KR101091837B1 - 석탄재에서 추출한 친환경 광물성섬유 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화력발전소 등에서 발생하는 석탄재를 원료로 하여 친환경 광물성 섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 화력발전에서 연료로 사용하는 석탄의 잔재물인 석탄재를 광물성섬유 제조부를 포함한 설비를 구비하고 대량생산의 기반을 가지며 사용 용도에 따라 펄프 대체제 및 불연성 섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 석탄재에서 추출하는 친환경 광물성 섬유의 원자재인 석탄재는 폐기물로써 발생하는 현행 처리 방법인 매립에 의존하고 있으나 전량을 재활용하는 기술로서 폐기물 매립에 따른 환경오염 방지와 자원의 생산에 따른 수입대체효과는 물론 인체에 무해한 제품을 생산하여 자원부국의 길로 들어설 수 있다.

Description

석탄재에서 추출한 친환경 광물성섬유 제조 장치 및 방법{Mega mineral fiber manufacturing apparatus and method}

본 발명은 석탄재에서 친환경 광물성 섬유를 추출하는 제조장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 화력발전의 연료로 사용하는 석탄의 재(회)를 원료로하여 제품을 생산하는 장치를 구비하고 이를 이용하여 폐기물인 석탄재의 전량을 분진이나 폐수 등 환경오염물질의 배출 없이 광물성 섬유로 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소에서는 유연탄의 연소과정에서 불완전 연소의 부산물인 보텀애쉬(Bottom ash. 저회)라고 불리는 무기성 잔류불질과 플라이 애쉬(Fly ash. 비산회)가 발생하며 이를 집진과 이송과정을 통하여 일정한 장소에 야적되는 특징이 있다.

일반적으로 석탄을 주원료 하는 화력발전소는 석탄을 대량으로 투입 연소하여 보일러에 공급 연소하므로 고온, 고압의 증기를 생성하여 증기 터빈에 공급하여 전기를 생산하게 된다. 이때 연소로 발생하는 석탄재는 5~22% 정도의 미연소재(미(未燃燒材)를 발생하며 이 폐기물은 보텀애쉬(Bottom ash)와 플라이애쉬(Fly ash)로 구분된다. 이중 플라이애쉬의 일부는 콘크리트 원자재인 레미콘의 함유물로 활용되고, 아스팔트의 재료에도 일부 쓰이며 보텀애쉬는 바다의 매립재로 활용되고 있으나 이 두 폐기물에 대해 환경오염에 대한 우려가 제기되고 있는 상황이기에 환경오염 없이 폐기물을 재활용하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 방법은 화력발전소에서 나오는 폐기물인 보텀애쉬(Bottom ash)와 플라이애쉬(Fly ash)를 환경오염 없이 재활용하기 위해 보텀애쉬(Bottom ash)와 플라이애쉬(Fly ash)를 용융하여 액상화 시키며 이때 코크스성형탄 20%, 석회석 성형물 11%, 장석 성형물 9%를 혼합해 용융로에 이 투입함으로 용융로 내부에서 상호 공극을 형성하여 쉽게 착화되고 빠른 시간 내에 용융점 1200°C에 도달하는 효과를 내 용융에 걸리는 시간을 단축시켜 기름의 손실을 줄여 연료비의 절감과 완전한 용융으로 비산먼지 발생을 방지해 대기오염을 줄인다. 이렇게 만들어진 액상을 원심력을 이용해 공기압력 컴퓨레서로 압축하고 분사노즐을 통해 분사해서 솜과 같은 성상의 물질인 광섬유 및 식물성 펄프대체제를 제조하여 환경오염에 대한 문제를 해결하는 것이다.

화력발전소에서 증기터빈을 돌려 전기를 생산하는 화석 연료인 석탄을 사용 후 발생하는 석탄재의 재활용률이 지극히 저조한 현 상황에서 본 발명자는 석탄재를 주원료로 하는 제품생산에 앞서 석탄재의 성분을 분석하였다.

