KR101120221B1 - 플라이 애시의 품질 개량 장치 - Google Patents

플라이 애시의 품질 개량 장치 Download PDF

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노리히로 기쿠치
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세이이치 유지
박태성
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Abstract

플라이 애시를 수직 회전축과 회전 날개에 의해 교반하는 분체용 호퍼에 공급하여 분체용 호퍼의 하단에 설치된 원료 공급 장치(스크류 피더)에 의해 정량적으로 분체를 배출시키고, 또한 전자파 조사 수단에 의해 정량 공급된 플라이 애시에 전자파를 조사함으로써 전자파의 진동 직류 동작을 단순히 열에너지로 하지 않고 진동 운동으로 변화시켜 플라이 애시 표면층에 부착된 미연 카본을 분리할 수 있고, 계속해서 풍쇄 분급기에 의해 풍력에 의한 입자간 충돌 분쇄를 행하고, 풍쇄 분급기 내의 기류에 동반된 입자를 밀도차에 의해 분급하여, 미연 카본과 개질 플라이 애시를 구분 회수할 수 있다.

Description

플라이 애시의 품질 개량 장치{APPARATUS FOR IMPROVING QUALITY OF FLYASH}
본 발명은 플라이 애시의 품질을 개량하는 장치에 관한 것이다.
플라이 애시는, 평균 입자 직경이 20 마이크론인 구형으로서, 그 주된 성분은 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)의 2가지 성분으로 70～80%를 차지하고, 콘크리트 혼화재로서의 이용이나 지반 개량재, 건설자재, 비료 등으로 유효하게 이용되는 것이 알려져 있다.
그러나, 최근에는, 대기오염 방지의 목적으로, 보일러로부터의 질소산화물(NOx)의 발생을 적게 하기 위해서 미분탄(微粉炭)을 저온에서 연소시키는 경향이 있다(약 1600℃에서 연소되던 것을 약 1400℃로 저온화). 이 때문에, 플라이 애시 속에 미연(未然) 탄소분(미연 카본)이 증가하고, 품질의 안정성이 손상되어 플라이 애시의 유효한 이용의 저해 요인이 되고 있다.
그래서, 어떤 방식으로 플라이 애시 함유 미연 카본을 용이하게 제거하고, 입도 분포를 필요한 입도 영역으로 안정되게 유지할 수 있을지가 과제로 되어 있다.
도 5는 구형의 플라이 애시(FA) 표면 및 FA 사이에 점재하는 미연 카본(사진에서는 막대형 또는 부정형)을 촬영한 SEM 사진이다.
종래, 석탄재(플라이 애시) 속의 미연 카본 제거 방법은 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1참조). 여기서, 종래의 미연 카본 제거 기술에 대해서 설명한다.
도 4는 종래의 플라이 애시의 미연 카본 제거 장치의 구성을 나타낸 개략도이다. 종래의 미연 카본 제거 장치는, 원료가 되는 플라이 애시를 삽입 교반하는 회전 드럼(110)과, 플라이 애시를 승온 자연존(101), 가열존(102), 간접 냉각 교반존(103)으로 순차적으로 유동 반송하여 종단부로부터 연속적으로 꺼낼 수 있는 로터리 킬른(100)과, 냉각 후의 개질 플라이 애시를 도입하여 선회 기류에 의해 분쇄 분급하는 사이클론식 풍쇄(風碎) 분급 장치(600)와, 개질 플라이 애시를 복수 종류의 개질 플라이 애시로 분별하는 사이클론식 분급 장치(700)와 버그 필터식 분급 장치(800)를 포함한다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2008-126117호 공보
도 4에 도시된 바와 같은 종래의 미연 카본 제거 장치에 있어서는, 소성 장치(400) 등에 의해 미연 카본을 600℃～950℃에서 자연(self-combusting) 소성하는 것으로서, 승온 자연존, 가열존, 냉각존과 각 공정이 분리되어 있다. 이에 따라, 장치의 대형화, 복잡화를 초래하고, 또한, 장치에 필요한 에너지도 증대하여, 미이용 자원이기도 한 카본도 소실되어 회수할 수 없다. 회수 플라이 애시에 대해서도 고온 처리에 의한 형상 변화가 보여 품질의 안정화에 문제가 있다[원분(原粉)에 함유되는 Fe가 영향을 끼치고, 소성에 의해 Fe2O3가 증가함].
