KR20230001332A - 유동 혼합체의 처리 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율을 달성하기 위한 건조 시간을 특정 수식에 따라 설정하여 유동 혼합체를 건조하는 단계; 상기 유동 혼합체를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및 상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계를 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유동 혼합체의 처리 공정에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 유동 혼합체의 처리 과정 중 배출되는 유해 화합물의 양을 최소화할 수 있는 처리 공정에 관한 것이다.
현대 사회가 고도화됨에 따라 다양한 종류의 제품들이 개발 및 생산되고 있다. 화학 공정과 같은 제품의 생산 과정에서는 제품뿐 아니라, 많은 양의 산업 폐기물이 생성된다. 또한, 생산되어 판매되는 제품 역시 수명을 다한 후 폐기물로 회수된다. 따라서, 수 많은 제품들이 생산되고 폐기되는 현대 사회에서 매년 발생하는 폐기물의 양은 상당하며, 특히 폐기물은 인체에 유해한 화합물들을 포함하는 경우가 많다. 이에, 유해한 화합물들을 포함하는 폐기물을 적절히 처리하여 배출하는 것이 바람직하다.
폐기물 처리 방법으로 널리 알려진 방법으로는 소각, 매립, 플라즈마 처리, 고온 염기 반응, 아임계수 처리 등이 있다.
소각의 경우, 폐기물의 부피를 크게 낮출 수 있고, 사용된 에너지 일부를 회수할 수 있다는 점에서 일반적으로 선호되는 방법이기는 하나, 소각 단계에서 유해 화합물들이 원활히 제거되지 못하거나 이후 재합성될 수 있으며, 유해 화합물이 기화하여 대기중으로 방출됨으로써 대기를 오염시킨다. 특히, 소각은 최근 대기 환경 보호에 대한 사회적 요구가 증가함에 따라 높아진 기준을 쉽게 충족하지 못한다는 문제점이 있다. 매립의 경우, 간단하다는 이유로 많이 사용되는 방법이나, 유해 화합물들은 열화학적으로 안정적이기 때문에 매립되는 경우 분해되지 못하고, 토양을 오염시키거나, 지방 등에 잘 녹아 생물체 안에 축적되어 먹이사슬에 악영향을 초래하고, 최종적으로는 인체로 유입될 수 있다는 문제점이 있다.
플라즈마 처리, 고온 염기 반응, 아임계수 처리 등도 역시 고농도의 유해 화합물들을 처리할 수 없고, 설비 운용에 소모되는 비용이 높으며, 분해된 유해 화합물들이 재합성되는 문제점이 있다. 또한 유해 화합물들을 제거하는 방법으로 말단 공정에서 활성탄 흡착, 백필터, 스크러빙 등을 사용하는 방법도 있으나, 유해 화합물들이 분해되는 것이 아닌, 물리적으로 유해 화합물들을 제거하는 것이기 때문에 유해 화합물들의 총량에는 큰 변화가 없고, 제거의 효율 역시 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 화학적으로 유해 화합물을 최대한 분해할 수 있으면서도, 유해 화합물들의 재합성이 억제될 수 있고, 복잡한 설비를 요하지 않아 간단하게 수행할 수 있는 처리 공정에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유해 화합물을 온전히 분해시킬 수 있으면서도, 유해 화합물의 재합성을 억제할 수 있고, 복잡한 설비를 요하지 않아 기존 공정에 간단히 적용할 수 있는 유동 혼합체의 처리 공정을 제공하고자 한다. 또한, 공정 규모를 확장(scale up)하는 경우에도 건조 후의 목적하는 유동 혼합체의 함수율을 달성할 수 있는 건조 시간을 추정할 수 있으므로, 벤치(bench) 단계, 파일럿(pilot) 단계 및 양산 단계로 공정을 변경하는 경우 최적의 공정 조건을 예측할 수 있고, 이에 의하여 공정 규모가 변경된 조건에서 건조 장치 운영에 있어서 유연한 대처가 가능하다.
본 발명의 일 실시상태는
건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율을 달성하기 위한 건조 시간을 하기 수식 1에 따라 설정하여 유동 혼합체를 건조하는 단계; 및
상기 유동 혼합체를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계
를 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정을 제공한다:
[수식 1]
y = -KIn(x) + a
상기 수식 1에 있어서,
y는 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이고,
K는 1 내지 90의 실수이며,
a는 0 이상 100 미만의 실수이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, K는 하기 수식 11에 의하여 계산된 값이고, a는 하기 수식 12에 의하여 계산된 값이다.
