KR101730550B1 - 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 화력발전소에서 배출되는 저회(bottom ash)를 용융로로 이송하는 단계(S10)와 상기 용융로에서 상기 저회를 용융시키는 용융물 제조 단계(S20)와 상기 용융물을 공기 중으로 배출하면서 방사시켜 미네랄 섬유로 제조하는 단계(S30)를 포함한다.
본 발명은 화력발전소에서 발생하는 저회를 냉각하지 않고 미네랄 섬유로 재생하므로 재생 원가를 낮출 수 있고 부산물인 저회냉각수의 제로화가 가능한 이점이 있다.

Description

화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치{MANUFACTURING METHOD FOR RECYCLING BOTTOM ASH TO MINERAL FIBER OF THERMAL POWER PLANT, AND MANUFACTURING APPARATUS THEREOF}
본 발명은 석탄 화력발전소에서 발생하는 폐기물인 저회(底灰)(bottom ash)를 미네랄 섬유(Mineral Fiber)로 재생하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
석탄 화력발전소는 유연탄 등의 석탄이 연소하면 석탄재가 발생한다. 석탄재 중 비회(fly ash)는 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 보일러를 통과하면서 필터에 의해 걸러지며 저회(bottom ash)는 보일러 내에서 유연탄이 연소되며 고열에 의해 입자가 소결되면서 고형화되어 형성된 것으로 냉각수 또는 공기로 냉각 후 크러숴(crusher)로 분쇄된 후에, 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(1) 하부로 낙하한다.
보일러(1) 하부로 낙하한 저회는 회처리시설으로 보내진 후 매립처리되고 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 냉각수에 의한 습식냉각 과정을 거친 저회는 파이프를 통해 회처리시설(3)로 이송되어 매립처리되고 있으며, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 공기에 의한 건식냉각 과정을 거친 저회는 차량 등에 의해 회처리시설(3)로 이송되어 매립처리되고 있다.
2015년 기준으로 석탄 화력발전소의 비회는 하루에 720만톤, 저회는 하루에 140만톤이 발생하였는데, 비회는 시멘트 및 콘크리트 원료로 재활용하고 있으나 저회는 활용도가 매우 낮아 대부분 매립에 의존하고 있다.
저회는 건축용 자재 등 재활용 제품으로 제조할 수도 있으나 가공비가 판매가보다 높아 활용도가 매우 낮으므로 대부분 자체 회(灰)처리시설을 구축하여 매립하고 있다.
그런데 회처리시설은 저회를 냉각시키기 위한 저회냉각수(低灰冷却水)로 바닷물 또는 강물을 이용하므로 해수의 온도를 상승시키는 등의 환경오염을 유발하고, 수십만평의 매립지 면적을 확보하는데 어려움이 있다.
또한, 조만간 적용되는 "자원순환기본법"에서는 폐기물 배출자가 폐기물을 재활용하지 않을 경우 매립소각세가 부과되므로 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
저회를 처리하기 위한 선행기술로 본 출원인이 출원한 한국등록특허공보 제10-1570203호 (2015.11.12)가 있다.
그런데 선행기술은 회처리시설로 보내진 후 매립처리된 저회를 사용하여 미네랄 섬유로 재활용하는 기술로, 저회의 냉각비용, 저회를 이송하는 비용, 재가열하는 비용 등 저회의 재활용 비용이 높고 저회의 냉각처리를 위한 매립지가 필요한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 석탄 화력발전소에서 발생하는 폐기물인 저회(bottom ash)를 냉각시키지 않고 미네랄 섬유로 재생하여 저회냉각수를 제로(Zero)화(化) 한 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 석탄 화력발전소에서 발생하는 폐기물인 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 비용을 낮출 수 있도록 브라운 가스를 이용하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 화력발전소에서 배출되는 고온 상태의 저회(bottom ash)를 용융로로 이송하는 단계와 상기 용융로에서 상기 저회를 용융시키는 용융물 제조 단계와 상기 용융물을 공기 중으로 배출하면서 방사시켜 미네랄 섬유로 제조하는 단계를 포함한다.
상기 방사는 상기 용융물을 공기 중으로 배출하면서 회전하는 스피너의 원심력을 이용하거나, 상기 용융물을 고속 방사 노즐로 방사하여 수행한다.
상기 저회는 일단이 상기 화력발전소의 보일러 하부 배출구에 연결되고 타단이 상기 용융로의 저회 투입구까지 연장 설치되는 컨베이어를 통해 상기 용융로로 이송된다.
상기 저회를 상기 용융로로 이송하는 단계에서, 상기 저회에 부원료가 혼합된다.
상기 용융로는 브라운 가스를 연소하여 상기 저회를 1400℃ 이상에서 용융시킨다.
