Fly ash 경량골재 생성 중 미연탄소의 연소 실험

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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

주윤정, 오명숙

홍익대학교 공과대학 화학공학과

Experiments of Unburnt Carbon Combustion

in the Production of Light Weight Sintered Fly ash

Yunejung Joo, Myongsook Oh

Department of Chemical Engineering, Hong-Ik University

서론

본 연구는 화력발전소에서 발생하는 fly ash의 재활용 분야중 하나인 fly ash 경량골재 생산과정에서 소성(sintering)온도를 결정하는 미연탄소의 연소 현상을 분석함으로서 공정에 적용할 단일 입자 연소 모델 개발을 목적으로 한다. fly ash 경량골재는 미연탄소를 포함한 fly ash를 점결제를 이용하여 성형하고, 함유된 미연탄소를 연소시켜, 그 연소열을 이용하여 fly ash를 소성 시켜 형성된다.1,2 소성공정에서 온도는 소성된 경량골재의 압궤 강도, 비중, 흡수율 등의 성질에 영향을 미치게 된다. 낮은 연소온도에서는 소성 온도에 도달하지 않아 소성이 일어나지 않는 반면, 높은 연소열 발생시는 온도가 높아져 펠렡의 swelling 및 펠렡간의 융착을 초래하게 된다.1,2 따라서 소성공정에서 온도를 예측하고 조절하기 위해서는 미연탄소의 연소 현상을 이해하여야 한다. 탄소의 연소는 산소의 흡착과 CO 혹은 CO2의 탈착에 의해 일어난다. 이 과정에서 O2의 흡착속도, CO/CO2의 탈착속도, O2, CO/CO2 전달 속도에 영향을 미치는 인자들의 규명이 필요하다. 본 논문에서는 미연 탄소의 연소 현상을 규명하기 위한 실험을 수행하였다.

실험

본 실험에서는 석탄회 분말과 석틴회로 만들어진 펱렡을 사용하였다. 자원연구소에서 쓰인 석탄회의 성분은 SiO2 46 □47%, Al2O3 27□28%, Fe2O3 3□5%이다. 95% 석탄회와 습윤시 점결력 저하를 막기 위한 점결제로 벤토나이트 5%를 혼합기에서 혼합한 후 드럼형 조립기에 넣어 펠렡을 제조하였다. 다음 표 1은 펠렡의 샘플을 임의로 채취하여 측정한 물리적 수치의 평균값이다.

	지름 (cm)	무게 (gram)	부피 (cm3)	밀도 (g/cm3)
평균	0.8905	0.5374	0.4016	1.3759
표준편차	0.1551	0.2426	0.1987	0.1400

표 1. 펠렡의 물리적 수치

1. 실험장치

석탄회에 포함되어 있는 미연탄소의 연소 특성을 측정하기 위한 실험장치의 개략도는 그림 1과 같다. 고온에서 잘 견딜 수 있도록 백금도가니를 주문 제작하여 직경은 3.0□, 높이는 1.5□, 두께는 0.6□로 제작 사용하였다. 수직 전기로 안에서 수평을 유지할 수 있도록 구멍을 세 개 내어 백금와이어에 연결하여 사용 하였다. 전기로의 온도는 1300□까지 사용 가능하며 승온 속도와 온도 조절을 콘트롤러로 조절하였다. 시료의 온도를 측정하는 열전대는 측정 온도 범위가 -200∼1200□인 K타입을 사용하였다. 주입하는 산소와 질소의 유량을 조절하여 연소 반응기 안에서의 산소 분압을 조절하였다. 저울은 미량의 탄소 변화량을 측정하기 위해 최소 표시가 0.01mg까지로 측정 가능하고 컴퓨터와의 호환이 가능하여 수초 단위의 데이터 저장이 용이한 제품을 사용하였다.

그림 1. Schematic of Experimental setup

2. 실험방법

백금도가니에 시료를 넣고 백금와이어에 연결하여 그림 1의 실험 장치와 같이 설치하였다. 산소 분율은 5, 10, 20%로, 전기로의 승온 속도는 5, 10, 20□/min으로 변화시키면서 연소시의 시간에 따른 석탄회의 무게와 온도를 측정하였다. 승온 온도는 상온에서 시작하여 100□에서 일정시간동안 수분을 건조시킨 후에 1100□까지 일정한 승온 속도로 온도를 증가시키고 1100□에서 연소 반응이 완결되도록 1시간동안 유지시킨 후 실험을 종료하였다. 산소와 질소의 분율을 조정하면서 동시에 전기로에 주입하였다. 석탄회 연소 실험은 펠렡 형성의 원료가 되는 석탄회 분말을 이용하여 실험을 수행하였고 또한 자원연구소에서 성형된 펠렡으로 연소 실험을 수행하였다. 펠렡의 내부 온도를 측정하기 위해 열전대를 펠렡에 삽입하였는데 저울의 측정값에 영향을 주지 않기 위해서는 펠렡에 함유된 탄소의 양이 같다는 가정으로 온도를 측정하는 실험과 중량 감소를 측정하는 실험으로 분리하였다. 열전대는 전기로의 온도를 제어하는 제어용 열전대와 시료의 온도를 직접 측정하는 열전대로 나누어 실험하였다. 감소하는 중량은 측정하여 컴퓨터로 1초마다 기록하였다.

