Experimental Study of Char Oxidation and Kinetic Rate in O₂/CO₂ and O₂/N₂ Environments

대한기계학회논문집 B권 제 권 제 호, 34 12 , pp. 1101~1109, 2010 1101

- 기호설명 -

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: 평균온도 (

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: 입자온도 (

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) 학술논문

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DOI:10.3795/KSME-B.2010.34.12.1101

ISSN 1226-4881

O 2 /CO 2 조건과 O 2 /N 2 조건에서의 촤 연소특성 및 산화 반응성에 관한 실험적 연구

김성곤 이천성 이병화 송주헌 장영준 전충환

부산대학교 기계공학부

*

Experimental Study of Char Oxidation and Kinetic Rate in O 2 /CO 2 and O 2 /N 2 Environments

Song Gon Kim ^* , Cheon Seong Lee ^* , Byoung Hwa Lee ^* , Ju Hun Song ^* , Young June Chang ^* and Chung Hwan Jeon ^*

* Dept. of Mechanical Engineering, Pusan Nat’l Univ.

(Received July 5, 2010 ; Revised September 17, 2010 ; Accepted September 20, 2010)

Key Words: Oxy-Fuel Combustion(순산소연소), Oxidation Kinetics(산화반응속도), Diffusivity(확산성)

초록: 본 연구에서는 촤 연소 시에 분위기 가스 변화에 따른 연소 반응 변화를 수직 관형 연소로를 이용하여 실험적으로 측정해 보았다 실험 조건으로 아역청탄인. Adaro탄과 역청탄인 Coal valley탄을 사용하였고 두 탄, 을 O

2

/CO

2

조건과 O

2

/N

2

조건에서 온도를 900, 1100, 1300℃, 산소 분압을 12, 21, 30%로 변화를 주어 촤 반응 성 실험을 수행하였다 순산소 조건과 일반 대기 조건을 비교하였을 경우 순산소 조건일 때 입자온도와 총괄. 반응량이 낮게 나타나는 경향을 보였지만 입자 표면에서의 반응률을 계산한 결과 분위기 가스의 영향과 상, , 관없이 거의 동일한 경향을 가지는 것으로 나타났다 또한 두 조건에서의 촤 연소 반응을 위한 반응 속도 상. 수 및 활성화 에너지 역시 분위기 가스의 영향과 상관없이 유사한 값을 가지는 것으로 확인하였다 전반적으. 로 Adaro탄이 Coal valley탄보다 입자 온도와 총괄 반응량이 높게 나타났다.

Abstract: We investigated the combustion rate and kinetic rate of char when burning in oxygen-enriched atmospheres with either an N

2

or CO

2

bath gas in a drop tube furnace. The experiments were performed with sub-bituminous coal (Adaro) and bituminous coal (Coal valley) under atmospheric pressure conditions. Two different coals were investigated over 12 to 30 vol% oxygen and furnace temperatures of 900, 1100, and 1300°C. For both coals, the particle temperature and overall reaction rate are lower in the CO

2

bath gas. However, analysis of single-particle data shows that the surface-specific burning rate of char oxidation is similar in both gases. In addition, the kinetic rate and activation energy for each coal were similar for both gases. Generally, the particle temperature and overall reaction rate of sub-bituminous coal are higher than those of bituminous coal.

Corresponding Author, [email protected]

2010 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

· · · · · 1102

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그리스문자

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1. 서 론

전 세계적으로 지구 온난화로 인한 환경문제가 심각하게 인식되고 있는 가운데 화석 연료의 연, 소과정에서 발생하는 막대한 양의 이산화탄소가 지구온난화의 주요한 원인으로 인식되고 있다.

국내에서도 이산화탄소의 총 배출중 약 24%가 석탄화력 발전에서 기인하고 있어 발전 분야에, 서도 이산화탄소를 줄이기 위한 새로운 기술적 노력이 많이 연구되고 있다 이산화탄소 저감 기. 술은 연소 전처리 연소 후처리 및 순산소 연소, (O

