KR200294861Y1 - 방사성폐기물의 소각ㆍ용융처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 방사성 폐기물을 소각 용융처리하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가연성 중저준위 방사성폐기물을 소각 용융시켜 유리고화(vitrification)시키는 과정에서 생성되는 배기체의 처리장치에 관한 것이다.

Description

방사성폐기물의 소각ㆍ용융처리장치{treatment apparatus for destroying by burning up and melting radioactive waste}

본 고안은 방사성 폐기물을 소각 용융처리하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가연성 중저준위 방사성폐기물을 소각 용융시켜 유리고화(vitrification)시키는 과정에서 생성되는 배기체의 처리장치에 관한 것이다.

원자력 발전소 운영시 발생되는 각종 잡고체 또는 폐 이온교환수지 등은 저장·보관하는데 용이하고 또한 수송 및 처분하는 기준에 적합한 고화체로 안정화시켜야 하는데, 이러한 방법으로 시멘트, 아스팔트, 플라스틱 및 파라핀 고화 등이 있으며 우리나라의 경우 시멘트 및 파라핀 고화가 적용되고 있다.

시멘트 고화의 경우 이온교환수지 등을 시멘트와 혼합하여 고형화하는 방법으로써, 제조는 용이하나 감용비가 1에 불과하고, 수분함유에 따른 장기간 드럼 저장시 부식문제가 있다.

한편, 파라핀 고화의 경우도 고화체 자체의 압축강도가 낮고 침출율이 상대적으로 높은 단점이 있다. 압축이 가능한 잡고체의 경우 약 10톤 압력의 압축기로 드럼 내에 압축저장하며, 이를 다시 2,000톤 압력의 초고압압축기로 드럼을 재압축하여 약 2.5정도의 감용비를 얻고 있다.

그러나 처분비용의 증가 추세와 방사성폐기물 처분장소의 선정 지연, 환경에대한 관심 등으로 인해 폐기물의 안정화, 고화체 자체의 건전성 및 감용 측면을 고려한 기술들이 개발되어왔다. 소각기술의 경우, 중저준위 가연성폐기물을 대상으로 60년대부터 개발되어 왔으며 과잉공기형(excess air incinerator), 공기조절형(controlled air incinerator), 유동상형(fluidized bed incinerator) 등 여러 형태가 있다. 부피 감용비는 설비의 특성에 따라 다르나 대략 30이상이지만 부수적으로 발생되는 재(ash)의 처리 및 고온처리에 따른 방사성핵종의 휘발문제가 있다.

고온용융기술의 경우, 유도전류 가열식, 전극봉 아크가열식, 플라즈마 가열식 등의 방법이 개발되어 왔다. 유도가열식은 용융로 주위를 감싸는 유도전류자(inductor)에 의해 가열되며, 전체를 고르게 가열하는 특징이 있다. 전극봉 가열식은 전극 사이에 흐르는 전류에 의해 발생되는 열에 의해 용융된다. 그러나 이 방법은 부식가스에 의한 전극봉 부식의 문제점이 있다. 플라즈마를 생성하는 토치(torch)기술은 1960년대 미 항공우주국에서 진행된 우주비행선의 내열표면 처리연구에서 비롯되었으며, 빠른 반응율, 독립적인 열에너지 조절 등의 장점으로 구미 각국에서 병원폐기물, 생활폐기물 및 각종 유해폐기물의 용융에 응용되고 있다. 그러나 국부적인 가열면적과 고온처리 및 플라즈마 생성에 따른 기류로 인해 방사성폐기물의 경우 방사성 핵종 휘발 등의 문제로 인해 계속적인 개발이 추진 중이다.

소각기술과 마찬가지로 고온용융기술의 경우도 방사성 핵종의 휘발, 계통 내 방사성오염 등의 문제를 안고 있다.

이를 해결하기 위한 종래의 방사성폐기물의 소각처리장치로서 예컨대, 공개특허공보(공개번호 제2001-26585호)에 개시된 것이 제안되고 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 종래의 방사성폐기물 소각처리장치는 크게 플라즈마 용융로(140), 제1배기체 처리장치, 제2배기체 처리장치로 구성된다.

