Fuel Characteristics of Dried Low-Rank Coal and Molasses-Impregnated Low-Rank Coal Produced in a Fluidized-bed System : 유동층 시스템에서 생산한 건조된 저등급 석탄과 당밀이 함침된 저등급 석탄의 연료 특성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, low rank coal (LRC) has attracted tremendous attention due to its abundance and the lack of high-rank coal in world coal reserves. Although the fuel cost of LRC is cheap and it accounted for more than half of the total world coal reserves, there are still challenges in using LRC as a fuel in current power plants because of its disadvantages, such as low calorific value, costly transportation, spontaneous combustion, and operational difficulties. In particular, one of the most serious problems of LRC is the high probability of spontaneous combustion, resulting in devastating explosions and serious fires because it has a lot of active hydrophilic functional groups on its surface and in its pores. Thus, LRC should be upgraded or burned in alternative ways. This research explores the production of low-moisture, high-rank coal by using a lab-scale circulating fluidized bed dryer (CFBD) and a lab-scale bubbling fluidized bed dryer (BFBD) to dry LRC. Drying efficiency was calculated through the experiment containing different fluidization regime such as BFB and CFB. BFB type compared to the CFB type shows better contact between the gas and solid, as the flow regime is different in a fluidized bed because the BFB is a dense phase and the CFB is a dilute phase.
These days, many power plants plan to build a CO2 capture and storage (CCS) process because regulations for greenhouse gas emissions have been increased. Many CCS process have been developed such as an absorption process with dry re-generable sorbent in the fluidized-bed system, a solvent scrubbing CO2 capture system and type of membrane CO2 capture system. Among the various CCS technologies, one of the advanced concepts for capturing CO2 is an absorption process with dry re-generable sorbents. This process discharges CO2/steam mixed gas around 150 oC of temperature after regeneration reactor. Therefore, we are to develop the FBD using the outlet gas from the CCS process as heat source for LRC drying. Also, if stored CO2 is used for direct drying gas, it has some advantages. The ignition of LRCs during the drying process can be basically prevented since the property of CO2 is inert gas. However, since the properties of coal pores are hydrophilic, the dried coal is still possible re-adsorption moisture at the atmosphere.
Therefore, we investigated a top-spray fluidized-bed reactor to produce hybrid coals that have improved fuel characteristics in terms of heating value, moisture re-adsorption, and combustion patterns. A systematic study reveals that experimental parameters, such as a bed temperature, bioliquid spraying procedure and pre-carbonization temperature strongly influence the characteristics of the resulting hybrid coal, meaning that they have an important role in upgrading LRC. In particular, the hybrid coal prepared by a process of simultaneous drying and bioliquid spraying followed by pre-carbonization showed high contents of fixed carbon, an improved heating value, lower moisture adsorption, and single combustion patterns in which the characteristics were dramatically upgraded for practical use as a fuel in power plants. In addition, the simultaneous process using a fluidized-bed reactor has great potential because it can achieve process simplification, reduce manufacturing costs, and handle coal particles easily.

국문 초록 (Abstract)

최근 유연탄과 같은 고등급 석탄의 가격 증가 및 수급 불안정으로 인해 화력 발전소에서는 저등급 석탄을 혼소하여 사용하고 있다. 저등급 석탄의 경우 과량의 수분함량 (30 ~ 50 wt.%)으로 인하여 고등급 석탄에 비해 낮은 발열량을 가지고 있다. 따라서 발전소의 발전 효율이 감소되며 이전과 동일한 발전량을 얻기 위해서는 더 많은 양의 저등급 석탄을 발전용 연료로 사용해야 한다. 또한 저등급 석탄의 경우 수분이 대기에 노출될 경우 대기 중 산소를 흡수하여 열이 증가하게 되며, 이 열이 축적되면 자연발화가 발생하여 장기간의 운송 및 보관에 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구를 통하여 저등급 석탄의 단점인 낮은 발열량과 빈번한 자연발화의 문제를 해결하고자 한다. 저등급 석탄의 건조를 위하여 고체와 기체간의 열 전달과 혼합이 우수한 유동층 건조 시스템을 도입하였다. 최적의 유동화 방식을 선정하고자 기포 유동층과 순환 유동층에서 운전 조건의 변화를 통하여 각 유동화 방식에서 건조율을 확인하였다.
최근 탄소배출권 거래제와 같은 규제로 인하여 이산화탄소를 배출하는 공정에 CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) 공정을 설치할 예정에 있으며, 이와 관련한 연구가 진행 중에 있다. 여러 CCS 기술 중 건식흡수제를 이용한 유동층 CCS 공정은 이산화탄소를 건식 흡수제를 이용하여 포집하고 포집된 이산화탄소를 재생하는 과정에서 150oC의 스팀과 이산화탄소의 혼합가스를 배출하게 된다. 이 때 발생하는 열을 건조에 사용하게 되면 열의 이용을 최적화할 수 있게 된다. 따라서 건조에 사용하는 열을 기존 발전소 폐열에서 CCS공정에서 배출되는 열을 사용하기 위한 방법을 연구하기 위하여 스팀 유동층 건조장치를 제작하였다. 실험은 건식 흡수제를 이용한 CCS공정에서 배출되는 가스의 조성과 동일한 모사 가스를 제조하여 열교환기로 주입하고 고체층과 열교환기가 접촉하여 간접적으로 건조 열원을 공급하게 된다. 혼합가스의 몰비, 압력, 유속을 변수로 하여 최적의 운전조건을 도출하였다. 또한 저장된 이산화탄소를 저등급 석탄 유동층 건조기의 유동화 가스로 사용할 경우, 이산화탄소는 불활성 가스이기 때문에 건조 중 발화를 원천적으로 방지한다는 장점이 있다. 건조된 석탄은 수분이 감소하여 고정탄소와 휘발분이 상대적으로 증가하였으며, 이로 인해 발열량이 증가하여 석탄의 품질이 개선된 것을 알 수 있었다. 하지만 건조된 저등급 석탄의 기공은 여전히 친수성의 성질로 인하여 대기에 장시간 노출되면 다시 수분이 재흡착되어 다시 자연발화를 일으킬 가능성이 높아지게 된다. 따라서 이를 방지하고자 하이브리드 석탄을 제조하였다.
하이브리드 석탄은 바이오매스로부터 유래된 인공 탄소/휘발분과 석탄의 복합체이며, 그 제조과정은 다음과 같다. 수분이 건조된 석탄의 기공에 사탕수수, 당밀 기반의 바이오매스를 함침시킨 후 탄화하여 친수성의 성질을 소수성으로 변화시켜 수분재흡착을 방지하게 된다. 또한 하이브리드 석탄은 기존의 화력발전소 공정을 그대로 이용하면서 저등급 석탄 이용의 문제 및 신재생에너지 의무 할당제와 같은 제도의 부담을 줄이기 위한 방안이 될 수 있다. 본 연구에서는 하이브리드석탄을 제조하기 위하여 유동층 공정을 사용하였으며, 제조된 하이브리드석탄은 수분재흡착율이 기존 건조된 석탄보다 현저하게 낮아졌으며, 연소 특성도 유사하여 발전용 연료로 사용할 수 있음을 보였다.