KR101698983B1

KR101698983B1 - 인공경량골재의 제조방법

Info

Publication number: KR101698983B1
Application number: KR1020150065409A
Authority: KR
Inventors: 이기강; 이재훈; 배순종
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2017-02-01
Also published as: KR20160132626A

Abstract

본 발명은 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 정수오니, 석분오니 및 준설토로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니와 유리석회를 포함한 석탄회 또는 무수석고를 혼합하고, 수화반응에 의하여 생성된 열로 수분함유 무기성오니를 건조시켜 함수율 10~20%의 수화 석탄회를 수득하고, 이를 아이리히 믹서(Eirich mixer) 등에서 성형하여 인공경량골재를 제조함으로써 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등의 문제를 일으키는 유리석회를 안정화시킨 유리석회를 포함한 석탄회를 이용하고, 수화반응 중 생성되는 열로 무기성오니를 건조하여 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 인공경량골재를 간단하고 건조비용이 절약된 방법으로 제조하는 효과가 있다.

Description

인공경량골재의 제조방법{Method of Preparing Artificial Light-weight Aggregates}

본 발명은 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정수오니, 석분오니 및 준설토로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니와 유리석회를 포함한 석탄회 또는 무수석고를 혼합하고, 수화반응에 의하여 생성된 열로 수분함유 무기성오니를 건조시켜 함수율 10~20%의 수화된 석탄회를 수득하고, 이를 조립기에서 성형함으로써 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 인공경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

화력발전소에서 석탄을 이용하여 에너지를 생산하는 연소방식에는 미분탄 연소방식과 순환유동층 연소방식이 있으며, 순환 유동층 보일러는 저품위(저발열량) 유연탄을 효율적으로 연소시키기 위한 장치이다. 또한 기존의 탈황설비가 매우 고가이므로 유연탄 연소시간이 긴 유동층 보일러는 로(furnace) 내 탈황을 할 수 있고, 연소 온도가 낮으므로 NO_x 생성이 최소화되는 이유로 순환 유동층 보일러를 사용한다. 하지만 순환유동층 연소방식의 경우 석탄회 경우 SiO₂ 함량이 KS 규격(KS L 5405)에 부합하지 못하여 콘크리트 혼화재나 시멘트의 원료로 사용되지 못하고 전량 매립되고 석탄회 내에 CaO 화합물 성분이 다량으로 함유되어 있어 콘크리트 혼화재로 사용 시 유리석회(free-CaO) 성분이 수화 팽창하여 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 등의 치명적인 문제를 유발시킨다. 또한, 석유 코크스(petroleum cokes)를 원료로 석유를 제조하는 공정에서 산업부산물로 발생되는 무수석고는 유동층 석탄회와 마찬가지로 다량의 유리석회를 함유하고 있어 예전에는 매립시켜 처리하였으나 발생량 증가로 매립지의 선정 및 부족으로 그 처리 및 처분이 힘들게 되었다.

한편, 무기성오니는 준설토, 석분오니, 정수오니 등이 있다. 준설토, 매립회는 매년 다량 발생하여 매립을 위해 세척을 거쳐 환경문제를 유발하는 Cl^- 이온을 제거하는 세척공정, 0.1mm 이하로 분쇄공정을 거치는 작업을 하여 폐기물관리법에 규정한 소각의 방법으로 처리 후 발생되는 부산물로서 재활용이 아직도 중요한 과제이다. 또한 석분오니의 경우 연간 약 350만톤 정도가 발생하여 현재 재활용 용도가 없어 전량 매립하는 상황에 있어 다른 용도로 재활용이 시급한 상황이다. 정수오니는 연간 발생량이 약 60만톤이고 상수도 보급률 증가와 상수원의 오염으로 인한 정수처리시 약품 사용량의 증가로 인해 매년 정수슬러지 발생량이 증가하고 있다. 또한 정수슬러지 처리현황을 살펴보면 1999년 기준으로 매립처분 59%, 해역배출 40%, 재활용 1%로 현재 재활용이 아주 시급한 상황이다.

