열플라즈마 용융기술에 의한 소각재의 처리

안영삼, 박동화

인하대학교 화학공학과

Treatment of Incineration ash by Thermal Plasma Melting Technology

Young-Sam Ahn and Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, In-ha University, Inchon 402-752, Korea

ABSTRACT

Thermal plasma melting technology may possible be a new method to  treat various kinds of bottom and fly ashes from incinerator through volume reduction and detoxification before its final disposal. The air cooled slag from the reactor is non-hazardous, no-contamination by heavy metals. Detoxification characteristics are analysed by AAS, SEM and ICP-MS. After the slag is treated, it can be used as road street tile, interlocking block like construction materials.

1 서론

최근 우리 나라의 폐기물 정책은 발생량 감소와 재활용을 촉진하면서 위생적인 처리·처분을 하기 위하여 국가폐기물처리 종합계획을 수립하여 '98년 현재의 소각처리율 9%를 2001년까지 20%, 2005까지는 30%로 높이려는 소각시설 확충을 추진하고 있다[1]. 그러나 소각재(Bottom ash와 Fly ash)내에도 비산재(Fly ash)같은 경우는 Pb, Cr, Zn과 같은 생물학적으로 분해 불가능한 중금속 등의 무기원소들을 다량 함유하고 있어 매립을 한다 하더라도 자연 환경에 지속적으로 존속하여 장래에 이러한 원소들이 자연계에 노출될 때, 과잉량이 축적되면 생명체에 치명적인 영향을 줄 수도 있다[2]. 그러므로  소각재 역시 매립되기 전에 적절한 처리에 의하여 자연계로의 유출 가능성을 없앤 후 매립지에 안전하게 처분되어져야 할 필요성이 있다[3]. 또한 매립에 있어 점차 매립처분장의 확보난 및 매립지 주변의 환경문제 등의 문제를 낳아, 그 기술적 대응이 시급해지고 있다. 이러한 이유로 소각재의 부피 감량화 및 무해화 처리가 행해져야 하며, 매년 증가되는 쓰레기 문제는 재활용의 면에서도 사회적인 중요한 관심사가 되고 있다.

플라즈마는 전자의 온도와 이온의 온도가 거의 같은 고온을 유지하므로 화석연료에서 얻을 수 있는 최대온도에 관계없이 초고온까지 얻을 수 있다. 이러한 열플라즈마 고온을 이용하여 소각재를 slag화하고 부피를 현격히 감소시킬 수 있으며 생성된 slag는 중금속에 대한 오염문제에 있어서도 문제가 없어 재활용에 대한 가치가 크다고 할 수 있다[4]. 본 연구에서는 소각공장에서 나온 소각재를 열 플라즈마 용융장치를 이용하여 안정한 slag로의 전환 및 용출 실험에 의한 중금속의 용출량에 대하여 실험을 하였다.

2 실험

실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같다. 장치는 플라즈마 토치부, 반응부, 배기부로 구성된다. 토치부는 직경 6 mm의 텅스텐 음극봉과 노즐출구가 8 mm인 양극의 동 노즐을 사용하였다. 플라즈마 토치는 회전식으로, 소각재를 골고루 용융 시킬 수 있게 끔 제작되었으며 열로부터 보호하기 위해 양 쪽의 전극을 수냉 시키도록 제작되었다. 반응부는 view port가 부착된 스테인레스 이중관으로 제작되었으며, 바닥재(Bottom ash) 및 비산재 (Fly ash)는 직경이 55 mm의 pellet 형태로 만들어 내화벽돌 위에 고정시킨 후 토치와  의 거리를 30 mm로 유지시켜 용융하였다. 배기부로 배출되는 배출가스는 scrubber와 duct를 통해 처리하였다.    각각의 바닥재와 비산재를 20분간 용융하였으며 공냉 후 용출시험을 하였다.

실험의 세부조건을 Table 1에 나타내었다. 플라즈마 용융전의 소각재와 용융 후 공냉시킨 slag를 SEM으로 분석하였고 공냉시킨 slag를 폐기물 공정시험법[5]에 의한 용출시험을 실시하여 그에 대한 분석은 AAS 및 ICP로 분석하였다.