상기 용융로는 브라운 가스 단독 또는 연소 촉진제를 혼합 연소하여 상기 저회를 1400℃ 이상에서 용융시킨다.
상기 연소 촉진제는 이온정제유, 재생유, 벙커씨유 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물이다.
상기 미네랄 섬유를 제조하는 단계는 저회의 용융 후에 스피너에 의해 미가공된 미네랄 섬유가 방사되며 하부로 배치되는 이송벨트 상에 적층되고 바인더가 분사된다.
상기 이송벨트 상에 적층된 미가공된 미네랄 섬유가 일정두께 이상이 되면 이송하면서 오븐에 통과시켜 압축 경화시키는 단계와 상기 압축 경화된 미네랄 섬유는 절단부로 이송시켜 일정크기로 절단하는 단계를 더 포함한다.
화력발전소에서 배출되는 고온 상태의 저회(bottom ash)를 용융시켜 융용물로 제조하는 용융로와 상기 화력발전소의 보일러 하부 배출구에서 배출되는 저회를 이송시켜 상기 용융로 내로 투입시키는 이송부와 상기 용융물을 방사시켜 미가공된 미네랄 섬유로 제조하는 스피너를 포함한다.
본 발명은 화력발전소에서 발생하는 냉각하지 않은 고온 상태의 저회를 이송하여 브라운 가스 방식으로 미네랄 섬유로 재생하므로 재생을 위한 에너지 비용이 낮은 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저회를 냉각시키지 않고 고온 상태의 저회를 그대로 사용하여 미네랄 섬유로 재생하므로 저회를 냉각하고, 냉각된 저회를 떠서 이송하고, 냉각된 저회를 다시 가열하는 단계를 생략할 수 있고 각 단계에서 소요되는 비용도 제로화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저회냉각수가 발생하지 않아 환경오염 방지 효과가 있으며 저회냉각수 처리를 위한 에너지 비용도 제로화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 화력발전소 저회를 처리하는 방법을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 의한 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법을 보인 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치의 실시예를 보인 도면.
도 4는 도 3에서 용융로 부분을 보인 측면도
도 5는 도 3에서 미네랄 섬유 재생 후 압축, 경화하고 절단하는 후속 과정을 보인 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로 고속 방사 노즐을 사용하여 용융물을 방사하는 모습을 보인 도면.
도 7은 본 발명에 의한 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법에 의해 제조된 미네랄 섬유의 SEM 사진.
도 8은 미네랄 섬유 생산시 브라운 가스를 이용한 저회의 용융방식과 규산칼슘계(CaSiO3) 광석을 주원료로 미네랄 섬유를 생산하는 전기용융방식과 큐폴라 용융방식의 제조원가(에너지 비용)를 비교한 그래프.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 화력발전소에서 배출되는 냉각하지 않은 고온 상태의 저회(bottom ash)를 용융로로 이송하는 단계(S10)와, 용융로에서 저회를 용융시키는 용융물 제조 단계(S20)와, 용융물을 공기 중으로 연속 배출하면서 회전하는 스피너의 원심력을 이용하여 방사시켜 미가공된 미네랄 섬유(Uncured Fiber)로 제조하는 단계(S30)를 포함한다.
제조방법의 설명 편의를 위해, 도 3 내지 도 5에 도시된 구성들을 참조하여 설명한다.
미가공된 미네랄 섬유는 보온재, 단열재 등으로 가공하여 사용할 수 있는 미네랄울 또는 미네랄보드 등을 의미한다.
저회는 일단이 화력발전소의 보일러 배출구에 설치되고 타단이 용융로의 저회 투입구까지 연장 설치되는 컨베이어를 통해 용융로(Melting Furnace)로 이송된다.
화력발전소에서 배출되는 저회는 1000℃ 이상의 고온이므로 고온의 저회를 냉각하지 않고 용융로로 이송시켜 용융시킴으로써 저회의 용융을 위한 용융 에너지를 절감할 수 있다.
이를 위해, 컨베이어는 고온에 견딜 수 있는 고온 이송용 컨베이어를 채택한다.
저회를 용융로로 이송하는 단계에서, 저회에 부원료가 혼합된다. 부원료는 미네랄 섬유의 미네랄 성분을 맞추기 위한 것이다. 부원료의 성분은 특별히 한정하지 않으나 예를 들어, 생석회, 망초 등이 포함된다.
저회를 용융로로 이송하는 단계에서, 저회를 호퍼에 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 저회를 호퍼에 투입하면 저회를 다음 컨베이어에 일정량씩 배출할 수 있고, 부원료와 혼합시 혼합 비율을 조절하기 용이하다.
용융로는 브라운 가스를 연소하여 저회를 1400℃ 이상에서 용융시킨다.
저회는 비중이 약 2.5~3.0이고, 주성분은 규소이며 규소 비중이 2.2이다. 규소의 용융온도가 약 1530℃이므로 저회를 1600℃ 이하에서 용융시킨다.
