KR101147898B1 - 초기강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

글리세린 같은 다가 알코올과 지방산 그리고 중합체로 쓰이는 무수프탈산 등의 다염기산의 축합반응에 의해 수지화된 점착오일을 사용하여 미분탄을 성형탄으로 제조하는 초기강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법이 소개된다.

이 성형탄은 미분탄과, 점착오일로 구성된 액상 점착제를 포함하고, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 혼합하여 실온에서 가압 성형된다. 그리고 성형탄 제조방법은 미분탄과, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 준비하는 단계와, 액상 점착제를 미분탄에 스프레이하는 단계와, 스프레이된 액상 점착제와 미분탄을 균일하게 혼합하는 단계와, 혼합된 액상 점착제 및 미분탄을 실온에서 가압 성형하는 단계를 포함한다.

성형탄, 미분탄, 지방산 축합 수지.

Description

초기강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법{FORMED COAL HAVING SUPERIOR INITIAL STRENGTH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 성형탄 및 그 제조방법에 관한 것으로, 미분탄에 액상 점착제를 혼합하여 제조되는 초기강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료로 사용되는 석탄 중에서 약 8mm 이하의 미분탄은, 용융로내에서 충분히 연소되지 못하고 용융로 외부로 배출되어 집진기에 포집되고, 과다할 경우 공정내에서 불균형을 초래하므로 사용상 제약을 받게 된다. 또한, 미분탄은 보관 또는 운반중에 바람에 의해 다량의 먼지를 발생시켜 주변에 먼지 공해를 일으키고 저장물의 손상을 가져오며, 강우시 하천이나 바다로 흘러들어가 물을 오염시키기도 한다. 이러한 미분탄을 이용하기 위해, 근래에는 미분탄에 바인더를 첨가하고 가압성형하여 일정 크기의 성형탄을 제조하고 있다.

미분탄을 성형탄으로 제조하는 종래 기술은, 피치를 바인더로 하여 성형탄을 제조하는 방법과, 전분(starch)을 바인더로 하여 성형탄을 제조하는 방법이 제안되고 있다.

피치를 바인더로 하여 성형탄을 제조하는 방법은, 미분탄에 연화점 60~80도 의 피치를 5~10% 첨가하여 충분하게 혼합하고, 이것을 70~90도의 온도로 유지하여 가압 성형한다.

전분을 바인더로 하여 성형탄을 제조하는 방법은, 미분탄에 연화점 120~170도의 전분을 5~10% 첨가하여 충분히 혼합하고, 이것을 150~200도의 온도로 유지하여 가압성형하여 성형탄을 제조한다.

그러나 이러한 종래 기술의 경우, 바인더들은 연화온도가 높아 가압성형공정에서 가열건조설비가 추가되는 문제가 있었다. 즉, 연화온도가 더욱 높은 전분의 경우 약 120도 이상의 온도로 가열해야 하는데, 이 경우 미분탄도 가열되므로, 4~10도의 수분을 함유하는 미분탄의 수분 상당량을 증발시키기 위해, 막대한 가열건조설비와 경비가 필요하게 되어 실용적이지 못하였다. 아울러, 성형 후 초기 강도가 낮아 건조시간이 필요하므로, 연속공정에 사용되기에는 부적절한 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 성형탄의 가열 건조시, 유해가스가 발생되는데, 이 유해가스로 인해 작업환경이 악화되고 대기가 오염되기도 하였다. 특히, 이러한 오염을 방지하기 위한 정화시설을 운영할 경우, 그에 따른 막대한 경비가 지출되므로 성형탄의 가격경쟁력이 떨어진다는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 미분탄에 액상 점착제를 혼합하여 낙하 강도가 높은 성형탄을 제조함으로써, 건조 설비 없이도 공정의 연속성을 가미하고, 코크스 생산량을 극대화할 수 있는 초기강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 미분탄과, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 준비하는 단계와, 상기 액상 점착제를 미분탄에 스프레이하는 단계와, 상기 스프레이된 액상 점착제와 미분탄을 균일하게 혼합하는 단계와, 혼합된 액상 점착제 및 미분탄을 실온에서 가압 성형하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 미분탄에는 수분 6~10 중량부가 유지되는 것이 바람직하고, 상기 액상 점착제를 미분탄에 스프레이하는 단계는, 상기 액상 점착제를 60~70℃ 상태에서 스프레이하는 것이 바람직하다. 상기 액상 점착제는, 다가성 염기산을 다가성 알코올계 및 오일류에 첨가하여 가열한 후, 에스테르 반응시켜 축합하여 제조되는 것이 바람직하다. 상기 다가성 알코올계는 글리세린(Glycerin, Glycerol), 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol:EG), 프로필렌글리콜(Propylene Glycol:PG), 부탄디올(Butanediol:BD), 펜타디올(Pentandiol:PD:), 헥사일렌그리콜(Hexyleneglycol:HG)을 포함하고, 다가성 염기산은 프탈산(Phthalic Acid), 무수프탈산(phthalic anhydride), 푸마릭산(fumaric acid), 시트릭산(citric acid), 글루타닉산(glutaric acid), 언하이드레이트(Anhydrite) 계를 포함하고, 상기 오일류는 지방산, 동식물성 오일을 포함한다.

