KR100970177B1

KR100970177B1 - 폐기물 스트림 처리 방법

Info

Publication number: KR100970177B1
Application number: KR1020047016665A
Authority: KR
Inventors: 티트마스제임스
Original assignee: 오우-바이론 인코포레이티드
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2010-07-14
Also published as: KR20050016349A

Abstract

본 발명은, 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 상부로 급송하는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 바닥으로 보내는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 제1 반응 영역으로 보내는 단계와, 상기 폐기물 스트림이 질소 함유 산화물과 접촉하도록 질소 함유 산화물을 상기 제1 반응 영역 내로 도입하는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 유압식 상향류 칼럼을 따라 제2 반응 영역으로 보내는 단계로서, 상기 제2 반응 영역은 질소 함유 산화물과 고형 폐기물 사이의 반응을 야기하여 실질적으로 질소 함유 산화물을 소모할 수 있게 충분한 시간을 제공하도록 구성되어 있는 것인 단계와, 상기 질소 함유 산화물이 실질적으로 소모된 후에 폐기물 스트림 내로 산소 가스를 도입하여, 상기 스트림 내에 부유되어 있는 고형 폐기물과 반응하는 제2 반응물을 제공하는 단계와, 스트림을 유압식 상향류 칼럼의 상부로 보내는 단계를 포함하는 폐기물 스트림 처리 방법을 제공한다.

Description

폐기물 스트림 처리 방법{METHOD FOR TREATING WASTE STREAMS}

본 발명은 신규한 중력식 압력 용기를 채용함으로써 슬러지형 폐기물을 유용한 물질로 전환시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

중력식 압력 용기는 폐기물 스트림의 처리에 채용되어 왔다. 구체적으로, 이러한 처리에는 폐기물 스트림의 열분해, 아임계 습식 산화, 초임계 습식 산화 및 산성 가수분해가 포함된다. 습식 산화를 채용하는 처리의 경우에는, 폐기물 스트림 내의 물질을 완전히 산화시키는 것 또는 이들 폐기물을 제어식 또는 억제식으로 산화시키는 것이 포함될 수 있다. 어떤 습식 산화 방법에 있어서도, 산소 가스(O₂)가 반응물로서 채용되어 왔다.

그러나, 중력식 압력 용기 내에서 O₂를 반응물로서 사용하는 것은 불리할 수 있다. 우선 첫째로, O₂는 폐기물 처리의 부산물 또는 쉽게 이용 가능한 생성물이 아니므로, O₂를 획득해야만 하는데, 즉 O₂를 구입해야만 하며, 이는 비용 상승을 초래할 수 있다. 또한, 반응물로서 O₂를 사용하는 것은 안전에 관련한 위험을 제공한다는 점에서 문제가 있다. 예컨대, O₂를 반응기의 상부에서 또는 그 근처에서 중력 식 압력 용기 내로 도입하는 경우에, O₂는 반응기의 바닥의 주입 지점에서의 압력보다 큰 압력으로 도입되어야 한다. 일부 용기 내에서, 이 압력은 2,000-4,000 psi 정도로 높을 수 있다. 또한, O₂를 반응기의 상부에서 첨가하는 경우에, O₂는 O₂가 반응기의 바닥으로 진행함에 따라 750℉ 정도로 높은 온도로 가열될 것이다. 이들 온도 및 압력에서, O₂는 극히 반응성이 있으며, 따라서 안전 문제를 초래하는 이외에도, O₂를 반응기의 바닥으로 이송하는 반응기 도관이 파괴될 수도 있다.

반응물로서 O₂를 사용하는 것과 관련한 문제를 해결하기 위한 시도가 제안되어 왔다. 한 가지 예로서, 종래 기술에서는 펌프 스테이션을 지층(strata) 내부에 깊게 구성하여, O₂를 도입 지점의 압력으로 반응기 내로 펌핑할 수 있다는 것을 교시하고 있다. 물론, 이러한 과정은 비용이 많이 들고, 기계적 파손을 야기하기 쉽다.

다른 시도로는 폐기물 스트림이 반응기의 아래로 진행할 때에 산소를 폐기물 스트림 내로 도입하는 제안이 있었다. 그러나, 이러한 과정은, 유체가 반응기의 바닥으로 흘러갈 때에 산화 반응이 일어나고 그에 따라 피크 반응 온도를 달성하기 위한 능력이 저하되기 때문에 문제가 있는 것으로 판명되었다. 그 결과, 폐기물의 불충분한 분해가 발생하였다.

