KR101914085B1 - 성형탄의 제조 방법 및 성형탄 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 성형탄의 제조 방법은 원료탄 및 산처리된 전분 분말을 혼합하여 배합탄을 제조하는 과정, 배합탄을 열처리하여, 상기 산처리된 전분 분말을 바이오 플라스틱으로 변형시키는 과정, 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정 및 성형탄을 건조시키는 과정을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시형태에 의하면, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄을 제조하더라도 수분이 6% 이하로 낮은 성형탄을 제조할 수 있다. 이에 수분의 의한 성형탄의 강도 하락을 방지할 수 있어, 높은 강도의 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 성형탄을 열풍을 이용하여 건조시키더라도, 글리세롤 첨가에 의해 열간강도(또는 드럼강도)가 하락하는 것을 방지할 수 있다.

Description

성형탄의 제조 방법 및 성형탄{METHOD FOR MANUFACTURING OF COAL BRIQUETTES AND COAL BRIQUETTES}

본 발명은 성형탄의 제조 방법 및 성형탄에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강도가 향상된 성형탄의 제조 방법 및 성형탄에 관한 것이다.

용융 환원 제철 설비는 철광석을 환원시키는 환원로(20)와, 환원된 철광석 즉, 환원철을 용융시키는 용융가스화로(10)를 포함한다(도 10 참조). 여기서, 용융가스화로(10)에서 환원철을 용융시킬 때, 환원철을 용융할 열원으로서 성형탄을 장입한다. 그리고 환원철은 용융가스화로(10)에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환되어 외부로 배출된다.

용융가스화로(10)에 장입된 성형탄은 석탄 충전층을 형성하며, 상기 용융가스화로(10)에 마련된 풍구를 통하여 산소가 취입되면, 석탄 충전층이 연소되어 연소 가스를 생성한다. 연소 가스는 석탄 충전층을 통하여 상승하면서 고온이 환원 가스가 되며, 이는 용융가스화로(10)의 외부로 배출되어 환원로에 공급된다. 그리고 환원로로(10) 공급된 환원 가스에 의해, 상기 환원로(20)로 장입된 철광석이 유동 환원되어 환원철로 제조된다.

한편, 성형탄이 용융가스화로(10)의 상측 공간은 다른 공간에 비해 넓게 형성된 돔부가 마련되어 있으며, 여기 돔부로 성형탄이 장입된다. 그런데, 돔부는 다른 부분에 비해 넓기 때문에 고온의 환원가스가 다량 존재하여, 성형탄이 급속한 열충격에 의해 쉽게 분화되며, 또한 성형탄이 용융가스화로(10) 내 하측으로 이동하면서 분화되는 문제가 있다. 이는 성형탄의 열간강도 및 냉간강도가 낮기 때문이다.

성형탄은 통상 석탄과 바인더를 혼합하여 성형함으로써 제조되며, 바인더로서 당밀을 사용한다. 그런데 당밀을 바인더로 사용하는 경우, 성형탄의 품질을 일정하게 제어할 수 없고, 높은 수분을 가지는 당밀을 사용하는 경우 성형탄의 품질이 저하되는 문제가 있다

한국공개특허 2016-0074351

본 발명은 강도가 향상된 성형탄의 제조 방법 및 성형탄에 관한 것이다.

본 발명에 따른 성형탄의 제조 방법은 원료탄 및 산처리된 전분 분말을 혼합하여 배합탄을 제조하는 과정; 상기 배합탄을 열처리하여, 상기 산처리된 전분 분말을 바이오 플라스틱으로 변형시키는 과정; 상기 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정; 및 상기 성형탄을 건조시키는 과정; 을 포함한다.

상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서, 상기 성형탄을 60℃ 내지 200℃로 건조시킨다.

상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서,

상기 성형탄으로 열풍을 분사하여, 상기 성형탄을 건조시킨다.

상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서, 상기 배합탄을 성형하여 제조된 성형탄을 건조빈에 장입시키는 과정; 상기 건조빈으로 열풍을 취입하여 상기 성형탄 중 수분을 수증기화 하는 과정; 및 상기 수증기를 상기 건조빈으로부터 배출시키는 과정;을 포함한다.

상기 배합탄을 제조하는 과정에 있어서, 상기 원료탄 및 산처리된 전분 분말에 글리세롤을 혼합하는 과정을 포함한다.

상기 글리세롤을 혼합하는 데 있어서, 상기 성형탄 전체에 대해, 상기 글리세롤이 1 내지 3 중량% 포함되도록 혼합한다.

본 발명에 따른 성형탄은 원료탄, 바이오 플라스틱 및 글리세롤을 포함한다.

상기 바이오 플라스틱이 1 내지 10 중량%, 상기 글리세롤이 1 내지 3 중량%, 수분이 6 중량% 이하 포함되고, 잔부가 원료탄이다.

