KR101141548B1

KR101141548B1 - 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법

Info

Publication number: KR101141548B1
Application number: KR1020090121252A
Authority: KR
Inventors: 이승재; 강성규; 유인수; 이규철
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2012-05-03
Also published as: KR20110064581A

Abstract

본 발명은 하수슬러지를 연료화하기 위하여 포함되는 석탄에 존재하는 황을 생물학적 및 물리적 방법으로 제거하기 위한 탈황 공정에 관한 것으로, 그 목적은 석탄에 존재하는 황을 생물학적 및 물리적 방법으로 제거하는 공정을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 (A) 석탄을 미생물에 의해 생물학적으로 탈황시키는 단계와, (B) 상기 (A) 단계에서 탈황 처리된 석탄을 건조시키는 단계와, (C) 상기 (B) 단계에서 건조된 석탄 분말에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 탈황시키는 단계와 (D) 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않은 상기 (A) 단계의 탈황처리된 석탄 슬러리에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 탈황시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄에 존재하는 황을 생물학적 및 물리적 방법으로 제거하기 위한 방법을 특징으로 한다.

석탄, 탈황, 미생물, 기름 응집, 물리적 탈황, 화학적 탈황

Description

생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법{Desulfurization of coal by biological and physical method}

본 발명은 생물학적 및 물리적인 방법을 이용한 석탄에 존재하는 황을 제거시키는 탈황 방법에 관한 것으로, 자세하게는 미생물에 의하여 석탄의 유기황 성분을 제거한 후, 석탄에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 석탄의 무기황 성분을 제거함으로써 석탄의 전체 황 함유량을 저감하는 기술에 관한 것이다.

최근 석유 대체 연료로서 혹은 폐자원의 발열량을 높이기 위한 보조 연료로서 석탄의 사용량이 급증하면서 석탄에 함유되어 있는 황에 의한 환경오염에 대해 한 문제 석탄의 황 함유량은 산지에 따라 다르지만, 전체 황 함유량은 대개 0.9 - 5.47 wt.%이며, 이 중 유기황 성분은 전체 석탄의 0.57 - 2.04 wt.%을 차지하는 것으로 나타난다. 석탄에 존재하는 황에 대한 탈황 기술에는 다양한 방법들이 개발되었으나, 개발된 기술들은 무기황 혹은 유기황 한쪽에만 치우쳐져 있어, 석탄의 전체 황 함유량을 저감하는 데는 어려움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 석탄 내에 존재하는 유기황 성분에 대해 생물학적인 방법으로 90% 이상 제거하고, 추가로 물리적인 방법을 사용함으로써 전체 황 성분의 함유량을 70% 이상 저감할 수 있는 석탄의 생물학적 및 물리적 탈황 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 (A) Gordonia amicalis, Gordonia desulfuricans, Gordonia alkanivorans 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 미생물을 석탄이 0.1 ~ 10 %의 무게비로 혼합된 석탄 슬러리에 첨가시킨 다음, 25 ~ 30 ℃의 온도에서 5 ~ 60 시간 동안 배양하여 석탄 내에 존재하는 유기황을 생물학적으로 탈황시키는 단계와;
(B) 상기 (A) 단계를 거치면서 미생물에 의해 유가황이 탈황 처리된 석탄 슬러리의 원심 분리 혹은 여과를 통해 액체 성분에서 분리된 고형물을 40 ~ 100 ℃의 온도에서 6 ~ 24 시간 동안 처리하여 석탄을 건조시키는 단계와;
(C) 상기 (B) 단계에서 건조된 석탄 분말에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 석탄 내에 존재하는 무기황을 탈황시키는 단계와;
(D) 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않은 상기 (A) 단계의 유기황이 탈황처리된 석탄 슬러리에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 무기황을 탈황시키는 단계와;
(E) 상기 (C)와 (D) 단계에서 형성된 석탄과 기름 응집물을 액체 성분으로부터 분리 후, 20 ~ 50 ℃의 온도에서 6 ~ 12 시간 동안 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법을 제공함으로써 달성된다.

