KR101526949B1 - 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소에서 공기냉각하여 배출되는 바텀애시를 파쇄 및 중력식 마쇄하여 아스펙트비가 1~2 범위로우수하며, 단위용적질량이 구조용 경량골재 KS 기준인 880㎏/㎥(굵은골재) 이하와 1,120㎏/㎥(잔골재) 이하를 만족하고, 국내외 유통되고 있는 인공경량골재군과 비교하여 동등한 수준인 1.3~1.8g/㎤ 범위의 절건밀도와 26~50 중량%의 전 공극률을 갖고, 동 인공경량골재군보다 매우 우수한 수준인 13~46 중량%의 높은 닫힌 공극률 및 4~10% 범위의 낮은 흡수율을 가질 뿐만 아니라 전체적인 형상은 구형에 가깝지만, 표면은 작은 구형의 공극이 형성되어 거친 질감을 갖는 건식공정 바텀애시 및 이를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법{Eco Lightweight Aggregate with Low Carbon Emission using Dry Bottom Ash made by Crusher and Gravity Abraser and it's Manufacturing Method}

본 발명은 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소에서 공기냉각하여 배출되는 바텀애시를 파쇄 및 중력식 마쇄하여 아스펙트비가 1~2 범위로우수하며, 단위용적질량이 구조용 경량골재 KS 기준인 880㎏/㎥(굵은골재) 이하와 1,120㎏/㎥(잔골재) 이하를 만족하고, 국내외 유통되고 있는 인공경량골재군과 비교하여 동등한 수준인 1.3~1.8g/㎤ 범위의 절건밀도와 26~50 중량%의 전공극률을 갖고, 동 인공경량골재군보다 매우 우수한 수준인 13~46 중량%의 높은 닫힌 공극률 및 4~10% 범위의 낮은 흡수율을 가질 뿐만 아니라 전체적인 형상은 구형에 가깝지만, 표면은 작은 구형의 공극이 형성되어 거친 질감을 갖는 건식공정 바텀애시 및 이를 활용한 저탄소 친환경 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

화력발전소의 연소과정에서 발생하는 석탄회(CCPs ; Coal Combustion Products)는 화력발전소에서 석탄을 미분기로 분쇄하여 보일러 내로 주입한 후 연소되고 남은 석탄회를 의미하며, 입자 크기에 따라 플라이 애시(Fly Ash)와, 바텀애시(Bottom Ash)로 나누어지는데, 전체 석탄회 중 집진설비에 의해 포집된 플라이 애시는 약 60~80% 정도이고, 나머지 20~40%가 보일러 하부에서 채취되는 바텀애시이다.

상기 석탄회중 플라이 애시(Fly Ash)는 각 화력발전소의 재활용률에 따라 차이는 있으나 약 60%~90% 가량이 시멘트 원료, 콘크리트 혼화제 등으로 재활용되고 있으며, 많은 연구와 실용화로 인하여 고부가 가치적으로 활용되고 있다.

상기 석탄회중 바텀애시(Bottom Ash)는 보일러 내에서 일부 용융 상태로 낙하한 다양한 크기(분말크기~직경 1m 정도의 대형 크링커)를 갖는 석탄회로서, 보일러 하부의 수조에서 해수 또는 담수로 냉각한 다음 파쇄하여 회처리장(매립처리장)에 압송처리하는 습식공정 방식에 의해 처리됨으로써 미연탄 함량이 높을 뿐만 아니라 수분과 염분을 포함하고 있어 재활용하기 곤란하였다.

