KR102005817B1 - 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 igcc 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물 - Google Patents

석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 igcc 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트, 고로슬래그, 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그가 포함되는 것을 특징으로 하는 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물에 관한 것이다.

Description

석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물{Environmentally friendly mortar composition using IGCC slag pumped from coal gasification combined cycle power plant}
본 발명은 혼합재로 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그가 포함되도록 하여 시멘트 사용량을 줄이면서도 강도, 유동성 및 내구성이 발현되도록 하는 저탄소 친환경 모르타르 조성물에 관한 것이다.
최근 지구온난화에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 온난화의 원인으로 온실가스의 증가에 있다고 보는 견해가 지배적이다. 지구온난화라는 문제에 대해 국내에서도 저탄소 성장을 주도하기 위해 에너지 저소비형 산업구조의 개편, 에너지 사용효율의 극대화 및 CO2 배출저감 등의 환경부하를 최소화하는 지속가능 저탄소 녹색성장, 친환경 주택건설 기준 및 성능을 목표로 하고 있다.
시멘트 산업에서는 석회석(CaCO3)을 주원료로 하여, 시멘트 생산 시 높은 소성온도(1450℃)에서 클링커를 제조하게 되는데 시멘트 1톤 생산 시 약 0.83톤의 CO2가스가 배출된다. 국내산업에서 총 CO2 배출 중 약 10%를 차지하는 실정이다. 이에 대해 시멘트(클링커)의 사용량을 줄이고자 시멘트의 수화반응과 유사한 잠재수경성과 포졸란반응을 가지는 혼합재가 건설재료로 많이 사용되고 있다. 대표적인 혼합재로서는 고로슬래그, 플라이애시, 실리카흄, 메타카올린, 석회석 등이 탄소저감형 재료로서 연구개발되어 현장에 적용되고 있는 추세이다.
한편 석탄가스화 기술은 석탄을 고온·고압하에서 가스화시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 가스를 제조·정제한 후 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG), 합성석유(Coal to Liquid, CTL), 화학제품 및 전력(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)을 생산하는 기술이다. 석탄을 기반으로 한 석탄 가스화기술(Coal Gasification)은 최근 에너지 시장에서 큰 관심을 받기 시작한 청정에너지 기술로써 에너지 이용의 환경적인 측면과 효율적인 측면을 만족시킬 수 있는 가장 현실적인 대안으로 부각되고 있다.
2016년 전 세계에서 가동중인 가스화플랜트는 192개로 증가하여 122,106MWth의 합성가스가 생산되고 있으나, 국내의 경우 국가의 녹색성장 정책의 일환으로 한국서부발전에서 『한국형 300MW급 석탄 가스화복합 발전 실증플랜트 기술개발사업(2011.11~2015.11)』을 국책개발 과제로서 진행하고 있는 실정이다. 이에 국내 석탄가스화기 시설 건설에 따라 다량 배출되는 신규 산업부산물인 석탄가스화 복합발전(IGCC) 슬래그의 적법 처리를 위한 연구개발이 다양하게 이루어지고 있으며, 이러한 산업부산물을 자원의 효율적 이용 및 질적ㅇ양적 활성화 촉진을 위하여 친환경 혼합재로서의 개발 및 실용화가 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록 제10-1611592호
이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 혼합재로 석탄가스화 복합발전소(IGCC) 슬래그가 포함되도록 하여 시멘트 사용량을 줄임에도 강도, 유동성 및 내구성이 발현되도록 하는 저탄소 친환경 모르타르 조성물을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은 시멘트, 고로슬래그, 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그가 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 40 내지 80중량부, 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그 20 내지 60중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 시멘트 100중량부에 대해 카프릴릴글리콜 1 내지 5중량부가 더 배합되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 조성물은 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 산업부산물의 재활용을 통해 시멘트 사용량을 줄이면서 강도, 작업성, 내구성 등 물성을 향상시킬 수 있고 친환경적인 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 고로슬래그와 IGCC슬래그의 XRD 회절분석한 결과이다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 조성물은, 시멘트, 고로슬래그 및 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그(이하 "IGCC 슬래그"라함)가 포함되는 것을 특징으로 한다.
