KR101503443B1 - 코크스용 조성물 및 코크스 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코크스 제조 방법에 관한 것으로, 복수의 탄종을 배합하여 배합탄을 마련하는 단계와, 배합탄에 점결제와 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제의 혼합물을 첨가하는 단계와, 혼합된 배합탄을 건류하여 코크스를 제조하는 단계를 포함하는 코크스 제조 방법이 제시된다.

Description

코크스용 조성물 및 코크스 제조 방법{Composition for cokes and method of manufacturing the cokes}

본 발명은 코크스용 조성물 및 코크스 제조 방법에 관한 것으로, 특히 저품질 석탄을 다량 사용하여 고품질의 고크스를 제조하는 코크스용 조성물 및 코크스 제조 방법에 관한 것이다.

고로에 사용되는 야금용 코크스는 철광석을 환원시키는 환원제와 열원 공급의 역할뿐만 아니라, 고로 하부로부터 상부로 흐르는 열풍의 통기성을 유지하는 중요한 역할을 한다. 따라서, 고강도 코크스가 안정적으로 공급되는 것이 고로 조업의 안정과 생산성 증대에 필수적이라고 할 수 있다.

야금용 코크스 제조에 사용되는 원료탄은 점결성을 갖는 석탄, 즉 점결탄으로, 점결성 정도에 따라 강점탄과 미점탄으로 분류할 수 있다. 그런데, 야금용 점결탄 수요의 급격한 증가와 양질의 점결탄의 제한된 매장량으로 인해 야금용 석탄의 확보가 점점 어려워지고 있다. 또한, 기존 고로의 내용적 확대에 따른 대형화 및 고로의 고출선 조업으로 고품질의 코크스에 대한 수요는 더욱 커지고 있다.

양질의 점결탄 수급 어려움 및 코크스 제조 원가를 절감하기 위해 저품질 석탄의 사용을 확대해야 한다. 그런데, 저품질 석탄의 사용 비율이 증가하게 되면 코크스 제조용 배합탄의 점결력 부족으로 코크스 품질이 저하된다. 저품질의 석탄 사용을 늘리면서 코크스 품질을 유지 및 향상시키기 위해 코크스 오븐에 장입되는 석탄의 수분을 낮추는 건조 기술, 오븐에 장입되는 석탄의 장입 밀도 향상을 위한 오일(Oil) 첨가 기술 및 코크스 오븐에 장입되는 석탄을 200∼300℃까지 가열하여 장입하는 예열 기술 등의 기술이 적용되고 있다. 예를 들어, 한국등록특허 제10-0579670호에는 타르를 점결제로 이용하여 고강도 고로용 코크스를 제조하는 방법이 제시되어 있다.

그러나, 타르는 상온(20℃)에서 높은 점도를 갖기 때문에 코크스용 배합탄과 혼합시 타르를 가열하여 점도를 낮추어 배합탄과의 균일 혼합성을 높여야 하는 문제가 있다. 즉, 겨울철과 같이 대기 온도가 낮을 때는 타르를 가열하여 점도를 낮춘다고 하더라도 첨가되는 타르의 양이 적기 때문에 낮은 온도의 배합탄과 혼합되면서 온도가 떨어져 균일 혼합성이 악화되는 문제를 야기한다.

따라서, 여러 종류의 점결성 석탄으로 이루어진 배합탄으로부터 고강도의 코크스를 제조하기 위해서는 코크스 제조를 위한 원료탄 배합 기술과 타르를 배합탄에 첨가하여 코크스를 제조하는 기술이 매우 중요하다. 특히, 상온에서 타르 점도가 높기 때문에 석탄과의 혼합시 타르의 균일 혼합성이 떨어지는 문제를 해결할 필요가 있다.

