KR20140076155A

KR20140076155A - 코크스 제조 방법

Info

Publication number: KR20140076155A
Application number: KR1020120144384A
Authority: KR
Inventors: 안솔; 최재훈; 이상만; 이승재
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-20
Also published as: KR101456449B1

Abstract

본 발명은 코크스를 제조하는 방법으로서, 원료 탄을 마련하는 과정과 석탄계 첨가제 제조 공정의 부산물을 마련하는 과정과 상기 원료 탄과 부산물을 파쇄하는 과정과 파쇄된 상기 원료 탄과 파쇄된 상기 부산물을 혼합기를 사용하여 혼합물을 제조하는 과정 및 상기 혼합물을 코크스 오븐을 사용하여 코크스를 제조하는 과정을 포함한다.

Description

코크스 제조 방법{Method for Highly reactive cokes}

본 발명은 코크스를 제조하는 방법으로서, 보다 상세하게는 반응성이 우수한 코크스 제조 방법에 관한 것이다.

세계적으로 이산화탄소 저감기술 개발을 위해 노력하고 있으며, 각국은 이산화탄소 배출량을 줄이고 재생가능 에너지에 대한 투자를 늘리고 있는 실정이다.

한편, 제철 산업은 대량의 원료와 에너지를 소비하여 철강을 생산하는 산업으로, 화석 연료 소비를 줄이기 위한 세계적인 추세에 대응하여 대표적인 방안으로 에너지 효율 향상 측면에서 고로 환원제비를 줄이는 기술이 진행 중이며, 그 중 코크스 사용비를 줄이는 기술로 반응성이 우수한 코크스에 대한 제조 기술 요구되고 있는 실정이다.

반응성이 우수한 코크스는 고로 내에 낮은 온도 영역에서 가스화 반응성이 촉진되어 열보존대 온도를 감소시킨다. 예컨대, 실제 가스 농도와 환원 평형 가스 농도 차이에 의해 표현되는 환원에 필요한 구동력을 증가시켜 반응 효율을 증대하여 환원제비를 줄이는 효과를 가진다. 여기서 반응성이 우수한 코크스의 가스화 반응성은 코크스 제조시 원료 탄에 첨가되는 첨가제에 의해 향상되며, 다양한 첨가제들이 연구되고 있다.

코크스 제조 시 코크스 품질 개선에 사용되는 첨가제는 식물성계, 석유계, 석탄계로 분류될 수 있다.

첫 번째, 식물성 첨가제는 식용유, 팜유, 콩기름 등이 사용된다. 식물성 첨가제를 사용하면 장입 밀도 향상을 통해 코크스 강도 향상에 기여할 수 있다. 실제 조업에 사용되지만 가격에 비하여 코크스 품질 효과가 작은 편이다.

두 번째, 석유계 첨가제는 중유, 아스팔트 피치 등이 사용된다. 석유계 첨가제를 코크스 제조시 첨가하여 석탄의 점결성 향상시켜 코크스 강도 향상에 기여할 수 있다. 상기 식물성계 첨가제에 비하여 효과가 높지만 가격이 비싸기 때문에 실제 조업에 대량으로 사용되기에 어려움이 있다.

세 번째, 석탄계 첨가제는 석탄에서 유래한 용매 즉, 석탄 타르, 방향족 용매, 수소 공여성 용매를 이용하여 석탄의 점결성분을 추출하여 첨가한다. 점결성분을 코크스 제조시 첨가하여 석탄의 점결성 향상시켜 코크스 강도 향상에 기여할 수 있다. 상기 석유계 첨가제에 비해 가격이 저렴하며, 자원도 풍부하다.

한편, 석탄은 용매 추출 공정 또는 석탄 액화 공정을 통해 첨가제와 부산물을 얻게 된다. 여기서 첨가제는 용제정제탄(solvent refined coal, 이하 SRC)이며 코크스 제조시 고강도 코크스를 제조하기 위해 첨가제로 사용된다. 상기 용매 추출공정과 석탄 액화 공정 모두 상당량의 부산물을 부생된다. 부산물의 비중은 전체 생산물 비중 대비 30 내지 50퍼센트를 차지하며, 탄소 함량이 적고, 휘발성분은 높으며 원탄에 비해 회분이 농축되어 있어 종래 석탄계 첨가제 기술을 적용하여 부산물을 재활용하기에는 어려움이 있었다.

따라서, 석탄의 용매 추출 공정 또는 석탄 액화 공정에서 부생된 부산물을 효율적으로 재사용할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.

