KR101614589B1 - 석탄 코킹 공정을 위해 석탄을 압착하는 방법 및 장치 - Google Patents

석탄 코킹 공정을 위해 석탄을 압착하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

석탄 입자에 충격을 가하지 않고 석탄 입자의 벌크 밀도를 증가시키는 비교적 고속의 방법, 및 야금용 코크스를 제조하기 위해 석탄을 압착하는 장치를 제공한다. 그 방법은 코킹 오븐 외부에서 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하는 것을 포함한다. 장입 플레이트는 이 장입 플레이트 상에 상면을 갖는 미압착 건조 석탄의 길이가 긴 베드를 제공하도록 측벽 및 적어도 하나의 가동 단부벽을 구비한다. 미압착 석탄은 미압착 석탄의 원래의 두께의 약 80% 미만으로 석탄 베드의 두께를 감소시키기에 충분한 통과 횟수만큼 미압착 석탄의 길이를 따라 원통형 진동 압착기를 통과시킴으로써 압착된다. 원통형 진동 압착기는 약 1.4:1 내지 약 2:1 범위의 길이 대 직경 비를 갖는다.

Description

석탄 코킹 공정을 위해 석탄을 압착하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COMPACTING COAL FOR A COAL COKING PROCESS}
본 발명은 석탄으로부터 코크스를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비(非)회수식 코킹 오븐(coking oven)에 공급하기 위해 석탄을 압착하는 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.
코크스는 강의 제조 중에 철광석을 용융 환원시키는 데에 이용되는 고체 탄소 연료 및 탄소 공급원이다. 제철 과정 중에, 철광석, 코크스, 가열 공기 및 석회석 또는 기타 용제가 용광로에 공급된다. 가열 공기는 코크스의 연소를 야기하여, 철 산화물을 철로 환원시키기 위한 열과 탄소 공급원을 제공한다. 석회석 또는 기타 용제는 용융철로부터 슬래그로 불리는 산성 불순물과 반응하여 이를 제거하도록 첨가될 수 있다. 용융철 위의 석회석-불순물 부유물은 걷어 내어진다.
"톰슨 코킹 프로세스(Thompson Coking Process)"로서 알려진 하나의 프로세스에서, 전술한 바와 같이 금속 광석을 정련하는 데에 이용되는 코크스는 엄밀히 제어된 분위기 조건 하에서 24 내지 48시간 동안 매우 높은 온도로 밀봉 가열되는 오븐에 분쇄 석탄을 배치(batch)식으로 공급함으로써 제조된다. 코킹 오븐은 석탄을 야금용 코크스(metallurgical coke)로 전환하는 데에 수년동안 이용되어 왔다. 코킹 프로세스 중에, 미세하게 분쇄된 석탄이 제어된 온도 조건 하에서 가열되어, 석탄을 액화시켜 미리 정해진 기공도 및 강도를 갖는 융합된 덩어리를 형성한다. 코크스의 제조가 배치식 프로세스이기 때문에, 이하에서는 "코크스 오븐 배터리"로 지칭되는 복수의 코크스 오븐을 동시에 작동시키게 된다.
코킹 사이클의 종료시에, 완성된 코크스는 오븐으로부터 제거되고 물에 의해 급랭된다. 냉각된 코크스는 채로 걸리진 후에 수송 또는 추후 사용을 위해 열차나 트럭에 적재되거나, 철 용융로로 바로 이동될 수 있다.
가열 공정 중에 석탄 입자들이 겪는 용융 및 융합 공정은 코킹 프로세스에서 가장 중요한 부분이다. 석탄 입자의 용융 정도 및 용융된 덩어리 내로의 흡수(assimilation) 정도가 생산된 코크스의 특성을 결정한다. 특정 석탄 또는 석탄 혼합물로부터 가장 강한 코크스를 제조하기 위해, 석탄 내의 불활성 물질에 대한 반응성 물질의 최적의 비가 존재한다. 코크스의 기공도 및 강도는 광석 정련 프로세스에 있어서 중요하며 석탄 공급원 및/또는 코킹 방법에 의해 결정된다.
석탄 입자 또는 석탄 입자의 혼합물이 미리 정해진 스케줄로 고온의 오븐에 장입되며, 그 석탄이 오븐 내에서 미리 정해진 기간 동안 가열되어, 얻어지는 코크스로부터 휘발성 물질을 제거한다. 코킹 프로세스는 이용되는 오븐 구조, 석탄의 타입, 및 전환 온도에 상당히 의존적이다. 오븐들은 코킹 프로세스 중에 조절되어, 각각의 석탄 장입물이 대략 동일한 길이의 시간에 코크스화되도록 한다. 석탄이 코크스화되고 나면, 코크스를 오븐으로부터 제거하고 물에 의해 급랭시켜, 코크스를 점화 온도 아래로 냉각시킨다. 그러한 급랭 작업은 코크스가 너무 많은 수분을 흡수하지 않도록 조심스럽게 제어되어야 한다. 냉각된 후에는 코크스는 채로 걸러져 수송을 위해 열차 또는 트럭에 적재된다.
석탄이 고온의 오븐에 공급되기 때문에, 석탄 공급 공정의 대부분이 자동화되어 있다. 슬롯형 오븐에서, 석탄은 통상 오븐의 상부의 슬롯 또는 개구를 통해 장입된다. 그러한 오븐은 높이가 높고 폭이 좁은 경향이 있다. 보다 최근에는 수평형 비회수식 또는 열 회수식 코킹 오븐이 코크스를 제조하는 데에 이용되어 왔다. 수평형 오븐은 예를 들면 Thompson에게 허여된 미국 특허 제3,784,034호 및 제4,067,462호에 개시되어 있다. 비회수식 또는 열 회수식 코킹 오븐에서는 컨베이어를 이용하여 석탄 입자를 오븐 내로 수평으로 수송하여, 높이 약 101 ㎝, 길이 약 13.7 m, 및 폭 약 3.6 m의 길이가 긴 석탄 베드를 제공한다.
