KR20130110769A - 화력발전소 석탄연료 첨가제 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄을 사용하는 화력발전소의 석탄연료 첨가제 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 폐탄화물을 활용하여 석탄의 열량을 보완하여 고열량을 낼 수 있는 석탄 첨가제 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주요 구성은, 석탄화력발전소의 석탄연료의 첨가제에 있어서, 석탄에 폐타이어 탄화물을 첨가제로 사용하되, 이 첨가제를 석탄 100중량부 기준으로 1-5중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하며, 상기 폐타이어 탄화물은, 폐타이어를 열분해 탄화기에서 열분해 처리하여 생성되는 탄화물이며, 탄화물 성분 전체를 100중량부 기준으로 할 때, 80 - 90 중량부의 탄소성분과 1-4 중량부의 황을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 석탄화력발전소의 석탄연료의 혼합물 제조 방법은, 폐타이어를 그레뉼레이터(204)로 투입하여 파쇄하는 단계; 파쇄된 폐타이어칩에 포함된 금속 성분을 제거하기 위해 자력선별기(206)를 통과시키는 단계; 자력선별기를 거친 폐타이어칩을 탄화기(80)에 투입하는 단계; 탄화기(80)에서 탄화처리된 후 배출되는 탄화물을 자력선별기(220)를 통과시켜 금속 성분을 제거하는 단계로 제조되어지는 것을 특징으로 한다.

Description

화력발전소 석탄연료 첨가제 및 그의 제조방법{coal additive for thermal power plant and its manufacturing method}

본 발명은 석탄을 사용하는 화력발전소의 석탄연료 첨가제 및 그에 제조에 관한 것으로, 특히 폐타이어를 활용하여 저열량 석탄을 보완하여 고열량을 낼 수 있는 석탄 연료 첨가제와 그의 제조 방법에 관한 것이다

[문헌1] 한국 특허등록번호 제 10-901561 호

[문헌2] 한국공개특허공보 10-2001-0018676 호, 명칭 : "제철소 내에서 발생하는 폐기물을 이용한 전기로 가탄제 조성물"

본 발명은 폐타이어의 탄화물을 이용하여 이를 미분탄을 사용하는 화력발전소의 보조 원료로 사용하기 위한 기술에 관한 것이다

폐타이어는 태어버릴 경우 환경오염물질이 많이 배출되어 바람직하지 못하므로 여러 가지 형태로 재활용하고 있다. 그러나 그 재활용의 폭이 좁아 충분이 재활용하지 못하고 있는 실정이어서 환경오염물질의 처리에 있어 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 폐타이어로 재생 타이어를 만들 수도 있으나 이는 법적으로 제한되어 있어 한계가 있으며, 또 폐타이어를 재생하여 새로운 타이어로 만들기 위해서는 많은 제조 공정을 거쳐야 하는 어려움도 있다

본 발명은 폐타이어를 열분해시켜 추출하는 카본이 연료로 활용 가능한 점을 확인하여 폐타이어를 이용하여 석탄연료 첨가제를 제조하게 되었다.

본 발명은 폐타이어를 열분해하는 과정에서 발생하는 탄화물을 석탄을 사용하는 화력발전소의 연료 첨가제로 활용함에 본 발명의 목적이 있다

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주요 구성은, 석탄화력 연료인 석탄에 폐타이어 탄화물을 첨가제로 사용하되, 이 첨가제를 석탄 100중량부 기준으로 약 1-5중량부 첨가하는 것을 특징으로 하며, 상기 폐타이어 탄화물은 폐타이어를 폐타이어 열분해 탄화기에서 열분해 처리하여 생성되는 탄화물이며, 탄화물 성분 전체를 100중량부 기준으로 할 때, 80 - 90 중량부의 탄소성분과 1-4 중량부의 황을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 석탄화력발전소의 석탄연료의 첨가제 제조 방법은, 폐타이어를 그레뉼레이터(204)에 투입하여 파쇄하는 단계; 파쇄된 폐타이어칩에 포함된 금속 성분을 제거하기 위해 자력선별기(206)를 통과시키는 단계; 자력선별기를 거친 폐타이어칩을 탄화기(80)에 투입하는 단계; 탄화기(80)에서 탄화처리 후 배출되는 탄화물을 자력선별기(220)를 통과시켜 금속 성분을 제거하는 단계로 제조되어지는 것을 특징으로 하며, 추가적으로 섭씨 150도 내지 300도의 온도의 압출기를 통과하는 과정에 의하여 탈황처리 하는 것이 추가될 수 있다.

