KR101400728B1 - 유황 고형화 성형물 제조 시스템 - Google Patents

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Abstract

고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템이 개시된다. 개시되는 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 연속식 혼합 유닛 및 상기 연속식 혼합 유닛에서 발생한 유황 가스를 회수하여 상기 연속식 혼합 유닛으로 보내는 유황 가스 회수 유닛을 포함하고, 상기 연속식 혼합 유닛은 상기 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 열원부를 포함한다. 이렇게 하여, 고형분말의 혼합물을 원료로 혼합물 중 특정 원료만을 용융시켜 용융 혼합물을 제조하면서도 연속적으로 유동성 혼합물을 제조할 수 있게 된다.

Description

유황 고형화 성형물 제조 시스템{SULFUR SOLIDIFIED MOLDING FABRICATION SYSTEM}
본 발명은 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 그 방법에 관한 것이고, 더 구체적으로는 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 열원장치를 이용하여 유황 고형화 성형물을 연속적으로 제조하기 위한 유황 고형화 성형물 제조 시스템에 관한 것이다.
화력 및 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)에서 발생한 석탄재 중 약 10 ~ 15%를 차지하는 바닥재는 어느 정도 골재로서의 필요한 경도를 갖는 다공질의 재료로서 비중이 낮고 입도가 큰 특성이 있다.
발생한 석탄재 중 비산재는 시멘트 원료와 콘크리트 혼화제로 가장 많이 재활용되고 있으며, 이 밖에 규산카리비료, 토질개량재, 경량골재 제작, 노반재 및 성토재, 그리고 경량건축재 등에 재활용되고 있으나, 바닥재의 경우 비산재에 비하여 안정성, 입도 등은 일반골재(KS F 2526)와 차이가 없지만 낮은 밀도, 높은 흡수율, 상대적으로 높은 미연소탄소의 함량과 같은 특성 때문에 일반 골재로의 활용이 어려워 대부분 매립장에 매립처리하고 있는 실정이다.
한편, 전력 소비량 증가로 산업폐기물인 바닥재의 발생량은 매년 증가하고 있지만, 콘크리트의 첨가제로 일부 활용되거나 대부분 매립 처리되어 일부 발전소에서는 매립장 용량이 한계에 부딪혀 회처리장의 추가 건설이 시급하나 환경문제 및 민원 발생 등으로 추가 건설이 어려운 실정으로 석탄 바닥재의 재이용, 재활용을 통해 순환이용하는 기술 확보가 지속가능한 경제성장을 위한 필수 요소라 할 수 있다.
최근까지 바닥재를 활용한 기술은 콘크리트(재생순환골재나 인공경량골재의 제조기술 등), 모르타르와 같은 토목건축자재로의 활용이 가장 많이 진행되었고 그 외에 바닥재의 생성 특성상 갖게 되는 유해물질의 처리 방법, MAR(Magaldi Ash Recycling) 시스템을 이용한 바닥재의 비산재화 방법에 대한 기술 등이 알려져 있다.
하지만, 바닥재를 이용한 콘크리트 활용기술에는 바닥회의 생성 특성에 따른 문제점을 해결하기 위한 전처리 기술이 필수적이다.
첫째로 국내 화력발전소의 바닥재 처리 방식은 해수를 이용한 습식방법을 사용함에 따른 높은 염화물 함량 때문에, 콘크리트 첨가물로 사용하기 위해서는 세척을 통한 염화물의 제거공정이 필수적이다. 또한 콘크리트의 시공성과 강도발현에 영향을 주는 미연탄소 양인 강열감량이 10%이상(KS기준 5%이하) 포함돼 있어 부식현상이 발생 될 수 있는 문제점 때문에 바닥재에 함유된 탄소의 제거/회수기술이 필요하다.
일반적으로, 유황은 물에 녹지 않고 119 ~ 159℃의 온도 범위에서는 용융되어 저점도(11 ~ 7cp)의 액상이 되며, 상온에서는 빠르게 고화되어 사방정계(orthorhombic system)의 결정형태를 갖는 안정된 고체상태로 고강도를 갖는다.
유황의 성질, 즉 119℃를 넘으면 용해하고 상온에서는 고체인 성질을 이용하여 토목 및 건설 분야에 유황을 적용하는 기술개발이 지속적으로 시도되어 왔다. 실 예로 포장 재료(미국특허 제4,290,816호, 1981), 그 밖에 건축 재료용 자재 또는 폐기물 고화용 자재 등의 결합재로서 사용이 검토되었다.
