KR20040102073A - 두 가지 가열수단을 사용하는 유리화 소각로 및 유리화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 플라스마 제트가 고주파 연속 직접 유도 용융 장치(4)와 결합되는 폐기물 소각 및 유리화의 방법에 관한 것이다. 도가니는 내부채널을 순환하는 액체로 냉각되는 연속적인 외피(1)와 노상(爐床)(2)으로 이루어진다. 유도기는 상기 노상 밑에 위치한다. 중력 배출 밸브가 바닥 또는 옆면에 위치한다.

Description

두 가지 가열수단을 사용하는 유리화 소각로 및 유리화 방법{Vitrification furnace and method with dual heating means}
독성이 화학적이거나(중금속을 포함) 방사능적인 다양한 가연성 폐기물의 유독 부분을 유리질, 유리 세라믹 또는 결정질 메트릭스 내에 고정화하는 것에 관하여 다년간 수많은 연구가 수행되어 왔다. 상기 방법은 흔히 폐기물의 안정화, 시험되고 내구성이 있는 감금 메트릭스의 생성, 초기 폐기물 부피의 감소 등과 같은 몇 가지 장점이 있다.
단일, 단순 유닛에서 소각과 유리화를 모두 수행할 수 있으면서 소량의 2차 폐기물만을 남기는 산업 공정을 개발하는 연구는 경제적으로 명백히 유리하다.
몇 가지 방법이 연구실에서 및 산업적 규모로 탐구되었다. 중요하게는, 열플라스마의 사용, 침지 또는 비침지 전극을 사용하는 다양한 방법, 직접 유도에 의한 용융이 고려되었다.
플라스마 처리를 하는 몇 가지 방법이 개발되었지만 산업적 응용을 어렵게 하는 단점이 있었다. 도가니는 내화 물질로 만들어지며, 용융 유리와 접촉하고 있을 때(복잡한 고활성 중간체 내에서 부식에 의해)와 격렬한 플라스마 방사 하에 있을 때 급속히 마모된다. 또한 내화 소재로 된 라이닝을 보호하도록 이러한 플라스마 소각로 내에서의 가연성 폐기물의 처리용량은 제한된다.
가장 빈번히 사용되는 플라스마 생성 가스(plasmagenic gas)는 질소와 공기이다. 전자의 경우에, 생성된 플라스마는 열원으로만 사용되고 연소 요소로는 사용되지 않아서, 유기분자의 단순 크래킹을 유도한다. 이것은 미연소 물질, 그을음 및 먼지, 그리고 종종 산화질소를 다량 포함하는 연무의 화학적 조성과 처리를 매우 복잡하게 만든다. 플라스마 생성 가스로 공기를 사용하면 부분적으로 상기한 단점을 해결하지만, 가스의 80%가 쓸모없이 가열됨으로써 결국 가스 처리 유닛의 크기가 너무 커지게 된다.
저온 도가니를 사용하는 플라스마 융합 제조는 내화물의 문제를 극복하기 위해 시험되어 왔다. 도가니를 만드는 재료로 구리가 제안되어 왔지만, 이 역시, 특히 질소 중간체에서 부식에 민감한 단점을 가지고 있어서, 불활성인 스테인레스 스틸이 구리보다 선호된다. 그러나, 도가니 내의 용융물에서 벽으로 일어나는 열전달은 항상 용융을 어렵게 만들고, 이것은 충분히 많은 용액을 만들고 도가니를 비우는 것을 더 어렵게 만든다.
