국내 Y 화력발전소에서 사용중인 5개 석탄에 대한 열분해, 촤 - 공기 반응에 대한 반응성 실험을 TGA를 이용하여 수행하였다. 탄종별 열분해 및 촤 반응특성을 살펴보았으며 반응성 지수를 구하여 서로 비교, 분석하였다. 열분해 속도는 Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley의 순이었으며 열분해 거동은 2단계, 1차 열분해 모델에 의하여 잘 모사되어졌다. 5개 탄종에 대한 촤 - 공기 반응은 그레인 모델로 잘 모사되었으며 촤의 반응 속도는 Flame 촤가 가장 컸으며 Elk valley 촤가 가장 작은 값을 보여주었다. Flame 촤의 경우 1,000 K 이상의 온도 영역에서 반응속도가 다른 촤에 비해 월등히 빠른 것을 보여주었다.
국내 Y 화력발전소에서 사용중인 5개 석탄에 대한 열분해, 촤 - 공기 반응에 대한 반응성 실험을 TGA를 이용하여 수행하였다. 탄종별 열분해 및 촤 반응특성을 살펴보았으며 반응성 지수를 구하여 서로 비교, 분석하였다. 열분해 속도는 Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley의 순이었으며 열분해 거동은 2단계, 1차 열분해 모델에 의하여 잘 모사되어졌다. 5개 탄종에 대한 촤 - 공기 반응은 그레인 모델로 잘 모사되었으며 촤의 반응 속도는 Flame 촤가 가장 컸으며 Elk valley 촤가 가장 작은 값을 보여주었다. Flame 촤의 경우 1,000 K 이상의 온도 영역에서 반응속도가 다른 촤에 비해 월등히 빠른 것을 보여주었다.
The experimental work has been carried out for the study of pyrolysis and char-air reaction of five coals used in Y power station in Korea. For five coals, the characteristics of pyrolyis and char reaction have been investigated with TGA, and their kinetic parameters were obtained and compared each ...
The experimental work has been carried out for the study of pyrolysis and char-air reaction of five coals used in Y power station in Korea. For five coals, the characteristics of pyrolyis and char reaction have been investigated with TGA, and their kinetic parameters were obtained and compared each other. The order of pyrolysis rate for five coals were as follows : Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley. The behavior of char - air reaction for five coal chars have been successfully described by the grain model. The rate of char-air reaction gave the maximum value for Flame coal char, on the while Elk valley coal char had the minimum value. For the reaction temperature over 1,000K, Flame coal char - air reaction was very fast compared with other coal chars.
The experimental work has been carried out for the study of pyrolysis and char-air reaction of five coals used in Y power station in Korea. For five coals, the characteristics of pyrolyis and char reaction have been investigated with TGA, and their kinetic parameters were obtained and compared each other. The order of pyrolysis rate for five coals were as follows : Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley. The behavior of char - air reaction for five coal chars have been successfully described by the grain model. The rate of char-air reaction gave the maximum value for Flame coal char, on the while Elk valley coal char had the minimum value. For the reaction temperature over 1,000K, Flame coal char - air reaction was very fast compared with other coal chars.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 Y화력발전소에서 2006년도에 사용한 아역청탄에서부터 역청탄에 이르는 다양한 종류의 47개 탄종중에서 5개의 탄종을 선정하여 반응성에 대한 분석을 수행하였다. 열분해와 석탄 촤의 반응성 평가, 그리고 반응속도 상수인 활성화 에너지와 빈도계수를 2단계 일차 열분해 모델, 그리고 일반적인 촤 반응 모델인 그레인 모델을 사용하여 구하였으며 이들을 서로 비교 분석하였다.
가설 설정
. 이때 촤의 회층 (Ash layer)에 의한 영향은 없으며 입자 표면에서의 가스 필름 (Gas film)을 통한 기체반응물의 확산은 매우 빨라서 입자 표면에서의 기체반응물의 농도는 주위 (Stream)에서의 농도와 같다고 가정한다. 기체반응물의 농도는 일정하며 반응속도는 입자 외부 표면 근처의 미세한 조직, 즉 그레인 (Grain)에서의 기체 반응물과의 화학반응에 의해 결정되어지며 고체 입자의 밀도는 일정하게 유지된다.
