KR101142398B1 - 석탄계 분탄을 이용한 성형탄 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄계 분탄의 성형탄 제조방법에 관한 것으로서, 무연탄, 유연탄, 코크스 등의 석탄계 연료를 사용목적에 따라 덩어리탄인 괴탄으로 제조하는 과정에서 많은 분탄이 발생하는데 이러한 분탄에 CMC(Carboxi Methyl Cellulose) 및 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등의 경화제가 함침된 휴믹산(풍화석탄)을 혼합한 혼합물을 교반할 때 물을 분사시키면서 교반한 후 압축 성형시켜 성형탄으로 제조하는 것이다. 이렇게 제조된 성형탄은 CMC의 강력한 접착력과 칼륨 및 나트륨의 경화작용으로 인하여 강도를 가지면서 휴믹산에 첨가된 탄소 성분에 의하여 성형탄을 제조하기 위하여 첨가되는 무기 접착 물질들에 의한 성형탄의 발열량 저하를 방지하여 자연 상태의 괴탄과 유사한 특성을 나타냄으로써 저가의 분탄을 고가의 성형탄으로 판매가 가능할 뿐만 아니라 사용용도에 따라 형상 및 크기를 조절하여 제조할 수가 있어서 저가의 분탄을 고가의 괴탄으로 대체할 수 있는 경제적인 방법을 제시하는 것이다.

무연탄, 코크스, CMC, 괴탄, 성형탄, 휴믹산, 수산화칼륨, 수산화나트륨,

Description

석탄계 분탄을 이용한 성형탄 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF MOLDING COAL USING COAL DUST}

본 발명은 석탄계 분탄을 이용한 성형탄 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 성형탄 제조방법에서 많이 쓰이는 유기성 접착제로 인한 환경 오염적인 요소를 제거하고 무기물인 석탄계 고유의 특성을 그대로 유지할 수 있도록 친환경적인 셀룰로오스 계열의 CMC를 접착제로 쓰고 경화제로 수산화칼륨 및 수산화나트륨을 사용하되 경화제는 휴믹산에 함침시켜 사용함으로써 같은 석탄계열인 휴믹산의 석탄과의 친화력으로 경화제의 분탄내 침투속도를 빠르게 하여 석탄계 분탄의 성형탄 제조시에 초기 강도 발현 및 후기강도의 지속적인 유지와 함께 휴믹산내의 탄소성분에 의한 발열량 증가분이 접착제 및 경화제의 투입으로 단위 중량당 발열량이 떨어지는 성형탄의 발열량 감소분을 보충하게 되어 저가의 분탄을 고가의 성형탄으로 제조할 수 있게 되어 경제적인 유용한 자원으로 생산하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 석탄계의 분진은 유기성 접착제인 아크릴계, 타르, 핏치, 또는 본드등을 사용하여 접착하고 있으나 유기성 접착제는 간편하고 쉽게 접착되는 장점 은 있으나 대부분 석탄계 연료를 사용하는 곳은 제철, 제강 ,야금, 주물제조 공정 등으로 이들 공정에서 석탄계 성형탄 또는 괴탄을 사용하는 목적은 철금속이나 비철금속을 녹이는데 필요한 열량을 얻는 것과 철금속 또는 비철금속 분자와 산소가 결합되어 금속표면에 붙어 있는 산소를 금속으로부터 제거하는 환원성 가스를 얻는 것에 있다. 따라서 이들 공정에서 발열량이 높은 석유계열의 연료를 사용하지 않고 석탄계열의 연료를 사용하는 것과 분탄 대신에 성형탄이나 괴탄을 사용하는 이유는 덩어리탄 내부는 고정탄소의 연소에 의한 발열량을 얻어 금속을 녹이면서 덩어리탄 SP내부의 탄소가 외부의 공기와 접촉이 어려워서 탄소가 완전연소되지 못하고 일산화탄소로 배출되고 일산화탄소는 다시 완전연소하기 위하여 금속 표면의 산소를 빼앗아 이산화탄소화 되면서 완전연소하기 때문에 순수한 금속을 얻을 수 있어서 철강재를 생산하는 곳에서는 덩어리탄을 쓰게 된다.

