석탄회 이용가치와

재활용 기술

학  과 : 환경공학과

학  번 : 98006169, 98006263

이  름 : 임 미 화, 최 경 엽

◎ 석탄회

- 화력발전소에서는 석탄을 미분기로 분쇄하여 보일러 내로 주입, 1,500±200℃ 온도 범위에서 연소되고 난 후 남는 물질을 석탄회(Ash)라고 한다. Ash를 집진하는 장소에 따라 Fly Ash, Bottom Ash, Cinder Ash로 구분한다.

국내탄의 경우는 26 ∼50%, 수입탄은 8∼15% 정도의 석탄회가 발생한다.

◎ 석탄회의 분류

♠ Fly Ash

절탄기나 공기예열기 아래 Hoper, 전기집진기에 의하여 집진되어 집진기 하부 Hoper에 모이는 Ash를 말하며, 절탄기나 공기예열기 아래에 있는 Hoper에 모이는 Ash의 입경은 0.3∼1.0mm로 발생회의 약 5%이다. 전기집진기에 의해서 집진되어 집진기 하부 Hoper에 모이는 Ash의 입경은 탄종이나 연소 조건에 따라 다르나 발생회의 75∼80% 정도로서 대부분 이 Fly Ash가 재활용되고 있으며, 재활용을 위하여 공기 이송설비에 의해 Fly Ash Silo로 건식 이송된다. 재활용되지 않는 Fly Ash는 Bottom Ash와 마찬가지로 Transfer Tank로 보내지고 Ash Pond장에 버려지게 된다.

[Fly Ash 생산과정]

- Cenosphere

Cenosphere는 Fly Ash 전중량의 약 5% 정도이며 전 부피의 약 20%인데 연소온도가 1,400℃ 이상일때는 Cenosphere 발생율이 높아진다. 이것은 발전소의 회사장에서 부상되므로 부사(Cenosphere)라고 불리어 진다. 비중은 0.44이며, 콘크리트 마무리 작업시 표면에 떠오르므로 시멘트 혼화재로서는 부적합하나 단열재로서 귀중한 자원이다. 모양은 다공성 입자로 이산화탄소(CO2)와 이산화질소(NO2)가 충만되어 있고 무게는 단단한 입자보다 가볍다.

♠ Cinder Ash

Cinder Ash는 절단기나 공기예열기 아래에 있는 Hopper에 보이는 것을 말하며 입경은 0.3∼1.0mm로 발생회의 약 5%이다.

♠ Bottom Ash

Bottom Ash는 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며 입경은 1∼2.5mm 정도로 보일러 하부에 모여 Grinder로 분쇄 후 Ash Transfer Tank에 보내지고 대부분은 Ash Pond장에 버려지게 된다. 일부 발전소에서는 Bad Ash라고도 하는데 Bottom Ash는 Fly Ash보다 발생량이 적고 연구가 아직 미진하며 앞으로 연구가 충분히 이루어지며 사용도가 많을 것이라고 본다.

◎ 회처리 장치의 종류

1. Hydraulic system

- 물의 흐름이 밀폐된 pipe line을 통해서 ash를 지정된 장소까지 운반하는 것 인데 일반적으로 jet 또는 원심 펌프가 이용된다.

2. Pneumatic system

- 공기 또는 배기가스의 흐름으로 ash를 운반하는 것인데 양압 또는 음압을 이용하는 것이다.

3. Mechanical system

- 가장 먼저 사용되었던 것으로 현재도 많이 사용되고 있으나 장치가 복잡하고 설치 비용이 많이 드는 단점이 있다.

4. 전기집진장치

- 정전기를 이용한 전기식 집진기와 바람을 이용한 기계식 집진기가 있는데 우리나라를 포함한 다른 나라에서도 전기집진기를 많이 이용되고 있다.

< 전기집진기의 원리 >

◎ 석탄회 특성

1. 물리적 특성

·형태 : GLASS SPHERE(다공성 구형입자)

·진비중 : 1.9~2.3 (시멘트비중의 2/3정도)

·입도 : 1~100□ (평균 : 20~30□)

·비표면적 : 2,000~4,000□/g

2. 화학적 특성

·주성분 : SIO2, AL2O3, Fe2O3 (75~90%)

·액성 : 알카리성 구성광물 (Mullite, Quartz, Magnetite등의 혼합물)

