폐기물 소각재의 안정화를 위한 아크로/스팀 아크로 용융처리에 관한 연구

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

노현숙·정우정·신성혜·김동수↕·반봉찬*

이화여자대학교 공과대학 환경공학과

*순천대학교 공과대학 재료금속공학과

Melting Stabilization of Ashes Produced in the Incineration of

Domestic Wastes By Arc/Steam Arc Furnace

Hyun-Sook Non·Woo-Jung Jung·Sung-Hye Shin·Dong-Su Kim↕·Bong-Chan Ban*

Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University

*Department of Material & Metallurgical Engineering, Sunchon National University

서론

우리나라에서 급증하고 있는 생활쓰레기들은 일반적으로 소각 처리되어 매립되고 있으며, 일반적으로 배출되는 소각재는 노에서 배출되는 바닥재와 방지 시설장치에서 포집된 비산재로 크게 나눌 수 있다.1~5) 도시 쓰레기의 소각처리로 인해 발생되는 소각재는 해마다 증가하는 양상을 나타내는데 2000년 이후에는 일반쓰레기와 산업쓰레기로부터 250만여톤 정도의 소각재가 발생되는 것으로 알려져 있다.6-9)  도시 쓰레기로부터 발생되는 소각재에는 유해한 중금속과 무기염류가 고농도로 함유되어 있을 가능성이 매우 높아 최종 매립 처분시 2차 오염의 우려가 있다.10-13)  따라서 고온 소각재 처리를 통한 도시쓰레기 소각시의 발생 소각재의 안정화확립 및 소재로서의 재활용방안의 모색으로 소각재의 성분분석과 함께 아크와 스팀 아크 적용시의 소각재 용융 거동 및 성분 변화에 관해 관찰해보았다.

실험

본 연구에서 소각재 용융을 위한 사용한 시료는 서울 모 도시쓰레기 소각처리장에서 배출되는 소각재를 사용하였으며, 용융 공정에 사용한 아크 및 스팀 아크 공정은 이전 실험 수행에서 적용되었던 아크로 공정과 동일한 방법을 사용하였다.  아크로 용융 실험에 사용한 전극은 흑연(carbon electrode)를 사용하였으며, 1차적으로는 노 바닥에 코크스를 깔고 예열시킨 다음 준비된 강괴를 투입하여 용융하였다.  소각재의 양에 따라 융제(flux)로서 CaSO4와 CaCl2를 시약급으로 사용하여 각각 1%, 5%, 10%를 투입하여 혼합시켰으며, 강괴를 완전히 용탕으로 만든 후에 재를 투입하였다.  용융실험은 조건에 따라 아크에서 12번, 스킴 아크에서 12번 수행하였고 각각의 결과물을 취해 분석하였다.

결과 및 고찰

소각재의 물리적 특성 및 성분을 살펴보니 비산재의 경우 수분함류량은 2.1% 정도이고 바닥재의 경우에는 22%정도의 수분을 함유하고 있어 바닥재가 10배 이상의 수분이 함유되어 있음을 알 수 있었다.  또한 함유된 Fe의 함량을 측정하여보니 평균적으로 바닥재에 들어있는 Fe의 함량은 9.1%정도임을 확인하였다.  수분 및 Fe 함량측정과 함께 체를 이용하여 본 실험에 사용된 바닥재와 소각회의 입자 크기를 측정하여 각 입자크기의 분포도 Table 1.에 나타내었다.  비산재의 경우, 150∼500□의 범위에 해당되는 입자가 65.57%로 대부분이었으며 반면에 바닥재의 경우는 1.19□이상의 범위에 45.978%가 해당되는 것으로 볼 때, 비산재에 비해 비닥재 입자가 상대적으로 크며 이것은 SEM 분석을 통해서도 확인할 수 있었다.

Table 1. Size distribution of fly ash and bottom ash.

