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문제 정의
- 이들의 결론에 따르면 일반적으로 수입무연탄의 혼합율은 10% 내외가 적당하며 적점토 첨가 시, 수입무연탄율 30% 정도 섞어도 연탄품질에 큰 영향을 미치지 않는다는 연구결과가 보고되고 있다(황성국, 1983; 박동진, 1981). 본 연구는 대표적인 석탄광산 처리시설인 물리화학적 공정의 함태광산과 전기적 공정을 활용한 함백광산의 슬러지를 연구대상으로 슬러지가 연탄의 첨가재의 부원료로서의 타당성 연구를 통해 향후 발생되는 슬러지의 처리 활용도를 넓히고자 한다.
- 5 m 넓이의 밀폐된 공간에 화로를 설치하여 연소가스를 측정하였다. 측정 목적은 가스의 위험 정도를 파악하기 위한 것이 아닌 원탄과 슬러지함유 연탄과의 연소 가스 현황정도를 비교분석 하기 위함이다.
제안 방법
- GASTECK 검지관을 직독식 가스검정기에 연결 후 CO2, SO2, CO 등을 1 hr, 2 hr, 3 hr, 4 hr 시간대별로 측정하였다. 연탄연소실험의 기준은 광산보안법, 산업안전보건법 및 노동부고시 제88-69호(유해물질의 허용농도)를 적용하였으며 연탄연소 전·후 연탄재의 실험방법은 전 함량 분석의 토양오염공정시험법을 사용하였다.
- 유해가스 및 온도는 바닥에서 1.5 m 높이에서 측정하였으며 복합가스 측정기를 이용하여 연탄연소 가스성분을 측정하였다.
- 탄내에 슬러지가 첨가물로 사용되어도 연탄의 기능에는 별 차이가 없다는 것을 증명하고자 1 hr, 2 hr, 3 hr, 4 hr 시간별로 온도의 변화, CO, CO2, SO2의 변화량을 측정한 결과는 다음과 같다.
- 함백 및 함태광산 슬러지를 연탄 부원료재로서의 재활용성을 조사하기 위해 원탄과 슬러지함유 연탄에 대한 기본적인 공업·원소분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 가로 1.8 m, 세로 1.8 m, 높이 2.5 m 넓이의 밀폐된 공간에 화로를 설치하여 연소가스를 측정하였다. 측정 목적은 가스의 위험 정도를 파악하기 위한 것이 아닌 원탄과 슬러지함유 연탄과의 연소 가스 현황정도를 비교분석 하기 위함이다.
- 실험 재료는 물리·화학적 공정의 함태광산 슬러지와 전기화학적 공정인 함백광산의 슬러지를 이용하였으며, 원탄은 태백시에서 생산된 무연탄을 사용하였다.
- 슬러지는 자연 건조방식으로 두께 약 10 cm을 유지한 상태에서 하루 1회의 섞기과정을 포함 20일간 풍건 후 실험용 슬러지로 사용하였다. 연탄은 한국산업규격에 따라 무게 3.6 kg(가정용 연탄 2호, 건조무게 3.3 kg 이상), 지름 150 mm, 높이 142 mm의 규정을 준수하여 연탄공장에서 자동화 기계를 이용하여 2%와 6%의 무게비율로 아래표와 같이 혼합 제조하였다.
이론/모형
- 연탄연소실험의 기준은 광산보안법, 산업안전보건법 및 노동부고시 제88-69호(유해물질의 허용농도)를 적용하였으며 연탄연소 전·후 연탄재의 실험방법은 전 함량 분석의 토양오염공정시험법을 사용하였다.
