KR101702258B1 - 무회탄의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는, 용제 분리기에 있어서, 분무 노즐의 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하면서, 고형분 농축 슬러리의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 분무 노즐로부터 고형분 농축 슬러리를 분무시킴으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시킨다. 이에 의해, 분무 노즐의 폐색을 방지함과 함께, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시킴과 함께, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화한다.

Description

무회탄의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING ASH-FREE COAL}

본 발명은, 석탄으로 회분을 제거한 무회탄을 얻기 위한 무회탄의 제조 방법에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 무회탄의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 제조 방법에서는, 일반탄에 점결탄을 혼합한 석탄 원료와 용제를 혼합하여 슬러리를 조제하고, 얻어진 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하고, 석탄 성분을 추출한 슬러리로부터, 중력 침강법에 의해, 용제에 가용인 석탄 성분을 포함하는 용액과, 용제에 불용인 석탄 성분을 포함하는 고형분 농축 슬러리를 분리하고, 분리된 용액으로부터 용제를 분리하여 무회탄을 얻고 있다. 또한, 분리된 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 분리하여 부생탄을 얻고 있다.

무회탄이나 부생탄은, 그 제조 프로세스 중에서는 유기 용제 중에 용질로서 존재하지만, 용제를 제거해서 냉각하면, 고체 상태로 된다. 용제를 제거하는(회수하는) 방법으로서, 특허문헌 2에는, 예열된 용액을 분무 노즐로부터 본체 용기 내에 배치된 포집판에 분무하여, 포집판으로부터의 전열에 의해 용액 중의 용제를 증발시키는 분무 건조 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 용액을 회전시키는 회전 분산 기구를 사용해서, 용제 분리탑이 가열된 내벽을 향하여 용액을 분산시킴으로써, 용액 중의 용제를 휘발시키는 용제 회수 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2009-227718호 공보 일본 특허 공개 제2007-3039호 공보 일본 특허 공개 제2009-226259호 공보

그러나, 특허문헌 2에 있어서는, 분무 노즐이 폐색된다고 하는 문제가 있다. 분무 노즐의 폐색은, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발되고, 기체 성분이 단열 팽창함으로써 용액의 온도가 저하되어, 고체분이 석출됨으로써 발생한다.

또한, 특허문헌 2나 특허문헌 3에 있어서는, 주로 외열을 이용해서 용제를 휘발시키고 있고, 프로세스 도중에 용액이 갖는 열이나 압력을 이용하고 있지 않다. 그러나, 대량 생산을 상정한 연속 프로세스의 경우에는, 프로세스 도중에 있어서의 용액ㆍ고형분 농축 슬러리의 특성이나, 용액ㆍ고형분 농축 슬러리가 갖는 열이나 압력을 이용함으로써, 상술한 바와 같이 용제를 휘발시키는 장치를 간략화하거나, 용제를 휘발시키기 위해 투입하는 에너지를 저감시키거나 할 수 있는 가능성이 있다.

본 발명의 목적은, 분무 노즐의 폐색을 방지함과 함께, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시켜, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화하는 것이 가능한 무회탄의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서의 무회탄의 제조 방법은, 석탄과 용제를 혼합하여 슬러리를 얻는 슬러리 조제 공정과, 상기 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하는 추출 공정과, 상기 추출 공정에서 얻어진 슬러리를, 용제에 가용인 석탄 성분이 용해된 용액과, 용제에 불용인 석탄 성분이 농축된 고형분 농축 슬러리로 분리하는 분리 공정과, 상기 분리 공정에서 분리된 용액으로부터 용제를 증발 분리시켜 무회탄을 얻는 무회탄 취득 공정과, 상기 분리 공정에서 분리된 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 부생탄을 얻는 부생탄 취득 공정을 구비하고, 상기 분리 공정은, 용제의 증기압 이상으로 가압된 상황 하에서 행해지고, 상기 부생탄 취득 공정에서, 분무 노즐의 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하면서, 고형분 농축 슬러리의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 상기 분무 노즐로부터 고형분 농축 슬러리를 분무시킴으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 무회탄의 제조 방법에 의하면, 분무 노즐의 폐색을 방지함과 함께, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시켜, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화할 수 있다.

도 1은 무회탄 제조 설비의 모식도이다.
도 2는 노즐 유량의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 3은 고형분 농축 슬러리의 플래시 시험의 시험 결과를 도시하는 도면이다.
도 4는 용액의 플래시 시험의 시험 결과를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

(무회탄의 제조 방법)

본 실시 형태에 의한 무회탄의 제조 방법에 사용되는 무회탄 제조 설비(100)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 무회탄(HPC) 제조 공정의 상류측으로부터 순서대로, 석탄 호퍼(1), 용제 탱크(2), 슬러리 조제조(3), 이송 펌프(4), 예열기(5), 추출조(6), 중력 침강조(7), 필터 유닛(8) 및 용제 분리기(9, 10)를 구비하고 있다.

