KR101565506B1

KR101565506B1 - 성형탄용 바인더의 제조 방법 및 이를 포함하는 성형탄의 제조 방법

Info

Publication number: KR101565506B1
Application number: KR1020130164461A
Authority: KR
Inventors: 김현정; 이상호; 조민영; 박석인; 이상대
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-11-03
Also published as: KR20150075972A; CN104745265A

Abstract

용철제조용 성형탄 바인더의 제조 방법을 제공한다. 용철제조용 성형탄 바인더의 제조 방법은 i) 당밀과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, ii) 혼합물에 산을 첨가하는 단계, iii) 혼합물에 배양균을 첨가하여 혼합물을 발효시키는 단계, 및 iv) 혼합물을 증류시켜서 알코올을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

성형탄용 바인더의 제조 방법 및 이를 포함하는 성형탄의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING A BINDER FOR BEING USED IN A COAL BRIQUETTE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE COAL BRIQUETTE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 성형탄용 바인더의 제조 방법 및 이를 포함하는 성형탄의 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 발효당밀 부산물(condensed molasses solubles, CMS)인 성형탄용 바인더의 제조 방법 및 이를 포함하는 성형탄의 제조 방법에 관한 것이다.

용융환원제철법에서는 철광석을 환원로와 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환된 후 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로에 공급된다.

일반적으로, 성형탄은 석탄과 바인더를 혼합하여 제조된다. 이 경우, 바인더로서 당밀이 사용된다. 당밀의 성분은 산지에 따라 다르고, 제당 제조 공정에 따라 그 성분을 제어하기 어렵다. 따라서 당밀을 바인더로 사용하여 성형탄을 제조하는 경우, 성형탄의 품질을 일정하게 제어할 수 없다. 특히, 높은 수분을 가지는 당밀을 사용하는 경우, 성형탄의 품질이 저하되고, 당밀 가격이 전세계적으로 계속 상승하는 문제점이 있다.

발효당밀 부산물인 저가의 용철제조용 성형탄 바인더를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 바인더를 포함하는 성형탄의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바인더의 제조 방법은 용철제조용 성형탄에 사용된다. 용철제조용 성형탄 바인더의 제조 방법은 i) 당밀과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, ii) 혼합물에 산을 첨가하는 단계, iii) 혼합물에 배양균을 첨가하여 혼합물을 발효시키는 단계, 및 iv) 혼합물을 증류시켜서 알코올을 제거하는 단계를 포함한다.

혼합물을 제조하는 단계에서, 당밀의 농도는 10wt% 내지 15wt%일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더의 제조 방법은, i) 혼합물을 농축시키는 단계, ii) 혼합물을 탈수하는 단계, 및 iii) 혼합물을 경사 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

혼합물을 발효시키는 단계는, i) 혼합물을 20℃ 내지 30℃에서 30시간 내지 70시간 동안 발효시키는 제1 단계, 및 ii) 혼합물을 30℃ 내지 40℃에서 발효시키는 제2 단계를 포함할 수 있다. 알코올을 제거하는 단계에서, 혼합물을 증류시킨 후의 혼합물에 포함된 고형분의 양은 95% 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은, i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은, i) 바인더를 제공하는 단계,. ii) 바인더, 미분탄 및 경화제를 혼합하여 또다른 혼합물을 제조하는 단계, 및 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 바인더를 제공하는 단계에서, 바인더는 단백질 고분자 및 암모니아를 포함한다.

또다른 혼합물을 제조하는 단계에서, 경화제는 CaO, Ca(OH)₂ 및 CaCO₃으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다. 또다른 혼합물을 제조하는 단계에서, 당밀, 스타치, 비투멘, PVA, PE, 실란 화합물, 열가소성 수지, 아라빅산(arabic acid), 갈락탄(glactan) 및 아라반(arabane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 또다른 바인더를 또다른 혼합물에 더 첨가할 수 있다. 미분탄과 경화제를 혼합하는 단계를 포함하고, 또다른 바인더를 바인더와 혼합한 후 경화제가 첨가된 미분탄에 도포할 수 있다.

