KR101595539B1 - 성형탄 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법을 제공한다. 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 바인더 및 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 바인더는 자당(sucrose), 포도당(glucose) 및 과당(fructose)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 당을 포함한다.

Description

성형탄 및 그 제조 방법 {COAL BRIQUETTES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 유동층형 환원로의 노즐 막힘을 방지할 수 있는 성형탄 및 그 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 저하된다.
바인더 성분을 제어하여 유동층형 환원로의 노즐 막힘을 방지할 수 있는 성형탄을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 성형탄의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법에서, 성형탄은 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 바인더 및 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 바인더는 자당(sucrose), 포도당(glucose) 및 과당(fructose)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 당을 포함한다.
혼합물을 제공하는 단계에서, 바인더는 자당을 포함하고, 미분탄 100중량부에 대한 자당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 미분탄 100중량부에 대한 자당의 양은 2중량부 내지 4중량부일 수 있다.
혼합물을 제공하는 단계에서, 바인더는 포도당을 포함하고, 미분탄 100중량부에 대한 포도당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 미분탄 100중량부에 대한 포도당의 양은 2중량부 내지 4중량부일 수 있다.
혼합물을 제공하는 단계에서, 바인더는 과당을 포함하고, 미분탄 100중량부에 대한 과당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 미분탄 100중량부에 대한 과당의 양은 2중량부 내지 4중량부일 수 있다.
혼합물을 제공하는 단계에서, 경화제는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산, 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법에서, 성형탄은 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은, i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 원당 용액 및 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 미분탄 100중량부에 대한 원당 용액의 양은 3중량부 내지 10중량부일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 원당 용액의 양은 6중량부 내지 10중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 원당 용액의 양은 8중량부 내지 10중량부일 수 있다. 원당 용액에 포함된 자당의 양은 45wt% 내지 75wt%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 미분탄, 바인더, 및 경화제를 포함하고, 바인더는 자당(sucrose), 포도당(glucose) 및 과당(fructose)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 당을 포함한다.
바인더가 자당을 포함하는 경우, 자당의 양은 미분탄 100 중량부에 대해 1.35중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 자당의 양은 2.7중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 자당의 양은 3.6중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 경화제는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산, 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다.
성형탄 제조시 바인더로서 원당을 사용하여 용철 제조시의 알칼리에 의한 유동층형 환원로의 노즐 막힘 현상을 없앨 수 있다. 또한, 자당 또는 원당을 바인더로 사용하여 우수한 냉간 강도 및 열간 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1의 성형탄의 제조 방법에서 사용된 바인더의 성분들의 화학식을 나타낸 도면이다.
도 3은 원당과 당밀의 사용에 따른 성형탄의 압축강도의 변화의 개략적인 그래프이다.
도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 1에서 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 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 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 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 바인더와 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계, 그리고 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 이외에, 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 미분탄을 제공한다. 원료탄으로서 미분탄을 사용한다. 미분탄은 사전에 수분을 혼합하여 미분탄에 혼합된 수분의 양을 2wt% 내지 12wt%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(S20)에서는 미분탄에 바인더와 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공한다. 여기서, 바인더로는 당밀 대신에 원당 또는 자당(sucrose)을 사용한다. 원당은 자당, 포도당(glucose) 또는 과당(fructose)을 포함한다. 이하에서는 도 2를 통하여 자당, 포도당 또는 과당을 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 성형탄의 제조 방법에서 사용된 바인더의 성분들의 화학식을 나타낸다. 즉, 도 2는 자당, 포도당, 과당의 화학식을 나타낸다. 자당은 슈크로오스라고 하며, 제품명은 설탕이다. 자당은 α-glucose(포도당)와 β-fructose(과당)이 1, 2 결합한 이당류로서, 분자식은 C12H22O11이며, 사탕수수, 사탕 무, 당단풍 등의 즙액 중 당의 주성분이다. 자당은 감미의 질, 강도 등이 뛰어나 감미료 평가의 기준 물질로서 이용된다. 포도당은 대표적인 알도헥소스, 즉 탄소 6개를 가지며 알데하이드기를 가지는 단당류이다. 포도당은 탄수화물 대사의 중심 화합물로서, 한 분자당 38개의 ATP를 합성할 수 있으며, 분자식은 C6H12O6이다. D형 및 L형 2종의 광학 이성질체가 있고, 천연으로는 D형만이 존재하며 이러한 D글루코스를 포도당이라 한다. 한편, 과당은 레불로오스(levulose)라고도 하는 2케토헥소오스의 일종으로서, 과실, 채소, 꿀 등에 유리형 및 이당류의 형태로 레반(β2,6프룩탄) 또는 이눌린(β1,2프룩탄) 등의 호모 다당류의 형태로 분포한다.
