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문제 정의
- 있다. 본 연구에서는 우선 국산 무연탄과 폐플라스틱을 사용하여 합금철용 코크스를 제조하고자 할 경우 필요한 기초 자료를 얻을 목적으로 무연탄과 플라스틱의 연소 특성 및 물성을 조사하고, 선탄기초 실험, 코크스 제조실험 등을 행하였다.
- 따라서 적당한 강도의 파쇄조건에서 분쇄할 경우 무연탄과 불순물의 입도가 달라질 수 있을 것이며 이를 사분하면 무연탄과불순물을 분리하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 선택파쇄에 의한 무연탄의 선별에 관한 기초연구를행하고자 하였다.
제안 방법
- 3종 무연탄 시료의 입도분포와 입단별 회분함량 및 그 조성의 변화를 조사하기 위하여 각각의 시료를 4mesh, 8mesh, 18mesh, 35mesh, 144)mesh, 325mesh 로 사분하고 각 입단의 무게를 측정하여 원탄의 입도 분포를 구하였으며, 각 입단의 시료 중 일정량을 채취하여 700℃ 간 동안 산화한 다음 잔류하는 연소 잔사의 양으로부터 회분의 함량을 조사하고 이에 대한 XRF 분석으로 그 조성을 분석하였다. Fig.
- 3종의 원탄 시료를 조크러셔에서 4mesh 이하로 분쇄한 다음 한 개의 롯드(Rod)만을 장입한 롯드밀에서 2 시간 동안 150rpm으로 분쇄한 후 사분을 하고 각 입단별 중량 분포와 회분함량 변화를 분석하였다.
- 5종의 괴상시료 약 20g을 정확히 칭량하여 기록하고자제도가니에 넣어 산화 분위기의 로(爐)에서 700℃ 6 시간 동안 완전 연소시킨 다음 연소 잔사의 무게를측정하고, 그 입도와 화학 조성을 분석하였다.
- laser광을 이용하는 Cilas 1064 Particle Size Analyser 를 이용하여 알콜에 시료를 분산시킨 후 초음파를 조사하면서 입도를 측정하였다.
- 강도의 측정은 정밀 강도측정기인 미국 Instron사의 Fast track 8801을 사용하였으며 하중속도는 Icm/min 으로 고정하였고 동일조건의 시료를 3개 이상 측정하여 그 평균치를 구하였다.
- 국내 무연탄과 코크스의 조직을 관찰하기 위하여 각 시료를 연마편으로 만들고 현미경 관찰을 행하였다. Fig.
- 미세조직의 화학조성을 관찰하기 위하여 주사전자현미경에너지 분산, X선분석기(SEM/EDS: JSM-6300, JEOL, JapaMSIS-300, Oxford, 묘ngland) 를사용하여 그 조성을 분석하였다. 이때 시료에 도전성을 부여하여 상장애 요인인 charging의 감소, 이차전자발생량을 양호하게 하여 이미지 분해능을 향상 EDS 분석의 용이성 등을 고려하여 gold coating하였다.
- 시료의 열적 특성을 조사하기 위하여 시차 열량분석기 (DTA : STA409PC, Netzsch, Germany)를 사용하여분석하였다. 이때 분석조건은 승온속도분위기 가스는 Ar과 압축공기를 사용하였고 유량은 공히 100m//min.
- 미세조직의 화학조성을 관찰하기 위하여 주사전자현미경에너지 분산, X선분석기(SEM/EDS: JSM-6300, JEOL, JapaMSIS-300, Oxford, 묘ngland) 를사용하여 그 조성을 분석하였다. 이때 시료에 도전성을 부여하여 상장애 요인인 charging의 감소, 이차전자발생량을 양호하게 하여 이미지 분해능을 향상 EDS 분석의 용이성 등을 고려하여 gold coating하였다.
- 동일 조건에서의 시료의 수는 5개 이상으로 하였으며, 전기로의 승온속도는 공히 10℃/min 으로 고정하였다. 이때 점결액의조성 중 점결제인 액상 페놀수지와 분말페놀수지의 첨가량을 0-18% 범위에서 변화시키고 코크스의 강도에 미치는 영향을 조사하였다.
- 코크스 제조를 위하여 점결제와 증류수를 혼합한 점결액 18%와 lOOmesh 이하의 무연탄 분말(주로 태안정광을 사용) 82%를 혼합하고 2g씩을 직경이 1.128 cm(단면적 lcm2)인 성형 몰드에서 50kgf의 압력으로압축 성형하여 원주형 펠릿을 제조하였다. 제조된 펠릿은 5(TC에서 6시간 동안 탈수한 다음 200℃에서 2시간 동안 경화하고 엘리베이터 타입 승강식 전기로에서 1200℃로 6시간 동안 소결하였다.
