[논문]국내 석탄화력발전소 석탄회 중 희유금속 가치 평가

박석운; 김재관; 이형범; 서연석; 홍준석; 이현동

doi:10.7844/kirr.2015.24.4.67

국내 석탄화력발전소 석탄회 중 희유금속 가치 평가
Evaluation of Some Rare Metals and Rare Earth Metals Contained in Coal Ash of Coal-fired Power Plants in Korea 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.4, 2015년, pp.67 - 75

박석운 (한국전력공사 전력연구원) , 김재관 (한국전력공사 전력연구원) , 이형범 (한국전력공사 전력연구원) , 서연석 (한국전력공사 전력연구원) , 홍준석 (한국전력공사 전력연구원) , 이현동 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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국내 석탄화력발전소 11곳의 석탄회(비산재, 바닥재 및 매립회) 및 매립장 상등수를 채취하여 희유금속의 함량분포를 살펴보았다. 주요 전략광물인 이트륨(Yttrium) 및 네오디뮴(Neodymium)의 경우 약 23 ~ 75 mg/kg 범위로 나타났으며 별도의 회수기술 개발에 대한 가치가 충분한 것으로 판단되었다. 연간 발생하는 비산재 및 바닥재와 더불어 매립회의 양을 감안하면 국내 석탄화력발전소가 보유하고 있는 희유금속은 약 1.67조 원의 가치가 있는 것으로 조사되어 도시광산으로서 충분한 경제적 가치가 있는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The content distributions of some rare metals and rare earthe metals in coal ash (fly ash, bottom ash and pond ash) and leachate from coal-fired power plants were investigated. In case of Yttrium (Y) and Neodymium (Nd) which were strategic critical elements, their contents were ranged from about 23 ~ 75 mg/kg and it is shown they are worth to be developed for the recovery and separation method. Considering the annual amount of fly ash and bottom ash and pond ash, coal-fired power plants have great value of about 1,670 billion KRW and it is regards they are worthy as urban mines.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내 석탄화력발전소에서 발생하는 석탄회에 함유되어 있는 희유금속의 함량을 분석하고 이들의 경제적 가치평가를 통해 석탄화력발전소의 도시광산(Urban Mining)화 가능성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 석탄화력발전소를 500MW 역청탄 표준화력을 기준으로 800 MW 대용량화력, 아역청탄 전소발전, 무연탄 혼소발전 및 유동층발전으로 구분하여 11개 화력본부 석탄화력 발전소에서 발생하는 비산재, 바닥재, 매립회(pond ash) 및 매립장 상등수(leachate)별로 대표시료를 채취하여 희유금속의 함량분포를 살펴보고자 하였다. 비산재의 경우 발생 직후 채취하였고 바닥재 및 매립회는 회처리장에서 해수의 영향이 적은 지점을 골라 시료를 채취하였다.

제안 방법

국내 석탄화력발전소 11곳(표준석탄화력발전소 및 유동층발전소 등)을 대상으로 석탄회를 채취하여 희유금속의 함량분포를 살펴본 결과 다음과 결론을 도출하였다.
용기의 뚜껑을 닫고 건조오븐에 넣어 100oC에서 30분 동안 가열한다. 이러한 과정을 통해 용융된 시료를 ICP-OES를 통해 희유금속의 농도를 분석하였다. 단, 석탄회 시료의 성상 및 전처리 과정 중 특이사항에 따라 시료량 및 첨가하는 산의 종류와 양은 달라질 수 있다.

