[논문]석회석 슬러지의 석회석-석고 습식 배연탈황 공정적용에 관한 연구

서성관; 추용식; 심광보

doi:10.7844/kirr.2016.25.5.44

석회석 슬러지의 석회석-석고 습식 배연탈황 공정적용에 관한 연구
A Study on the Application with Limestone Sludge at Limestone-Gypsum Wet Flue Gas Desulfurization Process 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.25 no.5, 2016년, pp.44 - 49

서성관 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부) , 추용식 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부) , 심광보 (한양대학교 신소재공학과)

초록
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배연탈황기술은 화력발전소에 발생하는 $SO_2$ 가스를 제거하기 위한 효과적인 방법이며, 흡수제로 석회석을 사용하고 있다. 본 연구에서는 천연자원인 석회석의 사용량을 저감하고 산업 폐기물의 재활용을 위해, 제철소에서 발생하는 석회석 슬러지를 흡수제로 사용하고자 하였다. 흡수제 원료의 물리 화학적 특성분석을 실시하였으며, 전처리 설비를 구축하여 석회석 슬러지를 사용한 흡수제를 제조한 후 배연탈황 공정에 적용하였다. 제조 흡수제 적용 결과, $SO_2$ 농도 변화상에서의 경향성은 나타나지 않았으며, 흡수탑에서의 운전 제어를 통해 석회석 슬러지를 흡수제로 사용 가능할 것으로 사료되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flue gas desulfurization(FGD) is an effective technique to remove $SO_2$ gases of coal-fired plants. Limestone is usually used as desulfurizing agent. In this study, we use the limestone sludge which is a by-product of steel industry in order to replace desulfurizing agent of FGD process. Physical and chemical characteristics analysis of desulfurizing agent was conducted. Desulfurizing agent using limestone sludge was fabricated by pre-treatment process and, then the agent was used on FGD process. Consequently, the tendency on the $SO_2$ concentration did not appear. And limestone sludge was considered as possible alternative agent for flue gas desulfurization process through absorber control system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 석회석 슬러지는 수분을 함유하고 있어 용도개발에 제한적인 상황이며, 재사용 시에도 경제성에 문제가 발생하여 재활용을 어렵게 한다. 따라서 본 연구에서는 화력발전소에서 흡수제로 사용하고 있는 석회석의 사용량을 저감하고, 산업폐기물인 석회석 슬러지의 재활용을 위해 석회석 슬러지를 흡수제로 적용하고자 하였다. 즉, 기존 탈황공정에서 사용하고 있는 흡수제 및 석회석 슬러지의 물리·화학적 특성을 분석한 후 석회석 슬러지의탈황 공정 적용 가능성을 검토하였다.
즉, 기존 탈황공정에서 사용하고 있는 흡수제 및 석회석 슬러지의 물리·화학적 특성을 분석한 후 석회석 슬러지의탈황 공정 적용 가능성을 검토하였다. 또한 상기의 분석 결과를 바탕으로 석회석 슬러지를 실제 화력발전소 탈황공정에 적용하여 실제 공정에서의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 화력발전소에서 SO2 가스 흡수제로 사용하고 있는 석회석 슬러리와 제철소에서 발생하는 석회석 슬러지의 물리·화학적 특성 분석을 통해 석회석슬러지를 배연탈황 공정에 적용하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