이러한 석탄회 및 바텀애시를 재활용하기 위한 종래기술로서는 국내특허출원 제2004-0009848호(무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조방법)와, 제2006-0006911호(무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그의 제조방법), 제2003-0031727호(고상 폐기물을 이용한 저온 소결 다공성 경량 점토 벽돌 및 그 제조방법), 제2004-0067480호(석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법), 제2002-0004913호(콘크리트 배합골재 대체재로서의 버텀애시를 사용한 콘크리트 조성물), 국내실용신안등록출원 제2006-0008601호(바텀애시를 이용한 콘크리트 투수보도용 판 및 블록) 등이 개발되었으나, 이들은 석탄회(바텀애시)외에 모래와 자갈같은 골재를 혼합하여 고강도의 고형물을 제조하는 것이 대부분이며, 특히 사용되는 바텀애시는 습식에 의한 것으로 여전히 해수 또는 담수를 사용하여 높은 염분과 함수율로 인해 사용이 제한적이다.

한편, 재활용되고 남은 플라이 애쉬와 바텀애쉬는 회처리장에 투기되어 폐기되고 있으며, 이러한 매립석탄회의 구성은 플라이 애쉬와 바텀애쉬가 약 2:8 ~ 5:5로 구성되어 있는데, 석탄회를 매립처분하기 위해서는 용지매입, 회처리장의 건설, 부지보상 등 매우 큰 사회적 비용손실이 발생하므로 가급적 매립량을 최소화하고, 기 매립된 석탄회도 재활용할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.

아울러, 건설은 지속적인 시장 경제 침체에 의하여 타 산업 분야에 비해 매우 침체되어 있는 실정이고, 타 산업에 비해 매우 많은 부자재들을 수입하고 있는 실정인데, 그 중 단위용적질량 1g/㎤ 이하의 인공경량골재는 높은 비용을 들여 대부분 수입하고 있는 실정이므로 이를 대체하기 위한 신 건설재료 개발이 요구되고 있다.

또한, 석탄회 중 습식공정 바텀애시는 KS F 2534;2009 구조용 경량골재에 포함되어 있어 구조용 경량골재로서 사용할 수 있을 정도의 경량성과 견경성을 가지고 있는 것으로 평가되고 있지만, 미연탄을 많이 함유하고 있어 밀도, 단위중량이 상대적으로 높은 값을 보이고 있다.

한편 건식공정으로부터 배출되는 바텀애쉬는 1차 파쇄되어 배출되는 것이 대부분 0.15~25mm의 입경범위를 가지며[도1], 단위중량은 350~650kg/㎥의 범위에서 입자의 크기가 증가함에 따라 작아지고[도2], 밀도는 입도의 0.9~1.7kg/㎥의 범위에서 입자의 크기가 증가함에 따라 작아지는[도3] 특성을 보이므로 경량골재로서의 특성은 습식 바텀애시보다도 훨씬 유리하다. 그렇지만, [도4]에서와 같이 형상이 불규칙하고 날카로운 모서리를 가지고 있을뿐만 아니라 평편세장하여 최장변과 최단변의 비율로 나타내는 아스펙트 비가 2.3~4.1로 높고[도5] 또한 흡수율이 10~32%로 높아[도6] 배출되는 형상대로 경량골재로 활용하는 것은 곤란하다.

