KR20110060444A - 알칼리용융염을 이용한 ｐｖｃ를 함유하는 폐기물의 탈염소화 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알칼리용융염을 이용한 PVC를 함유하는 폐기물의 탈염소화 방법 및 장치에 관한 것으로, PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 300 ℃에서 저온 열분해하여 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 2)를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 약 300 ℃에서 저온 열분해시켜 발생되는 염화수소가스를 반응조 하부에서 알칼리용융염과 직접 반응하게 하여 소금으로 포집하여 제거함으로써 PVC가 함유된 폐플라스틱 폐기물의 소각처리나 재활용을 위한 열분해 가스화 또는 유화 공정의 전처리공정으로서 염소를 사전에 안전하고 효과적으로 제거할 수 있다.
탈염소화, PVC, 용융염, 염화수소가스
Description
본 발명은 알칼리용융염을 이용한 PVC를 함유하는 폐기물의 탈염소화 방법 및 장치에 관한 것이다.
PVC(poly vinyl chloride)는 내구성이 좋은 플라스틱으로 원자력산업을 포함한 모든 산업에 널리 사용되어 오고 있다. 원자력산업에서 발생되는 플라스틱 폐기물은 가연성 폐기물로 처분시에 화재 및 부패의 위험성이 있어 소각 등의 처리에 의해 분해처리하여야 한다. 그러나 PVC 성분이 포함된 폐기물의 경우 소각처리 시에 발생되는 염소가스로 소각공정 전체의 부식은 물론, 이의 제어를 위한 습식세정장치 등에서 발생되는 이차폐기물의 발생이 많아서 소각공정 적용의 경제성이 적어진다는 문제점을 안고 있다. 이러한 이유에서 저장 및 처분시의 부패나 화재위험성이 있음에도 불구하고 현재 PVC 플라스틱 폐기물은 소각 등의 분해처리 방법으로 처리되지 못하고 있는 실정이다.
일반산업이나 가정에서 발생되는 방사성 물질을 포함하지 않는 폐플라스틱의 경우, 매립장에 처분하지 않고 신재생 에너지 공정인 열분해에 의한 유화 등의 재활용 공정을 적용하여 친환경적으로 처리할 수 있다. 그러나 PVC를 포함하는 플라스틱 등을 연료유 등으로 열분해 재생 시에 부식성이 강한 염화수소가스를 발생하여 열분해공정 장치를 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 생산되는 연료유 등에 염소성분이 포함되어 품질을 떨어뜨릴 수 있어 그 적용이 용이하지 않다.
따라서, 대량의 혼합 고분자 폐기물을 연료로 이용하는 시설에는 염소성분을 회수할 수 있는 탈염시설의 설치가 불가피하며 이를 위해서는 경제적이면서 탈염효율이 우수한 설비가 필요하다.
종래의 기술로는 혼합 폐플라스틱을 고형연료(RPF: Refused Plastic Fuel)로 제조시 소석회나 생석회를 투입하여 연소시 발생하는 염산을 중화시켜 염산의 배출농도를 저감시키는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 다른 중화물을 형성하여 2차 폐기물을 형성하고 총괄 염소분 농도에는 변화가 없고 연소시 다이옥신과 같은 유독성 산화물을 재형성할 가능성이 있다.
따라서, 2차 폐기물의 발생을 줄이고 연소과정에서 발생하는 염산이나 다이옥신의 양을 원천적으로 줄이기 위해서는 사전탈염기술이 적용되어야 한다.
지금까지 개발되어 있는 탈염소화 공정은 다음과 같이 세 종류로 분류된다.
첫째로는 PVC 플라스틱을 다른 플라스틱으로부터 무게나 비중차이 등을 이용하여 기계적으로 분리하는 전처리 공정이 있다. 그러나, 상기 공정은 전선피복이나 농업용 폐비닐 등과 같이 PVC 플라스틱이 혼합되어 있는 플라스틱의 경우에 적용이 불가능할 뿐만 아니라, 분리된 PVC의 재활용이 용이하지 않다는 문제가 있다.
둘째로는 PVC 플라스틱을 약 300 ℃에서 저온 열분해하여 발생되는 염화수소를 알칼리 수용액 세정수에 흡수하여 중화하거나, 물에 흡수하여 염산으로 회수하는 방법이 있다. 그러나, 상기 방법은 물의 사용이 수반되는 습식공정으로 흡수효율이 낮아 PVC 분해시 발생되는 고농도 염화수소를 효과적으로 제거하기 어려울 뿐만 아니라, 물과 산성가스가 공존하는 시스템의 부식으로 공정장치의 손상이 항상 수반된다.
