KR20140043545A - 코크스 오븐 가스 증량 방법 - Google Patents

코크스 오븐 가스 증량 방법 Download PDF

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Abstract

스팀의 투입 시간을 최적화함으로써 코크스 오븐 가스 발생량을 최대화할 수 있는 코크스 오븐 가스 증량 방법이 소개된다.
코크스 오븐 내 탄화실에서 석탄을 건류하는 과정 중 500℃ 이상에서 수성 가스반응(water-gas reation)이 진행될 수 있도록 상기 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 스팀을 투입하되, 상기 스팀 투입 시점을 코크스 오븐 가스 발생량이 최대화되는 시점 이전으로 앞당겨 상기 스팀 투입 시간을 증가시킴으로써 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과의 반응을 최대화하는 것을 특징으로 한다.

Description

코크스 오븐 가스 증량 방법 {METHOD FOR AMPLIFYING COKE-OVEN}
본 발명은 코크스 오븐 가스 증량 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 코크스 오븐 탄화실 내의 가스웨이에 투입되는 스팀의 투입 시점을 최적화하여, 가스웨이 내부로 스팀 투입 시간을 증가시킴으로써 코크스 오븐 가스를 증량하는 방법에 관한 것이다.
코크스 오븐은 석탄 상태로 공급되는 원료를 고온으로 건류하여 코코스를 제조하는 설비인바, 탄화실에 석탄을 장입한 후에, 약 1100℃ ~ 1340℃까지 승온 후 그 온도로 일정 시간을 유지함으로써 석탄을 건류하게 되는데, 이러한 온도 상태를 유지하기 위하여 연소실에서는 공기와 연료가스를 공급, 연소하게 된다.
코크스 오븐은 복수 개의 독립된 탄화실을 구비하고 있으며, 각각의 탄화실에는 별개의 상승관이 구비된다.
이러한 코크스 오븐은 각각의 탄화실에 저장된 석탄을 건류하는 과정에서 휘발성 가스인 코크스 오븐 가스(COG)를 발생시키는데, 이러한 코크스 오븐 가스는 코크스 오븐에 설치된 상승관을 통하여 배출된다.
이와 같이 코크스 오븐의 상승관을 통하여 배출되는 코크스 오븐 가스는 휘발성 물질과 함께 다량의 분진, 타르 등 환경 오염 물질이 포함되어 있으며, 이러한 환경 오염 물질들을 제거하기 위하여, 가스 수집관에 포집된 후, 후처리 공정으로 보내어지는 것이 일반적이다.
한편, 코크스 오븐 가스는 정제 과정을 통하여 제철소 내에서 대부분이 연료로 재사용되고 있는데, 최근 코크스 오븐 가스의 사용량이 증대함에 따라 코크스 오븐 가스의 사용량을 증대시키기 위한 방안이 지속적으로 연구, 개발되고 있다.
이러한 연구, 개발과 관련하여 다양한 선행기술들이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2000-144142호(2000.05.26.)에는, "코크스로 탄화실의 부착 카본의 제거 방법"이 개시되어 있다.
이는 탄화실에 부착되는 카본을 제거하기 위한 것으로, 탄산가스, 수증기를 포함하는 가스를 투입함으로써 탄화실 내부의 부착 카본을 제거하기 위한 기술인바, 가스 투입시 탄화실 내부의 극단적 온도 상승 및 온도 저하를 방지하기 위해 탄산가스(수증기) 및 공기를 교대로 제공하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명자가 출원, 등록받은 바 있는 한국등록특허 제10-1082127호(2011.11.03.)호에는, "이산화탄소를 이용한 코크스 오븐 가스의 증량방법"이 개시되어 있는바, 이는 코크스 오븐에서 발생하는 폐열을 이용하여 고온 탄소를 이산화탄소 내지 물과 반응시켜 코크스 오븐 가스를 증량시키는 방법에 관한 것으로, 코크스 오븐 탄화실에 존재하는 코크스 오븐 가스웨이에 이산화탄소, 물 또는 이들 혼합물인 가스화제를 공급하여, 가스화제를 탄화실 내의 탄소와 반응시킴으로써, 코크스 오븐 가스를 증량하는 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 상술한 선행기술들은 이산화탄소, 물을 코크스 오븐에 투입하여 고온의 탄소와 흡열 반응시킴으로써, 코크스 오븐 가스의 폐열을 회수하는 것은 물론, 코크스 오븐 가스를 증량시키는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 본 발명자는 이러한 선행기술들을 적용하여 코크스 오븐 가스를 증량시키는 경우, 아래와 같은 다양한 문제점이 발생하는 것을 확인하였다.
