유해성폐기물 열처리공정의 시험평가기술

양희철

한국원자력연구소 핵연료주기연구개발단 대전 305-353

Trial Burn Technology For Hazardous Waste Thermal Plant

Hee-Chul Yang

*Nuclear Fuel Cycle R＊D Group, Korea Atomic Energy Research Institute, Taejon 305-353

서 론

유해성폐기물 열처리 공정에는 열분해 소각로, 로터리 킬른로, 폐유주입 소각로, 제어공기소각로, 유동층 소각로 및 보일러 등이 있고, 개발 또는 실증중이 열처리로로 고온 및 저온용융로 또 유사한 공정으로 용융염 산화로 및 습식 촉매 산화로 등이 있다. 현재 국내에 이러한 폐기물의 열처리설비가 많이 설치되어 운전중에 있고 또 개발중이거나 설치계획 중에 있다. 이러한 폐기물 열처리설비가 설치되면 상용운전을 위해 반드시 설비의 정상조업 범위 내에서 대상폐기물을 처리시에 배출되는 유해성분의 농도가 관련된 환경규제치를 만족시킴을 입증해야 한다. 본 연구에서는 이러한 열처리 공정운전의 환경무해성을 입증하기 위한 실증시험 방법에 대해 소개하였다. 정해진 양의 유해유기물과 유해중금속 등을 모의폐기물에 주입하여 시험처리하고, 그 결과로부터 시설의 환경무해성을 입증하는 방법에 대해 먼저 논하였고, 연소로의 조업조건 뿐만아니라, 이후 각종 배기체 처리장치의 주요 조업변수의 변화가 공정에서 배출되는 공해물질의 배출농도의 변화에 미치는 영향을 분석하였다.

본 론

1. 실증시험개요

그림 1에 조합된 유해성 폐기물 열처리 공정을 나타내었다. 그림에서 보여지는 바와 같이  조합된 폐기물 열처리설비에는 보통 소각로, 용융로 및 배기체 처리계통이 포함되어 있다. 이러한 폐기물 열처리시설에 대한 실증시험(Trial Burn)의 목적은 해당 시설에 적용될 수 있는 관련된 모든 규제기준을 충분히 만족할 수 있음을 입증하고, 또 규제기준을 만족하면서 조업을 할 수 있는 조건 즉, 폐기물의 처리속도, 각 장치의 온도, 압력 및 유량 등과 같은 각종 운전인자의 안전한 조업범위를 설정하자는 데 있다. 따라서 실증시험계획수립에 앞서 다음 3 가지 사항에 대한 결정이 우선되어야 한다.

- 규제되는 각종 오염물의 배출농도의 변화에 영향을 미치는 주요 운전인자의 결정

- 주요 운전인자에 대한 최악조건 값 (worst-case value)의 설정 (최고 또는 최저..)

- 설정된 각 운전인자들의 상하한 설정의 호환성 확인

실증시험을 통하여 그 배출농도를 평가하여야 할 대기오염 배출물질에는 다이옥신류를 포함하는 주요 유기 유해물 (POHCs: Principal Organic Hazardous Constituents) 및 불연소 생성물 (PICs: Products of Incomplete Combustion), 입자상 물질 및 유해중금속류, 염화수소 등이 있으며, 공정내 가압으로 인한 fugitive emission 등도 유해성 폐기물 소각시에는 중요하다. 표 1 에 이러한 오염물의 농도에 영향을 미치는 각 운전인자들에 대한 최악조건을 나타내었다. 본 연구에서는 POHCs/PICs 의 분해성능 및 유해중금속의 공정내 보유성능을 입증하기 위한 실증시험법에 대해서 강조하였다.

