Applied Chemistry,
Vol. 15, No. 1, May 2011, 65-68
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고수분 저등급 석탄의 연소 속도 인자 평가
김재관⋅이현동†
한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소
Kinetic Parameters for Combustion of Low Rank Coal with High Moisture
Kim, Jae-kwan⋅Lee, Hyun-dong†
Power Gen. Lab., Korea Electric Power Corporation’s Research Institute
Abstract
The pyrolysis reactivity and kinetic characteristics of Indonesia KBB coal with high mois- ture were investigated at heating rate of 10℃/min in a thermogravimetric analyzer. The kinetic parameters of pyrolysis at various coals were determined and compared on the ba- sis of a first-order reaction model. The effects of the chemical composition and moisture content on activation energy and kinetic constants were further studied in a Drop Tube Furnace. The results show that all of the kinetic constants and combustion efficiency in- crease with an increasing volatile contents and after drying to moisture content of less than 10%. Increasing moisture content will decrease the conversion and yield of combustion.
1. 서 론
고수분 함량의 원탄 및 고품위화탄 등 설계탄 기준을 넘어서는 성상의 석탄을 사용할 때는 다양한 설 비 장애, 손상 및 환경오염물질 과다배출 등의 문제로 인한 막대한 비용손실이 발생할 수 있어 실 발전 소 적용 전에 새로운 석탄연료의 적정연소를 위한 최적연소기술 개발이 반드시 선행되어야 한다. 이러 한 기술개발은 안정적 상업운전 조건 유지가 생명인 대규모 발전용 보일러 적용 이전에 이러한 설비의 연소현상을 모사할 수 있는 소형연소장치(TGA/DTF), Single Burner 및 대용량 시험연소로의 단계적 연구를 통해 사전에 시험 및 평가됨으로서 대용량 발전설비의 안정성을 확보가 필요하다. 본 연구에서 는 TGA/DTG를 이용해 고수분 저등급 석탄의 연소에 대한 Kinetic parameters를 구축하고자 하였다.
2. 이 론
TGA 및 DTG를 이용한 자세한 연소속도의 검토를 위해서는 Arrhenius parameters의 규명이 필요 하다. 등온에서 반응시간에 대한 연소 전환속도는 다음과 같이 연소반응 속도상수(k)에 비례하며, 일반 적으로 석탄 연소의 경우 반응차수가 1로 알려져 있다. 따라서 식(1)은 다음과 같이 단순화할 수 있다.
dxdt = A(1 - X) exp (- E
RT ) (1)
연소 전환율(x)의 경우 다음과 같이 계산할 수 있다.
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x= Wo- Wt
Wo - Wf (2)
여기서, Wo는 석탄의 초기질량, Wt는 연소시간 t 경과 후 질량이며, Wf는 연소 종료 후 시간이다.
일정한 승온속도 H에서 TGA/DTG 값을 이용한 연소전환 속도의 경우 식(2)는 다음과 같이 정리 할 수 있다.
ln [ - ln (1 - x)
T2 ]= ln [ AR
HE ( 1 - 2RT
E )] - E
RT (3)
식(3)에서 1/T에 대한 ln[-ln(1-x)/T2]의 플롯한 기울기를 이용해 활성화에너지(E)값을 구할 수 있다.
3. 실 험
실험에서는 석탄화력 보일러에서 사용 가능성 파악을 위해 인도네시아산 고수분 저등급 KBB 석탄 42종의 공기 조건의 산화분위기에서 수행하였다. 기초 연료 연소 특성 실험은 공기 산화분위기 하에 승 온속도 10℃/min으로 비등온 연소하였으며, 이 때 실험 시료는 10 mg∼20 mg을 기준으로 하여 수행 하였으며, 고정탄소의 연소 프로파일은 연료 원탄을 600∼1400℃의 DTF 환원 분위기(100% N2) 열 분해 해서 얻어진 Char를 이용하였다. 이는 열분해 특성 중 원탄의 휘발 성분에 의한 반응이 연소 반응 의 고유한 특성 프로파일에 영향을 줄 수 있기 때문에 환원 열분해 반응을 통해 휘발 반응에 의한 영향 성을 배제시킬 수 있어 보다 정확한 연소 반응을 해석할 수 있기 때문이다. 이를 통해 얻어진 실험 데이 터를 이용해 공기 연소 반응의 Kinetics Parameter 및 활성화 에너지를 해석하였다. 온도측정의 오차 범위는 ±2℃ 이내이며, 질량측정오차는 ±0.1 mg 이내이다.
