KR20150107903A - 폐기물 처리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

폐기물들을 이산 입자들로 입자화시키고, 상기 입자들을 탄화시키기 위하여 상기 입자들을 비-산화 분위기 중에서 건조기 내에서 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도에서 가열 및 건조시키고, 상기 탄화된 입자들을 분쇄시키고 그리고 상기 분쇄되고 탄화된 입자들을 중금속들을 용액 내로 용해시키기 위한 산 용액 내에서 침출시키고, 상기 탄화된 입자들로부터의 중금속을 포함하는 상기 침출 용액을 분리시키고, 상기 탄화된 입자들에 입자화된 수산화나트륨, 실리카, 장석 및 석회석을 100 : 0.3 내지 0.5 : 8 내지 12 : 2 내지 4의 비율로 첨가하고, 상기 입자들을 15 내지 18중량%의 물과 혼합시켜 습윤 혼합물을 형성하고 그리고 상기 습윤 혼합물을 연속적으로 압출시켜 연장된 연속 압출품으로 형성시키고, 상기 연장된 압출품을 소정의 길이의 블럭들 또는 판재들로 절단하고, 상기 블럭들 또는 판재들을 건조시키고 그리고 상기 건조된 블럭들 또는 판재들을 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도에서 산소 결핍 분위기 내에서 상기 블럭들 또는 판재들을 소결시키고 그리고 탄화물들을 형성시키기에 충분한 시간 동안 가열시키고 그리고 상기 가마 내의 연소가스로부터 이산화탄소 가스를 분리하고 그리고 회수하는 것을 포함하는 폐기물들을 처리하기 위한 방법 및 장치가 개시된다.

Description

폐기물 처리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TREATING WASTE MATERIALS}
본 발명은 폐기 슬러지(waste sludges)의 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음식물, 하수(sewage), 쓰레기(garbage), 건축폐기물(construction waste) 및 산업폐기물(industrial waste)을 포함하는 폐기 슬러지를 비활성, 무기 건축재(inert inorganic building products)로 전환시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
음식물 쓰레기, 산업 폐기물 및 쓰레기 등과 같은 여러 형태의 폐기물(waste materials)들이 건조에 의하여 수분을 감소시키고 폐기(disposed)되고 그리고 소각(incinerated)되거나 또는 매립쓰레기(landfill)로서 직접 매립(deposited)하는 것에 의하여 처리된다. 다이옥신(dioxins), 이산화탄소 및 질소산화물들의 생성으로부터 명백한 환경오염이 종종 야기된다. 매립지(landfill sites)들은 중금속 등과 같은 독소(toxins)들을 주변의 지하수 내로 침출시키되고 그리고 유기물들은 대기를 오염시키는 메탄 등과 같은 가스들로 전환된다.
미합중국 특허 제4,872,993호는 폐수 중의 유기물(organic matter)과 중금속을 흡수하는 점토(clay) 및 응집제(flocculating agent)를 상기 폐수에 첨가하여 슬러지(sludge)를 형성시키는 단계, 상기 폐수로부터 상기 슬러지를 분리시켜 수분함량(water content)을 60중량% 이하로 낮추는 단계 및 상기 슬러지를 약 2000℉의 온도로 소각(firing)시켜 슬러지 입자들을 팽창된 세라믹 입자들로 전환시키는 단계를 포함하는 폐수를 처리하는 방법을 기술하고 있다. 고체 잔사 분말(solid residue powder)은 약 200℃ 이상으로 가열시키고 그리고 수지를 분해하고 그리고 해중합(depolymerize)시키기에 유효한 파에너지 주파수(wave energy frequency)에서의 마이크로파 에너지(microwave energy)에 적용시킬 수 있다. 달리, 상기 고체 잔사는 무산소 분위기(oxygen free atmosphere)에서 약 400 내지 750℃로 가열되어 수지를 해중합시키고 그리고 기체상 탄화수소들을 생산하고, 상기 탄화수소들이 별도로 회수되고 그리고 상기 고체 잔사는 약 750 내지 1150℃로 소결되어 화학적으로 비활성인 응집물(agglomerates)을 생산할 수 있다.
미합중국 특허 제5,490,907호는 20 내지 99중량%의 고체를 포함하는 유기 슬러지로부터 유기 휘발물질을 회수하는 방법을 기술하고 있으며, 여기에서는 점토 분말이 첨가되고 그리고 증류용기(distillation vessel) 내에서 상기 혼합물이 약 350℃로 가열되어 상기 휘발물질을 증류시키고 그리고 과립상 고체 잔사(granular solid residue)가 생성된다. 상기 고체 잔사는 시멘트 산업(cement industry) 등과 같은 비활성의, 화학적으로 안전한 원료물질로 사용되거나 또는 물질 분말(reagent powder)로서 공정에서 사용되기 위하여 재생될 수 있다.
