KR100987810B1 - 코크스 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정된 로의 내부를 상·하로 몇개의 역(zone)으로 나누어 각 역별로 연소시간, 연소온도를 제어하여 원료브리켓트의 장입후 축차적으로 가열·건류를 할 수 있도록 로상부에서 로하부로 서서히 반응이 계속 진행되도록 하여 최종냉각완료된 코크스제품이 로 하단부 배출구를 통하여 배출되도록 함으로써 비교적 간편하고 용이하며 안정된 조업과 그에 따른 코크스 제품의 연속적 제조가 가능하도록 한 코크스 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

온도역(zone), 탄화실, 연소실

Description

코크스 제조방법 및 장치{Method and device for producing cokes used in iron-refining}

본 발명은 철광석의 야금용 코크스제조방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 통상 저품위의 무연탄, 유연탄, 역청탄 분코크스등을 일부 또는 전부를 배합 사용하여 제조된 브리켓트를 이용하여 코크스를 연속적으로 제조가능하도록 한 고정형 코크스 제조장치에 관한 것이다.

본 발명자는 이미 종래의 뱃치식 코크스 제조장치가 아닌 선행발명으로서의 회전로를 구비한 코크스 제조장치를 특허출원 2008-22338호로 출원한 바 있다. 그런데 이 본 발명자의 선행발명은 회전로, 특히 그 중에서도 탄화실의 회전에 따라 축차적으로 예열-건조-가열-숙성-냉각 공정 및 배출공정이 이루어지는 것으로 되어 있고, 그 가열제어가 온도와 시간의 정밀한 제어와 연속적 조업이 가능하다는 특징을 갖고 있다.

본 발명은 상기 본 발명자의 선행 기술과 달리 일정한 위치에서 탄화실의 회전과 같이 이동이 없는 고정장치로 된 코크스제조장치에 관한 것으로, 고정된 로의 내부를 상·하로 몇개의 역(zone)으로 나누어 각 역별로 연소시간, 연소온도를 제어하여 원료브리켓트의 장입후 축차적으로 가열·건류를 할 수 있도록 한 코크스 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

상기 본 발명은 정비가 까다롭고, 시간·온도에 따른 회전제어가 정밀한 회전형 코크스제조장치가 갖는 조업상의 번거로움을 지양하고 또한 자칫 회전시스템에 고장이 날 경우 코크스 제조가 전면적으로 중지되기 쉬운 가능성도 고려한 코크스 연속제조방법 및 장치를 제공한다.

따라서, 본 발명은 상술한 용도에 맞추어., 코크스 제조용로를 도 1 또는 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 다수의 로의 상부에서 원료탄을 장입한 다음 로내에 각 역(zone)을 구분 설치한 후 이 역에 각기 대응하여 연료와 연소공기를 공급하여 축차적으로 로상부에서 로하부로 서서히 반응이 계속 진행되도록 하여 최종냉각완료된 코크스제품이 로 하단부 배출구를 통하여 배출되도록 함으로써 비교적 간편하고 용이하며 안정된 조업과 그에 따른 코크스 제품의 제조가 가능하도록 한데에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명 장치는 코크스 제조용로를 도 1 또는 도 2에서와 같이 로의 기본형을 원형 또는 도 3에서와 같이 직사각형으로 형성하고, 각 로를 상부에서 하부로 장입원료가 진행되면서 건류되는 것으로하며, 각 탄화실 주위의 연소실에 여러개의 내화재 칸막이를 설치하고, 이 칸막이로 이루어지는 각 온도역(zone)별 온도 및 연료 통과시간을 제어하도록 하며, 탄화실하부에서 건류제품의 냉각 및 배출을 연속적으로 행하도록 한 구조로 구성한다.

