KR101669040B1

KR101669040B1 - 폐백토와 염색 슬러지를 이용한 고형화 연료의 제조방법

Info

Publication number: KR101669040B1
Application number: KR1020150037674A
Authority: KR
Inventors: 서태원; 김연우; 서인석
Original assignee: 주식회사 아이에스텍
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-11-22
Also published as: KR20160112297A

Abstract

본 발명은 정유, 화학제조공정에서 발생되는 폐백토와 염색공장에서 발생되는 염색 슬러지 및 폐타이어 열분해 후 잔류물인 카본분말을 이용한 고형화 연료 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 폐백토 5 내지 30중량%; 염색 슬러지 50 내지 80중량%; 및 폐타이어 크래킹 공정 부산물로서 카본분말 5 내지 20중량%를 포함하며, 발열량이 3,000Kcal/kg 이상인 고형화 연료 조성물을 제공한다. 본 발명에 따르면, 폐백토, 염색 슬러지 및 폐타이어 부산물을 활용하여 높은 열량을 갖는 에너지원으로 재활용할 수 있게 한다.

Description

폐백토와 염색 슬러지를 이용한 고형화 연료의 제조방법 {Method of Solidified fuel manufacturing using dyeing wastewater sludge and spent bleaching clay}

본 발명은 산업부산물의 재활용에 관한 것으로 보다 상세하게는 다종의 산업에서 발생하는 폐흡착제, 폐흡수제 및/또는 염색슬러지를 이용하여 고형화 연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 식용유 제조공장, 정유공장 및 화학공장에서는 흡착제 및 흡수제로 산성백토를 사용하고 있는데 처리 후 산성백토가 기름을 흡착한 상태의 폐백토가 부산물로 발생된다. 지금까지 이 폐백토를 산업폐기물로서 매립이나 해양투기도 불가하였고, 일부 시멘트제조시의 보조연료로 사용되고 거의 대부분이 소각 처리하는 실정이다.

한편, 염색공장에서 발생하는 염색 폐수 슬러지에는 섬유찌꺼기와 함께 각종 화학물질이 포함되어 있다. 최근 국제환경협약에 의하여 2016년부터 해양투기가 전면 금지됨에 따라 염색슬러지의 처리방법이 시급한 실정이다.

염색 슬러지를 연료화하기 위한 것으로는, 한국등록특허 10-1279045호 (왕겨와 염색슬러지를 이용한 고형화 연료 및 그 제조방법), 10-0108882호 (염색 슬러지를 이용한 폐기물 가공연료 제조방법) 10-1080837 (염색슬러지와 분코크스를 이용한 폐기물 가공연료의 제조방법) 등이 있다. 그러나, 이러한 기존 방법들은 다른 용도로 사용하고 있는 왕겨나 고가의 분코크스를 혼합 사용해야 하는 단점이 있다.

또한, 산업발전에 따라 자동차도 급증하여 매년 수십만톤의 폐타이어가 발생하고 있다. 그러나 폐타이어에는 철선이 들어있어 사용 시 철선을 제거해야 하는 문제가 있다. 최근 폐타이어를 절단하여 철선을 분리하고 열분해에 의한 크랭킹 공정을 통하여 약 50%의 오일(경유,가솔린등)과 탄화수소가스로 전기생산이나 스팀으로 에너지 열원으로 사용하고 있다. 한편, 이때에 약 30~40 중량% 탄소분말찌꺼기가 발생되는데, 이 탄소분말은 미연탄소가 대부분이나 미세공극에 기름이 혼재되거나 크래킹 과정 중 불순물이 들어가 페인트나, 일반 제품용 안료로 사용할 수 없는 한계가 있었다.

따라서, 상기한 산업부산물을 고형화 연료로 제조하기 위한 경제적으로 저렴하고 생산성이 우수한 성형, 건조방법의 개발이 필요한 실정이다

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상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 다종 다양한 산업 공정의 부산물을 고형 연료화 하는 방법 및 그에 의해 제조된 고형화 연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 폐백토, 염색 슬러지, 폐타이어 부산물을 활용하여 높은 열량을 갖는 에너지원으로 재활용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 제철 공정 및 시멘트 제조 공정의 연료로 사용되기에 적합한 산업 공정 부산물의 고형 연료화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 폐백토 5 내지 30중량%; 염색 슬러지 50 내지 80중량%; 및 폐타이어 크래킹 공정 부산물로서 카본분말 5 내지 20중량%를 포함하며, 발열량이 3,000Kcal/kg 이상인 고형화 연료 조성물을 제공한다.

