KR101630984B1 - 코크스오븐 및, 코크스오븐의 반응가스 투입방법 - Google Patents

코크스오븐 및, 코크스오븐의 반응가스 투입방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코크스로 건류되는 석탄이 저장되는 탄화실; 상기 탄화실에 제공되어, 상기 탄화실의 내부로 반응가스를 공급하는 투입노즐부; 및, 상기 투입노즐부에 구비되고, 상기 탄화실의 내부의 열을 매개로 상기 투입노즐부를 통해 상기 탄화실의 내부로 공급되는 상기 반응가스를 가열토록 제공되는 가스예열부;를 포함하고, 상기 투입노즐부는, 상기 가스예열부가 설치되는 노즐본체부; 상기 노즐본체부의 일측에 제공되어 상기 반응가스가 유입되는 가스유입부; 및, 상기 노즐본체부의 타측에 제공되어 상기 가스예열부를 통해 가열된 상기 반응가스가 상기 탄화실로 분사되는 가스분사부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐을 제공한다.

Description

코크스오븐 및, 코크스오븐의 반응가스 투입방법{COKE OVEN AND METHOD FOR INJECTION OF REACTION GAS IN COKE OVEN USING THE SAME}
본 발명은 코크스오븐 및, 코크스오븐의 반응가스 투입방법에 관한 것으로서, 코크스오븐으로 투입되는 반응가스를 예열시켜 코크스오븐 내부의 탄소 및, 탄소화합물과 반응가스를 효과적으로 반응시켜 코크스오븐 가스를 증량시키는 코크스오븐 및 코크스오븐의 반응가스 투입방법에 관한 것이다.
코크스오븐 가스(COKE OVEN GAS)는 제철소에서 코크스 건류 과정에서 부산물로 생성되는 가스를 말한다. 이러한 코크스오븐 가스는 정제 과정을 통해 제철소 내에서 연료로 대부분 사용하고 있으나, 최근 코크스오븐 가스의 사용량이 증가하게 되어 코크스오븐 가스를 증량시키는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다.
이러한 코크스오븐은 코크스를 생산하기 위해, 탄화실의 상측에 형성된 장입구를 통해 석탄을 투입하여 탄화실에 석탄을 저장한 후, 고온(1100℃~1340℃)으로 일정시간 유지하게 되며, 이를 위해 연소실로 공기와 연료가스를 공급한 후 이를 연소시켜 고온을 얻게 된다.
코크스오븐은 다수의 독립된 탄화실을 구비하고 있으며, 각 탄화실에 상승관이 제공된다.
또한, 코크스오븐은 각 탄화실에 저장된 석탄을 건류하는 과정에서 휘발성 가스인 코크스오븐 가스(COG)가 발생되며, 이러한 코크스오븐 가스(Cokes Oven Gas ; 이하 COG)는 코크스오븐에 설치된 상승관을 통해 배출된다.
이와 같이 코크스오븐의 상승관을 통해 배출되는 가스는 휘발성 물질과 함께 다량의 분진, 타르 등의 환경오염물질이 포함될 수 있으므로, 상승관으로 배출된 가스는 가스 수집관에 모여 후처리공정으로 보내진다.
한편, 탄화실은 연소실로 공기와 연료가스를 공급한 후 이를 연소시켜 고온(1100℃~1340℃)으로 일정시간 유지하게 되는바, 코크스오븐 탄화실의 상부 공간은 코크스오븐 가스 등이 통과하는 가스웨이로 활용되고 있으며 고온으로 유지된다.
이와 같이, 종래의 코크스오븐은 코크스오븐 탄화실 상층부의 고온 분위기에서 생성된 열에너지를 재사용하여, 코크스오븐 가스로의 전환을 위해 사용되는 에너지 사용량을 저감하기 위한 노력이 요구되고 있다.
또한, 탄화실의 가스웨이의 구조는 긴 정육면체 모양을 가지고 있어, 투입노즐을 통해 분사되는 반응가스가 탄화실 가스웨이의 천장 및, 벽면에 주로 있는 부착카본, 장입탄 최상부에 형성되는 스폰지카본, 타르 열분행서 생성되는 화합물 등의 탄소 및,탄소화합물과 낮은 유효 접촉 충돌을 일으켜 반응가스의 전환율이 낮아질 수 있는 문제점이 있다.
그리고, 코크스오븐 시스템과 별개로 예열장치를 구축할 경우 예열장치 투자비가 필요하고, 예열공정에 추가적으로 에너지가 소모되며, 기존 코크스오븐 시스템과 CO2 취입 시스템과의 복잡한 연계운전 등에 있어서 다양한 문제점이 발생할 수 있어 이를 최소화하거나 배제시킬 필요가 있다.
또한, 코크스오븐으로 반응가스를 투입하는 노즐의 설치는 석탄을 코크스로 건류하는 과정에서 석탄의 부피 수축 및, 석탄 등의 원료의 투입시 생긴 굴곡을 레벨러의 평판화 작업 등에 따른 노즐과 레벨러의 간섭 등 많은 제약 조건이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 코크스오븐에서 발생되는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.
본 발명은 일 측면으로서, 코크스오븐 탄화실 상층부의 고온 분위기에서 생성된 열에너지를 재사용하여 코크스오븐 가스로의 전환을 위해 사용되는 에너지 사용량을 저감하면서, 코크스오븐 가스의 발생을 증량시킬 수 있는 코크스오븐을 제공하고자 한다.
본 발명은 일 측면으로서, 반응가스를 투입하는 투입노즐부를 상하방향으로 이동 가능하게 구성하여, 투입노즐부와 장입된 원료를 평탄화하는 레벨러 간의 간섭이 발생하지 않아 반응가스의 투입효율이 향상될 수 있는 코크스오븐을 제공하고자 한다.
본 발명은 일 측면으로서, 코크스오븐 시스템과 일체로 가스예열부를 구축하여, 가스예열부의 별도의 설치에 따른 설치비 및, 예열 공정에 소모되는 에너지를 효과적으로 저감시킬 수 있는 코크스오븐을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 코크스로 건류되는 석탄이 저장되는 탄화실; 상기 탄화실에 제공되어, 상기 탄화실의 내부로 반응가스를 공급하는 투입노즐부; 및, 상기 투입노즐부에 구비되고, 상기 탄화실의 내부의 열을 매개로 상기 투입노즐부를 통해 상기 탄화실의 내부로 공급되는 상기 반응가스를 가열토록 제공되는 가스예열부;를 포함하고, 상기 투입노즐부는, 상기 가스예열부가 설치되는 노즐본체부; 상기 노즐본체부의 일측에 제공되어 상기 반응가스가 유입되는 가스유입부; 및, 상기 노즐본체부의 타측에 제공되어 상기 가스예열부를 통해 가열된 상기 반응가스가 상기 탄화실로 분사되는 가스분사부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐을 제공한다.
