KR20190078426A - 성형탄 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일구현예에 따른 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,미분탄을 준비하는 단계, 미분탄과 전분 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계, 상기 혼합분말에 폴리비닐아세테이트를 혼합하여 배합탄을 제조하는 단계, 상기 배합탄을 열처리하는 단계, 및 상기 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

성형탄 및 그 제조 방법 {COAL BRIQUETTES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 장기보관성이 개선된 바이오플라스틱이 적용된 성형탄 및 그 제조방법에 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 석탄과 바인더를 혼합하여 제조된다. 이 경우, 바인더로서 당밀이 사용된다. 당밀의 성분은 산지에 따라 다르고, 제당 제조 공정에 따라 그 성분을 제어하기 어렵다. 따라서 당밀을 바인더로 사용하여 성형탄을 제조하는 경우, 성형탄의 품질을 일정하게 제어할 수 없다. 특히, 높은 수분을 가지는 당밀을 사용하는 경우, 성형탄의 품질이 저하된다.

장기보관성이 개선된 바이오 플라스틱을 적용한 성형탄 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄 제조방법은 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서, 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,

미분탄을 준비하는 단계, 미분탄과 전분 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계, 상기 혼합분말에 폴리비닐아세테이트를 혼합하여 배합탄을 제조하는 단계, 상기 배합탄을 열처리하는 단계, 및 상기 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.

상기 전분 분말은 산처리된 전분 분말인 것일 수 있다.

상기 혼합분말을 제조하는 단계는 미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량부를 혼합하는 것일 수 있다.

상기 배합탄을 제조하는 단계는 상기 미분탄 100 중량부에 대하여 폴리비닐아세테이트 0.5 내지 4 중량부 를 첨가하여 혼합하는 것일 수 있다.

상기 폴리비닐아세테이트는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.

[화학식 1]

상기 폴리비닐아세테이트는 중량 평균 분자량(Mw)이 100 내지 5000 인 것일 수 있다.

상기 배합탄을 제조하는 단계에서 알코올 수용액을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 알코올 수용액은 물 100 부피부에 대하여 알코올 12.5 내지 100 부피부로 혼합한 것일 수 있다.

상기 배합탄을 열처리하는 단계에서 배합탄의 온도는 50 내지 100℃로 수행되는 것일 수 있다.

상기 배합탄을 열처리하는 단계에서 스팀이 공급되고, 성형탄 50톤 생산시 공급되는 스팀양은 1000kg/h 이하인 것일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은, 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,

바이오 플라스틱 2 내지 4중량%, 폴리비닐아세테이트 1 내지 4 중량%, 수분 1 내지 5중량% 및 잔부로 석탄을 포함하는 것일 수 있다.

상기 바이오 플라스틱 2.5 내지 3.5 중량%, 폴리비닐아세테이트 1 내지 2 중량%, 수분 1 내지 5 중량% 및 잔부로 석탄을 포함하는 것일 수 있다.

상기 성형탄은 제조시부터 제조후 30일 경과하는 기간 동안 낙하강도 감소율이 30%미만인 것일 수 있다.

상기 성형탄은 압축강도가 20kgf이상인 것일 수 있다.

상기 성형탄은 낙하강도가 60kgf이상인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 바이오플라스틱이 적용된 성형탄의 장기 보관성이 개선된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 바인더 내에 K 성분이 없으므로, 배관 막힘 현상이 일어나지 않는다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 생석회 또는 소석회를 사용하지 않으므로 CO₂ 반응성이 저하되어 석탄의 연료 효율성이 개선된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1에서 도시한 성형탄의 제조 방법을 적용한 성형탄 제조 장치를 개략도이다.
도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 또 다른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 성형탄 낙하강도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 에탄올과 물의 배합 부피비율에 따른 폴리비닐아세테이트의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄의 폴리비닐아세테이트와 바이오 플라스틱 함량 질량비율에 따른 성형탄 강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 열처리단계에서 스팀 사용양에 따른 배출 성형탄 온도를 나타낸 그래프이다.

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.

성형탄 제조방법

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.

