KR100778332B1 - 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 작용제를 물이나 가성소다 용액으로 가수분해 또는 중화한 후 이를 초임계 상태에서 산화시켜 완전히 무해한 물질로 변환시켜 배출할 수 있도록 한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 관한 것으로,

화학 작용제를 가수분해하거나 중화하여 독성을 제거한 분해물질을 생성하는 가수분해 반응기(10)와; 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질에 고온 고압의 공정수와 산소를 공급하여 초임계 산화시키는 초임계수 산화장치(30)를 포함하고.

초임계수 산화장치(30)는, 고온 고압의 공정수와 산소를 이용하여 분해물질을 완전히 산화시키는 산화반응기(20)와, 산화반응기(20)가 내부에 설치되고 히터가 구비된 산화장치 본체(31)와, 산화반응기(20)에 의해 형성된 생성물질의 압력을 상압으로 감압시키는 감압장치(32)와, 생성물질을 기상물질과 액상물질로 분리하는 분리장치(33)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 기존의 소각방법을 대체하여 보다 안전하고 완전하게 화학 작용제를 처리할 수 있고, 대기 및 폐수에 의한 환경오염을 최소화하며 안전하게 작업할 수 있도록 한다.

화학작용제, 가수분해, 초임계수, 사린, IPA, OPA, MPA, DF, TDG, SCWO

Description

화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법{Apparatus and Method for Chemical Agent Disposal by a 2-step Process}

도 1은 본 발명에 따른 화학 작용제의 2단계 폐기처리 과정이 개략적으로 도시된 개념도.

도 2는 본 발명에 의한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치의 요부 구성인 초임계수 산화장치의 일 실시 예가 도시된 도면.

도 3은 본 발명의 요부 구성인 초임계수 산화장치의 산화반응기가 도시된 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 가수분해 반응기

12: 분해물질 공급부

14: 산소 공급부

14A: 산소발생기

14C: 산소압축기

14V: 산소저장조

16: 공정수 공급부

18: 보조연료 공급부

12E, 14E, 16E, 18E: 히팅 열교환기

12F, 16F, 16F', 18F: 입자 여과기

12P, 16P, 16P', 18P: 고압 펌프

12V, 16V, 18V: 저장조

20: 산화반응기

21: 쉘

22: 내부관

23: 상부 커버

24: 산소 인젝터

25: 분해물질 인젝터

26: 하부 커버

30: 초임계수 산화장치

31: 산화장치 본체

32: 감압장치

33: 분리장치

34: 냉각 열교환기

35: 입자 여과기

36: 처리수 저장조

37: 피드 믹서

38: 배출물 믹서

본 발명은 화학 작용제를 폐기 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 화학 작용제를 물이나 가성소다 용액으로 가수분해 또는 중화한 후 이를 초임계 상태에서 산화시켜 완전히 무해한 물질로 변환시켜 배출할 수 있도록 한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 대량 살상무기로 규정된 화학무기는 화학무기 금지협약(Chemical Weapons Convention : CWC)에 따라 지정기간 내에 다시 사용할 수 없도록 완전히 폐기하여야 한다. 이를 실현하기 위해서는 화학무기의 가장 핵심물질인 화학 작용제를 안전하고 완전하게 폐기하는 것이 관건이다. 그러나 대부분의 화학 작용제는 미량의 대기 노출에 의해서도 인체에 매우 치명적인 물질로서, 취급이 대단히 위험하고 유독성 화학물질이다.

과거 여러 나라들은 화학무기를 소량 처리함에 있어서 화학탄이나 화학로켓, 화학지뢰 등의 화학무기로부터 화학 작용제를 분리한 후 이를 소각하거나 염기성 수용액 또는 메틸 에탄올 아민(Methylethanolamine) 등으로 중화한 후 매립 또는 소각하고 있다. 한편, 러시아는 화학 작용제를 중화한 후 고형화하여 매립할 예정이나, 이 경우 대규모 매립장이 소요될 뿐만 아니라 완전히 처리되었다고 볼 수는 없다.

또, 미국에서는 비축 화학무기의 대량 처리를 위하여 화학무기에서 화학 작 용제를 분리한 후 화학 작용제와 탄체(彈體)를 소각로에서 직접 소각하는 방식을 기본기술로 채택하여 대량 처리하고 있다. 그러나, 화학 작용제를 직접 소각하는 과정에서 화학 작용제가 대기로 누출되거나 소각작업 중 불완전 연소되어 완전히 처리되지 않은 상태로 유독물질이 외부로 방출될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 향후 신설 예정인 화학무기 처리지역에는 지역 주민들의 소각 반대에 따라 소각 대체기술을 발굴하여 적용할 예정이라 한다. 미국은 소각 대체기술로서 화학 작용제를 중화한 후, 중화물질을 미생물 처리하거나 초임계수로 산화하는 기술이 후보기술로 선정되고 있다.

그리고, 화학 작용제는 취급 및 처리 전ㆍ후의 전 과정을 통하여 작업자를 보호하고 주변환경에 화학 작용제가 누출되는 것을 방지하기 위하여 철저한 안전장치를 설치해야 하며, 이러한 장치는 거대해 진다는 문제점이 있다. 또한, 소각시 배출되는 유해가스를 제거하기 위하여 다수의 활성탄 입자 여과기를 사용하게 되는데, 이 경우 일정기간 사용 후에는 각종 유해가스가 흡착된 폐 활성탄을 처리해야 하는 새로운 문제가 발생할 수 있다.

위와 같이 소각에 의한 작용제 폐기시설의 단점을 보완하고 지역주민의 소각 반대에 따라 새로 적용할 수 있는 소각 대체기술로서 화학 작용제를 2단계 처리를 통해 무해한 물질로 변환시키는 기술을 개발하게 되었다.

일반적으로 화학 작용제는 일단 물로 가수분해하거나 염기성 물질로 완전히 중화하면 작용제가 가지고 있는 독성이 획기적으로 감소하게 된다. 따라서, 이때 생성되는 분해물질은 작업자가 특수 장비를 사용하거나 착용하지 않아도 취급이 용 이해진다. 그러나, 분해물질에는 여전히 화학무기 금지협약(CWC)에서 규제하는 물질과 할로겐 등의 산성 물질 및 염이 함유되어 있으므로 이들 물질도 완전히 무해한 물질로 전환되어야 한다.

다시 말해서 종래의 화학 작용제 처리는 화학 작용제를 직접 소각하는 방식 또는 화학 작용제를 가수분해 한 후 분해물질을 고형화하여 매립하는 방식으로 진행되고 있다.

그러나, 종래의 화학 작용제 처리방법은, 화학 작용제의 직접 소각시 부주의에 의한 대기누출이나 불완전 연소에 의해 유해가스가 처리되지 않은 상태로 존재 할 수 있어 유독물질이 외부로 방출될 수 있으므로 인체 및 자연환경에 매우 유해한 문제점이 있다.

또, 화학 작용제를 가수분해 한 후 중화물질을 고형화하여 매립하는 경우에는 중화물질에 할로겐족 원소 등 산성 물질과 염이 함유되어 있어 환경오염의 주요 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 화학 작용제를 가수분해 또는 중화처리하여 형성된 분해물질을 재차 처리하여 인체에 무해한 물질로 변환시킴으로써 화학 작용제를 안전하면서도 완전하게 처리할 수 있도록 한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

