화력발전소에서 발생되는 석탄 바닥재(이하 바닥재로 칭함)를 재활용하기 위하여 이를 적점토와 혼합, 소성하여 인공골재를 제조함에 있어, 바닥재의 입도와 배합비를 실험변수로 하여 인공골재의 특성을 제어하였다. 채취된 바닥재는 2 mm 이상의 입자들이 38 wt% 존재하는 거친 입도를 나타내었으며, 미연탄 덩어리들과 다공성 슬래그들이 혼재하였으나, 이를 체가름 및 분쇄공정을 통하여 세립(100 ${\mu}m$ 이하) 및 조립(2 mm 이하) 입도를 갖는 2가지 바닥재로 분리하였다. $1100{\sim}1200^{\circ}C$의 조건에서 직화 소성된 인공골재의 물성 측정 결과, 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 조립 바닥재로 제조된 경우보다 높은 부피비중과 낮은 흡수율을 나타내었다. 또한 조립 바닥재로 제조된 인공 골재는 내부에 다공성 슬래그와 미연탄 덩어리로 인해 불균일하고 치밀하지 못한 구조를 나타낸 반면, 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 상대적으로 치밀하고 균일하였다. 본 연구를 통해 바닥재의 입도 및 조성변화를 통해 인공골재의 비중 및 흡수율을 각각 1.2~1.7 및 13~21 % 범위로 제어할 수 있음을 확인하였고, 따라서 바닥재 인공골재는 향후 건축/토목 등의 재료로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
화력발전소에서 발생되는 석탄 바닥재(이하 바닥재로 칭함)를 재활용하기 위하여 이를 적점토와 혼합, 소성하여 인공골재를 제조함에 있어, 바닥재의 입도와 배합비를 실험변수로 하여 인공골재의 특성을 제어하였다. 채취된 바닥재는 2 mm 이상의 입자들이 38 wt% 존재하는 거친 입도를 나타내었으며, 미연탄 덩어리들과 다공성 슬래그들이 혼재하였으나, 이를 체가름 및 분쇄공정을 통하여 세립(100 ${\mu}m$ 이하) 및 조립(2 mm 이하) 입도를 갖는 2가지 바닥재로 분리하였다. $1100{\sim}1200^{\circ}C$의 조건에서 직화 소성된 인공골재의 물성 측정 결과, 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 조립 바닥재로 제조된 경우보다 높은 부피비중과 낮은 흡수율을 나타내었다. 또한 조립 바닥재로 제조된 인공 골재는 내부에 다공성 슬래그와 미연탄 덩어리로 인해 불균일하고 치밀하지 못한 구조를 나타낸 반면, 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 상대적으로 치밀하고 균일하였다. 본 연구를 통해 바닥재의 입도 및 조성변화를 통해 인공골재의 비중 및 흡수율을 각각 1.2~1.7 및 13~21 % 범위로 제어할 수 있음을 확인하였고, 따라서 바닥재 인공골재는 향후 건축/토목 등의 재료로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
In order to recycle the coal bottom ashes (denoted as BA) produced from a thermal power plant, the artificial aggregates (denoted as AAs) containing BA and red clay were manufactured, and the physical properties of AAs were studied as a function of particle size of BA and batch compositions. As-rece...
In order to recycle the coal bottom ashes (denoted as BA) produced from a thermal power plant, the artificial aggregates (denoted as AAs) containing BA and red clay were manufactured, and the physical properties of AAs were studied as a function of particle size of BA and batch compositions. As-received BA had 38 wt% coarse particles of above 2 mm and many unburned carbon mass and porous slag particles were co-existed. So the two particle sizes of BA, the fine (< 100 ${\mu}m$) and coarse (< 2 mm), were prepared by milling and screening process. The AAs containing fine BA sintered at $1100{\sim}1200^{\circ}C$ had the higher bulk density and lower water absorption compared to the specimen made of coarse BA. The inside core of AAs manufactured by using coarse BA showed nonuniform and porous microstructure, while the AAs made of fine BA had a uniform and dense microstructure. In this research, the AAs containing BA and red clay with various bulk density (1.2~1.7) and water absorption (13~21 %) could be manufactured by controlling the particle size of BA and batch compositions, so the AAs of various physical properties could be applied to the wide fields such as construction/building materials in near future.