그래서, 본 발명은, 미연 카본 제거 효율을 높이면서 제거 카본도 회수 이용 가능하며, 장치의 간략화 및 소형화도 도모할 수 있고, 에너지 비용도 저감하여 환경 측면을 고려한 플라이 애시의 개량 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라이 애시의 품질 개량 장치는, 미연 카본 함유율이 5.0～10.0 중량%이고 평균 입자 직경이 15.0～25.0 마이크론인 원료 플라이 애시 분체용 호퍼에 하단 원료 배출구의 중심선을 따라 수직 회전축을 설치하고, 이 수직 회전축에 복수의 회전 날개를 설치하여 상기 호퍼 내의 데드 스톡(dead stock)을 방지하며, 분체용 호퍼의 하단에 상기 호퍼 내의 원료를 꺼내어 하향으로 정량 배출할 수 있는 원료 공급 장치를 접속하고, 이 원료 공급 장치의 하향 배출구를 원료를 혼합 반송하는 2축 스크류부의 상향 개구단의 내측에 간극을 두고 삽입한 것을 특징으로 한다.
여기서, 분체용 호퍼의 하단에 원료 배출구를 둘러싸는 바닥부 콘이 설치되고, 상기 바닥부 콘의 내측에 다공판으로 이루어진 통기성의 내측 콘이 이중 바닥 형상으로 고정되며, 바닥부 콘에 압축 공기 공급을 위한 에어 파이프가 접속되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료 공급 장치로부터 2축 스크류부에 공급된 미연 카본 함유율이 5.0～10.0 중량%이고 평균 입자 직경이 15.0～25.0 마이크론인 원료 플라이 애시 분체 혼합물에 대하여 전자파를 조사하는 전자파 조사 수단을 포함하여도 된다. 전자파 조사 수단은, 상기 2축 스크류부의 투입부보다도 하류측에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전자파 조사 수단에 의해 전자파가 조사된 플라이 애시 분체 혼합물을 풍쇄 분급하는 사이클론 밀 방식의 풍쇄 분급기를 더 포함하여도 된다.
본 발명에 따르면, 플라이 애시를 수직 회전축과 회전 날개에 의해 교반하는 분체용 호퍼에 공급하여 분체용 호퍼의 하단에 설치된 원료 공급 장치(스크류 피더)에 의해 정량적으로 분체를 배출시키고, 또한 전자파 조사 수단에 의해 정량 공급된 플라이 애시에 전자파를 조사함으로써 전자파의 진동 직류 동작을 단순히 열에너지로 하지 않고 진동 운동으로 변화시켜 플라이 애시 표면층에 부착된 미연 카본을 분리할 수 있다.
또한, 분체의 데드 장해가 없어 정량 공급이 가능한 분체용 호퍼와 원료의 균일 교반 및 혼합 반송이 가능한 2축 스크류부와 전자파 조사 수단을 동일 장치 내에서 연속하여 실행시킬 수 있기 때문에, 분리 제거 효율을 높이면서 또한 불요물이 발생되지 않는 시스템으로서, 장치의 간략화 및 소형화를 도모할 수 있고, 에너지 비용의 저감도 가능한 플라이 애시의 품질 개량 장치로 만들 수 있다.
또한, 풍쇄 분급기에 의해 풍력에 의한 입자간 충돌 분쇄를 행하고, 풍쇄 분급기 내의 기류에 동반된 입자를 밀도차에 의해 분급하여, 미연 카본(고탄소재)과 개질 플라이 애시를 구분 회수할 수 있다.