적어도 부분적으로 전자기장에 투명한(transparent) 금속 도가니 내에서 용융시키기 위한 고주파 직접 유도 기술 또한 알려져 있다. 이 기술로 충분히 큰 유리 용액의 용융과 제조 및 주조가 조절된다. 고순도 유리 및 에나멜의 제조, 고활성 방사성 폐기물의 유리화를 포함하는 출원이 알려져 있다. 프랑스 특허출원 FR 91 02596호 및 FR 96 09382호에 관련 내용이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은 그 위로 가연성 요소가 발사되는 감금 메트릭스(confinement matrix)의 용융에 적용되는 경우 단점이 있다. 특히, 처리될 폐기물과 용융된 소재 사이에 강력한 화학적 상호작용이 있어서, 용융된 소재의 조성과 균일성에 중대한 변화를 가져온다. 예를 들면, 폐기물이 탄소 또는 수소 또는 황을 포함하는 경우, 공기 또는 산소를 불어주는 수단을 용액 내에 또는 용액 상에 사용하더라도, 산화물계 소재(유리)가 금속상으로까지 환원되는 것은 실질적으로 불가피하다. 이 결과는 회(ash) 감금 메트릭스 및 공정의 정확한 전자기 운전에 필요한 성질을 변경한다. 표면 연소에 관하여, 처리되는 폐기물의 열량에 따라, 용융 소재의 표면층의 온도(따라서 용융)가 항상 보장되는 것은 아니고, 고체로 잔존하는 소재의 축적과 관련하여 냉각이 일어날 수도 있다. 유리에서처럼, 용융소재가 저온에서 전기전도성이 아닌 경우, 저온 도가니 내에서 직접 유도 용융 공정을 시작할 때 특별한 공정(susceptor, metallothermy 등)이 항상 필요함을 주의하여야 한다.
본 발명은 두 가지 가열수단을 사용하는 유리화 소각로 및 유리화 방법에 관한 것이며, 저온 금속 유닛에서 소각 및 유리화에 의한 다양한 폐기물의 처리에 관한 것이다. 상기 유리화 방법의 기능은 가연성 물질을 완전히 소각하고, 처리된 산출물의 미네랄 부분을 고온에서 용융하여 생성된 메트릭스 내에 가두는 것이다. 얻어지는 폐기물은 그 원자구조 내에 갇히게 될 유독 원소를 함유하는 유리(또는 유리-세라믹 체)이다.
본 발명의 목적은 동일한 장치에서 연소와 유리화 기능을 분리할 수 있는 하이브리드 공정을 제공함으로써 이러한 모든 단점들을 극복하는 것이다. 산화 분위기의 조절이 병행되는 연소 작용이 용융소재 표면상의 산소 플라스마에 의해 달성되는 한편, 용융 작용은 주로 용융 소재 내에서 직접 유도 가열에 의해 이루어진다. 상기 두 작용은 공정 내에서 상보적으로 된다. 플라스마는 용융을 시작하고 표면에서의 완전연소, 산화 분위기의 조절, 용량의 증대, 및 표면에서 폐기물이 축적되지 않도록 하기 위하여 사용되는 한편, 직접 유도는 저온 구조물 내에서 소재의 균일한 용융을 제공하고 동시에 주조를 가능하게 한다. 표면 온도가 온화해야만 하거나 (휘발성 요소의 재활용) 공급된 제품이 연소를 필요로 하지 않는다면, 유도 가열 단독으로 특정 조작 단계에서 사용될 수 있다.
본 발명은 가연성 또는 미네랄 폐기물의 연소-유리화를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로 이하 소각로로 칭한다. 상기 소각로는 두 개의 가열 모드가 결합하여 또는 분리되어 사용되는 점에 특징이 있다. 제1 가열 모드는 산소의 열 플라스마이다. 상기 플라스마 생성 수단은 순환 유체로 냉각되는 도가니 내에 위치하는 용융 소재의 표면 위에 있다. 상기 열 플라스마는 고주파 토치(high frequency torch), 블로운 아크 토치(blown arc torch), 또는 전이 아크 토치(transferred arc torch)에 의해 생성될 수 있다. 하기하는 바람직한 구현예에서 상기 플라스마는 용융 소재 표면의 전부 또는 일부를 커버하는 움직이는 두 개의 오버헤드 토치 사이에서 생성된 아크 플라스마(arc plasma)이다.
