국내 석탄회의 융점강하 Modelling 및 Simulation

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

조진욱1)·김재권1)·박진서1)·임병선2)·이명섭3)·이상훈3)·

이봉한4)·유재상4)·서형석4)·한 춘1)

1) 광운대학교 화학공학과

2) 한국 Bosch

3) 대한광업진흥공사

4) 쌍용양회(주)기술연구소

Modelling and Simulationon of Fusion Temperature of Domestic Coal Ash

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) Bosch Korea

3) Korea Resources Corporation(KORES)

4) SsangYong Cement Technical Research Institute

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, Na2O2, TiO2, K2CO3)를 20∼30℃wt.%단독첨가시 400℃정도 융점강하효과를 확인하였다.

따라서 본 연구에서는 석탄회내의 산화물의 조성에 대하여 융점강하효과에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 석탄회의 조성과 같게 model compound를 제조하여 CaO, MgO, Fe2O3, Na2O2, TiO2, K2CO3등의 광화제를 첨가하여 융점강하실험을 하였으며, 최적의 광화제첨가량을 결정하고자 하였다. 아울러 상평형도를 통한 결과해석과 함께 염기성 산화물의 조성과 석탄회 용융온도와의 상관관계를 파악하여 모델식으로 나타내어 용융점 예측 모델을 개발하고자 하였다.

실험방법 및 장치

본 실험을 위하여 태백지역 도계, 철암, 석항 및 호남지역 화순 탄광의 무연탄 4종을 사용하였으며 각각의 공업분석 및 원소분석결과를 Table 1에 나타내었다. 분석결과에 의하면 ash의 함량은 32.45∼39.90% 정도이고, 휘발분 함량은 3.79∼4.99%로서 고회분, 저휘발분의 국내 무연탄 특성을 지니고 있다(Table 1).

석탄회는 KS E 3705 4절(ash정량방법)의 규정에 준하여 electric furnance에서  850℃까지 온도를 올린 후, 온도를 유지하며 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(Table 2).

광화제로는 시멘트의 원료로 사용되는 CaO, MgO, Fe2O3, Na2O2, TiO2, K2CO3(순도 99%이상, 1급시약)를 선정하였다.

실험장치로는 가스분사식 내화로가 사용되었다(Fig. 1). 본 내화로는 1700℃이상까지 온도 상승이 가능하기 때문에 석탄회 용융온도 측정에 적합하다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

가스분사식 내화로에서 석탄회의 model compound 융점강하실험을 하기 위하여 4종의 model compound에 CaO, MgO, Fe2O3, Na2O2, TiO2, K2CO3를 2, 5, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60wt.% 첨가한 후 10℃/min의 가열속도로 산화성 분위기에서 실험을 실시하였다

결과 및 고찰

도계, 철암, 석항, 화순 석탄회의 무기산화물의 조성(Table 2)대로 인조 석탄회인 model compound를 제조하여 광화제(CaO, MgO, Fe2O3, K2CO3, Na2O2, TiO2)첨가에 따른 융점강하실험 실시 한 결과, 석탄회의 용융온도변화와 경향은 유사하였으며, 광화제(CaO, MgO, Fe2O3, K2CO3, Na2O2, TiO2)를 첨가함에 따라 석탄회의 용융온도보다 부분적으로 10∼30℃정도 온도가 낮게 측정되는 경향이 있음을 확인하였다.

아울러 본 연구에서는 model compound와 석탄회에 광화제가 10∼40wt.%첨가되었을 때 화학조성과 용융온도와의 관계를 규명하기 위하여 국내 석탄회에 포함된 각 산화물들의 용융특성을 고려하여 SiO2/Al2O3 질량비와 Base/Acid를 곱한 chemical parameter를 변수로 할 때, 용융온도가 종속적인 사실을 Fig. 2과 같이 확인할 수 있었다. 단, 광화제가 40wt.%이상 첨가된 석탄회는 광화제의 첨가량이 석탄회의 주성분인 SiO2나 Al2O3함유량보다 많아져서 광화제로서 의미가 미약해지므로 Fig. 2의 data에서 제외하였다.

