KR100459067B1 - 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법 - Google Patents

석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국내 석탄광산지역에 방치되어 주변환경 오염원으로 작용되고 있는 석탄폐석을 산업원료로써 재활용하기 위한 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄폐석의 발생 상태에 따라 상이한 광물학적/물리화학적 특성을 분석하고 폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로서 이들을 각종 산업에서 사용할 수 있는 원료 소재로 사용할 수 있도록 하는 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 석탄폐석의 단체분리를 위하여 회전식 석탄파쇄기(S110)를 이용하여 사암광물 고유의 입자크기를 갖는 산물을 얻도록 파쇄하는 1차파쇄단계(S1);와 상기 1차파쇄단계(S1)에서 단체분리되지 않은 사암과 탄질분을 분리하기 위하여 상기 회전식 석탄파쇄기(S110)와 동일크기(5mm)의 체를 사용하여 동일 입자크기의 산물을 얻도록 회전식 스크린 해쇄기(scrubber)를 이용한 해쇄단계(S120);와 상기 해쇄단계(S120)에서 분리된 입자크기 5mm 이하의 사암과 탄질분을 분리시키기 위해 공기분급기를 이용하여 분급하는 공기분급단계(S180);와 상기 공기분급단계(S180)에서 분리되지 않은 입자크기가 150메쉬 이상 5㎜ 이하의 산물에 대해서 해쇄기(pulverizer)를 이용하여 해쇄시키는 2차해쇄단계(S190);와 상기 2차해쇄단계(S190)에서 해쇄된 산물에 대하여 일정크기(30메쉬)를 기준으로 분리시키는 2차체분리단계(S200);와 상기 2차체분리단계(S200)에서 분리된 30메쉬 이하의 산물에 대하여 일정크기(150메쉬)를 기준으로 체분리하는 습식체분리단계(S210); 및 상기 습식체분리단계(S210)에서 분리된 150메쉬 이하의 산물을 수분 함량 15% 이하로 탈수시키는 탈수단계(S230);를 거쳐 수득된 150메쉬 이하의 산물을 요업용 소지로 사용하는 것이다.
또한, 상기 습식체분리단계(S210)에서 분리된 150메쉬 이상 30메시 이하의 산물에 대해서는 부유선별단계(S220)를 통해 사암을 구성하고 있는 고순도의 실리카를 회수하여 유리용 원료로써 사용하고, 부유선별단계에서 발생되는 불순물은 습식체분리단계에서 발생된 미립분과 함께 수분함유량을 15% 이하로 조절하여 요업용소지(S6)로 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법{TREATMENT METHOD FOR RECYCLING OF WASTE COAL TAILINGS}
본 발명은 국내 광산지역에 방치되어 주변환경 위해 요인으로 작용되고 있는 석탄폐석을 산업원료로써 재활용하기 위한 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄폐석의 발생 상태에 따라 상이한 광물학적/물리화학적 특성을 분석하고 폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로서 이들을 각종 산업에서 사용할 수 있는원료 소재로 사용할 수 있도록 하는 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 사용을 위하여 개발된 석탄광에서 배출되는 폐석은 지표수, 지하수는 물론 산림황폐화 등 자연환경의 오염원이 되고 있으나, 그의 면적이 방대하고, 적절한 처리를 위해서는 많은 시간과 경비가 소요되는 문제점이 있다.
잘 알려진대로 우리 나라에서는 오래 전부터 에너지원으로써 석탄광이 개발되었으며 그 유용성으로 최근까지도 꾸준히 생산이 이루어지고 있으나 그 유용자원의 채취에 있어서 부가적으로 발생되는 석탄폐석은 산림훼손이나 폐수 유출 및 미관손상 등 여러 가지의 자연환경 오염원으로 작용되고 있는 실정이다. 이러한 자연환경의 폐해 실태에 대한 2001년 석탄사업합리화 사업단의 자료에 의하면, 산림훼손 445개소, 폐수유출 136개소에서 이루어지고 있고 그 발생량은 6만 톤/일에 이른다고 보고되고 있다.
상기와 같이 석탄 광산의 석탄폐석은 여러 가지의 자연환경 오염원으로 작용되고 있는 것으로 보고되는 것에 반해 아직까지 그 처리방법에 있어서는 미흡한 실정으로 주로 산림복구를 위한 식재(植栽)방법, 토목공사에 의한 폐석유실 방지방법 등만을 사용함에 따라 실제적으로는 자연환경 오염원의 격리 효과가 대단히 미흡한 방법들이나 설치되어진 시설들을 영구관리해야 하는 방법들이 사용되고 있기 때문에 자연환경 보전 측면에서는 불리한 점이 많은 실정이다.
