1. 서 론

1.1플라즈마 용융설비의 필요성

최근 산업발달의 고도화에 따라 양산된 다양한 유해폐기물과 생활수준 향상으로 인한 생활폐기물의 증가로 중금속 및 침출수에 의한 토양과 주변환경의 오염이 가속화되는 매립에 의한 폐기물의 처리는 한계에 다다르게 되었고, 이로 인한 심각한 매립지의 부족난과 환경오염물 처리가 전세계적인 사회문제로 대두되고 있다. 이에 따른 부분적인 해소책으로 소각에 의한 부피축소로 폐기물을 감량하는 방법을 현재 사용하고 있으나 이 과정에서 불완전연소에 의해 다이옥신과 같은 유독가스를 배출하는 새로운 2차적인 환경문제 직면하게 되었다.

이와 같이 매립과 소각에 의한 폐기물 처리에서 나타난 문제점을 획기적으로 개선할 수 있는 방법으로 설치가 간단하면서도 많은 양의 유해폐기물을 단시간에 처리할 수 있는 초고온, 고열 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법이 관심을 끌게 되었다.

열플라즈마는 온도가 매우 높아서 유기 화합물들을 빠르고 완전하게 분해할 수 있고, 무기물들을 녹여서 부피를 감소시킨 후 유리화를 시킬 수가 있다. 열플라즈마 발생장치인 플라즈마 토치에서는 화학반응을 원활하게 시켜주기 위해 다양한 종류의 기체를 플라즈마기체로 사용할 수 있으며, 이 때 열의 밀도가 매우 높고 사용기체의 양이 매우 작아서 시스템의 크기가 작아지며, 전기를 에너지원으로 사용하므로 무오염원이고 운전의 시작과 종료가 매우 쉽다는 장점이 있다. 그러나,경제적인 면에서 전기를 원료로 사용하므로 운전비가 비싸다는 단점을 가지고 있다.

열플라즈마를 이용해 유해폐기물을 처리하는 방법은 크게 열분해(Pyrolysis), 유리화 (Vitrification), 재활용 (Recycling) 등으로 구분될 수 있다.30) 열분해란 열의 작용에 의해 유기화합물이 화학적으로 안정된 원소로 분해되는 것을 의미한다. 열분해를 위해서는 고체 혹은 액체 폐기물들을 기화시키기 위해 충분히 높은 온도가 필요하고, 고온인 영역에서의 잔류시간이 가능한 길어야 하며, 화학반응을 원활하게 시켜주기 위해 다양한 종류의 기체를 플라즈마기체로 사용할 수 있어야 한다. 열분해과정을 거치면 유기폐기물들은 탄소, 미임계의 탄화수소, 일산화탄소나 수소 등 안정된 원소로 분해된다.

무기물들은 충분히 높은 온도에서 용융된 후 아주 미세한 물질로 분해된 후 고형화되어 유리와 유사한(Glass-Like) 구조로 변화하는데 이를 유리화라고 한다. 유리화는 원형 재(Ash)로부터 기화가 진행되어 부피가 현격히 감소하지만, 여전히 유해한 잔여 재(Residue Ash)로 분해되는 과정과 이 잔여 재들이 유리구조에 포획되어 화학적으로 안정된 원소로 변화되는 과정을 말하며, 유리화를 위해서는 높은 온도와 충분한 열량이 필요하다.

재활용이란 유해폐기물이나 금속으로부터 유익한 원소들을 뽑아내어 재이용하는 과정을 말한다. 제철사업에서 발생하는 매우 많은 양의 분진은 존재원소의 다양성과 매우 작은 크기 때문에 재활용하지 못하고 매립에 의해 처리해 왔으나, 먼지를 구성하고 있는 아연, 납, 크롬 등이 지하수로 유출되어 환경오염을 촉발시키고 있어 철, 니켈, 몰리브데늄 등 원료제철들의 손실을 방지하고 이를 재활용하는 방법이 주로 사용되고 있다. 근래에는 유해화학폐기물의 열분해과정에서 발생하는 열량을 이용하여 발전을 하는 방법도 연구중에 있다.