하수, 쓰레기, 건축 및 산업폐기물 등을 포함하는 광범위한 폐기물들을 처리하여 매립쓰레기 및 대기오염을 최소화할 필요가 있다.
본 발명의 주요 목적은 폐기물을 폐기(disposing)시키고 그리고 폐기물을 활용하여 건축재를 생산하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 메탄, 이산화탄소, 질소산화물 및 다이옥신을 포함하여 다른 독성의 가스들의 생산을 회피하거나 또는 최소화시키고 그리고 대기 중으로의 방출을 회피하는 건축재를 제조하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중금속들의 뚜렷한 제거 및 무기 건축재들을 생산하는 것이며 이는 잔류하는 중금속들을 캡슐화(encapsulate)하고 그리고 비활성을 부여한다.
그의 광범위한 관점에 있어서, 본 발명의 상기 방법은 습윤 폐기물(wet waste materials)들을 이산 입자(discrete particles)들로 입자화시키는 단계, 상기 입자들을 비-산화 분위기(non-oxidizing atmosphere) 내에서 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도에서 건조시켜 상기 입자들을 탄화(carbonizing)시키는 단계, 상기 건조되고 탄화된 입자들을 약 0.2 내지 0.5㎜의 크기 범위로 분쇄(crushing)시키는 단계, 중금속들을 용액 내에서 용해시키기 위하여 상기 분쇄되고 탄화된 입자들을 산 용액 중에서 침출(leaching)시키는 단계, 상기 탄화된 입자들로부터 중금속들을 포함하는 침출용액(leach solution)을 분리하는 단계, 상기 탄화된 입자들을 건조시키고 그리고 상기 건조되고 탄화된 입자들에 미립자 수산화나트륨(sodium hydroxide), 실리카(silica), 장석(feldspar) 및 석회석(limestone)에 100 : 0.3 내지 0.5 : 8 내지 2 : 8 내지 12 : 2 내지 4의 비율로, 바람직하게는 100 : 0.3 내지 0.5 : 10 : 10 : 3의 비율로 첨가하는 단계, 상기 탄화된 입자들 및 수산화나트륨 입자들, 실리카 입자들, 장석 입자들 및 석회석 입자들을 15 내지 18중량%의 물과 함께 혼합시키고 그리고 그 습윤 혼합물(wet mixture)을 연속적으로 압출(extruding)시켜 연장된 연속 압출품(continuous extrusion)을 형성시키는 단계, 상기 연장된 압출품을 소정의 길이(predetermined length)의 블럭(blocks)들 또는 판재(planks)들로 절단(severing)하는 단계, 상기 블럭들 또는 판재들을 건조시키고 그리고 건조된 블럭들을 가마(kiln) 내에서 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도에서 산소 결핍 분위기(oxygen deficient atmosphere)에서 충분한 시간 동안 가열시켜 상기 블럭들을 소결시키고 그리고 금속탄화물(metal carbides)로 형성하는 단계 및 상기 가마 내의 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하고 그리고 회수하는 단계를 포함한다.
그의 바람직한 관점에 있어서, 상기 폐기물은 약 1.5 내지 2.5㎜의 크기, 바람직하게는 약 2㎜의 크기의 이산 입자들로 입자화시키고, 상기 이산 입자들을 박층(thin layer)으로 펼치고, 그리고 탄화에 앞서 상기 입자들의 사전 건조(preliminary drying)를 위하여 상기 이산 입자들의 상기 박층을 가열시킨다. 상기 탄화된 입자들은 중금속들의 용해를 위하여 질산 용액 내에서 바람직하게는 10 내지 30분간 침출시키고, 상기 침출용액 내의 상기 탄화된 입자들을 투수성 벨트(permeable belt) 상에서 상기 침출용액을 통하여 밖으로 이송시켜 상기 입자들을 상기 중금속들을 포함하는 상기 침출용액으로부터 분리시킬 수 있다. 상기 탄화된 입자들에는 바람직하게는 그 위로 질산을 중화하기 위한 탄산나트륨(sodium carbonate)이 분사되고 그리고 중금속들을 포함하는 상기 침출용액이 탄산나트륨으로 중화되어 상기 중금속들이 금속탄산염(metal carbonates)들로 침강된다. 상기 블럭들 또는 판재들이 상기 가마 내에서 산소 결핍 환원 분위기(oxygen deficient reducing atmosphere) 중에서 약 6 내지 7시간 동안 가열되어 금속탄화물이 형성된다. 상기 블럭들 또는 판재들에 플라즈마 열분무 코팅(plasma thermal spray coating)가 적용될 수 있다.
