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갈탄의 건조 기술


갈탄의 건조 기술

석탄은 일반적으로 무연탄, 역청질, 아역청질 및 갈탄으로 분류되며, 무연탄이 가장 오래되고 갈탄이 가장 젊습니다. 석탄이 노화됨에 따라 수분 함량이 감소하고 발열량이 증가합니다. 갈탄은 흔히 갈탄이라고 합니다. 가장 낮은 등급, 가장 낮은 탄소(C) 함량 및 가장 높은 수분 함량을 갖는 것으로 간주됩니다. 갈탄의 수분 함량은 60% 이상일 수도 있습니다.

갈탄은 일반적으로 쉽게 채굴할 수 있도록 얕게 묻혀 있습니다. 이러한 석탄은 수분 함량이 높을 뿐만 아니라 휘발성 함량이 높고 자연 발화하기 쉬운 낮은 발열량(CV)을 가지고 있습니다. 높은 수분 함량은 갈탄의 적용에 대한 주요 제약입니다.

석탄의 수분 함량은 가공, 저장, 운송, 분쇄 및 연소 과정에서 많은 어려움을 야기합니다. 높은 수분 함량은 석탄의 CV와 연소 효율을 상당히 감소시킵니다. 또한 배기 가스에서 더 높은 열 손실을 초래합니다.

갈탄의 연소에서 에너지의 중요한 부분은 석탄 내부의 수분을 증발시키는 데 소비됩니다. 수분 함량이 높은 석탄의 연소는 수분 증발을 위한 추가 에너지 소비, 연소 부족 및 추가 배출 배출 등과 같은 여러 문제를 발생시킵니다.



갈탄의 수분 함량은 다음 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

갈탄의 건조 또는 탈수는 높은 수분 함량으로 인한 문제를 감소시킵니다. 이것은 석탄 처리 시스템, 컨베이어 및 분쇄기에 대한 부담을 줄입니다. 또한 건조탄은 운반이 쉽기 때문에 유지 관리 비용이 절감되고 석탄 처리 시스템의 가용성이 높아집니다.

갈탄에서 수분을 제거하면 CV가 향상되어 오염 물질이 감소합니다. 수분 함량의 감소는 또한 분쇄기의 에너지 소비를 줄이고 연도 가스로 인한 열 손실을 줄이며 운송 비용을 줄이면서 연소 효율, 안전성을 높이고 배기 가스의 양을 줄입니다.

갈탄을 위한 여러 건조 공정이 여러 카운티에서 개발되고 있습니다. 이러한 건조 공정의 대부분은 석탄 수분 함량을 줄이기 위해 고급 열에 의존하거나 기화 잠열을 회수하기 위해 값비싼 재료를 사용하는 복잡한 장비 배열을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 열 건조 비용을 크게 증가시킵니다.

갈탄의 건조 곡선은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 갈탄의 건조 곡선

갈탄의 건조는 일반적으로 이러한 석탄의 사용을 기반으로 하는 대부분의 공정 및 기술에서 첫 번째이자 필수적인 단계입니다. 그러나 갈탄을 건조시키는 보편적인 단일 방법은 없습니다. 석탄 건조기 및 건조 공정에 대한 특허는 전 세계적으로 매우 많습니다. 물론 이러한 특허 기술 중 실제로 실행 가능한 것은 극히 일부에 불과합니다. 제안된 아이디어 중 일부는 실용적이지 않습니다.

갈탄의 건조 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 그룹에서 건조 방법은 증발 건조로 알려져 있습니다. 석탄의 증발 건조에서는 석탄 입자에서 수분을 제거하기 위해 열이 제공됩니다. 건조 매체는 공기, 연도 가스 또는 과열 증기일 수 있습니다. 건조 과정에서 열과 물질 전달 메커니즘이 모두 활성화됩니다. 갈탄의 가열은 직접 접촉 또는 간접 접촉에 의해 수행될 수 있습니다. 건조 공정은 고정층, 유동층 또는 연행층을 사용합니다. 두 번째 그룹에서 이 방법은 비증발 건조로 구성됩니다. 비증발 건조에 일반적으로 사용되는 공정은 열 탈수, 열 기계적 탈수 또는 용매 추출 탈수를 기반으로 합니다. 갈탄의 건조 과정 중 일부는 다음과 같습니다.

