Applied Chemistry, Vol. 13, No.1, April 2α~， 137-140

순 산소 연소 보일러때서 발생한 석탄회의 특성 평가

깊객관·검미영·부창진·이현동·장석원·검성천

한국전력공사 전력연구원 수화력발전연구소

Chamcteristics of fly ash genemted from Oxy-coal combustion boiler

jae-kwan Ki!!! . Mi-yeong Kim . Chang-jin Boo . Hyun-dong Lee . Seok-won Jang . Sung-chul Kim Power generation lab .. Korea Electric Power Research Institute . KEPCO

Abstract One of the ways to face the abatement of C02 emissions in power plants is the combustion

of coal using oxy-fuel technology. In this case coal would be burned in a 02/C02 atmosphere and

the flue gas would consist mainly of CO2 which after condensation of water could be quasi-ready

for storage. Most of the work related to oxy-fuel

combustion has been applied to high volatile coa ls. [n this study ‘ character istics of fly ash

generated after high volatile bituminous coal was fired at drop tube furnace (DTF) boiler under

oxy-fuel conditions were investigated. A drop tube furnace (DTFl operated at 1 ‘ 100 'C with

oxygen concentration ranging from 15 to 38% has been used to prepare the fly ash. The results

indicated that characteristics of the fly ash generated from oxy-fuel boiler were similar to it of

existence air coal fired boiler

1. 서 론

일반 공기를 사용한 미분탄 보일러와 달리， Oxy-fuel combustion 화력발전소용 보일러는 배

기가스 내에 질소 성분이 없어지는 대신 화염 복사에 직접적인 영향을 끼치는 HιO와 CO~의 분압

이 높아지므로 가스부와 물/증기부의 복사 열전달 륙성이 크게 달라 지게 된다. 또한， 배기가스

재순환(FGR Flue gas recirculation) 기숭의 척용 방법에 따라 가스 유량 및 옹도도 딸라질 수

있다[lJ. 따라서 일반적인 공기연소 보일러 기술을 기반으로 하여 순산소 연소에 의해 발생되는

석탄회의 경우 물리화학적 성질의 변화를 예상할 수 있다. 석탄은 풍부한 매장량‘ 저렴한 가객‘ 공급원

의 안정성 둥으로 인해 천 세계적으로 화력발전소의 근간이 되는 원료로서 사용되고 있으며， 2008년 6월 기준으

로 전력설비 70,353MW 중 석탄화력은 21 ,835MW , 31%를 차지하고 있다. 제 2차 전력수급기본

계획 (2004 - 2017년)에 의하면 현재 보다 무연탄화력 400MW(2기) , 역청탄화력 13,000MW 08

기)의 석탄화력 발전소가 추가로 건설될 예정이며， 석탄화력이 발전원으로서의 비중은 증대되고 있다.

이에 따라 석탄회 발생량이 2008년 년칸 600만톤에서 2013년에는 년간 830만톤으로 증가할 것

으로 예상되 고 있다. 그러 나 2008년 말 현재 석 탄회 재 활용율은 80%에 이 르고 있으며 , 향후 석

탄회 발생량이 지속척으로 증가시 석탄회 대량 재활용 분야인 시멘트 볼탈 및 콘크리트혼화재 분

야 재활용올 위해서는 순 산소 연소보일러에서 발생하는 석탄회의 물성특성 평가가 펼요한 실정

이다.

2. 실 험

본 실험에서는 대표적인 수입탄(역청탄) 1 종올 〈그림 1>의 DTF (Drop Tube Furnace) 에서

공기 기준 산소농도 15 - 38%에서 연소후 발생하는 석탄회의 특성을 분석하였다. 석탄회의 화학

성분은 ICP (Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometry) 를 이용해 화학성분 분석하였

137

138 김재관·김미영·부창진·이현동·장석원·김성철

으며， 입자형상 측정은 연소 잔사 표변을 금 (Au) 으로 코팅하고 전자주사현미경 (SEM , Hitach,

X-650)올 이용해 관찰하였다. 그리고 EDS (Energy Dispersive Spectrometry , Kevex 2023)

로 연소 잔사 표면충의 성분을 훈석하였다. 석탄회의 광물질 성환을 검토하기 위해 분말법에 의한

X-선 회절분석 (XRD ， Philips , pw-1700, Cuk a , 40kV , 25mA, \J i-filter) 을 행하였다. 한편

입도는 Cilas- l064 PSA로， 비중은 진비중 측정기로， Blaine비표연척은 Quanra-Chrome BET

를 이용하여 측정하였다.