그의 광범위한 관점에 있어서, 폐기물을 처리하기 위한 본 발명의 상기 시스템은 상기 폐기물을 전진시키고 그리고 입자화시키기 위한 공급기(feeder), 입자화된 폐기물을 수용하고 그리고 상기 입자화 폐기물을 탄화시키기 위하여 상기 입자화 폐기물을 비-산화 분위기 중에서 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도로 가열하고 건조시키기 위한 건조기, 상기 탄화된 폐기물을 0.2 내지 0.5㎜의 범위 이내의 크기로 분쇄시키기 위한 분쇄기(crusher), 상기 탄화된 폐기물 중의 임의의 금속 성분들을 침출시키기 위한 산 침출 용액을 포함하는 침출조(leach bath), 상기 침지되고, 탄화된 폐기물에 무기 고체 및 물을 첨가하고 습윤 혼합물을 생성하기 위한 수단, 상기 습윤 혼합물을 연장된 압출품으로 연속적으로 압출시키기 위한 압출기(extruder), 상기 연장된 압출품을 블럭들 또는 판재들로 절단하기 위한 수단, 상기 블럭들 또는 판재들을 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도에서 산소 결핍 분위기에서 가열시켜 상기 블럭들 또는 판재들을 소결시키고 그리고 가탄(carburize)시키는 가마 및 상기 가마 내의 에서 연소가스로부터 이산화탄소를 수집하고 그리고 제거하기 위한 수단을 일렬로 포함한다.
바람직한 관점에 있어서, 상기 시스템은 부가적으로 소결되고 그리고 가탄된 판재들 또는 블록들을 플라즈마 열분무 코팅하기 위한 플라즈마 열분무 수단(plasma thermal spray means)을 포함한다. 상기 가마로부터 연소가스를 재활용하기 위한 도관수단(conduit means)들이 제공되고 그리고 상기 침출용액으로부터 침출된 금속들을 침강시키고 그리고 침출되고 탄화된 폐기물을 중화시키기 위한 수단들이 제공된다.
본 발명의 공정의 구체예들이 도면들을 참조하여 기술될 것이며, 여기에서:
도 1은 본 발명의 방법의 전반부(first half)의 흐름도(flowsheet)의 모식적인 도면이고;
도 2는 본 발명의 상기 방법의 후반부(second half)를 묘사하는 흐름도의 모식적인 도면이고;
도 3은 본 발명의 제2의 구체예의 개략도(perspective view)이고;
도 4는 본 발명의 압출기의 구체예의 길이방향의 단면도이고;
도 5는 당해 기술분야에서 공지된 진공피스톤 압출기(vacuum piston extruder)의 단면도이고;
도 6은 당해 기술분야에서 공지된 진공오거 압출기(vacuum auger extruder)의 단면도이고;
도 7은 당해 기술분야에서 공지된 오거 압출기 내에서의 압력영역(pressure zones)들의 단면도이고;
도 8은 본 발명의 고온 가마 또는 로(furnace)의 길이방향의 단면도이고;
도 9는 본 발명의 이산화탄소 추출유닛(extraction unit)의 길이방향의 단면도이고;
도 10은 테이프 캐스팅(tape casting)에 대하여 가열된 슬러지 공급 슬러리의 점도를 설명하는 그래프이고;
도 11은 재활용 열(recycle heat)을 사용하여 건조된 슬러지의 열분해(pyrolysis) 및 탄화 동안의 잔류 시간(residual time)의 효과를 설명하는 그래프이고; 그리고
도 12는 초음파의 보조와 함께 또는 보조 없이 질산 침지에서의 중금속 제거를 설명하는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 약 1.5 내지 2.5㎜, 바람직하게는 약 2㎜의 크기의 입자들로의 예비분쇄(preliminary crushing)를 위하여 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 건축 및 산업 폐기물, 플라스틱 백(plastic bags) 등의 쓰레기를 포함하는 폐기물(P1)이 스크류 컨베이어(14) 상으로 분쇄단계(S10)의 분쇄기(12)의 호퍼(11)에 공급된다. 상기 입자화된 물질은 박층의 습윤 슬러리(thin wet slurry)로서 가열단계(S20)의 테이프 인젝터(tape injector)(21)로 전진되고, 여기에서 버너(22)가 상기 슬러리를 가열시켜, 이산 입자들의 박층으로의 효과적인 예비건조를 위하여, 11에 나타낸 바와 같이, 약 4000MPas로 상기 슬러리의 점도를 감소시킨다.
상기 폐기 공급물(waste feed)은 전형적으로 23 내지 27중량% 고체, 잔여의 물의 범위 이내의 고형분함량(solids content)을 갖는다. 상기 폐기 공급물의 이화학적 특성들이 약 23중량%의 고형분함량 및 약 77중량%의 액체함량(liquid content)에 대하여 하기 표 1(슬러지 입력(sludge input)의 이화학적 특성들)에 정형화되어 있다.
