KR100814274B1

KR100814274B1 - 고체연료제조방법

Info

Publication number: KR100814274B1
Application number: KR1020060029630A
Authority: KR
Inventors: 정항규; 정청규; 에이키 툐요다; 테츠오 툐요다
Original assignee: 탑메탈주식회사; 유겐가이샤 산알
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2008-03-18
Also published as: KR20070098236A

Abstract

본 발명은 고체연료제조방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄산업의 부생물인 알루미늄 드로스 분말(Al dross powder)에 포함된 금속알루미늄을 연소시켜 발생하는 열을 에너지로 이용하는 테르밋반응을 이용한 새로운 연료분야인 것으로, AL함량 7%이상의 ADP 단체(單體)나, 또는 AL함량 7%이상의 ADP 분말 5 ~ 30중량%에 연탄가루 95 ~ 70중량%로 혼합하거나, AL함량이 7%이상의 ADP 분말 70~ 95중량%에 5 ~ 30중량%의 산화철 분말을 혼합하여 5 ~ 10mm의 펠렛타입으로 얻은 테르밋제 5 ~ 30중량%와 석탄가루 95 ~ 70중량%를 혼합해연탄,펠렛(Pellet),조개탄(Briqute)중 선택되는 어느 하나의 고체연료제조방법에 관한 것으로서, 알루미늄산업의 부생물인 알루미늄 드로스 분말(Al dross powder)에 포함된 금속알루미늄을 재활용한다는 이점도 있으며, 알루미늄드로스 분말 단체(單體) 또는 산화철과의 배합을 통한 테르밋제를 기존의 연탄 원부재료에 혼합한 고체연료는 ADP배합량만큼의 이산화탄소 및 일산화탄소의 배출량을 감소시킬 수 있는 친환경적인 효과가 있으며 연소후의 잔재는 수집하여 알루미나계 원료로 알루미나시멘트, 알루미나계 내화물로 재이용하는 유용한 발명인 것이다.

고체연료제조방법

Description

고체연료제조방법{the solid fuel manufacture method}

도 1은 Al함량 7%이상의 ADP단체로만 제조된 연탄(ⅰ),펠렛(ⅱ),조개탄(ⅲ)예시도

도 2는 Al함량 7%이상 ADP 5∼30중량%와 연타가루 95∼70중량%로 혼합제조된 연탄(ⅰ),펠렛(ⅱ),조개탄(ⅲ)예시도

도 3은 Al함량 7%이상 ADP 75∼95중량%에 5∼30중량%의 산화철분말을 혼합해 제조된 테르밋제 펠렛5∼30중량%와 연탄가루95∼70중량%로 혼합제조된 연탄(ⅰ),펠렛(ⅱ),조개탄(ⅲ)예시도.

도 4는 도 2의 조직입자 참고단면도

도 5는 도 3의 조직입자 참고단면도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:석탄가루 2:ADP(Al dross Powder)

3:산화철 4:테르밋제 펠렛(Thermit pellet)

1A;2A;3A:연탄 1B;2B;3B:펠렛

1C;2C;3C:조개탄

본 발명은 고체연료제조방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄산업의 부생물인 알루미늄 드로스 분말(Al dross powder)에 포함된 금속알루미늄을 연소시켜 발생하는 열을 에너지로 이용하는 테르밋반응을 이용한 새로운 연료분야인 것이다.

금속알루미늄이 7% 이상 포함된 알루미늄드로스를 연소시키면 발열효과가 있고 연소후 잔재의 기본성분은 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 알루미나계 내화물의 재료, 아루미나 시멘트의 원료로 사용할 수 있다.

또한, 현재 사용하고 있는 일반 연탄에 본 발명에 사용하는 알루미늄드로스분말(이하,'ADP'라 한다)를 배합시켜 연료로 사용하면 지구환경에 악영향을 미치는 탄산가스와 인체에 유해로운 유독가스인 일산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있도록 하는 것이다.

