콜드라이: 저품위 석탄 건조 기술로 고열량 BCE 펠릿 생산

저품위 석탄 건조용 콜드라이 기술(Coldry Technology)

콜드라이 기술은 호주 Environmental Clean Technologies(ECT) Limited에서 개발 중입니다. 이 기술은 최대 70% 수분 함유 다양한 저품위 석탄(갈탄, 아역청탄)에서 물을 배출해 수분 함량 약 10% 고열량(calorific value, CV) 블랙 코알 이퀴벌런트(BCE) 펠릿으로 변환합니다. BCE는 콜드라이 펠릿 순 에너지 값이 많은 흑연탄 범위와 유사함을 의미합니다.

콜드라이 기술은 저품위 석탄의 천연 다공성 형태를 '갈탄 밀도화(brown coal densification, BCD)'라 불리는 공정으로 건조하고 조밀한 펠릿으로 변환하는 특허 공정입니다. 이 기술은 1980년대 초 CRA와 멜버른 대학 공동 연구 기반. 바쿠스 마시 콜드라이 파일럿 플랜트에서 파일럿 규모 실증. 2004년 가동, 2007년 물 회수 시스템 강화, 2011년 연산 20,000톤 콜드라이 BCE 펠릿 생산 규모로 업그레이드. 다양한 저품위 석탄에서 공정 테스트 성공 입증.

공정 원리

콜드라이 공정은 두 가지 독특한 측면 결합: (i) 갈탄 밀도화, (ii) 폐열 활용. 공정은 석탄 내 천연 화학 반응 자극. 이 반응이 석탄 화합물 활성 부위 중합시켜 화학 결합 수분 배출. 활성 부위 중합으로 석탄 기공 구조 붕괴, 물리적 갇힌 물 배출. 배출된 물이 석탄 펠릿 표면 이동. 표면 물이 인접 발전소(PP) 폐열 활용 증발.

BCD는 석탄 물리 구조를 젖고 부드럽고 부서지기 쉬운 원료에서 조밀, 건조, 단단한 물질로 변환하는 천연 현상. 전단 응력(shear-stress)을 시간 경과에 걸쳐 가해 BCD 유발하려면 매우 특정한 가공 필요. 1차 가공 설비 설계와 운전 파라미터는 원료 석탄 특성에 맞춤.

원료 석탄에 적정 기계적 전단 가하면 부드럽고 가소성 있는 석탄 '페이스트(paste)' 형성, 저압 압출로 펠릿 성형 가능. 핵심은 물리적 갇힌 수분 동원화, 이 수분이 펠릿 표면 이동 증발하며 다공성 펠릿 구조 붕괴 밀도화.

예측 가능 시간 내 건조 속도 제어는 콜드라이 공정 중요 측면. 전통적 열생성 상대적 고비용이므로 콜드라이 공정 폐에너지 자원 활용해 저온 펠릿 건조에 열 공급. BCD 이상적 범위 40~70℃.

콜드라이 기술 화학은 그림 1에.

그림 1 콜드라이 기술 화학

콜드라이 기술 공정은 다음 세 가지 명확한 공정 단계로 구성:

• 기계적 전단(mechanical shearing) - 석탄 다공성 구조 파괴로 물리적 갇힌 수분 방출. 이 기계적 전단 공정으로 압출 적합 농도 석탄 슬러리 생성.
• 압출(extrusion) - 석탄 슬러리 압출로 후속 건조 최적 치수 펠릿 생산.
• 건조(drying) - 펠릿 내부 동원화된 수분 증발로 수분 함량 15% 미만 완제품 전달. 건조에 인접 PP 폐에너지 활용. 타 저급 폐에너지원도 펠릿 건조용 사용 가능.

석탄 건조 공정

콜드라이 공정은 다음 6단계. 공정 흐름도는 그림 2에.

