KR20140040354A - 향기나는 연탄 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향기나는 연탄에 관한 것이다.

Description

향기나는 연탄{BRIQUET}

본 발명은 향기나는 연탄에 관한 것이다.

일반적으로 연탄은 19세기 말부터 제조되어 사용되었으며, 무연탄을 주원료로 하여 여기에 다른 탄화물을 분쇄, 배합하거나 점결제를 혼합해서 성형, 건조시킨 고체연료로 원통형에 공기구멍이 뚫려 있는 구공탄 또는 구멍탄이라 불리우는 것과 조개 모양의 조개탄으로 크게 대별된다. 연탄의 착화연소 과정에서 발생하는 일산화탄소는 인체에 유해하여, 공기중 0.05 % 이상 함유되면 중독상태에 들어가고 결국은 인명을 빼앗으므로, 연탄중독의 위험을 해소하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.

연탄 제조에 사용되는 다른 탄화물로는 코크스, 목탄가루 등이 있고, 점결제로는 코울타르 피치, 석유 역청 및 아스팔트, 우드 타르, 합성 및 천연수지 전분, 아황산염액, 설탕 및 당밀, 셀룰로오스 화합물, 펄프폐액, 초지 펄프, 알지네이트, 아교 및 껌, 알부메이트, 카제인 등과 시멘트, 진흙, 석회, 마그네시아, 석고, 소듐 또는 다른 알칼리 실리케이트와 같은 무기 점결제도 사용된다.

한국산업규격(KS E 3731 구멍탄, KS E 3732 구멍탄 시험방법, KS E 3707 석탄류의 발열량 측정방법)에 따르면 연탄의 발열량은 4,600kcal 이상이어야 하며, 전락강도 측정방법에 따라 300mm 높이에서 전락하였을 때 파괴되지 않도록 성형해야 한다.

그러나, 국내 무연탄의 개발이 점차 심부화되어 자연조건이 악화되고, 탄층의 변화와 경사가 급하여 기계화 채탄의 적용이 어려워 인력에 의한 채탄에 의존하고 있으며, 2차, 3차 재채굴로 말미암아 탄질이 저하되고 증산이 한계에 도달하고 있고, 생활수준의 향상과 도시가스의 보급으로, 대도시의 연탄소비량은 감소 추세에 있지만, 최근 들어서도 그 사용량이 무시될 수 없을 정도로 유지되고 있다.

한편, 점결제로 사용되는 피치, 역청 및 아스팔트는 적절한 강도와 내수성을 제공하지만 연소시 연기 발생, 독성 문제, 코크스화 성질들로의 변화, 높은 비용이라는 문제점이 있고, 전분은 좋은 강도와 청정연소를 제공하지만 값이 비싸고 날씨가 좋지 못할 경우 손상의 우려가 있으며, 황산염 액 점결제들은 적은 연기를 발생시키면서 연소되지만, 독성의 이산화황을 방출하고 날씨가 좋지 못할 경우 손상의 우려가 있고, 설탕 및 당밀은 비교적 우수한 내수성 및 날씨 저항성을 가지고 있지만 경제성이 저하되며, 셀룰로오스 타입의 점결제들은 낮은 강도와 빠른 감손의 단점이 있고, 무기 점결제들은 낮은 강도 및 내수성로 인하여 만족스럽지 못한 결과를 초래한다.

본 발명은 연탄을 접하는 사람들의 거부감을 줄여주기 위해 향기나는 연탄 및 그 연탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 석탄 80 ∼ 99중량%와 향료를 녹인 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제를 포함하는 바인더 1 ∼ 20중량%로 구성되는 것을 특징으로 향기나는 연탄을 제공한다.

본 발명에 따르면 연탄을 접하는 사람들의 거부감을 줄여주기 위해 향기나는 연탄 및 그 연탄을 제조하는 방법을 제공하고 있다.

일반적으로 연탄을 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 한국특허공개 제2010-84800에서는 최근에는 유기 점결제의 사용으로 인한 문제점을 해결할 수 있고, 연탄재의 재활용이 용이하며, 무기물로만 이루어진 바인더를 사용함으로써 석탄으로부터 유래되는 오염물 이외에는 오염물의 배출이 없어 환경 오염을 유발하지 않고, 자연양생을 행함으로써 경제적일 뿐만 아니라 간단한 방법으로 연탄을 제조할 수 있는 연탄 및 이의 제조 방법이 공개되어 있다.

