KR101511583B1

KR101511583B1 - 저급 석탄의 개질 방법

Info

Publication number: KR101511583B1
Application number: KR20130156319A
Authority: KR
Inventors: 이창훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-04-14

Abstract

본 발명은 저급 석탄의 개질 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 분쇄하여 분쇄 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분쇄 혼합물에 휘발분, 및 액체 이산화탄소를 투입하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 소수성 층과 친수성 층으로 상분리하는 단계; 및 분리된 상기 소수성 층을 여과하여 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소와 고정 탄소분을 분리하는 단계를 포함하는 저급 석탄의 개질 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 저급탄으로부터 고정 탄소분 및 휘발분을 동시에 효과적으로 분리 회수할 수 있으며, 나아가 저급탄 내 고정 탄소분 및 휘발분만의 분리 회수가 가능함에 따라 부피 및 중량을 줄여 경제적인 이송이 가능해지고, 휘발분 제거로 안정적인 수송이 가능해진다. 또한, 본 발명에 따라 분리된 고정 탄소분은 기존 화력 발전용 석탄이나 제철 PCI(pulverized coal Injection)용 탄으로 적용이 가능하며, 회수된 휘발분으로는 조경유 및 타르로 정제하여 석유화학 원료로 사용 가능하다. 나아가, 저급탄 내 회분 및 수분을 효과적으로 제거함으로써 단위 질량당 열량을 증가시킬 수 있다.

Description

저급 석탄의 개질 방법{Method for upgrading low rank coal}

본 발명은 저급 석탄을 석탄 화력 발전소의 연료로 사용하기 위해 발열량이 7,000kcal/kg 이상인 고급 석탄으로 개질하기 위한 저급 석탄의 개질 방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄은 이탄(peat), 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 등과 같은 등급으로 나누어지며, 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, 메타(Meta) 무연탄, 흑연계 무연탄 등으로 나누어진다. 이 중에서 저급 석탄(Low Rank Coal: LRC)은 갈색탄, 갈탄, 아역청탄 등을 포함하며, 역청탄, 무연탄 등은 고급 석탄(High Rank Coal: HRC)으로 분류된다. 하기 표 1은 ASTM법에 의한 석탄 분류 방법(ASTM D388-84)을 나타낸 것이다.

탄종		공업분석(Dry Ash Free)		발열량
탄종		고정탄소분, %	휘발분, %	(kcal/kg)
무연탄	Meta-Anthracite	≥98	≤2	-
	Anthracite	92~98	2~8	-
	Semi-Anthracite	86~92	8~14	-
역청탄	Low Vol, Bituminous	78~86	14~22	-
	Med. Vol. Bituminous	69~78	22~31	-
	High Vol. Bit A	≤69	≥31	≥7,778
	High Vol. Bit B	-	-	7,222~7,778
	High Vol. Bit C	-	-	6,389~7,222
	High Vol. Bit C	-	-	5,833~6,389
아역청탄	Subbituminous A	-	-	5,833~6,389
	Subbituminous B	-	-	5,278~5,833
	Subbituminous C	-	-	4,611~5,278
갈탄	Lignite A	-	-	3,500~4,611
갈탄	Lignite B	-	-	≤3,500

여기서 석탄에 관해 언급되는 "저급"과 "고급"은 석탄의 품질을 의미하는 것은 아니며 석탄에 있어서 탄화 정도의 차이를 말하는 것이다. 통상적으로 고수분 고회분 갈탄은 저급 석탄으로써, 이를 이용하여 탈수, 건조 및 안정화 등의 공정을 통해 고급(HRC: High Rank Coal) 석탄인 역청탄급 석탄으로 등급을 상승시키는 기술을 개질 또는 고품위화 방법이라고 정의한다. 여기서, 회분은 석탄을 연소시킨 후에 재로 잔류하게 되는 성분을 말하는 것으로서 무기물로서 이산화 규소 등 이른바 실리카 광물이 대부분을 차지하며, 휘발분이란 타르 등의 성분을 말한다.

현재 에너지원으로는 석탄, 석유 등과 같은 화석 연료가 대부분을 차지고 있으며, 이를 대체하고자 태양열, 바이오 에너지 등과 같은 신재생 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직 산업적 활용을 위한 경제성에는 한계가 있다. 이러한 신재생 에너지에 대한 개발 지연으로 최근에는 석탄에 대한 수요가 다시 증가하고 있으나, 발전 또는 제철용 고품위탄의 공급은 한정적이므로 가격은 톤 당 100불 이상으로 거래되고 있는 실정이다.