한국공개특허 제10-2009-0049371호에 개시된 하폐수열을 이용한 슬러지 저온 건조장치에서는 하수슬러지의 수분을 하, 폐수 건조 슬러지를 이용하여 건조하는 것을 개시하고 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2008-0002430호는 CaO를 함유한 생석회를 이용하여 고농도 유기성 폐기물 통합처리 방법을 개시하고 있다.

그러나 최근 전세계적인 에너지 자원의 고갈에 따라 이를 대체할 신재생 에너지에 수요가 급증하고 있는 현실에서, 무기성오니 및 유동층 석탄회의 재활용에 관한 전반적인 문제점을 개선한 기술 개발이 절실한 실정이나 아직까지 이에 관하여 개시된 바를 찾아볼 수 없다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 정수오니, 석분오니, 준설토의 무기성오니가 함유하고 있는 약 50%의 수분과 유리석회를 포함한 석탄회에 포함된 다량의 유리석회 성분과의 반응시 발생하는 열량을 이용하여 무기성오니를 건조시키고 아이리히 믹서(Eirich mixer) 등의 조립기를 이용함으로써 인공경량세골재로 제조할 경우, 수분을 따로 첨가하지 않으면서 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등을 일으키는 유리석회로 인한 문제를 해결하여 전량 매립되던 유동층 석탄회를 재활용할 수 있고, 이와 더불어 재활용율이 낮은 무기성오니 또한 재활용하여 별도의 필수 성분 및 에너지원을 추가하지 않고도 간단한 공정에 의하여 무기성 슬러지를 건조시킴과 동시에 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 인공경량세골재를 제조할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 전량 매립되던 유동층 석탄회와 재활용율이 낮은 무기성오니를 재활용하여 수분을 첨가하지 않고 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등의 문제를 일으키는 유리석회를 안정화시키고 별도의 필수 성분 및 에너지원을 추가하지 않고도 간단한 공정에 의하여 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족하는 인공경량골재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 정수오니, 석분오니, 준설토의 무기성오니가 함유하고 있는 약 50%의 수분과 유리석회를 포함한 석탄회에 포함된 다량의 유리석회 성분과의 반응시 발생하는 열량을 이용하여 무기성 슬러지를 건조시킴으로써 슬러지의 건조비용을 낮출 수 있는 인공경량골재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 정수오니, 석분오니 및 준설토로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니와 유리석회를 포함한 석탄회, 무수석고 또는 SDA를 혼합하고, 수화반응에 의하여 생성된 열로 수분함유 무기성오니를 건조시켜 함수율 10~20%의 수화 석탄회를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 수화 석탄회를 믹서에서 성형하여 인공경량골재를 제조하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의한 인공경량골재의 제조방법은 전량 매립되던 유동층 석탄회를 재활용하고 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등 문제를 일으키는 유리석회를 수분을 첨가하지 않고 안정화시킨 유리석회를 포함한 석탄회를 이용함으로써, 별도의 필수 성분 및 에너지원을 추가하지 않고 간단한 공정에 의하여 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 인공경량골재를 제조할 수 있다.

또한, 정수오니, 석분오니, 준설토의 무기성오니가 함유하고 있는 약 30~60%의 수분과 유리석회를 포함한 석탄회에 포함된 다량의 유리석회 성분과의 반응시 발생하는 열량을 이용하여 무기성 슬러지를 건조시킴으로써 슬러지의 건조비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공경량골재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유동층 석탄회 및 수화 유동층 석탄회의 화학조성을 나타내는 X-ray 회절 분석도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수화시킨 석탄회의 DTA/TG 분석을 나타내는 분석도이다.
도 4는 무수석고의 DTA/TG 분석을 나타내는 분석도이다.

본 발명에서는 정수오니, 석분오니, 준설토의 무기성오니가 함유하고 있는 약 30~60%의 수분과 유리석회를 포함한 석탄회에 포함된 다량의 유리석회 성분과의 반응시 발생하는 열량을 이용하여 무기성오니를 건조시키고 아이리히 믹서(Eirich mixer) 등의 믹서를 이용함으로써 인공경량세골재로 제조할 경우, 수분을 따로 첨가하지 않으면서 유리석회로 인한 문제를 해결하여 유리석회를 포함한 석탄회 및 무기성오니를 재활용하여 별도의 필수 성분 및 에너지원을 추가하지 않고도 간단한 공정에 의하여 무기성 슬러지를 건조시킴과 동시에 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 인공경량세골재를 제조할 수 있는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 정수오니, 석분오니 및 준설토로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니와 유리석회를 포함한 석탄회 또는 무수석고를 혼합하고, 수화반응에 의하여 생성된 열로 수분함유 무기성오니를 건조시켜 함수율 10~20%의 수화 석탄회를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 수화 석탄회를 조립기에서 성형하여 인공경량골재를 제조하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

