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KR101761319B1 - 갈탄 건조 시스템 및 갈탄 건조 방법 - Google Patents

갈탄 건조 시스템 및 갈탄 건조 방법 Download PDF

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KR101761319B1
KR101761319B1 KR1020170011007A KR20170011007A KR101761319B1 KR 101761319 B1 KR101761319 B1 KR 101761319B1 KR 1020170011007 A KR1020170011007 A KR 1020170011007A KR 20170011007 A KR20170011007 A KR 20170011007A KR 101761319 B1 KR101761319 B1 KR 101761319B1
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evaporator
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Abstract

본 발명에 따른 갈탄 건조 시스템은, 고수분을 함유하는 저등급 갈탄을 분쇄하는 분쇄기와, 고온의 스팀으로 분쇄된 갈탄을 건조시켜 배출하는 건조기와, 상기 건조기에서 갈탄 건조시 증발되어 배출되는 포화증기를 물과의 열교환으로 응축시키고, 포화증기가 응축된 수용액으로 갈탄 건조시 발생된 탄진을 함께 집진시켜 배출시키는 응축집진증발기, 및 상기 응축집진증발기에서 증발된 스팀을 압축하여 상기 건조기로 공급하는 증발스팀재압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

갈탄 건조 시스템 및 갈탄 건조 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DRYING LIGNITE}
본 발명은 갈탄을 포함하는 저등급 석탄 건조 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 저등급 석탄의 건조시 발생되는 증기를 재활용하고, 저등급 석탄으로부터 생성된 증기와의 열교환으로 발생되는 스팀을 증발스팀재압축기 및 건조기에 공급하는 방법으로, 열효율을 향상시킨 갈탄 건조 시스템에 관한 것이다.
최근 재난에 따른 안전문제로 원자력발전소를 사용하는 것을 자제하고, 화력발전소와 같은 기존의 발전설비에 대한 관심이 증가하고 있다.
화력발전소에서는 일반적으로 지구상에 엄청난 양으로 매장되어 있는 석탄을 연료로 사용한다. 스팀발전소의 주요 연료로서 사용되는 석탄은 낮은 수분함량을 요구한다. 석탄에 수분함량이 높으면 발열량이 낮기 때문에, 연소시 수분을 증발시키는 소비 열량으로 인하여 연소효율이 떨어지며, 석탄을 수송하는데 드는 비용도 증가하는 문제가 있다.
석탄 중에 저급탄으로 분류되는 갈탄(lignite)은 수분함량이 높고 칼로리가 낮아서, 화력발전소에서 사용하는 경우 열효율이 낮고, 높은 CO2와 SO2의 배출 문제로 인해, 경제성이 떨어지고 환경을 오염시키는 문제도 일으킨다.
화력발전소에서는 수분함량이 낮은 석탄을 기초로 설계가 이루어지므로, 갈탄과 같은 저급탄을 사용하기 위해서는 탈수공정이 반드시 이루어져야만 한다. 이에 갈탄과 같이 수분함량이 높은 저품질의 석탄을 건조시켜 수분함량을 감소시키는 기술들이 알려져 있다.
한 예로서, 갈탄을 이송관 내에서 이송시키면서 이송관 내부에 뜨겁게 가열된 공기를 공급시켜 갈탄을 건조하는 기술이 있다. 이러한 기술은 분탄과 공기가 접촉함으로써 발화되는 안전사고가 발생하는 문제점이 있다.
다른 예로서, 과열증기를 공급하여 갈탄 표면으로부터 수분을 제거하는 기술도 알려져 있다. 과열증기는 직접적으로 갈탄과 접촉하여 수분을 제거하므로 수분을 제거하는 효율이 낮고, 과열증기를 지속적으로 공급하기 위해 별도의 장치를 운전하는데 드는 비용을 고려할 때, 효용성이 낮은 문제가 있다.
또한, 보일러의 배기가스와 저압터빈의 배출증기의 잔열을 이용하는 유동층 건조기를 이용하는 기술도 개발되어 있는데, 잔열이 부족하거나 온도가 너무 낮아 수분을 증발시켜 감량하는데 한계가 있다.
뿐만 아니라, 갈탄은 건조시 유해물질이 발생하므로, 환경적으로 유해물질을 적절히 처리해야하는 문제도 있다.
등록특허 제10-1216827호
본 발명은 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 재활용하여 높은 효율로 갈탄을 건조시키는 것을 목적으로 한다.
특히, 갈탄에서 발생되는 증기를 건조기에 공급되는 스팀을 생성하는 열원, 및 건조기에 공급되는 갈탄을 예열시키는 열원으로서 이용하고, 아울러 건조기에서 포화증기의 배출을 원활하도록 돕는 스위프 가스로 활용하는 것을 목적으로 한다.