본 발명은 저품질 석탄의 점결성을 향상시켜 저품질 석탄을 다량 사용하면서 고품질의 코크스를 제조할 수 있는 코크스 조성물 및 코크스 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 배합탄에 타르와 타르의 점도를 낮추는 점도 강하제를 첨가함으로써 저품질의 석탄을 다량 사용하면서도 균일 혼합성을 향상시킬 수 있어 고품질의 코크스를 안정적 생산할 수 있는 코크스용 조성물 및 코크스 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 코크스용 조성물은 복수의 탄종이 배합된 배합탄; 상기 배합탄의 점결도를 높이기 위한 점결제; 및 상기 점결제의 점도를 조절하기 위한 점도 강하제를 포함한다.

상기 점결제는 타르를 포함하고, 상기 점도 강하제는 조경유를 포함한다.

상기 타르 및 조경유는 상기 배합탄에 무게비로 1% 내지 3% 첨가된다.

상기 타르 및 조경유는 8:2 내지 6:4의 비율로 혼합된다.

본 발명의 다른 양태에 따른 코크스 제조 방법은 복수의 탄종을 배합하여 배합탄을 마련하는 단계; 상기 배합탄에 점결제와 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제의 혼합물을 첨가하는 단계; 및 상기 혼합된 배합탄을 건류하여 코크스를 제조하는 단계를 포함한다.

상기 점결제는 타르를 포함하고, 상기 점도 강하제는 조경유를 포함한다.

상기 타르는 석탄 건류시 발생하는 부산물이고, 상기 조경유는 석탄 건류시 발생되는 코크 오븐 가스(Coke oven gas)의 정제 과정에서 발생하는 부산물이다.

상기 점결제 및 점도 강하제는 상기 배합탄에 무게비로 1% 내지 3% 첨가된다.

상기 점결제 및 점도 강하제는 8:2 내지 6:4의 비율로 혼합된다.

본 발명의 실시 예들은 배합탄에 타르 등의 점결제와 조경유 등의 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제의 혼합물을 첨가하여 코크스를 제조한다. 타르는 배합탄과 혼합되어 배합탄 입자간의 젖음성을 향상시키고 배합탄 입자의 결합에 기여하고, 조경유는 타르의 점도를 낮추어 배합탄과의 혼합성을 향상시킨다.

본 발명에 의하면, 타르 및 조경유를 첨가함으로써 저품질의 석탄을 다량 사용하면서도 균일 혼합성을 향상시킬 수 있어 고품질의 코크스를 안정적으로 제조할 수 있다. 따라서, 코크스의 제조 원가를 절감할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있고, 고로 조업을 안정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코크스 제조 방법의 공정 흐름도.
도 2는 타르와 조경유의 혼합비에 따른 혼합물의 점도 변화를 도시한 그래프.
도 3은 타르와 조경유의 혼합물의 첨가 비율에 따른 배합탄의 장입 밀도를 도시한 그래프.
도 4는 타르와 조경유의 혼합물의 첨가 비율에 따른 코크스 냉간 강도를 도시한 그래프.
도 5는 타르와 조경유의 혼합물의 첨가 비율에 따른 코크스 열간 강도를 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코크스 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 코크스 제조 방법은 원료탄을 복수의 탄종별로 파쇄한 후 저장하는 단계(S110)와, 복수의 탄종을 소정의 배합비에 따라 배합하는 단계(S120)와, 배합탄에 타르(tar) 등의 점결제와 조경유(light oil) 등의 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제를 첨가하여 혼합하는 단계(S130)와, 혼합된 배합탄을 코크스 오븐에 장입하여 코크스를 제조하는 단계(S140)를 포함한다.

먼저, 야드에 적재된 원료탄을 파쇄기를 이용하여 탄종별로 파쇄한다. 이때, 원료탄은 일정한 입도를 갖도록 분쇄하는데, 예를 들어 10㎜ 이하로 파쇄한다. 바람직하게는, 파쇄된 원료탄의 입도는 3㎜ 이하의 입도 분율이 80∼90% 정도가 되도록 한다. 이렇게 파쇄된 원료탄은 배합조 내의 호퍼에 각 탄종별로 저장된다.

