KR20070046579A - 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치 - Google Patents

원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 원자력 발전소 증기 발생기의 화학세정시 발생되는 EDTA와 같은 킬레이트 물질을 함유한 농축 또는 비농축 폐액의 액상 폐기물이나 유독성 폐기물을 플라즈마를 이용하여 고온 소각처리함으로써 안전하고, 효과적으로 처리할 수 있으며, 제트 노즐을 이용해 화학세정폐액을 고온의 플라즈마 제트 중앙에서 미세하게 분사하며, 고온 플라즈마 제트를 효과적으로 이용하기 위한 1, 2차 연소로가 통합적으로 구현되어 짧은 반응 구간에서 폐액을 연소ㆍ분해시킴으로써 화학세정폐액 분무효율 개선 및 플라즈마 반응로의 간소화를 할 수 있으며, 플라즈마 열원을 효율적으로 이용할 수 있는 폐액 분사장치와 플라즈마 반응로의 구조적 개선을 통해 소형의 화학세정폐액 처리장치를 구성함으로써 국내 국민정서에 부합하기 힘든 방사성 액상폐기물용 중ㆍ대형 액상폐기물 플라즈마 소각시설을 대처할 수 있는, 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치에 관한 것으로서,
작동기체 공급장치로부터 공급되는 기체를 플라즈마로서 토출하는 비이송식 플라즈마 토치와, 처리해야 할 폐액이 담겨져 있는 폐액저장조와 펌프, 유량계 등으로 이루어진 액상폐기물 공급장치와, 상기한 플라즈마 토치로부터 토출되는 고온의 플라즈마에 상기한 액상 페기물 공급장치로부터 공급되는 액상 폐기물을 분사하는 제트 노즐과, 1차 연소를 위한 3개의 원형 반응로와 2차 연소를 위한 회전반응로로 구성되는 통합 반응로와, 처리 후 발생된 금속 슬러지를 포집하기 위한 고상폐기물 호퍼와, 발생된 배기가스를 최종처리후 대기중으로 방출하는 배기가스 정화 장치와, 상기한 냉각 반응로에 형성되어 있는 냉각유로에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급장치를 포함하여 이루어진다.
플라즈마 반응로, 제트노즐, 화학세정폐액, EDTA, 회전반응로

Description

원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치{A Plasma Reactor and A Spraying Device for treating Steam Generator Chemical Cleaning Solutions in Nuclear Power Plants}
도 1은 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치요부 구성도이다.
도 3은 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리의 제트 노즐의 세부 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 비이송식 플라즈마 토치 2 : 제트노즐
3 : 냉각 반응로 4 : 비냉각 반응로
5 : 레듀샤 6 : 회전 반응로
8 : 통합 반응로 9 : 배기가스 정화장치
10 : 액상폐기물 공급장치 11 : 작동기체 공급장치
12 : 냉각수 공급장치 13 : 냉각유로
18 : 금속 슬러지 19 : 고상폐기물 호퍼
20 : 베어링 21 : 금속슬러지 배출구
이 발명은 원자력 발전 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 원자력 발전소 증기 발생기의 화학세정시 발생되는 EDTA와 같은 킬레이트 물질을 함유한 농축 또는 비농축 폐액의 액상 폐기물이나 유독성 폐기물을 플라즈마를 이용하여 고온 소각처리함으로써 안전하고, 효과적으로 처리할 수 있으며, 제트 노즐을 이용해 화학세정폐액을 고온의 플라즈마 제트 중앙에서 미세하게 분사하며, 고온 플라즈마 제트를 효과적으로 이용하기 위한 1, 2차 연소로가 통합적으로 구현되어 짧은 반응 구간에서 폐액을 연소ㆍ분해시킴으로써 화학세정폐액 분무효율 개선 및 플라즈마 반응로의 간소화를 할 수 있으며, 플라즈마 열원을 효율적으로 이용할 수 있는 폐액 분사장치와 플라즈마 반응로의 구조적 개선을 통해 소형의 화학세정폐액 처리장치를 구성함으로써 국내 국민정서에 부합하기 힘든 방사성 액상폐기물용 중ㆍ대형 액상폐기물 플라즈마 소각시설을 대처할 수 있는, 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치에 관한 것이다.