습식 산화의 또 다른 용례에 있어서, 과산화수소가 액체 형태의 산소로서 사용되고 있다. 과산화수소는 가압 상태의 산소 가스보다 몇 배 이상 고가이며, 과 산화수소를 예열하면 과산화수소가 분해되어, 중력식 압력 용기 내로의 정미 주입(net injection)을 제어하는 것이 문제로 된다. 따라서, 습식 산화에 있어서 과산화수소를 산화제로서 사용하는 것은, 급송 산소에 대하여 어떠한 현저한 예열도 수반하지 않는 펌프 및 반응기 탱크를 채용하는 작은 용량의 유닛으로 제한된다.

중력식 압력 용기 내에서 폐기물 스트림을 습식 산화하는 때에 많은 문제가 초래되었지만, 습식 산화 처리 공정은 폐기물 스트림을 효율적이고 환경적으로 완전하게 처리하는 것과 관련하여 상당한 가능성을 갖고 있다. 따라서, 이들 습식 산화 공정, 특히 습식 산화 처리 공정을 개선할 필요가 여전히 남아 있다.

일반적으로, 본 발명은 폐기물 스트림 처리 방법을 제공하며, 이 방법은 물 속에 부유되어 있는 고형 폐기물을 포함하는 폐기물 스트림을 제공하는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 상부로 급송하는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 바닥으로 보내는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 제1 반응 영역으로 보내는 단계와, 상기 폐기물 스트림이 질소 함유 산화물과 접촉하도록 질소 함유 산화물을 상기 제1 반응 영역 내로 도입하는 단계와, 상기 폐기물 스트림을 유압식 상향류 칼럼을 따라 제2 반응 영역으로 보내는 단계로서, 상기 제2 반응 영역은 질소 함유 산화물과 고형 폐기물 사이의 반응을 야기하여 실질적으로 질소 함유 산화물을 소모할 수 있게 충분한 시간을 제공하도록 구성되어 있는 것인 단계와, 상기 질소 함유 산화물이 실질적으로 소모된 후에 폐기물 스트림 내로 산소 가스를 도입하여, 상기 스트림 내에 부유되어 있는 고형 폐기물과 반응하는 제2 반응물을 제공하는 단계와, 스트림을 유압식 상향류 칼럼의 상부로 보내는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 중력식 압력 용기를 채용하여 폐기물 스트림을 처리하는 타입의 습식 산화 공정을 제공하며, 이 공정은 질소의 산화물을 중력식 압력 용기에 산화제로서 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명은 폐기물 스트림의 습식 산화 시에 추가의 또는 대안의 산화제로서 질소의 산화물을 채용함으로써 종래 기술과 관련한 문제를 유리하게 극복한다. 질소의 산화물은 수성 상태로 반응기에 첨가될 수 있고, 이렇게 함으로써 산화제를 반응기 내로 도입하기 위해서는 단지 최소의 압력만이 필요하게 된다. 또한, 질소 산화물을 채용함으로써, 습식 산화 반응의 부산물로서 암모니아가 생성된다. 유리하게는, 이 암모니아를 포집하여, 요소(urea) 생성 공정에서와 같이 유용한 산물로서 채용할 수 있다. 대안으로, 암모니아는 질소의 산화물로 전환될 수 있고, 습식 산화 공정에서 반응물로서 재생될 수 있다. 또한, 산화제로서 질소 함유 산화물을 사용하면, O₂와 관련한 질량 전달 제한이 최소로 되거나 배제될 수 있기 때문에 아임계 습식 산화 공정이 보다 효율적으로 될 수 있다는 예상치 못한 발견을 하게 되었다.

도 1은 본 발명의 전체 공정 및 시스템의 개략적인 블록도이고,

도 2는 지층 내의 적소에 있는 중력식 압력 용기의 일부를 도시하는 수직 횡단면도이고,

도 3은 중력식 압력 용기의 하부를 도시하는 수직 횡단면도이고,

도 4a 및 도 4b는 각각 실질적으로 도 2의 4A-4A 및 4B-4B를 따라 취한 단면도이고,

도 5는 중력식 압력 용기 내의 관형 케이싱의 일부를 도시하는 수직 횡단면도이고,

도 6은 실질적으로 도 4의 선 6-6을 따라 취한 단면도이다.

