KR101522781B1

KR101522781B1 - 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법 및 이를 이용한 코크스 제조방법

Info

Publication number: KR101522781B1
Application number: KR1020130123832A
Authority: KR
Inventors: 최재훈; 이상열; 이운재; 김현용; 서영대
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-05-26
Also published as: KR20150044598A

Abstract

본 발명은 배합탄의 건조과정에서 분급되어 집진설비를 통하여 포집된 미분탄 (coal dust)과 액상인 타르를 혼합하는 혼합단계; 및 혼합된 미분탄과 타르를 반응기에 넣고, 200℃ 내지 400℃ 이하의 온도범위에서 산화성분위기로 열처리하는 열처리단계;를 포함하는 코크스용 점결탄의 제조방법 및 이를 이용한 코크스 제조방법에 관한 것이다.

Description

미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법 및 이를 이용한 코크스 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF CAKING COAL USING COAL DUST AND MANUFACTURING METHOD OF COKE}

본 발명은 코크스용 점결탄의 제조방법 및 이를 이용한 코크스의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄 등의 건조에서 발생하는 미분탄을 이용하여 코크스용 점결탄과 코크스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

용광로에 용선 제조용으로 사용되는 야금용 코크스는 강도가 높을수록 유리하다. 코크스 제조과정에서는 저가이고, 저급의 물성을 갖는 석탄을 이용하여 고강도 코크스를 제조하기 위하여 석탄을 건조한 후 코크스 오븐에 장입하는 전처리 기술을 사용하고 있다. 그러나 석탄을 건조할수록 다량의 미분탄이 발생되어 설비 장애와 작업 환경을 나쁘게 하는 요인으로 작용한다.

따라서, 이와 같이 발생하는 다량의 미분탄을 처리하기 위하여 상기 미분탄을 응집하거나 또는 성형하는 등 다양한 시도가 이루어져 왔다. 일본 신일철주금(NSSMC)의 DAPS (Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System)공정은 유동층 건조기에서 석탄 수분을 2% 까지 건조하고, 건조 과정에 발생된 미분탄을 석유계 바인더로 성형하여 건조된 조립석탄과 혼합하여 탄화실에 투입함으로써 미점탄 배합비가 높은 배합 조건에서 코크스 품질 확보가 가능하다고 보고되고 있다.

반면, DAPS 공정은 다량의 석유계 바인더를 사용하는데, 상기 바인더 내부의 성분 (알칼리 금속 또는 타르 성분 등)이 고로 내부에 문제를 일으키는 불순물로 작용하므로 이와 같은 불순물을 제거하기 위한 공정이 추가되어야 한다는 문제점이 있다. 특히, 무기 바인더를 사용하는 경우에는 고로 내부의 슬래그를 증가시키고, 상기 슬래그의 염기도가 상승하면서 염기도를 조절하기 위한 추가의 플럭스가 필요하다는 문제가 있다.

석탄 건조공정에서 발생된 미분탄의 비산방지를 위한 대표적인 처리방법은 바인더를 사용하여 응집 또는 성형하는 것이며, 가능한 저가의 유기 바인더를 사용하는 것이 코크스 제조에 바람직하다. 대한민국 특허 2007-7015620(고로용 코크스의 제조 방법)에서는 80~350℃ 미분탄에 바인더로서 타르의 중질유분, 연피치 및 석유 피치를 사용하여 열간 가압 성형하여 처리하고 있다. 또한, 대한민국 특허 출원 2010-0137211 (미분탄 성형 방법 및 성형 장치)에는 건조공정에서 부생되는 미분탄을 건조안된 원탄과 혼합하고 핏치와 타르 등의 바인더를 사용하여 압축 성형하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 핏치와 같은 유기 바인더는 값비싼 고품위 석탄보다 2배 이상 비싸기 때문에 다량으로 사용하기 어려운 점이 있다 또한, 타르를 바인더로 사용하는 경우, 타르로부터 휘발성 유기물이 방출되므로 작업 환경을 강화해야하는 어려움이 있다. 특히, 타르의 경우 상온에서 액상이며 분자량이 작은 탄화수소화합물 위주로 구성되어 있기 때문에 가열하면 쉽게 휘발되어 버리는 특징이 있다. 일반적으로 타르를 증류하거나 불활성분위기에서 400℃ 이상의 고온 열처리하면, 타르를 구성하는 탄화수소 화합물들이 중합반응하여 분자량이 큰 핏치 성분으로 전환되어 바인더로 활용할 수 있다. 그러나, 이 경우, 핏치의 제조 수율이 약 50% 수준으로 낮은 단점이 있다.

