KR20110117457A - 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 수분함유 탄소원을 건조시키면서 수분의 재침투를 방지할 뿐만 아니라 탄소원의 고체 연료로의 성형성을 향상시키는 것으로, 폐플라스틱으로부터의 바인더 물질을 이용함으로써 경제성을 획기적으로 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 바인더 물질을 함유하는 물질을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물과 혼합하고, 150℃ 이하의 온도로 가열하여 바인더 물질을 용매로 균일하게 분산시킨 다음 고형 이물질을 여과하여 바인더 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계; 상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80중량%인 탄소원을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합용액과 탄소원이 혼합된 혼합물을 고-액분리기에서 고-액 분리하는 단계: 및 상기 고-액분리기에서 분리된 고체를 전도 열전달 방식으로 가열 건조하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 수분 및 용매 성분을 증발시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 바인더 물질을 함유하는 물질을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물과 혼합하고, 150℃ 이하의 온도로 가열하여 바인더 물질을 용매로 균일하게 분산시킨 다음 고형 이물질을 여과하여 바인더 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계; 상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80중량%인 탄소원을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합용액과 탄소원이 혼합된 혼합물을 고-액분리기에서 고-액 분리하는 단계: 및 상기 고-액분리기에서 분리된 고체를 전도 열전달 방식으로 가열 건조하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 수분 및 용매 성분을 증발시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고함수 저급 석탄 또는 하수슬러지를 비롯한 다양한 종류의 탄소원을 연료로 효과적으로 이용하기 위하여 바인더와 탄소원이 균일하게 혼합되도록 한 후에 필요한 건조과정을 수행시키고, 성형과정을 거쳐서 고형 연료 성형체를 제조함으로써 수송 및 저장 과정에서 수분의 재흡수를 방지하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 바인더 물질로는 아스팔트, 팜오일, 콜타르 뿐 만 아니라 산업체, 가정, 농사용 등에서 배출되는 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PET(Polyethylene terephthalate) 등과 같은 고분자 폐플라스틱을 재활용하여 탄소원 연료의 발열량을 조절하고 성형성을 향상시키는 효과를 얻는다.
인도네시아, 호주 미국 등에 대규모로 부존하고 있는 고수분 석탄은 가격이 저렴함에도 불구하고 낮은 발열량과 과다한 수송비, 건조 후 수분 재침투 등과 같은 문제로 인하여 원활하게 활용이 되지 못하고 있다.
성형탄의 제조와 관련된 종래의 국내기술로는 플라스틱과 저급 탄소원을 혼합하여 용융시킨 후 노즐을 통하여 성형연료를 제조하는 "저공해 고발열량 성형탄의 제조방법(대한민국 특허 등록번호 제10-0424849호)"을 들 수 있다. 하지만 이 기술은 탄소원으로부터 수분의 건조를 전혀 고려하지 않고 있으며 용매를 사용하지 않고 플라스틱과 탄소원만 혼합한다. 특히 생산된 제품은 플라스틱과 석탄이 비슷한 비율로 혼합되고 유동층 연소에 적합하다.
석탄으로부터 수분을 제거하는 기술로는 UBC(Upgdading Brown Coal), BCB(Bindless Coal Briquette), MTE(Mechanical Thermal Expression), K-Fuel(K-Fuel), SynCoal 등 다수가 있지만, 본 발명 기술과 가장 근접한 기술은 UBC로서 중질유와 경질유를 혼합한 용액에 고수분의 석탄을 혼합하여 150℃이상, 3.5기압의 운전조건으로 수분을 제거한 후 중질유만 석탄에 남게 하고 경질유는 회수하여 재사용하는 기술이다(일본 특허 제3920304호). 이와 같은 일본 특허에서는 고가의 중질유를 사용하고 있으며 고압, 고온이 필요하다.
따라서, 수분을 함유한 탄소원을 저렴한 비용으로 건조시키면서 탄소원의 수분 재침투를 방지할 뿐만 아니라 탄소원의 성형성을 향상시키는 것이 함께 요구되고 있다.
이에 본 출원인은 특허출원 제10-2009-0018057호를 통해 "수분 함유 탄소원의 건조 및 고분자 물질에 의한 코팅 방법 및 고분자 물질로 코팅된 탄소원 포함 고체 연료"의 내용을 선출원한 바 있다.