통상적으로 석탄광에서 발생되는 석탄 폐석은 석탄광 채취를 위하여 굴진하는 과정에서 발생되는 굴진(掘進)폐석과 채취된 석탄의 품위향상을 위하여 선광처리하는 과정에서 발생하는 선광(選鑛) 폐석으로 구분되는 바, 이들은 주변암석의 조성에 따라서 서로 상이한 광물조성을 이루고 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기한 석탄폐석의 발생상태에 따라 갖는 상이한 특성을 분석하고 석탄폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로써 이들을 각종 산업에서 유용하게 사용할 수 있는 원료소재화를 도모하고자 하는 것이다.
석탄폐석의 재활용에 대한 종래의 기술에 대하여 살펴보면, 우리 나라가 그동안 수많은 석탄광의 개발에 따라 석탄으로써 활용되지 않는 석탄폐석이 발생되었고 또 이러한 석탄폐석이 환경오염원으로 작용될 소지가 많기 때문에 이를 이용하고자 하는 종래기술들이 많이 소개되어 있다.
그 주요한 것을 살펴보면, 먼저 대한민국 특허등록번호 제2305호에서는 산화철이 다량 함유되어 있는 비중 2.4 이상의 폐석을 고온에서의 소성 및 발포기술을 이용하여 경량골재로 만드는 방법이 제시되어 있으며, 대한민국 특허등록번호 제146159호의 석탄폐석 및 폐주물사를 이용한 경량골재 및 그의 제조방법에서는 일정입도로 분쇄된 석탄폐석과 폐주물사와 점토를 적당량의 물을 첨가하여 반죽하고 직경 10∼15㎜의 구형으로 성형하여 건조 한 후 1,100 내지 1,200℃의 고온에서 소성 및 발포시킴으로써 경량골재를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 이와 같이 석탄 폐석의 재활용방법은 상기한 건축재, 경량골재 제조방법 등이 소개되고 있으며 이는 석탄폐석이 여러 가지의 광물이 혼재되어 있고 이를 구별하여 사용하기에는 기술적/경제적으로 유리한 광물로 구성되어 있지 않기 때문이다.
전술한 방법 이외에도, 석탄폐석에 다른 광물 혹은 유기물을 혼합하여 재활용하는 방법들이 소개되고 있는 바, 대한민국 특허등록번호제172666호의 표면인쇄 처리된 재생 건축자재 및 그 제조방법에서는 분쇄된 석탄재 또는 석탄폐석과 열가소성 폐플라스틱을 일정온도에서 교반 및 혼합한 후 고온처리하지 않고 건축재를 제조하는 방법이 제시되고 있으며, 대한민국 특허공개번호제1998-033799호에서는 석탄폐석 미세분말과 석회석 미세분말을 일정 중량비율로 균일 혼합하고 물을 첨가해 성형체를 만든 후 건조시킨 후 1,270∼1,330℃의 고온에서 소성 및 발포를 통하여 경량골재를 제조하는 석탄폐석을 주재로 한 결량골재 및 그 제조방법에 대하여 제시되어져 있다.