또한 석회석 슬러지를 배연탈황 공정에 적용하기 위해 Fig. 2와 같이 “석회석 슬러지의 배연탈황 공정 적용을 위한 전처리 설비”를 구축하였으며, 수분율 70% 수준의 흡수제를 제조한 후 배연탈황 공정에 적용하였다.
마지막으로, 입도 분석기를 이용하여 흡수제 원료의 입도 특성을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 입도 분포 측정결과, 기존 흡수제 및 석회석 슬러지의 평균 입경은 각각 24.
물리·화학적 특성 분석 방법으로는 습식으로 화학성분을 분석하였으며, 입도분석기(LA-950V2, HORIBA社, JAPAN)를 이용한 입도분포측정, X-선 회절분석기(D5005D, ZIEMENS社, GERMANY)를 이용한 결정상 분석을 실시하였다.
석회석 슬러지를 흡수제로 사용하기 위해 “전처리 설비”를 이용하여 흡수제를 제조하였다(Fig. 5참조).
석회석 슬러지의 흡수제 적용 가능성을 검토하기 위하여 석회석 슬러지 및 B 화력발전소 탈황공정에서 사용하고 있는 석회석 슬러리를 입수하여 물리·화학적 특성 분석을 실시하였다.
석회석 슬러지의 흡수제 적용 가능성을 검토하기 위해 B 화력발전소에서 사용하고 있는 흡수제(석회석 슬러리) 및 석회석 슬러지를 입수하여 물리·화학적 특성평가를 실시하였다.
즉, 향후 석회석 슬러지의 수분율을 70% 수준으로 제어한 후 흡수제로 사용하여 배연 탈황 공정 부하를 줄여야 할 것으로 판단된다. 수분율 측정이 완료된 시료를 이용하여 습식으로 화학성분 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
제조한 흡수제는 현장 여건상 중량을 제어하여 투입하였으며, 일별로 15톤 및 30톤을 제조하여 총 10회(15톤/일 5회, 30톤/일 5회)에 걸쳐 실제 탈황공정에 적용하였다. 제조 흡수제를 100℃의 건조기에서 24시간 건조한 후 제조 흡수제의 수분율을 분석하였으며, B 화력발전소의 배기가스의 SO₂ 농도를 측정하여 석회석 슬러지 투입에 따른 SO₂ 가스 농도 변화를 분석하였다.
석회석 슬러지를 사용하여 제조한 흡수제는 화력발전소 탈황공정에서 흡수제로 기 제조·사용되고 있는 석회석 슬러리와 혼합하기 위해 석회석 슬러리 탱크(Limestone slurry tank)로 이송된 후 흡수탑으로 보내진다. 제조한 흡수제는 현장 여건상 중량을 제어하여 투입하였으며, 일별로 15톤 및 30톤을 제조하여 총 10회(15톤/일 5회, 30톤/일 5회)에 걸쳐 실제 탈황공정에 적용하였다. 제조 흡수제를 100℃의 건조기에서 24시간 건조한 후 제조 흡수제의 수분율을 분석하였으며, B 화력발전소의 배기가스의 SO₂ 농도를 측정하여 석회석 슬러지 투입에 따른 SO₂ 가스 농도 변화를 분석하였다.
즉, 기존 탈황공정에서 사용하고 있는 흡수제 및 석회석 슬러지의 물리·화학적 특성을 분석한 후 석회석 슬러지의탈황 공정 적용 가능성을 검토하였다.

대상 데이터

2와 같이 “석회석 슬러지의 배연탈황 공정 적용을 위한 전처리 설비”를 구축하였으며, 수분율 70% 수준의 흡수제를 제조한 후 배연탈황 공정에 적용하였다. 전처리 설비는 석회석 슬러지를 어트리션 밀에 투입하기 위한 호퍼와 석회석 슬러지와 혼합수를 교반하여 흡수제의 수분율을 제어하기 위한 어트리션 밀, 제조된 흡수제를 흡수제 탱크로 이송하기 위한 흡수제 이송 펌프 등으로 구성되어 있다.

데이터처리

다음으로 X-선 회절 분석기를 이용하여 결정상 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 결정상 분석 결과를 살펴보면, 기존 흡수제 즉, 석회석 슬러리의 주결정상은 방해석(Calcite, CaCO₃)으로 나타났으며, 약간의 이수석고(Gypsum, CaSO₄·2H₂O) 및 백운석(Dolomite, CaMg(CO₃)₂) 피크도 관찰되었다.

성능/효과

1) 기존 흡수제와 석회석 슬러지의 화학분석 결과, CaO 함량은 52.3% 및 51.5%로서, 이를 CaCO₃로 환산했을 경우 두 시료 모두 92%를 상회하는 수준이며, 고품위 석회석인 것으로 나타났다. 또한 두 시료의 결정상 분석 결과 주결정상은 방해석(Calcite, CaCO₃)으로 나타났으며, 석회석 슬러리에서 약간의 이수석고 피크가 관찰되었다.
2) 입도 분석기를 사용하여 두 시료의 입도 특성을 분석한 결과, 기존 흡수제 및 석회석 슬러지의 평균 입경은 각각 24.8 µm, 33.8 µm로 나타났으며, 45 µm 체 잔분은 각각 12.4% 및 26.9%로 나타났다.
3) “석회석 슬러지의 배연탈황 공정 적용을 위한 전처리 설비”를 구축하여 수분율 70% 수준의 흡수제를 제조한 후 실제 탈황공정에 적용한 결과, 흡수제를 단독 사용했을 경우와 석회석 슬러지를 이용하여 제조한 흡수제를 혼합 사용했을 경우, SO2 농도 변화상에서의 경향성은 나타나지 않는 것으로 판단된다.
석회석 슬러지의 흡수제 적용 가능성을 검토하기 위해 B 화력발전소에서 사용하고 있는 흡수제(석회석 슬러리) 및 석회석 슬러지를 입수하여 물리·화학적 특성평가를 실시하였다. 건조기를 이용한 수분율 측정 결과, 기존 흡수제 및 석회석 슬러지의 수분율은 각각 70% 및 14%으로 나타났다. 즉, 향후 석회석 슬러지의 수분율을 70% 수준으로 제어한 후 흡수제로 사용하여 배연 탈황 공정 부하를 줄여야 할 것으로 판단된다.
결정상 분석 결과를 살펴보면, 기존 흡수제 즉, 석회석 슬러리의 주결정상은 방해석(Calcite, CaCO3)으로 나타났으며, 약간의 이수석고(Gypsum, CaSO4·2H2O) 및 백운석(Dolomite, CaMg(CO3)2) 피크도 관찰되었다.
5%로서, 이를 CaCO₃로 환산했을 경우 두 시료 모두 92%를 상회하는 수준이며, 고품위 석회석인 것으로 나타났다. 또한 두 시료의 결정상 분석 결과 주결정상은 방해석(Calcite, CaCO₃)으로 나타났으며, 석회석 슬러리에서 약간의 이수석고 피크가 관찰되었다.
제조 시료의 수분율을 검토하기 위해 30분마다 수분율을 측정하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다. 수분율 측정 결과 각 실험 회차별 평균 수분율은 68% ~ 72% 수준으로 나타났으며, 이는 화력발전소에서 기 사용하고 있는 흡수제의 수분율과 유사한 것으로 나타났다.
입도 분포 측정결과, 기존 흡수제 및 석회석 슬러지의 평균 입경은 각각 24.8 µm, 33.8 µm로 나타났으며, 45 µm 체 잔분은 각각 12.4% 및 26.9%로 나타났다.
또한 석회석 슬러지의 주결정상은 기존 흡수제와 마찬가지로 방해석으로 나타났다. 즉, 모든 시료의 주결정상은 방해석으로서 석회석 슬러지를 흡수제로 사용하기에 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
6에 나타내었다. 측정된 SO₂ 농도 변화를 살펴보면 기존의 흡수제를 단독 사용하였을 때 평균 SO₂ 농도는 45.9 ppm으로 나타났으며, 석회석 슬러지를 이용하여 제조한 흡수제를 10 ~ 20% 수준으로 혼합 사용한 경우에는 49.5 ppm으로 나타났다. 하지만 이는 배기가스 중 SO₂ 배출기준인 100p pm보다는 현저히 낮은 수준이며, 전체적인 경향성에서의 차이 또한 없는 것으로 판단된다.
상기의 결과들로부터 석회석 슬러지의 화학성분, 입도 및 공정 적용결과들을 고려할 경우, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다. 흡수탑의 운전 제어를 통해 석회석 슬러지를 흡수제로 사용가능하며, 이는 천연자원인 석회석의 사용량을 저감하고 산업 폐기물인 석회석 슬러지의 재활용이 가능한 것으로 사료된다.

