KR101266459B1

KR101266459B1 - 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐

Info

Publication number: KR101266459B1
Application number: KR1020110029747A
Authority: KR
Inventors: 박주형; 이창훈; 전희동
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-05-22
Also published as: KR20120111325A

Abstract

스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐이 소개된다. 이 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법은 코크스 오븐 내 탄화실의 코크스 오븐가스에 스팀을 공급하고, 코크스 오븐의 헌열을 이용하여 스팀과 탄화실내 탄소를 반응시켜 탄소를 가스화함으로써, 추가적인 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐가스를 증량할 수 있다.

Description

스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐{METHOD FOR AMPLIFYING COKE-OVEN GAS BY USING STEAM AND COKE-OVEN}

본 발명은 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코크스 오븐의 헌열을 활용하여 고온 탄소를 스팀과 반응시킴으로써, 코크스 오븐가스를 증량시키는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐에 관한 것이다.

일반적으로 코크스 오븐은 고온의 탄화실에 석탄을 장입하고 연료가스에서 발생되는 열을 이용하여 석탄을 건류시키는데, 이때, 부산물로 코크스 오븐가스가 생성된다.

예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 코크스 오븐(1)에서 발생되는 코크스 오븐가스(Coke Oven Gas, COG)는, 탄화실(10) 상부의 가스통로(11: gas way)와 상승관(20)를 통해 가스 포집관(30: gas collectiong main)에 포집되며, 석숀메인(suction main)을 거쳐 후공정인 가스 정제공정으로 배송된다.

이렇게 생성된 코크스 오븐가스는 정제 과정을 통해 제철소 내에서 연료로 대부분 사용되고 있으나, 최근 코크스 오븐가스의 사용량이 증가됨에 따라 코크스 오븐가스를 증량시키는 방안이 연구되고 있다. 특히, 이산화탄소 문제의 부각으로 인해 수소 대량생산이 중요한 이슈로 부각되고 있는 바, 이 가운데 수소를 대량 생산할 수 있는 잠재적 원료로서 코크스 오븐가스가 주목을 받고 있다.

그러나 미정제 코크스 오븐가스에는 타르, H₂S 등이 물질이 존재하고 있어 고온 코크스 오븐가스의 헌열을 열교환 장치를 통해 에너지로 회수하기 어려운 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 일본에서는 고온 미정제 코크스 오븐가스에 포함된 타르를 촉매를 사용하여 분해하거나 산소를 투입하여 고온에서 부분 산화시켜 가연성 가스성분을 증량하는 연구가 이루어지고 있으나, 촉매 재생과 높은 산소 소모에 따른 기술적, 경제적 문제를 안고 있다.

그리고 탄소와 이산화탄소 또는 물과의 반응을 통해 일산화탄소 및 수소를 얻는 연구가 석탄가스화의 주요한 반응으로 주목을 받아왔지만, 가스화를 위해 고온의 열에너지가 필요한 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐가스를 증량할 수 있는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법 및 코크스 오븐을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법은, 코크스 오븐 내 탄화실의 코크스 오븐가스(COG)에 스팀을 공급하는 단계와, 코크스 오븐의 헌열을 이용하여 스팀과 탄화실내 탄소를 반응시켜 탄소를 가스화하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 코크스 오븐의 헌열은 300 ~ 800℃ 온도로, 탄소와 스팀 간의 흡열 반응인 수성 가스반응(water-gas reaction)이 발생시키는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 코크스 오븐의 헌열은 상승관의 헌열을 이용한다.

바람직하게, 상기 탄화실내 공급되는 스팀은 탄화실 중에서 상승관에서 가장 멀리 떨어진 탄화실 상부에서 공급된다.

바람직하게, 상기 탄화실내 공급되는 스팀은 반응이 이루어지는 탄화실내 탄소의 0.1 내지 10%이다.

바람직하게, 상기 탄화실내 탄소는 탄화실에서 0.5분 내지 10분의 시간 동안 체류하도록 제어된다.

본 발명에 따른 코크스 오븐은, 탄화실에서 상승관으로 코크스 오븐가스가 이동되는 코크스 오븐에 있어서, 탄화실 중에서 상승관에서 가장 멀리 떨어진 탄화실에는, 코크스 오븐의 헌열을 통한 탄소와 반응을 위해 스팀이 공급되는 스팀공급관이 연결된다.

이때, 상기 스팀공급관은 코크스 오븐가스의 상류에 스팀이 공급되도록 탄화실의 상부측에 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 현저한 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 300℃ 이상 800℃ 이하의 코크스 오븐의 헌열을 이용하여 CO₂를 줄이고 코크스 오븐가스의 총열량을 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.

둘째, 본 발명은 추가적인 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐가스를 증량할 수 있고, 나아가 증량된 코크스 오븐가스를 제철공정에서 필요한 환원제 및 열원으로 사용하거나 수소로 전환함으로써, 미래 수소사회를 대비할 수 있다는 이점이 있다.

