KR101243198B1 - 기체공급장치를 갖는 용융로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성폐기물과 같은 유해한 폐기물들을 유리화하기 용융로에 있어서 용융물에 기체, 특히 유리 용융물의 산화환원 상태를 조절하고 용융물을 교반하여 처리용량을 높일 수 있도록 기체(산소)를 공급하게 되는 기체공급장치를 갖는 용융로에 관한 것으로, 용융로(100) 내측으로 돌출 형성되어 용융로 내에 기체를 공급하게 되는 기체공급부를 갖는 용융로에 있어서, 상기 기체공급부는, 상기 용융로(100)를 관통하여 내측으로 돌출 형성되며, 선단에 노즐구(111)가 형성되는 기체공급관(110)과; 상기 용융로(100)의 벽체 내에서 냉각유체가 순환하는 제1냉각유로(103)와 직접 연통되어 냉각유체가 흐르게 되는 제2냉각유로(120)를 갖도록 상기 기체공급관 외측에 구비되는 냉각유로관(120)로 구성되어, 기체공급장치의 고온 환경에 대한 내구성을 높이면서도 구조가 간단하여 고장 발생을 최소화하며, 유지 보수가 용이한 효과가 있는 발명인 것이다.

Description

기체공급장치를 갖는 용융로{Melter having a gas injection device}

본 발명은 기체공급장치를 갖는 용융로에 관한 것으로, 특히 방사성폐기물과 같은 유해한 폐기물들을 유리화하는 용융로에 있어서 용융물에 기체, 특히 유리 용융물의 산화환원 상태(Redox state)를 조절하고 용융물을 교반하여 처리용량을 높일 수 있도록 산소 등의 기체를 공급하게 되는 기체공급장치를 갖는 용융로에 관한 것이다.

폐기물, 특히 방사성폐기물과 같은 유해한 폐기물들을 보다 안정적으로 처리, 보관, 관리하는 것은 매우 중요한 문제이다. 폐기물의 처리, 보관 방법 중에 유리를 이용하여 폐기물을 처리하는 것을 폐기물의 유리화(vitrification)라고 하며, 이는 방사성폐기물, 슬러지, 오염된 토양 또는 산업폐기물 등을 유리 구조에 가두고 주변 환경으로 침출되지 않도록 하여 영구적으로 격리시키는 방식이라 할 수 있다.

일반적으로 폐기물 유리화 장치는 폐기물의 유리화를 위하여 용융로 내에서 유리 형성제와 폐기물을 용융시켜서 폐기물 내의 휘발성 성분은 배기체 처리공정에 위해 배기시키며, 방사성 핵종, 중금속 등의 독성물질은 유리 망상구조의 일부가 되도록 열을 가하여 균질의 용융유리 혼합체가 형성될 때까지 체류시간을 제공한 후에 유리용융물을 배출시켜 유리고화체 형태로 만들게 된다.

용융로는 가열방식에 따라서 다양한 방식이 있으며, 그 중에서 유도가열식의 저온용융로(cold crucible induction melter; CCIM)의 주요 구성은 냉각수가 순환하게 되는 다수의 금속 섹터 사이에 전기적 절연체가 삽입되는 원통형의 용융챔버와, 이 용융챔버 외측에 마련된 고주파의 유도코일으로 이루어지며, 유도코일에 인가된 고주파 전류에 의해 용융챔버 내에 있는 물질(예를 들어, 폐기물과 유리)를 용융시키게 된다. 예를 들어, 등록특허 제10-0501640호(등록일: 2005.07.06.)는 "폐기물, 특히 방사성 폐기물의 소각과 유리화 방법 및 장치"에 대하여 개시하고 있다.

구체적으로 도 1은 일반적인 유도가열식 유리화 장치의 구성을 보여주는 도면으로, 서로 전기적으로 절연된 다수의 금속섹터로 이루어진 챔버(10)는 내부에 냉각유로(12)가 형성되어, 외부의 냉각수 순환시스템에 연결된 배관(12a)(12b)에 의해 냉각수가 냉각유로(12)를 순환하면서 챔버(10) 전체가 적정 온도로 유지된다.

챔버(10) 외측에 구비된 유도코일(20)에 인가된 고주파 전류에 의해 챔버 내의 유리는 용융 상태를 유지하며, 폐기물 공급장치(30)를 통해 투입된 폐기물(D) 중의 연소가스는 배기부(40)를 통해 배기체 처리장치로 배출된다. 유리용융물은 배출구(51) 하단에 마련된 배출부(50)를 통하여 바깥으로 배출이 이루어진다.

챔버(10) 상단의 폐기물 공급장치(30) 주변으로 제1산소공급장치(60)가 마련되며, 제1산소공급장치(60)를 통해 공급되는 산소는 투입되는 폐기물의 연소를 최적화한다.

