CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 20, No. 3, September 2014, pp. 321~329 청정에너지기술 스팀유동층건조기를이용한고수분저등급석탄의건조특성 김기영, 이영우 *, 박재혁, 선도원, 배달희, 신종선, 류호정, 박재현 * 충남대학교에너지과학기술대학원 305-764 대전광역시유성구대학로 99 연세대학교화공생명공학과 120-749 서울특별시서대문구연세로 50 한국에너지기술연구원온실가스연구실 305-343 대전광역시유성구가정로 152 (2014 년 8 월 6 일접수 ; 2014 년 9 월 19 일수정본접수 ; 2014 년 9 월 19 일채택 ) Drying Characteristics of High Moisture Low Rank Coal using a Steam Fluidized-bed Dryer Gi Yeong Kim, Young-Woo Rhee*, Jae Hyeok Park, Dowon Shun, Dal-Hee Bae Jong-Seon Shin, Ho-Jung Ryu, and Jaehyeon Park * Graduate School of Energy Science and Technology, Chungnam National University 99 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-764, Korea Chemical and Biomolecular Engineering, Yonsei University 50 yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 120-749, Korea Greenhouse Gas Laboratory, Korea Institute of Energy Research 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea (Received for review August 6, 2014; Revision received September 19, 2014; Accepted September 19, 2014) 요 약 본연구에서는고수분저등급석탄을저수분석탄으로만들기위하여실험실규모의회분식스팀유동층건조기를사용하여수분이약 26% 함유된인도네시아산저등급석탄을 5% 이하로건조하였다. 일반적으로이산화탄소포집및저장기술 (carbon capture and storage, CCS) 은 CO 2 를재생하는공정에서 100~150 의스팀과 CO 2 혼합가스를배출한다. 이때배출되는가스의열을사용하여저등급석탄을건조하는것이본연구의최종목적이다. 이를위하여본연구에서는건조의열원으로스팀을사용하고, 유동화가스는 CO 2 를사용하여저등급석탄을건조하였다. 연구에사용한스팀의유량은 0.3~1.1 kg/hr, 온도는 100~130, 석탄의층높이는 9~25 cm 로변화시켰다. 건조후석탄의특성변화는공업분석, 발열량분석그리고입자크기분석을통하여확인하였다. 변수실험을수행한결과원탄의건조속도는스팀의유량과온도가증가함에따라증가하였고, 층높이가감소할수록건조속도가증가하였다. 주제어 : 저등급석탄, 스팀, 이산화탄소, 이산화탄소포집및저장기술, 유동층건조기 Abstract : In this study, Indonesia low rank coal, which has moisture content of around 26%, is dried less than 5% by using a laboratory-scale (batch type) steam fluidized-bed dryer in order to produce the low-moisture, high rank coal. Normally, CCS (carbon capture and storage) process discharges CO 2 and steam mixture gas around 100-150 of temperature after regeneration reactor. The final purpose of this research is to dry low rank coal by using the outlet gas of CCS process. At this stage, steam is used as heat source for drying through the heat exchanger and CO 2 is used as fluidizing gas to the dryer. The experimental variables were the steam flow rate ranging from 0.3 to 1.1 kg/hr, steam temperature ranging from 100 to 130, and bed height * To whom correspondence should be