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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 콘크리트용 혼화재로 이용 가능한 10 um 이하의 왕겨재 미세 분체를 효과적으로 생산하는 방법을 구명하기 위하여 실용화를 위한 초미세 분쇄기로서 비교적 장치가 간단한 연속형 습식 교반볼밀 분쇄시스템을 구성한 후, 주요 작동인자인 분쇄시간, 교반속도 혼합율에 대한요인 실험을 수행하여 작동인자가 분쇄에너지 효율과 분 체 입도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
- 본 연구는 수도작 부산물인 왕겨를 소각하여 에너지 회수를 한 후, 왕겨재를 콘크리트용 혼화재로 이용하기 위해 10 nm 이하의 왕겨재 미세분체를 효과적으로 생산하는 방법을 구명하고자 실용화를 위한 초미세 분쇄기로서는 비교적 장치가 간단한 연속형 습식 교반볼밀(wet type stirred ball mill)을 선택하고 주요 작동인자가 분쇄에너지 효율과 분체입도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 주요 작동인자는 분쇄시간(15, 30, 45 min), 임펠러 회전속도(250, 500, 750 rpm), 혼합율 (6.
- 50 g/min)가 부착되어 있으며, 혼합탱크에는 분쇄물의 침강을 방지하고 균일한 광액농도 유지를 위한 분산용 스크류가 장착되어 있고, 분쇄탱크와 혼합탱크 간 광액(분쇄물)의 순환을 위해 정량펌프(연동펌프; 용량 2, 000 cn?/min)가 설치되었다. 본 연구에서는 광액을 분쇄 탱크에 수회 반복 순환시켜 분쇄한 후 배출시키는 방법으로 분쇄실험을 수행하였다.
제안 방법
- 재로서, Kim et al.(1997)이 연구, 개발한 파이로트 규모 왕겨 소각로에서 평균온도 약 670 ℃ 로 연소시킨 다음 왕겨재 이송용 원심팬의 역할도 동시에 수행하는 조분쇄기에회전수 4, 000 rpm, 투입율 60 kg/h 조건으로 통과시켜 1차 분쇄 시킨 후 미세분쇄 실험에 사용하였다. 소각로에서 바로 배출되어 수집된 왕겨재의 산물밀도는 약 67 kg/m3, 진밀도는 2.
- 다음, 혼합탱크에 순환 매체인 물 3, 000 cm3< 채우고 분산용 스크류와 정량펌프를 작동시키면서 물이 순환되기 시작하면 공급탱크의 왕겨재를 매분 45-50 g씩 일정하게 투입하였다. 이때 분쇄탱크의 임펠러 회전속도는 임펠러에 의한 분쇄가 이루어지지 않도록 약 50 rpm으로 하였다.
- 분쇄 소요에너지(kWh)는 분쇄시간 동안에 소비되는 전기에너지를 디지털 정밀 Watt meter(MICROVIP-MK 1.1) 로측정, 전력량으로 환산하여 계산하였다.
- 분쇄된 미세분체(광액)의 입도 측정에는 측정범위 0.03- 280 um인 레이저 회절산란방식 입도분포 측정장치(SALD- 2001, SHINADZID를 사용하였다 시료의 량은 10 mg~l g 이었으며, 초음파를 발생시켜 분체가 서로 재응집 되는 현상을 방지시키면서 순환펌프로 측정시스템 경로를 반복 순환시켰다
- 분쇄실험은 분쇄탱크 용기 바닥과 임펠러와의 간격을 5~ 6 mm로 유지한 다음 분쇄용 볼을 용기 부피의 70% 정도 장입한 후, 혼합율의 수준에 따라 식 (1)로부터 계산된 왕겨 재의 실험처리량(200, 375, 500, 625 g)을 재 공급탱크에 투입함으로써 시작하였다.
- 분쇄효율과 입도에 영향을 주는 작동인자인 분쇄시간(15, 30, 45 min), 교반속도(250, 500, 750 rpm) 및 혼합율(분쇄용 볼의 체적/분쇄된 분체의 체적 비; 6.7, 8.4, 11.1, 20.9)에 대하여 요인 실험을 수행하였다. 실험설계는 혼합율을 주구, 교반 속도를 세구, 분쇄시간을 세세구로 하는 2반복 분할구 계획법으로 하였다.
- 9)에 대하여 요인 실험을 수행하였다. 실험설계는 혼합율을 주구, 교반 속도를 세구, 분쇄시간을 세세구로 하는 2반복 분할구 계획법으로 하였다. 정량펌프의 유량은 광액의 퇴적성을 고려하여 25 cm'/sec로 고정하였고, 요인별 수준은 예비실험을 통하여 미세분쇄(10 nm 이하)가 가능하도록 선택하였다.
