KR100899800B1 - 플라즈마를 이용한 ＰＣＢｓ 함유 폐기물의 열분해용융처리장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PCBs 함유 폐기물을 처리할 때 PCBs 함유 액상 폐기물을 분사하여 열분해되도록 함으로써 PCBs 함유 액상 폐기물의 처리가 가능하고, PCBs 함유 고상 폐기물을 투입하여 열분해 용융처리도 가능하며, 열분해처리공정과 용융처리공정이 연속적으로 이루어짐으로써 PCBs 함유 폐기물의 처리 속도가 빨라지도록 한, 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로,

그 장치는, 처리를 위해 준비된 폐기물을 투입하는 투입장치와, 투입된 폐기물중 유기물을 열분해 시키는 열분해로(1)와, 플라즈마 토치에 의해 발생한 열을 이용하여 열분해 후 잔류하는 무기물을 용융시키는 용융로(2)와, 열분해로(1) 및 용융로(2)에서 발생한 불완전 연소성분을 처리하기 위한 2차연소로(3)와, PCBs 함유 폐기물을 처리하는 과정에서 발생한 부산물을 처리하는 후처리장치(20);를 포함하고, 투입장치는, PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치(12)와, 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

따라서, PCBs 함유 액상 폐기물은 물론 PCBs 함유 고상 폐기물도 처리할 수 있으며, 폐기물 처리시 발생하는 열을 이용하여 반응로 내부의 온도를 유지할 수 있도록 하여 에너지 소비를 줄일 수 있다.

PCBs, 열분해, 용융, 고상폐기물, 액상폐기물, 플라즈마, 아토마이징, 분사

Description

플라즈마를 이용한 ＰＣＢｓ 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법 {A Pyrolysis-Melting Treatment Apparatus and its Method for PCBs-contained Waste by Plasma }

본 발명은 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 PCBs 함유 폐기물을 처리할 때 PCBs 함유 액상 폐기물을 분사하여 열분해되도록 함으로써 PCBs 함유 액상 폐기물의 처리가 가능하고, PCBs 함유 고상폐기물의 열분해 용융처리도 가능하며, 열분해처리공정과 용융처리공정이 연속적으로 이루어짐으로써 PCBs 함유 폐기물의 처리 속도가 빨라지도록 한, 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

다시 말해서 본 발명에서는, 액상의 PCBs를 열분해챔버로 분무하여 고온으로 열분해시킴과 동시에 미분해물은 용융챔버의 고온에서 완전히 분해시키고, 로 내에 연속적으로 투입되는 PCBs 함유 고상 폐기물은 2차 연소챔버에서 생성된 가스로 예열 건조시키며, 이 과정에서 발생하는 열분해 가스를 용융챔버에서 발생한 가스와 반응로 상부에서 혼합하여 2차 연소챔버에서 완전 연소시키고, 이때 발생하는 열량으로 PCBs 및 폐기물의 건조 및 열분해 반응으로 유도하는 한편, 열분해 후 잔류하 는 무기물은 플라즈마 열을 이용하여 용융시킴으로써 고상 폐기물을 슬래그화하여 외부로 배출하도록 한다.

일반적으로 PCBs(Poly Chlorinated Biphenyls; 유기염소화합물)은 공업용 열매체, 카본리스 복사지의 색소용제, 콘덴서의 절연유(絶緣油), 전력 케이블 피복용 고무의 가소제(可塑劑), 도료 등으로 널리 사용되고 있는 화합물로서, 2개의 벤젠고리가 연결된 비페닐의 10개 수소 원자 중 일부가 염소 원자로 치환된 것들의 총칭이다. PCBs는 치환 염소의 수와 위치에 따라 계산상 209종의 이성질체가 존재하고, 실제 시판되는 PCBs의 종류도 100종이 넘게 확인되고 있는데, 시판 중인 PCBs는 여러 종류의 PCBs 단체가 혼합된 혼합물이다.

PCBs는 불연성이고 가열 및 냉각해도 성질이 바뀌지 않으며, 절연성과 전기적 특성이 뛰어나고, 화학적으로 안정되어 산이나 알칼리에 의해 침범을 받지 않는 특징이 있다. 그리고, 물에 대해서는 불용성이지만 유기용매에 대해서는 용해도가 좋으며, 점착성이 우수한 특징이 있다.

따라서, 종래에는 PCBs가 다양한 공업용 재료로 사용되고 있었으나, PCBs의 난분해성으로 인하여 PCBs 성분이 토양과 해수에 오래 잔류하며 생체 농축성에 의해 인체에도 축적되고 있는데, 인체에 들어갔을 때 간장과 피부에 상해를 주기 때문에 현재는 사용 및 제조가 금지되고 있다.

한편, PCBs의 난분해성, 고농축성 등으로 인하여 기존의 PCBs 제품들에 의한 환경독성이 우려되고 있다. 따라서, PCBs 함유 폐기물들을 환경에 악영향을 주지 않고 처리할 수 있는 기술이 다양하게 연구되고 있으며, 종래의 PCBs 함유 폐기물의 처리기술은 다음과 같이 구분되고 있다.

A. 화학적 처리

1. 탈염소화 분해

탈염소화 분해 반응이란, 나트륨(Na), 칼륨(K), 수소(H) 등과 같이 비페닐보다 더 결합하기 좋은 상대를 충분한 활성화에너지와 함께 PCBs 함유 폐기물에 공급함으로써, PCBs의 염소를 수소 등으로 치환하여 무해한 물질로 변환시키는 반응을 말한다. 구체적으로, 수산화나트륨이나 금속나트륨 등을 광물유에 분산시켜 안전하게 취급할 수 있도록 만든 나트륨 분산체(Sodium Dispersion:SD) 또는 포타슘 알콕사이드(Potassium Alkoxide) 등의 알칼리금속 공급제를 PCBs 함유 폐기물에 공급하는 것이다. 한편, PCBs 함유 폐기물에 알칼리금속이 아닌 팔라듐-탄소 촉매를 가하거나 자외선을 조사하여, 수소에 활성화에너지를 공급하는 방법도 있다.

이 방법은 탈염소 반응을 이용하므로, 다이옥신 등의 2차 오염 부산물이 생성되지 않고, 소각과 달리 반응으로부터 유해가스의 발생이 없어 배기가스 처리가 간단한 장점이 있다. 즉, 대부분의 상용 처리법에서는 약품의 산화 방지를 위해 반응조에 질소가스 등을 공급하는데, 그 질소 가스가 냉각 응축기를 거쳐서 활성탄 처리된 후 대기 중으로 방출되므로, 2차 오염을 걱정하지 않아도 된다. 이에 따라, 유럽이나 미국 등에서는 탈염소된 절연유를 연료유 및 절연유로 재이용하는 예도 널리 알려져 있다.

알칼리염의 반응성은 K>Na>KOH>NaOH의 순이지만, 취급하기 어려운 정도도 같 은 순서를 보이게 된다. 탈염소화 분해법은 반응 조건 등에 따라 알칼리촉매분해법, 화학추출분해법, 금속나트륨분산체법, 촉매수소화탈염소화법, 촉매수소환원법, 유기알칼리금속분해법 등으로 세분화된다.

