KR101205390B1 - 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법 - Google Patents
용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 폐기물과 공기가 공급되고 원통형인 폐기물?공기 이송관; 상기 폐기물?공기 이송관의 외주면을 길이방향으로 감싸되 내부로 냉각 공기가 투입되고 배출되는 냉각공기 투입/배출구; 상기 폐기물?공기 이송관 하부에 구비되되 상기 폐기물 분해시 발생하는 가스를 무해한 염의 형태로 변화시키는 용융염이 저장되는 용융염 저장부; 상기 용융염 저장부 상부에 위치하고 냉각공기 투입/배출구 하부에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관과 상기 냉각공기 투입/배출구를 외부환경에 의한 온도변화를 방지하고 용융염이 공기와 함께 비말동반되어 외부로 배출되는 것을 방지하는 프리보드; 및 상기 폐기물?공기 이송관 하단에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관으로부터 이송되는 폐기물과 공기를 상기 용융염 저장부에 분산시키는 분산관을 포함하고, 상기 분산관은 상기 폐기물?공기 이송관을 중심으로 방사형으로 다수개 구비되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기 및 이를 이용하여 폐기물과 공기를 균일하게 분산시켜 폐기물을 분해하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법에 관한 것이다.
고온의 알칼리 용융염내에서 유기성 폐기물을 열분해 또는 산화분해하면 유기물의 분해과정에서 발생하는 산성가스 근원 원소들이 고온에서 이온성 액체인 알칼리 용융 금속내의 알칼리 금속이온과 반응하여 무해한 염의 형태로 전환된다. 이러한 이유에서 용융염 산화나 용융염 열분해 방식에 의한 폐기물 처리방법이 기존의 상용 소각기술을 대체할 수 있는 우수한 폐기물 고온분해 처리방법으로 개발되고 있다. 예로서, 알칼리 용융염으로 탄산나트륨을 사용하면 약 850 ℃ 이상의 고온에서 탄산나트륨은 액상으로 Na+ 이온과 CO3 - 이온으로 구성되는 이온성 액체가 되며, Na+ 이온은 각종 유기물의 분해시 발생되는 산성가스 발생원소인 염소, 불소 및 브롬 등의 할로겐 원소는 물로 이종 원소인 황 등과 반응하여 무해한 NaCl, NaF, Na2SO4 등의 무기염 성분으로 변환시킴으로써 HCl, Cl2, HF, F2 HBr, SO2 등과 같은 유해한 부식성 가스의 배출을 막고 독성 유기물질인 염화, 불화, 브롬화 다이옥신류의 생성을 근원적으로 방지하게 된다.
한편, 폐기물을 용융염내에서 처리하는 방법이 개발됨에 따라 용융염내 폐기물을 안전하게 공급하여 처리하는 방법도 같이 개발되어 왔다. 최근에는 수분을 함유하는 추진제나 폭발성 폐기물을 안전하게 용융염내에서 분해 반응시키기 위하여 특수한 폴리머인 PEG (poly-ethylene-glycol)을 이용하는 방법이 개발되었다(미국등록특허 제7491370호). 또한, 이전에는 고체폐기물을 용융염내 투입하기 위한 방법이 개발되어 특허출원 또는 발표된바 있다(미국등록특허 제6489532호 및 CONF 930909-3, 1993). 이러한 종래의 폐기물 공급방법에서 폐기물은 폐기물과 같이 공급되는 공기, 산소 또는 질소 등과 함께 하나의 공급관을 통해 공급되어 용융염층의 하부에서 큰 기포의 형태로 폐기물과 같이 상승한다. 이러한 방법은 용융염 산화반응기의 규모가 클 경우, 즉, 폐기물의 처리용량이 커서, 용융염 산화반응기의 내경이 50 cm 이상으로 커질 경우에는 입상 또는 분말상 폐기물이 반응기의 원주방향(radial direction)으로 적절히 분산되지 못하고 바로 투입관에 가까운 쪽에 집중되어 반응효율이 떨어질 뿐만 아니라, 산화용 기체는 큰 기포의 형태로 중심에서 가까운 쪽에서 위로 상승하게 되므로 투입관에서 먼쪽, 즉, 용융염 산화반응기 외벽에 가까운 바깥쪽의 넓은 부분이 적절히 활용되지 못하는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 용융염 산화반응기에서의 폐기물 분해반응을 효율적으로 발생시킬 수 있고 대용량의 폐기물을 처리할 수 있는 용융염 산화반응기를 연구하던 중 입상 및 분말상 폐기물을 용융염 산화방법으로 분해시 반응기 전체에 폐기물을 균일하게 분산시키고 대용량의 폐기물을 처리할 수 있는 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 원통형 반응기 하부로부터 폐기물과 공기를 골고루 분산시켜 용융염과의 반응효율을 증가시킬 수 있는 용융염 산화반응기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 용융염 산화반응기를 이용하여 폐기물과 공기를 균일하게 분산시켜 폐기물을 분해하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 용융염 산화반응기는 폐기물과 공기가 공급되고 원통형인 폐기물?공기 이송관; 상기 폐기물?