The fragmentation and attrition characteristics of fluidized materials (coal, limestone, ash) have been determined in a thermobalance reactor, fluidized beds and a circulating fluidized bed.
The fragmentation characteristics of anthracite coal particles during devolatilization have been determined in a thermobalance reactor and thermogravimetric analyser (TGA).
The effects of fragmentation of coal particles on fly ash formation and particle size distribution in a circulating fluidized bed combustor (CFBC) should be determined in order to maintain good fluidization and combustion efficiency. Therefore, the effects of devolatilization temperature (750 - 900 ℃), coal size (0 - 12 mm) and coal properties (carbon content, hardgrove index-HGI and pore volume) on the primary fragmentation and particle size reduction have been determined in a thermobalance reactor. During devolatilization of coal, the primary fragmentation occurs to break down coal particles into pieces. The coal properties, size of coal particles, and bed temperature influence fragmentation of anthracite coals in a combustor. The fragmentation index decreases with increasing HGI and pore volume of coal particles but increases with increasing carbon content of coal. However, the effect of particle size is more pronounced on fragmentation compared to the coal properties. The fragmentation index increases with the reactor temperature and particle size. Thus, the reduction ratio of particle size before and after devolatilization increases with increasing devolatilization temperature and particle size.
The effects of physical properties of coals and devolatilizaiton temperature on particle size reduction after devolatilization have been correlated as
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Therefore, the correlation equations for fragmentation in the CFBC model of the international energy agency (IEA) might be modified as
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Attrition of particulate materials takes place wherever solid particles are handled and processed in various physical and chemical processes. In fluidized bed combustors, fine coal and ash particles are generated by varying operating parameters such as gas velocities and the bed pressures.
The characteristics of particle size reduction and attrition rate of the anthracite ash by gas jet in an ASTM attrition tester (D5757-95) have been determined. To determine the effects of orifice gas velocity and particle size on size reduction and attrition rate of coal and ash particles, three different orifice hole sizes (0.7, 1.0, 1.5mm) and four different sizes of anthracite ash (250-300, 300-425, 425-600, and 600-710 ㎛) were employed in this study. The particle size reduction and attrition rate of anthracite ash in the tester are found to be a function of the operation parameters (superficial gas velocity, orifice gas velocity, bed weight) and the physical properties of solid and gas phases (particle size and gas density). The attrition rate and the particle size reduction increases with increasing superficial gas velocity and orifice gas velocity with different gas distributors. Since increasing superficial gas velocity and orifice gas velocity led to increase kinetic energy of gas phase, particles are accelerated by gas jet that might provide more intense particle collisions and consequent increase in particle attrition. The progression of attrition might decrease since the bed volume unaffected by gas jet so that the mean particle sizes decrease with increasing the initial bed weight. However, the initial bed weight does not produce significant effect on fine particle generation. The particle size reduction increases with increasing gas density, but decreases with increasing particle size.
A simple model is proposed to predict particle size reduction due to gas-jet attrition based on the single orifice attrition as
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In a laboratory scale fluidized bed combustor (0.1m I.D. × 0.85m high), the attrition characteristics of sand, Korean anthracite coals and ash of Korean anthracite with variation of gas velocity have been determined. The attrition of ash particles is more pronounced than that of sand that generally used as fluidizing medium and the attrition index of ash from the ASTM D5757-95 is found to be 5 times higher than that of sand. The fine particles generated by particle attrition increases with increasing gas velocities. Attrition rate and elutriation rate might decrease with increasing time. Sizes of the fine particles generated by attrition are under 100 ㎛, and the mean sizes decrease with increasing the operation time.
The attrition rate of ash can be correlated with the excess gas velocity in the fluidized bed as
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Attrition phenomena in circulating fluidized beds is more severe than that in bubbling fluidized beds because of high gas velocities, solid recirculation through cyclone. In a laboratory scale circulating fluidized bed combustor (0.035m I.D. × 2.2m high), the effects of operation time, particle size, bed inventory, gas velocity on the attrition characteristics of ash and Korean anthracite coal have been determined. As the operation time increased, weight fraction of the fine particle under 300 ㎛ increases. The attrition rate of anthracite coal is found to be higher than that of ash due to complex components of the coal. Since the effect of temperature on attrition is comparatively small, the attrition rate is almost same with increasing bed temperature. The attrition rate of coal is found to be proportional to the square of excess fluidizing velocity $(U-U_{mf})as
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열천칭 반응기와 순환유동층 반응기를 이용하여 유동층 연소로에 주입되는 석탄, 회재 등의 분열과 마모에 대해서 연구하였다. 열천칭 반응기의 온도는 연소로의 온도와 동일한 $850^\circ C$ 를 기준으로 $750-900^\circ C$ 까지 실험하였다. 사용된 석탄은 국내 무연탄 7종으로 실제 반응기에 들어가는 크기인 0-12mm의 입자들을 사용하였다.