이러한 관점에서 보면 유기성 접착제를 사용하여 분탄을 접착시켜 제조한 성형탄은 접착제 내부에 있는 유기성분이 연소되면서 성형탄 자체의 발열량을 높여주는 효과가 있지만 유기성분이 연소에 필요한 산소를 빠르게 먼저 사용함에 따라 성형탄내의 탄소가 산소와 일부 결합하여 일산화탄소로 생성되는 것을 방해하여 금속 용융로 내부를 환원성 분위기 전환하지 못하게 하여 순도 높은 금속의 용출이 이루어 지지 않는 단점이 있어서 사용할 수가 없는 것이다

또한 유기성 접착제로 제조한 성형탄을 비닐하우스 납방이나 공장등의 연료로 사용할 경우에 발열량은 높지만 유기물이 연소하면서 발생하는 대기 오염물질내에 많은 다이옥신이 발생되어 환경오염의 주요 원인이 되는 한편 순수한 무기물인 SiO₂계열인 물유리에 수산화칼슘을 결합시켜 제조한 무기바인드로 석탄계 분탄을 성형시키는 기술도 개발되었지만 이렇게 제조된 성형탄은 초기 접착력이 약하여 성형기에서 성형되어 나오면서 잘 파손되어 원형 유지가 어렵고 건조된 후에도 강도는 있으나 내부 접착력이 약하여 부분강도는 강하지만 성형탄 전체의 강도가 약하여 운반이나 하역시에 잘 깨어지는 현상이 많이 발생하여 파손품이 많을 뿐만 아니라 단순 무기 재료만의 사용으로 성형탄 전체의 발열량이 떨어지는 단점이 있다 또다른 무기접착제를 이용하여 성형탄을 제조하는 방법은 시멘트나 고화제를 이용하는 것인데 이 방법은 사용되는 시멘트의 량이 많아야 단위 중량당 석탄계분탄의 함유율이 적어서 발열량이 현저히 낮아지고 성형후에도 시멘트 계열의 접착 강도 발현에는 28일 이상 있어야 하므로 건조에 많은 시간과 비용이 소요되어 비경제적인 방법으로 현실성이 없는 방법이라 할 수가 있다.

상기 한바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은,

석탄계 분탄가루에 천연 접착제인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose)또는 SCMC(Sodium Carboxy Methyl Cellulose) 분말을 혼합하여 접착력을 유지시키고 경화제인 수산화칼륨 수용액 또는 수산화나트륨 수용액 ,또는 수산화칼륨 수용액과 수산화나트륨 수용액를 혼합한 수용액을 함침시킨 휴믹산을 첨가시켜 휴믹산의 석탄계 친화력을 이용하여 경화제가 석탄계 분탄 전체에 고르게 분산되도록 함과 동 시에 휴믹산에 포함된 탄소성분이 성형탄에 포함된 경화제로 인한 발열량 저하를 보충시키고 분탄 가루가 압축성형에 적절하도록 수분을 분사하여 적정하게 젖은 분탄을 압축성형기에 넣은 후에 압축 성형하여 성형탄을 제조하는 방법을 제시함으로써, 근본적으로 분탄 자체가 가진 발열량 및 환원력, 각각의 강도를 성형하기 위하여 사용하는 접착제로 인하여 발열량 및 환원력이 저하하거나 괴탄과 비슷한 강도를 유지하지 못하여 분탄 자체로 사용할 수밖에 없어서 저가로 판매되는 것을 고가의 성형탄으로 개조시켜 경제성이 있는 유효 자원으로 제조 사용할 수 있는 경제적인 방안을 제시하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석탄계 분탄의 성형탄 제조 방법은, 물 1kg에 경화제인 수산화칼륨을 중량비로 1 내지 6％ 또는 수산화나트륨을 중량비로 1 내지 6％ 또는 수산화칼륨과 수산화나트륨을 1대1 중량비로 혼합한 혼합물을 1 내지 6％를 투입한 후 교반 용해시킨 수용액을 휴믹산 1kg과 혼합한 후에 120℃ 이상 온도에서 충분히 볶아서 수분을 증발시키고 휴믹산에 경화제가 흡수 되도록 한 경화제 함침 휴믹산을 제조하는 단계와;

CMC 1kg에 상기에서 제조한 경화제 함침 휴믹산을 500 내지 1200g을 혼합 후 교반하여 접착제로 제조하는 단계와;

석탄계 분탄 1kg에 상기에서 제조한 접착제를 1 내지 8％중량비로 혼합 후에 함수율이 6 내지 12％가 되도록 물을 분사시키면서 교반 후에 원하는 크기 및 형태를 가진 압축성형기에 넣어서 압축 성형시켜 석탄계 분탄을 성형탄으로 제조하는 것이다.

이렇게 제조된 성형탄은 자연 상태에서 제조된 무연탄, 또는 유연탄, 괴탄이나 코크스로에서 제조된 코크스 괴탄과 비교할 때 발열량, 환원성, 강도 등에서 차이가 거의 없어서 괴탄 대용으로 많이 사용되어 질수가 있어서 괴탄생산에 따른 광산 개발이나 코크스 괴탄 제조에 따른 코크스로의 건설이 줄어들게 되어 자원의 재활용 및 자연 환경의 보전에 큰 도움이 된다.

