KR102652824B1 - 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도 - Google Patents

바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도 Download PDF

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Abstract

바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도에 대한발명이 개시 된다.
개시된 바이오매스와 가연성 생활폐기물에서 생산된 열과 소각회를 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 콘크리트 제품은, 농업, 임업 부산물등의 바이오매스를 조분쇄한 후 커피찌꺼기와 함께 건조과정을 거쳐 펠릿성형기에서 성형한 연료용 펠릿과 가연성 폐기물의 연소를 통해 생성된 소각회에 당성분이 포함된 가연성 생활폐기물인 각종 전분박, 전분, 맥주박, 주정박, 사탕수수부산물(Bagasse )등을 혼합하여 연소후 얻게 되는 소각회를 콘크리트제품을 만드는 혼화재로 이용하고, 또한 바이오매스와 생활폐기물의 연소시 보일러에서 발생되는 증기는 전기를 생산하는 스팀터빈을 가동하고, 이 스팀터빈으로부터 나오게 되는 스팀 폐열은 회수하여 콘크리트제품의 양생을 위한 열 에너지로 사용할 수 있게 한 것이다.

Description

바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도{Pellet Ash Manufacturing Apparatus For Concrete Admixture Using Biomass And Combustible Domestic Waste, Manufacturing Method Thereof, And Use Of Pellet Ash}
본 발명은 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도에 관한 것이다.
특히 농업, 임업부산물 등의 바이오매스를 이용한 고 발열량 펠릿과 전분 및 전분박, 커피찌꺼기(커피박)등 가연성 생활폐기물을 이용하여 발전을 하고, 발전과정에서 생산된 열과 펠릿회분을 콘크리트 제품을 제조하는 혼화재의 일부로 사용 하도록 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 펠릿회분의 용도에 관한 것이다.
최근 수도권 매립지 부족에 따라 2027년내로 수도권에서 발생하는 쓰레기 처리를 위한 매립지가 포화상태에 이를 것으로 예상되고 있음을 각 종 매체에서 환경 기관이나 이와 관련된 전문 연구소등의 자료를 인용하여 보도하고 있다.
이에 따라 매립지 포화를 늦추기위하여 2026년부터 수도권 생활폐기물 직매립 금지가 시행되며, 이때부터는 종량제 봉투에 담긴 생활폐기물에서 재활용품은 선별해야만 하고, 매립지에는 선별뒤 남은 폐기물을 소각한뒤 남은 소각재만 매립해야만 한다. 특허 공개번호 제10-2021-0157362호가 '폐기물(합성수지,축분,목재,해양폐기물,음식물)로 생산된 열분해 재생연료를 이용한 발전시스템 및 발전시스템의 폐열을 곤충사육에 적용한 스마트 영농 시스템'이다.
그러나 2020년 기준 수도권 매립지 반입 폐기물 300만톤중 25%인 75만톤이 직매립되었으며 따라서, 직매립금지법이 시행되더라도여전히 천문학적 양의 소각재가 매립될 것으로 예상되는데, 생활폐기물 중 대표적인 것이 커피찌꺼기 이다. 국내 커피소비가 폭발적으로 증가하면서 2019년 기준 한해 약 15만톤의 커피찌꺼기가 발생하였다. 2007년에 임남웅에 의한 연구로부터 기존 소각장에서 나오는 소각회를 이용한 콘크리트 배합이 가능함을 보여주었다.
그러나 커피찌꺼기를 소각한 회분을 혼화재로 사용하는 콘크리트를 배합하는 경우 커피찌꺼기 회분을 시멘트 등의 결합재의 10% 정도를 대체하였을 때, 콘크리트 배합이 불가하였으며, 다공성 제거를 위하여 초미립자 분쇄기를 이용하여 2μm 이하로 초미분쇄를 진행 후 배합하여도 역시 불가능할 정도로 흡수율이 매우 높음을 확인하였다.
따라서 커피 소비는 계속해서 증가하는 추세이므로, 소각장 소각회에 커피찌꺼기들이 포함될 것이고 따라서 향후 소각장에서 배출되는 소각회를 이용하여 콘크리트 제품을 만들기 위해서는 커피찌꺼기 회분을 이용한 콘크리트 배합방법에 대한 이 개발이 선행되어야 할 것이다.
한편, 현재의 고형 바이오매스 연료는 연소 효율 및 폐기물 처리문제로 인하여 가급적 회분발생량이 적고 발열량이 높은 우드펠릿과 같은 연료들이 각광받고 있는데, 특허등록번호 제10-1187581호 '바이오매스 발전 장치'와 특허 등록번호 제10-2336175 호 ' 농업부산물을 이용한 탄 성형 장치'등이 있다.
그러나 발열량이 낮고 회분발생량이 많은 농업부산물은 외면을 받아 많은 양이 그대로 노지에서 태워지고 있으며, 이로인한 미세먼지 발생 또한 많은 환경문제를 야기 시키고 있다.
따라서 농업, 임업부산물과 같은 바이오매스와 커피찌꺼기 등의 가연성 생활폐기물 등을 이용하여 콘크리트의 배합원료로 활용할 수 있다고 하면, 농업부산물등과 가연성 생활폐기물 등으로부터 발생되는 소각회(灰)를 재활용 함으로써 국내 쓰레기문제를 해결하는데 일조할 수 있을 것이고, 소각 플랜트내의 집진장치를 이용함으로써 노지소각에 따른 미세먼지 문제도 줄일 수 있을 것이다.
이에 더하여, 각종 농업,임업 부산물과 가연성 생활폐기물의 낮은 발열량을 커피찌꺼기의 상대적으로 높은 발열량으로 보완함으로써 에너지효율도 올릴 수 있을 것으로 예상되는데, 이러한 커피찌꺼기의 높은 발열량이 있음은 '음식물류 폐기물과 원두커피 찌꺼기의 에너지 함량평가'(용상운 등, 한국폐기물자원순환학회, 2017)와 'Characteristics of spent coffee grounds as a fuel and combustion test in a small boiler'(강새별 등, Renewable Energhy, 2016)로부터 확인된다.
