1. 서 론
2. 국내 산업부산물 발생 및 활용 현황
3. 산업부산물 발생처에 따른 화학성분 분석
3.1 고로슬래그 발생처에 따른 화학성분 분석
3.2 미분탄 보일러 플라이애시 발생처에 따른 화학성분 분석
3.3 순환유동층 보일러 플라이애시 발생처에 따른 화학성분 분석
3.4 순환유동층 보일러 바텀애시 발생처에 따른 화학성분 분석
4. 순환유동층 보일러 바텀애시 유효 활용 방안 검토
5. 결론 및 제언
1. 서 론
경제 및 산업 성장에 따른 에너지 소비 증가에 따라 다양한 종류의 산업부산물이 대량으로 발행하고 있다. 대표적인 산업부산물로 제철공정에서 발생하는 철강슬래그와 화력발전에서 발생하는 연소재 등이 있다. 이들 산업부산물은 생산 및 처리 과정에서 환경오염의 원인이 되기도 하지만, 적절히 관리하면 자원순환 측면에서 유용한 2차 원료로 활용될 수 있다. 이에 정부에서는 ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률’에 따라 철강슬래그와 석탄재를 지정부산물로 관리하고 재활용을 적극 촉구하고 있다.
한편, 시멘트산업은 전세계 온실가스(CO2) 발생량의 대략 7%를 차지하는 탄소 다배출 산업으로(Czigler et al., 2020), 시멘트 사용량 감축은 탄소중립 정책에 있어 중요한 부분을 차지하고 있다.
국내 시멘트 시장은 연간 4,300만톤 이상 꾸준히 생산 및 소비되고 있고, 대부분 정부 및 공공기관의 건설공사에서 수요가 이루어지고 있으며, 건설경기가 좋았던 2017년에는 5,600만톤 이상이 소비되었다. 시멘트 1톤 생산시 0.7~1.0 톤의 온실가스가 발생하는 것을 고려하면, 시멘트 생산에 따라 연간 4,000만~5,000만톤에 육박하는 온실가스가 발생하고 있음을 알 수 있다. 이에 따라 정부에서는 산업부산물을 활용하여 시멘트를 대체하는 방안에 대한 지원을 지속적으로 추진하고 있다. 실제 고로슬래그와 고품위 플라이애시는 거의 100% 재활용되고 있으며, 대부분 시멘트와 콘크리트의 재료로 활용되고 있다.
전력수요 증가에 따라 화력발전소의 활용이 지속되고 있고, 특히 고형연료 및 저품위 연료의 사용이 가능한 순환유동층(CFBC, Circulating Fluidized Bed Combustor) 보일러 사용이 증가하고 있다. 그러나 순환유동층 보일러는 연소과정에서 석회석을 혼소하여 탈황을 실시하기 때문에, 배출 연소재에 산화칼슘(CaO), 유리 산화칼슘(Free CaO), 삼산화황(SO3) 등이 많이 함유되어 있다. 높은 유리 산화칼슘과 삼산화황 함유량은 수화반응성을 불안정하게 하고 잔류석회로 인한 팽창성과 응결불균질성을 유발한다. 이러한 문제는 순환유동층 보일러 연소재의 재활용을 저해하는 요소이며, 이로 인해 순환유동층 보일러 연소재의 대부분은 폐기물로 처리되고 있는 실정이다(Seo et al., 2021).
이에 순환유동층 보일러 연소재를 재활용하기 위한 연구가 최근 활발히 수행되고 있다. 특히 지반 개량 및 보강 분야는 일반적인 콘크리트 분야에 비해 요구되는 강도의 수준이 높지 않은 점에 착안하여, 지반 개량 및 보강에 필요한 결합재의 재료로 순환유동층 보일러 연소재를 활용하기 위한 연구가 수행된 바 있다(Kim and Mun, 2017; Seo et al., 2020; Seo et al., 2021; Lee et al., 2024).
본 연구에서는 탄소배출 저감과 자원순환 촉진 기술개발을 위한 기초자료 확보를 위하여, 국내에서 발생하고 있는 대표적인 산업부산물인 고로슬래그, 플라이애시 및 바텀애시의 발생 및 활용 현황을 조사하고, 산업부산물 발생 장소 및 시기에 따른 화학성분을 분석하고자 한다.
