KR102528277B1

KR102528277B1 - 용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102528277B1
Application number: KR1020150182880A
Authority: KR
Inventors: 최재훈; 서영대; 김현용; 이승재; 이상만
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2023-05-04
Also published as: CN106929078A; CN106929078B; KR20170074271A

Abstract

본 발명은 미점탄을 사용하여 용융가스화로에서 사용할 수 있으면서 슬릿형 코크스 오븐에서 압출이 가능한 용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용융가스화로용 코크스는 슬릿형 코크스 오븐에서 건류되어 압출이 가능한 용융가스화로용 코크스로서, 미점탄을 80wt% 이상 포함하는 배합탄이고, 휘발분(Vm) 함량이 28 ~ 33%이며, 석탄화도(Rm)가 0.8% 이상인 것이 바람직하다.

Description

용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법{COKE FOR MELTER-GASIFIER AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미점탄을 사용하여 용융가스화로에서 사용할 수 있으면서 슬릿형 코크스 오븐에서 압출이 가능한 용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 제철공장에서는 용선을 고로법에 의하여 생산하고 있다. 고로에서의 용선 생산을 위해서는 소결광과 코크스(Coke)를 준비하게 되는데, 고로에서의 조업안정과 생산성 증대 측면에서 강도가 높은 코크스를 선호하고 있으며, 코크스 오븐(Coke Oven)에서도 강도가 높은 코크스의 제조에 집중하고 있다.

코크스의 강도는 여러 가지 측정 방법이 있으며, 여러 측정 방법 중 하나가 냉간강도(Drum Index; DI)이다. DI 값이 높을수록 미분으로 분화되는 코크스 함량이 낮은 고강도 코크스라고 말할 수 있다. 통상 대형 고로에 사용되는 코크스의 DI 강도는 85% 이상이 사용되고 있다.

한편, 고로법에 의하면 석탄을 코크스로 제조하기 위한 코크스 제조 설비, 철광석의 소결 과정을 위한 소결 설비 등의 부대 설비가 마련되어야 한다. 또한, 이러한 부대 설비로부터는 환경오염 물질이 배출되므로 고로법에 의하면 부대 설비들과 함께 환경오염 물질을 정화시키기 위한 정화 설비가 마련되어야 한다.

그래서, 현재 철강업계에서는 고로법이 용융환원법으로 대체되고 있다. 용융환원법은 파이넥스(FINEX) 공법이라고도 칭해진다. 파이넥스 공정은 일반적으로 분철광을 환원시키는 유동환원로(Fluidized Bed), 환원된 분철광과 일반탄을 용융시켜 용선을 제조하고 가스 생산을 목적으로 용융가스화로 및 FOG(FINEX Off Gas) 중의 이산화탄소를 저감시키는 CO₂ PSA로 구성되어 있다.

특히, 용융가스화로는 냉간 및 열간 강도가 낮은 괴탄 또는 성형탄을 주로 사용하지만, 용융가스화로의 통기 통액성 증대 목적으로 코크스를 일부 사용하고 있다. 현재 가동중인 용융가스화로는 고로보다 크기가 작기 때문에 고강도 코크스의 사용이 필요 없지만, 용융가스화로에 적합한 저강도의 코크스가 제조되고 있지 않기 때문에 고가의 고강도 코크스를 공급받아서 사용하고 있다.

한편, 용융가스화로의 통기 통액성 증대 목적으로 미분 석탄을 미리 성형한 다음 이를 용융가스화로에 사용하는 방법(공개특허공보 제10-2002-0050084호)도 제안되어 사용되고 있다. 하지만, 성형탄을 제조하기 위하여 별도의 성형 설비를 구축하여야 하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명에서는 종래의 고로용 코크스를 제조하는 설비를 이용하여 FINEX 용융가스화로에 사용되는 저강도의 코크스를 제조하는 기술을 제안하였다.

공개특허공보 제10-2002-0050084호(2002. 06. 26.)

본 발명은 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 생산하면서도 가격이 저렴하고, 용융가스화로 내 통기성을 향상시킬 수 있도록 일정수준 이상의 강도를 확보할 수 있는 용융가스화로용 코크스 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 용융가스화로용 코크스는 슬릿형 코크스 오븐에서 건류되어 압출이 가능한 용융가스화로용 코크스로서, 미점탄을 80wt% 이상 포함하는 배합탄이고, 휘발분(Vm) 함량이 28 ~ 33%이며, 석탄화도(Rm)가 0.8% 이상인 것이 바람직하다.