구체적으로 화학 작용제의 종류에 따라 물이나 가성소다(NaOH) 용액으로 가 수분해 또는 중화하여 작용제의 독성을 완전히 제거한 다음, 중화된 물질을 초임계수 산화를 통해 완전히 처리하여 인체에 무해한 물이나 이산화탄소 등으로 변환시킬 수 있도록 한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또, 본 발명은 가수분해나 초임계수 산화공정에서 발생하는 물을 전혀 외부로 방출하지 않고 가수분해 용액이나 공정수로 재사용함으로써 폐수로 인한 환경 오염을 차단할 수 있도록 한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이중벽 구조의 산화반응기 중 내부관에서 산화반응이 일어나도록 함으로써 부식으로 인한 피해를 내부관으로 제한하는 동시에 압력차로 인한 응력을 견딜 수 있도록 두껍게 제작되는 외부 반응기의 부식을 최소화할 수 있는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치는, 화학 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하여 화학 작용제의 독성을 제거한 분해물질을 생성하는 가수분해 반응기와; 상기 가수분해 반응기에서 생성된 분해물질에 고온 고압의 공정수와 산소를 공급하여 초임계 산화시키는 초임계수 산화장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 초임계수 산화장치는, 고온 고압의 공정수와 산소를 이용하여 상기 가수분해 반응기에서 생성된 분해물질을 완전히 산화시키는 산화반응기와, 상기 산화반응기가 내부에 설치되고 히터가 구비된 산화장치 본체와, 상기 산화반응기에 의해 초임계수 상태에서 분해물질이 산화되어 형성된 생성물질의 압력을 상압으로 감압시키는 감압장치와, 상기 생성물질을 기상물질과 액상물질로 분리하는 분리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 초임계수 산화장치는, 상기 감압장치의 상류 측에 설치되어 상기 산화반응기에서 형성된 생성물질을 급속 냉각하는 냉각 열교환기와, 상기 냉각 열교환기의 전방 측에 설치되어 상기 생성물질에 포함된 입자물질을 제거하는 입자 여과기를 더 포함하는 것을 특징으로한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 입자 여과기에 의해 입자물질이 제거된 액상물질은 상기 분리장치를 거쳐 그대로 배출되거나 처리수 저장조에 저장된 후 공정수로 재활용되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치는, 상기 초임계수 산화장치의 산화반응기로 상기 가수분해 반응기에서 생성된 분해물질을 제공하는 분해물질 공급부와; 상기 산화반응기로 고온 고압의 산소를 제공하는 산소 공급부와; 상기 산화반응기의 하부로 주 반응매체인 고온 고압의 공정수를 공급하고, 상기 생성물질의 급속 냉각을 위하여 상기 산화반응기의 출구 측으로 공정수를 제공하는 공정수 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 산화장치 본체는, 상기 산화반응기의 입구측에 설치되어 상기 분해물질 공급부에서 공급되는 분해물질과 상기 산소 공급부에서 공급되는 산소를 혼합하여 상기 산화반응기로 공급하는 피드 믹서와, 상기 산화반응기의 출구 측에 설치되어 공정수 또는 가성소다 용액을 이용하여 상기 생성물질을 냉각 및 중화시키는 배출물 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치는, 상기 산화반응기로 IPA(이소프로필 알콜;Isopropyl Alcohol)류의 보조연료를 공급하는 보조연료 공급부를 더 포함하고, 상기 피드 믹서는 상기 보조연료 공급부에서 공급되는 보조연료도 함께 혼합하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 산화반응기는, 상하로 관통하는 관통공이 형성되는 원통 형상의 쉘과, 상기 쉘의 관통공 내부에 위치되고 상기 분해물질을 포함한 유입물질의 산화반응이 이루어지며 상기 쉘에 비해 낮은 높이로 형성된 내부관과, 상기 쉘의 상부에 결합되어 상기 관통공의 상단을 차단하는 상부 커버와, 상기 상부 커버를 관통하여 설치되고 상기 내부관 안쪽으로 산소를 공급하는 산소 인젝터와, 상기 산소 인젝터의 내측에 위치되고 상기 산소 인젝터에 비해 돌출되는 분해물질 인젝터와, 상기 쉘의 하부에 결합되어 상기 관통공의 하단을 차단하며 상기 내부관에 연통되는 생성물질 배출공 및 상기 내부관과 관통공 내주면과 상기 내부관 외주면 사이로 물을 공급하는 물 공급공이 형성된 하부 커버와, 상기 내부관의 하단부에 결합되어 상기 생성물질 배출공을 개 폐시키는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 화학 작용제는 신경 작용제, 신경 작용제 전구물질 및 수포 작용제 중 하나인 것을 특징으로 하고; 상기 신경 작용제는 사린(GB ; O-Isopropyl Methylphosphonofluoridate) 또는 VX이고, 상기 신경 작용제 전구물질은 DF(Methylphosphonicdifluoride) 또는 OPA 등의 이원화 작용제이며, 상기 수포 작용제는 겨자(HD)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치에 따르면, 상기 화학 작용제의 분해물질은, MPA(Methylphosphonic Acid) 또는 TDG(Thiodiglycol) 중 하나인 것을 특징으로 하고; 상기 화학 작용제의 분해물질은, 할로겐족 원소의 산 및 염을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법은, 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하는 독성 제거 단계와; 상기 단계에서 생성된 분해물질을 고온 고압의 초임계 상태의 반응기에 투입하고 고온 고압의 공정수와 산소를 공급하여 상기 분해물질이 산화되도록 하는 산화 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법은, 상기 산화 단계에서 형성된 생성물질을 외부 배출이 가능하도록 처리하는 후처리 단계 및 후처리가 완료된 생성물질을 기체와 액체로 분리하여 배출하는 배출 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 후처리 단계는, 상기 생성물질을 급속 냉각하는 단계와, 상기 생성물질에 포함된 입자상 물질을 여과하는 단계와, 초임계 압력을 상압으로 감압하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 독성 처리 단계는, 화학 작용제를 중화 또는 가수분해하여 생성된 1차 분해물질을 가성소다 용액으로 추가처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 독성 제거 단계는 화학 작용제를 분해율이 99.99%에 이를 때까지 가수분해 또는 중화반응이 진행되도록 하고, 상기 산화 단계는 상기 분해물질의 폐기효율이 총기유기탄소 또는 처리물질 기준으로 99.99%에 이를 때까지 산화하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 반응기의 내부 반응 압력은 220기압 이상 300기압 이하이고, 내부 반응 온도는 374℃ 이상 660℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 산소는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압한 후 400~500℃ 온도로 가열하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 분해물질은 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압한 후 분해물질의 종류에 따라 상온 또는 400℃로 가열한 후 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 공정수 는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압하여 공급하며 400℃로 가열하여 산화 단계로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법에 따르면, 상기 산화 단계에서 상기 반응기에 보조연료인 IPA를 더 공급하고, 상기 IPA는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압한 후, 400℃ 온도로 가열하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명의 화학 작용제 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 가수분해 반응기를 이용하여 화학 작용제를 가수분해 또는 중화시켜 분해물질을 생성하고, 이 분해물질을 초임계 상태의 산화반응기에서 산화시켜 인체에 무해한 기체와 액체로 만들어 배출한다. 이때, 산화반응기에서 생성될 수 있는 염이나 고상입자를 제거하기 위하여 입자 여과기(Filter)를 이용한다. 즉, 상기 입자 여과기를 거쳐 입자상 물질을 여과하게 되며, 감압장치를 이용하여 감압한 후 분리장치를 통해 최종적으로 기/액 분리함으로써 기상물질과 액상물질로 분리하여 배출한다. 이때, 기상물질의 조성과 액상물질의 처리효율을 결정하기 위하여 시료를 분석한며, 처리되어 배출되는 기체의 대부분은 인체에 무해한 질소와 이산화탄소이며, 액상물질은 깨끗한 물로 이루어진다.

한편, 상기 산화반응기는 할로겐족 원소로 이루어진 물질이 포함된 액상폐기물을 처리할 경우 부식이 발생할 수 있다. 따라서, 부식에 의한 산화반응기 손상을 줄이기 위하여 반응물과 산화제가 통과하는 복수의 파이프를 포함하여 구성하며, 상기 복수의 파이프에 의해 반응기로 유입되는 반응물이 산화반응기 상단에서 혼합되어 순간적으로 반응하여 산화된다. 상기 산화반응기를 통과한 반응물(배기가스 및 액상물질)은 냉각장치에서 급속히 냉각된다.

그리고, 본 발명에서 처리하는 화학 작용제는 신경 작용제, 신경 작용제 전구물질 및 겨자(HD) 등의 수포 작용제를 포함하며, 상기 신경 작용제는 VX 또는 사린(GB; O-Isopropyl Methylphosphonofluoridate)이고, 상기 겨자(HD)는 황 머스터드(Sulfurmustard; bis(2-chloroethyl)sulfide)이며, 상기 신경 작용제 전구물질은 DF(Methylphosphonicdifluoride)로 이루어진다. 그리고, 상기 신경 작용제 및 겨자의 분해물질은 각각 MPA(Methylphosphonic acid)와 TDG(Thiodiglycol)이며, 이원화 작용제(Binary Chemical Agent)로서 OPA(이소프로필알콜 71.7wt%, 이소프로필아민 28.3wt%의 혼합물) 등이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 화학 작용제의 2단계 폐기처리 과정이 개략적으로 도시된 개념도이고, 도 2는 본 발명에 의한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치의 요부 구성인 초임계수 산화장치의 일 실시 예가 도시된 도면이며, 도 3은 본 발명의 요부 구성인 초임계수 산화장치의 산화반응기가 도시된 단면도이다.

본 발명에 의한 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치는, 화학 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하여 화학 작용제의 독성을 제거한 분해물질을 생성하는 가수분해 반응기(10)와; 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질에 고온 고압의 공정수와 산소를 공급하여 초임계 산화시키는 초임계수 산화장치(30)와; 상기 초임계수 산화장치(30)의 산화반응기(20)로 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질을 제공하는 분해물질 공급부(12)와; 상기 산화반응기(20)로 고온 고압의 산소를 제공하는 산소 공급부(14)와; 상기 산화반응기(20)의 하부로 주 반응매체인 고온 고압의 공정수를 공급하고, 상기 생성물질의 급속 냉각을 위하여 상기 산화반응기(20)의 출구 측으로 공정수를 제공하는 공정수 공급부(16) 및 상기 산화반응기(20)로 IPA(Isopropyl Alcohol; 이소프로필 알콜)류의 보조연료를 공급하는 보조연료 공급부(18)를 포함하여 구성된다.

상기 가수분해 반응기(10)는 화학 작용제를 가수분해 또는 중화하기 위한 장치로서, 상용의 가수분해 반응기를 사용하므로 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.

상기 초임계수 산화장치(30)는, 고온 고압의 공정수와 산소를 이용하여 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질을 완전히 산화시키는 산화반응기(20)와, 상기 산화반응기(20)가 내부에 설치되고 히터가 구비된 산화장치 본체(31)와, 상기 산화반응기(20)에 의해 초임계수 상태에서 분해물질이 산화되어 형성된 생성물질의 압력을 상압으로 감압시키는 감압장치(32)와, 상기 생성물질을 기상물질과 액상물질로 분리하는 분리장치(33)와, 상기 감압장치(32)의 상류 측에 설치되어 상기 산화반응기(20)에서 형성된 생성물질을 급속 냉각하는 냉각 열교환기(34)와, 상기 냉각 열교환기(34)의 전방 측에 설치되어 상기 생성물질에 포함된 입자물질을 제거하는 입자 여과기(35)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 입자 여과기(35)에 의해 입자물질이 제거된 액상물질은 상기 분리장치(33)를 거쳐 그대로 배출되거나 처리수 저장조(36)에 저장된 후 공정수로 재활용된다.

