KR101032276B1 - 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 석탄(저등급석탄 포함)을 용매와 혼합하고 300℃ 이상의 온도에서 반응시켜 석탄에 포함되어 있는 유기질 성분(또는 가연성 성분)을 추출시켜 용해하고, 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 추가적으로 제거하는 탈황공정을 포함하는 청정석탄의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 (A) 원료 석탄과 용매를 일정비율로 혼합하여 슬러리화하는 단계와; (B) 이후 슬러리를 추출반응기에 넣고 초음파를 이용하여 반응을 촉진시켜 석탄에 포함되어 있던 유기질성분을 용매에 의해 용해 후, 용해된 유기질 성분과 용해되지 않은 입자상 물질을 분리하는 단계와; (C) 이후 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황공정단계와; (D) 탈황된 유기질 성분을 건조하는 단계;를 포함하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.
저등급석탄, 열적추출, 초음파, 청정석탄, 황화합물, 탈황공정

Description

탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법{Preparation of ash-free coal including Desulfurization}
본 발명은 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법에 관한 것으로, 자세하게는 화석에너지 활용 및 청정화 기술 개발 분야에서 용매의 열적추출에 의한 청정석탄의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 석탄(저등급석탄 포함)에 함유되어 있는 유기질 또는 가연성 성분을 용매의 열적 추출방식을 통하여 추출하고, 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황공정을 포함하여 청정석탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.
석탄을 사용하는 발전소에는 버너 상단부터 수벽(water wall)이 있고 이 수벽을 통해 물이 연소열을 받아 증발하여 스팀을 만들고 스팀을 이용하여 터빈을 구동하여 발전하게 된다. 이 과정에서 석탄에 존재하는 약 10 - 15% 회분(또는 무기질)이 고온에서 수벽 관 표면에 융착하는 현상을 슬래깅(slagging)이라 하고 보일러 후단에 저온 열교환부분에 융착하는 현상을 파울링(fouling)이라 한다.
상기의 융착 현상은 결국 연소열의 전달을 방해하여 열효율을 낮추는 역할을 하게 된다. 석탄에 회분이 없으면 이러한 융착 현상이 없기 때문에 열전달효율이 증가하고 따라서 발전효율을 크게 증가시킬 수 있다. 또한 기존의 석탄사용 발전소에 적용시에는 발전효율이 증가하여 CO2 저감효과가 있으며 또한 보일러 크기도 작게 설계할 수 있다.
연소 중에 석탄회분들은 평균입자크기 5㎛ 정도의 미세입자가 되고 보일러를 빠져나가 비산재(fly ash)가 만들어지고 이들을 처리하기 위해 ESP를 거쳐 포집한 후 애쉬 폰드(ash pond)로 보내어 처리하기 때문에 운영비가 소요된다.
또한 석탄 내의 회분에는 수은, 비소, 카드뮴 등 유해중금속이 미량 포함되어 있고 이들 미량 중금속들은 1 ㎛ 이하의 극미세먼지를 만들어 대기 중으로 방출되므로 인체에 유해한 영향을 미친다.
이에 따라 석탄에 포함된 회분(또는 무기질)을 제거하여 청정석탄을 제조하는 기술 및 이로부터 제조된 청정석탄을 발전소의 가스터빈에서 직접 연소하여 발전효율을 높이기 위한 연구가 시도되고 있다.
일반적으로 청정석탄의 제조방법에는 산이나 알카리 용액을 이용하여 회분을 추출하는 방법과 유기용매를 이용하여 석탄에서 유기성분 또는 가연성분을 추출하는 방법이 있다.
상기 산이나 알카리 용액을 이용하여 회분을 추출하는 공정에서는 생산물 내에 0.2wt% 이상의 회분이 존재하지만, 유기용매를 사용할 경우에는 석탄에 포함되 어 있는 유기성분을 추출하기 때문에 0.02wt% 정도의 회분이 존재하여 매우 청정한 석탄을 제조할 수 있다.
