KR20210059741A - 정제된 석탄 조성물을 화학 및 열 공급 원료 및 청정 연소 연료로서 활용하는 방법 - Google Patents
정제된 석탄 조성물을 화학 및 열 공급 원료 및 청정 연소 연료로서 활용하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본원은 석탄 제품을 업그레이드하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 (i) 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 조성물은 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계; 및 (ii) 조합된 고체-고체 배합물 업그레이드된 석탄 제품을 생성하기 위해, 상기 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하는 단계를 포함한다.
본원은 또한 정제된 석탄 제품을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 석탄을 포함하는 출발 물질을 수득하는 단계; 상기 출발 물질을 실질적으로 모든 입자가 직경이 500 마이크론(μm) 이하인 미립자 조성물로 축소시키기 위해 상기 출발 물질을 적어도 하나의 미분쇄 단계에 적용하는 단계; 상기 미립자 조성물 내에 포함된 탄화수소성 물질을 미네랄 물질로부터 분리하기 위해 상기 미립자 조성물을 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계에 노출시키는 단계로서, 여기서 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계 동안 상기 탄화수소성 물질은 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 생산되고 분리된 포말과 결합되는, 단계; 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 분리된 포말을 물로 세척하여 상기 탄화수소성 물질을 방출하는 단계; 및 12%m 미만의 회분 함량, 25%m 미만의 수분 함량을 갖는 정제된 미립자 석탄 제품을 수득하기 위해, 상기 탄화수소성 물질을 적어도 하나의 탈수 단계에 적용하는 단계로서, 여기서 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 100 μm 미만의 d90을 갖는, 단계를 포함한다. 본원은 또한, 기술된 공정을 통해 수득할 수 있는 정제된 석탄 물질을 포함하는 제품, 예를 들어 펠렛화 또는 연탄화된 석탄을 제공한다.
본원은 또한 정제된 석탄 제품을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 석탄을 포함하는 출발 물질을 수득하는 단계; 상기 출발 물질을 실질적으로 모든 입자가 직경이 500 마이크론(μm) 이하인 미립자 조성물로 축소시키기 위해 상기 출발 물질을 적어도 하나의 미분쇄 단계에 적용하는 단계; 상기 미립자 조성물 내에 포함된 탄화수소성 물질을 미네랄 물질로부터 분리하기 위해 상기 미립자 조성물을 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계에 노출시키는 단계로서, 여기서 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계 동안 상기 탄화수소성 물질은 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 생산되고 분리된 포말과 결합되는, 단계; 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 분리된 포말을 물로 세척하여 상기 탄화수소성 물질을 방출하는 단계; 및 12%m 미만의 회분 함량, 25%m 미만의 수분 함량을 갖는 정제된 미립자 석탄 제품을 수득하기 위해, 상기 탄화수소성 물질을 적어도 하나의 탈수 단계에 적용하는 단계로서, 여기서 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 100 μm 미만의 d90을 갖는, 단계를 포함한다. 본원은 또한, 기술된 공정을 통해 수득할 수 있는 정제된 석탄 물질을 포함하는 제품, 예를 들어 펠렛화 또는 연탄화된 석탄을 제공한다.
Description
본 발명은 고체 탄화수소, 특히 석탄의 가공 및 활용 분야에 있다. 특히 본 발명은 미네랄 채굴 및 채광 활동에서 유래된 폐석탄 미분의 복원 및 이용 분야에 있다.
탄광, 특히 다중층 표면 광산 및 관련 석탄 가공 공장 및 선탄장은, 점결탄 및 미분탄 주입(PCI) 석탄에 대한 높은 사양을 충족하는데 필요한 고급 품질 층의 가용성에 의해, 생산량 및 시장 가격에 있어 제한된다. 이러한 한계는, 빠르게 감소하는 전 세계 자원 기반으로부터의 이 중요한 화학 공급 원료의 생산량을 낮추고 생산 효율을 떨어뜨리고 있다. 국제적으로 거래되는 열탄에 대한 보다 엄격한 제품 사양 또한 석탄 산업의 생산량을 낮추고 생산 효율을 떨어뜨리고 있다. 더 까다로운 환경 기준으로 인해, 석탄 가공 공장은, 폐석탄 제품을 광미 웅덩이(tailings ponds, 저수지(impoundments) 또는 쓰레기장(tips)에 저장하는 능력에 있어 점점 더 제한되고 있다.
발전을 위해 국제적으로 판매 및 거래되는 열탄은 전형적으로, 높은 회분 함량(건조 기준 적어도 15 내지 20%m), 높은 황 함량(건조 기준 1 내지 2%m), 적당히 높은 수분 함량(10 내지 15%m 이상), 및 상대적으로 거친 입자 크기 분포(50 mm 미만)를 갖는다. 석탄 발전소 보일러는 분쇄된 PCI 연료 (즉, 건조된 석탄 입자, 전형적으로 20 내지 120 μm 크기 범위)를 사용하고, 열탄을 파쇄, 건조 및 분쇄하는데 유의한 양의 에너지를 소비한다. 연소 중에 생성된 회분은 슬래그 회분(slag ash) 또는 비산회(fly ash)로서 제거되어야 하며, 두 경우 모두에서 회분은 운영 효율을 감소시키고 폐기를 위한 환경 및 상업적 비용을 초래한다. 발전소는 연도 가스 탈황 기술을 활용하여 대기로의 산화황 배출물을 최소화하며; 이러한 탈황 기술의 운영 비용은 석탄 공급 원료 황 함량에 비례한다.
회분 함량이 높은 탄층은 전 세계적으로, 수많은 지질 매장지에서 풍부하며, 때로는 두꺼운 층이 넓은 지리적 영역에 걸쳐 지속되지만, 많은 탄층들이 상기에 기술된 문제들로 인해 경제적으로 이용불가능하였다.
마이크로미분을 비롯한 석탄 미분 및 초미분은 채광 및 선탄 과정 동안 더 큰 석탄 덩어리로부터 생성되는 더 작은 석탄 입자이다. 석탄 미분은 석탄과 동일한 에너지 포텐셜(energy potential)을 유지하지만, 제품의 미립자 특성으로 인해 판매 및 운송이 어렵기 때문에 일반적으로 폐기물로 간주된다. 광산업에 의해 미국에서만 매년 무려 7천만-9천만 톤의 석탄 미분이 폐기물 부산물로서 생산되며(문헌[Baruva, P., Losses in the coal supply chain, IEA Clean Coal Centre Rep.CCC/212, p.26, December 2012, ISBN 978-92-9029-532-7]), 이들 중 대부분은 사용되지 않은 채로 방치된다. 따라서 석탄 미분은 일반적으로 대형 폐기물 더미를 형성하는 탄광 근처의 폐석으로서 폐기되거나, 또는 환경 오염을 피하기 위해 신중한 향후 관리가 필요한 대형 웅덩이에 저장된다.
그럼에도 불구하고, 석탄 미분은, 특히 탄소가 풍부한 탄화수소를 저렴하고 풍부하게 공급할 수 있는 잠재력을 제공할 수 있다(문헌[M.Lewitt, Opportunities for fine coal utilisation, IEA Clean Coal Centre Rep. CCC/185, July 2011, ISBN 978-92-9029-505-1.]). 그러나, 자연 상태에서, 석탄 미분은 전형적으로, 많은 통상적인 용도에서 이를 적합하지 않게 만드는 유의한 수준의 회분-형성 성분 및 물을 함유한다. 전통적인 견해는, 직경 150 μm 미만의 미분을 탈수 및/또는 건조 및 탈회(de-ashing)하는 비용이 일반적으로, 생성되는 제품의 실제 연료 가치를 초과한다는 것이다(문헌[Muzenda, E., Potential uses of South African Coal Fines: A Review, 3rd International Conference on Mechanical, Electronics and Mechatronics Engineering (ICMEME'2014) March 19-20, 2014 Abu Dhabi (UAE), p.37]). 생성되는 배합된 연료유의 단위 부피당 비용을 감소시키기 위해 연료유에 고도로 가공된 석탄 미분을 첨가하는 것이 공지되어 있다(예를 들어 미국 특허 제9,777,235호 참조). 또한, 증류 후 분별 제품에 기여하기 위해 고도로 가공된 석탄 미분이 원유에 첨가될 수 있다(WO2017/174973으로 공개된 국제 특허 출원 참조). 두 경우 모두에서, 석탄 미분은 액체 탄화수소와 배합되어, 고체 미분 단독의 것보다 더 큰, 향상되고 인지된 상업적 가치를 갖는 결과적인 혼합물을 생성한다.
폐석탄 미분(500 마이크론 미만)과 초미분(150 마이크론 미만)을 석탄 펠렛으로 전환하기 위한 상업적 방법이 개발되었으며, 예를 들어 남아프리카의 Coal Tech 석탄 응집 기술을 들 수 있다(http://www.coaltechenergy.com/). 또 다른 예(미국 특허 제5242470 A호)는 약 28 메쉬(700 마이크론)의 상단 입자 크기를 갖고 입자의 적어도 약 50%가 약 48 메쉬(300 마이크론)보다 작고 2 내지 20 중량% 및 14 내지 24 중량%의 표면 수분 함량을 갖는 혼합물 내의 석탄 입자를 청구한다. 총 수분은 역청탄의 경우 1%m 내지 10%m의 범위일 수 있는 고유한 기공-보유 내부 수분과 표면 수분의 합이다. 이들 방법은 펠렛화 방법을 돕기 위해 약간의 물을 보유하지만, 전형적으로 30 내지 50%m 범위인 회분 함량 측면에서 석탄 폐기물을 업그레이드하지 않으며, 입자 크기를 감소시키지도 않는다.
석탄 폐기물 미분 슬러리는 포말 부유 선광(froth flotation)을 통해 회분을 낮추고(즉 10%m 미만), 부분적으로 수분을 20%m 미만으로 제거하여 초미분을 사용하여 석탄 분말을 형성한다(문헌[https://mineralsrefining.com/ and Luttrell, G. Yoon, R-H et al., Hydrophobic-hydrophilic separation (HHS) process for the recovery and dewatering of ultrafine coal, https://mineralsrefining.com/wp-content/uploads/2015/09/SME-2016-Gupta-et-al-HHS-Process-a.pdf]). 기타(미국 특허 출원 제20160082446호)는 더 거친 입자 크기, 즉 750 마이크론 미만에서 작동한다. 이러한 모든 접근 방식의 공통된 특징은 가장 거친 입자만 제거된 상태에서 계내에서 사용가능한 미분 슬러리를 활용하는 것이다. 이들은 미네랄 물질 함량(회분 함량으로 평가됨), 입자 크기 분포 및 수분 함량 측면에서, 활용을 위한 명확한 제품 품질 목표를 갖지 않는다. 더욱이, 이러한 접근법은 주로 자원 특성에 의해 주도되었으며, 포말 부유 선광 분리 중에 미네랄 물질이 방출되게 하고 전력 부문에서의 제품 활용에 적합한 수준의 회분 함량, 입자 크기 및 수분 함량을 달성할 수 있게 하는 최적의 석탄 입자 크기로 제분하는 것에 대한 중요성을 거의 또는 전혀 고려하지 않았다.
석탄 등급과 마세랄 조성(미시적으로 인식할 수 있는, 석탄의 개별 유기 성분)은 점결탄 활용 평가를 위한 주요 추가 특성이다. 포말 부유 선광 기술은 더 가치있는 비트리나이트 마세랄(vitrinite maceral)(미국 특허 제8,591,607 B2호)의 농도를 초래할 수 있지만, 이는 대체로 우발적이고, 크기가 작으며 실제로 이용되지 않는다.
석탄의 국제 거래가 잘 확립되어 있으므로, 발전에 사용하기 위한 석탄의 선택은 더 이상 단순히 가장 가까운 광산에서 생산할 수 있는 품질에 의존하지 않는다. 발전 회사들은 석탄 품질이 발전소 변동 원가에 유의한 영향을 미친다는 것을 인식하고 있으며, 결과적으로 석탄 거래자와의 이전 가격(transfer price) 계약에 대한 기반을 제공하기 위해 연료 평가 도구(Fuel Evaluation Tools)가 개발되었다(문헌[Coal and Biomass Characterisation for a Power Generator, Uniper Technologies, Nottingham, UK, Coal Research Forum, Imperial College London, 20 April 2016. http://www.coalresearchforum.org/CRF%202016ICL/W%20Quick,%20Uniper,%20ICL,%2020-04-16.pdf]).
경제적 및 기술적 고려 사항을 최적화하기 위한 석탄 배합은 이제 단일 광산 또는 석탄 가공 공장으로부터의 석탄을 활용하는 것보다 더 일반적이다(문헌[Tilman, D.A., Duong, D.N.B. and Harding, N.S, Solid Fuel Blending, Elsevier, 2012. ISBN 978-0-12-380932-2]). 최적의 석탄 배합물을 설계하는 것은, 배출물로 인한 환경 영향, 효율, 유지 보수 및 가용성, 시약 및 부산물을 최적화해야 하는 필요성에 의해 영향을 받으며, 이는 국제 거래 석탄 사양에 사용되는 다양한 석탄 품질 매개 변수의 범위로부터 평가된다.
석탄은 탄광, 선탄장(preparation plant), 환적 지점(trans-shipment point) 또는 고객 발전소 또는 코크스 오븐(coke oven)에서 배합된다. 선택된 배합 방법은 현장 조건, 배합 수준, 저장 및 배합할 양, 필요한 정확도 및 배합된 석탄의 최종 용도에 따라 결정된다. 전형적으로 발전소에서는, 완전히 기계화된 시스템을 사용한 적층 방법을 따른다(문헌[Sloss, L.L., Blending of coals to meet power station requirements, Report ref. CCC/238, IEA Clean Coal Centre, London, July 2014, ISBN 978-92-9029-559-4]).
석탄은 연료에서만 사용되는 것이 아니다. 이는 다양한 야금 및 화학 공정에서 탄소의 주요 공급원을 대표한다. 야금 코크스 제조의 화학 공정에 사용가능한 최상등급 점결탄의 전세계적인 부족으로 인해, 점결탄 배합물에 더 많은 비전통적 성분을 포함해야 한다. (Obayashi, Y., and Sheldrick, A., Japan steelmakers scramble for coking coal to make up Debbie losses, Reuters Business News, 21 April 2017, http://uk.reuters.com/article/uk-japan-steel-shortage/japan-steelmakers-scramble-for-coking-coal-to-make-up-debbie-losses-idUKKBN17N16J, and Bounds, A., Global demand for coking coal set to revive Cumbria mining, Financial Times, 19 Jun 2017, https://www.ft.com/content/b054c570-528e-11e7-bfb8-997009366969). 따라서, 야금 코크스의 전통적인 공급원만으로는 충족될 수 없는, 철강 및 알루미늄 제조에 사용하기 위한 고품질 시약에 대한 수요가 존재한다.