2.1플라즈마 설비 현황

세계적으로 열플라즈마를 이용해 유해폐기물을 처리하는 현황을 살펴보면 다음과 같다

보유회사		보유 기술
미국	RETEC	Liquid Waste
	PEC	Mixed Waste, 도시 쓰레기
	Westinghouse	함철 폐기물, 제철 Scrap, PCB, 오염토양
	PEAT	병원 폐기물, 방사선 폐기물
스위스	MGC-Plasma AG	원자력 폐기물
	Plasmarec	전기로 분진
프랑스	Aerospatiale	병원 폐기물
	Intertam Co	폐석면, 원자력 폐기물
	Eroplasma Co	소각 ash
	Soretel Co	액상 폐기물
스웨덴	SKF-Steel (Scan-arc Co)	전기로 분진, Stainless 분진
일본	Daido japan	도시 쓰레기+ 산업 폐기물
	가와사끼 중공업, 에바라, 미쓰이 조선, 히다찌 조선	소각재
	TEC	원자력 폐기물
영국	Davy Mckee(BS/TRD)	전기로 분진
러시아	이쿠르트 불가그르트 스키	Cl 함유 Organic Waste
	RADON	방사성 폐기물
호주	PLASCON	액상 유독 폐기물
	삼성 중공업	PCB 및 유독액상 폐기물,병원폐기물,소각재, 폐석면
	한전 연구언	원자력 폐기물

표1) 폐기물 처리 고온 열플라즈마 설비 현황

3. 플라즈마 토치 특성

유해폐기물들의 열분해, 유리화와 재활용에 사용되는 플라즈마 토치는 플라즈마의 발생방법에 따라 그림 2와 같이 이송식 플라즈마 토치와 비이송식 플라즈마 토치로 나눌 수 있다.

(a) Non-Transferred Plasma Torch (b) Transferred Plasma Torch

이송식 플라즈마 토치는 아크를 형성시키기 위한 전극 중 하나가 토치밖에 존재하는 형태를 말하며 열효율이 비교적 높고 아크가 토치밖에 발생하므로 처리대상물 근처에서 온도가 매우 높다는 장점을 가지고 있으나, 부도체를 처리할 때 부도체가 전극의 면을 덮는 경우 아크가 불안정해지는 단점을 가지고 있어서 높은 온도를 이용해 용융하여 금속의 재와 먼지나 핵폐기물을 유리화시키거나 금속을 재활용하는데 주로 이용되고 있다.

비이송식 플라즈마 토치는 아크를 형성시키는 전극이 모두 토치내에 존재하는 형태로서 이송식 토치에 비해 열효율이 떨어지며 고온인 영역이 짧다는 단점을 가지고 있으나 도체, 부도체 등을 동시에 처리할 수 있어 유독성 화합물질, 병원쓰레기, 도시쓰레기 등을 처리하는데 주로 사용된다. 또한 플라즈마 토치는 그림 3과 같이 전극의 구조에 따라 속이 비어 있는 공동형(Hollow) 전극을 가진 경우와 봉형(Rod, Button) 음극과 노즐형 양극을 사용한 고형체형(Solid) 전극으로 나눌 수가 있다

이송식 토치형태로서 화학적인 반응이 관여되지 않는 금속의 재활용이나 무기물 또는 핵폐기물의 유리화에 사용하는 것이 일반적이다.

공동형인 경우에는 비이송식 토치의 형태로 쓰이며 전극의 침식을 줄이기 위해 비교적 낮은 전류 영역에서 운전해야 하며, 산소를 플라즈마기체로 사용할 수 있기 때문에 유기화합물의 처리나 병원쓰레기와 도시쓰레기와 같이 유기물과 무기물이 혼재해 있는 폐기물의 열분해에 사용되는

것이 일반적이다.

그림6) 공동형 플라즈마 토치

그림5) 이송식 플라즈마 토치

3-1 플라즈마 토치의 요건

대량의 유해화학폐기물들을 처리하기 위해서 갖추어야할 플라즈마토치의 요건으로는 경제적인 면에서 장시간 운전이 가능하고 토치제작비용이 적어야 하고 대용량의 폐기물을 처리하기 위해서 고효율과 고출력을 낼 수 있어야 하며, 다양한 성분의 각종 폐기물을 처리하기 위해서는 가능한 여러 종류의 기체를 플라즈마 기체로 사용할 수 있어야 한다.