KR

1008167930000

B

본 발명은 코크스의 반응 개시온도를 낮출 수 있는 코크스 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 코크스 제조 방법은, 원료 탄을 마련하는 과정과 석탄계 첨가제 제조 공정의 부산물을 마련하는 과정과 상기 원료 탄과 부산물을 파쇄하는 과정과 파쇄된 상기 원료 탄과 파쇄된 상기 부산물을 혼합기를 사용하여 혼합물을 제조하는 과정 및 상기 혼합물을 코크스 오븐을 사용하여 코크스를 제조하는 과정을 포함한다.

또한, 상기 혼합물을 제조하는 과정은, 상기 혼합물의 전체 비중을 기준으로, 상기 부산물이 3wt% 이상 내지 10wt% 이하의 범위로 함유되도록 혼합하는 것을 포함한다.

또한, 상기 원료 탄은 복수 탄들이 혼합된 배합 탄이며, 각각 휘발분 함량이 다른 탄들인 것을 포함한다.

또한, 상기 배합 탄은 상기 휘발분 함량에 따라 분류된 저휘발분 석탄들, 상기 저휘발분 석탄들보다 휘발분 중량이 더 많은 중휘발분 석탄들, 상기 중휘발분 석탄들보다 휘발분 중량이 더 많은 고휘발분 석탄들이 혼합된 것을 포함한다.

또한, 상기 저휘발분 석탄들은, 개별의 상기 저휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 미만인 석탄이며, 상기 중휘발분 석탄들은, 개별의 상기 중휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 이상 내지 25퍼센트 이하인 석탄이며, 상기 고휘발분 석탄들은, 개별의 상기 고휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 25퍼센트를 초과하는 석탄인 것은 포함한다.

또한, 상기 부산물을 준비하는 과정은, 저급 석탄을 파쇄 및 건조하여 원료 탄을 준비하는 과정과 용매를 준비하는 과정과 슬러리 제조기 내로 파쇄된 상기 원료 탄과 상기 용매를 장입하여, 혼합하고 슬러리를 제조하는 과정과 상기 슬러리를 추출반응기로 이송하고, 추출 반응시키는 과정과 상기 추출 반응이 완료된 물질을 용해분과 불용분으로 분리하는 과정 및 상기 불용분을 건조기로 이송한 후, 건조하여 상기 부산물을 획득하는 과정을 포함한다.

또한, 상기 저급 석탄은 아탄, 갈탄, 아역청탄 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

또한, 상기 파쇄하는 과정은, 상기 원료 탄 및 상기 부산물의 입도가 10mm 이하가 되도록 파쇄하며, 상기 파쇄된 원료 탄 및 부산물 전체를 기준으로, 3mm 이하의 입도를 가지는 입자가 80% 내지 90%가 되도록 파쇄하는 것을 포함한다.

또한, 상기 원료 탄은 휘발분을 15wt% 이상 내지 20wt% 이하 범위로, 회분을 5wt% 이상 내지 10wt% 이하 범위로 포함한다.

또한, 상기 코크스는 휘발분을 10wt% 이상 내지 15wt% 이하 범위로, 회분을 10wt% 이상 내지 15wt% 이하 범위로 포함한다.

또한, 상기 코크스의 반응개시온도가 상기 원료 탄의 반응개시온도보다 -10도 내지 -60도 범위 내에 낮은 온도를 갖는 것을 포함한다.

본 발명의 실시 예들에 의하면, 반응성이 우수한 코크스 제조 방법을 제공한다.

또한, 석탄계 첨가제 제조 공정에서 획득된 부산물을 첨가한 코크스 원료 탄들을 원료로 하는 조성물을 이용하여 반응성 우수한 코크스를 제조한다. 이러한 조성물로 만들어진 코크스는 기존 코크스의 반응 개시온도보다 낮은 반응 개시온도를 보장하여 코크스 사용비와 고로 환원제비를 줄일 수 있다.

또한, 부산물을 활용하여 부가가치가 높은 고 수익성의 신규 용도 창출이 가능하다.

또한, 부산물을 폐기 또는 매립하기 위한 비용을 절약할 수 있으며, 부산물 생산량이 풍부하기 때문에 낮은 가격에 반응성 우수한 코크스의 대량생산이 가능하다.

또한, 반응성 우수한 코크스를 사용한 고로 공정에서는 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 친환경적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 석탄계 첨가제 제조 공정에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조 방법의 순서도이다.

