KR20180098862A - 제철소의 용광로 시스템에 사용되는 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스 내에 포함된 회분을 제거하고, 강점결 형태를 갖는 무회분 바이오매스로 개질하여 성형 코크스를 제조하는 것을 특징으로 하는 제철소의 용광로 시스템에 사용되는 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 무회분 바이오매스는 코크스 원료로서 활용이 가능할 뿐만 아니라, 기존 코크스의 성능을 더욱 향상시켜 주는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여 제조되는 무회분 바이오매스를 이용한 성형 코크스는 기존 바이오매스를 활용했을 때보다 높은 성형강도와 발열량을 가질 수 있으며, 회분에 의한 문제점이 개선되어 용광로 내 효율이 훨씬 좋아지게 된다. 또한, 제철소의 CO₂배출량을 저감할 수 있는 효과가 있기 때문에국가적 차원의 온실가스 감축 목표 달성에 효과적이라 할 수 있다.

Description

제철소의 용광로 시스템에 사용되는 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 및 그 제조 방법{Cokes using De-ash biomassin blast furnace system of steel mill and manufacturing method thereof}

본 발명은 무회분 바이오매스를 활용하여 제철소에서 사용 가능한 코크스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계, 목질계 바이오매스로부터 회분을 제거하고, 생산된 무회분 바이오매스와 석탄을 혼합하여 강한 점결 특성을 보이며, 무회분 바이오매스를 사용함에 따라 제철소의 온실가스 감축에 크게 기여할 수 있는 제철소의 용광로 시스템에 사용되는 성형 코크스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

제철소의 용광로는 다량의 온실가스 배출로 인한 지구 온난화 문제에 취약한 구조이다. 또한 효율을 향상시키기 위해 CO를 다량 배출시키기 위한 운전 조건과 burden의 구조를 충분히 유지시키기 위한 고강도의 코크스(coke) 사용이 반드시 필요한 상황이다.

일반적으로 코크스는 용광로(blast furnace)의 철 생성(ironmaking) 과정에서 열적(thermal), 화학적(chemical), 물리적(physical)인 3가지 필수적인 역할을 수행한다. 첫째, 용광로의 60~80% 정도 에너지의 공급원으로 열적(thermal) 역할을 통해 용광로에서 흡열반응으로 melt iron과 슬래그(slag)에 충분한 열원을 공급한다. 둘째, 환원제로 화학적(chemical) 역할을 통해 iron과 다른 oxides들을 환원시키는데 필요한 환원가스를 발생시키며, 용광로의 하부에서 molten iron을 탄소와 혼합시키는 역할을 수행한다. 마지막으로 물리적(physical)인 역할은 burden material의 무게를 견디며 용광로 하부에서의 투과성(permeability)를 유지시켜 주는 역할을 한다. 코크스 투과성은 가스 흐름과 분포 및 용광로 하부에서 melting iron의 용융흐름과 배출을 조절한다.

또한, 반응성이 높은 코크스는 낮은 강도로 인해 burden이 용광로 하부로 내려오는 동안 burden을 지지하기에 적당하지 않게 된다. 코크스의 반응성에 영향을 미치는 인자들로 texture(carbon forms), structure(porosity, pore size, pore wall thickness), ash composition(alkalies, sulfur, iron) 등이 있다. 이러한 코크스 물성들은 parent fuel들의 혼합비로부터 쉽게 추측할 수 있으며, 석탄의 등급, 종류, 구성성분의 등급들은 코크스의 특징을 결정한다. 약점결 고휘발 분석탄(weakly-coking high-volatile(HV))으로부터 얻은 isotropic texture 코크스는 이산화탄소와의 가스화 반응에 의하여 화학적으로 약하며 쉽게 부착된다. 반면에 강점결 고휘발 및 중휘발 석탄(better coking HV and medium-volatile(MV) coal)은반응성이 낮은 coarse circular와 lenticular carbon 형태의 코크스를 생성해 내며저휘발 석탄(low-volatile(LV))은 ribbon-like carbon 형태의 중간 정도의 반응성을 가지는 코크스를 생성한다.

