서 론

최근 베트남 정부는 원자력 발전을 포기하고 석탄화력발전의 용량을 늘려가기로 결정했다. 그 이유는 자국 내 자원을 활용하고 석탄내수경제를 활성화하기 위해서인데 이 때문에 저렴하고 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 순환유동층형 석탄화력발전소가 재조명되고 있다.

석탄화력발전소의 연소방식은 크게 미분탄형과 유동층형으로 나뉘며 유동층형 방식으로 연소하는 경우 미분탄형 방식보다 CaO 함량이 높은 플라이애시(fly ash)가 발생하며 발생되는 양도 훨씬 많다(Lim et al., 2016). 순환유동층 연소방식(Circulating Fluidized Bed Combustion, 이하 CFBC)의 보일러는 850^oC~900^oC 사이의 연소 조건에서 연료의 연소에 의해 발생되는 황을 제거하기 위해 석회석을 혼입하는데, 이탈황제 역할을 하는 석회석과 화석연료가 혼합 연소되면서 부유입자가 순환되는 방식의 보일러이다. 특히 CFBC 발전소는 저급탄을 사용할 경우에 유리하다.

CFBC 발전소에서 발생하는 플라이애시의 특징으로 미분탄 보일러 애시와는 달리 고온에서의 연소 방식이 아니라 유리질이 생성되지 않고 부정형의 형태를 지니고 있으며, 석 회석 첨가에 의한 연소 중 탈황으로 CFBC 발전소 애시 중에 CaO와 SO₃ 성분의 증가로 상대적으로 SiO₂의 함량이 적게 함유되어 있다(Woo et al., 2013).

CaO 화합물이 다량 함유된 재료를 레미콘 혼화재나 시멘트의 원료로 사용할 경우 Free-CaO 성분이 콘크리트의 이 상 응결현상, 슬럼프의 손실, 지연제의 사용량 증가, 내구성 저하 등의 문제를 발생시키고 특히 콘크리트의 팽창, 균열 등의 문제를 발생하여 물성을 저하시킨다고 알려져 있다. 때문에 한국산업규격(KS L 5405)에 부합하지 못하여 레미콘 용도로는 사용되지 못하고 있지만 CaO 성분이 높아 연약지반의 고화처리에는 적합한 성질을 가지고 있다(Mun and Kwon, 2014).

플라이애시를 DCM 등의 베트남 연약지반 개량용 고화재로 활용할 경우, 시멘트의 클링커 생산에 필요한 석회석 등의 광물자원 고갈을 방지하고 클링커 제조에 소모되는 연료 와 동력을 절약할 수 있다. 또한 산업폐기물의 매립에 따르는 환경적, 경제적 부하를 감소시키는 등 많은 장점이 있다.

플라이애시를 고화재로 활용하기 위해서는 습윤함량, 분말도, 화학적 조성 등에 있어 엄격한 품질관리가 선행되어 야 한다. 하지만 베트남 플라이애시는 CFBC 발전소의 운영과 운전기술에 따라 이러한 특성들이 달라지는 경우가 많이 발생하여 실제 활용에 있어 제약점이 많다.

플라이애시에 대한 기존의 연구는 유동화 채움재의 활용과 특성에 대해 Lim et al. (2016)과 Gong et al. (2010)의 연구가 수행되었고 Cha ' Byeon (2004)와 Oh (2011)에 의해 건설재료와 공법으로서의 고화재로 언급된 바가 있다.

Keshawarz ' Dutta (1993)은 미국 텍사스주 남부의 두 곳에서 채취한 팽창성 흙을 플라이애시, 시멘트, 생석회와 혼합 후 개량효과에 대한 비교 연구를 수행하였고, Shen­baga ' Vasant (1999)은 플라이애시 및 플라이애시 혼합토에 대하여 성토재로서의 사용성에 관한 연구를 수행하였다.

플라이애시를 연약지반 고화재로 활용하기 위해서는 플라애이쉬의 성상과 특성을 정확히 파악해야 한다. 하지만 아직까지 베트남 플라이애시에 대한 물리적, 화학적 특성에 대한 연구는 시도된 바가 없다.

