KR101791846B1 - 플라이 애쉬를 이용한 미네랄 섬유 제조방법 - Google Patents

Abstract

플라이 애쉬를 이용한 미네랄 섬유 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 미네랄 섬유 제조방법은, 폐석탄재 중에서 플라이 애쉬, 광화재 및 황산나트륨을 각각 70~75 중량%, 25~30 중량% 및 0.7~1.2 중량%를 준비한 후 이들을 혼합하여 혼합물로 형성하는 단계와, 혼합물을 전기로를 이용하여 용융하여 용융물을 형성하는 단계와, 용융물을 고속 회전시켜서 섬유화 한 후 섬유 조직이 일정한 형상을 갖도록 성형하여 성형물을 형성하는 단계와, 성형물에 일정한 온도 및 압력을 가해서 일정한 밀도를 갖도록 하는 경화 단계를 포함한다.

Description

플라이 애쉬를 이용한 미네랄 섬유 제조방법{FABRICATING METHOD FOR MINERAL FIBER USING FLY ASH}

본 발명은 플라이 애쉬를 이용하여 친환경적으로 미네랄 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화력 발전소에서는 전력 생산을 위해서 유연탄을 사용한다. 유연탄의 연소시 불완전 연소의 부산물로서 바텀 애쉬(bottom ash, 바닥회)와 플라이 애쉬(fly ash, 비산회)와 같은 무기성 잔류 물질이 생성된다. 바텀 애쉬는 연소로 내에서 소결 작용에 의해서 다소 큰 입자 형태를 이루면서 미연소 탄소와 철분을 다량 함유하여 연소로의 하부로 낙진하여 수집된다. 그리고 플라이 애쉬는 미세한 크기의 입자로 비산되면서 배기 가스와 함께 연도를 통해 배출되는 과정에서 연도 상에 구비된 집진기에 의해서 포집된다.

미연소 탄소 함량이 6% 미만인 플라이 애쉬는 주로 시멘트 혼화재, 성토재, 토지 개량재, 경량 골재 등과 같이 건축자재 등으로 재활용된다. 그리고 미연소 탄소 함량이 10% 이상인 바텀 애쉬는 발전소 별로 해변에 구비된 폐처리장으로 보내져서 폐기물로 대부분 보관되지만 성토재 등으로 일부 활용되고 있다.

그러나 상기와 같이 재활용되는 바텀 애쉬 및 플라이 애쉬의 비율은 매우 낮은 편이고, 대부분 일정한 장소에 야적되거나 매립되고 있어서 환경 오염에 대한 우려가 제기되고 있다.

따라서 최근에는 바텀 애쉬 및 플라이 애쉬의 재활용율을 높이기 위해서 이들을 이용하여 미네랄 섬유(mineral fiber)를 제조하는 방법이 개발되고 있다.

대한민국 등록특허 제1565319호 "폐석탄재를 이용한 미네랄 섬유 및 그의 제조방법"에는 석탄재를 성형탄으로 고형화 하고 큐폴라 타입의 용융로를 이용하여 미네랄 섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 선행 특허문헌에 의해 개시된 미네랄 섬유 제조 방법은 바텀 애쉬 또는 플라이 애쉬를 이용하여 용융물을 형성하기 위해서 코크스 또는 벙커C유 등을 사용하는 큐폴라를 이용하기 때문에, 화석 연료의 사용에 따른 환경 오염 등의 문제를 유발하게 된다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 친환경적인 미네랄 섬유 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 미네랄 섬유 제조방법은, 폐석탄재 중에서 플라이 애쉬, 광화재 및 황산나트륨을 각각 70~75 중량%, 25~30 중량% 및 0.7~1.2 중량%를 준비한 후 이들을 혼합하여 혼합물로 형성하는 단계와, 혼합물을 전기로를 이용하여 용융하여 용융물을 형성하는 단계와, 용융물을 고속 회전시켜서 섬유화 한 후 섬유 조직이 일정한 형상을 갖도록 성형하여 성형물을 형성하는 단계와, 성형물에 일정한 온도 및 압력을 가해서 일정한 밀도를 갖도록 하는 경화 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 미네랄 섬유 제조방법은 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 용융물을 섬유화 하는 과정은, 다수 개의 구멍이 형성된 회전통 스피터에 용융물을 투입한 후 고속 회전 원심공법을 이용하여 구멍을 통해서 용융물을 분사시켜 실 형태로 섬유화 할 수 있다. 그리고 용융물을 섬유화 하는 과정에서 바인더가 투입될 수 있다.