이때 상기 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75% 이상인 것이 바람직하다.

특히, 상기 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75 ~ 85%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용융가스화로용 코크스의 제조방법은 용융가스화로용 코크스를 제조하는 방법으로서, 미점탄을 80wt% 이상 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와; 준비된 배합탄을 코크스 오븐에 장입하여 건류하는 단계와; 건류된 코크스를 압출하여 코크스 오븐에서 배출시키는 단계를 포함한다.

상기 배합탄을 준비하는 단계에서 배합탄의 휘발분(Vm) 함량은 28 ~ 33%이고, 석탄화도(Rm)는 0.8% 이상인 것이 바람직하다.

상기 건류하는 단계에서 건류된 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75 ~ 85%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저가인 미점탄의 배합비가 80% 이상의 배합탄을 사용하여 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 압출 가능한 저강도 코크스를 생산할 수 있기 때문에 배합탄의 원가가 저렴하므로 저가의 코크스를 제조할 수 있다. 또한, 휘발분 함량이 높은 미점탄의 사용으로 타르와 조경유 등 고가의 부산물 회수율을 증대할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 고강도 코크스가 불필요한 파이넥스 용융가스화로에 저강도 코크스를 사용할 수 있어 용선 제조 원가를 저감할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융가스화로용 코크스의 제조방법을 보여주는 순서도이다.

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

먼저, 용융가스화로에서 저강도의 코크스를 사용하는 이유에 대하여 설명한다. 이때 저강도라 함은 일반적인 고로에 사용되는 코크스에 요구되는 강도보다 낮은 수준의 강도 조건을 의미하는 것이다.

저강도의 코크스를 사용하는 이유는 코크스 오븐에서 생산되는 코크스는 괴탄과 성형탄보다는 열간 강도가 높기 때문에 통기성 확보에 도움이 될 것으로 예상하기 때문이다. 즉, 고로용 코크스보다는 강도가 낮지만 괴탄과 성형탄 보다는 강도가 높은 코크스를 제조하면 용융가스화로에는 사용 가능할 것으로 예상되기 때문이다.

그러나, 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 고강도 코크스를 제조하는 것은 일반화되어 있으나, 강도가 특별히 낮은 코크스를 제조하는 것도 쉬운 일이 아니다. 그 이유는, 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 제조된 코크스를 코크스 오븐의 밖으로 배출하는 방법은 기계적인 힘으로 코크스를 밀어서 압출하기 때문이다. 즉, 강도가 너무 낮은 코크스가 제조됨으로써 압출이 되지 않고 코크스 오븐 내에서 부서진다면 연속공정으로 코크스를 제조할 수 없는 조업장애가 발생되기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 건류된 코크스의 압출 작업시 조업 장애가 없는 저강도 코크스를 제조하는 기술을 제공하는 것이다.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 용융가스화로용 코크스는 미점탄을 80wt% 이상 포함하는 배합탄이고, 휘발분(Vm) 함량이 28 ~ 33%이며, 석탄화도(Rm)가 0.8% 이상이다. 그리고 코크스의 냉간강도(DI 강도)는 75% 이상, 바람직하게는 75 ~ 85% 수준을 유지하는 것이 바람직하다.

코크스 제조용 석탄은 코크스 강도 향상에 도움이 되는 고가의 강점탄과 강도 향상보다는 제조 원가저감에 필요한 저가의 미점탄으로 구분되는데, 본 발명에서는 배합탄을 배합함에 있어 미점탄을 80wt% 이상 함유하고 나머지를 강점탄으로 배합하는 것이 바람직하다. 물론 미점탄을 단독으로 사용할 수도 있다.

일반적인 고로용 코크스를 제조하기 위해서는 배합탄 중 미점탄의 비율을 50wt% 이하로 한정하는 반면에, 본 실시예에서는 미점탄의 비율을 80wt% 이상으로 한정한다. 이렇게 미점탄을 80wt% 이상 함유하면서 냉간강도(Drum Index; DI)를 75% 이상 유지하기 위하여 본 발명에서는 배합탄의 휘발분 함량(Vm)과 석탄화도(Rm)를 한정한다.

