KR102113585B1

KR102113585B1 - 방사성 유기형광폐액의 처리방법 및 소각처리장치

Info

Publication number: KR102113585B1
Application number: KR1020190029879A
Authority: KR
Inventors: 강덕원; 김승일
Original assignee: 주식회사 엘림글로벌
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-05-22

Abstract

본 발명은 원자력발전소 등과 같은 방사성 동위원소 사용기관에서 삼중수소나 방사성탄소 등과 같은 베타핵종의 방사능 분석 시에 발생하는 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리하기 위하여, 수분함량에 따라 방사성 유기형광폐액을 분류하고 Gel형태로 고화된 방사성 유기형광폐액은 메탄올로 용해하여 희석하고 수분함량이 20~99%인 방사성 유기형광폐액은 분별증류장치로 수분함량 20% 미만의 유기형광폐액과 응축수로 분리한 후 수분함량 20% 미만의 모든 방사성 유기형광폐액을 소각로에서 소각 처리함으로써, 폭발성, 인화성 및 발화성이 강한 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리할 수 있는 효과가 있다.

Description

방사성 유기형광폐액의 처리방법 및 소각처리장치{Method for Treatment of Radioactive Organic Wastes and Apparatus for incinerating the Same}

본 발명은 방사성 유기형광폐액의 처리방법 및 소각처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사성동위원소 사용기관에서 방사성탄소(C-14), 삼중수소 등과 같은 베타핵종의 방사능 분석 등으로 발생되는 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리할 수 있는 방사성 유기형광폐액의 처리방법 및 소각처리장치에 관한 것이다.

국내 산업체, 교육기관, 연구기관 및 원자력발전소 등에서 방사성탄소 및 삼중수소와 같은 베타핵종의 방사능을 분석하는 경우에 유기형광액을 이용한다. 유기형광액은 액체 섬광체(liquid scintillator)로 유기형광액이 베타입자와 반응하여 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 돌아올 때 섬광을 발하는 원리를 이용하여 베타핵종의 방사능을 분석한다.

이와 같이 방사성탄소 및 삼중수소와 같은 베타핵종의 방사능 분석을 위하여 유기형광액이 반드시 사용되어야 하나, 유기형광액에는 벤젠, 톨루엔, 알코올, 아세톤 등의 유기용매가 다량 함유되어 있어 폭발 및 발화의 위험이 있으므로 사용된 유기형광폐액의 안정적인 처리가 대단히 중요하다.

원자력발전소의 경우에는 발생된 유기형광폐액을 자체적으로 저장 및 관리하고는 있을 뿐 적절한 처리기술을 확보하고 있지 않아 처리하지는 못하고 있는 실정이다. 한편, 그 외의 대학, 병원, 연구소 및 동위원소를 취급하는 산업체에서 발생되는 모든 유기형광폐액은 전량을 한국원자력환경공단에서 수거하여 저장, 관리 및 처리하도록 관련 법규에서 규정하고 있으나, 이 또한 적절한 처리방법을 확보하지 못한 상태로 현재는 저장고가 포화되어 발생지에서 자체 보관, 관리해 오고 있는 실정이다.

또한, 유기형광폐액의 장기보관으로 인해 일부 유기형광폐액은 용기 내에서 Gel형태로 고형화되거나 이물질이 혼입되어 있는 상태로 변질되어 별도의 전처리를 거치지 않으면 소각이나 열분해 처리가 매우 어렵다.

통상적으로 액체섬광계수기로 방사능을 측정할 경우, 시료와 유기형광액을 적절한 비율로 혼합하여 측정하기 때문에 유기형광폐액에는 일정량의 수분이 존재하게 된다. 수분함량이 높은 유기형광폐액을 직접 소각하는 경우에는 수분으로 인하여 완전연소가 되지 못하므로 대기오염물질인 SOx, NOx, CO 등이 발생하게 된다. 특히, 유기형광폐액에는 방사성핵종도 함께 함유되어 있기 때문에 소각 시에 발생되는 배기가스에도 방사성 물질이 포함되므로 용기 내에 포함된 방사성 핵종의 종류와 방사능량 등 소각에 따른 환경방출 방사능량을 사전에 평가하여 소각 처리로 인한 환경오염이 발생하지 않도록 대처해야 한다.

이와 같이, 성상이 다양하고 수분함량이 각기 다르며 다양한 방사성 핵종까지 함유되어 있기 때문에 유기형광폐액을 안정적으로 처리하기 위해서는 유기형광폐액을 저장하는 용기별로 수분함량, 방사능 등과 같은 특성을 사전에 면밀히 평가하여 그에 적합한 최적의 처리방안이 수립되어야 한다.

이러한 방사성 유기형광폐액의 처리방법과 관련하여 10-0932670호 특허공보에는 유기형광폐액을 예열된 공기와 혼합 분무시켜서 기화시킨 후 촉매의 존재 하에서 산화시켜 처리하는 방법이 제시되어 있고, 10-2017-0086770호 공개특허공보에는 유기형광폐액의 소각 시에 발생하는 응축액으로부터 방사선을 검출하여 방사선 검출시에 즉시 소각로의 운전을 정지시키는 방법과 방사성 유기형광 성분이 포함된 응축액을 재소각하는 방법이 제시되어 있다.