대상 데이터

전략 희유금속의 경우 국제적으로 기준물질로 전환되어 거래되고 있다. 본 연구에서 분석한 국내 석탄화력발전소의 연간 비산재 및 바닥재 발생량(2013년 기준)과 매립장의 매립회에 함유되어 있는 희유금속 보유량을 Metal-pages (www.metal-pages.com), MineralPrices.com (www.mineralprices.com) 및 한국자원정보서비스(www. kores.net)의 국제 거래가격(2015년 1월 기준가)을 이용하여 환산한 경제적 가치는 Table 4와 같다.
단, 석탄회 시료의 성상 및 전처리 과정 중 특이사항에 따라 시료량 및 첨가하는 산의 종류와 양은 달라질 수 있다. 분석대상 금속은 희토류 11종(리트륨, 네오디뮴, 유로퓸, 테르븀, 디스프로슘, 세륨, 란타늄, 니오븀, 텔루륨, 토륨 및 탈륨) 및 희유금속 10종(은, 금, 바륨, 비스무트, 코발트, 갈륨, 리튬, 니켈, 바나듐 및 지르코늄)으로 총 21종으로 하였다.
본 연구에서는 국내 석탄화력발전소를 500MW 역청탄 표준화력을 기준으로 800 MW 대용량화력, 아역청탄 전소발전, 무연탄 혼소발전 및 유동층발전으로 구분하여 11개 화력본부 석탄화력 발전소에서 발생하는 비산재, 바닥재, 매립회(pond ash) 및 매립장 상등수(leachate)별로 대표시료를 채취하여 희유금속의 함량분포를 살펴보고자 하였다. 비산재의 경우 발생 직후 채취하였고 바닥재 및 매립회는 회처리장에서 해수의 영향이 적은 지점을 골라 시료를 채취하였다. 또한, 침출수는 회처리장의 상등수를 채취하였다.

