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2018년 12월 16일 (일) 23:00 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

화력발전소 부산물을 활용한 지오폴리머 합성 시스템 개발

Development of geopolymer synthesis system using by-product of thermal power plant

과제 팀명

개과천선

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 201289001 강동성(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2012890036 오한영

서울시립대학교 환경공학부·과 2012890065 조형원

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우리나라 발전은 크게 화력, 수력, 원자력, 신재생에너지, 기타발전소로 구성되어있으며 화력발전은 약 59%(기력 41%, 복합 18%, 내연력 0.1%), 원자력은 30%, 수력은 1.2%, 신재생은 3.5%, 기타(집단 에너지 등)는 6.3%를 차지하고 있다.

화력발전이 많은 비중을 차지하고 있어 화력발전 과정에서 나오는 부산물이 많은 현실이다. 화력발전소의 대표적인 부산물인 비산재 속에는 Si와 Al 성분이 많이 들어있는데 이 성분들을 이용하면 지오폴리머라는 물질을 만들어낼 수 있다. 지오폴리머는 시멘트 대체재로 사용될 수 있는 물질로 그 생산과정에서 시멘트보다 이산화탄소 발생량이 매우 적어 지구온난화 방지를 위해서도 효과적이다.

화력발전소에서는 또 하나의 부산물인 폐열이 온배수의 형태로 배출된다. 이 온배수를 활용하여 지오폴리머 생산에 필요한 온도유지 효율을 높일 수 있다.

따라서 우리 연구 팀은 비산재와 온배수를 바로 재활용하기 위해 화력발전소에 지오폴리머 합성 시스템을 설치하기로 하였다. 이러한 시스템을 개발함으로서 화력발전소 부산물을 효율적으로 재활용하고 시멘트 생산 대비 CO2를 저감하여 지구온난화 방지에 기여하고자 한다. 지오폴리머 합성 시스템을 설계하기 위해 필요한 사항을 이론적으로 계산하고 장비들을 선정하여 경제적으로도 이득을 볼 수 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

가) 비산재

화력발전소에서 석탄을 연소하는 과정에서 석탄재가 발생된다. 이러한 석탄재 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 비산재는 배기가스와 함께 배출된다. 비산재는 그 크기가 대략 10-30μm로 발생량은 시스템에 따라 다르나 전체 회 발생량의 약 80~85%를 차지한다. 비산재는 SiO2, Al2O3, Fe2O3 및 CaO으로 이루어져있으며 화력발전소의 연소방식, 연소온도, 석탄의 특성, 연소시기 및 풍화상태 등에 따라 화학조성 및 입도분포가 달라진다.

나) 온배수

발전소는 발전에 수반되는 엔진과 장비의 과열을 식히기 위해 많은 양의 냉각수를 필요로 하며, 냉각수는 발전 과정의 폐열을 흡수하여 온도가 높아진 상태의 온배수로 배출된다. 화력발전소는 투입된 열량의 40%만이 전력 생산에 사용되고 나머지 60%는 버려지게 된다. 버려지는 폐열의 40%는 온배수로 배출되며 자연수보다 연평균 7℃가 높다.

다) 시멘트

시멘트는 석회질이나 점토질 원료와 같은 무기질 재료를 분쇄한 후 약 1500℃에서 고온 소성하여 상의 변화에 따른 칼슘 실리케이트(C3S, C2S)가 생성되어 물과 반응하여 수화생성물인 에트링자이트와 C-S-H gel로 경화되는 수경성 재료이다. 오늘날 흔히 시멘트로 불리는 것은 포틀랜드 시멘트다. 시멘트는 그 제조과정에 석회석의 탈탄산 공정이 필수적이고, 설비를 운행하기 위한 화석연료를 사용함으로써 전 세계 CO2 배출량의 5∼8%를 차지한다.

라) 지오폴리머

지오폴리머는 알루미나와 실리카 함유량이 매우 높은 천연 광물, 산업 부산물을 알칼리수화물 또는 규산염 용액과의 반응으로 활성화시키고 낮은 온도에서 합성, 경화된 광물바인더의 일종이다. 일반적으로 지오폴리머는 alumino-silicate 물질이 일정한 반응조건에서 원료 내 Si와 Al 원소가 용출과 축중합 반응을 거쳐 –Si-O-Al-O-결합의 체인구조를 형성하여 이루어진다. 이러한 무기 바인더들은 통상적으로 사용되고 있는 건축 재료인 Ordinary Portland Cement(OPC)보다 좋은 특성을 보인다고 보고되어 있다. 지오폴리머는 고강도 및 우수한 내구성은 물론 시멘트를 사용한 콘크리트보다 조기강도 발현이 우수하며 환경 친화적이어서 최근 들어 다양한 응용 분야에서 OPC의 대체재로 주목받고 있다. Hardiito et al.의 연구에서 비산재로 제조한 지오폴리머는 알칼리 활성 반응에 의해 24시간 만에 20~40MPa의 높은 압축강도를 발현시킬 수 있으며, 28일간 상온 재령 과정을 거친 후에는 50~80MPa의 압축강도를 얻었다고 발표하였다.

