저급탄을 가스화하는 반응기에 사용되는 내화물은 고온에서 부식성이 강한 $H_2S$ 가스에 노출되며, 경도나 내마모성과 같은 기계적 특성이 가스에 노출되는 시간이 길어짐에 따라서 떨어진다. 그러나 $H_2S$ 가스에 의한 내화물의 기계적 특성 약화 원인이 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 실험에서는 내화도가 다른 두 종류의 케스터블 내화물을 $H_2S$ 농도가 높은 $H_2O/N_2/H_2S$혼합가스에 100시간 동안 $900^{\circ}C$에서 노출시키고, 미세구조, 결정상과 내마모 특성 변화를 비교하였다. 혼합가스에 노출되면서 내화물 시편의 무게는 감소하였다. 노출 후 기공률은 감소하고, 내마모 특성은 현저하게 떨어졌다. 부식에 의해서 내화물을 구성하는 상에 변화가 일어났는데, $CaAl_2O_4$와 일부의 $SiO_2$는 사라지고 $CaSO_4{\cdot}2H_2OS$와 $Al_2Si_2O_5(OH)_4$ 상이 나타났다. 내화물의 내마모 특성이 $H_2S$ 가스에 노출된 후에 감소하는 주 원인은 캐스터블 내화물에서 결합제 역할을 하는 $CaAl_2O_4$가 사라지고 기계적 특성이 나쁜 $CaSO_4{\cdot}2H_2OS$가 생성되기 때문인 것으로 생각되었다.
저급탄을 가스화하는 반응기에 사용되는 내화물은 고온에서 부식성이 강한 $H_2S$ 가스에 노출되며, 경도나 내마모성과 같은 기계적 특성이 가스에 노출되는 시간이 길어짐에 따라서 떨어진다. 그러나 $H_2S$ 가스에 의한 내화물의 기계적 특성 약화 원인이 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 실험에서는 내화도가 다른 두 종류의 케스터블 내화물을 $H_2S$ 농도가 높은 $H_2O/N_2/H_2S$ 혼합가스에 100시간 동안 $900^{\circ}C$에서 노출시키고, 미세구조, 결정상과 내마모 특성 변화를 비교하였다. 혼합가스에 노출되면서 내화물 시편의 무게는 감소하였다. 노출 후 기공률은 감소하고, 내마모 특성은 현저하게 떨어졌다. 부식에 의해서 내화물을 구성하는 상에 변화가 일어났는데, $CaAl_2O_4$와 일부의 $SiO_2$는 사라지고 $CaSO_4{\cdot}2H_2OS$와 $Al_2Si_2O_5(OH)_4$ 상이 나타났다. 내화물의 내마모 특성이 $H_2S$ 가스에 노출된 후에 감소하는 주 원인은 캐스터블 내화물에서 결합제 역할을 하는 $CaAl_2O_4$가 사라지고 기계적 특성이 나쁜 $CaSO_4{\cdot}2H_2OS$가 생성되기 때문인 것으로 생각되었다.
Refractories used in low-rank coal gasification reactors are usually exposed in a highly corrosive $H_2S$ gas at less than $1000^{\circ}C$, and their mechanical properties such as erosion resistance and fracture strength decline with the exposure time. However, the cause of the...
Refractories used in low-rank coal gasification reactors are usually exposed in a highly corrosive $H_2S$ gas at less than $1000^{\circ}C$, and their mechanical properties such as erosion resistance and fracture strength decline with the exposure time. However, the cause of the degradation of the mechanical properties has little reported yet. In this paper, two kinds of castable refractories with different refractoriness had been exposed in a $H_2O/N_2/H_2S$ mixed gas with high $H_2S$ content for 100 hours at $900^{\circ}C$, and the changes of microstructure, crystalline phases and erosion resistance were compared before and after the corrosion test. The weight of the refractories decreases due to the elution of silica in the specimens after the corrosion test. The capillary porosities of the samples are reduced, but the erosion resistance of the samples is fatally weakened after the corrosion test. There also are changes in constituent phases; dmitryivanovite ($CaAl_2O_4$) and amorphous silica ($SiO_2$) disappear, and gypsum ($CaSO_4{\cdot}2H_2OS$) and kaolinite ($Al_2Si_2O_5(OH)_4$) newly appear after the corrosion test. It is obvious that the phase change from dmitryivanovite that works as a binding agent in the castable refractory to gypsum is the main reason of the degradation of the erosion resistance, because the mechanical properties of gypsum are much poorer than those of dmitryivanovite.