본 발명은 선행 기술에 존재하는 문제를 해결하며, 특히 채탄 산업의 부산물로서의 폐기물 미분의 추가 축적을 감소시키는데 있어서 그러하다.
본 발명자들은, 석탄 광미 웅덩이, 저수지 또는 쓰레기장으로부터의 폐기물 및 현재의 석탄 생산 가공으로부터의 불합격 물질(예를 들어, 농축기 언더플로우(thickener underflow) 또는 광미 언더플로우 폐기물 스트림)뿐만 아니라 지금까지 경제적으로 이용불가능했던 고회분 함량의 불량층 석탄으로부터 업그레이드된, 펠렛화 또는 연탄화될 수 있는 매우 고품질의(회분, 황 및 수분 함량이 낮은) 정제된 석탄 제품의 활용을 제공하는 방법을 개발하였다.
상기 정제된 석탄 제품은 하기와 같은 예시적인 비제한적인 응용 분야에서 유용성을 나타낸다:
ㆍ 용도를 위한 사양 요건을 충족하도록 채광된 석탄 품질을 업그레이드하도록 설계된, 석탄 생산 가공을 위한 배합물 성분으로서;
ㆍ 화학 공급 원료(야금 코크스 제조 또는 강철 생산용 고로 내로의 미분탄 주입 [PCI]을 위한 점결탄)로서;
· 발전용;
· 열 산업 또는 가정용 활용;
· 이들 용도 중 임의의 것을 위한 독립형 제품으로서; 및
ㆍ 운영 효율을 개선하고, 산화황, 미립자 및 미량 원소 배출물을 감소시키고, 생산된 단위 에너지 당 이산화탄소 배출물을 감소시키고 연료 비용을 감소시키도록 설계된, 발전소에서의 배합 성분 또는 독립형 공급물로서.
따라서, 제1 양태에서, 본 발명은 석탄 제품을 업그레이드하는 방법을 제공하며, 이는 하기 단계들을 포함한다:
(i) 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 조성물은 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계; 및
(ii) 조합된 고체-고체 배합물(combined solid-solid blend) 업그레이드된 석탄 제품을 생성하기 위해, 상기 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하는 단계.
특정 구현예에서, 상기 정제된 석탄 조성물은 상기 고체 입자로 구성된 펠렛으로 형성된다. 상기 정제된 석탄 조성물은, 정제된 석탄 펠렛 내에 포함되고, 상기 펠렛은, 총 제품에 대한 질량 백분율(%m)로, 최대 약 12%m의 회분, 선택적으로 8%m 미만의 회분, 적합하게는 5%m 미만의 회분을 포함한다.
일 구현예에 따르면, 상기 정제된 석탄 펠렛은 최대 약 25%m의 물, 선택적으로 20%m 미만의 물, 적합하게는 10%m 미만의 물, 전형적으로 2%m 미만의 물을 포함한다. 적합하게는, 상기 PCP는 최대 약 3%m의 총 황 및 선택적으로 최대 약 0.1%m의 염소, 적합하게는 최대 약 0.05%m의 염소를 포함한다.
전형적으로, 상기 정제된 석탄 조성물은, 최대 천연 유기 황 함량 및 0.5%m 이하의 추가 미네랄 황에 해당하는 총 황 함량을 포함하는 정제된 석탄 펠렛 내에 포함된다.
일 구현예에 따르면, 상기 고체 석탄 공급 원료는 점결탄(coking coal); 미분탄 주입 석탄(pulverised coal injection coal: PCI); 열탄(thermal coal) 및 석탄 분쇄 공급물(coal pulverised feed)로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택된다.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 최대 약 1%m, 5%m, 10%m, 20%m, 30%m, 40%m, 50%, 및 60%m의 상기 정제된 석탄 조성물 중 어느 하나를 포함하며, 나머지는 단일 또는 복수의 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성된다.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 적어도 약 0.01%m 및 최대 약 60%m의 상기 정제된 석탄 조성물을 포함하며, 나머지는 단일 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성된다.
본 발명의 추가 구현예에서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 적어도 약 0.01%m 및 최대 약 60%m의 상기 정제된 석탄 조성물을 포함하며, 나머지는 복수의 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성된다.
제2 양태에서, 본 발명은 석탄 제품을 업그레이드하는 방법을 제공하며, 이는 하기 단계들을 포함한다:
a) 석탄 미분의 제1 공급원으로부터 제1 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 조성물은 펠렛으로 압축된 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계;
b) 상기 제1 공급원과 상이한, 석탄 미분의 제2 공급원으로부터 제2 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 제2 조성물은 펠렛으로 압축된 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계; 및
c) 조합된 고체-고체 펠렛화되고 배합되며 업그레이드된 석탄 제품을 생성하기 위해 상기 제1 조성물 및 제2 조성물을 조합하는 단계.
본 발명의 추가 구현예에 따르면, 전술된 양태들 및 구현예들 중 임의의 것이 조합된 고체-고체 배합되고 업그레이드된 석탄 제품은 하기 중 하나 이상을 포함한다:
상기 제품의 총 질량을 기준으로,
적어도 약 1%m, 2%m, 3%m 및 4%m; 및 최대 약 6%m, 7%m, 8%m 및 10%m의 회분; 및
적어도 약 0.1%m, 0.2%m 및; 최대 약 0.5%m, 1.5%m, 3%m, 및 5%m의, 천연 유기 황 함량 초과의 추가 미네랄 황; 및
적어도 약 2%m, 3%m 또는 4%m; 및 최대 약 9%m, 10%m, 11%m, 12% 또는 13%m의 물.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 정제된 석탄 조성물은, 상기 정제된 석탄 조성물을 상기 고체 석탄 공급 원료와 조합하는 단계 (i) 전에 탈수 단계를 거친다.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 정제된 석탄 조성물은, 상기 정제된 석탄 조성물을 상기 고체 석탄 공급 원료와 조합하는 단계 (i) 전에 회분 제거 단계를 거친다.
본 발명의 제3 양태는, 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하여 포함하는 배합된 석탄 제품을 제공하며, 여기서 상기 정제된 석탄 조성물은 입자 형태이고, 상기 정제된 석탄 조성물 입자의 적어도 95 부피%(%v)가 직경이 약 500 μm 이하인 것을 추가로 특징으로 하며, 상기 배합된 석탄 제품은 상기 배합된 석탄 제품의 총 중량을 기준으로 최대 약 99%m의 정제된 석탄 조성물을 포함한다. 본 발명의 특정 구현예에서, 상기 배합된 석탄 제품은, 전형적으로 입자의 적어도 95%v, 선택적으로 적어도 98%v, 및 적합하게는 적어도 99%v가 직경이 약 250 μm 이하이며, 선택적으로 100 μm 이하인 정제된 석탄 조성물을 포함한다.
본 발명의 구현예들에서, 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하여 포함하는 배합된 석탄 제품이 제공되며, 여기서 상기 정제된 석탄 조성물은 입자 형태이고, 입자의 적어도 95%v, 선택적으로 적어도 99%v가 직경이 약 250 μm 이하이며, 적합하게는 100 μm 이하, 전형적으로 20 μm 이하인 것을 추가로 특징으로 한다.
제4 양태에서, 본 발명은 정제된 석탄 제품을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:
a. 석탄을 포함하는 출발 물질을 수득하는 단계;
b. 상기 출발 물질을 실질적으로 모든 입자가 직경이 500 마이크론(μm) 이하인 미립자 조성물로 축소시키기 위해 상기 출발 물질을 적어도 하나의 미분쇄 단계에 적용하는 단계;
c. 상기 미립자 조성물 내에 포함된 탄화수소성 물질을 미네랄 물질로부터 분리하기 위해 상기 미립자 조성물을 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계(froth flotation stage)에 노출시키는 단계로서, 여기서 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계 동안 상기 탄화수소성 물질은 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 생산되고 분리된 포말과 결합되는, 단계;
d. 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 분리된 포말을 물로 세척하여 상기 탄화수소성 물질을 방출하는 단계; 및
e. 12%m 미만의 회분 함량, 25%m 미만의 수분 함량을 갖는 정제된 미립자 석탄 제품을 수득하기 위해 상기 탄화수소성 물질을 적어도 하나의 탈수 단계에 적용하는 단계로서, 여기서 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 70 μm 미만의 d90을 갖는, 단계.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 출발 물질은 석탄 광미 웅덩이, 저수지 또는 쓰레기장으로부터의 폐기물; 석탄 생산 가공으로부터의 불합격 물질(reject materials); 및 고회분 함량의 불량층 석탄으로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택된 공급 원료를 포함한다.
추가 구현예에 따르면, 상기 미분쇄 단계는 볼(ball) 또는 비드(bead) 제분기(mill)에서 수행된다. 전형적으로 상기 출발 물질은, 미분쇄 단계 동안, 실질적으로 모든 입자가 직경이 250 μm 이하, 150 μm 이하, 100 μm 이하, 90 μm 이하 및; 적합하게는 80 μm 이하; 선택적으로 70 μm 이하인 미립자 조성물로 가공된다.
본 발명의 특정 구현예에서, 상기 포말 부유 선광 단계는 20%m 미만, 적합하게는 15%m 미만, 전형적으로 10%m 미만 및 선택적으로 5%m 미만의, 고체 대 액체 로딩(solids to liquids loading)으로 수행된다.
추가 구현예에서, 상기 탈수 단계는 상기 탄화수소성 물질을, 기계적 탈수; 사이클론 탈수; 원심 탈수; 및 열 탈수로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택된 탈수에 적용하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 탈수 단계는 상기 탄화수소성 물질을 적어도 2개의 상이한 탈수 단계에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 방법에 의해 수득된 정제된 미립자 석탄 제품은 12%m 미만 또는 8%m 미만, 선택적으로 5%m 미만, 전형적으로 2%m 미만, 적합하게는 1%m 미만의 회분 함량을 갖는다. 추가 구현예에서, 상기 방법에 의해 수득된 정제된 미립자 석탄 제품은 25m% 미만 또는 20m% 미만, 전형적으로 15%m 미만, 적합하게는 12%m 미만, 선택적으로 10%m 미만, 전형적으로 8%m 미만의 수분 함량을 갖는다. 구현예들에서, 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 100 μm 미만 또는 70 μm 미만, 전형적으로 50 μm 미만, 적합하게는 40 μm 미만, 선택적으로 20 μm 미만의 d90을 갖는다.
본 발명의 제5 양태는 본원에 기술된 방법에 의해 수득할 수 있는 정제된 미립자 석탄 제품을 제공하며, 여기서 상기 정제된 미립자 석탄 제품은 2%m 미만, 전형적으로 1%m 미만의 회분 함량, 7%m 미만의 수분 함량을 가지며, 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 70 μm 미만, 전형적으로 50 μm 미만의 d90을 갖는다. 전형적으로, 상기 미립자 석탄 제품은 연탄(briquette)으로 형성된다.
본 발명의 제6 양태는 정제된 석탄 조성물을 포함하는 펠렛화된 석탄 제품을 제공하며, 여기서 상기 정제된 석탄 조성물은 미분화된 입자 형태이고, 상기 제품은 하기:
상기 제품의 총 질량을 기준으로,
최대 약 0.5%m, 1%m, 2%m, 3%m 및 4%m의 회분; 및
최대 약 0.1%m, 0.2%m, 및 0.5%m의, 천연 유기 황 함량 초과의 추가 미네랄 황;
최대 약 5%m, 8%m, 12%m, 15% 및 20%m의 물;
을 포함하고,
상기 정제된 석탄 조성물 입자의 적어도 95 부피%(%v)가 직경이 약 500 μm 이하인 것을 추가로 특징으로 한다. 본 발명의 특정 구현예에서, 상기 펠렛화된 석탄 제품은, 전형적으로 입자의 적어도 97%v, 선택적으로 적어도 98%v, 및 적합하게는 적어도 99%v가 직경이 약 250 μm 이하이며, 선택적으로 100 μm 이하인 정제된 석탄 조성물을 포함한다. 본원에 개시되어 있지만 상기에 명시적으로 언급되지는 않은 특징들의 추가적인 조합들에 본 발명을 적용할 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 추가로 설명된다.
도 1은 (a) 탄광 선탄장 A, (b) 항구 B, (c) 발전소 C 및 코크스 오븐 D에서, 정제된 석탄 제품 펠렛(PCP 펠렛으로 지칭됨)을 활용하는 전형적인 배합 작업의 개략도를 나타낸다.
도 2는 (a) 7.5%m, 4.0%m 및 1.6%m의 3개의 상이한 구아 검 농도에 대한 PCP 펠렛에 대한 충격 시험으로부터의 조각에 대한 시뮬레이션된 체 분석(sieve analysis) 및 (b) 7.5%m, 4.0%m 및 1.6%m의 3개의 상이한 구아 검 농도에 대한 PCP 펠렛의 수분 흡수 결과를 나타낸다.
도 3은 배합된 석탄 제품(정제된 석탄 제품(purified coal product) - PCP 로도 지칭됨)이 다양한 국가로부터의 기준 석탄과 비교되는, 독일 석탄 화력 발전소에서의 계산된 순전력 효율 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예의 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 추가 구현예의 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 1은 (a) 탄광 선탄장 A, (b) 항구 B, (c) 발전소 C 및 코크스 오븐 D에서, 정제된 석탄 제품 펠렛(PCP 펠렛으로 지칭됨)을 활용하는 전형적인 배합 작업의 개략도를 나타낸다.
도 2는 (a) 7.5%m, 4.0%m 및 1.6%m의 3개의 상이한 구아 검 농도에 대한 PCP 펠렛에 대한 충격 시험으로부터의 조각에 대한 시뮬레이션된 체 분석(sieve analysis) 및 (b) 7.5%m, 4.0%m 및 1.6%m의 3개의 상이한 구아 검 농도에 대한 PCP 펠렛의 수분 흡수 결과를 나타낸다.
