갈탄 건조용 WTA 기술

갈탄 건조를 위한 WTA 기술

갈탄 건조를 위한 WTA(Wirbelschicht Trocknung Anlage) 기술은 독일 RWE Power AG에서 개발했습니다. WTA는 내부 폐열 활용을 통한 유동층 건조를 나타내는 독일어 약어입니다. RWE Power AG는 이 기술에 대한 많은 특허를 보유하고 있습니다.

최초의 증기 유동층 건조기는 독일 쾰른(Cologne) 근처의 프레헨(Frechen)에 있는 WTA-1 시범 공장으로 RWE에서 개발했으며, 입자 크기가 0mm에서 6mm이고 시간당 25톤의 증발 능력. 1993년부터 1999년까지 20,000시간의 테스트 작동 동안 WTA-1 데모 플랜트는 건조 가열용 증기 압축 시스템(갈탄 석탄 응용 분야에서 세계적으로 처음으로 사용됨)과 함께 매우 훌륭하고 안정적으로 작동하는 것으로 입증되었습니다.

WTA-1 플랜트의 테스트 운영에 대한 추가 이론 작업과 평가는 기술 및 경제적 공정 최적화에 대한 추가 잠재력을 드러냈습니다. 개발의 여러 대안이 고려되었으며 입자 크기의 감소가 추가 개선을 위한 가장 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 나타났습니다.

1999년에 RWE는 Frechen의 WTA-1 공장 바로 옆에 미세 WTA 공정을 위한 WTA-2라는 테스트 공장을 건설했습니다. 이 새로운 플랜트는 원래 시간당 16.4톤의 갈탄 원료 처리량 및 시간당 8톤의 증발 용량에서 시간당 28.7톤의 원료 석탄 처리량 및 13.1톤의 수분 증발 용량으로 몇 가지 최적화 단계를 통해 증가된 설계 용량을 가졌습니다. 2011년까지 발전소의 총 가동 시간은 8,200시간입니다.

RWE는 Rhenish 갈탄 지역의 다양한 갈탄을 사용한 WTA-2 플랜트 운영의 광범위한 경험을 바탕으로 Niederaussem의 석탄 혁신 센터에 상업용 규모의 WTA 프로토타입 플랜트를 건설하기로 2005년 결정했습니다. 설계 능력은 시간당 원료 갈탄 처리량 210톤, 건조 갈탄 처리량 시간당 110톤, 증발 능력 시간당 100톤이었다. 이것은 8배 이상의 규모 확장 단계를 나타냅니다. 공장은 산업 유형의 공정 제어 시스템과 안전 기능을 갖춘 생산 공장으로 설계되었습니다. 2006년과 2008년 사이에 세워졌으며 최초의 갈탄 미가공은 2008년 12월에 건조되었습니다. Niederaussem의 설계에 대한 대안으로 주요 석탄 흐름의 모든 구성 요소는 강철 구조물에서 서로 위에 설치할 수도 있습니다.

현재 이 기술은 1000MW 용량의 Niederaussem 발전소에서 작동하고 있습니다. 시간당 210톤의 원탄을 처리할 수 있는 이 시스템은 시간당 100톤의 물을 증발시킬 수 있는 능력을 갖춘 세계 최대 갈탄 건조 설비다. 시간당 110톤의 마른 갈탄을 생성할 수 있습니다.

갈탄은 일반적으로 가스 및 액체 제품을 만들기 위해 처리하는 동안 고품질 고체 연료로 변환됩니다. 이 처리를 위해서는 수분 함량을 10%에서 20%로 줄여야 합니다. 갈탄의 건조는 기본적인 공정기술 운영으로서 갈탄의 품질도 함께 향상시킵니다. 에너지 효율적인 건조 방법은 전체 공정의 에너지 균형을 개선합니다. 갈탄의 처리 및 건조를 위한 현대적인 방법으로 WTA 기술이 사용되며 위의 모든 공정에 적용됩니다. 갈탄을 에너지적으로 활용하는 전체 프로세스를 최적화하고 배출량을 낮추는 데 중요한 기여를 합니다. 수분 함량이 증가함에 따라 건조를 위한 에너지 투입량이 증가하기 때문에 WTA 기술로 달성한 효율성 향상은 일정한 값이 아닙니다. 제거해야 하는 수분 함량이 높을수록 효율성 향상 가능성이 커집니다.

발전과 관련된 배가스 배출은 연료 투입량과 발전소의 효율에 정비례합니다. WTA 기술의 효율성 증가는 이러한 배출을 줄이는 데 직접적인 도움이 됩니다.