또한, 풍쇄 분급기로 분급 분리한 미연 카본을 후공정에서 표면 개질에 의한 부선법(浮選法) 처리를 행함으로써, 고품질 카본을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라이 애시의 품질 개량 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 있어서의 전자파 가열 장치의 시스템 블록을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1에 있어서의 사이클론 밀 내에서의 공기 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 플라이 애시의 품질 개량 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 플라이 애시의 표면 및 플라이 애시 사이에 점재하는 미연 카본을 촬영한 SEM 사진이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라이 애시의 품질 개량 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 플라이 애시의 품질 개량 장치는, 원료 플라이 애시(FA) 분체를 교반하여 원활하게 안정적으로 공급할 수 있는 분체용 호퍼(100)와, 원료 플라이 애시 분체를 정량 공급하는 원료 공급 장치(108, 113)와, 균일하게 혼합되어 반송된 원료 플라이 애시 분체에 대하여 전자파를 조사하는 전자파 조사 수단(201, 202, 203)을 구비한 전자파 가열 장치(200)와, 전자파 처리된 원료 플라이 애시 분체를 개질재(플라이 애시)와 고탄소재(미연 카본)로 분리하여 풍쇄 분급하는 사이클론 밀(300)을 구비한 풍쇄 분급기를 포함한다.
원료 플라이 애시 분체로서는, 통상 미연 카본 함유율이 5.0～10.0 중량%이고 평균 입자 직경이 15.0～25.0 마이크론인 것이 사용된다.
원료 플라이 애시 분체는 분체용 호퍼(100)에 공급되어 교반된다. 분체용 호퍼(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 대략 원통형의 분체 수용 용기이다. 분체용 호퍼(100)에는 그 하단에 개구된 원료 배출구의 중심선을 따라 수직 회전축(105)이 설치되고, 이 수직 회전축(105)에 다수의 회전 날개(106)가 부착되어 있다. 구동 모터(107)가 수직 회전축(105)을 회전시켜 회전 날개(106)를 회동시킴에 따라, 원료 플라이 애시 분체는 분체용 호퍼(100) 내에서 균일하게 교반되면서, 원료 배출구를 통해 하향으로 배출된다. 원료 플라이 애시 분체는 최대 입자 직경이 40 ㎛에 이르는 미세 입자로서 함습성이 높기 때문에 호퍼 내에서 데드 스톡(dead stock)이 발생하기 쉽다. 이러한 현상은 수직 회전축(105)과 회전 날개(106)를 채용함으로써 효과적으로 방지될 수 있다.
분체용 호퍼(100)의 하단에는 원료 배출구를 둘러싸는 바닥부 콘(101)이 설치된다. 바닥부 콘(101)은 그 내측에 다공판으로 이루어진 통기성의 내측 콘이 이중 바닥 형상으로 고정되어 있다. 바닥부 콘(101)에는, 원료 플라이 애시 분체를 공급하기 위한 원료 공급구(102)가 접속되어도 된다. 또한, 압축 공기 공급을 위한 에어 파이프(104)가 접속되어도 좋다.
분체용 호퍼(100)의 원료 배출구의 하류측에는 원료 플라이 애시 분체를 정량 공급하기 위한 원료 공급 장치(스크류 피더)(108, 113)가 접속된다. 원료 공급 장치(108, 113)는 복수 개 설치되어도 좋다. 예컨대, 도 1에는, 호퍼(100)로부터 하향으로 배출된 원료를 구동 모터(111)에 의해 회전하는 스크류(109)에 의해 반송하여 배출구(110)로 정량 배출하는 제1 원료 공급 장치(108)와, 배출구(110)로부터 하향으로 배출된 원료를 받아서 구동 모터(115)에 의해 회전하는 스크류(114)에 의해 반송하여 배출구(116)로 정량 배출하는 제2 원료 공급 장치(113)가 배치되어 있다.