그림7) 대표적인 열플라즈마 발생방법의 개념도

3-2 MW급 플라즈마 토치의 운전특성

전극의 마모는 아크방전의 전극 근처영역에서 전극표면에서 그리고 금속의 크리스탈망 내부에서의 물리적 과정과 관계된다. 따라서 마모속도는 아크의 크고 작은 Scale Shunting, 외부 자기장의 아크 기둥에 대한 작용, 플라즈마 토치에서 가스흐름의 공기역학적 요인 등에 의해 결정된다. Shunting에 의해 전극표면층에 Damage가 축적되어 전극표면을 마모시키는 결과를 낳는다.

그림 11,는 플라즈마 토치 운전전류 변화에 따라 양극노즐과 음극의 마모율을 나타낸 것이다. 그림 12의 ○은 과제수행중에 관측한 자료를 나타낸 것인데 아크 전류증가에 비례하여 전극 마모율이 증가함을 보여주고 있다. 아크전류가 증가하는 경우에 Shunting Point의 전류밀도가 증가함을 의미하므로 전극표면층의 물리적 특성변화와 온도증가에 의한 열충격의 영향을 크게 받음을 예측할 수 있다.

MW급 플라즈마 토치의 경우 양극노즐전극의 마모율이 2×10-6∼6×10-6kg/s의 범위에서 분포함이 측정되었으며 안전모드에서 운전할 수 있는 전극두께를 고려하고 최대 마모율(6×10-6kg/s)을 적용하여 운전수명을 최소한 600시간으로 예측하였으나, 실제 용융로 장착하여 폐기물 용융처리를 수행하면서 전극사용시간을 관측한 결과 마모영역의 국부적인 비대칭으로 인해 실관측 500시간의 운전시간을 달성하였다.

그러나 토치 전극 마모율의 측정은 폐기물처리 실험스케줄에 준하여 운전을 하였기 때문에 실재로 연속적인 500시간이 아니라 실험조건에 따라 10시간∼100시간 사이의 운전의 반복에 의한 총 운전시간이기 때문에 토치 전극의 마모는 운전초기에 급격하게 마모가 일어나는 특성을 고려하면 장시간 연속운전시에는 500시간이상의 전극 사용시간을 달성할 수 있을 것으로 예상된다.

음극전극의 마모는 양극전극의 마모율과 마찬가지로 전류에 비례하는 경향을 보이고 있다. 특히 음극전극의 경우 아크의 음극점이 양극점에 비해 전류밀도가 매우 높기 때문에 텅스텐 합금을 전극재료로 사용하여 전극 사용시간의 증가를 도모하였다. 이 실험에서 측정결과 음극전극의 마모율이 2×10-8kg/s로 관측되었으며, 플라즈마 토치의 전극교환없이 총 500시간 운전을 달성하였다.

4.실험 결과

표2) 바닥재와 비산재의 화학적 조성 및 성질

*현 분석기술로는 산화물과 염화물을 분리분석할 수 없기 때문에 Total Ca함량과 Total Cl-함량이 중복된다는 사실을 주지하여야 한다.

Heating Microscope로 측정한 융점은 Total Ca이 13.3wt%, SiO2가 28.1wt%인 바닥재가 1,140℃이고, Total Ca이 29.2wt%, SiO2가 23.8wt%인 비산재는 1,523℃로 비산재는 고온에서만 용융되는 특징을 지니고 있다. 따라서 소각재를 적정온도인 1,450℃에서 용융하고 슬래그의 유동성을 향상시켜 연속배출시키기 위해서는 비산재에 염기도가 매우 낮은 바닥재를 혼합사용하여 슬래그의 융점과 점도를 낮춰야 한다. 바닥재와 비산재를 배합한 혼합재는 바닥재의 배합율이 클수록 융점이 낮아지나, 상대적으로 처리비용이 높은 비산재의 처리량을 극대화하기 위하여 비산재의 배합율이 가장 높으면서도 적정 운전온도인 1,450℃에서 용융이 가능하도록 바닥재와 비산재의 배합비율을 정하여야 한다.