석탄의 물성은 크게 석탄화도를 나타내는 비트리나이트 평균 반사율 Rm과 건류 과정에 나타나는 석탄의 점결성을 나타내는 유동도를 활용하는 것이다. 전자는 광학현미경으로 석탄의 조직 관찰하여 얻어지는 값이며, 후자는 기슬러 플라스토미터(Gieseler Plastormeter)라고 하는 측정장치로부터 얻어지는 값이다.

일반적으로 코크스의 강도는 코크스를 구성하는 기공율과 기공 분포 등의 기공 특성과 기공벽의 두께와 강도에 의하여 결정된다. 기공벽은 탄소를 중심으로 하는 다양한 코크스 조직을 이루고 있으며, 탄소 함량이 높은 고석탄화도 석탄, 즉 Rm이 높은 석탄일수록 기공벽 강화에 유리하다. 또한, 코크스 기공벽의 조직은 광학적 이방성 조직이 발달될수록 코크스 강도는 향상된다. 이방성 조직은 석탄이 건류 중 350~500℃ 온도영역에서 용융 점도가 낮을수록(유동성이 클수록) 열분해 성분의 중합반응이 촉진되어 거대 조직으로 성장하므로 강도 향상에 기여하게 된다. 따라서, 배합탄의 유동도와 석탄화도 향상은 용융단계에서 코크스 조직 개선 효과를 부여하기 때문에 최종적으로 얻어지는 코크스 강도가 향상되게 된다.

한편, 대부분의 미점탄은 석탄화도가 낮기 때문에 코크스 강도가 낮으며, 일부 미점탄은 석탄화도는 강점탄 수준으로 높지만 점결성이 너무 부족하여 코크스 강도가 낮은 특징을 보인다.

따라서, 본 실시예에서는 석탄의 유동도를 결정하는 주요 요인인 배합탄의 휘발분 함량(Vm)과 함께 석탄화도(Rm)의 수치범위를 한정하여 용융가스화로에서 사용할 수 있는 수준의 강도를 유지할 수 있는 코크스를 생산하는 것이다. 이를 위하여 본 실시예에서는 휘발분(Vm) 함량을 28 ~ 33%로 한정하고, 석탄화도(Rm)를 0.8% 이상으로 한정한다. 배합탄의 휘발분 함량(Vm)과 석탄화도(Rm)의 수치범위를 한정하는 이유에 대해서는 비교예와 실시예를 토대로 설명하도록 한다.

한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융가스화로용 코크스의 제조방법을 보여주는 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 용융가스화로용 코크스의 제조방법은 배합탄의 물성을 조절하여 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 코크스를 제조하여 DI 강도가 75% 이상인 코크스를 제조하기 위한 방법으로서, 크게 미점탄을 80wt% 이상 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와; 준비된 배합탄을 코크스 오븐에 장입하여 건류하는 단계와; 건류된 코크스를 압출하여 코크스 오븐에서 배출시키는 단계를 포함한다.

이때 배합탄을 준비하는 단계에서는 1종 이상의 미점탄 및 강점탄을 사용하여 배합탄을 준비하되, 미점탄의 비율을 80wt% 이상 함유하여 배합탄을 원가를 절감시킨다. 다만, 원하는 수준의 DI 강도 확보를 위하여 미점탄의 물성, 예를 들어, 휘발분(Vm) 함량을 28 ~ 33%로 한정하고, 석탄화도(Rm)를 0.8% 이상으로 한정하는 것이 바람직하다.

한편, 건류하는 단계와 배출시키는 단계는 일반적인 슬릿형 코크스 오븐에서 코크스를 제조하기 위하여 진행되는 조업과 동일하게 진행된다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융가스화로용 코크스를 제조함에 있어서 휘발분(Vm) 함량과 석탄화도(Rm)을 한정하는 이유를 비교예와 실시예를 비교하여 설명한다.

