KR101626814B1 - 성형탄 및 성형탄 제조방법 - Google Patents

성형탄 및 성형탄 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형탄 및 성형탄 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 바인더로 사용하는 성형탄 및 성형탄 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형탄은 원료탄 및 상기 원료탄에 혼합되며, 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 포함하고, 상기 탄화잔사는 상기 원료탄 입자 간의 물리적 결합력을 높여주는 바인더일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법은 원료탄 및 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 각각 준비하는 단계, 상기 원료탄과 상기 탄화잔사를 혼합하는 단계 및 상기 원료탄과 탄화잔사의 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

성형탄 및 성형탄 제조방법 {Coal briquettes and Method for manufacturing the same}
본 발명은 성형탄 및 성형탄 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 바인더로 사용하는 성형탄 및 성형탄 제조방법에 관한 것이다.
야금용 점결탄(Coking Coal)의 고갈 우려 및 가격 상승으로 인해 점결탄을 대체할 연료 개발이 요구되고 있다. 반면에, 비야금용 저등급탄은 전체 석탄 매장량의 약 50%를 차지할 정도로 풍부하고, 가격도 저렴하다. 이에 한국등록특허 제10-1418053호(2014.07.03) 등에는 저등급탄으로 점결탄을 대체하여 사용하는 것이 소개되어 있으나, 저등급탄은 다량의 수분과 휘발분을 함유하고 있다는 문제가 있어 연료 사용시 많은 제약을 받고 있다. 따라서, 이러한 저등급탄을 개질(upgrading)하여 저등급탄의 사용시 코크스의 품질 확보 및 생산성 향상을 위한 전처리 기술개발이 이루어지고 있다. 그 중에서 탄화를 통한 전처리 기술이 활발하게 이루어지고 있는데, 탄화를 통한 전처리 기술을 이용하면 저등급탄을 개질할 수 있을 뿐만 아니라 바이오매스(Biomass)에도 응용할 수 있다.
탄화는 간접적으로 열을 가하여 수분 및 휘발분을 제거하는 방법으로, 저등급탄 및 바이오매스의 탄화 후에는 고체 생성물인 차(Char), 기체 생성물인 석탄가스(Coal Gas), 액체 생성물인 타르(Tar)가 생성된다. 그리고 이러한 생성물들을 수거하고 나면 미분탄과 점성의 액상물질이 혼합된 슬러리(Slurry) 상태의 탄화잔사가 잔류하게 되는데, 차(Char), 석탄가스 및 타르는 수거되면 연료 및 에너지원으로의 활용이 가능하나 탄화잔사는 수거 후 사용처가 없어 버려지고 있는 실정이다. 하지만, 탄화잔사는 발열량이 높고, 점결성도 갖고 있으므로 탄화잔사의 활용방안이 필요하다.
한편, 코크스의 품질을 향상시키기 위해서는 장입밀도를 높이는 방법이 있으며, 장입밀도를 높이기 위해서는 장입탄의 수분을 제거한 후 장입탄을 성형하는 방법 등이 있다. 장입탄의 성형시 장입물들의 물리적 결합력을 높이기 위해서는 바인더(Binder)의 사용이 필요하며, 현재 바인더로 사용되는 물질은 고가이거나 다량 사용시 함유하고 있는 알칼리금속 성분이 불순물로 작용해 용선의 품질에 악영향을 주기 때문에 대체 바인더 개발도 필요하다.
한국등록특허공보 제10-1418053호
본 발명은 고가의 바인더를 대체하여 사용처가 없어 버려지고 있는 탄화잔사를 사용함으로써 성형탄의 제조 원가를 낮춘 성형탄 및 성형탄 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형탄은 원료탄; 및 상기 원료탄에 혼합되며, 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 포함하고, 상기 탄화잔사는 상기 원료탄 입자 간의 물리적 결합력을 높여주는 바인더일 수 있다.
상기 원료탄은 고등급탄; 및 저등급탄 또는 바이오매스(Biomass)를 탄화한 차(Char)가 배합된 배합탄일 수 있다.
상기 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하일 수 있고, 잔류 미분탄과 점성의 액상물질이 혼합된 슬러리(Slurry)일 수 있다.
상기 탄화잔사는 6,900 내지 7,100 ㎉/㎏의 발열량을 갖는 것일 수 있고, 상기 성형탄 전체 중량의 1 내지 10 wt%를 차지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법은 원료탄; 및 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 각각 준비하는 단계; 상기 원료탄과 상기 탄화잔사를 혼합하는 단계; 및 상기 원료탄과 탄화잔사의 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 원료탄을 준비하는 단계는 고등급탄을 준비하는 단계; 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화하여 차(Char)를 생성하는 단계; 및 상기 고등급탄과 상기 차(Char)를 배합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄화하여 차(Char)를 생성하는 단계에서는 상기 저등급탄 또는 바이오매스를 550 내지 700 ℃의 온도로 20 내지 60분 동안 탄화할 수 있다.
