불활성 작동 또는 비불활성 작동으로 석탄을 분쇄하기 위한 방법 및 설비{Method and installation for coal grinding in inert operation or in non-inert operation}

본 발명은 특허청구범위 청구항 1에 따른 불할성 작동 또는 비불활성 작동으로 석탄을 분쇄하기 위한 방법 및 청구항 9에 따른 비불활성 작동으로 석탄을 분쇄하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명은 원칙적으로 원료 석탄이 불활성 작동이나 공기 구동 작동에 의해 석탄 분진으로 분쇄되는 모든 석탄 분쇄 플랜트에 적합하다. 석탄 분쇄 설비는 여러 공업 분야, 이를테면 고온 가스 발생, 유동상(fludised bed) 연소 및 석탄 기화 플랜트에 사용된다. 석탄 분쇄는 또한 미분탄 주입(Pulverised Coal Injection, PCI) 설비를 포함하는 시멘트 생산, 철강 제련 공업 및 비철 야금 공정에서 실시된다.

석탄을 분쇄하기 위한 방법 및 설비는 고온의 습윤 원료, 특히 시멘트 클링커, 슬래그 및 응집물을 분쇄와 동시에 건조하기 위한 방법 및 장치에 관한 DE 10 2005 040 519 B4에 기술되어 있다. DE 30 06 470 A1은 볼밀, 롤러밀 및 고온 가스 발생기로부터 발생된 불활성 고온 가스를 이용하여 석탄을 분쇄 및 건조하는 장치에 관한 것이고, EP 0 579 214 A1은 차가운 가스, 특히 차가운 공기 및/또는 주위 공기를 공급하여 에어 스웹트(air swept) 롤러밀에서 원료 갈탄을 분쇄-건조공정에 관한 것이다. DE 36 39 206 C1은 연소용 석탄 분진을 제조하기 위해 보울(bowl) 롤러 밀을 조절하기 위한 방법에 대해 기재하고 있고, US 4 597 537 A는 특히 석탄 분쇄를 위해 사용될 수 있는 수직 밀에 대해 기재하고 있으며 분류 공정을 개선한 것이다.

또한, 발전소 신기술, 이를테면 옥시콜(oxycoal) 공정에 상기 방법 및 장치가 사용될 수 있다. 이 방법 및 장치는 또한 고온 가스 발생기의 작동 및 연탄 제조에 적합하다.

연탄, 소위 "젊은 석탄"을 제조하기 위해서, 즉 물 함량 약 10 내지 75% 및 휘발 성분 약 35 내지 60%(i.waf)를 함유하는 아역청탄(sub-bituminous coal), 연질 갈탄 및 경질 갈탄이 일반적으로 사용된다.

공지된 연탄의 제조방법(VORWEG GEHEN-RWE-POWER; PHV-SU)에서, 미리 파쇄된 원료 석탄은 해머밀에서 사전에 스크린한 후 크기가 감소되며 추가로 스크린 공정에 도입된다. 습윤 물질은 미립자 석탄 컨베이어 상에서 벙커를 통해 튜브형 건조기로 도입된다. 그 다음 건조된 미립자 석탄은 연탄 제조 프레스로 공급된다. 사전 스크린 공정 및 추가 스크린 공정에서 분리된 석탄 부분은 발전소에서 보일러용 석탄으로 사용된다. 외부 에너지 캐리어 및 필요한 스크린 공정에 의해 석탄을 분쇄한 후 미립자 석탄을 건조함에 있어 단점이 나타난다.

