【발명의 명칭】

성형탄의 제조 방법 및 성형탄의 제조 장치

【기술분야】

성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는， 바이오 플라스틱을 적용한성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

【발명의 배경이 되는 기술】

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 석탄층전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄층전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄층전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로에 공급된다.

성형탄은 석탄과 바인더를 흔합하여 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 당밀을사용하는 경우， 성형탄의 품질이 저하된다.

【발명의 내용】

【해결하고자 하는 과제】

바이오 플라스틱을 적용한 성형탄 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

【과제의 해결 수단】

환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고， 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법에 관한 것으로서， 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 미분탄을 제공하는 단계 ; 미분탄에 산처리된 전분 분말을 흔합하여 배합탄을 제조하는 단계; 배합탄을 열처리하는 단계; 및 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계 ;를 포함한다 .

배합탄을 제조하는 단계에서 , 산처리된 전분 분말은 바이오매스를 분쇄하는 단계， 분쇄된 바이오매스를 산 수용액에 침지하여 전분을 포함하는 여액을 분리하는 단계， 분리된 여액을 pH 3 내지 5.5로 세정하는 단계 및 세정된 여액을 건조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 배합탄을 제조하는 단계에서， 산처리된 전분 분말은 30부피 %의 농도로 물에 용해할 경우 pH가 3 내지 5.5일 수 있다.

배합탄을 제조하는 단계에서， 산처리된 전분 분말은 평균 입도가 0.01 내지 1國일 수 있다.

배합탄을 제조하는 단계에서， 미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량부 첨가할수 있다.

배합탄을 제조하는 단계는 50 내지 65 ^° C의 온도에서 수행될 수 있다. 열처리하는 단계에서， 열처리에 의해 배합탄 내의 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형될 수 있다.

열처리하는 단계는， 배합탄에 스팀을 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

스팀 내의 수분이 미분탄 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부가 되도록 공급할수 있다.

스팀의 온도는 120 내지 300 ^° C일 수 있다.

열처리하는 단계에서 배합탄의 온도는 60 내지 200 ^° C일 수 있다.

열처리하는 단계 이후， 열처리된 배합탄을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

제조된 성형탄은 바이오 플라스틱 1 내지 10 증량 %, 수분 3 내지 15 중량 % 및 잔부로 석탄을 포함하고， 바이오 플라스틱은 아밀로 펙틴 25 내지 70 중량 % 및 아밀로스 30 내지 75 중량 %로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 성형탄의 제조 장치는 환원철이 장입되는 용융가스화로， 및 용융가스화로에 연결되고， 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 장치로서, 미분탄 공급 빈; 산처리된 전분 분말 공급 빈; 미분탄 공급 빈 및 산처리된 전분 분말 공급 빈으로부터 미분탄 및 산처리된 전분 분말을 공급받아 흔합하여， 배합탄을 제조하는 믹서; 믹서로부터 배합탄을 공급받아 열처리하는 니더; 및 니더로부터 열처리된 배합탄을 공급받아성형하는 성형기；를 포함한다.

믹서 및 상기 니더 사이에， 배합탄을 50 내지 65 ^° C의 온도로 예열하면서 흔합하는 예열 믹서를 더 포함할 수 있다.

니더는 스팀 공급관이 연결되어 있으며， 스팀 공급관으로부터 스팀을 공급받아 배합탄을 열처리할수 있다.

니더 및 성형기 사이에， 열처리된 배합탄을 건조하는 건조기를 더 포함할수 있다.

【발명의 효과】

우수한 강도를 가진 성형탄을 제조할수 있다.

바인더 내에 K성분이 없으므로， 배관 막힘 현상이 일어나지 않는다. 생석회 또는 소석회를 사용하지 않으므로 C0 ₂ 반웅성이 저하되어 석탄의 연료 효율성이 개선된다.

바인더 배합비를 최소화 하여 기존 바인더 대비 경제성이 향상된다. 【도면의 간단한 설명】

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 장치의 개략적으로 나타낸 도면이다.