갈탄의 통상적인 건조에서, 석탄은 900 ℃ 내지 1,000 ℃ 범위의 온도에서 증기 발생 보일러 로에서 인출된 고온 연도 가스를 사용하여 건조되고 분쇄를 위해 분쇄기로 보내진다. 그곳에서 뜨거운 연도 가스는 갈탄이 분쇄되는 동안 갈탄에서 많은 수분을 빼냅니다. 이 결합된 공정을 분리하여 건조와 분쇄로 분리하면 갈탄을 낮은 온도에서 더 높은 에너지 효율로 건조할 수 있습니다. 갈탄의 사전 건조는 예비 연료 없이 기존 증기 보일러의 연소에 사용할 수 있을 정도로 발열량(CV)을 증가시킬 수 있습니다.

증기 건조 방식

석탄의 증기 건조는 몇 년 전까지만 해도 석탄 건조의 틈새 존재로 여겨져 온 건조 방식이다. 1979년 Potter et al. 증기 건조의 원리를 채택했으며 갈탄탄도 약간 과열된 증기를 사용하여 고정 유동층에서 건조될 수 있음을 실험실 테스트에서 보여주었습니다.

갈탄의 증기 건조는 두 가지 측면에서 매우 흥미롭습니다. 첫 번째는 갈탄 원료탄 1톤당 물 0.5톤 정도인 갈탄 원료에서 다량의 물을 제거해야 할 필요성입니다. 두 번째 측면은 갈탄이 흡습적으로 거동한다는 사실로 갈탄의 수분 함량이 주변 대기와 평형을 이루고 주어진 갈탄의 경우 수증기 압력과 온도의 함수일 뿐입니다.

대기압과 같은 일정한 압력에서 순수한 증기로 갈탄을 건조하는 동안 평형 수분은 온도의 함수일 뿐입니다. 이 관계를 설명하는 곡선을 탈착 등압선이라고 합니다. 이는 갈탄이 증기 분위기와 평형을 이루기에 충분히 오래 건조된다면 건조된 갈탄의 수분이 건조 시간에 의존하지 않기 때문에 공정 제어 관점에서 특히 중요합니다. 또한 갈탄은 '과도 건조'될 수 없습니다. 수분 함량이 더 이상 변하지 않기 때문입니다. 일단 평형에 도달하면 염색기에서 얼마나 오래 보관되든 상관없습니다. 탈착 등압선은 갈탄의 품질에 따라 다릅니다. 약 1.1 기압의 시스템 압력에서 두 가지 유형의 갈탄에 대한 이러한 의존성이 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1은 약 110℃의 온도에서 유형 1의 갈탄에서 약 12%의 평형 수분 함량에 도달함을 보여줍니다. C, 유형 2의 석탄에서는 107℃의 온도에 도달합니다.

그림 1 갈탄 석탄의 일반적인 등압선

갈탄의 건조에 증기를 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 건조 갈탄의 잠재적인 폭발 특성에 대한 높은 수준의 자연 안전을 보장하는 불활성 분위기에서 건조가 수행됩니다.
• 건식 갈탄의 수분 함량은 단순히 일정한 압력에서 온도의 함수입니다.
• 건조 온도가 비교적 낮습니다.
• 건조 증기의 거의 100%가 증기로 구성되어 등온적으로 응축됩니다. 따라서 현명하게 적극적으로 사용할 수 있는 매력적인 폐열원입니다.
• 증기의 응축은 다량의 증기 배출과 먼지 배출을 방지합니다.
• 회수된 응축수는 공장의 물 요구 사항을 충족하는 데 기여할 수 있는 활용 가능한 물 공급원입니다.

WTA 공정 및 유동층 건조기 

갈탄 원료는 직렬로 직접 연결된 두 개의 분쇄기에서 2mm 미만의 크기로 분쇄됩니다. 분쇄 후 석탄은 유동층 건조기로 공급되며, 여기서 유동화 매체는 건조 과정에서 발생하는 증기입니다. 물의 증발은 유동 건조기에 통합되고 증기로 가열된 열교환기에 의해 약간의 과압 하에서 110℃에서 발생합니다. 건조실에서 갈탄의 체류 시간은 60분에서 90분 사이입니다.