본 발명의 실시형태에 의하면, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄을 제조하더라도 수분이 6% 이하로 낮은 성형탄을 제조할 수 있다. 이에 수분의 의한 성형탄의 강도 하락을 방지할 수 있어, 높은 강도의 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 성형탄을 열풍을 이용하여 건조시키더라도, 글리세롤 첨가에 의해 열간강도(또는 드럼강도)가 하락하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성형탄의 건조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 건조 장치를 개념적으로 나타난 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 건조 시에 성형탄 중 바이오 플라스틱의 표면 변화를 나타낸 사진
도 5는 열풍 취입 유속 변화 및 열풍 온도에 따른 성형 탄 내 수분 함량을 나타낸 그래프
도 6은 성형탄의 건조 시에, 열풍의 취입 유속에 따른 성형탄의 수분량 변화를 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법을 적용한 성형탄 제조 설비를 개략적으로 나타낸 도면
도 8은 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 성형탄의 압축 강도 결과를 나타낸 그래프
도 9는 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 성형탄의 드럼 강도를 나타낸 그래프

이하, 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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 강도가 향상된 성형탄 및 그 제조 방법과, 성형탄 제조 설비에 관한 것이다. 보다 구체적인 예로서, 용융가스화로에서 환원철을 용융시키기 위해 열원으로 사용될 성형탄을 제조하는데 있어서, 강도가 향상된 성형탄 및 그 제조 방법과, 성형탄 제조 설비를 제공한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성형탄의 건조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 건조 장치를 개념적으로 나타난 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 건조 시에 성형탄 중 바이오 플라스틱의 표면 변화를 나타낸 사진이다. 도 5는 열풍 취입 유속 변화 및 열풍 온도에 따른 성형 탄 내 수분 함량을 나타낸 그래프이다. 도 6은 성형탄의 건조 시에, 열풍의 취입 유속에 따른 성형탄의 수분량 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 성형탄 제조 방법은 원료탄과 산처리된 전분을 혼합하는 과정(S100), 원료탄과 전분이 혼합된 혼합물에 글리세롤을 혼합하여 배합탄을 제조하는 과정(S200), 배합탄을 열처리하는 과정(S300), 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정(500), 성형탄을 건조하는 과정(600)을 포함한다.

이하, 성형탄 제조 과정에서 각 단계에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 원료탄을 준비한다, 원료탄은 복수종의 석탄으로서, 석탄은 탄화도에 따라 탄소분이 약 60%인 이탄, 약 70%인 아탄 및 갈탄, 약 70% 내지 80%인 아역청탄, 약 80% 내지 90%인 역청탄, 90% 이상인 무연탄으로 구분된다. 상술한 석탄들 중, 원료탄으로 사용되는 석탄은 특별히 한정되지는 않으며, 단일종 또는 복수종의 석탄을 혼합하여 원료탄으로 사용할 수 있다. 그리고, 원료탄은 입도가 작은 미분의 석탄(이하, 미분탄)을 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대, 입도가 3mm 이하가 80% wt% 이상, 입도 5mm 이하가 90 wt% 이상인 입도 분포를 가지는 미분탄을 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 원료탄과 산처리된 전분이 준비되면, 이들을 혼합한다(S100). 본 발명의 실시예에서는 사전 제조된 바이오 플라스틱을 원료탄과 직접 혼합하지 않고, 바이오 플라스틱의 원료가 되는 산처리된 전분을 원료탄에 혼합한다. 그리고 후술되는 배합탄의 열처리 과정을 거치면서 산처리된 전분이 바이오 플라스틱으로 합성되도록 함으로써, 합성된 바이오 플라스틱이 성형탄의 바인더로서 기능하도록 한다.

한편, 원료탄에 사전 제조된 바이오 플라스틱을 직접 혼합하는 경우, 원료탄 표면에 바이오 플라스틱이 코팅 또는 도포되는 것이 어려우며, 이를 해결하기 위해 바이오 플라스틱을 고온에서 재용융시키는 과정이 추가적으로 필요하게 되는 문제가 있다. 그런데 이 경우, 재용융된 바이오 플라스틱은 탄성 회복력이 낮아, 제조된 성형탄의 즉시 강도가 낮아지게 된다.

그러나, 본 발명의 실시예서와 같이, 먼저 산처리된 전분 분말을 원료탄과 혼합한 후, 이후 열처리를 통해 산처리된 전분 분말을 바이오 플라스틱으로 합성시킴으로써, 상기 바이오 플라스틱이 원료탄 입자의 표면에 원활이 도포되도록 할 수 있다. 이로 인해 성형탄의 강도를 향상시킬 수 있다.

이하에서는 전분과, 전분을 산처리시켜, 분말 상태로 제조하는 방법에 대해 설명한다.

