KR20230097392A - 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법 - Google Patents

코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법 Download PDF

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김가언
김병철
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이유빈
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Abstract

본 발명은, 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하되, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함하는 코크스 대체연료 조성물을 제공한다.

Description

코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법{Coke alternative fuel composition and method of manufacturing coke alternative fuel using the same}
본 발명은 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고로 슬래그의 유동성을 확보하면서 이산화탄소 발생을 최소화하여 친환경성을 갖는 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법에 관한 것이다.
코크스는 고로 상부에 장입되어 고로의 열원으로 사용되는 연료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스 조성물로서 이용되는 석탄을 일반적인 연료용과 구분하여 원료탄이라 칭한다. 최근, 고로 원가 절감을 위해 원료로서 중/저품위 물질을 사용하게 됨에 따라 고로 슬래그 내 Al2O3 증가 및 이에 따른 슬래그의 유동성 감소 문제가 발생하였다.
고로 슬래그의 유동성 감소는 곧 고로 내 통기 및 통액성 감소를 야기시킬 수 있다. 따라서, 이를 개선하기 위해 고로 상부에 부원료로서 장입되는 백운석(괴 MgO)의 투입이 고려되었으나, 괴 MgO는 수급에 어려움이 있고 입도를 균일하게 관리하기 힘들다는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제를 포함하여 다양한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수급이 용이한 분 MgO를 탄소중립재인 바이오매스 연료와 함께 성형하여 고로 상부에 장입되는 종래의 코크스를 대체함으로써 슬래그 유동성 확보에 기여할 수 있는 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 성형 및 파쇄 후 고로 풍구에 취입되도록 마련되어 종래의 미분탄에 대체 혼합됨으로써 온실가스 저감에 기여할 수 있는 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법을 제공할 수 있다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 따른 코크스 대체연료 조성물은, 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하되, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다.
상기 제1 혼합물 전체 중량에 대하여, 상기 석탄 50 내지 80 중량% 및 반탄화 바이오매스 5 내지 25 중량% 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 코크스 대체연료 조성물 제조방법은, 코크스 대체연료 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및 상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하되, 상기 코크스 대체연료 조성물은, 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다.
상기 건류는 1000 내지 1250
Figure pat00001
에서 이루어질 수 있다.
상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료를 100 내지 500
Figure pat00002
에서 열처리하여 제조될 수 있다.
상기 바이오매스 원료는 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 아스팔텐성 피치는, 원유의 정제시 발생하는 상압 증류 잔유를 감압 증류하여, 감압 증류 잔유를 수득하는 단계; 상기 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력(solvent deasphalt)하는 단계;를 포함하여 수득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분 MgO를 함유함으로써 고로 슬래그의 유동성 확보함과 동시에 탄소중립재인 바이오매스를 함유하여 온실가스를 저감시킬 수 있는 코크스 대체연료 조성물 및 이를 이용한 코크스 대체연료의 제조방법을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코크스 대체연료 조성물에 함유된 분 MgO 비율에 따른 고로 슬래그의 점도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코크스 대체연료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 관점에 따른 코크스 대체연료 조성물은, 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하되, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다.
이하, 본 발명의 고강도 및 고반응성 코크스 대체연료 조성물의 구성 성분에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
석탄은 코크스 제조시 배합되는 주요 성분이며, 통상적인 것을 사용할 수 있다.
