KR101946830B1 - 발전소 바텀애쉬와 질석을 포함하는 건축 내장재 보드의 제조방법 - Google Patents

발전소 바텀애쉬와 질석을 포함하는 건축 내장재 보드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 보드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 보드는 석탄화력발전소에서 발생하는 폐기물인 바텀애쉬를 재활용하여 사용하므로 제조비용을 절감할 수 있고, 건축 내장재에 필요한 물리적 특성을 모두 만족할 뿐만 아니라 열에 대한 저항성이 매우 우수하고, 기존의 질석 보드에 비하여 경도 및 휨강도가 현저히 향상하므로 건축 내장재용 보드의 제조에 유용할 수 있다.

Description

발전소 바텀애쉬와 질석을 포함하는 건축 내장재 보드의 제조방법{Preparation method for board for building interior materials having a vermiculite mixed with a bottom ash produced from coal power plant}
본 발명은 바텀애쉬와 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 바텀애쉬를 혼합하고, 분쇄하고 발포질석이 혼합된 원료를 압출성형 또는 가압성형하여 성형체를 제조하는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬와 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드의 제조방법에 관한 것이다.
석탄회는 화력발전소에서 석탄을 미분쇄(200mesh 체 70~80% 통과)하여 뜨거운 공기와 함께 고속으로 노내에 주입하여 대부분 광물질의 용융점 이상인 1500±±200℃℃ 온도범위에서 부유상태로 순간적으로 연소시키는데, 이때
연소하고 난 후 남은 물질을 석탄회(ash)라고 하며, 집진하는 위치에 따라 플라이 에쉬(fly ash), 바텀 에쉬(bottom ash)로 구분할 수 있으며, 플라이 에쉬의 평균입경은 0.3 ~ 1.0mm 이고, 바텀 에쉬는 플라이 에쉬보다 약간 더 큰 1.0 ~ 2.5mm의 평균입경을 가지고 있다. 상기 석탄회는 미연소탄과 회성분을 많이 함유하고 있으며, 수분이 거의 없는 상태로 존재하여 수분을 흡수하고, 소성시에는 연료비를 절감시킨다. 또한, 수분과 수화하여 포졸란 반응을 일으켜 건조강도를 증가시키고, 소성시 소결강도를 증가시키는 역할을 하여 벽돌의 압축강도, 흡수율 및 벽돌의 경량화에 많은 영향을 끼친다.
국내 화력발전소에서 발생되는 석탄회양은 2000년에 약 450만톤이 발생하였으며, 2010년경에는 발생량이 약 600만톤에 이를 것으로 예상되며, 이 중 저회의 발생량은 약 10~15%정도가 될 것으로 추정된다. 또한, 발생되는 저회의 대부분은 바다에 매립되고 있으며, 인조대리석 분진도 연간 약 5만톤 이상 발생되고 있지만, 재활용은 거의 이루어지지 않고 매립되고 있는 실정으로 향후 매립지 확보문제, 침출수 등에 의한 이차적인 오염 문제 등으로 이에 대한 기술 개발 및 연구가 시급한 실정이다. 또한, 향후 새집증후군의 주범이 되는 포름알데히드, 휘발성유기화합물을 방출하는 건축자재는 다중이용시설뿐 아니라 아파트, 학교, 사무실 등에서도 사용할 수 없게 됨에 따라 건축자재의 개발이 시급하다.