본 발명에 의한 첨가제는 화력 발전소의 석탄에 혼합 사용 가능하여, 석탄

사용량을 줄여 연료 절감에 기여하며, 아울러 폐기처리되는 폐타이어의 탄화물을 석탄 연료 보조물로 활용할 수 있어 환경오염을 줄이고 폐기물 처리 비용을 절감하며, 아울러 저급 석탄을 사용하는 화력발전소에서는 연료의 발열량을 더욱 높여 줄수 있는 장점이 있다. 또한 저급 석탄에 비해 연소 후 회분 발생량이 적어 집진장치 부하 경감에 도움이 된다.

또한 폐타이어 탄화물은 대기 오염물 발생량이 극히 적고 그 자체가 흡착성과 탈취 특정이 있어 미분탄 자체에서 발생하는 유독가스를 일부 흡취하는 장점이 있으므로 대기 오염 물질의 발생을 경감시키는 효과도 있다

또한 본 발명에 의하면, 폐타이어 탄화물은 휘발성분이 적고 회분이 적으며

그에 따라 상대적으로 고정탄소 비율이 높고 연기가 적게 나며 화력이 높고 연소실

을 일정온도로 유지하기에 유리하다

또한 본 발명에 의하면 석탄 연료 보조 혼합물로서의 폐타이어 재활용 범위를 더욱 넓혀 주고, 또한 폐타이어의 탄화처리시 부수적으로 양산되는 오일은 다른 열원으로 사용 가능하다.

도 1 은 본 발명에서 석탄연료 첨가제로 사용되는 폐타이어 탄화물의 제조공정을 전체적으로 보여주는 도면
도 2 는 탄화기(80)에서의 처리를 보여 주는 도면
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 폐타이어 첨가제의 성분 분석을 보여주는 도면

참고로 석탄을 구분하여 살펴보면 다음과 같다

이탄(泥炭, peat)은 수목질의 유체가 분지에 두껍게 퇴적하여 물의 존재하에서 균류등의 생물화학적인 변화를 받아 분해·변질 된 것. 토탄(土炭)이라고도 하며 이탄은 지하에 매몰된 수목질이 오랜 세월동안 지열과 지압을 받아 생성된 것과는 달리 식물질의 주성분인 리그닌, 셀룰로오스등이 지표에서 분해작용을 받은 것이다.

아탄(亞炭, lignite)은 유연탄의 일종으로 탄화도가 낮은 저품위 갈탄의 일종으로 학술적으로는 갈색갈탄이라고 한다. 발열량은 3000~4000Kcal/kg으로 낮은 비점결 탄으로 일부 지방에서는 연료로 사용된다. 다량의 수분이 건조할 때에 수축하여 목질아탄(목질조직 이 어느정도 보존되어 있어 나뭇결이 눈에 보임)은 널빤지 모양으로 벗겨지고 탄질아탄(미세한 석탄질과 광물질로 된 치밀함을 갖고 있음)은 불규칙한 균열이 생겨서 급속히 분화(粉化)한다.

갈탄(褐炭, brown coal)은 유연탄(有煙炭)의 일종으로 석탄중에서 가장 탄화도가 낮은 석탄, 흑갈색을 띠며 발열량이 4,000~6,000Kcal/kg, 휘발성분이 40%정도이다. 갈탄은 탄소성분이 70%로 낮기 때문에 원목의 형상, 나이테, 줄기 등의 조직이 보이는 경우가 많다. 다른 탄에 비하여 고정탄소(수분, 휘발분 및 회분을 뺀 나머지) 함량이 적고 물기에 젖기 쉽고, 건조하면 가루가 되기 쉽다. 코크스 제조용으로 사용하기는 어렵고 대부분 가정연료나 기타 연료로 사용된다. 우리나라에서는 두만강 연안과 길주, 명천 지구대의 제3기층에 주로 분포되어 있다.