표 1은 자당, 포도당, 과당 및 당밀을 성형탄 바인더로서 사용하여 제조한 성형탄 바인더의 특성을 나타낸다. 표 1에 기재한 바와 같이, 성형탄을 제조하는 경우, 자당, 과당 및 포도당의 순서로 성형탄의 물성이 우수하다. 여기서, 자당은 당밀에 비해 압축강도 낙하강도가 우수하므로, 당밀 대체제로 특히 사용하기에 적합하다.
Figure 112013119203037-pat00001
성형탄 제조시 단당류는 경화제와의 카라멜화 반응에 의해 성형탄의 열간 강도와 냉간 강도를 향상시킨다. 따라서 자당, 포도당, 과당을 바인더로서 미분탄에 첨가하여 성형탄을 제조하거나 원당 용액을 미분탄에 첨가하여 성형탄을 제조하는 경우, 성형탄의 물성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 미분탄에 자당을 혼합하는 경우, 미분탄 100중량부에 대한 자당의 양은 4중량부 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 자당의 양은 2중량부 내지 4중량부 이하일 수 있다. 자당의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하된다. 또한, 자당의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 제조시 혼합물이 성형탄으로 잘 찍어지지 않고 혼합물이 롤에 달라붙는다. 따라서 전술한 범위로 자당의 양을 조절한다.
또한, 미분탄에 포도당을 바인더로서 혼합할 수 있다. 포도당을 혼합하는 경우, 미분탄 100중량부에 대한 포도당의 양은 4중량부 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 포도당의 양은 2중량부 내지 4중량부 이하일 수 있다. 포도당의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하된다. 또한, 포도당의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 제조시 혼합물이 성형탄으로 잘 찍어지지 않고 혼합물이 롤에 달라붙는다. 따라서 전술한 범위로 포도당의 양을 조절한다.
그리고 미분탄에 과당을 바인더로서 혼합할 수 있다. 과당을 혼합하는 경우, 미분탄 100중량부에 대한 과당의 양은 4중량부 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 과당의 양은 2중량부 내지 4중량부 이하일 수 있다. 과당의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하된다. 또한, 과당의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 제조시 혼합물이 성형탄으로 잘 찍어지지 않고 혼합물이 롤에 달라붙는다. 따라서 전술한 범위로 과당의 양을 조절한다.
한편, 바인더로서 원당 용액을 사용하여 성형탄을 제조할 수 있다. 이 경우, 원당 용액은 45wt% 내지 75wt%의 고형물을 포함한다. 고형물에는 자당, 포도당, 및 과당이 포함될 수 있다. 원당 용액에 포함된 고형물의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 또한, 원당 용액에 포함된 고형물의 양이 너무 많은 경우, 혼합물 제조시 수분이 부족하여 혼합물이 잘 반죽되지 않을 수 있다. 따라서 원당 용액에 포함된 고형물의 양을 전술한 범위로 조절한다.
한편, 미분탄 100 중량부에 대하여 혼합되는 원당 용액의 양은 3중량부 내지 10중량부일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 원당 용액의 양은 6중량부 내지 10중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 원당 용액의 양은 8중량부 내지 10중량부일 수 있다. 원당 용액의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 또한, 원당 용액의 양이 너무 많은 경우, 혼합물이 성형탄으로 잘 찍어지지 않고 롤에 달라붙는다. 따라서 전술한 범위로 원당 용액의 양을 조절한다.