본 발명의 전체 공정 및 장치를 도 1을 참고로 설명한다. 당업자는, 시스템의 여러 스테이지 사이에서 물질을 이동시키기 위하여 적절한 펌핑 장치 및 도관을 채용할 수 있고, 이러한 공정 및 시스템을 연속 작업으로 유지할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 공정 및 장치에 의해 처리하기에 바람직한 물질은 생활 폐수 처리 플랜트에 의해 생성되는 슬러지 형태의 폐기물 산물이다. 이들 슬러지는 폐수 처리 플랜트의 위치 및 연중의 시기에 따라 조성이 변경된다. 그러나, 일반적으로, 슬러지는 약 1 내지 약 4.5 중량%의 부유(浮遊) 고형물을 포함하지만, 일부 도시에서는 보다 큰 편차가 발견될 수 있다. 부유 고형물로는, 예컨대 바이오매스, 부유 광물, 세제, 재, 금속 산화물, 토양 입자, 불활성 물질, 모레 입자, 폴리머, 음식 폐기물, 인산염, 질소 등이 포함될 수 있다. 폐기물 스트림, 예컨대 슬러지는 처리 전의 폐기물 스트림(raw waste stream)으로서 지칭될 수 있다.

도 1을 참조하면, 처리 전의 폐기물 스트림(11)은 바람직하게는 서지 및 혼 합 탱크(12) 내에서 희석된다. 탱크(12) 내에서, 처리 전의 폐기물 스트림은 바람직하게는 물 속에 약 10% 미만의 고형물, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 약 5%의 고형물, 더욱 바람직하게는 약 1 내지 약 2 중량%의 부유 고형물, 즉 폐기 물질을 포함하도록 희석된다. 그 후, 이러한 희석된 스트림은 습식 산화 장치(15)로 이송되고, 여기서 산소 및 질소의 산화물이 반응물로서 첨가되어 처리 전의 폐기물 스트림을 처리한다. 이러한 처리의 일부로서, 산소 및 질소의 산화물은 폐기물 스트림 내의 유기체를 이산화탄소, 물 및 어느 정도 단순한 유기산으로 전환시키기에 충분한 산소를 제공하도록 의도된다. 또한, 산소 및 질소의 산화물은, 포집된 금속을 완전히 산화시키고 질소 산화물을 암모늄 이온으로 전환시키도록 의도된다. 질소 산화물은, 각종의 질소 산화물이 반응물로서 채용될 수 있으므로 간단하게 NOx로서 지칭될 수 있다.

습식 산화 장치(15)로부터 제거된 후의 처리된 스트림에 포함되어 있는 습식 산화의 생성물은 바람직하게는 회수를 위해 분리된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 분리는 처리된 스트림을 대기압 상태의 탱크(17) 내로 도입함으로써 달성될 수 있고, 여기서 처리된 스트림은 대부분 감압된다. 선택적으로, 이러한 처리된 스트림의 일부를 도관(18)을 매개로 서지 및 혼합 탱크(12)에 첨가함으로써 처리 전의 폐기물 스트림(11)을 희석시킬 수 있다.

처리된 액체 스트림이 탱크(17)에서 감압됨으로써, 방출된 이산화탄소는 포집되고, 또한 필요에 따라 처리될 수 있다. 처리된 스트림의 나머지는 예컨대 처리된 스트림을 정화기(21)를 통과시킴으로써 추가로 처리될 수 있고, 정화기에서 침전된 고형물을 제거할 수 있다. 추가의 이산화탄소를 정화기(21)로부터 제거할 수 있고, 또한 필요에 따라 처리할 수 있다.

스트림에 대한 추가의 처리로는 탱크(24)에서 인산염 및 암모니아를 제거하는 것이 포함될 수 있다. 바람직하게는, 탱크(24) 내의 처리된 스트림의 pH는 증가하는데, 예컨대 약 8.5보다 크게, 바람직하게는 약 8.9보다 크게, 이로써 인산염이 고형물로서 침전되고 암모니아 가스가 방출된다. 침전된 인산염을 도관(26)을 매개로 제거할 수 있고, 필요에 따라 처리할 수 있다. 마찬가지로, 암모니아 가스를 회수할 수 있고, 또한 필요에 따라 처리할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 암모니아는 포집되어 압축기(67)에서 압축될 수 있고, 이산화탄소와 반응하여 생성물 탱크(69) 내에 요소를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 이산화탄소는 대기압 상태의 탱크(17) 및 정화기(21)로부터 포집되었던 이산화탄소로부터 공급된다.

