, pp. 106-111 기류건조기를이용한고수분석탄의건조특성 김상도 이시훈 임영준 최호경 임정환 전동혁 유지호 한국에너지기술연구원청정석탄센터 305-343 대전광역시유성구가정로 152 (2011 년 4 월 18 일접수, 2011 년 5 월 11 일채택 ) Drying Characteristic of High Moisture Coal using a Flash Dryer Sang Do Kim, Si Hyun Lee, Young Joon Rhim, Ho Kyung Choi, Jeong Hwan Lim, Dong Hyuk Chun and Ji Ho Yoo Clean Coal Center, Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Deajeon 305-343, Korea (Received 18 April 2011; accepted 11 May 2011) 요 약 5 kg/hr 벤치규모기류건조기를이용한고수분석탄의건조특성을알아보았다. 도착시료기준으로원료석탄의수분함량및발열량은각각 29.74 wt%, 4,270 kcal/kg 이다. 가스유입온도및가스유입속도는각각 400~600 o C 및 10~20 m/sec 이다. 원료석탄의입자크기는 100~2,000 µm 로분쇄및분급하였다. 원료석탄의수분제거율은가스유입온도는증가하고가스유입속도는감소할수록급격하게증가하였다. 건조석탄의발열량은 5,100~5,900 kcal/kg 으로증가하였다. 기류건조를통한고수분석탄표면에서의발생하는화학적인변화를알아보기위하여 FT-IR 스펙트럼분석을실시하였다. 그결과하이드록실, 카르복실및카보닐피크에서주요한변화가일어나는것을확인할수있었다. Abstract Drying characteristic of high moisture coal using a 5 kg/hr bench scale flash dryer was investigated. Moisture content and heating value of raw coal as received basis were 29.74 wt% and 4,270 kcal/kg, respectively. Gas inlet temperature and gas inlet flow rate were 400~600 o C and 10~20 m/sec, respectively. The raw coal was ground and classified to the particle size range of 100~2,000 µm. The moisture removal rate of raw coal was dramatically increased with increasing gas inlet temperature and decreasing gas inlet flow rate. The heating value of dried coal was increased to 5,100~5,900 kcal/kg. To examine the chemical change on the surface of high moisture coal during flash drying process, FT- IR spectral analysis was carried out. As a result, major changes in hydroxyl, carboxyl and carbonyl peak was confirmed. Key words: High Moisture Coal, Drying, Flash Dryer, Moisture Removal, Heating Value 1. 서론 저등급석탄으로분류되는갈탄및아역청탄은전세계석탄매장량의 50% 이상을차지할정도로매장량이풍부하며가격도고등급석탄인역청탄에비해 1/4 정도로낮다. 그러나저등급석탄은수분함량이높아발전소에직접적용할경우수분을증발시키는데많은열량이소요되기때문에발전효율저하를가져오며, 기공이발달하고산소를함유한카르복실기함량이높아자연발화가능성이높기때문에장기간저장및수송에한계점을갖고있다. 이러한문제의해결방안으로석탄의건조를통해저등급석탄을고품위화하기위한많은연구들이진행되고있다. 