전분은 아밀로스 20 내지 30 중량%, 아밀로 펙틴 70 내지 80 중량%를 포함한다. 아밀로스는 선형의 헬릭스(Helix) 구조이므로, 탄력적이고, 매질에 효과적으로 도포가 가능하며, 고밀도로 도포되는 특성이 있어, 바인더로서 매우 효과적이다. 그런데, 아밀로 펙틴은 가지 구조로 되어있어 하드하므로, 바인딩하고자 하는 물질에 효과적으로 도포되지 못한다. 또한, 가지 구조는 선형 구조 대비 밀도가 낮으므로, 바인딩 후 바인더 부분의 강도가 취약하므로, 외압에 의한 변형에 취약하고 점탄성 능력이 약하다. 따라서, 본 발명에서는 배합탄의 열처리 과정에 의해 전분이 바이오 플라스틱으로 합성되어, 바인더로서 유리한 아밀로스 구조가 늘어나고, 아밀로 펙틴 구조가 줄어들게 되어, 성형탄의 냉간 강도 및 열간 강도가 향상된다.

전분을 산처리 시키는 과정은 바이오매스를 분쇄하는 과정, 분쇄된 바이오매스를 산 수용액에 침지하여 전분을 포함하는 여액을 분리하는 과정, 분리된 여액을 pH 3 내지 5.5로 세정하는 과정 및 세정된 여액을 건조하는 과정을 포함한다. 이때, 바이오매스는 카사바, 옥수수, 밀, 쌀, 보리 및 감지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 옥수수를 사용할 수 있다.

옥수수를 사용하는 경우, 0.2 내지 0.5 부비%의 아황산 용액을 사용하여 침지시킨다. 옥수수를 침지시키면, 흡수되면서 서서히 팽윤하고, 수분이 약 40 중량%가 되면 포화상태가 된다. 포화 상태가 되면서 원료 중의 가용성 물질이 침지액속에 용출되기 시작하고, 젖산균이 발육하여 용출된 당분이 젖산으로 발효된다. 발효된 젖산과 아황산이 단백질을 붕괴시켜서 전분과 단백질의 결합을 연하게 하여, 전분의 분리가 쉽도록 유도된다. 아황산 용액에 침지시킨 옥수수를 파쇄기를 사용하여 파쇄한다. 파쇄된 것을 씨눈 분리조로 이동시켜 전분을 분리시킨다. 이때, 원신 분리 방법을 이용하는 회전형 여과기를 사용할 수 있으며, 분리된 전분 여액은 다음 공정으로 보내진다. 이때, 여액이 pH 3 내지 5.5까지 세정을 한다. 그리고 건조 과정을 통해 수분이 15 중량% 이하가 되도록 한다. 이렇게 되면, 황산 및 젖산이 일부 옥수수 전분 분말속에 존재하게 된다. 황산은 0.01 중량% 이상, 젖산은 0.1 중량% 이상 함유될 수 있다. 즉, 산처리된 전분 분말은 0.01 내지 1 중량%의 황산 및 0.1 내지 1 중량%의 젖산을 포함할 수 있다.

한편, 일반적으로 전분을 제조할 때, 전분으로부터 산을 추출하는 단계에서 추출제를 산 수용액 내의 산 성분의 100 중량% 이상을 사용한다. 본 발명의 일 실시예에서는 전분이 아닌 산처리된 전분을 사용하므로, 추출제를 산 수용액 내의 산 성분의 40 내지 60 중량% 사용하는 것으로 충분한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 산처리 전분을 제조하는 과정은 일반 전분을 제조하는 과정에 비해 간단한 장점이 있다.

실시예에 따른 산처리된 전분 분말은 30 부피%의 농도로 물에 용해했을 때, pH가 3 내지 5.5가 되도록 한다. 예를 들어, pH가 5.5를 초과하면 바이오 플라스틱의 점탄성을 적절하게 얻기 어렵고, 반대로 pH가 3 미만인 경우 바이오 플라스틱의 점탄성이 낮아지며 장비의 부식이 발생할 수 있다. 따라서, pH를 3 내지 5.5, 보다 바람직하게는 4 내지 5로 조절한다.

또한, 산처리된 전분 분말의 평균 입경이 0.01 내지 1mm가 되도록 한다. 예컨대, 산처리된 전분 분말의 평균 입경이 0.01mm 미만인 경우 산처리된 전분 분말끼리 뭉치게 되어, 원료탄과의 혼합이 원활하지 않을 수 있다. 또한, 산처리된 전분 분말의 평균 입경이 1mm를 초과하여 너무 큰 경우, 원료탄과의 혼합이 원활하지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 평균 입경이 0.01 내지 1mm로 산처리된 전분 분말을 마련한다.