본 발명자는 상술한 다양한 문제점 확인을 위하여, 코크스 오븐의 1회 운전 시간을 24시간으로 가정하여, 시간의 흐름에 따른 코크스 오븐 탄화실 상부 가스웨이의 온도 변화 및 코크스 오븐 가스의 발생량 추이를 실험하였으며, 그 결과를 도 1에 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄화실 상부의 가스웨이 온도는 500℃ ~ 1100℃ 온도를 유지하였으며, 코크스 오븐 가스 발생량은 6시간 정도에서 급격히 증가하기 시작하여 10시간 정도에 이르면 그 양이 최대에 이르렀으며, 13.5시간 정도에 이르러 급격히 감소함을 알 수 있었다. 이러한 수치 결과는 승온속도, 로의 구조, 장입량 등 다양한 요소에 의해 변경될 수 있으나, 코크스 오븐 가스 발생 형태는 유사하다.
이러한 코크스 오븐 가스의 발생량 추이에 따르면, 이산화탄소는 코크스 오븐 가스 발생량이 평균 발생량 이하인 경우에 투입되어야 하는바, 그 이전이 투입되면 가스웨이 상에서 이동하는 코크스 오븐 가스와 함께 이동하게 되어, 가스웨이 상에서의 유효 체류 시간이 충분히 확보되지 못하기 때문에, 탄화실 내부의 카본과의 반응 시간이 충분히 확보될 수 없는 문제점이 존재한다.
즉, 이산화탄소는 14시간 이후에 투입되어야 비로소 일정 수준의 체류 시간을 확보할 수 있는 것은 물론, 코크스 오븐에 내장된 석탄 상부 온도가 800℃ 이상에 이르는 시점에서야 비로소 투입되는 이산화탄소와 코크스 오븐 내부에 부착된 카본의 흡열 반응이 진행되는 등 이산화탄소와 카본의 반응시 이용될 수 있는 건류 영역이 소정의 영역으로 제한되는 단점이 존재한다.
한편, 코크스 오븐 가스의 처리를 위하여 코크스 오븐의 후단에는 코크스 오븐 가스 처리 시스템이 설치되는바, 이산화탄소를 투입하여 코크스 오븐 가스를 증량하는 경우, 미반응 이산화탄소가 H2S 제거 시스템에 유입되어 그 일부는 제거되지만, 대부분의 미반응 이산화탄소가 후단 공정으로 공급되어 코크스 오븐 가스 내의 가연 성질을 갖는 성분을 제거함으로써 발열량을 낮추는 것은 물론, H2S 제거 시스템 자체에서 H2S 대신 이산화탄소를 제거하기 때문에 H2S 효율이 저하되는 문제점이 존재한다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본공개특허 제2000-144142호(2000.05.26.) 한국등록특허 제10-1082127호(2011.11.03.)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이산화탄소보다 탄소와의 반응 속도가 상대적으로 빠른 스팀의 투입 시점을 최적화하여 코크스 오븐 내에 존재하는 탄소와의 반응 시간을 최대화함으로써, 코크스 오븐 가스 발생량을 증가시킬 수 있는 코크스 오븐 가스 증량 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 코크스 오븐 가스 증량 방법은, 코크스 오븐 내 탄화실에서 석탄을 건류하는 과정 중 500℃ 이상에서 수성 가스반응(water-gas reation)이 진행될 수 있도록 상기 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 스팀을 투입하되, 상기 스팀 투입 시점을 코크스 오븐 가스 발생량이 최대화되는 시점 이전으로 앞당겨 상기 스팀 투입 시간을 증가시킴으로써 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과의 반응을 최대화하는 것을 특징으로 한다.
상기 코크스 오븐에서 진행되는 건류 시간을 24시간으로 가정하는 경우, 건류 시작 시점으로부터 2시간이 경과된 이후에 스팀을 투입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은, 건류 초기 발생되는 타르(tar)는 하기의 반응식에 의해 제거되고, Tar + H2O --> CO + CH4 + H2 , 상기 스팀의 유효 체류 시간(τ)은 상기 가스웨이의 유효 부피를 투입되는 스팀양과 발생되는 코크스 오븐 가스의 총량으로 나누어 결정되는 것이다.
상기 코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과, 투입되는 스팀의 충돌 빈도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과 상기 스팀의 충돌 빈도는 충돌빈도인자(A)로 표현되고, 상기 충돌빈도인자는, 상기 가스웨이 구조, 상기 스팀의 흐름을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 투입되는 스팀이 코크스 오븐 가스로 전환되는 스팀 전환율(X)은 하기의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
X = [1-1/(Ae-E/ RT* τ)]1/n
(E : 활성화 에너지(J/mol), R : 8.3144(J/mol*K), T : 반응온도(K), n : 반응차수)
상기 스팀의 유효 체류 시간 및 반응온도에 따라 스팀 투입량은 가변되는 것을 특징으로 한다.
상기 스팀의 유효 체류 시간은, 상기 스팀의 투입 위치, 스팀의 투입 방식에 따라 가변되는 것을 특징으로 한다.