셋째로는 PCBs 등과 같은 염화유기물질에 액상 Na 또는 NaOH, KOH 등을 넣어 염화유기물질을 탈염소화 하는 방법이 있다. 그러나, 상기 방법은 PCBs과 같은 액상폐기물에 적용이 용이하나 PVC와 같은 고상폐기물의 경우 탈염소화후 유용한 생산물인 탄화수소가 다공성 고체이므로 고체 내부에 NaOH 등이 잔류하게 되어 추가적인 분리공정이 필요하다는 단점을 가지고 있다.
또한, 국내에서는 PVC가 혼합된 폐플라스틱으로부터 염소제거를 위한 스크류반응조 가스배출 시스템이 특허등록 제10-0526811호로 개시된 바 있으며, PVC가 혼합된 고분자 폐기물로부터 염소 제거를 위한 간접가열식 탈염시스템을 통해 염소를 제거하는 방법이 특허공개 제10-2005-0100279호로 개시된 바 있다. 상기 방식은 폐플라스틱을 일정한 온도로 유지하기 위하여 열매체유 보일러를 이용하여 열매체유를 가열하여 반응조 자켓 및 스크류 중공축에 통과시킴으로써 반응조 내부의 폐플라스틱을 일정온도로 유지하고자 하였다. 그러나, 상기 방식은 반응조 자체가 2축 스크류에 의해 압축되어 높은 압력에서 운전하게 되고, 반응조의 염소 배출구가 매우 작고 압력이 높아 염소 가스배출구가 막히는 현상이 발생하는 단점이 있다. 또한, 2축 스크류 이송으로 대량의 폐기물을 처리하기에는 장치의 스케일-업(scale up)에 어려움이 있다.
이에, 본 발명자들은 PVC에 포함된 염소성분을 효과적으로 분리하여 제거하는 방법을 연구한 결과, PVC 또는 PVC가 포함된 폐플라스틱을 약 300 ℃에서 저온 열분해시켜 발생되는 염화수소가스를 반응조 하부에서 알칼리용융염과 직접 반응하게 하여 소금으로 포집하여 제거함으로써 PVC가 포함된 폐플라스틱 폐기물의 소각처리나 재활용을 위한 열분해 가스화 또는 유화 공정의 전처리공정으로서 염소를 사전에 안전하고 효과적으로 제거할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 PVC가 함유된 폐기물로부터 염소를 사전에 효과적으로 제거할 수 있는 탈염소화 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 PVC가 함유된 폐기물로부터 염소를 사전에 효과적으로 제거할 수 있는 탈염소화 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 300 ℃에서 저온 열분해하여 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 2)를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
밀폐되고 하부에 알칼리용융염이 장입된 반응조와;
상기 반응조 내 상부에 알칼리용융염과 접하지 않으면서 분쇄된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 저온열분해되어 염화수소가스가 발생되는 탈염소반응챔버와;
상기 탈염소반응챔버 내에 탈부착이 용이하고 바닥에 다공성판이 형성된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 장입되는 철제 용기와;
상기 탈염소반응챔버에서 발생된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응할 수 있도록 상기 탈염소반응챔버로부터 반응조 바닥까지 연통되는 다공성 기체분산관과;
상기 다공성 기체분산관에서 배출된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응하여 생성된 수증기가 배출되는 배출관과;
상기 반응조의 상부를 밀봉하기 위한 플랜지와; 및
상기 반응조를 가열하고 가열된 반응조의 온도를 유지시키기 위하여 반응조 외부에 구비되는 가열기 및 단열재를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 약 300 ℃에서 저온 열분해시켜 발생되는 염화수소가스를 반응조 하부에서 알칼리용융염과 직접 반응하게 하여 소금으로 포집하여 제거함으로써 PVC가 함유된 폐플라스틱 폐기물의 소각처리나 재활용을 위한 열분해 가스화 또는 유화 공정의 전처리공정으로서 염소를 사전에 안전하고 효과적으로 제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 300 ℃에서 저온 열분해하여 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 2)를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 알칼리용융염은 NaOH-KOH 공융염인 것이 바람직하다. 상기 NaOH-KOH 공융염은 PVC의 탈염소가 활발하게 일어나는 온도인 300 ℃ 이하의 온도에서 물과 같은 액상의 성질을 가지며, 반응성이 강하여 염화수소(HCl)가스와 만나면 NaCl과 H2O의 형태로 전환된다. 반응 후 NaCl은 NaOH-KOH 공융염 내에 남고, H2O는 수증기의 형태로 배출되게 된다.