무결합제(binderless) 연탄 제조방법이 WO 90/10052에 공지되어 있는데, 여기서 이미 환원되고 습윤된 미립자 석탄은 이미 건조된 미립자 석탄 및 예열된 미립자 물질과 함께 공급 컨베이어 벨트에 의해 고온 가스 발생기의 가스 혼합 챔버 위에서 분리기로부터 연탄 프레스로 공급된 다음, 연행된 유동 건조 튜브 또는 플래시-건조기 튜브에 각각 공급된 후, 환원(reducing) 또는 각각의 불활성 분위기에서 25 ℃ 내지 200 ℃로 가열된다. 미립자 석탄이 분리되는 사이클론 다음에, 미립자 석탄은 공급 콤프레서를 통해 연탄 프레스로 공급된다. 불활성 가스는 재순환 가스로서 가스 혼합 챔버 및 고온 가스 발생기의 버너에 부분적으로 공급된다. 모든 설비는 과도한 압력 하에서 작동되며, 열 교환은 연행된 유동 건조 튜브 내에서 건조하기 전에 습윤 미립자 물질을 갖는 연탄들 사이 또는 환원된 연탄들 사이에서 이루어진다.

파워포인트 프레젠테이션에서, 상술한 무결합제 연탄(BCB) 제조공정(Binderless Coal Briquetting Process)은, 연행된 유동 건조 튜브 또는 고온 가스 발생기에 의해 제공되는 별도의 플래시-건조 튜브에서 건조된 미립자 석탄이 더 거칠고 연탄제조 가능한 입자 크기와 미립자 물질로 사이클론 배터리에서 분리되는 점에서 개량되었다. 건조 가스는 제거된다. 미립자 물질은 과도한 압력 하에서 연료로서 고온 가스 발생기의 버너에 공급되고, 고온 가스 발생기에서 생성된 고온 가스는 연행된 유동 건조기 튜브에 도달하게 된다. 미립자 물질과 초미립자 부분의 입자 크기와 관련된 언급은 없다. 그러나, 초미립자 부분이나 별도의 입자 구조의 비율은 밀도, 압축성 등에 영향을 미치며, 그로부터 제조된 연탄의 품질을 크게 떨어뜨릴 수 있다.

본 발명의 목적은 분쇄-건조 공정에 사용하기 위한 고온 가스를 제조함과 동시에 그 사용에 해당하는 입자 크기의 석탄 분진을 에너지 효율적으로 제공하는, 불활성 작동 또는 공기 구동 작동으로 석탄을 분쇄하기 위한 방법 및 설비를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 방법의 경우에 특허청구범위 청구항 1의 특징에 의해, 그리고 장치의 경우에는 청구항 9의 특징에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에서는 운송 및/또는 저장 수단을 요하는 별도의 연료를 외부에서 공급하지 않아도 된다. 석탄 분쇄 공정 자체로부터 생성된 초미립자 석탄이 고온 가스 발생기에서 사용됨에 따라, 외부에서 연료를 공급하는데 필요한 외부 석탄의 사전 건조 및 준비를 또한 생략할 수 있어, 필요한 에너지를 줄일 수 있다.

도 1은 연탄 제조용 석탄 분진의 제조 예로서 본 발명의 방법에 따라 실시하기 위한 설비를 나타낸 것이다.

유용하고도 유리한 실시양태는 종속항 및 도면의 설명에 나타나 있다.

본 발명의 핵심 아이디어는, 분쇄-건조 공정에서 제조되고 건조 및 캐리어 가스로부터 분리부에서 분리된 석탄 분진이 분류를 통해 분쇄된 생성물로서 석탄 분진으로부터 초미립자 분진 또는 별도의 초미립자 부분을 분리하기 위해 적어도 부분적으로 분류기에 공급된 다음, 분쇄-건조 공정에 필요한 열을 제공하기 위해 상기 초미립자 부분을 사용함으로써 기타 에너지 캐리어, 특히 천연 가스, 오일, 합성 가스와 같은 프리미엄 에너지 캐리어를 절약하는 것이다.

분리부 다음에 분류기 수단을 설치함으로써 그 후속적인 분류 공정은 특히 밀 및 분리부 내에서의 가스 운반 공정으로부터 분리된다. 가스 운반 공정으로부터 분류 공정을 분리하면 안전성 면에서 특히 유리하다.