후자의 방법에 있어서 회분함량은 매우 낮출 수 있지만 이러한 추출공정을 통해서 황화합물은 제거되지 않고 남아 있게 된다. 유기성분에 남아 있는 회분에 포함된 무기물중 알칼리금속이온들(Na, K 등)은 연소시에 황화합물과 반응하여 황산나트륨과 같은 부식성이 높은 화합물을 형성하여 연소기관 및 터빈 날개 등에 부착하여 부식과 스케일링을 유도한다.
따라서 가스터빈 내에서 석탄 분말을 직접 연소하기 위해서는 석탄의 추출공정 후 용해된 유기성분에 포함된 황화합물을 제거하는 공정을 함께 연계하여 운전하는 것이 경제적으로 유리하다 할 수 있다.
하지만 종래 청정석탄의 제조 공정에 있어서 석탄에 포함된 유기성분을 용매 추출하는 추출공정과 황화합물을 제거하는 탈황공정을 연계하여 운전하는 공정연구는 전혀 이루어지지 않고 있는 실정이다.
이하 도면을 참조하여 종래의 청정석탄 제조 공정의 한실시예를 설명한다.
도 6은 종래 청정석탄 제조 전체 공정도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 석탄과 용매를 혼합하여 슬러리를 만드는 슬러리 제조 탱크(1)에 넣고 150℃ 정도로 예열하여 석탄에 포함되어 있는 수분을 제거한다. 수분이 제거된 슬러리 혼합물을 추출반응기(2)로 보내도록 한다. 추출반응이 종료되면 분리기(3)에서 중력침강을 실시하여 용해된 유기질 성분과 용해되지 않은 입자상 물질을 분리하도록 한 다. 용해된 유기질성분 내에 일부 포함되어 있을 미립자를 제거하기 위하여 필터(4)를 사용한다. 필터를 통과한 액상은 용해된 성분에 포함된 알카리금속이온 제거조(7)를 통과하게 된다. 상기를 통과한 유기질성분을 포함한 액상물질은 건조기(5)를 최종 청정석탄(8)으로 얻어지는 것이 기존의 청정석탄 제조 공정도이다. 미설명 부호 6은 중력침강 후 건조기를 통해 배출된 잔탄이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 석탄에 포함된 유기성분을 용매의 열적 추출방식으로 보다 회분함량이 낮은 청정석탄을 제조할 수 있는 청정석탄의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 석탄에 포함된 유기성분을 용매 추출하는 추출공정과 황화합물을 제거하는 탈황공정을 포함하는 청정석탄의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 석탄(아역청탄 및 갈탄 포함)을 용매와 혼합하고 300℃ 이상의 온도에서 초음파를 적용하여 석탄에 포함되어 있는 유기질 성분(또는 가연성 성분)을 추출시켜 용해하고 이를 용해되지 않은 입자상 물질과 분리한 후, 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 제거하기 위한 선택적 흡착제를 및 활성탄을 사용하는 청정석탄의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 석탄에서 추출된 유기질성분에 포함된 황화합물을 제거하기 위해 흡착제로 Ca(OH)2, CaO, MgO, Mg(OH)2나 상용 개질 촉매인 Ni/Al2O3 흡착제, 활성탄 중 어느 하나를 사용한 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 (A) 원료 석탄과 용매를 일정비율로 혼합하여 슬러리화하는 단계와;
(B) 이후 슬러리를 추출반응기에 넣고 초음파를 이용하여 반응을 촉진시켜 석탄에 포함되어 있던 유기질성분을 용매에 의해 용해 후, 용해된 유기질 성분과 용해되지 않은 입자상 물질을 분리하는 단계와;
(C) 이후 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황공정단계와;
(D) 탈황된 유기질 성분을 건조하는 단계;를 포함하여 고체상의 청정석탄을 제조하는 방법을 특징으로 하는 용매의 열적추출에 의한 황화합물 제거를 위한 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 공정을 제공함으로써 달성된다.
