KR20220089415A - 산화철 환원철 복합재 연료 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

산화철 환원철 복합재 연료 및 그 제조 방법을 제공한다. 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은, i) 니켈광 제련 중 발생하는 산화철을 수집하는 제1 단계, ii) 산화철을 수소로 부분 환원해 산화철 환원철 복합재 연료를 제공하는 제2 단계, 및 iii) 산화철 환원철 복합재 연료를 기설정된 크기 또는 기설정된 형상으로 가공하는 제3 단계를 포함한다.

Description

산화철 환원철 복합재 연료 및 그 제조 방법 {OXIDE IRON AND REDUCED IRON COMPOSITE FUEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 산화철 환원철 복합재 연료 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 환원철과 산화철의 복합재를 이용하여 숯 대신 사용할 수 있는 연료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

숯은 바비큐 원료로서 주로 사용된다. 최근 직화가 가능한 숯이 개발되어 음식점에서 식사시나 캠핑시에 널리 사용되고 있다. 그러나 숯은 착화 중 또는 착화 후에 발생하는 연기로 인해 사용자의 호흡 곤란과 환경 오염 등의 문제점을 야기한다. 또한, 사용 후에 남는 재는 쓰레기로 분류되어 처리 비용이 발생한다.

따라서 이러한 숯의 단점을 해소할 수 있는 대체 연료의 개발이 시급하다. 대체 연료 후보 중의 하나로 철 분말을 들 수 있다. 철 분말은 산화 중에 열이 발생하는 현상을 이용해 주머니 난로용 소재로 많이 사용되고 있다. 그러나 철 분말은 그 발열량이 작고 제어가 어려워 연료로의 활용은 어려웠다.

일본공개특허 제2008-215292호

숯을 대체할 수 있는 산화철 환원철 복합재 연료를 제공한다. 또한, 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은, i) 니켈광 제련 중 발생하는 산화철을 수집하는 제1 단계, ii) 산화철을 수소로 부분 환원해 산화철 환원철 복합재 연료를 제공하는 제2 단계, 및 iii) 산화철 환원철 복합재 연료를 기설정된 크기 또는 기설정된 형상으로 가공하는 제3 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은, iv) 산화철 환원철 복합재 연료를 연소시켜서 또다른 산화철을 제공하는 제4 단계, 및 v) 또다른 산화철로 제2 단계를 반복하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 단계에서, 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율은 50% 내지 90%일 수 있다.

제2 단계에서 산화철 환원철 복합재 연료는 50% 내지 75%의 환원율을 가진 분말로 제공되고, 제3 단계에서 산화철 환원철 복합재 연료를 가공해 5mm 내지 15mm 입도를 가진 펠렛 형태로 제공할 수 있다. 제2 단계에서 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율은 75% 내지 90%이고, 산화철 환원철 복합재 연료를 가공해 20mm 내지 50mm의 입도를 가진 벌크재로 가공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료는 전술한 방법으로 제조될 수 있다.

숯의 대용재로 산화철 환원철 복합재 연료를 사용할 수 있다. 환원철 복합재는 환원철과 산화철이 혼합되어 미세한 기공을 가지므로, 착화가 용이하고 공기량 조절에 의한 화력 제어가 매우 용이하다. 그리고 연기가 거의 발생하지 않아 환경 오염 문제가 없다. 나아가, 산화철 환원철 복합재 연료의 사용 후 수거해 환원시켜 환원철을 재사용할 수 있으므로 폐기물 감축에 매우 유용할 것으로 기대된다. 또한, 환원율을 임의로 조절할 수 있고, 분말부터 벌크재까지 원하는 크기로 산화철 환원철 복합재 연료를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 사진이다.
도 3은 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 승온 실험 사진이다.
도 4는 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 연소 실험 사진이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 입도별 연소 실험 사진이다.

