KR101464917B1 - 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료, 장치 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합 연료, 제조장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄과 고형 바이오매스, 바인더를 혼합하고 그래뉼 형태로 만든 후 건조 및 탄화 공정을 거쳐 밀도와 발열량을 향상시킨 소수성의 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료, 제조장치 및 그의 제조 방법으로서 저급탄의 수송시 발생되고 분진발생, 자연발화, 수분 재흡착 등의 문제를 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료, 제조장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄과 고형 바이오매스, 바인더를 혼합하고 그래뉼 형태로 만든 후 건조 및 탄화 공정을 거쳐 밀도와 발열량을 향상시킨 소수성의 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료, 제조장치 및 그의 제조 방법에 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.
한편, 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(bio-mass) 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 저장설비(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. 즉 단순히 석탄과 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료의 경우, 석탄의 표면이 오일로 코팅되거나 기공 안으로 오일이 함침된다. 하지만 오일자체의 낮은 표면장력 및 오일계 바이오매스와 석탄 표면의 결합력 부족으로 각각의 연료, 즉 석탄과 바이오매스가 각각 기존의 연소 특성을 유지하고 결국 다른 연소 특징을 보이게 된다. 이를 발전소에 적용 시 버너 앞부분에서 오일의 저온 연소 패턴으로 인하여 산소가 우선적으로 과잉 소모하게 되고, 이는 결국 석탄의 연소를 저해하여 미연소탄소(unburned carbon)의 양이 증가하게 되며 발전 효율을 감소시키게 된다.
일본공개특허 제2010-222517호에서는 석탄을 분쇄해 석탄 분말을 얻는 석탄 분쇄 장치(crushing equipment)와, 상기 석탄 분말을 가스화제와 반응시켜 가연성 가스를 생성하는 석탄 가스화로(coal gasification)와, 상기 석탄 분쇄 장치(crushing equipment)로 얻어진 상기 석탄 분말을 상기 석탄 가스화로(coal gasification)에 공급하는 석탄 분말 공급 수단을 적어도 갖추는 가스화 시스템에 있어서 식물 유래의 바이오매스(biomass) 원료를 탄화 처리한 바이오매스(biomass) 탄화물, 및 탄화처리시 얻은 조초액을 상기 석탄 분쇄 수단에 공급하는 바이오매스(biomass) 탄화물 공급 수단을 한층 더 갖추는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템을 개시하고 있다.
일본공개특허 제2011-93998호에서는 바이오매스(biomass)를 건류해 바이오매스(biomass)탄을 제조할 때에 상기 건류에 따라 얻어진 건류 생성물과 석탄을 접촉시켜, 상기 건류 생성물의 현열에 따라 상기 석탄의 수분 함유율을 저하시키는 것과 동시에 상기 건류 생성물 중에 포함되는 타르를 상기 석탄에 부착, 탄화시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스(biomass)를 이용한 석탄의 개질 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2011-205933호에서는 바이오매스(biomass)로부터 효소를 이용해 당화액을 제조하는 방법이며, 소수성의 유기용매(organic solvent)가 존재하는 반응 용매(reaction solvent) 중 , 바이오매스(biomass) 및 효소를 첨가해 교반하는 것으로써, 상기 바이오매스(biomass) 중의 다당류를 보다 저분자의 당류에 가수분해(hydrolysis)하는 분해 스텝과 필요하게 보다 상기 분해 스텝의 최종 단계(final stage)로 상기 반응 용매(reaction solvent) 중 수계 용매를 첨가하고, 상기 분해 되었던 것보다 저분자의 당류를 수계 용매에 추출하는 추출 스텝과 상기 수계 용매에 추출된 당류를 당화액으로서 회수하는 회수 스텝과 (을)를 포함하는 것을 특징으로 하는 당화액을 제조하는 제조 방법을 개시하고 있다.
한국특허공보 제10-1195416호에서는 저급탄에 존재하는 친수성 표면을 바이오매스 유래 물질의 탄소성분으로 코팅하여 소수성으로 개질함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 억제된, 석탄 고유의 천연 탄소성분과 인공 탄소성분이 혼성된 고발열량의 하이브리드 석탄 및 그를 제조하는 방법으로써 석탄을 바이오매스 유래 물질의 용액으로 반죽하여 페이스트를 형성하는 단계, ii) 상기 페이스트를 탄화로에 투입하여 바이오매스 유래 물질의 건조 및 탄화를 동시에 수행하는 단계를 포함하는, 석탄의 친수성 표면에 바이오매스 유래 탄소성분이 코팅된 고발열량의 하이브리드 석탄을 제조하는 방법으로서, 상기 (ii)단계를 수행하기 전에 상온, 상압 분위기에서 페이스트를 5～240 시간 숙성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고발열량의 하이브리드 석탄을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
한국특허공보 특1984-0001778호에서는 공기가 배제된 상태에서 약 40미크론 이하의 크기로 원료석탄을 분쇄하여 소수성 석탄부분과 친수성분진 부분을 형성하고 수용액과 상기 부분들을 접촉시켜 분진을 함유하는 입자에는 흡습성을 주고 석탄 부분을 함유하는 입자는 실질적으로 건조된 상태로 남게한 뒤 석탄부분과 분진을 분리하고 석탄부분과 액체를 혼합하는 것으로 구성된 미립자 석탄-액체 혼합물의 제조방법이 개시되어 있다.
