KR20140146777A - 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법 - Google Patents

팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄-물 혼합연료의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 상온에서 고형인 팜 잔사유(Palm oil residue)를 활용하여 수분 재흡수를 방지하며 발열량을 증가된 고품위 석탄으로 개질된 석탄을 사용하여 석탄-물 혼합연료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 용매유를 사용하지 않고 팜 잔사유(Palm oil residue)를 직접 분쇄된 석탄입자에 코팅하여 저등급 석탄을 개질하고, 개질된 석탄을 미분쇄하여 물-석탄 혼합연료를 제조한다. 본 발명의 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법은, 고수분 저등급석탄의 수분을 제거한 후 팜잔사유로 수분 재흡착을 방지하여 고체함유량이 높은 석탄-물 혼합연료의 제조를 가능하게 한다.

Description

팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법 {Manufacturing Method of Coal Water Mixture using Modified Coal by Palm Oil Residue}
본 발명은 석탄-물 혼합연료의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 상온에서 고형인 팜 잔사유(Palm Oil Residue)를 활용하여 수분 재흡수를 방지하며 발열량을 증가된 고품위 석탄으로 개질된 석탄을 사용하여 석탄-물 혼합연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
석탄은 토탄(peat)에서부터 brown coal, 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 등급으로 나뉘어지고 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, Meta-무연탄과 흑연계 무연탄으로 나뉘어지며, 이 중에서 brown coal부터 아역청탄까지는 저등급석탄(LRC)으로, 역청탄부터는 고등급석탄(HRC)으로 분류된다.
석탄을 직접 연소시켜 화력발전을 하기 위해서는 반무연탄, 역청탄 등의 고품위 석탄이 사용되어야 한다. 그러나 역청탄 및 반무연탄은 값이 비싸고 매장량도 적기 때문에 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 저등급 석탄(LRC: Low Rank Coal)을 고품위화하여 활용하기 위한 연구가 1980년대부터 진행되어 왔다.
저등급 석탄 중 하나인 갈탄을 예로 들면 역청탄에 비해 가격은 낮지만, 수분 함유량이 30 내지 70%로 많고, 발열량이 2500 내지 4000 kcal/kg 로 낮아 연소용으로 활용하는 양이 미미한 상태이다.
게다가 저등급 석탄은 수분의 함량이 높아 무게와 부피가 크므로 물류에 있어서 이롭지 않으며, 수분을 제외하고도 석탄에 포함된 휘발분으로 인해 자연발화가 쉽게 일어나서 이동이 용이하지 않다는 문제점도 있다. 따라서 물류의 경제성과 안정성의 관점에서도 저등급 석탄을 고품위화하고 자연발화를 억제시키는 방법의 개발이 요구된다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 방법으로는 고형연료 제조 또는 석탄-물 혼합연료 제조가 있다.
일본 공개특허 1995-233383호는 중질유분과 용매유분을 포함하는 혼합유를 다공질탄과 혼합하고, 이 원료 슬러리를 가열하고, 그 다공질탄의 탈수를 진행시키는 것과 동시에, 그 다공질탄의 미세구멍 내에 중질유분과 용매유분을 포함하는 혼합유를 함유하게 하고, 이어서 슬러리를 고액분리하는 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법을 소개하고 있다. 그러나, 상기 방법은 고가의 용매유가 중질유와 함께 사용되고 있어서 고액분리를 통해 회수하고 있지만 상당량은 석탄에 잔류하게 되어 개질공정을 복잡하게 하고 개질에 따른 비용을 높이는 등의 단점을 가지고 있다.
한국 공개특허 2012-0096432는 캐비테이션 발생 공정과 고주파 처리 공정을 포함하는 석탄과 물의 혼합연료의 제조방법과 이 제조방법으로 제조한 석탄과 물의 혼합연료에 대해 개시하고 있다. 그러나 상기 방법은 갈탄 이외에 고가의 기타 석탄 및 석유 코크스 등을 원료로 사용하므로 비경제적이라는 문제점을 가진다.
