The Dry Coal Separation Characteristics Using Autogenous Medium

DAVAASUREN JAMBAL University of Science and Technology 2018 국내박사

초록 Autogenous medium 이용한 건식 석탄 분리 특성 석탄과 그 속에 혼재되어 있는 맥석들 간에는 비중 및 표면특성 등이 서로 다른데, 이러한 특성들은 석탄과 맥석들을 분리하는 주요한 수단으로 사용되고 있다. 습식처리 방법을 기반으로 하는 분리기술(습식선탄)은 분리도(율) 면에서는 우수하나, 많은 량의 물과 여러 단계의 처리공정들(예, 탈수/건조 및 폐수처리 등)이 병행되어야 하기 때문에 선탄시설 비용과 운영비용이 크다는 것이 가장 큰 단점이다. 이러한 단점들을 극복하고자 최근 들어 물을 사용하지 않고 분리하는 건식 선탄기술에 대한 관심이 미국, 중국등 석탄보유국들을 중심으로 세계적으로 높아 지고 있는 상태이다. 기존의 건식선탄 장치로는 공압식 지그(Air Jig), 공압식 테이블(Air shaking table), 유동층 고밀도 매질 선별기 (Dense medium fluidized bed separator), optical and x-ray sorter 등이 대표적이며, 이들은 석탄과 그 속에 함유되어 있는 맥석들 간의 특성에 따라 선별적으로 사용되고 있다. 이러한 기술 중에서 석탄과 맥석들간의 비중도 차이를 기반으로 하는 비중층 분리막 생성을 이용한 기술이 보편적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 기존의 건식 선탄 장치들은 6 ~ 80mm 크기의 ROM 원탄을 처리하는 데는 효과적이지만, 대부분의 경우 6mm보다 작은 입자에서는 분리성능이 크게 감소하기 때문에 주로 6mm 이상의 크기에서만 적용하여야 하는 한계가 있다. DOE, Coaltech 등 선탄관련 평가 보고서 등에 따르면 입자크기가 약 6 mm 미만인 ROM 석탄은 일반적으로 건식 분리에 효과적이지 않다고 보고하고 있다. 이를 극복하기 위하여 많은 비용이 소요되는 고밀도의 층간 매개물질(분리막 생성물질)을 사용하기도 한다 보고 된 Ep 값은 6mm 이하의 미립자에 대한 분리 효율이 좋지 않음을 보여 주고 있다. 따라서 현재 개발중인 건식 선탄기술들은 미립자 크기에서의 분리효율 향상이 주요 쟁점으로 대두되고 있다. 일반적으로 한국지질자원연구원(KIGAM)은 최근 KAT process라는 효율적인 건식 선탄기술을 개발하였다. (김병곤, 전호석, Davaasuren Jambal). 이 기술의 주요특징은 원탄자체에서 Autogenous medium 생성 및 이로 인한 석탄과 맥석들 간의 자가 분리 기술이다. 이 기술을 기반으로, 본 연구에서는 석탄입자와 맥석들 간에 비중차이에 의한 계층화 유도 및 분리 메커니즘을 개발하고자, 인위적으로 외부에서 충간분리 생성 및 유지를 위한 매체(medium)를 투입하지 않고, 선탄 대상인 ROM 원탄으로부터 이들이 자연발생적으로 생성(Autogenous medium)되도록 하였다. 또한 이를 기계적으로 구현하기 위한 KAT table 구동 메커니즘을 개발하였다. 본 연구에서 제시한 Autogenous medium 생성 메커니즘을 이용하면 기존기술의 분리한계 입자인 6mm 이하의 미립자에서도 분리특성이 우수한 효과틑 얻을 수 있었다. Autogenous medium에 의하여 분린된 분리 층은 비중이 높은 입자(맥석)는 맨 아래 층으로, 상대적으로 비중이 낮은 가벼운 입자(석탄)들은 분리층 상부로 이동시킬수 있었고, 이러한 현상들이 지속적으로 일어날 수 있었다. 즉, Autogenous medium 생성 메커니즘과 이를 구현하기 의한 KAT table의 구조적 특징에 따른 구동 메커니즘 개발이 본 연구의 특징이다. Autogenious medium 생성율은 KAT table의 구조적 특징인 Coal stream측에 설치한 Block wall의 높이와 Coal stream과 맥석 stream과의 수직방향으로 작용하는 table의 운동거리에 비례하였다. 또한 석탄과 맥석들 간의 자율 계층화(Self-stratification)는 Autogenious medium 생성율과 shaking table의 진폭의 크기와 공기 압력 영향을 받으며, 특히 6mm이하의 미립자 영역는 진폭의 영향이 더욱 크게 나타났으며, 분리효율에도 많은 영향을 미친다. 유연탄의 경우, 평균 분리 비중은 D50에서 약 1.9-2.0 g/cm³ 이었고, 확률오차 Ep는 0.08-0.15의 범위 이었으며, 5-10mm 크기의 회분함량은 원탄 44%에서 선탄후 8.4%로 감소하였으며, 이때 회분 제거율은 89.5%였다. 1-5 mm 크기에서의 회분 함량은 원탄 33.7%에서 선탄후 9.4%로 감소하였다. 이 때의 평균 분리 비중은 D50에서 약 1.85-2.0 g/cm³ 이었고, 확률오차 Ep는 0.1-0.15의 정도였다. 석탄과 맥석들간의 비중차이가 작은 무연탄의 경우, 평균 분리 비중은 D50에서 약 2.3-2.45 g/cm³ 이었고, 확률오차 Ep는 0.18-0.2의 범위 이었으며, 5-10mm 크기의 회분함량은 원탄 50.46%에서 선탄후 25%로 감소하였으며, 이때 회분 제거율은 72.3%였다. 1-5 mm 크기에서의 회분 함량은 원탄 61.9%에서 선탄후 28.2%로 감소하였다. 이 때의 평균 분리 비중은 D50에서 약 2.5 g/cm³ 이었고, 확률오차 Ep는 0.2의 정도였다. 키워드 : 건식 선탄, Autogenous medium, Density Stratification   ABSTRACT The Dry Coal Separation Characteristics Using Autogenous Medium Coal and gangue minerals have different densities and surface characteristics, which are used as the primary means of separating coal and gangue. Water based separation methods (wet coal cleaning) are very efficient among other methods those using differences in densities or surface characteristics for the separation. The efficiency of wet processing is undeniable, with nearly ideal density based separations achievable. But these wet technologies require huge amounts of process water and several steps of treatments (e.g., dewatering, drying, waste water treatment) which increase its operating cost and it pointed as disadvantage of wet methods. One potentially attractive method is the dry coal cleaning technology. Dry methods offer significant advantages over wet methods, including reduced surface moisture, enhanced heating value, elimination of processing water and waste, and interest in non-water-based dry coal cleaning technology has been increasing worldwide, mainly in coal-rich countries such as the United States and China. There are several kinds of dry separation devices such as pneumatic jig, pneumatic table, dry dense medium (fluidized bed) separator, optical and x-ray sorter, and tribo-electrostatic separator etc., have been developed based on the differences in the particular properties specific density and surface characteristics of coal and its associated minerals. Among these technologies the density based separators which use density