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KR102800162B1 - 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치 - Google Patents

폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치 Download PDF

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KR102800162B1
KR102800162B1 KR1020230027976A KR20230027976A KR102800162B1 KR 102800162 B1 KR102800162 B1 KR 102800162B1 KR 1020230027976 A KR1020230027976 A KR 1020230027976A KR 20230027976 A KR20230027976 A KR 20230027976A KR 102800162 B1 KR102800162 B1 KR 102800162B1
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Abstract

본 발명은 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 재활용하기 위하여, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 슬러리 제조공정; 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재, 물 및 상기 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 슬러리 제조공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법을 제시함으로써, 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 처리하여 재활용함과 아울러, 비산재의 매립에 따른 토양 오염을 방지할 수 있도록 한다.

Description

폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치{SLURRY MANUFACTURING METHOD FOR DUST OF WASTE INCINERATING AND SLURRY MANUFACTURING SYSTEM USNIG THE SAME}
본 발명은 환경 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치에 관한 것이다.
각종 쓰레기, 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재는 집진하여 매립되고 있는데, 이는 토양 오염의 원인이 된다.
각종 산업분야에서 순환자원(폐기물)의 재이용이 활성화되면서, 폐기물을 화석연료의 대체원료로 사용하고 있는데, 이때 발생한 비산재도 위와 같은 문제를 안고 있다.
특히, 시멘트 제조를 위하여 폐기물을 대체원료로 사용하는 경우, 시멘트 소성공정에서 발생하는 비산재에 함유된 염소(Cl), 황(SO4), 알카리(KOH) 등의 성분이 시멘트 제조설비 중 예열기 폐색을 일으키므로, 그 비산재를 주기적으로 제거하여 처리하여야 한다.
그런데 종래에는 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 처리하여 재활용할 수 있는 방법에 관한 연구가 미흡한 실정이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 폐기물의 소각(특히, 시멘트의 소성 공정을 위한 순환자원의 소각)에 의해 발생하는 비산재를 처리하여 재활용함과 아울러, 비산재의 매립에 따른 토양 오염을 방지할 수 있도록 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치를 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 재활용하기 위하여, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 방법으로서, 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 슬러리 제조공정; 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재, 물 및 상기 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 슬러리 제조공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법을 제시한다.
상기 소발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 적은 소입도 비산재이고, 상기 대발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 많은 대입도 비산재인 것이 바람직하다.
상기 소입도 비산재의 입도는 20um 미만이고, 상기 대입도 비산재의 입도는 20um 이상인 것이 바람직하다.
상기 2차 슬러리 제조공정 이후, 상기 비산재 중 발열량이 상기 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재, 물, 상기 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 슬러리 제조공정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 슬러리 제조공정, 2차 슬러리 제조공정 또는 3차 슬러리 제조공정은, 황산칼슘의 용해도를 저하시키기 위하여 CaO 또는 CaCl2을 혼합하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 슬러리 제조공정, 2차 슬러리 제조공정 또는 3차 슬러리 제조공정은, CO2를 주입하여 Ca 이온을 제거하고 pH를 10 이하로 조정하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 재활용하기 위하여, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 장치로서, 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재를 저장하는 소발열 비산재 저장조(110); 상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재를 저장하는 대발열 비산재 저장조(120); 상기 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 혼합부(101); 상기 대발열 비산재, 물 및 상기 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 혼합부(102);를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조장치(100)를 제시한다.
상기 비산재 중 발열량이 상기 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재를 저장하는 중발열 비산재 저장조(130); 상기 중발열 비산재, 물, 상기 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 혼합부(103);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102) 또는 3차 혼합부(103)에 대하여, 황산칼슘의 용해도를 저하시키기 위하여 CaO 또는 CaCl2을 공급하는 황산칼슘 용해도 저하제 공급부(140);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102) 또는 3차 혼합부(103)에 대하여, CO2를 공급하는 CO2 공급부(150);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재의 재활용 방법으로서, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 슬러리 제조공정; 상기 슬러리를 고형물과 염수로 분리하는 고액 분리공정; 상기 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하고, 상기 염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염의 추출공정; 상기 고형물과 시멘트 원료의 분말을 혼합하는 분말 혼합공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 재활용 방법을 제시한다.
