열천칭 반응기에서 탈휘발에 의한 석탄 입도의 변화

이시훈, 이 동현, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

Particle size change of coal due to devolitilization in thermobalance reactor

See Hoon Lee, Dong Hyun Lee and Sang Done Kim

Dept. of Chem. Eng. and Energy & Environment Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

서론

석유 및 가스 자원의 지역적 편재성과 매장량의 한계에 대한 대책으로 전세계적으로 고루 분포되어있고 매장량이 풍부한 석탄의 활용 기술개발 연구가 꾸준히 계속되고 있다. 특히 선진국을 중심으로 지구 환경 보존과 오염 배출에 대한 규제가 강화되고 있어 청정 석탄 이용기술과 같이 경제적 및 환경적으로 매력있는 기술의 개발이 이루어 지고 있다[1]. 이와 발맞추어 국내에서도 석탄의 활용기술의 연구가 진행되고 있으며 특히 최근에는 국내 무연탄의 순환유동층 연소에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다. 순환유동층에 주입되는 석탄은 입자-입자, 입자-연소로의 마모(attrition), 입자의 깨짐(fragmentation), 입자의 축소(shrinking) 등에 의해서 본래의 크기에서 변화하게 된다. 입자의 크기 변화는 연소 효율 증가와 미연분(fly ash) 발생이라는 두 가지 측면에서 장·단점을 가지고 있다. 그러나 기존에 나와있는 석탄분석 방법으로는 실제로 순환유동층 연소로 내에서 일어나는 연소 상황을 구현하지 못하기 때문에 석탄 입자의 크기 변화를 예측하지 못하고 있다. 이를 측정하기 위하여 유동층 반응기 및 단일 입자 실험을 통하여 유연탄의 파쇄를 연구하기도 하였다[2,3,4]. 그러나 국내 무연탄의 경우 순환유동층의 원료로 사용된 것이 최근의 일이므로 이에 대한 연구가 거의 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 석탄의 크기 변화중 온도차 및 탈휘발에 의해 발생되는 파쇄에 대한 연구를 하였다. 이를 위하여 국내 무연탄을 이용하여 연소로의 조업 조건과 비슷한 온도 영역을 만들어 석탄의 탈휘발에 의한 입도 분포의 변화를 측정하였다.

Fig. 1 Thermobalance reactor

1. water reservoir,  2. Masterflex pump,

3. Steam generator,  4. Preheater,

5. Thermocouple,  6. Temperature controller,

7. Electric heater,  8. Sample basket, 9. Cold trap,  10. Vacuum pump, 11. Hatch,  12. N2 purge line,  13. Electric balance, 14. Winch assembly,  15. Flowmeter, 16 Reactant gas

실험

석탄 입자들의 깨짐 현상을 고찰하기 위하여 열천칭 반응기를 사용하였다. 실험에 사용된 열천칭 반응기는 그림 1 처럼 크게 반응기와 무게 감량 탐지기, 반응기체 주입부로 구성되어 있으며, 각 부분의 설명은 다음과 같다. 반응기는 내경 0.055m, 길이 1m의 304 S.S pipe로 제작되었으며, 무게감량 탐지기는 시료의 무게 변화를 연속적으로 특정하기 위하여 Presisa Model 205-A 전자식 저울을 사용하였다. 저울의 상, 하 운동을 위하여 자동식 Winch assembly를 채택하였고, 컴퓨터를 사용하여 저울에서 나오는 무게감량의 신호를 받아서 저장하여 분석하였다. 고체 시료는 400 mesh 316 SUS 망으로 제작한 basket에 넣고 직경 0.3mm 니크롬선으로 저울 하부에 부착된 hook와 연결된 시료홀더에 장착하여 무게 변화를 측정하도록 하였다. 열천칭의 중앙 부분에 hatch형 플렌지(flange)를 만들어 시료의 주입과 제거를 가능하게 하였다.