본 발명에 따른 연탄은 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄 등과 같은 석탄 80 ∼ 99중량%와 C 5 ∼ 81.7%, O 20 ∼ 86.7%, Mg 1 ∼ 67.7%, Al 1 ∼ 67.7%, Si 3 ∼ 69.7%, S 0.5 ∼ 67.2%, Cl 0.5 ∼ 67.2%, Ca 2 ∼ 68.7%, Ti 0.1 ∼ 66.8%, Mn 0.05 ∼ 66.75%, Fe 0.05 ∼ 66.75% 및 In 0.1 ∼ 66.8%의 원소 구성비를 갖는 광물질 분말 10 ∼ 90중량%와 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물을 클러스터화된 물에 투입하여 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속을 용출시킨 용액에 희토류 원소를 소량 함유하는 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제 10 ∼ 90중량%로 구성되는 바인더 1 ∼ 20중량%로 구성되는 것으로 특징지워진다.

또한, 본 발명에 따른 연탄 제조 방법은 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄 등과 같은 석탄과 C 5 ∼ 81.7%, O 20 ∼ 86.7%, Mg 1 ∼ 67.7%, Al 1 ∼ 67.7%, Si 3 ∼ 69.7%, S 0.5 ∼ 67.2%, Cl 0.5 ∼ 67.2%, Ca 2 ∼ 68.7%, Ti 0.1 ∼ 66.8%, Mn 0.05 ∼ 66.75%, Fe 0.05 ∼ 66.75% 및 In 0.1 ∼ 66.8%의 원소 구성비를 갖는 광물질 분말 10 ∼ 90중량%와 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물을 클러스터화된 물에 투입하여 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속을 용출시킨 용액에 희토류 원소를 소량 함유하는 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제 10 ∼ 90중량%로 구성되는 바인더를 준비하는 단계; 상기 석탄과 바인더를 혼합하는 단계; 상기 석탄과 바인더의 혼합물을 성형틀에 투입하는 단계; 상기 성형틀에 진동을 가한 후, 석탄과 바인더의 혼합물을 2차 투입한 다음 프레스 성형하는 단계; 탈형 후 자연양생하여 고화시키는 단계로 구성되는 것으로 특징지워진다.

본 발명에서 사용되는 석탄은 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상을 사용할 수 있다.

이탄은 화본과식물 또는 수목질의 유체가 분지에 두껍게 퇴적하여 생물화학적인 변화를 받아서 분해되거나 변질된 것으로, 토탄이라고도 하며, 식물질의 주성분인 리그닌, 셀룰로오스 등이 주로 지표에서 분해작용을 받은 것이고, 원식물질의 종류, 분해의 정도 등의 차이에 따라, 툰드라이탄, 초탄, 목질이탄, 이질이탄 등으로 분류되며, 이들 중에서 이용가치가 가장 높은 것은 초탄이다. 초탄은 갈대, 사초 등의 화본과식물이 주가 되며, 한랭지, 고소한랭습지대에서 산출된다.

갈탄은 석탄 중에서 가장 탄화도가 낮은 석탄으로, 흑갈색을 띠며, 원목의 형상, 나이테, 줄기 등의 조직이 육안으로 보이고, 수분, 휘발분이 많은데, 전체 석탄매장량 중 45% 정도를 차지하며, 발열량 4,000 ∼ 6,000kcal/kg, 휘발성분 40% 정도이다. 석탄은 탄화도에 의해 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 갈탄 등으로 구분되는데 이 중 갈탄은 탄소성분이 70% 정도로 가장 낮기 때문에 원목의 형상, 나이테, 줄기 등의 조직이 육안으로 보이는 경우가 많으며, 다른 석탄에 비하여 수분, 휘발분이 많고, 고정탄소(석탄에서 수분, 휘발분 및 회분을 뺀 나머지)의 함량이 적으며, 물기에 젖기 쉽고, 건조하면 가루가 되기 쉽다.

또한, 갈탄은 공극이 많고, 여러 종류의 기체를 흡착하는 성질이 강하며, 지역적으로 가정용이나 기타 연료로 사용된다. 전체 석탄매장량 중 45% 정도가 갈탄이지만 아직까지 상당량이 채굴되지 않고 남아 있으며, 주로 중생대 말기 백악기와 신생대 제3기의 지층에 매장되어 있다.