또한, 갈탄의 건조시 발생되는 탄진과 유해물질을 효율적으로 처리하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 건조기에 사용되는 스팀을 시스템 내부에서 생성하여 순환시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 갈탄을 분쇄하는 분쇄기와, 상기 분쇄기로부터 분쇄된 갈탄을 공급받고, 스팀과의 열교환으로 상기 갈탄을 건조시켜 건조된 갈탄을 배출하는 건조기와, 갈탄 건조시 증발되어 배출되는 증기를 공급받도록 상기 건조기에 연통되어 있고, 상기 건조기로부터 배출되는 증기를 물과의 열교환으로 응축시키면서 증기에 포함된 탄진을 응축된 수용액에 집진하여, 응축된 수용액을 배출하는 응축집진증발기, 및 상기 응축집진증발기로부터 발생되는 스팀을 공급받고, 상기 스팀을 과열스팀으로 압축하여 상기 건조기에 공급하는 증발스팀재압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템에 의해 달성될 수 있다.
상기 건조기에서 배출되는 증기의 일부가 상기 건조기에 스위프 가스로서 공급될 수 있다.
본 발명의 시스템은, 상기 응축집진증발기로부터 응축된 수용액을 공급받아, 상기 수용액을 탄진과 분리시키는 원심분리기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은, 상기 원심분리기에서 분리된 분리수용액의 현열을 공급받아, 상기 분쇄기에서 배출되는 갈탄과 열교환시켜 갈탄을 예열하는 예열기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은, 상기 응축집진증발기에 공급되는 증기를 가압하는 송풍기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은, 상기 증발스팀재압축기에서 압축된 과열스팀의 일부를 공급받고, 공급된 과열스팀을 상기 건조기에서 배출되는 증기와 열교환시켜, 상기 증기를 과열증기로 변환시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 건조기에 공급된 스팀은 열수로 배출되며, 본 발명의 시스템은 상기 건조기로부터 배출되는 열수를 공급받고, 상기 열수를 스팀으로 증발시켜 상기 증발스팀재압축기로 공급하는 감압증발기를 더 포함할 수 있다.
상기 건조기는, 갈탄이 유입되는 유입구와, 건조된 갈탄을 배출하는 배출구와, 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 배출하는 증기배출구와, 스위프 가스가 유입되는 과열스팀유입구와, 스팀이 통과하며 건조기 내부에 병렬로 배열된 복수의 중공 샤프트와, 공급된 갈탄을 교반시키면서 상기 배출구 쪽으로 이송시키도록 상기 중공 샤프트에 설치되어 회전하는 복수의 디스크와, 디스크에 부착된 패들을 포함하고, 상기 복수의 디스크들 중 한 샤프트의 디스크들 사이에 다른 샤프트의 디스크들이 각각 배치되도록, 상기 복수의 디스크들이 소정의 간격을 두고 배열되어 있을 수 있다.
상기 응축집진증발기는, 상기 건조기에서 배출되는 증기가 통과하는 하나 이상의 증기도관과, 상기 증기도관을 외벽에서 둘러싸며, 상기 증기도관 내의 증기를 응축시키도록 열교환하는 물을 공급받고, 물의 증발에 의해 발생하는 스팀을 배출하는 쉘을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 갈탄을 건조하는 방법으로서, 갈탄을 분쇄하여 건조기에 공급하는 단계; 상기 건조기에 공급된 갈탄을 스팀과의 열교환으로 건조시키는 단계; 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 응축집진증발기에 공급하여, 공급된 증기를 물과의 열교환으로 응축시키고, 증기의 응축시 증기에 포함된 탄진을 집진하는 단계; 및 상기 열교환을 통해 물로부터 증발된 스팀을 증발스팀재압축기로 압축하여 과열스팀으로 변환시키고, 상기 과열스팀을 상기 건조기로 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 가압송풍하기 전에 과열증기로 변화시킨 후, 상기 건조기에 스위프 가스로서 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 응축집진증발기에서 응축되어 배출되는 수용액을 원심분리기를 이용하여 수용액과 슬러지로 분리하고, 분리된 수용액을 예열기에 공급하여 분쇄된 갈탄을 예열시키고, 분리된 슬러지는 건조기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 증발스팀재압축기에서 압축된 과열스팀의 일부를 상기 건조기에서 배출되는 증기와 열교환시켜, 상기 증기를 과열증기로 변환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 건조기로부터 배출되는 열수를 감압증발기로 증발시켜, 증발된 스팀을 증발스팀재압축기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 갈탄 건조 시스템에 따르면, 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 건조기에 공급되는 스팀의 열원으로 사용할 수 있다.
또한, 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 갈탄을 예열하는데 사용할 수 있다.
또한, 갈탄의 건조시 발생되는 증기를, 건조기의 스위프 가스로서 사용할 수 있다.
또한, 갈탄의 건조시 발생되는 탄진과 유해물질을 포집처리하여 환경적 오염을 줄일 수 있다.