도 3은 배합된 석탄 제품(정제된 석탄 제품(purified coal product) - PCP 로도 지칭됨)이 다양한 국가로부터의 기준 석탄과 비교되는, 독일 석탄 화력 발전소에서의 계산된 순전력 효율 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예의 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 추가 구현예의 방법의 흐름도를 나타낸다.
본원에 인용된 모든 참고문헌은 그 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다.
본 발명을 더 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 이해를 돕는 다수의 정의가 제공된다.
본원에서, 용어 "포함하는"은, 언급된 요소들 중 임의의 것이 필수적으로 포함되고, 다른 요소들도 또한 선택적으로 포함될 수 있다는 것을 의미한다. '~로 본질적으로 이루어진'은, 임의의 언급된 요소들이 필수적으로 포함되고, 열거된 요소들의 기본적 및 신규한 특징들에 실질적으로 영향을 미칠 수 있는 요소들은 배제되며, 다른 요소들이 선택적으로 포함될 수 있다는 것을 의미한다. '~로 이루어진'은, 열거된 것들 이외의 모든 요소가 배제된다는 것을 의미한다. 이러한 용어 각각에 의해 정의된 구현예들은 본 발명의 범위 내에 속한다.
용어 "석탄"은 경탄, 예를 들어 무연탄; 역청탄; 아역청탄; 아탄을 포함한 갈탄을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 쉽게 연소할 수 있는 퇴적 미네랄-유래 고체 탄화수소성 물질을 나타내기 위해 본원에서 사용된다(ISO 11760:2005에 정의된 바와 같음). "천연" 또는 "공급 원료" 석탄은, 광범위한 가공을 거치지 않았으며, 채굴 시점으로부터 실질적으로 변하지 않은 물리적 구성 (예를 들어 마세랄 함량)을 포함하는 석탄을 지칭한다. 대조적으로, 용어 "석탄-유래 제품", "석탄 대체 제품(coal replacement product)" 및 "정제된 석탄 조성물"은, 석탄이 채굴 시점, 즉, 자연 상태로부터 실질적으로 변화되도록 석탄의 물리적 및/또는 화학적 조성의 변화를 초래하는 하나 이상의 방법을 거친 다양한 석탄을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다.
본원에서, 용어 "회분"은 대부분의 유형의 화석 연료, 특히 석탄에서 발견되는 무기물(예를 들어 비탄화수소) 미네랄 성분을 지칭한다. 회분은 석탄 연소 후 남아있는 고체 잔류물(때때로 비산회로도 지칭됨) 내에 포함된다. 석탄의 공급원과 유형이 매우 다양한 것과 마찬가지로, 회분의 구성과 화학도 그러하다. 그러나 전형적인 회분 함량은 여러 산화물, 예를 들어 이산화규소, 산화칼슘, 산화철(III) 및 산화알루미늄을 포함한다. 공급원에 따라, 석탄은 후속적인 회분 내에 포함될 수 있는 하나 이상의 물질, 예를 들어 비소, 베릴륨, 붕소, 카드뮴, 크롬, 코발트, 납, 망간, 수은, 몰리브덴, 셀레늄, 스트론튬, 탈륨 및 바나듐을 미량으로 추가로 포함할 수 있다.
본원에서, 용어 "저회분 석탄(low ash coal)"은 다른 산업 표준 석탄과 비교할 때 더 낮은 회분-형성 성분의 비율을 갖는 천연 석탄을 지칭한다. 전형적으로, 저회분 천연 또는 공급 원료 석탄은 약 12%m 미만의 회분을 포함할 것이다. 용어 "탈회분된 석탄(deashed coal)" 또는 관련 용어 "탈미네랄화된 석탄(demineralised coal)"은 자연 천연 상태에 비해 무기 미네랄의 비율이 감소된 석탄을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다. 회분 함량은 ASTM D3174(석탄 및 석탄으로부터의 코크스의 분석 샘플 내의 회분에 대한 12개의 표준 시험 방법(12 Standard Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke from Coal))에 기술된 바와 같이 석탄 조성물의 근사 분석에 의해 측정될 수 있다. 본 발명의 구현예들에서, 10%m 미만, 8%m 미만, 5%m 미만 및 2%m 미만 또는 심지어 1%m 미만의, 정제된 석탄 제품 내의 회분 함량이 획득된다. 실제로, 본 발명자들은, 공정을 비영리적으로 만드는 수율 수준의 희생없이, 약 1%m 또는 그 미만의 매우 낮은 회분 함량을 갖는 제품이 무려 50%m 회분의 출발 물질로부터 수득될 수 있다는 것을 매우 예기치 않게 발견하였다.
불량 석탄(Inferior coal)은, 탄층의 품질에 대한 지질학적 조사 (예를 들어 영국 석탄 조사(UK coal survey), 1937)에 사용되는 용어이며, 15.1%m 초과 및 40.0%m 미만의 탄대도 또는 탄층 내의 고유한 회분을 지칭한다. 불량 석탄으로 이루어진 탄대도 또는 탄층은 석탄 자체 내에 밀접하게 혼합된 미네랄 물질을 함유하고 있으며 따라서 통상적인 석탄 가공 기술을 사용하여 정제하기가 매우 어렵다.
본원에서, 용어 "석탄 미분"은 전형적으로 1.0 mm 미만의 최대 입자 크기를 갖는 미립자 형태의 석탄을 지칭한다. 용어 "석탄 초미분(coal ultrafines)" 또는 "초미세 석탄(ultrafine coal)" 또는 "초미분(ultrafines)"은, 전형적으로 0.5 mm(500 마이크론(μm), 약 0.02 인치) 미만의 최대 입자 크기를 갖는 석탄을 지칭한다. 용어 "석탄 마이크로미분(coal microfines)" 또는 "마이크로미분 석탄(microfine coal)" 또는 "마이크로미분(microfines)"은, 전형적으로 20 μm 미만의 최대 입자 크기를 갖는 석탄을 지칭한다.
가장 적합하게는, 공급 원료로 활용되는 석탄 미분의 입자 크기는 최대 1000 μm 또는 500 μm일 수 있다. 보다 적합하게는, 상기 최대 입자 크기는 최대 300 μm, 250 μm, 200 μm, 150 μm 또는 100 μm일 수 있다.
입자 크기의 전형적인 척도는 최대 입자 크기, 및 해당 입자 크기 미만에 속하는 샘플 내 입자들의 부피 비율에 대한 "d" 값 또는 백분율 값을 인용하는 것이다. 적합하게는, 상기 최대 입자 크기들 중 임의의 것과 관련된 "d" 값은 d99, d98, d95, d90, d80, d70, d60, 또는 d50일 수 있다.
가장 적합하게는, 본 발명의 방법에 의해 생산된 정제된 석탄 제품의 최대 입자 크기 컷오프(cut-off)는 최대 95 μm, 90 μm, 85 μm, 80 μm, 75 μm, 60 μm, 50 μm, 40 μm, 30 μm, 20 μm, 18 μm, 15 μm, 12 μm,10 μm, 또는 5 μm일 수 있다. 최소 입자 크기는 0.01 μm, 0.1 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 또는 5 μm일 수 있다. 임의의 "d" 값은 이러한 입자 크기들 중 임의의 것과 관련될 수 있다. 상기 정제된 석탄 제품의 바람직한 물리적 및 화학적 특성을 최대화하기 위해서는, 제품 입자 크기가 상대적으로 균질하고 작은 것이 전형적이다. 예를 들어, 본 발명의 특정 구현예에서, 상기 정제된 석탄 제품은 100 μm 미만, 90 μm 미만, 70 μm 미만, 50 μm 미만, 선택적으로 20 μm 미만의 d90을 갖는다. 적합하게는, 상기 정제된 마이크로미분 석탄 제품은 70 μm 미만, 60 μm 미만, 50 μm 미만, 40 μm 미만, 20 μm 미만, 및 선택적으로 10 μm 미만의 d99를 갖는다.
본원에서, 용어 "수분 함량(water content)"은 샘플 내의 물의 총량을 지칭하며, 농도 또는 질량 백분율(%m)로 표시된다. 이 용어가 석탄 샘플 내의 수분 함량을 지칭하는 경우, 이는 석탄의 고유한 또는 잔류하는 수분 함량 및 환경으로부터 흡수된 임의의 물 또는 수분을 포함한다. 본원에서, 용어 "탈수된 석탄"은 자연 상태보다 더 낮은 물의 절대 비율을 갖는 석탄을 지칭한다. 용어 "탈수된 석탄"은 또한 자연적으로 발생하는 물의 비율이 낮은 석탄을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 수분 함량은 ASTM D3302 / D3302M(석탄 내의 총 수분에 대한 17개의 표준 시험 방법(17 Standard Test Method for Total Moisture in Coal))에 기술된 바와 같이 천연 또는 정제된 석탄 조성물의 분석에 의해 측정될 수 있다.
본원에서, 용어 "탄화수소성 물질"은 탄화수소를 함유하는 물질을 지칭하고; 탄화수소는 실질적으로 수소와 탄소 원소로 이루어진 유기 화합물이다. 탄화수소성 물질은 지방족뿐만 아니라 방향족 탄화수소를 포함할 수 있다.
본원에서, 석탄 및 다른 탄화수소성 물질의 "천연 유기 황 함량"이라는 용어는 유기 분자 구조 내에, 전형적으로 티올, 티오에테르, 티오펜 및 다른 방향족 황 헤테로시클릭 종으로서 존재하는, 황 함량을 지칭한다. 일반적으로, 유기 황은 물리적 가공 방법으로는 제거할 수 없으며 수소화 및 수소화 분해와 같은 화학적 방법으로만 제거할 수 있다. 이는, 총 황 함량과 황철광, 유리 황 및 황산염을 포함하는 미네랄 황 종 간의 차이로서 간접적으로 측정된다(문헌[ASTM D2492 - 02 (2012) 석탄 내 황 형태에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Forms of Sulfur in Coal)]). 본 발명의 방법은 고황 또는 중황(high or medium sulphur) 석탄과 같은 탄화수소성 출발 물질로부터 미네랄 황 종을 고갈시키는데 유용성을 나타낼 수 있다.
탄광, 특히 다중층 표면 광산 및 관련 석탄 가공 공장 및 선탄장은, 점결탄 및 미분탄 주입(PCI) 석탄에 대한 높은 사양을 충족하는데 필요한 고급 품질 층의 가용성에 의해, 생산량 및 시장 가격에 있어 제한된다. 이러한 한계는, 빠르게 감소하는 전세계 자원 기반으로부터의 이 중요한 화학 공급 원료의 생산량을 낮추고 생산 효율을 떨어뜨리고 있다. 국제적으로 거래되는 열탄에 대한 보다 엄격한 제품 사양 또한 석탄 산업의 생산량을 낮추고 생산 효율을 떨어뜨리고 있다. 더 까다로운 환경 기준으로 인해, 석탄 가공 공장은, 폐석탄 제품을 광미 웅덩이, 저수지 또는 쓰레기장에 저장하는 능력에 있어 점점 더 제한되고 있다.
발전용으로 국제적으로 판매 및 거래되는 열탄은, 전형적으로 높은 회분 함량(건조 기준 적어도 15 내지 20%m), 높은 황 함량(건조 기준 1 내지 2%m 이상), 적당히 높은 수분 함량(10 내지 15%m 이상), 및 상대적으로 거친 입자 크기 분포(50 mm 미만)를 갖는다. 석탄 발전소 보일러는 분쇄된 PCI 연료 (즉, 건조된 석탄 입자, 전형적으로 20 내지 120 마이크론 크기 범위)를 사용하고, 열탄을 파쇄, 건조 및 분쇄하는데 유의한 양의 에너지를 소비한다. 연소 중에 생성된 회분은 슬래그 회분(slag ash) 또는 비산회(fly ash)로서 제거되어야 하며, 두 경우 모두에서 회분은 운영 효율을 감소시키고 폐기를 위한 환경 및 상업적 비용을 초래한다. 발전소는 연도 가스 탈황 기술을 활용하여 대기로의 산화황 배출물을 최소화하며; 이러한 탈황 기술의 운영 비용은 석탄 공급 원료 황 함량에 비례한다.
회분 함량이 높은 탄층은 전세계적으로 풍부하며, 때로는 두꺼운 층이 넓은 영역에 걸쳐 지속되지만, 굉장히 많은 탄층들이 상기에 기술된 문제들로 인해 경제적으로 이용불가능하다.
일 구현예에서, 본 발명자들은, 열탄 및/또는 점결탄 및 PCI 석탄에 요구되는 엄격한 기준에 속하는 석탄 제품을 생산하기 위해, 정제된 석탄 제품을, 그렇지 않으면 사양 미달인 저급 또는 중급 석탄 공급 원료와 배합하는 방법 및 공정에서 상기 정제된 석탄 제품을 활용한다. 적합하게는, 상기 정제된 석탄 제품은 펠렛화된 석탄 제품 내에 포함될 수 있어서, 천연 공급 원료 석탄과의 배합은 설정된 질량의 펠렛을 설정된 질량의 천연 공급 원료 석탄과 조합하여 배합된 제품을 생산하는 단계를 포함한다. 출발 물질 (예를 들어 펠렛 및 공급 원료)의 상대적 비율은 배합된 제품의 목적하는 최종 화학적 및 물리적 특성에 따라 결정될 수 있다. 비제한적인 예로서, 필요한 회분, 수분, 황 및/또는 염소 함량을 달성하기 위해, 상기 펠렛화된 정제된 석탄 제품을 얼마나 첨가해야 하는지 결정함으로써, 저등급 공급 원료 석탄을 목적하는 사양으로 업그레이드할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 정제된 석탄 제품은 최종 석탄 제품의 첨가제(미량 분획으로서인 경우) 또는 배합물 성분(주요 분획으로서인 경우)으로서 작용할 수 있다.
이제, 농축기 언더플로우, 저수지, 광미 웅덩이 또는 쓰레기장과 같은 석탄 폐기물 공급원, 및 그렇지 않으면 경제적으로 채굴할 수 없는 불량 탄층으로부터 유래된 정제된 석탄 펠렛이 이러한 고품질(매우 낮은 회분, 수분, 및 입하 시 기준으로 5500 kcal/kg 초과의 총 발열량을 갖는 황 및 인 함량, 및 일부 경우에서, 코크스화 특성)로 제조될 수 있어서, 이는 배합되어,
a. 하기에 대한 국제 판매에 사용되는 사양 한계를 달성하고:
i. 가치가 높고 희소한 야금용 점결탄;
ii. 중간 가치의 미분탄 주입(PCI) 석탄; 및
iii. 열탄.
b. PCP의 유익한 특성을 활용하여 더 낮은 품질의 탄층 또는 기타 석탄을 포함함으로써, 석탄 가공 공장이 총 생산량을 증가시키고 생산 효율을 개선하고 광산의 수명을 연장할 수 있도록 하며;
c. PCP의 유익한 특성을 활용하여 정상적인 석탄 생산으로부터의 사양 부족을 상쇄함으로써, 석탄 가공 공장이 가격 불이익을 최소화할 수 있도록 한다.