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

본 발명의 실시 예에 따른 코크스는 반응성이 우수한 코크스로서, 석탄계 첨가제 제조 공정에서 부산물을 획득하고, 코크스 원료 탄에 획득한 부산물을 첨가하여 조성물을 제조하여 고로 공정에 사용되는 반응성 우수한 코크스를 제작한다. 여기서, 부산물은 파쇄되어 분말 형태로 마련되고, 설정된 조성비에 따라 원료 탄과 배합된다. 여기서 조성비는 최종 제조되는 코크스가 종래 코크스의 반응 개시온도보다 낮은 반응 개시온도를 갖도록 즉, 반응성이 우수한 특성 갖도록 설정된다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 조성물의 전체 중량 대비 부산물의 함량은 반응성이 우수한 코크스의 품질을 위해 조절될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 부산물은 석탄계 첨가제 제조 공정에서 석탄계 첨가물을 제조하면서 부산물로 생성된 물질이다. 여기서 석탄계 첨가제 제조 공정으로는 석탄의 용매 추출 공정 또는 석탄 액화 공정이 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조 방법을 통해 제조된 최종 코크스는 우수한 반응성을 특징으로 한다. 이는 코크스 제조에 첨가되는 부산물의 성분 중 알칼리 성분에 의한 효과이다. 예컨대, 부산물의 알칼리 성분과 그 산화물이 고로 내에서 이산화탄소(CO₂), 탄소(C) 성분과 만나서 일산화탄소(CO)를 생성한다. 이러한 현상은 고로 내의 간접 환원을 촉진시켜 결과적으로 열보존대 영역의 온도가 낮아진다. 하기에 부산물의 알칼리 성분과 그 산화물에 관하여 자세히 더 설명한다.

다음은 본 발명의 실시 예에 따른 석탄계 첨가제 제조 공정에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 석탄계 첨가제 제조 공정에 대한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 석탄계 첨가제의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저, 원료 탄을 준비한다(S100). 예컨대, 원료 탄으로는 저급 석탄을 파쇄기를 사용하여 소정 입도의 크기로 파쇄하여 마련한다. 여기서 소정의 입도의 크기는 하기 설명될 용매와 혼합이 잘 이루어질 수 있는 크기이며, 예를 들어 입도 크기가 10mm가 되도록 파쇄할 수 있다. 여기서 저급 원료 탄은 석탄화도에 따른 분류에 의해 저급 석탄으로 분류된 원료 탄을 의미한다. 저급 석탄으로 아탄, 갈탄, 아역청탄 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.

그 후, 용매를 준비한다(S110). 예컨대, 용매는 석탄에서 유래된 석탄 타르, 방향족 용매, 수소 공여성 용매 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.

그 후, 파쇄된 석탄과 용매를 슬러리 제조기로 이송하고, 석탄과 용매를 혼합한 후, 혼합물의 수분을 건조시켜 슬러리(slurry)를 제조한다(S120). 예컨대, 혼합물 내에 수분은 슬러리 제조기 내의 온도를 물의 끓는점(1기압일 시 99.97도)보다 높은 온도에서 30분 내지 1시간 범위 내로 유지시켜 건조할 수 있다.

그 후, 제조된 슬러리를 추출반응기로 이송하고, 고온 및 고압 환경에서 추출 반응을 진행한다(S130). 예컨대, 제조된 슬러리를 슬러리 제조기로부터 추출반응기로 이송한 후 300 내지 600도 범위의 온도 및 50bar 이하의 압력 환경에서 2시간 이하의 시간 범위 내에서 반응시키면 슬러리에서 점결 성분의 추출 반응이 진행된다. 여기서 점결 성분은 코크스의 강도를 높이는 성분으로 고강도 코크스 제조시 원료 탄에 첨가되어 사용된다.

그 후, 추출 반응이 완료된 고액 상태의 물질을 분리장치에 투입하여 용해분과 불용분으로 분리한다(S140). 예컨대, 추출 반응이 완료된 물질을 추출반응기에서 분리장치로 이송한 후 중력 침강, 원심분리, 여과분리 중 적어도 어느 한가지 방법을 사용하여 액상인 용해분과 고상인 불용분으로 고액분리를 실행한다.

그 후, 분리 장치에서 분리된 용해분을 용해분 건조기로 이송하고, 용해분을 건조하여 용제 정제 탄을 제조한다(S150). 예컨대 분리 장치에서 분리된 용해분을 용해분 건조기로 이송한 후 용해분 건조기 내부를 감압시키거나 질소 등의 불활성 가스를 사용하여 용해분을 건조시켜 코크스 품질 향상용 첨가제인 용제 정제탄(Solvent Refined Coal, 이하 SRC)을 제조한다.

