KR20140126789A - 석탄-물 혼합연료 제조방법 및 그에 의하여 제조된 석탄-물 혼합연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄-물 혼합연료 제조방법 및 그에 의하여 제조된 석탄-물 혼합연료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역흐름 다중 방해판 건조기로 건조된 고수분의 석탄을 이용해 고농도의 석탄-물 혼합 액체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조된 석탄-물 혼합연료에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 석탄을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 석탄을 건조기를 이용해 건조하는 단계; 상기 건조하는 단계를 거친 석탄을 미분쇄기를 이용해 미분쇄하는 단계; 및 상기 미분쇄된 석탄에 물과 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는, 석탄-물 혼합연료 제조방법으로, 본 발명에 의하여 다중 방해판을 사용한 지그재그식 건조기를 이용해 건조한 석탄은 소수성으로 성질이 변화하여, 석탄-물 혼합연료 제조시 고체 함유량이 원료석탄에 비해 최고 10wt% 이상 증가한다.

Description

석탄-물 혼합연료 제조방법 및 그에 의하여 제조된 석탄-물 혼합연료{Production of Coal water fuel and coal water fuel produced by the same}

본 발명은 석탄-물 혼합연료 제조방법 및 그에 의하여 제조된 석탄-물 혼합연료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역흐름 다중 방해판 건조기로 건조된 고수분의 저등급석탄을 이용해 고농도의 석탄-물 혼합 액체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조된 석탄-물 혼합연료에 관한 것이다.

단기적으로 원유값 상승, 중장기적으로 원유고갈 등에 대비하여 원유를 대체할 수 있는 에너지원을 확보하기 위한 노력이 계속되고 있다. 최근 태양에너지, 바이오 에너지 등 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 산업적 이용에는 아직 한계가 있다. 이로 인해 석탄에 대한 수요가 다시 증가하고 있으며, 국내에서는 대부분의 탄광이 폐광된 상태이므로 호주, 인도네시아 등 해외에서 석탄을 수입해오고 있는 실정이다.

석탄은 토탄(peat)에서부터 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 등급으로 나뉘어지고 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, Meta-무연탄과 흑연계 무연탄으로 나뉘어지며, 이 중에서 brown coal부터 아역청탄까지는 저등급석탄(LRC)으로, 역청탄부터는 고등급석탄(HRC)로 분류된다.

석탄을 직접 연소시켜 화력발전을 하기 위해서는 반무연탄, 역청탄 등의 고등급 석탄이 사용되어야 한다. 그러나 역청탄 및 반무연탄은 값이 비싸고 매장량도 적기 때문에 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 저등급 석탄(LRC: Low Rank Coal)을 고품위화하여 활용하기 위한 연구가 1980년대부터 진행되어 왔다.

저등급 석탄 중 하나인 갈탄을 예로 들면 역청탄에 비해 가격은 낮지만, 수분 함유량이 30 내지 70%로 많고, 발열량이 2500 내지 4000 kcal/kg 이하로 낮아 연소용으로 활용하는 양이 최근까지도 미미한 상태이다.

이를 해결하기 위해서 저급탄을 단순건조, 열수를 이용한 고압건조, 또는 고온의 유기용매를 이용한 건조 등의 저등급 석탄 건조에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있지만, 공정이 복잡하다는 문제점 및 건조 후에 수분이 재흡착되어 발전효율이 떨어지는 문제점을 여전히 안고 있다. 또한, 건조된 석탄에 수분이 재흡착되면서 자연발화가 발생하고 이로 인해 저장된 석탄이 손실되는 문제점도 있다[M. Morimoto et al., Energy Fuels, 2009, 23, 4533; D.J. Allardice et al., Fuel, 2003, 82, 661].

따라서 저등급 석탄의 이용 및 보급을 촉진하기 위하여 해결해야 할 가장 중요한 문제점 중의 하나는 건조처리된 저등급 석탄에 수분이 재흡착되는 것을 방지하여 발열량도 유지하고 자연발화도 억제하는 기술을 개발하는 것이다. 이러한 문제점을 개선할 수 있는 기술들 중 상용화가 유력한 기술로는 저등급 석탄을 고압의 분위기에서 고온의 유기용매를 이용해 가열함으로써 석탄의 고유수분을 제거하는 방법을 꼽을 수 있다. 하지만, 이 기술은 유기용매를 분리 회수해야 하고, 공정이 비교적 복잡하여 또 다른 에너지 비용이 필요하다는 단점을 가지고 있어 이보다 더 간단하고 효과적인 건조탄의 수분 재흡착 억제 기술이 요구되고 있다.