반응기가 원하는 온도에 도달하면, 시료 0.5-0.7g를 basket에 넣고, 반응부분까지 하강시킨다. 시료 내의 잔류 수분 및 휘발분의 방출로 인한 무게변화가 일어나지 않는 시간을 관찰하고 이를 탈휘발 시간으로 정한다. 수분과 휘발분 방출로 인한 시료의 무게감량은 전자저울로부터 개인용 컴퓨터로 신호를 받아서 저장한다. 일정시간 후, 질소가스를 유지시킨 채 basket을 플렌지 높이까지 올려서 시료를 꺼내고 이를 Image analyzer와 Particle size analyzer로 분석한다. 실험 온도는 순환유동층 연소로의 조업온도인 850 ℃ 로 하였으며 온도 영향을 고찰하기 위하여 700-900℃의 온도구간에서도 실험하였다. 사용된 석탄은 국내 무연탄 7종이며 이들의 원소 및 공업분석값을 Table 1 [5] 에 나타내었으며 입도는 3-5mm, 6-7mm, 8mm이상을 사용하였다.

Table 1 무연탄의 공업분석 및 원소분석

항 목	단 위	기준치	태백	동원	삼탄	경동	한보	도계	장성	평균
공업분석(습식)
고유수분	%,Wt	3.3	3.42	3.31	3.46	3.88	3.79	3.55	3.41	3.55
회	%,Wt	39.0	36.71	38.47	35.57	30.40	34.49	33.52	34.16	34.76
휘발분	%,Wt	4.0	5.04	5.34	4.96	5.97	5.70	5.57	5.04	5.37
고정탄소	%,Wt	53.7	54.87	52.87	56.00	59.75	56.01	57.36	57.39	55.87
유황분(습식)	%,Wt	0.6	0.44	0.36	0.31	0.55	0.60	0.52	0.40	0.45
원소분석(건식)
탄소	%,Wt	54.7	53.05	55.46	58.90	62.15	58.38	58.38	56.51	60.37
수소	%,Wt	0.3	1.10	1.12	1.39	1.13	1.13	1.16	1.05	1.16
질소	%,Wt	0.2	0.41	0.38	0.32	0.38	0.36	0.32	0.26	0.35
황	%,Wt	0.6	0.23	0.96	0.54	0.51	0.53	0.40	0.32	0.55
산소	%,Wt	3.8	2.31	2.99	3.01	2.56	4.57	1.54	2.41	3.79

석탄의 입도 크기 변화를 나타내기 위하여 다음과 같은 변수를 이용하였다.

[eqn: R_f ~=~ { N_out over N_{i n} }]	: Fragmentation ratio

[eqn: S_r ~=~ 1- d_o over d_i]	: Particle size reduction ratio

결과 및 고찰

석탄이 연소로에 주입되면 입자가 가열되고 이에 따라 수분이 증발하며 그 다음에 휘발분이 방출되고 그후 연소과정을 거치게 된다. 이때, 열충격과 휘발분의 방출로 인하여 입자의 깨짐이 발생한다[2]. 국내 무연탄의 깨짐을 열천칭 반응기에서 실험하였다. 반응기의 온도는 순환유동층 연소로의 조업온도인 850 ℃ 로 하였으며 기체의 조성 및 연소의 영향을 제거하기 위하여 질소만 주입하여 실험하였으며 그 결과를 그림 2에 나타내었다.

그림에서 살펴보면 석탄 입자의 크기가 커질수록 입자의 깨짐이 증가하고 있다. Chirone and Massimilla [3] 의 실험결과에서 살펴보면 유연탄의 형태에 상관없이 입자의 크기가 증가하면 깨짐이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 국내 무연탄의 결과와 비슷하게 나타났으나 몇몇 석탄의 경우 입자의 크기가 10mm 인 경우 깨짐이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 석탄의 크기가 증가할수록 탈휘발의 양과 열충격의 크기가 증가하여 깨짐이 증가한다고 하였으나 이와 더불어 석탄의 구성 및 물리적 특성도 입자의 깨짐에 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다.

석탄의 공업분석값에  따른 깨짐의 정도를 그림 3에 나타내었다. 3-5 mm 의 석탄의 경우 모두 큰 차이를 나타내지 않고 비슷한 경향을 나타냈으나 6-7mm 석탄의 경우 수분과 휘발분, 탄소의 양이 증가할수록 깨짐이 증가하는 것으로 나타났으나 회재의 경우 양이 증가할수록 깨짐이 감소하였다. Dacombe et al. [4]는 석탄의 단일입자를 사용하여 측정한 결과 정확한 결과는 알 수 없으나 탄소량과 회재의 양이 깨짐에 영향을 미치는 것으로 발표하였다. 그러나 유연탄이기 때문에 회재의 양이 증가할수록 깨짐이 증가한다고 하여 본 실험의 결과와 상반된 결과를 나타내고 있으나 이는 석탄의 물리적 특성이 입자의 깨짐에 영향을 끼치고 있음을 나타낸다.