도 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은 미분탄을 준비하는 단계, 미분탄과 전분 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계, 상기 혼합분말에 폴리비닐아세테이트를 혼합하여 배합탄을 제조하는 단계, 상기 배합탄을 열처리하는 단계, 및 상기 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

종래 바이오 플라스틱이 적용된 성형탄의 경우 제조 후 수분이 건조되면서 빠른 속도로 수축이 발생하며, 이에 따라 탄성력이 감소하여 외부 충격에 의해 쉽게 부서진다. 즉, 기존 바이오 플라스틱이 적용된 성형탄은 대량 제조 후 장기 보관하여 사용하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄 제조방법은 폴리비닐아세테이트를 혼합함으로써, 아세테이트기의 탄성력 때문에, 장기 보관 후에도 성형탄의 탄성력이 유지되고, 낙하강도 및 장기 보관성이 향상된 바이오플라스틱이 적용된 성형탄을 제조가능하다.

상기 폴리비닐아세테이트는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

미분탄 준비하는 단계에서 미분탄은 석탄을 파쇄한 것이며, 일반적으로 석탄은 탄화도에 따라 탄소분이 약 60%인 이탄, 약 70%인 아탄 및 갈탄, 약 70% 내지 80%인 아역청탄, 약 80% 내지 90%인 역청탄, 90% 이상인 무연탄으로 구분된다. 여기서 사용하는 석탄의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 단일 탄종이나 다양한 종류의 석탄을 혼합하여 사용할 수 있다. 품질의 편차를 줄이기 위해 미분탄의 입도가 일정한 것이 바람직하며, 구체적인 기준으로서, 입도 3mm 이하가 80wt% 이상, 입도 3mm 이하가 90wt% 이상인 입도 분포를 갖는 미분탄을 사용할 수 있다.

상기 폴리비닐아세테이트는 중량 평균 분자량(Mw)이 100 내지 5000 사이일 수 있다, 구체적으로 3000 내지 4000일 수 있다.

폴리비닐아세테이트 중량 평균 분자량이 작은 경우 성형탄의 강도가 하락할 수 있으며, 큰 경우 부착문제가 발생할 수 있다.

다음으로, 미분탄과 전분 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조한다.

상기 전분은 아밀로스, 아밀로 펙틴 중에서 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 또는, 상기 전분은 산처리된 전분 분말일 수 있다.

상기 산처리된 전분 분말은 바이오 매스를 분쇄하여 분쇄된 바이오매스를 산 수용액으로 처리하고, 전분을 포함하는 여액으로 분리한 다음, 여액을 건조하여 제조될 수 있다. 상기 전분을 포함하는 여액으로 분리한 다음 pH 3 내지 5.5로 여액을 세정하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 산처리된 전분 분말을 사용하는 경우 결과적으로 성형탄 내의 수분 함량이 감소시킬 수 있다.

전분이 바이오플라스틱으로 전환되는 매커니즘을 간략히 설명한다.

전분 내에 존재하는 아밀로스와 아밀로 펙틴은 크리스탈 구조로 되어 있다.

아밀로스는 선형이고 아밀로 펙틴은 아밀로스 구조에 가지를 가지고 있는 구조이다. 여기에 열을 가하고 물을 첨가하여 주면 물이 크리스탈 내부로 침투하게된다. 상온에서는 물이 결정사이로 침투하기가 어렵다. 결정사이로 침투한 물은 아밀로스와 아밀로 펙틴을 수소 결합(hydrogen bonding)으로 결합한다. 아밀로 펙틴은 산에 의해 가지가 절개되어 아밀로스로 형성된다. 아밀로스 결정틈으로 물이 침투하게 되면 수소 결합(hydrogen bonding)이 일어나면서 친수기 소수기 상호작용에 의해 친수기 OH 그룹은 밖으로 향하고 소수기인 C-C 결합은 안으로 향하게 되어 헬릭스(Helix) 구조로 변형이 일어난다. 그리고 전분 내에 존재하는 극성 지방질(polar lipid)과 결합하여 극성 지방질 중심으로 더블 헬릭스(double helix) 구조를 형성하게 된다. 극성 지방질과 결합하지 않은 헬릭스는 헬릭스끼리 더블 헬릭스 구조를 이루게 된다. 아밀로스의 경우도 더블 헬릭스로 공유되었다가 물은 밖으로 배출이 되고 결정 구조를 형성하게 된다.

