석탄가스화는 청정석탄이용기술의 한 분야로 최근 국제 유가의 급격한 변동과 더불어 매우 각광을 받고 있는 기술이다. 본 연구에서는 중국 내몽고 지역의 저급석탄을 출발물질로 가스화를 위한 광학적 특성, X선 분광특성, X선 회절특성, 광물학적 특성, 건조특성 등을 분석하였다. 분석결과 석탄의 등급은 slagging성과 fouling성이 매우 낮으며 착화온도가 $250^{\circ}C$ 정도인 brown coal인 것으로 조사되었고, 석영, 능철석, 점토광물 등이 주요 불순물로 혼재하는 것을 알 수 있었다. 또한 초기 수분이 28%로 매우 높기 때문에 이를 쉽게 건조하기 위한 방법으로 열풍건조와 마이크로웨이브 건조기술을 적용하여 비교한 결과, 마이크로웨이브를 이용한 건조가 좀 더 효과적인 것을 알 수 있었다.
석탄가스화는 청정석탄이용기술의 한 분야로 최근 국제 유가의 급격한 변동과 더불어 매우 각광을 받고 있는 기술이다. 본 연구에서는 중국 내몽고 지역의 저급석탄을 출발물질로 가스화를 위한 광학적 특성, X선 분광특성, X선 회절특성, 광물학적 특성, 건조특성 등을 분석하였다. 분석결과 석탄의 등급은 slagging성과 fouling성이 매우 낮으며 착화온도가 $250^{\circ}C$ 정도인 brown coal인 것으로 조사되었고, 석영, 능철석, 점토광물 등이 주요 불순물로 혼재하는 것을 알 수 있었다. 또한 초기 수분이 28%로 매우 높기 때문에 이를 쉽게 건조하기 위한 방법으로 열풍건조와 마이크로웨이브 건조기술을 적용하여 비교한 결과, 마이크로웨이브를 이용한 건조가 좀 더 효과적인 것을 알 수 있었다.
Coal gasification technology in the sector of domestic clean coal technologies is being into the limelight since recent dramatic rise of international oil price. In this study, we used a low rank coal from Inner Mongolia, China as a starting material for gasification. Various properties including op...
Coal gasification technology in the sector of domestic clean coal technologies is being into the limelight since recent dramatic rise of international oil price. In this study, we used a low rank coal from Inner Mongolia, China as a starting material for gasification. Various properties including optical, mineralogical, X-ray spectroscopic, X-ray diffraction, and drying property were measured and tested in order to estimate the suitability of the coal to gasification. The coal was identified as a brown coal of lignite group from the measurement of vitrinite reflectance. The coal has very low slagging and fouling potentials, and the ignition temperature is about $250^{\circ}C$. The major impurities consist of quartz, siderite, and clay minerals. Additionally, the coal had moisture content above 28%. Tests for finding effective drying method showed that the microwave drying is more effective than thermal drying.
Coal gasification technology in the sector of domestic clean coal technologies is being into the limelight since recent dramatic rise of international oil price. In this study, we used a low rank coal from Inner Mongolia, China as a starting material for gasification. Various properties including optical, mineralogical, X-ray spectroscopic, X-ray diffraction, and drying property were measured and tested in order to estimate the suitability of the coal to gasification. The coal was identified as a brown coal of lignite group from the measurement of vitrinite reflectance. The coal has very low slagging and fouling potentials, and the ignition temperature is about $250^{\circ}C$. The major impurities consist of quartz, siderite, and clay minerals. Additionally, the coal had moisture content above 28%. Tests for finding effective drying method showed that the microwave drying is more effective than thermal drying.
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문제 정의
본 연구에서는 중국 내몽고 지역의 저등급 석탄을 석탄가스화기술에 적용하기 위하여 불순물 등에 대한 광물학적 특성과 건조특성을 분석하고, 각각의 특성들이 석탄의 가스화 공정에서 반응효율 및 가스화기 내구성에 미칠 영향에 대하여 평가하고자 하였다.
제안 방법
, USA)를 이용하여 실시하였다. 그 외에 주사전자현미경, 실체현미경, 편광현미경 등을 사용하여 광학적 특성을 조사하였고, 공업분석, 유황분석, 원소분석, 시차열분석 등을 위하여 다음과 같은 장비를 사용하였다: 주사전자현미경(JSM-6400, Jeol Co. Ltd., Japan), 실체현미경(Leica-M2O5C, Leica Co. Ltd., Germany), 공업분석(TFA 601, Leco Co. Ltd., USA), 유황분석(SC-432, Leco Co. Ltd., USA), 시차열중량분석(DTG-60A, Shimadzu Co. Ltd., Japan), 원소분석(CHN-1000, Leco Co. Ltd., USA), 회용분석(Axio Imager M1m/TS1500, Carl Zeiss Co. Ltd., Germany).