[수식 11]
K = 16.99e^(-0.005Xt)
[수식 12]
a = 250.01e^(-0.008Xt)
상기 수식 2 및 3에 있어서, Xt는 건조 온도이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이 30wt% 이하이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 150 ℃ 내지 200 ℃에서 선택되고, K는 10 내지 20의 실수이며, a는 40 내지 60의 실수이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 250 ℃ 내지 400 ℃에서 선택되고, K는 1 내지 5의 실수이며, a는 10 내지 30의 실수이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은, 유동 혼합체를 건조하는 단계 전에, 도중에 또는 후에, 유동 혼합체를 분쇄하여 입자 형태를 제조하는 분쇄 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 있어서, 전술한 실시상태들의 유동 혼합체는 슬러지 형태의 폐기물이다.
본 발명의 유동 혼합체의 처리 공정은, 특정 함수를 통하여 건조 조건을 추정할 수 있으므로, 공정 규모를 변경하는 경우, 특히 공정 규모를 확장(scale up)하는 경우에 건조 시간을 예측하여 건조 장치 운영에 있어 유연한 대처가 가능하다. 또한, 상기 건조 단계를 통하여, 유동 혼합체의 함수율을 적절하게 조절함으로써, 열분해 단계에서의 건조 에너지 효율을 증가시킬 수 있으며, 유동 혼합체 내의 염소 화합물과 같은 유해 화합물들이 온전히 분해될 수 있게 하며, 열분해 및 연소의 효율을 극대화함으로써 전체적인 처리 공정의 효율성을 개선할 수 있다.
도 1 및 도 2는 건조 온도 및 시간에 따른 유동 혼합체의 함수율 변화 추이를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4는 건조 온도에 따른 수식 11 및 수식 12에 따른 상수 K 및 a를 나타낸 것이다.
도 5는 건조 후 시료의 함수율에 따른 열분해 후의 폐고체 잔류 독성 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4는 건조 온도에 따른 수식 11 및 수식 12에 따른 상수 K 및 a를 나타낸 것이다.
도 5는 건조 후 시료의 함수율에 따른 열분해 후의 폐고체 잔류 독성 농도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시상태는
건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율을 달성하기 위한 건조 시간을 하기 수식 1에 따라 설정하여 유동 혼합체를 건조하는 단계;
상기 유동 혼합체를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계; 및
상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계
를 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정을 제공한다:
[수식 1]
y = -KIn(x) + a
상기 수식 1에 있어서,
y는 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
K는 1 내지 90의 실수이며,
x는 건조 시간(minute)이고,
a는 0 이상 100 미만의 실수이다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체는 화학 공정 분야에서 얻어지는 폐기물로서, 고체 입자와 공정 중 발생하는 수분 등이 혼합된 슬러지의 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서의 처리 대상이 되는 폐기물은 에틸렌으로부터 에틸렌 디클로라이드(Ethylene dichloride), 염화 비닐 단량체(Vinyl chloride monomer) 등을 제조하는 공정 중 발생되는 폐액 및 폐수를 처리하면서 생성된 고형의 침전물을 포함하는 것일 수 있다. 또한 상기 폐기물은 다염소화 바이페닐(polychlorinated biphenyl), 다염소화 디벤조-p-다이옥신(polychlorinated dibenzo-p-dioxin), 다염소화 디벤조퓨란(polychlorinated dibenzofuran), 클로로페놀(chlorophenol)과 같은 유해 염소 성분을 1,000 ppm 내지 20,000 ppm 정도의 농도로 포함한 것일 수 있다. 여기서, 유해 염소 성분의 농도는 유동 혼합체에 존재하는 모든 염소의 농도를 의미하며, 이는 이온 크로마토그래피(Ion chromatography, IC)를 이용하여 측정할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 상기와 같은 유해 염소 성분을 고농도로 포함하는 유동 혼합체에서, 후술하는 열분해 장치 내에서의 건조 및 열분해 단계를 거침으로써 독성 제거가 효율적으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 일반 폐기물에서의 독성은 1,000 pg I-TEQ/g 이하, 대부분은 100 pg I-TEQ/g 이하이며, 이와 같은 저독성은 다양한 방법으로 제거하는 것이 비교적 용이하다. 반면, 고독성 폐기물, 예컨대 30,000 pg I-TEQ/g 이상의 폐기물은 일반적인 방법으로는 제거가 용이하지 않다. 예컨대, 본 발명에서 처리 가능한 대상은 유동 혼합체의 독성 농도 30,000 pg I-TEQ/g 이상, 구체적으로 30,000 pg I-TEQ/g 내지 1,000,000 pg I-TEQ/g의 폐기물일 수 있다. 본 발명에서는 고독성 폐기물에서 후술하는 열분해 장치 내에서의 건조 및 열분해 단계를 통하여 효율적으로 독성 제거를 할 수 있다. 특히, 이와 같이 유해 염소 성분을 고농도로 포함하는 유동 혼합체에서는 함수율을 낮추는 것이 쉽지 않으므로, 건조 조건에 따라 이후의 열분해 및 연소 단계에서의 효율에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 실시상태들에 따르면, 열분해 단계 후에 얻어진 폐고체 중의 잔류 독성 농도가 500 pg I-TEQ/g이하, 바람직하게는 200 pg I-TEQ/g 이하, 더욱 바람직하게는 150 pg I-TEQ/g 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 상기 독성 농도(pg I-TEQ/g)는 독성을 가지고 있는 PCDD(polychlorinated dibenzodioxin)와 PCDF(polychlorinated dibenzofuran)의 동류물 17 종의 농도와 독성 펙터(I-TEF)의 곱의 합으로 도출한 값이다.