- 13은 중액선별의 효율에 미치는 입도의 영향을 조사한 결과이다. 태안 정광 시료를 4mesh, 8mesh, 18mesh, 35mesh, 140mesh, 325mesh로 사분하고 각 입단에 대하여 비중 2.4에서 중액선탄하여 회수율과 품위를 조사하였다. 그림에서 8mesh 보다 큰 입자들은 모두 침강하여 부유층에서 회수된 석탄 입자들은 전혀 없었고 침강한 입자 내에 약 30% 정도의 석탄입자 들이 내포되어 있음을 알 수 있었다.
- 현미경을 이용하여 시료의 미세구조를 관찰하였으며 사용된 현미경은 광학현미경인 Nikon Optiphot- Pol(UFX-DXlI)이다. 미세조직의 화학조성을 관찰하기 위하여 주사전자현미경에너지 분산, X선분석기(SEM/EDS: JSM-6300, JEOL, JapaMSIS-300, Oxford, 묘ngland) 를사용하여 그 조성을 분석하였다.
- 회분 등의 성분조사를 위하여 X-선 형광분석기(XRF: Rh target ZSXlOOe, Rigaku, Japan)를 이용하였으며, XRF 분석을 위하여 마노유발을 이용하여 시료를 분쇄한 후 auto press 에서 20ton으로 0 30 mm pellet을 만들어 분석에 사용하였다.
대상 데이터
- 국산 무연탄은 경동탄광, 장성탄광, 태안산업의저탄장에서 채취하였으며 고품위 부분을 정광, 저품위의것을 광미로 구분하여 사용하였다. 코크스 시료는 동부메탈에서 제공한 일본산 NKK코크스와 Chiba 코크스를사용하였다.
- 본 연구를 위하여 사용된 시료는 국산 무연탄과 코크스이다. 국산 무연탄은 경동탄광, 장성탄광, 태안산업의저탄장에서 채취하였으며 고품위 부분을 정광, 저품위의것을 광미로 구분하여 사용하였다.
- 국산 무연탄은 경동탄광, 장성탄광, 태안산업의저탄장에서 채취하였으며 고품위 부분을 정광, 저품위의것을 광미로 구분하여 사용하였다. 코크스 시료는 동부메탈에서 제공한 일본산 NKK코크스와 Chiba 코크스를사용하였다. 플라스틱 시료는 LDPE, HOPE, PP, GPPS, SAN, PET, ABS, 멜라민수지, 복합수지, 액상페놀수지, 분말페놀수지 등 범용 플라스틱 12종을 선택하여 사용하였다.
- 코크스 시료는 동부메탈에서 제공한 일본산 NKK코크스와 Chiba 코크스를사용하였다. 플라스틱 시료는 LDPE, HOPE, PP, GPPS, SAN, PET, ABS, 멜라민수지, 복합수지, 액상페놀수지, 분말페놀수지 등 범용 플라스틱 12종을 선택하여 사용하였다.
성능/효과
- 1. 삼척지역의 3종 무연탄 시료에 대한 물성 측정 결과 각 무연탄 시료에는 100μm 이상의 회분들이 25-30% 정도 함유되어 있음을 알았으며 발열량은 태안 무연탄이 5, 2O5cal/g, 장성 무연탄이 4, 893cal/g, 경동 무연탄이 4, 873cal/g 이었다.
- 그림에서 8mesh 보다 큰 입자들은 모두 침강하여 부유층에서 회수된 석탄 입자들은 전혀 없었고 침강한 입자 내에 약 30% 정도의 석탄입자 들이 내포되어 있음을 알 수 있었다. 16mesh~140mesh 의 입도에서는 석탄의 품위가 90%(회분함량 10%) 정도로 높고 회수율도 80~90%로 높아 매우 우수한 선별효율을 나타내었다. 140mesh 이하의 입단에서는 회수율과 품위가 모두 저하하는 경향을 보였다.
- 2. 선탄 기초 실험 결과 3종의 국산 무연탄은 현재의상태에서 단순히 8~325mesh의 입단만을 취하여도 3~5%의 회분함량을 감소시킬 수 있으며, 선택 파쇄를하여 35~325mesh로 입단을 조절하면 석탄의 회수율은더욱더 높아질 것으로 기대되었다. 국산 무연탄을 중액선별로 선탄하고자 하는 경우는 비중액의 비중이 2.
