KR100945375B1 - 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 및 그 방법 - Google Patents

파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포집부(Two-probes)를 이용하여 비산재를 연속적으로 포집하여 비산재 융착 특성을 파악하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 통해 탄종별 가스화 운전 조건에 의해 생성된 파울링을 포집 및 분석하여 투입탄의 성분별, 포집 시편의 형태별, 시편 받침대의 높이 변화별 및 운전 조건에 따른 파울링의 연속적인 융착 경향을 파악할 수 있다.
이를 위한 본 발명의 장치는 석탄 수송 인젝터의 끝단에 위치하는 원통형의 포집부(10)와; 상기 포집부(10)의 내측에 구비되어 생성되는 비산재를 포집하는 탈착 가능한 깔때기 모양의 포집캡(20)과; 상기 포집캡(20)의 중앙에 위치되어 그 중심측이 상하 관통되는 원통형의 시편 받침대(30) 및; 상기 시편 받침대(30)의 상하면에 장착되어 교체 가능한 2개의 포집 시편(40)으로 구성된 것을 특징으로 한다.
석탄 가스화 복합발전(IGCC), 비산재, 파울링, 포집 장치, 포집캡, 포집 시편, 포집부, 탈착, Two-probes, 시편 받침대

Description

파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 및 그 방법{Deposit equipment of fly ash by using Two-probes and understanding accumulation of fly ash by shape of probe}
본 발명은 가스화/연소조건에서 고체 연료에 의해 생성되는 비산재를 연속적으로 포집하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편을 상하부로 장착하여 높이의 차이로 인한 온도 변화를 이용해 파울링 성향을 연속적으로 측정할 수 있는 시편받침대가 구비된 포집부를 통해 가스화/연소조건에서 생성된 파울링(Fouling)을 포집 및 분석하여 운전조건 및 포집 시편의 형태에 따른 파울링의 융착 특성을 파악할 수 있게 한 것에 관한 것이다.
일반적으로 대용량 상용화에 적합한 석탄가스화 복합발전(IGCC) 공정에서 석탄 내에 함유된 회재를 미분탄 화력발전소에서와 같이 비산재 형태로 대기로 배출하지 않고 석탄중의 회성분을 환경적으로 무해하게 처리하기 위하여 용융 상태의 슬래그로 배출한다.
따라서 회분이 용융될 수 있는 고온에서 가스화기를 운전하여야 하며, 발생한 슬래그가 가스화기 벽면을 따라 원활하게 흘러 하단부에 설치된 슬랙탭을 통하 여 냉각 장치인 슬래그 냉각장치로 떨어지게 하여야 한다.
그러나 소량의 비산재는 생성된 석탄가스와 함께 냉각 장치로 날려 나가는데, 이들 고온의 비산재는 가스화기 관로에 부착되어 관로를 좁게 만들거나 막아버리는 파울링(Fouling)이나 플러깅(Plugging) 문제를 야기해 가스화기 연속 운전에 심각한 장애를 초래한다.
또한, 가스화기 후단에 설치된 합성가스 냉각 장치에서 파울링 및 플러깅 문제가 발생되면 전달 열량의 감소를 초래하여 최적의 열 교환기 성능을 발휘할 수 없게 될 뿐만 아니라, 생성된 파울링을 제거하기 위해 전체 시스템을 정지할 수밖에 없다.
이러한 비산재의 융착 현상은 화학적으로는 시간과 온도에 의존하며, 물리적으로는 입자의 모양, 입자의 크기, 입자의 분포, 보일러 온도, 보일러 분위기 및 가스조건 등의 영향을 받는 매우 복잡한 문제로서 슬래깅 방식을 택하는 대부분의 가스화기 뿐만 아니라 용융 소각로 등과 같이 회분을 포함하는 고형물질의 용융 시스템에서 항상 발생할 수 있는 문제로 파울링의 형성 경향을 파악하는 등 근본적인 해결 대책이 요구되고 있다.
따라서 현재 우리나라를 포함하여 미국, 일본, 영국, 캐나다 등 많은 나라에서 석탄 내 알칼리 성분 함량, 황산화물 함량, 염화물 함량 등 미네랄 성분 함량 및 융착 표면 조건 등에 따른 비산재의 융착 현상을 규명하고자 석탄 회분의 파울링 성향 예측에 대한 연구가 지속되고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허등록 제215216호(가스화 기의 플러깅 및 파울링 예측장치 및 예측방법)가 제안된 바 있다.