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바람직하게, 가스예열부는, 상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재가 구비되는 다발튜브와, 상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공이 형성된 고정판을 구비하고, 상기 노즐본체부는, 상기 다발튜브와 상기 탄화실 내부와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브가 설치된 부분에 대응되는 부분에 복수의 연통공이 형성될 수 있다.
바람직하게, 가스예열부는 상기 투입노즐부의 내부에 채워지는 축열성소재의 복수의 예열비드로 구비될 수 있다.
바람직하게, 예열비드는 알루미나(Al2O3) 및, 지르코니아(ZrO2) 또는 금속재질 중에서 선택된 어느 하나 또는 조합으로 구비될 수 있다.
바람직하게, 가스예열부는 상기 투입노즐부의 내부에 충전되는 축열성 소재의 예열비드, 열전도성 소재의 다공성 메탈폼 및, 열전도성 소재의 다공성 메탈메쉬 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 조합으로 구비될 수 있다.바람직하게, 가스예열부는, 상기 노즐본체부의 중앙영역에는, 상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재가 구비되는 다발튜브와, 상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공이 형성된 고정판을 구비하고, 상기 노즐본체부의 상측영역과 하측영역의 적어도 어느 일측에는, 축열성 소재의 예열비드, 열전도성 소재의 다공성 메탈폼 및, 다공성 메탈메쉬 중에서 선택된 어느 하나가 충전될 수 있다.
바람직하게, 투입노즐부는, 상기 가스유입부가 형성된 상부투입노즐부와, 상기 가스분사부가 형성된 하부투입노즐부로 구비되고, 상기 가스예열부는 상기 상부투입노즐부와 상기 하부투입노즐부의 사이에 연계되어 설치되고, 상기 가스예열부는, 상기 탄화실로 투입되는 반응가스가 관통하는 복수의 튜브부재로 구비되는 다발튜브와, 상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공을 구비하는 고정판 및, 상기 다발튜브와 상기 탄화실 내부의 기체와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브가 설치된 부분에 대응되는 부분에 형성된 복수의 연통공이 구비되는 열전도성 재질의 외부케이싱을 포함할 수 있다.
바람직하게, 투입노즐부는 복수 개로 구비되고, 각각의 측벽에 적어도 하나 이상의 상기 투입노즐부가 인접하게 배치되도록 구비되고, 각각의 상기 투입노즐부는 상기 탄화실의 인접한 측벽으로 상기 반응가스를 분사하도록 상기 측벽 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치될 수 있다.
바람직하게, 가스분사부는, 상기 노즐본체부에 높이방향으로 이격 형성된 복수의 분사구가 형성되고, 상기 분사구에는 상기 투입노즐부의 내면으로 연장 형성되는 분사관이 설치되고, 상기 분사관은, 상기 탄화실의 인접한 측벽으로 상기 반응가스를 분사하도록 상기 측벽 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치되고, 높이방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치될 수 있다.
바람직하게, 투입노즐부는 상기 탄화실 내부의 전면벽에 인접하게 제공되고, 상승관은 상기 탄화실의 내부의 후면벽에 인접하게 제공되며, 상기 투입노즐부는 상기 상승관의 반대방향인 상기 탄화실의 전면벽 방향으로 상기 반응가스를 분사하여 상기 상승관 방향으로 기류를 형성할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 일 측면으로서, 본 발명은 상기 투입노즐부를 상기 탄화실의 내부로 하강시켜 상기 가스예열부를 고온의 탄화실에 노출시켜 가스예열부를 예열하는 단계와, 상기 투입노즐부가 설정한 온도에 도달여부를 감지하는 단계와, 상기 투입노즐부가 설정한 온도에 도달시, 상기 투입노즐부를 통해 반응가스를 탄화실의 내부로 공급하는 단계 및, 상기 투입노즐부를 통해 예열된 상기 반응가스를 상기 탄화실 내부의 탄소화합물을 반응시키는 단계;를 포함하는 코크스오븐의 반응가스 투입방법을 제공한다.
이상에서와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코크스오븐 탄화실 상층부의 고온 분위기에서 생성된 열에너지를 재사용하여 탄화실의 내부로 투입되는 반응가스를 예열시켜 에너지 사용량을 저감하면서, 반응가스를 효과적으로 코크스오븐 가스로 전환시켜 코크스오븐 가스의 발생을 증량시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 반응가스를 투입하는 투입노즐과 장입된 원료를 평탄화하는 레벨러 간의 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 코크스오븐 시스템과 일체로 가스예열부를 구축하여, 가스예열부의 별도의 설치에 따른 설치비 및, 예열 공정에 소모되는 에너지를 효과적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스오븐과 주변장치를 포함한 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스오븐을 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 투입노즐부와 가스예열부의 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 투입노즐부와 가스예열부의 정면도이다.
도 3c는 도 3b의 A-A', B-B', C-C' 방향의 단면상세를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투입노즐부와 가스예열부의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투입노즐부와 가스예열부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 투입노즐부와 가스예열부의 단면도이다.
도 7은 도 5의 투입노즐부에 예열비드를 충전한 여부에 따른 코크스오븐의 온도변화를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스오븐(10)에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 코크스오븐(10)은 다수개의 탄화실(100)을 구비하여, 이 탄화실(100)에 장입차(30)를 이용하여 석탄(C)을 장입한 후, 고온의 상태에서 외부 공기를 차단시키고 건류함으로써 석탄(C)에 함유된 휘발성분이 제거된 코크스를 생산할 수 있다.
이를 위해, 코크스오븐(10)은 탄화실(100)의 상부에 석탄(C)을 장입하기 위한 복수의 장입구(13)가 구비될 수 있다. 장입구(13)에는 덮개가 설치될 수 있으며, 이 덮개를 열고 석탄(C)을 장입하며, 석탄(C)의 건류과정에서는 덮개를 덮어 장입구(13)를 밀폐하고 있다.
이러한 코크스오븐(10)은 연소실로부터 공급되는 열기에 의해 탄화실(100)에 장입된 석탄(C)이 건류되며, 이 과정에서 열분해 작용에 의해 코크스오븐(10)가스(Cokes Oven Gas ; 이하 COG)가 발생한다. 이와 같이 발생된 COG는 코크스오븐(10)에 구비된 상승관과 이에 연결된 가스 수집관을 통해 코크스 가스 저장처로 보내질 수 있다.
