마찰대전을 이용한 석탄회 미연탄소 분리기술 개발

최정완,노승수,노갑수,김재관*,김성철*

쌍용양회공업(주)중앙연구소,한국전력연구원*

Separation Technology of Unburned Carbon from Coal Fly Ash by

Tribo-Charging

Jeong Wan Choi, Seung Soo Noo, Kab Soo Noo,

Jae Gwan Kim*,Sung Chul Kim*

Ssangyong Cement Rsearch Center, Korea Electric Power Research Institute*

서론

지속적인 전력 수요의 증가로 인한 국내 유연탄 화력 발전소 신·증설에 따라 석탄회(fly ash) 발생량도 점진적으로 증가 할 것으로 예상된다. 그러나 현재 석탄회 발생량의 대부분은 발전소 주위에 매립 폐기되고 있어 장차 가중되는 회처리장의 입지 확보 문제, 환경보호  및 경제적 이익 측면에서 석탄회 재활용의 욕구가 높아져 오고 있다. 석탄회는 포졸란 활성도를 갖고 있기 때문에 시멘트 혼화재로 재활용시 콘크리트의 수화열 감소, 작업성 개선, 알칼리 골재반응 억제, 내구성 향상 및 장기 강도를 증진시킬 수 있다. 그러나 석탄회에 존재하는 미연탄소는 화력발전소 연소로의 연소 조건이나 석탄 종류에 따라서 2 ∼ 10%를 차지하고 있는데 이 미연탄소가 시멘트나 콘크리트 혼화재로 사용시 압축 강도 및 유동성의 저하를 초래한다. 현재 국내·외의 석탄회 정제기술은 석탄회의 회성분과 미연탄소 성분의 물리적 특성과 화학적 특성을 이용한 방법으로 크게 부유선별법, 기름응집법 등의 습식법과 공기원심분리법, 정전분리법 등의 건식분리법이 있다. 습식분리법은 분리 효율이 우수하지만  습식이기 때문에 석탄회의 탈수 및 건조 설비투자비가 크고, 폐수 발생 등 2차 오염을 유발 할 수 있어 실용화 되지않고 있다. 현재 상용화 되어 국내에 설치되어 있는 건식분리법인 공기원심 분리법은 장치가 단순하고 대용량화가 용이한 반면 미연탄소 함량 저감의 한계가 있다.

본 연구는 미연탄소(unburned) 와 재(ash)의 마찰대전특성을 이용하여 석탄회 중 미연탄소를 분리 할 수 있는 장치의 개발에 관한 것이다.

이론

미분체의 정전분리 방법에는 코로나 방전형(corona discharging type) 및 정전유도형(electrostatic inductive type)과 마찰대전형(triboelectrostatic type) 정전분리방법이 있다. 코로나 방전형 및 정전유도형 정전분리 방법은 전도성과 비전도성 분체에만 적용할 수 있는 반면에 마찰대전형 정전분리 방법은 일함수가 다른 두 미분체를 직접 충돌시키거나 일함수 차이의 중간정도의 물질의 표면에 충돌시키면 일함수의 크기에 차이에 따라 두 미분체가 (+), (-)로 대전되는데 이 대전된 미분체가 직류 전기장에서 극성에 따라 분리하는 방법이다. 고체 입자의 일함수란 전기화학적 전위와 비슷한 의미로 고체 표면 내부의 페르미 준위(Fermi level)의 전자에너지와 고체 외부 진공상태의 전자에너지 차이 또는 고체입자의 최외각 자유전자 하나가 고체의 구속으로부터 벗어나기 위한 최소의 에너지라고도 말할 수 있는데, 일함수가 작다는 것은 그만큼 외부로 전자를 쉽게 잃어버릴 수 있다는 것이며 일함수가 크다는 것은 반대로 외부로부터 전자를 쉽게 얻을 수 있다는 것이다. 일반적으로 순전하(net charge)가 없는 일함수가 다른 두 고체 입자의 접촉시 접촉계면에서는 터널링 효과(tunneling effect)에 의해 일함수가 낮은 물질로부터 일함수가 높은 물질로 전자의 이동이 발생하여 두 고체 표면 내부의 페르미 준위가 동일해 지려고 한다. 입자의 접촉 분리시 두 입자 사이에 전달되었던 전하의 역흐름(backflow)으로 완전히 소진되지 않고 물질에 남아있게 되면, 두 물질의 순전하가 존재하게되어 일함수가 낮은 물질은 (+)로, 일함수가 높은 물질은 (-)로 대전되게된다. 석탄회 구성 입자들의 대전 극성을 예측하면 미연탄소 입자와 SiO2, Al2O3 입자의 접촉시 미연탄소는 (+)로 다른 입자는 (-)로 대전된다.