2

/CO

2

)로 나눌 수 있고 이산화탄소 회수비용, 등 경제성을 검토해 보면 가장 효율적인 방법은 순산소 연소기술이다 순산소 연소기술은 공기를. 산화제로 사용하는 기존의 연소방식과 달리 공기 중의 질소를 배제한 산소와 대부분의 성분이 이 산화탄소인 재순환 배기가스를 희석시켜 산화제 로 사용하는 기술이다 기존의 공기 연소 경우는. 공기 중의 질소가 연소과정에 참여하지 않고 그 대로 배출되므로 배기가스 중의 이산화탄소 농도 는 13~ 16% 정도로 낮다 따라서 후처리 공정에. 어려움이 따르게 된다 하지만 순산소 연소는 연. 소 반응을 통해 이산화탄소와 물이 대부분을 차 지하는 배기가스가 생성되므로 간단한 응축 과정 만 거쳐 고농도 이산화탄소를 쉽게 회수할 수 있 는 장점이 있어 크게 주목 받고 있는 기술이다.

하지만 이러한 이산화탄소 분위기의 연소 조건 은 질소와 이산화탄소의 열역학적 특성 차이로 인해 기존의 일반 연소 조건과 큰 차이가 나타난 다 순산소 연소의 경우 높은 이산화탄소의 농도. 로 인해 열전달 화염특성 촤 연소시간 석탄의, , , 연소성 회분 특성에 상당한 영향을 미치게 된다, 고 보고되었다.

^(1,2)

따라서 순산소 기술을 적용하 기에 위해서는 이산화탄소 분위기에서의 연소 특 성에 관한 연구가 선행되어져야 한다.

선행 연구자들에 의해 검증된 구체적인 이산화 탄소 분위기에서의 특징을 살펴보면 이산화탄소

는 질소와 비교하여 상대적으로 높은 열용량(heat 을 가지고 있다 높은 열용량은 낮은 화 capacity) .

염온도를 형성시키므로 일반적으로 열전달율을 유지하기 위해서는 높은 산소 분압이 요구 되어 진다.

⁽³⁾

또한 중요한 특성으로 이산화탄소 분위기 에서의 산소 확산계수는 질소에서 보다 0.8배 낮 게 나타난다. Shaddix와 Molina는

⁽⁴⁾

순산소 조건에 서의 촤 연소에 대한 CO

2

영향을 실험적으로 분 석하였다 실험은 산소농도. 12~36%와 1600~1750 온도 조건에서 총괄 연소율및 표면 반응률을 K

이산화탄소와 질소 분위기 하에서 각각 비교한 결과 단일 입자에서 표면 반응률은 두 분위기, 조건에서 같은 값을 가지는 것으로 밝혀졌고 총, 괄 연소율의 경우 산소 확산이 지배적인 영향으 로 작용하여 이산화탄소 분위기에서의 산소 확산 율이 20%낮아져 총괄 연소율이 감소하는 결과를 가져온다고 보고하였다. 또한, 순산소 연소시에 에 의한 가스화반응에 대하여 선행 연구에 CO2

따르면 가스화 반응은 대게 높은 압력과 높은 이 산화탄소 농도 하에서 발생한다고 보고되었다.

등에 따르면 실험을 통해 산소 농도

Rathnam TGA

에서 온도에서 가스화 반응이 일어난다 2% 1030K

고 보고하였고 따라서 실제 보일러에서 산소 농, 도가 낮아지는 출구측에서 가스화 반응이 발생할 수 있다고 보고되었다.

⁽²⁾

따라서 본 연구에서는 순산소 연소를 화력발전 에 적용하기에 앞서 그 특성을 알아보기 위해 국 내의 발전소에서 주역탄으로 사용되고 있는 역청 탄 Adaro와 아역청탄 Coal valley를 사용하여 장치를 통해 노 내 온도 및 산소 분압 변화 DTF

에 따라 이산화탄소 분위기와 질소 분위기에서 촤의 연소특성 입자온도와 총괄 반응량 을 비교하( ) 였고 실험 데이터를 기초로 입자 표면에서의 촤, 의 반응률과 반응 속도 상수를 구하여 분위기 가 스에 따라 탄종별로 비교하여 보았다.

실험 장치 2.

2.1 실험 장치 구성

전체적인 실험장비의 구성은 Fig. 1과 같다 반. 응기는 DTF (Drop Tube Furnace)로써 크게 주입, 부 반응부 포집부로 구성된다, , .