한편, 코크스오븐(10)은 코크스 건류공정이 완료되면, 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 도어(15)를 개방하고, 압출기(20)의 램(21)에 의해 탄화실(100)로부터 건류가 완료된 코크스를 배출하여 소화장치에서 건류된 코크스를 소화시켜 최종적인 제품의 코크스를 생산하게 된다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스오븐(10)은 탄화실(100), 투입노즐부(200) 및, 가스예열부(300)를 포함하고, 온도감지부(400), 반응가스공급부(500) 및, 제어부(600)를 추가적으로 포함할 수 있다.
코크스오브은 코크스로 건류되는 석탄(C)이 저장되는 탄화실(100)과, 상기 탄화실(100)에 제공되어, 상기 탄화실(100)의 내부로 반응가스를 공급하는 투입노즐부(200) 및, 상기 투입노즐부(200)에 구비되고 상기 탄화실(100)의 내부의 열을 매개로 상기 투입노즐부(200)를 통해 상기 탄화실(100)의 내부로 공급되는 상기 반응가스를 가열토록 제공되는 가스예열부(300)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)는 반응가스를 탄화실(100)의 가스웨이를 따라 분사하도록 구비될 수 있다. 이때, 반응가스는 상승관 방향으로 분사되거나, 상승관의 반대방향으로 분사될 수 있다.
투입노즐부(200)를 통해 예열된 상기 반응가스를 상기 탄화실(100) 내부의 탄소화합물과 반응시킬 수 있다. 여기서, 탄소화합물은 탄화실(100) 내부의 탄소 및, 탄소화합물을 포함하는 개념이다.
투입노즐부(200) 통해 상기 탄화실(100)로 유입되는 반응가스는 가스예열부(300)를 통과하면서 탄화실(100) 내부의 기체와 열교환하여 승온될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 코크스오븐(10)은 온도감지부(400)와, 제어부(600) 및, 반응가스공급부(500)를 추가적으로 포함할 수 있다.
코크스오븐(10)은 상기 투입노즐부(200) 내부의 온도를 감지하는 온도감지부(400)와, 상기 온도감지부(400)에서 검출된 온도를 설정된 온도와 비교연산하여 상기 탄화실(100)의 내부로 원하는 온도의 반응가스가 투입되는지 여부를 제어하는 제어부(600) 및, 상기 제어부(600)에서 제공된 신호에 의해 상기 투입노즐부(200)를 통해 상기 탄화실(100)로 반응가스를 공급하는 반응가스공급부(500)를 포함할 수 있다. 물론, 반응가스의 투입여부는 유량계를 통해 확인하는 것도 가능함은 물론이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)는 노즐본체부(210), 가스유입부(230) 및, 가스분사부(250)를 포함할 수 있다.
투입노즐부(200)는, 가스예열부(300)가 설치되는 노즐본체부(210)와, 상기 노즐본체부(210)의 일측에 제공되어 상기 반응가스가 유입되는 가스유입부(230) 및, 상기 노즐본체부(210)의 타측에 제공되어 상기 가스예열부(300)를 통해 가열된 상기 반응가스가 상기 탄화실(100)로 분사되는 가스분사부(250)를 구비할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)는 상기 탄화실(100)의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하도록 구비될 수 있다. 투입노즐부(200)는 탄화실(100)의 상측에 형성된 관통홀을 통해 상하방향으로 이동되게 설치될 수 있다.
탄화실(100) 내부로 석탄(C)을 장입할 때마다 생기는 산모양의 굴곡을 없애주는 레벨러의 사용이 필요하고, 이러한 레벨러를 투입하여 석탄(C)을 평탄화하는 작업을 해야하기 때문에 반응가스를 투입하는 투입노즐부(200)는 레벨러와 간섭이 되지 않아야 하는바, 투입노즐부(200)의 설치길이에 일정한 한계가 있는 문제점이 있다.
따라서, 투입노즐부(200)는 상기 탄화실(100)의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하도록 구비되어, 탄화실(100) 내부의 석탄(C)의 레벨을 평탄화하는 레벨러와의 간섭을 방지할 수 있다.
가스분사부(250)는 상하방향으로 이격된 복수의 분사구(251)가 형성되고, 상기 분사구(251)는 적어도 1열 이상으로 형성되며, 복수의 상기 분사구(251)는 상기 탄화실(100)의 측벽(14) 부착된 탄소화합물(K)의 높이와 대응되는 높이에 배치될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 코크스오븐(10)에 저장된 석탄(C) 등의 원료에서 상승하는 가스와의 가스투입부를 통해 탄화실(100) 내부로 분사되는 반응가스의 반응성 향상을 위해, 분사구(251)는 높이방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 배치될 수 있다.
여기서 "-5도의 분사각"의 의미는 높이방향의 하측으로 5의 각도를 가지고 분사됨을 의미하고, “30도의 분사각”의 의미는 높이방향의 상측으로 30°의 각도를 가지고 분사되는 것을 의미한다
도 3b에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)의 가스분사부(250)는 2열의 분사구(251)가 형성되고, 1열의 분사구(251)는 일측의 측벽(14)을 향하여 반응가스를 분사하고, 나머지 1열의 분사구(251)는 타측의 측벽(14)을 향하여 반응가스를 분사하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 3c의 A-A'방향의 단면도에 도시된 바와 같이, 분사구(251)는 측벽(14)에 부착된 탄소화합물(K)과의 유효접촉충돌을 높여 가스상승관으로 배출되는 코크스오븐(10) 가스를 증량시키도록, 상기 분사구(251)는 상기 탄화실(100)의 측벽(14)방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 배치될 수 있다.
여기서 "-5도의 분사각"의 의미는 탄화실(100)의 측벽(14) 방향의 반대방향으로 5의 각도를 가지고 분사됨을 의미하고, 30도의 분사각의 의미는 탄화실(100)의 측벽(14) 방향으로 30°의 각도를 가지고 분사되는 것을 의미한다.
그리고 도시되지는 않았으나, 투입노즐부(200)는 복수 개로 구비되고, 각각의 측벽(14)에 적어도 하나 이상의 상기 투입노즐부(200)가 인접하게 배치되도록 구비될 수 있다.