이에 따라, 본 발명자는 건식공정에 의해 제조된 바텀애시의 재활용을 위한 연구에 집중한 결과, 중력식 마쇄 장치에 의해 제조한 바텀애시 경량골재의 특성에 관한 기초적 연구를 완료하고, 2013. 4. 9. 순환자원학회에 "중력식 마쇄 장치에 의해 제조한 바텀애시 경량골재의 특성에 관한 기초적 연구"논문을 발표한 바 있으나, 상기 연구결과에서는 바텀애시를 중력식 마쇄장치를 이용하여 골재간 마찰 및 낙하에 의한 충격을 통하여 용융상과 연소상으로 분리하여 입형을 개선한 것으로 원료 바텀애시의 특성인 내부 공극량은 감소하였으나 입도가 작아지며 전체 공극량은 증가하여 흡수율이 증가하는 문제점으로 인해 동결융해성 및 길이변화 등의 내구성 문제가 있어 콘크리트 골재 또는 인공경량골재로의 사용이 매우 어려운 문제점이 있었다. 또한 건설분야에 사용되는 경량골재로서 기본적으로 요구되는 낮은 1~2범위의 아스펙트비, 적정한 입도, 높은 실적률, 적정한 단위용적질량 등의 다양한 특성에 부합하도록 제조하는 것에 한계가 있으며, 또한 생산시 가공시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 화력발전소에서 공기냉각 하여 배출되는 바텀애시를 충격 파쇄, 중력 마쇄, 분급 등의 공정을 통하여 구에 가까운 입형을 갖고, KS F 2534;2009의 구조용 경량골재 단위용적질량 기준인 굵은골재 880㎏/㎥ 및 잔골재 1,120㎏/㎥보다 낮은 값을 나타내며, 소성에 의해 제조되는 인공경량골재에 비하여 공극률은 유사한 수준이지만, 닫힌공극(Closed pore)의 비율이 높고, 흡수율이 동등 이하인 특성을 갖는 바텀애시를 기반으로 하는 저탄소 친환경 경량골재를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제의 해결을 위하여, 화력발전소에서 공기냉각하여 배출되는 원료 바텀애시를 1차 충격식 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 KS F 2534;2009의 구조용 경량골재 기준에 부합하는 단위용적질량 및 밀도를 가지고, 1차 파쇄 바텀애시 보다 입도가 우수하며, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 전공극률은 기존 경량골재와 동일하지만 닫힌공극율이 증가된 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시는 입형이 구형에 가깝지만, 표면은 작은 구형의 공극이 형성되어 거친 질감을 갖는 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시는 5mm이하 입도가 전체의 60~70중량%의 분포를 나타내고 2.5~20mm의 입도가 전체의 50중량%를 나타내는 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 아스펙트비는 1~2인 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 흡수율은 4~10%인 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 단위용적질량은 구조용 경량골재 KS 기준인 880㎏/㎥(굵은골재) 이하와 1,120㎏/㎥(잔골재) 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 절건밀도는 1.3~1.8g/㎤ 범위인 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 전공극률은 26~50 중량%이며 닫힌 공극(Closed pore)율은 13~46 중량%로 기존 인공경량골재보다 우수한 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저탄소 친환경 경량골재를 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 본 발명은 화력발전소에서 배출되는 원료 바텀애시를 냉각한 후 1차 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시를 제조하는 단계; 상기 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 상기 1차 파쇄 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 높은 닫힌공극률과 밀도 및 단위용적질량이 증가된 2차 중력식 마쇄 가공 바텀애시를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시의 제조방법을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명에 따른 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시는 화력발전소에서 공기냉각 후 배출되는 원시료 바텀애시를 1차 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시를 제조하는 단계; 상기 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 상기 1차 파쇄 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 높은 닫힌공극률과 밀도 및 단위용적질량이 증가된 2차 중력식 마쇄 가공 바텀애시를 제조하는 단계;에 의해 제조되므로 저탄소 친환경 경량골재로 사용할 수 있는 획기적인 효과가 있다.

도 1은 원료 바텀애시의 입도분포를 나타낸 그래프
도 2는 원료 바텀애시의 단위용적질량 및 실적율을 나타낸 그래프
도 3은 원료 바텀애시의 밀도 및 흡수율을 나타낸 그래프
도 4는 원료 바텀애시의 배출 형상을 나타낸 사진
도 5는 원료 바텀애시의 아스펙트비 및 구형율을 나타낸 그래프
도 6는 1차 파쇄 후 바텀애시의 입도 변화를 나타낸 그래프
도 7은 1차 파쇄 전후의 단위용적질량 및 실적률 변화를 나타낸 그래프
도 8은 1차 파쇄 전후의 입형변화를 나타낸 사진
도 9은 1차 파쇄 전후의 아스펙트비를 나타낸 그래프
도 10는 1차 파쇄 및 2차 마쇄 가공 후의 입도 분포
도11은 2차 마쇄 가공 후 단위용적질량 및 실적률을 나타낸 그래프
도12는 2차 마쇄 가공 후 밀도 및 흡수율을 나타낸 그래프
도13은 1차 파쇄 및 2차 마쇄 가공 전후 밀도, 흡수율 및 공극률을 나타낸 그래프
도14는 2차 마쇄 가공 후 아스펙트비를 나타낸 그래프
도15는 가공 전후 바텀애시의 입자 형상을 나타낸 사진