여기서, 상기 산화반응기(20)의 내부에서의 반응 온도는 374℃ 이상 660℃ 이하가 되도록 하고, 반응 압력은 220기압 이상 300기압 이하가 되도록 하여 초임계 상태에서 산화반응이 이루어지도록 한다. 만약, 상기 산화반응기의 반응 온도 및 반응 압력이 설정 이하인 경우 산화반응에 걸리는 시간이 길어지게 되고, 설정 이상인 경우에는 산화반응에 걸리는 시간은 단축할 수 있으나 장치의 두께가 증가하게 되어 비경제적이 된다. 한편, 실제 실험에서는 상기 산화반응기(20) 내부에서의 반응 온도를 560℃로 하고, 반응 압력은 250기압으로 하여 실험하였다.

상기 산화장치 본체(31)는, 상기 산화반응기(20)의 입구측에 설치되어 상기 분해물질 공급부(12)에서 공급되는 분해물질과 상기 산소 공급부(14)에서 공급되는 산소 및 상기 보조연료 공급부(18)에서 공급되는 보조연료인 IPA를 혼합하여 상기 산화반응기(20)로 공급하는 피드 믹서(37)와, 상기 산화반응기(20)의 출구 측에 설치되어 공정수 또는 가성소다 용액을 이용하여 상기 생성물질을 냉각 및 중화시키는 배출물 믹서(38)를 더 포함한다.

한편, 상기 분해물질 공급부(12)는, 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질이 저장되는 저장조(12V)와, 저장조(12V)에서 나온 분해물질에 포함된 입자물질을 제거하는 입자 여과기(12F)와, 여과된 액상의 분해물질을 250기압까지 가 압한 후 압송하는 고압펌프(12P) 및 분해물질 중 OPA를 400℃로 가열한 후 유체를 가열하는 히팅 열교환기(12E)를 각각 구비한다. 만약, 분해물질이 TDG 또는 MPA인 경우에는 열분해의 위험이 있으므로 가열하지 않고 상온 상태로 피드 믹서(37)에 공급하여 고온 고압의 산소와 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 산소 공급부(14)는 산소발생기(14A)에서 생산된 산소를 저장하는 산소저장조(14V)와, 상기 산소저장조(14V)에서 나온 산소를 250기압까지 압축하는 산소압축기(14C)와, 산소압축기(14C)에서 나온 산소를 분해물질의 종류에 따라 400~500℃ 온도로 가열하는 히팅 열교환기(14E)를 포함한다. 한편, 상기 산소 공급부(14)는 상기 분해물질에 함유된 유기물의 산화에 필요한 산화제를 피드 믹서(37)에 공급하는 장치이며, 산화제로는 산소 또는 과산화수소(H₂O₂)를 사용한다. 액체산소를 사용하는 경우 공기가열식인 산소 기화기로 보내어 기화시키며, 이 산소 기화기가 산소발생기(14A)로 작용한다. 그리고, 상기 산소압축기(14C)의 가동 중 과압이 발생하게 되면 과압된 산소의 일부를 펌프(도시 생략)를 이용하여 산소저장조(14V)로 보내 압력을 조정한다.

상기 공정수 공급부(16)는 초임계수 산화반응에서의 주 반응매체인 물을 상기 산화반응기(20)의 하부로 공급하는 장치로서, 공정수가 저장되는 저장조(16V)와, 상기 저장조(16V)에서 나온 공정수의 이물질을 제거하는 입자 여과기(16F)와, 여과된 공정수를 250기압까지 가압하여 압송하는 고압펌프(16P) 및 공정수를 400℃로 가열하는 히팅 열교환기(16E)를 각각 구비한다. 또, 상기 공정수 공급부(16)는 상기 산화반응기(20)에서 생성된 생성물질을 급속 냉각하기 위하여 사용되는 물을 공급하게 되며, 이를 위하여 저장조(16V)의 하부에서 나온 공정수의 이물질을 제거하는 공정수용 필터(16F')와, 여과된 공정수를 상기 배출물용 믹서(38)압송하는 냉각용 고압펌프(16P')를 더 포함한다.

그리고, 상기 보조연료 공급부(18)는, IPA 등의 보조연료가 저장되는 저장조(18V)와, 상기 저장조(18V)에서 나온 IPA에 포함된 입자물질을 제거하는 입자 여과기(18F)와, 여과된 입자물질을 250기압까지 가압하여 압송하는 고압펌프(18P) 및 IPA를 400℃ 온도로 가열하는 히팅 열교환기(18E)를 각각 구비한다.

상기 산화반응기(20)는, 상하로 관통하는 관통공(21')이 형성되는 원통 형상의 쉘(21)과, 상기 쉘(21)의 관통공(21') 내부에 위치되고 상기 분해물질을 포함한 유입물질의 산화반응이 이루어지며 상기 쉘(21)에 비해 낮은 높이로 형성된 내부관(22)과, 상기 쉘(21)의 상부에 결합되어 상기 관통공(21')의 상단을 차단하는 상부 커버(23)와, 상기 상부 커버(23)를 관통하여 설치되고 상기 내부관(22) 안쪽으로 산소를 공급하는 산소 인젝터(24)와, 상기 산소 인젝터(24)의 내측에 위치되고 상기 산소 인젝터(24)에 비해 돌출되는 분해물질 인젝터(25)와, 상기 쉘(21)의 하부에 결합되어 상기 관통공(21')의 하단을 차단하며 상기 내부관(22)에 연통되는 생성물질 배출공(26') 및 상기 내부관(22)과 관통공(21') 내주면과 상기 내부관(22) 외주면 사이로 물을 공급하는 물 공급공(26")이 형성된 하부 커버(26)와, 상기 내부관(22)의 하단부에 결합되어 상기 생성물질 배출공(26')을 개폐시키는 밸브(도시 생략)를 포함한다.

여기서, 상기 쉘(21)과 열교환기의 쉘은 하스텔로이(Hastelloy) C-276 재질로 형성되고, 상기 내부관(22)은 비교적 저가인 티타늄 Grade Ⅱ 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 분해물질 공급부(12) 및 보조연료 공급부(18)의 피드 라인(Feed Line)은 인코넬(Inconel) 600 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 화학 작용제는 VX나 사린(GB)와 같은 신경 작용제, DF나 OPA 류의 이원화 작용제 등의 신경 작용제 전구물질 및 겨자(HD)와 같은 수포 작용제 등이다. 그리고, 화학 작용제의 가수분해 및 중화에 따른 분해물질은 신경 작용제의 경우에는 MPA(Methylphosphonic Acid)이고, 겨자의 경우에는 TDG(Thiodiglycol)이며, 할로겐족 원소의 산 및 염 등이 포함될 수 있다.

그리고, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법은, 화학 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하는 독성 제거 단계와; 상기 단계에서 생성된 분해물질을 고온 고압의 초임계 상태의 반응기에 투입하고 고온 고압의 공정수와 산소를 공급하여 상기 분해물질이 산화되도록 하는 산화 단계 및 상기 산화 단계에서 형성된 생성물질을 외부 배출이 가능하도록 처리하는 후처리 단계 및 후처리가 완료된 생성물질을 기체와 액체로 분리하여 배출하는 배출 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 후처리 단계는 상기 생성물질을 급속 냉각하는 단계와, 상기 생성물질에 포함된 입자상 물질을 여과하는 단계와, 초임계 압력을 상압으로 감압하는 단계로 이루어진다. 그리고, 상기 독성 처리 단계에서는 화학 작용제를 중화 또는 가수분해하여 생성된 MPA, TDG 등의 1차 분해물질을 가성소다 용액으로 추가 처리하는 공정을 포함할 수 있다. 또, 상기 독성 제거 단계는 화학 작용제를 분해율이 99.99%에 이를 때까지 가수분해 또는 중화반응이 진행되도록 하고, 상기 산화 단계는 상기 분해물질의 폐기효율이 총기유기탄소 또는 처리물질 기준으로 99.99%에 이를 때까지 산화가 진행되도록 한다.

상기한 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 화학 작용제에 대한 2단계 처리를 통하여 화학 작용제를 인체에 무해한 물질로 변환시켜 처리하게 된다.

상기 가수분해 반응기(10)에 처리대상물질인 화학 작용제의 종류에 따라 물이나 가성소다 용액을 채우고, 화학 작용제를 서서히 주입하면서 교반한다. 일정 온도에서 일정 시간 동안 화학 작용제를 가수분해 또는 중화하고, 그 분해물질을 안정화시킨 다음 화학 작용제의 농도를 분석하여 가수분해 효율이 99.99% 이상에 도달할 때까지 분해하며, 그렇지 않으면 분해물질을 가수분해 반응기(10)로 보내 재처리한다. 한편, 가수분해 효율이 99.99% 이상을 만족하면 생성된 분해물질을 분해물질 저장조(12V)에 이송하여 초임계수 산화장치(30)에서 최종 처리한다.

화학무기 금지기구에 신고된 화학 작용제의 종류는 VX, 사린 등의 신경 작용제와 겨자 등의 수포 작용제가 총량의 약 70% 이상 차지하며, 이외에 산업용 가스 및 이원화 작용제 등이 있다. 따라서 본 발명에서는 처리될 화학 작용제의 예로서, 현재 비축량이 가장 많으며 신경 작용제의 대표 물질인 사린과, 수포 작용제의 대표 물질로서 HD를 선정하고, 이외에 이원화 작용제로서 DF 및 OPA를 선정하여 이들 물질을 완전히 폐기처리할 수 있도록 하였다.