결과 및 고찰

1. 석탄회 분말의 연소 결과

그림 2는 산소 분율을 10%로 고정하고 승온속도를 10, 20□/min으로 변화시키면서 측정한 석탄회 분말의 무게감소를 보여준다. 100□부근에 나타나는 중량감소는 수분에 의한 중량감소이며 승온속도가 느린 10□/min의 경우에 낮은 온도에서 연소가 진행되었음을 볼 수 있다. 연소가 거의 끝난 900□이후에도 중량이 미소하게 감소하는 곡선을 얻었다. 따라서 1100□에서 온도를 유지하면서 연소가 완전히 완결되기까지 온도 조절 프로그램을 수정하였다. 중량감소를 측정할 때 연소가 일어나면서 700□부근에서 공기의 흐름이 충분하지 않아 자연대류에 의한 데이터의 흔들림이 발생하였다. 승온속도가 20□/min으로 일정할 때 산소 분율을 5, 10, 15%로 변화하면서 미연탄소의 연소에 의한 중량감소를 측정한 결과를 그림 3에 나타내었다. 온도가 550∼800□ 구간에서 연소반응에 의한 급격한 중량감소가 일어났다. 산소의 분율이 클수록 낮은 온도에서 반응이 일어나며 중량감소도 더 큼을 볼 수 있다.

2. 펠렡의 연소 결과

승온속도 5□/min에서의 시간에 따른 무게변화를 그림 4에 나타내었다. 각 시료의 무게차이가 있으므로 무게감소는 백분율로 나타냈으며, 최소값은 0 최대값은 1로 나타내었다. 100□에서 건조를 한 후, 승온 구간 동안에는 반응에 따른 급격한 무게 감소가 보였다. 실험 후 1100□에서 가열시간을 한 시간을 유지시키는 것은 아직 완전히 연소되지 못한 탄소를 마저 연소시키기 위함인데, 실제로 이 구간에서의 무게 감소는 거의 없었던 것으로 보아 연소는 승온 구간 동안 연소반응이 거의 다 진행되었음을 알 수 있다. 무게 감소가 가장 많이 일어난  500∼800□ 의 온도구간에서 반응이 가장 활발히 일어났다. 같은 승온속도에서 산소분압을 조절하였을 때, 산소분압이 가장 높은 20%에서 반응속도가 가장 빨랐다. 또한 산소분압이 20, 10, 5%으로 줄어듬에 따라 반응속도는 점점 더 감소하였으며 반응속도는 무게감소의 시간에 대한 기울기로부터 알 수 있다. 승온속도 10, 20□/min에 따른 무게감소 변화 그래프를 그림 5, 6에 나타내었다. 승온속도 5□/min인 그래프와 같은 경향을 보이며 승온속도가 느려질수록 반응할 시간이 충분하므로 반응률이 더 높아지는 것이다.

열전대로 측정한 펠렡의 중심의 온도는 열전달 속도와 연소에 따른 반응열의 영향을 보여주는데 각 승온 조건과 산소분압에 따라 다르게 나타났다. 승온속도 5□/min에서의 펠렡의 중심의 온도변화를 도시한 그래프를 그림 7에 나타내었다. 산소분압이 가장 높은 20%에서 반응열이 가장 높으며, 10, 5%로 갈수록 반응열이 낮아졌다. 또한 이것은 산소분압에 따른 무게감소속도의 결과의 경향과 같았다. 펠렡 중심의 온도가 전기로의 조절 온도인 1100□에 이르지 못하고 1000□정도에 그치는 것은 연소 반응기 입구에서의 열손실이 있기 때문이다. 그림 8, 9에는 승온속도 10, 20□/min에서의 펠렡의 중심의 온도변화를 나타내었다. 20□/min의 승온속도에서의 온도 변화는 연소반응기 온도가 전기로의 온도를 미처 따라가지 못해 반응의 최대온도가 전기로의 온도에 비해 많이 낮음을 알 수 있다. 이처럼 승온속도가 점점 빨라질수록 산소분압에 따른 반응열의 차이는 점점 줄어들고 최대 도달온도는 점점 낮아짐을 알 수 있었다.

결론

승온속도가 감소할수록, 산소분압이 높을수록 반응열이 높았으며 중량 감소율도 증가했다. 승온속도가 낮다는 것은 반응 시간이 충분하여 반응이 더 활발하게 되는 조건이 되었다. 석탄회의 연소 실험의 결과는 반응속도, 활성화 에너지, 빈도 상수 등의 kinetic parameter를 도출하여 실제 공정에 접근된 모델식 개발에 반영될 것이다.

참고문헌

1. 남철우, 홍성웅, 최영훈, 유연태, □자열소성법에 의한 석탄회 경량골재 제조□, 한국자원연구소 활용연구부

2. 손응권, □선회식 연소 시스템을 이용한 석탄재의 미연탄소분 저감기술 개발에 관한 최종보고서□한국에너지기술연구소(1998)

3. Jack B. Howard, "Combustion of carbon with oxygen"

4. Tu, C. M., Davis, H. and Hottel, H. C., Ind. Eng. Chem. 26, 749 (1934)

그림2. 석탄회 분말의 무게 변화 (승온속도 10□/min)       그림3. 석탄회 분말의 무게 변화 (승온속도 20□/min)