제2 가열 모드는 도가니에 담겨진 소재를 직접 유도로 가열하는 데 쓰이는 유도기(inductor)를 사용한다. 상기 도가니는 외피(external shell)와 밑판(sole plate)으로 구성되고, 모두 순환유체에 의해 냉각된다. 도가니의 두 부분 중 적어도 하나는 그 안에 담겨진 용융 소재 내에 유도 전류가 형성될 수 있도록 전자기 방사에 투명(transparent)해야 한다(다시 말해 전기전도성 소재로 만들어진 경우 섹터화되어야 한다). 상기 유도기는 외피의 바깥면에 나선권취(helical winding)될 수도 있고 밑판 아래에 편평권취(flat winding)될 수도 있다.
상기 유도기는 밑판 아래에 위치하고 상기 도가니는 섹터화되지 않은 외피를 포함한다. 이것은 표면에서의 연소 중에 전도 먼지(conducting dust)가 형성되어 분리된 섹터 사이에 단락을 형성할 수 있다는 사실(상기 섹터를 손상시킬 수 있는 현상), 또는 미용해 염(undissolved salts) 층이 형성되어 전자기장의 형태를 교란할 수도 있다는 사실에 의해 정당화될 수 있다. 더욱이, 밑판 아래에서의 유도는 도가니 바닥의 가열을 용이하게 하는 반면, 측벽에서의 유도는 유리 용액의 표면의 가열을 더 용이하게 한다. 본 발명의 경우는 바닥의 가열이 이상적인데, 플라스마가 유리 표면을 가열하기 때문이다. 상기 밑판은 섹터화된 금속일 수 있지만, 바람직한 구현예에서는 전기적으로 절연 소재이면서 좋은 열 전도체인 소재로 만들어졌기 때문에 섹터화되지 않는다. 이러한 유형의 내화소재의 마모는 이 경우 덜 심한데, 용액 아래의 밑판의 표면이 플라스마와 부식성 가스 및 먼지에 의한 공격(aggression)에 노출되지 않기 때문이다. 섹터화(sectorisation)와는 반대로, 구조적 연속성은 명백히 유리한데, 이는 매우 만들기 쉽고 우수한 내마모성을 갖는 유리 성질을 갖는 균일한 용융 소재를 가져오기 때문으로 섹터 사이에 이음매가 없는 데 부분적으로 기인한다.
소각로 내의 산화 분위기는 주로 용융 액체 내의 금속상의 형성을 회피하게하고, 유기 소재의 완전 연소로 균일한 유리질 용융 소재를 생성할 수 있으며, 여기서 후속 처리는 더 간단해진다.
선행기술에 속하는 미국 특허 제5,750,822호 역시 측벽을 감는 유도 코일과 플라스마 토치에 의한 두 개의 가열 수단을 기재하고 있다. 본 발명과는 달리, 상기 두 개의 가열 수단은 용융 액체 내에서 상이한 성질(금속성 및 유리질)을 갖는 두 상(相)의 생성과 분리를 촉진하기 위해 사용되는데, 상기 두 상은 플라스마는 유리상에 할당되고 유도(induction)는 금속상에 할당되는 두 개로 분리된 수단에 의해 가열 및 용융된다.
이미 언급된 프랑스 특허 96 09382호는 유일한 가열 수단으로 사용되고 유리화 소각로의 밑판 아래에 위치한 유도기(inductor)를 기재하고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 두 가열 수단의 결합과 산소 플라스마(다른 형태로 도입되는 산소는 불충분함이 입증되었다)의 사용은 용융 액체의 단일한 비 금속성 상과, 단일상에 적당한 매우 균일한 가열을 가져올 수 있다.
이제 예시적이고도 비한정적인 목적으로 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명이 기술될 것이며 본 발명의 바람직한 구현예를 나타낸다.
본 발명에 따른 소각로는 여섯 개의 주요 부분, 즉 외피(shell)(1), 밑판(sole plate)(2), 왕관부(crown)(3), 유도기(inductor)(4), 캐소드 플라스마 토치(cathode plasma torch)(5), 애노드 플라스마 토치(anode plasma torch)(6), 및 배출밸브(drain valve)(7)를 포함한다.