일반적인 코크스 오븐은 폭이 0.45m 내외이고, 길이는 16m 이상으로 긴 슬릿형 구조로 되어 있으며 양쪽 끝을 Door로 닫은 후 내부에 석탄을 투입하여 건류한다. 1100℃ 이상의 고온 건류가 완료된 코크스는 양쪽 도어를 열고, 한쪽에서 기계적인 힘으로 코크스 층을 밀어서 반대쪽으로 압출한다. 이때, 코크스 강도가 높으면 높은 압출력이 가해져도 코크스 층이 안정한 것을 의미하므로 압출이 용이하지만, 코크스 강도가 너무 낮으면 코크스 층이 압출 과정에 많이 파손되면서 압출 장애의 가능성이 발생된다. 따라서, 미점탄으로부터 제조함에 있어 코크스 강도 향상은 기존의 용광로용의 고강도 코크스 보다는 낮지만 압출이 가능한 수준의 강도는 필수적이라고 할 수 있다.

이에, 실험실에서 배합설계한 배합탄과 실로에서 미점탄 배합비가 80%인 실조업 배합탄을 Test Oven을 이용하여 코크스를 제조하고 코크스 강도를 비교하는 많은 실험을 통하여 압출 가능한 미점탄 배합 조건을 도출하고자 하였다.

하기의 표 1의 비교예 1 내지 비교예 6은 코크스 제조에 사용되는 미점탄의 물성과 40kg/charge 규모의 Test Oven에서 제조한 코크스의 강도를 나타낸 것이다. 비교예 1 내지 비교예 5는 석탄화도(Rm)가 0.8% 보다 낮고, 휘발분 함량(Vm)이 28% 보다 높고, 비교예 6은 석탄화도가 0.8% 보다 높고, 휘발분 함량(Vm)은 28%보다 낮았다.

석탄명	석탄 물성				Coke 강도	비고
석탄명	Ash,%	VM,%	Rm,%	LMF	DI,%	비고
A	8.8	38.1	0.67	3.69	57.7	비교예 1
B	8.5	34.1	0.71	1.71	65.3	비교예 2
C	9.4	36.1	0.71	2.53	67.9	비교예 3
D	7.6	38.1	0.72	4.70	68.7	비교예 4
E	8.3	34.8	0.78	3.76	61.8	비교예 5
F	9.5	25.4	0.97	1.22	69.5	비교예 6

표 1에서 알 수 있듯이 석탄화도(Rm)가 0.8% 보다 낮거나 휘발분 함량(Vm)이 28% 보다 낮으면 코크스의 강도가 원하는 수준(DI 강도: 75% 이상)으로 유지되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이때 Ash의 함량 및 유동성 지수(LMF)와 코크스의 DI 강도는 상관관계가 도출되지 않았다.

그리고, 미점탄의 배합비율을 다르게 하면서 DI 강도를 측정하는 실험을 실시하였고 그 결과를 하기의 표 2에서 나타내었다.

배합탄명	배합탄 물성					Coke 강도	비고
배합탄명	미점탄 배합비,%	Ash,%	VM,%	Rm,%	LMF	DI,%	비고
BA	52	8.9	25.2	1.10	2.57	79.2	비교예 7
BB	80	8.9	28.5	0.94	2.60	75.1	실시예 1
BC	100	8.7	31.3	0.90	2.77	75.4	실시예 2
BD	100	8.3	28.3	1.03	2.60	77.5	실시예 3
BE	100	9.4	31.0	0.85	2.76	76.1	실시예 4
BG	100	8.6	35.6	0.68	3.16	70.1	비교예 8

표 2에 나타난 바와 같이 비교예 7은 고로용 코크스를 제조하는 배합탄(미점탄 배합비: 52%)으로부터 Test Oven으로 코크스를 제조하고 강도를 평가한 것이다. 비교예 7은 휘발분 함량(Vm)이 25.2%로 낮고, 석탄화도(Rm)는 1.10%으로 높았으며, 이때 코크스의 DI 강도는 79.2%로 높은 값을 나타내고 있다.

그러나, 실시예 1은 미점탄 배합비 80%인 테스트 조업 배합탄의 물성과 Test Oven에서 제조한 Coke 강도를 나타낸 것이다. 미점탄 배합비가 80%로 높아졌기 때문에 배합탄의 휘발분 함량(Vm)이 28.5%까지 상승하였으며 석탄화도(Rm)는 0.94%로 감소하였음을 알 수 있다. 또한, Test Oven에서 제조한 DI 강도는 75.1%로 낮은 값을 나타내었다. 동시에 동일 배합탄을 통상의 슬릿형 코크스 오븐에서 제조한 결과, DI 강도는 81.2% 이었으며 압출장애 없이 조업하였으므로 DI 강도가 75.0% 이상이면, 압출장애를 방지할 수 있는 수준의 강도로 설정할 수 있는 근거로 하였다.