상기 정제된 석탄 펠렛은 하기와 같은 여러 공정 단계에 의해 제조될 수 있다:
· 효율적인 분리가 가능하도록 입자 크기를 충분히 축소시키기 위한 제분;
· 미네랄 물질로부터 석탄을 분리하기 위한 수성 매질에서의 포말 부유 선광;
· 기계적 수단으로 물을 제거하기 위한 가압 여과 및 공기 분사;
· 기계적 완전성(mechanical integrity)을 제공하기 위한 펠렛으로의 압축; 및
· 물을 5%m 미만으로 줄이기 위한 열 건조.
정제된 석탄 펠렛을 점결탄, PCI 석탄 및 열탄 생산 공정 스트림 내로 배합하는 것은, 시장 사양을 달성하고 이러한 사양의 부족으로 인한 불이익을 최소화하며 석탄 가공 공장이 더 낮은 품질의 스트림을 포함하여 생산량을 늘리거나 광산 수명을 연장할 수 있도록 하기 위해 필요한 하기 매개 변수들 중 일부 또는 전체에 대해 최종 제품 품질을 개선한다.
전형적으로, 배합된 석탄 제품을 요구되는 사양으로 끌어올리는 목표를 달성하기 위해서는, 그 제품이 다수의 확립된 매개 변수를 충족하는지를 확인해야 한다. 폐기물을 줄이고 에너지 효율을 개선하기 위해서는, 회분, 및/또는 수분, 및/또는 인, 및/또는 황, 및/또는 탄소, 및/또는 회분 내의 산화나트륨의 함량을 감소시키는 것이 핵심 요건이다. 또한 최종 배합된 제품에서 발열량, 및/또는 팽윤(swelling), 및/또는 팽창(dilatation) 및/또는 유동성의 지표를 증가시키는 것이 바람직하다. 마지막으로, 상기 배합된 제품은 휘발성 물질 함량 및/또는 암석 분류학적 조성, 및/또는 분쇄성 및/또는 코크스 강도 반응성에 대한 목표를 달성해야 한다.
본 발명의 특정 구현예들에 따르면, 본 발명의 공정 및 방법은 공급망의 하기 위치들 중 임의의 것에서 발생할 수 있다:
ㆍ 광산에서
· 비축물(stockpile)들로부터 상이한 품질의 제품들을 선별적으로 쌓고 회수함으로써
· 상이한 사양의 제품 비축물들과 함께 벨트 상에서 또는 열차 적재함 내로 배합함으로써;
ㆍ 항구 창고에서, 인수 시 트럭 또는 기차의 짐을 선박 도착에 대해 지정된 비축물 내로 혼합함으로써;
ㆍ 선적하는 동안, 상이한 비축물로부터의 다양한 수량을 혼합함으로써; 및
ㆍ 고객 창고에서, 트럭, 기차 또는 선박에 의해 공급된 상이한 비축물들을 배합함으로써.
본 발명의 일 구현예에서, 정제된 석탄 펠렛을 석탄 분쇄기 공급물 내로 배합하는 것은 전력 또는 열 생성을 위한 증기 생산 공정 동안 연소 공장 효율 개선 및 비용 감소에 기여한다.
본 발명의 제품 및 방법의 결과로 명백해지는 주요 이점을 하기에 더 상세히 제시한다.
전달 비용 감소:
전형적인 경탄의 회분 및 수분 함량을 줄이면 동등한 거래 석탄보다 에너지 밀도가 약 25% 더 높은 PCP가 생성된다. 이는 공급망을 통한 전달 비용의 25% 절감으로 직접 연결된다. 석탄 취급성은, 벌크 석탄이 활송 장치와 석탄 저장고를 통과하여 흐르거나 컨베이어 등 사이에서 이동하는 능력을 나타낸다. 흐름 특성에 영향을 미치는 가장 중요한 2개의 매개 변수는 자유 수분과 미분 함량이며; 두 경우 모두에서, 특히 이의 조합에서, 높은 값은 취급하기 매우 어려운 석탄을 초래할 수 있다. 심한 경우, 석탄이 화차(rail wagon)나 석탄 저장고에 갇힐 수 있으며, 막힘을 제거하는데 상당한 시간과 노력이 필요하다. 상기 PCP는 효과적으로 100% 석탄 미분이며, 상기 석탄을 효율적으로 처리하는 것은 단지 펠렛을 형성함으로써만 가능하다. 정제된 석탄 펠렛의 취급성은 석탄의 취급성과 상이할 수 있다. 사실, 균일한 크기의 석탄 펠렛은 일반적으로, 천연 공급 원료 석탄보다 우수한 흐름 특성을 나타낼 것으로 예상된다.
공급물 석탄을 미분 연료(pulverised fuel; PF) 입자 크기로 분쇄하는 동안의 분쇄 에너지 감소:
석탄 제분의 용이성은 일반적으로 하드그로브 분쇄성 지수(Hardgrove Grindability Index; HGI)로서 측정된다. 거래 석탄은 전형적으로, 45 내지 65 범위의 HGI를 가지며 낮은 수치는 분쇄하기 어려운 석탄을 나타낸다. PCP에 대한 시험은 67과 74의 HGI 값을 나타냈으며, 이는 분쇄하기 쉬운 석탄(easy-to-grind coal)과 동등하다. 사실, 사전-펠렛화된 석탄 입자 크기 분포는 거래 석탄을 제분한 후 요구되는 것과 유사하기 때문에, 발전소에서 PCP 또는 PCP를 포함하는 배합물로부터 미분탄을 생산하는데 상대적으로 적은 에너지가 필요함이 분명한다.
분쇄 제분기로의 유입 공기의 예열 감소:
석탄이 보일러로 전달되기 전에 이를 건조하기 위해, 1차 연소 공기는 전형적으로 예열된다. 이 시점에서, 석탄 내 수분의 70%가 증발하여 약 3%의 수분 함량을 갖는 미분 연료(PF)를 생성한다. 이는, PF가 파이프라인을 통해 보일러로 자유롭게 흐를 수 있을 만큼 충분히 건조한다. 제분기 유입 공기 온도는 제분기 설계 및 석탄 수분에 따라 150 내지 400℃로 변화한다. 그러나, PCP는 이미 수분 함량이 매우 낮기 때문에, 연료를 추가로 건조할 필요가 없고, 결과적으로 제분기로의 공기 유입구 온도가 그에 맞춰 감소될 수 있다. 남아프리카, 호주 및 인도의 석탄은 석탄을 충분히 건조하기 위해 140 내지 180℃의 제분기 유입구 온도가 필요한 반면, PCP 및 유의한 비율의 PCP를 포함하는 배합물은 훨씬 더 낮은 제분기 유입구 온도가 요구된다. 100% PCP 조성물의 경우, 단지 79℃의 감소된 유입구 온도가 요구된다.
개선된 연소 효율:
석탄 연소는 2개의 단계를 갖는데, 탈휘발은 빠르게(0.1초 미만) 발생하는 반면, 생성된 숯은 보일러를 통과함에 따라 연소하는데 몇 초가 걸린다. 연소 효율은 석탄의 열 함량이 보일러 내에서 연소되는 정도를 나타낸다. 거래 석탄의 경우, 약 1%의 미연소 탄소 효율 손실로 인한 효율 손실이 존재한다. 더 작은 석탄 입자를 사용함으로써 더 빠른 연소가 획득된다. PCP를 소성할 때의 PF 크기 분포는 표준 석탄을 소성할 때 관찰되는 것보다 훨씬 양호하다. 특정 구현예들에서, 직경이 150 μm를 초과하는 입자의 백분율이 5% 미만일 가능성이 높으므로 PCP 및 PCP-함유 배합물을 소성할 때 매우 높은 연소 효율이 가능하다.
더 높은 보일러 효율:
발전소에서 가장 큰 보일러 효율 손실은 연도 가스에서 손실되는 열이며, 이는 전형적으로 약 130℃에서 공기 가열기를 빠져나간다. 연도 가스 내의 수분에서 손실되는 열은 PCP의 경우 더 낮은데, 이는 상기 펠렛에는 약 2%의 수분만이 존재하기 때문이다. 또한 회분 내에서 손실되는 열은 표준 천연 석탄보다 PCP에서 더 낮지만, 이는 상대적으로 더 적은 영향이다.
슬래깅(slagging) 및 파울링(fouling) 감소:
용융된 회분 침전물의 퇴적은 슬래깅으로 알려져 있으며, 보일러 가용성의 손실을 초래하며; 이는 높은 수준의 철 또는 칼슘을 함유하는 석탄과 관련이 있다. 고황 미국 석탄은 특히 슬래깅이 발생하기 쉬운 것으로 알려져 있는데, 이는 이것이 높은 수준의 철을 함유하기 때문이다. PCP는 슬래깅 위험이 매우 낮은데, 이는 이것이 회분 내에 매우 낮은 수준의 철, 칼슘 및 나트륨을 함유하기 때문이다. 보일러 또는 공기 가열기의 후단 영역(back-end zone)에서의 회분 퇴적은 파울링으로 알려져 있다. 미국의 고황 석탄 또한 PCP보다 더 높은 공기 가열기 파울링 위험을 나타낸다.
부식 감소:
보일러 벽의 부식은, 특히 높은 수준의 알칼리 금속과 조합되는 경우, 석탄의 염소 수준 상승과 관련이 있다. 석탄 내의 황 또한 부식 위험을 증가시키지만 염소보다는 적은 정도로 증가시킨다. 미국의 고황 석탄은 높은 황 및 염소 함량으로 인해 보일러 부식 위험이 가장 높다. PCP 및 PCP-함유 배합물의 경우 부식 위험이 크게 감소하는데, 이는 생산 방법에서 높은 비율의 염소 함량이 제거되고 알칼리 금속 수준도 약간 감소되기 때문이다.
침식으로 인한 보일러 튜브 조기 고장(premature boiler tube failure)의 위험 감소:
이러한 침식은 튜브를 지나는 연마재 회분의 흐름으로 인해 발생한다. 이 위험은 석탄 회분의 양과 마모성 및 연도 가스 속도에 의존한다. 이는 인도의 발전소에서 특히 중요한 문제인데, 이는, 인도 석탄은 매우 높은 수준의 연마재 회분을 함유하며, 토착 석탄을 소성하는 인도의 발전소는 전형적으로, 침식 위험을 관리하기 위해 특별히 조정되어야 하기 때문이다. 이러한 침식 위험은 PCP 및 PCP-함유 배합물의 더 낮은 석탄 회분 수준으로 인해 유의하게 감소되어, 공장 가용성을 유의하게 증가시킨다.
더 적은 양의 노(furnace) 바닥 회분 및 미분 연료 회분:
석탄의 회분 함량을 줄이면 분명히, 부산물로서 생산되는 노 바닥 회분(furnace bottom ash) 및 미분 연료 회분(pulverised fuel ash)의 양의 감소를 초래한다. PCP 및 PCP-함유 배합물은 본질적으로 더 적은 회분을 생산한다. 이는, 회분 (일반적으로 시멘트 제조를 위한 것임)을 판매할 지역 시장이 불충분한 발전소에 유용하며, 그렇지 않으면 이들 발전소는 상업적 비용을 발생시키고 폐기물 회분 처리의 환경 문제를 유발할 것이다.
시멘트에 사용하기 위해 판매되는 회분 내의 더 낮은 탄소 함량:
앞서 언급한 바와 같이, 가능한 한, 발전소는 폐기 비용이 발생하지 않도록 외부 회사에 회분을 판매하는 것을 목표로 한다. 석탄 회분의 가장 일반적인 용도는 콘크리트 제조에서 시멘트 대체 물질로서이다. 유럽에서 EN450 표준은 이 시장에 대한 자격을 갖추기 위해 달성해야 하는 품질 요건을 규정하고 있으며; 이들 중 가장 중요한 것은, 'A 등급' 표준을 충족하기 위해서는 회분-내-탄소(carbon-in-ash) 수준이 5% 미만이어야 한다는 것이다. 회분-내-탄소는 연소 효율과 석탄 회분 함량의 함수이다. PCP 및 PCP-함유 배합물에 대해 관찰된 개선된 연소 효율은, 낮은 회분-내-탄소 수준을 달성할 수 있음을 의미한다. 소량의 회분이 생산되는 것 또한 경제적 가치가 더 크다.
연도 가스 탈황 비용 감소:
대부분의 석탄 화력 발전소의 산화황 배출 한도는 연소 동안 생성되는 수준보다 낮으므로, 일반적으로 배연 탈황(Flue Gas Desulphurisation; FGD) 기술이 설치된다. 이것의 가장 일반적인 변형은 석회석-석고 FGD이며, 이에 의해 연도 가스가 석회석(CaCO3) 슬러리와 혼합되고 석고(CaSO4.2H2O)가 부산물로서 생산된다. PCP는 황 함량이 낮으며, 석탄 황 함량을 감소시키면 SO2 배출물에 선형적 영향을 미치므로, 더 적은 석회석이 FGD 방법에 요구되고, 이는 시약에 대한 비용을 절감시킨다. 또한, FGD는 상당한 양의 전력을 소비하고 상당한 유지 관리 요구 사항을 가지며, PCP로 작업하는 경우 둘 모두가 감소된다.
이산화탄소 배출물 감소:
CO2 배출물은 연소된 탄소의 양과 직접적으로 관련이 있으며, 절대 단위 효율이 1% 증가하면 CO2 배출물이 2.5% 감소한다(40% 효율적인 석탄 발전소의 경우). PCP 및 PCP-함유 배합물은, 더 낮은 연료 수분 함량 및 더 높은 단위 작동 효율로 인해, CO2 배출물의 유의한 감소를 제공한다. 하기의 실시예에서 모델링되고 도 1에 표시된 독일 경탄 발전소의 경우, CO2 배출물은 미국 고황 석탄보다 PCP에 대해 5% 더 낮을 것으로 예측된다. 이 5% 감소 중, 약 3.5%는 연료로서의 PCP의 더 낮은 CO2 배출 강도로 인한 것이고, 1.5%는 더 높은 공장 효율로 인한 것이다.