Refractories used in low-rank coal gasification reactors are usually exposed in a highly corrosive $H_2S$ gas at less than $1000^{\circ}C$, and their mechanical properties such as erosion resistance and fracture strength decline with the exposure time. However, the cause of the degradation of the mechanical properties has little reported yet. In this paper, two kinds of castable refractories with different refractoriness had been exposed in a $H_2O/N_2/H_2S$ mixed gas with high $H_2S$ content for 100 hours at $900^{\circ}C$, and the changes of microstructure, crystalline phases and erosion resistance were compared before and after the corrosion test. The weight of the refractories decreases due to the elution of silica in the specimens after the corrosion test. The capillary porosities of the samples are reduced, but the erosion resistance of the samples is fatally weakened after the corrosion test. There also are changes in constituent phases; dmitryivanovite ($CaAl_2O_4$) and amorphous silica ($SiO_2$) disappear, and gypsum ($CaSO_4{\cdot}2H_2OS$) and kaolinite ($Al_2Si_2O_5(OH)_4$) newly appear after the corrosion test. It is obvious that the phase change from dmitryivanovite that works as a binding agent in the castable refractory to gypsum is the main reason of the degradation of the erosion resistance, because the mechanical properties of gypsum are much poorer than those of dmitryivanovite.
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문제 정의
본 실험에서는 1300와 1500 °C의 내화도를 갖는 캐스 타블 내화물을 900 °C에서 고농도의 H2S 가스가 함유된 N2 /H2O/H2S 혼합가스에 노출시켜 부식에 의한 내화물의 내마모성 변화를 측정하였고, 그 변화의 원인을 알아보기 위해서 전자 현미경과 XRD를 사용하여 내화물의 미세구조와 결정상의 변화를 분석하였다.
가설 설정
3(a) LC 시편은 단열성을 높이기 위해서 기공이 많은 골재가 일부 들어있고, Fig. 3(b) HC 시편은 내마모성을 높이기 위해서 기공이 없는 골재가 사용된 것이 관찰된다. 골재 형상과 크기에 차이가 있지만 LC와 HC 모두 골재와 결합제 사이에 균열이나 틈이 없이 잘 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
제안 방법
그 후, 뚜껑을 제거하고 3일 상온에서 건조하였다. 건조한 시편을 박스로에서 열처리하였다. 열처리 온도는, LC는 800 °C, HC는 900 °C이었으며, 각 온도에서 3시간 유지하였다.
또한 부식시험 전후 시편을 벌크 상태에서 X-선회절분석법(XRD, Rigaku, D/MAX-2500V) 으로 분석하여 결정상 변화를 조사하였다. 내화물의 내마모량은 80 mesh 크기의 탄화규소 입자 500 g을 4.5 atm의 공기압으로 내경 4.8 mm의 노즐을 통해서 시편에서 수직으로 50 mm 높이에서 분사하였을 때 마모되는 무게를 측정하여 마모되는 부피를 구하였다.
시편 표면의 미세구조는 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, FEI, Nova 200)으로 관찰하고, 부분적인 조성을 에너지분산형분광분석법 (EDS)으로 분석하였다. 또한 부식시험 전후 시편을 벌크 상태에서 X-선회절분석법(XRD, Rigaku, D/MAX-2500V) 으로 분석하여 결정상 변화를 조사하였다. 내화물의 내마모량은 80 mesh 크기의 탄화규소 입자 500 g을 4.
내화도가 1300 °C(이하 LC)와 1500 °C(이하 HC)인 두 종류의 캐스타블 내화물을 실험에 사용하였다. 부식 실험을 위한 시편 제작을 위해서, 첨가하는 물의 양을 LC 와 HC 시편 무게에 대하여 각각 10 %와 8 %로 하여, 플라스틱 통에서 물을 조금씩 첨가하면서 주걱으로 20분간 반죽하였다. 반죽한 혼합물을 플라스틱 틀에 넣고 수분이 급격하게 증발하지 않게 뚜껑을 덮고 24시간 상온에서 숙성하였다.
캐스타블 내화물이 N2 /H2O/H2S 혼합가스에 의해서 900°C에서 100시간 부식되었을 때의 결정상과 내마모 특성 변화에 대해서 조사하였다.
크기 50 × 50 × 10 mm인 시편을 석영관 내에 백금 선을 사용하여 서로 접촉하지 않기 매달았다.
대상 데이터
내화도가 1300 °C(이하 LC)와 1500 °C(이하 HC)인 두 종류의 캐스타블 내화물을 실험에 사용하였다.
이론/모형
부식 전후 시편의 밀도를 아르키메데스법으로 측정하고 모세기공율의 변화를 구하였다. 시편 표면의 미세구조는 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, FEI, Nova 200)으로 관찰하고, 부분적인 조성을 에너지분산형분광분석법 (EDS)으로 분석하였다.
부식 전후 시편의 밀도를 아르키메데스법으로 측정하고 모세기공율의 변화를 구하였다. 시편 표면의 미세구조는 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, FEI, Nova 200)으로 관찰하고, 부분적인 조성을 에너지분산형분광분석법 (EDS)으로 분석하였다. 또한 부식시험 전후 시편을 벌크 상태에서 X-선회절분석법(XRD, Rigaku, D/MAX-2500V) 으로 분석하여 결정상 변화를 조사하였다.
