KR101619793B1 - 성형률 및 강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법 - Google Patents

성형률 및 강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미분탄과의 균일한 혼합이 가능하며 성형률 및 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있는 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 초기강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더는 부식산염과, 전분을 함유하며, 분말형태로 형성된다.

Description

성형률 및 강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법{binder for forming briquetting and briquetting using the same, manufacturing method thereof}
본 발명은 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미분탄과의 균일한 혼합이 가능하며 성형률 및 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있는 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고로용 코크스의 제조를 위하여 이용되는 원료탄은 생산지에서 최종 소비지까지 이송되는 과정에서 외부환경의 요인에 의하여 상당량의 분진이 발생하는데, 분진발생을 억제하기 위하여 수분을 도포하여야 하고, 또 야드(Yard)에 노출되어 보관되는 과정에서 건기 내지 우기 등의 환경적인 요인에 의해 원료탄은 그 내부에 상당한 양의 수분이 함유된다.
통상적으로 코크스 제조용 원료탄은 함유된 수분을 감소 내지 건조시킴으로써 코크스로 내의 장입밀도를 증가시켜 코크스의 강도 향상을 도모할 뿐 아니라 건류시간을 단축시켜 코크스의 생산성 향상을 도모하고 있다. 상기한 바와 같이 코크스의 강도 향상 및 생산성 향상을 위하여 8 내지 12% 정도의 수분을 포함하는 원료탄은 CMCP(Coal Moisture Control Process)라는 설비를 통하여 5 내지 6% 정도의 수분함량으로 저감 내지 건조되어 코크스의 제조에 이용되고 있으나, 이러한 수분함량의 저감 내지 건조를 위한 처리과정에서 상당한 량의 미분탄(Dust, 분진)이 발생되어 작업환경의 악화와 하천 및 해양의 수질오염에 문제를 일으키고 있을 뿐 아니라, 미분탄의 발생은 원료탄(석탄)의 손실로 이어지며, 이로 인한 원료탄(석탄)의 손실은 시간당 수십 톤에 달하고 있으므로 발생된 미분탄의 적절한 재활용을 도모하기 위한 기술개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
미분탄 이용과 관련한 선행기술로 예를 들면, 대한민국 등록특허공보 등록번호10-0627469호에 미분탄에 수분함량조절제로 생석회와 당밀을 조합하여 건조공정이나 가열공정 없이도 저온 안정성이 우수하고 강도가 우수한 성형탄에 관하여 게시되어 있으며, 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0526131호에 미분탄에 생석회, 라이신 CMS(Condensed Molasses Solubles)와 당밀의 혼합액을 조합하여 초기강도가 우수한 성형탄에 관하여 게시되어 있다. 그리고 국내등록특허공보 등록번호 10-0407801호에 미분탄에 스틸렌, 부타디엔, 스틸렌-부타디엔 고무, 아스팔트, 비닐아 세테이트, 염화비닐, 아크릴레이트, 메타아크릴레이트로 이루어지는 군 중에서 하나 이상을 선택한 고분자수지를 조합하여 제조하는 성형탄에 관하여 개시하고 있으나, 상기한 선행기술들은 모두가 용융환원제철공정의 일종인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정에서 이용하기 위하여 제조한 야금용 성형탄에 관한 것이므로 코크스 제조용 성형탄으로 이용될 수 없다.
대한민국 공개특허공보 공개번호 특2000-20926호에 미분탄에 피치, 콜타르, 비튜멘, 펄프 찌꺼기, 전분, 흑당, 및 당밀로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 조합하여 제조한 성형탄을 개시하고 있으나, 석회소성공장, 목욕탕, 화훼단지, 고추건조단지 및 겨울철 주물공장 등의 주로 난방연료로 사용되는 성형탄에 관한 것이다.
코크스 제조용 성형탄에 관한 선행기술로 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-866166호에 미분탄에 점결재로서 타르의 중질유분, 연피치 및 석유 피치의 1종 또는 2종 이상을 첨가하고, 열간 가압 성형하여 제조하는 괴성탄을 개시하고 있다.