주입부는 연료와 반응 가스를 투입하는 부분이 다 반응 가스는 연료를 공급하는 운반 가스와. 운반가스가 흐르는 튜브의 주위로 투입되는 주

O

2

/CO

2

O

2

/N

2

1103

반응가스가 있다 시린지 펌프. (syringe pump)로 이 루어진 공급 시스템(feeder system)과 유량 조절기 와 유량계를 통해서 연료의 양과 총 반응 가스의 양을 조절할 수 있게 하였다 유량계는 이산화탄. 소용과 질소용으로 각각 준비하였고 각 조건에, 맞춰 반응 가스를 선택할 수 있도록 준비하였다.

또한 Fig. 1과 같이 주입부 상단에는 입자 온도 계측이 가능할 수 있도록 two color pyrometer가 설 치되어 있다 광학 장비는. DTF 반응부에서 입자가 연소할 때 나오는 방사 에너지를 측정하여 최종적 으로 입자의 온도를 구할 수 있다. Two color

에 사용된 는 가시 영역대

pyrometer band pass filter

의 파장대인 650 nm 와 700 nm이다 선행 연구를. 통해 이 파장 범위에서 gray body assumption이 타 당함을 확인하였다.

⁽⁵⁾

또한 PMT (Photo-Multiplier

와 고전압 증폭

Tube) Memory Hi-coder (800kHz/Sa),

기(~1kV), 전류 조절기(current controller)로 구성되 어 있다. Fig. 2는 two color pyrometer를 텅스텐 램 프를 이용하여 교정한 그래프이다.

반응부는 연료와 반응 가스가 만나 화학반응이 일어나는 곳이다 온도 조절기를 통해. SiC heater 의 온도를 조절하여 반응부에 일정한 온도장을 형성하게 한다. DTF는 최대 1500°C까지 온도를 상승시킬 수 있다. 반응부의 길이는 최대 200 최소 로써 프로브 상하 이동을 통해 mm, 50mm

조절이 가능하다.

포집부는 반응물을 포집하는 부분이다 추가적. 인 촤 산화 반응을 차단하기 위해 포집 프루브에

냉각수를 흘려 튜브 내 온도를 하강시켰고 하단 부 싸이클론을 이용하여 가스와 입자를 분리할 수 있게 하였다. 싸이클론에서 포집된 회분은

모델명 를 사용하여 공업분

TGA( : TA Q600 SDT)

석을 수행하였다. 공업분석은 총 3단계로 나눌 수 있다 첫 번째 단계에서는 수분 두 번째 단계. , 에서는 휘발성분 세 번째 단계에서는 고정탄소, 의 질량 감소분을 확인할 수 있었다 첫 번째 단. 계에서는 질소 분위기에서 온도를 107℃까지 상 승시키고 두 번째 단계에서는 질소 분위기에서, 온도를 950℃까지 상승시키고 마지막으로 공기, 분위기에서 750℃로 유지시켜 질량 감소분을 확 인한다.

2.2 실험 조건 촤 준비 조건 2.2.1

촤는 석탄을 열분해(pyrolysis)하여 만들어 진다. 석탄은 아역청탄인 Adaro와 역청탄인 Coal valley 를 준비하였고 석탄의 입자크기는, 75~125μm이 다. Table 1은 각 원탄의 공업분석 결과와 열분해 과정을 통해 생성된 촤의 공업분석 결과를 보여 주고 있다 촤를 만들기 위한. DTF 내부의 분위기 는 질소만 주입하였고 노 내의 온도는, 1300℃로 유지시켜 열분해 과정을 거치게 되면 휘발분이 방출되고 남은 촤가 생성되어진다.

촤 반응 조건 2.2.2

열분해 과정을 통해 생성된 촤를 연료로 해서 Fig. 1 Schematic diagram of char oxidation

experiment

Fig. 2 The calibration curve of two color pyrometer

1104

Proximate analysis

(wt%, as received) A coal A char C coal C char Moisture 19.66 4.50 6.21 2.85 Volatile matter 38.67 5.86 32.56 3.06 Ash 3.50 8.78 11.49 17.62 Fixed carbon 38.17 80.86 49.74 76.47 Table 1 Proximate analysis of coal and char (A:

Adaro, C: Coal valley)

Coal type Adaro (sub-bituminous) Coal valley (bituminous) Oxygen concentration in

bulk gas (%) 12, 21, 30 Pressure (atm) 1 Feeding rate(g/min) 0.03 Residence time

(seconds) 1.5

Setting temperature(°C) 900, 1100, 1300 Table 2 Experimental conditions of char oxidation

