KR101435021B1

KR101435021B1 - 시멘트 제조용 원료로의 사용을 위한 실리콘 슬러지의 처리 방법

Info

Publication number: KR101435021B1
Application number: KR20120136658A
Authority: KR
Inventors: 주종선; 한종환; 신우승; 김병권; 김형엽
Original assignee: 쌍용양회공업(주)
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-09-15
Also published as: KR20140072248A

Abstract

실리콘 슬러지를 시멘트 제조시 원료 밀의 기능성 재료로 활용하는 방법이 개시된다. 본 발명은 원심분리 및 건조하여 유분 함량이 5 중량% 이내의 실리콘 슬러지로 처리하는 단계; EG계 분쇄 조제 20~50 중량% 및 물 50~80 중량%을 포함하는 액상 조성물에 상기 처리된 실리콘 슬러지에 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 실리콘 슬러지를 시멘트 원료밀에 공급하는 단계를 포함하는 실리콘 슬러지 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 슬러지 원료밀 적용시 볼 코팅 방지와 미분말의 응집이 방지되면서도 시멘트 원료 분쇄 생산성을 향상시키고, 원료중 규석원 사용량을 줄일 수 있게 된다.

Description

시멘트 제조용 원료로의 사용을 위한 실리콘 슬러지의 처리 방법 {Processing Silicon Sludge For Cement Manufacturing Raw Materials}

본 발명은 태양광 및 반도체 산업의 실리콘 웨이퍼 잉곳(ingot) 절단 공정에서 발생하는 폐실리콘 슬러지의 자원화에 관한 것으로 보다 상세하게는 폐실리콘 슬러지를 시멘트 제조시 원료 밀의 기능성 재료로 활용하는 방법에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼는 반도체 산업에서 DRAM 등의 다양한 형태의 반도체 소자를 만드는데 이용되고, 태양광 산업에서는 웨이퍼 형태의 태양전지가 주류를 차지하고 있으며, 두 산업 모두 각광받는 산업으로 수요가 증가하고 있고, 국내에도 2005년 이후 생산설비와 생산량이 크게 증가하였다. 두 산업의 Si계 실리콘 웨이퍼는 사용형태는 다르지만 Si계 성분이 95% 이상으로 되어, 잉곳 제조공정과 절단공정이 유사하며, 모두 절단공정에서 Si계 고체 미분(30~70%)과 EG계 절삭유(30~70%)가 섞인 슬러지가 발생되며, 국내 발생량이 증가하고 있다.

이와 같이 다량 발생하는 폐실리콘 슬러지를 자원화하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 슬러지 중 액상의 절삭유는 일부는 분리 및 고도 정제를 통하여 재생 절삭유(재생DEG)로 정제처리업체에 의해 상업화되었고, 기타 대부분의 절삭유는 재생유 또는 WDF로 처리되어 연료원으로 활용되고 있다.

반면 고상의 슬러지는 EG계 절삭유가 3 ~ 20%수준 함유되어 형상이 진흙과 같은 끈적한 형상으로 취급이 어렵다. 국내 여러 연구기관에서는 이를 활용하기 위해 Si계 및 철성분의 분리 회수기술 등을 시도하였으나, 경제성 부족하여 현재 이 슬러지는 폐기물 처리업체에 의해 소각 및 매립 처리되고 있는 실정이다.

이를 완전 재활용을 통해 천연 광물자원 부분 절감, 전력사용량 절감 등을 통한 환경보호, CO₂ 발생 저감 및 Mill 생산성 향상을 통한 원가절감을 목적으로 한다. 그러나 고상슬러지를 시멘트 공정에 활용하기 위해서는 슬러지의 액상 성분을 제품화 가능 함량까지 분리 처리하고, 시멘트 제조 공정에 용이하게 투여할 수 있도록 재처리하는 방법 및 적절히 사용하는 기술개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고 폐실리콘 슬러지의 완전 자원화를 달성하기 위해 위해 슬러지를 사용 가능한 기능성 제품화와 이의 사용방법을 제공하는 것으로 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 폐실리콘 슬러지를 정제 처리하여, 남은 슬러지를 제품화 하기위해 처리하는 기술을 제공한다.