2. 국내 산업부산물 발생 및 활용 현황
국내 발생 산업부산물의 효율적인 활용을 위한 기초자료 확보를 위해 주요 산업부산물의 발생 및 활용 현황을 조사하였다. 대표적인 산업부산물은 제철공정에서 발생하는 철강슬래그와 화력발전소에서 발생하는 연소재가 있다. 화력발전소 연소재는 사용되는 보일러 종류에 따라 미분탄(PC, Pulverized Coal) 보일러 연소재와 순환유동층(CFBC, Circulating Fluidized Bed Combustor) 보일러 연소재로 구분할 수 있고, 이들 연소재는 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분된다.
한국철강협회에서는 ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률’에 따라 매년 철강슬래그 발생 및 활용 현황을 조사하여 발표하고 있다. 한국철강협회의 조사 결과에 따르면, 조강 또는 선철을 연간 10만톤 이상 생산하는 제철소를 대상으로 조사한 철강슬래그 발생량은 매년 연간 250~270만톤 정도로, 이중 고로슬래그가 약 60% 차지하고 있다. 고로슬래그는 발생량의 대부분(약 85%)이 시멘트 원료로 재활용되고 있고, 전체 재활용률도 정부 목표치인 95%를 상회하는 것으로 조사되었다. 제강슬래그의 경우에는 발생량의 70% 이상이 골재 도로나 성복토용 골재의 대체재료로 활용되고 있으나, 2022년~2024년 기간에는 재활용률이 정부 목표치인 95% 이하로 나타나 개선방안이 필요한 상황이다.
화력발전소에서 발생하는 연소재에 대한 조사 결과로, Maeng et al.(2014)은 국내 화력발전소 발생 연소재는 연간 800만톤 이상이고 발생량이 꾸준히 증가하고 있다고 한 바 있다. 최근 조사 결과로 Jung and Kim(2022)은 순환유동층 발전소에서 발생하는 연소재를 연간 약 550만톤으로 추정하고, 이는 전체 화력발전소 연소재의 60% 정도를 차지하는 것으로 추정한 바 있다. 미분탄 보일러 플라이애시는 재활용률이 약 70% 이상으로 비교적 높은 반면에, 미분탄 발전소 바텀애시와 순환유동층 보일러 연소재의 재활용률은 여전히 저조한 것으로 보고되고 있다.
3. 산업부산물 발생처에 따른 화학성분 분석
산업부산물은 원재료 및 생산 환경에 따라 성상이 다르므로, 유효 활용을 위해서는 환경 무해성과 재료 적합성 확인이 필요하다. 앞서 살펴본 바와 같이 철강슬래그의 경우, 고로슬래그는 시멘트 감축 재료로의 효용성이 충분히 입증되어 발생량 대부분이 재활용되고 있고, 제강슬래그도 골재 대체나 제철 원료로 대부분 재활용되고 있다. 화력발전소 연소재의 경우에는, 미분탄 보일러 플라이애시는 대부분 콘크리트나 시멘트 재료로 재활용되고 있고 바텀애시도 전처리를 거쳐 골재 대체재료로 활발히 활용되고 있다. 순환유동층 보일러 연소재는 재활용이 저조하여 대부분 폐기물로 처리되고 있다(Seo et al., 2021).
본 연구에서는 국내 발생 산업부산물의 유효 활용 촉진을 위한 기초자료 확보를 위해 산업부산물 종류 및 발생 공장 별 화학성분을 조사 및 분석하였으며, 일부 공장에 대해서는 발생 시기에 따른 화학성분을 분석하였다.
3.1 고로슬래그 발생처에 따른 화학성분 분석
제철소 6개 공장에서 발생한 고로슬래그 미분말에 대해 발생 시기별로 총 14회의 화학성분 조성을 분석하여 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Chemical composition according to sources of blast furnace slag powder
국내 발생 산업부산물의 종류 및 발생처에 따른 화학성분 조성 분석 결과는 Fig. 1에 정리하였다. 고로슬래그 미분말의 경우 CaO, SiO2 및 Al2O3의 함량 비율이 평균 43.50, 33.22 및 14.31% 순으로 높게 확인된다. 또한, 발생처에 따른 화학성분 함량의 표준편차는 모든 화학성분에 대해 중량비 2% 이하로 작게 나타나, 발생 처 및 시기에 관계없이 비교적 균질한 품질을 가짐을 알 수 있다. 특히 물과 반응하여 강도발현에 효과적인 CaO의 함유량 비율은 39.68~45.58%로 높고 팽창 특성을 가진 SO3의 함유량 비율은 2.03~4.03%로 낮게 나타나 시멘트 대체 재료로 유용하게 활용될 수 있음을 확인할 수 있다.