또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 폐백토 5 내지 30중량%; 염색 슬러지 50 내지 80중량%; 및 폐타이어 크래킹 공정 부산물로서 카본분말 5 내지 20중량%를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 성형하는 단계; 및 상기 성형된 혼합물을 수분 30% 이하로 건조하는 단계를 포함하는 고형화 연료의 제조 방법을 제공한다.

이 때, 본 발명은 상기 고형화 연료 조성물 100 중량부를 기준으로 열량 보조제를 10중량부 미만으로 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 고형화 연료 조성물 100 중량부를 기준으로 성형 안정제를 5중량부 미만으로 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다종 다양한 산업 공정의 부산물을 고형 연료화할 수 있게 된다. 구체적으로 본 발명은 폐백토, 염색 슬러지 및 폐타이어 부산물을 활용하여 높은 열량을 갖는 에너지원으로 재활용할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 제철 공정 및 시멘트 제조 공정의 연료로 사용되기에 적합한 산업 공정 부산물의 고형 연료화 방법을 제공할 수 있게 된다.

본 발명은 환경오염방지, 자원 재활용으로 경제적 우수할 뿐만 아니라, 2015년부터 발효되는 탄소 배출권에도 제외되어 이를 사용한 연료는 탄소저감효과로 추가적인 경제적 이득을 볼수 있는 획기적인 발명이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고형화 연료 제조공정을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

본 발명에서 폐백토는 식용유 제조공장, 정유공장 및 화학공장 등의 흡착제 및 흡수제로 사용된 산성 백토의 공정 부산물이다. 본 발명에서 폐백토는 다량의 기름을 흡착한 상태로 발생된다. 폐백토는 기름이 섞여 있어 그 성상이 끈적끈적하여 취급하기 곤란하고, 열량이 낮아 단독으로 연료화하기 어렵다.

한편, 염색공장에서 발생하는 염색폐수 슬러지는 년간 약 50 만톤 정도 발생되고 있고, 약간의 중금속과 염색 시 첨가한 화학물질에 의하여 악취가 발생한다.

염색 슬러지는 그 주성분으로 70~85%에 달하는 다량의 철분과 석회분 등을 함유하고 있다. 또한, 건조한 염색 슬러지는 열량이 약 3,000~3,800kcal/kg 정도로 높은 열량을 나타낸다. 따라서, 염색 슬러지는 제철소용 및 시멘트용 보조연료로의 사용하는 경우 타고 남은 재는 철광석 및 석회석 원료로 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기 염색 슬러지는 통상 80% 이상 수분을 함유하고 있어, 염색 슬러지는 1차 탈수를 거친 후 사용된다. 또한, 상기 염색 슬러지는 고형 연료화를 위한 성형 후에도 높은 수분 함량으로 인해 대기 중 건조가 필요한데, 염색 슬러지에는 각종 화학물질이 함유되어 있어서 대기중 또는 건조 중에 그 냄새로 인한 그 악취로 처리 및 사용시 애로점이 있으며, 이를 해결할 필요가 있다.

한편, 본 발명의 고형화 연료는 폐타이어 크래킹 과정에서 발생되는 카본 분말을 포함한다. 폐타이어는 그 자체로 시멘트 공정 등의 보조 연료로서 사용될 수 있으나, 타이어 중의 철선을 제거한 후 열분해에 의한 크래킹공정을 통하여 오일 또는 탄화수소가스를 회수하여 사용되기도 한다. 이 과정에서 폐타이어 투입량의 약 30~40%의 카본 분말이 부산물로 발생한다.

이 카본분말은 미세한 분말이나 크래킹 과정 중의 불순물로 인해 낮은 순도를 가지며 각종 안료, 페인트 등 고품질의 생산용 제품으로 사용할 수 없다.