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 및 비교예에서 제조한 성형탄에서 석탄을 분리하고 남은 바인더 물질을 자외 분광 분석 (UV spectrometer )한 결과이다.

【발명을 실시하기 위한 구체적인 내용】

제 1， 제 2 및 게 3 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 제 1 부분, 성분， 영역， 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제 2 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.

도 1은 본 발명와 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 제공하는 단계 (S10) , 미분탄에 산처리된 전분 분말을 흔합하여 배합탄을 제조하는 단계 (S20) , 배합탄을 열처리하는 단계 (S30) 및 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계 (S40)를 포함한다. 이외에， 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할수 있다.

먼저, 단계 (S10)에서는 미분탄을 제공한다. 여기서， 미분탄은 석탄을 파쇄한 것이며， 일반적으로 석탄은 탄화도에 따라 탄소분이 약

60%인 이탄， 약 7OT인 아탄 및 갈탄， 약 70% 내지 80%인 아역청탄， 약 80% 내지 90%인 역청탄, 이상인 무연탄으로 구분된다. 여기서 사용하는 석탄의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 단일 탄종이나 다양한 종류의 석탄을 흔합하여 사용할 수 있다. 품질의 편차를 줄이기 위해 미분탄의 입도가 일정한 것이 바람직하며， 구체적인 기준으로서， 입도 3mm 이하가 80wt 이상， 입도 5隱. 이하가 90wt% 이상인 입도 분포를 갖는 미분탄을 사용할 수 있다.

다음으로， 단계 (S20)에서 미분탄에 산처리된 전분 분말을 혼합하여 배합탄을 제조한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면， 이미 제조된 바이오 플라스틱을 직접 미분탄과 흔합하여 성형탄의 바인더로서 적용하는 것이 아니고, 바이오 플라스틱의 원료가 되는 산처리된 전분 분말을 배합하고， 후술할 단계 (S30) 등에서 바이오 플라스틱으로 합성함으로서 성형탄 바인더로서의 역할을 하게한다. 이미 제조된 바이오 플라스틱을 직접 미분탄과 흔합하는 경우， 미분탄 표면에 도포하는 것이 원활치 아니하며， 바이오 플라스틱을 고온에서 재용융 시키는 과정이 필요하다. 이 때， 재용융된 바이오 플라스틱은 탄성 회복력이 낮아 제조된 성형탄의 즉시 강도가 낮게 된다. 반면， 본 발명의 일 실시예에서는 원료가 되는 산처리된 전분 분말을 포함하는 배합탄을 제조하고, 후술할 단계 (S30) 등에서 바이오 플라스틱을 합성하여， 미분탄 표면에 도포가 원활히 이루어지고， 아을러 제조된 성형탄의 즉시 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

전분은 아밀로스 20 내지 30 중량 %와 아밀로 펙틴 70 내지 80 중량? ¾로 구성되어 있다. 아밀로스는 선형의 헬릭스 (Hel ix) 구조이므로 탄력적이고， 매질에 효과적으로 도포가 가능하다. 또한 고밀도로 도포되므로 바인더로서 매우 효율적이다. 하지만 아밀로 펙틴은 가지 구조로 되어있어 하드하므로 바인딩 하고자 하는 물질에 효과적으로 도포되지 못한다. 또한 가지 구조는 선형 구조에 대비 밀도가 낮으므로 바인딩 후 바인더 부분의 강도가 취약하므로 외압에 의한 변형에 취약하고， 점탄성 능력이 약하다. 본 발명의 일 실시예에서는 단계 (S30) 등에서 전분이 바이오 플라스틱으로 합성되어， 바인더로서 유리한 아밀로스 구조가 늘어나고， 아밀로 펙틴 구조가 줄어들게 되어， 성형탄의 냉간.강도 및 열간 강도가 향상된다.

