플라이 애쉬

Fly ash
주사전자현미경(SEM)과 후방산란검출기로 만든 포토마이크로그래프: 750배의 배율로 플라이애쉬 입자의 단면적

플라이애쉬, 연도재, 석탄재 또는 분쇄 연료재(영국에서는 다연 탄툼: 석탄 연소 잔류물)는 연도 가스와 함께 석탄 연소 보일러에서 배출되는 미립자(연소 연료의 미립자)로 구성된 석탄 연소 제품입니다.보일러의 연소실 바닥에 떨어지는 재(일반적으로 소방함이라고 함)를 바닥재라고 합니다.현대의 석탄 화력발전소에서 플라이 애쉬는 일반적으로 연도가스가 굴뚝에 도달하기 전에 정전기 침전기나 다른 입자 여과 장치에 의해 포착됩니다.보일러 바닥에서 제거된 바닥재와 함께, 그것은 석탄재라고 알려져 있다.

연소되는 석탄의 출처와 조성에 따라 플라이 애쉬의 성분은 상당히 다르지만, 모든 플라이 애쉬에는 석탄을 포함한 암석 지층의 주요 광물 화합물인 이산화규소2(SiO, 비정질 및 결정질), 산화알루미늄(AlO23) 및 산화칼슘(CaO)이 상당량 포함되어 있습니다.

플라이 애쉬를 경량 골재(LWA)로 사용하면 미국에서 가장 큰 폐기물 중 하나를 재활용할 수 있는 귀중한 기회를 얻을 수 있습니다.또한 플라이 애쉬를 LWA로 사용하면 경제적, 환경적 측면에서 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

플라이 애쉬의 부성분은 특정 석탄층 조성에 따라 다르지만 미량 농도(최대 수백ppm)에서 발견되는 다음 요소 또는 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있습니다. 갈륨, 비소, 베릴륨, 붕소, 카드뮴, 크롬, 6가 크롬, 코발트, 납, 망간, 수은, 몰리브덴, 셀렌, 탈륨, 스트론튬, 바나듐, 그리고 매우 적은 농도의 다이옥신 및 PAH [1][2]화합물과 함께.그것은 또한 연소되지 않은 [3][4]탄소를 가지고 있다.

과거에는 플라이 애쉬가 일반적으로 대기 중으로 방출되었지만, 현재는 대기 오염 관리 기준에 따라 오염 방지 장비를 장착하여 방출 전에 이를 포획해야 합니다.미국에서, 플라이 애쉬는 일반적으로 석탄 발전소에 저장되거나 매립지에 놓입니다.약 43%는 재활용되며,[5] 종종 유압 시멘트 또는 유압 회반죽을 생산하기 위한 포졸란으로 사용되며, 콘크리트 생산 시 포틀랜드 시멘트의 대체 또는 부분 교체로 사용됩니다.포졸란은 콘크리트와 회반죽의 세팅을 보장하며, 습한 조건과 화학적인 공격으로부터 콘크리트를 더욱 보호합니다.

예를 들어 고체 폐기물을 폐기물에서 소각하여 전기를 생산하는 등 석탄에서 플라이(또는 바닥) 재가 생성되지 않는 경우, 석탄재보다 더 높은 수준의 오염 물질을 포함할 수 있습니다.이 경우 발생하는 재는 유해 폐기물로 분류되는 경우가 많습니다.

화학조성 및 분류

석탄[citation needed] 종류별 플라이애쉬 조성
요소 역청 아염색 리나이트
SiO2(%) 20–60 40–60 15–45
AlO23(%) 5–35 20–30 20–25
FeO23(%) 10–40 4–10 4–15
CaO(%) 1–12 5–30 15–40
LOI(%) 0–15 0–3 0–5

플라이 애쉬 재료는 배기가스 중에 부유하면서 응고되어 정전 침전기나 필터 백에 의해 수집됩니다.비회 입자는 배기가스 중에 부유하면서 급속히 굳어지기 때문에 일반적으로 구형으로 형성되며 크기는 0.5 µm에서 300 µm이다.급속 냉각의 주요 결과는 결정화할 시간이 있는 광물이 거의 없고, 주로 비정질 담금질된 유리가 남아있다는 것입니다.그럼에도 불구하고, 분쇄 석탄의 일부 내화상은 완전히 녹지 않고 결정성을 유지한다.따라서 플라이 애쉬는 이종 재료이다.

SiO2, AlO23, FeO23 및 때때로 CaO가 플라이 [6]애쉬에 존재하는 주요 화학 성분입니다.파리재의 광물학은 매우 다양하다.주요 상은 유리상과 석영, 물라이트 및 산화철 헤마이트, 마그네타이트 및/또는 마그네타이트입니다.종종 확인되는 다른 상으로는 크리스토발라이트, 무수산염, 유리석회, 페리클라아제, 칼사이트, 실라이트, 할로겐산염, 포틀랜드산염, 루틸레 및 아나타아제 등이 있다.포틀랜드 시멘트에서 발견된 것과 동일한 Ca 함유 광물인 아노르사이트,[7] 겔렌나이트, 아커마나이트 및 다양한 규산칼슘 및 알루미늄산칼슘을 확인할 수 있습니다.수은 함량은 1ppm에 [8]달할 수 있지만 일반적으로 유연탄의 경우 0.01-1ppm 범위에 포함된다.다른 미량 원소의 농도도 그것을 형성하기 위해 연소되는 석탄의 종류에 따라 달라집니다.

분류

플라이 애쉬의 두 가지 등급은 미국 테스트 및 재료 협회(ASTM) C618에 의해 정의됩니다: 클래스 F 플라이 애쉬와 클래스 C 플라이 애쉬.이들 등급의 주요 차이점은 회분의 칼슘, 실리카, 알루미나, 철분 함량입니다.플라이 애쉬의 화학적 특성은 연소된 석탄의 화학적 성분(즉, 무연탄, 역청 및 갈탄)[9]에 의해 크게 영향을 받습니다.

