주기적으로 운전되는 유동상 열탈착 장치 :

운전변수가 유류오염 토양의 열탈착에 미치는 영향

김병욱, 이상화*, 동종인, 이중기**, 박달근**

한국과학기술연구원 청정기술 연구센터**,

서울시립대학교 환경공학과, 경원대학교 화학공학과*

A periodically operated fluidized bed desorber :

Effects of operating parameters on desorption efficiency of petroleum contaminated soil

Byeong-Uk Kim,Sang-Hwa Lee*,Jong-In Dong,Joong Kee Lee** and Dalkeun Park**

Clean Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology**

Department of Environmental Engineering, The University of Seoul

Department of Chemical Engineering, Kyeong Won University*

서론

유류에 오염된 토양을 복원하기 위한 열탈착기술은 오염원의 종류나 농도에 관계없이 단기간에 완전처리가 가능하고 잘 입증된 기술이며 공정의 신뢰도가 높아 현장처리에 적용하기 용이한 공정이다[1]. 그 중에서 가장 첨단적인 개념을 가지고있는 저온 열탈착기술은 오염된 토양을 간접가열하여 오염물질을 토양으로부터 탈착, 분리시키는 단순한 처리방법에 기초한다. 이때 탈착에 필요한 열은 외부로부터 공급되어 토양입자에 전달되어야하며 오염물질은 토양입자의 내부, 토양입자층, 그리고 외부로 이송되어야 한다[2]. 그러므로 이러한 탈착시스템은 열전달 및 물질전달이 매우 효율적으로 이루어질 수 있도록 설계되어야한다.

본 연구에서는 유동상을 이용한 열탈착 시스템을 도입하여 오염토양을 기체상에 부유시킴으로써 물질 및 열전달저항을 극소화하고자 하였다. 그러나 유동상에 의한 열탈착 방식은 유동화하기 위한 유속을 일정하게 유지하여야 하므로 열탈착에 사용된 폐가스의 총량은 줄일 수 없다. 그런데, 열탈착 폐가스의 총량은 가스 처리 비용과 밀접하게 관련되므로, 폐가스의 총량을 얼마나 줄일 수 있느냐 하는 것은 중요한 과제이다.따라서 유동상 열탈착 장치에 공급되는 유동화가스(탈착가스)의 공급을 주기적으로 조작함으로써 폐가스량을 원천적으로 저감시키면서도 처리가스를 연속적으로 공급할 때와 열탈착 처리효율과 거의 같은 성능을 유지하도록 주기적 운전의 운전인자를 고찰하고자 하였다.

실험

본 실험에 사용된 토양은 KS 35mesh 표준망체로 걸러진 Sand로서 대기중에서 수 일간 풍건시킨 후 사용하였다. 오염물질은 석유류 제품인 경유(Diesel oil)로써 풍건된 토양에 대해 1wt%가 되도록 오염시켰다. 오염시킬 때는 우선, Diesel oil 10wt%로 오염된 토양을 만든후 오염되지 않은 토양과 섞어서 약 1wt%의 오염토양을 제조하였다. Lighty등[3]에 의하면 임의로 오염시킨 시료의 보존기간이 1시간이상인 경우 오염도에는 커다란 변화가 없다는 것이 증명되으나, 본 연구에서는 1주일 이상을 정치시킨후 사용하였다.

Fig..Experimental setup

□ Screw feeder   □ On-off twin timer

□ Solenoid valve □ Rotameter

□ Thermocouples  □ Electric heater

□ Overflow       □ ventilation

본 연구에서 사용한 유동상 탈착 장치의 규격은 내경 57mm, 높이 200mm이고 유동상 장치의 개략도는 Fig. 1 에 나타나 있다.사용된 분산판은 철판 재질의 전형적인 다공형 형태(perforated type)로서 두께 1 mm, 개구직경(opening diameter) 1 mm, 개구사이의 거리(pitch)는 11 mm 등간격이며 개구면적은 분산판 전체면적의 1%가 되도록 하였다. 오염된 토양의 주입은 screw feeder을 이용하여 약 22 g/min의 속도로 주입하였고, 장치의 외벽에 장착된 가열기를 통해 유동상 내의 온도가 320±10 ℃가 유지되도록 하였다. 주기적 조작에서 유동가스의 공급/중단 조절은 아날로그 Timer 2개와 솔레노이드 밸브를 통해 이루어졌다.

유동화 가스의 공급이 주기적으로 조절되는 유동상 탈착 시스템에서 split(탈착 가스 공급 중지시간/탈착 가스 공급 주기의 비)는 0.333(즉, 30초의 탈착 가스 공급주기에서 10초간 공급 중단, 20초간 공급)으로 고정하고 탈착 가스 공급주기(cycle time)를 30, 60, 90, 120초로 변화시키면서 운전하였다. 본 연구에서 사용된 토양의 물리적 성질 및 유동상 탈착 공정의 운전 조건을 Table 1 에 나타내었다.

