[논문]화력 발전소 매립 석탄회의 화학성분 분석을 통한 시멘트 원료 활용 가능성 연구

이재승; 노상균; 서정일; 신홍철

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.180

화력 발전소 매립 석탄회의 화학성분 분석을 통한 시멘트 원료 활용 가능성 연구
A Study on the Possibility of Using Cement Raw Material through Chemical Composition Analysis of Pond Ash 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.180 - 188

이재승 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설재료센터) , 노상균 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설재료센터) , 서정일 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설재료센터) , 신홍철 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설재료센터)

초록
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국내 화력 발전소에서는 연간 900만 ton 이상의 석탄회가 발생되고 있으며, 약 30%는 재활용되지 못하고 매립되고 있다. 현재 국내 매립장은 대부분이 만지 상태에 이르렀고, 해양 환경오염 발생이 우려되어 대량의 재활용 방안이 필요할 실정이다. 한편, 환경부는 그동안 시멘트 점토질 원료로 사용되는 일본산 석탄회의 수입 규제를 추진하고 있어 대체재의 개발이 시급한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국내 매립 석탄회의 화학성분을 분석하고, 일본산 석탄회와 비교를 통해 시멘트 원료로의 활용 가능성을 검토하였다. 그 결과를 요약하면 SiO2는 전체적으로 다소 낮은 값을 나타내 규산질 원료의 사용량을 증가시킬 필요가 있다. Al2O3는 특별한 경향은 없으나, 일부 낮은 값을 나타내는 경우는 점토질 물질이 부족할 수 있어 매립 석탄회의 사용량 증대를 검토해야 한다. Fe2O3는 전체적으로 다소 높은 값을 나타내 철질 원료의 사용량 감소가 가능할 것으로 판단된다. 국내 매립 석탄회는 전체적으로 염화물을 포함하고 있으며, 염소 제거공정을 통해 상당부분 제거될 것으로 판단되나, 시멘트 품질 및 장비의 유지관리 측면을 고려하면 담수 이송 및 표층부 매립 석탄회가 사용에 유리하다. 따라서 국내 매립 석탄회는 시멘트 광물 구성을 위한 시멘트 원료의 배합비 조정과 염소 제거공정을 통해 일본산 석탄회의 대체가 가능할 것으로 분석된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To replace Japanese coal ash used in the domestic cement production and to recycle large quantities of domestic pond ash, it is essential to develop the technologies for quality control of cement by using the domestic pond ash. Thus, in this study, the feasibility of using the pond ash as a raw material for cement was investigated through chemical composition and microstructure analysis. As a result, most of the domestic pond ash contained slightly more Fe2O3, chloride, and unburned carbon contents than Japanese coal ash. In particular, the contents of chloride were considerably low in the pond ash that was transferred to fresh water or collected from surface of landfill area. However, since circulating fluidized bed boiler coal ash had relatively high SO3 contents causing durability problems of cement, it was not suitable for use as a raw material for cement. Thus, to replace Japanese coal ash with the domestic pond ash, it is necessary to introduce the adjustment of mixture proportion of cement raw materials and the process of removing chloride in the pond ash.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Raw materials for cement manufacturing
그림 Fig. 2 Coating inside the kiln due to chloride
그림 Fig. 3 Annual amounts of domestic coal ash
그림 Fig. 4 Deomstic coal-fired power plants
그림 Fig. 5 Recycling rate or domestic coal ash
표 Table 1 Sampling details of coal ash
그림 Fig. 6 Coal ash samples collected from coal-fired power plants
그림 Fig. 7 Lab Color Space in CIE standard
그림 Fig. 8 SEM images of coal ash samples (×500)
표 Table 2 Color differences of coal ash samples
그림 Fig. 9 Representative oxide composition
표 Table 3 Chemical composition of coal ash samples (%)
그림 Fig. 10 SEM images of selected coal ash samples (×3,000)
그림 Fig. 11 Chloride contents of coal ash samples
그림 Fig. 12 Correlation of chloride contents between upper layer and lower layer
그림 Fig. 13 LOI of coal ash samples