즉, 본 발명은 탄화실과 연소실을 구비하고 버너가열에 의해 장입된 원료탄을 가열 건류하여 코크스 제품을 제조하기 위하여, 상기 탄화실은 원형으로 된 다수의 구획된 단위탄화실 또는 다수의 구획된 횡렬이음으로 구성되는 탄화실로 이루어지고, 상기 탄화실의 벽은 전도성 내화재로 구성하며, 또한 상기 탄화실은 장입측에 배출쪽으로 갈수록 넓어지도록 탄화실 벽이 하광상협상으로 20°이하의 경사도로 경사져 형성되며, 상기 연소실은 상기 탄화실을 둘러싸고 그 양 측부에 형성되고, 상부에서 하부로 예열역, 제 1 가열역, 제 2 가열역, 숙성역으로 구획한 칸막이에 의해 형성되는 각 온도역으로 구성하고, 이 온도역별로 각각 상온~250℃, 200℃~650℃, 600℃~950℃, 900℃~1,200℃로 온도제어되도록 다수의 주 버너 및 보조 버너 가열에 의하 온도제어하며, 아울러 상기 칸막이에 형성된 다수의 통기공을 통해 흡입되는 상온의 연소공기 또는 소정의 온도로 예열된 연소공기를 송풍하여 연소실 내의 각 온도역별 온도를 제어하며, 상기 구획된 연소실의 하부 숙성역 아래로는 제 1 냉각실을 형성하고 또한 코크스 제품 배출공간 또는 별도의 냉각대에서 제 2 냉각실을 형성하며, 제 1 냉각실에서 소정의 온도로 냉각되지 못한 배출 코크스 제품을 제 2 냉각실에서 불활성 가스에 의한 강제 냉각으로 제품코크스가 얻어지도록 한 코크스 제조장치 및 이에 의하여 코크스를 제조하는 방법을 제공하는 것에 요지가 있다.

일 실시예로서 도면을 이용하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명 코크스 제조장치의 종단면도 및 횡단면도를 일 실시예로 나타낸 것이다. 또한 도 2 또는 도 3은 본 발명의 또 다른 코크스 제조장치를 일실시예로 도시한 것이다.

도 1의 종단면도를 보면 횡단면도로 보았을 때 일정한 폭을 가진 원형테두리가 원료탄이 장입되어 탄화 건류되는 탄화실(2)이고, 그 탄화실(2)을 둘러싸고 양 측실이 연소실(3)로 구성되어 있다. 탄화실과 연소실은 일정크기로 분할하여 장입, 배출, 연소실 온도제어등 제반공정이 정밀히 제어되도록 한다. 이 연소실(3)에는 다수의 연소공기흡입용 공기흡입공 또는 통기공(air hole)(32)이 형성되고, 이 통기공(32)은 열전도성 내화재로 되는 연소실 벽(31)에 형성되어 있다. 이 통기공에 개폐밸브(도시안됨)를 설치하여 연소실온도를 각 온도역(zone)별로 제어한다.

연소실(3) 바깥 공간부로부터는 버너장치(9)가 설치되어 통기공(32)을 통해 화염을 연소실 안쪽으로 방사한다.

상기 탄화실(2)의 벽체는 열전도성 내화재로 되는 탄화실벽(21)으로 구성하여 연소실(3)로부터 전열에 의해 간접 가열되도록 구성한다.

도 1에서 상기 탄화실(2) 상부에는 탄화실 상부를 닫기 위한 커버(4)를 설치하고 이를 열어서 원료탄, 또는 브리켓원료를 장입하고저 할 때에는 커버(4)위에 결합된 로테이터아암(42)과 이 로테이터아암(42)과 힌지결합되어 이를 회동시키는 로테이터(rotator)(41)가 적절히 커버를 개폐하여 열어둘 때에는 탄화실 상부 장입구(43)가 열리도록 브리켓트원료탄이 탄화실(2)로 장입되게 한다.

상기 원료탄이 최초로 탄화실로 장입될 때에는 낙하충격으로 분쇄되거나 파손될 염려가 있으므로 탄화실(2)내에 실제의 원료탄과 유사한 목재, 목재편, 기타 연소가능한 충격방지재를 삽입하거나 기타 충격 완충용 바아를 삽입하여 원료탄이 충전되는 대로 후에 배출할 수 있도록 하면 좋다.