공기 이송관의 외주면을 길이방향으로 감싸되 내부로 냉각 공기가 투입되고 배출되는 냉각공기 투입/배출구; 상기 폐기물?공기 이송관 하부에 구비되되 상기 폐기물 분해시 발생하는 가스를 무해한 염의 형태로 변화시키는 용융염이 저장되는 용융염 저장부; 상기 용융염 저장부 상부에 위치하고 냉각공기 투입/배출구 하부에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관과 상기 냉각공기 투입/배출구를 외부환경에 의한 온도변화를 방지하고 용융염이 공기와 함께 비말동반되어 외부로 배출되는 것을 방지하는 프리보드; 및 상기 폐기물?공기 이송관 하단에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관으로부터 이송되는 폐기물과 공기를 상기 용융염 저장부에 분산시키는 분산관을 포함하고, 상기 분산관은 상기 폐기물?공기 이송관을 중심으로 방사형으로 다수개 구비되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 용융염 산화반응기를 이용하여 폐기물과 공기를 균일하게 분산시켜 폐기물을 분해하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법은 입상 및 분말상 폐기물을 용융염 산화방법으로 분해시 반응기 전체에 폐기물을 균일하게 분산시켜 폐기물 입자의 용융염 내에서의 상승속도를 느리게 함과 동시에 용융염내 기포 표면적의 증대효과에 의해 공기, 용융염 및 폐기물의 삼상혼합 접촉효과를 증대시킴으로써 폐기물 분해반응의 반응효율을 효과적으로 증대시키며, 반응기의 규모가 큰 대용량의 용융염 반응기에 사용할 경우 폐기물과 공기를 반경반향으로 적절히 분산시켜 반응효율 증대효과가 현저하므로, 폐기물 분해에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용융염 산화반응기의 구성을 설명하기 위한 모식도이고; 및
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융염 산화반응기의 분산관내 홀 배치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융염 산화반응기의 분산관내 홀 배치를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용융염 산화반응기의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 용융염 산화반응기(100)는 폐기물?공기 이송관(110), 냉각공기 투입/배출구(120), 용융염 저장부(130), 프리보드(140) 및 분산관(150)을 포함한다. 이때, 상기 폐기물?공기 이송관(110)은 폐기물과 공기가 공급되고 원통형 형상으로 구비된다. 또한, 상기 냉각공기 투입/배출구(120)는 상기 폐기물?공기 이송관(110)의 외주면을 길이방향으로 감싸되 내부로 냉각 공기가 투입되고 배출된다. 상기 용융염 저장부(130)는 상기 폐기물?공기 이송관(110) 하부에 구비되되 상기 폐기물 분해시 발생하는 가스를 무해한 염의 형태로 변화시키는 용융염이 저장되고, 상기 프리보드(140)는 확관될 수 있으며, 상기 용융염 저장부(130) 상부에 위치하고 냉각공기 투입/배출구(120) 하부에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관(110)과 상기 냉각공기 투입/배출구(120)를 외부환경에 의한 온도변화를 방지하고 공기의 상승속도를 느리게 만들고 체류시간을 증대시켜 비말동반된 용융염 입자들이 다시 하강토록 하며 탄화수소의 산화시간을 증대시키는 기능이 있다. 또한, 상기 분산관(150)은 상기 폐기물?공기 이송관(110) 하단에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관(110)으로부터 이송되는 폐기물과 공기를 상기 용융염 저장부(130)에 분산시키며, 상기 분산관(150)은 상기 폐기물?공기 이송관(110)을 중심으로 방사형으로 다수개 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용융염 산화반응기는 상기 폐기물?공기 이송관(110) 상부에 폐기물이 투입되는 폐기물 투입구(160)를 더 포함할 수 있고, 상기 폐기물?공기 이송관(110)의 일측에 위치하고 공기가 공급되는 공기 공급구(170)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각공기 투입/배출구(120)는 환형 도관으로 형성될 수 있으며, 상기 분산관(150)의 폐기물 및 공기가 분출되는 홀(180)의 개수는 다수개 구비될 수 있으며, 폐기물의 처리속도에 따른 용융염 산화반응기의 크기에 따라 결정될 수 있다. 또한, 상기 용융염은 Na, K 또는 Li를 포함하는 알칼리 수산화염인 NaOH, KOH, LiOH, 또는 탄산염인 K2CO3, K2CO3, Li2CO3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 공융염이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융염 산화반응기의 분산관내 홀 배치를 설명하기 위한 개념도이다.
