[논문]중질유 분무 코팅에 의한 저등급 석탄의 고품위화와 자연발화 특성 분석

전동혁; 박인수; 김상도; 임영준; 최호경; 유지호; 임정환; 이시훈

doi:10.5855/energy.2014.23.2.001

중질유 분무 코팅에 의한 저등급 석탄의 고품위화와 자연발화 특성 분석
Experimental Analysis of Propensity for Spontaneous Combustion of Low-Rank Coal Upgraded by Spray Coating with Heavy Oil 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.23 no.2, 2014년, pp.1 - 6

초록
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저등급석탄을 효율적으로 활용하기 위한 고품위화 기술에 대한 연구를 수행하였다. 저등급석탄을 건조시켜 고발열량 석탄으로 제조하는 과정에서 자연발화에 대한 안정화를 위해 중질유를 분무 코팅하는 방법을 적용하였다. 수분 30wt% 이상의 저등급석탄을 고품위화하여 6,000 kcal/kg 이상의 고발열량 석탄을 제조하였으며, 중질유 분무 코팅을 통해 자연발화에 대한 안정성을 확인하였다. 중질유 분무 코팅의 방법은 석탄을 건조시킨 후 분무 코팅하는 것이 가장 적절한 것으로 나타났으며, 자연발화에 대한 충분한 안정성을 갖기 위해서는 중질유를 2wt% 이상 석탄 표면에 흡착시켜야 하는 것으로 나타 났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Upgrading technology has been studied for efficient utilization of low rank coal. Spray coating of heavy oil was applied on the upgrading process in order to stabilize low rank coal against spontaneous combustion. Low rank coal, which contains more than 30wt% of moisture, was upgraded to high calorific coal and stabilized by spray coating of heavy oil. It was identified that spray coating of heavy oil after drying coal is the optimum procedure of upgrading low rank coal. The experimental results show that more than 2wt% of heavy oil should be adsorbed on the coal in order to stabilize sufficiently for spontaneous combustion.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 기술들은 대부분 고온에서 진행되므로 많은 열량이 필요하거나 복잡한 공정으로 인해 설비비가 높은 단점이 있다. 본 연구에서는 건조 석탄에 중질유와 용매를 혼합하여 분무코팅함으로써 얻게 되는 안정화 효과를 검토하였다. 일반적인 건조 방법에 단순 분무 방식의 안정화 공정을 취함으로써 상대적으로 낮은 열량과 설비비로 고품위화 석탄을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 중질유 분무 코팅 방법을 이용하여 고품위화 석탄을 제조하는 방법과 이에 대한 안정화를 검토하였다. 건조를 통해 수분 함량을 낮추고 안정화 과정에서 잔류하는 일부 오일에 의해 유연탄 수준의 고발열량 석탄을 제조하였다.

제안 방법

원탄의 건조기준 발열량 (Table 1)보다 높게 나타나는 것은 고품위화 후 일부 잔류하는 등유와 팜유에 의한 것으로 예상된다. 각 실험 과정에서의 무게 변화와 공업분석의 수분 함량으로부터 고품위화 석탄의 잔류하는 등유와 팜유의 함량을 계산하였다. 석탄의 고품위화 과정에서 코팅된 등유와 팜유 및 석탄의 수분 변화를 Fig.
4와 5에 나타내었다. 건조 석탄의 5.3wt%, 1.8wt%에 해당하는 용액을 각각 코팅하여 고품위화 석탄을 제조하였다. 고품위화 석탄의 등유 함량은 5.
건조 전· 후, 분무 코팅 후의 무게 변화를 측정하여 석탄에 코팅된 중질유의 함량을 계산하였다.
본 연구에서는 중질유 분무 코팅 방법을 이용하여 고품위화 석탄을 제조하는 방법과 이에 대한 안정화를 검토하였다. 건조를 통해 수분 함량을 낮추고 안정화 과정에서 잔류하는 일부 오일에 의해 유연탄 수준의 고발열량 석탄을 제조하였다. 분무 코팅을 통한 안정화 방법은 원탄에 중질유를 코팅한 후 건조하는 경우에는 효과가 크게 나타나지 않았으며, 원탄을 건조 후 중질유를 코팅하는 경우에 자연발화에 대한 안정화 효과가 가장 크게 나타났다.
건조와 안정화 공정을 통해 고품위화 석탄을 제조하였다. 고품위화 석탄의 공업분석과 발열량 결과를 Table 2에 나타내었다.
석탄 건조는 공기분위기의 전기 오븐에서 107 ℃로 1시간 유지하였다. 분무 코팅을 통해 고품위화 석탄을 제조하는 공정을 검토하기 위하여 코팅과 건조의 순서를 조합한 실험을 수행하였다. 중질유 자체의 안정화 효과를 검토하기 위하여 건조 과정 없이 원탄에 중질유를 분무 코팅하는 실험도 수행하였다.
CPT 값은 자연발화 특성을 평가하는 주요 척도로 널리 이용되고 있다. 분무 코팅한 석탄의 자연 발화 특성을 비교하기 위하여 원탄과 107 ℃ 오븐에서 건조한 석탄의 CPT도 함께 측정하였다. Fig.
석탄의 자연발화 특성을 평가하기 위해 crossing-point temperature (CPT)[5-7]를 측정하였다. 중질유 코팅이 석탄의 자연발화에 미치는 영향을 살펴보기 위해서는 석탄의 수분과 용매로 사용한 등유를 모두 증발시켜야 한다.
분무 코팅을 통해 고품위화 석탄을 제조하는 공정을 검토하기 위하여 코팅과 건조의 순서를 조합한 실험을 수행하였다. 중질유 자체의 안정화 효과를 검토하기 위하여 건조 과정 없이 원탄에 중질유를 분무 코팅하는 실험도 수행하였다. 건조 전· 후, 분무 코팅 후의 무게 변화를 측정하여 석탄에 코팅된 중질유의 함량을 계산하였다.