무회탄의 제조 방법은, 슬러리 조제 공정, 추출 공정, 분리 공정, 무회탄 취득 공정 및 부생탄 취득 공정을 갖는다. 이하, 각 공정에 대해 설명한다. 또한, 본 제조 방법에 있어서 원료로 하는 석탄에, 특별히 제한은 없고, 추출률이 높은 역청탄을 사용해도 좋고, 보다 저렴한 열질탄(아역청탄, 갈탄)을 사용해도 좋다. 또한, 무회탄이란, 회분이 5중량％ 이하, 바람직하게는 3중량％ 이하의 것을 말한다.

(슬러리 조제 공정)

슬러리 조제 공정은, 석탄과 용제를 혼합하여 슬러리를 조제하는 공정이다. 이 슬러리 조제 공정은, 도 1 중, 슬러리 조제조(3)에서 실시된다. 원료인 석탄이 석탄 호퍼(1)로부터 슬러리 조제조(3)에 투입됨과 함께, 용제 탱크(2)로부터 슬러리 조제조(3)에 용제가 투입된다. 슬러리 조제조(3)에 투입된 석탄 및 용제는, 교반기(3a)에 의해 혼합되어 석탄과 용제로 이루어지는 슬러리로 된다.

용제에 대한 석탄의 혼합 비율은, 예를 들어, 건조탄 기준으로 10 내지 50중량％이며, 보다 바람직하게는, 20 내지 35중량％이다.

(추출 공정)

추출 공정은, 슬러리 조제 공정에서 얻어진 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하는(용제에 용해시키는) 공정이다. 이 추출 공정은, 도 1 중, 예열기(5) 및 추출조(6)에서 실시된다. 슬러리 조제조(3)에서 조제된 슬러리는 이송 펌프(4)에 의해, 예열기(5)에 공급되어 소정 온도까지 가열된 후, 추출조(6)에 공급되고, 교반기(6a)에 의해 교반되면서 소정 온도로 유지되어 추출이 행해진다.

석탄과 용제를 혼합하여 얻어지는 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하는 데 있어서는, 석탄에 대해 큰 용해력을 갖는 용매, 대부분의 경우, 방향족 용제(수소 공여성 혹은 비수소 공여성의 용제)와 석탄을 혼합하여, 그것을 가열하고, 석탄 중의 유기 성분을 추출하게 된다.

비수소 공여성 용제는, 주로 석탄의 건류 생성물로부터 정제한, 2환 방향족을 주로 하는 용제인 석탄 유도체이다. 이 비수소 공여성 용제는, 가열 상태에서도 안정되고, 석탄과의 친화성이 우수하므로, 용제에 추출되는 가용 성분(여기서는 석탄 성분)의 비율(이하, 추출률이라고도 함)이 높고, 또한, 증류 등의 방법으로 용이하게 회수 가능한 용제이다. 비수소 공여성 용제의 주된 성분으로서는, 2환 방향족인 나프탈렌, 메틸나프탈렌, 디메틸나프탈렌, 트리메틸나프탈렌 등을 들 수 있고, 그 밖의 비수소 공여성 용제의 성분으로서, 지방족 측쇄를 갖는 나프탈렌류, 안트라센류, 플루오렌류, 또한, 이들에 비페닐이나 장쇄 지방족 측쇄를 갖는 알킬벤젠이 포함된다.

또한, 상기의 설명에서는 비수소 공여성 화합물을 용제로서 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 테트랄린을 대표로 하는 수소 공여성의 화합물(석탄 액화유를 포함함)을 용제로서 사용해도 되는 것은 물론이다. 수소 공여성 용제를 사용한 경우, 무회탄의 수율이 향상된다.

또한, 용제의 비점은 특별히 제한되는 것은 아니다. 추출 공정 및 분리 공정에서의 압력 저감, 추출 공정에서의 추출률, 무회탄 취득 공정 등에서의 용제 회수율 등의 관점에서, 예를 들어, 180 내지 300℃, 특히 240 내지 280℃의 비점의 용제가 바람직하게 사용된다. 본 실시 형태에 있어서, 용제의 비점은 242℃ 정도이다.

추출 공정에서의 슬러리의 가열 온도는, 용제 가용 성분이 용해될 수 있는 한 특별히 제한되지 않고, 용제 가용 성분이 충분한 용해와 추출률의 향상의 관점에서, 예를 들어, 300 내지 420℃이고, 보다 바람직하게는, 360 내지 400℃이다.

또한, 가열 시간(추출 시간)도 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 충분한 용해와 추출률의 향상의 관점에서, 예를 들어, 10 내지 60분간이다. 가열 시간은, 도 1 중, 예열기(5) 및 추출조(6)에서의 가열 시간을 합계한 것이다.

추출조(6) 내의 압력은, 추출 시의 온도나 사용하는 용제의 증기압에 따라 다르지만, 1.0 내지 2.0㎫가 바람직하다. 추출조(6) 내의 압력이 용제의 증기압보다 낮은 경우에는, 용제가 휘발되어 액상에 갇히지 않아, 추출할 수 없다. 용제를 액상에 가두기 위해서는, 용제의 증기압보다 높은 압력이 필요해진다. 한편, 압력이 너무 높으면, 기기의 비용, 운전 비용이 높아져, 경제적이지 않다.