실험

석탄회 중 미연탄소 성분을 분리하기 마찰대전 정전분리장치는 크게 호퍼와 스크류 피더(screw feeder)로 이루어진 석탄회 공급장치, 인젝터(injector), 마찰수송관 및 디퓨저(diffuser) 등으로 이루어진 마찰대전부(tribocharger), 10cm 간격의 (+)·(-) 평판전극, 중앙 분리판(splitter), 직류 고전압 발생장치로 이루어진 정전분리부 및 사이클론과 백필터로 이루어진 분체 포집부로 구성되어 있다. 석탄회는 300 kg/hr 용량의 스크류 피더에 의해 자유 낙하하여 인젝터에 정량 공급된다. 압축공기 출구를 인젝터 공기 투입부에 연결하여 압축 공기가 인젝터 내에서 고속으로 압축·팽창하고 이때 발생하는 흡인력으로 인젝터 내로 시료가 투입되어 공기와 함께 스테인레스 스틸 재질의 인젝터와 수송관에서 마찰대전이 이루어진 후 디퓨저 내에서 분산된 후 균일하게 전장 분리기에 투입된다. 전압이 인가된 수직한 (／)·(１) 평행 전극판 사이에 투입된 대전 석탄회는 전계에 의한 정전력에 의해 각각 반대편 전극을 향해 이동하여 분리되며, 이때 이들을 분할하기 위해 중앙에 분리판(splitter)을 설치하였다.  중앙 분리판은 이동하면서 수율(yield)을 조절할 수 있도록 되어있다.중앙 분리판을 통과하여 분리된 미연탄소함량이 낮은 정제회(product)와 미연탄소함량이 높은 폐기회(reject)는 각각 사이클론과 백필터에서 포집된 후 무게를 측정하여 투입 석탄회 질량에 대한 정제회 질량의 백분율인 수율을 계산하고 한국공업규격 KS L 5405의 방법으로 미연탄소 함량(LOI : Loss On Ignition)을 측정하였다.

결과 및 토론

석탄회 정전분리 조건의 선정을 위하여 전극판 인가전계, 정전분리기 석탄회 투입속도, 중앙분리판 높이, 석탄회 투입량 변화 및 습도의 변화 실험을 행하여 최적 조건을 도출한 후 화력발전소 및 발전소 전기집진기 호퍼 단별 정전분리 성능을 평가하였다.

①인가전압영향

전극판 인가전압을 20, 30, 40 kV로 증가시킬 경우 전극판 인가전압이 증가할수록 정제회의 미연탄소 함량이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 입자가 전극방향으로 움직이는 힘은 입자의 전하량(q)과 전계 E와의 곱이므로 전극판 인가전압이 증가됨에 따라 전기장 강도 E가 높아지고 대전 전하량이 동일할 경우 전계가 높을수록 대전 입자가 전극으로 끌려가는 힘이 증가하므로 (+)로 대전된 미연탄소 입자가 (-)전극판으로 쉽게 이동하여 분리성능이 향상된 것으로 판단된다.

②습도영향

공기중의 상대습도가 증가할수록 미연탄소 분리효율이 저조해진다. 석탄회는 흡습성이 강하여 습도가 높을수록 입자의 응집이 일어나 분산성이 떨어지며,  입자표면의 습기가 전도체역활을 하여 대전입자의 전하를 잃어버리게 하기 쉬우므로 분리성능이 저조해지는 것이라고 판단된다.

③투입량 변화

석탄회 정전분리장치는 전극판 단위길이당 석탄회를 최대로 투입시키는 것이 용량 증대 측면에서 유리하므로 석탄회 투입량 변화에 따른 분리효율 파악하는 것이 중요하다. 석탄회 투입량이 증가할수록 정제회의 미연탄소 함량이 증가하는데 이것은 석탄회 투입량이 증가함에 따라 단위무게당 입자의 대전량 감소, 입자와 입자끼리의 응집체 형성 및 대전된 입자가 입구 분사기를 통해 정전분리부로 유입되어 각각의 전극으로 움직일 때 입자의 움직임이 방해를 받기 때문인 것으로 판단된다.

석탄회 종류별로 투입량 300kg/hr에서 미연탄소의 분리성능을 평가한 결과 투입 석탄회의 미연탄소의 함량이 7%이하인 경우 정제석탄회는 미연탄소 함량이 3% 이하에서 수율 60% 이상으로 얻을 수 있다. 현재 장치의 용량을 3ton/hr 규모로 증대한 pilot plant를 제작하여 실험 진행중에 있다.

참고문헌

1.	B. James, G. Stephen and T. Edmond, "STI Fly Ash Separation System," PETC Technocal report, Feb. (1996)

2.	R. Gupta, et al., "Electrostatic Separation of Powder Mixture," Powder Technology 75, 79(1993)

3. Koich Linoya et al, "Powder Technology Handbook," Marcel Dekker, Inc. 51(1991)

47. L. Cheng and S. L. Soo, "Charging of Dust Particles by Impact," J. of Che. Physics, 41, 2, Feb. (1970)