상기 경화제 함침 휴믹산 제조시에 사용하는 수산화칼륨 및 수산화나트륨은 화공약품상에서 판매하는 가루 상태의 제품을 사용하는 것이 좋으며 순도는 99％이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 경화제를 물에 용해시킬 때 사용하는 물은 증류수 또는 순수를 사용하여야 물속의 이온성 물질로 인한 경화제와의 불필요한 반응을 제거할 수가 있으며 특히 수산화칼륨 용해시에는 수산화칼륨에 물을 부으면 격렬한 발열 반응이 일어나므로 물에 수산화칼륨을 조금 투입한 후에 계속적으로 교반을 하여 투입된 수산화칼륨이 물에 완전히 용해된 후 다시 조금 투입하는 방법으로 수용액을 제조하는 것이 바람직하다

한편 휴믹산에 수산화칼륨만 함침시키는 것이 편리하면 물 1kg에 수산화칼륨을 1 내지 3％ 중량비로 제조한 수용액을 휴믹산 1kg에 혼합한 다음 120℃ 이상 온도에서 잘 볶아서 제조한 경화제 함침 휴믹산과 석탄계 분탄과 CMC를 혼합하여 성형탄을 제조하는 경우에는 수분첨가시에 첨가되는 물 1kg에 수산화나트륨을 10 내지 30％중량비를 첨가하여 수산화나트륨이 충분히 용해된 수용액을 사용하여 성형 탄을 제조하여도 무방하다.

상기와 같은 본 발명은, 버려지거나 저가의 연료로 사용되는 석탄계 분탄을 무기접착제 및 무기경화제를 사용하고 접착제 및 경화제가 석탄계 분탄에 잘 접촉되고 접착제 및 경화제의 투입으로 단위 무게당의 성형탄 발열량이 저하하는 것을 보충해 줄 수 있도록 같은 석탄계인 휴믹산을 사용함으로써 석탄계 괴탄이 가지고 있는 발열량, 환원성, 강도를 가진 성형탄으로 제조함으로써 저가의 분탄을 고가의 제품으로 사용할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

시중에 파는 수산화나트륨과 수산화칼륨을 구입한 후에 미세한 가루가 되도록 분쇄하여 시료를 준비하였고, 증류수 200㎖를 담은 비이커를 4개 준비한 후 각 비이커별로 수산화나트륨 10g, 수산화칼륨 10g, 수산화나트륨 5g과 수산화칼륨 5g,을 혼합한 혼합물 10g, 수산화칼륨 5g을 넣은 후 잘 교반시켜 각각의 분말이 충분히 용해된 4개의 수용액을 제조하였다.

휴믹산을 채로 쳐서 5mm입도 이하만 수집한 후 각각 200g이 되도록 4개의 봉지에 나누어 담고 상기에서 제조된 4개의 수용액과 각각의 봉지에 담긴 휴믹산을 각 봉지별로 각각의 수용액과 1대1로 혼합하여 4개의 혼합물을 만든 후에 각각의 혼합물들을 각각의 오븐에 넣고 130℃ 온도를 유지하면서 30분정도 볶아서 4개의 특성이 다른 경화제가 함침된 휴믹산을 제조하였다.

포항제철에서 구입한 코크스 분탄을 200g씩 4봉지를 준비하고 시중에 파는 CMC를 6g씩 4봉지를 준비한 다음 물을 20㎖씩 작은 비이커에 넣어 4개를 준비하였다.

[실시예 1]

상기에서 준비한 각각의 재료들을 1차적으로 코크스 200g에 CMC 6g, 수산화칼륨 10g이 함침된 휴믹산 6g을 섞은 후 상기 비이커에 준비한 물 20㎖를 부어가면서 잘 혼합한 혼합물을 도 5에서 보이는 압축 성형기에 넣고 압축 성형시켜 성형탄을 제조하였다.

[실시예 2]

상기 [실시예 1] 에서와 같은 방법으로 성형탄을 제조하면서 수산화나트륨 10g이 함침된 휴믹산을 사용하여 성형탄을 제조하였다.

[실시예 3]

상시 [실시예 1] 에서와 갈은 방법으로 성형탄을 제조하면서 수산화나트륨 및 수산화칼륨이 각각 5g씩 혼합된 것이 함침된 휴믹산을 사용하여 성형탄을 제조하였다.

[실시예 4]

상기 [실시예 1] 에서와 같은 방법으로 성형탄을 제조하면서 수산화칼륨 5g이 함침된 휴믹산을 사용하였으며 사용되는 물은 물 1L에 가성소다 30g이 혼합된 비율의 수용액을 20㎖를 사용하여 성형탄을 제조하였다.

