KR20180137681A - 질소냉각구조를 갖는 용탕배출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융로의 용탕의 배출을 용이하게 하기 위한 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치에 관한 것으로, 상기 용탕배출 장치는 유도코일에 의한 가열장치와 질소가스 노즐을 이용한 냉각장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기의 용탕배출 장치에 의해 냉각과 가열의 방식을 통해 용이하게 용융로의 용탕을 배출하거나 배출을 중지시킬 수 있으며, 이를 통해 유해성 폐기물 용융로 용탕의 간헐적 배출이 용이해지는 것을 특징으로 한다.

Description

질소냉각구조를 갖는 용탕배출장치{MELT DISCHARGER HAVING NITROGEN COOLING STRUCTURE}

본 발명은 세라믹 용융로, 플라즈마 아크용융로 및 유도가열 저온용융로 등의 용융로 내의 용탕을 용이하게 배출하기 위한 장치에 관한 것이다.

유해성폐기물, 특히 원자력 발전 등을 통해 나오는 방사성 폐기물을 보다 안정적으로 처리, 보관 및 관리하는 것은 매우 중요한 문제이다. 이러한 유해성 폐기물을 처리하는 방법으로서, 압축, 소각, 및 시멘트고화 등 다양한 기술들이 적용되고 있으나, 각 기술은 감용비가 적고, 침출수 등의 2차 피해도 발생할 가능성이 높은 문제가 있었다. 그러던 중 몇몇 국가를 중심으로 유해성 폐기물을 처리, 보관하는 방법 중에서 유도가열식 저온용융로 등을 이용하여 유해성폐기물을 연소시키고 중금속을 용융하여 유리와 함께 유리고화체로 만들어 유리 구조 속에 가두어 주변 환경으로 침출되지 않도록 하여 격리시키는 용융로 유리화 기술이 개발되어 왔다.

종래에 사용되고 있는 용융로는 대부분 상부배출을 기본으로 한다. 용탕 배출방법에는 용융로를 기울여 상부에서 배출하는 틸팅방식과 용융로를 고정한 채로 하부 또는 측면에서 배출하는 하부배출방식이 있다.

상부배출방식은 용융로 뚜껑을 열고 배출함으로 폐기물 용융로가 아닌 일반작업장에서는 가능하나 방사성폐기물처리, 유해성폐기물처리, 슬러지처리 등은 유해성가스에 의한 작업환경에서 용탕배출시 배기가스 처리공정을 준수해야하는 문제가 있는 등 작업조건이 까다로워 용융로 하부배출방식을 주로 이용하고 있다. 을 통해 작업안전을 준수해야 하는 배출방식이다.

그러나 종래의 하부배출방식은 일반적으로 실린더 게이트 방식과 기계식 배출방식이 사용되었으며, 실린더 게이트 방식의 경우, 게이트 판 자켓에 고온냉각수를 유동시켜 유리 온도가 낮아지는 관계로 배출시 장시간 소요되는 문제가 있고, 기계식 배출은 용탕에 잠기는 금속밸브가 부식되고 밸브이동 가이드에 용융물이 고착되는 등의 문제가 있었다. 또한 기존의 배출구는 직경이 크고 유도가열 출력이 높아 용융로의 용탕을 1회에 전부 배출해야만 하며 부분 배출 및 간헐적 배출이 어려운 문제가 있었다.

한국 등록특허 제10-1457368호(2014.11.03. 공고) 한국 등록특허 제10-2005-0000922호(2005.01.06 공개)

본 발명의 목적은 용융로 용탕배출장치의 냉각구조에 의해 용탕을 용융 및 고화시킴으로서 간헐적인 용탕 배출을 가능하게 하고, 이를 통해 유해성 폐기물의 용탕을 용이하고 안전하게 배출할 수 있는 용탕배출장치 및 용탕 배출방법을 제공하고자 함에 있다.

상기 본 발명의 목적은 용융로의 용탕배출 장치로서, 배출장치 몸체부, 상기 몸체부 내의 적어도 일부에 위치하는 용탕배출블록, 상기 용탕배출블록의 적어도 일부에, 상기 용융로 내의 용탕을 용융로 외부로 배출할 수 있도록 형성된 용탕배출패스, 상기 용탕배출장치 외부에서 공급된 질소가스를 상기 용탕배출패스 내부로 공급할 수 있도록 형성된 질소가스 노즐부, 상기 용탕배출블록의 외측부에 위치하며, 상기 용탕배출패스의 용탕을 가열하기 위한 유도코일을 포함하는 용탕배출패스의 개폐가 용이한 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치에 의해 달성된다. .