• 스크리닝 및 공급 제어 - 수분 30~70% 런오브마인 저품위 원탄 8mm 미만 분쇄. 연질 부서지기 쉬운 일관성 분쇄탄 서지 빈(surge bin) 공급, 스크리닝. 서지 빈은 자동 가변 속도 피드 컨트롤러 갖춘 저장 호퍼. 분쇄탄 스크리닝으로 과대 입자/이물질(이물질) 물 소량 첨가 전 제거. 분쇄탄 스크리닝으로 다음 공정 단계 균일 공급 보장. 첨가 가능 물량은 수령 기준 석탄 수분 의존, 최대 5%.
• 마모 및 압출(attritioning and extrusion) - 물 첨가 후 석탄 '어트리셔너(attritioner)' 공급. 어트리셔너에서 석탄 면 마찰/전단으로 석탄 페이스트 형성. 석탄 면 마찰 중 집중 혼합으로 석탄 내 천연 발열 화학 반응 개시, 석탄 기공 구조 내 화학/물리적 흡착 수분 배출 천연 공정 생성. 이 가소화 혼합물 저압 압출 시 반응 가속. 압출탄 컨디셔닝 유닛으로 컨베이어 벨트 이송.
• 컨디셔닝(conditioning) - 컨디셔닝 벨트에서 압출 석탄 페이스트 펠릿 약 1시간 40℃ 온풍 가열. 압출탄 컨디셔닝으로 표면 건조 수행해 충분한 그린 강도 부여, 다음 '충전층 건조기(pack bed dryer, PBD)' 이송 견딜 수 있게. 압출탄 강건함은 건조 표면 수준 증가와 단단함으로 기술. 추가로 경화되며 제품 수축, 펠릿 분리. 컨디셔닝 및 충전층 건조용 표면 물 증발 필요 온풍은 인접 PP 폐열 열교환으로 생산.
• 충전층 건조(pack bed drying) - 컨디셔닝 유닛 입수 습윤 석탄 펠릿 수직 PBD에서 최종 수분 레벨까지 추가 건조. 인접 PP 온풍 순환으로 펠릿 수분 제거. 교차결합 반응 건조기 내 완료돼 벌크 취급/수송 견딜 충분 강도 수준 도달. 건조 펠릿 최종 수분 보통 10~14% 범위. 최종 수분 함량 영향 요인: (i) 런오브마인 석탄 수분, (ii) 공급 석탄 특성, (iii) 열교환기 유닛 제공 온도, (iv) 건조 시간.
• 물 회수(water recovery) - PBD 배출 온풍 약 30℃ 고포화. 이 포화 온풍 냉각 시 수분 응축. 회수수 수집돼 인접 PP 등 사용 가능(오염물질 없음).
• 제품 콜드라이 펠릿 - 저품위 원탄 이제 구조적/물리적 갇힌 물 영구 제거로 BCE 제품 변환. 공정 BCE 제품은 콜드라이 펠릿. 고에너지 함량, 안정적, 재수화 안 함. 수송 사용 가능. 콜드라이 펠릿 대표 특성: (i) 직경 16mm, (ii) 길이 45mm, (iii) 벌크 밀도 ~700~750 kg/m³, (iv) 수분 함량 ~12%, (v) 고발열량 5,550 kcal/kg.

그림 2 콜드라이 공정 흐름도

상업 규모 설계와 발전소 연계

콜드라이 파일럿 플랜트 기반 상업 규모 콜드라이 플랜트 설계 완료. 콜드라이 상업 플랜트는 모듈식 설계로 확장 가능. 모듈식 접근: 플랜트 모든 섹션 현장 외부 제작, 컨테이너 수송, 현장 조립.

콜드라이 플랜트 모듈 설계 생산량: (i) 60% 수분 석탄서 연산 34만 톤 콜드라이 펠릿, (ii) 50% 수분 석탄서 연산 44만 톤, (iii) 40% 수분 석탄서 연산 60만 톤.

콜드라이 공정은 PP와 연계 가능. PP 분쇄기(pulverizer)가 콜드라이 펠릿 분쇄해 PP 분탄 연소 보일러 주입 적합 석탄 분말 생산. PP 응축기 냉각수(고온) 콜드라이 공정 열교환용 펌핑. 콜드라이 열교환기 회수수 저온이나 추가 냉각 필요. 콜드라이 공정 회수수 PP 냉각 회로 공급 가능, 타 수원 취수 필요성 감소. 콜드라이 공정과 PP 연계는 그림 3에.

그림 3 콜드라이 공정과 발전소 연계

콜드라이 공정 이점

공정 이점

콜드라이 공정 공정 이점: (i) 저급 폐에너지 주에너지원으로 활용해 공정 경제적, CO₂ 발자국 감소, (ii) 인접 PP 증발 수분 손실 감소(공정 1톤 물 회수 = PP 냉각탑 증발 수분 손실 1톤 감소), (iii) 원탄 건조 배출 물 95%까지 회수 가능, (iv) 공정 단순 기계적, 고신뢰성/쉬운 유지보수, (v) 저온/저압 공정으로 에너지 소비 감소, 설비 수명 증가, (vi) 모듈식, 프리팹리케이트 구성품으로 설치 용이, (vii) 고품질 물 부산물 생산, 즉시 산업용 사용 가능(비싼 처리 불필요), 미세 여과로 음용수 가능.

제품 이점

콜드라이 펠릿 이점: (i) 펠릿 향상된 발열량, (ii) 펠릿 대기 수분 재흡수 안 함, (iii) 펠릿 자연 발화 저위험, 수송 적합, (iv) 펠릿 원탄 고부가가치 휘발분 보유, 가스화, 석탄액화, 기타 석탄 유래 화학물질 등 다운스트림 공정 이상적 피드스톡, (v) 원탄 유래 저회분(황도 유사).