아탄은 학술적으로는 갈색갈탄이라고 하고, 목질조직이 어느 정도 보존되어 있어서 나뭇결이 눈에 보이는 목질아탄과 수지립, 각피, 화분포자류, 부후균류, 그 밖에 미세한 석탄질과 광물질로 된 치밀한 탄질아탄의 두 종류가 있으며, 다량의 수분이 건조할 때에 수축하여 목질아탄은 널빤지 모양으로 벗겨지고, 탄질아탄은 불규칙한 균열이 생겨서 급속히 분화하며, 3,000 ∼ 4,000kcal/kg의 발열량이 낮은 비점결탄으로, 연료로 사용된다.

아역청탄은 역청탄 중 탄화도가 낮은 것으로서 점결성이 없고, 수분이 많으며, 건조시 소리를 내며 갈라지고, 대기중에 장기간 방치하면 분해된다. 발열량은 무수무회 기준으로 4,600 ∼ 6,400kcal/kg 정도이다.

역청탄은 흑색 또는 암흑색으로 유리광택이나 수지광택이 있는 석탄을 말하며 흑탄이라고도 한다. 탈 때에는 긴 불꽃을 내며, 특유한 악취가 나는 매연을 내고, 탄화도는 갈탄보다 높고 무연탄보다 낮다. 탄소함유량은 80 ~ 90%, 수소함유량은 4 ~ 6%이다. 탄화도가 상승함에 따라 수소가 감소하고 탄소가 증가하고, 건류 때에 역청 비슷한 물질이 생기며, 발열량은 8100 kca1/kg 이상이다. 강점결탄은 제철용 코크스, 도시가스용으로 이용되며, 점결탄과 약점결탄은 발생로용과 도시가스용으로, 비점결탄은 일반 연료용으로 사용된다. 최근에는 수소의 첨가, 가스화 등의 연구가 발달하여, 석탄화학 공업의 가장 중요한 자원으로 간주되고 있다.

무연탄은 역청탄 보다 석탄화도가 더욱 진행된 석탄으로 휘발분이 3 ∼ 7%로 적고, 고정탄소의 함량이 85 ~ 95%로 높다. 따라서, 연소시 불꽃이 짧고 연기가 나지 않으며, 비점결성으로 코크스는 되지 않고, 점화점이 약 490℃이므로 불이 잘 붙지 않지만 화력이 강하고 일정한 온도를 유지하면서 계속적으로 탄다. 주로 고생대의 오래된 지층에서 산출되며, 간혹 신생대 석탄으로도 지각변동의 동력작용이나 화산암의 열작용으로 무연탄화되어 있는 경우가 있다.

한국의 석탄은 대부분 무연탄으로 주로 고생대 평안계 지층에서 산출되는데 삼척탄전, 강릉탄전, 정선탄전, 영월탄전, 화순탄전 등이 여기에 속하고, 중생대 대동계 지층에서 산출되는 것으로는 충남탄전, 문경탄전의 일부가 여기에 속한다.

본 발명에서는 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 석탄을 80 ∼ 99중량% 사용한다. 석탄의 사용량이 80중량% 미만일 경우에는 제조되는 연탄의 열량이 충분하지 못한 단점이 있고, 99중량%를 초과할 경우에는 연탄으로의 성형이 용이하지 못하고, 강도가 저하되며, 내수성이 저하되는 등의 문제점이 있다.

또한, 본 발명에서는 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄 등의 석탄 이외에도 제조되는 연탄의 열량을 향상시키기 위한 물질, 예를 들어 코크스 등이 첨가될 수 있다.

바인더에서 광물질 분말은 C 5 ∼ 81.7%, O 20 ∼ 86.7%, Mg 1 ∼ 67.7%, Al 1 ∼ 67.7%, Si 3 ∼ 69.7%, S 0.5 ∼ 67.2%, Cl 0.5 ∼ 67.2%, Ca 2 ∼ 68.7%, Ti 0.1 ∼ 66.8%, Mn 0.05 ∼ 66.75%, Fe 0.05 ∼ 66.75% 및 In 0.1 ∼ 66.8%의 원소 구성비를 갖는 것을 사용한다.

상기 광물질 분말에는 인체에 해를 끼치지 중금속이 함유되지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 성분 이외에 미량의 원소들이 함유될 수도 있고, 상기 성분들 중에서 일부가 함유되지 않거나 다른 성분들로 치환된 광물질도 사용 가능하다. 또한, 광물질 분말의 원소 구성비는 특별히 제한되는 것은 아니지만, C, O, Mg, Al, Si, S, Cl 및 Ca는 반드시 함유되어야 하며, 각각의 원소들의 기능이 명확하게 규명되지는 않았지만 상기의 원소들 각각이 함유되지 않았을 경우에는 본 발명에 의한 효과를 얻을 수 없다.