가. 알칼리촉매분해법(BCD법)

알칼리촉매분해법(Base Catalyzed Decomposition)은, 유기염소화합물(PCBs)에 수소 공여체(탄화수소), 첨가제(불포화탄화수소), 알칼리촉매(KOH 등)를 첨가한 후, 질소분위기의 상압하에서 300~350℃로 가열하여 탈염소화 하는 방법이며, 초기 반응 농도는 15%이하로 하고 있다. 이 방법에 따르면, 폐PCBs에 알칼리와 반응촉진제를 첨가하고 질소분위기의 상압하에서 300~315℃로 가열하여 PCBs중의 염소를 탈리시키게 된다.

알칼리촉매분해법에서는 약품의 첨가와 가열이 가장 중요한 조작인자이며, BCD법의 특징은 다음과 같다.

- 처리기준 이하까지 안전하고 확실하게 처리가 가능

- 온도를 이용하여 반응을 제어하기 때문에, 운전관리가 용이하고 비상사태 발생시에도 용이하게 완전 정지가 가능

- 폐수 및 배기가스 발생량이 미량이므로 환경에 거의 영향을 주지않음

- 다이옥신류 등 기타 유해생성물이 생성되지 않음

- 반응기의 부식 등이 일어나는 과격한 운전조건이 아님

- 사용약품은 저렴한 일반 공업약품이며 반응성이 강한 폭발성 물질 등을 사용하지 않음

- 처리한 기름의 재이용 가능.

나. 화학추출분해법(DMI/NaOH법)

화학추출분해법은, 폐쇄계의 처리를 기본으로 연소에 의한 배기가스를 발생시키지 않는 화학처리에 의한 방법이다. 화학추출분해법은, NaOH 등의 알칼리 및 DMI (1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone) 등의 비프로톤성 극성용매 존재하에서 상압, 200℃로 가열하여, 비교적 완만한 조건하에서 PCBs 주위의 염소를 알칼리염으로 제거 탈염소화하여 비페닐(biphenyl) 등으로 분해한다. 이 방법은 ppm 농도에서 % 농도 범위까지의 PCBs 처리에 적용이 가능하며, 그 특징은 다음과 같다.

- 연소 배기가스의 발생이 없는 등 환경친화적인 기술

- 비교적 온화한 반응조건(약 200℃, 상압)에서 PCBs를 완전 무해화

- 저농도(ppm)부터 고농도(%)까지 높은 분해 효율

- 분해 반응 후 생성물은 비페닐류 및 염이며 다이옥신류의 생성이 없음

다. 금속나트륨분산체법(SD)

금속나트륨 분산체법(Sodium Dispersion Technology)은, 질소분위기에서 PCBs에 등유를 혼합하고 금속나트륨을 분산시킨 등유를 첨가하여, 상압 110-200℃에서 고속회전원판에 의한 기계적 화학(MechanoChemical) 반응을 이용하여 탈염소화하는 방법이다. 이 방법은 소각에 비해서 비용이 저렴하고, 잔존하는 부산물의 처리에도 비교적 비용이 적게 들기 때문에, 소각법보다 바람직하다. 그렇지만 이 방법은 폐 변압기에서 추출한 폐절연유(주성분 PCBs)는 용이하게 처리할 수 있지만 폐 변압기나 폐 콘덴서처럼 잔존 PCBs가 포함된 고형페기물의 처리는 어렵다는 한 계점을 갖는다. SD 기술은 금속성의 나트륨 분말이 PCBs와 접촉할 때 탈염소화반응이 촉발되는 현상에 기반하는 기술로서 그 기본원리는 19세기에 확립되었다. 이 기술의 최대 장점은 비교적 낮은 온도(100~160℃)와 상압에서 반응한다는 것이며, 염가의 나트륨을 사용하기 때문에 경비가 적게 든다는 장점도 있다.

이 방법은 유니트(Unit)를 다단식으로 조합하여 목표 농도까지 분해하는 시스템으로 구성되며, 동일한 기본원리를 가진 기술들이 금속나트륨을 공급하는 방식이나 적용하는 프로세스의 고유한 특성에 따라 다양한 종류의 기술로 세분되며 OSD법, SP법, BDS법 등이 있다.

(1) OSD법

OSD법(Ontario hydro technologies' Sodium Dispersion method)은, 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene)을 증발시켜 PCBs의 농도를 21.5%로 조정한 후, 금속 나트륨 미립자(입경 5㎛ 정도)를 몰(mole)비로 2배 정도의 투입하여 PCBs 분자로부터 염소를 탈리시켜 PCBs를 무해화시키는 방법이며, 그 특징은 다음과 같다.

- hydroxy PCBs의 생성이 없다

- 처리한 절연유의 원료유로의 재이용이 가능하다

- 공정으로부터의 폐수 발생이 없다

(2) SP법

SP법(Sodium Pulverulent dispersion method)은, 일본의 코벨코 에코 솔루션(Kobelco-Eco Solution; 구 Shinko Pantec)사에서 개발한 공법으로 10㎛이하의 미립자상으로 절연유에 분산된 금속나트륨 분산체(SD)와의 화학분응을 통해 PCBs를 무해화 처리하는 방법이며, 그 특징은 다음과 같다.

- 반응온도 90℃, 반응압력 상압의 온화한 반응조건

- SD중에 PCBs를 공급하기 때문에 공급과 동시에 PCBs가 분해되어 불필요한 PCBs의 증발이 없음

- 반응조가 고농도의 PCBs로 오염되지 않음

- 고농도 PCBs 처리시, 처리 후의 기름과 절연유로 고농도의 PCBs를 희석하여 처리한 기존의 방법과는 달리 세정용매를 PCBs 희석에 사용하는 하이브리드화 방식을 적용함으로써, SD 소비량의 대폭 삭감 및 에너지 절약

- 배수나 연소가스가 발생하지 않아 환경에 미치는 영향이 매우 적음

- 일정량별로 처리를 행하는 배치처리방식의 채용으로, 반응 종료마다 PCBs 잔류 농도의 분석 및 PCBs의 무해화 완료 여부의 확인이 가능

(3) BDS법

BDS법(Bilger Dispersed Sodium method)은 소각법에 대신할 수 있는 대체처리법의 하나이며, 그런 대체처리법들 중에서 특히 폐PCBs유의 처리에 가장 호의적으로 평가되고 있는 소디움 테크놀로지(Sodium Technology)의 일종이다.

라. 촉매수소화탈염소화법(Pd/C법)

Pd/C법은 일본의 (주)關東테크에서 개발한 PCBs를 처리하기 위한 2가지 분해기술 중 하나이다. Pd/C법은 콘덴서의 절연유로 사용된 100%의 PCBs를 처리하기 위해서 개발한 방법으로, 팔라듐/카본(Palladium/Carbon; Pd/C)을 촉매로 하는 방법이다. 또, 후술하는 t-BuOK법과 함께 적용되기도 하는데, 처리대상물의 성상이나 처리량에 따라 어떠한 기술 또는 이들 기술을 조합하는가에 따라 광범위한 대상물의 처리가 가능하다.

