1. 서 론
전국 폐기물 발생 및 처리현황보고서(2019, 환경부⋅한국환경공 단)에 따르면 전체 폐기물 중 건설폐기물은 48.1%를 차지하고 있고, 건설폐기물 발생량은 2018년 206,951톤/일으로 전년 196,262톤/일 대비 5.4% 증가하였다고 보고되었다(National Waste Generation and Treatment Status 2018). 이에 따라 환경부는 “순환골재 재활 용제품 사용용도 및 의무사용량에 관한 고시(2017)”를 통해, 건설 폐기물에서 선별하여 재활용될 수 있는 순환골재를 국가, 지방자 치단체, 공공기관 등이 발주하는 건설공사에 대하여 의무 사용하 도록 규정하였다. 이를 통해 건설폐기물 중 60%를 차지하는 폐콘크리트 분별해 체⋅분리배출과 같은 폐기물 관리의 인식이 개선되고 있으나 일부 건설현장에서 폐목재, 폐플라스틱, 폐비닐 등과 같은 무게가 가벼 운 가연성 이물질이 포함된 혼합폐기물이 중간처리 단계에 반입되 는 사례가 증가되고 있다. 따라서 건설폐기물 중간처리 시 1차 파쇄 및 2차 파쇄공정 전⋅ 후에 인력선별, 풍력선별장치(트롬멜 스크린, 진동 스크린, 송풍 기) 또는 대형 저장수조(공기 또는 고압수 공급으로 와류 및 기포 발생)를 이용하여 가연성 이물질의 풍력선별, 습식선별을 통해 순 환골재에 포함된 경량이물질을 제거하고 있다. 하지만 풍력선별 시 송풍압의 부족, 수분흡착에 의한 침전, 인
회전분리망 흡착선별기의 순환 굵은골재 이물질 제거효율에 관한 연구
A Study on Aggregate Waste Separation Efficiency Using Adsorption
System with Rotating Separation Net
조성광1⋅김규용2*⋅김경욱3⋅선상원3⋅박진영4
Sungkwang Cho1⋅Gyuyong Kim2*⋅Kyungwuk Kim3⋅Sangwon Seon3⋅Jinyoung Park4
(Received February 18, 2021 / Revised March 18, 2021 / Accepted March 20, 2021)
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.
키워드 : 순환골재, 풍력 선별기, 성능시험, 유동해석
Keywords : Recycled aggregate, Aggregate waste saparator, Performance test, Computational fluid dynamics
* Corresponding author E-mail: [email protected]
1지본 특허법률사무소 대표변리사 (G-Bon IP LAW Firm, 181, Gasan digital 1-ro, Geumcheon-gu, Seoul, 08503, Korea) 2충남대학교 건축공학과 교수 (Department of Architectural Engineering, Chungnam National University, Dae-jeon, 34134, Korea) 3숭실대학교 기계공학부 공학박사 (Department of Engineering, Soongsil University, 369, Sangdo-ro, Dongjak-gu, Seoul, 06978, Korea) 4초계산업 대표이사 (Chogye Industrial, Hwanggangokjeon-ro, Jeokjung-myeon, Hapcheon-gun, Gyeongsangnam-do, 50247, Korea)
력부족의 원인으로 제대로 선별⋅제거되지 못한 가연성폐기물이 3차 파쇄공정과 4차 파쇄공정의 반복된 파쇄⋅마쇄공정에 재투입 됨으로서 더 작게 분쇄되고 결국 순환골재 내 소형 이물질로 혼입 되어 순환골재 품질 불안정, 생산성 저하 등의 문제를 발생시킨다 (Choi et al. 2017). 소형 이물질 분리선별 방법으로는, 세척수를 이용하여 물 위에 부상된 이물질을 분리하는 습식 선별이 이용되고 있으나 다량의 폐수와 슬러지가 발생되어 토양 및 수질 오염 유발하는 문제점이 있다. 반면, 바람을 이용한 풍력 선별은 송풍장치의 바람을 일으켜 이물질의 중량차를 이용한 것으로 순환골재 내에 포합된 가연성폐 기물을 분리선별하는 방식이다. 이와 관련되어 사이클론을 이용한 풍력 선별방식에 대한 다수의 연구 사례가 있다(Shin et al. 2016; Lee 2020; Suh et al. 2006).