한편, 경화제로는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산, 또는 황산을 사용할 수 있다. 바람직하게는 CaO를 사용하여 전술한 바인더와 함께 우수한 냉간 강도 및 열간 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.
도 3은 원당과 당밀의 사용에 따른 성형탄의 압축강도의 변화를 그래프로서 개략적으로 나타낸다. 즉, 성형탄에 포함된 각각 원당과 당밀의 양이 각각 2wt%, 4wt%, 6wt%, 8wt% 및 10wt%인 경우의 성형탄의 압축 강도를 비교하여 나타낸다. 여기서, 원당으로는 75%의 원당 용액을 사용한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 원당을 바인더로서 사용한 성형탄은 당밀을 바인더로서 사용한 성형탄에 비해 높은 압축 강도를 가진다. 따라서 성형탄의 바인더로서 원당을 사용하는 경우, 바인더로서 당밀을 사용하는 경우에 비해 성형탄의 냉간강도가 향상된다. 또한, 원당을 바인더로 사용하는 경우, 성형탄의 냉간강도가 향상되므로, 바인더의 사용량을 좀더 줄일 수도 있다.
전술한 바와 같이, 바인더로서 원당을 사용하는 경우, 바인더로서 당밀을 사용하는 경우에 비하여 성형탄의 냉간 강도와 열간 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 그 결과, 성형탄에 사용되는 바인더의 양도 줄일 수 있다. 특히, 원당내에 함유된 Na 및 K 등의 알칼리의 양은 거의 0에 가깝다. 반면에, 당밀은 Na와 K 등의 알칼리를 다량 포함하므로, 당밀을 함유한 성형탄을 용융가스화로에 사용하는 경우, Na와 K 등의 알칼리가 휘발되어 유동층형 환원로의 노즐이 막힐 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 바인더로서 당밀 대신에 원당을 사용하므로, 이러한 현상을 방지할 수 있다.
한편, 원당은 성형탄 뿐만 아니라 펠렛 제조에도 사용할 수 있다. 또한, 원당을 석탄 이외에 시멘트 또는 사료를 펠렛으로 제조시 사용할 수 있다. 전술한 원당 성분 이외에 젖당(lactose), 엿당(maltose) 및 라피노스(raffinose) 등을 사용할 수도 있다. 이러한 이당류 또는 삼당류는 독립적으로 또는 경화제 혼용에 따른 염형성에 의해 냉간 강도를 나타낸다.
성형탄 제조시에 사용하는 경화제로는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산 또는 황산을 사용할 수 있다. 경화제는 원당과 결합하여 성형탄의 열간 강도와 냉간 강도를 크게 향상시킨다. 경화제의 양은 미분탄의 0.1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 경화제의 양을 전술한 범위로 조절함으로써 전술한 원당과의 배합에 의해 성형탄의 냉간 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S30)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조한다. 예를 들면, 도 1에는 도시하지 않았지만, 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 혼합물을 장입하여 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 이 경우, 성형탄을 3℃ 내지 300℃에서 제조할 수 있다. 전술한 온도 범위에서 성형탄을 제조하므로, 우수한 열간강도 및 냉간강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.
성형탄에 함유된 미분탄 100중량부에 대한 자당의 양은 1.35중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 자당의 양은 2.7중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 자당의 양은 3.6중량부 내지 7.5중량부일 수 있다. 전술한 범위로 자당의 양을 조절하여 성형시 혼합물이 롤에 잘 달라붙지 않으면서 냉간 강도 및 열간 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있다.
도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 용철제조장치(100)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 4에 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 성분이 거의 포함되지 않은 원당 또는 자당(sucrose)을 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 알칼리 성분이 없는 원당 또는 자당을 사용하여 유동층형 환원로의 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.
