KR101210928B1

KR101210928B1 - 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄

Info

Publication number: KR101210928B1
Application number: KR1020120105202A
Authority: KR
Inventors: 이동욱; 최영찬
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2012-12-11
Also published as: WO2014046368A1

Abstract

본 발명은 수분을 포함하고 있는 원탄 또는 건조탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 바이오디젤 생산공정의 부산물인 글리세롤을 함침시키고 건조하여 소수성으로 개질함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 현저하게 억제된 고발열량 하이브리드 석탄에 관한 것이다.
본 발명에 의하여 제조되는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄은 수분의 재흡착이 현저하게 억제되어 건조석탄의 높은 발열량을 그대로 유지할 수 있어 고급탄처럼 발전소용 미분연료로 그대로 사용할 수 있고, 석탄에 함침된 글리세롤로 인하여 발전소의 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 사탕수수와 같은 바이오매스 유래 물질을 첨가한 하이브리드 석탄과 비교하여 식량자원의 에너지화라는 국제적인 논란에서도 벗어날 수 있으므로 새로운 에너지원으로서 경쟁력을 가질 수 있다.

Description

글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄{Method for preparation of glycerol-embedded high caloric hybrid coal and glycerol-embedded high caloric hybrid coal prepared thereby}

본 발명은 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수분을 포함하고 있는 원탄 또는 건조탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 바이오디젤 생산공정의 부산물인 글리세롤을 함침시키고 건조하여 소수성으로 개질함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 현저하게 억제된 고발열량 하이브리드 석탄에 관한 것이다.

최근 지속적으로 상승하는 유가와 원자력 에너지의 안정성에 대한 불신 등의 원인으로 에너지원으로서의 석탄에 대한 관심이 다시 고조되고 있다. 그러나 석탄은 화석연료 중 이산화탄소 발생량이 가장 많은 것으로서 지구 온난화 문제를 감안하면 경쟁력이 취약한 에너지원인 셈이다. 따라서 현재 에너지원으로서 세계적으로 이슈화 되고 있는 것 중에 신재생에너지의 이용 및 보급을 들 수 있는데, 이는 기존의 석유, 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되어 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원으로서 각광받고 있기 때문이다. 그러나 국내에서는 아직까지 태양광 또는 풍력 등의 신재생에너지원을 발전용 또는 난방용으로 사용하는 경우에는 화석연료와 비교하면 발전단가 등의 차이로 인하여 획기적인 이용 및 보급이 제한적인 상황이었다.

우리나라도 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 신재생에너지 의무할당제가 거론되기 시작한 이래 2012년부터 신재생에너지 의무할당제[Renewable Portfolio Standard(RPS)]가 도입됨으로써 에너지 사업자들에게는 부담으로 작용하는 것이 사실이다. 이에 따라 발전사에서는 석탄의 이산화탄소 발생을 감축시키는 노력으로 석탄가스화복합발전[Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)] 및 바이오매스 혼소 등을 시도하고 있지만, IGCC는 기존의 석탄 화력 발전시설을 이용할 수 없고, 1기당 약 1조 3천억원 규모의 막대한 건설비용이 필요하며, 이산화탄소 처리를 위하여 이산화탄소 포집 및 저장 설비[Carbon Capture and Storage(CCS)]를 추가로 설치해야 하는 기술로서 경제적인 부담이 매우 크다. 그리고 바이오매스 혼소의 경우에는 석탄에 비하여 상대적으로 낮은 발열량의 바이오매스를 연소함에 따른 발전효율 감소 등의 문제점을 안고 있다.

또한, 최근 역청탄과 같은 고급탄의 공급이 불안정해지면서 발전사에서도 저급탄을 불가피하게 이용할 수밖에 없는 상황인데, 저급탄의 높은 수분 함량 때문에 저급탄을 혼소할 경우 발전성능을 저해하는 결과를 초래하게 되고, CO₂ 발생량이 고급탄에 비해 20%이상 증가하는 문제가 발생한다(비특허문헌 1). 그러므로 이러한 저급탄이 전체 석탄 매장량의 약 50%를 차지하는 것을 고려하면 저급탄의 고부가가치화는 저급탄을 효율적으로 이용하기 위해서라도 반드시 필요한 기술이다(비특허문헌 2).