통상 야금용 코크스를 제조할 때 코크스의 강도를 향상시키기 위하여 원료탄으로는 고품위 석탄을 이용하였는데, 상기 고품위 석탄은 산지가 한정되고 매장량도 점차 고갈되어 문제가 된다. 대형 고로는 다량의 석탄을 소비하므로, 상기 석탄의 원료에 대한 비용 절감이 요구되고 있다.

따라서, 저가이고, 저급의 물성을 갖는 석탄을 원료탄으로 사용하면서 고강도의 석탄을 제조할 수 있는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한, 이와 같이 저급의 물성을 갖는 석탄을 이용하면서 동시에 강도가 야금용 코크스을 제조하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 발명의 목적은 석탄의 건조과정에서 발생하는 미분탄을 이용하여 코크스용 점결탄을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 미분탄을 회수 및 가공하여 강도가 향상된 야금용 코크스를 제조하는 방법을 제공하기 위함이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 배합탄의 건조과정에서 분급되어 집진설비를 통하여 포집된 미분탄 (coal dust)과 액상인 타르를 혼합하는 혼합단계; 및 혼합된 미분탄과 타르를 반응기에 넣고, 200℃ 내지 400℃ 이하의 온도범위에서 산화성분위기로 열처리하는 열처리단계;를 포함하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법을 포함한다.

상기 배합탄의 건조과정은 상기 배합탄의 수분 함량이 5wt% 이하가 되도록 건조할 수 있다.

상기 혼합단계에서 상기 미분탄은 상기 미분탄 및 타르의 총량에 대하여 20wt% 내지 50wt%로 포함될 수 있다.

상기 열처리단계에서 상기 산화성분위기는 공기 또는 산소를 반응기에 공급하여 형성할 수 있다.

상기 공기 또는 산소를 300℃ 이하의 온도로 예열하여 공급할 수 있다.

상기 열처리단계에서 상기 반응기에서 배출되는 공기 또는 산소를 회수하여 상기 반응기로 다시 공급할 수 있다.

상기 열처리단계에서 상기 온도범위는 250℃ 내지 350℃일 수 있다.

상기 열처리단계 후 제조된 코크스용 점결탄은 상온에서 고상일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 배합탄을 수분함량이 5wt% 이하가 되도록 건조하는 건조단계; 상기 건조단계에서 건조된 배합탄을 오븐에 넣고, 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조된 코크스용 점결탄을 상기 오븐 내에 첨가하여 혼합하는 점결탄첨가단계; 및 상기 배합탄과 코크스용 점결탄이 혼합되어 구비된 오븐을 상압에서 가열하는 건류단계;를 포함하는 코크스 제조방법을 포함한다.

상기 점결탄첨가단계에서 상기 배합탄의 입도는 80%가 3mm이고, 상기 코크스용 점결탄의 입도는 상기 배합탄의 입도와 동일하게 파쇄되어 첨가될 수 있다.

상기 점결탄첨가단계에서 상기 코크스용 점결탄은 상기 배합탄과 코크스용 점결탄의 총량에 대하여 1wt% 내지 5wt%로 첨가될 수 있다.

상기 오븐 내에 공기 또는 산소가 접촉되지 않도록 오븐을 밀폐시켜 간접가열할 수 있다.

상기 건류단계에서 최종 건류온도는 상기 배합탄의 중심부의 온도가 1000℃ 내지 1100℃이고, 상기 최종 건류단계에서의 체류시간은 0.5시간 내지 1.5시간일 수 있다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 석탄의 건조과정에서 발생하는 미분탄을 이용하여 코크스용 점결탄을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 미분탄을 회수 및 가공하여 강도가 향상된 야금용 코크스를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코크스 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법은 배합탄의 건조과정에서 분급되어 집진설비를 통하여 포집된 미분탄 (coal dust)과 액상인 타르를 혼합하는 혼합단계 (S10); 및 혼합된 미분탄과 타르를 반응기에 넣고, 200℃ 내지 400℃ 이하의 온도범위에서 산화성분위기로 열처리하는 열처리단계 (S20);를 포함할 수 있다.

코크스 등을 제조하는 과정에서, 저가의 저급탄을 배합탄의 적어도 일부로 이용하여 고강도를 갖는 코크스를 제조하기 위하여 전처리 수단으로 상기 배합탄을 건조할 수 있다. 이때, 상기 배합탄의 건조과정에서 미분탄이 다량 발생하는데, 본 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법은 이때 발생하는 다량의 미분탄을 이용할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법에서는 상기 미분탄과 함께 타르를 이용할 수 있다. 타르는 코크스의 건류과정에서 부생될 수 있는데, 수천종의 다환 방향족 화합물로 구성된다.