고정상을 떠나는 건조 석탄은 먼저 사이클론에서 그 다음 전기 집진기에서 수반되는 증기로부터 분리됩니다. 사이클론 출구의 증기는 베드의 유동화에 사용되는 증기이며 전기집진기 출구의 증기는 대기로 배출됩니다. 또한, 중간 냉각기를 통과한 후 사이클론 및 전기 집진기에서 분리된 석탄과 혼합되는 베드 바닥의 석탄에 대한 조대 추출이 있습니다.

석탄 건조에 필요한 열은 외부 증기에 의해 공급되며 일반적으로 베드 내부에 위치한 튜브 번들에서 열 전달이 발생하는 터빈에서 가져옵니다. 유동층에서의 건조는 입자 크기를 더욱 감소시켜 건조기를 떠나는 건조 석탄은 일반적으로 1mm보다 작은 입자 크기와 약 9%의 입자 크기를 갖습니다. 건조 석탄의 수분 함량은 약 12%입니다. 유동층 온도를 제어하여 수분 함량을 조정하고 원하는 값으로 일정하게 유지할 수 있습니다. WTA 공정은 갈탄 기반 발전에서 CO2 배출량을 줄이기 위한 중요한 기술입니다.

갈탄은 스타 피더를 통해 약간의 과압 상태인 건조기로 공급됩니다. WTA 기술을 위해 특별히 개발된 시스템은 건조기의 상부에 설치됩니다. 유동층 표면에 미리 분쇄된 갈탄을 분배합니다. 유동층은 저압 증기 또는 공정 대안에 따라 재압축 증기로 가열됩니다. 갈탄을 건조할 때 나오는 증기입니다. 가열 증기의 압력은 약 3-4 기압입니다. 소용돌이(유동화)를 위해 사용된 시스템은 갈탄의 특정 건조 조건에 맞게 조정됩니다. 유동화 바닥 아래에서 건조 갈탄은 스타 피더를 통해 고정층에서 배출됩니다. 건조기는 높은 비용량과 컴팩트한 디자인을 가지고 있습니다. 유동층 건조기는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 유동층 건조기의 다이어그램  

WTA 절차의 원칙

WTA 공정 기술은 약간의 과압에서 팽창이 낮은 고정 유동층 원리를 기반으로 합니다. 이것은 일반적으로 공기의 상향 흐름에 의해 '부유-유동' 상태로 전환되는 고체 입자의 층입니다. 건조에 필요한 에너지는 증기로 가열되는 유동층 건조기에 설치된 열교환기를 통해 공급됩니다. 유동화 매체를 통해 소량의 에너지만 공급됩니다. 따라서 유동화 흐름과 건조기의 에너지 요구 사항은 서로 독립적으로 제어될 수 있습니다.

열교환기와 유동층 사이의 열전달이 매우 우수하고 작은 온도차에도 높은 열 흐름을 얻을 수 있습니다. 그 결과, 드라이어는 컴팩트한 디자인에도 불구하고 높은 증발 능력을 가지고 있습니다. 또한 갈탄 원료탄은 분쇄 후 응집력으로 인해 대량으로 유동화하는 것이 사실상 불가능하기 때문에 유동층은 일반적으로 건조 갈탄을 담체 매개체로 하고 새로 분쇄한 원료 갈탄을 첨가한 혼합층으로 설계된다.

건조는 거의 100% 순수하고 약간 과열된 수증기 분위기에서 수행됩니다. 이 과정에서 해당 증기의 온도와 갈탄의 잔류 수분 사이의 일정한 압력에서 평형에 도달합니다.

갈탄을 증기 분위기에서 건조하는 것의 장점은 석탄의 증발된 물이 등온, 즉 일정한 온도에서 응축되어 에너지적으로 효율적인 방식으로 사용될 수 있다는 것입니다. 증기 사용에 대한 두 가지 개념이 산업 규모에서 개발되었습니다. 이들은 (i) 통합 갈탄 예열이 있거나 없는 건조기의 열 교환기를 가열하기 위한 개방형 열 펌프 프로세스로서의 기계적 증기 재압축(그림 3b), (ii) ) 예를 들어 Niederaussem에서 구현된 발전소 공정의 보일러 급수 예열을 위한 증기 응축(그림 3a).

그림 3a 증기 응결이 있는 WTA 기술

두 가지 변형을 WTA 프로세스에 통합할 수 있습니다. 건조 공정의 에너지 효율성을 높이고 배출물을 줄입니다. 생성된 증기 응축수는 공업용수로 사용할 수 있습니다. 증기 이용에 사용되는 시스템의 선택은 무엇보다도 건조 요구 사항 및 전체 공정으로의 통합에 따라 달라집니다.