이에 따라 저급탄을 단순건조, 열수를 이용한 고압건조, 또는 고온의 유기용매를 이용한 건조 등의 저급탄 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(비특허문헌 3).

또한, 바이오매스 건류 생성물 중의 타르를 석탄에 부착시키는 방법으로 저급탄을 고품질로 개질하는 기술도 공지되어 있으나, 수분의 재흡착에 대한 평가는 이루어지지 않았다(특허문헌 1).

한편, 최근에 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤을 자원화하는 기술에도 관심이 집중되고 있으나, 이러한 글리세롤을 재활용하여 고부가가치 자원으로 전환하기 위해서는 원하는 화합물에 대한 높은 수율을 확보하여야 하는 어려움이 있으며, 고압의 반응조건이 필요하여 공정비용이 비싸다는 단점이 있다. 따라서 특정 화합물에 대한 높은 수율이 요구되지 않고, 고비용의 생산공정을 필요로 하지 않는 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤을 그대로 자원화 시키고자 하는 시도가 있었는바, 유기성 슬러지와 폐글리세롤을 혼합 및 가열 건조하여 고형 연료를 제조한 예가 공지되어 있으나, 이는 유기성 슬러지와 폐글리세롤을 단순히 혼합 및 가열건조하여 성형한 것으로 건조시 함수율에 따른 발열량만 고려했을 뿐, 건조 후 수분의 재흡착에 대한 평가와 표면의 소수성에 대한 평가는 역시 이루어지지 않았다(특허문헌 2).

한편, 본 발명자들은 본 발명의 특허출원 전에 이미 상기 언급한 제반 문제점 및 시대적 상황들을 인식하여 특허출원 제10-2012-0021413호에서 이산화탄소 배출량을 저감시킬 수 있고 저급탄을 고급탄으로 개질할 수 있는 석탄 고유의 천연 탄소성분과 사탕수수 등의 인공 탄소성분이 혼성된 고발열량 하이브리드 석탄을 제조한 바 있으나, 상업화를 위해서는 건조 후 수분의 재흡착률을 더욱 낮은 상태로 제어하여야 하는 필요성이 제기되었고, 사탕수수 이용에 따른 식량자원의 에너지화라는 국제적인 논란의 소지가 있었다.

이에 따라 본 발명자들은 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤을 석탄에 도입 및 건조를 하면, 석탄의 친수성 기공부피가 감소하고 친수성 기공 및 친수성 표면이 소수성으로 개질되어 수분의 흡착이 방지되고, 또한 단순히 가열 건조하는 것이 아니라 예비 건조공정을 거침으로써 완전 건조 후 수분의 재흡착 정도가 현저히 낮아질 수 있음에 착안하여 본 발명에 이르게 되었다.

특허문헌 1. 일본공개특허공보 제2011-093998호 특허문헌 2. 한국공개특허공보 제2009-0029385호

비특허문헌 1. X. Li et al., Energy Fuels, 2010, 24, 160 비특허문헌 2. Yvonne Traa, Chem. Commun., 2010, 46, 2175 비특허문헌 3. M. Morimoto et al., Energy Fuels, 2009, 23, 4533

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수분을 포함하고 있는 원탄 또는 건조탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 바이오디젤 생산공정의 부산물인 글리세롤을 함침시키고 건조하여 소수성으로 개질함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 현저하게 억제된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄을 제공하고자 하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 i) 석탄을 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤로 반죽하여 페이스트를 형성하는 단계; ii) 상기 페이스트를 상온, 상압 분위기에서 5~240 시간 숙성하는 단계; iii) 상기 숙성된 페이스트를 예비 건조하는 단계; 및 iv) 상기 예비 건조된 페이스트를 건조기에 투입하여 석탄 및 글리세롤의 건조를 동시에 수행하는 단계;를 포함하는, 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법을 제공한다.