투입되는 스팀은 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과 하기의 수식에 의해 반응하고, C + H20 --> H2 + CO 환원가스인 (H2 + CO)의 총생산량(P)은 상기 스팀 전환율(X) 및 스팀 투입양(FH2O)과 하기의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
P = 2 * ∑ X * FH2O * t
(P : 환원가스 총생산량(FH2O : Nm3/min), 스팀 투입양 : (Nm3/min) , t : 스팀 투입시간(min))
투입되는 스팀이 코크스 오븐 가스로 전환되는 스팀 전환율(X)은 상기 코크스 오븐의 탄화실 내에 존재하는 스팀의 분압과 하기의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
dX/dt = Ae-E/ RT(PH2O)n(1-X)
(E : 활성화 에너지(J/mol), R : 8.3144(J/mol*K), T : 반응온도(K), n : 반응차수)
본 발명의 다른 특징은, 상기 스팀을 투입하기 이전에 상기 코크스 오븐 탄화실에 산소를 공급하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은, 상기 스팀은, 상기 탄화실 상부에 제공되는 상승관으로부터 방열되는 폐열을 공급받아 예열된 상태로 상기 코크스 오븐 탄화실이 가스웨이로 투입되는 것이다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 아래와 같은 다양한 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 코크스 오븐 탄화실 내의 코크스 오븐 가스 발생량이 최대화되기 이전에 스팀을 투입할 수 있으므로, 스팀 투입 시간을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
둘째, 스팀 투입 시간 증가로 기존의 이산화탄소를 이용하는 경우보다 수 배에 이르는 코크스 오븐 가스 증량 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.
셋째, 건류 초기 발생되는 타르가 스팀과 반응하여 수소 및 일산화탄소로 전환되므로, 타르 제거 공정에 대한 부담을 경감할 수 있는 이점이 있다.
넷째, 이산화탄소 투입하는 경우 발생되는 H2S 제거율 저하 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.
다섯째, 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이에서의 스팀의 체류시간 등을 이용하여 스팀 전환율을 산출해낼 수 있는 이점이 있다.
여섯째, 스팀 전환율을 이용하여 환원 가스의 총 생산량을 산출해낼 수 있는 이점이 있다.
도 1은 코크스 오븐에서 건류 시간에 따른 코크스 오븐 가스 발생량의 변화를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명이 코크스 오븐 가스 증량방법을 실현하기 위한 코크스 오븐의 개략적인 도면,
도 3은 본 발명의 코크스 오븐 가스 증량방법의 스팀 투입 시점을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 코크스 오븐 가스 증량 방법을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 코크스 오븐 가스 증량 방법은, 기본적으로 탄화실(10), 연소실(미도시), 코크스 공급부(20), 스팀 투입관(30), 가스 상승관(40)을 포함하는 코크스 오븐에서 진행되며, 이러한 각 구성에 대한 자세한 설명은 한국등록특허 제1082127호에 개시된 구성과 동일하므로 생략한다.
다만, 탄화실(10)에 설치되는 스팀 투입관(30)의 위치는 가스 상승관(40)과 가장 멀리 떨어진 탄화실(10) 타측에 설치되는 것이 바람직한 바, 이는 스팀이 탄화실(10)의 가스웨이(W)를 통해 가스 상승관(40)으로 이동하는 동안 충분한 체류 시간 및 충분한 반응 시간을 확보하기 위함이다.
본 발명의 코크스 오븐 가스 증량 방법은, 코크스 오븐 내 탄화실에서 석탄을 건류하는 과정 중 500℃ 이상에서 수성 가스반응(water-gas reation)이 진행될 수 있도록 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 스팀을 투입, 스팀의 유효 체류 시간을 증가시킴으로써 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과의 반응 시간을 최대화하는 것을 특징으로 한다.
500℃ 이하의 조건에서 스팀이 투입되면, 열역학적으로 반응이 원활하게 일어나지 않는 문제점이 존재한다.
