KR20200012157A - 코크스 제조용 조성물, 코크스 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코크스 제조용 혼합물, 코크스 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 탄재를 마련하는 과정; 패각(貝殼) 분말을 마련하는 과정; 상기 탄재와 상기 패각 분말을 혼합하는 과정; 상기 탄재와 패각 분말의 혼합물을 코크스 오븐의 탄화실에 장입하는 과정; 및 상기 혼합물을 건류하여 코크스를 제조하는 과정;을 포함하고, 코크스의 반응성을 향상시켜, 이를 이용한 조업에서 환원제의 비율을 저감시킬 수 있고, 환원제 사용에 의한 환경오염을 저감시킬 수 있다.
Description
본 발명은 코크스 제조용 조성물, 코크스 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응성을 향상시킬 수 있는 코크스 제조용 조성물, 코크스 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
코크스(Coke)는 석탄을 건류하여 제조한 고체 덩어리로서 주성분이 탄소로 구성되어 있다. 코크스는 주로 고로에 필요한 열원과 철광석을 환원시키기 위한 환원제로 사용되며, 아울러 고로 내의 통기와 통액을 확보하는 역할을 한다.
한편, 최근에는 Green house gas(GHG)인 CO2를 저감하려는 노력에 발맞추어, 철강업계에서도 역시 CO2 배출량을 저감하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중 하나가 반응성이 향상된 고반응성 코크스를 이용하여 고로에 사용되는 에너지원인 고로 환원제의 비율을 줄이는 것이다.
고반응성 코크스는 고로 내 낮은 온도 영역에서 일산화탄소(CO)를 발생시키는 가스화 반응을 촉진한다. 이에 고로 내에서 열보존대의 온도가 저하되어 반응효율이 증대되고, 환원제로 사용되는 코크스의 사용 비율을 저하시킬 수 있다.
코크스의 반응성은 코크스의 제조 시 첨가되는 촉매 물질에 의해 향상될 수 있으며, 이에 코크스의 가스화 반응을 촉진시킬 수 있는 함철 산화물, 알칼리 산화물 등의 촉매 물질들이 연구되고 있다.
이와 같은 촉매 물질들은 주로 석탄과 함께 혼합되어 탄화실에 장입된 후 1100℃ 이상의 고온에서 건류된다.
그런데 함철 산화물은 건류가 이루어지는 1200℃ 정도의 고온에서 탄화실의 내화물을 구성하는 SiO2 성분과 반응하여 2FeO-SiO2와 같은 저융점 화합물을 생성하게 된다. 이와 같은 반응은 탄화실의 내화물을 침윤 혹은 침식시키는 원인으로 작용하여 탄화실의 내화물 수명을 저하시키는 문제점이 있다.
반면, 촉매 물질로서 알칼리 산화물을 사용하는 경우에는 함철 산화물과 같이 탄화실의 내화물과 상기와 같은 반응을 일으키지 않는 장점이 있다. 그러나 알칼리 산화물은 함철 산화물에 비해 고가이기 때문에 코크스의 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 반응성을 향상시킬 수 있는 코크스 제조용 조성물, 코크스 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 고로 조업 시 환원제의 사용 비율을 저감시킬 수 있는 코크스 제조용 조성물, 코크스 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 코크스 제조용 조성물은, 탄재; 및 패각 분말;을 포함할 수 있다.
상기 탄재는, 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지고, 전체 탄재 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 갖는 탄재를 70% 내지 95%로 포함할 수 있다.
상기 패각 분말은, 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지고, 전체 패각 분말 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 갖는 패각 분말을 50% 내지 80%로 포함할 수 있다.
상기 패각 분말은, 상기 탄재에 대해서 0 중량부 초과 0.1중량부 이하로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 코크스 제조방법은, 탄재를 마련하는 과정; 패각(貝殼) 분말을 마련하는 과정; 상기 탄재와 상기 패각 분말을 혼합하는 과정; 상기 탄재와 패각 분말의 혼합물을 코크스 오븐의 탄화실에 장입하는 과정; 및 상기 혼합물을 건류하여 코크스를 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 탄재를 마련하는 과정은, 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지도록 탄재를 파쇄하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 패각 분말을 마련하는 과정은, 패각을 건조시키는 과정; 및 건조된 패각을 파쇄하여 패각 분말을 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 패각을 건조시키는 과정은, 건조로에 상기 패각을 장입하는 과정; 및 상기 건조로의 온도를 100 내지 200℃로 유지하여 패각을 건조시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 패각 분말을 제조하는 과정은, 상기 패각 분말이 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지도록 파쇄하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 탄재와 패각 분말을 혼합하는 과정은, 상기 탄재에 대해서 0.001 내지 0.01중량부의 패각 분말을 혼합할 수 있다.