KR 특허 공개번호 제10-2021-0157362호 KR 특허 등록번호 제10-1187581호 KR 특허 등록번호 제10-2336175호
- 소각장에서 발생되는 바닥재의 콘크리트용 잔골재로서의 재활용, 임남웅, 한국자원리싸이클링학회, 2007년 - 음식물류 폐기물과 원두커피 찌꺼기의 에너지 함량평가'( 용상운 등, 한국폐기물자원순환학회, 2017 - Characteristics of spent coffee grounds as a fuel and combustion test in a small boiler, 강새별 등, Renewable Energhy, 2016
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 보완하고, 다양한 추가 장점들을 제공하기 위해 예의(銳意)연구하여 개발한 것으로, 농업, 임업부산물 등의 바이오매스를 이용한 펠릿과 전분 및 전분박, 커피찌꺼기(커피박) 등의 가연성 생활폐기물을 전력 및 열을 생산하는 연료로서 활용하여, 바이오매스 및 생활폐기물의 매립량을 최소화 하고, 또한 이로부터 발생하는 회분은 시멘트 혼화재의 일부 원료로 활용할 수 있게 하여 기존 시멘트 생산량의 저감에 상응하는 만큼의 탄소배출량을 줄일수 있게 하고, 또 발전 과정에서 생산되는 폐열은 콘크리트 양생을 위한 열 에너지로 활용할 수 있게 하는 경제성을 갖게 한 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 용도를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치 및 이의 제조방법과 용도에 의해 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치는, 왕겨, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp) 및 옥수숫대(Cornstalk)중 어느 하나 혹은 둘 이상을 소정 크기로 조밀하게 분쇄하는 제1분쇄기와 가연성 생활폐기물인 커피박을 조밀하게 분쇄하는 제2분쇄기로 이루어진 분쇄부; 상기 제1,제2분쇄기에 의해 분쇄된 분쇄물 원료를 펠릿 형태로 압축 성형하기 위한 수분 조정을 위해 건조하는 제1건조기와 상기 제2분쇄기에 의하여 분쇄된 분쇄물만을 높은 연소 효율을 위해 건조하는 제2건조기로 이루어진 건조부 ; 상기 제1건조기에 의하여 함수율이 조정된 분쇄물을 이용하여 소정 크기의 펠릿으로 성형하는 펠릿 성형부; 상기 펠릿 성형부에서 성형된 연료용 펠릿의 강도 유지를 위하여 펠릿을 냉각하는 펠릿 냉각부; 상기 펠릿 냉각부를 경유한 연료용 펠릿과 상기 제2건조기를 경유한 가연성 폐기물인 커피박을 보일러의 연소장치에서 직접 연소시키고 이때 발생하는 열로 스팀터빈을 가동하여 발전하거나 또는 고형연료가스화장치에 펠릿과 커피박을 열분해 또는 플라즈마 가스화한 연료로 가스터빈을 가동하고 이 가스터빈에서 배출되는 배기열로 다시 상기 스팀터빈을 가동하여 발전하는 발전부; 상기 보일러의 연소장치에서 발생한 펠릿 소각재에 잔류하는 미연소 펠릿 소각재의 완전한 연소를 위하여 미연소 펠릿 소각재를 연소하기 위한 후(後) 연소부; 및 상기 후 연소부를 경유한 펠릿 소각재를 소정 온도로 냉각후 분쇄하여 미세한 입도의 펠릿회분 만을 얻게 하는 후(後) 분쇄부를 포함하여 된 것이다.
상기 펠릿회분 제조장치는 펠릿회분을 혼화재의 일부로 사용하여 제조되는 콘크리트의 양생을 위해 상기 발전부에서 배출되는 폐열을 공급할 수 있게 구성한 양생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발전부에서 펠릿 소각시 배출되는 배기가스는 사이클론 집진기를 통하여 분진을 걸러낸 후, 탈황기(SDR: Semi-dry reactor)를 통하여 탈황을 하고, 백 필터를 경유되게 하여 미세 먼지를 걸러낸 후 대기중으로 방출되게 한 것을 특징으로 한다.
상기 발전부에는 열 교환기, 복수기, 및 펌프를 구비하여, 상기 스팀터빈에서 발생되는 열은 상기 열 교환기로부터 회수후 증기 생산부를 통하여 상기 양생부로 보내고, 상기 열 교환기와 연계된 상기 복수기에 의해 물로 되돌린 것은 상기 펌프를 통해 다시 상기 스팀터빈을 가동하기 위한 상기 보일러의 연소장치로 공급되어 순환되게 한 것을 특징으로 한다.
상기 제1건조기에 의해 건조되는 분쇄물의 함수율은 펠릿 성형성을 위해 10 ~ 15%를 유지되게 한 것을 특징으로 한다.
상기 펠릿 성형부에 의하여 성형되는 펠릿은 보일러의 연소 효율을 위하여 지름은 6mm ~ 8mm, 길이는 50mm 이상으로 성형됨을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조방법은, 제1분쇄기와 제2분쇄기로 이루어진 분쇄부에 의해, 상기 제1분쇄기에 의해서는 왕겨, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp), 및 옥수숫대(Cornstalk)중 어느 하나 혹은 둘 이상 혼합된 것을 조밀하게 분쇄하고, 상기 제2분쇄기에 의해서는 가연성 생활폐기물인 커피박을 조밀하게 분쇄하는 분쇄 단계; 제1건조기와 제2건조기로 이루어진 건조부에 의해, 상기 제1건조기에 의해서는 상기 제1,제2분쇄기에 의해 분쇄된 분쇄물 원료를 펠릿 형태로 압축 성형하기 위해 수분의 함수율은 10 ~ 15%를 유지되게 조정을 위해 건조하고, 상기 제2건조기에 의해서는 상기 제2분쇄기에 의하여 분쇄된 분쇄물만을 높은 연소 효율을 위해 건조하는 건조 단계 ; 상기 제1건조기에 의하여 함수율이 조정된 분쇄물을 이용하여 지름은 6mm ~ 8mm, 길이는 50mm 이상의 펠릿으로 성형하는 펠릿 성형 단계; 상기 펠릿 성형단계에서 성형된 연료용 펠릿의 강도 유지를 위하여 펠릿을 냉각하는 펠릿 냉각 단계; 상기 펠릿 냉각 단계를 경유한 연료용 펠릿과 상기 제2건조기를 경유한 가연성 폐기물인 커피박을 보일러의 연소장치에서 직접 연소시키고 이때 발생하는 열로 스팀터빈을 가동하여 발전하거나 또는 고형연료가스화장치에 의해 펠릿과 커피박을 열분해 또는 플라즈마 가스화한 연료로 가스터빈을 가동하고 이 가스터빈에서 배출되는 배기열로 다시 상기 스팀터빈을 가동하여 발전하는 발전 단계; 상기 보일러의 연소장치에서 발생한 펠릿 소각재에 잔류하는 미연소 펠릿 소각재의 완전한 연소를 위하여 미연소 펠릿 소각재를 연소하기 위한 후(後) 연소 단계; 및 상기 후 연소 단계를 경유한 펠릿 소각재를 소정 온도로 냉각후 분쇄하여 미세한 입도의 펠릿회분 만을 얻게 하는 후(後)분쇄 단계를 포함하여, 상기 단계들에 의해 만들어진 어느 하나의 펠릿회분 또는 적어도 2가지 이상으로 혼합된 펠릿혼합회분을 포함하는 시멘트 혼합분말을 골재, 혼합수, 및 증점제를 포함하는 AE 감수제에 혼합하여 콘크리트 제품을 제조할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.
상기 발전부에서 배출되는 폐열을 회수후 상기 후 분쇄단계를 통해 수집한 펠릿회분으로 제조되는 콘크리트제품의 저장공간으로 공급하여 콘크리트제품을 소정 시간 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 하기 실시예에 의하면, 농업, 임업 부산물 등의 바이오매스와 커피찌꺼기(커피박) 등의 가연성 생활폐기물을 콘크리트의 제조에 필요한 혼화재로 활용함에 따른 폐기물 매립량 최소화로 환경 오염을 방지하는 효과를 부여한다.
또한 바이오매스와 아울러 커피찌꺼기와 같은 커피박 소각회분의 시멘트 함량의 일부로 대신하는 혼화재의 사용은, 시멘트 생산을 줄이는 만큼의 탄소배출량 을 저감 효과를 부여하고, 이와 아울러 콘크리트의 강도 또한 기존의 콘크리트 강도와 동일한 강도를 발현하는 효과를 부여한다.