또한, 건조기에서 사용되는 스팀을, 운전 초기를 제외하면, 외부로부터 공급받지 않고 시스템 자체적으로 생성하여 순환시킬 수 있다.
위와 같은 특징에 의해 본 발명은 매우 높은 에너지 효율로 갈탄 건조 시스템을 운영할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈탄 건조 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 건조기로부터 배출되는 증기의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 응축집진증발기를 출입하는 물과 응축집진증발기에서 배출되는 스팀의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건조기의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 응축집진증발기의 종단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 갈탄 건조 시스템에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 1은 갈탄 건조 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
참고로, 갈탄이 운반되는 과정은 점선으로 표시하였으며, 갈탄 건조시 발생된 증기가 흐르는 과정은 실선으로 표시하였으며, 건조기에 공급되는 스팀의 흐름은 두 개의 실선으로 표시하였다.
갈탄과 같은 수분함량이 높은 저등급의 석탄을 분쇄기(10)에 투입하여 분쇄한다. 설명의 편의상, 본 명세서에서는 저등급 석탄으로서 갈탄을 선택하여 설명하도록 하며, 본 발명에서 건조대상이 되는 석탄은 갈탄으로 한정되는 것이 아니라 저등급 석탄에 해당되는 모든 석탄을 포함하는 것임에 유의하여야 한다.
갈탄은 보통 40~65 wt%의 수분을 함유하며, 입도는 0~100mm이다. 이러한 갈탄을 분쇄기(10)에 투입하여 입도가 0~1mm 정도가 될 때까지 분쇄를 한다.
분쇄된 갈탄은 건조기(30)에 투입되어, 수분을 제거한 후 배출된다.
바람직하게, 분쇄기를 통과한 갈탄은 예열기(21)와 로터리 피더(23)를 거친 후에 건조기(30)에 투입될 수 있다.
예열기(21)에 의해, 분쇄된 갈탄은 약 섭씨 80도로 예열될 수 있다. 바람직하게, 예열기에 필요한 열원은 후술하는 응축집진증발기(50)로부터 배출되는 응축수용액이다. 구체적으로, 예열기에서 사용되는 응축수용액은 후술하는 원심분리기(60)로부터 공급되며, 약 섭씨 100도 정도이다. 갈탄은 응축수용액과 간접적으로 열교환을 하여 예열될 수 있다.
한편 갈탄은 로터리 피더(23)를 거쳐 건조기(30)로 공급된다. 이 경우, 로터리 피더(23)는 건조기에서 증발된 증기가 갈탄을 공급하는 라인 쪽으로 역류하는 것을 차단한다. 로터리 피더(23)는 일반적으로 알려진 장치이므로 구체적인 설명은 생략한다.
건조기(30)는 갈탄에서 수분을 제거하는 장치이다. 도 1 및 도 4에 도시된 것처럼, 건조기(30)는 일측 상단에 갈탄이 유입되는 유입구(34)가 형성되고, 타측 하단에는 건조된 갈탄을 배출하는 배출구(35)가 형성되어 있다. 또한, 건조기(30)는 하우징 내에 설치된 복수의 회전하는 중공 샤프트(31, 32)를 포함한다. 중공 샤프트(31, 32)에는 복수의 디스크(33)가 설치되어, 복수의 디스크(33)가 중공 샤프트를 축으로 회전한다.
복수의 중공 샤프트(31, 32)는 병렬로 나란하게 배치되어 있으며, 한 샤프트(31)에 설치된 복수의 디스크(33a)들 사이에 다른 샤프트(32)에 설치된 복수의 디스크(33b)들이 각각 배치되도록, 디스크(33a, 33b)들이 소정의 간격을 두고 배열되어 있다. 건조기에 유입된 분탄(분쇄된 갈탄)은 디스크(33a, 33b) 사이에 쌓이게 되는데, 두 개의 중공 샤프트(31, 32)와 디스크(33a, 33b)가 상호 다른 속도로 역회전함으로써, 분탄은 샤프트의 디스크에 적정 각도로 부착된 패들에 의해 축방향을 따라(도면에서 좌측으로부터 우측으로) 이송되면서 혼합이 이루어지고, 최종적으로 건조된 분탄이 배출구(35)를 통해 배출된다.
중공 샤프트(31, 32)의 내부는 스팀이 통과하도록 설계되어 있다. 스팀은 약 4 내지 6 barA 정도의 압력으로 중공 샤프트 내부에 공급된다. 스팀을 통해 중공 샤프트와 디스크에 열이 전달되며, 디스크 및 중공 샤프트과 접촉하는 분탄은 이 열에 의해 건조된다. 즉, 스팀이 응축되면서 발생하는 잠열을 갈탄이 흡수함으로써 분탄이 건조된다. 갈탄은 스팀과 직접적으로 접촉하여 열교환을 하는 것이 아니라, 스팀이 지나가는 중공 샤프트와 디스크와 접촉함으로써 스팀과 간접적으로 열교환을 한다.
