KR102289529B1 - 탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 탄재내장펠렛 제조방법 - Google Patents

탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 탄재내장펠렛 제조방법 Download PDF

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Abstract

고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 탄재내장펠렛 제조방법과 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물은 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유한다.

Description

탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 탄재내장펠렛 제조방법 {A COMPOSITION FOR PELLET HAVING CARBON AND METHODS OF FABRICATING PELLET HAVING CARBON USING THE SAME}
본 발명은 탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 고강도 및 고반응성의 탄재내장펠렛을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고강도 및 고반응성을 가지면서, 이산화탄소 발생을 최소화하여 친환경성 및 경제성이 우수한 탄재내장펠렛을 제조하는 방법과 이를 위한 탄재내장펠렛용 조성물에 관한 것이다.
코크스는 고로의 열원으로 사용되는 연료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스 제조에 이용되는 석탄을 일반적인 연료용과 구분하여 원료탄이라 칭한다. 코크스는 노 내 통기성 개선을 위해 적정 강도 및 반응성이 요구된다.
최근, 제선공정시의 이산화탄소 발생량 저감을 위하여, 고강도 고반응성 코크스 제조에 대한 관심이 증가하고 있다. 상기 고강도 고반응성 코크스는 고로 내 반응성이 우수하여 저온에서 코크스의 반응을 촉진시킨다. 이 결과 고로 내 온도 분포를 약 100~200℃ 정도 저감시켜 조업 효율을 증대시킬 수 있으며, 가스 조성을 산화성으로 제어하여 환원제비 저감을 이룰 수 있다. 상기 환원제비가 저감되면 코크스 사용량이 감소하여 이산화탄소 발생량도 저감되는 효과가 있다.
한편, 고반응성 코크스는 석탄 60~80 중량% 및 철광석 20~40 중량%의 성형탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 만들어진다. 상기 철광석의 산화철 성분이 촉매작용을 하여 코크스의 반응성은 향상되지만 코크스 강도가 저하되어 고로 내 코크스 분화로 인한 통기성을 저하시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2012-0035946호(2012.04.16. 공개, 발명의 명칭: 페로코크스의 제조방법)에 개시되어 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 고강도 및 고반응성을 가지면서, 이산화탄소 발생을 최소화하여 친환경성 및 경제성이 우수한 탄재내장펠렛을 제조하는 방법과 이를 위한 탄재내장펠렛용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하되, 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유하는 것을 특징으로 하는, 탄재내장펠렛용 조성물이다.
상기 탄재내장펠렛용 조성물의 상기 바인더에서 상기 물유리는 70중량% 이상의 농도를 가질 수 있다.
상기 탄재내장펠렛용 조성물에서, 상기 반탄화 바이오매스는 우드펠렛을 열처리하여 구현될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 관점은 탄재내장펠렛용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하며, 상기 탄재내장펠렛용 조성물은 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하되, 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유하는 것을 특징으로 하는 탄재내장펠렛 제조방법이다.
상기 탄재내장펠렛 제조방법에서, 상기 성형탄을 건류하여 구현된 탄재내장펠렛은 저온환원분화율(RDI)이 0이며, 코크스 열간강도(CSR)가 70% 이상일 수 있다.
상기 탄재내장펠렛 제조방법에서, 상기 물유리는 상기 바인더에서 70중량% 이상의 농도를 가질 수 있는 바, 예를 들어, 상기 물유리의 농도가 75중량%인 경우 상기 성형탄을 건류하여 구현된 탄재내장펠렛의 낙하강도는 99%일 수 있다. 상기 탄재내장펠렛 제조방법에서, 상기 반탄화 바이오매스는 우드펠렛을 100~500℃에서 열처리하여 제조될 수 있다.
본 발명에 의하면, 고강도 및 고반응성을 가지면서, 이산화탄소 발생을 최소화하여 친환경성 및 경제성이 우수한 탄재내장펠렛을 제조하는 방법과 이를 위한 탄재내장펠렛용 조성물을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄재내장펠렛 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 개시된 탄재내장펠렛용 조성물에서 물유리 농도에 따른 낙하강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 개시된 탄재내장펠렛의 저온환원분화율(RDI)과 코크스 열간강도(CSR)를 비교예와 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