In order to recycle the coal bottom ashes (denoted as BA) produced from a thermal power plant, the artificial aggregates (denoted as AAs) containing BA and red clay were manufactured, and the physical properties of AAs were studied as a function of particle size of BA and batch compositions. As-received BA had 38 wt% coarse particles of above 2 mm and many unburned carbon mass and porous slag particles were co-existed. So the two particle sizes of BA, the fine (< 100 ${\mu}m$) and coarse (< 2 mm), were prepared by milling and screening process. The AAs containing fine BA sintered at $1100{\sim}1200^{\circ}C$ had the higher bulk density and lower water absorption compared to the specimen made of coarse BA. The inside core of AAs manufactured by using coarse BA showed nonuniform and porous microstructure, while the AAs made of fine BA had a uniform and dense microstructure. In this research, the AAs containing BA and red clay with various bulk density (1.2~1.7) and water absorption (13~21 %) could be manufactured by controlling the particle size of BA and batch compositions, so the AAs of various physical properties could be applied to the wide fields such as construction/building materials in near future.
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제안 방법
바닥재와 적점토의 화학성분 분석은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 사용하였고, 바닥재의 입도는 KS F 2502 “골재의 체가름 시험” 및 입도분석기(microtrac S3500, Nikkiso, Japan)를 이용하여 측정하였다. 바닥재 원료의 입자형태와 인공골재의 미세구조는 광학현미경(DCS-105, Sometech-vision, Korea)을 이용하여 관찰하였다. 한편, 소성된 시편의 비중 및 흡수율은 KS F 2503 “굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법”으로 측정하였다.
바닥재는 체가름하여 입경이 2 mm 이하인 경우와, 볼밀을 이용하여 24시간 분쇄하여 100 µm 이하 크기만 선별한 경우의 두 가지를 사용하였고, 각각을 조립(coarse) 및 세립(fine)으로 명하였다(Table 2).
바닥재와 적점토의 화학성분 분석은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 사용하였고, 바닥재의 입도는 KS F 2502 “골재의 체가름 시험” 및 입도분석기(microtrac S3500, Nikkiso, Japan)를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 바닥재를 체가름하여 2 mm 이하 크기 입자만을 선별한 것을 ‘조립(coarse) 바닥재’로 명명하였다.
본 연구에서는 바닥재의 입도변화, 적점토와의 혼합비율 그리고 소성온도를 변수로 하여 인공경량골재를 제조하였고, 측정된 시편의 물성을 표면 및 절단면 미세구조 관찰결과와 연계하여 고찰하였다.
적 점토에 바닥재를 30~50 wt% 범위로 첨가, 혼합한 뒤 압출성형기를 이용하여 실린더 형태(길이 = 10 ± 2 mm, 지름 = 10 ± 0.5 mm)의 성형체를 제조하였다.
화력발전소에서 발생되는 바닥재를 적점토와 혼합하여 인공골재를 제조하였으며, 이 때 바닥재의 입도와 배합비 변화에 따른 인공골재의 특성 변화를 관찰하였다. 바닥재는 2 mm 이상 크기의 입자들이 38 wt%로 거친 모래의 입도를 나타내었으며, 미연탄 덩어리들과 다공성 슬래그 들이 다량 혼재하였다.
대상 데이터
바닥재는 인천 ‘Y’ 화력발전소에서 발생된 것이다.
이론/모형
한편, 소성된 시편의 비중 및 흡수율은 KS F 2503 “굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법”으로 측정하였다.
성능/효과
Fig. 5(a)는 조립 바닥재로 제조된 인공골재의 부피비중으로, 모든 배합비에서 소성온도가 증가할수록 비중이 감소하는 경향을 보였으며, 1100~1200℃의 소성온도 범위에서 약 1.20~1.36의 부피비중 값을 나타내었다. Fig.
Fig. 1(a)는 체가름으로 크기 1~4.75 mm 이상의 바닥재만을 관찰한 결과로서, 검은색의 미연탄 덩어리(A로 표시)와 옅은 회색 또는 미색의 다공성 슬래그(B로 표시)가 혼재하고 있음을 확인할 수 있다. Fig.
다만 1200℃에서 소성된 BA50 시편의 경우 조립 바닥재 골재의 흡수율이 세립의 경우보다 약간 높은 흡수율을 보였다. 또한 바닥재 입도에 상관없이, BA30 및 BA40 시편에 비해 BA50 시편의 흡수율이 전 소성구간에서 매우 높게 나타났다.
두 그림을 비교하면 1100~1200℃의 소성온도 구간에서 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 모든 배합비에서 조립 바닥재 경우에 비해 높은 부피비중을 나타냈다. 또한 바닥재의 입도에 관계없이 바닥재 첨가량이 가장 높은 BA50 시편의 부피비중이 대부분의 소결온도에서 가장 낮았으나, 예외적으로 조립 바닥재로 제조된 인공골재의 경우, 1200℃ 소성온도에서 BA30 시편이 가장 낮은 부피비중을 보였다. 조립 바닥재로 제조된 인공골재의 경우 거친 입도의 소수성 표면을 갖는 미연탄과 다공성의 슬래그가 많이 존재하기 때문에 가소성이 낮아, 치밀하고 균일한 성형체를 제조하기가 어렵다.
