KR101693524B1 - 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101693524B1
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Abstract

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 및 이의 제조방법을 제공할 수 있고, 이와 독립적으로, 상기 복합체; 저회분 석탄(Low Ash Coal); 숯(charcoal); 및 목재 칩(wood chip);을 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법 {REDUCTANT FOR PRODUCTION OF SILICON OR FERROSILICON, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘(silicon) 소재 또는 페로실리콘(ferrosilicon) 소재는, 일반적으로 규석광 및 탄소계 환원제를 고온의 아크로에 투입하여, 환원 반응에 의해 수득하는 것이 일반적이며, 이러한 반응은 하기 반응식 1로 표시될 수 있다.
[반응식 1] SiO2 + 2C → Si + 2CO
구체적으로, 상기 반응식 1의 SiO2 원료 물질로는 상기 규석광을 사용하고, C 원료 물질로는 숯, 저회분 석탄, 석유 코크스, 또는 목재칩 등 다양한 탄소계 환원제가 사용될 수 있다. 이때, 상기 환원제의 특성에 따라 실리콘 회수율이 변화하며, 특히 상기 환원제의 반응성이 주요 변수 중 하나로 작용할 수 있다.
일반적으로는 가격이 가장 저렴한 석유 코크스를 환원제로 사용하지만, 반응성이 낮아 상기 환원 반응의 수율이 좋지 않은 문제가 있다. 그에 반면, 숯은 가장 반응성이 좋은 환원제로 알려져 있지만, 가격이 높다는 단점이 있다.
따라서, 실리콘 또는 페로실리콘 제조를 위해 환원 반응성이 우수하면서도 가격이 합리적인 환원제를 제조할 필요가 있으나, 아직까지 이에 대한 연구가 부족한 실정이다.
전술한 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명자들은 커피 부산물을 석유 코크스와 복합화하여 환원제로 사용하고자 한다. 이에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.
본 발명의 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 원료 물질로 사용하여, 상기 복합체인 환원제의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 복합체; 저회분 석탄(Low Ash Coal); 숯(charcoal); 및 목재 칩(wood chip);을 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 복합체를 원료 물질로 사용하여, 상기 복합체를 포함하는 환원제의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
상기 복합체의 조성은, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량이, 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다.
상기 복합체는, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 16 내지 20 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 5 내지 15 중량%의 수분을 포함하는 것일 수 있다.
상기 복합체의 직경은, 1 내지 30 ㎝인 것일 수 있다.
상기 복합체의 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말의 혼합 분말을 준비하는 단계; 상기 혼합 분말을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 각각 준비하는 단계;에서, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량 비율은 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다.
상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;는, 50 내지 400톤의 하중을 가하여 수행하는 것일 수 있다.
상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서, 상기 수득된 복합체는, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서, 상기 수득된 복합체의 직경은, 1 내지 30 ㎝인 것일 수 있다.
상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서, 상기 수득된 복합체의 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계;는, 1 내지 5 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.
상기 혼합 분말을 건조하는 단계;에 의해, 상기 혼합 분말 내 수분 ?t량이 5 중량% 이하로 제어되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체; 저회분 석탄(Low Ash Coal); 숯(charcoal); 및 목재 칩(wood chip);을 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
상기 환원제 내 함유된 고정 탄소의 전체 중량(100 중량%)에 대하여, 상기 복합체 내 함유된 고정 탄소의 비율은, 35 내지 55 중량%인 것일 수 있다.
상기 복합체의 조성은, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량 비율은 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다.