최근 글로벌 환경 규제에 대응하여, 고로 CO2 발생 저감을 위하여 신장입원료 제조 및 활용 방법에 대한 관심이 집중 되고 있다. 탄재내장펠렛은 철광석을 활용한 기존 펠렛 내에 탄재를 혼합시켜 놓음으로써 고로 상부에서 철광석 환원을 촉진시킨다. 이 때의 환원 반응은 내장된 탄재로 인한 직접환원 반응과 동시에, 펠렛 내부의 CO/CO2 가스가 미세 공극을 순환하며 반응을 지속적으로 유발하기 때문에 일반 펠렛 대비 매우 우월한 반응 속도를 나타낸다. 또한 배합된 탄소량이 광석의 환원을 위한 총량을 넘어설 경우 잉여의 탄재는 환원 이후 진행되는 침탄 및 용융 반응을 가속화 하게 된다. 고로 상부에서의 간접환원 및 환원반응 가속에 의하여 괴상대 내 형성되는 열보존대 온도 저감이 가능해지며, 그에 따른 환원제비 저감이 가능한 것으로 알려져 있다. 환원제비(용선 1톤을 생산하기 위하여 고로에서 사용되는 환원제(탄소)의 총량) 저감 시 CO2 발생량을 감소시킬 수 있다. 바이오매스는 코크스 대비 많은 휘발분(VM, Volatile matter)이 존재하며, 고로 장입 시 VM이 휘발된 후 유지되는 다공성 조직에 의하여 추가적인 반응성 향상을 기대할 수 있으나, 펠렛의 강도 확보에 어려움이 존재한다. 일반적으로 탄재내장펠렛은 탄재(5~20wt%) 및 형태유지를 위한 바인더(5~20%)를 미분 철광석과 혼합한 후 교반시키며 제조한다. 이 때 제조된 펠렛의 강도 확보가 반드시 요구되며, 이는 사용하는 바인더의 형태와 조건에 큰 영향을 받는다. 이에 바이오매스를 활용한 탄재내장펠렛을 제조하면서도 고강도를 확보하기 위한 공정이 필요하다. 본 발명에서는 탄재내장펠렛 제조 시 탄재(코크스)를 바이오매스(우드펠렛)로 대체하는 동시에, 고강도/고반응 특성을 확보하기 위한 방안을 개시한다.
고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물
본 발명의 하나의 관점은 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물은 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유한다.
이하, 본 발명의 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물의 구성 성분에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
반탄화 바이오매스
상기 반탄화 바이오매스는 바이오매스 원료가 반탄화 된 것으로, 석탄을 대체하는 역할을 할 수 있다. 상기 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 포함할 수 있다. 상기 반탄화 바이오매스는 휘발분 함량이 상대적으로 높으며, 석탄에 비해 고정 탄소 함량이 낮다.
한 구체예에서 상기 바이오매스 원료는 우드펠렛을 포함할 수 있다.
다른 구체예에서 상기 바이오매스 원료는 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 목질계 바이오매스는 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 초본계 바이오매스는 팜 커넬 껍질(palm kernel shell), 코코넛 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(miscanthus), 대나무, 갈대(phragmites), 볏짚(rice straw), EFB(empty fruit bunch) 및 낙엽 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료를 100~500℃에서 열처리하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 범위로 열처리시, 고 에너지 밀도를 갖는 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리는 상기 바이오매스 원료를 250~350℃에서 20분 내지 3시간, 다른 예를 들면 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다.
상기 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 5~30mm 크기를 갖는 펠릿 형태로 적용할 수 있다. 상기 크기는, 상기 펠릿형태의 반탄화 바이오매스의 최대 길이를 의미할 수 있다.
상기 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 상기 제 1 혼합물 전체중량에 대하여 0 초과 40중량% 이하 포함될 수 있다. 상기 반탄화 바이오매스가 존재하지 않을 경우 코크스의 반응성이 저하되며, 40 중량%를 초과하는 경우 코크스의 열간 강도가 저하될 수 있다.
예를 들면 상기 반탄화 바이오매스는, 상기 제 1 혼합물 전체중량에 대하여 15~25 중량% 포함된다. 상기 범위로 포함시 코크스의 열간강도, 반응성이 우수하며, 코크스를 이용한 고로 공정시 이산화탄소 발생량 저감효과가 우수할 수 있다.
철광석