그 후, 암모니아 및 인산염이 실질적으로 제거되었던 탱크(24)를 나가는 처리된 스트림의 나머지는 pH를 낮추도록 〔예컨대, 대기압 상태의 탱크(17) 및 정화기(21)로부터 포집된 이산화탄소로부터 생성될 수 있는 탄산을 첨가함으로써〕 중화될 수 있다. 그 후, 중화 중에 형성된 고형 침전물이 실질적으로 없고 약 300 내지 1,000 ppm의 미생물에 의해 분해될 수 있는 용해된 고형물을 포함하는 중화된 스트림이 폐수 처리 설비를 향해 안내될 수 있다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 대기압 상태의 탱크(17) 및 정화기(21)로부터 포집된 이산화탄소가 추가 처리된다. 이 처리의 제1 단계에서, 이산화탄소 스트림은 응축기(37)에서 가압 및 냉각되어(예컨대 약 15℃ 및 약 1,700 MPa), 이산화탄소가 액화된다.

스트림의 나머지는 잔류 질소 및 산소 가스를 함유할 수 있으며, 이는 가스로서 수집될 수도 있고 간단하게 주위로 방출될 수도 있다. 응축기(37)에서 처리되어 탱크(17) 또는 정화기(21)로부터 수집된 휘발성 유기 화합물은 통상적으로 반(semi)-고형물로서 침전된다. 이 반-고형물은 배치 아웃-로딩 공정(batch out-loading process)에서 축적 및 추출될 수 있다. 그 후, 이들 추출된 반-고형물은 연소실(도시 생략)에서 연소될 수 있는데, 이러한 연소는 통상적으로 산소가 보충된 공기를 이용함으로써 3,000℉를 초과하는 온도에서 발생하여 NOx의 생성을 촉진한다. 연소실로부터 방출된 가스, 즉 배출 가스는, 질소 함유 산과 같은 잔류 산이 응축되어 배출 가스로부터 제거될 수 있도록 처리되는 것이 바람직하다. 그 후, 배출 스트림으로부터 회수된 질소 함유(예컨대, NOx) 산은 습식 산화 장치(15) 내에서 반응물로서 사용될 수 있다.

습식 산화 장치(15)는 중력식 압력 용기로서, 도 2와 도 3을 참조하여 가장 잘 설명된다. 또한 긴 스트링 또는 수용 케이싱으로도 칭할 수 있는 케이싱(50)이 지면 내의 보어에서 지층(S)에 위치되어 있다. 케이싱(50)은 그라우트(grout)에 의해 지층(S)으로부터 분리되어, 지층(S) 내에 존재할 수도 있는 유체들의 혼합을 제어하고, 장치로부터의 열 손실을 감소시키며, 지층(S)의 불리한 부식 영향으로부터 케이싱(50)을 보호한다. 선택적으로, 표면 케이싱(51)을 채용할 수도 있는데, 이 표면 케이싱은 긴 스트링 챔버의 보어 구멍을 천공하는 중에 물 대수층(帶水層)을 보호하기 위해 케이싱(50)을 둘러싸는 추가의 관형 부재이다.

케이싱(50)으로부터 소정 간격을 두고 내부에 동심으로 외부 용기벽(52)이 있는데, 이 외부 용기벽의 하부에는 폐쇄 단부(53)가 있다. 케이싱(50)과 외부 용기 벽(52) 사이의 공간은, 상호 장벽으로서 작용하여 장치로부터 지층(S)을 보호하는 동시에 지층으로부터 장치를 보호하는 격리 환형부(54; annulus)를 형성한다. 이러한 격리는 격리 환형부(54)를 저압, 예컨대 대기압의 약 1/1000로 배기함으로써 강화될 수 있다. 이들 조건하에서, 케이싱(50)과 외부 용기 벽(52)의 완전성이 증명되어, 장치로부터 지층으로의 열 손실이 크게 감소되며, 이는 케이싱(50)과 외부 용기 벽(52) 양자의 표면에 대한 부식 영향을 감소시킬 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 외부 용기 벽(52)으로부터 소정 간격을 두고 내부에 동심으로 역류관(70, 71 및 72)이 존재하여 열 교환기로서 작용한다. 외부 용기 벽(52)과 역류관(70) 사이의 공간은 외부 용기 환형부(73)를 형성하는데, 이 외부 용기 환형부는 도 2에 도시된 바와 같이 입구(55)를 포함하는 실질적으로 수직 통로 또는 유압식 하향류 칼럼이고, 상기 입구는 스트림을 수용하고 그 스트림을 중력식 압력 용기(15)의 바닥(74)으로 운반한다. 역류관(70)은 도 3에 도시된 바와 같이 외부 용기 환형부(73)와 제3 반응 영역(83)의 내부 용기 환형부 사이에서 열을 전도하는 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

역류관(70)으로부터 소정 간격을 두고 내부에 동심으로 내부 서비스 관(57)이 존재한다. 내부 서비스 관(57)과 역류관(70) 사이의 공간은 제3 반응 영역(83)의 내부 용기 환형부를 형성하는데, 이 내부 용기 환형부는 도 2에 도시된 바와 같이 출구(56)를 포함하는 제2 수직 통로 또는 유압식 상향류 칼럼을 형성한다.