본 발명에 따른 초기강도가 우수한 성형탄은, 미분탄과, 점착오일로 구성된 액상 점착제를 포함하고, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 혼합하여 실온에서 가압 성형된다. 여기서, 상기 미분탄에는 수분 6~10 중량부가 유지되고, 상기 액상 점착제는, 다가성 염기산을 다가성 알코올계 및 오일류에 첨가하여 가열한 후, 에스테르 반응시켜 축합하여 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 본 발명은 액상의 점착제로서 대량 공급, 취급이 용이한 지방산 축합 수지를 통해, 건조 과정 없이 석탄 입자를 결합시킴으로써, 성형탄의 제조비용을 절감하고, 안전성이 우수하고, 취급이 용이하며, 압축강도 및 낙하강도가 우수하여 생산성을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.

특히, 본 발명은 파이넥스(FINEX) 또는 코렉스(COREX) 공정에서 요구하는 최적 강도를 갖는 성형탄을 제조함으로써, 해당 공정의 생산 효율성을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 성형탄은, 일정 수분을 함유한 미분탄과, 점착오일로 구성된 액상 점착제를 포함하는 조성으로, 낙하강도 및 초기강도가 우수한 특성을 구현한다.

이들 미분탄, 수분, 액상 점착제는 각각 독자의 특성이 있기 때문에 그 특성을 살리면서, 그리고 최적의 성형탄의 성형을 위해서는 이들을 적절한 비율로 조합하는 것이 요구된다. 그 적절한 조합비를 구하기 위하여, 본 발명자는 수많은 시행착오를 거쳤으며, 그 결과 상기 비율의 구성이 가장 적합함을 발견하게 되었다.

미분탄은 코렉스 공정에서 약 8mm 이상의 석탄을 사용하는 것으로 권장되므로, 그 이하의 석탄이 사용되는바, 바람직하게 미분탄은 4mm 이하의 입도를 갖는 것이 좋다. 본 실시예에서는 수분 조절이 이루어진 1mm이하의 미분탄에 사용되었다.

미분탄 내의 수분은 6~10 중량부로 유지되는 것이 바람직하다. 이렇게 미분탄 내의 수분을 일정 범위로 한정하는 이유는, 해당 범위에서 미분탄과 액상 점착제 간의 혼합이 잘 이루어지고, 성형이 용이하게 이루어지기 때문이다. 여기서, 미분탄 내의 수분이 6 중량부 미만인 경우에는 상기의 미분탄과 액상 점착제의 성형에 영향을 끼치며, 미분탄 내의 수분이 10 중량부 초과인 경우에는 액상 점착제의 효능을 반감시켜 성형탄의 강도를 떨어뜨리고, 깨어질 시 분화율을 높이는 주요인 으로 작용한다. 따라서, 양호한 성형탄의 성형을 위해서는 미분탄 내의 수분은 미분탄 100 중량부에 대해 6~10중량부가 요구된다.

액상 점착제는 미분탄 100 중량부에 대하여 3~10 중량부로 조성된다. 액상 점착제가 3중량부 미만인 경우에는 해당 양이 너무 적어 액상 점착제와 미분탄이 서로 골고루 혼합이 되지 못할 우려가 있는데, 이는 성형탄의 성형에 영향을 끼칠 수 있다. 액상 점착제가 10 중량부 이상인 경우에는 성형탄의 강도변화가 거의 변하지 않게 된다. 만일 액상 점착제가 20 중량부 초과인 경우에는 액상 점착제와 미분탄 간의 혼합 시 설비 등에 부착현상이 발생되어 성형탄 성형에 장애가 발생될 수 있다.