;헐싫 í_-끼 sa."， ‘"_..’‘ ‘ι‘。‘ 석~ι -' -it __ ‘- =:-

LV‘3, ‘

• ν、

‘.

。

?

μ‘ ‘

i ‘·

@ ”

..... Ing ·‘_ ... ,,^"-' ~ ι ~.etlO" “-

(1 ) 개략도 (2) 사진

〈그림 1> DTF (Drop Tube Furnace)

3. 결과및토론

N2가스 기준으로 호주 Anglo탄올 산소농도별 TGA연소특성 실험 후 부산물 회분의 한국표준규격

항목의 측정결과 〈표 1>과 같다. 특히， 연소부산물의 미연분의 발생특성 확인을 위해 TGA의 옹도를

500 'C 종료옹도로 하고 500 'C옹도 도달 시 완전 질소분위기로 전환하여 더 이상 연소가 되지 않도록

실험하였다.

〈표 1> 산소농도별 발생 석탄회 품질특성 비교

* :C02 basis , others N2 basis

〈표 1>과 같이 산소농도와 무관하게 미연탄소 함량이 3%이하이기 때문에 KS규정에 적합하나， 산

소농도가 감소 할 수 록 미연탄소 함량이 증가하는 경향을 보였다. 또한 대부분의 경우 〈표 1>과 감이

화학성분 함량에는 커다란 차이를 보이지 않았으며 ， 미연분 함량이 증가할수록 발생한 석탄회의 비표

면적이 증가하는 경향을 보였고 통일한 조건에서 CO2가스를 기준으로 연소 실험 시 발생하는 석 탄회

응용화학， 제 13 권 제 1 호， 2αB

139 순 산소 연소 보일러에서 발생한 석탄회의 특성 평가

의 미연탄소 및 비표면적이 증가하는 경향이 나타났다. 산소농도와 무관하게 대부분의 경우 (Quartz.

Si02) . Mullite M (Mulite. AI :;0 !'2SiO :; ) 가 주결정으로 나타냈다. 또한， 산소농도에 따른 Quartz동의

주결정 피크는 〈그림 2>와 같이 CO:;를 기준으로 할 때 보다 N:;를 기준으로 할 때 결정화도가 높게 나

타나는 경향올 보이며， 산소농도가 높을 수 록 주결정의 결정화도가 향상되는 특성을 보였다. 이는 산

소농도가 높을 수 록 혼합가스 중 산소의 확산속도가 중가하여 연소 시 산화물 결정화도 속도를 향상

시키는 것으로 예측할 수 있다. <그림 2>와 같이 대부분 수입 Anglo탄을 질소분위기에서 연소하거

나 C02분위기에서 공기농도와 동일한 조건에서 연소 할 경우 대부분 구형의 미립 유연탄회들이 발생

하는 반면 질소분위기에서 산소농도가 낮은 1 2%의 경우 석탄 연소회분과 영기어 있는 형태로 존재

하였다. <그림 3>과 같이 미연탄소분이 높게 나타난 산소농도 12%에서 연소한 회분의 경우 다공성

미연탄소의 존재하는 것올 볼 수 있었다.

。

3.