또한, 본 발명은 상기 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치를 제공한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 탈염소화 장치는
밀폐되고 하부에 알칼리용융염이 장입된 반응조(2)와;
상기 반응조(2) 내 상부에 알칼리용융염과 접하지 않으면서 분쇄된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 저온열분해되어 염화수소가스가 발생되는 탈염소반응챔버(11)와;
상기 탈염소반응챔버(11) 내에 탈부착이 용이하고 바닥에 다공성판(6)이 형성된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 장입되는 철제 용기(8)와;
상기 탈염소반응챔버(11)에서 발생된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응할 수 있도록 상기 탈염소반응챔버로부터 반응조 바닥까지 연통되는 다공성 기체분산관(4)과;
상기 다공성 기체분산관(4)에서 배출된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응하여 생성된 수증기가 배출되는 배출관(9)과;
상기 반응조(2)의 상부를 밀봉하기 위한 플랜지(10)와; 및
상기 반응조(2)를 가열하고 가열된 반응조의 온도를 유지시키기 위하여 반응조 외부에 구비되는 가열기(1)를 포함한다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 반응조(2)에는 하부에 알칼리용융염이 일정량 장입되어 있다. 이때, 알칼리용융염은 NaOH-KOH 공융염인 것이 바람직하다. 상기 NaOH-KOH 공융염은 PVC의 탈염소가 활발하게 일어나는 온도인 300 ℃ 이하의 온도에서 물과 같은 액상의 성질을 가지며, 반응성이 강하여 염화수소(HCl)가 스와 만나면 NaCl과 H2O의 형태로 전환된다.
상기 반응조는 유해한 염화수소가스가 외부로 방출되지 않도록 밀폐되어 있는 것이 바람직하며, 이를 위해 분쇄된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 넣은 후에는 상부에 플랜지(10)로 밀봉하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 탈염소반응챔버(11)는 장입된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 탈염소화시켜 염화수소가스를 발생시키는 역할을 하며, 상기 탈염소반응챔버 내에는 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 용이하게 장입될 수 있도록 탈부착이 가능한 철제 용기(8)를 포함하고 있다.
상기 철제 용기(8)는 탈염소화 반응온도에서 견딜 수 있도록 내구성을 지녀야 하며, PVC의 탈염소화시 발생되는 염화수소가스가 반응조 하부의 알칼리용융염으로 이동할 수 있도록 철제 용기 하부에는 다공성판(6)이 형성되어 있다.
상기 탈염소반응챔버(11)는 알칼리용융염과 직접 접촉하지 않도록 반응조의 상부에 위치한다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 다공성 기체분산관(4)은 상기 탈염소반응챔버(11)에서 발생된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응할 수 있도록 상기 탈염소반응챔버로부터 반응조 바닥까지 연통되어 있다. 상기 염화수소가스는 이 다공성 기체분산관을 통과하여 알칼리용융염층 내에서 하부로부터 기포의 형태로 상 승하면서 알칼리용융염과 직접 반응하여 NaCl 및 H2O 형태로 전환된다. 이때 NaCl은 알칼리용융염 내에서 포집되고, H2O는 수증기의 형태로 배출되어 배출관(9)을 통하여 외부로 빠져나간다.
본 발명에 따른 장치에서의 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법은
탈염소반응챔버 내의 철제 용기에 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 분쇄하여 장입하는 단계(단계 a);
가열기를 이용하여 반응조의 온도를 300 ℃로 가열하여 상기 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 탈염화시켜 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 b);
상기 단계 b에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 c)를 포함한다.
구체적으로, PVC가 포함된 폐플라스틱(7)을 밀폐된 알칼리용융염 반응조(2) 내의 상부에 연결된 탈염소반응챔버(11) 내에 탈염소화 반응온도에서 견디는 아래쪽에 다공성판(6)으로 만들어진 철제 용기(8) 안에 넣고, 상부를 막힌 플랜지로 마감한다. 이후, 가열기를 이용하여 반응조 전체를 약 300 ℃로 가열하면, 알칼리용융염은 용해하여 액상이 되고 PVC성분은 탈염소화되어 약 300 ℃에서 분해되지 않은 고정상 탄화수소 성분과 염화수소가스로 분리된다. 발생된 염화수소가스의 농 도가 충분히 증가하여 압력이 하부의 알칼리용융염 층에 걸리는 압력손실을 초과하기 시작하면, 염화수소가스는 다공성 기체 분산관(7)을 통과하여, 알칼리용융염층 내에서 하부로부터 기포의 형태로 상승하게 된다. 이 염화수소(HCl)가스 기포는 반응성이 극대한 알칼리 이온성 액체인 알칼리용융염과 직접 반응하여 NaCl 과 H2O의 형태로 전환되는데 NaCl은 알칼리용융염 내에 남고, H2O만 수증기의 형태로 배출되게 되어 PVC 내의 염소를 안전하게 제거할 수 있다.