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상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계의 건조된 석탄을 100 ~ 200 ㎛의 크기로 분쇄하여 얻어진 분말에 석탄 무게의 10 ~ 100 배의 물을 첨가시켜 현탁액을 만들고, 얻어진 석탄의 현탁액에 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가후, 기름이 첨가된 석탄 현탁액을 교반하여 석탄과 기름이 응집물을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 기름은 경유, 벙커유, 폐식용유, 폐동물성 기름, 목타르 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 기름이 첨가된 석탄 현탁액을 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 한다.

상기 (D) 단계는 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않고, 상기 (A) 단계에서 미생물에 의해 탈황 처리된 석탄 슬러리에 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가후, 기름이 첨가된 석탄 슬러리를 교반하여 석탄과 기름이 응집물을 형성하는 단계인인 것을 특징으로 한다.

상기 기름이 첨가된 석탄 슬러리를 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 석탄의 황성분을 제거함으로써 청정 연료를 확보하고, 이를 이용 하는 공정들에 있어서의 황의 제거와 황에 의한 오염물질 방지 시설에 대한 공정 감소로 전체 공정의 단순화가 이루어질 수 있으며, 특히 석탄의 황 성분에 의해 반응 효율이나 촉매의 수명, 반응기의 내구성 등 심각한 영향을 받는 석탄의 가스화, 액화, 수소 생산 등의 공정들에 대한 반응성 개선 효과에 크게 기여할 것으로 기대되는 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 생물학적 방법과 물리적 방법을 이용한 석탄의 탈황 공정을 나타내는 흐름도이다. 도시된 바와 같이 본 발명은 생물학적 방법과 물리적인 방법을 사용하여, 석탄 내에 존재하는 황 성분을 저감하는 방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.

구체적으로 생물학적 방법과 물리적 방법을 사용하는 석탄의 탈황 방법을 설명하면 다음과 같다.

(A) 석탄 내 존재하는 유기황을 미생물에 의해 생물학적으로 탈황시키는 단계와,

(B) 상기 (A) 단계에서 탈황 처리된 석탄을 건조시키는 단계와,

(C) 상기 (B) 단계에서 건조된 석탄 분말에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 석탄 내 존재하는 무기황을 탈황시키는 단계와,

(D) 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않은 상기 (A) 단계의 유기황이 탈황처리된 석탄 슬러리에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 석탄 내 존재하는 무기황을 탈황시키는 단계와,

(E) 상기 (C)와 (D) 단계에서 형성된 석탄과 기름 응집물을 액체 성분으로부터 분리하여, 20 ~ 50 ℃의 온도에서 6 ~ 12 시간 동안 건조하는 단계를 포함한다.

보다 구체적으로 상기 각 단계별 공정을 설명하면 다음과 같다.

상기 (A) 단계는 석탄 내 존재하는 유기황을 미생물에 의해 생물학적으로 탈황시키는 단계이다.

미생물은 Gordonia amicalis, Gordonia desulfuricans, Gordonia alkanivorans 중의 하나 이상을 포함하며, 미생물을 석탄이 0.1 ~ 10 %의 무게비로 혼합된 석탄 슬러리에 첨가시킨 다음, 25 ~ 30 ℃의 온도에서 5 ~ 60 시간 동안 배양시킨다. 제시된 석탄의 무게비 범위 밖의 석탄 슬러리에서는 미생물의 황 제거 성능이 낮아진다. 또한 미생물의 배양을 위해 제시된 온도와 시간 범위 밖에서는 미생물이 활성화되기 어렵다.