도 4a, 도 4b 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 서비스 관(57) 내에는 각종 급송 파이프가 봉입되어 있는데, 이 급송 파이프는 용기 내의 여러 영역으로 반응물 또는 에너지를 운반하거나 용기 내의 상태를 모니터링하는 데 필요할 수 있는 각종 장치들을 제공하거나 샘플링하기 위한 도관을 제공하도록 채용될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 급송 파이프는, 산소 급송 파이프(90), 스팀 급송 파이프(91), NOx 급송 파이프(87), 촉매를 운반하도록 채용될 수도 있는 산 급송 파이프(88), 샘플링 파이프로서 채용될 수도 있는 염기 급송 파이프(89) 및 열전쌍 케이싱(86)을 포함한다. 스팀 급송 파이프(91)는 내부 서비스 관(57)의 만입 포켓(93) 내에 현수되어 있고, 이 만입 포켓은 스팀 급송 파이프(91)가 열적으로 팽창하거나 수축할 수 있게 한다. 스팀 급송 파이프(91)와 급송 파이프 하우징(94) 사이의 공간은 도 5의 스팀 급송 환형부(95)를 형성하는데, 이 스팀 급송 환형부는 가스, 예컨대 질소 또는 공기로 충전되어 폐기물 또는 폐수가 스팀 급송 환형부(95) 내로 진입하는 것을 방지할 수 있다. 각종 급송 파이프가 점유하고 있지 않은 내부 서비스 관(57) 내의 나머지 영역은 도 6에 도시된 바와 같이 절연재 또는 그라우트(96)로 충전될 수도 있다.

스팀 급송 파이프(91)와 관련하여, 스팀은 유리하게는 단지 용기의 시동 중에만 필요하다는 것을 이해해야 한다. 즉, 용기가 작동 중에 있으면, 용기의 작동에 의해 발생되는 열은 스팀과 같은 공급원으로부터 추가의 에너지를 필요로 하지 않으면서 연속적인 작업을 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스팀 급송 파이프(91)는 도 5에 도시된 바와 같이 서비스 내부 서비스 관(57) 내의 만입부(93)에서 종결된다. 상기 만입부(93)가 배치되어 있는 깊이는 용기 내에서 스팀을 운반하는 데 필요한 압력을 비롯한 많은 변수를 기초로 하여 선택될 수 있다. 예컨대, 스팀이 약 2500 피트의 깊이에서 주입되면, 스팀을 운반하는 데에 약 1100 psi의 압력이 필요할 수 있다. 또는, 스팀을 약 3,500 피트 깊이에서 주입하는 경우에, 스팀을 이송하기 위해 약 1500 psi의 압력이 필요할 수 있다. 도시하지 않은 다른 실시예에 따르면, 스팀은 또한 외부 용기 환형부(73)로 도입될 수도 있다. 이러한 상부로의 운반은, 습식 산화 공정이 먼저 활성화될 때에, 반응기, 즉 반응실의 제2 반응 영역(58)의 저부에서 약 350℉의 온도를 달성하는 것을 우선적으로 고려하여, 스팀이 보다 낮은 깊이와, 이에 따라 보다 낮은 압력으로 도입될 수 있는 한은 바람직할 수 있다.

도 3을 다시 참고하면, 산소 급송 파이프(90)가 산소 확산기(80)에 부착되어, 산소 확산기와 연통한다. 산소 확산기(80)는 산소 기체가 확산할 수 있는 다공질 세라믹재를 포함하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 산소 확산기는 선택된 패턴의 유체 유동을 실행하기 위한 장치를 포함하며, 이 장치는 미국 특허 제4,874,560호에 개시되어 있고, 이 특허는 본원 명세서에 참고로 인용된다. NOx 급송 파이프는 NOx 출구(76)에 부착되어 있고, 이 출구와 연통한다. 급송 파이프(88, 89)는 촉매 주입, 샘플링 또는 개구(77)에서의 pH 조절을 비롯한 전술한 목적을 위해 반응실의 제1 반응 영역(78)에 부착되어 있고, 이 반응실에 연통한다.

