[논문]커피박을 활용한 탄재 혼합 조건에 따른 용강 내 탄소의 농도 및 용해 효율 측정

김규완; 류근용; 김선중

doi:10.7844/kirr.2021.30.1.77

커피박을 활용한 탄재 혼합 조건에 따른 용강 내 탄소의 농도 및 용해 효율 측정
Measurement of Carbon Concentration and Dissolution Ratio in Molten Steel by the Mixing Conditions of Carbon Materials Using Coffee Grounds 원문보기

Resources recycling = 자원리싸이클링, v.30 no.1, 2021년, pp.77 - 82

김규완 (조선대학교 첨단소재공학과) , 류근용 (조선대학교 첨단소재공학과) , 김선중 (조선대학교 재료공학과)

초록
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철강 산업에 있어서 CO2 배출량 감소는 중요한 이슈이며, CO2 배출 감소를 위해 코크스를 일부 대체할 수 있는 탄재 연료의 연구는 필요하다. 한편, 바이오매스 연료는 고정 탄소를 일부 함유하고 있으며, 반탄화 공정을 통해 연료내 탄소의 함량을 증가시킬 수 있다. 바이오매스 연료 중 커피박은 약 55 mass%의 탄소를 함유하고 있으며, 국내에서 연간 약 27만 ton이 매립 또는 소각되고 있다. 또한, 연간 커피 소비량의 증가로 인한 재활용 공정에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 반탄화 공정을 통한 커피박 내 고정 탄소의 농도에 미치는 온도의 영향을 연구하였다. 또한, 반탄화 커피박의 용해 실험을 통해 금속 샘플 내 탄소 농도와 용해 효율에 대한 코크스와 혼합비의 영향을 조사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reduction of CO2 emissions is an important issue in the steel industry, and the research on carbon materials that can partially replace cokes is necessary to reduce CO2 emissions. Meanwhile, the biomass fuel contains some fixed carbon, and the carbon content in the biomass can be increased by torrefaction. As one of the biomass fuels, coffee grounds contains about 55 mass% of carbon, and its about 270,000 tons are landfilled and incinerated annually in Korea. In addition, research on the recycling process due to the increase in annual coffee consumption is required. In this study, the effect of temperature on the concentration of fixed carbon in coffee grounds was investigated during torrefaction. Moreover, the effects of mixing ratio of torrefied coffee grounds with cokes on the carbon concentration and dissolution efficiency in the metal sample were investigated.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of resistance furnace.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of induction furnace.
표 Table 1. Components of Coffee grounds and cokes by proximate analysis
표 Table 2. Experimental condition of torrefaction process
그림 Fig. 3. Contents of carbon in Coffee grounds as a function of temperature (K).
그림 Fig. 4. Images of Coffee grounds analyzed by FE-SEM (a: Normal coffee grounds, b: Torrefied coffee grounds).
표 Table 3. Mixing ratio and C contents of cokes and coffee grounds
그림 Fig. 5. Concentration of carbon in metal as a function of mass ratio.
그림 Fig. 6. Dissolution ratio of carbon in metal as a function of mass ratio.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 반탄화 공정 진행 시 커피박 내 화학적 탄소의 함량을 알아보기 위해 각 온도에 따라 반응 실험을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 일반적으로 커피 제조 후 발생하는 커피박의 성분을 조사하기 위해 공업 분석 및 적외선 흡수 분석기를 활용하여 분석을 진행하였으며, Table 1에 명시되어있다. 본 연구에서 사용된 커피박은 약 7 mass%의 고정 탄소를 포함한 약 55 mass%의 화학적 탄소, 약 38 mass % 의 휘발분, 0.
본 연구에서는 철강 공정 내 코크스를 일부 대체하기 위하여 바이오매스 연료 중 커피박을 혼합하여 용강 내 투입하였으며, 회수된 샘플 내 탄소의 용해 농도 및 용해 효율을 조사하였다. Fig.