마) 시멘트와 지오폴리머의 CO2 발생량

시멘트는 반응성 칼슘실리케이트 및 알루미네이트상을 생성시키기 위해 석회석을 고온에서 분해시키는 소성공정이 필요한데 이때 발생되는 이산화탄소의 배출량은 적어도 전체 산업에서 배출되는 이산화탄소의 5∼8% 수준으로 집계되고 있다. 또한 전 세계적으로 건축물은 계속 늘어나고 있는 추세이기 때문에 건축물에 많이 사용되는 시멘트의 생산량도 증대되고 있고 그에 따른 CO2 발생량도 계속 증가하고 있다. 시멘트의 CO2 발생량을 줄이기 위해서 다양한 방법이 논의되고 있는 가운데 위에서 설명한 지오폴리머라는 물질이 거론되고 있다. 아직 완벽하지는 않지만 지오폴리머와 같은 알칼리 활성 결합재들은 산업부산물을 이용한 것이 많기 때문에 고온 발생 과정이 없어 CO2 발생을 줄일 수 있다. Duxon 등은 지오폴리머가 시멘트에 비해서 이산화탄소가 80% 정도 저감된다고 발표했다. 또한 강도별, 결합재별 CO2 발생량을 비교한 Keun-Hyeok Yang의 논문에서는 아래 그림과 같이 지오폴리머가 시멘트에 비해 30~80%의 CO2 저감률을 보인다고 발표 했다. 따라서 시멘트 대신에 지오폴리머를 사용하면 이산화탄소 발생량을 줄여 지구온난화 방지에 기여할 수 있다.

결합재 종류에 따른 콘크리트 CO2의 배출량 비교

포틀랜드 시멘트 콘크리트에 대한 알칼리 활성 콘크리트의 CO2 저감비

바) 비산재를 이용한 지오폴리머 생성 과정

비산재를 이용한 지오폴리머 합성 과정

비산재에는 지오폴리머를 만드는데 필요한 Si와 Al 성분이 굉장히 많이 있다. 이 성분들에 알칼리 수화물을 넣어 잘 섞어준 다음에 적정 온도와 적정 시간에서 경화시키는 과정을 거치면 지오폴리머가 생성된다.

개발 과제의 목표 및 내용

현재 우리나라는 전체 발전의 59%를 화력발전에 의존하고 있다. 화력발전에 상당량 의존하고 있지만 화력발전소에서 주로 나오는 부산물인 비산재는 아직 효과적으로 재활용되지 않고 있다. 한편 건축 자재로 많이 사용되고 있는 시멘트는 생산 특성상 탈탄산 공정과 고온의 조건이 필요하기 때문에 CO2를 많이 배출한다. 이와 다르게 지오폴리머는 생산 과정에서 CO2 발생량이 매우 적다. 또한 지오폴리머는 시멘트보다 뛰어난 압축 강도와 내화학성을 가지고 있으므로 시멘트 대체재로 이용될 수 있다. 또한 화력발전소의 또 하나의 부산물인 온배수 재이용을 통해 온도유지에 필요한 에너지 절감이 가능하고 온배수가 그대로 배출되면서 발생하는 해양생태계 피해도 막을 수 있다. 비산재를 재활용하여 지오폴리머로 만드는 시스템에 온배수 재이용까지 더하여 화력발전소 부산물의 경제적 처리와 CO2 발생량 저감을 통한 지구온난화 방지라는 목표를 이루고자 한다.