모든 비산재가 ASTM C618 요건을 충족하는 것은 아니지만 용도에 따라서는 필요하지 않을 수 있습니다.시멘트 대체재로 사용되는 플라이 애쉬는 엄격한 건축 기준을 충족해야 하지만 미국에서는 표준 환경 규제가 확립되지 않았습니다.플라이 애쉬의 75%는 45µm 이하의 섬도를 가져야 하며, 점화 시 손실(LOI)로 측정한 탄소 함량이 4% 미만이어야 합니다.미국에서는 LOI가 6% 미만이어야 합니다.원 플라이 애쉬의 입자 크기 분포는 석탄 공장의 성능 및 보일러 성능 변화에 따라 지속적으로 변동하는 경향이 있습니다.따라서 콘크리트 생산에 있어 시멘트를 대체하기 위해 최적의 방법으로 플라이 애쉬를 사용할 경우 기계적 공기 분류와 같은 유익성 방법으로 처리해야 한다.그러나 콘크리트 생산 시 모래를 대체할 필러로 플라이 애쉬를 사용하면 LOI가 높은 비혜택 플라이 애쉬도 사용할 수 있습니다.특히 중요한 것은 지속적인 품질 검증입니다.이는 주로 인도 표준국 마크 또는 두바이 시의 DCL 마크와 같은 품질 관리 씰로 표현됩니다.

클래스 "F'

단단하고 오래된 무연탄과 유연탄을 태우면 일반적으로 F급 비산재가 발생합니다.이 플라이 애쉬의 성질은 포졸란이며, 7% 미만의 석회(CaO)를 함유하고 있습니다.포졸란 특성을 가진 F급 플라이 애쉬의 유리 실리카와 알루미나는 반응하여 시멘트 화합물을 생성하기 위해 포틀랜드 시멘트, 생석회 또는 수화 석회와 같은 접착제가 필요합니다.또는 F급 회분에 규산나트륨(수유리) 등의 화학활성제를 첨가하면 지질중합체를 형성할 수 있다.

클래스 "C'

젊은 갈탄이나 아질탄을 연소하여 발생하는 플라이 애쉬는 포졸란 성질을 가지고 있을 뿐만 아니라 자기 시멘트의 성질을 가지고 있다.물이 있으면 C등급의 플라이 애쉬가 굳어져 시간이 지남에 따라 강해집니다.클래스 C 플라이 애쉬는 일반적으로 20% 이상의 석회(CaO)를 함유하고 있습니다.클래스 F와 달리 클래스 C 플라이 애쉬는 활성제가 필요하지 않습니다.일반적으로 알칼리 및 황산염(SO
4) 함량은 C급 플라이 애쉬에서 더 높습니다.

적어도 한 미국 제조업체는 클래스 C의 플라이 애쉬를 최대 50% 함유한 플라이 애쉬 벽돌을 발표했습니다.테스트 결과 벽돌은 기존 점토 벽돌에 대해 ASTM C 216에 기재된 성능 기준을 충족하거나 초과하는 것으로 나타났습니다.또한 ASTM C 55, 콘크리트 건물 벽돌의 표준 규격에 있는 콘크리트 벽돌의 허용 수축 한계 내에 있습니다.플라이 애쉬 벽돌에 사용되는 생산 방법은 석조 건축의 내장 에너지를 최대 90%[10]까지 줄일 수 있을 것으로 추정됩니다.벽돌과 화분들은 2009년 [11]말 이전에 상업적인 양으로 공급될 것으로 예상되었다.

폐기 및 시장 출처

과거에는 석탄 연소로 생성된 플라이 애쉬가 연도 가스에 섞여 대기 중으로 흩어졌습니다.이로 인해 환경 및 보건에 대한 우려가 높아졌고, 고도로 산업화된[where?] 국가에서는 플라이 애쉬 배출량을 생산되는 애쉬의 1% 미만으로 줄였다.세계적으로 석탄 발전소에서 생산되는 플라이 애쉬의 65% 이상이 매립지와 애쉬 연못에 버려집니다.

옥외에 저장되거나 퇴적된 재는 결국 독성[clarification needed] 화합물을 지하수층으로 침출시킬 수 있다.이러한 이유로, 플라이 애쉬 처리에 대한 현재 논의의 대부분은 화학 성분들이 지하수와 지역 생태계로 침출되는 것을 막는 특별히 줄지어 있는 매립지를 만드는 것에 관한 것이다.

석탄이 수십 년 동안 미국에서 지배적인 에너지원이었기 때문에, 전력 회사들은 종종 그들의 석탄 발전소를 대도시 지역 근처에 배치했다.환경 문제를 복잡하게 만들면서 석탄 발전소는 보일러를 가동하기 위해 상당한 양의 물을 필요로 하며, 주요 석탄 발전소(나중에 플라이 애쉬 저장 분지)는 대도시 근처와 인근 도시에 의해 종종 음료 공급으로 사용되는 강과 호수 근처에 위치하게 된다.이 플라이 애쉬 분지의 많은 부분은 라이닝이 되어 있지 않고, 인근 강이나 호수로부터 유출이나 홍수의 위험도 크다.예를 들어 노스캐롤라이나에 있는 Duke Energy는 석탄재 저장과 관련된 몇 가지 주요 소송에 휘말려 물 [12][13][14]분지로 유출되는 재와 관련된 소송에 휘말렸다.