2000년 이후에는 순수유황의 인화성 및 해수나 토양에 존재하는 유황산화세균에 의한 황산이온의 용출 문제 등이 제기되어 개질제(dicyclopentadiene 등)를 이용한 개질유황에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 개질제를 이용한 유황의 개질반응은 중합반응으로서 반응 종료 후 재용융시에도 지속적인 중합반응으로 인한 점도 상승으로 작업성의 어려움, 온도가 낮아지면 유동성이 저하되어 급격하게 냉각 고화하는 현상, 용융 혼합시간에 따른 재료의 품질 저하 등의 문제점이 있다.
이러한 유황 개질반응의 단점을 보완하기 위한 기술로 또 다른 첨가제(중합반응 억제제 등)를 추가적으로 투입하는 기술이 진행되어왔는데, 이와 같은 개질유황을 이용한 기술은 반응의 제거가 용이하지 못하고 유황 이외에 추가적인 첨가물이 많아지면서 경제적, 환경적 부담이 커지는 단점이 있다.
여기에서 사용되는 저온용융(low temp. melting) 유황 고화법은 유황용융고화물로서 유황의 특성을 이용한 극저온용융 고화법으로 고화물을 제조하는 것이다.
유황은 160℃ 이상에서는 8원환의 유황 결합이 괴리하기 시작하는데, 이때 괴리한 래디컬(radical)은 중금속 화합물과 반응성이 매우 높기 때문에 무기계 자재 중의 중금속 화합물과 유황과의 반응이 촉진되어 중금속은 물로의 용출이 적은 황화합물로 변화하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 중금속류를 수불용상태에서 고정화하여 중금속을 봉쇄하는 방식으로 바닥재에 포함된 중금속류를 효과적으로 봉쇄화해 환경적으로 무해한 건자재의 제조가 가능하다.
유황의 함유 비율은 10 ~ 70wt%로서 건축재료의 요구강도에 따른 유황의 함유량을 유동적으로 변화할 수 있으며, 해수 또는 토양 등에 존재하는 유황산화세균(Thiobacillus속 세균)의 작용에 따른 황산이온용출은 바닥재의 알칼리성을 이용한 알칼리성 유황용융고화물을 제조하여 이를 방지할 수 있다.
여기서의 제조법에 사용되는 유황은 석유정제공정의 탈유 공정에서 생산되는 유황(99% 이상)을 사용할 수 있으며, 철강슬래그는 유황용융고화물의 요구 비중을 충족시키기 위하여 부자재로 첨가할 수 있다.
이러한 석탄 바닥재와 유황의 특성을 이용한 유황 고형화 성형물의 제조 기술은 용융유황을 석탄 바닥재의 공극에 침투시켜 유동성 혼합물을 제조해 이 혼합물을 정해진 형상에서 냉각 성형하는 것을 특징으로 한다.
제조에 사용되는 바닥재는 대부분 해수매립장에 매립되어 있기 때문에 높은 수분함량(50% 이상)을 갖는다. 고형원료로 사용되는 바닥재가 높은 수분함량을 가지게 되면 공정상에 제조되는 유황 고화물의 안정화 및 고형화에 영향을 주게 되기 때문에 가능하다면 바닥재의 함수율을 낮추는 것이 좋다.
또한 입경분포에 따른 유황 고화물 기초실험결과를 살펴보면 입도가 증가함에 따라 유황고화물의 압축강도가 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 입자간의 간격이 멀어져 다짐봉을 이용한 다짐에서도 고형화가 제대로 형성되지 못했기 때문이다. 따라서 다양한 입경분포를 가지는 바닥재의 특성을 고려한다면 유황용융공정 전단에 바닥재를 입경분포를 균일하게 해주는 분쇄공정이 필요할 것으로 판단된다.
유황 고형화 성형물의 연속적 제조를 위해서는 고형분말의 유황을 용융시켜 액상성분으로 변환시킨 후 입도가 작은 고형성분의 석탄 바닥재와 혼합하여 정해진 성형틀에 부어 성형을 하기 위한 연속식 가온 혼합기술이 필수적으로 요구되는바, 지속적으로 공급되는 고형분말의 바닥재와 유황 중 낮은 조성비(30 ~ 10wt%)를 갖는 유황을 연속적으로 용융시켜 액상화시키면서 이를 상대적으로 높은 조성비(70 ~ 90wt%)를 차지하는 고형성분의 석탄 바닥재와 골고루 혼합시키며 연속적으로 용융 혼합물을 생산하기 위한 가온 혼합기술이 필요하다.
공급되는 석탄 바닥재와 유황 혼합물의 열전도도는 매우 낮아 가온이 어려워 충분한 열전달을 위한 열 공급장치를 필요로 하며, 투입되는 원료 내 유황의 조성비에 따른 고형분말 혼합물을 최적의 불균일 2성분계 유동성 혼합물로 제조하며 공급되는 열에너지를 최소화하기 위한 혼합기의 부분적 가온기술을 필요로 한다.