일반적으로 바이오매스를 이용하여 코크스를 제조할 경우, 바이오매스 내에 포함된 광물질(mineral matter)로 인한 코크스 회분의 용융으로 추가적인 slag 형성 및 slag의 부피가 증가하는 영향을 미친다. 코크스 회분의 알카리(alkalis)는 일반적으로 규산염(silicate)으로 존재하며, 또한 코크스 회분은 용광로 장입물(burden)의 알카리 물질로서 가장 큰 근원이 되며, 코크스로부터 공급되는 알카리는 약 75% 정도이다. 또한, 바이오매스는 대체로 휘발분이 많고 약점결 형태로 존재하기 때문에 코크스로의 활용이 어려운 형태이다.

따라서 제철소의 온실가스 저감을 위해서는 바이오매스의 이용은 반드시 필요한 상황이며, 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 바이오매스 내 광물질(mineral matter)을 제거함과 동시에 점결성을 향상시킴으로써 제철소의 안정적인 연료 공급원으로 활용하기 위한 무회분 바이오매스를 이용, 코크스 및 이의 제조방법에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

등록특허 10-0553244 등록특허 10-0305393 등록특허 10-0178327 공개특허 10-2004-0099679

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로, 바이오매스를 활용하여 제조된 코크스의 회분과 약점결에 대한 문제점을 개선하기 위해 강점결의 특성을 보이며, 제철소의 경제성 향상을 이룰 수 있는 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제철소 용광로의 코크스 제조방법은, 바이오매스를 이용한 코크스 원료 제조방법에 있어서, 상기 바이오매스에서 산/알카리 처리를 통한 회분을 분리하는 단계; 상기 분리된 무회분 바이오매스와 석탄을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;상기 혼합물을 성형틀(mould)에서 성형시키는 단계; 및 상기 성형물을 불활성 분위기인 1,100 ~ 1,300 ℃ 에서 1시간~100시간 내지 수시간 동안 소결시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 원료탄은 무회분 바이오매스를 석탄 대비 0.1 내지 100% 사용하거나, 또는 기존 바인더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무회분 바이오매스의 회분(ash) 함량은 전체 바이오매스 중 0.5중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 무회분 바이오매스는 0.5~3mm 범위의 입자 크기를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 원료탄과 상기 무회분 바이오매스는1~5mm의 입자 분포를 가지는 제1입자 95~99.9중량% 와, 0.5~3mm 의 입자 분포를 가지는 제2입자 0.1~5 중량%로 구성된 것일 수 있다.

또한, 상기 바인더는 무회분 바이오매스를 포함하는 원료탄 100중량부에 대해 0~20중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 바인더로서 석탄 타르 피치(coal tar pitch) 및 상기 석탄 타르 피치와 유사한 형태의 1종 이상일 수 있다.

그리고 본 발명은 상기와 같은 제조방법으로 제조된 코크스를 용광로에 제공하는 데 그 특징이 있다.

본 발명의 제철소의 용광로 시스템에 사용되는 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 및 그 제조 방법에 따르면, 무회분 바이오매스를 사용함에 따라 기존 바이오매스의 광물질(mineral matter)로 인한 코크스 회분의 용융 문제를 개선할 수 있고, 점결성이 향상됨에 따라 고강도의 코크스 제조가 가능하게 된다.

또한, 기존 고가의 점결탄 대비 경제성이 뛰어나며, 사용된 바이오매스로 인한 제철소의 온실가스 저감 효과가 나타나게 된다.

도 1은 본 발명의 무회분 바이오매스를 이용한 코크스 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 무회분 바이오매스를 이용하여 제조된 성형 코크스 모습을 나타낸 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한 본 발명에서 사용되는 바이오매스 원료로는 목질계와 초본계를 사용할 수 있다. 목질계로는 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일란, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등을 이용할 수 있다. 초본계로는 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물 등의 바이오매스가 사용될 수 있다.

바이오매스 내에 포함된 상기 회분은 산화규소 (SiO₂), 산화알미늄 (Al₂O₃), 산화철 (FeOx), 산화칼슘 (CaO), 산화마그네슘 (MgO), 산화티타늄 (TiO₂), 산화나트륨 (Na₂O), 산화칼륨 (K₂O) 등의 무기물 성분들을 의미한다.

상기 무회분 바이오매스는 더욱 바람직하게는 억새, EFB(Empty Fruit Bunches), 케나프, 옥수수대, 왕겨일 수 있다.

상기 소정 크기는 500mm이하 일 수 있다.

바람직하게는 10㎜ 내지 300mm이하 일 수 있다.

더욱 바람직하게는 0.5mm 내지 3mm이하 일 수 있다.

상기 입자 사이즈를 벗어날 경우, 분쇄비용이 과다하게 소요되거나, 코크스 제조 효율이 낮아지게 된다.