플라이 애쉬의 재활용은 매립 비용 증가와 지속 가능한 개발에 대한 현재의 관심으로 인해 최근 몇 년 동안 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다.2017년 현재, 미국의 석탄 화력발전소는 3,820만 쇼트톤(34.7×10^6t)의 플라이 애쉬를 생산하고 있으며, 이 중 2,410만 쇼트톤(21.9×10^6t)은 다양한 [15]용도로 재사용되었다.플라이 애쉬를 재활용하는 환경적 이점에는 채석 및 포틀랜드 시멘트와 같은 재료의 값싼 대체가 필요한 초기 재료에 대한 수요를 줄이는 것이 포함됩니다.

재사용

미국 정부는 산업, 인프라 및 농업 등 다양한 경제 부문에서 플라이 애쉬 활용에 대한 등록이나 라벨 표시를 하지 않는다.불완전하다고 인정된 플라이 애쉬 이용 조사 데이터는 미국 석탄재 [16]협회에 의해 매년 발표된다.

석탄재 사용에는 다음과 같은 것이 포함된다(중요도가 감소하는 순서대로).

  • 콘크리트 생산은 포틀랜드 시멘트의 대체 재료로서 모래.
  • RC 구조물의 부식 제어
  • 콘크리트 혼합물의 일반 골재를 대체할 수 있는 플라이 애쉬 펠릿.
  • 제방 및 기타 구조용 충전재(보통 도로 건설용)
  • 그라우트 및 유동성 충전재 생산
  • 폐기물 안정화 및 응고
  • 시멘트 클링커 생산 – (점토 대체재로)
  • 광산 매립
  • 연약토양 안정화
  • 도로 서브베이스 공사
  • 골재 대체 재료로서(예: 벽돌 생산용)
  • 아스팔트 콘크리트 속 미네랄 필러
  • 농업용도 : 토양개량, 비료, 가축사료, 가축사료장 토양안정화, 농업용 말뚝
  • 하천에서 얼음을 녹이기[18] 위해 느슨하게 적용
  • 제빙을[19] 위한 도로 및 주차장의 느슨한 도포

기타 애플리케이션은 화장품, 치약, 부엌 조리대 tops,[20]바닥과 천장 타일, 볼링 공, 부양 장치, 치장 벽토, 도구, 도구 핸들을, 사진틀, 자동차 몸체와 보트 선체, 셀룰러 콘크리트, geopolymers, 지붕의 기와 지붕의 과립, 데크, 벽난로 mantles, 콘크리트 블록, PVC파이프, 구조적 절연 p.을 포함한다anels, 주택 사이딩 및 트림, 런닝 트랙, 발파용 모래, 재생 플라스틱 목재, 전신주 및 크로스 암, 철도 침목, 선박용 필링, 문, 창틀, 비계, 표지 기둥, 지하실, 기둥, 철도 침목, 비닐 바닥재, 포장석, 샤워대, 차고문, 공원 벤치, 조경 목재, 플랜터, 철도 침목목재 및 플라스틱 제품의 [21][22]팔레트 블록, 성형, 우편함, 인공 암초, 결속제, 페인트 및 언더코팅, 금속 주물, 필러.

포틀랜드 시멘트

포졸란성 특성 때문에 콘크리트에서는 [23]포틀랜드 시멘트를 대체하는 데 플라이 애쉬가 사용됩니다.포졸란 성분으로 플라이 애쉬를 사용하는 것은 1937년에 [24]가장 먼저 주목할 만한 연구가 있었지만, 1914년에 이미 인식되었다.로마의 수도교나 판테온과 같은 로마 구조물들은 콘크리트 [25]안에 화산재 또는 포졸라나를 사용했다.포졸란은 콘크리트의 강도와 내구성을 크게 향상시키므로 재를 사용하는 것이 보존의 핵심 요소이다.

포틀랜드 시멘트의 부분 대체재로 플라이 애쉬를 사용하는 것은 특히 적합하지만 클래스 C 플라이 애쉬에 국한되지 않는다."F" 등급의 플라이 애쉬는 콘크리트의 유입 공기 함량에 휘발성 영향을 미쳐 동결/토손상에 대한 저항성을 감소시킬 수 있다.플라이 애쉬는 종종 최대 30%의 포틀랜드 시멘트로 대체되지만, 특정 용도에서는 더 높은 용량으로 사용될 수 있습니다.경우에 따라서는 플라이 애쉬가 콘크리트의 최종 강도를 높이고 내화학성과 내구성을 높일 수 있습니다.

비산재는 콘크리트의 작업성을 크게 향상시킬 수 있다.최근에는 부분 시멘트를 대량 플라이 애쉬(시멘트 치환율 50%)로 대체하는 기술이 개발되고 있다.[댐 건설에 사용되는] 롤러 컴팩트 콘크리트(RCC)의 경우 인도 마하라슈트라에 있는 가트하르 댐 프로젝트에서 가공 플라이 애쉬로 70%의 치환 값을 달성했습니다.플라이애쉬 입자의 구형으로 인해 시멘트의 작업성을 높이고 물 [26]수요를 줄일 수 있습니다.플라이 애쉬를 지지하는 사람들은 포틀랜드 시멘트를 플라이 애쉬로 대체하면 1톤의 포틀랜드 시멘트를 생산하면 약 1톤의 CO가2 발생하므로2 콘크리트의 온실 가스 "발자국"이 감소한다고 주장합니다.새로운 플라이 애쉬 생산, 즉 석탄 연소는 플라이 애쉬 1톤당 약 20~30톤의 CO를2 생산한다.포틀랜드 시멘트의 전 세계 생산량은 2010년까지 약 20억 톤에 이를 것으로 예상되기 때문에, 이 시멘트의 대부분을 플라이 애쉬로 대체하면 건설과 관련된 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있습니다. 단,[citation needed] 비교가 플라이 애쉬의 생산을 기정사실화하는 한입니다.