라) 폐기물의 자원화로 자원순환사회 유지에 기여

온배수 재활용으로 인한 기대효과

가) 온배수로 열을 공급함으로써 온도 유지에 필요한 자원과 에너지 절약

나) 온배수가 그대로 바다로 배출되는 것을 방지하여 해양생태계 피해 저감

다) 기존의 수산업, 농업 분야로 한정된 온배수 재활용 방식의 다양화

지오폴리머로 시멘트 대체 시 기대효과

가) 특별한 혼화재 첨가 없이 일반 포틀랜드 시멘트보다 높은 압축 강도를 효율적으로 확보 가능

나) 낮은 투수성을 가지고 있어 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용 가능

다) 높은 내구성과 내화학성으로 기존의 시멘트가 사용될 수 없었던 해안구조물이나 강산성 노출분야의 구조물 등에도 사용 가능

라) 매우 빠른 경화속도로 급보수가 요구되는 도로의 보수재료로서 사용이 가능

마) 시멘트 생산 대비 이산화탄소 발생량을 90%까지 저감하여 지구온난화 방지에 기여

구성원 및 추진체계

1) 강동성 : 자료 수집, 이론 분석, 경제성 분석 및 보고서 취합

2) 오한영 : 자료 수집, 캐드 프로그램 활용, 상세 설계 및 피피티 제작

3) 조형원 : 자료 수집, 장비 설계 및 결과물 제작 담당

설계

설계사양

1) 제품의 요구사항

2) 평가 내용

가) 설계 목적 리스트

(1) 설치비가 저렴할 것

(2) 차지 공간이 적을 것

(3) 유지비가 적을 것

(4) 석탄재를 재활용할 것

(5) 주변 환경을 보호할 것

(6) 지구 환경을 보호할 것

(7) 고장이 적을 것

(8) 수명이 길 것

(9) 요구하는 성능을 발휘할 것

(10) 지속적으로 생산 가능할 것

(11) 다른 화력발전소와 연계를 할 수 있을 것

나) 목적 계통도

다) QFD

개념설계안

대상지 선정

위치 : 당진화력발전소

가) 석탄회 생산량

위와 같이 석탄회 생산량 순위가 보령, 하동, 당진 순으로 많은 것을 파악하였다. 석탄회를 재활용하는 시스템을 설치하므로 석탄회 생산량이 많을수록 유리하다.

나) 다른 화력발전소와의 연계에 유리한 위치적 특성

영흥, 당진, 태안 화력발전소가 인접한 곳에 위치해있고 보령, 서천 화력발전소도 거의 같은 지역에 밀집해있는 것을 알 수 있다. 다른 화력발전소와의 연계를 통해 서로 필요한 원료를 주고받을 수 있으며 석탄회 생산량이 많은 화력발전소들의 밀집 지역에 시스템을 설치하면 더 높은 효율을 낼 수 있다고 생각한다. 다) 비산재의 높은 원료적 특성

지오폴리머 생산에 필요한 성분은 SiO2와 Al2O3이다, 당진 화력발전소의 비산재는 두 성분이 각각 평균 79%와 12.6%를 차지하고 있다. 두 성분의 평균함량이 합쳐서 90%를 넘어가므로 지오폴리머 생산에 있어서 매우 적합한 원료라고 볼 수 있다

설치 공간

가) 온배수 발생지점 부근

사진의 녹색 지점이 당진화력발전소의 온배수 발생지점이며 발생한 온배수는 녹색 흐름 방향의 배수관을 따라 이동한다. 이 온배수는 화력발전소 부근의 지역난방, 원예 단지 조성 등에 재이용되기도 한다. 사진의 빨간 설치예정지는 온배수 발생지점 바로 인근이기 때문에 배수관의 온배수를 끌어서 쓰기 용이하다는 이점이 있다.

나) 충분한 공간

당진화력발전소의 크기를 고려하였을 때 설치예정지의 공간은 지오폴리머 합성 장치를 설치하기에 충분히 큰 공간이라고 판단하여 이 지점에 장치를 설치하기로 하였다.

다) 이동성

이 장소는 바로 옆에 도로가 깔려있고 들어오고 나가는 데 장애물이 없어 화력발전소에서 나온 부산물을 쉽게 운반할 수 있는 편리함을 갖추고 있다.

라) 온배수관 이용 방법

경화조는 지오폴리머가 경화되는 동안 일정한 온도가 유지되어야 하므로 계절에 따른 온도변화를 막기 위해 온도 유지 장치가 필요하다. 이러한 온도 유지 장치의 효율을 상승시키기 위해 기존의 온배수관의 경로를 경화조를 지나도록 살짝 변경하여 경화조 표면 온도를 높여 열 손실을 방지하고자 한다.