상기 선행기술에 의하면, 고분자 물질을 함유하는 폐기물을 용매인 등유 및 경유에 혼합하고, 이를 150℃ 이하의 온도로 가열하여 고분자 물질을 용매에 균일하게 분산시킨 후, 여과하여 고분자 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하며, 상기 혼합 용액에 수분함유 탄소원을 첨가한 후 가열하여 수분을 제거하고, 상압 또는 감압하에 가열하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 용매 성분을 증류 제거하는 과정으로 이루어지는 것이다.
이와 같은 상기의 선행기술에서는 고분자 물질을 함유하는 폐기물과 용매(등유 및 경유)가 혼합된 혼합 용액에 수분이 함유된 탄소원을 첨가한 후 가열하여 수분을 제거하는 공정이 적용되고 있는 것으로, 이는 곧 탄소원을 용매로 튀겨서 탄소원으로부터 수분이 제거된 자리인 기공에 등유 및 경유와 같은 용매성분이 대체되도록 하는 것이었다. 그러나, 이는 용매성분을 제거시키는 후 공정에서 에너지가 많이 소요되며 또한 고분자가 성형의 바인더 역할을 위해서는 고분자가 탄소원에서의 수분기공을 채워야 하므로 성형에 따른 고분자의 양이 많이 필요하게 된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 바인더 성분이 탄소원의 기공내에 침투하지 않고 기공 입구 또는 입자 표면에 분포하는 것으로서 바인더 성분으로는 고분자 물질 또는 저가의 중질 탄화수소를 이용함으로써 경제성을 획기적으로 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래기술(특허출원 제10-2009-0018057호)을 응용하되 탄소원내의 수분제거시 용매(등유 및 경유)와 함께 탄소원을 가열함으로 수분을 튀겨내는 공정이 아닌 열전도 방식을 이용하여 탄소원을 건조시킴으로 제조공정을 단순화하고, 또한 전체공정에서 에너지를 대폭적으로 절감하고자 하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로, 본 발명에서는 바인더, 예를 들어, 폐플라스틱 중의 고분자 물질을 용매로 용해시키고, 이와 같은 방법으로 용해된 고분자 물질을 함유하는 용액에 수분 함유 탄소원을 첨가하며, 필터를 거치면서 용매를 회수한 후 남은 성분만을 건조시킴으로 수분을 제거하는 단계인 탄소원을 기름에 튀기는 과정을 생략하여 공정을 단순화한 것을 특징으로 한다.
또한, 분리된 탄소원을 열전도형 건조장치에서 건조시키면서 수분 건조와 용매 회수가 동시에 진행되도록 하고, 이 과정에서 잔류하는 고분자 물질로 탄소원의 외부를 코팅시킴으로써 본 발명에서 목적하는 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 수득하는 것을 특징으로 한다.
이 후 성형 과정에서 탄소원의 외부를 코팅한 고분자 물질은 바인더로서 역할을 하게 되므로 성형성이 향상되고 성형된 탄소원은 수송 및 저장 과정에서 진행되는 수분의 재흡수를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 의하면, 수분이 많이 포함된 저품위 탄소원을 건조시키고 표면을 고분자 물질로 코팅함으로써 탄소원의 고체 연료로의 성형성을 향상시키고 수분의 재흡수를 방지하며 생성된 고체 연료의 발열량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 종래 기술에서 고분자 물질이 함유된 폐기물을 용매(등유 및 경유)를 이용하여 튀겨내는 과정을 생략하고, 대신에 전도 열전달을 이용하여 수분을 제거하는 방법을 적용함으로써, 용매(등유 및 경유)의 회수 에너지가 작고, 고분자 사용량이 적으며, 전체공정의 에너지가 대폭 절감되고, 공정이 단순화되며, 성형성 향상과 자연발화가 방지되는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법에 대한 공정 개략도이며,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 요부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 요부 사시도이다.
본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 먼저 고분자 물질(바인더 물질)을 함유하는 폐기물을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물에 넣은 다음, 150℃ 이하의 온도로 가열하면서 이들을 혼합하여 용매에 고분자 물질을 균일하게 분산시키고, 이후 고형 이물질을 여과하는 고분자 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계;
상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80%인 탄소원을 첨가하고, 일정시간 교반한 다음 이를 고액분리(여과)하여 혼합 용액으로 처리된 탄소원을 분리하고, 이렇게 분리된 탄소원을 전도 열전달로 가열하여 수분 및 용매성분을 분리 제거하는 단계;를 포함하여 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 제조하는 방법을 제공하고 있다.