이와 관련된 종래 기술로는 '바텀에쉬를 이용한 콘크리트 제품 및 그 콘크리트제품의 제조방법'(한국특허 출원번호 10-2001-0023281)은 상기 특허는 콘크리트 제품에 골재대체재로서 일부 사용하는 것을 목표로 하였으나 넓은 입도분포와 입자의 불규칙성 등이 문제가 되었고, 저회에 포함된 미연탄소분의 영향으로 콘크리트제품 품질저하의 원인이 되기도 하여 사용에 많은 제약이 따르는 문제점을 안고 있다. 또한, 기존 요업제품에 쓰이기에는 배합 이전에 저회를 따로 분쇄하거나 체가름을 하여 원료로서 공급해야하는 문제가 발생하여 기존 요업제품생산과 비교해서 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, '정수슬러지를 활용한 경량 점토벽돌 및 점토바닥벽돌과 그 제조방법'(한국특허 출원번호 10-2003-0074264)이 있으며, 정수슬러지, 석탄회 등의 산업폐기물의 재활용방안으로 고령토 및 점토를 주원료로 하여 상기 폐기물을 혼합하여 소성시킨 경량 점토벽돌 및 점토바닥벽돌을 제조하는 것으로, 상기 방법은 기존의 점토벽돌이나 점토 바닥블럭을 제조하는데 첨가제로서의 역할밖에는 없고, 외장재나 바닥포장재로서의 기능 이외 건물의 내부 등에 쓰일 수 있는 용도의 고부가가치화를 이룰 수 없는 문제점이 있다.
추가적으로 그 외에도, '저회를 활용한 압출성형 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법'(한국특허 등록번호 10-0556259) 및 '플라이 애쉬와 점토를 이용한 경량 골재의 제조방법 및 경량 골재'(한국특허 출원번호 특1993-0021082) 등 다수의 종래 특허도 개시되어 있다.
이에, 본 발명자들은 지속적으로 발생 및 증가하고 있어 그 처리방법의 모색이 시급한 바텀애쉬를 이용하여 부가가치가 높은 제품으로의 재활용을 연구하던 중, 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드(board)가 석탄화력발전 중에서 발생하는 폐기물인 바텀애쉬를 재활용하여 사용하므로 제조비용을 절감할 수 있고, 건축 내장재에 필요한 물리적 특성을 모두 만족할 뿐만 아니라 열에 대한 저항성이 매우 우수하고, 기존의 질석 보드에 비하여 경도 및 휨강도가 현저히 향상하는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.
한국특허 출원번호 10-2001-0023281 한국특허 출원번호 10-2003-0074264 한국특허 등록번호 10-0556259 한국특허 출원번호 특1993-0021082
본 발명의 목적은 바텀애쉬 등 매립되고 있는 폐자원을 재활용하고, 상기 바텀애쉬에 포함되어 있는 다수의 기공을 형성시켜 경량화를 이룰 수 있고, 폐기물의 함량을 증가시키면 기공분포를 더욱 증가시켜 낮은 열전도율과 높은 탈취효과가 있는 것을 확인함으로써 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 내장재용 보드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 내장재용 보드의 제조장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바텀애쉬를 건조하는 제1단계; 상기 제1단계의 바텀애쉬 중 100메쉬이하 입자로 분류 및 수집하는 제2단계; 상기 제2단계의 바텀애쉬 및 무기계바인더를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제3단계; 상기 제3단계의 상기 제1혼합물에 발포질석을 혼합 교반하여 제2혼합물을 제조하는 제4단계; 상기 제4단계의 상기 제2혼합물을 압축 및 성형하는 제5단계; 및 상기 제5단계의 성형품을 마이크로웨이브를 이용하여 건조하는 제6단계;로 이루어진 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제4단계에 공급되는 질석은 0.1 내지 8mm의 입경을 갖도록 분쇄 및 선별하는 분쇄선별단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4단계에서 공급되는 발포질석은 상기 질석을 800 내지 1200℃로 가열하여 발포시키는 발포단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 바텀애쉬는 1 내지 50중량부, 상기 무기계바인더는 0.1 내지 20중량부, 상기 발포질석은 20 내지 100중량부일 수 있다.
또한, 상기 무기계바인더는 실리케이트계열, 알루미나계열, 마그네슘계열, 칼륨계열, 나트륨계열 등의 무기접착제 중 어느 하나 또는 2 이상을 혼합할 수 있다.