이러한 액상 점착제는 종래의 고체 바인더와 다르게 건조를 통한 강도 부여 방식이 아닌 오일에 점착력을 가미함으로써, 가압 성형 후 초기강도가 높은 성형탄을 제조하기 위한 액상 점착제이다. 즉, 액상 점착제는 코크스 생산에 연속성을 부여하기 위해 지방산 축합 수지로 구성된 점착오일로서, 특히, 종래 대량취급이 곤란한 피치, 전분 등 40℃이상의 연화온도를 가지는 고체물질을 사용하지 않고 실온에서 액상을 유지하여 대량취급이 용이한 고분자 점착오일이다.

액상 점착제는 다가성 염기산을 다가성 알코올계 및 오일류에 첨가하여 가열한 후, 에스테르 반응시켜 축합하여 제조되는데, 이를 지방산 축합 수지라 정의한다. 이 지방산 축합 수지는 폴리에스테르 화합물에 속한다.

예를 들어, 유지를 산처리하면 글리세린과, 오일류인 지방산으로 분해되는데, 이렇게 분해된 글리세린과 지방산에 다가성 염기산인 무수프탈산(phthalic anhydride)을 첨가하여 가열하고, 가열된 글리세린, 지방산 및 무수프탈산을 에스테르 반응시켜 축합함으로써, 지방산 축합 수지를 제조할 수 있다.

이때, 다가성 알코올계는 글리세린(Glycerin, Glycerol), 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol:EG), 프로필렌글리콜(Propylene Glycol:PG), 부탄디올(Butanediol:BD), 펜타디올(Pentandiol:PD:), 헥사일렌그리콜(Hexyleneglycol:HG)으로 구성될 수 있고, 다가성 염기산은 프탈산(Phthalic Acid), 무수프탈산(phthalic anhydride), 푸마릭산(fumaric acid), 시트릭산(citric acid), 글루타닉산(glutaric acid), 언하이드레이트(Anhydrite) 계로 구성될 수 있으며, 오일류는 지방산 또는 동식물성 오일로 구성될 수 있다.

특히, 이 점착오일의 수지화 반응에 사용되는 다가 알코올인 글리세린이나 건성유 지방산의 경우, 폐식용유 등의 폐기물에서 얻을 수 있는 재생원료로서 친환경적인 원료로 구성될 수 있다. 이때, 원료의 성질에 따라 수지의 물성에 변화가 발생되므로, 공기건조성과 유연성 점착오일로서의 효능을 증대시키기 위하여, 수지반응에 유장이 큰 장유성 축합 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

이는 모노글리세라이드(글리세린에 지방산 1기가 붙은 형상), 혹은 디글리세라이드 등 지방산이 추가된 글리세린 사용이 효과적이기 때문이다. 이 모노글리세라이드(글리세린에 지방산 1기가 붙은 형상), 혹은 디글리세라이드는 폐식용유와 대두유, 팜유 등으로 생산되는 바이오디젤 공정 중 부수물로 발생될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 성형탄의 제조방법은, 액상 점착 제를 미분탄에 혼합하여 실온에서 가압 성형함으로써, 우수한 낙하강도를 구현하고 성형 후 이동 간에 부서짐으로 인한 미분의 손실이 최소화되도록 한다.

이를 구현하기 위한 성형탄의 제조방법은, 미분탄과 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 준비하는 단계와, 액상 점착제를 미분탄에 스프레이하는 단계와, 스프레이된 액상 점착제와 미분탄을 균일하게 혼합하는 단계와, 혼합된 액상 점착제 및 미분탄을 실온에서 가압 성형하는 단계를 포함한다.

구체적으로, 미분탄과, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 조성하되, 이 미분탄 내에는 수분 6~10 중량부가 유지되도록 한다. 이들 액상 점착제 및 수분이 갖는 임계적 의의는 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

일정 범위를 만족하는 미분탄 및 액상 점착제가 준비되면, 준비된 액상 점착제를 온도가 60~70℃ 상태에서 미분탄을 향해 스프레이 한다. 여기서, 액상 점착제를 온도가 60~70℃ 상태로 유지하는 이유는 액상 점착제의 점도를 풀어 줌으로써, 미분탄과 액상 점착제 간 점착력으로, 성형 이후 초기강도가 높은 성형탄을 제조하기 위해서이다.

