국내 석탄회의 용융점 강하를 위한 광화제효과(Ⅱ)

조진욱1)·김재권1)·박진서1)·임병선2)·이명섭3)·

이상훈3)·이봉한4)·유재상4)·서형석4)·한 춘1)

1) 광운대학교 화학공학과

2) 한국 Bosch

3) 대한광업진흥공사

4) 쌍용중앙연구소

Effects of Mineralizers on Fusion Temperature

of Domestic Coal Ash(Ⅱ)

J. W. Cho·J. K. Kim·J. S. Park·B. S. Lim·M. S. Lee·

S. H. Lee·B. H. Lee·J. S. Yoo·H. S. Seo·C. Han

1) Dept. of Chemical Engineering Kwangwoon University

2) Korea Bosch

3) Korea Resources Corporation(KORES)

4) SsangYong Research Center

1. 서론

국내 무연탄 연소시 발생되는 석탄회는 성분면에서는 시멘트 원료로 사용 가능하지만, 용융온도가 1600℃이상으로 높아 클링커 kiln에 직접투입이 어렵다. 따라서 석탄회 용융온도를 클링커 소성온도(1450℃)이하로 강하하기 위하여는 광화제가 필요하다. 최근 연구에서 석탄회에 염기성 산화물의 광화제(CaO, MgO, Fe2O3)를 20∼30℃wt.%단독첨가시 400℃정도 융점강하효과를 확인하였다. 하지만 석탄회내의 Na2O2, TiO2, K2CO3등의 미량무기성분이 융점강하효과에 미치는 영향은 규명하지 못하였다.

따라서 본 연구에서는 석탄회내의 미량무기성분(Na2O2, TiO2, K2CO3등)이 융점강하효과에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 Na2O2, TiO2, K2CO3를 광화제로 선정하여 첨가실험을 하였으며, 도계, 철암, 석항, 화순 무연탄 ash의 무기산화물의 조성대로 인조 석탄회를 제조하여 광화제(CaO, MgO, Fe2O3, Na2O2, TiO2) 첨가에 따라 석탄회의 융점강하에 미치는 synergistic effect를 고찰하고, 최적의 광화제첨가량을 결정하고자 하였으며, 상평형도를 통한 결과해석과 함께 염기성 산화물의 조성과 석탄회 용융온도와의 상관관계를 파악하여 용융점 예측 모델을 개발하고자 하였다.

2. 실험

본 실험을 위하여 도계, 철암, 석항, 화순저탄장의 국내 무연탄을 사용하였으며 공업분석 및 원소분석결과, 회분 32.45∼39.90%, 휘발분 3.79∼4.99%를 함유하고 있다. 석탄회는 KS E 3705 4절(ash정량방법)의 규정에 준하여 electric furnance를 사용하여 850℃의 온도에서 10시간동안 연소시켜 제조하였다. 제조된 석탄회는 SiO2 50.69∼53.87%, Al2O3 31.23∼32.53% 였으며, 그 외 무기 산화물 및 Ig.loss의 함량은 13.6∼17.35%였다.

광화제로는 시멘트의 원료로 사용되는 Na2O2, TiO2, K2CO3(순도 99%이상, 1급시약)를 선정하였다.

실험장치로는 가스분사식 내화로가 사용되었다. 본 내화로는 1700℃이상까지 온도 상승이 가능하기 때문에 석탄회 용융온도 측정에 적합하다.

가스분사식 내화로에서 석탄회의 융점강하실험을 하기 위하여 4종의 석탄회에 Na2O2, TiO2, K2CO3를 2, 5, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60wt.% 첨가한 후 10℃/min의 가열속도로 산화성 분위기에서 실험을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

도계, 철암, 석항, 화순 석탄회에 Na2O2, K2CO3, TiO2를 첨가하여 실험을 실시하여 Fig. 1∼3에 나타내었다.

Na2O2 2wt.%첨가시 도계, 철암, 석항, 화순 석탄회의 용융온도는 1350∼1371℃로 순수한 석탄회의 용융온도(1627∼1650℃)보다 300℃정도의 융점강하효과가 있음을 확인하였으며, 30∼40wt.%첨가시 용융온도는 1240∼1248℃로 융점강하효과가 400℃정도로 광화제 첨가효과가 최대임을 확인하였다. 하지만, 40wt.%이상 첨가시 용융온도는 다시 상승하여 광화제 첨가효과가 약해졌다.