상기 석탄은 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 50 내지 80 중량% 포함될 수 있으며, 바람직하게는, 60 내지 78 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명에 따른 코크스 대체연료의 열간강도 및 반응성이 우수할 수 있다
반탄화 바이오매스는 바이오매스 원료가 반탄화된 것으로, 상기 석탄을 대체하는 역할을 할 수 있다. 상기 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 포함할 수 있다. 상기 반탄화 바이오매스는 휘발분 함량이 상대적으로 높으며, 석탄에 비해 고정 탄소 함량이 낮다. 일 실시예에서, 상기 바이오매스 원료는 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 목질계 바이오매스는 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 중 하나 이상 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 초본계 바이오매스는 팜 커넬 껍질(palm kernel shell), 코코넛 껍질, 왕겨, 수수대, 억새 (miscanthus), 대나무, 갈대(phragmites), 볏짚(rice straw), EFB(empty fruit bunch) 및 낙엽 중 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료를 100 내지 500
Figure pat00003
에서 열처리하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 범위로 열처리시, 고 에너지 밀도를 갖는 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 열 처리는 상기 바이오매스 원료를 250 내지 350
Figure pat00004
에서 20분 내지 3시간, 다른 예를 들면 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다. 일 실시예에서 상기 반탄화 바이오매스는 5 내지 30mm 크기를 갖는 펠릿 형태로 적용할 수 있다. 상기 크기는, 상기 펠릿형태의 반탄화 바이오매스의 최대 길이를 의미할 수 있다.
상기 반탄화 바이오매스는 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 5 내지 25 중량% 포함될 수 있으며, 바람직하게는, 6 내지 20 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명에 따른 코크스 대체연료의 열간강도 및 반응성이 우수하면서, 고로 공정시 이산화탄소 발생량 저감효과가 우수할 수 있다.
상기 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합은, 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 75 내지 85 중량% 포함된다. 상기 범위로 포함시 본 발명에 따른 코크스 대체연료의 열간강도, 반응성이 우수하며, 고로 공정시 이산화탄소 발생량 저감효과가 우수할 수 있다. 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합이 75 중량% 미만인 경우, 본 발명에 따른 연료의 반응성이 저하되며, 85 중량%를 초과하는 경우 연료의 열간 강도가 저하될 수 있다.
분 MgO는 수급의 어려움이 있는 천연 백운석(괴 MgO)를 대체하여 상기 바이오매스 연료와 혼합 성형하도록 마련된 분말형태의 산화마그네슘 물질이다. 본 발명에 따른 연료에는 상기 분 MgO를 투입하여 고로 슬래그의 점도가 조절됨으로써, 고로 슬래그의 고Al2O3화에 따라 감소된 고로 슬래그의 유동성이 확보될 수 있다.
상기 분 MgO는 상기 제1 혼합물 전체중량에 대하여 15 내지 25 중량% 포함될 수 있다. 상기 분 MgO를 15 중량% 미만으로 포함시 고로 슬래그의 점도 감소효과가 미약하므로 상술한 슬래그의 유동성 확보가 어렵다는 문제점이 존재한다. 상기 분 MgO가 25 중량%를 초과하여 포함시 산화마그네슘의 과도한 투입에 따른 경제적 비용 문제 및 관리의 문제가 발생할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코크스 대체연료 조성물에 함유된 분 MgO 비율에 따른 고로 슬래그의 점도를 나타낸 그래프이며, 보다 구체적으로, 고로 슬래그 내 Al2O3에 대한 분 MgO 비율에 따른 고로 슬래그의 점도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 고로 내 용선온도에 따른 각 실시예들 모두에서 코크스 대체연료 조성물에 함유된 분 MgO의 비율이 높아짐에 따라 고로 슬래그 내 Al2O3에 대한 MgO의 비율이 증가함으로써 고로 슬래그의 점도가 감소되고, 슬래그의 유동성이 증가되는 양상을 관찰할 수 있다.
바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다. 상기 아스팔텐성 피치를 포함시, 본 발명에 따른 연료의 강도 및 성형성이 우수할 수 있다. 일 실시예에서 상기 아스팔텐성 피치는, 원유의 정제시 발생하는 상압 증류 잔유를 감압 증류하여, 감압 증류 잔유를 수득하는 단계; 및 상기 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력(solvent deasphalt)하는 단계;를 포함하여 수득될 수 있다. 예를 들면 원유를 정제 공정 중에서 상압 증류를 실시하여, 가스, LPG, 나프타, 등유, 경질 경유, 중질 경유 및 상압 증류 잔유로 분리한 다음, 이 중에서 상기 상압 증류 잔유를 분리하여, 통상 감압 증류 장치를 사용하여 감압 증류하여 감압 증류 잔유를 수득할 수 있다. 그 다음에, 상기 수득된 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력을 실시하여 아스팔텐성 피치를 제조할 수 있다.