이와 같이, 500℃ 이상에서 흡열 반응에 해당하는 수성 가스반응(water-gas reation)을 통하여 고온의 폐열을 효율적으로 회수할 수 있는 것은 물론, 스팀 투입 가능한 건류 영역이 확장되므로, 코크스 오븐 가스를 획기적으로 증량시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 코크스 오븐의 건류 시간을 24 시간으로 상정하는 경우, 탄화실 상부의 가스웨이 온도는 500℃ ~ 1100℃ 온도를 유지하며, 코크스 오븐 가스 발생량은, 건류 시작 시점으로부터 6시간 이후에 급격히 증가하기 시작하여 10시간 정도에 이르면 그 양이 최대에 이르렀으며, 13.5시간 정도에 이르러 급격히 감소하게 된다. 이러한 수치 결과는 승온 속도, 로의 구조, 장입량 등 다양한 요소에 의해 변경될 수 있으나, 코크스 오븐 가스 발생 형태는 유사하다.
이러한 건류 시간에 따른 코크스 오븐 가스 발생 패턴에 따르면, 코크스 오븐에 이산화탄소를 투입하여 코크스 오븐 가스를 증량시키고자 하는 경우, 건류 시작 시점으로부터 최소 13.5 시간이 지나고 나서야 비로소 충분한 이산화탄소 체류 시간을 확보 가능한바, 이산화탄소 투입 시점이 제한되는 단점이 존재한다. 즉, 코코스 오븐 내에서 발생하는 코크스 오븐 가스는 가스웨이를 통하여 상승관 방향으로 유동하게 되는데, 코크스 오븐 가스 발생량이 급격히 증가하는 건류 시간대에 이산화탄소를 투입하면, 코크스 오븐 내에서의 이산화탄소 체류 시간 및 탄화실 내부에 존재하는 탄소와의 반응 시간이 매우 짧기 때문에, 코크스 오븐 가스 증량 효과가 반감되는 단점이 존재한다.
본 발명의 코크스 오븐 가스 증량 방법에서는, 코크스 오븐 내 탄화실에서 석탄을 건류하는 과정 중 발생하는 코크스 오븐 가스량이 최대화되기 이전에 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 스팀을 투입, 스팀 투입 시간을 증가시킴으로써 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과의 반응을 최대화, 이산화탄소 투입시 발생하는 단점을 해결하였다. 즉, 스팀은 카본과의 반응 온도가 이산화탄소보다 낮고, 그 반응 속도는 이산화탄소보다 빠르기 때문에, 그것의 투입 시점을 앞당길 수 있는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 코크스 오븐에서 진행되는 건류 시간을 24시간으로 가정하는 경우, 가스웨이 온도가 500℃ 이상의 조건이라면, 건류 시작 시점으로부터 2시간이 경과된 이후에 스팀 투입 가능하다.
일반적으로 가스웨이 온도는 500℃ ~ 1100℃에 이르지만, 코크스 오븐 탄화실 상부 내측면에 부착된 카본(대략 500℃ 정도의 온도를 갖는 것도 있음)과의 반응을 위하여 500℃ 이상에서 반응이 일어나도록 스팀을 투입한다.
건류 시간이 2시간 정도 소요되면, 장입된 석탄에 함유된 수분이 대부분 증발되는바, 스팀 투입에 따른 최적의 반응 효율을 기대할 있는 반면, 2시간 이전에 스팀을 투입하게 되면 석탄이 수분을 함유하고 있기 때문에 반응 효율이 반감되는 문제점이 있다.
스팀은 이산화탄소보다 스팀과의 반응 속도가 빠른바, 코크스 오븐 가스의 발생량이 급속히 증가하여 가스웨이에서의 코크스 오븐 가스 흐름 속도가 증가하더라도, 코크스 오븐 가스의 흐름에 편승하여 가스웨이에서 빠져 나가기 전에 존재하는 카본과 반응하기 때문에, 그것의 투입 시점을 코크스 오븐 가스 발생량이 최대에 이르기 이전으로 앞당길 수 있는 것이다.
또한, 스팀은 이산화탄소보다 카본과의 반응 온도가 낮기 때문에, 가스웨이 온도가 500℃를 초과하는 시점에서 투입 가능하다.
본 발명자는 스팀을 투입하는 경우, 이산화탄소 투입시보다 낮은 온도에서 탄소와 반응이 일어나는 것은 물론, 그것의 반응 속도가 이산화탄소 투입시보다 매우 빠르다(약 3배 이상)는 점을 인지하고, 이러한 장점을 이용하여 건류 초기 시점으로부터 2시간 이후부터 스팀을 투입함으로써, 기존 투입 가능 시간 대비 약 2배의 투입 시간을 확보하였는바, 이산화탄소보다 약 6배 정도나 많은 몰(mol)수의 스팀을 투입할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 이러한 본 발명에 따르는 경우, 건류 초기 발생하는 타르(tar)와 스팀이 반응하여 타르가 수소, 일산화탄소 등으로 전환되므로, 별도의 타르 제거 공정에 대한 부담을 경감할 수 있었다.
Tar + H2O --> CO + CH4 + H2
이러한 내용을 기초로, 본 발명자는 이산화탄소 및 스팀의 고온 탄소와의 반응성 실험을 위하여 그 반응온도 및 체류 시간을 달리하여 실험하였다.
탄소가 일부 채워진 실험기의 반응온도를 800℃, 900℃로 달리하면서, 스팀 및 이산화탄소의 체류 시간도 역시 30초 및 1분으로 달리하여 전환율을 살펴보았다.
이때, 체류 시간 제어를 위하여 밸런스 가스로는 질소를 사용하였으며, 투입되는 스팀 및 이산화탄소 모두 6L/hr 속도로 투입하였는바, 그 반응성(전환율)을 나타내면 아래의 표 1과 같다.