본 발명은 화력발전소에서 공기냉각하여 배출되는 원료 바텀애시를 1차 충격식 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 KS F 2534;2009의 구조용 경량골재 기준에 부합하는 단위용적질량 및 밀도를 가지고, 1차 파쇄 바텀애시 보다 입도가 우수하며, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 전공극률은 기존 경량골재와 동일하지만 닫힌공극률이 증가된 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시는 입형이 구형에 가깝지만, 표면은 작은 구형의 공극이 형성되어 거친 질감을 갖는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시는 5mm이하 입도가 전체의 60~70중량%의 분포를 나타내고 2.5~20mm의 입도가 전체의 50중량%를 나타내는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 아스펙트비는 1~2인 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 흡수율은 4~10%인 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 단위용적질량은 구조용 경량골재 KS 기준인 880㎏/㎥(굵은골재) 이하와 1,120㎏/㎥(잔골재) 이하를 만족하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 절건밀도는 1.3~1.8g/㎤ 범위인 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시의 전공극률은 26~50 중량%이며 닫힌 공극(Closed pore)률은 13~46 중량%로 기존 인공경량골재보다 우수한 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 포함하여 구성되는 저탄소 친환경 경량골재를 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 화력발전소에서 배출되는 원료 바텀애시를 냉각한 후 1차 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시를 제조하는 단계; 상기 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 상기 1차 파쇄 바텀애쉬 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 높은 닫힌공극률과 밀도 및 단위용적질량이 증가된 2차 중력식 마쇄 가공 바텀애시를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시의 제조방법을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

화력발전소에서 탄소와 점토계 광물이 혼합된 석탄을 분말화하여 보일러에 분사하면 작은 입자는 비산하면서 거의 완전히 연소되면서 연도로 배출되지만, 큰 입자는 중량이 높기 때문에 쉽게 비산하지 못하고 낙하하여 보일러 내부의 열교환기나 보일러의 하부에 쌓이게 되는데, 이것이 바텀애시이며, 이러한 바텀애시는 보일러 내에서 일부 용융 상태로 낙하한 다양한 크기(분말크기~직경 1m 정도의 대형 클링커)를 갖는다.

특히, 보일러 내부의 열교환기에 낙하한 것은 후에 분사된 분말에 의해 계속 중첩되어 크기가 증대되면서 계속해서 연소되며, 이것은 보일러 내부의 온도(약 1200℃)가 높기 때문에 소성 반응한 클링커(clinker) 상을 갖게 되고, 이 클링커는 일부 용융상태(melting state)이므로 크기와 중량이 증대하면서 하부로 낙하하게 된다. [도 4]에 도시한 바와 같이 낙하시의 크기는 큰 것의 경우 직경 1m 이상인 것도 관찰된다.

이 클링커에는 원탄의 구성성분이었던 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO 등의 무기물은 연소되지 않고 남아있게 되므로 바텀애시의 주요 조성이 되며, 보일러 하부에 직접 낙하한 바텀애시는 낙하하는 시간 및 입자 크기에 따라 다르지만 대부분은 완전 연소되지 않아 미연탄을 함유하게 된다.