시스템

비산재를 재활용한 지오폴리머 합성 시스템 개념도

가) 교반조

지오폴리머를 만드는 과정에 석탄재와 알칼리 수화물을 교반하는 작업이 필요하다. 이때 주입하는 알칼리 수화물의 농도에 따라 지오폴리머의 강도가 영향을 받는다. 교반조에서는 알칼리 수화물로 지오폴리머의 강도가 최대가 되도록 하는 12M의 NaOH 용액을 사용한다. 알칼리 수화물의 지속적인 공급을 위해 알칼리 수화물 저장소도 설치한다.

나) 경화조

알칼리 수화물과 교반된 석탄재는 열을 받아 굳어지는 경화 과정을 거친다. 경화 과정이 압축강도에 미치는 영향을 살펴보면 70도의 온도에서 12시간 동안 경화시켰을 때 지오폴리머의 압축강도가 최대가 된다. 70도의 온도를 계절에 따른 온도변화에 맞춰 유지하기 위해 온도 유지 장치를 설치하고 화력발전소의 온배수를 이용하여 효율을 높인다.

다) 분쇄조

굳어져 있는 상태보다 시멘트와 같이 가루로 만들면 저장이 용이하고 원하는 형태로 만들 수 있어 훨씬 다양하게 쓰일 수 있다. 또한, 일상생활에서도 손쉽게 사용할 수 있다. 따라서 분쇄기를 이용하여 굳어진 지오폴리머를 가루 형태로 만든다.

라) 저장소

분쇄과정을 거쳐 가루 형태로 만든 지오폴리머를 수요자에게 가기 전 저장하는 단계로 생산량과 수요량에 따른 용량이 필요하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

지오폴리머 생산량

가) 당진화력발전소의 비산재 생산량 : 1072 kt/year → 122374429.2g/hour

나) 비산재 속 SiO2, Al2O3, 기타 성분

SiO2(중량%) : 0.79 Al2O3(중량%) : 0.126 기타 성분(중량%) : 0.054

(1) SiO2 : 122374429.2g/hour X 0.79 = 96675799.09g/hour

(2) Al2O3 : 122374429.2g/hour X 0.126 = 15419178.08g/hour

(3) 기타 성분 : 122374429.2g/hour X 0.054 = 6608219.18g/hour

다) 비산재 속 Si, Al 중량

(1) Si : 96675799.09g/hour X 28(Si 원자량) / 60(SiO2 분자량) = 45115372.91g/hour

(2) Al : 15419178.08g/hour X 27(Al 원자량) X 2 / 102(Al2O3 분자량) = 8163094.279g/hour

라) Si와 Al 성분비를 5:1로 맞추기 위해 추가 투입되는 Al의 양 : 859980.3g/hour

마) Al 총량 : 비산재 속 Al의 양(8163094.279g/hour) + 추가 투입하는 Al의 양(859980.3g/hour) = 9023074.581g/hour

바) 필요한 Na의 양 : Al 총량 X 1.5 = 13534611.87g/hour

사) 화학반응식을 이용한 지오폴리머 생산량 계산

(1) 화학반응식 : 5Si + Al + 10O → (SiO2)5Al

(2) 지오폴리머 생산량 : 105376621 g/hour

아) 총생산량 : 화학반응식(105376621g/hour) + 기타 성분(6608219.18g/hour) + Na투입량(13534611.87g/hour) = 125519452.1g/hour → 125.5194521t/hour

알칼리수화물 양

가) 알칼리수화물은 NaOH를 사용

나) Na과 Al의 성분비는 1.5:1으로 설정

다) Al 총량 : 비산재 속 Al의 양(8163094.279g/hour) + 추가 투입하는 Al의 양(859980.3g/hour) = 9023074.581g/hour

라) Na 필요량 : Al 총량 X 1.5 = 13534611.87g/hour → 588461.3857mol/hour

마) 10M의 NaOH 수화물 양 : 58846.13857L/hour

각 조 용량

가) 교반조

(1) 최대 2톤 적재가 가능한 대형 광산 교반기 이용

(2) 교반 시간은 20분으로 하여 교반기 1대 당 6t/hour 처리

(3) 126t/hour 처리해야 하므로 교반기 21대 운영 + 4대 추가 운영을 통해 각 교반기의 최대 부담 감소 → 총 25대의 교반기로 운영

(4) 교반기 1대 당 크기(L*W*H) : 1690*1500*2386 (mm) → 교반조 크기(5X5 배치) : 1690*5 X 1500*5

(5) 교반기 사이의 여유 공간을 450mm로 설계

(6) 교반조 높이는 교반기 높이의 3배로 설계 : 2386 X 3 = 7158 (mm)