한국특허공보 10-1210928호에서는 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 것으로 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 있는것으로 알려져 있다.
또한 이로 인해 신재생에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 바이오매스 연료의 공급 안정성을 확보하기 위하여 다양한 바이오매스 유래 물질을 석탄 화력발전에 이용할 수 있는 획기적인 기술개발에 대한 요구가 대두되고 있다.
그러나 입자크기에 확보하면서 석탄산지에서 수입을 위한 해상 수송시 수분 재흡착에 의한 운송비 증가의 방지하고, 입도가 낮은 석탄에 의한 분진발생 및 자연발화를 방지할 수 있으며, 국내 발전연료 적용을 위한 발열량 및 RPS 요건에 맞는 연료, 연료제조 장치 및 연료제조방법 기술은 아직까지 제시된 바 없다.
본 발명은 상기와 같은 연구를 수행하기 위해 안출된 발명으로 본 발명의 목적은 석탄-바이오매스 그래뉼 연료, 장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄과 고형 바이오매스, 바인더를 혼합한 후 그래뉼 형태로 만든 후 건조 및 탄화 공정을 거쳐 밀도와 발열량을 향상시킨 소수성의 석탄-바이오매스 그래뉼 연료, 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 것으로 연료의 크기 확대(size enlargement)에 의한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법에 있어서, 조분쇄하여 입자 크기가 10mm 이하인 석탄 파우더 및 고형 바이오매스를 분류하는 제1 단계; 상기 분류된 고형 바이오매스 파우더와 석탄 파우더를 혼합하여 혼합물을 형성하는 제2 단계; 상기 혼합물에 바인더를 첨가하여 그래뉼 형태의 혼합연료를 형성하는 제3 단계;
상기 그래뉼 형태의 혼합연료를 건조하는 제4 단계; 상기 건조된 그래뉼 형태의 혼합연료를 탄화하여 소수성 그래뉼 형태의 혼합연료를 제조하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법을 제공한다.
상기 제2 단계에서, 상기 고형 바이오매스 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%와 상기 석탄 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%를 포함할 수 있다.
상기 고형 바이오매스 파우더는 목질계인 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일렌, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등과, 초본계인 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물, 유지작물류인 유채, 콩, 해바라기, 콩, 유채씨유 찌꺼기, 카놀라, 그리고 유기성폐기물류인 음식물폐기물, 하수슬러지, 가축분뇨, 식물잔재물, 과일폐기물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 혼합연료의 입자 크기는 4 내지 100 mm일 수 있다.
상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 디스크형 또는 드럼형의 텀블링(Tumbling) 그래뉼레이터, 퍼그(Pug) 밀형 또는 패들(Paddle)밀형의 저속 믹서 그래뉼레이터, 수직 슈기(Schugi) 믹서형, 수평 핀(Pin) 또는 페그(Peg) 믹서형의 고속 믹서 그래뉼레이터, 유동층 그래뉼레이터, 원심 그래뉼레이터, 스프레이 드라이어, 프릴링(Prilling) 타워 또는 플래시 드라이어의 스프레이 공정, 몰딩, 피스톤, 타블랫 또는 롤 프레싱의 컨파인 압력 장치, 펠렛 밀 또는 스크류 익스트루더의 압출 장치 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
상기 제4 단계에 투입되는 상기 그래뉼 형태의 혼합연료는 입자 크기가 4 mm 이상이며, 4mm 미만의 상기 그래뉼 형태의 혼합연료는 제3 단계로 재투입될 수 있다.
상기 제3 단계에서, 상기 혼합물에 대해서 0 초과 내지 50 중량% 이하의 바인더를 더 포함될 수 있다.
상기 제4단계 및 제5 단계에서, 온도범위는 30℃ 내지 700℃로 건조 및 탄화를 일체로 수행하거나 단계별로 수행될 수 있다.
상기 제5 단계에서, 탄화 온도는 200℃ 내지 700℃일 수 있다.
상기 바인더는 감자전분, 옥수수전분, 사탕무원액, 사탕무박, 사탕무당밀, 사탕수수원액, 사탕수수당밀, 바가스, 카복시메틸전분, 카복시메틸셀룰로우스, 덱스트린, 구아검, 송진, 나무타르/피치, 목재펄프, 흑액, 아황산폐액, 리그노설퍼네이트, 그리닌설퍼네이트 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 도축폐기물, 폐플라스틱, 맥주폐기물, PVA, APP, PVC, 페놀알데하이드 수지, 목질계 바이오 오일, 알긴산, 알카리셀룰로오스, 아민, 안트라센, 아랄다이트, 뷰타디엔, 카제인, 카사바, 아마씨오일, 대두오일, 에폭시수지, 퓨란유도체, 글리세롤, 글리세롤에스터유도체, 휴민산, 하이드록시아민, 루핀씨오일, 나이트로페놀, 유기실리콘, 페놀알데하이드 수지, 폴리아크릴아미드, 폴리알킬렌 글리세롤 폴리에틸렌 산화물, 석유 산화물, 폴리아미드, 폴리에스터 수지, 탄화수소 폴리머, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세틸, 백년초 라텍스, 수지, 톱밥, 셰일 역청, 셸락, 대두, 스타리렌 폴리머, 아황산염 액, 타르, 주석산염, 요소 포름알데히드 수지, 비닐 폴리머, 콜타르/피치, 석유피치, 석유 역청, 중질원유, 중질잔사유, 아스팔트 또는 석유 증류 잔사물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나 또는 2이상의 것을 혼합할 수 있다.