상술한 가수분해 반응기에서 작용제의 가수분해 또는 중화과정을 살펴보면 다음과 같다.

대표적인 신경 작용제인 사린의 경우 가성소다 용액으로 중화하면 하기의 화학식 1에 기재된 화학반응을 통해 비독성의 유기염과 NaF 및 물이 생성된다.

또, 수포 작용제인 겨자(HD)의 경우 물로 가수분해하면 하기의 화학식 2와 같이 TDG(화학식:(OHCH₂CH₂)₂S) 및 HCl을 생성한다.

그리고, DF를 가수분해하면 하기의 화학식 3과 같이 반응을 일으켜 최종적으로는 MPA(화학식:CH₃P(O)(OH)₂) 및 HF로 분해된다.

이상과 같이 사린(GB), 겨자(HD) 및 DF를 물이나 가성소다 등의 염기성 물질로 가수분해 또는 중화하면 화학 작용제의 원래 독성은 거의 제거된다. 그러나, 주요 분해 생성물질인 MPA 및 TDG 역시 화학무기 금지협약(CWC)의 규제물질로 지정 되어 있으므로, 이들 물질도 다시 사용할 수 없도록 완전히 폐기해야 한다. 따라서, 가수분해 또는 중화에 의해 생성된 분해물질의 최종 처리공정이 필요하며, 본 발명에서는 분해물질을 최종적으로 초임계수 산화(Supercritical Water Oxidation; SCWO) 방법으로 처리한다.

또한, 화학 작용제를 분해하면 상기 화학식 2 및 3에서와 같이 HF 및 HCl과 같은 할로겐족 원소의 산이 생성되므로, 생성된 이들 산에 의한 역반응을 방지하고 분해를 더욱 촉진시키기 위하여, 최종적으로 가성소다 등을 주입하는 추가 처리를 함으로써 NaF와 같은 염이 포함될 수 있게 된다.

결과적으로 가수분해 또는 중화단계에서 생성된 분해물질은 화학 작용제의 유독성이 거의 제거된다. 따라서, 가수분해 또는 중화 이후의 단계에서는 보다 안전하게 작업할 수 있으며, 가수분해 및 중화에 따른 분해물질은 초임계수 산화장치(30)에서 최종 처리한다. 특히, 초임계수 산화장치(30)에서는 유독성이 제거된 분해물질을 산화함으로써, 2차 처리 과정에서 불완전 산화되거나 분해물질이 가스 또는 액상물질의 형태로 누출되더라도 이들이 인체에 치명적으로 작용하지 않게 된다. 따라서, 초임계수 산화장치(30)에서의 2차 처리 작업을 더욱 안전하게 진행할 수 있다.

상기 초임계수 산화장치(30)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서 다루고 있는 화학 작용제인 사린, DF 및 HD의 가수분해 물질에는 산 및 염이 함유되어 있어 상용의 초임계수 산화장치에서는 처리하기가 용이하지 않다. 일반적인 초임계수 산화장치에서는 반응기로는 대부분 코일형태의 반응기 를 사용하고 있고, 실제 화학 작용제를 사용하는 대신 대체물질을 이용하여 실험하고 있다. 그러나, 실제 공정에서 다루어야 하는 화학 작용제의 가수분해 물질에는 주요 분해물질인 유기물 이외에 Na 등의 알칼리금속 및 그 염이 포함되어 있으며, 가수분해 과정에서 산성물질(GB나 GD의 경우 HF, VX의 경우 황산 등)뿐만 아니라 여러 형태의 불순물이 포함된다. 그런데, 코일형 반응기의 경우 직경이 작고 유로가 굽어 있어 염 등 고상물질이 다량 발생할 경우 막힘(Plugging)을 피하기 어려운 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 본 발명에서는 직경이 2배 이상 크고 길이가 짧은 수직관형 반응기를 사용하고 상대적으로 전화율이 높은 범위의 반응조건을 설정하였다. 또한 폐기 실험대상 물질에 있어서도 작용제의 대체물질이 아닌 실제의 화학 작용제를 사용하여 가수분해 조건을 수립하고 이들 분해물질의 조성을 모사하여 초임계수 처리함으로써 실제적용이 가능한 화학 작용제의 2단계 처리공정을 수립할 수 있게 되었다.

도 2는 본 발명에 의한 초임계수 산화장치를 설명하기 위한 개념도이며, 이 장치의 주요 구성인 산화반응기(20)는 반응 온도 560℃ 및 250기압의 초임계 상태에서 처리대상물질을 산화시키게 된다. 즉, 처리대상물질인 작용제 중화액(또는 가수분해 생성물질; 분해물질)과 산화제인 산소, 보조연료인 이소프로필 알콜(IPA)을 각각 반응 온도 560℃ 및 250기압으로 가압하여 피드 믹서(37)를 통해 상기 산화반응기(20)에 주입한다. 그리고, 반응매체인 물은 400℃로 가열하고 250기압으로 가압하여, 도 3에 도시된 산화반응기(20)의 하부에 구비된 하부 커버(26)의 물 공급 공(26")을 통해 주입하여 산화반응기(20)의 상부로 흐르도록 한다. 따라서, 상기 산화반응기(20)의 상부에서 분해물질과 산화제, 보조연료 및 반응매체(물)가 혼합되며, 여기서 분해물질과 보조연료 등에 포함된 유기물이 산화되어 분해된다.

상기 산화반응기(20)를 통과하면서 형성되어 생성물질 배출공(26')을 통해 유출되는 생성물질은 냉각 열교환기(34)에서 냉각된 후, 감압 밸브(32)에 의해 상압으로 감압된다. 이후, 분리장치(33)를 통해 기상물질과 액상물질로 분리되며, 기상물질은 대기로 방출되고 액상물질은 처리수 저장조(36)에 저장하여 가수분해용 공정수 또는 산화용 공정수로 재사용하거나 외부로 배출한다. 각 부문별 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

분해물질 공급부(12)는, 화학 작용제를 가수분해 또는 중화시켜 생성한 분해물질을 공급하는 장치로서, 분해물질의 수용액을 산화반응기(20)의 앞쪽에 설치된 피드 믹서(37)로 공급하게 된다. 화학 작용제 가수분해 물질은 저장탱크(12V)에 저장한 후 입자 여과기(12)로 잔류된 고형 불순물을 제거하고, 고압펌프(12P)로 250기압까지 가압한다. 이후, 작용제 가수분해 물질 중 TDG와 MPA는 상온에서 직접 피드 믹서(37)로 보내고 OPA는 히팅 열교환기(12E)에서 400℃로 가열한 후 피드 믹서(37)로 공급한다.

산소 공급부(14)는 화학 작용제 분해물질에 함유된 유기물의 산화에 사용되는 산화제를 공급하는 장치로서, 산화제로 액체산소 또는 과산화수소를 사용하는데 액체산소의 경우 공기가열식 열교환기인 산소기화기, 즉 산소발생기(14A)로 보내 기화시킴으로써 기체산소를 생산한다. 이 기체산소를 산소 압축기(14C)에서 250기 압까지 가압한 후 유량기(미도시)로 유량을 측정하고 히팅 열교환기(14E)로 보내 가열한 후 피드 믹서(37)로 공급한다. 상기 기체산소의 가열온도는 분해물질이 OPA인 경우 400℃로 가열하고, MPA 및 TDG인 경우에는 500℃로 가열한다. 만약, 상기 산소압축기(14C)의 가동 중 과압이 발생하면 가압된 산소의 일부를 펌프(도시 생략)로 산소저장조(V)로 보내 압력을 조정한다.

보조연료 공급부(18)는 산화반응기(20)의 반응 온도를 올리기 위해 사용하는 보조연료(이소프로필알콜, IPA)를 산화반응기(20) 앞에 설치된 피드 믹서(37)로 공급하는 장치이다. 보조연료 저장조(18V)에 저장된 보조연료(IPA)를 인출하여 입자 여과기(18F)로 고형 불순물을 제거하고 고압펌프(18P)로 250기압까지 가압한 후, 히팅 열교환기(18E)를 이용하여 400℃로 가열하여 피드 믹서(37)로 공급한다.

공정수 공급부(16)는 산화반응기(20)에서의 주 반응매체인 공정수(물)를 산화반응기(20)에 공급하고 산화반응기(20)에서의 생성물질을 급랭시키기 위한 공정수(물)를 공급하는 장치이다. 공정수 저장조(16V)에 저장된 공정수를 입자 여과기(16F)로 불순물을 제거한 상태에서 고압펌프(16P)로 250기압까지 가압하고, 히팅 열교환기(16E)를 이용하여 400℃까지 가열하여 상기 산화반응기(20)의 하부로 공급한다. 따라서, 공정수는 상기 산화반응기(20)의 내부관(20)과 쉘(21)의 내벽 사이의 공간을 따라 상측으로 이동되고, 상기 산화반응기(20)의 내부관(22) 상측에서 분해물질과 보조연료 및 산화제와 혼합됨으로써 상기 분해물질에 포함된 유기물과 TDG, MPA 및 할로겐족 원소의 산과 염을 산화시켜 질소와 이산화탄소 등의 기상물질과 물을 주성분으로 하는 액상물질로 분해하게 된다.

