순환유동층보일러의 Fly Ash, Bottom Ash를 활용한 채움재 개발에 관한 기초연구 A Basic Study on the Development of Backfill Material with Fly Ash and Bottom Ash of Circulating Fluid Bed Combustion원문보기
조용광
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
이용무
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
남성영
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
김춘식
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
서신석
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
조성현
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
이형우
(Technical Center, HANIL CEMENT Co.Ltd.)
,
안지환
(Center for Carbon Mineralization, Korea Institute of Geosceinces and Mineral Resources (KIGAM))
본 연구는 순환유동층보일러(CFBC)에서 발생되는 바닥재와 비산재를 활용한 저강도 고유동 채움재를 개발하였다. CFBC비산재(CFBC-F) 와 CFBC바닥재(CFBC-B)는 불규칙한 입자 형상을 가지고 있는 것과 유해성 분석결과 환경적으로 안정한 것을 확인하였다. CFBC-F가 첨가될 경우 단위수량이 증가하였다. 길이변화율은 기건양생 조건에서는 -0.05~-0.50% 범위의 수축이 발생하였으며, 밀봉양생 조건에서는 0.1~0.6%의 범위의 팽창이 발생하였다. 압축강도는 밀봉양생 조건에서는 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 충분한 수분이 남아 있어 기건양생 조건 대비 압축강도가 증가 하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 도출된 결과는 저강도 고유동 채움재 개발 및 CFBC 석탄재 활용에 있어 도움이 될 것이라 생각된다.
본 연구는 순환유동층보일러(CFBC)에서 발생되는 바닥재와 비산재를 활용한 저강도 고유동 채움재를 개발하였다. CFBC비산재(CFBC-F) 와 CFBC바닥재(CFBC-B)는 불규칙한 입자 형상을 가지고 있는 것과 유해성 분석결과 환경적으로 안정한 것을 확인하였다. CFBC-F가 첨가될 경우 단위수량이 증가하였다. 길이변화율은 기건양생 조건에서는 -0.05~-0.50% 범위의 수축이 발생하였으며, 밀봉양생 조건에서는 0.1~0.6%의 범위의 팽창이 발생하였다. 압축강도는 밀봉양생 조건에서는 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 충분한 수분이 남아 있어 기건양생 조건 대비 압축강도가 증가 하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 도출된 결과는 저강도 고유동 채움재 개발 및 CFBC 석탄재 활용에 있어 도움이 될 것이라 생각된다.
In this study, the Controlled Low Strength Material (CLSM) was investigated to utilize the bottom ash and fly ash generated in the Circulating Fluidized Bed Combustor (CFBC). It was confirmed that the CFBC fly ash (CFBC-F) and CFBC bottom ash (CFBC-B) had an irregular particle shape through SEM meas...
In this study, the Controlled Low Strength Material (CLSM) was investigated to utilize the bottom ash and fly ash generated in the Circulating Fluidized Bed Combustor (CFBC). It was confirmed that the CFBC fly ash (CFBC-F) and CFBC bottom ash (CFBC-B) had an irregular particle shape through SEM measurement. According to the results of the hazard analysis, it was also confirmed that they were environmentally safe. In the case of mixing with CFBC-F, the unit quantity was increased. Regarding the rate of change of length, shrinkage in the range of -0.05~0.50% occurred in the air dry curing condition and expansion in the range of 0.1~0.6% in the sealed curing condition. Compressive strength was increased in the sealed curing condition compared to the air dry curing condition because there was enough moisture for hydration reaction in the long term. Therefore, the results of this study are likely be used as basic research data of mine filler materials.
