KR20110109706A

KR20110109706A - 석탄회를 함유한 인공 경량 골재의 제조방법

Info

Publication number: KR20110109706A
Application number: KR20100029551A
Authority: KR
Inventors: 이강훈
Original assignee: (주)쎄라그린
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06

Abstract

본 발명은 석탄회를 함유한 인공 경량 골재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 석탄회를 함유하면서도 미연탄소 함유량이 5% 미만인 인공 경량 골재의 제조방법 및 그로부터 생산된 인공 경량 골재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인공 경량 골재의 제조방법에 의하면, 소성단계 전에 로타리로타리 이용한 건조 단계를 추가함으로써 성형체 내에 탄소를 충분히 제거 시킴으로써, 매립 석탄회를 이용하면서도, 탄소 함유량이 5% 미만인 인공 경량 골재의 제조가 가능하다.

Description

석탄회를 함유한 인공 경량 골재의 제조방법{Method for Manufacturing Lightweight Aggregate Containing Ash}

본 발명은 석탄회를 함유한 인공 경량 골재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 석탄회를 함유하면서도 미연탄소 함유량이 5% 미만인 인공 경량 골재의 제조방법 및 그로부터 생산된 인공 경량 골재에 관한 것이다.

일반적으로 석탄을 원료로 하여 발전하는 화력발전플랜트는 석탄의 연소효과를 높이기 위해 석탄을 소정의 크기로 분쇄, 즉 미분탄을 제조하여 보일러에 공급하여 연소시킴과 동시에, 고온 고압의 수증기를 생산한 후에 생성된 수증기를 증기터빈에 공급함으로써 발전을 하게 된다. 특히, 석탄에는 통상적으로 2~15% 정도의 불연성 회분, 즉 석탄회가 함유되어 있다. 이에, 미분탄을 보일러에 공급하면, 미분탄의 대략 20%에 함유된 석탄회는 고온의 연소열에 의해 용융되며, 여러 입자가 응결되어 보일러의 하부로 배출되고, 미분탄의 80%는 각 입자별로 연소되어 연소가스 흐름에 따라 비산하여 비산된 미분탄에 함유된 석탄회는 전기집진기 등과 같은 집진 장치에 포집된다.

이러한, 보일러의 하부로 배출되는 석탄회는 바텀애쉬(bottom ash, 저회)라고 불리우며, 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며, 입경은 1~5mm 정도로, 보일러 하부에 모여 분쇄기(grinder)로 분쇄된 다음, 애쉬 이송탱크로 보내지고 대부분은 애쉬 매립장에 버려진다. 바텀애쉬는 입자의 크기와 분포가 일정하지 않고, 품질이 좋지 않기 때문에 바다에 방파제를 구축한 후 전량 매립하고 있다.

또한, 유동층 보일러로부터 비산하여 전기집진기에서 포집되어 배출되는 석탄회는 플라이애쉬(fly ash, 비회)로 절탄기나 공기 예열기 아래 호퍼, 전기집진기에 의하여 집진되어 집진기 하부 호퍼에 모이는 애쉬를 일컬으며, 절안기나 공기 예열기 아래에 있는 호퍼에 모이는 애쉬의 입경은 탄종이나 연소조건에 따라 다르나 발생되는 석탄회의 75~80% 정도로 대부분 재활용되고 있으며, 재활용 되지 않는 플라이 애쉬는 바텀애쉬와 마찬가지로 이송탱크로 보내져 애쉬 매립장에 버려지게 된다.

이렇듯, 미연탄소 함량이 5% 미만인 석탄회는 대부분 재활용 되고 있으나, 5% 이상인 석탄회는 재활용되지 못하고 거의 매립 처분되고 있는 실정이다. 따라서 이렇게 매립되는 바텀애쉬, 플라이애쉬를 비롯한 석탄회를 재활용하는 방안이 필요하다.