한편, 560℃, 250기압으로 운전되는 산화반응기(20)에서 OPA, TDG 및 MPA는 하기의 화학식 4에 기재된 화학반응을 통해 산화된다.

여기서 이원화작용제인 OPA는 이소프로필 알콜(Isopropylalcohol) 71.7wt%와 이소프로필 아민(Isopropylamine) 28.3wt%의 혼합물이므로, OPA 중의 이소프로필 알콜{OPA(알콜)}과 이소프로필 아민{OPA(아민)}이 다른 형태의 산화반응을 하게 됨을 알 수 있다.

또, 보조연료인 IPA도 다음과 같은 산화반응을 일으킴으로써 상기 산화반응기(20) 내에서의 반응 온도를 상승시키는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 산화반응기(20)에서 형성된 생성물질은 배출물 믹서(38)에서 상기 공정수 공급부(16)로부터 공급된 공정수와 혼합되어 250℃로 급랭된 후, 냉각 열교환기(34)에 의해 상온으로 냉각된다. 이후, 감압장치(32)를 통과하면서 상압, 즉 대기압으로 감압되며, 분리장치(33)에 의해 질소, 산소, 이산화탄소 등의 기상물질과 물을 주성분으로 하는 액상물질로 분리된다. 분리된 기상물질은 대기로 방출되며, 액상물질은 그대로 배출되거나 처리수 저장조(36)에 저장된 후 가수분해 공정 또는 초임계수 산화장치에서 사용되는 공정수로 재사용된다. 여기서, 상기 초임계수 산화장치(30)는 상기 산화반응기(20)에 유입되는 여러 가지 유기물의 파괴효율(DE; Destruction Efficiency)이 99.99% 이상이 되도록 운영한다.

그리고, 상기 초임계수 산화장치(30)에서 배출되는 기상물질은 CO₂(이산화탄소), N₂(질소), O₂(산소) 및 수증기 등 완전히 무해한 가스이지만, 미량의 유해가스 발생을 대비하여 기상물질의 배출단(도시 생략)에 추가로 가스용 입자 여과기와 같은 간단한 배기가스 처리장치(도시 생략)를 설치할 수도 있다. 그러나, 이 배기가스 처리장치는 유기물의 불완전 산화에 대비하기 위한 안전장치이며, 필수적으로 설치해야 하는 것은 아니다.

또, 상기 초임계수 산화장치(30)에서 배출되는 액상물질은 물을 주성분으로 하고 있으므로, 처리수 저장조(36)에 저장한 다음 가수분해 반응기(10)로 순환시켜 화학 작용제의 가수분해용 공정수로 재사용하거나 초임계수 산화장치(30)의 공정수 또는 일반용수로도 사용이 가능하다. 이러한 점은 공급되는 물의 양이 부족하거나 물의 조달이 어려운 산간지역 및 군부대나 밀폐지역 등의 특정지역에서 매우 유리하게 작용한다.

한편, 상기 초임계수 산화장치(30) 중 산화장치 본체(31)에서의 산화 공정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 초임계수 산화장치 본체(31)는, 고온 고압의 공정수와 산소를 이용하여 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질을 완전히 산화시키는 산화반응기(20)가 내부에 설치되고 그 주위에 히터(도시 생략)가 구비된 장치이며, 상기 산화반응기(20)의 입구측에 설치되어 상기 분해물질 공급부(12)에서 공급되는 분해물질과 상기 산소 공급부(14)에서 공급되는 산소를 혼합하여 상기 산화반응기(20)로 공급하는 피드 믹서(37)와, 상기 산화반응기(20)의 출구 측에 설치되어 공정수 또는 가성소다 용액을 이용하여 상기 생성물질을 냉각 및 중화시키는 배출물 믹서(38)를 더 포함한다.

상기 산화반응기(20)에는 수직한 방향으로 반응 챔버가 형성되는데, 상기 산화반응기(20)의 내부관(22)이 반응 챔버로 작용한다. 상기 반응 챔버로는 분해물질 공급부(12)로부터 공급되는 화학 작용제의 가수분해 또는 중화에 따라 생성된 분해물질과, 산소 공급부(14)로부터 공급된 산화제, 공정수 등이 각각의 유입라인을 통해 유입되어 분해 및 산화 반응이 일어나게 된다.

각각의 유입과정을 구체적으로 살펴보면 1단계의 가수분해 공정에서 완전히 분해된 화학 작용제의 분해물질(분해율 99.99% 이상)이 분해물질 저장조(36)에 일시 저장된 상태에서 고압 펌프(12P)에 의해 산화제와 보조연료 등과 함께 피드 믹서(37)에서 혼합된 후 인젝터(도시 생략)에 의해 상기 산화반응기(20)의 내부로 유입된다. 이때, 화학 작용제에 따라 결정된 상기 분해물질을 예열 또는 예열없이 상기 산화반응기(20)의 상부 측에 투입하게 된다. 물론, 상기 피드 믹서(37)에서 혼합하지 않고 상기 산화반응기(20)의 상부 측에서 분해물질과 산화제, 공정수가 모두 혼합되도록 할 수도 있다.

한편, 상기 산화반응기(20)는 화학 작용제의 1단계 처리물질(분해물질) 또는 산화반응기(20)로 유입된 여라 가지 유입물질을 산화시키기 위한 것으로, 374℃ 이상의 고온과 220기압 이상의 고압으로 형성된 초임계 상태에서 혼합물질을 산화 처리하게 된다. 이때, 반응을 원활하게 하기 위하여 그 주위에 히터(도시 생략)를 설치할 수도 있다.

상기 인젝터는 분해물질을 포함한 유입물질 들을 상기 산화반응기(20)의 상단으로 유입시키기 위한 것으로, 초임계수 산화에 필요한 유입물질 들이 통과할 수 있도록 2중 3중의 구멍이 형성된 구조로 되어 있다. 물론, 각 유입물질들을 상기 산화반응기(20) 내부에 독립적으로 공급할 수 있도록 산소 인젝터(24)와 분해물질 인젝터(25)를 별도의 구성으로 할 수도 있다. 한편, 상기 산화반응기(20)로 유입된 분해물질의 발열량이 낮은 경우에는 상기 인젝터 중 한 라인을 이용하여 보조연료 공급부(16)로부터 공급된 IPA 등의 보조연료를 분사할 수 있도록 한다.

또, 상기 산화반응기(20)의 하부에 구비된 배출물 믹서(38)는, 상기 산화반응기(20)로부터 배출되는 생성물질을 재처리하는 역할을 한다. 즉, 상기 배출물 믹서(38)의 내부로 가성소다 용액 또는 공정수를 순환시켜 산성의 생성물질을 중화함은 물론 생성물질의 온도를 250℃ 정도로 급랭시키게 된다. 이후, 상기 생성물질이 냉각 열교환기(34)와 감압장치(32)를 거치면서 상온 및 상압으로 변화되고, 분리장치(33)에 의해 기상물질과 액상물질로 분리되어 배출된다.

이와 같이 상기 초임계수 산화장치(20)에 의하여 OPA, 사린(GB), DF 등의 가수분해 물질인 MPA와 겨자(HD)의 가수분해 물질인 TDG가 처리된다. 한편, 상기 배 출물질 공급부(12), 보조연료 공급부(16), 공정수 공급부(18) 등에 각각 설치된 입자 여과기(12F)(16F)(18F)는 상기 산화반응기(20)의 유입물질에 포함된 고상입자를 제거하고, 냉각 열교환기(34)의 상류 측에 설치된 입자 여과기(35)는 상기 산화반응기(20)에서의 산화 반응에 따라 발생할 수 있는 생성물질의 고상입자를 제거한다.

냉각 열교환기(34)는 상기 산화반응기(20)에서 배출된 생성물질의 냉각에 사용되는 것으로, 가스를 냉각시킴과 동시에 물을 흡착하는 장치이다. 그리고, 내부에 냉각수가 공급되는 복수의 파이프가 구비되어 있으므로 냉각수에 의해 생성물질이 냉각되어 생성물질의 온도가 급격히 하강하여 상온으로 변화된다. 이와 같이 상온으로 변화된 생성물질은 아직 압력이 초임계 상태에 있으므로 감압장치(32)를 통과시켜 상압으로 감압함으로써 정상상태의 생성물질이 되도록 한다. 그 후, 분리장치(33)에 의해 상기 생성물질이 기상물질과 액상물질로 분리되어 기상물질은 대기중으로 배출되고 액상물질은 그대로 배출되거나 처리수 저장조(36)에 일시 저장된 후 가수분해 반응기(10) 또는 공정수 공급부(16)로 공급될 수 있다.

다음은 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 대하 구체적인 실험 예를 설명한다.

실험은 가수분해 반응기(10)에 화학 작용제의 종류에 따라 물이나 가성소다 용액을 채우고 사린, 겨자, DF와 같은 화학 작용제를 서서히 주입하면서 교반하여 가수분해 또는 중화한다. 일정 온도에서 일정 시간 동안 가수분해 또는 중화한 후, 분해물질을 안정화시킨 다음 화학 작용제의 농도를 분석한다. 이때, 가수분해 효율이 99.99% 이상에 도달하면 분해물질을 초임계수 산화장치(30)의 분해물질 저장조(12V)에 이송하여 초임계수 산화반응을 통해 최종 처리한다.

