열분석기를 이용한 석탄의 풍화도 평가방법

최 재 훈, 이 운 재, 김 지 호*

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀, 포항종합제철 화성부*

The Method for Discriminating the Weathered Coal

by Thermal Analyzer

Jae-Hoon Choi, Woon-Jae Lee and Ji-Ho Kim*

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST, POSCO*

1. 서  론

석탄은 채광되어 대기중에 노출되면 서서히 풍화되기 시작하여 물성이 변화되는 거동을 보이며, 이것은 석탄구성물질이 공기중의 산소와 결합하는 산화반응에 기인하는 것이라고 할 수 있다. 일반적으로 풍화탄의 특징을 요약하면, (1) C, H함량 감소, O 함량 증가 (2) 발열량의 감소 (3) 함산소관능기의 증가 (4) 열분해시 발생가스중 CO, CO2 함량증가 (5) 휘발분의 방출속도감소 및 방출온도범위의 확대 (6) 평균반사율과 유동도 감소 (7) 극성의 증가라고 할 수 있다.

일반적으로 석탄의 풍화에 미치는 인자는 (1) 석탄의 석탄화도 (2) 풍화온도 (3) 석탄의 입도 (4) 풍화시간으로 분류할 수 있으며 실험실적으로는 산소농도의 영향을 추가할 수 있다. 코크스 제조용 석탄의 경우, 풍화탄은 유동도 및 반사율의 저하에 의한 코크스화성의 감소로 미풍화탄 대비 코크스품질이 저하되는 현상을 나타낸다. 따라서, 코크스 제조용 역청탄을 호주, 미국, 카나다 등으로부터 전량 수입에 의존하고 있는 우리 나라에서는 석탄산지에서의 장기저장 가능성, 긴 수송시간과 뜨거운 열대지방을 통과하는 수송경로, 수십종의 석탄을 야드에 저장하면서 10여종의 탄종을 배합하여 코크스를 제조하는 공정특성을 고려하면, 석탄이 산지에서 채광되어 최종수요처인 코크스 오븐에 투입되기 전단계에서 어떤 탄종의 풍화탄이 발생되어 제조된 코크스의 물성저하 원인으로 작용할 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.

석탄의 풍화거동 및 풍화탄의 특성평가에 관해서는 현미경에 의한 비트리니트 반사율과 조직특성변화, 가열시의 가스조성변화 등이 있으며, 최근에는 적외선 분광분석법(FT-IR), 전자스핀공명분석기(ESR), 가스크로마토그래피(GC)와 질량분석기(MS)를 병용한 GC/MS 등의 기기 분석을 이용하는 많은 연구보고가 발표되고 있다. 이러한 방법들은 석탄의 풍화거동, 다시 말하면, 산소가 석탄에 도입되는 과정과 이로 인해 야기되는 물리적 변화를 분석하기 위하여 석탄표면의 함산소 관능기의 변화를 추적하기 위한 것이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 석탄을 사용하는 현장조업의 안정성을 도모하는 측면에서 풍화탄을 신속히 판별하기 위한 수단으로서 사용이 간편한 열분석기를 이용하여 석탄의 풍화도를 신속하고 정량적으로 평가하기 위한 방법에 관하여 조사하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 석탄은 야금용 코크스의 제조에 사용되는 역청탄계의 석탄으로서 그 물성치를 Table 1 에 나타내었다. 풍화탄의 제조에는 2가지 방법을 사용하였으며, 하나는 석탄이 현장에 입하되는 즉시 채집하여 8mm이하로 분쇄하고, 일정량을 샤레에 담아 공기가 순환되는 항온조에서 일정시간 유지함으로서

Table 1. 실험에 사용된 석탄의 물성치

탄 명	공업분석치			원소분석치
	VM, %	FC, %	Ash, %	C, %	H, %	N, %	C/H 원자비, -
H S G M	32.8 16.9 23.8 33.8	60.4 76.1 67.4 57.6	6.8 7.0 8.8 8.6	86.6 91.8 85.9 79.6	5.5 4.8 5.1 5.4	1.4 1.2 1.4 1.5	1.31 1.60 1.42 1.23

풍화탄을 제조하였다. 다른 방법은 분쇄시료를 용량 20리터인 사각형의 플라스틱통에 담아 옥외에 장기간 방치하여 자연적으로 풍화되도록 하였다.

한편, 제조된 풍화탄은 열분석기를 이용하여 열중량분석 및 시차열분석하였으며, 산화성 가스로는 공기를 사용하였다. 이때, 분석시료의 입도는 600∼212 □m,  시료량은 15mg의 일정량을 사용하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1 은 G탄의 공기 분위기하에서 승온함에 따른 열중량 거동을 나타낸 것이다. 미풍화탄과 풍화탄을 각각 500℃까지 승온함에 있어, 미풍화탄의 경우에는 300∼350℃의 온도범위에서 중량이 소폭 증가된 후 고온영역에서 급격히 감소되는 반면, 풍화된 석탄에서는 중량 증가현상이 현저하지 않으며, 풍화탄보다 고온영역에서 중량감소가 급격해짐을 알 수 있다.