이는 가스화기에 단면적의 변화가 급격한 곳이나 배관의 파울링이 발생하는 지점의 전후에 차압을 측정할 수 있는 차압계를 설치하고, 각각의 차압계가 설치된 압력 측정구를 통하여 퍼지질소를 공급할 수 있는 퍼지질소 공급관과 퍼지질소의 유량을 확인할 수 있는 유량계를 설치하여 차압계와 퍼지질소 유량계의 변화에 의해 가스화기의 플러깅 및 파울링의 정도를 예측하는 장치 및 예측방법인 것이나, 포집부에 대한 기술은 언급되어 있지 않아 비산재 융착 경향 파악이 어려운 문제점이 있다.
또한, 다른 기술로는 대한민국 특허등록 제688715호(파울링 제거를 위한 화학적 세정공정)가 제시되었으나, 여기에서는 정유공정 및 석유화학공정의 라인을 온라인으로 형성한 다음, 파울링을 제거하기 위한 화학적 세정제를 상기 라인에 순환시켜 세정하는 기술로써, 화학적 방법에 의한 세정이라 비산재 융착 경향 파악이 어려운 문제점이 있다.
한편, 또 다른 기술로는 대한민국 특허공개 제2001-0103724호(감소된 파울링 경향을 갖는 열전달 장치 및 그의 제조방법)가 제시된바 있다. 이 기술은 열전달 표면상의 금속/할로겐화 중합체 분산층을 무전해 화학적 침적 방법으로 코팅하고, 이 코팅의 표면들이 유체로부터 파울링을 유발하는 고형분들을 축적하는 경향을 감소시키는 열전달 장치인 것이나, 이는 파울링 유발 고형분 축적 경향을 감소시키는 코팅에 관한 것이므로 운전 조건, 포집부, 포집시편의 형태에 따른 파울링 특성 및 생성 경향을 파악하기 어려운 문제점이 있다.
특히 우리나라에서는 거의 수입 탄에 의존하고 있기 때문에 역학적으로 만들어진 비산재 포집부를 이용한 비산재의 융착 성향에 대한 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이다.
이에 더하여 국내에서 사용하는 유연탄은 수입처가 다양하여 이에 대한 데이터베이스 구축이 힘들뿐만 아니라, 구축된 자료마저 대부분 외국의 자료에 의존하고 있는데, 실제 운전에서 생성되는 파울링의 양은 석탄의 성상이 조금만 변하여도 큰 변화가 일어나기 때문에 실질적으로 외국의 자료만을 가지고 이를 적용하는 것은 불합리한 것이다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 화력발전소 또는 석탄가스화 복합발전(IGCC) 운전 중 발생되는 비산재로 인한 파울링 형성에 의한 막힘 현상을 해석하기 위하여 가스화/연소 조건에서 생성 파울링을 포집할 수 있는 여러 가지 형태의 포집 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 제작한 포집 장치를 이용하여 가스화/연소조건에서 생성된 탄종의 파울링의 특성 연구를 통하여 석탄의 성분, 운전 조건으로부터 파울링의 성향을 파악 및 예측하는 방법을 제공하여 불필요한 에너지 및 경제적 손실을 줄이는데에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 장치는 탈착이 가능한 포집 장치를 이용하여 비산재의 포집 및 포집 시편의 형태에 따른 비산재의 융착 특성을 파악할 수 있게 한 것에 의해 달성된다.
보다 상세하게는 석탄 수송 인젝터의 끝단에 위치하는 원통형의 포집부를 구비하며, 상기 포집부의 내측에 구비되어 생성되는 비산재를 포집하는 탈착 가능한 깔때기 모양의 포집캡을 구비하고, 상기 포집캡의 중앙에 위치되어 그 중심측이 상하 관통되는 원통형의 시편 받침대 및 상기 시편 받침대의 상하면에 장착되어 교체 가능한 2개의 포집 시편으로 구성된다.
상기와 같은 과제 해결 수단을 통해 본 발명의 장치는 탄종별 가스화 운전 조건에 의해 생성된 파울링의 포집 및 분석과, 투입탄의 성분별, 포집 시편의 형태별, 운전 조건에 따른 파울링의 융착 경향을 파악하는 점이 우수하여 비산재 융착 연구에 유용하게 이용될 수 있다.