또한, 분탄은 서로 역회전하는 디스크(33a, 33b)들 사이에서 격렬하게 혼합되면서 이송되는데, 이러한 과정에서 분탄은 디스크의 표면과의 접촉에 의해 열을 전달받고, 따라서 분탄에 함유된 수분은 증발되어 증기로 분리된다. 본 발명에서는, 병렬로 배치된 복수의 디스크를 사용함으로써, 열을 전달하는 면적을 증대시키고 원활하게 분탄을 혼합시킬 수 있어서, 분탄의 건조효율을 크게 개선할 수 있다.
두 개의 중공 샤프트 및 디스크들은 각각 주파수 제어 모터를 통해 회전수가 제어됨으로써, 분탄을 건조시키는 시간을 적절히 조절하여 목표하는 수분제거율을 달성할 수 있다.
또한, 건조기(30) 내부의 증발압력은 대기압을 초과하도록 조절되는 것이 바람직하다. 건조기(30) 내부의 압력이 대기압과 동일하거나 낮은 경우에는, 진공에 의해 외부로부터 공기가 유입되어 분탄이 발화되는 안전사고가 발생할 위험이 있다. 따라서, 이러한 안전사고를 방지하기 위해, 건조기(30) 내부의 압력이 대기압보다 높게 유지되도록 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 분탄으로부터 증발되는 증발증기를 건조기로부터 신속하게 배출하기 위해, 질소와 같은 불활성 가스나 과열스팀을 스위프 가스(sweep gas)로서 건조기 내부에 유입시킬 수 있다. 건조기(30)에 과열스팀유입구(37)를 마련하여, 이를 통해 과열스팀을 건조기 내부로 공급할 수 있다. 스위프 가스로서 과열스팀을 사용함으로써 안정성을 보장할 수 있고, 뿐만 아니라 후술하는 것처럼 건조기에서 배출된 증발증기를 재활용함으로써 시스템의 효율을 높일 수 있다.
건조기에서 건조된 분탄은, 배출구(35)를 통해서 외부로 배출되고, 배출된 분탄은 컨베이어(39)를 통해서 저장시설로 이송될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 볼 수 있듯이, 분탄에서 증발된 수분은 증기배출구(36)를 통해 포화증기의 상태로 배출된다. 배출된 포화증기는 과열증기로 가열된 후, 응축집진증발기(50)로 이송된다. 또한, 포화증기의 일부는 응축집진증발기(50)에 공급되기 전에 분기되어 건조기(30)로 공급되어, 스위프 가스로 사용될 수 있다.
바람직하게, 건조기에서 배출되는 포화증기는 응축집진증발기(50)로 유입되기 전에 열교환기(41)를 통과한다. 열교환기(41)에 의해 포화증기는 가열되어 과열증기 상태가 된다. 열교환기(41)의 열원으로서, 후술하는 증발스팀재압축기(80)(MVR;Mechanical Vapor Re-Compression)에서 압축된 과열스팀을 사용할 수 있다. 포화증기와 과열스팀 사이에는 간접적인 열교환이 이루어질 수 있다.
열교환기(41)에 의해 포화증기가 과열증기가 되면, 이 과열증기는 이송 중에 응축되지 않고 응축집진증발기(50)로 공급될 수 있다. 또한, 과열증기는 필요시 건조기(30)로 공급되어 스위프 가스로 사용될 수 있다.
또한, 바람직하게, 과열증기는 응축집진증발기(50)에 공급되기 전에 송풍기(43)에 의해 가압된다. 송풍기(43)는 과열증기가 응축집진증발기(50)에서 응축되는 데 필요한 압력이 되도록, 적절히 과열증기를 가압한다.
응축집진증발기(50)는 과열증기를 응축시켜 응축수용액으로 배출하는 장치이다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 응축집진증발기(50)는, 하우징을 형성하는 쉘(53)과, 쉘(53) 내부에 배열된 증기도관(51)을 포함한다. 증기도관(51)은 과열증기가 통과하는 관으로서 복수개의 관으로서 배열되는 것이 바람직하며, 과열증기는 증기도관(51)을 통과하면서 응축되어 응축수용액으로서 배출된다.
쉘(53)에는 입수구(55)를 통해 별도의 물이 공급되며, 물의 일부는 증기도관(51)과의 열교환을 통해 증발된 후 저압스팀배출구(56)를 통해 배출되고, 증발되지 않은 나머지 물은 배수구(57)를 통해 배출된다.
즉, 쉘(53) 내부로 공급되는 물은 과열증기가 지나가는 증기도관(51)의 외부표면과 접촉하며, 과열증기는 물에 열을 전달하면서 응축이 되고, 증기도관(51)과 접촉하는 물은 과열증기의 응축시 발생하는 응축잠열에 의해 저압스팀이 되어 후술하는 증발스팀재압축기(80)로 공급된다. 증기도관을 통과하는 과열증기는, 쉘에 공급되는 물과 직접적으로 접촉하여 열교환을 하는 것이 아니라, 증기도관(51)과 물의 접촉에 의해 간접적으로 열교환을 한다.
