KR101820406B1 - 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치 - Google Patents
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Abstract
열탈착로에 가해지는 열량 및 VOC 발생량을 줄이고, 대기 중으로 방출되는 이산화탄소량을 최소화하며, 토양에 유용한 탄화물을 생성하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치를 제시한다. 그 장치는 유기 오염물질로 오염된 오염토양이 투입되고 회전하면서 열탈착을 수행하는 열탈착로와, 열탈착로의 일측에 배치되고 열탈착로에 투입된 오염토양을 향하여 화염을 방출하며 열탈착로의 내부온도를 220℃ 내지 400℃로 유지하게 하는 버너와, 버너에 인접하여 배치되며 열탈착로 내부가 산소농도가 10% 내지 21%가 되도록 하는 산소량 조절기 및 열탈착로의 외부에 배치되고 오염토양이 열탈착로 내부에 체류하는 체류시간을 10분~30분이 되도록 조절하는 모터 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 탄화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석유계 탄화수소로 오염된 토양을 덮고 있는 유기 오염물질의 탄화가 일어나는 저온에서 직접 화염 방식으로 탄화하여 오염물질을 정화하고 작물을 재배하는 재배토양에 유용한 탄화물을 생성시키는 장치에 관한 것이다.
토양은 자생력의 한계가 있어서, 오염물질이 계속 축적된다. 산업공정상의 누출, 석유화학제품의 운반 및 유통 과정에서, 각종 유해 폐기물 및 독성폐수와 같은 오염물질이 배출된다. 이러한 오염물질은 토양생태계의 파괴, 지하수 오염 등으로 막대한 피해를 야기 한다. 그리하여 자생력이 상실된 오염토양을 정화하고자 하는 다양한 기술이 개발되었다. 그중에서 일반적인 열탈착 방식은 일반적인 열탈착 방식은 국내등록특허 제10-1060188호, 국내등록특허 제10-1287990호 등에 개시되어 있으며, 상기 방식은 열에너지를 이용하여 유기물 성분은 분해하지 않고 오염물질을 기상 상태로 휘발시켜 분리한다. 열탈착 방식은, 정화된 토양이 고유의 물성을 잃지 않는다는 점에서, 기존의 소각이나 열분해 방법과는 차별된다. 열탈착 방식에 의해 제거되는 주된 오염물질은 석유화학제품 등으로, 주로 휘발성이 있는 유기물질이다.
도 1은 종래의 열탈착 장치를 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다. 오염토양은 오염토양 열탈착부(100), 분진 제거부(104) 및 VOC 소각부(106)를 거쳐 정화된다. 오염토양 열탈착부(100)는 통상적으로 열탈착로 내에서 오염토양을 직접 또는 간접 방식으로 가열하여 오염물질을 탈착한다. 오염토양을 열탈착하는 온도는 상기 오염물질의 종류에 따라 달라진다. 오염물질이 휘발성이 강하고 약한 피막을 형성하고 있으면 열탈착온도가 낮고, 비휘발성이면서 단단한 피막을 가지면 열탈착온도가 높다. 오염토양 열탈착부(100)를 거치면, 처리된 토양은 외부로 배출된다(102). 열탈착으로 발생되는 VOC는 연소가스 및 응축가스로 이루어지며, 상기 VOC는 분진 제거부(104)로 옮겨진다. 분진 제거부(104)에서 미세먼지 등이 제거되면, 상기 VOC는 VOC 소각부(106)로 투입된다. VOC 소각부(106)를 통하여, 상기 VOC는 물 및 이산화탄소로 분해되어 대기 중으로 방출된다.
그런데, 종래의 열탈착 방식은 상기 오염물질이 완전하게 열탈착되도록 하는 방식으로 진행된다. 오염물질을 완전하게 열탈착하기 위해서는 열탈착로에 가해지는 열량이 상대적으로 커야 하므로, 에너지 소모가 심하다. 또한, 완전하게 열탈착되도록 하면, 열탈착에 의해 발생되는 연소가스 및 응축가스로 이루어진 VOC의 발생량이 많다. 이러한 VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각부(106)의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량이 커야 한다. 나아가, 종래의 열탈착 방식은 VOC의 소각부(106)에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 많아, 온실가스에 의한 환경오염에 유발하는 원인이 된다.