일본 공개특허 1995-233383호 한국 공개특허 2012-0096432호
본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 용매유를 사용하지 않고 중질유를 직접 석탄에 코팅하여 저등급 석탄을 경제적으로 개질하고, 개질된 석탄을 사용하여 석탄-물 혼합연료를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 용매유를 사용하지 않고 팜 잔사유(Palm oil residue)를 직접 분쇄된 석탄입자에 코팅하여 저등급 석탄을 개질하고, 개질된 석탄을 미분쇄하여 물-석탄 혼합연료를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계; (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계; (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계; (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 물과 혼합하여 입도 250μm 이하인 입자로 미분쇄하는 단계; 및 (e) 상기 미분쇄하는 단계를 거친, 물과 혼합된 석탄에 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계; (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm residue)를 균질하게 혼합하는 단계; (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계; (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 입도 250μm 이하인 입자로 미분쇄하는 단계; 및 (e) 상기 미분쇄하는 단계를 거친 석탄을 물 및 첨가제와 혼합하는 단계를 포함하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계; (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계; (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계; (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄에서 입도 250μm 이하인 입자를 선별하는 체질단계; 및 (e) 상기 체질단계를 거친 석탄을 물 및 첨가제와 혼합하는 단계를 포함하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 첨가제는 석탄을 물에 고르게 분산시키기 위한 분산제, 및 분산된 석탄 입자 표면에 흡착층을 형성하여 재침전을 방지하고 분산제에 안정성을 주기 위한 안정제를 포함하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 첨가제의 비중은 석탄-물 혼합연료의 중량비 1% 이하인, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 입도 250μm 이하인 입자는, 입도 75μm 이하인 입자의 함량이 60 내지 80%인, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 미분쇄하는 단계는, 볼 밀로 진행하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 미분쇄하는 단계는, 볼 밀, 핀 밀, 로드 밀 또는 롤러 밀로 진행하는, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 분산제는, 계면활성제인 페트롤륨 술포네이트(petroleum sulfonate), 도데실 벤젠 술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 나프탈렌 술폰산(naphthalene sulfonic acid), 또는 나프탈렌 술폰산 프로말린(naphthalene sulfonic acid formalin) 축합물인, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 안정제는, 고분자물질인 클레이(clay), 바이오-폴리사카라이드(bio-polysaccharide), 또는 카르복실메틸 셀룰로스(carboxylmethyl cellulose)인, 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법을 제공한다.
본 발명의 팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법은, 고수분 저등급석탄의 수분을 제거한 후 팜잔사유로 수분 재흡착을 방지하여 고체함유량이 높은 석탄-물 혼합연료의 제조를 가능하게 한다.
도 1은 습식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정을 설명하는 공정도이다.
도 2는 건식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정을 설명하는 공정도이다.
도 3은 개질석탄을 체질하여 입도구분을 한 석탄-물 혼합연료와 성형탄 복합제조공정을 설명하는 공정도이다.
도 4는 건식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정에서, 핀밀을 이용해 미분쇄한 후의 입도분포를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 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.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 습식분쇄기를 이용한 석탄-물 제조공정을 나타낸다. 상기 공정을 순차적으로 설명하면 아래와 같다.
(a) 석탄을 분쇄하는 단계
원료석탄을 분쇄기(1)에서 분쇄한다. 본 발명에서 사용되는 분쇄되는 원료 석탄의 분쇄기(1)로는 조 크러셔(Jaw crusher), 핀 밀(Pin mill), 해머 밀(Hammer mill), 롤 밀(Roll mill) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 석탄 분쇄 단계에서 분쇄된 석탄의 입도는 30mm 이하이며, 평균입도는 10 mm 이하인 것이 바람직하다.
