[폐기물처리기술]열분해 용융기술

열분해

열분해는 무산소 또는 공기가 부족한 상태에서 고온으로 가열하면 폐기물중가연성 성분이 분해되어 가스, 액체, 고체 의 연료를 생산 하거나 또는 폐기물중에 포함된 유독성분이 연소될 때 발생되는 맹독성 물질을 제거하는 방법이다. 열분해방법은 가연성 폐기물에 열을 가하면 증발연소와 같이 가연성 가스가 발생되는데 이를 공기를 주입하지 않고 불연성가스 또는 LNG를 운반가스로 하여 배출하여 가연성 기체나 액체를 생산할 수있다. 열분해 후에는 Tar나 고정탄소인 char가 생성된다.

열분해 과정

 

플라스틱 또는 고무와 같은 가연성 폐기물은 진공 또는 비활성 가스 존재하에 가열시키면 분해되어 저 분자량의 물질로 전환하게 된다. 이 분해는 플라스틱의 main chain을 절단하는 반응과 플라스틱의 side chain이 절단되는 원자와 원자간의 결합력이 약한 부분부터 절단되는 반응에 의하여 분자량이 작은 물질로 전환하게 된다. 열분해는 보통 촉매없이 진행 되지만, 때로는 중금속 촉매를 사용하여 반응을 촉진시키기도 한다.

열분해온도는 생성물의 조성에 큰 영향을 미치는데, 고온에서는 저분자가스의 생성이 증가하며 저온에서는 액상물질이 증가한다. 고온에서는 분해된 액상물질이 더 분해되어 가스상 물질로 전환하기 때문에 가스상 물질이 더 많이 생성된다. 온도 다음으로 중요한 변수는 반응기에서의 체류시간으로 폐기물이 분해될 수 있는 시간이 유지되어야 한다. 체류시간이 충분히 유지되면 분해생성물이 다량으로 생성되어 잔사 의 양을 줄일 수 있다. 그러나 반응시간이 너무 길면 분해된 물질들이 radical을 생성하여 생선된 물질간의 결합 반응으로 Tar 또는 분자량이 큰 물질로 전환된다. 따라서 분해된 생성물질은 반응성이 없는 불활성 가스로 반응기에서 배출되어야 한다. 열분해된 생성물의 발열량은 11,000 kcal/kg 정도로 석유계 연료와 거의 비슷한 정도이다.

열분해 과정에 영향을 주는 다른요소는 수분을 들수있는데 수분함량이 많을수록 운전온도까지 온도를 올리는데 시간이 많이 소요되며, 예열을 통하여 폐기물을 건조 시키는 경우에는 소요비용이 증대된다.

 

열분해 용융 기술

기존 스토커 방식의 소각은 부피의 감량화를 어느정도 꾀할수 있으나, 폐기물 소각시에 발생하는 중금속과 다이옥신 등 유해물질을 함유하는 소각재의 처리문제를 가지고 있다. 이에 따라 최근 열분해 용융방식에 의해 폐기물을 공기의 공급없이 혹은 이론공기량보다 낮은 저산소 상태에서 열을 가하여 500~600℃의 온도에서 열분해/가스화 한후 잔재물을 1,300~1,600℃의고온에서 용융시켜 슬래그화하는 열분해 용융기술이다.

폐기물을 열분해 용융방식으로 처리하면 낮은 공기비에 의해 배가스 처리시설의 크기가 작아지고, 대부분의소각재는 무해화한 슬래그 형태가 되어 재활용이 가능하며, 소각재 ⅕~⅙의 감용화가 가능하여 매립되는 소각재의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 용융에 의해 매립시 중금속의 용출이 거의 되지 않는다.

 

 

 

 

열분해 용융시스템의 종류

1. Rot ary kiln식

열분해로와 용융로가 분리되어 있으며, 폐기물을 150~200mm이하의 크기로 파쇄 후 스크류 피더에 의해 투입하여 열분해 드럼 내에서 열분해 가스와 열분해 고형물로 분해 한다. 열분해 고형물에 포함되어 있는 알루미늄과 철은 별도로 분리 회수되어 재활용 되며, 열분해 가스와 잔사는 연소용융로에 투입되어 1,300℃의 고온에서 연소되며, 용융슬래그는 냉각후 배출된다. 이 형식의 열분해로는 열분해 가스의 발생이 안정적이며, 열분해 잔사가 저장조를 통하여 항상 균일하게 공급되기 때문에 안정된 연소가 이루어진다. 그리고 외부 열원없이 폐기물이 가진 자체가 에너지로 폐기물을 용융 시켜 슬래그로 배출이 가능하다.

 

2. 샤프트로식

열분해로와 용융로의 구분이 없는 일체형이고, 생활폐기물을 미니 고로형식의 로내에 투입하여 예열한 뒤 건조, 열분해, 연소과정을 거쳐 용융한후 용융물을 수쇄하여 슬래그를 생산한다. 코크스는 하단의 측면에서 공급되는 산소가 풍부한 공기에 의하여 고온 연소되어 고열이 발생하고, 이 열에 의하여 회분과 불연분이 완전히 용융된다. 슬래그의 배출은 간헐적으로 이루어진다. 이 공정은 코크스, 석회석, 순산소를 사용하여 비교적 운전비가 높지만 기계적 구동부가 없어 유지 관리가 용이하다.

 

3. 유동상식

유동상을 저산소 분위기에서 500~600℃의 온도로 운전하고 폐기물을 부분연소시킨다. 부분연소로 얻어진 열이 매체인 모래에 의해 폐기물에 공급되어 열을 받은 폐기물은 열분해해서 가연성의 가스 및 미연 고형물 등이 얻어진다. 가연성 가스의 일부는 연소해서 열원이 된다. 대부분의 가연성의 가스와 미연 고형물 등은 용융로 등에 보내진다. 용융로에서는 가연성 가스와 미연 고형물을 고온 연소 시켜 재분을 용융해서 슬래그화 한다. 이 시스템의 특징은 유동상 내의 직접 가열에 의해 열분해에 필요한 열을 공급하기 때문에 가열용의 공기를 별도 생성시킬 필요가 없는 것이다. 또 유동상에 있어서 폐기물 중의 불연물이나 금속을 분리, 배출할 수 있다.

4. pusher식

열분해로와 용융로가 연결되어있으며, 압축, 탈가스화, 고온가스화, 용융의 4단계로 구성되며, 폐기물을 고압으로 압축한 후 탈가스화 통로에 압입, 600℃로 간접가열하여 건류가스를 생성시키고 열분해 후 합성가스를 만든다. 이 가스는 발전용 열원 또는 자체 에너지로 재사용한다. 이 과정에서 생성된 탄화물과 잔류 무기물들은 가스화 용융로에서 1600℃ 이상으로 용융처리한 후 균질화로를 거쳐 슬래그를 생산한다.

 

참고 문헌

 

1. 폐기물 관리 이주헌, 원양수 공저 대구대학교 출판부

2. 폐기물 처리기술 이규성 외 8명 형설 출판사

3. 신 폐기물처리 윤석표 외 7명 동화기술