3.2 미분탄 보일러 플라이애시 발생처에 따른 화학성분 분석
미분탄(PC) 보일러를 채용한 화력발전소 5개소에서 발생한 플라이애시에 대해 발생 시기별로 총 11회의 화학성분 조성을 분석하여 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Chemical composition according to sources of PC fly ash
PC 보일러 플라이애시의 경우 SiO2, Al2O3, CaO의 함량 비율이 각각 평균 55.88, 21.22, 7.77% 순으로 높게 확인된다. 또한 화학성분 함량 비율의 표준편차는 1.56~13.35% 범위의 값을 나타내어 고로슬래그에 비해서는 표준편차가 다소 높은 것으로 확인되었다. 그러나 CaO, MgO 및 SiO2의 함유비율이 각각 2.15~32.8%, 0.81~5.58% 및 0.39~7.69%로 대체로 높지 않은 것으로 확인되어 시멘트나 콘크리트의 혼화재로 유용하게 활용될 수 있음을 확인할 수 있다. 다만, 일부 발생처의 경우 CaO, MgO 및 SiO2의 함유비율에 대해 규정되어 있는 KS L 5405에 부합하지 않는 것으로 나타나, PC 보일러 플라이애시의 혼합 비율을 적절히 조정하여 활용할 필요가 있다.
3.3 순환유동층 보일러 플라이애시 발생처에 따른 화학성분 분석
순환유동층(CFBC) 보일러를 채용한 화력발전소 21개소에서 발생한 플라이애시에 대해 발생 시기별로 총 48회의 화학성분 조성을 분석하여 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
Chemical composition according to sources of CFBC fly ash
CFBC 보일러 플라이애시의 경우 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3의 함량 비율이 각각 평균 36.63, 24.84, 10.55, 7.39% 순으로 높게 확인되어, PC 보일러 플라이애시와는 다소 상이한 결과를 보인다. 즉, PC 보일러 플라이애시에 비해 CaO 함유비율은 대체로 높고 SiO2 비율은 낮다. 또한 화학성분 함량 비율의 표준편차는 1.88~17.79% 범위의 값을 나타내어 PC 보일러 플라이애시에 비해서도 대체로 큰 것으로 분석되었다.
이와 같이 CFBC 플라이애시의 화학성분 비율이 발생처별로 크게 편차가 발생하는 것은 연소시에 사용되는 연료, 탈황 시 석회석의 사용량, 보일러 효율 등에 기인한다. 특히, 순환유동층 보일러 연소재의 경우 발생되는 CaO의 대부분을 Free CaO가 차지하고 있어 시멘트나 콘크리트 혼화재로 부적합하여 대부분 폐기물 처리되고 있다. 이에 최근 폐기물 처리되는 CFBC 플라이애시를 재활용하기 위한 연구들이 시도되고 있다. 특히, 지반분야는 콘크리트 분야와 비교하여 요구되는 성능의 조건이 상이한 점에 착안하여, 지반 개량 및 보강을 위해 사용되는 무기결합재 재료로 CFBC 플라이애시를 활용하기 위한 연구가 수행된 바 있다(Ham et al., 2021; Seo et al., 2021; Lee et al., 2023; Lee et al., 2024).
CFBC 플라이애시는 대체로 플라이애시 사용에 대한 기준(KS L 5405, 2023)에 부합하지 않고, 기존의 시멘트나 고로슬래그와의 결합특성이 양호하지 않다. 또한 Table 3에 보인바와 같이 발생처에 따라 화학성분 조성이 크게 차이를 보인다. 따라서 CFBC 플라이애시의 유효활용을 위해서는 발생처 및 발생시기에 따른 화학성분 분석을 지속적으로 실시하여 발생처를 선별할 필요가 있다. 또한, 무기결합재 용도 및 활용분야의 요구 성능을 고려하여 혼합비율 등을 적절히 조절하는 등 제한적으로 적용할 필요가 있다.
