환경공학전공 - 고형폐기물처리

2002. 1.

강 의 내 용

개 요	고형폐기물의 열처리법 중 용융기술에 대해 강의 - 열적처리법의 종류와 처리방식 - 용융기술의 원리와 슬래그의 재이용 - 용융로의 종류와 특징 - 소각과 용융기술의 연계시스템 - 열분해와 용융기술의 연계시스템
내 용	1. 서 론 1.1 고형폐기물의 정의 1.2 고형폐기물 처리기술의 종류 1.3 고형폐기물의 열적처리 2. 고형폐기물의 용융처리 2.1 개요 2.1.1 용융원리 2.1.2 용융슬래그의 재이용 2.2 용융기술의 분류 2.2.1 용융대상물에 따른 분류 2.2.2 용융분위기에 따른 분류 2.3 용융로 종류 및 특징 2.4 소각 / 용융시스템과 열분해 / 용융시스템

고형폐기물의 용융

신라대학교 환경공학전공 고형폐기물처리                              김 미 란

김 미 란                              신라대학교 환경공학전공 고형폐기물처리

1. 서 론 (Introduction)

1.1 폐기물 및 고형폐기물의 정의

(1) 폐기물 : 쓰레기, 연소재, 오니, 폐유, 폐산, 폐알칼리, 동물의 사체 등으로서 사람의

생활이나 사업활동에 필요하지 아니하게 된 물질 → 생활폐기물, 사업장폐기물, 지정폐기물

(2) 고형폐기물 : 고형물 함량(%)에 따라

액상 폐기물(5% 미만), 반고상 폐기물(5∼15%), 고상 폐기물(15% 이상)로 구분

1.2 고형폐기물 처리기술의 종류

● 물리적처리		● 화학적처리		● 생물적처리
- 조성분리 - 체적감소화 - 크기 감소화 - 쓰레기연료화(RDF)		- 연소 - 열분해 - 가스화 - 용융		- 호기성퇴비화 - 혐기성 소화 - 혐기성퇴비화

1.3 고형폐기물의 열적처리 (Thermal Treatment Technology)

(1) 소각 (Incineration) - 발열반응

1) 유기물질이 산소와 화학적으로 반응하여 열과 빛을 내는 현상

2) 유기물／산소 → N2／CO2／H2O／O2／ash／열／(NH3, SOx, NOx)

(2) 열분해(Pyrolysis) - 흡열반응

	열분해 (Pyrolysis)	가스화 (Gasification)
원 리	산소 공급없이 유기물질을 가열하여 기체, 고체, 액체로 분리하는 것	유기물질을 공기결핍상태(환원조건)에서 부분연소하여 가스를 생성시키는 것
최종생성물	기체: H2, CH4, CO, CO2 및 기타 가스혼합물 액체: 타르와 오일 (식초산, 아세톤, 메탄올 등) 고체: 숯(char) 및 불활성물질	기체: H2, CH4, CO, CO2, N2 등을 함유하는 저열량 가스 액체: 열분해에서 생성되는 오일과 비슷한 응축성 액체 고체: 숯(char) 및 불활성물질

(3) 용융 (Melting process)

