국내 석탄회의 용융점 저하를 위한 광화제효과

임명훈·김성철·조진욱·김일곤·김상준·한 춘

광운대학교 화학공학과

Effects of Mineralizers on Fusion Temperature of Domestic Coal Ash

Myoung-Hoon Iim·Sung-Chul Kim·Jin-Wook Cho·Il-Gon Kim     Sang-Jun Kim·Choon Han

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University

1. 서론

무연탄회는 여러 가지 복합염으로 구성되어 있어서 성분의 차이에 의해 용융온도는 차이를 나타낸다.

무연탄에서 발생하는 회분의 용융온도는 대략 1500℃이상으로 시멘트 클링커 소성온도인 1450℃보다 높으므로 무연탄 회분을 시멘트 원료로 활용시 기존원료와의 반응성이 나빠져 시멘트 품질을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 무연탄회분을 시멘트 원료로 활용하기 위해서는 광화제를 활용하여 무연탄회분의 용융온도를 낮추어 기존 원료와의 반응성을 향상시켜야 한다.

따라서, 본 연구에서는 우수한 광화제로 보고된 CaO, MgO, Fe2O3등 염기성 산화물의 첨가에 따른 무연탄회 용융도 측정을 통하여 시멘트 클링커 소성온도에 부합되는 적절한 광화제 첨가량을 파악하였고, 무연탄회의 용융점에 가장 큰 영향을 미치는 최적의 광화제를 선정하고자 하였다.

2. 실험

가. 실험방법

국내무연탄 3종(도계, 철암, 석항)을 선정하여 200mesh이하로 분쇄하여  원소분석 및 공업분석을 실시한 결과 회분은 31.9∼37.9%정도 였고, 휘발분의 함량은 3.55∼4.15%로서 국내무연탄의 특징인 회분의 함량이 높고, 휘발분의 함량이 낮은 것을 알수있다.

200mesh이하로 분쇄된 Coal 시료를 KS E 3705 4절(Ash정량방법)의 규정에 준하여 전기로에서 10℃/min의 가열속도로 815±8℃까지 올린후, 유지시간을 10시간을 주어 Ash를 제조하여 무기산화물에 대한 화학분석을 실시하여 Table 1 에 나타내었다.

Table 1. Chemical analysis of coal ashes

시료명	wt.%	Chemical Analysis ( % )
		SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	TiO2	Igloss
도계	100.0	54.80	30.56	4.64	0.78	0.67	5.19	0.34	1.71	0.51
철암	100.0	52.43	33.39	4.56	1.52	0.72	3.78	0.38	1.85	0.60
석항	100.0	53.87	32.53	4.40	0.52	0.59	4.72	0.52	1.91	0.22

광화제는 순도 98%이상, 1급시약인 CaO, MgO, Fe2O3의 3종류의 광화제를  10, 20, 30, 40Wt%별로 무연탄 회분에 첨가하였다. 제조된 시료는 ASTM D-1857의 규정에 따라 Seger-cone으로 제작되었으며 산화성 분위기에서 가스식 내화로로 1800℃까지 온도상승시키며 용융점을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

가. 무연탄회의 용융점 측정결과

광화제를 첨가하지 않은 도계, 철암 및 석항 무연탄회의 용융온도는  Table 2 에서 보는 바와 같이 1650℃에서 1675℃에서 측정되었으며, 세가지의 용융온도는 비슷하게 측정되었다. 이것은 세가지 무연탄회의 무기산화물의 성분함량이 유사하기 때문인 것으로 사료된다.

Table 2. Fusion Temperature of Coal Ash

회분	Hemisperical Temperature(℃)	Fluid Temperature(℃)
도계무연탄	1650	1675
철암무연탄	1650	1675
석항무연탄	1650	1675

나. 무연탄회의 광화제 첨가실험결과

도계, 철암, 석항무연탄회에 CaO, MgO, Fe2O3의 광화제를 10∼40wt%까지 첨가 실험한 결과를 Fig 1∼3 에 나타내었다.

그림에서 보는 바와 같이 세 개의 시료 모두 CaO 10Wt%첨가시 용융온도는 1300℃정도로서 광화제를 첨가하지 않았을때의 용융온도보다 300℃정도의 융점강하 효과를 보였으며, 도계무연탄회에 CaO 30wt%첨가시에는 광화제 첨가효과가 가장컸으며, 용융온도 1120℃로 가장 낮게 측정되었다. 40wt%첨가시에는 30wt%첨가시보다 광화제효과를 찿아볼수 없었다.

MgO의 경우에는 10, 30, 40wt%첨가시보다 20wt%첨가하였을 때 광화제효과가 가장 컸으며, 용융온도는 철암무연탄회가 1198℃로 측정이 되었다. 그러나, 40wt%첨가시에는 도계, 철암, 석항무연탄회의 용융점이 급상승하여 광화제 효과는  없음을 확인할수 있다.

Fe2O3를 도계, 철암, 석항의 세가지 무연탄회에 첨가하였을시는 10wt%첨가시 1230℃∼1310℃로서 용융온도는 300∼400℃정도의 융점강하 효과를 보였으며, 20, 30, 40wt%첨가시에는 10wt%첨가시보다 용융온도는 50℃정도 강하하지만, 서로 유사한 온도대를 유지함을 알수 있다.

Fig. 1. Effects of mineralizers on the          ash fusion temperature

(Do-gye coal ash)

Fig. 2. Effects of mineralizers on the           ash fusion temperature

(Chul-am coal ash)

Fig. 1. Effects of mineralizers on the           ash fusion temperature

(Seok-hang coal ash)

4. 결론

국내 무연탄회에 대한 광화제 첨가실험 결과, CaO는 30wt%에서 1120℃∼1147℃로서최적의 첨가효과를 나타냈고, MgO는 20wt%에서 1198℃∼1230℃으로 최적의 첨가효과를 보였으며, Fe2O3는 30wt%에서 1180℃∼1200℃로서 최적의 첨가효과를 보였다. 이 세가지 광화제 중에서는 CaO가 광화제 첨가효과가 가장 크며 20wt%이상 첨가시 최적의 용융온도 강하효과(400℃이상)가 있음이 밝혀졌다.

5. 참고문헌

- Joseph G Singer, 'Combution', Combution Engineering inc. chap    3, 1981.

- Frank F. Huggins, Deborah A. Kosmak and Gerald P.             Huffuman, Fuel Vol. 60, 577-584, 1981.

- 국내 무연탄회의 화학적 조성 및 용융특성에 관한 연구, 분석과학    5,4,433-441, 1992.

- Gerald P. Huffman, Frank E. Huggins and George R. Dummyre,    Fuel, 60, 585-597, 1981.

- Wingegartner, E. C. (Ed.) ` Coal Fouling and Slagging              Parameters`    Book No. H-86,    Am. Soc.Mech. Eng, 1984.