한편, 대한환경공학회지 Vol.39(5). pp. 482~488(2008)의 유기성 슬러지의 탄화기술 현황 및 전망의 논문에 의하면, 유기성 슬러지 탄화물을 토양활성을 위한 토량개량제로 활용하는 방안을 제시하고 있다. 상기 논문은 일반적인 열화학적 전환기술을 설명하고 있으며, 무산소 조건(환원분위기)에서 400~800℃의 탄화물 형성온도를 적용하고 있다. 하지만, 상기 논문에 의하면, 탄화물 형성온도를 유지하기 위한 에너지의 소비가 많고, 탄화율이 낮아지며, VOC의 발생이 상대적으로 높고, 다량의 이산화탄소가 필연적으로 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열탈착로에 가해지는 열량 및 VOC 발생량을 줄이고, 대기 중으로 방출되는 이산화탄소량을 최소화하며, 토양에 유용한 탄화물을 생성하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치는 유기 오염물질로 오염된 오염토양이 투입되고 회전하면서 열탈착을 수행하는 열탈착로 및 상기 열탈착로의 일측에 배치되고 상기 열탈착로에 투입된 상기 오염토양을 향하여 화염을 방출하며 상기 열탈착로의 내부온도를 220℃ 내지 400℃로 유지하게 하는 버너를 포함한다. 또한, 상기 버너에 인접하거나 버너 블로워(Blower)에 함께 배치되며 상기 열탈착로 내부의 산소농도가 부피분율로 10% 내지 21%가 되도록 하는 산소량 조절기 및 상기 열탈착로의 외부에 배치되고 상기 오염토양이 상기 열탈착로 내부에 체류하는 체류시간을 10분~30분이 되도록 조절하는 모터 제어부를 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 산소량 조절기에 의한 산소량 조절은 산소와 불활성가스를 혼합하거나, 산소와 공기를 혼합하거나 또는 공기만을 사용할 수 있다. 상기 버너에서의 연소를 위한 공기를 공급하기 위한 공기 공급기를 더 포함할 수 있다. 상기 화염은 복사 형태로 열을 전달한다. 상기 유기 오염물질은 석유계 탄화수소일 수 있다. 상기 유기 오염물질은 탄화되기 전에 산화탄화수소라는 중간물질을 거칠 수 있다. 상기 유기 오염물질의 탄화율은 40%이상, TPH는 1,500mg/kg이하 및 VOC 분율은 55% 이하가 바람직하다. 상기 유기 오염물질의 탄화율은 50%이상, TPH는 1,500mg/kg이하 및 VOC 분율은 55% 이하가 더욱 바람직하다. 상기 유기 오염물질은 탄화되어 작물이 자라는 재배토양에 투입될 수 있다. 상기 유기 오염물질이 탄화되어 투입된 상기 재배토양의 CEC는 10meq/100g~20meq/100g이 좋다.
본 발명의 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치에 의하면, 직접 화염 방식으로 유기 오염물질을 산화분위기에서 탄화시킴으로써, 열탈착로에 가해지는 열량 및 VOC 발생량을 줄이고, 대기 중으로 방출되는 이산화탄소량을 최소화할 수 있다. 또한, 무정형 탄화물은 고정화된 탄소 생성효과로 인하여 바이오차(biochar) 효과가 일어나 생태계 복원에 탁월하다.
도 1은 종래의 열탈착 과정을 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면, 일측, 타측 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 탄화형성 장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때의 공간적인 방향은 장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 직접 화염 방식으로 유기 오염물질을 산화분위기에서 탄화시킴으로써, 열탈착로에 가해지는 열량 및 VOC 발생량을 줄이고, 대기 중으로 방출되는 이산화탄소량을 최소화하는 탄화장치를 제시한다. 이를 위해, 직접 화염 방식 및 산화분위기를 조성하는 특징을 중심으로 저온 탄화장치를 구체적으로 알아보고, 상기 장치에 의해 저온으로 탄화하는 과정을 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 탄화장치는 일부는 기상으로 배출되기도 하지만, 일부는 토양에 유용한 탄화물을 생성한다. 본 발명의 기술적 사상은 상기 유용한 탄화물의 생성에 관련된 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 여기서는, 직접 화염 방식에 의한 탄화장치의 하나의 사례를 제시한 것으로, 본 발명의 범주 내에서 다양한 변형이 가능하다할 것이다.
도 2에 의하면, 본 발명의 장치는 드럼 형상의 열탈착로(10)를 포함한다. 열탈착로(10)는 직접 화염 방식으로 토양 정화를 수행하는 곳으로, 금속 또는 비금속의 재질로 이루어질 수 있다. 열탈착로(10)는 회전하면서 토양의 오염물질을 탄화시킨다. 이와 같이, 열에너지가 오염물질에 화염이 직접 접촉하는 방식이므로 직접 화염 방식이라고 한다. 열탈착로(10)는 모터(14)의 회전력을 전달하기 위한 스프라켓(12)에 결합되는 체인, 기어 등의 동력전달수단(도시되지 않음)에 의해 회전한다. 모터(14)의 회전력은 공지의 감속기에 의해 속도가 조절되어 상기 동력전달수단을 통하여 스프라켓(12)에 전달될 수 있다.
모터(14)는 회전수를 조절하기 위한 모터 제어부(16)와 접속되어, 열탈착로(10)의 회전수를 제어한다. 열탈착로(10)의 회전수는 열탈착로(10)의 직경 등과 더불어 오염토양이 열탈착로(10)에 체류하는 체류시간을 결정한다. 다시 말해, 모터 제어부(16)에 의해 상기 체류시간을 조절된다. 모터 제어부(16)에 의해 모터(14)의 회전수가 커지면 상기 체류시간을 작아지고, 회전수가 작으면 상기 체류시간은 늘어난다. 즉, 모터 제어부(16)에 의한 모터(14)의 회전수 조절은 균등한 범주에 속하는 개념이다.