상기 용탕배출패스 하부의 적어도 일부는 하단부로 내려갈수록 용탕배출패스의 수평단면이 커지도록 테이퍼 형상을 가질 수 있다.

상기 유도코일의 적어도 일부는 상기 배출장치 몸체 내에 위치할 수 있다.

상기 유도코일을 냉각시키기 위한 유도코일 냉각관을 더 포함할 수 있다.

상기 질소가스 노즐부는 2개 이상의 질소가스 노즐과, 상기질소가스 노즐에 질소가스를 분배하기 위한 질소공급헤더를 포함할 수 있다.

상기 용탕배출블록의 상부의 적어도 일부는 상기 용융로의 바닥부로 돌출되도록 위치할 수 있다.

상기 용탕배출블록 상부의 돌출되는 부분은 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 커지도록 테이퍼 형상을 포함할 수 있다.

상기 유도코일의 전원공급과 상기 질소가스 노즐부의 가스공급을 제어하기 위한 용탕배출제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 용탕배출장치에 질소가스 냉각구조를 적용함으로써, 별도의 용탕배출패스 개폐장치 없이도 용탕을 고화시키거나 용융시키는 방법에 의해 개폐시킬 수 있으며, 용융로 운전 중에도 간헐적 배출이 가능하여, 용융로의 폐기물 처리 운전 시간을 크게 증가시킬 수 있으며, 용탕배출패스를 개폐하기 위한 기계적 장치부가 생략되어 유지보수에도 유리하여, 우수한 경제적 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 수직단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 부분적 수직단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치를 포함하는 용융로 단면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

유해성 폐기물, 특히 방사성 폐기물을 용융하여 유리화 또는 슬러지화하는 설비에는 플라즈마 세라믹용융로, 플라즈마 저온용융로, 플라즈마 아크용융로, 유도가열 저온용융로, 유도가열 고온용융로, 전극가열 세라믹용융로, 및 전기용해로 등이 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용융로의 단면도를 나타낸 것이다. 본 발명의 용탕배출장치(100))는 용융로의 바닥부 또는 하부에 위치한다. 일반적으로 유해성 폐기물을 용융시켜 유리화하거나 슬러지화하는 설비에서는 유해성 폐기물을 용융로 상부로 투입하며, 용융로 내에서 용융되어 용탕은 중력에 의해 용융로 내의 하부에 위치하게 된다. 따라서 하부배출방식을 이용하는 용탕배출장치는 대부분 용융로 하부에 위치하며 간혹 측면의 하부에 형성되기도 한다. 용융로의 바닥부는 도면에서와 같이 평면형상일 수 있으며, 용탕배출을 원활하게 하기 위해 경사진 형태를 이용하기도 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치의 수직단면도를 나타낸 것이며, 도 2는 부분적 수직단면도를 나타낸 것이다. 본 발명에서의 용탕배출장치(100))는 용탕배출패스를 가지며, 상기 용탕배출패스는 도면에서와 같이 용탕입구배출패스 입구부(110)와 용탕배출패스 출구부(120)를 포함한다. 일반적인 경우 용융로의 용탕은 용탕배출패스를 통해 용융로의 외부로 중력에 의해 배출된다.

본 발명에서의 용탕배출장치(100)는 용탕배출패스가 형성된 용탕배출블록(130)을 포함한다. 용탕배출블록(130)은 일반적으로 열전달을 용이하게 하고 고온을 견딜 수 있도록 금속으로 형성되는 것이 바람직하며, 인코넬을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 용탕배출블록은 배출장치 몸체부(160)에 적어도 일부가 포함되는 형태이며, 배출장치 몸체부(160)는 내부가 빈 형태일 수도 있고, 질소공급관(141) 및 유도코일(153) 등이 포함된 몰드 형태일 수 있다. 배출장치 몸체부(160)는 외부와의 열차단을 용이하게 하기 위한 내화재로 형성되는 것이 바람직하다.