Pd/C법은 유동 파라핀을 반응용매로 하여 Pd/C촉매의 존재하에서 상압, 180℃에서 PCBs와 수소가스를 접촉시켜 일으키는 것으로, PCBs를 염화수소(HCl)과 비페닐로 변환시켜 PCBs를 무해화 하는 처리법으로, 그 특징은 다음과 같다.

- 분해생성물은 비페닐과 염화수소뿐이며 모두 회수 및 재이용도 가능하다

- 촉매, 용매는 재사용하기 때문에 폐기물양이 적다

- 폐쇄계의 수소가스 순환시스템 구성이 가능하기 때문에 배기가스가 발생하지 않는다

- Pd/C 촉매는 산, 알콜 또는 수분의 영향을 거의 받지 않기 때문에 PCBs오염물 처리에 폭넓게 적용이 가능하다

마. 유기알칼리금속분해법(t-BuOK법)

t-BuOK법은, 전술한 Pd/C법과 함께 일본의 (주)關東테크에서 개발한 PCBs를 처리하기 위한 분해기술이다. t-BuOK법은 광물유계 절연유에 혼입된 미량의 PCBs를 분해처리하기 위하여 개발한 방법으로, 포타슘 테르트 부톡사이드(Potassium tert. butoxide; t-BuOK)를 분해 약품으로 사용한다.

이 방법에서는 기름에 용해성이 높고 강알카리성을 가진 t-BuOK이 절연유에 용해하고 직접 PCBs의 염소와 반응하여 염화칼륨과 비페닐을 생성함으로써 PCBs를 무해화하게 되며, 그 특징은 다음과 같다.

- 매우 짧은 시간에서 반응이 종료되기 때문에 연속처리에서 대량의 처리가 가능

- 반응제나 생성물에는 가스상 물질이 없기 때문에 배기가스가 발생하지 않는다

- 처리 후 기름은 절연유로서 재이용이 가능하기 때문에 폐기물량이 적다

바. 촉매수소환원법

촉매수소환원법은 수소화촉매와 수소에 의해 PCBs를 탈염소화하는 무해화처리 기술로서, 일본에서는 금속나트륨법이나 알카리분해법과 동일하게 탈염소화 분해 방식으로 분류된다. PCBs 중 염소원자는 스펀지 니켈 촉매의 표면에서 활성화되며, 수소원자와 반응한 염화수소로 된 후, 가성소다에 의해 중화되어 식염수로 변화한다. 이와 동시에 염소원자가 탈리된 비페닐(biphenyl)핵에는 수소가 치환되어, 페닐 시클로헥산(phenyl cyclohexane), 바이 시클로헥산(bi-cyclohexane)이 생성된다. 이와 같이 탈염소 반응과 수소화 반응이 스펀지 니켈 촉매의 표면에서 동시에 진행되기 때문에, 염소원자의 탈리에 따라 일어나게 되는 hydroxy 화합물의 생성이나 terphenyl 중합물의 생성은 거의 완전하게 제어된다. 이 방법의 특징은 다음과 같다.

- 고농도 및 저농도 모두의 PCBs유의 처리에 적용 가능

- 다른 방법에 비해 반응 메커니즘이 매우 단순하다

- 이 반응은 비가역적으로 진행하기 때문에 매우 안전하다

- 사용하는 용매는 가성소다, 수소, 촉매만으로 반응이 간단하다

- 다이옥신류, 히드록시 PCBs나, 유해물질을 포함한 중합물이 부산물로 생성 되지 않는다

- 처리과정에 있어서 배기는 반응기의 치환가스만 발생하고, 분해 생성물인 비페닐류, 식염, 물이 회수되어 완전한 폐쇄계로서 환경오염을 염려할 필요가 없다

- 생성된 비페닐유는 bi-cyclohexane 등 화학공업용 원료로 리사이클이 가능하다

- 촉매가 안정적이고, 부식 환경이 없기 때문에 장치에 고급재질을 필요로 하지 않기 때문에 처리비용이 매우 안정적이다

- 반응이 안정적이기 때문에, 이상반응이 일어나지 않는다

2. 환원열화학분해

환원열화학분해를 이용하는 방법으로는, 무산소 수소분위기, 상압, 850℃이상에서 수초간의 반응시간으로 무촉매로 탈염소 분해하는 기상수소환원법(GPCR법 ; Gas Phase Chemical Reduction)과, 용융금속(Ni-Cu)을 촉매로 해서 산소를 공존시켜, 3기압 1300~1500℃에서 순간적으로 분해하는 용융촉매추출(CEP법 ; Catalytic Extraction Process method)법이 있다.

기상수소환원법은 유기화합물을 기체상태로 무산소 수소영역 기체 중 상압 조건에서 가열하고 촉매를 이용하여 탈염소·분해하는 환원반응이다. PCBs, 다이옥신류 등의 유기염소화합물은 본 프로세스에 따라 최종적으로 염화수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 소량의 벤젠 등 저급 탄화수소로 분해한다. 이 기술은 난분해성 유기화합물인 PCBs를 시작으로 농약, 다이옥신류의 분해ㆍ무해화처리 를 위한 기술로서, 캐나다의 이콜로직(Ecologic)사에서 개발되어 캐나다와 오스트레일리아에서 상용화된 설비로, 처리실적이 있다. 또, 일본에서 이 기술에 대한 실증시험을 실시하여 「폐촉법」에 환원열분해방식으로서 인정받고 있는 방법이며, 그 특징은 다음과 같다.

- 액체 오염물은 탱크에 보관된 후 액체용 증발기에 공급하는 것으로 연속적으로 분해처리가 가능하다

- 전체를 증발시키기 때문에 처리의 속도는 오염물 농도에 영향을 주지 않는다

- 고형물용 증발기에 따른 제거 처리에서는 이동상 가스로서 수소를 이용하기 때문에 침투, 증발된 유기 증기를 빨리 수반하고 후단의 반응기에 도입·분해되기 때문에 복잡한 구조인 것도 동선, 적층판을 가늘게 해체하여 제거할 수 있다

- 구조가 복잡한 PCBs 오염 기기나 여러 종류의 오염물에 대하여 확실하게 충분한 처리가 가능하다

3. 광분해

광분해 방법은, 자외선(파장250~300nm)에 의해 PCBs를 탈염소화 시키고, 잔존하는 미량의 PCBs를 귀금속 촉매에 의해 고효율로 분해시키는 방법이다. 광/촉매분해법은 이소프로필 알콜(Isopropylalcohol)과 알칼리(NaOH 등) 혼합, 상압 50℃에서 자외선(UV)을 조사하며, 촉매로서 팔라듐/카본을 사용한다.

광분해법은 기존의 방법에 비해서 압력과 온도가 낮은 조건에서 처리되는 것 이 특징인데, 일반화학적 방법은 화학반응을 촉진하기 위하여 용액 전체를 가열하지만 광에 의한 PCBs분해에는 자외선의 에너지를 우선적으로 PCBs가 흡수하여 염소를 선택적으로 분리하므로 반응촉진을 위하여 용액을 가열할 필요가 없다.