상술한 바와 같은 미분탄인 원료탄과 산처리된 전분이 마련되면, 이들을 혼합한다(S100). 산처리된 전분 분말의 첨가량은 제조하는 배합탄 전체에 대하여, 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 2 내지 8 중량%로 첨가한다. 산처리된 전분 분말의 첨가량이 10 중량%를 초과하도록 너무 많은 경우, 산처리된 전분 분말과 원료탄과의 균일한 혼합이 어려워질 수 있다. 반대로 산처리된 전분 분말의 첨가량이 1 중량부 미만으로 너무 작은 경우, 바이오 플라스틱으로 인한 바인딩 효과가 미미할 수 있다.

또한, 원료탄과 산처리된 전분 분말을 혼합하는데 있어서, 50℃ 내지 200℃의 온도 환경에서 혼합하는 것이 바람직하며, 이는 원료탄과 산처리된 전분 분말의 균일 혼합을 위함이다. 또한, 50℃ 내지 200℃의 온도 환경에서 혼합함에 따라 산처리된 전분 분말 중 일부 중 일부가 바이오 플라스틱으로 합성될 수 있으나, 본격적인 합성은 이후 서명되는 배합탄의 열처리 과정(S300)에서 이루어진다.

한편, 혼합시 온도가 50℃ 미만으로 너무 낮은 경우, 이후 배합탄 열처리 단계(S300)에서 필요한 온도까지 승온시키는데 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 혼합시 온도가 200℃를 초과하여 너무 높은 경우, 배합탄 열처리 단계(300)에서 원료탄과 충분히 혼합되지 않은 산처리된 전분 분발이 바이오 플라스틱으로 변형될 수 있다.

원료탄과 산처리된 전분 분말이 충분히 혼합되면, 여기에 글리세롤을 투입하여 혼합함으로써 배합탄을 제조한다(S200). 이때, 50℃ 내지 200℃의 온도에서 글리세롤을 혼합하는것이 바람직하다. 그리고, 배합탄 전체 100 중량%에 대해, 글리세롤이 1 내지 3 중량% 포함하도록 혼합한다. 글리세롤은 이후 제조된 성형탄의 건조 과정에 의해, 성형탄의 강도, 보다 구체적으로는 열간강도(또는 드럼강도)가 저하되는 것을 방지하기 위한 목적으로 투입되는 첨가제이다. 이에 대해서는 이후에 다시 실명한다.

예컨대, 글리세롤이 1 중량% 미만으로 첨가되는 경우, 성형탄의 열간강도(또는 드럼강도)가 약하다. 반대로 글리세롤이 3 중량%를 초과하도록 첨가되는 경우, 미분탄 및 산처리된 전분 분말과 균일 혼합이 이루어지지 않을 수 있다.

상기에서는 원료탄과 산처리된 전분 분말을 먼저 혼합한 후에 글리세롤을 혼합하는 것으로 설명하였다. 이는 원료탄, 산처리된 전분 분말 및 글리세롤이 보다 균일하게 혼합되도록 하기 위함이다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 원료탄, 산처리된 전분 분말 및 글리세롤을 동시에 투입하고. 혼합 시간 및 온도를 가변시켜 균일하게 혼합되도록 할 수 있다.

이렇게, 원료탄, 산처리된 전분 분말 및 글리세롤이 혼합된 배합탄이 제조되면, 이를 열처리한다(S300). 이때, 배합탄을 120℃ 내지 300℃로 열처리함으로써, 배합탄 내 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형된다. 한편, 배합탄의 온도가 120℃ 이상으로 상승하지 않는 경우 바이오 플라스틱의 합성이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.

실시예에서는 배합탄을 열처리하는 열원으로서, 열과 수분을 동시에 공급할 수 있는 스팀을 이용한다. 즉, 배합탄으로 120℃ 내지 300℃의 스팀을 공급하여 배합탄을 열처리함으로써, 배합탄에 바이오 플라스틱 합성에 필요한 수분 및 열이 공급한다.

이하, 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형되는 메커니즘을 구체적으로 설명한다.

전분 내에 포함된 아밀로스와 아밀로 펙틴은 크리스탈 구조로 되어 있다. 아밀로스는 선형이고, 아밀로 펙틴은 아밀로스 구조에 가지를 가지고 있는 구조이다. 여기에 열을 가하고 물을 첨가하여 주면, 물이 크리스탈 내부로 침투하게 된다. 상온에서는 물이 결정 사이로 침투하기가 어렵다. 결정 사이로 침투한 물은 아밀로스와 아밀로 펙틴을 수소 결합(hydrogen bonding)으로 결합한다. 아밀로 펙틴은 산에 의해 가지가 절개되어 아밀로스로 형성된다. 아밀로스 결정틈으로 물이 침투하게 되면 수소 결합이 일어나면서, 친수기 소수기 상호작용에 의해 친수기 OH 그룹은 밖으로 향하고, 소수기인 C-C 결합은 안으로 향하게 되어, 헬릭스(Helix) 구조로 변형이 일어난다. 그리고 전분 내에 존재하는 극성 지방질(Polar lipid)과 결합하여 극성 지방질 중심으로 더블 헬릭스(double helix) 구조를 형성하게 된다. 극성 지방질과 결합하지 않은 헬릭스는 헬릭스끼리 더블 헬릭스 구조를 이루게 된다. 아밀로스의 경우도 더블 헬릭스로 공유되었다가 물은 밖으로 배출이 되고 결정 구조를 형성하게 된다.