도 5는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 또다른 용철제조장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 5의 용철제조장치(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 5의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 5의 용철제조장치(200)의 구조는 도 4의 용철제조장치(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 5의 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 용융가스화로(10)로부터 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
석탄, 바인더, 경화제 및 수분을 포함하는 성형탄을 제조하였다. 먼저, 석탄과 경화제를 1분 내지 20분 동안 혼합한 후 바인더를 첨가하여 1~20분동안 혼합하였다. 바인더로서, 자당, 포도당, 및 과당을 포함하는 원당을 사용하였다. 각 바인더는 50wt% 내지 90wt%의 원당 용액으로 제조하였다. 당밀이 22wt% 내지 25wt% 정도의 수분을 포함하므로, 당밀과 비슷하도록 수분을 적절하게 첨가한 원당 용액을 사용하였다. 원당 용액은 60℃ 내지 90℃에서 교반하여 제조하였으며, 성분은 변화하지 않았다. 바인더로서 원당이 완전히 녹은 상태의 용액 또는 원당이 완전히 녹지 않은 용액도 사용 가능하였다. 첨가시 바인더의 온도는 10℃ 내지 80℃이었으며, 그 점도는 1cp 내지 60000cp이었다. 원당에 포함된 자당, 포도당, 및 과당을 석탄의 중량비로 계산하여 첨가하였다.
하기의 표 2에 원당 첨가량에 따른 원당 용액의 성분과 당밀의 성분을 분석하여 나타낸다. 좀더 구체적으로, 표 2에는 원당 함량이 각각 75wt%, 65wt%, 55wt%, 45wt%인 원당 용액의 성분과 당밀 성분을 비교하여 나타낸다. 표 2에서는 바인더에 포함된 원당의 농도가 높거나 제조 온도가 낮을수록 바인더의 점도가 높은 것을 알 수 있었다.
Figure 112013119203037-pat00002
성형탄 물성 실험 1
실험예 1
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 2중량부의 자당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 2
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 4중량부의 자당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 3
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 2중량부의 포도당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 4
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 4중량부의 포도당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 5
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 2중량부의 과당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 6
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 4중량부의 과당 및 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 6중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 2
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 8중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 3
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
성형탄 물성 실험 결과 1
전술한 실험예 1 내지 실험예 6과 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 성형탄에 대하여 냉간강도와 열간강도를 측정하였고, 공업분석을 실시하였다. 이러한 실험과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
표 3은 전술한 실험예 1 내지 실험예 6과 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 성형탄의 실험 결과를 나타낸다. 표 3에 기재한 바와 같이, 바인더로서 당밀만 사용하는 경우보다 자당, 포도당 및 과당을 함께 사용하는 경우에 성형탄의 냉간강도와 열간강도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 자당을 첨가하는 경우, 포도당과 과당을 첨가하는 경우에 비해 성형탄의 냉간강도와 열간강도가 좀더 향상되는 것을 알 수 있었다.
Figure 112013119203037-pat00003
성형탄 물성 실험 2
실험예 7
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 원당 75% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 8
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 8중량부의 원당 75% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 9
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 6중량부의 원당 75% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 10
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 5중량부의 원당 75% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 11
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 3중량부의 원당 75% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 12
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 원당 65% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 13
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 8중량부의 원당 65% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 14
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 5중량부의 원당 65% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 15
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 3중량부의 원당 65% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 16
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 4중량부의 원당 65% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 17
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 원당 45% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 18
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 5중량부의 원당 45% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 19
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 5중량부의 원당 55% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 20
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 4중량부의 원당 55% 용액 및 5중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
실험예 21
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 원당 55% 용액을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
비교예 4
100 중량부의 석탄에 대하여 경화제로서 2.7 중량부의 CaO와 바인더로서 10중량부의 당밀을 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 7과 동일하였다.
성형탄 물성 실험 결과 2
전술한 실험예 7 내지 실험예 21과 비교예 4에 따라 제조한 성형탄에 대하여 냉간강도와 열간강도를 측정하였고, 공업분석을 실시하였다. 이러한 실험과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
표 4 내지 표 6은 전술한 실험예 7 내지 실험예 21과 비교예 4에 따라 제조한 성형탄의 실험 결과를 나타낸다. 좀더 상세하게는, 표 4는 실험예 7 내지 실험예 11과 비교예 4에 따라 제조한 성형탄의 실험 결과를 나타내고, 표 5는 실험예 12 내지 실험예 16에 따라 제조한 성형탄의 실험 결과를 나타내며, 표 6은 실험예 17 내지 실험예 21에 따라 제조한 성형탄의 실험 결과를 나타낸다.