이에 본 발명자들은, 상기 매립되는 석탄회를 재활용하고자 연구 및 노력한 결과, 미연탄소를 5% 미만의 수준으로 제거하는 기술을 개발하여, 미연탄소 감량을 위한 별도의 첨가제를 혼합하지 않고서도, 미연탄소 5% 이상의 석탄회만으로 인공 경량 골재를 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 화력발전소에서 수득한 석탄회를 이용하여 인공 경량 골재를 제조하되, 소성 단계전에 건조된 성형체를 로타리 킬른에서 하소시키는 단계를 포함하는 인공경량 골재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조되고, 석탄회로 구성된 인공 경량 골재를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 화력발전소에서 수득한 미연 탄소 함량이 5 ~ 25%인 석탄회 100중량부에 대하여, 바인더 1 ~ 5중량부를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 압출 성형하고, 절단한 다음 성형하거나, 상기 혼합물을 펠레타이저에서 구형으로 성형하는 단계; (c) 상기 성형체를 로타리 건조로를 이용하여 150 ~ 300℃에서 30 ~ 60분동안 건조시키는 단계; (d) 상기 건조된 성형체를 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 1 ~ 70분동안 하소시키는 단계; 및 (e) 상기 성형체를 1150 ~ 1200℃에서 30 ~ 60분 동안 소성하는 단계를 포함하는 석탄회를 함유한 인공경량 골재의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되고, 석탄회로 구성된 인공 경량 골재를 제공한다.

본 발명에 따른 인공 경량 골재의 제조방법에 의하면, 소성단계 전에 로타리 킬른을 이용한 하소 단계를 추가함으로써 성형체 내에 탄소를 충분히 제거 시킴으로써, 매립 석탄회를 이용하면서도, 탄소 함유량이 5% 미만인 인공 경량 골재의 제조가 가능하다.

도 1은 일반적으로 알려진 인공 경량 골재의 제조방법에 따라 제조된 인공 경량 골재의 단면(A)과 본 발명의 방법에 따라 제조된 인공 경량 골재의 단면(B)을 비교한 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적인 경량 골재 제조 공정은 원료 분말 -> 성형 -> 건조 -> 소성의 4단계를 거쳐 경량 골재의 제조가 가능하다. 미세한 원료분말을 사용함으로써 비표면적을 증대시켜 성형을 가능케 하고, 원료분말에 물과 소량의 결합제를 첨가시켜 원하는 성형체를 얻고, 이러한 성형체를 건조시킨 후 로타리 킬른에서 고온의 소성을 통해 경량 골재를 제조하는 것이다. 이러한 완제품의 경량골재의 경우 탄소 함유량이 5%미만이어야 하지만, 미연탄소가 5% 이상인 매립 석탄회를 이용한 완제품 골재의 경우 탄소 함유량이 5%이상이 되므로, 탄소의 함유량이 높아 KS규격을 벗어나게 된다. 따라서 미연탄소 함유량을 5% 미만로 제거하는 기술이 필요하다.

따라서, 본 발명은, 일반적인 경량 골재 제조 공정인 원료 분말 -> 성형 -> 건조 ->소성 단계 중 소성 바로 전 단계에서 하소 로타리 킬른을 통해 탄소를 충분히 제거 시키고, 이 후 탄소가 충분히 제거된 성형체를 로타리킬른 에서 소성하면, 탄소 함유량이 5%미만인 경량 골재를 제조한 것이다. 즉, 원료 분말 -> 성형 -> 건조 -> 하소 로타리 킬른(전기식) -> 소성 공정으로 5단계의 공정이 진행이 된다. 일반적인 경량 골재 제조 공정에서 하소 로타리 킬른(전기식) 기술을 공정에 추가함으로써, KS규격 2534를 만족시키는 경량 골재 제조가 가능하다.