상기 조립기는 아이리히 믹서(Eirich mixer), 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich disk pelletizer) 및 단광기(briquetting machine)로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 아이리히 믹서를 사용한다.

본 발명은 무기성오니에 함유하고 있는 약 50%의 수분과 수화열에 큰 영향을 미치는 CaO가 다량 함유된 유리석회를 포함한 석탄회를 발열반응시키고, 이 때 발생하는 열량으로 무기성오니를 건조시키고 이를 시멘트원료로 이용하기 보다는 강도적 측면에서 효율이 있기 때문에 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 이용해 세골재를 제조하는 것을 실현시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공경량골재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.

보다 구체적으로, 도 1을 참조하면, 정수오니(함수율 60%), 석분오니(함수율 30%) 및 준설토(함수율 30%)로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니를 세척하여 Cl^- 이온을 제거한다. 유리석회를 포함한 석탄회 또는 무수석고와 혼합하여 수화반응(발열반응)시키며, 이 때 발생하는 열량으로 무기성오니를 건조시킨다. 믹서가 가동하기 위해서는 10~20%의 함수율을 요구하기 때문에, 수화 석탄회의 함수율이 10~20%일 때까지 건조시키고, 이를 아이리히 믹서(Eirich mixer) 또는 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich Disk Pelletizer)내에서 5% 이하의 시멘트를 첨가하여 성형함으로써 인공경량골재를 제조할 수 있다. 또한, 인공경량골재는 인공경량세골재(artificial light-weight fine aggregates)인 것이 바람직하다.

본 발명의 유리석회를 포함한 석탄회는 유동층 석탄회이며, 구체적으로는 CFBC 애쉬(Circulating Fluidized Bed Combustion ash), FBC 애쉬(무수석고)(Fluidized Bed Combustion ash), SDA 애쉬(Spray Dryer Absorption ash)를 적용할 수 있다.

석탄회 원료 분석 및 발열량 계산

유동층 석탄회의 화학조성은 표 1에 나타내었으며, SiO₂ 함량이 24.7%로 KS L 5405의 석탄회 SiO₂ 함량 45%이상을 만족시키지 못한다. 반면에 CaO는 38.35%로 다량의 석고와 유리석회가 있음을 알 수 있다(도 2). 유리석회 양을 확인하기 위하여 수화시킨 석탄회의 DTA/TG 분석을 도 3에 도시하였다.

수화시킨 석탄회는 약 400℃ 부근에서 큰 흡열반응을 보이며 약 9%의 무게 감량이 일어나는데 이는 Ca(OH)₂의 결정수가 탈락하는 반응이다. 수화시킬 때 모든 유리석회가 수화되었다고 생각하고 유리석회 양을 계산하면 약 22%(CaO : H₂O = x : 9)이다.

순환 유동층 보일러에서 발생한 석탄회의 수화반응에는 다음과 같은 수화 반응식이 있다.

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO)

여기에 날아간 증발량을 확인해 본 결과(석탄회의 CaO 함량이 22wt%임을 가정)

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq)

CaO(56g/mol) + H₂O(18g/mol) ↔ Ca(OH)₂(74g)

여기서 석탄회 1000kg에 존재하는 CaO 220kg 수화 시 약 71kg 물이 날아간다(석탄회 대비 7.1%)

이 때, 수화시 증발되는 물량을 계산해 보면

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO) 발열

CaO 56g/mol → CaO는 수화 시 65kJ/56g 발열

∴ CaO 수화 시 1,160kJ/kg → 276kcal/kg(1kcal=4.2kJ) 발열

CaO의 수화발열량 276kcal/kg(석탄회 중 CaO 함량 22wt%임을 가정), 물의 비열 1kcal/kg, 물의 증발잠열 597kcal/kg으로 물의 증발량을 계산해 보면 석탄회 1000kg 수화 시 CaO 220kg의 발열반응(60,720kcal/kg)으로 인해 20℃의 물(677kcal/kg)이 약 90kg(석탄회 대비 9.0%) 증발 될 것이라고 예상된다. 수화 시 필요한 반응수와 수화시 발생하는 발열량을 합해보면 16.1%의 최소 수분이 날아감을 알 수 있다.