상기 고액 분리공정은, 상기 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 교반공정; 상기 1차 슬러리를 1차 고형물과 강염수로 분리하는 1차 분리공정; 상기 1차 고형물과 물을 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 교반공정; 상기 2차 슬러리를 2차 고형물과 중간염수로 분리하는 2차 분리공정;을 포함하고, 상기 2차 분리공정에 의해 분리된 상기 중간염수를 상기 1차 교반공정에 공급하여 상기 비산재와 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 2차 고형물과 물을 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 교반공정; 상기 3차 슬러리를 3차 고형물과 약염수로 분리하는 3차 분리공정;을 더 포함하고, 상기 3차 분리공정에 의해 분리된 상기 약염수를 상기 2차 교반공정에 공급하여 상기 1차 고형물과 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 분말 혼합공정은, 상기 2차 고형물 또는 3차 고형물에 대하여, 시멘트 원료의 분말을 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 1차 교반공정, 2차 교반공정 또는 3차 교반공정은, CO2를 주입하여 Ca 이온을 제거하고 pH를 10 이하로 조정하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 염의 추출공정은, 상기 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하는 약품반응공정; 상기 염수에서 이온교환수지에 의해 잔여 중금속 성분을 제거하여 정제염수를 생산하는 이온교환수지 중금속 제거공정; 상기 정제염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염 제조공정;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 약품반응공정은, CO2, 염산(HCl), 황산(H2SO4) 중 어느 하나 이상의 약품을 사용하여 pH를 조정하는 pH 조정공정; 탄산염 계열의 약품을 사용하여 스케일 성분을 제거하는 스케일 성분 제거공정; 산화제 계열의 약품를 사용하여 중금속 성분을 제거하는 중금속 성분 제거공정; 응집제를 사용하여 플록(floc)을 형성하는 응집공정;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 약품반응공정과 이온교환수지 중금속 제거공정의 사이에는, 상기 플록을 침전시켜 슬러리와 염수로 분리하는 침전공정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이온교환수지 중금속 제거공정은, 킬레이트 계열의 이온교환수지와, 다른 계열의 이온교환수지에 의해, 염수에서 잔여 중금속 성분을 제거하는 공정; 사용된 이온교환수지를 재생제에 의해 재생하는 재생공정;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 계열의 이온교환수지는, Polystyrene devinylbevzene acid resin, Carboxylic Acid resin, 4급암모니움 수지(Quaternary ammonium resin), 1~3급 아민형 수지 계열(Primary amine ~ tertiary amin type)의 이온교환수지 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 재생공정에서 발생한 재생폐액을 상기 슬러리 제조공정에 공급하고, 상기 비산재와 혼합하여 상기 슬러리를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 이온교환수지 중금속 제거공정과 염 제조공정의 사이에는, 상기 정제염수를 농축함과 아울러, 잔여 중금속 성분을 제거하는 멤브레인 여과공정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인 여과공정에 의해 농축된 농축수로부터, 전기분해장치에 의해 수산화칼륨(KOH), Cl2 Gas, NaOCl 중 어느 하나 이상을 제조하는 전기분해공정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인 여과공정에서 멤브레인을 통과한 투과수를 상기 슬러리 제조공정에 공급하고, 상기 비산재와 혼합하여 상기 슬러리를 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명은 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재의 재활용을 위한 시스템으로서, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 슬러리 제조장치(100); 상기 슬러리를 고형물과 염수로 분리하는 고액 분리장치(200); 상기 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하고, 상기 염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염의 추출장치(300); 상기 고형물과 시멘트 원료의 분말을 혼합하는 분말 혼합부(240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템을 제시한다.
상기 고액 분리장치(200)는, 상기 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 교반부(201); 상기 1차 슬러리를 1차 고형물과 강염수로 분리하는 1차 분리부(210); 상기 1차 고형물과 물을 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 교반부(202); 상기 2차 슬러리를 2차 고형물과 중간염수로 분리하는 2차 분리부(220);를 포함하고, 상기 2차 분리부(220)에 의해 분리된 상기 중간염수를 상기 1차 교반부(201)에 공급하여 상기 비산재와 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 2차 고형물과 물을 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 교반부(203);
상기 3차 슬러리를 3차 고형물과 약염수로 분리하는 3차 분리부(230);를 더 포함하고, 상기 3차 분리부(230)에 의해 분리된 상기 약염수를 상기 2차 교반부(202)에 공급하여 상기 1차 고형물과 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 1차 분리부(210), 2차 분리부(220) 또는 3차 분리부(230)는 진공벨트필터 또는 필터프레스인 것이 바람직하다.
상기 분말 혼합부(240)는, 상기 2차 고형물 또는 3차 고형물에 대하여, 석회석 분말, 암석 분말 또는 시멘트 분말을 혼합하여 시멘트 부원료를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 1차 교반부(201), 2차 교반부(202) 또는 3차 교반부(203)에 대하여, CO2를 공급하는 CO2 공급부(150);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 염의 추출장치(300)는, 상기 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하는 약품반응부(310); 플록을 침전시켜 슬러리와 염수로 분리하는 침전부(320); 상기 염수에서 이온교환수지에 의해 잔여 중금속 성분을 제거하여 정제염수를 생산하는 이온교환수지탑(330); 상기 정제염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염 제조부(340);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 약품반응부(310)는, CO2, 염산(HCl), 황산(H2SO4) 중 어느 하나 이상의 약품을 사용하여 pH를 조정하는 pH 조정부(311); 탄산염 계열의 약품을 사용하여 스케일 성분을 제거하는 스케일 성분 제거부(312); 산화제 계열의 약품를 사용하여 중금속 성분을 제거하는 중금속 성분 제거부(313); 응집제를 사용하여 플록(floc)을 형성하는 응집부(314);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이온교환수지탑(330)과, 상기 염 제조부(340)의 사이에는, 상기 정제염수를 농축함과 아울러, 잔여 중금속 성분을 제거하는 멤브레인 여과부(350);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 폐기물의 소각(특히, 시멘트의 소성 공정을 위한 순환자원의 소각)에 의해 발생하는 비산재를 처리하여 재활용함과 아울러, 비산재의 매립에 따른 토양 오염을 방지할 수 있도록 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법 및 슬러리 제조장치를 제시한다.
