KR100492621B1

KR100492621B1 - 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법

Info

Publication number: KR100492621B1
Application number: KR10-2002-0055163A
Authority: KR
Inventors: 안지환; 김형석; 조진상; 한기석; 김환; 주성민
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2005-06-03
Also published as: KR20040023438A

Abstract

본 발명은 생활폐기물 소각재 및 하수 슬러지를 원료및 연료화 하여 염소를 함유하는 알리나이트와 칼슘클로로알루미네이트등을 생성시키는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법에 관한 것이다.

이는특히, 석회석, 점토, 폐 알루미나, 소각재, 하수 슬러지를 혼합한 혼합물을 1000∼1300℃의 소성온도에서 1시간 소성하여 트리칼슘실리케이트, 디칼슘실리케이트, 알리나이트, 칼슘클로로알루미네이트, 칼슘알루미네이트를 주성분으로 하는 클링커를 제조하는 것이다.

또한, 상기 클링커를 분말도 4,000∼6,000 cm²/g으로 분쇄하고, 분쇄된 클링커에 석고를 5∼10중량% 첨가하여 에코시멘트를 제조하는 것이다.

이에 따라서, 생활폐기물 소각시 배출되는 소각재와 하수슬러지를 재활용하여 매립에 따른 환경오염의 저감 뿐만아니라, 폐기물의 재자원화를 통해 폐기물이 자원으로서의 효용성을 제기할 수 있게 되는 것이다.

Description

생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법{Manufacture Method of Calcium Chloro-Aluminate Clinker Using Municipal Solid Waste Incineration Ash and Sewage Sludge}

본 발명은 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 석회석, 점토, 폐 알루미나, 소각재, 하수 슬러지를 혼합한 혼합물을 소성하여 클링커를 제조하고, 상기 클링커를 일정 분말도로 분쇄한후 이에 석고를 첨가하여 에코시멘트 조성물을 제조하는 구성으로 생활폐기물 소각시 배출되는 소각재와 하수슬러지를 재활용하여 매립에 따른 환경오염을 저감시키도록 하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 클링커 및 에코시멘트 제조방법에 관한 것이다.

산업활동이 급속히 진전됨에 따라 생활폐기물, 상하수 및 오수 슬러지(오니), 산업폐기물이 대량발생되고, 상기와 같은 생활폐기물이나 슬러지및 산업폐기물은 환경오염의 주요 요인으로서 그의 처리 방법과 비용 등이 사회문제로 크게 대두되고 있다.

따라서, 선진 각 국에서는 이러한 폐기물 및 슬러지의 안정적 처리기술 및 재활용 기술 개발에 노력을 기울이고 있다.

이와같은, 폐기물은 소각등의 방법을 통하여 처리되고 있는데 이때 발생하는 소각회의 경우 대부분이 매립 처분되고 있으며, 다만 그 일부만이 유용자원으로 재활용되고 있는 실정이다.

또한, 비산재는, 약제를 사용한 안정화와 시멘트를 사용한 고화가 일부에서 실시되고 있을뿐 대부분은 용융처리할 곳이 없거나 재활용 기술이 미비하여 환경관리공단이 운영하고 있는 지정폐기물 매립장에 매립하고 있는 실정이다.

한편, 하수 슬러지의 경우도 최근 들어서 까지 그 처리 방법이 해양투기나 매립에만 의존하고 있는 실정이다.

더욱이, 하수 슬러지를 발생하는 시설은 점차적으로 증가하고 있으므로 매립에 의한 처리 외에 새로운 처리방안의 도출이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은, 생활폐기물 소각시 배출되는 비산재와 바닥재를 이용하고, 하수종말 처리장에서 배출되는 하수 슬러지를 일반적인 포틀랜드 시멘트의 제조시 사용되는 원료와 배합하여 클링커를 제조하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 클링커를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 제조된 클링커에 적당량의 석고를 혼합하여 에코시멘트를 제조하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 에코시멘트 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 보통 포틀랜드 시멘트 제조시 사용되는 석회석, 점토, 알루미나질 물질에 염소성분을 다량 함유하고 있는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 혼합하여 클링커를 제조하도록 하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 클링커및 그 제조방법이 제공된다.

또한 본 발명은, 상기와 같은 클링커를 일정입도로 분쇄한후 소정량의 석고를 혼합하여 속경성을 갖는 에코시멘트를 제조하도록 하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 에코 시멘트 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 에코시멘트용 클링커 조성물은, 석회석 87∼90중량%, 알루미나질 재료 1∼4중량%, 점토 1∼2중량%, 하수슬러지 2∼6중량%, 소각재 6∼8중량%로 이루어진다.

또한, 상기 석고는, 인산부산석고, 티탄석고, 배연탈황석고 및 천연석고 중에 어느 하나를 선택하여 700∼900℃로 가열한 무수석고가 사용되어도 좋다.