여기서 사용되는 전문용어는 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 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 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 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법을 다르게 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은, 니켈광 제련 중 발생하는 산화철을 수집하는 단계(S10), 산화철을 수소로 환원해 환원철을 제공하는 단계(S20), 환원철을 기설정된 크기 또는 기설정된 형상으로 가공하는 단계(S30), 환원철과 산화철을 혼합해 산화철 환원철 복합재 연료를 제조하는 단계(S40), 산화철 환원철 복합재 연료를 연소시켜서 또다른 산화철을 제공하는 단계(S50), 그리고 또다른 산화철을 환원시켜 환원철로 리턴하는 단계(S60)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법에서 단계(S50)와 단계(S60)는 생략할 수 있다.

먼저, 니켈광 제련 중 발생하는 산화철을 수집하는 단계(S10)는 니켈광의 제련 공정 중에서 발생하는 다공성 산화철을 수집한다. 니켈광 제련시에는 그 부산물로서 산화철이 발생하므로, 산화철 환원철 복합재 연료의 원료를 취득하기에 바람직하다. 이와는 대조적으로, 철광석의 제선 공정에서는 철광석이 5~20wt% 정도의 철(Fe) 성분을 함유한다. 그러나 철 성분은 고로에서 전량 용철로 환원되므로 특별한 공정이 없다면 전술한 산화철을 얻기가 어렵다. 따라서 니켈광 제련시에 그 부산물로서 산화철을 이용하는 것이 바람직하다. 좀더 구체적으로, 니켈광의 제련 공정은 i) 니켈 환원광으로부터 니켈 이온을 침출시키는 단계, ii) 침출 단계에서 얻어진 침출액 중의 침출 잔사를 제거하는 단계, iii) 침출 잔사가 제거된 침출액에 환원철을 첨가하여 니켈 이온을 페로니켈로 석출시키는 단계, iv) 침출액을 페로니켈 석출물과 석출 여액으로 분리하는 단계, v) 석출 여액을 농축하여 철화합물을 결정화시키는 단계, 그리고 vi) 철화합물을 배소하여 산화철을 얻는 단계를 포함한다. 산화철은 부산물로서 발생한다. 산침출 공정과 예비환원 공정을 거쳐서 산화철을 제조한다. 여기서 제조된 산화철은 일반 산화철과 달리 미세한 기공이 매우 많이 형성되어 큰 표면적을 가진다. 이는 종래와 달리 본 공정에서는 제련 공정에서 산침출을 통해 철을 포함한 금속 성분이 산에 녹았다가 다시 결정으로 석출되면서 산화철이 생성된다. 따라서 이러한 공정을 통해 산화철은 높은 분율의 기공을 가져서 그 표면적이 매우 크다. 그 결과, 후속 공정에서 수소를 이용하여 산화철을 환원하는 경우, 산화철의 표면적이 커서 수소와의 접촉 면적이 넓으므로 산화철의 환원율을 높일 수 있다. 이러한 산화철의 수집 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

다음으로, 단계(S20)에서는 산화철을 수소로 환원해 산화철 환원철 복합재 연료를 제공한다. 수소에 의한 환원 조건에 따라 산화철의 환원율을 제어할 수 있다. 환원 조건으로는 환원 온도, 환원 시간 또는 산화철 투입량을 들 수 있다. 수소 노출 시간 제어를 통해 산화철의 환원율과 크기를 제어할 수 있다. 예를 들면, 환원율을 각각 50%, 75%, 90% 등으로 제어한 환원철을 제조할 수 있다. 즉, 환원율은 50% 내지 90%일 수 있다. 환원율이 너무 작은 경우, 연료로서 사용하기에 부적합하다. 또한, 환원율이 너무 큰 경우, 환원 공정에 소요되는 비용이 커진다. 따라서 환원율을 전술한 범위로 조절한다.

