제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법 및 그 시멘트{A METHOD FOR MANUFACTURING CEMENT UTILIZING A PAPER SLUDGE}
본 발명은 제지폐기물을 이용하여 시멘트를 제조하는 방법 및 그 조성물에 관한 것으로 특히 종이제조시 발생되는 다량의 제지슬러지를 시멘트의 원료로 활용하여 시멘트를 제조함에 의하여 시멘트의 제조비를 절감함은 물론 제지폐기물로 인한 심각한 환경오염을 방지할 수 있는 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법 및 그에 의해 제조된 시멘트에 관한 것이다. 경제발전과 생활의 향상은 종이문화의 발전을 가져왔고, 이에 따라 종이 사용량의 증가로 인하여 종이 제조시 발생되는 폐기물의 처리시설도 불가피하게 증가되어 왔다. 그로 인해 종이제조시 발생되는 2차 부산물인 슬러지의 발생량도 점차적으로 증가되어 이의 처리가 큰 환경문제로 대두되고 있다. 현재 이들 슬러지의 처리는 녹생토활용, 소각 등의 방법에 의존하고 있다. 그러나, 녹생토활용은 슬러지의 사용이 일년중 일정기간에만 가능하여 장마철이나눈이 오는 겨울철에는 사용할 수 없어 다량 발생되는 제지슬러지 전량을 안정적으로 처리하지 못하는 큰 단점이 있다. 한편, 슬러지 처리의 대부분을 차지하는 소각방법은 현재로서 가장 손쉬운 방법이지만 초기투자비가 과다하고 높은 소각비용과 소각으로 인하여 제지가 가지고 있는 고유열량은 활용하지 못한다는 점에서 적합하지 않는 처리 방법이다. 따라서, 이제 폐기물의 처리문제는 생활터전과 지구환경을 위협하는 심각한 사회적 문제로 대두되고 있는 것이 주지의 사실이다. 그러므로 이제는 위와 같은 문제점을 유발하는 슬러지의 단순처리 단계를 넘어서 적극적으로 활용하여 처리시 발생되는 2차 오염원을 줄이는 방법을 모색하는 것이 바람직하다.
특히, 폐기물중 우리생활과 밀접한 관계를 가지고 있는 제지슬러지는 위에서 설명했듯이 그 처리방법이 한계에 달하고 있으나, 그 발생량은 계속적으로 증가하고 있어 심각한 문제를 일으킬 것으로 보여진다. 이와 같은 제지슬러지는 그대로 버려지므로 경제적 측면에서 큰 손실이 아닐 수 없으며, 이를 자원으로 활용하는 방안이야말로 환경오염의 방지와 더불어 자원재활 용의 경제적 급부를 동시에 충족시킬 수 있는 획기적인 방책이다. 위와 같은 취지에서 제지슬러지의 주요 성분인 SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 등이 시멘트의 주성분을 이루고 있는 점에 착안해 시멘트의 원료로 활용하며, 이 원료를 1500℃까지 가열하는 과정에서 제지슬러지의 유해성분을 정화시켜 제지슬러지를 안정적으로 처리하는 방법이 착안되었다. 이 방법이야말로 국가의 경제적 이익과 환경오염을 방지하는 최선의 방책이 아닌가 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 위와 같은 취지를 갖고 안출한 것으로서, 종이 제조시 발생되는 다량의 제지슬러지를 시멘트의 원료로 활용하여 시멘트를 제조함으로써 시멘트의 제조비를 절감함은 물론 제지폐기물로 인한 심각한 환경오염을 방지할 수 있는 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법을 제공함에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 시멘트 조성물을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조공정을 설명하기 위한 시멘트 제조설비의 전체개략도 도 2는 도 1의 공정을 알기 쉽게 나타낸 흐름도 도 3은 본 발명이 적용되는 시멘트 생산설비의 배치도 * 도면의 주요부분에 대한 부호설명 * 10 : 1차 조쇄기 12 : 석회석 1차 혼합저장기 14 : 2차 조쇄기 16 : 3차 조쇄기 18 : 석회석 2차 혼합저장기 20 : 원료저장기 22 : 원료미분쇄기 24 : 혼합원료저장실 26 : 예열기 28 : 소성로 30 : 냉각기 32 : 크링커저장기 34 : 시멘트분쇄기 36 : 시멘트저장기 38 : 포장기 40 : 분무탑 42 : 전기집진기