항목 단위 탈수된 슬러지
수분함량 중량% 77.0
고형분함량 중량% 23.0
회분함량(ash contents) 중량% 50.0
유기화합물함량 중량% 50.0
발열량(calorific value) cal/g 2,492
pH - 6.0
가열된 입자들(P3)의 상기 박층은 벨트 컨베이어(V1)에 의하여 금속 컨베이어(metal conveyor)(V2) 상으로 그리고 단계(S30)의 1차 건조기(primary drier)(31)로 전달되고 이는 추후 논의될 하향기류유닛(S120)으로부터 입구(inlet)(32)를 통하여 재순환 열기체(hot gases)를 수용하며, 상기 기체들은 약 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도를 갖는다. 상기 습윤 입자들은 상기 유기 폐기물들의 탄화를 위하여 필수적으로 무산소 분위기 내에서 건조되고 그리고 열분해된다. 유기 폐기물들의 열분해(thermal cracking)는 목탄(charcoal)등 탄질물질(carbonaceous material) 및 회분의 잔사를 남기면서 탄화수소들의 열증류(thermal distillation)를 야기한다. 폐기 슬러지 건조기(31) 내에서의 물, 탄화수소 및 황화수소(hydrogen sulphide)의 분해 이후, 340℃에서의 포화된 고리-결합(saturated ring-bonds)의 분해(cracking), 380℃에서의 탄화, 400 내지 600℃의 범위 이내에서의 역청성분(bitumen components)들의 타르(tar) 또는 중유(heavy-oils)들로의 전환 및 350 내지 400℃에서의 유기물들의 탄소 및 저분자량 기체 탄화수소들로의 분해가 존재한다고 여겨진다.
폐기물이 800℃ 이상에서의 환원 조건 하에서 열적으로 분해되어 다이옥신 성분들이 탄화범위의 중간에서 분해되기 때문에 이러한 탄화공정으로부터의 폐기물은 어떠한 다이옥신 성분도 포함하지 않는다.
상기 탄질물질은 미세한 기공들을 가져 높은 흡수능(adsorption capability)을 갖는 큰 표면적을 제공한다. 원래의 용적의 약 1/12로의 상당한 용적 감소는 박테리아 및 바이러스들의 파괴에 의한 살균의 결과를 가져온다. 다이옥신의 거의 완전한 열분해는 배기가스들 중에서 흔적량(trace amounts)의 다이옥신의 결과를 가져오며 이들은 후술될 하향흐름 가탄단계(downstream carburizing step)(S120)에서 완전히 파괴된다.
하기 표 2(수율 및 요오드 흡수(iodine adsorption)에 대한 가탄온도의 영향(가탄시간: 30분)) 및 표 3(수율 및 요오드 흡수에 대한 가탄시간의 영향(가탄시간: 860℃))들은 30분 동안의 여러 가탄온도들에서 및 각각 860℃에서의 여러 시간들에서의 요오드값(Iodine Number)을 나타내고 있다.
항목/가탄온도 400℃ 500℃ 600℃ 860℃
요오드값(㎎/g) 116.9 99.5 113.9 123.5
수율 64.0 50.5 46.5 45.0
항목/가탄시간 15분 30분 60분
요오드값(㎎/g) 109.4 123.5 104.6
수율 46.3 45.0 44.0
도 11은 잔류 농도에 대한 교반시간(agitation time)의 영향을 나타내고 있다.
하기 표 4(건조공정(S30)을 통한 가탄된 슬러지 출력의 조성)는 단계(S30)에서의 건조 및 가탄 공정 이전 및 이후의 전형적인 슬러지의 조성을 나타내고 있으며, 여기에서 DB = 건물기준(dry basis)이다.