본 발명에 따라서, 정적 또는 별개의 기계적 분류기에서 분쇄된 생성물로부터 분리된 초미립자 부분은 분쇄-건조 공정에 필요한 건조 에너지를 제공하기 위해서 고체 연료용 고온 가스 발생기에서의 연소를 위해 사용된다.

초미립자 부분이 분쇄 생성물로서 석탄 분진으로부터 의도적으로 제거되고 그 요건에 상응하는 초미립자 부분이 연소용 고체 연료 버너를 갖는 고온 가스 발생기에 적어도 부분적으로 공급됨과 동시에 분류기에서 더 거칠은 석탄 분진 부분이 얻어지는 한, 그 사용 및 연탄 성형과 같은 추가 공정을 일반적으로 해치는 불리한 초미립자 부분을 갖지 않는 석탄 분진 부분이 얻어질 수 있다.

특히 본 발명에 따라서 연료는 분쇄-건조 공정으로부터 직접 분쇄-건조 공정에 필요한 고온 건조 및 캐리어 가스를 생성하는데 특히 효과적인 방법으로 사용된다. 운송 및/또는 저장 수단을 요하는 별도의 연료를 외부에서 공급하지 않아도 된다. 석탄 분쇄 공정 자체로부터 생성된 초미립자 석탄이 고온 가스 발생기에서 사용됨에 따라, 외부에서 연료를 공급하는데 필요한 외부 석탄의 사전 건조 및 준비를 또한 생략할 수 있어, 필요한 에너지를 줄일 수 있다.

본 발명에 따라 기계적 또는 정적 분류기에서 분리된 석탄 분진의 초미립자 부분은 고온 가스 발생기의 고체 연료 버너에 요구되는 입자 크기로 분리될 수 있다는 것이 장점이다.

고온 가스 발생기의 고체 연료 버너에 공급된 석탄 분진 미립자의 입자 크기는 일반적으로 약 10%R90 ㎛에 달한다.

원칙적으로, 고온 가스 발생기에서의 고체 연료의 사용은 파라미터, 즉 사용된 갈탄 또는 경질 석탄 중 입상 구조, 휘발 성분 함량과 회분 함량에 의해 결정된다. 휘발 성분의 함량이 낮을수록, 석탄 분진은 더 미세하게 분쇄되어야 한다. 회분의 함량이 이를테면 45%까지 높으면, 그와 관련하여 낮은 칼로리 값 때문에 연소 공정이 복잡해질 수 있다. 그러므로, 상응하는 화염 형성을 측정해야 한다.

분류기에서 분리된 초미립자 부분은 약 50% R90 ㎛ 내지 약 1% R90 ㎛의 미립도를 갖는 것이 유용하다.

더욱 중요한 d ₅₀ 값은 휘발성 성분의 함량이 약 25 내지 30%인 석탄 중에 10 내지 30 ㎛이어야 한다는 것이 확인되었다. 휘발성 성분의 비율이 더 높은 경우에 입자 크기는 더 거칠어질 수 있다.

분진 형 연료로 연소되고 분진용 버너로서 기술되는 고체 연료 버너를 갖는 고온 가스 발생기가 예를 들면 DE 197 06 077 A1 및 DE 197 25 613 A1에 공지되어 있다.

DE 102 32 373 B4에서는 석탄 분진, 예를 들면 갈탄 분진이 연소되는 고온 가스 발생기에 대해서 기재하고 있다. 연소 공기와 혼합된 석탄 분진은 유동 형태로 공급되어 200℃ 내지 900℃의 고온 가스를 발생한다.

석탄 분진 미립자는 버너 퀄(quarl) 및 후속적인 천공 재킷을 갖는 고온 가스 발생기의 석탄 분진 버너에 공급되는 것이 유리하다. 천공된 재킷은 다수의 천공된 시트 실린더 부분으로 이루어져 있다. 분리부에서 발생하는 가스는 약 100 ℃의 재순환 가스로서 고온 가스 발생기에 공급되고, 천공된 재킷의 환형 채널 및 천공된 재킷 "LOMA"(LOMA는 LOESCHE의 상표임) 내의 환형 구멍을 통과하여 "LOMA"천공된 재킷 연소 챔버의 연도 가스 유체 내로 도입된 후(DE 197 06 077 A1), 150℃로부터 700℃ 이상의 온도 범위로 가열될 수 있다. 고체 연료 버너를 갖는 "LOMA 천공 재킷 연소 챔버를 사용하면 외부 대기로 부분적으로 배출된 가스 중 CO 및 NO _x 의 법적 기준 임계치를 맞출 수 있다.