원자력 발전소 증기발생기 세관의 화학세정시, 금속 이온의 킬레이트(Chelate)제로 사용되는 에틸렌디아민테트라아세틱산(EtheyleneDiamineTetraacetic Acid, EDTA)는 착화(Complexation)를 통한 여러 금속이온들의 이동성을 통제ㆍ조절할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 상기한 EDTA는 강력한 킬레이팅 화학물질로 금 속 이온과 6개의 배위결합 위치를 가지고 있으며, 금속 이온과 1:1로 매우 안정한 킬레이트 화합물을 형성한다. 이러한 특징 때문에 EDTA는 원자력산업 분야에서 중요한 제염제로 사용되고 있다. 화학세정시 사용되는 EDTA 물질은 방사능을 띤 양이온 금속이온과 착화물을 유발시켜 방사성 핵종이 다른 음이온과 반응하려는 성질을 억제시키는 역할을 한다. 따라서, 방사성 금속이온과 착화물을 형성한 금속-EDTA 착화물은 사후 관리가 매우 중요하다. 특히, 금속-EDTA 착화물은 최종처리가 소홀할 경우 시멘트나 다른 물질로 안정화된 양이온성 방사성폐기물의 침출성(Leachability)을 증가시켜 더 높은 이동성을 갖게 만들며, 활성탄에 의한 흡착시 지속적으로 흡착ㆍ유지를 어렵게 만들어 최종적으로 처리된 방사성 폐기물의 안정성에 악영향을 주게 된다. 따라서, EDTA가 포함된 화학세정폐액의 경우 기존 생물ㆍ화학적 폐수처리 공정은 물론, 증발농축 및 시멘트 고화처리에 있어서도 많은 제약조건이 따른다.
이와 같이 원자력 발전소 증기발생기 세관의 화학세정시 발생되는 화학세정폐액은 EDTA 뿐만이 아니라, 방사성, 비방사성 이온들과 다양한 유기화합물 및 고농도 질소성분이 함유되어 있다.
이러한 원자력 발전소 증기발생기 세관의 화학세정시 발생되는 화학세정폐액과 같이 용존물 농도가 비교적 높은 폐액 처리에 있어, 현재 원자력발전소에서 사용하는 기존 처리방식을 그 종류에 따라 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
1) 증발농축 및 고화처리
증발농축 및 고화처리는 유기물 농도가 비교적 높은 화학세정폐액 처리에 적 용되는 일반적인 폐액처리 방식이다.
그러나, 기존의 증발농축공정은, 폐액 내 함유되어 있는 유기물을 사전에 처리할 수 있는 공정이 설치되어 있지 않아 다량의 유기물 및 암모늄이온을 함유한 화학세정폐액 처리의 경우 증발기의 효율이 크게 저하되며, 농축 폐액을 시멘트 및 폴리머를 이용해 안정한 물질로 고화시켜야 하기 때문에 감용율이 낮을뿐 아니라, 시멘트 혼합시 시멘트 수환반응을 통해 생성된 Ca(OH)2와 반응하여 EDTA-Ca 착물을 형성하여 시멘트 경화반응을 지연시키기 때문에 추가적인 고화공정 관리를 해야 하는 문제점이 있다.
2) 펜톤산화 공정처리
펜톤산화 공정처리는 황산(H2SO4)등을 이용하여 낮은 pH 상태로 만든 후 Fe나 Cu 촉매조건하에서 과산화수소수(H2O2)와 같은 산화제를 첨가한 후 펜톤반응으로 발생된 OH 라디칼을 이용해 EDTA를 CO2, H2O 및 질소산화물 형태로 분해하는 기술이다.
일반 산업 현장에서 발생되는 난분해성 액상폐기물 처리시에 주로 사용되는 기술로, 이 경우 산화제로 사용되는 과산화수소수(H2O2)는 EDTA 1 몰 처리를 위해 100 몰 이상이 소요되기 때문에 화학세정폐액을 펜톤산화 공정을 이용해 처리할 경우 처리된 폐액이 처리대상 폐액보다 많이 발생되고, 또한 화학세정시 pH 조절을 위해 사용되는 암모니아수, 금속이온 환원제로 첨가되는 하이드라진(N2H4) 및 EDTA에 함유된 질소 물질에 대한 처리가 용이하지 않기 때문에 최종 처리수에 대한 재 처리가 불가피한 문제점이 있다.