본 발명의 방법에서, 고분자 물질은 바람직하게는 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이러한 고분자 물질의 공급원인 폐기물은 폐플라스틱, 예컨대, 폐비닐이 바람직하다.
본 발명의 방법에서, 고분자 물질과 용매의 혼합 용액중의 고분자 물질의 함량은 40중량% 이하이다. 이러한 고분자 물질은 탄소원을 코팅시키기에 적절한 양으로 사용된다. 고분자 물질의 양이 용매에 비해서 너무 많으면 잘 용해되지 않는 문제가 발생하여, 40중량% 이하의 양으로 사용되는 것이 적절하다.
본 발명의 방법에서, 탄소원은 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄이다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 방법에 의해서 제조되어 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 제공하고 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 고체 연료로부터 제조된 성형탄을 제공하고 있다.
본 발명은 폐기물로부터 고분자 수지를 회수할 때 펠렛제조(RPF 포함), 열분해, 유화, 가스화, 소각과 같은 기존의 방법이 복잡한 공정을 거치거나 2차 오염을 발생시키는 것과는 달리 용매를 이용하여 고분자 수지를 용액으로 회수하여 액체 또는 고체 연료로 보관하거나, 연료로 사용하거나, 함수율이 높은 저급의 탄소원에서 수분을 제거시키는 동시에 고발열량을 가지는 고분자 수지를 코팅하는 방법을 제시한다. 탄소원에 고분자 수지를 코팅함으로써 생성되는 제품 탄소원의 발열량은 증가되고 저장 및 수송 중에 외부 수분이 제품 탄소원에 재흡수되는 것을 방지하는 기술이다. 본 발명은 종래 기술에서와 같은 중질유 대신 고분자 수지(특히, 폐플라스틱)을 사용함으로써 경제성을 획기적으로 개선시키고 폐기물을 처리하는 부수적인 효과도 얻을 수 있다는 점이다. 또한 상압에서 운전되므로 초기투자비 및 운전유지비가 저렴하며 안전성이 향상된다. 또한 폐플라스틱과 같은 고분자 수지는 용매와 혼합된 상태에서 탄소원의 표면에 코팅되므로 탄소원의 기공내로 스며드는 중질유를 사용할 때보다 사용량이 줄어드는 잇점이 있다.
그리고, 폐기물의 수분 제거시 용매(등유 및 경유)를 이용하여 고온에서 튀겨내는 과정이 아닌 전도 열전달을 이용하여 수분을 제거하는 방법을 적용함으로써, 용매(등유 및 경유)의 회수 에너지가 작고, 고분자 사용량이 적으며, 전체공정의 에너지가 대폭 절감되고, 공정이 단순화되며, 성형성 향상 및 자연발화가 방지되는 등의 장점이 있다.
이때, 전도 열전달 방법에 사용되는 열전도형 건조장치는, 건조실 하부에 금속 소재의 원판형 디스크가 마련되고, 원판형 디스크 하부에는 히팅플레이트 또는 버너와 같은 가열수단이 구비되어 원판형 디스크를 가열함으로 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 회전하는 구성을 갖는 것으로, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 하였다.
또한, 상기 원판형 디스크는 60℃ ~ 140℃로 가열하고, 교반 블레이드는 0.1rpm ~ 10rpm의 속도로 회전하여 고체 대상물에 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하며, 건조시간은 5 ~ 30분 동안 지속하도록 함이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 기술적인 부분을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법에 대한 공정 개략도이다.
본 발명은, 먼저 폐비닐과 용매(등유 및 경유)를 제1혼합조(10)에 넣고 충분히 교반시킨 다음, 상온에서 150℃ 까지 승온시키면서 폐비닐과 용매가 충분히 혼합된 혼합용액을 만든다.
이후, 혼합용액은 필터(20)를 사용하여 이물질을 분리 제거한 후 제2혼합조(30)로 이송한다. 이때 고수분의 원료 탄소원도 제2혼합조(30)에 함께 투입하고 이를 교반함으로 혼합용액과 원료 탄소원을 충분히 혼합시킨다.
다음으로, 고-액 분리기(여과기)(40)로 원료 탄소원이 혼합된 혼합용액을 이송하여 고체와 액체 성분을 분리하는 것으로, 분리된 고체 성분은 열전도형 건조장치(50)로 이송되고, 액체 성분은 냉각조(60)로 이송된다.