또한, 분류층 석탄가스화는 건식 분류층과 습식 분류층으로 구분되는데, 습식 분류층 가스화는 건식에 비해 장치건설 비용이 저렴하고, 장치구조와 운전방법이 간단하며, 석탄 슬러리의 공급이 고압에서도 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 이러한 여러 가지 장점에도 불구하고 습식의 경우 습식가스화 원료로 사용되는 슬러리 제조에 물이 추가적으로 포함되기 때문에 석탄 슬러리의 발열량이 원탄을 사용하는 건식의 경우보다 낮아 가스화 효율이 낮다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 고농도의 석탄 슬러리를 제조하여야 하나, 일반적으로 저등급 석탄의 경우에는 고유수분 함량이 높기 때문에 석탄 슬러리의 농도가 낮다.

대한민국 공개특허 10-2010-0096432는 캐비테이션 발생 공정과 고주파 처리 공정을 포함하는 석탄과 물의 혼합 연료의 제조 방법과 이 제조 방법으로 제조한 석탄과 물의 혼합 연료 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술은 고농도의 석탄 슬러리를 얻기 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 10-1195417은 고농도 하이브리드 석탄 슬러리의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 고농도 하이브리드 석탄 슬러리에 관한 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술은 석탄 슬러리를 제조하는 과정에서 수분의 재흡수를 막기 위해 탄소성분으로 석탄의 친수성 표면을 코팅하는 공정이 추가되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저등급 석탄에 존재하는 친수성 표면을 탄소성분으로 코팅하지 않고도 소수성으로 개질함으로써, 건조 후에도 수분의 재흡착이 억제된 고농도 석탄-물 혼합연료를 제조하는 방법 및 그에 의하여 제조된 고농도 석탄-물 혼합연료를 제공하고자 하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 다중 방해판을 사용한 지그재그식 건조기를 이용해 건조한 석탄이 소수성을 가지며, 이를 미분쇄한 후 물과 첨가제를 혼합하면 고농도 석탄-물 혼합연료를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 석탄을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 석탄을 건조기를 이용해 건조하는 단계; 상기 건조하는 단계를 거친 석탄을 미분쇄기를 이용해 미분쇄하는 단계; 및 상기 미분쇄된 석탄에 물과 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 석탄은 이탄(peat), 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite) 및 아역청탄(sub-bituminous coal) 중에서 선택된 어느 하나인, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 건조기는 상부에서 석탄이 낙하되고 하부에서 고온 공기가 주입되어 석탄을 건조하는 건조기로서, 상기 건조기는 내부에 하향 구배를 가지는 다수개의 방해판이 지그재그로 형성되고, 상기 석탄이 상기 방해판을 따라 지그재그로 낙하되며 건조되는, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 미분쇄기는 롤밀, 핀밀, 헤머밀, 볼밀 및 습식분쇄기로 이루어진 군으로부터 선택되는, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 미분쇄기를 거친 석탄 입자의 크기는 250μm 이하이고, 상기 입자 중 입자크기 75μm 이하의 중량비는 60%인, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 첨가제는 계면활성제이고 석탄 중량의 0.1 내지 2wt%인, 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 석탄-물 혼합연료를 제공한다.

본 발명에 의하여 다중 방해판을 사용한 지그재그식 건조기를 이용해 건조한 석탄은 소수성으로 성질이 변화하여, 석탄-물 혼합연료 제조시 고체 함유량이 원료석탄에 비해 최고 10wt% 이상 증가한다.

도 1은 본 발명의 고농도 석탄-물 혼합연료 제조 공정 개념도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 다중 방해판을 사용한 지그재그식 건조기의 개념도이다.
도 3은 석탄의 수분 재흡착 여부를 표시하는 원탄 및 건조탄의 접촉각 측정값을 나타낸다.
도 4는 건조/안정화 온도에 따른 석탄-물 혼합연료 고체 함유량을 나타낸 그래프이다.