그리고 스프레이된 액상 점착제와 미분탄을 균일하게 혼합한다. 이때, 미분탄은 액상 점착제의 점착력을 통해 가루 형태에서 덩어리 형태로 뭉쳐지게 된다.

액상 점착제와 미분탄이 균일하게 혼합되면, 혼합된 액상 점착제 및 미분탄을 실온에서 가압 성형한다. 이와 같이, 본 발명은 종래 바인더와 다르게 건조를 통해 강도를 부여하지 않고 액상 점착제의 점착력을 추가하여 가압 성형함으로써, 초기 강도가 높은 성형탄을 제조할 수 있는 것이다.

여기서, 액상 점착제는 실온에서 액상을 유지하여 대량취급이 용이한 고분자 점착오일로, 코크스 생산에 연속성을 부여하기 위해 지방산 축합 수지로 구성된다. 이 지방산 축합 수지로 구성된 점착오일은, 앞서 설명한 내용과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이하, 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 1mm이하의 미분탄에 수분을 조절한 후, 액상 점착제로서 지방산 축합 수지인 점착오일을 혼합하고, 실온에서 유압 성형기를 사용하여 2000kg의 압력으로 가압하여 직경 35mm 두께 20mm인 바둑알형태의 성형탄을 제조하였다. 하기의 표 1은 실험을 하기 전 성형탄에 맞는 수분의 양변화에 따른 실험결과를 타낸 것이다.

표 1

실험예	수분 함량(%) (Moisture Contents)	압축강도(N)	비고
1	0	-	성형 불가능(깨어짐)
2	3	-	성형 불가능(깨어짐)
3	6	-	성형 불가능(깨어짐)
4	7	6.75
5	8	8.94

표 1에 나타낸 바와 같이, 미분탄 내 미량의 수분(0~6%)은 미분탄의 성형 확률을 저감시키는데 반하여, 적정량의 수분(7~8%)은 성형 확률 및 성형 강도에 영향력을 보였다.

[실시예 2]

하기의 표 2는 각각의 강도변화 요인별에 대한 실험결과 값으로, 오일량변화, 수분변화, 미분탄의 상태별에 대한 결과값을 나타낸 것이다.

표 2

표 2에 나타난 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 4에서는, 수분 함유량이 7%로 일정할 때, 오일량 변화에 따른 성형탄 강도 변화를 나타낸다. 수분 함유량이 일정할 경우, 분화율은 오일량의 증가에 따라 감소하고, 압축강도는 오일량의 증가에 따라 증가하였다.

실험예 5 내지 실험예 8에서는, 점착오일이 5%로 일정할 때, 수분 변화에 따른 성형탄 강도 변화를 나타낸다. 오일량이 일정할 경우, 분화율은 수분 함유량의 증가에 따라 감소하고, 압축강도는 수분 함유량의 증가에 따라 증가하였다.

실험예 9 내지 실험예 13에서는, 수분 함유량이 7%로, 점착오일이 5%로 각각 일정할 때, 미분탄의 상태에 따른 성형탄 강도 변화를 나타낸다. 미분탄의 배합이 Coal에서 Dust로 변화됨에 따라 분화율은 증가하고, 압축강도는 감소하였다.

실험예 14 내지 실험예 23에서는, 미분탄이 Dust 만으로 배합된 상태에서 수분 함유량이 3% 또는 5%로 일정할 때, 오일량 변화에 따른 성형탄 강도 변화를 나타낸다. 분화율은 초기에 성형이 불가능하다가, 점착오일이 증가됨에 따라 높은 분화율과 낮은 압축강도를 나타내었다.

실험예 24 내지 실험예 28에서는, 미분탄이 Dust 만으로 배합된 상태에서 수분 함유량이 7%로 일정할 때, 점착오일이 3%에서는 성형이 불가능하지만, 점착오일이 점차 증가함에 따라 분화율은 감소하고, 압축강도는 소폭 증가하였다

하기의 표 3은 본 발명에 따른 지방산 축합 오일이 아닌 다른 물질을 액상 점착제로 사용한 비교예로서, 수분 함유량 및 점착오일이 일정할 때, 강도 및 분화율 결과값을 나타낸 것이다.

