본 연구는 낮은 회 성분의 함량과 높은 발열량의 특성을 지닌 초청정 석탄의 촤 반응율 특성을 알아보았다. 실험은 DTF(Drop Tube Furnace)를 통해서 다양한 온도조건 하에 산소의 분율을 바꾸어가며 수행하였다. 촤 반응률을 도출하기 위하여 FT-IR을 통해 배기가스(CO, $CO_2$)를 측정하였으며, 이색온도계를 통하여서 입자 온도를 측정하였다. 또한, Arrhenius 경험식을 토대로 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지와 빈도인자를 도출하였다. 결과는 초청정 석탄 촤의 반응특성은 온도와 산소 분율이 높아질수록 뚜렷한 증가를 보였고, 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지는 역청탄의 수치와 비슷한 값을 보임을 알 수 있었다.
본 연구는 낮은 회 성분의 함량과 높은 발열량의 특성을 지닌 초청정 석탄의 촤 반응율 특성을 알아보았다. 실험은 DTF(Drop Tube Furnace)를 통해서 다양한 온도조건 하에 산소의 분율을 바꾸어가며 수행하였다. 촤 반응률을 도출하기 위하여 FT-IR을 통해 배기가스(CO, $CO_2$)를 측정하였으며, 이색온도계를 통하여서 입자 온도를 측정하였다. 또한, Arrhenius 경험식을 토대로 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지와 빈도인자를 도출하였다. 결과는 초청정 석탄 촤의 반응특성은 온도와 산소 분율이 높아질수록 뚜렷한 증가를 보였고, 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지는 역청탄의 수치와 비슷한 값을 보임을 알 수 있었다.
The char oxidation characteristics of ashless coal with a relatively low ash content and high heating value were experimentally investigated at several temperatures (from $900^{\circ}C$ to $1300^{\circ}C$), in various oxygen concentrations (from 10% to 30%) under atmospheric pr...
The char oxidation characteristics of ashless coal with a relatively low ash content and high heating value were experimentally investigated at several temperatures (from $900^{\circ}C$ to $1300^{\circ}C$), in various oxygen concentrations (from 10% to 30%) under atmospheric pressure in a drop tube furnace. The char reaction rate was calculated from the exhaust gas concentrations (CO, $CO_2$) measured by FT-IR, and the particle temperature was measured by the two-color method. In addition, the activation energy and pre-exponential factor of ashless coal char were also calculated based on the Arrhenius equation. The results show that higher temperature and oxygen concentration result in a higher reaction rate of ashless coal, and the activation energy of ashless coal char is similar to that of bituminous coal.
The char oxidation characteristics of ashless coal with a relatively low ash content and high heating value were experimentally investigated at several temperatures (from $900^{\circ}C$ to $1300^{\circ}C$), in various oxygen concentrations (from 10% to 30%) under atmospheric pressure in a drop tube furnace. The char reaction rate was calculated from the exhaust gas concentrations (CO, $CO_2$) measured by FT-IR, and the particle temperature was measured by the two-color method. In addition, the activation energy and pre-exponential factor of ashless coal char were also calculated based on the Arrhenius equation. The results show that higher temperature and oxygen concentration result in a higher reaction rate of ashless coal, and the activation energy of ashless coal char is similar to that of bituminous coal.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 DTF를 이용하여 초청정석탄 촤에 대한 기초적인 연소특성을 파악하고 석탄 연소 과정 중 가장 주반응을 이루는 촤 산화에 대한 반응률을 배기분석 방법을 이용하여 도출하였다.
본 연구에서는 DTF를 사용하여 초청정 석탄 촤의 산화 반응률에 대한 특성을 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
(3) Arrhenius plot을 통하여서 초청정 석탄 촤의 반응률 인자를 도출하였다 (E : 80.1 KJ/mol, A :5.19 g/cm2s・atm0.5). 이 같은 결과는 선행연구와 비교하여 보았을 때 역청탄과 비슷한 특성을 가지고 있다는 것을 확인하였다.
이때 연료 공급량은 0.045g/min으로 설정하였으며, DTF의 온도는 각각 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C의 조건 하에 초청정 석탄 촤의 산화반응 실험을 수행 하였다.