(분리 공정)

분리 공정은, 추출 공정에서 얻어진 슬러리를, 중력 침강법에 의해, 용제에 가용인 석탄 성분이 용해된 용액과, 용제에 불용인 석탄 성분(용제 불용 성분, 예를 들어, 회분)이 농축된 고형분 농축 슬러리(용제 불용 성분 농축액)로 분리하는 공정이다. 이 분리 공정은, 도 1 중, 중력 침강조(7)에서 실시된다. 추출 공정에서 얻어진 슬러리는, 중력 침강조(7) 내에서, 중력에 의해, 용액으로서의 상청액과, 고형분 농축 슬러리로 분리된다. 중력 침강조(7)의 상부 상청액은, 필요에 따라서 필터 유닛(8)을 거쳐, 용제 분리기(9)에 배출됨과 함께, 중력 침강조(7)의 하부에 침강한 고형분 농축 슬러리는 용제 분리기(10)에 배출된다.

중력 침강법은, 슬러리를 조 내에 보유 지지함으로써, 중력을 이용해서 용제 불용 성분을 침강ㆍ분리시키는 방법이다. 용제에 가용인 석탄 성분이 용해된 용액보다도 비중이 큰, 용제 불용 성분(예를 들어 회분)은 중력 침강조(7)의 하부에 중력에 의해 침강한다. 슬러리를 조 내에 연속적으로 공급하면서, 상청액을 상부로부터, 고형분 농축 슬러리를 하부로부터 연속적으로 배출함으로써, 연속적인 분리 처리가 가능하다.

중력 침강조(7) 내는, 석탄으로부터 용출된 용제 가용 성분의 재석출을 방지하기 위해, 보온(또는 가열)하거나, 가압하거나 해 두는 것이 바람직하다. 보온(가열) 온도는, 예를 들어, 300 내지 380℃이고, 조 내 압력은, 예를 들어, 1.0 내지 3.0㎫로 된다. 본 실시 형태에 있어서는, 용제 분리기(9)에 공급되는 용액 및 용제 분리기(10)에 공급되는 고형분 농축 슬러리로부터 용제가 증발 분리되지 않도록, 슬러리가 380℃, 2㎫로 가열 및 가압된다.

또한, 추출 공정에서 얻어진 슬러리로부터, 용제에 용해하고 있는 석탄 성분을 포함하는 용액을 분리하는 방법으로서, 중력 침강법 이외에, 여과법, 원심 분리법 등이 있다.

(무회탄 취득 공정)

무회탄 취득 공정은, 분리 공정에서 분리된 용액(상청액)으로부터 용제를 증발 분리시켜 무회탄(HPC)을 얻는 공정이다. 이 무회탄 취득 공정은, 도 1 중, 용제 분리기(9)에서 실시된다. 중력 침강조(7)에 의해 분리된 용액은 필터 유닛(8)에 의해 여과된 후, 용제 분리기(9)에 공급되고, 용제 분리기(9) 내에서 상청액으로부터 용제가 증발 분리된다. 여기서, 필터 유닛(8)을 사용한 여과 공정은 생략할 수도 있다. 또한, 용액으로부터의 용제의 증발 분리는, 질소 등의 불활성 가스의 존재 하에서 행하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 용제 분리기(9)는, 플래시 증류법에 사용되는 플래시 증류조이다. 플래시 증류법은, 플래시조 내에 용액을 분무 또는 분사해서 용제를 증발 분리시키는 것이다. 용제 분리기(9)는, 용액을 분무하는 분무 노즐 또는 분사 노즐과, 용액이 분무 또는 분사되는 플래시조를 구비하고 있다.

또한, 용액(상청액)으로부터 용제를 분리하는 방법은, 플래시 증류법에 한정되지 않고, 일반적인 증류법, 증발법 등을 사용할 수 있다. 용제 분리기(9)에 의해 분리된 용제는 용제 탱크(2)로 복귀되어, 순환되어 반복 사용된다. 또한, 용제를 순환 사용하는 것은 바람직하지만 필수적이지 않다(후술하는 부생탄 취득 공정에서도 마찬가지임). 상청액으로부터 용제를 분리함으로써, 실질적으로 회분을 포함하지 않는 무회탄(HPC)을 얻을 수 있다.

무회탄은, 회분을 거의 포함하지 않고, 수분은 전무이며, 원료 석탄보다도 높은 발열량을 나타낸다. 또한, 제철용 코크스의 원료로서 특히 중요한 품질인 연화 용융성(유동성)이 대폭으로 개선되어, 원료 석탄이 연화 용융성을 갖지 않아도, 얻어진 무회탄(HPC)은 양호한 연화 용융성을 갖는다. 따라서, 무회탄은, 예를 들어, 코크스 원료의 배합탄으로서 사용할 수 있다. 또한, 회분을 거의 포함하지 않는 무회탄은, 연소 효율이 높고 또한 석탄회의 발생을 저감할 수 있으므로, 가스 터빈 연소에 의한 고효율 복합 발전 시스템의 가스 터빈 직접 분사 연료로서의 용도도 주목받고 있다.