IGCC 슬래그는 석탄가스화기 복합발전소에서 철강슬래그의 수재슬래그의 생산공정과 유사하게 물로 급랭하여 발생된다. IGCC 슬래그는 고로슬래그와 제조방식 및 화학성분이 유사하며, 색상은 석탄을 연소하여 전력을 발생하기 때문에 플라이애시와 유사한 진회색 형상을 지니고 있다. 도 1 및 도 2는 고로슬래그와 IGCC슬래그의 XRD 회절분석한 결과로서 IGCC슬래그는 고로슬래그와 같이 비정질의 형상을 가지고 있으며, 콘크리트 및 모르타르의 혼합재로서 포졸란 및 잠재수경성의 반응성이 있는 것으로 알려져 있다.
하기 표 1은 각종 산업부산물의 특성을 도시하고 있다.
Figure 112018041990208-pat00001
Figure 112018041990208-pat00002
* OPC: 보통 포틀랜드 시멘트
* FA: 플라이애시
* SP: 고로슬래그
* IGCC: IGCC 슬래그
이러한 IGCC 슬래그가 첨가되는 이유를 상세히 설명하면 상기 표 2에서 보는 바와 같이 플라이애시에 비해 IGCC 슬래그가 CaO 및 SO3를 다량 함유하고 있는 바, 플라이애시의 경우 초기강도가 낮은 문제가 있으며 이의 활성화를 위해 다량의 화학적 활성화제의 첨가가 필요한데 플라이애시의 이러한 점에 대한 대체제가 되는 것이며, 고로슬래그에 비해 Al2O3 등이 다량으로 함유되어 내구성(에트린자이트 생성) 등에서 고로슬래그를 보완하게 되는 것이다.
본 발명의 조성물은 바람직하게 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 40 내지 80중량부, IGCC 슬래그 20 내지 60중량부를 포함되도록 배합되는 것이 타당하다. 고로슬래그가 더 첨가되도록 하여 초기강도를 더욱 보완하게 되는 것이다.
수화물의 생성과정은 시멘트 및 IGCC 슬래그 중의 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로부터 방출되는 Ca2 +이온은 고로슬래그에 포함되어 있는 규산염(SiO2)이나 알루민산염(Al2O3)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH), IGCC 슬래그 중의 SO3와의 상호반응으로 에트린자이트 등을 생성함으로써 경화되는 특징을 갖고 있는 바, 결과적으로 시멘트의 사용량을 줄이면서도 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 나타내도록 하는 것이다.
한편 본 발명에서는 산화칼슘(CaO) 및 삼산화황(SO3) 함량이 비교적 높은 고로슬래그를 사용하도록 하여 초기강도를 증진토록 하는데 초기강도의 증진에 따라 수축에 의한 균열문제가 야기될 수 있으며, 황산이온 등이 에트린자이트 생성과정 등에서 반응에 관여하지 않은 잔유물로서 페이스트에 존재할 수 있는데 이러한 황산이온 등의 존재는 황산화세균 등이 증식에 의해 중성화를 야기 시킬 수 있는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 상기 조성외에도 시멘트 100중량부에 대해 카프릴릴글리콜 1 내지 5중량부가 더 배합되도록 하는 예를 제시하고 있다.
상기 카프릴릴글리콜은 1,2-옥탄디올을 의미하며, 보습에 의해 페이스트에서 모세관현상에 의해 수분이 증발하는 것을 방지함으로써 균열저항성을 향상시키도록 하는 것이다.
상기 카프릴릴글리콜은 화학식 CH3-(CH2)4-CH2-CH(OH)-CH2OH로 구조적으로 나타낼 수 있다.
또한 상기 카프릴릴글리콜은 상기에서 언급한 바와 같이 황산이온의 존재 등에 의해 산화세균, 황산화세균이 증식하는 경우 페이스트의 중성화를 야기시킬 수 있는 문제가 있는데 상기 카프릴릴글리콜은 상기 산화세균, 황산화세균 등의 증식을 억제토록 하여 중성화를 방지토록 함으로써 내구성을 우수하게 하는 것이다.
이하 본 발명의 실험예를 설명한다.
하기 표 3은 혼합재로서 고로슬래그와 IGCC슬래그의 배합비를 달리하여 제조한 시료이며 배합조건은 OPC 50중량% 기준 SP 및 IGCC슬래그를 비율별로 배합설계를 하여 압축강도 및 유동성을 측정하였으며, 각 시료에 대한 압축강도 및 유동성을 측정한 결과가 표 4에 도시되고 있다.