배출장치 몸체부(160)는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있으며, 이는 유지보수를 원활하게 하기 위한 방안으로 원통형 몸체외부를 테이퍼형상으로 제작하여 용융로바닥판에 조립시에는 상부로 밀착하여 조립하고 분해시에는 하부로 제거하기 쉬운 편리한 구조로 하기 위함이다. 배출장치 구성재질 대부분은 금속과 캐스타블로 제작되어 전체 무게가 상당하기 때문에 분해시 제거가 쉬운 방안으로 배출장치 원통형외부를 테이퍼형상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 용탕배출장치(100)는 용탕배출을 원활하게 하기 위해, 용탕을 액체상태로 유지시키기 위한 가열장치인 유도코일부(153)을 포함한다. 유도코일은 관 형상의 용탕배출패스의 외부 둘레에 위치하며 코일형상이다. 유도코일(153)에 전원이 공급되면 전자기 유도방식에 의해 코일의 내측에 위치한 금속이 가열된다. 상기 유도코일(153)에 전원을 공급하면 금속 재질의 용탕배출패스는 가열되며 이를 통해 용탕배출패스 내부는 고온이 유지되어 용융로의 용탕이 액체상태를 유지하며 원활하게 용융로 외부로 배출될 수 있다. 용탕의 배출을 더욱 원활하게 하기 위해 용탕배출패스의 하부는 테이퍼 형상(170)을 가지며 하부로 갈수록 수평단면이 점차 커지는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 테이퍼 형상일 경우 용탕배출패스의 내벽 장력으로 인한 배출저항이 감소되는 효과가 있다. 또한 용탕배출시 하부에 잔여용탕이 붙어있는 것을 방지하고 용탕배출패스 온도저하를 막기 위해 유도코일에 의한 열 영향이 배출관 끝단에서도 일정한 온도가 유지될 수 있도록 유도코일 가까이 하는 테이퍼 형상으로 설계하여 배출관 온도를 높임으로서 경사면에 고착물이 부착되는 것을 방지할 수 있다.

상기 유도코일(153)은 고온의 용탕에 인접하여 위치하기 때문에 고온에 의해 쉽게 열화할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 상기 유도코일(153)은 별도의 유도코일용 냉각관 내에 위치할 수 있다. 냉각관 내부는 유도코일(153)을 냉각시키기 위한 냉각유체(냉각수 등)가 순환된다. 상기 유도코일은 외부로 부터 냉각유체가 인출될 수 있도록 유도코일 및 냉각수 입구부(151)와 유도코일 및 냉각수 출구부(153)를 더 포함한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 용탕배출장치를 포함하는 용융로(10) 단면도를 나타낸 것이다. 용탕배출블록(130)의 상단부는 경사면(131)을 갖는 테이퍼 형상이며, 이를 통해 용융로 저부의 용융되지 않고 가라앉은 비중이 높은 물질과 융융되지 않은 비금속재료 물질들이 용탕배출패스로 진입하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서 용탕배출장치(100) 내의 용탕을 고화시켜 배출을 중지시키기 위한 방법으로써, 냉각용 질소가스를 이용한다. 본 발명에서의 냉각용 질소가스는 액체질소 또는 그에 준하는 저온의 질소가스를 의미한다. 질소는 1기압에서 끓는점이 196℃로 매우 저온이다. 이러한 냉각용 질소를 이용하여 관 형상의 용탕배출패스 외부에 공급하면 용탕배출패스 내부의 용탕은 냉각되어 고화된다. 고화된 용탕에 의해 용탕배출패스가 폐쇄되며, 용탕배출은 중지된다.

냉각용 질소를 용탕배출패스에 균일하게 공급하고 또한 신속하게 냉각시키기 위해, 질소가스노즐(143)이 용탕배출블록(130)의 중앙부에 용탕배출패스를 향해 형성되어 있다. 질소가스 노즐은 질소공급헤더(142)로 부터 분배된 질소가스가 용탕배출패스로 공급되며, 질소공급헤더(142)에는 2개 이상 다수의 노즐이 형성되는 것이 바람직하다. 다수의 노즐은 균일하게 형성될 수도 있고 불규칙적으로 형성될 수도 있으며, 용탕배출패스의 크기 및 배출물질 종류에 따라 선택할 수 있다. 질소공급헤더(142)에 질소를 공급하기 위한 질소공급관(141)도 포함된다.

상기 용탕배출패스 내 용탕의 고화 상태를 유지하기 위해서는 기본적으로 냉각용 질소가스의 공급을 유지할 수 있으나, 고화가 된 이후에는 유도코일부(153)에 흐르는 냉각유체를 이용하여 냉각 상태 및 용탕배출정지 상태의 유지가 가능하다. 이 때에는 유도코일에 전원공급은 차단된다.