여기서, 용제의 증기압 이상의 압력인 2㎫로 가압된 상황 하에서 중력 침강조(7)에 의해 분리된 용액은, 380℃, 2㎫와, 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 되어 있다. 이와 같은 용액을, 용액의 포화 압력 미만의 압력, 예를 들어, 상압으로 설정된 플래시조 내에 분무 노즐로부터 분무시킨다. 또한, 증기압 강하 현상에 의해, 용액의 포화 압력은 용제의 증기압보다도 낮아져 있다. 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 된 용액을 플래시조 내에 분무하여, 용액의 포화 압력 미만의 상태로 노출시킴으로써, 용액은 비평형 상태가 된다. 그리고, 용액으로부터 용제가 증발 분리되고, 또한 용제 증기가 단열 팽창함으로써, 그 압력에서의 평형 상태로 천이한다. 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이(용제의 휘발)에 필요로 하는 시간인 완화 시간은, 0.01 내지 0.1초 정도로 짧기 때문에, 종래의 전열 공정과 비교해서, 극히 단시간에 휘발 현상이 발생한다. 따라서, 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이를 이용함으로써, 용액으로부터 용제를 순시에 증발 분리시킬 수 있다.

또한, 분무 노즐로부터 용액을 분무할 때에, 분무 노즐의 노즐 오리피스(분출구)에 있어서의 용액의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하고 있다. 구체적으로는, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력은, 1.1 내지 2.0㎫ 정도로 할 수 있다.

여기서, 분무 노즐의 폐색은, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용액의 압력이 용액의 포화 압력 미만으로 됨으로써 용제가 휘발되고, 기체 성분이 단열 팽창함으로써 용액의 온도가 저하되어, 고체분이 석출됨으로써 발생하는 경우가 있다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지함으로써, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발하지 않도록 한다. 이에 의해, 분무 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

또한, 증기압 강하 현상에 의해, 용액의 포화 압력은 용제의 증기압보다도 낮아져 있다. 그로 인해, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용액의 포화 압력 이상으로 유지하면, 용제는 휘발하지 않는다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용액의 포화 압력 이상으로 유지함으로써, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발하지 않도록 할 수 있다.

또한, 용제 분리기(9)에 공급되는 용액의 온도 및 압력의 값 및 플래시조 내의 온도 및 압력의 값은, 플래시조 내에서의 용액의 등엔트로피 변화 및 용제의 비점 상승 현상을 고려해서 각각 설정되어 있다. 용액의 등엔트로피 변화에 의한 용액의 온도와 용제 함유율과의 관계는, 열역학에 기초하여 추산할 수 있다. 또한, 용제에 가용인 석탄 성분이 용제에 용해됨으로써 발생하는 용제의 비점 상승 현상에 의한 비점은, 석탄 성분의 중량 몰 농도로부터 추정할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서, 용제의 비점은 242℃ 정도로부터 280 내지 290℃까지 상승하고 있다. 그리고, 플래시조 내에의 분무에 의해 얻어지는 무회탄의 용제 함유율은, 열역학에 기초하여 산출한 용제 함유율의 추산 곡선과, 비점 상승으로부터 상정되는 비점 곡선과의 교점 부근의 값, 또는, 교점이 없는 경우에는, 양쪽 곡선간의 값이 된다. 따라서, 플래시조 내에서의 용액의 등엔트로피 변화 및 용제의 비점 상승 현상을 고려하여, 용제 분리기(9)에 공급되는 용액의 온도 및 압력의 값 및 플래시조 내의 온도 및 압력의 값을 각각 설정함으로써, 얻어지는 무회탄의 용제 함유율을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 용제 분리기(9)에 공급되는 용액의 용제 함유율이 40중량％, 62.5중량％인 경우에는, 용제 분리기(9)에 공급되는 용액의 온도 및 압력을 360℃, 2㎫로 하고, 플래시조 내를 280 내지 290℃, 상압으로 함으로써, 등엔트로피 변화 및 비점 상승 현상을 고려한 기액 평형 곡선에 의해 추산되는 0.6중량％, 4.1중량％, 7.8중량％, 10.3중량％의 무회탄을 얻을 수 있다.

또한, 용제 분리기(9)의 하류측에, 용제 분리기(9)와는 다른 플래시 증류조나 박막 증류 장치를 설치하여, 용제 분리기(9)를 나온 용액으로부터 또한 용제를 증발 분리해도 좋다. 이와 같이, 용액으로부터의 용제의 증발 분리를 몇 번이나 행함으로써, 무회탄 취득 공정에서 얻어지는 무회탄의 용제 함유율을 소정값 이하, 예를 들어, 20중량％ 이하로 할 수 있다.

(부생탄 취득 공정)

부생탄 취득 공정은, 분리 공정에서 분리된 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 부생탄을 얻는 공정이다. 이 부생탄 취득 공정은, 도 1 중, 용제 분리기(10)에서 실시된다. 중력 침강조(7)에 의해 분리된 고형분 농축 슬러리는 용제 분리기(10)에 공급되고, 용제 분리기(10) 내에서 고형분 농축 슬러리로부터 용제가 증발 분리된다. 여기서, 고형분 농축 슬러리로부터의 용제의 증발 분리는, 질소 등의 불활성 가스의 존재 하에서 행하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 용제 분리기(10)는, 플래시 증류법에 사용되는 플래시 증류조이다. 용제 분리기(10)는, 용액을 분무하는 분무 노즐과, 용액이 분무되는 플래시조를 구비하고 있다.