단, 위와 같은 사이클론 방식은 비중이 낮은 골재가 이물질과 함께 분리될 수 있으며 송풍에 의해 미세분진이 비산하는 문제점 이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 밀폐형 다단 송풍 방식 등의 연구가 수행되고 있으나 장비 소형화의 어려움으로 인해 기존 순 환골재 선별 공정에 적용되지 못하고 있다. 본 연구에서는 대형 풍력 선별기를 통해 일차적으로 이물질이 제거된 골재에 대한 추가적인 스크린 및 파쇄작업 이후, 40mm 이상의 골재에 포함된 소형 이물질에 대한 선별을 위한 장치로 회전분리망 흡착선별기를 제작하고, 그 성능을 평가하였다. 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 이물질 선별능력을 평가하였다. 유동해석을 통해 결정된 흡입구의 높이와 흡입 풍량에 따른 이 물질 제거율과 순환 골재 오분류율을 평가하였고, 파일럿 장비를 사용하여 다양한 실험 조건에서 분리⋅조정이 가능한 탈거방식 순환골재 이물질 선별기의 성능을 평가하였다.
2. 시험 장치 모델링
2.1 시험 장치 개념
Fig. 2는 회전분리망 흡착선별기의 구성을 나타낸 것으로 순환 골재 이송용 컨베이어 벨트 상부에 흡입팬과 연결된 흡입구를 두 어 그 주변을 통풍 분리망이 무한궤도로 회전되는 방식이다. 순환 굵은골재 내 경량 이물질은 흡입팬의 강력한 흡입력으로 통풍 분 리망에 흡착된 상태로 회전하는 분리망을 통해 이송 후 흡입력감 소 구간에서 회전망의 원심력에 낙하⋅배출되도록 구상하였다.Hopper Vibration feeder Jaw crusher1st
200ton Vibration screen 2000ton ,#30㎜ 25㎜ under aggregate 10㎜ under powder Fan, 30HP 40㎜ under aggregate Soil Magnetic seperator Magnetic seperator Magnetic seperator 2nd Double jaw crusher
(75HP × 2) 3rd Cone crusher (75HP × 1) Vibration screen 2000ton ,#30㎜ 40㎜ over size
light weight waste seperate system
(Fan, 15HP).
: Existing process : Development system process
2.2 모델링 및 격자 모델
Fig. 3은 ANSYS ICEM 프로그램을 이용한 회전분리망 흡착선 별 개념을 모델링화한 것으로서, 순환골재와 이물질이 이동하는 컨베이어 벨트를 포함하는 외부영역과 흡입구로부터 흡입팬까지 를 유동장으로 구성하였. 각각의 모델들은 흡입구의 위치 변화를 주었으며, 수치해석을 위한 격자계 Nodes 수는 73만개, Elements 의 수는 374만개를 입력하였다.
Fig. 3. CFD simulation modeling of Waste saparator
3. 시험 장치 모델 유동해석
3.1 지배방정식 적용
지배방정식은 연속방정식 및 운동량방정식으로 식 (1), (2)와 같다. (1) ′ ′ (2) 여기에서 는 밀도, 는 속도 벡터, 는 압력, 는 점성계수이다.3.2 난류모델의 적용
난류모델의 경우, 유동특성 상 외부의 공기가 상대접으로 좁은 단면적을 통해 이송되는 것을 고려하여 모델을 사용하였다. 모델의 난류운동에너지 및 난류소산율에 대한 수송방정식은 식 (3), (4)와 같다. (3) (4) 여기에서 와 는 각각 난류운동에너지와 난류에너지소산율이다. 및 는 난류에너지생성,와 는 각각 1.44 및 1.92이다.3.3 입자 설정 및 항력계수 검토
아크릴 샘플들의 밀도는 1.24g/cm3, 40mm 순환골재의 크기와 밀도는 사용된 순환골재 중 일부의 최소/최대 길이와 무게를 평균 한 값을 적용하였다. 벽면에서 부딪히는 입자의 수평복원계수는 속도유지를 위해 1로 설정하였으며, 수직복원계수는 벨트 상하진 동을 감안한 0.5로 설정하였다.아크릴 샘플의 항력계수는 Schiller and Naumann 모델 (Schiller and Naumann 1935; Karunarathne and Tokheim 2017) 을 사용하였고, 항력계수는 식 (5)와 같다.
