KR20150106263A - 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법 및 이에 이용되는 함철 브리켓 제조용 결합제가 개시된다. 본 발명에 의하면, 브리켓 제조에 있어 재활용 재료 및 폐기물을 이용하고 고속 환원을 유도할 수 있어 원가절감 및 온실가스 감축에 유용하다.

Description

함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법{Method for producing briquettes using Fe-containing sludge and biomass}

본 발명은 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 재활용 재료 및 폐기물을 이용하고 고속 환원을 유도할 수 있어 원가절감 및 온실가스 감축에 유용한 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법 및 이에 이용되는 함철 브리켓 제조용 결합제에 관한 것이다.

최근 제선 조업은 에너지 효율 극대화와 온실가스 저감이라는 환경적 접근 이 다각적으로 시도되고 있다. 그러나, 근본적으로 제선조업은 다량의 부산물을 발생시키며, 이러한 부산물의 처리에는 상당한 어려움이 있다. 따라서 전로 및 전기로 공정 등에서 발생하는 함철부산물의 재활용 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.

일반적으로, 함철부산물은 대부분 미분의 형태로 그 크기가 너무 작아서 바로 사용하기 어려우므로, 바인더를 첨가하여 펠렛으로 제조한 후 사용한다. 또는, 미분의 함철부산물에 바인더를 첨가하여 브리켓으로 제조한 후 사용한다

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1320083호(2013.10.18, 전기로 환원 슬래그를 이용한 함철 브리켓 제조용 바인더 및 이의 제조방법)에 개시되어 있다.

본 발명의 실시예들은, 재활용 재료 및 폐기물을 이용하고 고속 환원을 유도할 수 있어 원가절감 및 온실가스 감축에 유용한 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법 및 이에 이용되는 함철 브리켓 제조용 결합제을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 함철부산물, 바이오매스, 고형화제 및 결합제를 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 상온에서 압축 성형하여 브리켓을 성형하는 단계를 포함하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 고형화제를 2.5 중량부 이상으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법이 제공된다.

상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 바이오매스를 1 ~ 20 중량부로 혼합한다.

상기 고형화제는 당밀 또는 물유리이다.

상기 결합제는 시멘트 또는 플라이애시(fly ash)이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 함철 브리켓 조성물 100 중량부에 대하여, 2 ~ 7 중량부의 물유리 또는 당밀; 및 2 ~ 7 중량부의 플라이애시(fly ash) 또는 시멘트를 포함하는 함철 브리켓 제조용 결합제가 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 철광석을 대체하여 함철부산물의 사용으로 원가 절감에 유리하고 폐기물로 취급되는 바이오매스를 기존 화석연료를 대체하여 사용이 가능하다. 또한, 고로 슬래그로 제조되는 시멘트 또는 화력발전 부산물인 플라이애시를 기존의 결합제(바인더)를 대체하여 사용이 가능하다.

따라서 기존에 사용하지 않던 바이오매스와 플라이애시 또는 시멘트를 활용하여 100% 부산물 및 폐기물로 품질이 우수하고 가치가 높은 고로 조업용 함철 장입물, 보다 정확하게는 바이오매스 아이언 브리켓(Biomass Iron Briquette)의 제조가 가능하다. 상기 바이오매스 아이언 브리켓의 사용으로 저온에서도 고속 환원을 유도하여 고로 에너지 절감과 온실가스 저감에 유리하다.