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법은 시멘트를 제조하는 방법에 있어서, 제지공장에서 발생된 제지슬러지를 점토질원료로 하여 석회질 및 기타 부원료와 혼합하는 단계 ; 상기 혼합된 조합원료를 약 100㎛ 이하의 크기로 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 원료를 최고 1500℃까지 가열하여 제지슬러지에 함유되어 있는 유해성분을 정화시키며 시멘트의 중간 제품인 크링커(CLINKER)를 생산하는 단계; 및 상기 크링커를 주원료로 하여 그에 첨가제인 석고를 혼합하고 미분쇄하여 최종 제품인 시멘트를 생산하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제지슬러지를 원료로 활용하여 제조된 시멘트는 석회질원료, 점토질원료를 석고와 혼합하여 제조되는 시멘트에 있어서 제지슬러지를 상기 점토질원료로 하여 상기 석회질원료 및 부원료와 합하여 조합원료를 제조하고 첨가제인 상기 석고를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 시멘트는 주성분이 SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 및 CaO 등의 화합물로서 품질특성이 일정한 규격내에 있어야 하고, 물과 접촉 경화하여 안정성을 갖고 경화후에 물에 불용성 물질이 되는 성질을 띠어야 한다. 이러한 시멘트를 제조하기 위해서는 그 주성분인 SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 및 CaO 등을 함유하고 있는 원료를 선정해야 하는데 이러한 성질의 시멘트 원료로는 다음과 같은 것이 있다. 첫째, 석회질 원료로 시멘트 성분중 약 60~66w％를 차지하고 있다. 둘째, 점토질 원료는 지표상에 널리 분포되어 있는 점토에서 얻으며, 시멘트 성분중 염기성분인 CaO를 제외하고는 다른 SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 들은 점토질 원료에서 충당하게 된다. 시멘트 원료로서 점토 성분은 SiO 2 가 40w％ 이하, Al 2 O 3 가 15w％ 이상이 적당하며, 알카리(Na 2 O + K 2 O)함량이 소성로 코팅(COATING)형성의 주요인이 되므로 낮을수록 양질의 점토이며 원료배합 비율은 10％ 내외이다. 본 발명에서는 이 점토질 원료로 제지슬러지를 기존의 점토나 현재 사용중인 경석, 납석, FLY-ASH를 대체하여 사용한다. 이로 인해 원료비의 절감을 꾀할 수 있다. 셋째, 산화철 원료로 시멘트중 약 3~4w％에 달하는 Fe 2 O 3 함량을 석회질, 점토질 원료에서 충족시키지 못할 경우 사용된다. 넷째, 석고는 시멘트의 응결시간을 조절하기 위해 소성이 된 반제품 크링커에 첨가되는 원료로 초기 강도를 향상시키고 수중팽창, 건조수축을 감소시키며, 안정도를 향상시키는 역할을 한다. 첨가되는 석고의 함량은 시멘트의 약 4~5w％ 정도이다. 위와 같은 원료구성을 갖은 시멘트에서 점토질 원료로 본 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법에 대해 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 각 제지공장에서 종이제조 과정에서 발생되는 제지슬러지의 처리방법에 관한 것은 본 발명의 해당사항이 아니고, 보편적인 사항이므로 이에 대해 구체적 언급은 배제하고자 한다. 다만, 본 발명에서는 종이제조 과정에서 발생된 제지슬러지를 시멘트의 점토질 원료로 이용하게 된다. 각 제지공장에서 제지슬러지가 운반되면, 공급된 제지슬러지를 점토질 원료로 하여 석회질 및 기타 부원료와 혼합한다. 그리고 이 혼합된 조합원료를 약 100㎛ 이하의 크기로 분쇄한다. 이 분쇄된 원료를 최고 1500℃까지 가열하여 시멘트의 중간제품인 크링커(CLINKER)를 생산한다. 이 과정에서 유해성분이 무해성분으로 정화되며, 제지슬러지가 가지고 있는 약 3000㎉/㎏의 열량이 보조열원으로 이용된다. 그리고나서 중간제품인 크링커를 주원료로 하여 그에 첨가제인 석고를 혼합하여 미분쇄한다. 그러면 최종제품인 시멘트가 생산된다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조공정을 설명하기 위한 시멘트 제조설비의 전체 개략도이고, 도 2는 도 1의 공정을 알기 쉽게 흐름도로 나타낸 것이다. 또한, 도 3은 본 발명이 적용되는 시멘트 생산설비의 배치도를 나타낸 것이다. 석회석 광산에서 채굴된 석회석은 1차 조쇄기(10), 석회석 1차 혼합저장기 (12), 2차 조쇄기(14), 3차 조쇄기(16) 및 석회석 2차 혼합저장기(18)를 거치면서 30㎜의 크기로 분쇄된다. 이와 같이 분쇄된 석회석과 점토질 원료 및 산화철 원료를 원료저장기(20)에서 저장·혼합하여 원료 미분쇄기(22)로 보내 혼합된 조합원료를 약 100㎛ 이하의 크기로 미분쇄한다. 