[논문]폐기물을 보조연료로 이용한 환원철 제조 및 환원거동 분석

제현모; 김경석; 추용식; 노동규

doi:10.7844/kirr.2019.28.1.47

폐기물을 보조연료로 이용한 환원철 제조 및 환원거동 분석
Preparation and Characterization of Reduced Iron by Using Wastes as Auxiliary Fuels 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.28 no.1, 2019년, pp.47 - 54

제현모 (한국세라믹기술원 에너지환경소재센터) , 김경석 (한국세라믹기술원 에너지환경소재센터) , 추용식 (한국세라믹기술원 에너지환경소재센터) , 노동규 (한국세라믹기술원 에너지환경소재센터)

초록
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본 연구에서는 자원 재활용 및 생산비용 절감을 위해 폐기물을 국내 저급 철광석의 고품위 환원철(Direct Reduction Iron, DRI) 제조를 위한 보조연로로 사용하였으며, 폐기물이 환원철 제조에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 석탄을 주연료 및 환원제로 사용하였으며, 폐기물을 보조연료로 사용하여 주연료의 대체 가능성을 확인하였다. 다양한 폐기물의 성상 및 발열량 분석을 통하여 연료 및 환원제로서의 가능성을 평가하였으며, 선별된 폐기물은 보조연료로 이용하여 반응온도 및 시간 제어를 통해 고품위 환원철을 제조하였다. 제조된 환원철은 금속화율 측정을 통해 산화철이 Fe 금속으로 환원이 잘 이루어졌음을 확인하였다. 환원철의 금속화율은 폐기물의 발열량이 높을수록 증가하는 경향을 보였으며, 특히 발열량과 휘발분 함량이 높은 페타이어와 폐비닐의 경우 $1,200^{\circ}C$에서 1시간 반응 조건에서 폐기물을 사용하지 않을 때 보다 더 높은 금속화율이 관찰 되었다. 고발열량의 휘발성 폐기물은 연료로써 우수한 물성을 가지고 있으며, 반응온도 및 시간의 최적화를 통해 고품위 환원철 제조를 위한 보조연료로 사용이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the wastes were used as fuels for direct reduction iron (DRI) production to reduce production cost and recycle the wastes. We examined the effects of wastes on the reduction behavior of DRI manufacture and the possibility of using wastes as auxiliary fuels. The proximate and Ultimate analysis were carried out to confirm the properties of wastes as fuels, and high-quality reduced irons were fabricated by using the waste as an auxiliary fuel. The metallization of reduced irons increased as the calorific value increase of auxiliary fuel. Especially, the reduced irons fabricated from the waste tires and vinyl plastics which had high heat energy and volatile matters showed higher metallization than the others. The high calorific value and volatility of waste were significant properties as fuel. The high quality DRI could be fabricated with wastes as auxiliary fuels through optimization of reaction conditions.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Image of coal and wastes; (a) Anthracite coal, (b) waste tire, (c) waste vinyl, (d) wood pellet, (e) saw dust.
표 Table 2. Proximate analysis of fuel samples
표 Table 1. Chemical Composition of iron ore
그림 Fig. 2. TGA analysis of varied fuels.
표 Table 3. Ultimate analysis of fuel samples
그림 Fig. 3. Metallization degree of reduction irons.
표 Table 4. Summarization of metallization degree
그림 Fig. 4. XRD patterns of pattern of iron ore (A) and reduction irons; (B) 1,100℃-3 hour, (C) 1,200℃-1 hour, (D) 1,250℃-1 hour.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 폐기물을 이용한 환원철 제조 실험을 통해 폐기물을 환원철 제조를 위한 보조연료로의 활용 가능성을 확인하였다. 4종의 폐기물을 선별하고 성분을 분석을 통해 연료의 물성을 확인하였으며, 특히 폐타이어와 폐비닐은 무연탄 보다 높은 발열량을 가지고 있어 연료로써 우수한 열에너지원이 될 수 있음을 확인하였다.
다양한 폐기물을 선별하여 그 성상 및 에너지 발생량 등을 분석하여 연료로서의 물성을 평가하였으며, 이를 보조연료로 이용하여 환원철을 제조함으로써 폐기물이 환원거동에 미치는 영향 분석하였다. 본 연구를 통해 폐기물의 환원철 제조를 위한 보조연료로써의 적용 가능성을 알아보았다.
본 연구에서는 폐기물을 에너지 자원으로 재활용하고, 국내의 저급 철광석을 원료로 고부가가치의 환원철을 제조하기 위해 폐기물을 이용하여 환원철을 제조하는 연구를 진행하였다. 다양한 폐기물을 선별하여 그 성상 및 에너지 발생량 등을 분석하여 연료로서의 물성을 평가하였으며, 이를 보조연료로 이용하여 환원철을 제조함으로써 폐기물이 환원거동에 미치는 영향 분석하였다.

