전기저항식 용융로에 의한 소각재 및 폐주물사의 용융특성에 관한 연구

서명조, 김현상, 신동준, 정 훈, 윤기섭

(주)로드테크 환경기술연구소

A Sturdy of Melting Characterization in Incineration Ash & Waste Casting Sand by Electric-Resistance Melting Furnace

M.J. Seo, H.S. Kim, D.J. Shin, H. Cheong, K.S. Yoon

Lord's ThermoTech. Inc. Environmental Research Center

1. 서    론

소각공정 후 다량으로 발생하는 소각재 내에는 중금속이 고농도로 농축되어 있을 뿐 아니라 미연소된 유기물질 및 다이옥신류와 같은 미량의 유해성 유기물질이 함유되어 있어 이를 단순 매립할 경우 2차 오염의 가능성이 매우 높아 이러한 소각재를 처리할 수 있는 공정의 개발에 대해서 다양하게 연구되어지고 있다.  소각재의 처리법은 커다랗게 시멘트 고화법, 약품처리법, 용융고화법 등을 들 수 있다. 일반적으로 용융고화법은 약 1400℃ 이상의 온도에서 소각재를 용융시키게 되므로 많은 양의 에너지가 필요하다. 그러므로 로내 온도를 1400℃까지 승온시키는데 소요되는 시간을 최소한 줄일 수 있는 방법을 모색하고 적절한 승온 방법을 지닌 melting furnace를 결정하는 것은 굉장히 중요하다.

본 연구에서는 저전압 전기저항식 용융로를 설계 제작하였으며, 소각재의 용융특성 및 소각재의 용융 후의 유해중금속의 용출시험을 통하여 용융고형화물질의 안정성을 확인하였으며, 슬래그의 냉각속도에 따른 핵형성 및 결정성장을 관찰하고자 하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 여러 가지 용융로 중 비교적 설치비가 저렴하며 용융효율이 좋은 SiC 발열체와 탄소봉을 이용한 저전압 전기저항식 용융로를 선정하였다. SiC 발열체와 탄소봉을 이용한 저전압 전기저항식 용융로는 비교적 많은 전력이 소모된다는 단점이 있기는 하나 승온시간의 단축과 일정한 용융온도의 유지가 용이하며 소각재의 용융효율이 좋다는 장점이 있다. 그림1은 본 연구에 이용한 용융로를 나타낸 도면으로 전기저항로 방식이며 소각재 용융 및 유지를 할 수 있도록 설계·제작하였다.

사용된 폐기물 재료는 비산재, 바닥재 그리고 폐주물사를 사용하여 용융을 실시하였다. 일반적으로 이 폐기물들은 단독 용융의 경우 최고 1600℃이상의 용융온도가 필요하지만, 각 폐기물들이 가지고 있는 Al2O3, CaO, SiO2 그리고 Na2O의 구성비를 적절히 조절함으로써 다른 용융첨가제를 첨가하지 않아도 용융온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라,  균질하게 결정화된 용융슬래그를 얻을 수 있다.

본 연구에서는 염기도(CaO/SiO2)를 0.8로 고정하고, 바닥재와 비산재의 혼합된 경우와 비산재와 폐주물사가 혼합된 경우의 두 가지로 실험을 실시하였다. 혼합된 각각의 시료는 두 번에 걸쳐 투입하였으며, 용융로 내의 예열 온도는 SiC 발열체를 사용하여 1200~1400℃ 유지하고, 최종 용융은 주전극인 탄소 전극을 이용하여 1500~1800℃의 온도로 승온하여 용융시켰다.  총 용융시간은 2시간이었으며, 용융된 후 1시간 동안 유지시켜 밀도차를 이용하여 용융슬래그와 metal를 분리 시켰다.