또한, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 분리하는 방법은, 플래시 증류법에 한정되지 않고, 상기한 무회탄 취득 공정과 마찬가지로, 일반적인 증류법, 증발법을 사용할 수 있다. 용제 분리기(10)에 의해 분리된 용제는 용제 탱크(2)로 복귀되어, 순환되어 반복 사용된다. 용제의 분리에 의해, 고형분 농축 슬러리로부터는 회분 등을 포함하는 용제 불용 성분이 농축된 부생탄(RC, 잔사탄이라고도 함)을 얻을 수 있다.

부생탄은, 회분이 포함되지만 수분이 전무하고, 발열량도 충분히 갖고 있다. 부생탄은 연화 용융성을 나타내지 않지만, 산소 함유 관능기가 이탈되어 있으므로, 배합탄으로서 사용한 경우에, 이 배합탄에 포함되는 다른 석탄의 연화 용융성을 저해하는 것은 없다. 따라서, 이 부생탄은, 통상의 비미점결탄과 마찬가지로, 코크스 원료의 배합탄 일부로서 사용할 수 있고, 또한, 코크스 원료탄으로 하지 않고, 각종 연료용으로서 사용하는 것도 가능하다.

여기서, 중력 침강조(7)에 의해 분리된 고형분 농축 슬러리는, 380℃, 2㎫와, 용제의 증기압 이상의 압력으로 가압되어 있고, 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 되어 있다. 이와 같은 고형분 농축 슬러리를, 고형분 농축 슬러리의 포화 압력 미만의 압력, 예를 들어, 상압으로 설정된 플래시조 내에 분무 노즐로부터 분무시킨다. 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 된 고형분 농축 슬러리를 플래시조 내에 분무하여, 포화 압력 미만의 상태로 노출시킴으로써, 고형분 농축 슬러리는 비평형 상태가 된다. 그리고, 고형분 농축 슬러리로부터 용제가 증발 분리됨으로써, 그 압력에서의 평형 상태로 천이된다. 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이(용제의 휘발)에 필요로 하는 시간인 완화 시간은, 0.01 내지 0.1초 정도로 짧기 때문에, 종래의 전열 공정과 비교해서, 극히 단시간에 휘발 현상이 발생한다. 따라서, 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이를 이용함으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 순시에 증발 분리시킬 수 있다.

또한, 분무 노즐로부터 고형분 농축 슬러리를 분무할 때에, 분무 노즐의 노즐 오리피스(분출구)에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하고 있다. 구체적으로는, 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력은, 1.1 내지 2.0㎫ 정도로 할 수 있다.

여기서, 분무 노즐의 폐색은, 노즐 오리피스보다도 전방에서 고형분 농축 슬러리의 압력이 포화 압력 미만으로 됨으로써 용제가 휘발되고, 고형분 농축 슬러리 중의 액상이 줄어들어, 유동성이 저하 또는 없어짐으로써 발생하는 경우가 있다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지함으로써, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발하지 않도록 한다. 이에 의해, 분무 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

또한, 용제 분리기(10)에 있어서, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 부생탄을 얻은 후에, 플래시조 내에 질소 가스 등의 불활성 가스를 도입함으로써, 플래시조 내의 용제 증기를 불활성 가스로 치환하여, 부생탄에 불활성 가스를 접촉시킨다. 또한, 용제 분리기(10)의 하류측에 부생탄을 수용하는 조를 별도 설치하여, 이 조 내에 불활성 가스를 도입해도 좋다. 이때, 조 내의 압력은 용제의 증기압 미만이다.

여기서, 부생탄은 다공질 입자이며, 용제를 흡착시키는 성질이 있다. 그로 인해, 용제 증기의 분위기 중에서는, 부생탄은 5중량％ 정도까지 증기를 흡착시키는 것을 알고 있다. 따라서, 용제를 증발 분리시켜 얻어진 부생탄에 불활성 가스를 접촉시킴으로써, 부생탄의 주위로부터 용제 증기를 배제하고, 세공 내에 흡착되어 있는 용제 증기를 불활성 가스로 치환한다. 이에 의해, 부생탄의 용제 함유율을 2중량％ 정도까지 저감시킬 수 있다.

(노즐 유량 평가)

다음에, 분무 노즐에 폐색이 발생하지 않을 때의, 분무 노즐의 노즐 오리피스 직경과, 분무 노즐을 흐르는 용액 및 고형분 농축 슬러리의 유량과의 관계를 각각 평가했다. 이 평가는, 에쿠토라타 탄(Ekutorata coal)을 원료탄으로 했을 때의 용액 및 고형분 농축 슬러리를, 용제가 휘발하지 않도록, 각각 360℃, 2㎫G의 고온 고압 상태로 하고, 이들 용액 및 고형분 농축 슬러리를 분무 노즐로부터 플래시조에 각각 분무시킴으로써 행했다. 평가 결과를 도 2에 도시한다.

