개과천선

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.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

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.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

특허번호 10-1901684-0000 특허명 석탄 바닥재를 이용한 속성 고강도 지오폴리머의 제조 방법 (Method for preparing geopolymer with high compressive strength using coal bottom ash) 특허권자 흥국산업(주) 개요 본 발명은 석탄 바닥재와 알칼리 활성화제의 혼합물이 겔 상태가 되지 않도록 종래 기술보다 상대적으로 적은 양의 알칼리 활성화제를 사용하며, 지오폴리머 시편의 오븐 양생 후에 마이크로웨이브 조사 과정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 석탄 바닥재를 이용한 지오폴리머의 제조 방법에 관한 것이다.

특허번호 10-0846821-0000 특허명 플라이 애시로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정 (An improved process for the production of geopolymeric material from fly ash) 특허권자 카운슬 오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 개요 본 발명은 플라이 애시로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 제공한다. 이 제조공정은 볼 제분기나 버티컬 롤러 제분기에서 가공하지 않은 플라이 애시 물질을 분쇄하여 제분하는 단계, 이것을 기계적 혼합기에서 조화시켜 섞는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다.

특허번호 10-1592996-0000 특허명 하이브리드 냉난방장치를 이용한 온배수 폐열 재활용시스템 (Waste heat recycling system using a hybrid heat pump) 특허권자 이완호 개요 온배수 폐열 재활용시스템은 하이브리드 냉난방장치, 폐열교환기, 냉각용 열교환기 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 냉난방장치는 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하로 냉수를 공급하고, 상기 난방부하로 온수를 공급하며, 상기 급탕 탱크로 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 폐열교환기는 상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 발전소의 온배수 배출수로 상에 설치되어 온배수로부터 폐열을 회수한다. 상기 냉각용 열교환기는 상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결된다. 상기 재활용 단지는 상기 냉방 부하 및 상기 난방 부하로부터 냉방 또는 난방을 공급받으며, 상기 발전소의 온배수 배출수로에 인접하도록 설치된다.

• 기술 로드맵

1950년대 1960~70년대 1980년대 1990년대 2000년대 2010년대 지오폴리머 연구개발 과정 Glukhovsky(Ukraine) : 알칼리활성화 된 슬래그 시멘트 개발

-Wang et al.(China) : 알칼리 활성화된 슬래그 콘크리트의 수화생성물 및 압축강도 특성 연구-Davidovits(France) : 카올리나이트 및 석회석의 알칼리활성화 지오폴리머 국제 컨퍼런스 개최 -Shi et al.(Canada) : 포조란 반응재료(슬래그, 플라이애시)의 반응성 평가 -Van Deventer(Australia) : 다양한 지오폴리머 결합재의 수화생성물 평가, 지오폴리머 결합재의 특성들에 대한 평가(결합재 특성 평가를 위한 페이스트 연구에 중점, 주로 슬래그 기반 알칼리활성 콘크리트 연구에 중점) -Rangan et al.(Australia) : 지오폴리머 콘크리트의 역학적 특성 평가 -Van Deventer(Australia) : 지오폴리머 콘크리트의 내구성 평가 -국내 : 지오폴리머 결합재 개발에 대한 기초연구 단계(플라이애시 및 메타카올린 기반 결합재 개발에 중점, 콘크리트 배합설계 및 역학적 특성들에 대한 연구부족)

국내 비산재 재활용을 위한 연구개발 과정

-석탄회 이용 확대방안(82) -석탄회를 이용한 경량건축재 제조연구(84~86) -콘크리트 혼화재로서의 석탄회 이용방안 연구(87~89) -비산재 이용 경량 건축재 실용화 연구(88~90) -석탄회의 농업적 활용 기초연구(89~90) -성토제로서의 석탄회 이용방안 연구(90~92) -토양개량재로서의 석탄회 이용연구(91~94) -무연탄회 고부가가치 활용개발 연구(96~97) -댐 콘크리트의 내구성 향상방안 연구(98~99) -화력발전소 석탄회 재활용 제고를 위한 환경안전성 연구(03) -플라이애시와 OPC를 혼합한 플라이애시 시멘트 제조에 관한 연구(09)

-석탄회와 토사류 혼합에 관한 환경성 조사 연구(11)