각각의 원료에 대한 화학성분을 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	LOI	Cl
비산재	9.7	4.7	1.6	13.5	3.3	14.6	14.5	7.7	0.5	21.2
바닥재	35.8	11.4	9.4	15.4	1.6	3.6	1.9	1.4	11.0	1.9
하수오니(탄천)	46.2	20.8	9.1	4.7	1.9	0.9	2.6	0.6	0.6	-
하수오니(대전)	43.5	19.2	8.4	3.1	1.6	1.5	10.8	0.8	0.6	0.3
석회석(문경)	12.2	3.4	1.5	43.6	1.6	0.1	1.3	-	36.4	-
스펜트 알루미나	-	71.7	-	-	-	1.0		-	27.3	-
점토(만종)	49.4	18.9	9.2	0.4	1.2	0.2	2.6	0.1	17.1	-

(단위:중량 %)

상기와 같은 조성을 갖는 클링커의 조성물은 비표면적 4,000cm²/g가 되도록 분쇄하고, 생성상의 주요성분은 알리나이트, 칼슘클로로알루미네이트(C₁₁A₇·CaCl₂), 트리칼슘실리케이트(C₃S), 디칼슘실리케이트(C₂S), 칼슘알루미네이트(C₃A, C₁₂A₇), 칼슘알루미노페라이트(C₄AF)의 주성분으로 이루어진다.

이러한 조성물을 가지는 클링커를 분쇄한 후 석고를 8∼12중량% 첨가하여 에코시멘트를 제조한다.

상기 클링커의 분말도는 압축강도에 영향을 미치게 되는데, 분말도가 저하될수록 압축강도가 저하된다.

즉, 2,000 cm²/g 이하의 분말시는 압축강도가 적어지고, 6,000 cm²/g 이상의 분말시에는 압축강도의 효과는 다소 증가하나 비용이 상승되는 단점이 있다.

또한, 상기 석고는 5중량% 이하로 첨가하면 에코시멘트의 점도가 저하되고, 10중량% 이상의 첨가시는 경화도가 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 시멘트의 제조공정은, 원료의 건조, 분쇄, 배합, 혼합, 소성, 냉각, 무수석고와 분쇄혼합, 포장, 수송의 주요공정으로 이루어진다.

그리고, 상기에서 설명한 에코시멘트는, 기존의 시멘트 생산공정에는 적용할 수 없는 산업폐기물 즉 생활폐기물 소각재나 하수 슬러지 등을 이용하여 제조할수 있는데, 주 생성광물은 알리나이트, 칼슘클로로알루미네이트(C₁₁A₇·CaCl₂) 등으로 이루어져 속경성을 특징으로 하는 시멘트이다.

또한, 원료및 연료로서 사용되는 생활폐기물과 하수 슬러지에는 보통 포틀랜드시멘트(OPC)에서 필요로 하는 성분도 있지만, 동시에 보통 포틀랜드 시멘트에서 허용될 수 없는 성분도 많이 함유하고 있다.

더하여, 상기 클링커 안에는 칼슘클로로알루미네이트가 24%정도나 들어 있고 트리칼슘알루미네이트(C₃A)가 없는 등 보통 포틀랜드 시멘트와는 매우 다르기 때문에 시멘트의 강도발현, 응결시간 및 경화체의 구성광물도 다르다.

표 2에서는, 보통 포틀랜드시멘트와 에코시멘트의 차이점을 대별해 보였다.

즉, 표2에서와 같이 상기 에코시멘트는, 약 0.5중량%의 염소성분이 함유되어 있어 콘크리트 구조물에 적용시에는 철근부식 등의 문제가 발생될 것으로 예측된다.

그러므로, 무근 콘크리트 등에 적용하는 방안 등 수요확대를 위한 새로운 접근이 필요한 시멘트라고 할 수 있다.

[표 2]

	보통 포틀랜드 시멘트	에코시멘트
시멘트 광물	ㅇ 주요 4대광물 - Alite : C₃S(3CaO·SiO₂) - Belite : C₂S(2CaO·SiO₂) - Aluminate phase : C₃A(3CaO·Al₂O₃) - Ferrite phase : C₄AF(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)	ㅇ 보통 포틀랜드 시멘트 광물 외에 - Alinite : (Ca₂₁Mg((Si_0.75Al_0.23)O₄)₅O₄Cl₂) - Calcium chloroaluminate : C₁₁A₇·CaCl₂
염소성분량	200ppm 이하(JIS 규격)KS규격 : 없음	0.5중량% 정도의 염소를 함유함(규격 외)
강도발현	28일 강도 : 380kg/㎠	28일 강도 : 340kg/㎠
용도	일반건축, 토목구조물 등	철근구조물에는 엄중한 대책 필요(방식재료의 첨가 등 필요)

상기와 같은 본 발명을 실시 예를 들어 보다 상세하게 설명을 한다.