기류건조방식을이용한호주 BCB(Binderless Coal Briquetting)[1,2], 유중건조방식을이용한일본 UBC(Upgrading Brown Coal)[3-5], 스팀유동층을이용한독일 WTA(fluidized-bed drying with internal water heat utilization)[6], 유동층을이용한미국 DryFine TM 공정 [7] 이개발되 To whom correspondence should be addressed. E-mail: sdkim@kier.re.kr 었다. 이중 BCB(Binderless Coal Briquetting) 기술은기류건조 (flash drying) 또는급속건조를이용해석탄을건조하는기술이다. 이기술은고온가스가고수분석탄과직접접촉하여건조되는것으로체류시간은 1초이하로매우짧은접촉시간동안건조가이루어진다. 기류건조기는건조시간이짧고, 별도의수송장치가필요없으며, 장치가간단하고운전과제어가비교적용이하며, 운전유지보수비용이적고, 건설비가적게소요된다는장점을가지고있다 [8,9]. 단점으로는건조시간이짧기때문에비교적건조속도가빠른물질이어야만하며, 입자크기는작을수록좋은데적당한것은 1,000~ 2,000 µm 정도로물질에따라응집이일어날수있기때문에이에대한적절한대책이필요하다. 본연구에서는벤치규모의기류건조기를이용한운전온도, 입자크기및유입속도변수에따른수분제거율및발열량변화특성을고찰하였다. 또한기류건조시고수분석탄표면에서의화학적인변화를알아보기위하여 FT-IR 스펙트럼분석을사용하였다. 106
기류건조기를이용한고수분석탄의건조특성 107 2. 실험방법 본실험에사용한석탄은내몽고에서채굴한 Meng Tai 석탄을사용하였다. 실험용석탄의공업분석, 원소분석및발열량분석결과를 Table 1에나타내었다. 수분함량은 29.74 wt%, 회분은 10.51 wt% 이며, 산소함량은 21.42 wt% 이다. 발열량은도착시료기준으로 4,270 kcal/kg이고, 건조탄기준으로 5,730 kcal/kg이다. 고수분석탄을건조하기위한실험장치로 Fig. 1과 bench 규모의기류건조기를설치하였다. 실험장치는고온가스공급을위한 LPG 버너, 원료석탄공급피더, 고수분석탄의건조가이루어지는수직 관, 기체와고체를분리하기위한사이클론, 여과집진장치등으로구성되어있다. 수직관의직경은 40 mm, 높이는 5,000 mm, 처리량은 5 kg/hr 규모이다. 실험은 LPG 버너를이용해고온가스를생성시키며, 조절한온도에도달하면고수분의석탄을공급한다. 고수분석탄은수직관을통해이송되면서건조가이루어지며, 싸이클론에서포집되어하부 Table 1. Analyses of coal sample Coal Name Meng Tai Proximate analysis (wt%) Moisture 29.74 Volatile matter 27.83 Ash 10.51 Flixed carbon 31.92 Ultimate analysis (wt%) Carbon 62.73 Hydrogen 4.11 Nitrogen 0.95 Sulfur 0.28 Oxygen 21.42 Heating value analysis (kcal/kg) As received base 4,270 Dry base 5,730 의포집탱크에저장이된다. 가스유입온도는원료석탄이공급되는피더전단의측정값을이용하였고, 온도범위는 400~600 o C로하였다. 수직관을통과하는가스유입유속은 10~20 m/sec가되도록유량을조절하였다. 원료석탄은분쇄 / 분급을통해일정범위의입자크기를갖도록준비되었다. 실험조건에따라입자크기범위는 100~300 µm, 300~500 µm, 500~1,000 µm, 1,000~2,000 µm, 100~2,000 µm 범위등으로실험을수행하였다. 100~2,000 µm로실험한경우건조탄을 4단계로분급하여각입자크기별로수분함량및발열량등을측정하였다. 수분함량및발열량은실험후바로측정을실시하였다. 수분함량측정은 Karl Fischer 적정법을이용한 841 KF Titrando (Metrohm사, 스위스 ), 발열량측정은 Bomb Calorimeter(Parr Model 6400EF, 미국 ), 공업분석은 TGA 701 Thermogravimeter(LECO Co., 미국 ), 원소분석은 TruPsec Elemental Analyzer(LECO Co., 미국 ), 황분석은 SC-432DR Sulfur Analyzer(LECO Co., 미국 ) 를사용하였다. 