아밀로 펙틴이 아밀로스로 변화하는 메커니즘은 다음과 같다. 아밀로스는 글루코스(glucose) 가 알파 1,4-bonding으로 구성되어 있다. 아밀로 펙틴은 메인 골격구조(back-bone)가 1,4-bonding으로 구성되어 있고, 가지 부분은 알파 1,6-bonding을 통하여 골격구조에 연결되어 있다.

pH 3 내지 5.5 사이 및 온도가 60℃ 이상에서 알파 1,4-bonding은 절개가 되지 않는 반면, α- 1,6-bonding 은 절개가 일어난다. 그러므로 산 존재하에서 선택적으로 α-1,6-bonding 절개가 가능하다. 그러므로 아밀로 펙틴의 가지를 절개하여 아밀로스와 유사한 선형으로 만드는 것이 가능하다.

이 같은 과정을 통해 아밀로 펙틴 25 내지 70 중량% 및 아밀로스 30 내지 75 중량%로 이루어진 바이오 플라스틱을 합성할 수 있다. 더욱 구체적으로 바이오 플라스틱은 아밀로 펙틴 25 내지 35 중량% 및 아밀로스 65 내지 75 중량%로 이루어진다. 바이오 플라스틱은 밀도가 상대적으로 높아 성형탄의 강도가 증가하고, 선형 분자가 헬릭스 구조를 형성하여 미분탄 표면에 효과적인 점착이 가능하다.

상기 산처리된 전분 분말은 평균 입도가 0.01 내지 1mm일 수 있다.

상기 혼합분말을 제조하는 단계는 미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량부를 혼합하는 것일 수 있다.

적게 혼합하는 경우, 성형탄의 강도가 낮아질 수 있다. 많이 혼합하더라도 성형탄의 강도 향상에는 한계가 있으며, 바인더 내에 존재하는 수분이 성형탄의 품질을 열화시킬 우려가 있다.

상기 배합탄을 제조하는 단계는 상기 미분탄 100 중량부에 대하여 폴리비닐아세테이트 0.5 내지 4중량부를 첨가하여 혼합하는 것일 수 있다. 구체적으로 폴리비닐아세테이트는 1 내지 3 중량부, 1 내지 2.5중량부, 또는 1.5 내지 2중량부 포함될 수 있다.

상기 함량 범위를 만족하는 경우 낙하 강도와 압축강도를 모두 확보할 수 있다.

상기 배합탄을 제조하는 단계는 50 내지 65℃의 온도에서 수행될 수 있다. 온도가 너무 높은 경우 다음 단계에서 폴리비닐아세테이트와 혼합되기 전에 전분이 바이오 플라스틱으로 변형될 수 있다.

상기 미분탄과 전분을 먼저 혼합하여 혼합분말을 형성한 후 폴리비닐아세테이르를 혼합하는 경우 균일한 혼합이 가능하다는 이점이 있다.

상기 배합탄을 제조하는 단계는 알코올 수용액을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 알코올 수용액은 에탄올 또는 메탄올 중에서 선택된 1 종이상을 포함하는 것일 수 있다.

배합탄을 제조하는 단계에서 알코올 수용액을 첨가하는 경우 폴리비닐 아세테이트의 용해성이 증가되어 바인더가 균등하게 분배될 수 있다.

상기 알코올 수용액은 물 100부피부에 대하여 알코올 12.5 내지 100 부피부인 것일 수 있다. 알코올 함량이 많은 경우 성형탄의 강도가 하락할 수 있으며, 적은 경우 바인더 분배가 불균등한 문제가 발생할 수 있다. 알코올과 물을 1:8 내지 1:1 부피비율로 혼합한 것일 수 있다. 구체적으로, 1:8 내지 1:2, 1:8 내지 1:3, 1:8 내지 1:4, 1:8 내지 1:5, 1:8 내지 1:6, 또는 1:8 내지 1:7일 수 있다.

다음으로, 배합탄을 열처리하는 단계는 온도를 높이기 위해 스팀을 공급하는 것일 수 있다.

