KR20010067725A - 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법 - Google Patents

저공해 고발열량 성형탄의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저급 무연탄 39∼75중량%, 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 20∼60중량%, 및 석회석 또는 소석회 0.01∼5.0중량%를 200∼450℃에서 혼합, 용융시킨 후, 이를 다수의 배출구를 통해 분출시켜 0∼10℃의 냉각수로 급냉시키는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 저급 무연탄과 폐플라스틱, 아스팔트 및/또는 잔사유 등의 폐물질을 이용하여 4,500∼7,000kcal/kg의 고발열량을 갖는 성형탄을 제공함으로써 국가적인 자원 활용도 증대에 기여하며, 저가의 대체연료를 개발하여 경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 상기 연소 공정에 석회석(CaCO3) 또는 소석회(CaO)를 첨가함으로써 연소시 공해물질을 배출시키는 유황 성분을 효과적으로 제거하여 저장 및 운반이 용이한 저공해 성형탄을 제공한다.

Description

저공해 고발열량 성형탄의 제조방법{Method for preparing low-pollution coal having high calorific value}
본 발명은 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저급 무연탄에 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및/또는 잔사유를 혼합하고, 여기에 석회석 또는 소석회를 첨가하여 저공해 고발열량 성형탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.
국내에서 최초로 사용되던 성형탄은 1960∼1980년대까지 학교, 사무실 등의 난방연료로 사용된 조개탄으로서 이는 압축 성형기에서 고발열량의 무연탄을 고압으로 성형한 다이어몬드형이 있으며, 수입 성형탄은 갈탄을 사용하여 고압으로 성형된 덩어리 형태가 있다. 그러나, 상기 무연탄은 높은 회분 함량과 낮은 발열량으로 인해 연소성이 불량하고 일산화탄소 등의 유해물질을 다량 발생시킨다. 또한 생활 수준이 향상되면서 일반 가정 및 산업현장에서 난방연료로 사용되던 연탄의 수요가 급격히 감소되어 그 용도를 찾지 못해 폐기물화 되고 있는 실정이다.
또 다른 종래의 성형탄으로 왕겨를 이용하여 중공 봉형태로 제조된 왕겨탄이 있지만 발열량이 낮고 불완전 연소로 인한 비경제성 때문에 널리 보급되지 못했다.
최근들어 석유정제의 부산물인 석유 코크스와 국내탄을 혼합하여 고압의 성형기에서 제조된 성형탄이 사용되고 있다. 상기 석유 코크스는 열량이 약 8,500kcal/kg으로 높은 장점이 있으나, 유황분 함량이 6.6% 이상으로 너무 높은 단점이 있어, 열량이 약 4,800kcal/kg 이하로 낮지만, 유황분 함량이 0.3% 이하로 낮은 국내탄(경동탄)을 혼합하여 이를 원료탄으로 사용하고 있다.
또한 폐플라스틱을 에너지화 또는 자원 회수하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있으나 현재까지 개발된 기술로는 경제성이 낮은 단점이 있다. 폐플라스틱 및 다른 고체 폐기물을 혼합하여 고체폐기물 연료(refuse derived fuel)를 생산하기 위한 연구 및 소규모 생산이 이루어지고 있지만, 상기 고체폐기물을 고압으로 압축하여 성형하는데 따르는 높은 제조비용 및 복잡한 제조공정의 문제점이 있으며, 생산된 고체폐기물 연료를 저공해 연소하기 위한 장치 개발에 어려움을 겪고있다.
이러한 상황하에서 여러가지 대체연료의 제조방법, 예를 들어, 코크스의 제조시 다량 발생되는 코크스분말을 이용하는 방법(일본 특개소 제58-63970호, 한국 공개특허 제84-41260호 및 한국 등록특허 제90-6524호, 한국 등록특허 제0164028호), 폐물질을 이용한 합성고체 연료 제조방법(한국 공개특허 제84-2447호) 및 고분자 수지를 이용한 성형탄의 제조방법(한국 공개특허 제2000-39558호) 등이 제시되었다.
그러나, 코크스 등의 탄소질 연료에 핏치, 전분 등과 같은 열가소성이 높은 점결체를 사용하여 성형탄을 제조하는 일본 특개소 제58-63790호의 방법은 열가소성에 의한 건식방법으로 연소 초기에 유해가스가 많이 발생되는 단점이 있다. 또한, 고무, 직물류 및 비닐을 용해혼합하여 발열량을 높이고, 점화를 착화시키기 위하여 벤젠 또는 톨루엔을 혼합하여 합성고체연료를 제조하는 한국 공개특허 제84-2447호의 방법 역시 연소로 인한 많은 양의 유해가스가 발생되는 단점이 있다.
