[1회] 석탄회, 새로운 변화와 도전
[1회] 석탄회, 새로운 변화와 도전
  • 김덕수 기자
  • 승인 2019.09.27 15:26
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

콘크리트용 혼화재료로서 열병합 플라이 애시 품질・제도 현황 

<이승헌 군산대학교 신소재공학과 교수>

 

우리나라 플라이 애시 세계 처음 ‘표준 내에 포함’
품질 특성 고려한 방향으로 제도가 개선

 

이승헌 군산대학교 신소재공학과 교수
이승헌 군산대학교 신소재공학과 교수

열병합 발전은 전기와 열을 판매하는 발전방식으로 중소규모의 산업용 발전이 주를 이루고 있다. 

열병합 발전의 연소방식은 순환유동층 보일러 방식을 채택하고 있어 배출되는 플라이 애시는 일반 미분탄 보일러 플라이 애시와는 다르게 콘크리트용 혼화재료로 사용했을 때 콘크리트 경화체에 대해 부피 팽창을 초래하는 CaO(15~65%), SO3(2~ 12%) 성분이 다량으로 함유돼 있어 구조물을 열화시킬 가능성이 있다.

그러나 최근 국내에서는 연소효율의 향상, 연료의 다양성, 환경부하 저감 등을 이유로 순환유동층 보일러 방식의 신규 화력발전소 건설이 증가하고 있으며, 그 결과 2019년 현재 약 100만톤 정도의 순환유동층 플라이 애시가 배출되고 있다. 

이에 국가기술표준원에서는 2016년 2월에 그동안의 연구결과를 바탕으로 순환유동층 보일러에서 배출되는 플라이 애시도 콘크리트 혼화재료로 사용할 수 있도록 KS L 5405 ‘플라이 애시’를 개정했다. 

그 방법은 미분탄 플라이 애시와 순환유동층 플라이 애시를 혼합 사용해 유해 성분을 줄이는 것이다. 

개정된 KS 5405 ‘플라이 애시’는 순환유동층 플라이 애시에 사용에 따른 콘크리트 안전성을 확보하기 위해 유리 CaO, SO3, 반응성 CaO 및 안정도 항목 등 5개 항목이 새로 도입됐다. 

각 항목에 대한 기준을 만족시키기 위해서는 순환유동층 플라이 애시는 단독으로는 사용할 수 없으며 반드시 미분탄 보일러 플라이 애시와 혼합해 사용해야 한다. 

유리 CaO는 물과 반응하면 급격한 반응에 의해 약 2배 정도의 부피 팽창과 15.6 kcal/mol의 발열을 도모한다. 이로 인해 초기 균열 형성, 이상응결 현상, 유동성 감소 등을 초래할 수 있다. 유럽표준 EN 450-1 ‘Fly ash for Concrete’는 유리 2.5% 이하로 규정하고 있었으나 2012년 개정되면서 이 항목은 삭제했다. 

대신 유리 CaO가 1.5% 이상이면 안정도 기준을 만족해야 한다는 조항을 삽입했다. 

그러나 KS L 5405 ‘플라이 애시’는 안전성에 대한 우려와 사용 실적이 많지 않아 유리 CaO 2.5% 이하로 규정했다.   

반응성 CaO는 정상적인 경화 조건에서 칼슘실리케이트 수화물과 칼슘알루미네이트 수화물을 형성할 수 있는 CaO 성분을 일컫는 것으로, 총 CaO 함량에서 CaSO4에 해당하는 CaO와 CaCO3에 해당하는 CaO를 제한 것이다. 결국 반응성 CaO는 수화물 형성으로 인해 부피 증가를 유발할 수 있는 위험성이 있는 물질로서, EN 450-1 ‘Fly ash for Concrete’는 10% 이하로 제한하고 있다. 

KS L 5405 ‘플라이 애시’는 EN 규제치를 도입해 반응성 CaO에 대해 10% 이하로 규제했다.   