상기 체류시간의 조절을 원활하게 하기 위하여, 열탈착로(10)의 내부에는 별도의 장치들이 배치될 수 있다. 복수개의 롤러(18)는 열탈착로(10)의 회전을 원활하게 하기 위한 것으로, 열탈착로(10)의 둘레를 따라 설치된다. 롤러(18)는 구형 또는 원통형인 것으로, 금속 또는 비금속 재질을 사용할 수 있고, 실질적으로 본 발명의 탄화온도에 견디는 합금이 많이 활용된다. 즉, 열탈착로(10)는 모터(14)의 회전력을 전달받아, 모터 제어부(16)에서 제공하는 회전수로 롤러(18)와 함께 회전한다. 롤러(18)는 롤러 지지대(20)에 접속되며, 모터(14), 모터 제어부(16), 롤러(18) 및 롤러 지지대(20)는 열탈착로 지지대(22)에 고정된다.
열탈착로(10)의 일측에는 오염토양이 공급되는 호퍼(26)가 위치하며, 타측에는 정화된 토양을 배출하는 토양 배출부(30) 및 오염물질의 탄화과정에서 발생한 가스를 방출하는 가스 배출부(32)가 위치한다. 호퍼(26)는 오염토양을 일정한 속도로 균일하게 투입하게 하는 로터리 밸브를 더 포함할 수 있다. 호퍼(26)로부터 공급된 토양은 컨베이어(28)를 거쳐 열탈착로(10)의 내부로 투입된다. 본 발명의 장치는 오염토양을 효율적으로 공급하기 위하여, 호퍼(26) 및 컨베이어(28) 이외에 다른 장치를 부가할 수 있다. 열탈착로(10)은 바람기하게는 내주면을 따라 나사 형태의 회전날(24)이 부착되어 있다. 회전날(24)은 열탈착로(10)의 회전과 함께 회전하며, 탄화된 오염토양을 토양 배출부(30) 방향으로 이동시킨다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 열탈착로(10)는 회전날(24)이 없이 열탈착로(24)가 지면에 대하여 기울어진 형태일 수도 있다. 이렇게 되면, 탄화된 오염토양은 자체의 중력에 의해 토양 배출부(30) 방향으로 이동한다. 이와 같이, 열탈착로(10)의 형태는 직접 화염 방식을 적용하는 본 발명의 범주 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
컨베이어(28)의 하부에는 오염토양을 직접 접촉하는 화염을 방출하는 버너(34)가 설치되어 있다. 즉, 버너(34)는 화염 형상의 열에너지를 열탈착로(10)의 내부로 방출한다. 버너(34)는 청정 연료인 프로판 가스 등을 열원으로 사용할 수 있다. 상기 열에너지는 오염물질에 직접 접촉하여 오염물질을 탄화시킨다. 본 발명의 실시예에 의한 직접 화염 방식은 오염물질을 탄화시키지만, 토양의 유기물 성분은 분해되지 않으므로, 정화된 토양이 고유의 물성을 잃지 않는다.
또한, 열탈착로(10)의 일측에는 산소량 조절기(36)를 포함한다. 산소량 조절기(36)는 도시된 바와 같이 버너(34)에 인접하여 배치된다. 여기서, 인접하다는 것은 본 발명의 범주 내에서, 열탈착로(10) 내부의 산소농도를 적절하게 유지할 수 있는 위치이면 충분하다. 예컨대, 버너(34)에서의 연소를 위한 공기를 공급하기 위한 공기 공급기(air blower, 도시되지 않음) 형태로 버너(34) 시스템 내부 또는 시스템 근처에 설치될 수 있다. 여기서, 버너(34) 시스템은 실질적으로 화염을 발생하게 하는 부분이다. 산소량 조절기(36)는 산소 제어부(38)와 연결되며, 산소 제어부(38)는 열탈착로(10)에서 실질적으로 탄화가 일어나는 열탈착로(10) 내부의 산소 농도를 제어한다. 상기 산소 농도는 예를 들어 수치제어와 같은 공지의 방식으로 조절할 수 있다.
산소의 부피분율을 조절하는 방법은 크게 다음과 같이 구분할 수 있다. 즉, 산소와 불활성가스를 혼합하는 방법과, 산소와 공기를 혼합하는 방법 및 공기만을 사용하는 방법이다. 산소와 불활성가스를 혼합하는 방법은 예를 들어 질소를 산소와 혼합하여 산소가 차지하는 부피분율을 조절한다. 마찬가지로, 산소와 공기를 혼합하여 공기 중에 산소가 차지하는 부피분율을 조절한다. 상기 공기만 사용하는 방법은 공기를 산소량 조절기(36), 예컨대 공기 공급기(air blower)로 공급하거나, 별도의 산소량 조절기(36)가 없이 열탈착로(10)의 내부에 상기 공기를 유동시키는 것이다.