상기 코크스를 제조하는 과정은, 상기 혼합물이 건류되는 온도에서 상기 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘(CaCO3)을 열분해시켜 코크스에 알칼리 산화물을 함유시킬 수 있다.
상기 코크스를 제조하는 과정은, 상기 혼합물이 건류되는 온도에서 상기 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘(CaCO3)을 열분해시켜 이산화탄소를 발생시키고, 이산화탄소 중 적어도 일부는 탄재를 구성하는 탄소 성분과 반응하여 일산화탄소를 생성하여 코크스 오븐 가스로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 코크스는, 내부 및 표면에 CaO를 포함할 수 있다.
상기 코크스는 내부 및 표면에 Na2O 및 K2O 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 탄재만으로 제조된 코크스보다 상대적으로 높은 코크스 반응성 지수를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 탄재와 패각 분말을 이용하여 고반응성 코크스를 제조할 수 있다. 코크스를 제조하는 과정에서 패각에 함유되는 CaCO3 성분을 CO2와 CaO로 열분해하여 코크스의 비표면적을 전체적으로 증가시키고, 코크스 중에 촉매 역할을 하는 알칼리 성분을 포함시킬 수 있다. 따라서 코크스의 반응성을 향상시켜, 이를 이용한 조업에서 환원제의 비율을 저감시킬 수 있고, 환원제 사용에 의한 환경오염을 저감시킬 수 있다.
또한, 폐기물 중 하나인 패각을 이용하여 코크스의 반응성을 향상시킬 수 있기 때문에 촉매 물질 구매에 따른 비용을 절감할 수 있고, 패각으로 인해 발생하는 환경 오염을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스를 제조하는 과정을 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법을 보여주는 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법 중 패각 분말을 마련하는 과정을 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 코크스의 반응성 실험 결과를 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법을 보여주는 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법 중 패각 분말을 마련하는 과정을 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 코크스의 반응성 실험 결과를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스를 제조하는 과정을 보여주는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법을 보여주는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법 중 패각 분말을 마련하는 과정을 보여주는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법은, 원료탄을 건류시켜 코크스를 제조할 때 코크스의 반응성을 향상시키기 위한 첨가제로서 패각(貝殼)을 사용할 수 있다. 이때, 패각은 원료탄의 입자 크기와 유사한 분말 상태로 사용할 수 있다.
여기에서 패각은 조개 껍데기, 굴 껍데기, 소라 껍데기, 고둥 껍데기 등과 같이 패류(貝類)의 껍데기를 의미할 수 있으며, 해안지대나 패류를 양식하고 가공하는 지역에서 다량으로 발생하고 있다. 이와 같은 패각은 다량의 탄산칼슘(CaCO3)을 함유하고 있는데, 800℃ 이상의 고온에서 생석회(CaO)와 이산화탄소(CO2)로 열분해되는 특성이 있다. 이때, 생석회(CaO)는 코크스의 반응성, 즉 이산화탄소와의 반응성을 향상시킬 수 있는 촉매 물질로 사용될 수 있다. 또한, 탄산칼슘이 열분해되면서 발생하는 이산화탄소는 코크스에서 빠져나오면서 기공을 형성하기 때문에 코크스의 비표면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 이산화탄소는 주변 탄소 성분, 예컨대 탄재와 반응하여 일산화탄소(CO)를 생성하기 때문에 코크스 오븐 가스 중 일산화탄소의 비율을 증가시키는 역할을 하여 코크스 오븐 가스의 품질을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명은 코크스 제조 시 패각을 사용함으로써 반응성을 향상시킬 수 있는 촉매 물질을 코크스에 분포시키는 동시에 코크스의 비표면적을 증가시켜 코크스의 반응성을 향상시킬 수 있다. 또한, 코크스 오븐 가스 중 일산화탄소의 비율을 증가시켜 코크스 오븐 가스의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법은, 탄재를 마련하는 과정(S100)과, 패각 분말을 마련하는 과정(S200)과, 탄재와 패각 분말을 혼합하는 과정(S300)과, 탄재와 패각 분말의 혼합물을 코크스 오븐의 탄화실에 장입하는 과정(S400) 및 혼합물을 건류하여 코크스를 제조하는 과정(S500)을 포함할 수 있다.
