KR101431841B1 - 고휘발성 석탄을 코킹하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비회수 방법 또는 열회수 방법에 따라, 코킹 챔버를 포함하는 코킹 플랜트에서 석탄, 특히 고휘발성 또는 교호 휘발성을 갖는 석탄을 코킹하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 수증기의 주입에 의해 코킹로(coking furnace)의 과열이 방지되기 때문에, 상기한 방법을 간단히 실시하는 데 사용될 수 있는 장치에 관한 것이다. 한 벌의 코킹로들의 기구가 사용되면, 상기한 방법은 코킹로들의 수에 무관하게 실시될 수 있다.

석탄, 코킹, 고휘발성

Description

고휘발성 석탄을 코킹하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE COKING OF HIGH VOLATILITY COAL}

본 발명은, 코킹 챔버(coking chamber)를 구비한 코크스 제조 플랜트(cokemaking plant)에서 비회수 공정(non-recovery process) 또는 열회수 공정(heat-recovery process)을 이용하여 석탄, 특히 고함량 또는 가변 함량의 휘발성 물질을 함유한 석탄을 코킹(coking)하는 방법과, 수증기(water steam)의 공급에 의해 코크스 오븐(coke oven)의 과열을 방지함으로써 아주 간단한 방식으로 이러한 공정을 실시하는 데 요구되는 장치에 관한 것이다. 본 출원에 제시되는 방법은 사용하는 코크스 오븐들이 한 벌의 기구(battery)를 형성한다면 그 사용하는 코크스 오븐들의 수에 무관하다.

코크스 제조를 위해, 코크스 오븐의 예열된 코킹 챔버는 탄층(coal bed)으로 채워진 다음에 밀폐된다. 이러한 탄층은 괴상 석탄 투입물(bulk coal charge) 또는 압축되어 타출된 석탄 투입물로 구성될 수 있다. 석탄을 가열하면, 석탄에 함유된 휘발성 물질, 즉 주로 탄화수소가 휘발된다. 비회수 코크스 오븐 및 열회수 코크스 오븐의 코킹 챔버에 추가로 획득되는 열은, 가열 공정의 진행에 의해 연속하여 휘발되는 방출된 휘발성 석탄 구성 성분들의 연소에 의하여 전적으로 발생된 다.

종래 기술에 따르면, 이러한 연소는 조가스(crude gas)로도 불리우는 방출된 가스의 일부가 석탄 투입물 바로 위의 코킹 챔버에서 연소되도록 제어된다. 이러한 목적에 필요한 연소 공기는 코크스 오븐 도어 및 오븐 루프(roof)의 개구 포트(opening port)를 통해 흡입된다. 이러한 연소 스테이지는 제1 공기 스테이지 또는 1차 공기 스테이지로도 불리운다. 일반적으로, 1차 공기 스테이지는 완전한 연소에 이르게 하지는 않는다. 연소 중에 방출된 열은 탄층을 재가열시키며, 이때 단시간 후에 탄층의 표면에 애쉬층(ash layer)이 형성된다. 이러한 애쉬층은 공기를 배제시켜, 후속 코크스 제조 공정 중에 탄층이 연소되지 못하도록 한다. 성장하는 애쉬층을 통한 위로부터의 열복사로 인해, 연소 중에 방출된 열의 일부는 석탄 투입물로 전달된다. 발생한 열의 다른 일부는 주로 벽돌형(bricked) 코크스 오븐 벽들을 통한 열전도에 의해 탄층으로 전달된다. 하지만, 단지 단일 공기 스테이지를 적용하는 위로부터의 탄층의 단순한 가열로 인해, 비경제적으로 긴 코킹 시간을 소요하게 된다.

따라서, 1차 공기 스테이지에서 부분적으로 연소된 조가스는 다른 스테이지에서 연소되어, 바닥 또는 측부로부터 탄층에 열을 공급한다. 특히 종래 기술로부터 공지되어 있는 2가지 기술들이 존재하는데, 미국 특허 US 4,124,450호는 그와 동일 발명자에 의한 미국 특허 US 4,045,299호 및 US 3,912,597호와 함께 연소 폐가스 및 부분 연소 조가스의 고온 혼합물을 코킹 챔버 아래의 채널로 이송시키는 방법을 개시하고 있으며, 이때 고온 혼합물은 탄층 아래에 위치한 벽돌(brickwork) 로 열의 일부를 방열시킬 수 있고, 이러한 열에너지를 열전도에 의해 석탄으로 전달할 수 있다. 후속 공정 중에, 코킹 챔버의 측벽들 사이에 배치된 열회수식으로 작동하는 연소 챔버에서 후연소가 행해진다. 열전도로 인해, 연소 챔버에서 발생한 열은 코크스 오븐 벽들을 통해 탄층으로 측방향으로 전달되어, 코킹 시간을 상당히 단축시키게 된다. 이러한 연소 스테이지는 제2 공기 스테이지 또는 2차 공기 스테이지로도 불리운다.