별도의 산소량 조절기(36)가 없는 경우는 호퍼(26)를 통하여 공기가 유입된다. 즉, 호퍼(26)가 산소량 조절기(36)가 될 수 있다. 이에 따라, 산소량 조절기(36)는 균등한 범위 내에서 열탈착로(10) 내부의 산소농도 10% 내지 21%로 유지하는 모든 수단을 통칭하는 개념이다. 이와 같이, 열탈착로(10)의 내부에 산소가 공급되는 방식은 종래의 무산소 또는 미량의 산소가 있는 환원분위기를 유지하여 탄화하는 방식과는 차별화된다. 종래의 무산소는 열탈착로(10)를 진공으로 하거나 또는 불활성가스로 채워서 환원분위기를 구현한다. 물론, 진공도나 음압에 의해 미량의 산소가 존재할 수 있지만, 이는 불가피하게 발생하는 것으로 종래의 탄화를 위한 환원분위기에 저촉된다.
본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착은 다음과 같은 단계를 거쳐 진행된다. 먼저, 산소(산화) 분위기 하에서 알데하이드(aldehyde), 과산화수소(hydroperoxide), 알코올(alcohol), 케톤(ketone), 카르복실산(carboxylic acid) 등의 관능기를 갖는 산화탄화수소라는 중간물질을 거친다. 그후, 상기 중간물질은 기화 및 열분해를 통해 가스 형태로 외부로 방출되거나 또는 탈수소(dehydrogenation) 및 응축(condensation) 반응에 의해 고분자량의 무정형 복합 고분자 물질로 탄화된다. 즉, 본 발명의 탄화란 유기물을 적당한 조건하에서 가열하면 열적인 분해과정을 거쳐서 탄소가 풍부한 무정형 탄소가 되는 과정이다. 이에 따라, 상기 탄화는 열탈착이 일어나는 과정 중의 하나이다.
본 발명의 실시예에 의한 탄화된 유기물인 탄화물은 상기 유기 오염물질이 가스 상태로 변환되기 이전에 탄화가 일어나는 물질이다. 즉, 탄화가 일어나지 않고 휘발되는 물질은 본 발명에 적용하기 어렵다. 본 발명의 오염물질은 등유, 경유, 제트유, 중유, 윤활유, 원유 등과 같이 석유계 탄화수소에 적용하는 것이 바람직하고, 상기 석유계 탄화수소는 토양에 피막 형태로 도포되어 있다.
본 발명의 탄화물을 토양에 투입하면, 고정화된 탄소 생성효과로 인하여 바이오차(biochar) 효과가 일어나 생태계 복원에 탁월한 역할을 한다. 탄화물을 작물이 자라는 재배토양에 첨가하면, 바이오차 효과에 의해 온실가스 배출을 약 1/3 이상 줄일 수 있다. 바이오차는 재배토양에서의 이산화탄소(CO2)의 배출을 줄이고, 질소 비료가 온실가스 중의 하나인 아산화질소(N2O)로 전환되는 것을 감소시키면서, 미생물의 활동을 활성화시킨다. 또한, 탄화된 유기물 분말은 예컨대, 펠릿(pellet) 형태로 변환하여 바이오 에너지로 활용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치에 의하면, 유기 오염물질을 완전하게 열분해하는 종래에 비해, 열탈착로(10)에 가해지는 열량이 상대적으로 작으므로, 에너지의 소모를 줄일 수 있다. 또한, 직접 화염 방식 열원이 복사(radiation) 형태로 전달되어 열전달효율이 높기 때문에, 대용량의 설비제작 및 운전이 가능하며 이를 통해 원가가 절감될 수 있다. 이에 반해, 통상적으로 사용되는 연속식 탄화설비는 간접 가열방식을 사용하고 있고 열은 전도(conduction) 방식으로 전달되기 때문에, 열전달효율이 감소한다. 이로 인하여, 대용량의 설비 제작 및 운영이 불가능하며, 운전원가가 상승한다.
나아가, 본 발명의 장치는 유기 오염물질이 완전하게 열분해되지 않고 탄화되기 때문에, 열분해로 인하여 발생되는 연소가스 및 응축가스로 이루어진 VOC 의 발생량이 현저하게 감소한다. 이에 따라, 이러한 VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량이 작아도 가능하며, 더불어 에너지의 소모가 적다. 덧붙여, 본 발명의 유기 오염물질의 탄화는 VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 획기적으로 줄어들어, 온실가스에 의한 환경오염을 최소화할 수 있다.
탄화가 일어나는 열탈착로(10)는 오염토양에 화염 및 산소가 접촉하여 탄화가 일어난다. 본 발명의 실시예는 탄화온도 220~400℃, 산소농도 10~21% 및 체류시간 10~30분으로 설정된다. 이때, 상기 탄화온도는 버너(34), 상기 산소농도는 산소량 조절기(36) 및 상기 체류시간은 모터(14)이 주된 조절장치이다. 구체적으로, 상기 탄화온도는 버너(34)에서 방출하는 화염의 온도, 세기 및 크기 등에 의해 영향을 줄 수 있다. 상기 산소농도는 열탈착로(10)의 내부에 잔존하는 산소농도 등이 모두 고려된 것이다.