고온 가스 건조

뜨거운 연도 가스에 의한 갈탄의 건조는 수년 전에 수행되었습니다. 간단한 장비를 갖춘 성숙한 공정입니다. 이 과정에서 갈탄과 뜨거운 연도 가스가 직접 접촉합니다. 수분은 연소 가스의 열을 흡수하고 증발합니다. 고온의 연도 가스인 건조 매체는 발전소, 용광로 또는 후방 연도 가스 통로에서 쉽게 얻을 수 있습니다. 연도 가스의 낮은 산소 함량은 갈탄 건조 과정에서 발화 및 폭발의 가능성을 방지할 수 있습니다. 석탄분쇄기에서의 건조는 고온의 연도가스에 의한 건조방식에 속하며 현재 발전소에서 가장 많이 적용되고 있는 방식 중 하나이다. 이 공정의 단점은 높은 에너지 소비와 점화 및 폭발 가능성이 있다는 것입니다.

플라이스너 프로세스

이것은 1927년 Hans Fleissner 교수가 오스트리아에서 처음 개발한 아주 오래된 저급 석탄 건조 공정입니다. 이 공정은 제어된 수분 제거로 석탄의 불균일한 수축과 그에 따른 붕괴를 방지할 수 있다는 원리에 기초합니다. 포화 증기 분위기는 덩어리가 가열될 때까지 증발을 방지하고 증기 압력을 점진적으로 감소시켜 수분 손실을 제어할 수 있습니다. 갈탄 덩어리에 고압 증기의 작용이 이러한 효과를 생성하는 열 건조 공정입니다. 온도가 상승하고 압력이 증가함에 따라 콜로이드성 물의 일부가 덩어리에서 액체로 배출됩니다. 물이 나가면서 덩어리가 수축하고 세포가 무너지며 압력이 낮아지면 덩어리에 저장된 현열에 의한 증발로 인해 더 많은 물이 남습니다. 진공으로 더 압력을 낮추면 추가적인 수분이 증발하여 덩어리를 식힌다. 많은 건조 방법은 Fleissner 공정을 기반으로 합니다.

로터리 튜브 건조

건조 공정은 회전식 튜브 열 교환기에서 수행되며 증기와 갈탄 사이의 비직접 접촉을 사용합니다. 공정 중에 공기가 침투하지 않으면 공정 종료 시 수증기만 남게 됩니다. 따라서 기화잠열을 ​​회수할 수 있다. 공정은 건조 용량이 적은 부피가 큰 장치를 사용합니다.

과열 증기 건조

갈탄을 증기로 건조시키는 것은 최근의 과정입니다. 이 과정에서 갈탄과 과열 증기가 직접 접촉합니다. 갈탄 건조 과정에서 발화 및 폭발의 가능성은 과열 증기의 관성으로 인해 피할 수 있습니다. 이 과정에서 건조율이 높더라도 갈탄의 수분과 과열 증기 사이에 물질 전달 저항이 없습니다. 갈탄을 보일러 연료로 사용하는 발전소의 경우 터빈에서 나오는 증기를 건조 매체로 사용할 수 있습니다. 배가스의 기화 잠열을 완전히 회수할 수 있다면 과열 증기에 의한 건조 에너지 소비량은 열풍 건조 에너지 소비량의 약 20%에 불과합니다. 따라서 과열 증기에 의한 건조는 에너지 절약 가능성이 있습니다.

혼합 침대 건조

혼합층 건조는 증발 건조 과정입니다. 갈탄의 건조는 가열층 재료가 건조를 위한 열을 공급하는 순환 유동층에서 수행됩니다. 건조 가스는 회수 및 활용이 쉬운 수증기입니다. 건조 가스는 갈탄이 건조되는 건조실에서 열전달이 일어나는 순환 활용입니다.

냉각 과정

Coldry 기술은 1980년대 초반에 CRA Advanced Technical Development와 협력하여 Melbourne 대학의 유기 화학과에서 조사한 결과로 개발되었으며 Environmental Clean Technologies Limited에서 특허를 받았습니다. 갈탄 및 아역청탄(갈탄)의 천연 고수분 및 특정 오염물질을 제거하여 석탄을 개량하는 기술입니다.

건조 공정은 C 입자가 함께 마모되어 발열 반응을 시작하여 석탄의 수분 방출을 기반으로 합니다. 그 결과 내구성이 있고 저장 및 운송이 용이하고 일반적으로 많은 흑탄과 관련된 유사한 에너지 값을 갖는 고밀도 펠릿 형태의 농축 제품이 생성되며, 동시에 원래 갈탄 형태에 비해 CO2 배출량이 크게 감소합니다. 이 프로세스는 (i) 스크리닝 및 사료 관리, (ii) 마모 및 압출, (iii) 컨디셔닝, (iv) 팩 베드 건조, (v) 물 회수, (vi) Coldry 펠릿 생산의 6단계로 구성됩니다.

