KR101547939B1 - 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법에 관한 것으로, 화력발전소에서 석탄 연소 후 발생하는 석탄회 중 매립된 바텀에쉬를 건설재료 등으로 재활용하기 위해 미연탄소를 회수하고, 회수하는 과정에서 미연탄소를 고발열량으로 농축시켜 에너지 연료로 사용하기 위해 지속적으로 발생하는 산업부산물의 재활용 기술확보와 친환경 원료 확보 및 환경오염방지, 국토확보를 도모할 수 있는 방법에 관한 것이다.
그 제조방법은 바텀애쉬를 입도분리 하는 단계와, 선별효율을 높이기 위하여 해쇄 및 부유불순물을 제거하는 단계와, 미연탄소 함량을 농축시키기 위해 체가름하는 단계와, 미연탄소가 농축된 바텀애쉬에서 철분을 분리하기 위해 실시하는 2000Gauss 이상의 세기의 자력선별단계와, 철분이 제거된 바텀애쉬에서 미연탄소를 회수하는 코로나 방전형 정전선별 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법{Recovery of unburned carbon from bottom ash using a Corona discharging Electroststic Separation}

본 발명은 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법에 관한 것으로, 화력발전소에서 석탄 연소 후 발생하는 바텀애쉬의 매립으로 인한 매립지 부지 확보와 환경오염 문제를 해결할 수 있고, 정전선별을 이용하여 회수된 미연탄소를 고발열량으로 농축시켜 에너지 연료화와 정제를 통한 바텀애쉬(Bottom ash)의 친환경 복토재 및 건설재료로 활용하며 바텀애쉬 정제를 통한 산업부산물의 재활용 기술 확보와 복토재 및 건설재료 활용함으로서 친환경 원료 확보 및 환경오염방지, 국토확보를 도모할 수 있도록 하기 위한 코로나 방전형 정전선별을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소를 회수하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄회는 석탄을 연소시킨 후 발생하는 부산물로 포집되는 장소에 따라 크게 연료 보일러 저부에 낙하 된 바텀애쉬와 날아가는 재를 집진기로 포집한 플라이애쉬로 구분되고 있다.

화력발전소에서 2011년 기준으로 역 123백만톤의 석탄을 소비하고 있으며, 석탄회는 매년 9백만톤 발생하고 있다.

상기 플라이애쉬의 경우, 크기가 대략 10~30로 대부분 콘크리트 혼화재나 시멘트 클링커 등으로 75~80%정도가 재활용되고 있다. 하지만, 바텀애쉬의 경우, 함유되어 있는 미연탄소로 인해 재활용이 되지 않고 대부분 회사장으로 폐기되고 있는 실정이다.

바텀애쉬의 함유되어 있는 중금속의 경우, 최근 토양오염공정시험법이 전 함량 분석법으로 채택됨에 따라 고형화 및 유리화로 처리하여 복토 및 매립하는 방법은 사용할 수 없게 되어 어려움을 겪고 있으며 미연탄소는 건축재료 활용시 콘크리트 흑화 및 콘크리트에 사용되는 혼화제에 흡착하여 강도저하 등의 문제를 일으킬 수 있어 바텀애쉬를 콘크리트용 골재로 활용시 미연탄소 함량을 5wt, %이하(KS F 4570)로 규정하고 있다.

석탄회로부터 미연탄소를 회수하는 선별로는 분급에 의한 선별과, 부유선별에 의한 선별과, 정선선별에 의한 선별법이 있다.

이중 분급에 의한 선별법이 저가의 비용으로 대량처리가 가능하여 가장 널리 이용되어져 상용화가 되었지만, 공기력에 의한 분급의 한계가 있으며 분리효율이 낮은 문제를 가지고 있다.

또한, 부유선별에 의한 선별법은 미연탄소 분리 효율이 가장 높으나 습식으로 처리되기 때문에, 처리비용이 높으며 2차 폐수가 발생할 수 있으며, 일부 시약은 석탄회의 포졸란 고유 특성을 파괴한다.

이에 석탄회의 포졸란 고유 특성을 유지하며 미연탄소를 회수하고 2차 환경오염이 따르지 않는 건식처리법인 정선선별법이 근래에 주목받고 있다.