addressed. E-mail: ywrhee@cnu.ac.kr, jhpark@kier.re.kr http://cleantech.or.kr/ct/ doi: 10.7464/ksct.2014.20.3.321 pissn 1598-9721 eissn 2288-0690 This is an Open-Access article distributed under the therms of the Ceative Commens Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licences/ by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is property cited.. 321
322 청정기술, 제 20 권제 3 호, 2014 년 9 월 ranging from 9 to 25 cm. The characteristics of the coal, before and after drying, were analyzed by a proximate analysis, the heating value analysis and particle size analysis. In summary, the drying rate of low rank coal was increased as steam flow rate and steam temperature increased and increased as bed height decreased. Keywords : Low-rank coal, Steam, CO 2, CCS, Fluidized-bed dryer 1. 서론 석탄은약 120년간사용할수있는양이묻혀있는것으로알려져있으며, 이는석유의 3배, 천연가스의 2배에해당하는양이다. 그러나최근들어석탄의가격이상승함에따라석탄수급에큰차질이생기고있다. 한국의석탄사용량은 2010년세계석탄소비의 2.1% 를차지하며 9번째로많은석탄소비국으로일본, 중국에이은세계 3위의석탄수입국이다 [1]. 앞으로도아시아권에서의석탄소비가지속적으로증가할것으로예상되어저등급석탄으로분류되는갈탄및아역청탄등의품질을향상시키는연구가활발하게진행중이다. 저등급석탄의경우에는석탄매장량의절반을차지할정도로매장량이풍부하고매장지역이골고루분포하고있기때문에장기간동안안정적인공급이가능하며가격도고등급석탄의 1/3 수준이다 [2]. 그러나저등급석탄은수분함량이높아단위무게당발열량이낮기때문에발전소에직접적으로사용할경우발전효율저하를야기한다. 또한자연발화의가능성이높기에장기보관이나수송에큰문제점을가지고있다 [3]. 이러한문제점을해결하기위한저등급석탄의활용방안으로는석탄가스화, 석탄열분해그리고석탄건조가있다. 석탄가스화와석탄열분해의경우공정에서발생하는가스와타르를사용하기에석탄연소시발생하는오염물질배출을방지할수있다.[4] 다음으로수분건조를통한저등급석탄의고품위화의경우저등급석탄을건조하게되면석탄내의수분이감소하여상대적으로석탄의무게대비높은발열량을가지게된다. 따라서건조된석탄은기존의저등급석탄에비해높은보일러연소효율을가지며, 운송비를절감할수있고발전소에서연소시에도배출가스를적게배출하게된다. 많은연구자들이저등급석탄의고품위화를위한연구를활발히진행하고있으며, 저등급석탄을건조시키기위한방법으로는회전하는원통형건조기를이용하는로터리건조, 건조기하부에서고온의가스를주입하여피건조물을유동화시키는유동층건조, 미분상의입자를건조기내부에서열풍에실어보내건조시키는기류건조, 과열증기를이용한과열증기건조가있으며이외에도로터리-튜브 (rotary-tube), 챔버 (chamber), 밀 (mill) 타입등이있다 [5]. 이에대한연구로 Lisboa et al.[6] 은로터리건조기의구조변화에따른입자의체류시간과방정식을통해구한결과를비교하여최적의값을도출하는실험을하였다. Levy et al.[7] 은기포유동층을이용하여주입가스의온도및유속에따른석탄건조속도와시뮬레이션 (simulation) 을통한건조에관한연구를하였고, Kim et al.[8] 은기류건조기를이용하여가스의온도와유속, 석탄의입자크기에따른고수분석탄의건조특성을연구하 였다. 또한건조된석탄에대하여장기간의보관이나수송을위한안정화기술도연구중이다. 대표적인안정화기술로는바이오매스와함께혼합한후건조를시켜수분의재흡착을방지하는기술 [9] 과기화된탄화수소를건조된석탄에흡착시켜안정화시키는기술이있다 [10]. 현재개발중인기술중가장상용화가유력한기술로는유중슬러리를이용한일본의 UBC (upgraded brown coal) 공정 [11] 과기류건조를이용한호주의 BCB (binderless coal briquettes) 공정 [12], 스팀유동층을이용한독일의 WTA (fluidizedbed drying with internal waste heat utilization) 공정 [13] 이있다. 여러건조방법중에서스팀의경우공기보다높은열량을가지고있고열전달계수또한공기에비해높아석탄의건조에적합하다. 