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석탄재에 포함된 희토류의 경제성 평가
Economic Evaluation of Rare Earth Elements Contained in Coal Ash 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.28 no.6, 2019년, pp.26 - 35  

김영진 (한국석회석신소재연구소 연구개발실) ,  김승현 (강원대학교 에너지.자원공학과) ,  이재령 (강원대학교 에너지.자원공학과)

초록
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석탄재로부터 희토류 회수 가능성을 확인하기 위해 경제성 평가 요소를 분석하여 국내 희토류 확보를 위한 검토 자료로 활용하고자 하였다. 석탄재로부터 희토류 회수를 위한 가행 최저품위는 TR EO기준 1,000 ppm으로 확인되었으며, 각 희토류 성분의 함량에 따라 경제적 가치가 변화되는 특성을 보였다. 이는 현재 산업에서 요구하는 희토류 원소별 가격차이 발생에 따른 결과이며, 미래 산업에서 요구되는 희토류 성분에 따라 변동은 가능하다. 석탄재함유 희토류성분에 대해 상용화 회수공정 개발을 목적으로, 희토류 함량 및 석탄재 발생량을 이용한 평가, 산업 수요 특성을 고려한 평가, 실제 산업에서 투자비용과 수익비용의 비교평가 등 다양한 경제성 평가 방법에 대해 연구가 진행되었다. 이러한 연구로부터 확인된 석탄재에 포함된 희토류 회수 관련 기술 수준은 높지 않았으며, 이로 인해 경제성이 확보된 희토류 회수 시스템의 개발이 아직은 미흡한 것으로 확인되었다. 세계 희토류 시장의 문제점 극복을 위한 대책으로 석탄재에 포함된 희토류 회수 연구는 계속 진행될 것으로 보고되었으며, 국내에서도 자원 및 회수기술 확보를 목적으로 이와 관련된 연구가 절실히 요구된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study aims to introduce and economical review on the possibilities of rare earth elements(REEs) recovery from coal ashes and the analysis of economical evaluation factors based on the data for securing domestic rare earth elements. The cut-off grade of REEs on recovering from coal ash was confi...

주제어

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다양한 조건별 비용 모델을 구축하여 경제성 분석을 실시한 후, 각각의 변수들(필터 종류, pH, 압력 및 온도)이 산업에 적용되었을때 일어날 수 있는 결과를 예측하고, 얻은 결과를 비교 하여 경제성이 가장 높은 조건을 확인하였다. 결과적으로 공정변수 중 pH 및 압력에 따라 석탄재 침출액으로 부터 희토류를 회수하는 비용에 차이가 있으며, 나노필 터공정을 실제 산업에 적용하기 위해 처리비용을 낮출수 있는 필요 연구 부분에 대해서도 제시하였다.
  • 석탄화력발전소에서 발생하는 석탄재로부터 희토류 성분 회수를 목적으로 한 경제성 평가에 관한 자료를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 미국에서는 석탄재에 포함된 수 백 ppm 수준의 TREO를 2 % 이상 향상시키기 위한 선별 및 제련 연구를 실시 하고 있다18). 이러한 특성을 가진 석탄재 연구의 목적은 최적 회수 공정 및 조건으로 확인된 희토류 회수 시스템을 산업에 적용하기 전에 경제성을 검토하고 산업화 가능성을 평가하기 위한 것으로 판단된다.
  • 최근에는 국내 석탄재를 대상으로 희토류 침출에 관한 연구가 발표되었으나 일부 희토류 성분의 침출 특성에 관한 연구로, 실제 산업에서 희토류 성분의 회수를 목적으로 수행된 경제성 검토에 대한 국내 연구는 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내에서 발생되는 석탄재에 포함된 희토류 성분의 경제성 검토를 위한 기초 연구로써, 경제성 평가를 위한 주요 요소를 확인하고 실제 산업적 개발을 위한 필요 부분에 대해 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
석탄재의 특성은? 석탄화력발전은 우리나라의 총 전력생산 중 약 40 % 정도를 차지하고 있는 전력 공급원으로써, 한국전력 공사 산하 5개의 자회사(남동발전, 남부발전, 동서발전, 서부발전, 중부발전) 및 민간기업인 GS 동해 전력 총 6개의 회사가 61기의 화력발전소를 운영하고 있다1). 석탄화력발전소에서 전기 생산을 위한 가동과 함께 석탄재(Coal ash)가 발생되며, 석탄재는 발전설비 방식, 투입원료, 발전용량 및 기간 등에 따라 물성이 변화되는 특성이 있다. 석탄재는 연간 약 800만 톤 이상이 배출 되며 발생량도 꾸준히 증가하고 있으나, 시멘트, 콘크리트 및 건설 분야 등으로만 재활용되고 있다.
우리나라 석탄화력발전 현황은 어떠한가? 석탄화력발전은 우리나라의 총 전력생산 중 약 40 % 정도를 차지하고 있는 전력 공급원으로써, 한국전력 공사 산하 5개의 자회사(남동발전, 남부발전, 동서발전, 서부발전, 중부발전) 및 민간기업인 GS 동해 전력 총 6개의 회사가 61기의 화력발전소를 운영하고 있다1). 석탄화력발전소에서 전기 생산을 위한 가동과 함께 석탄재(Coal ash)가 발생되며, 석탄재는 발전설비 방식, 투입원료, 발전용량 및 기간 등에 따라 물성이 변화되는 특성이 있다.
희토류 성분 회수가 대두되는 이유는? 석탄재로부터 희토류 성분 회수는 재활용뿐만 아니라 국가 산업의 필요한 원료 수급에 대한 관점에서도 매우 중요한 부분으로, 이는 세계 희토류 생산이 대부분 중국에서 진행되어 발생된 문제와 관련이 있다. 희토류의 생산은 과거에서부터 현재까지 90 % 이상 중국에서 생산되고 있으며, 이를 자원무기화로 사용한 실제 사례도 발생하였다3). 석탄재에 포함된 희토류의 관한 연구는 주로 희토류 함량, 성상 및 이를 통한 기초 경제성 평가 등으로 수행되고 있으며, 미국에서 가장 활발하게 연구되고 있다.
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참고문헌 (25)