본 발명은 액상 성분이 5 중량%이하 되도록 침전, 원심 분리 및 건조공정을 거친 폐실리콘 슬러지에 EG계 분쇄조제와 물을 포함하는 액상 조성을 10~20 중량% 첨가하여, 진흙처럼 끈적거려 취급이 어려운 슬러지의 취급이 용이하도록 유동성을 부여하여 탱크 롤리 트럭에 펌핑 가능토록 하고 수송시 액상과 고상분리로 침전 발생을 방지 가능토록 슬러리 형상화 하는 방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 처리 슬러리를 사용하기 위해 저장탱크에 보관시 시멘트밀 원료 이송 베트(Bed)에 펌핑 공급이 가능하도록 추가적으로 2차로 물 등으로 구성된 액상성분을 5~15% 첨가하여 펌핑 공급이 용이하도록 다소 묽은 슬러리 상태화할 수 있다.

또한, 본 발명은 액상 유분을 5 중량%이하로 처리한 슬러지와 시멘트 규석원 등의 부원료와 함께 균일 혼합될 수 있도록 혼합설비를 이용하여 혼합 처리함으로써 폐실리콘 슬러지를 시멘트 원료밀 제조 공정에 사용할 수 있게 할 수 있다.

보다 구체적으로 본 발명은, 침전, 원심분리 및 건조하여 유분 함량이 5 중량% 이내의 폐실리콘 슬러지로 처리하는 단계; EG계 분쇄 조제 20~50 중량% 및 물 50~80 중량%을 포함하는 액상 조성물에 상기 처리된 폐실리콘 슬러지에 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 폐실리콘 슬러지를 시멘트 원료밀에 공급하는 단계를 포함하는 폐실리콘 슬러지 처리 방법을 제공한다.

삭제

또한 본 발명의 상기 원료밀 공급 단계에서 상기 혼합된 폐실리콘 슬러지는 공급 원료량 전체 중량에서 200~800 ppm 범위로 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 부가적으로 본 발명은 제조된 폐실리콘 슬러지 슬러리가 저장 탱크 보관시 슬러리 액상과 고상이 분리되어 침전되는 현상을 방지하기 위해 저장 탱크 내에 교반시스템을 구축하여 교반하고, 공급 배관 Line을 공급량보다 크게 설계하여 밀 공급하면서 여분은 계속 순환 되도록 하여 배관 침전 막힘을 방지토록 하고 주기적으로 배관 청소를 위해 배관에 물을 공급할 수 있도록 설비를 구축하고, 슬러리 공급 펌프는 슬러리 펌프를 개조하여 슬러리 공급을 원활토록 하는 기술을 제공한다.

본 발명의 태양광 및 반도체 산업의 실리콘 폐슬러지를 시멘트 자원화를 위한 기능성재료로의 제조 및 활용기술을 적용한 결과, 슬러지의 95% 이상 함유한 Si성분 공급원인 규석 사용량을 0.2~0.7% 줄일 수 있었고, 슬러지 내에 포함된 EG 등의 분쇄조제 성분과 슬러리 제조시 투입한 DEG 등의 조제 성분에 의해 원료밀 적용시 Ball 코팅 방지와 미분말의 응집을 방지하는 효과에 의해 밀 순환량 감소 및 분쇄능 향상으로 생산성이 2~8% 향상되어 전력비를 절감하였으며, 미분말의 입도가 균일화 되고, 90㎛ 잔사가 0.5 ~ 2.0% 감소하는 효과를 얻었다.

또한 폐기물로 처리되는 슬러지를 원료와 조제성분으로 재활용하여 정제업체의 폐기물 처리비 절감, CO₂ 발생 저감 및 광물자원 사용량 감소로 환경보호가 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폐실리콘 슬러지로 된 슬러리를 투입 유무에 따른 원료밀의 볼의 코팅 상태를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 분쇄 조제의 작용을 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

일반적으로 태양광 및 반도체 산업에서의 실리콘 웨이퍼 잉곳 절단 및 가공공정에서 발생하는 다량 발생하는 폐실리콘 슬러지는, 슬러지중에서 고도분리 정제된 EG계 액상만 시멘트 분쇄공정의 분쇄조제 일부로 재활용되고 있고, 정제후 남은 고상 슬러지는 현재 재활용되지 못하고 소각 및 매립처리로 폐기되고 있는 실정이었다.

국내 발생 고상 슬러지의 고형분은 아래 표 1과 같이 SiO₂ 97~99 중량%, Fe₂O₃, 1~2 중량% 이고, 기타 Al₂O₃, CaO 등으로 구성되어 있다. 이들 성분은 시멘트의 원료로 사용 가능한 성분으로 구성되어 있으므로 시멘트 원료 일부의 대체가 가능하다.

