<플라즈마를이용한 비산재 처리기술>

이지은

*현재 폐기물 처리: 소각

불완전 연소로인해 다이옥신과같은 유독가스배출

개선방법:고열 플라즈마 이용한 폐기물처리

*플라즈마는 난분해성인 유독성 화학폐기물 등을 고온 열분   해시켜 무공해 물질로 전환시켜 에너지 및 자원화가 가능하   며, 중금속 함유 폐기물을 고온에서 용융시켜 유가금속을 회   수하거나, 안정한 유리질 고용체에 고용화 시킬 수 있다. 이   와 더불어 저장시설의 확보가 어려운 방사성 폐기물들도

유리질 고용화 처리를 시켜 부피 및 무게 감소화를 극대화   시킬 수 있다.

*다양한 종류의 기체를 플라즈마 기체로 사용할 수 있다

<장점>

-열의 밀도 높고 사용 기체의 양이 작아 시스템크기 작아      진다.

-에너지원이 전기이므로 무오염원이다.

-운전의 시작 종료가 쉽다.

<단점>

-전기를 원료로 사용하므로 운전비가 비싸다.

*플라즈마 형성가스를 선택할 때 고려해야할 사항:

반응기내의 분위기 조절이다. 처리대상물 혹은 처리목적에    따라 플라즈마 형성가스를 선택함으로써 반응기내의

가스 분위기를 불활성, 산화성 그리고 환원성으로 조절

할 수 있다.

이러한 분위기 조절을 위해서는 기체의 순도 및 고온에서의   열역학적 그리고 속도론적인 성질, 즉 열전도도, 전기전도도,   점성도,확산계수,반응속도 등에대한 정확한 해석이요구 된다.

*고온 열플라즈마 형성가스

불활성 기체

분자상 기체

*열플라즈마를 이용한 유해폐기물 처리 방법

1.열분해(Pyrolysis)

2.유리화(Vitrification)

3.재활용(Recycling)

-응용방법-

원자력 발전소, 핵무기, 병원등에서 발생한 방사선물질:

유리화

도시쓰레기, 병원폐기물: 열분해, 유리화

제철사업에서 나오는 금속: 재활용

*플라즈마 토지특성

고온 열플라즈마 발생은 가스 이온화를 위한 충분한 에너지   가 공급되어져야 한다. 이러한   에너지는 두 개의 전극에서   발생하는 전기 아크로서 발생시킬 수 있다. 가스를 고온의 n   아크 사이에 통과시키면 가스의 플라즈마로서의 전이가 가   능하다. 이러한 과정에 의해 플라   즈마를 발생시키는 장치   를 아크(arc) 플라즈마 발생장치 혹은 직류 플라즈마법이라   하며 가장 널리 사용되는 방법이다.

아크 플라즈마 발생장치는 비이송식 (nontransferable        plasma torch), 이송식 (transferable plasma torch)이 있다.

플라즈마 발생방법에 따라

<그림2>

1.이송식 플라즈마 토치

<장점>

아크(전기로) 형성시키기 위한 전극 중 하나가

토치 밖 존재.

-처리대상물 근처에서 온도 매우 높다

열효율 높다.

<단점>

부도체 처리시 부도체가 전극의 면을 덮는 경우

아크 불안정.

<이용>

고온으로 용융하여 금속의 재와 먼지 핵폐기물을 유리화,     금속재활용이용

2.비이송식 플라즈마 토치

<단점>

아크형성 전극이 모두 토치내에 존재 이송식에 비해 열효     율이 떨어지고 고온영역 짧다.

<이용>

도체, 부도체 동시처리 가능, 유독성 화합물질, 병원쓰레      기, 도시쓰레기 처리.

전극의 구조에 따라

그림3

1.고형체형(or 열음극형)

-봉형 음극과 노즐형 양극을 사용.

-음극의 온도가 높아짐에 따라 열전자가 더 쉽게 방출되는     현상이용.

-산소를 플라즈마 기체로 사용하면 음극의 재질인 텡스텐     표면이 산화되어 열전자방출 억제되어 아크 유지 힘들다.

보완책으로 아르곤이나 질소 등 의 음극 보호용 기체를      넣어주거나 산소와 결합해도 열전자 방출을 계속 유지할     수 있는 지르코늄이나 하프늄과 같은 열화학 음극사용.

