석탄 슬래그의 점도측정을 위한 점도 측정장치 설계

조동현, 오명숙

홍익대학교 공과대학 화학공학과

Design of Viscometer for Measurement of Coal Slag Viscosity

Dong Hyun Jo and Myongsook S. Oh

Department of Chemical Engineering, Hong-Ik University

서 론

20∼60atm, 1200∼1600℃의 고온, 고압의 분류층 가스화 반응에서 99%의 유기물은(recycle을 포함) 합성가스로 전환되는 반면, 무기물은 회성분으로 액상 슬래그 상태로 반응기 아래로 흘러 내려가 냉각수에 의해 급랭되어 가스화기 밖으로 배출된다.[1] 이 슬래그의 점도가 급격히 증가할 때 배출구를 막아 가스화 공정에 지장을 초래할 수 있다. 가스화기내의 슬래그의 점도 변화는 가스화 공정운전의 중요한 요소이다. 급격히 점도가 증가하기 시작하는 온도를 Tcv(Temperature of critical viscosity)로 정의하고, Tcv의 측정과 예측으로 원활한 가스화 공정 운전의 필수이다.

본 연구에서는 가스화 온도인 1200∼1600℃에서 석탄 슬래그의 점도를 측정하는 장치를 제작하여 점도를 측정하였다.

Cell Design:

점도측정장치로 사용된 Brookfield LV/DVIII 모델은 중앙회전식 점도장치로 바깥쪽의 실린더가 고정되었고 안쪽실린더가 일정한 각속도로 회전할 때 유체에 가하는 힘에 의해 응답하는 힘, 즉 토오크를 측정해서 점도를 계산한다. 바깥 실린더에 의해 생기는 end effect를 최소화하기 위해 속도 지배 방정식[2]을 세워 수치해석적 방법[3]으로 실린더의 옆면과 밑면에 유체가 미치는 토오크의 영향을 cell의 크기에 따라 계산하였다. End effect는 Ri(안쪽 실린더 지름)/Ro(바깥쪽 실린더 지름) ≤ 0.25, Li(안쪽 실린더 길이)/Lo(바깥쪽 실린더 길이) ≤ 0.75 이하일 때 최소가 된다.[4] 고온에서 사용할 고밀도 알루미나를 이용하여 제작된 점도 cell은 그림 1과 같다. 그림에서 바깥쪽 면을 사각으로 만든 이유는 cell을 지지대에 고정시켜 회전을 막기 위함이다.

실험장치 설치:

1200∼1600℃의 온도로 가열하기 위해 Lindberg blue/M 모델의 상자형 전기로를 이용하여, 윗면에 2cm가량의 구멍을 파고 그 위에 점도계를 설치하였다. 전기로 안에, 제작된 cell을 장착하기 위하여 고밀도와 저밀도 알루미나판를 이용하여 지지대를 설치하였다. 이 지지대는 전기로 안에서 열손실을 최소화하고 점도 cell의 회전에 의한 움직임을 방지하기 위한 형태로 제작되었다. Rotor는 점도계가 받는 열에 의한 손상을 최소화하기 위해 길이 30cm, 지름 0.3cm의 고밀도 알루미나로 선택되었다. 열전대는 cell의 온도와 슬래그의 온도와 같다고 가정하고 cell의 옆면에 부착하였다. 이렇게 제작된 점도장치를 그림 2에 나타내었다.

시 료:

측정에 사용된 석탄 슬래그는 아주대학교 고등기술원에서 실시한 건식 가스화 실험 후 생성된 것으로 그 종류와 성분은 다음과 같다.

Table 1. Composition of Coal Slags

	Kideco	Drayton	Alaska Usibelli
Al2O3	15.15	17.80	18.93
SiO2	37.93	63.30	42.73
Fe2O3	21.47	4.96	6.00
TiO2	0.73	1.09	0.74
MnO	0.20	0.05
CaO	12.02	2.43	21.01
MgO	2.57	0.72	3.13
K2O	0.98	0.81	1.27
Na2O	0.19	0.21	0.93
P2O5	0.10	0.33	0.33
SO3	8.27	7.36
L.O.I	0.39	0.94	1.08

실험 조건과 방법:

시료인 고체 슬래그를 2mm정도의 입자로 잘게 부수어 50g을 온도가 1550℃ 이상일 때 조금씩 주입하여 녹여 일정높이에 도달할 때까지 cell을 채웠다. 전기로를 1600℃까지 가열하고 2℃/min으로 온도를 낮추며 실험하였다.[5]

결과 및 토론:

질소의 주입 없이 공기 중에서 실험한 Alaska Usibelli 탄을 보면 온도가 내려가면서 70poise 정도를 유지하다가 1380℃부근에서 점도의 급격한 증가를 보이고 있다. 점도가 일정하게 유지되는 부분의 점도 오차는 10poise 미만을 유지하다가 점도의 증가 범위에서 20poise 정도의 오차를 보이게 된다.  Kideco 탄 슬래그의 경우 80poise 정도를 유지하다가 1400℃부근에서 급격한 점도의 증가를 보이고 있다. Drayton 탄 슬래그의 경우 1380℃부근에서 급격한 점도의 증가를 보이고 있다. 이 결과값을 그림 3에 나타내었다.

실제 LV 모델점도계의 한정된 점도측정범위로 인해 점도계에 사용하는 rotor의 반지름이 0.3cm로 제한되고, 점도계 회전 가속도가 5rpm으로 작아져 그에 따른 점도 측정값의 오차 범위가 커짐을 예상할 수 있었다.

결론

고온 전기로와 상용점도계를 이용하여 석탄 슬래그의 점도를 측정할 수 있는 점도 측정장치를 제작하였다. 고온에서 비교적 반복성 있는 데이타를 얻을 수 있었다. Rotor의 반지름을 넓히고, 회전속도를 높여 점도값의 오차범위를 줄이고, 환원가스나 비활성가스의 주입에 의한 환원 조건에서의 실험으로 가스화분위기를 조성하는 실험이 요구된다. 이를 이용하여 측정된 슬래그의 점도로 Tcv를 예측 결정하고 가스화공정에 적용할 수 있다.

참고 문헌

1. 오명숙, 홍익대학교 과학기술연구논문집, 5, 1025-1044,(1995)

2. Bird, Tansport Phenomena, 71-111,(1960)

3. Maron, Numerical Analysis, 147-186,(1982)

4. Macosko, Rheology, 188-204,(1993)

5. 조동현, 석탄 슬래그의 점도 측정과 예측, 석사학위논문, 홍익대학교, 화학공학과(1998)

Figure 1. Schmatic of the selected cell design

Figure 2. High Temperature Viscometer

(a)                                 (b)

(c)

Figure 3. Experimental Data

(a)Alaska Usibelli Slag (b) Kideco Slag (c) Drayton Slag