본 연구에 사용된 바닥재는 SiO2와 Al2O3가 각각 45.6 wt%와 18.6 wt% 존재하며, 특히 미연탄소 성분이 18.1 wt%로 높게 나타났으며, 적점토는 SiO2 57.9 wt%, Al2O3 19.1 wt% 존재하며, 강열감량 11.0 wt%로 비교적 높게 나타났다(Table 1).
4에 적점토 100 wt%로 제조된 인공골재의 소성온도에 따른 부피비중 및 흡수율을 나타내었다. 인공골재는 소성온도가 증가할수록 부피비중은 증가하고, 흡수율은 감소하는 소결거동에 의한 치밀화 경향을 나타내었다.
바닥재는 2 mm 이상 크기의 입자들이 38 wt%로 거친 모래의 입도를 나타내었으며, 미연탄 덩어리들과 다공성 슬래그 들이 다량 혼재하였다. 특히 2 mm 이상의 입자들은 강열 감량은 26.0 wt%로 2 mm 이하 입자에 비해 미연탄 덩어리들이 많이 존재함이 확인되었다. 1100~1200℃의 온도 구간에서 소성된 인공골재는 세립 바닥재(100 µm 이하)를 사용한 시편이 조립 바닥재(2 mm 이하)의 경우보다 부피비중은 높고 흡수율은 낮게 측정되었다.
후속연구
또한 조립 바닥재로 제조된 인공골재는 다공성 슬래그와 미연탄 덩어리들로 인해 치밀하지 않는 미세구조를 보인 반면, 세립 바닥재로 제조된 인공골재는 치밀하고 균일한 미세구조를 나타내었다. 본 연구를 통해 바닥재의 입도제어 및 조성변화를 통해 비중 1.2~1.7, 흡수율 13~21 %의 다양한 물성을 갖는 인공골재의 제조가 가능하였으며, 따라서 향후 바닥재를 재활용한 인공골재를 건축/토목 재료등 다양한 분야로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
입도제어를 통한 도로 기층재 및 혼화재의 단점은 무엇인가?
또한 고부가가치 재활용을 위해 바닥재의 표면에 TiO2를 코팅하여 오염된 공기를 정화하는 재료로 활용하거나, 바닥재에 많이 존재하는 SiO2와 Al2O3를 이용하여 다공성 뮬라이트(Mullite)를 합성하는 연구 등도 진행 중이다[6,7]. 그러나 입도제어를 통한 도로 기층재 및 혼화재의 경우 그 적용범위가 제한적인 단점이 있으며, 공기 정화제 및 다공성 뮬라이트의 합성 등의 재활용 연구는 바닥재의 대량 처리 한계성 및 낮은 경제성 때문에 상용화 단계에 이르기 위해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
화력발전소에서 발생되는 석탄 바닥재의 고부가가치 재활용을 위한 연구는 무엇이 있는가?
따라서 입도 제어를 통한 도로 기층재나 콘크리트 혼화재로 활용하려는 연구가 많이 진행 되어왔다[1-5]. 또한 고부가가치 재활용을 위해 바닥재의 표면에 TiO2를 코팅하여 오염된 공기를 정화하는 재료로 활용하거나, 바닥재에 많이 존재하는 SiO2와 Al2O3를 이용하여 다공성 뮬라이트(Mullite)를 합성하는 연구 등도 진행 중이다[6,7]. 그러나 입도제어를 통한 도로 기층재 및 혼화재의 경우 그 적용범위가 제한적인 단점이 있으며, 공기 정화제 및 다공성 뮬라이트의 합성 등의 재활용 연구는 바닥재의 대량 처리 한계성 및 낮은 경제성 때문에 상용화 단계에 이르기 위해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
현재 화력발전소에서 발생되는 석탄 바닥재의 특징은 무엇인가?
현재 화력발전소에서 발생되는 석탄 바닥재(coal bottom ash, 이하 바닥재로 칭함)는 비산재(fly ash)와 달리 넓은 입도분포와 뷸균일한 입형으로 인해 재활용이 매우 까다로운 폐자원이다. 따라서 입도 제어를 통한 도로 기층재나 콘크리트 혼화재로 활용하려는 연구가 많이 진행 되어왔다[1-5].
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