상기 10-0932670호 특허공보에서 제안하고 있는 방법은 처리하고자 하는 방사성 유기형광폐액을 200~300℃로 예열된 공기와 혼합 분무하여 기화시켜 촉매반응로로 공급하는 단계를 거치게 되는데, 유기형광폐액은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 폭발성, 인화성 및 발화성이 강한 물질로 구성되어 있어 고온의 공기와 접촉 시에 폭발 및 발화의 위험성이 있음에도 폭발 및 발화방지를 위한 어떠한 방안도 제시하지 못하고 있으며, 공기를 예열하는 장치를 구성하기 위하여 장치의 규모가 커질 수밖에 없는 단점이 있다. 또한, 촉매 반응로에서 배출되는 가스 중의 방사성 탄소를 포집하기 위하여 NaOH와 같은 알칼리 용액으로 포집하는 방식을 채용하고 있으나, 배기가스가 알칼리 용액을 통과한 후 배출되게 되면 배기가스가 원활히 배출되지 않아 촉매반응로 내부의 압력이 상승하게 되어 폭발성, 인화성 및 발화성이 강한 유기형광폐액이 공급되고 있는 촉매반응로가 폭발할 우려도 있다. 또한, 현재 원자력발전소 및 한국원자력환경공단에 장기 보관되고 있는 유기형광폐액은 Gel형태로 변화되어 있거나 이물질이 혼입되어 있는 상태로 있기 때문에 전처리가 요구되나 이에 대한 어떠한 방안도 제시하지 못하고 있다.

10-2017-0086770호 공개특허공보에는 유기형광폐액의 소각 시에 배출되는 배기가스의 응축수 배액관에 방사선 검출기를 구비하여 방사선이 검출되면 폐액펌프, 증발 및 연소용 가열기구 등의 가동을 정지시킴과 동시에 응축액 저장탱크 내의 응축액을 폐액탱크로 반송시키는 반송펌프를 가동시키는 방안을 제시하고 있다. 그러나 처리대상 방사성 유기형광폐액이 소각된 후 배출되는 배기가스가 열교환기에서 응축될 경우에 응축액으로 빠져나오는 핵종은 매우 제한적으로 삼중수소의 경우는 60~70% 정도가 응축액으로 회수되나 방사성탄소의 경우는 대부분 기체상으로 빠져나가기 때문에 응축액에서 방사성탄소에 의한 방사능 검출이 어려우며 응축수 중에 존재하는 삼중수소는 매우 낮은 농도이기 때문에 기존의 방사선 검출기로는 검출이 불가능한 단점이 있다.

KR 10-0932670 B KR 10-2017-0086770 A

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 폭발성, 인화성 및 발화성이 강한 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리할 수 있는 방사성 유기형광폐액의 처리방법 및 소각처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 방사성 유기형광폐액의 처리방법은, 폐액저장용기로부터 시료를 채취하여 수분함량과 방사능을 분석하는 시료채취 및 분석단계; 상기 시료채취 및 분석단계에서 수분분석결과 방사성 유기형광폐액을 수분함량이 20% 미만인 그룹Ⅰ과 수분함량이 20~99%인 그룹Ⅱ 및 수분함량이 99% 이상인 그룹Ⅲ으로 분류하는 분류단계; 상기 분류단계에서 분류된 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액을 분별증류장치로 수분함량이 20% 미만인 유기형광폐액과 응축수로 분리하는 분별증류단계; Gel상태로 고화된 방사성 유기형광폐액을 메탄올을 투입하여 용해 및 희석시키는 용해 및 희석단계; 상기 수분함량 20% 미만인 그룹Ⅰ의 방사성 유기형광폐액과 상기 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액 중 분별증류장치에서 분리된 20% 미만의 방사성 유기형광폐액과 상기 용해 및 희석단계에서 전 처리된 방사성 유기형광폐액을 소각로로 이송시켜 소각처리하는 소각단계; 상기 소각단계에서 발생하는 배기가스를 열교환기를 통과시켜서 수증기 형태의 삼중수소를 응축하는 응축단계; 상기 열교환기를 통과한 배기가스 중의 대기오염물질과 방사성물질을 제거하는 배기가스 처리단계; 및 상기 소각단계에서 소량으로 발생하는 잔사를 드럼처리하고 열교환기에서 응축된 응축수를 자연증발처리하는 후처리단계;를 포함한다.

한편, 본 발명의 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치는, 처리대상인 방사성 유기형광폐액을 수용하는 폐액탱크; 상기 폐액탱크로부터 분사노즐로 폐액공급배관을 통하여 방사성 유기형광폐액을 공급하는 폐액공급펌프; 상기 폐액공급배관의 말단에 설치되어 방사성 유기형광폐액을 소각로 내부로 분사하는 분사노즐; 상기 분사노즐에 의하여 내부로 분사된 방사성 유기형광폐액의 소각을 위한 소각로; 상기 소각로의 하단에 부착되어 분사노즐로부터 공급되는 방사성 유기형광폐액을 소각시키는 버너; 상기 소각로의 시동 또는 정지 시에 에어 퍼지(Air Purge)를 통하여 불완전 연소가스를 제거하는 블로어; 상기 소각로의 상단에 연결되어 방사성 유기형광폐액의 소각시에 발생하는 배기가스를 응축시키는 열교환기; 상기 열교환기의 상단에 위치하고 소각시에 발생하는 대기오염물질을 일차적으로 제거하는 분진필터; 프리필터(Pre Filter), 헤파필터(HEPA Filter) 및 차-콜필터(Charcoal Filter)로 구성되어 대기오염물질을 이차적으로 제거하고 방사성 요오드를 제거하는 필터박스(Filter Box); 상기 필터박스 이후의 배기관과 병렬로 연결되어 방사성탄소가 함유된 유기형광폐액의 소각 시에 발생하는 배기가스 중의 방사성탄소를 제거하는 방사성탄소 제거장치; 설정된 운전절차와 온도의 범위 내에서 자동운전이 가능하도록 하는 제어반을 포함한다.

