석탄의 Fragmentation 에 따른 입도 변이 연구

이 시훈, 김 요한, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

The Study of Particles Size Change with Fragmentation of Coal

See Hoon Lee, Yo Han Kim and Sang Done Kim

Dept. of Chem. Eng. and Energy & Environment Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

서론

1980년대 중반이후 화력발전소용으로 순환유동층 연소로(Circulating fluidized bed combustor : CFBC)가 많이 건설되고 있다. 이는 기존의 고정층 연소로보다 효율면에서 좋고, 차지하는 부피는 훨씬 적기 때문이다. 순환유동층의 층물질로 사용되는 모래, 석탄회, 석회석 등은 순환하는 입도, 비산유출되는 회재(fly ash)와 하부로 배출되는 회재(bottom ash)로 나누어진다. 주입되는 석탄 및 석회석의 입도는 입자-입자, 입자-연소로의 마모(attrition), 입자의 깨짐(fragmentation), 입자의 축소(shrinking) 등에 의해서 변화하게 된다. 입자의 크기 변화는 연소 효율 증가와 미연분(fly ash) 발생이라는 두 가지 측면에서 장·단점을 가지고 있다. 기존에 나와있는 석탄분석 방법으로는 공업분석, 원소분석, 발열량측정, 회분분석, Swelling index 측정 등이 사용되고 있으나, 이런 분석방법 방법으로는 실제로 순환유동층 연소로 내에서 일어나는 연소 상황을 구현하지 못하기 때문에 석탄연소특성과 입도 변이를 파악하는데 부족하다. 이를 측정하기 위하여 몇몇 연구자들은 유동층 반응기 및 단일 입자 실험을 통하여 유연탄의 파쇄를 연구하였다[1,2,3]. 그러나 국내 무연탄의 경우 순환유동층의 원료로 사용된 것이 최근의 일이므로 이에 대한 연구가 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 순환유동층의 원료로 사용되는 국내 무연탄을 사용하여 입자의 깨짐에 따른 입도 변이를 측정하였다.

Fig. 1 Thermobalance reactor

1. water reservoir,  2. Masterflex pump,

3. Steam generator,  4. Preheater,

5. Thermocouple,  6. Temperature controller,

7. Electric heater,  8. Sample basket, 9. Cold trap,  10. Vacuum pump, 11. Hatch,  12. N2 purge line,  13. Electric balance, 14. Winch assembly,  15. Flowmeter, 16 Reactant gas

실험

석탄 입자들의 깨짐 현상을 고찰하기 위하여 열천칭 반응기를 사용하였다. 실험에 사용된 열천칭 반응기는 그림 1 처럼 크게 반응기와 무게 감량 탐지기, 반응기체 주입부로 구성되어 있으며, 각 부분의 설명은 다음과 같다. 반응기는 내경 0.055m, 길이 1m의 304 S.S pipe로 제작되었으며, 무게감량 탐지기는 시료의 무게 변화를 연속적으로 특정하기 위하여 Presisa Model 205-A 전자식 저울을 사용하였다. 저울의 상, 하 운동을 위하여 자동식 Winch assembly를 채택하였고, 컴퓨터를 사용하여 저울에서 나오는 무게감량의 신호를 받아서 저장하여 분석하였다. 고체 시료는 400 mesh 316 SUS 망으로 제작한 basket에 넣고 직경 0.3mm 니크롬선으로 저울 하부에 부착된 hook와 연결된 시료홀더에 장착하여 무게 변화를 측정하도록 하였다. 열천칭의 중앙 부분에 hatch형 플렌지(flange)를 만들어 시료의 주입과 제거를 가능하게 하였다.

반응기가 원하는 온도에 도달하면, 시료 0.5-0.7g를 basket에 넣고, 반응부분까지 하강시킨다. 시료 내의 잔류 수분 및 휘발분의 방출로 인한 무게변화가 일어나지 않는 시간을 관찰하고 이를 탈휘발 시간으로 정한다. 수분과 휘발분 방출로 인한 시료의 무게감량은 전자저울로부터 개인용 컴퓨터로 신호를 받아서 저장한다. 일정시간 후, 질소가스를 유지시킨 채 basket을 플렌지 높이까지 올려서 시료를 꺼내고 이를 Image analyzer와 Particle size analyzer로 분석한다. 실험 온도는 순환유동층 연소로의 조업온도인 850 ℃ 로 하였으며 온도 영향을 고찰하기 위하여 700-900℃의 온도구간에서도 실험하였다. 사용된 석탄은 국내 무연탄 7종이며 이들의 원소 및 공업분석값을 Table 1 [4] 에 나타내었으며 입도는 3-5mm, 6-7mm, 8mm이상을 사용하였다.

Table 1 무연탄의 공업분석 및 원소분석

항 목	단 위	기준치	태백	동원	삼탄	경동	한보	도계	장성	평균
공업분석(습식)
고유수분	%,Wt	3.3	3.42	3.31	3.46	3.88	3.79	3.55	3.41	3.55
회	%,Wt	39.0	36.71	38.47	35.57	30.40	34.49	33.52	34.16	34.76
휘발분	%,Wt	4.0	5.04	5.34	4.96	5.97	5.70	5.57	5.04	5.37
고정탄소	%,Wt	53.7	54.87	52.87	56.00	59.75	56.01	57.36	57.39	55.87
유황분(습식)	%,Wt	0.6	0.44	0.36	0.31	0.55	0.60	0.52	0.40	0.45
원소분석(건식)
탄소	%,Wt	54.7	53.05	55.46	58.90	62.15	58.38	58.38	56.51	60.37
수소	%,Wt	0.3	1.10	1.12	1.39	1.13	1.13	1.16	1.05	1.16
질소	%,Wt	0.2	0.41	0.38	0.32	0.38	0.36	0.32	0.26	0.35
황	%,Wt	0.6	0.23	0.96	0.54	0.51	0.53	0.40	0.32	0.55
산소	%,Wt	3.8	2.31	2.99	3.01	2.56	4.57	1.54	2.41	3.79
회	%,Wt	40.4	42.91	39.18	35.87	33.29	35.03	38.22	39.57	35.96