용융시 저회를 브라운 가스와 직접 접촉시켜 저회에 포함된 탄소를 제거한다. 미네랄 섬유에 탄소가 포함되면 미네랄 섬유 기능이 저하될 수 있다.
브라운 가스는 물을 전기분해한 수소와 산소의 혼합가스로 저장탱크가 없고 생성과 동시에 약 1.2bar로 사용하기 때문에 폭발 위험성이 없다. 또한, 브라운 가스는 물체와 반응하면 반응열이 발생하여 화염 온도가 높아져서 저회의 용융효율을 높임으로써 에너지 비용을 절감하는 장점이 있다.
브라운 가스를 이용한 저회의 용융방식은 전기로(아크) 용융방식 또는 큐폴라 용융방식에 비해 용융 비용이 약 66~73% 저렴하다.
용융로에서 브라운 가스 단독 또는 연소 촉진제를 혼합 연소하여 저회를 1400℃ 이상에서 용융시킬 수 있다.
연소 촉진제는 연소하는데는 어려움이 많으나 발열량이 높고 가격이 저렴한 이온정제유, 재생유, 벙커씨유 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물로써, 브라운 가스와 혼합 연소할 경우 브라운 가스에 함유되어 있는 수소와 산소에 의해 화염온도가 높아져서 연소 촉진제가 연소가 매우 잘되고 화염의 길이도 길어져서 용융 효율을 높일 수 있어 연료 절감 효과가 높다.
순수 100%의 브라운 가스로 저회를 용융시키는 경우 브라운 가스와 연소 촉진제를 혼합 연소하여 저회를 용융시키는 경우에 비해서는 용융설비 가격이 높아지나 지구온난화가스, Sox 등 환경오염물질이 배출되지 않고 또한 전기로 용융방식이나 큐폴라 용융방식에 비해서도 제조원가가 저렴하므로 이점이 있다.
미네랄 섬유를 제조하는 단계는, 용융물을 공기 중으로 연속 배출하면서 회전하는 스피너의 원심력을 이용하여 방사시켜 미네랄 섬유를 제조한다. 또는 미네랄 섬유를 제조하는 단계는, 용융물을 고속 방사 노즐로 방사시켜 미네랄 섬유를 제조할 수 있다.
스피너의 원심력을 이용하는 경우 용융물이 스피너에 충돌하면서 미립화되고 급속 냉각되어 미가공된 미네랄 섬유로 제조된다. 방사 노즐을 이용하는 경우 용융물이 방사 노즐을 통과하면서 미세하고 균일하게 방사되고 냉각 고화되면서 미가공된 미네랄 섬유로 제조된다.
당사가 제조한 미가공된 미네랄 섬유는 재활용 미네랄울 단열재 규격(KS I3029_2014)인 밀도 40~105kg/㎥, 열전도율 평균온도 70℃에서 0.044W(m·K) 이하, 섬유의 평균 굵기 7㎛ 이하, 입자 함유율 4% 이하를 만족한다.
미가공된 미네랄 섬유는 스피너의 하부로 배치되는 이송벨트 상에 적층된다(S40).
이송벨트 상에 적층되는 미가공된 미네랄 섬유에 바인더가 분사된다. 바인더는 액상 형태로 분사되어 미가공된 미네랄 섬유에 균일하게 혼합됨으로써 미가공된 미네랄 섬유 입자끼리 뭉쳐주는 접착제 역할을 한다. 바인더는 시중에 사용되는 것들이 사용 가능하고 종류를 특별히 한정하지 않는다.
이송벨트 상에 적층된 미가공된 미네랄 섬유를 이송하면서 오븐에 통과시켜 압축 경화시키는 단계(S50)와, 압축 경화된 미네랄 섬유를 절단부로 이송시켜 일정크기로 절단하는 단계(S60)를 더 포함한다.
미가공된 미네랄 섬유는 적층된 두께가 일정두께 이상이 되면 오븐을 통과시킨다. 여기서 일정두께는 압축량을 고려하여 설정할 수 있다.
일정크기로 절단된 미네랄 섬유(m3)는 단열재, 보온재, 흡음재 등으로 사용될 수 있다.
화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 화력발전소에서 배출되는 고온의 저회(bottom ash)(m)를 용융시켜 융용액으로 제조하는 용융로(40)와 화력발전소에서 배출되는 저회(m)를 받아 이송시켜 용융로 내로 투입시키는 이송부(20)와, 용융물을 방사시켜 미가공된 미네랄 섬유(m2)로 제조하는 스피너(50)를 포함한다.
이송부(20)는 일측이 화력발전소의 보일러 배출구(11)에 설치되고 타측이 용융로(40)의 저회 투입구(41)까지 연장 설치되는 컨베이어이다.
