고정층 반응기에서 저등급 석탄 (인도네시아IBC)의 건조 실험 해석을 통한 속도론적 연구
Kinetic Studies through the Analysis of Drying Experiments using Low Rank Coal (Indonesia IBC) in a Fixed Bed Reactor
- 주제(키워드) 저등급 석탄 , 건조 반응속도 , 고정층 반응기
- 발행기관 亞洲大學校 大學院
- 지도교수 金炯澤
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011462
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
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.
more초록/요약
Much of the recent instability of energy market arouse a lot of interest about coal which has a tremendous amount of proven coal reserves worldwide. Coal price jumped from $53 in 2007 to $129 in 2008. Cogeneration power plant imports higher price coal than regular market price. For following reasons, China and India increased domestic use of coal thus they reduced coal for export. The shortage of supplies contribute to rise in international coal price. Futhermore, major exporter's coal price of South Korea rises with the effect of deficiency. This phenomenon was worsened by heavy snow in China 2007, deluge in Austrailia, and severe earthquake in China 2008. South Korea hold the second rank by importing eighty million tons of coal in 2007 following by Japan. More than half of all imported coal is used for power plant fuel. In case that the price of coal rise by up to $129 from $53, additional cost equivalent of 4.3 trillion won is expected. Considering that 40 percents of generation cost is fuel price, generation cost is expected to increase. The purpose of this study is to propose the way of overcoming the energy crisis in power sector of South Korea by utilizing drying process of low rank coal. There are various types of disused coal. This is so-called LRC(Low Rank Coal). LRC has high moisture content and volatile and low fixed carbon content(excluding water, volatile matter, ash from coal content) compared with other High Rank Coal. This characteristics give rise to vulnerability in water so that there is great potential to incur spontaneous combustion and have low thermal calorie due to big pore in degree and high water and carboxyl. Additionally, lignite coal accounts for 45 percents of total recoverable reserve, and undiscovered coal cannot be identified yet. Drying process has to be preceded before being utilized as power plant. In this study drying kinetics of LRC is induced by using a fixed-bed reactor. The drying kinetics was evaluated in from of the particle size, the inlet gas temperature, the drying time, the gas velocity, and the L/D ratio. The consideration of the reynold's number was taken for correction of gas velocity, particle size and L/D was taken for correction of reactor diameter, packing height of coal. With regard to drying process using fixed reactor, drying of surface water area is noticeable. Suitable mechanism can be identified through phase boundary reaction. Considering practical operation of power plant with low rank coal, this study is aiming at giving parameter related to design and operation needed to build stable process development and optimization through establishment of drying analytic model of LRC and analytical data with basic characteristics.
more목차
제1장 서론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 연구 목적 및 범위 5
제2장 석탄건조의 이론적 고찰 9
제1절 석탄의 등급 및 특성 9
제2절 일반적인 건조 특성 15
제3절 갈탄의 고품위화 기술 17
제4절 건조 속도론적 해석 23
제3장 실 험 27
제1절 대상탄 선정 27
제2절 고정층(Fixed-Bed)실험 장치 및 방법 29
제4장 결과 및 고찰 32
제1절 운전 조건에 따른 건조 특성 32
제1항 석탄의 입자크기에 대한 건조 특성 32
제2항 건조 기체의 온도에 대한 건조 특성 35
제3항 건조 기체의 유속에 대한 건조 특성 37
제4항 석탄의 충진양에 대한 건조 특성 39
제2절 기공의 구조 변화 40
제3절 속도론적 해석 44
제4절 가스화기 적용 IDEA 55
제5장 결론 57
참고 문헌 60
사용문자 정의 64
Abstract 65