3. 기타특성

·포졸란(Pozzolan)활성

·석탄회 사용효과

·장기강도의 증진

·작업성(Workability)개선

·수화열감소

·알카리골재반응 억제

·건조수축 감소

·수밀성 증가

·원가절감효과 등

◎ 국내 석탄회의 발생 및 재활용 현황

석탄은 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 공급원의 안정성 등으로 전세계적으로 화력발전의 주요 연료로 사용되고 있다. 우리나라도 총 발전량의 35%(98년도 기준)를 석탄화력발전에서 얻고 있다. 이때 사용된 국내 무연탄과 수입 유연탄은 각각 252만톤과 2,570만톤으로 부산물로 발생된 석탄회(coal ash)만도 366만톤에 이른다. 특히 우리 나라의 전력수요는 최근 10년간 연평균 10%이상 증가하고 있고, 한국전력의 장기전력수급계획에 의하면 장래 더 많은 석탄발전시설이 들어서게 되어 2010년에는 연간 약 5천만톤의 석탄이 소비되어 석탄회도 600만톤이 넘어설 전망이다. 따라서 석탄회를 재활용하는 것은 자원의 절약 및 환경보전이라는 측면에서 매우 시급하고 중요한 과제이다. 한편 국내 석탄산업의 보호를 위해 무연탄을 연료로 사용하는 유동층 보일러를 채용한 첨단기술의 발전소인 200MWe급 동해 화력발전소가 98년 5월부터 본격 가동되고 있지만, 국내 무연탄을 연료로 사용하는 영월, 군산의 화력발전소가 발전설비 노후화로 가동이 중지될 예정이어서 석탄회의 발생량은 약간 증가할 전망이다. 국내탄(무연탄)의 경우에는 35∼50%(평균 38.5%), 수입탄(유연탄)은 8∼15%(평균 10.4%) 정도의 석탄회가 발생된다. 이들은 석탄중의 무기질성분의 점토광물과 황철광 등이 고온(1,500±200℃)의 연소과정 중에 용융, 급냉되어 생성되기 때문에 주로 구형의 유리질 성분이 75∼80%, 석영(□-SiO2)과 멀라이트(3Al2O3·2SiO2)가 각각 7∼15%, 소량의 적철광(Fe2O3), 그리고 5∼15%의 미연탄소(unburned carbon)로 구성되어 있다.

석탄회는 이용분야가 많은 자원임에도 불구하고 대부분 매립처리되고 있다. 석탄회 재활용율이 96년도 22%에서 98년도 32%(118만톤)로 점차 증가 추세에 있으나 가까운 일본만 하더라도 94년도에 이미 64%의 재활용율을 기록하는 등 선진국과 비교하면 아직도 저조한 실정이다. 이와 같이 있는 미연탄소분의 열량을 이용하여 소성하는 경량 골재의 제조나 석탄회 중에 다량 포함되어 있는 알루미늄의 회수에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있으며 또한 재활용율이 선진국에 비해 낮은 이유로는 여러 가지 원인이 있으나, 첫째 석탄회에 미연탄소 함유량이 높기 때문에 대량 소비가 가능한 레미콘 혼화재(미연탄소함량 5%미만)로의 사용에 제약을 받고 있다. 그러나 97년 이후 보령, 태안, 삼천포 화력발전소에 석탄회 정제설비가 설치, 가동되고 있어 정제 석탄회의 생산량이 년 100만톤이 넘고 있어 재활용율이 점차 높아지고 있다. 둘째 석탄회의 활용 실태를 살펴보면 선진국의 경우 석탄회 중에 섞여도로기반의 채움재, 여과재, 보온재, 농업에서의 이용 등 다양한 용도의 개발에 심혈을 기울이고 있으나, 우리 나라의 경우 콘크리트 혼화재로 62.6%, 시멘트 부원료로 35.4%을 차지하고 있고 그 외의 용도개발이 아직 미흡한 실정이다. 따라서 선진국의 예처럼 건축·토목분야와 농수산분야에서도 석탄회의 이용이 증가하도록 꾸준한 연구개발이 요구된다. 마지막으로 석탄회의 재활용율이 저조한 것은 석탄 저회(bottom ash)의 사용이 부진했기 때문이다.

◎ 석탄회 재활용용도 및 방법

1. 콘크리트 혼화재

: 석탄회중 콘크리트용 혼화재로 사용하는 것은 대부분이 Fly Ash이며 지반 안정재등 토질관련재로 사용할 경우는 Fly Ash와 Bottom Ash가 혼합된 상태 즉, 석탄회 전체를 이용한다.