항목 단위 결과
건조된 슬러지 가탄된 슬러지
수분함량 중량% 22.5 2.9
회분함량 중량%-DB 50.0 78.0
발열량 cal/g-DB 2,949 1,152

원소분석
(element analysis)		 탄소(C) 중량%-DB 23.3 11.3
수소(H) 중량%-DB 4.0 0.59
산소(O) 중량%-DB 18.1 .505
질소(N) 중량%-DB 3.5 0.52
황(S) 중량%-DB 0.57 0.06

함량
(content)		 납(Pb) ㎎/㎏-DB 114.4 174.1
구리(Cu) ㎎/㎏-DB 219.4 235.7
비소(As) ㎎/㎏-DB 0.9 1.8
크롬(Cr) ㎎/㎏-DB 34.7 44.5
카드뮴(Cd) ㎎/㎏-DB 1.9 1.4
입자(P3)들은 접이식 금속 컨베이어(slatted metal conveyor)(V3)에 의해 이송되며, 이는 호퍼(51) 상에서 진동기(vibrator)(34)에 의해 진동되어 이산된 입자들이 먼지입자들을 수집하고 그리고 분리하도록 하는 부분진공(partial vacuum) 하에서 상기 컨베이어의 개방 슬레이트(open slats)들을 통하여 도 4에서 보다 상세하게 설명되는 분쇄 단계(S40)의 폐쇄된 호퍼(enclosed hopper)(41) 내로 낙하되도록 한다. 호퍼(41)을 가로질러 회전하도록 축받이 된(journaled) 방사상 교반기(radial agitator)(42)의 회전이 상기 입자들을 오거(auger)(43) 상으로 전진시킴과 동시적으로 상기 건조된 입자(P4)들을 전진시키고 그리고 0.2 내지 0.5㎜의 범위 이내의 크기로 분쇄시킨다.
벨트 컨베이어(V4)가 상기 입자(P4)들을 바람직하게는 2 내지 3의 pH, 1.115의 밀도 및 3.54몰/ℓ의 농도를 갖는 질산 용액을 갖는 산침지조(S50)의 탱크(51)에로 약 10 내지 30분; 바람직하게는 약 20 내지 30분, 그리고 가장 바람직하게는 약 30분의 체류시간(retention time) 동안 이송시켜 구리, 납, 아연 및 카드뮴 등과 같은 중금속들을 침지시킨다. 투석막 층(dialyser membrane layer)을 갖는 폴리프로필렌 벨트 컨베이어(polypropylene belt conveyor)(V5)가 상기 다공성 그리고 투과성의 가탄된 폐기입자들 내로의 상기 산 용액의 침윤(infiltration)을 수반하며, 상기 입자들을 바람직하게는 상기 조(bath)의 초음파 교반(ultrasonic agitation)을 위한 초음파 변환기(ultrasonic transducer)(53) 상의 탱크(51)를 통하여 대략 바람직한 20 내지 30분, 가장 바람직하게는 약 30분 동안 이송시킨다. 2HNO3 + Cu → Cu(NO3)2 + H2(기체)와 같이 구리로 정형화되는 바와 같이, 상기 폐기입자들 내의 금속(M)은 상기 용액 내로 용해된다. 용액 내의 M(NO3)2 양이온들은 상기 투석막을 갖는 상기 폴리프로필렌 체인 컨베이어(polypropylene chain conveyor)(V5)를 통한 금속-함유 용액의 통과에 의하여 상기 고체 입자들로부터 분리된다. 상기 고체 입자들은 탱크(51)를 통하여 탱크 밖으로 건조 단계(S70)의 벨트 컨베이어(V6) 상으로 이송된다. 투석 여과기(dialyzer filter)를 통하여 통과하는 탱크(51) 내에서 양이온들을 갖는 상기 산 용액은 탄산나트륨 용액을 첨가하는 것에 의하여 단리되고 그리고 중화되어 Cu(NO3)2 + NaCO3 → CuCO3 + Na(NO)3와 같이 구리로 정형화되는 바와 같이, 상기 금속들을 금속 탄산염(metal carbonates)들로서 침강시킨다. 초음파 보조(ultrasonic assistance)와 함께 그리고 초음파 보조 없이 중금속 제거가 표 5(질산 용액 및 초음파 설비로의 중금속 제거 공정)에서 정형화된다.
성분
 입력
(㎎/㎏)		 10분(㎎/㎏) 20분(㎎/㎏) 30분(㎎/㎏)
초음파
없이		 초음파와
함께		 초음파
없이		 초음파와
함께		 초음파
없이		 초음파와
함께
납(Pb) 5.00 3.00 1.45 1.28 0.50 0.87 0.35
비소(As) 3.00 2.48 0.67 1.35 0.07 0.65 0.06
수은(Hg) 0.20 0.16 0.07 0.11 0.01 0.04 0.01
카드뮴(Cd) 0.30 0.19 0.11 0.19 0.02 0.07 0.01
도 12는 표 5에서 나타낸 바와 같이 초음파 교반과 함께 및 초음파 교반 없이 시간에 대한 중금속들의 침지를 도식적으로 설명하고 있으며, 약 20 내지 30분에서 최적의 침지가 일어난다는 것을 도식적으로 설명하고 있다.
침지된 폐기입자들(P4)은 탱크(51)로부터 중화단계(S60)의 고압스크러버(high pressure scrubber)(61)로 이송되고, 여기에서 분무기(sprayer)(62)가 고압 및 고속으로 탄산나트륨 용액을 벨트 컨베이어(V6) 상에서 이송되는 상기 폐기입자들 상으로 지향시켜 상기 입자들 상의 질산을 중화시킨다.
