KR101107097B1 - 고온 알칼리 용융염을 이용하여 고농도 염소가스 함유 배기가스를 처리하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알칼리 용융염을 이용하여 염폐기물의 처리공정에서 발생되는 염폐기물의 처리공정에서 발생되는 알칼리 용융염을 이용하여 배기가스 내 고농도의 염소가스를 효과적으로 처리하여 염소가스 농도를 배출허용기준 이하로 저감할 수 있는 고온건식처리공정기술에 관한 것으로, 본 발명으로 기존 방법에 의한 염소가스의 처리 시에 발생되던 2차폐기물이 발생되지 않을 뿐만 아니라 부산물로 생성되는 Li₂CO₃-LiCl 폐공융염은 두 화합물의 큰 증기압차이로 증류법을 통해 순수한 Li₂CO₃와 LiCl로 분리하여 재사용할 수 있다.

Description

고온 알칼리 용융염을 이용하여 고농도 염소가스 함유 배기가스를 처리하는 장치 및 방법{An apparatus by using high-temperature alkaline molten salt for the treatment of off-gas containing highly concentrated chlorine gas and method thereof}

본 발명은 고온 알칼리 용융염을 이용하여 고농도 염소가스 함유 배기가스를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염폐기물의 처리공정에서 발생되는 알칼리 용융염을 이용하여 배기가스 내 고농도의 염소가스를 효과적으로 처리하여 염소가스 농도를 배출허용기준 이하로 저감할 수 있는 고온건식처리공정기술에 관한 것이다.

사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 LiCl-KCl 폐공융염 및 LiCl 폐용융염이 발생된다. 이의 처리를 위한 핵종 산화침전공정 및 고화 공정은 염화물의 탈염소화 과정을 포함하고 있어 수천 ppm 이상의 고농도 염소가스가 배기가스와 함께 배출되는데, 이러한 염소함유 배기가스는 적절한 방법에 의해 환경 허용기준 이하로 처리되어야 한다.

이러한 배기가스내 고부식성의 염소가스는 대부분 습식세정공정(wet-scrubber process)을 통해 처리되고 있으나 적용 가능한 농도범위가 낮고, 다량의 폐수를 발생시키며, 건식공정으로 구성되는 사용후핵연료 재활용공정(pyroprocess)에 적용하는데 어려움이 있다.

현재 염소가스를 처리할 수 있는 건식공정기술로는 이온교환수지를 이용하는 공정과 금속산화물로 제조된 흡착제를 이용하는 공정이 있다. 전자의 경우 적용 가능한 염소가스 농도가 100ppm 이하로 낮고, 후자의 경우 현재 반도체설비에서 발생되는 2,000ppm 이하 염소가스의 처리공정으로 활용되고 있으나, 흡착제가 폐기물로 발생되는 단점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 재생과정에서 다른 방법(습식세정)으로 고농도 염소가스가 다시 처리되어야 하는 불합리한 공정이다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 배기가스내 수천 ppm 이상의 고농도 염소가스를 Li₂CO₃ 용융탄산염을 이용하여 효과적으로 처리하고, 이 때 발생되는 폐기물을 공업용으로 재활용할 수 있는 형태로 전환시켜 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 고농도 염소가스 함유 배기가스를 처리하는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 발생되는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 방법에 있어서, 상기 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스를 액상의 알칼리 용융염 내에 기포형태로 분산시켜 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 액상의 알칼리 용융염과 반응한 후의 배기가스를 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 배기가스를 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 알칼리 용융염은 Li₂CO₃ 용융탄산염인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스와 액상의 알칼리 용융염의 반응으로 얻어지는 폐공융염을 감압증류법으로 알칼리 용융염과 무기염인 염소가스 반응생성물을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 발명은, 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 장치에 있어서, 몸체를 이루고 내부에 액상의 알칼리 용융염이 장입되어 상측으로 여유공간(13)이 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱을 관통하여 설치되고 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 발생되는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스가 공급되며 상기 액상의 알칼리 용융염의 액중에 단부가 위치하는 유입관(17)과, 상기 여유공간(13)에 형성되는 하나 이상의 방해판(14)과, 상기 여유공간(13)과 연통하도록 형성되고 상기 케이싱의 상부에 설치되는 유출관(18)을 가지는 반응기(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 반응기(6)의 하부에는 드레인밸브(12)가 설치되는 드레인관이 형성되고, 상기 드레인관은 감압증류장치와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유출관(18)은 배기가스의 온도를 떨어뜨리는 열교환기(8)와 상기 배기가스 내의 불순물을 제거하는 여과기(9)과 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명으로 기존 방법에 의한 염소가스의 처리 시에 발생되던 2차폐기물이 발생되지 않을 뿐만 아니라 부산물로 생성되는 Li₂CO₃-LiCl 폐공융염은 두 화합물의 큰 증기압차이로 감압증류법을 통해 순수한 Li₂CO₃와 LiCl로 분리하여 재사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 염소가스 함유 배기가스를 처리하는 장치의 개략도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 염소가스 함유 배기가스 처리장치의 개략도이다.