도 1 이하는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템의 전체구성도.
도 2는 슬러리 제조장치의 제1 실시예의 구성도.
도 3은 슬러리 제조장치의 제2 실시예의 구성도.
도 4는 고액 분리장치의 제1 실시예의 구성도.
도 5는 고액 분리장치의 제2 실시예의 구성도.
도 6은 염의 추출장치의 제1 실시예의 구성도.
도 7은 염의 추출장치의 제2 실시예의 구성도.
도 8은 이온교환수지의 반응 메커니즘의 개요도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명은 폐기물의 소각(특히, 시멘트의 소성 공정을 위한 순환자원의 소각)에 의해 발생하는 비산재의 재활용을 위한 방법에 관한 것으로서, 슬러리 제조공정, 고액 분리공정, 염의 추출공정, 분말 혼합공정을 포함하여 구성된다.
이를 위한 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템은 슬러리 제조장치(100), 고액 분리장치(200), 염의 추출장치(300), 분말 혼합부(240)를 포함하여 구성된다.(도 1)
본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법은 위 슬러리 제조공정에 관한 것이고, 이를 위한 장치가 위 슬러리 제조장치(100)이다.
슬러리 제조공정은 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 공정으로서, 슬러리 제조장치(100)가 담당한다.
고액 분리공정은 슬러리를 고형물과 염수로 분리하는 공정으로서, 고액 분리장치(200)가 담당한다.
염의 추출공정은 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하고, 염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 공정으로서, 염의 추출장치(300)가 담당한다.
분말 혼합공정은 고형물과 시멘트 원료의 분말을 혼합하여 시멘트 부원료로 활용하기 위한 공정으로서, 분말 혼합부(240)가 담당한다.
이하, 본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법(제조공정)이 포함된 폐기물 소각 비산재의 재활용 방법의 각 공정 및 재활용 시스템을 구성하는 각 장치(슬러리 제조장치(100) 포함)의 구조 및 기능에 관하여 상세히 설명한다.
1) 슬러리 제조공정(도 1,2,3)
슬러리 제조공정은 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 공정으로서, 본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법은 이에 관한 것이다.
폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재는 일반적으로 직경이 10um ~ 50um로서, CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, KCl 등의 휘발성 이온염이 결합한 다량의 중금속을 함유한다.
이러한 비산재를 물과 혼합하여 슬러리를 제조하면, 그 슬러리의 고액 분리에 의해 제조되는 염수로부터, 수용성 이온의 결합에 의해 이루어지는 염의 용출이 가능하다.
한편, 비산재의 성분 중 CaO는 물과 결합 시, 다음 화학식과 같은 반응을 일으키는데, 이는 발열반응으로서 그 발열량이 큰 경우 다음과 같은 문제를 야기한다.
CaO + H2O ---> Ca(OH)2 + △H (KJ/mol)
Ca(OH)2 + K2SO4 → CaSO4↓ + 2KOH
Ca(OH)2 + MgSO4 → CaSO4↓ + Mg(OH)2
첫째, 후속 공정을 위해 슬러리의 온도가 일정 수준을 유지해야 하는데, 발열량이 과도하게 큰 경우, 과도한 양의 물이 소요되므로 경제적이지 못하다.
둘째, 고온에서는 다량의 황산칼슘(CaSO4)이 용출되는데, 이는 후속 공정에서 여과포의 막힘, 스케일 발생 등의 문제를 일으킨다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 본 발명에 의한 슬러리 제조공정은, 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재(소발열 비산재 저장조(110))와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 슬러리 제조공정(1차 혼합부(101)); 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재(대발열 비산재 저장조(120)), 물 및 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 슬러리 제조공정(2차 혼합부(102));을 포함하여 구성된다.(도 2)
여기서, 소발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 적고, Cl 농도가 크며, 미세한 소입도(20um 미만)의 비산재를 의미한다.
이러한 소입도 비산재는 CaO 함량이 적어서, 물과 혼합 시 발열량이 작으므로, 소량의 물과 혼합하더라도 온도의 제어가 가능하다.
대발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 크고, Cl 농도가 작으며, 거칠고 굵은(Coars) 대입도(20um 이상)의 비산재를 의미한다.
이러한 대입도 비산재는 CaO 함량이 커서, 물과 혼합 시 발열량이 크므로, 온도의 제어를 위해 다량의 물과 혼합하여야 한다.
본 발명에 의한 슬러리 제조공정은, 먼저 소발열 비산재와 물의 혼합에 의해 1차 슬러리를 제조한 후, 위 1차 슬러리와 대발열 비산재, 추가의 물을 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 방식을 취한다.