[석탄재 성분 분석]

성 분	함유율(%)	성 분	함유율(%)
SiO2	42~47	MgO	0.78
Al2O3	10~15	Na2O	0.18
Fe2O3	8.0~8.7	K2O	0.51
CaO	2.17	TiO2	1.33

상기와 같은 함유 물질로 전술(前述)한 제조부의 과정을 거쳐 생산된 광물성 섬유는 무기성 미네랄섬유로써 특히 펄프의 대체 재료로서 백상지, 골판지, 포장용지,생리대 등의 제조에 사용되는 주요한 자원이 된다.

수입에 의존하는 펄프의 대체제 활용으로 생산품을 만들어 수입대체 효과를 높이며 상기 제품 외에도 자동차 부품인 브레이크 패드 등과 각종 건축자재에도 널리 사용되는 물질이다. 또한 이 물질은 종이와 같이 순환 재생이 가능한 물질로서 경제성이 높다. 그리고 석면 대체제로 사용되어 건강에 해가 없는- 환경적 측면에서도 대단히 우수한 물질로 검증받은 제품이다(SGS Test Report).

또한 해양투기 또는 매립으로 발생하는 환경오염을 없애며 경제적 가치를 극대화하는 제품으로 탄생시켜 중요한 자원으로 전환하는 기술의 발명이며 선행 기술이 없는 세계 최초의 양산체제를 갖출 수 있는 발명이다.

1도는 전체적인 모습을 나타내는 공정흐름도
2도는 석탄재의 비산(飛散)이나 습기, 빗물의 유입을 막기 위한 밀폐형 사일로(Silo) 입면도
3도는 원료를 보관하는 원료보관 평면도
4도는 원료를 용해로로 이송하는 원료투입시설 흐름도
5도는 로(爐)에 원료를 투입하는 원료투입시설 단면도
6도는 로(爐)에 원료를 투입하는 원료투입시설 세부 단면도
7도는 제조시스템의 원료를 용해하는 로(爐)의 단면도
8도는 비산먼지, 매연 및 SO₂, NO₂ 등 가스와 먼지를 포집하는 장치 단면도
9도는 최종 배출구의 배기용 필터 상세도
10도는 고속회전형 분사노즐로서 드림형 헤드를 이용 회전하며 섬유를 제조하는 제조부 구조도
11도는 섬유화된 물질을 가열 숙성 시키는 연성조 입면도
12도는 섬유화된 물질이 완제품이 되기 전 물기를 제거하는 탈수시스템 설비 평면도
13도는 탈수기 장치의 상세도
14도는 자동 연료공급기 입면도, 단면도, 입체도

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1에 있어서 ①번은 원재료인 석탄이 타고 남은 재(ash)를 일컫는 석탄회와 이를 녹이는데 필요한 재료인 백운석, 석회석, 코크스 등의 재료를 섞어 성형탄으로 제조하여 도1에서의 ④번[도6]인 용선로에 투입하기 전단계를 일컫는 과정이다.

이 부분에서 중요한 요소는 첨가제의 비율로써 코크스성형탄 20%, 석회석 성형물 11%, 장석 성형물 9%를 혼합기를 통해 혼합한 후 같이 투입한다.

성형의 제조목적은 도1에서의 ④번에 투입되어 내부에서 상호 공극을 형성하여 쉽게 착화되며 빠른 시간 내에 용융점 1200℃에 도달하는 효과가 있다.

미분상태의 석탄재는 성상 그대로 투입 시 착화와 용융에 시간이 오래 걸려 버너의 연소시간을 길게 하여 기름의 손실을 가져와 원가상승의 원인이 되므로 보텀애쉬(Bottom Ash)를 먼저 가로 100㎜ 세로 100㎜ 두께 50㎜ 형태로 자체 수분을 이용 프레스 성형기로 제조하는 성형탄의 제조는 필수적 요소이다.