- 공업분석은 수분(total moisture, ASTM D3302-05), 고유수분(inherent moisture, ASTM D3173-03), 휘발분(volatic matter, ASTM D3175-02), 고정탄소(fixed carbon, ASTM D3172), 회분(ash, ASTM D3174-04)으로 나뉜다. 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 질소(nitrogen), 산소(oxygen)의 원소분석은 ASTM D5373-02으로 분석하였으며, 유황분(sulfur, ASTM D4239-05), 발열량(caloric value, ASTM D2015), 회분석(ash analysis and tests, ASTM D3174-04) 및 회융점(ash fusion temperature, ASTM D1857-04)도 ASTM 규정에 따라 분석을 시행하였다.
성능/효과
- 고위발열량은 연료의 완전연소에 의하여 발생하는 수증기의 잠열을 포함한 모든 열량으로써 원탄의 발열량은 4,250~4,360 kcal/kg, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 4,240~4,250 kcal/kg, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 4,180~4,210 kcal/kg, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 4,270~4,360 kcal/kg, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 두차례 모두 4,340 kcal/kg의 결과로 원탄과의 비슷한 발열량을 나타내고 있다. 회융점 항목에 대한 분석결과, 원탄의 회융점 분석결과 원탄과 6%슬러지의 함백, 2% 슬러지의 함백과 함태는 1,550℃ 이상의 결과치가 나왔고, 6%슬러지 함유 함태광산의 환원성에서만 변형점에서 1,510℃, 1,530℃의 회융점 결과를 얻었다.
- 고정탄소항목의 분석결과, 원탄은 52.26~54.8%이며, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 51.58~51.72%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 50.0~50.54%의 결과가 도출되었고, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 51.61~52.48%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 51.90~52.28%로 고정탄소 성분도 약간의 차이는 보이고 있지만 다른 성분과 비슷한 경향을 보여주고 있다. 총유황 항목의 분석결과, 원탄은 0.
- 공업회분 분석결과, 원탄은 38.13~40.76%이며, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 40.55~40.67%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 41.04~41.55%, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 39.97~40.97%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 40.22~40.55%로 원탄과의 비교에서 전체적으로 큰 차이가 없어 회분의 양이 급격히 증가되지 않는 다는 것을 알 수 있다. 휘발분 분석결과, 원탄은 4.
- 구리(Cu)항목에 분석결과는 Fig. 11과 같이 전반적으로 연소 전 구리(Cu) 농도가 연소 후 구리(Cu) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 원탄이 35.42 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 6% 함태슬러지가 함유된 연탄이 26.87 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 6% 함태슬러지가 함유된 연탄에서 20.
- 이산화황(SO2) 측정 분석한 결과 1 hr~2 hr 사이에 가장 높은 이산화황(SO2)이 측정되었다. 그 중 가장 높은 이산화황(SO2) 측정 시간대는 2 hr에서 원탄과 6% 함백슬러지가 함유된 연탄에서 4.1 ppm, 2% 함태슬러지가 함유된 연탄의 경우에서 4 hr에서 가장낮은 2.7 ppm이 측정되었다. 전체적인 측정 결과를 비교하였을 시, 연소가 시작 되자마자 농도치가 높게 나왔으며 연소가 끝나는 시점보다 앞서 농도가 낮아지는 경향을 보였다.
- 그러나 두차례 걸친 수분 결과 1차에 비해 2차 결과가 전반적으로 1% 내외의 수분 차이로 낮은 결과값을 보이며, 그 원인은 슬러지 내에 포함되어 있는 자연 건조 이후의 수분함량의 영향과 1차, 2차 제조 후의 외부 수분 차이라고 사료된다. 연탄의 내수분 분석결과, 원탄은 2.
- 납(Pb) 항목에 분석결과를 대한 시료별 농도를 비교하면 전반적으로 연소 전 납(Pb) 농도가 연소 후 납(Pb) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 6% 함백슬러지가 함유된 연탄이 30.01 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 2% 함태슬러지가 함유된 연탄에서 26.40 mg/kg 으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 2% 함태슬러지가 함유된 연탄이 21.