개질 유황을 이용하여 제조한 개질유황고화물의 경우 압축강도가 기준치에 미달하거나 성형과정에서 생기는 불량품에 대한 재활용이 어려운 실정이다. 하지만 본 발명에서 제작되는 유황 고화물의 경우 유황의 고유한 특성을 그대로 유지하고 있기 때문에 재활용이 가능하다는 장점이 있다.
따라서 혼합과정에서 유황 용융 정도에 따른 불량 제품이 발생하였을 때 다시 가온하여 공정 내에서 재사용하기 위해서 고형물의 효과적인 분쇄를 위한 분쇄 기술을 필요로 한다.
또한, 유황이 혼합기 내에서 가온에 의해 용융될 때 미량(약 0.1~0.3%)의 유황가스가 발생하게 되는데 발생한 유황 가스는 유해가스로서 이를 회수하기 위한 포집 및 회수 기술을 필요로 한다.
높은 조성비의 고형성분이 스크류의 회전을 따라 일정 구간을 이동함에 있어 스크류 모터의 부하를 최소화하기 위한 실린더 내에서의 고형분말 혼합물의 체적조절과 원료 투입부에서의 고형분말 혼합물의 원활한 이동을 위한 스크류 피치 간격 조절과 같은 스크류 설계기술을 필요로 한다.
따라서, 유황 고형화 성형물의 제조를 위해 투입되는 고형분말 혼합물의 원료 중 낮은 조성비의 유황을 용융하여 연속적인 혼합물을 제조하고, 혼합 과정에서 발생하는 유황가스를 회수하기 위한 포집 및 회수할 수 있는 기능을 갖는 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 기술개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 해수 처리장에 매립된 고함수율의 바닥재를 건조하고, 다양한 입경분포를 갖는 바닥재를 균일하게 분쇄하고, 지속적으로 공급되는 열전도도가 낮은 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물에서 상대적으로 낮은 조성비의 유황을 용융시키면서 높은 조성비의 바닥재 공극에 침투시켜 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하면서 혼합 중 발생하는 가스를 회수하여 재사용하며, 혼합 시 발생하는 불량 제품을 공정 내 재사용하기 위한 연속식 혼합, 가스 회수와 분쇄 작업이 가능한 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 연속식 혼합 유닛 및 상기 연속식 혼합 유닛에서 발생한 유황 가스를 회수하여 상기 연속식 혼합 유닛으로 보내는 유황 가스 회수 유닛을 포함하고, 상기 연속식 혼합 유닛은 상기 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 열원부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 연속식 혼합 유닛은 원료 공급 스크류를 이용하여 상기 원료를 공급받는 공급부, 및 상기 공급부로부터 제공되는 원료를 혼합기 스크류를 이용하여 혼합하여 혼합물을 생성하고 토출하는 혼합부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 공급부는, 외부로부터 상기 원료를 공급받는 원료 공급 호퍼, 및 상기 원료 공급 호퍼와 상기 혼합부 사이에 설치되어 상기 원료 공급 호퍼에서 공급되는 원료를 정량으로 연속적으로 투입하도록 조절하는 스크류 조절 모터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스크류 조절 모터에 의해, 상기 원료는 상기 혼합부로 5~60g/min으로 공급되도록 조절된다.
바람직하게는, 상기 혼합부는 실린더 형으로 형성되고, 상기 혼합기 스크류는 상기 혼합부 내에 설치되되, 상기 혼합기 스크류는 공급되는 원료가 상기 열원부에 의해 가열되고 압축력을 받으면서 진행하도록, 상기 공급부로부터 멀어질수록 스크류 홈이 얕아지도록 형성된다.
바람직하게는, 상기 열원부는 온도를 조절하기 위한 온도 조절기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 가스 회수 유닛은, 촉매를 이용하여 가스를 포집 및 회수하는 고정층 반응기, 상기 고정층 반응기에 유입되는 가스의 공간 속도를 조절하기 위한 유량 조절기, 및 상기 고정층 반응기 내의 반응물 및 생성물의 분석을 위한 분석기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 고정층 반응기는 PFR 반응기이다.
바람직하게는, 상기 고정층 반응기의 반응 온도는 200~700℃의 범위이다.
바람직하게는, 상기 유량 조절기는, 상기 연속식 혼합 유닛 내에서 발생하는 가스와 상기 가스를 환원시키기 위한 환원제를 혼합하여 상기 고정층 반응기로 투입되는 가스의 공간속도를 조절한다.