In this study, the Controlled Low Strength Material (CLSM) was investigated to utilize the bottom ash and fly ash generated in the Circulating Fluidized Bed Combustor (CFBC). It was confirmed that the CFBC fly ash (CFBC-F) and CFBC bottom ash (CFBC-B) had an irregular particle shape through SEM measurement. According to the results of the hazard analysis, it was also confirmed that they were environmentally safe. In the case of mixing with CFBC-F, the unit quantity was increased. Regarding the rate of change of length, shrinkage in the range of -0.05~0.50% occurred in the air dry curing condition and expansion in the range of 0.1~0.6% in the sealed curing condition. Compressive strength was increased in the sealed curing condition compared to the air dry curing condition because there was enough moisture for hydration reaction in the long term. Therefore, the results of this study are likely be used as basic research data of mine filler materials.
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문제 정의
본 연구는 유동층보일러(CFBC)에서 발생하는 CFBC 비산재 및 바닥재를 활용하여 채굴적 공간에 맞는 저강도 고유동 채움재의 물성을 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 CFBC보일러에서 배출되는 석탄재를 활용하기 위해 탄산화시켜 제조한 비산재(이하 “CFBC-F”라 명함)와 바닥재(이하 “CFBC-B”라 명함)를 활용하여 지반안정재 및 휴·폐광산의 채움재로 사용되는 저강도 고유동 채움재의 물성을 확인하는데 목적이 있다.
제안 방법
Figure 1, 2는 CFBC-F, CFBC-B의 광물조성을 분석하기 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)을 행하였다.
길이변화율 측정용 공시체는 KS L 4151 “수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험법에 준한 40×40×160mm의 몰드를 제작하였으며, KS F 2424 기준에 의거하여, 콘택트 게이지를 통해 탈형 후 3, 7, 14, 21, 28일을 기준으로 측정하여 건조수축변화 및 팽창성을 확인하였다.
2MPa이상을 목표 강도로 설정하였으며, 재료분리현상이 나타나지 않는 범위 내에서 목표 flow (300±10mm)을 얻는데 필요한 단위수량을 설정하는 방법으로 진행되었다. 또한 가장 경제적인 배합을 찾고자 시멘트와 CFBC-F의 사용량을 조절하였고, CFBC-B, CSA 및 감수제는 고정하였다. 이에 대한 실험인자와 평가항목은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 인력이나 백호로 굴착이 가능한 강도 2.2MPa이상을 목표 강도로 설정하였으며, 재료분리현상이 나타나지 않는 범위 내에서 목표 flow (300±10mm)을 얻는데 필요한 단위수량을 설정하는 방법으로 진행되었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 CFBC-F, CFBC-B는 Y 지역 소재 화력발전소에서 발생되는 것을 탄산화 반응을 통해 CO2를 고정화한 것을 활용하였다.
본 연구에서 사용한 시멘트는 H사의 1종 포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였고, 시멘트의 화학적 성분과 물리적 특성에 관한 내용은 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
로 고정화시킨 CFBC-F, CFBC-B를 휴·폐광산 채움재로 활용하기 위해서는 우선적으로 CFBC-F, CFBC-B 자체로부터 용출되는 물질에 의해 채움재 주변 환경을 오염시킬 가능성이 없어야 한다. 따라서 본 연구에서는 폐기물공정시험법에 의해 유해물질 용출량에 대한 시험을 실시하였고, 그 결과는 Table 5에 나타내었다.
본 연구에서 배합은 질량배합으로 실시하였고, 채움재의 혼합과 시험제 제작은 KS L ISO 679 “시멘트의 강도시험방법”의 규정에 따라 실시하였다.
압축강도 평가용 공시체는KS L 4151에 준한 40×40×160mm의 몰드를 제작하였으며 측정은 KS L ISO 679“시멘트의 강도 시험 방법”의 기준에 의거하여 재령 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.
채움재의 유동성을 확인하기 위해 본 연구에서는 ACI Committee229에서 규정하고 있는 방법으로 Figure 5과 같이 원형실린더 몰드를 사용하였으며, 몰드를 들어 올린 다음 30초 후 퍼진 지름의 4방향으로 측정한 후 평균을 구하여 유동성을 확인하였다.
