KR20150070999A - 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법 - Google Patents

비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고점도 폐기물을 유리화하기 위해 필요한 유리/슬래그 조성 공정을 개발하여 PTM 운전 안정성과 최종 생성물인 유리 또는 슬래그의 용융 점도를 배출부위온도(1300℃∼1500℃)에서 100 poise 이하로 낮게 유지하도록 한 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법은 SiO2를 40wt% 이상 함유한 비가연성 페기물내 산화물 조성을 이용하여 용융온도 1500℃에서 산화물 조정 조절제를 추가하여 조성 변화를 유지하고, 상기 비가연성 폐기물의 저점도를 100 poise 이하로 조정하며,
상기 산화물 조정 조절제는 토양의 폐기물인 경우에는 SiO2 60∼70wt%, CaO 1∼4wt%, FeO 1∼8wt%, CaF2 0.1∼5wt%, Al2O3 8∼18wt%, MgO 0.1∼5wt%, Na2O 1∼5wt%로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법{Method on Low Viscosity Control for Discharging of Non-combustible Waste Molten}
본 발명은 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법에 관한 것으로, 특히 원자력발전소에서 발생하는 금속, 콘크리트, 토양 등 비가연성 폐기물을 플라즈마 토치 용융로(plasma torch melter)를 이용하여 용융할 경우 용융로의 안전성과 배출구로부터 원활한 배출을 위하여 용융물의 저점도 용융상태를 유지하기 위한 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소에서 발생되는 폐기물의 처분요건 충족과 폐기물 저감화의 새로운 방안으로 유리화(vistification)가 연구되고 있으며, 가연성 폐기물의 경우에는 유도가열식저온용융로(cold crucible induction melter: 이하 "CCIM")를 그리고 비가연성 폐기물의 경우에는 플라즈마 토치용융로(plasma torch melter: 이하 "PTM")를 이용한 처리가 수행되고 있다.
특히, 국내에서는 한울 원자력발전소에 가연성 폐기물 유리화를 위해 CCIM이 채택된 상용유리화설비가 가동중에 있으며, 잡고체 및 폐수지를 유리화하고 있다.
또한, 미국, 프랑스 등은 CCIM을 이용하여 고준위 및 중저준위 방사성 폐기물에 대한 유리화 연구가 상당히 진척되어 왔으나, 유리화 상용플랜트 건설운영이 수반되지 않고 있으며, 일본 및 러시아 등지에서는 PTM을 이용한 방사성 동위원소 폐기물이나 저준위방사성 폐기물에 대한 용융처리를 수행하고 있다.
전 세계적으로 원전발생 폐기물을 유리화 하기 위해 붕산농축폐액(concenrated boric acid)과 같은 슬러지와 공기조화계통(heating ventilating and air conditioning)에서 발생한 알루미늄 등에 대한 처리방안에 CCIM 또는 PTM을 이용한 처리에 많은 관심이 있다.
특히 유리화의 주요 운전 인자 중 하나인 점도의 경우 고점도의 용융물을 배출할 경우 유리화설비의 건전성에 영향을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 기술개발 또한, 주요 사항 중 하나로써, 고점도 특성을 갖는 폐기물의 용융특성 연구에 대해서도 많은 관심이 있는 상황이다.
한국수력원자력(주)은 토양, 콘크리트 등 고점도 폐기물 유리화를 위한 PTM 적용 상용기술개발을 수행하고 있다.
플라즈마를 이용한 고온 용융기술은 산업현장에서 발생되는 콘크리트, 금속, 토양 등의 비전도성이나 비가연성 폐기물을 고온상태에서 유기화합물을 분해하고 무기물들을 녹여 유리화하거나 결정상태의 세라믹화하는 기술로서 폐기물 감용 효과가 크고 2차 폐기물 발생이 거의 없는 환경 친화적인 기술로 평가받고 있다.
고온의 플라즈마 기술은 유기화합물을 빠르고 안전하게 분해할 수 있을 뿐만 아니라 무기물들을 용융하여 부피를 감소시키고 분자의 구조를 변화시켜 슬래그(slag) 또는 유리(glass-ceramic) 고화체를 생성하게 된다.
이때 생성되는 최종 고화체는 우수한 물리적, 화학적, 기계적 특성이 있다.
따라서 플라즈마 고온을 이용한 폐기물 용융을 통해 폐기물을 유리 또는 슬래그화 함으로써 고화체에서 유해물질의 용출에 대한 문제도 적어 안정적으로 용융폐기물을 처분할 수 있는 장점이 있다.
폐기물 용융시 성분함량에 따라 용융로 운전조건이 달라지는데. 용융풀에서의 용융물 유동성과 용융물 건전성을 유지하는 인자로는 점도가 있다.
한가지 예로서 금속을 용융할 경우, 용융물 점도는 금속층과 슬래그 사이의 물질교환 속도에 영향을 주는데 슬래그 점도가 낮으면 대류가 양호해져 슬래그와 금속의 혼합으로 인한 열전도가 용이한 반면 내화물에 대한 침식 영향은 높아지게 된다.
그러나 점도가 높으면 슬래그를 형성하는 이온들의 확산 움직임이 둔해져서 전기전도도를 저하시키는 요인이 된다.
이것은 용융온도와 슬래그의 화학조성에 따라 플라즈마 운전에 영향을 주게 된다.
폐기물 용융시 성분함량(또는 무기비)에 따라 용융로 운전 조건이 달라지는데, 금속을 제외한 일반폐기물(콘크리트, 토양, 재 등)에 대한 조성을 보면 SiO2, Al2O3, CaO 등이 대부분을 차지하고, 그외 Na2O, MgO 등이 소량으로 존재하고 있다.