바람직하게는, 상기 공간 속도는 5,000~30,000cm3/g-cat.h일 수 있다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 상기 연속식 혼합 유닛으로 상기 원료를 혼합하기에 앞서, 해수에 습식처리되어 고함수율을 갖는 상기 석탄 바닥재의 공극에 용융된 유황이 혼합되도록 건조시키는 석탄 바닥재 건조 유닛을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은 상기 연속식 혼합 유닛에서 발생하는 열을 회수하여 상기 석탄 바닥재 건조 유닛으로 제공하는 열 회수 유닛을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 생성되는 유황 고화물이 의도된 압축강도를 발현하도록, 상기 석탄 바닥재 건조 유닛으로 건조시킨 이후 상기 연속식 혼합 유닛으로 상기 원료를 혼합하기에 앞서, 상기 석탄 바닥재를 규격 입경까지 분쇄하는 석탄 바닥재 분쇄 유닛을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 의도되지 않은 불량품이 성형된 경우, 상기 불량품을 분쇄하여 재활용하는 재활용 분쇄 유닛을 더 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 단계, 상기 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 단계, 및 상기 가열하는 단계에서 발생한 황 가스를 회수하여 회수된 황 가스를 상기 혼합하는 단계에서 이용하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 상기 원료를 혼합하는 단계 이전에, 해수에 습식처리되어 고함수율을 갖는 상기 석탄 바닥재의 공극에 용융된 유황이 혼합되도록 건조시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 상기 원료를 혼합하는 단계 이전에, 그리고 상기 건조시키는 단계 이후에, 생성되는 유황 고화물이 의도된 압축강도를 발현하도록 상기 석탄 바닥재를 규격 입경까지 분쇄하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 의도되지 않은 불량품이 성형된 경우, 상기 불량품을 분쇄하여 재활용하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 개선된 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법을 제공함으로써, 바닥재 내의 수분을 제거하여 용융고화물의 제조공정의 효율을 높일 수 있으며, 바닥재의 입경을 조정하여 유황고화물의 압축강도를 높일 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 개선된 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법을 제공함으로써, 고체를 주성분으로 하는 불균일 2성분계 용융 혼합물의 연속적으로 제조할 수 있으며, 낮은 열전도도물질의 가온과 압축을 통한 최적의 용융 혼합물을 제조하는 효과를 갖는다.
나아가, 본 발명은 개선된 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법을 제공함으로써, 원료 손실을 최소화하고 유해가스 유출을 줄이는 효과를 갖는다.
더 나아가, 본 발명은 개선된 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법을 제공함으로써, 분쇄를 통한 속경성 고형물의 공정 내 재사용이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 석탄 바닥재와 유황을 건조 분쇄하여 고형분말의 혼합물을 제조한 후 가온 혼합을 통해 유동성 혼합물을 제조하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물로부터 용융 유황 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하기 위한 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 부분 상세 구성도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물로부터 용융 유황 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하기 위한 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 구성을 보여주는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 첨부되는 도면들 및 이들을 참조한 실시예에 관한 설명은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들로 하여금 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 의도로 예시된 것임에 유의하여야 할 것이다.
본 발명은 해수 처리장에 매립된 고함수율의 바닥재를 건조하고, 다양한 입경분포를 갖는 바닥재를 균일하게 분쇄하고, 지속적으로 공급되는 열전도도가 낮은 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물에서 상대적으로 낮은 조성비의 유황을 용융시키면서 높은 조성비의 바닥재 공극에 침투시켜 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하면서 혼합 중 발생하는 가스를 회수하여 재사용하며, 혼합 시 발생하는 불량 제품을 공정 내에서 재사용하는 것에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하고 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하고, 이 과정에서 발생한 황 가스를 회수하여 재사용하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 석탄 바닥재와 유황을 건조 분쇄하여 고형분말의 혼합물을 제조한 후 가온 혼합을 통해 유동성 혼합물을 제조하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 유황 고형화 성형물 제조 시스템은 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는데, 이 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하며, 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 열원부(300)를 포함하는 연속식 혼합 유닛(10)과, 연속식 혼합 유닛(10)에서 발생한 황 가스를 회수하여 연속식 혼합 유닛(10)으로 보내는 유황 가스 회수 유닛(400)을 포함한다.
연속식 혼합 유닛(10)은 원료 공급 스크류(201, 도 2 참조)를 이용하여 원료를 공급받는 공급부(200), 공급부(200)로부터 제공되는 원료를 혼합기 스크류(103, 도 3a 참조)를 이용하여 혼합하여 혼합물을 생성하고 토출하는 혼합부(100)를 포함한다. 나아가, 연속식 혼합 유닛(10)은 의도된 성형을 갖는 제품을 만드는 성형부(700)를 더 포함한다.