원칙적으로, 고체 연료 버너를 갖는 고온 가스 발생기용 초미립자를 필요한 입자 범위로 공급하는 모든 분류기는 분쇄-건조 공정의 분쇄 물질로부터 본 발명에 따른 미립자 부분을 분리하는데 적합하다.

2차 공정 회로를 피하는 정적 또는 기계적 분류기가 안전성과 관련하여 바람직하게 사용될 수 있다. 예를 들면 미국 윌리엄스 페이턴트 크러셔 앤 펄버라이저 캄퍼니의 "BULLETIN 774 R" 및 미국특허 제2 913 109 A호에 기재된 무기어(gearless) 기계적 분리기가 적합하다. 팬 블레이드는 밀폐된 분류 챔버에서 회전하여 상승 공기류를 형성하고, 여기서 분류 베인(vanes)을 회전함으로써 분리되고 위로부터 분배기 플레이트 상으로 공급된 분류 물질 중 미립자 물질은 위쪽으로 이송된 후, 외부 하우징 벽 상에서 미립자 물질 배출구를 향하여 아래로 떨어지는 반면, 미립자 물질로부터 분리된 거친 입자는 거친 물질 배출구를 향하여 아래쪽으로 통과된다. 이러한 분류기에는 단순히 작은 공기 실링 팬이 필요하다. 내부 하우징의 조절 가능한 구멍에 의해 팬 블레이드의 속도, 분류기 베인 및 분배기 플레이트를 통해 미립자 물질의 원하는 입경을 설정할 수 있다는 것이 장점이다. 그러므로, 석탄의 형태에 따라서, 초미립자 석탄 분진의 원하는 입경 요건에 맞게 분류가 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 목적은, 석탄 분진으로부터 초미립자를 분리하기 위한 분류기뿐만 아니라 분리된 초미립자를 수용하기 위한 사일로와 고온 가스 발생기의 고체 연료 버너에 공급하기 위한 초미립자의 공급 수단을 갖는 공급 라인을 분리부 다음에 설치함으로써, 분쇄-건조 공정을 실시하고 석탄 분진을 생성하기 위한 밀 뿐만 아니라 가스로부터 석탄 분진을 분리하기 위한 분리부 및 재순환 가스를 가열하고 분쇄-건조 공정을 위한 고온 가스를 생성하기 위해 고체 연로 버너를 갖는 고온 가스 발생기를 갖는, 불활성 작동 또는 비불활성 작동으로 석탄을 분쇄하기 위한 설비를 통해 달성된다.

일반적으로 미리 파쇄된 습윤 원료 석탄을 분쇄하기 위해 사용된 밀의 형태는 분쇄-건조 공정이 실시될 수 있는 에어-스웹트(air swept) 밀이다. 이를테면 롤러 밀, 펜둘럼(pendulum) 롤러 밀, 해머밀 및 볼-레이스(ball-and-race) 밀을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 더 큰 입경의 생성물을 원하는 경우 해머밀을 사용할 수 있는데, 이는 이를 테면 연탄 제조에 유리하다. 예를 들면, PCI 플랜트, 석탄 기화 플랜트 및 고온 가스 발생기의 작동을 위해 더 미세한 물질이 필요한 경우, 수직 에어 스웹트 롤러밀이 30%R90 ㎛ 이하로 석탄을 분쇄할 수 있기 때문에 유리하다.

