[논문]발전용 신종액체 연료의 연소반응성 해석

박호영; 서상일; 김영주; 김태형; 정재화; 이성호; 안광익; 정영갑

doi:10.7316/khnes.2011.22.4.534

발전용 신종액체 연료의 연소반응성 해석
Study on the Combustion Reactivity of Residual Oil as a New Fuel for Power Generation 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.4, 2011년, pp.534 - 545

박호영 (한전 전력연구원) , 서상일 (한전 전력연구원) , 김영주 (한전 전력연구원) , 김태형 (한전 전력연구원) , 정재화 (한전 전력연구원) , 이성호 (한전 전력연구원) , 안광익 (한전 전력연구원) , 정영갑 (한국남동발전(주))

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the evaluation of kinetic parameters for pyrolysis and carbon char oxidation of residual oil. The non-isothermal pyrolysis of residual oil was carried out with TGA (Thermo-Gravimetric Analyzer) at heating rate of 2, 5, 10 and $20^{\circ}C/min$ up to $800^{\circ}C$ under N2 atmosphere. The first order and nth order pyrolysis models were used to fit the experimental data, and the nth order model was turned out to follow the experimental data more precisely than the first order model. For carbon char oxidation experiment, TGA and four heating rates used in pyrolysis experiment were also adapted. The kinetic parameters for the residual carbon char particle were obtained with three char oxidation model, that is, volume reaction, grain and random pore model. Among them, the random pore model described the char oxidation behaviour quite well, compared to other two models. The non-linear regression method was used to obtain kinetic parameters for both pyrolysis and carbon char oxidation of residual oil.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 국내 정유공장에서 발생되는 중질 잔사유의 열분해 및 잔류 탄소의 반응성을 분석하였다. 열중량분석기(TGA)를 사용한 열분해 및 char 반응성 실험으로부터 연료의 반응특성과 반응성 지수를 얻을 수 있었다.
일반적으로 잔사유의 열분해 및 잔류 탄소의 반응성은 TGA 실험 결과를 바탕으로 분석할 수 있다. 본 장에서는 열분해 모델과 char 반응 모델에 대하여 간략히 살펴보고 TGA 열분해 및 char 반응성 실험으로부터 모델별 반응성 지수(kinetic parameter)를 구하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

가설 설정

기체반응물과의 반응에 따라 고체입자의 직경, d,는 줄어든다. 이때 회층(ash layer)에 의한 영향은 없으며 입자 표면에서의 가스막(gas film)을 통한 기체반응물의 확산은 매우 빨라서 입자 표면에서의 기체반응물의 농도는 외부영역(bulk stream)에서의 농도와 같다고 가정한다. 기체반응물의 농도 CA는 일정하며 반응속도는 입자 외부 표면 근처의 미세한 조직, 즉 그레인(grain)에서의 기체 반응물과의 화학반응에 의해 결정되어 진다.

