KR20160107631A - 성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법 - Google Patents

Abstract

성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법을 제공한다. 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 성형탄의 제조 방법은, i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, iii) 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계, 및 iv) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7wt% 내지 2.0wt%이다.

Description

성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법 {COAL BRIQUETTES, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON}

본 발명은 성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용한 성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법에 관한 것이다.

용융환원제철법에서는 철광석을 환원로와 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환된 후 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로에 공급된다.

성형탄은 미분탄과 바인더를 혼합한 후 압축하여 제조한다. 용철 제조에 사용하기 위해서는 우수한 냉간 강도와 열간 강도를 가진 성형탄을 제조할 필요가 있다. 따라서 당밀 등의 우수한 점도를 가지는 바인더를 사용하여 성형탄을 제조한다.

셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하여 우수한 열간 강도와 냉간 강도를 가지는 성형탄을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 성형탄의 제조 방법을 제공하고 한다. 그리고 전술한 성형탄의 제조 방법을 포함하는 용철제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 성형탄의 제조 방법은, i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, iii) 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계, 및 iv) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7wt% 내지 2.0wt%이다.

더욱 바람직하게는, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8wt% 내지 1.5wt%일 수 있다. 성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 수분의 양은 5wt% 내지 15wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 성형탄에 포함된 수분의 양은 7wt% 내지 12wt%일 수 있다.

성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 5 내지 40일 수 있다. 또한, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 7 내지 20일 수 있다.

혼합물을 제공하는 단계에서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 혼합물을 제공하는 단계에서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20일 수 있다.

혼합물을 제공하는 단계에서의 혼합 시간은 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계에서의 혼합 시간보다 작고, 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계에서의 혼합 시간에 대한 혼합물을 제공하는 단계에서의 혼합 시간의 비는 2 내지 5일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 및 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함할 수 있다.

셀룰로오스 에테르 화합물은 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC)가 포함되지 않을 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계 후에 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 방법은 i) 전술한 방법에 따라 제조한 성형탄을 제공하는 단계, ii) 철광석을 환원로에서 환원한 환원철을 제공하는 단계, 및 iii) 성형탄과 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계를 포함한다. 환원철을 제공하는 단계에서, 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 성형탄은 0.7wt% 내지 2.0wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 5wt% 내지 15wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함한다. 좀더 바람직하게는 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8wt% 내지 1.5wt%일 수 있다.

셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하여 성형탄의 열간 강도와 냉간 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하여 알칼리가 유동층형 환원로에 퇴적되지 않도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 또다른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 성형탄의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다. 한편, 도 1의 성형탄의 제조 방법을 구현하기 위한 성형탄 제조 장치의 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은, 미분탄을 제공하는 단계(S10), 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계(S20), 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계(S30), 그리고 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S40)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 미분탄을 제공한다. 미분탄으로서 역청탄(bituminous coal), 아역청탄(subbituminous coal), 무연탄(anthracite), 코크스 등의 탄소가 함유된 원료를 사용할 수 있다. 미분탄의 입도는 4mm 이하로 조절할 수 있다.

다음으로, 단계(S20)에서는 미분탄에 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 혼합물을 제공한다. 즉, 셀룰로오스 에테르 화합물을 미분탄에 첨가한 후 균일하게 혼합되도록 혼합물을 잘 섞어준다.

여기서는 액상이 아닌 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용한다. 바인더 용액을 사용하는 경우, 흐름성을 좋게 하기 위하여 바인더 자체의 점도가 낮은 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC) 용액을 사용할 수 있다. 그러나 점도가 낮은 바인더를 사용하므로, 성형탄의 강도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 용액 형태의 바인더는 층분리로 인하여 바인더 성분을 균일하게 유지하기가 어려우며, 이송시 탱크로리 등 특수 운반차가 필요하여 운송비가 높은 단점을 가진다. 또한, 바인더 용액은 동절기에는 결빙되므로, 저장이 용이하지 않다.

이와는 대조적으로, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하는 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물 자체의 점도가 높으므로, 우수한 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물을 분말형으로 사용하므로 그 부피를 최소화하여 보관하기가 용이하며, 운송도 간편한 이점이 있다. 나아가 동절기에 결빙 등을 걱정할 필요가 없다. 따라서 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하기에 적합하다.

상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps 일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 Brookfield사의 DV-Ⅱ+Pro(spindle HA)를 사용하여 20±0.1℃에서 2중량%의 농도를 갖는 셀룰로오스 에테르 화합물 수용액의 점도를 측정한 값을 의미한다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 너무 낮은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물을 포함하는 용액, 예를 들면 수용액의 점도가 너무 낮아서 미분탄에 대한 결합력이 저하된다. 그 결과, 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 한편, 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 너무 높은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물의 분자량이 너무 높아서 수용해성이 저하되므로, 미분탄에 대한 결합력이 충분하지 않다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 또는 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 등을 포함할 수 있다.