세계의 에너지 소비량은 경제성장과 인구증가에 비례한다. 1965년에 석유환산으로 39억톤이였던 소비량은 2003년에는 93억톤에 달하게 되였다.

석유계 원료의 수요가 급격히 높아지고 있고 원료로 되는 원유가격은 종전의 2배로 고정되면서 일부에서는 공급이 제대로 안되는 지역까지 나오게 되여 지구상의 에너지 위기는 현실적 문제로 되고 있다.

한계가 있는 석유에만 의존한다면 지구적 범위에서 에너지 위기가 조성되어 사회 경제적 혼란과 국제간의 분쟁도 예견된다.

21세기초 이러한 현상은 자연이 사람에게 경종을 울리고 있다.사람은 에너지 문제에 관심을 돌리며 석유의 연료를 오늘 시점에서 재평가 재검토하는 단계에 왔다는 것을 알아야 한다.

본 발명은 이와 같은 시대적 요구에 따라 매장량이 풍부하고 광범위하게 분포되어 있는 석탄에 주목하고 석탄에 에너지 원천을 부가시킴으로써,에너지효율을 높이고 탄산가스 및 유독가스인 일산화탄소의 발생을 감소시키는 특징을 가진 친환경적 고체연료를 제공하자는 것이다.

즉, 석탄계 연탄에 ADP를 배합한 연탄은 연소후의 잔재를 매립처리하는 것이 아니라, 건자재로 활용함으로써 지구환경유지에 도움이 되도록 한다.

다음으로는 석탄가루를 사용하지 않고 ADP분말 단체, 필요에 따라 산화철분말을 배합해 테르밋반응에 의한 새로운 가연성연료를 제공하고자 한다.

테르밋반응에 의해 연소후의 잔재는 기본성분인 알루미나가 80%이상이나 되며 이것은 내화물재료, 알루미나 시멘트의 원료로 재사용할 수 있다.

종래 연탄은 석탄가루를 이용한 연료로 폭넓게 사용 되여 오고 있다. 그런데 석유연료가 나옴으로써 취급하기가 편리하고 에너지효율도 좋아 연탄의 사용량은 급속히 감소되여 사양화되는 경향이 있었다.

그러나 최근 원유가격의 급등으로 인해 다시 석탄산업이 활기를 띠고 있다.

이에 본 발명에서는 사용하는 기본재료는 석탄가루와 알루미늄 용해공정에서 부생되는 알루미늄슬래그이다.

알루미늄 용해공정에서 발생하는 슬래그는 업계에서 1차 알루미늄 드로스로 불리우고 있는바, 그 기본 성분은 산화알루미늄과 남아있는 금속알루미늄이다.

슬래그중 알루미늄함량은 보통 30-50%로 인식되고 있는바, 이것은 주로 드로스전문기업에서 금속알루미늄을 회수한다.

드로스가공단계에서 회수금속외에 잔재가 남게되는데 그 잔재를 2차드로스로 부른다.

이 2차드로스에서는 금속알루미늄이 10-30% 포함되고 있다. 2차 드로스에서도 금속알루미늄이 회수된다. 다음으로 발생하는 잔재는 3차 드로스라고 불리우는데 알루미늄의 함량은 보통 10%정도이다.

1차⇒2차⇒3차로 거듭되는 공정에서 알루미늄이 회수되어 가는데 분말과 고형물이 혼합되고 있는 드로스가공처리는 기본적으로 아래와 같다.

드로스→분쇄→입도선별→1㎜ 입도물은 알루미늄회수용, 1㎜∼100mesh입도물은 제강용 탈산재로 이용하며, 100mesh 정도의 입도물은 이용분야가 적은 편이다.

본 발명에서는 상기 공정에서 나오는 100mesh 아래 알루미늄드로스분말(AL dross Powder)를 이용하고자 한다.

본 발명에서는 금속알루미늄이 산화 연소시 발생하는 에너지를 이용한다.금속 알루미늄은 아래와 같은 산화반응을 한다.

