중유 침적법을 이용한 석탄 건조에 관한 연구

노 남 선, 김 광 호, 신 대 현, 김 동 찬

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Study on Coal Drying by Heavy Oil Immersion Method

Nam-Sun Roh, Kwang-Ho Kim, Dae-Hyun Shin and Dong-Chan Kim

Energy and Environment Research Department, Korea Institute of Energy Research, Taejon, 305-343, Korea

서론

석탄 중의 유황분 및 회분의 함량은 상당히 낮으나 수분함량이 30 wt% 이상이 되는 저탄화 석탄(Low-Rank Coal)은 매장량이 풍부하나 산업체, 발전소에 직접 연소가 불가하므로 현재로서는 활용가치가 매우 낮은 것으로 평가되고 있다.

현재까지 개발된 대부분의 건조공정들은 수분의 재흡수, 분진 발생, 자연 발화 등의 문제점들이 많이 지적되었고, 석탄을 건조하기 위해서는 일정한 크기 이하로 분쇄해야 하고 최고 500 oC 정도의 온도를 이용하여 건조시키므로 장치비용과 운전비가 높아 건조비용이 크게 소요되는 단점이 있는 것으로 보고되었다.

본 연구에서는 이와 같은 기존 공정들의 문제들을 해결하기 위해서 중유 침적법을 이용한 새로운 석탄 건조방법을 개발하였으며, 실험실에서 수행된 기초실험결과와 20 kg/hr 규모의 건조장치에서 실시된 테스트 결과를 소개하였다.

건조 원리

Fig. 1.  Principles of coal drying by heavy oil immersion method.

건조방법의 원리는 갈탄이나 아역청탄과 같이 수분함량이 높은 저탄화 석탄을 Fig. 1과 같이 가열된 중유 내를 통과시킨 후 이를 다시 건조용 공기를 이용하여 가열건조함으로써 석탄 중의 표면수분과 고유수분을 감소시키는 것이다.

액체인 중유 내에 원료석탄이 투입되어 직접 중유와 접촉되므로 비교적 열전도성이 낮은 석탄의 가열효과가 높아지고 석탄의 팽윤(Swelling)현상에 의해 열전달 및 물질전달을 높임으로써 수분의 발산이 촉진된다. 또한 석탄의 표면과 미세한 기공들의 표면에도 오일성분이 코팅되어 친유성(Hydrophobicity)이 증가하고 Shrinkage 현상에 의해 석탄 내부의 미세기공이 감소하고 수분의 재흡수가 최대한 억제되는 것이 본 건조방법의 특징이다.

실험 장치 및 방법

건조 기초실험에 이용된 주요 장치는 중유의 가열 및 온도유지에 필요한 순환조, 시료석탄의 건조 및 2차 건조에 사용되는 전기가열기, 시료석탄과 건조탄의 저장에 사용되는 항온항습기 및 IR 형식의 수분함량 측정기 등이다.

건조 기초실험 과정은 크게 ①원료석탄의 크기별 분류 → ②1차 건조 → ③2차 건조 → ④무게 측정 → ⑤항온항습 저장 → ⑥수분함량 측정의 순서로 진행된다. 건조석탄 중의 일부는 항온항습기에서 일정한 온도와 습도 조건으로 보관되어 저장시간에 따른 수분함량의 변화를 측정한다.

Bench 규모의 건조 실험장치는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 크게 ①원료석탄 투입 장치, ②1차 건조기, ③2차 건조기, ④냉각기 등으로 구성되어 있다. 실험장치의 흐름도를 살펴보면 30 - 50 mm 직경의 시료석탄은 70 - 120 oC의 온도범위로 가열된 중유가 저장된 1차 건조기로 이송되어 중유와 접촉한 후 140 - 220 oC의 건조용 가열공기가 공급되는 Screw Feeder 형태의 2차 건조기에서 중유와 수분이 증발하게 된다.

Fig. 2.  Schematic Diagram of Bench Scale Facility for Coal Drying.

결과 및 토론

1차 및 2차 건조온도, 1차 및 2차 건조시간, 시료석탄의 크기 등을 변수로 하여 수분함량이 25 - 32 wt% 범위인 저탄화 석탄에 대한 기초실험을 실시한 결과 건조석탄의 수분을 공업분석 기준으로 7 - 10 wt.% 정도까지 낮출 수 있었다. 또한 1차 건조온도나 1차 건조시간에 따른 건조석탄의 수분함량 및 중유흡수율의 변화는 별로 없었고, 2차 건조온도와 2차 건조시간이 증가할수록 그리고 시료크기가 작아질수록 건조석탄의 수분함량은 감소하였다.

Fig. 3은 건조실험 장치에서 배출된 건조석탄의 수분함량 변화를 2차 건조시간을 매개변수로 하여 나타낸 것이다. 이 그림은 1차 반응기 온도가 100 oC, 1차 반응기 체류시간이 20 분, 2차 반응기 온도가 200 oC인 조건에서 얻어진 실험결과이다. 그림을 살펴보면 2차 건조시간이 길어질수록 건조석탄의 수분함량은 감소하며, 2차 건조시간이 40 분인 조건에서는 건조석탄의 수분함량을 4 - 6 wt.%까지 감소함을 확인할 수 있다.

Fig. 3.  Variation of Moisture Content with 2nd Drying Time.

1차 및 2차 건조과정을 거친 알래스카탄과 인도네시아탄의 물성을 원료석탄과 비교해 보면 우선 수분함량은 10.0 % 이하로 감소하였고, 유황분 함량은 흡수된 중유 중의 유황분 때문에 약간 증가된 수치를 나타냈다. 또한 알래스카탄의 경우는 건조에 의해 탄소성분, 발열량 및 HGI가 모두 증가한 반면, 인도네시아탄의 경우는 탄소성분, 발열량, 진밀도 및 HGI의 변화가 거의 없었다.

Fig. 4는 인도네시아 원탄과 1, 2차 건조과정을 거친 건조석탄의 표면을 전자현미경으로 확대하여 나타낸 것이다. 원료석탄에서 발견할 수 있는 세공들이 건조과정을 통하여 많이 감소한 것을 육안으로 볼 수 있으며, 실제로 BET 표면적을 측정한 결과 건조석탄의 표면적은 원료석탄에 비하여 ½ 정도로 감소한 것이 확인되었다.

Fig. 4. SEM Photograph of Indonesian Coal Surface.

(1) Raw Coal	(2) Dry Coal(T1:100 ℃, t1:30 min, T2:200 ℃, t2:40 min)

참고 문헌

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