고온 고압의 열분해에 의한 크래킹과정에서 발생한 카본분말은 비표면적이 넓은 매우 미세한 다공성의 미분말 입자일 뿐만 아니라, 폐타이어 중 탄소만 남고 모두 타거나 증발되어 5~30Å의 세공 구조를 갖는 미세한 기공(Micro pore)이 다량 존재하고 있다. 따라서, 이 카본분말은 6,000 kcal/kg 이상의 높은 열량을 나타내며, 냄새나 가스흡착에 있어서 우수한 특성을 나타낸다.

전술한 각 분말의 성상에 대한 검토를 통하여, 본 발명의 발명자들은 폐백토, 염색 슬러지 및 폐타이어 크래킹 후 발생되는 카본 분말을 혼합 사용함으로써 낮은 열량, 악취 등의 문제를 해결할 수 있는 고형화 연료의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 고형화 연료는 상술한 공정 부산물 외에 다른 공정 부산물을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 고형화 연료의 열량 보조제로서 폐규조토 및/또는 중유회가 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 고형화 연료는 성형 특성을 개선하기 위하여, 소량의 성형 안정재를 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 폐백토를 이용하여 열량이 약 3,000~3,800kcal/kg정도인 것을 이용하여 고형화 연료를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고형화 연료의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 절차도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 이상에서 기술한 산업 부산물인 폐백토, 염색 슬러지, 폐타이어 열분해 크래킹 과정에서 부산되는 카본분말을 혼합, 성형 및 건조하여 고형화 연료를 제공한다. 도 1에서는 성형 단계 이후에 건조 단계가 부가되는 것을 설명하였으나, 본 발명에서는 혼합 분말의 상태에 따라 성형 전에 건조 단계가 수행될 수도 있다.

바람직하게는, 본 발명에서 상기 고형화 연료는 폐백토 5~30중량%, 염색 슬러지 30~80중량% 및 카본분말 5~20중량%로 이루어진다. 본 발명에서 제조된 고형화 연료는 3,000Kcal/kg이상의 열량을 갖는다. 부가적으로, 본 발명의 고형화 연료는 열량보조제로 산업 부산물인 폐규조토, 중유회 및 화학공장에서 발생되는 3,000kcal/kg 이상의 화학공장 부산물이 상기 고형화 연료 100 중량부를 기준으로 1~10 중량부 첨가하여 제조될 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 성형이 안되거나 부서져 공정 트러블을 자주 발생하는 것을 방지하기 위하여 성형 안정제로서 발전소에서 발생하는 예컨대 플라이애시나 바텀애시 등의 산업용 재가 상기 고형화 연료 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이내 첨가될 수 있다.

본 발명에서 폐백토가 30중량% 이상이면 전체 고형화 연료의 열량을 만족시키기 어렵고 함유한 기름 때문에 엉겨 붙어 고형화 연료 제조시 공정 트러블이 자주 발생하게 된다. 폐백토가 5% 이하이면 철분 및 석회분 보충 원료로서의 사용할 수 없게 된다. 본 발명에서 상기 폐백토 함량은 바람직하게는 10~25중량% 범위에 있는 것이 좋다.

또한 본 발명에서, 상기 염색 슬러지는 80% 이상이면 수분이 너무 많아 제조비가 상승되어 채산성이 떨어지고 특히 발생되는 악취의 제거가 곤란하다. 또한, 50중량% 이하일 경우 고형화 연료 성형 시 부스러지는 등 성형성이 불량하여 취급이나 제조시에 공정문제를 야기시키게 된다. 본 발명에서 상기 염색 슬러지의 함량은 50~60 중량% 범위인 것이 가장 바람직하다.

본 발명에서, 상기 카본 분말은 20중량% 이상 포함되는 경우 고형화 연료의 제조비 상승으로 경제성이 없어지고, 고형화 연료의 성형이 안 되는 문제가 발생한다. 반면, 5중량% 이하이면 요구되는 발열량을 맞추기 어렵고 탈취 효과가 미미하게 된다. 본 발명에서 상기 카본 분말의 함량은 7~15중량% 범위인 것이 가장 바람직하다.