제방

플라이 애쉬의 성질은 엔지니어링 재료 중 특이합니다.일반적으로 제방 건설에 사용되는 토양과 달리, 플라이 애쉬는 큰 균일성 계수를 가지고 있으며 점토 크기의 입자로 구성되어 있다.제방의 플라이 애쉬 사용에 영향을 미치는 공학적 특성에는 입자 크기 분포, 압축 특성, 전단 강도, 압축성, 투과성 및 서리 [26]감수성이 포함됩니다.제방에 사용되는 거의 모든 종류의 비산재는 F등급이다.

토양 안정화

토양 안정화는 토양의 물리적 특성을 강화하기 위해 토양의 영구적인 물리적, 화학적 변화이다.안정화는 토양의 전단강도를 증가시키고/또는 토양의 수축-수축 특성을 제어함으로써 포장 및 기초 지지용 노면의 내하력을 향상시킬 수 있다.안정화는 팽창성 점토에서 입상 물질에 이르기까지 광범위한 노급 물질을 처리하는 데 사용될 수 있습니다.석회, 플라이 애쉬, 포틀랜드 시멘트 등 다양한 화학 첨가물로 안정화를 달성할 수 있습니다.적절한 설계와 테스트는 모든 안정화 프로젝트의 중요한 구성요소입니다.이를 통해 설계 기준을 설정하고 원하는 공학적 특성을 달성하는 적절한 화학 첨가물 및 혼합물을 결정할 수 있습니다.안정화 프로세스의 이점은 다음과 같습니다.높은 저항(R) 값, 가소성 감소, 낮은 투과성, 포장 두께 감소, 굴착 제거 - 자재 운반/취급 - 및 베이스 수입, Aids 압축 - 현장 및 현장 내 "전천후" 접근 제공토양 안정화와 밀접한 관련이 있는 토양 처리의 또 다른 형태는 토양 개질이며, "진흙 건조" 또는 토양 조건화라고도 합니다.일부 안정화는 본질적으로 토양 개조에 발생하지만, 토양 개조는 단지 토양의 수분 함량을 감소시켜 건설을 촉진하는 수단일 뿐이며, 안정화는 프로젝트의 구조 설계에 통합될 수 있도록 재료의 전단 강도를 상당히 증가시킬 수 있다.토양 수정 대 토양 안정화와 관련된 결정 요인은 기존 수분 함량, 토양 구조의 최종 사용 및 궁극적으로 제공되는 비용 편익일 수 있다.안정화 및 수정 프로세스를 위한 장비에는 화학 첨가물 분쇄기, 토양 혼합기(재청구자), 휴대용 공압 저장 용기, 워터 트럭, 딥 리프트 압축기, 모터 그레이더가 포함됩니다.

유동성 충전재

플라이 애쉬(fly ash)는 압축 접지 또는 입상 필 대신 셀프 레벨링, 셀프 콤팩트 백필 재료로 사용되는 유동성 필(CLSM, Controlled Low Strength Material)의 생산에도 사용됩니다.유동성 주입 혼합물의 강도는 해당 프로젝트의 설계 요구 사항에 따라 50~1,200lbf/in²(0.3~8.3MPa)에 이를 수 있습니다.유동성 충전재는 포틀랜드 시멘트와 필러 재료의 혼합물을 포함하며, 미네랄 혼합물을 포함할 수 있습니다.플라이 애쉬는 충전재로 포틀랜드 시멘트 또는 미세 골재(대부분의 경우 하천 모래)를 대체할 수 있습니다.높은 플라이 애쉬 함량 혼합물은 거의 모든 플라이 애쉬를 포함하며, 적은 비율의 포틀랜드 시멘트와 혼합물을 흐르게 하기에 충분한 물을 포함하고 있습니다.플라이 애쉬 함량이 낮은 혼합물에는 필러 재료의 비율이 높고 플라이 애쉬, 포틀랜드 시멘트 및 물의 비율이 낮습니다.클래스 F 플라이 애쉬는 높은 플라이 애쉬 함유량 혼합에 가장 적합하지만 클래스 C 플라이 애쉬는 거의 항상 낮은 플라이 애쉬 함유량 [26][27]혼합에 사용됩니다.

아스팔트 콘크리트

아스팔트 콘크리트는 아스팔트 바인더와 광물 골재로 이루어진 복합재료로, 일반적으로 도로를 노면으로 하기 위해 사용된다.일반적으로 F급과 C급 플라이 애쉬 모두 빈 공간을 메우고 아스팔트 콘크리트 혼합물의 큰 골재 입자 사이에 접촉점을 제공하기 위한 미네랄 필러로 사용될 수 있습니다.이 애플리케이션은 다른 바인더(예: Portland 시멘트 또는 수화 석회)와 함께 또는 대체품으로 사용됩니다.아스팔트 포장에 사용할 경우 플라이 애쉬는 ASTM D242에 설명된 미네랄 필러 사양을 충족해야 합니다.플라이 애쉬의 소수성 성질은 포장도로의 박리에 대한 내성을 높입니다.플라이 애쉬는 또한 아스팔트 매트릭스의 강성을 증가시켜 내루팅성을 향상시키고 혼합 [26][28]내구성을 높이는 것으로 나타났습니다.

열가소성 플라스틱용 필러

석탄 및 셰일 오일 플라이 애쉬는 사출 성형에 [29]사용될 수 있는 열가소성 플라스틱의 충전재로 사용되어 왔습니다.

지질 고분자

최근에는 플라이 애쉬가 지질 고분자의 성분으로 사용되었습니다. 플라이 애쉬 글라스의 반응성을 사용하여 겉모습은 포틀랜드 시멘트와 유사하지만,[30] 제제에 따라 CO 배출량이 감소하는2 등 잠재적으로 우수한 특성을 가진 바인더를 만들 수 있습니다.