또 우수한 흡수율 특성을 갖는 커피박의 혼합으로 콘크리트 배합이 불가한 가연성 폐기물 소각회분에 대한 콘크리트 배합 작업성을 높여주는 효과도 부여한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치에 대한 전체 구성도이고,
도 2는 도 1 표시의 연소장치와는 다른 연소장치에 의한 발전 과정을 설명한 구성도이고,
도 3은 도 2의 발전부를 구체화한 도면이고,
도 4는 도 2의 발전부의 에너지 사용이 효율성이 있는 것임을 보여주는 그래프이며,
도 5는 본 발명에 사용된 커피박 펠릿 회분의 SEM 사진이고,
도 6은 본 발명에 사용된 왕겨 펠릿 회분의 SEM 사진이며,
도 7은 본 발명에 사용된 옥수수속대 펠릿 회분의 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명에 사용된 옥수숫대와 전분박의 혼합 펠릿 회분의 SEM 사진이며,
도 9는 회화로(灰火爐)를 이용하여 미분탄을 제거한 커피박 펠릿 회분이고,
도 10은 도 9의 미분탄을 제거한 커피펠릿 회분을 이용하여 모르타르 플로우 시험을 실시한 사진이며,
도 11은 볼밀을 이용하여 1mm와 3mm 알루미나볼을 혼합하여 커피펠릿 회분을 분쇄한 커피박 펠릿 회분 사진이고,
도 12(a)는 다공질 최소화를 위하여 회화로에서 섭씨 1000도에서 1시간 가열하여 형성한 클링커를 보여주는 사진이며, (b)는 클링커를 해머밀로 조분쇄한 커피펠릿 회분 사진이다.
도 13은 초미립자 분쇄기로 분쇄 진행한 커피펠릿 회분의 SEM 사진이며,
도 14는 옥수수속대 펠릿 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험사진이고,
도 15는 옥수숫대와 전분박 혼합 펠릿회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험사진이며,
도 16은 커피박, 왕겨, 옥수수속대 혼합 펠릿 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험사진이고,
도 17은 커피박, 왕겨, 옥수숫대, 전분, 전분박 혼합 펠릿 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험사진이며.
도 18은 커피박 및 왕겨 펠릿, 옥수수전분, 감자전분 혼합 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험사진이고,
도 19는 농업부산물 및 커피박 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 슬럼프플로우 시험결과 그래프이며,
도 20은 농업부산물 및 커피박 회분으로 시멘트를 대체(대략 10%)한 콘크리트의 압축강도 시험결과이고,
도 21은 커피박 펠릿 회분의 STA-GC-MS 측정 결과이고,
도 22(a),(b)는 주문사 표준사와 부순모래를 각각 표시한 사진이다.
본 발명의 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 구성들은 직접적인 접촉이나 연결뿐만 아니라 구성과 구성 사이에 다른 구성을 통해 접촉이나 연결된 것도 같은 범위로 해석하도록 한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면서 본 발명에 따른 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치(100)와 이의 제조방법을 같이 설명한다. 제조방법에 따른 도면 부호 또한 이해를 돕기 위하여 제조장치의 도면에 같이 병기 하였다.
<분쇄부:110(분쇄단계:S1)>
분쇄부(110)는 제1분쇄기(112)와 제2분쇄기(114)를 구비하여, 제1분쇄기(112)에 의해서는 농업 및 임업부산물, 커피박 등의 가연성 폐기물 입고부에 입고된 것중 왕겨, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp), 볏짚, 콩대 및 옥수숫대(Cornstalk)등의 농업부산물의 바이오 매스 중 어느 하나 혹은 둘 이상을 소정 크기로 조밀하게 분쇄하고, 커피박 등의 생활폐기물인 가연성 폐기물은 제2분쇄기(114)에 의하여 조밀하게 분쇄한다.
상기 분쇄부(110)는 보통의 해머밀(Hammer Mill)과 같은 분쇄기로 구성되는데, 농업부산물 중 볏짚, 콩대, 및 옥수숫대(Cornstalk) 등의 비교적 크기가 큰 원료인 경우 상기 제1분쇄기(112)에 의한 분쇄가 원활하게 이루어지도록 사전에 소정 크기로 분쇄 하여 공급함이 바람직하다.
커피박과 같은 가연성 폐기물의 경우에는 펠릿 형태의 폐기물고형연료(RDF : Refuse Derived Fuel)를 성형할 수 있는 크기로 조분쇄하거나 혹은 바로 연소시킬 수 있는 비 성형 연료(Fluff)수준으로 조분쇄한다. 조분쇄된 가연성폐기물은 쓰임에 따라 RDF 성형원료 혹은 Fluff로 분쇄를 진행한다.
<분쇄물 건조부:120(건조단계:S2)>
상기 건조부(120) 또한 제1건조기(122)와 제2건조기(124)로 이루어져, 상기 제1건조기(122)는 상기 제1,제2분쇄기(112,114)에 의해 분쇄된 분쇄물 원료를 펠릿 으로 압축 성형하는데 큰 어려움이 없도록 하고자, 분쇄물 원료에 함유된 수분율을 10%~15%의 범위로 유지되게 건조하고, 상기 제2건조기(124)는 상기 제2분쇄기에 의하여 분쇄된 가연성 폐기물 분쇄물만을 연소 효율성을 좋게하기 위해 수분 조정 없이 건조시킨다.
그러나 왕겨, 볏짚, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp), 옥수숫대(Cornstalk) 및 콩대 등의 농업부산물과 커피박 등의 가연성 폐기물이 건조 상태로 입고된 경우, 농업부산물에는 상기 건조부(120)에 의한 수분 조정작업에 앞서 인위적으로 수분을 가하여 수분율을 10% ~ 15%의 범위로 유지하게 할 수 있다.
분쇄물 원료의 수분 함유율을 10%~15%의 범위로 조정하는 것은 후술하는 펠릿 성형부(130)에서 분쇄물을 펠릿 형태로 압축 성형하는 것을 용이하게 하기 위함이다. 분쇄물 원료의 함수율이 10% 미만이면 수분 부족으로, 그리고 함수율이 15%를 초과하게 되면 수분 과다로 분쇄물을 펠릿 형태로 압축성형하는데 어려움이 있다. 상기 건조부(120)는 수분 건조에 필요한 열이나 온풍을 공급할 수 있는 히터 혹은 온풍기로 구성할 수 있다.
<펠릿 성형부: 130(펠릿 성형 단계:S3)>
펠릿 성형부(130)는 펠릿의 연소 효율을 높이고자 함수율이 조정된 분쇄물 원료에 미리 준비한 감자 혹은 옥수수 전분(澱粉)을 혼합하여, 입경(粒徑)은 6mm ~ 8mm, 길이는 50mm 이상의 크기로 연료용 펠릿을 성형한다. 연료용 펠릿의 길이는 50mm, 입경은 6mm ~ 8mm의 범위로 성형하는 이유는, 보일러 연소장치에서 펠릿의 연소효율을 좋게 하기 위함이다. 상기 펠릿 성형부(130)는 보통의 성형기로 구성된다.