다른 종래 기술에서는, 코크스 오븐 벽들에 위치하고 "하강 유로(downcomer)"로도 불리우는 채널을 통해서 1차 스테이지에서 부분적으로 연소된 가스를 코킹 챔버 아래의 오븐 소울(oven sole)의 가열 도관(heating flue)으로 공급하며, 이때 완전한 연소의 달성을 위해 충분한 연소 공기가 연속하여 흡입된다. 그 결과, 위로부터의 열복사에 의해 열이 직접적으로 석탄 투입물에 공급되는 동시에, 바닥으로부터의 열전도에 의해 열이 간접적으로 석탄 투입물에 공급됨으로써, 코킹률(coking rate)과 오븐 처리율(oven throughput rate)을 현저히 상승시키게 된다.

본 기술 분야의 종래 기술에 따르면, 코크스 오븐에서 2가지 스테이지 연소로 인해 발생되는 연도 가스(flue gas)는 코크스 오븐 외부에 위치한 연도 가스 채널을 통해 스택 쪽으로 후속하여 이송되어, 비회수 공정의 경우에는 대기 중으로 배기될 수 있거나, 열회수 공정의 경우에는 일례로 수증기의 발생을 위해 다른 플랜트 유닛으로 계속 이송될 수 있다.

휘발성 석탄 구성 성분들의 방출이 코킹 시간에 걸쳐 균일하게 진행되지 않 는 문제점을 갖는 것으로 밝혀졌다. 코크스 제조의 시작시에, 코크스 오븐 실온의 하락이 기록된다. 이는 석탄 투입 절차에 의해 초래되는데, 왜냐하면 석탄은 대기 온도에서 고온의 코크스 오븐 챔버로 투입되기 때문이다. 이에 후속하여, 고발열량의 가스가 격렬하게 방출되는 단계가 이어진다. 이렇게 코크스 오븐에 순식간에 공급된 열은 단지 한정된 속도로만 석탄 및 코크스 오븐 구성 재료에 의해 흡수될 수 있다. 따라서, 코크스 오븐 챔버의 온도는 코크스 제조 공정 중에 상승되며, 만일 투입 석탄 혼합물이 고함량의 휘발성 물질을 함유하면, 이는 코크스 오븐 또는 연도 가스 채널과 그보다 하류에 위치한 플랜트 유닛의 구성 재료들의 한계 적용 온도를 초과하는 현상을 초래할 수 있다. 후속 코킹 시간 중에, 휘발성 석탄 구성 성분들의 방출은 점차 약해진다.

본 기술 분야의 종래 기술에 따르면, 코크스 오븐의 온도는 단지 1차 공기 및 2차 공기의 체적 유량을 제어 및 조절하는 공정에서만 제어 및 조절된다. 이는 코크스 제조 자체의 반응에 영향이 미치는 단점을 갖는데, 왜냐하면 1차 공기 또는 2차 공기에 함유된 산소가 반응 상대물로서 작용하고, 그의 과화학량적(over-stoichiometric) 또는 아화학량적(under-stoichiometric) 존재가 서로 다른 연소 스테이지들을 초래하기 때문이다.

이러한 문제점을 회피하기 위해서, 그리고 가장 일정한 열발생과 코크스 품질이 가능하게 하기 위해서, 몇가지 개별 석탄 구성 성분들의 석탄 혼합물이 코크스 오븐 내로 투입된다. 코크스 혼합물은 휘발성 물질의 함량을 어떤 최대치로 제한하도록 종래 방식으로 조절된다. 전세계적으로 입수가능한 석탄 자원의 상당 부 분은 이러한 원리를 충족시키지 못하기 때문에, 이러한 코크스 제조 공정에 적합한 석탄은 이러한 방안에만 유용하도록 제한되어, 경제성에 대한 단점들을 초래하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 석탄의 휘발성 물질의 함량에 제한을 가하지 않고, 연도 가스의 산화 질소 함량을 저감시키며, 특정 코크스 처리율(coke throughput rate)의 어떠한 저하도 초래하지 않고서 코크스 오븐의 재료를 보존할 수 있는 향상된 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적은, 본 발명의 특허청구범위 독립항에 기재된 바와 같이, 비회수식 또는 열회수식 코킹 챔버에서 코크스를 제조하는 방법으로서,