본 연구에서는 베트남 CFBC 발전소 플라이애시의 물리적, 화학적 특성을 규명하기 위하여 베트남 석탄화력발전소 4개소에서 채취한 플라이애시를 대상으로 각종 실내시험을 실시하였다. 4개 시료의 결과를 국내산과 비교하여 물리적, 화학적 변화와 특성을 분석하고 향후 베트남 연약지반 고화 재로의 활용가능성을 검토하고자 하였다.

고칼슘 플라이애시의 특성

고칼슘 플라이애시란 열병합 발전소 및 CFBC 방식의 발전소에서 보일러 노(盧)내에 탈황을 위해 석회석을 혼소함으로써 발생하는 연소재 중 CaO 성분이 일반 플라이애시에 탈황과정으로 인해 생성된 무수석고(CaSO₄)와 함께 비해 높기 때문에 붙여진 이름이다. 고칼슘 플라이애시 내 ettringite 생성을 유도하여 시멘트계고화재와 같은 고화매에는 여러 상태의 CaO가 존재하게 되는데, 이중 Free-커니즘을 발현한다. 이러한 특성으로 인해 기존의 시멘트계 CaO로 알려진 성분은 반응성이 빨라 응결을 앞당기고 반응 고화재보다 시멘트의 사용량을 저감하면서 환경부하가 적은 과정 중 발열 및 결합수로 다량의 수분을 소비한다. 또한 고화재의 제조가 가능하다(Shen et al., 2008).

베트남 CFBC 발전소에서 수급된 4종의 플라이애시는 각 각 Mao Khe 지역 발전소(이하 MK라함), Cao Ngan 지역(이하 CN), Dam Ha Bac(이하 DHB), Song Dong(이하 SD)지역의 발전소에서 채취한 것이다(Fig. 1).

Fig. 1.

Vietnam CFBC power plant location map.

베트남 플라이애시는 발생 혹은 배출 즉시 시설 내 사일로나 벌크트럭 등의 밀폐용 시설에 저장되거나, 재활용처리시설에 운반되는 국내와 달리 발생 후 발전소 내 노상에 적치되어 풍화되거나 이물질이 많이 섞여 저장 상태가 불량 하였다. 특히 CN은 풍화가 의심되는 알갱이가 다량 존재하였으며, SD는 나뭇잎 등의 이물질 등이 관찰되었다.

물리적 특성

베트남 발전소에서 수급된 4종의 플라이애시의 물리적 특성을 분석하기 위해 분말도, 입도, 비중, SEM 등의 실험을 진행하였다.

분말도 시험방법은 블레인 공기투과장치를 이용하여 플 라이애시의 분말로 만든 베드에 공기를 투과시켜 그 투과속도를 측정하고 비표면적을 산정하는 방식으로 측정하였다. 입도분석은 체분석과 측정범위가 0.02 μm~2,000 μm인 입도 분석기(Particle Size Analyser)를 이용하여 입자의 평균입도 및 입자크기 분포를 측정하였다. 비중분석은 KS L 5110에 의거하여 시멘트 비중 측정방법인 르샤틀리에 비중병을 이용하여 수행하였다. SEM은 일본 JEOL사의 전계방사주사 현미경(JSM-6701F)을 이용하여 표면형상 및 입자의 형태를 분석하였다.

분석결과 플라이애시의 비중은 MK가 2.42, DHB 2.35, SD 2.35, CN은 2.23으로 평균 비중이 2.4~2.5인 국내 유동층 보일러 발생 플라이애시와 비슷한 측정값을 나타내었다.

베트남 플라이애시의 입도

베트남 플라이애시의 분말도는 MK가 3,349 cm²/g, SD가 3,944 cm²/g로 나타나 일반 플라이애시 2종의 기준(3,000 cm²/g 이상)을 만족하였다. 그러나 DHB와 CN은 겉보기 비중이 작고 공극이커 블레인 공기 투과장치의 통과시간이 너무 짧아(10 이하)측정이 불가능하였다.

Table 1과 같이 체분석을 통해 체통과율을 측정한 결과 #200체(눈금크기 75 μm) 통과분이 MK는 89.8%, DHB 86.2%, SD 74.5%, CN의 경우는 37.1%로 나타나 CN을 제외하고 45 μm 이하 체잔분이 40% 이하인 일반 플라이 애시의 KS 기준을 상회한 것을 시험에서 확인할 수 있었다.