광분해방식의 처리시간은 조사하는 광 에너지에 의존하고 램프출력을 증가시킬수록 처리시간이 단축되므로 필요에 따라 단축할 수 있다. 약품사용이 단순하고 잘 알려진 약품만을 사용하기 때문에 취급상의 사고방지를 꾀할 수 있고 약제비용이 저렴하게 든다. 광분해반응 생성물도 특수한 물질이 아니기 때문에 안정적인 반응상태를 유지할 수 있다. 즉, 일반 화학적 방법은 탈염소 시키면 동시에 많은 반응이 일어나지만, 광분해법은 자외선에 의해서 선택적으로 PCBs의 염소결합을 끊는 반응부터 시작하므로 반응이 깨끗하게 일어난다.

4. 수열산화(HTO ; Hydrothermal Oxidation)

가. 습식 산화(WAO)

습식 산화(WAO; Wet Air Oxidation)는 순 산소 또는 공기를 사용하여 물로부터 유기 화합물질을 제거하는데 사용되는 액상 산화공정이다. 습식 산화의 일반적인 운전 조건은 압력 20~200기압, 온도 150~325℃이다. 습식 산화의 운전 조건이 물의 임계점보다 낮기 때문에 습식 산화의 반응기에는 액체와 기체의 두 가지 상이 존재하게 된다. 액상의 폐기물과 가스상의 산소는 완전히 혼합되고 액상 폐기물로의 산소의 용해가 촉진되어 빠른 반응 속도를 얻을 수 있다. 습식 산화 공정은 회분식으로 운전되어 질 수 있으나 상용화면에 있어서는 연속식 운전이 보다 더 효과 적이다.

액상 폐기물은 액상 폐기물의 산화에 필요한 양의 압축 공기와 함께 고압 펌프에 의해 열교환기에 압송되어지고 여기에서 고온의 산화액으로 열교환(반응)이 이루어져 적정 온도가 되면 반응탑으로 이송된다. 산화된 액상 폐기물은 반응탑으로부터 배출되어 냉각, 감압 후 기액 분리기에서 각각의 상으로 분리되어진다.

나. 초임계수산화(SCWO ; Supercritical Water Oxidation)

물질은 온도, 압력 등의 조건의 변화에 따라 기체, 액체, 고체의 세가지 상태로 변한다. 온도와 압력과의 관계에서 나타나는 3중점에서 물은 기체, 액체, 고체의 세 가지 상태로 공존하며 이 3중점으로부터 기체, 액체, 고체 영역 간에 평행선이 존재한다. 3중점보다 온도가 높은 영역에서는 액체와 증기가 평행한 증발곡선이 존재하며 이때의 압력을 포화증기압이라한다. 순수한 물은 임계점(Tc : 374.3℃, Pc : 22.1㎫)이상이 되면 초임계 상태가 된다.

초임계 상태의 물은 보통의 액체나 기체와는 매우 다른 거동을 하게 된다. 염과 전해질은 물 중에서 이온화되어 전도도를 일으키며 설탕과 같은 극성의 유기 분자는 물 중에 쉽게 용해된다. 그러나, 물의 이러한 특성은 물의 밀도에 크게 의존하게 된다. 초임계 조건과 그 이상에서 물의 밀도는 온도 및 압력에 크게 의존하는 함수로서 물리학적 특성, 특히 물의 용매화 거동(solvation behavior)이 크게 변화한다. 정적 유전상수의 측정을 통하여 이 영역에 있는 유체의 구조에 대한 설명이 가능하다. 유전상수는 분자 회합(molecular association)의 정도에 대한 측정 수단이다.

초임계수(Supercritical Water)는 그 자체가 산화촉매로의 기능을 가지면서, 무기염은 용해하지 못하는 반면, 유기화합물과 산소, 수소 등을 완전히 녹이기 때문에, 미세입자의 제조나 난분해성 물질의 분해반응, 합성반응, 라디칼반응, 이온반응의 제어가 가능하다. 초임계수의 반응온도는 400~650℃이고 압력은 20~40Mpa 이며 반응시간은 1~2분 정도로 매우 짧은 것이 특징이다. PCBs의 초임계수 산화조건은 630℃, 약 24MPa로써 화력발전소의 보일러의 조건(550℃, 25MPa)과 거의 비슷한 수준이다.

전술한 초임계수의 특성을 이용한 초임계수 산화 공정의 주요 특징은 다음과 같다.

- 높은 반응 온도와 밀도에 의해서 높은 유기물 산화 효율을 얻을 수 있다

- 한 개의 혼합 상(초임계유체)으로 존재하게 되어 계면간의 물질 이동의 제한 가능성을 제거하게 되므로 매우 짧은 체류 시간내에 반응이 이루어진다

- 배출 가스 및 배출수에 대한 배출 기준을 만족시키기 위하여 추가적인 처리가 요구되었던 WAO와는 달리 추가적인 공정없이 배출 기준을 만족시킬 수 있다

B. 열적 처리

가장 널리 사용되는 PCBs의 제거방법은 고온소각으로 적절하게 활용할 경우 적어도 99.9999%의 제거효율로 PCBs를 분해하는 것으로 알려져 있다. 고온소각에서의 주요 산물은 이산화탄소와 물 그리고 무기성 재이다. 존재하는 염소는 염화수소가스로 전환되며 이는 연소에 의한 부산물로 생성되는 다른 물질들과 함께 대기오 염제어설비에서 제거된다. 소각시설의 효율은 체류 시간, 온도, 난류 및 산소 농도에 영향을 받기 때문에 배출 기준을 만족하고 이들 운전 인자들을 원하는 수준으로 유지하기 위해서는 적절한 소각로 운전조건을 유지하는 것이 필요하며, 가스처리 시스템의 효율성을 확보하는 것이 필요하다. 미국의 EPA는 50 ppm 이상의 PCBs 처리에 고 효율의 소각 방법을 승인하였으며 액상의 PCBs 폐기물을 처리하는 소각 시설의 경우 1200℃에서는 2초의 체류 시간과 굴뚝의 배출 가스 중의 3%의 과잉 산소량을, 1600℃에서는 1.5초의 체류 시간과 2%의 과잉 산소량과 같은 기술적 요구 조건을 만족해야한다. 또한, 액상이 아닌 PCBs 폐기물의 분해 및 제거 효율(DRE ; destruction and removal efficiency)은 99.9999%(1 ppm 이하)에 상응해야한다.

PCBs함유 폐기물을 소각할 경우 액상 또는 희석된 액상 슬러리는 일반적으로 펌프되어 소각로로 투입된다. 그러나, 설비 등을 포함한 고상 폐기물의 경우 소각로 투입에 앞서 축전기나 변압기의 내용물을 빼내기 위해 기계를 분해·절단하거나, 고상 및 슬러지를 드럼에 넣어 포장하는 등의 전처리 공정이 필요한 경우도 있다. 이들 폐기물 소각에 이용되는 설비로는 로타리 킬른(rotary kiln), 정지상 소각로(static kiln), 유동상 소각로(fludized bed), 시멘트 킬른(cement kiln), 액상주입 소각로 등이 있으며, 이들 설비에 대해 살펴보면 다음과 같다.