(반응식)

2Al+3O→Al₂O₃+400Kcal/mol…………………①

2Al+Fe₂O₃→2Fe+Al₂O₃+204.7Kcal/mol………②

2Al+3FeO→3Fe+Al₂O₃+210.4Kcal/mol………③

반응식 1에서 Al 1kg으로 환산하면 7,407Kcal/Al kg

반응식 2에서 Al 1kg으로 환산하면 3,791Kcal/Al kg

반응식 3은 2에 포함시켜 고려 않함.

한편 연탄은

C+O₂→CO₂+97.0Kcal/mol--------8,083에서 kcal/kg-C………④

C+1/2O₂→CO+29.39Kcal/mol--------2,449kcal/kg-C…………⑤

본 발명은 ADP중의 금속알루미늄와 공기중의 산소 또는 고체산소공급체인 산화철을 배합하여 발생하는 반응열을 이용하자는 것이다.

연탄은 공기중의 산소를 이용하여 탄소를 연소시켜 발생하는 연소열을 이용하는데, 공기(산소)공급이 부족해 유독가스인 일산화탄소를 발생시켜 인명상실 사고가 일어날 수 있다.

상기, 테르밋반응(Thermit reaction)은 유독가스가 발생하지 않기에 본 발명은 연탄의 연소에너지와 테르밋반응에너지를 동시에 이용하자는 것이다.

상기와 같은 점을 감안하여 본 발명의 상세한 일실시 구성 및 작용을 알아보 면 다음과 같다.

본 발명의 구성재료는 무연탄,석탄,숯,코크스와 소석회로 제조되는 통상의 연탄제조원료(이하 '연탄가루'라 한다)와,ADP,산화철분말을 원부재료로 한다.

소석회를 첨가하는 것은 유황성분이 산화연소 할 때에 발생하는 이산화유황을 제거하는 역할을 한다.

즉, 석탄연소 에너지에 테르밋 반응에너지를 동시에 이용하자는 것이며, 실용적 배합을 논하기 전에 테르밋제인 ADP+산화철 물질의 반응여부를 알아보기로 한다.

본래 테르밋제는 순수한 금속알루미늄과 순도 높은 산화철 사이에 일어난다는 것이 상식인데, ADP와 같이 금속알루미늄이 10%정도이고 그외 성분은 반응을 오히려 방해하는 알루미나등의 금속산화물이다.

이 반응 여하를 확인하기 위하여 본 발명에서는 사전에 아래 내용을 확인하는 기초실험을 실시 하였다.

상술한 반응식 ②를 표준으로 하고 검토를 하였는바, 반응식의 뜻은 2몰의 Al 54g과 1몰의 산화철160g이 반응하여 2몰의 철 112g과 1몰의 알루미나 102g을 생성시킨다는 의미이다.

사용되는 재료의 순도가 높은 경우에는 문제없이 반응이 일어나 순간 3000℃ 정도의 온도를 낸다.

여기서 테르밋제인 금속 Al대신에 Al함량이 10%정도의 ADP와 실용화를 전제로 제철소등에서 발생하는 산화철(순도 90%정도)를 혼합한 테르밋제를 준비하여 두 가지 재료 배합을 아래 표1과 같이 하였다.

[실시예 1]

ADP와 산화철의 배합,연소,정형

표준배합 반응식②에서 금속Al와 산화철의 배합은

2Al:Fe₂O₃=54:160 즉, 금속Al:산화철=1:3중량 배합이 이론치가 된다.

사실 이 배합으로 두 재료를 혼합한 것을 마그네슘 리본으로 착화하면 테르밋반응이 일어난다.

반응은 순간적이며 폭발적으로 일어나기 때문에 주의가 필요하다.

본 발명에서는 사용하는 재료가 사실 테르밋반응이 일어나는가? 를 확인하기 위하여 아래와 같은 실험을 실시하였다.

