혼합광화제의 국내 석탄회 용융점 강하효과

조진욱1)·임병선2)·이명섭3)·이상훈3)·이봉한4)·유재상4)·

서형석4)·한 춘1)

1) 광운대학교 화학공학과

2) 한국과학기술연구원

3) 대한광업진흥공사

4) 쌍용중앙연구소

Effects of  Mixed Mineralizers on Fusion Temperature

of Domestic Coal Ash

J. W. Cho·B. S. Lim·M. S. Lee·S. H. Lee·B. H. Lee·J. S. Yoo·

H. S. Seo·C. Han

1) Dept. of Chemical Engineering Kwangwoon University

2) Korea Institute of Science and Technology(KIST)

3) Korea Resources Corporation(KORES)

4) SsangYong Research Center

1. 서론

국내 무연탄 연소시 발생되는 석탄회는 성분면에서는 시멘트 원료로 사용 가능하지만, 용융온도가 1600℃이상으로 높아 클링커 kiln에 직접투입이 어렵다. 따라서 석탄회 용융온도를 클링커 소성온도(1450℃)이하로 강하하기 위하여는 광화제가 필요하다. 최근 연구에서 석탄회에 염기성 산화물의 광화제(CaO, MgO, Fe2O3)를 20∼30℃wt.%단독첨가시 400℃정도 융점강하효과를 확인하였다. 하지만, 광화제의 단독첨가량이 많아지면 시멘트 성분의 함량에 변화가 생길 수 있기 때문에 융점강하에 의한 상승효과(synergistic effect)규명을 통한 광화제의 적절한 혼합첨가를 고려할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 석탄회의 용융온도를 강하하기 위하여 광화제(CaO, MgO, Fe2O3)의 혼합첨가 및 첨가비율을 변화하여 석탄회의 융점강하에 미치는 synergistic effect를 고찰하고, 최적의 광화제첨가량을 결정하고자 하였으며, 상평형도를 통한 결과해석과 함께 염기성 산화물의 조성과 석탄회 용융온도와의 상관관계를 파악하여 용융점 예측 모델을 개발하고자 하였다.

2. 실험

본 실험을 위하여 태백지역 석항저탄장의 국내 무연탄을 사용하였으며 공업분석 및 원소분석결과, 회분 39.90%, 휘발분 4.56%를 함유하고 있다. 석탄회는 KS E 3705 4절(ash정량방법)의 규정에 준하여 electric furnance를 사용하여 850℃의 온도에서 10시간동안 연소시켜 제조하였다. 제조된 석탄회는 SiO2 53.87%, Al2O3 32.53% 였으며, 그 외 무기 산화물 및 Ig.loss의 함량은 13.6%였다.

광화제로는 시멘트의 원료이며, 용융점강하 효과가 우수한 순도 99%이상, 1급시약인 CaO, MgO, Fe2O3를 선정하였다.

실험장치로는 가스분사식 내화로가 사용되었다. 본 내화로는 1700℃이상까지 온도 상승이 가능하기 때문에 석탄회 용융온도 측정에 적합하다.

가스분사식 내화로에서 석탄회의 융점강하실험을 하기 위하여 석탄회에 CaO:MgO, CaO:Fe2O3, MgO:Fe2O3의 혼합비율(1:0, 0.9:0.1, 0.75:0.25, 0,65:0.35, 0.5:0.5, 0.35:0.65, 0.25:0.75, 0.1:0.9, 0:1)을 변화하여 석탄회에 10, 20wt.% 혼합첨가한 후 산화성 분위기에서 실험을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

광화제 혼합첨가시 석탄회의 용융온도에 미치는 synergistic effect를 알아보기 위하여 광화제의 혼합비율(1:0, 0.9:0.1, 0.75:0.25, 0,65:0.35, 0.5:0.5, 0.35:0.65, 0.25:0.75, 0.1:0.9, 0:1)을 변화하여 석항 석탄회에 10, 20wt.% 첨가하여 실험을 실시한 결과를 Fig. 1(a, b), 2(a, b), 3(a, b)에 나타내었다.

본 결과로 볼 때, 광화제의 미세한 혼합비율의 변화에 따라 용융온도는 50∼100℃정도로 큰 폭으로 변화하는 경향이 있음을 확인하였다.

CaO와 MgO의 혼합비율변화 첨가시(Fig. 1(a, b)) 10wt.%와 20wt.%를 첨가한 용융온도변화의 경향은 유사하게 나타났다. 즉, 같은 비율변화는 첨가량(10wt.%, 20wt.%)에 상관없이 광화제에 의한 융점강하효과의 경향은 유사한 것으로 나타났으며, 10wt.%첨가시  0.35:0.65∼0.65:0.35의 비율로 첨가하였을 때 용융온도는 1210∼1220℃로 융점강하효과가 가장 컸다. 또한 20wt.%첨가시도  0.35:0.65∼0.65:0.35일 때 용융온도는 1128∼1131℃로 융점강하효과가 가장 크게 나타났다. 따라서 CaO와 MgO의 혼합첨가시 0.35:0.65∼0.65:0.35의 비율로 하였을 때 가장 큰 융점강하효과가 있으며, CaO, MgO의 단독첨가시(1205∼1305℃) 보다 60∼90℃의 synergistic effect를 확인하였다.

