[2회] 석탄회, 새로운 변화와 도전
[2회] 석탄회, 새로운 변화와 도전
  • 김덕수 기자
  • 승인 2019.10.10 13:20
  • 댓글 0
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석탄가스화 발전 용융슬래그(CGS)의 혼합골재로 유효이용 기술

<한천구 청주대학교 건축공학과 석좌교수>

 

KS F 2527 규격에 CGS 포함 ‘혼합골재로 활용해야
부족한 골재자원 보충 및 저품질 골재 성능 향상

 

한천구 청주대학교 건축공학과 석좌교수
한천구 청주대학교 건축공학과 석좌교수

최근 석탄 화력발전소는 황산화물, 질소산화물 및 미세먼지 등 인체에 유해한 공해물질을 발생시키는 주요 원인으로 알려지면서, 부정적인 인식을 갖는 여론이 있다. 

하지만 석탄 화력발전은 2017년 전체발전량 중의 약 42%를 차지하는 중요한 전력공급원으로 또한, 유연탄의 경우 2018년 ㎾h당 정산단가가 81.8원에 불과해 원자력(62.1원/㎾h당) 다음으로 경제성이 높은 발전원에 속하기 때문에 석탄 화력발전을 무작정 줄이는 것은 현실적이지 않다.

이와 같이 석탄 화력발전의 경우 이불리(利不利)가 명확한 상황에서, 발전업계 및 관련 전문가들은 친환경적으로 새로운 형태의 석탄가스화 복합발전(Integrated Coal Gasification Combined Cycle, 이하 IGCC)을 대안으로 제시하고 있다. 

그러므로 본 강좌에서는 IGCC의 소개, IGCC 슬래그의 콘크리트용 골재로 이용하기 위한 골재특성, 혼합골재로 활용한 콘크리트의 특성 등에 대해 소개한다.

 

◼ IGCC 및 CGS의 개요

IGCC는 석탄을 공기 중에서 직접 연소시키는 기존의 석탄화력 발전 방식과 다르게 석탄을 고온·고압의 증기에서 쪄서 발생시킨 합성가스의 연소로 전력을 생산하는 방법과 석탄가스화 과정 발생열로 전력을 생산하는 방법의 복합된 발전 형식인 것이다. 

특히 IGCC의 특징으로는 공해물질을 기존 석탄 화력발전과 대비해 황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25% 이상을 줄일 수 있기 때문에 친환경 발전기술로 주목받고 있다. 

이에 국내에서는 최근 IGCC 기술력 확보를 위한 본격적인 투자가 이루어져 2015년 하반기 ‘한국형 IGCC 실증 플랜트 기술개발 사업’이 추진돼 2016년 8월부터 한국서부발전에서 발전용량 300㎿인 태안 IGCC 플랜트의 상업운전을 시작했다.

그러나, 이러한 IGCC에서는 연소과정 중 석탄회가 고온에서 용융되면서 슬래그 형태로 부산물이 배출되는데, 이것을 석탄가스화 용융슬래그(Coal Gasification Slag, 이하 CGS)라 한다. 

CGS는 발전조건에 따라 3만~10만 톤이 발생하므로 아직 발생량이 많진 않지만, 향후 IGCC가 대규모로 보급될 경우를 고려하면 효과적인 활용방안의 모색이 필요한 실정이다. 

CGS는 IGCC의 반응기에서 석탄이 연소된 후 남은 재가 약 1천400℃인 용융점 이상의 온도에서 용융 슬래그 형태로 가스화기 내부 표면을 따라 흘러내려 가스화기 바닥의 Water bath에서 급랭되면서 만들어진다. 

일반적으로 색은 검고, 입자분포는 세립분말~조립괴상 및 일부 침상 형태이며, 결정질이 거의 형성되지 않은 비정질상의 모래와 유사한 입상을 나타낸다. 

◼ 콘크리트용 골재로서의 품질특성

CGS를 콘크리트용 골재로 활용하기 위해서는 국가에서 정한 품질규격에 만족돼야 한다. 

따라서 IGCC 발전소에서 발생하는 CGS를 주 1회씩 3개월분 12회를 시료로 채취해 KS F 2527(콘크리트용 골재)의 여러 발생원에 따른 품질규정 중 천연골재와 용융슬래그 골재 항목에 맞춰 실험을 진행했다.

전반적으로 CGS는 잔골재로서 둥근 입자모양을 띄어 양호한 반면, 표준 입도범위를 대부분 벗어나는 굵은 입자로서, 일부 절건밀도, 흡수율, 0.08㎜체 통과량 및 화학성분 중 SO3량, 유해물질 용출량 중 불소(F)량이 규정치를 초과하고 있었다. 

따라서 특별한 경우는 단독으로 사용해도 무방하겠지만, 일부 분쇄, 혹은 체가름 등 처리를 실시한 후 반대적 품질의 골재와 혼합골재로 활용하면 특별한 문제는 없을 것으로 사료됐다.

◼ 콘크리트용 혼합골재로서 CGS의 활용성 검토

CGS를 콘크리트용 잔골재로의 활용성을 검토하기 위해 W/B 50%, 목표슬럼프 180㎜인 콘크리트 조건에서 석산 잔골재에 CGS를 0~100%까지 25%간격으로 치환율을 변화시켜 콘크리트를 제조한 다음 시험한 결과를 분석했고, 또한 25-24-180 레미콘을 제조해 Mock-up시험도 실시했다.

시험결과 CGS가 구형상을 나타내므로 슬럼프치는 증가한 반면 골재의 다공조직 및 일부 미연소탄분의 영향으로 공기량은 감소했으며, 압축강도는 대략 50%치환율일 경우 가장 크게 증가했다. 