이때, 제지공장에서 운송된 제지슬러지를 점토질 원료로 사용하게 된다. (단계 100,110) 이 미분쇄된 원료는 대형 원기둥 형상의 혼합원료저장실(24)에 보관하며, 일정량을 다음 공정으로 공급한다. 미분쇄된 시멘트 원료를 주 가열로인 소성로에 투입하기 전에 예열기 (26)에서 약 900℃까지 예비 가열하여 열효율 및 생산성을 증가시키게 된다. 이때, 석회석은 약 800~900℃의 온도범위에서 CaO와 CO 2 로 활발히 분해된다. 이 분쇄된 석회(CaO)성분은 폐기물 소각시 발생되는 HCl, SO 2 등의 유해가스와 반응하여 무해한 성분으로 정화되며, 이에 대한 반응식은 아래와 같다. * CaCO 3 → CaO + CO 2 * CaO + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O * CaCO 3 + SO 2 + 1/2O 2 → CaSO 4 + CO 2 특히, 예열기(26)를 거치면서 위와 같이 원료와의 화학반응에 의해 무해가스로 정화된 배기가스는 도 3에 도시된 집진시설인 분무탑(40)으로 유입되는데, 이 분무탑(40)에서는 시간당 20톤 정도의 물을 분사시켜 유해가스를 분진과 함께 액적 입자화시킨다. 이는 배기가스중 유해가스인 HCl, SO 2 , NOx, CO 등이 물에 잘 용해 또는 흡수되는 성질을 이용한 것이다. 이렇게 용해 또는 흡수된 유해가스와 액적 입자화된 분진은 전기집진기(50)를 거치면서 포집된다. 따라서, 제지슬러지 소각시 발생된 유해가스는 그 농도가 현저히 감소되어 굴뚝을 통해 배기된다. 한편, 예열기(26)에서 1차 가열된 원료를 소성로(28)에서 최고 1500℃까지 가열소성하여 시멘트의 중간제품인 크링커를 생산한다.(단계 120) 소성로(28)에서 배출된 고온의 크링커는 냉각기(30)로 보내져 100℃이하로 급냉시킨다. 그리고나서 크링커 저장기(32)로 보내져 냉각된 크링커가 저장되어 일정량씩 시멘트 분쇄기 (34)로 공급된다. 이와 같이 공급되는 크링커를 주원료로 하여 시멘트 분쇄기(34)에서 첨가제인 석고를 혼합시켜 미분쇄하여 최종 제품인 시멘트를 생산하게 된다.(단계 130) 생산된 시멘트는 시멘트 저장기(36)에 저장되어 포장기(38)를 거쳐 포장 출하되거나 벌크(BULK)형태로 출하된다. 이하에서는 본 발명의 작용효과에 대해 상세히 설명하기로 한다. 위와 같은 제조공정에서 시멘트 원료중 점토질 원료가 약 10w％를 차지하므로, 계산상으로는 제지슬러지를 시멘트 생산에 10w％까지 사용할 수 있으나, 품질상의 문제로 현실적으로는 불가능한 상태이다. 실제로, 현재 사용중인 경석, 납석, FLY-ASH와 함께 사용할 경우 약 3w％까지 사용이 가능하며, 위의 원료를 대체하여 사용할 경우에는 5w％까지도 사용이 가능하다. 표 1. 제지슬러지 화학성분 검토 표 1은 각 제지공장들로 부터 운송된 제지슬러지의 화학성분 분석표를 보여 는 것으로, 위에서 기설명한 시멘트의 점토질 원료로 요구되는 기준치에 각 제지 공장에서 공급된 제지슬러지의 화학조성이 적합함을 보여주고 있다. 표 2. 원료배합비 여기서 LSF는 석회포화도(LIME SATURATION FACTOR)를 나타내며, SM은 규산율(SILICA MODULUS), IM은 철율(IRON MODULUS)을 표시한다. 위 표 2에서 보듯이 제지슬러지 사용량이 전체 원료 투입량의 3％까지 사용기준에 적합하여 3w% 이내에서는 제지슬러지의 사용에 아무런 문제가 없음이 확인되었다. 표 3. 시멘트 품질검토 위의 각 제지공장들로 부터 운반공급된 제지슬러지를 점토질 원료로 사용하여 시멘트를 제조한 결과를 표 3은 보여주고 있다. 이 표에 의하면 제지슬러지를 이용하여 생산된 시멘트의 품질이 화학성분이나 물리적 성능면에서 KS기준에 만족되어 기존의 점토나 기타 원료로 생산된 시멘트에 비해 하등 손색이 없음이 입증되었다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 의한 제지슬러지를 활용한 시멘트 제조방법은 종이제조시 발생되는 다량의 제지슬러지를 시멘트의 원료로 재활용함으로써 시멘트의 제조비를 절감하여 제조회사의 경쟁력을 향상할 수 있는 잇점을 가지고 있다. 또한, 제지폐기물을 자원으로 재활용하므로 폐기물의 처리비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제지폐기물로 인한 심각한 환경오염을 방지하여 지구 환경보호에 기여할 수 있는 효과를 가지고 있다. |
