[논문]석탄가스화 복합발전 슬래그의 알칼리 활성 시멘트로서의 가능성

김병관; 이수정; 전철민; 최홍식

doi:10.7844/kirr.2018.27.2.38

석탄가스화 복합발전 슬래그의 알칼리 활성 시멘트로서의 가능성
Potential of Coal Gasification Slag as an Alkali-activated Cement 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.27 no.2, 2018년, pp.38 - 47

김병관 (과학기술연합대학원대학교) , 이수정 (과학기술연합대학원대학교) , 전철민 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부) , 최홍식 (충청대학교 도시건설정보과)

초록
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석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄을 합성가스로 전환시키는 친환경, 고효율 차세대 에너지 생산기술이다. IGCC 공정의 부산물은 대부분 슬래그 형태로 배출된다. IGCC 슬래그는 연간 약 14만톤이 발생되지만 재활용은 아직 초기단계이다. 본 연구에서는 국내 한 실증 설비에서 배출된 IGCC 슬래그의 알칼리 활성 시멘트로서의 가능성에 대해 평가하였다. IGCC 슬래그를 규산소다 수용액과 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 양생한 시료는 평균 4.5 MPa의 압축강도를 나타내었으나 다소 팽창하였다. 에틸렌 글리콜법으로 검출되지 않을 정도의 미량의 유리석회(free CaO)가 원인일 것으로 추측되었다. 한편 IGCC 슬래그를 알루민산 소다와 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 양생한 시료는 평균 10 MPa의 압축강도를 나타내었으며 수산화소달라이트와 $C_3AH_6$가 새로운 결정상으로 생성되었다. IGCC 슬래그는 알칼리 활성 시멘트로서 활용이 가능할 것으로 평가되지만 강도 성능의 향상과 팽창 문제를 완화시킬 수 있으며 최적의 배합비율을 도출 및 적절한 배합법을 포함하는 정량적인 접근이 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Integrated gasification combined cycle (IGCC) is a next generation energy production technology that converts coal into syngas with enhanced power generation efficiency and environmental performance. IGCC produces almost coal gasification slag as the solid by-product. IGCC slag is generated about 140,000 tons for a year although recycling of it is still in the early stages. We evaluated the potential of IGCC slag which is generated from a pilot plant in South Korea as an alkali-activated cement. Samples which were activated with the combined activator of sodium silicate solution and caustic soda had an average compressive strength of 4.5 MPa, showing expansion. Expansion of the alkali-activated slag was presumed to be caused by free CaO in the slag, although it was not detected by the ethylene glycol method. Samples that were activated with the combined activator of sodium aluminate and caustic soda had an average compressive strength of 10 MPa. Hydroxy sodalite and $C_3AH_6$ were found to be the new crystalline phases. IGCC slag can be used as an alkali-activated material, but the strength performance should be improved with proper mix design approach to calculate optimum proportions which can alleviate the expansion issue at the same time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 IGCC 슬래그의 결정학적, 화학적 특성 분석을 통해 알칼리와 반응할 수 있는 반응성 Si/Al 비를 계산한 후 알칼리 자극제와 반응시키는 방법으로 슬래그를 활성화시킬 수 있는지를 알아보고자 수행되었다. 또한 알칼리 자극제의 종류에 따라 알칼리 활성 시멘트의 압축강도가 어떻게 달라지는지와, 슬래그의 특성에 기반을 둔 보편적인 배합비 산정법 개발이 가능한지에 대해서도 논의하였다.
본 연구는 IGCC 슬래그의 결정학적, 화학적 특성 분석을 통해 알칼리와 반응할 수 있는 반응성 Si/Al 비를 계산한 후 알칼리 자극제와 반응시키는 방법으로 슬래그를 활성화시킬 수 있는지를 알아보고자 수행되었다. 또한 알칼리 자극제의 종류에 따라 알칼리 활성 시멘트의 압축강도가 어떻게 달라지는지와, 슬래그의 특성에 기반을 둔 보편적인 배합비 산정법 개발이 가능한지에 대해서도 논의하였다.

제안 방법

따라서 IGCC 슬래그의 활용처를 찾기 위해서 우선 IGCC 슬래그의 특성을 면밀히 살펴 그 가능성을 평가하여야 할 것이다. 본 연구에서는 Si/Al 비를 조절하기 위해 정량 배합방법으로 IGCC 슬래그를 알칼리 자극제로 활성화시켰다. 비록 만족할 만한 강도를 얻지 못하였지만, IGCC 슬래그에 대한 간접적인 정보를 제공하였다는 점에서 의미가 있다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 IGCC 슬래그는 국내 한 연구기관의 파일럿 플랜트에서 배출된 것이다.