(7) 최종적인 교반조의 크기(L*W*H) : 11.15*10.2*7.158 (m)

나) 알칼리수화물 저장소

(1) 필요한 알칼리수화물 양 : 58846.13857L/hour → 58.84613857m3/hour

(2) 알칼리수화물 저장소의 용량은 3일분으로 설계 : 4237m3

(3) 최종적인 알칼리수화물 저장소의 크기(L*W*H) : 16*16*17 (m)

다) 알루미늄 저장소

(1) 추가 투입하는 Al의 양 : 859980.3g/hour → 0.8599803t/hour

(2) Al 공급 형태 : Al2O3

(3) 공급하게 되는 Al2O3의 양 : 1.6245t/hour

(4) Al2O3의 밀도 : 3.95~4.1t/m3 → 4t/m3로 계산

(5) 추가 투입하는 Al2O3의 부피 : 1.6245t/hour / 4t/m3 = 0.406125m3/hour

(6) Al 저장소의 저장 용량은 3일분으로 설계 → 0.406125m3/hour X 72hour = 29.241m3

(7) 최종적인 Al 저장소의 크기(L*W*H) : 3*3*3.4 (m)

라) 경화조

(1) 지오폴리머 생산량 : 126t/hour

(2) 지오폴리머 밀도는 성분의 함량에 따라 변할 수 있어 압축 강도가 크게 차이나지 않는 시멘트의 일반적인 밀도인 3.15t/m3을 지오폴리머의 밀도로 가정

(3) 경화된 지오폴리머의 부피 : 126t/hour / 3.15t/m3 = 40m3/hour

(4) 경화조의 저장 용량은 3일분으로 설계 → 40m3/hour X 72 hour = 2880m3

(5) 최종적인 경화조의 크기(L*W*H) : 14.2*14.2*15 (m)

마) 저장조

(1) 지오폴리머 생산량 : 126t/hour

(2) 경화된 지오폴리머는 분쇄기로 가루 형태로 분쇄 후 포대로 포장해서 저장

(3) 판매되고 있는 가루형태의 시중 시멘트가 40kg 당 0.048m3이므로 밀도를 계산해보면 833kg/m3

(4) 분쇄된 지오폴리머의 밀도를 가루 형태의 시멘트와 비슷하다고 가정하고 계산

(5) 126t/hour / 833kg/m3 X 1000kg/t = 151.2605m3/hour

(6) 저장 기간은 1주일로 설계 → 151.2605m3/hour X 72hour = 10890.8m3

(7) 사람이나 지게차가 들어가서 움직일 수 있는 여유 공간(L, W) : 5m, 5m

(8) 최종적인 저장조의 크기(L*W*H) : 27.1*27.1*25 (m)

시멘트 대체로 인한 이산화탄소 저감량

가) 지오폴리머로 시멘트 대체 시 CO2 90% 저감 가능

나) 시멘트 1kg 생산 시 발생하는 CO2의 양 : 0.85kg

다) 저감가능한 CO2의 양 : 96007.5kg/hour → 96t/hour

지오폴리머 합성 시스템 설치로 인한 순이익

가) 예상 매출액

(1) 시멘트 도매가 1kg 기준 112원

(2) 원활한 판매를 위해 지오폴리머 판매 가격을 1kg 기준 100원으로 책정

(3) 지오폴리머 생산량 : 125.5t/hour

(4) 전량 판매 시 매출액 : 9,036,000,000원/month

나) 운영비

(1) 전기비

(가) 산업용(을) 적용

(나) 요금적용 전력 : 1600kW

(다) 수전전압 : 고압A:선택 1

(라) 전기 사용량 : 1,105,200kwh

(마) 사용기간 : 1달 기준

(바) 총 전기비 : 162,043,190원/month

(2) 가스비

(가) 보일러 DMXD 1500PG 사용

(나) 필요 연료량(LPG) : 855.4kg/h

(다) 산업용 LPG 가격 : 989원/kg

(라) 급수 온도 20℃를 기준으로 온도 1℃ 상승 시 30,455,000원이 필요할 것으로 추정

(마) 자연수보다 평균적으로 7℃ 높은 온배수를 사용함으로써 절약 가능한 비용 : 395,915,000원/month

(바) 총 가스비 : 1,126,835,000원/month

다) 원료비

(1) 알칼리수화물(NaOH 사용)