코크스오븐(10) 탄화실(100)의 폭방향으로 소정의 간격으로 이격하여 설치되는 2개의 투입노즐부(200)로 구성될 수 있고, 하나의 투입노즐부(200)는 일측의 측벽(14)에 인접하게 배치되고, 다른 하나의 투입노즐부(200)는 타측의 측벽(14)에 인접하게 배치될 수 있다.
그리고, 각각의 상기 투입노즐부(200)는 상기 탄화실(100)의 인접한 측벽(14)으로 상기 반응가스를 분사하도록 상기 측벽(14) 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치될 수 있다.
그리고, 코크스오븐(10) 탄화실(100)의 가스웨이의 인접한 측벽(14) 사이의 폭이 좁다는 점을 고려하여, 분사구(251)는 탄화실(100)의 측벽(14)과 일정한 거리의 유격을 두고, 측벽(14)방향으로 반응가스를 분사하도록 구성될 수 있다.
그리고, 투입노즐부(200)는 측벽(14)으로부터 각각 30mm 이격되는 간격으로 밀착되도록 구비될 수 있다. 분사구(251)가 상기 탄화실(100)의 가스웨이의 양 측벽(14)으로부터 각각 30mm 이하로 밀착될 경우에 부착된 탄소화합물(K)과의 유효접촉충돌은 향상될 수 있으나, 투입노즐부(200)에서 분사되는 반응가스에 의해 탄화실(100) 내벽이 손상될 수 있어 탄화실(100)의 가스웨이의 측벽(14)으로부터 30mm 정도 이격되는 것이 바람직하다.
이때, 탄화실(100)의 측벽(14)과 분사구(251)의 이격거리는 반응가스의 코크스오븐(10) 가스로의 전환효율과 반응가스의 투입압력, 투입각도, 분사거리로부터 예측되는 탄화실(100) 내부의 손상의 방지를 고려하여 결정할 수 있다.
탄화실(100) 내부의 손상을 방지하기 위하여, 탄화실(100)의 측벽(14)과 분사구(251)의 이격거리는 20mm 이상 이격시켜야 한다.
또한, 바람직하게 반응가스의 코크스오븐(10) 가스로의 전환효율과 투입압력, 투입각도, 분사거리로부터 예측되는 탄화실(100) 내부의 손상의 방지라는 양 측면을 고려할 때 탄화실(100)의 측벽(14)과 분사구(251)의 이격거리는 30mm 내외가 바람직하다.
분사구(251)에는 상기 투입노즐부(200)의 내면으로 연장형성되는 분사관(253)이 설치될 수 있다. 분사관(253)이 설치되지 않을 경우 분사구(251)를 통해 분사된 반응가스가 쉽게 분산되면서, 원하는 방향으로 기류를 형성할 수 없는 바, 반응가스가 분사관(253)을 통해 분사되면서 탄화실(100)의 가스웨이의 원하는 방향으로 기류를 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)는 탄화실(100)의 천장부분을 관통하여 탄화실(100)의 내부로 설치될 수 있고, 투입노즐부(200)에 설치된 가스분사부(250)를 통해 반응가스를 탄화실(100)의 가스웨이 상으로 분사하여 상승관 방향또는 상승관 방향과 반대방향으로 기류를 형성할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 다발튜브(310)와 고정판(330)을 구비할 수 있다.
도 3c의 C-C' 방향단면도에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재(311)가 구비되는 다발튜브(310)와, 상기 투입노즐부(200)의 내부에 제공되어 상기 다발튜브(310)를 지지하고, 상기 튜브부재(311)가 고정되는 복수의 고정공(331)이 형성된 고정판(330)을 구비할 수 있다.
이때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)에는 상기 다발튜브(310)와 상기 탄화실(100) 내부와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브(310)가 설치된 부분에 대응되는 부분에 복수의 연통공(211)이 형성될 수 있다.
가스예열부(300) 중 다발튜브(310)형의 가스예열부(300)의 경우에는 각각의 튜브부재(311)가 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 연통공(211)을 통해 접촉되면서 열교환하는바, 열교환의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
고정판(330)은 다발튜브(310)의 상단과 하단을 지지하도록 적어도 2개가 구비되어야 하고, 다발튜브(310)의 높이방향으로 일정간격 이격하여 복수 개가 설치될 수 있다.
도 3a에는 복수 개의 고정판(330)이 이격되어 설치되는 구성이 개시되고 있다. 이중에서, 다발튜브(310)의 상단과 하단을 지지하는 2개의 고정판(330)의 경우에는, 고정판(330)에 형성된 고정공(331)과 고정공(331)에 삽입되는 튜브부재(311)는 밀폐될 수 있다. 따라서, 가스유입부(230)로부터 유입된 반응가스는 각각의 튜브부재(311)의 내부를 통해 가스분사부(250)로 이송되고, 밀폐된 튜브부재(311)와 고정공(331)의 사이로는 반응가스가 유출되지 않는다.
도 6에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 노즐본체부(210)의 중앙영역에 다발튜브(310)와, 복수의 고정판(330)을 구비할 수 있다.
또한, 도시되지는 않았으나, 가스예열부(300)는 노즐본체부(210)의 중앙영역과 상측영역에 다발튜브(310)와, 복수의 고정판(330)을 구비할 수 있다.
하기되는 실험결과에 따르면, 다발튜브(310)형 가스예열부(300)의 경우가 예열비드(350)형이나 메탈메쉬(370)형에 비해 예열성능(토출온도) 및, CO2 전환율 면에서 보다 우수한 이점이 있다. 다만, 다발튜브(310)형의 경우는 분사구(251)가 형성된 노즐본체부(210)의 하측까지는 설치가 곤란한 문제가 있어 도 6에 도시된 바와 같은 다발튜브(310)형, 예열비드(350)형, 메탈폼(370)형 또는 메탈메쉬(370)형이 조합되어 사용될 수 있다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 상기 투입노즐부(200)의 내부에 채워지는 축열성 소재의 복수의 예열비드(350)로 구비될 수 있다. 이때, 예열비드(350)는 높은 열용량을 가지는 축열성 소재로 구성될 수 있다.
가스예열부(300) 중 예열비드(350) 충전형의 경우에는, 다발튜브(310)형과는 달리 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 연통공(211)을 통해 접촉되면서 열교환하는 것은 아니나, 예열비드(350) 사이의 공극으로 투입된 반응가스가 유동하면서 반응가스의 이동경로가 길어지고, 가스예열부(300)와의 반응가스의 접촉면적이 증대되어 열교환의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 3a 및, 도 3c에 도시된 바와 같이, 분사구(251)가 형성된 상기 투입노즐부(200)의 내측 둘레방향에는 상기 예열비드(350)에 의해 폐쇄되는 것을 방지토록 제공되는 이격돌기(255)가 구비될 수 있다. 이격돌기(255)는 분사구(251)의 둘레방향을 따라 일정간격으로 이격 형성되고, 인접한 이격돌기(255) 사이의 간격은 예열비드(350)의 직경보다 작게 형성할 수 있다.