상기 제3 단계에서, 상기 그래뉼 형태의 혼합연료 제조방식은 선택적으로 과립기, 성형기, 압출기 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
상기 혼합연료는 상압 내지 10MPa의 압력조건에서 형성될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료를 제공한다.
상기 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 연소특성은 반응성이 다른 연료의 혼합에 의한 독립된 연소특성이 아닌 단일 연료의 연소특성을 나타낸다.
또한 본 발명은 상기 방법에서 제1 단계는 분류기에서, 상기 제2 단계는 혼합기에서, 상기 제3 단계는 과립기, 성형기, 압출기 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행되고, 상기 제4 단계는 건조기에서, 상기 제5 단계는 탄화기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 연료, 제조장치 및 그의 제조 방법에 따르면, 연료크기가 유사한 유동층 보일러의 연료로 제조가 가능하며, 해당 연료는 강한 소수성, 높은 연료밀도 및 강도를 갖는다. 선행특허(등록번호 : 1011954160000)에서 명시한 하이브리드 석탄과 같이 석탄-바이오매스 그래뉼 연료는 석탄과 바이오매스의 단순 혼합이 아닌 반응성이 다른 두 가지의 연료가 결합되어 하나의 연소 특성을 갖는 two-in-one 연료로 석탄화력발전 보일러의 미연분을 줄임으로써 발전효율을 높일 수 있다. 또한 저급탄의 수송시 발생되고 분진발생, 자연발화, 수분재흡착 등의 문제를 해결할 수 있으며, 석탄 함량 70% 이상의 그래뉼 연료의 경우 미분탄 화력발전용 연료(설계탄 6,080 kcal/kg)로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 혼합비를 보여주는 표이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 연료 특성을 보여주는 표이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 보여주는 표이다.
도 6은 실제 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 7은 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 나타내는 표이다.
도 8은 저급탄과 바이오매스를 이용한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조장치를 보여주는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로타리 킬른 형태의 과립 및 건조기를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 DTG 연소특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 혼합비를 보여주는 표이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 연료 특성을 보여주는 표이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 보여주는 표이다.
도 6은 실제 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 7은 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 나타내는 표이다.
도 8은 저급탄과 바이오매스를 이용한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조장치를 보여주는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로타리 킬른 형태의 과립 및 건조기를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 DTG 연소특성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면에 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 혼합비를 보여주는 표이다. 도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 연료 특성을 보여주는 표이다. 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다. 도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 보여주는 표이다. 도 6은 실제 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다. 도 7은 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 압축 강도를 나타내는 표이다. 도 8은 저급탄과 바이오매스를 이용한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조공정의 흐름도를 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 제조장치를 보여주는 블록도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로타리 킬른 형태의 과립 및 건조기를 보여주는 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 DTG 연소특성을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 사용되는 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나의 것을 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 연료 및 그의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 제조 방법은 고형 바이오매스 파우더와 석탄 파우더를 혼합하는 제1 단계(S10)로부터 출발한다. 이때 고형 바이오매스 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%와, 석탄 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%를 고르게 혼합한다.
이때 고형 바이오매스 원료로는 목질계인 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일렌, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등과, 초본계인 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물, 유지작물류인 유채, 콩, 해바라기, 콩, 유채씨유 찌꺼기, 카놀라, 그리고 유기성폐기물류인 음식물폐기물, 하수슬러지, 가축분뇨, 식물잔재물, 과일폐기물 등 모든 고형물질의 바이오매스가 사용될 수 있다.
석탄 파우더의 소재로는 이탄, 아탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는 석탄 파우더의 소재로 갈탄, 아역청탄과 같은 저급탄을 사용하였다.
다음으로 S20단계에서 혼합한 고형 바이오매스 파우더와 석탄 파우더 혼합물에 바인더를 분사하여 그래뉼화에 적절한 바인더와 수분의 양이 첨가되도록 한다.
이어서 S30단계에서 그래뉼 형태의 혼합연료를 형성한다. 이때 그래뉼레이터의 형식은 그래뉼 형태의 혼합연료를 형성한다면 그 장치에 제한되지 않는다. 그래뉼 형태의 혼합연료 입자 크기가 0.1 내지 100 mm이 되게 체류시간과 각 원료의 투입량을 조절한다. 바람직하게는 입자 크기가 1 내지 50 mm되게 체류시간과 각 원료의 투입량을 조절한다. 더욱 바람직하게는 입자 크기가 4 내지 20 mm되게 체류시간과 각 원료의 투입량을 조절한다. 상기 범위보다 입자크기가 작으면 비산 및 발화 문제가 발생할 수 있으며, 상기 범위보다 입자크기가 크면 그래뉼형태의 입자 형성시 투입되는 에너지가 많이 소요된다. 혼합연료에 대해서 0 초과 내지 50 이하 중량%의 바인더가 추가될 수 있다. 바인더를 사용하는 경우 혼합연료의 성형을 촉진하고, 제조되는 그래뉼 연료의 압축강도를 증가시킬 수 있다.