준비한 ADP의 특성;입도 100mesh 아래 10.2%≒10%의 금속 Al과 입도100mesh 아래 순도 89.6%≒90%의 산화철을 흑연도가니에 아래 배합의 테르밋제를 각 1㎏준비하여 Mg리본으로 착화 연소정형을 관찰하였다.

NO	ADP	산화철	착화유무	연소정형
1-1	1000g	0g	○	착화함
1-2	950g	50g	○	연쇄반응
1-3	900g	100g	○	연쇄반응
1-4	800g	200g	○	연쇄반응
1-5	700g	300g	△	연속연소없음
1-6	500g	500g	×	연소없음
1-7	400g	600g	×	연소없음
1-8	300g	700g	×	연소없음
1-9	200g	800g	×	연소없음

이 실험에서 ADP재료를 사용할 경우, 이론치와는 달리 산화철의 배합은 0∼30%이며, 중요한 것은 산화철이 없이 ADP단체(單體)라도 연소한다는 특성이 있음을 알 수 있다.

ADP를 단체로 사용할 경우 분말보다는 도1 내지 3에 도시된 바와 같이 5∼10㎜의 조립물(Pellet;1B)이나 조개탄(Briquet;1C)와 같은 성형물이 더 좋다.

ADP 단체라도 연소한다는 것은 고체산소공급재료인 산화철이 없어도 ADP가 공기중의 산소와 반응한다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명은 연탄가루와 ADP의 혼합물이라도 좋다는 것을 의미한다. 산화철은 연소속도를 조절하는 첨가제로 보면 좋다.

[실시예 2]

연료를 위한 ADP의 최소 Al함량.

한편, 테르밋반응에 필요한 ADP중의 최저 Al함량이 얼마인가를 조사하였다.

실시예 1과 같은 흑연도가니에서 산화철량을 고정시켜 아래와 같은 배합의 분말 테르밋제를 준비하여 착화,연소정형을 관찰하였다.

NO	ADP중의 Al함량	산화철	착화,연소정형
2-0	0% ADP 700g	300g	착화않함
2-1	2%포함 ADP 700g	300g	착화않함
2-2	6%포함 ADP 700g	300g	착화하나, 약함
2-3	8%포함 ADP 700g	300g	착화한다
2-4	7%포함 ADP 700g	300g	착화한다

상기 실시예 2를 통하여 ADP와 같이, 금속 Al함량이 낮은 재료를 테르밋제로 이용할때 이론치의 산화철:알루니뮴=3:1 비율로서는 실제 반응이 일어나지 않는다는 결과를 얻었고, ADP 중의 Al함량은 최저 7% 포함되어야 한다는 중요한 기준특성을 알아내었다.

즉, 본 발명의 실용화에서는 ADP중의 금속Al 함량은 7%이상 이라야 발열한다는 것을 명기할 수 있다.

이 특성은 ADP를 100으로 하면 산화연소하여 발열하는 금속Al이 7, 나머지를 모두 Al₂O₃으로 가정하면 Al이 7 이하의 경우 발열하여도 Al₂O₃ 에 열이 흡수되여 발열하지 않는다는 것을 의미한다.

이것은 제강공정의 산소전로에 ADP를 투입할 경우 투입하는 ADP중의 Al함량이 6.6%라야 발열한다는 엔탈피 계산치와 비슷하다.

여기서 엔탈피(enthalpy)계산을 전개한다.

Al₂O₃의 비열

CP=27.49+2.82×10²T-8.35×10⁵×1/T(Cal/mol°K)

Al₂O₃ 1mol당 27℃→1650℃의 엔탈피변화는

a=300°k, b=1923°k

1㎏에 대해서는 △H2=464(KCal/Kg)

한편 2Al+3/2O₂ →Al₂O₃ 반응의 엔탈피변화는

△H3=400,000(Cal/mol Al₂O₃)

Al 1kg의 발열량은 △H4=7407(Kcal/kg Al)

ADP조성에서 Al와 Al₂O₃를 일정한 비로 고정한다면 Al이 산화연소하여 나오는 발열량과 ADP에 본래 있던 Al₂O₃ 및 Al이 산화되여 생성되는 Al₂O₃에 의한 흡열량을 같이 할 수 있다.