상기 복합체는, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계; 및 상기 복합체에 저회분 석탄(Low Ash Coal), 숯(charcoal), 및 목재 칩(wood chip)을 혼합하는 단계;를 포함하는 것인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계;는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말의 혼합 분말을 준비하는 단계; 상기 혼합 분말을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);이 복합된 형태에 의해, 환원 반응성이 우수하고 가격이 저렴한, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 원료 물질로 사용하여 상기 복합체인 환원제를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 복합체 및 다른 종류의 탄소계 환원제들을 포함한 혼합물 형태에 의해, 환원 반응성이 우수하고 가격이 저렴한, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 상기 복합체 및 다른 종류의 탄소계 환원제들을 원료 물질로 사용하여, 상기 혼합물 형태의 환원제를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 환원제를 제조하는 과정을 개략적인 순서도로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
앞서 설명한 바와 같이, 실리콘(silicon) 소재 또는 페로실리콘(ferrosilicon) 소재의 제조 시 탄소계 환원제를 사용하여, 상기 반응식 1로 표시되는 환원 반응을 이용하는 것이 일반적이며, 이때 사용되는 환원제의 반응성은 최종 물질의 수율에 영향을 미칠 수 있다.
구체적으로, 상기 환원 반응 중에는 기체 상태의 SiO가 형성될 수 있고, 이러한 SiO는 상기 환원제와 반응하여 SiC를 생성할 수 있는데, 이는 하기 반응식 2로 표시될 수 있다.
[반응식 2] SiO(g) + 2C(s) → SiC(s) + CO(g)
상기 반응식 2로 표시되는 반응은, 사용되는 환원제의 반응성에 따라 매우 달라지는 양상을 보이고 있으며, 숯이 가장 반응성이 우수하고, 석탄 종류가 중간 정도이며, 석유 코크스는 반응성이 가장 나쁜 것으로 알려져 있다.
이러한 석유 코크스의 낮은 반응성의 원인은, 조직적으로 밀도가 높아 표면만 반응하고 내부까지 반응이 완전하게 이루어지지 않는 문제로 평가된다.
이와 같이 낮은 반응성에 의하여, 석유 코크스를 이용한 환원 반응 시 전력 소비가 증가하는 문제가 유발될 뿐만 아니라, 상부에 견고한 원료 응고층이 형성되어 기체 상태의 SiO이 다량 유실될 우려가 있다. 이 뿐만 아니라, 석유 코크스는 분말 형태인 경우가 많아, 투입 시 손실되는 문제가 있으며, 다량을 투입하게 되면 미반응 물질이 하부에 축적되는 문제를 야기한다.
결과적으로, 석유 코크스만을 이용할 경우에는 환원 반응의 수율이 낮은 경향이 있는 바, 석유 코크스를 대체하기 위해, 가격이 저렴하되 반응성이 우수한 환원제에 대한 연구가 필요하다.
이와 더불어, 환원제의 크기는 대략 1 내지 30 ㎜인 것을 사용하는 것이 일반적이며, 아크로 내부에서의 기체의 흐름이 매우 빨라 미분의 환원제가 투입되면 가스 배출구로 유실되는 경우가 발생하기 때문에, 상기 최소 크기가 확보될 필요가 있다.
이에 대한 인식을 바탕으로, 본 발명자들은 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체의 형태인 환원제 및 이의 제조방법과 더불어, 상기 복합체 및 다른 탄소계 환원제들을 포함하는 환원제 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
구체적으로, 상기 커피 부산물은 탄화하여 숯과 동일한 구조로 변화되므로, 숯과 유사한 정도의 우수한 반응성을 지닌 환원제로 작용할 수 있다는 점에 착안하여, 가격이 저렴한 상기 석유 코크스와 복합화된 형태로 제공하는 것이다.
상기 복합체를 실리콘(silicon) 소재 또는 페로실리콘(ferrosilicon) 소재의 제조 시 사용할 경우, 상기 커피 부산물은 숯 형태로 변화되어 향상된 반응성을 나타낼 수 있고, 이에 따라 상부에 견고한 원료 응고층이 형성되는 것을 억제하며, 이로 인해 기체 상태의 SiO이 유실되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 구현예에서 제공되는 복합체인 환원제에 대해, 자세히 설명하기로 한다.
상기 복합체의 조성은, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량이, 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다.
상기 범위의 조성을 만족할 경우, 상기 복합체는 우수한 환원 반응성을 가질 수 있다. 그러나, 상기 범위를 초과하는 석유 코크스가 포함될 경우에는 전술한 바와 같이 환원 반응성이 낮아질 수 있고, 상기 범위 미만으로 석유 코크스가 포함될 경우에는 후술할 고정 탄소의 함량이 불충분한 문제가 있으므로, 상기와 같이 조성을 한정하는 바이다.