상기 (B)단계는 추출반응기에서의 반응이 완료된 후에 용매에 용해된 성분과 용매에 용해되지 않은 입자상물질을 분리함에 있어서 중력침강법을 사용하되, 이때 용해된 유기질성분 내에 일부 포함되어 있을 미립자를 제거하기 위하여 필터를 사용하는것을 특징으로 한다.
상기 (C)단계는 용해된 성분과 용해되지 않은 입자상물질을 분리한 후 용해된 성분에 포함된 황화합물을 흡착제를 이용하여 제거하는 탈황공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (C)단계는 황화합물을 제거하기 위한 흡착제로는 Ca(OH)2, CaO, MgO, Mg(OH)2나 상용 개질 촉매인 Ni/Al2O3, CuCl/Al2O3 흡착제, 활성탄 중에서 어느 하나를 흡착제로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 (C)단계의 탈황공정단계는 300 ~ 400℃, 적용압력 5 ~ 15 bar하에서 탈황시키는 것을 특징으로 한다.
상기 (A)단계에서 석탄은 수분함량이 많고 가격이 저렴한 저등급석탄인 갈탄 및 아역청탄을 포함한 석탄인 것을 특징으로 한다.
상기 (A) 단계에서 석탄은 200 mesh(<75㎛)의 표준체로 체질(sieving)되어 그 이하의 크기만을 사용한 것을 특징으로 한다.
상기 (A) 단계에서 대상 원료 석탄 중 저등급석탄을 사용할 경우에는 수분함유량이 30-50% 정도이므로, 전처리단계를 통하여 수분을 제거한 후 용매와 혼합하여 슬러리를 제조한 후 추출반응기에 넣는 것을 특징으로 한다.
상기 (A)단계에서 석탄과 용매의 슬러리 제조 함량은 1:10에서 1:4까지인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 (A)단계에서 용매는 비점 범위가 200-300℃인 N메틸2피로리돈(NMP), 1메틸나프탈렌(1-MN), 접촉분해경유(LCO) 중에서 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 (B)단계에서 추출반응기의 반응 온도 범위는 300 - 400℃로 운전하여 반응시키는 것을 특징으로 한다.
상기 (B)단계에서 추출반응기에서의 반응시간은 30-60분 동안 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 저등급 석탄과 용매를 혼합하고 일정온도에서 반응을 실시하여 석탄에 포함되어 있는 유기질성분(또는 가연성 성분)을 추출하여 회분 함량이 0.01-0.2%로 극히 적은 청정석탄을 제조할 수 있는 방법을 제공하였다는 장점을 가진다.
또한 청정석탄을 제조함에 있어서 석탄과 용매가 혼합된 슬러리를 반응시킬 경우 이를 교반하지 않고 초음파만을 사용할 경우에도 석탄으로부터 추출되는 유기질의 추출수율을 향상시킬 수 있으며, 회분 함량도 보다 감소시킬 수 있는 장점을 가진다.
특히 본 발명에 의해 청정석탄을 제조함에 있어 용해된 유기질성분에 포함된 황화합물을 제거하기 위하여 용매추출 공정 후단에 추가적인 에너지의 소모 없이 촉매 또는 흡착제가 추가된 탈황공정을 추가하여 초기 포함되어 있는 청정석탄의 황함유량을 50% 이상 절감할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
또한 흡착제로서 가격이 저렴한 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2 등과 같은 천연광물, 활성탄, Ni/Al2O3와 같은 상용 촉매 등을 사용할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 청정석탄의 제조 공정도를 도시하고 있는데, 기본적인 공정 장치 구성은 도 6에 도시된 종래 기존 청정석탄 제조 공정처럼 석탄과 용매를 혼합하여 슬러리를 만드는 슬러리 제조 탱크(1)에 넣고 150℃ 정도로 예열하여 석탄에 포함되어 있는 수분을 제거한다.