3) 수중플라즈마를 이용한 습식산화 공정처리
수중플라즈마를 이용한 습식산화 공정처리는 물속에 담지된 교류전극과 물 경계면에서 플라즈마를 발생시켜, 높은 에너지로 가속된 전자가 중성 분자와 충돌하여 분자들의 화학 결합을 깨며 생성되는 다양한 라디칼들과 50 v/v% 첨가되는 과산화수소수(H2O2)의 산화력을 이용하여 금속-EDTA를 분해하고 동시에 물속에서 발생된 고온 플라즈마에 의해 폐액을 증발시켜 최종 응축수를 방류하는 처리방식으로, 헝가리 원전에서 실적용하여 운영되고 있다.
그러나, 상기한 펜톤산화공정처리와 마찬가지로 과량의 과산화수소수 첨가로 인해 화학세정처리 후 발생되는 응축수의 양이 50% 이상 증가하게 되며, 플라즈마 반응기에 설치된 전극봉의 주기적인 교체, 금속수화물 분리 공정의 운영상 문제점이 있다.
4) 비이송식 아크 플라즈마를 이용한 액상폐기물 열분해 및 소각공정처리
현재 국내의 경우 상용화된 방사성 폐액처리용 플라즈마 장치는 아직 없으나 선진국의 경우, 전문 방사성 액상폐기물 처리 업체에서 대형 플라즈마 소각로가 상업적으로 운영되고 있다. 선진국에서 운영하는 폐액처리용 플라즈마 소각 장치는 대형화ㆍ전문화되어 있어 폐액처리 비용절감 및 액상폐기물 처리에 대한 기술적 한계를 극복하고 있다. 즉, 원전 증기발생기 화학세정시 발생되는 폐액처리의 문제점을 극복하기 위해 선진국들은 이미 대규모 고온 플라즈마 폐액처리 시스템을 가동 하고 있는데, 이러한 고온 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리공정처리는 고온(10,000K ～20,000K)의 플라즈마를 이용하기 때문에 유기 화합물들을 신속하고 완전하게 분해할 수 있으며, 최종 발생되는 폐기물은 폐액에 함유된 무기성 물질들만 발생되기 때문에 폐액 처리에 대한 부피 감용비가 크다.
그러나, 상기한 바와 같응 종래의 고온 플라즈마를 이용한 중ㆍ대형 폐액처리 장치는, 설치부지를 많이 차지하고, 폐액 투입전 반응로 내부 예열을 위해 많은 예열시간이 필요하며, 고온플라즈마 영역과 처리 대상 폐액이 접촉하는 면적이 작아 열손실이 많이 발생하는 문제점이 있다. 즉, 플라즈마 토치를 이용한 기존의 액상폐기물 열분해 및 소각공정처리는 주로 중ㆍ대형 장치로 설계되어 있어 초기 장치 투자비 및 운영비가 고가이며, 대용량 소각장치 운전을 위해 폐액 투입 전, 반응로 예열을 위해 많은 예열시간이 필요하며, 또한 고온플라즈마 영역과 처리대상 폐액이 접촉하는 면적이 작아 열손실이 많이 발생하는 문제점이 있다.
생활폐기물 소각시설을 설치함에 있어서도 난항을 겪는 국내 현실을 감안할 때, 원자력 발전소에서 발생되는 방사성 액상폐기물 처리를 위해 기존의 중ㆍ대형 플라즈마 열분해ㆍ소각처리 시설을 고정식으로 설치ㆍ운영한다는 것은 현실적으로 어려움이 따른다.
또한, 종래의 고온 플라즈마 액상폐기물 처리공정의 경우, 고온의 플라즈마 흐름에 수직으로 폐액을 분무하거나, 처리 대상폐액을 회분식으로 플라즈마 반응로에 공급한 후 반응로 상부에서 플라즈마 열원을 공급하기 때문에 온도가 높은 플라즈마 내부 영역과 반응할 수 없어 고온의 플라즈마 열원의 효율적인 이용이 어려운 문제점이 있다.
현재 국내 원전의 경우, 화학세정폐액에 대한 처리에 있어서 위에서 언급한 바와 같은 여러가지 문제점들 때문에, 화학세정폐액을 수분 53%로 증발ㆍ농축시킨 후 폐기물 저장고에 장기 보관하고 있는 실정이다.
