KR20100035589A - 바닥재 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바닥재 처리방법에 관한 것으로, 이는 바닥재가 저장되어 있는 펀드(pond)의 위치에 따라 고정탄소의 함유량이 매우 다양하며 고정탄소의 함유량이 증가함에 따라 부유선별 시 선별되는 고정탄소의 제거율이 증가하기 때문에 이를 이용하는 방법이다. 이를 위해 본 발명은, 고정탄소 함유량이 10w/w.%이상 차이가 나는 제1 펀드바닥재와 제2 펀드바닥재를 건조, 혼합 및 분쇄하는 단계와; 상기 건조, 혼합 및 분쇄단계를 거친 바닥재에 물과 공기를 주입하는 주입단계와; 상기 주입단계를 거쳐 산소가 주입된 상기 바닥재를 부유선별기에서 반응시켜 선별하는 선별단계;로 구성되는 것을 특징으로 하여, 바닥재에 포함되어 있는 고정탄소의 제거율을 향상시킬 수 있으므로 태운재의 재활용성을 가능하도록 한다.
화력발전소 바닥재, 부유선별, 고정탄소
Description
본 발명은 바닥재 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바닥재에 함유되어 있는 고정탄소량이 증가함에 따라 부유선별 시 선별되는 고정탄소의 제거율이 증가하는 원리를 사용한 바닥재 처리방법에 관한 것이다.
석탄회는 보통 발생되는 위치에 따라 크게 fly ash(비산재)와 bottom ash(바닥재)로 나누어지며 2001년 기준 약 490만톤 발생하였다. 이 중에서 bottom ash는 발전소 보일러의 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지는 재로 일반적으로 그 입경은 1-2.5mm 정도로 전체 발생 석탄회의 약 20%를 차지하고 있다. 발생된 바닥재는 보일러 하부에 모여 그라인더(grinder) 분쇄 후 애쉬 트랜스퍼 탱크(ash transfer tank)에 보내지고 대부분은 애쉬 펀드(ash pond)에 버려지게 된다. 이 중 발생량의 약 80%를 차지하고 있는 플라이 애쉬(fly ash)는 미분으로 구형이며 고온에서 급냉됨에 따라 잠재 수경성 등을 가지고 있는 등 그 특유의 성질을 이용하여 혼화재, 시멘트 원료등 여러 분야에 활용되 어 2001년 발생량의 약 80% 정도가 재활용 되고 있으며, 현재에도 제올라이트 합성 등 고부가가치의 재활용 용도의 개발이 진행되는 등 그 용도가 확대될 것으로 기대된다. 반면에 바닥재의 국내 재활용은 거의 전무한 실정이다.
표 1은 국내 석탄회 재활용 현황을 나타낸 것이다. 표 1에서와 같이 석탄회를 비산재와 바닥재로 구분하여 그 재활용 현황을 살펴보면 석탄회의 재활용은 비산재가 주도하고 있으며, 바닥재의 재활용은 거의 전무함을 알 수 있다. 국내 바닥재는 일반 산업 폐기물로 분류되어 보통 단순한 매립을 통하여 폐기처분되는데, 주로 해양 매립되고 있다. 이러한 회사장에 의한 매립 처분은 막대한 처리비용과 토양 환경 오염 등의 여러 가지 문제점을 야기하고 있다.
<표 1. 국내 석탄회 재활용 현황>
| 항목 | 석탄회 | 년도 (단위:천톤) | |||
| 98 | 99 | 00 | 01 | ||
| 발생량 | 비산재 | 2,930 | 3,160 | 3,350 | 3,930 |
| 바닥재 | 730 | 790 | 890 | 980 | |
| 재활용량 | 비산재 | 1,170(39.9%) | 1,670(52.8%) | 2,420(72.2%) | 3,100(79%) |
| 바닥재 | - | - | - | - | |
여러 연구결과와 논문 발표를 통해 바닥재의 화학조성은 비산재와 거의 비슷한 조성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 바닥재의 재활용률이 매우 낮은 것은 발전소의 연료가 되는 석탄의 품질 및 종류에 따라 발생되는 바닥재의 성상, 화학조성 등이 불균질하고, 이를 처분하기 위한 주요 수단인 애쉬 펀드에 바닥재가 저장되는 시간과 애쉬 펀드의 위치에 따라 그 성상이 변화하여 최종 재활용 용도에서의 안정적인 품질 확보가 어렵기 때문이다.