성능/효과
1) 비표면적 분석결과 CFBC-F의 비표면적이 29.95m2/g로 가장 큰 것을 확인하였으며, 바닥재의 경우 3.45m2/g이며, PC-F의 경우 4.12m2/g으로 CFBC-F 대비 상대적으로 비표면적이 작은 것을 확인하였다
2) CFBC-F, CFBC-B의 유해물질 용출 분석결과 CFBC-B에서 Cr만 0.02mg/L으로 미량 용출 되었으나 용출허용량 기준 이하였으며, 기타항목에서는 일체의 유해물질이 나타나지 않아 채움재의 재료로 활용할 경우 환경적인 안정성을 확보한 것을 확인하였다.
3) 단위수량의 경우 Plain과 비교하여 CFBC-1은 64%, CFBC-2는 51%, CFBC-3은 59%, CFBC-4는 60%로 각각 증가하는 경향이 나타나 CFBC-F와 CFBC-B를 혼입하여 사용할 경우 작업성에 맞는 유동성을 확보하기 위해서 많은 양의 단위수량이 필요한 것을 확인하였다.
4) 압축강도의 경우 밀봉양생한 경우가 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 충분한 수분이 남아 있어 기건양생 대비 압축강도가 증가 하는 것을 확인하였으며, 채움재의 공극률 및 각각의 재료의 특성에 따라서 압축강도 차이가 발생한 것을 확인하였다.
5) 길이변화율의 경우 기건양생에서 –0.05~-0.50%범위의 수축이 발생하였으나 밀봉양생에서는 0.1~0.6%의 범위 내에서 팽창이 발생하는 것을 확인하였다.
이는 CFBC-2,3,4배합과 달리 골재 역할을 하는 CFBC-B와 같은 재료가 없으며 이로 인해 단위수량 증가에 따른 공극률 증가로 압축강도가 다른 배합대비 감소한 것으로 판단된다. CFBC-2,3,4 배합의 경우 시멘트 함량이 가장 높은 CFBC-2의 압축강도가 가장 큰 것을 확인하였으며, 밀봉양생 조건에서는 Plain보다도 28일 압축강도가 더 증가한 것을 확인하였다. 이는 CFBC-1,3,4 대비 단위수량이 적으며 OPC의 충분한 함량으로 압축강도가 높은 것으로 판단되어 진다.
CFBC-F, CFBC-B의 유해물질 분석결과 CFBC-B에서 Cr만 0.02mg/L으로 미량이 용출되었으나 이는 용출량 허용기준 이하였고, 기타항목에서는 일체의 유해물질이 나타나지 않아 휴·폐광산 채움재 재료로 활용하고자 할 경우 환경적인 안정성이 확보된 것으로 판단된다.
본 연구에 사용된 CFBC-석탄재 와 PC-F의 화학분석 결과는 Table 4에 나타내었다. CFBC-석탄재인 CFBC-F, CFBC-B의 경우 PC-F와 비교하여 SiO2, Al2O3와 같은 주요광물 함량이 상대적으로 낮은편이나 CaO 및 SO3 함량이 높게 나타났고 PC-F에는 존재하지 않는 Ig와 TiO2 함량이 존재하는 것을 확인하였다.
탄산화 반응은 이온을 기초로 하여 Calcite(CaCO3)를 생성하는 것을 의미한다. XRD 분석결과 전반적으로 결정질의 SiO2의 함량이 높은 것을 확인할 수 있었으며 또한 CaCO3 함량이 높은 것을 확인하였다. 이러한 결과는 CFBC-F, CFBC-B에 존재하는 CaO가 CO2와 반응함으로 인해 반응 생성물인 CaCO3의 함량이 높은 것으로 판단된다.
6%의 범위 내에서 팽창이 발생하는 것을 확인하였다. 기건양생에서는 CFBC-1~4의 경우 공극률 증가로 인해 건조수축이 Plain 대비 크게 나타난 것을 확인하였다. 하지만 밀봉양생에서는 수분증발이 느리고 CSA에 의해 생성된 ettringite로 인해 CFBC-1~4의 경우에는 팽창성이 나타난 것을 확인하였다.