상기 탄화잔사는 상기 성형하여 성형체를 형성하는 단계에서 상기 성형체의 물리적 결합력을 높이기 위한 바인더로 사용될 수 있고, 상기 탄화 과정에서 발생하는 석탄가스와 타르가 제거되고 상기 탄화 과정에 의해 생성된 차(Char)가 수거된 후의 잔류물일 수 있으며, 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하일 수 있다.
상기 혼합하는 단계에서는 상기 탄화잔사를 상기 성형체의 전체 중량의 1 내지 10 wt%가 되도록 혼합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 성형탄은 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 바인더로 사용하기 때문에 추가적으로 다른 물질(즉, 바인더)이 필요하지 않고, 이러한 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 매우 낮아 기존의 바인더에서 알칼리금속이 함유되어 다량 첨가시 용선의 품질에 악영향을 주었던 문제를 해결할 수 있다. 그리고 탄화잔사는 높은 발열량을 갖기 때문에 저등급탄 또는 바이오매스(Biomass)를 탄화한 차(Char)로 점결탄을 대체하여 사용시 차(Char)의 점결탄 대체에 따른 발열량의 하락을 보완해 줄 수도 있다.
또한, 탄화잔사는 고가의 바인더를 대체할 수 있어 성형탄의 제조 원가를 낮출 수 있다. 한편, 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화하여 차(Char)를 생성한 후 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)를 점결탄에 혼합하여 사용시에는 점결탄을 저등급탄 또는 바이오매스로 대체할 수 있어 경제적인데다가 별다른 시설이나 공정없이 탄화할 때 자연적으로 생기는 탄화잔사를 바인더로 사용할 수 있기 때문에 단순한 공정으로 저렴하게 성형탄을 제조할 수 있어 제조공정과 제조비용 모두 경제적일 수 있다. 그리고 사용처가 없어 버려지던 탄화잔사를 활용할 수 있어서 환경보존에 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄의 제조시스템을 순서적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
석탄은 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 석탄의 분류를 위해 석탄화도라는 기준이 사용될 수 있다. 석탄화도란 지하에서의 시간, 압력 및 온도 변화에 따라 휘발분(volatile matter)이 감소하고, 고정 탄소(fixed carbon)의 양이 증가하는 과정을 의미한다. 석탄은 석탄화도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. 즉, 석탄은 그 석탄화도에 따라 탄소분(무수 무회 기준, dry basis)이 약 60 % 이하인 이탄(또는 토탄), 약 60 ~ 70 %인 갈탄, 약 70 ~ 75 %인 아역청탄, 약 75 ~ 85 %인 역청탄, 약 85 ~ 94 %인 무연탄으로 구분되며, 역청탄의 일부는 탄소분을 90 %에 가깝게 함유하고 있는 것도 있다.
한편, 석탄은 점결성 여부에 따라 점결탄과 비점결탄으로 분류될 수도 있다. 점결성을 가진 역청탄은 건류시 석탄입자가 서로 결합하는 특성을 가진다. 점결성은 석탄을 가열하면 350 ~ 400 ℃ 부근에서 열연화성 및 유동 현상을 보이면서 석탄 입자들이 상호 결합하여 열분해 가스 발생에 의해 팽창하며 450 ~ 500 ℃ 부근에서 고화에 의한 수축 현상을 나타내는 것을 의미한다. 점결성은 석탄을 도가니에 넣고 800 ℃ 내외의 온도로 휘발분이 완전히 제거될 때까지 가열하여 석탄의 팽창 특성을 측정하는 석탄-도가니 팽창지수 측정법(KS E ISO 501)에 의해 자유팽창지수(Free Swelling Index; FSI)로 평가한다. 자유팽창지수가 3 이상인 석탄은 점결탄으로 분류하고, 자유팽창지수가 3 미만인 석탄은 비점결탄으로 분류한다.
점결탄(예를 들어, 점결성을 가진 역청탄)은 주로 코크스 제조를 위한 야금용으로 사용한다. 한편, 비점결탄은 석탄 입자 간에 결합 능력이 없으므로, 코크스 제조를 위해 사용시 코크스 품질이 저하되어 야금용으로 사용되지 못하였다. 그러므로 비점결탄이면서 높은 휘발분 함량을 가진 갈탄, 아역청탄 및 점결성이 없는 역청탄은 주로 발전용탄으로만 사용되어 왔다. 한편, 비점결탄이면서 높은 고정 탄소와 발열량을 가진 무연탄은 미분탄 취입(Pulverized coal injection; PCI) 공정에 주로 사용되었다.
본 발명에서 사용되는 고등급탄은 탄소분(무수 무회 기준, dry basis)이 약 75 % 이상이며, 높은 발열량을 갖는 역청탄 이상의 높은 등급의 석탄으로, 점결성을 가진 역청탄(즉, 점결탄) 뿐만 아니라 점결성이 없는 역청탄, 무연탄 등도 포함한다.