성능/효과

국내 석탄화력발전소 석탄회 및 침출수 중 희토류와 희유금속의 함량분포를 분석한 결과 전략광물 중 임계물질(critical element)인 이트륨의 경우 비산재가 30 ~ 71 mg/kg, 바닥재가 21~68mg/kg, 매립회가 26 ~ 75mg/kg의 범위로 존재하는 것으로 나타났으며, 평균적으로 40 mg/kg 이상을 함유한 것으로 보였다. 특히, 이트륨 함량은 태안화력의 비산재와 바닥재가 가장 높고 당진화력의 매립회에서 가장 높은 값을 나타내었다.
국내 석탄화력발전소에서 발생하는 석탄회 종류별 전략적 광물 함량분포 중 미국 DOE에서 10년 내 해결 불가능한 5대 전략적 희토류 금속으로 관리 중인 이트륨의 경우 비산재 30 ~ 71mg/kg, 바닥재 21 ~ 68mg/kg, 매립회 26 ~ 75 mg/kg의 범위로 존재하는 것으로 나타났으며, 평균적으로 40 mg/kg이상을 함유하고 있는 것으로 조사되었다. 네오디뮴의 경우 비산재 23 ~ 56 mg/kg, 바닥재 19 ~ 86 mg/kg, 매립회 19 ~ 67 mg/kg으로 이트륨과 유사한 함량을 나타냈으며, 희유금속인 리튬의 함량은 34.
또한, 금과 은의 경우 0.1 mg/kg 이하로 나타났으며, 바륨은 354 ~ 2,120 mg/kg (비산재 462 ~ 2,120, 바닥재 354 ~ 2,090, 매립회 447 ~ 1,590), 비스무트는 10mg/kg 이하, 코발트는 13.1 ~ 77.0 mg/kg (비산재 13.1 ~ 57.7, 바닥재 33.2 ~ 77.0, 매립회 27.6 ~ 62.7) 갈륨은 38.9 ~110 mg/kg (비산재 53.4 ~ 88.9, 바닥재 38.9 ~ 110.0, 매립회 45.6 ~ 93.9), 니켈은 25.0 ~ 97.5 mg/kg (비산재 31.0 ~ 77.9, 바닥재 34.1 ~ 97.5, 매립회 25.0 ~ 86.3), 바나듐은 72 ~ 191mg/kg (비산재 109.0 ~ 191.0, 바닥재 72.6 ~169.0, 매립회 82.2 ~ 171.0), 지르코늄은 129 ~ 584 mg/kg (비산재 140.0 ~ 584.0, 바닥재 129.0 ~ 551.0, 매립회 166.0 ~ 489.0)으로 확인되었으며, 매립장 침출수의 경우 리튬(함량 0.1 ~ 0.9 mg/kg으로 용출되어 있는 반면, 다른 희유금속들은 용해되지 않고 매립회에 그대로 고착되어 있는 것으로 확인되었다.
네오디뮴의 경우 비산재가 23 ~ 56 mg/kg, 바닥재 19 ~ 86 mg/kg, 매립회 19 ~ 67 mg/kg 범위로 나타났으며, 비산재의 경우 태안화력 석탄회, 바닥재의 경우 동해화력 석탄회, 매립회의 경우 당진화력 석탄회에서 네오디뮴의 함량이 가장 높게 나타났다. 세륨은 33 ~ 178 mg/kg(비산재 38.5 ~166.0, 바닥재 33.0 ~ 138.0, 매립회 61.2 ~ 178.0), 란타늄은 17.3 ~ 98.8mg/kg(비산재 21.0 ~ 84.0, 바닥재 17.3 ~98.8, 매립회 24.9 ~ 90.9), 니오븀은 12.0 ~ 89.4 mg/kg(비산재 19.0 ~ 46.5, 바닥재 14.4 ~ 89.4, 매립회 12.0 ~ 53.3), 토륨은 20 ~ 60.8 mg/kg(비산재 20.0 ~ 63.5, 바닥재 20.0 ~60.8, 매립회 20.0이하), 텔루륨 및 탈륨은 20mg/kg이하인 반면, 매립장 침출수의 경우 모든 희토류금속의 함량이 0.05 mg/kg으로 나타나 해수에 의해 침출되지 않는 것으로 확인되었다.
연간 발생하는 비산재 및 바닥재에 함유되어 있는 희유금속은 각각 15,823톤/년 및 2,899톤/년으로 나타났고, 현재까지 매립되어 있는 매립회에는 128,354톤의 희유금속이 함유되어 있는 것으로 조사되었다. 특히 중요 전략광물인 이트륨, 네오디뮴, 란타늄, 리튬, 니켈, 바나듐 및 지르코늄 등은 매우 높은 보유량을 가지고 있는 것으로 확인되었다.
2008년 12월 22일 미국 Tennessee Valley Authority’s Kingston Plant에서 대량의 석탄회 슬러리가 인근 유역으로 유출되는 사고가 발생한 이후 미국 EPA (Environmental Protection Agency)는 미국 내 석탄회 발생에 대해 모니터링을 강화하고 석탄회 안전 사용에 대한 법규를 제정하려고 하고 있다. 이 과정에서 석탄회 중에는 중금속 뿐 만 아니라 미국 DOE가 전략적 광물로 지정한 여러 종류의 희토류 금속들이 함유되어 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 미국 DOE 및 EPA는 2015년까지 대부분 미국 발전소별 발생하는 석탄회 중 Trace Element (중금속 및 희토류금속)를 추적, 모니터링을 통해 Trace Element에 대한 재활용 규격을 제정하고 추출기술 개발을 지원하고 있다.
연간 발생하는 비산재 및 바닥재에 함유되어 있는 희유금속은 각각 15,823톤/년 및 2,899톤/년으로 나타났고, 현재까지 매립되어 있는 매립회에는 128,354톤의 희유금속이 함유되어 있는 것으로 조사되었다. 특히 중요 전략광물인 이트륨, 네오디뮴, 란타늄, 리튬, 니켈, 바나듐 및 지르코늄 등은 매우 높은 보유량을 가지고 있는 것으로 확인되었다.
67조 원의 가치가 있는 것으로 추정된다. 특히, B 발전사의 희유금속 가치가 5,415억 원으로 발전사 중 가장 높은 경제적 가치를 보유하고 있었고, A발전사는 5,329억 원으로 그 중 A1화력의 매립회가 3,397억 원으로 가장 높았다. 따라서 회수기술 개발에 대한 가치가 충분한 것으로 판단된다.