<식>
독성 농도(I-TEQ) = Σ(PCDDi X I-TEFi) + Σ(PCDFi X I-TEFi)
상기 식에서 PCDDi 및 PCDFi는 각각 i개의 염소를 갖는 다이옥신류의 질량이고, I-TEFi는 i개의 염소를 갖는 다이옥신류의 독성등가 환산계수를 의미한다.
또한, 상기 폐기물은 유기물과 무기물을 중량 기준으로 3:7 내지 7:3, 구체적으로 4:6 내지 6:4, 예컨대 1:1로 포함하는 것일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시상태들에 따른 처리 공정을 단계 별로 설명한다.
전처리 단계(S1)
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은 유동 혼합체를 건조하는 단계 전에, 도중에 또는 후에, 유동 혼합체를 분쇄하여 입자 형태를 제조하는 분쇄 단계를 포함할 수 있다.
슬러지 형태의 폐기물을 분쇄하여 입자 형태로 제조하는 경우, 폐기물의 입자를 상대적으로 균일하게 제어함으로써, 슬러지 내의 불균일한 입자 크기로 인한 유해 화합물로의 열전달 방해를 최소화할 수 있다. 구체적으로, 동일 질량을 기준으로 할 때, 입자 형태의 폐기물은 슬러지 형태의 폐기물보다 더 넓은 표면적을 가질 수 있고, 이러한 넓은 표면적은 열전달이 원활하게끔 할 수 있는 요소가 되어 이후의 열분해 및 연소 단계의 효율성을 더욱 높일 수 있다.
상기 분쇄의 방법으로는 슬러지 형태의 물질을 분쇄하기 위해 사용될 수 있는 것으로 알려진 일반적인 방법을 사용할 수 있으며, 예컨대 일반적인 분쇄기를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은, 유동 혼합체를 탈수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
건조 단계(S2)
본 발명의 일 실시상태에 따른 유동 혼합체의 처리 공정은 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율을 달성하기 위한 건조 시간을 상기 수식 1에 따라 설정하여 유동 혼합체를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 건조 단계를 수행함으로써, 슬러지 상태의 폐기물과 같은 유동 혼합체는 함수율을 효율적으로 저감시킬 수 있고, 예컨대 함수율을 30wt% 이하가 되도록 조절할 수 있다. 이와 같이 함수율이 저감된 유동 혼합체를 이후의 열분해 단계 및 및 연소 단계의 대상으로 적용한다. 본 명세서에서 함수율을 나타내는 wt%는 건조 전후의 감량 변화를 건조 전의 값으로 나누어준 값의 *100% 계산 값으로서 하기 식과 같이 계산될 수 있다.
함수율(wt%)=((초기 전체무게)-(건조후 전체무게))/ 초기 전체 무게 *100%
화학 공정 분야에서 얻어지는 고독성 폐기물의 건조 이전 초기 함수율은 99 wt%의 수준으로, 물 99 wt%에 건조물 1 wt%를 포함한다. 이후 건조과정을 통하여 50 wt% 이하의 함수율을 갖도록 할 수 있다. 50 wt% 함수율의 의미는 수분 50 wt%, 건조물 50 wt%를 포함하는 상태, 함수율 30 wt%의 의미는 수분 30 wt%, 건조물 70 wt%를 포함하는 상태를 의미한다. 함수율의 측정 방법으로는 특별히 한정되지 않으며, 일반적인 건조 장치에서 전후 무게 변화를 실험자가 측정하는 방법이 사용될 수도 있고, 함수 측정 장비 METTLER TOLEDO (HX204), moisture analyzer 등을 이용한 방법이 사용될 수도 있다. 예컨대, 하기와 같은 방법으로 수행될 수 있다.