상기한 선행기술의 광물성 오일은 상온에서 점도가 높아 미분탄과의 혼합이 용이하지 않으며, 또 점도조절을 위하여 인화성 유기용제를 사용하는 등 취급시 단점이 많아 시설관리나 생산성에 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-0627469호, 2. 대한민국 등록특허 제10-0526131호, 3. 대한민국 공개특허 제10-2000-20926호, 4. 대한민국 등록특허 제10-866166호
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 분말형태로 형성되어 미분탄 및 원료탄과 균일한 혼합이 가능하며 성형탄의 성형률과 강도를 향상시킴과 동시에 경제성을 확보할 수 있는 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초기강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더는 부식산염과 전분을 함유하며, 분말형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 부식산염은 부식산 나트륨인 것을 특징으로 한다.
상기 전분은 타피오카 호화전분인 것을 특징으로 한다.
상기 바인더는 패각분말 또는 플라이애시를 더 함유하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초기강도가 우수한 성형탄은 미분탄과 연료탄을 혼합한 혼합탄 100중량부에 대하여 분말 형태의 바인더 1 내지 5중량부를 첨가하여 성형되며, 상기 바인더는 부식산염과, 전분을 함유하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초기강도가 우수한 성형탄의 제조방법은 미분탄 100중량부에 대하여 원료탄 20 내지 80중량부를 혼합하여 혼합탄을 형성하는 혼합탄형성단계와; 상기 혼합탄 100중량부에 대하여 부식산염과 전분을 함유하는 분말 형태의 바인더 1 내지 5중량부를 첨가하는 첨가단계와; 상기 바인더가 첨가된 혼합탄을 교반하여 상기 바인더와 상기 혼합탄을 분말 상태에서 혼합하는 믹싱단계와; 상기 혼합탄과 상기 바인더가 혼합된 혼합물을 가압하여 괴상으로 성형하는 성형단계;를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 믹싱단계 후 상기 혼합물에 수분을 가하여 상기 혼합물의 함수량을 8 내지 9중량%로 조절하는 수분조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바인더는 액상이 아니라 분말형태로 제공됨으로써 미분탄 및 원료탄과의 혼합이 분말 상태에서 이루어지므로 균일한 혼합이 가능하다. 따라서 설비의 자동화가 용이하며 고품질의 성형탄을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 바인더의 높은 결합력으로 압축강도가 향상되는 효과를 나타내므로 보다 높은 강도의 성형탄을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 성형탄의 성형률을 향상시킬 수 있어 코크스의 생산성을 높일 수 있다.
그리고 본 발명은 성형탄의 강도를 개선함으로써 성형탄을 코크스오븐으로 이송하는 과정 중에 낙하에 의해 분쇄되는 것을 방지하여 성형탄(원료탄)의 손실을 감소시킴으로써 경제적 효과와 더불어 분진발생에 의한 작업환경의 악화도 예방하는데 큰 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명은 부식산염, 전분, 플라이애시, 패각분말 등 구입이 용이하고 비용이 매우 저렴한 재료들을 이용하여 바인더를 제조할 수 있으므로 경제성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 성형률 및 강도가 우수한 성형탄 성형용 바인더와 이를 이용한 성형탄 그리고 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 성형탄 성형용 바인더는 미세한 입자로 이루어진 미분탄과의 혼합을 용이하게 하기 위해 분말 형태로 형성된다. 예를 들어 바인더는 40 내지 300메쉬 입도 크기의 분말 형태로 형성될 수 있다.
이러한 분말 형태의 바인더는 종래의 액상 바인더와 달리 미분탄과의 혼합이 매우 용이하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 성형탄 성형용 바인더는 부식산염과 전분을 함유한다. 가령, 바인더는 부식산염 : 전분이 중량비로 1:3~7로 혼합되어 조성될 수 있다.
천연에서 생성되는 부식물질(humus)은 토양에서 유기물질의 침식 생성물로 형성되며, 보통 자연환경의 토양, 물, 퇴적물, 석탄, 이탄 등에서 발견된다. 천연 부식물질은 진한 색을 가진 3차원 구조의 무정형 복합물로, 금속과 무기물질을 킬레이트 할 수 있는 물질을 포함한다. 천연 부식물질은 산에서의 용해성 차이에 의해서 풀빅산과 부식산으로 분리할 수 있다. 풀빅산은 산에서 녹으나 부식산은 산에서 녹지 않는다.