먼저, 탄재를 마련하는 과정(S100)은 다음과 같다.
야드에 적재된 원료탄은 파쇄기에서 일정한 크기를 갖도록 파쇄된 후 탄재 저장 호퍼에 저장한다 이때, 원료탄은 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 파쇄하기 전에는 원료탄이라 하고, 파쇄된 후에는 탄재라 한다.
탄재는 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지며, 전체 탄재 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 가지는 탄재가 70% 이상, 보다 바람직하게는 70 내지 95% 정도의 분률을 갖도록 제조될 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여 패각 분말을 마련하는 과정(S200)에 대해서 설명한다.
탄재와 혼합하기 위한 패각을 마련(S210)할 수 있다. 패각은 해안지대나 패류를 양식하고 가공하는 지역에서 다량으로 발생하는데, 이와 같은 지역에서 지속적으로 공급받을 수 있다.
패각은 무기염류 95%(대부분이 탄산칼슘(CaCO3)이고, 인산칼슘(Ca3(PO4)2) 1~2%, 탄산마그네슘(MgCO3)0.5% 이하를 포함)와 단백질성의 콘키오린 등을 포함할 수 있다.
패각에 다량 함유되어 있는 탄산칼슘(CaCO3)은 800℃ 이상의 고온에서 이산화탄소(CO2)와 생석회(CaO)로 열분해된다. 이렇게 생성된 생석회는 알칼리 산화물로서, 코크스의 반응성을 향상시키기 위한 촉매 물질로 유용하게 사용될 수 있다.
패각이 마련되면, 건조로에서 패각을 건조(S220)시켜 패각에 함유되는 수분을 제거할 수 있다. 패각에 함유된 수분을 제거하지 않으면 파쇄된 패각 분말이 서로 엉겨붙어 덩어리를 형성할 수 있기 때문에 파쇄하기 전 패각을 건조시키는 것이 좋다. 또한, 건조된 패각은 잘 부서지기 때문에 파쇄가 용이한 장점도 있다. 이때, 건로조의 온도는 패각에 함유되는 수분을 제거할 수 있을 정도의 온도, 예컨대 100 내지 200℃ 정도로 유지할 수 있다.
이후, 패각이 건조되면 파쇄기에서 패각을 파쇄(S230)하여 패각 분말로 만들 수 있다. 이때, 패각 분말은 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지며, 전체 패각 분말 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 가지는 패각 분말의 분률이 50% 이상을 차지하도록 제조될 수 있다. 여기에서 패각 분말의 보다 바람직하게는 50 내지 80%를 차지하도록 제조될 수 있다. 이때, 패각 분말은 탄재와 균일하게 혼합될 수 있도록 탄재의 입자 크기와 유사한 크기를 갖도록 제조하는 것이 좋다. 여기에서 패각 분말 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 가지는 패각 분말의 비율을 제시된 범위보다 더 높게 조절할 수도 있으나, 제시된 범위에서도 코크스의 반응성을 충분하게 향상시킬 수 있다.
패각 분말이 제조되면, 패각 분말을 패각 분말 저장 호퍼에 저장(S240)할 수 있다.
이와 같이 탄재와 패각 분말이 마련되면, 탄재와 패각 분말을 일정 비율로 혼합하여 탄재와 패각 분말의 혼합물, 즉 코크스 제조용 조성물을 제조할 수 있다.
다음, 탄재 저장 호퍼에 저장된 여러 종류의 탄재와, 패각 분말 저장 호퍼에 저장된 패각 분말은 일정한 배합비로 배출되어 혼합(S300)될 수 있다.