즉, 본 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법은 코크스를 제조하는 공정에 부수적으로 발생하는 부산물인 미분탄 및 타르를 원료로 이용하여 코크스의 강도를 향상시키는 코크스용 점결탄을 제조할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법은 코크스를 제조시 발생하는 부산물인 미분탄 및 타르를 제거하는 공정을 생략할 수 있고, 또한 상기 미분탄 및 타르를 이용하여 코크스의 강도를 향상시킬 수 있는 코크스용 점결탄을 제조할 수 있으므로 공정효율을 향상시킬 수 있다.

상기 배합탄의 건조과정은 상기 배합탄의 수분 함량이 5wt% 이하가 되도록 건조할 수 있다. 대략 300℃ 내지 700℃의 온도범위에서 건조될 수 있다. 코크스 등을 제조하는 데 생산단가를 절감하기 위하여 상대적으로 값싼 석탄을 배합탄으로 이용할 수 있는데. 이때 코크스를 제조하기 전 상기 배합탄의 물성을 향상시키기 위하여 건조과정이 수행될 수 있다.

이와 같은 배합탄의 건조과정에서는 발생된 미분탄을 집진설비를 통하여 포집하고, 혼합단계 (S10)에서는 포집된 미분탄과 상온에서 액상으로 존재하는 타르를 함께 혼합할 수 있다. 이때, 상기 미분탄은 상기 미분탄 및 타르의 총량에 대하여 20wt% 내지 50wt%로 포함될 수 있다. 상기 미분탄은 타르의 중합반응을 촉진하여 상기 코크스용 점결탄의 제조수율을 향상시킬 수 있는데, 상기 미분탄의 함량이 20wt% 미만인 경우에는 상기 코크스용 점결탄의 제조수율이 낮고, 열처리단계에서의 열처리사간이 증가되어 공정효율을 저하시킬 수 있다. 반면, 상기 미분탄의 함량이 50wt% 초과인 경우에는 상기 타르의 중합반응이 급격하게 발생하여 점결성이 낮은 코크스용 점결탄으로 제조될 수 있다. 즉, 미분탄은 타르의 중합반응을 촉진하여 상기 타르가 코크스의 강도를 향상시킬 수 있도록 점결성을 갖는 코크스용 점결탄이 되도록 할 수 있는데, 공정효율 및 최종제품의 물성 등을 고려할 때, 상기 미분탄은 미분탄 및 타르의 총량에 대하여 20wt% 내지 50wt%로 포함되는 것이 바람직하다.

혼합된 미분탄 및 타르는 열처리단계 (S20)에서 열처리될 수 있는데, 이때 공기 또는 산소를 반응기에 공급하여 반응기 내가 산화성분위기인 상태로 하여 열처리될 수 있다.

상기 열처리단계에서 상기 타르는 열분해된 후, 중합반응이 수행될 수 있는데, 상기 산화성분위기는 열분해된 타르의 중합반응을 촉진할 수 있다. 예컨대, 불활성분위기에서 상기 열처리단계를 수행하는 경우에는 대략 400℃ 이상의 고온에서 수행해야만 상기 타르의 열분해 및 중합반응이 수행되는 반면, 산화성분위기 하에서는 상기 열처리단계는 대략 200℃ 내지 400℃의 온도범위에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 반응기 내로 공급되는 상기 공기 또는 산소는 예열하여 상기 반응기 내에 공급될 수 있다. 상기 예열된 공기 또는 산소는 상기 열처리단계에서 반응온도에 근접하여 공급될 수 있으므로, 반응시 온도를 저하시키지 않고 또한 열의 공급원으로 작용할 수도 있으므로 반응속도를 촉진할 수 있다. 이때, 상기 공기 또는 산소를 300℃ 이하의 온도로 예열하여 공급될 수 있으며, 예열된 공기 또는 산소의 공급에 의하여 상기 열처리단계는 250℃ 내지 350℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 상기 예열된 공기 또는 산소는 상기 공기 또는 산소를 직접 가열하여 얻거나, 또는 상기 반응기에서 배출되는 공기 또는 산소를 회수하여 상기 반응기로 다시 공급하여 사용할 수 있다. 상기 반응기에서 배출되는 공기 또는 산소는 대략 300℃ 이하의 온도일 수 있으며, 반응기에서 배출되는 공기 또는 산소를 이용함으로써 예열하기 위한 추가의 열원을 필요로 하지 않으므로 생산비를 절감할 수 있다. 상기 열처리단계 후 제조된 코크스용 점결탄은 상온에서 고상으로 존재할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 타르는 코크스의 제조시 코크스 건류과정에서 부생될 수 있으며, 상온에서는 액상으로 존재한다. 이와 같이 액상으로 존재하는 타르를 증류탑에서 증류시 증류탑의 상부로는 분자량이 작은 오일 성분이 대략 50% 정도 방출되고, 나머지는 분자량이 큰 탄화수소화합물로 증류되지 않고 핏치 (pitch) 형태로 얻어진다.