제1배기체 처리장치는 플라즈마 용융로(140)에서 발생되는 배기체를 냉각시키는 파이프 냉각기(5)와, 냉각기(5)를 거친 배기체 내의 방사성 세슘과 입자를 제거하는 고온 필터(6)로 구성되며

제2배기체 처리장치는 고온 필터(6)를 통과한 배기체내의 일산화탄소나 탄화수소 등의 불완전 연소물을 완전 연소시키고, 다이옥신 등의 유해 물질들을 분해시키는 전기 가열식 후단연소기(8)와, 후단연소기(8)에서 유출된 배기체를 냉각시키는 수 냉각식 배기체 냉각기(9)와, 배기체 냉각기(9)를 거친 배기체내의 미세입자와 염소가스를 제거하는 벤츄리 및 충전탑 세정기(10)와, 세정기(10)를 통과한 고온의 배기체내의 습분을 제거하는 습분제거기(11) 및 다이옥신과 미세입자를 제거하는 활성탄 및 HEPA 여과기(12)와, 여과기(12)를 통과한 기체의 배출용 배출팬(13)과, 배기체의 기체 농도를 분석하기 위한 기체분석기(240)와 방사능 준위를 측정하는 방사선 감시기(250)가 장치된 연돌(16)로 구성되어 있다.

전술한 구성에 따른 방사성폐기물 소각처리장치는 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 냉각파이프(5)를 통과한 배기체는 고온필터(6)를 거쳐 후단연소기(8)로 유입되는데, 고온필터(6)는 크기가 1㎛ 이상의 입자에 대해서 제진성능(99.9% 이상)을 갖는다. 따라서 고온필터를 통과한 1㎛ 미만의 미세분진에 동반된 방사성핵종들이 세정기(10)의 세정액에 의해 제거되면서 발생되는 세정폐액의 방사능 오염농도가 높아져 일반적인 방법으로 처리하기 곤란한 2차 방사성폐기물을 생성할 수 있다.

둘째, 배기팬(13)을 통과한 배기체는 굴뚝(16)을 통해 외부로 배출되는데, 발생되는 배기체 내의 질소산화물 값은 폐기물 투입양과 종류에 따라 다르나 대략 1000 ∼ 1500ppm 정도로서 이 수치는 과기부 고시 제 2002-31호 '중저준위 방사성폐기물 소각기준'의 질소산화물 배출허용기준치 200ppm을 훨씬 넘는 것으로 대기오염을 유발시킬 수 있다.

본 고안은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로 세정폐액을 처리가 용이하도록 극저준위 이하의 일반폐기물로 분류시키면서 외부로 배출되는 배기체의 질소산화물을 기준치 이하로 배출하여 환경친화적인 처리시스템을 추구할 수 있는 방사성폐기물 소각 용융처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 고안에 따른 방사성 폐기물 소각ㆍ용융처리장치를 나타낸 전체 공정도.

도 2는 도 1의 폐기물공급수단을 나타낸 도.

도 3은 도 1의 저온용융로와 1차배기체 처리계통을 나타낸 도.

도 4는 도 3의 저온용융로를 도시한 단면도.

도 5는 도 3의 버블러를 도시한 단면도.

도 6은 도 1의 2차배기체 처리계통을 나타낸 도.

도 7은 도 6의 질소산화물제거기를 상세히 도시한 도.

도 8은 종래의 방사성폐기물 소각처리장치를 나타낸 전체 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유리공급기 2 : 잡고체 저장조

3 : 이온교환수지 저장조 4 : 저온용융로

4a,4b : 벽 4c : 배출구

4d : 투입구 5 : 냉각파이프

6 : 고온세라믹필터

7 : 고온헤파(HEPA; High Efficiency Particulate Air)필터

8 : 후단연소기 9 : 배기체냉각기

10 : 세정기 11 : 제1재열기

12 : HEPA/활성탄 필터 13 : 배기팬

14 : 제2재열기 15;질소산화물제거기

15a : 암모니아 저장탱크 15b : 라인 믹서

15c : 촉매 16;굴뚝

17 : 안전밸브 18 : 질소공급라인

19 : 수직스크류 20 : 수직튜브

21 : 전자저울 22 : 계량호퍼

23 : 상부챔버 24 : 하부챔버

25 : 산소공급관 26 : 버블러

27 : 인덕터 28 : 탈진설비

29 : 세라믹필터 29a : 저장탱크

30 : 분사노즐 31 : 습분제거기

32 : 충진재 33a,33b : HEPA필터

34 : 활성탄필터 35 : 폐기물공급수단

36 : 1차배기체 처리수단 37 : 2차배기체 처리수단

38 : 바이패스수단 39 : 굴뚝 배기체 감시기

40 : 방사성유출물 감시기

WI : 냉각수유입 WO : 냉각수배출

전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 방사성폐기물의 소각·용융처리장치는 방사성 폐기물과 유리를 공급하는 공급수단; 상기 공급수단으로부터 공급된 폐기물과 유리를 용융시키는 수냉각 고주파유도가열식 저온용융로; 상기 저온용융로에서 배출되는 제1배기체를 처리하는 제1배기체 처리수단; 및 상기 제1배기체 처리수단에서 배출되는 제2배기체를 처리하는 제2배기체 처리수단을 포함하여 이루어지되,