아밀로 펙틴이 아밀로스로 변화하는 메커니즘은 다음과 같다. 아밀로스 글루코스(glucose)가 알파 1,4-bonding으로 구성되어 있다. 아밀로 펙틴은 메인 골격구조(back-bone)가 1,4-bonding으로 구성되어 있고, 가지 부분은 알파 1,6-bonding을 통하여 골격 구조에 연결되어 있다.

pH 3 내지 5.5 사이 및 온도가 60℃ 이상에서 알파 1,4 bonding은 절개가 되지 않는 반면, α- 1,6-bonding은 절개가 일어난다. 그러므로 산 존재하에서 선택적으로 α- 1,6-bonding 절개가 가능하다. 그러므로 아밀로 펙틴의 가지를 절개하여 아밀로스와 유사한 선형으로 만드는 것이 가능하다.

이 같은 과정을 통해, 펙틴 25 내지 70 중량% 및 아밀로스 30 내지 75 중량%로 이루어진 바이오 플라스틱을 합성할 수 있다. 보다 구체적으로 바이오 플라스틱은 아미롤 펙틴 25 내지 35 중량% 및 아밀로스 65 내지 75 중량%로 이루어진다. 바이오 플라스틱은 밀도가 상대적으로 높아, 성형탄의 강도가 증가하고 선형 분자의 헬릭스 구조를 형성하여 미분탄 표면에 효과적인 점착이 가능하다.

배합탄의 열처리(S300) 이후, 열처리된 배합탄을 건조하는 과정(S400)을 더 포함할 수 있다(S400). 배합탄의 건조는 50 내지 200℃의 온도의 열풍을 3 내지 10 분 동안 배합탄으로 분사하여 건조할 수 있다.

배합탄의 건조가 완료되면, 이를 성형하여 성형탄을 제조한다(S500). 이때, 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤 사이에 배합탄을 장입하여 압착 성형하여, 성형탄을 제조할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 배합탄 제조 시에, 원료탄, 산처리된 전분 분말 및 글리세롤을 혼합한다. 즉, 전분 분말 그대로를 원료탄에 혼합하지 않고, 이를 산 용액을 통해 산처리 과정을 거친 후에, 분말 상태로 제조하여 원료탄과 혼합한다. 그런데, 산처리된 전분이 분말 상태가 되었다 하더라도, 산처리 과정을 거쳤기 때문에, 그 내부에 수분이 존재한다. 따라서, 이러한 산처리된 전분을 원료탄과 혼합한 후, 열처리하여 바이오 플라스틱이 포함된 성형탄을 제조하는 경우, 상기 성형탄 중 수분 함량이 약 8 중량%로 높다. 즉, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄은 바이오 플라스틱을 포함하지 않는 일반 성형탄에 비해 2 내지 5 중량%의 수분을 더 포함하고 있다. 따라서, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄은 그렇지 않은 성형탄에 비해 강도가 낮고, 이에 따라 용융가스화로로 성형탄 투입 시에 열 충격에 의해 분화됨에 따라, 성형탄으로 인한 열 발생 효율이 떨어지는 문제가 있다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 바이오 플라스틱에 의한 수분 함량 증가 문제를 해결하기 위해, 성형탄 제조 후에, 열풍을 이용하여 성형탄을 건조시켜(S600), 수분 함량을 6% 이하로 낮추면서, 건조에 의한 바이오 플라스틱의 가교(cross-linking)을 유도하여 밀도를 높인다. 다른 말로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법에 의하면 바이오 플라스틱을 포함하도록 성형탄을 제조하더라도, 수분 함량이 6% 이하로 낮고, 강도가 높은 성형탄을 제조할 수 있다.

바이오 플라스틱의 건조에 의한 상태 변화를 알아보기 위해, 바이오 플라스틱의 건조전, 건조 시간에 따른 표면 관찰을 실시하였다. 실험을 위하여, 동일한 조건을 산처리된 전분 분말을 제조한 후, 이를 열처리하여 바이오 플라스틱을 제조하였다. 그리고, 제조된 바이오 플라스틱의 일부는 건조를 하지 않고(도 4a), 일부는 건조를 실시하였다(도 4b, 도 4c). 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 바이오 플라스틱을 건조하지 않은 경우 도 4a에 도시된 바와 같이 그 표면에 바이오 플라스틱의 각 분자들이 각기 따로 따로 존재하거나, 떨어져 있다. 하지만, 바이오 플라스틱을 건조한 경우 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 바이오 플라스틱의 각 분자들 예컨대, 시트르산(citric acid)과 가지(hydrolysis) 간의 가교(cross-linking)가 일어나, 밀도가 높은 표면을 확인할 수 있다. 또한, 15분 동안 건조한 도 4b에 비해 30 건조한 바이오 플라스틱 표면의 밀도가 더 높음을 확인할 수 있다.