국내와는 달리 유럽 등에서는 발전소 바닥재의 재활용률이 40-60%를 차지하고 있는데, 그 주요 용도는 비산재와 크게 다르지 않다. 비산재의 재활용 용도가 잠재수경성, 화학조성 등 그 화학적 성질에 의해 좌우되는 것과는 달리 바닥재의 재활용 용도는 입도, 형상 등 그 물리적 성질과 불순물의 함유량에 크게 영향을 받는다. 유럽의 바닥재 주요 용도는 블록 제조, 도로 재료 등 골재로서의 활용, 충진재, 혼화재, 시멘트 원료 등으로 특히, 골재로서의 활용성이 높은 편이다. 또한, 제올라이트 합성 등 고부가가치로의 용도개발도 확대해 나가고 있기 때문에 향후 바닥재의 재활용률 및 부가가치 향상이 기대되고 있다.
표 2는 유럽 등 바닥재의 활용량이 국내에 비해 상대적으로 높은 국가의 재활용 용도에 따른 문제점과 이의 해결을 위한 요소 기술을 나열한 것으로, 앞서 언급한 바와 같이 재활용 시 문제점은 바닥재의 성상 및 조성 등 주요 특성이 안정적이지 않음에 기인하며 선별, 분리, 입형 개선, 분쇄 등의 기술을 통해 해결이 가능할 것으로 기대된다.
<표 2. 발전소 바닥재의 활용 가능 용도별 문제점>
| 용도 | 주요 문제점 | 해결방안 |
| 골재 활용 | 성상 및 형상 불균일 | 선별, 분리, 입형 개선 |
| 혼화재 | 화학적 반응성 낮음 미연탄소 FeS2의 함유량 | 정제, 선별 |
| 시멘트 원료 | 입도 감소 필요, 염분 | 분쇄/탈염 또는 Cl성분의 활용 |
| 제올라이트 | 조성 및 성상 불균일 | 정제, 선별 |
| 필러제조 | 형상, 입도 | 입형 및 표면특성개선, 분급 |
특히, 비산재와 비교해 볼 때, 바닥재가 넓은 입도 분포를 가지고 있으며 동일한 입도에서는 다양한 형태와, 비중 등 물리적 성질이 현저히 다른 물질로 구성되어 있어 균일화할 수 있는 정제, 선별, 분리 등 체계적인 전처리 기술이 필수적으로 요구된다. 많은 국가 및 민간 프로젝트를 통해, 골재, 혼화재 등의 용도 개발에도 불구하고 상용화사례가 거의 전무한 국내 현실을 고려해 볼 때, 각 용도개발에 앞서 효과적인 전처리 기술 개발이 시급히 필요하다고 할 수 있겠다.
바닥재를 재활용하기 위해서는 바닥재의 전처리가 필요하다. 전처리란 바닥재에 함유되어 있는 염분과 FeS2, 미연탄소 등 불순물을 제거하는 공정을 말한다. 공정은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
수세 처리 공정 : 염분을 제거하는 처리 공정으로 염분 대부분이 가용성 염화물 일 때 처리의 효율이 뛰어나다. 공정을 매우 단순하게 할 수 있으며 처리 시간이 매우 짧다. 하지만 염분을 함유하고 있는 처리수의 2차 처리가 필요한 단점이 있다.
부침 처리 공정 : 사염화탄소와 디브로모메탄을 섞은 용액에 바닥재를 투입하여 그 비중차에 의해 바닥재를 분리 선별하는 공정이다. 이 실험의 결과로 cleanability가 결정되고 부유선별이나 hindered settling 분리 선별기 등을 이용하여 분순물을 분리 할 경우에 분리의 정보를 제공한다.
