초청정 석탄의 제조와 TGA에 의한 연소특성 해석

Abstract

저등급의 석탄으로부터 무회분 초청정 석탄을 용매 추출법에 의해 제조하였으며, 초청정 석탄의 특성 및 연소 특성을 분석하였다. 등급이 다른 3종류의 석탄(Lignite, Sub-bituminous, Bituminous)을 대상으로 하였으며, 추출에 사용된 용매로는 극성 용매인 N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP)와 비극성 용매인 1-methyl naphthalene(1-MN)을 사용하여 운전온도를 달리하여 추출수율과 추출탄에 함유된 회분함량과 고정탄소의 변화에 대해서 알아보았고, 초청정석탄을 여러분야의 연료로 활용할 경우 Char의 반응성이 전체 반응을 지배하기 때문에 Char를 제조하여 질량분석기를 통해 연소성을 고찰하였다. 실험결과 석탄의 열적이완이 발생하는 연화점은 350℃~400℃존재한다. 추출수율 또한 350℃에서 급격하게 증가하였으며, 추출탄의 회분함량은 350℃이상에서 급격하게 감소하였다. 초청정 석탄의 분석결과 1-MN으로 추출하는 경우 회분이 0.05~0.12%, NMP로 추출한 경우 약 0.65~1.16%로 NMP로 추출한 추출탄에 회분이 높게 나왔다. Char의 반응성은 TGA(질량분석기)를 이용하여 분석하였으며, 공기분위기에서 상온에서 10℃/min 1,000℃까지 승온하여 무게 감량과 DTG burning profile을 기록하였다. DTG비교 결과 석탄의 등급이 높을수록 높은 온도에서 연소가 이루어졌다. 실험에서는 DTG 기준으로 1%/min 변화하는 시점을 연소 시작점과 종료점으로 정의하였다. 각 석탄의 온도에 따른 전환율은 각 용매로 추출한 석탄의 잔탄 전환율은 원탄과 유사하였다. 이에 비해서 1-MN 추출탄인 경우에는 등급에 관계없이 거의 유사한 conversion profile을 보이는 것을 알 수 있다. NMP 추출탄의 경우 아역청탄은 conversion 0.6에서 역청탄은 conversion0.8에서 변곡점을 보는데 이는 연소기구의 변화(반응율속 단계가 표면반응기구에서 확산기구로 변함)로 판단된다. 반응속도상수의 온도의존성은 Arrhenius식으로 표현되는데, 반응속도식에서 전환율을 식에 포함하여 양변에 대수를 취하고 미분 편차값을 정리하면, Freeman-Carroll(논문)식을 구할 수 있다. 그래프의 기울기와 절편으로부터 활성화에너지(activation energy) E와, 반응차수 n값을 구하였다.