본 발명은 원자력발전소 등과 같은 방사성 동위원소 사용기관에서 삼중수소나 방사성탄소 등과 같은 베타핵종의 방사능 분 석시에 발생하는 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리하기 위하여 수분함량에 따라 방사성 유기형광폐액을 분류하고 Gel형태로 고화된 방사성 유기형광폐액은 메탄올을 이용하여 용해 및 희석하고 수분함량이 21%~99%인 방사성 유기형광폐액은 분별증류장치를 이용하여 수분함량 20% 미만의 유기형광폐액과 응축수로 분리한 후 수분함량 20% 미만의 모든 방사성 유기형광폐액은 소각로에서 소각 처리함으로써 폭발성, 인화성 및 발화성이 강한 방사성 유기형광폐액을 안전하게 처리할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 방사성 유기형광폐액처리공정의 플로 차트이고,
도 2는 본 발명의 방사성 유기형광폐액처리공정의 개략적인 블록도이고,
도 3은 본 발명의 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치의 개략도이다.

이하 첨부한 실시예의 도면을 토대로 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 방사성 유기형광폐액의 처리방법은, 폐액저장용기로부터 시료를 채취하여 수분함량과 방사능을 분석하는 시료채취 및 분석단계(S1); 상기 시료채취 및 분석단계(S1)에서 수분분석결과 방사성 유기형광폐액을 수분함량이 20% 미만인 그룹Ⅰ과 수분함량이 20~99%인 그룹Ⅱ 및 수분함량이 99% 이상인 그룹Ⅲ으로 분류하는 분류단계(S2); 상기 분류단계(S2)에서 분류된 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액을 분별증류장치로 수분함량이 20% 미만인 유기형광폐액과 응축수로 분리하는 분별증류단계(S3); Gel상태로 고화된 방사성 유기형광폐액을 메탄올을 투입하여 용해 및 희석시키는 용해 및 희석단계(S4); 상기 수분함량 20% 미만인 그룹Ⅰ의 방사성 유기형광폐액과 상기 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액 중 분별증류장치에서 분리된 20% 미만의 방사성 유기형광폐액과 상기 용해 및 희석단계(S4)에서 전 처리된 방사성 유기형광폐액을 소각로로 이송시켜 소각처리하는 소각단계(S5); 상기 소각단계(S5)에서 발생하는 배기가스를 열교환기를 통과시켜서 수증기 형태의 삼중수소를 응축하는 응축단계(S6); 상기 열교환기를 통과한 배기가스 중의 대기오염물질과 방사성물질을 제거하는 배기가스 처리단계(S7); 및 상기 소각단계(S5)에서 소량으로 발생하는 잔사를 드럼처리하고 열교환기에서 응축된 응축수를 자연증발처리하는 후처리단계(S8);를 포함한다.

상기 시료채취 및 분석단계(S1)에서는 원자력발전소나 원자력환경공단 등의 저장시설에 통상적으로 20리터 또는 200리터의 폐액저장용기에 저장되어 있는 방사성 유기형광폐액을 작업자의 손이 닿지 않고도 흡입하여 채취할 수 있는 별도의 시료채취장치를 이용하여 약 50~100ml 정도 채취한 후 별도의 용기에 담는다. 채취된 시료는 Karl-Fischer 수분적정기 등의 수분적정기를 이용하여 방사성 유기형광폐액 중의 수분을 측정하고 폐액저장용기별로 저장되어 있는 방사성 유기형광폐액의 이력을 고려하여 HPGe(High-purity Germanium) Detector 또는 LSC(Liquid Scintillation Counter)를 이용하여 방사능을 분석한다.

상기 분류단계(S2)에서는 수분함량 20% 및 99%를 기준으로 하여 수분함량에 따라 분석된 각 폐액저장용기의 방사성 유기형광폐액을 수분함량 20% 미만은 그룹Ⅰ, 수분함량 20~99%는 그룹Ⅱ, 수분함량 99% 이상은 그룹Ⅲ으로 각각 분류한다.

상기 분별증류단계(S3)에서는 수분함량이 20~99%인 그룹 Ⅱ의 유기형광폐액을 분별증류장치를 이용하여 수분함량 20% 미만인 유기형광폐액과 응축수로 분리한다. 수분함량이 20~99%인 그룹 Ⅱ의 유기형광폐액을 각 구성 성분의 고유한 끓는점의 차이를 이용하여 수분함량 20% 미만인 유기형광폐액과 응축수로 분리한다.

분별증류장치는 반응기와 응축기, 진공펌프 및 온도제어기로 구성되며, 복잡한 구성성분의 효율적 분리를 위하여 30단 이상의 이론단수를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 분별증류장치의 운전준비를 위해서 주전원과 진공펌프의 전원을 켜고 반응기의 온도가 상온인지 확인하고, 증류액 저장용기의 배관 연결 상태를 확인한 후 냉각장치의 전원을 켜고 펌프를 작동시켜 냉각수를 순환시키면 분별증류장치의 운전준비가 완료된다. 이후 수분함량이 20~99%인 그룹 Ⅱ의 유기형광폐액을 반응기에 투입하며 이때 반응기 용량의 80%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 히터의 전원을 켜고 반응기의 온도를 150℃까지 승온시키면 대부분의 유기형광폐액은 150℃ 전에 분리가 완료되나, 필요시에는 최대 250℃까지 승온시킬 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 용해 및 희석단계(S4)는 방사성 유기형광폐액의 장기보관으로 인하여 용기 내부에 Gel형태로 고화되어 있는 유기형광폐액 및 점성물질을 소각처리가 가능한 상태로 변환시키기 위하여 메탄올 또는 유기용제로 용해하는 단계로, 용해 및 희석장치의 반응기는 스테인레스 스틸 재질로 구성하고 고속교반기와 내부를 관찰할 수 있는 투시창을 구비하는 것이 바람직하다.