3. 결과및검토 Table 2는건조된석탄의수분함량결과를나타낸것이다. 입자크기는 100~2,000 µm 범위로하였는데, 실험종료후건조석탄을 4 단계로분급하여수분함량을측정하였다. 전체입자크기범위에대한수분함량은유입온도에따라 6.99~6.22 wt% 로큰차이가없었다. 그러나 4단계로분급한입자크기별수분함량측정결과유입온도및입자크기에따라수분함량이최소 4.92 wt% 에서최고 9.44 wt% 로차이를나타내었다. Table 3은건조탄의공업분석, 원소분석, 발열량분석결과를나타낸것이다. 건조탄의수분함량은 7 wt% 이하로감소하였으며, 휘발분, 회분및고정탄소는상대적으로원료석탄에비교하여증가하였다. 원소분석결과를보면산소함량이약간감소하는것으로나타났다. 이는석탄의수분을형성하고있는하이드록실기, 카르복실기및카보닐기등이감소하기때문인것으로판단되는데, 후에설명할 FT-IR 분석결과를통해서확인할수있었다. Table 4는수분이없는조건에서공업분석결과를나타낸것이다. 원탄의휘발분함량이 52.39 wt% 인데, 건조후에는휘발분함량이 43 wt% 로약 10 wt% 정도감소한것으로나타났다. 이는고수분석탄에포함되어있는휘발분이고온가스와접촉하면서일부열분해가되어감소하는것으로판단된다. Fig. 2는석탄입자크기별건조된석탄의수분제거율및발열량을보여주고있다. 초기원료석탄은석탄입자를크기별로 4단계로분급하여실험을실시한것이다. 가스유입온도는 400 o C, 가스유입유속은 20 m/sec로수행하였다. 공급되는석탄입자크기별에따라수분제거율은크게변화했는데, 100~300 µm일경우에는 91.4% 로 Fig. 1. Experiment equipment. Table 2. Moisture content of dried coal Gas inlet temperature ( o C) Particle size (µm) 400 500 600 100~2000 6.99 6.64 6.22 100~300 6.57 5.74 4.92 300~500 7.02 6.19 5.24 500~1000 8.21 6.77 5.61 1000 over 9.44 8.11 7.53
108 김상도 이시훈 임영준 최호경 임정환 전동혁 유지호 Table 3. Analysis of dried coal Item Ultimate analysis(wt%) Proximate analysis(wt%) Heating Value Sample Moisture Volatile matter Ash Fixed Carbon Carbon Hydrogen Nitrogen Oxygen Sulfur (kcal/kg) Raw coal 29.74 27.83 10.51 31.92 62.73 4.11 0.95 21.42 0.28 4,269 Inlet gas temperature ( o C) *Measuring basis: As received 400 6.61 38.1 14.16 41.13 61.05 4.05 1.08 19.56 0.10 5,537 500 6.54 38.19 15.17 40.1 60.05 4.03 1.08 19.56 0.11 5,586 600 6.1 38.74 14.64 40.52 61.45 4.22 1.10 18.5 0.09 5,636 Table 4. Ultimate analyses at water free basis Volatile matter(wt%) Ash(wt%) Fixed Carbon(wt%) Raw coal 52.39 8.41 39.2 400 o C 43.82 13.41 42.77 500 o C 42.83 14.36 42.81 600 o C 42.93 14.41 42.66 Fig. 2. Moisture removal and heating value at different particle sizes. 높은수분제거율을나타내었다. 입자크기가커질수록수분제거율은감소하였는데, 1,000 µm 이하에서는수분제거율이 81% 이상을유지하였지만, 입자크기가 1,000~2,000 µm으로커지게되면수분제거율이 57.7% 로감소하였다. 이는석탄입자크기가작을수록표면적이더욱커지게되고, 큰입자들에비해단위중량당건조가더 잘이루어지기때문에수분제거율이높게나타났다. 