Size	Size Distribution(%)
	Fly ash	Bottom ash
53□이하	0.15	12.63
53□∼75□	0.39	1.48
75□∼150□	5.37	5.66
150□∼500□	64.57	13.25
500□∼1.10mm	26.19	20.96
1.19mm이상	3.83	45.97

비산재와 바닥재에 융제로 CaSO4를 적용시켜 전류의 변화를 알아보았는데 비산재의 경우 아크로와 스팀아크로 모두에서 전류의 변화가 500A를 중심으로 거의 일정한 변화양상을 나타내는 것을 확인할 수 있어 비산재를 아크로나 스팀 아크로를 이용하여 처리할 경우 모두 5%이상의 CaSO4를  첨가시켜 주는 것이 보다 효과적일 것으로 고찰되었다.  바닥재의 경우, 아크 플라즈마에서는 전류가 700A 이상으로 증가했다가 점차로 400∼500A, 스팀을 투과할 경우는 400∼600A로 안정되어 가는 것을 관찰할 수 있었다.  또 소각회의 처리에 비해 상대적으로 전류변화가 더 심하게 발생되는 것으로 관찰되었다.

슬래그 및 분진의 조성변화를 위해 실험에서 바닥재와 비산재에 CaSO4와 CaCl2를 넣어 용해한 후 집진장치로부터 수거된 슬래그 및 분진의 무게 차를 본 결과 분진의 양은 바닥재보다 비산재가 더 많았고, 아크보다 스팀을 투입시킨 경우가 더 많은 배출량을 나타내었다.  또한, 탄소 전극봉의 무게 감량을 나타낸 Table 2에서 보면 CaSO4의 경우 바닥재나 비산재 모두 탄소 전극봉의 감소가 비슷한 것으로 나타났으며, CaCl2의 경우에는 융제의 영향으로 비산재가 바닥재보다 탄소 전극봉의 소모가 높은 것으로 나타났다.  또한 아크보다 스팀을 투입시켰을 경우다 두 배 이상의 감소를 가져왔는데 이는 스팀아크 전극봉의 구조상 용탕에 접촉하는 표면적이 크기 때문이라 사료된다.

Table 2. Weight loss of carbon electrode.

Ash	Flux	Arc Plasma		Steam Arc Plasma
		Exp.	Reduction (g)	Exp.	Reduction (g)
Fly Ash	CaSO4	Ⅰ	271	Ⅴ	445
Bottom Ash		Ⅱ	270	Ⅵ	472
Fly Ash	CaCl2	Ⅲ	214	Ⅶ	480
Bottom ash		Ⅳ	140	Ⅷ	358

바닥재와 비산재에 CaSO4와 CaCl2를 첨가시킨 혼합물을 용융시켰을 때, 용융시간에 따른 S와 Cl의 거동양상을 살펴보았다.  CaSO4를 첨가하였을 경우 S의 거동을 보면 바닥재는 융제의 농도에 크게 의존하지 않으며, 서서히 감소하는 경향을 보인 반면 비산재는 융제의 농도에 따라 전체적으로 넓은 범위의 변화구간을 형성하며 감소하는 경향을 보였다.  그리고 둘 다 아크보다 스팀아크에 투입시켰을 경우에 S의 양이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.  융제로 CaCl2를 첨가시킨 경우 전반적으로 바닥재보다 비산재에서 많은 양의 S가 검출되고 있었다.  각각의 특징을 보면 바닥재의 경우 융제의 농도가 5%일 때보다 10%일 때 많은 양의 S가 검출되었으나 비산재의 경우에는 넓은 구간을 통해서 감소함을 알 수 있었다.  한편, Cl의 거동을 보면 바닥재와 비산재 모두 CaSO4의 양에 크게 영향을 받지 않으며, 용융 시간에 따른 Cl의 변화양이 매우 미세함을 알 수 있고 이때 아크보다 스팀아크의 경우가 Cl의 양이 약간 적게 나타났다.  CaCl2를 첨가시에는 바닥재의 경우 크게 영향을 받지 않고 용융 시간이 경과함에 따라 Cl의 양이 감소하는 경향을 나타내었다.  비산재의 경우는 CaCl2첨가량에 따라 Cl의 변화구간이 넓은데 스팀을 투과하였을 경우는 융제의 양에 영향을 받지 않고, 아크에 비하여 Cl의 양이 현저하게 감소되어 나타남을 관찰할 수 있었다.

