Applied Chemistry,
Vol. 13, No.1, April 2α~， 137-140
순 산소 연소 보일러때서 발생한 석탄회의 특성 평가
깊객관·검미영·부창진·이현동·장석원·검성천 한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소
Ch amcteristics of fly ash genemted from Ox y-coal combustion boiler
jae-kwan Ki!!! . Mi-yeong Kim . Chang-jin Boo . Hyun-dong Lee . Seok-won Jang . Sung-chul Kim Power generation lab .. Korea Electric Power Research Institute. KEPCO
Abstract
One of the ways to face the abatement of C02 emissions in power plants is the combustion of coal using oxy-fuel technology. In this case coal would be burned in a 02/C02 atmosphere and the flue gas would consist mainly of CO 2 which after condensation of water could be quasi-ready for storage. Most of the work related to oxy-fuel
combustion has been applied to high volatile coals. [n this study‘ characteristics of fly ash generated after high volatile bituminous coal was fired at drop tube furnace (DTF) boiler under oxy-fuel conditions were investigated. A drop tube furnace (DTFl operated at 1 ‘ 100 'C with oxygen concentration ranging from 15 to 38% has been used to prepare the fly ash. The results indicated that characteristics of the fly ash generated from oxy-fuel boiler were similar to it of existence air coal fired boiler
1.
서 론일반 공기를 사용한 미분탄 보일러와 달리， Oxy-fuel combustion 화력발전소용 보일러는 배 기가스 내에 질소 성분이 없어지는 대신 화염 복사에 직접적인 영향을 끼치는 HιO 와 CO~ 의 분압 이 높아지므로 가스부와 물/증기부의 복사 열전달 륙성이 크게 달라 지게 된다. 또한， 배기가스 재순환 (FGR Flue gas recirculation) 기숭의 척용 방법에 따라 가스 유량 및 옹도도 딸라질 수 있다[lJ. 따라서 일반적인 공기연소 보일러 기술을 기반으로 하여 순산소 연소에 의해 발생되는 석탄회의 경우 물리화학적 성질의 변화를 예상할 수 있다. 석탄은 풍부한 매장량‘ 저렴한 가객‘ 공급원 의 안정성 둥으로 인해 천 세계적으로 화력발전소의 근간이 되는 원료로서 사용되고 있으며， 2008년 6월 기준으 로 전력설비 70,353MW 중 석탄화력은 21,835MW, 31% 를 차지하고 있다. 제 2 차 전력수급기본 계획 (2004 - 2017 년)에 의하면 현재 보다 무연탄화력 400MW(2 기) , 역청탄화력 13,000MW 08 기)의 석탄화력 발전소가 추가로 건설될 예정이며， 석탄화력이 발전원으로서의 비중은 증대되고 있다.
이에 따라 석탄회 발생량이 2008 년 년칸 600 만톤에서 2013 년에는 년간 830 만톤으로 증가할 것 으로 예상되 고 있다. 그러 나 2008 년 말 현재 석 탄회 재 활용율은 80% 에 이 르고 있으며 , 향후 석 탄회 발생량이 지속척으로 증가시 석탄회 대량 재활용 분야인 시멘트 볼탈 및 콘크리트혼화재 분 야 재활용올 위해서는 순 산소 연소보일러에서 발생하는 석탄회의 물성특성 평가가 펼요한 실정 이다.
2.
실 험본 실험에서는 대표적인 수입탄(역청탄) 1 종올 〈그림 1>의 DTF (Drop Tube Furnace) 에서 공기 기준 산소농도 15 - 38% 에서 연소후 발생하는 석탄회의 특성을 분석하였다. 석탄회의 화학 성분은 ICP(I nductive Coupled Plasma Emission Spectrometry) 를 이용해 화학성분 분석하였
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으며， 입자형상 측정은 연소 잔사 표변을 금 (Au) 으로 코팅하고 전자주사현미경
(SEM
,Hitach
, X-650)올 이용해 관찰하였다. 그리고EDS (Energy Dispersive Spectrometry
,Kevex 2023)
로 연소 잔사 표면충의 성분을 훈석하였다. 석탄회의 광물질 성환을 검토하기 위해 분말법에 의한 X- 선 회절분석 (XRD ，
Philips
, pw-1700,Cuk a
,40kV
,25mA
, \J i-filter) 을 행하였다. 한편 입도는 Cilas-l064
PSA 로， 비중은 진비중 측정기로， Blaine 비표연척은Quanra-Chrome BET
를 이용하여 측정하였다.;헐싫 í_-끼sa."， ‘"_..’‘
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(1) 개략도 (2) 사진
〈그림
1> DTF
(Drop Tube Furnace)
3. 결과및토론
N2가스 기준으로 호주 Anglo 탄올 산소농도별 TGA 연소특성 실험 후 부산물 회분의 한국표준규격 항목의 측정결과 〈표 1>과 같다. 특히， 연소부산물의 미연분의 발생특성 확인을 위해 TGA 의 옹도를
500'C 종료옹도로 하고 500 'C옹도 도달 시 완전 질소분위기로 전환하여 더 이상 연소가 되지 않도록 실험하였다.