메틸셀룰로오스(MC)는 18~32wt%의 메틸기 치환도를 가지며, 히드록시에틸셀룰로오스(HEC)는 20~80wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가진다. 그리고 히드록시프로필셀룰로오스(HPC)는 20~80wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가지며, 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)는 18~32wt%의 메틸기 치환도 및 2~14wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가진다. 또한, 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)는 18~32wt%의 메틸기 치환도 및 2~14wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가질 수 있다.

한편, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 너무 작은 경우, 그 제조 공정비가 상승한다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 너무 큰 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물의 비표면적이 작아지고, 그 수용해성이 저하되어 이를 이용하여 제조한 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 따라서 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 좀더 구체적으로, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 78㎛일 수 있다. 이 경우, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도는 0.18mm 이하가 97% 이상일 수 있다.

셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30일 수 있다. 좀더 구체적으로, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20일 수 있다. 평균 입도의 비가 너무 크거나 너무 작은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물이 바인더로서 미분탄내에서 결합 능력을 충분히 발현하지 못할 수 있다. 따라서 평균 입도의 비를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

다음으로, 단계(S30)에서는 혼합물에 물을 첨가하여 혼합한다. 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물이 균일하게 분포된 혼합물에 물을 첨가하는 경우, 미분탄내에 분산된 셀룰로오스 에테르 화합물이 물에 용해된다. 그 결과, 용해된 셀룰로오스 에테르 화합물이 미분탄과의 결합력을 발휘하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 액상 바인더를 미분탄에 바로 혼합하지 않고, 먼저 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 미분탄에 혼합한 혼합물에 물을 혼합하여 각 공정을 분리함으로써 우수한 강도를 가지면서도 공정 비용을 최소화한 성형탄을 제조할 수 있다.

한편, 단계(S30)에서의 혼합 시간은 단계(S20)에서의 혼합 시간보다 크다. 즉, 단계(S20)에서는 미분탄과 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하므로 고체와 고체의 혼합으로 단시간 동안에도 균일한 혼합이 가능하다. 반면에, 단계(S30)에서는 액상의 물을 투입하여 미분탄과 혼합된 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물과 접촉시켜 미분탄 속에서 균일하게 잘 용해시켜야 하기 때문에 단계(S20)보다 장시간 혼합하는 것이 공정 효율면에서 바람직하다. 좀더 바람직하게는, 단계(S20)에서의 혼합 시간에 대한 단계(S30)에서의 혼합 시간의 비는 2내지 5일 수 있다. 전술한 비가 너무 적은 경우, 미분탄과 혼합된 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물이 물과 충분하게 접촉하지 못해 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 반대로, 전술한 비가 너무 큰 경우는 공정 효율면에서 바람직하지 않다. 따라서 전술한 비를 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 도 1에는 도시하지 않았지만, 단계(S30) 이후에 혼합물을 건조하는 단계를 추가할 수도 있다. 즉, 미분탄, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물 및 물을 첨가한 혼합물의 성형성을 조절할 필요가 있는 경우, 혼합물을 건조하여 일부 수분을 제거할 수 있다. 그 결과, 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다.

마지막으로, 단계(S40)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공한다. 예를 들면, 한 쌍의 롤러들 사이로 혼합물을 장입하여 압착함으로써 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과, 우수한 열간강도 및 냉간강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다. 여기서, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7wt% 내지 2.0wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 제조 비용이 상승한다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 적은 경우, 충분한 결합력을 발현하지 못하여 성형탄의 강도가 저하된다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 성형탄에 포함된 수분의 양은 5wt% 내지 15wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 수분의 양은 7wt% 내지 12wt%일 수 있다. 수분의 양이 너무 많은 경우, 혼합물의 성형이 어려운 문제점이 있다. 또한, 수분의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 따라서 수분의 양을 전술한 범위로 조절한다.

전술한 방법으로 제조된 성형탄은 0.7wt% 내지 2.0wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 5 wt% 내지 15 wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함한다. 좀더 구체적으로, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다. 여기서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 큰 경우, 성형탄의 제조 비용이 크게 증가한다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 강도가 저하된다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 수분의 양이 너무 많은 경우, 성형탄의 성형성이 저하된다. 또한, 수분의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 따라서 전술한 범위로 성형탄의 수분량을 조절한다.