제안 방법
국내 Y 화력발전소에서 사용한 5개 탄종을 대상으로 열중량분석기를 사용하여 열분해와 촤 반응시의 특성과 반응성 지수를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
3은 5개 탄종의 온도에 따른 열분해거동을 보여 주고 있다. 승온 초기 수분의 증발을 제외한 휘발분의 열분해 특성을 보기 위하여 휘발분의 총 휘발분량, V*는 400K와 1270K에서의 무게를 기준으로 하여 계산하였다. 열분해는 약 620 ~ 820K 에서 주로 일어나고 있음을 보여주며 Flame과 Peabody의 열분해 특성이 비슷하며 Elk valley 탄의 열분해는 더 높은 온도에서 진행되고 열분해 속도도 매우 느린 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 국내 Y화력발전소에서 2006년도에 사용한 아역청탄에서부터 역청탄에 이르는 다양한 종류의 47개 탄종중에서 5개의 탄종을 선정하여 반응성에 대한 분석을 수행하였다. 열분해와 석탄 촤의 반응성 평가, 그리고 반응속도 상수인 활성화 에너지와 빈도계수를 2단계 일차 열분해 모델, 그리고 일반적인 촤 반응 모델인 그레인 모델을 사용하여 구하였으며 이들을 서로 비교 분석하였다.
63～75 μm의 크기로 분류한 약 10mg의 시료를 열분해실험과 촤 반응 실험에 사용하였다. 열분해와 촤 반응실험은 질소와 공기 분위기하 (100㎖/min)에서 20℃/min의 승온율로 1000℃까지 승온하면서 무게 변화율과 반응속도를 각각 관찰하였다. 촤 시료는 약 100mg의 미분탄 시료를 질소 분위기 하 20℃/min의 승온율로 1000℃까지 승온하면서 제조하였다.
12는 전환율에 따른 반응속도, R (%/min)을 보여주고 있다. 통상 탄종별 촤의 반응속도를 비교할 때 보통 Rmax 혹은 Rx=50%를 사용하고 있으며 본 연구에서도 5개 탄종의 촤반응속도를 전환율 50%일 때의 값인 Rx=50% (%/min) 과 Rmax의 값을 사용하여 비교하였다. 5개 촤 모두 약 50%의 전환율에서 최대 값을 보이고 있다.
대상 데이터
5개 탄에 대한 연소반응성 평가를 위하여 TA Instrument 사의 SDT 2910 TGA를 이용하였다. 63～75 μm의 크기로 분류한 약 10mg의 시료를 열분해실험과 촤 반응 실험에 사용하였다.
63～75 μm의 크기로 분류한 약 10mg의 시료를 열분해실험과 촤 반응 실험에 사용하였다.
이 선도에서 갈탄이나 아역청탄 등의 low rank coal의 경우 산소 함량이 일반적으로 높아서 선도의 오른쪽 상단부에 위치하게 되며 석탄이 등급이 높아질수록 선도의 왼쪽 하단부에 위치하게 된다. Y 화력발전소에서 사용한 47개 탄종은 아역청탄에서부터 역청탄까지 골고루 분포하고 있는 것을 볼 수 있으며 본 연구에서 사용한 탄종은 이들 47개 탄종 중에서 선정하였다. 5개 탄종에 대한 의화학식(儗化學式, Pseudo Chemical Formula)을 CaHbOcNdSe으로 나타낼 경우 각 탄종에 대하여 아래와 같이 나타낼 수 있다(9).
국내 Y화력발전소에서 5개 탄종을 입수하여 연료특성 분석과 열중량 (TGA : Thermogravimetric Analyzer) 실험에 사용하였다. 입수한 석탄은 보울 밀 (Ball mill)에서 분쇄한 후 체 (Seive)를 이용하여 직경 63~75 μm 범위의 입자크기로 분류하여 TGA 반응성 실험에 사용하였다.
입수한 석탄은 보울 밀 (Ball mill)에서 분쇄한 후 체 (Seive)를 이용하여 직경 63~75 μm 범위의 입자크기로 분류하여 TGA 반응성 실험에 사용하였다.
성능/효과
- 5개 촤의 반응속도 상수를 반응온도에 따라 비교한 결과 Flame 탄이 1,000K (727℃)이상의 영역에서 촤의 반응속도가 다른 탄종에 비해 월등히 빠른 것을 알 수 있었다.
- 5개 탄종의 열분해는 약 620 ~ 820K 에서 주로 일어나고 있었으며 열분해속도는 Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley의 순임을 알 수 있었다.