또한, 인체에 유해하고 고가인 함철 브리켓 제조용 결합제를 대체할 수 있는 결합제가 제공된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 사용되는 고속 교반기 및 브리켓 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 물유리와 플라이애시(fly ash) 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 물유리와 시멘트 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 당밀과 플라이애시 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 당밀과 시멘트 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법 및 이에 이용되는 함철 브리켓 제조용 결합제의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

함철부산물은 대부분이 미분의 형태로 고로, 전로 및 전기로의 원료로 직접 사용하기에는 상당한 문제를 지니고 있다. 따라서 미분의 함철부산물이 일정한 성형성과 강도를 지니기 위해서는 필요부가결하게 결합제를 사용하게 된다. 그러나 기존에 사용되는 결합제들은 상당량의 유해물질을 포함하여 그 사용에 제한이 있다. 한편, 에너지 효율 극대화와 온실가스 저감에 대응하기 위하여 철광석과 코크스를 각각 고로에 장입하는 대신 철광석과 탄재를 혼합하여 괴상화된 탄재 내장 펠렛 또는 브리켓을 고로에 장입하여 저온에서도 반응성이 우수하고 온실가스 발생량을 최소화하는 방법이 강구되고 있다. 그러나 근본적으로 밀도가 다른 두 종류의 원료를 괴상화할 경우 성형성과 강도가 현저히 낮아 실용화하기에는 상당한 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 철광석을 대체하여 함철부산물을, 기존 화석 탄재를 대체하여 바이오매스를, 고가의 결합제를 대체하여 고로 슬래그로 제조된 시멘트 또는 화력발전 부산물인 플라이애시(fly ash)를 사용하여 고로용 탄재 내장 브리켓을 제조하는 방법을 제공한다.

따라서 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 브리켓 제조방법은 함철부산물, 바이오매스, 고형화제 및 결합제를 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 상온에서 압축 성형하여 브리켓을 성형하는 단계를 포함하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 고형화제를 2.5 중량부 이상으로 혼합한다.

상기 함철부산물은 이에 한정되는 것은 아니나 탈아연 처리된 제강슬러지를 이용하여 고로 조업의 원가를 절감할 수 있다.

상기 바이오매스는 우분, 왕겨, 볏짚, 및 팜커널쉘(Palm Kernel Shell, PKS) 중에서 선택되는 1 이상이다. 나아가 석탄의 대체재로 사용되는 바이오매스 중 우분이 가장 바람직하다. 우분은 발생량이 현저하게 많고 수급이 용이하여 고로에서 연속적으로 사용될 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존의 우분은 대부분 퇴비 등으로 활용되고 있으나, 사용량보다 발생량이 현저히 많아 많은 축산농가에서 처리에 곤란을 겪어 왔다. 따라서 본 발명에서 축산 폐기물로 취급되는 우분을 고로 조업에 적용함으로 인해 환경문제 개선뿐만 아니라 원가절감에도 상당히 기여할 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 바이오매스는 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 1 ~ 20 중량부로 혼합한다. 20 중량부를 초과하는 경우 휘발분에 의해 환원 반응이 조기에 일어나고 고로 조업 시 압력이 증가할 수 있다.

상기 브리켓을 성형하는 단계는 상온에서 이루어진다. 함철부산물을 단독으로사용할 경우 HBI(Hot Briquetted Iron) 등과 같은 방법으로 브리켓의 성형성과 강도 확보가 용이하나, 탄재를 포함할 경우 고온 가공이 불가능하다. 이런 이유는 탄재는 일정 온도에서 연소가 일어나기 때문에 탄재를 혼합하는 소기의 효과를 상실하기 때문이다. 따라서 바이오매스를 탄재로 포함하는 본 발명의 브리켓은 열을 가하지 않고 상온 상태에서 제조할 필요가 있다.

한편, 상온 상태에서 제조 시 목표로 하는 성형성과 강도를 확보하기 위해 고형화제를 첨가한다. 상기 고형화제는, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 2.5 중량부 이상으로 혼합한다. 상기 고형화제가 2.5 중량부 미만이면 목표로 하는 성형율 및 낙하강도를 확보할 수 없다(도 2 ~ 도 5 참조). 이에 한정되는 것은 아니나 상기 고형화제는 상기 혼합물 100 중량부에 대해 2.5 ~ 7 중량부를 포함한다. 상기 고형화제가 7 중량부를 초과하면 운영비용 증가로 효율적이지 못하고 브리켓의 롤 탈착이 용이하지 않다.