  1. Electronic Power Statistics Information System : http://epsis.kpx.or.kr/epsisnew/selectEkgeGepGbpGrid.do?menuId040204 

  2. Korea Environment Institute, 2014 : Minimizing Environmental Impact in Accordance with the Thermal Power Plant Ahs Management(I) 

  3. https://www.posri.re.kr/ko/board/content/15958 

  4. Ronghong Lin et al., 2017 : Enrichment of rare earth elements from coal and coal by-products by physical separations, Fuel, 200, pp.506-520. 

  5. R. S. Blissett, N. Smalley, and N.A. Rowson, 2014 : An investigation into six coal fly aches from the United Kingdom and Poland to evaluate rare earth element content, Fuel, 119, pp.236-239. 

  6. Shifeng Dai and robert B. Finkelman, 2018 : Coal as a promising source of critical elements: Progress and future prospects, International Journal of coal Geology, 186, pp.155-164. 

  7. M. B. Folgueras, M. Alonso, and F. J. Fernandez, 2017 : Coal and sewage sludge ashes as sources of rare earth elements, Fuel, 192, pp.129-139. 

  8. Wojciech Franus et al., 2015 : Coal fly ash as a resource for rare earth elements, Environ Sci Pollut Res, 22, pp.9464-9474. 

  9. Ross K. Taggart et al., 2016 : Trends in the Rare Earth Element Content of U.S.-Based Coal Combustion Fly Ashes, Environ. Sci. Technol, 50, pp.5919-5926. 

  10. Allan Kolker, et al., 2017 : Distribution of rare earth elements in coal combustion fly ash, determined by SHRIMP-RG ion microprobe, International Journal of Coal Geology, 184, pp.1-10. 

  11. Gi Young Jeong, Seok-Hwi Kim, and Kangjoo Kim, 2015 : Rare Metal Chemistry, Microstructures, and Mineralogy of Coal Ash from Thermal Power Plants of Korea, J. Miner. Soc. Korea, 28(2), pp.147-163. 

  12. Chung Han Yoon, et al., 1996 : Trace Elements and Rare Earth Elements in Coal Fly Ash From the Samcheonpo, Seocheon and Youngdong Power Plant, The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 33, pp.82-89. 

  13. J. K. Lee and J. Y. Kim, 2013 : Recovery potential of rare earth elements in coal ashes, J. of Korea Society of Waste Management, 30(1), pp.94-99. 

  14. Seok-Un Park, et al., 2015 : Evaluation of Some Rare Metals and Rare Earth Metals Contained in Coal Ash of Coal-Fired Power Plants in Korea, J. of Kore Inst. of Resources Recycling, 24(4), pp.67-75. 

  15. Junho Maeng, Dong-Hwan Suh, and Taeyoon Kim, 2014 : Minimizing Environmental Impact in Accordance with the Thermal Power Plant Ahs Management(II), Korea Environment Institute 

  16. Korea Environment Institute, 2014 : Minimizing Environmental Impact in Accordance with the Thermal Power Plant Ahs Management(II) 

  17. Lai Quang Tuan, et al., 2019 : Leaching Characteristics of Low Concentration Rare Earth Elements in Korean (Samcheok) CFBC Bottom Ash Samples, Sustainability, 11(9), pp.25-62. 

  18. U.S. Deoartment of Energy : https://www.energy.gov/ 

  19. A. Jordens et al., 2013 : A review of the beneficiation of rare earth element bearing minerals, Miner. Eng., 40, pp.97-114. 

  20. Ross K. Taggart, James C. Hower, and Heileen Hsu-Kim, 2018 : Effects of Roasting Additives and Leaching Parameters on the Extraction of Rare Earth Elements from Coal Fly Ash, International Journal of Coal Geology, 196(1), pp.106-114. 

  21. Jack F. King, et al., 2018 : Aqueous acid and alkaline extraction of rare earth elements from coal combustion ash, International Journal of Coal Geology, 195, pp.75-83. 

  22. V. V. Seredin, et al., 2010 : A new method for primary evaluation of the outlook for rare earth element ores, Geol, Ore Deposits, 52(5), pp.428-433. 

  23. Saptarshi Das, et al., 2018 : Techno-economic analysis of supercritical extraction of rare earth elements from coal ash, Journal of Cleaner Production, 189, pp.539-551. 

  24. Maryam Ghodrat, et al., 2016 : Techo economic analysis of electronic waste processing through black copper smelting route, Journal of Cleaner Production, 126, pp.178-190. 

  25. Borte Kose Mutlu, et al., 2018 : Application of nanofiltration for Rare Earth Elements recovery from coal fly ash leachate: Performance and cost evaluation, Chemical Engineering Journal, 349, pp.309-317. 

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