또한, 분사구(251)에는 투입노즐부(200)의 내부방향으로 연장형성되는 분사관(253)이 형성될 수 있고, 이때, 분사관(253)의 내측단부에는 이격돌기(255)가 형성되어 예열비드(350)에 의해 분사관(253)의 내측단부가 폐쇄되는 것을 방지할 수 있다.
도 6(c)에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)의 상측영역에 예열비드(350)가 충전되는 경우, 다발튜브(310)를 구성하는 튜브부재(311)의 단부에도 분사관(253)에 적용된 이격돌기(255)의 구성이 적용되어 튜브부재(311)의 단부가 예열비드(350)에 의해 폐쇄되는 것이 방지될 수 있음은 물론이다.
예열비드(350)는 열용량이 크고, 코크스오븐(10)으로 투입되는 반응가스와의 반응이 미미한 세라믹소재 또는 서스(SUS) 등의 금속소재로 구성될 수 있다.
구체적으로, 예열비드(350)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 중에서 선택된 어느 하나 또는 조합으로 구비될 수 있다. 또한, 예열비드(350)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), TiO2 및, BaO 중에서 선택된 어느 하나 또는 조합으로 구비될 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 상기 투입노즐부(200)의 내부에 충전되는 열전도성 소재의 다공성 메탈폼(370) 또는 메탈메쉬(370) 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 조합으로 구비될 수 있다.
메탈폼(370) 또는 메탈메쉬(370)는 열전도성이 우수한 금속성의 스크린메쉬로 구성될 수 있고, 스크린메쉬는 가스유입부(230)를 통해 투입노즐부(200)로 유입된 반응가스의 확산유로와 예열유로를 동시에 제공할 수 있다. 또한, 가스예열부(300)의 열전달율을 높이기 위해 공극이 큰 성긴메쉬와 공극이 작은 조밀메쉬를 조합하여 구성할 수 있다.
메탈폼(370)과 메탈메쉬(370)는 투입노즐부(200)의 내벽에 용접시켜 설치하는 방식에 의해 설치될 수 있다.
가스예열부(300) 중 다공성 메탈폼(370) 또는 메탈메쉬(370) 충전형 가스예열부(300)의 경우에는, 다발튜브(310)형과는 달리 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 연통공(211)을 통해 접촉되면서 열교환하는 것은 아니나, 다공성 메탈폼(370), 메탈메쉬(370)의 공극으로 투입된 반응가스가 유동하면서 반응가스의 이동경로가 길어지고, 가스예열부(300)와의 반응가스의 접촉면적이 증대되어 열교환의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 노즐본체부(210)의 중앙영역, 상부영역 및, 하부영역에 각각 상이한 형태의 가스예열부(300)가 조합된 형태로 구비될 수 있다.
노즐본체부(210)의 중앙영역에는, 상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재(311)가 구비되는 다발튜브(310)와, 상기 투입노즐부(200)의 내부에 제공되어 상기 다발튜브(310)를 지지하고, 상기 튜브부재(311)가 고정되는 복수의 고정공(331)이 형성된 고정판(330)을 구비하고, 상기 노즐본체부(210)의 상측영역과 하측영역의 적어도 어느 일측에는, 축열성축열성 소재의 예열비드(350), 다공성 메탈폼(370) 및, 다공성 메탈메쉬(370) 중에서 선택된 어느 하나가 충전될 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)의 중앙영역에는 다발튜브(310)와 고정판(330)을 포함하는 가스예열부(300)가 설치되고, 상부영역에는 열전도성 소재의 다공성 메탈폼(370) 및, 다공성 메탈메쉬(370)가 충전되고, 하부영역에는 축열성 소재의 예열비드(350)가 충전되는 가스예열부(300)가 설치될 수 있다.
가스예열부(300) 중 다발튜브(310)형의 가스예열부(300)의 경우에는 각각의 튜브부재(311)가 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 연통공(211)을 통해 접촉되면서 열교환하는바, 열교환의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
가스예열부(300) 중 예열비드(350) 충전형, 다공성 메탈폼(370) 또는 메탈메쉬(370) 충전형 가스예열부(300)의 경우에는, 다발튜브(310)형과는 달리 코크스오븐(10)의 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 연통공(211)을 통해 접촉되면서 열교환하는 것은 아니나, 예열비드(350)와 메탈폼(370), 메탈메쉬(370)의 공극으로 투입된 반응가스가 유동하면서 반응가스의 이동경로가 길어지고, 가스예열부(300)와의 반응가스의 접촉면적이 증대되어 열교환의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
하기되는 실험결과에 따르면, 다발튜브(310)형 가스예열부(300)의 경우가 예열비드(350)형이나 메탈메쉬(370)형에 비해 예열성능(예열된 토출온도) 및, CO2 전환율 면에서 보다 우수한 이점이 있다. 다만, 다발튜브(310)형의 경우는 분사구(251)가 형성된 노즐본체부(210)의 하측까지는 설치가 곤란한 문제가 있다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)에 설치되는 가스예열부(300)의 구성을 다양한 형태의 실시예를 조합하여 사용함으로써, 예열성능(예열된 토출온도) 및, CO2 전환율 면에서 보다 우수한 성능을 가질 수 있다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)의 중앙영역에는 다발튜브(310)와 고정판(330)을 포함하는 가스예열부(300)가 설치되고, 상부영역과 하부영역에는 열전도성 소재의 다공성 메탈폼(370) 및, 다공성 메탈메쉬(370)가 충전되는 가스예열부(300)가 설치될 수 있다.
도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)의 중앙영역에는 다발튜브(310)와 고정판(330)을 포함하는 가스예열부(300)가 설치되고, 상부영역과 하부영역에는 축열성 소재의 예열비드(350)가 충전되는 가스예열부(300)가 설치될 수 있다.