실험을 진행하였다 입자크기는. 75 ~ 125μm의 촤로 실험을 수행하였고 열분해와는 달리 촤 연, 소 반응 실험은 산화 반응을 일으킬 수 있도록 질소 또는 이산화탄소를 각각 산소와 혼합시킨 주반응 가스를 DTF 내에 주입하였으며 촤가 연, 소하는 반응 시간은 노내의 반응 구간(10cm)과 유속(6.76cm/sec)을 고려하여 1.5초로 설정하였다. 산소 분압을 12, 21, 30%로 높여가며 900, 1100, 의 노내 온도에서 촤 반응률 측정실험을 1300℃

진행하였다. 자세한 촤 연소 반응 실험조건은 에 나와 있다

Table 2 .

이론 해석 3.

본 실험에서는 실험조건과 선행연구를 기초로 하여 실험을 수행하였고 결과에서 논의 될 촤, 반응률을 근거로 촤 산화 반응이 지배적으로 일 어난다고 사료되어 각 조건에서의 촤 산화 반응 속도상수 및 활성화 에너지를 비교 분석하기 위 해 다음의 이론 해석방법을 사용하였다.

3.1 촤 산화 모델

촤 산화 모델은 촤 표면적에서 일어나는 촤 산 화반응의 속도에 관한 것이다 내부 기공. (pore)들 의 상호 작용과 기공 내 산소 확산과 화학반응속

도 해석의 어려움으로 내부에서 일어나는 연소반 응은 고려하지 않았지만 대부분의 촤 연소를 예, 측하는 모델로 널리 사용되고 있는 모델이다 촤. 산화모델은 정상 상태와 단막 연소(single film 과정을 가정하며 질량 보존 방정식과 표 burning)

면 반응속도론 방정식을 동시에 만족한다.

^(6,7)

기체 중의 산소가 촤 입자 주위의 경계층으로 확산될 때 탄소가 산화되는 반응을 아래의 식으 로 표현할 수 있다 이 식은 표면 반응에 의한. CO 와 CO

2

생성과 Stefan flow 내의 질량확산을 모두 고려하고 있다.

식 (1)은 촤 표면에서 일어나는 탄소와 산소의 화학반응식이다. 식 (2)는 표면에서의 화학종의 확산에 의해 유도된 식으로써 실험으로 측정한 입자의 온도와 입자의 크기, CO

2

생성비 산화, 반응률을 통해 표면산소분압(P

O2,S

)을 예측할 수 있게 한다.

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   (2)

촤 산화 반응률 및 반응속도상수 결정법 3.2

표면에서 일어나는 반응으로부터 촤 반응률을 구하는 이 모델은 이질(heterogeneous) 탄소산화반 응을 나타내기 위하여 산소 전달률 모델과 함께 일반적으로 사용된다 이것은 이론적인 부족 때. 문에 비판을 받았음에도 불구하고,

⁽⁸⁾

이 식은 단 순하고 비교적 저압인 대기압에서 실제적인 사, 용에 적절하다고 증명이 되었기 때문에 일반적으 로 사용하고 있다 이 방법의 가장 일반적인 식. 은 다음과 같다.

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O

2

/CO

2

O

2

/N

2

1105

4. 결 과

질소 및 이산화탄소의 두 가지 다른 혼합가스 환경 하에서 다양한 산소 분압과 노 내 온도조건 으로 수직의 DTF를 통해 아역청탄(Adaro) 및 역청 탄(Coal valley)의 촤를 연소하였다.

4.1 입자온도와 총괄 반응량

과 에는 상부에 설치한

Fig. 3 Fig. 4 DTF two- color 를 이용하여 측정한 촤 입자 온도와

pyrometer TGA

분석을 통해 구한 총괄 반응량을 질소와 이산화탄소 분위기하에서 산소 분압에 따라 탄종과 노내 온도별 로 구별하여 각각 나타내었다 전체적으로 산소 분. 압과 노 내 온도가 증가할수록 역청탄과 아역청탄의 모든 촤 입자 온도와 총괄 반응량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

이산화탄소 분위기와 질소 분위기에 대한 영향 을 살펴보면 모든 조건에서의 촤 입자온도가 이, 산화탄소 분위기에서 더 낮은 것을 확인할 수 있 다 이것은 순산소 연소시 대부분의 반응가스를. 차지하는 이산화탄소에 의한 산소 확산저해 및 높은 열용량에 의해 발생하는 효과로 사료된다.