대상 데이터

이들은 점도가 매우 높아 자체적으로 분무하기 어려우므로 용매에 녹여야 한다. 분무 코팅을 위한 용매로 등유를 사용하였으며, 중질유는 식물성 기름인 팜유를 사용하였다.
실험에 사용한 석탄은 분쇄하여 1 ~ 3 mm로 분급하였으며, 등유와 팜유를 무게비 1:1로 혼합하여 코팅 오일을 제조하였다. 원탄 150 g, 용액 1.
실험에 사용한 석탄은 분쇄하여 1 ~ 3 mm로 분급하였으며, 등유와 팜유를 무게비 1:1로 혼합하여 코팅 오일을 제조하였다. 원탄 150 g, 용액 1.8 ~ 13.5 g을 사용하였으며, 석탄을 트레이에 최대한 얇게 편 후 오일이 고르게 코팅될 수 있도록 분무하였다. 석탄 건조는 공기분위기의 전기 오븐에서 107 ℃로 1시간 유지하였다.

성능/효과

9wt%로 나타났다. CPT 전 처리 후 팜유의 함량은 각각 2.1wt%, 0.8wt%로 나타났다. Fig.
1wt% 씩 코팅한 석탄의 성분 변화를 나타낸 것이다. CPT 전처리 후 석탄의 팜유 함량은 각각 6.4wt%, 3.2wt%로 나타났으며, CPT 전처리 과정에서 수분과 등유는 모두 증발한 것으로 나타났다.
고품위화 석탄의 발열량은 6,000 kcal/kg 이상으로 나타났다. CPT 전처리 후에 석탄의 수분과 코팅된 등유는 모두 증발하여 자연발화 특성 평가에 영향을 미치지 않았으며, 이는 공업분석 결과를 통해서도 확인할 수 있었다. Fig.
하지만 건조 후 코팅하는 경우에는 석탄의 기공이 형성되면서 입구의 표면적이 증가함에 따라 중질유를 흡착할 수 있는 활성 공간이 증가하고, 따라서 중질유가 석탄 기공에 쉽게 코팅되어 석탄 내부로의 산소 흡착이나 수분 재흡착을 방지하는 역할을 하게 된다. 건조 후 코팅하는 경우 중질유의 함량에 따라 자연발화 경향에 차이를 보이고 있으며, 유연탄 수준의 자연발화 안정성을 갖기 위해서는 CPT 전처리 기준으로 볼 때 약 2wt% 이상의 중질유를 코팅시켜야 하는 것으로 나타났다.
건조탄은 원탄에 아무 처리 없이 다른 고품위화 석탄과 동일 조건에서 건조한 것이다. 건조탄과 고품위화 석탄과의 CPT 결과를 비교해보면, 코팅 후 건조한 경우는 CPT가 건조탄과 동일하게 나타난 반면 건조 후 코팅한 경우는 CPT가 건조탄보다 높게 나타났다. 이는 건조 전에 코팅하는 경우 석탄의 기공이 형성되기 전이므로 중질유가 기공입구에 코팅되어 차단하는 역할을 못하는 것으로 볼 수 있다.
8wt%에 해당하는 용액을 각각 코팅하여 고품위화 석탄을 제조하였다. 고품위화 석탄의 등유 함량은 5.3wt%의 용액을 코팅한 경우 2.5wt%이고, 1.8wt%의 용액을 코팅한 경우 0.9wt%로 나타났다. CPT 전 처리 후 팜유의 함량은 각각 2.
분무 코팅을 통한 안정화 방법은 원탄에 중질유를 코팅한 후 건조하는 경우에는 효과가 크게 나타나지 않았으며, 원탄을 건조 후 중질유를 코팅하는 경우에 자연발화에 대한 안정화 효과가 가장 크게 나타났다. 따라서 분무 코팅을 통한 고품위화 석탄의 제조 방법은 건조 후 코팅방법이 적절한 것으로 나타났다. 하지만, 충분한 안정화 효과를 얻기 위해서는 2wt% 이상의 중질유를 코팅하는 것이 필요하며, 이 경우 등유 또한 2wt% 이상 석탄에 잔류하게 된다.
건조를 통해 수분 함량을 낮추고 안정화 과정에서 잔류하는 일부 오일에 의해 유연탄 수준의 고발열량 석탄을 제조하였다. 분무 코팅을 통한 안정화 방법은 원탄에 중질유를 코팅한 후 건조하는 경우에는 효과가 크게 나타나지 않았으며, 원탄을 건조 후 중질유를 코팅하는 경우에 자연발화에 대한 안정화 효과가 가장 크게 나타났다. 따라서 분무 코팅을 통한 고품위화 석탄의 제조 방법은 건조 후 코팅방법이 적절한 것으로 나타났다.
전체적으로 살펴보면 고품위화 과정을 통해 석탄의 수분은 약 3wt%로 건조되었으며, 코팅된 오일의 함량은 1.8wt% ~ 5.1wt%로 조절하였다. 고품위화 석탄의 발열량은 6,000 kcal/kg 이상으로 나타났다.
9에 나타내었다. 코팅된 원탄의 경우 원탄에 비해 CPT가 증가하였으며, 중질유의 코팅이 자연발화 경향을 감소시키는 것을 확인하였다. 중질유의 양에 따른 CPT 차이는 크지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부분 열분해 기술이란?	대표적인 안정화 기술로 부분 열분해 기술과 중질유 코팅 기술이 알려져 있다. 부분 열분해 기술[5] 의 경우 200 ℃ 이상의 고온에서 석탄을 가열하여 건조하면 수분이 제거되면서 석탄 내부에 있는 타르 성분이 일부 추출되어 석탄 표면을 코팅함으로써 안정화하게 된다. 중질유 코팅 기술[6]의 경우 중질유를 등유와 같은 용매에 녹여 석탄과 슬러리를 만들고 이를 가열하여 건조하면 수분과 용매가 증발하고, 이 때 형성되는 석탄의 기공 표면에 중질유가 남아 코팅됨으로써 산소와의 반응성을 감소시키고 수분 재흡착을 방지하는 역할을 한다.