상기 고형화제는 바람직하게 당밀 또는 물유리이다. 당밀은 사탕수수로부터 설탕을 만들 때 생기는 부산물이다. 물유리(water glass, 50% 희석된 Na₂OSiO₂)는 이산화규소와 알칼리를 융해해서 얻은 규산나트륨(액상)을 진한 수용액으로 한 것이다. 당밀 또는 물유리는 시멘트의 함량을 낮추고 브리켓의 초기 강도 발현을 위해 추가된다.

상기 결합제는 시멘트 또는 플라이애시(fly ash)이다. 시멘트는 고로 슬래그로 제조된 무수 수재 시멘트이다. 플라이애시는 화력발전 부산물로 석탄이나 중유 등을 연소했을 때에 생성되는 미세한 입자의 재를 말한다. 상기 결합제는 장기 강도 발현을 위한 것이다. 결합제는 2 중량부 미만으로 혼합되면 브리켓의 장기 강도 발현에 문제가 발생하고, 7 중량부를 초과하면 상대적으로 철 성분 함량의 저하로 제강공정 부산물의 재활용 효율을 저하시킨다.

나아가 본 발명의 다른 측면에 따르면, 함철 브리켓 조성물 100 중량부에 대하여, 2 ~ 7 중량부의 물유리 또는 당밀; 및 2 ~ 7 중량부의 플라이애시(fly ash) 또는 시멘트를 포함하는 함철 브리켓 제조용 결합제가 제공된다. 본 발명의 함철 브리켓 제조용 결합제는 다양한 성분의 함철 브리켓 제조에 결합제로 사용될 수 있다. 상기 기재된 범위보다 적으면 성형율 및 낙하강도가 저감되고 많으면 철 성분 함량의 저하로 제강공정 부산물 재활용 효율을 저하시킬 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 함철부산물, 바이오매스, 고형화제 및 결합제를 균일하게 혼합하기 위해 초퍼(12) 및 드럼(14)을 구비한 고속교반기(10)를 이용하여 혼합물을 형성할 수 있다.

이때 상기 혼합물 형성 단계에서 혼합된 원료의 함수율은 당밀 또는 물유리의 수분함량 조절, 함철부산물 또는 바이오매스의 건조상태 조절 등에 따라 조절되며 바람직하게 함수율은 5 ~ 15%로 한다.

다음 상기 혼합물은 브리켓 제조 장치(20)로 이송되어 원료피더(22)를 통해 한 쌍의 브리켓 롤(24) 사이에 공급되어 압출 성형되어 일정한 형상의 브리켓(28)으로 제조되어 받침대(26)로 낙하된다.

본 발명에 의한 브리켓 제조시의 브리켓 원료 혼합 및 브리켓 제조 조건은 표 4에 예시되어 있다.

이하, 본 발명에 의한 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조

표 1은 탄재, 즉 무연탄을 대체할 바이오매스의 특성을 무연탄과 비교하여 정리한 것이다. 기본적으로 바이오매스는 무연탄에 비하여 상당량의 휘발분을 포함하고 있다. 무연탄은 탄소의 함량이 높아 주로 탄소의 연소 시 발생하는 가스에 의해 철광석의 환원이 일어나나, 바이오매스의 경우 아래와 같이 휘발분에 의한 반응이 조기에 일어날 수 있다(표 2 참조).

표 3은 함철부산물인 탈아연 처리된 제강슬러지, 바이오매스 및 결합제의 주요 무기물을 비교한 것이다. 당밀 또는 물유리(50% 희석된 Na₂OSiO₂)는 고형화제(기본 결합제)로 최소한의 강도 발현을 위하여 사용되었다. 표 4는 상기한 원료의 균일한 혼합을 위한 고속 교반기 조건과 브리켓 제조를 위한 조건을 정리한 것이다. 표 5는 브리켓을 제조하기 위한 원료의 배합조건을 정리한 것이다. 모든 배합조건에서 원료들은 기본적으로 고속 교반기(도 1a 참조)에서 혼합 시 수분 10%를 첨가하였다.