따라서, 국내 원자력발전소가 처한 환경에서 화학세정폐액과 같은 저준위 방사성 액상폐기물 처리를 단시간에 효과적이고, 안전하게 처리하면서도 기존의 중ㆍ대형 열분해 및 소각시설이 가지는 혐오시설로서의 이미지에서 벗어날 수 있는 시스템 개발이 반드시 필요하다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 기술적 과제에 부응하기 위한 것으로서, 원자력 발전소 증기 발생기의 화학세정시 발생되는 EDTA와 같은 킬레이트 물질을 함유한 농축 또는 비농축 폐액의 액상 폐기물이나 유독성 폐기물을 플라즈마를 이용하여 고온 소각처리함으로써 안전하고, 효과적으로 처리할 수 있는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치를 제공하는 데 있다.
이 발명의 다른 목적은, 제트 노즐을 이용해 화학세정폐액을 고온의 플라즈마 제트 중앙에서 미세하게 분사하며, 고온 플라즈마 제트를 효과적으로 이용하기 위한 1, 2차 연소로가 통합적으로 구현되어 짧은 반응 구간에서 폐액을 연소ㆍ분해시킴으로써 화학세정폐액 분무효율 개선 및 플라즈마 반응로의 간소화를 할 수 있는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 플라즈마 열원을 효율적으로 이용할 수 있는 폐액 분사장치와 플라즈마 반응로의 구조적 개선을 통해 소형의 화학세정폐액 처리장치를 구성함으로써 국내 국민정서에 부합하기 힘든 방사성 액상폐기물용 중ㆍ대형 액상폐기물 플라즈마 소각시설을 대처할 수 있는, 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 작동기체 공급장치로부터 공급되는 기체를 플라즈마로서 토출하는 비이송식 플라즈마 토치와, 처리해야 할 폐액이 담겨져 있는 폐액저장조와 펌프, 유량계 등으로 이루어진 액상폐기물 공급장치와, 상기한 플라즈마 토치로부터 토출되는 고온의 플라즈마에 상기한 액상 페기물 공급장치로부터 공급되는 액상 폐기물을 분사하는 제트 노즐과, 1차 연소를 위한 3개의 원형 반응로와 2차 연소를 위한 회전반응로로 구성되는 통합 반응로와, 처리 후 발생된 금속 슬러지를 포집하기 위한 고상폐기물 호퍼와, 발생된 배기가스를 최종처리후 대기중으로 방출하는 배기가스 정화장치와, 상기한 냉각 반응로에 형성되어 있는 냉각유로에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급장치를 포함하여 이루어진다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치의 전체 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치의 구성은, 작동기체 공급장치(11)로부터 공급되는 기체를 플라즈마로서 토출하는 비이송식 플라즈마 토치(1)와, 처리해야 할 폐액이 담겨져 있는 폐액저장조와 펌프, 유량계 등으로 이루어진 액상폐기물 공급장치(10)와, 상기한 플라즈마 토치(1)로부터 토출되는 고온의 플라즈마에 상기한 액상 페기물 공급장치(10)로부터 공급되는 액상 폐기물을 분사하는 제트 노즐(2)과, 1차 연소를 위한 3개의 원형 반응로(3, 4, 5)와 2차 연소를 위한 회전반응로(6)로 구성되는 통합 반응로(8)와, 처리 후 발생된 금속 슬러지(18)를 포집하기 위한 고상폐기물 호퍼(19)와, 발생된 배기가스를 최종처리후 대기중으로 방출하는 배기가스 정화장치(9)와, 상기한 냉각 반응로(3)에 형성되어 있는 냉각유로(13)에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급장치(12)를 포함하여 이루어진다.
상기한 고상폐기물 호퍼(19)의 측면에는 금속슬러지 배출구(21)가 형성된다.
상기한 통합 반응로(8)는, 냉각유로(13)가 형성되어 고온의 플라즈마에 의한 반응로 파열을 막기위해 제작된 냉각 반응로(3)와, 폐액의 체류시간 증대 및 폐열이용을 위한 비냉각 반응로(4)와, 유속을 증대시켜 미처리된 폐액이 중력에 의해 고형폐기물과 함께 낙하하는 것을 방지하기 위한 레듀사(5)와, 화학세정폐액 처리시 발생되는 금속 슬러지(18)의 원활한 배출 및 비냉각 반응로(4)의 표면 열(700～800℃)을 이용한 고온 2차 연소 유도를 위한 회전반응로(6)와, 상기한 회전반응로(6)를 회전시키기 위한 모터(7) 및 베어링(20)으로 형성된다.