stratification of light and dense particles are most widespread. The modern air-based density separator achieves effective density-based separation for particle sizes greater than 6 mm and in most cases, the separation performance is significantly reduced for particles smaller than 6 mm. According to the coal preparation related evaluation reports, ROM coal with a size of less than 10 mm is generally not effective for dry separation. The reported Ep values show that the separation efficiency for fine size particles is poor. Therefore, in the dry coal technology field, the separation of fine particle size coal is becoming a major issue. Pneumatic separators generally utilize an upward air-flow along with vibration to create a stratification of high and low density particles. Coal particles are not able to penetrate through the bed and thus remain on top whereas high-density, high-ash content particles move through the bed. Therefore, in order to obtain sufficient separation, layering between coal particles and gangue particles must be generated and maintained constantly. Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) has recently developed an efficient dry coal technology called the KAT process. (Kim Byoung-Gon, Jeon Ho-Seok, Davaasuren Jambal). The main feature of this technology is that autogenous medium is generated in the raw coal itself and the self-separation behavior between coal and gangue is used. The main proposed attempt in this work was a possible use of self-formed autogenous medium of feed coal for the separation of coal and gangue by increasing the separation bed height to induce density based stratification process. The possible vertical stratification of particles in the bed relative to the bed height was predicted by stratification coefficient (C_s) and it was developed using the bed height, the average diameter of particles and the density differences of two fractions. To achieve sufficient stratification in the separation bed it was required to increase the bed height on the air table using the block wall. The block wall was designed to intentionally halt the cross-sectional flow at the lower end to generate an accumulation of feed to use as an autogenous medium for the separation. The generation of autogenous medium was proportional to the height of the block wall installed on the coal stream side, which is a structural feature of the KAT table, and the moving distance of the table acting in the vertical direction of the coal stream and the gangue stream. In addition, the self-stratification between coal and gangue is influenced by the generation of autogenous medium and the amplitude of the shaking table and air pressure. Particularly, the particle size of 6mm or less is more affected by the amplitude and has a large effect on the separation efficiency. Conducted tests showed that the increased bed height and an autogenous separation bed had a significant effect on the separation efficiency. The average separation density was around 1.9-2.0 g/cm3 at D50 and the probable error Ep was ranged from 0.08 to 0.15 for bituminous coals and for high ash difficult to clean coals (anthracite), the Ep value was around 0.15-0.2. After dry separation, 5-10 mm size bituminous coal feed ash 46-48% was decreased to 7.1-13.6% in a product with 83-89.8% ash rejection rate. The clean coal yield was ranged between 51-58%. High-density fractions discharged to reject stream with 83-90% ash content. It indicates that the air table effectively removed the dense fraction with relative density >2.0 g/cm3. For bituminous coal 1-5 mm size fraction, the feed ash 34-41% was decreased to 9.4-10.7% in product and the product yield was 60-70%, and the separation density was around 1.85-2.0 g/cm³ and the Ep value was ranged from 0.1 to 0.15. It was observed that the increased bed height and the higher feed rates jointly responsible for forming sufficient amount of autogenous separation bed and thus promotes the stratification process. The formation of the stable autogenous separation bed is strongly related to characteristics of original feed material. Keywords: Dry coal preparation, Autogenous medium, Density stratification,

(The) dry coal separation characteristics using autogenous medium

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