보조 전력 소비의 감소:
보조 전력은 제분기, 팬 및 펌프 등의 작동을 위해 발전소 내에서 사용되는 전기이다. 전형적으로, 발전소에서 생산되는 전기의 약 5 내지 8%는 보조 전력으로 소비되고 따라서 전력망으로의 전달에 이용가능하지 않다. PCP는, 지금까지 기술된 모든 부수적인 이점의 직접적인 결과로서, 보조 전력 소비를 유의하게 줄일 수 있다. 특히, PCP 및 PCP를 함유하는 배합물의 사전-제분된 상태는 가공 에너지, 및 연료 및 폐기물 회분에 대한 처리 요구 사항을 줄인다.
일 구현예에서, 본 발명은, 부분적으로 저급 석탄으로부터 유래되지만 내국 및 국제 거래를 위한 점결탄, 미분탄 주입(PCI) 석탄 및 열탄 제품에 사용하기에 적합한 배합된 석탄 제품을 제공한다. 상기 배합된 석탄 제품은, 그렇지 않으면 고급 석탄 제품으로만 제한될 용도를 위한, 그렇지 않으면 비경제적인 등급의 석탄의 사용을 허용하는 업그레이드된 석탄 제품이다. 이러한 용도는 야금 코크스 공장, 고로, 석탄 화력 발전소 및 산업용 석탄 화력 열 발전소용 공급물을 포함한다.
터미널, 항구 또는 광산의 석탄 비축물은 하기의 3개의 주요 기능을 갖는다:
ㆍ 트럭 적재, 선박 적재 및 가공 공장의 지속적인 운영을 보장하기 위해, 배합된 원료의 충분한 비축물을 공급함으로써 완충함.
ㆍ 완성된 더미가 필요한 구성을 나타내도록 하는 중량 비율로 상이한 화학적 및/또는 물리적 특성을 갖는 여러 원료 석탄 공급물을 통합함.
ㆍ 더미의 전체 길이에 걸쳐 많은 층들로 각각의 공급물을 확산시킴으로써 균질화하여, 입력 더미의 특성의 평균과 비교하여 더미 단면의 화학적 또는 물리적 물질 특성의 차이가 최소화되도록 함.
전형적인 배합 작업의 3개의 예를 도 1(a), (b) 및 (c)에 개략적으로 설명하였다.
a. 탄광 선탄장에서, 여러 층 (이 경우에서는 4개)의 원료 석탄의 비축물이 광산 A에 가까운 선탄장에서 배합된다. 근처에 건설된 PCP 공장 A는 광산 A 석탄 선탄장으로부터의 현재 폐기물(농축기 언더플로우)과 광미 웅덩이(들)의 과거 폐기물을 PCP로 가공할 것이다. 상기 PCP는 선로 호퍼 또는 화차로부터 이동 컨베이어 벨트 상으로 공급되어, 석탄 선탄장으로부터의 세척된 석탄 스트림(요구되는 전체 거래 사양을 충족하지 않을 수 있음)과 병합될 것이며; 생성된 배합되고 세척된 석탄은 거래 사양을 충족할 것이다.
b. 항구 창고에서, 세척된 석탄의 비축물이 여러 석탄 선탄장 (이 경우에서는 항구 B에서 4개)으로부터 도로, 철도 또는 바지선을 통해 인수되고, 배합 비축물로 혼합된다. PCP는 또한 전형적으로 도로, 철도 또는 바지선을 통해 PCP 공장으로부터 항구로 운송되며, 바람직하게는, 빗물로부터의 수분 흡수를 최소화하기 위해 덮개가 있는 호퍼, 사일로 또는 저장 용기에 저장된다. PCP는, 수출을 위해 선박에 적재되기 전에, 개별적인 세척된 석탄을 층으로 적층하는 통상적인 스태커(stacker) 및 불출기(reclaimer)를 사용하여, 배합 비축물 내로 혼합될 수 있다. 대안적으로, PCP가 선로 호퍼 또는 화차로부터 벨트 상으로 공급되어 비축물로부터의 세척된 석탄의 배합물과 병합되는, 이동 벨트 상에서의 통상적인 컨베이어 배합. 이러한 방식으로, 세척된 석탄 5, 6, 7 및 8로부터의 배합물은 국제 거래 사양을 충족하도록 업그레이드될 수 있다. 스태커는 석탄이나 PCP와 같은 벌크 물질을 비축물 상에 쌓는 반면, 불출기는 물질을 회수하는데 사용될 수 있다. 이들은 일반적으로 창고에 있는 비축물 간의 철도로 이동한다.
c. 발전소 또는 코크스 공장에서, 세척된 석탄의 비축물은, 선박, 철도, 도로 또는 바지선으로부터의 여러 배송물 (이 경우에서는 발전소 C 또는 코크스 오븐 D에서의 4개의 배송물)로부터, 도로, 철도 또는 바지선을 통해 인수되고, 배합 비축물로 혼합된다. PCP는 또한 도로, 철도, 선박 또는 바지선을 통해 공장으로 운송되며, 바람직하게는, 빗물로부터의 수분 흡수를 최소화하기 위해 덮개가 있는 호퍼 또는 저장 용기에 저장된다. PCP는 통상적인 스태커 및 불출기를 사용하여, 또는 유틸리티 보일러(utility boiler) C에서의 연소 전에 건조 및 분쇄되기 전에 또는 코크스 오븐 D에 충전재로 적재되기 전에 컨베이어 벨트 배합을 통해, 배합 비축물과 혼합될 수 있다. 이러한 방식으로, 세척된 석탄 9, 10, 11 및 12로부터의 배합물은, 유틸리티 보일러 C의 운영 효율 또는 코크스 오븐 D에서 생산된 야금 코크스의 품질을 개선하도록 최적화된 배합물을 충족하도록 업그레이드될 수 있다.
석탄 선탄장 내에서 및 석탄 화력 발전소 및 산업용 보일러 둘 모두 내에서, 정제된 석탄 펠렛을 다른 공급물과 혼합하는데 적합한 배합 장비는 스태커, 불출기, 공급기 및 컨베이어를 포함한다. 적합한 제조업체는 ThyssenKrupp Robins, Inc. (6400 South Fiddler's Green Circle, Suite 700, Greewood Village, Colorado 80111-4985, USA), Bedeschi Mid-West Conveyor (8245 Nieman Road, Lenexa, KS 66214, USA.), Feeco Int. (3913 Algoma Road, Green Bay, WI 54311-9707 USA), Nepean (23 Graham Hill Road, Narellan, NSW 2567 Australia), 및 FLSmidth (Vigerslev Alle 77, 2500 Valby, Denmark)를 포함한다.
본 발명의 추가 구현예에서, 배합된 제품이 제공되며, 이는 제1 천연 석탄 공급원으로부터 유래된 제1 PCP를 적어도, 상기 제1 천연 석탄 공급원과 상이한 제2 천연 석탄 공급원으로부터 유래된 제2 PCP와 조합하여 포함한다. 선택적으로, 적어도 상기 제1 천연 석탄 공급원은 저급 석탄을 포함한다. 적합하게는, 상기 제2 천연 석탄 공급원은 상기 제1 천연 석탄 공급원에 비해 더 높은 등급의 석탄을 포함한다. 대안적인 구현예에서, 상기 제1 및 제2 천연 석탄 공급원 둘 모두는 저등급 석탄 공급원이다. 전형적으로, 상기 제1 및/또는 제2 천연 석탄 공급원은 폐석탄 미분, 예를 들어 웅덩이 광미 또는 가공 공장 농축기 언더플로우에 존재하는 것들을 포함한다.
본 발명은 또한 석탄 공급 원료 내의 회분 함량; 회분-내-탄소 함량; 황 함량; 및 염소 함량으로 이루어진 군 중 하나 이상을 감소시키기 위한 첨가제로서의 PCP의 용도를 제공한다.
본 발명은 또한 석탄 공급 원료에서 연소 효율을 증가시키기 위한 첨가제로서의 PCP의 용도를 제공한다.
본 발명의 구현예들에서, 미분화된 PCP를 제조하는 방법이 제공된다. 도 4에 제시된 바와 같이, 공급 원료 출발 물질(10)이 하나 이상의 미분 제분 단계(20)를 거치는 방법이 제공된다. 상기 출발 물질(10)은 전형적으로, 저급 물질, 폐기물, 생산 언더플로우 등과 같은 잔류 석탄 폐기물로부터 선택된다. 상기 출발 물질(10)은 잠재적으로 가치가 높은 탄화수소성 물질을 포함하지만, 이는 상당한 양의 회분, 황 및 물을 포함할 수 있어, 통상적인 목적을 위한 사용이 제한될 수 있다. 상기 하나 이상의 미분 제분 단계(20)는 고도로 비균질한 출발 물질(10)을 전형적으로 최대 약 100 μm의 d100을 갖는 미분쇄된 제품으로 변환한다. 상기 미분쇄된 제품은, 회분을 구성하는 친수성 미네랄 물질로부터 석탄 내의 소수성 탄화수소성 물질을 분류하는데 사용되는 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계(30)를 거친다. 상기 탄화수소성 물질로부터 회분을 분리한 후, 포말 내에 포함된 정제된 마이크로미분 석탄 물질을 물로 광범위하게(40) 세척한다. 생성된 정제된 석탄 제품 물질은 기계적, 열적 및/또는 회전 건조 기술(50)을 포함할 수 있는 하나 이상의 방법을 사용하여 탈수된다(50). 수분 함량을 10%m 미만으로 감소시키는 것이 바람직하고, 선택적으로 5%m 미만이 획득될 수 있으며, 전형적으로 2%m 미만의 수분 함량이 본 발명의 구현예들에 따라 달성된다. 상기 미분화된 정제된 석탄 제품(60)은 분말 상태로 유지될 수 있거나, 또는 이것이 펠렛화 또는 연탄 형성을 용이하게 하는 결합제와 조합되는 추가 가공을 거칠 수 있다. 대안적으로, 다른 위치들에 저장되거나 이들로 펌핑될 수 있는 슬러리를 형성하기 위해, 상기 정제된 석탄 제품(60)은 액체 탄화수소, 예를 들어 정제유 또는 미정제유 (예를 들어 잔류 연료유, 디젤유 또는 원유)와 조합될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 방법이 도 5에 제시되어 있으며, 이는, 목적하는 사양을 충족하는 정제된 석탄 제품을 생산하기 위해 복수의 석탄 미분쇄 단계(20, 21) 뿐만 아니라 복수의 포말 세척(40, 41) 및 탈수(50, 51) 단계를 제공한다. 도 5에 나타낸 구현예에서, 석탄 제분 단계(20, 21)는, 최대 약 100 μm의 d100를 갖는 제품을 수득하기 위한 제1 단계 분쇄, 및 이어서, 약 5 μm의 d80을 갖는 더 미세한 제품 (이는 상기 부유 단계(30)로 전달됨)을 수득하기 위한 제2 분쇄 단계를 포함한다. 탈수 단계(50, 51) 전에 포말을 광범위하게 세척하기 위해(40,41) 복수의 부피의 물이 활용된다. 멤브레인 필터 압축과 원심 또는 사이클론 건조뿐만 아니라 열처리의 조합은, 본 발명의 구현예들의 미분화된 정제된 석탄 제품(60)의 특징인 요구되는 낮은 수분 함량 임계값을 충족시키도록, 적합한 탈수를 가능하게 한다.
본 발명은 하기의 비제한적인 실시예를 참조하여 추가로 설명된다.
실시예
석탄 미분의 탈미네랄화 및 탈수는, 특히 초미분 및 마이크로미분 입자용으로 설계된 포말 부유 선광 분리와 기계적 및 열적 탈수 기술의 조합을 통해 달성될 수 있다.
모든 실시예에서 석탄 대체 제품으로 사용되는 정제된 석탄 펠렛은 여러 공정 단계에 의해 제조된다:
석탄 폐기물 슬러리의 대표적인 샘플, 예를 들어 저수지, 광미 웅덩이 또는 생산 광미 언더플로우로부터 유래된 퀸즐랜드(Queensland) 중휘발성 역청탄 A를 채취한다.
입자 크기 축소
이어서, 샘플링된 물질을 d80=30 내지 50 마이크론 (또는 일부 석탄에서는 더 미세함)의 입자 크기로 축소시켜, 5 내지 8%의 목표 회분 함량으로의 효율적 분리를 달성한다. 이를 위해, 공급물을 물로 희석하여 20 내지 40% 범위의 고형분 함량을 달성한 다음, 공급물의 상단 크기에 따라 볼 또는 비드 제분기에서 분쇄한다. 약 100 마이크론의 크기 범위에서 제품을 스크리닝한다. 일부 상황에서, 에너지 사용을 최적화하기 위해 분산제 첨가제(예를 들어 리그닌계 분산제, 예를 들어 Borregaard (1701 Sarpsborg, Norway)에 의해 제조된 Borresperse, Ultrazine 및 Vanisperse)가 포함된다. 적합한 장비는 Metso Corporation (Fabianinkatu 9 A, PO Box 1220, FI-00130 Helsinki, FIN-00101, Finland), Glencore Technology Pty. Ltd. (Level 10, 160 Ann St, Brisbane QLD 4000, Australia), 및 FLSmidth (Vigerslev Alle 77, 2500 Valby, Denmark)에 의해 제조된다.
회분 제거
전형적으로, 회분 함량을 목표 수준으로 낮추기 위해, 하나의 부유 단계 (하나의 더 대략적인 단계 및 몇몇의 더 깨끗한 단계)를 수행한다. 미네랄 물질이 주로 10 마이크론 미만의 크기 영역 내에 퍼져있는 일부 석탄의 경우, 추가 제분 후 하나 추가의 부유 단계가 필요할 수 있다.