(가) NaOH 가격 : 225,000원/t

(나) 필요 NaOH량 : 13.534612t/hour → 9744.912t/month

(다) 알칼리수화물 구입비 : 2,192,607,144원/month

(2) 추가 투입 알루미늄(Al2O3 사용)

(가) Al2O3 가격 : 675,300원/t

(나) 필요 Al2O3량 : 0.85t/hour → 612t/month

(다) Al2O3 구입비 : 413,283,600원/month

라) 기타 비용

인건비, 기계수리비, 돌발 상황 등 우리 연구팀이 예상하지 못한 비용을 운영비의 25% 정도로 고려 → 약 10억 원/month

마) 예상 순이익

예상 매출액 - (운영비 + 원료비 + 기타 비용) = 9,036,000,000 - {(162,043,190+1,126,835,000)+(2,192,607,144+413,283,600)+1,000,000,000} = 4,141,231,066원/month

상세설계 내용

사용 장비

가) 입도분석기

투입되는 비산재의 입도를 분석하는 기계이다. 레이저 회절을 이용하여 분말 입자의 크기를 분석한다.

나) 화학조성분석기

비산재의 화학조성을 분석하여 Si와 Al의 성분비를 확인한다. 지오폴리머 압축 강도를 높이고 합성된 지오폴리머의 상품성을 균일하도록 만들기 위하여 Si와 Al의 성분비를 최적의 비인 5:1로 유지한다. 화학조성 분석을 통해 추가로 투입해야 할 부족한 성분의 양을 계산한다.

다) 공기분급기

화학조성분석기에 의해 분석된 비산재들을 입자의 특징을 이용하여 입도별로 분류하는 장치이다. 공기 중 고체 입자를 비중 차로 생기는 침강속도의 차이를 이용하여 굵은 입자와 상부로 날아가는 작은 입자로 분리하는 기계이다. 입도가 45㎛ 이상인 것들은 분쇄기로 보내 크기를 45㎛ 이하로 줄여 교반조로 보내지는 비산재의 입도를 고르게 하고 반응성을 높인다.

라) 볼밀

공기분급기에 의해 분류된 입도가 큰 비산재를 분쇄한다. 입도가 큰 비산재를 분쇄하여 작게 만들면 알칼리수화물과의 반응성을 더 높일 수 있다. 직경 25mm이하의 비산재를 분쇄하여 45㎛ 수준의 입자로 만든다. 처리용량은 전체 비산재양의 약 30%로 한 시간에 약 36t을 처리해야 한다.

마) 교반기

충분히 분쇄되어 반응이 가능한 비산재와 적정량의 알칼리수화물을 섞는 역할을 한다. 회전속도가 320(r/분)이고 적재 용량은 2t이다. 교반 시간은 20분으로 하여 교반기 1대 당 1시간에 6t의 양을 처리하게 할 예정이다. 당진화력발전소 비산재의 양과 알칼리수화물 양을 고려하여 25대의 교반기를 사용한다.

바) 조크러셔

경화된 지오폴리머의 유통, 보관을 용이하게 하고 구매자의 편의성을 높이기 위해 부피가 큰 지오폴리머를 가루형태로 분쇄하는 역할을 한다.

사) 콘크러셔

경화된 지오폴리머의 유통, 보관을 용이하게 하고 구매자의 편의성을 높이기 위해 부피가 큰 지오폴리머를 가루형태로 분쇄하는 역할을 한다.

조립도

전제 공정도

가) 입도분석기

공급되는 비산재의 입도를 분석하여 그 정보를 공기분급기와 분쇄기에 전달한다. 분석된 정보를 바탕으로 공기공급기와 분쇄기의 작동효율을 결정한다.

나) 화학조성분석기

공급되는 비산재의 화학조성을 분석한다. Si와 Al의 성분비를 확인하여 추가 투입할 Al의 양과 Al 총량을 계산한다. 계산된 Al 총량을 바탕으로 알칼리수화물의 필요량을 계산한다.

다) 공기분급기

공기 분급기를 설치하여 비산재를 입도별로 분류하고 입도가 45㎛ 이상인 것들은 분쇄기로 보내 크기를 45㎛ 이하로 줄여 교반조로 보내지는 비산재의 입도를 고르게 하고 반응성을 높인다.

라) 분쇄기

공기분급기에서 분류한 입도가 큰 비산재를 분쇄기를 통해 분쇄한다. 볼밀(Ball mill)을 사용하여 비산재의 크기를 45㎛ 이하로 분쇄하고 알칼리수화물과의 반응성을 높인다.