용융 기술을 통해 처리한 소각재의 성분을 분석해보았다.  이는 아크 및 스팀 아크로를 통한 용융 처리 후 배출된 슬래그를 SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O, ZnO, MgO, MnO, Cr2O3 성분에 대해 용융 시간에 따른 변화량을 측정하여 수행하였다.  소각재의 용융시 CaSO4와 CaCl2를 첨가하였으며 농도는 5%와 10%의 두 가지 농도로 적용시켰다.  Fig. 1은 용융 시간에 따른 SiO2의 거동을 나타내고 있다.  그리고 Fig. 2은 각 첨가제의 농도조건에서 용융 시간 변화에 따른 CaO의 변화량을 측정한 결과를 나타낸 것이다.  결과를 분석해보면 바닥재와 비산재 모두 SiO2의 함량이 가장 크게 나타났으며, CaO와 Al2O3인 경우는 10∼35% 범위정도에서 함량변화를 나타내었다.  또한, 분석한 나머지 7가지 성분들은 슬래그에 함유되어 있는 양이 매우 소량이며 이는 용융 공정에 의해 거의 용해되어 제거된 것으로 사료된다.  따라서, 용융 공정을 통하나 소각 처리를 위해 발생되는 슬래그의 성분이 거의 SiO2로 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.

(a)                                        (b)

Figure 1. Change of the SiO2 contents with time in the slag produced in the melting process with CaSO4(a) and CaCl2(b).

(a)                                         (b)

Figure 2. change of the CaO contents with time in the slag produced in the melting process with CaSO4(a) and CaCl2(b).

결론

1. 용융 공정을 통한 소각재의 용해 시, 전류의 변화는 아크로나 스팀아크로를 투과하였을 경우 비슷한 범위인 500∼600A의 범위에서 발생되었다.

2. 탄소 전극봉의 용융에 따른 소모량을 측정해 본 결과, 아크는 215g, 스팀아크는 439g의 소모량을 보여 스팀아크가 탄소 전극봉을 두 배이상 소모함을 알 수 있었다.

3. 용융 시간에 따른 S와 Cl의 거동은 바닥재의 경우 서서히 감소하는 경향은 나타낸 반면 비산재의 경우는 넓은 구간에 거쳐서 두 성분 함량이 감소하는 추세를 보였다.  또한 아크보다 스팀아크인 경우에 두 성분이 현저히 감소되었음을 확인하였다.

4. 용융 공정을 통해 처리된 슬래그의 성분을 분석해본 결과, SiO2의 함량이 가장 크게 나타났으며, CaO와 Al2O3인 경우는 10∼35% 범위 정도에서 함량 변화를 나타내어 용융에 의해 처리된 슬래그가 매우 안정한 상태인 것으로 사료되었다.

참고문헌

1. Bhattacharjee, U., and Kandpal, T. C., Energy, 27, 151∼153(2002).

2. Pokrajac. D., Computers and Geotechnics, 29(1), 29∼32(2002).

3. Park, Y. J., and Heo, J., Journal of Hazardous Materials, 29, 1∼10(2001).

4. Takeda. N., Hiraoka, M., Sakai, S., Kitai, K., and Tsunemi, T., Wat. Sci. Tech., 21, pp. 925∼930(1989).

5. 반봉찬, 심재동, □금속공학에서의 슬래그□, 대광문화사, pp. 10∼20(1991).

6. Malhotra, V. M., Valimbe, P. S., and Wright, M. A., Fuel, 81(2), 235∼240(2002).

7. Gautier, A., Quaternary Science Reviews, 20, 97      3∼980(2001).

8. 김동의, 고인용, □플라즈마 금속학□, 반도출판사(1992).

9. 반봉찬, 전일권, 구연수, 한국폐기물학회지, 16(3), 254∼258(1999).

10. Yasuda, Y., Wat. Sci. Tech., 23, 1743∼1752(1991).

11. Aziz, M. A., and Koe, L. C. C., Wat. Sci. Tech., 22(12), 277∼290(1990).

12. 반봉찬, 박현서, 월간폐기물, 90∼96(1996).

13. 반봉찬, 박현서, 이호태, 한국폐기물학회지, 13(6), 25∼26(1996).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년