이 발열,흡열이 Balance하는 조성을 구한다면,

Al₂O₃에 의한 흡열 △H2=464(Kcal/kg)

Al에 의한 발열 △H4=7407(Kcal/kg Al)

한편, Al 1Kg은 산화되여 1.89kg의 Al₂O₃로 되기에 Al함유 X%의 ADP 1Kg의 열 Balance는

Al에 의한 발열 xkg×7407Kcal/kg=7407xKcal…………(1)

Al₂O₃ 에 의한 흡열[(1-x)+1.89x]kg×464Kcal/kg=(0.89x+1)×464Kcal……(2)

(1)과 (2)를 동시에 등치시키면 x=0.066를 얻어낼 수 있다.

즉, Al 함량이 6.6%인 경우 열바란스는 0이며, 6.6%이상인 경우 발열이 된다는 것을 의미한다.

ADP의 상기 특성에 기초하여 우선 ADP자체가 연소하는가를 알아내야 한다. 이것을 확인하기 위하여 실시예 3를 아래와 같이 진행하였다.

[실시예 3]

ADP 단체(單體)의 연소시험.

Al 함량 10%인 ADP분말에 전분질 바인더 5 중량% 가하여 물을 첨가하면서 평균 10㎜정도의 조립물(pellet)을 만들어 건조한후 시험에 사용하였다.

이 재료를 3-1로 설정하였다.

시험은 화도를 먼저 가열해 놓고 거기에 시험재료 500g를 넣어 마그네슘리본으로 착화시켜 관찰하였다.

시험 펠렛은 착화하여 자체적으로 연소해 간다는 것을 알 수 있었다.

즉, ADP는 공기분위기에 연소 된다는 것을 알 수 있었고, ADP에는 탄소성분이 존재하지 않기 때문에 이산화탄소,일산화탄소의 발생은 없는 것으로 생각된다.

다음으로 ADP와 연탄가루(소석회 3%포함)로 구성된 것이 연료로 되는 가능성에 대하여 검토해 볼 필요가 있다.

이 가능성을 알기 위하여 실시예 4를 아래와 같이 진행하였다. 시험재료는 실시예3과 같은 방법으로 만든 조립물로 실시함.

[실시예 4]

ADP와 연탄가루의 혼합물.

NO	연탄가루(중량%)	ADP(중량%)	상황관찰
4-1	95	5	이상없이 연소
4-2	90	10	이상없이 연소
4-3	80	20	이상없이 연소
4-4	70	30	연소한다
4-5	60	40	착화곤란
4-6	70	30	착화곤란

실시예 4를 통하여 연탄가루에 ADP는 최대 30중량% 배합하여도 연료효과가 있다는 것을 확인 하였고, ADP 배합한 량의 이산화탄소, 일산화탄소 발생량을 감소시킬 수 있다는 전망을 가졌다.

실험1와 2를 통하여 ADP에 대한 산화철의 배합비율은 0∼30중량%,ADP중의 Al함량은 7중량% 이상이어야 한다는 특성을 알아냈다.

이 특성으로 구성된 테르밋제에 연탄의 기본재료인 석탄등의 탄소재료를 혼합할 경우 탄소재료와 테르밋재료의 합리적인 배합이 요구된다.

이 합리적인 배합을 결정하기 위하여 실시예 5를 실시하였다.

[실시예 5]

탄소재료와 테르밋재료의 배합과 착화시험

시험에 사용하는 재료의 특성은 아래와 같다.

ADP:금속Al함량 10%, 분말입도 80mesh 아래

산화철: FeO₃ 순도가 85%이상, 입도는 1㎜ 아래.