상기 고농도 염소가스 함유 배기가스 처리장치는 반응기(6)와, 상기 반응기(6)에 배기가스를 공급하는 배기가스 혼합챔버(3)와, 상기 반응기(6)로부터 배출되는 배출가스로부터 열을 회수하는 열교환기(8)와, 상기 열교환기(8)를 거친 배출가스로부터 불순물을 제거하는 여과기(9)를 포함한다.

상기 배기가스 혼합챔버(3)에는 희토류 산화침전장치(1)와 고화체 제조장치(2)와 연결되서, 상기 배기가스 혼합챔버(3)에서 희토류 산화침전장치(1)를 통과한 배기가스와 고화체 제조장치(2)를 통과한 배기가스가 혼합된다.

상기 배기가스 혼합챔버(3)에는 희토류 핵종들이 염화물의 상태로 녹아있는 LiCl-KCl 공융염폐기물에 산소를 공급하여 희토류 핵종을 산화물로 전환시켜 침전시키는 희토류 핵종 산화침전장치(1)에서 배출되는 배기가스와, LiCl-KCl 공융염폐기물이나 LiCl 폐기물을 탈염소화 과정을 포함하는 유리고화 방법에 의한 고화체 제조장치(2)에서 발생되는 염소가스를 포함하는 배기가스의 배출관이 연결되어 이들 두 장치에서 나오는 배기가스가 혼합된다.

상기 반응기(6)는 내부에 여유공간(13)을 가지는 통상 구조이며, 상기 반응기(6)의 하부에는 전기히터(7)가 설치되고, 상기 반응기(6)의 상부에는 내부의 열을 보존하기 위한 단열부재(16)가 설치된다.

그리고, 상기 반응기(6)에는 용액 상태의 Li₂CO₃ 용융탄산염(11)이 채워지고, 상기 반응기(6)의 상측으로 유출관(18)이 설치된다. 이 때, 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11)의 액위는 상기 전기히터(7)의 높이보다 낮게 위치하는 것이 바람직하다. 또, 상기 배기가스 혼합챔버(3)로부터 공급되는 배기가스는 유입관(17)을 통해 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11)의 액중에 공급되도록, 상기 유입관(17)의 단부는 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11)의 액중에 위치한다.

또, 상기 반응기(6)의 바닥부에는 드레인관이 형성되고, 상기 드레인관에는 내부 용액의 배출을 제어하는 드레인밸브(12)가 설치된다.

그리고, 상기 여유공간(13) 내에는 상기 주입된 가스로 인해 Li₂CO₃ 용융탄산염이 상승하는 것을 방지하는 방해판(14)이 하나 이상 설치된다.

상기 유출관(18)은 열교환기(8)와 연결된다. 상기 열교환기(8)는 공냉식 또는 수냉식을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 열교환기(8)를 통과한 가스는 상기 열교환기(8)와 연결되는 필터(9)에 공급된다.

그리고, 상기 필터(9)를 통과한 가스를 배출하기 위하여 상기 필터(9)의 후단에는 블로워(10)가 설치된다.

또한, 시험을 위하여, 상기 반응기(6)에 공급되기 전의 배기가스의 염소가스 농도 및 유량을 측정할 수 있도록 상기 유입관(17)에 유량계(5) 및 가스농도 측정센서(4)를 설치하고, 반응 후의 염소농도를 측정할 수 있도록 상기 블로워(10)의 후단에 가스농도 측정센서(15)를 설치한다.

본 발명의 실시예에 따른 고농도 염소가스 함유 배기가스 처리장치는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 다음에는 상기 고농도 염소가스 함유 배기가스 처리장치를 이용한 고농도 염소가스 배기가스의 처리방법을 설명한다.

먼저, 상기 희토류 산화침전장치(1) 및 상기 고화체 제조장치(2)를 통과한 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 발생되는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스가 상기 배기가스 혼합챔버(3)로 공급된다.

상기 배기가스 혼합챔버(3)를 통과한 배기가스는 유입관(17)을 통해 반응기(6) 내의 Li₂CO₃ 용융탄산염(11)의 액중으로 공급된다.

따라서, 상기 배기가스는 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11) 내에서 기포형태로 분산되며, 이 때 상기 배기가스에 포함된 염소가스는 아래의 화학식과 같은 화학반응을 일으킨다.

Cl₂(g) + Li(K)₂CO₃(l) -> 2Li(K)Cl(l) + CO₂(g) + 0.5O₂(g)

따라서, 배기가스 내의 염소가스가 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11) 내에서 유용한 무기염의 형태(예: Li(K)Cl)로 변환되어, 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11) 내에서 Li(K)₂CO₃-Li(K)Cl 폐공융염의 형태로 포집된다.

그리고, 염소가스가 제거된 배기가스는 상기 유출관(18)을 통해 배출되고 상기 열교환기(8)를 거쳐 냉각된 후, 필터(9)를 거치면서 배기가스에 포함된 기타 협잡물 또는 환경오염물질을 제거한다.