부식산은 토양 또는 석탄화도가 낮은 석탄질 중에 포함되어 있으며, 알칼리에 녹고 산에 녹지 않는 갈색 또는 흑색의 무정형 산성 유기질을 의미한다. 부식산의 분리법은 토양 또는 석탄을 물 또는 유기 용제로 처리하여 부수 물질을 제거한 후, 묽은 알칼리로 추출하여 얻는다.
부식산염은 부식산에 칼륨이나 나트륨이 결합된 유기물질로서, 천연 점결제 역할을 한다. 특히, 부식산염의 성분들은 석탄과 매우 유사하므로 미분탄 및 원료탄과의 혼화성이 우수하다.
부식산염으로는 부식산나트륨, 부식산칼륨 등을 들 수 있다. 특히, 바람직한 부식산염으로 부식산나트륨을 이용할 수 있다.
부식산나트륨(sodium humate)은 나트륨(Na)이 결합된 부식산염으로서, 천연 부식산에 비해 성형탄의 성형시 경화력을 높여 성형탄의 강도와 성형률을 향상시킬 수 있다.
부식산염으로 상업화된 제품을 구입하여 재료로 사용할 수 있다. 이 경우 상업화된 제품에는 부식산염 외에도 다른 부식물질, 수분 등이 함유될 수 있으나, 부식산염의 함량이 60 내지 70중량% 또는 그 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
전분으로 타피오카 전분, 쌀 전분, 옥수수 전분, 감자 전분 등을 이용할 수 있다. 바람직하게 타피오카 전분이다. 그리고 전분은 호화시킨 호화전분을 이용할 수 있다. 호화전분은 부식산염과 혼합되어 바인더의 결합력을 증대시킨다.
본 발명의 바인더는 다른 예로 부식산염과, 전분, 패각분말을 함유한다. 가령, 바인더는 부식산염 : 전분 : 패각분말이 중량비로 1:3~7:1~3으로 혼합되어 조성될 수 있다.
패각분말로 굴껍질을 이용할 수 있다. 이러한 패각분말은 가수분해성질을 가지며 유기물질이 포함되어 있어 결합력을 향상시킨다.
본 발명의 또 다른 예로 바인더는 부식산염과, 전분, 플라이애시를 함유할 수 있다. 가령, 바인더는 부식산염 : 전분 : 플라이애시가 중량비로 1:3~7:1~3으로 혼합되어 조성될 수 있다.
플라이애시는 유연탄을 사용하는 발전소에서 포집된 미분말을 이용한다. 플라이애시는 성형탄의 강도를 높인다.
본 발명의 또 다른 예로 바인더는 부식산염과, 전분, 패각분말, 플라이애시를 함유할 수 있다. 이 경우 바인더는 부식산염 : 전분 : 패각분말 : 플라이애시가 중량비로 1:3~7:1~3:1~3으로 혼합되어 조성될 수 있다.
상술한 바인더의 재료들은 분말상태로 준비되어 적절한 중량비로 혼합되어 분말 형태의 바인더를 형성한다.
본 발명의 성형탄은 바인더를 혼합탄에 첨가하여 성형하여 제조한다.
이를 위해 먼저, 미분탄과 원료탄을 혼합하여 혼합탄을 형성한다.
미분탄은 코크스의 제조시 발생되어 집진기 등에 의해 집진된 것으로서, 200 내지 400메쉬 입도 크기로 매우 미세한 입자로 이루어져 있다.
원료탄은 통상적인 코크스 제조용 석탄을 의미하며, 3 내지 10mm 크기로 분쇄된 것일 수 있다.
혼합탄을 형성하기 위해 미분탄 100중량부에 대하여 원료탄 20 내지 80중량부를 혼합할 수 있다.