본 발명으로 방사성핵종으로 오염된 PVC 플라스틱이나 이와 혼합된 가연성 폐기물을 안전하게 탈염소화 할 수 있으므로, 지금까지 부식성 염화수소가스의 배출로 인한 여러 가지의 문제점이 있어 소각 처리할 수 없었던 방사능오염 PVC 폐기물을 탈염소화한 후 소각처리 할 수 있게 해준다. 이로부터 방사성폐기물 저장 및 처분시의 가연성 유기폐기물인 PVC 폐기물의 부패나 화재로 인한 핵종누출의 위험성을 배제할 수 있을 뿐만 아니라 근본적으로 관리대상 폐기물 부피를 크게 축소시킬 수 있게 해주는 효과가 있다.
또한, 일반 PVC 폐기물의 경우에도 공정 장치 손상 및 재생되는 연료유의 품질 손상의 원인이 되는 염소를 사전에 효과적으로 제거할 수 있도록 함으로써 지금까지 어려웠던 재활용효율이 낮은 물리적 재활용으로 처리해 오던 PVC가 포함된 플라스틱 폐기물도 열분해 가스화에 의한 유화 등으로 화학적 재활용 처리가 가능하게 해줄 수 있다.
나아가, PVC의 탈염소화 반응은 흡열반응이지만 HCl과 용융염 NaOH와의 반응은 발열반응이므로 용융염의 상부에서 PVC를 탈염소화하고 발생된 염화수소가스가 운반기체 없이 직접 아래에 있는 용융염을 통과하면서 흡열반응으로 포집되는 장치의 구조로서 알칼리용융염과 HCl과의 반응에 의해 발생되는 열을 PVC의 탈염소화에 사용할 수 있어 전체 탈염소화 공정의 에너지효율을 크게 높여주는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1: 가열기 2: 반응조
3: 알칼리용융염 4: 다공성 기체분산관
5: 기포(HCl 또는 H2O) 6: 다공성 판
7: 분쇄된 PVC 플라스틱 8: 철제 용기
9: 배출관 10: 플랜지
11: 탈염소반응챔버
Claims (11)
- PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 300 ℃에서 저온 열분해하여 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 1); 및상기 단계 1에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 2)를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알칼리용융염은 NaOH-KOH 공융염인 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
- 밀폐되고 하부에 알칼리용융염이 장입된 반응조와;상기 반응조 내 상부에 알칼리용융염과 접하지 않으면서 분쇄된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 저온열분해되어 염화수소가스가 발생되는 탈염소반응챔버와;상기 탈염소반응챔버 내에 탈부착이 용이하고 바닥에 다공성판이 형성된 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물이 장입되는 철제 용기와;상기 탈염소반응챔버에서 발생된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응할 수 있도록 상기 탈염소반응챔버로부터 반응조 바닥까지 연통되는 다공성 기체분산관과;상기 다공성 기체분산관에서 배출된 염화수소가스가 알칼리용융염과 반응하여 생성된 수증기가 배출되는 배출관과;상기 반응조의 상부를 밀봉하기 위한 플랜지와; 및상기 반응조를 가열하고 가열된 반응조의 온도를 유지시키기 위하여 반응조 외부에 구비되는 가열기를 포함하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 알칼리용융염은 NaOH-KOH 공융염인 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 염화수소가스는 다공성 기체분산관을 통하여 운반기체 없이 자체 압력에 의해 알칼리용융염을 통과하는 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 염화수소가스는 알칼리용융염과 직접 반응하여 소금(NaCl)으로 포집되는 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 염화수소가스와 알칼리용융염이 반응하여 발생되는 열은 반응조의 온도를 유지하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 장치.
- 탈염소반응챔버 내의 철제 용기에 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 분쇄하여 장입하는 단계(단계 a);가열기를 이용하여 반응조의 온도를 300 ℃로 가열하여 상기 PVC 플라스틱 또는 PVC가 함유된 폐기물을 탈염화시켜 염화수소가스를 발생시키는 단계(단계 b);상기 단계 b에서 발생되는 염화수소가스를 알칼리용융염과 직접 반응시켜 소금으로 포집하여 제거하는 단계(단계 c)를 포함하는 제3항의 탈염소화 장치를 이용한 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 알칼리용융염은 NaOH-KOH 공융염인 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 염화수소가스는 다공성 기체분산관을 통하여 운반기체 없이 자체 압력에 의해 알칼리용융염을 통과하면서 알칼리용융염과 직접 반응하는 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 염화수소가스와 알칼리용융염이 반응하여 발생되는 열은 반응조의 온도를 유지하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 PVC가 함유된 폐기물의 탈염소화 방법.
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