건조실험은 강제순환형 건조기와 마이크로웨이브를 이용한 배치식 및 연속식 건조기를 사용하여 시료의 입도와 건조시간을 변화시키며 건조특성을 비교하였다. 그림 1은 본 연구에서 사용한 마이크로웨이브 건조기를 나타낸 것으로 배치식의 경우 2.
본 연구에서 사용한 시료의 석탄회에 대한 특성분석을 행하기 위하여 시료를 jaw crusher와 hammer mill을 이용하여 5 mm 이하로 분쇄한 다음, 이를 체가름하여 원시료와 각각의 입도별로 체가름된 시료들에 대하여 XRF를 이용하여 화학조성 분석을 실시하였다. 이때 각각의 분석용 시료는 공기 상태의 전기로에서 500℃의 온도로 연소시킨 다음, 남아있는 회분의 화학조성을 분석하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.
본 연구에서 사용한 시료의 석탄회에 대한 특성분석을 행하기 위하여 시료를 jaw crusher와 hammer mill을 이용하여 5 mm 이하로 분쇄한 다음, 이를 체가름하여 원시료와 각각의 입도별로 체가름된 시료들에 대하여 XRF를 이용하여 화학조성 분석을 실시하였다. 이때 각각의 분석용 시료는 공기 상태의 전기로에서 500℃의 온도로 연소시킨 다음, 남아있는 회분의 화학조성을 분석하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.
석탄이 연소를 시작하는데 필요한 최적의 온도를 착화온도라 하며, 시료에 공기를 반응시켜 그 산화에 의한 온도의 급격한 상승점을 착화온도로 하는 방법과 산화에 의한 가스의 생성 및 그 조성에 의하여 탄산가스가 발생하기 시작하는 온도를 착화 온도로 하는 방법 등에 의하여 측정한다. 본 연구에서는 전자의 방법을 이용하여 착화온도를 측정하였으며, 입도별로 측정한 결과를 표 5에 나타내었다. 입도별로 착화온도을 측정한 결과 수분 함량이 비교적 적은 미립의 시료들부터 열 축적이 빠르게 일어나 착화가 시작되는 것을 알 수 있으며, 미립분과 조립분을 적절히 포함하고 있는 원시료의 경우 조립분으로만 이루어진 시료보다 착화온도가 오히려 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
, 2000). 따라서 본 연구에서는 강제순환건조기와 마이크로웨이브 조사방식의 건조기를 이용하여 건조효율을 비교하였으며 그 결과를 그림 9에 나타내었다.
대상 데이터
출발물질로는 중국 산동성 북쪽 내몽고 지역의 Shengli 탄전에서 생산되는 석탄을 시료로 사용하였으며, 탄전을 이루는 주요 층은 백악기 초기에 형성된 Bayanhua 층에 속하며 남서쪽에서 북동쪽 방향에 걸쳐 평평한 향사 구조를 이루고 있는 것으로 알려져 있다(Zhuang et al., 2006; Du et al., 2009). 실험에 사용한 시료는 총 1톤을 조크러셔 및 콘크러셔를 이용하여 입자크기 5 mm 이하로 분쇄한 다음, 사분법을 이용하여 표준시료로 시료 100 kg을 채취하여 실험에 사용하였다.
, 2009). 실험에 사용한 시료는 총 1톤을 조크러셔 및 콘크러셔를 이용하여 입자크기 5 mm 이하로 분쇄한 다음, 사분법을 이용하여 표준시료로 시료 100 kg을 채취하여 실험에 사용하였다.
건조실험은 강제순환형 건조기와 마이크로웨이브를 이용한 배치식 및 연속식 건조기를 사용하여 시료의 입도와 건조시간을 변화시키며 건조특성을 비교하였다. 그림 1은 본 연구에서 사용한 마이크로웨이브 건조기를 나타낸 것으로 배치식의 경우 2.45 GHz, 1,700 W 용량이며, 연속식의 경우 2.45 GHz, 5 kW 용량의 것을 사용하였다.
이론/모형
석탄의 등급을 판정하기 위한 비트리나이트 반사율 측정은 ISO 7404-5 규정에 따라 실시하였으며, 주성분을 분석하기 위하여 XRF (XRF-1700, Shimadzu Co. Ltd., Japan)를 사용하였고, 미량원소의 분석은 ICP-MS (OPTIMA 5300DV, Perkin Elmer Co. Ltd., USA)를 이용하여 실시하였다. 그 외에 주사전자현미경, 실체현미경, 편광현미경 등을 사용하여 광학적 특성을 조사하였고, 공업분석, 유황분석, 원소분석, 시차열분석 등을 위하여 다음과 같은 장비를 사용하였다: 주사전자현미경(JSM-6400, Jeol Co.