표 4 내지 표 6에 기재한 바와 같이, 바인더로서 당밀을 사용하는 경우보다 원당만 사용하는 경우, 분산판에 K가 적층되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 원당만 사용하는 경우, 유동층형 환원로에서의 노즐 막힘을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 당밀만 사용하는 경우보다 원당을 바인더로 사용하는 경우, 성형탄의 냉간강도와 열간강도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 112013119203037-pat00004
Figure 112013119203037-pat00005
Figure 112013119203037-pat00006
전술한 바와 같이, 원당을 바인더로 사용하는 경우, 유동층형 환원로에 알칼리 성분이 퇴적되지 않아 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있었다. 또한, 성형탄의 냉간강도 및 열간강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 당밀만 사용하는 경우와 당밀과 원당을 혼합하여 사용하는 경우를 비교하면 하기의 표 7과 같았다.
Figure 112013119203037-pat00007
표 7에 기재한 같이, 성형탄 바인더로서 당밀과 원당을 함께 사용함에 따라 환원가스 중의 K 함량이 저감되었다. 그 결과, 유동층형 환원로의 노즐 막힘 현상을 개선함으로써 4,803톤의 용철을 증산할 수 있었다.
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 (18)

  1. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
    미분탄을 제공하는 단계,
    상기 미분탄에 바인더 및 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계,
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 바인더는 자당(sucrose), 포도당(glucose) 및 과당(fructose)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 당을 포함하고,
    상기 바인더에 포함된 K의 양은 0.05wt% 이하인 성형탄의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 바인더는 상기 자당을 포함하고, 상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 자당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하인 성형탄의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 자당의 양은 2중량부 내지 4중량부인 성형탄의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 바인더는 상기 포도당을 포함하고, 상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 포도당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하인 성형탄의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 포도당의 양은 2중량부 내지 4중량부인 성형탄의 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 바인더는 상기 과당을 포함하고, 상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 과당의 양은 0보다 크고 4중량부 이하인 성형탄의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 과당의 양은 2중량부 내지 4중량부인 성형탄의 제조 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 경화제는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산, 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질인 성형탄의 제조 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로인 성형탄의 제조 방법.
  10. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
    미분탄을 제공하는 단계,
    상기 미분탄에 원당 용액 및 경화제를 첨가하여 혼합물을 제공하는 단계,
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 미분탄 100중량부에 대한 상기 원당 용액의 양은 3중량부 내지 10중량부이고,
    상기 원당 용액에 포함된 K의 양은 0.05wt% 이하인 성형탄의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 원당 용액의 양은 6중량부 내지 10중량부인 성형탄의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 원당 용액의 양은 8중량부 내지 10중량부인 성형탄의 제조 방법.
  13. 제10항에서,
    상기 원당 용액에 포함된 자당의 양은 45wt% 내지 75wt%인 성형탄의 제조 방법.
  14. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    미분탄, 바인더, 및 경화제를 포함하고,
    상기 바인더는 자당(sucrose), 포도당(glucose) 및 과당(fructose)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 당을 포함하고,
    상기 바인더에 포함된 K의 양은 0,05wt% 이하인 성형탄.
  15. 제14항에서,
    상기 바인더가 자당을 포함하는 경우, 상기 자당의 양은 상기 미분탄 100 중량부에 대해 1.35중량부 내지 7.5중량부인 성형탄.
  16. 제15항에서,
    상기 자당의 양은 2.7중량부 내지 7.5중량부인 성형탄.
  17. 제16항에서,
    상기 자당의 양은 3.6중량부 내지 7.5중량부인 성형탄.
  18. 제14항에서,
    상기 경화제는 CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, K2O, KOH, Na2O, NaOH, CaCO3, 인산, 및 황산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질인 성형탄.
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