4.1 슬래그 및 용융회비의 조성

그림 14는 슬래그의 최종 유리화 성분을 Ca-SiO□-Al□O□3원계에 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 바닥재와 비산재의 배합비율에 따라 스래그의 염기도는 0.3∼1.2에서 분포 하고 있다.

아래의 표는 바닥재와 비산재를 3:7로 배합한 혼합재 용융후의 슬래그와 후처리 시스템의

Bag Filter에서 포집된 용융회비의 조성을 나타낸 표이다.

구분	Slag	Dust
Total Ca	(CaO)30.3	6.4
SiO□	29.1	2.4
Al□O□	11.6	0.2
MgO	13.9	0.4
Total Fe	8.4	0.6
Total Na	0.8	25.5
Total K	0.2	17.5
Total Cl□	0.63	46.0
Total S□	0.12	7.0
Zn	0.26	2.1
Cu(ppm)	596	850
Cd(ppm)	7.9	615
Pb(ppm)	55	19,500
Total Cr(ppm)	340	1,700

표3)Chemical Composition of Slag and Dust

4.2 슬래그의 용융온도

그림 19는 CaO-SiO2-Al2O3 3원계에서 Al2O3 함량이 5∼20wt%일 때 슬래그 염기도에 따른 용융온도를 도시한 것이다. 슬래그 염기도가 1.0일 때 슬래그의 용융온도는 1,300∼1,400℃ 범위에 존재한다. Al2O3 함량이 7wt%내외일 때 슬래그의 융점이 가장 낮으며 Al2O3 함량이 5wt%이하이거나 10wt%이상일 때는 융점이 높아진다. 전체 슬래그 성분을 고려해보면 FeO, Na2O, K2O 등의 성분이 많으면 용융온도는 낮아지고 MgO, Fe2O3 등의 성분이 많으면 용융온도는 높아진다.

슬래그 염기도에따른 용융온도

4.3 Slagmaking 조건

Slagmaking 시간에 따른 슬래그의 Cu 용출량을 그림 20에 나타내었다. Cu는 바닥재에 900ppm, 비산재에 700ppm 함유되어 있고 폐기물 공정시험법에 따른 슬래그의 Cu 용출허용치는 3ppm이하로 규제되어 있다. 소각재가 투입된 후 슬래그로의 용융시간이 짧다면 즉, Cu가 슬래그의 SiO2 Network에 고용될 수 있는 시간이 부족한 상태에서 슬래그로 배출된다면 슬래그에서 Cu가 용출된다.

이 연구에서는 화상면적이 용융로면적의 50∼60%이고 용융슬래그의 중량이 150kg이며 소각재의 투입량이 분당 3.5kg일 때 Slagmaking 시간이 10분이상이어야 즉, 소각재 투입 후 슬래그 배출까지의 시간이 10분이상이어야 슬래그의 Cu 용출량이 3ppm이하로 환경규제치를 만족하였다

Slagmaking시간에 따른 슬래그의 Cu 용출량

4.4 슬래그의 전기전도도

그림 21은 슬래그중 CaO, MgO 및 Total Fe 함량과 플라즈마 토치의 전압특성관계를 나타낸 그래프이다. 토치-슬래그간 거리를 일정하게 유지 했을 때 슬래그의 Total Fe 함량, C먜 및 MgO 함량이 증가 할수록 전압이 낮아짐을 알 수 있다. 그러나 용융조 업에서 CaO를 30wt%이상으로 M햬를 15wt% 이상으로 증가 시키면 슬래그의 융점이 상승하여 유동성이 저하됨과 동시에 유동성 확보를 위하여 전력 소모량이 증가하므로 바람직하지 않다.

따라서 이송형 토치를 사용하여 전압을 550V이하로 제어 하면서 전력소모량을 절감하기 위해서는 슬래그중 Total Fe 함량을 최소한 10%이상으로 유지하는 것이 유리하다.또한 그림 22에 나타낸 바와 같이 슬래그의 염기도가 증가함에 따라 슬래그의 전기 전도도는 증가 한다. 그러나 슬래그의 염기도가 1.2이상으로 증가하면 슬래그의 점도가 증가하고 유리화 특성에 해로우므로 용융조건을 고려하여 슬래그의 염기도를 1.0으로 유지하는 것이  타당하다.

