인구 증가와 산업발전에 따라 생활 및 산업분야에서 발생하는 폐기물의 양도 크게 증가하고 있다. 폐기물 소각재 처리로 인한 문제는 국내뿐 아니라 선진국에서도 경험하고 있는 현상으로 이미 선진국에서는 폐기물 소각재를 건설재료로 사용하는 등 소각재의 재활용을 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 국내의 폐기물 소각재 재활용은 현재 약 80%로 선진국 수준에 이르렀지만 이는 콘크리트 혼화재로서 사용되는 비산재(Fly ash)만 해당되며, 재활용을 위한 관련 기술 및 노하우가 부족한 바닥재(Bottom ash)의 경우 대부분 매립처리 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 소각 시 발생하는 소각재 중 발생량이 많고 재활용률이 낮은 바닥재의 기본물성 및 역학시험을 수행하여 건설재료로서의 사용 가능성을 평가하기 위하여 화격자 소각방식과 열분해 용융 소각방식에 따라 발생된 바닥재의 역학적 특성을 비교하였다. 시험 결과, 폐기물 소각재의 바닥재는 모래와 비슷한 특성을 보여 건설재료로서의 사용가능성을 확인할 수 있었다. 폐기물 소각방식에 따라 바닥재의 기본물성 및 역학적 특성에 차이가 있는 것으로 나타났으므로 바닥재 활용 시 소각방식에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.
인구 증가와 산업발전에 따라 생활 및 산업분야에서 발생하는 폐기물의 양도 크게 증가하고 있다. 폐기물 소각재 처리로 인한 문제는 국내뿐 아니라 선진국에서도 경험하고 있는 현상으로 이미 선진국에서는 폐기물 소각재를 건설재료로 사용하는 등 소각재의 재활용을 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 국내의 폐기물 소각재 재활용은 현재 약 80%로 선진국 수준에 이르렀지만 이는 콘크리트 혼화재로서 사용되는 비산재(Fly ash)만 해당되며, 재활용을 위한 관련 기술 및 노하우가 부족한 바닥재(Bottom ash)의 경우 대부분 매립처리 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 소각 시 발생하는 소각재 중 발생량이 많고 재활용률이 낮은 바닥재의 기본물성 및 역학시험을 수행하여 건설재료로서의 사용 가능성을 평가하기 위하여 화격자 소각방식과 열분해 용융 소각방식에 따라 발생된 바닥재의 역학적 특성을 비교하였다. 시험 결과, 폐기물 소각재의 바닥재는 모래와 비슷한 특성을 보여 건설재료로서의 사용가능성을 확인할 수 있었다. 폐기물 소각방식에 따라 바닥재의 기본물성 및 역학적 특성에 차이가 있는 것으로 나타났으므로 바닥재 활용 시 소각방식에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.
Due to the population growth and development of industry, waste from household and industries has increased. As the advanced countries experienced these problems, they have already started research on recycling methods of waste incineration ashes. Domestic recycling rate of incineration ash became u...
Due to the population growth and development of industry, waste from household and industries has increased. As the advanced countries experienced these problems, they have already started research on recycling methods of waste incineration ashes. Domestic recycling rate of incineration ash became up to 80 percent as high as the level of developed countries, but the recycling was limited to fly ash for admixture in concrete. In case of bottom ash, most of bottom ash was reclaimed in the landfills. Therefore, basic physical property and mechanical experiments for bottom ash were conducted in this study to evaluate the possibility of incineration bottom ash as an alternative construction materials. Bottom ashes from three different landfills with two different incineration methods were tested. Incineration methods are Stoker type Incinerator and Pyrolysis-Melting Treatment. Bottom ash can be used as an alternative granular material for construction based on the basic physical property and mechanical characteristics similar to those of sandy materials. However, the incineration method should be considered since it can affect the material and mechanical characteristics of the incineration bottom ash.