아울러, 비산재의 포집 장치로부터 비산재의 연속적인 융착 현상을 예측하는데 용이하고, 포집 시편의 형태와 면적에 따라 비산재의 융착 경향을 예측하는데 효율적으로 적용가능 하다.
이하에서 본 발명의 실시형태를 첨부한 도면을 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 여러 가지 형태의 포집부를 이용하여 가스화/연소조건에서 생성된 파울링(Fouling)을 포집하고 분석하여 운전조건, 포집부, 포집시편의 형태에 따른 파울링 특성 및 생성경향을 판단하기 위한 비산재의 포집 장치와 이를 이용한 방법을 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명은 도 1과 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 석탄 수송 인젝터의 끝단에 위치하는 원통형의 포집부(10)와; 상기 포집부(10)의 내측에 구비되어 생성되는 비산재를 포집하는 탈착 가능한 깔때기 모양의 포집캡(20)과; 상기 포집캡(20)의 중앙에 위치되어 그 중심측이 상하 관통되는 원통형의 시편 받침대(30) 및; 상기 시편 받침대(30)의 상하면에 장착되어 교체 가능한 2개의 포집 시편(40)으로 구성된다.
포집부(10)는 원통의 속이 빈 관 형태로서 후술하는 포집캡(20)이 내삽되어 고정되는 몸체 역할을 하며, 이러한 포집부(10)는 석탄 수송 인젝터(10)의 끝단에 설치된다.
또한, 후술하는 포집 시편(40) 온도를 측정할 수 있도록 포집부(10)의 외주면에 다수의 홈(11)이 형성되며, 상기 홈(11)에 다수의 열전대(50)가 더 구비되어 실시될 수 있다.
상기 열전대(50)는 비교적 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 온도측정 장치로 일반적으로 널리 사용되고 있는 것인바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
포집캡(20)은 상기 포집부(10)의 내측에 삽입되며 탈부착 가능한 것으로, 비산재를 포집하기 용이하도록 상확하협의 형상을 갖는 응집부(21)와 그 중심측을 따라 하향 연장되어 관통되는 관부(22)로 이루어진다. 이때 상기 응집부(21)의 경사각은 30~60°로 더욱 바람직하게는 45°로 실시된다.
시편 받침대(30)는 중심측에 관통홀(31)이 형성되어 상하 관통되는 것으로, 상기 포집캡(20)의 응집부(21)에 내삽되어 관부(22)의 상단에 안착된다.
이때 시편 받침대(30)는 대략 1~5cm 내에서 서로 다른 높이를 갖는 다수의 시편 받침대(30)가 구비되는 것으로, 이를 통해 시편 받침대(30)를 필요에 따라서 교체 장착함으로써 상하측 단에 부착 고정되는 포집 시편(40) 간의 간격을 조절할 수 있어 온도차이로 인한 비산재의 융착 특성을 비교할 수 있다.
이처럼 시편 받침대(30)를 통해 포집 시편(40)의 간격을 조절하면 상하부 포집 시편(40) 간의 온도 차이를 500℃정도까지 줄 수 있으며, 시편 받침대(30)의 변화에 따라서 상하측 포집 시편(40)의 온도 차이는 100~500℃정도까지 나고, 상부 파울링 포집 시편(40)의 온도는 최고 1100℃까지 상승 가능해 진다.
상기 포집캡(20)과 시편 받침대(30) 및 후술하는 포집 시편(40)은 산화방지를 위해 스테인레스강 316 (SUS 316) 재질을 사용하고, 생성된 비산재가 상하부 포집 시편(40) 상에서 원활한 탄성 운동을 할 수 있도록 상기 포집 시편(40)의 거친 표면을 연마 처리하여 상기 포집캡(20)에 장착된다.
이러한 시편받침대(30)는 두께 0.5 ~ 1.5mm, 더욱 바람직하게는 1.0mm 두께의 원통관으로 실시되는 것으로, 상기 시편받침대(30)의 두께가 0.5mm 미만일 때에는 뒤틀림 현상이 발생하기 쉽고, 상기 시편받침대(30)의 두께가 1.5mm를 초과할 때에는 상부, 하부 시편의 파울링 융착 될 수 있는 면적이 다르게 되어, 파울링 연속적인 융착 특성을 정확히 나타낼 수 없는 문제점이 있다.