제안 방법

¹²⁾. Cruz 등 보고에서, 불활성 분위기에서 커피박의 반탄화 실험을 진행하였으며, 최종적으로 커피박내 탄소의 함량을 약 82%로 증가시켰음을 보고하였다 본 연구에서, 불활성 분위기 및 473~573 K에서 커피박의 반탄화 실험을 진행하여 각 온도에 따른 커피박의 질량 및 탄소의 함량을 측정하였다. 또한, 커피박을 화학에너지 연료로서의 활용 가능성을 검토하기 위해, 용강 내 일반 커피박 및 반탄화 커피박을 코크스와 혼합하여 고체 연료를 투입하여 용강 내 탄소의 용해 농도 및 효율을 조사하였다.
연료의 투입량은 4 g을 투입하였다. 각각의 배합 비율로 제작된 펠렛을 알루미나 도가니에 장입 후, 펠렛 상부에 전해철을 투입하였다. 연료가 모두 장입된 알루미나 도가니를 유도체 역할을 하는 흑연 도가니에 장입 후 최종적으로 열 보존 및 도가니의 내구성을 고려하여 C.
반응을 모두 끝낸 샘플은 저항로 내에서 서냉 후 회수하였으며, 반탄화가 진행된 커피박내 탄소의 함량은 적외선 흡수 분석기(CS-2000, ELTRA) 를 활용하여 측정하였다. 또한, 반탄화 진행시 커피박 내구 조를 알아보기 위해 Fe-SEM(S-4800, Hitachi)로 관찰하였다.
Cruz 등 보고에서, 불활성 분위기에서 커피박의 반탄화 실험을 진행하였으며, 최종적으로 커피박내 탄소의 함량을 약 82%로 증가시켰음을 보고하였다 본 연구에서, 불활성 분위기 및 473~573 K에서 커피박의 반탄화 실험을 진행하여 각 온도에 따른 커피박의 질량 및 탄소의 함량을 측정하였다. 또한, 커피박을 화학에너지 연료로서의 활용 가능성을 검토하기 위해, 용강 내 일반 커피박 및 반탄화 커피박을 코크스와 혼합하여 고체 연료를 투입하여 용강 내 탄소의 용해 농도 및 효율을 조사하였다.
투입된 연료는 1873 K 및 불활성 분위기에서 7200초까지 반응실험을 진행하였다. 반응 후 샘플은 수냉으로 회수하였으며, 회수된 Metal의 무게 측정 후에 Metal 내 탄소의 농도를 측정하기 위해 적외선 흡수 분석기를 활용하였다.
그 후, 저항로 내부의 온도를 각각 목표 온도까지 승온 후 3600초 동안 반응을 진행하였으며, 자세한 실험 조건은 Table 2에 명시되어 있다. 반응을 모두 끝낸 샘플은 저항로 내에서 서냉 후 회수하였으며, 반탄화가 진행된 커피박내 탄소의 함량은 적외선 흡수 분석기(CS-2000, ELTRA) 를 활용하여 측정하였다. 또한, 반탄화 진행시 커피박 내구 조를 알아보기 위해 Fe-SEM(S-4800, Hitachi)로 관찰하였다.
4 mass%의 수분으로 구성되어있다. 반탄화 공정을 진행하기 위해 저항로를 사용하였으며, Fig. 1에 저항로의 개략도를 나타내었다. 본 연구에서 사용된 커피박은 모두 373 K에서 24시간 동안 건조가 진행되었으며, 건조된 커피박은 10 mpa의 압력으로펠렛을 제작하였다.
본 연구에서, 반탄화 공정을 통한 커피박의 탄소 함량을 조사하였으며, 코크스 및 커피박을 장입하여 다양한 배합 비율에서 용강 내 탄소의 농도와 용해 효율을 측정하였다. 반탄화 실험 및 용해 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 철강 공정 내 코크스를 일부 대체하기 위한 화학에너지의 연료로서 커피박을 채택하였으며, 코크스와 배합하여 용강 내 용해 실험을 진행하였다. 본 연구에서 사용된 코크스의 성분은 Table 1에 명시되어 있다.
각각의 배합 비율로 제작된 펠렛을 알루미나 도가니에 장입 후, 펠렛 상부에 전해철을 투입하였다. 연료가 모두 장입된 알루미나 도가니를 유도체 역할을 하는 흑연 도가니에 장입 후 최종적으로 열 보존 및 도가니의 내구성을 고려하여 C.P 도가니에 넣어주었다. 그 후, 유도로 내 분위기는 Ti 스폰지로 탈산된 Ar 가스를 500 ml/min으로 취입하여 불활성 분위기를 형성하였으며, 약 1시간 동안 유도로 내 온도를 약 1873 K까지 승온하였다.
그 후, 유도로 내 분위기는 Ti 스폰지로 탈산된 Ar 가스를 500 ml/min으로 취입하여 불활성 분위기를 형성하였으며, 약 1시간 동안 유도로 내 온도를 약 1873 K까지 승온하였다. 투입된 연료는 1873 K 및 불활성 분위기에서 7200초까지 반응실험을 진행하였다. 반응 후 샘플은 수냉으로 회수하였으며, 회수된 Metal의 무게 측정 후에 Metal 내 탄소의 농도를 측정하기 위해 적외선 흡수 분석기를 활용하였다.

대상 데이터

1에 저항로의 개략도를 나타내었다. 본 연구에서 사용된 커피박은 모두 373 K에서 24시간 동안 건조가 진행되었으며, 건조된 커피박은 10 mpa의 압력으로펠렛을 제작하였다. 제작된 펠렛의 직경은 6 mm, 높이는 1.
본 연구에서 사용된 커피박은 약 7 mass%의 고정 탄소를 포함한 약 55 mass%의 화학적 탄소, 약 38 mass % 의 휘발분, 0.7 mass%의 회분, 약 5.4 mass%의 수분으로 구성되어있다. 반탄화 공정을 진행하기 위해 저항로를 사용하였으며, Fig.
또한, Michael 등은 반응 시간 및 용강 온도에 따른 코크스의 용해 농도를 조사하였다. 알루미나 도가니 내에 탄소강 및 코크스를 장입하여 불활성 분위기 및 1723~1823 K에서 용해 실험을 진행하였다. 코크스의 용해 농도는 반응 시간 및 용강 온도가 증가함에 따라 증가하였으며, 코크스의 용해 농도는 60분 이상부터 거의 일정함을 보였다고 보고했다 ⁸⁾.
본 연구에서 사용된 커피박은 모두 373 K에서 24시간 동안 건조가 진행되었으며, 건조된 커피박은 10 mpa의 압력으로펠렛을 제작하였다. 제작된 펠렛의 직경은 6 mm, 높이는 1.6 mm, 무게는 약 1.5 g이다. 펠렛 형태의 커피박을 Pt wire 에 매달아 저항로 내부에 투입 후 질소 가스를 500 ml/min 으로 취입하여 2시간 동안 불활성 분위기를 유지시켰다.