또한, 상기 바텀애쉬는 화력발전소로부터 생성된 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1단계에서 사용되는 바텀애쉬는 함수율을 20-50%로 낮추는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드는 화력발전소에서 발생하는 폐기물인 바텀애쉬를 재활용하여 사용하므로 제조비용을 절감할 수 있고, 건축 내장재에 필요한 물리적 특성을 모두 만족할 뿐만 아니라 열에 대한 저항성이 매우 우수하고, 기존의 질석 보드에 비하여 경도 및 휨강도가 현저히 향상하므로, 건축 내장재용 보드의 제조에 유용할 수 있다.
또한, 내장재 또는 외장재는 화력발전소 석탄회, 등 매립되고 있는 폐자원을 재활용할 수 있어 원재료비가 절감되며, 저온에서도 소성이 가능하여 연료비가 절감되어 경제적인 효과가 있다.
또한, 상기 내장재는 새집증후군의 원인물질인 포름알데히드에 대한 높은 탈취율을 얻을 수 있어 실내 공기 오염이 예방되며, 무기질 원료로 이루어진 제품이기 때문에 화재발생시 유독가스의 발생도 없으며, 영구적으로 건축물에 적용가능한 효과가 있다.
또한, 중금속 용출이 되지않는 제품이 제조 가능하며, 열전도도가 낮아져 건축물에 적용시 단열 효과가 뛰어나 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다. 본 발명에 따른 외장재는 압축강도가 향상되어 안전성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 보드의 제조시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 천연 질석 및 발포 질석의 SEM사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 바텀애쉬의 SEM사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 보드의 바텀애쉬 함량에 따른 보드 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 바텀애쉬 및 질석(vermiculite)을 포함하는 경도 및 휨강도가 향상된 건축 내장재용 보드를 제공한다.
상기 무기계 접착제는 바텀애쉬와 질석이 서로 잘 결합하도록 하는 역할을 하는데, 실리케이트계열, 알루미나계열, 마그네슘계열, 칼륨계열, 나트륨계열 등의 무기접착제를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 상기 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드의 제조방법을 제공한다.
바텀애쉬 및 질석을 동시에 소성 또는 별도로 소성하고 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계에서 제조한 혼합물을 성형하여 보드를 제조하는 단계를 폼함할 수 있다. 및
상기 단계에서 성형된 보드를 고온 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 단계는 바텀애쉬 및 질석을 동시에 소성 또는 별도로 소성하고 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다.
상기 무기계 접착제는 바텀애쉬와 질석이 서로 잘 결합하도록 하는 역할을 하는데, 실리케이트계열, 알루미나계열, 마그네슘계열, 칼륨계열, 나트륨계열 등의 무기접착제를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
본 발명은 바텀애쉬를 건조하는 제1단계; 상기 제1단계의 바텀애쉬 중 100메쉬이하 입자로 분류 및 수집하는 제2단계; 상기 제2단계의 바텀애쉬 및 무기계바인더를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제3단계; 상기 제3단계의 상기 제1혼합물에 발포질석을 혼합 교반하여 제2혼합물을 제조하는 제4단계; 상기 제4단계의 상기 제2혼합물을 압축 및 성형하는 제5단계; 및 상기 제5단계의 성형품을 마이크로웨이브를 이용하여 건조하는 제6단계;로 이루어진 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
상기 제2단계의 분류는 분쇄 및 망채 작업이 수행할 수 있다.
상기 분쇄는 볼밀 분쇄작업을 실시하였다. 볼밀은 미분쇄기의 일종이며 원통형의 빈 용기 내에 용기의 재질과 동일한 재질의 여러 가지 크기의 공모양을 분쇄해야 할 원료를 함께 넣어 회전시켜 분쇄할 수 있다. 볼의 낙하에 의한 충격과 갈아 부수는 작용으로 분쇄가 된다. 건식분쇄 뿐만 아니라 습식분쇄도 가능하며, 본 전처리공정에서는 2 리터(liter) 용량의 알루미나 재질 용기와 볼의 지름이 5mm, 10mm, 20mm 크기의 3종류의 알루미나 볼을 사용할 수 있다. 알루미나 용기와 3가지 크기의 종류의 알루미나 볼, 그리고 용기를 회전시켜 분쇄가 이루어지도록 작동하는 볼밀기기를 사용할 수 있다.