여러 종류의 탄재와 패각 분말은 저장 호퍼 하부에 구비되는 벨트 컨베이어 상으로 배출되고, 벨트 컨베이어 상에서 상호 혼합될 수 있다. 이때, 패각 분말은 탄재에 대해서 0 중량부 초과 0.1 중량부 이하, 바람직하게는 0.001 내지 0.01 중량부로 사용하는 것이 좋다. 이때, 패각 분말의 사용량은 탄재 전체 중량을 1로 환산하고, 이를 기준으로 패각 분말의 중량을 계산한 상대적인 수치이다. 여기에서 패각 분말을 0.1 중량부 이하로 사용하는 경우, 코크스의 반응성을 향상시키는 동시에 코크스의 강도를 확보할 수 있다. 특히, 패각 분말을 탄재에 대해서 0.001 내지 0.01 중량부 사용하는 경우, 코크스의 반응성을 충분하게 향상시킬 수 있는 동시에 코크스의 강도도 충분하게 확보할 수 있다.
반면, 패각 분말이 0.1 중량부 이상 사용되는 경우에는 코크스의 반응성을 더욱 향상시킬 수는 있지만, 코크스의 강도를 나빠져 코크스를 이용한 고로 조업에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 즉, 패각 분말이 지나치게 많이 배합되면, 패각 분말이 연소되면서 소실되는 성분들에 의해 코크스에 기공이 다량 발생하게 된다. 또한, 코크스를 제조하는 과정에서 패각 분말은 이산화탄소와 생석회로 열분해되는데, 이때 발생하는 이산화탄소가 코크스에서 빠져나오면서 기공을 형성하고, 생석회는 주변 다른 성분들과 지속적으로 반응하면서 코크스에 결함을 발생시켜 코크스의 강도를 저하시키게 된다.
따라서 패각 분말의 사용량을 최소화하면서 코크스의 반응성 및 강도를 향상시킬 수 있는 범위 내에서 적절하게 사용하는 것이 좋다.
따라서 패각 분말은 제시된 범위에서 적절하게 사용하는 것이 좋다.
이렇게 혼합된 탄재와 패각 분말, 예컨대 혼합물은 코크스 오븐의 저장조로 이송되어 저장될 수 있다. 그리고 필요에 따라 별도의 건조 처리를 통해 혼합물에 함유되는 수분을 제거한 다음, 코크스 오븐의 저장조에 저장할 수도 있다.
이후, 저장조에 저장된 혼합물을 코크스 오븐의 탄화실에 장입(S400)하고, 건류(S500)함으로써 코크스를 제조할 수 있다. 이때, 탄화실의 온도는 1100℃ 이상으로 유지될 수 있다.
혼합물을 건류하는 동안 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘(CaCO3)은 이산화탄소(CO2)와 생석회(CaO)로 열분해될 수 있다. 이때, 이산화탄소는 코크스에 기공을 형성하여 코크스의 비표면적을 증가시키고, 코크스의 탄소(C) 성분과 하기의 식1과 같은 반응을 일으키며 코크스 오븐 가스로 배출될 수 있다.
식1) CO2 + C -> 2CO
그리고 생석회(CaO)는 코크스의 표면은 물론 내부에 골고루 분포될 수 있다. 이와 같이 코크스에 분포된 생석회는 이후 고로 조업에서 코크스와 이산화탄소 간의 반응성을 향상시킬 수 있는 촉매 역할을 할 수 있다. 이와 관련하여 후술하는 실험 예에서 다시 설명하기로 한다.
건류가 완료되면, 코크스 오븐에서 적열 코크스를 압출하여 버켓에 담아 소화설비로 이동시킨다.
일반적으로 코크스의 반응성을 향상시키기 위한 촉매 물질로 함철 산화물을 사용하는 경우, 함철 산화물에 함유된 FeO 성분이 코크스 오븐, 즉 탄화실의 내화물을 구성하는 SiO2 성분과 반응하여 저융점 화합물인 FeO-SiO2를 형성한다. 함철 산화물과 내화물 간의 반응으로 인해 탄화실의 내화물이 침식 혹은 침윤되어 내화물의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
그러나 본 발명에서는 코크스의 반응성을 향상시키기 위한 촉매 물질로 패각 분말을 사용하기 때문에, 촉매 물질과 탄화실의 내화물 간의 반응이 억제되어 내화물의 손상이나, 이로 인한 내화물의 수명 저하를 방지할 수 있다.