상기 중화된 입자들은 단계(S70)에서 강제 통풍팬(forced draft fan)(71) 하에서 벨트 컨베이어(V6) 상으로의 통과에 의하여 표면건조되고 그리고 혼합단계(S80)의 공급 호퍼(81)에로 공급되고, 여기에서 상기 폐기입자들(P4)이 수산화나트륨 입자들, 실리카 입자들, 장석 입자들 및 석회석 입자들과 100 : 0.3 내지 0.5 : 8 내지 12 : 8 내지 12 : 2 내지 4의 범위 이내; 바람직하게는 100 : 0.3 내지 0.5 : 10 : 10 : 3의 범위 이내의 비율로 혼합된다. 상기 혼합물은 15 내지 18중량%의 물과 함께 프로펠러 믹서(propeller mixer)(82)에 의해 혼합되고 그리고, 도 4에서 보다 상세하게 나타낸 바와 같이, 단계(S90)에서 컨베이어(V8)에 의해 진공 압출기(90)의 호퍼(97)에로 이송된다. 압출기(90)는 폐기물 공급 호퍼(waste feed hopper)(97) 아래에서 회전하도록 축받이 된 1차 스크류 오거(primary screw auger)(91) 및 상기 압출품에 마블(marble) 또는 줄무늬(streak) 효과를 제공하도록 하기 위한 착색분말(colour powders)들 등과 같은 입자화된 첨가제를 공급하기 위한 공급 입구(98)를 포함한다. 오거(91)는 입자화된 폐기물을 위한 대구경 스크류부(large diameter screw portion)(93)와 상기 착색 첨가제(98a, 98b)들을 위한 상대적으로 소구경 스크류부(94)를 가져 마블링 효과를 강화시킨다. 전형적인 무기 착색 첨가제들은 백색 색상을 위한 카올린(kaolin), 청색 색상을 위한 코발트 산화물(colbalt oxide), 녹색 색상을 위한 크롬 산화물(chrome oxide), 녹색, 적색 또는 흑색 색상들을 위한 구리 산화물(copper oxide) 및 적갈색(reddish brown)을 위한 철 산화물(iron oxide)들이다.
2차 오거(secondary auger)(92)는 상기 혼합물을 15 내지 18중량%의 물과 함께 가압 하에서, 바람직하게는 직사각형의 단면 개구(rectangular cross-section opening)을 갖는 다이 오리피스(die orifice)(96)를 통하여 전진시키기 위한 스크류(95)를 갖는다. 도 5 및 도 6들은 각각 피스톤 및 오거 압출기들을 위한 선행기술의 진공 압출기 다이들을 나타내고 있다. 도 7은 표 6(압출 유동계를 사용하여 결정된 흐름 특성들)의 압출 유동계(extrusion rheometer)에 의하여 결정된 전형적인 흐름 특성들에 대한 본 발명의 2차 오거 압출기의 압력 영역들을 나타내고 있다.
특성 전기자기알파
(electrical porcelainα)		 근청석
(cordierite)		 근청석+윤활유알파
(cordierite+lubeα)
다이-엔트리ρb(㎪)
kb㎪/(㎜/분)n
n전단박막(shear thin)		 160
200
0.3		 850
30
0.3		 520
13
0.4
다이-랜드ρf(㎪)
kf㎪/(㎜/분)m
m전단박막		 6
0.7
0.5		 57
1.4
0.5		 6
0.1
0.8
상기 압출품(G1)은 단계(S100)에서 톱에 의하여 블럭들 또는 판재들(G2)로 가로질러 절단되고 그리고 고온 소결 단계(S120)에서 가마 또는 로(121) 내에 적재하기에 앞서 순차적으로 건조단계(S110)에서 마이크로파 유닛(112)에 의하는 것과 같이 건조되어 수축을 최소화하도록 한다.
도 8에서 보다 상세하게 모식적으로 도시한 바와 같은 상기 가마(121)는 그 위에 상기 판재(62)들이 적재되는 베이스(120)를 포함한다. 로(121)는 입구(127, 128)들에서 공기와 함께 천연가스의 연소에 의하여 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도까지 가열된다. 가스 입구(122)는 상향흐름 건조기(upstream drier)(31)의 출구(32)로부터 열기체를 수용한다. 이산화탄소 및 질소산화물(NOx)을 포함하는 연소가스들의 일부가 이산화탄소 회수를 위하여 출구(123)를 통하여 방출되고 그리고 나머지가 배기팬(125)에 의하여 건조기(31)의 입구(32)에로 재순환된다. 적재된 판재들은 상기 잔여의 금속들로부터의 금속탄화물들의 생산을 위하여 제어된 환원 조건들 하에서 약 6 내지 7시간 동안 가마(121) 내에서 소결된다. 상기 로는 초기에 천연가스의 연소에 의하여 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 소정의 온도를 달성하도록 가열되고 연소 생성물이 이산화탄소 수집 단계(S130)로 그리고 건조단계(S30)에로 방출된다. 상기 가마 방출 댐퍼(kiln discharge damper)는 상기 가열단계(firing phase)의 끝에서 부분적으로 폐쇄되어 상기 금속들 및 실리카를 가탄시키기 위하여 탄화된 폐기입자들의 존재 중에서 환원분위기를 제공하도록 한다.