따라서 연료비의 절감과 경제적인 측면 및 기술적 측면에서 성과가 크며 대량생산의 기초가 된다. 뿐만 아니라 완전한 용융을 통해 대기 오염물질을 저감함은 물론 비산먼지 등이 발생하지 않는 장점이 있다.

도1에서 ②번의 경우 ①번 혼합기로 내려갈 때 자동으로 원료를 공급하는 장치로써 회석을 가로 100㎜ 세로 100㎜ 두께 50㎜ 형태로 고압프레스 성형기를 이용하여 제조하여 제2 공급 호퍼[도14]이라 일컫는 사각형 형태의 스테인리스 통에 투입하며 코크스를 역시 같은 방법으로 제조하여 제3공급 호퍼[도14]에 투입하며 장석을 같은 방법으로 성형 제조하여 제4 공급호퍼[도14]에 투입하고 하부에 컨베이어 벨트를 이용하여 용융로 상단에 석탄재 성형물 60%, 석회석 성형물 11%, 코크스 성형물 20%, 장석 성형물 9%로 혼합하여 투입한다. 이 장치는 혼합기에 성형 된 석탄회와 첨가 성형물을 일정한 비율로 공급하는 장치이다.

도1에서 ③번[도6]은 컨베이어 시스템으로 원료를 혼합기에서 용선로로 옮기는 과정을 나타낸다.

도1에서 ④번은 [도7]에 대한 것으로 용선로에서 1200℃이상의 온도로 원료를 녹여 액상으로 만드는 과정이다. 이때 많은 열이 발생하며 이 열은 열교환기를 통하여 일부는 뒤에 나오는 과정인 도1에서 ⑧번으로 표시되어 있는 연성조를 가열하는데 재활용되며 나머지는 연돌을 통하여 대기 중으로 배출된다. 이때 대기 오염물질이 발생하는데 이것을 모아 처리해 주는 과정이 대기 오염 방지 시설[도8]이며 도1에서 ⑤번으로 표시되어 있다. 이 같은 과정을 통하여 오염물질을 조금도 배출하지 않는 완벽한 친환경 프로젝트(공장)가 된다.

여기에 사용되는 용선로[도7]는 큐플라 타입(Cupola Type)의 로(爐)이며 4개의 버너를 사용하여 점화 가열하고 투입물은 1200℃부터 용융되어 1460℃에서 가장 적합한 1차 용융물질이 액상으로 분출되며 도1의 ⑦의 과정을 거쳐 물기를 빼고 이를 유동상 원심분리형 노즐(Nozzle)을 통하여 분사한다. 이 원심분리형 노즐이 도10에 대한 설명이다. 이때 원심분리형 노즐을 가진 스핀들은 3,600~4,500rpm으로 회전하는 원통형 기기로 회전과 고압으로 인하여 액상물질은 약 15cm 이상의 실 형태로 마치 솜사탕 기계에서 솜사탕이 나오는 것처럼 나오게 된다.

이 과정 전체의 설치 필요 공간은 연간 6만톤의 생산 설비 기준으로 할 때 20㎡의 공간이 필요하다. 이때 나오는 물질을 식혀 바로 포장을 하여 출하하는 공정을 건식공정이라 하며 이때 나오는 제품은 주로 샌드위치 판넬 등 건축용 자재를 만드는 원료로 활용된다.

이후 도1의 ⑧의 과정으로 이렇게 나오는 물질을 직경 5m, 높이 5m, 길이 10m의 스테인리스로 만든 원통형 용기인 연성조에 넣고 전체 물량의 5%정도의 첨가제를 투여한다. 첨가제의 성분은 에탄올아민, 대놀, 알킨기산아민, 알킨기산 마그네슘, 알킨기산 나트륨, 초산 수용액, 염산수용액의 화합물을 첨가제로 투여한다. 여기서 물은 전체 용적의 80%를 투여하며 이는 첨가제와 함께 반응하여 원재료의 섬유질을 개질(질을 개선)하기 위하여 투여한다.

