• 한국연소학회지
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• 제22권4호
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• pp.19-26
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• 2017

This study investigates the gasification of coal char by $CO_2$ under high pressures in a drop tube furnace(DTF). The rate constants are derived for the shrinking core model using the conventional method based on the set reactor conditions. The computational fluid dynamic(CFD) simulations adopting the rate constants revealed that the carbon conversion was much slower than the experimental results, especially under high temperature and high partial pressure of reactants. Three reasons were identified for the discrepancy: i) shorter reaction time because of the entry region for heating, ii) lower particle temperature by the endothermic reaction, and iii) lower partial pressure of $CO_2$ by its consumption. Therefore, the rate constants were corrected based on the actual reaction conditions of the char. The CFD results updated using the corrected rate constants well matched with the measured values. Such correction of reaction conditions in a DTF is essential in deriving rate constants for any char conversion models by $H_2O$ and $O_2$ as well as $CO_2$.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제52권4호
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• pp.544-552
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• 2014

본 연구는 인도네시아 갈탄인 로토(Roto) 탄의 촤(char)-$CO_2$ 촉매가스화 kinetic 분석을 열중량분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 이용하여 수행하였다. 촉매는 $Na_2CO_3$, $K_2CO_3$, $CaCO_3$ 및 천연광물 촉매로 dolomite을 선정하였으며, 석탄과 촉매의 물리적 혼합을 통하여 촤를 제조하였다. 촤-$CO_2$ 촉매가스화반응은 $850^{\circ}C$에서 $CO_2$ 농도가 60 vol%, 촉매 함량은 $Na_2CO_3$를 7 wt% 혼합할 때 가장 빠른 탄소전환율을 보여주었다. $750{\sim}900^{\circ}C$ 등온조건에서 촤-$CO_2$ 촉매 가스화 반응결과, 온도가 증가할수록 탄소전환율 속도가 빨라졌으며, 기-고체 반응모델 shrinking core model(SCM), volumetric reaction model(VRM), modified volumetric reaction model(MVRM)을 실험결과에 적용하였을 때, MVRM 이 로토 탄의 가스화반응 거동을 잘 예측하였다. 특히 Arrhenius plot을 통한 활성화에너지는 $Na_2CO_3$와 $K_2CO_3$를 혼합한 촤의 활성화에너지가 각각 67.03~77.09 kJ/mol, 53.14~67.99 kJ/mol으로 우수한 촉매 활성을 보여주었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제55권1호
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• pp.99-106
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• 2017

본 연구에서는 인도네시아 저등급 석탄인 Kideco탄을 이용하여 질소 분위기 하에 등온상태에서 촤(char)를 생성한 후 반응가스(스팀,이산화탄소)를 주입하여 합성가스를 생성하는 가스화를 진행하였다. 온도가 반응속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 $850^{\circ}C$ 이하의 운전온도(700, 750, 800, $850^{\circ}C$)에서 반응을 진행하였다. 촉매가 미치는 영향을 알아보기 위해 알카리계 촉매인 탄산칼륨과 금속촉매인 니켈을 이용하였으며 두가지 촉매의 혼합비율(1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1)을 다르게 하여 연구를 수행하였다. 탄산칼륨은 물리적 혼합을 통해 니켈은 이온교환법을 통해 준비하였다. 기-고체 반응 특성을 알아보기 위해 열중량분석기와 가스크로마토그래피를 통해 얻은 실험결과를 shrinking core model (SCM), volumetric reaction model (VRM), random pore model (RPM) and modified volumetric reaction model (MVRM)에 적용하여 비교하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제49권3호
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• pp.372-380
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• 2011

촤-가스화 반응은 반응온도, 반응가스 부분압력, 시스템 총 압력, 입자크기 등 운전조건뿐만 아니라 촤의 화학적 조성 및 물리적 구조의 영향을 받는다. 본 연구에서는 두 종류의 역청탄 촤를 이용하여 반응온도 1,000-$1,400{^{\circ}C}$에서 $CO_{2}$ 가스화시 입자크기의 영향을 관찰하였다. 실험실 규모의 고정식 반응기를 이용하여 대기압 하에서 실험을 수행하였으며 반응가스인 $CO_{2}$(40 vol%)가 반응기에 공급되면 촤와 반응하여 CO를 생성하였다. 촤의 탄소 전환율을 측정하기 위하여 비분산적외선 방식의 CO/$CO_{2}$ 센서가 장착된 실시간 가스분석기를 이용하였다. 실험결과 동일한 온도에서 입자크기가 감소할수록 가스화 반응성은 증가하였으며 온도가 증가할수록 반응성에 미치는 입자크기의 영향은 더욱더 크게 증가하였다. 또한 반응성이 낮은 촤에서 입자크기의 영향은 다소 적게 나타났다. 입자크기와 석탄 종류는 반응모델에도 영향을 주었다. Shrinking core model은 반응성이 낮은 석탄을 잘 묘사했으며 반대로 Volume reaction model은 반응성이 높은 석탄을 잘 묘사하였다.