경화 단계는 성형물에 온도와 압력을 가하는 롤러를 이용하여 일정한 밀도를 갖게 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 플라이 애쉬 용융장치는, 플라이 애쉬를 포함한 원료를 공급하는 투입부와, 투입부를 통해서 공급된 원료를 전기 용융하는 용융부와, 용융부에서 용융된 용융물을 외부로 배출하는 배출부를 포함하고, 용융부와 배출부는 통로에 의해서 상호 연통되어 있고, 통로에는 스토퍼가 구비되어 용융물의 흐름을 제어하며, 용융부의 바닥면은 배출부의 바닥면에 비해서 낮게 형성된다.

본 발명에 따른 플라이 애쉬 용융장치는, 스토퍼는 하향 돌출 형성되어 통로의 높이를 제한하고, 배출부는 배출구를 구비하고, 배출구의 높이는 스토퍼의 하단부의 높이와 동일하거나 또는 다소 낮게 형성될 수 있다. 또한, 통로의 폭은 용융부 및 배출부의 폭에 비해 작게 형성될 수 있다.

본 발명은 전기 에너지를 이용함으로써 친환경적인 미네랄 섬유 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미네랄 섬유 제조방법을 예시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이 애쉬 용융장치의 평면 구조를 예시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이 애쉬 용융장치의 측면 구조를 예시하는 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미네랄 섬유 제조방법을 예시하는 순서도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미네랄 섬유 제조방법은, 플라이 애쉬를 포함하는 원료를 혼합하는 원료 혼합 단계, 혼합된 원료를 용융장치(도 2 내지 도 3의 도면부호 100 참조)에 투입하여 용융물을 형성하는 단계, 용융물을 섬유화 및 성형하여 성형물을 형성하는 단계와, 성형물에 온도 및 압력을 가해서 일정 밀도를 갖게 하는 경화단계를 포함한다.

본 실시예에 따른 미네랄 섬유 제조방법은 플라이 애쉬를 광화제 및 황산나트륨(Na₂SO₄)과 혼합하는 것을 특징으로 한다. 플라이 애쉬, 광화재 및 황산나트륨은 각각 70~75 중량%, 25~30 중량% 및 0.7~1.2 중량%로 혼합될 수 있다.

광화제는 석회석 또는 백운석 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물에 해당할 수 있다. 광화제는 용융물의 용해점을 낮추어 결정화를 촉진하고 내식성 및 화학적 안정성을 갖게 한다.

황산나트륨은 용융로에서 분해되면서 삼산화황(SO₃, 황산가스) 기포를 발생시켜서 다른 기포를 제거하고 용융물을 균질화 하는 역할을 한다.

용융 단계는 용융로를 이용하여 플라이 애쉬, 광화제 및 황산나트륨을 용융하여 용융물을 형성한다. 용융로는 전기를 이용하는 전기로에 해당할 수 있고, 혼합물을 1200~1600℃의 온도에서 가열하여 용융물을 형성할 수 있다. 용융로로서 도 2 내지 도 3에 예시된 용융장치(100)를 이용할 수도 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 미네랄 섬유 제조방법은 석탄 또는 석유와 같은 화석 연료를 사용하지 않고 전기로를 이용하기 때문에 환경오염을 유발하지 않는다.

용융물은 섬유화 및 성형 단계를 거쳐서 일정한 형상을 갖는 성형물로 형성된다. 섬유화 단계는, 다수 개의 홀을 구비하는 회전 스피너(spinner)를 이용하는 것으로, 스피너를 3,600~4,500rpm으로 고속 회전시켜서 원심력을 이용해서 상기 홀을 통해서 용융물을 분사하여 실 형태로 먼저 섬유화하는 것이다. 섬유화 과정에서 미네랄 울의 응집력과 기계적 특성을 향상하기 위해서 소량의 바인더(binder)가 추가될 수 있다. 성형 단계는 미네랄 울을 적절하게 집면시켜 주는 특수 틀에 의해서 이루어지는데, 이로 인해 성형물이 형성된다.

경화 단계는 성형물에 일정한 온도 및 압력을 가해서 일정한 밀도를 갖게 한다. 경화 단계는, 고온(예를 들면, 200℃)의 컬링 오븐(curing over)에서 라미네이션 및 중합반응을 거쳐 성형물(미네랄 울)이 최종 형태와 강도 그리고 안정성을 갖게 한다. 라미네미션 및 중합 반응은 솜 형상의 미네랄 울을 일정한 온도와 압력을 가하는 롤러를 이용하여 일정한 밀도로 미네랄 울을 단단하게 점착시켜 판 형태로 형성한다.

