Transcript 석탄 생물공정(bioprocessing)

석탄
생물공정(bioprocessing)
2006. 4.
M.Y.N.T Co.,LTD
개요

석탄


생물공정(Bioprocessing)의 타당성






생물공정 장점
황성분을 제거하는 이유
석탄 제조과정


석탄이란무엇인가?
가스화,가스발생
액화
선광처리
결론
참고도서
석탄이란 무엇인가?

3백만년 전, 지구의 식물은 멸종했고
늪지대의 바닥으로 이동하였다. 그러한
죽은 식물들은 젖은 스펀지 같은 토탄(土炭)
을 형성하였고, 이 물질이 형성됨에 따라
그것은 지표면 아래 퇴적되었다. 수백 만년
동안의 열과 압력은 이 유기물질을
석탄으로 만들었다.
석탄은 여전히 생성되고 있다.

석탄생성과정은 현재에도 미국의 다음과
같은 지역에서 형성되고 있다.
North Carolina 와 Virginia의 거대 늪지대
 Georgia주의 Okefenokee 늪지대
 Florida의 Everglades(습지대)

석탄의 분류

석탄은 탄소함유량에 따라 다음의 4가지로
분류된다.
아탄 (Lignite )(soft)
 아역청탄(Subbituminous) (medium-soft)
 역청탄(Bituminous) (medium-hard)
 무연탄(Anthracite )(hard)

역청탄

아탄
 이 유형의 석탄은 많은 수분을 포함하고 있으며,
쉽게 부서진다. 4개지 종류가운데 갈탄이
가장적은 탄소량을 보유하고 있다. 갈탄이라고
불리기도 하는 아탄은 주로 전기생성 공장에서
사용된다.
Medium Soft Coal

아역청탄 (Subbituminous)
 이 석탄은 아탄보다 적은 수분을 포함하고
있으며, 전기생성을 위한 스팀을 생산하기위해
사용된다. 아역청탄은 주로 미국 서부지역과
Alaska에 매장되어 있다.
Medium Hard Coal

역청탄(Bituminous)
 수분을 거의 포함하고 있지않은 이 석탄은 높은 열량을
가지고 있다. 전기를 생성하는데 사용되며,
철강업계에서 사용되는 석탄잔류물 코크(coke)를
생산하는데 사용되기도 한다. 역청탄은 미국에서 가장
풍부한 유형의 석탄이다.
무연탄

무연탄(Anthracite)
 이 유형의 석탄은 탄소함유량이 가장 높다. 을
가지고 있다. 무연탄은 천천히 연소되며,
가정용 난방재료로서 사용된다. 미국은 약
73억톤의 무연탄 매장량을 가지고 있으며 이들
중 대부분의 양은 Pennsylvania 주에서 발견된다.
석탄 사용

원시인들의 터널을 따뜻하게 하기위해
사용되었던 석탄은 오랫동안 에너지
원천이 되어 왔다. 미국에서
미국원주민들은 12세기부터 요리와
난방용으로 석탄을 사용해왔다.
석탄사용

미국석탄재단의 “석탄의 과거,
현재,미래”보고서에 따르면,
석탄은 여전히 미국에서 주요
에너지원으로 사용되고 있다.
“현재 미국에서 채굴되고
있는 10톤 중 9톤이
전기생산을 위해서 사용되고
있다. 미국에서 사용되는 약
56%의 전기는 석탄을 통해서
생성된 것이다.”
석탄의 풍부함

미국은 현재 사용량을 기준으로 앞으로 300년동안
사용할 수 있는 석탄양을 보유하고 있다. 석탄이
석유나 천연가스보다 비용효율적이기 때문에
미래의 전망은 밝다고 할 수 있다.
미국석탄재단의 “석탄의 과거, 미래, 현재”에서
명시된 현재 에너지 가격은 다음 표와 같다 :
백만 Btu’s 당 비용
$1.20
석탄
$4.45
석유
$4.30
천연가스
석탄 채굴



표면채탄
주방식 채탄
장벽식 채탄
표면채굴(Surface Mining)

표면채굴 동안, 땅은
불도저로 땅은 수평으로
골라진다. 다음으로
표토를 파낸 다음 나중의
개간을 위해서 한다. 그런
다음 석탄 위에 놓여있는
바위부분인
overburden으로 작은
구멍을 뚫는다. 이
overburden은 폭파 및
제거되며, 찾고 있는
석탄이 채취된다.
다음으로 석탄은 사용을
위해서 트럭으로 옮겨진다.
주방식 채탄