상기 타르는 상온에서 액상으로 존재하고 또한 휘발성이 있는 방향족 탄화수소화합물이 발생하므로 환경문제를 일으킬 수 있으므로 직접 혼합하여 사용하기는 어렵다. 반면, 상기 타르를 증류하여 얻어지는 핏치는 석탄을 성형하는 바인더로 사용되거나, 야금용 코크스의 강도 향상 효과를 얻을 수 있는 인조 점결탄으로써 사용될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 코크스용 점결탄 제조방법은 상온에서 액상으로 존재하는 타르를 핏치와 같이 야금용 코크스의 강도 향상 효과를 얻을 수 있는 (인조) 점결탄을 제조할 수 있다. 즉, 상기 타르를 미분탄과 혼합하고 열처리하여 저온 (중합) 개질하고, 분자량이 큰 탄화수소화합물로 제조함으로써 상온에서 고상인 코크스용 점결탄으로 제조될 수 있다. 이와 같이 미분탄 및 타르를 이용하여 제조된 코크스용 점결탄은 상온에서 고상으로 존재하므로, 탄화수소화합물 등이 휘발하여 발생하는 환경문제를 예방할 수 있고, 또한 핏치와 유사한 기능을 갖으므로 코크스 제조시 배합탄에 첨가하여 코크스의 강도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코크스 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2는 도 1의 방법과 같이 제조된 코크스용 점결탄을 이용하여 코크스를 제조하는 방법에 관한 관한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 코크스 제조방법은 배합탄을 수분함량이 5wt% 이하가 되도록 건조하는 건조단계 (S100); 상기 건조단계에서 건조된 배합탄을 오븐에 넣고, 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조된 코크스용 점결탄을 상기 오븐 내에 첨가하여 혼합하는 점결탄첨가단계 (S200); 상기 배합탄과 코크스용 점결탄이 혼합되어 구비된 오븐을 300℃ 내지 700℃의 온도범위로 가열하는 건류단계 (S300);를 포함할 수 있다.

건조단계 (S100)에서 상기 배합탄은 300℃ 내지 700℃의 온도범위에서 수분함량이 5wt% 이하로 건조될 수 있다. 야금용 코크스는 강도가 높을수록 유리한데, 상기 야금용 코크스의 원료인 배합탄을 건조한 후에 오븐에 장입함으로써 상기 배합탄으로 저급탄을 적어도 일부 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 저급탄은 갈탄 또는 아역청탄을 사용할 수도 있다. 상기 수분함량은 최종 코크스의 물성의 영향을 미칠 수 있고, 또한 코크스 제조시 건류단계에서의 반응시간을 증가시킬 수 있으므로 5wt% 이하가 되도록 건조하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 건조단계 (S100)에서는 배합탄을 건조시 다량의 미분탄이 발생할 수 있는데, 상기 미분탄은 집진설비에 의하여 포집되어 전술한 코크스용 점결탄 제조방법에서 사용될 수 있다. 예컨대, 건조단계 (S100)에서 발생한 미분탄은 도 1에 도시한 바와 같이 상온에서 액상인 타르와 혼합하고, 열처리하여 코크스용 점결탄으로 제조할 수 있고, 이때 상기 코크스용 점결탄은 상온에서 고상으로 존재할 수 있다.

점결탄첨가단계 (S200)에서는 건조된 배합탄을 오븐에 넣고 상기 배합탄이 구비된 오븐 내에 상기 코크스용 점결탄을 첨가하여 혼합할 수 있다. 이때, 상기 배합탄의 입도는 80%가 3mm이고, 상기 코크스용 점결탄의 입도는 상기 배합탄의 입도와 동일하게 파쇄되어 첨가될 수 있다. 배합탄의 입도는 3mm 분율로 나타낼 수 있는데, 상기 점결탄첨가단계에서 배합탄의 입도는 80%가 3mm일 수 있다. 이는 배합탄의 80%는 입도가 3mm 이하의 미분탄으로 존재하고, 나머지 20% 정도는 3mm보다 큰 입자를 갖음을 의미한다. 또한, 상기 코크스용 점결탄은 상기 배합탄과 유사한 입도로, 예컨대 3mm 이하로 파쇄되어 첨가될 수 있으며, 입자의 크기에 의하여 영향받는 최종 코크스의 물성이 상기 코크스용 점결탄의 입자에 의하여 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

