[논문]회전분리망 흡착선별기의 순환 굵은골재 이물질 제거효율에 관한 연구

조성광; 김규용; 김경욱; 선상원; 박진영

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.85

[국내논문] 회전분리망 흡착선별기의 순환 굵은골재 이물질 제거효율에 관한 연구
A Study on Aggregate Waste Separation Efficiency Using Adsorption System with Rotating Separation Net 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.85 - 91

조성광 (지본 특허법률사무소) , 김규용 (충남대학교 건축공학과) , 김경욱 (숭실대학교 기계공학부) , 선상원 (숭실대학교 기계공학부) , 박진영 (초계산업)

초록
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건설폐기물에서 발생하는 순환골재의 분류 과정에서 발생하는 이물질을 순환골재 출하 전에 회수하기 위하여 회전분리망 흡착 선별기를 설계 및 제작하였다. 제작된 선별기의 성능을 평가하기 위하여, 순환골재에서 자체적으로 회수한 이물질 종류에 따라, 아크릴을 사용하여 규격화된 이물질 샘플을 제작하고, 선별기에서 작동하는 흡입팬의 제어주파수 및 분리망의 흡입구 위치에 따른 선별효율과 순환골재의 오분류율을 평가하여 적절한 운전점을 평가하였다. 순환골재 및 이물질을 입자로 가정한 유동해석을 통해 예측된 선별기의 운전점에서의 분류효율을 평가하였다. 성능 시험 결과 컨베이어 밸트와 흡입구의 거리가 0.2m일 때 95%의 선별효율을 보이는 것으로 나타났으나, 순환골재의 오분류율이 2% 이상으로 선별효율과 2% 이하의 오분류율을 만족하는 운전점은 흡입구 거리 0.254m에서 제어주파수 58Hz으로 나타났다. 유동해석 결과 이물질 선별기에서 순환골재의 오분류는 나타나지 않았다. 기존 순환골재 생산공정에서 이물질 저감을 위해 설치식으로 운용이 가능한 회전분리망을 이용한 풍력 선별시스템을 구축하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aggregate waste separator with rotating separating net was designed for applying classification process of construction waste. In order to evaluate the performance of the aggregate waste separator, according to the type of waste, standardized waste samples are prepared using acrylic. The appropriate operating point was evaluated by the classification efficiency and misclassification rate of recycled aggregate according to the control frequency of the blower operating and inlet position of the separating net. The classification efficiency at the operating point of the aggregate waste separator was evaluated through flow analysis assuming recycled aggregate and waste sample as particles. As a result of the performance test, when the distance. between the conveyor belt and the inlet was 0.2m, the classification efficiency was 95%, but the misclassification rate of recycled aggregate was 2% or more, which satisfies the classification efficiency and the misclassification rate of less than 2%. The operating point was shown at a control frequency of 58Hz at a suction distance of 0.254m. As a resu lt of flow analysis, there was no misclassification of recycled aggregate. In order to redu ce constru ction waste in the existing recycled aggregate production process, adsorption system using a rotating separating net that can be operated as an installation type was built.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Recycled aggregate production process
그림 Fig. 2. Concept of adsorption system with rotating separation net
그림 Fig. 3. CFD simulation modeling of Waste saparator
그림 Fig. 4. Waste separator simulation
그림 Fig. 5. Experimental layout and performance measuring system of aggregate waste separator
그림 Fig. 6. Waste size measurement
그림 Fig. 7. Acrylic waste sample
그림 Fig. 8. Mixture of aggregate and acrylic waste sample
표 Table 1. Waste type classification for size and weight
표 Table 2. Standardized acrylic samples
그림 Fig. 9. Overall efficiency of aggregate waste sparation
그림 Fig. 10. Misclassification rate of recycled aggregate
표 Table 3. Perfomance test results for aggregate waste separator

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대형 풍력 선별기를 통해 일차적으로 이물질이 제거된 골재에 대한 추가적인 스크린 및 파쇄작업 이후, 40mm이상의 골재에 포함된 소형 이물질에 대한 선별을 위한 장치로회전분리망 흡착선별기를 제작하고, 그 성능을 평가하였다.