≤ ≥ (5)3.4 경계조건 적용
벨트위로 투입되는 순환골재 및 아크릴 샘플은 벨트의 이동속 도와 동일한 속도로 샘플 종류에 따라 각각 초당 10개씩 2m/s 속도 로 투입되도록 적용하였다. 흡입구를 통해 연결되는 흡입팬의 성능곡선에 따라 흡입 압력조 건을 적용하였다. 압력조건은 흡입팬의 최대 성능일 때로, 150mmHg 를 적용하였다. 벨트를 제외한 외부영역에서는 흡입팬의 흡입압력 을 통해 유량이 발생할 수 있도록 opening 조건을 적용하였다. Fig. 2. Concept of adsorption system with rotating separation net3.5 유동해석
Fig. 4는 순환골재와 이물질 입자 거동의 유동해석을 나타낸 것이다. 컨베이어 벨트 상단 회색 입자는 순환골재를 표현한 것으 로, 비중이 큰 물질특성으로 흡입팬의 영향 없이 유동장 방향으로 이송됨을 확인할 수 있다. 반면, 비중이 작은 경량 이물질 입자들 은 이송과정에서 흡입구 측 접근과 동시에 흡착되며 흡입팬을 통 해 배출되는 것을 확인할 수 있다. 선별기의 유동해석 시 흡입구거리는 각각 0.2m, 0.254m로 하 며 제어주파수는 60Hz 로 동일하게 하여 벨트상단 순환골재 이송 부분에서 흡입구 영역을 통과한 순환골재와 이물질 잔존량의 합을 통해 선별효율을 산정하였다. 그 결과 각각 100% 및 94.3%의 선별효율을 나타내 흡입거리에 따른 오분류 발생확률은 낮은 것으로 나타났다. Recycled AggregatesLight weight Wastes
Fig. 4. Waste separator simulation
4. 회전분리망 흡착선별기 파일럿 평가
4.1 파일럿 시험장치 제작
Fig. 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. 벨트 위의 골재와 이물질 조각들은 흡입력에 의해 분리망에 흡착되어 반대편으로 이동하여 낙하됨으로서 경량 이물질이 분리된 순환골재가 최종 생산라인에 배출되도록 설치하 였다. 분리망 제원은 10mmx10mm의 철망을 사용, 궤도를 통해 순환 하도록 설치하였다. 분리망의 아래쪽 궤도 상부에 흡입팬에서 연 결된 흡입구가 위치한다. 분리망 흡입구의 높이와 흡입팬의 흡입 량은 조절할 수 있도록 제작하였다.4.2 이물질 유형별 샘플 제작
순환골재 선별 시 발생되는 이물질들을 플라스틱/나무/유리 등 의 재질별로 분리한 후, Table 1 및 Fig. 6과 같이 크기와 무게를 측정하였다. 측정된 이물질들의 경우, 일정하지 않은 크기와 무게 로 규격화되지 않은 문제점이 있다. 시험을 통한 이물질 회수효율을 평가하기 위해 비슷한 밀도을 가진 아크릴로 대체하여 Table 2 및 Fig. 7과 같이 이물질 샘플 규격 을 정량화하였다. 결정된 4가지 크기의 이물질 규격에 따라 아크릴 (3mm)을 사용하여 정사각형 모양으로 각각 40개씩 제작하였다.4.3 이물질 회수율 성능 시험방법
Fig. 8은 선별 작업이 완료된 순환 굵은골재 0.125m3(0.5m×Fig. 5. Experimental layout and performance measuring system of aggregate waste separator
Waste type classification Size(mm×mm) Waste View Weight(g) plastic piece 90×90 7 plastic piece 50×20 7.9 plasticpiece 40×40 7.6 styrofoam piece 70×50 5 styrofoam piece 70×60 3.4 styrofoam piece 80×45 1.2 glass shard 50×40 13.0 wood piece 40×30 2.8
Table 1. Waste type classification for size and weight
Fig. 6. Waste size measurement
Label ×thickness(mm)Size(mm×mm) Weight(g)
Acrylic waste sample A 20×20×3 1.5 B 30×30×3 3.4 C 40×40×3 6 D 50×50×3 9.4
Table 2. Standardized acrylic samples
Fig. 7. Acrylic waste sample
0.5m×0.5m)와 아크릴 이물질 샘플을 고르게 섞은 후, 시험장치의 이물질 회수율 성능 평가 전경이다. 흡입팬에 의한 흡입력이 제공되는 흡입구의 위치는 V형 컨베이 어 벨트로 부터 이격하여 그 폭은 0.2-0.3m 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 각 각의 샘플들의 회수율과 오분류된 골재의 부피를 평가하였다. 각 시험은 5회씩 수행하여 결과 값의 평균 회수율 및 부피 값을 산정 하였다.