컨베이어는 고온의 저회를 견딜 수 있는 고온 이송용 컨베이어를 채용한다.
이송부(20)는 저회 이송의 용이성 및 저회 불출의 용이성 등을 위해 복수 개의 고온 이송용 컨베이어로 구성됨이 바람직하다. 본 실시예에서 이송부(20)는 제1 컨베이어(21), 제2 컨베이어(23), 제3 컨베이어(25) 3개로 구성된다.
제1 컨베이어(21)는 화력발전소의 보일러 배출구(11)에서 배출되는 저회(m)를 받아 이송시키는 수평 컨베이어이고, 제2 및 제3 컨베이어(23,25)는 저회(m)를 상부측에 배치되는 용융로(40)까지 이송시키기 위해 용융로(40)를 향하여 상향 경사지게 배치된 스크류 컨베이어일 수 있다.
제1 컨베이어(21)와 제2 컨베이어(23) 사이에 믹싱수단(30)이 구비될 수 있다.
믹싱수단(30)은 저회(m)를 용융로로 이송하는 과정에서 부원료를 혼합하기 위한 것이다. 믹싱수단(30)은 제1 호퍼(31), 제2 호퍼(33), 믹싱부(35)를 포함한다. 제1 호퍼(31)는 제1 컨베이어(21)를 통해 이송된 저회(m)가 저장되고, 제2 호퍼(33)는 부원료가 저장된다. 믹싱부(35)는 제1 호퍼(31)에서 배출되는 저회(m)와 제2 호퍼(33)에서 배출되는 부원료를 혼합하여 제2 컨베이어(23)로 배출한다.
제1 호퍼(31), 제2 호퍼(33), 믹싱부(35)에는 각각 조절밸브가 설치되어 저회와 부원료의 혼합 비율을 조절할 수 있고, 저회(m)와 부원료(n)의 혼합물을 제2 컨베이어(23)에 일정량씩 배출할 수 있다.
믹싱부(35)는 제2 컨베이어(23)의 하부로 저회(m)와 부원료(n)의 혼합물을 배출할 수 있는 위치에 배치된다. 믹싱부(35)는 저회(m)만 배출할 수도 있다.
제2 컨베이어(23)는 용융로(40)를 향하여 상부측으로 경사지게 배치되며 하부에서 저회(m)를 전달받아 상부로 이송시킨 후 제3 컨베이어(25)에 전달한다. 제3 컨베이어(25)는 용융로(40)의 상부측으로 경사지게 배치되어 제2 컨베이어(23)로부터 저회(m)를 전달받아 용융로(40)에 투입할 수 있다.
제2 컨베이어(23)와 제3 컨베이어(25)는 일체로 형성할 수 있으나, 컨베이어의 효율적인 설치를 위해 분리 설치할 수 있다.
저회(m)는 제1 내지 제3 컨베이어(25)를 통해 이송되어 용융로(40) 내에 연속적으로 투입될 수 있다.
이송부(20)는 제3 호퍼(27)를 더 포함할 수 있다. 제3 호퍼(27)는 제3 컨베이어(25)의 상부로 이송된 저회(m)를 용융로(40)에 투입하기 전 저회(m)의 투입량 조절을 위한 것이다.
제3 호퍼(27)는 용융로(40)의 측면으로 설치될 수 있다. 제3 호퍼(27)는 배출관(28)이 저회 투입구(41)에 연결되고, 배출관(28)에는 길이방향으로 회전하는 스크류피더가 설치되어 저회(m)가 용융로(40) 내부로 일정량씩 투입될 수 있다.
스크류피더의 회전은 외부의 구동원에 의해 제어될 수 있다. 구동원은 스크류피더의 회전축에 결합된 구동모터와 구동모터의 회전력을 제어하는 속도조절기일 수 있다.
용융로(40)는 저회(m)가 투입되는 저회 투입구(41)와 투입된 저회(m)를 용융시켜 용융물(m1)을 제조하는 용융부(43)와 연료를 공급받아 용융부(43) 내에 저회(m)를 용융시키는 버너부(45)와, 버너부에 연료를 공급하는 연료 공급부(47)와 용융물이 배출되는 용융물 배출구(49)를 포함한다.
용융부(43)는 저회(m)가 용융되는 용융로(40) 내부공간을 의미한다. 용융부(43)에 버너부(45)의 일단이 배치되어 용융부(43) 내에서 저회(m)를 용융시킨다. 버너부(45)는 연료를 공급받아 화염을 발생시키는 토치일 수 있다. 토치는 용융 효율을 높이기 위해 하나 이상이 설치될 수 있다.