이로부터, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄 제조 후에, 성형탄을 건조시키는 과정은 성형탄 내 바이오 플라시특의 가교를 도움으로써, 보다 밀도를 높여, 강도 향상에 효과가 있음을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 성형탄의 건조를 위해, 본 발명의 실시예에서는 제조된 성형탄을 빈(이하, 건조빈)에 장입하고, 건조빈(81)으로 열풍을 취입하여 성형탄을 건조한다.

도 2를 참조하면, 성형탄의 건조 과정(S600)은 제조된 성형탄을 건조빈(81)으로 장입하는 과정(S610), 건조빈(81) 하부로 열풍을 취입하는 과정(S620), 취입된 열풍에 의해 건조된 성형탄을 건조빈(81)으로부터 배출시키고(S631), 열풍에 의한 건조 과정에서 생성된 수증기를 건조빈(81)으로부터 배출시키는 과정(S632)을 포함한다.

건조빈(81)으로 성형탄을 장입하는데 있어서, 건조빈(81) 내에 일정 높이 또는 레벨(Level)이 유지될 수 있도록 성형탄을 장입한다. 건조빈(81)은 예컨대, 100 내지 300 ton의 성형탄을 저장할 수 있으며, 상측으로 성형탄의 투입이 가능하고, 하측으로 건조된 성형탄이 0 내지 50ton/h 불출이 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 건조빈(81)의 하부에는 열풍을 취입하는 열풍 취입관(82)이 연결되고, 건조빈(81)의 하부에는 수증기를 배출시키는 배출관(83)이 연결될 수 있다.

성형탄을 건조하는데 있어서, 60℃ 내지 200℃의 열풍을 건조빈(81)으로 취입하여, 성형탄 내 수분을 6 중량% 이하로 조절한다. 이때, 열풍은 1000 내지 100000 Nm₃/Hr의 유량 및 800mmAq 내지 12000mmAq 압력으로 취입하는 것이 바람직하다. 한편, 60℃ 미만의 열풍을 취입하는 경우 성형탄 내 수분이 6 중량% 초과하게 되어, 강도 높은 성형탄을 제조할 수 없다. 또한, 200℃를 초과하는 열풍은 성형탄 내 수분을 6 중량% 이하로 조절하는데 있어서, 과도하게 높은 열일 수 있고, 상기 200℃를 초과하는 열풍을 조달 또는 제공하기가 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 60℃ 내지 200℃로 열풍을 건조빈(81)으로 취입하여 성형탄을 건조하여 수분을 제거함으로써, 6 중량% 이하의 수분이 함유된 성형탄을 제조할 수 있다.

그리고, 건조빈으로 열풍을 취입하는데 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 취입되는 열풍의 유속 및 열풍 온도에 따라 건조된 성형탄 내 수분 함량이 다르다. 즉, 유속이 느리고, 열풍 온도가 높을 수록 건조된 성형탄 내 수분 함량이 낮음을 알 수 있다.

또한, 건조빈에 열풍을 취입하여 성형탄을 건조시키는데 있어서, 실시예에서는 건조빈 내 성형탄이 같은 레벨 또는 높이로 유지되도록, 건조빈으로 열풍을 취입하여 성형탄을 건조시키고, 건조된 성형탄을 배출시키면서, 동시에 건조빈으로 건조할 성형탄을 연속 장입하는 연속 건조를 실시한다. 이러한 연속 건조 시에 건조빈으로 취입되는 열풍 유량에 따라 건조된 성형탄의 수분 함량이 달라지며 이를 도 6에 도시하였다. 도 6을 참조하면, 연속 건조 시에 6 중량% 이하의 수분을 가지도록 하기 위해서, 열풍은 60,000Nm3/hr 이상인 것이 바람직함을 알 수 있다.

실시예에서는 성형탄 건조에 사용되는 열풍으로, LNG 또는 LPG를 히터 예컨대 버너(Bunner)를 이용하여 가열시킨 가스를 사용하거나, 제철소 내에서 발생되는 부생 가스를 태워 열원으로 사용할 수 있다. 여기서 체철소 내에서 발생되는 부생가스는 유동환원로의 상부에서 배출되는 FOG(Fines Off Gas), 코크스 오븐에서 발생되는 COG(Cokes Oven Gas), 고로에서 배출되는 고로 배가스 즉, BFG(Blast Furnace Gas) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 열풍으로 환원철을 산화시킬 때 발생하는 폐열을 회수하여 사용할 수 있다.