본 발명은, 일 관점에서, (a) 화력발전소에서 수득한 미연 탄소 함량이 5 ~ 25%인 석탄회 100중량부에 대하여, 바인더 1 ~ 5중량부를 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 압출 성형하고, 절단한 다음 성형하거나, 상기 혼합물을 펠레타이저(pelletizer)에서 구형으로 성형하는 단계; (c) 상기 성형체를 로타리 건조로를 이용하여 150 ~ 300℃에서 30 ~ 60분동안 건조시키는 단계; (d) 상기 건조된 성형체를 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 1 ~ 70분동안 하소시키는 단계; 및 (e) 상기 성형체를 1150 ~ 1200℃에서 30~ 60분 동안 소성하는 단계를 포함하는, 석탄회를 함유한 인공 경량 골재용 조성물, 즉, 인공 경량 골재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 석탄회는 미연 탄소가 5% 이상 함유된 석탄회라면 제한없이 모두 적용가능하다. 예컨대, 잔사회, 비회, 저회, 구체적으로, 유연탄 화력발전소에서 발생하는 잔사회, 비회, 저회, 매립회, 무연탄 화력발전소에서 발생하는 석탄회, 유동층 보일러를 사용하는 발전소에서 발생하는 비회, 열병합 발전소에서 발생하는 비회, 저회 등이 여기에 포함될 수 있으며, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 여기서, 잔사회는 비회 중 미연탄소 함량이 5% 이상인 것을 의미한다.

일반적으로, 유연탄 화력발전소에서 발생하는 석탄회의 경우, 미연 탄소 함량 10% 미만이고, 무연탄 화력발전소, 유동층 보일러를 사용하는 발전소에서 발생하는 석탄회, 열병합 발전소에서 발생하는 석탄회 등은 미연탄소 함량이 10% 이상이 대부분이다.

본 발명에 있어서, 상기 바인더는 점결기능을 하는 것으로, 덱스트린, PVA (polyvinyl acetate) 또는 당밀이 사용가능하며, 이들의 혼합물 형태로 사용가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 바인더는 미연탄소 5~10% 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 석탄회 100중량부에 대하여 1~2중량부 혼합될 수 있다. 또한, 미연탄소 10% 초과 20% 미만이 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 석탄회 100중량부에 대하여 2~3중량부 혼합될 수 있으며, 미연탄소 20% 이상이 함유된 석탄회, 예컨대 20~25% 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 3~5중량부 혼합할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 압출 성형하고, 절단한 다음 성형하거나; 상기 혼합물을 펠레타이저(pelletizer)에서 물을 첨가하여 구형으로 성형할 수 있으며, 물의 첨가량은 혼합물에 100중량부에 대하여 10~30중량부 일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (d)단계의 하소 시간은, 석탄회의 미연 탄소 함량에 따라 상이하며, 예컨데, 미연탄소 5~10% 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 1 내지 8분동안 로타리 킬른에서 하소를 수행하며, 또한, 미연탄소 10% 초과 20% 미만이 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 15 내지 25분동안 로타리 킬른에서 하소를 수행하며, 미연탄소 20% 이상이 함유된 석탄회, 예컨대 20~25% 함유된 석탄회와 혼합할 경우, 50 내지 70분동안 로타리 킬른에서 하소를 수행할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계에 있어서, 상기 로타리 건조로는 로타리식 건조기로써, 회전가능한 드럼을 가지는 건조로를 의미하며, 연료식 또는 전기식 로타리 건조로일 수 있으나, 통상의 경우는, 소성 로타리 킬른에서 배출되는 배기가스를 이용하여 건조하며, 건조로 내부에 앵커가 설치되어 있어 성형체를 뒤집어 줌으로써 건조 효율을 높인다.

상기 (d)단계에 있어서, 사용되는 로타리 킬른은 하소 로타리 킬른으로, 전기식 로타리 킬른을 사용한다.

