KR20240072194A - 냉압착된 고체 응집체 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 결합제를 사용한 냉압착 고체 응집체(cold-pressed solid agglomerate)에 관한 것이다. 이러한 맥락에서, 본 발명은 적어도 하나의 주 화합물(main compound)과 적어도 하나의 유기 결합제를 포함하는 혼합물을 함유하는 냉압착 고체 응집체를 제공하며, 여기서 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리를 통해 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어진다. 추가로, 본 발명은 (i) 적어도 하나의 주 화합물(main compound)을 적어도 하나의 유기 결합제와 혼합하는 단계, 및 (ii) 혼합물을 냉압착하여 응집체를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리를 통해 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어지는, 냉압착 고체 응집체의 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고체 응집체(solid agglomerates)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유기 결합제를 사용한 냉압착(cold-pressed) 고체 응집체에 관한 것이다.
저온 응집(cold agglomeration) 공정은 결합제를 사용하여 미세한 입자의 물질을 함께 그룹화하여 더 큰 제품을 얻는 것으로 이루어진다. 이 공정을 통해 예를 들어 보통 버려지는 더 작은 입자로 구성된 분획을 사용하여 고품질의 금속 응집체 또는 석탄 브리켓(coal briquette)을 얻을 수 있다.
석탄 브리켓팅(coal briquetting)은 업계에서 입지를 다지고 있는 다양한 저온 응집 공정 중 하나이다. 천연 석탄(mineral coal)과 목탄(vegetable coal) 모두에 사용할 수 있는 이 기술은 전형적으로 다음 단계를 포함한다: (i) 석탄 또는 바이오매스 입자의 입도 분석 균형 조정(granulometric balancing); (ii) 결합제(응집제)의 혼합; (iii) 기계적 압축; 및 (iv) 브리켓(briquette)의 건조.
브리켓팅 공정에 사용되는 결합제는 광물 또는 유기 유래일 수 있다. 이들 결합제는 브리켓 형성에 중요한 역할을 하며 건조 후 그린(green) 브리켓 열가소 특성(가소성, 인성 및 압축 저항성)을 부여한다. 오늘날 석탄 브리켓팅 산업에서 가장 널리 사용되는 유기 결합제 중 하나는 130 내지 150℃의 온도에서 압출 또는 드럼 건조기로 열처리되는 옥수수 가루 또는 옥수수 전분이다.
열처리된 옥수수 가루와 옥수수 전분 모두 제조에 상대적으로 비싸고 복잡한 장비와 시설이 필요하다. 또한, 옥수수 가루 및/또는 옥수수 전분의 열 변성 과정은 분자 사슬을 분해하여 결합 특성을 크게 감소시킨다. 이는 브리켓에 더 많은 양의 결합제를 함유하여 최종 제품을 더 비싸게 만들고 브리켓에서 결합제의 비율이 높을수록 차콜(charcoal)이나 바이오매스에 해를 끼치기 때문에 발열량을 감소시킨다.
마지막으로, 업계에서는 물리적 브리켓의 형성(그린)부터 용광로 또는 강철 반응로에서의 연소까지 물리적 브리켓의 성능과 특성을 개선하기 위한 대안을 개발하고 찾고 있다는 점을 주목해야 한다. 이와 관련하여, 브리켓 조성물에 분말형 (또는 액체) 첨가제를 사용하는 것은 이제 특정 브리켓의 특성을 개선하는 데 매우 일반적이다. 이러한 시나리오에서, 응집된 덩어리는 때때로 분말 형태의 가루 및 열처리된 전분을 완전히 젤라틴화하는 데 필요한 것보다 낮은 비율의 수분(자유수(free water))을 갖기 때문에 선행 기술의 결합제는 한계가 있다. 이러한 조건은 열처리된 옥수수 가루나 전분 결합제의 접착 특성 발현을 방해한다.
본 발명은 상기 문제를 실용적이고 효율적인 방식으로 해결하는 것을 목표로 한다.
발명의 요약
본 발명의 주된 목적은 제조가 용이하고, 결합제를 산업화하기 위한 장비, 설비 및 열에너지의 사용이 필요 없는 냉압착 고체 응집체 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 더 적은 양의 결합제를 사용하는 냉압착 고체 응집체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은 실온에서 액체 결합제를 사용하고, 물과 혼화되며, 유체이고, 혼입이 용이하며, 혼합물에 첨가제를 용해시키기 쉽고 작동 실용성을 제공하는 냉압착 고체 응집체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
위에서 설명한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 적어도 하나의 주 화합물(main compound)과 적어도 하나의 유기 결합제를 포함하는 혼합물을 함유하는 냉압착 고체 응집체를 제공하며, 여기서 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리를 통해 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어진다.
또한, 본 발명은 (i) 적어도 하나의 주 화합물을 적어도 하나의 유기 결합제와 혼합하는 단계, 및 (ii) 혼합물을 냉압착하여 응집체를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리를 통해 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어지는, 냉압착 고체 응집체의 제조방법을 제공한다.
발명의 상세한 설명
우선, 다음 설명은 본 발명의 바람직한 실시양태로부터 출발한다는 점에 유의해야 한다. 그러나 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 이러한 특정 실시양태에 제한되지 않는다.
본 발명은 냉압착 고체 응집체 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 냉압착 고체 응집체는 적어도 하나의 주 화합물과 적어도 하나의 유기 결합제를 함유하는 혼합물을 포함한다.