연료 공급부(47)는 수소와 산소의 혼합가스 생산을 위한 브라운 가스 발생장치 또는 수소탱크와 산소탱크일 수 있다. 브라운 가스 발생장치는 전기를 제공받아 브라운 가스를 발생시키고 이를 버너부(45)에 공급한다. 전기는 일반 전기 외에도 화력발전소의 폐열을 제공받아 자체 생산한 후 브라운 가스 발생장치에 공급할 수도 있다.
연료 공급부(47)는 브라운 가스 발생장치와 연소촉진제 공급장치일 수 있다. 연료 공급부(47)는 브라운 가스와 연소촉진제를 혼합한 연료를 버너부(45)에 공급할 수 있다. 연소 촉진제는 이온정제유, 재생유, 벙커씨유 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
용융물 배출구(49)는 용융로(40)의 하부에 형성되며 용융물(m1)이 배출되는 통로 역할을 한다. 용융물 배출구(49)에는 용융물 배출구(49)로 배출되는 용융물의 양을 제어할 수 있는 제어장치가 구비될 수 있다.
스피너(50)는 용융로(40) 하방에 배치되어 용융물 배출구(49)를 통해 배출되는 용융물(m1)을 원심력을 이용하여 방사시킨다. 용융물이 대량일 경우 방사 효율을 높이기 위해 스피너(50)는 복수 개로 구성될 수 있다. 각 스피너(50)는 회전방향을 동일하게 또는 상이하게 제어 가능하다.
스피너(50)는 회전속도를 조절하여 원심력을 용융물(m1)에 가해줄 수 있다. 스피너(50)의 회전속도 조절은 각 스피너의 회전축에 결합된 구동모터와 구동모터의 회전력을 제어하는 속도조절기일 수 있다.
스피너(50)의 하부에 미가공된 미네랄 섬유(m2)가 적층되는 이송벨트(61)가 배치된다. 이송벨트(61)는 절단부(70)까지 연장 설치될 수 있다.
미가공된 미네랄 섬유(m2)가 적층되는 이송벨트(61)의 상부로 바인더 주입부(63)가 배치된다. 바인더 주입부(63)는 미가공된 미네랄 섬유(m2)에 바인더를 균일하게 분사한다. 바인더 주입부(63)는 액상의 바인더를 스프레이 노즐 형식을 사용하여 미가공된 미네랄 섬유(m2)에 분사할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이송벨트(61) 상에 오븐(65)이 설치된다. 오븐(65)은 이송벨트(61) 상에 적층된 미가공된 미네랄 섬유(m2)를 압축 경화시킨다. 오븐(65)은 적층된 미가공된 미네랄 섬유(m2)에 열을 가해 경화시킬 수 있다. 오븐(65) 출구 측에 미네랄 섬유(m2)를 압축시키기 위한 압축스피너(67)가 구비된다.
이송벨트(61) 상에 절단부(70)가 설치된다. 절단부(70)는 압축 경화된 미네랄 섬유(m2)를 일정크기로 절단한다. 절단부(70)는 이송벨트(61) 상에 상부로 돌출 형성된 세로 절단 칼날(71)과 이송벨트(61)의 상부에 상하 이동 가능하게 배치되고 일정시간 간격으로 하강하여 미네랄 섬유(m2)를 절단하는 가로 절단 칼날(73)을 포함할 수 있다.
일정크기로 절단된 미네랄 섬유(m3)는 단열재, 보온재, 흡음재 등으로 사용될 수 있다.
다른 실시예로, 도 6에 도시된 바와 같이, 스피너 대신 고속 방사 노즐(90)을 사용하여 용융물(m1)을 방사할 수 있다. 고속 방사 노즐(90)은 복수 개의 미세 구멍(91)이 형성된 노즐로 용융물 배출구(49) 하단에 설치될 수 있다.
고속 방사 노즐(90)이 용융물 배출구(49)에 설치되는 경우, 고속 방사 노즐(90)을 통해 배출되는 용융물(m1)에 공기를 고속 분사하여 미립화를 돕는 에어젯(air jet)(93이 더 구비될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예의 작용을 상세하게 설명한다.
설명의 편의를 위해 도 3 내지 도 5를 참조하여 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 과정을 예를 들어 설명하면, 화력발전소의 보일러 배출구(11)를 통해 배출되는 고온의 저회(m)는 보일러 배출구(11) 하단에 배치되는 제1 컨베이어(21)의 상부 일측에 적층된다.
제1 컨베이어(21)는 상부 일측에 적층된 저회(m)를 반대편 타측까지 이송하여 제1 호퍼(31)에 주입한다. 제1 호퍼(31)에 주입된 저회(m)는 하부 믹싱부(35)로 일정량씩 배출되면서 제2 호퍼(33)에서 배출되는 부원료(n)와 일정 비율로 혼합될 수 있다.