또한, 본 발명에서 탄화의 대상이 되는 저등급탄은 다량의 수분과 높은 휘발분 함량을 갖는 탄소분(무수 무회 기준, dry basis)이 약 75 % 미만인 아역청탄 이하의 낮은 등급의 석탄으로, 이들 석탄은 모두 자유팽창지수(FSI)가 3 미만인 비점결탄이다. 상기 저등급탄은 주로 미분탄으로 분쇄하여 발전용탄으로 사용되어 왔는데, 본 발명의 일실시예에서는 야금용 석탄으로 사용하지 않는 아역청탄, 갈탄 등의 가격이 저렴한 저등급탄을 탄화하여 개질(upgrading)시켰다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형탄은 원료탄; 및 상기 원료탄에 혼합되며, 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 포함하고, 상기 탄화잔사는 상기 원료탄 입자 간의 물리적 결합력을 높여주는 바인더일 수 있다.
상기 원료탄은 코크스 제조용 석탄으로, 건류시에 점결이 잘 이루어질 수 있는 점결성을 가져야하므로 점결탄이 많이 사용되며, 일반적인 연료용과 구분하여‘원료탄’이라 칭한다. 점결탄은 역청탄 중에서 석탄화도가 높은 부분에 한정되는 특징이 있고, 점결성 정도의 차이에 의해 약점결탄(무수 무회 기준의 탄소함유량이 80∼83%), 점결탄(83∼85%), 강점결탄(85∼90%)의 세 가지로 나누어진다. 또한, 점착성이 강하고 유동성이 높은 점결탄을 점착탄(85%)이라고 한다.
원료탄은 한 종류의 석탄일 수도 있고, 복수의 탄종이 배합된 배합탄일 수도 있다. 또한, 원료탄은 점결탄만 사용할 수도 있고, 점결탄과 비점결탄을 배합한 배합탄으로 사용할 수도 있으며, 비점결탄만을 사용할 수도 있는데, 비점결탄의 사용시에는 바인더를 필요로 한다. 여기서, 점결탄은 동일한 점결성(무수 무회 기준의 탄소함유량)을 가진 역청탄을 사용할 수도 있으며, 서로 다른 점결성을 가진 역청탄을 배합하여 사용할 수도 있다. 그리고 비점결탄은 점결성이 없는 고등급탄만을 사용하거나 점결성이 없는 고등급탄을 저등급탄 또는 바이오매스(Biomass)를 탄화한 차(Char)와 배합하여 사용할 수 있다. 저등급탄 또는 바이오매스는 다량의 수분과 휘발분을 함유하고 있어 탄화 과정을 거치지 않고는 사용할 수 없고, 탄화 과정을 거친 차(Char)를 사용하여야 한다. 상기 차(Char)를 사용하면 저등급탄 또는 바이오매스를 사용시 저등급탄 또는 바이오매스가 다량의 수분과 휘발분을 함유함으로 성형탄의 발열량을 저하시키는 등 성형탄의 품질에 악영향을 미쳤던 문제를 개선시킬 수 있다. 이에 따라 고가인 점결탄을 대체하여 가격이 저렴한 저등급탄 또는 바이오매스를 성형탄의 원료로 사용할 수 있기 때문에 성형탄의 제조 원가를 낮출 수 있고, 경제적이다. 한편, 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화할 때 저등급탄 또는 바이오매스를 소정 크기로 분쇄한 후 탄화할 수도 있다. 그리고 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화한 차(Char)를 원료탄으로 사용하려면 바인더가 필요한데, 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화로 생기는 탄화잔사를 바인더로 사용할 수 있다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고등급탄, 저등급탄, 바이오매스 및 저등급탄과 바이오매스의 차(char)의 발열량을 나타내는 표이다.
구 분 발열량
(㎉/㎏)
고등급탄의 발열량(무수 기준) 7678
저등급탄의 발열량(무수 기준) 6446
저등급탄 차(Char)의 발열량(무수 기준) 6936
바이오매스의 발열량(무수 기준) 4476
바이오매스 차(Char)의 발열량(무수 기준) 7112
표 1을 참조하면, 고등급탄은 발열량(무수 기준)이 7,678 ㎉/㎏로, 7,400 ㎉/㎏ 이상의 높은 발열량을 갖는 것을 알 수 있는데, 상기 발열량 수치는 일실시예로서 통상적으로 사용되고 있는 복수 탄종의 고등급탄이 배합된 배합탄의 발열량을 나타낸다. 상기 저등급탄은 본 발명의 일실예로 사용된 저등급탄으로, 약 6,400 ㎉/㎏의 낮은 발열량(무수 기준)을 갖는데, 이에 탄화 과정을 통해 저등급탄을 개질하여 사용한다. 저등급탄의 탄화로 생성된 저등급탄 차(Char)의 발열량(무수 기준)은 7,000 ㎉/㎏에 가깝게 나타나기 때문에 성형탄 제조시 상기 고등급탄(또는 배합탄)의 일부를 대체하여 상기 고등급탄과 일정 비율로 배합하여 사용하여도 무방하다. 상기 바이오매스는 본 발명의 일실예로 사용된 바이오매스이며, 약 4,500 ㎉/㎏의 낮은 발열량(무수 기준)을 갖는데, 바이오매스를 발전용 연료 또는 제철용 연료로 사용하기 위해서는 바이오매스도 저등급탄과 같이 탄화하여 개질하는 것이 필요하다. 바이오매스의 탄화로 생성되는 바이오매스 차(Char)의 발열량(무수 기준)은 7,112 ㎉/㎏로, 7,000 ㎉/㎏ 이상의 발열량을 가지므로 상기 고등급탄과 일정 비율로 배합하여 사용할 수 있다.