그러나 상기와 같은 석탄폐석에 대한 재활용 방법이 활성화되지 못하고 있는 바 이는 석탄폐석의 광물학적인 특성과 산출특성을 고려하는 처리방법에 경제성이 없고 또 용도별로 특성을 부여할 수 있는 기술을 개발하지 않아 그 재활용 범위를 확대하지 못한 것이라고 판단된다. 그러한 이유로는 전술한 것처럼 우리 나라에서 산출되는 석탄폐석은 크게 석탄광의 부존위치에 접근하기 위하여 굴진하는 단계에서 산출되는 굴진 폐석과 채광된 석탄의 품위 향상을 위하여 선탄하는 과정에서 산출되는 선탄 폐석으로 구분되는데, 이들은 서로 다른 광물학적 특성을 가지고 있기 때문이다. 즉, 굴진 폐석은 석탄 함유는 없으나 석탄광의 주변암을 구성하는 잡다한 광물들로 구성되어 있기 때문에 이들을 적절한 기술을 이용하여 분리하지 않는 경우에는 그의 사용에 제한요인이 되며, 소성방법을 이용하여 경량골재를 제조하기 위해서는 고온에서 발포특성을 가지도록 그의 광물조성을 조절하여야하는 문제가 있다. 그러나, 이러한 광물조성을 임의로 조절한다는 것은 매우 어렵기 때문에 조성이 균질한 일부의 폐석에 대해서만 적용이 가능하다는 한계성이 있는 것이다. 또한, 폐 플라스틱과 혼합하여 건축재를 제조하는 경우에는 제조산물의 상품특성을 위하여 어느 정도는 제조산물의 색(color)을 조절하여야 하는데, 실제로 폐석에는 혼입된 석탄의 함유량이 일정하지 않기 때문에 이를 조절하는 기술이 필요하게 되는 것이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로,
본 발명의 주목적은 석탄폐석 중에 함유된 유가자원을 회수하여 고급산업용 원료소재로 활용하고, 기타의 폐석은 산업원료로 재활용하는 등의 미이용 자원에 대한 유용자원화를 도모하고 환경오염원이 되는 폐석의 무해화 혹은 오염원의 완전 격리를 위한 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법을 제공하려는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 석탄폐석의 발생 상태에 따라 상이한 특성을 분석하고 폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로서 광산폐기물인 석탄폐석을 각종 산업의 원료소재로 재활용함으로서 경제적으로 부가가치를 제고하려는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법을 제공함으로서 광산의 폐기물에 대한 재활용 기술발전에 기여하여 국가 경쟁력 제고를 도모하려는 데 있다.
도 1은 본 발명의 처리방법을 보여주는 처리공정도이다.
<도면의 주요부분에대한부호의설명>
S100 석탄폐석 S120 해쇄단계
S130 체분리단계 S180 공기분급단계
S190 2차해쇄단계 S200 2차체분리단계
S210 습식체분리단계 S220 부유선별단계
S230 탈수단계 S1 1차파쇄단계
S2 2차파쇄단계
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법은,
석탄폐석의 단체분리를 위하여 회전식 석탄파쇄기(rotary coal breaker)(S110)를 이용하여 사암광물 고유의 입자크기를 갖는 산물을 얻도록 파쇄하는 1차파쇄단계(S1);와 상기 1차파쇄단계(S1)에서 단체분리되지 않은 사암과 탄질분을 분리하기 위하여 상기 회전식 석탄파쇄기(S110)와 동일크기(5mm)의 체를 사용하여 동일 입자크기의 산물을 얻도록 회전식 스크린 해쇄기(scrubber)를 이용한 해쇄단계(S120);와 상기 해쇄단계(S120)에서 분리된 입자크기 5mm 이하의 사암과 탄질분을 분리시키기 위해 공기분급기를 이용하여 분급하는 공기분급단계(S180);와 상기 공기분급단계(S180)에서 분리되지 않은 입자크기가 150메쉬 이상 5㎜ 이하의 산물에 대해서 해쇄기(pulverizer)를 이용하여 해쇄시키는 2차해쇄단계(S190);와 상기 2차해쇄단계(S190)에서 해쇄된 산물에 대하여 일정크기(30메쉬)를 기준으로 분리시키는 2차체분리단계(S200);와 상기 2차체분리단계(S200)에서 분리된 30메쉬 이하의 산물에 대하여 일정크기(150메쉬)를 기준으로 체분리하는 습식체분리단계(S210);및 상기 습식체분리단계(S210)에서 분리된 150메쉬 이하의 산물에 대하여 탈수시키는 탈수단계(S230);로 구성된다.
이하 첨부된 도1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하고자 한다.
여기서 첨부된 도 1은 본 발명의 처리공정을 보여주는 처리공정도이다. 도 1에서 -5㎜, +5㎜, -5㎜/+30# 등은 각각 5㎜ 이하, 5㎜ 이상, 30메시 이상 5㎜ 이하 등을 의미한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도나 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려야 할 것이다.본 발명에서 사용되는 용어 "해쇄"는 혼합물을 분쇄하지 않고 물리적인 힘을 가하여 뭉쳐져 있거나 덩어리진 것을 부수는 것을 말한다.
본 발명의 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리방법에 있어서는 먼저 석탄폐석의 산출특성을 분석하여 이에 따른 적절한 처리방법을 강구하는 일이 중요하다. 상기 석탄폐석은 석탄을 채광하기 위한 작업 중에 발생하는 폐석을 의미하는 것으로서 크게 지하에 매장된 석탄층까지 접근하는 굴진과정에서 산출되는 굴진(掘進)폐석과 채광된 석탄에 암석이 함유되어 있기 때문에 석탄의 품위를 조절하기 위하여 이를 제거하는 선탄(選炭)폐석으로 구분된다.