또한, 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘이 열분해되면서 발생하는 이산화탄소는 코크스의 탄소 성분과 반응하여 다량의 일산화탄소(CO)를 발생시키기 때문에, 코크스 오븐 가스 중 일산화탄소의 비율이 증가하여 품질이 향상되는 이점도 있다.
특히, 주로 폐기물로 처리되고 있는 패각으로부터 코크스의 반응성을 향상시킬 수 있는 촉매 물질을 확보할 수 있기 때문에 촉매 물질 구매로 인한 비용 증가를 억제할 수 있다. 또한, 패각이 발생하는 지역에서 패각으로 인한 환경오염을 억제하고, 패각을 처리하는데 소요되는 비용도 절감할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조방법으로 제조된 코크스의 품질을 평가하기 위한 실험 예에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 코크스의 반응성 실험 결과를 보여주는 그래프이다.
본 실험에서는 탄재와 패각 분말을 혼합한 혼합물, 예컨대 코크스 제조용 조성물을 코크스 시험로에 장입하여 코크스를 제조하고, 제조된 고반응성 코크스의 품질을 평가하였다.
먼저, 코크스를 제조할 때 패각 분말의 성분 변화를 확인하기 위하여 패각 분말을 900℃ 정도의 온도로 가열 또는 소성시켰다. 그리고 소성된 패각 분말의 잔류물을 수집하여 성분을 분석한 다음, 하기의 표1에 나타내었다.
| 성분 | 함량(wt%) |
| SiO2 | 0.1 |
| Al2O3 | 0.1 |
| CaO | 52 |
| K2O | 0.4 |
| Na2O | 1 |
| P2O5 | 0.3 |
| SrO | 0.6 |
| SO3 | 0.4 |
| Fe2O3 | 1.1 |
| L.I.(Loss of Ignition) | 44 |
하기의 표 1을 참조하면, 패각 분말을 소성시키면 패각 분말에 함유된 탄산칼슘(CaCO3) 성분이 열분해되어 생석회(CaO)로 되는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 생성된 생석회(CaO)는 알칼리 산화물로서, 코크스에 함유되어 이산화탄소(CO2)와의 반응성을 향상시킬 수 있는 촉매 물질로 사용될 수 있다. 이외에도 K2O 및 Na2O가 약 1.4wt% 정도 포함되어 있는 것을 알 수 있는데, 이들 알칼리 산화물들도 코크스의 반응성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.
한편, 패각 분말의 잔류물 중 함철 산화물(Fe2O3)이 미량 함유되어 있는 것으로 확인되었다. 그러나 일반적으로 함철 산화물을 촉매 물질로 사용하는 경우, 탄재에 대해서 0.1중량부 정도의 함철 산화물을 사용하는 것에 비하면, 극소량이고, 코크스 제조 시 사용되는 탄재의 함량에 비하면 매우 극소량이기 때문에 탄화실의 내화물에 영향을 거의 미치지 않는다.
실험을 위해서 탄재와 패각 분말을 마련하였다.
탄재는 10여종류의 단일탄을 혼합하였으며, 탄재는 0㎜ 초과 10㎜ 입자 크기를 가지며, 전체 탄재 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자크기를 갖는 탄재가 83%이고, 수분 함유량은 9%를 갖도록 마련하였다.
여기에서 사용된 탄재의 성분은 하기의 표1과 같다.
| 공업분석 | 원소분석 | ||||||||
| 성분 | 결합수 (IM) |
회분 (ASH) |
휘발분 (VM) |
고정탄소 (FC) |
황 (TS) |
탄소 (C) |
수소 (H) |
질소 (N) |
산소 (O) |
| 함량(wt%) | 1.3 | 9.11 | 27.3 | 62.29 | 0.6 | 87.6 | 6.8 | 1.6 | 3.4 |
(IM(inherent moisture), ASH(ash content), VM(volatile matter), FC(fixed carbon), TS(total surphur), C(carbon), H(hydrogen), N(nitrogen), O(oxigen))
그리고 패각 분말은 패각을 110℃에서 건조시킨 후, 파쇄기를 이용하여 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 갖도록 파쇄하였다. 이때, 패각 분말은 전체 패각 분말 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자크기를 갖는 패각 분말이 60%가 되도록 마련하였다.