<펠릿 냉각부: 140(펠릿 냉각 단계 : S4)>
상기 펠릿 성형부(130)에서 성형된 연료용 펠릿은, 저온의 냉기를 부여받게 하는 펠릿 냉각부(140)를 경유하게 한다. 그 이유는 소정 크기로 성형된 연료용 펠릿이 쉽게 부서짐이 없는 강도를 유지하는 응결력을 갖도록 하기 위함이다. 상기 펠릿 냉각부(140)는 보통의 쿨러(Cooler)로 구성된다.
<발전부 : 150(발전 단계: S5)>
상기 발전부(150)는 상기 펠릿 냉각부(140)와 상기 건조부(120)의 제2건조기(124)와 연계됨에 의해, 상기 펠릿 냉각부(140)를 경유한 연료용 펠릿과 그리고 상기 건조부(120)의 제2건조기(124)를 경유한 가연성 폐기물인 커피박 건조연료는 보일러의 연소장치(151)에서 직접 연소시키며, 이때 발생하는 열로 스팀터빈(152)을 가동하여 필요한 전력을 생산하게 한다. 상기 발전부(150)에는 열 교환기(155), 복수기(156), 및 펌프(157)를 구비하여, 상기 스팀터빈(152)에서 발생되는 열은 상기 열 교환기(155)로부터 폐열회수부(191)에 의해 회수 후 증기 생산부(192)를 통하여 후술하는 양생부(190)로 보내고, 한편으로는 상기 열 교환기(155)와 연계된 통상의 복수기(157)에 의해 물로 되돌린 응축수는 펌프(157)를 통해 다시 스팀터빈(152)을 가동하기 위한 보일러의 연소장치(151)로 공급되게 한다.
또한 상기 발전부(150)의 보일러의 연소장치(151)에는 사이클론 집진기(158-1), 탈황기(SDR: Semi-dry reactor)(158-2), 및 백 필터(158-3)로 이루어진 분진 및 탈황설비(158)를 구비하여, 펠릿연료 소각시 배출되는 배기 가스를 상기 사이클론 집진기(158-1)에 의해 분진을 걸러냄과 아울러 상기 사이클론 집진기(158-1)를 통과한 배기 가스는 다시 상기 탈황기(SDR: Semi-dry reactor)(158-2)를 통하여 탈황후 상기 백 필터(158-3)를 경유하게 하여 미세 먼지를 다시한번 걸러낸 후 대기중으로 방출되게 하여, 대기의 오염을 최소화함으로써 깨끗한 환경 유지에 일조를 할 수 있게 한다.
상기에서 발전부(150)를 구성하는 보일러의 연소장치(151)는 연소방식에 따라 보통으로 사용하는 스토커식 연소장치, 회전로식 연소장치, 유동상식 연소장치중 어느 하나로 구성하여 사용할 수 있다. 상기 스토커식(화격자식) 연소장치는 연소전 충분한 건조를 위한 건조대, 화염을 발생시키며 고온에서 활발한 산화반응을 일으키는 연소대, 그리고 소각재 중의 미연분을 완전 소각시키는 후연소대로 크게 3부분으로 구성되어 있는데, 대표적으로 계단식 스토커와 체인스토커 방식이 있다
상기 회전로식 연소장치는 원통형의 연소로를 회전시켜 연료를 교반 및 이송시키면서 연소시키는 장치이다. 연소로 내에서 연료의 체류시간이 길고 연소로의 저속회전에 따른 적당한 교반이 가능하며 연료의 이송속도 조절범위가 용이하기 때문에 미연분 제거를 위한 후연소(後 燃燒)수행에 용이한 방식이다. 따라서 상기 스토커식 방식에 의한 연소 후 미연분 제거시 후연소 공정에 적용할 수 있다
상기 유동상식 연소장치는 섭씨 600도 이상으로 가열된 규사(모래)와 같은 유동매체를 이용하여 유동층을 형성하고 이러한 유동층내에 연료를 공급하여 연소시키는 방식인데, 저질연료까지 용이하게 연소시킬 수 있고 비교적 저온의 연소온도와 탈황제 직접주입으로 별도장치 추가 없이 황산화물 및 질소산화물을 낮출 수 있는 연소장치다.
상기 발전부(150)는 연료용 펠릿을 상기 보일러의 연소장치(151)에 직접 투입하여 연소시킨 후, 이때 발생되는 열 에너지로 스팀터빈(152)을 가동하여 전력을 생산하는 구성에 대해 설명하였으나, 도 2의 표시와 같은 발전부(150a)로 구성하여 전력을 생산할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 농업부산물을 활용한 콘크리트 제조 장치에서 또 다른 연소방법에 의한 발전 과정을 설명한 구성도이고, 도 3은 도 2의 발전부를 구체화한 도면이다.
도면 표시와 같이, 발전부(150a)는 제2건조기(124)로부터 공급되는 연료와 상기 냉각부(140)로부터 공급되는 연료용 펠릿을 열 분해 또는 플라즈마 가스화한 후 이때의 가스 연소 에너지로 전력을 생산하는 발전 구성이다. 즉, 가스화 설비인 통상의 고형연료가스화 장치(151a)를 이용하여 펠릿 연료를 열 분해 또는 플라즈마 가스화한 후, 이를 고형연료가스화 장치(151a)와 연계된 가스터빈(153a)의 가동에 의한 발전기(154a)가동과 아울러 상기 가스터빈(153a)에서 배기열로 가동하는 배열회수보일러(155a)에서 나오는 배기열을 이용하여 스팀터빈(152a)을 가동하여 발전기(154a)를 가동하는 복합화력 방식이다.
다시말하면 가스터빈을 이용함으로써 랭킨(Rankine)사이클을 이용한 스팀터빈 발전에 더하여 고형연료가스화 장치(151a)에 의한 펠릿 연료 가스로 가동되는 가스터빈의 브라이턴(Bryton)사이클 까지 이용한 Bryton-Rankine 복합사이클 발전으로 좀 더 효율적인 전력을 생산을 할 수 있게 구성한 것으로, 이에 대한 것은 도 4의 그래프로부터 확인할 수 있다.
상기 가스 발전부(150a)는 상기 발전부와 마찬가지로 열 교환기(156a)를 구비하여 열 교환기(156a)에서 발생되는 열은 회수하여 후술하는 콘크리트 제품 양생실로 보낼수 있다. 또 한편으로는 열 교환기(156a)와 연계된 통상의 복수기(157a)에 의하여 냉각후 물로 되돌린 응축수를 펌프(158a)를 통해 상기 가스터빈(153a) 및 상기 스팀터빈(152a)과 연계된 배열회수보일러(155a)측으로 보내어 발전하는데 사용할 수 있게 하는 순환 사이클을 이루게 하였다.
상기에서 고형연료가스화 장치(151a)의 가스화 방식으로는 열분해를 이용한 불완전연소된 합성가스(synthesis gas)를 이용하는 방식과 마이크로파 플라즈마 토치를 이용하는 플라즈마 가스화 방식으로 구성할 수 있다.
<후(後) 연소부 : 160(후 연소 단계: S6)>
상기 발전부(150)(혹은 발전부(150a))의 보일러 연소장치(151)에서 발생한 연료용 펠릿 소각회(灰)에 잔류하는 미연소 펠릿 소각재의 완전 연소를 위해 상기 보일러 연소장치(151)와 연계된 후 연소부(160)를 통과하게 하여 미연소 펠릿 소각재를 다시 한번 연소 시킨다.