K2CO3 2wt.%첨가시 도계, 철암, 석항, 화순 석탄회의 용융온도는 1462∼1485℃로 순수한 석탄회의 용융온도(1627∼1650℃)보다 150℃정도의 융점강하효과가 있음을 확인하였으며, 2∼5wt.%첨가시 시멘트 클링커 소성온도(1450℃)에 근접함을 확인하였다. 30wt.%첨가시 용융온도는 1311∼1321℃로 융점강하효과가 300℃이상으로 광화제 첨가효과가 최대임을 확인하였다. K2CO3 40wt.%이상 첨가시 용융온도는 순수한 석탄회의 용융온도(1650℃)이상으로 상승하였다.

TiO2 2wt.%첨가시 도계, 철암, 석항, 화순석탄회의 용융온도는 1528∼1540℃로 순수한 석탄회의 용융온도(1627∼1650℃)보다 100℃정도의 융점강하효과가 있음을 확인하였으며, 20wt.%첨가시 용융온도는 1431∼1450℃로 융점강하효과(200℃)가 최대임을 확인하였다.

산성 산화물인 TiO2는 염기성 산화물인 Na2O2, K2CO3, CaO, MgO, Fe2O3의 첨가시보다 융점강하효과는 떨어졌으며, 산성 산화물의 첨가는 염기성 산화물첨가보다 융점강하효과가 낮다는 것을 확인하였다.

4. 결론

도계, 철암, 석항, 화순 석탄회에 Na2O2, K2CO3, TiO2를 첨가하여 실험을 실시한 결과, Na2O2 30∼40wt.%첨가시 용융온도는 1240∼1248℃로 융점강하효과가 400℃정도로 광화제 첨가효과가 최대임을 확인하였다. 하지만, 40wt.%이상 첨가시 용융온도는 다시 상승하여 광화제 첨가효과가 약해졌다.

K2CO3 2∼5wt.%첨가시 용융온도는 1425∼1480℃로 시멘트 클링커 소성온도(1450℃)에 근접함을 확인하였다. 30wt.%첨가시 용융온도는 1311∼1321℃로 융점강하효과가 300℃이상으로 광화제 첨가효과가 최대임을 확인하였다. K2CO3 40wt.%이상 첨가시 용융온도는 순수한 석탄회의 용융온도(1650℃)이상으로 상승하였다.

TiO2 20wt.%첨가시 용융온도는 1431∼1450℃로 융점강하효과(200℃)가 최대임을 확인하였으며, 산성 산화물인 TiO2는 염기성 산화물인 Na2O2, K2CO3, CaO, MgO, Fe2O3의 첨가시보다 융점강하효과는 떨어졌으며, 산성 산화물의 첨가는 염기성 산화물첨가보다 융점강하효과가 낮다는 것을 확인하였다.

5. 참고문헌

- Joseph G. Singer, " Combustion Fossil power Systems,"  3rd edn.,

Comb. Eng. inc. Am. pp. 5-11(chap. 3), 1981.

- Frank E. Huggins, Gerald P. Huffuman, "Correlation

between ash-fusion temperatures and equilibrium phase

diagrams," Fuel, Vol. 60, pp. 577-584. 1981.

- Gerald P. Huffman, Frank E. Huggins and George R. Dummyre,

"Investigation of high-temperature behaviour of coal ash in

reducing and oxidizing atmospheres," Fuel, Vol. 60, pp. 585-597,

1881.

- M.Ashizawa, T.Mimaki, "Development of High-performance

Coal Gasification  Technology for High Fusion Point Coals by

Fulx Addition Method and Coal Blending  Method," 火力原子力發

電, Vol. 44, No. 6. pp. 57-65, 1993.

Fig. 1. Effects of mineralizer on the fluid temperature

of ash(Na2O2 addition).

Fig. 2. Effects of mineralizer on the fluid temperature

of ash(K2CO3 addition).

Fig. 3. Effects of mineralizer on the fluid temperature

of ash(TiO2 addition).