용융물 중에는 고온(1500℃ 이상)에서 점도를 낮출 수 있는 산화물의 함량이 낮아 1500℃ 이하의 환경에서 배출이 원활하지 않을 수 있다.
일반적으로 순수 SiO2에 대한 점도는 CaO와 같은 염기성 산화물을 첨가하면 유동성이 향상되는 것으로 연구되어 왔다.
일반적으로 금속 슬래그는 1500℃ 이상의 용융로 조건에서 점도가 낮아 유동성이 좋으며 전기전도도가 높아 플라즈마 아크 불꽃 발생 강도가 양호하여 용융 조건이 우수하다,
염기도(CaO/SiO2)에 따른 용융온도를 보면 FeO, Na2O, K2O 등의 성분이 많으면 용융온도는 낮아지고 MgOm, Fe2O3 등의 성분이 많으면 용융온도가 높아지는 특성이 있다.
등록특허 제10-0524825호(등록일:2005.10.21)
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고점도 폐기물을 유리화하기 위해 필요한 유리/슬래그 조성 공정을 개발하여 PTM 운전 안정성과 최종 생성물인 유리 또는 슬래그의 용융 점도를 배출부위온도(1300℃∼1500℃)에서 100 poise 이하로 낮게 유지하도록 한 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법은 SiO2를 40wt% 이상 함유한 비가연성 페기물내 산화물 조성을 이용하여 용융온도 1500℃에서 산화물 조정 조절제를 추가하여 조성 변화를 유지하고, 상기 비가연성 폐기물의 저점도를 100 poise 이하로 조정하며, 상기 산화물 조정 조절제는 토양의 폐기물인 경우에는 SiO2 60∼70wt%, CaO 1∼4wt%, FeO 1∼8wt%, CaF2 0.1∼5wt%, Al2O3 8∼18wt%, MgO 0.1∼5wt%, Na2O 1∼5wt%로 구성됨을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 산업현장에서 발생된 물질 등에 대한 처리를 PTM을 이용하여 용융운전을 수월하게 하고, 배출을 용이하게 제공할 수 있다.
둘째, 본 발명은 PTM 처리를 위한 유리 또는 슬래그 조성 개발을 통한 비가연성 폐기물 용융 고화체 품질관리 체결을 확립할 수 있다.
셋째, 본 발명은 PTM 운전 건전성 유지를 위해 점도 유지를 위한 물리ㆍ화학적 특성의 변화에 따른 적합한 유리/슬래그 조성 개발이 가능하여 유리화 최종 생성물인 고화체가 PTM 성능에 나쁜 영향을 주지 않고 적합하도록 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비가연성 폐기물중 고점도를 갖는 비가연성 폐기물을 저점도로 유지하기 위한 유리/슬래그 조성 유리화 공정도.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
<슬래그 점도 특성>
플라즈마 용융로에서 금속을 함유한 물질을 용해시킬 때 발생되는 용융물은 비중 차이에 의해 용탕(molten bath) 중에 금속과 분리된 잔존물질로서 대부분 산화철(iron oxide) 및 탄소(carbon)으로 구성되고 부수적으로 야금슬래그(metallurgical slag), 염기산화물 등의 불순물로 이루어진다.
플라즈마 용융에 의해 생성된 유리 또는 슬래그의 구성성분은 용융물내의 화학적 성분 거동에 따라 염기성 산화물(Na2O, CaO, MgO, MnO, FeO), 중성 산화물(Fe2O3, Al2O3, TiO2) 및 산성 산화물(SiO2, P2O5)로 구성되어 있으며, 대부분의 유리 또는 슬래그는 유리화(vitrified) 되는 SiO2 성분이 많이 분포되어 있다.
유리 또는 슬래그를 형성하는 P2O5. SiO2 같은 산화물은 망상구조(network)를 가지며 이러한 산화물을 망상형성제(network former)라 한다.
Na2O, CaO, MnO 등 염기성 산화물은 망상구조를 파괴하는 성질이 있어 망목수식제(network modifier)라 한다.
산성 유리 또는 슬래그는 염기성에 비해 SiO2 함량이 높기 때문에 점도가 높으며, 온도가 내려가면 점도가 증가하게 된다.
비가연성 폐기물 중 콘크리트와 같은 비금속 물질에서의 유리 또는 슬래그는 SiO2를 대다수 함유하기 때문에 성분상 암석과 비슷한 규산염산화물 형태를 이루게 된다.
이 경우 유리의 유동성이 양호하지 않기 때문에 배출시 온도 변화에 따라 배출구의 막힘 현상을 유발할 가능성이 있다.
따라서 폐기물 용융시 플라즈마 용융로 기저에 용융물을 형성하는 금속보다 비중이 작고 유동성이 좋아야 배출(pouring)이 양호하게 이루어진다.
일반적으로 유리 또는 슬래그는 무전하 분자들의 혼합으로 화학적 거동은 염기성 및 산성 산화물 성분 비율에 따라 나타난다.
이와 같은 산화물의 비율을 염기도(bacisity)로 표현하며, 이것은 용융시 전기전도도 및 점도 등 용융상태에 영향을 주는 인자로 작용한다.
염기도는 플라즈마 용융 기술에서 용융물을 제어하는 중요한 변수로서 염기도에 따라 용융물의 유동성 및 용융온도가 변화한다.
보통 염기도는 CaO/SiO2, (CaO+MgO)/SiO2, (CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3) 등의 비로서 이용하며, 염기도가 0.9 이하의 슬래그는 산성, 1.0∼2.0 내외는 약염기성, 2.0∼3.0은 중염기성 그리고 3 이상은 강염기성으로 구분한다.
그러나 용융물의 염기도가 증가하면 점도가 낮아지고 유리화 운전 특성에 유리하지 않기 때문에 용융조건을 고려하여 용융물의 염기도를 적절하게 유지하고 있다.