용해 및 희석장치의 운전 개시 전에 침전된 폐액이 들어있는 폐액저장용기에 소량의 메탄올을 투입하여 균질화기(Homogenizer)로 혼합하여, 용해 및 희석장치 하단의 배출밸브가 닫혀있는지 확인한 후에, 용해 및 희석장치에 투입하고 전원을 인가한다. 용해 및 희석장치가 가동되면 임펠러의 회전수를 서서히 높여서 3,000rpm으로 고정하여 운전한다. 이때, 용해 및 희석장치 상단의 Vent 밸브는 열린 상태로 유지하고, 투시창을 통하여 내부의 용해상태를 육안으로 확인하면서 필요시 메탄올을 추가 투입한다. 이때 희석비율을 조정하여 동위원소별로 지정된 농도보다 충분히 낮아지고, 수분함량이 20% 미만이 되도록 한다. 3,000rpm에서 충분히 용해 및 희석한 후 하단의 배출밸브를 열어 임시저장용기에 저장한 후 소각단계(S5)에서 소각 처리한다.

또, 이러한 용해 및 희석단계(S4)는 시료채취 및 분석단계(S1)에서 폐액저장용기별로 분석된 방사성 동위원소의 농도가 표 1에 지정된 농도보다 높을 경우, 방사성 동위원소의 농도를 낮추기 위하여 메탄올을 이용하여 희석하는 용도로도 사용할 수 있다.

[방사성 폐액의 방사성동위원소별 기준 농도]

방사성동위원소	농도
H-3	37 Bq/cm^３
C-14	37 Bq/cm^３
P-32	3.7 Bq/cm^３
P-33	3.7 Bq/cm^３
S-35	37 Bq/cm^３
Ca-45	3.7 Bq/cm^３
기타 핵종	3.7 Bq/cm^３

상기 소각단계(S5)에서는 폐액저장용기별로 분석된 방사능이 표 1의 동위원소별로 설정된 농도보다 낮은 경우, 그룹 Ⅰ의 수분함량 20% 미만의 유기형광폐액은 곧바로 소각처리하며, 그룹 Ⅱ의 유기형광폐액 중 상기 분별증류단계(S3)에서 수분함량 20% 미만인 유기형광폐액으로 분리된 유기형광폐액도 소각 처리한다. 또한, 방사능이 표 1의 동위원소별로 지정된 농도보다 높은 그룹 Ⅰ과 그룹 Ⅱ의 유기형광폐액을 메탄올을 이용하여 용해 및 희석하여 동위원소별로 지정된 농도보다 낮아지고, 수분함량이 20% 미만으로 된 유기형광폐액도 소각처리한다.

이러한 소각단계(S5)는 운전준비단계, 운전단계 및 운전종료단계로 구분된다. 운전준비단계에서는 소각로의 응축수 밸브가 열려있고, 응축수 탱크가 비어있는지 확인하고 냉각수를 통과시키며 유량을 확인한다. 이때, 유량은 12L/min 이상이 되도록 한다. 폐액탱크에 소각 처리할 유기형광폐액을 주입하고, 세정액탱크에 메탄올 또는 에탄올을 주입한 후 주전원 스위치를 ON으로 전환하여 운전준비를 완료한다.

운전단계에서 가스밸브를 열고 운전버튼을 누르면 자동으로 블로어가 작동되어 소각로 내로 약 30초간 에어 퍼지(Air Purge)한 후 배기팬이 작동된다. 이때, 점화플러그에서 약 3초간 스파크가 발생되며 가스버너가 착화되고 "가스연소 중" 램프가 점등된다. 연료로 가스를 100% 사용하는 고연소단계는 소각로 내의 온도가 버너하한 설정온도인 800℃에 이르는 시점까지 유지하며 약 20분이 소요된다. 800℃에 도달하면 폐액정량펌프가 자동으로 작동되고 "폐액연소 중" 램프가 점등된다. 처리대상 폐액이 공급되어 가스와 함께 소각되는 저연소단계에서는 소각로 내의 온도가 버너상한설정온도인 900℃에 이르는 시점까지 유지된다. 900℃에 도달된 이후에는 버너는 꺼지고 폐액만이 소각되는 상태가 지속되며 이는 연소상한설정온도인 950℃까지 유지된 후 950℃에서 폐액정량펌프의 작동이 정지되면서 폐액의 공급도 중지된다. 이러한 과정을 반복하면서 소각로 내의 온도가 800~950℃ 범위에서 자동제어 되며 폐액탱크의 폐액이 소진될 때까지 폐액을 소각처리한다.

운전종료단계에서 폐액탱크 내의 폐액이 소진되면 수위계(Float Sensor)가 감지하여 자동으로 폐액탱크에 세정액이 주입되며 "세정액연소 중" 램프가 점등되고 이러한 과정은 폐액탱크 내의 세정액이 모두 소진되어 수위계가 이를 감지하는 시점까지 지속된다. 수위계에 의하여 폐액탱크 내의 세정액의 소진이 감지되면 폐액정량펌프의 운전이 정지되고 소각로 내의 잔여 세정액의 소각을 위하여 가스버너가 약 1분간 작동된 후 소각로의 냉각이 개시되며 "냉각 중"램프가 점등된다. 냉각을 위한 After Air Purge는 소각로 내의 온도가 300℃ 이하가 되는 시점까지 약 90분간 지속된다. 이후 블로어가 정지되며 운전종료 램프가 점등되고 종료 벨이 울린다. 종료 벨이 울리면 메인 전원스위치를 OFF로 전환하고 가스밸브를 닫음으로서 폐액의 소각처리가 완료된다.