반응온도(℃)
체류시간(초)
스팀전환율(%)
이산화탄소전환율(%)
800
 30 60 30
60 70 40
900
 30 80 60
60 90 70
표 1에 나타난 바와 같이, 이산화탄소의 경우 900℃보다 낮은 반응 온도와, 60초보다 그 체류 시간이 짧을 경우, 전환율이 60% 이하이므로, 남은 이산화탄소 처리 문제가 심각하다는 단점이 존재한다.
반면, 스팀의 경우 전환율이 이산화탄소에 비하여 낮은 온도의 경우 2배에 이르고, 코크스 오븐 온도를 고려할 경우, 2배 정도의 투입 시간을 확보할 수 있는바, 코크스 오븐 가스 증가량은 약 4배에 이른다.
한편, 본 발명에 따른 코크스 오븐 가스 증량방법에 따르면, 가스웨이의 유효부피를, 투입되는 스팀양과 발생되는 코크스 오븐 가스의 총량으로 나눈 값에 해당하는 스팀의 유효 체류 시간을 최대화함으로써, 스팀 전환율을 개선할 수 있는 것은 물론, 나아가, 코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과, 투입되는 스팀의 충돌 빈도를 증가시킴으로써 더 개선된 스팀 전환율을 얻을 수 있다.
코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과 스팀의 충돌 빈도는 충돌빈도인자로 표현되고, 이러한 충돌빈도인자는 가스웨이의 구조, 스팀의 흐름, 탄소 충진 또는 부착 구조 등에 의해 결정되는 임의의 값이다.
본 발명자는 스팀 전환율과 이러한 스팀 전환율에 영향을 미치는 다양한 인자들을 발견하고, 이러한 인자들 사이의 관계를 분석함으로써 상술한 인자들 사이에 특정한 상관관계를 도출한바, 이를 나타내면 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
X = [1-1/(Ae-E/ RT* τ)]1/n
상술한 수학식 1에서, X는 스팀 전환율을 나타내는 것으로 그 범위는 0 ~ 1이 될 것이다.
τ는 스팀이 가스웨이에 체류하는 유효 시간에 해당하는 값으로, 가스웨이의 유효 부피(Nm3)를 투입되는 스팀 및 코크스 오븐 가스의 총유량(Nm3/sec)으로 나눈값에 해당한다. 이는 실질적으로 스팀이 코크스 오븐 내의 카본과 반응하는 시간에 해당하는 것인바, 그 값은 대략 1 ~ 300초 사이이다.
이러한 스팀의 유효 체류 시간은 스팀의 투입 위치 내지 투입 방식에 따라 결정되어질 수도 있을 것이다.
A는 충돌빈도인자(sec-1)로써, 스팀이 탄소와 충돌하는 빈도를 나타내는 값으로, 가스웨이의 구조, 스팀의 흐름 형태, 탄소 충진 및 부착 구조 등에 의해 결정되며, 그 값은 대략 102 ~ 108 범위이다.
E는 활성화 에너지(J/mol)에 해당하는 값으로, 사용하는 탄소(배합탄, 부착카본, 스폰지카본, 코크스 등)와 스팀의 반응에 대한 활성화 에너지이며, 그 값은 대략 10000 ~ 200000 사이 범위이다.
R은 이상기체상수(J/mol*K)이며, 그 값은 8.3144이다.
T는 반응온도(K)에 해당하며, 그 값은 800 ~ 1400 범위이다.
n은 반응차수에 해당하며, 그 값은 0.5 ~ 1 범위인바, 반응하는 탄소의 종류(배합탄, 부착카본, 스폰지카본, 코크스 등)에 의존하는 값이다.
이와 같이, 본 발명자가 도출한 수학식 1을 이용하여, 다양한 인자값들을 최적화함으로써 스팀 전환율을 최대화할 수 있을 것이다.
상술한 수학식 1에 따르면, 스팀의 유효 체류 시간 내지 반응 온도에 따라 스팀의 투입량을 가변함으로써, 코크스 오븐 가스 증량 효율을 최적화할 수 있다.
한편, 투입되는 스팀은 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과 "C + H20 --> H2 + CO"의 반응식에 따라 반응하는바, 환원가스인 (H2 + CO)의 총생산량(P)은 상술한 스팀 전환율(X) 및 스팀 투입양(FH2O)과 하기의 수학식 2를 만족함을 알 수 있었다.
[수학식 2]
P = 2 * ∑ X * FH2O * t
(P : 환원가스 총생산량(P : Nm3/min), 스팀 투입양 : (FH2O : Nm3/min) , t : H2O 투입시간(min))
수학식 2에 따르면, 스팀 전환율은 환원가스(코크스 오븐 가스) 총생산량에 영향을 미치는바, 수학식 1에서 스팀 전환율에 영향을 미치는 인자들은 환원가스 총생산량에 영향을 미침을 알 수 있었다.
반응 온도 구간에 따라 상술한 스팀 전환율, 스팀 투입량은 가변되는바, 각각의 구간에 해당하는 값을 모두 합산함으로써, 환원가스 총생산량을 산출할 수 있을 것이다.
[수학식 3]
dX/dt = Ae-E/ RT(PH2O)n(1-X)
(PH2O : 코크스 오븐 내의 스팀 분압, 나머지 인자들은 상술한 수학식 1에서 설명된 것과 동일함)
또한, 수학식 3에 나타난 바와 같이, 스팀 전환율은 코크스 오븐 내의 스팀 분압에 따라 조절될 수 있는바, 수학식 3에서의 t는 스팀이 코크스 오븐 내부의 가스웨이에 체류하는 시간으로, 그 값은 0 ~ τ값 사이에서만 의미가 있다.
한편, 본 발명의 코크스 오븐 가스 증량방법은, 스팀을 투입하기 이전에 코크스 오븐 탄화실에 산소를 공급하는 것을 특징으로 한다.
공급된 산소는, 탄소 내지 탄소화합물과의 반응을 통하여 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 물을 발생시키는바, 이는 발열 반응으로서, 흡열 반응시 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이 온도가 저하되는 것을 방지하게 된다.
또한, 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 투입되는 스팀은 일정 온도를 유지하여야 하는바, 물 상태로 코크스 오븐에 공급되면 탄화실 내부 온도를 저하시키기 때문에 항상 스팀 상태로 투입되어야 한다.
본 발명에 따른 코크스 오븐 가스 증량방법에서는, 코크스 오븐 가스가 배출되는 상승관으로부터 방출되는 폐열을 회수, 이러한 폐열로 스팀을 예열하고, 예열된 스팀을 코크스 오븐 탄화실 가스웨이로 공급하는 것을 또 다른 기술적 특징으로 한다.
예를 들어, 상승관 둘레를 감싸는 열교환부(파이프 등)를 설치하고, 이러한 열교환부로 스팀(또는 물)을 통과시켜, 상승관에서 방출되는 폐열을 흡수, 스팀을 예열하고, 열교환부와 코크스 오븐 탄화실을 매개하는 배관을 통하여 예열된 스팀을 코크스 오븐의 탄화실 가스웨이로 공급하면, 일정한 온도를 갖는 스팀을 원활하게 공급할 수 있는 것은 물론, 상승관으로부터 방열되는 폐열을 효율적으로 회수할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 탄화실 20 : 코크스 공급부
30 : 스팀 투입관 40 : 가스 상승관
W : 가스웨이