롤러 압축 콘크리트

Ameren의 Taum Sauk 수력발전소의 상부 저수지는 Ameren의 석탄 [31]발전소 중 하나의 플라이 애쉬를 포함하는 롤러 압축 콘크리트로 건설되었습니다.

플라이 애쉬를 사용하는 또 다른 응용 분야는 롤러 압축 콘크리트 댐입니다.미국의 많은 댐은 높은 플라이 애쉬 함량으로 건설되었습니다.플라이 애쉬는 수화열을 낮추어 두꺼운 배치가 발생합니다.이에 대한 데이터는 미국 재생국에서 확인할 수 있습니다.이것은 인도의 가트하르 댐 프로젝트에서도 증명되었습니다.

벽돌

플라이 애쉬로 건축용 벽돌을 만드는 기술은 여러 가지가 있으며, 다양한 제품을 생산한다.플라이 애쉬 벽돌의 한 종류는 플라이 애쉬와 같은 양의 점토를 혼합한 후 약 1000 °C의 가마에서 소성하여 제조됩니다.이 접근방식은 점토의 양을 줄일 수 있는 주요 이점이 있습니다.또 다른 종류의 플라이 애쉬 벽돌은 흙, 파리의 석고, 플라이 애쉬와 물을 섞고 혼합물을 건조시켜 만든다.열이 필요하지 않기 때문에 이 기술은 대기 오염을 줄입니다.보다 현대적인 제조 공정에서는 플라이 애쉬의 비율이 높고, 환경적인 이점을 가진 고강도 벽돌을 생산하는 고압 제조 기술이 사용됩니다.

영국에서는 콘크리트 블록을 만들기 위해 50년 이상 동안 플라이 애쉬가 사용되어 왔다.그것들은 충치벽의 내피에 널리 사용된다.다른 골재로 만든 블록보다 보온성이 뛰어납니다.[32]

재 벽돌은 1970년대부터 나미비아의 윈트훅에서 주택 건설에 사용되어 왔다.그러나 벽돌은 실패하거나 보기 흉하게 튀어나오는 경향이 있다는 점에서 문제가 있다.이것은 벽돌들이 습기와 접촉하고 화학 반응이 일어나 벽돌들이 [citation needed]팽창할 때 발생합니다.

인도에서는 플라이 애쉬 브릭이 건설에 사용된다.주요 제조업체들은 75% 이상의 산업 후 재활용 폐기물과 압축 공정을 사용하여 "석회-포졸라나 혼합물을 위한 유황 연료재"로 알려진 산업 표준을 사용합니다.이는 단열 특성과 환경적 이점을 [33][34]갖춘 강력한 제품을 생산합니다.

금속 매트릭스 복합 재료

플라이 애쉬 입자는 알루미늄 합금으로 좋은 보강재로서의 가능성을 입증하고 물리적 및 기계적 특성 개선을 보여줍니다.특히 플라이애쉬 함유율이 높아지면 압축강도, 인장강도, 경도는 증가하지만 밀도는 [35]감소한다.순수한 Al 매트릭스에 플라이 애쉬의 존재는 열팽창계수(CTE)[36]를 감소시킨다.

미네랄 추출

플라이 애쉬에서 게르마늄과 텅스텐을 추출하여 [37]재활용하기 위해 진공 증류를 사용할 수 있습니다.

폐기물 처리 및 안정화

플라이 애쉬는 알칼리성 및 흡수 능력을 고려하여 다른 알칼리성 물질과 조합하여 하수 슬러지를 유기 비료 또는 바이오 [38][39]연료로 변환하는 데 사용될 수 있다.

촉매

플라이 애쉬는 수산화나트륨으로 처리하면 열분해라는 고온 과정에서 폴리에틸렌을[40] 원유와 유사한 물질로 변환하는 촉매 역할을 잘 해 폐수 [41]처리에 활용되는 것으로 보인다.

또한 위험 폐기물 및 오염된 [42]토양의 안정화/고화 과정에 주로 C 등급의 플라이 애쉬를 사용할 수 있다.예를 들어, Rhenipal 공정은 오수 슬러지 및 기타 독성 슬러지를 안정시키기 위한 혼합재로 플라이 애쉬를 사용합니다.이 공정은 1996년부터 포르투갈 [43][44]알카네나에서 대량의 크롬(VI) 오염 가죽 슬러지를 안정화시키기 위해 사용되어 왔습니다.

환경 문제

지하수 오염

석탄은 미량 원소(비소, 바륨, 베릴륨, 붕소, 카드뮴, 크롬, 탈륨, 셀레늄, 몰리브덴, 수은 등)를 함유하고 있으며, 이들 중 상당수는 인간과 다른 생명체에 매우 독성이 강하다.따라서 이 석탄을 연소시킨 후 얻은 플라이 애쉬에는 이들 원소의 농도가 높아져 지하수 오염의 원인이 될 가능성이 크다.[45]미국에서는 필요한 보호가 이루어지지 않은 채 화산재 처리 또는 이용에 따른 지하수 오염 사례가 문서화되어 있다.

예

메릴랜드 주

Constellation Energy는 1996년부터 2007년까지 메릴랜드 주 감빌에 있는 이전 모래 및 자갈 광산에서 Brandon Shores Generating Station에서 발생한 비산재를 처리했습니다.그 재는 지하수를 [46]중금속으로 오염시켰다.메릴랜드 환경부는 콘스텔레이션에 100만 달러의 벌금을 부과했다.인근 주민들은 Constellation을 상대로 소송을 제기했고 2008년 이 회사는 5천400만 달러를 [47][48]받고 사건을 해결했다.