상기 정선선별법은 입자표면의 전기적 성질을 이용한 것으로, 코로나 방전형, 마찰 방전형, 정전 유도형으로 나누어진다.

현재 석탄회 선별에 사용되는 방법은 정전유도형이 주를 이루고 있으나, 실제 공정에서 바텀애쉬(Bottom ash)의 경우 선별효율이 낮은 단점이 있다.

그리하여 이러한 활용 분야 중에서 각 종 선별을 통해 바텀애쉬로부터 미연탄소를 회수하는 정제기술 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

한국 공개특허 제 10-2005-0100802호(특허문헌 1호)가 제시하는 기술은 부유선별에 의한 매립 석탄회를 정제하는 방법의 기술로서 바텀애쉬 내에 존재하는 미연탄소를 회수하여 에너지원으로 활용하지 못하고 있으며, 이는 플라이애쉬(Fly ash)를 대상으로 진행되었고, 건식이 아닌 습식으로 선별을 실시하여 시약 및 폐수 처리 비용이 추가로 발생한다.

따라서 경제성 확보를 위해 습식선별이 아닌 건식선별을 이용한 기술 개발이 진행되고 있다.

건식선별인 정전선별을 이용해 석탄회 분리용 교차전극형 정전분리장치 기술이 개발된 바 있다.(한국 등록특허 제 10-0176068, 특허문헌 2호). 하지만 플라이애쉬(Fly ash)를 대상으로 진행되었으며, 현재 플라이애쉬 대부분은 콘크리트 혼화재로 재활용 되고 있으며 단순 정전선별 공정만을 실시한 것으로, 바텀애쉬의 경우 높은 철분 함량으로 인해 문제점을 나타내고 있다.

한국 공개특허 제 10-2011-0016680호(특허문헌 3호) 기술인 정전유도형 이젝터 마찰대전기를 이용한 석탄회 중 미연탄소 정전분리 장치 기술이 개발되었지만, Fly ash를 대상으로 진행하였으며, 정전유도형은 선별효율이 낮은 문제점이 있으며 효율 극대화를 위한 추가 장비 및 유지비가 소요되는 단점이 있다.

또한 언급된 기존 기술들은 Fly ash를 대상으로 진행되었으며, Fly ash를 본 기술인 코로나 방전형에 적용할 경우, Fly ash의 휘발성분으로 인해 코로나 방전 시 아크가 발생하여 기계 고장 및 화재의 위험이 있다. 하지만 Bottom ash의 경우 연소 과정에서 휘발분이 어느 정도 제거된 상태이므로 코로나 방전형 정전선별 적용이 가능한 것을 발견 할 수 있었다.

대한민국 공개특허 10-2005-0100802호 대한민국 등록특허 10-0176068호 대한민국 공개특허 10-2011-0016680호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 자력선별을 통해 철분을 제거하고 코로나 방전형 정전선별을 이용하여 바텀애쉬 중 함유된 미연탄소와 바텀애쉬 골재를 분리하는 선별방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 회수된 미연탄소를 화력발전소 에너지 연료로 활용하고, 바텀애쉬의 정제를 통한 친환경 복토재 및 건축재료로 활용할 수 있도록 하는데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법은,

5mm의 체를 통해 바텀애쉬를 입도분리 하는 단계와,

바텀애쉬의 선별효율을 높이기 위하여 해쇄 및 부유 불순물을 제거하는 단계와,

미연탄소 함량을 농축시키기 위해 30~170mesh의 입도로 체가름하는 단계와,

입도 단계를 통한 미연탄소가 농축된 바텀애쉬에서 철분을 분리하기 위한 2000Guass이상 자력의 자력선별단계와,

철분이 제거된 바텀애쉬에서 미연탄소 정광을 회수하는 코로나 방전형 정전선별 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법은 석탄회 중 플라이애쉬로부터 미연탄소를 회수하던 기존 구성 및 기술과는 달리 미연탄소의 문제로 인해 매립지 부지 문제 및 환경오염 문제를 일으키는 바텀애쉬를 대상으로 진행하였으며, 미연탄소 정탄을 회수하여 에너지 원료로 활용하며, 동시에 바텀애쉬 골재는 건설재료 등으로 활용 가능한 친환경 원료로 활용 가능하여 1석 2조의 효과가 있다.