한편, 저온용융로에서 내부 용융물은 용융로 벽과 바닥면의 수냉각 영향으로 인하여 버블(bubble)이 없는 경우에는 용융물 내부에 상당한 온도 구배가 존재한다. 이 경우 용융유리의 점도 또한 다양한 분포를 갖게 되며, 이러한 점도 차이로 인하여 용융유리의 흐름이 방해받게 되어 유리화를 위해 투입되는 폐기물은 용융유리의 전 영역으로 전달되지 못하게 된다. 이런 경우에 균질한 용융유리를 만들기 어렵고 폐기물 처리율이 감소될 수 있다. 특히, 유도가열식 저온용융로에서는 챔버 하부에서 금속물질의 형성에 의한 금속섹터의 아크(arc) 발생 등과 같은 운영상의 문제점이 발생할 수 있다.

이를 위하여 챔버(10) 하부에는 유리용융물 내로 버블이 생성되도록 산소를 공급하기 위한 제2산소공급장치(70)가 마련된다.

도 2는 종래의 유리화 장치에 마련되는 산소공급장치를 보여주는 도면으로, 산소공급장치(70)는 챔버(10) 하부를 관통하여 고정되는 케이싱(71)과, 이 케이싱(71) 내부에 마련되어 챔버(10) 내로 산소를 공급하게 되는 산소공급배관(72)과, 냉각수의 순환을 위한 냉각수 입수배관(73) 및 출수배관(74)으로 이루어진다.

산소공급배관(72) 상단에는 배기홀(72a)이 형성되어 산소공급배관(72)으로 공급된 산소는 배기홀(72a)을 통해 챔버(10) 내에 투입되어 유리용융물에서 버블을 만들게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 산소공급장치는 산소공급배관, 냉각수의 순환을 위한 냉각수 입수배관 및 출수배관이 별도의 케이싱을 통해 챔버에 고정 지지되며, 챔버(10) 벽체를 냉각하기 위한 냉각수 순환시스템과는 별도로 산소공급배관을 냉각하기 위한 냉각수배관을 필요로 하므로 전체적으로 구조가 복잡해지고 고장 발생 시에 보수가 불리하며 유지 관리에 많은 불편함이 발생한다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기체공급장치를 갖는 저온용융로에 있어서, 기체공급장치의 설치 구조를 단순화하여 고온 환경에서의 내구성을 높이면서도 유지, 보수가 용이한 저온용융로를 제공하고자 한다.

본 발명의 기체공급장치를 갖는 저온용융로는, 용융로 내측으로 돌출 형성되어 용융로 내에 기체를 공급하게 되는 기체공급부를 갖는 저온용융로에 있어서, 상기 기체공급부는, 상기 용융로를 관통하여 내측으로 돌출 형성되며, 선단에 노즐구가 형성되는 기체공급관과; 상기 용융로의 벽체 내에서 냉각유체가 순환하는 제1냉각유로와 직접 연통되어 냉각유체가 흐르게 되는 제2냉각유로를 갖도록 상기 기체공급관 외측에 구비되는 냉각유로관을 포함하여 제공될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 저온용융로에 있어서, 상기 기체공급관은 상기 용융로를 이루는 외측 벽체와 상기 냉각유로관에 의해 고정 지지되는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 저온용융로에 있어서, 상기 기체공급관 선단에 형성되는 노즐구는 수평방향으로 고정된 노즐관인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 냉각유로관은 최소한 상기 노즐관 보다는 높게 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기체공급장치를 갖는 저온용융로는, 용융로 내부에 기체를 공급하게 되는 기체공급부가 용융로 하부와 일체로 구성되고 용융로 냉각용 냉각유체를 공유하여 기체공급부를 냉각할 수 있도록 함으로써, 기체공급장치의 고온 환경에 대한 내구성을 높이면서도 구조가 간단하여 고장 발생을 최소화하며, 유지 보수가 용이한 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 일반적인 저온용융로의 전체 구성을 간략히 보여주는 도면,
도 2는 도1에서의 산소공급장치를 구체적으로 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 용융로에 있어서 기체공급장치를 보여주는 도면,
도 4는 도 3의 A-A 선의 단면도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 저온용융로는, 용융로(100) 내측으로 돌출 형성되어 용융로 내에 기체를 공급하게 되는 기체공급부를 갖는 저온용융로에 있어서, 상기 기체공급부는, 상기 용융로(100)를 관통하여 내측으로 돌출 형성되며, 선단에 노즐구(111a)가 형성되는 기체공급관(110)과; 상기 용융로(100)의 벽체 내에서 냉각유체가 순환하는 제1냉각유로(103)와 직접 연통되어 냉각유체가 흐르게 되는 제2냉각유로(121)를 갖도록 상기 기체공급관 외측에 구비되는 냉각유로관(120)을 포함한다.