본 발명에 의한 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓의 성형율과 강도

실시예 1에 의해 제조된 브리켓의 성형율과 강도를 비교 조사하였다. 성형율은 최초 장입원료 대비 배출된 브리켓의 입경이 10mm 이상의 비율로 계산한 것이다. 입도 10mm 기준은 고로에 장입하기 위한 철광석류의 최소 입경에 해당한다. 낙하강도는 고로에서 요구되는 장입물의 낙하시 미분발생 정도를 나타낸 것으로 낙하강도가 높을수록 미분발생이 적음을 의미한다. 고로조업에서 낙하강도는 괴철광석 또는 소결광을 2m 높이에서 4회 낙하 후 10mm 이상의 분율로 나타내나 브리켓의 경우 기존 철광석의 물류흐름과 다른 방법을 택하기 때문에 본 발명에서는 5m 높이에서 1회 낙하 후 10mm 이상의 분율로서 낙하강도를 정의하였다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 물유리와 플라이애시(fly ash) 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 물유리와 수재 시멘트 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 당밀과 플라이애시 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리켓 제조방법에 있어 당밀과 수재 시멘트 사용시 우분비에 따른 브리켓 성형율 및 낙하강도 변화를 나타낸 도이다.

모든 경우에는 바이오매스의 비율이 증가할 경우, 성형성과 낙하강도는 급격한 저하를 나타내었다. 그러나 물유리 또는 당밀의 함량을 1.5%에서 3%로 상승시킬 경우 고로조업에서 요구하는 수준의 낙하강도를 확보하는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 철광석을 대체하여 함철부산물의 사용으로 원가 절감에 유리하고 폐기물로 취급되는 바이오매스를 기존 화석연료를 대체하여 사용이 가능하다. 또한, 고로 슬래그로 제조되는 시멘트 또는 화력발전 부산물인 플라이애시를 기존의 결합제(바인더)를 대체하여 사용이 가능하다.

따라서 기존에 사용하지 않던 바이오매스와 플라이애시 또는 시멘트를 활용하여 100% 부산물 및 폐기물로 품질이 우수하고 가치가 높은 고로 조업용 함철 장입물, 보다 정확하게는 바이오매스 아이언 브리켓(Biomass Iron Briquette)의 제조가 가능하다. 상기 바이오매스 아이언 브리켓의 사용으로 저온에서도 고속 환원을 유도하여 고로 에너지 절감과 온실가스 저감에 유리하다. 또한, 인체에 유해하고 고가인 함철 브리켓 제조용 결합제를 대체할 수 있는 결합제가 제공된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10: 고속교반기 12: 초퍼
14: 드럼 20: 브리켓 제조장치
22: 원료피더 24: 브리켓 롤
26: 받침대 28: 브리켓

Claims (7)

1. 함철부산물, 바이오매스, 고형화제 및 결합제를 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
   상기 혼합물을 상온에서 압축 성형하여 브리켓을 성형하는 단계를 포함하고,
   상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 고형화제를 2.5 중량부 이상으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 우분, 왕겨, 볏짚, 및 팜커널쉘(Palm Kernel Shell, PKS) 중에서 선택되는 1 이상인 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 바이오매스를 1 ~ 20 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 상기 결합제를 2 ~ 7 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 고형화제는 당밀 또는 물유리인 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 시멘트 또는 플라이애시(fly ash)인 것을 특징으로 하는 함철 부산물 및 바이오매스를 이용한 브리켓 제조방법.
7. 함철 브리켓 조성물 100 중량부에 대하여,
   2 ~ 7 중량부의 물유리 또는 당밀; 및
   2 ~ 7 중량부의 플라이애시(fly ash) 또는 시멘트를 포함하는 함철 브리켓 제조용 결합제.

Images