- 니켈(Ni)항목에 분석결과는 Fig. 13과 같이 전반적으로 연소 전 니켈(Ni) 농도가 연소 후 니켈(Ni) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 2% 함백슬러지가 함유된 연탄이 17.13 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 6% 함백슬러지가 함유된 연탄에서 11.66 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 2% 함백슬러지가 함유된 연탄이 10.
- 이는 일부 중금속이 연탄 연소과정에서 물리적인 변형에 의한 유리화 과정 등 고형화·안정화로 인해 중금속 용출이 되지 않는 것으로 사료된다. 따라서 석탄광산 배수 처리과정에서 발생된 슬러지를 연탄의 부 원료재인 첨가재로서 사용함에 따라 슬러지를 친환경적으로 처리 할 수 있고 연탄의 품질에도 큰 영향을 미치지 않는 다는 것을 알 수 있다.
- 마지막으로 아연(Zn)항목에 분석결과는 Fig. 14와 같이 전체적으로 연소 전 구리 (Cu) 농도가 연소 후 구리(Cu) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 원탄이 48.74 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 6% 함백슬러지가 함유된 연탄에서 37.57 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 6% 함태슬러지가 함유된 연탄이 25.
- 비소(As) 항목에 분석결과, 전체적으로 연소 전 비소 (As) 농도가 연소 후 비소(As) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 6% 함백슬러지가 함유된 연탄에서 8.26 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 2% 함백슬러지가 함유된 연탄이 7.42 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 6% 함백슬러지가 함유된 연탄의 경우, 7.
- 뿐만 아니라, 원탄 및 슬러지함유 연탄 연소 전·후 연탄재에 대한 납(Pb) 등 중금속항목에 대한 전 함량실험결과는 전반적으로 연소 전의 중금속농도가 연소 후의 중금속 농도보다 높게 검출되었다.
- 72%의 함량이 검출되었다. 산소의 함량을 원탄과 비교 할 때, 원탄분석은 0.24%~0.27%의 결과값을 나타냈고, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 0.26~0.31%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 0.25~0.28%, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 0.26~0.27%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 0.26~0.28%의 결과로 원탄과 비교하였을 때 비슷한 결과를 나타냈다.
- 함백 및 함태광산 슬러지를 연탄 부원료재로서의 재활용성을 조사하기 위해 원탄과 슬러지함유 연탄에 대한 기본적인 공업·원소분석을 수행하였다. 수분 등 공업분석 결과 및 발열량 등 원소분석 결과 모두 원탄과 오차 한계 내에서 거의 유사한 결과값을 확인하였다. 이는 전체적인 관점에서 볼 때 슬러지가 연탄의 기본적인 특성에 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 수분측정결과 원탄은 3.54~4.81%, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 3.88~5.72%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 4.17~5.13%의 결과가 나왔으며, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 3.77~4.64%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 3.73~5.72%로 비슷한 경향을 보이고 있다.
- 원탄과 슬러지 함유 분석 결과를 비교하여도 탄소 함량비에서는 비슷한 경향의 결과를 볼 수 있다. 수소에 대한 분석결과, 원탄의 수소함량은 0.62~0.75%, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 0.61~0.67%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 0.55~0.69%, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 0.56~0.67%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 0.57~0.67%의 결과로 수소함량 또한 원탄과 비교하였을 때 비슷한 결과를 나타내고 있다. 질소항목에 대한 분석결과, 원탄과 6% 함백슬러지 함유 연탄은 0.
- 또한 온도변화, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2) 등 4항목에 대한 연탄연소실험을 한 결과는 다음과 같다. 시간 대별 온도변화는 원탄 및 슬러지함유 연탄 모두 3 hr 일때 가장 높은 온도(774~864℃)가 측정되었으며, 일산화탄소(CO), 등 3개 항목의 경우 2 hr에서 모두 가장 높은 농도가 측정되었다. 뿐만 아니라, 원탄 및 슬러지함유 연탄 연소 전·후 연탄재에 대한 납(Pb) 등 중금속항목에 대한 전 함량실험결과는 전반적으로 연소 전의 중금속농도가 연소 후의 중금속 농도보다 높게 검출되었다.