상기 탄화잔사는 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물로서, 탄화 과정에서 발생하는 석탄가스(또는 COG 가스) 및 타르를 제거하고, 탄화 과정에 의해 생성된 주요 생성물인 차(Char)를 수거한 후에 잔류하는 물질을 말하는데, 상기 탄소함유물은 저등급탄 또는 바이오매스를 포함할 수 있다. 여기서, 탄화로 발생된 석탄가스와 타르는 탄화장치의 추가적인 구성으로 따로 포집하게 되고, 탄화잔사는 탄화장치의 탄화부에서 차(Char)를 빼낸 후 상기 탄화부의 내벽 혹은 바닥 등에 잔류하게 된다. 탄화잔사는 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화시 탄화장치에 장입된 장입물의 입자끼리 부딪히거나 장입물의 입자가 탄화장치의 탄화부 내벽 등에 부딪침으로 크랙(crack)이 발생하여 생기는 아주 작은 크기의 미분탄(이하 잔류 미분탄)을 포함할 수 있다. 이러한 잔류 미분탄은 크기가 아주 작아 정전기 또는 액체에 의한 점착 등으로 상기 탄화부의 내벽 등에 잔류한다. 또한, 탄화잔사는 탄화 과정의 액체 생성물인 타르를 제거하고 남은 점성의 액상물질을 포함할 수 있다. 상기 액상물질은 점성에 의해 상기 탄화부의 내벽 등에 잔류하게 되고, 상기 잔류 미분탄의 잔류를 도울 수도 있다. 이에 탄화잔사는 아주 작은 크기의 잔류 미분탄과 점성의 액상물질이 혼합된 슬러리(Slurry)일 수 있다.
탄화잔사는 상기 액상물질에 의해 점결성을 가질 수 있다. 상기 액상물질은 탄화 과정에서 발생한 타르가 제거된 액체로서, 타르는 아니지만 타르와 같이 점결성을 갖기 때문에 상기 원료탄의 성형시 원료탄 입자 간의 물리적 결합력을 높여주는 바인더 역할을 할 수 있다. 상기 액상물질은 그 자체만으로도 바인더의 역할을 할 수 있지만, 탄화잔사에서 상기 액상물질만을 따로 분리하기가 어려우며, 따로 분리하기 위해서는 별도의 장치가 필요하다. 이에 본 발명에서는 잔류 미분탄이 혼합된 탄화잔사 그 자체를 바인더로 사용하고, 이렇게 사용하면 사용처가 없어 버려지던 탄화잔사를 이용할 수 있어 탄화에 따른 폐기물을 줄여 환경보존에 도움을 줄 수도 있다. 탄화잔사는 잔류 미분탄이 혼합되어 있어도 액상물질에 의해 점결성을 가질 수 있고, 점결성의 정도가 바인더의 역할을 하는데 아무 지장이 없다. 또한, 바인더로 액상물질만을 추출하여 사용하지 않고 탄화잔사 그대로 사용하는 것은 추가 공정이나 추가 장치가 없어도 되는 경제성의 이유 뿐만 아니라 잔류 미분탄에 의해 탄화잔사의 발열량이 높아지는 이유도 있다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄화잔사의 공업·원소분석 및 발열량을 나타내는 표이다.
구 분 공업분석
(wt%)		 원소분석
(wt%)		 발열량
(㎉/㎏)
휘발분 회분 고정탄소 탄소 수소 질소 유황 산소
탄화잔사 43.66 10.6 45.74 74.3 5.19 1.24 0.39 18.88 7022
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사의 공업분석, 원소분석 및 발열량을 나타내는 표로서, 상기 탄화잔사는 약 7,000 ㎉/㎏의 높은 발열량을 갖는 것을 알 수 있다. 약 7,000 ㎉/㎏의 발열량은 약 6,400 ㎉/㎏인 저등급탄(무수 기준)의 발열량보다 약 500 ㎉/㎏ 이상 높은 발열량으로, 탄화 과정을 통해 개질(upgrading)된 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 부수적으로 약 7,000 ㎉/㎏의 높은 발열량을 갖는 바인더(즉, 탄화잔사)를 얻을 수 있다. 이에 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화한 차(Char)의 사용시 점결탄을 대체하는 차(Char)에 의한 발열량의 하락을 별다른 어려움없이 바인더(즉, 탄화잔사)의 혼합만으로도 보완하여 줄 수 있다. 이처럼, 탄화잔사는 6,900 ~ 7,100 ㎉/㎏의 높은 발열량을 가질 수 있다. 한편, 통상적으로 사용되고 있는 바인더는 발열량이 높지 않아 다량 첨가시 성형탄의 발열량이 낮아져 성형탄의 품질을 저하시키는 문제가 있다.