원료의 혼합을 위해 각 폐기물의 조성을 XRF를 사용하여 분석하였으며 용융 슬래그에 혼합되어 있는 중금속의 용출 실험은 ICP를 사용하여 분석하였으며 제조된 슬래그의 미세구조 분석은 SEM을 사용하여 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

현재 소각재의 안정적 처리방법은 3가지로 분류되며, 우선 가장 많이 사용되고 있는 것으로 시멘트 고화법을 꼽을 수 있다. 소각재를 시멘트와 충분히 혼합한 뒤 고형화하는 방법으로 건설비가 저렴하고 기술적으로 정착단계에 있어 널리 이용되고 있다. 그러나 고형화 단계에서 시멘트의 첨가량이 적거나 양생시간이 짧으면 붕괴 또는 균열할 수 있어 별도의 약제와 혼합하는 것이 좋다. 이 방법은 실용화단계에 있으며 시간절약, 처리경비가 저렴하고 매립기준을 만족시키면서 다른 방식에 비해 널리 쓰이고 있다. 그러나 장기적으로 중금속이나 염류를 용출할 위험성이 크다. 특히 다이옥신류를 분해할 수 없다는게 단점이다.

약품처리법은 킬레이트와 비산재중의 중금속에 반응에 의해 중금속을 고정화해 화학적으로 안정한 상태를 만든다. 운전도 용이할 뿐만 아니라, 건설비도 저렴하다. 고화물에서는 금속회수의 가능성도 있지만 사용하는 킬레이트 약제외에는 납 용출억제가 불충분하다. 처리능력은 시멘트고화법과 비슷하며 오히려 안정성면에서는 우수하지만 약제가 비싸기 때문에 유지비가 높은 편이다. 무해화 평가에서는 중금속의 경우 용출위험은 비교적 적지만 염류의 용출이 일부 우려되기도 하며 다이옥신류를 분해할 수 없다. 또 매립량이 처리 전과 동일하다는 것이 단점이다.

가장 활발히 연구되고 있는 용융고화법은 연료의 연소율과 전기에너지에 의해 피처리물질을 1400℃에서 가열·용융하여 무기물을 유리질의 슬래그로 합성함으로써 중금속의 용출을 억제하고 비산재 중에 함유된 고농도의 다이옥신류까지 분해가 가능하다. 그러나 대규모 설비와 대량의 에너지 투입이 필요하기 때문에 건설비가 다른 방식에 비해 높으며, 고농도의 저비점 중금속을 함유한 용융염의 실용적인 처리기술 및 재활용 기술개발이 앞으로 지속적인 연구가 필요하다.

본 실험은 소각재를 토양에 단순매립할 경우 소각재 내에 함유되어 있는 다량의 중금속이 침출되어 토양 및 지하수 오염을 일으킬 수 있기 때문에 소각재를 용융고형화 한 후 용융고형화물에 대한 용출특성을 파악하여 매립시의 안정성과 재활용 가능성을 평가하였다. 생활 폐기물 소각시 발생하는 소각재를 용융처리할 경우 그 소각재를 구성하고 있는 성분에 따라 여러 가지 용융특성을 나타내게 되며, 또한 소각재 내에 함유된 중금속 성분들의 거동특성도 다양하게 된다. 따라서 소각재 및 폐주물사의 성분을 XRF 분석 결과를 표 1에 나타내었다.  XRF에 의한 분석 결과로부터 바닥재와 비산재, 비산재와 폐주물사의 혼합비를 결정하였다. 용융실험에서 가장 안정된 조성을 선정한 결과 바닥재와 비산재의 혼합비는 무게비가 1:9 였으며, 비산재와 폐주물사의 경우는 무게비가 1:1 일 때 였다.

혼합된 시료는 로내 온도가 1200℃로 유지하고 주전극인 탄소봉으로 전류를 공급하여 발열시켰을 때 투입하였으며 혼합된 원료는 투입 후 급격한 온도상승에 의해 탄소 전극봉 주변의 혼합물이 소량 휘발하는 경향을 나타내어 주전극 탄소봉의 전류를 제어하여 온도를 1450℃로 로내의 온도를 유지한 결과 매우 양호한 용융 상태를 얻을 수 있었다. 용융된 소각재는 슬래그와 metal 두 재료의 현저한  비중차에 의해 완벽하게 분리되었다. 그 결과 용융물의 상단에는 슬래그층, 하단에는 metal층이 형성되었으며, 주전극인 탄소봉이 metal 층에 침지되면 산소와의 접촉을 피하게 되므로 산화에 의한 소모가 전혀 없었다. 또한 metal 층이 주전극과 하부전극의 전류를 흐르게 하는 도체의 역할을 하므로 전기저항체가 되어 metal 층이 발열을 하게되어 용융 속도가 한층 증가하였다.