이어서, 호퍼에 저장된 복수의 원료탄은 각 원료탄의 석탄화도, 점결성 지수 등을 고려하여 배합조에서 일정한 비율로 배출되어 배합된다. 이때, 배합탄은 수분율이 9∼10% 정도를 유지한다. 이를 위해 석탄 건조 설비를 이용하여 건조 처리할 수 있다. 그러나, 수분율이 9∼10% 정도를 유지하면 건조 처리하지 않을 수 있다.

그리고, 배합탄에 점결제와 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제를 첨가하여 혼합한다. 예를 들어, 혼합기(mixer)에 배합탄과 타르 및 조경유의 혼합물을 투입하여 혼합한다. 타르는 석탄 건류시 발생하는 부산물로서, 90% 이상이 탄소로 구성되어 있으며, 이중 대부분이 방향족 화합물로 존재한다. 이러한 타르는 복수의 원료탄이 혼합된 코크스 제조용 배합탄의 점결성을 보강하고, 배합탄이 고온의 코크스 오븐에서 연화, 용융 및 고화되어 코크스화 되는 과정에서 코크스 조직의 치밀성을 향상시켜 제조된 코크스의 품질을 향상하기 위해 첨가한다. 즉, 타르가 배합탄과 혼합되면 배합탄 입자간의 젖음성을 향상시키고, 배합탄의 결합에 기여하는 바인더로서의 역할을 한다. 이때, 타르가 배합탄 표면에 잘 혼합되기 위해서는 타르의 점도가 중요한 역할을 하는데, 타르의 점도가 높으면 혼합기에서 배합탄과 타르가 잘 혼합되지 않는다. 그런데, 타르는 상온(20℃)에서 점도가 높기 때문에 배합탄과의 균일 혼합성을 높이기 위해 가열하여 점도를 낮추어 첨가해야 한다. 즉, 상온에서 타르의 점도는 800cP 정도로 매우 높기 때문에 배합탄과의 혼합성을 높이기 위해 가열하여 타르 점도를 낮추어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 타르를 가열하지 않고 상온에서 타르의 점도를 낮추어 배합탄과의 혼합성을 증가시키기 위해 조경유를 첨가한다. 조경유는 석탄 건류시 발생되는 코크 오븐 가스(Coke oven gas)의 정제 과정에서 부산물로 발생된다. 타르에 조경유가 혼합됨으로써 상온에서 타르의 점도를 낮추어 배합탄과의 혼합 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 타르와 조경유의 혼합물은 배합탄에 무게비로 1%∼3%로 첨가할 수 있다. 타르와 조경유의 혼합물의 무게비가 1% 이하의 경우 배합탄의 점결도가 높아지지 않고, 무게비가 3% 이상의 경우 코크스의 열간 강도가 증가하지만 냉간 강도가 낮아지게 된다. 또한, 타르와 조경유의 혼합물에 대하여 조경유는 20wt%∼40wt%로 첨가할 수 있다. 즉, 타르와 조경유는 8:2 내지 6:4의 비율로 첨가될 수 있다. 여기서, 조경유의 첨가량이 많을 경우 타르의 점도가 너무 낮아 배합탄의 점결도가 높아지지 않고, 조경유의 첨가량이 너무 적을 경우 타르의 점도를 낮추지 못해 배합탄과 타르가 혼합되지 않는다. 한편, 본 실시 예에서는 점도 강하제로 조경유를 이용하였지만, 가솔린, 등유 등 타르의 점도를 낮출 수 있는 다양한 물질을 이용할 수 있다.

이어서, 타르 및 조경유가 혼합된 배합탄을 코크스 오븐의 저장조에 공급한다. 코크스 오븐의 저장조에 저장된 배합탄은 일정량을 불출하여 고온으로 가열된 코크스 오븐의 탄화실에 장입되고, 일정 시간 건류 후 적열 코크스로 배출된다. 그리고, 적열 코크스는 습식이나 건식 소화에 의해 코크스로 제조된다.