상기 분산관(150)은 상기 폐기물?공기 이송관(110) 하단에 구비되고, 상기 용융염 산화반응기(100)는 상기 폐기물?공기 이송관(110)을 중심으로 방사형(문어발형)으로 다수의 분산관(150)을 포함할 수 있고, 8 내지 12개인 것이 바람직하다. 또한, 상기 분산관(150)은 폐기물과 공기를 용융염으로 공급하기 위해 홀(180)을 포함하고, 상기 홀(180)은 원통형 반응기의 수평 단면을 동일한 면적이 되게 방사방향으로 나누어진 각각의 면적에 홀(180)을 배치하고, 상기 면적의 크기는 0.05 ～ 0.2 ㎡ 범위인 것이 바람직하다. 즉, 상기 분산관(150)의 홀(180) 위치는 상기 폐기물?공기 이송관(110)과 인접한 부분에서부터 이격될수록 홀(180)간 거리는 좁아지게 된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 원통형 반응기의 수평 단면을 같은 면적이 되게 방사방향으로 5 등분하여 중심에서부터 A1, A2, A3, A4, A5로 도시하였으며, 중심에서 멀어질수록 원 면적에 대한 반지름의 길이가 짧아지기 때문에 홀간 거리가 좁아지는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 용융염 산화반응기를 이용하여 폐기물과 공기를 균일하게 분산시켜 폐기물을 분해처리하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용융염 산화반응기는 폐기물과 공기를 용융염에 공급하는 홀이 다수개 포함되어 있는 분산관을 구비하며, 상기 홀은 원통형 반응기의 수평 단면을 동일한 면적이 되게 방사방향으로 n 등분하여 나눠진 면적 각각에 구비되고, 원통형 반응기의 중심에서 멀어질수록 홀의 개수가 증가하도록 설치하여 폐기물과 공기를 원통형 반응기내 모든 위치에서 균일하게 분산시킬 수 있다. 상기 분산관의 개수는 반응기의 크기, 홀의 개수, 투입되는 폐기물의 크기, 기체의 유량 및 압력 등에 따라 적절히 결정되어야 하지만 8 내지 12개인 것이 바람직하다.
이때, 상기 폐기물은 입상, 분말상 등을 사용할 수 있고, 상기 용융염 산화반응기의 용량은 1 ～ 5 ㎥ 인 것이 바람직하다. 용융염 산화반응기에 구비된 분산관은 반응기 중심에서 이격될수록 홀간 거리가 좁아지고 이로 인해 1 ～ 5 ㎥인 대용량의 반응기에도 폐기물과 공기를 적절히 분산시켜 반응효율을 증가시키며 용융염내 폐기물과 공기의 잔류시간을 증대하여 분해반응 효율을 극대화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 용융염 산화반응기 및 이를 이용한 폐기물 분해방법은 입상 및 분말상 폐기물을 용융염 산화방법으로 분해시 반응기 전체에 폐기물을 균일하게 분산시켜 폐기물 입자의 용융염 내에서의 상승속도를 느리게 함과 동시에 용융염내 기포 표면적의 증대효과에 의해 공기, 용융염 및 폐기물의 삼상혼합 접촉효과를 증대시킴으로써 폐기물 분해반응의 반응효율을 효과적으로 증가시키며, 반응기의 규모가 큰 대용량의 용융염 반응기에 사용할 경우 폐기물과 공기를 반경반향으로 적절히 분산시켜 반응효율 증대효과가 현저하므로, 폐기물 분해에 유용하게 사용할 수 있다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 용융염 산화반응기(100)의 폐기물?공기 이송관(110) 상부에 구비된 폐기물 투입구(160)를 통해 입상의 양이온교환수지를 10 ㎏/h의 공급속도로 총 50 ㎏을 투입한 후 상기 폐기물?공기 이송관(110)의 일측에 구비된 공기 공급구(170)을 통해 공기를 공급하였다. 상기 폐기물 투입구(160)로 투입된 양이온교환수지를 상기 폐기물?공기 이송관(110)을 통해 하단에 구비된 분산관(150)으로 이송하였다. 상기 분산관(150)은 도 1에 도시한 바와 같이 8개의 분산관(150)으로 구성되어 있으며, 각각의 분산관(170)에는 6개의 홀(180)을 구비하였다. 상기 분산관(150)에 구비된 홀(180)을 통해 폐기물과 공기가 용융염 저장부(130)에 구비되어 있는 약 1500 ㎏의 Na2CO3-K2CO3 용융염에 균일하게 분산되어 공급되었으며, 냉각공기 투입/배출구(120)로 냉각공기를 투입하였다. 이때의 반응기 온도는 약 850 ℃였고, Na2CO3-K2CO3 용융염, 폐기물과 공기가 반응하여 가스가 배출되었으며, 총탄화수소(THC, total hydrocarbon)는 10 ppm의 농도가 측정되었고, 일산화탄소(CO)는 100 ppm의 농도가 측정되었다.