또한, 본 발명은 철분 제거 및 선별 효율의 향상을 위해 전처리 단계로 자력선별을 실시한 후, 코로나 방전형 정전선별기를 이용하여 선별을 하였다. 기존 석탄회 선별법과는 다른 선별법을 이용하여 실제 공정에 소요되는 유지비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 선별방법으로 회수된 미연탄소는 화력발전소의 에너지 연료로 활용하며 정제된 바텀애쉬 골재는 친환경 복토재 및 각종 건설재료의 원료로 사용 가능하며, 특히 본 발명의 제조방법은 Bottom ash 골재를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조되어 백색도가 높은 회재의 정제가 가능하다. 그리고 본 발명에 따른 정제회재는 미세기공(micro pore)이 매우 발달하여 용도에 맞는 다양한 입자의 회재를 얻는 것이 가능하므로 기능성을 부여하기에도 용이하며, 다양한 산업 분야에 확대적용이 가능할 것으로 전망된다.

도 1은 본 발명에 따른 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법을 나타낸 블록도이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 석탄회의 발생과정에 관해 살펴하면, 석탄 연소과정 후 남은 물질을 석탄회라고 하며 포집되는 장소에 따라 플라이애시, 신더애시, 바텀애시 등으로 구분한다.

플라이애시는 절탄기나 공기예열기 아래 호퍼(Hopper)에 모이는 것과 전기집진기에 의해서 집진되어 집진기 하부 호퍼(Hopper)에 모이는 애쉬(Ash)를 말하며, 발생되는 회의 75~80% 정도가 플라이애쉬로 대부분 콘크리트 혼화재와 시멘트 원료로 재활용 되고 있다.

바텀애쉬는 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며 입경은 1~2.5mm이며, 보통 전체 회 발생량의 10~15% 정도가 된다. 보일러 하부에서 발생되는 바텀애쉬의 경우 함유되어 있는 미연탄소로 인해 재활용이 되지 않고 해수를 이용하여 대부분 회사장으로 폐기되고 있어 매립지나 처리시설의 확보가 어려운 실정이다.

이하 본 발명에 따른 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법에 대하여 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

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본 발명은 굵은 입자를 걸러내는 체가름 단계와, 선별효율의 증대를 위해 부유불순물을 제거 및 체가름 하는 단계와, 2000Gauss 이상의 자력선별을 통해 철·합금을 분리하는 단계를 거친 후, 코로나 방전형 정전선별을 실시하여 미연탄소를 회수하고, 회수된 미연탄소의 연료화와 정제된 바텀애쉬의 복토재 및 건설재료로 활용하는 특징이 있다.

상기의 단계 중에서 정전선별단계는 주로 입자들의 하전방식에 의존하며 전도성 물질과 비전도성 물질이 혼합된 산물을 분리하는 선별법으로 코로나 방전에 의한 입자의 하전은 정전선별의 일반적인 하전방식으로서 전도성이 높은 광물과 비전도성 광물을 고전압 시스템을 이용하여 분리하는 것이다.

이러한 방식은 이온 충돌 방법으로써 다른 하전방식에 비해 가장 높은 입자 하전율을 보인다.

코로나 전극이 (-)전극일 경우 전극으로부터 음(-)으로 하전 된 산소 이온들이 반발을 일으키면서 (+)이온이 전극을 향해 가속화되고, 이때 코로나 방전이 발생하며 광물들을 분리한다.

이하 본 발명에 대해 각 단계별의 공정을 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 선별을 위하여 매립지에 혼재되어 있는 굵은 입자 및 불순물 제거를 위해 5mm체를 이용하여 체가름을 실시하며, 정전선별 시 선별효율 향상을 위해 물을 이용하여 해쇄공정 및 부유불순물을 제거한다.

상기 정전선별은 전도성이 높은 광물과 낮은 광물을 분리하는 선별법이다. 하지만, 광물 속 불순물이 함유되어 있는 경우 선별효율이 저하되며 바텀애쉬의 경우 오랜 매립시기로 뭉쳐져 있는 입자가 존재하기 때문에 물로 해쇄공정을 실시하는 것이 바람직하다.

