KR20180121151A - 성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄; 및 셀룰로오스 에테르;를 포함하는 성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기한 범위 한도 내에서 높은 수분함량 및 낮은 발열량을 갖는 석탄원료를 사용하더라도 소수성, 발열량 및 압축강도가 우수한 성형탄을 제공할 수 있다.

Description

성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄 {COMPOSITION OF COAL BRIQUETTE AND COAL BRIQUETTE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄과 함께 셀룰로오스 에테르를 포함함으로써 소수성, 발열량 및 압축강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있는 성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄에 관한 것이다.
일반적으로 석탄은 이탄(peat), 갈색탄(brown coal), 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 등급으로 나누어지며, 역청탄은 다시 저휘발분, 중휘발분, 고휘발분 역청탄으로, 그리고 무연탄은 반무연탄, 무연탄, 메타(Meta)-무연탄과 흑연계 무연탄으로 나누어진다. 이중에서 저급 석탄(Low Rank Coal: LRC)은 갈색탄, 갈탄, 아역청탄을 말하며 역청탄, 무연탄 등은 고급 석탄(High Rank Coal: HRC)로 분류된다.
상기 석탄을 직접 연소시켜 화력발전을 하기 위해서는 무연탄, 역청탄 등의 고급 석탄이 사용되어야 하지만, 이러한 고급 석탄은 값이 비싸고 매장량도 적다. 이에, 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 저급 석탄(LRC: Low Rank Coal)을 화력발전 산업에 적용하는 방안에 대한 연구가 진행되어 왔다.
그러나, 저급석탄의 경우 발열량이 적기 때문에 화력발전에 사용하기에는 많은 제약이 따르는바, 저급석탄이 역청탄 수준의 발열량을 낼 수 있도록 해주는 고열량화 기술이 필요하다. 뿐만 아니라, 저급석탄은 수분의 함량이 높아 무게와 부피가 크므로 운반도 쉽지 않다. 그리고, 갈탄과 같은 저급 석탄은 기공이 많고 휘발분을 다량 포함하고 있으므로, 수분의 흡탈착에 의한 흡착열의 축적에 따른 온도 상승 및 휘발분 중의 상당량을 차지하고 있는 산소 기능성 그룹의 존재에 의한 자연 발화 가능성이 높아서 사용이 제한되어 왔다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 제10-1209465호)은 발열량이 높은 팜 잔사유를 석탄표면에 코팅함으로써 석탄의 평균 발열량을 증가시키고, 석탄에 수분이 재흡착할 가능성과 자연발화 가능성을 줄일 수 있는 저급 석탄의 개질방법을 제시하였다. 구체적으로, 특허문헌 1에 따른 팜 잔사유를 이용한 석탄의 개질방법은 (a) 석탄을 분쇄하는 단계; (b) 상기 분쇄된 석탄에 팜 잔사유(Palm residue)를 균질하게 혼합하는 단계; (c) 상기 석탄과 혼합된 팜 잔사유가 융해하여 석탄표면에 코팅되고 동시에 석탄 내 수분이 건조되는 건조-안정화 단계; (d) 상기 건조-안정화 단계를 거친 석탄의 냉각 단계; 및 (e) 상기 냉각 단계를 거친 석탄을 성형하는 단계를 포함하는 것으로, 그 공정이 상당히 복잡하다.
또한, 상기 특허문헌 1은 상기 (e) 단계에서 석탄에 남아있는 수분과 팜 잔사유가 성형의 바인더 역할을 한다고 기재하고 있는데, 이렇게 제조된 성형탄은 압축강도가 현저히 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 특허문헌 1에 따라 제조된 성형탄은 저장 탱크 및 용융로와 같은 특정 형태를 갖는 용기 내부에 적층될 경우 자체 하중에 의해 파손되거나 이송과정에서 부서질 우려가 높고, 이는 분진발생의 원인이 될 수 있다.