045g/min으로 설정하였으며, DTF의 온도는 각각 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C, 1300°C의 조건 하에 초청정 석탄 촤의 산화반응 실험을 수행 하였다. 입자 온도는 본 연구실에서 보정이 된 이색온도계를 사용하여 측정하였다.(9) 사용된 이색 온도계는 650nm, 700nm의 밴드패스 필터(band-pass filter)를 사용하였고, 이것들은 10mm FHWM을 가지고 있다.
3은 산소 농도와 가스 온도에 따른 입자 온도를 보여준다. 입자온도는 이색온도계를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 가스온도와 산소 분율이 증가함에 따라 입자 온도가 증가하는 경향을 확인하였다.
촤 산화반응의 실험을 위해 반응가스인 산소의 분율을 각각 10%, 12%, 16%, 20%, 30%로 바꾸어 가며 실험을 진행하였다. 이때 연료 공급량은 0.
대상 데이터
이것을 통해 도출된 빈도 인자 A와 활성화에너지 E의 결과는 Table 3에 나타내었다. 선행연구와의 비교분석을 위해 아역청탄인 Roto-middle 석탄 촤와 역청탄인 Illinois #6 석탄 촤의 결과를 함께 표기하였다.(10) 그 결과 초청정 석탄촤의 활성화 에너지가 역청탄의 수치와 비슷해졌음을 알 수 있으며, 이는 초청정 석탄 촤의 연소특성이 역청탄 촤의 성질을 가지고 있다는 것을 보여준다.
실험에 사용된 초청정 석탄 촤는 DTF의 온도를 1300°C로 유지하고 상압 하에 주 반응 가스와 수송가스 모두를 질소로 주입하여 이루어졌으며 준비된 촤의 입자크기는 90~150μm이다.
이론/모형
그러나 초청정석탄의 경우 차지하는 회분의 양이 극도로 적어 위의 방법을 적용하기에는 다소 무리가 있다고 판단된다. 따라서 효과적인 촤 산화 반응률의 측정을 위해 배기가스(Flue gas based) 분석방법을 사용하여 연구를 수행하였다. 배기가스(Flue gas based) 분석방법을 사용할 경우 전체 배기가스 유량과 CO, CO2 농도만 고려하여 주면 촤 반응률 qa를 구해 낼 수가 있다.
본 연구에서는 초청정 석탄의 촤 산화반응률 특성을 알아보기 위하여 DTF(Drop Tube Furnace)를 사용하였다. DTF는 균일한 온도를 유지하며 다양한 온도 영역에서 실험을 할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.
성능/효과
(1) 초청정 석탄 촤의 반응률을 구하기 위하여 입자 온도 및 촤 소모량을 배기가스 분석방법을 이용하여 측정하였으며 입자 온도 및 촤 소모량은 온도와 산소 분율이 높아질수록 향상되었다.
(2) 본 연구에서의 초청정 석탄은 1300°C 이상의 고온조건에서도 기존 역청탄 연소에서 관찰되었던 고온 영역에서의 반응성 감소 현상을 확인할 수 없었다.
입자온도는 이색온도계를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 가스온도와 산소 분율이 증가함에 따라 입자 온도가 증가하는 경향을 확인하였다. 이 같은 결과는 Kang 등의 실험에서도 동일한 현상이 일어남을 확인할 수 있었다.
이것은 저온에서는 반응이 잘 일어나지 않고, 온도가 증가함에 따라 반응은 급격하게 증가함을 보여준다. 또 한, 측정된 CO, CO₂ 농도를 통해 배기가스 분석방법을 이용하여 반응된 촤의 양을 구할 수 있었으며 이에 체류시간을 고려하여 촤의 연소 반응률을 도출할 수 있었다. Fig.
4는 가스 온도에 따른 배출가스인 CO와 CO2의 농도를 보여준다. 온도나 산소 분율이 높아질수록 보다 활발한 연소반응이 일어나기 때문에 반응 후 생성되는 배기가스 CO, CO₂의 농도 또한 증가함을 확인할 수 있었다. 이러한 배기가스의 농도의 증가는 온도 및 산소 분율의 조건에 따라 급격한 차이를 보였는데, 900℃의 저온조건에서의 경우 산소 분율이 증가하여도 배기가스 농도의 증가량은 적었으나 1300℃와 같은 고온으로 올라갈수록 그 증가폭이 급격히 상승함을 보였다.