즉, 소발열 비산재와 물을 혼합하는 1차 슬러리 제조공정에 비해, 대발열 비산재와 물을 혼합하는 2차 슬러리 제조공정에서 더욱 많은 양의 물(1차 슬러리의 물, 추가의 물)이 혼합되므로, 물의 사용량을 특별히 증가시키지 않으면서도, 과도한 발열을 방지하여 온도의 제어가 용이하다는 효과가 있다.
또한, 온도의 제어에 의해 황산칼슘(CaSO4)의 다량 용출을 방지할 수 있으므로, 후속 공정의 여과포의 막힘, 스케일 발생 등의 문제를 방지할 수 있다.
본 발명에 의한 슬러리 제조공정은, 상기 2차 슬러리 제조공정 이후, 비산재 중 발열량이 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재(중발열 비산재 저장조(130)), 물, 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 슬러리 제조공정(3차 혼합부(103));을 더 포함하여 구성될 수 있다.(도 3)
소발열 비산재와 대발열 비산재를 분리한 1차 슬러리 제조공정 및 2차 슬러리 제조공정 이후에는, 특별히 소발열 비산재와 대발열 비산재를 분리하지 않고 이들이 혼합한 상태인 중발열 비산재와, 1차 슬러리, 2차 슬러리, 추가된 물의 혼합에 의해 3차 슬러리를 제조하더라도, 물의 양이 충분히 많으므로 온도의 제어가 가능하다.
위 1차 슬러리 제조공정, 2차 슬러리 제조공정 또는 3차 슬러리 제조공정에서, CO2를 주입하여 CaCO3를 형성함으로써, Ca 이온을 제거하고 pH를 10 이하로 조정하는 것이 후속공정을 위하여 바람직하다.
본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템의 슬러리 제조장치(100)는 위 슬러리 제조공정을 수행하기 위한 것으로서, 소발열 비산재 저장조(110), 대발열 비산재 저장조(120), 중발열 비산재 저장조(130), 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102), 3차 혼합부(103), CO2 공급부(150)를 포함하여 구성된다.
소발열 비산재 저장조(110)는 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재를 저장한다.
대발열 비산재 저장조(120)는 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재를 저장한다.
중발열 비산재 저장조(130)는 비산재 중 발열량이 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재를 저장한다.
1차 혼합부(101)는 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조한다.
2차 혼합부(102)는 대발열 비산재, 물 및 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조한다.
3차 혼합부(103)는 중발열 비산재, 물, 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조한다.
CO2 공급부(150)는 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102) 또는 3차 혼합부(103)에 대하여, CO2 가스를 공급하여 pH를 10 이하로 조정한다.
2) 고액 분리공정 및 분말 혼합공정(도 1,4,5)
고액 분리공정은 위 슬러리 제조공정에 의해 제조된 슬러리를 고형물과 염수로 분리하는 공정이다.
위 고형물은 시멘트의 부원료로 사용되기 위하여 Cl의 함유량이 최소화되어야 하고, 위 염수는 용이하면서도 고순도의 염의 추출작업을 위하여 최대의 농도가 되어야 하며, 본 공정은 이를 위한 것이다.
본 발명에서 고액 분리공정은, 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 교반공정(1차 교반부(201)); 1차 슬러리를 1차 고형물과 강염수로 분리하는 1차 분리공정(1차 분리부(210)); 1차 고형물과 물을 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 교반공정(2차 교반부(202)); 2차 슬러리를 2차 고형물과 중간염수로 분리하는 2차 분리공정(2차 분리부(220));을 포함하여 구성된다.
2차 분리공정(2차 교반부(202))에 의해 분리된 중간염수는 중간염수 저장부(221)에 저장한 이후, 다시 1차 교반공정(1차 교반부(201))에 공급하여 비산재와 혼합한다.
1차 교반공정은 위 슬러리 제조공정에 의해 이루어질 수도 있고, 위 슬러리 제조공정 이후 추가의 교반공정에 의해 이루어질 수도 있다.
아직 고액 분리가 이루어지지 않은 1차 슬러리는 고농도의 염수(강염수)를 포함하고 있으므로, 이를 1차 분리공정(1차 분리부(210))에 의해 고액 분리하면, 1차 고형물과 강염수를 얻을 수 있다.
위 강염수는 충분히 고농도이므로, 강염수 저장부(211)에 저장한 이후, 후속공정인 염의 추출공정(염의 추출장치(300))에 공급한다.
2차 교반공정(2차 교반부(202))에서 1차 고형물과 물의 혼합에 의해 제조된 2차 슬러리는 위 고농도의 염수(강염수)에 비해 중간농도의 염수(중간염수)를 포함하고 있으므로, 이를 2차 분리공정(2차 분리부(220))에 의해 고액 분리하면, 2차 고형물과 중간염수를 얻을 수 있다.