원통형 용기인 연성조[도11]는 밀폐형으로 제작되며 용선로에서 발생하는 잔열로 32℃ 정도로 일정한 온도를 유지시키며 분당 회전수 10RPM의 교반기(자동으로 회전하며 저어주는 기구)를 설치하여 저속으로 천천히 골고루 섞어 준다. 각 용기는 3m의 이격 거리를 둔다. 총 7개의 밀폐형 원통형 용기는 제1 탱크에서부터 제7 탱크까지 순서대로 나열되 명명대며 이상과 같은 역할의 제1 탱크와 같은 형태의 제2 탱크에 물을 채워 역시 32℃ 온도를 유지하며 알킨기산 2%를 첨가하여 숙성과정을 거치며 2차 숙성된 광물성 섬유는 교반하여 위로 부유하면 모아 제3 탱크로 자동 이송된다.

제4 탱크는 초산 수용액의 첨가제가 물과 합성하여 숙성하며 제5 탱크로 이송된다.

제5 탱크는 실리콘 첨가제로 광물성섬유에 침투하여 흡착하도록 숙성되며 다시 제6 탱크로 이송한다.

제6 탱크에서 이송받은 광물성 섬유를 제7 탱크 혼합기에 넣고 다시 알킬기산 칼슘 2%, 염산 수용액 1%, 변성전분수용액 5%, 폴리비닝 알코올 8%, 초산 수용액 4%, 다인산나트륨 2%의 첨가제를 물 78%와 혼합하여 회전형 혼합기로 혼합 후 탈수 설비를 이용하여 펠트형으로 펼친 후 가열하여 건조하는 것이다.

이는 도12에 대한 설명으로 펠트형 건조기에 용융로에서 발생된 고열의 배관과 연결되어 잔열을 이용하여 건조하는 평면 브랑켓 방식의 건조장치를 사용한다.

이상과 같은 일련의 과정에 소요되는 연화조 탱크[도11]는 총 7개가 설치되며 한 탱크 당 숙성기간은 7일 간의 기간이 소요된다. 초기 물량이 전체 숙성을 거쳐 제품으로 출하되는 기간은 총 49일이 소요되며 초기 이후의 물량은 매일 지속적으로 반출된다. 연화조 속의 섬유와 물은 첫 번째 용기부터 가득 차게 되면 넘치게 되고 저절로 다음 탱크를 채우게 된다. 이 같이 전체 탱크가 차게 되고 숙성 과정이 진행된다. 각 탱크마다 배출기가 달려 있어 용도에 맞추어 부분별로 배출을 할 수 있고 최고급 재료인 마지막 탱크로 보낼 수도 있다.

이 같은 과정을 지나게 되면 직경 5m, 높이 5m, 길이 10m의 스테인리스로 만든 원통형 용기 안의 물질은 도1에서 ⑥번의 내용으로 1차 찌꺼기 클리너(제거기)를 거치면서 불순물을 제거하고 연화저장고로 이송된다. 연화저장고에서 부유물과 침전물을 분리하여 2차 클리너를 통하여 배출된 제품은 탈수기[도13]를 통한 탈수과정을 거치게 된다.

도12에 대한 설명으로 탈수기[도13]는 드럼세탁기의 드럼과 같이 회전 원통 속에 섬유를 넣고 고속 회전을 시키게 되면 탈수가 되며 이 과정을 거치면서 수분 함량이 줄어든 제품은 초기 용선로에서 발생하는 고온의 열을 이용하여 작동되는 건조기로 이송되어 건조과정을 거치게 된다.

한편 탈수과정에서 발생 된 물은 대형 수조로 이송되고 이 과정에서 필터를 통하여 잔류되어 있는 찌꺼기 등 불순물을 제거하고 화학 처리를 거쳐 재활용할 수 있는 물로 1차 연성로 탱크로 보내져 재활용하게 된다.