또한, 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하로 매우 낮을 수 있다. 표 2의 원소분석은 소수점 둘째자리까지(소수점 셋째자리에서 반올림) 나타낸 것으로서, 주요 원소들(탄소, 수소, 질소, 유황 및 산소)의 함량을 모두 더하면 100 wt%이기 때문에 반올림에 대한 분석 상의 오차범위(± 0.005 wt%) 내로 기타 성분이 존재한다. 최대 오차(0.005 wt%) × 주요 원소의 개수(5) = 0.025 (wt%)로 주요 원소들을 제외한 기타 성분은 최대가 0.025 wt%일 것이고, 여기서, 기타 성분이 모두 알칼리금속이라 가정하여도 알칼리금속의 함량은 최대 0.025 wt%가 된다. 상기 알칼리금속은 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 루비듐(Rb), 세슘 (Cs) 등을 포함하고, 바인더에 알칼리금속이 많이 함유되어 있으면 고로 조업시 알칼리금속이 용선에 스며들어 용선의 품질 저하를 일으킨다. 통상적으로 사용되고 있는 바인더(예를 들어, 당밀)는 칼륨의 함량이 약 1.46 wt%로 높고 나트륨(약 0.037 wt%)도 함유되어 있어 알칼리금속이 약 1.5 ~ 2 wt%로 비교적 많이 함유되어 있다. 이에 따라 탄화잔사로 통상적으로 사용되고 있는 바인더를 대체하면 바인더에 함유하고 있는 알칼리금속 성분이 불순물로 작용해 용선의 품질에 악영향을 주었던 문제점을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄의 제조시스템을 순서적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 저등급탄 또는 바이오매스(10)는 탄화장치(20)에서 탄화하여 차(Char, 30)를 생성한다. 저등급탄 또는 바이오매스(10)는 일반적으로 각각 사용하는데, 저등급탄과 바이오매스(10)를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 차(30)는 고등급탄(40)과 배합되고, 차(30)와 고등급탄(40)이 배합된 배합탄은 저등급탄 또는 바이오매스(10)의 탄화로 생긴 탄화잔사(80)와 혼합장치(50)에서 혼합된 후 성형기(60)에서 성형되어 성형탄(70)이 제조된다. 이와 같이 저등급탄 또는 바이오매스(10)를 탄화하여 생성한 차(30)를 원료탄으로 이용하고, 저등급탄 또는 바이오매스(10)의 탄화에 의해 생긴 탄화잔사(80)를 바인더로 사용하면 추가 공정이나 추가적인 물질없이 자연적으로 발생된 물질로 우수한 품질의 성형탄을 제조할 수 있고, 사용처가 없어 폐기물로 버려지던 탄화 찌꺼기를 재활용할 수 있어 자연보존에도 도움을 줄 수 있다.
한편, 탄화잔사(80)는 성형탄(70)의 전체 중량 중 1 ~ 10 wt%를 차지할 수 있다. 일반적으로 탄화장치(20)에 장입물을 1회 장입하여 탄화할 때마다 탄화 과정에 의한 탄화잔사(80)는 주요 탄화 생성물인 차(30)가 수거되고 석탄가스와 타르가 제거되어 10 ~ 30 g의 적은 양이 잔류하게 되는데, 성형탄(70)의 전체 중량이 1 kg일 때 탄화잔사(80)가 10 g(성형탄 전체 중량의 1 wt%) 정도되면 점결성에서 바인더로 사용하는데 아무런 문제가 없었다. 통상적으로 성형탄(70)의 바인더로 사용되는 당밀 등의 경우에는 이질성 때문에 성형탄(70)의 결합력을 높이기 위해 보다 많은 양을 사용해야하는 반면에 탄화잔사(80)는 원료탄의 성분과 비슷하여 비교적 소량으로 바인더의 역할을 할 수 있다. 하지만, 탄화잔사(80)도 성형탄(70)에서 차지하는 비율이 성형탄(70) 전체 중량의 1 wt% 미만이 되면 성형탄(70)의 강도가 약화되었다. 본 발명의 일실시예에서는 저등급탄 또는 바이오매스(10)의 탄화로 생기는 탄화잔사(80)를 사용하였는데, 성형탄(70)의 전체 중량이 1 kg일 때 1회 장입하여 탄화함으로 생긴 모든(10 ~ 30 g의) 탄화잔사(80)를 사용하여도 고등급탄(40) 및 차(30)의 배합탄(즉, 원료탄)과 탄화잔사(80, 바인더)의 혼합시에 부착 등의 문제점이 발생하지 않고, 용선의 품질에도 악영향을 미치지 않으며, 성형탄(70)의 강도가 우수하게 나타났다. 또한, 저등급탄 또는 바이오매스(10)를 탄화하여 생성한 차(30)와 고등급탄(40)을 배합하여 원료탄으로 이용하고, 저등급탄 또는 바이오매스(10)의 탄화에 의해 생긴 모든 탄화잔사(80)를 바인더로 사용함으로써 탄화 과정에서 폐기물이 발생되지 않게 되었다. 한편, 바인더(즉, 탄화잔사)의 양이 너무 많으면 원료탄과 바인더(즉, 탄화잔사)의 혼합시에 부착 등의 문제점이 발생하게 되는데, 탄화잔사(80)가 성형탄(70) 전체 중량의 10 wt%보다 많아지면 점성이 너무 과해 성형탄(70)끼리 서로 달라붙거나 성형탄(70)이 저장조(또는 호퍼)에 달라붙는 문제가 생겼고, 액상물질이 너무 많아져서 성형탄(70)의 형태를 유지하기 어려운 문제가 있었다. 그리고 탄화잔사(80)가 성형탄(70)의 전체 중량 중 10 wt%보다 많을 때에는 탄화잔사(80)에 고정탄소가 적고 휘발분이 많은 이유로 원료탄의 발열량과 연소성에 영향을 미쳐 성형탄(70)의 품질을 저하시켰다. 성형탄(70)은 탄화잔사(80)가 성형탄(70)의 전체 중량 중 1 ~ 10 wt%에서 성형탄(70)의 강도가 우수하며 발열량과 연소성면에서도 뛰어났고, 특히 탄화잔사(80)가 성형탄(70)의 전체 중량 중 1 ~ 5 wt%에서 성형탄(70)의 발열량이 높으며 탄화잔사(80)가 원료탄이 발화하는데 도움을 줌으로 성형탄(70)의 연소성도 좋게 나타났다.
