KR20190009561A - 석탄회볼을 이용한 토양 개량제 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법은 석탄재와 준설토를 개별적으로 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계를 거친 석탄재와 준설토를 혼합호퍼로 이송하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 배합원료를 가수하고 정환기에서 석탄회볼로 성형하는 단계와, 상기 성형 단계를 거친 석탄회볼을 소성로에서 소성하는 단계와, 상기 소성 단계를 거친 석탄회볼에 영가철 용액을 코팅하여 토양 개량제로 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 토양 개량제 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 화학비료의 사용으로 인해 염류가 집적된 토양을 개량하기 위한 토양 개량제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 식물의 지탱과 원활한 양분,수분의 공급을 위한 좋은 토양의 요건으로는 투수성, 보수성, 보비력을 적절하게 구비해야 한다.
그런데, 농작물 등에 화학비료 등을 과다 시비할 경우 염류가 집적되어 오히려 좋지 않은 현상이 발생하게 되는데, 염류집적(鹽類集積)은 강우가 적고 증발량이 많은 건조·반건조 지대의 토양 상층에서 하층으로의 세탈작용이 적고, 증발에 의한 염류의 상승량이 많아 표층에 염류가 집적하는 현상이다.
시설하우스에서 관비 재배시 집적되는 염류의 관리는 연작이 오래될수록 해결하기 어려운 연작 문제의 하나이다. 하우스재배는 노지재배에 비하여 시설 내에서 작물을 집약적으로 재배하고 화학비료와 가축분뇨 등 시비량이 많아 대부분의 양분이 토양에 남게 되어 염류가 집적되면서 토양조건이 가스 및 병해충 발생이 많아지게 된다. 또한 강우의 영향을 받을 수 없는 하우스조건에서는 지표에서 지하로 물의 이동이 미약하고 관수에 의해서 물이 작토층 중에서 상하로 이동하게 되어 토양에서 시비양분의 용탈이 적게 되고 토양 중에 남게 된다. 작토층에서 물이 상하로 움직임에 따라 이에 함유된 염류가 표토에 집적하여 염류장해 문제가 발생하게 된다.
시설재배지에서는 폐쇄된 환경에서 작물의 재배횟수가 많고 고농도 화학비료와 가축분퇴비를 과도하게 시용하기 때문에 연작장해가 발생한다.
이러한 염류집적은 작물의 생육을 저해하고 수량감소와 품질을 저하시키는 원인이 된다. 염류농도 증가에 따라 크게 관여하는 성분으로서는 NO3-, Cl-, 및 SO4 2-등을 들 수 있으며 이들 성분을 함유하는 물질을 다량 시용할 때는 염류장해를 유념해야 한다. 농가들은 양분을 더 흡수하기 위하여 시비량을 더욱 증가시키며 이로 인해 토양의 염류농도는 더욱 높아지는 악순환이 계속되고, 양분은 토양에 집적되어 환경에도 해로운 영향을 끼칠 수 있다.
염류제거 방법은 환토, 심토의 반전, 객토 등의 방법을 통하여 염류농도를 감소시킬 수 있으나 효과를 증대시키기 위해서는 반드시 적절한 토양개량제 처리가 필요하다. 토양 개량제는 토양의 물리적, 화학적 성질을 식물생육에 알맞도록 개선하기 위하여 사용하는 것으로, 토양의 화학적 성질의 불량성을 개선하기 위해서 벤토나이트, 제올라이트, 펄라이트 등이 이용되고 있다.
한편, 국내 전기 생산량의 약 60%이상을 차지하는 화력발전의 경우 석탄화력발전 후 발생하는 석탄재 또한 매년 증가하고 있는 실정이다.
이와 같이 화력발전 후 발생하는 석탄재에 대해 환경오염, 폐기 비용 등의 문제점을 고려하여 시멘트 원료, 콘크리트 혼화재, 경량골재 등으로 재활용되고 있으나 아직 상당수가 매립되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 화력발전소에서 발생하는 부산물로서 석탄재를 이용하여 염류집적 개선과 근채류 생육환경 개선을 위한 토양개량제로 제조하는 방법을 제시하고자 한다.
