DTF를 이용한 가스화기에서 석탄회분의 Slagging 성향에 관한 연구 = (The) objective of this study is to evaluate the ash slagging behavior of various candidate coals for IGCC power plant from their physical and chemical properties

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 가스화반응에서 석탄회분의 거동을 살펴봄으로써 실제 가스화기에서 석탄회분의 슬래깅 성향을 알아보기 위해 DTF실험장치를 이용하여 수행되었다. 실험을 위한 대상탄의 선정에 있어서는 국내 화력발전소에서 사용하고 있는 6종류의 수입탄을 대상으로 공업분석, 원소분석, 회분의 용융온도 측정, 화학적조성 분석 및 현재까지 계시되고 있는 슬래깅 성향 명가 파라미터에 의한 계산결과 등을 이용하였는데, 그 결과 Alaska한과 ROTO탄이 슬래깅 형태의 가스화기에 가장 적합할 것으로 평가되어 Alaska탄을 대상탄으로 선정하였다.
대상탄으로 선정된 Alaska탄과 이에 대한 비교탄인 Ulan탄을 이용하여 CaO를 각 %별로 첨가하면서 용융온도의 변화를 관찰하였는데, 이 결과에 의하면 실험에서 관찰된 용융특성과 CaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2) 상평형도의 용융특성이 비슷한 경향을 가진다는 점과 석탄회분 내에 포함되어 있는 염기성 성분의 양과 첨가제로 들어가는 CaO의 양을 합한 전체 염기성 성분의 양이 약 35∼40% 정도 되는 범위에서 회분의 용융온도가 가장 낮아지고 그 이상 첨가될 경우에는 오히려 용융온도가 증가된다는 것을 알 수 있었다.
Alaska탄을 대상으로 DTF 장치를 이용한 실험에서 생성된 비산재와 융착회분을 SEM, EDX, XRO, 뫼스바우어 분광법으로 분석한 결과, 석탄 내에서는 여러 형태의 화합물로 존재하며 미네랄 성분들이 가스화반응에서는 Mullite와 Gehlenite 형태로 전이되었다가 무정형의 Fe^(2+) Aluminosilicate로 변형됨을 알 수 있었다. 그리고, 회분내에 포함되어 있는 SiO_(2)와 Al_(2)O_(3)의 비가 1에 가까와 질 수록 산화성 분위기인 연소반응에서 보다 환원성 분위기인 가스화반응에서의 용융온도가 더 낮아지므로 두 반응에서의 용융온도 차이는 커진다는 관계를 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objective of this study is to evaluate the ash slagging behavior of various candidate coals for IGCC power plant from their physical and chemical properties. For the six different bituminous and subbituminous coals, proximate and ultimate analysis were conducted and the data were evaluated according to slagging behavior of ashes. Also, the chemical composition and fusion temperature of coal ashes were determined. The slagging behavior of each coal ash was evaluated by calculating six different slagging parameters, such as Silica Ratio(SR), Slagging Index (Rs, R_(TS), Fs) and so on. From the results, Alaska and ROTO coals are good candidate for the slagging type gasifier, because of their high slagging tendency.
The effect of flux addition was also studied with candidate coals to select optimum operating condition in the IGCC system. When CaO was added to Alaska and Ulan coal ashes, the experimental results of fusion temperature of each coal ash had a similar tendency with the liquidus line of CaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2) phase diagram. The phase diagram results illustrated that the ash fusion temperature has a minimum value when the amounts of basic element in coal ash and CaO flux were about 35-40%. However, the amount of total basic elements, including CaO flux, exceeded aforementioned range, the fusion temperature was increased again.
The fly ash and deposit of Alaska coal which formed from DTF were investigated by SEM, EDX. XRD and Mo¨ssbauer spectroscopy. From these analytical tests, it was identified that the mineral matters are included in coal as various compounds, such as hematite, quartz and anorthite etc., were transformed to mullite and gehlenite in fly ash during gasification reaction. And they were transformed to amorphous Fe^(2+) aluminosilicate phase in deposit. As the silica/alumina ratio of coal ash approaches to one, the ash fusion temperature was further decreased in reducing atmosphere than in oxidizing atmosphere, so that the temperature difference in oxidizing and reducing atmosphere was increased. Therefore, the coals of this type are more useful for slagging gasifier than other coals which have high silica/alumina ratio. Furthermore, these results will be used as reference data to operate the 3T/D bench scale unit gasifier in Ajou university.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅲ
• 제1장 서론 = 1
• 제1절 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 제2절 연구내용 및 범위 = 3
• 제2장 가스화기와 보일러에서의 슬래깅 = 5
• 제1절 석탄회분의 특성 = 5
• 1. 석탄내의 무기성분 = 5
• 2. 석탄회분의 조성 및 물리적 성질 = 6
• 제2절 보일러에서의 슬래깅 = 8
• 1. 회분에 의한 융착현상 = 8
• 2. 보일러에서의 파울링 = 9
• 3. 보일러에서 융착현상에 의한 문제점 = 10
• 제3절 가스화기에서의 슬래깅 = 13
• 1. 화학적조성과 슬랙제거온도 사이의 관계 = 14
• 2. 실리카 함량에 따른 점도의 변화 = 16
• 3. 가스화기에서의 파울링 = 18
• 제3장 석탄회분의 특성분석 및 슬래깅 성향 평가 = 19
• 제1절 대상탄 회분의 기본분석 = 19
• 1. 공업분석 및 원소분석 = 19
• 2. 화학적조성 분석 = 20
• 3. 미네랄 분석 = 21
• 제2절 대상탄 회분의 용융온도 측정 = 22
• 제3절 계산에 의한 가스화기에서의 슬래깅 성향 평가 = 25
• 제4장 회분의 용융성에 미치는 첨가제의 영향 = 30
• 제1절 회분의 용융온도와 삼성분계 상평형도의 관계 = 30
• 제2절 CaO 첨가에 따른 회분의 용융온도 변화 = 33
• 1. 첨가제의 선택 및 실험 = 33
• 2. 첨가제가 용융성에 미치는 영향 = 34
• 제5장 DTF (Drop Tube Furnace) = 38
• 제1절 실험장치 = 38
• 1. 석탄공급장치 (Coal Feeder) = 40
• 2. 가스예열기 (Gas Preheater) = 40
• 3. 주반응기 (Main Reactor) = 41
• 4. Injector 및 Probe = 41
• 5. 증기발생장치 (Steam Generator) = 42
• 6. 주변장치 = 42
• 제2절 실험방법 = 42
• 1. 유량계의 검정 = 43
• 2. 석탄회분의 융착 실험 = 43
• A. 연소반응 = 44
• B. 가스화반응 = 46
• 제3절 실험결과 및 고찰 = 48
• 1. 레이놀즈 수의 계산 = 48
• 2. 반응에서 형성된 융착회분의 특성 = 50
• 3. 융착회분의 특성 = 53
• A. SEM-EDX-XRD에 의한 분석 = 53
• B. 뫼스바우어 분광법에 의한 분석 = 58
• 제4절 석탄회분의 슬래깅 성향과 가스화기 운전온도의 상관성 = 64
• 제6장 결론 = 69
• 참고문헌 = 72
• 부록 = 74
• ABSTRACT = 81