표 3은 탄화잔사의 함량에 따른 성형탄의 발열량을 나타내는 표이다.
구 분 원료탄 탄화잔사의 함량
(wt%)		 성형탄의 발열량
(㎉/㎏)
실시예1 95wt%의 고등급탄+
5wt%의 저등급탄 차(Char)		 2 7780
실시예2 95wt%의 고등급탄+
5wt%의 저등급탄 차(Char)		 6 8059
실시예3 95wt%의 고등급탄+
5wt%의 바이오매스 차(Char)		 3 7859
실시예4 95wt%의 고등급탄+
5wt%의 바이오매스 차(Char)		 8 8208
표 3은 100 wt%의 원료탄에 바인더로 상기 함량의 탄화잔사를 더 첨가하여 제조된 성형탄의 발열량으로서, 상기 실시예들의 원료탄에 사용된 고등급탄, 저등급탄 차(Char) 및 바이오매스 차(Char)는 표 1에 발열량이 제시된 고등급탄, 저등급탄 차(Char) 및 바이오매스 차(Char)를 사용하였고, 상기 실시예들에 사용된 탄화잔사의 발열량(무수 기준)은 6,977 ㎉/㎏이었다. 표 3을 참조하면, 탄화잔사의 함량이 증가할수록 성형탄의 발열량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 탄화잔사를 바인더로 사용하면 고등급탄의 일부(예를 들어, 5 wt%)를 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)로 대체하여도 성형탄의 발열량이 고등급탄의 발열량(무수 기준, 7,678 ㎉/㎏)보다 높아질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 종래의 바인더(예를 들어, 당밀)보다 발열량이 높은 탄화잔사(예를 들어, 무수 기준 6,977 ㎉/㎏)를 바인더로 사용함으로써 성형탄의 발열량을 원료탄보다 높일 수 있고, 이에 발열량이 높으며 강도가 우수한 고품질의 성형탄을 제조할 수 있다. 한편, 원료탄의 혼합비는 이에 한정되지 않고, 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)의 비율이 50 wt%를 넘지 않는 범위 내에서 정해질 수 있다. 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)의 비율이 50 wt%보다 높아져도 성형탄으로 사용할 수는 있지만, 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)의 비율이 50 wt%보다 높아지면 종래의 성형탄과 동일한 연소 효과를 얻기 위해서 많은 양의 성형탄을 사용해야 하기 때문에 고등급탄을 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)로 대체하는 효과가 없어진다.
이처럼, 본 발명에 따른 성형탄은 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 바인더로 사용하기 때문에 추가 공정이나 추가적인 물질이 필요하지 않고, 이러한 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하로 매우 낮아 통상적으로 사용되고 있는 바인더에서 알칼리금속이 1.5 ~ 2 wt% 함유되어 다량 첨가시 바인더에 함유되어 있는 알칼리금속이 불순물로 작용하여 용선의 품질에 악영향을 주었던 문제를 해결할 수 있다. 그리고 탄화잔사는 높은 발열량을 갖기 때문에 점결탄을 대체하여 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화한 차(Char)를 사용할 때 점결탄을 대체하는 차(Char)에 의한 발열량의 하락을 탄화잔사의 혼합만으로도 보완하여 줄 수 있다. 또한, 탄화잔사는 고가의 바인더를 대체할 수 있어 성형탄의 제조 원가를 낮출 수 있고, 탄화 과정에서 자연적으로 생기는 탄화잔사를 바인더로 사용하기 때문에 단순한 공정으로 저렴하게 성형탄을 제조할 수 있어 제조공정과 제조비용 모두 경제적일 수 있다. 그리고 사용처가 없어 버려지던 탄화잔사를 활용할 수 있어서 환경보존에 도움을 줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 성형탄과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄 제조방법은 원료탄; 및 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 각각 준비하는 단계(S100); 상기 원료탄과 상기 탄화잔사를 혼합하는 단계(S200); 및 상기 원료탄과 탄화잔사의 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
성형탄의 제조방법은 도 1의 흐름도와 같이 진행될 수 있다.