당밀을 또다른 혼합물에 더 첨가하는 경우, 당밀의 중량과 바인더의 중량의 비는 20:1 내지 1:20일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 당밀의 중량과 바인더의 중량의 비는 7:3 내지 3:7일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 성형탄을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 성형탄을 가열하는 단계는, i) 성형탄을 80℃ 내지 200℃로 가열하는 제1 단계, 및 ii) 성형탄을 80℃ 내지 100℃로 가열하는 제2 단계를 포함할 수 있다. 환원로는 충전층형 환원로 또는 유동층형 환원로일 수 있다.

성형탄 제조시 발효당밀 부산물을 바인더로 사용하여 성형탄의 제조 원가를 낮출 수 있다. 특히, 당밀 바인더를 사용한 성형탄과 동일하거나 좀더 우수한 특성을 가지는 성형탄을 제조할 수 있으므로, 당밀 바인더의 사용량을 저감할 수 있다. 그리고 바인더 제조시 알칼리 물질을 제거하는 공정을 거쳐서 제조한 발효당밀 부산물을 사용하여 유동층형 환원로의 노즐 막힘을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄 제조용 바인더의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 3은 도 2에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 2에서 제조한 성형탄을 사용한 또다른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바인더의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 바인더의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 바인더의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.

발효당밀 부산물은 당밀과 효모를 이용하여 발효 공정을 거치고 남은 부산물이므로, 종래에는 해양이나 강물에 부산물을 방류하여 환경 오염 문제를 일으켰다. 또한, 발효당밀 부산물은 고농도의 K 또는 Mg 등을 포함하고 있으므로, 사료로 이용하면 가축의 소화장애를 일으키고 비료 성분으로 이용하기에는 그 양이 너무 과도하다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 발효당밀 부산물을 바인더로 사용함으로써 환경 오염을 방지할 수 있다.

발효당밀 부산물은 라이신 및 단백질을 제조하는 중에 발생하는 단백질 당밀발효 부산물, 사탕무우를 이용하여 알코올을 생산시 남은 당밀발효 부산물(Vinasses), 그리고 사탕수수를 이용하여 알코올을 생산시 남은 당밀발효 부산물 등을 그 예로 들 수 있다. 제조 공정에 따라 이러한 부산물에는 단백질 성분 및 암모니아 성분이 존재하며, 특히 단백질 당밀발효 부산물에 이러한 성분들이 존재한다. 알코올을 생산시 남은 당밀발효 부산물은 암모니아 첨가 공정을 거치므로, 암모니아염이 존재하여 염기성 성분과 반응함으로써 암모니아 가스가 발생한다. 그리고 염이 제거되며 아민 유도체로 존재하여 악취를 발생시키며 작업자의 건강을 해칠 수 있다. 따라서 발효당밀 부산물을 제조시 암모니아를 첨가하지 않으면서, 단백질을 극소량으로 하고, 작업자의 건강에 문제를 일으키지 않는 공정으로 제조한 바인더에 의해 성형탄의 냉간강도 및 열간강도를 유지시킨다. 따라서 이러한 조건을 만족하도록 하기와 같은 공정을 통하여 용철제조용 성형탄 바인더를 제조한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 용철제조용 성형탄 바인더의 제조 방법은 i) 당밀과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S10), ii) 혼합물에 산을 첨가하는 단계(S20), iii) 혼합물에 배양균을 첨가하여 혼합물을 발효시키는 단계(S30), iv) 혼합물을 증류시켜서 알코올을 제거하는 단계(S40), v) 혼합물을 농축하는 단계(S50), vi) 혼합물을 탈수하는 단계(S60), 그리고 vii) 혼합물을 경사 분리하는 단계(S70)를 포함한다. 이외에, 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다. 또한, 전술한 단계(S50) 내지 단계(S70)는 경우에 따라 생략할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 당밀과 물을 혼합하여 혼합물을 제조한다. 따라서 당밀은 10wt% 내지 15wt%의 농도로 희석된다. 당밀의 농도가 너무 높은 경우, 발효당밀 부산물의 제조원가가 높아질 수 있다. 또한, 당밀의 농도가 너무 낮은 경우, 발효당밀 부산물의 바인딩 효과가 저하될 수 있다. 따라서 당밀의 농도를 전술한 범위로 조절한다.