정제된 석탄은 저수지, 광미 웅덩이, 및 저수지 및 광미 웅덩이로 향하는 생산 언더플로우로부터의 다양한 석탄 폐기물 공급물로부터 제조되었다. 이들은, 석탄기, 페름기 및 백악기 지질 연대의 미국, 호주, 남아프리카 및 인도의 석탄 및 저휘발성 역청에서 아역청에 이르는 석탄 등급을 포함한다(표 1 참조). 24%m 내지 70%m 범위의 회분 함량을 갖는 공급물을 사용하고, 약 30 μm 입자 크기(d80)로 제분한 다음, 세정 단계를 거치면, 유의하게 더 낮은 회분 함량 (일부는 최저 5 내지 10%m 회분이지만, 대부분은 10 내지 30%m 회분임)을 갖는 제품이 생성된다. 약 10 μm 입자 크기(d80)로의 제2 제분 후 세정 단계를 수행하면, 0.6%m 내지 10.2%m 범위의 회분 함량을 갖는 제품이 생성되며, 이들 중 많은 것은 회분 함량이 충분이 낮아 저회분 배합 공급물로 사용될 수 있다. 마지막으로, 약 5 μm 입자 크기(d80)로의 제3 제분 후 세정 단계를 수행하면 0.7%m 내지 3.1%m의 매우 낮은 범위의 회분 함량을 갖는 정제된 제품이 생성된다.
일부 경우에서, 4.2%m 내지 10.2%m 범위의 회분 함량을 갖는 가공된 석탄도 동일한 방식으로 정제되었다. 제1 단계에서의 제품의 결과적인 회분 함량은 1.2%m 내지 6.2%m였고, 제2 단계에서는 0.6%m 내지 3.7%m였고, 제3 단계에서는 0.2%m 내지 2.8%m였다.
표 1은 상이한 등급, 지리적 기원, 지질 연대 및 공급원 유형의 다양한 석탄에 대한 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계로부터의 세정된 제품 및 포말 부유 선광 공급물의 특성을 나타낸다. 12행 및 17행의 실시예와 같은 아역청탄은 역청탄보다 소수성이 낮으며, 이는 포말 부유에 의한 친수성 및 소수성 성분의 분리의 효과를 감소시킨다. 포말 부유 선광에서의 회수 및 분리는 전형적으로, 저급 석탄의 경우 매우 열악하므로, 본 발명자들이 아역청탄으로부터, 최저 2.3%m의 회분 함량을 갖는 제품에 대해, 보통이기는 하지만 유의한 수율(32 내지 47%m)을 획득하는데 성공하였다는 것은 놀라운 일이다.
물을 사용하여 석탄 슬러리를, 전형적으로 5 내지 20%m 고형분의 범위로 추가로 희석한 다음, 탱크에 수집하고, 부유제(flotation agent)(포말제(frother)로 알려짐, 예를 들어 메틸 이소-부틸 카비놀 및 송유) 및 수집제(collector)(예를 들어 디젤 연료 또는 다른 탄화수소유 및 Nasaco International Co. (Petite Rue 3, 1304 Cossonay, Switzerland)의 Nasmin AP7)을, 제어된 용량을 사용하여, 첨가한다. 공정수 및 밀폐된 공기 압축기로부터의 여과된 공기로 충전된 극미립자 분리기(예를 들어 FLSmidth (Vigerslev Alle 77, 2500 Valby, Denmark), Metso Corporation (Fabianinkatu 9 A, PO Box 1220, FI-00130 Helsinki, Finland), 및 GTEK Mineral Technologies Co. Ltd.에 의해 제조된 부유 시험기)를 사용하여 친수성 미네랄 물질로부터 소수성 탄소 물질을 분류한다. 탄화수소성 입자를 함유하는 포말이 탱크에서 범람하며, 이 포말은 개방된 상단 홈통(gutter)에서 수집된다. 미네랄 펄프는 배출될 때까지 분리 탱크에 저장되는 반면, 탈미네랄화된 석탄 슬러리는 탈기된 후 펠렛화 단계로 펌핑된다.
황 제거
표 1은 또한 시험된 범위의 샘플들에 대해, 황 제거에 대한 상기 방법의 영향을 보여준다. 황은 석탄에서 미네랄 황철광, 미네랄 황산염 및 유기적으로 결합된 황 (예를 들어 천연 유기 황)으로서 발견된다. 공급물 및 제3 단계 제품의 총 황(St) 및 유기 황(So)에 대한 결과를 제공하였다. 또한, 총 황과 유기 황 함량 간의 차이(St-So), 즉 미네랄 황 성분을 계산하였다. 상기 방법은 유기 황이 아닌 미네랄 황 만을 제거한다. 제3 단계 제품에서 미네랄 황 성분이 얼마나 낮은 지가 (더 높은 값은 최대 0.44%m까지도 수득될 수 있지만 대부분 0.03 내지 0.10%m 범위 내임) 주목할 만하다. (St-So) 값이 높을수록, 유의한 양의 1 마이크론 미만의 미네랄 영역을 갖는 샘플을 나타낸다. 대조적으로, 언더플로우, 저수지 및 광미 웅덩이 공급물에 대한 공급물 미네랄 황 함량(St-So) 값은 대부분의 제품에 대한 것보다 훨씬 높으며, 종종 0.9%m 초과이다.
탈수
이어서, 압출기용 공급물을 생성하기 위해, 필터 프레스 또는 튜브 프레스를 사용하여, 실제 입자 크기에 따라 20 내지 50%m의 목표 범위로, 가압하 또는 진공하에서, 때로는 공기 분사를 사용하여, 포말 부유 선광으로부터의 농축물을 탈수하여, 기계적 수단에 의해 물을 제거한다. 적합한 필터 프레스 장비는 Metso (FI-00130 Helsinki, Finland), FLSmidth (Valby, Denmark), 및 Outotec (Rauhalanpuisto 9, 02230 Espoo, Finland)에 의해 제조된다.
일부 경우에서, 응집제 (또는 증점제, 예를 들어 Nalco Champion (1 Ecolab Place, St. Paul, MN 55102-2233, USA)에 의해 제조되는 음이온성 폴리아크릴아미드 첨가제)를 첨가하여 침전 특성 및 언더플로우 밀도를 최적화한다. 절차를 최적화하기 위해, 침전 시험을 수행하여 침전 속도를 측정하고 침전 곡선을 생성하여 시간에 따른 언더플로우 밀도를 추적한다.
여과 속도 및 생성된 케이크 수분에 따라 여과가 필요할 수도 있다. 절차를 최적화하기 위해, 공급물 고형분 %(농축 / 비농축), 공급물 점도, pH 및 여과 압력을 측정하고, 케이크 배출 및 차단 성능을 평가한 후 여과포를 선택한다. 적합한 여과포는 Clear Edge Filtration (11607 E 43rd Street North, Tulsa, Oklahoma 74116 USA)에 의해 제조된다.
어떤 경우에서는, 필터 프레스 전에 고형분 함량을 농축시키기 위해 디캔터 원심 분리기(Decanter Centrifuge)를 공정 설계에 통합할 수 있다. 적합한 장비는 Alfa Laval Corporate AB (Rudeboksvagen 1, SE-226 55 Lund, Sweden)에 의해 제조된다.
추가 가공
정제된 석탄 제품은, 예를 들어 상기 제품이 액체 오일 내에 혼합되어 고체-액체 배합물을 형성하는 경우에, 미분화된 미립자 형태로 사용될 수 있다.
펠렛 또는 연탄을 생산하기 위한 추가 가공이 필요한 경우, 압출기를 사용하여 마이크로미분 석탄의 습윤 케이크를 고체 형태의 물품으로 압축하여 기계적 완전성을 제공한다. 적합한 펠렛화 압출기 장비는 Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG (Gebruder-Netzsch-Straβe 19, 95100 Selb, Germany) 및 Bonnot Co. (1301 Home Avenue, Akron, Ohio 44310, USA)에 의해 제조된다.
마이크로미분 석탄 습윤 케이크는, 펠렛화를 최적화하기 위해 상기 습윤 케이크와 혼합되는 유기 결합제 첨가제 (예를 들어 전분, 폴리비닐 아세테이트 분말, 당밀, 아라비아 검, 리그노설포네이트, 카르나우바 왁스, 구아 검 등)와 함께 또는 이의 부재하에, 압출기에 공급된다. 혼합물은, 펠렛 직경을 결정하는 여러 개의 원형 또는 마름모꼴 홀(hole)을 전형적으로 함유하는 다이를 통해 가압하에 통과된다. 그런 다음, 펠렛의 길이는 간단한 절단 장치에 의해 제어된다.
대안적으로, 핀 혼합기(pin mixer) 또는 디스크 펠렛타이저(disc pelletizer)를 사용하여 석탄 응집체를 형성할 수 있다. 적합한 응집 장비는 Feeco Int. (3913 Algoma Road, Green Bay, WI 54311-9707 USA)에 의해 제조된다.
마이크로미분 석탄 습윤 케이크는 유기 결합제와 함께 또는 이의 부재하에 핀 혼합기에 공급된다. 로드(rod) 또는 핀이 부착된 단일 로터 샤프트(rotor shaft)에 의해 생성된 고속 회전 동작은 성분들을 완전히 혼합하고, 물질이 혼합기의 길이를 따라 이동함에 따라 응집체를 형성하기 시작한다.
마이크로미분 석탄 습윤 케이크는, 유기 결합제와 함께 또는 이의 부재하에, 유기 결합제와 공급물이 지속적으로 첨가되면서 회전 디스크 상으로 상기 물질을 굴러 떨어뜨리는 디스크 펠렛타이저로 공급된다. 상기 물질이 굴러 떨어짐에 따라, 상기 습윤 미분은 점착성이 되고 추가 미분을 받아들인다. 펠렛이 합쳐져 목적하는 크기에 도달하면, 균일하고 둥근 펠렛이 원심력을 통해 회전 디스크로부터 배출된다.
대안적으로, 롤형 연탄 기계(roll-type briquette machine)를 사용하여 습윤 케이크를 성형된 연탄으로 압축할 수 있다. 적합한 연탄화 장비는 K.R. Komarek Inc. (548 Clayton Ct., Wood Dale, IL 60191, USA)에 의해 제조된다.
마이크로미분 석탄 습윤 케이크는, 롤 사이를 통과하는 물질의 질량을 제어하는 스크류 또는 오거 유형(auger type) 공급기 또는 간단한 중력식 공급기를 통해, 유기 결합제와 함께 또는 이의 부재하에 공급된다. 습윤 케이크는 반대 방향으로 회전하는 2개의 롤 사이에 유압을 가함으로써 압착되며, 전형적으로 하나의 롤은 고정되고, 다른 하나는 움직일 수 있지만 유압 실린더에 의해 제한된다. 롤의 표면 내로 절단된 구멍이나 골이 연탄을 형성한다.
대안적으로, 압축 성형 연탄 기계를 사용하여, 습윤 케이크를 성형된 연탄으로 압축할 수 있다. 적합한 연탄화 장비는 Ruf Maschinenbau GmbH & Co. KG (Hausener Str. 101, 86874 Zaisertshofen, Germany)에 의해 제조된다.
마이크로미분 석탄 습윤 케이크는 유기 결합제와 함께 또는 이의 부재하에 연탄화 기계의 호퍼 내로 적재되고 이송 스크류에 의해 사전-충전 챔버(pre-charging chamber) 내로 운송된다. 프레싱 램(pressing ram)은 물질을 금형 내로 압축하고 최종 형태와 밀도로 연탄을 형성한다. 왕복 금형(reciprocating mould)이 옆으로 이동하고, 다음 연탄이 형성됨에 따라 연탄이 배출된다.
건조
이어서, PCP 제품 또는 탈미네랄화된 석탄 펠렛(석탄 응집체 또는 연탄)은, 산소-부족 고온 공정 공기가 마이크로미분 석탄 펠렛 위로 직접 분사되는 벨트 펠렛 건조기로 이를 운반함으로써, 열 건조되어 물을 5%m 미만으로 감소시킨다. 적합한 장비는 STELA Laxhuber GmbH (Ottingerstr. 2, D-84323 Massing, Germany) 또는 GEA Group Aktiengesellschaft (Peter-Muller-Str. 12, 40468 Dusseldorf, Germany)에 의해 제조된다.
펠렛/연탄(PCP)은 여러 표준 시험을 통해 물질 취급 특성, 예를 들어 내충격성, 내마모성, 분쇄 저항 및 내수성 측면에서 평가된다.
실시예 1 - 압출에 의한 정제된 석탄 펠렛의 제조
미국 중휘발성 역청탄을 가공하는 선탄장의 언더플로우 불합격 스트림에서 채취한 52.6%m의 회분 함량을 갖는 샘플을 볼 제분기로 분쇄하여 d80 36 μm (즉, 입자의 80%가 직경 36 μm 미만임)의 분쇄 크기를 획득하였고 100 μm에서 스크리닝하였다. 이는 포말제로서의 MIBC 몇 방울과 함께 포말 부유 선광 장치에서 처리되었다. 포말-함유 유기 석탄 입자를 수집하고, 탈기하고 50% 및 60% 수분으로 탈수시켰으며; 생성된 회분 함량은 7.6%m였다.
구아 검을 결합제로 사용하여, 1.6, 4.0 및 7.5% w/w의 비율로, 초미분 석탄을 배합하여 약 500,000 센티포이즈의 목표 점도를 갖는 슬러리를 형성한 다음, Netzsch에 의해 제조된 압출기를 사용하여 펠렛으로 형성하였다. 펠렛은 직경이 10 내지 25 mm 범위였고 길이는 최대 50 mm였다. 공급물 슬러리 고형분 함량은 40 내지 70% w/w 범위였다. 이어서, 60 내지 70℃의 오븐에서 펠렛을 건조시켰다.
펠렛 평가는 내충격성 및 내수성 시험을 사용하여 수행되었다.
ㆍ 내충격성은, ASTM D440의 석탄에 대한 드롭 쉐터 시험의 표준 시험 방법(Standard Test Method of Drop Shatter Test for Coal)의 변형을 사용하여, 펠렛 조각을 측정하기 전에 2 m 높이로부터 펠렛을 강철판에 2회 떨어뜨림으로써, 측정하였다. 이용가능한 샘플이 충분하지 않았기 때문에 ASTM 440 권장 23 kg보다 훨씬 작은 샘플 크기를 시험하였다. 펠렛을 중복 시험하였다. Zeiss Discovery.V8 입체 현미경으로 수집된 조각을 검사하고, Zeiss AxioVision 소프트웨어를 사용하여 이들의 크기를 측정하였다. 각각의 펠렛은 20 내지 30개의 조각으로 나뉘었으며, 조각 직경은 2 내지 19 mm 범위였다. 조각의 페렛(Feret) 최소 직경을 측정하였고, 상이한 구아 검 농도들에서 제조된 PCP 펠렛으로부터의 조각의 시뮬레이션된 체 입자 분포(sieve particle distribution)(도 2(a)에 나타냄)를 생성하기 위해, ASTM D440에 명시된 체 크기를 나타내는 페렛 최소 직경을 선택하였다.