이 같은 결과는 선행 연구자들의 결과와도 일치하 는데, Bejarano와 Lavendis

⁽⁹⁾

는 역청탄과 갈탄의 촤 입자 온도를 다양한 산소 분압 조건으로 질소분위

기와 이산화탄소 분위기 하에서 실험을 수행하였 고 역청탄의 경우 이산화탄소 분위기에서 연소시, 대기조건과 일치하는 입자온도를 얻기 위해서는 더 높은 산소 분압(O

2

30%)이 필요하다고 보고하 였다 또한. 이론적인 단열화염 온도를 계산하였을 때, 45% O

2

-55% CO

2

의 분위기에서 공기 조건과 유사한 온도 값을 나타냈고 이는 실험적인 결과, 값보다 산소 몰 분율이 더 높게 나타난다고 보고 하였다.

본 실험에서도 순산소 조건에서 대기조건(O

2

과 동일한 촤 입자의 온도를 얻기 위해서는 21%)

더 많은 산소 분압이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다 입자 온도에서 예상할 수 있듯이 총괄 반. 응량의 경우에도 이산화탄소 분위기의 경우 질소 분위기에서 보다 낮은 반응량을 보이고 있다 하. 지만 Adaro탄의 경우 노내 온도가 1300℃ 경우를 보면 거의 대부분의 촤가 연소 반응을 일으켜 완 전 연소가 되었다는 것을 보여주고 있다.

혼합 가스 내에서의 산소 확산에 대한 영향에 대해서는, Terry Wall

⁽¹⁰⁾

이 석탄의 산화반응이 고 온 영역에서 촤 표면까지의 확산계수에 영향을 받는다고 보고하였다 연소 반응의 속도는 이산. 화탄소 분위기에서 보다 질소 분위기에서 산소의 확산계수가 높아 촤의 표면까지 산소가 더욱 빠 Fig. 3 Average temperatures for char of Adaro(Sub-bituminous coal) and Coal valley(Bituminous coal) burning in O

2

/CO

2

and O

2

/N

2

(Oxygen mole fraction ; 12, 21, 30%, Furnace temperature : 900, 1100, 1300℃)

1106

르게 확산되어 연소한다는 것을 알 수 있다 질. 소 혹은 이산화탄소 분위기에서의 확산계수는 다 음의 식을 통해 구할 수 있다.

⁽¹¹⁾

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₍₄₎

위 식을 통해 이론적으로 질소 분위기보다 이산 화탄소 분위기에서 산소 확산 계수가 0.8배로 낮 아짐을 확인할 수 있다 즉 고온산화 영역에서의. , 연소 반응속도는 이산화탄소 보다 질소와 혼합되 어 있는 산소의 확산계수가 높아 촤 표면까지 산 소가 더욱 빠르게 확산되어 연소한다는 것을 알 수 있다. Shaddix 및 Murphy

⁽¹²⁾

에 따르면 이산화탄소/

산소 분위기 연소 시 산소의 확산속도가 느려 석 탄 입자 표면온도가 40℃ 정도 낮아지고 연소속 도 또한 질소 분위기에서 보다 10% 정도 낮아진 다고 보고하였다. 또한 탄종별로 비교 해 보았을 때 아역청탄의 촤 입자의 연소온도가 더 높은 것 을 확인할 수 있으며 이것은 각 조건에서 더 많, 은 촤 연소 반응이 일어나는 것으로 총괄 반응량 을 비교하여 확인할 수 있다 이는 아역청탄의.

경우 역청탄에 비해 탈휘발 후 고정탄소의 단위 표면적의 증가로 인한 연소성의 향상으로 사료된 다.