아울러, 한국 공개특허 제2000-39558호에 점결제로 액상의 고분자 에멀젼 용액과 첨가제로 소석회(CaO)를 사용하기 위해 미분탄을 괴성화시켜 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조하는 방법이 게시되어 있으나, 이 방법은 성형탄을 제조하기 위해 고압으로 가압 성형하는 제조공정을 이용함으로써 비용이 과다하게 발생하는 단점이 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명자들이 광범위한 연구를 거듭한결과, 저급 무연탄과 열가소성 폐플라스틱, 정유공장에서 발생되는 아스팔트 및/또는 잔사유를 일정한 비율로 혼합하고, 여기에 석회석 또는 소석회를 첨가하면 연소시 발생되는 유해가스의 배출을 억제시킬 뿐만 아니라 무공해의 성형탄을 제조할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 국내외에서 생산되는 저급 무연탄과 국내의 산업체, 가정용, 농사용 등에서 배출되는 열가소성 폐플라스틱, 정유공장에서 발생되는 아스팔트 및/또는 잔사유를 이용하여, 재활용되지 못하고 매립 및 소각처리 되는 폐기물을 효과적으로 활용함으로써 국가적인 자원 활용도 증대에 기여하며 상기 폐기물의 처리에 따른 공해물질의 발생을 원천적으로 차단할 수 있는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 계절에 따라 수급의 불균형을 이루고 있는 아스팔트 및/또는 잔사유를 저급 무연탄과 혼합하여 산업용 발전 또는 증기 및 온수생산, 가정용 난방, 농사용 난방 에너지로 사용될 수 있는 고발열량의 성형탄을 제공함으로써 저가의 대체연료를 개발하여 경제성을 향상시키는데 있다. 특히 아스팔트 수요가 격감하는 동절기에 난방 연료가 다량 필요하므로, 이를 저급 무연탄과 성형하여 연료를 생산할 수 있어 국가적인 에너지 수급에 기여할 수 있다.
상기 목적 및 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 성형탄의 방법은 저급 무연탄 39∼75중량%, 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 20∼60중량%, 및 석회석 또는 소석회 0.01∼5.0중량%를 200∼450℃에서 혼합, 용융시킨 후, 이를 다수의 배출구를 통해 분출시켜 0∼10℃의 냉각수로 급냉시키는 것으로 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 성형탄을 제조하는데 사용되는 성형장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1. 혼합 용융탱크 2. 탱크 가열장치
3. 교반기 4. 저급무연탄 투입구
5. 폐플라스틱/아스팔트 투입구 6. 교반기 구동모터
7. 성형탄 출구 8. 질소가스 주입구
9. 열분해 가스출구
이하 본 발명의 제조방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 저급 무연탄 및 첨가물을 이용한 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 저급 무연탄과 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 혼합하고, 여기에 석회석 또는 소석회를 첨가하고 이를 혼합 용융시켜 저공해 고발열량 성형탄을 제조하여 종래의 방법에 비해 경제적인 무공해 대체연료를 제공한다.
본 발명에 따르면, 저급 무연탄 39∼75중량%와 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 20∼60중량%를 혼합하고, 여기에 석회석 또는 소석회 0.01∼5.0중량%를 첨가하여 각 성분의 용융 온도와 열분해 온도 사이의 용융장치에서 혼합 용융시킨다. 상기 용융장치의 온도가 각 성분의 용융 온도와 열분해 온도 사이로 결정됨으로써 상기 성형탄의 성형시 요구되는 외부 동력 사용을 최소화하여 경제성을 높일 수 있다. 또한, 국산 무연탄에 포함된 광물질인 SiO2, Al2O3, Fe2O3등이 폐플라스틱 용융시 촉매작용을 하여 고분자 물질을 저분자화시키는 작용을 한다. 따라서 상기 혼합 용융과정에서 용융된 혼합물이 원료 및 폐플라스틱 보다 작은 분자량의 수지들로 구성되며, 또한 연소시 상기 광물질 성분이 촉매작용을 하여 연소성을 향상시킨다.