ㆍ 펠렛을 최대 1시간 동안 물에 침지시킴으로써 내수성을 평가하였고, 10분마다 펠렛의 완전성(integrity)을 검토하였고 펠렛의 질량 증가를 측정하였다. 펠렛을 건조시킨 다음 구아 검의 각각의 농도에서 단일 시험을 수행하였다. 도 2(b)는 상이한 구아 검 농도들에서 PCP 펠렛에 대한 수분 흡수 결과를 나타낸다.
다음과 같이 내수성 지수를 계산하였다(예를 들어, 문헌[Richards, S.R., Physical testing of Fuel Briquettes, Fuel Processing Technology, 25 (1990) 89-100] 참조):-
ㆍ WRI = 100 - 30분 후 수분 증가의 질량%.
ㆍ 1.6, 4.0 및 7.5의 농도에서 47%m, 63%m 및 61%m의 WRI 값이 획득되었다.
실시예 2 - 폐기물-유래 PCP와 저등급 천연 공급 원료의 배합
야금용 점결탄은 산소 부족 환경에서 가열되어, 고로에서 철광석을 제련할 때 환원제로 사용될 수 있는 충분한 강도와 반응성을 갖는 코크스를 제조한다. 특별한 특성이 필요하며, 호주 경질 점결탄 거래 사양(Australian Hard Coking Coal trading specifications)을 하기 표 2(1열)에 제시하였다. 점결탄은 고품질 열탄보다 약 2배인 높은 가치를 갖는다. 또한, 점결탄은 전세계적으로 공급이 부족하다.
표 2는 또한 호주 퀸즐랜드로부터의 중휘발성 역청탄 A의 채광 도중 유래된 2개의 폐기물 샘플(하나는 광미 웅덩이로부터 채취되고, 다른 하나는 석탄 가공 공장 농축기 언더플로우 폐기물 스트림으로부터 채취된 것임)을 업그레이드한 후 생산된 정제된 석탄 제품(PCP)의 특성을 나타낸다. 농축기는 고체 물질이 물로부터 침전되도록 함으로써 석탄 폐기물 스트림을 탈수하는데 사용되는 대형 원형 탱크이다. 농축된 슬러리는 탱크 바닥으로부터 펌핑되고, 생성된 농축기 언더플로우는 광미 웅덩이 또는 저수지 또는 기타 수단으로 펌핑함으로써 폐기된다.
폐기물 스트림 자체의 특성을 표 2(3열 및 5열)에 제시하였으며, 이 광산으로부터의 전형적인 천연 석탄 제품(2열)도 제공하였다.
상기에 기술한 바와 같이 PCP를 생산함으로써, 그것이 유래된 천연 석탄보다 훨씬 더 높은 품질 사양을 달성할 수 있다. 이 경우에서, 웅덩이 광미(4열) 및 농축기 언더플로우(6열)로부터의 PCP에 대한 4.2 내지 5.5%m, 0.5%m 및 2%m의 회분, 황 및 수분 함량 각각은 전형적인 생산 석탄 A(2열)에 대한 9.7%m, 0.6%m 및 9.5%m의 회분, 황 및 수분 함량 각각에 비해 유리하다. 이러한 PCP는 기슬러 유동성(Gieseler fluidity)(열가소성의 척도)을 제외하고 호주 경질 점결탄에 대한 사양 모두를 충족하며, 결과적으로, 전형적인 제품인 석탄 A와 동일한 방식으로 거래될 수 있다. 따라서, 농축기 언더플로우 및/또는 웅덩이 광미를 PCP로 가공함으로써, 이 현장에서의 고가의 점결탄 A의 생산은, 석탄 채굴의 효율 증가를 통해 유의하게 증가될 수 있다.
생산 석탄 B(7열)는 여러 매개 변수, 즉, 회분, 황, 인 및 수분 함량에 대해, 호주 경질 점결탄의 필수 사양(1열)을 초과한다. 석탄 B가 웅덩이 광미(8열) 또는 농축기 언더플로우(9열)로부터 제조된 PCP(석탄 대체 제품(CRP)으로도 지칭됨)와 질량 기준으로 균등하게(1:1) 배합되는 경우, 생성된 배합물의 모든 사양 매개 변수는 호주 경질 점결탄 사양(1열)을 충족한다.
실시예 3
정제된 석탄 펠렛은 또한, 지금까지 경제적으로 이용불가능했던 고회분 함량의 불량층 석탄으로도 제조할 수 있다. 이러한 석탄의 예는 호주 퀸즐랜드의 보웬 분지(Bowen Basin) 전체에 걸쳐 400 - 450 미터(총 두께)의 연계층을 형성하는 후기 페름기 포트 쿠퍼 협탄층(Late Permian Fort Cooper Coal Measures; FCCM)이다. FCCM은 미네랄 응회암과 탄소성 이암이 중간에 낀 탄층을 포함하며, 상부 Burngrove 암석, 하부 Fair Hill 암석, 및 Black Alley Shale을 비롯한 일련의 중간 주층(Middle Main Seams)으로 세분된다(문헌[Ayaz, S.A., Rodrigues, S., Golding, S.D., Esterle, J.S., Compositional variation and palaeoenvironment of the volcanolithic Fort Cooper Coal Measures, Bowen Basin, Australia, International Journal of Coal Geology (2016), doi:10.1016/j.coal.2016.04.]). 이들은 비트리나이트를 고도로 함유하는(전형적으로 70 부피% 초과) 두꺼운 층이며, 동일한 지질학적 연계층 및 위치에서 점결탄 생산 광산으로서 발생하지만(문헌[Permana, A.K., Ward C.R. and Gurba, L.W., Maceral Characteristics and Vitrinite Reflectance Variation of The High Rank Coals, South Walker Creek, Bowen Basin, Australia, Indonesian Journal of Geology, Vol. 8 No. 2 June 2013: 63-74, http://oaji.net/articles/2014/1150-1408500933.pdf]), 그럼에도 불구하고, 회분 함량이 40 내지 60%m 범위로 매우 높기 때문에 통상적인 선탄 방법을 사용하여 가공하는 것은 비경제적이다.
호주 퀸즐랜드의 FCCM 협탄층으로부터 유래된 공급물 샘플을 1,7 mm 크기에서 스크리닝하고, 너무 큰 것은 1.7 mm 스크린을 통과할 때까지 분쇄한 다음, 1.7 mm 미만의 두 샘플 모두를 조합 및 배합하고 하위 샘플로 분할하였다. 건조 기준 60.6%m의 회분 함량을 갖는 하위 샘플을 분쇄하고, d80 = 약 40 μm(시험 1A), d80 = 약 15 μm(시험 1B), d80 = 약 10 μm(시험 1C) 및 d80 = 약 5 μm(시험 1D)의 연속 입자 크기에서, 여러 단계의 분쇄 및 희석 세정에 의해 플로우트 셀(float cell)에서 분쇄 및 분리하였다. 결과는 하기 표에 제시하였다. 건조 기준 75.4%m의 회분 함량을 갖는 제2 샘플은, d80 = 약 30 μm(시험 2A), d80 = 약 6 μm(시험 2B), d80 = 약 5 μm(시험 2C)의 연속 입자 크기에서 유사하게 세정하면서 처리하였다.
따라서, 5%m 미만의 회분 함량을 갖는 정제된 석탄을 보통(제1 샘플) 및 매우 높은(제2 샘플) 석탄 수율로 제조하였다. 약 8%m의 회분 함량과 11 및 15 μm의 d80 값에서, 제1 샘플에 대해 더 높은 수율이 획득되었다. 이러한 샘플은 황 함량이 낮고(0.55 내지 0.79%m) 유의한 팽윤 특성(CSN 4 내지 6)을 나타낸다.
건조 기준 49.2%m의 회분 함량을 갖는 자르칸드(Jharkhand) 주의 인도 페름기 시대 석탄 샘플을 d80 = 약 20 μm(시험 3A), d80 = 약 10 μm(시험 3B), d80 = 약 5 μm(시험 3C)의 연속 입자 크기에서 유사하게 세정하면서 처리하였다. 회분 함량이 9%m에 불과한 d80 = 약 10 μm와 회분 함량이 5% 미만인 d80 = 약 5 μm에서 높은( 80%m 초과) 석탄 수율이 획득되었다.
비트리나이트의 임의적 반사율 값은 두 석탄 모두가 점결탄 범위에 가까운 고휘발성 역청탄임을 나타낸다.
A. 미분탄 주입(PCI) - PCP의 배합
미분탄 주입(PCI)은 고로에 추가 탄소 공급원을 제공하여, 금속 철 생산 속도를 높여 코크스 생산의 필요성을 감소시킨다. 결과적으로 에너지 사용과 배출물을 감소시킬 수 있다. 이러한 석탄은 특별한 특성 요건과 높은 가치 (전형적으로 고품질 열탄보다 약 50% 더 많음)를 갖는다.
하기의 표 5는 사우스 웨일즈(South Wales) 폐기물 쓰레기장으로부터의 반무연탄(석탄 C) 및 미국 저수지로부터의 저휘발성 역청탄(석탄 D)을 업그레이드한 후 생산된 PCP의 특성을 나타낸다.
폐기물 스트림 자체의 특성(2열 및 4열), 각각의 폐기물로부터의 업그레이드된 PCP 석탄 대체 제품(3열 및 4열), 및 전형적인 PCI 거래 사양의 예(1열)를 제공하였다. 생성된 PCP는, 사우스 웨일즈 석탄이 PCI 용도에 비해 약간 높은 황 및 인 함량을 가지며 PCP가 최적의 휘발성 물질 범위에 맞지 않는다는 점을 제외하고는, 요구되는 PCI 사양에 가까운 특성을 갖는다. 상기 2개의 PCP를 질량 기준으로 균등하게(1:1) 혼합함으로써(6열), 결과적인 배합물 특성 모두가 PCI 사양(1열)을 충족한다. 결과적으로, 상이한 석탄 등급과 품질의 공급원들을 배합함으로써, 석탄 폐기물은 열탄으로 사용할 수 있는 품질(표 4)뿐만 아니라 더 높은 가치의 PCI 석탄 제품으로 업그레이드되었다.
B. 열탄
열탄은 주로 발전에 사용되며 지역적으로 합의된 사양에 따라 국제적으로 거래된다. 2개의 호주 거래 사양을 하기 표 6에 나타내었으며, 하나는 일본(1열)에 대한 것이고 하나는 중국(2열)에 대한 것이다. 중국용 열탄은 전형적으로 중국에 대한 것보다 톤당 약 20 US달러 낮은 가격으로 거래되며, 이의 더 낮은 가격은 회분 함량 및 발열량에 대한 품질 요건이 더 낮음을 반영한다.
표 6은 또한, 석탄 가공 공장 농축기 언더플로우 폐기물 스트림으로부터 채취된, 호주 NSW로부터의 고휘발성 역청탄을 업그레이드한 후 생산된 PCP 석탄 대체 제품의 특성을 나타낸다(5열). 이 광산으로부터의 폐기물 스트림(4열)과 전형적인 제품(3열)의 특성 또한 제공하였다. 전형적인 제품인 석탄 E와 업그레이드된 PCP 둘 모두가 일본 및 중국에 대한 호주 사양을 둘 모두를 충족한다. 따라서, 농축기 언더플로우 폐기물을 PCP로 가공함으로써, 이 현장으로부터의 석탄 E의 생산은, 석탄 채굴의 효율 증가를 통해 증가될 수 있다.
이 현장으로부터의 다른 탄층인 석탄 F을 가공한 후, 이는 일본 또는 중국의 호주 사양에서 요구하는 것보다 더 낮은 품질을 제공하며, 회분, 수분 및 황 함량뿐만 아니라 발열량도 부족하다(6열). 가공된 석탄 F가 폐기물 석탄 E 농축기 언더플로우로부터 제조된 PCP와 질량 기준으로 균등하게(1:1) 배합되는 경우(7열), 생성된 배합물의 모든 사양 매개 변수는 일본과 중국 둘 모두에 대한 호주 사양을 충족한다. 따라서, 농축기 언더플로우를 PCP로 가공함으로써, 단독으로는 불량한 품질의 추가적인 탄층을 포함시킴으로써 이 현장으로부터의 국제적으로 거래가능한 석탄 생산을 증가시킬 수 있다.
실시예 4
미국 북부 애팔래치아 열탄 거래 사양(US North Appalachian Thermal Coal trading specifications)을 하기 표 7(1열)에 제시하였다.
표 7은 또한, 석탄 저수지로부터 채취된, 미국 켄터키로부터의 고휘발성 역청탄인 석탄 G을 업그레이드한 후 생산된 PCP 석탄 대체 제품(4열)의 특성을 나타낸다. 이 광산 지역으로부터의 전형적인 제품(2열)과 폐기물 스트림(3열)의 특성 또한 제공하였다. 전형적인 제품 석탄과 업그레이드된 PCP는 이제 열탄에 대한 미국 북부 애팔래치아 사양을 모두 충족한다. 따라서 저수지에 저장된 석탄 폐기물을 PCP로 가공함으로써, 거래 열탄으로 사용하기에 적합한 제품을 생산할 수 있다.
가공 후, 다른 광산 현장으로부터의 석탄(석탄 H)은 미국 북부 애팔래치아 열탄 사양에서 요구하는 것보다 더 낮은 품질을 제공하며, 회분, 수분, 휘발성 물질 및 황 함량 뿐만 아니라 발열량도 부족하다(5열). 석탄 H가 석탄 G 저수지로부터 제조된 PCP와 질량 기준으로 균등하게(1:1) 배합되는 경우(6열), 생성된 배합물의 모든 사양 매개 변수는 미국 북부 애팔래치아 열탄 사양을 충족한다. 따라서 석탄 저수지 폐기물로부터의 PCP를 배합함으로써, 단독으로는 불량한 품질의 석탄을 국제적으로 거래가능한 석탄 표준으로 업그레이드할 수 있다.
