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방사성폐기물 소각기술의 종류 및 특성

1. 방사성폐기물 소각기술의 특성

가. 개요

소각은 유기물이 함유된 폐기물을 열적으로 분해시킬 뿐만 아니라 폐기물 부피를 감소시키고 처분 후 안전성이 높은 불연성 소각재를 생성하는 기술로 초고압 압축과 마찬가지로 원자력 및 비원자력 산업 모두에 폭넓게 적용되어 오고 있다. 유해성, 독성 및 감염성을 지닌 유기물이나 가연성 폐기물의 처리에 소각이 유리하지만 소각은 기타 고온 열처리와 마찬가지로 방사성 핵종에 대해서는 그 방사능을 소멸시키지 못하고 분자구조나 물리적인 형상을 변화시킬 뿐이므로 소각재에 대해서는 별도의 안정화 처리가 필요하며 고온의 배기가스 처리가 필요하다.

소각공정은 일차 연소로, 이차 연소로, 그리고 대기오염 제어 장치로 구성되어 있다. 일차 연소로에서는 고상, 액상과 가스상 폐기물을 직/간접적으로 가열시킨다. 열을 가함으로써 휘발성 성분은 휘발된다. 일차 연소로 내부의 공기량에 따라 공정이 분류된다. 제어 공기 소각로에서의 공기량은 이론적인 양론 공기량 이하이다. 가연성 폐기물은 열을 공급받게 되면 일부 산화되고 나머지는 열분해된다. 연소로가 이론 양론공기량 이상으로 운전될 때는 과잉 소각로이다.

소각은 중저준위 방사성 물질이 포함된 유해폐기물(혼성폐기물)의 처리에도 많은 나라에서 이용되고 있다. 혼성 폐기물의 소각처리를 통하여 가연성 및 유해성 성분을 분해하고 파괴시키지만 방사성 원소들은 파괴시키지는 못한다. 소각처리를 통하여 혼합폐기물의 부피를 감소시키고 균질화된 재를 생산하므로서 최종처분을 위한 고정화 기술의 적용을 용이하게 한다는 장점을 갖고 있다. 고온용융소각공정의 경우 안정된 slag 또는 유리상의 재를 생산하기도 한다.

일차 연소로에서의 생성물은 1) 휘발된 가스, 연소가스 및 배기가스에 동반된 입자 2) 불연성 미연물로 소각로 바닥에 남는 소각재 또는 슬래그나 유리화된 재이다. 소각로 바닥재, 비산재와 배기가스내 오염물의 특성은 같은 형식의 소각로에서도 공급되는 폐기물의 특성과 소각로 세부 설계사항과 운전조건에 따라 달라진다.

일반적으로 휘발된 유기성 성분과 유기성 입자가 존재하는 소각 배기가스의 처리를 위해서 후연소 버너나 이차 연소로가 필요하다. 또한 입자와 산성가스가 존재하는 배기가스를 제거하기 위해 적절히 조합된 배기가스 처리설비를 통과시킨 후 배기시킨다. 배기가스 처리설비에는 비산재의 제거를 위한 여과장치, 산성가스 세정을 위한 세정장치 등과 고온 배기가스의 냉각을 위한 냉각설비 등이 적절히 조합되어 있다.

또한 폐기물에 함유된 열은 제어 장치 이전에 배기가스를 냉각시키기 위해 사용된 열교환장치에서 회수된다. 혼성폐기물 또는 방사성폐기물이 대상인 소각공정에서의 폐열회수는 방사성물질의 배출 억제를 위하여 일반 소각로의 폐열회수 설비와는 근본적으로 다르게 설계되어야 한다. 방사성 폐기물 소각공정에서는 폐열의 재활용측면에서 보다 대기오염 제어장치를 보호하기 위해 냉각시키는 것을 주목적으로 설계되어야 한다

나. 방사성폐기물 소각기술의 일반적인 장점

방사성폐기물 소각기술의 일반적인 장점은 다음과 같다.