이론/모형

분쇄 전 슬래그 시료의 입자크기 분포를 파악하기 위해 KS F 2502(굵은골재 및 잔골재의 체가름 시험방법)에 따라 체가름 시험을 수행하였다. 리플러를 사용하여 대표시료를 채취한 후 슬래그 시료 200 g을 표준체(0.

성능/효과

48로 나타났다. IGCC슬래그를 규산소다수용액과 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 활성화시킨 후 상온에서 양생한 시료는 낮은 압축강도를 나타내었고 40℃에서 양생한 시료에서는 유리석회(free CaO) 프리 마그네시아(free MgO)가 원인으로 추측되는 부풀음 현상이 발생하였다. 알루민산 소다와 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 활성화시킨 후 상온에서 양생한 시료의 7일째 압축강도는 평균 10MPa로 나타났다.
IGCC슬래그를 규산소다수용액과 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 활성화시킨 후 상온에서 양생한 시료는 낮은 압축강도를 나타내었고 40℃에서 양생한 시료에서는 유리석회(free CaO) 프리 마그네시아(free MgO)가 원인으로 추측되는 부풀음 현상이 발생하였다. 알루민산 소다와 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 활성화시킨 후 상온에서 양생한 시료의 7일째 압축강도는 평균 10MPa로 나타났다. 이 시료에서는 수산화소달라이트와 C₃AH₆가 새로운 결정상으로 생성되어 강도발현에 공헌한 것으로 나타났다.
알루민산 소다와 가성소다를 혼합한 알칼리 자극제로 활성화시킨 후 상온에서 양생한 시료의 7일째 압축강도는 평균 10MPa로 나타났다. 이 시료에서는 수산화소달라이트와 C₃AH₆가 새로운 결정상으로 생성되어 강도발현에 공헌한 것으로 나타났다. IGCC 슬래그는 알칼리 활성 시멘트로서 활용이 가능할 것으로 평가되나 강도 성능을 향상시키기 위해 슬래그의 반응성을 정량적으로 산출하고 free CaO와 MgO에 의한 부풀음 문제가 해결되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

이 시료에서는 수산화소달라이트와 C₃AH₆가 새로운 결정상으로 생성되어 강도발현에 공헌한 것으로 나타났다. IGCC 슬래그는 알칼리 활성 시멘트로서 활용이 가능할 것으로 평가되나 강도 성능을 향상시키기 위해 슬래그의 반응성을 정량적으로 산출하고 free CaO와 MgO에 의한 부풀음 문제가 해결되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄가스화 복합발전이란 무엇인가?	석탄가스화 복합발전(Integrated gasification combinedcycle, IGCC)은 석탄을 고온/고압의 조건에서 산소나 증기와 반응시켜 수소, 일산화탄소로 구성된 합성가스로 전환시키는 에너지 생산기술이다. IGCC의 핵심 설비인 가스화기는 크게 고정층, 유동층, 분류층 형으로 구분된다1).
	슬래그의 재활용 방안으로 알칼리활성 시멘트의 가능성이 보고되고 있지만 이를 아직사용할 수 없는 문제는 무엇인가?	알칼리 자극제로 고농도의 가성소다를 사용하여 알칼리활성 시멘트로의 활용 가능성도 보고된 바 있다10). 그러나 아직 일반화할 수 있는 보편적인 배합비 산정법이 정립되지 않아 원료가 달라지면 자극제의 최적 농도를 다시 시험해야 하는 문제가 있다. 가까운 예로 고로슬래그의 경우에도 알칼리 자극제에 대한 슬래그의 비율과 알칼리의 농도를 정한 후 작업성을 결정하는 경험적배합법(empirical mix design method)15)과 콘크리트의 골재량과 단위수량 등을 정한 후 슬래그와 알칼리 자극제의 함량, 고액비 등을 결정하는 실험적 배합법(experimental design method)15) 모두 여러 경우의 수를 시험하고 최적의 배합비를 선택하는 방식이다.
	슬래그의 성분은 어떻게 구성되어 있는가?	한 예로 스페인 Puertollano 발전소의 경우 배출되는 부산물의 약77%가 슬래그, 약 10%는 비산재, 약 7%는 필터케이크, 약 6%는 황으로 알려져 있다5,6). 이 슬래그의 성분을 살펴보면 실리카 약 57%, 알루미나 약 22%, 칼슘산화물 약 9%, 철 산화물 약 5%으로 구성되어 있다7). 슬래그는 성분 원자의 규칙적 배열이 결여된 비정질이기 때문에 비정질 성분의 종류와 함량을 알기 어렵다.

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표제어: PCR

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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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