이와 같이 바텀애쉬는 바로 낙하된 연소상 입자와 용융상(크링커상) 입자가 혼합되어 있으며, 수 mm 이상의 상대적으로 큰 입자의 경우에는 표면은 연소상이고 내부는 크링커상을 갖게 된다. 두 상은 다음과 같이 명확히 차이가 나는 특성을 나타내는데, 연소상 입자는 상대적으로 연속공극(Continuous pore)율이 높은 다공성 재료이므로 구조적 강도가 취약하지만, 용융상(클링커상) 입자는 비교적 큰 공극을 가지고 있으나 상대적으로 닫힌공극(Closed pore)률이 높고 구조적 강도가 높으므로 원료 바텀애쉬를 1차 파쇄하여 입도분포를 개선시키고 1차 파쇄된 바텀애시의 표면을 마쇄하여 연소상 입자를 제거한 후 분리하면, 닫힌공극율이 높고, 구조적 강도가 우수한 경량골재로 활용하는 것이 가능하다.

이에 따라 본 발명에서는 상기와 같이 원료 바텀애시를 건식가공하여 구조적 강도가 높은 경량골재로 활용하기 위하여 화력발전소에서 배출되는 원료 바텀애시를 냉각한 후 1차 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시를 제조하는 단계; 상기 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 상기 1차 파쇄 바텀애시 보다 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 높은 닫힌공극율과 밀도 및 단위용적질량이 증가된 2차 중력식 마쇄 가공 바텀애시를 제조하는 단계;를 거쳐 가공된 바텀애시를 제조하였다.

본 발명에서는 원료 바텀애시를 임팩트 크러셔(Impact Crusher)를 사용하여 1차 파쇄하고, 중력식 마쇄기를 사용하여 2차 중력식 마쇄 가공하였다.

이하의 실시예에서는 화력발전소에서 배출되는 원료 바텀애시의 특성과 1차 파쇄 후 특성 및 2차 중력식 마쇄 후 특성을 각각 측정하여 경량골재로서의 특성을 검토하였다. 1차 파쇄에 사용된 파쇄기(Crusher)는 충격력을 이용한 Impact Crusher(이하 IC)를 사용하였으며, 1차 파쇄된 바텀애시를 중력식 마쇄기를 사용하여 2차 표면가공을 진행하였다. 측정항목으로는 입도, 단위용적질량 및 실적률, 밀도 및 흡수율, 아스펙트비(구형률)를 측정하였다.

[원시료 바텀애시의 특성]

① 입도

[도 1]은 원료 바텀애시의 입도분포를 나타낸 그래프이다. [도 1]에 도시된 바와 같이, 화력발전소에서 배출된 원료 바텀애시의 입도분석 결과 10~25mm 크기의 바텀애시가 총 중량의 약 60%, 용적으로는 약 70%의 분포를 나타냈다. 이는 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어진 후 임팩트 크러셔를 통과하기 전에 채취한 시료이기 때문에 10mm이상 크기 바텀애시의 분포가 높기 때문으로 판단된다. 반면에 10mm이상 크기와는 반대로 5mm이하의 크기에서는 중량분포에 비해 용적분포가 낮은 값을 나타내고 있는데 이는 크기가 작아지면 밀도가 높아지기 때문에 용적에 비해 중량 분포가 높게 나타났기 때문으로 판단된다.

② 단위용적질량 및 실적률

[도 2]는 원료 바텀애시의 단위용적질량 및 실적률을 나타낸 그래프이다. [도 2]에 도시된 바와 같이, 바텀애시를 분급 후 각 크기별로 단위용적을 측정하였으며, 입도가 작아질수록 단위용적질량은 크게 늘어나는 것을 알 수 있다. 20mm에서는 360kg/㎥로 나타났으며 0.15mm 크기에서는 620kg/㎥로 나타나 약 2배정도 증가한 것을 알 수 있다. 이는 크기가 작아질수록 밀도가 높고 구형에 가깝기 때문에 나타난 결과로 판단된다. 실적률 또한 단위용적질량과 유사하게 입자가 작아질수록 높은 값을 나타냈다. 인공경량골재와 비교해 보면 단위용적질량의 경우 비슷한 경향을 나타냈으며, 실적률의 경우 인공경량골재가 6~28% 높게 나타났다. 이는 바텀애시에 비해 낮은 밀도로 인해 단위용적질량이 낮게 나타났지만 구형으로 실적률은 바텀애시에 비해 높게 나타난 것으로 판단된다.

