KR20030071442A - 황산혼합에 의한 석탄회의 고형화 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자체적인 결합력이 없거나 미약한 것으로 알려져 있는 석탄회를 소성(燒成) 하지 않고 황산과 반웅시켜 상온에서 가압·성형하는 방법으로 건자재를 생산하는 재활용 기술에 관한 것이다.

본 발명의 특성은 소성공정에 필수적인 연료가 필요 없을 뿐만 아니라, 가압 성형 방식을 통하여 빠른 시간내에 제품의 생산이 가능하며, 제작 공정을 단순화시킬 수 있기 때문에 환경친화적이며 경제성이 뛰어난 장점이 있다. 또한, 식탄회의 고형화를 위하여 시멘트와 같은 별도의 결합제가 필요 없고 순수한 석탄회만을 원료로 사용하여 황산과의 반응으로 고형화하는 기술이므로 대량의 석탄회를 소비할 수 있는 효율적인 재활용 기술이다.

본 발명을 이용하여 얻어진 석탄회+황산의 혼합물은 화분, 보드, 블록 등 다양한 형태로 성형이 가능하며, 가압 ·성형을 통하여 얻어진 제품은 비교적 높은 압축강도를 가지고 있어서 건축재료, 토목 재료 등 다양한 분야에 활용이 가능하다.

Description

황산혼합에 의한 석탄회의 고형화{Solidification of coal fly ash by mixing sulfuric acid}

석탄회는 자체적인 결합 특성이 없으므로 이를 건축 또는 토목재료로 사용하기 위해서는 시멘트, 플라스틱 수지, 아스팔트 등의 결합제(binder)가 요구된다.

따라서, 지금까지의 석탄회 재활용은 시멘트 및 콘크리트의 첨가제, 아스팔트 충진제, 플라스틱 충진제 등으로 소량씩 이용되어 왔다.

본 발명은 석탄회를 구성하는 화학적 성분이 함량의 차이는 있으나, 대략적으로 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, SO₃, MnO 등이 대부분의 비율을 차지하고 있는 것으로부터, 석탄회를 구성하고 있는 화학적 성분의 대부분이 황산과 반응하여 황화물을 형성할 수 있는 특성을 가지고 있으며, 이들 중 특히 Ca 등은 황산과 반응하여 이수석고(CaSO₄·2H₂O)의 형태로 변화되면서 높은 압축 강도를 나타내는 점에 착안하여 황산과 석탄회를 혼합 반응시켜 자체적인 결합력을 유도함으로써 고형화하는 방법의 개발을 목적으로 한다.

본 발명은 석탄화력발전소에서 폐기물로 배출되는 석탄회를 건축 및 토목재로로의 재활용을 위하여 황산으로 고형화 하는 기술 및 이를 성형하여 고강도 고형화물을 제작하는 방법에 관한 것이다.

종래의 석탄회 재활용은 주로 시멘트와 콘크리트의 첨가제, 대체재 등의 부원료로 이용되어 왔으나 그 함량을 크게 증가시킬 경우 강도의 저하가 발생하여 대량 활용이 어려우며, 최근에는 건축 및 토목재료로 이용하기 위한 다양한 형태의 골재를 제조하는 방법이 연구 개발되고 있으나, 이들의 방법은 점토와 혼합하여 고온으로 소성하거나, 수지와 혼합하여 사용하는 충진제 등으로 사용하는데 한정되고 있다. 또한, 대한민국 특허등록번호 특1993-0009663의 건축용 조적재 등의 제조방법이 플라이애쉬에 시멘트 및 모래 대신 화학첨가제 만을 사용하여 조적재를 제작하는 기술이 제안되어 있으나, 조적재의 제작에 필요한 화학제의 종류와 반응시간, 양생 온도 등을 유지하기 위하여 필요한 에너지의 소요 비용에 있어서 비경제적인 요소가 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술과는 달리 석탄회와 황산을 혼합 반응시켜 석탄회 내부에서 황산화물이 형성되는 동안 성형틀에 넣고 가압하여 원하는 형태의 제품을 제작하는 방법으로, 이전의 방법에 비해 첨가물을 획기적으로 감소시키고 석탄회만을 주 원료로 사용하며 고형화를 위해 고온으로 가열해야 하는 소성 ·소결공정을 제외시켜 에너지 비용을 절약하고, 제조시간을 크게 줄여서 단순한 공정으로 경제적이고 신속하게 필요한 제품의 생산이 가능토록 한 석탄회 재활용 방법의 기술적 과제를 이루고자 한다.