다음으로, 혼합탄에 분말 형태의 바인더를 첨가한다. 가령, 혼합탄 100중량부에 대하여 바인더 1 내지 5중량부를 첨가할 수 있다. 바인더는 상술한 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
다음으로, 바인더가 첨가된 혼합탄을 교반하여 바인더와 혼합탄을 균일하게 혼합하는 믹싱단계를 수행한다. 본 발명은 혼합탄과 바인더의 혼합을 분말상태에서 수행하므로 바인더와 혼합탄의 혼합이 매우 용이할 뿐만 아니라 균일하게 혼합될 수 있다.
다음으로, 혼합탄과 바인더가 혼합된 혼합물을 가압하여 괴상으로 성형한다. 성형시 조개탄 형상, 펠릿 형상 등 다양한 모양과 크기로 성형이 가능하다.
한편, 본 발명은 또 다른 예로 믹싱단계 후 혼합물에 수분을 가하여 혼합물의 함수량을 8 내지 9중량%로 조절하는 수분조절단계를 더 포함할 수 있다.
혼합탄을 조성하는 미분탄의 함수량은 2 내지 5중량%이고, 원료탄은 8 내지 10중량% 정도이므로, 혼합탄과 바인더가 혼합된 혼합물의 함수량은 약 4 내지 6중량%이다. 따라서 수분조절단계를 통해 혼합물의 함수량을 8 내지 9중량%로 조절할 수 있다. 함수량 8 내지 9중량% 범위 내에서 성형률이 높다.
상기와 같이 본 발명의 초기강도가 우수한 성형탄의 제조방법은 바인더에 의한 성형탄의 강도를 높일 수 있으며, 제조공정과 장비를 단순화시킬 수 있으며, 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실험 예로 한정하는 것은 아니다.
(제조예)
부식산나트륨(SODIUM HUMATE, 중국 녕하자치구 태안유한공업), 부식산(SODIUM HUMATE, 중국 녕하자치구 태안유한공업), 타피오카 호화전분(TAPIOCA STARDH, (주)KRT, 한국), 패각(굴껍질) 분말(주식회사 씨엔알, 한국), 플라이애시(금륜, 한국)를 바인더 재료로 준비하였다.
상기 재료들은 2 이상을 혼합하여 5종류의 바인더를 제조하였다. 각 바인더 시료를 하기 표 1에 정리하였다.
구분 부식산나트륨 타피오카호화전분 패각분말 플라이애시 부식산
시료1 25g 125g - -
시료2 25g 125g 50g - -
시료3 25g 125g 50g 50g -
시료4 - 125g 50g 50g -
시료5 - 125g - - 25g
상기 시료들을 혼합탄 100중량부에 대하여 3중량부를 첨가하여 혼합한 혼합물을 성형기에 투입하여 조개탄 모양의 성형탄을 제조하였다. 혼합물의 함수량은 약 5.3중량%였고, 성형탄 하나의 무게는 약 50g이었다. 혼합탄은 미분탄 6.7kg에 원료탄 3.3kg을 혼합하여 준비하였다.
시료 1을 첨가하여 성형한 성형탄을 제 1성형탄, 시료 2를 첨가하여 성형한 성형탄을 제 2성형탄, 시료 3을 첨가하여 성형한 성형탄을 제 3성형탄, 시료 4를 첨가하여 성형한 성형탄을 제 4성형탄, 시료 5를 첨가하여 성형한 성형탄을 제 5성형탄으로 하였다. 그리고 바인더를 첨가하지 않고 성형한 성형탄을 제 6성형탄으로 하였다.
제조한 성형탄의 성형률과 압축강도를 측정하였다. 성형률(%)을 계산하기 위해 하기의 식과 같이 성형기에 투입된 혼합물(혼합탄+바인더)의 중량에 대하여 조개탄 모양으로 성형된 성형탄의 중량을 대비하였다.