도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 노즐본체부(210)의 상측영역에 예열비드(350)가 충전되는 경우, 다발튜브(310)를 구성하는 튜브부재(311)의 단부에도 분사관(253)에 적용된 이격돌기(255)의 구성이 적용되어 튜브부재(311)의 단부가 예열비드(350)에 의해 폐쇄되는 것이 방지될 수 있음은 물론이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)는, 상기 가스유입부(230)가 형성된 상부투입노즐부(201)와, 상기 가스분사부(250)가 형성된 하부투입노즐부(202)로 구비될 수 있다.
이때 가스예열부(300)는 상기 상부투입노즐부(201)와 상기 하부투입노즐부(202)의 사이에 연계되어 설치될 수 있다. 즉, 가스예열부(300)의 상측에는 상부투입노즐부(201)가 결합되고, 하측에는 하부투입노즐부(202)가 결합될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가스예열부(300)는 다발튜브(310), 고정판(330) 및, 외부케이싱(340)을 포함할 수 있다.
가스예열부(300)는 상기 탄화실(100)로 투입되는 반응가스가 관통하는 복수의 튜브부재(311)로 구비되는 다발튜브(310)와, 상기 투입노즐부(200)의 내부에 제공되어 상기 다발튜브(310)를 지지하고, 상기 튜브부재(311)가 고정되는 복수의 고정공(331)을 구비하는 고정판(330) 및, 상기 다발튜브(310)와 상기 탄화실(100) 내부의 기체와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브(310)가 설치된 부분에 대응되는 부분에 형성된 복수의 연통공(341)이 구비되는 열전도성 재질의 외부케이싱(340)을 포함할 수 있다.
고정판(330)은 다발튜브(310)의 상단과 하단을 지지하도록 적어도 2개가 구비되어야 하고, 다발튜브(310)의 높이방향으로 일정간격 이격하여 복수개가 설치될 수 있다.
도 3b, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 가스분사부(250)는, 상기 노즐본체부(210)에 높이방향으로 이격 형성된 복수의 분사구(251)가 적어도 1열 이상 형성되고, 상기 분사구(251)에는 상기 투입노즐부(200)의 내면으로 연장 형성되는 분사관(253)이 설치될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 가스분사부(250)는 높이방향으로 이격된 복수의 분사구(251)가 형성되고, 상기 분사구(251)는 2열로 형성되며, 각열의 분사구(251)는 각각 인접한 측벽(14)방향으로 반응가스를 분사하도록 인접한 측벽(14) 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치될 수 있고, 상기 탄화실(100)의 측벽(14) 부착된 탄소화합물(K)의 높이와 대응되는 높이에 배치될 수 있다.
코크스오븐(10)에 저장된 원료에서 상승하는 가스와의 가스투입부를 통해 탄화실(100) 내부로 분사되는 반응가스의 반응성 향상을 위해, 분사구(251)는 높이방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 배치될 수 있다.
또한, 분사구(251)는 측벽(14)에 부착된 탄소화합물(K)과의 유효접촉충돌을 높여 가스상승관으로 배출되는 코크스오븐(10) 가스를 증량시키도록, 상기 분사구(251)는 상기 탄화실(100)의 측벽(14)방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 배치될 수 있다.
분사구(251)에는 상기 투입노즐부(200)의 내면으로 연장형성되는 분사관(253)이 설치될 수 있다. 분사관(253)이 설치되지 않을 경우 분사구(251)를 통해 분사된 반응가스가 쉽게 분산되면서, 원하는 방향으로 기류를 형성할 수 없는 바, 반응가스가 분사관(253)을 통해 분사되면서 탄화실(100)의 가스웨이에 원하는 방향으로 기류를 형성할 수 있다.
다발튜브(310)를 구성하는 튜브부재(311)의 내경 및 예열비드(350)의 사이즈는 반응투입가스의 유량, 전열계수, 전도도, 및 전열면적, 재료 열용량 등을 고려하여 전열효과가 극대화되도록 하여야 하며, 특히 전열계수의 극대화를 위해 투입가스가 층류 [層流, laminar flow] 가 아닌 난류(turbulent flow)가 형성되는 영역에서 튜브 내경 및 예열비드 를 선정하는 것이 중요하다.
다음으로, 도 1 내지 도 7을 참조하여 투입방법에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투입방법은 (a)~(d)단계를 포함할 수 있다.
코크스오븐(10)의 반응가스 투입방법은 상기 투입노즐부(200)를 상기 탄화실(100)의 내부로 하강시켜 상기 가스예열부(300)를 고온의 탄화실(100)에 노출시켜 가스예열부(300)를 예열하는 (a) 단계와, 상기 투입노즐부(200)가 설정한 온도에 도달여부를 감지하는 (b) 단계와, 상기 투입노즐부(200)가 설정한 온도에 도달시, 상기 투입노즐부(200)를 통해 반응가스를 탄화실(100)의 내부로 공급하는 (c) 단계 및, 상기 투입노즐부(200)를 통해 예열된 상기 반응가스를 상기 탄화실(100) 내부의 탄소화합물을 반응시키는 (d) 단계를 포함할 수 있다.
(a) 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)와 가스예열부(300)를 탄화실(100)의 내부로 하강시키고, 가스예열부(300)와 탄화실(100) 내부의 고온의 환경과 열교환시켜 가스예열부(300)의 온도를 높이는 단계이다. 이때, 탄화실(100) 내부, 투입노즐부(200) 및, 가스예열부(300)의 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록, 노출될 필요가 있다.
(b) 단계는 투입노즐부(200)가 설정한 온도에 도달여부를 감지하는 단계로, 도 2에 도시된 바와 같이, 투입노즐부(200)에 설치된 온도감지부(400)에서 투입노즐부(200)의 온도를 감지하여 감지된 온도를 제어부(600)로 전송하는 단계이다.
(c) 단계는 온도감지부(400)에서 감지된 온도가 투입노즐부(200)가 설정한 온도에 도달시, 상기 투입노즐부(200)를 통해 반응가스를 탄화실(100)의 내부로 공급하는 단계이다.
(d) 단계는 투입노즐부(200)를 통해 예열된 상기 반응가스를 상기 탄화실(100) 내부의 탄소화합물을 반응시키는 단계이다.
구체적으로, 고온의 코크스오븐(10) 탄화실(100)에 반응가스(CO2, H2O 등)을 투입하여 일산화탄소(CO) 및 수소(H2), 메탄(CH4) 등을 포함한 가연성 가스로 전환하는 코크스오븐(10) 가스 증량방법은 반응가스가 가스웨이를 통해 흘러감으로 탄화실(100)의 가스웨이의 내부에 노출 및 고착된 부착카본 등의 탄소화합물과의 접촉이 핵심적인 반응경로이다. 주요 반응은 다음과 같다.