야금용 석탄을 형성하는 데에 적합한 석탄의 공급원이 감소됨에 따라, 오븐에 적합한 석탄 장입물을 제공하기 위해 약점결탄(weak coking coal) 또는 비점결탄(non-coking coal)을 점결탄과 혼합하려는 시도가 있어 왔다. 하나의 시도는 압착 석탄을 이용하는 것이다. 석탄은 오븐에 공급되기 전에 또는 그 후에 압착될 수 있다. 석탄 컨베이어는 오븐에서 부분적으로 압착될 입자상 석탄을 오븐에 장입하는 데에는 적합하지만, 미리 압착된 석탄을 오븐에 장입하는 데에는 일반적으로 적합하지 않다. 이상적으로, 석탄은 저품질 석탄의 유용성을 향상시키기 위해 800 ㎏/㎥보다 크게 압착되어야 한다. 석탄 혼합물 내의 저품질 석탄의 비율이 증가함에 따라 약 1040 내지 1120 ㎏/㎥에 이르는 보다 높은 수준의 석탄 압착이 요구된다는 점은 널리 알려져 있다.
그러나, 현재 이용 가능한 프로세스들은 길이가 긴 석탄 장입 베드의 전체 깊이에 걸쳐 실질적으로 균일한 벌크 밀도를 갖는 압착 석탄 장입물을 비교적 고속으로 제공하면서 압착 중에 상당한 양의 석탄 분진을 발생시키지 않기에는 적합하지 않다. 따라서, 석탄 분진을 발생시키지 않고 석탄을 압착하고 미리 압착된 석탄을 코킹 오븐에 장입하기 위한 개선된 방법 및 장치가 필요하다. 또한, 야금용 코크스를 제조하는 데에 이용하도록 압착된 석탄의 실질적으로 균일한 베드를 제공하는 데에 필요한 시간을 최소화하는 장치도 역시 필요하다.
전술한 필요성 및 기타 필요성에 따라, 본 발명은 석탄 입자에 충격을 가하지 않고 석탄 입자의 벌크 밀도를 증가시키는 비교적 고속의 방법, 및 야금용 코크스를 제조하기 위해 석탄을 압착하는 장치를 제공한다. 그 방법은 코킹 오븐 외부에서 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하는 것을 포함한다. 장입 플레이트는 이 장입 플레이트 상에 상면을 갖는 미(未)압착 건조 석탄의 길이가 긴 베드를 제공하도록 측벽 및 적어도 하나의 가동 단부벽을 구비한다. 미압착 석탄은 미압착 석탄의 원래의 두께의 약 80% 미만으로 석탄 베드의 두께를 감소시키기에 충분한 통과 횟수만큼 미압착 석탄의 길이를 따라 원통형 진동 압착기를 통과시킴으로써 압착된다. 원통형 진동 압착기는 약 1.4:1 내지 약 2:1 범위의 길이 대 직경 비를 갖는다. 다른 양태에서, 본 발명의 예시적인 실시예는 석탄 압착 및 코크스 오븐 장입 장치를 제공한다. 이 장치는 측벽 및 적어도 하나의 가동 단부벽을 갖는 석탄 베드 전달 플레이트, 및 압착된 석탄을 코크스 오븐 내로 운반하는 전달 플레이트 병진 이동 기구를 포함한다. 진공원을 이용하여, 압착 공정 중에 미압착 석탄 베드를 탈기시켜, 약 960 내지 약 1200 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도를 갖는 건조 압착 석탄 베드를 제공한다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 예시적인 실시예는 석탄 압착 및 코크스 오븐 장입 장치를 제공한다. 이 장치는 측벽 및 적어도 하나의 가동 단부벽을 갖는 전달 플레이트, 및 압착된 석탄을 코크스 오븐 내로 운반하도록 전달 플레이트 병진 이동 기구를 포함하는 석탄 베드 장입차(charge car)를 포함한다. 충격 에너지를 가하지 않으면서 석탄을 압착하도록 석탄 압착 장치가 마련된다. 이 석탄 압착 장치는 전달 플레이트 상에서 미압착 석탄 베드를 압착하는 진동 롤러 기구; 이 진동 롤러 기구를 미압착 석탄 베드의 길이를 따라 이동시키도록 진동 롤러 기구에 부착된 석탄 베드 병진 이동 장치; 압착 단계 중에 미압착 석탄과 접촉하게 진동 롤러를 하강시키고 오븐 장입 단계 동안에는 압착된 석탄과 접촉하지 않도록 진동 롤러를 상승시키도록 석탄 베드 병진 이동 장치 상에 마련된 승강 기구; 및 압착 단계 중에 미압착 석탄 베드를 탈기시키는 탈기 장치를 포함한다.
본 명세서에서 설명하는 방법 및 장치는 비교적 단시간에 비교적 높은 벌크 밀도를 갖는 석탄을 제공하는 것을 비롯한 코킹 작업에 있어서의 독특한 이점을 제공한다. 그 방법 및 장치의 또 다른 이점은, 압착 중에 석탄 분진을 증가시킬 수 있고 압착 공정 중에 구조체 및 장비의 손상을 야기할 수 있는 파일 드라이버(pile-driver)식 압착 장치를 이용하지 않고 비교적 간단한 기계적 장치를 이용하여 석탄을 압착하여 압착된 석탄을 코크스 오븐 내로 운반할 수 있다는 점이다. 또 다른 이점은, 얻어지는 석탄 베드가 그 깊이에 걸쳐 대략 동일한 균일 벌크 밀도로 실질적으로 압착된다는 점이다.