이에, 성형탄의 강도를 향상시키기 위한 방안으로, 특허문헌 2(대한민국 등록특허공보 제10-1634069호)에서는 석탄을 파쇄한 미분탄과 바인더를 혼합한 후 성형 과정을 거쳐 성형탄을 제조하는 방안을 제시하였다. 이때, 특허문헌 2는 상기 바인더로서 당밀과 카라멜을 적절히 혼합하여 사용하였다.
그러나, 당밀은 작황으로 인한 수급, 품질 불안정 및 악취 등 여러 가지 문제를 가지고 있다. 그리고, 특허문헌 2에 따라 제조된 성형탄은 소수성이 떨어져 수분과 접촉시 함수율이 높아졌으며, 수분과 접촉된 성형탄은 발열량이 현저히 떨어졌다.
즉, 선행문헌들에 제시된 방법만으로는 낮은 발열량, 예컨대 5,000kcal/kg 이하의 발열량을 갖는 석탄을 원료로 사용하여 소수성 및 발열성이 우수하면서도 압축강도가 우수한 성형탄을 제공하지 못한다는 문제가 있다.
이에, 5,000kcal/kg 이하의 낮은 발열량을 갖는 석탄을 원료로 사용하되, 소수성이 우수하여 수분과 접촉 후에도 6,000kcal/kg 이상의 높은 발열량을 나타내며, 동시에 우수한 압축강도를 나타내는 성형탄을 제조할 수 있는 성형탄 조성물을 제공하는 방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.
KR 101209465 B KR 101634069 B
본 발명은 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄과 함께 셀룰로오스 에테르를 포함함으로써 소수성, 발열량 및 압축강도가 우수한 성형탄을 제공할 수 있는 성형탄 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 성형탄 조성물을 포함하는 성형탄을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄; 및 셀룰로오스 에테르;를 포함하는 성형탄 조성물을 제공한다.
상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 발열량은 상기 석탄의 1.2 ~ 9배일 수 있고, 상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 하기의 식에 따라 계산되는 수분재흡착율은 0% 초과 ~ 5% 이하 일 수 있다.
수분재흡착율(%) = A2 - A1
상기 식에서, A1(%)은 제조 직후 성형탄의 수분함량(%)을 나타내고, A2(%)는 24시간동안 물에 침적 후 꺼내진 성형탄의 수분함량(%)을 나타내며, 상기 수분함량은 적외선수분측정기(KETT社, FD-720)를 이용하여 20분간 150℃ 상태에서 측정한 값이다.
상기 석탄은 입도가 0mm초과 4mm이하의 미분탄일 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르의 점도(Brookfield Viscometer)는 2.0중량% 농도의 수용액을 기준으로 브룩필드(Brookfield, LV) 점도계를 이용하여 20℃ 및 20rpm의 조건에서 측정할 때 100 ~ 100,000cps일 수 있다.
그리고, 상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose), 히드록시알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl cellulose), 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose) 및 알킬알킬 히드록시알킬 셀룰로오스(alkyl alkyl hydroxylalkyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상을 포함할 수 있고, 예컨대 메틸셀룰로오스(methyl cellulose; MC), 히드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose; HEC), 히드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose; HPC), 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose; HEMC), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose; HPMC), 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose; EHEC) 및 메틸에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(methylethyl hydroxyethyl cellulose; MEHEC)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상을 포함할 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르의 함량은 상기 석탄 100중량부를 기준으로 0.1 ~ 10.0중량부일 수 있다.
본 발명에 따른 성형탄 조성물은 물을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 성형탄 조성물을 포함하는 성형탄을 제공하며, 상기 성형탄은 수분함량이 0 ~ 20%이고, 발열량이 6,000 ~ 9,000kcal/kg일 수 있다.