이번실험에사용한유동층기술은산업적으로많이사용되는방법으로일반적으로열풍을주입하여피건조물을건조시키는방법으로기체와피건조물간의접촉면적이넓고교반이활발히일어나석탄건조에매우유리한방법중하나이다. 유동층기술은건조이외에도유동층연소보일러, 석탄가스화, 이산화탄소포집및저장기술 (carbon capture and storage, CCS) 공정에도사용이된다. 그리고 2005년발효된교토의정서 (kyoto protocol) 에의해한국또한 2013년부터 2017년까지의무적으로온실가스배출량을감축하여야한다. 이를실행하기위한방안중에하나로 CCS가있다. CCS 공정은발전소에서발생하는배출가스중에 CO 2 를포집하여저장하는기술이다. CCS공정은연소전포집 (pre-combustion capture), 연소후포집 (post-combustion capture), 순산소연소 (oxy-fuel combustion) 로구분되며, 이중연소후포집공정은습식과건식, 막분리공정으로분류된다. 건식 CCS공정에서는 1차적으로흡수탑에서 CO 2 를흡수제를통하여흡수하고나머지가스를배출한후 2차적으로재생탑에서흡수제에서 CO 2 를분리시켜배출하게된다 [14]. 이때재생탑에서배출되는배출가스의성분은 100~150 가량의 CO 2 와스팀으로배출된다. 이렇게배출되는고온의 CO 2 와스팀을석탄건조에사용할경우 CCS공정에서는에너지의효율적이용으로경쟁력이높아지고, 석탄건조공정에서는양질의에너지를얻을수있다는장점이있다. 또한건조된석탄을발전소에서바로사용할수있다는장점이있다. 따라서최종적으로는 CCS공정에서발생하는배가스를이용하여유동층건조를통한저등급석탄의고품위화를할계획이며, 이번실험에서는스팀을건조열원으로, CO 2 를유동화가스로사용하여실험하였다. 스팀의경우주로곡물 [15], 판형물질 [16] 그리고석탄등의건조에사용되고있으며, 스팀을이용한고수분저등급석
스팀유동층건조기를이용한고수분저등급석탄의건조특성 323 탄의유동층건조는 Liu et al.[17] 이스팀유동층공정에서평균수분함량과유속, 온도등변수에따른에너지소비효율에따른시뮬레이션, Tahmasebi et al.[18] 이유동층건조공정에서스팀, 질소그리고열풍사용에따른저등급석탄의화학적구조의변화에대한연구를하였으며, Bongers et al.[19] 은건조조건에따른저등급석탄의기공크기변화에대한연구등많은연구가이루어지고있다. 본연구에서는실험실규모의스팀유동층건조기를사용하여스팀의유량및온도, 석탄의층높이등의변수가건조속도에미치는영향을파악하였다. 2. 실험방법 2.1. 원탄의성분본실험에서는고수분저등급석탄인인도네시아산아역청탄을사용하였다. 실험에사용한석탄의공업분석, 원소분석, 발열량분석결과를 Table 1에나타내었다. 공업분석결과석탄의수분함량은 25.87%, 회분은 10.65%, 휘발분은 35.91%, 고정탄소는 27.57% 이며, 원소분석결과탄소함량 64.75%, 수소 4.01%, 질소 1.18%, 산소 13.41%, 유황분 0.26% 로나타났다. 발열량은도착시료기준으로 3,860 kcal/kg이다. 2.2. 실험장치 Figure 1에고수분저등급석탄을건조하기위한회분식스팀유동층건조기의공정도를나타내었다. 실험장치는크게스팀을공급하기위한증기발생기 (steam generator) 와스팀의온도를제어하기위한예열기 (pre heater), 스팀의열을건조기로전달하기위한열교환기 (heat exchanger), 가스의유량을조절하기위한질량유량계 (mass flow controller, MFC), 고수 Table 1. Physical properties of high-moisture, low-rank Indonesian sub-bituminous coal Method of analysis Value Proximate analysis (%) - As received base Moisture 25.87 Volatile matter 35.91 Ash 10.65 Fixed carbon 27.57 Ultimate analysis (%) - Dry base Carbon 64.75 Hydrogen 4.01 Nitrogen 1.18 Sulfur 0.26 Oxygen 13.41 Heating value analysis (kcal/kg) - As received base Lower heating value 3,860 분저등급석탄의건조가이루어지는유동층건조기, 비산되 는미분을포집하기위한사이클론 (cyclone) 과백필터 (bag filter) 등으로구성되어있다. 스팀유동층건조기의크기는가 로 80 mm, 세로 80 mm, 높이는 500 mm 이고, 건조기의하단 에는금속분산판이설치되어유동화가스가건조기내에균일 하게공급될수있도록하였다. 그리고건조기하단에는건조 된석탄을배출하기위한밸브를설치하였다. 유동층건조기 내의압력과온도측정은열전대 (thermocouples) 와압력계를 설치하여실시간으로측정하였다. 열전대는분산판위 50 mm, Figure 1. Schematic diagram of steam fluidized bed dryer.