1) 유기물질 및 무기물질을 산화 또는 환원조건의 용융온도 이상에서 용융 즉, 액체

상태로 만드는 것

2) 최종산물 : Slag, Metal, 기타 산화·환원성 가스 발생

(4) 소각, 열분해, 용융기술의 비교

	장 점	단 점
소 각 (Incineration)	·폐기물 부피의 감소 ·폐기물의 유해성 감소 ·유지관리의 용이성 ·기술의 안정성	·다량의 연소 배가스 발생 ·많은 고형잔재물(바닥재)의 발생 ·유해(지정)폐기물의 발생(비산재) ·NOx와 독성유기물(다이옥신)의 발생에 따른 제어기술 요구
열분해 (Pyrolysis)	·폐기물로부터의 에너지 회수 ·배기가스량이 적다. ·황분, 중금속분이 회분 중에 고정되는 비율이 높다. ·SOx, NOx, HCl 중금속 등을 포함하는 유해가스 발생량이 적다. ·환원성 분위기의 유지로 Cr+6의 생성이 거의 없음 ·보조연료가 필요하지 않다.	·환원성분위기의 유지를 위해 밀폐형 구조나 감압분위기의 유지필요 ·물질의 연속적인 투입 불가능 ·폐기물의 자체산화열 이용불가 ·외부에서 열원을 공급해야 함 ·중금속이 분해잔사 내에 함유 ·유지관리의 어려움 ·공정에서 생성된 가스나 기름을 이용하기 위해 세심한 설계 필요
용 융 (melting)	·폐기물부피의 최소화, 무해화, 안정화 ·가연물의 완전연소로 냄새발생이 없음 ·PCB등의 난분해성 염소화합물 분해 ·저비점중금속의 선택적 분리·농축 가능 ·슬래그(slag)의 재이용 가능 ·산화 및 환원용융이 둘다 가능	·1300℃이상의 고온을 만들어내야 하기 때문에 열원이 필요하다. ·용융상태의 슬래그는 반응성이 상당히 높아 내화물을 침식한다.

1.4 폐기물 처리기술의 동향

[ 폐기물 처리개념의 시대적 변화 ]

년 도	처 리 개 념	처 리 기 술
1920년대 이전	폐기물의 단순처분 및 부피감소	매립, 소각
1920년대∼1970년대	폐기물의 감량 및 무해화	소각
1970년대∼1990년대	폐기물로부터의 에너지 회수	열분해, 용융
1990년대 이후	에너지 회수, 청정화 기술, 폐기물의 자원화	소각/용융, 열분해/용융

2. 고형폐기물의 용융 (Melting Process of Solid Wastes)

2.1 개요

2.1.1 용융처리의 원리

◆ 고형폐기물(도시쓰레기, 하수슬러지 등)의 회분 : SiO2, CaO, Al2O3등으로 구성

◆ 회분 구성물질의 단독용융 : 약 1700℃ 이상의 고온에서 용융

◆ 고형폐기물의 용융 : 약 1400℃ 이하의 비교적 저온에서 용융

◆ 액체상의 용융물 냉각 → 표면에 광택이 있는 유리질의 슬래그화

◆ 슬래그(Slag) → 산이나 알카리에 강하고 → 슬래그 내에 포함된 금속류는 거의 불용출

2.1.2 용융슬래그의 특성 및 이용

[용융액의 냉각방법과 슬래그의 특성 및 이용가능 용도]

Slag type		냉각 및 가열 방법	슬래그 특성	이용가능 용도
수냉슬래그		물분사 혹은 직접 담가서 냉각	유리질로 강도는 작다 가는 모래상태 혹은 사상	인터로킹블록, 타일, 노상재, 노반재, 침투성 평판, 성토재, 콘크리트 필라,
공냉슬래그		대기중에 방치해서 냉각 (냉각속도 10℃/min이상)	주로 유리질로 강도는 일반적으로 급냉 slag보다 크다	되메우기흙, 로반재, 침투성인터록킹블록, 성토재, 로상재, 콘크리트필라, 인터로킹블록, 타일, 침투성 평판
서냉슬래그		운전조절 또는 방열량을 억제하면서 천천히 냉각 (냉각속도 5℃/min이하)	결정화가 이뤄져 강도는 크다. 암석상, 쇄석상

[ 용융슬래그의 실 적용 예 ]

[ construction use ]

[ agricultural use ]

2.2 용융기술의 분류

2.2.1 에너지원에 따른 분류

전기, 가스, 석유, 코크스, 산소 등의 에너지원에 따른 용융방식

예] 전기에 있어서는 아크로방식, 플라즈마방식, 전기저항방식, 유도전기가열방식

2.2.2 용융대상물에 따른 분류

										코크스베드 방식
				직접용융기술
										프로판 가스·산소방식
													Rotary type
										표면용융방식
													fixed type
	용융기술
										내부용융방식			reverberatory
							연료용융방식
										선회류방식
										코크스베드방식
				ash 용융기술
										아크용융방식
										플라즈마용융방식
							전기용융방식
										전기저항방식
										유도가열방식

[ 용융기술의 분류 ]