가설 설정

폐기물은 현재 사용의 어려움과 유해 가스의 발생으로 DRI 제조에는 널리 적용되고 있지는 않으나, rotary kin을 주로 사용하는 시멘트 산업에서는 폐기물을 대체 연료로 이용하여 시멘트를 생산하는 연구들이 이미 많이 진행되어 왔다^13-15). Rotary kiln을 이용한 환원 공정에서는 폐기물의 사용이 보다 용이하며, 일부 폐기물은 높은 에너지 발생 및 환원가스 생성으로 DRI를 제조를 위한 보조연료의 조건에 부합한 물성을 갖추고 있다. 그렇기에 시멘트 산업에 활발히 적용되는 폐기물을 DRI 제조 연구에 연계하여 폐기물을 재활용하는 방안을 찾는 연구의 진행이 필요하다.

제안 방법

본 연구에서는 폐기물을 에너지 자원으로 재활용하고, 국내의 저급 철광석을 원료로 고부가가치의 환원철을 제조하기 위해 폐기물을 이용하여 환원철을 제조하는 연구를 진행하였다. 다양한 폐기물을 선별하여 그 성상 및 에너지 발생량 등을 분석하여 연료로서의 물성을 평가하였으며, 이를 보조연료로 이용하여 환원철을 제조함으로써 폐기물이 환원거동에 미치는 영향 분석하였다. 본 연구를 통해 폐기물의 환원철 제조를 위한 보조연료로써의 적용 가능성을 알아보았다.
본 연구에서는 XRF 분석을 통해 환원 전 철원의 성분 분석을 진행하였으며, 원료의 조성은 Table 1에 나타내었다. 철원의 성분분석 결과 total-Fe 함량은 약 52%이며 이외 맥석성분은 주로 SiO₂와 MgO로 구성되어 있음을 확인하였다.
생 펠릿을 주연료 또는 주연료와 보조연료가 혼합된 연료를 이용하여 반응 온도와 시간 제어를 통해 환원철을 제조하였으며, 금속화율 분석을 통해 환원된 정도를 확인하였다. Fig.
제조된 환원철의 결정상을 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD) 분석을 실시하였다. XRD분석 결과는 Fig.

대상 데이터

환원철 제조를 위해 한덕철광에서 선광된 200 mesh 이하의 정광(Fe 52%)을 공급받아 철원으로 사용하였다. 국내산 무연탄은 철광석 환원을 위한 주연료로 사용하였으며, 폐타이어, 폐비닐, 우드펠릿 그리고 톱밥은 환원철 제조를 위한 보조연료로 사용하였다(Fig. 1).
환원실험에 사용된 연료는 국내산 무연탄과 폐기물 4종(폐타이어, 폐비닐, 우드펠릿, 톱밥)이며 연료의 물성 분석을 위해 공업분석과 원소분석을 진행하였다. 분석 결과는 아래 Table 2와 3에 각각 정리하여 나타내었다.
환원철 제조를 위해 한덕철광에서 선광된 200 mesh 이하의 정광(Fe 52%)을 공급받아 철원으로 사용하였다. 국내산 무연탄은 철광석 환원을 위한 주연료로 사용하였으며, 폐타이어, 폐비닐, 우드펠릿 그리고 톱밥은 환원철 제조를 위한 보조연료로 사용하였다(Fig.

데이터처리

연료 물성 분석을 위해 공업분석 및 원소 분석을 실시하였으며, 한국에너지기술연구원의 분석의뢰를 통해 물성을 측정하였다. 연료의 열분해 특성은 thermal gravimetric analysis (TGA, TGA/DSC 1/LF/1100)를 이용하여 분석하였으며, 상온에서 1,000℃의 범위에서 5℃/min 속도로 온도를 승온하며 측정하였다.
연료 물성 분석을 위해 공업분석 및 원소 분석을 실시하였으며, 한국에너지기술연구원의 분석의뢰를 통해 물성을 측정하였다. 연료의 열분해 특성은 thermal gravimetric analysis (TGA, TGA/DSC 1/LF/1100)를 이용하여 분석하였으며, 상온에서 1,000℃의 범위에서 5℃/min 속도로 온도를 승온하며 측정하였다. 환원철 제조 후 제조된 샘플은 금속화율 분석을 통해 환원된 정도를 확인하였으며, 금속화율 계산은 아래 식 (1)과같다.

이론/모형

Total-Fe의 측정방법은 KS규격의 KS E ISO 2597-1 : 2007의 방법을 토대로 실시하였고, Metal Fe 측정은 KS규격의 KS E ISO 5416 : 20011의 분석방법으로 실시하였다. 환원철의 결정상을 확인하기 위해 X-ray diffractometer (XRD, D/MAX-2500V (Rigaku))를 이용하였으며, 40 kV, 200 mA에서 CuKα (λ = 1.