성능/효과
그림 2는 ISO 7404-5의 방법으로 비트리나이트 반사율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 비트리나이트는 목질부가 탄화될 때 산화되다 환원된 것으로 비트리나이트의 반사율은 석탄의 등급을 판정하는 기준으로 사용되며, 그림 1의 결과로부터 본 연구에서 사용한 시료는 반사율 평균값이 0.24로 갈탄(lignite)에 속하는 것으로 나타났다.
그림 3은 중국산 석탄 시료를 편광 현미경으로 관찰한 것으로 전형적인 갈탄의 구조를 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있었다. 특히 본 시료는 갈탄 중에서도 탄화정도가 낮은 소위 brown coal에 속하는 것으로 판단되어지며, fusinite와 semifusinite가 일반적인 갈탄보다 다소 많이 포함되어 있음을 알수 있다. 이는 inertinite maceral group이 많다는 의미로 가스화 공정에서 반응성이 낮을 가능성이 있음을 보여준다.
또한 실체현미경으로 관찰한 결과 그림 5a와 같이 시료의 층과 층 사이의 균열을 따라 분화구가 분출된 형상의 적색 무늬의 조직이 관찰되었으며, 이를 EDS 및 XRD 분석 결과 능철석인 것으로 나타났다. 일반적으로 석탄에서 발견되는 능철석은 석탄이 탄화되는 과정에서 주변조건과 관련되며, 해수와 담수가 만나는 지역에서 먼저 생성된 CaCO3에서 Ca가 Fe로 치환되어 생성되는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서 사용한 시료의 불순물은 대부분 층과 층의 사이를 따라 그림 6a와 같이 점토층이나 석영층의 형태로 무작위로 적치되어 있는 형태로 나타나며, 그림 6c의 XRD 분석결과 주요 불순물로는 고령토, 석영, 정장석, 운모 등이 존재하는 것으로 나타났다. 또한 탄소 함량이 높은 부분은 그림 6b와 같이 순수한 침상 형태의 구조를 보이는 것을 알 수 있었다.
표 3의 화학조성 분석결과 회분의 주성분은 56∼60%의 SiO2, 13∼15%의 Al2O3, 8∼12%의 CaO 및 5∼10%의 Fe2O3 등인 것으로 나타났다.
그림 7은 표 3의 XRF 분석을 위하여 사용한 다양한 입도의 시료들을 XRD를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 것이다. 그림 5의 결과로부터 회분의 성분은 앞서 살펴본 원탄의 광학적 분석과 X선을 이용한 분석에서 나타난 불순물들과 거의 유사한 광물들인 것으로 나타났으나, 시료 내의 탄소가 연소되는 과정에서 온도가 전기로의 온도보다 상승하여 능철석은 적철석으로 상전이가 일어난 것을 알 수 있으며, 유황은 대부분 Ca와 반응하여 경석고(CaSO4) 형태로 상전이가 된 것을 확인할 수 있었다.
상기한 바와 같이 석탄회의 화학성분 조성비가 석탄회의 용융 상태에 영향을 주게 되므로 실제로 석탄을 연소할 때 보일러 내에서 발생되는 석탄회의 문제점을 미리 예측하거나 해결하기 위하여 회분 성분분석 결과를 많이 이용하게 된다. 표 4는 표 3의 화학조성 분석결과를 다양한 회분특성 지수공식에 대입하여 계산한 결과로 모든 지수에서 가장 낮은 등급을 받아 고온에서 slagging성 및 fouling성이 매우 우수한 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 전자의 방법을 이용하여 착화온도를 측정하였으며, 입도별로 측정한 결과를 표 5에 나타내었다. 입도별로 착화온도을 측정한 결과 수분 함량이 비교적 적은 미립의 시료들부터 열 축적이 빠르게 일어나 착화가 시작되는 것을 알 수 있으며, 미립분과 조립분을 적절히 포함하고 있는 원시료의 경우 조립분으로만 이루어진 시료보다 착화온도가 오히려 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
건조효율을 비교하면 표 1의 공업분석에 의한 초기수분 함량을 수분함량 5%까지 건조하는데 소요되는 시간은 마이크로웨이브 건조의 경우 약 6∼7분인데 비하여 강제순환에 의한 열풍건조는 70℃에서 약 10시간 정도가 소요되는 것으로 나타났다.