본 발명에 따른 성형탄 조성물은 수분함량이 최대 70%까지 높고, 발열량이 5,000kcal/kg 이하로 낮은 석탄을 원료로 사용하되, 바인더로서 셀룰로오스 에테르를 포함함으로써 소수성, 발열량 및 압축강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따라 제공되는 성형탄은 소수성이 우수하여 이송 및 보관 과정 등에서의 수분 재흡착 및 자연발화 가능성이 억제될 수 있다. 그리고, 본 발명에 따라 제공되는 성형탄은 높은 발열량을 나타내므로 화력발전에 바람직하게 사용될 수 있고, 압축강도가 우수하여 파손 및 분진발생의 문제를 야기하지 않는다.
특히, 본 발명에 따르면, 고수분 및 저발열량을 나타내는 저가의 저급 원료 석탄을 사용하여 고급석탄 수준인 6,000kcal/kg이상의 높은 발열량을 나타내는 성형탄을 제공할 수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 성형탄을 물이 채워진 비이커에 1시간 동안 침적한 후의 사진을 도시한 것이다.
도 2는 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 성형탄을 물이 채워진 비이커에 1시간 동안 침적한 후의 사진을 도시한 것이다.
본 발명은 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄; 및 셀룰로오스 에테르;를 포함하는 성형탄 조성물 및 이를 포함하는 성형탄에 관한 것이다.
본 발명에 따른 성형탄 조성물의 주 원료로 사용되는 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄의 경우, 화력발전용 성형탄으로 활용되기 위해서는 6,000kcal/kg 이상의 높은 발열량을 나타내도록 하는 고열량화가 필수적이고, 수분재흡착 방지, 자연발화 억제, 분진발생 억제 등 고품질화가 필요하였다. 이러한 필요에 따라 예의 연구를 거듭한 결과, 본 발명자들은 바인더로서 셀룰로오스 에테르를 사용함으로써 별도의 석탄원료 건조과정 없이도 상기 조건의 석탄을 이용하여 높은 발열량을 나타내면서도 소수성 및 압축강도가 우수한 성형탄을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
상기한 바와 같이 본 발명에서 사용되는 석탄은 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 것을 특징으로 한다.
상기 석탄의 수분함량이 70%를 초과할 경우에는 수분과다로 화력발전용 성형탄 제조를 위한 원료 석탄의 성형공정 진행이 어려워 추가적인 석탄 건조과정이 요구되므로 제조비용 상승 문제가 발생한다. 한편, 상기 70% 초과의 수분함량을 갖는 석탄을 이용하여 추가적인 건조과정 없이 성형탄을 제조할 경우에는, 최종적으로 수득되는 성형탄의 발열량이 낮아 화력발전용으로 사용할 수 없고, 소수성이 낮아 수분 재흡착 및 자연발화 가능성이 높으며, 압축강도 또한 낮게 나타나는 문제가 있다. 반면, 상기 수분함량이 5% 미만인 석탄을 원료 석탄으로 사용할 경우에는 석탄자체의 발열량이 우수하여 높은 발열량을 갖는 성형탄을 제조할 수는 있으나 석탄 자체의 단가가 매우 높고 석탄대비 성형탄의 발열량 향상효과가 미미하므로 경제성이 떨어진다.
그리고, 상기 석탄의 발열량이 1,000kcal/kg 미만일 경우에는 바인더로서 셀룰로오스 에테르를 사용하더라도 화력발전용 성형탄에 요구되는 발열량인 6,000kcal/kg에 못 미치는 성형탄이 제조되므로 산업분야에 적용할 수 없다. 반면, 발열량이 5,000kcal/kg를 초과하는 석탄의 경우는 원가가 고가이므로 경제성이 떨어진다.
상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 발열량은 상기 석탄의 1.2 ~ 9배일 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 성형탄의 경우, 낮은 발열량을 갖는 저가의 저급 원료 석탄을 이용하여 고급석탄 수준의 높은 발열량을 나타내는 성형탄을 제조할 수 있는바, 가격경쟁력을 확보할 수 있어 바람직하다.
그리고, 상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 하기의 식에 따라 계산되는 수분재흡착율은 0% 초과 ~ 5% 이하 일 수 있다.