본 발명의 일 실시예에서 산처리된 분말 전분은 바이오매스를 분쇄하는 단계, 분쇄된 바이오매스를 산 수용액에 침지하여 전분을 포함하는 여액을 분리하는 단계， 분리된 여액을 pH 3 내지 5.5로 세정하는 단계 및 세정된 여액을 건조하는 단계를 포함한다. 이 때， 바이오매스는 카사바， 옥수수， 밀， 쌀, 보리 및 감자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 옥수수를 사용할수 있다.

옥수수를 사용하는 경우, 0.2 내지 0.5 부피 %의 아황산 용액을 사용하여 침지시킨다. 옥수수를 침지하면 흡수되면서 서서히 팽윤하고 수분이 40 중량 % 정도가 되면 포화상태가 된다. 포화상태가 되면서 원료 중의 가용성 물질이 침지액 속에 용출되기 시작하고， 젖산균이 발육하여 용출된 당분이 젖산으로 발효된다. 발효된 젖산과 아황산이 단백질올 붕괴시켜서 전분과 단백질의 결합을 연하게 하여 전분의 분리가 쉽도록 유도된다. 아황산 용액에 침지시킨 옥수수를 파쇄기를 사용하여 부순다. 파쇄된 것을 씨눈 분리조에 보내어 ^' 전분을 분리하게 된다. 이 때， 원심분리기를 이용하는 회전형 여과기를 사용할 수 있으며， 분리된 전분 여액은.다음 공정으로 보내진다. 이때 여액이 pH 3 내지 5.5까지 세정을 한다. 그리고 건조를 수분 15 중량 % 이하가 포함되도록 한다. 이러면 황산 및 젖산이 일부 옥수수전분 분말 속에 존재하게 된다 황산은 0.01 중량 % 이상이 함유 되고， 젖산은 0. 1 중량 % 이상 함유될 수 있다. 즉， 산처리된 전분 분말은 황산을 0.01 내지 1 중량 % 및 젖산을 0. 1 내지 1 증량 %포함할 수 있다.

일반적으로 전분을 제조할 시에는 전분으로부터 산을 추출하는 단계에서 추출제를 산 수용액 내의 산 성분의 100 중량 % 이상을 사용한다. 본 발명의 일 실시예에서는 전분이 아닌 산처리된 전분을 사용하므로， 추출제를 산 수용액 내의 산 성분의 40 내지 60 중량 % 사용하는 것으로 충분하다. 본 발명의 일 실시예에서 산처리된 전분을 제조하는 공정은 일반 전분을 제조하는 공정에 비해 오히려 간편하며 , 제조 공정면에서 장점이 있다.

산처리된 전분 분말은 30부피 %의 농도로 물에 용해할 경우 pH가 3 내지 5.5가 되어야 한다. pH가 너무 높으면， 바이오 플라스틱의 점탄성을 적절하게 얻기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 바인더 흔합물의 pH가 너무 낮으면， 바이오 플라스틱의 점탄성이 낮아지고 아울러 장비의 부식이 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 pH를 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 산처리된 전분 분말은 30부피 %의 농도로 물에 용해할 경우 pH 는 4내지 5가 될 수 있다.

산처리된 전분 분말은 평균 입도가 0.01 내지 1瞧일 수 있다. 산처리된 전분 분말의 평균 입도가 너무 작은 경우， 산처리된 전분 분말끼리 뭉치게 되어， 미분탄과의 흔합이 원활하게 되지 않을 수 있다. 산처리된 전분 분말의 평균 입도가 너무 큰 경우， 미분탄과의 흔합이 원활하게 되지 않을 수 있다. 따라서 전술한 범위로 산처리된 전분 분말의 평균 입도를 조절할 수 있다.