상기 제1배기체 처리수단은 상기 저온용융로에서 배출되는 상기 제1배기체의 온도를 낮추는 냉각파이프; 상기 냉각파이프를 통과한 제1배기체를 필터링하는 고온세라믹필터; 및 상기 고온세라믹필터를 통과한 제1배기체를 필터링하는 고온헤파(HEPA; High Efficiency Particulate Air)필터로 이루어지며,

상기 제2배기체 처리수단은 상기 고온헤파필터를 통과한 제1배기체 중 미연소된 유해가스를 완전 연소시키는 후단연소기; 상기 후단연소기에서 고온 가열된 제2배기체의 온도를 낮추는 제2배기체냉각기; 상기 냉각기를 통과한 제2배기체에 세정액을 혼합시키는 세정기; 상기 세정기를 통과한 제2배기체를 운전에 적당한 온도로 높이는 제1재열기; 상기 제1재열기를 통과한 제2배기체를 필터링하는 헤파/활성탄필터; 상기 헤파/활성탄필터를 통과한 제2배기체를 굴뚝으로 유도하고 전처리 계통 내를 부압으로 유지시키는 배기팬; 상기 배기팬을 통과한 제2배기체를 질소산화물제거기 내부의 촉매에 적당한 온도로 높이는 제2재열기; 상기 배기팬을 통과한 제2배기체의 질소산화물을 제거하는 질소산화물제거기; 및 상기 배기팬과 상기 제2재열기 사이에서 분기되어 상기 굴뚝에 연결되는 바이패스라인으로 이루어진다.

이 구성을 통하여, 세정폐액을 일반폐기물로 분류시키면서 외부로 배출되는 배기체의 질소산화물을 기준치 이하로 배출하여 환경친화적인 처리시스템을 추구할 수 있다.

전술한 구성에서, 상기 굴뚝에는 배기체감시기와 방사성유출물감시기가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 저온용융로는 상부챔버와 하부챔버로 구성되고, 상기 상부챔버에는 상기 공급수단과 연결된 투입구, 산소공급관, 배기체 배출구가 설치되고, 상기 하부챔버의 바닥에는 유리배출판과 냉각순환로가 형성된 산소공급용 버블러가 구현될 수 있다.

한편, 상기 공급수단은 상기 방사능 폐기물을 저장하는 저장호퍼; 상기 저장호퍼에서 공급되는 폐기물을 계량하는 계량수단; 상기 유리를 공급하는 유리공급기; 상기 계량수단호퍼에서 공급되는 폐기물과 상기 유리공급기에서 공급되는 유리를 상기 저온용융로의 투입구로 이송시키는 이송수단으로 구현하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 저장호퍼와 상기 계량수단 사이에는 안전밸브가 설치되고, 상기 이송수단에는 질소공급기가 설치되는 것이 바람직하다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하는데 종래와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 고안에 따른 방사성 폐기물 소각·용융처리장치를 나타낸 전체 공정도이고, 도 2는 도 1의 폐기물공급수단을 나타낸 도이고, 도 3은 도 1의 저온용융로와 1차배기체 처리계통을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 저온용융로를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 3의 버블러를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 1의 2차배기체 처리계통을 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 질소산화물제거기를 상세히 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 방사성폐기물의 소각·용융처리장치는 크게 폐기물과 유리 공급수단(35), 저온용융로(4), 제1배기체 처리수단(36) 및 제2배기체 처리수단(37)으로 구성되어 있다.

공급수단(35)은 도 2에 도시한 바와 같이, 유리공급기(1), 잡고체 저장조(2) 또는 이온교환수지 저장조(3), 이송수단으로 구성된다. 유리공급기(1)의 유리와, 잡고체 저장조(2) 또는 이온교환수지 저장조(3)의 잡고체, 이온교환수지를 저온용융로 내에 안정적으로 투입하며, 잡고체의 경우 부대장치로서 1단 및 2단 절단기로 구성된 잡고체 절단장치에 의해 가로-세로 평균 5㎜ 크기로 절단되어 저온용융로 내로 공급된다.

최종 처리된 유리고화체의 방사능 준위를 판단하기 위해서는 용융로 내로의 폐기물 투입양을 정확하게 계량할 필요가 있다. 이를 위하여 계량수단을 두는데, 이는 저장조(2)(3)로부터 이송된 잡고체나 이온교환수지의 무게를 측정하도록 계량호퍼(22) 하부에 무게측정소자(load cell)를 이용한 전자저울(21)을 설치하고, 미분적분비례 제어(PID control : Proportional Integral Differential control) 조절 시스템을 적용하여 폐기물의 투입량을 1% 오차이내로 정확하게 조절한다.