미가공 갈탄의 입자 크기

WTA 건조 공정은 두 가지 입력 입자 크기, 즉 (i) 거친 입자 크기(0mm ~ 6mm) 및 (ii) 미세 입자 크기(0mm ~ 2mm)에 대해 개발되었습니다. 고온 Winkler 공정의 가스화 또는 갈탄의 코크스화와 같이 다운스트림 공정에 최소 입자 크기의 건식 갈탄이 필요한 경우 거친 입자 크기 대안이 사용됩니다. 다른 모든 공정의 경우 미세 입자 크기 대안이 기술적으로나 경제적으로 훨씬 더 매력적인 옵션이기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 특히 기존 발전소의 사전 건조 단계로 미세 입자 크기 WTA 공정이 유리합니다. 최대 입자 크기가 1mm인 건조 갈탄이 너무 미세하여 보일러에서 연료로 직접 사용할 수 있기 때문입니다.

광산 갈탄의 필요한 직접 미세 연삭을 위해 RWE는 갈탄 미가공의 입자 크기를 약 80mm 미만에서 원하는 크기로 줄이기 위해 직렬로 연결된 두 개의 연삭 단계가 있는 특수 공정을 개발했습니다. 2mm 미만의 값. 그림 3b는 건조 공정에서 증기 에너지를 사용하기 위해 업스트림 미세 분쇄 및 통합 기계적 증기 압축을 사용하는 미세 입자 WTA 공정 대안의 전체 공정을 보여줍니다.

증발된 석탄수(증기)는 전기집진기에서 정화되고 압축기에서 약 4기압으로 재압축되어 수증기는 건조기에 설치된 열교환기를 가열하는데 사용될 수 있다(그림 3b). 증기 응축수의 현열은 원료 갈탄을 약 65°C ~ 70°C로 예열하는 데 사용됩니다. 따라서 증기의 에너지는 건조기의 에너지 요구량을 충당하는 데 사용됩니다.

예열기 및 증기 압축 기능이 있는 그림 3b WTA 기술

정화된 수증기의 일부는 갈탄의 유동화를 위해 건조기로 재순환됩니다. 건조 갈탄은 필요에 따라 냉각하고 WTA 플랜트에 통합된 분쇄기를 사용하여 다시 1mm 미만의 입자 크기로 분쇄하여 발전소의 보일러에서 직접 연소에 사용할 수 있습니다. /P>

건조기에서 나오는 증기는 발전소의 물-증기 주기에서 보일러 급수를 예열하는 데 사용할 수도 있습니다. 수증기를 사용하지 않는 저비용 대안(그림 3c)도 실현 가능합니다. 이 대안은 수분과 회분이 많은 갈탄의 CV를 향상시키기 위해 설치할 수 있습니다.

그림 3c WTA 기술의 저비용 대안

WTA 공정은 높은 비용량과 낮은 가열 증기압이 특징입니다. 따라서 각 건조기 유닛에 대해 매우 높은 건조 출력을 얻을 수 있습니다. 또한, 공간 절약형 설계와 미가공 및 건식 갈탄을 위한 통합 미세 분쇄 시스템은 전체 공장도 비교적 컴팩트하게 유지됩니다.

WTA 기술을 사용한 갈탄 건조의 장점

WTA 기술을 이용한 갈탄 건조의 장점은 다음과 같습니다.

• 낮은 온도에서 건조되기 때문에 높은 에너지 효율과 증기 응축 또는 기계적 증기 압축을 통해 증발된 석탄수를 적극적으로 사용합니다.
• 비활성 분위기에서 건조되기 때문에 작업 시 매우 안전한 기술입니다. 이것은 석탄 먼지와 공기의 폭발적인 혼합을 방지합니다.
• 건조기는 건조 용량이 높습니다.
• 원형 갈탄 미분쇄 시스템이 통합되어 있고 필요한 경우 2차 건조 갈탄 연삭도 포함되어 있어 디자인이 컴팩트합니다.
• 에너지 증기를 활용하면 상당한 증기 및 먼지 배출을 피할 수 있습니다. 증기 응축수는 계획에 사용할 수 있는 수원입니다.
• 플랜트 엔지니어링은 건조 요구 사항에 따라 유연하게 조정될 수 있습니다.
• 이 기술은 건조 대안과 갈탄 원료의 수분 함량에 따라 발전소 효율을 4%에서 6%까지 증가시킵니다.






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