Due to the population growth and development of industry, waste from household and industries has increased. As the advanced countries experienced these problems, they have already started research on recycling methods of waste incineration ashes. Domestic recycling rate of incineration ash became up to 80 percent as high as the level of developed countries, but the recycling was limited to fly ash for admixture in concrete. In case of bottom ash, most of bottom ash was reclaimed in the landfills. Therefore, basic physical property and mechanical experiments for bottom ash were conducted in this study to evaluate the possibility of incineration bottom ash as an alternative construction materials. Bottom ashes from three different landfills with two different incineration methods were tested. Incineration methods are Stoker type Incinerator and Pyrolysis-Melting Treatment. Bottom ash can be used as an alternative granular material for construction based on the basic physical property and mechanical characteristics similar to those of sandy materials. However, the incineration method should be considered since it can affect the material and mechanical characteristics of the incineration bottom ash.
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문제 정의
본 연구에서 사용된 폐기물 소각재 시료의 물리적 특성을 파악하기 위해 물성시험을 실시하였다. 시험은 체가름 시험(KS F 2302, 2002), 비중시험(KS F 2308, 2006), 상대 밀도시험을 실시하였다.
본 연구에서는 소각방식에 따른 폐기물 소각재의 물리적 특성과 강도 특성을 파악하기 위해 생활폐기물 소각장에서 발생된 바닥재를 사용하여 기본물성시험과 역학시험을 실시하였다.
본 연구에서는 폐기물 소각 바닥재의 소각방식에 따른 강도특성을 비교하기 위해 직접전단시험을 실시하였다. 시료는 노건조시료를 사용하였으며, 앞서 실시한 투수시험과 동일하게 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 조성하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 폐기물 소각 바닥재의 소각방식에 따른 다짐특성을 비교하기 위해 다짐시험을 실시하였다. 다짐방법은 일반 토사재료에서 수행하는 표준 A 다짐방법으로 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 폐기물 소각 시 발생하는 소각재 중 재활용률이 낮은 바닥재의 기본물성 및 역학시험을 수행하여 건설재료로서의 사용 가능성을 평가하고, 폐기물 소각방식에 따른 바닥재의 역학적 특성을 비교하고자 한다.
본 연구에서는 폐기물 소각재 시료의 역학적 특성을 파악하기 위해 역학시험을 실시하였다. 시험은 투수시험(KS F 2322, 2000), 다짐시험(KS F 2312, 2001), 직접전단시험(KS F 2343, 2007)을 실시하였다.
본 연구에서는 폐기물 소각재의 소각방식에 따른 투수성을 비교하기 위해 투수시험을 실시하였다. 폐기물 소각재시료 A, B, C가 모래와 가까운 특성을 보인다는 결과를 고려하여 정수위 투수시험을 실시하였으며, 시료는 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 동일하게 조성하여 실험을 진행 하였다.
제안 방법
각각의 바닥재 시료의 화학적 조성을 분석하기 위해 XRF 분석을 실시하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다.
본 연구에서는 폐기물 소각 시 발생하는 바닥재의 소각방식에 따른 역학적 특성을 비교하기 위해 기본물성시험과 투수시험, 다짐시험, 직접전단시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서 사용된 폐기물 소각재 시료의 물리적 특성을 파악하기 위해 물성시험을 실시하였다. 시험은 체가름 시험(KS F 2302, 2002), 비중시험(KS F 2308, 2006), 상대 밀도시험을 실시하였다.
시료는 노건조시료를 사용하였으며, 앞서 실시한 투수시험과 동일하게 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 조성하여 실험을 진행하였다. 전단속도는 1mm/min의 속도로 수직하중만 달리하여 측정한 전단저항력으로 수직응력과 전단응력의 관계를 선형으로 해석하였다.
투수시험과 직접전단시험의 경우 각각의 시료를 비교하기 위하여 상대밀도시험을 통해 얻어진 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 폐기물 소각재의 소각방식에 따른 투수성을 비교하기 위해 투수시험을 실시하였다. 폐기물 소각재시료 A, B, C가 모래와 가까운 특성을 보인다는 결과를 고려하여 정수위 투수시험을 실시하였으며, 시료는 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 동일하게 조성하여 실험을 진행 하였다. Table 5는 정수위 투수시험의 결과와 유효입경을 나타낸 표이다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 소각재는 국내 수도권 지역 3곳에서 생활폐기물 소각 시 발생된 바닥재(Bottom ash)를 채취하여 사용하였으며, 각각의 시료를 A, B, C로 구분하였다. Table 2는 시험에 사용된 폐기물 소각 바닥재를 소각방식에 따라 분류한 표이며, Fig.