본 발명에 있어 저온용융로(100)는 벽체의 냉각을 위하여 냉각유체가 흐르는 제1냉각유로(103)를 갖는 2중 벽체(101)(102)로 이루어지며, 종래기술에서 언급한 바와 같이 각각의 내부에 냉각수가 순환하도록 냉각유로를 가지면서 전기적으로 절연된 다수의 금속섹터에 의해 제공될 수 있다. 한편, 본 발명에서 용융로의 가열방식은 유도가열식을 포함하여 특정한 방식으로 한정될 필요는 없다.

기체공급부는 용융로(100) 내부에 기체를 공급하게 되는 기체공급관(110)과; 이 기체공급관(110)을 냉각시키기 위한 냉각유로관(120)을 포함한다.

기체공급관(110)은 2중 벽체(101)(102)로 이루어진 용융로(100)를 관통하여 내측으로 돌출 형성되며, 선단에는 기체가 배출되는 노즐구를 갖는다.

본 발명에 있어서, 기체공급관(110) 선단에 형성되는 노즐구(111a)는 수평방향으로 고정된 노즐관(111)에 의해 제공될 수 있으며, 노즐구의 숫자와 방향은 다양하게 변경이 가능하다.

기체공급관(110) 하단은 용융로(100) 외측의 외부 벽체(101)에 고정되고 상단은 노즐관(111)과 함께 냉각유로관(120)에 의해 고정 지지되어 기체공급관(110)은 별도의 고정용 구조물이 필요 없이 용융로에 견고히 고정 지지될 수 있다.

냉각유로관(120)은 기체공급관(110) 외측에 위치하여 용융로(100)의 내부 벽체(102)에 고정되며, 용융로(100)의 2중 벽체 내에서 냉각유체가 순환하는 제1냉각유로(103)와 직접 연통되어 냉각유체가 흐르게 되는 제2냉각유로(121)를 갖는다.

기체공급관(110) 보다 큰 지름을 갖는 냉각유로관(120)은 기체공급관(110)과 동일 중심축 상에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서 냉각유로관(120)의 높이(H)는 최소한 노즐관(111) 보다는 높게 구비되어, 냉각유로관(120)은 최대 면적으로 기체공급관(110)을 감싸도록 하여 기체공급관의 냉각효율을 높일 수 있다.

본 발명에 있어서 기체공급부의 재질이나 형상은 특정한 것으로 한정되지는 않으며, 바람직하게는 내식성, 내열성 등이 우수한 스테인레스강의 이음매 없는 강관(seamless tube)이 이용될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 기체공급부를 갖는 저온용융로에서 기체(산소)는 기체공급관(110)을 통해 노즐관(111)으로 배출되어 용융로(100) 내부로 공급되어 버블을 생성한다. 한편, 용융로(100)의 제1냉각유로(103)를 따라 순환하는 냉각유체는 냉각유로관(120)의 제2냉각유로(121)를 따라 냉각유체가 순환하면서 기체공급부를 냉각시키게 되며, 따라서 고온환경에서 기체공급장치의 내구성을 향상시킬 수가 있다.

이러한 본 발명의 기체공급장치는 저온용융로의 바닥 면에 복수 개 설치되어 내부 용융물에 버블(bubble)을 생성하여 균질한 용융물을 만들게 된다.

또한, 본 발명의 기체공급장치는 내부 용융물에 직접 버블을 만들기 위해 용융로 하부에 구비되는 기체공급장치 뿐만 아니라 용융로 상단에 마련되어 용융로 내로 투입되는 폐기물 연소를 촉진하기 위한 산소공급장치에도 동일하게 적용이 가능하여 효과적인 산소공급장치의 냉각이 이루어질 수 있음은 자명하다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

100 : 용융로 110 : 기체공급관
111 : 노즐관 120 : 냉각유로관

Claims (4)

1. 용융로 내측으로 돌출 형성되어 용융로 내에 기체를 공급하게 되는 기체공급부를 갖는 용융로에 있어서,
   상기 기체공급부는,
   상기 용융로를 관통하여 내측으로 돌출 형성되며, 수평방향으로 고정된 노즐관이 마련되어 선단의 노즐구가 형성되는 기체공급관과;
   상기 용융로의 벽체 내에서 냉각유체가 순환하는 제1냉각유로와 직접 연통되어 냉각유체가 흐르게 되는 제2냉각유로를 갖도록 상기 기체공급관 외측에 구비되는 냉각유로관을 포함하는 용융로.
2. 제1항에 있어서, 상기 기체공급관은 상기 용융로를 이루는 외측 벽체와 상기 냉각유로관에 의해 고정 지지되는 것을 특징으로 하는 용융로.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각유로관은 최소한 상기 노즐관 보다는 높게 구비되는 것을 특징으로 하는 용융로.

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