갈탄 건조 기술 총정리: 수분 제거 최적화와 주요 공법 비교

석탄은 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 갈탄 순으로 연대가 오래되며, 갈탄은 가장 어린 석탄으로 '갈색 석탄'이라고도 불립니다. 탄소 함량이 가장 낮고 수분 함량이 가장 높아 60%를 넘기도 합니다. 갈탄은 얕은 곳에 매장되어 노천 채굴이 쉽지만, 높은 수분·휘발분과 낮은 발열량, 자연 발화 경향성으로 활용에 제약이 큽니다.

갈탄 수분의 분류와 건조 효과

갈탄 수분은 세 가지로 분류됩니다.

• 표면 수분(외부 수분): 석탄 입자 표면이나 큰 모세관 공동에 부착된 수분으로, 상온(약 25°C) 공기 건조로 제거 가능. 매장지 수분 조건에 따라 달라짐
• 내재 수분(흡습 수분): 석탄에 자연적으로 결합된 수분으로, 공기 건조 상태에서의 수분. 화학적으로 결합된 구성 수분과 분자간 수분. 석탄 순위가 높아질수록 감소
• 결정 수분(분해 수분): 석탄 내 광물질과 화학적으로 결합된 수분으로, 석탄 열분해 시 생성되는 물

갈탄 건조·탈수는 고수분으로 인한 문제를 완화합니다. 석탄 취급 시스템, 컨베이어, 분쇄기 부담이 줄고, 건조 석탄은 이송이 쉬워 유지보수 비용 절감과 설비 가동률 향상으로 이어집니다. 수분 제거로 발열량이 향상되어 오염물질 배출이 줄고, 분쇄기 에너지 소비 감소, 배기가스 열손실 저감, 수송비 절감, 연소 효율·안전성 향상, 배기가스량 감소 효과가 있습니다.

갈탄 건조 기술의 분류

전 세계적으로 수많은 갈탄 건조 특허가 있으나, 실용적인 기술은 소수에 불과합니다. 건조 방식은 크게 증발 건조와 비증발 건조로 나뉩니다.

• 증발 건조: 열을 가해 석탄 입자에서 수분을 증발시키는 방식. 건조 매체는 공기, 배가스, 과열 증기. 열전달과 물질전달이 동시에 작용. 가열 방식은 직접 접촉과 간접 접촉으로 나뉘며, 고정층·유동층·비산층 등 다양한 반응기 적용 가능
• 비증발 건조: 열적 탈수, 열기계적 탈수, 용매 추출 탈수 등 수분을 액체 상태로 추출하는 방식

주요 갈탄 건조 공법 상세

1. 고온 배가스 건조 (Hot Gas Drying)

오랜 역사를 가진 성숙 기술로 장비가 단순합니다. 갈탄과 고온 배가스가 직접 접촉하며, 배가스 열로 수분이 증발합니다. 발전소에서 배가스(로 또는 후단 배가스 통로)를 건조 매체로 쉽게 조달 가능하며, 배가스 내 저산소 분위기로 자연 발화·폭발 위험을 낮춥니다. 석탄 분쇄기 내 건조가 대표적이며 현재 화력발전에서 가장 널리 쓰입니다. 단점은 에너지 소비가 높고 발화·폭발 가능성이 남아있다는 점입니다.

2. 플라이스너 공법 (Fleissner Process)

1927년 오스트리아 한스 플라이스너 교수가 개발한 저위 석탄 건조 공법입니다. 석탄의 불균일한 수축과 그에 따른 붕괴를 방지하기 위해 수분 제거를 제어하는 원리입니다. 포화 증기 분위기에서 석탄 덩어리가 가열될 때까지 증발을 억제하고, 증기 압력을 점진적으로 낮춰 수분 손실을 제어합니다. 고압 증기가 갈탄 덩어리에 작용해 콜로이드 수분을 액체 상태로 배출시키고, 덩어리가 수축·세포 붕괴 후 압력 저하로 저장된 현열에 의해 추가 증발, 진공으로 추가 수분 제거 및 냉각시키는 다단계 공정입니다. 많은 건조 공법이 이 원리를 기반으로 합니다.