출구(123)를 통하여 방출되는 열배기가스(hot exhaust gases)는 약 70℃의 열손실(heat loss)을 수반하여 약 420 내지 560℃의 온도에서 도시되지 않은 먼지수집기(dust collector)를 통하여 통과하고 그리고 산소의 결핍을 수반하여 저압가스(low pressure gas ; LPG) 또는 액화천연가스(liquefied natural gas ; LNG)의 연소에 의하여 800 내지 860℃의 소정의 환원 온도까지 가열되어 일산화탄소(CO)를 생성시키고, 이들 열기체들은 건조단계(S30)로 공급되고 그리고 적절한 탄화조건들을 위하여 산소 결핍이 유지된다.
도 9에 나타낸 이산화탄소 수집 단계(S130)는 이산화탄소를 포함하는 연소가스들의 일부를 수용하기 위하여 가마(121)의 출구(123)와 도관에 의하여 연결된 입구(210)를 갖는 인클로져(enclosure)(200)를 포함한다. 일련의 1차 흡수유닛(primary absorbent unit)(211), 2차 흡수유닛(212) 및 3차 흡수유닛(213)들이 상기 열연소가스들로부터 이산화탄소를 흡수한다. 팬임펠러(fan impellor)(215)가 인클로져(200) 내에서 연소가스를 재순환시킨다. 1차 흡수기(211)는 바람직하게는 건조-흡수제(dry-absorbent) NHCO3이고, 2차 흡수기(212)는 바람직하게는 MHCO3이고 그리고 건조-흡수제(214)는 바람직하게는 M3CO3이다. 배기스택(exhaust stack)(218) 내의 4차 이산화탄소 흡수기(217)는 바람직하게는 Al2O3 및 TiO2의 혼합물이다.
가마(121)로부터 소결되고 그리고 가탄된 판재들(G3)은 바람직하게는 당해 기술분야에서 공지된 플라즈마 열 분무 코팅 단계(S140)를 통하여 통과되어 판재 외부 표면들을 밀봉시켜 잔류 중금속들의 침출이 방지되도록 하는 것을 확실하게 한다.
본 발명의 다수의 중요한 잇점들을 제공한다. 지금까지 매립지에 퇴적되어 환경을 오염시키던 유기물질 및 중금속들을 포함하는 폐기물들의 습윤 슬러리들이 유기물들을 탄화시키는 것에 의하여 효과적으로 처리되어 상기 중금속들이 상기 고체들로부터의 상기 중금속들의 분리 및 회수를 위한 침출용액들 내에서 쉽게 용해되도록 하고 그리고 무기 첨가제들과 함께 상기 탄화된 고체들을 압출시켜 판재들 또는 블럭들로 형성되고 이들은 가탄되어 잔류 중금속들이 불용성의 판재들 또는 블럭들로 탄화되도록 한다.