본 발명은 석탄회와 황산, 물을 최적 비율로 혼합한 후 적절한 시간 동안 교반을 통하여 반응시키고 이를 몰드에 넣어 가압 ·성형하는 단계로 구성되어 있다. 본 발명에서 사용된 재료는 호남화력에서 발생된 석탄회를 별도의 가공 없이 이용하였다. 발명에서 사용된 석탄회의 종류는 원탄의 종류에 따라 화학적 구성성분이 크게 다르기 때문에 황산고형화의 최적혼합비율과 밀접한 관계가 있으므로 가장 중요한 인자이다.

본 발명의 내용을 좀더 상세히 살펴보면 석탄회의 황산고화를 위해 석탄회 100g당 96%의 황산 50ml와 물 10ml를 가하여 혼합한 후 약 3∼5분간 교반하면서 반응시켜 몰드에 넣고 가압력 20kg/㎠ 이상으로 15분 이상 성형하는 내용에 대한 것이다.

석탄회와 황산, 그리고 물의 최적 혼합비율에 있어서는 원재료로 사용되는 석탄회의 화학적 구성성분과 관련이 있다. 화력발전소에서 배출되는 석탄회의 화학적 구성성분은 각각의 함량에는 다소의 차이가 있으나, 대부분이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, SO₃, MnO 등으로 이루어져 있으며, 기타 P₂O₅, TiO₂등이 미량 함유되어 있기도 한다.

화학적 구성성분 중 SiO₂를 제외한 Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, MnO 등은 황산(H₂SO₄)과 반응하여 황산수화물(Al₂(SO₄)₃·xH₂O, Fe₂(SO₄)₃·xH₂O, CaSO₄·xH₂O, MgSO₄·xH₂O, Na₂(SO₄) ·xH₂O, K₂(SO₄) ·xH₂O, MnSO₄·xH₂O)을 형성하며, 반응조건 또는 주변 환경에 따라 수화( ·xH₂O)되는 물분자의 개수가 바뀐다.

석탄회의 화학적 조성에 따른 최적 혼합비율은 상기한 화학식을 근거로 100g당의 성분 조성 비율에 따라 구하며, 호남화력 석탄회의 경우 황산고화 반응의 완결을 위한 황산의 양은 황산 60ml로 산출되었으나 실험결과 50ml에 물 10ml의 비율로 혼합하여 반응시키는 것이 석탄회와 황산의 반응을 격렬하지 않고 안정하고 상태로 진행시킬 수 있으며, 석탄회의 화학적 조성이 바뀌면 상기의 화학식을 근거로 얻어진 황산의 양과 실험 결과로부터 최적의 석탄회+황산+물의 혼합비를 구한다.

석탄회+황산+물의 혼합물은 혼합 직후 액상의 슬러리 상태를 나타내지만 곧 반응이 시작되면서 열이 발생하고 액상에서 점차로 반고상, 고상의 형태로 변한다. 이를 교반하면서 혼합을 계속하면 약 3∼5분 정도 경과한 후 성형에 적절한 반응상태의 재료가 준비되는데, 이를 즉시 성형몰드에 넣고 20kg/㎠의 압력으로 가압을 시작하여 15분 이상 경과하면 압력을 내리고 탈형하면 제품이 완성된다. 이렇게 성형된 제품은 400kgf/㎠의 압축강도를 나타내며 시간이 경과할수록 강도가 증가하는 경향을 나타내므로 건축, 토목재료로의 활용성이 높다.

[실시예]

호남화력에서 입수한 석탄회 100g당 96%의 황산 50ml와 물10ml를 동시에 넣고 3분간 잘 혼합하였다. 준비된 혼합재료를 몰드에 넣고 20kg/㎠으로 15분간 가압한 후 탈형하여 성형체를 제작하였다.

본 발명은 화력발전소에서 폐기물로 배출되는 석탄회에 대하여 별도의 가공공정이 필요치 않고 석탄회를 주원료로 하여 황산과 물을 혼합한 후 가압 ·성형하는 단순한 공정으로 짧은 시간에 고강도의 성형체를 제작하는 것이 가능하므로 폐기물의 재활용을 통한 자연자원의 절약, 환경보전 뿐만 아니라 공사비의 절감을 통한 다양한 경계적 효과가 기대된다.

Claims (2)

1. 호남화력 석탄회 100g당 황산 50ml, 물 10ml의 비율로 혼합하여 3∼5분간 반응시킨 후 15분간 20kg/㎠의 압력으로 성형체를 제조하는 방법
2. 석탄회를 황산 및 물과 혼합하여 반응시킨 후 가압하여 성형체를 제작하는 고형화 방법