- 5%이고 회수율도 91%정도로 높은 최고의 선별효율을 나티내었다. 2.5 이상의 선별비중에서는 단체분리가 안 된 불순물을 포함하는 석탄들도 부유하여 석탄의 회수율은 거의 100%에달하지만 회수되는 석탄의 품위는 낮아지는 경향을 보였다. 따라서 국내 무연탄의 중액선별을 위한 중액의 선별비중은 2.
- 3. 각종 플라스틱의 열분해 특성을 분석한 결과 코크스용 점결제로 사용이 가능한 플라스틱은 분말 페놀수지, 액상 페놀수지, SAN, 멜라민 수지 등이었으며, 이 중에서 공정의 단순화를 위해서는 액상 페놀수지가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
- 결론적으로 가장 품위가 좋은 것은 태안 정광임을 알 수 있다. TG곡선상의 연소속도는 기울기로 알 수 있는데 코크스가 가장 느리고, 태안정광이 가장 빠른 특성을 보이고 있음을 나타낸다.
- 07%를 나타냈으며, 코크스인 경우는 반응이 끝났을 경우 회분함량이 약 13% 정도까지 내려갈 것으로 생각된다. 결론적으로 가장 품위가 좋은 것은 태안 정광임을 알 수 있다. TG곡선상의 연소속도는 기울기로 알 수 있는데 코크스가 가장 느리고, 태안정광이 가장 빠른 특성을 보이고 있음을 나타낸다.
- 선탄 기초 실험 결과 3종의 국산 무연탄은 현재의상태에서 단순히 8~325mesh의 입단만을 취하여도 3~5%의 회분함량을 감소시킬 수 있으며, 선택 파쇄를하여 35~325mesh로 입단을 조절하면 석탄의 회수율은더욱더 높아질 것으로 기대되었다. 국산 무연탄을 중액선별로 선탄하고자 하는 경우는 비중액의 비중이 2.4 이고 석탄의 입도는 35~140mesh로 조절하는 것이 적당할 것으로 판단되었다.
- 8이 되도록 제조한 중액의 비중에따른 부유된 석탄의 회수율 (recovery)과 품위 (grade)를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 선별비중이 2.3인 경우는 석탄과 불순물이 모두 침강하여 분리가 전혀 이루어지지 않았으나 선별비중이 2.4가 되면회수된 석탄의 품위가 최대치인 77.5%이고 회수율도 91%정도로 높은 최고의 선별효율을 나티내었다. 2.
- 액상페놀수지의 경우는 50~150℃ 범위에서 1차 분해반응이 일어나고 350- 60CTC에서 2차 분해 반응이 일어나며 잔류 탄소의 함량은 가장 높은 56% 정도를 나타내었다. 따라서 무연탄의코스스화를 위한 점결제로는 페놀계 수지와 SAN이 가장 적당할 것으로 판단된다. Fig.
- 점결제의 첨가량이 18%일 때 강도가 저하하는 것은 과도한 점결제를 첨가할 경우는 360~600℃에서 일어나는 분해반응 시 발생가스의 압력이 과다하게 높아져 코크스 내부에 균열을 발생시키기 때문으로 생각된다. 따라서 최대 강도를 얻기 위한 페놀수지의 첨가량은 15% 이지만 본 연구의 비교대상인 NKK와 Chiba 코크스의 강도가 100~150kgf7cm2임을 감안할 때 6%정도가 적당 할 것으로 생각된다.
- 이는 액상페놀수지와 분말페놀수지의 경화 및 분해 메카니즘이 서로 다름을 의미한다. 본 연구의 결과로부터 페놀수지의 경화온도는 190~360℃임을 알 수 있다.
- 10의 결과에서 3종 무연탄 시료가 모두 분쇄에 의하여 35- 325mesh로 입도가 조정되었음을 알 수 있다. 이들 각 입단의 시료에 대한 회분함량 분석 결과를 나타낸 Fig. 11의 결과에서는 장성과 경동 무연탄은 35~325mesh의입단에서 불순물 함량이 25~30%로 타 입단에 비하여 낮은 특성을 보였지만 태안 무연탄은 과분쇄됨에 따라 평균 품위인 25%가 되어 분리효과가 전혀 없었음을 알 수 있다. 이러한 결과들은 선택 파쇄에 의한 회분 제거 가능성이 매우 높음을 보여준다.
- 이상의 결과는 3종의 국산 무연탄을 단순히 사분하여 8~325mesh의 입단만을 취할 경우 약 3~5%의 회분함량을 감소시킬 수 있음을 의미 한다.
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