또한, 점결탄첨가단계 (S200) 상기 코크스용 점결탄은 상기 배합탄과 코크스용 점결탄의 총량에 대하여 1wt% 내지 5wt%로 첨가될 수 있다. 상기 코크스용 점결탄은 코크스의 강도를 향상시키기 위하여 첨가될 수 있는데, 상기 코크스용 점결탄의 함량이 1wt% 미만인 경우에는 상기 코크스용 점결탄 첨가에 의한 코크스의 강도향상 효과가 미비하다. 또한, 상기 코크스용 점결탄의 총량이 5wt% 초과부터는 제조된 코크스의 강도는 대략 유사하게 유지된다. 따라서, 상기 코크스용 점결탄은 최종 생산되는 코크스의 강도향상과 공정효율을 고려하여 1wt% 내지 5wt%로 첨가되는 것이 바람직하다.

건류단계 (S300)에서는, 배합탄과 코크스용 점결탄을 혼합한 후, 상기 오븐 내에 공기 또는 산소가 접촉되지 않도록 오븐을 밀폐시켜 간접가열할 수 있다. 상기 배합탄은 가연성 탄소원을 포함하고 있으므로, 산화성분위기에서 가열하는 경우에는 연소되어 CO₂ 및 H₂O로 전환될 수 있으므로, 상기 건류단계에서는 공기 또는 산소가 통하지 않도록 하여 가열하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 건류단계에서 최종 건류온도는 1000℃ 내지 1100℃이고, 상기 최종 건류단계에서의 체류시간은 5시간 내지 1.5시간일 수 있다. 바람직하기로는, 상기 건류단계에서 최종 건류온도는 1050℃로 대략 1시간 동안 체류시킬 수 있다.

상기 최종 건류온도가 1000℃ 미만인 경우에는 휘발분 ?량이 높은 (야금용) 코크스가 제조될 수 있으므로, 최종 건류온도는 1000℃ 초과인 것이 바람직하다. 또한, 상기 최종 건류온도는 1100℃ 초과부터는 건류 후의 제조된 코크스의 물성이 크게 차이 없으므로 1100℃ 이하로 건류하는 것이 바람직하다. 또한, 1100℃를 초과하여 가열하면서 불필요한 열원을 소비하고, 지속적으로 가해지는 열에 의하여 상기 오븐에 손상을 유발할 수 있다. 따라서, 최종 건류온도는 1050℃이고, 이와 같은 온도에서 대략 1시간 동안 유지하는 것이 공정효율을 고려할 때 가장 바람직하다.

또한, 상기 배합탄과 코크스용 점결탄을 가열하는 오븐은 고온을 유지하는 성태로 존재하며, 이와 같이 오븐의 가열로벽이 고온인 조건에서 상기 배합탄과 코크스용 점결탄을 투입한 후 최종 건류온도까지 온도를 상승시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 배합탄과 코크스용 점결탄의 혼합물은 오븐 내에서 건류단계 (S300)를 거친후에 코크스로 제조될 수 있다. 이와 같이 제조된 코크스는 상기 코크스용 점결탄이 첨가되지 않은 것과 비교할 때 강도가 효과적으로 향상된다. 또한, 상기 건류단계 (S300)에서는 코크스 외에 부산물로 타르가 더 형성될 수 있는데, 상기 타르는 도 1에 따른 코크스용 점결탄 제조방법에서 원료로 사용될 수 있다.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.

1. 코크스용 점결탄 제조

하기와 같은 방법으로, 비교예 1과, 실시예 1 내지 실시예 5를 제조하고 제조물의 물성을 표 1에 나타내었다. 실시예 1 내지 실시예 5에 첨가되는 미분탄은 야금용 코크스를 제조하기 위하여 배합탄을 석탄 조습(燥濕)설비(CMCP: Coal Moisture Control Plant)를 이용하여 수분함량이 5wt% 이하가 되도록 건조할 때 발생하는 미분탄을 집진설비를 이용하여 포집하여 이용하였다. 이때, 상기 배합탄은 휘발분 함량 27.5wt%, 애쉬 9.0wt%, 반사율 1.05%이고, 미점탄 (soft coking coal) 배합비는 40wt%, 강점탄 (hard coking coal) 배합비는 60wt%인 것을 사용하였다. 상기 미점탄은 점결성이 약한 석탄의 일종으로 강도가 높은 코크스를 제조하기 어려운 종류를 의미하고, 상기 강점탄은 점결성이 강한 석탄으로 고강도 코크스를 제조할 수 있는 석탄을 의미한다. 또한, 타르는 석탄을 건류하는 과정에서 부생되는 물질을 이용하였다.