이렇게 마련된 탄재와 패각 분말을 혼합하여 시료를 준비하였다. 이때, 패각 분말의 함량은 탄재에 대해서 0.001 내지 0.01 중량부 범위에서 0.001중량부 단위로 변경시키면서 탄재와 혼합하여 여러 개의 시료를 준비하였다. 또한, 패각 분말의 효과를 측정하기 위하여 패각 분말을 포함하지 않은, 즉 탄재로 이루어진 시료도 준비하였다.
그리고 준비된 시료를 730㎏/㎥ 정도의 장입 밀도를 갖도록 목재 박스(wood box)에 충전하였다. 이때, 목재 박스는 30㎏/charge의 용량을 갖는다.
이후, 시료가 충전된 목재 박스를 코크스 시험로에 넣고 코크스를 제조하였다. 이 실험에서 사용된 코크스 시험로는 상업용 코크스 오븐과 같은 방식으로 양쪽 벽으로부터 열전달이 일어나도록 전기히터를 구비할 수 있다.
시료가 충전된 목재 박스를 650℃로 가열된 코크스 시험로에 장입하고, 실제 야금용 코크스를 제조할 때 필요한 온도인 1100℃ 보다 낮은 1080℃로 2.7℃/분의 속도로 가열하였다. 그리고 코크스 시험로의 중심온도가 1000℃에 도달하면 1시간 동안 유지한 후 코크스를 압출한 다음, 압출된 적열 코크스를 질소분위기의 소화설비에 장입하여 냉각시켰다.
그리고 제조된 코크스를 이용하여 다음과 같은 방법으로 반응성을 측정하고, 측정 결과를 도 4에 나타내었다.
먼저, 코크스를 파쇄하여 19 내지 21㎜ 정도의 크기를 가지는 코크스 200g을 선별한다. 그리고 선별된 코크스를 CO2 분위기의 반응로에 장입한 다음, 1100℃에서 120분 유지하였다. 이후, 반응로의 온도가 50℃ 정도까지 냉각되면 반응로에 남아있는 코크스를 계량하고, 하기의 수학식 1을 이용하여 코크스 반응성 지수(CRI, Coke Reactivity Index)를 계산하였다. 여기에서 코크스 반응성 지수는 코크스와 이산화탄소 간의 반응성 정도를 나타내는 것으로서, 그 수치가 클수록 코크스와 이산화탄소 간의 반응성이 좋다는 것을 의미한다.
도 4에 따르면, 코크스 제조 시 패각 분말을 사용한 경우, 패각 분말의 사용량에 관계없이 패각 분말을 전혀 사용하지 않은 경우보다 코크스의 반응성이 상대적으로 향상된 것을 알 수 있다. 다시 말해서, 코크스 제조 시 패각 분말을 조금이라도 사용한 경우 코크스의 반응성이 향상될 수 있다.
패각 분말이 전혀 사용되지 않은 경우, 코크스의 반응성 지수는 약 27 정도로 측정되었으나, 탄재에 대해서 0.01중량부의 패각 분말을 사용한 경우 코크스의 반응성 지수는 약 11정도 증가한 38 정도로 측정되었다.
그리고 패각 분말의 사용량을 탄재에 대해서 0.001중량부에서 0.006 중량부로 증가시킨 경우에는 코크스의 반응성 지수가 급격하게 증가하고, 그 이후에는 코크스의 반응성 지수가 완만하고 지속적으로 증가하였다. 이를 통해 패각 분말의 사용량을 무조건 증가시킨다고 코크스의 반응성이 급격하게 향상되는 것이 아니기 때문에, 탄재에 대해서 0.1 중량부 이하, 보다 바람직하게는 0.001 중량부 내지 0.01 중량부 범위에서 패각 분말을 적절하게 사용하면 코크스의 반응성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이와 같은 결과를 통해 탄재와 패각을 혼합하여 코크스를 제조하면, 패각에 함유되는 탄산칼슘이 생석회(CaO)로 열분해되어 코크스에 균일하게 분포됨으로써 코크스의 반응성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 코크스를 제조하는 과정에서 패각을 사용하는 경우 패각의 주성분인 탄산칼슘(CaCO3)이 생석회(CaO)로 열분해되서 코크스에 균일하게 분포될 수 있다. 이에 코크스에 분포된 생석회가 고로 조업에서 이산화탄소와의 반응성을 높이는 촉매 물질로 작용하여 고로 내 열보존대의 온도를 저하시킬 수 있다. 이를 통해 코크스와 이산화탄소 간의 반응 효율을 높이고, 환원제의 사용 비율을 저감시킬 수 있다.