♤ 혼화재로 사용할 경우 장점

	구 분	장 점
토목공사	도로포장	팽창 및 수축이 적고 장기 휨 강도가 크다.
	해수 및 화학작용을 받는 구조물	작업성이 좋고 수화열이 낮다 장기 강도가 크다.
	프리팩트 공법	내해수성 및 화학저항성이 크다.
	그라우트 공법	주입능력이 우수하다.
건축공사	기둥, 보	작업성이 좋은 펌프콘크리트가 얻어진다.
	기초, 슬래브	특히 경량콘크리트, 쇄석콘크리트의 작업성을 개선
	레미콘	슬럼프 손실이 적고 콘크리트의 운반거리를 크게 할 수 있다.
기 타	시멘트 2차 제품	치밀한 콘크리트가 얻어지고 표면 마무리가 우수하다.
	각종 시설

2. 혼합시멘트 제조

: 시멘트는 한국공업규격상 포틀랜드 시멘트와 일반 시멘트의 결함을 제거하거나 에너지 절약을 위해 혼합물을 섞어 생산한 것이다.

1) 포졸란 시멘트(pozzolan) - 포틀랜트 시멘트Clinker에 화산재료(규산백트, 화산회, 화산토, 수성점토, 규조토)를 첨가 석고와 함께 분쇄한 시멘트로서 수밀성이 큰 콘크리트 생산. 도장용, 몰탈용, 토목공사에 사용.

2) 플라이 애쉬 시멘트(fly ash) - 포틀랜트 시멘트 분말과 플라이 애쉬를 섞어 만든 시멘트로서 저항성이 크며 치밀한 콘크리트를 만들 수 있다.

경량콘크리트 또는 2차 제품, 몰탈용으로 사용

3) 고로 시멘트(blast-furnace slag) - 고노에서 선철을 만들때 나오는 광재를 포틀랜트 시멘트 클린커를 혼합 석고를 섞어 분쇄한 시멘트로서 수화열이 적고 응결이 늦다. 수축율이 적어 축항공사, 해중, 하수공사, 화학공장 공사등 사용.

3. 규산카리비료

: 비료의 종류는 질소, 인산, 카리비료등이 있는데 이중 카리비료는 가용성(물에 잘 녹는 성질)이 높아서 농업용으로 살포시 농작물이 흡수할 수 있는 시간적 여유가 짧을 뿐만 아니라 비가 올 경우 빗물과 함께 씻겨 흘러간다. 이를 개선하기 위하여 석탄회의 규산과 카리(K)를 혼합한 규산카리비료를 1963년 일본전력중앙연구소에서 처음 개발하였으며, 1979년 일본 전원개발(주)구내에 실용화 plant를 만들어 본격적으로 규산카리비료를 생산하기 시작했다.

♤ 규산카리(K2SiO2)비료의 제조 방법

- 미분탄 연소회 Fly Ash와 가성카리(KOH)를 혼합기에서 1차로 혼합한 후, 제 2혼합기에서 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 2차로 첨가 혼합하여 비료입자크기시켜서, 건조기를 통과시킨 후 800∼1200℃에서 소성후 냉각기를 거쳐 제품저장 Bunker에 저장하여 제품화하는 간단한 시스템이다.

4. 토질개량재(농업적 이용)

: Fly Ash는 초목회와 같이 식물체에서 유래된 재이므로 각종 광물질 성분이 골고루 들어 있다. 회의 화학적 조성은 석탄의 종류, 질, 입도, 연소특성에 따라 차이가 있으며 규소와 알미늄 성분이 80%이상 점유하고 있어 규산염광물과 유산한 특성을 보여주고 있다. 회중에는 Ca, Mg, K, Ca등 양이온과 Fe, S등의 원소들이 다량으로 함유되어 있어 이들 함유성분 함량비에 따라 회를 분류하기도 한다.  무연탄회 중에는 카리함량이 많이 들어 있으며 이 성분은 물에 녹지 않는 난용성성분으로 알려져 있다. 전 카리함량에 비하여 수용성 및 구용성 키라함량이 매우 낮으며 생성시 온도가 1,600℃까지 상승하게 되므로 회가 유동상으로 존재할 때 카리성분은 규소 또는 알루미늄과 결함 난용성 카리염으로 전환된다.

5. 경량골재 제작

: 산업구조의 대형화로 콘크리트 구조물도 대형화, 고층화되어 자중의 한계에 도달했고 자갈, 쇄석등과 같은 자연골재의 공급이 한계에 이를렀기 때문에 강도는 크고 가벼운 경량자재로의 전환이 필요하다.

경량골재는 인공경량골재(팽창혈암, 팽창점토, 소성 Fly ash), 부산경량골재(팽창슬래그), 천연경량골재(화산석), 가공골재로 구분된다.