믹싱부(35)에서 부원료(n)가 혼합된 저회(m)는 제2 컨베이어(23)의 하부로 배출된다. 제2 컨베이어(23)의 하부로 배출된 저회(m)는 제2 컨베이어(23)의 작동에 의해 상부로 이송된 후 제3 컨베이어(25)의 하부로 다시 배출된다.
제3 컨베이어(25)의 하부로 배출된 저회(m)는 제3 컨베이어(25)의 작동에 의해 상부로 이송되고 제3 호퍼(27)에 주입된다. 제3 호퍼(27) 내의 저회(m)는 배출관(28)을 통해 용융로(40) 내로 일정량씩 연속적으로 투입된다. 이때 배출관(28)에 구비된 스크류피더(29)의 회전수를 제어하여 저회(m)의 용융로 투입량을 조절할 수 있다.
용융로(40)에 투입된 고온 상태의 저회(m)는 버너부(45)의 화염에 의해 1400℃~1600℃ 범위로 용융된다.
용융로(40)에 투입시 저회(m)는 브라운 가스와 직접 접촉시켜 저회에 포함된 탄소를 제거할 수 있다.
용융로(40)에 투입된 저회(m)는 냉각하지 않은 고온 상태의 저회이므로 용융을 위한 에너지 비용이 적게 든다.
1400℃~1600℃ 범위로 용융된 용융물(m1)은 용융물 배출구(49)를 통해 배출된다. 용융물 배출구(49)로 배출되는 용융물은 용융물 배출구(49) 하부에 위치되어 회전하는 스피너(50)의 위로 낙하 충돌하고 스피너(50)의 원심력에 의해 방사되면서 미가공된 미네랄 섬유(m2)로 제조된다.
스피너(50)는 고속 회전하면서 스피너 위로 낙하한 용융물(m1)과 충돌하여 미립화하고 급속 냉각 시킨다.
미가공된 미네랄 섬유(m2)는 이송벨트(61) 상에 적층되고, 측정된 미가공된 미네랄 섬유(m2)에는 바인더가 분사된다. 바인더가 분사된 미네랄 섬유(m2)는 일정두께 이상이 되면 이송벨트(61)가 작동하여 오븐(65)을 통과하면서 압축, 경화되고 절단부(70)로 이송되어 일정크기로 절단된다.
상술한 방법에 의해 제조된 미네랄 섬유는 도 7에서 확인되는 바와 같이 입자 함유율이 4% 이하를 만족하고, 섬유의 평균 굵기가 7㎛ 이하를 만족한다.
아래의 표 1은 상술한 방법에 의해 제조된 미네랄 섬유의 가스식 밀도, 겉보기 밀도, 열전도율을 측정한 것이다.
평가 항목 결과 비고
가스식 밀도(g/㎤) 2.62
겉보기 밀도(kg/㎥) 104
Thermal conductivity(W/mK) 0.0349 측정장비: HFM436 Lambda(NETZSCH)
측정규격: KSL 9016
Temperature:24.74℃, Thickness:2mm
표 1에 의하면, 본 발명에 의해 제조된 미네랄 섬유는 재활용 미네랄울 단열재 규격(KS I 3029_2014)인 밀도 40~105kg/㎥, 열전도율 평균온도 0.044W(m·K) 이하를 만족함이 확인된다.
이하에서는 브라운 가스를 이용한 저회의 용융방식과 전기로(아크) 용융방식, 큐폴라 용융방식의 제조원가를 비교하였다.
구분 제조원가(에너지 비용)
전기로 용융방식 368,877원/톤
큐폴라 용융방식 292,064원/톤
브라운 가스 용융방식 브라운 가스+연소 촉진제(이온정제유) 98,600원/톤
브라운 가스 100% 149,846원/톤
표 2 및 도 8에 의하면, 브라운 가스를 이용한 저회의 용융방식은 저회 1톤당 98,600원이 발생하고, 큐폴라 용융방식은 저회 1톤당 292,064원이 발생하고, 전기로 용융방식은 저회 1톤당 368,877톤이 발생한다.
큐폴라 용융방식의 제조원가 산출 근거는 아래와 같다.
[근거 1]
-총 투입 에너지(100%): 14(GJ/ton)×238,845kcal/GJ=3.343,843kg/톤
-유틸리티에 소요되는 에너지(20%): 3.343,843kg/톤×0.2=668,768kg/톤
-용융에 소요되는 에너지(80%): 3.343,843kg/톤×0.8=2,675,074kg/톤
-필요한 코크스량 및 순산소량 : 코크스 380~400kg/톤 + 순산소 1,058kg/톤
[(380~400kg/톤)×(6,700~7,050kcal/kg)=2,546,000~2,820,000kcal/톤]
규산칼슘계 광석 1톤을 용융시키는데 필요한 이론적 열량은 약 268,600kg/톤이다. 그러나 큐폴라 용융방식으로 실제 대량을 용융시에는 열손실(단열, 스택으로 빠져나가는 폐열 등)이 많아서 약 10배 이상의 에너지가 소모되며 연료비는 아래와 같다.