보통 유리 또는 슬래그의 염기도가 증가함에 따라 전기전도도는 함께 증가한다.
다른 한편 용융물의 점성도가 낮으면 용융물의 대류가 양호해지고 유리 또는 슬래그의 혼합 및 열전도가 용이해지며 용융물 내화물 침식이 심해진다.
용융물질에 따라 용융물의 점성과 전기전도도가 다르기 때문에 안정한 용탕 운영과 원활한 슬래그 배출을 위해서는 적절한 염기도로 용융물 상태를 조절할 필요가 있다.
본 발명에서는 대상폐기물에 대한 점도 특성 연구를 Urbain 및 Riboud 모델을 이용하여 수행하였다.
Urbain 모델은 SiO2-CaO-Al2O3 계에 대해 유리 또는 슬래그 점도 모델로서, 점도(ηL)는 온도 함수인 Weymann-Frenkle 방정식 ηL=ATexp(103B/T)을 이용하였다.
파라미터 B는 절대온도(Kelvin) T에서 유리 또는 슬래그 성분으로부터 얻게 되는데, 이들 성분을 조성체(glass former; SiO2), 중간체(intermediate; Al2O3 등) 및 변형체(modifier; CaO, FeO, MgO)로 분류 및 적용하고 있다.
Riboud 모델은 network former와 modifier로 구성된 폐기물에 대해 Weymann-Frenkle 방정식의 파라미터 A 및 B를 용융물 조성성분을 이용하여 실험식으로 도출하였다.
본 발명에서는 폐기물에 대한 산화물 조성을 분석한 후 각 폐기물에 대한 점도를 모델식을 이용하여 계산하였다.
또한 실험실에서 측정된 점도값을 이용하여 모델식과의 편차를 이용하여 각 산화물 분포 범위를 도출하였다.
<점도 모델 분석>
유리 또는 슬래그의 유동성 및 점도는 폐기물 용융시 용융 슬래그의 배출, 용탕 등에 영향을 미치게 된다.
유리 또는 슬래그의 점도가 높은 경우에는 용융로 배출구의 막힘 등의 문제점을 일으킬 수 있기 때문에 용융로 온도를 높이거나 염기도가 적정비율로 혼합되도록 하여 점도를 낮출 필요가 있다.
염기도가 높을 경우 유리 또는 슬래그의 용융온도가 상승하기 때문에 적정한 용융로 운전을 위해서 염기도의 조절이 중요하게 작용한다.
유리 또는 슬래그의 점도가 100 poise 이상으로 높은 경우에는 용융로 배출구에서 막힘 등의 문제점을 일으킬 수 있다.
산화물중 조성체 분포를 달리하여 점도를 확인한 결과, SiO2 함량이 약 40wt%일 경우 염기도는 약 0.3이며, 이 경우 점도는 높게 나타났다.
반대로 SiO2 함량이 20wt% 내외인 경우 염기도는 약 1이며, 점도는 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
PTM 운전 안정성과 용탕 운전 용이성을 위해 콘크리트, 토양 등의 폐기물 투입시 폐기물 산화물 조성비를 고려하여 투입할 수 있도록 혼합폐기물의 점도 분포를 도출하였다.
이들 폐기물에 대한 단독 용융후 배출시 고점도(100 poise 이상)로 인해 출탕구에서 쉽게 배출되지 않았다.
산화물 조성을 적절하게 고려한 혼합폐기물의 경우 용융물은 배출구에서 원활하게 배출되었으며 점도는 낮은(100 poise 이하) 것으로 나타났다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 이루고자 하는 유리화 공정개선의 기술적 과제 중 하나는 유리/슬래그 조성 개발을 통해 용융물이 저점도(100 poise 이하)를 유지하도록 하여 용융풀이 원활하게 형성되도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 비가연성 폐기물중 고점도를 갖는 비가연성 폐기물을 저점도로 유지하기 위한 유리/슬래그 조성 유리화 공정도이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법은 SiO2를 40wt% 이상 함유한 비가연성 페기물내 산화물 조성을 이용하여 용융온도 1500℃에서 산화물 조정 조절제를 추가하여 조성 변화를 유지하고, 상기 비가연성 폐기물의 저점도를 100 poise 이하로 조정한다.
즉, 본 발명에 따른 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법은 원자력발전소 내 설비 등에서 발생하는 금속, 콘크리트, 토양 등 비가연성 폐기물을 비가연성 폐기물의 산화물 조성을 이용하여 플라즈마 토치 용융로에서 용융온도(>1500℃)에서 고점도로 형성된 용융풀의 boiling, swelling 등 이상거동을 방지하고 용융로 건전성과 배출부위 온도(1300℃∼1500℃)에서 저점도(100 poise 이하)를 유지하기 위한 유리 또는 슬래그 조성 이용 점도 조정을 특징으로 한다.
[실시예] 비가연성 폐기물 유리화 공정
일반적으로 폐기물을 용융하면 비중이 높은 금속류가 용융물의 기저부를 이루고 비중이 낮은 기타 무기물은 상층부를 이루기 때문에 금속층은 용융로 하부배출구를 통해 배출하고, 상부 슬래그 층은 용융로 하부 또는 측면으로 배출된다.
그리고 용윰물의 조성, 염기도, 비중 등은 당초 폐기물의 무기물 조성으로부터 결정되는 사항이기 때문에 용융물의 배출과 관련하여 가장 중요한 것은 용융로의 용융물 배출시스템 구조, 용윰물의 온도 및 점성이다.
여기서, 용융물의 온도는 power balance를 조절하여 제어할 수 있으며, 용융물의 점성은 flux 추가로 일정 범위에서 조절할 수 있다.
<점도>
폐기물의 염기도에 따른 점도를 비교하였다.
그림 1에서 보는 바와 같이 유리 또는 슬래그의 염기도가 클수록 점도가 낮음을 알 수 있으나, 1,500℃ 이하에서는 염기도를 점도 분포가 급격한 편차를 보여 준다.
[그림 1]
Figure pat00001