개시하는 실시예의 추가적인 이점들은 예시적인 실시예의 상세한 설명을 도면과 함께 고려하여 참고함으로써 명백해질 것이며, 그 도면은 축척대로 도시한 것은 아니며 동일한 도면 부호는 다수의 도면 걸쳐 동일 또는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코크스 오븐 배터리를 위한 장입차, 석탄 충전 스테이션 및 압착 장치의 평면도이며,(축척대로 도시하진 않음),
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 석탄 충전 스테이션, 압착 장치, 및 장입차 장치의 정면도이고(축척대로 도시하진 않음),
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장입차 장치 및 석탄 충전 스테이션의 측면도이며(축척대로 도시하진 않음),
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 장입차 장치의 개략적 측면도이고(축척대로 도시하진 않음),
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장입차 장치의 단부도이며(축척대로 도시하진 않음),
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 장입차 장치 및 측벽 로킹 기구를 나타내는 도면이고(축척대로 도시하진 않음),
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 석탄을 코크스 오븐에 장입하기 위한 장입차 장치의 일부 및 가동 단부벽을 나타내는 도면이며(축척대로 도시하진 않음),
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 장입차 장치의 조절 가능 단부벽의 사시도이고(축척대로 도시하진 않음),
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따라 진동 롤러를 이용하여 석탄을 압착하는 방법을 나타내는 개략도이며(축척대로 도시하진 않음),
도 10은 본 발명에 따른 압착 스테이션 및 장입차의 측면도이고(축척대로 도시하진 않음),
도 11a 내지 도 11d는 본 발명에 따른 진동 롤러를 포함한 압착 장치의 사시도 및 측면도이며(축척대로 도시하진 않음),
도 12는 본 발명에 따른 석탄 압착 장치 및 장입차의 평면도이고(축척대로 도시하진 않음),
도 13은 본 발명에 따른 진동 롤러 압착 테스트에 있어서 벌크 밀도 대 압착 에너지를 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "파일 드라이버식 장치"라는 용어는 석탄을 압착하기 위해 왕복동식으로 단위 시간당 비교적 높은 충격 에너지를 사용하는 것을 설명하는 데에 이용된다. 파일 드라이버식 장치를 이용한 압착 공정 동안에 그 압착 메커니즘의 비교적 높은 충격 에너지 및 비교적 높은 속도로 인해 석탄이 공기에 의해 불어 내어짐에 따라 석탄 분진이 생성된다. "진동 롤러 메커니즘"이란 용어는 전술한 바와 같이 파일 드라이버식 장치로부터 석탄에 충격 에너지를 부여하지 않고 진동시키는 롤링 메커니즘을 의미한다. 따라서, 진동 롤러 메커니즘의 단위 시간당 에너지가 파일 드라이버식 장치의 단위 시간당 에너지보다 실질적으로 낮다.
아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 석탄을 압착하여 코크스 오븐(12)에 장입하는 고속 시스템(10)이 도 1에 평면도로 도시되어 있다. 이 시스템은 이동형 석탄 장입차 장치(14), 석탄 장입차를 채우는 석탄 충전 장치(16), 및 석탄 장입차 장치(14)에서 석탄을 압착하는 석탄 압착 장치(18)를 포함한다. 시스템(10)은 약 75 ㎝ 내지 약 125 ㎝의 깊이, 약 10 m 내지 약 15 m에 이르는 길이, 및 약 2 m 내지 약 5 m에 이르는 폭을 갖는 압착 석탄 베드를 수평형 비회수식 코킹 오븐(12)에 장입하도록 제공하는 데에 특히 적합하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 통상의 수평형 비회수식 코크스 오븐 배터리는 나란히 배치된 복수의 코크스 오븐(12)을 포함한다. 이들 코크스 오븐(12) 각각은 석탄 장입 단부(20) 및 이 장입 단부(20)의 반대측의 코크스 출구 단부(22)를 포함한다. 석탄 코킹 사이클은 코크스 오븐(12)에 대한 석탄 장입물의 사이즈에 따라 24 내지 48 시간 또는 그 이상이 걸릴 수 있다. 코킹 사이클의 종료시에, 코크스는 오븐(12)의 장입 단부(20)에 인접하게 배치된 배출 램(ram)을 이용하여 오븐(12)으로부터 이 오븐의 코크스 출구 단부(22) 상의 고온차(hot car) 내로 밀어내어진다. 배출 램은 장입차 장치(14)에 포함될 수 있고, 이 장입차 장치는 또한 오븐(12)으로부터 코크스를 밀어내기 전에 장입 단부의 오븐 도어를 제거하는 장치도 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 장입차 장치(14)는 장입 대상 오븐(12)에, 그리고 미리 정해진 양의 석탄으로 장입차 장치(14)를 채우는 충전 스테이션(26)에 인접하게 배치된 레일(24) 상에서 이동할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명하는 석탄 충전 장치(16)는 컨베이어(32)에 의해 미리 정해진 양의 석탄으로 석탄 충전 장치(16)를 채우도록 장입차 장치(14)의 길이를 따른 이동을 위해 레일(24)에 직교하는 고가 레일(30) 상에서 이동할 수 있는 석탄 통(coal bin)을 포함한다(도 3 참조). 충전 스테이션을 떠난 후의 장입차(14) 상의 압착 석탄(34)이 또한 도 3에 도시되어 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 시스템(10)의 구성 요소들의 다양한 양태가 도시되어 있으며 이들에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 장입차(14)는 메인 지지 프레임(36), 병진 이동 가능 석탄 전달 플레이트 또는 스패튤라(spatula)(38), 전달 플레이트 지지 프레임(40), 및 석탄이 장입될 오븐(12)에 대해 오븐 바닥에 대한 전달 플레이트(38)의 높이의 위치를 설정하도록 프레임(40)에 부착된 높이 조절 기구(42)를 포함한다. 높이 조절 기구(42)는 또한 석탄 압착 단계 중에 진동을 흡수하도록 아래에서 보다 상세하게 설명하는 고정된 피어(pier) 상으로 전달 플레이트(40)를 하강시키는 데에 이용될 수 있다.