상기 고-액 분리과정을 통해 분리된 고체는 열전도형 건조장치(50)에 수용되어 건조과정을 거치되, 열전도형 건조장치(50)는 가열된 원판형 디스크 상부에서 열전도 방식으로 고체에 열을 전달하여 건조가 이루어지도록 한 것으로, 원판형 디스크 상부에서는 교반 블레이드가 회전하여 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였다. 이때, 건조과정에서 액체상태의 수분 및 등유가 동시에 기화되는 것으로 기체는 냉각조(60)로 전달된다.
이후, 열전도형 건조과정을 거친 잔류물인 고체 성분의 탄소원을 고체 연료로서 회수하고, 상기 과정을 통해 수득한 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 방법으로 성형하여 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료의 제조가 완성되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 고-액 분리과정을 통해 분리된 액체성분 및 열전도형 건조과정을 통해 기화된 기체성분이 냉각조(60)로 이송되어 액체성분의 냉각 및 기체성분의 응축이 이루어지는 것으로, 이렇게 응축 및 냉각되어진 액체성분은 유-수 분리기를 거치면서 기름 성분은 용매로 회수되어 제1혼합조에 재투입되고, 분리된 물은 하수처리장치로 이송 배출한다.
수분이 과다하게 많이 포함되어 있는 저등급 석탄과 하수슬러지와 같은 폐기 탄소원은 활용도가 낮을 뿐 만 아니라 처리 비용도 큰 부담이 되고 있다. 이로 인하여 자원 및 비용 낭비가 크므로 이를 성형탄의 원료로 활용하므로 국가적인 자원 활용도 증대와 에너지 자원의 확보에 기여하고자 한다. 아울러 현재까지 매립 및 소각처리되어 환경오염의 원인이 되는 폐플라스틱을 활용함으로써 수분의 건조에 따르는 비용 상승을 억제하고자 한다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 고분자 수지와 용매의 최적 조합 및 최적 운전 조건을 도출하여야 한다. 운전 조건으로는 온도와 압력 그리고 고분자 수지의 형태를 들 수 있다. 일반적으로 용매는 가격과 안전성, 수급성 등을 종합적으로 고려하여 등유 또는 경유를 가장 일반적으로 사용한다. 여기에 고분자 수지를 어떠한 형태로 어느 온도에서 어느 정도로 혼합하느냐가 가장 중요하다. 폐비닐의 경우에는 등유와 일정 비율로 혼합하여 150℃ 미만으로 가열하면 모든 비닐 성분이 용해되어 균일 용액으로 변한다. 이와 마찬가지로 다른 고분자 수지의 경우에도 균일한 용액을 만들 수 있는데 용해 속도를 증가시키기 위하여 비닐과 같이 얇은 막 형태(또는 얇은 슬라이스)로 투입하는 것이 유리하다. 균일화된 용액의 점도는 온도와 혼합비에 따라 달라지므로 용도에 따라 달리할 수 있다.
본 발명은 국내외에서 생산되는 저품위 탄소원과 국내의 산업, 가정, 농사용 등에서 배출되는 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PET(Polyethylene terephthalate) 등의 고분자 수지와 용매를 일정한 비율로 혼합한 용액의 제조와 이를 이용하여 저품위 탄소원으로부터 수분을 제거시키는 건조 공정과 고분자 물질을 탄소원과 함께 잔류시킴으로써 고발열량의 성형탄을 제조하는 기술로 구성된다.
고분자 물질로 저품위 탄소원 표면을 코팅함으로써 저장, 수송시 수분의 재침투를 방지하는 동시에 연소시에 고분자 물질이 먼저 기화하고 연소됨으로써 착화를 도우는 효과도 거둘 수 있다. 또한, 용매와 고분자를 혼합하는 비율을 조정함으로써 최종 성형되는 고체 연료의 발열량을 조절할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 수분이 많이 포함된 저품위 탄소원을 건조시키고 표면을 고분자 물질로 코팅함으로써 고체 연료로의 성형성을 향상시키고 수분의 재흡수를 방지하며 생성된 연료의 발열량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 개발된 성형탄은 수분의 함유량이 높아 연료로서의 가치가 떨어지는 인도네시아, 호주 등의 저품위 석탄을 활용함으로써 중요한 에너지 개발에 기여함은 물론 해양투기가 금지된 하수슬러지의 연료화와 농촌 폐기물로 발생되는 폐비닐 등을 처리하는 환경오염 방지 효과도 얻을 수 있다.