연소용 코크스 국제기준 가격
400kg/톤×410$/1000kg×1,150원/$=188,600원/톤
400kg을 연소하는데 필요한 산소량: 1,058kg/톤/1.105kg/N㎥=약 957N㎥/톤
957N㎥/톤×108원/N㎥=103,464원/톤
규산칼슘계 광석 1톤을 용융시키는데 필요한 연료비: 188,600원/톤+103,464원/톤=약 292,064원/톤
[근거 2] 코크스 연소시 필요한 산소량
- 코크스 성분(회성분을 제외한 성분)
C: 92~98%= 약 95%, H:1.1~1.7%= 약 1.4%, O,N,S 등: 약 3.6%
- 연소식
CxHy+(x+y/4)O2→xCO2+y/2H20
C2H4 +3O2→2CO2+2H2O
0.95C+0.014H+2.645O2→3.48833CO2+0.126H2O
1Kg의 코크스를 연소하는데 순산소 2.645kg(1.105kg/N㎥)가 필요하다.
전기로 용융방식의 1톤 미네랄 섬유 생산시 필요한 에너지 비용은 큐폴라 용융방식의 1.263배이므로, 약 292,064원/톤×1.263배=368.877원/톤이다
브라운 가스 용융방식으로 미네랄 섬유 1톤을 제조시 제조원가 산출 근거는 아래와 같다.
저회의 용융효율을 극대화하고 최소비용으로 용융하기 위하여 브라운 가스와 연소 촉진제(이온정제유 약 10,300kcal/리터)를 혼합하여 사용한다.
냉각된 저회 1톤/24h을 용융하는데 약 2,686,000kcal/톤이 필요하다.
전기(=브라운 가스 생산) 비용: 22,240원/톤
브라운 가스를 생산하는데 소요되는 전기량 및 전력비
7.8K×2.2kW/K×55원/kW×24h/ton=22,240원/톤
이온정제유 비용: 약 76,400원/톤
200리터/톤×약 382원/리터=약 76,400원/톤
냉각된 저회 1톤을 용융하는데 필요한 연료비는 약 98,600원/톤이다.
따라서, 냉각하지 않은 600~1,000℃ 저회 1톤을 용융시에는 에너지 비용이 40~62% 낮을 수 있다.
상술한 바와 같이, 냉각하지 않은 저회를 이송하여 용융로에 투입하고 브라운 가스를 이용하여 용융하면 미네랄 섬유의 제조원가를 최소화할 수 있다.
1톤 저회를 미네랄 섬유로 제조하는데 소요되는 용융비용의 산출은 아래와 같다. 50톤/24h 약 1000℃ 저회를 1400℃로 용융하는데 필요한 브라운 가스 발생장치: NER-2,580K(용융에 필요한 당사의 브라운가스 발생장치 모델임)
2,580K/h×2.2kW/k×55원/kW×24h/50톤=149,846원/톤
상술한 근거에 의해 브라운 가스 용융방식은 전기로 용융방식이나 큐폴라 용융방식에 비해 제조원가가 66~77% 절감됨을 확인할 수 있다.
따라서, 저회 용융시 브라운 가스 단독 사용하여도 전기로 용융방식이나 큐폴라 용융방식에 비해 제조원가를 절감 효과가 우수한 이점이 있다.
상술한 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법은 저회를 톤당 120만원하는 미네랄 섬유로 재생함으로써 고소득을 창출할 수 있고, 저회와 저회냉각수를 제로화하여 조만간 적용되는 매립소각세에 대처할 수 있으며, 수십만평의 매립지를 태양광 등 다른 용도로 활용할 수 있고, 전세계 화력발전소에 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 설비를 수출하여 외화획득이 가능한 효과가 있다.
또한, 저회냉각수를 제로화함으로써 저회냉각수를 바다에 방류시 발생하는 해수 온도 상승을 방지할 수 있고 글로벌 기후변화 대응 및 환경 규제 강화 요구에 대처가 가능한 효과가 있다.
