KR100401982B1 - 제강슬러지의고효율탈수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강슬러지의 재활용을 위한 탈수방법에 관한 것이며; 그 목적은 입도가 작은 슬러지의 탈수에 벨트식 가압탈수기를 새롭게 적용하여 종래 진공탈수기 적용에 따른 문제를 극복하고 슬러지의 함수율을 보다 낮출 수 있는 제강슬러지의 고효율 탈수방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 여포사이에 인입된 슬러지를 가압하면서 탈수하는 벨트식 가압탈수기를 이용한 탈수방법에 있어서,

제강슬러지에 100-200메쉬의 분코크스를 투입하여 혼합하는 단계;

상기 분코크스가 혼합된 제강슬러지의 pH를 7-10으로 조절하는 단계;

pH가 조절된 슬러지에 양이온계 또는 비이온계 고분자 응집제를 200-400ppm 투입하여 플럭을 형성하는 단계; 및

상기 플럭이 형성된 슬러지를 상기 벨트식 가압탈수기의 여포사이에 인입하여 탈수하는 것을 포함하여 이루어지는 제강슬러지 고효율 탈수 방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

제강슬러지의 고효율 탈수방법{THE METHOD OF PRESSING SLUDGE FROM STEEL MAKING PROCESS}

본 발명은 제철소의 제강공정에서 발생하는 슬러지의 탈수능력을 향상하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세히는, 본 발명은 슬러지를 가압하여 탈수하는 벨트식 가압탈수기(filter press)를 이용한 탈수방법에 속한다.

제강공정에서 발생하는 슬러지는 철 성분이 많이 함유되어 있어 시멘트원료와 제철부원료로 100% 재활용되고 있다. 이와 같이 제강슬러지를 재활용하기 위해서는, 제강슬러지에 함유된 수분을 탈수하여야 하며, 현재 기술수준으로 탈수된 제강슬러지의 함수율(含水率)은 약 40-45% 정도이다. 함수율이 적을수록 후공정에서 재활용하기가 용이할 뿐만 아니라, 슬러지 자체의 부피도 줄어들기 때문에 재활용을 위한 운반과 저장 비용도 절감할 수 있다. 특히, 최근들어 유가의 인상에 따라 제강슬러지 재활용업체의 슬러지 건조비용이 증가하고 있어, 관련 폐기물 재활용산업의 기반 약화가 우려되고 있는 사항을 고려할 때 제강슬러지의 함수율 감소기술이 중요하게 여겨지고 있다.

한편, 슬러지를 탈수하는 탈수기로는 진공탈수기(Vaccum Filter), 가압탈수기(Filter Press), 원심분리기(Centrifugal DeWatering)가 주로 이용되는데, 이중에서도 입도가 작은 슬러지(예를들어, 약 1㎛이하의 제철소 슬러지)의 탈수에는 진공탈수기가 이용되고 있다.

상기 진공탈수기의 탈수원리 및 개략적인 구조를 도 1를 통해 설명하면 다음과 같다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 진공탈수기(10)의 탈수원리는, 외측표면이 여포로 싸여 있는 회전식드럼(12)이 제강슬러지(1)에 침적되어 회전하면, 드럼내부가 진공으로 되어 여포에 제강슬러지(1)가 흡착되고, 이때 슬러지의 수분은 진공에 의해 여포를 통해 드럼(12)내부로 흡입(탈수)되고 흡착된 슬러지는 건조되어 케이크(cake)(16)로 되며, 이 케이크는 케이크 배출부의 드럼부분에 진공이 걸리지 않도록 하여 스크레이퍼(14)로 기계적으로 긁어서 배출된다. 도 1(b)에는 진공탈수기의 일종인 벨트형 진공탈수기(20)의 개략적인 구조를 나태내었다.

상기한 진공탈수기의 문제점은,

첫째, 탈수 구동력이 진공이므로 적절한 진공도를 유지하기 위한 동력손실이 크다는 것이다. 즉, 여포가 움직이고, 또한, 건조에 의해 슬러지에 균열이 생기면 외기가 드럼으로 흡입되어 진공도가 크게 감소되기 때문에 이를 보충하기 위해 보다 센 진공도를 유지해야 하며, 이로 인해 많은 에너지가 이 과정에서 소모되고 있다.