먼저 원료탄; 및 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 각각 준비한다(S100). 상기 원료탄을 준비하는 단계는 고등급탄을 준비하는 단계(S110); 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화하여 차(Char)를 생성하는 단계(S120); 및 상기 고등급탄과 상기 차(Char)를 배합하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 기본적으로, 탄소분(무수 무회 기준, dry basis)이 약 75 % 이상인 고등급탄을 준비한다(S110). 이때, 고등급탄은 한 종류의 석탄을 사용할 수도 있고, 복수의 탄종을 배합하여 사용할 수도 있다. 그리고 저등급탄 또는 바이오매스 중에서 선택한 1종 또는 2종의 혼합물을 탄화하여 차(Char)를 생성한다(S120). 그 다음 상기 고등급탄과 상기 차(Char)를 배합함으로 원료탄을 준비한다(S130). 한편, 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사는 상기 차(Char)를 생성하는 단계(S120)에서 생기는 탄화잔사일 수 있다.
상기 탄화하여 차(Char)를 생성하는 단계에서는 저등급탄 또는 바이오매스를 550 내지 700 ℃의 온도로 20 내지 60분 동안 탄화할 수 있다. 저등급탄 또는 바이오매스를 550 ℃보다 낮은 온도에서 탄화하게 되면 차(Char)의 휘발분 함량이 저등급탄 또는 바이오매스의 원탄보다 낮아지는 정도가 미미하고, 저등급탄 또는 바이오매스를 700 ℃보다 높은 온도에서 탄화하게 되면 휘발분이 너무 많이 제거되어 연소성이 떨어지게 된다. 또한, 시간에 대해서도 비슷한 경향성이 나타나는데, 저등급탄 또는 바이오매스를 20분 미만으로 탄화하게 되면 차(Char)의 휘발분 함량이 저등급탄 또는 바이오매스의 원탄보다 낮아지는 정도가 미미하고, 60분을 초과하여 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화하게 되면 탄화에 필요한 연료소비에 비하여 개질(upgrading) 정도가 미미하게 된다.
다음으로, 원료탄과 탄화잔사를 혼합한다(S200). 탄화잔사는 상기 성형하여 성형체를 형성하는 단계(S300)에서 상기 성형체의 물리적 결합력을 높이기 위한 바인더로 사용될 수 있다. 탄화잔사는 높은 발열량을 갖고, 점결성이 있으며, 함탄 물질로 이루어져 있기 때문에 바인더로 사용하기에 알맞다. 또한, 탄화잔사는 탄화 과정에서 자연적으로 발생되어 사용처가 없어 버려지던 것을 활용하므로 고가의 바인더를 사용하던 기존의 성형탄 제조방법보다 성형탄의 제조 원가를 낮출 수 있다. 그리고 탄화잔사는 탄화 과정에서 발생하는 석탄가스와 타르가 제거되고, 탄화 과정에 의해 생성된 차(Char)가 수거된 후의 잔류물일 수 있다. 상기 차(Char)는 일반적으로 연료 및 에너지원으로 사용되며, 본 발명에서는 성형탄의 원료로 고등급탄과 배합된다. 또한, 탄화 과정에서 발생하게 되는 석탄가스와 타르는 따로 포집하여 연료 및 에너지원으로 사용할 수 있다. 이러한 이유로 탄화장치에 추가적인 구성을 하여 따로 포집하고 있다. 탄화잔사에 석탄가스와 타르가 혼합되어 있어도 무관하나, 석탄가스와 타르가 제거되어도 고가의 바인더를 대체할 수 있기 때문에 석탄가스와 타르를 연료 및 에너지원으로 사용하는 것이 더욱 경제적이다. 또한, 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하일 수 있다. 이에 따라 통상적으로 사용되고 있는 바인더에서 알칼리금속이 1.5 ~ 2 wt% 함유되어 다량 첨가시 용선의 품질에 악영향을 주었던 문제를 해결할 수 있다. 한편, 상기 탄화 과정에 의해 생성된 차(Char)는 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)일 수 있고, 상기 탄화잔사는 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화 과정에서 생기는 탄화잔사일 수 있는데, 이러한 경우 상기 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)를 원료탄으로 이용하고, 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화 과정에서 생기는 모든 탄화잔사를 바인더로 사용할 수 있어 추가 공정이나 추가적인 물질없이 자연적으로 발생된 물질로 우수한 품질의 성형탄을 제조할 수 있으며, 사용처가 없어 폐기물로 버려지던 탄화 찌꺼기를 재활용할 수 있어 자연보존에도 도움을 줄 수 있다.