또한, 상기한 회전반응로(6)의 전단의 1차 반응로(3, 4, 5)는 냉각 반응로(3) 및 비냉각 반응로(4)를 혼용해서 사용하고, 최종 배출부의 내경이 감소되어 배출됨으로써 유체의 유속이 증대되는 구조로 이루어진다.
또한, 상기한 회전반응로(6)의 전단의 1차 반응로(3, 4, 5)는 냉각 반응로(3), 비냉각 반응로(4), 레듀사(5)의 길이 및 내경이 2 : 1.5 : 1 와 6 : 8 : 3 의 비율을 가지는 구조로 이루어진다.
또한, 상기 회전반응로(6)는 내부각이 30 ～ 32° 이며, 비냉각 반응로(4)의 2/3 내외로 길이가 연장된 특징을 가지는 원뿔형 회전체로 이루어진다.
도 2는 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치요부 구성도이고, 도 3은 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리의 제트 노즐의 세부 구성도이다.
도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치의 제트노즐(2)은 Φ0.7mm로 천공된 2개 이상의 대칭형 미세 구멍(14)을 통해 폐액이 외부에서 5bar 이상의 압력으로 분 출되어 플라즈마 제트(17)의 중앙지점(15)에서 교착ㆍ충돌하여 분무되는 구성으로 이루어진다.
상기한 제트노즐(2)은 Φ0.5mm로 다중 천공된 노즐을 이용해 교착ㆍ충돌없이 폐액을 분무하는 구조로 이루어질 수도 있다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치의 작용은 다음과 같다.
먼저, 작동기체 공급장치(11)로부터 공급되는 기체를 플라즈마로서 토출하는 비이송식 플라즈마 토치(1)에 의해 고온의 열원이 공급된다.
이어서, 처리해야 할 폐액이 액상폐기물 공급장치(10)로부터 제트 노즐(2)로 공급되어 제트노즐(2)의 다중 홀(14)에서 폐액이 분사되어 고온의 플라즈마 제트(17)의 중앙지점(15)에서 초고속으로 분무된 폐액이 충돌ㆍ분무되어 플라즈마 반응기인 통합반응로(8)의 내부로 공급된다.
도 2는 폐액 분사용 제트노즐(3)의 설치 구성도이며, 도 3은 폐액 분사용 제트노즐(2)에 대한 세부 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이 폐액 분사를 위한 제트노즐(2)은 플라즈마 제트(17)가 발생되는 맨 앞부분에 설치되어 있다. 그리고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 제트노즐(2)에 5 bar 이상의 고압을 이용해 주입된 폐액은 Φ0.7mm로 천공된 2개의 미세 구멍(14)을 통해 통합 반응로(8)에 주입된다. 천공된 2개의 미세 구멍(14)은 제트노즐(2)의 몸체에 좌우 대칭으로 위치한다. 이때 좌우 대칭의 2개의 미세 구멍(14)에서 분사된 고속의 폐액 흐름은 플라즈마 제트(17)의 중앙지점 (15)에서 충돌되어 분무되며, 이때 고속으로 충돌된 폐액 흐름은 작은 액적으로 파괴되어 통합 반응로(8)로 유입된다.
이와 같이 폐액이 통합 반응로(8)내로 공급되면, 냉각 반응로(3)와 비냉각 반응로(4)를 이용한 1단계 폐액 소각공정이 이루어지고, 회전반응로(6)를 이용해 미처리된 폐액을 분해하는 2단계 폐액 소각단공정이 진행된다.
본 발명의 구성에 의한 화학세정폐액 처리 장치의 성능을 실험하기 위한 실험예를 다음에서 설명한다.
다음의 실험예 1과 실험예 2에서는 산업적 규모의 장치를 설계하기 위한 공정의 파라메타를 실험적으로 최적화하였다.