내부 서비스 관(57)은 하부 벤추리(79)와 상부 벤추리(82)를 포함한다. 이들 벤추리는 내부 서비스 관(57)의 길이에 대하여 동일한 수직 축선을 따라 위치 결정된다. 양 벤추리(79, 82)는 이들 벤추리의 기부에 연결된 2개의 대향하게 지향된 각뿔대를 포함하는 것이 바람직하고, 이 각뿔대는 내부 서비스 관(57)을 둘러싼다. 이들 벤추리로 인하여, 제1 반응 영역(78)과 제2 반응 영역(58)의 내부 환형부는 각각 두 기부의 접합부(79, 82)에서 감소된다. 벤추리(79, 82)는 유체가 외부 용기 환형부(73)의 상방으로 이동할 때에 유체의 유속을 변경하고, 이로써 유체를 혼합시키는 작용을 한다. 또한, 벤추리(79, 82)는 중력식 압력 용기(15) 내에서 다양한 반응 영역을 형성하는 역할을 한다. 구체적으로, 중력식 압력 용기(15)의 저부(74) 근방에 있는 하부 벤추리(79) 아래의 영역은 제1 반응 영역(78)을 형성한다. 하부 벤추리(79)와 상부 벤추리(82) 사이의 영역은 제2 반응 영역(58)을 형성한다. 상부 벤추리(82) 위에 있는 영역은 내부 환형부 내에서 제3 반응 영역(83)을 형성한다. 원하는 반응은 급냉 없이 의도적으로 종결 지점으로 이동하게 된다. 그 결과, 반응은 상향류 환형부(85) 전체에서 지면까지 계속될 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 역류관(70, 71, 72)은 상부 섹션(70), 하부 섹션(71) 및 상부 섹션(70)과 하부 섹션(71) 사이의 배플(72)을 포함하는 것이 바람직하다. 상부 섹션(70)의 직경은 하부 섹션(71)의 직경보다 작다. 이러한 구성의 결과로서, 내부 환형부(85)는 배플(72) 위에서 보다 작은 전체 면적을 갖고, 외부 용기 환형부(73)는 배플(72) 위에서 보다 큰 전체 면적을 갖는다. 마찬가지로, 반응 영역(83, 58, 78)은 배플(72) 아래에서 보다 큰 전체 면적을 갖고, 외부 용기 환형부(73)는 배플(72) 아래에서 보다 작은 전체 면적을 갖는다.

중력식 압력 용기(15)의 정상 작동 중에, 폐기물 스트림은 입구(55)에서 물 속에서 부유하는 폐기물이 외부 용기 환형부(73)내의 보다 고압의 구역으로 하강하게 되어 있는 중력식 압력 용기(15)로 들어간다. 이 압력은 스트림의 누적 중량과 활용될 수 있는 유체 취급 펌프(도시 생략)로부터의 잔류 압력으로부터 초래된다. 이 스트림은 역류 열교환관(70)을 통해 회수되는 열에 의해 환형부(85) 상방으로 이동하는 유체 스트림에 의해 가열될 것이다. 폐기물 스트림을 예열함으로써, 스트림의 점성이 감소하고, 이로써 스트림을 배플(72)을 지나서 전체 면적이 제한된 외부 용기 환형부(73)의 영역 내로 용이하게 통과시킬 수 있다.

스트림이 서비스 관(71)의 저부(74)에 근접한 제1 반응 영역(78)에 도달하면, 스트림은 급송 포트(76)를 통해 유입되는 수성 NOx와 접촉하고, 급송 포트(77)를 통해 제1 반응 영역(78)에 유입되는 급송물로 보충될 수 있다. 바람직하게는, 스트림의 pH는 약 7.5 내지 약 8.0 의 pH로 조절되고, 이는 특정 화학 반응을 조절하는 데에 유리할 수 있다. 유입 폐기물 스트림의 pH는 중력식 압력 용기(15) 내로 도입되기 전에 서지 및 혼합 탱크(12) 내에서 마찬가지로 조절될 수 있기 때문에, 전술한 pH 조절이 필요없을 수도 있다.