본 발명에 있어서, 상기 저급 무연탄의 사용량이 39중량% 미만이면 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유의 사용량이 증가하여 이들 성분으로부터 많은 양의 휘발분 및 열분해 생성가스가 발생되기 때문에 초기의 급격한 연소반응으로 안정적인 연소가 불가능하며, 75중량%를 초과하면 저급 무연탄의 사용량이 증가하여 발열량이 감소됨으로써 초기 연소성이 불량하고 성형강도가 낮아지는 단점이 있다. 또한, 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분의 사용량이 20중량% 미만이면 성형탄의 발열량이 낮고 연소성이 불량하여 공해물질이 다량 발생되며, 60중량%를 초과하면 연소 초기에 휘발분과 열분해 생성가스가 다량 발생되어 급격한 연소반응으로 인해 안정적인 연소가 불가능하다. 또한, 연소시 공해물질을 배출시키는 유황 성분을 효과적으로 제거하는 효과가 있는 석회석 또는 소석회의 첨가량이 0.01중량% 미만이면 첨가효과가 거의 없으며, 5.0중량%를 초과하면 성형강도가 낮고 연소성이 저하될 뿐만 아니라 연소후 회재발생량이 증가하므로 처리에 어려움이 있다.
상기 열가소성 폐플라스틱은 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된다. 아울러, 아스팔트 또는 잔사유는 정유공장으로 용이하게 얻을 수 있다.
한편, 도 1은 본 발명에 따른 성형탄을 제조하는데 사용되는 성형장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 상기 장치의 주요부분에 대한 부호로서, 1은 혼합 용융탱크이고, 2는 탱크 가열장치이며, 3은 교반기이다. 또한, 참조번호 4는 저급무연탄 투입구이고, 5는 폐플라스틱/아스팔트 투입구이며, 6은 교반기 구동모터이다. 아울러, 참조번호 7은 성형탄 출구이고, 8은 질소가스 주입구이며, 9는 열분해 가스출구이다.
상기 공정으로부터 얻은 무연탄-용융 폐플라스틱 또는 아스팔트 슬러리를 도 1에 도시된 바와 같은 다수의 배출구를 구비한 장치를 통하여 분출시킨 후, 0∼10℃의 냉각수에서 급냉하여 저공해 고발열량 성형탄을 제조한다. 상기 냉각수는 일반 물을 사용하며, 상기 냉각온도에서 급냉하는 경우 상기 용융, 혼합된 슬러리는 분출구를 통하여 배출되면서 급냉되어 성형탄 내부에 무수히 많은 기공을 생성시켜 연소시 산소공급을 촉진시킴으로써 연소성을 향상시키고 이로 인해 공해물질의 배출을 억제시킬 수 있다. 그러나 과도한 급냉의 경우 성형탄의 강도를 떨어뜨릴 위험성이 있으나 실험 결과 성형탄의 운반과 보관 등에는 아무런 문제가 없었다. 또한, 냉각과정에서 성형탄에 포함된 일부 수분은 성형탄의 기공을 통하여 증발, 건조되므로 연소시 문제를 야기시키지 않는다.
상기 제조된 성형탄은 용융된 플라스틱과 아스팔트 및 잔사유의 높은 점결력에 의하여 냉각시 일정한 형태 및 강도가 유지되므로, 높은 성형압력에서 압출되는 공정없이 바람직한 형태 및 강도로 성형될 수 있다. 또한, 상기 성형탄은 분출구를 통과하면서 0∼10℃의 냉각수에서 신속히 냉각되므로 균일하게 혼합된 성형탄의 특성이 그대로 유지되어 성형탄 연료가 균일하게 제조된다.
상기 성형탄의 형태는 봉형, 구형, 타원형, 다이아몬드형 또는 별형일 수 있으며, 이때의 냉각수의 온도는 0∼10℃가 범위가 바람직하다. 0℃ 미만에서 급냉을 할 경우 고분자와 무연탄 입자가 유리될 가능성이 있고 성형탄의 강도가 낮아지며, 10℃를 초과하면 냉각속도가 늦어져 냉각조의 용량이 커지는 단점이 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 제조방법을 좀 더 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1∼3 및 비교예 1
약 2,500∼4,500kcal/kg의 발열량을 갖는 저급 무연탄과 열가소성 폐플라스틱 (PE와 PP의 약 1 : 1 혼합 폐프라스틱)을 혼합하고, 여기에 소석회(또는 석회석)를 하기 표 1에 기재된 양으로 첨가하여 약 300℃의 온도에서 혼합 용융시킨 후, 이를 도 1과 같은 다수의 배출구를 갖는 성형장치를 통해 분출시키고 약 10℃로 유지되는 냉각용액으로 급냉시켜 구형, 봉형, 타원형 및 다이아몬드 형상의 성형탄을 제조하였다.
예 저급 무연탄(중량%) 폐플라스틱(중량%) 소석회(중량%)
비교예 1 80 20 -
실시예 1 75 25 5
실시예 2 70 29.5 0.5
실시예 3 60 39 1
본 발명에서 사용한 국내 저급 무연탄 발열량은 3,500 kcal/kg이고, 폐플라스틱 발열량은 9,000kcal/kg이며, 무연탄과 폐플라스틱의 성형에 필요한 비용은 20,000 원/톤이다.