상기 철광석(또는 소결광)은 탄재내장펠렛용 조성물 제조시 배합되는 주요 성분이며, 통상적인 것을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제 1 혼합물 중 상기 철광석은 60 이상 100중량% 미만으로 포함될 수 있다. 상기 철광석을 60 중량% 미만으로 포함시 반응성 및 발열성이 저하되며, 100 중량%인 경우 철광석 환원이 용이하지 않을 수 있다.
예를 들면, 상기 철광석은 상기 제 1 혼합물 전체중량에 대하여 75~85 중량% 포함될 수 있다. 상기 중량비 범위로 포함시, 본 발명의 조성물의 혼합성과, 제조되는 코크스의 열간강도 및 발열성이 모두 우수할 수 있다.
바인더
상기 바인더는 반탄화 바이오매스 및 철광석을 포함하는 제 1 혼합물과 함께 탄재내장펠렛용 조성물을 구성한다. 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유한다. 즉, 상기 바인더는 물유리 및 잔부의 물로 이루어질 수 있다. 상기 물유리(Water glasses)를 함유시, 본 발명의 탄재내장펠렛의 강도 및 성형성이 우수할 수 있다. 예를 들어, 탄재내장펠렛의 낙하강도 및 코크스 열간강도(CSR)를 개선하며, 저온환원분화율(RDI)을 저감시킬 수 있다. 상기 바인더에서 상기 물유리는 70%중량 이상의 농도를 가지는 경우, 탄재내장펠렛의 낙하강도가 현저하게 개선될 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더에서 상기 물유리는 75중량%의 농도를 가질 수 있다.
탄재내장펠렛용 조성물에서 상기 제 1 혼합물이 100 중량부인 경우 상술한 바인더는 1~20 중량부 포함된다. 상기 바인더를 1 중량부 미만으로 포함시 코크스 조성물의 혼합성, 성형성과 강도 유지 효과가 저하되며, 20 중량부를 초과하여 포함시 더 이상의 코크스 강도 증가 효과가 없으며, 오히려 열간 강도가 저하되거나, 성형성이 저하될 수 있다.
탄재내장펠렛용 조성물을 이용한 탄재내장펠렛 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물을 이용한 탄재내장펠렛 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 탄재내장펠렛 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 탄재내장펠렛 제조방법은 (S10) 성형탄 제조단계; 및 (S20) 성형탄 건류단계;를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 탄재내장펠렛 제조방법은 (S10) 탄재내장펠렛용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함한다.
이하, 상기 고강도 및 고반응성 탄재내장펠렛용 조성물을 이용한 탄재내장펠렛 제조방법을 단계별로 설명하도록 한다.
(S10) 성형탄 제조단계
상기 단계는 탄재내장펠렛용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계이다. 상기 탄재내장펠렛용 조성물은, 상기 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유한다. 상기 탄재내장펠렛용 조성물은 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 성형탄은, 상기 제 1 혼합물 및 바인더를 포함하는 탄재내장펠렛용 조성물을 균질하게 혼합하여 소정의 형상으로 성형하여 예비 성형체를 제조하고; 상기 예비 성형체를 예열하여 성형탄을 제조할 수 있다.
상기 예비 성형체는, 상기 탄재내장펠렛용 조성물을 성형압: 1~10t/cm 조건으로 가압하여 브리켓 형태로 제조될 수 있다.
상기 가열은 상기 탄재내장펠렛용 조성물에 포함되는 석탄의 수분함량 조절을 통해 성형탄의 함수율 및 강도 조절을 위한 것으로, 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
(S20) 성형탄 건류단계
상기 단계는 상기 성형탄을 건류하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 성형탄을 건류하는 단계 이전에, 0.5 내지 28시간 동안 건조한 다음, 수직로 설비에 투입하여 건류할 수 있다. 상기 성형탄을 상기 시간 범위로 건조시, 코크스의 열간 강도가 우수할 수 있다.
본 발명의 탄재내장펠렛 제조방법을 적용하여 제조된 코크스는 고강도 및 고반응성을 가지며, 고로 조업시 이산화탄소 발생량을 최소화하여 친환경성이 우수하며, 생산단가를 절감하여 경제성이 우수하고, 코크스 성형성이 우수하여, 원료의 뭉침 또는 크랙 등의 표면 결함을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실험예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실험예
표 1은 본 발명에 사용된 바이오매스(우드펠렛)의 반탄화 전후의 특성을 나타낸 것이고, 표 2는 탄재내장펠렛에 사용되는 바이오매스(우드펠렛)와 석탄의 특성을 비교한 것이다. 표 2에서 Rm 항목은 평균반사율(Mean reflectance)을 의미하고, MF 항목은 Maximum fluidity를 의미하고, ddpm 항목은 dial division per minute를 의미한다.
Inherent moisture
(고정수분)		 Ash
(회분)		 Volatile matter
(휘발분)		 Fixed carbon (고정탄소) 발열량
(kcal/kg)
반탄화 전 1.98 1.71 77.20 19.11 4,581
반탄화 후 3.46 2.99 61.01 32.54 5,480
구분 휘발분(%) 회분(%) Rm(%) MF
(log ddpm)
석탄 19.35 10.21 1.22 1.89