마) 교반조

지오폴리머를 만드는 과정에 석탄재와 알칼리수화물을 교반하는 작업이 필요하다. 이 때 주입하는 알칼리수화물의 농도에 따라 지오폴리머의 강도가 영향을 받는다. 당진화력발전소의 비산재 성분을 살펴보면 Si와 Al의 평균적인 성분비는 5.5:1 정도로 나타난다. 우리 연구팀은 지오폴리머의 압축 강도를 높이기 위하여 강남희 외 3명의 논문에 따라 Si와 Al의 성분비를 5:1로 유지할 것이며 이에 따라 Al의 추가 투입이 예상된다. 추가로 공급되는 Al 양을 고려하여 Al 저장소를 설치한다. 알칼리수화물로는 10M의 NaOH를 사용하고 알칼리수화물의 지속적인 공급을 위해 알칼리수화물 저장소도 설치한다.

바) 경화조

알칼리수화물과 교반된 비산재는 열을 받아 굳어지는 경화과정을 거친다. 경화과정의 온도와 시간에 따라 압축강도에 미치는 영향이 달라진다. 40~100℃ 사이의 온도에서 온도가 높을수록 초기강도가 높지만 온도가 낮을수록 재령 시 강도증가율이 매우 커진다. 일반 시멘트의 압축강도인 24MPa보다 큰 강도를 얻기 위해서는 최소 50℃의 경화온도가 필요할 것으로 보인다. 또한 지오폴리머는 경화된 후 재령기간을 거치면서 압축강도가 더욱 커지는데 경화시간을 24시간보다 크게 하면 재령기간을 거친 후 오히려 압축강도가 작아지는 연구결과가 있었다. 이에 따라 우리 연구팀은 50℃의 온도에서 24시간 동안 경화시키기로 결정하였다. 또한 우리 연구팀은 화력발전소로부터 나온 온배수를 이용하여 기본적인 열을 공급하고 외부로 새어나가는 열 손실을 최소화 하려고 한다. 온배수는 기본적으로 자연수보다 평균 7℃가량 높다. 국립 해양 조사원에 의하면 서해안의 평균 수온은 11℃ ~ 15℃이므로 온배수의 평균 온도는 18℃ ~ 22℃이다. 이러한 온도를 가진 온배수만으로는 50℃의 온도를 유지할 수는 없다. 또한 일교차나 계절 변화에 따라 경화조 외부의 온도가 변할 수 있다. 따라서 항상 일정한 온도를 유지시켜줄 온도유지 장치를 설치하고 온배수를 활용하여 에너지 사용과 낭비를 줄일 계획이다. 사용한 온배수의 온도는 다시 자연수와 비슷하게 조정하여 열로 인한 환경피해를 줄이고자 한다.

사) 분쇄조

굳어져있는 상태보다 시멘트와 같이 가루로 만들면 저장이 용이하고 원하는 형태로 만들 수 있어 훨씬 다양하게 쓰일 수 있다. 또한 일상생활에서도 필요한 만큼 손쉽게 사용이 가능하다. 조 크러셔와 콘 크러셔를 연속으로 사용하여 굳어진 지오폴리머를 30mm 이하의 가루 형태로 만든다.

아) 저장조

분쇄과정을 거쳐 가루형태로 만든 지오폴리머를 포대에 포장하여 출하하기 전 저장하는 단계로서 생산된 지오폴리머의 재령기간을 포함한다.

소프트웨어 설계

1) 입도분석기 – 공기분급기, 분쇄기, 교반조

공급되는 비산재의 입도를 분석하여 그 정보를 공기분급기와 분쇄기, 교반조로 전달한다. 전달받은 정보를 바탕으로 기기의 작동 시간, 작업 효율 등을 정한다. 기기를 효율적으로 운영함으로써 에너지의 낭비를 줄이고 최대 부담을 덜어 기기 수명을 연장한다.

2) 화학조성분석기 – 알루미늄 저장소

공급되는 비산재의 화학조성을 분석하여 Si와 Al의 성분비를 5:1로 맞춰주기 위한 추가 성분 투입량을 계산한다. 당진화력발전소의 성분비는 Si가 Al보다 약 5.5배 이상 많은 것으로 나타나므로 Al의 추가 투입이 예상된다. 추가 투입이 필요한 양에 대한 정보를 알루미늄 저장소로 전달한다.