실시 예

코크스 시험로에서 배합탄에 타르와 조경유의 혼합물를 첨가하여 코크스를 제조하고, 그 품질을 평가하였다. 코크스 제조용 배합탄은 10여 종류의 단일탄을 혼합하였으며, 입도는 3㎜ 이하가 86%가 되도록 하였다. 타르와 조경유는 상온에서 액상으로 존재하며, 타르와 조경유를 일정 비율로 혼합한 혼합물을 코크스 제조용 배합탄에 무게비로 일정량을 첨가하여 혼합기에서 혼합하였다. 타르와 조경유 혼합물이 첨가된 배합탄은 건조 베이스로 우드 박스(Wood box)에 730kg/㎥의 일정한 장입 밀도를 갖도록 충전하였다. 코크스 시험로는 상업용 코크스 오븐과 같은 방식으로 양쪽 벽으로부터 열전달이 일어나도록 전기 히터를 설치하였으며, 장입되는 배합탄은 대략 30kg/charge의 용량을 갖는다. 700℃로 가열된 코크스 시험로 내에 배합탄이 충전된 우드 박스를 장입한 후 가열벽 온도를 2.7℃/min의 가열 속도로 1100℃로 가열하였다. 또한, 오븐의 중심 온도가 1000℃에 도달하면 1시간을 유지한 후 압출하였으며, 압출된 적열 코크스는 질소 분위기에서 소화 냉간시켰다. 석탄 건류 과정에서 발생되는 가스는 애프터 버너(After burner)에서 연소시켜 대기로 방출하였다.

이렇게 제조된 코크스의 냉간 강도와 열간 강도를 측정하였다. 냉간 강도는 코크스 10㎏을 직경 1.5m 드럼에서 150 회전한 후 15㎜ 이상 입도의 코크스 무게비로 측정하며, 열간 강도는 20㎜ 코크스 시료 200g을 1100℃에서 2시간 동안 CO2 분위기에서 반응시킨 후 I 드럼(drum)에서 600회전하여 10㎜ 상 입자의 무게비로 측정하였다.

도 2는 상온에서 타르와 조경유의 혼합비에 따른 점도 변화를 도시한 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 타르의 점도는 조경유를 혼합함에 따라 급격하게 감소하는데, 조경유를 혼합하지 않은 경우 300cP 이상의 점도를 가지지만, 조경유를 20% 혼합한 경우 50cP 정도로 감소한다. 또한, 조경유 첨가량이 증가함에 따라 타르의 점도가 서서히 감소하는 것을 알 수 있다. 이때, 조경유는 타르에 20∼40wt% 범위에서 첨가한 경우 타르의 점도는 약 50cP로부터 약 20cP를 유지한다. 그러나, 조경유의 첨가량이 40wt% 이상으로 많을 경우 타르의 점도가 너무 낮아 배합탄의 점결도가 높아지지 않고, 조경유의 첨가량이 20wt% 이하로 너무 적을 경우 타르의 점도가 너무 높아 배합탄과 타르가 혼합되지 않는다.

한편, 코크스 오븐에 장입되는 배합탄의 장입 밀도는 코크스 강도 및 생산성 향상에 매우 중요하다. 도 3은 습탄(수분 10%)과 건조탄(수분 6%)의 배합탄에 70%의 타르와 30%의 조경유를 첨가한 혼합물을 1%∼3% 첨가시 배합탄의 장입 밀도를 도시한 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이 습탄(수분 10%) 및 건조탄(수분 6%)에 대해 타르와 조경유 혼합물의 첨가량이 증가함에 따라 장입 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 타르와 조경유의 혼합물이 첨가되지 않은 경우로부터 1%∼3% 첨가된 경우 배합탄의 장입 밀도는 습탄이 각각 640, 660, 680 및 700㎏/㎥ 정도이고, 건조탄이 각각 670, 725, 770 및 770㎏/㎥ 정도이다. 이는 타르와 조경유의 혼합물 첨가시 타르 점도가 감소하여 석탄 입자의 흐름성(flowability)을 향상시키고, 그에 따라 장입 밀도가 증가된 것으로 판단된다.