324 청정기술, 제 20 권제 3 호, 2014 년 9 월 200 mm, 400 mm에위치해있으며압력계또한동일한위치에설치하였다. 2.3. 실험방법본실험에사용된스팀은증기발생기를통해생성하였고, CO 2 실린더를통해 CO 2 가스를공급하여 CCS 공정의배가스와비슷한온도조건에서실험을진행하였다. 실험은물을증기발생기에서가열하여실험조건의온도로스팀을발생시키고이때발생한스팀은건조기로주입되는동안응축을방지하기위하여예열기를통해온도를조절하여준다. 스팀은유동층건조기내부의열교환기로공급하게되는데이때열교환기에서건조기내부로이동되는스팀의열을건조에사용한다. 석탄을유동화시키기위하여 CO 2 를윈드박스 (wind box) 를통하여건조기로주입시킨다. CO 2 는석탄을유동화시키고열교환기를지나는스팀을이용하여건조가진행된다. 건조중비산된미분은사이클론과백필터를통하여포집한다. 건조기내부의열교환기를빠져나간스팀은건조기후단에설치된응축기를통하여물로모두응축된후포집되어물질수지를계산하는데사용된다. 건조기내부에설치된열전대와압력계를통하여건조시압력과온도를측정하며석탄의수분함량을측정하기위해건조기하단의밸브를통하여일정시간마다석탄을샘플링하였다. Table 3. The characteristics of bed material and fluidizing gas Parameter Value Parameter Value d p [cm] 0.03 ρ s [g/cm 3 ] 0.77 ε mf [-] 0.56 ρ g [g/cm 3 ] 0.0013 Φ s [-] 0.63 g [cm/s 2 ] 980 µ [g/cm s] 1.78x10-4 Ar 1390.64 의열교환기가석탄입자의유동화에방해요인이될수있기때문에실험에앞서석탄입자유동화상태를확인하였다. 우선건조기내에서유동화가잘되는지알아보기위하여최소유동화속도에대한계산값과실험값을비교하였다. 계산에사용된식은 1952년 Ergun이발표한최소유동화속도식을사용하였으며최소유동화속도식은식 (1) 에나타내었다 [20]. 이외에도석탄및유체의특성이 Ergun의식에적합한지알기위해서 Reynolds numbers(2) 와 Archimedes number(3) 가적용되었다. Table 3은최소유동화속도실험에사용된석탄입자와유동화가스의특성을나타낸표이다. (1) 2.4. 실험조건저등급고수분석탄건조에대한실험조건들은 Table 2에나타내었다. 실험에사용된석탄은인도네시아석탄을사용하였고, 건조전석탄의수분함량은 25.87% 이다. 열교환기로는 100~130 의스팀이주입되며, 유동화가스로사용되는 CO 2 는상온의상태로건조기로주입된다. 열교환기를통과하는스팀의유량은 0.3~1.1 kg/hr로하였고, 유동층건조기내부로주입되는 CO 2 의유입유량은 25 L/min으로조절하였고, 석탄의층높이는 9~25 cm로변화하였다. 실험은수분함량이 5% 이하로감소될때까지수행되었으며, 건조실험중샘플링은건조가시작된후실험조건에따라 5~10분간격으로수행하였다. (2) 계산결과 Archimedes number는 1390.64, Reynolds numbers 는 1.17로최소유동화속도식의조건인 Re p.mf < 20을만족하 였으며, 최소유동화속도는계산결과 4.3 cm/s 였다. 이계산값 을바탕으로최소유동화속도에대한실험을하였으며 Figure 2 (3) 2.5. 최소유동화속도 본연구에사용된유동층건조기는일반적인유동층건조 기에추가로내부에열교환기가설치되어있다. 건조기내부 Table 2. Experimental conditions Parameter Value Coal High moisture sub-bituminous coal Moisture content of coal (%) 25 Inlet steam temperature ( ) 100, 115, 130 Inlet steam flow rate (kg/hr) 0.3, 0.7, 1.1 Bed height (cm) 9, 17, 25 Fluidizing gas flow rate (L/min) 25 Fluidizing gas CO 2 Figure 2. Minimum fluidizing velocity.
스팀유동층건조기를이용한고수분저등급석탄의건조특성 325 에스팀유동층건조기에서최소유동화속도를측정한결과를나타내었다. 유동화가스는 CO 2 를사용하였으며, 입자크기 0.3~0.5 mm의석탄을 500 g 사용하여실험하였다. 실험시상온상압의조건에서 30초간격으로유량을 1 L/min씩증가시키며유속을측정하였으며, 유동화정도는유동층건조기에설치되어있는압력계를이용하여차압을실시간으로확인하였다. 실험결과최소유동화속도는 3.9 cm/s로그이전까지지속적으로압력이증가하다가최소유동화속도이후감소후유지되는것을확인하였다. Subramani et al.[21] 의연구에서도본논문에서와마찬가지로유속이증가함에따라압력이서서히증가하다최소유동화속도에서압력이가장높은값을나타낸후약간감소한수치에서유지되었다. 이론적인결과와실험결과를비교해보면각각 4.3 cm/s와 3.9 cm/s로실제측정된최소유동화속도와유사한값을나타내었다. Figure 3. Differential pressure profile. 2.6. 분석장치 실험에사용된분석장비로는석탄의입도를분석하기위하여 Microtrac S3500 (Microtrac Inc, USA) 을사용하였고, 석탄의물성을알아보기위하여 KS E 3705( 석탄류의공업분석방법 ) 로공업분석을하였으며, TGA-701 Thermo-gravimeter (Leco Co, USA) 를사용하였다. 