상기 응축단계(S6)와 배기가스 처리단계(S7)에서는 소각단계(S5)와 동시에 수행되는 공정으로, 소각로에서 폐액을 소각함에 따라 발생하는 배기가스를 처리하는 단계이다. 상기 응축단계(S6)에서는 폐액 중에 존재하는 핵종 중 수증기 형태로 배출될 수 있는 삼중수소와 같은 핵종이 외부로 유출되지 않도록 하기 위하여 배기가스를 Tow-Path Type 다관 열교환기로 응축시킨다. 이때, 배기가스가 천천히 냉각될 경우 300~500℃에서 디노버합성에 의하여 다이옥신이 생성되는 것을 방지하기 위하여 고온의 배기가스를 50℃ 이하로 급냉시키는 것이 중요하다. 응축수는 저장탱크에 임시로 보관한 후 후처리단계(S9)에서 자연증발처리한다.

위와 같은 소각처리 시에 오염물질이 배출되는지 여부를 확인하기 위하여 모사 유기형광폐액을 소각하면서 소각 중에 시료를 채취하여 "대기환경보전법"과 "원자력안전위원회 고시"에 규정되어 있는 항목에 대한 분석결과를 표 2 내지 4에 표시하였다.

[배기가스 중의 오염물질 분석결과(1)]

구 분	오염물질	단위	원안위 고시 배출허용기준	대기환경보전법 배출허용기준	측정값
가 스 상 물 질	암모니아	ppm	100 이하	30 이하	불검출
	일산화탄소	ppm	600(12)이하	200 이하	36.63
	염화수소	ppm	50(12) 이하	20 이하	불검출
	염 소	ppm	60(12) 이하	-	불검출
	황산화물 (SO₂로서)	ppm	300(12)이하	70 이하	불검출
	질소산화물 (NO₂로서)	ppm	200 이하	100 이하	57.49
	이황화탄소	ppm	30 이하	30 이하	불검출
	포름알데이드	ppm	20 이하	10 이하	불검출
	황화수소	ppm	15 이하	10 이하	불검출
	불소화물 (F로서)	ppm	3 이하	3 이하	불검출
	시안화수소	ppm	10 이하	10 이하	불검출
	브롬화합물 (Br로서)	ppm	5 이하	5 이하	불검출
	벤젠화합물 (C₆H₆로서)	ppm	50 이하	20 이하	불검출
	페놀화합물 (C₆H₅OH)	ppm	10 이하	10 이하	불검출
	수은화합물 (Hg로서)	mg/Sm³	5 이하	0.1 이하	불검출
	비소화합물 (As로서)	ppm	3 이하	0.5 이하	불검출

[배기가스 중의 오염물질 분석결과(2)]

구 분	오염물질	단위	원안위 고시 배출허용기준	대기환경보전법 배출허용기준	측정값
입 자 상 물 질	먼 지	mg/Sm³	100(12)이하	70 이하	2.6
	카드뮴화합물 (Cd로서)	mg/Sm³	1.0 이하	0.2 이하	불검출
	납화합물 (Pb로서)	mg/Sm³	5 이하	0.2이하	불검출
	크롬화합물 (Cr로서)	mg/Sm³	1.0 이하	0.5 이하	불검출
	구리화합물 (Cu로서)	mg/Sm³	10 이하	10 이하	불검출
	니켈 및 그 화합물	mg/Sm³	20 이하	20 이하	불검출
	아연화합물 (Zn로서)	mg/Sm³	30 이하	10 이하	불검출
	비산먼지	mg/Sm³	0.5 이하	0.5 이하	0.038

[배기가스 중의 오염물질 분석결과(3)]

구 분	오염물질	단위	원안위 고시 배출허용기준	대기환경보전법 배출허용기준	측정값
악 취	매 연	링겔만 비탁표	2도 이하	2도 이하	1
	공기희석 관능법	희석 배율	희석배율 500 이하	-	144배
	암모니아	ppm	2 이하	-	불검출
	메칠메르캅탄	ppm	0.0004이하	-	불검출
	황화수소	ppm	0.06 이하	-	불검출
	황화메틸	ppm	0.05 이하	-	불검출
	이황화메틸	ppm	0.03 이하	-	불검출
	트리메틸아민	ppm	0.02 이하	-	불검출
	아세트 알데이드	ppm	0.1 이하	-	불검출
	스티렌	ppm	0.8 이하	-	불검출

상기 표 2 내지 4에 표시된 바와 같이 모든 항목에서 원자력안전위원회 고시 및 대기환경보전법에 규정되어 있는 오염물질 배출허용기준보다 낮은 결과가 나타났다. 또한, 「잔류성 유기오염물질 관리법」에서 관리대상으로 하고 있는 다이옥신의 경우는 0.007(ngI-TEQ/Sm³)으로 동법 시행규칙의 별표 3(잔류성유기오염물질 배출허용기준)에서 규정하고 있는 최소 수치보다 낮은 값으로 나타났다.