비교예 1

미분탄을 첨가하지 않고, 반응기 내에 타르만을 넣고 300℃에서 30분간 열처리하였다. 이때, 상기 반응기 내로 공기를 공급하면서 가열하여 코크스용 점결탄을 제조하였다.

표 1을 참조하면, 상기 코크스용 점결탄은 상온에서 고상으로 존재하였으며, 제조수율이 55%이고, 연화점이 101℃임을 확인할 수 있었다. 즉, 타르만으로 제조된 코크스용 점결탄은 핏치와 유사한 물질임을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 타르만으로 제조된 코크스용 점결탄은 애쉬 (ash) 함량이 0.3wt%로 낮음을 확인할 수 있는데, 상기 애쉬는 타르 내에 존재하는 미량의 무기물 성분에 의하여 기인함을 확인할 수 있었다.

표 1에서, 미분탄 혼합비 (wt%)는 타르와 미분탄과의 총량에 대한 미분탄의 비율을 나타낸다. 또한, 제조수율은 코크스용 점결탄 제조후 (개질반응 후) 상온에서 고상으로 얻어진 코크스용 점결탄의 회수율을 의미하고, 타르전환율은 (저온) 열처리과정에서 미분탄의 무게는 일정하다고 한 후, 타르로부터 고상의 (인조) 코크스용 점결탄이 생성된 비율을 의미한다. 즉, 상기 제조수율은 제조된 코크스용 점결탄의 무게를 총원료 투입량 (타르 (비교예 1에서는 타르만) 또는 타르와 미분탄의 혼합물 (실시예 1 내지 실시예 3))으로 나눈 값이며, 상기 타르전환율은 코크스용 점결탄 제조후 (개질반응 후) 얻어진 코크스용 점결탄 무게에서 투입된 미분탄 무게를 뺀 값을 투입된 타르 무게로 나눈값을 의미한다. 또한, 연화점 (SP: Softening Point,℃)은 링 앤 볼 측정법 (Ring & Ball Method)으로 측정하였다.

실시예 1

타르에 20wt%의 미분탄을 혼합한 후, 비교예 1과 동일한 방법으로 반응기 내에서 30분간 열처리하여 코크스용 점결탄을 제조하였다.

표 1에 기재된 바와 같이, 비교예 1인 타르를 단독으로 열처리하여 코크스용 점결탄을 제조한 것과 비교할 때, 제조수율과 타르 전화율이 크게 상승됨을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 1의 코크스용 점결탄의 경우 애쉬 함량이 2.6wt%임을 확인할 수 있었는데, 이는 타르에 애쉬의 함량 대략 9wt% 수준인 미분탄을 혼합하였기 때문이다. 반면, 실시예 1의 연화점은 193℃으로 비교예 1에 비하여 연화점이 90℃ 이상 상승했음을 확인할 수 있었다.

코크스의 연화점이 높을수록 상온에서 고체로서 파쇄가 용이하고, 또한 상기 연화점은 고온에서 열적으로 안정하다는 의미를 갖는다. 따라서, 제조된 코크스의 연화점이 상승했다는 의미는 건류되는 과정에서 상기 코크스용 점결탄에 의하여 점결성이 용이하게 제공되었음을 의미한다.

실시예 2

타르와 미분탄을 50 대 50의 비율로 혼합하고, 이를 비교예와 동일한 방식으로 열처리하였다. 이때, 열처리 시간은 10분으로 하였다.

표 1을 참조할 때, 실시예 2에 따른 코크스용 점결탄은 제조수율, 타르 전화율이 각각 94%, 89%로 높은 수준임을 확인할 수 있었다. 또한, 애쉬의 함량은 5wt%이고, 연화점은 350℃임을 확인할 수 있었다. 또한, 연화점은 비교예에 비하여 대략 3배 정도 상승함을 확인할 수 있었다.

실시예 3

실시예 1과 같은 타르 함량으로, 타르에 20wt%의 미분탄을 혼합한 후, 비교예 1과 동일한 방법으로 반응기 내에서 20분간 열처리하여 코크스용 점결탄을 제조하였다.