또한, 코크스의 반응성을 향상시키기 위해 폐기물 중 하나인 패각을 사용함으로써 코크스의 제조 비용을 절감할 수 있고, 패각에 의한 환경 오염을 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (15)
- 탄재; 및
패각 분말;을 포함하는 코크스 제조용 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄재는,
0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지고, 전체 탄재 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 갖는 탄재를 70% 내지 95%로 포함하는 코크스 제조용 조성물. - 청구항 1에 있어서,
상기 패각 분말은,
0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지고, 전체 패각 분말 중 0㎜ 초과 3㎜ 이하의 입자 크기를 갖는 패각 분말을 50% 내지 80%로 포함하는 코크스 제조용 조성물. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패각 분말은,
상기 탄재에 대해서 0 중량부 초과 0.1중량부 이하로 포함되는 코크스 제조용 조성물. - 탄재를 마련하는 과정;
패각(貝殼) 분말을 마련하는 과정;
상기 탄재와 상기 패각 분말을 혼합하는 과정;
상기 탄재와 패각 분말의 혼합물을 코크스 오븐의 탄화실에 장입하는 과정; 및
상기 혼합물을 건류하여 코크스를 제조하는 과정;을 포함하는 코크스 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 탄재를 마련하는 과정은,
0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지도록 탄재를 파쇄하는 과정을 포함하는 코크스 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 패각 분말을 마련하는 과정은,
패각을 건조시키는 과정; 및
건조된 패각을 파쇄하여 패각 분말을 제조하는 과정;을 포함하는 코크스 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 패각을 건조시키는 과정은,
건조로에 상기 패각을 장입하는 과정; 및
상기 건조로의 온도를 100 내지 200℃로 유지하여 패각을 건조시키는 과정;을 포함하는 코크스 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 패각 분말을 제조하는 과정은,
상기 패각 분말이 0㎜ 초과 10㎜ 이하의 입자 크기를 가지도록 파쇄하는 과정을 포함하는 코크스 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 탄재와 패각 분말을 혼합하는 과정은,
상기 탄재에 대해서 0.001 내지 0.01중량부의 패각 분말을 혼합하는 코크스 제조방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 코크스를 제조하는 과정은,
상기 혼합물이 건류되는 온도에서 상기 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘(CaCO3)을 열분해시켜 코크스에 알칼리 산화물을 함유시키는 코크스 제조방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 코크스를 제조하는 과정은,
상기 혼합물이 건류되는 온도에서 상기 패각 분말에 함유되는 탄산칼슘(CaCO3)을 열분해시켜 이산화탄소를 발생시키고,
이산화탄소 중 적어도 일부는 탄재를 구성하는 탄소 성분과 반응하여 일산화탄소를 생성하여 코크스 오븐 가스로 배출시키는 코크스 제조방법. - 청구항 5 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 의한 코크스 제조방법으로 제조되고,
내부 및 표면에 CaO를 포함하는 코크스. - 청구항 13에 있어서,
내부 및 표면에 Na2O 및 K2O 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 코크스. - 청구항 14에 있어서,
탄재만으로 제조된 코크스보다 상대적으로 높은 코크스 반응성 지수를 가지는 코크스.
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| KR20050087543A (ko) | 2004-02-27 | 2005-08-31 | 서윤진 | 환경친화적인 숯불구이용 고체연료 제조방법 |
| KR20170011809A (ko) | 2015-07-24 | 2017-02-02 | 주식회사 포스코 | 코크스 제조용 혼합물 및 이를 이용한 코크스 제조 방법 |
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