<실험 예 1> 사린(GB)의 가수분해 및 중화

신경 작용제의 대표물질인 사린(O-Isopropyl Methylphosphonofluoridate, GB)을 무해한 물질로 전환하기 위하여, 가성소다 용액으로 가수분해 및 중화하였다. 실험은 재킷이 부착된 소형 반응기에 서큘레이터(Circulator)를 연결하고 2.05 당량의 가성소다 수용액에 10 wt%의 사린을 주입한 후 각각 온도를 변화시켜(50℃, 70℃ 및 90℃) 반응속도 상수를 구하였다. 가수분해 및 중화시 가성소다의 량이 증가하면 NaF가 증가할 뿐만 아니라 염의 발생량이 증가하므로 이를 최소화하기 위하여 가성소다는 가수분해 및 중화에 필요한 최소량을 사용하였다.

가성소다 수용액에서 사린을 가수분해 및 중화한 결과, 표 1과 같이 온도 증가시 분해가 촉진되고, 90℃에서 60분 이상 가수분해 및 중화할 경우 99.99% 이상 분해됨을 알 수 있게 되었다.

하기의 표 1은 온도 및 반응시간에 따른 사린의 가수분해 및 중화 실험의 결과(분해율: %)를 나타낸다.

상기한 실험 결과를 1차 속도식을 적용하여 속도상수를 구하고, 속도상수의 온도에 대한 의존성을 아레니우스(Arrhenius)식에 대입하여 각 온도별로 사린의 가수분해 효율을 99% 이상 달성하는데 소요되는 반응 소요시간을 예측한 결과, 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

한편, 실제 공정에서는 사린을 최단 시간(12시간) 내에 폐기하는 것이 바람직하므로, 하기의 표 2를 참조하면 사린이 99.99% 이상 분해되는 반응조건은 80℃에서 2시간 이상 또는 90℃에서 1.2시간 이상 반응하는 것이 된다.

하기의 표 2는 반응 온도별 사린의 가수분해효율(99.99 % 이상)을 달성하기 위한 반응예측 시간을 나타낸다.

상기 실험에서 사린의 가수분해 및 중화에 따른 분해물질은 가스크로마토그래피-질량분석기(GC-MSD) 및 액체 크로마토그래피(LCQ(IT))로 분석한 결과, 이소프로필메틸 포스포네이트(Isopropylmethyl Phosphonate; iMPA)이었다.

<실험 예 2> 겨자(HD)의 가수분해

수포 작용제의 대표 물질인 겨자(황머스타드; sulfur mustard, HD, bis 2-chloroethylsulfide)를 물로 가수분해하였다. 겨자(HD)는 고온(80∼90℃)의 물에서 빠르게 분해되므로, 반응 온도를 90℃로 고정하고 반응시간, 겨자(HD) 농도 및 가수분해 후 가성소다의 첨가 영향을 고려하여 겨자(HD)의 폐기조건을 설정하였다.

실험은 실험 예 1에서와 동일한 소형 반응기에서 90℃의 물에 겨자(HD) 10∼20wt%를 주입하여 1.5시간 이상 반응시킨 후, 상온에서 가성소다 수용액 2.01 당량으로 30분간 추가 반응시킨 결과, 겨자(HD)의 분해율은 99.99%로 나타났다.

여기서 상기 겨자(HD)의 가수분해 분해물질을 가스크로마토그래피-질량분석기(GC/MSD)로 정량 분석한 결과, TDG(Thiodiglycol) 68wt%, 1,2-Bis(2-hydroxyethylthio)ethane 8wt% 및 Bis-(2-hydroxyethylthioethyl)ether 24wt% 등으로 나타났다.

다음의 표 3은 온도 90℃에서 농도에 따른 겨자(HD)의 가수분해 효율(%)을 나타낸다.

한편, 농도에 따른 가수분해 영향을 판단하기 위하여 겨자(HD) 농도를 변화(10, 15 및 20wt%)시키면서 실험한 결과, 1시간 후 표 3과 같이 약 99.9%까지 분해됨을 알 수 있다. 그러나, 반응시간을 2시간 이상으로 증가시켜도 분해효율은 그다지 증가하지 않았다.

또한, 가수분해 중 생성되는 염산(HCl)을 중화함으로써 역반응에 의하여 겨자가 재생성되는 것을 방지하기 위하여, 반응 후 상온에서 가성소다 수용액을 초기 겨자(HD)량의 2.1 당량 주입하고 시간에 따른 반응결과를 분석한 결과, 1시간 이내에 모든 농도범위 내에서 분해율 99.99%를 달성하였다.

<실험 예 3> DF의 가수분해

이원화 작용제인 DF(Methylphosphonicdifluoride)를 물과 1: 1.5의 비율로 70∼90℃에서 2시간 이상 가수분해한 후, 이온 크로마토그래피(I.C.)로 분석한 결과, 물 45%, MPA(Methylphosphonic Acid) 39% 및 HF 16%가 생성되었으며, DF는 검출되지 않았다.

DF의 가수분해 분해물질에는 강산인 HF가 다량 함유되어 있으므로 이를 그대로 최종 처리하는 경우 후처리 장치를 부식시킬 수 있으므로, HF를 최대로 제거하는 한편, 유기물인 MPA를 최대한 물에 용해(최대 용해도: 32.3wt%)시켜 처리하는 것이 경제적으로 판단되었다. 또, HF를 분리하기 위하여 물과 HF의 공비점을 이용하여 반복 증류한 결과, 최종 처리물질의 조성을 MPA 32% 내외, HF 1% 내외 및 물로 구성되도록 할 수 있었다.

상기한 화학 작용제의 가수분해에 따라 생성된 분해물질 및 이원화 작용제인 OPA를 초임계수 산화장치를 이용하여 산화시키는 실험을 수행하였으며, 그 실험 결과는 다음과 같다.

<실험 예 4> OPA의 초임계수 산화

이원화 작용제인 OPA를 초임계수 산화장치에서 산화하였다. OPA와 산화제는 외경 1/8" SUS 316 관을 사용하고 각각 0.5 및 6 m 길이의 예열기를 통과시킨 후, 산화반응기(20) 입구에 설치된 피드 믹서(37)에서 혼합하여 산화반응기(20)로 유입하였다. 산화반응기(20)는 외경 18mm, 내경 9.5mm 및 길이 280mm의 것을 사용하였으며, SUS 304 재질로 제작한 것을 사용하였다. 또, 산화반응기(20)의 출구로 나오는 생성물질은 이중관 형식의 냉각 열교환기(35)에서 급속 냉각한 후, 감압장치(32)를 통해 감압하고, 분리장치(33)를 이용하여 기상물질과 액상물질로 분리한 후, 액체시료를 실린더에 포집하였다. 기체시료는 열전도검출기(TCD)가 장착된 가스크로마토그라피(GC)에서 온라인으로 분석하였다.

실험조건은 하기의 표 4와 같으며 산화제는 과산화수소와 산소를 각각 사용하여 효율을 비교하였다.

과산화수소를 이용하여 반응기에서의 초기 농도 2.11×10^-3~1.43×10^-1몰, 공급탱크에서 956~70,190ppm까지 변화시켜 실험한 결과, 온도 557℃, 체류시간 11초 이하에서 총유기탄소(TOC) 기준 99.97 %가 분해되었다.

그리고, 산소를 사용한 경우, OPA 제거효율은 84.26~99.39%이었으며, 적절한 과잉 산소(50~150%) 조건에서 높은 온도와 체류시간을 길게 하면, 일산화탄소(CO) 생성이 최소화되는 동시에 OPA 제거 효율이 더 높게 나타났다. 또, 200% 과잉 산소조건에서는 OPA가 완전 분해되었다. 한편, 분해율은 산화제로서 과산화수소를 사용한 경우가 산소를 사용하는 경우보다 더 높았다.

<실험 예 5> TDG(Thiodiglycol)의 분해

초임계수 조건에서 산소 공급의 유무에 따른 TDG의 분해효율을 측정하기 위하여 가수분해와 산화실험을 하기의 표 5와 같이 각각 실시하였다. 산화반응기는 외경 31.7mm, 내경 10mm, 길이 0.3m의 것을 사용하였으며, Hastelloy C-276으로 제작하였다.

산화제는 550℃ 이상으로 예열하였으며, 예열로 인한 열분해 가능성을 배제하기 위하여 TDG 용액은 예열하지 않고 예열된 산화제와 혼합하였다. TDG와 산화제는 Hastelloy C-276으로 제작된 크로스(Cross)형 이음관에 반대 방향으로 유입시켜 혼합하고, 이음관 위쪽에 K-형 열전대를 설치하여 혼합유체가 산화반응기에 유입되기 직전의 온도를 측정하였다.

1) 산화제를 전혀 사용하지 않고 탈 이온수를 공급하여 실험한 결과, TDG는 가수분해 중 생성되는 황화수소(H₂S)에 기인하여 강한 악취가 발생하였으며, 가스 분석 결과 일산화탄소(CO), 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 에틸렌(C₂H₄), 에탄(C₂H₆) 등이 검출되었다. 액상 시료는 이온 크로마토그래피(I.C.)로 분석한 결과 황산이 검출되었으나 농도는 대부분 1% 이하의 낮은 농도였으며, 황 성분은 황산으로 잘 전환되지 않았다.

2) 상기 1)과 동일한 장치를 사용하여 표 5의 조건에서 초임계수 산화 실험을 하였다. 온도와 체류시간에 따른 전화율을 파악하기 위하여 반응 온도를 변화(400~500℃)시켜 초기농도 2.39mmol, 과잉산소량 188%의 조건에서 실험한 결과, 온도와 체류시간 증가에 따라 전화율이 증가하였으며 모든 경우 90% 이상이었다.