- 7 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 6% 함태 2.9 mg/kg으로 가장 농도가 높았으며, 6% 함백슬러지가 함유된 연탄이 1.8 mg/kg 가장 낮은 농도를 보였다. 평균 농도는 연소 전 8.
- 그러나 두차례 걸친 수분 결과 1차에 비해 2차 결과가 전반적으로 1% 내외의 수분 차이로 낮은 결과값을 보이며, 그 원인은 슬러지 내에 포함되어 있는 자연 건조 이후의 수분함량의 영향과 1차, 2차 제조 후의 외부 수분 차이라고 사료된다. 연탄의 내수분 분석결과, 원탄은 2.51~2.57%, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 2.92~3.14%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 2.71~2.81%의 결과가 나왔고, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 2.54~2.80%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 2.64~2.66% 결과로 원탄과 슬러지 함유된 연탄과의 비교에서 비슷한 결과임을 알 수 있다.
- 원소분석의 탄소에 대한 실험결과, 원탄은 56.01~58.26%, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 55.64~55.97%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 55.43~55.70%, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 55.71~56.97%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 56.38~56.39%의 분석결과가 나왔다. 원탄과 슬러지 함유 분석 결과를 비교하여도 탄소 함량비에서는 비슷한 경향의 결과를 볼 수 있다.
- 원탄 및 슬러지함유 연탄 연소 전·후 토양공정시험법에 의해 납(Pb), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 비소(As), 니켈(Ni) 및 아연(Zn) 등 6항목에 대해 분석한 결과는 연탄연소 전과 연소 후의 각 시료별 농도 변화는 크지 않은 것으로 확인되었다.
- 원탄과 슬러지 함유 연탄의 연소 전 · 후 중금속 용출실험 결과 모두 기준치 이내의 결과 값이 도출되었다.
- 수분 등 공업분석 결과 및 발열량 등 원소분석 결과 모두 원탄과 오차 한계 내에서 거의 유사한 결과값을 확인하였다. 이는 전체적인 관점에서 볼 때 슬러지가 연탄의 기본적인 특성에 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다. 또한 온도변화, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2) 등 4항목에 대한 연탄연소실험을 한 결과는 다음과 같다.
- 이산화탄소(CO2)의 원탄과 슬러지 함유 연탄시료 모두 2 hr에서 가장 높은 이산화탄소(CO2)가 측정되었고, 그 중 6% 함백슬러지가 함유된 연탄의 경우에서 2,800 ppm으로 가장 높은 농도가 측정되었다. 연소가 거의 끝나는 시점인 4 hr에서 2% 함태와 2% 함백슬러지가 함유된 연탄의 경우에서 이산화탄소(CO2)가 가장 낮은 2,050 ppm이 측정 되었다.
- 이는 밀폐된 공간 조건을 고려하여 측정한 분석 결과로 전체적인 농도 경향은 연탄과 슬러지 함유 연탄시료 오차 범위는 ± 10~15% 정도로 크지 않음을 알 수 있다. 이산화황(SO2) 측정 분석한 결과 1 hr~2 hr 사이에 가장 높은 이산화황(SO2)이 측정되었다. 그 중 가장 높은 이산화황(SO2) 측정 시간대는 2 hr에서 원탄과 6% 함백슬러지가 함유된 연탄에서 4.
- 연소가 거의 끝나는 시점인 4 hr에서 2% 함태와 2% 함백슬러지가 함유된 연탄의 경우에서 이산화탄소(CO2)가 가장 낮은 2,050 ppm이 측정 되었다. 전체적인 측정 결과를 비교하였을 시 연소 시점부터 연소 시간이 경과할 때마다 측정값은 낮은 경향을 보였다. 원탄과 슬러지 함유연탄시료의 모든 시간대별 평균 측정치는 약 2,340 ppm으로 최고 농도값과는 약 1.