본 발명에 따른 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법은 석탄재와 준설토를 개별적으로 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계를 거친 석탄재와 준설토를 혼합호퍼로 이송하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 배합원료를 가수하고 정환기에서 석탄회볼로 성형하는 단계와, 상기 성형 단계를 거친 석탄회볼을 소성로에서 소성하는 단계와, 상기 소성 단계를 거친 석탄회볼에 영가철 용액을 코팅하여 토양 개량제로 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합하는 단계 이후에 상기 혼합호퍼에서 혼합된 배합원료를 혼합분쇄기로 이송한 다음 상기 혼합분쇄기에서 배합원료를 혼합분쇄하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분쇄단계에서 석탄재 및 준설토를 1mm 내지 10mm의 크기로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배합원료를 혼합분쇄하는 단계에서는 석탄재 및 준설토를 100㎛이하로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합하는 단계에서 배합비율은 석탄재와 준설토를 80:20(w/w,%)로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 토양 개량제 제조단계에서는 영가철 용액을 석탄회볼에 코팅하여 이루어지고, 바람직하게는 0.05% NaBH4 용액에 1㎛이하의 영가철분말 1%를 첨가하여 제조되는 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소성단계는 800도 이상에서 소성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 석탄화력발전시 발생되는 석탄재를 재활용하여 염류집적 개선과 근채류 생육을 향상시킬 수 있는 토양 개량제가 제공된다.
도1은 본 발명에 따른 토양 개량제의 제조공정을 도시한 도면이고,
도2는 본 발명에 의해 제조된 토양 개량제를 보여주는 사진이며,
도3 내지 5는 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 토양을 분석한 결과를 보여주는 도면이고,
도6 내지 8은 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 열무 생육상태를 보여주는 도면이며,
도9 내지 11은 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 열무의 체내 성분 분석결과를 보여주는 도면이고
도12 및 13은 본 발명의 토양 개량제를 과다 시비에 의해 염류가 집적된 농경지에 처리하여 토양 내 염류물질(인산)의 변화를 보여주는 도면이다.
도2는 본 발명에 의해 제조된 토양 개량제를 보여주는 사진이며,
도3 내지 5는 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 토양을 분석한 결과를 보여주는 도면이고,
도6 내지 8은 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 열무 생육상태를 보여주는 도면이며,
도9 내지 11은 본 발명의 토양 개량제를 토양에 시비하고 열무 재배 후 열무의 체내 성분 분석결과를 보여주는 도면이고
도12 및 13은 본 발명의 토양 개량제를 과다 시비에 의해 염류가 집적된 농경지에 처리하여 토양 내 염류물질(인산)의 변화를 보여주는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 토양 개량제의 제조공정을 도시한 도면이고, 도2는 본 발명에 의해 제조된 토양 개량제를 보여주는 사진이다.
본 발명에 따른 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법은 석탄재와 준설토를 개별적으로 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계를 거친 석탄재와 준설토를 혼합호퍼로 이송하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 배합원료에 가수하고 정환기에서 일정 크기의 구형으로 성형하는 단계와, 상기 성형 단계를 거친 석탄회볼을 소성로에서 소성하는 단계와, 상기 소성 단계를 거친 석탄회볼에 영가철을 코팅하여 토양 개량제로 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다. 이하에서는 그 제조과정을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조공정에서는 먼저 석탄재와 준설토를 각각 개별적으로 분쇄하는 공정을 거친다.
석탄재는 화력발전소에서 석탄이 연소되고 남게 되는 생성물로서, 보일러의 바닥에 적재되는 저회(bottom ash)와, 보일러에서 연소 후 배출되는 배연가스와 함께 보일러 밖으로 운반되어 전기집진기 등에 포집되는 비회(fly ash)가 있다.
이와 같이 화력발전소에서 연소 후 남게 되는 석탄재를 석탄재 저장호퍼(100)에서 분쇄기(cutter mill)(110)로 보내져서 분쇄기(110)에서 1차 1mm~10mm, 바람직하게는 1mm~5mm의 크기로 분쇄하고, 실 공정에서는 약 5mm내외의 크기로 분쇄한다.
준설토는 하천이나 호수, 바다에 퇴적된 뻘, 흙 등을 펌프로 뽑아낸 것으로 먼저 함수율 5% 이내로 건조시킨 다음 준설토 저장호퍼(200)에 저장되어 있는 준설토를 스톤 분리기(210)를 거쳐 스톤을 제거한 후 분쇄기(cutter mill)(220)를 이용하여 1차 1mm~10mm, 바람직하게는 1mm~5mm의 크기로 분쇄하고, 실 공정에서는 약 5mm내외의 크기로 분쇄한다. 본 발명에서 1차 분쇄에 사용되는 분쇄기(220)는 도면에 도시하지는 않았으나 회전형 드럼 커터와 고정형 커터 사이에 원료가 투입되어 분쇄되며 출구 스크린에 의해 분쇄된 원료의 입도를 조절하게 된다.
본 발명에서는 이와 같이 석탄재와 준설토를 개별적으로 대략 동일유사한 5mm내외로 1차 러프하게 분쇄하여 후술하는 혼합공정에서 혼합율이 향상된다.