- 이때 분쇄탱크의 임펠러 회전속도는 임펠러에 의한 분쇄가 이루어지지 않도록 약 50 rpm으로 하였다. 왕겨재가 혼합탱크에 전량 투입되고 완전하게 물과 혼합이 된 후, 콘트롤러에 작동시간과 회전속도(rpm)를 설정하여 분쇄시키고 동시에 에너지측정기를 작동시켰다. 이 때, 분쇄기의 작동시간은 분쇄 탱크 내에 광액이 체류하면서 실제로 분쇄되는 분쇄 시간 요인의 수준이 되도록 설정하였다.
- 왕겨재가 혼합탱크에 전량 투입되고 완전하게 물과 혼합이 된 후, 콘트롤러에 작동시간과 회전속도(rpm)를 설정하여 분쇄시키고 동시에 에너지측정기를 작동시켰다. 이 때, 분쇄기의 작동시간은 분쇄 탱크 내에 광액이 체류하면서 실제로 분쇄되는 분쇄 시간 요인의 수준이 되도록 설정하였다. 분쇄가 종료되면 배출 (drain)밸브를 통해 광액을 배출시키고 배출된 광액을 충분히 혼합한 후 350 cm3 정도를 입도분석용 시료로 채취하여 밀폐 용기에 저장하였다.
- 실험설계는 혼합율을 주구, 교반 속도를 세구, 분쇄시간을 세세구로 하는 2반복 분할구 계획법으로 하였다. 정량펌프의 유량은 광액의 퇴적성을 고려하여 25 cm'/sec로 고정하였고, 요인별 수준은 예비실험을 통하여 미세분쇄(10 nm 이하)가 가능하도록 선택하였다. 모든 처리에서 분쇄용 볼은 습식 분쇄에서 일반적으로 사용하고 있는 조건인 분쇄탱크 부피의 70% 정도를 차지하도록 장입하였는데, 이때 볼의 산물부피 700 cn?의 진부피는 417.
대상 데이터
- 본 연구에서는 건식 교반볼밀(고려소재개발 (주), KMD- 1B)의 주요 구성체를 중심으로 습식 분쇄시스템을 그림 1과같이 구성하여 왕겨재의 습식 미세분쇄에 사용하였다.
- 시료는 1996년에 도정된 전북 김제산 동진벼의 왕겨를 연소한 재로서, Kim et al.(1997)이 연구, 개발한 파이로트 규모 왕겨 소각로에서 평균온도 약 670 ℃ 로 연소시킨 다음 왕겨재 이송용 원심팬의 역할도 동시에 수행하는 조분쇄기에회전수 4, 000 rpm, 투입율 60 kg/h 조건으로 통과시켜 1차 분쇄 시킨 후 미세분쇄 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 에너지 효율과 비표면적차를 분석하기 위해 Zheng et al. (1996)이 이용한 분체의 비표면적 변화에 따른 에너지 효율의 개념을 사용하였다. 즉, 입도가 작아진다는 것은 입자의 단위 부피당 표면적이 증가되는 것으로 생각할 수 있으며, 분 체 입자의 형상을 구라고 가정하면 분체의 .
성능/효과
- 1. 실험조건 범위에서 분체의 평균입도는 2.83~9.58 nm, 분쇄에너지 효율은 0.51-3.27 m2AVh, 비에너지는 0.5~ 6.73 kWh/kg으로 나타났다.
- 2. 분쇄시간과 임펠러 회전속도 및 혼합율이 증가할수록 분쇄에너지 효율은 감소하는 경향을 나타냈다.
- 3. 분쇄탱크 임펠러의 총 회전수의 대수값에 따라 비 표면적 차는 선형적으로 증가하고, 분쇄에너지 효율은 선형적으로 감소하였다.
- 4. 최적 작동조건은 실험조건 범위에서 분쇄시간 45분, 임펠러 회전속도 500 rpm, 혼합율 6.7로 분석되었으며, 이때 평균 입도는 2.84 urn, 분쇄에너지 효율은 2.28 m2AVh, 분쇄용량은 0.17 kgh, 비에너지는 2.03 kWh/kg이었다.
- 5. 습식 교반볼밀 분쇄시스템은 오염을 유발하는 비산 먼지를 발생시키지 않으며 연속작동이 용이하여 왕겨재 분쇄공정의 자동화와 실용화를 실현시킬 수 있을 것으로 생각되었다.
- 것, 둘째는 분쇄용량이 클 것, 셋째는 분쇄에너지 효율이 높을 것 등이다. 단, 본 연구에서 최종 분쇄 생성물의 입도는 작을수록 좋으나 건식 분쇄기와 같은 수준인 3 um( S =1.96에 상당)로 결정하는 것이 타당할 것으로 판단하였다.
- 57) 면에서 모두 유리한 것으로 분석되었다. 따라서 본 분쇄시스템의 최적 작동조건은 혼합율 6.7, 분쇄시간 45분, 임펠러 회전속도 500 rpm으로 판단된다. 본 연구에 사용된 연속형 습식교반 볼밀 분쇄시스템은 전체적으로 분쇄성능이 우수하였고 건식분쇄의 단점인 분진발생 문제와 연속식 운전이 힘든 난점(분쇄 물과 볼과의 분리가 매우 어려움)이 해결되어 실용화 가능성이 높은 것으로 생각되지만, 광액의 농도가 높아지면 연동 펌프 관(tube)이 파열되는 등 광액 순환용 펌프로 연동 펌프를 사용하는 것은 본 시스템에 부적합한 것으로 판단된다.