이러한 고품위탄을 대체하고자 호주, 중국, 인도네시아 등과 같은 국가에서 저급탄을 수입하여 산업에 적용하고자 하나, 이와 같은 저급탄은 다량의 회분 및 수분을 함유하고 있어 직접 이용에는 한계가 존재한다.

즉, 저급탄의 경우 수분의 함량이 높아 무게와 부피가 크므로 물류에 있어 쉽지 않으며, 갈탄과 같은 저급 석탄은 기공이 많고 휘발분을 다량 포함하고 있으므로, 수분의 흡탈착에 의한 흡착열의 축적에 따른 온도의 상승 및 휘발분 중의 상당량을 차지하고 있는 산소 기능성 그룹의 존재로 인해 자연 발화 가능성이 높아서 사용이 제한되어 왔다. 또한, 저급탄을 직접 발전이나 제철 공정에 이용할 경우 공정 효율이 낮아지며, 환경 오염을 유발하는 문제가 있다.

따라서, 화재의 위험이 없어 안정성이 보장되고 친환경이며 경제적인 방법으로 우수한 고급 석탄을 획득할 수 있다면 관련 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 발명의 한 측면은 친환경이며 경제적으로 우수한 등급의 석탄을 획득하기 위한 저급 석탄의 개질 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 분쇄하여 분쇄 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분쇄 혼합물에 휘발분, 및 액체 이산화탄소를 투입하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 소수성 층과 친수성 층으로 상분리하는 단계; 및 분리된 상기 소수성 층을 여과하여 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소와 고정 탄소분을 분리하는 단계를 포함하는 저급 석탄의 개질 방법이 제공된다.

상기 물은 저급탄 건조 중량의 1 내지 5배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 분쇄 혼합물은 평균 입경 100μm 이하인 미분으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 슬러리를 제조하는 단계는 5 내지 80℃의 온도 및 45 내지 100 atm의 압력 범위에서 이산화탄소의 액체 또는 초임계 상이 유지되는 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 슬러리를 제조하는 단계에서 휘발분 및 액체 이산화탄소는 각각 고정 탄소분 1 중량부 당 1 내지 2 중량부 및 2 내지 4 중량부의 양으로 투입되는 것이 바람직하다.

상기 상분리하는 단계는 0 내지 40℃ 이하의 온도 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 온도보다 5 내지 40℃ 낮은 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 의해 획득되는 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소는 슬러리를 제조하는 단계로 재투입되는 것이 바람직하다.

상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 후속적으로 상기 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소를 40 내지 70 atm의 압력 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 압력보다 5 내지 30 atm 낮은 압력 조건으로 감압하고 이산화탄소를 기화하여 기체 이산화탄소로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 기체 이산화탄소를 액화하여 슬러리화 단계로 재투입하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 상분리하는 단계에 의해 획득되는 친수성 층을 여과하여 회분으로부터 수분을 분리 및 회수하여 저급탄과 물을 혼합하는 단계로 재투입하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 저급탄으로부터 고정 탄소분 및 휘발분을 동시에 효과적으로 분리 회수할 수 있으며, 나아가 저급탄 내 고정 탄소분 및 휘발분만의 분리 회수가 가능함에 따라 부피 및 중량을 줄여 경제적인 이송이 가능해지고, 휘발분 제거로 안정적인 수송이 가능해진다. 또한, 본 발명에 따라 분리된 고정 탄소분은 기존 화력 발전용 석탄이나 제철 PCI(pulverized coal Injection)용 탄으로 적용이 가능하며, 회수된 휘발분으로는 조경유 및 타르로 정제하여 석유화학 원료로 사용 가능하다. 나아가, 저급탄 내 회분 및 수분을 효과적으로 제거함으로써 단위 질량당 열량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 저급 석탄의 개질 방법의 일 예를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 저급 석탄의 개질 방법을 수행할 수 있는 예시적인 장치도를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 액체 이산화탄소를 이용하여 저급탄으로부터 회분, 휘발분 및 수분을 제거하여 석탄 내 고정 탄소분을 획득함으로써 발전 및 제철용으로 활용이 가능한 고품위탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 명세서에 있어서, 휘발분이란 타르 등과 같이 석탄에 포함되어 있는 전체 휘발성 성분을 의미하는 것이다.