상기와 같이 개별적으로 분쇄한 석탄재와 준설토는 각각 별도의 호퍼로 보내진 다음, 각각의 피더(feeder)에 의해 혼합호퍼(400)로 이송되는데 석탄재와 준설토를 80:20(w/w, %)로 혼합되도록 한다. 혼합호퍼(400)에서는 수분을 첨가하지 않고 마른 상태에서 스크류를 이용하여 석탄재와 준설토를 혼합하게 된다. 이와 같이 혼합된 배합원료는 혼합분쇄기(500)로 공급되어 혼합분쇄하는 공정을 거친다.
본 발명에서 혼합분쇄기(500)는 공기의 고속와류와 고주파 압력변동에 따른 진동을 이용하여 자기파쇄시켜 초미분입자로 가공하는 것으로, 톱니형 형상을 가지는 로터를 고속회전시켜 고정날개인 라이너와의 간극 사이에 형성된 고속 와류에 의해 간극 사이를 통과하는 원료가 분쇄되게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 유사한 크기로 1차 러프하게 분쇄된 석탄재와 준설토를 혼합분쇄기(500)에서 100㎛이하로 혼합분쇄하게 되는데 혼합분쇄과정에서 석탄재가 점성을 가지는 준설토의 샌딩역할을 하여 서로 뭉치는 준설토를 파쇄함으로써 준설토의 미분도를 향상시킴과 동시에 혼합율을 향상시키게 된다.
이와 같이 혼합분쇄공정을 거친 배합원료는 배합원료 저장조(미도시)에 저장된 다음 성형공정을 위한 성형 저장호퍼(700)로 보내지게 되는데, 본 발명에서는 배합원료 저장조에서 성형 저장호퍼(700)까지 이송배관을 설치하고 공압으로 성형 저장호퍼(700)로 이송한다. 구체적으로는 배합원료 저장조에서 블로워를 이용하여 사일로(600)까지 운반한 다음 사일로(600)에서 에어 콤프레셔를 이용하여 성형 저장호퍼(700)까지 운반하게 된다. 이와 같이 배합원료 저장조에서 개방형 컨베이어벨트가 아닌 이송배관을 통해 공압으로 원료를 이송함으로써 비산먼지 발생 및 원료 손실을 방지할 수 있게 된다.
그 다음, 성형 저장호퍼(700)에서 배합원료는 소성을 위해 구형으로 성형하는 성형공정을 거치게 된다. 성형공정은 우선 성형 믹서(750)에서 배합원료를 혼합하면서 적절한 점성을 부가하여 성형이 잘 될 수 있도록 일정량의 수분을 추가하게 되는데 원재료 총 중량의 30~40%정도, 바람직하게는 30%로 가수한다. 이와 같이 물을 첨가하여 배합원료를 반죽하고 반죽된 배합원료는 압출기에서 일정 크기로 절단되어 배출된 다음 정환기(pelletizer)(800)에서 직경이 약 5mm이하 크기의 석탄회볼로 성형한다.
정환기(800)에서 성형된 석탄회볼은 건조과정을 거친 후 소성로(900, rotary kiln)로 보내지고, 소성로(900)에서 약 10분간 800℃이상의 온도(실공정에서는 800℃)에서 소성과정을 거치게 된다.
그 다음, 소성과정 후 공냉시킨 다음 석탄회볼에 영가철을 코팅하는 단계를 수행한다. 이 단계에서는 영가철 용액을 석탄회볼에 코팅하게 되는데 구체적으로 영가철 용액은 0.05% NaBH4 용액에 영가철분말(1㎛이하) 1%를 첨가하여 제조한다. 이와 같이 제조된 영가철 용액을 석탄회볼에 분무하며 코팅하여 본 발명의 토양 개량제를 제조한다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 토양 개량제의 효과를 살펴보기 위해 철함량 기준으로 토양에 400g-Fe/10a(아르)를 시비하였고, 시비 후 열무를 식재하여 30일 동안 재배하는 실험을 수행하였다.
도3 내지 도5는 실험 수행 후 토양분석 결과를 보여주는 도면으로서 각각 토양교환성 칼슘, 붕소, 철의 함량을 보여주는 도면이다. 도시된 도면으로부터 알 수 있듯이 토양분석 결과 교환성 칼슘 함량은 소폭 증가하였고, 미량원소 붕소와 철의 함량은 대조구와 비교할 때 각각 약 4배와 0.5배 증가하는 것으로 나타났다. 이는 토양의 비옥도가 개선되었음을 의미하고, 증가한 모든 원소는 개량제 제조에 사용한 재료가 함유하는 물질로 토양에 매우 유익한 환경을 제공하는 결과로 판단된다.
그리고, 도6 내지 도8은 실험 수행 후 열무의 생장상태를 보여주는 도면으로서 각각 열무의 길이, 무게, 엽록소 함량을 보여주는 도면이다.
재배 후 수확한 열무의 길이는 뿌리와 잎+줄기 부분을 나눠 비교하였고, 그 결과 각각 대조구보다 약 20%와 10% 수준의 생육이 개선된 것으로 조사되었다. 생산량(무게)은 대조구와 비교할 때 뿌리의 경우 약 2배 증수되었으며, 잎+줄기 부분은 30% 증수된 것으로 조사되었다. 이는 엽록소 함량이 30% 증가한 결과에 기인한 것으로 붕소와 철의 함량이 증가하면서 엽록소 및 영양소 합성량이 증가하며 열무의 생산량이 증수하는 결과로 나타난 것으로 판단된다.
또한, 수확한 열무의 체내 성분을 분석하였고 그 결과가 도9 내지 도11에 도시되어 있다. 도9 내지 도11은 열무의 다량영양소, 붕소, 철 함량을 각각 나타낸 것으로, 수확한 열무의 체내 성분 분석결과 T-N, T-P와 CaO의 함량도 대조구보다 증가하였고, 미량원소 붕소와 철의 함량도 흡수량이 증가하여 작물 품질이 향상된 결과로 나타났다. 이러한 체내 성분의 증가는 T-N, T-P와 CaO의 경우 석탄회로부터 제공되었고, 붕소와 철의 경우 석탄회볼에 코팅한 액상 영가철의 영향으로 작물 생육 개선에 매우 유익한 환경을 제공한 것으로 판단된다.
한편, 도12 및 도13은 각각 토양의 유효 인산과 토양용액의 인산염인을 각각 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 토양의 초기 유효인산 농도는 1,203 mg/kg이었는데, 본 발명의 토양 개량제 처리에 의해 약 96%(70 mg/kg) 감소하였다. 그리고 토양으로부터 추출한 토양용액의 인산염인은 초기 7 mg/L에서 0.7 mg/L로 약 90% 감소한 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 토양 개량제가 화학비료 과다 시비에 의해 염류가 집적된 농경지에 처리 시 토양 내 염류물질 (인산)의 저감에도 효율적인 것으로 나타났다.
위의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명에서 개발한 토양 개량제의 토양 처리는 토양의 비옥도를 개선하여 비옥도를 증진시켰으며, 열무의 생육을 촉진할 수 있는 우수한 물질로 판명되었다. 또한 염류집적 토양에 처리할 경우 인산의 안정화를 통해 척박한 환경을 개선할 수 있는 유용한 물질로 판명되었다.
따라서, 본 발명에 따른 토양 개량제의 경우 화학비료를 대체하고, 자원의 재순환 취지에 맞춰 재배되는 농작물의 생육을 향상시킬 수 있는 비료로 윈윈할 수 있을 것으로 기대된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 석탄재 중 저회는 Ca, Mg, K 등의 다량영양소와 Fe, Mn, B 등의 미양 영양소 함유하고 있어 화학비료 대체제의 측면과 작물에 유익한 무기질 영양소를 공급한다는 측면에서 보다 바람직할 것으로 판단되나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
100 : 석탄재 저장호퍼 110 : 분쇄기
200 : 준설토 저장호퍼 210 : 스톤 분리기
220 : 분쇄기 400 : 혼합호퍼
500 : 혼합분쇄기 600 : 사일로
700 : 성형 저장호퍼 750 : 성형믹서
800 : 정환기 900 : 소성로
200 : 준설토 저장호퍼 210 : 스톤 분리기
220 : 분쇄기 400 : 혼합호퍼
500 : 혼합분쇄기 600 : 사일로
700 : 성형 저장호퍼 750 : 성형믹서
800 : 정환기 900 : 소성로
Claims (9)
- 석탄재와 준설토를 개별적으로 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 분쇄단계와,
상기 분쇄단계를 거친 석탄재와 준설토를 혼합호퍼로 이송하여 혼합하는 단계와,
혼합된 배합원료에 가수하고 정환기에서 석탄회볼로 성형하는 단계와,
상기 성형 단계를 거친 석탄회볼을 소성로에서 소성하는 단계와,
상기 소성 단계를 거친 석탄회볼에 영가철 용액을 코팅하여 토양 개량제로 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합하는 단계 이후에 상기 혼합호퍼에서 혼합된 배합원료를 혼합분쇄기로 이송한 다음 상기 혼합분쇄기에서 배합원료를 혼합분쇄하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 분쇄단계에서 석탄재 및 준설토를 1mm 내지 10mm의 크기로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 배합원료를 혼합분쇄하는 단계에서는 석탄재 및 준설토를 100㎛이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 혼합하는 단계에서 배합비율은 석탄재와 준설토를 80:20(w/w,%)로 혼합하는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 영가철 용액은 NaBH4 용액에 영가철분말을 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 영가철 용액은 0.05% NaBH4 용액에 1㎛이하의 영가철분말 1%를 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 소성단계는 800℃ 이상에서 소성하는 것을 특징으로 하는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제의 제조방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조되는 석탄회볼을 이용한 토양 개량제.
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