도 2는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 용철제조장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 용철제조장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 용철제조장치(100)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 2의 용철제조장치(100)는 용융가스화로(10) 및 충전층형 환원로(20)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 충전층형 환원로(20)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 충전층형 환원로(20)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 충전층형 환원로(20)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 충전층형 환원로(20)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(60)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.

도 1의 제조 방법으로 제조한 성형탄은 용융가스화로(10)에 장입되므로, 용융가스화로(10)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(10)의 상부에는 돔부(101)가 형성된다. 즉, 용융가스화로(10)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(601)에 장입되는 성형탄은 열분해 반응에 의해 촤로 변환된다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(10)의 하부로 이동하여 풍구(30)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(10)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(10)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 충전층형 환원로(20)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(10)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.

전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(10)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(10)의 외벽에는 풍구(30)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 용철제조장치(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 3의 용철제조장치(200)의 구조는 도 2의 용철제조장치(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(200)는 용융가스화로(10), 유동층형 환원로(22), 환원철 압축장치(40) 및 압축 환원철 저장조(50)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(50)는 생략할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(10)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(10)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로(22)에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 환원로들(22)에 공급되고, 용융가스화로(10)로부터 유동층형 환원로(22)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 환원철 압축장치(40)에 의해 압축된 후 압축 환원철 저장조(50)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(50)로부터 용융가스화로(10)에 성형탄과 함께 장입되어 용융가스화로(10)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(10)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(10)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(10)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제공할 수 있다.

한편, 성형탄에는 바인더로서 당밀이 아닌 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하므로, 알칼리 성분을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 따라서 높은 알칼리 성분을 함유한 당밀에 의해 유동층형 환원로(22) 내의 분산판(미도시) 또는 싸이클론(미도시)에 칼륨 등의 알칼리가 침적되어 막히는 현상을 사전에 차단할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

성형탄의 열간강도 및 냉간강도 측정 실험

실험예

3.4mm이하의 미분탄과 0.2mm 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말을 1분간 균일하게 혼합한 후 물을 첨가하여 다시 3분간 혼합해 혼합물을 제조하였다. 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 셀룰로오스 에테르 화합물은 삼성정밀화학㈜의 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC, 메셀로스ㄾ) 제품을 사용하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5mm x 25.4mm x 19.1mm 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

실험예 1

수분 함량 7.6%, 평균 입도가 1.1mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 2

수분 함량 7.7%, 평균 입도가 1.1mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.8g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 3

수분 함량 1.4%, 평균 입도가 1.1mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 4

수분 함량 0.1%, 평균 입도가 0.9mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 5

수분 함량 5.7%, 평균 입도가 1.0mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 82㎛, 점도가 60,000cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 6

수분 함량 6.0%, 평균 입도가 1.0mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 75㎛, 점도가 12,200cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 7

수분 함량 6.1%, 평균 입도가 1.0mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 77㎛, 점도가 49,000cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

비교예 1

수분 함량 7.6%, 평균 입도가 1.1mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.6g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

비교예 2

수분 함량 5.7%, 평균 입도가 1.0mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 82㎛, 점도가 60,000cps인 0.2g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

비교예 3

수분 함량 1.4%, 평균 입도가 1.1mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 75㎛, 점도가 2,080cps인 1g의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 10g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

비교예 4

수분 함량 0.1%, 평균 입도가 1.0mm 인 100g의 미분탄과 평균 입도 70㎛, 점도가 6,000 cps인 1g의 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) (ASHILAND社, AQUALONTM) 분말을 먼저 혼합한 후 12g의 물을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험결과

전술한 실험예 1 내지 실험예 6에 따라 제조한 성형탄의 낙하 강도와 압축하중을 측정하였다. 성형탄의 낙하 강도는 성형탄 2kg을 5M높이에서 4회 자유낙하시킨 후에 +20mm이상의 입도를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 또한, 성형탄의 압축하중은 50mm/min의 속도로 압축하였을 때의 최대 하중으로 측정하였으며, 20개 성형탄 시료의 평균값으로 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.

표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 7에서 12,200cps 내지 60,000cps의 점도를 가진 HPMC를 0.8중량부 내지 1.0중량부 사용한 경우, 성형탄의 낙하강도 및 압축하중이 우수하게 나타났다. 따라서 HPMC의 점도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 이와는 대조적으로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도 및 압축하중은 실험예 1 내지 실험예 7에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도 및 압축하중에 비해 훨씬 작은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 HPMC를 사용하여 제조한 성형탄이 CMC를 사용하여 제조한 성형탄에 비해 낙하강도 및 압축하중 측면에서 훨씬 우수한 것을 확인할 수 있었다.