상기 표 1과 같이 제조된 성형탄과 시판되고 있는 성형탄의 발열량 및 가격을 비교하여 하기 표 2에 나타내었다.
발열량 (kcal/kg) 원/톤 열량당 가격*(원/cal)
비교예 1 4,600 20,000 4.35
실시예 1 4,875 20,000 4.10
실시예 2 5,150 20,000 3.88
실시예 3 5,700 20,000 3.51
시판 성형탄 4,600 54,167 11.78
* 공장도 가격 기준(국내 무연탄 활용시 보조금 불포함)
* 폐플라스틱 처리비용 불포함
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 성형탄과 비교하여 본 발명의 성형탄은 더욱 높은 발열량을 나타내며, 더욱 저렴한 비용으로 제조가 가능하다. 또한 본 발명에 따른 성형탄의 항복응력은 50∼150kg/㎠으로, 저장 및 운반시 파손의 위험성이 없다. 또한 상기 성형탄은 점결력이 강한 폐플라스틱으로 혼합 성형되어 충격강도가 20∼40kg-㎝/㎝이다.
실시예 4∼6 및 비교예 2
약 2,500∼4,500kcal/kg의 발열량을 갖는 저급 무연탄과 아스팔트를 혼합하고, 여기에 소석회(또는 석회석)를 첨가하여 약 100℃의 반응온도에서 혼합 용융시킨 후, 이를 도 1과 같은 성형장치의 다수의 배출구를 통해 분출시키고 약 10℃로 유지되는 냉각용액으로 급냉시켜 구형, 봉형, 타원형 및 다이아몬드 형상의 성형탄을 제조하였다.
예 저급 무연탄(중량%) 아스팔트(중량%) 소석회(중량%)
비교예 2 80 20 -
실시예 4 75 25 5
실시예 5 70 29.5 0.5
실시예 6 60 39 1
본 발명에서 사용한 국내 저급 무연탄 발열량은 3,500 kcal/kg이고아스팔트(AS-5)의 고위발열량은 9,600 kcal/kg이다. 상기 아스팔트의 소매가격은 200,000원/톤이다.
상기 표 3과 같이 제조된 성형탄과 시판되고 있는 성형탄의 발열량 및 가격을 비교하여 하기 표 4에 나타내었다.
발열량 (kcal/kg) 원/톤 열량당 가격*(원/cal)
비교예 2 4,720 40,000 8.48
실시예 4 5,025 50,000 9.95
실시예 5 5,330 60,000 11.26
실시예 6 5,940 80,000 13.47
시판 성형탄 4,600 54,167 11.78
* 공장도 가격 기준(국내 무연탄 활용시 보조금 불포함)
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 종래의 성형탄에 비해 본 발명의 성형탄은 더욱 높은 발열량을 나타내며, 더욱 저렴한 비용으로 제조가 가능하다. 또한 본 발명에 따른 성형탄의 항복응력은 40∼60kg/㎠으로, 저장 및 운반시 파손의 위험성이 없다. 또한 상기 성형탄은 점결력이 강한 폐플라스틱으로 혼합 성형되어 충격강도가 25∼40kg-㎝/㎝이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 최근 높은 유류가격으로 인하여 국내의 에너지 수급이 크게 위협받고 있는 상황에서 대체에너지로 이용될 수 있는 저공해 고발열량 성형탄을 제공한다. 또한, 현재 국내에서 저장, 보관하고 있는 약 1,000만톤의 저급 무연탄과 폐플라스틱, 아스팔트 및/또는 잔사유의 상당량을 주원료로 사용함으로써 국가적인 자원 활용도 증대에 기여하며, 저가의 대체연료를 제공하여경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 상기 연소 공정에 석회석(CaCO3) 또는 소석회(CaO)를 첨가함으로써 연소시 공해물질을 배출시키는 유황 성분을 효과적으로 제거하여 저장 및 운반이 용이한 저공해 성형탄을 제공한다.

Claims (4)

  1. 저급 무연탄 39∼75중량%, 열가소성 폐플라스틱, 아스팔트 및 잔사유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 20∼60중량%, 및 석회석 또는 소석회 0.01∼5.0중량%를 50∼450℃에서 혼합, 용융시킨 후, 이를 다수의 배출구를 통해 분출시켜 냉각수로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 폐플라스틱이 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene) 및 ABS(acrylonitrile butadiene styrene)으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 성형탄의 형태가 봉형, 구형, 타원형, 다이아몬드형 또는 별형인 것을 특징으로 하는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각수의 온도는 0∼10℃인 것을 특징으로 하는 저공해 고발열량 성형탄의 제조방법.
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