촤 반응률 4.2

와 은 아역청탄 과 역청탄

Fig. 5 Fig. 6 (Adaro)

별로 구분하여 촤 입자의 연소온도 (Coal valley)

에 따른 촤 반응률로 나타내었다 산화 반응률의. 경우 단위면적당 질량 감소율을 의미하고, TGA 분석을 통해 구한 반응 탄소량을 회분 추적법을 이용하여 반응률을 구하였다 일반적으로. DTF에 서의 반응에서는 반응된 입자를 포집할 때에 반 응로나 포집부분에서 생기는 입자의 손실이나 입 자의 부착현상으로 인하여 포집된 촤의 양을 실 제 반응 후의 양이라고 생각할 수 없다 그래서. 회분 추적법에서는 반응 전의 촤 소량을 TGA로 분석을 하고 반응후의 촤의 소량을, TGA로 분석 한 다음 각각의 공업분석 결과로 각각의 회, (ash) 성분이 변하지 않는다는 것을 이용하여 반응한 고정탄소의 질량을 예측할 수가 있다 달리 표현. 하면 반응 전 후의 회의 질량은 일정하다, ,

⁽¹³⁾

는 가정을 통하여 반응 후의 회의 질량에 비례하여, 반응전의 초기 질량을 예측하는 방법이다 이것. Fig. 4 Overall reaction rate for char of Adaro(Sub-bituminous coal) and Coal valley(Bituminous coal) burning in O

2

/CO

2

and O

2

/N

2

(Oxygen mole fraction ; 12, 21, 30%, Furnace temperature : 900, 1100, 1300℃)

O

2

/CO

2

O

2

/N

2

1107

을 통해 구한 고정탄소의 질량에 반응한 전체 입 자의 표면적과 체류 시간을 고려하여 주면 촤 반 응률을 구할 수가 있다.

) ( A t q m

s c

a ∆

∆

= ⋅

(5) 에 나타낸 탄의 경우

Fig. 5 Adaro 촤 반응률이 입자온도가 높아질수록 증가하는 경향을 보이다 가 고온으로 가면 일정한 반응률을 보이는 것을 확인 할 수 있는데 이는 앞서 언급한 바와같이, 노내 온도 1300℃에서는 모든 촤가 연소 함 으로 인해 반응률 또한 일정하게 나타남을 볼수 있다.

이 영역을 제외하고는 입자 온도에 따른 반응성 의 변화가 분위기 가스와 산소 분압에 관계없이 유사한 경향을 보이고 있다. Fig. 6의 Coal valley 탄의 경우에서는 전체적으로 온도에 따른 반응성 의 기울기가 유사한 것을 확인할 수 있다 두 그. 래프를 통해 입자 표면에서의 산화 반응률의 경향 은 두 분위기 가스 조건에서 특별한 차이 없이 유 사한 경향을 가지는 것으로 확인할 수 있다 이는. 총괄 반응량과 비교해 볼 때 본 실험에서 이산화 탄소에 의한 산소 확산 저해 및 열용량 차이로 인 한 총괄 반응률의 감소만 있을 뿐 다른 영향은, 지배적이지 않다는 것을 알 수 있다 이러한 결과. 는 서론에서 언급한 선행 연구의 결과와도 일치한 다.

촤 산화 반응 속도 상수 4.3

반응 속도 상수 k

c

는 이론해석에서 기술된 식 을 통해서 구할 수가 있다 회분 추적법을 통

(3) .

해 구한 촤 반응률(qa)과 식 (4)에서 구해진 분위 기 가스에 따른 산소확산 계수를 적용시킨 촤 산

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

Adaro N

2

Adaro CO

2

A re a r e a c ti v it y , q a ( g /c m

2

*s )

1/T (1/K*10^5)

Fig. 5 Area reactivity of Adaro as function of particle temperature

45 50 55 60 65 70 75 80

0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

A re a r e a c ti v it y , q a ( g /c m

2

*s )

Coal valley N

2

Coal valley CO

2

1/T (1/K*10^5)

Fig. 6 Area reactivity of Coal valley as function of particle temperature

50 55 60 65 70 75 80

-9.0 -8.5 -8.0 -7.5 -7.0 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0

Adaro N

2

Adaro CO

2

ln k c

1/T (1/K*10^5)

Fig. 7 Determination of kinetic constants for Adaro.

