를 받아 캐소드실(42)의 캐소드액을 환원시키게 되고, 환원된 캐소드액은 캐소드실(42)로부터 유출되는 환원된 캐소드액은 환원재생기로에서 산화되어 다시 캐소드실(42)로 순환된다.

상기 매개산화반응기로부터 매개산화반응에 의하여 배출되는 완전 산화된 산 화물은 염소 등의 유독성 기체를 함께 포함하고 있으며, 상기 유독성 기체는 매개산화반응기 후단에 구비된 스크러버(60)에 의하여 NaOH 수용액 등과 기액 접촉하여 제거함으로서 대기 중에 배출되는 유독성 기체를 제거한다.

상기의 매개산화반응의 단계는 본 발명을 명확하게 예시하기 위한 것 일뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 통상의 매개산화 반응과 그 응용된 것이면 모두 본 발명에 적용되며 상기의 응용된 매개산화 반응이 전기 소각로(10)에서의 부분 산화 공정을 거치는 것이라면 모두 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 발명에 따른 유기 폐액의 완전산화 장치와 유기 폐액의 완전산화방법은 전기 소각로에 의한 부분 산화 방법을 전기화학적 매개 산화와 결합시킴으로서 난분해성 유기폐액을 경제적인 비용으로 완전 산화시키는 것이 가능하며, 또한 전기 소각로에서의 부분 산화하는 공정도 보조 연료를 사용하지 않음으로서 온실가스인 이산화탄소의 발생을 최소화하는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 유기폐액을 900~1200℃로 산화시켜 유기물로 분해시키는 전기소각로;

   상기 전기 소각로로부터 배출되는 상기 유기물을 냉각하는 냉각기;

   상기 냉각기에서 냉각된 유기물을 상온 내지 100℃의 온도에서 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응시키는 매개산화반응기;

   상기 매개산화반응기로 매개이온을 공급하는 매개이온 공급기;

   상기 매개산화반응기로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 기액 접촉시켜 제거하는 스크러버;

   로 구성되는 유기 폐액의 산화 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전기소각로는 보조연료 없이 고온의 공기 또는 산소와 전기 히터에 의하여 유기 폐액을 산화시켜 유기물로 분해시키는 것을 특징으로 하는 유기 폐액의 산화 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 냉각기는 전기 소각로로부터 배출되는 유기물을 냉각하기 위한 분사 노즐을 구비한 스프레이 냉각기인 것을 특징으로 하는 유기 폐액의 산화 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 매개이온 공급기는 상기 매개산화반응조로부터 유입되는 환원된 매개이온이 정류기로부터의 전류에 의하여 산화되는 아노드실, 아노드실로부터 전자를 받아 캐소드액을 환원시키는 캐소드실 및 상기 아노드실과 캐소드실의 사이에 격막이 구비된 전해셀; 상기 캐소드실로부터 유출되는 환원된 캐소드액을 산화시키는 환원재생기;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 폐액의 산화 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 매개산화반응기의 미반응 유기폐액을 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응과 오존을 이용한 산화반응을 동시에 수행하는 복합산화반응기가 상기 매개산화반응기와 상기 전해셀 사이에 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 유기 폐액의 산화 장치.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   매개이온은 세륨 이온 또는 은 이온인 것을 특징으로 하는 전기화학적 매개산화 및 오존 산화에 의한 유기폐액의 산화 장치.
7. a) 유기폐액을 전기 소각로에서 900~1200℃로 산화시켜 유기물로 분해시키는 단계;

   b) 상기 전기 소각로로부터 배출되는 상기 유기물을 냉각기에서 냉각하는 단계;

   c) 냉각된 유기물을 매개산화반응기에서 상온 내지 100℃의 온도에서 매개이온에 의한 전기화학적인 매개산화반응시키는 단계;

   d) 상기 매개산화반응기로부터 배출되는 완전 산화된 산화물로부터 유해가스를 스크러버에서 기액 접촉시켜 제거하는 단계;

   로 구성되는 유기 폐액의 산화방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 a) 단계의 전기 소각로에서의 유기물로 분해시키는 단계는 보조연료 없이 고온의 공기 또는 산소와 전기 히터에 의하여 유기 폐액을 산화시켜 유기물로 분해시키는 것을 특징으로 하는 유기 폐액의 산화방법.

Images