이하에서, 본 발명에 따른 석탄-물 혼합연료 제조방법 및 그에 의하여 제조된 석탄-물 혼합연료를 상세하게 설명한다. 본 발명은 역흐름 다중 방해판 건조기로 건조된 고수분의 석탄을 이용해 고농도의 석탄-물 혼합연료를 제조하는 기술에 관한 것이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 저등급석탄을 분쇄하여 건조한 후 건조된 석탄을 미분쇄하여 상기 미분쇄된 석탄에 물 및 첨가제를 섞어 석탄-물 혼합연료를 제조하는 것이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 저등급석탄은 이탄(peat), 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite) 및 아역청탄(sub-bituminous coal) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서 상기 건조기는 후술하는 역흐름 다중 방해판 건조기이다. 상기 건조기에서 건조된 석탄은 미분쇄 공정을 거치며 본 발명의 일 구현예에서 상기 미분쇄 공정은 롤밀, 핀밀 헤머밀, 볼밀 및 습식분쇄기 등으로 실시하며, 건식분쇄 및 습식분쇄 모두 적용 가능하다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 미분쇄공정을 거친 석탄 입자의 크기는 250㎛ 이하이고, 입자크기 75㎛ 이하는 약 60%이다.

상기 미분쇄 공정을 거친 후 석탄-물 혼합연료 제조시 분산성을 향상시키기 위하여 계면활성제를 사용한다. 본 발명의 일 구현예에서, 계면활성제는 사용하는 석탄 중량의 0.1 ~ 2 wt%의 범위이다. 일정량의 석탄에 물과 계면활성제를 혼합하고 교반을 실시한다. 교반 시간이 지남에 따라 석탄-물 혼합이 이루어지고 점도계를 이용해 점도를 측정한다. 점도는 1,000cP를 기준으로 하며, 초과할 경우에는 물을 추가하고, 1,000cP 이하일 경우에는 석탄 및 계면활성제를 추가하여 점도를 측정하게 된다. 점도 1,000cP를 갖게 될 때의 석탄 중량%가 석탄의 고체함유량이 된다.

도 2는 본 발명에 사용된 역흐름 다중 방해판 건조기를 나타낸다. 상기 건조기는 상부에서 석탄이 낙하되고 하부에서 고온 공기가 주입되어 석탄을 건조하는 건조기로서, 상기 건조기는 내부에 하향 구배를 가지는 다수개의 방해판이 지그재그로 형성되고, 상기 석탄이 상기 방해판을 따라 지그재그로 낙하되며 건조된다. 상기 방법에 의하면 석탄이 지그재그로 낙하하므로 공기와의 접촉시간이 증대하여 건조효율이 높아진다. 또한, 건조기 내부에 20~80°, 바람직하게는 30~60°로 하향 경사된 방해판이 형성되고, 방해판 상하부의 압력구배에 의해 석탄의 건조가 촉진된다.

실시예 1: 석탄 건조

석탄을 10mm 이하 크기의 입자로 분쇄한 후, 상기 도 2의 건조기를 이용하여 고수분의 저등급 석탄을 건조하였고, 이때 원료석탄과 건조석탄의 공업분석 및 발열량 분석결과를 <표 1>에 나타내었다. 건조기의 온도는 130℃에서 300℃로 적용하였고, 열풍의 유량은 1 m³/min으로 하였다. 건조기의 온도가 높아짐에 따라 수분이 감소하며, 휘발분과 고정탄소 함량이 증가하는 경향을 보이고 발열량은 건조온도에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.

원탄 및 건조탄의 공업분석 및 발열량 분석 결과

	수분 (wt%)	휘발분 (wt%)	고정탄소 (wt%)	회분 (wt%)	발열량
Raw coal	29.9	35.7	31.1	3.3	4,331 kcal/kg
130℃ dried	17.9	40.5	34.7	6.9	4,998 kcal/kg
160℃ dried	11.5	44.3	37.2	6.9	5,346 kcal/kg
250℃ dried	9.6	43.5	39.2	7.7	5,439 kcal/kg
300℃ dried	5.7	45.5	41.7	7.1	5,701 kcal/kg