이와는 달리, 정밀입도분석(Particle Size Analysis)결과 45 μm 이하 체잔분이 MK는 85%, DHB 78.8%, SD 71%로 체분석실험과 비슷할 결과치를 나타냈으나 CN의 경우 체분석 결과와 달리 45 μm 이하 체잔분이 79%로 측정되어 일반 플라이애시의 물리적 품질 기준을 만족하는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 CN의 풍화작용에 의한 영향인 것으로 판단된다. 체분석과 입도분석의 시료 채취량과 범위가 다르기 때문에(체분석 100 g, 입도분석 1g 이하)즉 체분석의 경우 풍화되어 입경이 비대해진 시료가 다량 샘플에 포함되어졌기 때문으로 판단된다.

베트남 플라이애시 각각의 평균 입경은 MK 23.24 μm, DHB 30.14 μm, SD 35.52 μm, 그리고 CN은 31.19 μm로, 전체 베트남 플라이애시의 물리적 특성 분석 결과 4가지 모두 고화재의 원료로서 재료적 활성도 및 작업성 부분에서는 적합한 입도를 가진 것으로 판단되었다.

베트남 플라이애시의 입자 형태

베트남 플라이애시의 입자 형태를 확인하기 위해 SEM 분석을 실시하였다. 일반 플라이애시의 입자 형태는 구형의 형태를 하고 있어 시멘트나 콘크리트의 혼화재로 활용할 경우 시멘트의 유동성을 좋게하는 역할을 하나 열병합 발전 소의 플라이애시는 보일러 내 연소 온도가 900^oC 이하로 낮아 부정형의 형태를 하고 있으며 다공성의 미연탄소가 존재해 연약지반 개량용 고화재의 원료로 사용할 경우 유동성 감소로 인한 작업성이 저하되는 경향이 있다.

베트남 플라이애시의 SEM 분석 결과 국내 열병합 발전 소의 플라이애시와 같이 부정형의 입자를 가진 것으로 관찰 되었다(Fig. 3).

Fig. 2.

Particle size analysis results of CFBC fly ash in Vietnam.

Fig. 3.

SEM image of fly ash.

화학적 특성

베트남 CFBC 발전소에서 수급된 4종의 플라이애시의 화학적 특성을 분석하기 위해 pH, 강열감량, XRF, Free-CaO 함량 등의 실험을 수행하였다.

pH 분석은 pH meter를 이용하여 폐기물공정시험기준에 준해 측정하였고 플라이애시의 미연탄분의 함량을 예측하는 강열감량은 KS L 5405의 시험방법을 이용하여 측정하였다. XRF 분석은 각 성분 원소들을 파장에 따라 분리하는 파장 분산형 X-선 형광분석기(WD-XRF)를 이용하여 Vacuum/ Oxide mode에서 분석을 실시하였다.

연약지반용 고화재의 초기반응성에 유리한 성분인 Free-Cao 함량에 대한 분석은 공인시험기관인 한국세라믹기술원 에의뢰하여 ASTM C 114 방법으로 측정하였다.

베트남 플라이애시의 pH는 MK가 10.4, DHB 8.8, SD 8.8, CN은 11.5로 나타났다. 이는 보일러 사용 탄 종류나 사용 유동물질, 탈황제 등에 의해 8.5~11.5 범위의 pH 값을 나타내는 국내 플라이애시와 비슷한 경향이다.

Table 2는 베트남 플라이애시의 화학적 특성 분석 결과(XRF, 강열감량 LOI, Free-CaO)를 국내의 일반 플라이애시와 국내 열병합발전소 플라이애시와 비교하여 나타낸 것이다.