폐기물 스트림과 수성 NOx가 접촉함으로써, 폐기물 스트림 내의 폐기물의 습식 산화는 제1 반응 영역(78) 내에서 시작되도록 되어 있다. 이제 반응된 NOx 및 폐기물을 함유할 수 있는 스트림은 제1 반응 영역(78)의 내부 환형부의 상방으로 계속되고, 여기서 하부 벤추리(79)와 접촉하며, 이로 인해 혼합이 유도된다. 스트림은 하부 벤추리(79)를 지나서 제2 반응 영역(58)으로 들어간다. 이 반응 영역의 길이는 스트림 내의 NOx에 의해 제공되는 산소와 폐기물 사이의 반응이 실질적으로 완료되도록 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 따르면, 하부 벤추리(79)가 간단하게 폐기물 스트림의 수동적인 혼합을 제공하는 경우에는, 제2 반응 영역(58)의 길이는 반응 시간이 약 3분 내지 약 6분이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

그 후, 스트림은 확산기(80)를 매개로 제2 반응 영역(58)으로 배출되는 산소와 접촉한다. 바람직하게는, 산소는 상부 벤추리(82) 근처의 위치에서 제2 반응 영역(58)으로 유입되어, 스트림이 상부 벤추리(82)와 접촉하기 전에 스트림과 즉시 접촉한다. 상부 벤추리(82)는 스트림이 제3 반응 영역(83)으로 들어오는 때에 스트림의 혼합을 유도한다. 제3 반응 영역(83)은 폐기물 스트림에 포함될 수 있는 임의의 유기 파편의 산화를 완료하도록 적절한 반응 시간을 허용하도록 구성되어 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 이 반응 시간은 바람직하게는 스트림 내에서 부유하는 산소를 용해시키는 데 요구되는 질량 전달을 고려해야 한다. 산소가 용해되면, 폐기물 스트림 내의 산소와 유기 파편간의 반응이 거의 순간적으로 일어나는 것으로 생각된다.

스트림이 제3 반응 영역(83)을 통과함에 따라, 폐기물 스트림 내의 질소 산화물과 다른 질소 함유 화합물이 유기 파편의 수소와 반응하여, 암모늄 이온과 이산화탄소를 형성하는 것으로 생각된다. 산소는 유기 파편과 반응할 수도 있고, 대부분의 금속에 대하여 금속 산화물의 침전이 발생되는 최고 산화 상태로 금속을 산화시키도록 작용할 수도 있다. 스트림이 제3 반응 영역(83)을 통과함에 따라, 스트림은 배플(72)과 접촉하고, 이 배플에서 내부 반응 환형부(85) 내의 영역은 감소될 것이다. 배플(72) 위에 있는 내부 반응 환형부(85)의 길이는 바람직하게는, 하향류 유체와 상향류 유체의 전체 밀도 사이의 차이에 기인하는 대류력(convective force)에 의해 생성되는 반응기 내의 압력을 소산시키도록, 중력식 압력 용기(15)의 전장을 선택함으로써 선택된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 공정은 아임계(sub-critical) 습식 산화 공정에서 작업할 때에 특히 유리하다. 이러한 사양을 목적으로, 아임계 습식 산화 공정은 약 550 내지 약 705 ℉의 온도와, 약 800 내지 약 3,000 psi의 압력에서 실시되는 공정을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 아임계 습식 산화 공정에 관한 것이지만, 본 발명은 초임계 습식 산화 공정에서도 유용하게 실시되며, 이 초임계 습식 산화 공정은 통상 아임계 습식 산화 공정의 조건을 초과하는 온도 및 압력에서 실시된다.

이상 본 발명의 최상의 모드와 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이것으로 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구범위의 범위 내에 있는 모든 수정 및 변형을 포함한다.

Claims

물 속에 부유되어 있는 고형 폐기물을 포함하는 폐기물 스트림을 제공하는 단계와,

상기 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 상부로 급송하는 단계와,

상기 폐기물 스트림을 유압식 하향류 칼럼의 바닥으로 보내는 단계와,

상기 폐기물 스트림을 제1 반응 영역으로 보내는 단계와,

상기 폐기물 스트림이 질소 함유 산화물과 접촉하도록 질소 함유 산화물을 상기 제1 반응 영역 내로 도입하는 단계와,

상기 폐기물 스트림을 유압식 상향류 칼럼을 따라 제2 반응 영역으로 보내는 단계로서, 상기 제2 반응 영역은 질소 함유 산화물과 고형 폐기물 사이의 반응을 야기하여 실질적으로 질소 함유 산화물을 소모할 수 있기에 충분한 시간을 제공하도록 구성되어 있는 것인 단계와,

상기 질소 함유 산화물이 실질적으로 소모된 후에 폐기물 스트림 내로 산소 가스를 도입하여, 상기 스트림 내에 부유되어 있는 고형 폐기물과 반응하는 제2 반응물을 제공하는 단계와,