도 3은 접촉각 측정에 의한 원탄 및 건조탄의 수분 재흡착 실험결과를 나타낸 것이다. 접촉각 측정을 위해 먼저 각 석탄을 펠렛 형태로 제조하였고, 펠렛 표면에 액적을 떨어뜨린 후 석탄 표면과 액적의 접촉각을 측정한 것이다. 원료석탄의 경우 초기 액적이 72.2°의 접촉각을 갖고 있지만, 3초가 경과되면 모두 흡수되어 접촉각이 0이 되는 것을 확인할 수 있었다. 건조탄의 경우 초기 93.5°의 접촉각을 갖고 있으며, 3분이 경과 후 접촉각이 89.3°로 액적이 흡수되지 않고 그대로 형상을 유지하고 있음을 확인 할 수 있다. 이를 통해 건조탄의 경우 물을 흡수하지 않는 소수성으로 변화되었음을 확인할 수 있었다. 이처럼 건조탄이 소수성으로 바뀐 특성을 활용하여 건조된 석탄의 표면을 별도의 탄소성분으로 코팅하지 않고도 수분의 재흡수를 방지할 수 있다.

실시예 2: 석탄-물 혼합연료 제조

상기 건조된 석탄을 이용해 석탄-물 혼합연료를 제조하였다. 실험을 실시하기 위하여 먼저 석탄시료를 미분쇄기를 이용하여 미분화하였다. 상기 미분쇄기는 롤밀, 핀밀, 헤머밀, 볼밀 및 습식분쇄기 중 어느 것을 사용해도 같은 결과를 얻는다. 미분화된 석탄 입자의 크기는 250㎛ 이하로 하였고, 특히 75㎛ 이하의 입자크기는 60% 정도로 준비하였다.

석탄-물 혼합연료 제조시 분산성을 향상시키기 위하여 계면활성제를 사용하였다. 계면활성제는 사용하는 석탄 중량의 0.1 ~ 2 wt%의 범위로 하였다. 일정량의 석탄과 물과 계면활성제를 혼합하고 교반을 실시한다. 교반 시간이 지남에 따라 석탄-물 혼합이 이루어지고 점도계를 이용해 점도를 측정한다. 점도는 1,000cP를 기준으로 하며, 초과할 경우에는 물을 추가하고, 1,000cP 이하일 경우에는 석탄 및 계면활성제를 추가하여 점도를 측정하게 된다. 점도 1,000cP를 갖게 될 때의 석탄 중량%가 석탄의 고체함유량이 된다.

도 4는 건조기의 운전 조건에 따라 제조된 석탄-물 혼합연료의 고체함유량을 나타내었다. 모든 조건에서 점도의 기준은 1,000cP로 하였다. 석탄의 고체함유량을 비교해 보면 원료석탄은 45%로 낮고, 다중 방해판 건조기의 운전조건에 따라 고체함유량은 51%에서 최고 56%까지 증가하는 것으로 나타났다.

상기의 방법을 통해 다중 방해판 건조기로 제조한 석탄은 소수성으로 성질의 변화하 함께 석탄-물 혼합연료 제조시 고체함유량을 원료석탄에 비해 최고 10wt% 이상 향상 시킬수 있었다.

Claims (7)

1. 석탄을 분쇄하는 단계;
   상기 분쇄된 석탄을 건조기를 이용해 건조하는 단계;
   상기 건조하는 단계를 거친 석탄을 미분쇄기를 이용해 미분쇄하는 단계; 및
   상기 미분쇄된 석탄에 물과 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 석탄은 이탄(peat), 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite) 및 아역청탄(sub-bituminous coal) 중에서 선택된 어느 하나인,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 건조기는 상부에서 석탄이 낙하되고 하부에서 공기가 주입되어 석탄을 건조하는 건조기로서,
   상기 건조기는 내부에 하향 구배를 가지는 다수개의 방해판이 지그재그로 형성되고,
   상기 석탄이 상기 방해판을 따라 지그재그로 낙하되며 건조되는,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 미분쇄기는 롤밀, 핀밀, 헤머밀, 볼밀 및 습식분쇄기로 이루어진 군으로부터 선택되는,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 미분쇄기를 거친 석탄 입자의 크기는 250μm 이하이고, 상기 입자 중 입자크기 75μm 이하의 중량비는 60%인,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 첨가제는 계면활성제이고 석탄 중량의 0.1 내지 2wt%인,
   석탄-물 혼합연료 제조방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 석탄-물 혼합연료.

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