A fit is shown for the entire set of data point each condition

50 55 60 65 70 75 80

-9.0 -8.5 -8.0 -7.5 -7.0 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0

ln k c

Coal valley N

2

Coal valley CO

2

1/T (1/K*10^5)

Fig. 8 Determination of kinetic constants for Coal valley. A fit is shown for the entire set of data point each condition

1108

Char bath gas A (g/cm

²

s)(atm)

^-n

E (kcal/mol) Adaro N

2

0.3405 15.72

CO

2

0.3190 15.64 Coal valley N

2

0.4105 17.95 CO

2

0.4953 17.04 Table 3 Linear regression results for the nth order

Arrhenius rate equation with reaction order 0.5

화모델(2)을 통해 예측된 P

O2

,

S

는 식 (3)에 적용이 되고 이를 통해서 반응률 k

c

를 도출하였다 다른. 선행 연구자들의 결과를 이용하여 반응 차수(n)를

로 가정하였다

0.5 .

과 은 탄과 탄의 도

Fig. 7 Fig. 8 Adaro Coal valley

출된 k

c

를 가지고 아레니우스 표현을 보여 주며, 그래프의 기울기 값을 통하여 활성화 에너지(E) 와 상수(A)를 구할 수가 있다 이 변수들은 촤 산. 화 반응률에 매우 중요한 영향을 미치는 요소이 며 특히 활성화 에너지는 반응의 온도 의존성을, 판단하는데 중요한 인자로 활용된다 먼저. Fig. 7 에 나타낸 Adaro탄의 경우 완전 연소된 1300℃이 상의 값들은 명확한 연소특성 파악이 불가능 하 여 제외시켰고 그 결과 이산화탄소 분위기와 질 소분위기에서의 기울기 값이 유사한 것으로 나타 났다. Fig. 8의 Coal valley탄의 경우도 마찬가지로 두 분위기 가스의 기울기 값이 거의 유사하게 나 타났다.

는 각 그래프의 기울기를 통해 구한 활 Table 3

성화 에너지와 반응 빈도 인자를 각각 정리하였 다 아역청탄의 경우 역청탄에 비해 낮은 활성화. 에너지로 반응성이 더 활발하다는 것을 확인할 수 있었으며 질소 분위기와 이산화탄소 분위기, 에 상관없이 반응 속도 상수는 유사한 값을 가지 는 것을 알 수 있다.

5. 고 찰

이상의 결론을 종합해보면 반응영역에서 분위 기 가스는 입자 표면에서의 연소 반응에는 특별 한 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다 따라. 서 고온 연소시의 이산화탄소 분위기에서 입자온 도와 총괄 반응량이 낮게 측정되는 것은 산소의 확산 제한과 이산화탄소의 열용량 차이로 인한

영향으로 볼 수 있으며 표면 산화 반응률 및 반 응 속도 상수 활성화 에너지는 분위기 가스와, 상관없이 유사하게 나타나는 것을 확인 하였다.

6. 결 론

국내 화력발전소에서 사용되어지는 역청탄

와 아역청탄 를 가지고 순산소

Coal valley Adaro

조건(O

2

/CO

2

)과 일반 조건(O

2

/N

2

)에서 촤의 연소 특성을 보기위해 DTF장치를 이용하여 실험을 수 행하였고 회분 추적법을 통해 총괄 반응량을 구, 해 촤의 산화 반응성 및 반응속도상수를 구한 결 론은 아래와 같다.

촤 연소 반응시 산소 분압과 온도가 증가할 (1)

수록 촤의 입자 온도 및 총괄 반응량은 증가하였 다.

분위기 가스에 따른 영향을 살펴보면 질소 (2)

분위기에서 촤 입자 온도 및 총괄 반응량이 이산 화탄소 분위기에 비해 높게 나타났다 따라서 순. 산소 연소시 연소 종료에 필요한 입자 체류시간 이 길어진다.

입자 표면에서의 반응성을 비교한 결과 분 (3)

위기 가스의 영향에 상관없이 두 탄 모두 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타났다 총괄 반응량에. 서 차이가 나타나지만 입자 표면에서의 반응성은 비슷한 경향을 보인다 촤의 입자온도를 기준으. 로 할 때 반응속도와 활성화 에너지 또한 두 분 위기 가스 조건에서 거의 유사한 값을 나타냈다.

동일한 촤 산화반응 조건에서 연소되는 입

(4) ,

자 온도 및 총괄 반응량은 아역청탄 Adaro의 경 우 역청탄 Coal valley에 비해 높게 나타났다.

후 기

본 연구는 2010년도 지식경제부의 재원으로 한 국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행 한 연구과제입니다.(No.2007-P-EP-H-ME-03-0000)

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