또한, 저회와 저회냉각수를 제로화함으로써 저회와 저회냉각수 처리비용이 발생하지 않아 전력생산원가를 줄일 수 있고 화력발전소의 면적을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
m: 저회 n: 부원료
m1: 용융물 m2: 미네랄 섬유
10: 보일러 11: 보일러 배출구
20: 이송부 21: 제1 컨베이어
23: 제2 컨베이어 25: 제3 컨베이어
27: 제3 호퍼 28: 배출관
29: 스크류피더 30: 믹싱수단
31: 제1 호퍼 33: 제2 호퍼
35: 믹싱부 40: 용융로
41: 저회 투입구 43: 용융부
45: 버너부 47: 연료 공급부
49: 용융물 배출구 50: 스피너
61: 이송벨트 63: 바인더 주입부
65: 오븐 67: 압축스피너
70: 절단부 71: 세로 절단 칼날
73: 가로 절단 칼날 90: 고속 방사 노즐
91: 미세 구멍 93: 에어젯

Claims (19)

  1. 화력발전소의 보일러 하부 배출구에서 배출되는 저회(bottom ash)를 용융로로 이송하는 단계;
    상기 용융로에서 상기 저회를 용융시키는 용융물 제조 단계; 및
    상기 용융물을 공기 중으로 배출하면서 방사시켜 미가공된 미네랄 섬유(Uncured Fiber)로 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 화력발전소에서 발생하는 냉각하지 않은 고온 상태의 저회를 이송하여 상기 미가공된 미네랄 섬유로 제조하도록,
    상기 저회는
    일단이 상기 화력발전소의 보일러 하부 배출구에 연결되고 타단이 상기 용융로의 저회 투입구까지 연장 설치되는 컨베이어를 통해 상기 용융로로 이송되는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사는
    상기 용융물을 공기 중으로 배출하면서 회전하는 스피너의 원심력을 이용하거나, 상기 용융물을 고속 방사 노즐로 방사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 저회를 상기 용융로로 이송하는 단계에서, 상기 저회에 부원료가 혼합되는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융로는 브라운 가스를 연소하여 상기 저회를 1400℃ 이상에서 용융시키는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융로는 브라운 가스와 연소 촉진제를 혼합 연소하여 상기 저회를 1400℃ 이상에서 용융시키는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연소 촉진제는
    이온정제유, 재생유, 벙커씨유 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 미가공된 미네랄 섬유를 제조하는 단계 후,
    상기 미가공된 미네랄 섬유는 상기 스피너의 하부로 배치되는 이송벨트 상에 적층되고 상기 미가공된 미네랄 섬유에 바인더가 분사되는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 이송벨트 상에 적층된 미가공된 미네랄 섬유가 일정두께 이상이 되면 이송하면서 오븐에 통과시켜 압축 경화시키는 단계; 및
    상기 압축 경화된 미네랄 섬유는 절단부로 이송시켜 일정크기로 절단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조방법.
  10. 화력발전소에서 배출되는 저회(bottom ash)를 용융시켜 용융물로 제조하는 용융로;
    상기 화력발전소의 보일러 하부 배출구에서 배출되는 저회를 이송시켜 상기 용융로 내로 투입시키는 이송부; 및
    상기 용융물을 방사시켜 미가공된 미네랄 섬유로 제조하는 복수의 스피너;
    를 포함하며,
    상기 화력발전소에서 발생하는 냉각하지 않은 고온 상태의 저회를 이송하여 상기 미가공된 미네랄 섬유로 제조하도록,
    상기 이송부는
    일측이 상기 화력발전소의 보일러 배출구에 설치되고 타측이 상기 용융로의 저회 투입구까지 연장 설치되는 컨베이어인 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  11. 삭제
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 컨베이어는, 제1 컨베이어와 제2 컨베이어를 포함하고,
    상기 저회를 상기 용융로로 이송하는 과정에서 부원료를 혼합하기 위한 믹싱수단이 상기 제1 컨베이어와 상기 제2 컨베이어 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 믹싱수단은
    상기 제1 컨베이어를 통해 이송된 저회가 저장되는 제1 호퍼;
    부원료가 저장되는 제2 호퍼; 및
    상기 제1 호퍼에서 배출되는 저회와 상기 제2 호퍼에서 배출되는 부원료를 혼합하여 상기 제2 컨베이어로 배출하는 믹싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 용융로는
    상기 저회가 투입되는 저회 투입구;
    상기 투입된 저회를 용융시켜 용융물을 제조하는 용융부;
    연료를 공급받아 상기 용융부 내의 저회를 용융시키는 버너부;
    상기 버너부에 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 용융물이 배출되는 용융물 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 연료는 브라운 가스이고,
    상기 연료 공급부는 브라운 가스 발생장치인 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 연료는 브라운 가스와 연소 촉진제를 혼합한 것이고,
    상기 연료 공급부는 브라운 가스 발생장치와 연소 촉진제 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 연소 촉진제는
    이온정제유, 재생유, 벙커씨유 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 스피너의 하부에 상기 미가공된 미네랄 섬유가 적층되는 이송벨트가 배치된 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 이송벨트 상에 설치되어 상기 적층된 미가공된 미네랄 섬유를 압축 경화하는 오븐; 및
    상기 이송벨트 상에 설치되어 상기 압축 경화된 미네랄 섬유를 일정크기로 절단하는 절단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 저회를 미네랄 섬유로 재생하는 제조장치.
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