산처리된 전분 분말의 첨가량은 미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 1 내지 10 중량부 첨가할 수 있다. 산처리된 전분 분말의 첨가량이 너무 많은 경우， 산처리된 전분 분말과 미분탄의 균일한 흔합이 어려워 질 수 있다. 산처리된 전분 분말이 너무 적게 첨가되는 경우， 바인딩 효과가 미미하게 될 수 있다. 따라서 산처리된 전분 분말의 첨가량을 전술한 범위로 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 미분탄 100 중량부에 대하여 산처리된 전분 분말을 2 내지 8 중량부 첨가할 수 있다. 단계 (S20)은 50 내지 65 ^° C의 온도에서 수행될 수 있다. 온도가 너무 낮은 경우， 후술할 단계 (S30)에서 적절한 열처리 온도까지 승온하는데 시간이 오래 걸릴 수 있다. 온도가 너무 높은 경우， 후술할 단계 (S30)에서 미분탄과 층분히 흔합되지 않은 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형될 수 있다.

다시 도 1로 돌아오면, 단계 (S30)에서는 배합탄을 열처리한다. 단계 (S30)에서는 열처리에 의해 배합탄 내의 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형된다. 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형되는 메커니즘을 구체적으로 설명하도록 한다 .

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 결정름으로 물이 침투하게 되면 수소 결합 (hydrogen bonding)이 일어나면서 친수기 소수기 상호작용에 의해 친수기 0H 그룹은 밖으로 향하고 소수기인 OC 결합은 안으로 향하게 되어 헬릭스 (Hel ix) 구조로 변형이 일어난다. 그리고 전분 내에 존재하는 극성 지방질 (polar l ipid)과 결합하여 극성 지방질 중심으로 더블 헬릭스 (double hel ix) 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 ^° C 이상에서 알파 1 , 4-bonding은 절개가 되지 않는 반면， a - 1 , 6-bonding 은 절개가 일어난다. 그러므로 산 존재하에서 선택적으로 a -1 , 6-bonding 절개가 가능하다. 그러므로 아밀로 펙틴의 가지를 절개하여 아밀로스와 유사한 선형으로 만드는 것이 가능하다. 이 같은 과정올 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.

단계 (S30)에서 열처리하는 단계는 배합탄에 스팀을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 스팀을 공급함으로써 바이오 플라스틱 합성에 필요한 수분 및 열을 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 바이오 플라스틱 합성에 필요한 산을 수용액 형태가 아닌 산처리된 분말 형태로 공급하므로, 불필요하게 수분이 다량 공급되지 아니한다. 결과적으로 성형탄 내의 수분 함량이 줄어들어， 성형탄의 넁간 강도를 향상시킬 수 있고， 불필요한 건조 단계를 저감할 수 있다. 구체적으로 스팀 내의 수분이 미분탄 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부가 되도록 공급할 수 있다. 수분이 너무 적게 공급되면， 바이오 플라스틱 합성이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 수분이 너무 많이 공급되면， 최종 제조되는 성형탄의 냉간 강도에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 전술한 범위로 수분을 공급하도록 스팀의 양을 조절할수 있다. 이 때, 스팀의 온도는 120 내지 300 ^° C일 수 있다.

단계 (S30)에서 열처리로 인하여 배합탄의 온도는 60 내지 200 ^° C로 상승하게 된다. 배합탄의 온도가 적절히 상승하지 않을 시, 바이오 플라스틱의 합성이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.

단계 (S30) 이후， 열처리된 배합탄을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 배합탄을 50 내지 200 ^° C의 온도에서 3 내지 10분 동안 건조할 수 있다. 건조하는 단계를 더 포함함으로써 성형탄 내에 존재하는 수분을 성형탄 100 중량 %에 대하여 수분을 3 내지 15 중량 % 포함하도록 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 5 내지 9 중량 % 포함하도록 조절할 수 있다. 전술한 범위에서 성형탄의 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 수분은 단계 (S10)에서 미분탄 내에 존재하는 수분， 단계 (S20)에서 산처리된 전분 분말 내에 존재하는 수분 및 단계 (S30)에서 스팀 내에 존재하는 수분으로부터 유래될 수 있다.