계통 내부는 방사성 물질을 다루는 특성상 오염확산을 방지하기 위하여 부압(negative pressure)으로 유지한다. 부압상태에서 운전 중 필터계통 등이 막혀 가열로 내부 부압이 급속히 올라가는 비상상황이 될 경우, 호퍼 내의 폐기물이 부압에 의해 용융로 내로 보다 많은 양이 투입될 수 있다. 반대로 부압을 유지하는 배기팬(13) 계통 등의 이상으로 용융로 내부가 양압으로 유지될 경우에는 내부 불길이 호퍼 내로 치솟아 폐기물을 태워버릴 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위하여 안전밸브(17)를 설치한다. 폐기물 저장조(2)(3)로부터 계량호퍼(22)로 폐기물 충전이 이루어질 때 열리고 그 외에는 차단함으로써 폐기물의 용융로 내로의 불필요한 투입 및 용융로 내 불길을 차단시켜 안전사고를 방지한다. 수직스크류(19) 상부의 질소공급라인(18)도 가열로 내의 불길이 역류하는 것을 막기 위한 장치이다.

계량호퍼(22)를 통과한 폐기물은 이송수단, 즉 수직튜브(20)에서 용융로 상부까지 뻗어있는 모터구동 수직스크류(19)에 의하여, 폐기물이 주변 벽면에 달라붙거나 뭉쳐서 떨어지지 않고 가열로 내부로 원활하게 투입된다. 특히, 두 개의 호퍼(2)(3)에서 다른 종류의 폐기물이 동시에 투입되더라도 막힘 없이 투입될 수 있다.

도 3에 도시한 저온용융로(4)와 이 후단에 설치된 1차배기체 처리수단(36)은 방사성 물질의 휘발을 막고 후단 계통 내 전이를 최소화하도록 저온용융로(4) 후단에 냉각파이프(5)와 고온세라믹필터(6) 및 고온헤파(HEPA)필터(7)를 배치하였다.

본 유리고화 공정에서 채택한 용융로는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 유도가열식 저온용융로 시스템으로, 상부챔버(23)와 하부챔버(24)로 나뉜다. 용융로 상부챔버(23)는 폐기물 투입공정과 직접 연결되어 폐기물 및 유리의 투입구(4d)이며, 폐기물의 연소에 필요한 산소를 공급할 수 있는 산소공급관(25) 및 배기체 배출구(4c)를 포함한다. 용융로 하부챔버(24)는 스텐레스강으로 만들어진 섹터(sector)를 여러 개 연결한 원통형으로 이루어져 있다. 각 섹터사이에는 절연체가 삽입되어있어 전기적으로 서로 분리되어있다. 유도가열식 저온로의 가열방식은 고주파 발생기로부터 용융로 주위를 감싸고 있는 인덕터(27)에 고주파 전류가 공급되며, 용융로 내부에 주입된 티타늄링이 유도 가열되어 유리를 용융점 이상으로 가열시킨다. 하부챔버(24)는 고주파가 효과적으로 용융로 내로 통과되도록 하여 유리를 가열하며, 유리를 녹이기에 적절한 주파수 범위는 200∼400kHz 이다. 용융방법으로는 고주파 유도가열식, 플라즈마, 전극봉 아크식 등 여러 가지가 응용될 수 있으나, 방사성핵종의 휘발을 최소화하고 안전하게 폐기물을 용융시키기 위하여 저온용융로 내에서 유도가열식이 바람직하다.

한편, 하부챔버(24)와 상부챔버(23)의 벽(4a)(4b) 내부에는 냉각수의 순환이 이루어진다. 벽(4a)에서는 냉각수가 4a'를 통하여 유입(WI)되고 4a''을 통하여 배출(WO)되는 냉각수 순환구조를 취하는 한편, 벽(4b)에서는4b'를 통하여 유입(WI)되고, 4b''를 통하여 배출(WO)된다.

용융로 하부 바닥은 내화시멘트로 되어 있으며, 역시 수냉각되는 유리 배출밸브(미도시)와 유리배출판(미도시)이 설치되어 있다.

본 실시예의 저온용융로(4)는 상·하부챔버(23)(24)가 수냉각되어 저온으로 유지되고, 용융로의 벽에 구성된 유리막(미도시)이 고온에 의한 부식의 방지막으로 작용하기 때문에 용융로(4)의 수명이 길다. 용융로의 냉각수는 폐기물 연소에 따른 산성가스가 표면에 응축되지 않도록 90∼110℃로 유지한다.