- 7 ppm이 측정되었다. 전체적인 측정 결과를 비교하였을 시, 연소가 시작 되자마자 농도치가 높게 나왔으며 연소가 끝나는 시점보다 앞서 농도가 낮아지는 경향을 보였다. 원탄과 슬러지 함유연탄시료의 모든 시간대별 평균 측정치는 약 3.
- 뿐만 아니라, 원탄 및 슬러지함유 연탄 연소 전·후 연탄재에 대한 납(Pb) 등 중금속항목에 대한 전 함량실험결과는 전반적으로 연소 전의 중금속농도가 연소 후의 중금속 농도보다 높게 검출되었다. 즉 카드뮴(Cd) 항목의 경우는 연소 전과 연소 후를 비교 시 중금속의 함량에 대해 저감효과를 확인하였으며, 비소(As) 항목의 경우 연소 전과 연소 후를 비교 시 12.4%의 가장 낮은 저감효과를 확인하였다. 이는 일부 중금속이 연탄 연소과정에서 물리적인 변형에 의한 유리화 과정 등 고형화·안정화로 인해 중금속 용출이 되지 않는 것으로 사료된다.
- 67%의 결과로 수소함량 또한 원탄과 비교하였을 때 비슷한 결과를 나타내고 있다. 질소항목에 대한 분석결과, 원탄과 6% 함백슬러지 함유 연탄은 0.75~0.76%로 동일한 결과치를 나타내고 있고, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 0.67~0.74%, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 0.69~0.75%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 0.71~0.72%의 함량이 검출되었다. 산소의 함량을 원탄과 비교 할 때, 원탄분석은 0.
- 28%로 고정탄소 성분도 약간의 차이는 보이고 있지만 다른 성분과 비슷한 경향을 보여주고 있다. 총유황 항목의 분석결과, 원탄은 0.52~0.53%이며, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 0.53~0.54%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 0.46~0.56%의 결과가 도출되었고, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 0.54~0.56%, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 0.53%의 같은 결과임을 알 수 있었다.
- 카드뮴(Cd)항목에 분석결과는 Fig. 10과 같이 전반적으로 연소 전 납 농도가 연소 후 납(Pb) 농도보다 높았으며, 시료별 농도 비교 결과 연소 전 원탄이 9.6 mg/kg으로 가장 농도가 높고, 2% 함태 및 함백 슬러지가 함유된 연탄에서 7.7 mg/kg으로 가장 낮은 농도를 보였다. 연소 후는 6% 함태 2.
- 고위발열량은 연료의 완전연소에 의하여 발생하는 수증기의 잠열을 포함한 모든 열량으로써 원탄의 발열량은 4,250~4,360 kcal/kg, 6% 함백슬러지 함유 연탄은 4,240~4,250 kcal/kg, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 4,180~4,210 kcal/kg, 2% 함백슬러지 함유 연탄은 4,270~4,360 kcal/kg, 2% 함태슬러지 함유 연탄은 두차례 모두 4,340 kcal/kg의 결과로 원탄과의 비슷한 발열량을 나타내고 있다. 회융점 항목에 대한 분석결과, 원탄의 회융점 분석결과 원탄과 6%슬러지의 함백, 2% 슬러지의 함백과 함태는 1,550℃ 이상의 결과치가 나왔고, 6%슬러지 함유 함태광산의 환원성에서만 변형점에서 1,510℃, 1,530℃의 회융점 결과를 얻었다.
- 55%로 원탄과의 비교에서 전체적으로 큰 차이가 없어 회분의 양이 급격히 증가되지 않는 다는 것을 알 수 있다. 휘발분 분석결과, 원탄은 4.41~4.56%이며, 6% 함백 슬러지 함유 연탄은 4.69~4.73%, 6% 함태슬러지 함유 연탄은 5.61~5.74%의 결과가 도출되었다. 2% 함백슬러지 함유 연탄은 4.
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