Applied Chemistry for Engineering (공업화학)

The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry (한국공업화학회)
권호 표지

Effect of Fe2O3 Concentration in Coal Slag on the Formation of (Fe,Cr)3O4 in Chromia Refractory

크롬계 내화물에서 슬래그의 산화철 농도가 (Fe,Cr)3O4 형성에 미치는 영향

  • 박우성 (홍익대학교 화학공학과) ;
  • 오명숙 (홍익대학교 화학공학과)
  • Received : 2007.07.18
  • Accepted : 2007.09.06
  • Published : 2007.10.10
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Abstract

The inside wall of a coal gasifier is lined with refractory, and the corrosion of the refractory is an important factor affecting the refractory lifetime and the replacement period. This paper examines the changes in microstructure of a chromia refractory due to chemical reactions with slag having varying amounts of $Fe_2O_3$. Slag samples were prepared by adding $Fe_2O_3$ to KIDECO slag, and static corrosion experiments were carried out at $1550^{\circ}C$. The layer of $(Fe,Cr)_3O_4$ formation and the depth of Fe depletion in the infiltrating slag were determined. In addition, FactSage equilibrium calculations were carried out in order to determine the conditions of formation, and to compare with the experimental observations. In the sample exposed to KIDECO slag, which has about 10 wt% $Fe_2O_3$, the formation of $(Fe,Cr)_3O_4$ was not observed. As the $Fe_2O_3$ concentration in slag increased, $(Fe,Cr)_3O_4$ formation and Fe depletion depth increased. Increasing $Fe_2O_3$ concentration also made the slag/refractory interface indistinguishable. Equilibrium calculations predicted that higher $Fe_2O_3$ concentrations favor chromite formation at gasification temperatures. The chromite formation was most favorable when the amount of $Cr_2O_3$ was limited, as in the case of dissolved $Cr_2O_3$ in slag. When the concentration of $Fe_2O_3$ in slag was less than 20%, the formation of chromite was least favorable in the system with equal amounts of slag and refractory.

석탄가스화기의 내벽은 내화물로 구성되어 있다. 내화물의 침식은 가스화기 내화물의 수명 및 교체시기에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 논문에서는 슬래그와의 반응에 의한 내화재의 미세구조의 변화를 침식화합물의 형성에 가장 큰 영향을 미치는 산화철 농도의 함수로 조사하였다. 산화철 농도가 낮은 KIDECO 탄 슬래그에 산화철을 첨가하여 정적 침식실험을 수행한 후 $(Fe,Cr)_3O_4$의 형성과 침투 슬래그에서의 Fe의 고갈 깊이를 측정하였다. 그리고 FactSage를 이용한 평형계산을 통하여 chromite 형성조건을 조사하고 실험 결과와 비교하였다. 고정된 온도인 $1550^{\circ}C$에서 약 10%의 산화철을 포함한 KIDECO 슬래그에서는 $(Fe,Cr)_3O_4$의 형성이 관찰되지 않았으나 산화철의 함량이 증가될수록 $(Fe,Cr)_3O_4$ 형성이 관찰되었으며, 경계면의 $(Fe,Cr)_3O_4$ 층의 두께가 증가하였고, 산화철의 고갈 깊이도 증가하였다. 또한 산화철의 양이 많아질수록 화학적 침식이 증가하면서 슬래그와 내화물의 경계가 모호해지는 것을 확인하였다. 슬래그-내화재 계의 평형계산은 슬래그의 산화철 농도가 증가할수록 가스화기 조업온도에서 chromite 형성 가능성이 높아짐을 보여주었다, 또한 내화물이 슬래그에 용해된 경우와 같이 $Cr_2O_3$가 낮은 농도로 존재할 때 chromite 형성이 가장 유리하였고, 산화철의 농도가 20% 이하에서는 슬래그와 내화물이 같은 양으로 존재하는 경우가 chromite 형성에 가장 불리하였다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 홍익대학교

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