4.5 슬래그의 점도

슬래그의 유동성은 슬래그 방응속도와 밀접한 관계가 있으며, 슬래그의 유동성에 따른 열 및 물질 전달 그리고 슬래그의 원활한 배출 등에 직접적인 영향을 미친다. 더욱이 슬래그의 연속 배출을 요하는 이 플라즈마 용융설비와 같은 경우에는 슬래그의 배출속도가 느리고 그에 따른 슬래그의 온도 저하가 크므로 점도( 혹은 유동성) 관리가 조업에 미치는 여향은 매우 크다고 말할 수 있다.

슬래그의 점도는 정상조업조건에서 약 0.1∼50poise 범위인 것으로 알려져 있으나, 2poise 이하를 유지하는 것이 좋으며 슬래그내 반응이 크게 중요하지 않을 경우에는 그 유동성의 허용폭이 더욱 넓어지게 된다.

그림 23에서 보는 바와 같이 슬래그의 점도는 1350。C에서 약 2∼5poise를 보이고 있으며,

온도가 올라감에 따라 점진적으로 점도가 떨어져 1600。C에서는 1poise이하의 매우 낮은 점도를 보여준다

염기성 슬래그의 경우 점도에 하한온도치가 존재 하게 된다. 고온에서는 슬래그의 점도가 온도 변화에 따라 그다지 크게 영향을 받지 않으나, 액상 온도에 도달하게 되면 슬래그내에 고상 입자가 석출하게 되어 약간의 온도차에도 슬래그의 점도는 매우크게 변화하게 된다 .따라서 슬래그의 점도를 고려함에 있어서 융점이 하한 온

도치를 형성하며, 이 융점이하 에서는 슬래그의 점도가 급격히 상승하게 된다.

전체적으로 약 1350。C이하에서 용융점에 도달하며, 충분한 유동성을 가지는 유동점 또한 약 1350。C아하에서 도달됨을 알수 있다. 따라서 슬래그의 융점을 감안한다면1350。C이하의 온도에서는 슬래그중에서 고융점상의 석출이 발생, 슬래그의 점도가 급격히 올라게게 되므로 조업중 슬래그의 온도는 최소한 1350。C이상에서 의미가 있다고 할수 있다.

그림25 ) 염기도에 따른 점도

결과적으로 슬래그의 안정적인 점도관리를 위해서는 약 0.8∼1.2의 염기도를 유지시켜 주어야 한다. 부분적인 점도 관리는 Na□O, K□O, Total Fe 의 양을 조절함으로써 가능하며, MgO 의 경우에는 양을 억제해 주어야 하고 일시적인 점도 저하가 필요한 경우에는 CaF□의 투입을 통해 점도를 떨어뜨릴수 있다.

또한 슬래그의 온도는 최소 1350。C이상을 유지함으로써 슬래그 점도를 2poise이하로 떨어뜨리는 것이 조업에 용이하다.

4. 6 슬래그의 감용화 및 자원화

슬래그의 염기도가 증가하면 밀도가 증가하는데 이는 슬래그의 결정화가 촉진되기 때문이다. 따라서 슬래그의 염기도가 증가하면 슬래그의 마모감량이 감소하고 수정 CBR이 증가하여 도로용 골재등 토목, 건축자재용으로의 자원화가 가능함을 의미한다. 그러나 전술한 점도의 경우에서와 마찬가지로 염기도가 1.2이상이 되면 CaO의 과도한 증가로 인하여 유동성이 감소하여 슬래그의 안정적인 배출이 해로우므로 슬래그의 염기도를 1.0내·외에서 제어하여야 한다.

슬래그의 중금속 용출 시험에서 Pb등 6개 성분이 고온용융반응에 의하여 슬래그내의 SiO□ Network 구조에 고용, 안정화되어 용출되지 않았으므로 소각재의 슬래그를 일반폐기물로서 매립이 가능하고 ·건축자재용으로 자원화할 수 있다.

결론적으로 슬래그의 염기도가 상승하면 슬래그의 결정화가 촉진되어 강도가 향상되고 마모감량이 감소 한다. 그러나 전술한 바와 같이 용융조업상에서 슬래그의 염기도가 1.2를 초과하면 슬래그의 점도가 상승하여 슬래그의 유동성 및 배출특성에 악영향을 미치므로 슬래그의 자원화를 위해서는 염기도를 1.0으로 조정하는 것이 타당하다.