깨짐이 반응기의 온도가 증가함에 따라 증가한 것과 마찬가지로 Sr 도 온도가 증가함에 따라 증가한다. 이는 석탄 크기의 감소를 의미한다. 그림 4 을 보면 온도의 증가에 따른 Sr 을 나타내었다. 그림에서 보면 반응기의 온도가 증가할수록 Sr 이 증가하는 것을 볼 수 있다. 그러나 크기 감소는 각각의 석탄에 따라 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 몇몇 석탄의 경우 크기 감소가 전혀 일어나지 않은 것으로 나타났다. 이는 깨짐 현상이 석탄의 물리적 성질에 따라 다르게 나타났기 때문이다. 국내 무연탄의 경우 깨짐 현상이 폭발적으로 발생할 때, 큰 입도 감소가 예상되나 깨짐이 양파의 껍질처럼 발생하는 경우 Sr 이 감소하게 된다. 따라서 깨짐이 증가하면 Sr 도 증가하나 그 증가 폭은 깨짐 현상과 밀접한 관계를 가지며 fragmentation ratio 와는 직접적인 영향을 받지 않는다고 할 수 있다.

IEA CFBC model 에는 fragmentation 에 따른 입자 크기의 변화를 예측하는 상관식이 포함되어 있다. 그러나 이 상관식은 반응 온도 및 입자 크기에 대한 영향이 고려되지 않았기 때문에 정확한 입자 크기를 예측하는 것이 매우 어렵다.

[eqn: d_{s,~n e w} ~=~ K_frag ^0.33 times d_s]

따라서 위의 상관식을 바탕으로 반응 온도 및 입자 크기의 영향을 계산할 수 있는 상관식을 변형하였다. 위의 상관식에서 보면 kfrag 는 상수로 나타나며 이를 깨짐 상수라고 한다. 이 상수를 반응기의 온도 및 입도 크기에 따라서 변형시키게 되면 전체 입도의 변화를 표현할 수 있게 된다. 따라서 이 kfrag 를 아래와 같이 변형하여 반응기의 온도 및 입자 크기의 영향을 고려하였다.

[eqn: K_frag ~PROPTO ~ T^ alpha d_p ^ beta]

본 실험에서의 결과를 이용하여 kfrag를 구하였다.

결론

순환유동층 연소로의 조업온도인 850℃에서 국내 무연탄의 입자 깨짐에 대해서 연구하였다. 국내 무연탄의 경우 850℃로 투입되는 경우 휘발분의 방출과 열충격에 의해서 입자의 깨짐이 발생하였으며 수분, 휘발분, 탄소함량이 증가할수록 입자의 깨짐이 증가하는 경향을 보였나 회재가 증가할수록 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이런 입자의 깨짐은 석탄 입자의 크기를 감소시키는 방향으로 진행되며 특히 입자의 크기가 증가할수록 깨짐이 활발하게 일어남을 알 수 있었다. 큰 입자에서의 깨짐 현상은 석탄의 연소에 긍정적인 효과를 가져오기 때문에 입자의 깨짐이 발생하는 석탄이 더 효율적이라고 할 수 있다.

참고문헌

1. Sun, D.W., Park, Y.J. and Son, J.E., Chem. Indus. Technol., 13, 6 (1995)

2. Stubington, J. F., Ng, Ken W. K., Moss, B. and Peeler, P. K., Fuel, 76, 233 (1997)

3. Chirone, R. and Massimilla, L., 22th Symposium on combustion, 267 (1988)

4. Dacombe, P., Pourkashanian, M., Williams, A. and Yap, L., Fuel, 78, 1847 (1999)

5. Lee, S. H., Lee, J. M., Kim, J. S., Choi, J. H. and Kim, S. D., Hwahak Konhak, in press