본 연구에서는 폐기물 소각 바닥재의 소각방식에 따른 강도특성을 비교하기 위해 직접전단시험을 실시하였다. 시료는 노건조시료를 사용하였으며, 앞서 실시한 투수시험과 동일하게 상대밀도 60%에 해당하는 단위중량으로 조성하여 실험을 진행하였다. 전단속도는 1mm/min의 속도로 수직하중만 달리하여 측정한 전단저항력으로 수직응력과 전단응력의 관계를 선형으로 해석하였다.
이론/모형
본 연구에서는 폐기물 소각 바닥재의 소각방식에 따른 다짐특성을 비교하기 위해 다짐시험을 실시하였다. 다짐방법은 일반 토사재료에서 수행하는 표준 A 다짐방법으로 시험을 진행하였다. Table 6은 폐기물 소각재의 최대건조단위 중량과 최적함수비를 나타낸 표이며, Fig.
본 연구에서는 폐기물 소각재 시료의 역학적 특성을 파악하기 위해 역학시험을 실시하였다. 시험은 투수시험(KS F 2322, 2000), 다짐시험(KS F 2312, 2001), 직접전단시험(KS F 2343, 2007)을 실시하였다.
성능/효과
(1) 폐기물 소각 바닥재는 기본물성이 모래와 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 입도분포의 경우 소각방식에 따른 특징을 나타내지는 않았지만, 비중은 소각방식에 따라 다르게 나타났다.
(2) 소각재의 성분분석결과에 의하면 일반적인 자연 지반재료와 비교하여 SiO2 함량이 낮은 대신 CaO의 함량이 높은 것으로 나타났다. 따라서 바닥재를 점토 등 다른 재료와 혼합하는 경우에 대해서는 화학 반응 여부 및 그 영향에 대한 고려가 필요하며 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
(3) 투수시험 결과 바닥재의 투수성은 모래의 투수성과 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 화격자 소각방식에서 발생된 바닥재에 비해 열분해 용융방식에서 발생된 바닥재의 투수계수가 큰 것을 확인하였으며, 이는 실험에 사용된 시료들의 유효입경의 경향이 투수계수의 경향과 일치하지 않는 것을 보아 입도분포의 영향보다는 소각방식에 따른 입자의 형상 또는 간극의 분포에 의한 결과로 볼 수 있다.
(4) 다짐시험 결과 빈입도로 분류된 시료에 비해 양입도로 분류된 시료의 다짐곡선이 좌상향하는 것을 보아 바닥재의 다짐특성이 일반적인 조립토의 경향과 일치한 것으로 판단된다. 소각방식에 따라 화격자 소각방식에서 생성된 바닥재에 비해 열분해 용융방식에서 생성된 바닥재의 최대건조단위중량은 크고, 최적함수비는 작게 나타났다.
(5) 직접전단시험 결과 소각재 시료의 강도특성은 일반적인 모래의 특성과는 다른 경향을 보였으며, 소각방식에 따른 경향도 뚜렷하게 나타나지 않았다. 이는 입자의 형상 및 표면의 거칠기, 간극의 분포 등의 소각방식에 따라 발생할 수 있는 영향과 소각재의 원재료가 가지고 있던 물리적 특성의 복합적인 요인에 의한 차이로 판단된다.
일반적으로 모래의 경우 조밀하거나 느슨하거나에 관계없이 점착력이 없는 것으로 알려져 있다. Fig. 5와 Table 7을 보면 시료 A, B, C 모두 일반적인 모래의 경향과는 달리 점착력을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 화격자 소각방식에서 생성된 바닥재 시료 A와 시료 B가 열분해 용융방식에서 생성된 바닥재 시료 C에 비해 큰 값을 보이는 것을 확인할 수 있었지만 같은 화격자 소각방식인 시료 A와 시료 B 사이의 격차도 상당히 큰 것을 확인할 수 있었다. 내부마찰 각의 경우 시료 A, 시료 C, 시료 B 순서로 큰 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
같은 화격자 소각방식으로 소각시킨 시료 A와 시료 B가 각각 양입도와 빈입도의 결과를 나타내는 것을 확인하였으며, 이를 통해 소각방식이 소각재의 입도분포에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보여진다.