역청탄(瀝靑炭, bituminous coal)은 유연탄의 일종으로 흑색 또는 암흑색으로 유리광택 또는 수지(樹脂)광택이 있는 석탄으로 흑탄이라고도 한다. 탈때에는 긴 불꽃을 내며, 특유한 악취가 나는 매연을 낸다. 탄소함유량은 80~90%, 수소함유량은 4~6%이며 탄화도가 상승함에 따라 수소가 감소하고 탄소가 증가한다. 발열량은 8100Kcal/kg 이상이다. 제철용 코크스, 도시가스로 이용되며 최근에는 수소의 첨가, 가스화 등의 연구가 발달되어 석탄화학공업의 가장 중요한 자원이다. 건류(乾溜)때에는 역청 비슷한 물질이 생기므로 이름이 붙었다.

무연탄(無煙炭, anthracite)

무연탄(無煙炭, anthracite)은 탄화가 가장 잘 되어 연기를 내지 않고 연소하는 석탄을 말한다. 휘발분이 3~7%로 적고 고정탄소의 함량이 85~95%로 높으므로 연소시 불꽃이 짧고 연기가 나지 않는다. 점화점이 490℃이므로 불이 잘 붙지는 않지만 화력이 강하고 일정한 온도를 유지하면서 연소된다. 주로 고생대의 오랜 지층에서 산출되며 간혹 신생대 석탄으로도 지각변동의 동력작용이나 화산암의 열작용으로 무연탄화되는 경우도 있다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 폐타이어 탄화물의 성분 분석을 한 결과는 다음과 같다.

강원도 철원군 갈말읍 군탄리 779-4에 소재하는 자연과학산업(주)에서의 분석 결과(참고로, 폐타이어 탄화물을 분석시 비교되는 자료로 인도네시아 수입산의 석탄을 비교 시료로 사용하였다)

폐타이어 탄화물

(1)성분 분석 결과 보고서

시료의 명칭 : 폐타이어 탄화물 분말 : T 1 (제시 시료)

석탄(대) : C 1 (인도네시아 산)

석탄(중) : C 2 (인도네시아 산)

1. 수분 함량 : 실험 조건 : 섭씨 100 도, 공기 분위기에서 2시간

- T 1 : 1.68 wt%

- C 1 : 8.72 wt%

- C 2 : 5.75 wt%

C1과 C2의 수분 함량은 일반적이라 판단됨

2. 회분 함량 : 실험 조건 : 섭씨 800 도, 공기 분위기에서 2시간

- T 1 : 4 wt%

- C 1 : 2.62 wt%

- C 2 : 2.52 wt%

C1과 C2의 회분 함량은 낮은 편임

3. 휘발분 함량 : 실험 조건 : 섭씨 600 도, 질소 분위기에서 2시간

- T 1 : 탄화 손실로 휘발분 함량 알지 못함

- C 1 : 30.06 wt%

- C 2 : 30.76 wt%

4. 고정 탄소 함량 : 실험 조건 : 섭씨 600 도, 질소 분위기에서 2시간

- T 1 : 82.69 - 86.90 중량%

- C 1 : 60.5 wt%

- C 2 : 61.0 wt%

- (2) 폐타이어 탄화물 분말 분석결과 소견서

- 탄화 후의 회분이 4wt%로서 활성화하는 과정에서 7~8wt%내외 까지 상승할 것으로 판단됨.

- 기존의 중국산 석탄계 활성탄소보다 회분함량이 작아서 매우 우수한 활성탄소로의 전환이 가능함.