Claims (12)

  1. 코크스 오븐 내 탄화실에서 석탄을 건류하는 과정 중 500℃ 이상에서 수성 가스반응(water-gas reation)이 진행될 수 있도록 상기 코크스 오븐 탄화실의 가스웨이로 스팀을 투입하되, 상기 스팀 투입 시점을 코크스 오븐 가스 발생량이 최대화되는 시점 이전으로 앞당겨 상기 스팀 투입 시간을 증가시킴으로써 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과의 반응을 최대화하는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 코크스 오븐에서 진행되는 건류 시간을 24시간으로 가정하는 경우, 건류 시작 시점으로부터 2시간이 경과된 이후에 스팀을 투입하는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    건류 초기 발생되는 타르(tar)는 하기의 반응식에 의해 제거되고,
    Tar + H2O --> CO + CH4 + H2
    상기 스팀의 유효 체류 시간(τ)은 상기 가스웨이의 유효 부피를 투입되는 스팀양과 발생되는 코크스 오븐 가스의 총량으로 나누어 결정되는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과, 투입되는 스팀의 충돌 빈도를 증가시키는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 코크스 오븐 탄화실 내 존재하는 카본과 상기 스팀의 충돌 빈도는 충돌빈도인자(A)로 표현되고,
    상기 충돌빈도인자는, 상기 가스웨이 구조, 상기 스팀의 흐름을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    투입되는 스팀이 코크스 오븐 가스로 전환되는 스팀 전환율(X)은 하기의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 , 코크스 오븐 가스 증량 방법.