상기 친수성 표면은 석탄의 회분 표면인 것을 특징으로 한다.

상기 친수성 표면은 -COOH (카르복실기), -NH₂(아민기), -OH(하이드록실기) 기능기를 갖는 석탄의 고정탄소 및 휘발분 표면인 것을 특징으로 한다.

상기 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄, 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 석탄은 고유수분함량이 5~70 중량%의 원탄 또는 고유수분함량이 5 중량% 이하의 건조탄인 것을 특징으로 한다.

상기 i) 단계에서 글리세롤은 석탄 중량 대비 0.1~80 중량% 첨가되는 것을 특징으로 한다.

상기 i) 단계에서 글리세롤은 물 또는 유기 용매로 희석하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 물 또는 유기용매를 이용한 글리세롤 용액 제조시 물 또는 유기용매/석탄의 중량비를 0.1~5의 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 i) 단계에서 유기용매는 메탄올, 에탄올 또는 프로판올 중에서 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 iii) 단계에서 예비 건조는 50~150℃에서 0.1~15 시간 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 iv) 단계에서 석탄 및 글리세롤의 건조는 50~500℃, 0.1~10 시간 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 글리세롤은 하이브리드 석탄 성형을 위한 바인더의 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄을 제공한다.

상기 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 고위발열량은 4,000 kcal/kg 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤을 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 함침시켜 제조되는 고발열량 하이브리드 석탄은 수분의 재흡착이 현저하게 억제되어 건조석탄의 높은 발열량을 그대로 유지할 수 있어 고급탄처럼 발전소용 미분연료로 그대로 사용할 수 있고, 석탄에 함침된 글리세롤로 인하여 발전소의 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 사탕수수와 같은 바이오매스 유래 물질을 첨가한 하이브리드 석탄과 비교하여 식량자원의 에너지화라는 국제적인 논란에서도 벗어날 수 있으므로 새로운 에너지원으로서 경쟁력을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저급탄을 글리세롤을 이용하여 고급화한 하이브리드 석탄의 개념도.
도 2는 실시예 1, 2 및 비교예 1로부터 제조된 하이브리드 석탄과 단순 건조탄의 소수성 평가실험 결과.
도 3은 실시예 1, 2 및 비교예 2로부터 제조된 하이브리드 석탄의 기공 크기 분포도.

이하에서는 본 발명에 따라 수분을 포함하고 있는 원탄 또는 건조탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 바이오디젤 생산공정의 부산물인 글리세롤을 함침시키고 건조하여 소수성으로 개질함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 현저하게 억제된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄으로부터 저급탄을 고급화하는 기술에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 저급탄을 글리세롤을 이용하여 고급화한 하이브리드 석탄의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 i) 석탄을 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤로 반죽하여 페이스트를 형성하는 단계; ii) 상기 페이스트를 상온, 상압 분위기에서 5~240 시간 숙성하는 단계; iii) 상기 숙성된 페이스트를 예비 건조하는 단계; 및 iv) 상기 예비 건조된 페이스트를 건조기에 투입하여 석탄 및 글리세롤의 건조를 동시에 수행하는 단계;를 포함하는, 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법에 관한 것이다.

여기서 상기 친수성 표면은 석탄의 회분 표면인 것을 특징으로 하고, 상기 친수성 표면은 -COOH (카르복실기), -NH₂(아민기), -OH(하이드록실기) 기능기를 갖는 석탄의 고정탄소 및 휘발분 표면일 수도 있다.

석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나의 것일 수 있다. 본 발명에서는 기본적으로 저급탄을 대상으로 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄을 제조하는 것이나, 상기 글리세롤은 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤 이외에 화학적 또는 생물학적인 방법에 의하여 통상적으로 수득되는 순수한 글리세롤이어도 좋다. 또한, 본 발명의 하이브리드 석탄 제조방법은 고급탄을 대상으로 하여도 무방하다.

또한, 석탄은 고유수분함량이 5~70 중량%의 원탄 또는 고유수분함량이 5 중량% 이하의 건조탄인 것을 특징으로 한다.