본 연구에서 석탄 가스화용으로 검토한 중국 지역의 저급 석탄의 경우 비트리나이트 측정결과 brown coal에 속하는 갈탄이었으며, 광학분석결과 fusinite와 semifusinite가 일반적인 갈탄보다 많이 포함되어 있어 가스화 반응시 반응성이 다소 낮을 가능성이 있는 것으로 판단되었다. 이는 inertinite의 경우 산화조건에서 탄화가 진행될 경우 주로 나타나며 반응성이 매우 낮은 불활성 물질인 것으로 알려져 있기 때문이다.
이는 inertinite의 경우 산화조건에서 탄화가 진행될 경우 주로 나타나며 반응성이 매우 낮은 불활성 물질인 것으로 알려져 있기 때문이다. 또한 불순물과 석탄회 분석을 시행한 결과 주요 불순물로 능철석, 석영, 점토광물 등이 확인되었고, slagging성과 fouling성은 매우 낮아 고온의 가스화 및 연소반응기 내에서도 안정할 것으로 판단되었다.
착화온도는 약 250℃ 부근이며, 초기 수분함량 26%의 시료를 5%까지 건조시키는데 걸리는 시간은 열풍건조의 경우 70℃에서 약 10시간이 소요되는 반면, 마이크로웨이브 건조의 경우 약 7분이 소요되어 마이크로웨이브 건조기의 건조효율이 매우 우수함을 알 수 있었다.
후속연구
그러나 이들 계산식들의 이용 결과가 언제나 정확한 것은 아니며, 어떤 경향을 유추하기 위한 참고자료로서만 사용되어야 할 것이다. 또한 이들 계산식은 석탄을 산업용으로 사용하는 경우에 보일러 내에서의 회의 특성을 유추하기 위한 것으로 주로 산업용 유연탄 및 갈탄에 대한 실험들을 통하여 만들어진 경험적 계산식으로서 국내무연탄에 이를 적용하기는 많은 문제점을 내포하고 있다.
그러나 가장 큰 입도를 가진 시료가 아닌 1∼2 mm의 입도의 시료에서 회분잔량이 가장 적게 나타났으며, 이는 석탄의 주요 불순물이 점토광물이며 점토광물은 대부분 그 입도 자체가 10 µm 이하의 미분인 경우가 많기 때문에 작은 입도일수록 불순물의 함량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 중국산 원광의 경우 DTA 분석결과가 전형적인 갈탄의 DTA 곡선과 다소 상이한 결과를 나타내고 있으며, 이에 대한 원인은 추가적인 실험을 통하여 밝힐 필요가 있을 것으로 사료되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중국 지역의 저급 석탄에 포함된 불순물에는 어떤것들이 있을까?
이는 inertinite의 경우 산화조건에서 탄화가 진행될 경우 주로 나타나며 반응성이 매우 낮은 불활성 물질인 것으로 알려져 있기 때문이다. 또한 불순물과 석탄회 분석을 시행한 결과 주요 불순물로 능철석, 석영, 점토광물 등이 확인되었고, slagging성과 fouling성은 매우 낮아 고온의 가스화 및 연소반응기 내에서도 안정할 것으로 판단되었다.
저등급 석탄이 가진 문제점은?
국내의 경우도 최근 들어 에너지 관련 기업들을 중심으로 저등급 석탄의 가스화 기술을 상용화하기 위한 연구를 수행되고 있다. 그러나 저등급 석탄의 경우 탄화정도가 낮아 가스화 반응성은 우수하지만 수분, 회분, 유황 등의 불순물을 다량 함유하고 있어 이를 경제적으로 선별하기 위한 석탄 전처리 기술이 반드시 선행되어야 할 것이다. 2007년 기준 국내 발전용 및 제철용 석탄 사용량은 연간 약 8,100만톤 정도였으며, 국내 수입가격은 유가가 급상승함에 따라 2006년 $53/톤에서 2007년 $129/톤으로 증가하여 발전 분야에서만 총 5조원의 추가 비용이 소비되었으며, 결국 국내 석탄 소비량은 지속적으로 증가할 것이며, 석유 매장량의 감소정도에 따라 석탄 수입에 따른 비용은 급격히 증가할 것이다.
석탄가스화 복합발전이 상용화될 시, 이산화탄소 배출량은 어떻게 변화할까?
청정석탄활용기술이 발전함에 따라 2020년 경에는 50% 이상의 효율을 갖는 석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combinded Cycle) 기술이 상용화될 것으로 예상되고 있으며, 이 경우 이산화탄소 배출량이 현재 기술수준에 비하여 28%까지 감소시킬 수 있다(이강봉, 2009). 또한 석탄의 액화기술 발달과 석탄화학 기술이 발달함에 따라 연료전지 및 수소회수 등 다양한 활용기술이 상용화를 눈 앞에 두고 있다(JCOAL, 2007).
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