(3) 폐타이어 탄화물

항 목	수분함량(섭씨100도)	고정탄소(섭씨 450도)	회분함량(섭씨 800도)
폐타이어 탄화물	1.68	82.69 - 86.90	4

상기 실험 결과로 부터 확인할 수 있듯이, 폐타이어 탄화물은 수분 함량이 극히 적고 회분 함량이 적었으며 고정탄소 함량이 거의 무연탄 수준으로 매우 높았다. 따라서 일반적으로 화력발전소에서 사용하는 낮은 질의 석탄연료보다 고정탄소 비율이 높고 휘발성분이 적어 그에 따라 화력이 높고 연소시 연기 발생이 적고 화염의 일정 온도 유지에 유리하다

본 발명에서 화력발전소의 석탄 첨가제로 사용하는 폐타이어 탄화물의 생성과정을 첨부 도면에 의거 참고로 상술한다

먼저, 도 1 에서 보듯이, 폐타이어(200)의 처리는 호퍼(201)에 공급되어 이송컨베이어(202)에 의하여 이송되어 자력선별기(203)에 의한 금속 물질이 선별된 후, 그레뉼레이터(204)로 보내어져 20mm 정도로 일정한 크기로 분쇄된다.

그레뉼레이터(204)는 한번에 작게 파쇄하기 어려우므로, 그레뉼레이터(204)를 2개 네지 4 개까지 설치하여 점차 작게 분쇄한다. 바람직하기로는 그레뉼러이터(204)를 2-3 개 연결 설치하여, 2-3차례 순차 연속적으로 파쇄한다

그리고 수직컨베이어(205)에 의하여 이송시켜 자력선별기(206)로 2차로 금속물질이 재차 제거되고, 풍력선별기(207)에 의하여 중량에 따른 분리작업을 행한다. 그리고 필요에 따라 열풍건조기(209)를 거쳐 건조를 시킨다.

건조 작업을 하는 이유는 탄화대상물을 충분히 건조시켜 탄화대상물의 융착 방지와 탄화대상물에 있는 휘발성분을 기화시켜 화재 및 폭발을 방지하기 위한 것이다

열풍건조기(209)에 투입되는 열풍은 열풍건조기 공급팬(210)으로 송급하되, 열풍건조기 열교환기(208)에 의한 가열로 열풍을 공급한다. 이 열풍건조기는 스팀을 열원으로 하여 온도조절을 용이하게 하고 에너지도 절감할 수 있도록 한다. 공급되는 열풍은 건조기 내에서 직접 접촉하여 열풍이 대류에 의하여 건조시키는 방법으로, 상기 열풍건조기(209) 장치에 의하면 건조속도가 빠르고 저온 건조로 화재 및 폭발을 방지할 수 있다

열풍건조기(209)에서 발생되는 먼지 등은 집진기(212)에서 집진되어 배기팬(211)에 의하여 배기되고 열풍건조기(209)를 거쳐 나온 폐타이어 칩은 저장조(213)에 저장되어 배출컨베이어(213)를 거쳐 투입호퍼(226) 및 공급호퍼(225)를 거쳐 탄화기(80)로 공급되어 폐타이어 폐기물 조각편을 탄화처리한다

탄화기(80)는 밀폐형 저산소 분위기로 간접가열방식으로 원료에 포함된 휘발성분을 기화시키는 설비로, 열원은 열풍이며 열분해 가스화 처리방식으로 처리된다. 특성은 환원방식으로 산화에 의한 오염 물질이 발생하지 않으며, 폐기물 발생이 거의 없으며 자원으로서 탄화물 제조가 가능하며, 오일 및 건류 가스로 에너지 회수가 가능하며, 설비가 간단하여 유지 관리에 유리하며, 폐기물과 다이옥신이 발생하지 않는 무공해 자원화 시설이다