위 중간염수는 충분한 고농도가 아니므로, 후속공정인 염의 추출공정에 공급하지 않고, 다시 1차 교반공정(1차 교반부(201))에 공급하여 비산재와 혼합한 이후, 1차 분리공정(1차 분리부(210))에 의해 고액 분리함으로써, 1차 고형물과 강염수로 분리되도록 한다.
위 공정들에 대하여, 2차 고형물과 물을 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 교반공정(3차 교반부(203)); 3차 슬러리를 3차 고형물과 약염수로 분리하는 3차 분리공정(3차 분리부(230));을 추가할 수 있다.
3차 분리공정(3차 분리부(230))에 의해 분리된 약염수를 약염수 저장부(231)에 저장한 이후, 2차 교반공정(2차 교반부(202))에 공급하여 1차 고형물과 혼합되도록 한다.
위 약염수 또한 충분한 고농도가 아니므로, 후속공정인 염의 추출공정에 공급하지 않고, 다시 2차 교반공정(2차 교반부(202))에 공급하여 1차 고형물과 혼합한 이후, 2차 분리공정(2차 분리부(220))에 의해 고액 분리함으로써, 2차 고형물과 중간염수로 분리되도록 한다.
위 중간염수는 또한 충분한 고농도가 아니므로, 후속공정인 염의 추출공정에 공급하지 않고, 다시 1차 교반공정(1차 교반부(201))에 공급하여 비산재와 혼합한 이후, 1차 분리공정(1차 분리부(210))에 의해 고액 분리함으로써, 1차 고형물과 강염수로 분리되도록 한다.
이와 같이, 분리공정을 복수회에 걸쳐 반복할수록, 많은 양의 고농도의 염수(강염수)를 얻을 수 있다는 점, Cl의 함유량을 최소화함으로써 우수한 품질의 시멘트의 부원료를 제조할 수 있다는 점 등의 효과가 있다.
위 1차 교반공정, 2차 교반공정 또는 3차 교반공정에서도, CO2를 주입하여 CaCO3를 형성함으로써, Ca 이온을 제거하고 pH를 10 이하로 조정하는 것이 후속공정을 위하여 바람직하다.
각 공정에서 발생하는 응집수(Condensate Water)는 위 교반공정에 공급하여 고형물과 혼합하기 위한 물로 사용할 수 있다.
또한, 분리공정에서 발생하는 세척수, 폐수는 위 슬러리 제조공정에 공급하여 비산재와 혼합하기 위한 물로 사용할 수 있으므로, 폐수의 외부 방출이 없도록 할 수 있다.
분말 혼합공정은 고형물과 시멘트 원료의 분말을 혼합하는 공정으로서, 상술한 고형물과 시멘트 원료(석회석, 암석, 기타 혼화재 등)의 분말을 혼합하는 공정(분말 혼합부(240))에 의해 이루어질 수 있다.
고액 분리공정에 의해 제조된 고형물은 점성이 매우 높으므로, 컨베이어 벨트에 의한 이송작업, 시멘트 제조장치에 대한 투입작업 등이 어렵다는 문제가 있다.
이러한 고형물에 대하여, 위 시멘트 원료(석회석, 암석, 기타 혼화재 등)의 분말을 혼합하면, 점성이 낮아지므로, 후속공정이 용이해진다는 장점이 있다.
이와 같이 고형물과 시멘트 원료의 분말의 혼합에 의해 제조된 재료는 시멘트의 제조를 위한 부원료로 활용될 수 있다.
고액 분리공정이 1차 분리공정, 2차 분리공정으로 구성되는 경우에는, 2차 분리공정에 의해 제조되는 2차 고형물을 분말 혼합공정에 공급한다.
고액 분리공정이 1차 분리공정, 2차 분리공정, 3차 분리공정으로 구성되는 경우에는, 3차 분리공정에 의해 제조되는 3차 고형물을 분말 혼합공정에 공급한다.
본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템의 고액 분리장치(200)는 위 고액 분리공정을 수행하기 위한 것으로서, 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 교반부(201); 1차 슬러리를 1차 고형물과 강염수로 분리하는 1차 분리부(210); 1차 고형물과 물을 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 교반부(202); 2차 슬러리를 2차 고형물과 중간염수로 분리하는 2차 분리부(220); 2차 고형물과 물을 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 교반부(203); 3차 슬러리를 3차 고형물과 약염수로 분리하는 3차 분리부(230);를 포함하여 구성된다.
2차 분리부(220)에 의해 분리된 중간염수는 1차 교반부(201)에 공급하여 비산재와 혼합한다.
3차 분리부(230)에 의해 분리된 약염수는 2차 교반부(202)에 공급하여 1차 고형물과 혼합한다.
슬러리를 고형물과 염수로 고액 분리하는 1차 분리부(210), 2차 분리부(220) 또는 3차 분리부(230)는, 진공벨트필터 또는 필터프레스에 의해 구성될 수 있다.
1차 세척수 저장부(212)의 세척수는 1차 분리부(210)를 세척한 후, 다시 1차 세척수 저장부(212)로 리턴된다.
2차 세척수 저장부(222)의 세척수는 2차 분리부(220)를 세척한 후, 다시 2차 세척수 저장부(222)로 리턴된다.