• 청정기술
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• 제19권3호
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• pp.306-312
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• 2013

드레이톤 탄으로부터 제조된 차(char)의 $850^{\circ}C$ 등온조건 가스화 반응에서 반응기체인 이산화탄소-질소 혼합기체의 이산화탄소 농도가 반응속도에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 저온 가스화 반응성을 높이기 위해 탄산칼륨을 사용하였다. 이산화탄소의 농도가 증가할수록 차-이산화탄소(char-$CO_2$) 가스화 반응성은 좋으며 전환율 증가 속도는 고농도에서는 일정하게 유지되었다. 가스화 반응성은 증가하였으며, 70% 이상의 고농도 조건에서는 일정하게 유지되었다. 기-고체 반응모델 중에서 shrinking core model (SCM)과 shrinking core model (SCM), modified volumetric reaction model (MVRM)을 비교하였다. 선형 회귀를 통해 얻은 상관계수 값은 저농도에서는 SCM이 VRM보다 높은 반면, 고농도에서는 VRM이 SCM보다 높은 값을 보였다. 모든 농도에서 MVRM의 상관계수 값은 다른 모델들 보다 가장 높은 값을 보였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제36권7호
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• pp.675-681
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• 2012

본 연구는 낮은 회 성분의 함량과 높은 발열량의 특성을 지닌 초청정 석탄의 촤 반응율 특성을 알아보았다. 실험은 DTF(Drop Tube Furnace)를 통해서 다양한 온도조건 하에 산소의 분율을 바꾸어가며 수행하였다. 촤 반응률을 도출하기 위하여 FT-IR을 통해 배기가스(CO, $CO_2$)를 측정하였으며, 이색온도계를 통하여서 입자 온도를 측정하였다. 또한, Arrhenius 경험식을 토대로 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지와 빈도인자를 도출하였다. 결과는 초청정 석탄 촤의 반응특성은 온도와 산소 분율이 높아질수록 뚜렷한 증가를 보였고, 초청정 석탄 촤의 활성화 에너지는 역청탄의 수치와 비슷한 값을 보임을 알 수 있었다.

• 한국연소학회지
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• 제20권3호
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• pp.35-42
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• 2015

Investigating coal combustion in a large-scale boiler using computational fluid dynamics (CFD) requires a combination of flow and reaction models. These models include a number of rate constants which are often difficult to determine or validate for particular coals or furnaces. Nonetheless, CFD plays an important role in developing new combustion technologies and improving the operation. In this study, the model selection and rate constants for coal devolatilization, char conversion, and turbulent reaction were evaluated for a commercial wall-firing boiler. The influence of devolatilization and char reaction models was found not significant on the overall temperature distribution and heat transfer rate. However, the difference in the flame shapes near the burners were noticeable. Compared to the coal conversion models, the rate constant used for the eddy dissipation rate of gaseous reactions had a larger influence on the temperature and heat transfer rate. Based on the operation data, a value for the rate constant was recommended.

• 한국연소학회지
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• 제15권1호
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• pp.22-29
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• 2010

In this study, carbon conversion was measured using an electronic mass balance. In a lab scale furnace, each coal sample was pyrolyzed in a nitrogen environment and became coal char, which was then gasified with steam under isothermal conditions. The reactivity of coal char was investigated at various temperatures and steam concentrations. The VRM(volume reaction model), SCM(shrinking core model), and RPM(random pore model) were used to interpret experimental data. For each model the activation energy(Ea), pre-exponential factor (A), and reaction order(n) of the coal char-steam reaction were determined by applying the Arrhenius equation into the data obtained with thermo-gravimetric analysis(TGA). According to this study, it was found that experimental data agreed better with the VRM and SCM for 1,000 and $1,100^{\circ}C$, and the RPM for 1,200 and $1,300^{\circ}C$. The reactivity of chars increased with the increase of gasification temperature. The structure parameter(${\psi}$) of the surface area for the RPM was obtained.

• 한국연소학회:학술대회논문집
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• 한국연소학회 2012년도 제45회 KOSCO SYMPOSIUM 초록집
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• pp.67-70
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• 2012

Many computational fluid dynamic (CFD) simulations have treated the coal kinetics poorly due to large physical domain sizes and high computational complexity, particularly for the recent oxy-coal boilers. Furthermore, some modelers' lack of understanding of the kinetic rate model seems to worsen the simulation accuracy. This study is to suggest the importance of proper use of single-film global kinetic model generally used in CFD code to describe the oxy-fuel combustion of coal char through simple char burnout calculation.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제52권1호
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• pp.133-140
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• 2014

본 연구의 목적은 국내 화력발전소에서 사용중인 인도네시아 석탄촤의 연소반응율을 연구하는 것이다. 석탄촤의 반응율은 External, Internal effectiveness factor를 고려하여 입자 내부 및 외부확산을 정량적으로 정리하였으며, Random pore model을 사용하여 탄소변환율에 따른 입자내부비표면적의 변화를 반영하였다. 가열 및 측정이 가능한 WHR(Wire Heating Reactor)를 활용하여 반응시간을 측정함으로써 석탄촤의 반응율을 도출하였고 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 및 TGA(Thermo-Gravimetric Analysis) 장비를 활용하여 석탄촤의 물리적인 특성인 내부비표면적과 Random pore model의 구조변수(${\Psi}$)를 측정하였다. 석탄 종에 따른 활성화에너지 및 빈도인자를 도출하기 위해 아역청탄인 BARAMULTI, ENERGYMAN, AGM탄을 사용하였다. 본 연구 결과에서 External, Internal effectiveness factors를 통해 확산에 따른 kinetics를 비교한 결과 외부 확산 보다 내부 확산의 영향이 지배적임을 확인하였다. 최종적으로 내부 및 외부 확산에 대한 영향을 고려한 3종의 석탄촤 Intrinsic kinetics의 활성화에너지는 110~118 kJ/mol의 값을 보였다.