공급부(200)는 외부로부터 원료를 공급받는 원료 공급 호퍼(203, 도 2 참조)와, 이 원료 공급 호퍼(203)와 혼합부(100) 사이에 설치되어 원료 공급 호퍼(203)에서 공급되는 원료를 정량으로 연속적으로 투입하도록 조절하는 스크류 조절 모터(202)를 포함한다. 예를 들어, 원료는 스크류 조절 모터(202)에 의해, 혼합부로 5~60g/min으로 공급되도록 조절될 수 있다. 원료 공급 스크류(201)를 이용하며 원료 공급 호퍼(203)와 스크류 조절 모터(202)를 포함하는 공급부(200)에 관하여는 도 2를 참조하여 이후에 더 상세히 설명하도록 한다.
혼합부(100)는 실린더 형으로 형성되고 혼합기 스크류(103)는 혼합부(100) 내에 설치된다. 혼합기 스크류(103)는 공급되는 원료가 열원부(300)에 의해 가열되고 압축력을 받으면서 진행하도록 하기 위해, 공급부(200)로부터 멀어질수록, 즉, 성형부(700) 측으로 갈수록 스크류 홈이 얕아지도록 형성된다.
열원부(300)는 열을 제공하기 위한 가열기(302, 도 3a 참조), 온도계(301), 및 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(303)를 포함한다.
유황 가스 회수 유닛(400)은 촉매를 이용하여 가스를 포집 및 회수하는 고정층 반응기(401, 도 3b 참조), 고정층 반응기(401)에 유입되는 가스의 공간 속도를 조절하기 위한 유량 조절기(404), 고정층 반응기(401) 내의 반응물 및 생성물의 분석을 위한 분석기(402)를 포함한다. 고정층 반응기(401)는 PFR(Plug Flow Reactor) 반응기일 수 있다. 고정층 반응기(401)의 반응 온도는 200~700℃의 범위일 수 있다. 유량 조절기(404)는 연속식 혼합 유닛(10) 내에서 발생하는 가스와 이 가스를 환원시키기 위한 환원제를 혼합하여 고정층 반응기(401)로 투입되는 가스의 공간 속도를 조절한다. 여기서의 공간 속도는 5,000~30,000cm3/g-cat.h일 수 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 연속식 혼합 유닛(10)으로 원료를 혼합하기에 앞서, 해수에 습식처리되어 고함수율을 갖는 석탄 바닥재의 공극에 용융된 유황이 혼합되도록 건조시키는 석탄 바닥재 건조 유닛(500)을 더 포함한다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 연속식 혼합 유닛(10)에서 발생하는 열을 회수하여 석탄 바닥재 건조 유닛(500)으로 제공하기 위한 열 회수 유닛(800)을 더 포함한다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 생성되는 유황 고화물이 의도된 압축강도를 발현하도록, 석탄 바닥재 건조 유닛(500)으로 건조시킨 이후 연속식 혼합 유닛(10)으로 원료를 혼합하기에 앞서, 석탄 바닥재를 규격 입경까지 분쇄하는 석탄 바닥재 분쇄 유닛(600)을 더 포함한다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은, 성형부(700)에 의해 의도되지 않은 불량품이 성형된 경우, 그 불량품을 분쇄하여 재활용하기 위한 재활용 분쇄 유닛(900)을 더 포함한다.
다음으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물로부터 용융 유황 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하기 위한 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 구성을 보여주는 개념도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 부분 상세 구성도들이다. 특히, 도 3a는 도 2의 A 부분의 상세 구성도이고, 도 3b는 도 2의 B 부분, 즉 유황 가스 회수 유닛(400)의 상세 구성도이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 도 1과 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 시스템에서, 혼합부(100)는 실린더 형으로 형성되며, 이 혼합부(100) 내에는 혼합기 스크류(103, 도 3a 참조))가 설치된다. 혼합기 스크류(103)는 공급되는 원료가 열원부(300)에 의해 가열되고 압축력을 받으면서 진행하도록 하기 위해, 공급부(200)로부터 멀어질수록, 즉, 성형부(700) 측으로 갈수록 스크류 홈이 얕아지도록 형성된다. 혼합기 스크류(103)는 1축 스크류를 이용한 것일 수 있다.
공급부(200)는 고형분말 혼합물의 원료 공급을 위한 구성으로서, 원료 공급 스크류(201), 스크류 조절 모터(202) 및 원료 공급 호퍼(203)를 포함한다. 열원부(300)는 앞서 설명한 바와 같이 온도 측정을 위한 온도계(301), 열을 제공하기 위한 가열기(302, 도 3a 참조), 온도 조절을 위한 온도 조절기(303)를 포함한다.