경화 단계를 거친 후 생산된 판 형상의 미네랄 섬유를 일정한 크기로 재단하는 공정을 수행하게 된다.

본 실시예에 따른 플라이 애쉬를 이용한 미네랄 섬유 제조방법에 의해서 제조된 미네랄 섬유는 열간 수축 온도가 800℃ 이상이고, 열전도율이 0.03~0.05W/mk으로서 고온에서도 감량되지 않아서 유해성 가스를 발생시키지 않는 불연 재료이며, 건축자재로도 매우 우수한 물성을 갖는다. 또한, 본 실시예에 따른 플라이 애쉬를 이용한 미네랄 섬유 제조방법에 의해서 제조된 미네랄 섬유는 단열재, 방음재, 불연성이 우수한 건축 내외장재, 마찰재, 밀봉재 등으로 사용될 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 3을 참고하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이 애쉬 용융장치(100)에 대해서 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이 애쉬 용융장치(100)의 평면 구조 및 측면 구조를 예시하는 단면도이다.

도 2 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 플라이 애쉬 용융장치(100)는 플라이 애쉬, 광화제 및 황산나트륨 등을 용융하여 용융물을 형성하는 것으로, 환경 오염을 유발하지 않기 위해서 전기로에 해당하는 것을 특징으로 한다.

플라이 애쉬 용융장치(100)는, 플라이 애쉬를 포함한 원료를 공급하는 투입부(110)와, 투입부(110)를 통해서 공급된 원료를 전기 용융하는 용융부(120)와, 용융부(120)에서 용융된 용융물을 외부로 배출하는 배출부(140)를 포함한다. 그리고 용융부(120)와 배출부(140)는 통로(130)에 의해서 상호 연통되어 있고, 통로(130)에는 스토퍼(126)가 구비되어 용융물의 흐름을 제어하며, 용융부(120)의 바닥면(128)은 배출부(140)의 바닥면(152)에 비해서 낮게 형성되는 것을 특징으로 한다.

투입부(110)는 용융부(120)의 내부에 원료(플라이 애쉬, 광화제 및 황산나트륨 혼합물)를 투입하는 것으로, 호퍼(112) 및 이송라인(114)을 포함한다. 이송라인(114)의 내부에는 이송 스크류(도시하지 않음)가 구비되어 회전에 의해서 혼합물을 용융부(120) 내부로 낙하시킨다.

이송라인(114)의 일단부는 용융부(120)의 내부에 위치하고 그 높이는 스토퍼(126)의 하단부(127)에 비해서 높게 형성될 수 있다. 이송라인(114)의 높이가 스토퍼(126)의 하단부에 비해서 낮게 형성되는 경우, 용융부(120) 내부에서 융융물의 높이를 낮게 할 수 밖에 없기 때문에, 생산성이 저하될 수 있다.

도 2 내지 도 3을 참고하면, 이송라인(114)의 일단부는, 용융부(120)의 좌우 측면에 각각 두 개씩 형성된 전극(122)의 중앙에 위치할 수 있다.

용융부(120)는 일정한 내부 공간을 갖고 투입된 혼합물을 그 내부 공간에서 용융시키는 역할을 한다. 용융부(120)의 내부에는 전극(122)이 구비되어 있는데, 이 전극(122)에 전기 에너지를 공급함으로써 혼합물을 용융시킨다. 전극(122)은 몰리브듐(molybdenum) 전극을 이용할 수 있다. 몰리브듐은 녹는점이 높고 기계적 강도 및 안정성이 우수한 장점을 갖는다. 전극(122)은 용융부(120)의 좌우 측면에 각각 두 개씩 일정한 간격을 갖고 대칭적으로 구비될 수 있다.

용융부(120)의 바닥면(128)은 배출부(140)의 바닥면(152)에 비해서 낮게 형성될 수 있다. 이는 용융물 중에 포함된 밀도가 큰 물질 예를 들면 철(Fe) 및 탄소(C)와 같은 물질을 침착시켜서 배출부(140)로 쉽게 유동하지 못하게 하기 위한 것이다.