- METTLER TOLEDO (HX204), moisture analyzer에서 권장하는 크기의 디쉬를 사용하여 영점을 맞춘다.
- 분석을 진행하려는 샘플을 디쉬에 넣는다.
- 일정시간이 지난 후 측정 장비에서 샘플의 함수율을 지시한다.
전술한 바와 같이 건조를 수행함으로써 목적하는 함수율을 달성함과 동시에 열분해 단계에서의 열손실을 최소화함으로써 전체 공정에서의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 건조 단계에서의 건조 온도를 한정하는 경우, 상기 수식 1에서의 건조 시간의 예측을 보다 정확하게 할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, K는 하기 수식 11에 의하여 계산된 값이고, a는 하기 수식 12에 의하여 계산된 값이다.
[수식 11]
K = 16.99e^(-0.005Xt)
[수식 12]
a = 250.01e^(-0.008Xt)
상기 수식 2 및 3에 있어서, Xt는 건조 온도이다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 150 ℃ 내지 200 ℃에서 선택되고, K는 1 내지 20의 실수이며, a는 60 내지 80의 실수이다.
구체적인 예에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 150 ℃ 내지 200 ℃에서 선택되고, K는 5 내지 10의 실수이며, a는 63 내지 71의 실수이다.
예컨대, 상기 수식 1은 하기 수식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[수식 2]
y(150℃) = -5.382In(x) + 70.335
[수식 3]
y(180℃) = -7.206In(x) + 64.381
[수식 4]
y(200℃) = -8.28In(x) + 63.645
상기 수식 2 내지 4에 있어서,
y(150℃), y(180℃) 및 y(200℃)은 각각 150℃, 180℃ 및 200℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다.
일 실시상태에 따르면, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 150 ℃ 내지 200 ℃에서 선택되고, 건조 시간은 4시간 이상으로 할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 250 ℃ 내지 400 ℃에서 선택되고, K는 1 내지 5의 실수이며, a는 10 내지 30의 실수이다.
예컨대, 상기 수식 1은 하기 수식 5 내지 7 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[수식 5]
y(250℃) = -4.824In(x)+29.583
[수식 6]
y(300℃) = -3.411In(x)+21.107
[수식 7]
y(400℃) = -1.919In(x)+11.514
상기 수식 5 내지 7에 있어서,
y(250℃), y(300℃) 및 y(400℃)은 각각 250℃, 300℃ 및 400℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다.
건조 온도에 따른 함수율의 변화 추이를 확인한 결과, 150℃ 미만의 경우, 특정 수준 이하의 함수율을 만족하기 위하여 장시간 건조를 위한 가열을 진행함으로써 전체 운전시간 증가 및 에너지 비용 상승이 일어날 수 있다.
한편, 400 ℃ 이하의 경우, 유동 혼합체 건조가 아닌 유동 혼합체 열분해가 바로 일어나게 되는 것을 방지할 수 있다. 유동 혼합체가 건조되기 전에 열분해가 일어나는 경우 유동 혼합체 입자들의 물리적 이동이 저하하고 유동성 저하가 일어날 수 있으나, 이와 같은 문제는 상기와 같이 열분해 전에 400 ℃ 이하에서 건조를 수행함으로써 방지될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 건조 단계 후의 유동 혼합체 중의 함수율은 30wt% 이하인 것이 바람직하며, 1wt% 이상 30wt% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 건조 단계 후의 유동 혼합체 중의 함수율은 20wt% 이하가 더 바람직하고, 15wt% 이하가 더 바람직하다. 이와 같은 함수율 범위 내에 속함으로써, 잔여 수분으로 인하여 열분해 단계에서 증발로 인해 에너지 손실이 일어날 수 있다.
전술한 건조 온도의 조절 및 함수율의 조절은 통상의 기술자에게 알려진 방법을 사용할 수 있으며, 건조에 사용되는 일반적인 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
열분해 단계(S3)
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 전술한 건조 단계(S2)를 거친 후, 상기 유동 혼합체를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계(S3)를 수행한다.