분무 노즐에 폐색이 발생하지 않는, 즉, 분무 노즐 내에서 용제의 휘발이 발생하지 않을 때의 노즐 오리피스 직경과 용액의 유량과의 관계는, 용액의 유량(㎏/h)=229×노즐 오리피스 직경(㎜)-100인 것을 알 수 있었다. 또한, 분무 노즐에 폐색이 발생하지 않을 때의 노즐 오리피스 직경과 고형분 농축 슬러리의 유량과의 관계는, 고형분 농축 슬러리의 유량(㎏/h)=321×노즐 오리피스 직경(㎜)-226인 것을 알 수 있었다. 이들 관계를 충족할 때, 노즐 오리피스의 상류측의 압력은 2㎫G, 하류측의 압력은 대기압으로 되어 있었다. 이와 같이, 노즐 오리피스에 있어서 용액 및 고형분 농축 슬러리가 색류 상태가 되는, 즉, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력 및 고형분 농축 슬러리의 압력이 각각 용제의 증기압 이상으로 유지됨으로써, 분무 노즐 내에서 용제의 휘발은 발생하지 않는다.

(고형분 농축 슬러리의 플래시 시험)

다음에, 용제가 증발 분리되지 않는 상태의 고형분 농축 슬러리를 상압의 플래시조 내에 분무하고, 그 후, 플래시조 내에 질소 가스를 도입하는 플래시 시험을 행했다. 그 시험 결과를 도 3에 도시한다.

구체적으로는, 에쿠토라타 탄을 원료탄으로 한, 용제 함유율이 31 내지 36중량％의 고형분 농축 슬러리를, 360℃, 2㎫G의 조건에서 분무 노즐에 공급하여, 상압의 플래시조 내에 분무하고, 분무 종료 후에 플래시조 내에 210 내지 340℃의 질소 가스를 도입했다.

도 3으로부터, 용제가 증발 분리되지 않는 상태의 고형분 농축 슬러리를 포화 압력 미만의 상태로 노출시키는 것에 의한 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이를 이용함으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 순시에 증발 분리시켜, 용제 함유율을 10중량％ 이하까지 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 분무 종료 후에 플래시조 내에 도입한 질소 가스로, 고형분 농축 슬러리의 주위로부터 용제 증기를 배제하고, 세공 내에 흡착되어 있는 용제 증기를 질소 가스로 치환함으로써, 부생탄의 용제 함유율을 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 특히, 질소 가스[㏖]를 부생탄[㎏]으로 제한 값이 25 내지 35[㏖/㎏]의 범위에서, 부생탄의 용제 함유율이 2중량％ 정도까지 저감하는 것을 알 수 있다.

(용액의 플래시 시험)

다음에, 용제가 증발 분리되지 않는 상태의 용액을 상압의 플래시조 내에 분무하는 플래시 시험을 행했다. 그 시험 결과를 도 4에 도시한다.

우선, Ekutorata coal을 원료탄으로 했을 때의 용액을 단증류시키는 상압 단증류 시험을 행하고, 용액의 온도 및 용액의 총중량으로부터 산출되는 용액의 용제 농도의 경시 변화를 확인했다. 그 결과가 도 4에 있어서의 A 내지 C이다. 이 결과로부터, 비점 상승으로부터 상정되는 비점 곡선이 얻어진다.

다음에, Ekutorata coal을 원료탄으로 한, 용제 농도가 62.5중량％, 40중량％의 용액을 각각 시료로 하고, 360℃, 2㎫G의 조건에서 분무 노즐에 공급하여, 상압의 플래시조 내에 분무하는 플래시 시험을 행하고, 분무 중의 플래시조 내의 평균 온도와, 분무 후에 플래시조 내로부터 회수한 샘플의 용제 함유율과의 관계를 확인했다. 그 결과가 도 4에 있어서의 범례 ○와 △이다. 이 플래시 시험에 의해, 플래시조 내의 평균 온도가 280 내지 290℃에 있어서, 용제 함유율이 10.3중량％, 7.8중량％, 4.1중량％, 0.6중량％의 무회탄이 얻어졌다.

다음에, 용제 농도가 62.5중량％에서 360℃, 2㎫G의 용액과, 용제 농도가 40중량％에서 360℃, 2㎫G의 용액을, 각각 상압까지 탈압하고, 등엔트로피 변화시켰을 때의 용액 온도와 용제 함유율과의 관계를, 열역학에 기초하여 산출했다. 그 계산값이 도 4에 있어서의 곡선 D와 곡선 E이다.

도 4로부터, 용제가 증발 분리되지 않는 상태의 용액을 포화 압력 미만의 상태로 노출시키는 것에 의한 비평형 상태로부터 평형 상태로의 등엔트로피 변화에서의 천이를 이용함으로써, 용액으로부터 용제를 순시에 증발 분리시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 플래시 시험에 의해 얻어진 무회탄의 용제 함유율은, 열역학에 기초하여 산출한 용제 함유율의 추산 곡선 D, E와, 상압 단증류 시험에서 얻어진 비점 곡선과의 교점 부근의 값, 또는, 교점이 없는 경우에는, 양쪽 곡선간의 값이 되는 것을 알 수 있다.