포집 시편(40)은 상기 시편 받침대(30)의 상하측 면에 각각 부착 고정되는 링 형상의 베이스(41)와 상기 베이스(31)를 2등분 하여 가로지르는 포집편(42)으로 이루어진 것으로, 상하측 면에 부착된 포집 시편(40)의 포집편(42)이 평면상에서 서로 열십자형으로 교차되도록 서로 엇갈리게 설치된다.
이러한 포집 시편(40)은 도 4에 도시된 바와 같은 포집편(42)이 판형으로 된 수평형 포집편(42)과 도 5에 도시된 바와 같은 반원형으로 형성되는 반원형 포집편(42')을 상황에 따라서 교체 장착함으로써 포집 시편(40)의 종류에 따른 비산재의 융착 특성을 비교하게 된다.
이때 각각의 포집편(42, 42')은 그 폭을 서로 다르게 하여 더 많은 종류의 포집 시편(40)을 구비하게 되는데, 이는 포집면적 대비 시편면적이 1:5, 1:3 또는 1:2으로 실시되며, 이러한 다양한 종류의 포집 시편(40)을 순차적 또는 선택적으로 적용함으로써 다양한 조건하에서 비산재의 융착 특성을 파악할 수 있다.
상기 포집 시편(40)은 두께 0.5mm ~ 3.0mm, 바람직하게는 두께 1.0mm의 원형 박시편으로 실시됨이 바람직한 것으로, 포집 시편(40)은 두께가 0.5mm 미만일 때에는 뒤틀림 현상이 발생하기 쉽고, 상기 포집 시편(40)의 두께가 3mm를 초과할 때에는 탈착이 어려운 문제점이 있다.
한편, 상기 포집부(10)의 외벽에 열전대(50)를 더 구비하여 실시될 수 있는 것으로, 이는 길이가 다른 5개의 홈(11)을 만들어서 홈(11)의 길이에 따라 온도변화를 측정할 수 있도록 상기 포집부(10)의 최상부로부터 5cm 간격으로 3개의 K 형 열전대(50)를 설치하여 부분별로 온도를 측정할 수 있게 하고, 1개의 K형 열전대(50)는 상기 포집부(10) 옆면에 장착된다. 여기서 K형 열전대란 일반적으로 널리 사용되고 있는 열전대 중 하나의 종류를 말한다.
상기 5개의 홈(11)의 길이는 포집캡(20)의 하단으로부터 각각 시편받침대(30)의 높이와 동일하게 만들어지며, 시편받침대(30)의 높이와 동일한 길이의 홈 에 열전대(50)를 장착하여 시편받침대(30)의 위에 장착된 상측의 포집 시편(40)의 온도를 측정할 수 있도록 한다.
이 밖에 본 발명의 포집장치(100)가 설치되는 가스 반응기의 주요 구성을 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 석탄이 통과하는 인젝터(200)와; 인젝터(200)를 통과한 석탄을 산화시키는 발열체(210)와; 산화된 석탄의 비산재와 배기가스를 냉각시키는 수냉관(220)과; 냉각된 비산재를 포집하는 사이클론(250)과; 냉각된 배기가스의 불순물을 제거하는 집진필터(230)와; 집진필터(230)를 거쳐 배출되는 가스의 유량을 확인하는 유량계(240) 및; 가스화 반응에서 생성되는 가스의 양만큼을 흡입하여 외부로 배출하는 진공펌프(260)로 구성된다.
인젝터(200)는 가스화기 주 반응기 내부에 삽입되어 석탄을 통화하는 장치이며, 인젝터(200)를 통과한 석탄은 상기 PID 제어장치에 의해 온도 조절되는 발열체(210)의 고온에 의해 산화된다.
이때 상기 발열체(210)는 SiC 발열체로서 PID(proportional integral derivative, 비례적분미분) 제어장치에 의해 온도 조절이 되는 3단 구조로 형성된다.
발열체(210)에 의해 석탄이 반응되어 비산재가 생성되며, 생성된 비산재는 낙하하여 그 하단에 위치한 포집장치(100)의 포집캡(20)에 부딪쳐 탄성운동을 하고, 일부는 상하부의 포집 시편(40) 상에 융착되며 그 이외는 배기가스를 따라 배 출된다.