상기 열분해 단계는 저산소 또는 무산소 분위기 하에서 수행된다. 본 명세서에 있어서, 무산소 분위기란 분위기를 조성하는 기체 중 산소가 실질적으로 존재하지 않는 분위기를 의미한다. 상기 열분해 단계는 산소의 농도가 3 부피% 이하, 바람직하게는 1 부피% 이하인 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하며, 산소가 전혀 존재하지 않는, 즉 산소 농도가 0 부피%인 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 열분해 단계가 저산소 또는 무산소 분위기 하에서 수행되는 경우, 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도 및 저산소 또는 무산소 조건에서는 유동 혼합체 내 유해 염소 화합물의 C-Cl 결합이 깨지는 탈염소 반응 또는 유해 염소 화합물의 자체적인 분해 반응이 원활하게 일어날 수 있다. 반면, 산소가 3 부피% 초과하여 존재하는 조건에서는 산소가 유동 혼합체 내 유기물 및 유해 염소 화합물과 반응하여 또 다른 유해 염소 화합물을 형성하거나, 분해된 유해 염소 화합물이 재합성되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 저산소 또는 무산소 분위기는 특정 기체에 제한을 두지 않으며, 예컨대 질소 분위기, 불활성 분위기 또는 진공 분위기일 수 있다. 상기 불활성 분위기는 아르곤 분위기 또는 헬륨 분위기가 사용될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 이 중 특히 저산소 또는 무산소 분위기로 질소 분위기를 적용할 경우, 상대적으로 저렴한 질소를 이용할 수 있어 경제적이며, 분위기 조성이 용이하다는 이점이 있다.
상기 열분해 단계의 온도 조건은 350℃ 내지 500℃일 수 있고, 바람직하게는 350℃ 내지 450℃ 일 수 있다. 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위 내일 경우, 후술하는 연소 단계와의 연계적 관점에서 최종적인 유해 화합물 제거율이 더 높을 수 있다. 특히, 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위보다 낮은 경우 충분한 유해 화합물 제거가 일어나지 않을 수 있고, 상기 열분해 단계의 온도가 상술한 범위보다 높은 경우에는 유해 염소 화합물의 제거 효율 향상은 거의 없는 반면, 에너지 사용량만 크게 증가하여 전체적인 공정의 경제성이 악화될 수 있다.
상기 열분해 단계의 수행 시간은 60분(min) 내지 360 분(min)일 수 있고, 바람직하게는 120 분(min) 내지 360분(min)일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 180 분(min) 내지 300 분(min)일 수 있다. 상기 열분해 단계의 수행 시간이 너무 짧은 경우에는 유해 화합물의 충분한 열분해가 이루어질 수 없고, 상기 열분해 단계의 수행 시간이 너무 긴 경우에는 에너지 사용량이 증가하는 것 대비 유해 화합물의 제거율의 상승 효과가 미미하다.
연소 단계(S4)
상기 열분해 단계에서는 유동 혼합체 내 유해 화합물이 분해되어 기체를 형성하며, 형성된 기체 성분 중 일부는 여전히 유해성을 가질 수 있다. 따라서, 기체 상태의 유해 화합물을 추가적으로 연소시켜 제거할 수 있다. 본 단계에서의 연소를 통해 잔존하는 기상의 유해 화합물은 이산화탄소나 물과 같은 무해한 저분자 화합물로 전환될 수 있다.
상기 연소 단계에서는 전술한 열분해 단계에서 발생한 가스 이외에 공기를 함께 투입하는 것이 바람직하다.
일 실시상태에 따르면, 상기 연소 단계에서의 온도는 900℃ 내지 1,200℃일 수 있으며, 바람직하게는 1,000℃ 내지 1,200℃일 수 있다. 연소 단계에서의 온도가 상기 범위의 하한 보다 낮은 경우에는 잔존하는 기상 유해 화합물이 충분히 산화될 수 없으며, 상기 범위의 상한 보다 높은 경우에는 연소에 사용되는 에너지량이 과도하여 전체적인 처리 공정의 경제성을 악화시킬 수 있다.
상기 연소 단계의 시간은 5 분(min) 내지 60 분(min), 바람직하게는 15 분(min) 내지 30 분(min)일 수 있다. 상기 연소 단계의 시간이 너무 짧은 경우에는 충분한 산화가 수행될 수 없고, 너무 긴 경우에는 온도의 경우와 마찬가지로 연소에 사용되는 에너지량이 과도하여 전체적인 처리 공정의 경제성을 악화시킬 수 있다.