다음으로, 단계(S20)에서는 혼합물에 산을 첨가한다. 산은 예를 들면 황산일 수 있다. 산을 이용하여 혼합물에 함유된 잡균을 제거할 수 있고, 단계(S30)에서 발효를 위해 첨가되는 배양균의 발효를 위한 최적 pH를 4 내지 5로 조절할 수 있다. 혼합물에 산을 첨가한 후 1일 정도 숙성시키면, 자당(sucrose)이 포도당(glucose)과 과당(fructose)으로 분리된다. 그리고 산을 첨가하여 CaSO₄와 MgSO₄를 침전시켜 제거한다. 이러한 무기 물질은 발효를 방해하므로 제거하는 것이 바람직하다.

단계(S30)에서는 혼합물에 배양균을 첨가하여 혼합물을 발효시킨다. 배양균은 예를 들면 효소 형성을 위한 효모인 ATCC 24860S Cerevisiae를 그 예로 들 수 있다. 혼합물은 20℃ 내지 30℃의 온도에서 30시간 내지 70시간 동안 발표 챔버내에서 발효시킨 후 30℃ 내지 40℃에서 발효시킬 수 있다. 발효 시간 및 발효 온도를 적절하게 유지하여 고품질의 알코올을 제조할 수 있다. 발효에 의해 알코올이 얻어지는 경우, 알코올에 산, 예를 들면 염산을 첨가할 수 있다. 일반적인 알코올 부산물은 당밀 중량의 4배의 중량을 가진 물로 희석하여 발효시킨다. 발효를 진행하면 당밀의 당성분은 알코올로 변환되어 발효 완료된다.

단계(S40)에서는 혼합물을 증류시켜서 알코올을 제거한다. 즉, 증류 컬럼(column)을 사용하여 알코올과 생성물을 분리시킨다. 증류중에 생성된 유기산, 알코올과 셀룰로오스가 반응하여 열가소성 수지가 형성되므로 바인더의 점성이 증가한다. 알코올을 제거하는 단계에서, 혼합물을 증류시킨 후의 혼합물에 포함된 고형분의 양은 95% 이상일 수 있다. 고형분의 양을 전술한 범위로 조절하여 단백질 성분에 의해 바인딩 효과를 강화시킨다. 단백질 발효 부산물에서는 수분과 휘발성 액체를 증류시켜서 고형분의 비율을 증가시키면 그 점도를 최대 40000cp까지 증가시킬 수 있다. 따라서 후속 공정에서 제조하는 성형탄의 냉간강도와 열간강도를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 혼합물을 농축하는 단계(S50), 혼합물을 탈수하는 단계(S60), 및 vii) 혼합물을 경사 분리하는 단계(S70)는 바인더로부터 알칼리 성분을 제거하기 위하여 사용된다. 여기서, 단계(S50) 내지 단계(S70)는 계속 반복될 수 있다. 그 결과, 알칼리 성분을 바인더에서 제거할 수 있으므로, 성형탄을 용철 제조에 사용하는 경우 알칼리 물질에 의해 유동층형 환원로의 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있다.

좀더 구체적으로, 단계(S50)에서는 알코올 및 유기산이 제거된 혼합물을 재농축시킨다. 이를 위해 단계(S50)를 수행하기 전에 혼합물에 황산암모늄을 첨가할 수도 있다. 그 결과, 혼합물내의 무기물질의 함량이 비교적 높아진다. 알코올 및 유기산이 제거되면서 남은 부산물은 농축된다. 바인딩 조건에 대해 농축을 시켜서 농도를 증가시킬 수 있다. 고형분의 양이 70wt% 내지 85wt%가 되도록 농축하는 경우, 당밀과 동일한 농도로 된다. 그리고 농축액의 점도는 30000cp 내지 40000cp로서, 고점도 당밀과 유사한 점도를 나타낸다. 성형탄 바인더로서 사용되는 발효당밀 부산물은 10wt% 이상의 고형분이 포함되면 단독으로 사용하거나 다른 바인더와 혼합하여 사용할 수 있다.