Fig. 1. Experimental setup

Table 1. Experimental condition

Plasma power                   9 kW (300 A)

Plasma gas flow rate            15 l/min

Distance                        30 mm

Temperature of melting ash      1200 - 1300 ℃

Operating time                  20 min

3 결과 및 고찰

소각하기 전의 비산재에 대한 SEM 사진과 소각 후의 slag에 대한 SEM 사진은 Fig. 2 및 Fig. 3과 같다.

Fig. 2. Apperance of Original Fly ash.    Fig. 3. Apperance of Molten slag

Stoker 및 Rotary kiln에서 나온 바닥재와 비산재를 용융하여 각각에 대한 용출시험을 하였고 또 각각의 slag를 일정비로 혼합하여 용출시험을 하였다. 현재 우리 나라에서는 용출시험시 그 기준을 pH 5.8 - 6.3의 염산수용액으로 기준하고 있으나 본 연구에서는 용출용매의 pH 농도가 산성쪽 일수록 폐기물 중의 유해 중금속 용출률이 더 커진다는 보고[6]에 의하여 보다 엄격한 조건으로 시험하기 위해 pH 5의 염산 수용액에서 용출시험을 하였다. 현재 우리 나라의 폐기물 용출시험에 대한 기준[5]은 Table 2에 있으며 용출 시험 후의 용출 용액에 대한 ICP-AES 분석 결과를 Table 3에 표시하였다. Zn은 표준용출시험 방법상의 분석항목은 아니나 환경계에 매우 흔한 중금속이므로 본 연구에서는 참고로 포함시켰다.

여기서 Bottom slag란 rotary kiln과 stoker 소각재에 대한 slag를 말하며 Mixed slag란 bottom slag와 fly slag를 혼합한 경우를 말한다.

Table 2. Criteria for designating hazardous(or specified) wastes.       [ppm]

Item             Pb   Cu   As   Hg    Cr(Ⅵ)   Cd

Leaching Threshold Limit(mg/L)      3    3   1.5   0.005    1.5    0.3

Table 3. The Leaching Test Results                               [ppm]

Pb     Cu      As     Hg     Cr      Cd     Zn

Bottom ash     < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1

Fly ash         6.1    269.3   < 0.1   < 0.1   < 0.1    6.2    2672.0

Bottom slag     < 0.1  < 0.1   < 0.1   < 0.1    < 0.1   < 0.1  < 0.1

Mixed slag      < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1   < 0.1  < 0.1

또한 Mixed slag의 용출 용액의 AAS분석 결과 Pb와 Zn은 검출되지 않았다. 바닥재 및 다량의 중금속 원소를 함유한 비산재에 대한 용융 결과, slag 내에는 중금속 함유량이 무해할 정도임로 함유되어 있음을 알 수 있으며 이러한 용융 slag에 대하여 건축용 조결제나 소결제 및 보도용 타일 등으로의 재활용 가치가 있다[4].

참고문헌

1. 최용철, 환경부 산업폐기물과 : 소각재의 처리실태와 대책방향, 한국        소각기술협의회 춘계 workshop, pp.7-15   (1999)

2. Korzun, E.A., Heck, H.H. : Sources and Fates of Lead and Cadmium         in Municipal Solid Waste, Journal of Air & Waste Management              Association, Vol.40, No.9, pp.1220-1226(1990)

3. 신항식, 구자공, 김종오, 윤석표 : 고형화된 중금속 슬러지의 해수에        의한 용출특성, 한국 폐기물학회지, 제6권 2호, pp.87-95 (1989)

4. Ryunosuke Kikuchi : Vitrification Process for Treatment of Sewage            Sludge and Incineration Ash, Journal of Air & Waste Management            Association, Vol.48, pp.1112-1115(1998)

5. 폐기물 관리법 제11조 (폐기물공정시험방법) 개정 97·12·13 법률 제      5454

6. Bishop, P.L. :Leaching of Inorganic Constituents from Stabilized              Hazardous Wastes, Hazardous Wastes & Hazardous Materials, Vol. 5,         No.2, pp.129-143(1988)