9에 보여준다. 5개 탄종에 아레니우스 플롯을 살펴보면 비교적 고온 영역, 즉 온도가 약 737K (464℃) 이상인 영역에서는 Flame과 Peabody 탄의 열분해 반응속도가 가장 크고 MIP, Indomico의 순임을 알 수 있다. Elk valley의 열분해 속도, 즉 휘발분 방출 속도가 가장 느린 것을 알 수 있다.
Haykiri-Acma 등(7)은 토탄(Peat), 갈탄 (Lignite), 역청탄 (Bituminous coal), 그리고 무연탄 (Anthracite)의 4개 탄종에 대한 연소반응성을 TGA (Thermogravimetric Analyzer)를 사용하여 평가하고 연소반응성과 활성화 에너지를 서로 비교하였다. 석탄등급이 증가함에 따라 연소반응속도가 현저히 감소하였으며 석탄의 휘발분 함량이 감소, 탄소 함량 (C%, dry-ash free 기준)이 증가함에 따라 활성화 에너지가 증가함을 알 수 있었다.
초기 무게 W0는 290K(17℃)를 기준으로 구하였다. 시료 중 수분의 증발에 따라 무게가 승온 초기에 발생하고 있음을 볼 수 있으며 공업분석 결과와 같이 Elk valley 탄의 휘발분 량이 가장 작으며 Indominco 탄의 휘발분이 가장 많음을 볼 수 있다.
8에 주어져 있다. 실험결과를 잘 모사하고 있어 2단계 열분해 모델의 적용성이 비교적 양호함을 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
촤란?
풍부한 에너지자원으로서의 석탄은 일반적으로 미분탄의 연소과정을 통하여 일차적으로 열에너지로 전환되어진다. 미분탄의 연소과정은 입자의 가열에 따른 휘발분 (수분 포함)의 방출, 착화, 휘발분 연소 및 촤 (Char : 고정탄소 및 잔류회분이 주성분인 휘발후의 입자)의 연소로 분류될 수 있는데, 이는 뚜렷이 구분되어 지는 과정이 아니며 때로는 중복되며 진행된다. 그러나 현상론적으로는 크게 열분해 영역 및 촤 연소영역으로 구분될 수 있다.
국내 Y화력발전소에서 사용중인 5종류의 석탄 (Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley)에 대해 탄종별 열분해 및 촤 반응특성을 살펴본 결과는?
탄종별 열분해 및 촤 반응특성을 살펴보았으며 반응성 지수를 구하여 서로 비교, 분석하였다. 열분해 속도는 Peabody, Flame, MIP, Indominco, Elk valley의 순이었으며 열분해 거동은 2단계, 1차 열분해 모델에 의하여 잘 모사되어졌다. 5개 탄종에 대한 촤 - 공기 반응은 그레인 모델로 잘 모사되었으며 촤의 반응 속도는 Flame 촤가 가장 컸으며 Elk valley 촤가 가장 작은 값을 보여주었다. Flame 촤의 경우 1,000 K 이상의 온도 영역에서 반응속도가 다른 촤에 비해 월등히 빠른 것을 보여주었다.
석탄의 연소반응성은 무엇에 영향을 받는가?
일반적으로 석탄의 연소반응성은 열분해와 촤반응 속도에 의해 영향을 받으며 석탄의 등급과 비례하여 변하고 있음을 보여준다(5). Miura 등(6)은 68종의 석탄의 반응성을 탄소 함량 (wt.
참고문헌 (9)
국가에너지위원회. '제 1차 국가에너지기본계획', 2008
International Energy Agency. "World Energy Outlook 2004", 2004
한국재경신문. "그린에너지 9개 분야 5년간 3조 투자한다", 2008
Smoot, D. Fundamentals of coal combustion, Elsevier, 1993
Molina, A.; Mondragon, F. "Reactivity of coal gasification with steam and $CO_2$ ", Fuel, 1998, 77, 1831-39
Miura, K.; Hashimoto, K.; Siveston, P. "Factors affecting the reactivity of coal chars during gasification, and indices representing reactivity", Fuel, 1989, 68, 1461-75
Haykiri-Acma, H.; Ersoy-Mericboyu, A.; Kucukbayrak, S. "Combustion reactivity of different rank coals", Energy conversion and management, 2002, 43, 459-65
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