단계(S60)에서는 혼합물을 탈수하여 물 성분을 제거한다. 여기서, 비료로 사용되는 황산칼륨, 황산암모늄, 질소 및 칼륨을 분리할 수 있고, 그 폐기물을 활용하여 발효당밀 부산물을 제조할 수 있다.

발효당밀 부산물 중 알코올을 생산하고 남은 부산물에서는 암모니아 성분을 사용한 경우와 암모니아 사용하지 않은 경우의 부산물의 성분이 다르다. 암모니아를 사용하지 않은 알코올 발효 후의 부산물의 성분은 당, 기타 유기물, 무기물 및 물 등으로 이루어진다. 여기서, 당은 1wt% 내지 50wt%, 기타 유기물은 1wt% 내지 90wt%, 무기물은 0.5wt% 내지 30wt%로 이루어지며, 고형분의 양도 조절할 수 있다. 알코올 부산물의 액체 및 휘발성 물질은 300mPa의 저압하에서 10℃ 내지 100℃에서 제거된다.

단계(S70)에서는 경사 분리(decantation)를 통하여 발효당밀 부산물을 제조할 수 있다. 단계(S50) 내지 단계(S70)를 계속 반복하여 알칼리 물질, 특히 K를 제거한다.

하기의 표 1은 도 1의 제조 방법을 통하여 제조된 발효당밀 부산물의 특성을 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 조업 조건에 따라 당밀발표 부산물의 점도를 크게 증가시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 성형탄의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계(S100), ii) 미분탄에 바인더와 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계(S200), iii) 또다른 바인더를 혼합물에 첨가하는 단계(S300), iv) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S400), 그리고 v) 성형탄을 가열하는 단계(S500)를 포함한다. 이외에, 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S100)에서는 미분탄을 제공한다. 원료탄으로서 미분탄을 사용한다. 미분탄은 사전에 수분을 혼합하여 미분탄에 혼합된 수분의 양을 6.5wt% 내지 9.5wt%로 유지한다. 미분탄에 혼합된 수분의 양을 전술한 범위로 조절하는 경우, 수분이 미분탄 입자의 기공을 막아줄 수 있다. 그 결과, 후속 공정에서 혼합되는 경화제와 바인더가 미분탄 입자내로 침투하지 못하고 미분탄 입자 외부에 존재하므로, 미분탄 입자들 상호간에 잘 결합되어 성형탄의 열간 강도 및 냉간 강도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

다음으로, 단계(S200)에서는 미분탄에 바인더와 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공한다. 혼합물은 3분 내지 10분 동안 혼합될 수 있다. 여기서, 바인더로는 전술한 발효당밀 부산물을 사용할 수 있다. 발효당밀 부산물 바인더를 사용한 성형탄은 당밀 바인더를 사용한 성형탄과 물성면에서 상호 유사하다. 따라서 고가의 당밀 바인더를 폐기물에 가까운 발효당밀 부산물 바인더로 대체함으로써 용철 제조 원가를 크게 절감할 수 있다. 경화제로는 CaO, Ca(OH)₂, MgO, Mg(OH)₂, K₂O, KOH, Na₂O, NaOH, CaCO₃, 인산, 또는 황산을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는, CaO, Ca(OH)₂ 및 CaCO₃를 사용하여 바인더와 염을 형성함으로써 칼슘 당산염 결합에 의해 성형탄을 경화시킬 수 있다. 경화제의 양은 미분탄 100중량부에 대해 1중량부 내지 3중량부로 첨가할 수 있다.

한편 단계(S300)에서는 또다른 바인더를 혼합물에 첨가한다. 여기서, 또다른 바인더는 당밀, 스타치, 비투멘, PVA, PE, 실란 화합물, 열가소성 수지, 아라빅산(arabic acid), 갈락탄(glactan) 또는 아라반(arabane)일 수 있다. 또다른 바인더는 50wt% 이하의 수분을 포함한다. 바인더의 수분 함량이 50wt%를 초과하는 경우, 성형탄을 제조하기 어렵다. 전술한 또다른 바인더 중에서 당밀 또는 스타치는 발효되기 쉽다. 따라서 도 1에서 제조된 바인더를 당밀 또는 스타치와 혼합한 후 경화제가 첨가된 미분탄에 도포하여 당밀 또는 스타치의 발효를 방지한다. 그 결과, 성형탄의 강도 저하를 방지할 수 있다.