실험에 사용된 화학세정폐액 처리장치는 100kW급 비이송식 아크 플라즈마 토치(1)를 이용한 것으로서, EDTA를 함유한 원전 증기발생기 화학세정폐액 처리 실험을 위해 표 1과 같은 조성의 폐액을 이용하여 파라미터 효과를 조사하였다.
[표 1]
수분 유기물 무기물 비중 EDTA농도
총탄소 총질소 회분 중금속
93% 2.5% 0.8% 0.9% 2.8% 0.18 mol/L
상기한 표 1과 같은 조성의 폐액에 대하여 본 발명의 구성에 의한 화학세정폐액 처리 장치의 실험예를 상세히 설명한다.
실험예 1
제트노즐(2)에 천공된 구멍(14) 직경에 따른 플라즈마 반응로에서의 폐액 연소효율을 결정하기 위해 실험을 수행하였다. 제트노즐(2)의 분사홀은 2곳을 대칭으 로 천공하였으며, 천공을 통해 분무된 폐액이 플라즈마 제트(17)의 중심부분(15)에서 만날 수 있도록 하였다. 실험은 표 1과 같은 조성 성분을 가지는 폐액을 이용하여 시간당 45L의 유량으로 주입하면서 수행하였으며, 천공된 구멍(14)의 직경별 실험결과는 다음의 표 2와 같다.
[표 2]
노즐직경(mm) 0.5 0.7 0.9
연속분무 가능 여부 불가능 가능 가능
연소효율(%) 100 98 92
최적 노즐 선택 × ○ ×
위의 결과에서 알 수 있듯이 노즐 직경이 작을 수록 연소효율이 좋음을 알 수 있다.
그러나, Φ0.5mm로 천공된 구멍(14)을 가지는 제트노즐의 경우 7시간 이상 연속 운전시 천공된 구멍(14) 주변에 스케일이 형성되어 노즐 막힘현상이 발생되어 연속 분무가 불가능하다.
실험결과 시간당 45L의 유속으로 폐액을 처리할 경우 직경 Φ0.7mm로 천공된 2개의 구멍(14)을 가지는 제트노즐(2)의 분무장치가 가장 효율이 좋은 것으로 나타났다.
폐액 처리량을 증가시킬 경우에는 Φ0.7mm의 구멍(14)을 대칭형으로 추가 천공하는게 바람직하다.
실험예 2
Φ0.7mm로 좌우 대칭의 2개 구멍(14)을 천공한 제트노즐(2) 폐액 분사장치를 이용하여 시간당 45L의 폐액을 분사했을 때 반응기 구조에 따른 폐액처리 실험결과는 다음 표 3과 같다.
[표 3]
반응기 구조 냉각 반응로 냉각반응로+ 비냉각반응로 냉각반응로+ 비냉각반응로+ 레듀샤 냉각반응로+ 비냉각반응로+ 레듀샤+회전반응로
폐액처리량(L/hr) 36 41.4 43.2 45
폐액처리효율(%) 80 92 96 100
미처리 폐액의 EDTA 분해율(%) 75 85 93 100
실험결과 100kW급 비이송식 플라즈마 토치(1)를 사용할 경우, 냉각 반응로(3), 비냉각 반응로(4), 례듀사(5)의 내경에 대한 비율은 6 : 8 : 3 일때 최적이었으며, 그 길이에 대한 비율은 2 : 1.5 : 1 의 비율로 설계할 때 가장 좋은 효과를 얻을 수 있었다.
회전반응로(6)의 내부 각은 30° ～ 32°에서 최적이었으며, 비냉각 반응로(4)의 2/3 내외의 길이가 가장 적합했다.
미국 전력연구소(EPRI)에서는 원자력발전소 증기발생기 단위 리터당 15 ～ 20g의 마그네타이트(Fe3O4)가 발생될 때 화학세정을 수행하도록 권고하고 있다. 이는 원자력발전소 증기발생기 세관의 상태에 따라 원자력발전소 호기당 화학세정 주기가 길게는 수십년 이상이 소요될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 현실을 감안할 때, 원자력발전소 증기발생기 화학세정시 발생되는 화학세정폐액 처리를 위한 중ㆍ대형 폐액처리 시스템의 설치에 대한 현실적 한계가 발생한다.