<고화체 조성 분포>
PTM을 가동하여 플라즈마를 이용한 용융후에는 용융로내에 있던 금속 및 유리 또는 슬래그가 용융되어 용융풀을 형성하며, 토치에 공급되는 전류와 전압은 안저한 상태를 유지한다.
용융물 배출 직전에 투입되는 일부 폐기물의 특성(예를 들어 수분 함유량 및 유기물 함량이 높은 물질)에 따라 토치 운전 조건 및 용융상태에 변화를 보이기도 한다.
콘크리트, 토양 등의 폐기물에 비해 슬레이트 혹은 텍스 폐기물을 투입할 경우 부분적으로 용융로 내 차압이 상승하였으며, 용융풀 상태 변화에 따른 swelling 현상이 일시적으로 발생하기도 하였더.
따라서 폐기물 투입시 용탕운전 안정성을 위해서는 투입량 및 폐기물 종류별 혼합율을 조절하여 용융하는 것이 필요한 것으로 나타났다.
본 발명에서 사용한 콘크리트, 토양 등에 대해 분석한 결과 표 1과 같이 주로 SiO2 및 CaO로 구성되어 있으며, 혼합을 이용한 용융 고화체 분석결과 각 시료의 산화물 조성이 이론적 시뮬레이션에 의한 혼합비에 따라 산화물 조성이 분포하는 것으로 나타났다.
폐기물 및 슬래그의 산화물 조성분포(단위: wt%)