한편, 또다른 바인더를 혼합물에 첨가하지 않고 당밀발표 부산물인 바인더만 사용할 수도 있다. 그리고 미분탄에 또다른 바인더를 먼저 혼합한 후 나중에 당밀발표 부산물인 바인더를 혼합할 수도 있다. 한편, 이외에 방수제로서 실록산(siloxane), PVA(polyvinyl alcohol, 폴리비닐알코올) 또는 PE(polyethylene, 폴리에틸렌) 등의 고분자 소재를 사용할 수 도 있다. 고분자 소재는 물에 분산시켜서 사용할 수도 있다.

한편, 당밀을 혼합물에 첨가하는 경우, 당밀의 중량과 바인더의 중량의 비는 20:1 내지 1:20일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 당밀의 중량과 상기 바인더의 중량의 비는 7:3 내지 3:7일 수 있다. 당밀의 양이 바인더의 양에 비해 너무 많은 경우, 성형탄 제조 원가가 상승한다. 또한, 바인더의 양이 당밀의 양에 비해 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간강도 및 열간강도가 다소 저하될 수 있다. 따라서 전술한 범위로 당밀의 양과 바인더의 양을 조절한다.

단계(S400)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조한다. 예를 들면, 도 3 및 도 4에는 도시하지 않았지만, 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 혼합물을 장입하여 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다.

마지막으로, 단계(S500)에서는 제조한 성형탄을 가열할 수 있다. 암모니아를 이용하여 단백질을 제조하는 경우의 발효당밀 부산물을 바인더로 사용하는 경우, 발효당밀 부산물은 단백질 고분자와 라이신 등의 단백질 성분 및 발효되지 않은 단당 성분, 황산암모늄(ammonium sulfate), 황산칼슘(calcium sulfate) 및 무기 성분 등으로 구성된다. 따라서 젤라틴 등 단백질 고분자 및 라이신 등의 강도를 발현하기 위해서 성형탄을 가열할 필요가 있다. 이 경우, 성형탄에 80℃ 내지 300℃의 열을 가하여 단백질 및 고분자를 경화시킬 수 있다. 성형탄의 가열 온도가 너무 낮은 경우, 바인더로 혼입된 고분자가 잘 용융되지 않아 성형탄의 냉간 강도와 열간 강도가 저하될 수 있다. 또한, 성형탄의 가열 온도가 너무 높은 경우, 바인더가 너무 풀어져서 성형탄이 잘 찍히지 않을 수 있다. 따라서 성형탄의 가열 온도를 전술한 범위로 조절하여, 성형탄의 냉간강도와 열간강도를 향상시킨다.

좀더 구체적으로, 성형탄을 가열하는 단계는, i) 성형탄을 80℃ 내지 200℃로 가열하는 제1 단계, 및 ii) 성형탄을 80℃ 내지 100℃로 가열하는 제2 단계를 포함한다. 예를 들면, 먼저 성형탄을 80℃ 내지 200℃로 가열할 수 있다. 성형탄의 가열 온도가 너무 낮은 경우, 성형탄의 냉간강도와 열간강도 상승이 미미하다. 또한, 성형탄의 가열 온도가 너무 높은 경우, 성형탄이 사전 분화될 수 있다. 따라서 전술한 온도 범위로 성형탄의 가열 온도를 조절한다.

도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 용철제조장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 용철제조장치(100)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(100)는 용융가스화로(10), 유동층형 환원로(22), 환원철 압축장치(40) 및 압축 환원철 저장조(50)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(50)는 생략할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(10)에 장입되어 용융가스화로(10)의 내부에 석탄충전층을 형성한다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(10)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로들(22)에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 유동층형 환원로들(22)에 공급되고, 용융가스화로(10)로부터 유동층형 환원로들(22)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 환원철 압축장치(40)에 의해 압축된 후 압축 환원철 저장조(50)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(50)로부터 용융가스화로(10)에 공급되어 용융가스화로(10)에서 용융된다.