3차 세척수 저장부(232)의 세척수는 3차 분리부(230)를 세척한 후, 다시 3차 세척수 저장부(232)로 리턴된다.
분말 혼합부(240)는, 2차 고형물 또는 3차 고형물에 대하여, 석회석 분말, 암석 분말 또는 시멘트 분말을 혼합하여 시멘트 부원료를 제조한다.
CO2 공급부(150)는 1차 교반부(201), 2차 교반부(202) 또는 3차 교반부(203)에 대하여, CO2 가스를 공급하여 pH를 10 이하로 조정한다.
3) 염의 추출공정(도 6,7)
염의 추출공정은 강염수 저장부(211)에 저장된 고농도의 강염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하고, 염수의 증발농축에 의해 염(KCl 등)을 제조하는 공정이다.
스케일 성분(Ca, Mg,SO4 이온 등)은 각 공정의 스케일 장해를 유발하고, 크롬(Cr)이나 탈륨(Ti) 등의 중금속 성분은 미량으로도 충분히 독극물의 영향을 나타내므로, 완벽한 제거가 필요하다.
이를 위하여 염의 추출공정은, 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하는 약품반응공정(약품반응부(310)); 플록을 침전시켜 슬러리와 염수로 분리하는 침전공정(침전부(320)); 염수에서 이온교환수지에 의해 잔여 중금속 성분을 제거하여 정제염수를 생산하는 이온교환수지 중금속 제거공정(이온교환수지탑(330)); 정제염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염 제조공정(염 제조부(340));을 포함하여 구성된다.(도 6)
약품반응공정은 구체적으로, pH 조정공정, 스케일 성분 제거공정, 중금속 성분 제거공정, 응집공정을 포함하여 구성된다.
pH 조정공정(pH 조정부(311))은 CO2, 염산(HCl), 황산(H2SO4) 중 어느 하나 이상의 약품을 사용하여 염수의 pH를 조정한다.
CO2는 Ca 화합물인 CaCO3, Pb의 탄산염 형태인 Pb(CO3)2(OH)2 등의 형태로 반응하므로, Ca, Pb 중금속류를 침전 처리시키는 역할도 한다.
스케일 성분 제거공정(스케일 성분 제거부(312))은 탄산염 계열(Na2CO3, K2CO3 등)의 약품을 사용하여 스케일 성분(Ca, Mg,SO4 이온 등)을 고형물(CaCO3)의 형태로 반응시킨 후, 침전공정에 의해 제거하는 방식을 취한다.
중금속 성분 제거공정(중금속 성분 제거부(313))은 산화제 계열의 약품(황화물 침전제(Na2S), KOH, NaOH, Ca(OH)2, H2O2, NaOCl 등)을 사용하여 중금속 성분을 고형물의 형태로 반응시킨 후, 침전공정에 의해 제거하는 방식을 취한다.
응집공정(응집부(314))은 응집제(PAA 계열 등)를 사용하여, 위 반응물질의 플록(floc)의 형성을 촉진함에 따라 침전공정에 의한 제거효율을 높이는 역할을 한다.
침전공정은 위 반응물질의 플록을 침전시켜 슬러리와 염수로 분리하는 공정으로서, 하부에 침전물의 제거를 위해 스크래퍼(Scrafer)가 설치된 침전부(320)에 의해 구현될 수 있다.
내부에 응집제와 혼합(Mixing) 하는 기능이 추가되고, 응집제와 혼합된 침전물이 하부 분배관(Slurry Distributer)을 통해 침전조 바닥으로 균일하게 침전되는 고속응집 침전조의 구조를 취할 수 있다.
침전부(320)의 하부에 침전된 슬러리는 다시 약품반응공정에 공급할 수도 있고, 슬러리 제조공정에 공급할 수도 있다.
약품반응공정을 거친 염수는 여과장치(UF filter 또는 Media Filter)에서 S.S(Suspended Solid)를 제거한 후, 이온교환수지탑(330)으로 통액하여 잔류하는 중금속 이온, Ca 이온 등을 제거한다.
이온교환수지탑(330)의 이온교환수지 중금속 제거공정은 구체적으로, 킬레이트 계열의 이온교환수지와, 다른 계열(Polystyrene devinylbevzene acid resin, Carboxylic Acid resin, 4급암모니움 수지(Quaternary ammonium resin), 1~3급 아민형 수지 계열(Primary amine ~ tertiary amin type) 등)의 이온교환수지에 의해, 염수에서 잔여 중금속 성분을 제거하는 공정; 사용된 이온교환수지를 재생제에 의해 재생하는 재생공정;을 포함하여 구성된다.
이온교환수지로는 기본적으로 킬레이트 계열의 수지를 사용하는데, 이는 다음과 같은 Chelating Resin의 중금속 이온 선택성을 이용한 것으로서, 정제된 염수(Pure Brine)에 잔존하는 중금속 이온을 제거하는 역할을 한다.