4. 결과 및 고찰
본 실험에서는 당진 및 삼천포 석탄화력 보일러에서 사용중인 역청탄 4종(C&A, Minco, Anglo, Berau), 혼합연소 중인 아역청탄 3종(Shinwha, SM, ECO)과 국내탄 영동화력 보일러에서 무연탄 (Anthracite), 인도네시아 KBB탄광에서 개발 중인 42종에 대한 화학적 특성 분석결과, Fig. 1과 같이 발열량은 고정탄소 및 연소성물질(고정탄소+휘발분)의 함량에 비례하는 반면, 연료성 물질 대비 휘발 분 연료비와는 커다란 상관관계를 보이지 않고 있다. 석탄 내 수분 및 회분의 함량이 증가함에 따라 발 열량은 감소하는 특성을 보인다. 즉, 고수분 저등급 KBB탄의 경우 회분의 함량이 낮아 수분을 제거할 경우 발열량이 대폭 향상될 수 있음을 의미한다. 또한, 고수분 저등급탄의 경우 원소분석 상 탄종 내 산 소성분의 함량이 높아 운송 및 저장 시 자연발화 가능성이 높기 때문에 탄광 현지에서 고품위화의 필요 성과 고품위화한 탄종일지라도 안정화기술의 검토가 필요하다. 또한, 탈휘발온도별 누적 연소전환율을 측정결과 Fig. 2와 같이 수분함량 및 휘발분 연료비율이 높은 고수분탄의 연소완료 온도가 연소 반응 보다 낮아짐을 알 수 있으며, 대부분 선형을 이루는 것으로 보아 상기 석탄들의 탈휘발화 반응도 1차 반응임을 알 수 있다.
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고수분 저등급 석탄의 연소 속도 인자 평가
(1) 고정탄소, 연료성 물질 및 휘발분비 (2) 수분과 회분함량
Fig. 1. 각종 탄 50종의 성분비와 발열량의 관계.
(1) 연소 온도 (2) 반응율
Fig. 2. 연료성 물질 중 휘발분 연료비별 연소 kinetic parameters 변화.
Fig. 3. 각종 탄의 연소과정 Arrhenius plot.
수치적으로 정확한 반응성의 차이를 알기 위해 Fig. 3 및 Fig. 4의 Arrhenius plot을 기준으로 Coats-Redfern method를 이용해 활성화 에너지를 산출하면, Table 1과 같다.
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공기 연소조건에서 보통 표준화력 발전소에서 사용 중인 역청탄의 경우 30∼80 kJ/mol임을 감안하면 인도네시아 고수분 KBB탄의 경우 19∼51 kJ/mol로서 활성화 에너지가 매우 낮고 연소반응속도는 빠 른 것을 알 수 있다.
Table 1. Coats-Redfern Nonisothermal Integral method에 의한 연소 속도 인자
Colas E(KJ/mol) A(s-1) Colas E(KJ/mol) A(s-1)
SM 79.277 278.538 KBB CS-34 49.146 3,463
Berau 53.717 681.235 KBB CS-35 35.694 45,165
Anglo 72.705 264.043 KBB CS-36 35.403 40,697
KBB 2-1 19.771 184,167 KBB CS-38 39.061 22,816
KBB 2-2 27.28 83,638 KBB CS-39 34.688 46,700
KBB 2-10 36.026 44,594 KBB CS-49 39.959 15,962
KBB 2-11 28.261 160,907 KBB CS-50 43.742 8,295
KBB CS-30 47.101 9,031 KBB CS-53 49.221 3,286
KBB CS-31 51.258 4,316 KBB CS-54 39.36 3,558
KBB CS-32 42.844 13,396 KBB CS-56 42.794 10,462
5. 결 론
Coats-Redfern method를 각종 석탄의 활성화 에너지 도출 실험결과, 공기 연소조건에서 보통 표준 화력 발전소에서 사용 중인 무연탄 및 역청탄의 경우 각각 185kJ/mol 이상, 30∼80 kJ/mol임을 감안 하면 아역청탄이 65∼72kJ/mol이고 인도네시아 고수분 KBB탄의 경우 19∼51 kJ/mol로서 KBB탄은 활성화 에너지가 매우 낮고 연소반응속도는 빠르게 나타났다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부 한국에너지기술평가원의 전력산업연구개발사업으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.
참고문헌
1. B. Basil Beamisha,, Modher A. Barakat, John D. St George, Adiabatic testing procedures for de- termining the self-heating propensity of coal and sample ageing effects, Thermochimica acta, 362, 79-87(2000).
2. H. Wang, B.Z.Dlugogorski, E.M. Kennedy, Analysis of the mechanism of the low-temperature oxi- dation of coal, Combustion and Flame 134, 107-117(2003).
3. J. C. Jones, P. S. Chiz, R. Koh and J. Matthew, Kinetic parameters of oxidation of bituminous coals from heat-release rate measurements, Fuel Vol. 75, No. 15, pp.1755-1757(1996).