플라즈마란?

플라즈마는 이온화된 상태의 기체이다. 기체에 열을 충분히 가하면 원자들간의 충돌로 인해 많은 수의 전자들이 원자핵의 구속에서 벗어나게 되는데 이것이 소위 물질의 제 4 상태라 불리는 플라즈마이다. 플라즈마 속에는 전기적으로 중성인 원자들로만 이루어진 고온 기체와는 달리 서로 반대의 전하를 띤 입자들, 즉 전자와 원자핵이 뒤섞여 존재한다. 따라서 전체적으로는 중성이지만 국부적으로 이온과 전자 사이의 전하 분리에 의해 전기장이, 전하의 흐름에 의해 전류와 자기장이 발생하게 된다. 전기장과 자기장은 보다 넓은 영역에 효력을 미치게 되어 매우 복잡하지만 활용성 또한 높은 물리적 현상이 나타난다.

지상에서 자연적으로 발생하는 플라즈마에는 번개와 오로라가 있다. 대기권을 벗어나면 지구자장과 태양풍의 상호작용으로 생성된 플라즈마인 자기권이 존재한다. 또한 태양을 비롯해 대부분의 항성들도 플라즈마 상태로서 전 우주의 빛의 근원이 플라즈마라고 해도 과언이 아니다.  인공 플라즈마의 응용 범위 역시 전자부품의 미세제조공정에서부터 플라즈마의 자기밀폐를 이용한 대규모 열핵융합 발전까지 매우 광범위하다.

2. 플라즈마 용융 실험장치

현재 삼성중공업이 보유하고 있는 MW급 플라즈마 설비를 그림 1에 나타내었다. 그림에서 나타낸 바와 같이 소각 Ash 처리전용 플라즈마 설비는 크게 용융로와 주변 배기가스 처리설비로 구성되어 있으며, 용융로의 형태는 원추형으로 마그크로마이트 벽돌로 내부가 구성되어 있다.

플라즈마 발생장치인 토치는 Buton과 Hollow를 조합한 형태로 용융로내에 60도 각도로 장착되어 있으며 플라즈마 가스로서 공기와 음극 보호용으로 질소가스를 소량 사용한다. 플라즈마 토치의 용융형식은 초기에는 비이송형 모드로 시작하여 이송형 모드로 전환하도록 설계가 되어있다. 공기토치를 사용하는 경우 고온 NOx발생이 수반되므로 용융로내 분위기를 환원성으로 유지하기 위하여 바닥재, Cokes, LNG 등을 첨가하여 조정하고 있다.

용융슬래그의 기본조성은 CaO-Al2O3-SiOS을 기본계로 하여 용융하고 있으며 내화물의 침식을 최소화하기 위하여 MgO량의 조정 및 용융속도를 최대한 크게 하는 조업을 실시하고 있다.

로내온도는 폐기물 투입전에는 1,500℃이상으로 유지하고 폐기물 투입에 따라 변화하는 온도는 전력량을 증가함으로써 조정하여 로내 온도를 일정하게 유지하고 있다. 폐기물 투입량은 600kg/hr을 기본으로 실험을 하고 있으며 바닥재와 비산재의 비율은 4:6과 3:7로 조정하고 있다.

소각 Ash 용융시 에너지를 최소화하기 위하여 용융로내 가스발생량을 최소화하고 있으며, 현재 실험은 용융로 출구측 가스발생량을 300m3/hr이하로 조정하고 있다. 1차 플라즈마 용융로에서 발생된 가스는 주로 포화 증기압이 큰 염소계 화합물, 중금속, NOx 등으로 구성되어 있으며 염소계 가스를 제거하기 위하여 2차연소로에서 NaOH용액을 분무하여 용융염으로 포집하고 있으며 포집된 용융염은 Ash처리의 융점강하제로 용융로에 재장입하는 방법을 이용하고 있다. 2차연소로에서 발생된 가스는 냉각탑에서 200℃로 냉각되어 Bag Filter를 통하여 대기로 배출되는 계통으로 되어 있다.