수냉관(220)은 배출되는 배기가스의 온도를 조절하기 위한 것으로, 상기 포집부(10)를 포함한 관체(221)의 하단부 외벽에 나선형으로 형성된다. 이러한 수냉관(220)은 배기가스의 온도에 따라서 투입되는 냉각수의 유량을 조절하게 된다.
집진필터(230)는 배기가스의 불순물을 제거하기 위한 장치로써, 상기 수냉관(220)이 설치된 관체(221)의 하단으로 연장되는 배기관(222)의 일측면과 연통되게 하여 설치된다.
가스유량계(230)는 집진필터(230)를 통과하여 배기되는 배기가스의 양을 측정하기 위한 장치이다.
진공펌프(260)는 주 반응로 내에서 생성되는 가스들의 층류 유동장에 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 가스화 반응에서 생성되는 가스의 양만큼 진공펌프(260)로 흡입하여 주 반응기 외부로 배출하기 위한 것이다.
사이클론(250)은 수냉관(220)이 설치된 관체(221) 하단으로 연장되는 배기관(222) 끝단에 설치되는 것으로, 비산재를 배기가스와 분리하여 별도로 채취하기 위한 장치이다.
이상과 같이 구성되는 본 발명을 이하의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
<실시예 1>
먼저, 본 발명의 장치를 작동하기 위하여, 경사각이 대략 45°인 포집캡(20)과 3cm 높이의 시편받침대(30)와 포집편(42)이 수평판 형태이이며 포집면적 : 시편면적 = 1:5인 포집 시편(40)으로 구성된 포집 장치(100)를 구성한다.
또한 열전대(50)가 상부 포집 시편(40)의 온도는 1000℃로 나타내도록 하고 하부 포집 시편(40)의 온도는 700℃가 나타나도록 하고나서, 포집 장치의 윗부분(최상부로부터 177mm 위치까지, 외경:46mm)의 외벽에 열전대(50)를 설치하여 온도계와 연계한다.
포집 장치(100) 하부(높이:188mm, 외경:68mm) 외벽에는 수냉관(220)을 나선형으로 감아 접촉시키고, 그 최하단에는 사이클론(250), 집진 필터(230), 가스유량계(240)를 장착한 다음, 인젝터(200)의 하단에 포집 장치(100)를 설치한다.
그 다음 가스화/연소 반응기 내부로 투입된 포집 장치(100)의 높이를 조절하여 원하는 포집 표면 온도까지 상승시킨 후 포집 시편(40) 온도가 안정한 상태로 되면, 석탄 공급부에서 건조된 미분탄을 0.5g/min의 속도로 공급하고, 인젝터(200)를 경유하여 SiC 발열체(210)의 고온(1300℃) 작용하에서 생성된 회분은 층류 낙하하여 포집캡(20) 내에 장착되어 있는 포집 시편(40)에 떨어져 탄성 운동을 하게 하였다.
이때, 융착이 용이한 비산재 미립자는 포집 시편(40)에 융착되어 파울링을 형성하고, 나머지 비산재 미립자는 포집 장치(100) 내관을 따라 흐르다가 하부 수냉관(220)에 의하여 냉각되어 포집 장치(100) 하단에 위치한 사이클론(250)에 포집 되었으며, 생성된 가스는 집진 필터(230)에서 불순물이 제거되어 가스유량계(240)를 경유한 다음 외부로 배출되었다.
이와 같은 조건하에서 일정시간 비산재를 포집한 다음 포집 시편(40)에 융착된 비산재의 양을 측정하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 조건을 동일하게 하되, 포집편(42)이 수평판 형태인 포집 시편(40)의 포집면적 대비 시편면적 = 1:3으로 하여 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양을 측정하였다.
그 결과 실시예 1과 비교하였을 때에 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양이 더 많았다.
<실시예 3>
상기 실시예 1의 조건을 동일하게 하되, 2cm 높이의 시편받침대(30)를 장착하여 상부 포집 시편(40)의 온도를 700℃로, 하부 포집 시편(40)의 온도를 500℃로 설정한 다음 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양을 측정하였다.
그 결과 실시예 1과 비교하였을 때에 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양 이 적었다.
<실시예 4>
상기 실시예 1의 조건을 동일하게 하되, 반원통관형의 포집편(42')이 구비되는 포집 시편(40)과 포집면적 대비 시편면적 = 1:3으로 하여 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양을 측정하였다.
그 결과 실시예 3과 비교하여 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양이 더 많았다.