원소분석의경우에는 KS E3706( 석탄류의황분측정방법 ) 을사용하여분석하였으며, 분석을위한장치는 TruSpec elemental analyzer (Leco Co, USA) 를사용하였다. 발열량분석에사용된장치는 Parr 630EF calorimeter (Parr Co, USA) 로써 KS E 3705( 석탄류및코크스류의발열량측정방법 ) 를사용하여측정하였다. 수분측정은 HR-83P moisture analyzer (Metter Toledo, Republic of Korea) 를사용하였으며, 이분석기는열중량분석원칙에따라작동된다. Figure 4. Mean particle size. 3. 실험결과 3.1. 건조기의온도와압력의변화 Figure 3에스팀유동층건조기에서건조가진행됨에따른차압의변화를나타내었다. 실험조건으로는주입된스팀의유량은 0.3 kg/hr이고스팀의온도는 100 이며석탄의층높이는 17 cm이다. 차압은석탄이건조되면서부터건조가완료되는동안지속적으로감소하였다. 차압이감소하는원인은크게 3가지로나눠볼수있는데이는첫째, 석탄의건조가진행됨에따라석탄표면및내부에존재하는수분이증발을하여석탄의무게가감소하는경우. 둘째, 수분이증발하면서석탄의수축으로인해내부기공들의붕괴되어석탄입자의구조가변하면서부서지게되는경우. 셋째, 건조기내부에서유동화가스로인하여입자와입자혹은입자와건조기벽간의충돌로입자가부서지는경우이다. 건조로인한직접적인무게감소및건조중발생한미세한석탄입자가유동화가스에의해사이클론으로비산되어고체층의무게가감소하게된다. Figure 4는이러한석탄의입자크기감소를확인하기위하여건조전석탄과건조가완료된후석탄의입도분석 그래프이다. 건조전석탄의평균입도는 283 µm이었으나건조후는 259 µm로감소하였으며사이클론에포집된석탄입자의크기는 19 µm로건조중부서진석탄이사이클론으로비산되었음을알수있다. 석탄의무게감소및사이클론으로비산된석탄에의하여건조기내에유동화되고있는고체층의무게및석탄의양이감소하여압력은지속적으로감소하게된다. Figure 5는건조기내부석탄의층온도이다. 이그래프의실험조건은 0.3 kg/hr, 100 의스팀을주입하였으며, 600 g (17 cm) 의석탄을투입하였다. 주입되는스팀의온도는 100 로안정적으로유지되었고층온도의경우건조초기에는석탄에전해지는열이수분을증발시키기위한증발잠열로사용되면서온도가유지되었으며, 건조가진행됨에따라층온도가상승하기시작하는데이는석탄내의수분이건조가되면서수분을증발시키는데사용되던열의일부가석탄의온도를올리는데사용되었기때문에층온도가지속적으로상승하였다. Woo et al.[22] 의연구에서도주입가스온도와시간에따른건조기내의석탄층온도에대한그래프가게시되어
326 청정기술, 제 20 권제 3 호, 2014 년 9 월 Figure 5. Bed and inlet steam temperature profile. Figure 6. Drying rate profile according to the drying time. 있다. 이논문에서는 125, 150, 175 별로시간에따른층온도변화를나타내었고, 세조건모두 Figure 5와유사한층온도경향을나타내었다. 3.2. 건조구간에따른건조속도의변화 Figure 6은 0.7 kg/hr의유량으로 100 의스팀이공급되는조건에서건조시간에따른건조속도를나타낸그래프이다. 건조초기는항률건조기간으로이때석탄의표면은수분으로덮여있으며, 표면수분의건조가지속되는기간이다. 표면수분의건조가끝나면석탄의건조과정이감율건조기간으로넘어가며건조가진행됨에따라석탄의유효증발표면적이수축과표면경화등에의해감소하기때문에건조속도가급격히감소하는구간이다. 그래프상에서도건조후기에는건조속도가급격히감소함을알수있다. Hoehne et al.[23] 의연구에서도본연구와비슷한경향의건조속도의그래프가있으며, 위의논문에서는 3단계로건조를구분하였다. 1단계는석탄의표면수분이건조되며빠른건조속도를나타내는구간, 2단계는기공내의존재하는수분과석탄입자와결합한수분이건조되는구간으로수분이건조됨에따라수분의결합에너지가증가하고이에따라석탄의건조속도또한건조가진행될수록감소하게된다. 3단계에서는석탄에공급되는에너지에따라석탄의최종수분이결정되는구간으로공급되는에너지가클수록석탄의최종수분함량이낮아진다. 이를바탕으로석탄의건조속도를계산하기위하여아래와같은식 (4) 을사용하여건조속도를구하였다. 3.3. 스팀의유량변화에따른건조속도의변화 Figure 7에스팀의주입유량을변수로시간에따른석탄의수분함량변화를나타낸그래프를나타내었다. 층높이 17 cm 의석탄을 0.3~1.1 kg/hr까지스팀유량을변화시키며건조하였고유량이증가함에따라건조가빨리진행됨을알수있다. 0.3 kg/hr의유량을주입할경우가장느리게건조가되었고유량을 1.1 kg/hr로증가시켰을때는건조가시작된후 30분이내에석탄의수분함량이 5% 미만으로감소하였다. Chen et al.[24] 은스팀유동층에서의스팀의유량, 석탄투입량. 석탄의크기등의변수에서의석탄건조에대한모델링을하였다. 위의논문에서스팀의유량증가에따른석탄의층온도및수분함량그래프를보면유량이증가할때, 석탄의층온도는주입되는스팀의유량이증가함에따라지속적으로증가하였고, 수분함량또한스팀의유량이증가함에따라서감소하였다. 본실험에서도스팀의유량이증가함에따라열교환기를지나는스팀의양이많아지기에시간당석탄에공급되는열량이증가하여건조속도가증가하였다. (4) M H2O = 건조된수분의무게 (kg H2O) M dc = 수분을제외한석탄의무게 (kg dc) t = 건조시간 (min) Figure 7. Effect of steam flow rate on moisture content.