3.4 순환유동층 보일러 바텀애시 발생처에 따른 화학성분 분석
순환유동층(CFBC) 보일러를 채용한 화력발전소 10개소에서 발생한 바텀애시에 대해 발생 시기별로 총 18회의 화학성분 조성을 분석하여 Table 4에 정리하였다.
Table 4.
Chemical composition according to sources of CFBC bottom ash
CFBC 보일러 바텀애시의 경우 CaO, SiO2, Fe2O3, Al2O3의 함량 비율이 각각 평균 38.21, 29.57, 7.42, 6.63% 순으로 높게 확인되어, CFBC 보일러 플라이애시와 대체로 유사한 결과를 보인다. 즉, CFBC 플라이애시에 비해 Fe2O3 함유비율은 대체로 다소 높고 Al2O3 비율은 낮으나 전반적인 화학성분 성상의 차이가 크지는 않다. 또한 화학성분 함량 비율의 표준편차는 1.63~20.68% 범위의 값을 나타내어 CFBC 플라이애시에 비해서도 대체로 큰 것으로 분석되었다. 이와 같이 CFBC 플라이애시와 바텀애시의 화학성분 조성이 다소 차이가 나는 원인은 사용 연료의 다양성과 바텀애시의 입경이 대체로 더 큰 점에 기인하는 것으로 판단된다. CFBC 바텀애시는 플라이애시와 마찬가지로 KS L 5405 규정에 부합하지 않을 뿐 아니라, 굵은 입자가 다량 포함되어 있어 일반적인 시멘트 혼화재로의 사용은 적합하지 않다. 따라서 CFBC 바텀애시는 화학성분 분석과 입경 선별과정을 거쳐 골재 대체재료나 지반보강용 무기결합재의 혼화재 등에 제한적으로 적용해야 할 것으로 판단된다.
4. 순환유동층 보일러 바텀애시 유효 활용 방안 검토
순환유동층(CFBC) 보일러 연소재는 품질 편차가 크고 유해물질 기준과 수경성 확보 측면에서 규격화가 어려워 대부분 매립 또는 소각처리되고 있다. 최근 CFBC 연소재의 재활용 방안에 대한 연구 성과로 요구 성능 수준이 일반적인 시멘트나 콘크리트에 비해 작고 유동적인 지반분야에 활용이 증가하고 있다. 이에 따라 CFBC 플라이애시는 지반 개량 및 보강 용도의 무기결합재 원료로 선별적으로 사용되고 있으며, 이로 인해 유효 활용 가능성이 입증될 경우 취득 비용이 증가하고 있다. 반면에 바텀애시는 여전히 재활용 방안이 거의 마련되지 않아 대부분 폐기 처리되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 순환유동층 보일러 바텀애시의 유효 활용 방안을 검토하기 위해 7개소 공장에서 발생한 바텀애시에 대한 화학성분 분석과 입도 분석을 수행하였다.
CFBC 바텀애시에 대한 화학성분 분석 결과와 입도 분석 결과는 각각 Table 5와 Fig. 1 정리 하였다. 효율적인 분석을 위해 크게 3가지 형태로 바텀애시를 구분하여 대상을 선정하였다. 우선 Ba_A와 Ba_B는 100㎛이상의 입경을 거의 포함하지 않는다. 이에 반해 Ba_C와 Ba_D는 100㎛이상의 입경을 일부 포함하고 있다. Ba_E, Ba_F 및 Ba_G는 다른 4 종류의 바텀애시와는 달리 발생처에서 미립자 제거 공정을 실시한 후 배출되어 대부분이 입경 100㎛ 이상이다.
Table 5.