3. 회전관 건조 (Rotary Tube Drying)

회전관 열교환기에서 증기와 갈탄이 비직접 접촉으로 건조됩니다. 공기 유입이 없으면 공정 종료 시 수증기만 남으므로 증발 잠열 회수가 가능합니다. 하지만 장치가 크고 건조 용량이 낮은 단점이 있습니다.

4. 과열 증기 건조 (Superheated Steam Drying)

갈탄과 과열 증기가 직접 접촉하는 최근 기술입니다. 과열 증기의 불활성으로 발화·폭발 위험을 피할 수 있고, 갈탄 내 수분과 증기 간 물질전달 저항이 없어 건조 속도가 빠릅니다. 갈탄 보일러 발전소에서는 터빈 증기를 건조 매체로 활용 가능합니다. 배가스의 증발 잠열을 전량 회수하면 열풍 건조 대비 에너지 소비를 약 20%로 낮출 수 있어 에너지 절감 잠재력이 큽니다.

5. 혼합층 건조 (Mixed-Bed Drying)

증발 건조의 일종으로, 순환 유동층에서 고온 담체가 갈탄에 열을 공급합니다. 배가스가 수증기라 회수·활용이 용이하며, 배가스를 순환 이용해 건조실에서 열전달과 건조가 동시에 이루어집니다.

6. 콜드라이 공법 (Coldry Process)

1980년대 초 호주 멜버른대 유기화학과와 CRA 첨단기술개발부 공동 연구로 개발되어 Environmental Clean Technologies Limited가 특허를 보유한 갈탄·아역청탄(갈탄) 품질 개선 기술입니다. 석탄 입자 간 마찰로 발열 반응을 유도해 수분을 배출시키는 원리입니다. 내구성 좋고 저장·수송이 용이한 고밀도 펠릿 형태로 생산되며, 무연탄 수준의 발열량을 가지면서 기존 갈탄 대비 CO₂ 배출을 크게 저감합니다.

공정 6단계: (1) 선별·투입 제어 → (2) 마찰·압출 → (3) 컨디셔닝 → (4) 충전층 건조 → (5) 물 회수 → (6) 콜드라이 펠릿 생산

원료를 8mm 미만으로 분쇄·선별 후 '어트리셔너(Attritioner)'에서 석탄면을 마찰시켜 발열 화학 반응을 유도, 수분 배출을 촉진합니다. 가소화된 혼합물을 저압 압출해 컨디셔닝 유닛에서 약 40°C로 1시간 가열합니다. 경화·건조된 펠릿을 건조기로 보내 최종 수분 10~14%로 만듭니다(원료 수분, 원료 특성, 공정 파라미터에 따라 변동).

생산 펠릿은 직경 16mm, 길이 45mm, 겉보기 밀도 700~750kg/m³, 수분 약 12%, 발열량 약 5,520kcal/kg입니다.

주요 이점: 발열량 200~250% 향상, 대량 물 회수(공업용수/냉각수 활용), 회분 감소, CO₂ 배출 저감, 회분 적체 감소, 저온 공정(약 40°C 폐열 이용), 인접 발전소 폐열 활용, 저압·저에너지, 기존 보일러 사용 가능

7. 열적 탈수 (Thermal Dewatering)

고온·고압에서 석탄화 과정을 모사해 수분을 낮추는 비증발 건조법으로, 갈탄을 역청탄 수준으로 품질 향상시킵니다. 공정 조건: 280~350°C, 10~130기압. 수분이 액체 형태로 추출되며, 건조 외에도 갈탄의 흡습성 감소와 발열량 향상, 일부 무기·유기물 제거 효과가 있습니다. 하지만 기술적 요구사항이 높고 대형 플랜트 구현이 어렵습니다.