성형률(%)=(성형탄의 중량/혼합물의 중량)×100
성형률과 압축강도를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 성형률(%) 압축강도(kgf/cm2)
제 1성형탄 71.7 21.59
제 2성형탄 74.0 23.38
제 3성형탄 76.8 23.80
제 4성형탄 62.4 15.47
제 5성형탄 65.2 17.16
제 6성형탄 35.5 12.23
상기 표 2를 참조하면, 상기 제 1 내지 제 3성형탄은 성형률이 70%이상으로 나타났고, 압축강도는 21kgf/cm2 이상으로 성형률과 압축강도가 우수한 것으로 나타났다. 이에 반해 바인더를 첨가하지 않은 제 6성형탄은 성형률과 압축강도가 매우 낮은 것으로 확인되었다. 그리고 부식산나트륨이 함유되지 않은 바인더를 첨가한 제 4성형탄은 제 6성형탄에 비해 성형률과 압축강도는 더 높게 나타났지만 제 1 내지 제 3성형탄에 비해 크게 낮은 것으로 나타났다.
또한, 부식산나트륨을 첨가한 제 1성형탄과 부식산을 첨가한 제 5성형탄을 비교해보면, 부식산나트륨을 첨가한 경우가 성형율과 압축강도면에서 더 우수한 것으로 나타났다.
다음으로, 함수량에 따른 성형률 개선효과를 확인하기 위해 상술한 성형탄의 제조방법과 동일한 방법으로 제 7 및 제 8성형탄을 제조하였다. 다만, 성형탄의 제조시 혼합물에 수분을 첨가하여 혼합물의 함수량을 8.3중량%로 조절하였다는 점에서 상술한 성형탄의 제조방법과 차이가 있다. 바인더로서 제 2시료를 첨가한 성형탄이 제 7성형탄이고, 제 3시료를 첨가한 성형탄이 제 8성형탄이다.
제 7 및 제 8성형탄의 성형률과 압축강도를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 성형률(%) 압축강도(kgf/cm2)
제 7성형탄 79.4 23.30
제 8성형탄 82.3 23.66
상기 표 3의 제 7 및 제 8성형탄과 상기 표 2의 제 2 및 제 3성형탄을 비교해보면, 제 7 및 제 8성형탄이 제 2 및 제 3성형탄에 비해 압축강도는 다소 낮아졌으나 수분조절에 의해 성형률을 5~6% 정도 향상시키는 것으로 나타났다. 따라서 압축강도의 저하에 비해 성형률 개선효과가 훨씬 더 크므로 혼합물의 함수량을 8 내지 9중량%로 조절한 후 성형하는 것이 유리할 것으로 보인다.
이상, 본 발명은 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 미분탄과 원료탄을 혼합한 혼합탄 100중량부에 대하여 40 내지 300메쉬 입도크기의 분말 형태의 바인더 1 내지 5중량부를 첨가하여 성형되며,
    상기 바인더는 부식산염과 전분과 패각분말과 플라이애시를 함유하고,
    상기 부식산염:상기 전분:상기 패각분말:상기 플라이애시는 1:3~7:1~3:1~3의 중량비로 혼합되며,
    상기 부식산염은 부식산나트륨이고,
    상기 전분은 타피오카 호화전분이고,
    상기 패각분말은 굴껍질 분말인 것을 특징으로 하는 성형률 및 강도가 우수한 성형탄.
  6. 미분탄 100중량부에 대하여 원료탄 20 내지 80중량부를 혼합하여 혼합탄을 형성하는 혼합탄형성단계와;
    상기 혼합탄 100중량부에 대하여 40 내지 300메쉬 입도크기의 분말 형태의 바인더 1 내지 5중량부를 첨가하는 첨가단계와;
    상기 바인더가 첨가된 혼합탄을 교반하여 상기 바인더와 상기 혼합탄을 분말 상태에서 혼합하는 믹싱단계와;
    상기 혼합탄과 상기 바인더가 혼합된 혼합물을 가압하여 괴상으로 성형하는 성형단계;를 포함하고,
    상기 바인더는 부식산염과 전분과 패각분말과 플라이애시를 함유하고,
    상기 부식산염:상기 전분:상기 패각분말:상기 플라이애시는 1:3~7:1~3:1~3의 중량비로 혼합되며,
    상기 부식산염은 부식산나트륨이고,
    상기 전분은 타피오카 호화전분인 것을 특징으로 하는 성형률 및 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 믹싱단계 후 상기 혼합물에 수분을 가하여 상기 혼합물의 함수량을 8 내지 9중량%로 조절하는 수분조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성형률 및 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
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