볼밀 분쇄 작업 공정을 나타내었다. 우선 알루미나 용기에 바텀애쉬와 3종류의 볼을 용기의 2/3정도까지 채운다. 용기의 뚜껑을 잘 닫고 볼밀 기기의 두 개의 회전통 사이에 용기를 놓는다. 알루미나 용기와 함께 회전하는 통을 같이 놓아둔다. 그 이유는 회전하는 동안 알루미나 용기가 떨어지지 않도록 하는 역할이다. 볼밀 분쇄시간은 타이머를 이용하여 24~40시간 정도 실시하였으며 분쇄작업 중간에 입자크기를 확인하고 표준망체를 이용하여 체가름을 할 수 있다.
상기 바텀애쉬는 0 내지 80℃℃의 온도에서 건조할 수 있다. 바람직하게는 10 내지 30℃℃에서 건조할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 25℃℃에서 건조할 수 있다. 상기 조건에서 벗어나면 버텀애쉬에 포함된 수분이 원할히 제거될 수 없다.
상기 바텀애쉬는 10일 이내로 건조할 수 있다. 바람직하게는 5일 이내로 건조할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 3일 이내로 건조할 수 있다. 상기 조건에서 벗어나면 버텀애쉬에 포함된 수분이 원할히 제거될 수 없다.
상기 바텀애쉬는 1 내지 50중량부 투입할 수 있다. 바람직하게는 3 내지 30중량부 투입할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 내지 20중량부 투입할 수 있다. 상기 조건에서 벗어나면 질석보드의 인증조건을 만족시킬 수 없다.
상기 인증조건은 KFI인증서로 실내장식물의 불연 및 준불연재료 여부는 내장 07-33, 석면함유여부는 KS L5300-2009, 친환경 건축자재 인증서, 오염물질 방출량은 소형챔버법 TVOC 및 HCHO방법을 사용하며, 열전도율은 KSL 9016-2005, 40℃℃ 조건에서 원적외선 방사율 및 방사에너지는 KICM-FIR-1006, 음이온 방출량은 KICM-FIR-1002, 대장균 및 녹농균에 대한 항균시험은 KICM-FIR-1002, 함수율은 KSF 3504:2007, 휨 파괴하중은 KSF 3504:2007, 탈취는 KICM-FIR-1085:2006, 휨강도는 KSL 5114:2003의 인증조건을 통과하여야 한다.
또한, 상기 제4단계에 공급되는 질석은 0.1 내지 8mm의 입경을 갖도록 분쇄 및 선별하는 분쇄선별단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4단계에서 공급되는 발포질석은 상기 질석을 800 내지 1200℃℃로 가열하여 발포시키는 발포단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 바텀애쉬는 1 내지 50중량부, 상기 무기계바인더는 0.1 내지 20중량부, 상기 발포질석은 20 내지 100중량부일 수 있다.
또한, 상기 무기계바인더는 실리케이트계열, 알루미나계열, 마그네슘계열, 칼륨계열, 나트륨계열 등의 무기접착제 중 어느 하나 또는 2 이상을 혼합할 수 있다.
또한, 상기 바텀애쉬는 화력발전소로부터 생성된 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1단계에서 사용되는 바텀애쉬는 함수율을 20-50%로 낮추는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함할 수 있다.
(실시예 1)
바텀애쉬를 활용한 보드에 대하여 강도 시험을 실시하였다. 도 4는 굴곡강도와 충격강도 시험에 사용한 샘플에 대해 나타내었다. 샘플A~샘플C는 바텀애쉬와 불포화폴리에스테르 수지의 배합비율은 50대 50으로 일정하고 난연재는 배합하지 않았다. 샘플D~샘플F는 바텀애쉬 입자크기는 150㎛ 이하로 동일하며 배합비율은 바텀애쉬-수지-난연재 순서이고, 난연재의 배합량은 수지량 대비 1%에 해당하는 비율이다.