환원로, 환원온도, 수소투입량, 투입되는 산화철의 양, 또는 환원분위기 유지시간 등의 환원 조건에 따라 환원율은 달라진다. 완전히 환원된 환원철의 환원율을 100%인 경우, 환원 조건에 따라 환원율 90%, 75%, 50% 등 다양한 환원율의 환원철을 제조할 수도 있다. 환원 정도에 따라 환원철의 형상은 달라진다. 환원철은 그 환원율이 높을수록 덩어리지면서 딱딱해지고, 그 환원율이 낮을수록 거의 분말에 가까운 형상을 가진다. 따라서 환원철을 환원율에 따라 분말, 그래뉼(granule), 럼프(lump) 형상으로 제조할 수 있다.

산화철을 수소 가스 등을 이용해 건식 환원하는 경우, 환원온도, 유지시간, 투입량, 두께 등의 환원 조건을 제어해 환원율을 제어할 수 있다. 예를 들면, 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율이 50% 내지 75%인 경우, 산화철 환원철 복합재 연료는 거의 분말 형상을 가진다. 이러한 형상의 산화철 환원철 복합재 연료는 대기 중의 약간의 공기, 즉 산소와의 접촉에도 착화가 쉽게 발생한다. 한편, 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율이 75% 내지 90%인 경우, 환원철과 산화철이 약간 뭉치는 경향이 있지만 쉽게 부서진다. 그리고 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율이 90% 내지 99%인 경우, 환원철간 융착이 발생하여 거의 부서지지 않으나 환원 공정의 컨베이어 벨트 벤딩 등을 통해 이송 중에 충격을 줘서 일부 분쇄한 형태로 제조할 수 있다. 단계(S20)의 상세 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

다음으로, 단계(S30)에서는 산화철 환원철 복합재 연료를 기설정된 크기 또는 기설정된 형상으로 가공한다. 즉, 단계(S30)에서는 산화철 환원철 복합재 연료를 특정 크기 또는 형상으로 가공할 수 있다. 예를 들면, 분말로 제조된 산화철 환원철 복합재 연료는 컴팩팅하여 펠렛 또는 벌크재로 제조할 수 있다. 반대로, 벌크재로 제조된 산화철 환원철 복합재 연료는 분쇄하여 분말 또는 펠렛으로 제조할 수 있다. 이러한 산화철 환원철 복합재 연료의 크기는 산화철 환원철 복합재 연료의 사용 환경에 따라 변형할 수 있다. 예를 들면, 분말 형태는 산화철 환원철 복합재 연료의 빠른 착화를 위해 바람직하다. 또한, 산화철 환원철 복합재 연료의 연소 지속성 확보를 위해서는 펠렛 또는 벌크재 형태가 바람직하다. 그리고 전술한 2가지 조건, 즉 빠른 착화와 연소 지속성 확보를 위해서는 위 형태의 산화철 환원철 복합재 연료를 모두 혼합하여 사용할 수도 있다.

단계(S30)에서는 예를 들면 산화철 환원철 복합재 연료는 분말로 제공될 수 있다. 분말 형태의 산화철 환원철 복합재 연료를 성형해 5mm 내지 15mm 입도를 가진 펠렛 형태로 제조될 수 있다. 펠렛의 입도가 너무 작은 경우, 원하는 연소 지속 시간을 확보하기 어렵다. 또한, 펠렛의 입도가 너무 큰 경우, 착화에 장시간이 소요될 수 있다. 따라서 펠렛을 전술한 입도 범위로 제어한다.

한편, 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율은 75% 내지 90%이고, 산화철 환원철 복합재 연료는 20mm 내지 50mm의 입도를 가진 벌크재로 가공될 수 있다. 즉, 분말과 펠렛을 압착해 벌크재로 제조할 수 있다. 벌크재의 입도가 너무 작은 경우, 연소 지속 시간이 너무 짧다. 또한, 벌크재의 입도가 너무 큰 경우, 화로 등에 사용하기 어려울 수 있고 착화시키기 어렵다. 따라서 전술한 범위로 벌크재의 입도를 조절한다.