③ 밀도 및 흡수율

[도 3]은 원료 바텀애시의 밀도 및 흡수율을 나타낸 그래프이다. [도 3]에 도시된 바와 같이, 입도 분급 후 골재 크기마다 밀도 및 흡수율을 측정하였으며 결과를 보면 크기가 작아질수록 밀도가 높게 나타났는데, 20mm에서 0.9g/㎤, 0.15mm에서 1.67g/㎤로 나타났다. 20~10mm는 5~0.15mm와는 다르게 절건밀도가 표건밀도 보다 낮은 값을 나타냈는데 이는 골재 표면에 존재하는 공극을 완전히 제거하지 못하였기 때문에 나타난 것으로 판단된다. 흡수율 결과를 보면 20mm에서 25%, 0.15mm에서 30%로 입자 크기가 작아질수록 흡수율이 증가하는 경향을 보였다. 또한 인공경량골재에서는 45%의 흡수율을 보인 반면 원료 바텀애시는 30%로 나타났다. 이는 용융상으로 되어 있는 내부는 닫힌 공극으로 인해 인공경량골재보다 낮은 흡수율을 나타내는 것으로 판단된다.

④ 아스펙트비 및 구형률

[도 5]는 원료 바텀애시의 아스펙트비 및 구형율을 나타낸 그래프이다. [도 5]에 도시된 바와 같이, 원료 바텀애시의 일부를 추출하여 가장 긴변과 가장 짧은 변을 측정하여 구하였다. 아스펙트비는 긴변과 짧은 변을 나누어 나타낸 것으로 1에 가까울수록 구형에 가깝다는 것을 나타낸다. 시료는 4분법을 사용하여 전체 용적의 10%를 채취하였으며, 측정에 사용한 장비는 버니어 캘리퍼스(Vernier Calipers)를 사용하여 측정하였다. 실험결과를 보면 25mm 입도의 건식 바텀애시의 평균 4.1로 나타났으며, 5mm는 평균 2.2로서 크기가 작을수록 1에 가까운 것으로 나타났다.

[1차 파쇄 후 바텀애시의 특성]

① 입도

[도 6]은 1차 파쇄 후 바텀애시의 입도 변화를 나타낸 그래프이다. 입도 변화를 검토하기 위하여 25mm, 20mm, 13mm, 10mm의 단입도 시료를 대상으로 IC로 가공 후 배출된 시료를 측정한 결과 30~50%의 파쇄 효과가 나타났다. 20mm 단입도 시료 시험 결과 50%의 입도변화를 나타냈으며, 10mm의 경우 30%의 입도 변화를 나타냈다. 원시료의 크기가 작아짐에 따라 변형량이 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 IC의 회전 속도에 따른 회전력, 투입시료의 중량과 길이에 따른 타격량의 차이로 판단되어진다. IC 시험 결과 밀도 및 흡수율은 원료 바텀애시 보다는 개선된 것으로 판단되나, 바텀애시 표면 입자 제거효과가 미흡하여 그 개선 폭은 크지 않을 것으로 추정된다.

② 단위용적질량 및 실적률

[도 7]은 IC가공 전후의 단위용적질량 및 실적률 변화를 나타낸 그래프이다. [도 7]에 도시된 바와 같이, IC를 가공한 시료의 단위용적질량을 측정한 결과 원시료 보다 25mm에서 24%, 20mm에서 17%, 13mm에서 16%, 10mm에서 12%증가 한 것으로 나타났다. 이와 같이 원시료의 입자 크기가 작아질수록 단위용적질량 증가율은 점차적으로 작아지는 것으로 나타났는데, 이는 입도에서와 마찬가지로 입자 크기가 작을수록 IC의 회전 속도와 회전판의 크기에 따른 타격량의 차이로 인해 입형 개선 효과가 낮아지기 때문이라고 판단된다. 또한 실적률도 전 입도에서 12~24% 증가하는 것으로 나타났다.