기존의 기술이 중질유를 석탄의 기공내에 잔류시킴에 따라 제조 비용이 상승하고 중질유의 휘발 및 발화 우려가 있는 반면에 본 발명에서는 폐플라스틱 또는 폐비닐과 같은 고분자 물질을 고체 탄소원의 표면에 코팅함으로써 사용량과 제조 비용을 줄일 수 있고, 코팅된 고분자의 휘발과 자연발화 우려는 현저히 줄어들었다. 또한 폐기물인 폐플라스틱을 원료로 하므로 환경오염 개선에 따르는 경제적 이득을 추가로 얻을 수 있다. 건조된 고체 탄소원을 입상의 형태로 성형을 할 경우에는 표면에 코팅된 고분자 물질이 바인더 역할을 하게 되는데 상온에서 중질유보다 고분자 물질의 결합력이 우수하므로 성형성이 더욱 우수해지는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조로 하여 구체적으로 설명하고 있지만 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
◎ 5g의 폐비닐과 경유인 용매 1 L를 제1혼합조에 투입한 후 혼합과 함께 10℃/분의 속도로 150℃까지 승온하면서 비닐성분을 용해시켰다.
◎ 상기 과정을 통해 생성된 혼합용액이 균일화되면 필터를 사용하여 이물질을 분리 제거하였다.
◎ 필터링된 혼합용액은 제2혼합조로 이송되며, 이때, 고수분의 원료 탄소원 1000g을 제2혼합조에 함께 투입하여 혼합하였다.
◎ 교반장치를 이용하여 15분간 혼합 과정을 거친 후, 혼합용액과 원료 탄소원 혼합물을 고-액 분리기로 이송하였다.
◎ 고-액 분리기에서 분리된 고체 성분은 열전도형 건조장치로 이송하여 건조시키고, 액체 성분은 냉각조로 이송하였다.
◎ 열전도형 건조장치는 80℃로 가열된 원판형 디스크 상부에 상기 고체가 수용되고, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 0.5rpm 속도로 회전함으로써 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였으며 건조시간은 10분 동안 지속하였다.
◎ 상기 고체의 건조과정과 함께 기화된 기체 성분을 냉각조로 이송하여 액화시키고, 건조된 잔류물인 고체 성분을 고체 연료로서 회수하였다.
◎ 상기 과정을 통해 수득한 고체 연료는 가압하여 성형 틀을 통과시키는 방법으로 성형하여 일정한 형상을 갖는 최종 고체 연료 성형물을 형성하였다.
◎ 또한, 고-액 분리를 통해 이송된 액체 및 열전도형 건조과정에서 이송된 기체는 냉각조에서 액화되고, 액체 성분은 유-수 분리기를 거치면서 기름 성분은 용매로 회수되어 제1혼합조에 재투입하였으며, 분리된 물은 하수처리장치로 이송됨으로 용매의 재사용이 이루어졌다.
상기에서 열전도형 건조장치는 열전도 방식에 의해 고체의 수분을 증발시키는 것으로, 그 구성은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같다.
상기와 같이 열전도형 건조장치(50)는 건조실(51) 하부에 금속 소재의 원판형 디스크(52)가 마련되고, 원판형 디스크(52) 하부에는 히팅플레이트 또는 버너와 같은 가열수단(53)이 구비되어 원판형 디스크(52)를 가열함으로 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크(52) 상부에는 회전하는 교반 블레이드(54)가 포함된 구성을 갖는 것이다. 즉, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크(52) 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드(54)의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 하였다.
또한, 건조된 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 과정에서, 고분자 수지 성분은 고체 연료 입자와 입자 사이에서 바인다 역할을 하였고 성형된 연료의 외부 표면을 피복하여 수분이 추가로 흡수되는 것을 방지하는 기능을 한다. 그리고, 표면에 피복된 고분자 수지 성분은 고체연료가 연소될 때 기화하여 먼저 연소되므로 고체 연료의 온도를 상승시키는 역할을 하게 되며, 그에 따라 고체연료의 연소 효율이 향상되도록 하는 역할을 한다.
< 실험예 >
본 실험은 수분이 함유된 탄소원에 대해 튀김 건조과정을 거친 대상과, 열전도 방식을 이용해 건조과정을 거친 대상을 각각 비교하여 수분 함유량을 측정한 것이다.
비교예
수분의 함량이 30.91%인 석탄 700g을 등유 0.7ℓ와 혼합하여 30분간 130℃로 가열하면서 튀김 건조 과정을 거친 다음, 필터에서 고체 석탄을 분리하고, 이후 0.45 rpm으로 회전하는 디스크 건조기에서 130℃로 건조를 하여 획득한 석탄을 비교 대상으로 사용하였다.