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O
A	97.69	0.06	1.93	0.05	0.01	0.03	0.07	0.02
B	98.09	0.30	1.26	0.05	0.03	0.08	-	0.03
C	98.73	0.08	0.89	0.08	-	0.04	0.01	-
D	98.71	0.08	1.05	0.02	0.01	0.04	-	0.02

본 발명자들은 정제후 남은 폐실리콘 슬러지에 포함된 유분 중 DEG, MEG, TEG, PEG 등은 시멘트 공장에서 분쇄성 향상을 위해 사용되는 분쇄조제 성분으로 사용 가능한 성분이므로, 폐실리콘 슬러지를 시멘트 원료원과 분쇄조제로 동시에 사용하여 완전히 처리할 수 있다는 점에 착안을 하여 본 발명을 완성하게 되었다.

도 1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폐실리콘 슬러지로 이루어진 슬러리를 원료밀에 공급하여 분쇄한 후의 볼의 코팅 상태를 나타낸 사진이고, 사진 (b)는 본 발명의 실시예와는 달리 슬러지를 사용하지 않는 상태에서 원료밀에 분쇄한 후의 볼의 코팅 상태를 나타낸 사진이다.

도 2는 본 발명에서 폐실리콘 슬러지에 첨가된 분쇄 조제의 작용을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시멘트 원료밀에 본 발명의 정제 슬러지 사용시 분쇄조제 성분에 의해 분쇄 역할을 하는 볼의 코팅이 방지되어 분쇄효과가 향상되고, 분쇄된 분말입자에 조제성분이 부착되어 정전기적 반발을 일으켜 입자간 응집을 방지하여 분쇄된 미분말 입자가 다시 밀내로 순환되는 것을 방지하여 분쇄효율을 향상시키고 미분말 입자의 유동특성을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 유분 5 중량% 이내로 처리된 폐실리콘 슬러지를 슬러리화 하는 기술을 제공한다.

폐실리콘 슬러지 내의 유분은 원심 분리 및 열풍 건조의 과정을 거쳐 유분 함량 5 중량% 이내의 폐실리콘 슬러지로 제조될 수 있다.

이 상태의 폐실리콘 슬러지는 진흙처럼 끈적거리고 취급이 어려워 바로 시멘트 원료로의 사용이 어려운 상태이다.

본 발명에서 정제된 폐실리콘 슬러지를 슬러리화하는 기술은 2 단계로 진행될 수 있다.

먼저, 폐실리콘 슬러지를 탱크 롤리 트럭에 펌핑 이송 가능하도록 1차적인 슬러리화가 수행된다. 이를 위해 DEG 등의 EG계 분쇄 조제와 물을 포함하는 제1 액상용액(액상 조성1)이 준비된다. 상기 제1 액상용액은 혼합 슬러리의 총 중량에 대해 10~20 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 이와 같은 제1 액상용액의 처마에 의해 폐실리콘 슬러지와의 혼합 슬러리는 탱크 롤리 트럭에 펌핑 가능하도록 유동성이 부여되고 장거리 수송시 액상과 고상 분리에 의한 침전이 억제될 수 있다. 또한, 첨가된 액상 용액은 폐실리콘 슬러지의 분쇄성을 향상시킨다.

다음으로, 이송된 슬러리는 저장 탱크에 보관되는데, 원료밀의 원료 이송 베드에 펌핑 공급이 가능하도록 보다 묽은 슬러리화 하는 2차적인 슬러리화 공정이 수행될 수 있다. 이를 위해 제2 액상용액이 준비된다. 상기 제2 액상용액은 전술한 제1 액상용액과 같을 수 있고, 이와 달리 상기 제2 액상용액에 소포제가 0.05~0.5 중량% 포함된 것이 사용될 수 있다.

한편, 또한 본 발명은 혼합 설비를 이용하여 액상 유분이 5%이하 처리된 폐실리콘 슬러지와 시멘트 규석원 또는 기타 부원료가 균일 혼합이 되도록 하여 시멘트 원료밀 투입 설비에 공급하여 사용할 수 있게 할 수도 있다.

또한, 본 발명을 위하여 상기 원료 밀 공정의 설비들이 적절히 개량될 수 있다. 예컨대, 탱크롤리 트럭에서 원료밀 공정의 저장 탱크로 슬러리 공급시 이물질을 제거와 탱크내 인입 방지를 위해 필터가 부착될 수 있다.