석탄이 연소로에 주입되면 탈휘발에 따른 내부압력의 증가 또는 열응력의 증가로 인해 분열 현상이 발생한다. 유연탄의 경우, swelling index가 1에 가깝고 회재의 함량이 높은 경우 발생하며 swelling index가 높은 경우 발생하지 않는다. 국내 무연탄의 분열은 크게 반응온도와 입자의 크기에 따라 큰 영향을 받는다. 반응온도가 증가할수록, 입자 크기가 증가할수록 분열이 활발하게 발생하여 입자의 크기 변화를 일으키게 된다. 석탄의 크기에 따라 큰 영향을 받는 것은 열응력 및 내부 압력이 커지기 때문이다. 석탄의 고유 성질인 탄소 함유량이 증가할수록 분열 index가 증가하였으며 이는 유연탄의 결과와도 비슷하다. 이는 탄소 함유량이 증가할수록 탄소 조각이 더 잘 분리되기 때문이다. 석탄의 물리, 기계적 특성인 pore volume과 hardgrove index가 분열에 복합적인 영향을 준다. Pore volume이 증가할수록 석탄의 분열 index가 감소하였으며 hardgrove index에 따라서도 영향을 받는다. 연소로에 주입된 고체 시료의 분열 과정 전, 후의 크기를 비교하였다. 입자 크기가 증가할수록 그 변화폭이 증가하였으며 이는 입자의 크기가 증가하면 분열이 증가하는 경향과 일치한다. 전체 석탄의 크기 감소는 8%정도 되었다.
ASTM D5757-95 jet attrition test를 이용하여 유동층 층물질인 모래, 석회석, 회재를 실험하였다. 회재의 마모지표는 모래의 5배, 석회석의 2배를 나타내었고 이는 회재가 jet attrition 에 매우 취약하다는 것을 의미한다. Jet attrition test를 통해 발생한 미분들의 입도를 보면 대부분 100m 이하였으며 이는 고체의 특성과는 큰 차이가 없었다. 따라서 jet attrition 과정은 입자가 깨지기보다는 abrasion 이 우세하게 발생함을 알 수 있다. Orifice 의 크기를 변화시켜 jet attrition test를 한 경우, 유속이 증가하면 마모 속도가 모든 orifice 에서 증가하였다. 이는 주입되는 기체의 운동에너지가 증가하고 orifice gas 속도가 증가하기 때문에 abrasion 이 활발히 일어났기 때문이다. Orifice gas 유속이 증가할수록 마모 속도는 증가하였고 동일한 orifice gas 속도에서는 orifice 가 클수록 마모 속도가 크게 나타났다. 이는 주입되는 기체의 운동에너지가 크고 elutriation 속도가 커지기 때문이다. 따라서 jet attrition 에 의한 마모 속도는 orifice gas 속도뿐만 아니라 기체 유속에도 영향을 받고 있다. 유동층의 높이, 즉 초기 고체 주입량이 증가하여도 jet 의 크기가 전체 유동층 높이보다 높은 경우, 큰 영향을 받지 않는다. 그러나 초기 주입량이 작을수록 입자와 입자, 입자와 벽 등의 충돌 횟수가 증가하기 때문에 무게 분율 (Wc/Wo) 은 감소하게 된다. 유동층을 이루는 고체 입자의 크기가 증가할수록 abrasion 이 발생할 가능성이 높기 때문에 마모 속도가 높게 나타났다. 이는 동일한 유동층 높이에서 입자가 작을수록 더 많은 고체 입자를 함유하게 되기 때문이다. 기체의 밀도가 증가하면 기체가 유동층에 전달하는 운동에너지가 증가하기 때문에 마모 현상이 활발히 발생하여 최종적으로 마모 속도가 증가하게 된다. 유동층의 입도 분포는 마모 속도가 증가함에 따라 더욱 크게 변하게 된다. Jet 에 의한 particle size reduction 은 기체 유속, orifice gas 유속이 증가할수록 증가한다. 이는 abrasion 이 활발해 질수록 입자 크기가 더 작아지기 때문이다.