스트림을 유압식 상향류 칼럼의 상부로 보내는 단계로서, 질소 함유 산화물을 도입하여 암모늄 이온을 형성하고, 상기 스트림이 상기 유압식 상향류 칼럼의 상부로 보내진 이후에, 상기 암모늄 이온은 상기 스트림으로부터 회수되는 것인 단계

를 포함하는 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 고형 폐기물과 상기 질소 함유 산화물 또는 산소 사이의 반응으로부터 발생되는 열은 유압식 상향류 칼럼으로부터 유압식 하향류 칼럼으로 전달되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 유압식 하향류 칼럼의 면적은 칼럼의 바닥보다 칼럼의 상부에서 더 넓은 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 유압식 상향류 칼럼의 바닥에서 상기 폐기물 스트림이 받는 압력은 1,800 내지 2,700 psi 인 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제4항에 있어서, 상기 유압식 상향류 칼럼의 바닥에서 폐기물 스트림의 온도는 550 내지 680℉인 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응 영역 내의 상기 유압식 상향류 칼럼의 체적은 폐기물 스트림 내의 고형 폐기물과 질소 함유 산화물 사이의 반응을 촉진하도록 최대화되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 암모늄 이온은 이산화탄소와 반응하여 요소(urea)를 형성하는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 질소 함유 산화물을 도입하는 단계로 인하여 이산화탄소가 생성되고, 이 이산화탄소는 스트림이 상기 유압식 상향류 칼럼의 상부로 보내진 후에 스트림으로부터 회수되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서, 상기 이산화탄소는 암모늄 이온과 반응하여 요소를 형성하는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 스트림은 상기 제2 반응 영역 위의 유압식 상향류 칼럼으로 도입되고, 스트림은 상기 유압식 하향류 칼럼의 바닥에서 받는 압력보다 작은 압력으로 도입되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 유압식 하향류 칼럼의 단면적은 상기 칼럼의 상부로부터 상기 칼럼의 하부로 감소하고, 상기 유압식 상향류 칼럼의 단면적은 상기 칼럼의 상부로부터 상기 칼럼의 하부로 증가하는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 유압식 상향류 칼럼의 상기 폐기물 스트림을 제2 반응 영역으로 보내는 단계 중에, 상기 폐기물 스트림을 수동적으로 혼합하는 것을 포함하는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서, 상기 제2 반응 영역은 3분 내지 6분의 반응 시간을 제공하도록 구성되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 질소 함유 산화물은 수용액으로 도입되는 것인 폐기물 스트림 처리 방법.
중력식 압력 용기를 채용하는 타입의 물 속에 부유되어 있는 폐기물 고형물을 포함하는 폐기물 스트림을 처리하는 습식 산화 처리 방법으로서, 질소 산화물과 폐기물 고형물 사이의 반응을 야기하여 실질적으로 질소 산화물을 소모함으로써 암모늄 이온을 형성하도록 질소의 산화물을 포함하는 수용액을 산화제로서 중력식 압력 용기에 제공하고, 상기 암모늄 이온은 상기 스트림으로부터 회수되는 단계를 포함하는 것인 습식 산화 처리 방법.
청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제15항에 있어서, 상기 중력식 압력 용기 내의 상태는 아임계(sub-critical) 상태를 포함하는 것인 습식 산화 처리 방법.
제16항에 있어서, 질소의 산화물이 상당히 반응된 후에 반응기에 산소 가스를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것인 습식 산화 처리 방법.
제15항에 있어서, 반응기의 하부 또는 그 근처에 제1 반응 영역을 구비하는 중력식 압력 용기를 채용하는 단계를 더 포함하며, 질소의 산화물이 상기 제1 반응 영역에 도입되는 것인 습식 산화 처리 방법.
청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제18항에 있어서, 질소의 산화물을 폐기물 스트림 내의 고형물과 실질적으로 반응시키기에 충분한 길이를 갖는 제2 반응 영역을 구비하는 중력식 압력 용기를 채용하는 단계를 포함하며, 산소가 제2 반응 영역의 단부에서 제2 반응 영역 내로 도입되는 것인 습식 산화 처리 방법.
제19항에 있어서, 상기 폐기물 스트림이 제2 반응 영역으로 들어갈 때 상기 폐기물 스트림의 유량을 제한하는 하부의 벤추리와, 상기 폐기물 스트림이 제2 반응 영역을 나갈 때 상기 폐기물 스트림의 유량을 제한하는 상부 벤추리에 의해 상기 제2 반응 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것인 습식 산화 처리 방법.