냉각 단계(S5)
본 발명의 또 하나의 실시상태에 따른 유동 혼합체의 처리 공정은 상기 연소 단계에서 연소되어 발생한 연소 가스를 냉각하는 단계(S5)를 더 포함할 수 있다. 전술한 열분해 단계(S3) 및 연소 단계(S4)를 거치더라도 완전히 분해 및 제거되지 못한 유해 화합물이 잔존할 수 있으며, 일부만 분해된 유해 화합물은 이후 다시 유해 화합물로 재합성될 수 있다. 따라서, 이와 같은 재합성을 방지하기 위해서는 미분해 유해 화합물이 잔존할 수 있는 연소 가스를 냉각시켜, 재합성에 필요한 에너지를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 냉각은 일반적으로 사용되는 방법, 예컨대 냉각수를 이용하는 방법을 통해 수행될 수 있으며, 재합성을 최대한 억제하기 위해 급속 냉각인 것이 바람직하다.
후처리 단계(S6)
일 실시상태에 따른 유동 혼합체의 처리 공정은, 전술한 냉각 단계 이후에 여전히 미량의 유해 가스와 산성 가스가 남아 있는 경우, 이를 제거하기 위한 후처리 단계(S6)을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시키는 스크러빙 단계(S6-1) 및/또는 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시키는 집진 단계(S6-2)를 더 포함할 수 있다. 상기 스크러빙 단계(S6-1) 및 상기 집진 단계(S6-2)는 어느 하나만 포함되거나, 둘 모두 포함될 수 있다.
상기 후처리 단계를 통하여 대부분의 유해 화합물이 제거될 수 있다.
상기 스크러빙 단계(S6-1)에서 사용되는 스크러버는 유기 가스를 제거하기 위한 유기 용매 스크러버와 산성 가스를 제거하기 위한 염기 용액 스크러버 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 연소 가스는 유기 용매 스크러버를 통과한 뒤 염기 용액 스크러버를 통과하는 것일 수 있다. 상기 유기 용매 스크러버로는 톨루엔 스크러버를 사용할 수 있으며, 염기 용액 스크러버로는 수산화나트륨 스크러버를 사용할 수 있다. 상술한 스크러버를 사용할 때 유해 화합물 제거 효과가 극대화될 수 있다.
상기 집진 단계(S6-2)에서 사용되는 집진기는 백필터 등을 포함하는 것일 수 있다.
상기 후처리 단계에서, 상기 스크러빙 단계(S6-1)와 상기 집진 단계(S6-2)가 모두 포함되는 경우, 그 순서는 특별히 제한되지 않으며, 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시킨 후, 스크러버에 통과시키거나, 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시킨 후 집진기에 통과시킬 수 있다. 유해 가스의 제거 관점에서 스크러버와 집진기 중 집진기에 먼저 통과시키는 것이 더 바람직할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
유해 화합물을 포함한 슬러지 형태의 폐기물 시료(최초 함수율 70 내지 80 wt%, 독성 등가 환산 농도(pg I-TEQ/g)기준으로 PCDD 및 PCDF의 총 농도는 96354 pg I-TEQ/g)를 각각 150℃(실시예 1), 180℃(실시예 2) 및 200℃(실시예 3)의 온도에서 8시간 동안 등온 가열하여 최종 슬러지의 함수율 값(wt%)을 확인하였다. 등온 가열하는 도중에 별도의 외부 요인을 최소화하기 위해, 물리적인 움직임을 최소화하고 별도의 배기 및 흡기 없이 슬러지 내의 자체 증발되는 값의 변화만을 확인하였다. 별도의 배기 장착시 유입 및 배출되는 풍량과 풍속의 상태에 따라 함수 변화의 변인 통제에 어려움이 있다. 이에, 해당 건조 실험은 변인 통제를 위하여 닫힌계의 조건에서 온도 가열에 의한 슬러지에서 이탈되는 함수의 양을 기준으로 산정한다. 궁극적으로 슬러지의 닫힌계 내에서의 주변과의 평형상태에 기반한 함수율을 의미한다. 그 결과(함수율, wt%)를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.
| 건조 온도 |
15 min |
30 min |
60 min |
120 min |
240 min |
480 min |
R2 | |
| 실시예 1 | 150℃ | 57.93 | 52.30 | 45.43 | 43.30 | 40.11 | 39.55 | 0.9202 |
| 실시예 2 | 180℃ | 45.43 | 40.40 | 35.38 | 27.88 | 22.53 | 22.69 | 0.9599 |
| 실시예 3 | 200℃ | 42.80 | 38.51 | 24.52 | 21.88 | 18.20 | 15.34 | 0.9182 |
상기 표 1 및 도 1로부터, 실시예 1 내지 3은 각각 하기 수식 2 내지 4를 만족함을 알 수 있다.