제안 방법

9는 아크릴 이물질 샘플의 회수율 산정 결과를 나태낸 것이다. 각 샘플의 회수율에 부피비율을 곱한 후, 합산하는 방식으로 각 성능시험 점의 종합 회수율을 산정하였다.
흡입팬은 터보 팬 타입(15hp, 250m³/min)으로 인버터를 통해 제어되고, 제어 풍속은 주파수 범위 50Hz에서 2Hz씩 증가시키며 최대 주파수인 60Hz까지 증가시켜가며, 분리망을 통해 회수된 각각의 샘플들의 회수율과 오분류된 골재의 부피를 평가하였다. 각 시험은 5회씩 수행하여 결과 값의 평균 회수율 및 부피 값을 산정하였다.
벨트위로 투입되는 순환골재 및 아크릴 샘플은 벨트의 이동속도와 동일한 속도로 샘플 종류에 따라 각각 초당 10개씩 2m/s 속도로 투입되도록 적용하였다.
분리망의 아래쪽 궤도 상부에 흡입팬에서 연결된 흡입구가 위치한다. 분리망 흡입구의 높이와 흡입팬의 흡입량은 조절할 수 있도록 제작하였다.
선별기의 유동해석 시 흡입구거리는 각각 0.2m, 0.254m로 하며 제어주파수는 60Hz 로 동일하게 하여 벨트상단 순환골재 이송 부분에서 흡입구 영역을 통과한 순환골재와 이물질 잔존량의 합을 통해 선별효율을 산정하였다.
성능시험은 흡입구와 컨베이어 벨트 최하단의 거리 0.2m, 0.254m, 0.274m, 0.294m의 지점에서 수행되었다.
2는 회전분리망 흡착선별기의 구성을 나타낸 것으로 순환 골재 이송용 컨베이어 벨트 상부에 흡입팬과 연결된 흡입구를 두어 그 주변을 통풍 분리망이 무한궤도로 회전되는 방식이다. 순환 굵은 골재 내 경량 이물질은 흡입팬의 강력한 흡입력으로 통풍 분리 망에 흡착된 상태로 회전하는 분리망을 통해 이송 후 흡입력감소 구간에서 회전망의 원심력에 낙하⋅배출되도록 구상하였다.
순환골재 생산 시 최종 선별공정에 잔류된 이물질 제거를 목적으로 회전분리망 흡착선별기에 대한 시뮬레이션 모델 유동해석과 파일럿 시험장비 실증 시험을 실시하였다. 제작된 선별기는 송풍기를 통한 흡입구 앞쪽에 회전하는 분리망을 설치하여 이물질을 회수할 수 있도록 하였고, 이물질의 종류와 크기, 무게와 동일한 아크릴 샘플을 제작하여, 흡입구와 벨트 간 이격길이와 송풍기의 제어 주파수 조건을 달리하여 얻어진 회수율 및 순환골재 오 분류율을 이용해 흡착선별기의 유동해석 시뮬레이션을 수행하였다.
순환골재 선별 시 발생되는 이물질들을 플라스틱/나무/유리 등의 재질별로 분리한 후, Table 1 및 Fig. 6과 같이 크기와 무게를 측정하였다. 측정된 이물질들의 경우, 일정하지 않은 크기와 무게로 규격화되지 않은 문제점이 있다.
시험을 통한 이물질 회수효율을 평가하기 위해 비슷한 밀도을가진 아크릴로 대체하여 Table 2 및 Fig. 7과 같이 이물질 샘플 규격을 정량화하였다. 결정된 4가지 크기의 이물질 규격에 따라 아크릴 (3mm)을 사용하여 정사각형 모양으로 각각 40개씩 제작하였다.
아크릴 샘플들의 밀도는 1.24g/cm³, 40mm 순환골재의 크기와 밀도는 사용된 순환골재 중 일부의 최소/최대 길이와 무게를 평균한 값을 적용하였다. 벽면에서 부딪히는 입자의 수평복원계수는 속도 유지를 위해 1로 설정하였으며, 수직복원계수는 벨트 상하 진동을 감안한 0.
유동해석을 통해 결정된 흡입구의 높이와 흡입 풍량에 따른 이물질 제거율과 순환 골재 오분류율을 평가하였고, 파일럿 장비를 사용하여 다양한 실험 조건에서 분리⋅조정이 가능한 탈거 방식 순환 골재 이물질 선별기의 성능을 평가하였다.
시험장비 실증 시험을 실시하였다. 제작된 선별기는 송풍기를 통한 흡입구 앞쪽에 회전하는 분리망을 설치하여 이물질을 회수할 수 있도록 하였고, 이물질의 종류와 크기, 무게와 동일한 아크릴 샘플을 제작하여, 흡입구와 벨트 간 이격길이와 송풍기의 제어 주파수 조건을 달리하여 얻어진 회수율 및 순환골재 오 분류율을 이용해 흡착선별기의 유동해석 시뮬레이션을 수행하였다.
회전분리망 흡착선별기는 Fig. 1에 나타난 바와 같이, 사업장의 영업활동에 미치는 영향이 최소화될 수 있도록, 기존 공정 설비에 대한 변경⋅간섭 없이 탈착 가능하도록 제작하여 순환골재 이물질선별능력을 평가하였다.
흡입구를 통해 연결되는 흡입팬의 성능곡선에 따라 흡입 압력 조건을 적용하였다. 압력조건은 흡입팬의 최대 성능일 때로, 150mmHg 를 적용하였다.
3m 고정시켰다. 흡입팬은 터보 팬 타입(15hp, 250m³/min)으로 인버터를 통해 제어되고, 제어 풍속은 주파수 범위 50Hz에서 2Hz씩 증가시키며 최대 주파수인 60Hz까지 증가시켜가며, 분리망을 통해 회수된 각각의 샘플들의 회수율과 오분류된 골재의 부피를 평가하였다. 각 시험은 5회씩 수행하여 결과 값의 평균 회수율 및 부피 값을 산정하였다.