(3) 투수시험 결과 바닥재의 투수성은 모래의 투수성과 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 화격자 소각방식에서 발생된 바닥재에 비해 열분해 용융방식에서 발생된 바닥재의 투수계수가 큰 것을 확인하였으며, 이는 실험에 사용된 시료들의 유효입경의 경향이 투수계수의 경향과 일치하지 않는 것을 보아 입도분포의 영향보다는 소각방식에 따른 입자의 형상 또는 간극의 분포에 의한 결과로 볼 수 있다.
또한 화격자 소각방식으로 소각시킨 시료 A와 시료 B에 비해 열분해 용융방식으로 소각시킨 시료 C의 투수계수가약 15배 이상 큰 것을 확인할 수 있었다. 흙의 투수성을 지배하는 입경으로 알려진 유효입경을 비교한 결과, 시료 B, 시료 C, 시료 A 순으로 크게 나타나 유효경의 경향이 투수 계수의 경향과는 맞지 않음을 확인할 수 있었다.
Table 4를 보면 화격자 소각방식으로 소각시킨 시료 A와 시료 B는 비슷한 비중을 가지며 일반적인 모래의 비중보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 반면 열분해 용융방식으로 소각시킨 시료 C는 앞의 두 시료에 비해 상당히 큰 비중을 가지는 것을 확인할 수 있었으며 일반적인 모래와 비교하였을 때에도 더 큰 비중을 가지는 것을 확인하였다. 이는 열분해 용융방식이 1,200℃ 이상의 고온으로 용융시켜 슬래그화된 바닥재가 만들어지기 때문에 열분해 용융방식으로 소각시킨 폐기물 소각재의 비중의 경우 모래보다 큰 것으로 판단된다.
상대밀도시험을 통해 획득한 최대건조단위중량과 최소건조단위중량의 경우에도 비중과 마찬가지로 시료 A와 시료 B는 비슷한 건조단위중량을 가지는 반면 시료 C는 최대건조단위중량과 최소건조단위중량 모두 앞의 두 시료에 비해 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 소각방식에 따른 건조단위중량의 차이는 소각방식에 따른 비중의 차이에서 발생한 것으로 판단된다.
(4) 다짐시험 결과 빈입도로 분류된 시료에 비해 양입도로 분류된 시료의 다짐곡선이 좌상향하는 것을 보아 바닥재의 다짐특성이 일반적인 조립토의 경향과 일치한 것으로 판단된다. 소각방식에 따라 화격자 소각방식에서 생성된 바닥재에 비해 열분해 용융방식에서 생성된 바닥재의 최대건조단위중량은 크고, 최적함수비는 작게 나타났다.
로 이루어져 있다. 소각재의 경우 그 성분에서 일반적인 자연 지반재료와 비교하여 SiO2 함량은 낮은 대신 CaO 의 함량이 상대적으로 높게 나타났다. 따라서 바닥재를 점토 등 다른 재료와의 혼합하여 활용하는 경우 CaO 성분에 의한 화학 반응 여부 및 그 영향에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
위 결론을 통해 폐기물 소각 바닥재가 모래와 비슷한 특성을 보여 건설재료로서의 사용 가능성을 확인할 수 있었으나, 폐기물 소각방식에 따라 바닥재의 기본물성 및 역학적 특성에 차이가 있는 것으로 나타났다. 향후 소각방식에 따른 입자의 형상 또는 간극의 분포, 화학적 반응성 등에 대한 추가 연구를 통해 폐기물 소각 바닥재의 물리 화학적 특성에 대한 영향인자를 명확히 규명할 필요가 있다.
폐기물 소각재시료 A, B, C를 체가름시험을 통해 통일분류법으로 분류한 결과 양입도의 모래 또는 빈입도의 모래로 분류되는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 바닥재의 경우 모래에 가까운 특성을 보인다는 기존의 연구들과 일치한다.
화격자 소각방식으로 소각시킨 시료 A, B에 비해 열분해용융방식으로 소각시킨 시료 B의 최대건조단위중량이 약 1.4배 크며, 최적함수비는 약 2.4배 작은 것을 확인할 수 있었다. 이는 소각방법의 차이에서 기인한 시료 C의 높은 비중과 입자의 형상 및 입도분포의 차이에 의한 것으로 판단된다.