노스캐롤라이나

2014년, 노스캐롤라이나 주 듀크빌의 벅 증기역 근처에 사는 주민들은 "집 근처의 석탄재 구덩이가 위험한 물질을 지하수로 [49][50]침출시키고 있을 수 있다"는 말을 들었다.

일리노이 주

일리노이주에는 석탄 화력 발전소에서 발생하는 석탄재가 있는 석탄재 처리장이 많다.이 주의 24개 석탄재 처리장 중 22곳은 비소, 코발트, 리튬 등 유독성 오염물질을 지하수, 하천, 호수에 방출했다.이 석탄재 처리장들에 의해 일리노이주의 물에 버려지는 위험한 독성 화학물질은 알루미늄 30만 파운드, 비소 600 파운드, 붕소 30만 파운드, 카드뮴, 망간 15,000 파운드, 셀레늄 약 1,500 파운드, 질소 약 50만 파운드, 그리고 거의 4천만 파운드를 포함합니다.환경 무결성 프로젝트, 지구 정의, 프레리 리버 네트워크 및 시에라 [51]클럽의 보고서에 따르면 황산염 nds가 검출되었습니다.

테네시 주

2008년, 로인 카운티에 있는 킹스턴 화석 공장은 11억 갤런의 석탄재를 에모리 강과 클린치 강으로 흘려 인근 주택가에 피해를 입혔다.그것은 미국에서 [52]가장 큰 산업 유출이다.

텍사스

환경정합성프로젝트(EIP)의 연구에 따르면 텍사스에 있는 16개의 석탄 화력발전소를 둘러싸고 있는 지하수가 석탄재로 오염되었다.비소, 코발트, 리튬, 그리고 다른 오염물질들의 안전하지 않은 수치가 모든 재떨이 장소 근처의 지하수에서 발견되었다.16개 현장 중 12곳에서 EIP 분석 결과 지하수의 비소 수치가 EPA 최대 오염 수준보다 10배 높은 것으로 나타났다. 비소는 여러 종류의 암을 유발하는 것으로 밝혀졌다.그 장소들 중 10곳에서, 신경 질환을 일으키는 리튬이 지하수에서 최대 허용치의 25배인 리터당 1,000 마이크로그램 이상의 농도로 발견되었다.보고서는 텍사스의 화석연료 산업이 석탄재 처리에 대한 연방 규정을 준수하지 못하고 있으며 주 규제 당국은 지하수를 [53]보호하지 못하고 있다고 결론지었다.

생태학

플라이 애쉬가 환경에 미치는 영향은 생산되는 화력발전소뿐만 아니라 폐기물의 [54]바닥재 대비 플라이 애쉬의 비율에 따라 달라질 수 있습니다.이는 석탄이 발견된 지역의 지질과 발전소의 석탄 연소 과정에 따라 석탄의 화학적 구성이 다르기 때문이다.석탄이 연소되면 알칼리성 먼지를 만든다.이 알칼리성 먼지는 pH가 8에서 [55]12까지일 수 있습니다.플라이 애쉬 먼지는 표토에 쌓여서 pH를 높이고 주변 생태계의 식물과 동물에 영향을 미칠 수 있습니다.철, 망간, 아연, 구리, 납, 니켈, 크롬, 코발트, 비소, 카드뮴 및 수은과 같은 미량 원소는 바닥재 [54]및 모탄에 비해 높은 농도로 발견될 수 있습니다.

비산재는 식수에 [56]대한 연방 기준치의 100배에서 1,000배 정도 되는 독성 성분을 침출시킬 수 있습니다.플라이 애쉬는 침식, 표면 유출, 수면에 착지하는 부유 입자, 오염된 지하수가 지표수로 이동, 배수, 석탄재 [56]연못의 방류를 통해 지표수를 오염시킬 수 있습니다.생선은 몇 가지 다른 방법으로 오염될 수 있다.물이 플라이 애쉬로 오염되면 물고기는 [56]아가미를 통해 독소를 흡수할 수 있다.물 속의 침전물도 오염될 수 있다.오염된 침전물은 물고기의 먹이 공급원을 오염시킬 수 있으며, 그러면 물고기가 이러한 먹이 [56]공급원을 소비함으로써 오염될 수 있습니다.이것은 새, 곰, 그리고 심지어 [56]인간과 같은 물고기들을 먹는 유기체들의 오염으로 이어질 수 있다.일단 물을 오염시키는 비산재에 노출되면, 수생 생물들은 칼슘, 아연, 브롬, 금, 세륨, 크롬, 셀레늄, 카드뮴, 그리고 [57]수은의 수치를 증가시켰다.

플라이 애쉬에 오염된 토양은 부피 밀도와 수량은 증가하지만 유압 전도율과 [57]응집력은 감소했습니다.토양 및 토양 내 미생물에 대한 플라이 애쉬의 영향은 애쉬의 pH와 [57]애쉬의 미량 금속 농도에 의해 영향을 받습니다.오염된 토양의 미생물 군집에서는 호흡과 질화 [57]감소가 나타났다.이러한 오염된 토양은 식물 [57]발육에 해롭거나 이로울 수 있다.플라이 애쉬는 일반적으로 [57]토양에 있는 영양소 결핍을 교정할 때 유익한 결과를 낳습니다.대부분의 해로운 영향은 붕소 식물독성이 [57]관찰되었을 때 관찰되었다.식물은 [57]흙에서 날아오르는 화산재에 의해 상승한 원소를 흡수한다.비소, 몰리브덴, 그리고 셀레늄은 방목하는 [57]동물들에게 잠재적으로 독성이 있는 수준에서 발견되는 유일한 원소였다.비산재에 노출된 육생 생물들은 셀레늄 [57]수치가 증가했을 뿐이다.