본 발명의 탄화온도는 종래의 탄화온도인 400~800℃에 비해 상대적으로 낮은 220~400℃를 유지한다. 또한, 상기 산소농도는 열탈착로(10) 내부에서의 농도로써, 종래의 환원분위기에서 탄화하는 것에 비해 산화분위기를 유도한다. 본 발명의 탄화온도 및 산소농도는 체류시간과 함께 조합되어 탄소가 풍부한 무정형 탄소로 이루어진 탄화물을 형성한다. 다시 말해, 본 발명의 탄화장치는 종래에 비해 탄화온도가 낮은 저온이고, 환원분위기가 아닌 산화분위기를 구현하는 점에서 차별화된다.
<실험예>
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기 위해 실험예를 제시하지만, 이하의 실험예에 특별히 한정되는 것은 아니다. 실험예에 나타내는 탄화물의 물성 및 판정은 이하의 방법에 의해 측정 또는 판정된 값을 나타낸다.
본 발명의 실험예는 열탈착의 전 과정을 중심으로 기술하기로 한다. 앞에서 설명하였지만, 열탈착은 가스 배출 및 탄화 과정을 포함하며, VOC, TPH 등을 측정하기 위하여 열탈착의 전 과정을 확인하였다. 한편, 유기 오염물질은 본 발명의 탄화온도, 산소농도 및 체류시간을 만족하는 조건에서 산화반응에 의해 산화탄화수소를 생성한다. 산화반응을 통한 산화탄화수소의 존재는 적외선(Infra-red)을 조사할 때, 흡수하는 파장의 분석으로 입증된다.
1) 탄화율
유기 오염물질(유기물)을 적당한 조건하에서 가열하면 탄소가 풍부한 무정형 탄소로 탄화가 일어나며, 탄화율이란 유기물이 탄화된 분율(%)을 의미한다. 오염토양 시료를 TPH, 수분함량 측정 및 무게 측정 후, 800℃에서 1시간 가열 후의 무게를 측정하여 무게 감량된 비율을 수분함량으로 보정하여 오염토양 시료가 가지고 있는 유기물의 총량을 판단한다. 이때, 토양의 유기물은 800℃, 1시간 동안 가열하면 완전히 제거된다. 탄화처리된 오염토양에 대한 TPH, 수분함량 측정과 열탈착 장치에서 투입한 오염토양의 무게와 탄화처리된 오염토양의 무게를 비교하여 앞에서의 유기물의 총량과 비교한 후, TPH 함량 및 수분을 보정하여 토양의 유기물의 제거 비율을 계산하면 탄화율을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예의 탄화율은 보다 효율적인 생산성을 위하여, 50%이상이 바람직하고, TPH 및 VOC 분율과 비교하여 40%이상도 가능하다.
2) TPH(Total petroleum Hydrocarbon; 석유계 총 탄화수소)
유기물, 특히 등유, 경유, 제트유, 중유, 윤활유, 원유 등으로 인한 오염토양의 오염 여부를 나타낸다. TPH 분석은 한국토양오염공정시험방법(ES07552.1 석유계 총탄화수소-기체크로마토그래피)에 따라 분석하였다. 이때, 토양환경보전법 시행규칙 별표3에 따른 토양오염우려기준 3지역의 TPH 기준치는 2,000mg/kg 이하이다. 3지역은 측량, 수로조사 및 지적에 관한 법률에 따른 지목이 공장용지, 주차장, 주유소용지, 도로, 철도용지, 제방, 잡종지인 지역과 국방, 군사시설 사업에 관한 법률 제2조 제1호 가목부터 마목까지 규정한 국방, 군사시설 부지이다. 본 발명의 실시예의 TPH는 작물을 재배하기에 유용하도록1,500mg/kg 이하가 바람직하다.
3) VOC 발생량
오염토양이 열탈착로에 투입되어 연소 및 탈착이 일어나 오염물질들이 기체화되어 VOC가 되는데, 열탈착으로 인해 발생한 VOC 가스의 량을 VOC 발생량이라 한다. VOC 발생량은 분율(%)로 나타내었는데, 이는 (VOC 발생량)/총 유기물량이다. 본 발명의 실험예에 의한 저온 열탈착 특성을 분석하기 위하여, 중동산 및 동남아시아산 풍화 원유로 오염된 토양 TPH 200,000mg/kg을 사용하였다. 본 발명의 실시예의 VOC 분율은 환경오염을 보다 충실하게 충족하기 위하여, 55%이하가 바람직하다.