높이 조절 기구(42)는 전달 플레이트(38)의 병진 이동을 위해 베어링 롤(48) 또는 슬라이드 플레이트를 수용한 베어링 레일(46)을 상승 및 하강시키기 위한 하나 이상의 액추에이터(44)를 포함한다. 액추에이터(44)는 웜 기어, 체인 구동 장치, 유압 실린더 등과 같은 각종 기구로부터 선택될 수 있다. 유압 실린더 액추에이터(44)가 본 명세서에서 설명하는 높이 조절 기구(42)에 이용하기에 특히 적합하다.
높이 조절 기구(42)에 있어서의 전달 플레이트(38)를 상승 및 하강시키는 부분의 세부 사항이 도 5에 제공되어 있다. 도 5는 프레임(36)에 부착된 높이 조절 기구(42)를 도시하는 장입차 장치(14)의 단부도이다. 액추에이터(44)는 프레임(36)에, 그리고 휘일(52)을 유지하는 제1 피벗 아암(50)에 부착된다. 제1 피벗 아암(50)은 로드 또는 기타 강성 링크 장치(54) 등에 의해 말단 피벗 아암(56) 및 휘일(57)에 기계적으로 연결되어, 이들 피벗 아암과 휘일은 링크 장치(54)의 작용에 의해 제1 피벗 아암(50)과 함께 이동한다. 제1 피벗 아암(50) 및 말단 피벗 아암(56) 각각은 프레임(36)에 피벗 가능하게 부착된다.
액추에이터(44)의 작동시에, 피벗 아암(50, 56)이 상승 또는 하강하고, 이에 의해 전달 플레이트(38)를 지지하는 레일(46)을 상승 또는 하강시킨다. 휘일(52)은 레일(46) 및 전달 플레이트(38)가 필요에 따라 오븐(12)을 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동할 수 있게 하여, 장입 대상 오븐(12)에 대해 장입차 장치(14)를 적절히 위치시킬 수 있다.
레일(24)의 기준 높이에 대한 오븐의 높이차로 인해, 높이 조절 기구(42)는 석탄이 장입될 오븐(12) 내로 병진 이동할 수 있도록 원하는 높이로 전달 플레이트(38)를 제공하는 데에 이용될 수 있다. 오븐 높이의 편차는 통상 약 1 내지 5 인치 범위이다. 따라서, 높이 조절 기구(42)는 전달 플레이트(38)의 기준 높이로부터 2.5 ㎝ 내지 15 ㎝ 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있는 높이로 전달 플레이트(38)를 이동 및 유지할 수 있어야 한다. 특정 오븐 배터리에 대해 필요할 수 있는 높이 상승 범위는 약 2.5 ㎝ 내지 약 15 ㎝의 범위보다 더 클 수 있다는 점을 이해할 것이다. 전달 플레이트(38)의 높이 조절 외에도, 전달 플레이트(38), 베어링 레일(46) 및 베어링 롤(48)은 오븐에 장입하기 위해 오븐(12)을 향해, 그리고 다른 오브 구조를 통과하면서 레일(24)을 따라 장입차 장치가 이동할 수 있도록 그 오븐으로부터 멀어지게 신축자재(telescopic)식으로 이동할 수 있다. 별도의 액추에이터가 레일(46) 및 전달 플레이트(38)를 오븐(12)을 향해, 그리고 그로부터 멀어지게 이동시키는 데에 이용될 수 있다.
장입차 장치(14)의 프레임(36)은 압착된 석탄이 장입될 오븐(12)의 석탄 장입 단부(20)에 인접하도록 레일(24)을 따라 장입차 장치(14)를 위치 설정하기 위해 휘일(58)을 포함한다. 이 휘일(58)은 또한 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같은 석탄 장입 스테이션(26)에서 장입차 장치(14)가 위치 설정될 수 있게 한다.
경사 가능 측벽(60)이 전달 플레이트(38)의 길이를 따라 마련된다. 경사 가능 측벽(60)은 전달 플레이트(38) 및 그 상의 압착된 석탄이 오븐(12) 내로 이동하고 있을 때에 전달 플레이트(38) 상의 압착된 석탄으로부터 멀어지게 회전될 수 있다. 압착된 석탄으로부터 멀어지게 경사 가능 측벽(60)을 회전시키게 되면, 측벽(60)과 압착된 석탄 간의 마찰을 감소시킬 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 경사 가능 측벽(60)은 그 제1 단부(62) 근처에서 벽 지지 부재(64)에 피벗 가능하게 연결되며, 도시하고 설명하는 바와 같이 압착된 석탄과의 접촉이 해제되거나 이동에 대해 로킹될 수 있다. 석탄 압착 공정 중에 경사 가능 측벽(60)이 이동하는 것을 방지하도록 로킹 기구(66A, 66B)가 경사 가능 측벽(60)과 함께 이용될 수 있다. 각각의 로킹 기구(66A, 66B)는 제1 단부(72) 근처에 롤러(70)를 갖는 피벗 아암(68), 및 제2 단부(76) 근처에 액추에이터 기구(74)를 포함한다. 로킹 기구(66A)는 제1의 언로킹 위치로, 로킹 기구(66B)는 제2의 로킹 위치로 도 6에 도시되어 있다.
장입차 장치(14)의 적어도 하나의 단부(77)(도 7 참조)는 도 7에 보다 상세하게 도시한 바와 같은 백 스톱 장치(back stop device)(82)의 양측에 부착된 이동 가능 단부벽(78) 및 램 헤드(80)를 포함한다. 이동 가능 단부벽(78) 및 램 헤드(80)를 수용한 백 스톱 장치(82)는 전달 플레이트(38) 상에 석탄을 적재하고 압착하는 하향 위치로 회전될 수 있다. 백 스톱 장치(82)가 도 7에 도시한 바와 같은 상향 위치로 회전된 경우, 전달 플레이트(38) 및 그 상의 압착된 석탄(34)은 오븐(12) 내로 병진 이동하여, 오븐에 장입될 수 있다.