실시예 5
정제된 석탄 펠렛을 발전용 석탄 분쇄기 공급물 내로 배합함
대규모 석탄 화력 발전소의 복잡성으로 인해, 운영 경험을 기반으로 연료 품질 변화의 기술적 및 경제적 영향을 평가하기 위해 컴퓨터 모델이 개발되었다. 이러한 모델 중 하나는 Uniper Technologies (www.uniper.energy - Uniper SE, Dusseldorf, Germany)에 의해 개발된 연료 평가 도구이며, 이는 본원에 기술된 정제된 석탄 제품 펠렛(PCP)의 장점을 정량적으로 평가하는데 사용되었다. 연료 구매 및 전달, 효율, 유지 보수 및 가용성, 배출물, 시약 및 부산물에 대한 영향을 비롯한 공장 내 활용을 비롯한 전체 발전 공정이 모델링된다. 상기 연료 평가 도구는 연료 품질 변화로 인한 전형적인 현대식 발전소에 대한 성능 영향을 설명할 수 있다.
정제된 석탄 대체 제품(회분 함량 4.3%, 수분 2.0%, 휘발성 물질 35.8% 총 발열량 33.2 MJ/kg, 총 황 0.8%, 염소 0.05%(모두 입하 시 기준임))은 상이한 지역들, 즉 미국, 독일, 및 인도의 2곳에 대해 특유한 4개의 발전소 구성에 대해 평가되었고, 미국(일리노이, 애팔래치아 및 파우더 강 유역(Powder River Basin)), 콜롬비아, 러시아, 남아프리카, 인도네시아 및 인도로부터의 전형적으로 거래되는 다양한 석탄 공급물과 비교되었으며; 각각의 발전소 구성은 약 200개의 사용자 입력에 의해 기술되며, 각각의 발전소의 가장 중요한 매개 변수를 표 8에 제시하였다.
총 발전소(단위) 효율은 주로 앞서 논의한 요인 중 세 가지, 즉 보일러 효율, 보조 전력 수요 및 증기 온도(터빈 효율)에 의해 결정된다. PCP는 보일러 효율 및 보조 전력 수요 둘 모두에 유익한 영향을 미치며, 이는 펠렛을 소성할 때 더 높은 단위 효율을 초래한다는 것이 입증되었다. 도 3은 독일 경탄 발전소의 계산된 효율을 나타낸다(NCV 단위 효율을 표시하였음). 콜롬비아, 러시아, 미국 고황 및 남아프리카 석탄에 비해 단위 효율이 유의하게 향상되어, 생산된 전력의 MWh 당 석탄 소비가 직접적으로 감소된다. 이는 전체 발전 공정에서 비용 절감과 CO2 감소를 제공한다.
석탄 품질을 개선하면 공장 유지 관리 요건도 줄어든다. 단위 전력 생산 당 필요한 석탄의 톤수가 더 적고 PCP 및 PCP-함유 배합물이 일관된 고품질 연료이기 때문에, 석탄 공장 및 제분 시스템의 마모가 훨씬 개선된다. 또한 일부 석탄이 암석이나 금속과 같은 떠돌이 물질(tramp material)로 오염되는 것은 매우 일반적이다. 이러한 떠돌이 물질은, 특히 제분기 내에서, 마모율에 불균형적인 영향을 미칠 수 있다. 더 적은 톤수의 시약과 부산물을 가공할 필요가 있는 연도 가스 탈황 공장의 운영 및 유지 관리 비용도 절감될 것으로 예상된다. 마찬가지로, PCP의 경우 회분 처리 비용이 유의하게 감소하며, 예를 들어, 회분을 발전소에서 최종 사용자 또는 처분장으로 옮기는 화물차의 수가 크게 감소된다.
장치 가용성은 요구시 급전망에 전기를 공급하는 능력을 지칭한다. 공장에 문제가 발생하면, 장치는 수리를 위해 완전히 종료되어야 하거나('고장 정지(forced outage)'), 또는 장치가 계속 작동할 수는 있지만 전력 출력은 감소한다('강제 감소(forced derate)'). 두 경우 모두 가용성의 손실을 나타내며, 전력을 판매하여 수익을 얻을 기회를 잃기 때문에 일반적으로 이와 관련된 비용이 존재한다. 연료 평가 도구를 사용하여 수행된 4개의 연구에서, 관련 발전소의 가용성 손실을 초래할 수 있는 여러 주요 기술적 문제가 강조되었다. PCP는 강제 감소 및 고장 정지 비율을 낮출 것으로 예상된다. 장치 가용성이 개선될 것으로 예상되는 공장 영역은 제분기, 보일러(부식, 침식, 그을음 블로워(sootblower) 침식 등으로 인한 하부 튜브 고장), 회분 처리 공장 및 FGD 공장이다.
본 발명의 특정 구현예들이 본원에 상세하게 개시되어 있지만, 이는 예로서 및 단지 예시의 목적으로 개시된 것이다. 상기 언급된 구현예들은 본 발명의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아니다. 본 발명자들은, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 본 발명에 대해 다양한 치환, 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 고려한다.
Claims (27)
- 석탄 제품을 업그레이드하는 방법으로서,
(i) 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 조성물은 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계; 및
(ii) 조합된 고체-고체 배합물(combined solid-solid blend) 업그레이드된 석탄 제품을 생성하기 위해, 상기 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하는 단계를 포함하는, 석탄 제품을 업그레이드하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 정제된 석탄 조성물은 상기 고체 입자로 구성된 펠렛으로 형성되는, 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정제된 석탄 조성물은 정제된 석탄 펠렛 내에 포함되고, 상기 펠렛은, 총 제품에 대한 질량 백분율(%m)로, 최대 약 12%m의 회분, 선택적으로 8%m 미만의 회분, 적합하게는 5%m 미만의 회분을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠렛은 최대 약 25%m의 물, 선택적으로 20%m 미만의 물, 적합하게는 10%m 미만의 물을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠렛은, 최대 천연 유기 황 함량 및 총 제품의 0.5%m 이하의 추가 미네랄 황에 해당하는 총 황 함량을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠렛은 최대 약 0.05%m의 염소를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 석탄 공급 원료는 점결탄(coking coal); 미분탄 주입 석탄(pulverised coal injection coal: PCI); 열탄(thermal coal); 불량 석탄(inferior coal); 및 석탄 분쇄 공급물(coal pulverised feed)로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 최대 약 1%m, 5%m, 10%m, 20%m, 30%m, 40%m, 50%, 60%m, 70%m, 80%m, 90%m, 95%m 및 99%m의 상기 정제된 석탄 조성물 중 어느 하나를 포함하며, 나머지는 단일 또는 복수의 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성되는, 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 적어도 약 0.01%m 및 최대 약 99%m의 상기 정제된 석탄 조성물을 포함하며, 나머지는 단일 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성되는, 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합된 고체-고체 배합물은 상기 조합된 고체-고체 배합물의 총 질량을 기준으로, 적어도 약 0.01%m 및 최대 약 99%m의 상기 정제된 석탄 조성물을 포함하며, 나머지는 복수의 공급원으로부터의 고체 석탄 공급 원료로 구성되는, 방법.
- 석탄 제품을 업그레이드하는 방법으로서,
a) 석탄 미분의 제1 공급원으로부터 제1 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 조성물은 펠렛으로 압축된 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계;
b) 상기 제1 공급원과 상이한, 석탄 미분의 제2 공급원으로부터 제2 정제된 석탄 조성물을 제공하는 단계로서, 여기서 상기 제2 조성물은 펠렛으로 압축된 고체 입자 형태이고, 상기 고체 입자의 적어도 약 90 부피%(%vol)는 직경이 약 500 μm 이하인, 단계; 및
c) 조합된 고체-고체 펠렛화되고 배합되며 업그레이드된 석탄 제품을 생성하기 위해 상기 제1 조성물 및 제2 조성물을 조합하는 단계를 포함하는, 석탄 제품을 업그레이드하는 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합된 고체-고체 배합되고 업그레이드된 석탄 제품은 하기 중 하나 이상을 포함하는, 방법:
상기 제품의 총 질량을 기준으로,
적어도 약 1%m, 2%m, 3%m 또는 4%m; 및 최대 약 6%m, 7%m, 8%m 또는 10%m의 회분;
적어도 약 0.1%m, 또는 0.2%m; 및 최대 약 0.5%m; 1.5%m, 3%m, 또는 5%m의, 천연 유기 황 함량 초과의 추가 미네랄 황; 및
적어도 약 2%m, 3%m 또는 4%m; 및 최대 약 9%m, 12%m, 15%m, 20% 또는 25%m의 물. - 석탄 제품으로서, 정제된 석탄 조성물을 고체 석탄 공급 원료와 조합하여 포함하고, 상기 정제된 석탄 조성물은 입자 형태이고, 상기 정제된 석탄 조성물 입자의 적어도 95 부피%(%v)가 직경이 약 500 μm 이하인 것을 추가로 특징으로 하며, 상기 석탄 제품은 상기 배합된 석탄 제품의 총 중량을 기준으로 최대 약 80 질량%(%m)의 정제된 석탄 조성물을 포함하는, 석탄 제품.
- 제13항에 있어서, 상기 배합된 석탄 제품은, 전형적으로 입자의 적어도 95%v, 선택적으로 적어도 98%v, 및 적합하게는 적어도 99%v가 직경이 약 250 μm 이하인 정제된 석탄 조성물을 포함하는, 석탄 제품.
- 제13항에 있어서, 상기 배합된 석탄 제품은, 전형적으로 입자의 적어도 95%v, 선택적으로 적어도 98%v, 및 적합하게는 적어도 99%v가 직경이 약 100 μm 이하인 정제된 석탄 조성물을 포함하는, 석탄 제품.
- 정제된 석탄 제품을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 하기 단계:
a. 석탄을 포함하는 출발 물질을 수득하는 단계;
b. 상기 출발 물질을 실질적으로 모든 입자가 직경이 500 마이크론(μm) 이하인 미립자 조성물로 축소시키기 위해 상기 출발 물질을 적어도 하나의 미분쇄 단계에 적용하는 단계;
c. 상기 미립자 조성물 내에 포함된 탄화수소성 물질을 미네랄 물질로부터 분리하기 위해 상기 미립자 조성물을 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계(froth flotation stage)에 노출시키는 단계로서, 여기서 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계 동안 상기 탄화수소성 물질은 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 생산되고 분리된 포말과 결합되는, 단계;
d. 상기 적어도 하나의 포말 부유 선광 단계로부터 분리된 포말을 물로 세척하여 상기 탄화수소성 물질을 방출하는 단계; 및
e. 12%m 미만의 회분 함량, 25%m 미만의 수분 함량을 갖는 정제된 미립자 석탄 제품을 수득하기 위해, 상기 탄화수소성 물질을 적어도 하나의 탈수 단계에 적용하는 단계로서, 여기서 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 100 μm 미만의 d90을 갖는, 단계
를 포함하는, 정제된 석탄 제품을 제조하는 방법. - 제16항에 있어서, 상기 출발 물질은 석탄 광미 웅덩이(coal tailings ponds), 저수지(impoundments) 또는 쓰레기장(tips)으로부터의 폐기물; 석탄 생산 가공으로부터의 불합격 물질(reject materials); 및 불량 석탄으로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택된 공급 원료를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 미분쇄 단계는 볼 또는 비드 제분기에서 수행되고, 전형적으로 상기 출발 물질은, 미분쇄 단계 동안, 실질적으로 모든 입자가 직경이 250 μm 이하, 150 μm 이하, 100 μm 이하, 90 μm 이하 및; 적합하게는 80 μm 이하; 선택적으로 70 μm 이하인 미립자 조성물로 가공되는, 방법.
- 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포말 부유 선광 단계는 20%m 미만, 적합하게는 15%m 미만, 전형적으로 10%m 미만 및 선택적으로 5%m 미만의, 고체 대 액체 로딩(solids to liquids loading)으로 수행되는, 방법.
- 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탈수 단계는 상기 탄화수소성 물질을, 기계적 탈수; 사이클론 탈수; 원심 탈수; 및 열 탈수로 이루어진 군 중 하나 이상으로부터 선택된 탈수에 적용하는 단계를 포함하고, 선택적으로, 상기 탈수 단계는 상기 탄화수소성 물질을 적어도 2개의 상이한 탈수 단계에 적용하는 단계를 포함할 수 있는, 방법.
- 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에 의해 수득할 수 있는 정제된 미립자 석탄 제품은 12%m 미만, 선택적으로 8%m 미만, 전형적으로 5%m 미만, 적합하게는 2%m 미만의 회분 함량을 갖는, 방법.
- 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에 의해 수득된 정제된 미립자 석탄 제품은 25m% 미만, 적합하게는 20m% 미만, 선택적으로 10%m 미만, 전형적으로 8%m 미만의 수분 함량을 갖는, 방법.
- 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 100 μm 미만, 적합하게는 70 μm 미만, 선택적으로 50 μm 미만의 d90을 갖는, 방법.
- 미립자 석탄 제품으로서, 제16항 내지 제23항 중 어느 한 항의 방법에 의해 수득할 수 있으며, 상기 정제된 미립자 석탄 제품은 2%m 미만의 회분 함량, 7%m 미만의 수분 함량을 가지며, 상기 정제된 미립자 석탄 제품 내에 포함된 입자는 70 μm 미만의 d90을 갖는, 미립자 석탄 제품.
- 제24항에 있어서, 상기 제품은 연탄(briquette)으로 형성되는, 미립자 석탄 제품.
- 펠렛화된 석탄 제품으로서, 정제된 석탄 조성물을 포함하고, 상기 정제된 석탄 조성물은 미분화된 입자 형태이고, 상기 제품은 하기:
상기 제품의 총 질량을 기준으로,
최대 약 0.5%m, 1%m, 2%m, 3%m 또는 4%m의 회분; 및
최대 약 0.1%m, 0.2%m, 또는 0.5%m의, 천연 유기 황 함량 초과의 추가 미네랄 황;
최대 약 5%m, 8%m, 12%m, 15% 또는 20%m의 물;
을 포함하고,
상기 정제된 석탄 조성물 입자의 적어도 95 부피%(%v)가 직경이 약 500 μm 이하인 것을 추가로 특징으로 하는, 펠렛화된 석탄 제품. - 제26항에 있어서, 상기 제품은, 전형적으로 입자의 적어도 97%v, 선택적으로 적어도 98%v, 및 적합하게는 적어도 99%v가 직경이 약 250 μm 이하이며, 선택적으로 100 μm 이하인 정제된 석탄 조성물을 포함하는, 펠렛화된 석탄 제품.
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