여기서 S20단계 및 S30단계는 단일 장치에서 일체로 수행되거나 단계별로 별도의 장치에서 수행될 수 있다.
다음으로 S40단계에서 그래뉼 형태의 혼합연료를 크기에 따라 선별한다. 그리고 선별하고 남은 혼합연료는 S20으로 재투입한다.재투입되는 연료의 입자크기는 4 mm 미만인 연료를 대상으로 한다.
그리고 S50단계에서 그래뉼 형태의 혼합연료를 탄화하여 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료 제조한다. 이때 S40단계에서 선별된, 즉 입자 크기가 4 mm이상 100mm 이하인 그래뉼 형태의 혼합연료를 탄화시켜 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 연료를 제조한다. S50단계에 따른 건조 및 탄화 온도는 30 내지 700℃가 바람직하다. 상기 건조 및 탄화는 일체로 수행되거나 단계별로 수행될 수 있다. 단계별로 수행될 경우, 건조온도는 바람직하게는 50 내지 200℃가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 80 내지 150℃가 바람직하다. 상기 온도 범위보다 낮으면 건조효과를 얻을 수 없으며, 상기 온도 범위보다 높으면 대상 연료의 탄화 또는 발화현상이 나타나게 된다. 단계별로 수행될 경우, 탄화온도는 150 내지 700℃이다. 바람직하게는 200 내지 500℃이다. 더욱 바람직하게는 200 내지 300℃이다. 상기 온도 범위 보다 낮다면 탄화효과를 얻을 수 없으며 상기 온도보다 높다면 탄화효과에 비하여 너무 많은 에너지가 투입된다.
이와 같이 제조된 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼형태의 혼합연료는 석탄에 고형 바이오매스가 혼합된 구조를 갖기 때문에, 강한 소수성, 높은 연료밀도, 강한 성형강도(압축강도)를 갖고 있는 것을 도 2 내지 도 7의 실험 데이터를 통하여 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼형태 혼합연료의 특성을 실험하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같은 시료를 준비하였다. 도 2에서, raw coal 및 raw wood 샘플은 처리하지 않은 상태의 원시료를 의미한다. #1 내지 #6의 샘플은 석탄과 바이오매스(목재) 비율별 그래뉼 형태를 형성한 후 탄화시킨 연료이다. 여기서 #1 및 #6은 비교예에 따른 그래뉼형태의 연료이고, #2 내지 #5는 실시예에 따른 그래뉼형태의 연료를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 그래뉼 형태의 연료의 연료 특성을 보여주는 표이다.
도 3을 참조하면, #1 내지 #6에 따른 그래뉼형태의 혼합 연료는 목재 파우더의 비율이 증가할수록 목재 파우더로부터 유래된 휘발분 및 산소 함량이 증가되며, 회분 및 고정탄소는 감소한다. #1 내지 #6에 따른 그래뉼형태의 혼합 연료는 발열량도 상대적으로 열량이 낮은 목재 파우더 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실제 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 혼합 연료 및 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 4를 참조하면, 탄화온도 증가에 따라 강한 소수성 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 따른 실제 그래뉼레이터를 이용하여 제조한 그래뉼 형태의 혼합연료의 압축 강도를 보여주는 표이다.
도 5를 참조하면, 열처리를 통해 소수성화 된 그래뉼형태의 혼합연료의 압축강도는 소폭 감소하나 높은 압축강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼형태 혼합 연료는 유동층 및 미분탄 화력발전소용 연료로 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예 및 비교예에 따른 그래뉼형태 성형연료의 소수성 특성을 보여주는 사진이다.
도 6을 참조하면, Raw wood의 성형연료의 경우 강한 친수성의 특성으로 물을 흡수하여 기존의 성형특성이 사라지는 것을 확인할 수 있다.
반면에 #6의 석탄-바이오매스 성형연료는 소수성화 되어 물속에서도 기존의 성형특성을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 석탄의 경우도 마찬가지이다
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 성형연료의 압축 강도를 보여주는 표이다.
도 7을 참조하면, #1의 성형연료와 같이 raw coal이 열처리된 성형연료의 경우, 낮은 압축강도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 저급탄과 바이오매스를 이용한 그래뉼형태 혼합 연료 제조공정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 석탄 채굴현장에서 괴탄을 분쇄하여 일정 크기 이상의 석탄은 건조·탄화하여 소수성의 연료로 직접 전환시키고, 일정 크기 이하의 석탄(분탄)은 바인더를 분사하여 그래뉼 형태로 형성하거나, 또는 고형 바이오매스와 혼합하고 바인더를 분사함으로서 그래뉼 형태의 혼합연료로 형성한 후 건조·탄화 공정을 거쳐 유동층 또는 미분탄 화력발전용 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 연료로 전환시킨다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼형태 혼합연료의 제조 장치를 보여주는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 일 실시예에 따른 그래뉼형태 혼합연료의 제조 장치(100)는 과립기(41; granular)와 건조기(43)를 포함하며, 그 외 원탄 저장 탱크(10), 분쇄 및 분류기(20), 바이오매스 공급기(30), 선별기(50), 탄화기(60), 분쇄기(70), 고형 바이오매스 저장탱크(80) 및 바이오매스 분쇄기(90)를 더 포함할 수 있다.