후속연구

건조기를 이용한 수분율 측정 결과, 기존 흡수제 및 석회석 슬러지의 수분율은 각각 70% 및 14%으로 나타났다. 즉, 향후 석회석 슬러지의 수분율을 70% 수준으로 제어한 후 흡수제로 사용하여 배연 탈황 공정 부하를 줄여야 할 것으로 판단된다. 수분율 측정이 완료된 시료를 이용하여 습식으로 화학성분 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화력발전소에서 사용하는 배연탈황 기술은 무엇인가?	한편 1960년대부터 미국, 일본, 독일 등에서 개발되어 오늘날까지 화력발전소에서 사용하고 있는 배연탈황(Flue Gas Desulfurization, FGD) 기술은 흡수(Absorption), 흡착(Adsorption), 산화(Oxidation) 및 환원(Reduction) 등의 원리를 이용한 대표적인 SO2 가스 제거 기술을 말한다.1) 또한 배연탈황 기술은 흡수제의 형태에 따라 습식과 건식, 반응생성물로부터 흡수제의 회수여부에 따라 재생법과 비재생법으로 분류할 수 있으며, 현재 전 세계적으로 가장 널리 상용화되어 있는 처리공정은 비재생 습식 석회석-석고 기술로서 전체 설치용량의 80% 이상을 점유하고 있는 것으로 알려져 있다.
	석회석-석고 배연탈황 기술 방법은 크게 3단계로 구분되는데 그것은 무엇인가?	흡수된 가스는 Ca2+ 성분과 반응하며, 이때 생성된 슬러지는 탈수 처리하여 석고(Gypsum)를 생성한다. 이 방법은 크게 3단계로 구분되며, 주요반응이 일어나는 아황산가스 흡수과정, 반응 후 생성된 침전물을 슬러리로부터 분리하는 분리과정과 분리된 고형분을 처리하는 폐기물 처리과정으로 대분할수 있다. 그러나 흡수제로 천연자원인 석회석을 다량 사용해야하며, 습식분쇄 공정 중에서 폐수를 배출하기도 한다.
	화력발전소에서 사용되는 석회석 슬러지의 문제점은?	석회석 슬러지란 소결광 제조 공정 등의 제철공정 부원료로 사용되는 생석회(CaO) 제조 시 발생하는 산업폐기물로서, 시멘트 제조사에 일부 공급되고 있다. 하지만 석회석 슬러지는 수분을 함유하고 있어 용도개발에 제한적인 상황이며, 재사용 시에도 경제성에 문제가 발생하여 재활용을 어렵게 한다. 따라서 본 연구에서는 화력발전소에서 흡수제로 사용하고 있는 석회석의 사용량을 저감하고, 산업폐기물인 석회석 슬러지의 재활용을 위해 석회석 슬러지를 흡수제로 적용하고자 하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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