온도나 산소 분율이 높아질수록 보다 활발한 연소반응이 일어나기 때문에 반응 후 생성되는 배기가스 CO, CO₂의 농도 또한 증가함을 확인할 수 있었다. 이러한 배기가스의 농도의 증가는 온도 및 산소 분율의 조건에 따라 급격한 차이를 보였는데, 900℃의 저온조건에서의 경우 산소 분율이 증가하여도 배기가스 농도의 증가량은 적었으나 1300℃와 같은 고온으로 올라갈수록 그 증가폭이 급격히 상승함을 보였다. 이것은 저온에서는 반응이 잘 일어나지 않고, 온도가 증가함에 따라 반응은 급격하게 증가함을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초청정 석탄이란?
그중에 저등급 석탄의 연소효율을 높이고 회분으로 인한 환경오염을 줄일 수 있는 차세대 에너지원으로 초청정 석탄이 주목받고 있다. 초청정 석탄은 저등급 석탄에 용매를 반응시켜 석탄에 포함되어 있는 유기성분을 추출하고 회 성분을 제거하는 방법(3)을 사용하여, 회분 함유량 200ppm 이하, 발열량 7000kcal/kg 이상으로 만들어진 석탄이다. 지금까지 이 초청정 석탄에 대한 연구는 매우 부족하며 촤 반응율에 대한 연구는 아직 이루어지지 않은 상태이다.
고등급 석탄과 비교했을 때 저등급 석탄의 장점은?
상당수의 전력을 화력발전으로 공급하고 있는 우리나라에서는 대부분의 발전용 연료를 해외에서 수입하고 있는데, 고등급 석탄의 지속적인 가격 상승으로 인해 각 발전소 에서는 기존에 사용해 오던 고등급 석탄의 사용량을 줄이는 동시에 수분과 휘발분의 함량이 높고 고정탄소량이 적은 저등급 석탄을 사용하는 방향으로 점차 나아가고 있다. 이러한 저등급 석탄은 고등급 석탄에 비해 매장량이 풍부하여 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있지만, 기존 석탄보다 적은 발열량을 가지고 있고 다루기가 어려워 저등급 석탄의 연소효율을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에 저등급 석탄의 연소효율을 높이고 회분으로 인한 환경오염을 줄일 수 있는 차세대 에너지원으로 초청정 석탄이 주목받고 있다.
촤 산화 반응률을 측정하기 위한 회 추적(Ash traced) 분석방법의 장점은?
촤 산화 반응률을 측정하는 방법으로 가장 대표적으로 고려되는 방법은 회 추적(Ash traced) 분석방법이다. 이 분석방법을 사용할 경우 연소 전후의 회분의 양이 같다는 사실을 이용하여 촤 반응률을 손쉽게 도출해 낼 수 있다. 그러나 초청정석탄의 경우 차지하는 회분의 양이 극도로 적어 위의 방법을 적용하기에는 다소 무리가 있다고 판단된다.
참고문헌 (11)
Smith, I.W., 1982, "The Combustion Rates of Coal Char," 19th International symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, pp. 1045-1065.
Steel, K.M., Besida, J., O'Donnell, T.A. and Wood,
Lee, S.H., Kim, S.D., Jeong, S.K., Rhim Y.J., Kim, D.G. and Woo, K.J., 2008, "Ultrasonic Effect on the Extraction of Ash-free Coal from Low Rank Coal," Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 3, pp. 555-560.
Lee, B.H., Song, J.H., Kang, G.T., Chang, Y.J. and Jeon, C.H., 2009, "Determine of Char Oxidation Rates with Diffrent Analytical Methods," Trans of the KSME(B), Vol. 33, No. 11, pp. 876-885.
Waters, B.J., Squires, R.G., Laurendeau, N.M. and Mitchell, R.E., 1988, Combustion and Flame, Vol. 74, pp. 91-106.
Mitchell, R.E., Kee, R.J., Glarborg, P. and Coltrin, M.E., 1988, 22th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittusburgh, pp. 69-78.
Mitchell, R.E., Kee, R.J., Glarborg, P. and Coltrin, M.E., 1990, 23th international Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittusburgh, pp. 1169-1176.
Essenghigh, R.H., 1991, Energy and fuels, Vol. 5, pp. 41-46.
Kang, G.T., Lee, C.S., Song, J.H., Chang, Y.J. and Jeon, C.H., 2009, "An Experiment Study for Char Oxidation Kinetics on a Sub-bituminous Coal," KSME, Vol. 9, No. 20, pp. 239-246
Monson, C.R., 1992. "Char Oxidation at Elevated Pressure," Department of Mechanical Engineering, BYU.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.