<실시예 5>
상기 실시예 1의 조건을 동일하게 하되, 반원통관형의 포집편(42')이 구비되는 포집 시편(40)과 포집면적 대비 시편면적 = 1:5로 하여 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양을 측정하였다.
그 결과 실시예 4와 비교하여 포집 시편(40)에 융착되는 비산재의 양이 적었다.
<실시예 6>
본 발명의 비산재 포집 장치(100)를 이용하여 석탄의 성분, 운전조건으로부터 파울링 경향 예측을 하였다.
본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 다음의 순서를 따라 비산재를 특정하게 된다.
<1단계 : 온도설정단계(S100)>
생성된 회분을 채집하기 위해 포집장치(100)를 주 반응기 안에 투입하고, 반응로 안의 투입 높이를 조절하여 원하는 회분 포집 온도로 맞춘 다음, 포집부(10) 외벽의 열전대(50)와 연계된 온도계를 통해 포집부(10)의 온도를 관찰한다.
<2단계 : 비산재 생성단계(S200)>
상기 온도설정단계(S100)를 거쳐 포집부(10)의 온도가 안정되면 1,2차 흐름가스와 석탄을 투입하며, 이와 동시에 진공펌프를 작동시켜 석탄발생가스와 투입가스만큼의 유량을 외부로 배출하여 비산재를 생성한다.
<3단계 : 비산재 포집단계(S300)>
생성된 비산재를 포집부(10)를 이용해 일정시간 포집하며, 포집되지 않은 다른 비산재는 냉각하여 사이클론에 포집하고, 생성된 가스는 집진 필터를 이용해 불순물을 제거한 다음 가스 유량계를 경유하여 배출한다.
<4단계 : 비산재 분석단계(S400)>
비산재가 포집된 포집부(10)를 탈거한 다음, 포집 시편(40)에 포집된 회분을 채집하여 전자저울을 이용해 그 무게를 측정하고, 포집된 회분의 조성 성분을 분석한다.
<5단계 : 비산재 특성 비교단계(S500)>
포집부(10)의 온도와 포집 시편(40)의 위치 및 포집 시편(40)의 형태를 달리 하여 상기 온도설정단계(S100), 비산재 생성단계(S200), 비산재 포집단계(S300), 비산재 분석단계(S400)를 반복 실시하여 그 결과를 비교분석함으로써 파울링의 융착 특성을 파악하여 비교한다.
표 1은 상기의 방법을 이용하여 실시한 실험에서 사용된 대상 탄의 기본적 물성치를 나타낸 것이다. 각 대상 탄에 대해서 X-선 형광분석기(X-Ray Flourescence Spectrometry)로 회분 조성을 측정하였고, 고온 현미경을 이용하여 회용융 온도를 측정하여 각 탄종별로 비교하여 나타내었고, 또한 공업분석과 원소분석으로부터 실험에서 필요한 산소량을 계산할 수 있었다.
석탄 1 석탄 2
근접 분석 (건조 기준) V.M 25.81 48.19
F.C 60.98 41.75
회분 13.19 10.06
원소 분석 (건조, 회분 제거 기준) C 85.6 63.56
H 5.16 5.32
O 7.75 30.17
N 1.13 0.75
S 0.36 0.2
무기 분석 (wt%) SiO2 55.359 45.102
Al2O3 26.742 19.981
Fe2O3 8.407 6.333
CaO 4.452 22.176
MgO 1.917 3.304
Na2O 0.406 0.982
K2O 1.714 1.341
TiO2 1.004 0.781
회분 융착 온도 (℃) IT - 1,162
ST - 1,184
HT - 1,224
FT 1,400 1,257
실험전에 석탄을 60℃에서 24시간 건조하고 석탄의 공급량을 크게 함으로써 미량원소 분석을 위한 시료를 원할히 얻기 위해 석탄의 공급 속도를 0.5g/min으로 하였다. 또한, 반응기 온도는 주 반응기 1300℃, 예열기 900℃를 유지하였으며, 압력 조건은 1atm으로 하였다. 대상 탄의 입경 분포는 75㎛ 이하의 입자를 85%로 하였다. 본 실험에서는 1차 흐름가스 질소와 2차 흐름가스 산소를 사용하였다. 1, 2차 흐름가스 양은 반응로 내에서 1차 흐름가스와 2차 흐름가스의 선속도가 같아지는 각각의 부피 유속을 계산하여 결정하였다.