수분재흡착율(%) = A2 - A1
상기 식에서, A1(%)은 제조 직후 성형탄의 수분함량(%)을 나타내고, A2(%)는 24시간동안 물에 침적 후 꺼내진 성형탄의 수분함량(%)을 나타내며, 상기 수분함량은 적외선수분측정기(KETT社, FD-720)를 이용하여 20분간 150℃ 상태에서 측정한 값이다.
상기 수분재흡착율(%)은 24시간 동안 물에 침적시킨 후 꺼낸 성형탄의 수분함량(A2)에서 제조 직후의 성형탄의 수분함량(A1)을 빼는 방식으로 계산한 값으로, 최대한 많은 양의 수분과 접촉할 수 있는 환경을 조성하여 성형탄의 수분재흡착율을 평가한 값이다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 성형탄은 소수성이 우수하여 폭우에 노출되거나 침수되는 등 과다한 수분 접촉 환경하에서도 5% 이하의 낮은 수분 재흡착율을 나타낼 수 있는 바, 이송이나 보관 과정 중에 수분과 접촉시 함수율 증가에 따른 성형탄의 발열량 저하문제가 야기되지 않는다.
또한, 성형탄 품질의 편차를 줄이기 위해 입도가 작고 일정한 석탄을 사용하는 것이 좋으며, 예컨대, 상기 석탄으로서 0mm초과 4mm이하의 미분탄이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르는 석탄 입자들을 서로 결합시켜주는 바인더 역할을 수행한다. 상기 셀룰로오스 에테르는 식물성 소재인 셀룰로오스로부터 유래된 것으로, 셀룰로오스의 수산기를 에테르화제를 사용하여 에테르화시킨 셀룰로오스 유도체의 일종이다. 상기 셀룰로오스 에테르는 당밀보다 적은 양으로도 우수한 바인딩 효과를 얻을 수 있다. 또한, 당밀에 비해 수급 및 가격 변동률이 안정적이며 저장 및 유지 비용이 저렴하다. 아울러, 상기 셀룰로오스 에테르를 바인더로 사용할 경우, 강도 강화제를 사용하지 않고도 우수한 강도를 갖는 성형탄을 얻을 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose), 히드록시알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl cellulose), 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose) 및 알킬알킬 히드록시알킬 셀룰로오스(alkyl alkyl hydroxylalkyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상을 포함할 수 있으며, 예컨대 메틸셀룰로오스(methyl cellulose; MC), 히드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose; HEC), 히드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose; HPC), 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose; HEMC), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose; HPMC), 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose; EHEC) 및 메틸에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(methylethyl hydroxyethyl cellulose; MEHEC)로 이루어진 군으로부터 선택된 일종 이상이 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 셀룰로오스 에테르로서는 HEMC 및 HPMC 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 HEMC는 메틸기 치환율(DS)이 18 ~ 32wt%이고 히드록시에틸기 치환율(MS)이 2 ~ 14wt%일 수 있고, 상기 HPMC는 메틸기 치환율(DS)가 18 ~ 32wt%이고 히드록시프로필기 치환율(MS)이 2 ~ 14wt%일 수 있다. 이때, 상기 메틸기 치환율이 높을수록, 그리고 히드록시프로필기 또는 히드록시에틸기 치환율이 적을수록 소수성이 높아지게 된다. 본 발명에 따른 성형탄 조성물이 상기 메틸기, 히드록시에틸기 또는 히드록시프로필기 치환율이 상기 범위에 포함되는 셀룰로오스 에테르를 바인더로 사용할 경우, 하이드로포빅한 겔 구조가 형성되고 석탄 입자간의 접착력을 강화시켜 필름을 형성하여 최종적으로 우수한 소수성을 갖는 성형탄을 얻을 수 있어 바람직하다.
여기서, 상기 "치환율"의 용어는 하기의 화학식 1에서와 같이 치환된 셀룰로오스의 반복 단위를 구성하는 원소들의 원자량 총합 중 각각의 치환체(R)를 구성하는 원소들의 원자량 총합의 비율을 의미한다.