상기 원료탄이 장입된 탄화실의 하부 양측부에는 냉각실(5)을 설치하고 이 냉각실벽은 전도성 내화재로 구성하며 상기 탄화실(2)의 하단부에는 제품 코크스를 배출하는 코크스배출기(6)를 장착하여 적절히 건류가 완료된 코크스 제품을 배출시키고, 필요에 따라 배출 공간부(7)에서 송풍 등으로 강제 냉각시키고 콘베이어(71)를 설치하여 제품 코크스를 운송하게 된다.

상기 도 1의 위에 나타낸 횡단면도에서 알 수 있는 바와 같이 가운데 원형의 공간부를 중심으로 동심원 상으로 안쪽연소실(3), 탄화실(2), 바깥쪽 연소실(3)이 역시 형성되어 있고, 이 연소실(3)과 탄화실(2)을 연결하는 다수의 격벽 (33)이 구획 설치되어, 전술한 로테이터(41)에 의한 커버(4)의 회동 개폐로 각 격벽(33)으로 형성된 다수의 탄화실 구간(2)별로 원료탄이 순서적으로 장입되고 건류된다.

장입된 브리켓트 원료탄(M)은 도 4의 종단면도에서 볼 수 있는 바와 같이 로내 연소실 내 온도역을 구획하도록 칸막이(35)가 설치된다. 이 구획된 온도역 연소공간 바깥쪽 측부(side)에 버너를 설치하여 관리가 용이하도록 하고 불꽃이 직접 탄화실 벽에 충돌하지 않도록 설치한다. 버너에 의한 가열시 탄화실 내에서 전열되어 건류되는데 도 4에서 일실시예로 도시되어 있는 연소실의 온도역(D)에서 주버너 및 보조버너 등에 의해 1200℃ 내외의 고온가열역(D)인 숙성역에서 가열 및 가열유지되면, 이 숙성역 또는 숙성대(D)의 가열공기가 그 도너츠형의 칸막이(35)에 다수 형성되어 있는 통기공(36)을 통해 제 2 가열역(B), 제 1 가열역(C), 예열역(A)으로 뜨거운 가열공기가 이동되어 전달된다. 각 역(zone)에는 각각 열전대를 삽입설치(도시안됨)하여 온도측정으로 온도제어되도록 하며, 세부 온도제어를 위해 보조버너를 사용할 수도 있다.

상기 도 4에서 도시되어 있는 상기 온도역 구획 격벽(35)은 편의상 도 1에서 는 생략하였으나 도 1에서도 동일한 개념의 구조로 설치되고, 그 격벽에는 각각 다수의 통기공(36)이 형성된다.

상기 탄화실(2)은 도 1, 도 2~도 4에 도시되어 있는 탄화실 공히 그 하부로 내려갈수록 더 넓어지도록 탄화실벽(21)이 경사져 있고, 이 경사도는 가급적 20°이하로 이루어지도록 탄화실 벽을 구성한다. 이와 같이 경사도를 부여하는 이유는 원료탄의 건류시 하부 배출이 신속히 또한 원활히 되도록 함으로써 탄화실 상부의 국부과열에 의한 현체(hanging) 현상을 방지하고, 아울러 아래로 내려갈수록 고온의 열을 받으므로 열 효율을 증대시키고 과열 용융을 방지하기 위한 데에 그 목적이 있다. 다만 20°를 초과하는 경사도를 부여할 경우 축차적인 건류작업이 원활하지 못하게 되고 원료탄 하강상태가 불량하게 된다.

탄화실 하부로 하강되어 내려간 탄원료는 최종 제품의 품질을 확인하여 적절히 장입ㆍ배출되도록 하부로의 이동 또는 배출속도를 제어하고, 탄화실 하부에 다다르면 냉각실에서 간접적으로 서냉되고, 서냉후에도 소정의 냉각속도에 이르지 못한 경우에는 탄화실 하부의 공간부(7)에 N₂, 또는 CO₂와 같은 불활성 가스를 취입시키거나 별도의 외부장치(도시안됨)로 건류제품을 콘베이어로 옮겨 역시 불활성가스에 의해 강제냉각시킨다.

상기 탄화실 및 연소실장치에 의한 원료탄의 온도역별 변화는 다음과 같다.