	신재생 에너지 개발이 활발히 진행되고 있는 이유는?	산업 발전에 따른 화석 연료의 수요 증가와 한정된 자원으로 인해 최근 신재생 에너지 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만, 신재생 에너지의 상용화까지 는 더 많은 시간이 필요한 상황이며, 당장 부족한 에 너지 자원을 수급하기 위해서 기존에 활용하지 않던 쉐일가스[1]나 저등급석탄과 같은 자원 활용에도 관 심이 집중되고 있다.
	우리나라의 경우 고품위화 석탄을 들여오기 위해 반드시 건조와 안정화 공정을 거쳐야 하는 이유는?	인도네시아, 호주 등에 많이 분 포되어 있는 저등급석탄의 경우 30 ~ 60%의 높은 수분 함량으로 인한 저발열량 석탄으로 사용을 꺼려왔 으나 최근 이들에 대한 사용량이 증가하면서 저등급 석탄을 효율적으로 활용하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다. 저등급석탄을 효율적으로 활용하기 위해 서는 건조 공정을 통해 수분을 제거하여 고발열량 석탄으로 만드는 것이 필요하다. 하지만 건조 후 수분 을 쉽게 재흡착하며, 건조 석탄은 자연발화의 위험성 이 높아져 장거리 이송이나 수송이 불가능하다[2-4]. 석탄의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라의 경우 고품위화 석탄을 들여오기 위해서는 반드시 건조와 안정화 공정을 거쳐야 한다.

참고문헌 (9)

Andrews A.; Floger P.; Humphries M.; Copeland C.; Tiemann M.; Meltz R.; Brougher C., Unconventional Gas Shales: Development, Technology, and Policy Issues, CRS Report, 2009, R40894
Mujumdar A.S.; Jangam S.V. Drying of Low Rank Coal, M3TC Technical Report, 2011
Fei Y.; Aziz A.A.; Nasir S.; Jackson W.R.; Marshall M.; Hulston J.; Chaffee A.L., The Spontaneous Combustion Behavior of Some Low Rank Coals and a Range of Dried Products, Fuel, 2009, 88, 1650

상세보기
Unal S.; Wood D.G.; Harris I.J., Effect of Drying Methods on the Low Temperature Reactivity of Victorian Brown Coal to Oxygen, Fuel, 1994, 71, 183
Clark K., Commercial scale low rank coal upgrading using the BCB process, 2nd Coaltrans Upgrading Coal Forum, 2010, Presentation
Japan Coal Energy Center; Kobe Steel, Ltd., Low-rank Coal Upgrading Technology (UBC Process), Clean Coal Technologies in Japan, 2006, 77
조완택; 최호경; 김상도; 유지호; 전동혁; 임정환; 임영준; 이시훈, 건조 및 안정화 공정을 통 해 제조한 석탄의 자연발화 특성 분석, Theories and Applications of Chemical Engineering, 2012, 18, 621
Xuyao Q.; Wang D.; Milke J.A.; Zhong X.. Crossing Point Temperature of Coal, Mining Science and Technology, 2011, 21, 255

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Kadioglu Y.; Varamaz M., The Effect of Moisture Content and Air-drying on Spontaneous Combustion Characteristics of Two Turkish Lignites, Fuel, 2003, 82, 1685

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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