국내 열병합발전소 플라이애시는 주로 CaO 화합물과 CaSO₄ 결정으로 이루어져 있기 때문에 화학조성을 살펴보면 다량의 CaO 성분이 존재한다. 베트남 플라이애시의 화학조성 분석결과 CN을 제외한 3개 지역의 플라이애시는 주성분이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃로 국내 일반 플라이애시와 비슷한 화학조성을 나타냈으며, Free-CaO 함량도 0.03~0.17로 콘크리트 혼화재로 사용되는 일반 플라이애시에 대한 기준인 KS L 5405을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 강열 감량(Loss on Ignition, LOI)은 10.55%~38.20%로 나타나 4종 모두 국내 플라이애시보다 높은 결과 값을 나타내었다. 강열감량은 강한열(950 ± 25^oC)에 의한 시료질량의 감량을 원시료에 대한 백분율로 나타낸 것으로 연소되지 않은 형태의 탄분 함량을 측정하는 수치로 이용된다. 강열감량이 높은 경우 이물질의 혼입 유무나 풍화정도를 알 수 있으며 이 값이 높을수록 품질은 저하된다. 따라서 CN을 제외한 3종 의 베트남 플라이애시는 고칼슘 플라이애시라기보다는 일반 플라이애시에 가까우며 높은 강열감량으로 시멘트, 콘크리트 혼화재 외의 용도로 사용되는 저급 플라이애시로 분류할 수 있을 것으로 판단된다.

이와 달리 CN의 경우 국내 열병합 발전소 플라이애시와 화학적 특성이 유사하였으며 풍화 후의 Free-CaO 함량도 2.7%인 것을 고려하면 플라이애시 발생 직후 Free-CaO 함량은 더욱 높을 것으로 예측되므로 연약지반 개량용 고화재의 원료인 고칼슘 플라이애시로 활용이 가능할 것으로 보인다. 또한 높은 SO3 함량으로 인해 연약지반 개량용 고화재의 다른 원료인 고로슬래그와의 반응성도 좋을 것으로 판단된다.

고 찰

베트남에서 발생량이 급증하고 있는 CFBC 플라이애시에 대하여 연약지반 고화재로서의 활용가능성을 평가하고자 물리적, 화학적 특성을 분석하였다.

물리적 특성 분석결과 입자의 형태는 차이가 있지만 입도분포에서 4종의 시료 모두 고화재의 원료로서 적합한 입도를 가지는 것으로 나타나 물리적 특성에 기인한 품질기준은 만족하는 것을 알 수 있다. 화학적 특성 분석결과 베트남 플라이애시는 석회석을 사용하는 순환유동층형 발전소에서 발생하는 플라이애시임에도 불구하고 CN을 제외한 3종의 시료에서 CaO 함량이 다소 낮은 것으로 나타났다. 국내 연약지반용 고화재로 사용되는 플라이애시의 CaO 함량은 최소 27% 이상인데 본 연구에서 분석된 3종의 플라이애시는 1.25%~2.37% 로 낮게 나타나 고화재 사용기준에는 부적합한 것으로 분석되었다.

또한, 강열감량은 10.55%~38.20%로 국내 평균인 6.75% 보다 매우 높게 나타나고 있다. 이수치가 높다는 것은 미 연탄분의 함량이 높다는 의미로, 주로 사용연료 및 생산공정에 기인하며 플라이애쉬의 품질에 큰 영향을 미친다. 국내 열병합 발전소 플라이애시와의 화학조성 비교 결과로 미루어보아 베트남 발전소는 열량이 낮은 저품위탄과 고형연료와의 혼소, 낮은 소성 온도를 유지할 것으로 판단된다.

즉, 베트남 CFBC 발전소에서 발생되는 플라이애시는 국내의 일반 플라이애시나 연료로 유연탄을 사용하여 고칼슘 플라이애시로 일컬어지는 국내 Y사, K사, H사, L사의 플라이애시와는 다른 품질 특성을 갖는 반면, 유연탄과 고형연료를 혼소하여 사용하는 발전소의 플라이애시와 비슷한 품질 특성을 지닌 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 베트남 CFBC 발전소의 원료배합 문제와 발전소 운영, 운전기술, 보일러 출력 등에 있어 국내와 차이가 많이 발생하기 때문인 것으로 보인다. 또한 베트남은 아직 환경규제가 실제 현장에서는 실효성이 없는 편이므로 실제 석회석 혼소 여부를 확인할 수 없고 연료탄 보관 시 이물질 유입, 석탄의 열화 등 연료탄 저장단계부터 발생하는 미흡한 품질관리 역시 영향이 있을 것으로 판단된다.