저온 도가니(cold crucible)는 외피(1), 밑판(2), 및 왕관부(3)으로 구성된다. 상기 외피(1)는 냉각된 금속으로 만들어진 수직 외피이고 냉각된 수평 밑판(2)의 위에 위치한다. 상기 외피(1)는, 활주할 수 있고 냉각된 배출밸브(7)로 바닥 부근에서 차단되는 배출 오리피스(8)를 포함한다. 한가지 변형으로, 상기 배출 오리피스(8)는 밑판(2) 상에 위치할 수 있다. 외피(1)도 밑판(2)도 섹터화되지 않아서 이들이 전 외주를 따라 연결되어 있고, 밑판(2)이 전기 절연재로 만들어져 있고, 외피(1)가 금속성이다. 금속성이고 섹터화되어 자기장에 투명한(transparent) 밑판(2)도 역시 사용될 수 있다.
도가니의 상부는 캐소드 플라스마 토치(5)가 애노드 플라스마 토치(6)와 짝을 이뤄 부설되는 왕관부(3), 용융될 물질이 공급되면서 통과할 오리피스(9), 및 처리될 폐기물이 지나는 오리피스(10)에 의해 형성된다. 연소 가스는 저온 도가니(1)의 상부 근처의 오리피스(11)를 통해 후속 처리 공정으로 보내어진다. 한가지 변형으로, 상기 오리피스(11)는 왕관부(3) 상에 위치할 수 있다.
도가니의 내부 금속면은 얇은 세라믹 타입 층으로 코팅될 수 있다.
본 구현예에서, 상기 유도기(4)는 밑판의 하부에 위치하고 적어도 하나의 편평 권취체를 포함한다.
기재된 구현예에서, 상기 도가니, 특히 외피(1)와 밑판(2)은 중앙 유도기(4)에 따라 원형이지만, 특히 타원과 같이 다른 모양을 가질 수도 있다. 본 특정 구현예에서, 상기 유도기(4)는 반드시 플라스마 토치(5) 및 (6)의 바로 아래에 위치할 필요는 없고, 측면으로 벌어져 소각로 내의 두 지역에 우선 순위를 부여하여, 하나는 플라스마 토치로 인한 산화 분위기로 더 뜨겁고, 다른 하나는 더욱 온화한 온도, 예를 들면 휘발성 요소의 연속 재생에 더욱 적당한 온도를 갖게할 수 있다.
여기에 기재된 바람직한 구현예에서, 쌍을 이룬 플라스마 토치를 갖는 시스템을 이용하여 플라스마가 생성된다. 상기 플라스마는 단일 전이 아크 타입 또는 블로운 아크 타입 시스템과 같은 단일 토치 시스템으로도 생성될 수 있다.
상기 플라스마 토치((5) 및 (6))는 쌍을 이루어, 적절하게 전기적으로 분극되어 하나는 애노드로 다른 하나는 캐소드로 조작되도록 설계된다. 양자는 모두 저온 금속 전극으로 구성되는데, 이것은 전극이 산화되는 것을 막는 플라스마 생성 가스원이 채용된 제1 내부 슬리브와, 플라스마 생성 클래딩(cladding) 가스가 채용된 제2 외부 슬리브에 의해 둘러싸여 있다. 이 경우, 플라스마 생성 클래딩 가스는 산소이다. 토치는 볼 조인트((12) 및 (13)) 상에 설치되며, 볼 조인트는 왕관부(3)의 벽을 통하여 설치됨으로써 상기 토치는 도가니 내에서 자유롭게 움직이고 토치의 거리가 조절될 수 있도록 한다. 수직으로(또는 거의 수직으로) 활주하게 하여 용융 소재의 표면에 가깝게 또는 표면으로부터 멀게 이동시킴으로써 플라스마 토치((5) 및 (6))의 도가니 내 깊이를 조절하기 위해, 예를 들면 조절 나사와 같이 어떤 기계적 장치라도 사용될 수 있다. 명백히, 플라스마 토치((5) 및 (6))의 이러한 가능한 움직임은 중간 아크(intermediate arc)의 모양과 위치를 조절하는 수단을 유리하게 제공할 수 있다.