그 외의 열량보조제로서 폐규조토는 3,000~3,500kcal/kg 열량을 갖고 있어 대체 연료로 사용 가능하다. 또한, 폐규조토는 약 50~80중량% 실리카(SiO2)성분을 함유하고 있으므로 가스 및 냄새를 흡착하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 염색 슬러지에서 발생하는 악취제거에도 우수한 효과를 나타낸다.

한편 중유회는 화력발전소 등에서 발생하는 분진으로 약 4,500~6,000kcal/kg 높은 열량을 갖고 있다.

그 밖에, 각종 화학공장에서 발생되는 3,000kcal/kg 이상의 부산물들이 열량 보조재로서 사용될 수 있다.

또한 본 발명은, 성형안정화재로서 각종 화학공장에서 발생되는 산업용 재 즉 플라이애시나 바텀애시가 사용될 수 있다. 상기 플라이애시 및 바텀애시는 약간의 수분 존재 시 셩형성을 향상시킨다. 따라서, 고형화 연료 100 중량부 기준으로 5중량부 이내로 첨가하여 고형화 연료의 성형성을 향상시킬 수 있다.

(실시예)

표 1은 본 발명에서 사용되는 산업부산물의 성분 분석 결과를 나타낸 표이고, 표 2는 발열량 시험 결과를 나타낸 표이다. 폐백토는 식품공장, 염색슬러지는 염색공장, 탄소분말은 타이어 공장의 크래킹 공정 부산물을 사용하였다. 화학 분석은 팬어낼리티컬사(PANanalytical)의 액시오스시멘트(axios-cement) XRF 및 IQ 로를 사용하여 성분 함량을 중량%로 나타내었고, 발열량은 AC-300분석기로 KS M 2057 방법에 따라 시험하였다.

구분	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O	P2O5	TiO2
폐백토	76.58	11.67	4.36	1.16	1.96	0.51	0.61	0.07	0.11	1.16
염색슬러지	6.41	1.62	79.84	0.56	0.40	0.13	0.19	3.3	5.93	0.61
탄소분말	탄소(C) 92.8%, 유분등 협잡물 7.2%

구분	수분(105℃)	염소함량(ppm)	발열량(kcal/kg)
폐백토	7.1	26	3,630
염색슬러지	81.7	1,792	3,581
탄소분말	0.8	0	6,236

여기서, 수분 함량은 폐기물공정시험법에 따라 측정하였고,염소함량은 ASTM D 2361 애쉬카법에 따라 측정하였다.

표 1에 나타난 산업부산물들을 표 3과 같은 조성비로 혼합하여 직경 약 1cm 크기로 성형한 후 600℃ 열풍 건조로에서 24시간 건조하여 고형화 연료를 제조하여 그 특성을 평가하였다. 성형성은 성형체의 부스러짐의 발생 여부로 평가하였고, 악취 여부는 컵에 담아 냄새를 맡는 관능 시험에 의하여 평가하였다.

No	폐백토 (중량%)	염색슬러지 (중량%)	카본분말 (중량%)	성형성	악취 여부	수분량 (%)	발열량 (kcal/kg)
1	10	80	10	△	△	5.8	3,156
2	20	70	10	o	o	4.5	3,205
3	30	60	10	o	o	3.2	3.254

표 3을 참조하면, 염색 슬러지 80중량% 수준에서 성형성이 약간 불량하여 성형 안정화재의 첨가가 필요한 것으로 판단된다. 악취도 염색 슬러지 함량이 80중량% 부근에서 발생하기 시작하였다.

표 3의 조성 범위 내에서 고형화 연료로서의 발열량은 3000 kcal/kg을 초과하였다. 다만, 실제 공정상 수분량이 증가할 것으로 예상되므로 경우에 따라 열량 증진 보조제의 첨가가 필요할 것으로 판단된다.

(실시예 4~6)

열량증진을 위한 보조제와 성형성을 보완하기 위하여 실시예 1의 조성에 악취가 발생되는 배합조성의 악취 발생을 보다 억제하기 위한 실험을 다음과 같이 실시하였고 그 결과를 나타내었다.