원료 공급 장치(108, 113)의 하향 배출구(116)로부터 정량 배출된 원료 플라이 애시 분체는 투입부(207)를 통하여 전자파 가열 장치(200)의 2축 혼합 반송 장치(스태빌라이저)로 공급된다.
도 2는 도 1에 있어서의 전자파 가열 장치의 시스템 블록을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 2축 혼합 반송 장치는 가대(210)에 지지된 트로프(208) 상에 2축 스크류부(204)를 수평으로 배치하고, 이 2축 스크류부(204)에 의해 정량 공급된 원료 플라이 애시 분체를 혼합 반송하도록 하고 있다. 원료 공급 장치(113)의 하향 배출구(116)는 2축 스크류부(204)의 상향 개구단의 내측에 간극을 두고 삽입되어 있다. 원료 플라이 애시 분체는 이 하향 배출구(116)로부터 투입부(207)에 인접한 2축 스크류부(204) 상으로 하향 배출된다. 2축 스크류부(204)가 구동 장치(206)에 의해 구동됨에 따라, 원료 플라이 애시 분체는 2축 스크류부(204)에 의해 혼합되면서 투입부(207)측으로부터 운반부(211)측으로 반송되어 하향 배출된다.
원료 플라이 애시가 2축 스크류부(204)에 의해 혼합되어 반송되는 중에, 2축 스크류부(204)의 상측에 배치된 전자파 조사 수단(201, 202, 203)으로부터 전자파가 조사된다. 전자파 조사 수단(201, 202, 203)은 2축 스크류부(204)의 투입부(207)보다도 하류측에서 전자파를 조사하도록 설치된다. 전자파는 마이크로파 발진기(201)로부터 아이솔레이터(202), 접속 도파관(203)을 거쳐 마이크로파 오븐(213) 내로 발진되어, 2축 스크류부(204)에 의해 혼합 반송되는 원료 플라이 애시 분체로 균일하게 조사된다. 이것에 의해, 전자파의 주파수에 따른 심한 진동에 의해 구형(球形)의 원료 FA 표면에 부착되어 있는 미연 카본이 제거된다(즉, 진동에 의해 털어 내어진다).
전자파가 조사된 플라이 애시 표면층에 부착된 미연 카본은, 전자파의 진동 직류 동작[마이크로파의 진동 직류 동작(양극 전압)을 펄스 마그네트론에 유도하고, 이 전자파를 발진시켜 진동 운동으로 변화시키는 동작]에 의한 진동 운동의 (채로 쳐서 털어내는 것과 같은) 분류 효과에 의해 분류되어 거의 완전하게 플라이 애시와 미연 카본으로 분리된다.
전자파의 조사 조건은 주파수 300 MHz~30 GHz, 조사 시간 1분 내지 30분의 범위 내에서 조정될 수 있다. 전자파 조사 수단의 표준적인 반응 온도는 100℃～120℃의 범위 내로, 2축 혼합 반송 장치의 체류 시간은 15～20분간 정도로, 전자파의 주파수대는 700 MHz～1500 MHz 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는 700 MHz 이하에서는 미반응부가 많이 보이고, 1500 MHz 이상이면 피가열물에 손상이 발생하기 때문이다.
전자파 가열 장치(200)는 미연 카본의 분리를 촉진하기 위하여 교반기 팬(205)을 더 구비하여도 좋다. 또한, 원료 플라이 애시는 혼합 반송되는 중에 전자파의 조사에 의한 유전 가열에 의해 발열하므로 2축 스크류부(204)는 단열 구조(209)를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 동일 장치(전자파 가열 장치) 내에서 연속하여 각 공정(종래 방식인 도 4에 기재되어 있는 「승온 자연→가열→급냉」 등의 공정)을 행할 수 있고, 전자파를 이용함으로써 반응 온도도 저온 영역이며, 장치의 간략화 및 소형화가 도모되고, 에너지 비용의 저감을 도모할 수 있다.