실험장비 예열은 프로그램제어로 5시간 정도 온도 단계별로 천천히 온도를 올렸다. 다음 냉각수를 주입하고 상부 인젝터를 예열부를 통과해 주 반응로까지 주입시키고, 스크류 피더와 연결하였다. 2개의 바이브레이터를 작동시키고, 1, 2차 가스 유량을 설정하여 먼저 주입하고 후에 석탄을 투입하였다.
시료 주입 장치는 예열기 내에 정확한 위치를 선정하여 고정하였다. 대상 탄의 생성 가스량을 계산하여 같은 유량만큼 흡입해주기 위해 진공 펌프를 유량계에 연결하였다. 또한 배기가스의 온도를 프로그램 제어로 조절하였다.
실험에서 생성된 회분을 채집하기 위하여 본 발명에 의한 비산재 포집 장치(100)는 실험장비 하부에 장착하여 주 반응기 안으로 투입하며, 반응로 안으로의 투입 높이를 조절하여 원하는 회분 포집 온도(상부 1000℃ 또는 700℃, 하부 700℃ 또는 500℃)를 맞출 수 있으며, 포집부 외벽에 열전대를 설치하여 연계된 온도계로부터 온도 변화를 관찰하여 실험에 적합한 온도로 맞춘다. 포집부 온도가 안정되면 1, 2차 흐름가스와 석탄을 투입하며 동시에 진공펌프를 작동시켜 석탄발생가스와 투입가스만큼의 유량을 뽑아내어 외부로 배출하였다.
생성된 비산재는 포집부에 융착되며, 실험시간은 분석에 필요한 회분의 양이 수집되는 30분 동안 진행되었다. 나머지 비산재 미립자는 포집 장치 내관을 따라 흐르다가 하부 수냉관에 의하여 냉각되어 포집 장치 하단에 설치된 사이클론에 포집되고, 생성된 가스는 집진 필터에서 불순물을 제거하고 가스유량계를 경유하여 외부로 배출시켰다.
실험완료 후 포집부를 주 반응기 하단으로부터 빼내고, 원형 포집 시편에 포집되는 회분을 채집하여 전자저울을 이용하여 무게를 측정하였으며, 또한 융착된 회분의 조성 성분을 정성적(Energy Dispersive X-ray spectrometer분석), 정량적(무게분석)으로 분석하였다.
표 2는 각 탄종에 대해 포집 온도 변화, 포집시편의 위치 변화, 형태 변화에 따른 실험에서 포집된 회분의 무게와 투입된 석탄 고유 무게 비를 나타낸 것이고, 표 3은 포집 시편의 위치와 온도에 따른 생성 회분내의 화학 조성을 비교하여 나타낸 것이다.
포집 표면 온도 1000℃수평상부 700℃수평하부 1000℃반원형상부 700℃반원형하부
석탄 1 17.42 0.45 12.72 1.36
석탄 2 16.37 4.24 11.24 1.47
1000℃상부 700℃상부 700℃하부
석탄1 Si 40.04 37 40.24
Al 17.79 19.02 12.09
Fe 7 11.89 15.61
Ca 33.2 29.94 26.07
Mg 1.98 2.16 1.72
Na - - -
K - - 2.11
Ti - - 2.17
석탄2 Si 49.38 47.51 44.59
Al 25.44 26.57 23.46
Fe 16.2 17.87 23.58
Ca 4.76 3.66 5.04
Mg 1.25 - -
Na - - -
K 2.97 4.4 3.34
Ti - - -
그리고, 도 7은 각 탄종에 대하여 포집 온도와 위치, 시편의 형태 변화에 따른 회융착 실험에서 포집된 회분 무게와 실제 투입된 회분 무게 비 변화를 나타낸 것이다.