제안 방법

char 반응에 따른 기공 구조 변화를 살펴보려면 시료의 SEM 사진이나 N₂ or CO₂ BET 표면적, 혹은 시료의 격자구조 분석을 위한 XRD 분석 및 기공분포의 분석이 필요할 것이다²⁷⁾. 그러나 본 연구에서는 약 500mg의 잔사유를 열분해 후 생성된 잔류탄소분을 가지고 연소 반응성을 측정하였다. 고체 시료의 량이 약 100mg 내외로서 상기의 여러 가지 분석을 수행하기에는 시료가 매우 부족하였다.
본 논문에서는 국내 정유공장의 중질잔사유를 대상으로 열중량분석기(TGA : thermo-gravime -tric analyzer)를 이용하여 열분해 및 char 반응특성을 분석하였다. 잔사유의 열분해거동을 분석하기 위하여 1차 및 n차 열분해모델을 사용하였으며 열분해 후의 잔류탄소(char)의 연소반응성 분석을 위하여 기존의 세 가지 char 반응모델을 사용하여 반응성을 분석하였다.
본 연구에서는 TGA 열분해 실험후 생성된 char를 빻아서 다시 45∼63μm 로 분류하여 고체의 반응성 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 비선형 regression method를 이용하여 1차와 n차 열분해 모델을 적용하여 승온율에 따른 각각의 반응지수를 구하였다. 각 승온율에 따른 실험데이터는 1차 열분해 모델과 n차 모델로 구분하여 피팅하였다.
일반적으로 열분해 반응지수인 A, E의 값은 위의 식들을 아레니우스 플롯하여 그 기울기와 y 절편으로부터 지수를 구할 수도 있으며 실험 데이터를 regression method로 fitting 하여 구한다. 본 연구에서는 후자의 방법을 택하였다.
본 연구에서도 중진잔사유 잔류탄소에 대하여 3개의 모델을 적용하고 적합성에 대하여 살펴보고 모델별로 char의 반응성 지수를 구하였다.
열분해 반응성 측정실험은 약 30mg의 시료를 천칭에 연결되어 있는 Ceramic Bowl에 넣는다. 열분해 실험에 앞서 TGA는 반응가스 (N₂), 로 가스 (N₂) 및 퍼지가스 (He)를 각각 500, 500, 550㎖/min로 공급하면서 승온율 2, 5, 10, 20℃/min로 최종온도인 800℃까지 올리고 10분간 유지하였다.
본 연구에서는 국내 정유공장에서 발생되는 중질 잔사유의 열분해 및 잔류 탄소의 반응성을 분석하였다. 열중량분석기(TGA)를 사용한 열분해 및 char 반응성 실험으로부터 연료의 반응특성과 반응성 지수를 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 국내 정유공장의 중질잔사유를 대상으로 열중량분석기(TGA : thermo-gravime -tric analyzer)를 이용하여 열분해 및 char 반응특성을 분석하였다. 잔사유의 열분해거동을 분석하기 위하여 1차 및 n차 열분해모델을 사용하였으며 열분해 후의 잔류탄소(char)의 연소반응성 분석을 위하여 기존의 세 가지 char 반응모델을 사용하여 반응성을 분석하였다. 본 연구에서는 기존의 중질 잔사유의 열분해연구와는 달리 n차 열분해모델을 사용하였으며 열분해 잔류물인 잔류탄소에 대한 TGA 반응성 연구는 지금까지 보고된 바가 없었다.
잔사유의 잔류탄소(char)의 연소반응성 실험은 온도 승온율 2, 5, 10, 20℃/min에서 열분해 실험후에 얻어진 잔류탄소(char)를 세라믹 도가니에서 빻아서 다시 36∼63μm로 sieve를 이용하여 분류하여 사용하였다.
1차 모델보다는 n차 모델이 4가지 승온율에서 얻어진 열분해 전환율 실험 데이터를 더 양호하게 모사함을 알 수 있었다. 중질잔사유의 열분해 잔류탄소(char)에 대한 연소반응성 TGA 실험 결과 세 가지 모델에 따른 반응 특성과 반응성 지수를 획득하였다. 잔류탄소의 연소전환율(x)에 대한 모델 적합성은 random pore 모델이 다른 두 개의 모델과 비교 시 우수한 것으로 나타났으며 이는 기존의 석탄 char 반응성 연구에서의 결과와도 일치한다.

대상 데이터

본 연구에서 잔사유의 열분해 및 잔류탄소의 반응속도 측정을 위하여 미국 CHAN 사의 열중량 분석기(TGA, TG 151)를 사용하였다. 본 분석기는 최대 25℃/min의 가열속도와 1μg의 무게측정 정확도를 가지고 있으며 반응온도는 1,100℃까지 승온 가능하다.
본 연구에서는 현대오일뱅크에서 입수한 중질잔사유를 사용하였으며 원소분석치, 발열량, 점도 및 미량 원소분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
본 분석기는 최대 25℃/min의 가열속도와 1μg의 무게측정 정확도를 가지고 있으며 반응온도는 1,100℃까지 승온 가능하다. 본체는 시료의 무게 변화를 검출하는 천칭부, 고온의 분위기에서 시료의 반응이 일어나는 반응관, 전기기능과 운영 소프트웨어로 구성된 계측/제어부, 그리고 공급가스의 흐름조절을 담당하는 유량조절부로 이루어진다. Fig.

이론/모형

잔사유의 열분해거동을 분석하기 위하여 1차 및 n차 열분해모델을 사용하였으며 열분해 후의 잔류탄소(char)의 연소반응성 분석을 위하여 기존의 세 가지 char 반응모델을 사용하여 반응성을 분석하였다. 본 연구에서는 기존의 중질 잔사유의 열분해연구와는 달리 n차 열분해모델을 사용하였으며 열분해 잔류물인 잔류탄소에 대한 TGA 반응성 연구는 지금까지 보고된 바가 없었다.
열분해 특성 분석을 위하여 1차, n차 열분해모델을 사용하였으며 각 모델별로 실험 데이터를 regression method에 의하여 반응성 지수를 구하였다. 1차 모델보다는 n차 모델이 4가지 승온율에서 얻어진 열분해 전환율 실험 데이터를 더 양호하게 모사함을 알 수 있었다.
본 연구에서도 중진잔사유 잔류탄소에 대하여 3개의 모델을 적용하고 적합성에 대하여 살펴보고 모델별로 char의 반응성 지수를 구하였다. 한편, 위의 식들은 levenberg-marquardt 알고리즘을 사용한 비선형 regression method로 fitting에 의하여 반응지수인 k₀, A의 값을 얻을 수 있다¹⁶⁾. 비선형 피팅시 모델과 실험값과의 편차(SD: standard deviation)는 아래와 같이 주어진다.