원료 플라이 애시 분체는 전자파 가열 장치(200)를 통과하면서 전자파의 조사에 의해 원료 플라이 애시(FA)와 미연 카본으로 분리된 상태이기는 하지만, 원료 FA와 미연 카본이 혼재된 혼합물 상태가 된다. 이러한 상태의 플라이 애시 분체 혼합물은 전자파 가열 장치(200)로부터 운반부(211)를 통해 배출되어 정량 공급 피더(301)를 거쳐 풍쇄 분급기로 공급된다.
본 발명에 따른 풍쇄 분급기는 사이클론 밀(300)인 것이 바람직하다. 사이클론 밀은 플라이 애시를 구성하는 입자 중 미연 카본(미연 입자)이 플라이 애시(완전 연소 입자)에 비하여 쉽게 파쇄된다고 하는 원리, 즉 입자간의 경도의 차이를 이용하는 것이다(미연 탄소 입자끼리가 서로 부딪쳐서 분쇄됨).
도 1을 참조하면, 사이클론 밀(300)은, 정량 공급 피더(301)로부터 플라이 애시 분체 혼합물이 공급되는 투입구(304)와, 플라이 애시 분체 혼합물을 개질재(FA)와 고탄소재(미연 카본)로 분리하는 회전 날개(305) 및 회전 모터(306)와, 개질재(FA)를 배출하는 개질재 배출구(307)와, 고탄소재를 배출하는 고탄소재 배출구(308)를 포함한다.
도 3은 도 1에 있어서의 사이클론 밀 내에서의 공기 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 투입구(304)를 통해 공급된 플라이 애시 분체 혼합물은, 사이클론 밀(300) 내에서 역방향으로 고속 회전하는 한 쌍의 회전 날개(305)에 의해 발생한 수직 방향의 대항 기류(유체 전단력)에 의해 서로 충돌함으로써 파쇄되고, 장치 내의 흡인 기류(311)에 동반된 입자들은 고속 회전 모터(306)를 이용하여 밀도차에 의해 분별한다. 이 경우, 로터(회전 날개)의 회전수, 로터끼리의 간격 등을 변경함으로써 분쇄 입도를 변경할 수 있다.
개질재(플라이 애시)와 고탄소재(미연 카본) 사이의 성상의 차이는 아래 표 1과 같다. 이러한 성상의 차이로부터 개질재와 고탄소재 사이에 밀도차가 발생한다.
명칭 플라이 애시 미연 카본
진비중 2.0~2.2 1.5
최대 직경(㎛) 40 13
부피 비중 0.64 0.5
중간 직경(㎛) 20 6
형상(도 5 참조) 구형 부정형(막대형인 경우가 많음)
기타(경도) 경도는 높고 성상은 안정됨 경도는 낮고 무름
이렇게 하여 분별된 개질재(FA)는 개질재 배출구(307)를 통하여 배출되어 회수 용기로 회수된다.
한편, 개질재와 따로 분리되어 분별된 고탄소재(미연 카본)는 고탄소재 배출구(308)를 통하여 버그 필터(309)에 의해 고탄소재 회수 용기로 회수된다.
이와 같이, 전자파 조사가 완료된 플라이 애시 분체 혼합물(FA와 미연 카본의 혼합물)은 풍쇄 분급기(300)에 송입되어 풍쇄 분급되어 개질재와 고탄소재로 구분되어 분급 회수된다. 여기서, 회수된 플라이 애시의 품질 규격은 “JISA6201”에 따르며, 측정기는 “고정밀도 분말 자동 계량기”(예컨대, “마이크로 밸런서”에 따름)를 사용한다.