<실험 예 6> MPA(Methylphosphonic Acid)의 초임계수 산화

MPA를 초임계수에서 산화하기 위하여 하기의 표 6에 기재된 조건에서와 같이, 압력을 25MPa로 고정하고 온도, 체류시간, MPA 농도 및 산소 농도를 변화시키면서, 산화제로서의 산소를 필요 산소 요구량의 0~280%까지 사용하여 초임계수 산화 반응을 수행하였다.

실험은 연속 흐름 반응장치로서 액상물질의 유로 및 예열기는 모두 SUS 316 재질로 제작하였다. 산화제인 과산화수소(H₂O₂)와 물은 별도의 펌프와 예열기를 통해 산화반응기(20)로 유입시키고, 물은 도 3과 같이 이중벽으로 제작된 산화반응기(20)의 하단에서 유입되어 내부관(22)의 상단으로 이동하고, 산화제(H₂O₂)는 내부관(22)의 상단 부분으로 유입되어 내부관(22)에서 물과 혼합된다. MPA는 열분해를 방지하기 위해 가열하지 않고 산화 반응기(20)에 주입하였다. 한편, 상기 산화반응기(20)의 출구에서 나오는 생성물질은 냉각 열교환기(34)에서 급속 냉각하였으며, 반응 중 생성된 입자를 제거하기 위해 직경 0.5㎛의 입자 여과기(35)를 사용하고, 감압 후 기상물질과 액상물질을 분리하여 기체는 가스 크로마토그래피(GC)로, 액체는 TOC를 측정하고 이온 크로마토그래피(I.C.)로 반응 후 남아있는 MPA를 분석하였다.

산화반응기(20)의 외부, 즉 쉘(21)은 벽두께 19mm, 내경 38mm, 외경 76mm 및 높이 380mm의 크기를 갖는 수직 원통형으로 제작하였으며, Hastelloy-C 276 재질을 사용하였다. 내부관(22)은 3/8" SUS 316 관을 사용하였으며 MPA는 가장 내부에 위치하는 1/16" 관을, 산화제((H₂O₂)는 MPA 관을 감싸고 있는 1/8" 관을 통해 내부관(22)으로 유입시켜 실험하였다. 그 결과, 최대 전화율은 TOC 기준 99.3715%, MPA기준 99.9988%로 나타났다. 여기서 MPA 전화율이 99.99% 이상인 실험조건을 분석하면, 총유량이 10.55g/분이고, 공급비율은 MPA: 산화제(H₂O₂): 물 = 1.08: 2.85: 6.62으로 하였으며, 체류시간은 온도에 따라 각각 4.77초(627℃) 및 5.28초(573℃) 및 과잉 산화제를 25% 이상 사용하는 경우였다.

따라서, 위 실험 조건을 참조하여 MPA의 초기 부하에 따라 99.99% 이상의 폐기율을 얻을 수 있는 반응 온도를 예측한 결과 MPA 농도가 각각 1wt%에서는 627℃ 이상, 10 wt%에서는 573℃ 이상임을 알 수 있었다.

<실험 예 7> 벤치 규모의 이중벽 반응기를 이용한 초임계수 산화반응

한편, 위 실험 예 5 및 6에서 TDG와 MPA의 산화 실험을 한 결과, 이들의 반응성이 크기 때문에 산화반응기(20)의 부식이 심각하게 나타났다. 따라서, 이중벽을 가지는 벤치규모의 산화반응기(20)를 연속 흐름식으로 제작하여 3종의 처리대상 물질에 대하여 실험하였다.

산화반응기(20)는 동심의 이중벽으로 구성된 수직형 반응기로서 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 즉 산화반응기의 쉘(21)(내경 52 mm, 외경 102 mm, 부피 약 1.3L)을 Hastelloy C-276 재질을 사용하여 제작하고, 상기 쉘(21)의 내부에 티타늄 등으로 제조한 내부관(22)(내경 22 mm, 외경 25.4 mm, 길이 590 mm)을 삽입하여 상기 내부관(22)의 내부에서 산화반응이 일어나도록 하였다. 이때, 상기 내부관(22)의 내부 및 외부 흐름은 모두 동일 압력으로 유지시키고, 내부관(22)의 입구와 중간부 2곳 및 내부관(22)의 상단 등의 4곳에 열전대를 설치하여 산화반응기(20)의 온도분포를 측정하였다.

분해물질은 공정수와 혼합하기 전, 산화반응기(20)의 입구에서 가압된 산화제를 550℃ 이상으로 가열하였으며, 분해물질은 예열로 인한 열분해 가능성을 배제하기 위해 예열하지 않고 가열된 산화제와 혼합하였다.

상기 산화반응기(20) 하단으로 유입되는 공정수는 25MPa, 400℃의 초임계 조건에서 산화반응기(20)의 내부공간으로 도입되며, 산화반응기(20)는 외부를 둘러싸고 있는 2개의 히터는 산화반응기(20)를 가열하였다. 분해물질과 산화제는 산화반응기(20) 상단에서 내부관(22) 안쪽으로 유입되는 한편, 공정수는 산화반응기(20) 하단에서 유입되어 상단으로 흐르게 된다. 상기 산화반응기(20)의 상단에서 공정수의 유동 방향이 역전되어 내부관(22)으로 유입되는 분해물질과 산화제가 혼합되어 순간적으로 산화되며, 분해물질의 산화로 생성된 생성물질이 산화반응기(20)의 하부로 배출된다.

이 산화 실험은 압력 25MPa에서 온도범위 500~660℃, 체류시간 11~15초로 하여 실시하였다. 실험결과 OPA의 전화율은 모든 경우에 있어서 TOC 기준 99.7% 이상이었으며, 99.99%까지도 가능하였고, 산화반응기(20) 출구에서 TOC는 모두 3ppm 이하로 나타났다. 실험 후 내부관(22)을 관찰한 결과 고온 및 고농도의 가혹한 산화 조건에서도 부식 등의 영향이 거의 없었다. 부식에 대한 내부관(22)의 보호 역할 여부를 확인하기 위하여 부식성이 더 강한 TDG용액으로 산화 실험을 한 결과 전화율은 99.99% 이상이었으며 일산화탄소(CO), 이산화황(H₂S) 및 메탄(CH₄)은 측정되지 않았고, 배출물 중 이산화황(H₂S)은 모두 황산(H₂SO₄)으로 회수되었다.

또, 분해물질 중 부식성이 가장 강할 것으로 예측되는 MPA의 경우에도 전화율은 99.99%이상이었으며 일산화탄소(CO), 오산화인(P₂O₅) 및 메탄(CH₄)은 측정되지 않고 배출물 중 오산화인(P₂O₅)은 모두 인산(mP₂O₅ㆍnH₂O)으로 회수되었다.

그리고, 내부관(22)의 부식상태를 매 100시간 실험 후, 산화반응기(20)를 해체하여 확인하였으나, 손상이나 크랙(Crack), 핀 홀(Pin Hole)이 발생하지 않았으며 침적물은 없었다. 결과적으로 내부관(22)은 부식에 잘 견디었으며 300시간 이상 사용해도 큰 이상이 발견되지 않았다.

<실험 예 8> : 산 및 염이 함유된 TDG의 산화반응

상기한 실험 예 7에서 사용되는 벤치 규모의 이중벽 반응기에서 TDG 용액에 함유되어 있는 산이나 염이 초임계수 산화시 미치는 영향을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 즉, 실험 예 7과 동일한 장치 및 조건에서 TDG 용액에 염산(HCl) 1%를 첨가하여 실험한 결과, TOC 전화율 및 장치의 부식 등에 미치는 영향은 찾을 수 없었다.

따라서, 화학 작용제의 종류에 따라 달라지는 분해물질에 관계없이 초임계 산화반응을 통해 인체에 무해한 가스 및 액체물질로 변환시키게 되며, 화학 작용제의 종류에 관계없이 2단계 처리를 통해 화학 작용제를 폐기처리하는 것이 가능하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 신경 작용제나 수포 작용제와 같은 화학 작용제를 안전하게 처리하기 위하여, 1단계로 화학 작용제의 종류에 따라 가수분해 또는 중화 처리하여 화학 작용제의 독성을 완전히 제거한 분해물질을 생성하고, 2단계로 초임계수 산화장치에서 분해물질을 최종 처리하여 인체에 무해한 기상물질과 액상물질로 변환시킴으로써, 기존의 소각방법을 대체하여 보다 안전하고 완전하게 화학 작용제를 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 가수분해 등을 통해 독성을 제거한 화학 작용제의 분해물질을 초임계 상태에서 산화시킴으로써, 기존 소각방법으로 처리할 때보다 대기 및 폐수에 의한 환경오염을 최소화하며 안전하게 작업할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 화학 작용제 가수분해 반응기에서 가수분해 또는 중화하고, 이때 발생하는 강산이나 염이 함유된 난분해성 물질을 초임계수 산화장치에서 산화시켜 완전 무해한 물질로 처리할 수 있어 화학 작용제의 가수분해 물질 등을 안전하고 경제적으로 처리할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 초임계수 산화공정에서 최종 처리된 물은 전혀 외부로 방류하지 않고 가수분해 공정이나 초임계수 산화용 공정수로 재이용함으로써, 기존 방법에서 발생하는 폐수에 의한 환경오염을 근원적으로 방지할 수 있으며, 군부대나 산간지역 및 공정수의 공급이 부족한 지역에 매우 유리한 효과가 있다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, TDG 및 MPA와 같이 반응성이 크거나 산이 함유되어 있는 분해물질을 초임계수 산화장치에서 처리할 때 발생하는 장치 부식의 발생을 최소화하기 위하여, 동심원의 이중벽을 가지는 수직 원통형 산화반응기를 제작하고 산화반응기 내부에는 가격이 싼 상용의 티타늄 관으로 제조한 내부관을 삽입하여 산화반응이 내부관 내에서 일어나게 함으로써, 부식으로 인한 장치의 오작동을 방지하고 분해물질의 처리 과정에서의 불순물 발생 및 불완전 산화와 같은 문제의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 산화반응기를 일정시간 사용하여 내부관에 부식이 발생되면 이를 새로운 관으로 교체함으로써, 가격이 비싼 외부 반응기를 보호하여 지속적으로 사용할 수 있는 효과가 있다. 이 경우 내부관은 소모성의 교체형 반응기 역할을 하게 된다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 산화반응기의 내부관에서 산화반응이 일어나도록 함으로써, 부식으로 인한 피해를 내부관으로 제한하는 동시에 압력차로 인한 응력을 견딜 수 있도록 두껍게 제작되는 외부 반응기의 부식을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치 및 방법에 따르면, 부식이 발생할 수 있는 내부관의 재질을 저 비용의 스텐레스강이나 인코넬(Inconel) 또는 티타늄 재질의 상용 도관을 그대로 사용함으로써, 시간과 비용을 절약할 수 있으며 실험과 같이 부식이 심하고 염의 침적으로 인하여 상용의 산화 반응기를 사용하기 곤란한 경우 매우 유효한 효과가 있다.