상기 (B) 단계는 미생물에 의해 유기황이 탈황 처리된 석탄을 액체 성분에서 분리시켜, 건조시키는 단계이다. 석탄 슬러리는 원심 분리 혹은 여과를 통해 액체 성분과 석탄 고형물을 분리시킨다. 이러한 분리 방법은 고체와 액체를 분리하는 대표적인 방법으로 이외의 고체와 액체를 분리하는 모든 방법이 사용 가능하다. 분리된 석탄 고형물은 40 ~ 100 ℃의 온도에서 6 ~ 24 시간 동안 건조된다. 이러한 건조 조건의 범위는 석탄의 건조가 충분히 이루어져, 다음 단계에서 석탄을 미세한 분말로 만들기 용이하게 하기 위함이다.

상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계의 건조된 석탄을 100 ~ 200 ㎛의 크기로 분쇄하여 얻어진 분말에 석탄 무게의 10 ~ 100 배의 물을 첨가시켜 현탁액을 만드는 단계이다. 건조된 석탄을 제시된 범위의 크기로 분쇄한 미세한 분말이 다음 단계의 기름과 응집이 효과적으로 이루진다. 또한 제시된 무게비 범위의 물이 석탄 분말에 첨가되었을 때, 교반이 용이한 석탄 현탁액이 얻어진다.

상기 얻어진 석탄의 현탁액에 경유, 벙커유, 폐식용유, 폐동물성 기름, 목타르 중 하나 이상의 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가하는 과정과 상기 기름이 첨가된 석탄 현탁액을 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 과정을 포함한다. 이러한 첨가되는 기름의 석탄에 대한 무게비 범위 미만에서는 석탄과 기름 사이의 응집이 이루어지지 않으며, 제시된 범위에서 초과되는 조건에서는 석탄과 기름의 응집물의 결합력이 약하여 기계적 강도가 약해진다. 또한 제시된 교반속도 범위 밖에서는 석탄과 기름의 응집물이 형성되지 않는다.

상기 (D) 단계는 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않고, 상기 (A) 단계에서 미생물에 의해 탈황 처리된 석탄 슬러리에 기름을 첨가하여 석탄을 탈황시키는 단계이다.

상기 (A) 단계에서 얻어진 석탄 슬러리에 경유, 벙커유, 폐식용유, 폐동물성 기름, 목타르 중 하나 이상의 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가하는 과정과 상기 기름이 첨가된 석탄 슬러리를 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 과정을 포함한다. 이러한 첨가되는 기름의 석탄에 대한 무게비 범위 미만에서는 석탄과 기름 사이의 응집이 이루어지지 않으며, 제시된 범위에서 초과되는 조건에서는 석탄과 기름의 응집물의 결합력이 약하여 기계적 강도가 약해진다. 또한 제시된 교반속도 범위 밖에서는 석탄과 기름의 응집물이 형성되지 않는다.

상기 (E) 단계는 상기 (C)와 (D) 단계에서 형성된 석탄과 기름 응집물을 액체 성분으로부터 분리하여, 20 ~ 50 ℃의 온도에서 6 ~ 12 시간 동안 건조한다. 이와 같은 온도와 시간의 범위는 석탄과 응집된 기름의 휘발성분에 대한 증발을 최소화하기 위함이다.

본 발명의 구성에 대한 이해를 명확히 하기 위하여 실시예를 하기에 제공한다.

<실시예 1>

석탄 분말 25g을 물 2.5 리터에 넣어 석탄 슬러리를 준비하였다. 여기에 Gordonia desulfuricans 미생물을 첨가한 다음, 석탄 슬러리의 온도를 30 ℃로 조절하였다. 미생물 배양 48 시간 후, 석탄 슬러리를 여과시켜 석탄 고형물을 수집하였다. 여과된 석탄 고형물은 40 ℃의 온도에서 12 시간 동안 건조되었다. 건조된 석탄 고형물은 분쇄하여, 체로 걸러 100 ~ 200 ㎛의 석탄 분말을 얻었다. 석탄 분 말 5g은 물 350g에 현탁되었고, 여기에 벙커유와 경유가 1:1의 무게 비로 혼합된 기름 0.5g을 첨가한다. 준비된 현탁액을 7000 rpm의 회전속도로 교반한다. 교반된 현탁액의 석탄과 기름 응집물은 체로 걸러, 40 ℃의 온도에서 12시간 동안 건조되었다.