이후 기존 공정에서는 추출반응기(2)로 교반기를 사용하여 반응을 향상시키지만 본 발명에서는 대신에 초음파 추출반응기(10)를 이용하였다. 교반기를 사용할 경우에는 교반시 석탄 입자들끼리 충돌하여 더욱 미세한 입자로 분쇄가 일어나게 되며, 필터로 분리할 경우 미세한 입자들은 필터를 통과할 수 있다. 하지만, 초음파 추출반응기에서는 교반이 없이 석탄의 용매추출이 일어나기 때문에 미세한 입자의 생성이 적게 일어나기 때문에 회분함량을 보다 감소할 수 있게 된다.
추출반응이 종료되면 분리기(3)에서 중력침강을 실시하여 용해된 유기질 성분과 용해되지 않은 입자상 물질을 분리하도록 한다. 이때 용해된 유기질성분 내에 일부 포함되어 있을 미립자를 제거하기 위하여 필터(4)를 사용한다.
또한 종래 공정에서는 필터(4)를 통과한 유기질성분에 포함된 알카리금속이온을 제거하기 위해 알카리금속이온 제거조(7)를 통과하게 하지만, 본 발명에서는 그 대신 황화합물을 제거하기 위한 흡착제 및 활성탄을 고정층 반응기로 이용한 탈황공정조(11)를 적용하였다. 석탄을 가스터빈에 적용시 알카리 금속이온은 터빈 날개에 부착하여 부식과 스케일링을 유도하기 때문에 제거해야 될 필요가 있다. 그러나 일부 남아 있는 알카리 금속이온들은 황화합물과 반응하여 황산나트륨과 같은 부식성이 높은 화합물을 형성하기 때문에 금속알카리이온을 제거하는것 보다 황화합물을 제거하여 부식성 높은 물질을 제거하는 것이 보다 바람직하다 할 수 있겠다. 따라서 알카리금속이온 제거 공정 대신에 탈황공정조를 적용하였다.
상기 탈황공정조(11) 후에 건조기(5)를 거치게 되면 황화합물이 제거된 청정석탄(12)이 제조되는 공정으로 구성되어 있다.
미설명 부호 6은 중력침강 후 건조기를 통해 배출된 잔탄이다.
도 2는 청정석탄의 제조에 있어서 초음파를 이용한 공정도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 초음파 추출반응기(10) 내부에 초음파 발생기(20)가 장착되어 있으며, 가열기(21)를 이용하여 초음파 추출반응기(10)의 온도를 상승시킨 후 초음파를 발생시켜 유기질성분이 추출될 수 있도록 하였다. 초음파 추출반응기에서 반응이 완료되면 필터층(22)으로 이송되어 용해된 성부관 용해되지 않은 성분이 분리하도록 되어 있다.
이하 상기한 도 1 및 2의 장치구성을 이용한 본 발명의 청정석탄 제조방법을 설명한다.
본 발명은 용매의 열적추출에 의한 청정석탄을 제조하기 위해 원료 석탄과 용매를 일정비율로 혼합한 슬러리를 초음파를 이용한 추출반응기에 넣고 일정한 온도, 일정한 시간동안 반응시켜 석탄에 포함되어 있던 유기질성분이 용매에 의해 용해되도록 한 후, 용해되지 않은 입자상물질과 분리한 후에 용해된 성분에 포함되어 있는 황화합물을 제거하기 위하여 흡착제를 사용하여 탈황공정을 구성하는 방식을 적용하여 청정석탄을 제조하는 방법과 이를 수행하는 장치 구성을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.
먼저 석탄 및 용매를 혼합하여 슬러리를 제조한다. 이때 제조된 슬러리를 반응기에 바로 넣을 수도 있고, 또는 예열기에 넣어 석탄이 함유하고 있는 수분을 먼저 제거할 수도 있다.
이때 석탄은 수분함량이 많고 가격이 저렴한 저등급석탄인 갈탄 및 아역청탄을 포함한 석탄을 사용하는 것이 바람직하지만, 고등급석탄인 역청탄도 대상으로 사용할 수 있다.