보다 상세하게, 본 발명에 의한 저급 석탄의 개질 방법은 저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 분쇄하여 분쇄 혼합물을 제조하는 단계; 상기 분쇄 혼합물에 휘발분, 및 액체 이산화탄소를 투입하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 소수성 층과 친수성 층으로 상분리하는 단계; 및 분리된 상기 소수성 층을 여과하여 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소와 고정 탄소분을 분리하는 단계를 포함한다.

상기 저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계에 있어서, 상기 물은 저급탄 건조 중량의 1 내지 5배의 중량으로 혼합되는 것이 바람직하다. 물이 저급탄 건조 중량의 1배 미만으로 혼합되는 경우에는 혼합이 원활하지 못하고 후속적으로 수행되는 습식 분쇄 역시 원활하게 수행될 수 없으며, 물이 저급탄 건조 중량의 5배를 초과하여 혼합되는 경우에는 전체적인 양이 과도하게 증가하여 공정 효율이 낮아지는 문제가 있다.

한편, 혼합물을 제조하는 단계를 수행하는 방법은 특히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 교반을 수반할 수 있다. 예를 들어, 연속교반 반응기(CSTR, continuous Stirred Tank Reactor)와 같은 장치를 이용할 수 있으며, 이와 같은 경우 저급탄과 물이 상부로 공급되며, 하부로 혼합액이 배출되어 이는 후속적으로 분쇄 단계로 이송될 수 있다.

상기와 같이 저급탄과 물이 혼합된 혼합물이 획득되면, 후속적으로 이를 분쇄하여 분쇄 혼합물을 제조한다. 이때, 분쇄는 습식 분쇄로서 그 방법이 특히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 터보밀, 롤러밀, 제트밀, 볼밀 등과 같이 당해 기술 분야에 널리 알려진 방법을 이용하여 수행할 수 있다.

상기 분쇄 혼합물을 제조하는 단계에 의해 획득되는 분쇄 혼합물은 평균 입경이 50 내지 200μm 이하인 미분으로 이루어진 것이 바람직하나, 이에 특히 제한되는 것은 아니며, 평균 입경이 100μm 이하인 미분으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 다만, 상술한 바와 같은 공지의 방법에 따라 수행되는 습식 분쇄 단계에 있어서 효율적으로 획득될 수 있는 미분의 평균 입경이 약 100μm이며, 따라서 이와 같은 입경으로 분쇄되는 것이 공정 효율의 측면에서 바람직하다.

한편, 상기 분쇄 혼합물을 제조하는 단계에 의해 획득되는 분쇄 혼합물 중 미분의 입경이 100μm을 초과하는 미분이 존재할 수 있으며, 따라서 이와 같은 경우에는 입경이 100μm 이하인 미분만을 선별하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.

이와 같은 단계는 예를 들어 100μm 크기의 체 또는 스크린을 설치하여 여과함으로써 수행될 수 있으며, 이와 같은 추가의 단계에 의해 선별되고 남은 입경이 100μm을 초과하는 미분은 저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로 다시 투입될 수 있다.

상기 분쇄 혼합물에 휘발분 및 액체 이산화탄소를 투입하여 슬러리를 제조하는 단계는 5 내지 80℃의 온도 및 45 내지 100 atm의 압력 범위에서 이산화탄소의 액체 또는 초임계 상이 유지되는 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 슬러리를 제조하는 단계는 상기 온도 및 압력의 범위 내이면서 이산화탄소가 액체 또는 초임계 상을 유지할 수 있는 조건 하에서 수행된다.

다만, 상기 슬러리를 제조하는 단계의 온도가 5℃ 미만인 경우에는 후속적으로 수행되는 상분리하는 단계에서 온도를 0℃ 미만으로 낮추어야 하므로 슬러리에 포함된 물이 얼게 되는 문제가 있으며, 상기 슬러리를 제조하는 단계의 온도가 80 ℃를 초과하는 경우에는 에너지가 과도하게 투입되어 공정 효율이 저하되는 문제가 있다.