표 1은 본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착 방법에 의한 탄화율(%), TPH(mg/kg) 및 VOC 분율(%)을 나타낸 것이다. 이때, 열탈착로 내의 체류시간은 20분, 산소농도 20%로 설정하고, 탄화온도를 변경하면서 실시하였다. 이때, 탄화온도는 열탈착로 내부의 온도이다.
| 탄화온도 | 체류시간 | 산소농도 | 탄화율 | TPH(mg/kg) | VOC 분율 |
| 200℃ | 20분 | 20% | 73.4% | 5,600 | 21% |
| 220℃ | 20분 | 20% | 66.8% | 1,200 | 32% |
| 250℃ | 20분 | 20% | 64.0% | 1,000 | 35% |
| 300℃ | 20분 | 20% | 62.2% | 800 | 37% |
| 350℃ | 20분 | 20% | 59.4% | 640 | 40% |
| 400℃ | 20분 | 20% | 47.5% | 500 | 52% |
| 420℃ | 20분 | 20% | 39.9% | 60 | 60% |
표 1에 의하면, 탄화온도가 낮을수록 탄화율은 높아지고 VOC 발생이 적었으며, 탄화온도가 높을수록 탄화율은 낮아지며 VOC 발생이 많아졌다. 구체적으로, 탄화온도가 220℃~400℃에서는, 탄화율 47.5%~66.8%, TPH 500mg/kg~1,200mg/kg, VOC 분율 32%~52%이었다. 탄화온도가 220℃~400℃이면, 탄화율, TPH 및 VOC 분율은 토양의 정화기준치를 만족하면서 탄화율이 높고 VOC 발생량을 최소화하는 최적의 탄화온도 조건이었다. 이와 같이, 탄화율이 높고 VOC 발생량이 적으면, VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량을 작게 할 수 있으며, 더불어 에너지의 소모가 적다. 또한, VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 줄어들어, 온실가스에 의한 환경오염을 최소화할 수 있다.
그런데, 200℃에서는 탄화율은 73.4%로 가장 높고 VOC 분율이 21%로 가장 작았지만, TPH가 토양의 정화기준치를 초과한 5,600mg/kg이었다. 탄화온도가 너무 낮으면, 오염토양 내 탄화수소가 제대로 탄화되지 못하여, TPH 기준치를 초과한다. 탄화율 계산은 처리된 토양에서 검출된 TPH을 제외시키고 계산하며, 검출된 TPH 1%는 10,000mg/kg, 0.1%는 1,000mg/kg으로 탄화농도에 비하면 아주 작은 수치이다. 이를 감안하면, 탄화율은 다음의 식과 같다.
탄화율={(총 유기물량-VOC 발생량-처리된 토양에서 검출된 TPH 량)/총 유기물량}*100
즉, 처리된 토양의 탄화율이 높으면, 토양에서 검출된 TPH 농도가 높아질 수 있다.
또한, 탄화온도 420℃에서는 VOC 분율이 60%로 연소가스 및 응축가스로 이루어진 VOC 발생량이 상대적으로 많았다. VOC 발생량이 많아지면, VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량이 커져야 하며, 더불어 에너지의 소모가 많아진다. 나아가, 본 발명의 유기 오염물질의 탄화는 VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 커져서, 온실가스에 의한 환경오염 문제를 야기한다.
표 2는 본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착 방법에 의한 탄화율(%), TPH(mg/kg) 및 VOC 분율(%)을 나타낸 것이다. 이때, 탄화온도는 250℃, 열탈착로 내의 산소농도를 20%로 고정하고, 열탈착로 내의 체류시간을 변경하였다.
| 탄화온도 | 체류시간 | 산소농도 | 탄화율 | TPH(mg/kg) | VOC 분율 |
| 250℃ | 5분 | 20% | 64.8% | 13,200 | 22% |
| 250℃ | 10분 | 20% | 69.6% | 1,400 | 29% |
| 250℃ | 20분 | 20% | 64.0% | 1,000 | 35% |
| 250℃ | 30분 | 20% | 58.4% | 600 | 41% |
| 250℃ | 35분 | 20% | 48.7% | 300 | 51% |
표 2에 의하면, 열탈착로 내의 체류시간이 짧을수록 탄화율이 높아지고 VOC 발생량이 작았다. 체류시간이 짧으면, 1 시간을 기준으로 비교하였을 때, 유기물로 오염된 오염토양의 투입량을 늘일 수 있다. 다시 말해, 체류시간을 짧게 하면, 오염토양의 처리량을 늘일 수 있으므로, 생산성이 향상된다. 열탈착로 내의 체류시간이 길수록 탄화율이 낮아지며 VOC 발생량이 많았다. 체류시간이 길면, 1시간을 기준으로 비교하였을 때, 유기물로 오염된 오염토양의 투입량은 짧은 경우 에 비해 상대적으로 적다. 즉, 체류시간을 길게 하면, 오염토양의 처리량이 줄어듦으로, 생산성이 저하된다. 구체적으로, 체류시간 10분~30분에서는 탄화율 58.4%~69.6%, TPH 600mg/kg~1,400mg/kg 및 VOC 분율 41%~29%이었다.
체류시간 10분~30분이면, 탄화율, TPH 및 VOC 분율은 토양의 정화기준치를 만족하면서 탄화율이 높고 VOC 발생량을 최소화하는 최적의 체류시간 조건이었다. 이와 같이, 탄화율이 높고 VOC 발생량이 적으면, VOC를 제거하기 위한 후 공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량을 작게 할 수 있으며, 더불어 에너지의 소모가 적다. 또한, VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 줄어들어, 온실가스에 의한 환경오염을 최소화할 수 있다.