내압강도 50㎏/㎠ 이상의 원료탄이 배합된 재료가 원료탄이 탄화실(2) 내에 가득히 충전되어 장입되면, 코크스로 상부의 연소실 내의 온도역 A에서 폐가스 또 는 사전에 준비된 상온에서 250℃까지 대략 1.5~4hr동안 배가스로 예열된 예열대(A)에서 원료탄이 예열되고 수분방출로 건조되기 시작한다. 다음 숙성대 또는 숙성열(D)에서 점화된 버너장치에 의한 버너가열로 점차 각 온도역(D~A) 순으로 온도가 올라가기 시작한다. 이 경우 예열대를 통과하여 하강한 원료탄은 반응대로 되는 제 1 가열대(B)에서 200~650℃에서 대략 1.5~3hr동안 가열되어 원료탄 내의 수분이 활발히 방출되고, 원료탄 내의 휘발성분이 서서히 휘발되기 시작한다.

다음, 원료탄이 제 2 가열대(C)로 내려오면 600℃~950℃에서 대략 1.5~3hr동안 가열되면서 더욱 원료탄 내의 휘발성분은 거의 휘발되고, 타르 등의 고점도를 가진 물질이 서서히 원료탄 내에서 탄립에 용착되기 시작한다. 다음 원료탄이 숙성대(D)에 이르게 되면 900~1,200℃에서 대략 1~3hr동안 상기 고점도 물질은 원료탄과 완전히 용착되고 이에 따라 강도가 증가되고 이 강도가 유지되면서도, 각종 휘발성분과 불순물이 거의 모두 제거된다. 최종적으로 1,100℃~1,250℃의 숙성대(D)에 원료탄이 이르게 되면 일체의 휘발성분이 휘발제거되고 타르 등 고점도 물질이 용착되어 충분히 건류된 코크스 제품이 제조된다. 이 온도역에서는 가급적 1,200℃ 내외로 일정한 온도로 1~2hr 균열되어 충분히 건류된 통상 열간강도 70~130kg/cm²의 코크스 제품이 제조되는데, 전술한 제 2 가열대(C)와 숙성대(D)에서 가장 활발한 가스배출이 이루어져 연소실 통기공(32) 및 배기가스공(44)을 통해 밖으로 배출된다.

상기 건류 완료된 코크스 제품을 가급적 50℃이하로 냉각하기 위하여 도 1 및 도 4에서와 같이 탄화실(2)에 인접된 냉각실을 열전도성 내열재로 한 제 1냉각실로 하고 이 제 1냉각실로 충분히 냉각시키지 못할 때에는, 별도로 로 외에 설치한 제 2냉각실을 이용하여 여기에서는 불활성가스에 의한 강제냉각으로 급냉시킨다. 여기에서 제 1냉각실의 벽(51)으로 그 상부의 연소실(3)로부터의 전열을 차단하기 위하여 연소실 하부의 벽(37)은 단열재로 구성한다.

상기 상온에서 예열되어 냉각완료시점까지 6~15hr, 가급적 6~12hr 범위 내에서 처리되도록 반응을 진행시키고 온도 및 시간을 제어한다. 여기에서 6hr. 미만으로 하면 코크스의 건류가 자칫 비정상적으로 될 염려가 있고, 15hr.을 초과하게 되면 처리온도가 높을 경우 자칫 코크스의 과열에 의한 용착현상이 발생될 염려가 있기 때문에 이 범위로 한 것이다.

본 발명에 의하여 연속적으로 원료탄 및 코크스의 장입ㆍ배출작업이 가능하게 되고, 축차적으로 건류됨으로써 생산성, 작업성이 양호하며 또한 열간강도 70kg/㎠ 이상의 코크스제품이 얻어진다. 특히 고정된 설비에서 원료탄을 축차적으로 하강시켜가며 작업하게 되므로, 설비가동률이 우수하다.

뿐만 아니라 브리켓팅한 원료탄(단광)이 본 발명 코크스 건류로에서는 회전로에서처럼 격렬한 유체현상을 일으키지 않기 때문에 가스나 기포로 인한 구조상의 결함문제는 단광과 단광이 서로 들러붙는 등 용착현상이 없어 코크스 제품 배출이 쉽게 이루어진다. 아울러 본 발명장치에 의한 제조공정으로 온도, 장입, 배출 등을 자유로이 제어할 수 있어 모든 종류의 배합된 브리켓트 원료탄을 효율적으로 사용할 수 있다.