(효과)

이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 무회탄의 제조 방법에 의하면, 부생탄 취득 공정에서, 분무 노즐의 노즐 오리피스(분출구)에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지한다. 여기서, 분무 노즐의 폐색은, 노즐 오리피스보다도 전방에서 고형분 농축 슬러리의 용제 압력이 포화 압력 미만으로 됨으로써 용제가 휘발되고, 고형분 농축 슬러리 중의 액상 성분이 줄어들어, 유동성이 저하 또는 없어짐으로써 발생하는 경우가 있다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지함으로써, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발하지 않도록 한다. 이에 의해, 분무 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

또한, 부생탄 취득 공정에서, 고형분 농축 슬러리의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 분무 노즐로부터 고형분 농축 슬러리를 분무시킨다. 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 된 고형분 농축 슬러리를 플래시조 내에 분무하여, 포화 압력 미만의 상태로 노출시킴으로써, 고형분 농축 슬러리는 비평형 상태가 된다. 그리고, 고형분 농축 슬러리로부터 용제가 증발 분리됨으로써, 그 압력에서의 평형 상태로 천이된다. 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이(용제의 휘발)에 필요로 하는 시간인 완화 시간은, 0.01 내지 0.1초 정도로 짧기 때문에, 종래의 전열 공정과 비교하여, 극히 단시간에 휘발 현상이 발생한다. 따라서, 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이를 이용함으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 순시에 증발 분리시킬 수 있다. 이에 의해, 고형분 농축 슬러리를 가열하는 전열 공정이나, 그에 필요한 기구가 불필요하게 되므로, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시켜, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화할 수 있다.

또한, 부생탄 취득 공정에서, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 얻어진 부생탄에 불활성 가스를 접촉시킨다. 부생탄은 다공질 입자이며, 용제를 흡착시키는 성질이 있다. 그로 인해, 용제 증기의 분위기 중에서는, 부생탄은 5중량％ 정도까지 증기를 흡착시킨다. 따라서, 부생탄에 불활성 가스를 접촉시킴으로써, 부생탄의 주위로부터 용제 증기를 배제하고, 세공 내에 흡착되어 있는 용제 증기를 불활성 가스로 치환한다. 이에 의해, 부생탄의 용제 함유율을 저감시킬 수 있다.

또한, 무회탄 취득 공정에서, 분무 노즐의 노즐 오리피스(분출구)에 있어서의 용액의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지한다. 여기서, 분무 노즐의 폐색은, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용액의 압력이 포화 압력 미만으로 됨으로써 용제가 휘발되고, 기체 성분이 단열 팽창함으로써 용액의 온도가 저하되어, 고체분이 석출됨으로써 발생하는 경우가 있다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지함으로써, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발하지 않도록 한다. 이에 의해, 분무 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

또한, 무회탄 취득 공정에서, 용액의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 분무 노즐로부터 용액을 분무시킨다. 용제가 증발 분리되지 않는 상태로 된 용액을 플래시조 내에 분무하여, 포화 압력 미만의 상태로 노출시킴으로써, 용액은 비평형 상태가 된다. 그리고, 용액으로부터 용제가 증발 분리되고, 또한 용제 증기가 단열 팽창함으로써, 그 압력에서의 평형 상태로 천이한다. 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이(용제의 휘발)에 필요로 하는 시간인 완화 시간은, 0.01 내지 0.1초 정도로 짧기 때문에, 종래의 전열 공정과 비교해서, 극히 단시간에 휘발 현상이 발생한다. 따라서, 비평형 상태로부터 평형 상태로의 천이를 이용함으로써, 용액으로부터 용제를 순시에 증발 분리시킬 수 있다. 이에 의해, 용액을 가열하는 전열 공정이나, 그에 필요한 기구가 불필요하게 되므로, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시켜, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화할 수 있다.

또한, 무회탄 취득 공정에서, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용액의 포화 압력 이상으로 유지한다. 여기서, 증기압 강하 현상에 의해, 용액의 포화 압력은 용제의 증기압보다도 낮아져 있다. 따라서, 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용액의 포화 압력 이상으로 유지하면, 용제는 휘발되지 않는다. 이에 의해, 노즐 오리피스보다도 전방에서 용제가 휘발되는 것을, 용제의 증기압보다도 낮은 압력으로 방지할 수 있다.

또한, 플래시조 내에서의 용액의 등엔트로피 변화 및 용제의 비점 상승 현상을 고려하여, 무회탄 취득 공정에 공급되는 용액의 온도 및 압력의 값 및 플래시조 내의 온도 및 압력의 값을 각각 설정한다. 용액의 등엔트로피 변화에 의한 용액의 온도와 용제 함유율과의 관계는, 열역학에 기초하여 추산할 수 있다. 또한, 용제에 가용인 석탄 성분이 용제에 용해됨으로써 발생하는 용제의 비점 상승 현상에 의한 비점은, 석탄 성분의 중량 몰 농도로부터 추정할 수 있다. 그리고, 플래시조 내에의 분무에 의해 얻어지는 무회탄의 용제 함유율은, 열역학에 기초하여 산출한 용제 함유율의 추산 곡선과, 비점 상승으로부터 상정되는 비점 곡선과의 교점 부근의 값, 또는, 교점이 없는 경우에는, 양쪽 곡선간의 값이 된다. 따라서, 플래시조 내에서의 용액의 등엔트로피 변화 및 용제의 비점 상승 현상을 고려하여, 무회탄 취득 공정에 공급되는 용액의 온도 및 압력의 값 및 플래시조 내의 온도 및 압력의 값을 각각 설정함으로써, 무회탄 취득 공정에서 얻어지는 무회탄의 용제 함유율을 조정할 수 있다.