한편, 실시예 2 내지 실시예 4는 미점탄 100% 배합탄에 대한 DI 강도를 평가한 것이다. 미점탄 100% 배합탄의 경우 휘발분 함량(Vm)은 28%, 석탄화도(Rm)는 0.82% 이상으로 제어한 경우, Test Oven에서 제조한 DI 강도가 모두 75% 이상의 높은 값을 나타내는 것으로부터 이들 배합탄은 통상의 슬릿형 코크스 오븐에서 압출 조업이 가능할 것으로 예상할 수 있다.

그러나, 비교예 8에 나타낸 바와 같이, 미점탄 100%의 배합탄이라도 석탄화도(Rm)가 0.8% 미만으로 낮은 경우에는 DI 강도가 70.1%로 낮은 값을 나타내었으므로, 압출 가능성을 고려하면 통상의 슬릿형 코크스 오븐 조업에는 부적합할 것으로 판단된다.

다음으로, 코크스의 압출성과 강도에 대한 추가 정보를 얻기 위하여 400kg/charge 대형 Test Oven으로 실험하였다.

대형오븐을 사용하는 경우, 통상의 슬릿형 코크스 오븐과 유사한 DI 강도 값을 얻기 위하여 일정조건으로 코크스를 안정화시킨 후에 강도를 측정하였다.

표 3은 대형 Test Oven 및 실로 조업 배합탄의 DI 강도를 나타낸다.

배합탄명	배합탄 물성				Coke 강도	비고
배합탄명	Ash,%	VM,%	Rm,%	LMF	DI,%	비고
BH	8.6	35.6	0.69	3.10	57.8	비교예 9
BI	9.4	31.0	0.82	3.10	82.6	실시예 6
BH-P	8.6	35.6	0.69	3.10	70.1	비교예 9-1
BI-P	9.4	31.0	0.82	3.10	77.5	실시예 6-1

비교예 9의 경우, 석탄화도가 0.68% 낮은 배합탄의 Coke 강도는 57.8로 특히 낮음을 알 수 있으며, 비교예 9-1은 동일한 배합탄을 40kg급 Test Oven에서 제조한 경우 Coke DI 강도가 70.1%를 나타냄으로써 저강도 Coke의 한계값으로 판단된 75%보다 낮음을 알 수 있었다.

실시예 6과 같이 배합탄의 석탄화도(Rm)가 0.82% 이상인 경우에는 400kg급 오븐에서 제조한 Coke 강도가 82.6% 로 충분히 높은 것으로부터 압출장애 없는 조업이 예상 할 수 있다. 또한 이들을 40 kg급 Test Oven으로 평가한 결과, 실시예 6-1과 같이 DI 강도가 77.5%를 나타내므로 압출성에는 문제가 없는 저강도 Coke가 제조할 수 있음을 알 수 있다.

삭제

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

삭제

Claims

슬릿형 코크스 오븐에서 건류되어 압출이 가능한 용융가스화로용 코크스로서,
미점탄을 80wt% 이상 포함하는 배합탄이고, 휘발분(Vm) 함량이 28 ~ 31.3%이며, 석탄화도(Rm)가 0.82% 이상인 것을 특징으로 하는 용융가스화로용 코크스.
청구항 1에 있어서,
상기 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75% 이상인 것을 특징으로 하는 용융가스화로용 코크스.
청구항 1에있어서,
상기 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75 ~ 85%인 것을 특징으로 하는 용융가스화로용 코크스.
용융가스화로용 코크스를 제조하는 방법으로서,
미점탄을 80wt% 이상 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와;
준비된 배합탄을 코크스 오븐에 장입하여 건류하는 단계와;
건류된 코크스를 압출하여 코크스 오븐에서 배출시키는 단계를 포함하고,
상기 배합탄을 준비하는 단계에서 배합탄의 휘발분(Vm) 함량은 28 ~ 31.3%이고, 석탄화도(Rm)는 0.82% 이상인 것을 특징으로 하는 용융가스화로용 코크스의 제조방법.
삭제
청구항 4에 있어서,
상기 건류하는 단계에서 건류된 코크스는 냉간강도(DI 강도)가 75 ~ 85%인 것을 특징으로 하는 용융가스화로용 코크스의 제조방법.