이론/모형

6은 코크스와 배합한 일반 커피박 및 반탄화 커피박의 용해 농도와 회수된 금속 샘플의 무게를 활용하여 얻어진 탄소의 용해 효율을 나타낸다. 탄소의 용해 효율은식 (1)을 활용하여 계산되었다.

성능/효과

1. 반탄화 실험 진행시 573 K에서 가장 높은 커피박 내 탄소의 함량을 보였으며, 반탄화로 인한 커피박 내 탄소의 함량 및 공극이 증가했다.
2. 혼합비(C/G)가 증가함에 따라 회수된 금속 샘플 내 탄소의 용해 농도 및 효율이 증가하였으며, 커피박을 배합한 연료는 혼합비(C/G)가 6 이상일 때부터 단일 코크스와 유사한 농도를 보였다. 반면, 반탄화 커피박을 배합한 연료는 혼합비(C/G)가 2 이상일 때부터 금속 샘플 내 높은 탄소 함량을 나타냈다.
반면, 반탄화 커피박을 배합한 연료는 혼합비(C/G)가 2 이상일 때부터 금속 샘플 내 높은 탄소 함량을 나타냈다. 또한, 반탄화 커피박은 적은 양의 코크스를 배합하더라도 단일 코크스와 유사한 용해 효율을 보였으며, 반탄화 공정을 거친 커피박은 철강 공정 내 코크스를 일부 대체할 수 있음을 기대할 수 있다.
반탄화 진행 시 커피박내 수분 및 휘발분의 연소로 인하여 전체적인 무게가 감소하며, 커피박 내 화학적 탄소의 함량이 증가하였다. 반 탄화 실험 중 573 K에서 약 71.6 mass%로 커피박 내 가장 높은 탄소의 함량을 보였다. Fig.
3은 반탄화 온도에 따른 커피박 내 탄소의 함량을 나타낸다. 반탄화 온도가 증가함에 따라 커피박 내 탄소의 함량도 증가하였다. 반탄화 진행 시 커피박내 수분 및 휘발분의 연소로 인하여 전체적인 무게가 감소하며, 커피박 내 화학적 탄소의 함량이 증가하였다.
Table 3은 코크스와 커피박을 혼합한 고체 연료의 비율을 나타내며, C/G(cokes/gronds)는 코크스 내 함유된 탄소와 커피박 내 함유된 탄소의 비율을 보여준다. 본 연구에서 투입된 Fe의 양은 약 80 g이며, Table 3과 같이 코크스와 배합하기 위한 일반 커피박과 573 K 에서 반탄화한 커피박 내 화학적 탄소 함량은 각각 약 55 mass% 및 71.6 mass%이었다. 연료의 투입량은 4 g을 투입하였다.
특히, 코크스 단독으로 용해한 샘플의 탄소(C/G = 10)와 혼합 비율(C/G)이 6일 때의 금속 샘플 내 탄소의 함량은 큰 차이가 없었다. 코크스와 반 탄화 커피박를 혼합한 배합 비율(C/G) 2와 10 비교 시, 반 탄 화를 거친 커피박은 일반 커피박과 비교하여 상대적으로 단일 코크스와 유사한 용해 농도를 보였으며, 커피 박이 코크스를 일부 대체할 수 있다고 기대할 수 있다.
혼합 비율 (C/G)이 증가함에 따라 금속 샘플 내 탄소의 용해 효율도 증가하였다. 혼합 비율(C/G)이 0일 경우, 일반 커피박을 투입 시 금속 샘플 내 탄소의 용해 효율은 약 37%이고, 반 탄화 커피박을 투입 시 용해 효율은 약 57%를 보였다. Fig.
4에서 보여준 것처럼 반탄화 공정으로 인해 커피박의 공극의 증가로 인하여 용해 효율이 상승했음을 알 수 있다. 혼합비(C/G)가 2 이상에서, 용해 효율의 큰 변화는 없었으며, 단일 코크스를 투입하였을 때와 거의 비슷한 용해 효율을 보였다. 따라서, 용해 효율 및 금속 내 탄소 농도를 고려하였을 경우, 혼합비(C/G)가 2~6에서 커피박의 반탄화 공정은 용해 농도 및 용해 효율을 상승시킴과 동시에 소량의 코크스와 혼합으로 단일 코크스의 용해 효과를 나타낼 수 있다.

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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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