상기 후 연소부(160)는 보일러의 연소장치(151)에서 연소후 발생한 소각재에 잔류하는 미 연소분을 완전하게 연소시키는 공정으로, 미 연소분을 완전 연소시키기 위해서는 소정의 온도를 유지해야만 하는데, 열 발생이 상기 보일러의 연소장치(151)에 비해서는 작으므로 완전 연소 이전에 미 연소분이 냉각되는 것을 막기 위해서 적정량의 연소용 공기를 공급하여 연소효율을 높게 할 필요도 있다.
<후(後) 분쇄부 : 170(후(後) 분쇄 단계 : S7)>
상기 후 연소부(160)를 통하여 완전하게 연소시킨 펠릿 소각재는 열 제거를 위하여 냉각후, 상기 후(後) 연소부(160)와 연계된 후(後)분쇄부(170)를 통하여 세밀한 입도로 분쇄하여 펠릿회분 만을 얻는다. 순수한 펠릿회분을 얻는 방식은 분쇄과정에서 분쇄된 펠릿회분으로부터 통상의 건식 및 습식공정을 이용한 미연탄재의 밀도차를 이용하여 미연탄재를 제거하는 방법에 의해, 미연탄재가 없는 순수한 펠릿회분 만을 얻을 수 있게 한다. 상기 후(後) 분쇄부(170)는 통상의 분쇄밀로 구성된다,
<콘크리트 제품 성형부: 180(콘크리트 제품 성형 단계 : S8)>
상기 후(後) 분쇄부(170)를 통해 수득한 펠릿회분은 혼화재의 일부 원료로하여 시멘트, 골재 등과 적정 비율로 혼합하여(후술하는 배합비율 참조), 이 혼합물을 상기 콘크리트 제품 성형부(180)를 구성하는 통상의 모울드에 넣어 소정 강도를 갖는 다양한 콘크리트 제품들을 성형할 수 있다.
<콘크리트 제품 양생부: 190(콘크리트 제품 양생 단계 : S9)>
상기 발전부(150)(혹은 (150a))에서 배출되는 폐열은 즉시 회수하여 상기 콘크리트 제품 성형부(180)에서 성형 완료된 콘크리트제품이 적치되는 소정 넓이의 밀폐된 공간을 이루게 한 콘크리트 제품 양생부(190)로 공급할 수 있게 하여, 상기 콘크리트 제품 성형부(180)에서 성형된 콘크리트 제품의 양생에 필요한 열을 공급할 수 있게 한다. 상기 발전부(150)가 운전하는 동안 섭시 60도 이상의 폐열이 상시 생산되는점을 이용하여 양생실은 섭씨 60도 이상이 상시 유지될 수 있게 하며, 또한 양생실에서 콘크리트제품의 양생 시간은 일 평균 12시간 이상으로 실시할 수 있게 함이 바람직하다(후술하는 양생 시험 참조).
본 발명의 상기 실시예에 따른 도 1의 장치에 이용할수 있는 농업, 임업부산물 등의 바이오매스원료 및 가연성 생활폐기물의 발열량은 하기 표1 및 표2와 같다.
구분 명칭 발열량 (Kcal/kg) 회분함량 (%)
농업
부 산물

왕겨 3616 33
볏짚 3735 15.5
보리짚 3653 5.7
콩대 4044 5.54
유채대 3970 6.6
잣 부산물 4385 1.5
땅콩부산물 4660 0.3
면화대 3958 3
바가스(사탕수수부산물) 4330 1.73
옥수수속대(corncob) 3500 1.4
코코넛 껍질 4000 4.14
코코넛 줄기 4650 2.5
마카다미아넛 껍질 5200 0.56
호두껍질 4351 0.71
아몬드 껍질 3690 7.2
커피 껍질 4231 4.6
카사바 부산물 4000 0.2
복숭아씨 4647 1.1
파스타치오 껍질 4608 1.13
헤이즐넛 껍질 4617 1.4
옥수숫대(Cornstalk) 4258 3.7
목화씨껍질 3915 14.6
밀짚 4067 13.5
사탕수수잎 4165 7.7
부레옥잠 3542 10.8
차 부산물 4091 1.4
피마자씨 부산물 5026 6.9
올리브 부산물 4685 1.1
밀 가공부산물 3870 15.1
유채씨 3834
귀리 3849
팜씨앗 껍질 4500
구분 명칭 발열량 (Kcal/kg) 회분함량 (%)
임업부산
물 및
임업 		잔디 3768 -
억새풀 3790 -
은행나무잎 3975 -
상수리 나무잎 3975 -
향나무 줄기 4116 -
세나잎 4336 17.3
우드칩 4765 0.1
솔잎 1364 77.7
미국 삼나무 4957 0.36
소나무 4945 5.27
전나무 4809 1.5
루키나루코씨팔라 3986 1
개솔 송나무 5287 1.2
유칼립투스 4750 0.72
올리브 잔가지 4473 1.02
뽕나무가지 4391 2.1
모링가나무잎 3405 21.5
차나무 4747 1.7
사라수나무 씨 껍질 4928 9.4
대나무 부산물 3801 16.5
장구 밥나무 0.3 43.06
아까시나무 4818 10.04
마드론 4497 1
맨자니타 4516 1
버드나무 4537 23.78
리기다 소나무 4823 0.77
가중나무 4503 2.57
갈참나무 4276 2.44
풍개나무 4429 3.3
벚나무 4508 0.69
독일 가문비 5016 0.7
졸참나무 4625 1.86
마가목 4673 1.55
화백 4651 0.9
측백나무 5038 7.55
밤나무 4802 6.27
굴참나무 5041 3.32
메타세콰이어 4584 5.29
가연성 생활
폐기물 		커피박 4779 7.2이하
SRF(Solid Refuse Fuel, 고형쓰레기연료) 3500 20 이하
<가연성폐기물 소각회 특성 및 커피박 펠릿과 농업부산물 회분의 특성 분석> 서울 및 경기지역에서 수집한 소각회를 이용하여 콘크리트 배합시험을 진행하였다(가연성 폐기물의 경우 2007년의 임남웅의 연구 참조). 이 때 사용된 소각회의 화학조성비는 하기 표3과 같다.
직매립금지법에 따라 직매립이 불가 한 커피박 회분을 이용한 콘크리트 배합이 바람직하다. 따라서 본 발명에서 사용하는 커피박 회분이 혼입되는 콘크리트의 물리, 화학적 특성을 분석 및 평가하기 위해, 본 발명은 국내 대형커피프랜차이즈 E사에서 발생하는 커피박을 수거하여 사용하였다. 이 커피박 펠릿 회분의 XRF를 통한 화학적 조성비는 하기 표 4와 같다. 도 5는 커피박 펠릿 회분의 SEM 사진이다.
표 4와 같이 연소되고 남은 커피박 회분은 SiO2 2.1%, CaO 19.3%, Al2O3 4.4% 등을 구성성분으로 포함하고 있음이 확인되므로 SiO2에 의한 잠재 수경성 및 CaO에 의한 1차 수화반응을 충분히 기대할 수 있다.