통상 우리 나라에서 산출되는 석탄층 주변의 광물은 사암(sand stone), 역암, 혈암(shale), 탄질 혈암(coal shale), 탄질분 류 등으로 다양하므로 굴진폐석 중에는 이러한 폐석이 존재하게 되는데 이를 활용하기 위해서는 그에 대한 광물학적/물리화학적인 특성을 이용하여 가능한 동일 또는 유사한 특성을 가지는 광물들로 서로 구별하는 조작이 중요하다.
또한, 채광된 석탄광에 함유된 암석은 대부분이 혈암 또는 탄질 혈암(coal shale)으로 구성되어 있으며 이는 석탄의 품위향상을 위하여 선별되는 과정에서 폐석으로 산출되므로 이를 선탄(選炭)폐석이라 하며, 여기에는 일부의 석탄이 함유되기 때문에 약 1,000∼1,500cal의 발열량을 가지는 폐석이다.
이러한 특성을 갖는 석탄폐석의 효과적인 재활용을 위하여 또 하나 극복하여야 할 점은, 석탄광산의 주변에 폐기된 폐석은 발생 특성별로 구별하여 적치되어 있지 않다는 것이다. 즉, 석탄광의 개발 여건에 따라서 광산별로 폐석의 처리과정이 상이하기 때문에 경우에 따라서는 상기와 같은 굴진폐석과 선탄폐석이 구별되어 폐기된 광산도 있으나, 대부분은 이들 모두가 혼합되어 폐기하고 있기 때문에 이들을 유용자원으로 활용하기 위해서는 우선적으로 이들의 선별처리 과정이 필요한 것이다.
이하 본 발명의 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법에 대한 실시예를 통하여 석탄폐석의 유용자원화 방법을 설명하기로 한다.
[실시예 1] 선탄(選炭)폐석의 재활용
선탄폐석은 혈암으로 구별되는 광물로써 조암광물은 점토광물을 중심으로 하는 미립 광물로 치밀하게 구성되어 경도가 높고 1,000℃ 이상의 고온에서 발포하는 특성을 가진다.
이러한 혈암 광물의 화학성분조성은 Al2O320∼35wt%, SiO240∼60wt% 범위에 있으며, Fe2O32∼10wt%, K2O+Na2O 3∼5wt%, CaO+MgO 3∼5wt% 등이 함유되는 등, 일반적으로 비금속광물이 가지는 성분과 동일하게 함유하고 있으며, 특히 석탄과의 선별과정에서 회수되지 않은 석탄을 일부 함유하고 있기 때문에 연소과정에서는 1,000∼1,500cal의 열량을 가진다.
선탄 폐석은 상기와 같이 알루미나와 실리카 성분 함유량이 높고 어느 정도의 열량을 가지고 있으므로 시멘트용 원료로서 사용하는 데에는 유리한 점이 있으며, 고온 소성시 발포하여 경량화하는 특성이 있고 특히, 어느 정도의 열량을 가지고 있기 때문에 경량골재 제조에도 유리한 점이 있다.
이러한 점에 유의하여 선탄 폐석의 재활용처리에는 조 크러셔(jaw crusher)와 해머 크러셔(hammer crusher) 혹은 콘 크러셔(cone crusher)를 이용하여 단계적인 파쇄 및 체 분리 공정의 도입으로 입도 조절을 통하여 시멘트의 부원료나 경량골재 및 각종 세라믹 공업원료로 제조할 수 있는 것이다.
[실시예 2] 굴진(掘進)폐석의 재활용
석탄광의 굴진 과정에서 산출되는 굴진 폐석은 석탄광 주변의 지질학적 특성에 따른 구성 암석의 종류에 따라서 다양하게 산출되지만, 특징적인 것은 사암, 혈암 등의 구성이 대부분이라는 것이다. 여기서 혈암은 점토광물들이 강력하게 응집된 형상이므로 그 파쇄 경도가 비교적 높고 암석질이 단단하기 때문에 토목 건축용 쇄석으로써 사용이 가능하다.