화학식 1
Figure pat00001
상기 식에서, R은 서로 독립적으로 -H, CH3, -CH2CH2OH 또는 -CH2CHOHCH3이고, n은 1 이상의 정수이다.
상기 셀룰로오스 에테르의 점도(Brookfield Viscometer)는 2.0중량% 농도의 수용액을 기준으로 브룩필드(Brookfield, LV) 점도계를 이용하여 20℃ 및 20rpm의 조건에서 측정할 때 100 ~ 100,000cps일 수 있다. 상기 점도가 상기 범위 이내로 포함될 경우 셀룰로오스 에테르가 석탄입자 입자들 간에 결합력을 충분히 부여할 수 있고, 더욱이 우수한 공정효율을 나타낼 수 있어 바람직하다. 특히, 상기 셀룰로오스 에테르의 점도가 5,000 ~ 70,000cps일 경우, 소수성, 압축강도 및 발열량이 우수한 성형탄을 제공할 수 있어 더욱 바람직하며, 가장 바람직하게 상기 셀룰로오스 에테르의 점도는 10,000 ~ 60,000cps 일 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르의 함량은 상기 석탄 100중량부를 기준으로 0.1 ~ 10.0중량부일 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르의 함량이 상기 범위 이내에 포함될 경우, 간단한 방법으로 저급 석탄 수준의 낮은 발열량을 갖는 석탄을 고급 석탄 수준으로 고열량화할 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르는 용해를 통해 접착력을 발현할 수 있다. 구체적으로, 셀룰로오스 에테르는 물로 대표되는 극성 용매에 용해된다. 긴 체인 형태를 갖는 고분자인 셀룰로오스 에테르는, 극성 용매인 물에 용해되어 수소결합을 형성하며, 뭉쳐있던 고분자 사슬이 펴지는 과정을 통해 점도가 발현된다. 또한, 이후 수분이 증발하는 과정을 거쳐 접착력을 발현하게 된다.
이에, 본 발명에 따른 성형탄 조성물은 물을 더 포함할 수 있고, 상기 물로서는 증류수가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 물은 상기 석탄 100중량부에 대하여 50.0중량부 이내로 포함될 수 있다. 상기 물의 함량이 상기 범위 이내이면, 취급이 용이하고 균일한 조성을 갖는 성형탄 조성물을 얻을 수 있다.
이 밖에, 본 발명에 따른 성형탄 조성물은 셀룰로오스 에테르 100 중량부에 대하여 10,000 중량부 이하로 추가 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 바인더로는 당밀, 전분, 호화전분, 변성전분, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴아미드(PAM), 수크로오스, 액상 글루코오스, 아카시아 검, 트래거캔스 고무(tragacanth gum), 젤라틴, 알긴산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리아크릴산나트륨, 폴리비닐메틸에테르(PLM), 알긴산, 아스팔트, 역청(BITUMEN), 카세인(CASEIN), 에폭시 레진, 피치(PITCH), 폴리아미드, 폴리우레탄 및 폴리비닐 아세탈 등이 단독 또는 2종 이상 혼합 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 성형탄 조성물을 포함하는 성형탄을 제공한다. 상기 성형탄은 수분함량이 0 ~ 20%이고, 발열량이 6,000 ~ 9,000kcal/kg일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 성형탄은 자체 수분함량이 낮을 뿐만 아니라, 소수성 또한 매우 높아 수분재흡착율이 5%를 넘지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 이송 및 보관 과정에서 수분에 노출되더라도 함수율이 거의 증가하지 않아 높은 발열량을 나타내는 성형탄을 제공할 수 있다.
또한, 상기 성형탄의 발열량은 역청탄이나 무연탄 등과 같은 고급석탄이 발현해내는 발열량과 같은 높은 수준으로, 화력발전용으로 사용하기에 충분하다.