(b) 분쇄된 석탄에 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계
혼합기(3)에서 고체상태(고점도 액체)인 팜 잔사유를 고체상태 그대로 분쇄된 석탄에 균질하게 혼합하거나, 건조-안정화기(6)에서 배출되는 폐열(스팀/공기)을 이용하여 팜 잔사유를 가열하여 액체로 전환시켜 혼합하는 단계이다. 두 가지 방법을 별도로 사용하거나 같이 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 혼합되는 팜 잔사유는 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 양이다. 팜 잔사유는 인도네시아, 말레이시아 등에서 팜유 생산 후 잔류물로써, palm fatty acid distillate (PFAD), palm sludge oil(PSO) 등이 이에 해당하며, 상온에서 고체상이고 9,000 kcal/kg 이상의 높은 발열량을 갖는다.
상기 단계에서 팜 잔사유와 석탄은 물리적으로 혼합되어 있는 상태이므로 팜 잔사유가 석탄의 표면에 코팅되는 것은 아니고 서로 섞여 있는 상태이다. 본 발명의 일 구현예에서 팜 잔사유를 고체상태로 혼합하는 경우 팜 잔사유는 커팅기(2)를 이용해 잘라 사용한다. 혼합기를 거친 팜 잔사유와 혼합된 석탄은 사일로(4)로 이동한다.
(c) 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 건조-안정화 단계
상기 사일로(4)에서 팜 잔사유와 혼합된 석탄을 스크류피더(5)를 통해 건조-안정화기(6)로 이송한다. 상기 건조-안정화기에서 석탄 표면에 묻어있는 팜 잔사유가 융해하여 표면을 코팅하고, 석탄의 수분이 증발한다. 혼합 단계에서 석탄 표면에 접착된 팜 잔사유는 온도가 상승함에 따라 융해하여 석탄 표면 전체로 확산한다. 이후 열전달에 의해 석탄 내부의 기공에 있는 수분이 증발하면서 진공 상태가 되어 표면에 확산되어 있는 팜 잔사유가 기공으로 침투하게 된다. 본 발명의 일 구현예에서 건조-안정화기의 형태는 간접형 열교환식이며, 20 내지 70분의 충분한 체류시간을 갖고, 내부에서 석탄의 움직임이 있어서 혼합 효과가 발생할 수 있는 형태가 적당하다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 건조-안정화기에는 내부에서 석탄의 움직임이 가능할 수 있도록 구동모터(7)가 장착된다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 건조-안정화기는 스팀 튜브 드라이어(steam tube dryer) 또는 로터리 디스크 드라이어(rotary disk dryer)를 사용하여 약 120 내지 180℃로 가열하여 증발 및 건조시킬 수 있다. 상기 건조-안정화기에는 가열을 위한 스팀 공급장치와 상기 공급된 스팀의 사용 후 응축수 배출장치가 포함될 수 있다. 상기 건조-안정화기(6)에는 질소 및 배가스 같은 통상적인 운송 기체가 사용될 수 있으며, FD(Forced Draft) 팬(8)을 이용해 운송기체를 불어넣어 준다.
건조-안정화기 내부 온도는 약 100 내지 115℃로 유지하며, 팜 잔사유의 녹는점이 40 내지 60℃이므로 팜 잔사유의 융해와 석탄 수분의 건조가 동시에 진행된다. 팜 잔사유의 석탄 표면 코팅은 20분 이내에 충분히 이루어지므로, 건조-안정화기 체류시간은 석탄의 수분 함량에 따라 약 20 내지 70분으로 조절 가능하다. 건조 석탄의 수분은 5 내지 15 중량%가 되도록 한다.
본 발명의 일 구현예에서는, 건조-안정화기(6)에서 발생하는 증기의 폐열을 회수한다. 이 단계에서 회수된 열은 사이클론(9)에서 미분탄을 걸러낸 뒤 열교환기(미도시)를 거쳐 건조-안정화기로 이동하여 운송기체의 예열에 사용하거나, 사이클론(9)에서 미분탄을 걸러낸 뒤 팜 잔사유를 가열하는 가열기(미도시)로 이동하여 팜 잔사유를 융해하는 데 사용할 수 있다. 팜 잔사유를 혼합 전에 융해하는 경우, 혼합기에 액상의 팜 잔사유를 직접 분사하여 석탄과 팜 잔사유의 혼합 균질도를 높일 수 있으며, 이 경우 팜 잔사유의 혼합량을 감소시키는 효과가 있다.