산화물
콘크리트
토양

페기물
유리-세라믹
페기물
유리-세라믹

SiO2

50∼60
55∼65
60∼70
65∼75

CaO
6∼10
8∼12
1∼4
1∼5

Fe2O3
2∼5
0.1∼2
1∼8
0.1∼3

FeO
0.1∼2
10∼15
0.1∼5
1∼8

CaF2
0.1∼2
0.1∼2
0.1∼5
0.1∼5

Al2O3
2∼6
8∼15
8∼18
15∼25

MgO
0.1∼1
1∼4
0.1∼5
0.1∼5

Na2O
0.1∼2
1∼4
1∼5
0.1∼5
100: 비가연성 폐기물 용융물 배출용 저점도 조정방법

Claims (1)

  1. SiO2를 40wt% 이상 함유한 비가연성 페기물내 산화물 조성을 이용하여 용융온도 1500℃에서 산화물 조정 조절제를 추가하여 조성 변화를 유지하고, 상기 비가연성 폐기물의 저점도를 100 poise 이하로 조정하며,
    상기 산화물 조정 조절제는 토양의 폐기물인 경우에는 SiO2 60∼70wt%, CaO 1∼4wt%, FeO 1∼8wt%, CaF2 0.1∼5wt%, Al2O3 8∼18wt%, MgO 0.1∼5wt%, Na2O 1∼5wt%로 구성됨을 특징으로 하는 비가연성 폐기물 용윰물 배출용 저점도 방법.
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