첫 번째 단계에서 갈탄 공급물은 분쇄되고 직경 8mm 미만의 크기로 체질됩니다. 그런 다음 C 입자와 물 혼합물로 구성된 분쇄 입자는 석탄 표면을 함께 문지르는 'Attritioner'로 공급됩니다. 이것은 석탄에서 물을 배출하는 자연적인 과정을 유발하는 발열 화학 반응을 시작합니다. 이제 가소화된 혼합물이 저압으로 압출되어 컨디셔닝 장치로 보내지면 반응이 가속화됩니다. 여기에서 압출된 석탄 조각은 40℃의 온도에서 약 1시간 동안 가열됩니다. 경화되고 건조된 제품은 펠릿 형태로 분리되어 건조기로 보내집니다. 최종 수분 함량은 채광된 수분, 공급 원료의 특성 및 공정 매개변수, 특히 열교환 장치에서 제공하는 온도, 허용되는 건조 시간에 따라 10%와 14% 범위입니다.

생산된 건조 Coldry 펠릿은 일반적으로 직경 16mm, 길이 45mm입니다. 부피 밀도는 약 700kg/cum ~ 750kg/cum이고 수분 함량은 약 12%이며 열가는 약 5520kcal/kg입니다.

Coldry 공정의 주요 이점은 (i) 갈탄 석탄의 CV가 200%에서 250% 범위로 증가하고, (ii) 값비싼 처리 없이 즉각적인 산업 사용을 위해 석탄에서 회수할 수 있는 다량의 물의 방출입니다. , (iii) 발전소의 냉각 회로에 회수된 물을 공급할 가능성, (iv) 회분 함량의 감소, (v) CO2 배출량의 감소, (vii) 회분 축적의 감소, (viii) 그 이후의 저온 공정 약 40℃의 폐열이 필요하며, (ix) 이 낮은 열은 같은 위치에 있는 발전소에서 열 교환을 통해 공급되며, (x) 더 적은 에너지를 필요로 하는 저압 공정, (xi) 기존 전력 보일러를 사용할 가능성 .

열 탈수

갈탄의 열 탈수는 수분 함량을 줄이기 위해 고온 고압에서 석탄 형성 과정을 시뮬레이션합니다. 갈탄을 역청탄과 유사한 석탄으로 업그레이드합니다. 공정 매개변수는 280℃에서 350℃ 범위의 온도, 10기압에서 130기압 범위의 압력입니다. 갈탄의 수분을 액체 형태로 추출하는 비증발 건조 방식입니다. 건조 외에도 열 탈수는 CV를 증가시키면서 석탄의 흡습성을 감소시킵니다. 이 과정에서 일부 무기물 및 유기물도 제거됩니다. 기술 요구 사항이 높고 대규모 공장에서 실현하기 어렵습니다.

열 기계적 탈수 공정

갈탄의 열적 기계적 탈수 공정은 온도와 기계적 힘의 결합된 작용으로 구성됩니다. 석탄의 수분은 액체 형태로 추출됩니다. 열기계적 탈수에 대한 조사 작업은 독일, 호주, 중국에서 진행되고 있다.

공정 결과 수분 제거율이 60% 이상으로 양호한 건조가 됩니다. 자연 발화 경향과 석탄의 흡습성이 감소합니다. 200℃ 미만의 온도와 2기압 미만의 압력으로 구성된 기술 요구 사항을 쉽게 실현할 수 있습니다. 석탄의 수분과 함께 일부 무기물이 제거됩니다.

기계적 열 발현 과정

기계적 열 발현(MTE) 공정은 기계적 발현과 열 탈수 공정의 조합입니다. 약한 열과 기계적 압축을 사용하는 방법입니다. MTE 공정의 실질적인 이점을 얻으려면 갈탄을 물의 정상 끓는 온도 이상으로 가열해야 합니다. 그러나 처리 온도는 유기물이 생산수로 상당히 방출되는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 낮아야 합니다. 기계적 압축 단계에서 초기 수분의 약 10~60%가 제거됩니다. 압축 압력은 제거되는 물의 양에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

기계적 탈수 프로세스는 증발을 방지하기 위해 배압으로 유지되어 기계적 힘에 의해서만 물이 제거됩니다. 추가 수분 감소는 처리된 갈탄을 대기 조건에 노출시켜 플래시 증발에 의해 달성됩니다.