다시 도 1로 돌아오면， 단계 (S40)에서는 열처리된 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조한다. 도 1에는 도시하지 않았지만， 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍를들 사이에 배합탄을 장입하여 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과， 우수한 열간 강도 및 냉간 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다. 위와 같은 제조 방법에 의해 제조된 성형탄은 바이오 플라스틱 1 내지 10 중량 %， 수분 3 내지 15 중량 % 및 잔부로 석탄을 포함하고， 바이오 플라스틱은 아밀로 펙틴 25 내지 70 중량 % 및 아밀로스 30 내지 75 증량 %로 이루어진다. 더욱 구체적으로 성형탄은 바이오 플라스틱 3 내지 7 중량 ¾>， 수분 5 내지 9 중량 % 및 잔부로 석탄을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 성형탄은 바이오 플라스틱의 점탄성으로 인하여 우수한 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 변형할수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 성형탄 제조 장치 (100)는 미분탄 공급 빈 ( 10)， 산처리된 전분 분말 공급 빈 (20)， 미분탄 공급 빈 ( 10) 및 산처리된 전분 분말 공급 빈 (20)으로부터 미분탄 및 산처리된 전분 분말을 공급받아 혼합하여， 배합탄을 제조하는 믹서 (30) ; 믹서로부터 배합탄을 공급받아 열처리하는 니더 (50) ; 및 니더 (50)로부터 열처리된 배합탄을 공급받아 성형하는 성형기 (70)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 성형탄 제조 장치 ( 100)는 미분탄 공급 빈 ( 10) 및 산처리된 전분 분말 공급 빈 (20)， 빈 (1으 20)은 미분탄 및 산처리된 전분 분말을 공급한다. 미분탄 및 산처리된 전분 분말에 대해서는 전술하였으므로， 중복되는 설명을 생략한다.

미분탄 및 산처리된 전분 분말은 믹서 (30)에 공급된다. 믹서 (30)는 미분탄 공급 빈 (10) 및 산처리된 전분 분말 공급 빈 (20)으로부터 미분탄 및 산처리된 전분 분말을 공급받아흔합하여， 배합탄을 제조한다.

믹서 (30)에는 예열 믹서 (40)가 연결되어， 배합탄을 50 내지 65 ^° C의 온도로 예열하면서 흔합할 수 있다. 예열 믹서 (40)의 존재로 후술할 니더 (50) 내에서 배합탄의 열처리를 신속하게 수행할 수 있다. 예열 믹서 (40)는 열처리를 위해 스팀을 공급할 수 있다.

니더 (50)는 믹서 (30) 또는 예열 믹서 (40)로부터 배합탄을 공급받아 열처리한다. 니더 (50)에서의 열처리로 인하여 산처리된 전분 분말이 바이오 플라스틱으로 변형된다. 바이오 플라스틱에 대해서는 전술하였으므로， 중복되는 설명을 생략한다.

니더 (50)에는 스팀 공급관 (51)이 연결되어 있으며， 스팀 공급관 (51)으로부터 스팀을 공급받아 배합탄을 열처리할 수 있다. 스팀 공급관 (51)은 니더 (50)의 수직 방향을 따라 복수개 설치될 수 있다. 복수개 설치된 스팀 공급관 (51)은 설치 위치에 따라 각각 다른 온도의 스팀을 공급하거나 다른 양의 스팀을 공급할 수 있다. 예컨데， 수직 방향을 따라 아래로 갈수록 높은 온도의 스팀을 공급하도록 구성하거나， 아래로 갈수록 많은 양의 스팀을 공급하도록 구성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 산이 산 수용액 형태가 아닌 산처리된 전분 분말 형태로 공급되므로， 배합탄 내에 불필요한 수분이 저감되어， 니더 (50) 내에서 열처리를 위한 에너지가 저감된다. 예컨데， 산이 산 수용액 형태로 공급될 경우， 산 수용액 내에 수분의 함량이 많아져 니더 내에서 산 수용액 내의 수분을 수증기 형태로 전환하기 위한 추가적인 에너지 공급이 필요하다. 또한， 니더 (50) 내에서 열처리를 위한 승온도 신속하게 이루어지지 않는다. 결과적으로 바이오 플라스틱 변형을 위한 절개 반웅이 효과적으로 일어나지 않게 된다. 반면, 본 발명의 일 실시예의 경우， 배합탄 내의 수분 함량이 최소화 되므로， 니더 (50) 내에서 열처리를 위한 에너지가 저감되고, 열처리를 위한 승온도 신속하게 이루어져， 바이오 플라스틱 변형을 위한 절개 반웅이 효과적으로 일어나며， 결과적으로 성형탄의 압축강도 및 낙하강도가 개선된다.