(d) 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 미분쇄하는 단계
상기 건조-안정화기에서 배출되는 배기가스는 사이클론(9)으로 보내져서 배기가스에 포함된 미분탄을 모아 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 공급한다. 본 발명의 일 구현예에서, 미분탄을 제거한 배기가스는 ID(Induced Draft) 팬(10)을 이용해 배출된다.
상기 건조-안정화단계를 거친 석탄은 사일로(101)를 거쳐 스크류 피더(102)를 통해 석탄 중량비 40 내지 100%의 물과 함께 습식미분쇄기(103)에 투입된다. 본 발명의 일 구현예에서, 석탄 입자의 입도가 250μm 이하로 되도록 미분쇄하고, 상기 미분쇄한 석탄입자 중 60 내지 80%는 입자의 입도가 75μm 이하가 되도록 한다. 미분쇄한 석탄 입자의 평균 입도는 50 내지 80μm 인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 미분쇄 공정을 진행하기 위한 분쇄기로는 볼 밀을 사용한다.
(e) 미분쇄한, 물과 혼합된 석탄에 첨가제를 혼합하는 단계
상기 미분쇄공정을 거친, 물과 혼합된 석탄은 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 이동된다. 상기 제조기 내에서 석탄이 물에 고르게 분산되도록 하기 위하여 분산제를 첨가한다. 또한, 분산된 석탄 입자 표면에 흡착층을 형성하여 재침전을 방지하고 분산계에 안정성을 주기 위한 안정제도 함께 첨가한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 첨가제는 석탄-물 혼합연료에 대해 중량비 1% 이하를 사용한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 제조기는 첨가제인 상기 분산제 및 안정제가 골고루 섞이도록 교반기(105)를 구비한다. 상기 공정을 거쳐 제조된 석탄-물 혼합연료는 펌프(106)를 이용해 저장용기로 운송된다.
본 발명의 일 구현예에서 분산제로는 계면활성제인 페트롤륨 술포네이트(petroleum sulfonate), 도데실 벤젠 술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 나프탈렌 술폰산(naphthalene sulfonic acid), 또는 나프탈렌 술폰산 프로말린(naphthalene sulfonic acid formalin) 축합물을 사용한다. 또한 안정제로는 고분자물질인 클레이(clay), 바이오-폴리사카라이드(bio-polysaccharide), 또는 카르복실메틸 셀룰로스(carboxylmethyl cellulose)를 사용한다.
도 2는 건식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정을 나타낸다. 건식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정은 (a) 석탄을 분쇄하는 단계, (b) 분쇄된 석탄에 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계, 및 (c) 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 건조-안정화 단계는 상기 습식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정과 동일하다. 상기 건조-안정화단계를 거친 석탄의 후속 제조공정은 다음과 같다.
(d) 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 미분쇄하는 단계
상기 건조-안정화기에서 배출되는 배기가스는 사이클론(9)으로 보내져서 배기가스에 포함된 미분탄을 모아 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 공급한다. 본 발명의 일 구현예에서, 미분탄을 제거한 배기가스는 ID(Induced Draft) 팬(10)을 이용해 배출된다.
상기 건조-안정화단계를 거친 석탄은 사일로(101)를 거쳐 건식미분쇄기(201)에 투입되어 미분쇄된 뒤, 스크류 피더(102)를 통해 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 이동된다. 본 발명의 일 구현예에서, 석탄 입자의 입도가 250μm 이하로 되도록 미분쇄하고, 상기 미분쇄한 석탄입자 중 60 내지 80%는 입자의 입도가 75μm 이하가 되도록 한다. 미분쇄한 석탄 입자의 평균 입도는 50 내지 80μm 인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 미분쇄 공정을 진행하기 위한 분쇄기로는 볼 밀, 핀 밀, 로드 밀, 또는 롤러 밀을 사용한다.