본 발명의 다른 구체예들 및 실시예들이 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 첨부된 특허청구범위들로 정의되는 본 발명의 관점 및 이해의 범위 내에서 명백하다는 것은 이해될 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 폐기물들을 이산 입자들로 입자화시키는 단계, 상기 입자들을 비-산화 분위기 내에서 건조기 내에서 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도에서 가열 및 건조시켜 상기 입자들을 탄화시키는 단계, 상기 탄화된 입자들을 약 0.2 내지 0.5㎜의 크기 범위로 분쇄시키는 단계, 중금속들을 용액 내에서 용해시키기 위하여 상기 분쇄되고 탄화된 입자들을 산 용액의 조 내에서 침출시키는 단계, 상기 탄화된 입자들로부터 중금속들을 포함하는 침출용액을 분리하는 단계, 상기 탄화된 입자들에 미립자 수산화나트륨, 실리카, 장석 및 석회석에 100 : 0.3 내지 0.5 : 8 내지 12 : 2 내지 4의 비율로 첨가하는 단계, 상기 탄화된 입자들 및 수산화나트륨 입자들, 실리카 입자들, 장석 입자들 및 석회석 입자들을 15 내지 18중량%의 물과 함께 혼합시켜 습윤 혼합물을 형성하고 그리고 그 습윤 혼합물을 연속적으로 압출시켜 연장된 연속 압출품을 형성시키는 단계, 상기 연장된 압출품을 소정의 길이의 블럭들 또는 판재들로 절단하는 단계, 상기 블럭들 또는 판재들을 건조시키고 그리고 건조된 블럭들 또는 판재들을 가마 내에서 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도에서 산소 결핍 분위기에서 충분한 시간 동안 가열시켜 상기 블럭들 또는 판재들을 소결시키고 그리고 금속탄화물로 형성하는 단계 및 상기 가마 내의 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하고 그리고 회수하는 단계를 포함하는 폐기물을 처리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐기물을 약 1.5 내지 2.5㎜의 크기의 이산 입자들로 입자화시키고, 상기 이산 입자들을 박층으로 펼치고, 그리고 탄화에 앞서 상기 입자들의 사전 건조를 위하여 상기 이산 입자들의 상기 박층을 가열시키는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄화된 입자들이 중금속들의 용해를 위하여 질산 용액 내에서 침출되고 그리고 상기 침출용액 내의 상기 탄화된 입자들을 투수성 벨트 상에서 상기 침출용액을 통하여 밖으로 이송시켜 상기 입자들을 상기 중금속들을 포함하는 상기 침출용액으로부터 분리시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄화된 입자들에 그 위의 질산을 중화시키기 위하여 탄산나트륨으로 분무되는 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 탄화된 입자들이 질산 용액 내에서 약 10 내지 30분 동안 침출되는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화된 입자들이 수산화나트륨, 실리카, 장석 및 석회석과 100 : 0.3 내지 0.5 : 10 : 10 : 3의 비율로 혼합되는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    금속탄산염들로서의 중금속들의 침강 및 회수를 위하여 용해된 중금속들을 포함하는 상기 침출용액이 탄산나트륨으로 중화되는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 블럭들 또는 판재들이 상기 가마 내에서 산소 결핍 환원 분위기 중에서 약 6 내지 7시간 동안 가열되어 금속탄화물들을 형성시키는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 블럭들 또는 판재들에 플라즈마 열 분무 코팅이 적용되는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    진공 압출기에 의하여 상기 습윤 혼합물이 연속적으로 압출되는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    압출에 앞서 습윤 혼합물을 혼합하는 동안에 입자화된 무기 착색 첨가제를 상기 습윤 혼합물에 첨가하여 상기 압출품에 마블 또는 줄무늬 효과를 제공하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가마로부터 상기 건조기에로 연소가스의 적어도 일부를 재순환시키는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가마로부터 상기 건조기에로의 상기 재순환 연소가스들을 가열시키는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    산 용액의 상기 조에 초음파 교반을 적용시켜 상기 중금속들의 상기 산 용액 내로의 용해를 보조하는 방법.
  15. 폐기물을 전진시키고 그리고 입자화시키기 위한 공급기, 입자화된 폐기물을 수용하고 그리고 상기 입자화 폐기물을 탄화시키기 위하여 상기 입자화 폐기물을 비-산화 분위기 중에서 800 내지 860℃의 범위 이내의 온도로 가열하고 건조시키기 위한 건조기, 상기 탄화된 폐기물을 0.2 내지 0.5㎜의 범위 이내의 크기로 분쇄시키기 위한 분쇄기, 상기 탄화된 폐기물 중의 임의의 금속 성분들을 침출시키기 위한 산 침출 용액을 포함하는 침출조, 상기 침지되고, 탄화된 폐기물에 무기 고체 및 물을 첨가하고 습윤 혼합물을 생성하기 위한 수단, 상기 습윤 혼합물을 연장된 압출품으로 연속적으로 압출시키기 위한 압출기, 상기 연장된 압출품을 블럭들 또는 판재들로 절단하기 위한 수단, 상기 블럭들 또는 판재들을 1200 내지 1300℃의 범위 이내의 온도에서 산소 결핍 분위기에서 가열시켜 상기 블럭들 또는 판재들을 소결시키고 그리고 가탄시키는 가마 및 상기 가마 내의 에서 연소가스로부터 이산화탄소를 수집하고 그리고 제거하기 위한 수단을 일렬로 포함하는 폐기물을 처리하기 위한 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    소결되고 그리고 가탄된 판재들 또는 블럭들을 플라즈미 열 분무 코팅하기 위한 플라즈마 열 분무 수단을 더 포함하는 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 가마로부터 연소가스를 재순환시키기 위한 도관 수단을 더 포함하는 시스템.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 침출 용액으로부터 침출된 금속들을 침강시키고 그리고 침출되고 가탄된 폐기물을 중화시키기 위한 수단을 더 포함하는 시스템.
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