MTE 공정은 원래 수분 함량의 최대 약 75%인 수분을 제거합니다. MTE 공정은 (i) 석탄의 사전 분쇄가 필요하고, (ii) 깨끗한 물이 생성되어야 하며, (iii) 시간이 많이 걸리고, (iv) 높은 투자 및 운영 비용과 같은 특정 단점이 있습니다.

전자기 공장

전자기 분쇄기에서 갈탄의 건조는 갈탄의 열-기계적 건조 방법에 따릅니다. 석탄을 150~200℃의 고온과 5~16기압의 압력으로 증기로 가열한 후 수압 프레스로 압축해 물을 짜내는 방식이다.

전자기 분쇄기는 매우 가벼운 무게의 강자성 연삭 매체를 사용합니다. 따라서 소비 전력이 매우 낮습니다. 연삭 매체는 높은 운동 에너지에 도달하는 자기장의 변화를 따릅니다. 밀의 생산성을 높이거나 제품의 더 미세한 입자 크기를 얻기 위해 다중 섹션 구조(병렬 또는 직렬)를 도입할 수 있습니다.

이 방법의 장점은 (i) 약 30초의 짧은 건조 시간, (ii) 낮은 에너지 소비, (iii) 원래 수분 함량의 약 75% 정도로 수분 제거를 포함합니다.

유동층에서 건조

유동층에서 갈탄의 건조 과정에서 석탄과 건조 매체 사이에 직접 접촉이 있으며 갈탄 입자는 부유 상태로 남아 있습니다. 사용할 수 있는 유동화 매체는 일반적으로 뜨거운 공기, 뜨거운 연도 가스 및 과열 증기로 구성됩니다. 건조를 위해 더 많은 열을 공급할 수 있는 내장형 열교환기를 갖는 것이 가능합니다.

유동층에서 갈탄의 건조 특성은 (i) 높은 건조 속도, (ii) 조밀한 구조, (iii) 대규모 작업을 쉽게 달성할 수 있습니다. 내장형 열교환기는 대부분의 열을 공급하고 유동 매체 흐름을 줄이며 건조기의 크기를 줄이고 팬의 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 수증기를 건조 매체로 사용하면 갈탄의 자연 발화를 피할 수 있고 높은 물질 전달 효율을 얻을 수 있습니다. 내장형 열교환기의 유동 매체 및 고온 유체는 보일러 또는 터빈에서 추출할 수 있어 발전 시스템과의 통합이 용이합니다.

WTA(Wirbelschicht Trocknung Anlage) 기술

WTA 기술은 독일 회사인 RWE Power AG에서 개발했습니다. 내부 폐열을 이용하여 유동층에서 건조하는 기술입니다. 그림 2는 프로세스의 개략도를 보여줍니다.

                        그림 2 WTA 갈탄 미세 건조 공정의 개략도

원탄은 직렬로 직접 연결된 2개의 해머 크러셔에서 2mm 미만의 크기로 분쇄됩니다. 분쇄 후, 석탄은 유동층으로 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 기술은 갈탄 발전에서 CO2 배출량을 줄이는 중요한 요소입니다.

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.

WTA 기술의 주요 장점은 (i) 저온 건조로 인한 높은 에너지 효율성과 증발된 석탄수(증기 응축 또는 기계적 증기 압축을 통한)의 에너지 사용, (ii) 석탄 건조로 인해 매우 안전하다는 것입니다. 폭발적인 석탄 먼지-공기 혼합물을 피하는 불활성 분위기, (iii) 통합된 미가공 갈탄 미세 밀링 시스템과 필요한 경우 2차 건조 갈탄 밀링으로 인한 컴팩트한 설계, (iv) 상당한 증기 및 먼지 배출을 방지하는 에너지 증기의 활용 . 증기 응축수는 사용할 수 있는 수원입니다.

연삭 및 건조 공정 결합

갈탄은 일반적으로 사용 전에 분쇄됩니다. 분쇄 중에 생성된 열은 입자 크기를 줄이는 동시에 수분 함량을 상당히 감소시킬 수 있습니다. 석탄 건조 응용 분야에서 이러한 두 가지 기능을 결합한 상용 장치 중 하나는 KDS(동적 분해 시스템) Micronex 그라인더/건조기입니다. 장비는 열 투입 없이 단일 단계 공정으로 석탄을 갈고 건조하는 대용량 그라인더로 구성됩니다. 건조 메커니즘은 부분적으로는 열적 탈수이고 부분적으로는 기계적 탈수입니다. KDS 기술은 기존 건조 및 분쇄에 필요한 것보다 훨씬 적은 총 에너지(70%)를 사용합니다.