전기 아크는 두 토치((5) 및 (6)) 사이의 고전압, 고주파 방전에 의해 개시된다. 그 후 경로 (15)를 따라 용융 소재를 통과하여 또는 경로 (14)를 따라 단순히 공기 중에서 순환함으로써 유지될 수 있다. 이러한 조작 모드의 하나를 정하는데 사용될 수 있는 것은 토치((5) 및 (6))의 서로에 대한 상대적인 기하학적 위치, 아크의 전기적 파라미터와 플라스마 생성 가스의 흐름이다. 만일 아크 전류가 용융 소재를 통하여 흐르면, 용융에 크게 기여하게 되지만, 공기를 통하여 흐르면, 플라스마는 화학적 작용으로만 사용될 뿐이다.
장치가 운전되기 시작하면, 토치((5) 및 (6))는 용융을 시작할 수 있을 정도로 도가니에 담겨진 물질에 충분히 가까이 이동한다. 소량의 물질이 녹아서 전도성이 생기는 즉시, 용액이 더 빨리 전개되도록 아크 전류가 용융 용액을 통과하게 하기 위해 파라미터를 수정한다. 형성된 용액의 크기에 따라 가능한 경우, 고주파 전류가 유도기(4)에 가해지고, 직접 유도에 의한 소재의 용융이 대신 사용될 수 있다.
그런 후 두 가지 가열 모드가 응용에 따라 동시에 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 유리질 메트릭스의 정제 단계 동안 예를 들면 주조하기 전에, 용액 위의 대기가 덜 산화성이어야 하는 단계가 있는 것처럼 플라스마가 불필요할 수도 있다. 두 개의 가열 모드를 연속적으로 사용함으로써, 감금하려는 요소의 휘발성을 증가시킬 수 있는 산화환원 포텐셜을 부과하는 금속상의 형성을 방지하려고 한다.
이제 본 발명의 바람직한 구현예에 의해 제공되는 장점을 기술한다.
- 용융될 소재의 상태와 무관하게 아크 플라스마로 시작 (전기적으로 전도성이든 아니든),
- 용융 소재 내에 잠긴 집진 반대 전극(counter-electrode)이 없음 (공해 및 잠긴 소모성 소재가 없음),
- 아크 모드의 다양한 가능성에 기인하는 조업 유연성 (공기 내에서 완전히 이루어질 수도 있고 소재 내에서 부분적으로 흐를 수도 있음),
- 단순 플라스마 칼럼(simple plasma column)보다 연소에 더욱 적절한 아크 플라스마(캐소드 젯 및 애노드 젯)의 배열; 더 큰 플라스마 부피, 더 큰 방사,
- 저온 구조물 내에 담겨지고 플라스마에 의해서만 가열되는 유리 용액의 표면에서 유기 물질의 연소-유리화에의 응용은 벽으로의 열손실 때문에 도가니의 지름이 작도록 제한된다. 또 하나의 가열 수단을 부가함으로써, 본 발명은, 산소 플라스마의 장점(우수한 연소)을 유지하고 휘발의 부정적 영향을 제한(플라스마는 조업을 개시한 이후에는 용융 목적으로는 사용되지 않고, 소각 목적으로 단순히 사용됨)하면서, 완전히 저온 구조물로 만들어지고 용융 소재의 매우 큰 용액을 형성하는 수단을 제공한다,
- 상기와 동일한 이유로, 소재의 불균일한 용융 및 저온벽 도가니를 비우는 문제가 해결됨,
- 용융 소재의 표면에서 산소 플라스마의 적용은 이 소재와 처리되는 폐기물 요소 사이의 상호작용(산화-환원, 포섭 등)을 제한하거나 제거하기까지 한다,
- 본 공정의 두 기능의 개별 제어는 전에 볼 수 없었던 조업 유연성을 제공함으로써 각 가열수단의 파라미터의 조절에 의해 혼합 연소-유리화 사이클 또는 유리화 사이클이 생각될 수 있다(폐기물의 상이한 성질에의 적용, 휘발체의 재활용 등),
- "플라스마에 의한 소각 - 유도(induction)에 의한 가열" 결합은 관련 수단(메탈로써미(metallothermy), 서셉션(susception) 등)을 사용할 필요 없이 저온 유리 도가니에서 시작되는 유리 용융을 얻는 해결책을 제공한다,
간단한 실시예로서, 본 발명의 실험적 응용을 간단히 기술한다: 네펠린(nepheline)족(SiO2, Na2O, Al2O3) 내의 유리 상에서 방사성 원소에 의해 오염된 이온교환수지(ion exchanger resin: IER)의 연소-유리화. 처리된 IER은 물을 50 중량% 함유하고, 산성 앰버라이트(amberlite) IRN77과 염기성인 IRN78의 동량 혼합물(질량 조성 C=69%, G=7%, O=14%, N=3%)이다. 실험에서 장치는 회분식으로 운전되었다. 소결된 유리 50kg으로 채워진 지름 60 cm의 도가니를 마련하여 약 25 kW의 플라스마 전원과 50 kW의 유도 전기 전원의 명목 조건하에서 운전하였다. 상기한 조건에서 처리되는 평균 폐기물 흐름은 공급 단계 동안 약 10 kg/시간이었는데, 표면에서 폐기물의 축적이 없이 즉시 폐기물이 혼입되었다. 조업 시간 및 용량에 관한 이 값들은 실험 장치의 최대 한계를 나타내는 것은 아니다. 수지의 완전연소는 20% 과량의 산소에서 얻어졌다.