실시예 3의 경우에는 제조수율과 타르 전환율이 각각 74%, 67%로 상승하였음을 확인할 수 있었다. 이는 미분탄과 타르를 열처리하는 과정에서, 산화제로 작용하는 공기의 공급량이 증가되어 기인한 것으로 확인할 수 있었다.

구분		비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3
제조 조건	미분탄 혼합비(%)	0	20	50	20
	열처리온도(℃)	300	300	300	300
	체류시간(분)	60	30	10	20
	산화성 분위기	공기	공기	공기	공기
	공기공급량	10 ℓ/min	5 ℓ/min	5 ℓ/min	10 ℓ/min
생성물 물성	제조 수율(%)	55	71	94	74
	타르 전환율(%)	55	63	89	67
	애쉬 함량(%)	0.3	2.6	5.0	2.5
	휘발분 함량(%)	44.4	48.9	40.7	49.9
	고정탄소 함량(%)	55.3	48.5	54.4	47.7
	연화점(℃)	101	193	350	179

표 1에 도시된 바와 같이, 타르만을 단독으로 열처리한 비교예 1에 비하여 타르와, 미분탄을 혼합한 실시예 1 내지 실시예 3의 제조수율, 타르전환율 및 연화점이 모두 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 타르만을 단독으로 열처리한 비교예 1과 같은 경우에는, 타르 내에 존재하는 휘발분이 대부분 휘발하고 핏치 성분과 같은 고상의 물질만이 잔존한 반면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우에는 첨가된 미분탄에 의하여 타르가 저온 중합 개질을 통하여 타르 내의 물질이 고상의 코크스용 점결탄으로 전환되었기 때문이다.

즉, 비교예 1과 같이 타르를 단독으로 열처리한 경우보다, 실시예 1 내지 실시예 3와 같이 타르와 미분탄을 혼합하여 열처리함으로써 코크스용 점결탄의 제조수율 및 타르전환율이 크게 상승됨을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3와 같이 제조된 코크스용 점결탄의 연화점이 상승함으로써 상온에서 고체로 취급하기 용이한 장점이 있었다.

2. 코크스 제조

비교예 2

배합탄은 휘발분 함량 27.5wt%, 애쉬 9.0wt%, 반사율 1.05%이고 미점탄 배합비는 40wt%, 강점탄 배합비는 60wt%인 것을 사용하였다. 배합탄은 석탄 조습(燥濕)설비(CMCP: Coal Moisture Control Plant)를 이용하여 수분함량이 5wt% 이하가 되도록 건조하였다. 3mm 이하의 입도로 파쇄하여 사용하였다.

상기 배합탄만을 오븐에 넣은 후 산소 또는 공기가 접촉하지 않도록 밀폐하여 건류시킴으로써 코크스를 제조하였다. 이때 장입밀도 730kg/m3, 최종 건류온도 1100℃, 최종 건류온도에서의 체류시간 60분으로 일정하게 하였다. 이와 같이, 방법으로 제조된 코크스 강도는 드럼인덱스 (Drum Index, DI¹⁵⁰), 드럼강도로 확인하였으며, 2회 측정한 평균값을 표 2에 기재하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 코크스의 강도가 81.6%임을 확인할 수 있었다. 여기에서 드럼인덱스는 코크스의 마모강도 (냉간강도)를 측정하기 위한 테스트로, 내경이 1.5m인 드럼 내에 20kg의 코크스 (괴코크스 상태)를 넣고 150 회전수만큼 돌리면 코크스가 드럼안에서 낙차하고 서로 부딪혀 마모된다. 이때 마모된 코크스가 시브 (sieve, size 15mm)를 이용하여 마모된 부분을 체를 쳐서 선별하고, 최초무게에 대한 최후 남은 무게 (시브 내에 남은 코크스)의 차를 측정하여 마모된 양을 확인한다.

실시예 4

비교예 2와 동일한 배합탄에 실시예 3에 의하여 제조된 연화점이 179℃인 코크스용 점결탄을 1wt% 첨가한 후 혼합하는 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 코크스를 제조하였다. 이때, 상기 코크스용 점결탄은 입도가 상기 배합탄의 입도와 유사하도록 3mm 이하가 되도록 파쇄한 후 첨가하였다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 코크스의 강도가 81.9%로 비교예 2에 비하여 상승함을 확인할 수 있었다.

실시예 5

상기 연화점이 179℃인 코크스용 점결탄을 3wt% 첨가한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 코크스를 제조하였다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 코크스의 강도가 82.9%로 비교예 2에 비하여 1.3% 상승하였음을 확인할 수 있었다.