(e) 미분쇄한 석탄에 물과 첨가제를 혼합하는 단계
상기 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 이동된 미분쇄된 석탄에 석탄 중량비 40 내지 100%의 물을 혼합한다. 이와 함께 상기 제조기 내에서 석탄이 물에 고르게 분산되도록 하기 위하여 분산제를 첨가한다. 또한, 분산된 석탄 입자 표면에 흡착층을 형성하여 재침전을 방지하고 분산계에 안정성을 주기 위한 안정제도 함께 첨가한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 첨가제는 석탄-물 혼합연료에 대해 중량비 1% 이하를 사용한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 제조기는 첨가제인 상기 분산제 및 안정제가 골고루 섞이도록 교반기(105)를 구비한다. 상기 공정을 거쳐 제조된 석탄-물 혼합연료는 펌프(106)를 이용해 저장용기로 운송된다.
본 발명의 일 구현예에서 분산제로는 계면활성제인 페트롤륨 술포네이트(petroleum sulfonate), 도데실 벤젠 술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 나프탈렌 술폰산(naphthalene sulfonic acid), 또는 나프탈렌 술폰산 프로말린(naphthalene sulfonic acid formalin) 축합물을 사용한다. 또한 안정제로는 고분자물질인 클레이(clay), 바이오-폴리사카라이드(bio-polysaccharide), 또는 카르복실메틸 셀룰로스(carboxylmethyl cellulose)를 사용한다.
도 3은 개질석탄을 체질하여 입도구분을 한 석탄-물 혼합연료와 성형탄 복합제조공정을 설명하는 공정도이다.
상기 입도구분을 한 석탄-물 혼합연료와 성형탄 복합 제조공정은 (a) 석탄을 분쇄하는 단계, (b) 분쇄된 석탄에 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계, 및 (c) 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 건조-안정화 단계는 상기 습식분쇄기를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조공정과 동일하다. 상기 건조-안정화단계를 거친 석탄의 후속 제조공정은 다음과 같다.
(d) 건조-안정화 단계를 거친 석탄에서 입도 250μm 이하인 입자를 선별하는 체질단계
상기 건조-안정화기에서 배출되는 배기가스는 사이클론(9)으로 보내져서 배기가스에 포함된 미분탄을 모아 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 공급한다. 본 발명의 일 구현예에서, 미분탄을 제거한 배기가스는 ID(Induced Draft) 팬(10)을 이용해 배출된다.
상기 건조-안정화단계를 거친 석탄은 시브 쉐이커(301)를 통해 입자의 입도가 250μm 이하인 미분탄과 입자의 크기가 250μm 이상인 분탄으로 나뉜다. 상기 미분탄은 스크류 피더(102)를 통해 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 이동된다.
(e) 체질단계를 거친 입도 250μm 이하인 석탄에 물과 첨가제를 혼합하는 단계
상기 석탄-물 혼합연료 제조기(104)로 이동된 미분쇄된 석탄에 석탄 중량비 40 내지 100%의 물을 혼합한다. 이와 함께 상기 제조기 내에서 석탄이 물에 고르게 분산되도록 하기 위하여 분산제를 첨가한다. 또한, 분산된 석탄 입자 표면에 흡착층을 형성하여 재침전을 방지하고 분산계에 안정성을 주기 위한 안정제도 함께 첨가한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 첨가제는 석탄-물 혼합연료에 대해 중량비 1% 이하를 사용한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 제조기는 첨가제인 상기 분산제 및 안정제가 골고루 섞이도록 교반기(105)를 구비한다. 상기 공정을 거쳐 제조된 석탄-물 혼합연료는 펌프(106)를 이용해 저장용기로 운송된다.