그리고, 본 발명에 따라 제공된 성형탄은 압축강도가 우수하기 때문에, 성형탄이 저장 탱크 및 용융로와 같은 특정 형태를 갖는 용기 내부에 적층되거나 이송되는 과정에서 자체 하중에 의한 파손 거의 발생하지 않는다. 따라서, 성형탄 파손으로 인한 분진발생이 억제되고, 결과적으로 분진발생으로 인한 환경오염이 방지될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 성형탄의 제조방법은 (1) 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄, 셀룰로오스 에테르 및 물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (1) 단계의 일 예로, 상기 석탄에 셀룰로오스 에테르를 투입하여 건식 혼합물을 제조한 후, 상기 건식 혼합물에 물을 투입하여 습식 혼합물을 제조하는 것일 수 있다.
상기 (1) 단계의 다른 예로, 상기 석탄에 셀룰로오스 에테르 용액을 투입하여 습식 혼합물을 제조하는 것일 수 있다. 이때, 상기 셀룰로오스 에테르 용액은 셀룰로오스 에테르 및 용매를 포함하는 용액일 수 있으며, 상기 용매는 물일 수 있다.
상기 석탄으로서는 상기 범위의 수분함량 및 발열량을 갖는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대 갈탄이나 아역청탄 수준의 저급 석탄이 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 저급석탄의 경우, 종래에는 고열량화를 위해 복잡한 공정이 요구되었으나, 본 발명에 따르면 단순한 혼합 및 성형 공정만으로 높은 발열량을 갖는 고강도의 성형탄을 제공할 수 있다.
상기 석탄은 0mm 초과 4mm이하의 입도를 갖는 미분탄일 수 있으며, 이때 괴상의 석탄을 공지된 통상의 방법에 따라 분쇄하여 사용하거나 이미 분쇄된 미분탄을 구입하여 사용 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 성형탄의 제조방법은 상기 (2) 단계에 따라 제조된 성형탄을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리 과정을 통해 성형탄의 강도가 더욱 증가될 수 있으며, 이러한 열처리는 50 ~ 200℃의 온도 하에서 1 ~ 5시간 동안 수행될 수 있다.
상기 열처리의 온도 및 시간이 상기 범위에 포함될 경우 성형탄의 압축강도 상승 효과가 증대될 수 있고, 크랙발생 및 휘발분 손실이 줄어들 수 있어 바람직하다.
이하, 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
(성형탄 조성물의 제조)
수분함량이 15%이고 발열량이 4,120kcal/kg인 저급석탄(인도네시아산 갈탄, 입자 크기:0.1 ~ 4mm) 100중량부 및 바인더인 셀룰로오스 에테르 1.0중량부를 혼합하고, 이렇게 얻어진 혼합물을 1분간 핸드믹싱(hand mixing)하였다. 이때, 상기 셀룰로오스 에테르로서는 점도가 10,000cps인 히드록시에틸메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose; HEMC)를 사용하였다. 단, 상기 셀룰로오스 에테르의 점도는 2.0중량% 농도의 수용액을 기준으로 브룩필드(Brookfield, LV) 점도계를 이용하여 20℃ 및 20rpm의 조건에서 측정한 값이다.
이어서, 상기 핸드믹싱 과정을 거친 혼합물에 증류수 20중량부를 첨가한 후, 호바트(Hobart) 믹서(흥진정밀, HJ-1150)로 3분간 믹싱하여 성형탄 조성물을 제조하였다.
(성형탄의 제조)
상기 성형탄 조성물을 브리케팅 머신(㈜ 제일산기, JCB250T)을 사용하여 가로 51mm × 세로 38.2mm × 두께 24mm의 타원형태를 갖는 성형탄을 제조하였다.
실시예 2 내지 7 및 비교예 1 내지 5
상기 저급석탄의 수분함량 및 발열량, 바인더의 종류 및 함량을 하기의 표 1에 기재된 바와 같이 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 성형탄을 제조하였다.