용융로(4) 내에서 폐기물이 좋은 연소상태가 되려면 높은 온도로 유지되며 산소와 충분히 접촉하여야 한다. 그러나, 용융로(4)가 수냉각식이며 수분을 함유한 이온교환수지 등의 폐기물 처리시 국부적으로 환원분위기가 되면서 불완전연소가될 수 있다. 이를 해소하고 또한 유리의 균질한 혼합을 위하여 하부바닥에는 버블러(26)가 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 버블러(26)는 고온에 견딜 수 있도록 냉각순환회로를 가지며 분사구멍을 통하여 산소 또는 공기를 용융로(4) 내에 공급한다. 이 산소 또는 공기의 공급을 통해, 용융유리가 균질하게 혼합되고 이에 더불어 연소를 촉진시킬 수 있다. 버블러(26)의 높이는 필요에 따라 조절이 가능하며, 공급유체도 폐기물의 종류나 처리조건에 따라 산소 또는 공기를 공급할 수 있다. 통상적으로는 버블러(26)의 분사구멍은 용탕유리 내에 위치하도록 한다.

방사능물질을 고온처리 할 경우, 방사성핵종은 직접적으로 방사성핵종 자체가 휘발되거나 가스형태로 용융로에서 유출될 수 있으며, 간접적으로는 미연탄소성분 등 입자에 섞여 빠져나갈 수 있다. 중저준위 방사성폐기물 내에 포함된 성분의 상당부분은 입자형태로 이동되며, 세슘(Cs) 등 비휘발성 핵종의 경우 휘발을 최소화 할 수 있도록 저온으로 운전하는 것이 중요하다. 따라서, 저온용융로(4)의 후단에 제1배기체 처리수단(36)이 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 일반 산업폐기물 처리공정과 달리 용융로 자체를 수냉각한 뒤 후단에 냉각파이프(5)를 두어 배기가스의 온도를 낮춤으로써 고온세라믹필터(6)에서 휘발 가능한 방사성 핵종을 포함한 입자의 포집효율을 최대한 높여, 후단의 배기가스 계통에 방사성 물질의 오염을 최소화 할 수 있도록 하였다.

냉각파이프(5)는 설치조건에 따라 수평 또는 수직연결이 가능하고 그 길이를 길거나 짧게 조절할 수 있다. 한편, 저온용융로(4)의 상부챔버(23)에 있어서, 그냉각능력을 향상시킴으로써, 냉각파이프 없이 저온용융로(4)와 고온세라믹필터(6)를 직결할 수도 있다.

고온세라믹필터(6)는 900℃의 고온에서 견딜 수 있는 재질이며, NOx, SOx, HCl 등과 같은 산성가스에 영향을 받지 않는 Al₂O₃, SiO₂성분으로 구성되어 배기가스의 온도변화를 충분히 수용할 수 있다. 또한 입자크기 1㎛의 입자에 대해 99.99%의 포집효율을 가지며 필터 표면에 부착된 분진은 2∼5 ㎏/㎠의 압축공기를 분사하여 하단부의 드럼(29a)으로 떨어내고, 응축방지를 위해 내부는 150∼200℃를 유지한다.

고온세라믹필터(6)는 그 차압이 배기체의 흐름에 영향을 줄 정도로 상승하였을 때를 대비하여 여러 개를 병렬로 연결한 상태에서, 차압 상승시 다른 고온세라믹필터(6)로 흐를 수 있도록 구현할 수 있다.

또한, 탈진설비(28)에 의해 생성된 압력파로 인하여 폐기물 투입율에 영향을 받을 경우 다중의 고온세라믹필터(6)를 설치하여, 한 개의 고온세라믹필터(6)를 탈진시킬 경우는 전단에 밸브를 닫아, 탈진설비(28)를 작동하지 않는 고온세라믹필터(6)로 흐르게 하여 영향을 제거할 수 있다.

고온세라믹필터(6)의 후단에는 고온헤파필터(7)가 설치되며 이는 350℃이하에서 사용하는 것이 바람직하다. 이 고온헤파필터(7)는 0.3㎛의 입자에 대해 99.97%의 포집효율을 구비하여 초미세 분진까지 포획하도록 하였다. 이러한 고려는 후단의 습식세정기로부터 배출되는 세정액의 방사능 준위를 극저준위 이하 즉, 일반폐기물로 만들어 용이한 처리를 할 수 있도록 하기 위함이다.

고온HEPA필터(7)도 고온세라믹필터(6)와 마찬가지로, 그 차압이 배기체의 흐름에 영향을 줄 정도로 상승하였을 때를 대비하여 여러 개를 병렬로 연결하여, 차압 상승시 다른 고온HEPA필터(7)로 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 고온HEPA필터(7)를 직렬로 연결하여 분진제거효율을 높일 수 있다.