Fig. 8. Mixture of aggregate and acrylic waste sample
5. 파일럿 시험장치 시험 결과
5.1 성능 시험 결과
Table 3은 흡입구 위치와 흡입팬 인버터 제어 주파수에 따른 선별기의 성능시험 결과를 나타낸 것이다. 성능시험은 흡입구와 컨베이어 벨트 최하단의 거리 0.2m, 0.254m, 0.274m, 0.294m의 지점에서 수행되었다. 해당 지점은 흡입구와 회전하고 있는 분리망의 접촉이 발생하 지 않는 최소거리인 0.254m에서 0.02m씩 상승시킨 지점과 분리 망과 흡입구의 접촉이 발생한 상태에서 회전하는 0.2m의 거리에 서 수행되었다.Fig. 9는 아크릴 이물질 샘플의 회수율 산정 결과를 나태낸 것이 다. 각 샘플의 회수율에 부피비율을 곱한 후, 합산하는 방식으로 각 성능시험 점의 종합 회수율을 산정하였다. 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 회수율 을 나타내고 있다. 특히, 흡입구⋅벨트 이격길이 0.254m에서 송풍기 최대 출력 50%에 해당되는 50Hz 조건에서도 60% 이상의 회수율을 발휘하 였으며, 58Hz이상의 조건에서 95% 이상의 회수율이 발휘되는 결 과가 나타났다. Fig. 10은 순환골재 오분류율 산정결과를 나타낸 것으로서 전반 적으로 V-컨베이어 벨트와 흡입구 사이 이격길이를 증가시킬 경 우 오분률은 1%미만으로 나타났으며, 이격길이 0.254m이하의 경 우 오분율은 1.5∼3.5%범위다. 오분류율 1%미만의 경우에는 순환골재 회수율을 95%이상 얻 기 위한 이물질 흡착선별기의 최적 운전점은 0.254m에서 58Hz이 상인 것으로 실험을 통해 확인된다.
5.2 성능시험 및 유동해석 결과
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, 회 수가 되지 않아 차이가 발생하는 것으로 판단된다.6. 결 론
순환골재 생산 시 최종 선별공정에 잔류된 이물질 제거를 목적 으로 회전분리망 흡착선별기에 대한 시뮬레이션 모델 유동해석과 파일럿 시험장비 실증 시험을 실시하였다. 제작된 선별기는 송풍 기를 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 오분류 율을 이용해 흡착선별기의 유동해석 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 흡입구거리 0.254m, 제어 주파수 58Hz이상에서 이물 질 샘플 회수율 95%로 나타났으며, 제안된 회전분리망 흡착선별 기는 순환골재로 사용되기 위해 요구되는 유기 및 무기이물질의 요구치인 순환골재 대비 1% 이하를 충족시키기에 충분한 성능을 Distance to suction inlet LabelAggregate waste sparation efficiency for control frequency of turbo fan[mean] 50Hz 52Hz 54Hz 56Hz 58Hz 60Hz 0.2m A 89.5 97 99.5 100 100 100 B 92 94.5 100 100 100 100 C 94.75 94.5 97 97.5 100 100 D 97 97 97 100 100 100 0.254m A 44.5 62.5 68 85.5 100 100 B 69.5 79.5 95 93 100 100 C 6482.5 92 95 97.5 100 D 67 75.5 80 92 100 97.5 0.274m A 16 22.5 22.5 32 29 70 B 12.5 22 37.5 57.5 62 87.5 C 16.5 32.5 49 62.5 57.5 79.5 D 25 37 52.5 57 62.5 90 0.294m A 0 2.5 10 12.5 16.5 25 B 0 0 2.5 15 25 32.5 C 0 4.5 10 16.5 29.5 47 D 0 0 12.5 5 35 50
Table 3. Perfomance test results for aggregate waste separator
Fig. 10. Misclassification rate of recycled aggregate
갖춘 것과 더불어 기존의 사용되고 있는 순환골재 선별과정에 수 월하게 적용할 수 있다.
Conflicts of interest
None.감사의 글
이 논문은 2015년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No.2015R1A5A103 7548).References
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회전분리망 흡착선별기의 순환 굵은골재 이물질 제거효율에 관한 연구 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 오분류 율을 만족하는 운전점은 흡입구 거리 0.254m에서 제어주파수 58Hz으로 나타났다. 유동해석 결과 이물질 선별기에서 순환골 재의 오분류는 나타나지 않았다. 기존 순환골재 생산공정에서 이물질 저감을 위해 설치식으로 운용이 가능한 회전분리망을 이용한 풍력 선별시스템을 구축하였다.