또한, 과열증기가 응축되어 응축수용액이 될 때, 과열증기에 포함된 소량의 용매(solvent)와 탄진은 응축수용액에 함께 포함됨으로써, 용매의 응축과 탄진의 집진이 이루어진다.
아울러, 과열증기는 송풍기(43)의 가압송풍으로 인해 높은 유속으로 증기도관(51)을 통과하게 된다. 이러한 과열증기의 높은 유속에 의해, 응축되는 수용액과 이에 집진되는 탄진은 쉽게 배출될 수 있다.
집진장치로서 보통 정전집진기(EST; Electrostatic precipitator)가 사용되는데, 이는 오염된 분진의 전기저항성에 따라 효율이 결정된다. 그러나, 정전집진기는 그 집진 효율이 낮기 때문에, 정전집진기를 통해 배출되는 증기에는 여전히 분진이 남아 있고, 따라서 시스템에 고장을 일으키는 원인이 될 수 있다. 특히, 분진이 여전히 함유된 증기가 증발스팀재압축기(80)에 유입되는 경우, 분진은 증발스팀재압축기(80)의 정상적인 작동을 방해하거나 증발스팀재압축기(80)를 고장나게 하는 주요 원인이 된다.
정전집진기와 달리, 본원발명의 응축집진증발기(50)는 습식으로 분진과 용매를 모두 집진시키고 응축시킴으로써 탁월한 세정효과를 달성하며, 증발스팀재압축기(80)로 공급하는 스팀은, 별도의 순수한 물이 증발된 스팀이므로 증발스팀재압축기(80)가 오염물질에 의해 고장나는 문제를 방지할 수 있다.
다시 말하면, 본원발명의 응축집진증발기(50)를 통과하는 과열증기는 증발스팀재압축기(80)로 공급되지 않고, 응축수용액으로 응축된 후 후술하는 원심분리기를 통과하여 예열기(21)로 공급되거나 갈탄과 함께 다시 건조기로 투입되며, 응축집진증발기(50)에서 증발스팀재압축기(80)로 공급되는 스팀은 응축집진증발기(50)에서 과열증기를 응축시키는데 사용되는 별도의 물로부터 생성된다. 따라서, 정전집진기를 사용하게 되면 분진이 함유된 스팀이 증발스팀재압축기로 공급되는 문제가 있으나, 본원발명의 응축집진증발기를 사용하면 분진이 함유된 스팀이 증발스팀재압축기로 공급될 위험이 전혀 없다.
응축집진증발기(50)에서 배수구(57)를 통해 배출된 물은 펌프를 통해 다시 응축집진증발기(50)로 유입된다. 즉, 응축집진증발기(50)에서 사용되는 물은 순환하게 된다.
응축집진증발기(50)에서 배출되는 응축수용액은 탄진을 포함하고 있다. 이 응축수용액은 원심분리기(60)를 통해 탄진과 수용액으로 분리된다. 분리된 수용액은 분리수용액으로서 예열기(21)에 공급되어 분쇄된 갈탄을 예열시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 분리된 탄진은 슬러지 형태로 운반되어, 건조기(30)에 공급되는 분쇄된 갈탄과 함께 건조기(30)에, 또는 로터리 피더(23)에 투입될 수 있다.
원심분리기(60)는 제1 고속분리기와 제2 압축분리기로 구성될 수 있다. 제1 고속분리기는 수용액을 분리시켜 분리된 수용액을 예열기로 공급하며, 제2 압축분리기는 탈수된 슬러지를 로터리 피더(23)에 공급할 수 있다. 원심분리기의 구성은 일반적인 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 응축집진증발기(50)에서 배출된 저압스팀은 증발스팀재압축기(80)로 유입되어, 압축된 후 과열스팀으로서 배출된다.
기본적으로, 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀은 건조기(30)로 유입된다. 한편, 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀의 일부는, 건조기(30)로 유입되기 전에, 분기되어 건조기(30)와 응축집진증발기(50) 사이에 배치된 열교환기(41)로 제공될 수 있다.
열교환기(41)는 건조기(30)에서 배출되는 포화증기와 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀의 열교환을 가능케 한다. 열교환기(41)를 통해, 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀으로부터 건조기(30)에서 배출되는 포화증기로 열이 전달됨으로써, 포화증기는 과열증기가 된다.
이처럼, 포화증기를 가열함에 있어서, 별도의 열원을 사용하지 않고 증발스팀재압축기에서 나오는 과열스팀을 이용함으로써 장치를 간단히 하여 장치의 효율을 개선하고 비용을 절감할 수 있다.