2.2.3 용융분위기에 따른 분류

	산 화 용 융 법	환 원 용 융 법
특 징	산화조건에서 용융 소각 또는 열분해 기술과의 연계	저산소 또는 무산소 분위기에서 용융 슬래그와 중금속을 분리하여 회수
장 점	슬래그 내 중금속성분의 용출이 거의 없음 (중금속 성분의 산화물 구조 형성)	산화용융법에 비해 용융온도가 낮음 유가금속의 회수 가능
단 점	환원용융법에 비해 용융온도가 높음	유가금속이 완전히 회수되지 못한 경우 슬래그 내 금속성분의 용출이 우려됨

2.3 용융로 종류 및 특징

종류	특 징	구 조
표면용융로	·원리 : 처리대상물의 표면을 버너로 직접 가열하는 방식 ·투입슬러지의 수분 : 약 20∼30% ·대상폐기물의 크기 : 30 mm 이하 ·다른 방식에 비해 저온 용융이 가능 ·도시쓰레기 소각잔류물, 슬러지, 파쇄 조대 쓰레기 (유리, 모래, 폐플라스틱 등) 등의 단독용융 또는 혼합용융 가능 ·고열량의 폐기물은 자연용융 가능 ·고함수율의 경우 버너를 예열하여 처리 ·운전 및 조작기술의 확립으로 관리 용이 ·소각재 중에 10∼20% 함유된 금속류의 완전용융은 곤란	a) 회전식 표면용융로
		b) 고정식 표면용융로
코크스베드용융로	·원리 : 주물제조에서의 cupolar 용융기술을 응용한 기술로서 투입된 처리대상물 중의 무기물이 코크스층 (1800℃)을 통과하는 사이에 용융슬래그로 된다. ·투입 슬러지의 수분 : 약 35∼40% ·대상폐기물의 크기 : 30∼50 mm ·코크스에 의해 고온에서 환원분위기가 쉽게 만들어지기 때문에 피용융물 중의 금속류 회수나 안정화를 기대할 수 있다. ·코크스때문에 열관리 용이 ·설치면적이 작고, 운전 및 보수관리가 용이 ·보유열량이 크기 때문에 수분 등의 부하변동에는 대응하기 쉬움 ·건조공정의 관리가 용이 ·운전, 조작기술의 확립으로 관리용이

종류	특 징	구 조
선회용융로	·원리 : 용융대상물을 노 내로 접선방향으로 분사되고 내벽에 충돌하여 선회·용융 ·투입 폐기물의 수분 : 10% 이하 ·대상폐기물의 크기 : 1 mm 이하 ·선회류에 의한 연소공기의 접촉이 양호, 연속운전이 가능하다. ·고열량의 폐기물은 자연용융 가능 ·경사형과 입형의 구조가 있음 ·운전·조작기술은 확립되어 있지만, 열풍건조 및 파쇄부의 관리가 중요하다.
플라즈마용융로	·원리 : 고온의 플라즈마에 의하여 폐기물을 용융하는 기술 ·투입폐기물의 수분 : 20% 이하 ·대상폐기물의 크기 : 100 mm 이하 ·용융온도가 높은 물질의 용융에 유리 ·용융로의 소형화 가능 ·플라즈마 가스의 선택에 따라 불활성, 산화성, 환원성의 각 분위기 하에서 용융처리 가능 ·고온(1500℃ 이상)을 쉽게 얻을 수 있어 재이용성이 높은 균질한 슬래그와 금속의 회수가 가능
전기저항식용융로	·원리 : 노내의 용융슬래그에 전류를 흘리고 전기저항 가열에 의해 가열, 용융됨 ·투입폐기물의 수분 : 20% 이하 ·대상폐기물의 크기 : 100 mm 이하 ·전극은 소각재층을 관통해서 장입되며 끝부분이 용융슬래그층에 침지됨 ·열효율이 좋음 ·슬래그와 금속의 완전분리 가능

2.4 용융시스템의 구성

(1) 유동층 소각 - 선회용융 시스템

(2) 유동층 열분해 - 선회용융 시스템

2.5 용융기술의 최근 연구동향

용융기술의 적용범위를 확대하기 위한 연구들이 진행되고 있음

♠ 소각재의 용융온도 저감기술 개발 ∀ 에너지 절감

♠ 소각 및 열분해기술과의 연계시스템 개발 ∀ 장치의 소형화, 에너지 회수, 청정화

♠ 폐기물의 직접 용융기술 개발