또한 석탄은 200 mesh(<75㎛)의 표준체로 체질(sieving)되어 그 이하의 크기만을 사용한다. 입자크기가 크게 문제 되지는 않지만, 초음파를 적용할 경우 입자들이 커질경우 침강할 우려가 있기 때문에 가능한 200mesh 이하의 크기로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 대상 원료 석탄 중 저등급석탄을 사용할 경우에는 수분함유량이 30-50% 정도이므로, 전처리단계를 통하여 수분을 제거한 후 용매와 혼합하여 슬러리를 제조한 후 추출반응기에 넣는다. 저등급석탄의 수분 과다 함유로 용매추출 반응시 반응기 내부의 압력을 크게 하는 주요인이 된다. 따라서 바람직하게는 전처리단계를 통하여 수분을 제거해주는 것이 좋다.
또한 석탄과 용매의 슬러리 제조 함량은 1:10에서 1:4까지인 것을 사용한다. 중량비율이 1:10 보다 많으면 석탄의 양이 너무 적기 때문에 경제적으로 맞지 않고, 중량비율이 1:4 보다 낮은 경우에는 석탄의 양이 많아지면서 반응물의 점도가 높아지기 때문에 여과 등에 문제가 될 수 있기 때문에 적합하지 않다.
이후 추출반응기를 가열하여 300-400℃ 범위로 온도를 상승시키게 된다. 보다 바람직하게는 350-370℃ 온도가 되면 초음파 발생기를 운전하며, 일정한 온도와 초음파의 영향으로 인하여 석탄의 구조가 느슨해지면서 유기질 성분들이 용해가되면서 추출이 이루어진다.
또한 상기 300-400℃ 범위로 가열된 추출반응기에서의 반응시간은 30-60분 동안 유지한다. 반응시간이 30분보다 짧게 되면 추출되는 양이 너무 적고, 반응시간이 너무 길어지면 추출되는 양은 약간 증가하지만 경제적으로 맞지 않기때문에 60분 이하가 적당한 것으로 나타났다.
상기 용매에 용해된 추출성분은 액상으로 존재하며, 추출되지 않은 성분은 입자상 물질을 포함한 슬러리로 존재하게 된다. 이때 용매는 비점 범위가 200-300℃인 N메틸2피로리돈(NMP), 1메틸나프탈렌(1-MN), 접촉분해경유(LCO) 중에서 선택된 하나를 사용한다. 비점 범위가 200℃ 이하로 낮은 경우 증발량이 너무 많아지기 때문에 곤란하며, 300℃ 이상의 경우 용매에 용해된 추출성분을 건조할 경우 어려운 점이 있다.
30-60분 정도 시간이 경과되면 추출공정에 사용한 모든 물질을 분리기로 이송하며, 분리기에서 용해된 유기질성분과 용해되지 않은 성분으로 분리되며, 상부의 용해된 유기질성분을 여과하게 되면 유기용매에 석탄에서 용해된 유기질 성분만 을 포함한 액상을 얻게 된다.
상기에서 얻어진 유기용매 및 추출성분에는 유기황 및 무기황을 포함한 황화합물이 잔류하게 된다. 즉, 석탄에 포함된 황화합물은 크게 유기황과 무기황으로 구분되며, 유기황으로는 thiophene이 주로 포함되어 있고, 무기황으로는 FeS나 FeS2의 형태로 존재한다. 이러한 황화합물을 제거하기 위해서는 촉매 및 흡착제를 사용하여 이들을 제거할 수 있는 탈황공정을 통과하게 된다.
탈황공정의 조건은 추출공정과 동일하게 적용온도 300 ~ 400℃, 적용압력 5 ~ 15 bar이다. 이와 같은 조건은 용매 추출공정에서 배출되는 온도와 압력을 그대로 이용할 수 있기 때문이다.
또한 황화합물을 제거하는 흡착제로는 Ca(OH)2, CaO, MgO, Mg(OH)2나 상용 개질 촉매로 사용되는 Ni/Al2O3, CuCl/Al2O3 흡착제, 활성탄 등을 사용하였다.