① 가연성 유해물질의 분해
② 폐기물의 감용
③ 이차생성물의 취급 용이
④ 다양한 폐기물 형태 및 처리량에 따른 설계가 가능함

다. 방사성폐기물 소각기술의 일반적인 취약점

방사성폐기물 소각공정의 단점은 다음과 같이 정리할 수 있다.

① 혼성폐기물 중 방사성 원소의 방사능을 제거할 수 없음
② 소각대상 폐기물의 분쇄 또는/및 재포장이 필요
③ 잦은 유지보수 작업이 필요
④ 공정내 부압의 유지 및 이차나 삼차 기밀성이 고려된 설계가 요구됨
⑤ 바닥재, 비산재, 세정액, 폐여과기 등과 같은 다양한 이차 폐기물에 대한 추가적인 처리기술의 적용이 요구됨.
⑥ 비상시에도 폐기물이 충전된 상태에서 소각로 운전의 중지가 불가능하며 이의 완전연소를 위한 일정시간이
     필요함.
⑦ 설계치 보다 높은 온도에서의 운전시에 발생되는 slagging 등의 문제와 휘발되는 중금속 및 핵종, 비산입자, 배
     기가스내 수분의 응축 등으로 인한 잡다한 문제들의 발생 소지가 있음.
⑧ 고성능공기여과기나 배기팬 등과 같은 주요 대기오염 제어장치에 대해서 별도의 비상용 설비를 갖추어야 함
⑨ 시설 운전자는 운전중 고장 등의 돌발사태 발생시 가스상 및 입자상 오염물의 환경으로의 배출을 억제할 수
     있는 조치능력을 갖추어야 함.

2. 방사성폐기물 소각로의 종류 및 특성

가. 제어공기 소각로

제어공기 소각로는 산소 또는 공기의 공급을 이론적으로 필요한 양 이하로 주입하여 1차적으로 열분해 또는 가스화시킨 후 2차적으로 미연소분을 재연소시키는 과정의 소각방법을 이용하는 것으로, 분리형과 이중연소실형으로 구분할 수 있다. 미국에서는 산업폐기물과 잡고체 저준위폐기물의 소각에 제어공기 소각로를 적용한 사례가 있다.

1) 분리형 제어공기 소각로

1,2차 연소실이 완전하게 분리된 소각로이며 폐기물은 회분식(뱃치) 또는 반연속식으로 투입된다. 소각로로 주입되는 공기는 당량 또는 당량 이하여야 하고 1차 연소실의 온도가 적정한 온도범위(850-1,000C)에서 운전되도록 산소농도를 조절한다. 수냉각 과정후 배기체의 일부를 소각로로 재순환시켜 산소의 농도를 조절한다. 소각로 하부의 기체에는 가연성 고체입자 및 기체가 포함되며, 2차연소실의 상부에서 연소되어 2차연소실(후연소실)로 유입된다. 후연소실은 보조연료(예: 프로판가스)를 사용하여 900~1,100 ℃가 되도록 유지하며 산소농도가 6% 이상이면 완전연소가 이루어진 것으로 판정한다.

2) 이중 연소실형 제어공기소각로

이중 연소실형 제어공기 소각로는 1,2차 연소실 중간의 덕트(Duct)에 후연소 버너가 부착된 소각로로 모든 연소실은 내연재로 구성되어 있다. 폐기물은 램 투입장치(Ram feeder)를 이용해 회분식으로 하부 연소실로 투입되며 당량에 가까운 조건에서 연소된다. 미연소된 휘발성분이나 동반된 입자들은 2차 연소실로 보내져 과잉의 공기를 이용해 완전연소 된다.

l차 연소실의 온도는 약 870℃이고 후연소실의 온도는 보조연료를 이용해 약1,100℃로 유지된다. 후연소실에서의 최소 체류시간은 약 1.25초 내외이다. 배기체 처리 측면에서의 장점은 소각재의 비산이 적고 완전히 연소됨에 따라 일산화탄소 배출농도가 낮으며, 배기체의 흐름이 연속적이고 일정하여 변동폭이 적다는 것이다.