국내 석탄화력발전소 석탄회 및 침출수 중 희토류와 희유금속의 함량분포를 분석한 결과 전략광물 중 임계물질(critical element)인 이트륨의 경우 비산재가 30 ~ 71 mg/kg, 바닥재가 21~68mg/kg, 매립회가 26 ~ 75mg/kg의 범위로 존재하는 것으로 나타났으며, 평균적으로 40 mg/kg 이상을 함유한 것으로 보였다. 특히, 이트륨 함량은 태안화력의 비산재와 바닥재가 가장 높고 당진화력의 매립회에서 가장 높은 값을 나타내었다. 네오디뮴의 경우 비산재가 23 ~ 56 mg/kg, 바닥재 19 ~ 86 mg/kg, 매립회 19 ~ 67 mg/kg 범위로 나타났으며, 비산재의 경우 태안화력 석탄회, 바닥재의 경우 동해화력 석탄회, 매립회의 경우 당진화력 석탄회에서 네오디뮴의 함량이 가장 높게 나타났다.
바닥재의 경우 연간 126만 톤이 발생하며, 그 중 2,899 톤의 희유금속이 발생하는 것으로 확인되었다. 특히, 전략 희토류의 경우 매년 이트륨 59 톤, 네오디뮴 57 톤, 란타늄 69 톤이 발생하며, 희유금속의 경우 리튬 149 톤, 니켈 211 톤, 바나듐 149 톤, 지르코늄 485 톤이 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 석탄화력발전소의 경우 1983년부터 2015년 현재까지 석탄회 매립장에 약 64,000만 톤의 매립회를 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄이 화력발전소의 근간이 되는 원료로 사용되는 이유는?	석탄은 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 공급원의 안정성 등으로 인해 세계적으로 화력발전소의 근간이 되는 원료로 사용되고 있으며, 2014년 12월 기준으로 한전 발전자회사의 총 발전량 442,914,458 MWh 중 무연탄 및 유연탄 석탄화력은 203,765,391 MWh로 약 46%를 차지하고 있다.1) 국내의 경우 제5차 장기 전력수급계획(1999 ~ 2015년) 및 제6차 장기 전력수급계획(2013 ~2027년)에 의하면 석탄화력 발전은 2027년까지 10,500 MW의 신규설비가 소요될 것으로 예상되어 전력원으로서 석탄 화력의 비중은 증대되고 있는 실정이다.
	희토류의 가격이 가파르게 상승하는 이유는?	희토류(Rare Earth Elements, REEs)는 주기율표 상의 원자번호 21, 39, 57-71번의 물질로 물리·화학적 성질과 광물의 특성에 따라 경희토류(Light REEs), 중희토류(Medium REEs) 및 중희토류(Heavy REEs)로 구분되는데, 란탄계 원소[경희토류: 란타늄(Lanthanium), 세륨(Cerium), 프라세오디뮴(Praseodymium), 네오디뮴(Neodymium), 중(Medium)희토류: 프로메튬(Promethium), 사마륨(Samarium), 유로퓸(Europium), 가돌리늄(Gadolinium), 중(Heavy)희토류: 테르븀 (Terbium), 디스프로슘(Dysprosium), 홀뮴(Holmium), 에르븀(Erbium), 툴륨(Thulium), 이테르븀(Ytterbium), 루테늄(Ruthenium)] 15개와 스칸듐(Scandium), 이트륨(Yttrium)을 합친 17개 원소를 말한다.2) 이들 희토류는 신산업소재를 중심으로 급격한 수요 증가와 공급량의 한계 때문에 가격이 매우 가파르게 상승하고 있어 국제간의 희토류 자원확보 전쟁이 급격히 진행되고 있다. 특히 희토류 중 일부 원소는 매장량의 한계로 수요를 감당하기 어려워 전략적 광물로 분류되고 있으며, 미국 에너지성(DOE)은 공급 부족 위험도를 기준으로 이러한 원소 중 5개 성분(이트륨, 유로퓸, 네오디뮴, 테르븀 및 디스프로슘)을 가장 중요한 중대전략물질(Critical Strategic Material)로 분류하고 확보방안에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다.
	석탄회의 새롭고 다양한 고부가 활용기술 개발이 필요한 이유는?	석탄회는 대부분 시멘트 몰탈 및 콘크리트 혼화제로 재활용되고 있으나 계속해서 증가하는 석탄회 발생량에 비해 시멘트 산업의 성장률이 낮아 석탄회의 재활용에는 한계가 있어 2020년경에는 석탄회 재활용률이 50% 이하로 떨어질 것으로 예상되고 있다. 또한, 환경부는 2020년까지 폐기물 발생량 대비 매립률을 3%로 줄이는 것을 목표로 2017년부터 폐기물 매립 부담금제도를 시행할 계획에 있어 폐기물 매립 관련 국가정책 동향 및 석탄화력 발전소의 회처리장 등의 상황을 고려해 볼 때 석탄회의 재활용에 대한 부담과 압박은 더욱 가중될 것으로 보인다. 따라서 석탄회의 새롭고 다양한 고부가 활용기술 개발을 통한 고부가 자원화 방안 마련이 절실한 시점이라 할 수 있다.

참고문헌 (13)

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Problem and Corresponding in Rare Earth Industry, 2014: Japan Society of Newer Metals

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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