Chemical composition of CFBC bottom ash with different particle size distribution
입자의 크기가 크면 무기결합재 재료로 사용이 부적합하고 입자 크기가 너무 작으면 골재 대체재료로 사용이 부적합하다. 따라서 대부분의 입자크기가 100㎛이하인 Ba_A와 Ba_B는 무기결합재 제조 시 플라이애시의 일부(5% 내외)를 대체하는 재료로 활용 가능할 것으로 판단된다. 이에 반해 대부분의 입자크기가 100㎛이상인 Ba_E, Ba_F 및 Ba_G는 모래 대체재료로 활용하는 방안을 검토해야 한다. 한편, 비교적 입도분포가 양호하게 나타난 Ba_C와 Ba_D는 추가적인 분석을 통해 적정 활용 방안을 검토할 필요가 있다. 따라서 입도분포가 양호한 Ba_D에 대해서는 무기결합재 재료로의 활용을 위한 전처리조건을 검토하였다. 75㎛체를 이용하여 선별한 바텀애시를 대상으로 실내 진동밀을 이용한 분쇄를 실시하고 분쇄 시간에 따른 입도분포 변화를 측정하여 물리적 전처리 조건을 확인하였다. 분쇄시간을 각각 3, 5, 7 및 10 분으로 했을 때의 입도분포 변화를 측정한 결과, 플라이애시를 대체하기 위해서는 10분 이상의 분쇄가 필요한 것으로 확인되었다. 그러나 체가름을 통한 선별 및 물리적 분쇄를 실시할 경우, 원료생산에 소요되는 시간과 비용 발생으로 경제성을 확보하기 어려울 것으로 판단된다. 따라서 Ba_D와 같이 양호한 입경을 가진 바텀애시는 경제성과 적용성을 고려하여 무기결합재 재료나 모래 대체재료로 활용을 검토할 필요가 있다.
바텀애시는 비교적 입경이 굵은 입자들이 포함되어 있어 골재 대체재료로 활용하게 되면, 자원순환은 물론 모래, 자갈 등 천연재료 고갈에 따른 문제해결에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
5. 결론 및 제언
본 연구에서는 탄소배출 저감과 자원순환 촉진 기술개발을 위한 기초자료 확보를 목적으로, 고로슬래그, 플라이애시 및 바텀애시의 발생 및 활용 현황을 조사하고, 산업부산물 발생 장소 및 시기에 따른 화학성분을 분석하여 그 활용방안을 검토하였다. 이를 통해 다음과 같은 결과를 도출하였다.
1. 제철과정에서 발생하는 철강부산물은 연간 약 250~270만톤 발생하고 이중 고로슬래그가 약 60%를 차지하며 발생량의 95% 이상이 재활용되고 있다. 특히 고로슬래그 발생량의 85% 정도는 시멘트 원료로 재활용되고 있는 것으로 조사되었다.
2. 미분탄 보일러 플라이애시에 대한 화학성분 분석 결과 SiO2, Al2O3, CaO 함량 비율이 평균 55.88, 21.22, 7.77% 순으로 높게 확인되고, 화학성분 함량 비율의 표준편차는 1.56~13.35% 범위의 값을 나타내어 고로슬래그에 비해서는 표준편차가 다소 큰 것으로 확인되었다. 또한, 주요 화학성분 함량이 대체로 KS L 5405에 부합하여 시멘트 혼화재로 활용이 가능하나, 일부 발생처의 경우에는 KS L 5405에 부합하지 않는 것으로 분석되어 선별 적용하거나 혼합비율을 조정하여 활용해야 한다.
3. 순환유동층 보일러 플라이애시에 대한 확학성분 분석 결과, 대체로 KS L 5405에 부합하지 않고, 발생처에 따라 화학성분 조성이 크게 차이를 보인다. 따라서 순환유동층 보일러 플라이애시의 유효활용을 위해서는 발생처 및 발생시기에 따른 화학성분 분석을 지속적으로 실시하여 활용 가능한 재료를 선별할 필요가 있다.
4. 순환유동층 보일러 바텀애시는 플라이애시와 마찬가지로 KS L 5405 규정에 대체로 부합하지 않을 뿐 아니라, 굵은 입자가 다량 포함되어 있어 일반적인 시멘트 혼화재로의 사용은 적합하지 않다. 따라서 순환유동층 보일러 바텀애시는 화학성분 분석과 입경 선별과정을 거쳐 골재 대체재료나 지반보강용 무기결합재의 혼화재 등에 제한적으로 적용해야 한다.
5. 순환유동층 보일러 연소재는 품질 편차가 크고 유해물질 기준과 수경성 확보 측면에서 규격화가 어려워 대부분 매립 또는 소각처리되고 있다. 그러나 지반분야는 요구 성능 수준이 일반적인 시멘트나 콘크리트에 비해 작고 유동적이기 때문에, 순환유동층 보일러 연소재도 지반 개량 및 보강 용도의 무기결합재 원료나 모래 대체재료로 선별적으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