입도분포의 경우 소각방식에 따른 특징을 나타내지는 않았지만, 비중은 소각방식에 따라 다르게 나타났다. 화격자 소각방식으로 소각한 바닥재의 경우 일반적인 모래의 비중보다 작은 비중을 가지는 것으로 나타났으며, 열분해 용융 소각방식으로 소각한 바닥재의 경우 일반적인 모래보다 큰 비중을 가지는 것을 확인하였다. 이는 열분해 용융방식이 1,200℃이상의 고온으로 용융시키므로 슬래그화된 바닥재가 만들어지기 때문인 것으로 판단된다.
또한 화격자 소각방식으로 소각시킨 시료 A와 시료 B에 비해 열분해 용융방식으로 소각시킨 시료 C의 투수계수가약 15배 이상 큰 것을 확인할 수 있었다. 흙의 투수성을 지배하는 입경으로 알려진 유효입경을 비교한 결과, 시료 B, 시료 C, 시료 A 순으로 크게 나타나 유효경의 경향이 투수 계수의 경향과는 맞지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 폐기물 소각 바닥재의 투수성은 입도분포 보다는 소각방식에 따른 영향을 크게 받을 것으로 판단되며, 더 정확한 원인을 파악하기 위해 소각방식에 따른 입자의 형상이나 간극의 분포에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
후속연구
함량이 낮은 대신 CaO의 함량이 높은 것으로 나타났다. 따라서 바닥재를 점토 등 다른 재료와 혼합하는 경우에 대해서는 화학 반응 여부 및 그 영향에 대한 고려가 필요하며 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.
흙의 투수성을 지배하는 입경으로 알려진 유효입경을 비교한 결과, 시료 B, 시료 C, 시료 A 순으로 크게 나타나 유효경의 경향이 투수 계수의 경향과는 맞지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 폐기물 소각 바닥재의 투수성은 입도분포 보다는 소각방식에 따른 영향을 크게 받을 것으로 판단되며, 더 정확한 원인을 파악하기 위해 소각방식에 따른 입자의 형상이나 간극의 분포에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
위 결론을 통해 폐기물 소각 바닥재가 모래와 비슷한 특성을 보여 건설재료로서의 사용 가능성을 확인할 수 있었으나, 폐기물 소각방식에 따라 바닥재의 기본물성 및 역학적 특성에 차이가 있는 것으로 나타났다. 향후 소각방식에 따른 입자의 형상 또는 간극의 분포, 화학적 반응성 등에 대한 추가 연구를 통해 폐기물 소각 바닥재의 물리 화학적 특성에 대한 영향인자를 명확히 규명할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2013년, 국내 건설폐기물의 총 발생량은?
인구 증가와 산업발전에 따라 생활 및 산업분야에서 발생하는 폐기물의 발생량도 크게 증가하고 있는 추세이다. 국내의 경우 생활폐기물, 사정장 배출시설계 폐기물(지정폐기물 제외), 건설폐기물의 2013년 한해 총 발생량은 약 1억 4천만 톤이었다. 이 중 6% 정도인 약 8백만 톤의 폐기물이 소각 처리된 것으로 나타났다.
폐기물 소각 처리 시 발생하는 소각재는, 어떻게 구분할 수 있는가?
이 중 6% 정도인 약 8백만 톤의 폐기물이 소각 처리된 것으로 나타났다. 폐기물 소각 처리 시 발생하는 소각재는 보일러 상부에서 발생하는 비산재(Fly ash)와 보일러 저부에서 채취되는 바닥재(Bottom ash)로 구분된다. 비산재의 경우 콘크리트 혼화재로서 재활용되며 재활용률은 약 80%로 선진국 수준에 이르렀다.
Stoker type incinerator의 장점은 무엇인가?
국내에서 가장 널리 적용되고 있는 폐기물 소각방식은 폐기물을 직접 소각하는 화격자 소각방식(Stoker type incinerator) 이다. 화격자 소각방식은 폐기물을 화격자 위에 투입하고 교반 및 이송시키면서 소각시키는 방식으로 소각로 내부에서 모든 소각과정이 완료되기 때문에 공정이 매우 간단하며 소각 시 발생된 폐열을 회수하여 에너지원으로 활용이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 공기의 과다 공급으로 인한 중금속 및 다이옥신 등과 같은 유해물질이 발생될 가능성이 높다는 단점을 가지고 있다.
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