탈황공정에 있어서 흡착제는 고정층으로 존재하며, 유기용매와 석탄에서 추출된 용해된 유기질성분이 고정층 흡착제를 통과하며 황화합물이 흡착되어 제거되도록 구성되어 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
(실시예 1)
반응기에 마그네틱 교반기를 설치하여 작동한 경우와 작동하지 않은 경우, 초음파를 적용한 경우 비교·특성 평가 실험을 수행하였다.
이때 교반기의 회전수는 150rpm을 적용하였고, 초음파는 400watt, 20kHz의 모델을 가지고 최대출력의 20-40%로 운전하였다. 반응온도는 350℃로 동일하게 유지하였고, 반응시간은 1시간으로 하였다.
도 3a, 3b는 본 발명의 실시예 1의 실험결과를 나타낸 그래프이다. 추출모드가 교반기를 사용하지 않은 경우(non), 마그네틱 교반기를 사용한 경우(Agit), 초음파 발생기를 사용한 경우(US)에 있어서 실험결과를 비교한 것이다. 추출모드의 변화에 따른 사용 용매를 변화시켰을 경우 최종 건조시 원료석탄에 대해 얻어지는 청정석탄의 추출수율(도 3a 참조) 결과 및 청정석탄에 포함된 회분함량(도 3b참조) 결과를 얻은 것이다.
초음파 발생기를 사용한 경우 교반기를 사용하지 않거나, 교반기를 사용한 경우에 비하여 추출수율은 증가하였고, 회분함량은 감소하는 것으로 나타났다.
(실시예 2)
초음파 추출반응기에서 용해된 유기질성분을 원료로 회분식 황화합물 제거실험을 실시하였다. 반응기 안에 석탄에서 용해된 유기질성분과 용매가 혼합된 용액과 흡착제를 반응기에 함께 넣고 밀폐한 뒤 잘 흔들어 혼합하였다. 반응기를 가열로에 넣고370℃로 상승시킨 다음 1시간동안 유지시켰다. 상기의 시간 동안 20분마 다 반응기를 회전시켜 흡착제와 용해된 용액이 잘 접촉될 수 있도록 하였다. 상기 반응이 끝난 후 냉각시키고 반응물을 꺼내어 용액에 들어 있는 전유황 분석을 실시하였다.
도 4는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 공정으로부터 얻어진 추출물질을 토대로 회분식 반응기를 이용한 실시예 2의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
두 가지 석탄에 대한 추출물질을 대상으로 한 경우 Drayton에는 147ppm, roto 탄에는 30ppm이 황화합물이 포함되어 있는데, 흡착제와 반응 한 뒤에는 황화합물의 농도가 흡착제에 따라 Drayton 탄의 6.14 ~ 75.9%까지 감소하였고, Roto 탄의 경우에는 50 ~ 82%까지 황화합물이 감소하였다. 두 가지 석탄에 있어서 Ni/Al2O3를 사용한 경우 황화합물의 제거 능력이 가장 우수한 것으로 나타났다.
(실시예 3)
초음파 추출반응기에서 용해된 유기질성분을 원료로 황화합물을 제거하기 위한 연속공정 장치를 이용하여 실험을 실시하였다. 용해된 용액을 고압펌프를 이용하여 고온 로에 장착된 반응기로 연속적으로 공급되도록 하였다. 상기에서 반응온도는 350℃로 유지하였고, 반응기 내의 압력은 10bar로 유지되었다. 반응기 내부에는 고정층 흡착제가 있으며, 용해된 성분은 흡착제층을 통과하도록 되어 있다. 반응이 완료된 용액은 일정시간마다 배출되는 용액의 샘플을 채취하여 지속적으로 측정하도록 하였다.