2. POHCs/PICs의 분해성능 시험평가

POHCs/PICs의 분해속도를 결정하는 운전인자는 3T 즉, 온도 (temperature), 시간(time) 및 난류(turbulence)이다. 따라서 유해유기물의 분해에 대한 최고의 악조건은 소각 또는 연소공정(소각로/용융로 및 후연소로 포함)의 온도가 가장 낮을 때, 일산화탄소의 농도가 가장 높아질 때, 연소기체의 기체유량이 가장 낮아질 때 및 폐기물 투입속도가 가장 빠를 때 등이다. 따라서 어떤 조건에서의 시험소각을 통해 대상 유해유기물이 충분히 분해된다는 것을 입증한 후 실제 운전시에는 실증소각시의 조건에 비해 운전온도는 높게, 일산화탄소 농도는 낮게, 연소기체의 유량은 높게, 폐기물의 투입속도는 낮게 유지하여야 한다.

실제 유해성 폐기물에는 다양한 유해유기물이 포함되어 있으므로 이들 각각에 대한 분해성능을 입증할 수는 없다. 따라서 폐기물내에 포함된 유해유기물 중 가장 분해가 어려운 유해 유기물(POHCs)을 선정하고 실증시험(trial burn)을 통하여 이에 대한 분해 제거효율(DRE)이 충분함을 입증하여야 한다. 실증용 POHCs의 선정은 유해유기물의 구조적 범주(structural category)와 소각가능성 순위(incinerability ranking)를 기준으로 이루어지며 그 사용량은 측정방법의 민감도에 따라 결정된다.

3. 유해중금속 보유성능 시험평가

먼저 언급한 유해 유기물의 분해에 유리한 대부분의 운전조건들은 유해중금속의 배출억제에 악영향을 미친다. 유기물의 분해에 유리한 고온 (high temperature), 긴 체류시간 (long residence time), 높은 기체유량 (high gas volumetric flow rate)는 유해중금속류의 휘발이나 입자상 동반 등을 크게 하는 나쁜 조건이 된다. 유해중금속의 배출억제능을 입증하는 단계별 접근방법을 그림 1에 나타내었다. 폐기물내의 유해중금속 농도가 적을 경우 시험소각(Trial Burn)없이 보수적인 방법(Tier 1 방법)으로 평가할 수도 있으나 꼭 시험소각이 필요한 경우(Tier 2 및 Tier 3 방법)에는 모의중금속(Surrogate Metal)을 보통 이용한다. Surrogate Metal 이란 실제 폐기물에 포함되어 있는 대상 유해중금속의 휘발에 대한 보수적인 표시제가 되는 중금속을 말한다. Surrogate Metal의 사용에 대한 약간의 논란이 있으나 시험소각의 비용과 시험소각과정에서의 환경오염을 줄이고 집약된 데이터를 얻을 수 있다는 장점으로 많이 이용되고 있다.

유해중금속에 대한 시험소각에서 중요한 것은 모의폐기물과 함께 연소로로 투입되는 유해중금속 또는 그 Surrogate Metal의 투입속도를 변화시키면서 허용기준을 만족하는 범위내의 최대 중금속 투입속도를 결정하는 것이다. 그림 2 및 그림 3 에 상향 외삽법 및 하향 외삽법의 두가지 방법을 나타내었다. 그림에서 설명된 바와 같이 상향 외삽법이 이론적으로 보수적이므로 추천된다.

결론

논의한 유해성폐기물 열처리공정의 시험평가기술은 최근에 미국의 EPA-DOE 부처간 혼성폐기물(방사성 및 유해성 폐기물) 열처리 기술 협의회에서 논의된 내용들과 관련 지침들을 분석하고, 한국원자력연구소 부지내에서 수행된 한국중공업(주)의 플라즈마 용융로의 1 단계 시험소각 및 그 결과분석의 경험으로 제시하는 단순하면서도 그 결과의 신뢰성과 활용성이 높은 시험소각방법이므로 유해성폐기물을 대상으로 하는 소각로나 고온용융로의 시험시에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. Randy Seeker, "Permitting Roadmap for Mixed Waste Thermal Treatment System". EPA-DOE intragency technical workgroup meeting (1997).

2. NTW, "Mixed Waste Chracterization for Thermal Treatment System", EPA-DOE Interagency Agreement (1997)

Fig.1. Metal Tiers.
	Table 1. Control Parameters for Regulated Emission
Fig.2. Upward Extrapolation for metals Emission Test.
Fig.3.Downward Extrapolation for Metals Emission Test.