도 3b는 앞서 언급한 바와 같이, 유황 가스를 포집하여 회수하기 위한 유황 가스 회수 유닛(400)의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
유황 가스 회수 유닛(400)은 촉매를 이용하여 가스를 포집 및 회수하는 고정층 반응기(401), 고정층 반응기(401)에 유입되는 가스의 공간 속도를 조절하기 위한 유량 조절기(404), 고정층 반응기(401) 내의 반응물 및 생성물의 분석을 위한 분석기(402)를 포함한다. 또한, 유황 가스 회수 유닛(400)은 환원 반응을 위한 환원제(405), 3-웨이 밸브(3-way valve)(403)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 여기서 분석기(402)는, 예를 들어, 기체크로마토그래피 분석법을 이용할 수 있다.
유황 가스 회수 유닛(400)을 더 구체적으로 설명하면, 미량의 가스를 효과적으로 회수하기 위하여 2개의 고정층 반응기(401)를 이용한 2단형으로 설치하여 가스의 포집과 회수를 동시에 가능하게 하였다.
도 3b의 유황 가스 회수 유닛(400)에서 고정층 반응기(401)에 투입되는 가스 유속은 보정된 유량 조절기(404)를 이용하여 환원제(405)의 비와 촉매의 양에 따른 유속을 갖도록 조절된다. 바람직하게는, 공간 속도 5,000~30,000 cm3/g-cat.h일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 5,000~15,000 cm3/g-cat.h로 조절될 수 있다.
촉매를 이용한 고정층 반응기(401)의 반응온도는 200~700℃, 더욱 바람직하게는 300~550℃에서 운전되며, 반응물 및 생성물은 분석기(402)를 통해 온라인으로 분석된다. 예를 들어, 상기 분석기(402)는 열전도도 검출기(TCD)가 장착된 기체크로마토그래피일 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 바와 같은 실시예로 적용가능함은 물론, 도 3a와 같이 혼합기의 가열기(302)가 3개의 구간으로 형성되어서 각 구간별로 운전온도 범위를 다르게 운전하는 실시예의 적용 또한 가능하다.
종래의 유황 콘크리트 제조법에 경우 용융유황이 실온에 노출시 급격히 고화되는 문제점이 발생하므로, 이를 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 시스템은 융융공정에서부터 성형부에 이르기까지 용융 유황 고화물의 온도를 유지하기 위해 열원부(300)가 사용되고 있다.
본 발명에서는 이와 같이 용융 혼합 및 성형부 측으로의 압출을 일원화 및 연속화함으로서 열원에 대한 소요비용을 절감하고 제조공정 동안의 가온 유지시간을 단축시키는 효과를 기대해 볼 수 있다.
도 1 내지 도 3b를 참조하여, 고형분말인 석탄 바닥재와 유황 원료를 공급하는 것으로부터 시작하여 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 동작 과정을 예를 들어 설명하면 이하와 같다.
먼저, 본 발명에 사용되는 원료인 고형분말의 석탄 바닥재와 유황은 미리 혼합하여 설치된 원료 공급 호퍼(203)에 일정량을 투입한 뒤 고형물의 유황 용융 정도에 따라 혼합부(100) 내의 혼합물의 조성비를 적정하게 유지하기 위해 정량으로 연속적으로 투입이 가능한 원료 공급 스크류(201)를 이용하여 혼합부(100)로 투입하게 된다.
원료 공급 스크류(201)는 스크류 조절 모터(202)를 조절하여 고형 혼합물을 혼합부(100)로 공급하게 되는데, 상온의 고형분말 혼합물을 5~170g/min의 공급 속도, 더 바람직하게는 5~60 g/min에서 고형분말 혼합물을 투입하게 되며, 투입된 고형분말 혼합물은 혼합기 스크류(103)의 회전에 따라 실린더 형의 혼합부(100) 내부를 이동하게 된다.
혼합기 스크류(103)는 원료가 투입되는 부분으로부터 멀어질수록, 즉 원료 공급 호퍼(203) 측에서부터 원료의 진행 방향으로 홈을 조금씩 얕게 하여 고형분말 혼합물의 압축을 통하여 혼합물의 이동이 원활하도록 형성되어 있다.
한편, 도 3a에 도시된 바와 같이, 연속식 혼합 유닛(10)은 용융섹션(105), 혼합섹션(106) 및 계량섹션(107)으로 구분될 수 있고, 용융섹션(105), 혼합섹션(106) 및 계량섹션(107) 각각에서 혼합물의 체적을 달리하여 최적의 연속적 용융 유황 혼합물을 제조할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 원료를 투입하는 부분에서는 고형분말 혼합물의 투입과 이동 간의 간섭을 최소화하기 위하여 혼합기 스크류(103)의 피치 간격을 조절하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 시스템은 석탄 바닥재 잔골재가 그 대상물이 될 것인데, 이 경우 1축 스크류를 이용한 고형분말 혼합물의 이동에 혼합기 스크류 모터의 부하를 최소화하기 위하여 원료 투입부에서 토출부에 이르는 스크류 샤프트의 경사각을 조절하여 원료의 이동에 지장이 없도록 하면서 원료를 투입하는 부분에서도 혼합물의 이동이 원활하도록 하였다.