글리세롤은 상온에서 액상의 물질로서 석탄과 페이스트를 형성하여도 좋고, 물 또는 메탄올, 에탄올 또는 프로판올 중에서 선택된 어느 하나의 알코올계 유기용매를 사용하여 석탄 중량 대비 0.1~80 중량% 첨가함으로써 페이스트를 형성하는 것이 바람직하다. 석탄 중량 대비 글리세롤의 첨가량이 0.1 중량% 미만이면 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면 내에 침투하는 글리세롤의 양이 미미하여 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 충분하게 함침될 수 없어 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면을 소수성으로 개질하기 어렵고, 80 중량%를 초과하면 페이스트 성상을 얻기 어려워 가공성이 떨어진다.

상기 물 또는 유기용매로 희석하여 글리세롤 용액 제조시 물 또는 유기용매/석탄의 중량비를 0.1~5의 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다. 물 또는 유기용매/석탄의 중량비가 0.1미만이면 글리세롤이 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면으로 침투되기가 어려워 석탄의 친수성 기공 및 표면의 소수성 개질이 어려워지고, 물 또는 유기용매/석탄의 중량비가 5 이상이 되면 건조공정에서 에너지 소비가 많아지는 단점이 있다.

페이스트가 형성되면, 글리세롤이 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면으로 침투되는 것을 향상시키기 위해 페이스트를 상온, 상압 분위기에서 5~240 시간 숙성시킨다. 본 발명에서는 상기 숙성된 페이스트를 예비 건조하는 공정을 포함하는 것인바, 본 발명의 특징적인 기술적 사상의 하나라 할 수 있다.

한편, 본 발명에서처럼 하이브리드 석탄은 종래 사탕수수와 같은 바이오매스와 석탄을 단순히 물리적으로 혼합함으로써 불균일한 연소 특성을 보이는 것과 비교하여 글리세롤이 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면 내로 침투해서 석탄과 물리화학적으로 결합되어 있음으로써 균일한 연소 특성을 나타냄과 아울러, 석탄의 기공을 막음으로써 건조 후에 수분의 재흡착 정도가 낮아지는 것이다. 따라서 석탄의 기공을 더 효율적으로 막을수록 수분의 재흡착률도 감소되는 셈이다.

그러므로 본 발명에서는 석탄과 글리세롤의 페이스트를 예비 건조하는 단계를 통하여 석탄의 기공을 더 효과적으로 막아 기공의 부피를 더욱 작게 함으로써 후속 건조공정을 거친 하이브리드 석탄의 수분 재흡착률을 현저히 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

상기 예비 건조는 50~150℃에서 0.1~15 시간 수행하는 것이 바람직하다. 예비 건조의 온도가 50℃, 0.1 시간 미만이면 물 등의 유기용매를 완전히 건조하기도 어렵거니와 석탄의 기공을 막는 pore-filling 효과가 미미하며, 150℃, 15 시간을 초과하면 장시간의 예비 건조에 따른 또 다른 에너지 비용의 증대로 효율성이 저해된다.

아울러 본 발명에서 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면을 소수성으로 개질하기 위하여 사용된 글리세롤은 하이브리드 석탄 성형시 바인더의 기능도 수행함으로써 성형가공성을 향상시킨다.

상기 언급한 바와 같이 석탄과 글리세롤의 페이스트를 예비 건조하는 단계를 거친 건조공정을 이용하여 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄을 제조한다.

상기 제조방법에 의하여 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 고위발열량은 4,000 kcal/kg 이상을 나타낸다.

이하 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

(실시예 1)

입자크기가 75 μm이하인 인도네시아 원탄 400g을 글리세롤 22.5g 및 물 185g을 혼합한 용액과 반죽하여 페이스트를 만든다. 상기 페이스트를 12 시간 동안 실온에서 숙성하고 105℃에서 6 시간 동안 예비 건조한 후, 250℃에서 1 시간 동안 건조하였다.