셋째, 본 발명은 코크스 제조시 발생하는 활용도가 없거나 낮은 탄화실 상부에 부착된 카본과도 쉽게 반응을 시킬 수 있으므로, 조업문제를 일으키는 부착카본 문제를 완화시킬 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 코크스 오븐을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 코크스 오븐을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법에 따른 스팀-탄소 반응과 이산화탄소-탄소 반응의 열역학 평형 결과를 도시한 그래프.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 코크스 오븐을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법은, 코크스 오븐 내 탄화실(110)의 코크스 오븐가스(COG)에 가스화제인 스팀을 투입한 후, 코크스 오븐의 헌열을 이용하여 스팀과 탄화실(110)내 탄소를 반응시켜 탄소가 가스화되도록 한다.

구체적으로, 탄화실(110)에는 코크스를 고온으로 건류하는 과정에서 석탄가스가 부산물로 발생하는데, 본 실시예에서는 탄화실(110)의 가스화제인 스팀을 투입하고 300 ~ 800℃의 코크스 오븐 헌열을 이용하여, 탄소와 스팀 간의 흡열 반응인 수성 가스반응(water-gas reaction)을 발생시킨다. 탄소와 스팀 간의 가스화 반응식은 아래의 수식 1과 같다.

[수식 1]

C+ H₂O → CO +H₂ ΔH = 31.3 kcal/mol (흡열반응: Water-gas reaction)

수식 1에 따르면, 탄소와 스팀은 흡열반응인 수성 가스반응(Water-gas reaction)을 하게 되므로 고온 폐열을 효율적으로 회수할 수 있으며, 일산화탄소와 수소를 생산할 수 있다. 이로써, 코크스 오븐가스를 증량할 수 있고, 수소를 생산할 수 있다.

특히, 코크스 오븐의 헌열은 상승관(140)의 헌열을 이용하는데, 상승관(140)은 800℃ 정도이나, 인접한 곳에 안수를 이용한 냉각존이 있으므로, 800℃ 보다 낮은 온도인 300 ~ 800℃에서 가스화 반응이 이루어지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 500 ~ 800℃에서 가스화 반응이 이루어진다. 상승관(140)에 근접할수록 스팀과 탄소 사이의 가스화 반응이 활발하게 이루어질 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법에 따른 스팀-탄소 반응과 이산화탄소-탄소 반응의 열역학 평형 결과를 나타낸 그래프이다.

예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소반응의 열역학 평형 결과에 따르면, 탄소와 스팀 반응은 300℃부터 증가하기 시작하여 500℃를 넘어서면서 폭발적으로 증가한 후, 800℃에 이르러 일정 수준을 유지한다.

따라서, 탄소와 스팀 반응은 500℃ 이상에서 높은 평형 전환율로 일산화탄소와 수소로 전환될 수 있으며, 800℃ 이하에서 코크스 오븐의 헌열과 코크스 제조과정의 고온탄소(부착카본, 분카본, 스폰지 카본)를 활용할 경우, 추가적인 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐 가스를 증량할 수 있다. 또한, 코크스 제조시 활용도가 없거나 낮은 탄화실(110) 상부에 부착된 탄소와도 쉽게 반응을 시킬 수 있으므로, 조업문제를 일으키는 부착카본 문제를 완화시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상기한 바와 같이 코크스 오븐에서 발생하는 300℃ 이상 코크스 오븐의 헌열을 반응/승온 에너지원으로 하여, 탄화실(110) 내 흡열반응인 스팀-카본 반응을 일으켜 높은 평형전환율로 일산화탄소와 수소로 전환됨으로써, 코크스 오븐 가스의 총열량을 증가시키고 부착카본을 제거할 수 있는 것이다.

탄화실(110)내 공급되는 스팀은 탄화실(110)의 상부에서 공급된다. 보다 바람직하게는 스팀은 탄화실(110) 중에서 상승관(140)에서 가장 멀리 떨어진 탄화실(110) 상부에서 공급된다. 이는 탄소와 스팀 간의 가스화 반응시 스팀과 탄소와 충분한 체류시간을 유지하기 위해서이다.

즉, 탄소와 가스화 반응시 스팀은 탄화실(110)에서 0.5분 미만으로 체류되면 수소로 전환되는 전환률이 저하되므로 적정 수준의 반응을 위해서는 시간당 많은 량의 스팀을 투입해야되고, 탄화실(110)내 스팀의 체류 시간이 10분을 초과하면 탄화실(110) 내 스팀 량이 너무 적게되므로 추가적인 가스화 반응의 진행이 이루어지지 않게 된다. 따라서, 탄화실(110)내 스팀의 체류시간이 0.5 ~ 10분 범위로 제어되어야 충분한 일산화탄소와 수소가스를 생성할 수 있는 것이다. 물론, 스팀의 체류시간의 제어는 스팀의 유량과 탄소량 유량을 제어하거나 탄화실(110) 상부의 가스통로 거리를 조절함으로써 구현될 수 있다.