풍쇄 분급 수단으로서 사이클론 밀을 이용할 경우, 분쇄 영역 내에 설치한 대향하는 2장의 선회 날개의 회전수와, 흡인 블로어의 흡인력을 최적으로 제어함으로써, 매우 고속이면서 효율이 높은 연속 분쇄 성능(입자간 충돌에 의한 압축, 충격, 전단력에 의한 파쇄?마쇄 효과)과, 자기 분급 기능을 실현할 수 있다. 이에 따라, 플라이 애시도 분리 카본도 유효하게 이용할 수 있어, 소형이면서 에너지 효율이 높은 장치로 만들 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시 형태에 따른 플라이 애시의 품질 개량 장치를 상세히 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 본 발명의 기술사상에 기초하여 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
100 : 분체용 호퍼 101 : 바닥부 콘
105 : 회전축 106 : 회전 날개
113 : 원료 공급 장치 200 : 전자파 가열 장치
204: 2축 스크류부 207 : 투입부
300 : 사이클론 밀 305 : 회전 날개
307 : 개질재 배출구 308 : 고탄소재 배출구
309 : 버그 필터

Claims (4)

  1. 미연 카본 함유율이 5.0～10.0 중량%이고 평균 입자 직경이 15.0～25.0 마이크론인 원료 플라이 애시 분체용 호퍼에 하단 원료 배출구의 중심선을 따라 수직 회전축을 설치하고, 이 수직 회전축에 임의의 회전 날개를 설치하여 상기 호퍼 내의 데드 스톡(dead stock)을 방지하며, 분체용 호퍼의 하단에 상기 호퍼 내의 원료를 꺼내어 하향으로 정량 배출할 수 있는 원료 공급 장치를 접속하고, 이 원료 공급 장치의 하향 배출구를 원료를 혼합 반송하는 2축 스크류부의 상향 개구단의 내측에 간극을 두고 삽입하고,
    상기 2축 스크류부와, 상기 원료 공급 장치로부터 상기 2축 스크류부에 공급된 미연 카본 함유율이 5.0～10.0 중량%이고 평균 입자 직경이 15.0～25.0 마이크론인 원료 플라이 애시 분체 혼합물에 대하여 전자파를 조사하는 전자파 조사 수단을 구비하는 전자파 가열 장치를 포함하고,
    상기 전자파 가열 장치에서, 상기 전자파 조사 수단은, 상기 2축 스크류부의 투입부보다도 하류측에 설치되어 있고, 상기 2축 스크류부는 각각의 스크류의 회전축이 서로 수평 방향으로 나란히 배열되고, 상기 원료 플라이 애시 분체 혼합물이 상기 2축 스크류부에 의해 혼합되어 반송되는 중에, 상기 2축 스크류부의 상측에 배치된 상기 전자파 조사 수단으로부터 전자파가 조사되고, 상기 전자파의 주파수대는 700 MHz 내지 1500 MHz로 설정됨으로써, 상기 원료 플라이 애시 분체 혼합물이 상기 2축 스크류부에 의해 혼합되면서 투입부측으로부터 운반부측으로 반송되는 중에 상기 원료 플라이 애시 분체 혼합물에 전자파가 균일하게 조사되어 미연 카본이 분리되는 것을 특징으로 하는 플라이 애시의 품질 개량 장치.
  2. 제1항에 있어서, 분체용 호퍼의 하단에 원료 배출구를 둘러싸는 바닥부 콘이 설치되고, 상기 바닥부 콘의 내측에 다공판으로 이루어진 통기성의 내측 콘이 이중 바닥 형상으로 고정되며, 바닥부 콘에 압축 공기 공급을 위한 에어 파이프가 접속되는 것인 플라이 애시의 품질 개량 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 전자파 조사 수단에 의해 전자파가 조사된 플라이 애시 분체 혼합물을 풍쇄 분급하는 사이클론 밀 방식의 풍쇄 분급기를 포함하는 것인 플라이 애시의 품질 개량 장치.
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