저급석탄 바인더(중량부)
수분함량
(%)		 발열량
(kcal/kg)		 당밀 PVA 전분 셀룰로오스 에테르
실시예1 15 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
실시예2 15 4,120 - - - 1.0%
(HEMC2 ) 2% Wet 점도 60,000cps)
실시예3 15 4,120 - - - 1.0%
(HPMC 2% Wet 점도 10,000cps)
실시예 4 5 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
실시예 5 30 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
실시예 6 50 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
실시예 7 70 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
비교예1 15 4,120 - - - -
비교예2 15 4,120 8.0 - - -
비교예3 15 4,120 - 1.0 - -
비교예4 15 4,120 - - 1.0 -
비교예5 80 4,120 - - - 1.0
(HEMC1 ) 2% Wet 점도 10,000cps)
* 저급석탄 : 인도네시아산 갈탄, 입자 크기 0.1 ~ 4mm
* HEMC1 ) : 롯데정밀화학㈜, MECELLOSE® CF-1, 점도:10,000cps
* HEMC2 ) : 롯데정밀화학㈜, MECELLOSE® EMA-70U, 점도:60,000cps
* HPMC: 롯데정밀화학㈜, MECELLOSE® PMC-60U, 점도:10,000cps
* 당밀 : ㈜케이시산업환경 (고형분 : 77.2% , 총당량 : 49.3%)
* PVA : 쿠라레이, M17A
* 전분 :인그레디언코리아, AA알파전분
< 평가방법 >
1. 소수성 평가
비이커에 물 100g을 채우고, 상기 비이커에 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 성형탄을 1시간 동안 침적시킨 후, 성형탄의 형태가 무너지는 정도를 육안으로 관찰하는 관능평가를 실시하고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다. 하기의 표 2에서, ①은 성형탄의 외관에 전혀 변화가 없는 상태를 나타내고, ②는 성형탄의 표면이 약간 들뜬 상태를 나타내며, ③은 성형탄 표면이 전체적으로 들뜬 상태를 나타내고, ④는 성형탄의 외관이 무너진 상태를 나타내며, ⑤는 성형탄이 완전히 무너진 상태를 나타낸다. 이때, 상기 성형탄의 외관변화가 적을수록 소수성이 높은 것으로 평가할 수 있다.
그리고, 도 1 및 2에는 각각 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 성형탄이 물이 채워진 비이커에 1시간동안 침적된 후의 사진이 각각 도시되어 있다.
이어서, 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 성형탄의 수분재흡착율을 하기의 식에 따라 계산하고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
수분재흡착율(%) = A2 - A1
상기 식에서, A1(%)은 제조 직후 성형탄의 수분함량(%)을 나타내고, A2(%)는 24시간동안 물에 침적 후 꺼내진 성형탄의 수분함량(%)을 나타내며, 상기 수분함량은 적외선수분측정기(KETT社, FD-720)를 이용하여 20분간 150℃ 상태에서 측정한 값이다.
2. 압축강도(kg/cm2)
만능재료시험기(신강정밀공업, AD-만능재료시험기-kN)를 이용하여 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 성형탄의 단위면적당 최고 파괴하중을 측정하고, 이를 압축강도로 평가하였으며, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다. 상기 압축강도는 성형탄이 저장 탱크 및 용융로와 같은 특정 형태를 갖는 용기 내부에 적층되거나 이송되는 과정에서 자체 하중에 의해 파손되는 비율을 판정하는 기준이 된다.
3. 발열량(kcal/kg)
성형탄의 발열량은 외부인증기관인 한국화학융합시험연구원(KTR, Korea Testing & Research Institute) KTR(Korea Testing & Research Institute)에 의뢰하여 평가하였고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다. 이때, 상기 발열량의 평가는 상기 "1. 소수성 평가" 직후, 즉 물이 채워진 비이커에서 1시간 동안 침적한 후 꺼낸 성형탄을 대상으로 수행하였다.