실시예 6

실시예 1에 의하여 제조된 연화점이 193℃인 코크스용 점결탄을 3wt% 첨가한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 코크스를 제조하였다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 코크스의 강도가 82.7%로 비교예 2에 비하여 1.1% 상승하였음을 확인할 수 있었다.

코크스 제조 조건		비교예 2	실시예 4	실시예 5	실시예 6
코크스용 점결탄 연화점(℃)		없음	179	179	193
코크스용 점결탄 첨가량(%)		0	1	3	3
코크스 품질	드럼강도(DI¹⁵⁰,%)	81.6	81.9	82.9	82.7
코크스 품질	강도 개선 효과(%)	Base	+0.3	+1.3	+1.1

표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 4 내지 실시예 6은 코크스용 점결탄이 첨가되지 않은 비교예 2에 비하여 강도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 4와 실시예 5를 비교했을 때 코크스용 점결탄의 첨가량이 증가할수록 제조된 코크스의 강도가 더 향상됨을 확인할 수 있었다. 실시예 5와 실시예 6을 비교했을 때, 동일한 양의 코크스용 점결탄이 첨가되는 경우 코크스용 점결탄의 연화점이 높을수록 제조된 코크스의 강도개선 효과가 더 큼을 확인할 수 있었다. 이는 코크스용 점결탄의 연화점이 높을수록 고온에서 열적으로 안정하므로, 코킹 (coking) 반응이 일어나는 대략 400℃ 내지 500℃의 온도범위에서 상기 코크스용 점결탄은 점결성을 제공하여 강도가 높은 코크스 제조에 기여함을 확인할 수 있었다.

본 실시예에 따른 코크스용 점결탄의 제조방법에 따르면, 타르에 미분탄을 20wt% 내지 50wt%를 혼합하여 열처리한 결과, 상기 타르의 저온 중합 개질반응이 수행되어 타르로부터 상온에서 고상인 코크스용 점결탄을 65% 이상의 높은 수율로 제조할 수 있다.

또한, 상기 코크스용 점결탄을 3mm 이하의 입도로 파쇄하고, 배합탄에 1wt% 내지 5st%로 첨가하여 코크스를 제조하면, 코크스의 드럼인덱스가 1% 이상 향상되는 고강도의 코크스를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

배합탄의 건조과정에서 분급되어 집진설비를 통하여 포집된 미분탄 (coal dust)과 액상인 타르를 혼합하되, 상기 미분탄은 상기 미분탄 및 타르의 총량에 대하여 20wt% 내지 50wt%로 혼합되는 혼합단계; 및
혼합된 미분탄과 타르를 반응기에 넣고, 200℃ 내지 400℃ 이하의 온도범위에서 산화성분위기로 열처리하는 열처리단계;를 포함하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 배합탄의 건조과정은 상기 배합탄의 수분 함량이 5wt% 이하가 되도록 건조하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 열처리단계에서 상기 산화성분위기는 공기 또는 산소를 반응기에 공급하여 형성하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 공기 또는 산소를 300℃ 이하의 온도로 예열하여 공급하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 열처리단계에서 상기 반응기에서 배출되는 공기 또는 산소를 회수하여 상기 반응기로 다시 공급하는 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리단계에서 상기 온도범위는 250℃ 내지 350℃인 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리단계 후 제조된 코크스용 점결탄은 상온에서 고상인 미분탄을 이용한 코크스용 점결탄의 제조방법.
배합탄을 수분함량이 5wt% 이하가 되도록 건조하는 건조단계;
상기 건조단계에서 건조된 배합탄을 오븐에 넣고, 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조된 코크스용 점결탄을 상기 오븐 내에 첨가하여 혼합하는 점결탄첨가단계; 및
상기 배합탄과 코크스용 점결탄이 혼합되어 구비된 오븐을 상압에서 가열하는 건류단계;를 포함하는 코크스 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 점결탄첨가단계에서 상기 배합탄의 입도는 80%가 3mm이고, 상기 코크스용 점결탄의 입도는 상기 배합탄의 입도와 동일하게 파쇄되어 첨가되는 코크스 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 점결탄첨가단계에서 상기 코크스용 점결탄은 상기 배합탄과 코크스용 점결탄의 총량에 대하여 1wt% 내지 5wt%로 첨가되는 코크스 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 오븐 내에 공기 또는 산소가 접촉되지 않도록 오븐을 밀폐시켜 간접가열하는 코크스 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 건류단계에서 최종 건류온도는 상기 배합탄의 중심부의 온도가 1000℃ 내지 1100℃이고, 상기 최종 건류단계에서의 체류시간은 0.5시간 내지 1.5시간인 코크스 제조방법.