국내 온배수 활용

-감천화력발전소의 진주 조개 양식장(63) -영동화력발전소의 넙치 양식(83) -보령화력발전소의 꽃게, 전복 양식(88) -보령화력발전소의 어류 종묘 생산(90) -영광원전에서의 성어 생산(94) -삼천포화력발전소의 넙치, 돌돔, 능성어 양식(02) -고리원전에서의 진주 양식(04) -영흥화력발전소의 전복 양식(08) -온배수를 활용한 수족관 개관(10) -경주 바다목장사업 선정(10) -제주 서귀포시 시설원예 농업에 난방 공급(10) -인천 북항 일대 온배수를 이용한 제설작업(11) -화훼농가에 난방 공급(12)

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

가) 매립

가장 간단하고 쉬운 처리 방법이다. 간척사업에 필요한 많은 양의 토사를 석탄재로 대체할 시 지속적인 토사채취로 인한 환경훼손을 저감할 수 있다. 하지만 이미 포화상태인 매립지의 신규 부지 확보에 대한 부담이 크고 일부 석탄재에 있는 유해물질의 유출로 2차 환경오염을 유발할 가능성이 높다.

나) 시멘트 혼화재

포틀랜드 시멘트와 성분이 일부 유사하여 소각재를 시멘트 원료 중 점토질원료 대용으로 일부 혼합해 사용한다. 일반적으로 5% 이하로 혼화가능하다. 시멘트는 중금속을 안정화하는 효과가 있어 일부 비산재에 들어있는 중금속 유출 문제를 방지할 수 있다. 하지만 다른 처리과정 없이 물리적 선별만으로 비산재를 사용하므로 시멘트의 강도나 여러 특성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 또한 시멘트 혼화재로 사용하기 위해 비산재를 1000℃ 이상의 온도에서 용융시켜야하기 때문에 그에 따른 에너지 소모가 심하다.

다) 콘크리트 혼화재

석탄재를 재활용함으로써 매립지 문제를 해결하고 콘크리트를 만들기 위해 사용되는 시멘트 양을 줄여 이산화탄소 배출을 저감시킬 수 있다. 약 10% 정도 혼화 가능하고 주로 석탄재 중 적은 비율을 차지하는 바닥재를 사용하므로 실질적인 부가가치 창출은 크지 않다. 또한 비산재를 물리적으로 선별하여 편하고 간단하지만 중금속과 다이옥신 등은 제거되지 않는다.

• 마케팅 전략 제시

Strengths ◇ 적은 에너지로 높은 압축강도 확보 가능 ◇ 적은 CO2 발생량 ◇ 저렴한 생산단가로 수익성 확보 가능 ◇ 비산재를 원료로 사용하여 다량의 비산재 처리 가능

Weaknesses ◇ 유해물질 검출 여부 확인 필요 ◇ 상용화된 기술이 아니므로 제품에 대한 신뢰도와 인지도 확보 필요 ◇ 알칼리수화물 합성 시 발생하는 CO2 발생량 고려 ◇ 폐기물이라는 인식 개선에 필요한 초기 투자와 이미지 메이킹 필요

Opportunities ◇ 화력발전소 비산재 재활용 효과 ◇ 온배수 재활용 효과 ◇ CO2 발생량 저감으로 지구온난화 방지에 기여 ◇ 화력발전소 간의 연계로 효율적인 원료 공급과 상품 보관 가능

Threats ◇ 기존 재활용 방식들과의 실질적인 효율성 비교 필요 ◇ 정부 혹은 기업의 연구, 기술 개발, 투자 등이 필요 ◇ 발생되는 오염물질의 별도 처리 필요

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용 1) 비산재 재활용으로 인한 기대효과 가) 처리에만 관심을 가지던 기존의 방식에서 비산재 자체로서의 수익성과 사업성을 확보할 수 있는 재활용 방식으로 전환 나) 비산재 재활용률 상승으로 인한 신규 매립지 확보에 대한 부담 감소 다) 매립 처분 감소로 인한 매립지 주변 환경오염 방지 라) 폐기물의 자원화로 자원순환사회 유지에 기여

2) 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

3) 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

제품의 요구사항

부산물 재활용률 상승 폐열 재활용률 상승 기존의 재활용 방식 대비 경제성 확보 열 재활용과 시멘트 대체를 통한 CO2 저감 지오폴리머 홍보 시스템의 내구성 확보

1) 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

설계 사양

내용

개념설계안

내용 1) 위치 : 당진화력발전소 가) 석탄회 생산량

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

완료작품의 평가

내용 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

내용 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

특허 출원 내용

내용