8. 열기계적 탈수 (Thermal Mechanical Dewatering)

온도와 기계적 힘을 결합해 수분을 액체 형태로 추출합니다. 독일, 호주, 중국에서 연구 중입니다. 수분 제거율 60% 이상, 자연 발화 경향과 흡습성 감소, 기술 조건(200°C 미만, 2기압 미만) 실현 용이, 일부 무기물 동시 제거됩니다.

9. 기계적 열표현 공법 (Mechanical Thermal Expression, MTE)

기계적 압착과 열적 탈수를 결합한 방법으로, 온화한 열과 기계적 압축을 이용합니다. 상당한 효과를 위해 갈탄을 물 끓는점 이상으로 가열하되, 유기물이 제품 수분으로 유출되지 않을 정도로 온도를 제한합니다. 기계적 압착 단계에서 초기 수분의 10~60% 제거, 압축 압력이 제거량에 주 영향. 역압 하에서 기계적 탈수를 수행해 증발 방지, 수분이 기계적 힘으로만 제거되게 함. 이후 대기 노출로 인산 증발로 추가 수분 제거.

MTE 공정으로 원수분 최대 75% 제거 가능. 단점: (1) 사전 분쇄 필요, (2) 청정수 회수 필요, (3) 시간 소요, (4) 높은 투자·운영비

10. 전자기 분쇄기 (Electromagnetic Mill)

갈탄 열기계적 건조법에 속합니다. 150~200°C, 5~16기압 증기로 가열 후 유압 프레스로 압착해 수분 제거. 저중량 강자성 분쇄 매체 사용으로 전력 소비가 매우 낮습니다. 분쇄 매체가 자기장 변화 따라 고운동 에너지로 운동. 다단 구조(병렬/직렬)로 생산성 향상이나 미세 입도 달성 가능.

장점: 건조 시간 약 30초로 극히 짧음, 저에너지 소비, 원수분 약 75% 제거

11. 유동층 건조 (Drying in Fluidized Bed)

갈탄 입자가 부유 상태에서 건조 매체와 직접 접촉합니다. 유동화 매체로 고온 공기, 고온 배가스, 과열 증기 사용. 내장형 열교환기로 추가 열공급 가능.

특징: 높은 건조율, 콤팩트 구조, 대용량화 용이. 내장 열교환기가 대부분 열공급 담당해 유동화 매체 유량 감소, 건조기 크기 축소, 팬 동력 절감. 수증기 매체 사용 시 자연 발화 방지, 높은 물질전달 효율. 유동화 매체와 내장 열교환기 열매체는 보일러/터빈에서 추출 가능해 발전 시스템과 통합 용이.

12. WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) 기술

독일 RWE Power AG가 개발한 내부 폐열 이용 유동층 건조 기술입니다. 원료 갈탄을 직렬 연결된 두 해머 크러셔로 2mm 미만 분쇄 후 유동층에 공급합니다. 유동화 매체는 건조 발생 증기. 건조기 내장 열교환기에 증기 공급해 110°C, 미세 양압에서 수분 증발. 체류 시간 60~90분.

건조 갈탄은 정지층에서 나와 사이클론→전기집진기로 증기와 분리. 사이클론 출구 증기는 유동화용 재순환, 전기집진기 출구 증기는 대기 배출. 바닥 거친 입자는 중간 냉각 후 사이클론·전기집진기 회수분과 혼합.

건조 열원은 외부 증기(터빈 추출 증기)로 관다발에서 열교환. 유동층 내 추가 분쇄로 건조 갈탄 입도 1mm 미만(1mm 초과 9%), 수분 약 12%. 유동층 온도 제어로 목표 수분 정밀 유지. WTA 기술은 갈탄 화력의 CO₂ 배출 저감 핵심 요소.