주 화합물은 예를 들어 바이오매스, 차콜 및 천연 석탄 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 화합물은 다양한 조성과 입도를 갖는 다양한 석탄 또는 바이오매스의 혼합물일 수 있다. 대안적으로, 주 화합물은 금속 응집체를 생성할 적어도 하나의 금속일 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리로 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어진다. 더욱 바람직하게는, 적어도 하나의 알칼리는 수산화나트륨이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 유기 결합제는 시약을 다음 질량 비율로 사용하여 얻어진다:
물: 83 내지 87.5%;
전분: 12 내지 16%;
수산화나트륨: 0.5 내지 1%.
본 발명의 반응에 사용되는 전분은 바람직하게는 천연 옥수수 전분으로도 알려진 보통의 옥수수 전분(regular corn starch)이다. 본 발명의 반응에 사용되는 수산화나트륨은 바람직하게는 10% 내지 50% 수산화나트륨(수산화나트륨 수용액)이다.
바람직하게는, 화학 반응에서 생성되는 적어도 하나의 유기 결합제는 첨가제가 실용적인 방식으로 희석될 수 있는 형태이다.
본 발명에 따른 냉압착 고체 응집체의 제조 방법은 (i) 적어도 하나의 주 화합물을 적어도 하나의 유기 결합제와 혼합하는 단계; 및 (ii) 혼합물을 냉압착하여 응집체를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리를 통해 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어진다.
선택적으로, 본 발명의 방법은 혼합물을 냉압착하는 단계 전에 혼합물에 첨가제를 첨가하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 방법은 혼합물을 냉압착하는 단계 후에 고체 응집체를 건조하는 단계를 포함한다.
시험 결과, 상술한 방법에 의해 얻어진 본 발명에 따른 냉압착 고체 응집체는 열 변성된 옥수수 가루 및/또는 전분을 결합제로 압출 또는 드럼 건조시킨 선행 기술의 응집체에 비해 상당히 우수한 물리적 특성을 갖는 것으로 나타났다. 아래 표 1은 본 발명의 응집체, 특히 그린콜(green coal) 브리켓 및 선행 기술의 응집체에 대한 다양한 시험 결과를 나타낸 것이다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고체 응집체는 결합제로서 가루 및/또는 열변성 전분을 사용하는 선행 기술의 응집체보다 훨씬 더 나은 결과를 나타냈다. 그린 브리켓에 의해 제시된 결과는 결합제의 화학 반응에 의해 촉진되는 젤라틴화 정도가 클수록 응집체 입자 사이의 접착력이 더 커지고 결과적으로 인장(tenacity)(낙하 시험) 및 압축 저항성 측면에서 더 나은 성능을 제공한다는 것을 보여준다.
상기 언급한 특성 이득 외에도, 본 발명의 응집체에 사용되는 유기 결합제를 얻는 방법은 열역학적이지 않기 때문에 전분 분자가 분해되지 않아 결합 특성을 저하시키지 않는다. 그 결과, 선행 기술의 응집체와 비교할 때 본 발명의 응집체 제조에 사용되는 결합제가 최대 70% 절약된다. 이는 또한 제품 내 주 화합물(예를 들면 석탄)의 분율을 증가시켜 응집체의 순도를 크게 높이는 데에도 기여한다.
따라서, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 전분을 가공하기 위해 압출기 및 열에너지를 사용할 필요 없이 제조가 용이한 결합제를 사용하는 냉압착 고체 응집체 및 그 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 액체 결합제를 사용함으로써 첨가제가 혼합물에 용이하고 실용적으로 용해되도록 할 수 있다. 마지막으로, 본 발명의 기술은 상당히 적은 양의 결합제를 사용하므로 선행 기술의 응집체와 비교할 때 고체 응집체의 순도를 증가시킨다.
본 출원의 보호 범위에 대해 수많은 변형이 허용된다. 이는 본 발명이 전술한 실시양태에 제한되지 않는다는 점을 강조한다.
Claims (10)
- 적어도 하나의 주 화합물(main compound) 및 적어도 하나의 유기 결합제를 포함하는 혼합물을 포함하는 냉압착 고체 응집체(cold-pressed solid agglomerate)로서,
상기 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리로 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 냉압착 고체 응집체. - 제1항에 있어서, 탄소계(carbon-based) 또는 제1 철 화합물(ferrous compound)로 구성된 응집체인 것을 특징으로 하는 응집체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 유기 결합제는 하기 질량 비율의 시약으로 얻어지는 것을 특징으로 하는 응집체:
물: 83 내지 87.5%;
전분: 12 내지 16%;
수산화나트륨: 0.5 내지 1%. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전분은 보통의 옥수수 전분(regular corn starch)인 것을 특징으로 하는 응집체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 물 및 유체와 혼화성인 것을 특징으로 하는 응집체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 응집체.
- 냉압착 고체 응집체의 제조 방법으로서,
적어도 하나의 주 화합물을 적어도 하나의 유기 결합제와 혼합하는 단계; 및
혼합물을 냉압착하여 응집체를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 유기 결합제는 실온에서 수성 매질 중에 적어도 하나의 알칼리로 제어된 pH 하에서 전분의 화학 반응에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제7항에 있어서, 화학 반응 단계는 하기 질량 비율의 시약을 갖는 것을 특징으로 하는 방법:
물: 83 내지 87.5%;
전분: 12 내지 16%;
수산화나트륨: 0.5 내지 1%. - 제7항 또는 제8항에 있어서, 혼합물을 냉압착하는 단계 전에 혼합물에 첨가제를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물을 냉압착하는 단계 후에 고체 응집체를 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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