처리된 토양은 Fig.1 에서 보는 바와 같이 overflow관으로 배출 되며 탈착된 디젤이 포함된 배출 가스는 중력식 집진장치를 통해 배기하였다.주기적 조작의 성능을 평가하기 위하여 조작에 앞서 정상상태 운전을 하여 시료를 채취, 분석하였다.

Table . The physical properties of soil and the operating conditions of fluidized bed

Property	Value
Particle density	2.480 kg/m3
BET surface area	6.2 m2/g
Mean diameter of the particles	422 □
Opreating Conditions
Fluidizing gas flow	9.5 □/min at room temperature
Feeding rate of soil	22 g/min
Temperature of bed	320±10 ℃
Split	0.333
Cycle time	30, 60, 90, 120 sec

결과 및 고찰

탈착장치의 처리효율과 처리후 잔류하는 유류성분의 양은 capillary칼럼(HP-1 Methyl Siloxane, 25m×200□m×0.33□m)을 장착한 HP6890(Model Number : HP 19091Z-102)을 사용하여 측정하였다. GC/FID로 분석할 시료는 처리된 토양 2g을 정확히 분취한 후에 methylene chloride 2ml를 주입하고 밀봉한 후 초음파 추출기로 약 40℃에서 2시간을 추출하여 준비하였다.

GC/FID를 이용하여 경유내의 모든 성분을 정성, 정량하기는 어려우므로 n-paraffin 계열의 화합물중 탄소수를 기준으로 경유내에 존재하는 n-C10H22부터 n-C29H60까지를 정성한 후 이들의 양을 정량분석 하였다.

Fig.2 에는 주기적 조작에서 split을 0.333으로 고정시키고 cycle time을 30, 60, 90, 120초로 변화시켰을 때 공급된 탈착 가스와 장치내 부하된 오염토양의 질량비(Q/F)와 처리후 토양중에 잔류하는 n-paraffin 성분들의 변화를 나타내었다. 탈착가스 공급주기가 길어짐에 따라 가벼운 성분들이 잔류하기 시작하고 전체적인 잔류량이 커지면서 탈착 효율이 점차 떨어 지는 것을 알 수 있다.

Fig. . Portion of diesel oil after thermal desorption, desorption efficiency and Q/F(ratio of mass flowrate of fluidizing gas to soil feedrate) with various cycle times at split of 0.333

그러나, 이러한 변화는 탈착 효율을 99% 이상으로 유지하는 수준에서 일어 나고 있다는 점에 주목하여야 한다. 결과적으로 열탈착 시스템을 주기적으로 조작함으로써 유류를 탈착시키는데 필요한 가스의 총량을 약 33% 절감시키면서 탈착효율은 탈착 가스를 연속적으로 공급하여 운전하는 경우와 거의 차이가 없는 99% 이상을 얻을 수 있었다.

결론

본 연구는 유류등으로 오염된 토양의 처리를 위하여 유동상 저온 열탈착시스템을 도입하여 유동화가스를 주기적으로 공급함으로써 토양성분중에 함유되어 있는 유류를 열처리에 의해 탈착시키고자 하였다.

이러한 주기적 조작에서 split을 0.333으로 하여 운전 주기를 변화시켜본 결과, 폐가스의 양을 약 33%줄이면서도 정상상태 운전에서 얻을 수 있는 효율과 거의 같은 99%이상의 탈착 효율을 얻을 수 있었으며 30초이상의 운전주기에서 주기의 영향은 탈착 효율을 크게 떨어뜨리지 않음을 확인 할 수 있었다.

결론적으로 유동화 가스의 주기적 공급이 가능한 유동상 열탈착시스템은 별도의 구동장치가 없어도 공급된 열이 고효율로 탈착기에 전달되며 폐가스의 발생량을 원천적으로 억제할 수 있는 매우 효율적인 시스템으로 사료된다. 향후, split을 변화 시켜 폐가스의 양을 더욱 줄이는 동시에 탈착효율은 안정적으로 유지할 수 있는지에 관한 연구가 필요하다.

참고문헌

1.Paul T. Kostecki, Edward J. Calabrese, Petroleum Contaminated Soils Volume Ⅰ,Lewis Publishers,pp201-202 (1988).

2. William  C. Anderson, P.E., DEE(Eds.), Thermal Desorption in Innovative Site Remediation Technology,American Academy of Environmental Engineers, 3.1-3.5 (1993).

3. R. J. Ayen, C. R. Palmer, C. P. Swanstrom, Thermal Desorption in Hazardous Waste Site Soil Remediation, David J. Winson, Ann N. Clarke(Eds.), Marcel Dekker, pp265-310 (1994).