6. 경량건축재로 사용

: 경량건축재란 규산질 원료(규석, 규사, 모래, 고로슬래그, 프라이애시) 및 석회질원료(석회, 시멘트)를 분말상태로 혼합한 것에 적당량의 물 및 기포제 그리고 혼화재료를 가하여 다공질화한 것을 고온증기 양생 또는 자연양생에 의하여 충분히 경화시켜 만든 건축재이다.

7. 성토재로서 석탄회 이용

: 국내 석탄회는 경량성과 자체경화성의 장점이 있어 좋은 성토재로 평가된다. 유연탄계의 석탄회는 자경성을 나타내므로 성도재로 사용시 장기적 안정성 평가에서 자경성에 의한 특성 개선효과를 반영할 수 있다.

♤ 성토재로 활용시 환경에 미치는 영향

- 국내생산 혼합회 사용시 석탄회 침출수의 성분농도는 폐수배출 허용기준은 음용수 수질기준을 만족할 정도로 양호하며, 주위의 지하수계 수질오염은 고려하지 않아도 된다. 그리고 매립회를 성토재로 사용시 탄소강이나 아연도강 등의 매설 금속재료는 에폭시로 피복하거나 무기아연페인트로 동장하는등의 부식대책은 고려해야한다.

8. 전주(전신주)로 사용

9. 노반재로서 석탄회 사용

: Fly ash의 경우는 아스팔트 필러재, 노상재, 콘크리트 포장도로재로 사용되고 Bottom ash의 경우는 하층노반재, 동상억제재, 차단층재로 활용한다.

◎ 굵은 석탄회(배드애쉬) 재활용

- 매립이외에는 처치 곤란한 애물단지인 무연탄발전소의 배드애쉬(굵은 석탄회)가 재활용된다. 한전은 최근 동해화력발전소 현장에서 동양시멘트와 발전부산물로 발생되는 연간 16만4천톤의 배드애쉬를 무상 공급키로 하는 계약을 체결하였다.  이 계약체결에 따라 동해화력발전소는 연간 배드애쉬 매립량을 4만톤으로 대폭 줄일 수 있게 되 석탄회 처리장의 매립수명을 약 17년 연장할 수 있게 됐다.   또 추가 회처리장 건설비용 약 1백 39억원을 절감할 수 있게된 것과 이미 확보한 다른 회처리장 부지를 다른 용도로 활용해 81억원 상당의 자산을 운용할 수 있는 부수효과를 기대할 수 있게 됐다.

◎ 파일럿플랜트

- 한국전력은 석탄회정전분리장치(石炭灰 靜電分離裝置) 파일럿플랜트를 개발 성공시켰다. 이 시험장치는 한전 전력연구원과 쌍용양회(주)가 공동으로 지난 '96년 8월 개발에 착수, 약 3년간의 연구개발 끝에 결실을 보게 된 것이다.  현재 석탄화력발전소에서 연소후에 발생하는 석탄회(fly ash)는 콘크리트에 시멘트 대체재료로 재활용되고 있다. 그러나, 석탄회중에 포함된 미연탄소분(unburned carbon)이 콘크리트 품질을 저하시킨다는 문제점 때문에 미연탄소분 함량을 감소시킬 수 있는 기술개발이 절실하게 요구되던 상황이었다. 특히, 엄격해지고 있는 정부의 석탄회 재활용 목표('98∼99년 석탄회발생량의 35%, 2000년 이후 50%)를 준수하는데 있어서도 기존 시설로는 재활용율이 32%수준에 불과해 신기술개발이 시급한 실정이었다. 이번에 국내에서 독자적으로 개발에 성공한 석탄회 정전분리장치는석탄회를 금속표면에 접촉, 마찰시킨 후 전자에 대한 친화력이 높은 석탄회와 친화력이 낮은 미연탄소분을 전기장에서 상호 분리하는 원리를 이용하였다. 이 설비는 석탄회를 시간당 3톤씩 처리할 수 있으며 필요시 설비용량 확대가 쉽다는 장점을 가지고 있다. 이 설비가 상용화될 경우 자체 기술력 확보를 통한 석탄회 재활용으로 연간 87억원에 이르는 수익 증대효과가 예상되며, 재활용율을 크게 높임으로써 화력발전소에서 발생하는 석탄회 물량을 대폭 감소시켜 회처리장입지확보난 해결에도 이바지할 것으로 예상된다. 또한, 한전의 환경친화적기업 이미지를 높이는 데도 크게 기여할 것으로 기대된다.