상기 광물질 분말은 200 ∼ 325메쉬(mesh)의 입도를 갖는 것을 사용하는 것이 효과적이며, 입도가 200메쉬 미만일 경우에는 제조되는 연탄의 강도가 만족스럽지 못한 문제점이 있고, 325메쉬를 초과할 경우에는 제조 원가가 상승되어 경제적이지 못하다.

한편, 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로는 Li ,Na, K, Rb, Cs, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg의 염화물을 의미하는 것으로 1종 이상이 사용되어야 하고, 클러스터화된 물에 의해서 미네랄 입자가 콜로이드 용액을 형성하고, 형성된 콜로이드 용액은 광물질 분말의 미네랄과 결합하여 바인더로서의 기능을 나타내게 된다.

보통 물은 35개 내외의 물분자가 연결되어 대단히 큰 클러스터를 이루고 있으며, 아황산가스, 탄산가스, 일산화탄소, 염소 가스등이 물에 녹아 들어가면 이것들이 물분자의 클러스터 사이에 붙어 엉키게 될 뿐만 아니라 이들 가스류가 물에 용해되어 황산, 아황산, 탄산, 염산등으로 되면서 물을 산성화시키고, 수은, 납, 카드뮴, 알루미늄을 비롯한 유독중금속류도 클러스터에 엉키게 된다. 이렇게 물을 산성화시키는 가스류나 유독금속을 포함하고 있는 클러스터가 큰 물은 인체에 유해한 효과를 나타낼 뿐만 아니라 본 발명에서는 결합력의 저하 원인이 되어 본 발명에서 얻고자 하는 효과가 발현되지 않게 된다.

따라서, 본 발명에서는 4 ∼ 14㎛대의 원적외선방사, 자화처리, 초음파처리 등을 통하여 물분자의 클러스터를 5 ∼ 6개의 분자로 세분화하여 물분자의 클러스터 사이에 엉키어있던 유독가스를 공중으로 날려보내고 중금속류는 침전시켜 상등액만을 취한 클러스터화된 물을 사용한다.

클러스터화된 물은 공지된 다양한 방법으로 제조 가능하고, 공지된 안정화 방법으로 안정화시킨 것을 사용하는 것이 바람직하며, 클러스터화되지 않은 물을 본 발명에서 사용할 경우에는 바인더의 결합력이 저하되는 문제점이 있다.

클러스터화된 물에 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물을 투입하여 용해한다. 이 때 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물의 사용량은 클러스터화된 물의 중량에 대하여 1 ∼ 60중량%의 양을 사용하는 것이 효과적이며, 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물이 1중량% 미만으로 사용될 경우에는 광물질 분말로부터 유래되는 미네랄 성분과의 결합력이 저하되는 단점이 있고, 60중량%를 초과할 경우에는 첨가 상승 효과가 미약하다.

클러스터화된 물에 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속염화물을 용해시킨 용액에 희토류 원소를 소량 함유하는 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제를 제조한다.

희토류 원소로는 란탄늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로피움, 가돌리늄, 테르비움, 디스프로슘, 홀미움, 에르비움, 투리움, 이트븀, 루테늄, 스칸듐, 이트륨 등이 사용 가능하며, 게르마늄도 사용 가능하다. 희토류 원소를 소량 함유하는 물은 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속염화물의 보조제로서의 기능을 수행함과 동시에 살균 및 정균 작용에 의하여 미네랄과 콜로이드 용액의 결합이 용이하게 이루어지도록 하는 기능을 한다. 희토류 원소의 함유량은 전체 클러스터화된 물의 중량에 대하여 1중량% 미만으로 사용하는 것이 효과적이며, 희토류 원소를 함유하는 물에서도 물은 클러스터화된 물을 사용한다.

한편, 제조되는 액상의 결합제에 pH 조절제를 사용하여 제조되는 제품의 pH가 약알칼리성이 되도록 하며, pH 조절제의 사용량은 요구되는 pH에 따라 적절히 조절될 수 있다.

상기와 같이 제조되는 액상의 결합제와 광물질 분말은 각각 10 ∼ 90중량%의 양으로 혼합되어 바인더가 제조된다. 액상의 결합제가 10중량% 미만이거나 광물질 분말이 90중량%를 초과할 경우에는 제조되는 연탄의 강도가 낮고, 경화 시간이 오래 소요되는 단점이 있으며, 액상의 결합제가 90중량%를 초과하거나 광물질 분말이 10중량% 미만일 경우에는 연탄의 강도는 향상되지만 연탄으로의 성형이 용이하지 못한 문제점이 있다.