상기 4개의 실시예로 제조된 성형탄들은 제작 직후부터 2일 경과후에도 도 4에서와 같이 외관상의 변화는 없었고 높이 2m에서 떨어뜨렸을 때 도 5에서 보이는 바와 같이 부분 파손이나 크랙이 일어나지 않았다.

[실시예 5]

상기 실시예 중에서 [실시예 3]에서와 같은 방법으로 제조한 성형탄과 포스코에서 구입한 원료분탄을 대한 석탄공사 연구소에 분석 의뢰한 결과 발열량은 약간 떨어 졌고 회분이 약간 많은 것으로 나타났지만 환원성의 추측자료인 휘발분은 약간 증가하여 사용된 접착제에약간의 전분성분으로 인한 휘발성분의 증가가 추측되고 나머지는 유기성분이 없는 순수한 무기성분 접착제임이 증명되었다.

한편 회분 증가율은 경화제 및 접착제가 타지 않는 성분으로 회분 증가율만큼 성형탄내에서의 단위 중량당의 탄소성분이 감소하여 발열량이 줄어들었지만 휴믹산의 첨가로 휴믹산내의 탄소 성분이 연소하여 발열량 저하를 최소화시킨 것으로 추정되었다.

강도는 분탄에 비하여 현격히 증가한 것으로 나타났는데 이러한 검사 결과를 표 1에서 보인다.

＜표 1.＞

상기 실험 결과를 보면 본 발명의 석탄계 분탄의 성형탄 제조방법으로 제조한 성형탄은 자연 상태의 괴탄이나 코크스 제조로에서 제조된 괴탄에 비하여 발열량이나 환원성, 고정탄소분이 조금은 떨어지지만 외부경도가 높아서 저가의 분탄을 고가 제품으로 사용할 수가 있어서 경제성이 있는 제조 방법을 모색한 것으로 본다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄계 분탄 사진

도 2는 본 발명에 따른 CMC 분말 사진

도 3은 본 발명에 따른 경화제가 함침된 휴믹산 분말 사진

도 4는 본 발명에 따라 제조된 성형탄 사진

도 5는 본 발명에 따른 성형탄 파괴 시험 후 성형탄 사진

도 6은 본 발명을 시험하기 위해 제조된 성형탄 제조기 사진

Claims (5)

1. 석탄계 분탄의 성형탄 제조 방법에 있어서;

   수산화칼륨 또는 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 수산화나트륨을 혼합한 혼합물을 물에 녹여 경화제 수용액을 제조하는 단계와;

   휴믹산에 상기 경화제 수용액을 혼합 후에 120℃ 이상의 온도에서 건조 될 때까지 볶아서 경화제 함침 휴믹산을 제조하는 단계와;

   석탄계 분탄에 상기 경화제 함침 휴믹산, CMC를 혼합 후 물을 첨가시키면서 교반한 혼합물을 압축 성형시키는 단계; 를 가지는 석탄계 분탄의 성형탄 제조 방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 경화제 수용액 제조 방법에 있어서,

   물 1L에 수산화칼륨 10g 내지 60g 또는 수산화나트륨 10g 내지 60g 또는 수산화칼륨과 수산화나트륨을 1대1 중량비로 혼합한 혼합물 10g 내지 60g 또는 수산화칼륨 5g 내지 30g을 용해시켜 경화제 수용액으로 제조하는 것을 특징으로 하는 석탄계 분탄의 성형탄 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 경화제 함침 휴믹산 제조 단계에서,

   휴믹산 1kg에 상기에서 제조한 경화제 수용액 1L를 혼합한 후에 120℃ 이상의 온도에서 볶아서 수분이 제거된 상태의 경화제 함침 휴믹산을 제조하는 것을 특징으로 하는 석탄계분탄의 성형탄 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 성형탄 제조방법에 있어서,

   석탄계 분탄 1kg에 CMC 1 내지 6％ 중량비, 상기 경화제 함침 휴믹산 1 내지 6％ 중량비를 혼합하면서 혼합물의 함수율이 6 내지 15％가 되도록 수분을 첨가하면서 교반한 혼합물을 압축성형시켜서 성형탄으로 제조하는 것을 특징으로 하는 석탄계 분탄의 성형탄 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 성형탄 제조방법에 있어서,

   석탄계 분탄 1kg에 CMC 1 내지 6％ 중량비에 상기 경화제 함침 휴믹산 1 내지 6％ 중량비를 혼합하면서 혼합물의 함수율이 6 내지 15％가 되도록 물 1L에 수산화나트륨 5g내지 20g을 용해한 경화제 수용액을 첨가하면서 교반한 혼합물을 압축성형시켜 성형탄으로 제조하는 것을 특징으로 하는 석탄계 분탄의 성형탄 제조방법.

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