탄소재료: 연탄가루(소석회 3% 포함된것)

테르밋재료: ADP:산화철은 80:20중량%로 고정

연탄가루와 테르밋제의 배합,연소정형

배합번호	연탄가루	테르밋제 펠렛	연소상황
A-1	100%	0	표준연소
A-2	80%	20	연소속도가 A-1보다 빠름
A-3	60%	40	연소속도가 A-2보다 빠르다
AB	50%	50	연소빨라 연료에 부적합
B-1	40%	60	연소빨라 연료에 부적합
B-2	20%	80	연소빨라 연료에 부적합
B-3	0	100	연소속도 빨라 연료에 부적합

실험은 우선 테르밋제를 실험3의 방법으로 직경5mm정도의 소 Pellet를 만들어 이 Pellet를 핵으로 연탄가루를 표면에 부착시켜 더 큰 Pellet(30mm정도)를 만들어 실험에 사용하였다.

따라서, A-1 ~ B-3의 시작품은 큰 조립물(Pellet) 안에 테르밋제의 작은 Pellet이 들어 있다는 것으로 이해하면 좋다. 이것을 화도에 500ｇ 넣어 연소시험을 실시하였다.

실험의 결과 A-2 ~ A-3이 흥미있는 경향을 보이였다. AB와 B1 ~ B3은 온도 보유시간이 짧아 연탄보다 낙후하기에 적당하지 않다.

발명을 더 현실화하기 위하여 A 바탕의 세밀 배합 시험을 실시 관찰하였다.

[실시예 6]

연탄가루와 테르밋제 세밀배합

배합번호	연탄가루	테르밋 재료
2A-1	90	10
2A-2	85	15
2A-3	80	20
2A-4	75	25
2A-5	70	30

실시예 6을 통하여 2A-3과 2A-4가 종래 연탄과 비슷한 효과가 있다는 것을 보였다.

테르밋제의 포함량에 비례하여 탄산가스, 일산화탄소의 발생량은 감소한다는 것은 분명하다.

상기 기초실험을 통하여 연탄가루와 ADP 또는 테르밋제로 구성된 조립물은 이산화탄소, 일산화탄소가 종전의 연탄보다 적다는 것이 명확하다.

본 발명 고체연료제조방법 및 그 조성물에 의해 제조된 고체연료로 연탄이나 조립물(Pellet), 조개탄과 같은 고체연료로 사용하는 것으로, 알루미늄산업의 부생물인 알루미늄 드로스 분말(Al dross powder)에 포함된 금속알루미늄을 재활용한다는 이점도 있으며, 알루미늄드로스 분말 단체(單體) 또는 산화철과의 배합을 통한 테르밋제를 기존의 연탄 원부재료에 혼합한 고체연료는 ADP배합량만큼의 이산화탄소 및 일산화탄소의 배출량을 감소시킬 수 있는 친환경적인 효과가 있으며 연소후의 잔재는 수집하여 알루미나계 원료로 알루미나시멘트, 알루미나계 내화물로 재이용하는 유용한 발명인 것이다.

Claims

AL함량 7%이상의 ADP 단체(單體)를 전분질 바인더(Binder)와 혼합 성형해 연탄,펠렛(Pellet),조개탄(Briqute)중 선택되는 어느 하나의 고체연료제조방법.
제1항에 있어서,AL함량이 7%이상의 ADP 분말 5 ~ 30중량%에 연탄가루 95 ~ 70중량%로 혼합해 연탄,펠렛(Pellet),조개탄(Briqute)중 선택되는 어느 하나의 고체연료제조방법.
제1항에 있어서, AL함량이 7%이상의 ADP 분말 70~ 95중량%에 5 ~ 30중량%의 산화철 분말을 혼합하여 5 ~ 10mm의 펠렛타입으로 얻은 테르밋제 5 ~ 30중량%와 연탄가루 95 ~ 70중량%를 혼합해 연탄,펠렛(Pellet),조개탄(Briqute)중 선택되는 어느 하나의 고체연료제조방법.