오븐 장입 단계 중에, 램 헤드(80)를 수용한 백 스톱 장치(82)(도 7 참조)는 액추에이터(84) 등에 의해 상향으로 회전되어, 압착된 석탄(34)이 오븐(12) 내로 이동할 수 있게 한다. 압착된 석탄(34)이 오븐(12)에 장입되고 나면, 백 스톱 장치(82)는 액추에이터(84) 등에 의해 하향으로 회전되고, 트롤리 기구(trolley mechanism)(86) 등에 의해 오븐을 향해 이동하여, 전달 플레이트(38)가 오븐(12)으로부터 추출되고 있는 중에 오븐(12) 내에 압착된 석탄(34)을 유지하도록 압착된 석탄(34)에 인접하게 오븐(12) 내에 램 헤드(80)를 배치시킬 수 있다. 전달 플레이트(38)가 오븐(12)으로부터 추출된 후에, 백 스톱 장치(82)는 상향으로 회전되고, 이어서 트롤리 기구(86)를 이용하여 도 7에 도시한 위치로 이동된다.
전달 플레이트(38)의 반대측 단부는 고정되거나 수직으로 이동 가능한 단부벽(88)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 단부벽(88)은 석탄 충전 장치(16) 상의 신축자재식 슈트(telescoping chute)(104)를 통과하도록 아래위로 조절될 수 있다. 조절 가능한 단부벽(88)의 세부 사항이 도 8에 도시되어 있다. 조절 가능한 단부벽(88)은 프레임(36)에 부착된 고정 섹션(90), 및 액추에이터 기구(94)에 의해 상승 및 하강될 수 있는 가동 섹션(92)을 구비한다.
전달 플레이트(38)는 이 전달 플레이트(38)를 베어링 레일(46)에 부착된 베어링 롤(48)을 따라 이동시키도록 전달 플레이트(38)의 말단부(98)에 연결된 체인을 갖는 강력 고속 체인-스프로킷 시스템(96)의 조합을 이용하여 오븐(12) 내외로 병진 이동될 수 있다(도 4 참조). 석탄 장입 작업 중에, 체인-스프로킷 시스템(96)은 전달 플레이트(38)의 일부를 오븐(12) 내로 이동시켜, 전달 플레이트(38)가 오븐(12)으로부터 꺼내지는 경우에 압착된 석탄(34)이 오븐의 바닥면에 축적될 수 있도록 한다. 전달 플레이트(38)는 통상 약 3.5 ㎝ 내지 약 8 ㎝ 범위의 두께를 가지며 바람직하게는 주강으로 이루어진다.
본 명세서에 그 개시 내용이 참조로서 인용되는 Barkdoll 명의의 미국 특허 제6,290,494호 및 Barkdoll 등의 명의의 미국 특허 제7,497,930호에 개시된 압착 석탄 장입 장치와 마찬가지로, 본 명세서에서 설명하는 장입차 장치(14)는 전달 플레이트(38)가 오븐(12) 내로 이동할 때에 전달 플레이트(38)와 오븐 바닥 사이에 미압착 석탄의 단열층을 제공하도록 미압착 석탄 챔버를 선택적으로 포함할 수도 있다. 미압착 석탄층은 오븐 바닥의 복사열로부터 전달 플레이트(38)를 단열시킬 수 있으며, 오븐(12) 내외로의 전달 플레이트(38)의 이동을 위해 비교적 매끄러운 평탄한 표면을 제공한다. 압착된 석탄(34)과 전달 플레이트(38)의 중량은 미압착 석탄의 밀도 이상으로 밀도를 증가시키도록 미압착 석탄을 압착하기에 충분할 것이다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 장입차 장치(14)를 채우는 석탄 충전 장치(16)가 도시되어 있고 이에 대해 보다 상세하게 설명한다. 석탄 충전 장치(16)는 레일(30)을 위한 고가 레일 구조체(100), 및 장입차 장치(14)를 미리 정해진 양의 석탄으로 실질적으로 평탄하게 채우도록 레일(24)에 실질적으로 직교하는 방향으로 이동할 수 있는 계량 통(weigh bin)(102(a))을 포함한다. 레일(30)은 또한 계량 통(102(b))을 미리 정해진 양의 석탄으로 다시 채우도록 계량 통(102(b))이 석탄 저장 통에 인접하게 배치되게 할 수 있다. 크로스 컨베이어(32)는 저장 통에서부터 계량 통(102)에 이르는 석탄의 흐름을 제공한다. 계량 통(102)은 약 50 내지 60 메트릭 톤의 석탄 입자를 수용할 정도로 충분히 크다.
신축자재식 슈트 및 평탄화 장치(104)가 계랑 통(102)의 배출 단부 상에 마련되어, 장입차 장치(14)를 미압착 석탄으로 실질적으로 평탄하게 채우게 된다. 계량 통(102(a))이 장입차 장치(14)의 일단부에서부터 장입차 장치(14)의 타단부에 이르기까지 레일(30)을 따라 가로지름에 따라, 석탄이 장입차 장치(14) 내로 계량되고 평활해져, 압착 공정을 위한 실질적으로 편평한 표면을 제공한다. 신축자재식 슈트는 전달 플레이트(38)의 폭에 걸쳐 석탄의 "박쥐 날개형 프로파일"을 제공하는 프로파일을 갖는다. "박쥐 날개형 프로파일"이라 함은 측벽(60) 근처에서의 미압착 석탄의 깊이가 전달 플레이트(38)의 폭의 상당 부분에 걸친 석탄의 깊이보다 큰 것을 의미한다.