둘째, 진공탈수한 제강슬러지의 함수율이 약 40-45%에 이르러 재활용하기 위해서는 재탈수처리나 건조 등의 부가적인 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.

이상과 같은 단점에도 불구하고, 현재까지 슬러지의 탈수에 진공탈수기를 많이 사용하는 이유는 진공탈수기는 대용량 처리(연속처리)가 가능하고, 비교적 낮은 함수율의 슬러지 케이크를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 진공탈수기와 다른 종류인 가압탈수기는 연속처리가 불가능하여 대용량처리에 부적합하고, 탈수기의 규모가 커서 운영비가 많이드는 단점이 있어 제강슬러지의 탈수에 적용되지 않고 있다. 가압탈수기의 적용이 모색되지 않는 가장 큰 이유는, 입도가 작은 제강슬러지를 가압탈수기에 적용할 때 생기는 여포막힘현상 및 탈수저항성의 문제가 극복되지 않고 있기 때문이다.

이에 본 발명자는, 입도가 작은 슬러지의 탈수에 적용되는 진공탈수기의 문제를 극복하기 위해 가압탈수기의 이용을 모색하던중, 가압탈수기의 일종으로 연속적인 대용량의 처리가 가능한 벨트식 가압탈수기를 이용하고, 이를 위해 미립의 제강슬러지의 입도를 개량하고, 적절히 플럭(floc)화 시키면 진공탈수기의 문제를 해결함과 동시에 탈수슬러지의 함수율도 개선될 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 입도가 작은 슬러지의 탈수에 벨트식 가압탈수기를 새롭게 적용하여 종래 진공탈수기 적용에 따른 문제를 극복하고 슬러지의 함수율을 보다 낮출 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 기존의 진공탈수기로,

도 1(a)는 진공탈수기의 원리를 나타내는 개략도

도 1(b)는 진공탈수기의 일종인 벨트식 진공탈수기의 일례도

도 2는 제강슬러지의 주사전자현미경사진

도 3은 분코크스의 투입량과 제강슬러지의 함수율과의 관계를 나타내는 그래프

도 4는 pH와 제강슬러지의 함수율과의 관계를 나타내는 그래프

도 5는 본 발명의 방법에 적용되는 벨트식 가압탈수기의 일례도

도 6은 산투입량에 따른 pH의 변화를 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탈수방법은,여포사이에 인입된 슬러지를 가압하면서 탈수하는 벨트식 가압탈수기를 이용한 탈수방법에 있어서,

제강슬러지에 100-200메쉬의 분코크스를 투입하여 혼합하는 단계;

상기 분코크스가 혼합된 제강슬러지의 pH를 7-10으로 조절하는 단계;

pH가 조절된 슬러지에 양이온계 또는 비이온계 고분자 응집제를 200-400ppm을 투입하여 플럭을 형성하는 단계; 및

상기 플럭이 형성된 슬러지를 상기 벨트식 가압탈수기의 여포사이에 인입하여 탈수하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '슬러지'란 용어는 콜로이드 입자 및 미립자를 함유하는 현탁액으로 농도가 비교적 농후한 것을 의미하며, 구체적으로는 제철소 제강공정에서 발생하는 슬러지로서, 그 입자가 대부분 약 1㎛이하인 것을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 또한, '플럭(floc)'이란 용어는 슬러지의 입자와 입자가 집합하여 접착된 것을 의미한다. 또한, '벨트식 가압탈수기'는 여포사이에 인입된 슬러지를 가압하면서탈수하는 통상의 가압탈수기로서, 가압의 수단은 예를들어 벨트를 포함하나 이에 제한되지 않는다.

일반적으로 상기 슬러지에 함유된 수분의 형태는, 고형물입자에 둘러싸여 있는 간격수(Cavernous Water)와 집합밀도가 높은 고형물입자(입자의 갈라진 틈이나, 작은입자)에 둘러싸인 결합수(Bound Moisture) 그리고, 거의 기계적으로 불리할 수 없는 화학적결합수(Chemical bound Moisure) 또는 내부수(Inter Water)등으로 구분된다.