대상 데이터

7과 같이 이물질 샘플 규격을 정량화하였다. 결정된 4가지 크기의 이물질 규격에 따라 아크릴 (3mm)을 사용하여 정사각형 모양으로 각각 40개씩 제작하였다.
난류모델의 경우, 유동특성 상 외부의 공기가 상대접으로 좁은 단면적을 통해 이송되는 것을 고려하여 모델을 사용하였다. 모델의 난류운동에너지 및 난류소산율에 대한 수송방정식은식 (3), (4)와 같다.
5는 유동해석 결과를 반영하여 제작한 파일럿 시험 장비의 설치 사진이다. 시험 장비의 길이, 폭 및 높이는 8, 100mm× 5, 200mm×7, 400mm이다. 컨베이어 벨트의 폭은 800mm로, 2m/s 의 속도로 이동된다.

이론/모형

아크릴 샘플의 항력계수는 Schiller and Naumann 모델 (Schiller and Naumann 1935; Karunarathne and Tokheim 2017) 을 사용하였고, 항력계수는 식 (5)와 같다.

성능/효과

그 결과 각각 100% 및 94.3%의 선별효율을 나타내 흡입 거리에 따른 오분류 발생확률은 낮은 것으로 나타났다.
그 결과 흡입구거리 0.254m, 제어 주파수 58Hz이상에서 이물질 샘플 회수율 95%로 나타났으며, 제안된 회전분리망 흡착 선별기는 순환골재로 사용되기 위해 요구되는 유기 및 무기 이물질의 요구치인 순환골재 대비 1% 이하를 충족시키기에 충분한 성능을 갖춘 것과 더불어 기존의 사용되고 있는 순환골재 선별과정에 수월하게 적용할 수 있다.
그 결과 흡입구와 V-컨베이어 벨트 간 이격길이(이하 흡입구⋅ 벨트 이격길이) 0.2m와 제어 주파수 50Hz 조건으로 구동시켰을 때 95% 이상 회수율을 나타내고 있으며, 흡입구⋅벨트 이격거리 0.254m 이상의 경우, 최대 제어 주파수에서만 80% 이상의 회수율을 나타내고 있다.
선별기의 성능시험과 유동해석의 결과 선별효율에서는 흡입구 거리가 0.254m인 경우 5.7%의 차이가 발생하였다. 이러한 결과는 실제 시험에서는 순환골재 하단에 이물질 샘플이 위치한 경우, 회수가 되지 않아 차이가 발생하는 것으로 판단된다.
4는 순환골재와 이물질 입자 거동의 유동해석을 나타낸 것이다. 컨베이어 벨트 상단 회색 입자는 순환골재를 표현한 것으로, 비중이 큰 물질특성으로 흡입팬의 영향 없이 유동장 방향으로 이송됨을 확인할 수 있다. 반면, 비중이 작은 경량 이물질 입자들은 이송과정에서 흡입구 측 접근과 동시에 흡착되며 흡입팬을 통해 배출되는 것을 확인할 수 있다.
특히, 흡입구⋅벨트 이격길이 0.254m에서 송풍기 최대 출력 50%에 해당되는 50Hz 조건에서도 60% 이상의 회수율을 발휘하였으며, 58Hz이상의 조건에서 95% 이상의 회수율이 발휘되는 결과가 나타났다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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