바람직하게는, 혼합부(100)는 상온의 고형분말 혼합물을 실린더 형으로 형성된 혼합부(100) 외부에 설치된 가열기(302)로 가온하여 119~200℃의 온도 범위로 운전될 수 있다. 상기 온도의 범위는 더 바람직하게는 150~200℃일 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고형분말의 석탄 바닥재와 유황 혼합물로부터 용융 유황 유동성 혼합물을 연속적으로 제조하기 위한 유황 고형화 성형물 제조 시스템의 구성을 보여주는 개념도이다.
이 실시예에서, 가열기(302)는 세 개의 섹션, 즉, 용융섹션(105), 혼합섹션(106), 계량섹션(107)에 대응되게 3개의 구간으로 나뉘어 운전될 수 있다. 예를 들어, 각각 가스 연료, 액체 연료, 고체 연료를 이용하여 가온시킬 수도 있고, 전기히터를 이용할 수도 있다.
예를 들어, 용융섹션(105)에 대하여는 상온의 유황을 용융하기 위한 구간으로 150~200℃의 온도범위, 더욱 바람직하게는 160~180℃에서 운전될 수 있다. 그리고, 혼합섹션(106)에 대하여는 150~200℃, 바람직하게는 160~180℃에서 운전될 수 있고, 계량섹션(107)에 대하여는 150~200℃, 더욱 바람직하게는 160~180℃에서 운전될 수 있다.
또한, 1축의 혼합 스크류(103)와 가열기(302)를 이용하여 가온되는 과정에서 대상시료의 열전도도와 체류시간을 고려하여, 혼합부(100)의 길이와 지름, 가열기(103)의 온도범위, 스크류의 경사각, 스크류의 피치 간격, 반응물 투입속도 등을 결정할 수 있다.
고형분말 혼합물 중 유황은 가온 상태의 혼합부(100) 내부를 이동하면서 미량의 가스가 발생하게 되는데, 발생한 가스는 유황 가스 회수 유닛(400)에 의해 포집 및 회수된다.
즉, 이 실시예에서는, 혼합부(100)는 3구간의 온도를 다르게 운전한 실시예로서 각 구간의 가온을 위하여 온도 조절기(303)의 목표 온도를 설정하는데, 혼합부(100)로 투입되는 원료 내의 유황 조성의 변화에 따라 각 구간의 온도를 달리하여 사용되는 열에너지 공급을 조절할 수 있으며, 혼합기 스크류(103)의 회전수에 따른 고형분말 혼합물의 체류시간 조절을 통하여 최적의 불균일 2성분계 유황 혼합물을 제조할 수 있다.
제조된 유황 혼합물은 제품 제작을 위해 성형부(700)에 주입되며, 성형 몰드(미도시) 안에 채워진 유황 혼합물은 압축 및 냉각을 통해 제품으로 생산된다. 용융 유황은 실온에 노출시 급격히 고화되기 때문에 본 발명과 같이 지속적인 가온 수단이 필수적이다. 따라서 성형 몰드 및 유황 고화물 투입부에 열원부를 설치하여야 하며, 사용된 열은 열 회수 유닛(800)를 통해 앞단의 건조 공정에 사용함으로서 공정비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
최종적으로, 제조된 유황 고화물 제품에 불량이 발생한 경우 재활용 분쇄 유닛(900)를 통하여 다시 용융혼합공정에 투입하여 재활용이 가능하다. 본 발명에 사용된 유황은 고유의 성질을 그대로 유지하고 있어 재사용이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는 유황 고형화 성형물 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 단계, 상기 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 단계 및 상기 가열하는 단계에서 발생한 유황 가스를 회수하여 회수된 황 가스를 상기 혼합하는 단계에서 이용하는 단계를 포함한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 단계는 연속식 혼합 유닛(10)에 의해 수행되고, 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 단계는 열원부(300)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 원료를 혼합하는 단계 이전에, 석탄 바닥재 건조 유닛(500)에 의해, 해수에 습식처리되어 고함수율을 갖는 상기 석탄 바닥재의 공극에 용융된 유황이 혼합되도록 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 상기 원료를 혼합하는 단계 이전에, 그리고 상기 건조시키는 단계 이후에, 석탄 바닥재 분쇄 유닛(600)에 의해, 생성되는 유황 고화물이 의도된 압축강도를 발현하도록 상기 석탄 바닥재를 규격 입경까지 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유황 고형화 성형물 제조 방법은, 의도되지 않은 불량품이 성형된 경우, 재활용 분쇄 유닛(900)에 의해, 그 불량품을 분쇄하여 재활용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 여러 가지 실시예에 따른 유황 고형화 성형물 제조 시스템 및 제조 방법에 대하여는, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다른 많은 변형 설계 및 응용 설계를 할 수 있음은 자명하다 할 것이다.