상기 간격수는 고형물질과 직접 결합하고 있지 않고 있으며, 보통 자유수(Free Water), 자유수분(Free Moisture), 계면수(Interpace Water)를 의미한다. 또한, 상기 결합수는 플록수(Floc Water), 고정수(Immoblized Moisture) 세공수(Capillary Water), 플록내부수(Interfloc/Intra-aggregate)를 의미하며, 학자에 따라 부착수(Adhesion Water), 흡착수(Adsorption Water)등으로 불리운다.

본 발명에서는 상기 슬러지에 함유된 수분중 고형물입자와 직접 결합하지 있지 않기 때문에 탈수가 보다 용이한 간격수의 탈수를 더욱 효과적으로 유도하기 위해 슬러지의 입도를 개량하고 이에 따라, 벨트식 가압탈수기 적용시 보다 큰 폭의 함수율 감소에 장애가 되는 탈수저항성과 여포막힘성의 문제가 해결되는데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

슬러지의 탈수성, 여과성은 유입폐수중의 고형물 원래의 성질과 각 처리공정(물리적, 화학적, 생물학적등)에 따라 다르다. 이때 고형물 원래의 성질 보다 처리공정의 작용이 훨씬 더 큰 영향을 미치게 되는데, 각 공정에서 탈수성의 지표로는 케이크 생성속도와 최종함수율을 사용하고, 여과성의 지표로는 비저항 계수를 사용한다.

슬러지의 여과성과 직접적으로 연관된 지표가 비저항 계수이므로 보통 여러 가지 슬러지에 대해 전처리를 실시한 후 비저항을 측정하는데 슬러지의 탈수과정에서의 저항은 전도체에 전류가 흐를때의 옴의 법칙(ohm' Law)인 아래의 식(1)과 (2)에 의해 유사하게 구할 수 있다.

I=V/R ……(1)

R=ρL/A ……(2)

여기서, I는 전류, V는 전압, R은 저항, ρ는 비저항, L은 전도체의 길이, A는 전도체의 단면적을 나타낸다.

위의 전류에 대한 저항의 개념을 슬러지의 탈수율로 응용하여 나타내면 아래의 식(3)과 같다.

R_w=(2A²ΔP_ta)/(μc) ……(3)

여기서, Rw은 슬러지 케이크의 비저항, A는 여과포의 단면적, ΔP_t는 여과압력,a는 상수, μ는 여액의 점도, c는 슬러지의 고형물의 농도이다.

상기 식(3)에서 알 수 있듯이, 여과압력(ΔP_t)이 낮다면 슬러지케이크의 비저항을 낮출수 있어 탈수저항성이 적어지고, 이에 따라 함수율은 낮아진다. 따라서, 슬러지의 고형물과 직접결합하지 않고 고형물에 둘러싸여 있는 수분이 쉽게 빠져나오도록 슬러지의 입도를 개량하면(입도를 크게 하면) 여과압력이 낮아져, 슬러지의 함수율을 크게 줄일 수 있는 것이다.

즉, 제강슬러지는 도 2의 사진에 나타난 바와 같이, 대부분 1㎛이하의 미립자를 포함하고 있어 탈수저항성이 커지는 단점이 있으나, 미립의 슬러지에 입도가 큰 분코크스를 투입하여 혼합하면 탈수저항성이 효과적으로 개선된다. 본 발명에 있어 분코크스는, 경제성 측면에서 제철소 코크스 제조공정에서 폐기물로 발생되는 폐분코

크스를 사용하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 일실시예에서 알 수 있듯이, 분코크스는 100메쉬이상의 입도로 사용하는 경우 개선된 함수율을 얻을 수 있고, 입도가 작을수록(100메쉬 보다 클수록) 투과저항성이 줄어들어 함수율이 더욱 낮아진다. 본 발명에서는 입도에 따른 함수율 및 통상의 폐분코크스의 입도를 고려하여 100-200메쉬의 분코크스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 분코크스는 그 투입량에 따른 함수율의 결과를 나타낸 도 3에서 알 수 있듯이, 500ppm이상으로 첨가하면 투입효과가 나타나며, 첨가량이 증가할수록 함수율이 낮아지며 30000ppm이상 첨가하면 그 효과는 포화되므로 가장 적절한 분코크스 투입량은 500-30000ppm이다. 이와 같이 분코크스를 투입하여 슬러지와 혼합할 때 원활한 혼합을 위해 교반할 수도 있다.