Cu2+ >> Pb2+ > Fe2+ > Al3+ > Cr3+ > Ni3+ > Zn2+ > Ag+ > Co2+ > Cd2+ > Fe2+ > Mn2+ > Ba2+ > Ca2+ >>>> Na+ Others
킬레이트 관능기(Chelate functional group)를 갖는 수지에 KOH 용액을 반응시켜 칼륨(K) 이온을 결합하고 염수를 통액시킴에 따라, 염수에 잔류하는 중금속 이온류(Me)와의 교환반응에 의해 중금속 이온을 제거한다.
독극물의 성질을 갖는 탈륨(TI) 이온은 알카리성 염수에서 명확하게 양이온성으로 존재하지 않는 특징이 있으므로, 일반적인 킬레이트 수지에 의한 단독처리로는 완벽하게 제거하기가 어렵다.
따라서 킬레이트 계열의 이온교환수지와, 다른 계열(Polystyrene devinylbevzene acid resin, Carboxylic Acid resin, 4급암모니움 수지(Quaternary ammonium resin), 1~3급 아민형 수지 계열(Primary amine ~ tertiary amin type) 등)의 이온교환수지(양이온 교환수지, 음이온 교환수지)를 조합하여 사용한다.
이온교환수지탑(330)은 1~2탑 직렬배열, 3~4탑 Merry Go Round 방식, 이들의 조합방식 등으로 구성할 수 있고, 염수의 이온 조성에 따라 단독(Single Tower) 또는 2단(Double Tower) 이상으로 조합하여 사용할 수도 있다.
재생공정은 사용된 이온교환수지를 재생제(KOH, NaOH, HCl, H2SO4)에 의해 재생하는 공정으로서, 금속 이온류와 충분히 반응한 이온교환수지는 고농도의 재생제에 의해 다시 원상태로 되돌릴 수 있다.(가역반응)
이온교환수지 중금속 제거공정은 다음과 같은 통수공정(중금속 제거공정)과 재생공정의 반복에 의해 이루어지며, 이온교환수지의 반응 메커니즘은 도 8과 같다.
- 이온교환수지의 통수공정
RN-CH2-2K + Me2+ ↔ RN-CH2-Me2+ + 2K
- 이온교환수지의 재생공정
RN-CH2- Me2+ + HCl → RN-CH2-2H + Me2+Cl↓
RN-CH2-2H + KOH → RN-CH2-2K + H2O
재생공정에서 발생한 재생폐액을 상기 슬러리 제조공정에 공급하고, 비산재와 혼합하여 슬러리를 제조하는 용도로 재활용할 수 있다.
이온교환수지 중금속 제거공정과 염 제조공정의 사이에는, 정제염수를 농축함과 아울러, 잔여 중금속 성분을 제거하는 멤브레인 여과공정(멤브레인 여과부(350));을 추가할 수 있다.(도 7)
이는 이온교환수지 중금속 제거공정에 의해 중금속 성분이 제거된 정제염수를 고농도로 농축하므로, 후술하는 증발농축에 의한 염(KCl) 제조공정의 수고와 비용을 줄일 수 있도록 한다.
또한, 멤브레인 여과공정에 의해 농축된 농축수로부터, 전기분해장치에 의해 수산화칼륨(KOH), Cl2 Gas, NaOCl 등을 제조할 수 있다.
멤브레인 여과공정에 의해 농축된 농축수(정제염수)는 전기분해장치를 이용하기에 충분한 고농도의 염수이므로, 전기분해장치에 의해 수산화칼륨(KOH), Cl2 Gas, NaOCl 등을 효율적으로 제조할 수 있다.
멤브레인 여과공정에 사용되는 여과막은 중금속류 및 Ca, Mg, SO4 이온 등을 제거할 수 있는 사이즈의 공극을 가지며, 평막, 중공사막 등의 구조를 사용할 수 있다.
멤브레인 여과공정 중에 발생할 수 있는 여러가지 오염문제(S,S Fouling, Scale Fouling, Organic Fouling 등)을 방지하기 위하여, Membrane Filter 전단에 Micro Filter, Ultra Filter 등을 설치하고, Scale 방지제(Scale Inhibiter) 또는 유기물 억제제(Biocide)등의 약제를 사용할 수 있다.
여과막의 장시간 운전에 의해 발생한 오염을 세정하기 위하여, 세정장치(C.I.P)를 설치하는 것이 바람직하다.
멤브레인 여과공정에서 멤브레인을 통과한 투과수를 슬러리 제조공정에 공급하고, 비산재와 혼합하여 슬러리를 제조하는 용도로 재활용할 수 있다.
염 제조공정은 정제염수의 증발농축에 의해 염(KCl)을 제조하는 공정으로서, 상술한 본 발명에 의한 공정에 따르면 고순도의 염화칼륨(KCl)을 얻을 수 있다는 효과가 있다.