배합탄을 열처리하는 단계에서 전분은 바이오 플라스틱으로 전환된다.

상기 배합탄을 열처리하는 단계에서 배합탄의 온도는 50 내지 100℃일 수 있다. 구체적으로 80 내지 90℃일 수 있다.

온도가 낮은 경우 충분한 에너지가 공급되지 못하여 전분이 바이오플라스틱으로 전환되지 못하고, 제조된 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 온도가 높은 경우 바인더가 분해될 수 있다.

상기 배합탄을 열처리하는 단계에서 공급되는 스팀양은 성형탄 50톤 생산시 1000kg/h 이하일 수 있다. 구체적으로 400 kg/h 내지 800 kg/h일 수 있다. 공급되는 스팀양이 많은 경우 열처리 온도가 높아지는 문제가 생기고, 적은 경우 바인더가 용융되지 않아 불균등 분배가 발생할 수 있다.

배합탄을 열처리하는 단계 이후, 열처리된 배합탄을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 건조하는 단계를 더 포함함으로써 배합탄 내에 존재하는 수분을 조절할 수 있다.

배합탄을 열처리하는 단계 이후 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 수행할 수 있다.

상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 혼합물을 장입하여 포켓 형태, 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과, 우수한 강도 및 원하는 형태를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.

성형탄을 제조하는 단계 이후, 성형탄을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 건조하는 단계를 더 포함함으로써 성형탄 내에 존재하는 수분을 조절하여 성형탄의 강도를 향상시킬 수 있다.

성형탄

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 바이오 플라스틱 2 내지 4중량%, 폴리비닐아세테이트 0.5 내지 4중량%,, 수분 1 내지 6 중량% 및 잔부로 석탄을 포함할 수 있다. 구체적으로 바이오 플라스틱은 2.5 내지 3.8 중량%, 2.5 내지 3.5 중량%, 또는 2.9 내지 3.3 중량% 를 포함할 수 있으며, 폴리비닐아세테이트는 1 내지 2.4중량%, 또는 1 내지 2 중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 낙하강도와 압축강도를 모두 확보할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 제조시부터 제조후 30일 경과하는 기간 동안 낙하강도 감소율이 30%미만일 수 있다. 구체적으로, 낙하강도 감소율이 0% 초과 및 20%미만, 2% 초과 및 15%미만 또는 0% 초과 및 10%미만일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 아세테이트기의 탄성력으로 인하여 제조 후 일정기간이 지난 후에도 우수한 탄성력 및 향상된 장기 보관성을 갖는다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 압축강도가 20kgf이상일 수 있다. 구체적으로, 20kgf이상 및 80kgf이하, 25kgf이상 및 75kgf이하, 30kgf 이상 및 70kgf이하, 30kgf이상 및 60kgf이하, 50kgf이상 및 60kgf이하, 또는 55kgf이상 및 60kgf이하일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 낙하강도가 60%이상일 수 있다. 구체적으로, 50%이상 및 95%이하, 60%이상 및 90%이하, 70%이상 및 90%이하, 80%이상 및 90%이하, 또는 85%이상 및 90%이하일 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄은 제조 후 일정기간이 지난 후에도 우수한 탄성력 및 강도를 갖는다.

도 2는 도 1에서 도시한 성형탄의 제조 방법을 적용한 성형탄 제조 장치를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 성형탄 제조 장치의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 성형탄 제조 장치를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

성형탄 제조 장치는 빈(10, 20, 40)을 포함한다. 빈(10, 20)은 미분탄, 전분 분말을 공급한다. 빈(10, 20)은 혼합기(30)에 연결되며, 빈(10, 20)에서 공급된 미분탄과 전분은 혼합기(30)에서 혼합된다. 이 때, 혼합기(30)는 80~90℃의 온도를 유지하며 혼합분말을 제조한다.

혼합기(30)은 혼합기(50)과 연결되고, 혼합기(30)에서 공급된 혼합분말과 폴리비닐아세테이트 공급 빈(40)에서 공급된 폴리비닐아세테이트를 혼합하여 배합탄을 제조한다. 이 때, 혼합기(50)은 50 내지 65℃의 온도를 유지할 수 있다.