상기와 같이 분코크스와 혼합된 슬러지에 응집제를 첨가하여 플럭을 형성하는데, 이때 최적의 슬러지 플럭을 형성하기 위해 슬러지의 pH를 조절하는 것이 필요하다. 슬러지의 pH는 도 4에 나타나 있듯이 7-10이 바람직한데, 이는 pH가 낮으면 낮을수록 함수율이 증가하나 7미만의 경우 너무 산성이어서 설비의 부식을 초래할 수 있으며, pH가 10을 넘으면 응집이 원활히 일어나지 않는다.

상기와 같이 pH가 조절된 슬러지에 고분자 응집제를 주입하여 플럭을 형성하는데, 이는 제강슬러지와 같은 미세한 입자를 눈에 보이는 카다란 입자로 응결시켜야 여포를 이용하여 탈수할 수 있고, 결국, 여포막힘현상이 방지되어 탈수공정의 효율이 향상된다. 즉, 고분자 응집제를 투입하여, 슬러지내 액상 형태로 존재하는 콜로이드나 입자들 사이에 작용하는 힘을 중화시키거나 불안정화시켜 슬러지내 입자가 일정크기로 응결되어 플럭이 형성되도록 한다. 본 발명에서는 슬러지가 철이 다량함유된 제강슬러지인 것을 고려하여 양이온계 또는 비이온계 고분자 응집제를 사용한다.

일반적으로 슬러지를 플럭으로 형성하는 공정에 영향을 주는 요소로는, 슬러지의 특성, 슬러지처리 및 처분방법, 슬러지의 응집 및 응결성, 슬러지의 종류 그리고 사용되는 약품에 따라 달라진다. 이러한 요소들을 고려하여, 본 발명에서 제강슬러지를 형성할 때 중요한 것은 플럭의 크기 및 강도인데, 이는 고분자응집제의 투입량으로 결정된다. 본 발명의 실시예에서 확인되는 바와 같이, 고분자응집제를 150ppm까지 주입하면 응집상태가 불량하나, 200-400ppm에서는 좋은 응집상태를 나타내고, 500ppm이상 응집제를 투입하면 플럭이 재용해되는 현상을 나타내므로 응집제의 적절한 투입량은 200-400ppm이다. 이러한 고분자 응집제의 투입량은 슬러지 입자의 밀도를 증가시켜 탈수효율이 유지를 가능하도록 하고 탈수기의 운전을 용이하게 하는 것이다.

또한, 고분자응집제를 투입하여 플럭을 형성할 때 장시간에 걸친 응결과정과 이송시의 과도한 난류가 억제되도록 적절히 교반하는 것이 좋다.

상기와 같이, 슬러지에 분코크스를 첨가하고 고분자 응집제를 첨가하여 벨트식 가압기로 탈수하는데, 이러한 탈수과정의 일례를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 슬러지가 유입된 제 1반응조(30)에 분코크스를 투입하여 교반기(34)로 혼합하고, 이어 산을 첨가한 다음, 제 2반응조(32)로 이송하여 고분자 응집제를 투입하여 플럭을 형성한 후, 이어 벨트식 가압탈수기(40)의 여포(42)에 플럭이 형성된 슬러지(36)를 공급하고 일정압력으로 가압하여 탈수된 케이크(44)를 배출한다. 이때, 고압탈수부(48)에서 탈수압력은 5기압이상으로 가압하는 경우 일정수준의 함수율을 얻을 수 있다. 도 5에서 미설명부호 46은 구동롤이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

제철소에서 발생하는 제강슬러지는 도 2의 사진과 같이, 입자가 매우 작아 대부분 1㎛이하의 크기이고, 이러한 제강슬러지의 화학분석 결과 유입슬러지의 함수율은 50-70%이다. 기존의 진공탈수기에 의해 탈수된 탈수케이크의 함수율은 약 45%였다. 또한, 슬러지의 고형분 분석결과, 철분이 70%이상 함유하고 있었다.

[실시예 2]

본 발명을 이용하여, 분코크스의 입도를 달리하면서 10,000ppm투입 또는 투입하지 않은 제강슬러지에 30%HCl로 pH8로 슬러지의 농도를 조정하고 고분자 응집제 300ppm을 투입하여 플럭을 형성한 제강슬러지를 벨트식 가압탈수기로 공급하고, 고압탈수부의 탈수압력을 약 10기압으로 진행시킬 때, 분코크스의 입경에 따른 함수율의 변화는 다음과 같다.