순환유동층 플라이 애시의 SO3 성분은 II형 무수석고(II-CaSO4)의 형태로 존재한다. 

II형 CaSO4는 물과 반응해 이수석고(CaSO4·2H2O)로 변했다가 Ca(OH)2와 Al2O3 성분이 존재하게 되면 에트린쟈이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)로 전환된다. 

이러한 에트린쟈이트 생성은 상당량의 부피 팽창을 초래하는데, 특히 경화된 후에 에트린쟈이트의 생성은 구조물의 내구성과 안전성에 문제를 일으킬 수 있다. 

이러한 영향으로 인해 각국 표준은 SO3를 규제하고 있다. ASTM C 618-05 “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete”는 포졸란 물질 4.0% 이하, F Class 플라이 애시 5.0% 이하, C Class 플라이 애시 5.0% 이하로 제한하고 있다. EN 450-1 ‘Fly ash for Concrete’는 3.0% 이하로 엄하게 규제하고 있다. 

한편 KS L 5201 ‘포틀랜드 시멘트’에서 보통 포틀랜드 시멘트의 SO3 규제치는 3.5% 이하로 규제하고 있다. 이러한 것을 참조해 KS L 5405 ‘플라이 애시’는 3.5% 이하로 제한했다. 이 값은 ASTM보다는 강화된 값이나 EN보다는 완화된 것이다. 

안정도 규제치의 도입은 순환유동층 플라이 애시가 실제 구조물에 적용됐을 때 안전성을 확보하기 위한 실제적인 데이터로 간주할 수 있다. 

안정도가 불량한 결합재는 응결 또는 경화 중에 부피 변화를 일으키므로, 이와 같은 결합재를 사용했을 경우에 구조물에 균열 또는 변형이 생겨 내구성을 해치는 원인이 되므로, 안정도 시험을 해서 확인해야 한다. 

안정도 시험에는 오토클레이브 팽창도 시험법과 르샤틀리에 시험법이 있다. EN 450-1 ‘Fly ash for Concrete’에서는 르샤틀리에 시험법을 택하고 있으며 10㎜ 이하로 규정하고 있다. ASTM C 618-05 “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete”에서는 오토클레이브 팽창도 시험법을 채택하고 있으며 규제치는 0.8% 이하이다. 이번 KS 개정은 르샤틀리에 방법과 오토클레이브 팽창도 시험방법을 같이 채택했으며, 르샤틀리에 방법은 10㎜ 이하, 오토클레이브 팽창시험법은 0.8% 이하로 규정해 EN, ASTM과 동일하게 했다.    

품질확보를 위해 개정된 KS L 5405 ‘플라이 애시’에는 ‘6 제조’항을 신설했다. 즉 본 표준에 적용되는 플라이 애시는 정제처리 과정을 거쳐 생산하도록 했으며, 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시는 미분탄 보일러에서 발생하는 플라이 애시와 각각 정제한 후 혼합해야 한다고 언급했다. 

이것은 순환유동층 플라이 애시도 미분탄 플라이 애시와 마찬가지로 정제처리 과정을 거친 후에 사용해야 한다는 것으로 품질의 안정화를 도모하기 위한 방법이다. 

순환유동층 플라이 애시의 정제 과정에 대해서는 많은 논의가 있을 수 있어 이에 대한 체계적인 검토가 필요하다.    

우리나라 플라이 애시 표준은 세계에서 처음으로 순환유동층 플라이 애시를 표준 내에 포함시켜 사용할 수 있게끔 했다는 것이 가장 큰 특징이다. 

이것은 플라이 애시의 사용 환경 정리에 관한 활동의 일환으로 볼 수 있으며, 활용되지 못했던 순환유동층 플라이 애시에 대해 품질 특성을 고려한 방향으로 제도가 개선됐다. 