- 코킹 챔버가 탄층으로 채워진 다음에, 석탄이 가열되어, 석탄으로부터 휘발성 석탄 구성 성분들이 휘발되고,

- 이러한 휘발성 석탄 구성 성분들이 공급 공기(1차 공기)에 의해 부분적으로 산화되며,

- 이러한 가스 혼합물이 연도 가스 채널을 통해 코크스 오븐 소울로 이송되고,

- 채널들이 코킹 챔버의 측벽들 내에 또는 측벽들에 배치되며,

- 비연소 휘발성 석탄 구성 성분들이 코크스 오븐 소울에서 연소되고,

- 코킹 챔버 및 코크스 오븐 소울은 모두 공기 공급을 제한하는 설비를 구비하며, 이때 온도가 측정되고, 필요시 냉각을 위해 수증기가 코크스 오븐에 구비된 개구 포트들을 통해 코크스 오븐 내로 도입되는 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 코킹 챔버의 온도가 측정되고, 필요시 냉각을 위해 수증기가 코킹 챔버의 가스 공간 내로, 즉 코크스 케이크(coke cake) 위로 도입된다. 다른 바람직한 변형 실시예에서, 필요시 수증기는 코크스 오븐 소울의 냉각을 위해 연도 가스 채널 내로 도입된다. 이러한 방법은 상기한 2가지 변형 실시예들을 조합하여 적용함으로써 또한 최적화될 수 있다.

본 발명을 구현하는 방법은, 수증기의 공급을 제어함으로써, 코크스 오븐 구성 재료가 노출되는 최대 온도가 1400℃를 초과하지 않음을 보장하도록 적용된다. 본 발명을 구현하는 방법에서, 수증기는 코킹 챔버 및 연도 가스 채널의 연도 가스 본관 중 적어도 하나로 공급되어 질 수 있는 압력을 갖는다. 또한, 이러한 방법은 온도가 150℃ 내지 300℃의 범위에 있는 비교적 저온의 수증기를 사용하여 더욱 향상될 수 있다.

최대 가능 에너지 흡수 및 코크스 오븐으로부터의 에너지 출력을 가능하게 하기 위해 낮은 증기 온도가 중요한 동시에, 수증기가 너무 높은 펄스로 코킹 챔버 내로 도입되지 않아야 함이 분명해지는데, 왜냐하면 그렇지 않으면 코크스 케이크 또는 코크스 투입물 위에 형성되는 애쉬층이 마멸되기 때문이다. 이러한 애쉬층은 코크스 오븐에서 석탄 및/또는 코크스의 연소를 방지하기 때문에, 유용한 물질에 대한 현저한 보호 기능을 제공한다.

한가지 개선점에 따르면, 수증기가 각각 1차 공기 및 2차 공기와 조합되어 도입되어서, 코크스 오븐 형성 구조에서 개구 포트들의 수를 저감시킬 수 있다.

본 발명은 또한 기재한 실시예들 중 하나에 본 방법을 적용하는 코크스 오븐에 관한 것으로, 코크스 오븐에서 수증기가 도입될 수 있도록 하는 연도 가스 채널 또는 코크스 오븐 벽에 개구 포트가 구비된다.

코크스 오븐의 한가지 개선점에 따르면, 중앙 증기 라인이 이러한 개구 포트들로 연장되며, 수개의 코크스 오븐들이 상호 연결된다. 이러한 코크스 오븐의 한가지 향상된 변형 실시예에 따르면, 필요로 하는 수증기의 체적을 변화시키도록 형성되는 계량 장치(metering device)가 이러한 개구 포트들의 상류에 또는 라인들에 설치되며, 이러한 계량 장치는 제어 라인을 통해 처리 컴퓨터에 접속된다.

이러한 수증기를 석탄 투입물의 전체 코킹 시간에 걸쳐 도입시킬 필요는 없다. 우선적으로 웜업(warm-up) 단계의 시작시 또는 웜업 단계 중에 수증기를 도입시키는 것이 필요하다. 임계 코크스 오븐 실온에 도달되면, 상술한 방법이 성공적으로 적용되어 적절한 통제(restraint)를 달성한다. 코크스 오븐 온도는 수증기의 도입에 의해 무해하지만 높은 레벨로 아주 정밀하게 유지될 수 있기 때문에, 그리고 수증기는 코크스 오븐이나 후속 하류 공정 스테이지에서 비활성적으로 거동하기 때문에, 전체적으로 코킹 공정이 가속된다.

다른 이점을 보면, 특히 고함량 휘발성 물질 측면에서 하위 등급으로 간주되는 석탄들이 바람직하게도 탄화 가속제(carbonisation accelerator)로서 사용될 수 있고, 서로 다른 석탄 투입물들의 혼합을 위한 상류 공정 스테이지가 생략될 수 있다.