대량 저장소의 유출

테네시 밸리 관리국2008년 12월 23일 테네시주 킹스턴에서 발생한 Fly Ash 격납장치 장애

플라이 애쉬가 대량으로 저장되는 경우, 비산 먼지를 최소화하기 위해 일반적으로 건조하기보다는 젖은 상태로 보관됩니다.그 결과 발생하는 압류물(못)은 일반적으로 크고 장기간에 걸쳐 안정적이지만 댐이나 제방의 붕괴는 신속하고 대규모로 이루어집니다.

2008년 12월, 테네시 밸리 당국의 킹스턴 화석 플랜트의 비산재 습식 저장용 저수지의 제방이 붕괴되어 540만 입방 야드의 석탄 비산재가 대량 방출되어 3채의 가옥이 파손되어 에모리 강으로 [58]흘러들어갔다.정화 비용은 12억 [needs update]달러를 초과할 수 있습니다.이 유출은 몇 주 후 앨라배마에서 더 작은 TVA 발전소의 유출로 인해 위도스 크릭과 테네시 [59]강을 오염시켰다.

2014년에는 듀크에너지가 소유한 노스캐롤라이나 석탄화력발전소에서 3만9000t의 화산재와 2700만갤런(10만입방미터)의 오염수가 NC 에덴 인근 댄강으로 유출됐다.그것은 현재 미국에서 [60][61][62]발생한 세 번째 최악의 석탄재 유출이다.

미국 환경보호청(EPA)은 2015년에 석탄 연소 잔차(CCR) 규정을 발표했다.기관은 석탄재를 비위험 물질로 계속 분류하였다(따라서 자원보전 및 회수법(RCRA)의 부제 C에 따른 엄격한 허가 요건을 피함). 단, 다음과 같은 새로운 제한이 있었다.

  1. 지하수를 오염시키고 있는 기존 화산재 연못은 CCR 수신을 중단하고 라이너로 닫거나 개조해야 합니다.
  2. 기존 재연조 및 매립지는 구조 및 위치 제한(해당하는 경우)을 준수하거나 폐쇄해야 한다.
  3. 더 이상 CCR을 받지 않는 연못은 2018년까지 탈수되지 않고 복개되지 않는 한 여전히 모든 규제를 받는다.
  4. 새로운 연못과 매립지는 압축된 [63]토양층 위에 거름막이 라이너를 포함해야 한다.

이 규정은 연못 붕괴를 방지하고 지하수를 보호하기 위해 고안되었다.강화된 검사, 기록 보관 및 모니터링이 필요합니다.폐쇄 절차도 포함되며 캡, 라이너 및 [64]탈수 작업이 포함됩니다.CCR 규제는 그 이후로 소송의 대상이 되어 왔다.

오염 물질

플라이 애쉬에는 건강에 해롭다고 알려진 미량의 중금속 및 기타 물질이 충분히 함유되어 있습니다.석탄의 잠재적인 독성 미량 원소는 비소, 베릴륨, 카드뮴, 바륨, 크롬, 구리, 납, 수은, 몰리브덴, 니켈, 라듐, 셀레늄, 토륨, 우라늄, 바나듐 및 [65][66]아연을 포함합니다.미국에서 연소되는 석탄 덩어리의 약 10%는 재가 되는 연소 불가능한 광물 물질로 구성되어 있기 때문에 석탄재 내 미량 원소의 농도는 원래 석탄 농도의 약 10배입니다.1997년 미국 지질조사국(USGS)의 분석에 따르면 플라이 애쉬에는 일반적으로 10~30ppm의 우라늄이 함유되어 있으며, 이는 일부 화강암, 인산염암, 흑색 [67]셰일에서 발견되는 수치와 맞먹는 수치이다.

1980년 미국 의회는 석탄재를 RCRA의 엄격한 유해 폐기물 허용 요건에 따라 규제되지 않는 "특수 폐기물"로 정의했다.RCRA 개정에서 의회는 EPA에 특별 폐기물 문제를 연구하고 보다 엄격한 허가 규제가 [68]필요한지 여부를 결정하도록 지시했다.2000년 EPA는 석탄 플라이 애쉬를 [69]유해 폐기물로 규제할 필요가 없다고 밝혔다.[70] 그 결과, 대부분의 발전소는 화산재 [71]연못에 지멘브레인이나 침출수 수집 시스템을 설치할 필요가 없었다.

USGS와 석탄재 내 방사성 원소에 대한 다른 연구들은 플라이 애쉬가 일반적인 토양이나 암석과 비교되므로 경각심을 [67]유발해서는 안 된다는 결론을 내렸다.그러나 지역사회와 환경단체는 수많은 환경오염과 피해 [72][73][74]우려를 문서화하고 있다.

노출 우려 사항

다음 항목도 참조하십시오.석탄재의 건강에 미치는 영향

결정성 실리카와 석회는 독성 화학물질과 함께 인간의 건강과 환경에 대한 노출 위험을 나타냅니다.플라이 애쉬에는 결정성 실리카가 포함되어 있어 흡입하면 폐질환, 특히 규폐증을 일으키는 것으로 알려져 있습니다.IARC와 US National Toxicology Program은 결정성 실리카를 이미 알려진 [75]인체 발암물질로 등재되어 있다.

석회(CaO)는 물(HO2)과 반응하여 수산화칼슘[Ca(OH)]2을 형성하고, 플라이 애쉬의 pH는 중간에서 12 사이이며, 중간에서 강한 염기입니다.또한 충분한 양이 존재할 경우 폐 손상을 일으킬 수 있습니다.