이렇게 본 발명에서는 성형탄 제조 후에 이를 열풍을 이용하여 건조시킴으로써, 수분이 6 중량% 이하로 낮게 함유되고, 밀도가 높은 성형탄을 제조할 수 있다. 다른 말로 하면, 바인더로서 바이오 플라스틱 함유된 성형탄은 약 8 중량%의 수분을 가지고 있으나, 성형탄 제조 후에 본 발명의 실시예에 따른 건조를 거치면서 6 중량% 이하로 수분을 제거할 수 있다.

그런데, 이렇게 성형탄을 열풍을 이용하여 건조시키는 경우, 열풍의 고온에 의해 열간강도(또는 드럼강도)가 하락하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 열간강도(또는 드럼강도) 하락을 방지하기 위해, 글리세롤을 첨가한다. 즉, 배합탄 제조시에 원료탄과 산처리된 전분 분말의 혼합물에 글리세롤을 더 첨가한다. 이때, 배합탄 전체에 대해 1 내지 3 중량% 포함되도록 글리세롤을 첨가한다. 따라서, 성형탄을 건조시키더라도, 글리세롤에 의해 열간강도(또는 드럼강도) 하락을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이 제조된 성형탄은 바이오 플라스틱 1 내지 10 중량%, 수분 6 중량% 이하, 글리세롤 1 내지 3 중량% 잔부로 석탄을 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 성형탄은 글리세롤 첨가 및 성형탄 건조에 의해 우수한 강도를 갖는다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법에 의하면, 바이오 플라스틱을 포함하는 성형탄을 제조하더라도 수분이 6% 이하로 낮은 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 성형탄을 열풍을 이용하여 건조시키더라도, 글리세롤 첨가에 의해 열간강도(또는 드럼강도)가 하락하는 것을 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 방법을 적용한 성형탄 제조 설비를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 성형탄 제조 설비는 원료탄을 공급하는 제 1 저장빈(11), 산처리된 전분 분말을 공급하는 제 2 저장빈(12), 글리세롤을 공급하는 제 3 저장빈(13), 원료탄, 전분 및 글리세롤을 혼합하여 배합탄을 제조하는 믹서(30), 배합탄을 열처리하는 니더(50), 니더(50)로부터 열처리된 배합탄을 성형하는 성형기(70), 성형기의 후단에 연결되어 제조된 성형탄을 건조시키는 성형탄 건조 장치(80)를 포함한다.

믹서(30)로 먼저 원료탄 및 산처리된 전분 분말이 공급되어 혼합되고, 이후 여기에 글리세롤을 투입하여 혼합함으로써, 원료탄, 전분 및 글리세롤을 포함하는 배합탄을 제조한다.

믹서(30)에는 예열 믹서(30)가 연결되어, 배합탄을 60℃ 내지 200℃의 온도로 예열하면서 혼합할 수 있으며, 예열을 위해 스팀을 공급할 수 있다. 예열 믹서에서 60℃ 내지 200℃ 온도 분위기하에서 배합탄을 제조함으로써, 이후 수행되는 장치인 니더(50)에서 배합탄의 열처리를 용이 또는 신속하게 처리할 수 있다.

니더(50)는 믹서(30) 또는 예열 믹서(30)로부터 제공받은 배합탄을 열처리하여, 상기 배합탄 내 포함된 산처리된 전분을 바이오 플라스틱으로 변형 또는 합성시킨다. 이때 배합탄을 열처리하는 열원은 120℃ 내지 300℃의 스팀일 수 있다.

니더(50)의 후단에는 열처리된 배합탄을 건조하는 건조기(60)가 연결될 수 있다. 건조기(60)는 열처리된 배합탄을 50 내지 200℃에서 3 내지 10분 동안 건조할 수 있다. 보다 구체적으로 건조기는 70℃ 이상의 열풍을 분사하고, 벤트(vent)가 가능한 구조로 구성되어, 니더(50)에서 발생된 수분이 즉시 증발하도록 할 수 있다.

성형기(70)는 니더(50)로부터 열처리된 배합탄을 압축 성형하여, 성형탄을 제조한다. 이러한 성형기(70)는 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 배합탄을 장입하여 성형탄으로 성형할 수 있다.

성형탄 건조 장치(80)는 성형기에서 제조된 성형탄을 저장하는 건조빈(81), 건조빈(81)으로 열풍을 공급하는 열풍 취입관(82), 건조빈(81)에서 발생된 수증기를 배출하는 배출관(83) 및 배출관(83)에 연결된 집진 장치(84)를 포함한다.

건조빈으로 성형탄이 장입되면, 열풍 공급관은 건조빈으로 120℃ 내지 200℃의 열풍을 건조빈으로 공급한다. 공급된 열풍은 성형탄을 건조시켜 수분을 수증기화하며, 수증기는 배출관 및 집진 장치를 통해 건조빈 외부로 배출된다. 이러한 성형탄 건조 장치에 의해 수분이 6% 이하로 낮은 성형탄을 제조할 수 있다.

