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2018년 12월 13일 (목) 23:41 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 [그림 1], [그림 2]와 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.

그림 . 결합재 종류에 따른 콘크리트 CO2의 배출량 비교

그림 . 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 대한 알칼리 활성 콘크리트의 CO2 저감비

바) 비산재를 이용한 지오폴리머 생성 과정

그림 . 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.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ===개발 과제의 개요===
 ====개발 과제 요약====
-내용
+ 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====
-내용
+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 [그림 1], [그림 2]와 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.
+그림 . 결합재 종류에 따른 콘크리트 CO2의 배출량 비교
+그림 . 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 대한 알칼리 활성 콘크리트의 CO2 저감비
+바) 비산재를 이용한 지오폴리머 생성 과정
+그림 . 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====
-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.
 ===관련 기술의 현황===