상기 혼합하는 단계에서는 탄화잔사를 상기 성형체의 전체 중량의 1 내지 10 wt%가 되도록 혼합할 수 있다. 성형체에서 탄화잔사가 성형체의 전체 중량의 1 wt% 미만이 되면 성형탄의 강도가 약화될 수 있으므로 탄화잔사가 성형체의 전체 중량의 1 wt% 이상이 되어야 하고, 탄화잔사가 성형체의 전체 중량의 10 wt%보다 많아지면 점성이 너무 과해 부착 등의 문제가 생길 수 있으므로 탄화잔사가 성형체의 전체 중량의 10 wt% 이하가 되어야 한다. 한편, 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화에 의해 생긴 모든 탄화잔사를 바인더로 사용하면 탄화 과정에서 폐기물이 발생되지 않게 할 수 있고, 탄화잔사의 함량이 상기 성형체의 전체 중량의 1 내지 5 wt%에서 성형체의 강도가 가장 우수하다.
마지막으로, 원료탄과 탄화잔사의 혼합물을 성형하여 성형체를 형성한다(S300). 성형은 성형기에서 성형하며, 성형기에 대한 특별한 제한은 없고, 성형탄의 그 모양과 크기는 용도에 맞게 조정할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 성형탄 및 성형탄 제조방법은 탄화 과정에서 자연적으로 발생하는 탄화잔사를 바인더로 사용하므로 제조 원가가 저렴한 성형탄을 제공할 수 있고, 사용처가 없어 버려지던 탄화잔사를 사용함으로 탄화 과정에서 나오는 폐기물을 줄일 수 있어 환경보존에도 도움을 줄 수 있다. 또한, 본 발명에서 바인더로 사용되는 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하로 매우 낮아 통상적으로 사용되고 있는 바인더에서 알칼리금속이 1.5 ~ 2 wt% 함유되어 다량 첨가시 용선의 품질에 악영향을 주었던 문제를 해결할 수 있고, 높은 발열량을 갖기 때문에 점결탄을 대체하여 저등급탄 또는 바이오매스를 탄화한 차(Char)를 사용할 때 점결탄을 대체하는 차(Char)에 의한 발열량의 하락을 탄화잔사의 혼합만으로도 보완하여 줄 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 저등급탄 또는 바이오매스 20 : 탄화장치
30 : 차(Char) 40 : 고등급탄
50 : 혼합장치 60 : 성형기
70 : 성형탄 80 : 탄화잔사

Claims (13)

  1. 원료탄; 및
    상기 원료탄에 혼합되며, 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 포함하고,
    상기 원료탄은 저등급탄 또는 바이오매스(Biomass)를 550 내지 700 ℃의 온도로 탄화한 차(Char)를 포함하고,
    상기 탄화잔사는 550 내지 700 ℃의 온도에서 수행되는 상기 저등급탄 또는 상기 바이오매스의 탄화 과정에서 생기는 잔류물이며, 6,900 내지 7,100 ㎉/㎏의 발열량을 갖고, 상기 원료탄 입자 간의 물리적 결합력을 높여주는 바인더인 성형탄.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료탄은 고등급탄; 및 상기 차(Char)가 배합된 배합탄인 성형탄.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하인 성형탄.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화잔사는 잔류 미분탄과 점성의 액상물질이 혼합된 슬러리(Slurry)인 성형탄.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화잔사는 상기 성형탄 전체 중량의 1 내지 10 wt%를 차지하는 성형탄.
  7. 원료탄; 및 탄소함유물의 탄화 과정에서 생기는 잔류물인 탄화잔사를 각각 준비하는 단계;
    상기 원료탄과 상기 탄화잔사를 혼합하는 단계; 및
    상기 원료탄과 탄화잔사의 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 원료탄을 준비하는 단계는 저등급탄 또는 바이오매스를 550 내지 700 ℃의 온도로 탄화하여 차(Char)를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄화잔사는 저등급탄 또는 바이오매스를 550 내지 700 ℃의 온도로 탄화하는 상기 차(Char)를 생성하는 단계에서 생성되며, 6,900 내지 7,100 ㎉/㎏의 발열량을 갖고, 상기 성형하여 성형체를 형성하는 단계에서 상기 성형체의 물리적 결합력을 높이기 위한 바인더로 사용되는 성형탄 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 원료탄을 준비하는 단계는,
    고등급탄을 준비하는 단계; 및
    상기 고등급탄과 상기 차(Char)를 배합하는 단계를 포함하는 성형탄 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 차(Char)를 생성하는 단계에서는 상기 저등급탄 또는 바이오매스를 20 내지 60분 동안 탄화하는 성형탄 제조방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄화잔사는 상기 저등급탄 또는 바이오매스의 탄화 과정에서 발생하는 석탄가스와 타르가 제거되고, 상기 저등급탄 또는 바이오매스의 차(Char)가 수거된 후의 잔류물인 성형탄 제조방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄화잔사는 알칼리금속의 함량이 0.025 wt% 이하인 성형탄 제조방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 혼합하는 단계에서는 상기 탄화잔사를 상기 성형체의 전체 중량의 1 내지 10 wt%가 되도록 혼합하는 성형탄 제조방법.
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