(실시예 2)

입자크기가 75 μm이하인 인도네시아 원탄 400g을 글리세롤 90g 및 물 140g을 혼합한 용액과 반죽하여 페이스트를 만든다. 상기 페이스트를 12 시간 동안 실온에서 숙성하고 105℃에서 6 시간 동안 예비 건조한 후, 250℃에서 1 시간 동안 건조하였다.

(비교예 1)

상기 실시예 1 및 2의 하이브리드 석탄과 비교할 수 있는 샘플로 입자크기가 75 μm이하인 인도네시아 원탄을 105℃ 오븐에서 2 시간 단순 건조한 석탄 500g을 준비하였다.

(비교예 2)

상기 실시예 1 및 2의 하이브리드 석탄과 비교할 수 있는 샘플로 입자크기가 75 μm이하인 인도네시아 원탄을 250℃ 오븐에서 1 시간 단순 건조한 석탄 500g을 준비하였다.

(실험예 1)

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1로부터 제조된 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄과 단순 건조탄의 소수성을 평가하기 위해 각 석탄 샘플의 디스크를 제조하고 그 디스크 표면에서의 물방울의 접촉각 측정을 수행하였다. 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄과 단순 건조탄을 75 μm이하의 분말로 체를 친 후 50 기압으로 압축하여 지름 4 cm의 디스크를 제조하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1로부터 제조된 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄과 단순 건조탄의 디스크에 물방울을 떨어뜨려 디스크 표면과의 접촉각을 측정하였고, 그 사진을 도 2에 나타냈다. 도 2에서 보는 바와 같이 단순 건조탄의 접촉각이 50도인데 반해 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄의 접촉각은 최대 142.2도로 크게 증가한 것을 알 수 있고, 글리세롤의 첨가량이 증가할수록 접촉각이 더 증가하는 것을 확인하였다. 물의 접촉각이 클수록 시료의 소수성이 높은 것을 의미하며, 일반적으로 접촉각이 120도가 넘으면 시료의 소수성이 높다고 판단하는바, 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄의 소수성은 매우 높은 것으로 확인되었다. 이로부터 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면이 소수성으로 개질되었음을 확인하였고, 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄의 소수성으로부터 수분의 재흡착률이 현저하게 낮아질 수 있음을 알 수 있다.

또한, 인도네시아 원탄과 실시예 1, 2에 따른 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄의 공업분석 결과와 발열량을 아래 표 1에 나타내었다.

분석항목 시료명	공업분석(wt%)				인수식 발열량 (kcal/kg)	참 발열량 (kcal/kg)
분석항목 시료명	수분 (M)	휘발분 (VM)	회분 (Ash)	고정 탄소 (FC)	인수식 발열량 (kcal/kg)	참 발열량 (kcal/kg)
인도네시아 원탄	28.23	33.47	5.14	33.16	4,170	3,803
하이브리드 석탄 (실시예1)	2.14	44.06	12.33	41.47	5,686	5,436
하이브리드 석탄 (실시예 2)	1.84	47.80	11.42	38.94	5,723	5,457

상기 표 1에서 보는 것처럼 본 발명의 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄은 인도네시아 원탄에 비해 참 발열량(고유수분의 증발잠열을 고려한 경우)은 약 1,654 kcal/kg이 더 높았고, 발전소에서 일반적으로 사용하는 인수식 발열량의 경우는 약 1,553 kcal/kg가 더 높은 것으로 확인되어 본 발명의 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄으로 제조될 경우 발열량이 크게 향상됨을 알 수 있다. 아울러, 본 발명의 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄은 고정탄소가 인도네시아 원탄에 비해 최대 약 8.31 wt%가 높은 것으로 나타났다. 본 발명에서 제조된 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄이 인도네시아 원탄에 비해 발열량이 높다는 사실보다 더 중요한 것은 수분의 재흡착 정도가 현저하게 감소되어 하이브리드 석탄의 발열량을 장시간 유지할 수 있다는 것이다.