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 매립 석탄회의 대량 재활용 기술개발을 위한 기초 연구로서 국내 매립 석탄회의 화학성분 분석을 수행하여 시멘트 원료로의 활용 가능성을 검토하였다.
품질 관리에 대한 기술개발이 필수적이다. 이를 위해본 연구에서는 기초적 단계로 국내 매립 석탄회의 화학성분 분석과 일본 석탄회와 비교 분석을 통해 시멘트 원료로의 활용 가능성을 검토하였다.

제안 방법

또한 색상을 보다 시각적, 정량적으로 나타내기 위하여 분광측색계를 사용하여 색차를 측정하였다. 여기서, 명도를 표시하는 L 값은 검정색을 0, 흰색을 100으로 표현하며, 색도 환은 a와 b를 색좌표 지수로 하여 a 값은 적녹색, b 값은 황청색으로 표현된다(Fig.
매립 석탄회의 입형을 보다 정밀하게 분석하기 위하여 주사전자현미경(SEM, Scanning electron microscope)을 사용하여 미세구조를 관찰하였다.
이를 위해 본 연구에서는 매립 석탄회에 함유된 염화물 등 화학성분의 함량을 정확히 파악하고, 기존 사용되는 일본산 석탄회와 비교 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 동일한 시멘트 구성 광물을 얻기 위한 원료의 배합비 조정 (규산질, 철질 등) 방안을 제시하였다.
가장 중요한 요인이다. 빗물 등의 영향으로 매립 높이에 따른 염화물량의 차이가 발생할 수 있을 것으로 판단되어 매립지 표면에서 10 cm 이내의 표층부와 1 m 이상의 심층부로 구분하여 채취하였다.
중요하다. 이를 위해 본 연구에서는 매립 석탄회에 함유된 염화물 등 화학성분의 함량을 정확히 파악하고, 기존 사용되는 일본산 석탄회와 비교 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 동일한 시멘트 구성 광물을 얻기 위한 원료의 배합비 조정 (규산질, 철질 등) 방안을 제시하였다.
분말도 시험방법｣에 따라 분석하였다. 화학성분eXRF(X-ray fluorescence spectrometer)를 활용하여 ｢KS 1.5222 시멘트의 형광 X선 분석 방법｣에 따라 분석하였으며, 주요 분석항목은 CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, 강열감량(LOI, Loss of Ignition) 및 염화물(Cl) 등을 측정하였다.

대상 데이터

Fig. 1과 같이 시멘트 제조를 위해서 CaO, SiO₂, Al₂O₃ 및 Fe2O3의 4대 성분에 해당되는 각 원료를 혼합 분쇄하여 소성 공정에 투입한다. CaO의 원료는 석회석으로 전체 원료의 약 90% 수준을 차지하고 있으며, SiO₂ 원료는 규석으로 약 4%, Al2O3 원료는 점토류가 약 3%, Fe₂O₃ 원료는 제철소 부산물인 슬래그류가 약 3% 사용되고 있다.
본 연구에서는 국내 7개 화력 발전소 매립장을 대상으로 석탄회를 채취하였으며, 비교군으로서 일본산 석탄회를 사용하여 총 15개의 시료를 평가하였다.

이론/모형

분말도는 ｢KS L 5106 공기 투과 장치에 의한 포틀랜드 시멘트의 분말도 시험방법｣에 따라 분석하였다. 화학성분eXRF(X-ray fluorescence spectrometer)를 활용하여 ｢KS 1.