니더 (50)의 후단에는 열처리된 배합탄을 건조하는 건조기 (60)가 연결될 수 있다. 건조기 (60)는 열처리된 배합탄을 50 내지 200 ^° C의 온도에서 3 내지 10분 동안 건조할 수 있다. 건조기 (60)는 70 ^° C 이상의 열풍을 분사하고 벤트 (Vent )를 설치하여， 모든 수분이 즉시 증발하도록 할 수 있다. ^β

성형기 (70)는 니더 (50)로부터 열처리된 배합탄을 공급받아 성형한다. 성형기 (70)는 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 배합탄을 장입하여 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄으로 성형할 수 있다. 성형기 (70)는 -5 ^° C 이상에서 작동 될 수 있다. 좀더 구체적으로는 상온에서 작동 될 수 있다.

도 3는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용 _. 하는 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 층전층형 환원로로서， 용융가스화로로 ( 110)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 층전층을 형성한다.

도 1의 제조 방법으로 제조한 성형탄은 용융가스화로 ( 110)에 장입되므로, 용융가스화로 ( 110)의 내부에는 석탄층전층이 형성된다. 용융가스화로 ( 110)의 상부에는 돔부 ( 101)가 형성된다. 즉， 용융가스화로 ( 110)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고， 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고은의 환원가스에 의해 돔부 ( 101)에 장입되는 성형탄이 쉽게 분화될 수 있다. 그러나 도 1의 방법으로 제조한 성형탄은 바인더로서 바이오 플라스틱을 사용하므로 높은 열간 강도를 가지고， 용융가스화로 (110)의 돔부에서 분화되지 않고， 용융가스화로 ( 110)의 하부까지 낙하한다. 성형탄의 열분해 반웅에 의해 생성된 촤는 용융가스화로 ( 110)의 하부로 이동하여 풍구 ( 130)를 통해 공급되는 산소와 발열 반웅한다. 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 석탄층전층을 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 4는 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 형태 S 변형할 수 있다. 도 3의 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 포함한다ᅳ 여기서， 압축 환원철 저장조 ( 150)는 생략할수 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 석탄층전층을 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.

실시예

실험예 1

평균성상을 가지고 3隱 이하 90%이상의 입도를 가지는 석탄 100 중량부를 미분탄 (수분 함량 10wt% 이하)으로 준비하였다.

옥수수가루로부터 전분을 제조하되， 제조 공정에서 ―한 산 처리한 전분 분말 (30부피 ¾>로 물에 용해시 pH 4)을 4 중량부 흔합하여 배합탄을 제조하였다. 배합탄을 예열 믹서로 옮겨， 예열 믹서 내에 스팀을 취입하여 50 ^° C 이상으로 사전 예열하고 흔합하였다. 이를 다시 니더에 투입하여 니더 내부의 온도를 90 ^° C 이상으로 조절하였다. 이 때， 스팀 내의 수분의 공급량은 2 중량부였으며， 니더 체류 시간은 15분이었다. 니더에서 배출된 배합탄을 건조기인 Gravi ty Feeder에서 3 내지 5분 체류하고 120 ^° C의 열풍을 불어 넣고， Suct ion을 진행하였다.

배합탄을 를 프레스로 압축하여 64.5mm X 25.4mm X 19. 1mm 크기를 가진 브리켓 형상의 성형탄을 제조하였다. 하기 평가 방법에 의해 성형탄의 압축 강도 및 낙하 강도를 측정하여 하기 표 1에 정리하였다.