또한, 무회탄 취득 공정에서, 플래시조 내에 분무됨으로써 용제가 증발 분리된 용액으로부터, 또한 용제를 증발 분리시킨다. 구체적으로는, 용제 분리기(9)의 하류측에 다른 플래시 증류조나 박막 증류 장치 등을 설치하여, 용제 분리기(9)를 나온 용액으로부터 또한 용제를 증발 분리시킨다. 이와 같이, 용액으로부터의 용제의 증발 분리를 몇 번이나 행함으로써, 무회탄 취득 공정에서 얻어지는 무회탄의 용제 함유율을 소정값 이하로 할 수 있다.

(본 실시 형태의 변형예)

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 구체예를 예시한 것에 지나지 않고, 특히 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 구체적 구성 등은, 적절히 설계 변경 가능하다. 또한, 발명의 실시 형태에 기재된 작용 및 효과는, 본 발명으로부터 발생하는 가장 적합한 작용 및 효과를 열거한 것에 지나지 않고, 본 발명에 의한 작용 및 효과는, 본 발명의 실시 형태에 기재된 것에 한정되는 것은 아니다.

본 출원은, 2013년 4월 16일 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-085780)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명은, 석탄으로부터 무회탄을 제조하는 공정에 유효하고, 용제의 휘발에 필요로 하는 투입 에너지를 저감시킴과 함께, 용제를 휘발시키는 장치를 간소화하는 것이 가능해진다.

1 : 석탄 호퍼
2 : 용제 탱크
3 : 슬러리 조제조
3a : 교반기
4 : 이송 펌프
5 : 예열기
6 : 추출조
6a : 교반기
7 : 중력 침강조
8 : 필터 유닛
9, 10 : 용제 분리기
100 : 무회탄 제조 설비

Claims (6)

1. 석탄과 용제를 혼합하여 슬러리를 얻는 슬러리 조제 공정과,
   상기 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하는 추출 공정과,
   상기 추출 공정에서 얻어진 슬러리를, 용제에 가용인 석탄 성분이 용해된 용액과, 용제에 불용인 석탄 성분이 농축된 고형분 농축 슬러리로 분리하는 분리 공정과,
   상기 분리 공정에서 분리된 용액으로부터 용제를 증발 분리시켜 무회탄을 얻는 무회탄 취득 공정과,
   상기 분리 공정에서 분리된 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 부생탄을 얻는 부생탄 취득 공정
   을 구비하고,
   상기 분리 공정은, 용제의 증기압 이상으로 가압된 상황 하에서 행해지고,
   상기 부생탄 취득 공정에서, 분무 노즐의 노즐 오리피스에 있어서의 고형분 농축 슬러리의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하면서, 고형분 농축 슬러리의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 상기 분무 노즐로부터 고형분 농축 슬러리를 분무시킴으로써, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시키고, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 얻어진 부생탄에 불활성 가스를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 무회탄의 제조 방법.
2. 삭제
3. 석탄과 용제를 혼합하여 슬러리를 얻는 슬러리 조제 공정과,
   상기 슬러리를 가열하여 용제에 가용인 석탄 성분을 추출하는 추출 공정과,
   상기 추출 공정에서 얻어진 슬러리를, 용제에 가용인 석탄 성분이 용해된 용액과, 용제에 불용인 석탄 성분이 농축된 고형분 농축 슬러리로 분리하는 분리 공정과,
   상기 분리 공정에서 분리된 용액으로부터 용제를 증발 분리시켜 무회탄을 얻는 무회탄 취득 공정과,
   상기 분리 공정에서 분리된 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 부생탄을 얻는 부생탄 취득 공정
   을 구비하고,
   상기 분리 공정은, 용제의 증기압 이상으로 가압된 상황 하에서 행해지고,
   상기 무회탄 취득 공정에서, 분무 노즐의 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용제의 증기압 이상으로 유지하면서, 용액의 포화 압력 미만으로 설정된 플래시조 내에 상기 분무 노즐로부터 용액을 분무시킴으로써, 용액으로부터 용제를 증발 분리시키고,
   상기 부생탄 취득 공정에서, 고형분 농축 슬러리로부터 용제를 증발 분리시켜 얻어진 부생탄에 불활성 가스를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 무회탄의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 무회탄 취득 공정에 있어서, 상기 노즐 오리피스에 있어서의 용액의 압력을 용액의 포화 압력 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 무회탄의 제조 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 플래시조 내에서의 용액의 등엔트로피 변화 및 용제의 비점 상승 현상을 고려하여, 상기 무회탄 취득 공정에 공급되는 용액의 온도 및 압력의 값 및 상기 플래시조 내의 온도 및 압력의 값을 각각 설정하는 것을 특징으로 하는 무회탄의 제조 방법.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 무회탄 취득 공정에 있어서, 상기 플래시조 내에 분무됨으로써 용제가 증발 분리된 용액으로부터, 또한 용제를 증발 분리시키는 것을 특징으로 하는 무회탄의 제조 방법.

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