부유선별 처리 공정 : 기포제와 응집제가 들어간 용액에 바닥재를 투입하고 선택적으로 불순물을 선별하는 공정이다. 불순물의 종류에 따라 기포제와 응집제의 종류를 바꿔 사용함으로써 불순물을 선택적으로 분리할 수 있다. 특히 고정탄소의 분리에 효과가 크다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고정탄소의 함유량이 증가함에 따라 부유선별 시 선별되는 고정탄소의 제거율이 증가되는 원리를 사용한 바닥재 처리방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고정탄소 함유량이 10w/w.%이상 차이가 나는 제1 펀드바닥재와 제2 펀드바닥재를 건조, 혼합 및 분쇄하는 단계와; 상기 건조, 혼합 및 분쇄단계를 거친 바닥재에 물과 공기를 주입하는 주입단계와; 상기 주입단계를 거쳐 산소가 주입된 상기 바닥재를 부유선별기에서 반응시켜 선별하는 선별단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 제1 펀드바닥재의 고정탄소 함유량은 1w/w.% 내지 10w/w.%이고, 상기 건조시간은 12~48시간이고 건조온도는 25~75℃이고, 상기 분쇄된 바닥재의 분쇄 입도는 0.075mm 이하이며, 상기 물에는 MIBC(methylisobutylcarbinol) 및 케로 신(kerosine)이 용해되어 있는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 바닥재 처리방법은 고정탄소 함유량이 상이한 바닥재를 혼합한 다음, 선별 반응시킴으로써 바닥재에 포함되어 있는 고정탄소의 제거율을 향상시킬 수 있으므로 태운재의 재활용을 가능하도록 한다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바닥재 처리방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 바닥재 처리방법은 펀드에 저장되어 있는 각 위치의 화력발전소 제1 펀드바닥재 및 제2 펀드바닥재를 건조, 혼합 및 분쇄하는 건조, 혼합 및 분쇄단계(건조, 혼합과 분쇄의 순서는 변화할 수 있으며 특히 혼합과 분쇄는 동시에 이루어질 수도 있음)와, 건조, 혼합 및 분쇄단계를 거친 바닥재에 물을 첨가하고 그 물을 함유하는 바닥재를 부유선별기에 넣고 공기를 주입하는 주입단계(물과 공기의 주입 순서는 바뀔 수 있음)와, 주입단계를 거쳐 산소 및 물을 함유한 바닥재를 상기 부유선별기에서 반응시켜 선별하는 선별단계로 구성된다.
건조는 25~75℃의 건조기에 12~48시간 동안 수행될 수 있다.
처리대상인 바닥재로는 고정탄소의 함유량이 10w/w.% 이상 차이 나는 2가지 이상의 바닥재(예로써 제1 펀드바닥재 및 제2 펀드바닥재)를 사용한다. 고정탄소 함유량의 차이는 클수록 좋은데, 예를 들어 10w/w.% 내지 40w/w.%일 수 있다. 또한 함유량이 낮은 바닥재의 고정탄소 함유량은 1w/w.% 내지 10w/w.%일 수 있다.
첨가되는 물은 바닥재에 대하여 질량비로 10배 내지 30배이며, 약 20배일 수 있다. 첨가되는 물은 MIBC와 케로신을 포함할 수 있다. MIBC는 기포제 역할을 하며, 케로신은 MIBC에 의해 발생된 공기방울 표면에 고정탄소를 흡착하기 위한 포집제 역할을 수행한다.
MIBC의 함유량은 0.002w/w.% 내지 0.015w/w.%이며, 0.008w/w.%일 수 있다. 케로신은 0.02w/w.% 내지 0.1w/w.%이며, 0.05w/w.%일 수 있다. 공기는 0.5~1.5L/min로 주입할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
펀드의 각 위치에서 취한 바닥재 시료1과 시료2 시료3은 표 3에서와 같이 고정탄소의 함유량은 각각 2.73w/w.%, 7.01w/w.%, 18.89w/w.%를 나타냈으며 시료1, 시료2, 시료3을 혼합하여 시료4를 동일량으로 만들었으며 고정탄소의 함유량은 10.49w/w.% 였다. 모든 시료의 광물조성과 형상은 같았으며, 광물의 조성은 도 1에서와 같이 멀라이트(3Al2O3ㆍ2SiO2), 석영(SiO2), 방해석(CaCO3), 강옥(Al2O3) 그리고 고정탄소로 이루어져 있으며, 형상은 도 2에서와 같이 원형을 띈 석영과 방해석이 관찰되며 멀라이트와 고정탄소등과 같은 괴형이 관찰되었다.