성형탄 Ash 제조 조업 실험

실험예 8

전술한 실험예 1에 의해 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분으로 만들고, 30ml 자기도가니에 약 7g의 미분화된 성형탄을 넣고, 850℃ Box Furnace에서 10시간 동안 가열하여 연소시켰다. 나머지 실험 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

실험예 9

미분탄에 HPMC와 CMC 용액을 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 수분 함량 0.1%, 평균 입도가 1.0mm인 100g의 미분탄과 7.5g의 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC, 삼성정밀화학㈜, 메셀로스ㄾ, 점도 28,000cps) 4% 수용액과 7.5g의 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC, ASHILAND社, AQUALONTM, 점도 6,000 cps) 6% 수용액을 사용하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5mm ㅧ 25.4mm ㅧ 19.1mm 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 이와 같이 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분으로 만들고, 30ml 자기도가니에 약 7g의 미분화된 성형탄을 넣고, 850℃ Box Furnace에서 10시간 동안 가열하여 연소시켰다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 8과 동일하였다.

비교예 5

전술한 비교예 4에 의해 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분으로 만들고, 30ml 자기도가니에 약 7g의 미분화된 성형탄을 넣고, 850℃ Box Furnace에서 10시간 동안 가열하여 연소시켰다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 8과 동일하였다.

실험결과

실험예 8, 실험예 9 및 비교예 5에 따라 조업시에 남은 회분 성분을 분석하였다. 전술한 실험예 8, 실험예 9 및 비교예 5의 실험 결과를 하기의 표 2에 나타낸다. 표 2에는 실험예 8, 실험예 9 및 비교예 5에 따라 제조한 성형탄에 포함된 애쉬 성분을 나타낸다.

표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 8에서는 회분에 함유된 알칼리 중 Na₂O 함량이 0.39으로 낮았지만, 비교예 5에서는 Na₂O 함량이 2.64로 매우 높았다. 또한, 실험예 9에서는 Na2O 함량이 1.59로서 다소 높은 편이었다. 이는 CMC의 기능기에 Na 이온이 결합되어 있어서 CMC 용액을 사용하여 성형탄을 제조하는 경우 알칼리가 환원가스에 포함되어 유동층형 환원로 조업에 나쁜 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 용융가스화로
20. 충전층형 환원로
22. 유동층형 환원로
30. 풍구
40. 환원철 압축장치
50. 압축 환원철 저장조
101. 돔부
200. 용철제조장치

Claims (18)

1. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
   상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
   를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
   미분탄을 제공하는 단계,
   상기 미분탄에 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계,
   상기 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계, 및
   상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
   를 포함하고,
   상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7wt% 내지 2.0wt%인 성형탄의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8wt% 내지 1.5wt%인 성형탄의 제조 방법.
3. 제1항에서,
   상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄에 포함된 수분의 양은 5wt% 내지 15wt%인 성형탄의 제조 방법.
4. 제3항에서,
   상기 성형탄에 포함된 수분의 양은 7wt% 내지 12wt%인 성형탄의 제조 방법.
5. 제1항에서,
   상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 상기 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 5 내지 40인 성형탄의 제조 방법.
6. 제1항에서,
   상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 상기 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 7 내지 20인 성형탄의 제조 방법.
7. 제1항에서,
   상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛인 성형탄의 제조 방법.
8. 제1항에서,
   상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30인 성형탄의 제조 방법.
9. 제1항에서,
   상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20인 성형탄의 제조 방법.
10. 제1항에서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서의 혼합 시간은 상기 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계에서의 혼합 시간보다 작고, 상기 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계에서의 혼합 시간에 대한 상기 혼합물을 제공하는 단계에서의 혼합 시간의 비는 2 내지 5인 성형탄의 제조 방법.
11. 제1항에서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 및 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함하는 성형탄의 제조방법
12. 제1항에서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC)가 포함되지 않는 성형탄의 제조방법
13. 제1항에서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps인 성형탄의 제조방법
14. 제1항에서,
    상기 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계 후에 상기 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함하는 성형탄의 제조 방법.
15. 제1항에 따라 제조한 성형탄을 제공하는 단계,
    철광석을 환원로에서 환원한 환원철을 제공하는 단계, 및
    상기 성형탄과 상기 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계
    를 포함하는 용철 제조 방법.
16. 제15항에서,
    상기 환원철을 제공하는 단계에서, 상기 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로인 용철 제조 방법.
17. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    0.7wt% 내지 2.0wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 5wt% 내지 15wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함하는 성형탄.
18. 제17항에서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.8wt% 내지 1.5wt%인 성형탄.

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