또한, 저장 탱크 보관시 슬러리 특성에 의해 액상과 고상이 분리되어 침전되므로 이를 방지하기 위해 저장 탱크 내에 교반시스템을 구축하여 계속 교반하고, 공급 배관 라인의 용량을 최대 2배 이상으로 설계하여 원료 투입 라인에 공급하면서 여분은 계속 순환 되도록 하여 배관 침전과 막힘을 방지하도록 설계 제작할 수 있다. 또한, 주기적으로 배관 청소를 위해 배관에 물을 공급할 수 있도록 설비를 구축함으로써 슬러리 상태에 따라 일정주기로 물을 공급하고, 사용 중단시 배관을 세척할 수 있는 설비를 구축할 수도 있다. 또한, 슬러리 공급 펌프는 본 발명의 슬러리를 공급하기에 적합하도록 적절히 개조될 수 있다.

본 발명에서 폐실리콘 슬러지를 포함하는 슬러리의 사용량은 슬러리에 포함한 조제 성분을 계산하여 주부원료 투입량의 200~800ppm을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 원료의 수분 분쇄성을 고려하고, 원료밀과 집진설비의 부하와 전력사용량 등 공정 상태를 고려하여 사용량을 적절히 분쇄효과를 최적화하도록 설계될 수도 있다.

<실시예>

태양광 또는 반도체 웨이퍼 가공 공정에서 발생하는 표 1의 고형분 조성을 가지며, 침전 과정을 거쳐 액상 유분이 7~20% 수준인 폐실리콘 슬러지를 원심분리하고, 열풍 건조하여 액상 유분 함량이 5 중량% 이내로 처리하였다.

이 과정을 거쳐 처리전의 진흙처럼 끈적거리고, 유동성이 없고, 미분 입자간 강한 응집이 되어 시멘트 제조에 사용이 어려운 폐실리콘 슬러지가 취급 용이한 상태로 되었다.

또한, 이와 같이 액상 유분 함량이 조절된 폐실리콘 슬러지의 분쇄성능을 향상시키기 위해, 분쇄조제 성분인 EG계로 이루어진 분쇄조제 20~50%와 물 50~80%로 구성된 액상용액(액상조성1)을 상기 폐실리콘 슬러지에 10~20 중량%(전체 중량 대비) 첨가하여 슬러리 제조 탱크를 이용하여 교반하여 펌핑이 가능하도록 슬러리화 하였다.

이와 같이 슬러리화 된 폐실리콘 슬러지는 탱크롤리 트럭을 이용해 장거리 수송에도 침전이 발생하지 않았다.

침전분리 방지를 위해 시멘트공장 원료밀 공정중 교반기를 설치한 저장 탱크에 슬러리를 공급하고 그 과정에서 필터링하여 이물질을 제거하였고, 또한 기포발생 제어를 위해 상기 액상 조성1에 소포제가 0.05~0.5 중량% 첨가된 액상 용액(액상조성2)을 추가 공급하여 슬러리 유동성과 분쇄성능을 추가로 부여하였다.

상기 처리된 슬러리를 원료밀 입구 원료수송 베드(Bed)에 살포하여 사용하였고, 사용량은 원료밀 공급 원료 전체 중량의 200~800ppm 수준에서 원료 상태, 형상 및 밀 공정의 상태와 부하를 고려하여 그 함량을 조정하였다.

상기 슬러리를 사용한 결과 물과 분쇄조제 영향으로 인하여 볼 밀 에서는 볼 코팅이 억제되었고, 미분이 밀내에서 재순환하는 것이 감소하여 슬러지 사용량에 따라 분쇄성이 1~7% 향상되었고, Si와 Fe계 원료 사용량 0.05~0.5% 이내 줄일 수 있었다.

Claims

원심분리 및 건조하여 유분 함량이 5 중량% 이내의 폐실리콘 슬러지로 처리하는 단계;
EG계 분쇄 조제 20~50 중량% 및 물 50~80 중량%을 포함하는 액상 조성물에 상기 처리된 폐실리콘 슬러지에 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 폐실리콘 슬러지를 시멘트 원료밀에 공급하는 단계를 포함하는 폐실리콘 슬러지 처리 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 원료밀 공급 단계에서 상기 혼합된 폐실리콘 슬러지는 공급 원료량 전체 중량에서 200~800 ppm 범위로 공급되는 것을 특징으로 하는 폐실리콘 슬러지 처리 방법.