<표 3. 각 시료별 고정탄소의 함유량>
| w/w.% | 시료1 | 시료2 | 시료3 | 시료4 |
| 고정탄소 | 2.73 | 7.01 | 18.89 | 10.49 |
상기된 단계 중 주입단계의 부유선별기는 도 3과 같으며, MIBC와 케로신이 함유된 물과 바닥재를 20:1로 하여 10분간 500RPM으로 교반한 후 feeding 기를 통해 부유선별기 A부분에 투입 된 후 부유선별기에 산소를 투입하여 고정탄소를 B부분으로 밀어 넣어 분리한다.
도 4는 시료1과2 그리고 시료4를 대상으로 부유선별을 통해 고정탄소를 제거하였을 때 부유선별 반응 시간에 따른 고정탄소제거율을 나타낸 것으로, 처음 고정탄소의 함유량이 10w/w.%미만인 시료1과 시료2을 반응시켰을 때 반응시간 5-10초 사이에 급격하게 고정탄소 제거율이 증가하였으나 10초 이후에는 변화하지 않았으며 제거율은 각각 약 9%와 68%로 나타났다.
하지만 시료1과 시료2에 고정탄소 함유량이 18.89w/w.%인 시료3을 혼합하여 10.49w/w.% 함유량을 가진 시료4를 제조하였으며 부유선별 처리 한 결과 도 4에서 나타난 것과 같이 반응시간 10초 미만에 급격하게 고정탄소 제거율이 증가하였으며 제거율은 약 81%로 나타나 시료1과 시료2에 비해 높은 제거율을 보였다.
표 4는 시료 1과 2, 4에 대해 부유선별 전과 부유선별 후의 고정탄소 함유량을 나타낸 것이다. 시료1의 경우 부유선별을 했음에도 불구하고 원래 함유한 함량의 2.73w/w.%보다 약간 낮은 수치인 2.48w/w.%를 보여 제거효율이 매우 나빴으며, 시료2의 경우 시료1에 비해 함유량이 3배 높은 7.01w/w.%의 값은 2.2w/w.%로 낮아져 고정탄소 함유량과 제거율에는 비례관계가 성립함을 알 수 있었다. 따라서 시료1과 시료2에 시료3을 첨가하여 10.49w/w.%의 함유량가진 시료4를 만들어 부유선별 한 결과 2.0w/w.%까지 낮아져 세 개의 시료 중 가장 낮은 함유량을 보였다. 이러한 결과를 통해 함유량이 낮은 시료의 경우 부유선별 시 선별률이 낮기 때문에 함유량이 높은 시료와 적절히 혼합하여 함유량을 높인다면 선별률을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
<표 4. 화력발전소 바닥재의 부유선별 전과 후의 고정탄소 함유량>
| w/w.% | 시료1 | 시료2 | 시료4 | |
| 고정탄소 | 부유선별 전 | 2.73 | 7.01 | 10.49 |
| 부유선별 후 | 2.48 | 2.2 | 2.0 | |
도 1은 바닥재의 광물조성을 도시한 그래프.
도 2는 바닥재 입자들의 형상을 도시한 사진.
도 3은 본 발명에 따른 고정탄소 함유량의 조절 후 부유선별을 통해 태운재의 고정탄소 제거 효율을 높이는 방법의 처리 공정도.
도 4는 부유선별을 통해 고정탄소를 제거하였을 때 부유선별 반응 시간에 따른 고정탄소제거율을 도시한 그래프.
Claims (5)
- 고정탄소 함유량이 10w/w.%이상 차이가 나는 제1 펀드바닥재와 제2 펀드바닥재를 건조, 혼합 및 분쇄하는 단계와;상기 건조, 혼합 및 분쇄단계를 거친 바닥재에 물과 공기를 주입하는 주입단계와;상기 주입단계를 거쳐 산소가 주입된 상기 바닥재를 부유선별기에서 반응시켜 선별하는 선별단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 바닥재 처리방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 펀드바닥재의 고정탄소 함유량은 1w/w.% 내지 10w/w.%인 것을 특징으로 하는 바닥재 처리방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 건조시간은 12~48시간이고 건조온도는 25~75℃인 것을 특징으로 하는 바닥재 처리방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 분쇄된 바닥재의 분쇄 입도는 0.075mm 이하인 것을 특징으로 하는 바닥재 처리방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 물에는 MIBC(methylisobutylcarbinol) 및 케로신(kerosine)이 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 바닥재 처리방법.
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