본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 다음의 일 실시예를 들어 상세히 설명한다.

실시예

다음 구성으로 된 브리켓트 원료탄을 고루 교반하여 혼합한 후 여기에 적정량의 수분을 가하고 원료탄 내의 타르가 빠져나가지 않을 정도로 가압하여 단광제조기로 평균 직경 61.2mm의 원료탄을 27.9톤 제조하였다.

표1

위 원료탄 시료를 도 1 및 도 5에 도시된 고정식 로의 탄화실 15실에 장입하고 숙성역(D)에서 950℃로 가열되고 이 가열된 가스를 이용하여 예열된 예열대(A)에 원료탄을 넣어 예열·건조 및 탈수작업을 행하였다. 연소실의 상기 예열대에서 약 280℃전후로 90분간 예열된 원료탄을 불 활성가스로 충만된 제 1가열대에 넣고 490℃에 이르기까지 승온시켜 약 110분간 가열시킴으로써 원료탄 표면에서 가스·오일 휘발분이 다량 배출되고 다음 490℃에서 950℃의 온도로 약 140분간 가열시켜 불순물과 휘발분 등을 제거하고, 다음 1,100℃까지 30분 동안 급격히 온도를 올려 격렬한 반응을 일으키도록 하였다. 이 온도에서 30분간 가열유지한 다음 원료탄을 상기 반응대로 되는 제 2 가열대로 이동시키고 1,050℃에서 충분히 가열되어 원료탄 반응을 일으키게 하였다. 원료탄은 대략 350℃에서 석탄이 열분해되는 연화가 시작되나, 숙성대에서 500℃에 이르면 응결현상이 일어나서, 점차 메탄, 수소 가스발생이 급격히 많아지고 원료탄이 코크스로 변화되는 과정에서 고화되기에 이른다. 이렇게 된 코크스를 중간공정을 거친 코크스라 하여 세미-코크스(semi-cokes)라 부른다. 다음 로 내 온도가 대략 900℃~1,200℃에 이르면 열분해와 가스 발생이 줄어들고 덩어리로 고화되었던 세미-코크스에 수축균열이 생기게 된다.

본 발명 실시예에서는 1,050℃~1,120℃에서 상기 현상이 두드러지게 발생되었다. 온도 제어를 위해 각 온도역 별로 고온용 온도를 설치하였다.

최종적으로 1,150℃에서 30분간 가열유지하여 원료탄 내부의 휘발성 성분을 모두 배출시키고 냉각대로 이동시켜 1hr.동안 냉각시킨 다음 제품 코크스를 배출기를 통해 배출하고, 이 때의 제품 코크스의 통상의 낙하 시험으로 열간 강도를 측정하였다.

열간강도는 평균 110.3 kg/cm² 였다. 아울러 공냉된 제품 코크스를 대차로에 담아 이동시켜 별도의 냉각대에서 송풍기로 서냉시켜 45℃정도로 냉각시켰다.

도 1은 본 발명의 코크스제조장치의 일례를 나타낸 것으로, 그 로의 형상이 원형(1가)으로 된 로 본체와 그에 따른 부재를 가진 코크스 주요장치 단면도이다.

도 2는 도 1의 일 실시예로서의 장방형 형상을 가진 로(1나)의 일부 절개사시도

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예로서의 코크스제조장치의 종단면도(도3a) 및 탄화실·연소실 부위 평면도(도3b)

도 4는 본 발명 코크스제조로에서 각 온도역별 칸막이를 나타낸 종단면도

도 5는 도 3a에 도시된 코크스를 다수조합시킨 일 실시예로서의 본 발명상의 코크스제조장치 설명도

<주요부호>

1. 코크스제조로

2가. 제 1실시예로서의 코크스제조로

2나. 제 2실시예로서의 코크스제조로

3. 탄화실

3. 연소실

4. 원료탄 장입용 로테이터

5. 냉각실

6. 배출기

7. 배출공간

8. 로지지대

9. 버너

21. 탄화실 외벽

22. 탄화실 내벽

31. 연소실 벽

32. 연소실 공기 흡입구

33. 역 구분용 칸막이

34. 연소실 외벽

4. 커버(cover)