6%의 범위 내에서 팽창이 발생하였다. 기건양생한 조건하에서는 CFBC-1~4의 경우 팽창재 역할을 하는 CSA(Calcium Sulfo Aluminate, 3CaO.3Al2O3.CaSO4)가 혼입 되었음에도 불구하고 수축이 Plain 대비 크게 나타난 것을 확인하였다. 이러한 결과는 CFBC-1~4의 경우 Plain 대비 단위수량이 40% 이상 증가함에 따라 수분이 증발이 많아지고 이로 인해 생성된 공극량 증가로 수축이 크게 일어난 것으로 판단된다.
반면에 단위수량의 경우 Plain과 비교하여 CFBC-1은 64%, CFBC-2는 51%, CFBC-3은 59%, CFBC-4는 60%로 각각 증가하는 경향이 나타나 CFBC-F와 CFBC-B를 혼입하여 사용할 경우 작업성에 맞는 유동성을 확보하기 위해서 많은 양의 단위수량이 필요한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Figure 4를 통해 확인하였듯이 Plain의 주재료인 PC-F의 경우 구형의 입자형상을 가지고 있는 것과 달리 CFBF석탄재는 부정형의 형상을 가지고 있고, 미연탄소분에 의하여 흡수하는 물의 양이 많은 것으로 판단된다[10,11].
Figure 3는 CFBC-F, CFBC-B 및 PC-F의 비표면적을 확인하기 위해 BET분석기(TriStar3000, Micromeritics, Norcross, USA)를 이용하여 확인하였다. 비표면적 분석결과 CFBC-F의 비표면적이 29.95 m2/g로 가장 큰 것을 확인하였으며, CFBC-B 경우 3.45 m2/g 이며, PC-F의 경우 4.12 m2/g으로 비산재 대비 상대적으로 비표면적이 작은 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 CFBC-F의 경우 비표면적이 크므로 인해 채움재로 적용시 PC-F보다 단위수량이 증가할 것으로 예상된다.
12 m2/g으로 비산재 대비 상대적으로 비표면적이 작은 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 CFBC-F의 경우 비표면적이 크므로 인해 채움재로 적용시 PC-F보다 단위수량이 증가할 것으로 예상된다.
후속연구
본 연구결과를 바탕으로 저강도 고유동성 채움재를 개발하는데 있어 기초 자료로 활용 및 응용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFBC보일러 발전소에서 발생하는 석탄재의 활용이 제한적인 이유는?
그러나 CFBC보일러 발전소에서 발생하는 석탄재는 탈황 과정에서 투입되는 석회석에 의해 CaO, SO3성분이 증가하여 이를 콘크리트에 적용할 경우 free-CaO에 의한 급열과 균열발생, SO3 에 의한 부피팽창 증대의 우려가 있어 이를 활용하는데 있어 제한이 되어 왔다[4].
CFBC 비산재 및 바닥재를 활용한 채움재의 유해물질 검사결과는 어떠한가?
2) CFBC-F, CFBC-B의 유해물질 용출 분석결과 CFBC-B에서 Cr만 0.02mg/L으로 미량 용출 되었으나 용출허용량 기준 이하였으며, 기타항목에서는 일체의 유해물질이 나타나지 않아 채움재의 재료로 활용할 경우 환경적인 안정성을 확보한 것을 확인하였다.
석탄재는 어떻게 구분할 수 있는가?
석탄재는 미분탄 연소방식(Pulverized coal Combustion, 이하 “PC”라 명함)과 순환유동층 방식(Circulating Fluidized Bed Combustion, 이하 “CFBC”라 명함)에서 발생되는 석탄재로 구분할 수 있다. PC방식의 발전소에서 발생하는 석탄재(Flyash(PC-F))는 콘크리트 혼화재 또는 시멘트 연료로 재활용되고 있다[3].
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