용매 추출 탈수 공정

용매 추출 탈수 공정은 비극성 용매에서 수용성의 변화 원리를 기반으로 합니다. 사용되는 일반적인 용매는 디메틸 에테르(DME), 초임계 CO2, 톨루엔, 아니솔 등이 있습니다. 이 과정은 자연 발화 경향을 줄입니다. DME와 같은 일부 용매의 경우 기술 요구 사항 및 에너지 소비량이 낮습니다. 유기 용매는 수분 추출 비용을 증가시킵니다. 이 방법에 의한 갈탄의 건조율은 낮다. 대규모 설치의 경우 프로세스를 구현하기가 어렵습니다.

Pristine-M 프로세스

Pristine-M 공정은 Clean Coal Technologies, Inc.(CCTI)에서 개발 중입니다. 이 공정은 원료 석탄을 보다 깨끗하고 효율적인 연료원으로 전환하기 위한 것입니다. 수분 함량이 높은(30%~60%) 석탄을 탈수하기 위해 개발되었습니다. %) 'Vapour Phase Deposition'이라는 독특한 개념이 결합되어 있습니다.

CCTI의 프로세스는 세 가지 근본적인 문제를 해결합니다. 이러한 과제는 (i) 수분을 재흡수하지 않는 제품을 생산하는 것, (ii) 자연 발화의 위험을 최소화하면서 안전하게 운송할 수 있는 낮은 마손도의 제품을 생산하는 것, 그리고 (iii) 저렴하고 공정 경제적으로 실행 가능한. 이 공정은 공급 석탄의 분쇄가 필요하지 않습니다. 원석탄은 분해가 거의 발생하지 않으므로 결과적으로 연탄 또는 펠릿화는 공정의 일부가 아닙니다.

Pristine-M은 연속 공정이며 세 가지 개별 구성 요소로 구성됩니다. 이 공정은 탈휘발기를 사용하여 공정 열에 사용되는 가스를 생성하고 건탄을 안정화합니다. 공급 석탄의 작은 부분(일반적으로 7% 미만)만 휘발됩니다. 공정 매개변수는 언급된 목적에 충분한 휘발성 가스만 생성하도록 최적화되어 있습니다. 이 과정에서 액체 부산물은 바람직하지 않습니다. 과잉의 휘발탄은 공정이 끝날 때 건조되고 안정화된 석탄과 다시 혼합되어 손실되지 않습니다.

이 공정의 두 번째 구성 요소는 Carrier가 설계한 건조기로 구성됩니다. 건조는 약 120℃에서 이루어지며, 이 온도는 잔류 시간, 베드 깊이 및 온도의 함수로 제거 정도(예:15% 또는 10% 또는 5%까지)로 고유 수분을 제거하기에 적절한 온도입니다. 특정 유형의 석탄은 원탄이 건조되는 정도에 따라 미분으로 분해되는 경향이 있습니다. 이러한 경우 수분 제거가 감소하지 않으면 건조 석탄의 연탄이 필요합니다. 이 공정은 다양한 단계에서 미립자를 제거하고 필요한 경우 연소(공정 열)에 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 공정의 3단계로 들어가는 소량의 미분은 건조되고 안정화된 석탄 표면에 덩어리져 굳어지는 경향이 있습니다.

공정의 세 번째 단계인 안정화/증기상 증착 단계에서는 수분이 제거된 석탄 기공으로 휘발 물질을 흡수시킵니다. 원하는 결과를 얻기 위해 공급 석탄의 화학적 프로파일을 기반으로 안정화 매개변수가 설정됩니다.

Pristine-M 공정은 석탄을 불침투성으로 만듭니다. 또한 석탄의 구조적 무결성이 유지되며 수분 제거만으로 얻을 수 있는 값 이상으로 열가를 높일 수 있습니다. 제품 석탄의 Hardgrove Grindability Index(HGI)는 공급용 석탄과 동일하게 유지됩니다.

Pristine-M 프로세스는 모듈식입니다. 시간당 30톤의 처리량을 공급하고 수분이 50%인 갈탄을 처리하도록 설계된 상업용 모듈은 연간 약 160,000톤의 건조탄을 생산할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. Pristine-M 공정을 기반으로 하는 연간 100만 톤의 공장은 6개의 이러한 모듈로 구성됩니다. 이 공정은 수분 제거 정도와 석탄의 고유 수분에 따라 약 15분으로 추정되는 체류 시간으로 계속됩니다. 공장은 1기압에서 작동합니다.



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