수분이 증발되는 양을 이용하여 슬러지의 수분증발량을 계산해볼 수 있다. 무기성오니의 수분은 약 50%정도이다. 이를 세골재로 활용하기 위해 필요한 수분량이 10~20%이므로 이 정도의 수분량을 남긴 30~40%의 수분을 건조시키기 위해 석탄회를 1.86~2.48:1 비율로 넣게 되면 슬러지의 수분을 증발시킬 수 있다. 이러한 방식을 이용해 무기성오니의 함수율에 맞춰 석탄회를 첨가하고 수분을 증발시킨 원료와 아이리히(Eirich mixer)를 이용하여 세골재를 제조할 수 있다.

무수석고 원료 분석 및 발열량 계산

무수석고의 화학조성은 표 2에 나타내었으며, CaO는 62.05%로 다량의 석고와 유리석회가 있음을 알 수 있다. 유리석회량을 확인하기 위하여 수화시킨 석탄회의 DTA/TG 분석을 도 3에 나타내었다.

수화시킨 석탄회는 약 400℃ 부근에서 큰 흡열반응을 보이며 약 10%의 무게 감량이 일어나는데 이는 Ca(OH)₂의 결정수가 탈락하는 반응이다. 수화시킬 때 모든 유리석회가 수화되었다고 생각하고 유리석회량을 계산하면 약 31%(CaO : H₂O = x : 10) 이다.

화합물 제조공정에서 산업부산물로 발생된 무수석고의 수화반응에는 다음과 같은 수화 반응식이 있다.

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO)

여기에 날아간 증발량을 확인해 본 결과(무수석고의 CaO 함량이 31wt%임을 가정)

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq)

CaO(56g/mol) + H₂O(18g/mol) ↔ Ca(OH)₂(74g)

여기서 무수석고 1000kg에 존재하는 CaO 310kg 수화 시 약 100kg 물이 날아간다(무수석고 대비 10%).

이 때, 수화시 증발되는 물량을 계산해 보면

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO) 발열

CaO 56g/mol → CaO는 수화 시 65kJ/56g 발열

∴ CaO 수화 시 1,160kJ/kg → 276kcal/kg(1kcal=4.2kJ) 발열

CaO의 수화발열량 276kcal/kg(무수석고 중 CaO 함량 31wt%임을 가정), 물의 비열 1kcal/kg, 물의 증발잠열 597kcal/kg으로 물의 증발량을 계산해 보면 석탄회 1000kg 수화시 CaO 310kg의 발열반응(85,560kcal/kg)으로 인해 20℃의 물(677kcal/kg)이 약 126kg(석탄회 대비 12.6%) 증발 될 것이라고 예상된다. 수화 시 필요한 반응수와 수화시 발생하는 발열량을 합해보면 22.6%의 최소 수분이 날아감을 알 수 있다.

수분이 증발되는 양을 이용하여 슬러지의 수분증발량을 계산해볼 수 있다. 무기성오니의 수분은 약 50%정도이다. 이를 세골재로 활용하기 위해 필요한 수분량이 10~20%이므로 이 정도의 수분량을 남긴 30~40%의 수분을 건조시키기 위해 석탄회를 1.32~1.76:1 비율로 넣게 되면 슬러지의 수분을 증발시킬 수 있다. 이러한 방식을 이용해 무기성오니의 함수율에 맞춰 석탄회를 첨가하고 수분을 증발시킨 원료와 아이리히(Eirich mixer)를 이용하여 세골재를 제조할 수 있다.