혼합기(50)은 니더(60)와 연결되며, 혼합기(50)로부터 공급된 배합탄은 니더(60)를 통해 일정시간 교반되여 열처리가 이루어질 수 있다. 이 때, 니더(60) 내의 배합탄의 온도는 50 내지 100℃온도를 유지하며 교반되어, 배합탄 내의 전분을 바이오 플라스틱으로 변형시킬 수 있다. 니더(60)에서 3분 이상 교반될 수 있다. 이 때, 온도를 높이는 수단으로서, 스팀을 통해 니더(60)의 온도를 높일 수 있다.

니더(60)에서 열처리된 배합탄은 성형기(70)에 공급되어 성형탄으로 성형된다. 성형기(70)는 -5℃ 이상에서 작동 될 수 있다. 좀더 구체적으로는 상온에서 작동 될 수 있다.

도 3는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 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)는 용융가스화로(110) 및 환원로(120)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 환원로(120)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 환원로(120)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 환원로(120)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 환원로(120)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(110)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.

도 1의 제조 방법으로 제조한 성형탄은 용융가스화로(110)에 장입되므로, 용융가스화로(110)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(110)의 상부에는 돔부(101)가 형성된다. 즉, 용융가스화로(110)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(101)에 장입되는 성형탄이 쉽게 분화될 수 있다. 그러나 도 1의 방법으로 제조한 성형탄은 우수한 강도를 가지므로, 용융가스화로(110)의 돔부에서 분화되지 않고, 용융가스화로(110)의 하부까지 낙하한다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(110)의 하부로 이동하여 풍구(130)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(110)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(110)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 환원로(120)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(110)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.

전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(110)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(110)의 외벽에는 풍구(130)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

도 4은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치(300)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 용철제조장치(300)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 도 3의 용철제조장치(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(300)는 용융가스화로(110), 환원로(122), 환원철 압축장치(140) 및 압축 환원철 저장조(150)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(150)는 생략할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(110)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(110)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 환원로들(122)에 공급되고, 용융가스화로(110)로부터 환원로들(122)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 환원철 압축장치(140)에 의해 압축된 후 압축 환원철 저장조(150)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(150)로부터 용융가스화로(110)에 공급되어 용융가스화로(110)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(110)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(110)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(110)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제조할 수 있다.

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

실험예 1 : 성형탄의 낙하강도 평가

(실시예 1 성형탄 제조)평균성상을 가지고 4mm 이하 90%의 입도를 가지는 석탄 20kg을 미분탄으로 준비하였다. 미분탄 100중량부에 대하여 산처리된 전분 분말 3중량부, 폴리비닐아세테이트를 3중량부 준비한다.

미분탄 100중량부와 산처리된 전분 분말 3중량부를 90℃온도에서 15분동안 혼합하여 혼합분말을 형성하고, 혼합분말과 폴리비닐아세테이트를 3중량부 90℃ 이상의 온도에서 15분동안 혼합하여 배합탄을 제조하였다. 배합탄을 니더에 공급하여 80-90℃온도로 15분동안 교반한 후, 프레스 롤을 이용하여 성형탄을 제조하였다.

(비교예 1 성형탄 제조 ) 실시예 1에서 폴리비닐아세테이트를 첨가한 것을 제외하고는 동일하게 성형탄을 제조하였다.

본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄의 장기 보관 후에도 탄성력이 개선되는지 확인하기 위하여, 제조 1시간 후부터 30일 후까지 낙하강도를 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.

상기 낙하강도란 성형탄 2kg을 5m 높이에서 8회 반복하여 낙하시킨 후 다음과 같은 공식에 의해 계산한다.

낙하강도(%)=(10mm이상 크기의 성형탄 중량/시험전 중량)*100

비교예 1의 경우 제조 후 7일까지는 낙하강도가 일정하게 유지되다가, 그 이후부터는 낙하강도가 급격하게 감소하기 시작하여 30일이 경과한 시점에서는 대략 30%의 낙하강도를 나타내었다.

이와 달리, 실시예 1의 경우 제조 후 30일이 경과하는 시점까지 낙하강도가 거의 감소하지 않고 유지되는 것을 확인하였다.