상기 바인더는 상기 제1 혼합물 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부 포함된다. 상기 바인더를 1 중량부 미만으로 포함시 본 발명에 따른 연료 조성물의 혼합성, 성형성과 강도 유지 효과가 저하되며, 20 중량부를 초과하여 포함시 더 이상의 연료의 강도 증가 효과가 없으며, 오히려 열간 강도가 저하되거나, 성형성이 저하될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 코크스 대체연료 조성물 제조방법은, 코크스 대체연료 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및 상기 성형탄을 건류하는 단계; 를 포함하되, 상기 코크스 대체연료 조성물은, 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코크스 대체연료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 코크스 대체연료의 제조방법은 (S10) 성형탄 제조단계; 및 (S20) 성형탄 건류단계; 를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 코크스 대체연료의 제조방법은 (S10) 코크스 대체연료 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 성형탄을 건류하는 단계; 를 포함한다.
이하, 상기 코크스 대체연료 조성물을 이용한 코크스 대체연료의 제조방법을 단계별로 설명하도록 한다.
(S10) 성형탄 제조단계는 코크스 대체연료 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계이다. 상기 코크스 대체연료 조성물은, 상기 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부; 를 포함하며, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함한다. 상기 코크스 대체연료 조성물은 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 상기 성형탄은, 상기 제1 혼합물 및 바인더를 포함하는 코크스 대체연료 조성물을 균질하게 혼합하여 소정의 형상으로 성형하여 예비 성형체를 제조하고; 상기 예비 성형체를 예열하여 성형탄을 제조할 수 있다. 상기 예비 성형체는, 상기 코크스 대체연료 조성물을 성형압 1 내지 10t/cm 조건으로 가압하여 브리켓 형태로 제조될 수 있다. 상기 가열은 상기 코크스 대체연료 조성물에 포함되는 석탄의 수분함량 조절을 통해 성형탄의 함수율 및 강도 조절을 위한 것으로, 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
(S20) 성형탄 건류단계는 상기 성형탄을 건류하는 단계이다. 일 실시예에서 상기 성형탄을 건류하는 단계 이전에, 0.5 내지 28시간 동안 건조한 다음, 수직로 설비에 투입하여 건류할 수 있다. 상기 성형탄을 상기 시간 범위로 건조시, 코크스 대체연료의 열간 강도가 우수할 수 있다. 일 실시예에서 상기 건류는 1000 내지 1250
Figure pat00005
에서 이루어질 수 있다. 상기 조건에서 열간 강도가 우수한 코크스 대체연료를 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 코크스 대체연료는 분 MgO를 함유하는 것으로서, 성형 후 고로 상부에 장입되어 종래의 코크스를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 슬래그 유동성 확보에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 코크스 대체연료는 탄소중립재인 바이오매스를 함유하는 것으로서, 성형 및 파쇄 후 고로 풍구에 취입되도록 마련되고 종래의 미분탄에 대체 혼합되어 고로 조업시 이산화탄소 발생량을 최소화할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따라 제조된 코크스 대체연료는 고강도 및 고반응성을 가지며, 생산단가를 절감하여 경제성이 우수하고, 성형성이 우수하여, 원료의 뭉침 또는 크랙 등의 표면 결함을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및
    바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하되,
    상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함하는,
    코크스 대체연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 혼합물 전체 중량에 대하여,
    상기 석탄 50 내지 80 중량% 및 반탄화 바이오매스 5 내지 25 중량% 포함되는,
    코크스 대체연료 조성물.
  3. 코크스 대체연료 조성물을 이용하여 성형탄을 제조하는 단계; 및
    상기 성형탄을 건류하는 단계;를 포함하되,
    상기 코크스 대체연료 조성물은,
    석탄 및 반탄화 바이오매스의 합 75 내지 85 중량% 및 분 MgO 15 내지 25 중량%를 포함하는 제1 혼합물 100 중량부; 및 바인더 1 내지 20 중량부;를 포함하며, 상기 바인더는 아스팔텐성 피치(asphaltenic pitch)를 포함하는,
    코크스 대체연료의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 건류는 1000 내지 1250
    Figure pat00006
    에서 이루어지는,
    코크스 대체연료의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반탄화 바이오매스는,
    바이오매스 원료를 100 내지 500
    Figure pat00007
    에서 열처리하여 제조되는,
    코크스 대체연료의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이오매스 원료는 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함하는,
    코크스 대체연료의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 아스팔텐성 피치는,
    원유의 정제시 발생하는 상압 증류 잔유를 감압 증류하여, 감압 증류 잔유를 수득하는 단계; 상기 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력(solvent deasphalt)하는 단계;를 포함하여 수득되는,
    코크스 대체연료의 제조방법.
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