<실시예 2>
분말상의 양이온교환수지를 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폐기물을 분해하였다. 상기 실시예 1과 동일하게 총탄화수소는 10 ppm의 농도가 측정되었고, 일산화탄소는 100 ppm의 농도가 측정되었다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
100: 용융염 산화반응기
110: 폐기물?공기 이송관
120: 냉각공기 투입/배출구
130: 용융염 저장부
140: 프리보드
150: 분산관
160: 폐기물 투입구
170: 공기 공급구
180: 홀
110: 폐기물?공기 이송관
120: 냉각공기 투입/배출구
130: 용융염 저장부
140: 프리보드
150: 분산관
160: 폐기물 투입구
170: 공기 공급구
180: 홀
Claims (10)
- 폐기물과 공기가 공급되고 원통형인 폐기물?공기 이송관(110);
상기 폐기물?공기 이송관(110)의 외주면을 길이방향으로 감싸되 내부로 냉각 공기가 투입되고 배출되는 냉각공기 투입/배출구(120);
상기 폐기물?공기 이송관(110) 하부에 구비되되 상기 폐기물 분해시 발생하는 가스를 무해한 염의 형태로 변화시키는 용융염이 저장되는 용융염 저장부(130);
상기 용융염 저장부(130) 상부에 위치하고 냉각공기 투입/배출구(120) 하부에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관(110)과 상기 냉각공기 투입/배출구(120)를 외부환경에 의한 온도변화를 방지하고 용융염이 공기와 함께 비말동반되어 외부로 배출되는 것을 방지하는 프리보드(140); 및
상기 폐기물?공기 이송관(110) 하단에 구비되되 상기 폐기물?공기 이송관(110)으로부터 이송되는 폐기물과 공기를 상기 용융염 저장부(130)에 분산시키는 분산관(150)을 포함하고,
상기 분산관(150)은 상기 폐기물?공기 이송관(110)을 중심으로 방사형으로 8 내지 12개 구비되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 폐기물?공기 이송관(110) 상부에 폐기물이 투입되는 폐기물 투입구(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 폐기물?공기 이송관(110)의 일측에 위치하고 공기가 공급되는 공기 공급구(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각공기 투입/배출구(120)는 환형 도관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 분산관(150)은 폐기물 및 공기가 분출되는 홀(180)이 구비되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 제5항에 있어서, 상기 홀(180)은 상기 폐기물?공기 이송관(110)과 인접한 분산관(150)에서 외부방향으로 동일한 0.05 ～ 0.2 ㎡ 범위의 면적이 되게 등분하여 상기 분산관(150)에 각각의 면적당 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 용융염 산화반응기.
- 삭제
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 용융염 산화반응기를 이용하여 폐기물과 공기를 균일하게 분산시켜 폐기물을 분해하는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 폐기물은 입상 또는 분말상인 것을 특징으로 폐기물 분해방법.
- 제8항에 있어서, 상기 용융염 산화반응기의 용량은 1 ～ 5 ㎥인 것을 특징으로 하는 폐기물 분해방법.
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| US11398316B2 (en) | 2019-08-20 | 2022-07-26 | Korea Atomic Energy Research Institute | Sparger for reducing the concentration of radioactive materials and nuclear power plant having the same |
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| JP7075655B2 (ja) | 2018-03-14 | 2022-05-26 | 株式会社ニイタカ | 洗浄剤組成物、スプレーボトル、ウェットワイパー及び消臭除菌洗浄方法 |
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