상기 슬러리를 제조하는 단계는 예를 들어 분쇄 혼합물을 고압 반응조로 이송하고, 여기에 액체 이산화탄소와 휘발분을 추가로 투입하여 수행될 수 있다. 이와 같은 단계에서 고정 탄소분, 휘발분 및 회분이 저급탄으로부터 해리된다. 즉, 액상의 이산화탄소는 저급탄 내 침투성이 우수하여 저급탄에 포함된 소수성 및 친수성 성분, 즉 고정 탄소분, 휘발분, 회분 및 수분을 효과적으로 해리할 수 있으며, 이때 추가로 투입되는 휘발분은 후속 단계에서의 상분리가 원활하게 수행되도록 한다.

상기 휘발분이 고정 탄소분 1 중량부 당 1 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 고정 탄소분의 분리가 용이하기 않은 문제가 있으며, 상기 휘발분이 고정 탄소분 1 중량부 당 2 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 고정 탄소분 및 휘발분을 분리하기 위해 추가의 이산화탄소가 투입되어야하는 문제가 있다.

또한, 상기 액체 이산화탄소가 고정 탄소분 1 중량부 당 2 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 고정 탄소분 및 휘발분을 포함하는 소수성층과 수분 및 회분 등을 포함하는 친수층의 분리가 용이하지 않은 문제가 있으며, 상기 액체 이산화탄소가 고정 탄소분 1 중량부 당 4 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 친수층의 수분이 소수층으로 이동하여 고정 탄소분 및 휘발분 회수 시 수분이 잔존하는 문제가 있다.

후속적으로 상기 슬러리를 소수성 층과 친수성 층으로 상분리하는 단계가 수행되며, 이때 상기 상분리하는 단계는 0 내지 40℃ 이하의 온도 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 온도보다 5 내지 40℃ 낮은 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 상분리 단계의 온도가 슬러리를 제조하는 단계의 수행되는 온도보다 5℃ 미만으로 낮아지는 경우에는 친수층의 유동이 쉽지 않아 상분리가 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있으며, 슬러리를 제조하는 단계의 수행 온도에 비하여 40℃ 를 초과하여 낮아지게 되는 경우에는 소수성층의 이산화탄소가 친수성층으로 이동할 수 있어 분리에 문제가 있다. 다만, 이때에도 이산화탄소는 액체 상을 유지하는 조건 하에서 수행되어야 한다.

바람직하게, 상기 상분리 단계는 교반을 수반하며, 예를 들어 세로로 긴 형태의 상분리조를 이용할 수 있다. 이와 같은 상분리조를 이용하는 경우에는 슬러리를 교반 중인 상분리조의 중심부에 투입할 수 있으며, 이와 같이 투입된 슬러리는 서서히 교반이 진행됨에 따라 상하부로 층이 나뉘게 되는데, 상부는 밀도가 낮은 소수성 층으로 액체 이산화탄소, 고정탄소분 및 휘발분이 포함되어 있으며, 하부는 밀도가 높은 물 및 회분으로 구성된다.

분리된 상기 소수성 층을 여과하여 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소와 고정 탄소분을 분리하는 단계를 수행하여 최종적으로 고정 탄소분을 획득할 수 있다.

즉, 상기 상부의 소수성 층 내 포함된 고정 탄소분은 여과를 통해 회수될 수 있으며, 액체 이산화탄소 및 이에 용해된 휘발분은 여액으로 배출되게 된다.

한편, 상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 의해 여액으로 획득되는 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소는 슬러리를 제조하는 단계로 재투입될 수 있다.

나아가, 상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 후속적으로 상기 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소를 40 내지 70 atm의 압력 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 압력보다 5 내지 30 atm 낮은 압력 조건으로 감압하고 이산화탄소를 기화하여 기체 이산화탄소로 분리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 상기와 같은 조건 범위 내에서 이산화탄소가 기체로 존재하도록 조건을 설정하여 기체의 이산화탄소가 휘발분과 분리되도록 할 수 있다.

분리된 상기 기체 이산화탄소는 다시 액화하여 슬러리화 단계로 재투입 될 수도 있다. 이때는 가압하여 기체 이산화탄소를 액화할 수 있다.

본 명세서에서 제시된 일정한 온도 및 압력 범위 내에서 이산화탄소를 액화 또는 기화하는 과정은 이산화탄소의 상평형 곡선을 참고하여 당해 기술분야의 숙련자가 용이하게 설정할 수 있음이 자명한 것이다.