물질 안전 데이터 시트는 플라이 [76]애쉬를 취급하거나 작업할 때 몇 가지 안전 예방 조치를 취할 것을 권장합니다.여기에는 보호용 고글, 인공호흡기 및 일회용 의류를 착용하고 공기 중에 방출되는 양을 최소화하기 위해 플라이 애쉬를 교반하지 않도록 하는 것이 포함됩니다.

미국 국립과학원은 2007년에 "많은 CCR(석탄 연소 잔류물) 침출수에 높은 오염물질 수준이 존재하는 것은 인간의 건강과 생태학적 우려를 야기할 수 있다"[1]고 언급했다.

규정

미국

2008년 킹스턴 화석 공장 석탄 플라이 재 슬러리 유출 사고 이후 EPA는 전국의 모든 재 연못에 적용되는 규제를 개발하기 시작했다.EPA는 2015년에 [63]CCR 규칙을 발표했다.2015 CCR 규제의 일부 조항은 소송에 부쳐졌고, 미국 컬럼비아 특별구 항소법원은 추가적인 규칙 [77]제정을 위해 규제의 특정 부분을 EPA에 송부했다.

EPA는 2019년 8월 14일 운영자가 [78]운영 상태를 유지할 수 있도록 최소한의 환경 영향을 입증해야 하는 수치 임계값(즉, 압류물 또는 매립지 크기) 대신 위치 기반 기준을 사용하는 제안된 규칙을 발표했다.

법원의 송환에 대응하여 EPA는 2020년 8월 28일 "CCR Part A" 최종 규칙을 발행하여 모든 비라이너에 대한 개조 또는 2021년 4월 11일까지 폐쇄를 요구한다.일부 시설은 지표면 [79][80][81]저류물을 닫기 전에 회분 폐기물을 관리하기 위한 대안을 찾기 위해 추가 시간(최대 2028년)을 확보하도록 신청할 수 있다.EPA는 2020년 11월 12일 인간의 건강과 환경이 [82]영향을 받지 않는다는 실증 하에 특정 시설에서 대체 라이너를 사용할 수 있도록 하는 CCR Part B 규칙을 발표했다.CCR 규제에 대한 추가 소송은 2021년 [83]현재 진행 중이다.

2020년 10월 EPA는 2015년 규제의 일부 조항을 뒤집는 최종 유출 지침 규칙을 발표했다. 2015년 규제는 화산재 연못 및 기타 발전소 [84][85]와스테스트림에서 방출되는 폐수의 독성 금속에 대한 요구사항을 강화했다.2020년 규칙은 [86]소송에서도 도전받고 있다.2021년 8월 EPA는 2020년 규칙에 대처하고 폐수 제한을 강화하기 위해 또 다른 규칙 제정을 실시하고 있다고 발표했다.이 기관은 2022년 [87]가을에 제안된 규칙을 발표할 계획이다.

인도

인도 환경, 산림 및 기후 변화부는 1999년에 플라이 애쉬 사용을 명시하고 100% [88]활용을 보장함으로써 모든 화력발전소의 목표일을 준수하도록 하는 공고를 처음 발표했다.2003년과 2009년의 후속 개정으로 준수 기한이 2014년으로 변경되었습니다.2015년 뉴델리 중앙 전기 관리국에서 보고한 바와 같이, 생산된 플라이 애쉬의 60%만이 [89]사용되고 있다.그 결과, 2015년에 가장 최근의 통지가 이루어졌으며, 이 통지는 2017년 12월 31일을 100% 활용을 달성하기 위한 개정 기한으로 설정되었다.사용된 약 55.7%의 플라이 애쉬 중 상당 부분(42.3%)은 시멘트 생산에 사용되는 반면, 콘크리트에서는 약 0.74%만이 첨가제로 사용됩니다(표 5 [29] 참조).인도 연구원들은 100% 활용 [90]목표를 달성하기 위해 콘크리트와 지오폴리머[34]와 같은 활성 포졸란 시멘트의 혼합물로 플라이 애쉬를 사용하여 이러한 과제에 적극적으로 대처하고 있습니다.가장 큰 범위는 콘크리트에 혼입되는 플라이 애쉬의 양을 늘리는 영역이다.인도는 2016년 2억8000만 톤의 시멘트를 생산하고 있으며 주택부문이 시멘트의 67%를 소비하고 있어 PPC와 저강도 또는 중강도 콘크리트 양쪽에 플라이 애쉬를 도입할 수 있는 범위가 넓어지고 있다.인도 코드 IS 456:2000(콘크리트 및 철근 콘크리트)과 IS 3812.1:2013(플라이 애쉬)에서 Fly Ash 사용을 35% 미만으로 제한하고 있다는 오해가 있습니다.미국과 같은[91] 국가에서도 유사한 오해가 존재하지만, 그 반대의 증거는 엄격한 품질 관리 하에 설계 혼합물이 사용된 많은 대형 프로젝트에서 HVFA를 사용하는 것이다.논문에 제시된 연구성과를 최대한 활용하기 위해 현지 플라이 애쉬를 이용한 UHVFA(Ultra High Volume Fly ash Concrete) 콘크리트 개발이 시급하다.알칼리 활성 포졸란 또는 지오폴리머 시멘트 기반의 콘크리트 촉진에도 긴급 조치가 필요하다.

지질 기록상

약 2억 5천 2백만 년 전 페름기-트라이아스기 멸종 사건 동안 시베리아 트랩에 의한 석탄 퇴적물의 발화로 인해, 현대의 플라이 애쉬와 매우 유사한 많은 양의 숯이 바다로 방출되었고, 이것은 캐나다 북극 해역에 위치한 해양 퇴적물의 지질 기록에 보존되어 있다.플라이 애쉬가 유해한 [92]환경 조건을 초래할 수 있다는 가설이 있다.

「 」를 참조해 주세요.

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