3) 화학조성분석기 – 알칼리수화물 저장소

Na/Al 비를 1.5로 맞춰 알칼리수화물의 공급량을 결정하여야 하므로 Al 총량에 대한 정보가 필요하다. 화학조성분석기를 설치하여 공급되는 비산재를 분석하고 이를 바탕으로 Al 함량과 추가 투입 필요량을 합하여 Al 총량을 계산한다. Al 총량을 이용하여 알칼리수화물 공급량을 결정할 수 있도록 설계한다.

4) 온도유지 장치

교반조에서 알칼리수화물과 교반된 비산재는 경화조로 보내져 적정 온도에서 적정 시간 동안 굳어지는 경화과정을 겪는다. 적정 온도를 유지해주기 위해 화력발전소의 온배수를 재이용하여 열 공급과 손실에 대한 부분을 보완하려 한다. 경화과정에 필요한 온도보다 온배수의 온도가 낮아 온배수만으로는 경화과정에 필요한 온도를 유지할 수 없다. 온배수는 항상 비슷한 온도로 공급되지만 일교차나 계절의 변화에 따라 경화조의 외부 온도가 많이 차이날 수 있으므로 경화조에 온도유지 장치를 설치하여 항상 일정한 온도를 유지한다.

5) 수요자 요구, 용도에 따른 압축 강도 조절

생산량 조절을 따로 하지는 않지만 수요자의 합리적인 요구가 있을 경우 그에 맞춰 압축 강도를 조절할 수 있다. 압축 강도를 조절하기 위해서는 알칼리수화물의 농도, 경화 온도, 경화 시간의 조정이 필요하다. 예를 들어서 저강도의 지오폴리머가 필요할 경우 들어올 경우 경화 시간을 줄인다면 강도가 낮아진다. 따라서 저강도 지오폴리머를 생산할 경우 소요 시간이 짧아져 더 많은 지오폴리머를 만들어낼 수도 있을 것이다.

자재 소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입

포스터

완료작품의 평가

1) 비산재 재활용률

기존의 재활용 방식에 의한 실질적인 비산재 재활용률은 약 70%로 나타난다. 화력발전소에 지오폴리머 합성 시스템을 설치하여 해당 화력발전소의 비산재를 100% 재활용할 목표를 가지고 있었으나 유해물질이나 불순물 포함, 운반 시 소실될 가능성 등을 고려하면 현실적으로 100% 달성은 힘들 것으로 예상된다.

2) 압축강도

포틀랜드 시멘트의 일반적인 압축강도는 24MPa이다. 시멘트를 대체하기 위해 24MPa 이상의 압축강도가 필요하다. Si와 Al의 성분비를 5:1로 맞추고 50℃ 의 온도에서 24시간 동안 경화시켜 생산되는 지오폴리머의 압축강도가 27MPa로 예상되므로 충분한 압축강도를 확보할 수 있다.

3) CO2 배출 저감

지오폴리머로 시멘트를 대체하면 시멘트 생산과정에 비하여 CO2 배출량을 최대 90%까지 저감할 수 있다는 연구결과가 있지만 원료의 성분비나 기타 조건에 따라 다소 차이가 있으므로 최대 효율을 내기 위한 논의가 좀 더 필요하다.

4) 비용 절감

온배수 재활용을 통해 한 달에 약 4억 원 절약할 수 있고 이는 난방비의 약 27%에 해당한다.

5) 수익성

예상 매출액과 운영비, 원료비, 기타 비용을 고려한 수익이 한 달에 약 40억 원으로 예상된다. 하지만 기타 비용에 대한 불확정성으로 약간 감점하였다.

6) 분석 타당성

이론적으로 분석한 결과에 하자가 없는지 판단하는 항목으로 논리적 비약이나 근거가 부족한 부분, 보완할 점 등을 고려하여 감점하는 방식을 사용하였다.

향후계획

1) 공정 운영 시 발생되는 폐수나 대기오염물질에 대한 처리 방안 논의

2) 일부 비산재에 함유된 중금속 등의 유해물질 제거 방법 논의

3) 생산된 지오폴리머가 주변 환경이나 소비자에 좋지 않은 영향을 미칠 수도 있으므로 사전영향평가 필요

4) 온배수 재이용에 있어서 기존 방식과의 효율성과 경제성 비교

5) CO2 저감에 있어서 최대 효율을 내기 위한 논의 필요

6) 기업과 소비자들에게 지오폴리머에 관한 우수성 홍보를 위한 전략 수립

7) 정부로부터 부산물 재활용에 대한 공공성을 확인받고 보조금을 받기 위한 계획 수립

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