본 발명에 의한 폐기물 소각 비산재의 재활용 시스템의 염의 추출장치(300)는 위 염의 추출공정을 수행하기 위한 것으로서, 염수에서 스케일 성분 및 중금속 성분을 제거하는 약품반응부(310); 플록을 침전시켜 슬러리와 염수로 분리하는 침전부(320); 염수에서 이온교환수지에 의해 잔여 중금속 성분을 제거하여 정제염수를 생산하는 이온교환수지탑(330); 정제염수를 농축함과 아울러, 잔여 중금속 성분을 제거하는 멤브레인 여과부(350); 정제염수의 증발농축에 의해 염을 제조하는 염 제조부(340);를 포함하여 구성된다.
약품반응부(310)는, CO2, 염산(HCl), 황산(H2SO4) 중 어느 하나 이상의 약품을 사용하여 pH를 조정하는 pH 조정부(311); 탄산염 계열의 약품을 사용하여 스케일 성분을 제거하는 스케일 성분 제거부(312); 산화제 계열의 약품를 사용하여 중금속 성분을 제거하는 중금속 성분 제거부(313); 응집제를 사용하여 플록(floc)을 형성하는 응집부(314);를 포함하여 구성될 수 있다.
염 제조부(340)는 구체적으로, 정제염수의 증발농축을 위한 증발기(341), 증발기(341)에서 사용된 증기(Steam)의 응축을 위한 응축기(342), 염(염화칼륨)의 결정화를 위한 결정화 장치(343), 염(염화칼륨)의 건조를 위한 건조기 장치(344), 염(염화칼륨)의 저장을 위한 염 저장부(345) 등에 의해 구성될 수 있다.
위 증발기(341), 건조기 장치(344)에는 시멘트 제조공정에서 방출되는 열을 사용할 수 있다.
응축기(342)의 응축수(Condensate Water) 또한 상기 슬러리 제조공정에 공급하고, 비산재와 혼합하여 슬러리를 제조하는 용도로 재활용할 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
100 : 슬러리 제조장치 101 : 1차 혼합부
102 : 2차 혼합부 103 : 3차 혼합부
110 : 소발열 비산재 저장조 120 : 대발열 비산재 저장조
130 : 중발열 비산재 저장조 150 : CO2 공급부
200 : 고액 분리장치 201 : 1차 교반부
202 : 2차 교반부 203 : 3차 교반부
210 : 1차 분리부 220 : 2차 분리부
230 : 3차 분리부 240 : 분말 혼합부
300 : 염의 추출장치 310 : 약품반응부
311 : pH 조정부 312 : 스케일 성분 제거부
313 : 중금속 성분 제거부 314 : 응집부
320 : 침전부 330 : 이온교환수지탑
340 : 염 제조부 350 : 멤브레인 여과부

Claims (10)

  1. 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 재활용하기 위하여, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 방법으로서,
    상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 슬러리 제조공정;
    상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재, 물 및 상기 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 슬러리 제조공정;을
    포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 적은 소입도 비산재이고,
    상기 대발열 비산재는 상대적으로 CaO 함량이 많은 대입도 비산재인 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소입도 비산재의 입도는 20um 미만이고,
    상기 대입도 비산재의 입도는 20um 이상인 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 슬러리 제조공정 이후,
    상기 비산재 중 발열량이 상기 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재, 물, 상기 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 슬러리 제조공정;을
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 슬러리 제조공정, 2차 슬러리 제조공정 또는 3차 슬러리 제조공정은,
    황산칼슘의 용해도를 저하시키기 위하여 CaO 또는 CaCl2을 혼합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 슬러리 제조공정, 2차 슬러리 제조공정 또는 3차 슬러리 제조공정은,
    CO2를 주입하여 Ca 이온을 제거하고 pH를 10 이하로 조정하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조방법.
  7. 폐기물의 소각에 의해 발생하는 비산재를 재활용하기 위하여, 상기 비산재와 물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 장치로서,
    상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 작은 소발열 비산재를 저장하는 소발열 비산재 저장조(110);
    상기 비산재 중 상대적으로 발열량이 큰 대발열 비산재를 저장하는 대발열 비산재 저장조(120);
    상기 소발열 비산재와 물을 혼합하여 1차 슬러리를 제조하는 1차 혼합부(101);
    상기 대발열 비산재, 물 및 상기 1차 슬러리를 혼합하여 2차 슬러리를 제조하는 2차 혼합부(102);를
    포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조장치(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비산재 중 발열량이 상기 소발열 비산재와 대발열 비산재의 중간인 중발열 비산재를 저장하는 중발열 비산재 저장조(130);
    상기 중발열 비산재, 물, 상기 1차 슬러리 및 2차 슬러리를 혼합하여 3차 슬러리를 제조하는 3차 혼합부(103);를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조장치(100).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102) 또는 3차 혼합부(103)에 대하여, 황산칼슘의 용해도를 저하시키기 위하여 CaO 또는 CaCl2을 공급하는 황산칼슘 용해도 저하제 공급부(140);를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조장치(100).
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 1차 혼합부(101), 2차 혼합부(102) 또는 3차 혼합부(103)에 대하여, CO2를 공급하는 CO2 공급부(150);를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 소각 비산재의 슬러리 제조장치(100).
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