Figure 112014123257616-pat00001
Figure 112014123257616-pat00002
도 1에 도시된 바와 같이, 탄화실(100) 내부로 반응가스를 공급하면, 이산화탄소(CO2) 또는 물(H2O)과 탄소화합물의 탄소(C)가 접촉하여 반응하며 현열을 흡수하여 일산화탄소(CO)로 전환된다.
또한, 일산화탄소(CO)와 함께 배출되는 수소가스(H2)는 연료 또는 다른 공정물질로 사용될 수 있다.
이하에서는, [실험 1]과 [실험 2]에 따른 이산화탄소의 평균토출온도, CO2 평균전환율을 측정하였다.
[실험 1]
본 발명의 다양한 형태의 가스예열부(300)를 통해 투입노즐부(200)의 가스분사부(250)에서 나오기 직전의 이산화탄소(CO2)의 온도를 하기되는 조건 1 내지 4에서 측정하였다.
구체적으로, 투입노즐부(200)의 직경은 80mm, 길이는 1600mm로 동일하게 구성하고, 투입노즐부(200)를 현장에 설치된 코크스오븐(10) 탄화실(100)에 설치하고, 탄화실(100)의 온도는 1150도로 설정하였다.
이와 같은 조건하에서, 가스분사부(250)에서 분사되는 이산화탄소의 토출평균온도는 아래와 같았다.
조건 1: 투입노즐부(200)에 가스예열부(300)가 설치되지 않은 경우, 토출평균온도는 700℃ 내외로 측정되었다.
조건 2: 도 3a에 도시된 다발튜브(310)형 가스예열부(300)의 경우, 토출평균온도는 850℃ 내외로 측정되었다.
조건 3: 도 5의 (a)에 도시된 메탈메쉬(370)형 가스예열부(300)의 경우 토출평균온도는 800℃ 내외로 측정되었다.
조건 4: 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 알루미나(Al2O3) 및, 지르코니아(ZrO2) 성분의 예열비드(350)를 충전한 예열비드(350)형 가스예열부(300)의 경우 토출평균온도는 800℃ 내외로 측정되었다.
조건 3과 조건 4의 경우는, 미세한 차이를 보이기는 하나, 예열비드(350)형 가스예열부(300)(조건 4)의 경우 토출온도의 평균값은 805℃ 정도이고, 메탈메쉬(370)형(조건 3)의 경우 토출온도의 평균값은 795℃ 정도로 예열비드(350)형 가스예열부(300)가 미세하게 높은 토출온도를 가지는 것으로 측정되었다.
결과적으로, 가스분사부(250)에서 분사되는 이산화탄소의 토출평균온도는 다발튜브(310)형 가스예열부(300)(조건 2)가, 예열비드(350)형 가스예열부(300)(조건 4) 및, 메탈메쉬(370)형 가스예열부(300)(조건 3)에 비해 상대적으로 높은 것으로 측정되었다.
따라서, 다발튜브(310)형 가스예열부(300)가 예열성능면에서 보다 우수한 이점이 있다. 다만, 다발튜브(310)형의 경우는 분사구(251)가 형성된 노즐본체부(210)의 하측까지는 설치가 곤란한 문제가 있어 도 6에 도시된 바와 같은 다발튜브(310)형, 예열비드(350)형, 메탈폼(370)형 또는 메탈메쉬(370)형이 조합되어 사용될 수 있다.
[실험 2]
가스예열부(300)의 적용여부 및, 적용된 가스예열부(300)의 실시형태에 따라 투입된 CO2 전환율에 미치는 영향을 평가하기 위해, 하기되는 조건 1 내지 3의 경우에 대해 실 코크스오븐(10) 취입 실험을 실시하였다.
구체적으로, 코크스오븐(10)에는 1개의 투입노즐부(200)가 설치되는, 투입노즐부(200)에는 2열의 분사구(251)가 형성되고, 각열의 분사구(251)는 높이방향으로 각각 6개의 분사구(251)가 높이방향으로 이격설치되고, 투입노즐부(200)의 직경은 80mm, 길이는 1600mm로 동일하게 구성하고, 투입노즐부(200)를 현장에 설치된 코크스오븐(10) 탄화실(100)에 설치하고, 이때, 탄화실(100)의 양 측벽(14)의 온도는 1150도였다.
CO2 투입 실험은 코크스오븐(10)에 탄건류가 시작되는 시점에서 14시간이 지난 후 1Nm3/min CO2 를 6시간 정도 투입노즐부(200)를 도 2에 도시된 바와 같이 배치한 상태에서 투입하였다.
반응가스가 투입노즐부(200) 설치위치와 탄화실(100)의 전면벽 사이에 발생하는 미활용공간을 최대한 활용하기 위해 투입가스를 상승관 반대 방향인 탄화실(100)의 전면벽 방향으로 분사하였다.
상기 모든 경우 CO2 가 일산화탄소 등으로 전환되는 정도를 확인하기 위해 CO2를 투입하지 않은 경우에 발생하는 CO2량을 빼준 순수 CO2 투입량이 반응하지 않고 CO2로 배출되는 양을 분석하여 아래와 같은 식으로 CO2 전환율을 계산하였다.
CO2 전환율 = [(투입CO2량 - 순수 미반응 CO2량)/ 투입CO2량] *100
본 실험에서 CO2량은 가스분석기를 이용하여 CO2 농도를 분석하고 Ar 을 이용한 내부표준물질기법을 이용하여 유량을 평가하여 이들의 곱으로 계산하였다.
상기에서 얻어진 실험 결과 각각 CO2 평균 전환율은 아래와 같았다.
조건 1: 투입노즐부(200)에 가스예열부(300)가 설치되지 않은 경우, CO2 평균전환율은 40%로 측정되었다.
조건 2: 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 알루미나(Al2O3) 예열비드(350)를 충전한 예열비드(350)형 가스예열부(300)의 경우, CO2 평균전환율은 55%로 측정되었다.
조건 3: 도 3a에 도시된 다발튜브(310)형 가스예열부(300)의 경우, CO2 평균전환율은 65%로 측정되었다.
이와 같이, 가스예열부(300)의 설치여부와 가스예열부(300)의 형태에 따라, 조건 1 내지 3의 경우에는 CO2 평균전환율이 5~15%까지 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7의 실험결과를 참조하면, 조건 1과 같이, 예열비드(350)가 충전되지 않은 경우, 탄화실(100) 전면벽에 인접한 1번 장입구에서 4번 장입구에서의 가스웨이의 온도하강이 88도로 측정되었다.