표 3

표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 지방산 축합 오일이 아닌 다른 물질을 액상 점착제로 사용한 경우, 수분 함유량 및 점착오일이 본 발명의 최적 조건을 만족하더라도 분화율은 높게 나타나고, 압축강도는 낮게 나타났다.

이를 표 2의 실험예 2와 비교해 보면, 본 발명에 따른 실험예 2는, 비교예 1 내지 비교예 12보다 분화율이 약 70%이상, 압축강도가 30~40이상으로, 우수한 초기강도를 가진 성형탄이 제조됨을 알 수 있다. 예컨대, 비교예 1 내지 비교예 12의 평균 분화율은 약 49%이고, 실험예 2의 분화율은 약 15%이므로, 실험예 2의 분화율은 비교예 1 내지 비교예 12의 평균 분화율보다 약 70% 우수한 것으로 판단된다. 그리고 비교예 1 내지 비교예 12의 평균 압축강도는 약 9.3이고, 실험예 2의 압축강도는 약 14이므로, 실험예 2의 분화율은 비교예 1 내지 비교예 12의 평균 분화율보다 약 30~40% 우수한 것으로 판단된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 액상 점착제의 함량이 미분탄의 100 중량부에 5~10 중량부가 되도록 하여, 온도가 60~70℃ 상태에서 액상 점착제를 스프레이 시켜 미분탄과 균일하게 혼합한 후, 실온에서 미분탄을 가압 성형탄을 제조함으로써, 다른 부수물이 필요 없고, 대량 취급이 용이한 액상형이기 때문에 제조와 경비 비용을 절감하고, 건조단계를 거치지 않으면서도 강도가 우수하고, 코크스로 이동 간의 분화율이 낮아 미분을 줄여 손실이 없는 성형탄을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 성형탄 제조방법을 도시한 블록도.

Claims (9)

1. 미분탄과, 미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 준비하는 단계;

   상기 액상 점착제를 상기 미분탄에 스프레이하는 단계;

   상기 스프레이된 액상 점착제와 미분탄을 균일하게 혼합하는 단계; 및

   혼합된 액상 점착제 및 미분탄을 실온에서 가압 성형하는 단계를 포함하고,

   상기 미분탄에는 수분 6~10 중량부가 유지되고, 상기 액상 점착제는, 다가성 염기산을 다가성 알코올계 및 오일류에 첨가하여 가열한 후, 에스테르 반응시켜 축합하여 제조되는 지방산 축합 수지이고, 상기 액상 점착제를 미분탄에 스프레이하는 단계는, 상기 액상 점착제를 60~70℃ 상태에서 스프레이하는 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 다가성 알코올계는 글리세린(Glycerin, Glycerol), 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol:EG), 프로필렌글리콜(Propylene Glycol:PG), 부탄디올(Butanediol:BD), 펜타디올(Pentandiol:PD:), 헥사일렌그리콜(Hexyleneglycol:HG)을 포함하고, 상기 다가성 염기산은 프탈산(Phthalic Acid), 무수프탈산(phthalic anhydride), 푸마릭산(fumaric acid), 시트릭산(citric acid), 글루타닉산(glutaric acid), 언하이드레이트(Anhydrite) 계를 포함하고, 상기 오일류는 지방산, 동식물성 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄 제조방법.
6. 미분탄과, 점착오일로 구성된 액상 점착제를 포함하고,

   미분탄 100 중량부에 대하여 액상 점착제 3~10 중량부를 혼합하여 실온에서 가압 성형되고, 상기 미분탄에는 수분 6~10 중량부가 유지되며, 상기 액상 점착제는, 다가성 염기산을 다가성 알코올계 및 오일류에 첨가하여 가열한 후, 에스테르 반응시켜 축합하여 제조되는 지방산 축합 수지인 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,

   상기 다가성 알코올계는 글리세린(Glycerin, Glycerol), 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol:EG), 프로필렌글리콜(Propylene Glycol:PG), 부탄디올(Butanediol:BD), 펜타디올(Pentandiol:PD:), 헥사일렌그리콜(Hexyleneglycol:HG)을 포함하고, 상기 다가성 염기산은 프탈산(Phthalic Acid), 무수프탈산(phthalic anhydride), 푸마릭산(fumaric acid), 시트릭산(citric acid), 글루타닉산(glutaric acid), 언하이드레이트(Anhydrite) 계를 포함하고, 상기 오일류는 지방산, 동식물성 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄.

Images