실시예
수분의 함량이 30.91%인 석탄 700g을 등유 0.7ℓ와 상온에서 10분간 혼합한 다음, 필터에서 고체 석탄을 분리하고, 이후 0.45 rpm으로 회전하는 디스크 건조기에서 130℃로 건조하여 얻어진 석탄을 측정 대상으로 사용하였다.
| 시료종류 |
건조전 수분량(%) |
건조후 수분량(%) |
| 실시예 : 혼합-필터-디스크건조 |
30.91 |
1.39 |
| 비교예 : 혼합-튀김건조-필터-디스크건조 |
30.91 |
2.23 |
(Coal : 700g 등유 0.7 ℓ, 디스크건조장치 : 0.45 rpm)
상기 실험을 통해 석탄의 최종 수분 함량을 비교한 결과 튀김 건조 과정을 거치지 않은 석탄의 수분 함량이 오히려 더 작게 나왔음을 알 수 있었다. 또한, 전체 공정 시간도 튀김 건조를 한 경우에는 35분 이상이 소요된 반면 튀김 건조 공정을 거치지 않은 경우에는 15분에 완료됨을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있는 것이다.
10 : 제1혼합조 20 : 필터
30 : 제2혼합조 40 : 고-액 분리기
50 : 열전도형 건조장치 51 : 건조실
52 : 원판형 디스크 53 : 가열수단
54 : 교반블레이드 60 : 냉각조
70 : 유-수 분리기
30 : 제2혼합조 40 : 고-액 분리기
50 : 열전도형 건조장치 51 : 건조실
52 : 원판형 디스크 53 : 가열수단
54 : 교반블레이드 60 : 냉각조
70 : 유-수 분리기
Claims (13)
- 바인더 물질을 함유하는 물질을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물과 혼합하고, 150℃ 이하의 온도로 가열하여 바인더 물질을 용매로 균일하게 분산시킨 다음 고형 이물질을 여과하여 바인더 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계;
상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80중량%인 탄소원을 첨가하여 혼합하는 단계;
상기 혼합용액과 탄소원이 혼합된 혼합물을 고-액분리기에서 고-액 분리하는 단계: 및
상기 고-액분리기에서 분리된 고체를 전도 열전달 방식으로 가열 건조하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 수분 및 용매 성분을 증발시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 고-액 분리과정을 통해 분리된 액체와 전도 열전달 방식의 건조과정에서 기화된 수분 및 용매 성분의 기체성분은 냉각조로 이송되어 기체성분의 액화 및 액체성분의 냉각이 이루어진 다음 유-수 분리과정을 통해 기름 성분만을 용매로 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 전도 열전달 방식의 건조과정에는 열전도형 건조장치가 적용되는 것으로, 이는 건조실 하부에 금속 소재의 원판형 디스크가 마련되고, 원판형 디스크 하부에는 가열수단이 구비되어 원판형 디스크를 가열함에 따른 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크 상부에서 회전하는 교반 블레이드가 형성된 것으로, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 전도 열전달 방식의 건조과정은, 60 ~ 140℃로 가열된 원판형 디스크 상부에 상기 고체가 수용되고, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 0.1 ~ 10rpm 속도로 회전함으로써 고체를 섞어 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였으며, 건조시간은 5 ~ 30분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 바인더 물질은 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)와 같은 고분자 물질과 팜유, 아스팔트, 콜타르 중 어느 하나가 적용되거나, 또는 최소 둘 이상의 바인더 물질에 의한 혼합물인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
바인더 물질과 용매의 혼합 용액중의 바인더 물질의 함량이 40중량% 이하인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소원이 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 제조된 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
- 제 8항에 있어서,
바인더 물질이 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)와 같은 고분자 물질과 팜유, 아스팔트, 콜타르 중 어느 하나가 적용되거나, 또는 최소 둘 이상의 바인더 물질에 의한 혼합물인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
- 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
탄소원이 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄인 것을 특징으로 하는 표면에 바인더 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료.
- 제 8항 또는 제 9항의 고체 연료로부터 제조된 성형탄.
- 제 1항에 있어서,
상기 전도 열전달 방식으로 가열 건조된 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 과정을 통해 최종 고체 연료 성형물이 형성되는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
- 제 12항의 방법에 의해 제조된 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
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