이 같은 과정을 거쳐 공장 밖으로 배출되는 폐수의 양을 초기 투입되는 전체 물의 양의 5% 이내로 줄어들게 되어 환경오염을 최소화하는 친환경 공장이 된다.

이렇게 건조과정을 거친 제품은 성상별로 분류되어 일정 용량의 내용물을 폴리비닐 마대에 담는 자동 포장기를 통하여 포장 출하된다.

도1에 ① ; 믹싱
② ; 자동원료공급시스템
③ ; 원료투입시설
④ ; 용선로
⑤ ; 대기오염방지시설
⑥ ; 찌꺼기 클리너(Cleaner)
⑦ ; 용출실
⑧ ; 연성조
도6에 ① ; 코크스 투입호퍼
② ; 백운석 투입호퍼
③ ; 석회석 투입호퍼
④ ; 석탄재 투입효퍼
⑤ ; 혼합기 이송용 콤베이어
⑥ ; 혼합물 이송용 콘베이어
⑦ ; 용해로
⑧ ; 배출가스전 처리기
도8에 ① ; 가스흡입관
② ; 내부 점검부
③ ; 싸이클론
④ ; 애쉬 저장소
⑤ ; 애쉬 자동 배출 장치
⑥ ; 물순환관
⑦ ; 순환모터
⑧ ; 배출관
⑨ ; 이송기 점검구
⑩ ; 흡배용 전기모터
⑪ ; 모터지지대
⑫ ; 이송용 점검구
⑬ ; 흡입관

⑭ ; 내부노즐
⑮ ; 애쉬 저장기

; 수압조절기

; 내부점검부
도10에 ① ; 동력전달용 드림헤드
② ; 노즐
③ ; 고압에어 분출구
④ ; 노즐분사전 액상 저장용기
⑤ ; 고무패드
⑥ ; 고정용 리베트
도11에 ① ; 이송용 콘베이어
② ; 가열식 숙성로
③ ; 교반용모터
④ ; 교반용롯드
⑤ ; 이송용배관
⑥ ; 2차 숙성용 탱크

Claims (10)

1. 석탄재를 이용하여 광물성 섬유를 제조하는 장치에 있어서,
   성형탄의 형태로 제조된 코크스, 백운석, 석회석 및 석탄재를 보관하는 격납용기;
   상기 석탄재 중 광물성 섬유의 주 원료로 사용되는 보텀 애쉬(Bottom Ash)를 일시 저장하는 사이로(Silo);
   상기 코크스, 백운석, 석회석, 및 보텀 애쉬를 각각 20%, 9%, 11%, 60%의 혼합비로 혼합하는 혼합기;
   상기 혼합기에 의해 혼합된 재료를 용융하여 액상 물질로 만드는 용선로;
   상기 혼합기에 의해 혼합된 재료를 상기 용선로로 투입하는 원료 투입 시설; 및
   상기 액상 물질을 회전시켜 섬유질의 상태로 분출하는 원심분리형 노즐;을 포함하는, 광물성 섬유 제조 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용선로는,
   큐폴라 타입(Cupola Type)의 로이며 하부 화실에 4개의 버너를 장착한 것을 특징으로 하는, 광물성 섬유 제조 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 광물성 섬유 제조 장치는,
   상기 용선로에서 발생하는 분진과 폐가스를 포집하며 싸이클론의 본체와 흡배기기를 포함하여 구성된 애쉬(Ash)자동포집장치를 더 포함하는, 광물성 섬유 제조 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 광물성 섬유 제조 장치는,
   상기 섬유질을 가열 숙성하여 상기 섬유질의 질을 개선하는 제1 연성조를 더 포함하며,
   상기 제1 연성조는 가열 숙성된 상기 섬유질을 제2 연성조로 이송하기 전에 상기 섬유질을 교반하는, 광물성 섬유 제조 장치
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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