③ 아스펙트비(구형률)

[도 8]은 IC가공 전후의 입형변화를 나타낸 사진이며, [도 9]는 IC가공 전후의 아스펙트비를 나타낸 그래프이다. 표본시료(Typical sample)의 경우 원시료의 샘플링을 통해 용적의 10%를 추출하여 측정을 한 시료이고 추적시료(Tracking sample)는 정확도를 높이기 위하여 추출한 시료에 색상을 입혀서 가공 후에도 추적이 가능하게 한 시료이다. 결과를 보면 표본시료, 추적시료 모두 [도 8] 및 [도 9]에 도시된 바와 같이, IC가공 후 25mm, 20mm, 13mm는 아스펙트비가 8~22%로 감소된 것으로 나타났다. 그러나 10mm에서는 오히려 아스펙트비가 증가한 것으로 나타났는데 이는 임의의 시료를 측정하여 투입 전후 같은 시료를 측정하지 못했기 때문에 나타난 것으로 생각된다. 하지만 추적시료(Tracking sample)의 경우 가공 전후 동일한 시료를 대상으로 측정하기 때문에 표본시료(Typical sample) 보다 더 정확한 데이터라고 판단된다. 추적시료 역시 IC 투입 전 보다 투입 후의 아스펙트비가 0.2~37% 정도 감소된 것을 알 수 있었으며 입자 크기가 작아질수록 그 효과는 점차적으로 낮아지는 것을 알 수 있다.

[2차 중력식 마쇄 후 바텀애시의 특성]

① 입도

IC 가공 후 시료를 중력식 마쇄기로 30분간 표면가공을 하였으며 입도 분포는 [도 10]에 도시한 바와 같다. [도 10]을 보면, 5mm이하가 약 70% 정도의 분포를 나타내고 있으며, 경량골재에 필요한 2.5~20mm 크기의 입도는 전체 중 50%의 입도 분포를 나타내고 있다. 이는 자유낙하에 의한 충격력으로 표면 연소상의 제거로 인해 5mm이하 크기의 입자 분포가 늘어난 것으로 판단된다.

② 단위용적질량 및 실적률

[도 11]은 중력식 마쇄기 가공 후 단위용적질량 및 실적률을 나타낸 그래프이다. 결과를 보면 원시료 20mm에서는 360kg/㎥로 나타났으며, 0.15mm에서는 620kg/㎥로 나타났다. 가공 후 20mm에서는 427.15kg/㎥로 약 19% 증가하였으며, 0.15mm에서는 690.4kg/㎥로 약 11% 단위용적질량이 증가하였다. 또한 입도 크기가 작아질수록 단위용적질량이 증가하였는데, 이는 표면가공에 의한 구형률, 밀도의 증가에 의한 결과로 판단된다. 그리고 실적률 또한 단위용적과 유사한 결과가 나타났으며 입자 크기가 작아질수록 증가율은 증가하는 것으로 나타났다.

③ 밀도 및 흡수율

[도 12는]은 밀도 및 흡수율을 나타낸 그래프이다. 원시료와 비교해 가공 후 시료의 밀도는 약 4~10% 증가하는 것으로 나타났으며, 단위용적질량과 유사하게 입자 크기가 작아질수록 밀도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 흡수율은 가공 후 17~46% 감소하여 원시료에 비해 낮은 흡수율을 나타냈다. 이는 단위용적질량과 같이 표면가공 표면의 연소상이 분말화되어 공극감소로 인한 것으로 판단된다.

④ 공극률

[도 13]은 골재입자의 전 공극률 및 열린 공극과 닫힌 공극을 나타낸 그래프이다. 골재입자의 전 공극률(Total porosity)는 진밀도와 절건밀도를 이용하여 구할 수 있으며, 연속공극률은 흡수율과 동일하게 볼 수 있다. 최종 가공된 바텀애시는 원시료와 비교해 전공극율 10~20% 가량 감소하나 닫힌 공극은 유사하거나 증가하는 것으로 나타나며, 열린 공극은 10~20%이상 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같이 열린 공극과 닫힌 공극의 증감 현상은 입형 및 표면 가공 과정에서 열린 공극을 다량 함유한 골재 표면의 연소상이 제거되어 지고 내부 닫힌 공극이 대부분인 내부는 영향을 적게 받았기 때문이다.