배기가스 처리단계(S7)는 방사성 유기형광폐액의 소각 시에 발생하는 그을음, 분진, 미세먼지 등의 대기오염물질과 및 방사성물질을 배기가스로부터 제거하는 단계이다. 분진필터로 대기오염물질을 일차적으로 제거하고, 프리필터, 헤파필터 및 차-콜필터로 구성되는 필터박스로 대기오염물질을 이차적으로 제거함과 동시에 방사성 요오드를 제거한다.

또한, 처리대상 폐액 중에 방사성탄소가 포함되어 있는 경우에는 배기가스 중의 ¹⁴CO₂를 제거하기 위하여 별도의 방사성탄소 제거장치를 부착하여 방사성탄소가 외부로 유출되지 않도록 구성하는 것이 바람직하다. 방사성탄소 제거장치는 유기형광폐액의 소각에 의해 발생되는 방사성 ¹⁴CO₂를 알칼리 금속류의 수산화물(LiOH, Ca(OH)₂ 등) 형태의 고체 흡착제가 탑재된 Scrubber를 이용하여 ¹⁴CO₂ 기체를 흡착하여 처리하는 장치로, 소각로의 기체 배출구 후단에 배기가스 여과장치와 병렬로 연결하여 처리대상 폐액에 방사성탄소가 포함되어 있는 경우 배기가스의 통과 시에 방사성탄소를 흡착하여 제거한다.

2LiOH + ¹⁴CO₂ → Li¹⁴CO₃ + H₂O

후처리단계(S8)에서는 상기 소각단계(S5)에서 소량 발생하는 잔사를 드럼처리하고 상기 응축단계(S6)에서 열교환기를 통하여 응축된 응축수를 자연증발처리하는 단계로, 잔사는 유기형광폐액 10리터 당 약 3~5g 정도 발생하므로 약 1/2000의 부피감소효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치는, 처리대상인 방사성 유기형광폐액을 수용하는 폐액탱크(10); 상기 폐액탱크(10)로부터 분사노즐(30)로 폐액공급배관을 통하여 방사성 유기형광폐액을 공급하는 폐액공급펌프(20); 상기 폐액공급배관의 말단에 설치되어 방사성 유기형광폐액을 소각로(40) 내부로 분사하는 분사노즐(30); 상기 분사노즐(30)에 의하여 내부로 분사된 방사성 유기형광폐액의 소각을 위한 소각로(40); 상기 소각로(40)의 하단에 부착되어 상기 분사노즐(30)로부터 공급되는 방사성 유기형광폐액을 소각시키는 버너(50); 상기 소각로(40)의 시동 또는 정지 시에 에어퍼지를 통하여 불완전 연소가스를 제거하는 블로어(60); 상기 소각로(40)의 상단에 연결되어 방사성 유기형광폐액의 소각시에 발생하는 배기가스를 응축시키는 열교환기(70); 상기 열교환기(70)의 상단에 위치하고 소각시에 발생하는 대기오염물질을 일차적으로 제거하는 분진필터(80); 프리필터(91), 헤파필터(92) 및 차-콜필터(93)로 구성되어 대기오염물질을 이차적으로 제거하고 방사성 요오드를 제거하는 필터박스(90); 상기 필터박스(90) 이후의 배기관과 병렬로 연결되어 방사성탄소가 함유된 유기형광폐액의 소각시에 발생하는 배기가스 중의 방사성탄소를 제거하는 방사성탄소 제거장치(100); 설정된 운전절차와 온도의 범위 내에서 자동운전이 가능하도록 하는 제어반(미 도시)을 포함한다.