본 방법의 다른 실시예에 따르면, 항상 코크스 오븐 구성 재료가 1400℃를 초과하는 온도에 절대 노출되지 않도록 수증기가 도입된다. 실제로, 이는 예를 들어 경험적으로 다량의 열이 축적될 것으로 예측되는 벽돌 구조 장소에 온도 측정점을 설치하고 이러한 영역에 수증기를 도입하는 개구 포트를 구비시킴으로써 달성될 수 있다.

실험 모델 공정에서, 수증기가 코킹 챔버 내로 도입되도록 하는 5개의 개구 포트들을 열회수식 코크스 오븐에 구비시켰다. 또한, 코킹 챔버와 코크스 오븐 소울을 연결하는 모든 연도 가스 채널들에도 또한 수증기가 코크스 오븐 소울 내로 도입되도록 하는 개구 포트들을 구비시켰다. 중앙의 주 증기 라인에 연결되고 하나의 계량 장치와 하나의 제어 부재를 수용하는 증기 라인들을 각각 모든 개구 포트들에 배치시켰다. 온도 측정 기구들을, 코킹 챔버의 루프와, 조가스를 코크스 오븐 소울로부터 스택으로 이송하는 주 조가스 덕트에 배치시켰다. 측정한 온도치를 처리 컴퓨터로 전송하여 계량 장치를 작동시켰다.

본 실험 공정에는, 종래의 코크스 오븐에서는 내화재(refractory material)의 과열 및 손상을 초래할 수 있었던 서로 다른 고비율의 가벼운 휘발성 구성 성분들을 함유한 석탄 투입물들을 투입시켰다. 코크스 오븐 재료에 대한 손상이나 유용한 물질의 손실을 방지할 수 있게 항상 공정과 코크스 오븐을 제어하도록 유지시켰다.

Claims (13)

1. "비회수식" 또는 "열회수식" 코킹 챔버에서 코크스를 제조하는 방법으로서,

   - 코킹 챔버가 탄층으로 채워지고,

   - 석탄이 가열되어, 석탄 투입물로부터 휘발성 석탄 구성 성분들이 휘발되며,

   - 상기 휘발성 석탄 구성 성분들이 공급 공기(1차 공기)에 의해 부분적으로 산화되고,

   - 상기 휘발성 석탄 구성 성분들과 가스들이 연도 가스 채널을 통해 코크스 오븐 소울로 이송되며,

   - 상기 채널들은 코킹 챔버의 측벽들 내에 또는 측벽들에 배치되고,

   - 비연소 휘발성 석탄 구성 성분들이 코크스 오븐 소울에서 연소되며,

   - 상기 코킹 챔버 및 코크스 오븐 소울은 모두 공기 공급을 제한하는 설비를 구비하는 코크스 제조 방법에 있어서,

   - 온도가 측정되고,

   - 필요시, 냉각을 위해 수증기가 코크스 오븐에 구비된 개구 포트들을 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   - 온도가 코킹 챔버에서 측정되고,

   - 필요시, 냉각을 위해 코킹 챔버의 가스 공간 내로 수증기가 도입되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   필요시, 코크스 오븐 소울의 냉각을 위해 연도 가스 채널 내로 수증기가 도입되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   코크스 오븐 구성 재료가 노출되는 최대 온도가 1400℃를 초과하지 않도록 수증기의 공급이 제어되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   도입되는 수증기는 코킹 챔버 및 연도 가스 채널의 연도 가스 본관 중 적어도 하나로 공급되어 질 수 있는 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   수증기는 150℃ 내지 300℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   수증기는 수증기와 공기의 혼합물로서 공급되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   코크스 오븐 벽 또는 연도 가스 채널에 구비된 개구 포트들이 수증기, 또는 수증기와 연소 공기의 혼합물이 도입되도록 하는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   중앙 증기 라인이 코크스 오븐으로 연장되고, 상기 중앙 증기 라인으로부터의 분기관들이 개구 포트들로 연장되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
10. 제8항에 있어서,

    중앙 증기 라인이 코크스 오븐으로 연장되고, 상기 중앙 증기 라인으로부터의 분기관들이 개구 포트들로 연장되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
11. 제8항에 있어서,

    필요로 하는 수증기 체적을 코킹 시간에 걸쳐 변화시키는 제어 부재와 계량 장치가 개구 포트들에 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
12. 제9항에 있어서,

    필요로 하는 수증기 체적을 코킹 시간에 걸쳐 변화시키는 제어 부재와 계량 장치가 개구 포트들에 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.
13. 제10항에 있어서,

    필요로 하는 수증기 체적을 코킹 시간에 걸쳐 변화시키는 제어 부재와 계량 장치가 개구 포트들에 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스 제조 방법.