성능/효과

열분해 특성 분석을 위하여 1차, n차 열분해모델을 사용하였으며 각 모델별로 실험 데이터를 regression method에 의하여 반응성 지수를 구하였다. 1차 모델보다는 n차 모델이 4가지 승온율에서 얻어진 열분해 전환율 실험 데이터를 더 양호하게 모사함을 알 수 있었다. 중질잔사유의 열분해 잔류탄소(char)에 대한 연소반응성 TGA 실험 결과 세 가지 모델에 따른 반응 특성과 반응성 지수를 획득하였다.
이는 아마도 잔사유의 성상에 따른 것으로 생각되어지는데 본 실험에서 사용된 잔사유의 경우 아스팔텐 성분이 약 13%이나 Arab 잔사유는 약 24%에 달하고 있다. 따라서 Arab 잔사유보다는 본 실험에서 사용된 잔사유의 열분해 방출이 더 빨리 일어나므로 반응성이 더 좋을 것으로 예측할 수 있다.
본 분석기는 최대 25℃/min의 가열속도와 1μg의 무게측정 정확도를 가지고 있으며 반응온도는 1,100℃까지 승온 가능하다.
중질잔사유의 열분해 잔류탄소(char)에 대한 연소반응성 TGA 실험 결과 세 가지 모델에 따른 반응 특성과 반응성 지수를 획득하였다. 잔류탄소의 연소전환율(x)에 대한 모델 적합성은 random pore 모델이 다른 두 개의 모델과 비교 시 우수한 것으로 나타났으며 이는 기존의 석탄 char 반응성 연구에서의 결과와도 일치한다.

후속연구

본 반응성 데이터는 중질잔사유를 기존의 발전용 보일러에 중유 대체 연료로 사용하는 경우 보일러 내 연소특성 평가의 기초 자료로 사용될 수 있을 것이며 연료다변화 차원에서도 새로운 연료로서의 기본 특성 평가 자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열중량분석기를 사용해 중질잔사유의 열분해 및 잔류 탄소의 반응성을 분석한 결과는 무엇인가?	열분해 특성 분석을 위하여 1차, n차 열분해모델을 사용하였으며 각 모델별로 실험 데이터를 regression method에 의하여 반응성 지수를 구하였다. 1차 모델보다는 n차 모델이 4가지 승온율에서 얻어진 열분해 전환율 실험 데이터를 더 양호하게 모사함을 알 수 있었다. 중질잔사유의 열분해 잔류탄소(char)에 대한 연소반응성 TGA 실험 결과 세 가지 모델에 따른 반응 특성과 반응성 지수를 획득하였다. 잔류탄소의 연소전환율(x)에 대한 모델 적합성은 random pore 모델이 다른 두 개의 모델과 비교 시 우수한 것으로 나타났으며 이는 기존의 석탄 char 반응성 연구에서의 결과와도 일치한다.
	중질잔사유는 어떤 연료로 사용되고 있나?	전세계적으로 중질잔사유는 현재 이탈리아를 비롯한 여러나라에서 가스화 복합발전(IGCC : integrated gasification combined cycle)의 연료로 사용되고 있다2). 중질 잔사유 IGCC는 2000년대부터 건설 및 운영이 급격히 증가되고 있으며 대표적인 잔사유 IGCC 플랜트로는 이탈리아의 Falconara(234MW), Priolo- Gargallo ISAB(521MW), Saras(550MW) 발전소, 네덜란드의 Pernis(125MW) 발전소, 일본의 Negishi (431MW) 발전소 등이 있다.
	석유 잔사유란 무엇인가?	석유 잔사유(petroleum residues, residual oil)는 원유의 증류공정시 열분해가 일어나지 않는 623 K (350℃) 이하의 조업온도에서 휘발성 물질이 모두 제거되고 남은 잔유를 말하며, 아스팔트분(asphaltic fraction) 이라고도 한다. 원유를 상압 또는 감압하에서 증류하는 대표적인 공정도는 Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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