위와 같은 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치 중 방사성폐액에 직접 접촉되는 폐액탱크(10)와 폐액공급배관은 내식성이 우수한 SUS 316으로 구성하고, 그 외의 구조물들은 SUS304 또는 구리 등으로 구성하는 것이 바람직하다. 소각로(40)는 운전온도의 범위가 800~980℃임을 감안하여 방사성 유기형광폐액에 대한 충분한 내식성과 2000℃의 내열성을 갖는 세라믹 캐스터블을 소재로 하여 50mm 이상의 두께를 가지도록 구성하고 소각처리 시에 소각가스와 재가 유출되지 않도록 폐액탱크(10)로부터 배기가스 배출구까지 완전한 밀폐구조로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 운전개시단계에서의 버너(50)의 점화여부 확인, 운전단계에서의 소각상태의 확인을 위하여 소각로(40)의 상단 및 중간부에 투시창(41,42)을 구비하여 온도계(43)에 의한 소각상태의 간접 확인과 병행하여 작업자가 직접 소각상태를 확인할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 폐액탱크(10)에는 수위를 확인할 수 있는 수위계와 폐액 또는 세정액이 소진된 경우 제어반에 신호를 줄 수 있는 레벨스위치와 침전물 생성방지를 위한 교반기(12)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 분사노즐(30)은 폐액 중에 남아 있는 입자성 불순물 또는 Gel형태의 유기형광폐액으로 인한 막힘이 발생하지 않을 정도의 구경을 가져야 하며, 폐액공급배관에 별도의 압력스위치를 구비하여 노즐이 막힐 경우 압력스위치가 감지하여 소각을 중지하도록 구성하고, 폐액은 기화기와 블로어(60)에 의해서 공기와 혼합된 후 분사노즐(30)로 분무되도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 버너(50)는 LPG용 버너를 사용하는 것이 바람직하며, 소각로(40)의 하단에 위치시켜 운전개시 후 소각로(40) 내의 온도가 버너(50)의 하한 설정온도인 800℃까지는 연료로 LPG가스를 100% 사용하고, 소각로(40) 내 온도가 800~950℃ 범위에서는 연료로 LPG가스를 50%, 공급되는 폐액을 50% 사용할 수 있도록 하고 950℃ 이상에서는 LPG와 폐액 모두 차단되도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 소각로(40) 내의 온도에 따라 밸브 및 폐액공급펌프(20)가 자동으로 개폐 및 ON/OFF되도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 블로어(60)는 폐액공급배관과 연결하여 운전 중 폐액 공급 시에는 폐액이 공기와 혼합되어 분무되도록 하며, 폭발 방지를 위하여 운전단계 전ㅇ후에 소각로(40) 내의 잔여 미연소가스를 제거하도록 버너(50)의 점화전에는 Pre-Air Purge가 이루어지고, 소각이 종료되면 After Air Purge가 이루어지도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 열교환기(70)는 폐액의 소각 시에 폐액 중에 존재하는 핵종 중 수증기 형태로 배출될 수 있는 삼중수소와 같은 핵종이 외부로 유출되지 않도록 배기가스를 응축시키는 역할을 하며, 특히, 고온의 배기가스가 서서히 냉각될 경우에 디노버합성으로 인하여 발생할 수 있는 다이옥신의 생성을 방지하기 위하여 배기가스를 50℃ 이하로 급냉할 수 있도록 Two-path Type 다관 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 방사성 유기형광폐액의 구성성분이 대부분 벤젠, 톨루엔 등과 같은 유기용매이므로 부식방지를 위하여 SUS316 재질로 구성하되, 배기가스와 접촉하는 부분은 불소수지로 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 분진필터(80)와 필터박스(90)는 소각에 의해 발생하는 그을음, 분진과 같은 대기오염물질과 방사성 요오드를 제거하기 위한 것으로, 상기 열교환기(70) 이후에 설치한다. 분진필터(80)는 소각 시에 발생하는 그을음, 분진, 미세먼지 등의 대기오염물질을 일차적으로 제거하는 필터로, 자주 교체할 필요가 있으므로 교체가 용이하고 필터의 가격이 저렴한 일반 섬유필터로 구성하는 것이 바람직하다. 필터박스(90)는 소각로(40)에서 방사성물질을 포함하는 유기형광폐액을 소각하는 점을 감안하여 분진필터(80)의 후단에 설치하며, 프리필터(91), 헤파필터(92) 및 차-콜필터(93)를 조합하여 ASTM D 3803 "Standard Test Method for Nuclear-Grade Activated Carbon"에서 규정하는 성능수준을 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 필터박스(90)는 대기오염물질을 이차적으로 제거함과 동시에 방사성 요오드를 제거한다.

상기 방사성탄소 제거장치(100)는 처리대상 유기형광폐액 중에 방사성탄소가 함유되어 있는 경우에 배출되는 ¹⁴CO₂를 Li¹⁴CO₃의 형태로 흡착하여 포집함으로써 외부로 유출되지 않도록 알칼리 금속류의 수산화물(LiOH, Ca(OH)₂) 등이 내장되도록 구성하며, 흡착제는 교체의 용이성 확보를 위하여 일정량의 흡착제가 부직포 소재의 주머니에 장입된 형태로 모듈화하는 것이 바람직하다. 또한, 방사성탄소 제거장치(100)의 본체는 SUS304 재질로 완전 밀폐가 가능하여야 하며, 배기관과 병렬로 연결하여 방사성탄소가 함유된 유기형광폐액의 소각 시에 필터박스(90)를 통과한 후 최종적으로 방사성탄소 제거장치(100)를 거친 후 외부로 배출되도록 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치의 제어반은 처리대상이 방사성 유기형광폐액임을 감안하여 작업자의 피폭방지 및 안전을 위하여 운전 개시 이후의 전 공정이 자동운전이 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 이와 같은 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치에 지진을 감지할 수 있는 감진장치를 추가하고, 지진 가속도가 일정 가속도(예:100gal) 이상으로 감지되는 경우 자동으로 모든 밸브가 닫히고 펌프가 정지되며 전원이 차단되도록 구성하는 것이 바람직하다. 아울러, 지진시 전도방지를 위하여 방사성 유기형광폐액 소각처리장치를 앵커볼트로 고정할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

위와 같이, 본 발명은 방사성동위원소 사용기관에서 방사성탄소, 삼중수소 등과 같은 베타핵종의 방사능 분석 등을 위하여 사용된 후 발생된 방사성 유기형광폐액을 수분함량, 성상, 방사능의 종류 등에 따라 분류하여, 분별증류, 용해희석, 소각, 자연증발 등의 과정을 통하여 처리하는 방법과 소각처리장치를 제공한다.

이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.

또한, 본 발명의 상세한 설명과 청구범위에 기재된 도면부호는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 참고로 부기한 것으로, 본 발명은 도면상의 형태로 한정되지 아니한다.

10: 폐액탱크 11: 폐액주입구
12: 교반기 13: 세정액탱크
20: 폐액공급펌프 30: 분사노즐
40: 소각로 41: 투시창
42: 투시창 43: 온도계
44: 압력계 50: 버너
60: 블로어 70: 열교환기
80: 분진필터 90: 필터박스(Filter Box)
91: 프리필터(Pre Filter) 92: 헤파필터(HEPA Filter)
93: 차-콜필터(Charcoal Filter) 100: 방사성탄소 제거장치