한편, 상기 상분리하는 단계에 의해 획득되는 친수성 층을 여과하여 회분으로부터 수분을 분리 및 회수하여 저급탄과 물을 혼합하는 단계로 재투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이 경우 공정 중에 사용되는 물을 재사용할 수 있으므로 전체적인 공정 효율이 향상될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 저급 석탄의 개질 방법을 수행하기 위한 장치는 특히 제한되는 것은 아니나, 도 2에 도시된 예시적인 장치에 의해 수행될 수 있다.

도 2를 참고하여 살펴보면, 저급탄과 물을 혼합조(100)에 투입하여 혼합물을 제조하고, 분쇄기(110)를 거쳐 상기 혼합물에 포함된 저급탄을 분쇄한 후, 일정한 입경 이하의 미분을 여과기(120)에 의해 선별하고, 이와 같이 선별된 미분과 함께 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소를 슬러리화 반응조(140)에 투입하여 가압펌프(130)를 이용하여 가압 및 교반하여 슬러리를 제조한다. 상기 슬러리를 상분리조(160)에 투입하여 소수성 층과 친수성 층으로 상분리 하고, 이들은 각각 소수층 여과기(170) 및 친수층 여과기(180)으로 공급되며, 상기 소수층 여과기(170)는 소수성 층을 더욱 여과하여 휘발분이 포함된 액체 또는 초임계 이산화탄소로부터 고정 탄소분을 분리 회수할 수 있다.

이때, 고정 탄소분이 분리된 여액은 슬러리화 반응조(140)로 재투입될 수 있다. 한편, 이와 같은 여액은 감압조(190)로 이송되어 이산화탄소를 기화함으로써 기체 이산화탄소와 휘발분으로 분리될 수 있다. 나아가, 이렇게 획득된 기체 이산화탄소는 재가압하여 액체 이산화탄소를 제조하여 슬러리화 반응조(140)로 재투입될 수 있으며, 친수층 여과기(180)에 의해 분리된 물은 회수되어 물순환펌프(220)에 의해 재순환될 수 있다. 한편, 상기 감압조(190)에서 분리 응축된 휘발분은 하부로 배출될 수 있다.

본 발명에 의해 획득되는 고정 탄소분은 기존 화력 발전용 석탄이나 제철 PCI(pulverized coal Injection)용 탄으로 적용이 가능하며, 회수된 휘발분으로는 조경유 및 타르로 정제하여 석유화학 원료 및 제철용 코크스 제조 시 점결제로 사용될 수도 있다.

한편, 회수된 고정 탄소분은 화력 발전용 원료원으로 사용하기 위해서는 펫렛화 하는 단계가 추가로 수행될 수 있으며, 제철용 PCI 탄으로 사용 시에는 별도의 처리없이 사용도 가능하다. 상기 펫렛화 하는 단계는 당해 기술 분야에 널리 알려진 방법에 의해 수행될 수 있는 것으로 그 방법이 특히 제한되는 것은 아니다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

1. 본 발명에 의한 저급 석탄의 개질

4,920 kcal/kg의 열량을 가지며, 고정 탄소분 38kg, 휘발분 32kg, 회분 10kg, 및 수분 20 kg을 포함하고 있는 갈탄 영역의 저급탄을 연속교반 반응기(CSTR, continuous Stirred Tank Reactor)에 장입후 물 80kg을 추가로 투입하여 혼합하고, 볼밀을 이용하여 평균 입경 100μm 이하의 미분으로 분쇄하여 분쇄 혼합물을 획득하였다. 상기 분쇄 혼합물을 고압 반응조로 이송하여 30℃ 및 75 atm의 조건에서 휘발분 18kg 및 액체 이산화탄소 80kg을 투입하고 슬러리화하였다.

나아가, 10℃ 및 75 atm의 조건에서 액상 이산화탄소 상태를 유지하면서 교반이 수반되는 상분리조에 투입하였다. 투입된 슬러리는 서서히 교반이 진행됨에 따라 상하부로 층이 나뉘게 되는데, 상부는 밀도가 낮은 소수성 층으로 액상 이산화탄소, 고정 탄소분 및 휘발분이 포함되어 있으며, 하부는 밀도가 높은 물 및 회분으로 구성된다. 상분리 결과 소수성층 165 kg 및 친수성층 113kg을 획득하였다.