본 발명의 일 구현예에서 분산제로는 계면활성제인 페트롤륨 술포네이트(petroleum sulfonate), 도데실 벤젠 술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 나프탈렌 술폰산(naphthalene sulfonic acid), 또는 나프탈렌 술폰산 프로말린(naphthalene sulfonic acid formalin) 축합물을 사용한다. 또한 안정제로는 고분자물질인 클레이(clay), 바이오-폴리사카라이드(bio-polysaccharide), 또는 카르복실메틸 셀룰로스(carboxylmethyl cellulose)를 사용한다.
(f) 체질단계를 거친 입도 250μm 이상인 석탄을 냉각 및 성형하는 단계
입도가 큰 석탄 입자는 성형탄으로 제조한다. 건조-안정화기에서 배출되는 석탄의 온도는 약 100℃로 높기 때문에 외부에 그대로 방치 할 경우 자연발화될 가능성이 있다. 따라서, 본 발명은 이 단계의 수행 후에 냉각기(11)를 이용하여 상기 건조-안정화된 석탄 중 입도가 250μm 이상인 석탄을 냉각시키는 단계를 더 수행한다. 이전 단계까지 석탄은 가열된 온도를 유지하여 팜 잔사유는 석탄 표면에 액상으로 코팅된 상태를 유지하지만, 상기 단계에서 상온으로 냉각함에 따라 석탄에 코팅된 팜 잔사유는 다시 고상으로 변형되어 수분 재흡착을 방지하고 자연발화 경향을 감소시키는 안정화 효과를 극대화한다. 상기 냉각 단계에서는 냉각기(11)등 냉각에 사용되는 통상적인 장치가 사용될 수 있다.
최종 건조되어 배출된 석탄은 장기간 이송의 용이성을 위하여 성형기(12)를 이용해 성형한다. 이 때 석탄에 남아있는 수분과 팜 잔사유가 성형의 바인더 역할을 하며, 석탄 표면에 코팅된 팜 잔사유는 수분 재흡수를 방지하는 역할과 발열량을 높여주는 역할을 한다. 상기 성형 공정은 석탄을 압착하여 진행하며, 본 발명의 일 구현예에서는 상기 성형 공정으로 조개탄을 제조한다.
상기 냉각 단계와 성형 단계의 순서는 바뀌어도 무방하다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1. 개질석탄 1을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조
인도네시아 아역청탄을 입도 0.5 내지 3mm 크기로 분쇄한 뒤, 석탄 대비 5%의 중량비로 PFAD(palm fatty acid distillate)를 혼합하였다. 석탄/PFAD 혼합물을 스팀튜브 건조기에 넣고 180 ℃의 포화스팀으로 간접 가열하여 코팅 및 건조를 수행하였다. 석탄/PFAD 혼합물의 공급량은 150 kg/hr이고 건조기 내부 온도는 120 ℃, 체류 시간은 30분을 유지하였다. 원료 석탄, 단순건조 석탄 및 개질 석탄1의 공업분석(도착시료 기준) 값은 표 1에 정리하였다.
원료 석탄과 개질석탄의 물성
수분 휘발분 회분 고정 탄소
원료 석탄 31.55 34.36 5.37 28.72
건조 석탄 5.75 43.37 8.06 42.82
개질 석탄1 4.81 47.45 8.09 39.65
개질석탄 1은 핀 밀을 이용하여 미분쇄하였으며, 분쇄 후 입도 분포는 도 4와 같다. 즉 입도는 250μm 이하이며, 이 중 75μm이하 입자의 중량비가 70% 이상이었다.
석탄-물 혼합연료 제조를 위해 물 110 g에 석탄과 계면활성제를 넣어 교반시켰다. 계면활성제는 물과 석탄 혼합물의 중량비 1%를 투입하였다. 계면활성제는 Naphthalene sulphanate water reducer를 사용하였다. 석탄-물 혼합연료의 고체함유량은 45% 내지 55%가 되도록 제조하였다. 이 때, 고체함유량을 변경시키면서 초기 45%에서부터 55%까지 1% 씩 증가시켰으며, 계면활성제는 CWM 중량비 1%를 유지하도록 계속 추가하였다.