Claims

폐액저장용기로부터 시료를 채취하여 수분함량과 방사능을 분석하는 시료채취 및 분석단계(S1);
상기 시료채취 및 분석단계(S1)에서 수분분석결과 방사성 유기형광폐액을 수분함량이 20% 미만인 그룹Ⅰ과 수분함량이 20~99%인 그룹Ⅱ 및 수분함량이 99% 이상인 그룹Ⅲ으로 분류하는 분류단계(S2);
상기 분류단계(S2)에서 분류된 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액을 분별증류장치로 수분함량이 20% 미만인 유기형광폐액과 응축수로 분리하는 분별증류단계(S3);
Gel상태로 고화된 방사성 유기형광폐액을 메탄올을 투입하여 용해 및 희석시키는 용해 및 희석단계(S4);
상기 수분함량 20% 미만인 그룹Ⅰ의 방사성 유기형광폐액과 상기 그룹Ⅱ의 방사성 유기형광폐액 중 분별증류장치에서 분리된 20% 미만의 방사성 유기형광폐액과 상기 용해 및 희석단계(S4)에서 전 처리된 방사성 유기형광폐액을 소각로로 이송시켜 소각처리하는 소각단계(S5);
상기 소각단계(S5)에서 발생하는 배기가스를 열교환기를 통과시켜서 수증기 형태의 삼중수소를 응축하는 응축단계(S6);
상기 열교환기를 통과한 배기가스 중의 대기오염물질과 방사성물질을 제거하는 배기가스 처리단계(S7); 및
상기 소각단계(S5)에서 소량으로 발생하는 잔사를 드럼처리하고 열교환기에서 응축된 응축수를 자연증발처리하는 후처리단계(S8);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 처리방법
제1항에 있어서,
상기 소각단계(S5)에서 연료로 가스를 100% 사용하는 고연소단계를 소각로 내의 온도가 버너하한설정온도에 도달하는 시점까지 유지시키고,
소각로 내의 온도가 버너하한설정온도에 도달하면 처리대상 폐액을 공급하여 가스와 함께 소각시키는 저연소단계를 소각로 내의 온도가 버너상한설정온도에 이르는 시점까지 유지시키고,
소각로 내의 온도가 버너상한설정온도에 도달하면 버너를 끄고 폐액만을 소각시키는 상태를 연소상한설정온도에 도달할 때까지 지속시키고,
연소상한설정온도에 도달하면 폐액의 공급도 중지시키는 소각과정을 반복시키면서 폐액탱크의 폐액이 소진될 때까지 폐액을 소각 처리하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 처리방법
제1항에 있어서,
상기 응축단계(S6)에서 배기가스를 응축시킬 때, 배기가스가 천천히 냉각될 경우 300~500℃에서 디노버합성에 의하여 다이옥신이 생성되는 것을 방지하기 위하여 고온의 배기가스를 50℃ 이하로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 처리방법
처리대상인 방사성 유기형광폐액을 수용하는 폐액탱크(10);
상기 폐액탱크(10)로부터 분사노즐(30)로 폐액공급배관을 통하여 방사성 유기형광폐액을 공급하는 폐액공급펌프(20);
상기 폐액공급배관의 말단에 설치되어 방사성 유기형광폐액을 소각로(40) 내부로 분사하는 분사노즐(30);
상기 분사노즐(30)에 의하여 내부로 분사된 방사성 유기형광폐액의 소각을 위한 소각로(40);
상기 소각로(40)의 하단에 부착되어 상기 분사노즐(30)로부터 공급되는 상기 방사성 유기형광폐액을 소각시키는 버너(50);
상기 소각로(40)의 시동 또는 정지 시에 에어퍼지를 통하여 불완전 연소가스를 제거하는 블로어(60);
상기 소각로(40)의 상단에 연결되어 방사성 유기형광폐액의 소각 시에 발생하는 배기가스를 응축시키는 열교환기(70);
상기 열교환기(70)의 상단에 위치하고 소각 시에 발생하는 대기오염물질을 일차적으로 제거하는 분진필터(80);
프리필터(91), 헤파필터(92) 및 차-콜필터(93)로 구성되어 대기오염물질을 이차적으로 제거하고 방사성 요오드를 제거하는 필터박스(90);
상기 필터박스(90) 이후의 배기관과 병렬로 연결되어 방사성탄소가 함유된 유기형광폐액의 소각 시에 발생하는 배기가스 중의 방사성탄소를 제거하는 방사성탄소 제거장치(100);
설정된 운전절차와 온도의 범위 내에서 자동운전이 가능하도록 하는 제어반을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치
제4항에 있어서,
상기 소각로(40)의 운전개시단계에서의 상기 버너(50)의 점화여부와 운전단계에서의 소각상태의 확인을 위하여 상기 소각로(40)에 투시창(41,42)을 구비하여 작업자가 직접 소각상태를 확인할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치
제4항에 있어서,
상기 폐액탱크(10)에는 수위를 확인할 수 있는 수위계와 폐액 또는 세정액이 소진된 경우 제어반에 신호를 줄 수 있는 레벨스위치와 침전물 생성방지를 위한 교반기(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치
제4항에 있어서,
상기 방사성 유기형광폐액이 기화기와 블로어(60)에 의하여 공기와 혼합된 후 분사노즐(30)로 분무되로록 구성하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치
제4항에 있어서,
상기 소각로(40)의 운전단계 전후에 잔여 미연소가스를 제거하여 폭발을 방지하기 위하여 상기 버너(50)의 점화전에는 Pre-Air Purge가 이루어지고 소각이 종료되면 After Air Purge가 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치
제4항에 있어서,
지진을 감지할 수 있는 감진장치를 추가하고,
지진 가속도가 일정 가속도 이상 이상으로 감지되는 경우 자동으로 모든 밸브가 닫히고 펌프가 정지되며 전원이 차단되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 방사성 유기형광폐액의 소각처리장치