표 2는 용융슬래그를 배출구에서 토출하여 공기중에서 냉각시킨 후 고형화된 슬래그를 한국화학시험연구원과 기초과학지원연구소 서울분소 분석 의뢰한 결과를 나타내었다.  두 시험기관에서 분석된 결과를 폐기물공정시험법에 의한 용출 기준치와 비교한 결과 비산재와 바닥재를 혼합하여 용융한 조성과 비산재와 폐주물사를 혼합, 용융하여 제조한 두 시편 모두에서 약간의 Cu성분이 검출되기는 하였지만 기준치에 훨씬 미달되는 양이 검출되었다. Cu외의 다른 중금속 성분은 전혀 검출 되지 않았다. 이 결과로부터 비산재와 바닥재 그리고 비산재와 폐주물사를 이용한 용융 슬래그의 제작시 중금속이 결정체 내에 고형화되어 무정형의 안정한 형태로 존재하는 것으로 판단되어진다.

그림 2는 용융법에 의해 제조된 슬래그를 재활용하기 위해 열처리 방법을 다르게 하여 미세 구조를 분석한 그림이다. 그림 2(a)는 용융된 슬래그를 성형과정에서 급냉시킨 시편이며, 그림 2(b)는 서냉시킨 시편이다. 이 두 시편의 경우 급냉 시켰을 경우 결정화 속도를 제어할 수 없어 핵형성만이 이루어진 비정질 상이었으며, 서냉 시켰을 경우에는 입자의 핵형성 후 거대입자로 성장하는 것을 알 수 있다.

4. 결    론

저전압 직류저항식 용융법으로 제조된 용융 슬래그로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.

용융된 슬래그의 용출실험결과 중금속인 Cu만이 검출되었지만 검출량이 허용준치보다 훨씬 낮게 나타났으며 다른 성분들은 전혀 검출되지 않았으므로 중금속이 결정체내에 안정된 상태로 존재하는 것을 알 수 있었다.

용융된 슬래그는 열처리 온도와 시간의 변화에 따라 형성되는 입자 크기와 입자 성장을 제어함으로서 인공 골재나 인조 대리석으로의 응용 가능성이 고찰되었다.

5. 참고문헌

1. Tetsuo Akashi, "Electroslag Furnace for Melting Ash from Municipal

Waste Incinerators", NKK TECHNICAL REVIEW No. 70, pp. 33∼42, 1994

2. Karl J. Thome-Kozmiensky, "쓰레기 소각로에서 발생한 고형잔여물의 용융

과 불활성화(1)□, 환경기술, pp. 16∼26, 1995

3. 장윤석, 서정주, □다이옥신 분석□, 화학세계, 33(9), pp. 665∼669, 1993

Fig. 1. Schematic diagram of Electric Resistance Melting Furnace.

Table 1. XRF analysis of fly ash, bottom ash and waste casting sand.

(wt %)

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	K2O	Na2O	P2O5	TiO2	Cl
Fly ash	7.88	2.07	0.38	0.04	40.97	1.74	1.59	2.57	0.36	0.41	26.44
Bottom ash	35.74	11.12	6.84	0.23	22.57	2.23	1.09	1.93	3.53	1.25	3.96
Waste casting sand	68.53	8.27	2.11	0.03	1.28	0.72	2.20	1.59	0.03	0.20	0.73

Table 2. ICP Analysis of melted slag

시 험 결 과
시 험 항 목	단 위	기 준 치	결 과 치
			한국화학시험연구원 (바닥재:비산재 = 1 : 9 )	기초과학지원연구소 (비산재:폐주물사 = 1 : 1 )
Cu	mg/L	3.0mg/L	0.17	0.006
Pb	mg/L	3.0mg/L	검출안됨	검출안됨
Cr6+	mg/L	1.5mg/L	검출안됨	검출안됨
Cd	mg/L	0.3mg/L	검출안됨	검출안됨
CN-	mg/L	1.0mg/L	검출안됨	-
As	mg/L	1.5mg/L	검출안됨	검출안됨
Hg	mg/L	0.005mg/L	검출안됨	검출안됨
유기인	mg/L	1.0mg/L	검출안됨	-
테트라클로로에틸렌	mg/L	0.1mg/L	검출안됨	-
트리클로로에틸렌	mg/L	0.3mg/L	검출안됨	-

(a) Fast cooling		(b) Slow cooling

Fig. 2. SEM micrographs of fracture surface on molten Slag