폐기물 종류와 투입양에 따라 다르나 일반적으로 저온용융로(4)-냉각파이프(5)-고온세라믹필터(6) 각 계통의 운전시 온도범위는 다음과 같다. 용융로 용탕온도는 1100 ±50℃이며 용융로의 상부챔버(23)내에서 800℃전후, 냉각파이프(5)의 입구 400∼500℃, 출구에서는 200∼250℃의 범위를 갖는다.

도 6은 본 실시예의 2차배기체 처리수단(37)으로서, CO, SOx, NOx, CxHy, 다이옥신 등의 유해가스를 처리하는 공정이다. 용융로(4)에서 발생된 가스 중 미연소된 CO, VOC(휘발성유기화합물), CxHy 등은 후단연소기(8)에서 1100℃ 이상, 체류시간 2초 이상 유지시킴으로써, 고온산화분위기에서 완전 연소시킨다. 후단연소기(8)의 종류에는 가스식 및 전기식 등이 있으며 그 처리성능은 비슷하나 유지관리 및 설치경험이 많은 가스식으로 채택하는 것이 바람직하다. 가스식 후단연소기(8)의 내부는 내화캐스터블로 처리하며, 질소산화물의 발생을 억제하고 배기가스의 유량도 저감하기 위하여 산소/프로판 버너로 설치한다.

고온 가열된 배기체는 수냉자켓으로 만들어진 배기체 냉각기(9)를 통과하면서 500℃이하로 냉각된다. 이 냉각을 통해, 배기체의 온도구배가 완화하여 후단계통으로 나가는 배기체의 온도를 안정되게 유지시킬 수 있어, 고온에 의한 재료의 부식을 최소화시킬 수 있다. 배기체 냉각기(9)는 설치조건에 따라 수직 또는 수평으로 구현될 수 있다.

습식 세정기(10)는 분사형(jet) 및 충진형(packed) 세정기로 이루어져 있고, 배기가스를 거의 50℃ 정도로 낮춘다. 고온 고농도의 산성가스로 인한 부식을 고려하여 하스텔로이-씨(hastelloy-C) 소재로 제작하는 분사형세정기는 노즐(30)에 의해 고압으로 분사된 세정액과 배기체가 만나 서로 섞이면서, 배기체 중의 분진을 제거하고 용해성 가스를 흡수하는 역할을 한다. 충진형 세정기의 내부에는 꽃봉오리형의 충진재(32)가 채워져 있어 배기가스와 세정액이 효과적으로 접촉할 수 있다. 충진형 세정기의 상부에는 습분제거기(31)가 설치되어 기포(vapor)내의 미립자를 걸러주고 후단으로의 수분유입을 방지한다. 세정액의 pH는 NaOH를 주입하여 약 7∼10 범위에서 조절된다. NaOH는 HCl, SO₂, NO₂등 산성가스와 반응하여 NaCl, Na₂SO₄NaHSO₃, NaNO₃등의 형태로 축적되며, 세정폐액 건조기(evaporator)에서 건조염 형태로 배출된다.

헤파(HEPA)/활성탄 필터(12)는 3단으로 이루어져 있는데, 1, 3단에는 HEPA필터(33a)(33b), 2단에는 활성탄필터(34)가 설치되어 있다. HEPA필터(33a)(33b)는 0.3㎛ 이상의 입자에 대해 99.97% 이상의 제거효율을 보이며, 활성탄필터(34)의 경우 흡착성질을 이용하여 잔여핵종, 미세분진 및 다이옥신 등을 제거한다.

배기팬(13)은 계통 내를 부압으로 유지시키고 배기체를 굴뚝(16)까지 유도하는 역할을 한다. 본 공정에서는 배기팬(13)이 오동작하는 비상시를 대비하여, 다중성(redundancy)의 개념에 따라 배기팬(13)이 2대 설치되어 있다.