탄화실(110)내 공급되는 스팀은 반응이 이루어지는 탄화실(110)내 코크스의 0.1 내지 10% 범위로 공급하는 것이 바람직하다. 통상 코크스 오븐가스 발생량은 장입되는 석탄 1톤당 약 100~500Nm³ 정도로 발생하는데, 스팀의 투입량이 석탄의 0.1% 미만이면, 스팀을 투입함으로 인한 효과가 적어지고, 스팀의 투입량이 석탄의 10%를 초과하면, 공급된 스팀이 일산화탄소로 전환되지 않고 그대로 잔존하게 되므로 바람직하지 않다.

[실시예 1]

모사 코크스 오븐의 탄소실에서 가스통로(gas way)의 온도가 700℃인 상태에서 탄화실(110) 내 탄소 1kg당 스팀 10g을 투입하였다. 본 실시예에서 스팀은 탄화실(110) 중에서 상승관(140)에서 가장 멀리 떨어진 탄화실(110)에 설치된 스팀공급관(120)을 통해 투입된다.

이때, 탄화실(110)내 스팀의 체류시간을 60초 이상 되도록 하였다. 탄화실(110)내 스팀의 투입 후, 수소 및 일산화탄소는 각각 탄소 1kg당 5L가 추가 발생함을 확인하였다.

한편, 본 발명에 의한 코크스 오븐은 기본적으로 탄화실(110), 연소실(미도시), 코크스공급부(130), 스팀공급관(120) 및 상승관(140)을 갖는데, 이 중 탄화실(110)에는 공급되는 스팀공급관(120)이 연결된다. 그리고 이 스팀공급관(120)은 코크스 오븐가스의 상류에 스팀이 공급되도록 탄화실(110)의 상부측에 연결된다. 여기서, 연소실, 코크스공급부(130), 상승관(140)의 구성은 코크스 오븐에 사용되는 통상의 연소실, 코크스공급부, 상승관 구성과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

다만, 탄화실(110)의 스팀공급관(120)은 코크스 오븐의 헌열을 통한 탄소와 반응을 위해 스팀이 투입되는 공급관으로, 탄화실(110) 중에서 상승관(140)에서 가장 멀리 떨어진 탄화실(110)에 설치된다. 이때, 스팀공급관(120)을 탄화실(110) 중에서 상승관(140)에서 가장 멀리 떨어진 탄화실(110)에 설치하는 이유는, 스팀이 탄화실(110)의 가스통로를 통해 상승관(140)으로 이동하는 동안 스팀과 탄소 간의 충분한 반응시간을 확보하기 위함이다.

그리고 탄화실(110)에는 코크스의 제조를 위해 탄화실(110)에 석탄을 장입하여 코크스를 고온으로 건류하는 과정에서 부산물로 석탄가스가 발생되며, 이와 함께 고온의 탄소로서, 분말 코크스, 분말 석탄, 부착카본, 스폰지 카본 등이 존재하게 된다. 이때, 탄화실(110)의 스팀공급관(120)을 통해 스팀이 가스화제로 투입되면, 코크스 오븐 헌열을 이용하여, 탄소와 스팀 간의 흡열 반응인 수성 가스반응(water-gas reaction)이 발생되므로, 추가적인 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐가스를 증량할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 300℃ 이상 800℃ 이하의 코크스 오븐의 헌열을 이용하여 CO₂를 줄이고 코크스 오븐가스의 총열량을 증가시킬 수 있고, 추가적인 열에너지의 투입을 최소화한 상태에서 코크스 오븐가스를 증량할 수 있으며, 활용도가 없거나 낮은 탄화실 상부에 부착된 카본과도 쉽게 반응을 시킬 수 있으므로, 조업문제를 일으키는 부착카본 문제를 완화시킬 수 있는 등의 우수한 장점을 갖는 것이다.

상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

110 :탄소실 120 :스팀공급관
130 :코크스공급관 140 :상승관

Claims

코크스 오븐 내 탄화실의 코크스 오븐가스(COG)에 스팀을 공급하는 단계;
코크스 오븐의 헌열을 이용하여 스팀과 탄화실내 탄소를 반응시켜 탄소를 가스화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코크스 오븐의 헌열은 300 ~ 800℃ 온도로, 탄소와 스팀 간의 흡열 반응인 수성 가스반응(water-gas reaction)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코크스 오븐의 헌열은 상승관의 헌열을 이용하는 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄화실내 공급되는 스팀은 탄화실 중에서 상승관에서 가장 멀리 떨어진 탄화실의 상부에서 공급되는 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄화실내 공급되는 스팀은 반응이 이루어지는 탄화실내 탄소의 0.1 내지 10%인 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
청구항 1에 있어서,
상기 탄화실내 탄소는 탄화실에서 0.5분 내지 10분의 시간 동안 체류하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 스팀을 이용한 코크스 오븐가스의 증량방법.
탄화실에서 상승관으로 코크스 오븐가스가 이동되는 코크스 오븐에 있어서,
탄화실 중에서 상승관에서 가장 멀리 떨어진 탄화실에는, 코크스 오븐의 헌열을 통한 탄소와 반응을 위해 스팀이 공급되는 스팀공급관이 연결되는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐.
청구항 7에 있어서,
상기 스팀공급관은 코크스 오븐가스의 상류에 스팀이 공급되도록 탄화실의 상부측에 연결되는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐.