• As a result of cake particle size analysis by some domestic aggregate producers, the cakes contained approximately 5% to 25% sand particle size, and one sample contained 50% sand particle size.

• As the rock crushing stage progresses, sand production and fine dust generation simultaneously increase.

• In the sand recovery stage, the lower the cut point of the cyclone, the less cake is generated.

골재는 토목 및 건축 분야에서 필요한 콘크리트나 모르타르를 만드는데 필수적인 재료이다. 우리나라의 경우자연산 모래의 고갈로 인하여 주로 석산 혹은 건설 현장의 암석 등을 원석으로 확보하여 골재생산 시설에서 골재를 생산하고 있다. 사용하는 원광은 신선한 암석에서부터풍화토에 이르기까지 다양하다. 특히 모래를 생산할 때암석에 풍화토를 혼합해 사용하기도 한다. 골재생산 업체는 주변 지역의 수요에 따라서 개비온석, 40mm, 25mm, 13mm 및 5mm 등 여러 종류의 골재를 생산하고 있다.

골재를 생산할 때 파쇄 및 선별 공정을 거치며 건식 혹은 습식으로 생산하고 있다(Collis and Fox, 1985; Chea et al., 2023). 골재 생산 장비로는 피더, 파쇄기, 스크린,컨베이어, 스프리터(Spritter) 등이 있고 공정상 후단에 폐수처리시설이 존재한다. 골재생산 회로는 1차 파쇄, 2차파쇄, 3차 파쇄 등 다단계로 구축되며 단계에 따라서 종류가 다른 파쇄기가 사용된다(Table 1). 죠 크러셔는 대형 암석을 1차로 파쇄하며 파쇄물의 출구 간격(CSS: Closed Side Setting)으로 입도를 제어한다. 콘 크러셔는 죠 크러셔 보다 좀 더 작은 파쇄물을 얻기 위해서 사용하며 2차파쇄기로 구분하며 CSS (20~30mm) 설정으로 파쇄물 크기를 조절한다. 3차 파쇄 단계에서 주로 임팩트 크러셔를 설치한다(Mining machinery Co 2016; Samyoung plant Co. 2023). 충격을 이용하며 편석 및 각석을 둥글게 하여자연사와 유사한 입형을 성형하므로 일명 모래 제조기로불린다.

Table 1 . Crusher types and general characteristics (Mining machinary Co, 2016; Metso, 2024).

Crusher type	Process stage	Feed size up to (mm)	Typical max.end product size (mm)	Reduction ratio	Amount of fines produced
Jaw crusher	Primary	1400	200-300	3-4	low
Con crusher	Secondary/Tertiary	300~450	0~80	3-5	low/medium
Impact crusher	Tertiary	40	0-30	1-2	high

습식 모래 생산 공정에는 사이클론, 탈수체, 모래 탱크로 구성된 모래 회수 장치인 샌드 유닛이라 불리는 장치가 배치된다(Mining machinery Co 2016; Samyoung plant Co. 2023). 사이클론 분급기는 원심력과 물질의 비중 차이를 이용하여 고체를 분리하거나 혹은 고-액 또는 액-액 분리를 하는 장치이다(Jo et al., 2019; Hou et al., 2023).습식 모래 생산 공정에서 미석분이 포함된 탁한 세척수가 발생한다. 탁수 중의 침전물을 모래 탱크에 침전시키고 펌프를 통해 사이클론을 거치도록 한다. 사이클론을통과한 언더플로(underflow)는 탈수체에서 탈수되어 모래로 회수되고 오버플로(overflow)는 미분으로 폐수처리시설로 이동하여 케이크로 배출된다.

골재생산 업체의 당면 과제는 현장에서 발생하는 다량의 케이크(슬러지) 처리 문제이다(Lee et al., 2021). Park (2020)은 국내 석분 슬러지는 원석의 3~5%가 발생하고부순 모래 생산량 기준으로 할 때 15~17% 가량 발생하는 것으로 추정했다. 골재 사업자들은 농경지 성토재로사용을 원하고 있으나(KBIZ, 2018; Cheong et al., 2021)폐수 처리 시설에서 미석분의 신속한 침강을 위해서 응집제를 사용하여 토양 및 수질 오염 가능성으로 성토재로사용되지 않고 있다. 따라서 슬러지의 약 80% 이상은 매립되고 있다(Chungcheong review, 2019; Sisapress, 2021).

석 가공 및 석재 생산 과정에서 발생하는 석분 및 슬러지의 활용 및 소진을 위한 연구들이 다양하게 지속해왔으나 현재까지 슬러지를 대량 소모할 기술 활용 사례는 없다(Lee et al., 2021). 발생한 석분에 대한 연구는 지속해서 연구됐지만 현장의 골재 생산 공정에서 미석분의발생과 제어에 관한 연구는 찾아보기 힘들다. 특히 골재생산 공정에서 원광의 종류, 파쇄 단계에 따른 미석분의발생 및 모래 회수 장치에서 모래/미석분의 회수율 평가등의 연구 사례는 거의 없는 실정이다.

광석 혹은 암석의 파쇄 및 선별 공정을 모사하는 AggFlow, Plantsmith 및 NIAflow 등 소프트웨어를 이용해서 기존광석 및 골재 생산 공정의 최적화나 신규 골재 생산 공정의 설계에 활용해 왔다(Jeldres et al., 2018; Bhadani, 2020; Yamashita et al., 2021). 예를 들면 현장의 골재 생산 공정 모델을 구성한 후 원석 크기 변화 및 스크린 교체 등 운전 조건을 변화시켰을 때 생산 능력을 평가하면서 좀 더 경제성 있는 시스템을 도출해 낼 수 있다(Sönmez et al., 2013; Yilmaz, 2014; Haver & Boecker, 2016; Malewski, 2019).

본 연구는 현장 골재 생산 공정에서 슬러지 기원인 케이크의 입도 분석과 발생과정을 평가하여 슬러지의 발생을 줄이는 방안을 탐색하고자 수행되었다. 주요 연구 내용은 첫째, 국내 일부 골재 생산 공정에서 회수한 케이크에서 버려지는 모래 비율의 평가, 둘째 국내 A 골재생산 업체를 현장 연구 대상으로 하여 파쇄 단계에서 파쇄물의 입도 변화와 미석분의 회수 공정 평가, 셋째 NIAflow소프트웨어로 샌드 플랜트에서 사용되는 사이클론 유닛의 분급률에 따른 모래 및 케이크 발생량의 계산과 그의의를 제시하는 것이었다.

2.1. 국내 일부 골재 케이크 입도 평가

한국골재협회를 통해서 경기도 및 충청권에 소재한 일부 골재생산 업체의 케이크 시료를 수집했다. 시료는 300mg을 과산화수소수와 염산으로 전처리하여 거쳐 잔류 유기물과 탄산염을 제거하고, 한국지질자원연구원에서 보유하고 있는 입도분석기(Mastersizer 3000, Malbern)를 이용하여 초음파로 1분간 분산한 후 입도를 분석하였다. 모래의 입도 비율은 입도분석 결과를 이용하여 계산하였다.

2.2. 골재생산 현장 연구 지역 및 시료 입도 분석

A 업체는 충청남도에 위치하며 산림골재 업체로 습식으로 주로 모래를 생산하고 있다. 골재 생산 장비는 Feed Hopper, 흙 제거 스크린(Scalping screen), 죠 크러셔 1대, 2단 스크린, 벨트 컨베이어, 콘 크러셔, 임팩트 크러셔,모래 회수 시설(사이클론+모래 탱크+탈수 스크린), 폐수 처리 시설(응집조+침전조+탈수기) 등으로 구성되어있다(Fig. 1). 골재 생산 공정은 1차로 죠 크러셔로 원광을 파쇄하고 이후 2단 스크린에서 +25mm, -25mm ~ +6mm, -6mm로 선별한다. +6mm는 폐쇄 회로에 의하여 -6mm가될 때까지 2차 및 3차 파쇄기로 되돌려져 추가 파쇄되고, -6mm 입자는 모래 회수 시설로(Fig. 1, 점선 영역) 이동한다. 여기서 슬러리 형태의 모래가 탈수되면서 생산되고, 분리된 미석분은 침강조로 이동한다. 현장 조사 당시모래 생산량은 약 1,500~2,000m³/d이고 케이크 발생량은모래 생산량 대비 20%로 추정하고 있었다. 본 현장에서발생하는 케이크는 전량 자체 매립장에서 매립하고 있었다.

Figure 1. Flow diagram of production of aggregates and sampling points (Circled numbers). The photo shows the samples.

분석에 사용된 골재는 생산 공정에서 파쇄물, 모래 제품 및 케이크를 총 8개 채취하였다(Fig. 1, 원 번호). 시료들은 실내에서 풍건한 후 4.76mm 이상의 굵은 골재는7개의 체(26.5, 19.0, 13.2, 9.50, 4.75, 2.36mm, 0.71mm)를 진동기(Fritsch 사, Analysette 3Pro)에 장착하고 진동을 가하여 각체에 걸린 중량 백분율을 구하였다. 잔골재는 체(4.75, 2.36, 0.71, 0.425, 0.18, 0.09 및 0.045mm)로수동으로 하여 입도 분석을 수행하였다. 체 가름 실험은3회 수행하고 평균값을 사용하였다.

2.3. 골재 생산 공정 모델링과 시뮬레이션

NIAflow 소프트웨어(Haver & Boecker, 2016)를 이용해서 A 골재 생산 공정 모델을 구현했다. 소프트웨어에서 제공하는 크러셔, 2단 스크린, 탱크 및 폐수 처리 장비를 A 현장 골재생산 회로와 같이 배치하여 모델을 도출하였다(Fig. 2). 모래 회수 시설은 A 현장의 물질 흐름처럼 샌드 탱크, 사이클론, 탈수 스크린을 혼합해서 회로를구성했다(Fig. 2). 현장에서 수집한 원석 처리량(62.5t/h), 2단 스크린의 규격(6mm, 25mm), 탈수 스크린(5mm, 8mm)과 체분석 결과인 입도 분포 등을 운전 정보에 입력하였다. A 골재생산 모델은 실제 모래 회수 시설 주변 분석실험 결과에 근접할 때까지 운전 조건 설정을 조정하면서 보정했다. 보정된 모델을 이용해서 사이클론 및 탈수스크린의 분급점이 변화했을 때 모래 및 케이크의 물질수지를 구하였다.

Figure 2. A aggregate production process model. The dotted rectangular area is the sand recovery unit.

3.1. 국내 일부 케이크 내 존재하는 모래 비율

8개 케이크 시료의 입도 분포 곡선은 S 형태였고 중간 입도(d₅₀)의 크기는 10μm~90μm 범위를 보였다(Fig. 3). Fig. 3에서 모래 입도 한계인 74μm에서 수직선을 그으면HBD 케이크에는 모래가 5% 미만으로 적게 포함하나 DH케이크에는 모래가 50% 포함된 것으로 나타났다. 나머지 시료에서 모래가 케이크 내 10~25% 포함되어 있다.이러한 케이크별 입도 차이는 업체별로 취급하는 원광의종류, 파쇄 공정 및 장비의 차이 등으로 미석분 발생량은 좌우될 것이다. 국내 습식 골재 생산 공정 후단에 모래 회수 장치가 대부분 설치되어 있다. 따라서 모래 회수 장치는 bottle neck 역할을 한다. 따라서 미석분내 모래 잔유량은 모래 회수 장치의 효율과 상관성이 클 것으로 추정된다.

Figure 3. Cumulative particle size distribution of cakes.

3.2. 파쇄 선별 단계와 모래 회수 장치에서 입도 변화

A 골재생산 현장에서 채취한 시료의 체분석 결과가Fig. 4에 나와 있다. 파쇄 순서에 따라서 채취한 시료들의 입도(체 통과율 50% 기준)를 비교하면 시료의 크기는Fig. 4에서 2nd crushing > 3rd crushing > 1st crushing 시료 순으로 나타났다. 암괴를 파쇄할 때 나타나는 1차 > 2차 > 3차 순서와 달랐다. 급광 단계에서 암괴 이외에도풍화토가 함께 급광되면서 발생한 입도 결과였다. Fig. 4에서 체 통과율이 약 82% 지점에서 1차 파쇄 시료 곡선(1st crushing)과 3차 파쇄 시료(3rd crushing) 곡선이 교차한다. 1차 파쇄 시료의 약 82%는 3차 파쇄 시료의 입도 보다 작았다. 1차 및 3차 파쇄 시료의 교차점은 급광시 원광/풍화토 구성비를 반영하는 것으로 판단된다. 풍화토 비율은 급광 대비 약 82%이고 나머지는 암괴로 추정된다.

Figure 4. Comparison of particle size distribution of samples by crushing stage and double deck screen.

파쇄 전 원광 입도와 파쇄 후 입도 비율을 분쇄율로 정의할 수 있다(Collis and Fox, 1985; Metzo, 2024). 원광중에 풍화토의 비중이 커서 1차 파쇄 단계에서 분쇄율은의미가 없어서 제외하고 암편만을 파쇄하는 2차 및 3차파쇄 단계에서 분쇄율을 구하였다. 1차 스크린의 +25mm는 2차 파쇄기의 원광이 되며 2차 스크린의 -25mm ~+6mm는 3차 파쇄기의 원광이 된다. Fig. 4의 곡선으로부터 2차 분쇄율(1st screen/2nd crushing) 및 3차 분쇄율(2nd screen/3rd crushing)을 구했다. 체 통과율 80%를 기준으로 했을 때 2차 및 3차 분쇄율은 각각 3 및 2로 계산되었다. 국내외 파쇄기 제작 전문 업체의 자료에 제시된 파쇄기별 분쇄율과 유사했다(Table 1).

25mm 1차 스크린에서 망 위에 잔유한 시료(Fig. 4 : 1st screen)는 13.2 mm 이상이었다. 25mm 체보다도 작은 입자(약 10%)가 25mm 스크린을 통과하지 못하고 잔유했다. 6mm 2차 스크린에서 걸러진 시료 크기 범위는2.36mm~26.5mm이었고(Fig. 4) 여기서도 6mm 이하의 입자 25%가 6mm 스크린을 통과하지 못했다. 한편 이 선별 구간에는 25mm 스크린보다 큰 입자가 포함되었다. -25mm ~ +6mm 두 종류의 스크린에서 선별된 파쇄물 입도에 체 크기보다 작은 그리고 큰 입도들이 포함되었다. 2차 스크린을 통과한 시료(Fig. 5, Slurry)의 입도는 4.75mm이하였다. 어떤 물질을 스크린으로 선별하면 오버사이즈와 언더사이즈로 분리되는데 이때 오버 사이즈에는 언더사이즈의 일부가 언더사이즈에는 오버사이즈의 일부가 포함된다(VSH, 2023). 스크린에 의한 선별 효율(%)은 선별 물질의 특성, 스크린 특성, 선별 공정 인자 등에 영향을 받은 것으로 알려져 있으며 본 체분석 결과도 이러한 요인들에 영향을 받았을 것이다. ().

Figure 5. Comparison of weight (A) and cumulative distribution curves (B) according to sieve analysis around sand recovery unit.

모래 회수 장치 회로상의 -6mm 시료(slurry), 모래 탱크 시료(sand_tank) 및 오버플로 시료의 입도 분포를 Fig. 5에 수록하였다.

체 크기에 따른 시료 무게(Fig. 5, A)에서 -6mm 시료및 모래 탱크 내 시료는 4.75mm 입도 이하였고 입도는0.18mm~0.71mm에 집중된 분포 특성을 보였다. Fig. 5 A를 누적 곡선으로 표시하면 -6mm 슬러리 시료와 모래탱크 시료는 거의 유사한 입도 곡선을 보였다(Fig. 5, B).반면 오버플로는 왼쪽에 치우치면서 완전히 다른 입도분포를 보였다. 사이클론을 통해서 모래 탱크 내 침전물에서 미분인 0.09mm 입자 이하가 분리되면서 나타난 결과였다. 이 그림으로부터 사이클론의 분급점을 0.09mm로 평가하였다.

3.3. 사이클론 및 탈수체 분극점에 따른 모래 및 케이크 발생

슬러리, 모래 탱크 및 오버플로에 대한 체분석 결과와 모사 결과를 Fig. 6에 대비하였다. Fig. 6의 A에서 슬러리의 입도와 모사 결과(slurry_s)가 대체로 부합하였다. 또한 모래 회수 장치의 모사 결과가 모래 탱크, 모래 제품(sand)과 오버플로의 입도 분포를 대체로 반영했다. 그러나 특정 입도 범위인 0.7mm 크기일 때 체 통과율은 85%이었으나 모사 결과는 80% 미만을 나타내 정량적인 해석에는 오차가 예상되었다(Fig. 6의 B 및 B-1). 따라서 NIAflow의 모래 회수 장치 모델을 이용한 모사 결과는정량적인 해석보다는 추세 분석에 활용하였다.

Figure 6. Comparison of particle size analysis with simulation.

앞서 평가했듯이 A 현장의 사이클론 분급점(0.09mm)을 이용해서 0.09, 0.07 및 0.05mm로 낮게 설정했을 때모델을 이용하여 모래 및 미석분 물질 수지를 구하였다(Cheong et al., 2023). 모래는 원광 대비 69.8%, 73.7%및 78.5%로 증가하였고 케이크는 원광 대비 26%, 22.1%및 17.3%로 감소하였다(Fig. 7). 즉 사이클론의 분극점을낮추면 모래 생산량은 증가하고 케이크 발생량은 감소하는 추세가 나타났다. 국내 일부 케이크를 입도 분석한 결과 케이크 내 모래 비율이 50%인 특이한 시료가 있었다.이처럼 모래 비중이 높은 현장의 경우 사이클론의 분극점을 낮춰서 모래 회수량 비율을 증가시킨다면 모래의생산량을 늘리면서 동시에 케이크의 발생량을 줄이는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

Figure 7. Comparison of sand and sludge production amount according to cut point of cyclone. It was modified form Cheong et al.(2023).

습식 골재 생산 공정에서 발생하는 슬러리는 함수비가높아서 모래 회수 장치의 일부인 탈수 스크린에서 탈수된다. 스크린 오버사이즈는 모래 제품이 되고 언더사이즈는 모래 탱크로 저장된다. 본 현장에서 사용 중인 탈수체 크기는 5mm 체와 8mm 체를 사용 중인데 실제 통과한 언더사이즈 입도들은 Fig. 4의 경우에서 논했듯이체 크기 보다 상당히 작은 입도 일 수 있다. 그러나 A 현장의 탈수체의 분극점 정보가 없었다. 따라서 모래 입도크기를 고려하여 탈수체 분극점을 0.08mm부터 0.2mm까지 변화시켰을 때 모래 및 케이크의 발생량을 계산했다(Fig. 8). 분극점이 0.08mm에서 0.2mm로 증가하면서 모래 생산량은 감소하고 케이크 발생량은 증가하는 추세가나타냈다. 탈수체의 크기가 모래 및 케이크 발생량에 영향을 주는 인자로 평가되었다. A 현장 조사 당시 과거5mm 탈수체를 사용했으나 탈수 효율이 떨어져서 8mm탈수체를 병행해서 사용한다고 했다. 9~30% 수분을 포함하는 미분의 경우 약 16mm 이하 스크린 망에서부터선별이 어려워지는 것으로 알려져 있다(https://www.911metallurgist.com/blog/screening). 모델 연구 결과를 적용하면 모래 생산량을 손실 보더라도 탈수 작업성을 확보하는 조처로 판단되었다. 모델링 연구 결과 습식 골재생산 공정에서 모래 입도를 최대한 회수하면 케이크 발생량을 최소화할 수 있었다. 따라서 골재생산 현장에서이를 전개할 수 있는 적정 운전이 중요하다고 판단된다.

Figure 8. Simulation of sand and cake production according to cut point of dewatering screen.

국내 습식 골재생산 현장은 케이크의 발생으로 슬러지처분의 어려움을 호소하고 있다. 국내 8개 골재생산 업체의 케이크를 입도 분석한 결과 케이크에 약 5~25% 모래 입도가 존재하였고 한 시료는 케이크 내 모래가 50%존재하고 있었다. 국내 습식 골재 생산 공정에서 모래와미석분은 모래 회수 장치에서 이루어지고 있어서 사업장마다 회수 효율에 차이가 있는 것으로 추정된다.

A 골재 생산 공정에서 파분쇄 과정 및 모래 회수 장치의 성능이 모래 및 케이크에 미치는 영향을 조사하였다. A 골재생산 현장의 시료를 체 분석한 결과 2차 > 3차 > 1차 파쇄 순으로 입도가 작아졌다. 원광에 풍화토 비중이 높아서 생긴 결과였다. 2차에 비하여 3차 파쇄 때에모래 생산량이 2.8배 증가하였지만, 모래 제품으로 부적당한 미석분도 더 많이 발생했다.

A 현장의 모래 회수 장치인 사이클론의 분극점은 0.09mm로 평가되었다. 골재생산 모델을 이용하여 사이클론의 분극점을 0.09mm에서 0.05mm 변화시켰을 때 사이클론의분극점이 낮아질수록 모래 회수량은 증대되고 케이크 기원 물질인 미석분 발생량은 더 작아지는 것으로 모사되었다. 또한 탈수체의 크기가 작아질수록 미석분 발생은작아지나 탈수성의 저하가 예상되었다. 습식 골재생산 시설에서 케이크 발생을 줄이는 방안으로 모래를 최대한회수할 수 있는 모래 회수 장치의 적정 운전이 중요할것으로 판단되었다.

본 연구는 한국지질자원연구원에서 수행하고 있는 국토교통부 “2024년 골재자원조사 및 관리(IP2024-008-2024)”사업의 지원으로 수행되었습니다. 좋은 의견을 제안해 주셔서 원고의 질을 높여 주신 두 분의 심사위원께감사함을 전합니다.