본 발명에 있어서, 상기 (d)단계에 있어서, 중유 등의 연료 사용하는 로타리 킬른 내부는 배기가스 배출로 인한 O₂의 부족으로 중성 또는 환원 분위기가 형성되어, 효과적으로 탄소를 제거하기 어렵다. 반면, 전기식 로타리 킬른 사용시 배기가스가 배출되지 않아 O₂의 양이 충분하여 로타리 킬른 내부에 산화분위기가 형성되어 탄소의 연소가 가능하다. 또한, 중유 등의 연료를 사용하는 로타리 킬른의 내부는 반응에 의해, 발열반응을 보이므로 고른 온도분포를 갖지 못하지만, 전기식 로타리 킬른 사용시 로타리 킬른 내부 전역에 걸쳐 고른 온도 분포를 갖게 된다. 따라서, 전기식 로타리 킬른을 사용하여 효과적으로 미연탄소의 제거가 가능하므로, 상기 (d)단계에서는, 석탄회에 함유된 미연 탄소를 제거하기 위하여, 전기식 로타리 킬른을 사용한다.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 제조방법으로 제조되고, 석탄회로 구성되는 인공 경량 골재에 관한 것이다. 여기서, 상기 인공 경량 골재는 미연탄소 5% 미만의 함량을 가진 경량 골재 조성물로써, 상기 석탄회는 저회 또는 비회 등일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

화력발전소에서 수득한 매립 석탄회의 화학조성 분석

각 화력발전소에서 얻은 석탄회의 화학성분을 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometry)로 측정한 결과, 아래 표 1과 같았다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 화력발전소에서 얻어진 석탄회들은 LOI(Loss On Ignition, 강열감량) 값이 커서, 이들 그대로를 인공경량 골재용 조성물로 제조할 경우, 미연탄소 5% 미만의 인공 경량 골재 조성물을 만들기가 어렵다. 참고로, 강열감량은 석탄회를 용기에 담아 노 내에서 일정 온도의 고온으로 감량이 될 때까지 강열시키면 화학결합수를 제외한 미연탄소 (C, CO) 또는 황(S)의 양이 줄어들게 되며, 이때의 감소량을 원시료에 대한 백분율(%)나타낸 것을 의미한다. 강열감량은 미연탄소 함량에 따라 큰 영향을 받아 강열 감량과 미연탄소 함량은 거의 같은 뜻으로 사용되고 있다.

본 발명에 따른 인공 경량 골재의 제조

비교예로써, 일반적인 인공 경량 골재의 제조방법으로 제조한 것으로, 비교예 1 내지 비교예 5는 화력발전소로부터 얻은 석탄회 100중량부에 대하여, 물 20중량부, 바인더로 당밀 1중량부를 혼합하였다. 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 1차 성형하고, 경량 골재의 입도분포에 맞게 절단하여 둥근 모양으로 2차 성형하였다. 상기 성형체를 로타리 킬른을 통해 150 내지 300℃에서 30분 내지 60분동안 건조시킨 다음, 상기 건조된 성형체를 1150 내지 1200℃에서 10분 동안 소성한 것으로, 여기서, 비교예 1 내지 비교예 5는 상기 소성단계에서의 온도가 각각 1150℃, 1200℃, 1225℃, 1250℃, 및 1275℃에서 10분동안 소성하였다.

본 발명에 따른 인공경량 골재용 조성물을 제조하기 위하여, 석탄회 100중량부에 대하여, 물 20중량부, 바인더로 당밀 1 중량부를 혼합하였다. 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 1차 성형하고, 경량 골재의 입도분포에 맞게 절단하여 둥근 모양으로 2차 성형하였다. 상기 성형체를 로타리 킬른을 통해 150 내지 300℃에서 30분 내지 60분동안 건조시키고, 상기 건조된 성형체를 로타리 킬른(rotary kiln)에 800℃에서 하소 시킨 다음, 상기 건조된 성형체를 1150 내지 1200℃에서 소성하였다. 여기서, 실험예 1은 상기 하소 단계에 있어서, 800℃에서 13분동안 추가 건조하고, 1200℃에서 10분동안 소성하였고, 실험예 2는 800℃에서 15분동안 추가 건조하고, 1225℃에서 10분동안 소성하였고, 실험예 3은 800℃에서 17분동안 추가 건조하고, 1250℃에서 10분동안 소성하였고, 실험예 4는 800℃에서 19분동안 추가 건조하고, 1275℃에서 10분동안 소성하였다.