스팀유동층건조기를이용한고수분저등급석탄의건조특성 327 Figure 8. Effect of steam flow rate on drying rate. Figure 10. Effect of steam temperature on drying rate. Figure 8은각온도조건별로항률건조구간의건조속도를계산한결과이며, 0.3 kg/hr의경우 0.012 min -1, 0.7 kg/hr일때는 0.018 min -1, 1.1 kg/hr의경우 0.020 min -1 으로유량이증가할때마다건조속도가그에비례하여빨라진것을확인할수있다. 3.4. 온도변화에따른건조속도의변화 Figure 9는주입되는스팀의온도변화에따른석탄의수분함량변화를나타낸그래프이다. 건조에사용된스팀의유량은 0.7 kg/hr, 석탄의층높이는 17 cm로하고스팀의온도를 100~130 의조건으로변화시키며실험하였다. 실험결과스팀의온도가증가함에따라석탄내의수분함량이빠른시간내에감소하였다. 이는 Woo et al.[22] 의논문에서도 125, 150, 175 의세조건에서실험한결과온도가높아질수록빠른건조속도를나타내는것과일치한다. 스팀의온도가높을수록많은열량을가지고있어더빠른속도로건조가진행된다. Figure 10은스팀의온도변화에따른수분함량을사용하여건조속도를계산한결과에대한그래프로 100 의온도에서는 0.018 min -1, 115 일때는 0.024 min -1, 130 에 서는 0.030 min -1 이었으며스팀의온도가증가함에따라저등급석탄의건조속도는증가함을알수있었다. 3.5. 층높이변화에따른건조속도의변화 Figure 11은석탄의층높이에따른석탄의수분함량변화를나타낸그래프이다. 건조에사용된스팀의온도는 100, 스팀의유량은 0.7 kg/hr, 건조기내석탄의층높이는 9~25 cm로변화시켜실험하였다. 그래프에서나타나있듯이층높이가낮을수록건조가더빨리됨을알수있었다. Taechapair et al.[25] 은스팀유동층건조기에서전처리및실험조건에따른건조율에대한연구를하였다. 이논문에서는층높이 10.0, 12.5, 15.0 cm에서두가지온도조건으로실험하였다. 실험결과는본논문의실험결과와유사하였으며, 층높이가낮을수록건조속도가빠르게나타났다. 이는수분의양과관계가있는데, 석탄의양이증가함에따라수분의양도증가하기때문에층높이가높아짐에따라건조속도도감소한다. 그리고 Figure 11의결과에서보면층높이 25 cm의경우수분함량을 5% 이하로감소시키는데다른조건의실험보다건조시간이긴것을알수있다. 이는건조기내부에있는열교환기의영 Figure 9. Effect of steam temperature on moisture content. Figure 11. Effect of bed height on moisture content.