[수식 2]
y(150℃) = -5.382In(x) + 70.335
[수식 3]
y(180℃) = -7.206In(x) + 64.381
[수식 4]
y(200℃) = -8.28In(x) + 63.645
상기 수식 2 내지 4에 있어서,
y(150℃), y(180℃) 및 y(200℃)은 각각 150℃, 180℃ 및 200℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다.
표 1의 R2은 식 (A-Ae)/A (여기서, A는 전체 데이터(표 1의 함수율 값들)의 편차들을 제곱한 값의 합, Ae는 전체 데이터의 잔차(떨어져 있는 정도)들을 제곱한 값의 합)에 의하여 계산하였다. R2이 1에 근접할수록 신뢰도가 높다고 볼 수 있으므로, 실시예 1 내지 3에서 시간별로 측정한 함수율의 값은 수식 2 내지 4에 부합함을 알 수 있다.
건조시 등온 가열 온도를 각각 250℃(실시예 4), 300℃(실시예 5) 및 400℃(실시예 6)로 한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 3과 동일하게 실시하였다. 그 결과(함수율, wt%)를 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다.
| 건조 온도 |
15 min |
30 min |
60 min |
120 min |
240 min |
480 min |
R2 | |
| 실시예 4 | 250℃ | 19.53 | 11.95 | 7.29 | 5.63 | 2.29 | 2.26 | 0.8885 |
| 실시예 5 | 300℃ | 12.35 | 11.23 | 4.74 | 4.02 | 1.85 | 1.57 | 0.8895 |
| 실시예 6 | 400℃ | 8.23 | 3.74 | 2.37 | 2.01 | 0.93 | 0.68 | 0.7947 |
상기 표 2 및 도 2로부터, 실시예 1 내지 3은 각각 하기 수식 5 내지 7을 만족함을 알 수 있다.
[수식 5]
y(250℃) = -4.824In(x)+29.583
[수식 6]
y(300℃) = -3.411In(x)+21.107
[수식 7]
y(400℃) = -1.919In(x)+11.514
상기 수식 5 내지 7에 있어서,
y(250℃), y(300℃) 및 y(400℃)은 각각 250℃, 300℃ 및 400℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다.
상기 표 1 및 표 2에 기재된 건조 온도에 따른 수식의 기울기값(상수 K) 및 절편값(a)으로부터 수식 11 및 수식 12의 K 및 a에 대한 R2값을 구하면, 각각 도 3 및 도 4와 같이, 1에 근접한 값이 얻어진다. 따라서, 수식 1, 수식 11 및 수식 12에 따라 건조 온도에 따른 건조 시간을 설정함으로써 공정 규모를 변경하는 경우, 특히 공정 규모를 확장(scale up)하는 경우에 건조 장치 운영에 있어 유연한 대처가 가능하다.
참고예
전술한 실시예들에서의 건조 이후 열분해에 의한 폐고체 중 잔류 독성 농도를 확인하기 위하여, 참고 실험을 진행하였다. 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 독성 농도를 갖는 시료를 건조 단계에서 하기 표 3의 함수율이 될 때까지 건조하고, 6.7 ℃/min 승온속도로 400 ℃까지 승온한 후 2시간동안 열분해를 진행하였다(건조 후 시료 중량 10g, 질소 분위기 하). 열분해한 후의 폐고체 잔류 독성 농도를 하기 표 2 및 도 5에 나타내었다.
| 함수율(wt%) | 폐고체 잔류 독성 농도 (pg I-TEQ/g) |
폐고체 잔존질량(g) |
배기가스의 독성 농도 (pg I-TEQ/g) |
|
| 참고예 1 | 54.72 | 534.77 | 3.56 | 89,335.1 |
| 참고예 2 | 31.54 | 530.56 | 5.24 | 63,876.3 |
| 참고예 3 | 18.47 | 437.07 | 6.47 | 73,167.4 |
| 참고예 4 | 8.17 | 119.43 | 7.24 | 78,261.1 |
| 참고예 5 | 3 | 183.05 | 7.26 | 51,437.2 |
참고예 1 내지 5는 건조단계에 의하여 함수율이 감소된 후 열분해를 수행한 결과를 나타낸 것이다. 참고예 1 내지 5를 통하여 열분해 장치 내에서 건조 단계를 통하여 유동 혼합체의 함수율을 조절하는 것이 폐고체의 잔류 독성 농도에 영향을 미침을 알 수 있다. 본 실시예에서는 열분해 단계까지 진행하였으나, 연소 단계를 통하여 열분해 단계에서 발생한 배기가스를 추가로 연소하는 경우 잔류 독성 농도를 더욱 낮게 할 수 있다.