그러나 K2O와 P2O5와 같은 알칼리 물질이 36.7% 및 16.7%를 각각 차지하고 있어, 상대적 강도 저하를 유발할 수 있으므로 콘크리트 배합시 유의해야 할 필요가 있다.
본 발명에 사용되는 농업부산물인 왕겨 펠릿회분, 옥수수속대 펠릿회분 및 옥수숫대(Cornstalk)와 전분박 혼합 펠릿회분은 국내 H社를 통하여 입수한 재료를 가공한 것으로, 이들 회분의 XRF를 통한 화학적 조성비는 하기 표들(5 내지 7)과 같다. 도 6 내지 도 8은 이 펠릿 회분들의 SEM 사진이다.
상기 표 5 및 도 6(왕겨 펠릿 회분의 SEM 사진), 표 6 및 도7(옥수수속대 펠릿 회분의 SEM 사진), 표 7및 도8(옥수숫대, 전분박 혼합 펠릿회분의 SEM 사진)로부터 확인되는 바와 같이, 왕겨의 경우 구성성분의 대부분인 85.2%가 SiO2로써 잠재 수경성을 기대할 수 있으며, 옥수수속대, 전분박, 옥수숫대과 같은 당분을 포함한 농부산물 역시 SiO2, Al2O3와 같은 잠재 수경성 물질과 CaO를 다량 포함하고 있으므로 1차 및 2차 수화 반응에 의한 강도발현 효과가 있는 것임을 알 수 있다.
A. 커피박 회분의 모르타르 실험
본 발명에서 사용된 커피박 회분을 이용한 모르타르 배합시험을 위해 도 9의 표시와 같이,커피박 펠릿을 연소 후 그 회분을 분쇄한 뒤 회화로(灰火爐)를 이용하여 미분탄을 제거하였다.
이와 같이 수득한 커피펠릿 회분 10wt%에 포틀랜드 시멘트(OPC) 63wt%, 고로슬래그미분말(BS) 27wt%로 이루어진 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181wt%, 혼화제1.2wt%를 혼합하여 배합시험을 실시하였다.
이 때 사용된 시멘트는 한라시멘트의 CEM PILE 시멘트를, 잔골재는 경기도 가평군 H社의 부순모래를, 혼화제로는 동남기업의 증점제가 첨가된 폴리카르본산계 AE감수제를 사용하였다.
배합시험 결과 도 10과 같이 배합수를 지속적으로 넣어 주어도 슬럼프 플로우 측정은 불가하였고, 작업성을 갖지 않으므로 콘크리트 제품 제조가 불가능 하였다. 이에 도 11과 같이 볼밀을 이용하여 72시간 분쇄를 진행한 것을 사용하였으나 회분끼리 뭉침현상이 일어났고 배합 또한 불가하였다.
따라서 도 12와 같이 회화로에서 섭씨 1000도에서 1시간가량 가열하여 클링커로 만든 후 분쇄하여 배합시험을 하였으나, 역시 도 10과 같이 작업성을 갖는 콘크리트 배합이 불가하였다.
이와 같이 커피펠릿 회분의 콘크리트 성형이 불가함은, 커피펠릿 회분 특유의 다공성에서 오는 것이라 판단되어 2미크론 이하 수준까지 초미립 분쇄를 실시 하였다. 도 21과 같이 섭씨 850도에서 STA-GC-MS 측정 결과, 커피펠릿 회분을 800도 이상의 회화로에서 미분탄 제거과정을 거쳐도 수분을 금방 머금을 정도로 수분흡수가 잘되기 때문에 볼밀분쇄가 곤란하였다.
따라서 도 13과 같이 초미립자 분쇄기를 이용하여 분쇄한 것을 배합시험에 사용하여 진행하였으나 마찬가지로 콘크리트 배합은 불가하였다.
B. 당분 포함된 농업부산물 회분의 슬럼프 플로우 실험
도 14 및 도 15는, 하기의 배합비율표에서 확인되는 바와 같이, 각각 옥수수속대 펠릿회분 또는 옥수숫대와 전분박 혼합 펠릿 회분10wt%에 OPC 63wt%, 고로슬래그미분말(BS) 27wt%로 이루어진 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 외할로 혼합한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우 실험 사진이다.
당분이 포함된 농업부산물 펠릿을 연소 후 분쇄하여 시멘트 일부의 대체재로써 콘크리트에 혼입하면 도 14, 도 15와 같이 고(高) 유동(流動) 콘크리트에 준하는 작업성을 가질 수 있게 할수가 있어 콘크리트 제품의 제조가 가능함을 확인할수 있었다.
C. 커피박 혼합 회분의 슬럼프플로우 실험
커피박 회분이 혼입된 작업성을 갖는 콘크리트를 만들기 위하여, 커피박 펠릿을 왕겨, 옥수수속대, 전분, 전분박, 옥수숫대 펠릿과 혼합연소를 진행한 후에 분쇄를 진행하여 콘크리트 배합시험을 실시하였다(배합비율은 하기 표 8 참조).
도 16은 왕겨, 커피박, 옥수수속대 펠릿을 7:2:1의 비율(wt%)로 혼합연소 후 분쇄한 회분 10wt%에 OPC 63wt%, 고로슬래그미분말(BS) 27wt%로 이루어진 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 외할로 혼합한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우 실험 사진이다.
도 17은 왕겨, 커피박, 옥수숫대, 전분박 펠릿을 6:2:1:1의 비율(wt%)로 혼합연소 후 분쇄한 회분 10wt%에 OPC 63wt%, 고로슬래그미분말(BS) 27wt%로 이루어진 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 외할로 혼합한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우 실험 사진이다.
도 18은 왕겨, 커피박 펠릿과 옥수수전분, 감자전분을 4:4:1:1의 비율(wt%)로 혼합연소 후 분쇄한 회분 10wt%에 OPC 63wt%, 고로슬래그미분말(BS) 27wt%로 이루어진 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 외할로 혼합한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우 실험 사진이다.
이와같은 배합 실험들로부터 당분이 포함된 농업부산물을 혼합연소 후 회분을 분쇄함으로써 흡수율이 높은 폐기물 회분에 대하여 콘크리트 작업성을 부여할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
<커피박 펠릿 회분 혼입 콘크리트의 특성 분석>
본 발명에 따른 커피박 펠릿 회분이 포함된 소각회를 혼화재로 사용하는 콘크리트의 강도 특성을 평가하기 위하여 콘크리트 제조 실험을 실시하였다.
이 실험에 사용된 시멘트는 한라시멘트社의 고로슬래그가 30wt% 비율로 혼입되는 증기양생용 시멘트인 CEM PILE 시멘트를 사용하였고, 잔골재(모래) 및 굵은골재( 25mm 자갈)는 경기도 가평 소재의 H社에서 생산하는 것을, 그리고 혼화제는 동남기업社 의 증점제가 첨가된 폴리카르본산계 고성능AE 감수제를 사용하였다.
잔골재는 주문진표준사가 아닌 실제 제품생산에 널리 이용되는 부순모래를 이용하여 실험을 진행하였다. 도 22(a),(b)는 주문진표준사와 부순모래를 각각 나타낸 사진이다. 콘크리트에 대한 배합비율은 하기 표 8과 같다.