상기 복합체는, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
일반적으로 고정 탄소란, 석탄, 코크스 따위의 물질에서 수분, 회분(灰分), 휘발성 성분을 제거하고 남은 고체로서, 주성분은 탄소이고, 소량의 수소, 산소, 질소 등이 함유되어 있는 것을 의미한다.
이와 관련하여, 상기 복합체는 후술할 바와 같이 성형 과정을 거쳐 제조된 것이므로, 상기 복합체에 포함된 고정 탄소의 화학적인 구조는, 일반적으로 알려진 탄소계 환원제(저회분 석탄, 숯, 목재 칩 등)에 포함된 것과 상이할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 기본적으로 탄소를 주성분으로 하는 것이기 때문에, 탄소계 환원제로서 동일한 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는, 반응식 1 및 2에서 환원제로 작용하는 탄소(C)를 적정량으로 제공하기 위하여, 상기 복합체 전체 중량에 대하여 고정 탄소의 함량을 35 내지 45 중량%로 한정하는 바이다.
다만, 45 중량%를 초과하는 경우 상기 석유 코크스의 함량이 증가하면서 환원성이 저하되는 문제가 있다. 이와 달리, 35 중량% 미만인 경우에는 환원 반응성이 낮아, 환원 반응 시 다른 고가의 탄소계 환원제(예를 들면, 숯 등)를 첨가할 필요가 있다.
한편, 일반적인 커피 부산물은 수분, 휘발 성분, 회분, 및 고정 탄소를 포함한다.
이와 관련하여, 상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 20 중량% 이하의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
상기 커피 부산물 내 고정 탄소의 함량이 20 중량% 이상인 경우, 오히려 상기 환원제의 반응성이 향상되는 효과가 저감되는 문제가 있다. 이를 고려하여, 상기와 같이 범위를 한정하는 바이다.
상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 15 중량% 이하의 수분을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 복합체는 후술할 바와 같이 성형 과정을 거쳐 제조된 것이므로, 상기 커피 부산물 내 수분의 함량이 15 중량%를 초과하는 경우, 상기 복합체의 제조 시 성형체의 강도가 저하되는 문제가 있다. 이를 고려하여, 상기와 같이 범위를 한정하는 바이다.
상기 복합체의 직경은, 1 내지 30 ㎝인 것일 수 있다.
전술한 바와 같이, 환원제의 크기 역시 환원 반응에 영향을 미치는 요인 중 하나이다.
이와 관련하여, 상기 복합체가 30 ㎝를 초과하는 큰 직경을 가지는 경우, 환원 반응이 불균일하게 일어나는 문제가 발생하며, 이와 달리 1 ㎝ 미만의 작은 직경을 가지는 경우 아크로 내부에서의 기체의 흐름이 매우 빨라 가스 배출구로 유실되는 경우가 발생하기 때문에, 상기와 같이 범위를 한정하는 바이다.
상기 복합체의 형상은, 특별히 한정되지는 않으나, 환원 반응이 일어나는 전기로의 크기에 맞추어 결정할 수 있다
예를 들면, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말의 혼합 분말을 준비하는 단계; 상기 혼합 분말을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
이는, 상기 복합체 형태의 환원제를 제조하는 방법에 해당되며, 도 1은 상기 복합체를 제조하는 과정을 개략적인 순서도로 나타낸 것이다. 이를 참고하여 각 단계를 상세히 설명한다.
커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 각각 준비하는 단계;에서, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량 비율은 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
한편, 상기 성형을 거쳐 수득된 복합체는 기본적으로 일정 강도를 유지하여야 운반 및 낙하 시 파괴되지 않을 수 있다. 이와 같이 상기 복합체의 강도를 향상시키기 위하여, 일반적으로 사용되는 결합제를 혼합하여 상기 성형을 수행할 수 있다. 다만, 그 양이 많아 불순물로 작용하지 않도록, 상기 분쇄된 혼합 분말의 전체 중량에 대해 5 중량% 이내로 한정하여 투입할 필요가 있다.