전분을 바인더로 사용한 성형탄의 경우 전분이 건조되면서 탄성력이 떨어지므로, 시간경과에 따른 성형탄의 낙하강도가 크게 감소하나, 본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄의 경우 제조시 폴리비닐아세테이트를 배합함으로써, 장기 보관 후에도 탄성력이 유지될 수 있어 낙하강도의 감소가 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다.

실험예 2: 폴리비닐아세테이트의 용해성 평가

본 발명의 일 구현예에 따르면 배합탄 제조단계에서 폴리비닐아세테이트의 용해성 개선을 위하여 알코올 수용액을 첨가할 수 있다.

이에 따른 효과를 확인하기 위하여 알코올의 일종인 에탄올을 사용하여, 에탄올과 물의 배합 부피비율을 달리하면서 폴리비닐아세테이트 용해성을 실험을 하여 도 6에 나타내었다.

에탄올 100ml에 물을 하기 비율로 혼용한 후 거름 종이를 통과시켜 녹지 않고 남아있는 질량을 건조 시킨 후 (녹인양-남은양)/녹인양 *100으로 하여 용해성(Solubility)를 평가하였다.

도 6을 보면, 에탄올과 물의 배합 부피비율이 1:20, 1:18, 1:14, 1:10인 경우 물의 비율이 작아질수록 용해도가 조금씩 증가하는 것으로 나타나지만, 배합비가 1:8인 경우 1:10인 경우에 비해 용해도가 두배 이상 증가하는 것을 확인하였다. 이는 물과 에탄올이 적정하게 배합되어 있는 조건에서 아세테이트가 잘 용해되기 때문이다.

실험예 3: 제조된 성형탄 내의 폴리비닐아세테이트와 바이오플라스틱의 함량 질량비율에 따른 성형탄 강도 평가

폴리비닐아세테이트의 함량에 따른 성형탄의 강도를 평가하고자, 폴리비닐아세테이트의 배합양을 달리하여, 폴리비닐아세테이트와 바이오플라스틱의 함량비가 다른 성형탄을 제조하였다.

평균성상을 가지고 4mm 이하 90%이상의 입도를 가지는 석탄 20kg 미분탄을 준비하였다. 미분탄 100중량부에 대하여 산처리된 전분 분말, 폴리비닐아세테이트를 아래 표 1와 같이 준비한다.

아래 표 1의 배합표에 따라 미분탄 100중량부와 산처리된 전분 분말을 상온에서 5분동안 혼합하여 혼합분말을 형성하고, 혼합분말과 폴리비닐아세테이트를 상온에서 5분동안 혼합하여 배합탄을 제조하였다. 배합탄을 니더에 공급하여 80~90℃온도로 15분동안 교반한 후, 프레스 롤을 이용하여 실시예 2 내지 5의 성형탄을 제조하였다.

	성형탄 제조시 배합량			성형탄 내 성분 함량			성형탄 내 함량비
	미분탄 (100중량부)	전분 (중량부)	폴리비닐아세테이트 (중량부)	미분탄 (중량%)	바이오플라스틱(중량%)	폴리비닐아세테이트 (중량%)	폴리비닐아세테이트:바이오플라스틱 (중량비)
실시예 2	100중량부	4	1	95	3.8	1	8:2
실시예 3	100중량부	3.5	1.5	95	3.3	1	7:3
실시예 4	100중량부	3	2	95	2.9	1.9	6:4
실시예 5	100중량부	2.5	2.5	95	2.5	2.4	5:5

실시예 2 내지 5의 성형탄에 대하여 각각 압축강도(kgf)와 낙하강도(%)를 측정하여 도 7에 나타내었다.

압축강도(kgf)는 단위당 무게에 대해 저항하는 것을 의미한다. 측정장치에 놓여진 성형탄의 상부로 일정한 속도의 압력을 가해 성형탄이 파괴될 때까지의 최고 하중으로 측정한다.

낙하강도(%)는 실험예 1에서 설명한 바와 동일하게 측정한다.

도 7을 보면, 폴리비닐아세테이트의 함량이 작아질수록 압축강도는 증가하나, 낙하강도가 감소하는 경향을 보인다. 낙하강도와 압축강도를 확보하고, 비용적인 측면을 모두 고려하면, 7:3, 6:4의 경우 우수한 강도 특성을 갖는 성형탄을 수득할 수 있고, 제조 비용 측면에서도 유리한 것으로 판단된다.