결과 및 고찰

석탄이 연소로에 주입되면 입자가 가열되고 이에 따라 수분이 증발하며 그 다음에 휘발분이 방출되고 그후 연소과정을 거치게 된다. 이때, 열충격과 휘발분의 방출로 인하여 입자의 깨짐이 발생한다[1]. 국내 무연탄의 깨짐을 열천칭 반응기에서 실험하였다. 반응기의 온도는 순환유동층 연소로의 조업온도인 850 ℃ 로 하였으며 기체의 조성 및 연소의 영향을 제거하기 위하여 질소만 주입하여 실험하였으며 그 결과를 그림 2에 나타내었다.

그림에서 살펴보면 석탄 입자의 크기가 커질수록 입자의 깨짐이 증가하고 있다. Chirone and Massimilla [2] 의 실험결과에서 살펴보면 유연탄의 형태에 상관없이 입자의 크기가 증가하면 깨짐이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 국내 무연탄의 결과와 비슷하게 나타났으나 몇몇 석탄의 경우 입자의 크기가 10mm 인 경우 깨짐이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 석탄의 크기가 증가할수록 탈휘발의 양과 열충격의 크기가 증가하여 깨짐이 증가한다고 하였으나 이와 더불어 석탄의 구성 및 물리적 특성도 입자의 깨짐에 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다.

석탄의 공업분석값에  따른 깨짐의 정도를 그림 3에 나타내었다. 3-5 mm 의 석탄의 경우 모두 큰 차이를 나타내지 않고 비슷한 경향을 나타냈으나 6-7mm 석탄의 경우 수분과 휘발분, 탄소의 양이 증가할수록 깨짐이 증가하는 것으로 나타났으나 회재의 경우 양이 증가할수록 깨짐이 감소하였다. Dacombe et al. [3]는 석탄의 단일입자를 사용하여 측정한 결과 정확한 결과는 알 수 없으나 탄소량과 회재의 양이 깨짐에 영향을 미치는 것으로 발표하였다. 그러나 유연탄이기 때문에 회재의 양이 증가할수록 깨짐이 증가한다고 하여 본 실험의 결과와 상반된 결과를 나타내고 있으나 이는 석탄의 물리적 특성이 입자의 깨짐에 영향을 끼치고 있음을 나타낸다.

석탄의 깨짐에 따른 석탄 입도의 변화를 그림 4,5 에 나타내었다. 그림 4에는 평균 크기가 3-5 mm 인 석탄의 입도 변화를 표시하였다. 그림에서 보면 크게 입도의 차이가 나타나지 않는 것으로 나타났으며 이는 그림 3에서 보듯이 깨짐이 매우 적게 일어났기 때문으로 생각된다.

그림 5를 보면 석탄의 입자 크기가 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이는 그림 3에서 보듯이 입자의 깨짐이 활발하게 이루어지고 있음을 알 수 있으며 특히 삼탄탄의 경우 깨짐이 가장 적게 이루어졌으며 따라서 입도의 변화도 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 반면 경동탄의 경우 입자의 깨짐이 활발하게 이루어졌기 때문에 입자의 크기가 매우 작게 변하였다. 그림에서 경동탄의 경우, 7-8mm 의 입자가 주입되면 짧은 순간에 4-5mm 사이의 입자 크기로 감소하였다. 즉, 석탄입자가 순환유동층 연소로에 투입되는 경우 휘발분의 방출과 열충격 만으로도 입도가 변하는 것을 알 수 있으며 특히 큰 입자들의 경우 작은 입자들로 변하기 때문에 석탄의 연소효율 면에서도 긍정적인 효과를 가져올 것으로 생각된다.

결론

순환유동층 연소로의 조업온도인 850℃에서 국내 무연탄의 입자 깨짐에 대해서 연구하였다. 국내 무연탄의 경우 850℃로 투입되는 경우 휘발분의 방출과 열충격에 의해서 입자의 깨짐이 발생하였으며 수분, 휘발분, 탄소함량이 증가할수록 입자의 깨짐이 증가하는 경향을 보였나 회재가 증가할수록 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이런 입자의 깨짐은 석탄 입자의 크기를 감소시키는 방향으로 진행되며 특히 입자의 크기가 증가할수록 깨짐이 활발하게 일어남을 알 수 있었다. 큰 입자에서의 깨짐 현상은 석탄의 연소에 긍정적인 효과를 가져오기 때문에 입자의 깨짐이 발생하는 석탄이 더 효율적이라고 할 수 있다.

참고문헌

1. Stubington, J. F., Ng, Ken W. K., Moss, B. and Peeler, P. K., Fuel, 76, 233 (1997)

2. Chirone, R. and Massimilla, L., 22th Symposium on combustion, 267 (1988)

3. Dacombe, P., Pourkashanian, M., Williams, A. and Yap, L., Fuel, 78, 1847 (1999)

4. Lee, S. H., Lee, J. M., Kim, J. S., Choi, J. H. and Kim, S. D., Hwahak Konhak, in press