그런데, 체류시간 5분에서는 탄화율 64.8%로 가장 높고 VOC 분율이 22%로 가장 작았지만, TPH가 13,200mg/kg으로 토양의 정화기준치를 많이 초과하였다. 체류시간이 너무 짧으면, 오염토양 내 탄화수소가 제대로 탄화되지 못하여, TPH 기준치를 초과할 수 있다. 또한, 체류시간 35분에서는 VOC 분율이 51%로 연소가스 및 응축가스로 이루어진 VOC 발생량이 상대적으로 많았다. VOC 발생량이 많아지면, VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량이 커져야 하며, 더불어 에너지의 소모가 많아진다. 나아가, 본 발명의 유기 오염물질의 탄화는 VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 커져서, 온실가스에 의한 환경오염 문제를 야기한다.
한편, 체류시간이 30분인 경우는 탄화율 58.4%, TPH 600 및 VOC 분율 41%이었다. 30분의 체류시간은 TPH 및 VOC 분율에서는 바람직한 조건이었으나, 탄화율이 58.4%로 상대적으로 낮았다. 탄화율이 낮으면, 탄화에 대한 생산성이 떨어진다. 만일, 탄화율 60%이상을 원한다면, 체류시간을 25분으로 설정할 수 있다. 체류시간이 20분인 경우의 탄화율은 64.0%이었고, 탄화율 60%를 만족하는 체류시간은 25분으로 가능하였다.
표 3은 본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착 방법에 의한 탄화율(%), TPH(mg/kg) 및 VOC 분율(%)을 나타낸 것이다. 이때, 열탈착로 내의 체류시간은 20분, 열탈착로 내의 탄화온도를 250℃로 설정하고, 산소농도를 변경하였다.
| 탄화온도 | 체류시간 | 산소농도 | 탄화율 | TPH(mg/kg) | VOC 분율 |
| 250℃ | 20분 | 2% | 65.8% | 2,200 | 32% |
| 250℃ | 20분 | 3% | 64.2% | 1,800 | 34% |
| 250℃ | 20분 | 10% | 64.0% | 1,000 | 35% |
| 250℃ | 20분 | 15% | 60.3% | 700 | 39% |
| 250℃ | 20분 | 18% | 54.7% | 300 | 45% |
| 250℃ | 20분 | 25% | 47.9% | 130 | 52% |
표 3에 의하면, 산소농도가 낮을수록 탄화율이 높아지고 VOC 발생량이 적었으며, 산소농도가 높을수록 탄화율은 낮아지며 VOC 발생량이 많아졌다. 구체적으로, 산소농도가 10%~18%에서는, 탄화율 54.7%~64.0%, TPH 300mg/kg~1,000mg/kg, VOC 분율 35%~45%이었다. 산소농도 10%~18%이면, 탄화율, TPH 및 VOC 분율은 토양의 정화기준치를 만족하면서 탄화율이 높고 VOC 발생량을 최소화하는 최적의 탄화온도 조건이었다. 실제의 실험에서는 최적의 탄화온도 조건은 산소농도가 21%까지 가능하였다. 이와 같이, 탄화율이 높고 VOC 발생량이 적으면, VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량을 작게 할 수 있으며, 더불어 에너지의 소모가 적다. 또한, VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 줄어들어, 온실가스에 의한 환경오염을 최소화할 수 있다.
그런데, 산소농도 2%에서는 탄화율은 65.8%로 가장 높고 VOC 분율이 32%로 가장 낮았지만, TPH가 2,200로 토양정화기준치를 초과하는 수준이었다. 또한, 산소농도 3%에서는 탄화율은 64.2%이고 VOC 분율이 34%로 이었지만, TPH가 1,800로 토양정화기준치가 실제 토양에 적용하기 어려운 수준이었다. 산소농도가 너무 낮으면, 오염토양 내 탄화수소가 제대로 탄화되지 못하여 TPH 기준치를 초과할 수 있다. 또한, 산소농도가 부족하면, 불완전연소가 발생하여 완전 산화가 일어나지 않게 되어 배출가스의 기준을 충족시키지 못하는 경우가 자주 발생 한다. 산소농도 25%에서는 TPH는 작지만, 열탈착로 내부에서 과연소가 일어나서 탄화율은 47.9%로 낮고 VOC 분율이 52%로 가장 높았다. 특히, VOC 발생량이 많아지면, VOC를 제거하기 위한 후공정, 예컨대 VOC 소각단계의 연소기, 백필터, 열교환기 등의 용량이 커져야 하며, 더불어 에너지의 소모가 많아진다. 나아가, 본 발명의 유기 오염물질의 탄화는 VOC의 소각단계에서 분해되는 이산화탄소 발생량이 커져서, 온실가스에 의한 환경오염 문제를 야기한다.
본 발명의 실시예에 의한 유기 오염물질의 저온 열탈착 방법은 탄화온도 220℃~400℃, 체류시간 10분~30분 및 산소농도 10%~21%의 조건을 모두 만족한다. 위의 조건 중의 어느 하나를 만족하지 못하면, 처리된 오염토양의 탄화율, TPH 및 VOC 발생량 중의 적어도 어느 하나가 작물 재배토양에 투입하기 어렵게 한다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착 방식으로 탄화처리된 오염물질을 작물 재배토양에 투입하였을 때, 토양에 미치는 영향을 살펴보기로 한다.