건조기(30)의 중공샤프트(31, 32)에서 응축된 스팀은 열수로 배출되는데, 이 열수는 감압증발기(70)로 유입된다. 감압증발기(70)는 열수를 증발시킨 후, 그 증발된 스팀을 증발스팀재압축기(80)로 유입시킨다. 즉, 증발스팀재압축기(80)에는 앞서 설명한 것처럼 응축집진증발기(50)에서 배출되는 저압스팀이 유입될 뿐만 아니라, 감압증발기(70)에서 배출되는 스팀도 유입된다.
증발스팀재압축기(80)는 유입되는 스팀을 건조기에서 요구하는 압력까지 압축하여 과열스팀으로 만든 후, 과열스팀을 건조기(30)에 공급한다. 따라서, 건조기(30)가 작동하는 초기단계에서는, 외부에서 별도의 스팀을 건조기(30)에 공급하지만, 증발스팀재압축기(80)를 가동시킨 후 일정 조건이 충족되면, 외부로부터 공급되는 스팀을 더 이상 사용하지 않고, 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 스팀을 건조기에 직접 공급함으로써, 자급 운전으로 전환할 수 있다.
한편, 증발스팀재압축기(80)는 스팀을 압축할 때 발생하는 과도한 열을 낮추기 위해, 감압증발기(70)에서 배출되는 열수를 냉각수로 사용하는데, 이 냉각수가 증발됨으로써 스팀이 추가로 생산된다. 이렇게 추가로 생산된 스팀을 건조기(30)의 열원으로 사용할 수 있다.
감압증발기(70)에서 증발되지 않은 열수는, 응축집진증발기(50)로부터 배출되는 물에 합류하여, 응축집진증발기(50)로 유입되며 증발스팀재압축기(80)의 냉각수로도 유입된다.
아래에서는, 상술한 본 발명의 시스템이 작동하는 원리를 설명하도록 한다. 이해를 돕기 위해, 먼저 갈탄이 건조되는 과정과, 갈탄 건조시 발생되는 증기의 흐름을 설명하고, 이어서 건조기에 공급되는 스팀의 흐름을 설명하도록 한다.
도 2에서는 갈탄이 건조되는 과정과, 갈탄 건조시 발생되는 증기의 흐름에 대해서 설명하도록 한다. 특히, 이해를 돕도록, 증기의 흐름과 관련하여 알파벳 A 내지 G를 표시하여 설명하도록 한다.
수분함량이 높은 저등급의 갈탄이 분쇄기(10)에 투입되어 분쇄된다. 분쇄된 갈탄은 예열기(21)를 거쳐 예열된 후, 건조기(30)에 유입되는 것이 바람직하다. 건조기(30)에 유입되기 전에 예열됨으로써, 갈탄에서 수분을 증발시키는 효율을 높일 수 있다. 또한, 분쇄된 갈탄은 로터리 피더(23)를 통해 건조기(30)로 투입되는 것이 바람직하다. 로터리 피더(23)를 사용함으로써, 건조기로부터 발생하는 증기의 역류를 차단할 수 있다.
분쇄된 갈탄은 건조기(30)에 투입되어, 수분이 제거된 후 배출된다. 건조된 갈탄은 배출구(35)를 통해 배출된 후, 다시 컨베이어(39)를 통해 갈탄 저장소로 이송된다.
갈탄의 건조시 갈탄에서 발생하는 수분은 포화증기의 형태로 증기배출구(36)를 통해 배출된다(도 2의 A 참조).
증기배출구(36)를 통해 배출되는 포화증기는 열교환기(41)를 통과한 후(도 2의 B 참조), 응축집진증발기(50)로 유입되는 것이 바람직하다(도 2의 C 참조).
포화증기는 열교환기(41)로부터 열을 전달받아, 과열증기가 되어 응축집진증발기(50)로 유입될 수 있다. 이처럼 포화증기가 과열증기가 됨으로써, 이송 중에 증기가 응축되지 않는다.
또한, 과열증기의 일부는 건조기(30)로 유입될 수 있다(도 2의 G 참조). 과열증기의 일부는 건조기(30)의 과열증기유입구(37)를 통해 건조기(30)에 유입되어, 스위프 가스의 역할을 수행한다. 스위프 가스로서 과열증기를 사용하면, 건조기 내부에서 폭발의 위험성을 줄일 수 있다. 스위프가스로서 공기가 사용하면 분탄이 발화되는 문제가 발생할 수 있는데, 공기가 아닌 과열증기를 사용함으로써 발화의 문제를 막을 수 있다.
또한, 과열증기는 송풍기(43)를 통해 응축집진증발기(50)로 유입되는 것이 바람직하다. 송풍기(43)로 과열증기를 가압하면, 과열증기의 유속이 증가한다. 과열증기의 유속이 높아짐으로써, 응축집진증발기(50)에서 응축되는 응축수용액과, 응축수용액에 집진되는 탄진이 쉽게 배출된다.