주방식채탄은 폭파가
필요없으며, 대부분의
사람들이 생각하는
채굴방법과 유사하다. 큰
텅스텐 드릴로 석탄 층을
따라 땅 속에 크게 구멍을
낸다. 분해된 석탄은
컨베이어 벨트를 통해
트럭이 있는 표면으로
운반된다. 일단 목표로한
깊이까지 들어가면,
붕괴를 막기위해 지붕
볼트가 설치되며, 구멍은
다시 막는다(backed out)
장벽식 채탄

장벽식채탄은 큰
텅스텐 재단기를
사용하여 석탄층의
벽을 따라 400에서
600피트정도의 벽을
잘라내는 작업과
관련이 있다. 벽에서
떨어져 나온 석탄은 큰
컨베이어에 떨어지며
이들 석탄은 표면으로
운반된다.
Bioprocessing의 장점

생물학적 시스템이 비록 모든 상황에서
적절하지는 않을지라도 전통적인 방법에
비해 많은 장점을 제공한다.
낮은 품위의 매장량처리를 가능하게 함
 이전의 금속을 포함한 폐기물들을 재처리
 화학성분이 비교적 적게 포함되어 있는
찌꺼기(폐기물)를 발생시킴.
 더 적은 에너지
 다른 환경적인 장점들 (ex. 유독가스를
발생시키지 않음)

황을 제거하는 이유


이산화탄소가 용해되어
있기 때문에 산성비는
보통의 눈, 비보다 더
많은 산성 성분을
포함하고 있다. (pH 5.6)
산업지대에 바람이
불어가는 쪽의 장소들은
pH 4.5 에 가까우며, 가끔
레몬주스와 동일한 pH
2.1까지 낮은 상황을
보이기도 한다.
석탄처리 분류



가스화
액화
선광처리
가스화



석탄이 고온, 고압에서 수증기, 공기와
결합된다.
주로 H2 와 CO로 구성된 “합성가스(syngas)”
를 생산하며 고체의 재 성분이 밑바닥에
남는다.
이 재가 제거된 후, 가스(gas)는 정제된다
가스화
가스화


최초의 불순물은 암모니아와 황의 혼합물 뿐만
아니라 다른 미립자성분의 가스가 포함되어있다.
합성가스(syngas)는 다음과 같이 사용된다 :


화학적 공급원료
다음과 같은 상품으로의 변환을 위해서 성분조절을 한
다음 천연가스를 대체한다.





순수 수소(Pure hydrogen)
매타놀 (Methanol)
암모니아 (Ammonia)
무수(無水) 아세트산 (Acetic anhydride)
다양한 탄화 수소 연로(Various hydrocarbon fuels)
액화

직접적
1 단계
 2 단계


간접적
액화: 직접적


직접적 – 수소를 석탄의 유기구조에
첨가하는 것을 목표로 하며, 증류가능한
액체를 생산할 때 필요한 경우에만 석탄을
분해한다.
다양한 다른 과정들이 있지만, 공통적인
특징들
고온 고압의 용해제안에 높은 비율의 석탄의
용해
 H2 와 촉매제로 용해된 석탄의 수소화 분해가
뒤따른다.

액화: 직접적


직접 1단계 – 1 단계 직접 액화과정은
최초의 반응장치 한개나 연속된
반응장치를 통해 증류액을 제공한다.
그러한 과정은 다음의 과정을 포함한다 :

직접적으로 전체적인 변환없이 최초의
증류액을 업그래이드 시키기 고안된 온라인
수소처리 반응장치와 통합.
액화 : 직접

직접 2단계 - 2단계 직접 액화과정은 두개의
반응장치나 연속된 반응장치를 통해
증류액을 제공하기위해 고안되었다.
1단계의 주요기능은 석탄 용해이며, 용매제가
없거나 또는 1회용 용매제와 같은 약한
용매제에 의해서 작용한다.
 이러한 방법으로 생산된 무거운 석탄은
추가적인 증류액을 생산하기 위해
강한용매제를 사용하여 2단계에서
수소처리된다.

액화 : 간접적

간접액화 과정은 다음과 같다 :
첫째, 수증기와 함께 액화로 석탄구조를 완벽히
분해한다.
 둘째, 액화생성물(product)의 구조는 필요한 H2
와 CO 혼합물을 제공하고, 황을 함유한
용매제의 독을 제공하기 위해 조절된다.
 마지막으로, 생성된 ‘합성가스’ 는 상대적으로
낮은 압력과 온도에서 용매제에 반응한다.