도 5는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 공정으로부터 얻어진 추출물질을 토대로 연속공정 장치를 이용한 실시예 3의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
x축은 1g의 흡촉매 또는 흡착제로 처리한 석탄에서 용해된 추출물을 함유한 용액의 부피를 의미하며, y축은 황화합물 제거 실험 후 추출물에 함된 전유황 농도를 의미한다. 1g의 촉매 또는 흡착제로 60ml까지 추출물 용액을 처리한 경우 전유황 농도의 파괴가 일어나지 않아 촉매 또는 흡착제의 황화합물 제거능력이 우수함을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 청정석탄의 제조 공정도 이고,
도 2는 청정석탄의 제조에 있어서 초음파를 이용한 공정도이고,
도 3a, 4b는 본 발명의 실시예 1의 실험결과를 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 공정으로부터 얻어진 추출물질을 토대로 회분식 반응기를 이용한 실시예 2의 실험결과를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 공정으로부터 얻어진 추출물질을 토대로 연속공정 장치를 이용한 실시예 3의 실험결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 종래 청정석탄 제조 전체 공정도 이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 슬러리 제조 탱크 (2) : 추출반응기
(3) : 분리기 (4) : 필터
(5) : 건조기 (6) : 잔탄
(7) : 알카리금속이온 제거 공정 (8) : 청정석탄
(10) : 초음파 추출반응기 (11) : 탈황공정조
(12) : 황화합물 제거 청정석탄 (20) : 초음파 발생기
(21) : 가열기 (22) : 필터층

Claims (12)

  1. (A) 원료 석탄과 용매를 일정비율로 혼합하여 슬러리화하는 단계와;
    (B) 이후 슬러리를 추출반응기에 넣고 초음파를 이용하여 반응을 촉진시켜 석탄에 포함되어 있던 유기질성분을 용매에 의해 용해 후, 용해된 유기질 성분과 용해되지 않은 입자상 물질을 분리하는 단계와;
    (C) 이후 용해된 유기질 성분에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황공정단계와;
    (D) 탈황된 유기질 성분을 건조하는 단계;를 포함하여 고체상의 청정석탄을 제조하는 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (B)단계는 추출반응기에서의 반응이 완료된 후에 용매에 용해된 성분과 용매에 용해되지 않은 입자상물질을 분리함에 있어서 중력침강법을 사용하되, 이때 용해된 유기질성분 내에 일부 포함되어 있을 미립자를 제거하기 위하여 필터를 사용하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (C)단계는 용해된 성분과 용해되지 않은 입자상물질을 분리한 후 용해된 성분에 포함된 황화합물을 흡착제를 이용하여 제거하는 탈황공정을 포함하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (C)단계는 황화합물을 제거하기 위한 흡착제로는 Ca(OH)2, CaO, MgO, Mg(OH)2나 상용 개질 촉매로 사용되는 Ni/Al2O3, CuCl/Al2O3 흡착제, 활성탄 중에서 선택적 어느 하나의 촉매 흡착제를 사용하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (C)단계의 탈황공정단계는 300 ~ 400℃, 적용압력 5 ~ 15 bar하에서 탈황시키는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (A)단계에서 석탄은 수분함량이 많고 가격이 저렴한 저등급석탄인 갈탄 및 아역청탄을 포함한 석탄인 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (A) 단계에서 석탄은 200 mesh(<75㎛)의 표준체로 체질(sieving)되어 그 이하의 크기만을 사용한 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (A) 단계에서 대상 원료 석탄 중 저등급석탄을 사용할 경우에는 수분함유량이 30-50% 정도이므로, 전처리단계를 통하여 수분을 제거한 후 용매와 혼합하여 슬러리를 제조한 후 추출반응기에 넣는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (A)단계에서 석탄과 용매의 슬러리 제조 함량은 1:10에서 1:4까지인 것을 사용하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 (A)단계에서 용매는 비점 범위가 200-300℃인 N메틸2피로리돈(NMP), 1메틸나프탈렌(1-MN), 접촉분해경유(LCO) 중에서 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 (B)단계에서 추출반응기의 반응 온도 범위는 300 - 400℃로 운전하여 반응시키는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
  12. 상기 (B)단계에서 추출반응기에서의 반응시간은 30-60분 동안 유지하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 탈황공정을 포함한 청정석탄의 제조 방법.
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