과열증기가 응축집진증발기(50)의 증기도관(51)을 통과할 때, 과열증기는 증기도관의 외부와 접촉하는 물에 열을 전달하면서 응축되어 응축수용액이 된다. 과열증기의 응축시, 과열증기에 포함된 분진과 용매(solvent)도 함께 응축수용액에 포함되어, 응축수용액과 함께 배출된다(도 2의 D 참조).
응축집진증발기(50)로부터 배출되는 응축수용액은 버리지 않고, 다시 사용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 응축수용액은 원심분리기(60)를 통해, 물과 탄진으로 분리될 수 있다. 탄진이 분리된 물은 분리수용액으로서 예열기(21)로 공급될 수 있다(도 2의 E 참조). 또한, 응축수용액에서 분리된 탄진은 슬러지의 형태로, 갈탄과 함께 건조기(30)로 다시 투입될 수 있다(도 2의 F 참조).
도 3을 참고하여, 건조기에 공급되는 스팀의 흐름을 구체적으로 설명하도록 한다. 특히, 이해를 돕도록, 스팀의 흐름과 관련하여 알파벳 A' 내지 J'를 표시하여 설명하도록 한다.
초기 운전시 건조기(30)에 공급되는 스팀은 외부로부터 공급된다(도 3의 A' 참조). 스팀은 건조기(30)의 중공 샤프트(31, 32)를 통과하면서 디스크(33a, 33b)에 열을 전달하여, 중공 샤프트 및 디스크와 접촉하는 갈탄을 건조시킨다. 중공 샤프트를 통과하면서 열을 빼앗긴 스팀은 건조기(30)로부터 열수로 배출된다(도 3의 B' 참조).
배출된 열수는 펌프를 통해서 응축집진증발기(50)에 공급될 수 있다. 특히, 건조기에서 배출되는 열수는 감압증발기(70)를 통과한 후 증발스팀재압축기(80)로 유입되는 것이 바람직하다(도 3의 C' 참조). 감압증발기(70)는 열수를 증발시켜 증발스팀재압축기(80)로 유입시키고, 증발되지 않은 열수는 응축집진증발기(50)로(도 3의 D' 참조) 그리고 증발스팀재압축기(80)로 유입된다(도 3의 J' 참조).
한편, 응축집진증발기(50)에는 물이 공급된다. 물은 응축집진증발기(50)의 쉘(53)로 공급되어, 쉘(53)에 배치된 증기도관(51)과 접촉하여 열교환을 한다. 증기도관(51)을 통과하는 과열증기는 물과의 열교환을 수행하여 응축되며, 물은 과열증기의 응축잠열을 흡수하여, 일부는 스팀으로서, 나머지는 물로서 배출된다(도 3의 I' 참조).
응축집진증발기(50)로부터 배출되는 물은 다시 응축집진증발기(50)로 공급된다(도 3의 I' 및 E'참조). 한편, 응축집진증발기(50)로부터 배출되는 물은 감압증발기(70)에서 배출되는 열수와 합쳐져서 함께 응축집진증발기(50)로 다시 들어간다(도 3의 I', D', E' 참조). 즉, 응축집진증발기(50)로 유입되고 배출되는 물은 반복적으로 순환한다. 순환되는 물이 부족하게 되는 경우, 물이 순환하는 라인 중에 소정의 지점에서 보충수를 추가로 공급할 수 있다(도 3의 K' 참조).
응축집진증발기(50)에서 배출되는 저압스팀은 증발스팀재압축기(80)로 공급된다(도 3의 F' 참조).
증발스팀재압축기(80)에는 응축집진증발기(50)로부터 나오는 저압스팀과, 감압증발기(70)로부터 나오는 스팀이 유입된다. 증발스팀재압축기(80)는 들어오는 스팀을 가압하여 과열스팀으로 배출한다(도 3의 G' 참조). 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀은 건조기(30)로 유입된다(도 3의 G' 참조). 건조기(30)의 초기 운전시에는, 외부로부터 스팀이 공급되지만(도 3의 A 참조), 일정 조건이 충족되면, 예를 들어 증발스팀재압축기(80)로부터 과열스팀이 생성되면, 외부의 스팀을 사용하지 않고, 증발스팀재압축기(80)의 과열스팀만으로 건조기(30)를 작동시킬 수 있다.
한편, 증발스팀재압축기(80)에서 배출되는 과열스팀의 일부를, 열교환기(41)에 공급하여 열교환기의 열원으로 사용할 수도 있다.