로타리 킬른(rotary kiln)은 1~2。 경사진 회전관으로 이루어져 있어 투입된 폐기물이 수평 또는 방사상으로 움직인다. 0.5~2 rpm의 낮은 회전율에서 난류가 조성되며, 폐기물은 상부 끝에서 유입되고 하부 끝으로는 재가 배출된다. 염소화 물질을 소각할 경우 로타리 킬른의 1차 연소실은 약 1100℃에서(폐기물에 따라 1300 ℃까지), 체류시간 2초, 과잉산소는 최소6%(부피비)이상에서 운전되는 슬래그 모드에서 운전되며, 이때에는 유기물 함량이 낮고 용출율이 낮은 융해된 유리질 슬래그가 생성된다. 이는 주로 유럽에서 많이 사용되는 방식이며, 미국의 경우는 녹는 점 이하에서 운전되어 재가 만들어진다.

정지상 소각로(static kiln)은 2단계 연소방법을 이용하는 방식으로 작은 시설에서는 폐기물이 비연속적으로 유입되는 경향이 있다. 액상 주입소각로는 내부가 내화성 재질로 되어있으며, 폐기물과 보조연료를 연소실로 보내기 위한 1차 버너가 부착된 수평 또는 수직상의 원통형 소각로이다. 일반적으로 유동적인 액상 폐기물 소각에 적당하며, 일부 고상 폐기물의 경우는 외부 혼합 분무장치를 이용하면 처리가 가능하다.

유동상 소각로(fludized bed)은 유동상으로 분산되어 로 내에 존재하는 모래에 액상이나 슬러지 또는 일정 크기의 고상 폐기물을 넣어 소각하는 형태의 로이다. 소각재의 대부분은 유동상 내에 남으며 일정 시점에서 모래를 세척하는 것이 필요하다.

시멘트 킬른(cement kiln)은 주로 산업적인 생산을 위해 이용되는 설비이나, 연료로 염소화 폐기물을 일부 사용하도록 허가받은 설비 중의 하나이다. 시멘트 킬른의 경우 시멘트 제조를 위한 열이 필요한데, 이때 적당한 열량값을 가지는 할로겐 폐유기용제와 같은 폐기물이 연료유를 대신할 수 있으며, 고상 물질도 로(爐)의 중간 지점에서 유입될 수 있다.

시멘트 킬른은 염소화 폐기물을 처리하는데 있어서 고상 폐기물의 유출을 야 기하지 않고, 고상 잔재물이 벽돌에 포함되는 큰 이점이 있으며, 높은 수준의 열적 안정도와, 가스 및 소각물질의 체류시간이 적다는 특성이 있다.

그러나, 상기한 기술들은 저농도 PCBs의 경우에는 무해화처리가 가능하지만 PCBs의 농도가 고농도인 경우에는 처리시 많은 시간이 요구되거나 소량만 처리되는 문제점이 있다.

또한, 처리후 발생하는 부산물들이 PCBs에 계속 오염된 상태이므로 재처리가 필수적이며, 고상 폐기물 처리시에는 부피 등으로 인해 처리가 곤란해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 액상 PCBs와 PCBs함유 고상 폐기물을 열분해로와 용융로가 일체로 이루어진 반응로에 투입하여 열분해 및 용융공정이 연속적으로 이루어지도록 함으로써, 저농도뿐만 아니라 고농도의 PCBs를 처리할 수 있으며, 특히 고농도의 경우에도 대량처리 및 연속처리가 가능한 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 발열량이 높은 액상 PCBs인 절연유를 보조 열원으로 사용함으로써, 에너지를 절감할 수 있는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고온용융반응을 유도하여 PCBs함유 고상 폐기물에도 적용할수 있으며 처리시 발생하는 슬래그를 재활용할수 있도록 한 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치는, 처리를 위해 준비된 폐기물을 투입하는 투입장치와, 투입된 폐기물중 유기물을 열분해 시키는 열분해로와, 열분해 후 잔류하는 무기물을 용융시키는 용융로와, 상기 용융로에 설치되어 열분해 용융을 위해 열을 공급하는 플라즈마 토치와, 상기 열분해로 및 용융로에서 발생한 불완전 연소성분을 처리하기 위한 2차연소로를 포함하는 주처리장치와; 상기 주처리장치에서 PCBs 함유 폐기물을 처리하는 과정에서 발생한 부산물을 처리하는 후처리장치; 를 포함하고, 상기 투입장치는, PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치와, 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치에 따르면, 상기 후처리장치는, 상기 열분해로 및 용융로에서 발생한 고온의 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열 보일러와, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 산성가스를 제거하는 반건식 세정탑, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 다이옥신을 제거하는 혼합기, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 먼지를 제거하는 백 필터 및 ID 팬, 배기가스의 배출을 위한 굴뚝 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리장치에 따르면, 상기 주처리장치는, 폐기물중 유기물을 열분해시키는 열분해챔버 및 그 후방에 위치되어 상기 열분해챔버에서 열분해되고 남은 소각회를 용융시키는 용융챔버가 연속적으로 형성된 반응로와, 상기 반응로의 입구측에 설치되어 PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치 및 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐과, 상기 열분해챔버 내의 PCBs 및 기타유기물을 열분해시키고 상기 용융챔버에서 소각회를 용융시키도록 용융챔버의 위쪽에 설치되는 플라즈마 토치와, 상기 열분해챔버의 상측에 설치되어 상기 열분해챔버에서 발생된 열분해 가스를 완전 연소시키는 2차 연소챔버가 일체화되어 형성된 것을 특징으로 한 다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치에 따르면, 상기 반응로의 내부에는 폐기물을 안내할 수 있도록 금속판 형태의 화격자가 반응로의 입구로부터 상기 용융챔버를 향하여 아래 방향으로 20~25도 경사지게 설치되고, 상기 용융챔버의 하부에는 폐기물의 용융과정에서 발생한 슬래그가 배출되는 슬래그 배출구가 설치된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치에 따르면, 상기 반응로 내의 압력은 -30 ~ -80㎩로 하고, 상기 열분해챔버의 온도는 1000 ~ 1200℃, 상기 용융챔버의 온도는 1300 ~ 1600℃, 상기 2차 연소챔버의 온도는 1,000 ~ 1,300℃로 유지한 상태에서 PCBs 함유 폐기물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법은, 열분해로에 PCBs 함유 고상 폐기물을 투입함과 동시에 액상 PCBs를 분무시켜 열분해하는 열분해 공정과; 상기 열분해 공정에서 미분해되어 낙하한 PCBs 폐기물과 바닥재를 용융로에 공급한 후 플라즈마 토치로 용융시켜 완전 분해하는 용융공정과; 상기 열분해 공정 및 용융공정에서 발생한 불완전 연소성분을 2차 연소로로 공급하여 PCBs가 완전히 분해되도록 하는 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정을 포함하며, 상기 열분해로와 용융로 및 2차 연소로가 모두 구비된 반응로에서 상기 공정들이 연속적으로 수행되도록 한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법에 따르면, 상기 열분해 공정에서 액상 PCBs의 분무는 압축공기를 이용한 아토마이징 방식으로 이루어지고, 시간당 분무량 20 ~ 100ℓ/hr, 분무 입자의 크기 30 ~ 60㎛, 분무 압력 1㎏/㎠으로 액상 PCBs가 분무되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법에 따르면, 상기 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정의 수행에 따라 발생하는 배기가스가 무해한 가스가 되도록 처리하는 배기가스 처리공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법에 따르면, 상기 용융공정에 의해 발생한 슬래그에 대한 용출 테스트와, 상기 열분해 공정이 끝난 후 상기 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정 전의 배기가스 및 상기 배기가스 처리공정 후의 배기가스에 대한 분석을 통해, 상기 반응로 내의 처리조건을 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법에 따르면, PCBs 함유 액상 폐기물이 고온의 열분해챔버로 분사되어 열분해되므로, PCBs 함유 고상 폐기물은 물론 PCBs 함유 액상 폐기물을 처리할 수 있고, 폐기물 처리시 발생하는 열을 이용하여 반응로 내부의 온도를 유지할 수 있도록 하여 에너지 소비를 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법에 따르면, PCBs를 함유한 폐기물을 플라즈마를 이용하여 열분해용융 처리를 할 때 열분해처리공정과 용융처리공정이 연속적으로 이루어짐으로써, 처리공 정이 중단되지 않고 연속적으로 진행되어 많은 양의 PCBs 함유 폐기물을 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법에 따르면, PCBs 함유 폐기물에 포함된 PCBs 성분을 완전 분해하여 무해화함으로써 환경 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치 및 그 방법에 따르면, PCBs 함유 고상 폐기물을 용융 처리하여 무해화함으로써 용융 슬래그를 건축자재나 골재 등으로 재활용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리장치 및 그 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리과정이 개략적으로 도시된 블록도이고, 도 2는 본 발명의 요부 구성인 주처리장치가 도시된 구성도이다.