야금용 코크스를 형성하기에 적합한 석탄은 표면 체분석법에 의해 측정할 때에 적어도 약 80%가 약 3 ㎜ 미만의 평균 사이즈를 갖도록 통상 분쇄된다. 미압착 석탄은 약 6 내지 약 10 중량% 범위의 수분 함량과 약 640 ㎏/㎥ 내지 약 800 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도를 갖는다. 전달 플레이트(38) 상에 적재될 때에, 미압착 석탄은 통상 약 50 내지 70 체적%의 석탄 입자와 약 40 내지 약 50 체적%의 공극을 갖는다.
장입차 장치(14)를 미리 정해진 양의 석탄, 통상 약 45 내지 약 55 메트릭 톤의 석탄으로 채운 후에, 계량 통(102(a))이 위치(102(b))(도 2 참조)로 이동하여, 석탄을 압착하는 압착 단계를 수행할 수 있도록 된다. 석탄을 압착하는 데에 이용되는 압착 장치(18)는 도 9a 및 도 9b에 개략적으로 도시한 바와 같이 장입차 장치(14)에서 석탄을 신속하게 압착하는 압착 기구(110)를 포함한다. 압착 장치(18)는 압착된 석탄(34)을 제공하도록 미압착 석탄(114)에 걸쳐 롤링되어 석탄의 깊이를 초기 깊이(D1)에서 압착된 깊이(D2)로 변경시키는 진동 롤러(112)를 포함한다.
압착 장치(110)는 고정 레일(118) 및 가동 레일(120)을 포함한 지지 시스템(116) 상에서 이동할 수 있다(도 2 및 도 10 참조). 장입차 장치(14)에 석탄이 적재되고 나면, 가동 레일(120)이 장입차 장치(14)의 양측에 인접하게 되도록 도개교(drawbridge) 방식으로 하강하여, 압착 기구(110)가 도 10 및 도 12에 도시한 바와 같이 신축자재식 레일(120) 상에서 장입차 장치(14)의 길이를 가로지를 수 있도록 된다.
도 11a 내지 도 11d에 도시한 바와 같이, 압착 기구(110)는 고정 레일(118) 및 신축자재식 레일(120) 상에서 이동할 수 있는 지지 프레임(122)을 포함한다. 지지 프레임(122)은 또한 액추에이터 장치(126)에 의해 도 11a 및 도 11c에 도시한 바와 같이 상승하거나 도 11b 및 도 11d에 도시한 바와 같이 하강할 수 있는 롤러 프레임(124)을 포함한다. 압착 기구(110)가 상승 위치에 있는 경우에, 압착 기구(110)는 장입차 장치(14) 내의 미압착 석탄(114) 위로 이동할 수 있다. 압착 공정 중에, 압착 기구(110)는 석탄을 압착하도록 미압착 석탄(114) 위에서 진동 롤링하도록 하강 위치에 있게 된다.
장입차 장치(14)에 대한 압착 기구(110)의 평면도가 도 12에 도시되어 있다. 압착 공정 중에 미압착 석탄은 장입차 장치(14)에 배치되어 있고 압착 기구(110)는 장입차 장치(14)의 길이를 가로지른다. 석탄은 압착 기구(110)의 약 2회 내지 약 6회의 통과(pass)로 압착될 수 있다. 하나의 실시예에서, 압착 기구(110)는 진동 롤러(112)가 미압착 석탄(114)과 접촉하고 있는 동안에 진동의 유무에 관계없이 화살표(128)의 방향으로 제1 통과를 수행할 수 있다. 그 후에, 압착 기구(110)는 바람직하게는 진동 롤러(112)가 석탄을 압착하도록 진동하고 있는 동안에 화살표(130)의 방향으로 제2 통과를 수행한다. 코크스 오븐(12)에 이용하기 위한 원하는 벌크 밀도로 석탄을 압착하는 데에는 통상 총 약 4회의 통과가 요구되며, 제1 통과는 진동 없이 행해지고 그 후의 3회의 통과는 진동하면서 행해진다.
도 9a에 도시한 바와 같이, 진동 롤러(112)의 길이(L)는 압착될 미압착 석탄(114)의 베드의 폭(W)의 약 90 내지 99% 범위일 수 있고, 길이 대 직경 비는 약 1.4:1 내지 약 2:1의 범위일 수 있다. 진동 롤러는 약 25 내지 약 60 메트릭 톤의 총 중량을 가질 수 있으며, 압착 공정 중에 약 0.5 내지 3.0 ㎞/hr의 속도로 미압착 석탄을 가로질 수 있다. 진동 롤러(112)는 약 1 내지 약 5 ㎜ 범위의 진폭과 약 3000 내지 약 3600 Newton-meter 범위의 원심력을 갖고 약 10 내지 약 50 Hz 범위의 진동수로 진동한다.
압착 공정 중에, 미압착 석탄(114)으로부터 공기가 장입차의 측벽(60)의 통기구(136)를 통해 배기될 수 있다. 공기의 배기, 즉 석탄의 탈기는 석탄(114)을 보다 빨리 압착할 수 있게 한다. 통기구는 장입차 장치(14)의 측벽(60)을 따라 중심간에 약 60 ㎝만큼 서로 간격을 두로 떨어진 30 ㎠의 와이어 메쉬 또는 천공 스크린 통기구일 수 있다. 통기구는 인접한 와이어들 사이에 약 75 내지 약 230 미크론의 개구를 가져, 압착 공중 중에 배기되는 공기 내에 혼입되는 석탄의 양을 최소화한다.