상기 바텀에쉬에 포함된 미연탄소의 함량을 알아보기 위하여 열량분석을 실시 했다. 측정결과는 [표 1]에 나타내는 바와 같이, 발열량은 1777cal/g으로 나타났고, 미연탄소는 약 25,7% 함유되어 있다.

바텀애쉬의 광물성분분석을 위해 XRF 분석을 실시하였고, 그 결과를 [표 2]에 나타내었다.

XRF 분석결과, 바텀애쉬 내에 철(Fe)성분이 약 5% 존재하고 있었고, 정전선별시 Fe 성분의 광물은 선별효율 저하의 원인으로 필이 제거 공정이 필요하다.

해쇄 및 부유물질을 제거한 바텀애쉬를 대상으로 입도분석을 한 결과, 30~170매쉬 구간에서 전체 시료의 70% 이상의 무게비를 가지며 미연탄소 함량 또한 1000~2000cal/g이상으로 상대적으로 높게 나타나는 것을 발견하였다.

따라서 30~170매쉬의 입도로 체 선별을 실시한 후, 바텀애쉬의 정전선별효율을 향상시키기 위해 자력선별을 실시하여 자성산물과 비자성산물로 분리공정을 거친다.

이때 자성물질에서 Fe 함량을 27%까지 농축시킬 수 있었으며, 자력선별을 실시한 자성물질과 비자성물질의 무게비와 미연탄소 함량을 [표 3]에 기재하였다. 비자성 산물에서 미연탄소 함량을 약 46%까지 농축시켰다.

자력선별기를 거친 비자성 산물을 대상으로 코로나 방전형 정전선별을 실시하였다. 정전선별에서 가장 중요하게 작용하는 인자 중 하나는 상대습도에 대한 영향으로 습도가 높았을 때보다 낮은 경우에 선별효율이 높으므로 바텀애쉬를 24시간 자연 건조한 후 실험을 실시한다. 롤(roll) 속도는 25rpm, 전압을 35kv로 조절하여 실시하였고, 그 결과를 [표 4]에 나타내 내었다.

정전선별 분리된 탄소정광에서 4800cal/g이상의 고발열량의 연료를 수득할 수 있었다.

Claims (6)

1. 바텀애쉬를 5mm의 체를 통해 입도분리 하는 단계와,
   입도 분리된 바텀애쉬의 선별효율을 높이기 위하여 해쇄 및 부유 불순물을 제거하는 단계와,
   미연탄소 함량을 농축시키기 위해 30~170mesh의 입도로 체가름하는 단계와,
   미연탄소가 농축된 바텀애쉬에서 철분을 제거하기 위해 2000Gauss 이상의 자력세기로 자력선별하는 단계와,
   철분이 제거된 바텀애쉬에서 미연탄소를 회수하는 정전선별 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 바텀애쉬에는 철분이 함유되어 있는 경우, 이는 정전선별 시 선별효율 저하의 원인이 되므로 2000Gauss 이상의 자력선별을 실시하여 철분을 제거하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.
3. 제 1항에 있어서,
   에너지 소비가 많은 마광단계를 거치지 않고, 단순 체가름과 자력선별을 실시한 후 코로나 방전형 정전선별로 바텀애쉬로부터 에너지 연료로 활용이 가능한 4800cal/g의 미연탄소정광과 미연탄소가 제거된 바텀애쉬 골재를 분리 선별 할 수 있게 이루어지는 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 정전선별단계에서 가장 중요하게 작용하는 인자 중 하나는 상대습도에 대한 영향으로 바텀애쉬를 24시간 자연 건조한 후, 롤(roll) 속도를 25rpm, 전압을 35kv로 조절하여 선별하도록 구성한 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 바텀애쉬는 5mm체를 통해 입도 분리하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 미연탄소 함량은 30~170매쉬로 체가름하여 선별하도록 구성한 것을 특징으로 하는 코로나 방전형 정전선별법을 이용하여 바텀애쉬로부터 미연탄소 회수방법.

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