이러한 경향은 핏치계 탄소섬유와 같은 고분자량의 탄소질 물질이 나타내는 특징이라고 할 수 있다. 다시 말하면, 탄소질 물질을 산소와 같은 산화성 가스분위기에서 승온 열처리하는 경우, 200∼350℃의 저온영역에서 산소의 흡착에 의한 중량증가율이 3∼20%에 달한다. 이러한 중량증가 현상은 탄소질 물질의 조성에 영향을 받으며, 산소와 쉽게 반응하는 반응점의 차이에 기인한다고 할 수 있다. 탄소함량이 매우 높은 석탄의 경우에 있어서도 산소와 쉽게 반응할 수 있는 반응점의 수가 유한한 것으로 가정하면,  풍화된 석탄에서는 산소와 반응하는 반응점의 수가 이미 감소되어 있는 것으로 해석할 수 있다. 따라서, Fig. 1 에 나타낸 바와 같이, 미풍화탄은 300∼350℃의 온도 영역에서 산소흡착으로 약4.5%의 중량 증가현상을 보인 반면, 1∼5개월간 자연적으로 풍화된 석탄에서는 중량증가 현상이 미미해지는 거동을 나타내는 것으로 해석된다.

Fig. . G탄의 공기분위기하에서 열중량 감소거동

Fig. 2 는 공기분위기에서 승온함에 따른 G탄의 산화반응열 변화를, Table 2는 총산화반응열의 변화치를 나타낸 것이다. 석탄의 풍화반응은 발열반응이기 때문에 시차열분석기를 이용하여 미풍화탄과 풍화탄을 각각 산화반응시킬 경우, 풍화탄에서는 200∼400℃의 저온영역에서 산화반응열이 현저하게 감소되어 전체적으로는 단위질량당 총반응열이 감소되는 거동을 보이고 있다.

Fig.2 공기분위기하에서 G탄의 산화반응열 변화

G탄이 대기중에서 풍화된 경우, 총산화반응열은 미풍화탄 대비 10.4∼20.1% 감소되는 특징을 나타내고 있다. 또한, 현장에서 약 2.3개월 방치된 G탄의 경우 총산화반응열이 17.4% 감소되어 있음을 알 수 있다. 총산화반응열의 최대감소치를 기준으로 판단하면, G탄은 약1개월의 저장으로 상당히 50%정도 풍화가 진행되는 풍화거동을 나타낸다고 할 수 있다.

Table . 자연 풍화된 G탄의 총산화반응열 변화

풍화시간, Month	총산화반응열, V·sec/g	총산화반응열 감소치a, %
0 1 2.3b 3 5	14.4 12.9 11.9 11.5 11.6	0 (0) -1.5 (10.4) -2.5 (17.4) -2.9 (20.1) -2.8 (19.3)

Fig. 3은 열중량 및 산화반응열의 변화에 의한 풍화탄 판별법의 개요를 도식화 한 것이다. 석탄이 산소와 반응하여 풍화될 수 있는 반응점을 10으로 할 때, 반응점 전체가 산소와의 미반응상태인 미풍화탄에서는 분석과정에서 도입되는 산소가 반응점에 흡착되어 열중량증가(10) 및 총산화반응열(100)이 큰 값을 나타내게 된다. 풍화탄의 경우에는 반응점의 입부가 이미 산소와 결합되어 있는 것으로 해석할 수 있으며, 반응점이 산소와 결합되어 있는 비율만큼 열분석에 의한 열중량증가치가 감소되고, 총산화반응열도 감소되는 것으로 이해할 수 있다.

4. 결  론

열분석기를 이용한 풍화탄의 판별에 있어 열중량 증가 현상 및 총산화반응열의 변화치로부터 석탄의 풍화정도를 신속하고 정량적으로 나타낼 수 있음을 알 수 있다, 이 방법은 석탄중에 존재하는 수분의 영향을 배제할 수 있으며, 시료조제가 간편하기 때문에 석탄의 풍화정도를 수 시간내에 신속히 평가할 수 있기 때문에, 현장조업에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다고 할 수 있다.

5. 참고문헌

1. John C. Crelling et.al. Fuel, 58(7) 542 (1979)

2.	John W. Larsen et.al., Fuel 65(4) 595 (1986)

3. James G. Speight, "Coal Science and Chemistry", Elsevier Science Pub.,

pp.183-206 (1987)

4. 朝田 眞吾,□石炭風化度□判定方法□, 公開特許公報(A) 特開平6-337265

5. Jon S. Gethner, Fuel 64(10) 1443 (1985)

6. Carol A. Rhoads et.al., Fuel 62(12) 1387 (1983)

7. Yongseung Yun et al, Fuel Processing Technology, 27, 179(1991)