(실시예 2)
도 5는 바텀애쉬의 입자크기가 다른 보드샘플에 대한 강도시험 분석결과에서 바텀애쉬 입자크기가 증가할수록 굴곡강도가 245Kg/cm2에서 207Kg/cm2 감소되었다. 이는 입자사이의 공극이 크기의 차이에 의한 것으로 추론된다. 충격강도 변화에서도 입자크기가 작을수록 높게 나타났다. 따라서 바텀애쉬의 입자크기가 작을수록 굴곡강도와 충격강도가 증가하는 것으로 나타났다. 바텀애쉬가 불포화 폴리에스테르 수지의 바인더 구조를 형성하는데 좀더 강하게 형성되게 하는 필러의 역할을 한 것으로 추론된다.
본 발명에 따른 제조장치에 있어서, 상기 바텀애쉬 소성로 및 질석 소성로와 연통되는 교반기는 소성된 바텀애쉬와 질석을 균일하게 교반하는 역할을 한다.
이때, 상기 교반의 과정 중에 바텀애쉬와 질석의 결합을 돕는 무기계 접착제를 추가로 첨가할 수 있다.
본 발명에 따른 제조장치에 있어서, 상기 교반기와 연통되는 성형 및 건조기는 균일하게 교반된 혼합물을 성형기에서 원하는 크기의 보드로 성형한 다음, 고온의 건조기에서 건조하여 최종목적인 건축 내장재용 보드를 제조하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드는 정수처리과정에서 발생하는 폐기물인 바텀애쉬를 재활용하여 사용하므로 제조비용을 절감할 수 있고, 건축 내장재에 필요한 물리적 특성을 모두 만족할 뿐만 아니라 열에 대한 저항성이 매우 우수하고, 기존의 질석 보드에 비하여 경도 및 휨강도가 현저히 향상하므로 건축 내장재용 보드의 제조에 유용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명에 따른 바텀애쉬 및 질석을 포함하는 건축 내장재용 보드는 휨강도 및 경도가 현저히 향상될 뿐만 아니라, 바텀애쉬와 질석의 혼합비를 조절하여 원하는 무게의 보드를 얻을 수 있으므로, 건축 내장재용 보드로 유용하게 사용할 수 있다.
100: 제1단계
200: 제2단계
300: 제3단계
400: 분쇄선별단계
500: 발포단계
600: 제4단계
700: 제5단계
800: 제6단계
900: 제품생산단계

Claims (7)

  1. 바텀애쉬를 건조하는 제1단계;
    상기 제1단계의 바텀애쉬 중 100메쉬이하 입자로 분류 및 수집하는 제2단계;
    상기 제2단계의 바텀애쉬 및 무기계바인더를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제3단계;
    상기 제3단계의 상기 제1혼합물에 발포질석을 혼합 교반하여 제2혼합물을 제조하는 제4단계;
    상기 제4단계의 상기 제2혼합물을 압축 및 성형하는 제5단계; 및
    상기 제5단계의 성형품을 마이크로웨이브를 이용하여 건조하는 제6단계;로 이루어진 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 바텀애쉬는 1 내지 50중량부, 상기 무기계바인더는 0.1 내지 20중량부, 상기 발포질석은 20 내지 100중량부인 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제4단계에 공급되는 질석은 0.1 내지 8mm의 입경을 갖도록 분쇄 및 선별하는 분쇄선별단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제4단계에서 공급되는 발포질석은 상기 질석을 800 내지 1200℃로 가열하여 발포시키는 발포단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기계바인더는 실리케이트계열, 알루미나계열, 마그네슘계열, 칼륨계열, 나트륨계열 등의 무기접착제 중 어느 하나 또는 2 이상을 혼합할 수 있는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바텀애쉬는 화력발전소로부터 생성된 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계에서 사용되는 바텀애쉬는 함수율을 20-50%로 낮추는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 포함하는 건축용 보드를 제조하는 방법.

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