발열량은 1,000 µm 이하의입자크기범위에서는 5,860~5,872 kcal/kg로유사하게나타났지만, 1,000 µm 이상의입자크기범위에서는 5,130 kcal/kg로급감하였다. 석탄의발열량은입자크기보다는수분함량에따라결정되며, 입자크기가커질수록수분제거율이작아지기때문에발열량은감소하는것으로판단된다. Fig. 3은유입온도와입자크기분포에따른수분제거율및발열량결과를보여주고있다. 원료석탄입자크기는 100~2,000 µm이며건조후 4단계로분급하여수분함량및발열량을측정한결과이다. 유입가스온도가증가할수록수분제거율은서서히증가하고있는데, 유입온도가 400 o C 일경우건조탄입자크기가 1,000 µm 이상부터 100~300 µm로감소함에따라수분제거율은 68.3% 에서 77.9% 로증가하였고, 유입온도가 500 o C일경우건조탄입자크기가 1,000 µm 이상부터 100~300 µm로감소함에따라수분제거율은 72.7% 에서 80.7% 로증가하였다. 유입온도가 600 o C일경우건조탄입자크기가 1,000 µm 이상부터 100~300 µm로감소함에따라수분제거율은 74.7% 에서 83.4% 로증가하였다. 유입온도가증가하고입자크기가감소함에따라발열량은증가하는경향을나타내었고, 5,600 kcal/ kg 이상의발열량을갖는것으로나타났다. 입자크기가 1,000 µm 이하의입자크기에서는발열량의유입온도에따라크게차이가나지않는것으로나타났다. 그러나 1,000 µm 이상의입자크기에서는유입온도가증가함에따라발열량이비교적큰차이를나타내었다. Fig. 2의결과에서보았을때입자크기별로분급하여건조를하게되면운전온도가 400 o C, 입자크기가 1,000 µm 이하인경우수분제거율이 80% 이상으로나타났지만, Fig. 3의결과는운전온도가 600 o C 이상, 입자크기가 1,000 µm 이하인경우수분제거율이 80% 이상으로나타났다. 1,000~2,000 µm 입자크기만분급하여실험할 Fig. 3. Moisture removal and heating value to inlet temperature (Gas flow rate : 20 m/sec).
기류건조기를이용한고수분석탄의건조특성 109 Fig. 4. Moisture removal and heating value to inlet flow rate. Fig. 5. FT-IR analysis of raw coal and dried coal. 경우수분제거율은 60% 이하로감소하였지만, Fig. 3의결과에서는 1,000 µm 이상에서도 70% 정도의수분제거율을나타내었다. 이상의결과에서보았을때높은수분제거율을얻기위해서는입자크기를 1,000 µm 이하로분급하여건조하는것이우수한건조효과를얻을수있을것으로예상되지만, 분쇄비용증가와미분취급의어려움이발생할수있다. 따라서안정적인수분제거율을얻기위해서는입자크기별로분급을하는것보다 2,000 µm 이하로분쇄하여건조하는것이보다바람직할것으로판단된다. Fig. 4는수직관을통과하는가스유입속도및입자크기분포에따른수분제거율및발열량결과를나타낸것이다. 유입속도는 400 o C 로일정하게하고, 수직관을통과하는가스유입속도는 20 m/sec에서 10 m/sec로변화시킬때입자크기변화에따른영향을살펴본것이다. 가스유입속도는감소하고입자크기가감소할수록수분제거율은급격하게증가하는경향을나타내었다. 가스유입속도가 15 m/sec 및 20 m/sec에서수분제거율은입자크기범위가 1,000 µm 이 상에서 100~300 µm로감소함에따라 70% 에서 80% 로증가하였다. 가스유입속도가 10 m/sec인경우수분제거율은 500~1000 µm 입자크기범위에서 100~300 µm로감소함에따라 83% 에서 87% 로증가하였다. 수직관에서의가스유입속도가감소한다는것은동일한관길이를통과하는입자의체류시간이증가한다는것을의미한다. 따라서건조하고자하는물질들이보다긴시간동안유입가스와접촉이이루어지기때문에, 가스유입도가감소할수록수분제거율이증가하는경향을나타낸다. 발열량결과를보면가스유입속도가 15 m/sec 및 20 m/sec에서는유사한경향을나타내었지만, 10 m/sec로감소하였을경우에는 5,800 kcal/kg 이상으로높게나타났다. 기류건조에있어서유입되는입자의체류시간이증가함에따라수분제거율에보다효과적이며, 기류건조기후단의싸이클론및설비추가에따라수분제거율을향상시킬수있을것으로예측된다.