성능/효과

1)SiO₂ 및 Al₂O₃ 함량은 전체적으로 다소 낮은 값을 나타내 규산질 원료 및 점토질 물질의 사용량 증대를 고려할 필요가 있는 반면, Fe₂O₃ 함량은 전체적으로 다소 높은값을 나타내 철질 원료의 사용량 감소가 가능하다.
2)국내 매립 석탄회는 전체적으로 염화물을 포함하고 있으나, 담수로 이송시키는 경우 낮은 값을 나타냈으며 표층부가 심층부에 비해 낮게 나타났다. 염화물을 함유한 매립 석탄회를 사용하는 경우 염소 By-pass 설비에 의한 소성 공정에서의 염화물 관리가 필요하며, 시멘트 품질 및 소성설비의 유지관리 측면을 고려하면 담수 이송 및 표층부 매립 석탄회 사용이 유리할 것으로 판단된다.
3)강열감량은 비교적 높게 나타나 다량의 미연탄소를 함유하고 있는 것으로 추정할 수 있다. 다만, 클링커 제조시 약 1, 450℃에서 소성공정이 이뤄지므로 미연탄소는 모두 제거되어 시멘트 특성에 크게 영향이 없을 것으로 사료된다.
4)순환 유동층 보일러 석탄회는 SO₃ 함량이 높아 코팅 생성에 의한 소성공정의 불안정 및 품질에도 영향을 미칠 수 있으므로 사용 시 주의가 필요하다.
SEM 이미지를 3, 000배 확대하여 일반 매립 석탄회와 B 화력 발전소의 매립 석탄회를 비교한 결과(Fig. 10), 비회는 전형적인 구형, 저회는 불규칙한 형태로 관찰되었으나(Fig. 10(a), (b)), B 화력 발전소의 매립 석탄회는 입자 표면에 에트린자이트(Ettringite)로 판단되는 침상형 입자가 관찰되었다(Fig.
E 화력 발전소의 심층부 매립 석탄회는 가장 낮은 L값(30)을 나타냈으며, 실제 육안으로 관찰 시 검은색 입자가 다량으로 포함되어 있었다. 실제 강열감량 측정결과 L값이 낮을수록, 즉 색상이 검은색에 가까울수록 강열감량도 증가하는 것을 확인하였다.
/g 범위를 나타냈다. 채취 장소 및 깊이에 따른 경향은 나타내지 않았으며, 매립 석탄회의 평균 분말도는 2, 528 cm²/g으로 일본산 석탄회와 비교하여 약 500 cm²/g 낮은 값을 나타냈다. 이는 일본산 석탄회의 경우 대부분 입자 크기가 작은 비회로 이루어진 반면, 매립 석탄회는 상대적으로 입자 크기가 큰 저회가 다량 포함된 이유로 판단된다.
한편, B 화력 발전소의 매립 석탄회의 표층 및 심층 CaO 함량은 8.7%, 11.2%, SO₃ 함량은 3.4%, 4.3%, 강열감량은 13.1%, 19.0%로 다른 매립 석탄회에 비해 다소 높은 결과를나타냈다.

후속연구

따라서 매립 석탄회를 시멘트 원료로 활용 시 가능한 표층에 가까운 원료를 채취하는 것이 품질관리에 유리할 것으로 판단된다.
2%의 범위를 나타냈다. 매립 석탄회는 일본산 석탄회와 비교하여 SiO₂ 함량은 적지만 Al₂O₃ 함량은 큰 차이를 보이지 않아 시멘트 점토질 원료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
있을 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 후속 연구에서는 국내 매립 석탄회를 사용한 클링커 제조 및 광물 분석을 통해 매립 석탄회의 시멘트 원료 사용 시 최적 배합비를 도출하고자한다.
최종적으로 국내 매립 석탄회는 시멘트 원료 배합비 조정및 염소 제거공정을 통해 기존 일본산 석탄회 사용을 대체 할수 있을 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 후속 연구에서는 국내 매립 석탄회를 사용한 클링커 제조 및 광물 분석을 통해 매립 석탄회의 시멘트 원료 사용 시 최적 배합비를 도출하고자한다.

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저자의 다른 논문 :

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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