용융가스화로(10)의 상부에는 돔부(101)가 형성되어 있다. 즉, 용융가스화로(10)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(101)에 장입되는 성형탄이 쉽게 분화될 수 있다. 즉, 성형탄은 1000℃로 유지되는 용융가스화로의 상부에 투입되므로, 성형탄이 급속한 열충격을 받는다. 따라서 성형탄이 용융가스화로의 하부로 이동하면서 분화될 수 있다.

이에 대하여 도 1의 방법으로 제조한 성형탄은 높은 열간 강도를 가지므로, 용융가스화로(10)의 돔부(101)에서 분화되지 않고, 용융가스화로(10)의 하부까지 강하한다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(10)의 하부로 이동하여 풍구(30)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(10)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(10)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 유동층형 환원로(22)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(10)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.

전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(10)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(10)의 외벽에는 풍구(30)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예와는 달리 당밀 바인더로 제조한 성형탄이 용융가스화로에 장입되는 경우, 용융가스화로 내부의 열기로 인해 성형탄내에 존재하는 탄화수소 계열의 휘발 물질이 발생한다. 이 경우, 성형탄에 포함된 당밀에 함유된 알칼리 물질이 휘발된다. 알칼리 물질의 끓는점은 높지만 그 높은 증기압으로 인해 알칼리 물질은 기체로 변하고, 기체로 된 알칼리 물질은 용융가스화로에서 발생한 가스와 함께 유동층형 환원로에 공급된다. 유동층형 환원로 내부에는 분광을 유동 환원시키기 위해 가스를 분사하는 복수의 노즐들이 설치된 분산판이 설치되어 있다. 알칼리 물질을 함유한 가스가 유동층형 환원로에 취입되는 경우, 전술한 노즐들과 접촉한다. 이 경우, 용융가스화로의 온도는 1000℃ 이상인 반면에 유동층형 환원로의 온도는 800℃ 이하이다.

따라서 기체인 알칼리 성분은 노즐 내부에 쉽게 응축 및 석출된다. 노즐은 대부분 금속 재질로 이루어지므로, 알칼리 성분에 의해 노즐이 부식되고 환원가스에 함유된 더스트와 반응하여 막혀버린다. 노즐이 막히는 경우, 분산판을 통하여 유동층형 환원로에 가스를 공급하기 어려워지므로, 용철 제조 조업에 심각한 문제를 초래한다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 알칼리 성분을 제거한 발효당밀 부산물을 성형탄 바인더로서 사용한다. 따라서 바인더가 알칼리 물질을 포함하지 않으므로, 유동층형 환원로(22) 내부의 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 일 실시예에서는 유동층형 환원로(22)의 조업 효율을 개선할 수 있다. 또한, 자당을 바인더로 사용하여 성형탄의 냉간강도를 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 원당을 사용하여 성형탄 원가를 낮출 수 있다. 또한, 유동층형 환원로의 조업 효율을 극대화하고, 당밀의 장거리 수송에 따른 물류비를 절감할 수 있다.

예를 들면, 하기의 표 2는 발효당밀 부산물을 바인더로 사용하기 전과 사용한 후의 변화를 나타낸다. 발효당밀 부산물을 바인더로 사용하는 경우, 당밀의 양을 682 g/tp 정도 줄일 수 있다. 따라서 고가의 당밀의 양을 줄일 수 있으므로, 제조원가를 낮출 수 있다.

도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 또다른 용철제조장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 용철제조장치(200)의 구조는 도 3의 용철제조장치(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 4의 용철제조장치(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 4의 용철제조장치(200)는 용융가스화로(10) 및 충전층형 환원로(20)를 포함한다. 이외에, 용철제조장치(200)는 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 충전층형 환원로(20)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 충전층형 환원로(20)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 충전층형 환원로(20)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 충전층형 환원로(20)는 용융가스화로로(10)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

바인더 제조 및 미분탄 준비 실험

암모니아를 사용하지 알코올을 증류하였다. 그리고 CMSa의 수분을 50mPa 내지 100mPa에서 증류하여 발효당밀 부산물로 된 바인더를 제조하였다. 여기서, 증류 시간을 다르게 하여 고형분 함량이 각각 56wt% 및 72wt%인 발효당밀 부산물 바인더를 제조하였다.