용융부(120)의 일 측면은 스토퍼(126)에 해당한다. 스토퍼(126)는 용융부(120)의 일 측면을 부분적으로 차폐함으로써 형성된 용융물이 일정 유량으로 배출부(140)로 유입되게 한다. 스토퍼(126)는, 용융부(120)와 배출부(140)를 상호 연결하는 통로(130)에 배치되고 그 폭은 통로(130)의 폭을 모두 커버하고 그 하향 돌출 길이는 그 하단부(127)가 배출부(140)의 바닥면(152)과 접하지 않고 일정한 간격(a)을 갖도록 형성된다. 상기 간격(a)을 통해서 용융물이 용융부(120)에서 배출부(140)로 유동하게 된다.

스토퍼(126)의 하단부(127)의 바닥면(152)에 대한 높이는 배출구(142)의 높이와 동일하거나 또는 다소 높게 형성될 수 있다. 하단부(127)의 높이가 배출구(142)의 높이에 비해 낮게 형성되는 경우, 용융물이 배출구(142)를 통해서 배출되는 것이 어렵기 때문이다.

용융부(120)의 내측면은 내화 벽돌로 구성될 수 있다.

배출부(140)는 통로(130)를 통과한 용융물을 외부로 배출시키기 위한 공간에 해당한다. 배출부(140)의 좌우 측면에는 배출구(142)가 형성되어 있고, 그 다른 측면에는 비상배출구(144)가 구비되어 있다. 또한, 배출부(140)의 외부 상부에는 열전대(146)가 구비되어 있다.

배출구(142)는 용융물이 외부로 배출되는 출구에 해당한다. 배출구(142)는 배출부(140)의 좌우 양 측면에 대칭적으로 각각 하나씩 구비될 수 있다. 또한, 배출구(142)의 높이는 스토퍼(126)의 하단부(127)와 동일하거나 또는 다소 낮게 형성될 수 있다.

비상배출구(144)는 장치가 오작동하거나 또는 융용물에 불량이 발생하는 경우 등에 있어서 용융물을 강제로 외부로 배출시키기 위한 통로에 해당한다.

열전대(146)는 배출부(140)의 내부 온도를 측정할 수 있는 장치에 해당한다. 열전대(146)를 통해서 배출부(140) 내부의 온도가 설정 범위에서 벗어난 경우 비상배출구(144)를 통해서 용융물을 강제로 배출시키거나 또는 전극(122)에 공급되는 열에너지의 양을 조절할 수 있다.

도 2를 참고하면, 배출부(140)는 대칭적으로 형성된 배출내측면(148)을 갖는다. 배출내측면(148)은 통로(130)에서 그 폭이 제일 좁고 두 개 의 단턱(150)을 경계로 해서 폭이 순차적으로 확대되어 용융부(120)의 폭과 동일하게 된다. 이와 같이, 통로(130) 부분의 폭을 가장 좁게 형성함으로써, 통로(130)를 통과하는 용융물이 과도하게 배출부(140)로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다.

용융부(120) 및 배출부(140)는 지르콘 내화물에 의해 형성될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 용융장치
110: 투입부 120: 용융부
122: 전극 126: 스토퍼
130: 통로 140: 배출부
142: 배출구 144: 비상배출구
146: 열전대

Claims (7)

1. 폐석탄재 중에서 플라이 애쉬, 광화재 및 황산나트륨을 각각 70~74.3 중량%, 25~29.3 중량% 및 0.7~1.2 중량%를 준비한 후 이들을 혼합하여 혼합물로 형성하는 단계;
   상기 혼합물을 전기로를 이용하여 1200~1600℃의 온도에서 가열 용융하여 용융물을 형성하고, 상기 용융물 중에 포함된 철 및 탄소를 밀도차에 의해서 침착시켜서 상기 전기로의 외부로 유동하지 못하게 하는 단계;
   상기 전기로에서 배출된 용융물을 다수 개의 구멍이 형성된 스피너에 투입하고 상기 스피너를 3,600~4,500rpm으로 고속 회전시켜서 원심력을 이용해서 상기 구멍을 통해서 상기 용융물을 분사시켜 실 형태로 섬유화한 후, 섬유 조직이 일정한 형상을 갖도록 성형하여 성형물을 형성하는 단계;
   200℃의 컬링 오븐(curing oven)에서 롤러를 이용하여 상기 성형물에 온도와 압력을 동시에 가하여 라미네이션 및 중합 반응을 시켜서 일정한 밀도를 갖도록 하는 경화 단계를 포함하는 미네랄 섬유 제조방법.
   
   
   
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