저전압 직류용융장치를

이용한 폐기물처리및 자원화기술

담당교수: 장정국 교수님

학   번 :99006216  96006123

이   름 : 김명우   구재묵

목차

1. 연구도입 배경및 목적

2. 원리 및 방법

2.1 원리

2.2 연구방법및 장치

3. 실험결과

4. 결론 및 고찰

5. 향후 전망

6. 슬래그의 재활용 사례

1. 연구도입 배경및 목적

소각공정후  소각재에는 다량의 중금속과 유해성 유기물질이 함유되어 단순매립경우 2차오염에 가능성이 높은 실정입니다.

현재 우리나라의 폐기물처리를 대부분 매립에 의존하고 있고, 포화상태거나 2000~2003년정도는 매립이 종료될 예정입니다.

매년 폐기물 소각처리시설의 증가로 소각재는 급격히 증가하고 있으나, 적절한 처리시설이 없이 방치되고 있습니다.

이러한 소각재의 안정화 방법에는 시멘트고형화법, 약품처리법 , 용융고형화법 등이 있는나,  감양화, 안정화, 무해화 측면에서 고운 용융고화법이 가장 유리한 것으로 판단되어 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

그리고 폐기물 용융처리부산물로 얻어지는 슬래그는 고부가가치의 재활용재로 사용할수 있으며 유해폐기물 처리를 위한 년간 최대 10억이상의 고가의 위탁처리 비용이 필요가 없고, 매립에 따른 2차오염을 방지할수 있습니다.

여기에선 탄소전극을 주전극으로 사용하며 저전압 직류를 사용하여 전기적 안정성 측면에서 우수하고 슬래그층의 소각 잔류물로부터 순차적으로 용융시키는 방식으로 처리 효율을 높인 저전압 직류 전기저항식 용융기술에 대해 알아보겠습니다.

2. 원리 및 방법

2.1 원리

전기전도성을 지닌 용융상태의 폐기물(용융슬래그)에 저전압(12V이하) 직류전류를 흘려 주어 슬래그가 전기저항에 의해 발열하게 함으로써 새로공급된 폐기물이 순차적으로 용융되게하는 원리입니다.

	유해성 고형페기물		위 탁 처 리
	소각제, 비산제 ,폐주물사, 하수슬러지 ·유해 중금속함유 ·다이옥신, 퓨란 함유 ·미연소 유기물 함유		처리비용고가(11만원/톤)
	Electric Melting System
	전기 저항열에 의한 폐기물 용융
감용화		무해화 · 안정화
소 각 재: 1/2 ~ 1/3		·유해중금속의 슬래그내 고정
탈수케익: 1/20~1/30		·다이옥신, 퓨란의 완전 분해
		·미연소 유기물의 완전분해
	자 원 화
	용융슬래그를 이용한 고부가가치 재활용제 제조 ·무해성 안전성 보장 ·경제성 , 가격경쟁력보장 ·재활용재 제조기술 확보

2.2 연구방법 및 장치

이연구에서는 최적에 운전조건 도출을 위해 2.5 kg/hr 용량의 회분식 저전압 전기저항식 용융로를 이용하여 염기도 변화에 따른 소각재 용융특성, 배기가스 조성 및 소각재 용융 후의 유해중금속 요출시험을 하였습니다.

개략도는 그림1에 나타내었고 이장치의 구성은 용융로 본체와 Power Supply 및 Controller 의 전기장치로 구성되어 있습니다.

용융로본체   : 시료투입구, 배가스 출구, 각각 한 개의 주전극과 기저전극 및 보조열원인 8                 개의 sic 발열체로 구성

Power Supply:  주전극 및 보조전극에 전원공급

Controller    :  온도제어

용융로 내부와 외부의 온도변화 제어는 R-type(Pt-13%Rh·Pt)열전대를 사용하였고 용융로 내화물 외부온도는 sic발열체에 의해 1000。C로 유지하여 온도변화에   의한 내화물의 손상을 방지하였다.

폐기물 장입 전 온도상승을 위해 주전극을 하부전극에 집지시켜 1200 。C까지 상승시킨후  비산재 및 폐주물사를 혼합, 건조한 시료를 상부에 투입했다.

투입후 초기 용융 Pool이 형성된후에는 주전극을 상승시켜 발열시킴으로써 혼합폐기물이 용융되었다.

이때 용융슬래그층의 온도 1,400。C, 용융로 상부의 온도 1,200。C이상 유지하도록 조절 하였고 보조전극 온도는 1,150。C로 유지하였다.

이 연구에서 사용한 시료는 비산재에 바닥재 및 폐주물사를 각각 혼합하여 염기도(CaO/SiO2 )를 0.7 , 0.8 , 0.9 , 1.0 , 1.1까지 변화시킨 시료를 사용하였다.