선광처리



물리적 처리(Cleaning)
화학적 처리 Cleaning
생물학적 처리 Cleaning
선광처리: 물리적 처리


비중(gravity)분리 – 물리적 처리동안 먼지,
바위, 발열성분 황과 같은 적절하지 못한
물질들은 석탄으로부터 제거된다. 물이
첨가될때, 석탄과 다른 물질들의 밀도
차이로 인해 이러한 불순물들은 석탄에서
분리된다.
자기적 분리 – 원하지 않은 미립자들을
원심분리하기 위해 습식 사이클론
(hydrocyclones) 의 사용
선광처리: 물리적 처리

거품부유 – 석탄을
화학제품으로 코팅해서,
잘게 빻은 다음, 물과
섞는다. 이 물속에서
화학제품이 코팅되었기
때문에 석탄은 떠오르는
공기방울에 붙어서
떠오르며, 다른 모든
무기성 물질들은 부양기둥
바락으로 가라앉게 된다.
선광처리: 화학적 처리

화학적 처리는 강한 산, 염기 또는 소금을
사용한다. 보통 200ºC 도와 300ºC 사이의
높은 온도에서 처리되며, 선택이
제한적이다.
선광처리: 생물학적 처리



Biobleaching(생정제,생물학적 걸러내기) –
생물학적으로 산화된 황철광의 산화작용을
위한 두 개의 다른 매카니즘 방법 (철에
결합된 황)
직접적
간접적
직접적 생정제(Bioleaching)



황철광과 박테리아 사이의 직접적인
접촉을 요구한다.
일반적으로 몇몇 석탄에는 적합하지
않는데, 그 이유는 미생물이 석탄 구멍에
들어가기에는 너무 크다.
반응식:
2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O → 2 FeSO4 + 2 H2SO4
간접 생정제(Bioleaching)


미생물크기와 비교해서 석탄구멍의 크기가
한계를 가지고 있기 때문에 간접적인
방법이 더 현저하다(일반적이다)
반응식
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 16 H+ + 2 SO4
2 Fe2+ + 2 H+ + O2 → 2 Fe3+ + H2O
생정제(Bioleaching)
갱내수의 생물적 환경 정화



산과 황이 풍부한 오수가 채탄과정에서
생겨난다.
철, 알루미늄, 망간 등과 같은 많은
금속성분을 포함한다.
일반적으로 채탄 작업동안 지하수면은
낮게 조절된다. 그러나 일단 탄광이
폐쇄되면, 다시 지하수면은 다시 되돌아
온다.
갱내수의 생물학적 환경정화

갱내수의 생물학적 환경정화를 다음의
2가지 방법이 사용된다.
습 지대
 생물 반응 장치 《미생물을 이용하여
발효·분해·합성·변환 등을 하는 장치》

습지대

장점
보수관리가 쉽다. (손이 많이 가지 않는다)
 물처리로 인한 고체 부산물은 습지대 침전물
내에 보관된다.


단점
설치비용이 비싸다
 많은 부지가 필요하다.
 화학처리 방법보다 효과를 예상하기가
쉽지않다.

습지대

유기 습지대(Aerobic wetlands)는 철 성분의 산화작용을
이용하여 순수 알 카 리 성 물을 처리하기위해 사용된다.
철 성분의 연속적인 가수분해가 발생되며, 순수 산을
생성하는 반응식은 다음과 같다. : :
4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ +2H2O
4Fe3+ + 4H2O → 4Fe(OH)3 + 12H+

얕은 체제


표층흐름에 의해 작용, 작동
대형수생식물(해조류)는 뿌리를 내린 식물이며, 수중에
가라앉거나, 물위에 뜨거나, 또는 한 조류내에 나타나기도
한다.



미적인 이유
물의 흐름을 조절
축적된 철 침전물을 고정시킴
생물 반응 장치


생물반응장치 혼합물(compost bioreactors )
에서 발생한다.
다음의 물질을 생성한다.
순수 알카리성
 생체 황화물(Biogenic sulfide)


순수 산성, 금속성분이 풍부한 갱내수를
처리한다.
생물 반응 장치

생물반응장치를 위한 혼합물은 다음의
물질이 혼합되어 있다.
유기비료(퇴비)와 같은 생물분해성이 있는
물질들
 다음과 특정지역의 이용가능성에 따라 천천히
분해되는 물질

토탄
 톱밥
짚

생물 반응 장치



첫째, 오염된 물은 철과 황산염을 감소시키기 위해 층을
통과한다.
다음 알 카 리 성을 첨가하기 위해 석회석 층을 통과한다.
마지막으로 철 수산화물을 침전시키고, 보유하기위해
유기 습 지대 또는 침 침전 연못을 통과한다.
결론

생물학적 시스템은 전통적인 접근법에
비해 많은 장점을 제공한다.
낮은 품위의 매장량처리를 가능하게 함
 금속을 포함한 폐기물을 처리함.
 흩어진 황성분을 제거할 수 있음.
 갱내수의 페하지수(pH) 를 조절함.
 적은 에너지를 투입함.

참고도서


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감사합니다.
질문?