후단연소기(8)에서 고온 가열된 배기체를 그대로 굴뚝(16)을 통해 배출시키는 경우에는 배기체에 함유된 질소산화물이 기준치(200ppm)를 초과(예컨대, 1000 내지 1500ppm)하여 배출될 수 있다. 이 초과되는 질소산화물은 대기오염의 주원인이 된다. 이를 해소하기 위하여, 질소산화물제거기(15)가 제2재열기(14) 후단에 설치되는 것이 바람직하다. 질소산화물제거기(15)는 선택적 촉매환원방법으로 촉매하에서 암모니아 환원제를 사용하여 NOx를 질소와 물성분으로 환원시키는 장치이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 질소산화물제거기(15)는 암모니아 저장탱크(15a)에 연결된 암모니아 주입관, 암모니아 주입관이 설치되며 암모니아와 배기가스를 혼합하는 라인 믹서(line mixer)(15b) 및 TiO₂, WO₃, V₂O₅를 주성분으로 하는 벌집형 세라믹 촉매(15c)로 구성되어 있다. 질소산화물 제거계통 내부는 촉매온도를 250∼405℃로 유지시키는 것이 바람직하다. 그러나, 250℃이하의 촉매온도에서 암모니아가 주입될 경우 가스중의 SOx와 반응하여 (NH₄)₂SO₄등의 암모늄염이 생성되어 촉매의 성능을 급속히 저하시킬 수 있으므로 촉매온도가 낮거나 배기가스가 바이패스라인(38)을 통해 우회(bypass)되는 경우에는 주입되지 않도록 한다.

제1재열기(11) 또는 제2재열기(14)는 HEPA/활성탄 필터(12) 또는 질소산화물제거기(15)로 배기가스가 유입되기 전에 운전온도에 맞도록 가스의 온도를 높이는 역할을 한다.

굴뚝(16)은 배기체의 최종 배출구이며 굴뚝배기체감시기(39)와 방사성유출물감시기(40)가 설치되어, 배기체 내의 각종 오염물질 농도가 상기의 처리공정을 통과하면서 최종배출시 배출허용기준을 만족시키는지를 모니터링하는 역할을 한다.

이하, 본 실시예에 따른 방사성폐기물의 소각·용융처리공정에 대하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 방사성폐기물의 소각·용융처리공정은 크게 (a) 방사성 폐기물과 유리를 공급하는 단계; (b) 단계(a)에서 공급된 폐기물과 유리를 용융시키는 단계; (c) 단계(b)에서 배출되는 제1배기체를 처리하는 단계; 및 (d) 단계(c)에서 배출되는 제2배기체를 처리하는 단계로 이루어진다.

전술한 공정에서, 공급단계(a)에서는 유리공급기(1)를 통해 유리를 공급하는 단계, 저장호퍼(2)(3)와 계량호퍼(22)를 통해 잡고체나 이온교환수지를 공급하는 단계, 이들을 저온용융로(4)로 이송시키는 이송단계로 구성되어 있다.

제1배기체 처리단계(c)는 단계(b)에서 배출되는 제1배기체의 온도를 냉각파이프(5)를 통과시켜 낮추는 단계(단계e), 단계(e)를 통과한 제1배기체를 고온세라믹필터(6)를 통과시켜 분진 등을 필터링하는 단계(단계f), 및 단계(f)를 통과한 제1배기체를 고온헤파필터(7)를 통과시켜 초미세 분진까지 필터링하는 단계(단계g)로 이루어진다.

한편, 제2배기체 처리단계(d)는 단계(g)를 통과한 제1배기체 중 미연소된 유해가스를 후단연소기(8)를 통해 고온 가열하여 완전 연소시키는 단계(단계h), 단계(h)에서 고온 가열된 제2배기체의 온도를 배기체 냉각기(9)를 통과시켜 낮추는단계(단계i), 단계(i)를 통과한 제2배기체에 세정기(10)를 통해 세정액을 혼합시키는 단계(단계j), 단계(i)를 통과한 제2배기체를 제1재열기(11)에 통과시켜 운전에 적당한 온도로 높이는 단계(단계k), 단계(k)를 통과한 제2배기체를 헤파/활성탄필터(12)를 통과시켜 필터링하는 단계(단계l), 단계(l)를 통과한 제2배기체를 배기팬(13)을 통해 굴뚝으로 유도하고 전처리 계통 내를 부압으로 유지시키는 단계(단계m), 단계(m)를 통과한 제2배기체를 제2재열기(14)에 통과시켜 운전에 적당한 온도로 재차 높이는 단계(단계n), 단계(n)를 통과한 제2배기체가 질소산화물제거기(15)를 통과하여 잔류 질소산화물을 제거하는 단계(단계o), 단계(o)에서 촉매온도가 낮은 경우 단계(h)를 통과한 제2배기체를 굴뚝(16)으로 바이패스시키는 단계(단계p)로 이루어진다.

또한, 굴뚝(16)을 통과하는 배기체를 배기체감시기(39)와 방사성유출물 감시기(40)에 의해 감시하는 단계를 더 구현시킬 수 있다.

각 단계에서의 효과는 전술한 방사성폐기물의 소각·용융처리장치에서 설명한 바와 같다.

