독일 RWE Power AG가 개발한 WTA(Wirbelschicht Trocknung Anlage) 기술은 갈탄 건조 분야에 혁신을 가져왔습니다. WTA는 '내부 폐열을 이용한 유동층 건조'를 뜻하는 독일어 약자로, RWE는 이 기술과 관련해 다수의 특허를 보유하고 있습니다.
첫 번째 증기 유동층 건조기는 1993년 독일 쾰른 인근 프레헨에 WTA-1 실증 플랜트로 건설되었습니다. 시간당 53톤의 원료 갈탄(입도 0~6mm)을 처리하며, 시간당 25톤의 수분 증발 능력을 갖췄습니다. 1993년부터 1999년까지 20,000시간의 시험 가동 동안, 세계 최초로 갈탄에 적용된 증기 압축 가열 시스템과 함께 매우 안정적이고 신뢰성 높게 작동함이 입증되었습니다.
WTA-1 플랜트 운영 경험과 이론적 분석을 통해 추가적인 기술·경제적 최적화 잠재력이 확인되었고, 입도 축소가 가장 큰 개선 가능성을 가진 것으로 나타났습니다. 이에 따라 1999년 WTA-1 인근에 미립자용 WTA-2 시험 플랜트가 건설되었습니다. 초기 설계 용량은 시간당 원료 갈탄 16.4톤, 증발 용량 8톤이었으나, 2011년까지 8,200시간 운영하며 최적화를 거쳐 원료 갈탄 28.7톤, 증발 용량 13.1톤으로 성능이 향상되었습니다.
WTA-2 운영 경험을 바탕으로 RWE는 2005년 니더아우젬 석탄혁신센터에 상용 규모의 WTA 프로토타입 플랜트 건설을 결정했습니다. 설계 용량은 시간당 원료 갈탄 210톤, 건조 갈탄 110톤, 증발 용량 100톤으로 WTA-2 대비 8배 이상 규모가 확대되었습니다. 이 플랜트는 산업용 공정 제어 시스템과 안전 설비를 갖춘 생산 플랜트로 설계되어 2006~2008년 건설되었고, 2008년 12월 첫 갈탄 건조에 성공했습니다. 니더아우젬 설계의 대안으로 주요 석탄 흐름 부품을 강철 구조물 위에 수직으로 설치하는 방식도 가능합니다.
현재 이 기술은 1,000MW급 니더아우젬 발전소에서 가동 중입니다. 시간당 210톤의 원료 갈탄을 처리하며, 시간당 100톤의 수분을 증발시키는 세계 최대 규모의 갈탄 건조 플랜트입니다. 건조 후 갈탄은 시간당 110톤 생산됩니다.
갈탄은 가스화·액화 등 고품질 고체 연료로 전환하거나 기체·액체 제품을 생산하기 위해 수분 함량을 10~20%로 낮춰야 합니다. 건조는 갈탄 품질을 향상시키는 기초 공정이며, 에너지 효율적인 건조법은 전체 공정의 에너지 밸런스를 개선합니다. WTA 기술은 이러한 갈탄 처리·건조 공정 전반에 적용되어 에너지 이용 최적화와 배출 저감에 핵심적으로 기여합니다. 건조 에너지 소요량은 수분 함량이 높을수록 증가하므로, WTA 기술의 효율 개선 효과도 제거해야 할 수분량이 많을수록 커집니다.
발전소 배출가스는 연료 투입량과 발전 효율에 비례합니다. WTA 기술로 효율이 향상되면 직접적으로 배출가스 저감으로 이어집니다.
기존 방식에서는 900~1,000°C의 고온 배가스를 분쇄기에 직접 투입해 갈탄을 분쇄하면서 동시에 건조합니다. 이 결합 공정을 건조와 분쇄로 분리하면, 저온에서 갈탄을 건조할 수 있어 에너지 효율이 크게 향상됩니다. 예비 건조를 통해 발열량을 충분히 높이면 보조 연료 없이도 기존 증기 보일러에서 연소가 가능해집니다.
증기 건조는 갈탄 1톤당 약 0.5톤의 수분을 제거해야 하고, 갈탄이 흡습성을 띠어 주변 수증기 압력과 온도에 따라 평형 수분이 결정된다는 특성을 이용합니다. 일정한 압력(대기압)에서 순수 증기로 건조하면 평형 수분은 온도의 함수만 됩니다. 이 관계를 나타내는 곡선을 '탈착 등압선'이라 하며, 건조 시간이 충분하면 건조 시간과 무관하게 목표 수분에 도달하고 '과건조' 현상이 없습니다.
증기 건조의 주요 장점:
원료 갈탄은 직렬 연결된 두 개의 분쇄기에서 2mm 미만으로 분쇄된 후 유동층 건조기로 공급됩니다. 유동 매체는 건조 과정에서 발생하는 증기입니다. 건조기 내부에 설치된 열교환기에 증기를 공급해 110°C, 미세 양압 조건에서 수분을 증발시킵니다. 건조실 내 체류 시간은 60~90분입니다.
건조된 갈탄은 사이클론과 전기집진기를 거쳐 증기와 분리됩니다. 사이클론 출구 증기는 유동화용으로 재순환되고, 전기집진기 출구 증기는 대기로 배출됩니다. 바닥에서 거친 입자를 별도 배출해 중간 냉각 후 사이클론·전기집진기 회수분과 혼합합니다.