본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리장치는, 처리를 위해 준비된 폐기물을 투입하는 투입장치와, 투입된 폐기물중 유기물을 열분해 시키는 열분해로(1)와, 플라즈마 토치에 의해 발생한 열을 이용하여 열분해 후 잔류하는 무기물을 용융시키는 용융로(2)와, 상기 열분해로(1) 및 용융로(2)에서 발생한 불완전 연소성분을 처리하기 위한 2차연소로(3)를 포함하는 주처리장치(10)와; 상기 주처리장치(10)에서 PCBs 함유 폐기물을 처리하는 과정에서 발생한 부산물을 처리하는 후처리장치(20);를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 투입장치는, PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치(12)와, 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)로 이루어진다. 그리고, 상기 후처리장치(20)는, 상기 열분해로(1) 및 용융로(2)에서 발생한 고온의 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열 보일러와, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 산성가스를 제거하는 반건식 세정탑, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 다이옥신을 제거하는 혼합기, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 먼지를 제거하는 백 필터 및 ID 팬, 배기가스의 배출을 위한 굴뚝 중 적어도 1종 이상으로 이루어진다.

한편, 본 발명에 따르면 상기 주처리장치(10)는, 폐기물중 유기물을 열분해시키는 열분해챔버(11a) 및 그 후방에 위치되어 상기 열분해챔버(11a)에서 열분해되고 남은 소각회를 용융시키는 용융챔버(11b)가 연속적으로 형성된 반응로(11)와, 상기 반응로(11)의 입구측에 설치되어 PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치(12) 및 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)과, 상기 열분해챔버(11a) 내의 PCBs 및 기타 유기물을 열분해시키고 상기 용융챔버(11b)에서 소각회를 용융시키도록 용융챔버(11b)의 위쪽에 설치되는 플라즈마 토치(14)와, 상기 열분해챔버(11a)의 상측에 설치되어 상기 열분해챔버(11a)에서 발생된 열분해 가스를 완전 연소시키는 2차 연소챔버(11c)가 일체화되어 형성된다.

그리고, 상기 반응로(11)의 내부에는 폐기물을 안내할 수 있도록 금속판 형태의 화격자(15)가 반응로(11)의 입구로부터 상기 용융챔버(11b)를 향하여 아래 방 향으로 20~25도 경사지게 설치되고, 상기 용융챔버(11b)의 하부에는 폐기물의 용융과정에서 발생한 슬래그가 배출되는 슬래그 배출구(11d)가 설치되며, 상기 플라즈마 토치(14)는 상기 용융챔버(11b)에 대하여 약 15도 정도 경사지게 설치된다.

또한, 상기 플라즈마 토치(14)를 통해 열을 발생시킬 수 있도록 플라즈마 발생장치(Power Supply)가 설치된다. 그리고, 상기 플라즈마 토치(14)는 가스 유입장치와 과열 방지를 위한 냉각수 주입장치를 포함하여 구성되고, 상기 용융챔버(11b)의 바닥에는 트랜스형(Trans Type) 토치를 위한 바닥 전극이 형성될 수 있다.

또, 상기 열분해챔버(11a) 내의 상황을 관찰할 수 있는 관찰창과 CCTV 카메라를 설치하여 운전현황을 항상 감시하도록 하고, 상기 2차 연소챔버(11c)에는 열분해챔버(11a)와 용융챔버(11b)에서 미연소된 탄소가스와 배기가스를 연소시킬 수 있도록 연소공기 공급라인과 초기시 예열을 위한 버너를 설치한다. 또한 상기 열분해챔버(11a), 용융챔버(11b), 2차 연소챔버(11c) 내의 온도 측정이 가능하도록 열전대(Thermocouple)와 압력을 측정할 수 있도록 압력계를 설치한다.

PCBs 함유 폐기물의 처리 전후에 발생하는 배기가스의 성분을 분석하기 위하여, 가스분석기(MK2), 샘플러(Sampler), GC(Gas Chromatography)를 이용하며, 상기 장치들을 통해 배기가스 오염물질, 분진(Dust), 중금속을 채취하여 분석한다. 또, 상기 용융챔버(11b)에서 배출되는 슬래그를 분석하게 되는데, 이러한 슬래그의 산화물 및 중금속 용출분석은 XRF, ICP을 이용하여 수행하고, 이때의 중금속 용출 분석조건은 다음의 표 1과 같이 KEP법을 이용한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치는 다음과 같이 작동되어 폐기물의 PCBs 성분이 완전히 제거되도록 한다.

먼저, 열분해챔버(11a)와 2차 연소챔버(11c)의 버너를 작동시켜 예열한 후, 용융챔버(11b)의 예열을 위하여 플라즈마 토치(14)를 가동한다. 물론, 상기 플라즈마 토치(14)의 운전 전에 상기 플라즈마 토치(14)에 공급되는 공기 및 냉각수의 공급 여부와 플라즈마 발생장치의 전원연결 여부를 확인하는 것은 당연하다. 이 상태에서 상기 플라즈마 발생장치의 패널을 조작하여 상기 플라즈마 토치(14)가 점화되도록 한다.