반면, 일반 소각 설비는 연소에 의한 산화 처리방식으로 발열 반응하며 산소 공급으로 연소하며 개방형이며 폐열 회수에 의한 스팀 생산 방식이다. 이러한 소각설비는 산화 방식으로 인해 산업 폐기물로 다이옥신을 포함한 대기오염 물질이 발생하며 자원화율이 낮고 폐기물의 처리 추가 비용이 발생하며 소각재도 10% 이상 발생하며 복잡한 제어가 필요하며 유지관리비가 비싸다

탄화기(80)의 탄화로 구조는 도 2 에서 보듯이 수직한 층별로 형성되는 스크류축(171)과 그에 일체로 형성된 스크류가 구성되는 다단 스크류 이송 방식의 구조로 이루어져 구조적으로 적은 공간을 차지하도록 콤팩트하게 구성되며, 스크류에 의한 슬러지의 수평이송 및 원활한 하부 이송으로 막힘 트러블을 방지하고 완벽한 실링이 가능하고, 스크류축(171) 및 스크류의 회전수 조절로 탄화 시간을 단축할 수 있다. 폐타이어칩의 탄화처리시 탄화기(80)의 내부 온도는 섭씨 약 510도 내지 690도 정도이다. 상기한 탄화기(80)의 구성은 열교환을 극대화할 수 있어 탄화 소요시간을 단축할 수 있으며, 폐기물의 발생이 적고 설비가 간단하여 유지관리도 매우 편리하다.

또한 상기한 탄화기에서 탄화처리되어 나오는 탄화물은 다공성의 성질을 가지고 있어 활성탄의 1/10의 비표면적을 갖는 활성탄에 가까운 특성을 가지며 발열량은 10,000 내지 15,000 KJ/kg을 가지고 있다

그리고 입상의 경량, 무취하고 무균, 통풍성, 투수성, 보존수성, 중 내지 약 알카리성, 흡착성, 열흡수성의 특성이 있어 토양개량제, 탈취제, 흡착제, 습도조정, 적조제거제, 눈 용융제, 아스팔트 골재 등 다양한 용도로 사용할 수 있다. 특히 본 발명에서는 이를 석탄연료 첨가제로 활용한다

탄화처리 위한 연료공급은 오일공급펌프(100)에 의하여 연료 공급된다

탄화기(80)에서 연소시, 건물의 악취 공기도 연소공기공급팬(215)으로 송급하여 점화로(216)를 거쳐 연소시켜 제거한다. 탄화기(80)에서 탄화된 탄화물은 자력선별기(220)를 거쳐 금속물질을 제거하고 수직컨베이어(221)를 거쳐 탄화물저장조(222)로 저장된 후 화력발전소의 석탄 연료 첨가제로 재활용한다

상기 폐타이어의 탄화물을 분석하여 본 결과를 도 3 및 도 4 에 나타내었다

도 3 및 도 4 는 본 발명에 의하여 양산된 탄화물을 앞선 상기와 다른 방법과 다른 기관에서 시험분석한 것으로, 탄소성분이 82.69 - 86.90 중량% 이고, 황의 성분이 3.52-3.63중량% 정도 검출되었다

탄소 성분이 많다는 것은 열량 및 화력이 유리하다는 것이나, 문제는 황 성분이다

따라서 본 발명에서는 필요에 따라 탈황처리를 거치도록 한다. 탈황방법은 황 성분을 섭씨 150도 내지 300도 온도로 태워 제거하는 방법을 사용한다. 탈황처리방법의 한 예를 들면 특허출원 제 2007-119424 호의 방법을 사용할 수 있다

상기 방법은 연속 압출 방식에 의한 폐고무의 탈황 처리방법에 관한 것으로서, 폐고무의 탈황처리 방법에 있어서, 폐고무를 분쇄하여, 미세분말화된 폐고무를 제조하는 1 단계 및 이축압출기에 의한 열과 전달력만을 이용하여, 상기 1 단계 공정을 거친 폐고무를 섭씨 150도 내지 300도 온도로 탈황 처리하는 2 단계를 포함하여 이루어진 폐고무의 탈황 처리방법에 관한 것이다. 상기 폐고무의 탈황 처리방법은 연속 압출 방식을 이용하고, 이축 압출기 내에서 단시간의 반응시간을 소모하며, 고가의 탈황조제를 전혀 사용하지 않기 때문에 탁월한 원가절감 효과를 갖는다. 예를들어 상기와 같은 방식으로, 탈황처리된 탄화물은 적어도 0.1-0.5 중량부 이하의 황 성분을 포함한다