성능/효과

본 연구는 폐기물을 이용한 환원철 제조 실험을 통해 폐기물을 환원철 제조를 위한 보조연료로의 활용 가능성을 확인하였다. 4종의 폐기물을 선별하고 성분을 분석을 통해 연료의 물성을 확인하였으며, 특히 폐타이어와 폐비닐은 무연탄 보다 높은 발열량을 가지고 있어 연료로써 우수한 열에너지원이 될 수 있음을 확인하였다. 선별된 폐기물 4종은 무연탄 대비 휘발성분이 높고 고정탄소 함량이 낮아 반응초기 연소 촉진 및 환원가스 생성에는 유리할 수 있으나 탄소 결정체인 석탄에 비해 환원능력은 다소 낮음을 확인하였다.
1,200℃ 이상의 고온 반응 후 대부분의 magnetite (Fe₃O₄)가 환원되어 Fe로 되었다. XRD 결정상 분석 결과 환원반응이 진행됨에 따라 초기 철원의 주성분인 Fe₃O₄피크가 감소하면서 36.5^o와 42.1^o의 FeO 피크가 증가하였으며, 환원반응이 더 진행됨에 따라 FeO 피크가 감소하고 44.6^o의 metal-Fe 피크가 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 철산화물이 환원 반응이 진행됨에 따라 Fe₃O₄ → FeO → Fe로 환원되었음을 의미한다.
4종의 폐기물을 선별하고 성분을 분석을 통해 연료의 물성을 확인하였으며, 특히 폐타이어와 폐비닐은 무연탄 보다 높은 발열량을 가지고 있어 연료로써 우수한 열에너지원이 될 수 있음을 확인하였다. 선별된 폐기물 4종은 무연탄 대비 휘발성분이 높고 고정탄소 함량이 낮아 반응초기 연소 촉진 및 환원가스 생성에는 유리할 수 있으나 탄소 결정체인 석탄에 비해 환원능력은 다소 낮음을 확인하였다. 폐기물을 5 wt% 사용하여 환원철을 제조 시에 금속화율은 다소 감소하는 경향을 보였으며, 발열량이 높을수록 금속화율 감소가 줄어드는 경향을 보였다.
발열량과 휘발분 함량이 높은 폐타이어와 폐비닐의 경우 1,200℃에서 1시간 반응 조건에서 오히려 폐기물을 사용하지 않을 때 보다 더 높은 금속화율이 관찰되기도 하였다. 소량의 고발열량·휘발성 폐기물은 금속화율의 감소를 크게 유발하지 않았으며, 반응온도 및 시간의 최적화를 통해 환원철 제조를 위한 우수한 보조연료로 사용 가능함을 확인하였다. 또한, 탄재 내장 및 환원가스의 제어 통해 금속화율의 향상이 가능할 것으로 예상되며, 이에 따른 폐기물의 사용량을 보다 높일 수 있을 것으로 기대되어 진다.
선별된 폐기물 4종은 무연탄 대비 휘발성분이 높고 고정탄소 함량이 낮아 반응초기 연소 촉진 및 환원가스 생성에는 유리할 수 있으나 탄소 결정체인 석탄에 비해 환원능력은 다소 낮음을 확인하였다. 폐기물을 5 wt% 사용하여 환원철을 제조 시에 금속화율은 다소 감소하는 경향을 보였으며, 발열량이 높을수록 금속화율 감소가 줄어드는 경향을 보였다. 발열량과 휘발분 함량이 높은 폐타이어와 폐비닐의 경우 1,200℃에서 1시간 반응 조건에서 오히려 폐기물을 사용하지 않을 때 보다 더 높은 금속화율이 관찰되기도 하였다.

후속연구

Rotary kiln을 이용한 환원 공정에서는 폐기물의 사용이 보다 용이하며, 일부 폐기물은 높은 에너지 발생 및 환원가스 생성으로 DRI를 제조를 위한 보조연료의 조건에 부합한 물성을 갖추고 있다. 그렇기에 시멘트 산업에 활발히 적용되는 폐기물을 DRI 제조 연구에 연계하여 폐기물을 재활용하는 방안을 찾는 연구의 진행이 필요하다.
또한, 탄재 내장 및 환원가스의 제어 통해 금속화율의 향상이 가능할 것으로 예상되며, 이에 따른 폐기물의 사용량을 보다 높일 수 있을 것으로 기대되어 진다. 다만, 많은 양의 폐기물 사용은 급격한 금속화율 감소와 함께 다량의 유해가스의 생성을 유발할 수 있기에 연료 내 폐기물의 사용 비율을 높이기 위해서는 반응조건의 최적화와 함께 유해가스 감축을 위한 연구도 수반되어 질 필요가 있을 것으로 보인다.
소량의 고발열량·휘발성 폐기물은 금속화율의 감소를 크게 유발하지 않았으며, 반응온도 및 시간의 최적화를 통해 환원철 제조를 위한 우수한 보조연료로 사용 가능함을 확인하였다. 또한, 탄재 내장 및 환원가스의 제어 통해 금속화율의 향상이 가능할 것으로 예상되며, 이에 따른 폐기물의 사용량을 보다 높일 수 있을 것으로 기대되어 진다. 다만, 많은 양의 폐기물 사용은 급격한 금속화율 감소와 함께 다량의 유해가스의 생성을 유발할 수 있기에 연료 내 폐기물의 사용 비율을 높이기 위해서는 반응조건의 최적화와 함께 유해가스 감축을 위한 연구도 수반되어 질 필요가 있을 것으로 보인다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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