본 고안에 따른 방사성폐기물의 소각·용융처리장치 및 공정은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 고안의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상과 같이 살펴본 본 고안의 방사성폐기물의 소각·용융처리장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 제1차배기체 처리수단에서 고온세라믹필터(6)의 후단에 고온헤파필터(7)가 더 설치됨으로써 제2차배기체 처리수단의 세정기의 세정폐액을 극저준위 이하의 일반폐기물로 분류시킬 수 있어 처리가 용이할 수 있다.

둘째, 제2차배기체 처리수단에서 질소산화물제거기(15)가 더 설치됨으로써, 후단연소기(8)를 통과한 고온 가열된 배기체의 질소산화물을 기준치 이하로 줄임으로써, 대기오염을 방지할 수 있다.

셋째, 저온용융로에 산소공급관(25)과 버블러(25)가 설치되어, 폐기물 종류에 따라 적정한 산소 또는 공기를 공급하여 폐기물이 산화에 의한 완전 연소를 유도할 수 있다.

넷째, 폐기물과 유리의 이송이 스크류 방식으로 이루어져 폐기물을 저온용융로에 원활히 공급할 수 있다.

다섯째, 폐기물 공급수단에 안전밸브가 더 설치됨으로써, 용융로 내부가 양압으로 유지될 경우 내부 불길이 저장호퍼 내로 치솟아 폐기물을 태워버릴 수 있는 상황을 방지할 수 있다.

여섯째, 수직스크류(19) 상부에 질소공급라인(18)이 설치되어, 가열로 내의 불길이 역류하는 것을 막을 수 있다.

일곱째, 굴뚝(16)에 배기체감시기(39)와 방사성유출물감시기(40)가 설치되어, 배기체 내의 각종 오염물질 농도가 전처리공정을 통과하면서 최종배출시 배출허용기준을 만족시키는지를 모니터링할 수 있다.

Claims (6)

1. 방사성 폐기물과 유리를 공급하는 공급수단;

   상기 공급수단으로부터 공급된 폐기물과 유리를 용융시키는 수냉각 고주파유도가열식 저온용융로;

   상기 저온용융로에서 배출되는 제1배기체를 처리하는 제1배기체 처리수단; 및

   상기 제1배기체 처리수단에서 배출되는 제2배기체를 처리하는 제2배기체 처리수단을 포함하여 이루어지되,

   상기 제1배기체 처리수단은

   상기 저온용융로에서 배출되는 상기 제1배기체의 온도를 낮추는 냉각파이프;

   상기 냉각파이프를 통과한 제1배기체를 필터링하는 고온세라믹필터; 및

   상기 고온세라믹필터를 통과한 제1배기체를 필터링하는 고온헤파(HEPA; High Efficiency Particulate Air)필터로 이루어지며,

   상기 제2배기체 처리수단은

   상기 고온헤파필터를 통과한 제1배기체 중 미연소된 유해가스를 완전 연소시키는 후단연소기;

   상기 후단연소기에서 고온 가열된 제2배기체의 온도를 낮추는 제2배기체냉각기;

   상기 냉각기를 통과한 제2배기체에 세정액을 혼합시키는 세정기;

   상기 세정기를 통과한 제2배기체를 운전에 적당한 온도로 높이는 제1재열기;

   상기 제1재열기를 통과한 제2배기체를 필터링하는 헤파/활성탄필터;

   상기 헤파/활성탄필터를 통과한 제2배기체를 굴뚝으로 유도하고 전처리 계통 내를 부압으로 유지시키는 배기팬;

   상기 배기팬을 통과한 제2배기체를 운전에 적당한 온도로 높이는 제2재열기;

   상기 배기팬을 통과한 제2배기체의 질소산화물을 제거하는 질소산화물제거기; 및

   상기 배기팬과 상기 제2재열기 사이에서 분기되어 상기 굴뚝에 연결되는 바이패스라인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 굴뚝에는 배기체감시기와 방사성유출물감시기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 저온용융로는 상부챔버와 하부챔버로 구성되고,

   상기 상부챔버에는 상기 공급수단과 연결된 투입구, 산소공급관, 배기체 배출구가 설치되고,

   상기 하부챔버의 바닥에는 유리배출판과 냉각순환로가 형성된 산소공급용 버블러가 설치된 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 공급수단은 상기 방사능 폐기물을 저장하는 저장호퍼; 상기 저장호퍼에서 공급되는 폐기물을 계량하는 계량수단; 상기 유리를 공급하는 유리공급기; 상기 계량수단호퍼에서 공급되는 폐기물과 상기 유리공급기에서 공급되는 유리를 상기 저온용융로의 투입구로 이송시키는 이송수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 저장호퍼와 상기 계량수단 사이에 안전밸브가 더 설치된 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 이송수단에 질소공급기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 방사성폐기물의 소각·용융처리장치.