여기에서 사암은 2가지의 종류가 있는데, 그 중 하나는 사암을 이루는 모래입자들이 강력하게 열수변질(熱水變質)을 받아서 규석질 암석(硅石質 巖石)과 유사한 정도의 강도를 가지는 것이 있고, 또 다른 형태의 사암은 모래입자들이 분화(粉化)된 상태로 존재하여 가벼운 충격으로도 쉽게 모래입자로 파쇄되는 것이 있는 바, 이와 같이 분화되는 사암은 입자크기가 1.0㎜이하의 입자 크기를 가진다. 따라서, 굴진 폐석의 재활용을 위한 단계에서 가장 먼저 사용하는 파쇄공정의 운용방법은 쉽게 분화되는 사암을 분리하거나, 혈암 및 견고한 사암을 파쇄할 것인가를 염두에 두고 이루어져야 한다.
이러한 굴진폐석의 특징을 고려하고, 파쇄 및 분쇄산물의 재활용을 위한 처리방법으로써는, 굴진폐석의 1차 파쇄로서 회전식 석탄파쇄기를 사용하여 분쇄가 용이한 사암류의 단체분리를 유도하고, 체분리(screening)를 통하여 1.0㎜이하의 사암을 선별하는 것이다. 이 공정에서 산출되는 조대(粗大)산물은 죠 크러셔 - 콘 크러셔를 순차적으로 통하여 쇄석으로 사용가능한 입자크기로 만드는 것이다.
상기와 같은 단계를 통해, 암석질의 경도가 높은 사암과 혈암 등은 한국표준공업규격(KS)의 도로용부순골재(KS F 2525)로 사용가능한 입자크기(100㎜이하, 1.2㎜이상) 및 콘크리트용부순골재(KS F 2527)의 입자크기(90, 65∼40㎜,50∼2.5㎜)로 조절하여 쇄석 산물로 제조할 수 있다.
그러나, 상기한 죠 크러셔와 콘 크러셔를 이용하여 2차 파쇄하는 공정에 있어서 쇄석으로 사용 불가한 1.2㎜ 이하의 입자크기 제품이 형성되는데, 여기에는 사암은 많지 않고 혈암이 파쇄된 분말이 많이 함유되어 있기 때문에 실리카 함유량이 높지 않음으로 고부가가치 용도로의 사용은 어렵게 된다. 따라서, 이때의 제품은 0.6㎜이하의 제품은 분리하여 역청포장용 채움재(KS F 3501, 30메쉬 이하) 제품으로 하고, 0.6㎜이상 및 1.2㎜이하의 제품은 인공모래제품으로 활용할 수 있다. 이와 같은 공정에 의하여 굴진폐석의 전체량을 토목이나 건축용 원료로서의 재활용이 가능하게 되는 것이다.
[실시예 3] 선탄폐석과 굴진폐석이 혼합된 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리 방법
전술한 실시예에서는 석탄광산에서 굴진폐석과 선탄폐석을 구분하여 발생 및 관리하는 광산에서 이들을 각각 활용할 수 있는 처리방법을 소개하였으나, 대부분의 석탄광산에서는 폐석의 구별 발생은 물론 별도로 구별하여 관리를 행하고 있지않으므로 석탄폐석의 활용에 많은 제한이 되고 있는 실정이다.
따라서, 첨부된 도1에서와 같이 본 발명의 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리방법을 통해 어떠한 석탄폐석의 경우에도 적용할 수 있는 처리방법을 제시하고자 하는 것이다.
이하 석탄폐석의 분리선별을 통한 산업원료의 제조방법을 첨부된 도1을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 통상적인 석탄광산에서 발생된 석탄폐석(S100)에는 미회수된 석탄, 사암, 혈암, 탄질혈암 등의 각종 암석류가 혼입된 상태이므로 우선 이들을 선별하여야 하는 바 이를 위하여 석탄폐석의 단체분리(單體分離)를 위하여 5mm 크기의 체를 가지는 회전식 석탄파쇄기(S110)를 이용하여 폐석 자체하중에 의한 파쇄를 유도함으로서 조대(粗大)산물의 지나친 마광(過摩鑛)을 방지하면서 사암 광물 고유의 입자크기 (1.0∼0.1㎜, 16mesh∼150mesh)를 가지는 산물을 얻도록 파쇄하는 1차파쇄단계(S1)를 가진다. 이러한 공정의 이용은 광물단일입자크기로 분쇄되는 특성을 가진 사암을 분리하기 위함이며, 또 다른 이유는 파쇄강도가 낮은 석탄 및 탄질분을 파쇄하는 효과를 얻기 위함이다. 상기 1차파쇄단계(S1)에서는 사암, 혈암 및 기타 경도(硬度)가 높은 암석류는 파쇄되지 않고, 미 회수된 탄질분, 풍화된 사암 등은 광물고유의 입자 크기로 파쇄된다.