나. 과잉공기 소각로

ㆍ소각로 내부 기체 속도가 빠르기 때문에 소각재와 가연성 고형분의 비산이 많다.
ㆍ배기체 조성이 크게 변하며, 특히 회분식 투입 시에는 더 심하다.
ㆍ2차연소실 또는 고온 여과계통이 필요하다.

2차연소실을 사용할 경우에는 완전연소를 유도할 수 있다.

다. 열분해 소각로

1) 연속식 열분해 소각로

연속식 열분해 소각로는 독일 Julich 연구소에서 개발되었으며 몇 기가 상용화되어 사용되고 있다.

폐기물은 공기차단 설비를 통해 열처리(열분해)실로 투입된다. 수 시간에 걸쳐 제한된 산소조건 하에서 폐기물의 온도는 서서히 증가하면서 열분해 기체를 발생하게 된다. 잔존 고형물은 서서히 charcoal형 물질로 변한다. 열분해에 필요한 열은 2가지 방식으로 얻을 수 있는데, 첫째는 산소 농도가 낮은 배기체를 재순환시켜 그 잔존 열을 이용하거나, 둘째는 재순환된 배기체와 신선한 공기의 혼합공기에 의한 직접 산화시 발생되는 열을 이용한다. 열분해로에서 발생되는 기체는 유도팬을 이용해 연소실로 보내져 과잉공기 상태의 약900℃에서 완전 연소시킨다. 이 공정의 배기체 처리 측면에서의 장점으로는 배기체 내의 입자 부하량이 적고, 배기체의 흐름이 연속적이고 일정하다는 점이다. 또한 완전 연소가 가능하므로 일산화탄소의 배출농도가 낮다.

2) 회분식 열분해 소각로

회분식 열분해 소각로는 캐나다에서 상용화되어 방사성폐기물의 소각용으로 사용된 바 있으며, 실제 산업폐기물 소각로에는 많이 활용되고 있다. 국내에서도 일부 고휘발분 폐기물의 소각에 사용되고 있다. 열분해에 필요한 열은 폐기물을 부분산화(완전연소에 필요한 공기의 30~50% 정도로 공기를 제한하여 공급함으로써 가능)시켜 얻는다.

1차 연소실의 온도는 약 500℃로 유지하며, 2차연소실은 1차 연소실에서 발생된 열분해 기체를 870~980℃에서 0.5초 동안에 점화 및 연소시킨다. 보조 프로판 버너는 출구온도를 일정하게 유지하도록 온도조절기와 연동하여 조절하며 모든 기체 및 입자상 물질이 완전 연소되도록 한다. 배기체처리 측면에서 살펴본 이 소각로의 장점으로는 소각로 후단부에서의 입자 부하량이 적고 완전연소가 가능하다는 점이다. 그러나 배기체 유량의 요동이 심하고, 연소중 배기체의 연소조건이 변한다는 단점이 있다.

라. 유동층 소각로

석탄의 연소로부터 시작되어 유동층을 이용한 소각로가 방사성폐기물에도 적용되어 미국에서 몇 기를 발전소에 도입하였으나 공정이 복잡함에 따라 큰 효과를 거두지 못한 것으로 알려져 있다. 1차 연소실은 sodium carbonate(NaCO₃ ), 공기 및 질소로 유동화되는 촉매 입자가 포함되어 있는데 고체나 액체폐기물의 부분 산화 및 열분해가 550℃의 층내에서 일어 난다.

입자가 포함된 1차 연소실의 배기체는 원심 집진기를 통과한 후 촉매상의 2차 연소실로 유입되어 알루미나 중 20%의 chromium oxide(Cr₂O₃)를 갖는 층에서 550℃의 과잉공기로 완전 산화된다. 유동층 소각로의 장점은 염소, 불소, 인 및 황 등의 부식성 산성기체가 1차 연소실에서 중화되므로 장치의 부식이 거의 없다는 것이다. 촉매상 2차 연소실에서 발생되는 배기체에는 550℃에서 동반되는 입자가 포함되어 있다