CaO와 Fe2O3의 혼합첨가시 CaO, MgO의 혼합첨가 경우와 경향은 유사하였으며, Fig. 2(a), (b)에서 알 수 있듯이 0.35:0.65∼0.65:0.35의 비율로 혼합하였을시 때 용융온도는 1248∼1300℃로서 융점강하효과는 최대가 되어 CaO, Fe2O3의 단독첨가시(1270∼1310℃) 보다 10∼30℃의 synergistic effect가 있으며, 다른 광화제들의 혼합첨가와 비교해 융점강하효과는 비슷하였지만, 혼합비율 변화에 따른 synergistic effect는 다소 떨어지는 경향이 있다.

MgO와 Fe2O3의 10, 20wt.%혼합첨가시 용융온도변화 유형은 Fig. 3(a), (b)에서와 같이 유사하게 나타났으며, MgO:Fe2O3를 10wt.%첨가시 0.75:0.25의 비율로 첨가하였을 때 용융온도는 1220℃로 융점강하효과가 가장 컸으며, 20wt.%첨가시도 0.75:0.25의 비율로 첨가하였을 때 용융온도(1195℃)는 가장 크게 강하되어 0.75:0.25의 비율로 혼합하였을시 융점강화효과는 최대로 나타났으며, MgO, Fe2O3의 단독첨가시(1205∼1310℃)보다 60∼90℃의 synergistic effect가 있음을 확인하였다.

광화제 혼합첨가의 경우 CaO가 포함되어 있으면 융점강하효과의 경향은 유사하게 나타났으며, MgO와 Fe2O3의 혼합비율변화 첨가시 Fe2O3의 혼합비율이 많아질수록 synergistic effect는 떨어지는 경향이 나타났다. 따라서, 광화제의 혼합비율 변화시 CaO〉MgO〉Fe2O3의 순서대로 융점강하효과 및 synergistic effect를 지배하는 것으로 나타났다.

4. 결론

국내 석탄회에 대한 광화제 혼합비율을 변화하여 실험한 결과, 광화제의 미세한 혼합비율의 변화에 따라 용융온도는 50∼100℃정도로 큰 폭으로 변화하는 경향이 있음을 확인하였으며, CaO와 MgO를 10∼20wt.%혼합첨가시 비율은 0.35:0.65∼0.65:0.35의 비율로 혼합하였을 때 용융온도(1128∼1220℃)는 광화제 단독첨가시(1205∼1305℃) 보다 60∼90℃정도 synergistic effect가 있으며, CaO와 Fe2O3의 혼합첨가의 경우 융점강하효과는 10∼30℃로 synergistic effect는 크지않음을 확인하였다.

MgO와 Fe2O3를 10∼20wt.%혼합비율변화 첨가시 0.75:0.25의 비율로 혼합하였을시 용융온도(1195∼1220℃)는 광화제 단독첨가시(1205∼1310℃) 보다 60∼90℃의 synergistic effect가 있음을 확인하였다.

광화제 혼합첨가의 경우 CaO가 포함되어 있으면 융점강하효과의 경향은 유사하게 나타났으며, MgO와 Fe2O3의 혼합비율변화 첨가시 Fe2O3의 혼합비율이 많아질수록 synergistic effect는 떨어지는 경향이 나타났다. 따라서, 광화제의 혼합비율 변화시 CaO〉MgO〉Fe2O3의 순서대로 융점강하효과 및 synergistic effect를 지배하는 것으로 나타났다.

5. 참고문헌

- Joseph G. Singer, " Combustion Fossil power Systems,"  3rd edn.,

Comb. Eng. inc. Am. pp. 5-11(chap. 3), 1981.

- Frank E. Huggins, Gerald P. Huffuman, "Correlation

between ash-fusion temperatures and equilibrium phase

diagrams," Fuel, Vol. 60, pp. 577-584. 1981.

- Gerald P. Huffman, Frank E. Huggins and George R. Dummyre,

"Investigation of high-temperature behaviour of coal ash in

reducing and oxidizing atmospheres," Fuel, Vol. 60, pp. 585-597,

1881.

- M.Ashizawa, T.Mimaki, "Development of High-performance

Coal Gasification  Technology for High Fusion Point Coals by

Fulx Addition Method and Coal Blending  Method," 火力原子力發

電, Vol. 44, No. 6. pp. 57-65, 1993.

(a) CaO+MgO 10wt.% addition      (b) CaO+MgO 20wt.% addition

Fig. 1. Effects of mixed mineralizers on the fluid

temperature of ash(CaO+MgO).

(a) CaO+Fe2O3 10wt.% addition      (b) CaO+Fe2O3 20wt.% addition

Fig. 2. Effects of mixed mineralizers on the fluid

temperature of ash(CaO+Fe2O3).

(a) MgO+Fe2O3 10wt.% addition     (b) MgO+Fe2O3 20wt.% addition

Fig. 3. Effects of mixed mineralizers on the fluid

temperature of ash(MgO+Fe2O3).