100 : 혼합부 101 : 온도계
102 : 혼합기 스크류 모터 103 : 혼합기 스크류
105 : 용융섹션 106 : 혼합섹션
107 : 계량섹션
200 : 공급부 201 : 원료 공급 스크류
202 : 스크류 조절 모터 203 : 원료 공급 호퍼
300 : 열원부 301 : 온도계
302: 가열기 303 : 온도 조절기
400 : 유황 가스 회수 유닛 401 : 고정층 반응기
402 : 분석기 403 : 3-웨이 밸브
404 : 유량 조절기 405 : 환원제
500 : 석탄 바닥재 건조 유닛 600 : 석탄 바닥재 분쇄 유닛
700 : 성형부 800 : 열 회수 유닛
900 : 재활용 분쇄 유닛

Claims (19)

  1. 고형분말인 석탄 바닥재와 유황의 혼합물을 공급받아 의도된 성형의 제품을 형성하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템에 있어서,
    석탄 바닥재와 유황을 포함하는 원료를 혼합하는 연속식 혼합 유닛; 및
    상기 연속식 혼합 유닛에서 발생한 유황 가스를 회수하여 상기 연속식 혼합 유닛으로 보내는 유황 가스 회수 유닛을 포함하고,
    상기 연속식 혼합 유닛은,
    상기 혼합물 내 유황을 용융점 이상으로 가열하는 열원부,
    원료 공급 스크류를 이용하여 상기 원료를 공급받는 공급부, 및
    상기 공급부로부터 제공되는 원료를 혼합기 스크류를 이용하여 혼합하여 혼합물을 생성하고 토출하는 혼합부를 더 포함하며,
    상기 공급부는,
    외부로부터 상기 원료를 공급받는 원료 공급 호퍼, 및
    상기 원료 공급 호퍼와 상기 혼합부 사이에 설치되어 상기 원료 공급 호퍼에서 공급되는 원료를 정량으로 연속적으로 투입하도록 조절하는 스크류 조절 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 스크류 조절 모터에 의해, 상기 원료는 상기 혼합부로 5~60g/min으로 공급되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합부는 실린더 형으로 형성되고, 상기 혼합기 스크류는 상기 혼합부 내에 설치되되,
    상기 혼합기 스크류는 공급되는 원료가 상기 열원부에 의해 가열되고 압축력을 받으면서 진행하도록, 상기 공급부로부터 멀어질수록 스크류 홈이 얕아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 열원부는 온도를 조절하기 위한 온도 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 유황 가스 회수 유닛은,
    촉매를 이용하여 가스를 포집 및 회수하는 고정층 반응기,
    상기 고정층 반응기에 유입되는 가스의 공간 속도를 조절하기 위한 유량 조절기, 및
    상기 고정층 반응기 내의 반응물 및 생성물의 분석을 위한 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 고정층 반응기는 PFR 반응기인 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 고정층 반응기의 반응 온도는 200~700℃의 범위인 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 유량 조절기는,
    상기 연속식 혼합 유닛 내에서 발생하는 가스와 상기 가스를 환원시키기 위한 환원제를 혼합하여 상기 고정층 반응기로 투입되는 가스의 공간 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 공간 속도는 5,000~30,000cm3/g-cat.h인 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은,
    상기 연속식 혼합 유닛으로 상기 원료를 혼합하기에 앞서, 해수에 습식처리되어 고함수율을 갖는 상기 석탄 바닥재의 공극에 용융된 유황이 혼합되도록 건조시키는 석탄 바닥재 건조 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은,
    상기 연속식 혼합 유닛에서 발생하는 열을 회수하여 상기 석탄 바닥재 건조 유닛으로 제공하는 열 회수 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은,
    생성되는 유황 고화물이 의도된 압축강도를 발현하도록, 상기 석탄 바닥재 건조 유닛으로 건조시킨 이후 상기 연속식 혼합 유닛으로 상기 원료를 혼합하기에 앞서, 상기 석탄 바닥재를 규격 입경까지 분쇄하는 석탄 바닥재 분쇄 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 유황 고형화 성형물 제조 시스템은,
    의도되지 않은 불량품이 성형된 경우, 상기 불량품을 분쇄하여 재활용하는 재활용 분쇄 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유황 고형화 성형물 제조 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
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