상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서, 상기 수득된 복합체에 대한 설명은 다음과 같고, 이에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
상기 수득된 복합체의 직경은, 1 내지 30 ㎝인 것일 수 있다.
상기 수득된 복합체의 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계;는, 상기 커피 부산물의 평균 직경이 상기 석유 크코스 분말보다 커서 불균일한 혼합이 일어나는 것을 방지하기 위하여, 볼밀링하여 균일한 혼합물을 형성하는 것일 수 있다.
상기 혼합 분말을 건조하는 단계;에 의해, 상기 원료 물질 내 수분 ?t량이 5 중량% 이하로 제어되는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 혼합 분말 내 5 중량%을 초과하는 과다한 수분만을 제거할 필요가 있으며, 이는 상기 원료 물질에 함유된 과다한 수분은 로내 반응에서 에너지 손실의 원인으로 작용하므로, 이러한 수분을 최소화 하는 것이 좋기 때문이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체; 저회분 석탄(Low Ash Coal); 숯(charcoal); 및 목재 칩(wood chip);을 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
이는, 상기 복합체 및 다른 탄소계 환원제가 혼합된 형태의 환원제에 해당된다. 이때, 상기 복합체를 포함함으로써, 고가인 상기 숯 및 상기 목재칩의 함량을 낮출 수 있다. 이하에서는, 전술한 내용과 중복되는 설명을 생략한다.
상기 환원제 내 함유된 고정 탄소의 전체 중량(100 중량%)에 대하여, 상기 복합체 내 함유된 고정 탄소의 비율은, 35 내지 55 중량%인 것일 수 있다.
상기 환원제 내 고정 탄소의 함량이 55 중량%를 초과하는 경우, 오히려 환원제의 반응성이 저하되는 문제가 있다. 이와 달리, 35 중량% 미만인 경우, 환원제로서의 역할을 하기에는 고정 탄소의 함량이 불충분한 문제가 있다. 이를 고려하여, 상기와 같이 범위를 한정하는 바이다.
한편, 상기 환원제에 포함된 복합체에 관한 설명은 다음과 같고, 보다 자세한 설명은 전술하였으므로 생략한다.
상기 복합체의 조성은, 상기 석유 코크스에 대한 상기 커피 부산물의 중량 비율은 20:80 내지 40:60인 것일 수 있다.
상기 복합체는, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함한 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계; 및 상기 복합체에 저회분 석탄(Low Ash Coal), 숯(charcoal), 및 목재 칩(wood chip)을 혼합하는 단계;를 포함하는 것인, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
이는, 상기 복합체 및 다른 탄소계 환원제가 혼합된 형태의 환원제를 제조하는 방법에 해당된다.
커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계;는, 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말의 혼합 분말을 준비하는 단계; 상기 혼합 분말을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
커피 부산물의 성분 확인
우선, 상기 복합체의 제조에 앞서, 상기 커피 부산물의 성분을 확인하고자 한다.
상기 커피 부산물 및 우드칩(woodchip)의 성분을 비교하면 하기 표 1과 같다,
성분 우드칩( Woodchip ) 커피 부산물
수분 (wt%) 38.0 11.5
휘발성분 (wt%) 50.5 69.5
회분 (wt%) 0.6 0.7
고정탄소 (wt%) 10.9 18.3
표 1를 참고하면, 상기 커피 부산물의 성분 및 각각의 함량이 상기 우드칩(woodchip)과 유사하므로, 상기 커피 부산물 역시 상기 우드칩과 마찬가지로 탄화하여 숯과 동일한 구조로 변화될 수 있으며, 숯과 유사한 정도의 우수한 반응성을 지닌 환원제로 작용할 수 있다고 판단된다.
이 점에 착안하여, 가격이 저렴한 석유 코크스와 복합화된 형태로 환원제를 제조하였다.
실시예
(1) 커피 부산물 및 석유 코크스의 복합체 제조
커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 7:3의 중량 비율로 배합하여, 혼합 분말을 준비하였다.
상기 혼합 분말을 건조하여, 상기 혼합 분말 내 수분의 함량을 3 중량%로 제어하였다.