상기 1차파쇄단계(S1)의 회전식 석탄파쇄기(S110)에 의하여 단체분리되지 않은 일부 사암과 탄질분을 분리하기 위하여 회전식 스크린 해쇄기(실용신안 등록번호 0152875, 혼합물의 분리, 선별장치, 1999년도)를 이용하여 해쇄(scrubbing)(S120)한다. 상기 해쇄에 사용되는 혼합물의 분리, 선별장치인 회전식 스크린 해쇄기는 내부에 응집물의 해쇄기능을 가진 충격장치와 외부에는 스크린을 장착한 장치로써, 본 발명의 목적에 잘 부합되는 장치이다. 그러나, 상기 회전식 석탄파쇄기(S110)의 경우보다 운전비용이 많이 소요되므로 초기에 회전식 석탄파쇄기(S110)를 이용하여 많은 부분을 해쇄 및 분리하고 일부, 쉽게 부서지지 않는 사암 및 탄질분의 분리를 촉진하기 위함이며, 이 경우에도 회전식 석탄파쇄기(S110)와 같은 5mm 크기의 체를 사용함으로써 동일한 입자크기의 산물을 얻도록 운전한다. 상기의 해쇄(S120) 공정은 경우에 따라 지나칠 수도 있다.
상기 해쇄(S120)과정을 통하여 분리된 입자크기 5mm 이상인 조대산물은 다시 체분리기(screening)(S130)를 통해 입자크기 100mm를 기준으로 체가름되어져 100mm 이하의 암석은 그대로 다단체(multi-screen)를 이용한 다단체분리단계(S160)를 통해 입자크기가 5mm 이상 100mm 이하의 산물은 단입도 분순 골재 입도 규정에 부합되도록 조절하고, 5mm 이하의 산물은 시멘트용 부원료(S4)로 사용한다. 또 100mm 이상의 입자크기를 갖는 산물은 죠 크러셔(jaw crusher)(S140)와 콘 크러셔(cone crusher)(S150)로 구성된 단입도 부순골재 입자크기 분포에 알맞는 골재로 파쇄하는 2차파쇄단계(S2)를 통해 파쇄하고 다시 상기 다단체분리단계(S160)를 통해 분리되어져 한국산업규격(KS F 2525, 도로용 부순골재)에 부합되는 제품(S3)을 제조한다.
여기서 단입도 부순골재의 기준을 수록하면 다음 <표1>과 같다.
단입도 부순골재의 입도(KS F 2525, 도로용 부순골재)
호칭 입도범위(mm) 체를 통과하는 무게백분율(%)
100 75 65 50 40 30 25 20 13 5 2.5 1.2
1호 80∼60 100 85-100 0-15
2호 60∼40 100 85-100 0.15
3호 40∼30 100 85-100 0-15
4호 30∼20 100 85-100 0-5
5호 20∼13 100 85-100 0-5
6호 13∼5 100 85-100 0-5
7호 5∼2.5 100 85-100 0-25 0-5
상기와 같은 파쇄단계에서도 기준입도 5mm 이하의 입자가 발생하게 되는 데 여기에는 파쇄강도가 낮은 탄질분 산물이 많이 분포되어 있으므로 시멘트용 부원료(S4)로 사용된다.
상기 해쇄(S120)과정을 통하여 분리된 입자크기 5mm 이하의 산물을 다시 공기분급기(air classification)를 통해 분급시키는 공급분급단계(S180)를 가진다. 상기 해쇄(S120)과정을 통하여 분리된 입자크기 5mm 이하의 산물에는 파쇄강도가 약한 탄질분과 사암 등이 주로 분포하게 되는데 이들의 효과적인 분리를 위하여 공기분급기(air classification)를 이용하는 것이다. 상기 공기분급기(S180)는 분체입자의 비중과 크기에 따라서 분리되는 기능을 가지고 있는데, 동일한 입자크기를 가지는 경우에는 비중차이에 따른 분리기능이 있어 이러한 기능을 가진 분급기를 이용하면, 탄질분과 사암입자를 분리하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 분급공정에서 분리된 탄질분은 탄질분의 분포가 농축된 것이기 때문에 발열량이 2,000cal를 상회하여, 시멘트용 부원료로의 사용시 연료절약의 효과와 함께 Al2O3, SiO2, Fe2O3등의 보충효과를 얻을 수 있고, 특히 안정된 품질의 원료를 시멘트 제조공정에 투입할 수 있기 때문에 기존과 같이 원료품질 불균일로 인해 사용하지 못하였던 문제점을 개선할 수 있다.