본 발명에 의하여 양산된 탄화물은 무기질이 극히 적다. 따라서 회분 발생이 적다. 따라서 석탄 연료 첨가제로 사용함에 있어 석탄보다 질이 떨어지거나 하는 단점의 발생이 없다

상기한 폐타이어 탄화물은 탈황을 거치지 않아도 본 발명의 화력발전용 석탄 첨가제로 사용함에 있어서는 크게 문제될 것이 없어 그러한 처리과정이 없이 사용하여도 무관하다

상기한 본 발명에 따른 탄화물을 화력발전소의 석탄 첨가제로 사용할 경우, 미분탄 100중량부 기준에 대하여 약 1-5중량부를 첨가하는 것이 바람직하다

상기 1-5중량% 정도의 투입 범위면 이미 설정된 화력발전소 연소실 내의 각종 연소 조건 및 설정된 조건에서 큰 변화를 주지 않고 기존의 시설을 그대로 활용하여 혼합물로 사용될 수 있다

폐타이어 탄화물의 투입량이 5중량% 이상이 되면 연소온도 변화에 차이가 발생하므로, 바람직하지는 못하나 만약 각종 제어 조건들의 변경으로 조정하여 사용할 수도 있음은 물론이다. 그러나 상기 범위에 한정하면 기존의 시설에서 전혀 변경 없이 석탄의 첨가제로 사용 가능하다

본 발명에 따른 석탄연료 첨가제를 화력발전소에서 사용시 그 공정을 참고로 설명하면 다음과 같다.

폐타이어 탄화물을 석탄 급탄기로 투입한다. 그런 후, 급탄된 탄과 폐타이어 탄화물을 함께 미분기를 거치도록 하여 가루 형태의 혼합된 미분탄으로 분쇄하여 보일러 연소실에 투입한다. 그러면 연소열은 열교환기를 거쳐 화력 발전에 이용되고 잔류하는 재는 집진기에 보내진다

이상과 같은 본 발명에 의하면 미분탄의 사용량을 줄이고, 높은 고정탄소 함량으로 화력을 높이고 화염의 일정온도 유지에 기여하므로 미분탄 혼합물로 인해 더욱 향상된 여러가지 부수적인 효과를 기대할 수 있다

특히, 본 발명은 비교적 저급 석탄을 사용하는 화력 발전소에 적용하면 특히 그 연소열을 높일 수 있는 효과가 있다

80 탄화기 171 스크류
203, 220 자력선별기 204 그레뉼레이터

Claims (3)

1. 화력발전소 석탄연료 첨가제에 있어서,
   석탄에 폐타이어 탄화물을 첨가제로 사용하되, 이 첨가제를 석탄 100중량부 기준으로 1-5중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 석탄연료 첨가제
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 폐타이어 탄화물은,
   폐타이어를 열분해 탄화기에서 열분해 처리하여 생성되는 탄화물이며, 탄화물 성분 전체를 100중량부 기준으로 할 때, 80 - 90 중량부의 탄소성분과 1-4 중량부의 황을 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 석탄연료 첨가제
3. 화력발전소 석탄연료 혼합물 제조 방법에 있어서,
   폐타이어를 그레뉼레이터(204)로 투입하여 파쇄하는 단계;
   파쇄된 폐타이어칩에 포함된 금속 성분을 제거하기 위해 자력선별기(206)를 통과시키는 단계;
   자력선별기를 거친 폐타이어칩을 탄화기(80)에 투입하는 단계;
   탄화기(80)에서 탄화처리된 후 배출되는 탄화물을 자력선별기(220)를 통과시켜 금속 성분을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 석탄연료 첨가제 제조방법

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