상기 무회분 바이오매스는 알카리 용액 ammonia(NH₃), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 수산화칼륨(KOH), 혹은 산성 용액 acetic acid(C₂H₄O₂), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH₃CH₂COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 초산(CH3COOH), 옥살산(C2H2O4) 중 어느 하나 이상을 추가로 투입하여 바이오매스 내 회분을 추출한다.

상기와 같이 제조된 무회분 바이오매스는 코크스 제조용 원료탄과 0.1~5중량% 범위로 섞어주고, 코크스 제조 장치를 이용하여 코크스를 제작하게 된다.

상기 코크스를 제조하는데 있어 무회분 바이오매스와 원료탄 외 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 석탄 타르 피치(coal tar pitch) 및 상기 석탄 타르 피치와 유사한 형태의 1종 이상일 수 있다. 상기 석탄 타르 피치는 원료탄 100중량부에 대해 0~20중량부로 포함될 수 있다.

상기 lab scale용 코크스 제조장치의 운전 조건은 약 800 의 Bulk density로 장입되며 200g의 load가 전기로에서 온도가 올라가는 동안 지속적인 압력(약 6.24 kPa)을 가해주게 된다. 전기로 내부는 질소가스(N₂)를 이용한 불활성 분위기 상태로 실온부터 1273K까지 3 K/min의 승온률을 가지고 가열되며 1273K에 도달하면 30분동안 온도를 유지시켰다가 질소가스로 냉각하여 코크스를 얻게 된다.

상기 발명은 또한, 무회분 바이오매스를 이용하여 코크스를 제조하는 것에 특징을 가지고 있으며, 구체적으로는 무회분 바이오매스의 점결 특성과 낮은 회분 특성을 포함하고 있다. 더욱 구체적으로는 온실가스 감축이 가능한 고강도의 코크스를 제조하는 것에 그 특징을 가지고 있다.

Electric furnace : 전기로

Claims (15)

1. 바이오매스를 이용한 코크스 원료 제조방법에 있어서,
   상기 바이오매스에서 산/알카리 처리를 통한 회분을 분리하는 단계;
   상기 분리된 무회분 바이오매스와 점결탄을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
   경우에 따라 바인더를 추가하는 단계;
   상기 혼합물을 성형틀(mould)에서 성형시키는 단계; 및
   상기 성형물을 불활성 분위기인 1,100 ~ 1,300 ℃ 에서 1시간~100시간 내지 수시간 동안 소결시키는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스를 산/알카리 처리를 하는 단계에서, 바이오매스의 입자 크기를 감소시키기 위하여 물리적 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 물리적 처리를 수행하는 단계 이후에 산/알카리 용액을 이용하여 회분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 회분을 추출하는 산 용액은 pH가 1.0~3.0 인 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 회분을 추출하는 알카리 용액은 pH가 11~13 인 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 회분이 추출된 바이오매스의 입자 크기는 0.5~3mm 이하인 파우더 형태인 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 회분이 추출된 바이오매스는 석탄과 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계에서 무회분 바이오매스의 함량은 전체 혼합물에서 0.1 중량% 초과 내지 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법
8. 제7항에 있어서, 상기 바이오매스는 초본계, 목본계 바이오매스는 어느 하나 또는 2 이상의 것을 혼합한 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 목질계인 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일란, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등과 초본계인 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물 등의 바이오매스 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 원료탄은 갈탄(lignite), 준역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 및무연탄 (anthracite)중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
11. 제1항에 있어서, 사용된 바인더는 석탄 타르 피치(coal tar pitch) 및 상기 석탄 타르 피치와 유사한 형태의 1종 이상으로, 상기 석탄 타르 피치는 원료탄 100중량부에 대해 0~20중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 혼합물을 성형틀(mould)에서 성형 한 뒤 불활성 분위기인 1,100 ~ 1,300 ℃에서 1시간~100시간 내지 수시간 동안 소결시키는 단계가 포함된 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
13. 제12항에 있어서, 성형틀에서 성형이 된 상태에서 성형틀 자체에 온도를 가해 바로 제작이 가능한 특징을 갖는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
14. 제3항에 있어서, 상기 무회분 바이오매스는 회분(ash) 함량이 전체 바이오매스 중 0.5중량% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 제철소 용광로의 코크스 제조 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 따라 제조된 제철소 용광로의 성형 코크스.
    

Images