본 연구에서 모사하려는 상용 순환유동층 연소로에서는 기존의 순환유동층 연소로와는 다르게 석탄 회재가 직접 층물질로 이용되고 있다. Pilot scale 순환유동층 연소로에서 회재의 마모 및 비산을 측정한 결과 시간이 지나도 지속적으로 회재가 연소로 밖으로 배출되었다. 이는 유동층에서 입자와 입자, 입자와 벽 등의 충돌로 인하여 층물질의 감소가 지속적으로 일어남을 나타낸다. 유동층 연소로에서 상용 순환유동층 연소로에서 사용되는 회재와 비슷한 입자크기를 가지는 모래의 마모 실험을 하였다. 마모 실험 전후의 평균 입도크기는 약 240m 로 거의 비슷하였다. 유동층 연소로에서 모래와 비교 실험한 결과 모래보다 회재가 마모 및 비산에 취약함을 알 수 있었다. 따라서 석탄 회재의 마모 및 비산 특성이 전체 연소로의 조업에 큰 영향을 끼치며 특히 비산 회재 발생에 중요한 원인임을 알 수 있다. 유동층 연소로에서의 입자 마모는 운전 시간에 따라 변하게 되며 초기 1시간 이내에서 매우 높게 나타난다. 그러나 2시간 이후에는 거의 평형에 도달하게 된다. 마모 실험 전후의 고체 입자를 SEM 으로 찍어 입자의 표면을 조사하였다. 마모 전후를 살펴보면 거친 표면에서 매끈한 표면으로 변하는 것을 볼 수 있으며 이는 유동층 마모가 jet attrition 과 비슷하게 표면에 더 큰 영향을 준다는 것을 의미한다. 유동층 마모에 따른 비산회재의 입도 분포를 측정한 결과, 시간이 지날수록 입도 크기가 감소하는 경향을 보였다. 그러나 마모가 평형에 도달하는 2시간 이후에는 거의 일정해졌으며 10m 이하로 되었다. 유동층 연소로에서 회재의 마모 및 비산 특성을 측정하였으며 Merrick and Highley(1974)의 식을 이용하여 회재의 마모 상수를 구하였다. 동해화력 회재의 비산 속도는 유속이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 따라서 유속이 유동층보다 휠씬 높은 순환유동층 연소로에서는 더 많은 마모와 이에 따른 회재의 비산이 발생할 것으로 예상된다.
Lab-scale 순환유동층 연소로에서 상용 순환유동층의 운전 조건과 동일한 수력학적 조건을 맞추어 300-710m 의 크기를 가지는 회재의 마모 실험을 하였다. 입자 크기가 증가할수록 입자 마모가 활발히 발생하여 입도 감소폭(df/do)이 커졌다. Lab-scale 순환유동층 연소로에서는 회재의 크기, 운전시간, 층물질의 양, 유속 등의 조건을 변화시켜가며 마모에 따른 비산을 측정하였다. 운전시간이 증가할수록 입자와 입자, 입자와 벽 등의 충돌횟수가 증가하여 마모가 활발히 진행됨을 알 수 있었다. 동일한 크기의 회재를 이용하여 운전 시간에 따른 입도 분포 변이를 조사하였다. 운전 시간이 증가할수록 초기 입도분포에서 존재하지 않았던 300m 이하의 입자량이 커짐을 알 수 있다. 동일한 크기의 석탄과 회재의 경우, 석탄이 회재보다 4배 정도 마모가 활발히 진행되었으며 이는 석탄의 구성이 회재보다 복잡하기 때문이다. 층물질의 양이 증가할수록 초기의 마모 및 비산이 활발히 발생하였으나 2시간 이후에는 비슷한 경향을 나타내었다. 이는 초기 마모를 유발하는 표면의 작은 입자들이 많기 때문이다. 기체유속의 경우, 유동층 연소로와 마찬가지로 유속이 증가함에 따라 마모가 증가하는 경향을 보였다. 특히, 유속이 증가할수록 운전시작 30분간의 층물질의 감소가 큰 폭으로 증가하였는데 이는 유속이 증가할수록 입자와 입자, 입자와 벽 등의 충돌횟수가 유동층 연소로와는 다르게 큰 폭으로 증가하기 때문이다. 순환유동층 연소로의 경우 마모 상수는 유동층 연소로와는 다르게 기체 유속의 제곱근에 비례한다.
