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제안 방법
- 본 연구에서는 매체순환연소시스템의 연료로 일반 석탄과 고-액 분리와 용매에 의해 석탄에 포함 되어 있는 회분을 제거하여 유효성분인 탄소를 주로 추출하여 만든 hyper coal11,12)을 사용하여 저회분 석탄의 매체순환연소 적용 가능성을 검토하고, 고체연료 매체순환연소 시스템에 적용하기 위한 산소공여입자를 선정하기 위해 NiO/bentonite 입자와 OCN703-1100 입자를 산소공여입자 후보군으로 선정하여 고체연료와의 반응성을 측정 및 비교하였다.
- 두 가지 석탄과 산소공여입자의 반응특성은 TA instrument사의 TGA 2950 열중량분석기를 사용하여 측정하였다. 열중량분석기는 수직형 반응기 형태이며 사용 온도범위는 25～1000℃, heating rate 변화범위는 0.
- 두 가지 석탄에 대한 연소 및 탈휘발 특성을 고찰하기 위해 먼저 열중량분석기의 sample pan에 10mg 내외의 고체연료를 올려놓은 후 purge하여 장치 내에 있는 공기 또는 기타 반응성 기체를 질소로 교환하였다. 이후 질소를 각 반응기체(연소실험의 경우 공기, 탈휘발 실험의 경우 질소)로 전환하여 100㎖/min를 주입하는 상태에서 상온부터 900℃까지 15℃/min으로 온도를 올려가면서 시간과 온도변화에 따른 고체연료의 무게변화를 측정하였다.
- 두 가지 석탄에 대한 연소 및 탈휘발 특성을 고찰하기 위해 먼저 열중량분석기의 sample pan에 10mg 내외의 고체연료를 올려놓은 후 purge하여 장치 내에 있는 공기 또는 기타 반응성 기체를 질소로 교환하였다. 이후 질소를 각 반응기체(연소실험의 경우 공기, 탈휘발 실험의 경우 질소)로 전환하여 100㎖/min를 주입하는 상태에서 상온부터 900℃까지 15℃/min으로 온도를 올려가면서 시간과 온도변화에 따른 고체연료의 무게변화를 측정하였다.
- 석탄과 산소공여입자의 반응특성 실험을 위해서는 먼저 산소공여입자와 고체연료를 6:1의 비율로 혼합(산소공여입자 60mg, 고체연료 10mg)한 후 열중량분석기의 sample pan에 올려놓았다. 상온에서 purge하여 장치 내에 있는 공기 또는 기타 반응성 기체를 질소로 교환하였으며, 이후 15℃/min으로 승온하여 900℃에 도달한 후에 등온조건을 유지시켰다.
- 승온 및 등온 과정에서 고체연료가 산소공여 입자와 반응하여 질량이 감소하게 되며 더 이상 무게변화가 없으면 환원반응의 종료시점으로 고려하였다. 환원반응이 종료되면 같은 온도에서 기체를 공기로 교체하여 산화반응을 수행하였으며 공기 중의 산소가 산소공여입자와 반응하여 무게가 증가한 후 더 이상 무게변화가 없으면 산화반응의 종료시점으로 고려하였다. 산화반응이 종결되면 온도를 상온까지 하강시켰으며 고체연료를 10mg 추가하고 기존의 산소공여입자와 혼합한 후 같은 실험(환원-산화)을 10회 반복실험 하여 산소공여입자의 재생성을 측정하였다.
- 환원반응이 종료되면 같은 온도에서 기체를 공기로 교체하여 산화반응을 수행하였으며 공기 중의 산소가 산소공여입자와 반응하여 무게가 증가한 후 더 이상 무게변화가 없으면 산화반응의 종료시점으로 고려하였다. 산화반응이 종결되면 온도를 상온까지 하강시켰으며 고체연료를 10mg 추가하고 기존의 산소공여입자와 혼합한 후 같은 실험(환원-산화)을 10회 반복실험 하여 산소공여입자의 재생성을 측정하였다. Table 2에는 고체연료의 반응성 비교 및 재생성 실험의 실험조건 및 변수를 요약하여 나타내었다.
- 두 가지 석탄에 대한 매체순환연소 특성 실험을 통해 저회분 석탄(hyper coal)의 적용 가능성을 확인하였고, 두 가지 산소공여입자 중 적합한 입자를 선정하였으며 10회 환원-산화 반복실험을 통해 산소공여입자의 재생성을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서 사용된 Roto coal과 hyper coal에 대해 산소공여입자와의 반응실험을 수행하기에 앞서 연소 및 탈휘발 특성을 고찰하기 위해 공기연소 조건에서 연소개시온도, 연소 후 회의 함량, 연소속도를 측정 및 해석하였으며 불활성 기체인 질소를 사용하여 탈휘발 특성을 확인하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 산소공여입자로는 기존 연구4,5)에서 최대전환율, 산소전달능력, 산소전달속도가 높게 나타난 NiO/bentonite 입자와 OCN703-1100 입자를 사용하였다. NiO/bentonite 입자의 경우 금속산화물(NiO)이 60%를 차지하며, 공업용 원료를 사용하여 제조하였다.
- 에서 최대전환율, 산소전달능력, 산소전달속도가 높게 나타난 NiO/bentonite 입자와 OCN703-1100 입자를 사용하였다. NiO/bentonite 입자의 경우 금속산화물(NiO)이 60%를 차지하며, 공업용 원료를 사용하여 제조하였다. 입자의 평균입경은 159㎛이며 벌크 밀도는 1270kg/m3이다.
- 고체연료로는 국내에 수입되어 이용되고 있는 인도네시아산 Roto coal을 기본 석탄으로 선정하였으며, 저회분 석탄은 Roto coal을 추출하여 재와 황성분을 제거한 hyper coal을 사용하였다. Table 1에는 Roto coal과 hyper coal의 공업분석 및 원소분석 결과를 나타내었다.
- 1㎍까지이다. 열중량분석기에 주입되는 balance purge 기체와 furnace purge 기체는 각각 flow meter로 조절되었으며 TGA 2950에 의해 측정된 데이터는 TGA 2950 module interface를 거쳐서 PC에 실시간으로 저장되었다.
- 결과적으로 고체연료 측면에서 hyper coal은 회분의 함량이 적어 연속공정 운전에 장점이 있으나 휘발분이 많고 탈휘발속도가 높아 직접적인 연소에 의한 반응보다는 탈휘발반응이 주로 일어나 가연성 성분의 이용이 낮으며, 산소공여 입자를 이용한 산소전달이 원활하지 못하므로 매체 순환연소에는 적용하기 어려운 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 두 가지 석탄 중 Roto coal을 매체순환연소를 위한 고체연료로 선정하였다. 한편 hyper coal의 산화량이 적게 나타난 원인이 석탄 자체의 휘발분의 영향인지 충분히 건조되지 않은 추출용매에 의한 것인지에 대해서는 추가적인 연구를 통한 확인이 필요하다.
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