이후, 상기 건조된 혼합 분말을 3 시간 동안 볼밀링하여 분쇄하였다.
최종적으로, 상기 분쇄된 혼합 분말을 50 톤의 하중을 가하여 성형함으로써, 복합체를 수득할 수 있었다.
(2) 상기 복합체를 포함하는 혼합물 형태의 환원제의 제조
본 발명의 일 구현예에 따르는 발명예 1은, 상기 복합체, 저회분 석탄, 숯, 및 목재칩이 혼합된 환원제를 제조하여, 상기 환원제 내 고정 탄소 중 대부분은 상기 복합체에 의해 제공되도록 하였다.
발명예 1과 대비되도록, 커피 부산물과 복합화되지 않은 석유 코크스가 저회분 석탄, 숯, 및 목재칩과 혼합된 환원제(비교예 1 및 2)를 제조하였다.
각각의 환원제에 포함된 성분의 배합 비율은, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 각각의 환원제 내 고정 탄소의 전체 중량을 기준으로, 각 성분에 의해 제공되는 고정 탄소의 함량을 고려하여 결정하였다.
구 분 고정 탄소의 함량 (중량%)
비교예 1 비교예 2 발명예 1
배합 비율
(고정 탄소 기준) 		석유 코크스 30 30 -
저회분 석탄 40 40 38
숯 20 0 10
목재칩 10 30 4
커피 부산물 및 석유 코크스의 복합체
(7:3의 중량 비율) 		- - 48
평가예 1
표 1에 따르면, 비교예 1 및 2의 경우, 고가의 원료인 숯 및 목재칩에 의해 제공되는 고정 탄소 비율이 30 중량% 정도로 높아, 제조 원가가 상승하는 단점이 있다.
그에 반면, 석유 코크스 및 커피 부산물의 복합체를 포함하는 발명예 1의 경우에는, 숯 및 목재칩에 의해 제공되는 고정 탄소의 비율이 14 중량%로 낮아지게 되어, 제조 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
나아가, 발명예 1의 환원제를 이용하여 아크로 실험을 실시하게 되면 전체적으로 환원 반응성이 개선되며, 소비 전력량이 감소하게 될 것으로 추론된다.
평가예 2
실제로, 발명예 1, 비교예 1 및 2의 환원제를 각각 사용하고, 70kW급 소형 직류 아크로를 이용하여 소비 전력량, 그리고 먼지 및 실리카 흄(hume) 발생량을 검증하였다.
구체적으로, 페로실리콘(FeSi75)의 생산하기 위해, 규석광 61kg을 투입하고, 이에 필요한 고정 탄소 비율에 맞추어 환원제 및 철을 대략 10번에 나누어 투입하였다. 평균 60 내지 70kW기준으로 실시하였으며, 총 환원 반응 시간은 8 내지 10 시간 소요되었다.
환원 반응 중에 발생하는 실리카 흄은 포집하여 그 무게를 측정하였으며, 반응의 완료 후 아크로를 해체하여 최종적으로 생성된 페로실리콘의 양을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구 분 비교예 1 비교예 2 발명예 1
페로실리콘 회수량 ( kg ) 21.7 23.4 18.8
전략량 ( kWh / kg ) 30.5 31.3 27.0
먼지 및 실리카 흄 발생량 ( kg ) 0.3 0.7 0.14
표 3에 따르면, 비교예 1 및 2의 경우 페로실리콘의 생성에 사용된 총 전략량이 kg당 30 kWh를 상회하고 있어, 환원 반응에 소비된 전력량이 높은 것을 알 수 있다. 그에 반면, 상기 복합체를 포함하는 실시예 1의 경우에는 소비 전력량이 27 kWh/kg으로 감소함을 확인할 수 있다.
또한, 먼지 및 실리카 흄의 발생량을 살펴보면, 발명예 1의 경우 비교예 1 및 2에 대비하여 상당히 감소되었고, 특히 비교예 2 대비 50 %이하의 수준으로 감소됨을 확인할 수 있다.