캐리어 가스로부터 분쇄 생성물이나 석탄 분진을 분리하기 위한 분리부로서 필터, 이를테면 백(bag) 필터가 사용될 수 있거나, 또는 사이클론 또는 별개의 사이클론 배터리가 사용될 수도 있다. 회전 공급기나 이에 상응하는 운반 수단에 의해 분리부에서 발생하는 석탄 분진의 한정된 일부는 고온 가스 발생기용 초미립자를 분리하기 위해 분류기로 공급될 수 있다.

분류기로 공급되지 않은 석탄 분진은 운반 수단을 통해 목적하는 사용 장소로 도입되거나 추가 공정, 이를테면 연탄성형 공정, PCI 설비나 석탄 기화 공정에 도입된다.

본 발명의 방법 및 설비는 석탄 기화 플랜트, 철강 및 제련 공업, 비철 야금 공정 뿐만 아니라 일반 열-관련 설비에서의 PCI 플랜트에 사용될 수 있다. 석탄 기화공정에서 생성된 합성 가스는 에너지 생산 공업 및 증가 일로에 있는 석유화학 공업에서 자주 사용된다. 현재까지, 합성가스는 10 내지 30 MW (약 3,300 m ³ _N /h 내지 11,000 m ³ _N /h, 칼로리 값: 약 11,000 kJ/m ³ _N )을 소모하여 실제적인 이용에 있어서 상당한 손실을 가져오는 분쇄-건조 공정용 에너지 캐리어로서 사용(channeled off) 되어 왔다. 그러므로, 본 발명에서 고온 가스 발생을 위해 생성된 석탄 분진의 일부를 사용하는 것은 경제적인 측면에서 유리하다.

철강 및 제련 공업에서, 고로(blast furnace) 가스는 특히 상기 목적을 위해 건설된 발전소에서 발전용으로 점점 더 자주 사용된다. 따라서, 자체적으로 생성된 석탄 분진은 또한 고온 가스를 발생하기 위한 공업 분야에 유리하게 이용될 수 있다.

본 발명에서 추가 분류기에 의해 생성된 석탄 분진의 일부를 사용하고 그리고 고온 가스 발생기의 탄소 버너에 공급되는 유동화 미립자 부분의 공급 수단을 사용하면 비교적 적은 투자 비용에 비해 효율을 크게 증진시키게 된다.

본 발명은 첨부 도면을 참고로 더욱 상세히 설명된다.

불활성 작동의 석탄 분쇄는 본 실시예에서 해머밀(5)을 사용함으로써 실시된다. 미리 파쇄된 습윤 석탄은 자석 분리기를 갖는 운반 수단(1), 브리치 슈트 (breeches chute)(2), 공급 수단으로서 동시에 작동하는 스크루 컨베이어 베이스(4)를 갖는 벙커(3)을 통해 해머밀(5)에 도달한다. 공급된 습윤 석탄 원료는 약 -20 ℃부터 약 +20 ℃까지의 온도 범위와 10% 내지 75%의 수분을 가질 수 있다.

해머밀(5)에서 분쇄-건조 공정을 실시하기 위해서, 고온 가스(8)가 약 450℃의 고온 가스 발생기(12)로부터 해머밀(5)로 공급된다. 파이프라인(13)에 의해 석탄 분진-가스 혼합물은 해머밀(5)로부터 본 실시예에서 백 필터(bag filter)인 분리부(6)로 공급된다. 고온 가스로부터 분리된 석탄 분진(14)은 운반 수단(7), 예를 들면 배출 스크루 컨베이어에 도달한 후, 연탄성형 프레스(도시되지 않음)로 공급되어 더 가공된다.

분쇄된 생성물, 즉 분리부(6)로부터 나온 석탄 분진(14)의 부분 유체(15)는, 고온 가스 발생기(12)에서 사용될 수 있는 석탄 분진 부분을 분리하기 위해서 사용된다. 70 ℃ 내지 120℃의 온도 범위를 갖는 부분 유체(15)는 라인(18)에 의해 슬라이드 밸브(16) 및 회전 공급기(17)를 통해 분류기(10) 내로 도입된다.