3. 실험결과

3.1 소각재 및 폐주물사의 물리적 특성 및 조성

아래 표에서 나타낸 바와 같이 소각처리중 SOx 및 HCl과 같은 산성가의 제거를 위하여 배기가스에 소석회(Ca(OH)2)를 첨가하여 Bag Filter에서 탈염, 집진하는 건식배가스 처리방식에 따른 비산재중 CaO의 함량이 액 41% 정도로 매우 높게 나타남에 따라 탄소전극을 사용하여 1,300℃ 이상의 고온에서 운전되는 것을 고려할 때 소각재 투입시 수증기와 탄소의 가스화반응에 의해 주전극의 소모가 커질수 있으므로 수분의 제어가 요구됨.

구 분		Fly Ash	Bottom Ash	Waste Casting Sand
Chemcial Composition (unit : wt%)	SiO2	7.887	35.741	68.532
	Al2O3	2.071	11.126	8.275
	Fe2O3	0.383	6.846	2.118
	MnO	0.046	0.232	0.030
	CaO	40.971	22.570	1.280
	MgO	1.745	2.238	0.726
	K2O	1.597	1.091	2.208
	Na2O	2.571	1.934	1.590
	P2O5	0.362	3.536	0.033
	TiO2	0.417	1.259	0.207
	Cl	26.440	3.962	0.733
	L.O.I	15.510	9.466	14.267
Proximate 분석 (unit : g)	Moisture	11.42	22.51	1.09
	Volatile Matter	20.50	4.41	3.26
	Fixed Carbon	6.59	0.69	0.39
	Ash	61.49	72.39	95.20
Basicity(CaO/SiO2)		5.19	0.63	0.02
Density(g/□)		0.56	0.94	1.42

3.2 폐기물의 혼합비에 따른 용융온도 변화

소각재의 구성성분 중 SiO2와 CaO의 함량은 소각재 용융온도 및 슬래그의 유  동성 및 점도 특성에 큰 영향을 미친다.

염기도(SiO2 함량에 대한 CaO 함량의 비)가 1에 가까울수록 용융온도 감소되는 것으로 알려져 있음. 시료중 비산재를 단독으로 용융시 용류온도가 약 1,500℃ 이상 상승에 따른 용융시설비의 고온운전이 불가피하다. 따라서 용류온도가 약 1,250∼1,300℃범위인 바닥재를 비산재와 혼합하여 CaO/SiO2의 비를 조절하면 용융온도가 1,250∼1,300℃ 정도의 온도범위에 분포하는 특성을 보임.

* 저전압 직류용융설비의 조업온도 예측을 위하여 Watt Model과 Urbain Model을 이용하여 계산된 슬래그의 점도를 온도 및 CaO/SiO2비에 대해 나타냄-첨부사항.

Watt Model을 통해 저전압 직류용융장치를 이용한 비산재의 용융처리시 비산재의 처리량을 고력할 경우 CaO/SiO2비는 약 1.0, 운전온도는 1,350∼1,400℃ 정도의 범위에서 운전하는 것이 효과적일 것으로 판단됨.

3.3 주전극의 소모량 및 배가스 분석 결과

주전극을 탄소전극을 사용하는 관계로 전극의 소모를 최소화하기 위해서는 용    융장치 내부의 분위기를 환원분위기로 유지하는 것이 매우 중요하다.

페기물 장입시  유입된 공기 및 자체에 함유하고 있는 산소에 의해 탄소전극에    소모가 일어나며, 높은 온도에서 증발한 수분이 탄소와 반응하여 일산화 탄소     및 이산화 탄소로 전환되는 가스 반응이 일어난다.

따라서 11%, 22%의 수분을 함유하는 비산재, 바닥재의 엄밀한 수분제어 및 소    각재 잠입시 기밀을 유지해야한다

.

용출실험시 배출가스 조성

구 분	O2 (%)	CO2 (%)	CO (%,ppm)	THC (%)	SOx (ppm)	NOx (ppm)
실험평균농도	10.1	9.6	16	3.65	NA	24
환경부고시 기준농도	NA	NA	600	-	300	200

3.4 슬래그의 물리적 특성

(1)SEM-EDS 분석

슬래그의 물리적 특성은 냉각속도와 조성의 함수로 조성이 일정할 경우 냉각속    도에 영향을 크게 받는다. 냉각속도가 낮을수록 강도등의 특성이 좋아지나 서냉    시키는 2차적인 비용절감을 위해 아래에 두가지를 SEM-EDS 분석하였다.