소각로 내에서 불투명한 연무의 불발생이 주목되었고, 일산화탄소가 극소량 생성되었으며 그을음은 발생하지 않았다. 얻어진 유리는 환원되지 않았고 폐기물 내에 포함된 실질적으로 모든 미네랄 요소를 포함하고 있었다.
이러한 형태의 공정은 간결하고 폐기물을 처리하는 단계를 단순화하여, 장치의 수와 크기를 줄이고, 가연성 방사성 폐기물의 처리 분야에 많이 응용될 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 B형 폐기물(셀룰로오스, 플라스틱, IER, 슬러지, 역청, 그라파이트 등)을 처리할 수 있다는 의심의 여지가 없는 장점이 있는데, 이것은 이와 같이 사용되는 가열 모드의 상보적인 성질 및 생성되는 2차 폐기물의 적은 양에 의해 제공되는 유연성에 기인한다.
추가적으로, 특수한 산업 폐기물에의 응용도 생각될 수 있다.

Claims (10)

  1. 도가니(1, 2, 3)와;
    상기 도가니의 상부에 있는 적어도 하나의 플라스마 토치(5)와 도가니의 외부에 있는 적어도 하나의 권취 유도기(4)를 포함하고 상기 권취 유도기가 도가니의 하부에 위치한 것을 특징으로 하는 가열 수단
    을 포함하는 유리화 소각로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니가
    내화 소재로 된 밑판(2),
    상기 밑판(2)에 수직으로 위치하고 외주를 따라 연속적인 구조를 가지며 금속 소재로 만들어진 외피(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리화 소각로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가열수단은 제2 플라스마 토치를 포함하고, 상기 플라스마 토치들은 전기적으로 분극되어 토치 사이에 아크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 유리화 소각로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 토치가 도가니 내에서 움직일 수 있게 한 것을 특징으로 하는 유리화 소각로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 토치가 수직으로 자유롭게 활주할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 유리화 소각로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 토치가 상기 권취 유도기로부터 측면으로 벌어지는 것을 특징으로 하는 유리화 소각로.
  7. 플라스마가 소각로 내를 산화 분위기로 만드는 산소 플라스마인 것을 특징으로 하는, 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 따른 소각로를 사용하는 유리화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 산화 분위기가 소각로 부하물 중 금속상(metallic phase)의 형성을 방지하는 것을 특징으로 하는 유리화 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 토치에 의해서만 가열되는 개시 단계와 토치와 권취 유도기에 의해 동시 가열되어 연속 조업하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리화 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 제 5 항에 따른 소각로를 사용하고, 연속 조업 단계 동안 상기 토치가 상기 소각로의 내용물에 가까이 이동해 있는 것을 특징으로 하는 유리화 방법.
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