상기 상부의 소수성 층 내 포함된 고정 탄소분은 여과를 통해 회수되며, 액상 이산화탄소 및 이에 용해된 휘발분은 여액으로 배출되게 된다. 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소는 슬러리화 단계로 재투입되며, 잉여의 여액은 감압조로 이송하여 기체 이산화탄소와 휘발분으로 분리하였다.

기체 이산화탄소는 재가압하여 액상 이산화탄소로 만들어 슬러리화 반응조로 재투입하였으며, 감압조에서 분리 응축된 휘발분은 하부로 배출되었다.

한편, 상기 하부의 친수성 층 내 포함된 회분은 여과를 통해 회수하였으며, 주 구성 성분이 물인 여액은 저급탄 전처리 과정의 혼합조로 재투입하였다.

2. 개질된 석탄의 특성 분석

상기 1.에서 획득된 고정 탄소분의 열량을 측정한 결과 7,050 kcal의 열량을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 본 발명에 의한 개질 전의 열량인 4,920 kcal/kg에 비해 우수한 고급 석탄이 획득되는 것을 확인할 수 있었다. 7,000 kcal/kg 이상의 열량을 가지는 석탄은 역청탄급 석탄으로 저급 석탄을 이용하여 친환경적이고 경제적으로 우수한 고급 석탄을 획득할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 석탄의 특성 분석은 공업분석법을 이용하였다. 공업분석법(Proximate Analysis)은 수분 (Moisture), 회분(Ash), 휘발분(Volatile Matter), 고정 탄소분(Fixed Carbon) 등을 분석하는 방법이다. 보다 구체적으로, 수분의 경우는 석탄이 함유하고 있는 수분의 양을 나타내며, 간단히 측정 방법을 설명하자면 107 ± 2℃에서 1시간 건조시켜 무게의 감량 정도를 나타내는 것이다. 한편, 회분은 800℃에서 석탄시료를 회화시켜 연소 후 회의 함량을 측정하며, 휘발분은 925℃ ± 20℃에서 7분간 건류시켜 측정한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

100: 혼합조
110: 분쇄기
120: 여과기
130: 가압펌프
140: 슬러리화 반응조
150: 열교환기
160: 상분리조
170: 소수층 여과기
180: 친수층 여과기
190: 감압조
200, 210: 가압펌프
220: 물순환펌프
M: 교반모터

Claims

저급탄과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 분쇄하여 분쇄 혼합물을 제조하는 단계;
상기 분쇄 혼합물에 휘발분, 및 액체 이산화탄소를 투입하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 소수성 층과 친수성 층으로 상분리하는 단계; 및
분리된 상기 소수성 층을 여과하여 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소와 고정 탄소분을 분리하는 단계
를 포함하는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 물은 저급탄 건조 중량의 1 내지 5배의 중량으로 혼합되는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 분쇄 혼합물은 평균 입경 100μm 이하인 미분으로 이루어진 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 슬러리를 제조하는 단계는 5 내지 80℃의 온도 및 45 내지 100 atm의 압력 범위에서 이산화탄소의 액체 또는 초임계 상이 유지되는 조건에서 수행되는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 슬러리를 제조하는 단계에서 휘발분 및 액체 이산화탄소는 각각 고정 탄소분 1 중량부 당 1 내지 2 중량부 및 2 내지 4 중량부의 양으로 투입되는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 상분리하는 단계는 0 내지 40℃ 이하의 온도 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 온도보다 5 내지 40℃ 낮은 온도 조건에서 수행되는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 의해 획득되는 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소는 슬러리를 제조하는 단계로 재투입되는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 고정 탄소분을 분리하는 단계에 후속적으로 상기 휘발분이 포함된 액체 이산화탄소를 40 내지 70 atm의 압력 범위에서 상기 슬러리화 단계가 수행되는 압력보다 5 내지 30 atm 낮은 압력 조건으로 감압하고 이산화탄소를 기화하여 기체 이산화탄소로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 저급 석탄의 개질 방법.
제8항에 있어서, 상기 기체 이산화탄소를 액화하여 슬러리화 단계로 재투입하는 단계를 추가로 포함하는 저급 석탄의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 상분리하는 단계에 의해 획득되는 친수성 층을 여과하여 회분으로부터 수분을 분리 및 회수하여 저급탄과 물을 혼합하는 단계로 재투입하는 단계를 추가로 포함하는 저급 석탄의 개질 방법.