상기와 같이 제조된 인공 경량 골재의 비교예 1 및 실험예 1의 단면을 나타낸 사진은 도 1과 같았다. 도 1에 나타난 바와 같이, 비교예 1과는 달리, 실험예 1의 경우는 미연탄소 함량이 적으면서도 KS F 2534 규격을 만족하는 우수한 품질의 인공 경량골재 제작이 가능하였다.

인공 경량 골재의 부피비중, 흡수율 및 강열 감량 비교

부피비중, 흡수율은 KS L KS L 3114법으로 측정하였으며, 강열감량은 상기 제조된 인공경량골재를 분쇄하여 10g을 측량하여 전기로에서 승온속도 5℃/분으로 1000℃까지 승온시키고 유지하였다.

상기 실시예 2에서 제조된 비교예 1 내지 5의 부피 비중, 흡수율 및 강열감량을 비교한 결과, 모두 강열감량이 6~8%인 것으로 나타났다.

	부피 비중	흡수율	강열 감량
비교예 1	1.35	25.62	6~8%
비교예 2	1.33	22.71
비교예 3	1.32	22.39
비교예 4	1.24	28.46
비교예 5	1.16	25.78

상기 실시예 2에서 제조된 실험예 1 내지 4의 부피 비중, 흡수율 및 강열감량을 비교한 결과, 모두 강열감량이 0.2~0.8%인 것으로 나타나, 상기 비교예 1 내지 비교예 5에 비해 부피비중이나 흡수율면에서 비슷한 수준을 유지하면서도, 강열감량이 0.2~0.8%인 것으로 나타나, KS F 2534 규격을 만족하는 우수한 물성의 인공 경량 골재를 제조할 수 있었다.

	부피 비중	흡수율	강열 감량
실험예 1	1.34	22.99	0.2~0.8%
실험예 2	1.31	14.26
실험예 3	1.27	17.85
실험예 4	1.43	22.67

부호없음

Claims

다음의 단계를 포함하는, 석탄회를 함유한 인공 경량 골재의 제조방법:
(a) 화력발전소에서 수득한 미연 탄소 함량이 5 ~ 25%인 석탄회 100중량부에 대하여, 바인더 1 ~ 5중량부를 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 압출 성형기를 이용하여 압출 성형하고, 절단한 다음 성형하거나, 상기 혼합물을 펠레타이저에서 구형으로 성형하는 단계;
(c) 상기 성형체를 로타리 건조로를 이용하여 150 ~ 300℃에서 30 ~ 60분동안 건조시키는 단계;
(d) 상기 건조된 성형체를 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 1 ~ 70분동안 하소시키는 단계; 및
(e) 상기 성형체를 1150 ~ 1200℃에서 30 ~ 60분동안 소성하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 석탄회는 유연탄 화력발전소에서 발생하는 잔사회, 유연탄 화력발전소에서 발생하는 저회, 유연탄 화력발전소에서 발생하는 매립회, 무연탄 화력발전소에서 발생하는 석탄회, 유동층 보일러를 사용하는 발전소에서 발생하는 비회, 열병합 발전소에서 발생하는 비회, 열병합 발전소에서 발생하는 저회 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 바인더는 덱스트린, PVA (polyvinyl acetate) 및 당밀로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 미연 탄소 함량이 5 ~ 10%인 석탄회 100중량부에 대하여 바인더 1 ~ 2중량부를 혼합하고, 상기 (d) 단계는 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 1 ~ 8분동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 미연 탄소 함량이 10% 초과 20% 미만인 석탄회 100중량부에 대하여 바인더 2 ~ 3중량부를 혼합하고, 상기 (d) 단계는 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 15 ~ 25분동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 미연 탄소 함량이 20 ~ 25%인 석탄회 100중량부에 대하여 바인더 3 ~ 5중량부를 혼합하고, 상기 (d) 단계는 로타리 킬른(rotary kiln)에서 750 ~ 800℃로 50 ~ 70분동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 로타리 킬른은 전기식 로타리 킬른인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고, 미연탄소 함량이 5% 미만인, 석탄회로 구성된 인공 경량 골재.
제8항에 있어서, 상기 석탄회는 저회 및 비회로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 조성물.