4종의 베트남 플라이애시 중 국내의 고칼슘 플라이애시와 가장 비슷한 품질 특성을 지닌 CN의 경우는 CaO 함량이 28.38%로 연약지반 개량용 고화재의 원료로 사용이 가능할 것으로 판단된다. CaO 의 함량이 높으면 콘크리트 혼 화재로는 사용이 어렵지만 수화반응에 의해 시멘트와 같은 경화특성을 지니게 된다.

CaO 성분은 물과 반응하여 Ca(OH)₂가 되는데, 이 때의 반응 메카니즘은 다음과 같다.

위 반응으로 1 kg의 CaO가 수화하여 소석회로 변화함으로써 약 320 kg의 수분이 고체화되고, 그것에 따라 흙의 함수비는 저하한다. 또한 280 kcal의 반응열을 방출하여 화학 반응을 촉진시킨다(Jang, 1998). 석회의 비중은 수화에 의해 3.4의 CaO에서 2.24의 소석회로 감소하며 이때 체적은 약 1.5배 증가한다. 이러한 체적 팽창은 단기간에 일어나고 주위의 흙은 이것에 의해 압축된다. 그리고 석회의 수화반응에 의해 강한 흡수작용이 작용하여 수분이 강제 탈수되고 여기에 실리카질인 SiO₂와 포졸란반응으로 흙의 강도가 증가한다. 연약지반 개량공법은 CaO(생석회)의 이와 같은 성질을 이용한 것이다.

따라서, CN 의 경우 연약지반 개량 고화재용으로 활용 가능할 것이며 CN을제외한 3종의 플라이애시는 일반 플라이애시의 활성도나, 유동성을 해치지 않는 범위에서 시멘트 소성 원료, 채움재 등으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

베트남 플라이애시는 같은 연료탄을 사용하더라도 발전소 별로 성상과 화학적 특성이 상이하게 나타나는 경향이 있다. 베트남 CFBC 플라이애시를 재활용하기 위해서는 슬래그 같은 반응재의 특성 분석과 현장 배합시험 등의 연구가 함께 진행되어야 한다. 또한 발전소별 애시의 특성조사와 현장 배합시험의 세부적인 대응이 가능하게 된다면 산업폐기물의 재활용을 높이고 환경보호에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

결 론

본 연구에서는 베트남 CFBC 플라이애시의 물리적, 화학적 특성을 규명하기 위하여 베트남 석탄화력발전소 4개소에서 채취한 플라이애시를 대상으로 각종 실내시험을 실시하였다. 4개 시료의 결과를 국내산과 비교하여 물리적, 화학적 변화와 특성을 비교 분석한 결과는 다음과 같다.

1. 베트남 플라이애시 각각의 평균 입경은 MK 23.24 μm, DHB 30.14 μm, SD 35.52 μm, CN은 31.19 μm로, 전체 베트남 플라이애시의 물리적 특성 분석 결과 4가지 모두 고화재의 원료로서 재료적 활성도 및 연약지반 개량공사 적용 시 장비 이송 등을 고려한 작업성 부분에서는 적합한 입도를 가진 것으로 판단되었다.

2. 베트남 플라이애시의 화학조성 분석결과 CN을제외한 3개 지역의 플라이애시는 주성분이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃로 국내 일반 플라이애시와 비슷한 화학조성을 가지고 있는 것으로 나타났다.

3. 3종의 베트남 플라이애시는 고칼슘 플라이애시라기보다는 일반 플라이애시에 가까우며 높은 강열감량(LOI)으로 시멘트, 콘크리트 혼화재 외의 용도로 사용되는 저급 플라이애시로 분류할 수 있을 것으로 판단되었다.

4. CN의 경우 국내 열병합 발전소 플라이애시와 화학적 특성이 유사하였으며, 풍화 후의 Free-CaO 함량도 2.7%인 것을 고려하면 플라이애시 발생 직 후 Free-CaO 함량은 더욱 높을 것으로 예측되므로 연약지반 개량용 고화재의 원료인 고칼슘 플라이애시로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

5. CN을 제외한 3종의 플라이애시는 일반 플라이애시의 활성도나, 유동성을 해치지 않는 범위에서 일반 플라이애시로의 활용이나 시멘트 소성 원료, 채움재 등으로 활용이 가능할 것으로 판단되므로 향후 산업폐기물의 재활용 방안으로 검토될 수 있을 것이다.