⑤ 아스펙트비(구형률)

[도 14] 및 [도 15]는 아스펙트비와 가공 전후 바텀애시 입자 형상을 나타낸 사진이다. IC 가공 후 중력식 마쇄기로 표면가공을 한 결과 3~4 정도의 아스펙트비를 가지는 건식 바텀애시가 평균 1~2로 감소된 것으로 나타났다. IC 가공 후 입형 개선으로 28%의 아스펙트비 및 구형률이 개선된 것에 비해 표면가공을 통해 47% 개선이 나타나 약 19%의 개선효과가 나타났다. 이는 평편 세장한 골재의 입형을 IC에서 파쇄해주며, 그 후 표면의 연소상 부위를 중력식 마쇄기의 낙하에 의한 충격력으로 표면가공이 되었기 때문에 나타난 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 1차 임펙트 파쇄 과정만 거친 시료보다 2차 중력식 마쇄 표면가공을 거친 시료의 아스펙트비 개선 효과가 가장 높은 것을 알 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 1차 파쇄 가공 후 2차 마쇄 공정을 도입하는 것이 아스펙트비(구형률) 개선이 가장 우수한 결과를 나타내었고, 물리적 특성에서 밀도 및 흡수율과 단위용적질량 및 실적률의 경우 또한 1차 파쇄 가공 후 2차 마쇄를 통해 표면가공 하는 것이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 현장 적용시 최종 제품의 생산 효율을 고려할 경우 원료 바텀애시를 1차 파쇄 가공 후 10분 이내의 2차 마쇄를 통해서 골재를 가공하는 것이 가장 유리할 것으로 판단되어 진다.

또한, IC 가공 후 입형 개선이 된 시료를 중력식 마쇄기로 표면가공을 한 건식 바텀애시의 경우 인공경량골재와 유사한 2.5~20mm 크기의 입도는 전체 중 50%의 입도 분포를 나타냈으며, 또한 인공경량골재와 유사한 경량성을 가지며 밀도 및 흡수율과 단위용적질량 및 실적률이 향상되어 경량골재로서 활용이 가능할 것으로 확인되었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 화력발전소에서 공기냉각하여 배출되는 원료 바텀애시를 1차 충격식 파쇄하여 원료 바텀애시 보다 입도, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 밀도 및 단위용적질량이 증가된 1차 파쇄 바텀애시의 표면을 2차 중력식 마쇄 가공하여 KS F 2534;2009의 구조용 경량골재 기준에 부합하는 단위용적질량 및 밀도를 가지고, 1차 파쇄 바텀애시 보다 입도가 감소되며, 아스펙트비 및 흡수율이 감소되고, 전공극율은 기존 경량골재와 동일하지만 닫힌공극율이 증가된 건식 바텀애시로서,
   상기 2차 중력식 마쇄 가공한 바텀애시는 입형이 구형에 가깝지만, 표면은 작은 구형의 공극이 형성되어 거친 질감을 가지며, 5mm이하 입도는 전체의 60~70 중량%의 분포 및 2.5~20mm의 입도는 전체의 50중량% 분포를 나타내고, 아스펙트비는 1~2이며, 흡수율은 4~10%이고, 절건밀도는 1.3~1.8g/㎤이며, 전 공극률은 26~50 중량%이며 닫힌 공극(Closed pore)률은 13~46 중량%로 기존 인공경량골재보다 경량인 것을 특징으로 하는 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시
   
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9. 제1항에 따른 파쇄 및 중력식 마쇄에 의한 건식 바텀애시를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 경량골재
   
   
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