외관변형
(관능평가)		 수분함량(%) 수분
재흡착율(%)		 압축강도
(kgf/cm2)		 발열량
(kcal/kg)
제조 직후(A1) 침적후(A2)
실시예1 ①전혀 변화없음 14.81 17.80 2.99 45.7 6,560
실시예2 ①전혀 변화없음 13.54 16.49 2.95 71.4 6,850
실시예3 ①전혀 변화없음 14.90 17.73 2.83 50.3 6,593
실시예4 ①전혀 변화없음 5.04 7.88 2.84 60.4 8,780
실시예5 ①전혀 변화없음 17.78 21.10 3.32 44.5 6,320
실시예6 ①전혀 변화없음 19.86 23.69 3.83 41.0 6,305
실시예7 ①전혀 변화없음 19.98 23.24 3.26 40.8 6,280
비교예1 ⑤완전 무너짐 14.25 30.01 15.76 0 3,214
비교예2 ④외관 무너짐 14.93 27.52 12.59 4.6 4,560
비교예3 ⑤완전 무너짐 13.97 26.52 12.55 12.5 3,875
비교예4 ⑤완전 무너짐 14.26 24.37 10.11 4.9 4,007
비교예5 ③표면 들뜸 21.69 28.79 7.1 3.4 3,207
상기 표 1을 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 7에 따라 제조된 성형탄의 경우, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 성형탄에 비하여 수분재흡착율이 낮은 것으로 나타나 소수성이 우수하다는 것을 알 수 있고, 압축강도 및 발열량 또한 현저히 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 성형탄을 물이 채워진 비이커에 1시간동안 침적한 후의 사진을 나타내는 도 1을 살펴보면, 성형탄의 외관이 전혀 변형되지 않았음을 더욱 명확하게 확인할 수 있다. 반면, 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 성형탄을 물이 채워진 비이커에 1시간동안 침적한 후의 사진을 나타내는 도 2를 살펴보면, 성형탄의 외관이 무너지거나 성형탄의 형태가 완전히 무너져 소실되었음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 수분함량이 5 ~ 70%이고 발열량이 1,000 ~ 5,000kcal/kg인 석탄; 및 셀룰로오스 에테르;를 포함하는 성형탄 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 발열량은 상기 석탄의 1.2 ~ 9배이고, 상기 성형탄 조성물로부터 제조된 성형탄의 하기의 식에 따라 계산되는 수분재흡착율은 0% 초과 ~ 5% 이하 인 것을 특징으로 성형탄 조성물:
    수분재흡착율(%) = A2 - A1
    상기 식에서, A1(%)은 제조 직후 성형탄의 수분함량(%)을 나타내고, A2(%)는 24시간동안 물에 침적 후 꺼내진 성형탄의 수분함량(%)을 나타내며, 상기 수분함량은 적외선수분측정기(KETT社, FD-720)를 이용하여 20분간 150℃ 상태에서 측정한 값이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 석탄은 입도가 0mm초과 4mm이하의 미분탄인 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르의 점도(Brookfield Viscometer)는 2.0중량% 농도의 수용액을 기준으로 브룩필드(Brookfield, LV) 점도계를 이용하여 20℃ 및 20rpm의 조건에서 측정할 때 100 ~ 100,000cps인 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르는 알킬 셀룰로오스(alkyl cellulose), 히드록시알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl cellulose), 히드록시알킬 알킬 셀룰로오스(hydroxyalkyl alkyl cellulose) 및 알킬알킬 히드록시알킬 셀룰로오스(alkyl alkyl hydroxylalkyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르는 메틸셀룰로오스(methyl cellulose; MC), 히드록시에틸 셀룰로오스(hydroxyethyl cellulose; HEC), 히드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose; HPC), 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스(hydroxyethyl methyl cellulose; HEMC), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose; HPMC), 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(ethyl hydroxyethyl cellulose; EHEC) 및 메틸에틸 히드록시에틸 셀룰로오스(methylethyl hydroxyethyl cellulose; MEHEC)로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르의 함량이 상기 석탄 100중량부를 기준으로 0.1 ~ 10.0중량부인 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 성형탄 조성물은 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성형탄 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 성형탄 조성물을 포함하는 성형탄.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 성형탄은 수분함량이 0 ~ 20%이고, 발열량이 6,000 ~ 9,000kcal/kg인 것을 특징으로 하는 성형탄.
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