상기 분류기(10)는 석탄 분진(14)의 부분 유체(15)로부터 초미립자(20)를 분리하는 데 적합한 기계적 또는 별개의 정적 분류기이며, 여기서 초미립자(20)는 고온 가스 발생기(12)의 고체 연료 버너에서 연소될 수 있다. 미립도는 약 50%R90 ㎛ 내지 약 1%R90 ㎛의 범위로 될 수 있다.

초미립자(20)는 분류기(10)를 나와 초미립자용 사일로(9)로 도입되고, 여기로부터 공급 라인(21)에 있는 회전 공급기(23) 및 공급부(22)를 통해 고온 가스 발생기(12) 또는 별도의 고체 연료 버너로 도입된다. 거친 입자는 운반 수단(19)에 도달한 후, 석탄 분진(14)과 함께 분리부(6)로부터 연탄 성형 수단(도시되지 않음)에 공급될 수 있다.

분리부(6)에서 분리된 공정 가스(11)는 적어도 부분적으로는 재순환 가스(25)로서 고온 가스 발생기(12)로 공급된다. 고온 가스 발생기(12)에는 "LOMA" 천공된 재킷 연소 챔버를 제공하는 것이 유용하며, 재순환 가스(25)는 연소 챔버에서 약 100℃ 내지 약 700℃로 가열된 후, 건조 및 캐리어 가스(즉, 고온 가스)로서 해머밀(5)에 공급된다.

모든 설비는 가압 하에서 작동된다. 불활성 가스 또는 건조 및 캐리어 가스(8)(즉, 고온 가스) 중 산소 함량은 최대 12%이다. 설비 내의 공정 가스에 대한 안전 관련 CO 및 O ₂ 의 값이 관찰된다. 분리부(6)에서 분리된 공정 가스(11)의 일부는 연도(도시되지 않음)를 통해 대기로 배출된다.

설비의 작동 개시 및 중단 그리고 비상 정지를 위해 설비를 불활성 상태로 유지할 필요가 있다. 공정 가스 내의 산소 함량은 별도로 준비될 석탄의 최대 허용 산소 임계 농도를 초과할 수 없다.

불활성화를 위해 대응하는 불활성화 가스를 제공할 필요가 있다. CO ₂ 나 질소를 사용하는 것이 일반적이다.

독립적인 석탄 개질 플랜트로서 복합 설비의 일부로서 작동되지 않고, 이를테면 철강 및 제련 공업에서 공기 분해로부터 얻어지는 질소를 갖지 않는 자체-불활성 분쇄 설비에는 이들 가스를 추가로 구입하여 제공하여야 한다. 이는 공정에 경제적 부담을 주는 저장 용량 및 분리 장치를 필요로 한다. 불활성 가스의 필요 체적 유량은 상당히 많다(설비 규모에 따라 수 100 m ³ /h). 일반적인 작동을 위해 불활성 가스 생성 공정은 전체 공정에 병합될 수 있다. 오일 또는 가스로 작동되는 보일러 설비가, 예를 들면 그 열로 빌딩을 난방하고 온수를 제공할 수 있어 적합하다. 여기서 발생하는 폐가스는 O ₂ 함량이 1 내지 2%이므로, 운전 개시 및 정지 공정 뿐만 아니라 비상 정지를 위해 설비의 불활성화에 매우 적합하다. 실린더의 뱅크 내에서 CO ₂ 를 통해 여분의 필요량이 얻어질 수 있다.

1, 7, 19: 운반 수단 2: 브리치 슈트
3: 벙커 4: 스크루 컨베이어 베이스
5: 에어 스웹트 밀 6: 분리부
8: 고온 가스(캐리어 가스) 9: 사일로
10: 분류기 11: 공정 가스
12: 고온 가스 발생기 13: 파이프 라인
14: 석탄 분진 15: 부분 유체
16: 슬라이드 밸브 17,23: 회전 공급기
20: 초미립자 21: 공급 라인
22: 공급 수단 25: 재순환 가스