단계(S40)에서는 산화철 환원철 복합재 연료를 연소시켜서 산화철을 제공한다. 즉, 산화철 환원철 복합재 연료를 화로에 적층 및 착화하여 연료로서 사용하고, 산화철 환원철 복합재 연료는 연소되면서 산화철 환원철 복합재 연료에 포함된 환원철도 산화철로 변태된다. 그리고 산화철 환원철 복합재 연료는 연소되면서 다량의 열을 방출한다.

마지막으로, 단계(50)에서는 단계(40)에서 얻어진 산화철을 다시 단계(S20)로 되돌아가 단계(S20)를 반복한다. 즉, 산화철을 수소로 환원해 환원철 복합재 연료로 재활용할 수 있다. 그 결과, 종래에 사용하던 숯처럼 사용 후에 재로 버릴 필요가 없어서 환경 오염을 방지할 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

도 1의 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법을 이용하여 산화철 환원철 복합재 연료를 제조하였다. 산화철 환원철 복합체 연료의 평균 환원율은 50% 내지 90%이었다. 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법의 상세 내용은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 사진이다. 도 2의 좌측에는 화로에 담긴 숯을 나타내고, 도 2의 우측에는 화로에 담긴 산화철 환원철 복합재 연료를 나타낸다. 숯으로는 목탄을 사용하였다.

착화 및 연소 실험

종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 착화 시간을 비교하였다. 또한, 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 연소 상태를 비교하였다.

도 3는 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 연소 실험 사진이다. 도 3의 좌측에는 숯이 담긴 화로를 나타내고, 도 3의 우측에는 산화철 환원철 복합재 연료가 담긴 화로를 나타낸다.

숯으로는 목탄을 사용하였다. 토취를 이용하여 숯과 산화철 환원철 복합재 연료의 표면을 가열한 후 일정 시간이 지나면 착화가 일어났다. 실험 결과, 산화철 환원철 복합재 연료의 착화소요시간은 숯의 착화소요시간과 유사하였다. 즉, 착화에 소요되는 시간은 산화철 환원철 복합재 연료가 약간 빠르거나 숯과 거의 비슷한 수준이었다. 반면에, 도 3에 나타난 바와 같이, 숯에서는 착화 전후에 많은 연기가 발생하였다. 반면에, 산화철 환원철 복합재 연료에서는 착화 전후로 연기가 거의 발생하지 않았다. 그 결과, 사용이 편리할 뿐만 아니라 환경 오염도 거의 없었다. 이와는 대조적으로, 숯은 연소시에 다량의 연기가 발생하였고, 사용 후 재로 폐기하므로 환경에 유해하였다.

승온 실험

목탄인 숯과 산화철 환원철 복합재 연료를 각각 가열하여 승온시켰다. 그리고 양 연료의 승온 정도를 비교하였다.

도 4는 종래 기술의 숯과 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 승온 실험 사진이다. 도 4의 좌측 화로에서는 숯을 사용하였고, 도 4의 우측 화로에서는 산화철 환원철 복합재 연료를 사용하였다. 각 화로 위에는 철망을 얹고 물을 담은 비이커를 올린 후 열전쌍을 넣어 그 온도를 측정하였다.

본 실험에서는 착화 후 물이 가열되어 100℃에 소요되는 시간이 숯의 경우 14분, 산화철 환원철 복합재 연료의 경우 13분 소요되었다. 따라서 종래 기술의 숯은 산화철 환원철 복합재 연료보다 100℃ 도달까지 1분 정도 빨랐지만, 지속성에서는 산화철 환원철 복합재 연료가 훨씬 더 우수하였다. 즉, 숯은 착화 후 높은 발열량을 내다가 금방 줄어든 반면에 산화철 환원철 복합재 연료의 발열량은 서서히 증가하면서 균일하게 유지되었다.