여기서 과립기는 그래뉼형태의 혼합연료를 형성하기 위한 기기로 선택적으로 과립기, 성형기, 압출기 중 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행될 수 있으며 이러한 기기의 실제 장치형태로는 디스크형 또는 드럼형의 텀블링(Tumbling) 그래뉼레이터, 퍼그(Pug) 밀형 또는 패들(Paddle)밀형의 저속 믹서 그래뉼레이터, 수직 슈기(Schugi) 믹서형, 수평 핀(Pin) 또는 페그(Peg) 믹서형의 고속 믹서 그래뉼레이터, 유동층 그래뉼레이터, 원심 그래뉼레이터, 스프레이 드라이어, 프릴링(Prilling) 타워 또는 플래시 드라이어의 스프레이 공정, 몰딩, 피스톤, 타블랫 또는 롤 프레싱의 컨파인 압력 장치, 펠렛 밀 또는 스크류 익스트루더의 압출 장치 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행될 수 있다.
원탄 저장 탱크(10)는 그래뉼 하이브리드 연료의 제조에 사용되는 원탄을 저장하는 탱크이다. 원탄은 수분을 포함하고 있으며, 표면에는 다수의 기공이 형성되어 있다. 원탄으로는 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 원탄으로 기본적으로 갈탄, 아역청탄과 같이 수분 함량, 예컨대 20 내지 60 중량%로 높은 저급탄을 대상으로 하여 그래뉼 하이브리드 연료를 제조하는 데 있지만, 고급탄을 대상으로 하여도 무방하다.
분쇄 및 분류기(20)는 원탄 저장 탱크(10)로부터 원탄을 공급받고, 공급받은 원탄을 분쇄한다. 분쇄 및 분류기(20)는 분쇄한 원탄에서 석탄 파우더를 분류한다. 예컨대 분쇄 및 분류기(20)는 분쇄한 원탄 중 입자 크기가 10mm 이하인 석탄 파우더를 분류할 수 있다. 바람직하게는 분쇄 및 분류기(20)는 6mm 이하의 석탄 파우더를 분류할 수 있다. 더욱 바람직하게는 분쇄 및 분류기(20)는 4mm 이하의 석탄 파우더를 분류할 수 있다. 한편 입자 크기가 10mm 초과하는 석탄 파우더는 분쇄 및 분류기(20)에서 분쇄가 계속적으로 이루어진다.
한편 본 실시예에서는 분쇄 및 분류기(20)가 일체로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 원탄을 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄된 원탄에서 석탄 파우더를 분류하는 분류기가 별도로 구비되어 인라인으로 연결될 수 있다. 이 경우 분쇄기에서 분쇄된 원탄은 분류기로 공급되고, 분류기는 분쇄한 원탄 중에서 석탄 파우더를 분류한다. 분류기는 분류하고 남은 분쇄한 원탄은 분쇄기로 공급하여 다시 분쇄할 수 있다.
분쇄 및 분류기(20)는 분류한 석탄 파우더를 과립기(41)로 공급한다.
과립기(41)는 분류된 석탄 파우더에 액상의 소수성 바이오매스를 포함하는 바인더를 분사하여 혼합 연료를 형성하고, 형성한 혼합 연료에 대한 과립화(granulation)를 통하여 혼합 연료의 크기를 증가시킨다. 이때 혼합 연료는 0.1 내지 50 중량%의 바인더를 포함할 수 있다.
건조기(43)는 바인더가 포함된 과립화된 혼합 연료를 건조하여 과립화된 혼합 연료에 바인더를 흡착시킨다.
바인더 공급기(30)는 과립기(41)의 바인더를 분사하는 분사부에 액상의 바인더를 공급한다. 이때 바인더로는 감자전분, 옥수수전분, 사탕무원액, 사탕무박, 사탕무당밀, 사탕수수원액, 사탕수수당밀, 바가스, 카복시메틸전분, 카복시메틸셀룰로우스, 덱스트린, 구아검, 송진, 나무타르/피치, 목재펄프, 흑액, 아황산폐액, 리그노설퍼네이트, 그리닌설퍼네이트 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 도축폐기물, 폐플라스틱, 맥주폐기물, PVA, APP, PVC, 페놀알데하이드 수지, 목질계 바이오 오일, 알긴산, 알카리셀룰로오스, 아민, 안트라센, 아랄다이트, 뷰타디엔, 카제인, 카사바, 아마씨오일, 대두오일, 에폭시수지, 퓨란유도체, 글리세롤, 글리세롤에스터유도체, 휴민산, 하이드록시아민, 루핀씨오일, 나이트로페놀, 유기실리콘, 페놀알데하이드 수지, 폴리아크릴아미드, 폴리알킬렌 글리세롤 폴리에틸렌 산화물, 석유 산화물, 폴리아미드, 폴리에스터 수지, 탄화수소 폴리머, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세틸, 백년초 라텍스, 수지, 톱밥, 셰일 역청, 셸락, 대두, 스타리렌 폴리머, 아황산염 액, 타르, 요소 포름알데히드 수지, 비닐 폴리머, 콜타르/피치, 석유피치, 석유 역청, 중질원유, 중질잔사유, 아스팔트, 석유 증류 잔사물 등이 사용되며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
액상의 바인더는 과립기(41) 또는 건조기(43)에서 모세관 현상에 의해 석탄의 기공 내에 함침되거나 표면에 흡착된다. 석탄의 기공에 함침되고 남은 바인더는 석탄의 표면에 남게 된다.