(본 발명에 따른 콘크리트 제품 배합비율)
구분 성분 함량
(wt%)		 구성 성분 함량
(wt%)		 구성성분 함량
(wt%)		 구성성분 함량
(wt%)
왕겨, 커피박,
옥수수속대 혼합
펠릿회분		 10 왕겨, 커피박, 옥수숫대, 전분박 혼합펠릿회분 10 왕겨, 커피박, 옥수숫대, 전분박 혼합펠릿회분 10 왕겨, 커피박, 옥수수전분, 감자전분 혼합펠릿회분 10
포틀랜드
시멘트(OPC) 		63 포틀랜드
시멘트(OPC)		 63 포틀랜드
시멘트(OPC)		 63 포틀랜드
시멘트(OPC)		 63
고로슬래그(BS) 미분말 27 고로슬래그
(BS) 미분말 		27 고로슬래그
(BS) 미분말 		27 고로슬래그(BS) 미분말 27
잔골재 181 잔골재 181 잔골재 181 잔골재 181
굵은 골재 230 굵은 골재 230 굵은 골재 230 굵은 골재 230
혼합수 38 혼합수 35 혼합수 38 혼합수 38
고성능 AE 감수제(증점제 포함) 1.2 고성능 AE 감수제(증점제 포함) 1.2 고성능 AE 감수제(증점제 포함) 1.2 고성능 AE 감수제(증점제 포함) 1.2
상기 표 8과 같이, (a)콘크리트 배합실험은 연소 후 남은 소각회를 해머밀로 분쇄한 후, 왕겨, 커피박, 옥수수속대 혼합펠릿회분 10wt%, OPC 63wt%, BS 27wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 38wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였고,
(b)왕겨, 커피박, 옥수숫대, 전분박 혼합펠릿회분 10wt%, OPC 63wt%, BS 27wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 35wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였고,
(c)왕겨, 커피박, 옥수숫대, 전분박 혼합펠릿회분 10wt%, OPC 63wt%, BS 27wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 38wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였고,
(d)왕겨, 커피박, 옥수수전분, 감자전분 혼합펠릿회분 10wt%, OPC 63wt%, BS 27wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 38wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였다.
<본 발명에 따라 배합된 콘크리트와 일반 콘크리트의 성능비교>
본 발명에 따라 만들어진 콘크리트와 일반 콘크리트의 성능비교를 위하여, 대비되는 일반 콘크리트는 OPC 70wt%, BS 30wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 38wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였다.
또 대비되는 일반 콘크리트는 혼합수의 양을 줄여 OPC 70wt%, BS 30wt% 로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합분말 원료에 잔골재 181 wt%, 굵은골재 230 wt%, 혼합수 35wt% 및 증점제 포함 고성능 AE감수제 1.2wt% 를 각각 외할로 혼합하여 배합실험을 실시하였다.
A.콘크리트 슬럼프 플로우(flow) 실험
콘크리트의 작업성을 비교 및 평가하기 위하여 '굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험방법( KS F 2594 )'에 준하여 플로우(flow) 실험을 실시하였다.
표 4와 같이 커피박 펠릿회분의 성분을 보면, 잠재 수경성 포졸란 물질인 SiO2는 소량인 반면 1차 수화반응을 기대해 볼 수 있는 CaO가 19% 가량 포함된 것을 볼 수 있다. 반면 알칼리가 50%가량 차지하므로 커피박 회분을 이용한 콘크리트 배합이 가능하다면 고강도가 요구되지 않는 제품에 시멘트를 일부 대체하는 혼화재로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
또 표 1,2에 의하면 커피박의 경우 회분발생량이 적은 편이므로 회분발생량이 많이 발생하여 소각회 폐기 문제가 발생되는 왕겨 함량을 크게하여 배합실험을 실시 하였으며, 도 10과 작업이 불가한 커피박회분 혼입 콘크리트가 작업성을 가질 수 있도록 당분이 포함된 전분박, 전분, 옥수수속대, 옥수숫대 등을 혼합연소하여 커피박 혼합회분을 제조하여 콘크리트 배합을 진행하였다. 이 또한 시멘트를 일부 대체하는 혼화재로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
B, 콘크리트 강도시험
시멘트를 농업부산물 및 커피박 소각회로 일부 치환한 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로우를 측정한 후 '콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법(KS F 2403 )'에 준하여 ø100 x 200mm 의 원형 공시체를 제작하여 80°C에서 12시간 양생 후 21°C의 항온수조에서 수중양생한 후, 재령(material age) 7일, 28일, 56일로 하여 압축강도를 '콘크리트 압축 강도 시험방법( KS F 2405 )에 준하여 측정하였다.
본 발명에 따른 콘크리트에 의한 공시체와 일반 콘크리트의 강도비교를 위하여, 농업부산물 펠릿 회분을 첨가하지 않은 콘크리트를 '콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법( KS F 2403 )'에 준하여 ø100 x 200mm 의 원형 공시체를 제작한 후 양산되는 프리캐스트 콘크리트 양생시간과 비슷하도록 80°C 에서 6시간 양생을 실시한 후 21°C의 항온수조에서 수중양생 한 후, 재령(material age) 7일, 28일, 56일 압축강도를 '콘크리트 압축 강도 시험방법( KS F 2405 )' 에 준하여 측정하였다.
또한, 물 시멘트비를 35%까지 줄여 강도를 높인 농업부산물 펠릿 회분을 첨가하지 않은 일반 콘크리트를 '콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법( KS F 2403 )'에 준하여 ø100 x 200mm 의 원형 공시체를 제작한 후 80°C 에서 12시간 양생을 실시한 후 21°C의 항온수조에서 수중양생 한 후,재령(material age) 7일, 28일 압축강도를 '콘크리트 압축 강도 시험방법( KS F 2405 )' 에 준하여 측정하였다.
상기에서 실행한 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험 결과와 콘크리트의 강도 시험 결과는 도 19와 도 20과 같았다. 도 19와 도 20은 각각 본 발명에 의한 콘크리트 배합의 슬럼프플로우와 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 19와 같이 목적에 따라 연소물의 혼입율을 조정함으로 고 유동 콘크리트 수준까지 슬럼프 플로우를 조절할 수 있으며, 커피박은 알칼리 물질이 다량 포함된 회분에 의하여 상대적으로 높은 물시멘트비에서의 강도저하는 공장에서 진동기를 이용한 진동다짐을 이용할 수 있는 프리캐스트 제품의 이점을 살려 도 20과 같이 물시멘트비를 상대적으로 낮추는 방법으로 강도를 높일 수 있음을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명에 따르는 콘크리트는 연료비가 저렴한 생활폐기물 및 발전 폐열을 이용하므로 경제성 확보가 가능하므로 기존프리캐스트 제품 대비 초기수화반응을 촉진시키는 가열양생시간을 길게 가져갈 수 있다는 것을 알수 있고, 동시에 소각회를 재활용 함으로써 폐기물 배출량을 최소화 할 수 있는 사실도 알수 있다.
이상에서와 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제가 달성되는 것이며, 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나 여기에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것임은 물론이다.
본 발명은 농업, 임업 부산물 등의 바이오매스와 커피찌꺼기(커피박) 등의 가연성 생활폐기물을 콘크리트를 제조하는 자원으로 활용하여 폐기물의 매립량을 최소화하고, 또한 소각회분은 콘크리트 제조에 적용하여 탄소배출량을 저감하면서도 기존 콘크리트 제품과 유사한 강도를 발현하게 하는 이익을 제공한다.