우드펠렛 61.01 2.99 - 0.00
표 1 및 표 2를 참조하면, 바이오매스(Biomass)는 석탄에 비하여 고정탄소가 낮고 휘발분이 높기 때문에 바이오매스가 사용된 코크스 제조 시 강도 저하 문제가 발생된다. 이 때문에 300℃에서 바이오매스의 수분과 휘발분을 일부 증발시킨 반탄화 바이오매스를 사용하였으며, 표 1에 나타낸 것과 같이 반탄화 전/후로 휘발분 은 16.19% 저감하고, FC는 13.43% 향상됨을 확인하였다.
표 3은 본 발명의 실험예에 따른 탄재내장펠렛의 배합비를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 개시된 탄재내장펠렛용 조성물에서 물유리 농도에 따른 낙하강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
일반적으로 탄재내장펠렛 제조하기 위해서는 미분의 철광석과 탄재(코크스)를 바인더와 배합한다. 표 3을 참조하면, 본 실험예에서는 탄재(코크스)를 반탄화 바이오매스로 대체하여 10분간 혼합한 후 펠렛을 제조하였으며, 바인더는 농도 0 ~ 75%의 물유리(Water glasses) 사용 하였다. 성형이 완료된 펠렛은 상온에서 건조 및 양생 후 강도 테스트 전 105℃ 오븐에서 4시간 건조하여 잔류수분을 제거하였다. 고체 원료의 배합비는 철광석 80 : 탄재 20으로 고정하였다.
Test No. 철광석(%) 반탄화Biomass(%) 합계 (%) 바인더 내 물유리의 농도(%, balance: H2O)
1 80 20 100 0
2 80 20 100 10
3 80 20 100 25
4 80 20 100 50
5 80 20 100 75
표 3과 도 2를 함께 참조하면, 탄재내장펠렛 제조 시 바인더 농도 0 ~ 25%까지는 펠렛 낙하강도 증가 효과가 미미하였으나, 50% 이상이 될 경우 다소 증가함을 확인 하였다. 특히, 농도 75%의 바인더 활용 시 낙하강도 99%가 달성됨을 확인할 수 있다.
한편, 낙하강도 외에 고로 장입물의 중요한 특성인 소결광 저온환원분화율(RDI) 코크스 열간강도(CSR)이 있다.
도 3은 본 발명에 개시된 탄재내장펠렛의 저온환원분화율(RDI)과 코크스 열간강도(CSR)를 비교예와 비교한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의하여 제조된 탄재내장펠렛에 대하여 해당 물성을 평가한 결과, 저온환원분화는 발생하지 않으며 70%이상의 열간강도가 확인되었다. 일반적인 소결광이 30%대의 RDI 수치를 가지며, 일반적으로 코크스 열간강도 관리 기준이 67% 이상임을 감안할 때, 바이오매스를 포함한 탄재내장펠렛의 고로 장입이 가능한 것으로 판단된다.
지금까지 본 발명의 실시예에 따른 탄재내장펠렛용 조성물 및 이를 이용한 탄재내장펠렛 제조방법을 설명하였다.
상술한 바와 같이, 탄재내장펠렛 제조 시 농도 75% 물유리를 바인더로 활용할 경우 기존 석탄을 바이오매스로 대체하여도 펠렛의 강도확보가 가능하며 환원제비 및 CO2 저감이 가능함을 확인하였다. 반탄화 바이오매스를 활용할 경우 탄재내장펠렛 제조에 사용되는 탄재(분코크스) 대체에 용이하다. 소정의 물유리 농도를 가지는 바인더를 사용 시 관리기준을 만족하는 탄재내장펠렛 낙하강도 및 RDI, CSR을 확보할 수 있다. 반탄화 바이오매스를 사용한 탄재내장펠렛을 제조/활용함으로써, 탄재내장펠렛 제조 및 고로 조업에서의 석탄 사용량을 줄일 수 있으며 그에 따른 CO2 저감 역시 가능하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (7)

  1. 0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및
    바인더 1~20 중량부;를 포함하되,
    상기 바인더는 전체중량 기준 물유리(Water glasses)를 70중량% 이상의 농도로 함유하며,
    상기 반탄화 바이오매스는 우드펠렛을 100~500℃에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는,
    탄재내장펠렛용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 탄재내장펠렛용 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및
    상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하며,
    상기 탄재내장펠렛용 조성물은,
    0 초과 40중량% 이하의 반탄화 바이오매스 및 60 이상 100중량% 미만의 철광석을 포함하는 제 1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1~20 중량부;를 포함하되,
    상기 바인더는 물유리(Water glasses)를 함유하는 탄재내장펠렛 제조방법이며,
    상기 반탄화 바이오매스는 우드펠렛을 100~500℃에서 열처리하여 제조되며,
    상기 제조된 탄재내장펠렛은 저온환원분화율(RDI)이 0이며, 코크스 열간강도(CSR)가 70% 이상이고,
    상기 바인더의 전체중량 기준 상기 물유리는 70중량% 이상의 농도를 가지며, 상기 물유리의 농도가 75중량%인 경우, 상기 탄재내장펠렛의 낙하강도는 99%인 것을 특징으로 하는, 탄재내장펠렛 제조방법.


  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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