본 실시예에서는 열량보조제로 경북S산업에서 입수한 폐유 정제과정에서 발생한 폐규조토와 울산화력에서 발생된 중유회를 사용하였다. 표 4와 같이, 실시예 1의 고형화 연료 100 중량부를 기준으로 열량 보조제 합계를 10 중량부로 하여 악취 발생 여부 및 발열량을 평가하였다. 상기 폐규조토와 중유회를 첨가하여 열량시험 및 냄새발생 여부를 시험한 결과는 표 5와 같다.

구분	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Cl(ppm)	LOI	발열량
폐규조토	44.1	10.4	2.24	2.01	0.62	-	240	36.56	3,578
중유회	1.59	0.99	8.92	0.35	0.05	0.08	12	82.7	5,369

실시예	폐백토10 염색슬러지80 카본분말10wt%	열량보조제(wt%)		악취 여부	발열량 (kcal/kg)
실시예	폐백토10 염색슬러지80 카본분말10wt%	폐규조토	중유회	악취 여부	발열량 (kcal/kg)
4	100	10	0	◎	3,194
5	100	0	10	○	3,357
6	100	5	5	○	3,275

악취여부시험은 컵에 담아 냄새를 맡는 관능시험으로 실시하였다. 이 시험결과 실시예 4~6 모두 악취 발생이 현저히 감소하였고, 특히 폐규조토를 첨가한 것에서 가장 양호한 결과를 얻었다. 첨가한 열량보조제는 모두 발열량 조건을 충족시킴을 알 수 있다.

(실시예 7~10)

성형성 문제가 우려되는 배합조성 즉, 염색 슬러지 80 중량% 첨가 수준을 중심으로 표 6과 같이 배합하여 시험하였다.

실시예 1의 조성 100 중량부에 대하여 열량보조제 및 성형안정제를 중량부로 첨가하여 표 6와 같이 배합조성으로 혼합, 성형한 후 600℃ 열풍건조로에서 24 시간 동안 시험을 실시하였고 그 결과를 나타내었다.

실시예	폐백토 10 염색슬러지 80 카본분말 10wt%	열량보조제		성형안정제		성형성
실시예	폐백토 10 염색슬러지 80 카본분말 10wt%	폐규조토	중유회	Fly ash	Bottom ash	○
7	100	10	0	5	0	○
8	100	10	0		5	○
9	100	0	10	5	0	○
10	100	0	10	0	5	○
11	100	5	5	5	0	◎

성형성 시험은 성구기에서 직경 1~2cm 크기로 성형한 다음 600℃ 열풍건조로에서 24시간 건조 후 상태를 육안으로 관찰하였다.

이 시험결과 성형 안정제로는 플라이애시가 바텀애시보다 성형성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, 성형성을 수치로 나타낼 수는 없지만 관능시험결과 폐규조토와 중유회가 혼재할 때 성형성이 더 좋은 것으로 나타났다.

이와 같이 본 발명은 산업부산물만으로 3,000kcal/kg 이상의 고형화연료를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 그 재가 철분 및 석회분 등으로 구성되어, 제철 공정, 시멘트 제조 공정 등 산업체에 재활용 등으로 크게 기여할 수 있고, 또한 산업 폐기물을 연료로 사용함으로 탄소배출에도 해당되지 않아 2015년부터 시행되는 탄소배출권 거래로서 경제적 이득을 볼 수 있게 된다.

Claims

폐백토 5 내지 30중량%;
염색 슬러지 50 내지 80중량%; 및
폐타이어 크래킹 공정 부산물로서 카본분말 5 내지 20중량%를 포함하며,
발열량이 3,000Kcal/kg 이상인 고형화 연료 조성물.
폐백토 5 내지 30중량%; 염색 슬러지 50 내지 80중량%; 및 폐타이어 크래킹 공정 부산물로서 카본분말 5 내지 20중량%를 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 성형하는 단계; 및
상기 성형된 혼합물을 수분 30중량% 이하로 건조하는 단계를 포함하는 고형화 연료의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 고형화 연료 조성물 100 중량부를 기준으로 열량 보조제를 10중량부 미만으로 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고형화 연료 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 고형화 연료 조성물 100 중량부를 기준으로 성형 안정제를 5중량부 미만으로 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고형화 연료 제조 방법.