통기구(136)는 대기중으로 배기시키거나, 본 명세서에 그 개시 내용이 참조로 인용되는 Barkdoll 등의 명의의 미국 특허 제7,497,930호에 보다 상세하게 기술되어 있는 바와 같은 진공 펌프 및 분진 포집 시스템(108)(도 2 참조)에 기체 유통 상태로 연결될 수 있다. 압착 공정 중에, 진공 펌프는 프로브 상에 약 185 내지 약 280 ㎜Hg 범위의 진공을 인가하여, 압착 공정 중에 미압착 석탄 베드로부터 혼입 공기를 제거할 수 있다. 압착 공정 동안 기체의 체적 유량은 약 50 ㎥/min 내지 약 85 ㎥/min 범위일 수 있다.
석탄을 압착하기 위해 충격 에너지를 이용하는 것과는 달리, 진동 롤러(112)는 이용되는 단위 시간당 진동 에너지가 파일 드라이버식 장치를 이용하여 석탄의 유사한 벌크 밀도를 달성하는 데에 요구되는 단위 시간당 충격 에너지보다 현저히 작기 때문에, 압착 공정 중에 상당한 양의 분진을 생성하진 않는다. 예를 들면, 미국 특허 제7,497,930호에 개시되어 있는 바와 같은 충격식 파일 드라이버는 약 221,208 kgf·m/sec의 에너지를 석탄에 가하여, 약 1040 내지 1120 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도를 제공한다. 동일한 벌크 밀도는 약 2 내지 약 5 kgf·m/sec의 에너지로 본 발명의 실시예에 따른 진동 롤러(112)에 의해 달성할 수 있다. 따라서, 진동 롤러(112)에 있어서는 분진 포집 시스템이 반드시 필요로 한 것은 아니지만, 석탄을 압착하는 데에 충격 에너지를 이용하는 압착 시스템에 있어서는 분진 포집 시스템을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 압착 공정 중에 진공 펌프를 이용하는 것은 석탄의 수분 함량을 감소시키기 위해 바람직할 수 있고, 이에 의해 석탄을 코킹하는 데에 에너지가 덜 들 수 있다.
충격파가 휘일(58) 및 레일(24)을 통해 전달되는 것을 감소시키기 위해, 지지 피어(134)(도 4 참조)가 압착 공정 중에 충전 스테이션(26)에서 장입차 장치(14)를 지지하도록 마련될 수 있다. 따라서, 높이 조절 기구(42)는 장입차 장치(14)를 약 2 내지 약 6 ㎝ 하강시키도록 작동하여, 장입차 장치(14)의 전달 플레이트 지지 프레임(40)이 휘일(58) 및 프레임(36)보다는 피어(134)에 의해 주로 지지되도록 할 수 있다.
전술한 압착 장치(18)는 약 135 내지 약 145 ㎝ 범위의 초기 깊이를 갖는 석탄 베드를 약 6분 미만의 시간에, 통상은 약 4분 미만의 시간에 약 800 ㎏/㎥보다 큰 벌크 밀도로 압착하기 충분할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 압착 장치(18)는 석탄 베드의 깊이에 걸쳐 실질적으로 균일하게 압착된 석탄을 제공할 수 있다. 종래의 압착 공정은 통상 석탄 베드의 깊이에 걸쳐 석탄의 불균일한 압착을 제공한다.
약 52 메트릭 톤의 석탄으로 장입차 장치(14)를 채우고 그 석탄을 약 1040 ㎏/㎥의 목표 벌크 밀도로 압착하기 위한 전형적인 사이클 시간이 아래의 표에 제시되어 있다.
단계 번호 단계들의 내용 시간(초)
1 장입차 내로 신축자재식 석탄 충전 슈트를 하강 10
2 장입차를 석탄으로 채움(14 m의 길이) 45
3 신축자재식 석탄 충전 슈트를 꺼냄 10
4 장입차 위로 압착 기구를 이동 25
5 석탄 베드 상으로 진동 롤러를 하강 15
6 석탄 베드 위에서 진동 롤러를 이동 190
7 석탄 베드로부터 진동 롤러를 꺼냄 15
총 시간 310
전술한 진동 롤러 및 탈기 시스템을 이용하여 석탄을 채우고 압착하는 전체 프로세스가 본 예에서 제시한 미압착 석탄의 양과 목표 벌크 밀도에 대해 약 6분 미만의 시간에 달성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
이하의 예에서, 28 메트릭 톤의 석탄에 대해, 압착 공정 중에 석탄을 탈기시키도록 전술한 바와 같은 벽 통기구를 이용하여 석탄 베드로부터 공기를 배기시키면서 미압착 석탄 베드를 복수 회 압착한 후에 압착된 석탄의 얻어진 깊이 및 벌크 밀도를 결정함으로써, 압착 테스트를 수행하였다. 미압착 석탄 베드는 로드 베드(road bed) 상의 콘크리트 배리어 사이에 배치되었다. 메트릭 톤당 2200 kgf·m을 가하는 진동 롤러의 복수 회의 통과가 이용되었다. 그 결과가 이하의 표 및 도 13에 나타내어져 있다.
행위 석탄 깊이(㎝) 벌크 밀도(㎏/㎥)
콘크리트 배리어 사이의 석탄 123 825
첫 번째 롤러 통과 후 102 995
두 번째 롤러 통과 후 99 1021
세 번째 및 네 번째 롤러 통과 후 94 1076
다섯 번째 및 여섯 번째 롤러 통과 후 94 1076
이상의 상세한 설명에서, 컨베이어 벨트, 전기 부품 등을 제외한 전체 장치가 주강 또는 단조강으로 제조될 수 있다. 따라서, 그 장치의 강건한 구조가 가능하여 코크스 오븐 환경에 적합한 비교적 긴 수명을 갖는 장치를 제공한다.