이와 더불어, 상기 용탕배출패스를 통해 용융로의 용탕배출이 용이하도록, 더불어 간헐적 용탕배출이 원활하도록 가열과 냉각을 자동화하는 것이 바람직하다. 이를 위해 용탕배출장치(100)에는 온도센서 등의 센서부를 포함할 수 있으며, 냉각 및 가열 조건에 따라 유도코일과 냉각용 질소의 공급을 제어하는 용탕배출제어부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 냉각구조를 갖는 용탕배출장치의 용탕배출 방법은 다음과 같다.

용융로 내에는 폐기물 및 용탕을 위한 유리 성분들이 같이 용융되어 있을 수 있으며, 용탕이 용융로 내의 일정 부피를 넘어서게 되면 배출이 요구된다. 배출 필요 시 용탕배출장치에 포함된 유도코일에 전원을 공급하면, 유도 전류에 의해 용탕배출패스는 가열된다. 이러한 단계가 배출패스 가열단계이다. 상기 용탕배출패스 내의 고화된 폐기물은 유도 전류에 의해 승온되며, 용융온도 이상 승온되면 액체상으로 용융되어 중력에 의해 하부로 배출된다. 개방된 용탕배출패스에 의해 용융로 내의 용탕은 용탕배출장치(100)를 거쳐 외부로 배출되며, 이 단계가 배출단계이다. 용탕을 배출을 중지시키기 위하여, 상기 용탕배출패스 내의 용탕을 냉각을 통해 고화시킨다. 이 단계가 배출중지단계이다. 상기 냉각단계에서 용탕을 냉각시키기 위해 냉각용 질소를 이용하면 냉각을 신속하게 할 수 있다. 상기 냉각단계를 거쳐 용탕배출패스 내의 용탕이 고화되면 냉각수를 유도코일부(153)에 공급하여 저온 상태를 유지할 수 있다. 이 단계가 배출중지 유지단계이다.

위와 같이 가열단계, 배출단계, 배출중지단계를 반복함으로써, 용탕의 배출과 중지를 반복적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 간헐적인 용탕배출이 가능하다.

상기와 같은 용탕배출장치와 용탕배출방법에 의해 유해성 폐기물의 용탕을 용이하게 배출할 수 있으며, 간헐적 배출이 용이해져 용융로의 폐기물 처리시간을 크게 늘릴 수 있어 매우 효율적이며, 경제적이다.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 용융로의 용탕배출 장치로서,
   배출장치 몸체부;
   상기 몸체부 내의 적어도 일부에 위치하는 용탕배출블록;
   상기 용탕배출블록의 적어도 일부에, 상기 용융로 내의 용탕을 용융로 외부로 배출할 수 있도록 형성된 용탕배출패스;
   상기 용탕배출장치 외부에서 공급된 질소가스를 상기 용탕배출패스 내부로 공급할 수 있도록 형성된 질소가스 노즐부;
   상기 용탕배출블록의 외측부에 위치하며, 상기 용탕배출패스의 용탕을 가열하기 위한 유도코일;
   을 포함하는 용탕배출패스의 개폐가 용이한 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
2. 제1항에서,
   상기 용탕배출패스 하부의 적어도 일부는 하단부로 내려갈수록 용탕배출패스의 수평단면이 커지도록 테이퍼 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
3. 제1항에서,
   상기 유도코일의 적어도 일부는 상기 배출장치 몸체 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
4. 제1항에서,
   상기 유도코일을 냉각시키기 위한 유도코일 냉각관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
5. 제1항에서,
   상기 질소가스 노즐부는 2개 이상의 질소가스 노즐과, 상기 질소가스 노즐에 질소가스를 분배하기 위한 질소공급헤더를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
6. 제1항에서,
   상기 용탕배출블록의 상부의 적어도 일부는 상기 용융로의 바닥부로 돌출되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
7. 제6항에서,
   상기 용탕배출블록 상부의 돌출되는 부분은 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 커지도록 테이퍼 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
8. 제1항에서,
   상기 유도코일의 전원공급과 상기 질소가스 노즐부의 가스공급을 제어하기 위한 용탕배출제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소냉각구조를 갖는 용융로 용탕배출 장치.
   

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