328 청정기술, 제 20 권제 3 호, 2014 년 9 월 고정탄소의비율이수분함량이감소함에따라상대적으로증가하였다. 발열량분석결과를보면석탄이건조됨에따라저위발열량의경우 3,860 kcal/kg에서 5,510 kcal/kg로 1,650 kcal/ kg만큼의발열량이증가하였다. 건조가진행되면서석탄내의수분함량이감소하기에위의공업분석결과에서도알수있듯이단위무게당고정탄소량이증가하여석탄의발열량이증가하였다. 4. 결론 Figure 12. Effect of bed height on drying rate. 향으로판단된다. 열교환기의높이는분산판위 3 cm부터 20 cm까지설치되어있다. 즉, 층높이가 9 cm와 17 cm인조건에 서는건조기내의고체층이열교환기와많은면적을접촉하 지만 25 cm 의조건에서는열교환기에접촉이충분하지않은 고체층이생기게된다. 따라서 9 cm 와 17 cm 의조건보다 열교환기와의접촉면적이상대적으로적기때문에건조시간 이오래걸린것으로판단된다. 많은양의석탄을건조할시 열교환기의높이를충분히높인다면건조속도를빠르게할 수있을것으로예상된다. Figure 12는 3단계의건조구간중 1단계인항률건조구간 에대한건조속도를계산하였으며층높이변화에따른건조 속도를계산해보았을때도 9 cm 가 0.019 min -1 로가장빠른 건조속도를나타내고있고나머지 17, 25 cm 의경우각각 0.017, 0.013 min -1 으로석탄의층높이가낮을수록빨리건조 됨을알수있었다. 3.6. 건조후물성분석 Table 4 에건조된석탄의공업분석, 발열량분석, 원소분 석결과를나타내었다. 공업분석결과를보면, 건조전에는 25.87% 였던수분함량이건조후에는 1.53% 까지감소하였고 휘발분의경우에는 35.91% 에서 41.32% 로증가하였으며, 회 분은 10.65% 에서 16.39% 로, 고정탄소는 27.57% 에서 40.77% 로증가하였다. 건조전에비하여건조후에는휘발분, 회분, Table 4. Physical properties of dried coal Method of analysis Value Proximate analysis (%) - As received base Moisture 1.53 Volatile matter 41.32 Ash 16.39 Fixed carbon 40.77 Heating value analysis (kcal/kg) - Dry base Lower heating value 5,510 본연구에서는실험실규모의스팀유동층건조장치에서스팀의유량과온도, 석탄의층높이를변수로하여저등급고수분석탄의건조실험을수행하였다. 최초수분함량 25.87% 의저등급고수분석탄을모든변수조건에서수분함량 5% 이하로안정적으로건조하였다. 스팀의유량을변수로진행한실험에서는스팀의유량이증가함에따라건조속도가증가하였다. 스팀의온도변수또한가장높은온도인 130 에서가장빠른건조속도를나타내었고온도가낮아질수록건조속도가느려지는경향을보였다. 층높이변수의경우에는 9~25 cm의조건으로실험을하였으며층높이가낮을수록건조속도가빨라짐을알수있었다. 건조후석탄의물성변화를확인하기위하여공업분석, 발열량분석을실시하였으며결론적으로수분의함량이감소하였고상대적으로고정탄소와휘발분등이증가하였으며석탄의발열량은 3,860 kcal/kg에서 5,510 kcal/kg으로고품위화되었음을알수있었다. 위와같은결과를보았을때스팀유동층을이용한고수분저등급석탄의건조는안정적인석탄건조방법임을확인하였다. CCS 공정에서발생하는스팀을석탄건조에이용시기존의열풍을이용한건조보다높은건조율을나타낼것으로판단된다. 본연구에사용된스팀유동층건조실험자료를사용하여추후 CO 2 와스팀의혼합가스를사용하여석탄유동층건조실험을수행할계획이다. 감사본연구는한국에너지기술연구원의주요사업으로수행한결과입니다 (B4-2443-03). References 1. Volkan S. Ediger. Geopolitics of Coal and Global Environment. Pittsburgh Coal Conference 2010, pp. 185-217 (2010). 2. Kim, T. J., Kim, S. D., Lim, J. H., Rhee, Y. W., and Lee, S. H., Characteristics of Coal Water Fuel by Various Drying Coals, Surfactants and Particle Size Distribution Using Low Rank Coal, Clean Technol., 19(4), 464-468 (2013). 3. Wang, D., Zhong, X., Gu, J., and Qi, X.. Changes in Active Functional Groups during Low-temperature Oxidation of Coal, Mining Sci. Technol. (China), 20(1), 35-40 (2010) 4. Hwang, S. H., Kim, S. K., Park, J. Y., Lee, D. K., Lee, S. H., and Rhee, Y. W., Kinetic study on Low-rank Coal
스팀유동층건조기를이용한고수분저등급석탄의건조특성 329 Including K 2CO 3, Na 2CO 3, CaCO 3 and Dolomite Gasification under CO 2 Atmosphere, Clean Technol., 20(1), 64-71 (2014). 5. Karthikeyan, M., Zhonghua, W., and Mujumdar, A. S. Low- Rank Coal Drying Technologies-Current Status and New Developments, Dry. Technol., 27(3), 403-415 (2009). 6. Lisboa, M. H., Vitorino, D. S., Delaiba, W. B., Finzer, J. R. D., and Barrozo, M. A. S. A Study of Particle Motion in Rotary Dryer, Brazilian J. Chem. Eng., 24(3), 365-374 (2007). 7. Levy, E. K., Caram, H. S., Yao, Z., Wei, Z., and Sarunac, N. Kinetics of Coal Drying in Bubbling Fluidized Beds, In Proceedings Fifth World Congress on Particle Technology, pp. 1-6 (2006). 8. Kim, S. D., Lee, S. H., Rhim, Y. J, Choi, H. K., Lim, S. H., Chun, D. H., and Yoo, J. H. Drying Characteristic of High Moisture Coal using a Flash Dryer, Korean Chem. Eng. Res., 50(1), 106-111 (2012). 