실험예 4: 열처리 단계에서 스팀 사용양에 따른 배출되는 석탄의 온도 측정

본 발명의 일 구현예에 따르면 열처리 단계에서 배합탄의 온도는 50 내지 100℃일 수 있으며, 온도가 너무 높은 경우 바인더가 분해되는 문제가 발생할 수 있음은 앞서 설명하였다.

본 실험에서는 열처리 단계에서 배합탄의 온도를 50 내지 100℃로 유지하기 위해 필요한 스팀 공급량을 확인하기 위하여, 배합탄 20톤을 니더에 주입하고, 스팀을 공급하면서 스팀 사용양에 따른 배출되는 성형탄의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.

스팀 잠열 이용율 50%를 기준으로 배출되는 성형탄의 온도가 50 내지 100℃ 이기 위해서는 800kg/h 이하의 스팀이 공급되어야 함을 확인할 수 있다.

그러나, 일반적으로 스팀 잠열 이용율은 50% 미만이므로, 1000kg/h이하의 스팀이 공급되는 경우 열처리 단계에서 배합탄의 온도가 적절하게 유지 가능함을 알 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 미분탄 공급 빈 20 전분분말 공급 빈 30 혼합기
40 폴리비닐아세테이트 공급 빈 50 혼합기
60 반죽기 70 성형기 61 스팀 공급관
100 성형탄 제조장치 101. 돔부 110. 용융가스화로
120,122. 환원로 130. 풍구 140. 환원철 압축장치
150. 압축 환원철 저장조 200, 300. 용철제조장치

Claims (15)

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 준비하는 단계;
   미분탄과 전분 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계;
   상기 혼합분말에 폴리비닐아세테이트를 혼합하여 배합탄을 제조하는 단계;
   상기 배합탄을 열처리하는 단계; 및
   상기 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계;를 포함하는
   성형탄 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전분 분말은 산처리된 전분 분말인
   성형탄 제조방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 혼합분말을 제조하는 단계는
   미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량부를 혼합하는
   성형탄 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 배합탄을 제조하는 단계;는
   상기 미분탄 100 중량부에 대하여 폴리비닐아세테이트 0.5 내지 4 중량부 를 첨가하여 혼합하는 것인,
   성형탄 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리비닐아세테이트는
   하기 화학식 1로 표시되는 것인,
   성형탄 제조방법.
   [화학식 1]
   

   

   
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리비닐아세테이트는
   중량 평균 분자량(Mw)이 100 내지 5000 인
   성형탄 제조방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 배합탄을 제조하는 단계;에서
   알코올 수용액을 첨가하는 단계를 더 포함하는
   성형탄 제조방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 알코올 수용액은
   물 100 부피부에 대하여 알코올 12.5 내지 100 부피부로 혼합한 것인
   성형탄 제조방법.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 배합탄을 열처리하는 단계에서
   배합탄의 온도는 50 내지 100℃로 수행되는
   성형탄 제조방법.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 배합탄을 열처리하는 단계에서 스팀이 공급되고,
    성형탄 50톤 생산시 공급되는 스팀양은 1000kg/h 이하인
    성형탄 제조방법.
    
11. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    바이오 플라스틱 2 내지 4중량%, 폴리비닐아세테이트 1 내지 4 중량%, 수분 1 내지 5중량% 및 잔부로 석탄을 포함하는
    성형탄.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 바이오 플라스틱 2.5 내지 3.5 중량%, 폴리비닐아세테이트 1 내지 2 중량%, 수분 1 내지 5 중량% 및 잔부로 석탄을 포함하는
    성형탄.
    
13. 제 11항에 있어서,
    상기 성형탄은 제조시부터 제조후 30일 경과하는 기간 동안 낙하강도 감소율이 30%미만인
    성형탄.
    
14. 제 11항에 있어서,
    상기 성형탄은 압축강도가 20kgf이상인
    성형탄.
    
15. 제 11항에 있어서,
    낙하강도가 60kgf이상인
    성형탄.
    

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