그리고 3mm 이하의 입도를 가진 미분탄의 양이 90%가 되도록 조절한 후 수분의 양을 6.5wt% 내지 9.5wt%로 조절하였다. 그리고 미분탄 100 중량부에 대해 생석회를 1중량부 내지 5중량부로 첨가하고 3분 내지 10분 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다.

하기의 표 3은 본 발명의 실험예에서 적용된 바인더들이 성분을 나타낸다. 각 바인더들이 C, H, N, S, K, Na 등의 성분을 포함하고, 유기 성분도 포함하는 것을 확인할 수 있었다.

석탄과 바인더 혼합 실험

제1 바인더로서 당밀을 전술한 혼합물에 혼합하였다. 그리고 2차 바인더로서 발효당밀 부산물을 첨가하여 3분 동안 혼합하였다. 제1 바인더와 제2 바인더는 상호 이격시켜서 혼합물 위에 원모양으로 첨가하여 제1 바인더와 제2 바인더가 서로 섞이지 않도록 하고, 3분 동안 혼합하였다. 한편 제1 바인더를 미분탄에 첨가한 혼합물을 80℃ 내지 200℃로 가열하였다. 그리고 제2 바인더로서 스타치를 사용하는 경우, 온수 또는 스팀을 가하여 90℃ 내지 200℃에서 가열한다. 발효당밀 부산물은 100℃ 내지 200℃에서 가열하거나 80℃ 내지 200℃에서 물을 도포한 상태로 가열하거나 80℃ 내지 200℃에서 스팀을 가하여 가열한다. 발효당밀 부산물이 고분자인 경우, 50℃ 내지 200℃에서 가열하거나 50℃ 내지 200℃에서 물을 도포한 상태로 가열하거나 50℃ 내지 200℃에서 스팀을 가할 수 있었다.

제2 바인더로서 혼합되는 스타치는 90℃ 내지 200℃에서 물을 도포하거나 스팀을 가하여 가열한다. 제1 바인더와 제2 바인더를 첨가 혼합한 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하였다. 그리고 성형탄을 80℃ 내지 200℃에서 2시간 이상 가열하였다. 또는 성형탄을 100℃ 내지 200℃에서 2시간 이상 가열하거나 80℃ 내지 100℃에서 1℃ 내지 5℃의 범위에서 1시간 동안 승온 속도를 1℃/sec 내지 50℃/sec로 하여 가열하였다. 그리고 100℃ 내지 200℃에서 1시간 동안 가열하였다.

실험예 1

미분탄 100중량부에 대하여 72%의 CMS a 10 중량부를 사용하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 2

미분탄 100중량부에 대하여 56%의 CMS a 10 중량부를 사용하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 3

미분탄 100중량부에 대하여 72%의 CMS a 3 중량부와 당밀 바인더 7 중량부를 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 4

미분탄 100중량부에 대하여 56%의 CMS a 5 중량부와 당밀 바인더 5 중량부를 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 5

실험예 6

미분탄 100중량부에 대하여 72%의 CMS a 5 중량부와 당밀 바인더 5 중량부를 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 7

미분탄 100중량부에 대하여 72%의 CMS a 7 중량부와 당밀 바인더 3 중량부를 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

비교예 1

미분탄 100중량부에 대하여 당밀 바인더 10 중량부를 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험결과

하기의 표 3은 전술한 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따라 제조한 성형탄의 냉간강도와 압축강도를 측정한 결과를 나타낸다. 표 3에서 압축강도와 낙하강도는 성형탄의 냉간강도를 측정한 것이고, HTS 16, HTS 13, HTS 10 및 IDrum은 성형탄의 열간강도를 측정한 것이다. 이러한 성형탄의 냉간강도와 압축강도의 측정 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

표 4에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 7에 따라 제조한 성형탄의 냉간강도와 열간강도는 비교예 1과 다소 크거나 유사한 수준임을 확인할 수 있었다. 이는 당밀을 혼합하지 않고 실험예 1 및 실험예 2와 같이 당밀부산 발효물만 사용하여 성형탄을 제조하는 경우에도 유사한 실험 결과를 나타내었다. 따라서 종래의 당밀 바인더를 발효당밀 부산물 바인더로 대체할 수 있다는 것이 입증되었다.