도 8은 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 성형탄의 압축 강도 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 비교예 및 실시예에 따른 성형탄은 모두 바이오 플라스틱 및 글리세롤을 포함한다. 그리고 비교예는 배합탄을 성형한 성형탄을 건조시키지 않았고, 실시예는 120℃ 내지 200℃의 열풍으로 건조시켰다.

이후, 비교예 및 실시예에 따른 성형탄의 압축강도를 측정하였다. 즉, 성형탄의 하부를 고정하고, 상부에서 일정한 속도록 눌러서 파괴될 때까지의 최고 하중을 측정함으로써 압축강도(kgf)를 측정하였다.

도 8을 참조하면, 성형탄을 건조시킨 실시예가 비교예에 비해 약 2배 이상의 높은 압축 강도를 나타내었다. 이는 비교예는 성형탄을 건조하지 않아 수분 함량이 약 8 중량%이나, 실시예의 경우 성형탄을 건조시켜 수분 함량을 6 중량% 이하로 낮췄기 때문이다.

도 9는 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 성형탄의 드럼 강도를 나타낸 그래프이다.

여기서, 비교예 및 실시예에 따른 성형탄은 모두 바이오 플라스틱을 포함한다. 그리고 비교예는 배합탄 제조시에 글리세롤을 첨가하지 않고 성형탄을 제조하였고, 실시예는 배합탄 제조시에 글리세롤을 첨가한 후 성형탄을 제조하였다.이후 비교예 및 실시예에 따른 성형탄 각각을 120℃ 내지 200℃의 열풍으로 동일 시간동안 건조시켜, 수분 함량을 6 중량% 이하로 낮췄다.

이후, 비교예 및 실시예에 따른 성형탄의 드럼강도를 측정하였다. 즉, 드럼 내부에 성형탄을 장입하고, 드럼을 20rpm으로 30분동안 회전(600회 회전) 시킨 후에, 입도를 기준으로 분급한다. 그리고, 전체 성형탄 무게에 대한 입도가 32mm 이상인 성형탄의 무게를 산술하여 도 9와 같이 나타내었다.

도 9를 참조하면, 글리세롤을 첨가한 실시예가 글리세롤을 첨가하지 않은 비교예에 비해 드럼강도가 높다. 즉, 비교예 및 실시예에 따른 성형탄 모두 바이오 플라스틱을 포함하기 때문에, 이로 인한 수분 증가를 방지하기 위하여, 열풍을 이용하여 성형탄을 건조시켜 수분 함량을 6 중량% 이하로 낮췄다. 그런데 성형탄을 건조시키면, 그 열에 의해 성형탄의 드럼강도가 하락하는데, 실시예의 경우 성형탄에 글리세롤이 첨가되어 있어, 건조에 의한 드럼 강도 하락이 방지된다.

11, 12, 13: 저장빈
30: 믹서
40: 예열 믹서
50: 니더
60: 건조기
70: 성형기
80: 성형탄 건조 장치
81: 건조빈

Claims (8)

1. 원료탄 및 산처리된 전분 분말을 혼합하여 배합탄을 제조하는 과정;
   상기 배합탄을 열처리하여, 상기 산처리된 전분 분말을 바이오 플라스틱으로 변형시키는 과정;
   상기 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정; 및
   상기 성형탄을 건조시키는 과정;
   을 포함하는 성형탄의 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서,
   상기 성형탄을 60℃ 내지 200℃로 건조시키는 성형탄의 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서,
   상기 성형탄으로 열풍을 분사하여, 상기 성형탄을 건조시키는 성형탄의 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 성형탄을 건조시키는 과정에 있어서,
   상기 배합탄을 성형하여 제조된 성형탄을 건조빈에 장입시키는 과정;
   상기 건조빈으로 열풍을 취입하여 상기 성형탄 중 수분을 수증기화 하는 과정; 및
   상기 수증기를 상기 건조빈으로부터 배출시키는 과정;
   을 포함하는 성형탄의 제조 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 배합탄을 제조하는 과정에 있어서, 상기 원료탄 및 산처리된 전분 분말에 글리세롤을 혼합하는 과정을 포함하는 성형탄의 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 글리세롤을 혼합하는 데 있어서,
   상기 성형탄 전체에 대해, 상기 글리세롤이 1 내지 3 중량% 포함되도록 혼합하는 성형탄의 제조 방법.
7. 원료탄, 바이오 플라스틱 및 글리세롤을 포함하며,
   상기 바이오 플라스틱은 상기 원료탄, 글리세롤과 산처리된 전분 분말을 혼합한 배합탄을 열처리하여 변형된 성형탄.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 바이오 플라스틱이 1 내지 10 중량%, 상기 글리세롤이 1 내지 3 중량%, 수분이 6 중량% 이하 포함되고, 잔부가 원료탄인 성형탄.

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