액상의 결합제와 광물질 분말이 혼합되면 급격하게 응축 및 경화가 발생하게 되므로 사용하기 직전에 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연탄의 제조방법은 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄 등과 같은 석탄과 C 5 ∼ 81.7%, O 20 ∼ 86.7%, Mg 1 ∼ 67.7%, Al 1 ∼ 67.7%, Si 3 ∼ 69.7%, S 0.5 ∼ 67.2%, Cl 0.5 ∼ 67.2%, Ca 2 ∼ 68.7%, Ti 0.1 ∼ 66.8%, Mn 0.05 ∼ 66.75%, Fe 0.05 ∼ 66.75% 및 In 0.1 ∼ 66.8%의 원소 구성비를 갖는 광물질 분말 10 ∼ 90중량%와 알칼리금속염화물 및 알칼리토금속염화물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 화합물을 클러스터화된 물에 투입하여 알칼리금속 및/또는 알칼리토금속을 용출시킨 용액에 희토류 원소를 소량 함유하는 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제 10 ∼ 90중량%로 구성되는 바인더를 준비하는 단계; 상기 석탄과 바인더를 혼합하는 단계; 상기 석탄과 바인더의 혼합물을 성형틀에 투입하는 단계; 상기 성형틀에 진동을 가한 후, 석탄과 바인더의 혼합물을 2차 투입한 다음 프레스 성형하는 단계; 탈형 후 자연양생하여 고화시키는 단계로 구성된다.

본 발명의 연탄 제조 방법에 있어서 석탄과 바인더의 혼합은 건식, 반건식, 습식으로 상기 설명한 조성 비율에 따라서 배합할 수 있다.

상기 석탄과 바인더의 혼합물을 성형틀에 투입하는 단계; 상기 성형틀에 진동을 가한 후, 석탄과 바인더의 혼합물을 2차 투입한 다음 프레스 성형하는 단계는 연탄을 균일하게 성형할 수 있는 방법이라면, 특별히 한정되지 않고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 방법을 선택하여 적용할 수 있다.

연탄으로의 성형이 완료되면 탈형하고 자연 양생을 행한다. 바람직하게는 25 ∼ 80℃의 온도에서 양생하는 것이 효과적이지만, 실온에서 양생하되 온도에 따라 양생 기간을 조절할 수 있다.

본 발명에 의한 연탄으로서의 성형에 대한 작용 기전은 명확히 밝혀지지는 않았지만 무기질과 클러스터화된 물이 석탄과 함께 강하게 결합되어 높은 강도를 나타낼 뿐만 아니라 연탄 제조시 사용되는 공지의 점결제의 사용없이 무기질만으로 연탄의 제조가 가능해진다..

즉, 무기질 및 석탄의 무기물이 클로스터화된 물에 용탈(dissolusion) → 아쿠아졸 형성(formation of aquasols) → 응축(condensation) → 겔 형성(gel formation) → 결정화(crystallization)하는 반응으로 강한 결합력이 발휘되어 연탄에서 요구되는 강도 이상의 강도를 얻을 수 있으며, 유기 점결제의 사용으로 인한 문제점을 해결할 수 있고, 연탄재의 재활용이 용이하며, 무기물로만 이루어진 바인더를 사용함으로써 석탄으로부터 유래되는 오염물 이외에는 오염물의 배출이 없어 환경 오염을 유발하지 않고, 자연양생을 행함으로써 경제적일 뿐만 아니라 간단한 방법으로 연탄을 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 연탄의 제조 공정에 있어서, 향기나는 물질을 첨가하여 최종적으로 연탄에서 향기가 자연스럽게 방출되거나, 최종 연탄을 만든 후에 연탄 표면에 향기나는 물질을 코팅처리하여 지속적인 향기가 유지될 수 있도록 하는 것을 주요 기술요소로 한다.

Claims (1)

1. 이탄, 갈탄, 아탄, 아역청탄, 역청탄, 무연탄으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 석탄 80 ∼ 99중량%와 향료를 녹인 물과 pH조절제를 혼합한 액상의 결합제를 포함하는 바인더 1 ∼ 20중량%로 구성되는 것을 특징으로 향기나는 연탄.