[실시예]

표 1과 같은 화학성분을 가지는 소각회, 하수슬러지, 석회석, 점토, 알루미나질 물질을 건조한 후 분쇄하여 원료를 준비하고, 준비된 원료를 표 3과 같은 배합으로 충분히 혼합을 한다.

[표 3]

	소각재			하수슬러지	석회석	스펜트알루미나	점토	합계
	비산재	바닥재	소계	하수슬러지	석회석	스펜트알루미나	점토	합계
기초실험	6.0	0.0	6.0	2	87	4	1	100
수준1	0.6	5.4	6.0	2	92	0	0	100
수준2	0.6	5.4	6.0	2	91	0	1	100
수준3	0.6	5.4	6.0	6	88	0	0	100
수준4	0.8	7.2	8.0	4	85	1	2	100
수준5	1.0	9.0	10.0	2	88	0	0	100

(단위:중량%)

혼합된 원료를 건조하여 소성로에서 900℃에서 1시간 탈탄산 시킨 후, 1,250∼1,350℃까지 온도를 올린 후 1시간 유지시킨다.

그리고, 냉각은 소성이 다 끝난 후 공기 중에서 냉각을 시켜 클링커를 제조한다.

상기와 같은 방법으로 제조된 클링커를 분쇄하여 생성상을 알아보기 위해 화학분석 및 X선회절 분석을 실시하였다.

그 결과, 표4의 화학분석치에서와 같이 세가지 경우 거의 유사한 화학분석 값을 보이고 있다.

	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	LOI	Cl
기초실험	14.0	7.1	2.1	38.9	1.5	0.4	1.4	0.1	33.5	0.229
수준1	14.2	4.2	2.1	41.1	1.6	0.4	1.4	0.1	34.1	0.229
수준2	14.5	4.3	2.2	40.6	1.6	0.4	1.4	0.1	33.9	0.229
수준3	15.5	4.9	2.4	39.5	1.6	0.4	1.4	0.2	32.6	0.229
수준4	15.9	5.7	2.6	38.4	1.6	0.5	1.5	0.2	32.3	0.305
수준5	15.0	4.5	2.4	39.9	1.6	0.5	1.5	0.2	33.0	0.382

(단위:중량%)

즉, X선회절 분석에서와 같이 클링커의 주요 생성상은, 알리나이트, 칼슘클로로알루미네이트, 트리칼슘실리케이트, 디칼슘실리케이트, 칼슘알루미네이트, 칼슘알루미노페라이트이었으며, 5가지 배합의 경우 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다.

또한, 제조된 클링커에 석고를 10.0중량% 배합 혼합하여 제조된 시멘트로 압축강도, 응결 그리고 플로우 테스트를 실시하였으며 그 결과는 표5와 같다.

	W/C(%)	응결		Flow(%)	압축강도(kgf/cm²)				Blaine(cm²/g)
	W/C(%)	초결(min)	종결(hr:min)	Flow(%)	1d	3d	7d	28d	Blaine(cm²/g)
수준1	24.1	205	5:50	95	73.0	224	291	376	4120
수준2	24.1	325	7:45	95	63.0	194	281	367	3900
수준3	25.6	340	8:30	98	31.0	148	258	355	3940
수준4	25.5	300	7:40	89	33.0	141	241	352	3940
수준5	24.2	325	6:50	93	37.0	115	217	325	3940

그 결과, 압축강도 및 응결은 보통 포틀랜드 시멘트와 비슷한 수준으로 약간의 속경성의 특성을 나타내었다.

이와같이 본 발명에 의하면, 생활폐기물의 소각시 나오는 소각재와 하수 슬러지의 재활용을 통하여 매립에 따른 환경오염 문제를 저감시킬 뿐만 아니라 매립량의 감소효과를 가져올 수 있으며, 폐기물의 재 자원화를 통하여 단순 폐기물이 아닌 자원으로서의 효용성을 제고할 수 있다.

또한, 보통 포틀랜드 시멘트의 소성온도보다 낮은 소성 온도에서 시멘트의 제조가 가능하여 에너지 절감효과도 더불어 가져올 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.

도1은 본 발명에 따라 1,300℃에서 소성된 클링커의 XRD 패턴

Claims

석회석 87∼90중량%, 알루미나질 재료 1∼4중량%, 점토 1∼2중량%, 하수슬러지 2~6중량%, 소각재 6~8중량%로 혼합되는 원료를 소성하고, 이를 공기 중에서 서냉하여 클링커를 제조하는 것을 특징으로 하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법.
청구항 1 에 있어서, 상기 원료는, 900℃ 에서 1시간 탈탄산 한 후 1,250~1,350℃ 에서 1시간 소성되는 것을 특징으로 하는 생활폐기물 소각재와 하수 슬러지를 이용한 칼슘클로로알루미네이트 클링커 제조방법.
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