이를 통해, 발명예 1에서는 커피 부산물 및 석유 코크스의 복합체를 포함함에 따라 고가의 숯 및 목재칩의 함량을 낮추어 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 단위 페로실리콘의 회수량을 기준으로 소비 전력량이 감소되며, 환원 반응 시 먼지 및 실리카 흄의 발생량이 적어져 환경 문제를 해소하는 이점이 있다.
아울러, 발명예 1에서 회수된 페로실리콘의 절대적인 양은 비교예 1 및 2 보다 적지만, 발명예 1의 각 성분의 함량을 변화시키며 조절하게 되면, 비교예 1 및 2와 유사한 정도로 회수할 수 있다고 평가된다.
평가예 3
한편, 규석광, 철, 및 발명예 1의 환원제를 원료로 사용하고, 이들 원료를 하기 표 4에 기록된 바와 같이 배합하여, 페로실리콘 1톤이 생산되는 것을 확인하였다.
구 분 무게 ( kg )
페로실리콘 1톤 생산을 위한 원료 배합 규석광 1800
철 195
환원제 커피 부산물 및 석유 코크스의 복합체
(7:3의 중량 비율) 		857
저회분 석탄 555
숯 104
목재칩 300
따라서, 이와 같이 커피 부산물 및 석유 코크스의 복합체가 다른 탄소계 환원제와 적절한 함량으로 배합된 환원제를 사용함으로써, 실리콘 또는 페로실리콘의 절대적인 회수율 또한 개선하는 것이 가능함을 알 수 있다.
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.

Claims (19)

  1. 커피 부산물(coffee residue); 및 석유 코크스(petroleum coke);를 포함하는 복합체이고,
    상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 16 내지 20 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것이고,
    상기 복합체는, 석유 코크스: 커피 부산물의 중량비가 20:80 내지 40:60이고, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커피 부산물은,
    상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 5 내지 15 중량%의 수분을 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복합체의 직경은,
    1 내지 30 ㎝인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합체의 형상은,
    펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  8. 커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말을 혼합하여, 석유 코크스: 커피 부산물의 중량비가 20:80 내지 40:60인 혼합 분말을 준비하는 단계;
    상기 혼합 분말을 건조하는 단계;
    상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및
    상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하고,
    상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 16 내지 20 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것이고,
    상기 수득된 복합체는, 상기 수득된 복합체의 전체 중량에 대하여, 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서,
    상기 수득된 복합체의 직경은,
    1 내지 30 ㎝인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;에서,
    상기 수득된 복합체의 형상은,
    펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 혼합 분말을 건조하는 단계;에 의해,
    상기 혼합 분말 내 수분 ?t량이 5 중량 % 이하로 제어되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  14. 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체;
    저회분 석탄(Low Ash Coal);
    숯(charcoal); 및
    목재 칩(wood chip);을 포함하고,
    상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 16 내지 20 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것이고,
    상기 복합체는, 석유 코크스: 커피 부산물의 중량비가 20:80 내지 40:60이고, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 환원제 내 함유된 고정 탄소의 전체 중량(100 중량%)에 대하여, 상기 복합체 내 함유된 고정 탄소의 비율은, 35 내지 55 중량%인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계; 및
    상기 복합체에 저회분 석탄(Low Ash Coal), 숯(charcoal), 및 목재 칩(wood chip)을 혼합하는 단계;를 포함하고,
    상기 커피 부산물은, 상기 커피 부산물의 전체 중량에 대하여, 16 내지 20 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것이고,
    상기 복합체는, 석유 코크스: 커피 부산물의 중량비가 20:80 내지 40:60이고, 상기 복합체의 전체 중량에 대하여 35 내지 45 중량%의 고정 탄소를 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    커피 부산물(coffee residue) 및 석유 코크스(petroleum coke)를 포함하는 복합체를 준비하는 단계;는,
    커피 부산물(coffee residue) 분말 및 석유 코크스(petroleum coke) 분말의 혼합 분말을 준비하는 단계;
    상기 혼합 분말을 건조하는 단계;
    상기 건조된 혼합 분말을 분쇄하는 단계; 및
    상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여, 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
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