가격비교

전술한 발효당밀 부산물과 당밀의 가격을 비교하여 나타내면 하기의 표 5와 같다. 하기의 표 5에 기재한 바와 같이, 발효당밀 부산물의 가격은 당밀 가격의 35% 내지 40% 정도에 불과하다. 따라서 당밀 바인더 대신에 발효당밀 부산물을 바인더로 사용하는 경우, 용철제조단가를 크게 낮출 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 용융가스화로
20. 충전층형 환원로
22. 유동층형 환원로
30. 풍구
40. 환원철 압축장치
50. 압축 환원철 저장조
100, 200. 용철제조장치
101. 돔부

Claims

용철제조용 성형탄 바인더의 제조 방법으로서,
당밀과 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계,
상기 혼합물에 산을 첨가하는 단계,
상기 혼합물에 배양균을 첨가하여 상기 혼합물을 발효시키는 단계,
상기 혼합물을 증류시켜서 알코올을 제거하는 단계,
상기 혼합물을 농축시키는 단계,
상기 혼합물을 탈수하는 단계, 및
상기 혼합물을 경사 분리하는 단계
를 포함하는 바인더의 제조 방법.
제1항에서,
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 당밀의 농도는 10wt% 내지 15wt%인 바인더의 제조 방법.
삭제
제1항에서,
상기 혼합물을 발효시키는 단계는,
상기 혼합물을 20℃ 내지 30℃에서 30시간 내지 70시간 동안 발효시키는 제1 단계, 및
상기 혼합물을 30℃ 내지 40℃에서 발효시키는 제2 단계
를 포함하는 바인더의 제조 방법.
제1항에서,
상기 알코올을 제거하는 단계에서, 상기 혼합물을 증류시킨 후의 혼합물에 포함된 고형분의 양은 95% 이상인 바인더의 제조 방법.
환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
제1항에 따른 방법으로 제조한 바인더를 제공하는 단계,.
상기 바인더, 미분탄 및 경화제를 혼합하여 또다른 혼합물을 제조하는 단계, 및
상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
를 포함하고,
상기 바인더를 제공하는 단계에서, 상기 바인더는 단백질 고분자 및 암모니아를 포함하는 성형탄의 제조 방법.
제6항에서,
상기 또다른 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 경화제는 CaO, Ca(OH)₂ 및 CaCO₃으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물인 성형탄의 제조 방법.
제6항에서,
상기 또다른 혼합물을 제조하는 단계에서, 당밀, 스타치, 비투멘, PVA, PE, 실란 화합물, 열가소성 수지, 아라빅산(arabic acid), 갈락탄(glactan) 및 아라반(arabane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 또다른 바인더를 상기 또다른 혼합물에 더 첨가하는 성형탄의 제조 방법.
제8항에서,
상기 미분탄과 상기 경화제를 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 또다른 바인더를 상기 바인더와 혼합한 후 상기 경화제가 첨가된 미분탄에 도포하는 성형탄의 제조 방법.
제8항에서,
당밀을 상기 또다른 혼합물에 더 첨가하는 경우, 상기 당밀의 중량과 상기 바인더의 중량의 비는 20:1 내지 1:20인 성형탄의 제조 방법.
제9항에서,
상기 당밀의 중량과 상기 바인더의 중량의 비는 7:3 내지 3:7인 성형탄의 제조 방법.
제6항에서,
상기 성형탄을 가열하는 단계를 더 포함하고,
상기 성형탄을 가열하는 단계는,
상기 성형탄을 80℃ 내지 200℃로 가열하는 제1 단계, 및
상기 성형탄을 80℃ 내지 100℃로 가열하는 제2 단계
를 포함하는 성형탄의 제조 방법.
제6항에서,
상기 환원로는 충전층형 환원로 또는 유동층형 환원로인 성형탄의 제조 방법.
.