전술한 장치 및 방법은 야금용 코크스의 제조에 저렴한 석탄을 이용할 수 있게 하여, 코크스의 전체 가격을 감소시킬 수 있다. 특정 석탄 공급원 및 달성되는 압착 수준에 따라, 본 발명에 따라 형성된 압착 석탄 장입물은 약 30 내지 약 60 중량%의 비점결탄을 포함할 수 있다. 본 발명의 장치에 의해 제조되는 코크스의 양도 역시 압착 공정으로 결과로서 30 내지 40 메트릭 톤에서부터 약 45 내지 약 55 메트릭 톤에 이르도록 증가시킬 수 있다. 석탄 장입 높이, 폭 및 깊이와 같은 물리적 석탄 장입 파라미터가 보다 일관성을 갖는다는 점 또한 본 발명에 따른 장치 및 방법의 이점이다.
본 발명의 실시예에 수정 및/또는 변형이 이루어질 수 있다는 점은 전술한 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 생각될 수 있고 당업자들에게는 명백할 것이다. 따라서, 전술한 상세한 설명 및 첨부 도면은 단지 예시적인 실시 형태를 나타내고자 하는 것으로 그에 한정되지 않으며, 본 발명의 진정한 사상 및 범위는 첨부된 청구 범위를 참조함으로써 결정된다는 점은 확실하다.

Claims (21)

  1. 코킹 오븐(coking oven)에 장입될 건조 압착 석탄의 길이가 긴 베드를 제공하기 위해 석탄 입자에 충격을 가하지 않고 석탄 입자의 벌크 밀도를 증가시키는 방법으로서,
    코킹 오븐 외부에서 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하되, 장입 플레이트 상에 상면을 갖는 미압착 건조 석탄의 길이가 긴 베드를 제공하도록 측벽 및 적어도 하나의 가동 단부벽을 구비하는 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하는 단계; 및
    미압착 석탄의 원래의 두께의 80% 미만으로 석탄 베드의 두께를 감소시키기에 충분한 통과 횟수만큼 미압착 석탄의 길이를 따라 원통형 진동 압착기를 롤링(rolling)시킴으로써 미압착 석탄을 압착하는 단계
    를 포함하며, 상기 원통형 진동 압착기는 1.4:1 내지 2:1 범위의 길이 대 직경 비와, 2 내지 5 kgf·m/sec 범위의 압착 에너지 출력을 갖는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 960 내지 1200 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도를 갖는 건조 압착 석탄 베드를 제공하도록 압착 단계 중에 미압착 석탄을 탈기시키는 것을 더 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 석탄 베드의 탈기는 미압착 석탄 베드에 삽입된 하나 이상의 프로브에 진공원을 적용하는 것으로 이루어지는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 진공원은 탈기 단계 중에 185 내지 280 ㎜Hg 범위의 진공을 미압착 석탄 베드에 제공하는 것인 방법.
  5. 제2항에 있어서, 석탄 베드의 탈기는 압착 단계 중에 장입 플레이트의 측벽에서 공기를 배기시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 석탄 입자는 원통형 진동 압착기의 5회 미만의 통과로 640 ㎏/㎥ 내지 800 ㎏/㎥ 범위의 초기 벌크 밀도에서부터 960 ㎏/㎥ 내지 1200 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도로 압착되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 원통형 진동 압착기의 길이는 석탄 베드의 폭의 90 내지 99% 범위인 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 원통형 진동 압착기는 0.5 내지 3.0 ㎞/hr 범위의 속도로 작동하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 원통형 진동 압착기는 석탄을 압착하도록 미압착 석탄의 길이를 따라 1회 내지 4회 통과하는 것인 방법.
  10. 석탄으로부터 야금용 코크스를 제조하는 방법으로서:
    제1항에 따른 방법에 의해 제조된 건조 압착 석탄 베드를 코킹 오븐에 장입하는 것; 및
    야금용 코크스를 제공하도록 환원 분위기 하에서 석탄을 가열하는 것
    을 포함하는 야금용 코크스의 제조 방법.
  11. 제10항의 야금용 코크스의 제조 방법에 의해 제조된 야금용 코크스.
  12. 석탄을 압착하는 방법으로서:
    코킹 오븐 외부에서 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하되, 미압착 건조 석탄 베드를 지지하도록 길이가 긴 표면을 갖는 장입 플레이트 상에 석탄 입자를 적재하는 것;
    미압착 석탄의 원래의 두께의 80% 미만으로 석탄 베드의 두께를 감소시키기에 충분한 통과 횟수만큼, 2 내지 5 kgf·m/sec 범위의 압착 에너지 출력으로 원통형 진동 압착기를 미압착 석탄의 길이를 따라 롤링시키는 것
    을 포함하는 석탄의 압착 방법.
  13. 제12항에 있어서, 960 내지 1200 ㎏/㎥ 범위의 벌크 밀도를 갖는 건조 압착 석탄 베드를 제공하도록 상기 롤링 중에 미압착 석탄 베드를 탈기시키는 것을 더 포함하는 것인 석탄 압착 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 석탄 베드를 탈기시키는 것은 상기 롤링 중에 진공원을 적용하거나 공기를 배기시키는 것을 포함하는 것인 석탄 압착 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 통과 횟수만큼 원통형 진동 압착기를 미압착 석탄의 길이를 따라 롤링시키는 것은 5회 미만에 걸쳐 상기 원통형 진동 압착기를 미압착 석탄의 길이를 따라 롤링시키는 것을 포함하는 것인 석탄 압착 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 원통형 진동 압착기를 롤링시키는 것은 135 내지 145 ㎝ 범위의 원래의 두께를 갖는 미압착 석탄 베드 위에서 상기 원통형 진동 압착기를 롤링시키는 것을 포함하며, 상기 석탄 입자는 800 ㎏/㎥보다 큰 벌크 밀도로 압착되는 것인 석탄 압착 방법.
  17. 제16항에 있어서, 미압착 석탄의 원래의 두께의 80% 미만으로 석탄 베드의 두께를 감소시키도록 상기 원통형 진동 압착기를 미압착 석탄의 길이를 롤링시키는 것은 6분 미만의 시간에 발생하는 것인 석탄 압착 방법.
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