<실시예 2>

석탄 분말 25g을 물 2.5 리터에 넣어 석탄 슬러리를 준비하였다. 여기에 Gordonia desulfuricans 미생물을 첨가한 다음, 석탄 슬러리의 온도를 30 ℃로 조절하였다. 미생물 배양 48 시간 후, 여기에 벙커유와 경유가 1:1의 무게 비로 혼합된 기름 0.5g을 첨가한다. 준비된 현탁액을 7000 rpm의 회전속도로 교반한다. 교반된 현탁액의 석탄과 기름 응집물은 체로 걸러, 40 ℃의 온도에서 12시간 동안 건조되었다.

<실시예 1>과 <실시예 2>에서 탈황 처리된 석탄의 전체 황성분 함유량을 조사한 결과를 <표 1>에 요약하였다.

<표 1> 탈황 처리된 석탄의 황 제거율 (%)

시 료	황 제거율 (%)
<실시예 1>	63.2
<실시예 2>	55.1

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 생물학적 방법과 물리적 방법을 이용한 석탄의 탈황 공정을 나타내는 흐름도이다.

Claims

(A) Gordonia amicalis, Gordonia desulfuricans, Gordonia alkanivorans 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 미생물을 석탄이 0.1 ~ 10 %의 무게비로 혼합된 석탄 슬러리에 첨가시킨 다음, 25 ~ 30 ℃의 온도에서 5 ~ 60 시간 동안 배양하여 석탄 내에 존재하는 유기황을 생물학적으로 탈황시키는 단계와;

(B) 상기 (A) 단계를 거치면서 미생물에 의해 유가황이 탈황 처리된 석탄 슬러리의 원심 분리 혹은 여과를 통해 액체 성분에서 분리된 고형물을 40 ~ 100 ℃의 온도에서 6 ~ 24 시간 동안 처리하여 석탄을 건조시키는 단계와;

(C) 상기 (B) 단계에서 건조된 석탄 분말에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 석탄 내에 존재하는 무기황을 탈황시키는 단계와;

(D) 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않은 상기 (A) 단계의 유기황이 탈황처리된 석탄 슬러리에 기름을 첨가하여 교반시키는 물리적인 방법으로 무기황을 탈황시키는 단계와;

(E) 상기 (C)와 (D) 단계에서 형성된 석탄과 기름 응집물을 액체 성분으로부터 분리 후, 20 ~ 50 ℃의 온도에서 6 ~ 12 시간 동안 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
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청구항 1에 있어서,

상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계의 건조된 석탄을 100 ~ 200 ㎛의 크기로 분쇄하여 얻어진 분말에 석탄 무게의 10 ~ 100 배의 물을 첨가시켜 현탁액을 만들고, 얻어진 석탄의 현탁액에 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가후, 기름이 첨가된 석탄 현탁액을 교반하여 석탄과 기름이 응집물을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 기름은 경유, 벙커유, 폐식용유, 폐동물성 기름, 목타르 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
청구항 5에 있어서,

상기 기름이 첨가된 석탄 현탁액을 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 (D) 단계는 상기 (B)와 (C) 단계를 거치지 않고, 상기 (A) 단계에서 미생물에 의해 유기황이 탈황 처리된 석탄 슬러리에 기름을 석탄에 대한 무게비로 1 ~ 10 % 첨가 후, 기름이 첨가된 석탄 슬러리를 교반하여 석탄과 기름이 응집물을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 기름은 경유, 벙커유, 폐식용유, 폐동물성 기름, 목타르 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 기름이 첨가된 석탄 슬러리를 2000 ~ 7000 rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 하는 생물학적 및 물리적 방법에 의한 석탄의 탈황 방법.
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