Mock-up 시험결과에서도 전과 유사한 결과이고, 추가적으로 CGS 치환율이 증가할수록 응결시간은 단축되고, 수화열은 감소하며, 건조수축은 줄어드는 등 매우 양호한 결과도 얻었다.

◼ 결언

현 단계에서 IGCC 발전의 CGS는 발생량이 많지 않아 크게 문제시 되지는 않는다. 

그러나, 차후 IGCC 발전소 건설이 많아져 CGS 발생량이 증가하게 되면, KS F 2527(콘크리트용 골재)규격에 CGS를 포함시켜 혼합골재로 활용토록 한다면 바람직할 것으로 사료된다. 

특히 CGS의 구형형상에 따른 유동성 증진 및 잔골재에 대한 CGS 50% 전후의 치환율에서 강도증진 경향을 효율적으로 활용한다면 화력발전소에서의 부산물 처리, 부족한 골재자원 보충 및 저품질 골재의 성능 향상재료로서의 1석2조 이상의 효과가 있는 것으로 기대된다.

 


 

국내 발전사의 석탄회 발생 및 처리현황 (IGCC 슬래그 포함)

<김찬영 한국서부발전(주) 차장>

 

김찬영 한국서부발전(주) 차장
김찬영 한국서부발전(주) 차장

최근 일본이 전략물자 수출심사 우대국 명단인 ‘화이트리스트’에서 한국을 제외한 것과 맞물려 그동안 시멘트사가 일본으로부터 부원료로 들여왔던 석탄재가 이슈화되고 있다. 

국내 석탄재도 재활용이 안되어 매립하고 있는 상황에서 일본석탄재를 처리해 왔다는 프레임이 국민 정서를 건드렸다고 볼 수 있다.

그렇다면 실제 국내 발전사의 석탄회 발생 및 처리현황은 어떨까. 

5대 발전사에서 연간 발생되는 석탄재 총량은 2018년 기준 약 930만톤 수준이다. 

이중 85%에 해당하는 비회(Fly ash)는 주로 레미콘 혼화재로 활용되는데 계절적 수요공급 차이로 재활용율은 최대 80% 수준이다. 

나머지 석탄재는 매립되는데 발전사별로 회처리장 용량확보를 위해 성토재나 골재 등으로 일부 재활용 하고 있다. 

이렇게 보면 미활용되는 비회 물량만 해도 2018년도 일본석탄재 수입량 128만톤과 비슷해 대체가 가능한 것으로 판단된다.

하지만 당장 문제가 해결되기는 어려워 보인다. 

2018년 제정된 자원순환 기본법에 따라 석탄재 매립 시 폐기물처분부담금(매립부담금)이 부과되면서 발전사별로 운반지원비를 확대를 통해 성토재 활용 등의 재활용처를 상당부분 확보했기 때문이다. 

그동안 발전사에서는 석탄재를 자원으로 인식하고 고부가 재활용을 위한 연구에 많은 투자를 해온 것이 사실이다. 

서부발전만 보더라도 최근 3년간 매립회를 이용한 인조현무암, 저회활용 광섬유 제조, 친환경보드, 아스팔트 채움재, 도로 뒤채움재, 친환경 제설제 개발 등 많은 노력이 있었다. 

하지만 실제 상용화 실적은 매우 저조한데 이것은 폐기물 기반 제품의 환경성 논란에 대한 막연한 불안감과 기존 시장의 높은 진입장벽 탓도 있지만 제품제조를 위한 시방서 즉 KS 제·개정 등의 후속 조치가 부족했기 때문이라고 볼 수 있다. 

서부발전이 충남 태안에 국내 최초로 건설・운영 중인 IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle, 석탄가스화 복합발전)에서 발생되는 슬래그 역시 마땅한 재활용 방법이 없어 현재는 운반비 보조를 통해 시멘트사에 공급하고 있으나 한국교통대, 청주대, 아주산업과의 공동연구를 통해 성상이 유사한 고로슬래그 미분말 혼합이 가능하도록 관련 KS 개정을 추진하고 있으며 콘크리트 골재로 활용할 수 있도록 연구를 진행 중이다. 

이것이 실현될 경우 현재 레미콘 혼화재로 판매되고 있는 정제회보다 더 높은 가치가 부여될 것으로 기대하고 있다. 

매립석탄재 역시 이러한 접근을 통해 활용성을 높일 수 있다. 

하지만 연구의 성과가 조금씩 나타나고 있는 시점에서 석탄재에 부과되는 매립부담금 제도는 아쉬운 측면이 있다. 

이 제도에 따라 발전사는 발생량을 당해년도에 모두 처리해야만 하므로 성토재 등 단순·대용량 재활용에 집중할 수밖에 없어 석탄재 재활용 연구 동력이 약화될 것으로 우려된다. 

 하지만 석탄재의 가치가 점점 높아지고 있다는 것은 확실해 보인다. 

석산개발이나 해사 채취에 대한 규제로 골재가 귀해졌고 성토재 활용에 대한 시장의 경험이 축적되면서 수요처가 점점 증가하고 있다. 

여기에 일본 석탄재 대체 요구와 석탄화력 폐지 정책에 따른 발생량의 점진적 감소를 고려하면 몇 년 뒤 품귀현상이 나타날 수 도 있어 보인다. 

따라서 정부는 경제적 효과가 큰 유효자원인 석탄재를 순환자원으로 인정하고 단순 재활용이 아닌 경제적 기여도가 큰 고부가 사업에 활용될 수 있도록 제도를 정비하고 발전사와 학계는 다양한 재활용 방법 개발과 KS 등 시방서 마련을 통해 석탄재 재활용 고도화에 협력해 나가야 할 것이다.       

 

 

정리 = 한국건설신문 김덕수 기자

 

 


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