상기 필터(9)를 거친 배기가스는 블로워(10)를 통해 다음공정 또는 외부로 배출된다.

특히, 상기 Li₂CO₃ 용융탄산염(11) 내에서의 고농도 염소가스 처리를 통해 발생된 Li(K)₂CO₃-Li(K)Cl 폐공융염은 상기 드레인밸브(12)를 통해 감압증류장치(미도시)로 이송되어 감압증류법을 통해 Li(K)₂CO₃와 Li(K)Cl로 분리한다.

따라서, 상기 Li(K)₂CO₃은 상기 반응기(6)로 재투입하여 재활용할 수 있으며, 감압증류로 얻어진 Li(K)Cl은 공업용 재료로써 재활용될 수 있다.

따라서, 이 공정은 고온 건식공정으로 기존의 습식세정공정이나 저온흡착공정에 비해 처리효율이 높을 뿐만 아니라, 무기염의 형태로 회수되는 염소를 다시 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

다음에는 상기 장치 및 방법을 시험예를 통해 설명한다. 도 1과 같은 구성을 가지는 고농도 염소가스 함유 배기가스 처리장치를 통하여 다음과 같은 실험결과를 얻었다.

[시험예 1]

Li₂CO₃ 용융탄산염을 750℃의 온도에서 운전하면서 650 ppm과 1000 ppm인 염소표준가스를 시간당 1.2 N㎥의 유량으로 주입하여 염소가스 처리시험을 실시하였으며, 그 결과 배출되는 배기가스내 염소농도는 1 ppm 이하로 검출되어 염소가스가 효과적으로 처리됨을 보였다.

[시험예 2]

Li₂CO₃ 용융탄산염을 750℃의 온도에서 운전하면서 희토류 핵종 산화침전공정과 고농도의 방사성핵종 함유 LiCl 폐용융염 고화공정에서 실제 발생되는 염소가스 함유 배기가스 처리시험을 실시하였다.

배기가스는 시간당 1.2 N㎥의 유량으로 주입하였고, 주입된 배기가스내 염소가스의 농도는 최대 약 2000 ppm이었으며, 배출되는 배기가스내 염소농도는 1 ppm 이하로 검출되어 99.95% 이상의 높은 염소포집효율을 보임을 확인하였다.

[시험예 3]

시험예3은 시험예2보다 많은 유량의 배기가스를 장시간 운전하여 장기운전 안전성 및 공정 적용을 위한 성능평가를 수행하였다.

따라서, 시험예2에서와 같이 Li₂CO₃ 용융탄산염을 750℃의 온도에서 운전하였고 이 때 희토류 핵종 산화침전공정과 고농도의 방사성핵종 함유 LiCl 폐용융염 고화공정에서 발생되는 염소가스 함유 배기가스를 시간당 3 N㎥의 유량으로 주입하면서 12시간동안 고농도 염소가스 처리시험을 수행하였다. 이 때 주입된 배기가스내 염소가스의 농도는 최대 약 2353 ppm이었고, 배출되는 배기가스내 염소농도는 1 ppm 이하로 검출되어 99.96% 이상의 높은 염소포집효율을 보였으며, 장기운전과정에서 안전하고 효과적으로 고농도 염소가스를 처리할 수 있었다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 희토류 산화침전장치 2: 고화체 제조장치
3: 배기가스 혼합챔버 4,15: 가스농도 측정센서
5: 유량계 6: 반응기
7: 전기히터 8: 열교환기
9: 필터 10: 블로워
11: Li₂CO₃ 용융탄산염 12: 드레인밸브
13: 여유공간 14: 방해판
16: 단열부재 17: 유입관
18: 유출관

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 발생되는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스를 액상의 알칼리 용융염 내에 기포형태로 분산시켜 반응시키는 단계를 포함하 배기가스 중 염소가스를 처리하는 방법으로 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 장치에 있어서,
   몸체를 이루고 내부에 액상의 알칼리 용융염이 장입되어 상측으로 여유공간(13)이 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱을 관통하여 설치되고 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정 파이로프로세스(pyroprocess)에서 발생되는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스가 공급되며 상기 액상의 알칼리 용융염의 액중에 단부가 위치하는 유입관(17)과, 상기 여유공간(13)에 형성되는 하나 이상의 방해판(14)과, 상기 여유공간(13)과 연통하도록 형성되고 상기 케이싱의 상부에 설치되는 유출관(18)을 가지는 반응기(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 반응기(6)의 하부에는 드레인밸브(12)가 설치되는 드레인관이 형성되고, 상기 드레인관은 감압증류장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 장치.
   
7. 제5항에 있어서, 상기 유출관(18)은 배기가스의 온도를 떨어뜨리는 열교환기(8)와 상기 배기가스 내의 불순물을 제거하는 여과기(9)과 연결되는 것을 특징으로 하는 고농도 염소가스를 함유하는 배기가스 중 염소가스를 처리하는 장치.

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