이후, 반응로(11)의 내부가 최적상태가 되었을 때, 즉 상기 반응로(11) 내의 압력이 -30 ~ -80㎩로 유지된 상태에서, 상기 열분해챔버(11a)의 온도는 1000 ~ 1200℃, 상기 용융챔버(11b)의 온도는 1300 ~ 1600℃, 상기 2차 연소챔버(11c)의 온도는 1,000 ~ 1,300℃가 되었을 때, 상기 반응로(11)의 입구를 통해 폐기물을 투입한다.

폐기물의 투입은 다음의 과정으로 이루어지는데, 폐기물을 폐기물 박스에 담은 후, 상기 반응로(11)의 입구 측에 설치된 고상 폐기물 투입장치(12)를 통해 투입한다. 즉, 상기 고상 폐기물 투입장치(12)의 전면 게이트(Gate)를 열어 폐기물 박스를 투입 후 다시 닫으며, 상기 고상 폐기물 투입장치(12)의 후면 게이트를 열어 상기 폐기물 박스가 열분해챔버(11a) 내로 낙하하도록 하고, 바로 다시 후면 게이트가 닫힘으로써 상기 반응로(11) 내부를 밀폐한다. 결과적으로 피더의 전진에 따라 폐기물 박스가 열분해챔버(11a)로 낙하하게 되고, 폐기물 박스의 낙하 직후 상기 후면 게이트가 닫힌 상태에서 상기 피더가 초기의 후진 위치로 복귀하여 1 사이클이 완료된다. 여기서, 상기 피더 및 전, 후면 게이트의 작동은 하이드로릭 실린더(hydraulic Cylinder; 유압 실린더 등)을 이용하여 속도를 조절하며, 속도 조절은 수동(manual), 반자동(semi-auto), 자동(auto)의 3가지 방식으로 이루어지고, 연속으로 동작 가능하다.

이때, 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)이 압축공기를 이용하여 액상 폐기물을 아토마이징(Atomizing) 방식으로 분무하게 되며, 분무된 액상 폐기물이 열분해되면서 열을 발생하여 상기 열분해챔버(11a)의 버너를 작동시키지 않더라도 상기 반응로(11) 내부의 온도가 적절하게 유지되도록 한다. 한편, 상기 노즐(13)을 통해 분무되는 액상 PCBs는, 시간당 분무량 20 ~ 100ℓ/hr, 분무 입자의 크기 30 ~ 60㎛, 분무 압력 1㎏/㎠으로 분무되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 열분해챔버(11a)에서의 열분해 후에도 남아 있는 미연탄소물과 무기물은 용융챔버(11b)로 투입되어 플라즈마 토치(14)에 의해 발생하는 플라즈마에 의해 용융되며, 고온의 플라즈마에 의해 이들에 남아 있는 PCBs 성분이 완전히 분해되어 제거된다. 이후, 용융된 슬래그는 슬래그배출구(11d)를 통해 배출되어 물로 채워진 슬래그 배출장치로 투입된다. 상기 슬래그 배출장치 역시 하이드로릭 실린더를 이용하여 속도조절을 할 수 있으며, 고온의 슬래그를 냉각수를 이용하여 냉각시킨다. 또한 압축공기를 수시로 상기 슬래그 배출장치 내에 유입함으로써, 슬래그 배출장치의 하이드로릭 실린더의 작동을 최적화하도록 한다.

그리고, 상기 열분해챔버(11a)에서의 열분해 과정 및 상기 용융챔버(11b)에서의 용융 과정에서 발생한 불완전 연소된 가스상 물질들이 2차 연소챔버(11c)로 공급되어 재연소됨으로써, 불완전 연소된 가스상 물질에 포함된 PCBs 역시 완전히 분해되어 제거된다.

한편, 상기한 PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 배기가스는 후처리장치(20)를 통과하면서 냉각 및 정화된 후 대기로 방출된다. 즉, 배기가스가, 폐열회수 보일러 등에 의해 냉각되거나, 반건식 세정탑에 의해 산성가스가 중화되거나, 혼합기에 의해 다이옥신이 제거되거나, 백 필터 및 ID 팬에 의해 분진이 제거되는 등의 후처리를 거친 후 대기로 방출된다.

또, PCBs 함유 폐기물의 처리가 잘 완료되었는지를 검사한다. 즉, 상기 용융공정에 의해 발생한 슬래그에 대해서는 용출 테스트를 실시하고, 열분해가 완료된 상태의 배기가스 및 후처리가 끝난 배기가스를 각각 분석하여 PCBs가 완전히 제거되었는지 확인한다. 그리고, 이 분석에 따라 상기 반응로 내의 처리조건을 결정한다.

<실험 예>

본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치를 구성한 후, 그 기본 및 보조장치의 작동상태를 확인하였다. 그리고, 실험을 위한 예열을 위하여 열분해챔버(11a)와 2차 연소챔버(11c)의 버너를 작동시켰다. 승온속도는 내화물의 보호를 위하여 시간당 100 ~ 150℃의 속도로 하였으며, 상기 열분해챔버(11a)과 용융챔버(11b) 및 2차 연소챔버(11c)을 모두 예열하였다. 예열을 하는 동안 연소용 공기는 차단하였다.

상기 열분해챔버(11a)의 온도가 600 ~ 700℃로 예열된 후, 용융챔버(11b)에 설치되어 있는 플라즈마 토치(14)를 가동시켰다. 이와 같이 플라즈마 토치(14)와 버너를 함께 작동시켜, 반응로 내부(11)의 온도가 열분해챔버(11a) 1000 ~ 1200℃, 용융챔버(11b) 1300 ~ 1600℃, 2차 연소챔버(11c) 1100 ~ 1300℃까지 예열된 상태에서, 상기 반응로(11)에 PCBs 함유 폐기물을 투입하였다. 폐기물 투입시간은 3min, 4min, 5min으로 조절하여 실시하였다.

이후, 상기 열분해챔버(11a)와 용융챔버(11b)의 버너를 정지시켜, 상기 반응로(11) 내부의 온도는 상기 플라즈마 토치(14)에서 발생되는 고온의 가스 및 액상 PCBs와 같은 폐기물에 의한 발열량에 의해 유지되도록 하였다. 이때, 상기 열분해챔버(11a)에 연소용 공기를 공기비α=0.6 ~ 0.8 로 공급하며, 로내 압력은 -30 ~ -80 ㎩을 유지하도록 조절하였다.

한편, 본 실증화실험에서는, 폐기물 박스에 PCBs 함유 고상페기물을 박스당 12.5 ~ 20kg (250kg/h), 투입시간은 3분을 기준으로 하여 실험을 실시하였으며 PCBs 함유 절연유 20 ~ 100 liter/h 를 노즐을 이용하여 열분해챔버에 분무하였다.

그 결과 다음의 표 2 내지 표 5의 결과를 얻을 수 있었다.