성능/효과
S 혼합가스에 의해서 900°C에서 100시간 부식되었을 때의 결정상과 내마모 특성 변화에 대해서 조사하였다. 그 결과 부식에 의해서 내화물의 중량과 모세기공율은 감소하였다. 이러한 중량 감소는 비정질 실리카가 환원되어 용출되었기 때문이며, 모세기공율이 감소한 이유는 밀도가 높은 CaAl2O4가 밀도가 낮은 석고, CaSO4와 카오리나이트로 변했기 때문으로 생각되었다.
부식에 의해서 내마모성이 떨어지는 이유도 결정상 변화가 주원인으로, 내화물의 강도를 높여주는 알루미나 시멘트의 주 성분인 CaAl2O4가 강도가 낮은 석고와 CaSO4로 변했기 때문이다. 기공률이 낮고 내마모성이 강했던 HC가 부식에 의해서 내마모성이 크게 떨어지는 이유는 기공률을 낮추기 위해 첨가된 비정질 실리카와 CaAl2O4 함량이 많았기 때문이라는 것을 알았다.
내마모 특성 변화에서 한가지 유의해야 하는 결과는, 부식 후에 LC의 마모량은 31 % 증가한 것에 비하여, HC의 마모량은 84 %의 큰 폭으로 증가한 것이다. Fig.
6 %의 무게 감소가 일어났다. 모세기공률은, LC에서는 12.5 %에서 7.9 %로, HC에서는 5.6 % 에서 3.8 %로 무게 감소가 일어났음에도 불구하고 각각 4.6과 1.8 % 부식 후에 오히려 감소하였다. 마모량은, LC는 부식 전에 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고발 열량의 고급탄을 사용하는 분류층 가스화 기술의 단점은 ?
고발 열량의 고급탄을 사용하는 분류층 가스화 기술은, 높은 탄소전환율을 달성하여 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 고급탄을 사용하는 분류층 가스 화기는 1350 °C 이상의 고온에서 운전하기 때문에 시설 투자비가 많이 들어가고 슬래그 발생에 의하여 가동률이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 슬래그가 발생하면 슬래그에 의한 내화물의 부식이 심각하게 일어나기 때문에 내화물 부식에 대한 신뢰성을 높이기 위해서 환경규제 물질의 하나인 크롬이 다량 함유된 내화물을 사용하는 경우가 많다[3, 4].
석탄의 특징은 ?
매장량이 풍부하나 연소시 이산화탄소 배출량이 많아 환경오염의 원인이 되는 석탄을 청정한 에너지로 전환하는 석탄가스화 연구가 활발히 진행되고 있다[1, 2]. 고발 열량의 고급탄을 사용하는 분류층 가스화 기술은, 높은 탄소전환율을 달성하여 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
고발 열량의 고급탄을 사용하는 분류층 가스화 기술의 장점은 ?
매장량이 풍부하나 연소시 이산화탄소 배출량이 많아 환경오염의 원인이 되는 석탄을 청정한 에너지로 전환하는 석탄가스화 연구가 활발히 진행되고 있다[1, 2]. 고발 열량의 고급탄을 사용하는 분류층 가스화 기술은, 높은 탄소전환율을 달성하여 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 고급탄을 사용하는 분류층 가스 화기는 1350 °C 이상의 고온에서 운전하기 때문에 시설 투자비가 많이 들어가고 슬래그 발생에 의하여 가동률이 떨어지는 단점이 있다.
참고문헌 (15)
C. Chen, M. Horio and T. Kojima, "Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers. Part I: Modelling of coal gasification in an entrained flow gasifier", Chem. Eng. Sci. 55 (2000) 3861.
P. Chiesa, S. Consonni, T. Kreutz and R. Williams, "Coproduction of hydrogen electricity and $CO_2$ from coal with commercially ready technology part A: Performance and emissions", Int. J. Hydrogen Energy 30 (2005) 747.
S.H. Kang, J.H. Ryu, S.N. Park, Y.S. Byun, S.J. Seo, Y. Yun, J.W. Lee, Y.J. Kim, J.H. Kim and S.R. Park, "Kinetic studies of pyrolysis and Char- $CO_2$ gasification on low rank coals", Korean Chem. Eng. Res. 49 (2011) 114.
G. Sukul and P.V. Balaramakrishna, "A reivew of refractory linings for gasification reactions", J. Aust. Ceram. Soc. 50 (2014) 83.
D.P. Ye, J.B. Agnew and D.K. Zhang, "Gasification of a south australian low-rank coal with carbon dioxide and steam: Kinetics and reactivity studies", Fuel 77 (1998) 1209.
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M. Sin, J.W. Yoon and C.S. Kim, "Effects of the incidence angels of solid particles on the erosion of castable refractories", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 25 (2015) 1.
O.O. Van Der Biest, J. Barnes, J. Corish and J.F. Norton, "Corrosion of a silica-bearing ceramics in sulfuroxygen atmospheres", J. Am. Ceram. Soc. 70 (1987) 456.
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