Fig. 2에서 chemical parameter(식 1-(a, b, c))에 의한 model compound의 융점강하실험 data를 점(circle)으로 나타냈고, 그에 따른 모사결과를 굵은실선으로 표현하였으며, 모델식은 식(1-d)에 나타내었다. 또한 model compound 모사결과와 석탄회 모사결과를 비교하기 위하여 석탄회의 광화제 첨가에 따른 융점강하실험의 전체 data를 모사한 결과를 점선으로 나타내었다. 석탄회(점선)와 model compound(실선)의 모사결과를 비교하여 보면 (SiO2/Al2O3)×(Base/ Acid)값이 0.5(광화제 첨가량 20wt.%)미만까지는 model compound 모사결과와 석탄회 모사결과의 부합도(□=0.94)가 높아 model compound의 무기산화물 조성에 따른 용융온도를 적용하여 석탄회의 용융온도를 예측하는데 무리가 없음을 확인하였다. 하지만 (SiO2/Al2O3)×(Base/Acid)값이 0.5이상(광화제 첨가량 20wt.%이상)이면 model compound의 실험값이 석탄회의 실험값에 비하여 20∼100℃정도 높게 나타나 부합도는 크게 낮아졌다. 따라서 석탄회의 용융온도는 광화제 20wt.%첨가시까지 model compound의 무기 산화물 조성에 따른 용융온도를 적용하여 예측할 수 있음을 확인하였다. 본 모사결과(식(1-d))의 상관계수(□)는 0.96으로 매우 높게 나타났다.

Base(wt.%) = CaO + MgO + Fe2O3 + K2O + Na2O + Ig.loss           (1-a)

Acid(wt.%) = SiO2 + Al2O3 + TiO2                                   (1-b)

[eqn: S] = ( SiO2 / Al2O3 )×( Base / Acid )                               (1-c)

T(℃) = [eqn: {77.94 } over {S-0.34 } +1220.48]                                           (1-d)

결론

석탄회의 융점강하를 위한 광화제 효과를 고찰하기 위하여 태백지역 도계, 철암, 석항석탄회와 호남지역 화순 석탄회의 model compound를 제조하여 광화제(CaO, MgO, Fe2O3, K2CO3, Na2O2, TiO2)를 첨가하여 융점강하 실험을 실시한 결과, 석탄회의 용융온도변화와 경향은 유사하였으며, 광화제(CaO, MgO, Fe2O3, K2CO3, Na2O2, TiO2)를 첨가함에 따라 석탄회의 용융온도보다 부분적으로 10∼30℃정도 온도가 낮게 측정되는 경향이 있음을 확인하였다.

석탄회의 경우 ternary equilibrium phase diagram에 적용하여 광화제 효과를 극대화시킬 수 있는 첨가량을 찾아낼 수 있으며, (SiO2/Al2O3)×(Base/Acid)를 변수로 한 model compound의 모델식으로 광화제가 20wt.%까지 첨가된 석탄회의 융점추정이 가능하다.

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.

Table 1. Proximate and elemental analysis of coal samples

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

*  : as received base , **  : dry base

Sample	Chemical analysis (wt.%)
	Proximate analysis				Elemental analysis
	F.C	V.M	H2O	Ash	C	H	N	S
Do-gye*	59.35	3.79	3.01	33.35	60.65	0.95	0.33	0.3이하
Chul-am*	57.10	4.12	3.49	35.30	58.30	0.96	0.44	0.3이하
Seok-hang**	55.54	4.56	0	39.90	·	·	·	·
Hoa-soon**	58.21	4.99	0	32.45	·	·	·	·

Table 2. Chemical analysis of coal ashes

Sample	wt.%	Chemical Analysis ( % )
		SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	TiO2	Ig.loss
Do-gye	100.0	54.80	30.56	4.64	0.78	0.67	5.19	0.34	1.71	0.51
Chul-am	100.0	52.43	33.39	4.56	1.52	0.72	3.78	0.38	1.85	0.60
Seok-hang	100.0	53.87	32.53	4.40	0.52	0.59	4.72	0.52	1.91	0.22
Hoa-soon	100.0	50.69	31.23	5.53	2.65	1.34	4.68	0.80	1.75	0.60

Fig. 1. Schematic diagram of the gas-injecting furnace.

Fig. 2. Simulated comparison of results on the model compound

and  coal ash as affected by (SiO2/Al2O3)×(Base/Acid) ratio.