입도에 따른 연소 실험

산화철 환원철 복합재 연료를 기설정된 크기로 압착하여 각각 소형 펠렛, 중형 펠렛, 및 벌크재로 제조하였다. 소형 펠렛의 평균 입경은 5mm 내지 10mm이었고 그 평균 무게는 6g 이었다. 중형 펠렛의 평균 입경은 10mm 내지 20mm이었고 그 평균 무게는 14g이었다. 그리고 벌크재의 평균 입경은 20mm 내지 30mm이었고 그 평균 무게는 38g이었다. 토치로 소형 펠렛, 중형 펠렛, 및 벌크재를 각각 가열하여 착화시켰다.

도 5는 본 발명의 실험예에 따른 산화철 환원철 복합재 연료의 입도별 연소 실험 사진이다. 도 5의 (a)는 소형 펠렛의 연소 사진들을 나타내고, 도 5의 (b)는 중형 펠렛의 연소 사진들을 나타내고, 도 5의 (c)는 벌크재들의 착화 사진들을 나타낸다.

도 5의 (a)에 도시한 분말 또는 아주 작은 소형 펠렛의 착화는 용이하였다. 그러나 분진이 튀는 문제점이 있었다. 소형 펠렛은 종래 기술의 숯에 비해 착화가 상대적으로 빨랐으며, 착화시 연기도 발생하지 않았다. 소형 펠렛은 일단 착화되면 스스로 타 들어가 공기 차단 등의 외부 요인이 없으면 지속적으로 발열 반응을 일으켰다.

도 5의 (b)의 중형 펠렛의 착화 시간은 소형 펠렛의 착화 시간보다 길었다. 그러나 분진이 튀는 문제점은 없었고, 한번 착화되면 연소 시간을 비교적 길게 유지하였다. 또한, 도 5의 (c)에 도시한 벌크재는 착화에 오랜 시간이 소요되었지만 한번 착화되면 불꽃이 조용히 번져서 잘 꺼지지 않고 오래 지속적으로 연소되었다. 이러한 점을 고려시 산화철 환원철 복합재 연료의 용도 및 공기 공급량 등의 주위 환경에 따라 산화철 환원철 복합재 연료의 크기를 적절하게 조절할 필요가 있다.

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.

Claims (6)

1. 니켈광 제련 중 발생하는 산화철을 수집하는 제1 단계,
   상기 산화철을 수소로 부분 환원해 산화철 환원철 복합재 연료를 제공하는 제2 단계, 및
   상기 산화철 환원철 복합재 연료를 기설정된 크기 또는 기설정된 형상으로 가공하는 제3 단계
   를 포함하는 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 산화철 환원철 복합재 연료를 연소시켜서 또다른 산화철을 제공하는 제4 단계, 및
   상기 또다른 산화철로 상기 제2 단계를 반복하는 제5 단계
   를 더 포함하는 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법.
3. 제1항에서,
   상기 제2 단계에서, 상기 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율은 50% 내지 90%인 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법.
4. 제3항에서,
   상기 제2 단계에서, 상기 산화철 환원철 복합재 연료는 50% 내지 75%의 환원율을 가진 분말로 제공되고,
   상기 제3 단계에서, 상기 산화철 환원철 복합재 연료를 가공해 5mm 내지 15mm 입도를 가진 펠렛 형태로 제공하는 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법.
5. 제3항에서,
   상기 제2 단계에서 상기 산화철 환원철 복합재 연료의 환원율은 75% 내지 90%이고,
   상기 제3 단계에서, 상기 산화철 환원철 복합재 연료를 20mm 내지 50mm의 입도를 가진 벌크재로 가공하는 산화철 환원철 복합재 연료의 제조 방법.
6. 1항 내지 제5항의 제조 방법에 따라 제조한 산화철 환원철 복합재 연료.

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