이러한 개선된 제도가 효과적으로 기능을 발휘하기 위해서는 전력업자, 제조업자, 사용자가 제도를 철저하게 지키는 것이 가장 중요하다. 

 


 

경량골재로서의 석탄저회 활용 사례

<김용혁 한국남동발전(주) 영흥발전본부 자원순환연구센터 선임연구원>

 

◼ 석탄회 분류 및 재활용 현황

김용혁 한국남동발전(주) 영흥발전본부 자원순환연구센터 선임연구원
김용혁 한국남동발전(주) 영흥발전본부 자원순환연구센터 선임연구원

석탄회(보일러 내 석탄 연소 후 발생)를 분류해보자면 포집 위치에 따른 분류로(비회: 보일러 상부로 비산돼 포집, 저회: 보일러 하부로 낙하돼 BA Hopper), 미연탄소 함량에 따른 분류(정제회: 회정제 시스템, 잔사회: 미연탄소 5% 이상)로 분류할 수 있다. 

비회는 정제공정이 필요하며, 저회의 처리방식은 경우 습식방식과 건식방식이 있다. 

저회의 습식방식은 보일러 노하부에 물에 채워진 드레그체인 컨베이어 경사부에 저회를 탈수하며 냉각방법은 해수 및 공업용수를 활용한다. 

건식방식은 보일러 노하부 건식연속배출 컨베이이어에 저회를 낙하시키며, 건식연속배출기의 공기에 의해 저회 냉각방식으로 공기를 이용해 냉각시킨다. 

영흥발전본부 석탄회 처리의 필요성은 수도권에 위치해 타 발전소에 비해 석탄회 재활용에 어려움이 많다. 이에 따라서 경량골재 제조, 산업소재 생산 등의 석탄회 재활용 사업을 통해 재활용률 향상에 최선을 다하고 있다. 

영흥발전본부의 경량골재 사업은 저회를 주원료로 고온(1천200도)에서 소성한 인공경량골재와 저회를 파쇄, 선별한 저회경량골재를 생산 판매하고 있다. 

국내 대량 생산처가 부족해 수입에 의존하고 있는 인공경량골재를 산업 부산물인 저회를 이용해 생산, 판매함으로써 자원 재활용 및 수입 건자재 대체 효과를 가져온다. 

영흥발전본부의 경량골재는 주기적인 품질관리, 유해성 분석, 환경표지인증 등의 활동을 통해 폐기물로써의 인식을 개선하고 유용자원으로서의 석탄회를 활용하고자 생산, 마케팅 및 연구개발에 중점적으로 노력하고 있다. 

영흥발전본부에서 생산 중인 인공경량골재를 이용한 경량 콘크리트를 한국남동발전 사업소 내, 외부 건설현장에 적용한 사례와 인공경량골재의 건설현장 적용확대를 위한 연구개발 결과를 세미나를 통해 소개했다. 

◼ 저회의 활용사례

영흥발전본부는 저회를 재활용한 저회경량골재를 건설, 환경 및 조경 등 다양한 분야에 적용을 하고자 다수의 연구개발을 진행했다. 

건설현장의 탁수제어 기술, 고령지 밭의 토양유실 저감 기술, 저회경량골재를 사용한 식생기반재 개발, 저회의 성토재 적용 시 발생 민원유형 및 제도적 개선에 대한 제언 등을 세미나를 통해 발표했다. 

저회에 대한 다수의 환경유해성 검증 시험 결과를 소개해 폐기물이 아닌 유용자원으로서의 가치가 충분하다. 

석탄회 재활용 증대를 위해서는 석탄회가 폐기물이 아닌 유용자원이라는 인식 개선이 선행돼야 하며, 이를 위해 정부와 발전사 및 관련 기업의 적극적인 관심과 활동이 필요하다. 

한국남동발전 본사 전경.
한국남동발전 본사 전경.

 

<다음 호 계속>

 

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.