도 4 및 도 5는 습탄(수분 10%)과 건조탄(수분 6%)의 배합탄에 타르와 조경유의 혼합물을 무게비로 0%, 1%, 2% 및 3% 첨가하였을 때 코크스 냉간 강도 및 열간 강도를 측정한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 타르와 조경유 혼합물의 첨가량이 증가함에 따라 코크스 냉간 강도가 선형적으로 증가하였으며, 2% 이상 첨가시 코크스 강도 증가는 미미하게 나타났다. 즉, 타르와 조경유의 혼합물이 첨가되지 않은 경우로부터 1%∼3% 첨가된 경우 코크스 냉간 강도는 각각 80.9, 81.3, 81.6 및 81.7% 정도이고, 건조탄이 각각 81.3, 81.8, 82.3 및 82.5% 정도이다. 이는 배합탄에 타르와 조경유 혼합물을 첨가함으로서 배합탄의 유동도가 향상되어 장입 밀도가 증가되고, 그에 따라 타르의 균일 혼합성이 증가되어 냉간 강도가 증가하는 것으로 판단된다. 그런데, 3% 이상에서는 냉간 강도가 저하되어 타르와 조경유 혼합물의 첨가 효과가 크지 않다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 타르와 조경유의 혼합물 첨가량이 증가함에 따라 코크스 열간 강도는 선형적으로 증가한다. 즉, 타르와 조경유의 혼합물이 첨가되지 않은 경우로부터 1%∼3% 첨가된 경우 코크스 열간 강도는 각각 47.5, 49.2, 52.8 및 54.5% 정도이고, 건조탄이 각각 51.8, 53.5, 58.5 및 60.8% 정도이다. 이는 첨가된 타르가 열분해되어 가스로 배출되고 고체(solid) 형태로 코크스에 남기 때문에 코크스의 조직이 치밀해지고, 기공율이 낮아져 코크스화 이후에 CO₂ 반응성이 감소하기 때문에 열간 강도가 증가하게 된다. 따라서, 배합탄에 석탄 건류시 부산물로 발생하는 타르와 조경유의 혼합물을 첨가함으로써 제조되는 코크스의 냉간 강도 및 열간 강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 복수의 탄종이 배합된 배합탄;
   상기 배합탄의 점결도를 높이기 위한 점결제; 및
   상기 점결제의 점도를 낮추기 위한 점도 강하제를 포함하고,
   상기 점결제는 타르를 포함하며, 상기 점도 강하제는 조경유를 포함하는 코크스용 조성물.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 타르 및 조경유는 상기 배합탄에 무게비로 1% 내지 3% 첨가되는 코크스용 조성물.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 타르 및 조경유는 8:2 내지 6:4의 비율로 혼합되는 코크스용 조성물.
   
5. 복수의 탄종을 배합하여 배합탄을 마련하는 단계;
   상기 배합탄에 점결제와 점결제의 점도를 낮추는 점도 강하제의 혼합물을 첨가하는 단계; 및
   상기 혼합된 배합탄을 건류하여 코크스를 제조하는 단계를 포함하고,
   상기 점결제는 타르를 포함하며, 상기 점도 강하제는 조경유를 포함하는 코크스 제조 방법.
   
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서, 상기 타르는 석탄 건류시 발생하는 부산물이고, 상기 조경유는 석탄 건류시 발생되는 코크 오븐 가스의 정제 과정에서 발생하는 부산물인 코크스 제조 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 타르 및 조경유는 상기 배합탄에 무게비로 1% 내지 3% 첨가되는 코크스 제조 방법.
   
9. 제 7 항에 있어서, 상기 타르 및 조경유는 8:2 내지 6:4의 비율로 혼합되는 코크스 제조 방법.
   

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