Figure 112018041990208-pat00003
Figure 112018041990208-pat00004
상기 표 4에서 보는 바와 같이 비교예 1과 같이 SP만을 단독 사용(유동성 126.8mm)하는 것에 비하여 실시 예들이 유동성이 향상되는 것을 알 수 있으며, IGCC슬래그 배합량이 증가될수록 유동성(127.8~135.5mm)이 향상되는 것도 알 수 있다.
압축강도는 IGCC슬래그 10~30중량% 치환 시(실시예 1 내지 3) 재령28일에서 비교예 1보다 약 9~13% 증가되는 것을 알 수 있다. 이는 IGCC슬래그의 비정질 및 CaO 등의 존재에 의해 생성된 에트린자이트 수화물에 의한 영향으로 판단된다.
한편, 하기 표 5는 혼합재로서 플라이애시와 IGCC슬래그의 배합비를 달리하여 제조한 시료이며 각 시료에 대한 압축강도를 측정한 결과가 표 6에 도시되고 있다.
Figure 112018041990208-pat00005
Figure 112018041990208-pat00006
표 6에서 보는 바와 같이 유동성의 경우 FA 및 IGCC슬래그는 유사한 결과를 나타내는 것을 알 수 있으나, 압축강도는 IGCC 슬래그가 FA에 비하여 치환율별 약 9~15% 높은 것을 알 수 있다. 이렇게 초기압축강도 및 장기압축강도가 증가된 것은 FA에는 거의 존재하지 않는 CaO, SO3 성분 등이 IGCC 슬래그에 포함되는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
한편, 하기 표 7은 OPC 및 혼합재로 SP, FA, IGCC슬래그를 치환하여 건조수축 길이변화율 시험을 한 결과이다. 여기서 실시예 11 및 실시예 22는 각각 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 배합하되 카프릴릴글리콜 1중량%가 더 배합된 시료이다.
Figure 112018041990208-pat00007
상기 표 7에서 보는 바와 같이 고로슬래그만을 첨가한 비교예 2가 건조수축율이 가장 증가되었으며, 플라이애시만을 첨가한 비교예 3 및 비교예 4를 보면 플라이애시의 치환율이 증가될수록 건조수축율이 감소되는 것을 알 수 있다.
또한 실시 예 3 및 실시 예 4를 보면 IGCC슬래그 치환 시 비교예 3, 4에 비하여 건조수축율이 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 IGCC슬래그내 CaO 및 Al2O3 성분의 상호작용에 의해 초기 압축강도 증가 및 에트린자이트(3AaOㅇAl2O3ㅇ3CaSO4ㅇ32H2O) 수화물 생성에 의한 영향으로 판단된다.
또한 실시예 2의 경우 가장 크게 건조수축율이 감소되는 것을 알 수 있는 바, 이들 시험결과로 미루어 볼 때 IGCC슬래그와 고로슬래그를 적정량으로 사용하는 경우 압축강도, 유동성 및 기타 내구성도 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.
그런데 실시예 1 내지 3을 보면 IGCC슬래그와 고로슬래그를 적정으로 혼합하여 사용하는데 있어 고로슬래그의 배합량이 큰 경우가 초기강도면에서 더욱 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있는데 이 경우 초기강도증진 등의 이유로 길이변화율에서 불리한 효과가 발현될 수 있다.
이에 실시예 11 및 실시예 22의 경우 길이변화율에서 실시예 1 및 실시예 2보다 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있는 바, 실시예 11 및 실시예 22에는 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 시멘트와 혼합재를 첨가하면서 이에 더하여 카프릴릴글리콜이 첨가되어 초기강도 발현을 위해 고로슬래그의 함량을 높임에 따라 수반되는 균열저항성 저하의 문제를 해결할 수 있는 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (3)

  1. 시멘트, 고로슬래그, 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그가 포함하며, 시멘트 100중량부에 대해 카프릴릴글리콜 1 내지 5중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 40 내지 80중량부, 석탄가스화기 복합발전소(IGCC) 슬래그 20 내지 60중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄가스화기 복합발전소에서 부산되는 IGCC 슬래그를 활용한 환경 친화형 모르타르 조성물.
  3. 삭제
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