SDA 원료 분석 및 발열량 계산

SDA(Spray Dryer Absorption)의 화학조성은 표 3에 나타내었으며, CaO는 23.01%로 다량의 석고와 유리석회가 있음을 알 수 있다. SDA의 XRF분석을 통해 CaO가 SO₃와 결합된 형태인 CaSO₄화합물로 존재할 확률(3.24%)을 제외하고 난 유리석회량은 약 20%이다.

화합물 제조공정에서 산업부산물로 발생된 SDA의 수화반응에는 다음과 같은 수화 반응식이 있다.

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO)

여기에 날아간 증발량을 확인해 본 결과(SDA의 CaO 함량이 20wt%임을 가정)

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq)

CaO(56g/mol) + H₂O(18g/mol) ↔ Ca(OH)₂(74g)

여기서 무수석고 1000kg에 존재하는 CaO 200kg 수화 시 약 64kg 물이 날아간다(SDA 대비 6.4%)

이 때, 수화시 증발되는 물량을 계산해 보면

CaO(s) + H₂O(l) ↔ Ca(OH)₂(aq) + △H_r(-65kJ/mol of CaO) 발열

CaO 56g/mol → CaO는 수화 시 65kJ/56g 발열

∴ CaO 수화 시 1,160kJ/kg → 276kcal/kg(1kcal=4.2kJ) 발열

CaO의 수화발열량 276kcal/kg(SDA 중 CaO 함량 20wt%임을 가정), 물의 비열 1kcal/kg, 물의 증발잠열 597kcal/kg으로 물의 증발량을 계산해 보면 석탄회 1000kg 수화 시 CaO 200kg의 발열반응(55,200kcal/kg)으로 인해 20℃의 물(677kcal/kg)이 약 81kg(석탄회 대비 8.1%) 증발 될 것이라고 예상된다. 수화 시 필요한 반응수와 수화 시 발생하는 발열량을 합해보면 14.5%의 최소 수분이 날아감을 알 수 있다.

수분이 증발되는 양을 이용하여 슬러지의 수분증발량을 계산해볼 수 있다. 무기성오니의 수분은 약 50% 정도이다. 이를 세골재로 활용하기 위해 필요한 수분량이 10~20%이므로 이 정도의 수분량을 남긴 30~40%의 수분을 건조시키기 위해 석탄회를 2.07~2.76:1 비율로 넣게 되면 슬러지의 수분을 증발시킬 수 있다. 이러한 방식을 이용해 무기성오니의 함수율에 맞춰 석탄회를 첨가하고 수분을 증발시킨 원료와 아이리히(Eirich mixer)를 이용하여 세골재를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 수화 공정을 수행하기 위해 유동층 석탄회를 교반조에 투입하고 상기 무기성오니 100중량부에 대하여 유동성 석탄회 50~350중량부 또는 무수석고 30~250중량부 또는 SDA 50~350중량부, 바람직하게는 유동층 석탄회 62~311중량부 또는 무수석고 44~211중량부 또는 SDA 69~345중량부를 첨가할 수 있다. 상기 범위에서 충분한 수화가 이루어질 수 있고 수화시킨 석탄회에 탈수나 건조 공정이 추가로 필요하지 않는 장점이 있다.

본 발명에서 상기 수화된 석탄회를 아이리히 믹서(Eirich mixer) 또는 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich Disk Pelletizer)를 이용하여 성형할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 유리석회를 포함한 석탄회를 무기성오니에 투입하면 유리석회를 포함한 석탄회의 발열반응을 이용해 최소 16.1%의 수분량을 건조시킬 수 있다. 또한 무수석고의 경우 발열반응을 이용해 최소 22.6%의 수분량을 건조시킬 수 있어 더 적은 비율로 넣어 수분을 건조시킬 수 있다. 건조된 무기성오니를 아이리히 믹서(Eirich mixer, RV 12W)와 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich Disk Pelletizer, TR 10)에서 인공경량세골재로 성형한다. 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 가동시키기 위해 10~20%의 수분량이 필요하므로, 석탄회와 무수석고를 첨가할 때 남은 수분량이 10~20%가 되어야 한다. 무기성오니의 종류별로 함수율 10~20%를 만들기 위해 함수율이 60%인 정수오니는 총량이 1kg이라고 가정했을 때 석탄회 2.5kg~3.1kg(대략 18.6%~11.6%), 무수석고 1.8kg~2.2kg(대략 20.5%~10.2%) 첨가하여 수분을 건조시키고 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 가동시킬 수 있다. 또한 함수율이 30%인 준설토, 매립회, 석분오니의 경우도 마찬가지의 계산법에 의해 석탄회 0.6kg~1.2kg(18.3%~11.4%), 무수석고 0.4kg~0.8kg(19.1%~10.1%)를 첨가하여 함수율 10~20%를 제외하고 건조시키고 이후 아이리히 믹서(Eirich mixer) 또는 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich Disk Pelletizer)를 거치고 강도발현이 덜 되었을 경우 5% 이하의 시멘트를 첨가하여 세골재를 제조한다. 표 4에 세골재를 제조하기 위한 무기성오니의 종류에 따른 함량 범위를 나타내었다.