9. Park, I. S., Chun, D. H., Jo, W. T., You, J. H., Lee, S. H., and Rhee, Y. W., Stabilization Characteristics of Upgraded Coal Using Palm Oil Residues, Clean Technol., 19(4), 469-475 (2013). 10. Chun, D. H., Park, I. S., Cho, W. T., Jo, E. M., Kim, S. D., Choi, H. K., Yoo, J., Lim, J. H., Rhim, Y. J., and Lee, S. The Stabilization Study of Low-rank Coal by Vapor Adsorption, Clean Technol., 19(1), 38-43 (2013). 11. Kinoshita, S., Yamamoto, S., Deguchi, T., and Shigehisa, T. Demonstration of Upgraded Brown Coal (UBC) Process by 600 Tonnes/Day Plant, Kobelco Technol. Rev., 29, 93-8 (2010). 12. Mangena, S. J., De Korte, G. J., McCrindle, R. I., and Morgan, D. L. The Amenability of some Witbank Bituminous Ultra Fine Coals to Binderless Briquetting, Fuel Process. Technol., 85(15), 1647-1662 (2004). 13. Klutz, H. J., Moser, C., and Bargen, N. V. The RWE Power WTA Process (Fluidized Bed Drying) as a Key for Higher Efficiency, Górnictwo i Geoinżynieria, 35, 147-153 (2011). 14. Yi, C. K. Advances of Post-combustion Carbon Capture Technology by Dry Sorbent, Korean Chem. Eng. Res., 48(2), 140-146 (2010). 15. Soponronnarit, S., Prachayawarakorn, S., Rordprapat, W., Nathakaranakule, A., and Tia, W. A Superheated-steam Fluidized-bed Dryer for Parboiled Rice: Testing of a Pilotscale and Mathematical Model Development, Dry. Technol., 24(11), 1457-1467 (2006). 16. Pakowski, Z., and Adamski, R. On Prediction of the Drying Rate in Superheated Steam Drying Process, Dry. Technol., 29(13), 1492-1498 (2011). 17. Liu, Y., Aziz, M., Kansha, Y., and Tsutsumi, A. A Novel Exergy Recuperative Drying Module and its Application for Energy-saving Drying with Superheated Steam, Chem. Eng. Sci., 100, 392-401 (2013). 18. Tahmasebi, A., Yu, J., and Bhattacharya, S. Chemical Structure Changes Accompanying Fluidized-bed Drying of Victorian Brown Coals in Superheated Steam, Nitrogen, and Hot Air, Energy Fuels, 27(1), 154-166 (2012). 19. Bongers, G. D., Jackson, W. R., and Woskoboenko, F. Pressurised Steam Drying of Australian Low-rank Coals: Part 2. Shrinkage and Physical Properties of Steam Dried Coals, Preparation of Dried Coals with Very High Porosity, Fuel Process. Technol., 64(1), 13-23 (2000). 20. Kunii, D., and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, pp. 68-71 (1969). 21. Subramani, H. J., Balaiyya, M., and Miranda, L. R. Minimum Fluidization Velocity at Elevated Temperatures for Geldart s Group-B Powders, Exp. Therm. Fluid Sci., 32(1), 166-173 (2007). 22. Woo, M. W., Stokie, D., Choo, W. L., and Bhattacharya, S. Master Curve Behavior in Superheated Steam Drying of Small Porous Particles, Appl. Therm. Eng., 52(2), 460-467 (2012). 23. Hoehne, O., Lechner, S., Schreiber, M., and Krautz, H. J. Drying of Lignite in a Pressurized Steam Fluidized Bed- Theory and Experiments, Dry. Technol., 28(1), 5-19 (2009). 24. Chen, Z., Agarwal, P. K., and Agnew, J. B. Steam Drying of Coal. Part 2. Modeling the Operation of A Fluidized Bed Drying Unit, Fuel, 80(2), 209-223 (2001). 25. Taechapairoj, C., Dhuchakallaya, I., Soponronnarit, S., Wetchacama, S., and Prachayawarakorn, S. Superheated Steam Fluidised Bed Paddy Drying, J. Food Eng., 58(1), 67-73 (2003).