10: 분쇄기
21: 예열기
23: 로터리피더
30: 건조기
41: 열교환기
43: 송풍기
50: 응축집진증발기
60: 원심분리기
70: 감압증발기
80: 증발스팀재압축기

Claims (14)

  1. 갈탄을 분쇄하는 분쇄기(10)와,
    상기 분쇄기(10)로부터 분쇄된 갈탄을 공급받고, 통과하는 스팀과의 간접적인 열교환으로 상기 갈탄을 건조시켜 건조된 갈탄을 배출하는 건조기(30)와,
    갈탄 건조시 갈탄에서 증발되어 배출되는 증기를 공급받도록 상기 건조기(30)에 연통되어 있고, 상기 건조기(30)로부터 배출되는 증기를 물과의 간접적인 열교환으로 응축시켜서, 증기의 응축시 증기에 포함된 탄진을 응축된 수용액에 집진하여 응축된 수용액과 함께 배출하고, 증기와 간접적으로 열교환되는 물을 증발시켜 스팀으로 배출하도록 마련된 응축집진증발기(50), 및
    상기 응축집진증발기(50)로부터 발생되는 스팀을 공급받아, 상기 스팀을 과열스팀으로 압축하여 상기 건조기(30)에 공급하는 증발스팀재압축기(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건조기(30)에서 배출되는 증기의 일부가 상기 건조기(30)에 스위프 가스로서 공급되는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응축집진증발기(50)로부터 응축된 수용액을 공급받아, 상기 수용액을 탄진과 분리시키는 원심분리기(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원심분리기(60)에서 분리된 분리수용액을 공급받아, 상기 분쇄기(10)에서 배출되는 갈탄과 열교환시켜 갈탄을 예열하는 예열기(21)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 응축집진증발기(50)에 공급되는 증기를 가압하는 송풍기(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증발스팀재압축기에서 압축된 과열스팀의 일부를 공급받고, 공급된 과열스팀을 상기 건조기에서 배출되는 증기와 열교환시켜, 상기 증기를 과열증기로 변환시키는 열교환기(41)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 건조기(30)에 공급된 스팀은 열수로 배출되며,
    상기 건조기로부터 배출되는 열수를 공급받고, 상기 열수를 스팀으로 증발시켜 상기 증발스팀재압축기(80)에 공급하는 감압증발기(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 건조기(30)는,
    갈탄이 유입되는 유입구(34)와, 건조된 갈탄을 배출하는 배출구(35)와, 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 배출하는 증기배출구(36)와, 스위프 가스가 유입되는 과열스팀유입구(37)와, 스팀이 통과하며 건조기 내부에 병렬로 배열된 복수의 중공 샤프트(31, 32)와, 공급된 갈탄을 교반시키면서 상기 배출구 쪽으로 이송시키도록 상기 중공 샤프트(31, 32)에 설치되어 회전하며 패들을 구비한 복수의 디스크(33a, 33b)를 포함하고,
    상기 복수의 디스크들 중 한 샤프트의 디스크들 사이에 다른 샤프트의 디스크들이 각각 배치되도록, 상기 복수의 디스크들이 소정의 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 응축집진증발기(50)는,
    상기 건조기에서 배출되는 증기가 통과하는 하나 이상의 증기도관(51)과,
    상기 증기도관을 둘러싸며, 상기 증기도관의 증기를 응축시키도록 열교환하는 물을 공급받고, 물의 증발에 의해 발생하는 스팀을 배출하는 쉘(53)을 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄 건조 시스템.
  10. 갈탄을 건조하는 방법에 있어서,
    갈탄을 분쇄하여 건조기에 공급하는 단계;
    상기 건조기에 공급된 갈탄을 스팀과의 간접적인 열교환으로 건조시키는 단계;
    갈탄의 건조시 갈탄에서 발생되는 증기를 응축집진증발기에 공급하여, 공급된 증기를 물과의 간접적인 열교환으로 응축시키고, 증기의 응축시 증기에 포함된 탄진은 응축된 수용액에 집진하여 배출시키고, 증기와 간접적으로 열교환되는 물은 증발시켜 스팀으로 배출하는 단계;
    상기 열교환을 통해 물로부터 증발된 스팀을 증발스팀재압축기로 압축하여 과열스팀으로 변환시키고, 상기 과열스팀을 상기 건조기로 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄을 건조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 갈탄의 건조시 발생되는 증기를 과열증기로 변화시킨 후 가압송풍하여, 상기 건조기에 스위프 가스로서 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄을 건조하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 응축집진증발기에서 응축되어 배출되는 수용액을 원심분리기를 이용하여 수용액과 슬러지로 분리하고, 분리된 수용액을 예열기에 공급하여 분쇄된 갈탄을 예열시키고, 분리된 슬러지는 건조기로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄을 건조하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 증발스팀재압축기에서 압축된 과열스팀의 일부를 상기 건조기에서 배출되는 증기와 열교환시켜, 상기 증기를 과열증기로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄을 건조하는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 건조기로부터 배출되는 열수를 감압증발기로 증발시켜, 증발된 스팀을 증발스팀재압축기로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 갈탄을 건조하는 방법.
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