세골재 제조

	정수오니	석분오니	준설토
기준치(함수량%)	100(60%)	100(30%)	100(30%)
석탄회 첨가량 (비율)	248~311 (71~76%)	62~124 (38~55%)	62~124 (38~55%)
무수석고 첨가량 (비율)	177~221 (63~69%)	44~88 (31~46%)	44~88 (31~46%)
SDA 첨가량 (비율)	276~345 (73~78%)	69~137 (40~58%)	69~137 (40~58%)

본 발명의 인공경량골재의 제조방법에 있어서, 상기 무기성오니는 세척한 후에 (a) 단계에 투입될 수 있다. 또한, (b) 단계에서 5% 이하의 시멘트를 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 관점에서 상기 방법에 의하여 제조된 인공경량골재에 관한 것이다. 상기 인공경량골재는 평균입경이 2 내지 3mm일 수 있다.

본 발명에 의하여 제조된 인공경량골재는 전량 매립되던 유리석회를 포함한 석탄회를 재활용하고 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등 문제를 일으키는 유리석회를 안정화시킨 유리석회를 포함한 석탄회를 이용함으로써, 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 효과가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

실시예 1

정수오니 100중량부와 유동층 석탄회(YSE 석탄회) 300중량부를 첨가하여 반응시킨 후 건조시키고, 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 이용하여 인공경량세골재를 제조하였다.

정수오니, 석분오니 및 준설토의 화학조성은 표 5~7에 나타내었다.

실시예 2

실시예 1에서 정수오니 대신에 석분오니, 준설토를 사용하고 유동층 석탄회 100중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 인공경량세골재를 제조하였다.

실시예 3

실시예 1과 2에서와 같이 정수오니, 석분오니, 준설토를 사용하고 정수오니의 경우 무수석고 200중량부, 석분오니, 준설토의 경우 60중량부를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 인공경량세골재를 제조하였다.

실시예 4

실시예 1과 2에서와 같이 정수오니, 석분오니, 준설토를 사용하고 정수오니의 경우 SDA 300중량부, 석분오니, 준설토의 경우 100중량부를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하여 인공경량세골재를 제조하였다.

비교예 1

유동층 석탄회 100중량부와 수분 10중량부를 첨가하여 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 이용하여 인공경량세골재를 제조하였을 때 강도 값을 나타내었다.

비교예 2

유동층 석탄회 100중량부와 수분 10중량부를 첨가하여 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 이용하여 인공경량세골재를 제조하였을 때 물성 측정 결과 값을 나타내었다.

[실험예]

강도 측정

본 발명에 의한 인공경량세골재의 강도특성을 파악하기 위하여 UTM 압축강도 장치(CFD 50)를 이용하여 강도 측정을 수행하였다.

물성 측정

본 발명에 의한 인공경량세골재의 물성 측정을 위하여 하기와 같이 강열감량, 단위용적질량, 점토 덩어리 분석, 0.08mm 체 통과량 분석 및 안정성 분석을 수행하였다.

(1) 강열감량: KS F 2534 방법에 의하여 측정하였고 그 단위는 %이다.

(2) 단위용적질량: KS F 2534 방법에 의하여 측정하였고 그 단위는 kg/㎥ 이다.

(3) 점토 덩어리 분석: KS F 2534 방법에 의하여 측정하였고 그 단위는 kg/㎥ 이다.