분코크스 입경(mesh)	슬러지 케이크의 함수율(%)
0	35
10-50	35
0-100	33
100-200	25
200이하	26

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 제강슬러지에 분코크스를 투입하지 않고 적절히 플럭으로 형성한 제강슬러지를 벨트식 가압탈수기에서 탈수하더라도 함수율이 35%로 기존의 진공탈수기 보다 크게 함수율이 개선되는 것을 알 수 있다. 그리고, 제강슬러지에 분코크스를 투입하여 입도를 개량한 경우에는 함수율이 최고 26%로 개선되는 것을 알 수 있었다.

[실시예 3]

본 발명을 이용하여 분코크스를 투입하고 pH8로 슬러지의 농도를 조정하고 고분자 응집제 300ppm을 투입하며, 탈수압력을 약 10기압으로 진행시킬 때, 분코크스 투입양에 따른 함수율의 변화는 도 3와 같다. 여기서 탈수압력을 10기압으로 고정시킨 이유는 최근 개발된 벨트타입 탈수기의 탈수압력이 10기압이 최대이기 때문이다.

도 3에 나타나 있듯이, 분코크스의 투입량이 500ppm이 될 때부터 효과가 나타나고 투입량이 많아질수록 함수율이 낮아지는 것을 알 수 있었다.

[실시예 4]

30%HCl을 제강슬러지에 투입할 경우 산투입에 따른 pH변화는 도 6와 같다. 도 6에서 최적산투입량은 pH8에서 나타났다. 즉 산투입에 따라 pH는 적어지지만 산 투입량은 많아 pH8이하로 슬러지의 pH를 유지할 경우 경제성이 적은 것으로 판단된다.

[실시예 5]

본 발명을 이용하여 100-200메쉬 분코크스 10000ppm과 탈수압력을 약 10기압으로 진행시킬 때 고분자 응집제 투입에 따른 탈수 시험결과, 비이온계 고분자응집제를 150ppm까지 주입할 경우 응집상태가 불량하였으며 200-400ppm에서 좋은 응집상태를 나타내었고, 500ppm이상 응집제를 투입하면 플럭이 재용해되는 현상을 나타내었다.

상술한 바와 같이, 종래의 진공탈수기를 이용하여 제강슬러지를 탈수할 경우 함수율이 약 45%정도 였으나, 본 발명의 방법을 적용할 경우 최대 27%정도까지 함수율을 저감시킬 수 있는 것으로 나타나, 다음과 같은 효과가 있는 것으로 판단된다.

첫째, 함수율을 약 18%줄일 수 있어, 후공정에서 수분 건조 비용을 절감할 수 있다. 둘째, 함수율이 약 18%줄어들었기 때문에 슬러지의 부피는 25%줄어든다. 따라서, 슬러지의 저장, 운반수송비의 절감이 예상된다. 셋째, 본 발명은 제강슬러지에 고분자 응집제를 투입하여 플럭을 형성시키기 때문에 종래의 플럭을 형성시키지 않고 탈수하는 진공드럼식 보다 작업장에 냄새가 크게 줄어든다. 넷째, 진공탈수기는 운영비가 일반적으로 벨트식 가압탈수기 보다 3배가량 많이 드는 것으로 알려져 있어 운영비 저감이 예상된다.

Claims (3)

1. 여포사이에 인입된 슬러지를 가압하면서 탈수하는 벨트식 가압탈수기를 이용한 탈수방법에 있어서,

   제강슬러지에 100-200메쉬의 분코크스를 500~30,000ppm 투입하여 혼합하는 단계;

   상기 분코크스가 혼합된 제강슬러지의 pH를 7-10으로 조절하는 단계;

   pH가 조절된 슬러지에 양이온계 또는 비이온계 고분자 응집제를 200-400ppm 투입하여 플럭을 형성하는 단계; 및

   상기 플럭이 형성된 슬러지를 상기 벨트식 가압탈수기의 여포사이에 인입하여 탈수하는 것을 포함하여 이루어지는 제강슬러지 고효율 탈수 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분코크스는 10000-30000ppm의 양으로 투입함을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 벨트식 가압탈수기에서의 탈수는 고압탈수부에서 5기압이상으로 행함을 특징으로 하는 방법.