융제 첨가에 따른 비산회의 용융성에 관한 연구

이규철, 양현수, 박주식*, 손응권*, 현주수*

충남대학교 대학원 공업화학과

한국 에너지 기술연구소*

Studies on the Fusibility of Fly ash-Flux Mixtures

Kyu. C. Lee, Hyun. S. Yang, Chu. S. Park*, Eung. K. Shon*, Ju. S. Hyun*.

Dept. of Industrial Chemistry, Graduate School, CNU, Taejon

*Low Pollution Combustion Lab., KIER

1. 서론

현재 국내에서 발생된 비산회는 시멘트 혼화재로 일부 사용(약10%)되고 있으며 대부분이 ash-pond에 매립되어진다. 선진외국의 활용율(40%-80%)과 비교하면 매우 적은 양이라 할 뿐만 아니라 매립지가 포화상태여서 비산회의 처리문제가 시급한 과제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 비산회의 유효 활용을 위하여 비산회로부터 단열재 및 기존의 건축재료가 갖는 취성을 보완하기위한 강화제로의 사용을 목적으로 회섬유를 제조하고자 하였다.

회섬유를 제조하기 위해서는 용융체의 열적거동에 따라 방사조건이 결정되기 때문에 비산회의 온도조건에 따른 용융체의 거동파악과 연속적인 섬유의 권취에 알맞는 흐름성에 관한 평가가 수행되어야 한다. 비산회의 용융성은 일반적으로 비산회의 용융온도가 평가되어지나 비산회는 단일 성분이 아닌 복합산화물로 구성되어 있어 물질고유의 융점(용융온도)을 갖지 않기 때문에 용융온도는 삼각추 또는 원기둥의 일정형태로 성형된 시료의 가열에 따른 변형정도에 따라 구분 규정하는 방법이 사용되어진다. 그러나 기존의 방법은 비산회의 균질한 용융상태에 대한 정량화된 정보를 얻을 수 없기때문에 본 연구에서는 용융성을 보다 정확히 예측하기위한 방법으로 국내 석탄화력발전소에서 배출되는 비산회중 상이한 조성을 갖는 보령 및 호남화력발전소의 비산회를 대상으로 기존에 사용된 용융온도측정법에 의한 용융온도측정과 고온 시차열분석을 수행하여 비교 분석하였으며 융제의 첨가시 조성변화에 따른 용융온도변화를 삼성분계의 Liquidus곡선과 비교 분석하였다.

2. 실험

2.1. 비산회의 용융온도측정

비산회를 ASTM D3174에 규정되어 있는 고온회화법을 사용하여 750℃, 공기분위기하에서 회화하였다. 회화된 시료의 용융온도측정은 삼각추로 성형된 비산회를 LECO AF-600을 사용하여 승온속도 8℃/min로 하여 열적 변형정도를 4단계로 규정하고 있는 ASTM D1857방법에 따라 수행하였다.

2.2 비산회의 화학조성분석

비산회의 화학조성은 ICP분석기(Jobin Yvon 38+)를 사용하였고  시료의 제조를 위하여 산분해법을 사용하여 주요구성원소인 Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K에 대하여 분석하였다.

2.3 시차열분석(Differential Thermal Analysis) 실험

시차 열분석실험을 위하여 Setaram TGDTA-92를 사용하였다. 분석은 900℃에서 1700℃까지의 범위에서 수행되었으며 ASTM 방법에 의한 용융온도와 비교하기 위하여 승온속도를 8℃/min으로 동일하게 설정하였다.  시료와 Al2O3(referance) 각 15±0.5□을 백금도가니(100□)에 각각 담아 분석하였다.

2.4 현미경 및 SEM-EDX 관찰

가열에 따른 비산회의 용융현상을 관찰하기 위하여 직경 5mm 높이 10mm의 원기둥모양으로 비산회를 성형하여 열처리 하였다. 열처리온도는 1000℃에서 1500℃까지의 범위에서 승온속도 8℃/min, 50℃간격으로 열처리하였다. 열처리시 설정온도까지의 이었으며 설정온도에 도달한후 10분을 유지시킨 후 공냉하여 시료를 얻었다. 사용된 SEM은 Philips-XL-30이었으며 CaO와 MgO의 분포를 확인하기 위하여 Ca 및 Mg 원소에 대하여 EDX분석을 하였다.

3. 결과 및 토론

1) 비산회의 용융성 및 흐름성 예측에 사용되는 Acid oxides(SiO2, Al2O3)가 보령 비산회는 90 wt%, 호남 비산회는 79%로 측정되었고 Base oxides(Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O)는 각각 10 wt%와 21 wt%로 측정되어 상이한 화학적 조성을 보여 주었다.

2) CaO와 MgO의 첨가한 경우는 Base/Acid ratio와의 비교에서 CaO flux는 0.7∼0.8의 범위에서 가장 낮은 용융온도를 보였고 MgO flux는 0.3∼0.4의 범위에서 가장 낮은 용융온도를 얻을 수 있었다. 따라서 CaO보다는 MgO가 적은 첨가량에 의하여 용융온도를 낮출 수 있음을 알 수 있었다.

3) 삼성분계의 Liquidus곡선과의 비교에서 비산회의 용융온도는 Fig. 1-2에 나타낸바와 같이 Liquidus 곡선과 유사한 용융변화를 갖음을 알 수 있었다. 그러나 공융점등 비산회의 용융온도에 대한 정량화된 정보는 얻을 수 없었다.

4) 비산회에 대한 시차열분석으로부터 Fig. 3-5와 같이 기존 용융온도측정법에서는 얻을 수 없던 초기 용융온도 및 완전용융상태를 갖는 온도등의 비교적 정량화된 결과를  얻을 수 있었다.

참고문헌

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2. E. C. Winegartner and B. T. Rhodes, J. of Eng. Power, 365-406, (1975).

3. N. V. Kovitskii, N. V. Karagodina, and M. I. Martinorva, Solid fuel

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4. Hidero Unuma and Sogo sayama, Fuel, 65, IPC businees press(1986).

5. Takashi Tsurue, Sogo Sayama and Yoshikazu Suzuki, Report of GIDL        Hokkaido, 49, 37, 1985.

6. 이시훈, 박주식, 임영준, 김형택, 화학공학, 34, 8, (1996).

Fig. 1. Relation between fusion temperature and liquidus line.

( adding CaO a: Ulan, b: Honam )

Fig. 2. Relation between fusion temperature and liquidus line.

( adding MgO a:Ulan, b:Honam )

Fig. 3. Relation between fusion temperature and DTA curve.

( a:Ulan, b:Honam )

Fig. 4. Relation between fusion temperature and DTA curve.

( adding CaO a:Ulan, b:Honam )

Fig. 5. Relation between fusion temperature and DTA curve.

( adding MgO a:Ulan, b:Honam )