(4) 0.08mm 체 통과량 분석: KS F 2534 방법에 의하여 측정하였고 그 단위는 %이다.

(5) 안정성 분석: KS F 2534 방법에 의하여 측정하였고 그 단위는 %이다.

본 발명에 의한 인공경량세골재의 강도측정 실험 결과를 표 8에 나타내었다.

		실시예 1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1
성형직후	Granules strength 3-4mm	2.1N	2.3N	3.2N	2.7N	2.2N
성형 후 24hr 이후	Granules strength 3-4mm	11.8N	12.2N	13.1N	13.6N	12.3N

표 8에 나타낸 바와 같이, 무기성오니에 석탄회와 무수석고를 첨가하여 수분을 어느 정도 제거하고 세골재 제조 원료로 사용하기 위해 아이리히 믹서(Eirich mixer)를 이용하여 성형을 한 결과, 성형직후는 이동 및 취급이 가능한 2N 이상의 강도를 보이며 하루가 지나면 포졸란 반응으로 10N 이상의 강도를 보였다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 인공경량세골재는 세골재의 적재 및 운송을 만족하는 강도 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 인공경량세골재의 물성 측정 결과를 표 9에 나타내었다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예2
강열감량 (%)	1.2	1.7	1.2	1.0	0.9
단위용적질량 (%)	1080	1110	1050	1090	1065
점토 덩어리 (%)	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
0.08mm 체 통과량 (%)	1.2	1.7	1.7	2.0	1.1
안정성 (%)	2.0	3.3	2.5	2.0	2.1

본원발명에 의한 실시예 1 내지 4의 경우 세골재의 표준 KS 규격(KS F 2534)을 만족하는 효과를 지님을 알 수 있고, 반면에, 상기 비교예 1 내지 2의 경우 일부 특성은 만족하지만 단위용적질량 및 0.08mm 체 통과량 등 다른 물성 측정에서 세골재의 KS 규격(KS F 2534)을 벗어남을 확인할 수 있다.

특히, 상기 비교예 1의 경우 수분 함량이 많아 성형체의 크기가 커져 세골재의 입도분포를 벗어나고, 비교예 2의 경우 수분이 부족하여 충분한 강도 발현이 안되어 안정성에도 적절치 않은 등 문제가 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기 표 8 및 9를 통해, 실시예 1 내지 4와 같이 본 발명에 의하여 제조된 인공경량세골재가 세골재의 KS규격(KS F 2534)을 만족하는 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 상기 본 발명에 의한 인공경량세골재는 유리석회를 포함한 석탄회 내 포함된 다량의 유리석회 성분을 무기성오니를 이용하여 수화시켜 화학적으로 안정한 상으로 전환시키고 이를 아이리히 믹서 등으로 조립화함으로써, 전량 매립되던 유동층 석탄회를 재활용하고 콘크리트의 내구성, 팽창, 풍화, 균열 및 강도저하 등 문제를 일으키는 유리석회를 안정화시킨 유동층 석탄회를 이용하여 세골재의 표준 KS규격(KS F 2534)을 만족시키는 효과가 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

하기 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법:
(a) 30~60중량%의 수분을 함유한 정수오니 및 준설토로 구성된 군에서 선택되는 수분함유 무기성오니 100중량부와 유리석회를 포함한 석탄회 50~350중량부를 혼합하고, 수화반응에 의하여 생성된 열로 수분함유 무기성오니에서 20~40중량%의 수분을 건조시켜 함수율 10~20중량%의 수화 석탄회를 수득하는 단계; 및
(b) 상기 수화 석탄회를 조립기에서 성형하여 인공경량골재를 제조하는 단계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 유리석회를 포함한 석탄회는 CFBC 애쉬(Circulating Fluidized Bed Combustion ash), FBC 애쉬(Fluidized Bed Combustion ash) 또는 SDA 애쉬(Spray Dryer Absorption ash)인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 조립기는 아이리히 믹서(Eirich mixer), 아이리히 디스크 펠리타이저(Eirich disk pelletizer) 및 단광기(briquetting machine)로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 무기성오니는 세척한 후에 (a) 단계에 투입되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 5중량% 이하의 시멘트를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 인공경량골재의 제조방법.