<이용>

이송식 토치 형태

화학적인 반응이 관여되지 않는 금속재활용, 무기물&핵폐    기물의 유리화 사용.

2.공동형

-속이 비어있다

-음극의 재질로 무산소동 사용.

-전극 구조 간단

-아크유지가 전자방출과 열전자방출의 결합에 의해 유지되     므로 음극표면이 낮은 온도로 유지되므로 냉음극형 이라     고도 한다.

-전류 밀도가 고형체형 보다 매우 높아 전극의 침식율이      심하다.(단점)

-열전자방출이 아니므로 모든 종류의 기체를 플라즈마 기     체로 사용할 수 있다.(장점)

<이용>

비이송식 토치 형태.

전극의 침식을 줄이기 위해 낮은 전류 영역에서 운전.

산소를 플라즈마 기체로 사용할 수 있어 유기 화합물처리,     병원쓰레기, 도시쓰레기와 같이 유기물과 무기물이 혼재해     있는 폐기물의 열분해에 사용.

*대량의 유해화학 폐기물을 처리하기 위해 갖추어야 할

플라즈마 토치 요건:

그림6

1.장시간 운전가능, 토치 제작비용이 적어야 한다.

2.대용량을 처리하기 위해 고효율과 고출력을 낼 수 있어야     한다.

-운전압의 증가가 바람직, 운전압의 증가는 플라즈마

기체의 유량을 증가 시켜서 아크의 길이를 길게 함으로써     얻을 수 있다.

3.여러 종류의 기체를 플라즈마 기체로 사용할 수 있어야

한다.

*플라즈마 토치를 사용한 고상폐기물 소각재

용융, 고형화과정

1.폐기물에 열량전달 (고체에서 액화)

2.반응로 내부온도 상승시켜 내부가스 분자간 결합 끊는다       (많은 에너지 공급으로)

폐기물은 2000k이상에서 용융상태로 된다.

그러므로 플라즈마 불꽃이2000k이상에서 유지하는 영역을    가지며, 화학적으로 안정된 원소로 분해시킬만한 충분한

양의 반응기체 공급.

*도시쓰레기 소각로에서 발생한 소각재의 Ca계 화합물은      CaO, CaCl2, CaSO4 등으로 구성. 바닥재는 거의 CaO로 구성됨 비산재는 CaO와 CaCl2가 대부분.

p56표2

..

*1450C에서 용융이 가능하도록 바닥재와 바산재의 배합비율    을정하여야 한다.

바닥재와 비산재의 배합비율에 따라 슬래그의 염기도는      0.3~1.2에서 분포하고 있다.

그림15

슬래그를 자원화 하기 위해서는 조성을 일정하게 유지하여 균일한 품질의 슬래그를 제조하는 것이 중요.

Slagmaking 조건

(그림20)

플라즈마 토치와 슬래그간의 거리, 토치 전력, 플라즈마

가스량, 내화물 온도, 슬래그의 온도 및 유동성 등의

엄밀제어에 의하여 용융로 화상 면적을 관리하여야 하며,

소각재의 투입 위치와 슬래그의 배출위치를 고려하여 화상    면적에 따른 소각재의 투입량과 용융슬래그의 중량을 조절    해야한다.

*슬래그의 염기도가 증가하면 슬래그의 전기전도 증가한다.    슬래그의 염기도가 1.2이상으로   증가하면 슬래그 점도 증   가, 유리화 특성에 해로우므로 용융조건을 고려하여 슬래그

염기도를 1.0으로 유지하는 것이 타당하다.

*슬래그 점도

슬래그의 온도는 최하 1350C유지. 점도는 2poise이하가

좋다.

그림26

*슬래그 감용화 자원화

슬래그의 염기도가 증가하면 밀도가 증가한다.이는 슬래그의   결정화가 촉진되기 때문이다.

따라서 염기도가 증가하면 슬래그의 마모감량이 감소하고    수정CBR이 증가하여 도로용골재등 토목,건축자재용으로의

자원화가 가능함을 말한다.

인공어초 제조에 기존의 콘크리트 대신 용융슬래그를 사용   하면 50%이상의 원가절감 효과를 얻을 수 있어 경제적이며,   폐기물 자원화라는 장점을 지닌다.