Claims (16)
- 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율을 달성하기 위한 건조 시간을 하기 수식 1에 따라 설정하여 유동 혼합체를 건조하는 단계; 및
상기 유동 혼합체를, 저산소 또는 무산소 분위기 및 350 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 열분해하는 열분해 단계
를 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정:
[수식 1]
y = -KIn(x) + a
상기 수식 1에 있어서,
y는 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이고,
K는 1 내지 90의 실수이며,
a는 0 이상 100 미만의 실수이다. - 청구항 1에 있어서,
K는 하기 수식 11에 의하여 계산된 값이고,
a는 하기 수식 12에 의하여 계산된 값인 유동 혼합체의 처리 공정:
[수식 11]
K = 16.99e^(-0.005Xt)
[수식 12]
a = 250.01e^(-0.008Xt)
상기 수식 2 및 3에 있어서, Xt는 건조 온도이다. - 청구항 1에 있어서, 상기 열분해 단계에서 발생한 가스를 연소하는 연소 단계를 더 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1에 있어서, 상기 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이 30wt% 이하인 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 150 ℃ 내지 200 ℃에서 선택되고, K는 1 내지 20의 실수이며, a는 60 내지 80의 실수인 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 5에 있어서, 상기 수식 1은 하기 수식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시되는 것인 유동 혼합체의 처리 공정:
[수식 2]
y(150℃) = -5.382In(x) + 70.335
[수식 3]
y(180℃) = -7.206In(x) + 64.381
[수식 4]
y(200℃) = -8.28In(x) + 63.645
상기 수식 2 내지 4에 있어서,
y(150℃), y(180℃) 및 y(200℃)은 각각 150℃, 180℃ 및 200℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다. - 청구항 5에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 시간은 4시간 이상인 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유동 혼합체를 건조하는 단계의 건조 온도는 250 ℃ 내지 400 ℃에서 선택되고, K는 1 내지 5의 실수이며, a는 10 내지 30의 실수인 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 8에 있어서, 상기 수식 1은 하기 수식 5 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 것인 유동 혼합체의 처리 공정:
[수식 5]
y(250℃) = -4.824In(x)+29.583
[수식 6]
y(300℃) = -3.411In(x)+21.107
[수식 7]
y(400℃) = -1.919In(x)+11.514
상기 수식 5 내지 7에 있어서,
y(250℃), y(300℃) 및 y(400℃)은 각각 250℃, 300℃ 및 400℃의 온도에서 건조 후의 유동 혼합체의 목적하는 함수율이고,
x는 건조 시간(minute)이다. - 청구항 1에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은, 유동 혼합체를 건조하는 단계 전에, 도중에 또는 후에, 유동 혼합체를 분쇄하여 입자 형태를 제조하는 분쇄 단계를 더 포함하는 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 단계는 산소의 농도가 3 vol% 이하의 분위기에서 수행되는 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 단계는 1 시간 내지 6시간 수행되는 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 2에 있어서, 상기 연소 단계는 900℃ 내지 1,200℃의 온도에서 수행되는 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 2에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은 상기 연소 단계에서 연소된 가스를 냉각하는 단계를 더 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 14에 있어서, 상기 유동 혼합체의 처리 공정은 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 스크러버에 통과시키는 스크러빙 단계 및 상기 냉각 단계에서 냉각된 연소 가스를 집진기에 통과시키는 집진 단계 중 적어도 한 단계를 더 포함하는 유동 혼합체의 처리 공정.
- 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 열분해 단계 후에 얻어진 폐고체 중의 잔류 독성 농도가 500 pg I-TEQ/g이하인 것인 유동 혼합체의 처리 공정.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210084078A KR20230001332A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 유동 혼합체의 처리 공정 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210084078A KR20230001332A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 유동 혼합체의 처리 공정 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230001332A true KR20230001332A (ko) | 2023-01-04 |
Family
ID=84925120
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210084078A KR20230001332A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 유동 혼합체의 처리 공정 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230001332A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110129845A (ko) | 2011-11-15 | 2011-12-02 | 주식회사 세종플랜트 | 다이옥신 처리방법 및 그 처리 설비 구조 |
| KR20140039647A (ko) | 2012-09-24 | 2014-04-02 | 주식회사 이지 | 활성탄 재순환을 통한 다이옥신 저감 설비 및 활성탄 공급기 |
-
2021
- 2021-06-28 KR KR1020210084078A patent/KR20230001332A/ko unknown
Patent Citations (2)
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