한편 본 실시예에서는 과립기(41)와 건조기(43)가 별도로 구비되어 인라인으로 연결된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 과립기(41)와 건조기(43)는 일체로 형성될 수 있다. 이러한 과립 및 건조기(40)로는 드럼형, 킬른형 또는 디스크형 그래뉼레이터가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 로타리 킬른 타입(rotary kiln type)의 과립 및 건조기(40)로 구현한 예를 개시하였다. 로타리 킬른 타입의 과립 및 건조기(40)에 대해서는 후술하도록 하겠다.
고형 바이오매스 저장탱크(80)는 그래뉼 하이브리드 연료의 제조에 사용되는 목질을 기반으로 하는 고형 바이오매스를 저장한다. 이러한 고형 바이오매스로는 목재 또는 목질계 바이오매스가 사용될 수 있다. 예컨대 고형 바이오매스로는 목재, 커피허스크, 라이스허스크, 팜허스크, 아보카도허스크 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
바이오매스 분쇄기(90)는 고형 바이오매스 저장태크(80)로부터 고형 바이오매스를 공급받아 분쇄하여 고형 바이오매스 파우더를 제조한다. 고형 바이오매스 파우더의 입자 크기는 석탄 파우더의 입자 크기에 대응될 수 있다.
바이오매스 분쇄기(90)는 분쇄한 고형 바이오매스 파우더를 과립기(41)를 공급할 수 있다.
이때 과립기(41)는 분류된 석탄 파우더에 목질을 기반으로 하는 고형 바이오매스 파우더를 혼합하여 혼합물을 형성하고, 혼합물에 액상의 바인더를 분사하여 혼합 연료를 형성하고, 형성한 혼합 연료에 대한 과립화를 통하여 혼합 연료의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉 혼합 연료를 제조할 때, 석타 파우더에 고형 바이오매스 파우더를 혼합할 수 있다. 예컨대 혼합 연료는 고형 바이오매스 파우더 0 초과 내지 100 중량% 미만과, 석탄 파우더 0 초과 내지 100 중량% 미만을 포함할 수 있다.
선별기(50)은 건조기(43)에 연결되며, 건조기(43)로부터 공급받은 바인더가 흡착된 혼합 연료를 입자 크기별로 분류하여 탄화기(60) 또는 과립기(41)로 공급한다. 즉 선별기(50)은 바인더가 흡착된 혼합 연료 중 입자 크기가 4mm 이상인 것을 분류하여 탄화기(60)로 공급할 수 있다. 반면에 선별기(50)은 바인더가 흡착된 혼합 연료 중 입자 크기가 4mm 이하인 것은 과립기(41)로 공급할 수 있다. 한편 본 실시예에서는 선별기(50)이 바인더가 흡착된 혼합 연료를 입자 크기로 분류할 때, 4mm를 기준으로 분류하는 예를 개시하였지만, 분류를 위한 입자 크기의 기준은 가변이 가능함은 물론이다. 예컨대 선별기(50)는 바인더가 흡착된 혼합 연료 중 입자 크기가 1 내지 100mm 인 것을 선별할 수 있다. 바람직하게는 선별기(50)는 바인더가 흡착된 혼합 연료 중 입자 크기가 4 내지 100mm 인 것을 선별하는 것이다.
이와 같이 선별기(50)에서 분류된 바인더가 흡착된 혼합 연료는 이전의 건조기(43)에서의 건조 공정을 통하여 수분이 거의 제거되기 때문에, 선별기(50)에서 분류된 상태로 운반이 가능하다.
탄화기(60)는 선별기(50)에 공급된 바인더가 흡착된 혼합 연료를 탄화하여 그래뉼 하이브리드 연료를 제조한다. 이때 바인더가 흡착된 혼합 연료를 탄화는 과정에서, 바인더는 탄화되어 석탄의 기공에 남게 되고, 제조된 그래뉼 하이브리드 연료는 소수성화 된다. 탄화기(60)에서 탄화된 그래뉼 하이브리드 연료는 도 7에 도시된 바와 같이 덩어리 형태를 가질 수 있다.
이와 같이 탄화기(60)에서 탄화된 그래뉼 하이브리드 연료는 소수성을 띄기 때문에, 수분의 재흡착을 억제할 수 있고, 수분이 제거되었기 때문에 무게 절감을 통하여 수송비를 저감시킬 수 있다.
한편 그래뉼 하이브리드 연료를 수송하는 측면에서 볼 때, 분쇄하여 미분화한 그래뉼 하이브리드 연료를 수송하는 것이 수송비를 저감시키고, 바로 발전용 연료로 사용할 수 있는 이점이 있을 수 있다. 하지만 미분화한 상태로 그래뉼 하이브리드 연료를 탱크로 운반할 경우, 폭발의 위험이 있기 때문에 바람직한 운반 방법이 아니다. 즉 미분화한 상태로 그래뉼 하이브리드 연료를 탱크로 운반하는 과정에서 작용하는 충격이나 기타 기계적인 스트레스에 의해 미분화한 그래뉼 하이브리드 연료가 탱크 내부에 비산할 수 있다. 비산된 그래뉼 하이브리드 연료는 기계적인 마찰 등에 의해 폭발하는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
또한 액상의 바인더를 이용하여 저급탄을 고품위의 고급탄 특성을 갖는 그래뉼 하이브리드 연료로 제조할 수 있다.