본 발명은 원자력발전소 증기발생기 화학세정폐액 처리를 위해 국내 현실에 맞도록 장치를 간소하게 구성하고, 폐액처리 효율을 높이기 위해 폐액 분무장치를 개발하여 협소한 공간에 설치가 가능하도록 제작하여 원자력발전소 증기발생기 화학세정시 발생되는 폐액처리에 적합하도록 구성하였다.
이상의 실시예에서 살펴 본 바와 같이 이 발명은, 원자력 발전소 증기 발생기의 화학세정시 발생되는 EDTA와 같은 킬레이트 물질을 함유한 농축 또는 비농축 폐액의 액상 폐기물이나 유독성 폐기물을 플라즈마를 이용하여 고온 소각처리함으로써 안전하고, 효과적으로 처리할 수 있으며, 제트 노즐을 이용해 화학세정폐액을 고온의 플라즈마 제트 중앙에서 미세하게 분사하며, 고온 플라즈마 제트를 효과적으로 이용하기 위한 1, 2차 연소로가 통합적으로 구현되어 짧은 반응 구간에서 폐액을 연소ㆍ분해시킴으로써 화학세정폐액 분무효율 개선 및 플라즈마 반응로의 간소화를 할 수 있으며, 플라즈마 열원을 효율적으로 이용할 수 있는 폐액 분사장치와 플라즈마 반응로의 구조적 개선을 통해 소형의 화학세정폐액 처리장치를 구성함으로써 국내 국민정서에 부합하기 힘든 방사성 액상폐기물용 중ㆍ대형 액상폐기물 플라즈마 소각시설을 대처할 수 있는, 효과를 갖는다.

Claims (9)

  1. 작동기체 공급장치로부터 공급되는 기체를 플라즈마로서 토출하는 비이송식 플라즈마 토치;
    처리해야 할 폐액이 담겨져 있는 폐액저장조와 펌프, 유량계 등으로 이루어진 액상폐기물 공급장치;
    상기한 플라즈마 토치로부터 토출되는 고온의 플라즈마에 상기한 액상 페기물 공급장치로부터 공급되는 액상 폐기물을 분사하는 제트 노즐;
    1차 연소를 위한 3개의 원형 반응로와 2차 연소를 위한 회전반응로로 구성되는 통합 반응로;
    처리 후 발생된 금속 슬러지를 포집하기 위한 고상폐기물 호퍼;
    발생된 배기가스를 최종처리후 대기중으로 방출하는 배기가스 정화장치; 및
    상기한 냉각 반응로에 형성되어 있는 냉각유로에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 통합 반응로는,
    냉각유로가 형성되어 고온의 플라즈마에 의한 반응로 파열을 막기위해 제작된 냉각 반응로;
    폐액의 체류시간 증대 및 폐열이용을 위한 비냉각 반응로;
    유속을 증대시켜 미처리된 폐액이 중력에 의해 고형폐기물과 함께 낙하하는 것을 방지하기 위한 레듀사;
    화학세정폐액 처리시 발생되는 금속 슬러지의 원활한 배출 및 비냉각 반응로의 표면 열(700～800℃)을 이용한 고온 2차 연소 유도를 위한 회전반응로; 및
    상기한 회전반응로를 회전시키기 위한 모터 및 베어링을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기한 회전반응로의 전단의 1차 반응로는 냉각 반응로 및 비냉각 반응로(4)를 혼용해서 사용하고, 최종 배출부의 내경이 감소되어 배출됨으로써 유체의 유속이 증대되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기한 회전반응로의 전단의 1차 반응는 냉각 반응로, 비냉각 반응로, 레듀사의 길이 및 내경이 2 : 1.5 : 1 와 6 : 8 : 3 의 비율을 가지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 회전반응로는 내부각이 30 ～ 32° 이며, 비냉각 반응로의 2/3 내외로 길이가 연장된 특징을 가지는 원뿔형 회전체로이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기한 제트노즐은 2개 이상의 대칭형 미세 구멍을 통해 폐액이 외부에서 분출되어 플라즈마 제트의 중앙지점에서 교착ㆍ충돌하여 분무되는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기한 제트노즐의 미세구멍은 Φ0.7mm로 천공되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기한 제트노즐은 다중 천공된 노즐을 이용해 교착ㆍ충돌없이 폐액을 분무하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기한 제트노즐은 Φ0.5mm로 다중 천공되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 증기발생기의 화학세정폐액 처리 장치.
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