100 : 본 발명에 따른 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치
110 : 분쇄부
120 : 건조부
130 : 펠릿 성형부
140 : 펠릿 냉각부
150 : 발전부
160 : 후(後) 연소부
170 : 후(後) 분쇄부
180 : 콘크리트 제품 성형부
190 : 콘크리트 제품 양생부
S1 : 분쇄단계
S2 : 건조단계
S3 : 펠릿 성형단계
S4 : 펠릿 냉각 단계
S5 : 발전 단계
S6 : 후(後) 연소 단계
S7 : 후(後) 분쇄 단계
S8 : 콘크리트 제품 성형 단계
S9 : 콘크리트 제품 양생 단계

Claims (14)

  1. 왕겨, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp), 및 옥수숫대(Cornstalk)중 어느 하나 혹은 둘 이상을 소정 크기로 조밀하게 분쇄하는 제1분쇄기와 가연성 생활폐기물인 커피박을 조밀하게 분쇄하는 제2분쇄기로 이루어진 분쇄부;
    상기 제1,제2분쇄기에 의해 분쇄된 분쇄물 원료를 펠릿 형태로 압축 성형하기 위한 수분 조정을 위해 건조하는 제1건조기와 상기 제2분쇄기에 의하여 분쇄된 분쇄물만을 높은 연소 효율을 위해 건조하는 제2건조기로 이루어진 건조부 ;
    상기 제1건조기에 의하여 함수율이 조정된 분쇄물을 이용하여 소정 크기의 펠릿으로 성형하는 펠릿 성형부;
    상기 펠릿 성형부에서 성형된 연료용 펠릿의 강도 유지를 위하여 펠릿을 냉각하는 펠릿 냉각부;
    상기 펠릿 냉각부를 경유한 연료용 펠릿과 상기 제2건조기를 경유한 가연성 폐기물인 커피박을 보일러의 연소장치에서 직접 연소시키고 이때 발생하는 열로 스팀터빈을 가동하여 발전하거나 또는 고형연료가스화장치에 펠릿과 커피박을 열분해 또는 플라즈마 가스화한 연료로 가스터빈을 가동하고 이 가스터빈에서 배출되는 배기열로 다시 상기 스팀터빈을 가동하여 발전하는 발전부;
    상기 보일러의 연소장치에서 발생한 펠릿 소각재에 잔류하는 미연소 펠릿 소각재의 완전한 연소를 위하여 미연소 펠릿 소각재를 연소하기 위한 후(後) 연소부; 및
    상기 후 연소부를 경유한 펠릿 소각재를 소정 온도로 냉각후 분쇄하여 미세한 입도의 펠릿회분 만을 얻게 하는 후(後)분쇄부; 를 포함하여 된 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펠릿회분 제조장치는 펠릿회분을 혼화재의 일부로 사용하여 제조되는 콘크리트의 양생을 위해 상기 발전부에서 배출되는 폐열을 공급할 수 있게 구성한 양생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부에서 펠릿 소각시 배출되는 배기 가스는 사이클론 집진기를 통하여 분진을 걸러낸후, 탈황기(SDR: Semi-dry reactor)를 통하여 탈황을 하고, 백 필터를 경유되게 하여 미세 먼지를 걸러낸 후 대기중으로 방출되게 한 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발전부에는 열 교환기, 복수기, 및 펌프를 구비하여, 상기 스팀터빈에서 발생되는 열은 상기 열 교환기로부터 회수후 증기 생산부를 통하여 상기 양생부로 보내고, 상기 열 교환기와 연계된 상기 복수기에 의해 물로 되돌린 것은 상기 펌프를 통해 다시 상기 스팀터빈을 가동하기 위한 상기 보일러의 연소장치로 공급되어 순환되게 한 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1건조기에 의해 건조되는 분쇄물의 함수율은 펠릿 성형성을 위해 10 ~ 15%를 유지되게 한 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펠릿 성형부에 의하여 성형되는 펠릿은 보일러의 연소 효율을 위하여 지름은 6mm ~ 8mm, 길이는 50mm 이상으로 성형됨을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분 제조장치.
  7. 제1분쇄기와 제2분쇄기로 이루어진 분쇄부에 의해, 상기 제1분쇄기에 의해서는 왕겨, 옥수수속대(Corncob), 전분박(Starch pulp), 및 옥수숫대(Cornstalk)중 어느 하나 혹은 둘 이상 혼합된 것을 조밀하게 분쇄하고, 상기 제2분쇄기에 의해서는 가연성 생활폐기물인 커피박을 각각 조밀하게 분쇄하는 분쇄 단계;
    제1건조기와 제2건조기로 이루어진 건조부에 의해, 상기 제1건조기에 의해서는 상기 제1,제2분쇄기에 의해 분쇄된 분쇄물 원료를 펠릿 형태로 압축 성형하기 위해 수분의 함수율은 10 ~ 15%를 유지되게 조정을 위해 건조하고, 상기 제2건조기에 의해서는 상기 제2분쇄기에 의하여 분쇄된 분쇄물만을 높은 연소 효율을 위해 건조하는 건조 단계 ;
    상기 제1건조기에 의하여 함수율이 조정된 분쇄물을 이용하여 지름은 6mm ~ 8mm, 길이는 50mm 이상의 펠릿으로 성형하는 펠릿 성형 단계;
    상기 펠릿 성형단계에서 성형된 연료용 펠릿의 강도 유지를 위하여 펠릿을 냉각하는 펠릿 냉각 단계;
    상기 펠릿 냉각 단계를 경유한 연료용 펠릿과 상기 제2건조기를 경유한 가연성 폐기물인 커피박을 보일러의 연소장치에서 직접 연소시키고 이때 발생하는 열로 스팀터빈을 가동하여 발전하거나 또는 고형연료가스화장치에 의해 펠릿과 커피박을 열분해 또는 플라즈마 가스화한 연료로 가스터빈을 가동하고 이 가스터빈에서 배출되는 배기열로 다시 상기 스팀터빈을 가동하여 발전하는 발전 단계;
    상기 보일러의 연소장치에서 발생한 펠릿 소각재에 잔류하는 미연소 펠릿 소각재의 완전한 연소를 위하여 미연소 펠릿 소각재를 연소하기 위한 후(後) 연소 단계; 및
    상기 후 연소 단계를 경유한 펠릿 소각재를 소정 온도로 냉각후 분쇄하여 미세한 입도의 펠릿회분 만을 얻게 하는 후(後)분쇄 단계; 를 포함하여, 상기 단계들에 의해 만들어진 어느 하나의 펠릿회분 또는 적어도 2가지 이상으로 혼합된 펠릿혼합회분을 포함하는 시멘트 혼합분말을 골재, 혼합수, 및 증점제를 포함하는 AE 감수제에 혼합하여 콘크리트 제품을 제조할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    발전부에서 배출되는 폐열을 회수후 상기 후 분쇄단계를 통해 수집한 펠릿회분으로 제조되는 콘크리트 제품의 저장공간으로 공급하여 콘크리트제품을 소정 시간 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스와 가연성 생활폐기물을 이용한 콘크리트 혼화재용 펠릿회분의 제조 방법.
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