실험예 2

스팀 내의 수분의 공급량을 3 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다.

실험예 3

스팀 내의 수분의 공급량을 3.5 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다.

실험예 4

스팀 내의 수분의 공급량은 4 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다.

실험예 5

니더 체류 시간을 5분으로 조절하였으며， 스팀 내의 수분의 공급량을 3 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다.

실험예 6

니더 체류 시간을 10분으로 조절하였으며， 스팀 내의 수분의 공급량을 3 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다.

실험예 7

니더 체류 시간을 20분으로 조절하였으며， 스팀 내의 수분의 공급량을 3 중량부로 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 제조하였다. 비교예

평균성상을 가지고 3隱 이하의 입도를 가지는 석탄 100 중량부를 미분탄으로 준비하였다.

미분탄에 5^%의 아세트 산 수용액 5 중량부 및 전분 4 중량부를 흔합하여 제조한 수 전분을 첨가하여 배합탄을 제조하였다. 제조한 배합탄을 니더에 투입하여 열처리하고, 를프레스로 압축하여 64.5mm X 25.4隱 X 19. 1mm 크기를 가진 브리켓 형상의 성형탄을 제조하였다. 하기 평가 방법에 의해 성형탄의 압축 강도 및 낙하 강도를 측정하여 하기 표 1에 정리하였다.

바인더 성분 확인 실험

성형탄 10g을 파트를 떼어서 분쇄한다. 그런 다음， 에탄올에 하루 이상 침전 시킨 후， 필터를 한다. 얻어진 용액을 rotary evaporator를 이용하여 농축한다. 그런 다음 물 10mL에 희석한다. 그리고 요오드 용액 1 내지 2 방울을 떨어뜨린다. UV spectrometer를 이용하여 아밀로스， 아밀로 펙틴의 흡수 강도 변화율을 측정한다. 아밀로스는 620nm이고， 아밀로 펙틴은 540 nm에 나온다. 도 5에서 실험예 1(X 표시)， 실험예 2( 0 표시) 및 실험예 3(ᄆ 표시)는 아밀로스 /아밀로 펙틴이 흔용되어 있을 경우 아밀로스가 높을수록 아밀로스 흡수 곡선에 가깝게 나오며 성형탄 내에 바이오 플라스틱이 형성되었음을 확인할 수 있다. 반면 비교예 ( Δ 표시)의 경우 아밀로 펙틴의 흡수 곡선에 가깝게 나와 바이오 플라스틱이 형성되지 아니하고， 전분 형태로 잔존함을 확인할수 있다.

압축강도 평가실험

실험예 1 내지 7 및 비교예에서 제조된 성형탄 30개를 하부는 고정하고 상부에서 일정한 속도로 눌러서 파괴될 때까지의 최고 하중을 측정하여 평균값을 표시하였다.

낙하강도 평가실험

실험예 1 내지 7 및 비교예에서 제조된 성형탄을 지상으로부터 5m 높이에서 4회 낙하시켜 10匪 이상의 입도로 형태를 유지한 성형탄의 무게 비율을 전체 성형탄의 무게에 대한 백분율로 나타내었다.

실험 결과 전술한 실험예 1 내지 7 및 비교예에서 제조한 성형탄의 실험 결과를 하기의 표 1에 요약하여 나타낸다.

【표 1】

표 1에서 나타나는 것과 같이， 실험예 1 내지 7에서 제조한 성형탄의 강도가수전분을사용한 비교예에 비해 우수함을 확인할수 있었다.

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.

【부호의 설명】

10. 미분탄 공급 빈

20. 산처리된 전분 분말 공급 빈

30. 믹서

40. 예열 믹서 50. 니더

60. 건조기

70. 성형기

100. 성형탄 제조 장치 110. 용융가스화로 120, 122. 환원로

130. 풍구

140. 환원철 압축장치 150. 압축 환원철 저장조 200, 300. 용철제조장치

101. 듬부