개질석탄 1의 석탄-물 혼합연료와 비교를 위해 원료 석탄과 단순 건조 석탄도 상기 개질 석탄 1과 동일한 방법으로 석탄-물 혼합연료를 제조하였다. 비교값은 제조된 각각의 석탄-물 혼합연료의 고체함유량 값이다. 고체함유량은 석탄-물 혼합연료에 투입된 석탄 중 수분을 제외한 값으로 환산한 것으로 다음 식으로 계산된다.
고체함유량(%)={석탄질량(g)-석탄 내 수분질량(g)}/{석탄-물 혼합연료 총 질량(g)}
고체함유량에 따른 점도를 측정하면서 점도가 1000 cP가 될 때의 고체 함유량을 석탄-물 혼합연료의 석탄 최대 농도로 결정하였다. 점도 측정은 DV-III Ultra rheometer (Brookfield Engineering Laboratories, Inc., USA)를 사용하였다.
원료석탄, 단순 건조석탄 및 개질 석탄 1의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도는 표 2 내지 표 4에 나타내었다.
원료 석탄의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도
고체함유량 (%) 45 46
점도 (cP) 926.8 2357.5
원료 석탄의 경우, 점도가 1000cP가 되기 직전 값인 926.8cP에서 고체함유량은 45%였다.
단순 건조 석탄의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도
고체함유량 (%) 45 47 48 49
점도 (cP) 170.96 404.91 767.84 1771.62
단순 건조 석탄은, 점도가 1000cP가 되기 전 값인 767.84cP에서 고체함유량은 48%였다.
개질 석탄 1의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도
고체함유량 (%) 50 52 54 55
점도 (cP) 371.92 455.90 790.33 1213.24
개질 석탄 1은, 점도가 1000cP로 되기 전 값인 790.33cP에서 고체함유량이 54%였다.
측정결과 원료 석탄, 단순 건조 석탄 및 개질석탄 1의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도는 각각 45%, 48% 및 54%였다. 즉, 개질석탄 1의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도값이 원료석탄에 비해 9% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2. 개질석탄 2를 이용한 석탄-물 혼합연료 제조
개질 석탄의 수분 함량에 따른 석탄-물 혼합연료의 석탄 최대 농도를 비교하기 위해 상기 개질 석탄 1과 동일한 방법으로 저등급석탄을 개질하면서 석탄/PFAD 혼합물의 공급량을 200kg/hr로 하여, 개질 석탄 2로 표시하였다. 이 때 건조기 내부 온도는 110로 유지되었다. 원료 석탄과 비교한 개질 석탄 2의 공업분석 (도착시료 기준)은 다음과 같다.
원탄과 개질석탄의 물성
수분 휘발분 회분 고정 탄소
원료 석탄 31.55 34.36 5.37 28.72
개질 석탄2 10.47 46.33 7.75 35.45
이 때 개질석탄 2의 수분은 10.47%로 개질석탄 1의 4.81%에 비해 2배 이상 증가하였다. 개질 석탄 2로 석탄-물 혼합연료를 제조하는 과정은 개질석탄 1과 동일하게 수행하였다.
개질 석탄 2의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도는 표 6에 나타내었다.
개질 석탄 1의 석탄-물 혼합연료 석탄 최대 농도
고체함유량 (%) 51 52 53 54
점도 (cP) 305.93 665.86 920.80 1649.65
개질 석탄 2는, 점도가 1000cP로 되기 전 값인 920.80cP에서 고체함유량이 53%였다.