    X = [1-1/(Ae-E/ RT* τ)]1/n

    (E : 활성화 에너지(J/mol), R : 8.3144(J/mol*K), T : 반응온도(K), n : 반응차수)
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스팀의 유효 체류 시간 및 반응온도에 따라 스팀 투입량은 가변되는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 스팀의 유효 체류 시간은, 상기 스팀의 투입 위치, 스팀의 투입 방식에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    투입되는 스팀은 상기 코크스 오븐 내 탄화실에 존재하는 카본과 하기의 수식에 의해 반응하고,
    C + H20 --> H2 + CO
    환원가스인 (H2 + CO)의 총생산량(P)은 상기 스팀 전환율(X) 및 스팀 투입양(FH2O)과 하기의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.

    P = 2 * ∑ X * FH2O * t

    (P : 환원가스 총생산량(FH2O : Nm3/min), 스팀 투입양 : (Nm3/min) , t : 스팀 투입시간(min))
  10. 청구항 4에 있어서,
    투입되는 스팀이 코크스 오븐 가스로 전환되는 스팀 전환율(X)은 상기 코크스 오븐의 탄화실 내에 존재하는 스팀의 분압과 하기의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.

    dX/dt = Ae-E/ RT(PH2O)n(1-X)

    (E : 활성화 에너지(J/mol), R : 8.3144(J/mol*K), T : 반응온도(K), n : 반응차수)
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 스팀을 투입하기 이전에 상기 코크스 오븐 탄화실에 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 스팀은, 상기 탄화실 상부에 제공되는 상승관으로부터 방열되는 폐열을 공급받아 예열된 상태로 상기 코크스 오븐 탄화실이 가스웨이로 투입되는 것을 특징으로 하는, 코크스 오븐 가스 증량 방법.
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