。

。

M Q 。

‘;u..μ...L‘L】‘ 1000

2Th‘_[deg.] O 2 oono.깨， .... ‘on‘vol .%’ 〈그림 2> 산소농도별 석탄회의 XRD 분석 및 주철정 피크변화

{

편 。

.--- •

_21‘。，(C。너 b…)

12'1. O ](N 2b.s’‘’ ‘’‘ 。z‘N1 ba$1aj31‘。싸g’.，

-_ 3‘’‘ 。?‘N] ~I‘’ 1

。

3。∞

@없냐밀

‘

(1) 21% 0 2 석탄회 (1'J:; basi s) (2) 12% 02 석탄회 (N2 basis)

〈그립 3> 산소농도별 석 탄회 의 SEM분석 결 파

입도폭성에는 커다란 차이가 없는 것으로 확인되는 반면 기공특성은 〈표 2>와 이 입도특성과 판계없

이 질소분위기에서 미연분 함량이 높은 산소농도 16%에서 가장 BET표면적이 높았고 CO:;분위기에

서 공기와 동일조건인 산소농도 21%에서 두 번째 높은 비표면적을 보였다. 이는 〈표 2.G> 과 같이 다

공성 미연분의 함량이 높을수록 기공도가 증가하여 기공표면적이 증가함올 알 수 있다. 석탄회는 산

성성분 (Si02. AbO:!. TiOz)과 염기성 성분<re:;O‘!. CaO.MgO. NaO. K:;O) 으로 조성되어 있으며

일반적으로 산성성분이 염기성 성분 보다 함유량이 많올수록 융점은 높아진다 [2].

호주 Anglo탄의 질소분위기 및 C02분위기의 21% 산소농도에서 발생한 회분의 회융점 륙성을

고옹 현미경 측정결과 〈그림 4>와 같다. 호주 Anglo탄의 질소분위기에서 연소한 회분의 경우 최

Applierl Chemistry. Vo1. 13. No. l. 200:)

140 김재관·김미영·부창진·이현동·장석원·김성철

초변형점 [IDT (Ini tial

Temperature ) 1 이 [HT (Hemispherical

Temperature) 1 이

Deformation T emperature) 1 이 1.206"(; 이 며 , 연 화점 [ST (Softening

1 ， 31 5 "(; 로 확인되며， 삼각모양이 반구모양으로 용융되는 반구점

Temperature) 1 이 1 ， 349 "(; 이며， 최초 유동이 일어나는 유동점 [FT(Fluid

1， 392"(; 로 확인되었다

〈표 2> 산소농도별 석탄회의 기공특성 변화

한편 C02분위기에서 발생한 회분의 경우 1,230 (l DT) • 1.355 "(; (ST) • 1,38 6 "(; (H T ) •

1,4 59"(; (FT) 로서 10% 혼소시에는 회융점에 커다란 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다 통일

산소농도의 조건에서 분위기를 질소 혹은 COι로 하여도 회 융점에는 커다란 제약이 없논 것으로

생각되나 다양한 석탄회의 종류별 실험이 펼요하다.

4 . 결 론

tι) L 1 % 0< 〈그림 4> 가스분위 기 별 발생

ι basis) 석탄회의 회융점 분석결과

N<분위기에서의 산소농도가 높올 수 록 혼합가스 중 산소의 확산속도가 증가하여 연소 시 산화물

결정화도 속도를 향상시키는 것으로 예측할 수 있다. 산소농도가 중가할수록 발생하는 석탄회의 주결

정의 결정화도는 증가하나 석탄회의 재활용에 영향올 미치는 화학성분에는 거의 변화가 없는 것으로

나타났다. 특히， 순 산소 보일러 내 석탄회의 회 융점의 경우 산소농도와 무관하게 안정적 범위로 나타

났다.

1.

2.

참고문헌

J. al. , “ Combustion kinetics of coal chars tn oxygen J. Murphy et

environme nts, " Combustion and Flame 144 ,29 , 710(2006).

Prabhat Naredi et al.," Oxy-Fuel Combustion Effect of recycled

enriched

C02 on

pyrolysis Behavior and Char Reactivity , D. of Energy & Mineral

Pennsy lvaia State University , Combustion and Flame 144 , 710-729 (2006).

Eng ..

응용화학， 제 13 권 제 l 호， 2αB