이상의 실시예를 통해, 원료 석탄에 비해 개질 석탄의 석탄-물 혼합연료의 석탄 최대 농도가 8% 이상 증가하는 것을 확인하였다. 단순 건조시킨 경우에도 석탄-물 혼합연료의 석탄 최대 농도가 원료 석탄에 비해 증가하지만 차이가 크지 않으며, 이는 단순 건조하는 경우 물과 혼합 시 석탄이 수분을 재흡착함을 의미한다. 개질 석탄의 수분 함량에 따른 석탄-물 혼합연료의 석탄의 최대 농도 차이는 크지 않았다. 개질 석탄의 수분 함량이 석탄-물 혼합연료의 석탄 최대 농도에 큰 영향을 미치지 않으므로, 개질 석탄의 수분 건조량을 적절히 조절하여 석탄-물 혼합연료 제조 공정의 에너지 손실을 최소화할 수 있을 것이라 기대된다.
1. 분쇄기 2. 커팅기
3. 혼합기 4. 사일로
5. 스크류피더 6. 건조-안정화기
7. 구동모터 8. FD 팬
9. 사이클론 10. ID 팬
11. 냉각기 12. 성형기
101. 사일로 102. 스크류피더
103. 습식 미분쇄기 104. 석탄-물 제조기
105. 교반기 106. 펌프
201. 건식 미분쇄기 301. 시브 쉐이커

Claims (10)

  1. (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계;
    (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계;
    (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계;
    (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 물과 혼합하여 입도 250μm 이하인 입자로 미분쇄하는 단계; 및
    (e) 상기 미분쇄하는 단계를 거친, 물과 혼합된 석탄에 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  2. (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계;
    (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm oil residue)를 균질하게 혼합하는 단계;
    (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계;
    (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄을 입도 250μm 이하인 입자로 미분쇄하는 단계; 및
    (e) 상기 미분쇄하는 단계를 거친 석탄을 물 및 첨가제와 혼합하는 단계를 포함하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  3. (a) 석탄을 입도 30mm 이하로 분쇄하는 단계;
    (b) 상기 분쇄된 석탄에, 상기 석탄의 0.5 내지 30 중량%에 해당하는 팜 잔사유(Palm residue)를 균질하게 혼합하는 단계;
    (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄내 수분이 건조되는 간접형 열교환식 건조-안정화기에서 진행하며, 상기 건조-안정화기 내부 온도는 100 내지 115℃이고, 혼합 교화가 발생할 수 있도록 상기 건조-안정화기 내부에서 석탄이 움직이며 20 내지 70분의 체류시간을 가지고, 건조 석탄의 수분은 5 내지 20 중량% 범위인, 건조-안정화 단계;
    (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄에서 입도 250μm 이하인 입자를 선별하는 체질단계; 및
    (e) 상기 체질단계를 거친 석탄을 물 및 첨가제와 혼합하는 단계를 포함하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 첨가제는 석탄을 물에 고르게 분산시키기 위한 분산제, 및 분산된 석탄 입자 표면에 흡착층을 형성하여 재침전을 방지하고 분산제에 안정성을 주기 위한 안정제를 포함하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 첨가제의 비중은 석탄-물 혼합연료의 중량비 1% 이하인,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입도 250μm 이하인 입자는, 입도 75μm 이하인 입자의 함량이 60 내지 80%인,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 미분쇄하는 단계는,
    볼 밀로 진행하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 미분쇄하는 단계는,
    볼 밀, 핀 밀, 로드 밀 또는 롤러 밀로 진행하는,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 분산제는, 계면활성제인 페트롤륨 술포네이트(petroleum sulfonate), 도데실 벤젠 술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 나프탈렌 술폰산(naphthalene sulfonic acid), 또는 나프탈렌 술폰산 프로말린(naphthalene sulfonic acid formalin) 축합물인,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 안정제는, 고분자물질인 클레이(clay), 바이오-폴리사카라이드(bio-polysaccharide), 또는 카르복실메틸 셀룰로스(carboxylmethyl cellulose)인,
    팜잔사유로 개질한 석탄을 이용한 석탄-물 혼합연료 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112979877A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 文水县是大高分子材料有限公司 一种纤维素基分散剂及其制备方法和应用、水煤浆

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