도 3은 실시예 1, 2 및 비교예 2의 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄과 105에서 단순 건조한 인도네시아 건조탄의 기공 크기 분포도를 나타낸 그래프이다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이 비교예 2의 인도네시아 단순 건조탄의 메조기공 영역에서의 기공부피가 실시예 1, 2로부터 제조된 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄의 기공부피보다 크다. 다시 말하면, 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄에서는 글리세롤의 첨가량이 증가할수록, 또한 예비 건조공정을 도입함으로써 기공을 막는 pore-filling 효과를 극대화하여 기공부피를 더 감소시킬 수 있는 것이다.

(실험예 2)

실시예 1, 2 및 비교예 1로부터 제조된 석탄을 과량의 물에 담가 10분간 교반하면서 기공내로 물이 흡착되게 한 후, 20분간 여과하여 외부 수분을 제거하고 무게를 측정한다. 외부수분이 제거된 석탄은 다시 105℃ 오븐에서 12시간 동안 건조하여 기공 내의 수분까지 제거한다. 수분 재흡착률은 아래와 같이 계산하였다.

수분 재흡착률(wt%) = (C_wet - C_dry)/C_wet * 100

[상기 C_wet 는 여과 후의 석탄 무게, C_dry는 오븐 건조 후의 석탄 무게]

아래 표 2에 실험예 2의 측정결과를 나타내었다.

샘플	인도네시아 단순 건조탄 (비교예 1)	하이브리드 석탄 (실시예 1)	하이브리드 석탄 (실시예 2)
수분 재흡착률 (wt%)	35.58	23.26	24.69

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 실시예 1, 2로부터 제조된 예비 건조 공정을 거친 하이브리드 석탄은 수분의 재흡착률이 23.26 내지 24.69 wt%로서 비교예 1의 105℃에서 단순 건조한 인도네시아 원탄의 수분 재흡착률 35.58 wt%에 비하여 현저하게 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명의 예비 건조공정을 거쳐 글리세롤이 함침된 하이브리드 석탄은 건조 석탄의 높은 발열량을 그대로 유지할 수 있어 발전소용 미분연료로 그대로 사용할 수 있고, 고유 수분을 포함한 저급탄을 혼소하는 것에 비해 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims

i) 석탄을 바이오디젤 생산공정에서 부산물로 얻어지는 글리세롤로 반죽하여 페이스트를 형성하는 단계;
ii) 상기 페이스트를 상온, 상압 분위기에서 5~240 시간 숙성하는 단계;
iii) 상기 숙성된 페이스트를 예비 건조하는 단계; 및
iv) 상기 예비 건조된 페이스트를 건조기에 투입하여 석탄 및 글리세롤의 건조를 동시에 수행하는 단계;를 포함하는, 석탄의 친수성 기공 및 친수성 표면에 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법
제1항에 있어서, 상기 친수성 표면은 석탄의 회분 표면인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 친수성 표면은 -COOH (카르복실기), -NH₂(아민기), -OH(하이드록실기) 기능기를 갖는 석탄의 고정탄소 및 휘발분 표면인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 석탄은 고유수분함량이 5~70 중량%의 원탄인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 석탄은 고유수분함량이 5 중량% 이하의 건조탄인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 iii) 단계의 예비 건조는 50~150℃에서 0.1~15 시간 수행하는 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 글리세롤은 석탄 중량 대비 0.1~80 중량% 첨가되는 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 글리세롤은 물 또는 유기 용매로 희석하여 사용하는 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제9항에 있어서, 유기 용매는 메탄올, 에탄올 또는 프로판올 중에서 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 물 또는 유기용매로 희석하여 글리세롤 용액 제조시 물 또는 유기용매/석탄의 중량비는 0.1~5인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 iv) 단계의 건조는 50~500℃, 0.1~10 시간 수행하는 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항에 있어서, 글리세롤이 하이브리드 석탄 성형을 위한 바인더의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 제조방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄.
제14항에 있어서, 상기 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄의 고위발열량이 4,000 kcal/kg 이상인 것을 특징으로 하는 글리세롤이 함침된 고발열량 하이브리드 석탄.