건조 열원은 외부 증기(일반적으로 터빈 추출 증기)로, 건조기 내관 다발에서 열교환이 이루어집니다. 유동층 내에서도 추가 분쇄가 일어나 건조 갈탄은 통상 1mm 미만(1mm 초과 약 9%) 입도를 가지며, 수분 함량은 약 12%입니다. 유동층 온도 제어로 목표 수분을 정밀하게 유지할 수 있습니다. WTA 공정은 갈탄 화력발전의 CO₂ 배출 저감에 핵심 기술입니다.
WTA 기술은 미세 양압 하에서 낮은 팽창도의 정지 유동층을 이용합니다. 고체 입자층에 상향 기류(일반적으로 공기)를 통과시켜 '부유-유동' 상태로 만듭니다. 건조에 필요한 에너지는 유동층 내 설치된 열교환기에 증기를 공급해 전달하며, 유동화 매체를 통한 에너지 공급은 미미합니다. 따라서 유동화 유량과 건조기 에너지 소요량을 독립적으로 제어할 수 있습니다.
열교환기와 유동층 간 열전달이 매우 우수해 작은 온도차로도 높은 열유속을 얻을 수 있어, 컴팩트한 설계에도 불구하고 높은 증발 용량을 달성합니다. 분쇄된 원료 갈탄은 응집성 때문에 단독으로 유동화가 어려워, 건조 갈탄을 캐리어 매체로 하는 혼합층 형태로 설계됩니다.
건조는 거의 100% 순수 과열 수증기 분위기에서 이루어지며, 일정 압력에서 증기 온도와 갈탄 잔류 수분 간 평형에 도달합니다. 증기 분위기 건조의 핵심 이점은 증발된 수분이 등온 응축되어 에너지 회수 효율이 극대화된다는 점입니다. 산업 규모에서 두 가지 증기 활용 개념이 개발되었습니다.
두 방식은 WTA 공정에 통합 가능하며, 건조 에너지 효율을 높이고 배출을 저감합니다. 발생한 증기 응축수는 공업용수로 활용됩니다. 시스템 선택은 건조 요건과 전체 공정 통합 방식에 따라 결정됩니다.
WTA 건조 공정은 두 가지 입력 입도에 맞춰 개발되었습니다.
특히 기존 화력발전소의 예비 건조 단계로는 미립 WTA 공정이 유리합니다. 건조 갈탄 최대 입도 1mm로 충분히 미세해 보일러 연료로 직접 투입 가능하기 때문입니다.
광산 원료 갈탄(약 80mm 미만)을 2mm 미만으로 미세 분쇄하기 위해 RWE는 직렬 2단 분쇄 공정을 개발했습니다. Fig 3b는 상류 미세 분쇄와 기계적 증기 압축을 통합한 미립 WTA 공정의 전체 흐름을 보여줍니다.
건조기에서 나온 증기는 전기집진기에서 정제된 후 압축기에서 약 4기압으로 재압축되어 건조기 내 열교환기 가열용으로 사용됩니다(Fig 3b). 증기 응축수의 현열은 원료 갈탄을 65~70°C로 예열하는 데 쓰입니다. 이렇게 증기 에너지가 건조기 소요 에너지를 충당합니다.
정제된 증기 일부는 유동화용으로 건조기에 재순환됩니다. 건조 갈탄은 필요시 냉각 후 WTA 플랜트 내 통합 분쇄기에서 1mm 미만으로 재분쇄되어 보일러 연소용으로 직접 공급됩니다.
건조기 증기는 발전소의 보일러 급수 예열에도 활용 가능합니다. 저비용 대안(Fig 3c)은 증기 활용 없이 고수분·고회분 갈탄의 발열량 개선에 초점을 맞춘 구성입니다.
WTA 공정은 높은 비생산 능력과 낮은 가열 증기 압력이 특징으로, 건조기 단위당 매우 높은 건조 출력을 달성합니다. 또한 공간 절약형 설계와 원료·건조 갈탄 통합 미세 분쇄 시스템으로 전체 플랜트가 콤팩트합니다.
제조공정
뛰어난 폴리싱 기술로 SUS304 부품이 단 몇 분 만에 눈부신 거울이 됩니다. 정밀 부품 폴리싱은 보통 숫돌, 울 휠, 사포 등을 사용해 소재 표면을 소성 변형시키고 공작물 표면 돌기를 제거해 매끄러운 표면을 얻습니다. 수동 조작이 주된 방법입니다. 고표면 품질 요구 시 초정삭 폴리싱 방법을 사용할 수 있습니다. 초정삭 폴리싱은 특수 연마 공구를 사용해 연마제가 든 폴리싱 액에서 공작물 가공면을 고속 회전하며 압착합니다. 폴리싱으로 표면 조도 Ra0.008μm까지 도달 가능합니다. 폴리싱용 일반적인 공구 및 사양 1) 금형 폴리싱
얇은 벽 두께 부품 CNC 가공 시 발생하는 문제점 (1) 가공 공정상의 문제 얇은 벽 두께 부품의 CNC 가공 공정은 부품 전체 두께가 1mm를 초과하지 않아야 합니다. 얇은 벽 두께 부품의 전체 구조는 비교적 콤팩트하지만 강성이 낮고 강도가 실제 생산 및 가공 요건을 충족하지 못합니다. 실제 가공 과정에서 소재 자체의 문제로 인해 가공 효과가 실제 설계 요건을 만족하지 못하는 경우가 빈번합니다. 따라서 공정 개선을 통해 재가공을 수행하여 가공 품질을 확보해야 합니다. (2) 가공 방법상의 문제 부품 클램핑 과정에서 전체 클램프의