110 김상도 이시훈 임영준 최호경 임정환 전동혁 유지호 Fig. 6. Difference spectrum of raw coal and dried coal. 기류건조에의한고수분석탄의표면에서일어나는변화를알아보기위하여 FT-IR 스펙트럼분석을하였다. Fig. 5는원료석탄과건조석탄의 FT-IR 분석결과를보여주고있다. 석탄에서수분및산소성분과관련되는주요한피크로 3,000~3,700 cm 1 의하이드록실그룹과카르복실그룹및 1,650~1,800 cm 1 의카보닐 (C=O) 그룹등이있다 [10-11]. 수분제거공정을통해이상의피크에서주요한변화가일어날것이라는예상을할수있다. Fig. 5에서볼수있는바와같이원료석탄과기류건조를실시한후 3,000~3,700 cm 1 피크가크게감소하여하이드록실그룹및카르복실그룹이크게감소하였음을확인할수있다. FT-IR 분석에의한 1,650 cm 1 피크에서의카보닐그룹의변화를확인하기위하여기류건조의각운전온도에따른 FT-IR 스펙트럼과원료석탄 FT-IR 스펙트럼의스펙트럼차를 Fig. 6에나타내었다. 1,650 cm 1 피크부근에서아래로볼록한모양을나타내는데, 이를통해카보닐그룹이감소하였음을확인할수있다. 3,000~3,700 cm 1 의하이드록실그룹및카르복실그룹피크도아래로볼록한모양을나타내었다. 일반적으로고수분석탄은친수성이며, 석탄을건조한후에도수분을재흡착할가능성이높다. FT-IR 분석을통해서카르복실그룹이감소하는것으로나타났는데, 이와같은결과를토대로기류건조에의한탈카르복실화에의해소수성인탄화수소그룹으로분해가일어나기때문에수분의재흡수및자연발화도방지할수있을것으로예상된다. 4. 결론벤치규모기류건조에의한고수분석탄의건조특성실험을통해다음과같은결론을도출하였다. (1) 입자크기가감소하고유입속도가감소 ( 체류시간증가 ) 할수록수분제거율이증가하는것으로나타나기류건조기를이용한저등급 석탄의건조에있어입자크기및체류시간이중요한인자임을알수있었다. (2) 고수분석탄에서 80 wt% 이상의높은수분제거율을얻기위해서는석탄을분급하여 1,000 µm 입자크기이하로건조하는것이바람직하며, 입자크기범위에따라안정적인수분제거율을얻기위해서는건조하고자하는입자크기범위를 2,000 µm 이하로하는것이바람직한것으로나타났다. (3) FT-IR 분석으로기류건조를통한고수분석탄의표면에서하이드록실그룹, 카르복실그룹및카보닐그룹이감소함을확인할수있었다. 감 본연구는 2009년도지식경제부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다. 사 참고문헌 1. Mangena, S. J., 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, 1647-1662(2004). 2. Keith, C., Commercial Scale Low Rank Coal Upgrading Using the BCB Process, 2nd Coaltans Upgrading Coal Forum, Presentation(2010). 3. Sugita, S., Deguchi, T. and Shigehisa, T., Demonstration of a UBC Process in Indonesia, 神戶製鋼技報, 56(2), 23-26(2006). 4. Drtin, F. U., Hiromoto, U. and Bukin, D., Change of Combustion Characteristics of Indonesian Low Rank Coal Due to Upgraded Brown Coal Process, Fuel Process. Technol., 87, 1007-1011(2006).
기류건조기를이용한고수분석탄의건조특성 111 5. Yukio, A., UBC Process - Upgrading the Future, 2nd Coaltans Upgrading Coal Forum, Presentation(2010). 6. Klutz, H. J., Moser, C. and Block, D., WTA Fine Grain Drying - Module for Lignite-Fired Power Plants of the Future, VGB Power Tech Report 11(2006). 7. Sarunac, N., Ness, M. and Bullinger, C., One Year of Operating Experience with a Prototype Fluidized Bed Coal Dryer at Coal Creek Generating Station, National energy technology laboratory. 8. Park, M. C. and Kweon, Y. S., Design of Flash Dryer(I), Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 12(6), 353-360(1974). 9. Park, M. C. and Kweon, Y. S., Design of Flash Dryer(II), Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 13(1), 33-44 (1975). 10. Solomon, P. R. and Carangelo, R. M., FT-IR Analysis of Coal, Fuel, 67, 949-959(1988). 11. Li, C.-Z., Advances in the science of victorian brown coal, CRC Press, Australia, 11-84(2004).