고정층 반응기에서 저등급 석탄 (인도네시아IBC)의 건조 실험 해석을 통한 속도론적 연구

Abstract

최근 에너지 수급의 불안정으로 인해 가채매장량이 많고, 세계적으로 널리 분포되어 있는 석탄에 대한 관심이 급증하고 있다. 화력발전소에서 사용하는 석탄 가격이 지난 2007년 3월 $53/톤에서 2008년 3월에는 $129/톤까지 상승하였고, 열병합발전소에서는 $200/톤이 넘는 가격으로 수입을 하고 있는 실정이다. 이렇게 된 이유는 중국, 인도 등이 석탄 사용량을 늘리면서 지금까지 수출하던 석탄양을 줄이고 오히려 수입을 하는 상태가 되었고, 이에 따라 국제 석탄 가격이 상승하면서 더불어 우리나라에 대한 주요 석탄 수출국인 호주의 석탄 가격도 동반 상승하였기 때문이다. 이러한 현상은 2007년 중국의 폭설과, 호주의 홍수, 2008년 중국의 지진과 같은 재난까지 겹치면서 상승폭은 더욱 커지고 있다. 우리나라는 2007년 약 8천만톤의 석탄을 수입하였으며, 일본에 이어 세계에서 두 번째 석탄 수입국이다. 8천만톤 중 발전용으로만 약 5천 7백만톤이 사용되고 있으며, 석탄 가격이 $53/톤에서 $129/톤으로 상승하면 연간 4조 3천억원의 추가 비용이 소요되며 발전단가 중 연료가격이 차지하는 비중이 40%인 것을 감안하면 향후 발전단가의 상승은 충분히 예상되는 결과이다. 따라서, 본 연구에서는 저등급 석탄의 건조 공정을 통해 우리나라 발전용 에너지 위기를 극복하는 방안을 제시하고자 한다. 다양한 석탄 종류 중에 사용되지 않고 있는 석탄 등급이 있는데 이것이 바로 저등급 석탄 (LRC: Low Rank Coal)인데, 이 중 갈탄은 다른 석탄 (HRC: High Rank Coal)에 비하여 수분·휘발분이 많고, 고정탄소(석탄에서 수분·휘발분 및 회분을 뺀 나머지)의 함량이 적다. 이로 인하여 수분에 젖기 쉽고, 건조하면 가루가 되기 쉬우며, 수분과 카르복실기가 많으며 기공도가 커서 열량이 낮고 자연발화 가능성이 높다. 또한 갈탄은 전체 석탄 매장량 중 45%정도를 차지하며, 아직까지 상당량이 채굴되지 않고 남아있다. 이러한 저등급 석탄을 발전용 연료로 사용하기 위해서는 건조 공정이 선행적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서는 고정층 반응기를 이용하여 저등급 석탄의 건조속도론(Drying Kinetics)을 도출하였다. 건조속도론은 고정층반응기에서 석탄 입자의 크기, 건조 기체 온도와 유속, L/D의 영향 등을 변수로 하여 도출하였다. Reynold's number는 건조 기체의 유속과 석탄입자의 크기, L/D는 고정층 반응기의 직경과 대상탄의 충진양을 보정하기 위해 고려하였다. 고정층 반응기를 이용한 저등급 석탄의 건조 공정에 있어 표면수분의 건조가 원활하게 이루어지며, 상 경계 반응(phase boundary reaction)이 적합한 메커니즘임을 확인 할 수 있었다. 저등급 석탄을 이용한 실증 플랜트의 운전에 있어, 본 연구에서 제안한 저등급 석탄에 대한 기본물성 및 건조 실험 결과 분석테이터를 활용하여 저등급 석탄의 건조 해석 모델의 구축을 통해 석탄의 건조 및 안정화 공정 개발 및 최적화에 필요한 설계․운전 파라미터를 제공하는 것을 목표로 수행하고자 한다.