포집 장치를 이용한 실험결과를 이용하여 투입 석탄의 조성, 표면 온도, 포집 시편의 형태를 이용하여 석탄의 연소/가스화 조건에서 회분 융착 경향을 파악할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치의 설치 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치를 일 예를 보인 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치의 일 예를 보인 분리된 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 중 포집 시편의 일 예를 보인 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치 중 포집 시편의 다른 실시예를 보인 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집방법을 보인 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치를 사용하여 포집된 회분 무게와 실제 투입된 회분 무게비를 나타낸 그래프이다.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10: 포집부 11: 홈
20: 포집캡 21: 응집부
22: 관부 30: 시편 받침대
31: 관통홀 40: 포집 시편
41: 베이스 42: 포집편
50: 열전대 100: 포집장치
200: 인젝터 210: 발열체
220: 수냉관 221: 관체
222: 배기관 230: 집진필터
240: 유량계 250: 사이클론
260: 진공펌프

Claims (7)

  1. 석탄의 성분 및 운전조건으로부터 파울링 성향을 파악 및 예측하기 위한 장치에 있어서,
    석탄 수송 인젝터의 끝단에 위치하는 원통형의 포집부(10)와;
    상기 포집부(10)의 내측에 구비되어 생성되는 비산재를 포집하는 탈착 가능한 깔때기 모양의 포집캡(20)과;
    상기 포집캡(20)의 중앙에 위치되어 그 중심측이 상하 관통되는 원통형의 시편 받침대(30) 및;
    상기 시편 받침대(30)의 상하면에 장착되어 교체 가능한 2개의 포집 시편(40)으로 구성된 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 포집 시편(40)은 중심측이 관통형성되는 링 형상의 판재로 이루어진 베이스(41)와;
    상기 베이스(41)를 2등분 하여 양단을 가로지르는 포집편(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 포집편(42)은 수평판형 또는 반원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시편 받침대(30)는 서로 다른 높이를 갖도록 1~5cm의 높이 이내로 2개 이상 구비되어 교체 장착되는 것으로, 이를 통해 시편 받침대(30)의 상하측에 장착되는 포집 시편(40) 간의 거리를 조절하여 시편 간에 온도 차이를 준 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 포집 시편(40) 온도를 측정할 수 있도록 포집부(10)에 외주면에 다수의 홈(11)이 형성되고, 상기 홈(11)에 다수의 열전대(50)가 구비된 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 홈(11)은 1~5cm길이로 형성되고, 각각의 홈(11)에 K 형 열전대(50)가 홈(11)의 길이별로 설치되는 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집장치.
  7. 석탄 수송 인젝터의 끝단에 위치하는 원통형의 포집부(10), 포집부(10)의 내측에 구비되어 생성되는 비산재를 포집하는 탈착 가능한 깔때기 모양의 포집캡(20), 포집캡(20)의 중앙에 위치되어 그 중심측이 상하 관통되는 원통형의 시편 받침대(30) 및 시편 받침대(30)의 상하면에 장착되어 교체 가능한 2개의 포집 시편(40)으로 구성되는 비산재의 연속 포집장치(100)를 이용하여 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집방법에 있어서,
    생성된 회분을 채집하기 위해 포집장치(100)를 주 반응기 안에 투입하고, 반응로 안의 투입 높이를 조절하여 원하는 회분 포집 온도로 맞춘 다음, 포집부(10) 외벽의 열전대(50)와 연계된 온도계를 통해 포집부(10)의 온도를 관찰하는 온도설정단계(S100)와;
    온도설정단계(S100)를 거쳐 포집부(10)의 온도가 안정되면 1,2차 흐름 가스와 석탄을 투입하며, 이와 동시에 진공펌프를 작동시켜 석탄발생가스와 투입가스만큼의 유량을 외부로 배출하는 비산재 생성단계(S200)와;
    생성된 비산재를 포집부(10)를 이용해 일정시간 포집하며, 포집되지 않은 다른 비산재는 냉각하여 사이클론에 포집하고, 생성된 가스는 집진 필터를 이용해 불순물을 제거한 다음 가스 유량계를 경유하여 배출하는 비산재 포집단계(S300)와;
    비산재가 포집된 포집부(10)를 탈거한 다음, 포집 시편(40)에 포집된 회분을 채집하여 전자저울을 이용해 그 무게를 측정하고, 포집된 회분의 조성 성분을 분석하는 비산재 분석단계(S400) 및;
    포집부(10)의 온도와 포집 시편(40)의 위치 및 포집 시편(40)의 형태를 달리하여 온도설정단계(S100), 비산재 생성단계(S200), 비산재 포집단계(S300), 비산재 분석단계(S400)를 반복 실시하여 그 결과를 비교분석함으로써 파울링의 융착 특성을 파악하는 비산재 특성 비교단계(S500)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파울링의 융착 특성을 파악하기 위한 비산재의 연속 포집방법.
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