- 9 수준에서는 다른 혼합율 수준에 비해 비에너지가 월등히 컸다. 또한, 임펠러 회전 속도가 증가할수록 비에너지는 약간씩 증가하는 경향을 보였다. 분체 입도는 차이가 없으나 분쇄에너지는 증가하는 이러한 특징을 종합해 볼 때, 투입된 분쇄에너지는 분쇄용 볼과 광액의회전운동에 주로 이용되며 분체 입자의 분쇄에 실제로 이용되는 에너지는 상대적으로 매우 적음을 알 수 있다.
- 7, 분쇄시간 45분, 임펠러 회전속도 500 rpm으로 판단된다. 본 연구에 사용된 연속형 습식교반 볼밀 분쇄시스템은 전체적으로 분쇄성능이 우수하였고 건식분쇄의 단점인 분진발생 문제와 연속식 운전이 힘든 난점(분쇄 물과 볼과의 분리가 매우 어려움)이 해결되어 실용화 가능성이 높은 것으로 생각되지만, 광액의 농도가 높아지면 연동 펌프 관(tube)이 파열되는 등 광액 순환용 펌프로 연동 펌프를 사용하는 것은 본 시스템에 부적합한 것으로 판단된다.
- 것이다. 분쇄시간의 증가에 따라 비에너지는 선형적으로 증가했으며, 혼합율 20.9 수준에서는 다른 혼합율 수준에 비해 비에너지가 월등히 컸다. 또한, 임펠러 회전 속도가 증가할수록 비에너지는 약간씩 증가하는 경향을 보였다.
- 또한, 임펠러 회전 속도가 증가할수록 비에너지는 약간씩 증가하는 경향을 보였다. 분체 입도는 차이가 없으나 분쇄에너지는 증가하는 이러한 특징을 종합해 볼 때, 투입된 분쇄에너지는 분쇄용 볼과 광액의회전운동에 주로 이용되며 분체 입자의 분쇄에 실제로 이용되는 에너지는 상대적으로 매우 적음을 알 수 있다.
- 입도에 대한 요인의 분산분석 결과, 임펠러 회전속도와 분쇄시간은 고도의 유의성이 인정되었지만 혼합율은 유의성이 인정되지 않았다. 분체의 평균입도는 2.83-9.58 um로 나타났으며 분쇄 탱크에서 볼을 광액과 같이 회전시키고 또한 정량 펌프로써 광 액을 계속 순환시키기 때문에 습식분쇄는 분쇄 소요 에너지가 건식분쇄의 경우에 비해 크게 증가한 반면, 비산 먼지가 없고 연속 작동이 용이하였다. 또 건식분쇄와 마찬가지로 습식분쇄에서도 요인의 수준이 증가할수록 분체의 입도는 작아졌다.
- 1 g/cm3, SiO2 함량은 90% 이상이었다. 소각로에서 배출된 왕겨재와 미세분쇄 실험에 사용된 원료시료의 입도 분포를 진탕기를 이용한 표준체 분석법(ASAE, 1997)으로분석한 결과, 평균입도는 각각 487.4 um와 177.8 um였다
- 실험조건의 범위 내에서 본 분쇄시스템의 최적 분쇄조건을 결정하기 위한 전제조건은 첫째, 요구되는 분체 입도를 만족시킬 것, 둘째는 분쇄용량이 클 것, 셋째는 분쇄에너지 효율이 높을 것 등이다. 단, 본 연구에서 최종 분쇄 생성물의 입도는 작을수록 좋으나 건식 분쇄기와 같은 수준인 3 um( S =1.
- 그림 2는 실험처리별 평균입도를 나타낸 것이다. 입도에 대한 요인의 분산분석 결과, 임펠러 회전속도와 분쇄시간은 고도의 유의성이 인정되었지만 혼합율은 유의성이 인정되지 않았다. 분체의 평균입도는 2.
- 체적당의 분쇄에너지(Wh/cn?)이다. 즉, Ef가 크다는 것은 동일한 양의 원료시료에 동일한 양의 에너지를 투입해 분쇄한 결과, 분체의 평균입도가 작아져 그 비표면적차는 커졌다는 것을 의미함으로써 분쇄가 더 많이 진행되었다는 것을 나타낸다.
후속연구
- (1996)은 교반볼밀을 사용하여 석회석을 분 W 실험한 결과, 광액의 농도 차이에 의해 비표면적차가 변하며 임계농도(최적 혼합율)가 있는 것으로 보고하였다. 본연구에서 혼합율 11.1 이 임계치라고 판단하기는 어려우며, 추가 연구의 필요성이 인정된다.
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