1)배출후 공기에 냉각시키는 방법                              -첨부사항

2)단열몰드를 500。C까지 예열한 후 슬래그를 받아 상온까지 냉각하는 방법

(2)XRD 분석

위 실험결과로 각 조건에 따른 슬래그의 결정화 정도를 확인하기 위해서 XRD    분석을 했으며 그결과  그래프로 나타내었습니다.                 -첨부사항

(a)는 Halo 부분이 많고 뚜렷한 피크가 없는 유리질이고 (b)조건은 뚜렷한 피크    가 나타났고 규칙적인 원자배열을 하고 있어 성상도 결정화가 상당히 진행된것    으로 판단할수 있었다.

3.5 중금속 거동

용융고화시 중금속 거둥과 안정화 파악을 하고자 실험후 슬래그중에 함유된 중   금속의 농도 및 용출농도를 분석하였다. 용출시험을 행한후 원자흡수분광법으로   분석하였고, 슬래그의 안정화 정도는 중금속의 용출특성을 파악하면 평가할수있   다.

아래표를 보는 바와 같이 고비점 중금속은 바닥재, 저비점 중금속은 비산재에 대   량 함유되어 있으며 중금속 용출농도는 바닥재보다 비산재의 농도가 높았다.

특히 비산재는 Fe , Cu, Zn , Pb의 용출농도가 상당히  높게 측정되었으며, 바닥   재와 비산재의 중금속 용출농도 및 용출율이 슬래그보다 현저히 높았다.

우리나라 용출시험법은 PH 5.8 ~ 6.3의 용출액을 규정하고 있으나 실제로는 PH   가 4.0이하로 나타나고 있다.

그러나 용융슬래그는 기준치 이하로 측정됨에 따라 단순매립시 2차오염의 가능   성이 현저히 저감되어  안정화 및 고형화에 매우 효과적이고, 용융슬래그는 2차   가공에 의한 재활용이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다

Heavy Metal	Sample Species	Concentration(mg/kg)		Leaching Rate(%)
		Digestion	Leaching
Fe	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	3121212.72 3611.66 16032.20 12219.18	8.60 62.20 1.35 N.D	0.032 1.721 0.008 -
Cu	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	1963.22 461.46 296.40 271.23	1.88 5.90 0.16 0.15	0.096 1.279 0.054 0.055
Cr	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	142.15 299.41 6049024 2868.49	0.43 2.15 0.12 0.08	0.302 0.718 0.002 0.003
Zn	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	6114.31 5577.08 1698.86 1448.40	0.83 40.20 0.14 0.24	0.014 0.721 0.008 0.017
Pb	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	880.72 2721.34 94.70 2.74	6.94 1053.04 1.43 0.27	0.794 38.705 1.512 9.857
Cd	Bottom Ash Fly Ash Slag 1 Slag 2	11.93 243.08 N.D N.D	N.D 2.43 N.D N.D	- 1.000 - -

4. 결론 및 고찰

1) 비산재의 처리량, 조업온도 및 용융슬래그의 유동성을 고려할 경우             CaO/SiO2비 0.9이상, 운전온도 1,350℃ 이상의 온도에서 운전하는 것이 효과적     이다.

2) 배가스 처리를위해 용융설비 후단에 2차 연소실에 의한 기체상의 대기오염물     질 제어도 가능할 것으로 사료된다.

3) 저전압 직류용융장치에 의해 처리된 소각재는 안정화 및 고형화에 측면에서     매우 효화적이며, 슬래그는 2차 가공에 의한 재활용이 가능하다는 결로을 얻을     수 있었다.

5. 향후전망

1)국제적 연구동향 및 경제적 이점

유해물질의 완전파괴 및 안정화를 이룰수 있어 선진 각국에서 열띤 연구 개발    을 하고 있는 차세대 폐기물 처리기술로 부각될 전망이다.

또한 용융처리를 할 경우 3년 전후에 시설투자비를 회수할 수 있으며 년간 최    대 10억 이상의 위탁처리 비용을 절감할수 있습니다.

2)재활용의 경제적 이점

해회어장의 어업여건이 악화됨에 따라 정부는 바다목장화 사업에 인공어초 조    성사업을 실시하고 기존에 인공어초 보다 50%이상의 원가절감을 할수 있어 앞    으로도 전망이 높을 에정이다.

6.슬래그 재활용 사례

1)인공어초제조

해양자원은 인류에 중요한 자원의 보고로 인공어초 조성을 통한 바다 목장화      사업으로 나타나고 있다.

2)인조대리석 제조

그동안은 하층로반재, 노상재등의 토목골재로 사용하였으나 현재는 고부가가치     로 인조석, 인조대리석의 제품개발을 진행중입니다.