그리고 분쇄기(70)는 탄화기(60)에서 제조된 그래뉼 하이브리드 연료를 공급받아 미분 상태로 분쇄한다. 이와 같이 미분화된 그래뉼 하이브리드 연료는 미분탄 화력발전용으로 사용할 수 있다. 분쇄기(70)는 미분탄 화력발전소에 설치되거나, 인접한 곳에 설치하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 그래뉼 하이브리드 연료의 제조 장치용 과립 및 건조기(40)에 대해서 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 10은 도 9의 로타리 킬른 타입의 과립 및 건조기(40)를 보여주는 도면이다.
과립 및 건조기(40)는 베이스(42), 회전 부재(44), 관형의 회전체(46) 및 분사부(48)를 포함한다.
회전 부재(44)는 베이스(42)의 상부에 설치되며, 상부에 관형의 회전체(46)가 회전 가능하게 설치된다. 회전 부재(44)는 관형의 회전체(46)의 외주면에 형성된 기어에 맞물려 회전체(46)를 회전시킨다.
회전체(46)는 베이스(42) 위에 회전 부재(44)를 매개로 회전 가능하게 설치되며, 석탄 파우더가 공급될 수 있는 내부 공간(45)이 마련되어 있다. 회전체(46)는 수평 방향으로 설치된 원통형의 형태로, 중심 축을 따라서 분사부(48)가 설치된다. 회전체(46)의 내주면에는 석탄 파우더에 분사부(48)에서 분사되는 액상의 바인더(31)가 균일하게 분사될 수 있도록 섞어 주는 복수의 교반 날개(47)가 형성되어 있다. 교반 날개(47)는 회전체(46)의 중심 축을 중심으로 방사형으로 형성될 수 있다. 또한 회전체(46)는 내부의 혼합 연료(11)를 건조시킬 수 있도록, 히트 자켓 형태로 제조될 수 있다.
그리고 분사부(48)는 액상의 바인더(31)를 회전체(46)의 내부에 공급된 석탄 파우더에 도포한다. 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이, 회전체(46)가 정지한 상태에서 석탄 파우더가 회전체(46) 안으로 공급되는 경우, 석탄 파우더는 회전체(46)의 중심에 대해서 6시 방향을 중심으로 근방에 분포하게 된다. 그리고 회전체(46)가 시계 방향으로 회전하면, 석탄 파우더는 교반 날개(47)에 의해 시계 방향으로 회전하게 되며, 석탄 파우더가 갖는 무게에 의해 6시에서 9시 방향에 주로 분포하게 된다.
따라서 분사부(48)는 6시에서 9시 방향으로 액상의 바인더(31)를 분사함으로써, 석탄 파우더에 액상의 바인더(31)가 균일하게 코팅된 혼합 연료(11)를 얻을 수 있다.
본 실시예에 따른 과립 및 건조기(40)는 석탄 파우더에 액상의 바인더(31)를 분사하면서 건조 공정을 통하여 과립화 및 건조를 함께 수행할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 그래뉼 하이브리드 연료는 석탄 파우더를 기반으로 제조할 수도 있고, 석탄 파우더에 고형 바이오매스 파우더를 혼합한 혼합물을 이용하여 제조할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 DTG 연소특성을 나타낸 도면으로 Jong-Soo Bae et al., Production of The Glycerol-impregnated Hybrid Coal and Its Characterization, Fuel 118, (2014) 33-40 에서 발췌한 내용이다.
도면에서 SOCD는 Dried Shievee Ovoo Coal을 의미하며, Glycerol은 순수한 글리세롤을 10% Impregnation는 SOCD에 10중량%의 Glycerol이 포함된 것을 의미한다. 글리세롤은 423K에서 증발되고 증발이 완료되는 온도는 523K이다. SOCD의 경우는 휘발분과 고정탄소가 473~773K에서 동시에 연소되는 특성을 보여준다. 10%의 글리세롤를 포함하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 경우는 글리세롤의 독립된 연소피크가 나타나지 않는다. 이것은 글리세롤의 연소패턴이 SOCD의 단일 연소 특성과 비슷하게 변경된 것을 의미한다.