Claims (25)

1. 화학 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하여 화학 작용제의 독성을 제거한 분해물질을 생성하는 가수분해 반응기(10)와;

   상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질에 공정수와 산소를 공급하여 초임계 산화시키는 초임계수 산화장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초임계수 산화장치(30)는, 공정수와 산소를 이용하여 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질을 완전히 산화시키는 산화반응기(20)와, 상기 산화반응기(20)가 내부에 설치되고 히터가 구비된 산화장치 본체(31)와, 상기 산화반응기(20)에 의해 초임계수 상태에서 분해물질이 산화되어 형성된 생성물질의 압력을 상압으로 감압시키는 감압장치(32)와, 상기 생성물질을 기상물질과 액상물질로 분리하는 분리장치(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 초임계수 산화장치(30)는, 상기 감압장치(32)의 상류 측에 설치되어 상기 산화반응기(20)에서 형성된 생성물질을 냉각시키는 냉각 열교환기(34)와, 상기 냉각 열교환기(34)의 전방 측에 설치되어 상기 생성물질에 포함된 입자물질을 제거하는 입자 여과기(35)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 입자 여과기(35)에 의해 입자물질이 제거된 액상물질은 상기 분리장치(33)를 거쳐 그대로 배출되거나 처리수 저장조(36)에 저장된 후 공정수로 재활용되는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 초임계수 산화장치(30)의 산화반응기(20)로 상기 가수분해 반응기(10)에서 생성된 분해물질을 제공하는 분해물질 공급부(12)와; 상기 산화반응기(20)로 산소를 제공하는 산소 공급부(14)와; 상기 산화반응기(20)의 하부로 주 반응매체인 공정수를 공급하고, 상기 생성물질의 냉각을 위하여 상기 산화반응기(20)의 출구 측으로 공정수를 제공하는 공정수 공급부(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 산화장치 본체(31)는, 상기 산화반응기(20)의 입구측에 설치되어 상기 분해물질 공급부(12)에서 공급되는 분해물질과 상기 산소 공급부(14)에서 공급되는 산소를 혼합하여 상기 산화반응기(20)로 공급하는 피드 믹서(37)와, 상기 산화반응기(20)의 출구 측에 설치되어 공정수 또는 가성소다 용액을 이용하여 상기 생성물질을 냉각 및 중화시키는 배출물 믹서(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
7. 제6항에 있어서.

   상기 산화반응기(20)로 IPA(Isopropyl Alcohol; 이소프로필 알콜)로 이루어진 보조연료를 공급하는 보조연료 공급부(18)를 더 포함하고, 상기 피드 믹서(37)는 상기 보조연료 공급부(18)에서 공급되는 보조연료도 함께 혼합하여 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 분해물질 공급부(12)와 공정수 공급부(16) 및 보조연료 공급부(18)는, 해당 물질이 저장되는 저장조(12V)(16V)(18V)와, 저장조(12V)(16V)(18V)에서 나온 유체의 입자물질을 제거하는 입자 여과기(12F)(16F)(18F)와, 여과된 유체를 압송하는 고압펌프(12P)(16P)(18P) 및 유체를 가열하는 히팅 열교환기(12E)(16E)(18E)를 각각 구비한 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
9. 제5항에 있어서,

   상기 산소 공급부(14)는, 산소발생기(14A)에서 생산된 산소를 저장하는 산소저장조(14V)와, 상기 산소저장조(14V)에서 나온 산소를 압축하는 산소압축기(14C)와, 산소압축기(14C)에서 나온 산소를 가열하는 히팅 열교환기(14E)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
10. 제2항에 있어서,

    상기 산화반응기(20)는, 상하로 관통하는 관통공(21')이 형성되는 원통 형상의 쉘(21)과, 상기 쉘(21)의 관통공(21') 내부에 위치되고 상기 분해물질을 포함한 유입물질의 산화반응이 이루어지며 상기 쉘(21)에 비해 낮은 높이로 형성된 내부관(22)과, 상기 쉘(21)의 상부에 결합되어 상기 관통공(21')의 상단을 차단하는 상부 커버(23)와, 상기 상부 커버(23)를 관통하여 설치되고 상기 내부관(22) 안쪽으로 산소를 공급하는 산소 인젝터(24)와, 상기 산소 인젝터(24)의 내측에 위치되고 상기 산소 인젝터(24)에 비해 돌출되는 분해물질 인젝터(25)와, 상기 쉘(21)의 하부에 결합되어 상기 관통공(21')의 하단을 차단하며 상기 내부관(22)에 연통되는 생성물질 배출공(26') 및 상기 내부관(22)과 관통공(21') 내주면과 상기 내부관(22) 외주면 사이로 물을 공급하는 물 공급공(26")이 형성된 하부 커버(26)와, 상기 내부관(22)의 하단부에 결합되어 상기 생성물질 배출공(26')을 개폐시키는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 쉘(21)은 하스텔로이(Hastelloy) C-276 재질로 형성되고, 상기 내부관(22)은 티타늄 Grade Ⅱ 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 화학 작용제는, 신경 작용제, 신경 작용제 전구물질 및 수포 작용제 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 신경 작용제는 사린(GB ; O-Isopropyl Methylphosphonofluoridate) 또는 VX이고,

    상기 신경 작용제 전구물질은 DF(Methylphosphonicdifluoride) 또는 OPA의 이원화 작용제이며,

    상기 수포 작용제는 겨자(HD)인 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
14. 제12항에 있어서,

    상기 화학 작용제의 분해물질은, MPA(Methylphosphonic Acid 또는 TDG(Thiodiglycol) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
15. 제12항에 있어서,

    상기 화학 작용제의 분해물질은, 할로겐족 원소의 산 및 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 장치.
16. 화학 작용제와 함께 물 또는 가성소다 용액을 공급하여 화학 작용제를 가수분해하거나 중화하는 독성 제거 단계와;

    상기 단계에서 생성된 분해물질을 초임계 상태의 반응기에 투입하고 공정수와 산소를 공급하여 상기 분해물질이 산화되도록 하는 산화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 산화 단계에서 형성된 생성물질을 외부 배출이 가능하도록 처리하는 후처리 단계 및 후처리가 완료된 생성물질을 기체와 액체로 분리하여 배출하는 배출 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 후처리 단계는, 상기 생성물질을 급속 냉각하는 단계와, 상기 생성물질에 포함된 입자상 물질을 여과하는 단계와, 초임계 압력을 상압으로 감압하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
19. 제16항에 있어서,

    상기 독성 처리 단계는, 화학 작용제를 중화 또는 가수분해하여 생성된 1차 분해물질을 가성소다 용액으로 추가처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 독성 제거 단계는 화학 작용제를 분해율이 99.99%에 이를 때까지 가수분해 또는 중화반응이 진행되도록 하고,

    상기 산화 단계는 상기 분해물질의 폐기효율이 총기유기탄소 또는 처리물질 기준으로 99.99%에 이를 때까지 산화하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
21. 제20항에 있어서,

    상기 반응기의 내부 반응 압력은 220기압 이상 300기압 이하이고, 내부 반응 온도는 374℃ 이상 660℃ 이하인 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
22. 제20항에 있어서,

    상기 산소는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압한 후, 분해물질의 종류 에 따라 400℃ ~ 500℃ 온도로 가열하여 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
23. 제20항에 있어서,

    상기 분해물질은 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압하여 공급하며, 분해물질의 종류에 따라 상온 또는 400℃로 가열한 후 산화 단계로 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
24. 제20항에 있어서,

    상기 공정수는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압하여 공급하며, 400℃로 가열하여 산화 단계로 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.
25. 제20항에 있어서,

    상기 산화 단계에서 상기 반응기에 보조연료인 IPA를 더 공급하고,

    상기 IPA는 상기 반응기의 내부 반응 압력까지 가압한 후, 400℃ 온도로 가열하여 공급하는 것을 특징으로 하는 화학 작용제의 2단계 폐기처리 방법.

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