〈표 1> 산소농도별 발생 석탄회 품질특성 비교
*
:C02 basis,others N2 basis
〈표 1>과 같이 산소농도와 무관하게 미연탄소 함량이 3% 이하이기 때문에 KS 규정에 적합하나， 산 소농도가 감소 할 수 록 미연탄소 함량이 증가하는 경향을 보였다. 또한 대부분의 경우 〈표 1>과 감이 화학성분 함량에는 커다란 차이를 보이지 않았으며， 미연분 함량이 증가할수록 발생한 석탄회의 비표 면적이 증가하는 경향을 보였고 통일한 조건에서 CO2가스를 기준으로 연소 실험 시 발생하는 석탄회
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순 산소 연소 보일러에서 발생한 석탄회의 특성 평가
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의 미연탄소 및 비표면적이 증가하는 경향이 나타났다. 산소농도와 무관하게 대부분의 경우
(Quartz.
S i02) . Mullite M (Mulite.
AI:;0!'2SiO:;) 가 주결정으로 나타냈다. 또한， 산소농도에 따른 Quartz 동의 주결정 피크는 〈그림 2> 와 같이 CO:;를 기준으로 할 때 보다 N:;를 기준으로 할 때 결정화도가 높게 나 타나는 경향올 보이며， 산소농도가 높을 수 록 주결정의 결정화도가 향상되는 특성을 보였다. 이는 산 소농도가 높을 수 록 혼합가스 중 산소의 확산속도가 중가하여 연소 시 산화물 결정화도 속도를 향상 시키는 것으로 예측할 수 있다. <그림 2> 와 같이 대부분 수입 Anglo 탄을 질소분위기에서 연소하거 나 C02분위기에서 공기농도와 동일한 조건에서 연소 할 경우 대부분 구형의 미립 유연탄회들이 발생 하는 반면 질소분위기에서 산소농도가 낮은 12%의 경우 석탄 연소회분과 영기어 있는 형태로 존재 하였다. <그림 3> 과 같이 미연탄소분이 높게 나타난 산소농도 12%에서 연소한 회분의 경우 다공성 미연탄소의 존재하는 것올 볼 수 있었다.。
3.
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〈그림
2>
산소농도별 석탄회의XRD
분석 및 주철정 피크변화{ 편
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(1)
21% 0 2
석탄회 (1'J:;basi s) (2) 12% 02
석탄회(N2 basis)
〈그립
3>
산소농도별 석 탄회 의 SEM 분석 결 파입도폭성에는 커다란 차이가 없는 것으로 확인되는 반면 기공특성은 〈표 2> 와 이 입도특성과 판계없 이 질소분위기에서 미연분 함량이 높은 산소농도 16% 에서 가장 BET표면적이 높았고 CO:;분위기에 서 공기와 동일조건인 산소농도 21%에서 두 번째 높은 비표면적을 보였다. 이는 〈표 2.G> 과 같이 다 공성 미연분의 함량이 높을수록 기공도가 증가하여 기공표면적이 증가함올 알 수 있다. 석탄회는 산 성성분 (Si02.
AbO: !.
TiOz)과 염기성 성분<re:;O‘!.CaO.MgO. NaO.
K:;O)으로 조성되어 있으며 일반적으로 산성성분이 염기성 성분 보다 함유량이 많올수록 융점은 높아진다 [2].호주 Anglo 탄의 질소분위기 및 C02분위기의
21%
산소농도에서 발생한 회분의 회융점 륙성을 고옹 현미경 측정결과 〈그림 4> 와 같다. 호주 Anglo 탄의 질소분위기에서 연소한 회분의 경우 최Applierl Chemistry. Vo
1.13. No. l.
200:)140
김재관·김미영·부창진·이현동·장석원·김성철초변형점 [IDT (Initial Temperature)
1
이[HT (Hemispherical Temperature)
1
이Deformation Temperature)
1
이 1. 206"(; 이 며 , 연 화점 [ST (Softening 1 ， 315"(; 로 확인되며， 삼각모양이 반구모양으로 용융되는 반구점Temperature) 1 이 1， 349"(; 이며， 최초 유동이 일어나는 유동점 [FT(Fluid 1， 392"(; 로 확인되었다
〈표
2>
산소농도별 석탄회의 기공특성 변화한편 C02분위기에서 발생한 회분의 경우 1,230 (lDT) • 1.355"(; (ST) • 1,386"(; (HT) •
1,4 59"(; (FT)로서 10% 혼소시에는 회융점에 커다란 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다 통일
산소농도의 조건에서 분위기를 질소 혹은 COι로 하여도 회 융점에는 커다란 제약이 없논 것으로 생각되나 다양한 석탄회의 종류별 실험이 펼요하다.
4. 결 론
tι) L 1 % 0<
〈그림
4>
가스분위 기 별 발생 ι basis)석탄회의 회융점 분석결과
N<분위기에서의 산소농도가 높올 수 록 혼합가스 중 산소의 확산속도가 증가하여 연소 시 산화물
결정화도 속도를 향상시키는 것으로 예측할 수 있다. 산소농도가 중가할수록 발생하는 석탄회의 주결 정의 결정화도는 증가하나 석탄회의 재활용에 영향올 미치는 화학성분에는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 특히， 순 산소 보일러 내 석탄회의 회 융점의 경우 산소농도와 무관하게 안정적 범위로 나타 났다.
1.
2.
참고문헌
J. J. Murphy et al., “Combustion kinetics of coal chars tn oxygen environments, " Combustion and Flame 144 ,29 , 710(2006).
Prabhat Naredi et al.," Oxy-Fuel Combustion Effect of recycled
enriched
C02 on pyrolysis Behavior and Char Reactivity , D. of Energy & Mineral
Pennsylvaia State University, Combustion and Flame 144, 710-729(2006).
Eng ..
응용화학， 제 13 권 제 l 호， 2αB