현재 1,000MW 니더아우젬 발전소 가동 중. 시간당 원료 갈탄 210톤 처리, 증발 100톤, 건조 갈탄 110톤 생산으로 세계 최대 갈탄 건조 플랜트.

주요 장점: (1) 저온 건조와 증기 에너지 회수(응축 또는 기계적 압축)로 고효율, (2) 불활성 분위기 건조로 폭발성 분진-공기 혼합물 방지, 높은 안전성, (3) 원료 미분쇄 시스템과 필요시 2차 건조 분쇄 통합으로 콤팩트 설계, (4) 증기 에너지 활용으로 대량 증기·분진 배출 방지, 응축수 용수 활용

13. 분쇄·건조 일체형 공정 (Combined Grinding and Drying)

갈탄은 이용 전 분쇄가 필요한데, 분쇄 열로 수분 감소와 입도 축소가 동시에 일어납니다. 상용 장비로 KDS(운동학적 분해 시스템) Micronex 분쇄기/건조기가 있습니다. 대용량 분쇄기로 열 입력 없이 단일 공정으로 분쇄·건조 동시 수행. 건조 메커니즘은 열적·기계적 탈수 혼합. 기존 분쇄+건조 대비 총에너지 70% 수준으로 대폭 절감.

14. 용매 추출 탈수 (Solvent Extraction Dewatering)

비극성 용매 내 물 용해도 차이 이용. 주요 용매: 디메틸 에테르(DME), 초임계 CO₂, 톨루엔, 아니솔 등. 자연 발화 경향 감소. DME 등 일부 용매는 기술 요건과 에너지 소비 낮음. 하지만 유기 용매로 수분 추출 비용 증가, 건조 속도 느림, 대형 설비 구현 어려움.

15. 프리스틴-M 공법 (Pristine-M Process)

Clean Coal Technologies, Inc.(CCTI)가 개발 중인 고수분 석탄(30~60%)을 더 깨끗하고 효율적인 연료로 전환하는 공법. 독창적 개념 '증기상 증착(Vapour Phase Deposition)' 결합.

해결 과제 3가지: (1) 재흡습 방지 제품, (2) 낮은 취성으로 안전한 수송과 자연 발화 위험 최소화, (3) 저렴하고 경제적인 공정. 원료 석탄 분쇄 불필요, 원료 열화 최소화로 브리켓팅/펠릿화 불필요.

연속 공정 3단계:

1. 탈휘발기: 공정 열용 가스 생산 및 건조 석탄 안정화. 원료 석탄 7% 미만만 탈휘발. 공정 열과 안정화용 휘발분만 생성하도록 최적화. 액체 부산물 미생성. 과다 탈휘발 석탄은 최종 단계에서 건조·안정화 석탄과 혼합해 손실 방지.
2. 캐리어 설계 건조기: 약 120°C에서 건조. 체류 시간, 층 두께, 온도에 따라 수분 제거도 조절(15%, 10%, 5% 등). 석탄 종류에 따라 과건조 시 미분화 경향이 있으면 수분 제거 낮추거나 브리켓팅 필요. 공정 여러 단계에서 미분 분리해 연소용(공정 열)으로 활용. 3단계 진입 미분은 건조 석탄 표면에서 응집·경화.
3. 안정화/증기상 증착: 수분 제거된 석탄 기공에 휘발분을 흡착. 원료 석탄 화학적 프로파일 기반으로 안정화 파라미터 설정.

프리스틴-M 공정으로 석탄이 비투과성이 되며 구조적 무결성 유지, 발열량이 단순 수분 제거 이상으로 향상. 제품 석탄의 HGI(하드그로브 연삭성 지수)는 원료와 동일.

모듈식 설계. 상용 모듈(시간당 30톤 투입, 50% 수분 갈탄 처리)은 연간 약 16만 톤 건조 석탄 생산. 연간 100만 톤 플랜트는 6개 모듈로 구성. 연속 공정, 체류 시간 약 15분(수분 제거도와 내재 수분에 따라 변동), 1기압 운전.