조건 2와 같이, 투입노즐부(200)에 예열비드(350)가 충전된 경우는 탄화실(100) 전면벽에 인접한 1번 장입구에서 4번 장입구에서의 탄화실(100)의 가스웨이의 온도하강이 47도로 측정되었다.
이와 같이, 투입노즐부(200)에 예열비드(350)가 충전되는지 여부에 따라 상승관에 인접한 지역의 가스웨이 온도하상이 40도 이상의 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 예열비드(350)가 충전되지 않은 경우가 충전된 경우에 비해, 탄화실(100)의 가스웨이의 온도가 미세하게 높게 설정되었음에도 불구하고, 보다 큰 온도강하를 보이는 것을 알 수 있다.
먼저, 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 코크스오븐 11: 상승관
13: 장입구 14: 측벽
15: 도어 20: 압출기
21: 램 30: 장입차
100: 탄화실 200: 투입노즐부
201: 상부투입노즐부 202: 하부투입노즐부
210: 노즐본체부 211: 연통공
230: 가스유입부 250: 가스분사부
251; 분사구 253: 분사관
255: 이격돌기 300: 가스예열부
310: 다발튜브 311: 튜브부재
330: 고정판 331: 고정공
340: 외부케이싱 341: 연통공
350: 예열비드 370: 메탈폼, 메탈메쉬
400: 온도감지부 500: 반응가스공급부
600: 제어부 C: 석탄
K: 부착된 탄소화합물

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 코크스로 건류되는 석탄이 저장되는 탄화실;
    상기 탄화실에 제공되어, 상기 탄화실의 내부로 반응가스를 공급하는 투입노즐부; 및,
    상기 투입노즐부에 구비되고, 상기 탄화실의 내부의 열을 매개로 상기 투입노즐부를 통해 상기 탄화실의 내부로 공급되는 상기 반응가스를 가열토록 제공되는 가스예열부;를 포함하고,
    상기 투입노즐부는,
    상기 가스예열부가 설치되는 노즐본체부;
    상기 노즐본체부의 일측에 제공되어 상기 반응가스가 유입되는 가스유입부; 및,
    상기 노즐본체부의 타측에 제공되어 상기 가스예열부를 통해 가열된 상기 반응가스가 상기 탄화실로 분사되는 가스분사부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스예열부는,
    상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재가 구비되는 다발튜브와,
    상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공이 형성된 고정판을 구비하고,
    상기 노즐본체부는,
    상기 다발튜브와 상기 탄화실 내부와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브가 설치된 부분에 대응되는 부분에 복수의 연통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가스예열부는 상기 투입노즐부의 내부에 채워지는 축열성소재의 복수의 예열비드로 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예열비드는 알루미나(Al2O3) 및, 지르코니아(ZrO2) 또는 금속재질 중에서 선택된 어느 하나 또는 조합으로 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가스예열부는 상기 투입노즐부의 내부에 충전되는 축열성 소재의 예열비드, 열전도성 소재의 다공성 메탈폼 및, 열전도성 소재의 다공성 메탈메쉬 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 조합으로 구비되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  7. 제3항에 있어서, 상기 가스예열부는,
    상기 노즐본체부의 중앙영역에는,
    상기 반응가스가 내부로 관통하는 복수의 튜브부재가 구비되는 다발튜브와, 상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공이 형성된 고정판을 구비하고,
    상기 노즐본체부의 상측영역과 하측영역의 적어도 어느 일측에는,
    축열성 소재의 예열비드, 열전도성 소재의 다공성 메탈폼 및, 열전도성 소재의 다공성 메탈메쉬 중에서 선택된 어느 하나가 충전되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  8. 제2항에 있어서, 상기 투입노즐부는,
    상기 가스유입부가 형성된 상부투입노즐부와, 상기 가스분사부가 형성된 하부투입노즐부로 구비되고,
    상기 가스예열부는 상기 상부투입노즐부와 상기 하부투입노즐부의 사이에 연계되어 설치되고,
    상기 가스예열부는,
    상기 탄화실로 투입되는 반응가스가 관통하는 복수의 튜브부재로 구비되는 다발튜브;
    상기 투입노즐부의 내부에 제공되어 상기 다발튜브를 지지하고, 상기 튜브부재가 고정되는 복수의 고정공을 구비하는 고정판; 및,
    상기 다발튜브와 상기 탄화실 내부의 기체와의 열전달율이 향상되도록, 상기 다발튜브가 설치된 부분에 대응되는 부분에 형성된 복수의 연통공이 구비되는 열전도성 재질의 외부케이싱;을 포함하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 투입노즐부는 복수 개로 구비되고, 각각의 측벽에 적어도 하나 이상의 상기 투입노즐부가 인접하게 배치되도록 구비되고,
    각각의 상기 투입노즐부는 상기 탄화실의 인접한 측벽으로 상기 반응가스를 분사하도록 상기 측벽 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  10. 제2항에 있어서, 상기 가스분사부는,
    상기 노즐본체부에 높이방향으로 이격 형성된 복수의 분사구가 형성되고, 상기 분사구에는 상기 투입노즐부의 내면으로 연장 형성되는 분사관이 설치되고,
    상기 분사관은,
    상기 탄화실의 인접한 측벽으로 상기 반응가스를 분사하도록 상기 측벽 방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치되고, 높이방향으로 -5~30도의 분사각을 가지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투입노즐부는 상기 탄화실 내부의 전면벽에 인접하게 제공되고, 상승관은 상기 탄화실의 내부의 후면벽에 인접하게 제공되며,
    상기 투입노즐부는 상기 상승관의 반대방향인 상기 탄화실의 전면벽 방향으로 상기 반응가스를 분사하여 상기 상승관 방향으로 기류를 형성하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐.
  12. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 코크스오븐의 반응가스 투입방법이고,
    상기 투입노즐부를 상기 탄화실의 내부로 하강시켜 상기 가스예열부를 고온의 탄화실에 노출시켜 가스예열부를 예열하는 단계;
    상기 투입노즐부가 설정한 온도에 도달여부를 감지하는 단계;
    상기 투입노즐부가 설정한 온도에 도달시, 상기 투입노즐부를 통해 반응가스를 탄화실의 내부로 공급하는 단계; 및,
    상기 투입노즐부를 통해 예열된 상기 반응가스를 상기 탄화실 내부의 탄소화합물을 반응시키는 단계;를 포함하는 코크스오븐의 반응가스 투입방법.
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