상기 공기분급단계(S180)를 통해 분급된 5mm 이하의 산물을 공기분급하는 과정에서 탄질분과 사암입자가 단체분리 되지 않기 때문에 분리되지 않는 일부의 산물(150메쉬 이상 5㎜ 이하)에 대해서는 해쇄기(pulverizer)를 이용하여 해쇄시키는 2차해쇄단계(S190)를 통해 그 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 2차해쇄단계(S190)를 거친 산물은 30mesh(메쉬)를 기준으로 30메시 이상 5㎜ 이하와 30메쉬 이하의 크기로 분리시키는 2차체분리단계(S200)를 거친다. 상기 2차체분리단계(S200)를 거쳐 분리된 30메쉬 이상 5㎜ 이하의 산물에는 사암의 분포량이 적고 파쇄된 혈암, 사암 및 기타의 광물들이 함유되어 있으므로 <표 2>와 같은 입도조정 부순골재(KS F 2525)로 사용하며, 150메시 이상 30메시 이하의 산물은 실리카 성분함유량이 우수한 사암이 주로 분포되어 있으므로 이는 부유선별기술을 이용 더욱 정제하여 고품위의 실리카로 회수하여 부가가치가 높은 원료로 사용하도록 한다.
입도조정 부순골재의 입도(KS F 2525, 도로용 부순골재)
호칭 입도범위(mm) 체를 통과하는 무게백분율(%)
50 40 30 25 20 13 5 2.5 0.4 0.08
M-40 80-60 100 95-100 60-90 30-65 20-50 10-30 2-10
M-30 60-40 100 95-100 60-90
M-25 40-30 100 95-100 55-85
상기 30메쉬 이하 산물에는 미량의 탄질분과 미립 점토질의 불순광물이 함유되어 있으므로 이들을 정제하여야만 고품위의 실리카를 회수할 수 있으며 이러한 공정은 불순물의 함유량이 많지 않으므로 정제효과가 우수한 습식 방법으로 처리하는 것이 가장 바람직하다.
따라서 상기 2차체분리단계(S200)에서 분리된 30메쉬 이하 산물에 대하여 150메쉬를 기준으로 150메시 이상 30메시 이하와 150메쉬 이하로 체분리시키는 습식체분리단계(S210)를 가진다. 상기 습식체분리단계(S210)를 거쳐 분리된 150메쉬 이하의 산물은 탈수단계 (filtering)(S230)를 거쳐서 요업용소지(S6)로 사용할 수 있도록 수분함유량을 15%이하로 조절한다. 또, 150메시 이상 30메시 이하의 입자크기를 가지는 산물은 다시 부유선별단계(floatation)(S220)를 거치도록 한다. 여기서 상기 150메시 이상 30메시 이하의 입자크기를 가지는 산물은 실리카 품위가 우수한 사암이 주로 분포되어 있고, 불순물로는 소수성 부여가 용이한 탄질분과 점토 운모류가 미립자 상태로 함유되어 있으므로 이러한 특성을 이용하는 분리기술이 필요한 바, 통상적으로 부유선별(flotation)기술이 미립자의 표면특성을 이용하여 부유 및 침전 상태로 분리하는 기술로써 이러한 미립자의 분리선별에는 매우 유용하므로 본 발명에서는 이를 채택하여 탄질분과 점토질 광물을 분리, 선별하였다. 상기 부유선별단계(S220)를 거쳐 얻어진 정제산물은 회수율 50∼57wt% 수준에서 SiO2품위가 최고 96%의 고품위 실리카를 얻을 수 있었으며, 철분함유량이 규석광에 비하여 낮은 반면 알루미나의 품위는 다소 높은 특성을 나타내었다.
다음 <표3>은 국내 지역별 석탄폐석에서 실리카 회수를 위한 부유선별 실험 결과를 보여준다.