다음의 표 2는 고온 열분해용융기술을 이용하여 PCBs 함유 액상 폐기물을 처리한 결과를 나타낸 것으로서, 3차는 통상의 PCBs 처리장치를 이용하여 정상 조업시의 배출량을 나타낸다. 상기 표 2에 따르면 고농도의 PCBs 함유 액상 폐기물을 처리하는 1차 및 2차의 결과를 정상 조업시를 나타내는 3차의 결과와 비교하더라도 다이옥신이나 잔류 PCBs 및 PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons; 다환 방향족 탄화수소)의 양이 미미하게 증가하거나 오히려 감소하는 것임을 확인할 수 있었다.

다음의 표 3은 각 실험에서 PCBs의 분해율을 나타낸 것으로서, 처리 후의 결과물인 배기가스나 슬래그, 비산재, 공정수에서 PCBs가 거의 완전하게 처리되었음을 나타낸다. 그리고, 표 4는 기존 PCBs 폐기물 처리장치에서 배출되는 배기가스에 포함된 다이옥신의 양을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

다음의 표 5는 PCBs 처리장치의 가동에 따라 배출되는 배기가스를 분석한 결과를 나타낸 것으로서, 저농도의 PCBs 함유 고상 폐기물을 처리하는 통상 조업시의 측정치와, 본 발명과 같이 고농도 PCBs 함유 액상 폐기물을 처리할 경우의 측정치를 비교하여 나타내고 있다. 상기 표 5를 참조하면 본 발명에서는 고농도의 PCBs를 포함하는 폐기물을 처리함에 있어서, 통상 조업시와 마찬가지로 환경 기준치를 모두 만족함은 물론 일부 측정 항목에서는 오히려 통상 조업시보다 우수한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리장치 및 그 방법을 이용하게 되면, 고농도의 PCBs 함유 액상 폐기물을 용이하게 처리함은 물론 그 결과에 대한 신뢰도가 높아진다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리과정이 개략적으로 도시된 블록도.

도 2는 본 발명의 요부 구성인 주처리장치가 도시된 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 열분해로 2: 용융로

3: 2차 연소로 10: 주처리장치

11: 반응로 11a: 열분해챔버

11b: 용융챔버 11c: 2차 연소챔버

11d: 슬래그 배출구 12: 고상 폐기물 투입장치

13: 노즐 14: 플라즈마 토치

15: 화격자 20: 후처리장치

Claims (9)

1. 처리를 위해 준비된 폐기물을 투입하는 투입장치와, 투입된 폐기물중 유기물을 열분해 시키는 열분해로(1)와, 플라즈마 토치에 의해 발생한 열을 이용하여 열분해 후 잔류하는 무기물을 용융시키는 용융로(2)와, 상기 열분해로(1) 및 용융로(2)에서 발생한 불완전 연소성분을 처리하기 위한 2차연소로(3)를 포함하는 주처리장치(10)와;

   상기 주처리장치(10)에서 PCBs 함유 폐기물을 처리하는 과정에서 발생한 부산물을 처리하는 후처리장치(20); 를 포함하고,

   상기 투입장치는, PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치(12)와, 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)로 이루어짐과 아울러,

   상기 주처리장치(10)는, 폐기물중 유기물을 열분해시키는 열분해챔버(11a) 및 그 후방에 위치되어 상기 열분해챔버(11a)에서 열분해되고 남은 소각회를 용융시키는 용융챔버(11b)가 연속적으로 형성된 반응로(11)와, 상기 반응로(11)의 입구측에 설치되어 PCBs가 함유된 고상 폐기물을 투입하는 고상 폐기물 투입장치(12) 및 액상 PCBs를 포함한 액상 폐기물을 분무하는 노즐(13)과, 상기 열분해챔버(11a) 내의 PCBs 및 기타 유기물을 열분해시키고 상기 용융챔버(11b)에서 소각회를 용융시키도록 용융챔버(11b)의 위쪽에 설치되는 플라즈마 토치(14)와, 상기 열분해챔버(11a)의 상측에 설치되어 상기 열분해챔버(11a)에서 발생된 열분해 가스를 완전 연소시키는 2차 연소챔버(11c)가 일체화되어 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 후처리장치(20)는, 상기 열분해로 및 용융로에서 발생한 고온의 배기가스의 폐열을 회수하는 폐열 보일러와, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 산성가스를 제거하는 반건식 세정탑, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 다이옥신을 제거하는 혼합기, PCBs 함유 폐기물의 처리과정에서 발생하는 먼지를 제거하는 백 필터 및 ID 팬, 배기가스의 배출을 위한 굴뚝을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해 용융 처리장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 반응로(11)의 내부에는 폐기물을 안내할 수 있도록 금속판 형태의 화격자(15)가 반응로(11)의 입구로부터 상기 용융챔버(11b)을 향하여 아래 방향으로 20~25도 경사지게 설치되고,

   상기 용융챔버(11b)의 하부에는 폐기물의 용융과정에서 발생한 슬래그가 배출되는 슬래그 배출구(11d)가 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 반응로(11) 내의 압력은 -30 ~ -80㎩로 하고, 상기 열분해챔버(11a)의 온도는 1,000 ~ 1,200℃, 상기 용융챔버(11b)의 온도는 1,300 ~ 1,600℃, 상기 2차 연소챔버(11c)의 온도는 1,100 ~ 1,300℃로 유지한 상태에서 PCBs 함유 폐기물을 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리장치.
6. 열분해로에 PCBs 함유 고상 폐기물을 투입함과 동시에 액상 PCBs를 분무시켜 열분해하는 열분해 공정과;

   상기 열분해 공정에서 미분해되어 낙하한 PCBs 폐기물과 바닥재를 용융로에 공급한 후 플라즈마 토치로 용융시켜 완전 분해하는 용융공정과;

   상기 열분해 공정 및 용융공정에서 발생한 불완전 연소성분을 2차 연소로로 공급하여 PCBs가 완전히 분해되도록 하는 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정을 포함하며,

   상기 열분해로와 용융로 및 2차 연소로가 모두 구비된 반응로에서 상기 공정들이 연속적으로 수행되도록 함과 아울러,

   상기 열분해 공정에서 액상 PCBs의 분무는 압축공기를 이용하여 액상 PCBs를 초미세립화하여 분무하는 아토마이징(Atomizing) 방식으로 이루어지고,

   시간당 분무량 20 ~ 100ℓ/hr, 분무 입자의 크기 30 ~ 60㎛, 분무 압력 1㎏/㎠으로 액상 PCBs가 분무되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,

   상기 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정의 수행에 따라 발생하는 배기가스가 무해한 가스가 되도록 처리하는 배기가스 처리공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 용융공정에 의해 발생한 슬래그에 대한 용출 테스트와, 상기 열분해 공정이 끝난 후 상기 불완전 연소된 가스상 물질 처리공정 전의 배기가스 및 상기 배기가스 처리공정 후의 배기가스에 대한 분석을 통해, 상기 반응로 내의 처리조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 PCBs 함유 폐기물의 열분해용융 처리방법.

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