2019-11-13 Wed
 
석탄가스화 복합발전 용융슬래그의 콘크리트용 골재화(Ⅰ)
2019-09-02 10:37 17

서언

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 kWh당 정산단가가 81.8원에 불과하여 원자력(62.1원/kWh당) 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 석탄가스화 복합발전(Integrated Coal Gasification Combined Cycle, 이하 IGCC)을 대안으로 제시하고 있다. 그러므로 본고에서부터 몇회는 IGCC의 소개, IGCC슬래그의 콘크리트용 골재로 이용하기 위한 골재특성, 모르타르 및 콘크리트에 활용할 경우의 특성 등에 대하여 소개해 보고자 한다.


IGCC의 개요

IGCC는 석탄을 공기 중에서 직접 연소시키는 기존의 석탄화력 발전 방식과 다르게 그림 1과같이 석탄을 고온·고압의 증기에서 찐 합성가스의 연소로 전력을 생산하는 방법과 석탄가스화 과정 발생열로 전력을 생산하는 방법의 복합발전 형식인 것이다. 특히, IGCC의 특징으로는 공해물질을 기존 석탄 화력발전과 대비하여 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 추진되어 2016년 8월부터 사진 1과 같은 한국서부발전에서 발전용량 300MW인 태안 IGCC 플랜트의 상업운전을 시작하였다.
그러나, 이러한 IGCC에서는 연소과정 중 석탄회가 고온에서 용융되면서 슬래그 형태로 부산물이 배출되는데, 이것을 석탄가스화 용융슬래그(Coal Gasification Slag, 이하 CGS)라 한다. CGS는 사진 2와 같이 연간 약 3만 8천ton 가량이 발생하므로 아직 발생량이 많진 않지만, 향후 IGCC의 대규모 보급을 고려하면 효과적인 활용방안의 개발이 필요한 실정이다. 이에 필자 등의 연구 그룹에서는 CGS를 콘크리트용 골재로 활용하기 위한 연구를 진행하고 있다.


CGS의 발생과정

CGS는 IGCC의 반응기(가스화기: 그림 1참조)에서 석탄이 연소된 후 남은 재가 약 1400℃인 용융점 이상의 온도에서 용융 슬래그 형태로 가스화기 내부 표면을 따라 흘러내려 가스화기 바닥의 Water bath에서 급랭되면서 만들어진다.
CGS는 사진 3과 같이 일반적으로 색은 검고, 입자분포는 세립분말∼조립괴상 및 일부 침상 형태이며, 결정질이 거의 형성되지 않은 비정질상의 모래와 유사한 입상을 나타낸다.
CGS의 특성은 원탄 종류에 따라 화학조성이 달라지지만그림 2의 XRD분석 결과와 같이 주성분은 SiO2-Al2O3-CaO로 이루어져 있다.

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