41. 로테이터

42. 로테이터 아암

43. 장입구

44. 가스 배출구

Claims (3)

1. 탄화실과 연소실을 구비하고 버너가열에 의해 장입된 원료탄을 가열 건류하여 코크스 제품을 제조하도록 한 코크스 제조장치에 있어서,

   상기 탄화실은 원형으로 된 다수의 구획된 단위탄화실 또는 다수의 구획된 횡렬이음으로 구성되는 탄화실로 이루어지고, 상기 탄화실의 벽은 전도성 내화재로 구성하며, 또한 상기 탄화실은 장입측에 배출쪽으로 갈수록 넓어지도록 탄화실 벽이 하광상협상으로 20°이하의 경사도로 경사져 형성되며,

   상기 연소실은 상기 탄화실을 둘러싸고 그 양 측부에 형성되고, 상부에서 하부로 예열역, 제 1 가열역, 제 2 가열역, 숙성역으로 구획한 칸막이에 의해 형성되는 각 온도역으로 구성하고, 이 온도역별로 각각 상온~250℃, 200℃~650℃, 600℃~950℃, 900℃~1,200℃로 온도제어되도록 다수의 주 버너 및 보조 버너 가열에 의하 온도제어하며, 아울러 상기 칸막이에 형성된 다수의 통기공을 통해 흡입되는 상온의 연소공기 또는 소정의 온도로 예열된 연소 공기를 송풍하여 연소실 내의 각 온도역별 온도를 제어하며,

   상기 구획된 연소실의 하부 숙성역 아래로는 제 1 냉각실을 형성하고 또한 코크스 제품 배출공간 또는 별도의 냉각대에서 제 2 냉각실을 형성하며, 제 1 냉각실에서 소정의 온도로 냉각되지 못한 배출 코크스 제품을 제 2 냉각실에서 불활성 가스에 의한 강제 냉각으로 제품코크스가 얻어지도록 한 것을 특징으로 하는 코크스 제조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연소실에 인접된 상기 탄화실 벽은 열전도성 내화재로 구성하고, 상기 탄화실에 인접된 상기 냉각실의 벽은 열전도성 내열재로 구성되고, 상기 냉각실의 벽은 상기 연소실 하부 단열재로부터 단열되어 연소실로부터의 열이 전열되지 않도록 한 코크스 제조장치.
3. 탄화실과 연소실을 구비하고 버너가열에 의해 장입된 원료탄을 가열 건류하여 코크스 제품을 제조하도록 한 코크스 제조방법에 있어서,

   상기 탄화실은 원형으로 된 다수의 구획된 단위탄화실 또는 다수의 구획된 횡렬이음으로 구성되고 하광상협상으로 20°이하의 경사도로 경사져 형성되는 탄화실로 이루어지고,

   상기 연소실은 상기 탄화실을 둘러싸고 그 양 측부에 형성되고, 상부에서 하부로 예열역, 제 1 가열역, 제 2 가열역, 숙성역으로 구획한 칸막이에 의해 형성되는 각 온도역으로 구성하고, 이 온도역별로 각각 상온~250℃, 200℃~650℃, 600℃~950℃, 900℃~1,200℃로 온도제어되도록 다수의 주 버너 및 보조 버너 가열에 의하 온도제어하며, 아울러 상기 칸막이에 형성된 다수의 통기공을 통해 흡입되는 상온의 연소공기 또는 소정의 온도로 예열된 연소공기를 송풍하여 연소실 내의 각 온도역별 온도를 제어하되, 6~15hr의 범위 내에서 건류 완료되며

   상기 구획된 연소실의 하부 숙성역 아래에는 열 전도성 내열재로 구성된 냉각실에 의해 냉각되게 하고 또한 이외에도 강제 냉각이 가능하게 하여 코크스연속제조가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.

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