석탄광 폐석으로부터 회수한 사암의 화학성분 조성
지역 회수율(wt%) 화학성분품위(%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3
강원 태백 53.96 95.70 3.70 0.10
강원 도계 54.17 90.86 7.80 0.14
강원 사북 54.95 96.14 3.03 0.12
전남 화순 50.49 95.90 2.79 0.13
상기 <표 3>를 분석해 보면, 회수된 실리카는 SiO2의 품위로는 국내 고급 규석광의 경우보다는 다소 낮으나, 철분의 함유량이 낮고 알루미나의 품위가 높기 때문에 유리공업용 원료로 사용하는 데에는 값비싼 수입 알루미나의 사용을 절약한다는 측면에서 매우 유용하고, 철분함유량이 낮기 때문에 기타 화학공업, 요업용 분체로 사용하는 데에도 부가가치를 높일 수 있는 요인이 됨을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명을 통해 폐기물인 석탄폐석의 발생 상태에 따라 상이한 특성을 분석하고 폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로서 광산폐기물인 석탄폐석을 각종 산업의 원료소재로 재활용할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 석탄폐석의 발생 상태에 따라 상이한 특성을 분석하고 폐석의 특성에 따른 선별방법을 적용함으로서 광산폐기물인 석탄폐석을 각종 산업의 원료소재로 재활용함으로서 경제적으로 매우 큰 효과를 가지는 매우 유익한 발명임에 틀림없다.
또한 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법을 제공함으로서 광산의 폐기물에 대한 재활용 기술의 발전에 기여하여 국가 경쟁력 향상에 도움을 주는 효과를 가진다.

Claims (6)

  1. 석탄광산에서 발생되는 석탄폐석의 산업원료로의 재활용을 위한 처리방법에 있어서,
    석탄폐석의 단체분리를 위하여 회전식 석탄파쇄기(S110)를 이용하여 사암광물 고유의 입자크기를 갖는 산물을 얻도록 파쇄하는 1차파쇄단계(S1);와
    상기 1차파쇄단계(S1)에서 단체분리되지 않은 사암과 탄질분을 분리하기 위하여 상기 회전식 석탄파쇄기(S110)와 동일크기(5mm)의 체를 사용하여 동일 입자크기의 산물을 얻도록 회전식 스크린 해쇄기(scrubber)를 이용한 해쇄단계(S120);와
    상기 해쇄단계(S120)에서 분리된 입자크기 5mm 이하의 사암과 탄질분을 분리시키기 위해 공기분급기를 이용하여 분급하는 공기분급단계(S180);와
    상기 공기분급단계(S180)에서 분리되지 않은 입자크기가 150메쉬 이상 5㎜ 이하의 산물에 대해서 해쇄기(pulverizer)를 이용하여 해쇄시키는 2차해쇄단계(S190);와
    상기 2차해쇄단계(S190)에서 해쇄된 산물에 대하여 일정크기(30메쉬)를 기준으로 분리시키는 2차체분리단계(S200);와
    상기 2차체분리단계(S200)에서 분리된 30메쉬 이하의 산물에 대하여 일정크기(150메쉬)를 기준으로 체분리하는 습식체분리단계(S210); 및
    상기 습식체분리단계(S210)에서 분리된 150메쉬 이하의 산물을 수분 함량 15% 이하로 탈수시키는 탈수단계(S230);를 거쳐 수득된 150메쉬 이하의 산물을 요업용 소지로 사용하는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 해쇄단계(S120)에서 분리된 입자크기 5mm 이상의 조대산물을 입자크기 100mm를 기준으로 체분리기를 통해 체분리하는 체분리단계(S130);와
    상기 체분리단계(S130)에서 분리된 100mm 이하의 산물에 대하여 입자크기가 5mm∼100mm 인 산물은 도로공사용 단입도 부순골재(S3)로 5mm 이하의 산물은 시멘트용 부원료(S4)로 사용되도록 다단체(multi-screen)를 이용하여 분리하는 다단체분리단계(S160);가 부가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
  3. 청구항 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 체분리단계(S130)에서 분리된 100mm 이상의 산물에 대해서는 도로공사용 단입도 부순골재 입자크기 분포에 알맞는 크기로 파쇄하도록 죠 크러셔(S140)와 콘 크러셔(S150)로 이루어져 파쇄시키는 2차파쇄단계(S2)를 거쳐 상기 다단체분리단계(S160)로 이송되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
  4. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 공기분급단계(S180)에서 분리된 입자크기가 5mm 이하인 탄질분은 시멘트용 부원료(S4)로 사용되는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
  5. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 2차체분리단계(S200)에서 분리된 30메쉬 이상 5㎜ 이하의 산물은 입도조정 부순골재(S5)로 사용되는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
  6. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 습식체분리단계(S210)에서 분리된 150메쉬 이상 30메쉬 이하의 산물에 대하여 탄질분과 점토질 광물을 분리, 선별하는 부유선별단계(S220)를 통해 고순도 실리카(S7)를 얻어 유리공업용원료(S8)로 사용되는 것을 특징으로 하는 석탄폐석의 산업원료화로의 재활용을 위한 처리방법.
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