본 발명의 실시예에서 살펴본 재배토양의 특성은 CEC 및 방향족 탄화수소의 함량이 었다. 이때, 탄화처리 조건은 탄화온도 250℃, 체류시간 20분 및 산소농도 20%이었다.
CEC(Cation Exchange Capacity)는 토양 100g이 보유하는 치환성 양이온 총량이다. 본 발명의 실시예와 같이, 탄화온도 및 산소농도 조건에서 탄화처리된 오염물질이 투입된 재배토양은 탄소구조가 안정화되어 토양의 고정 탄소에 의한 수분 함유능력(water holding capacity)을 증가시킨다. 또한, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등이 증가되어 유용한 토양 미생물의 활동을 촉진시킨다. 본 발명의 탄화물이 투입된 재배토양은 CEC는 10meq/100g~20meq/100g이었으나, 일반토양은 5meq/100g~10meq/100g이었다. 이를 통하여, 본 발명의 탄화물이 투입된 재배토양은 CEC가 약 200% 증가되었음을 알 수 있었다.
한편, 방향족 탄화수소는 고리모양의 탄화수소 중 벤젠고리 및 그의 유도체를 포함한 탄화수소의 계열을 방향족 탄화수소(aromatic hydrocarbon)라 한다. 특히, 다환방향족탄화수소는 독성물질을 함유하고 있어서, 재배토양에서 제거하는 것이 좋다. 본 발명의 실시예와 같이, 탄화온도 및 산소농도 조건에서 탄화처리된 오염물질은 상기 독성물질이 최대한 배제된 탄화물이 생성된다. 본 발명의 탄화처리된 오염물질은 다환방향족탄화수소의 함량이 전체 오염물질은 토양정화기준치보다 낮았다. 구체적으로, 국내 토양환경보전법상에는 다환방향족탄화수소 중벤조아파이렌(Benzo(a)pyrene)을 오염물질로 규정하고 있다. 이때, 규제농도는 1mg/kg이다. 본 발명의 재배토양은 상기 벤조아파이렌이 1mg/kg보다 낮았다.
본 발명의 실시예에 의한 저온 열탈착 방법으로 탄화처리된 오염물질은 CEC를 높여서 재배토양의 비옥도를 증가시키며, 생물학적으로 독성에 의한 영향을 미치지 않는다. 따라서 본 발명의 저온 열탈착 방법으로 탄화처리된 오염물질을 재배토양에 투입하면, 비료활용 및 작물의 재배에 유리하다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 열탈착로 12; 스프라켓
14; 모터 16; 모터 제어부
18; 롤러 24; 회전날
26; 호퍼 28; 컨베이어
30; 토양 배출부 32; 가스 배출부
34; 버너 36; 산소량 조절기
38; 산소 제어부
14; 모터 16; 모터 제어부
18; 롤러 24; 회전날
26; 호퍼 28; 컨베이어
30; 토양 배출부 32; 가스 배출부
34; 버너 36; 산소량 조절기
38; 산소 제어부
Claims (10)
- 유기 오염물질로 오염된 오염토양이 투입되고, 회전하면서 열탈착을 수행하는 열탈착로;
상기 열탈착로의 일측에 배치되고, 상기 열탈착로에 투입된 상기 오염토양을 향하여 화염을 방출하며, 상기 열탈착로의 내부온도를 220℃ 내지 400℃로 유지하게 하는 버너;
상기 버너에 인접하게 배치되며, 상기 열탈착로 내부의 산소농도가 부피분율로 10% 내지 21%가 되도록 하는 산소량 조절기; 및
상기 열탈착로의 외부에 배치되고, 상기 오염토양이 상기 열탈착로 내부에 체류하는 체류시간을 10분~30분이 되도록 하는 모터 제어부를 포함하고,
상기 유기 오염물질은 탄화되기 전에 산화탄화수소라는 중간물질을 거치며, 상기 유기 오염물질은 상기 내부온도, 상기 산소농도 및 상기 체류시간에 의해 무정형 탄화물을 생성하는 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치. - 제1항에 있어서, 상기 산소량 조절기에 의한 산소량 조절은 산소와 불활성가스를 혼합하거나, 산소와 공기를 혼합하거나 또는 공기만을 사용하는 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 산소량 조절기는 상기 버너에서의 연소를 위한 공기를 공급하기 위한 공기 공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 화염은 복사 형태로 열을 전달하는 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유기 오염물질은 석유계 탄화수소인 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 유기 오염물질은 탄화되어 작물이 자라는 재배토양에 투입되는 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
- 제9항에 있어서, 상기 유기 오염물질이 탄화되어 투입된 상기 재배토양의 CEC는 10meq/100g~20meq/100g인 것을 특징으로 하는 직접 화염 방식에 의한 유기 오염물질의 저온 탄화장치.
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