추가로 SOCD와 비교할 경우, 10%의 글리세롤을 포함하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료 DTG의 피크가 더 낮은 온도로 쉬프트 된것을 확인할 수 있는데, 이것은 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 열 화학적 반응성이 향상된 것을 의미한다. 이러한 현상의 근거로는 글리세롤에 의한 인공적 휘발성분이 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태 혼합연료의 고정탄소의 반응 특성을 향상시킨것에 기인한다고 판단된다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 원탄 저장 탱크 11 : 혼합 연료
20 : 분쇄 및 분류기 30 : 바이오매스 공급기
31 : 바인더 40 : 과립 및 건조기
41 : 과립기 42 : 베이스
43 : 건조기 44 : 회전 부재
45 : 내부 공간 46 : 회전체
47 : 교반 날개 48 : 분사부
68 : 분사부 50 : 선별기
60 : 탄화기 70 : 분쇄기
80 : 고형 바이오매스 저장 탱크 90 : 바이오매스 분쇄기
20 : 분쇄 및 분류기 30 : 바이오매스 공급기
31 : 바인더 40 : 과립 및 건조기
41 : 과립기 42 : 베이스
43 : 건조기 44 : 회전 부재
45 : 내부 공간 46 : 회전체
47 : 교반 날개 48 : 분사부
68 : 분사부 50 : 선별기
60 : 탄화기 70 : 분쇄기
80 : 고형 바이오매스 저장 탱크 90 : 바이오매스 분쇄기
Claims (17)
- 연료의 크기 확대(size enlargement)에 의한 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법에 있어서,
조분쇄하여 입자 크기가 10mm 이하인 석탄 파우더 및 고형 바이오매스를 분류하는 제1 단계;
상기 분류된 고형 바이오매스 파우더와 석탄 파우더를 혼합하여 혼합물을 형성하는 제2 단계;
상기 혼합물에 바인더를 첨가하여 그래뉼 형태의 혼합연료를 형성하는 제3 단계;
상기 그래뉼 형태의 혼합연료를 건조하는 제4 단계;
상기 건조된 그래뉼 형태의 혼합연료를 탄화하여 소수성 그래뉼 형태의 혼합연료를 제조하는 제5 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서, 상기 고형 바이오매스 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%와 상기 석탄 파우더 0 초과 내지 100 미만 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 고형 바이오매스 파우더는 목질계인 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일렌, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등과, 초본계인 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물, 유지작물류인 유채, 콩, 해바라기, 콩, 유채씨유 찌꺼기, 카놀라, 그리고 유기성폐기물류인 음식물폐기물, 하수슬러지, 가축분뇨, 식물잔재물, 과일폐기물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 혼합연료의 입자 크기는 4 내지 100 mm인 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 디스크형 또는 드럼형의 텀블링(Tumbling) 그래뉼레이터, 퍼그(Pug) 밀형 또는 패들(Paddle)밀형의 저속 믹서 그래뉼레이터, 수직 슈기(Schugi) 믹서형, 수평 핀(Pin) 또는 페그(Peg) 믹서형의 고속 믹서 그래뉼레이터, 유동층 그래뉼레이터, 원심 그래뉼레이터, 스프레이 드라이어, 프릴링(Prilling) 타워 또는 플래시 드라이어의 스프레이 공정, 몰딩, 피스톤, 타블랫 또는 롤 프레싱의 컨파인 압력 장치, 펠렛 밀 또는 스크류 익스트루더의 압출 장치 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제4 단계에 투입되는 상기 그래뉼 형태의 혼합연료는 입자 크기가 4 mm 이상이며, 4mm 미만의 상기 그래뉼 형태의 혼합연료는 제3 단계로 재투입되어지는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 혼합물에 대해서 0 초과 내지 50 중량% 이하의 바인더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제4단계 및 제5 단계에서, 온도범위는 30℃ 내지 700℃로 건조 및 탄화를 일체로 수행하거나 단계별로 수행되는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제5 단계에서, 탄화 온도는 200℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 바인더는 감자전분, 옥수수전분, 사탕무원액, 사탕무박, 사탕무당밀, 사탕수수원액, 사탕수수당밀, 바가스, 카복시메틸전분, 카복시메틸셀룰로우스, 덱스트린, 구아검, 송진, 나무타르/피치, 목재펄프, 흑액, 아황산폐액, 리그노설퍼네이트, 그리닌설퍼네이트 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 도축폐기물, 폐플라스틱, 맥주폐기물, PVA, APP, PVC, 페놀알데하이드 수지, 목질계 바이오 오일, 알긴산, 알카리셀룰로오스, 아민, 안트라센, 아랄다이트, 뷰타디엔, 카제인, 카사바, 아마씨오일, 대두오일, 에폭시수지, 퓨란유도체, 글리세롤, 글리세롤에스터유도체, 휴민산, 하이드록시아민, 루핀씨오일, 나이트로페놀, 유기실리콘, 페놀알데하이드 수지, 폴리아크릴아미드, 폴리알킬렌 글리세롤 폴리에틸렌 산화물, 석유 산화물, 폴리아미드, 폴리에스터 수지, 탄화수소 폴리머, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세틸, 백년초 라텍스, 수지, 톱밥, 셰일 역청, 셸락, 대두, 스타리렌 폴리머, 아황산염 액, 타르, 주석산염, 요소 포름알데히드 수지, 비닐 폴리머, 콜타르/피치, 석유피치, 석유 역청, 중질원유, 중질잔사유, 아스팔트 또는 석유 증류 잔사물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 중에서 선택된 어느 하나 또는 2이상의 것을 혼합한 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 그래뉼 형태의 혼합연료 제조방식은 선택적으로 과립기, 성형기, 압출기 중 어느 하나 또는 2 이상의 결합에 의해서 단계적으로 또는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 혼합연료는 상압 내지 10MPa의 압력조건에서 형성되는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 제조 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료.
- 제14항에 있어서,
상기 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료의 연소특성은 반응성이 다른 연료의 혼합에 의한 독립된 연소특성이 아닌 단일 연료의 연소특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 소수성 석탄-바이오매스 그래뉼 형태의 혼합연료.
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