그 후, 분리 장치에서 분리된 불용분을 불용분 건조기로 이송하고, 불용분을 건조시켜 부산물을 획득한다(S160). 예컨대 분리 장치에서 분리된 용해분을 용해분 건조기로 이송한 후 용해분 건조기 내부를 감압시키거나 질소 등의 불활성 가스를 사용하여 불용분 건조시켜 잔사 즉, 부산물을 획득한다. 여기서 획득된 부산물은 본 발명에 실시 예에 따른 코크스 제조 시 설정된 조성비에 따라 원료 탄과 혼합되어 사용된다.

다음은 본 발명의 실시 예에 따른 저급 원료 탄과 부산물에 대하여 설명한다.

저급 원료 탄은 석탄화도에 따른 분류에 의해 저급탄으로 분류된 원료 탄을 의미한다. 여기서 저급 원료 탄으로는 아탄, 갈탄, 아역청탄이 사용될 수 있다. 예컨대, 갈탄(Lignite/ Brown Caol)은 이탄(Peat)이 더욱더 탄화된 것으로 흑갈색을 띄는 것을 아탄이라 하고, 흑색을 띄는 것을 갈탄이라 한다. 갈탄의 성분비는 고정탄소 50wt% 이하, 휘발분 50wt% 이하, 회분 약 10 내지 40 wt% 이하의 성분비를 가지며, 발열량은 4,600 kcal/kg 이하, 전체 성분비 대비 휘발분의 비중이 크지만 CO₂가 많아 연소시 화염 온도가 낮다. 통상적으로 갈탄은 수분, 회분이 많고 발열량이 낮으며 산화가 잘되는 결점이 있지만 점결성이 없고 착화가 잘되며 연소가 빨라 가정용 또는 소규모 공업용으로 주로 사용된다.

저급 원료 탄을 원료로 하여 석탄계 첨가제의 제조 공정을 진행한 후, 획득된 부산물과 석탄계 첨가제의 제조 공정의 원료로 사용된 저급 원료 탄을 시료로 공업분석(proximate analysis)을 각각 실시하여 각 시료 탄의 전체 비중 대비 회분이 차지하는 중량을 비교하였다. 이는 각 시료의 회분은 알칼리 성분을 포함하고 있으므로 저급 석탄과 저급 석탄을 원료로 진행된 석탄계 첨가제 제조 공정에서 획득된 부산물 중 어느 것이 알칼리 성분을 더 많이 함유하고 있는지를 평가하기 위함이다.

하기 표 1은 저급 원료 탄과 부산물을 시료로 공업분석을 하여 도출된 각 시료의 구성 성분이 결과이다.

구분	고정탄소(wt%)	휘발분(wt%)	회분(wt%)
원료 탄(저급 석탄)	45.5	45.0	9.5
부산물	27.1	54.6	12.5

표 1에서 고정탄소(Fixed Carbon)는 석탄이 연소하게 해주는 주요 성분이다. 측정 방법은 석탄 중 휘발분과 회분, 수분을 뺀 나머지 탄소의 양을 의미한다. 고정탄소는 석탄이 연소하게 해주는 발열의 주체이며, 석탄의 주성분으로 연소시에는 착화가 나쁘나 착화 시 희고 푸른 단염을 내며 연소한다.

휘발분(Volatile Matter)은 석탄이 연소하면서 휘발하여 석탄의 연소에 도움을 주는 성분이다. 측정 방법은 원료 탄 약 1g을 백금 도가니 속에 넣고 전기로 내에서 925±20도 온도로 7분간 가열했을 때의 감량 백분율에서 원료 탄의 함유 수분 백분율을 뺀 백분율을 측정하다. 휘발분이 많은 석탄은 일반적으로 화성이 좋고 고온 하지만 발생이 빠르므로 공기의 보급이 제대로 이루어 지지 않으면 불완전 연소가 되어 매연이 발생한다.

회분(ash)은 석탄이 연소하고 남은 재로서 석탄 내에 함유된 광물질을 성분으로 포함하고 있다. 측정 방법은 KS E 3705에 의해 규정되어 있으며, 원료 탄을 800±10도 온도에서 1시간 이상 태운 뒤에 남은 잔유물로서 석탄 중에 함유되어 있는 광물질을 의미한다. 실제로는 석탄 내에 함유된 광물질의 중량보다 약간 적으며 화학 성분에 있어서도 반드시 같지는 않다. 이는 석탄의 광물질이 회분으로 되기 위한 연소 과정 중에 일부 성분이 가스 상태로 기화되기 때문이다.

한편, 석탄의 회분 즉, 석탄회재 성분을 화학 분석하게 되면 이산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 산화알루미늄(Al₃O₃), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 이산화티탄(TiO₂), 산화타트륨(Na₂O), 산화칼륨(K₂O) 등의 성분으로 구성되어있다. 여기서 석탄회제를 구성하고 있는 성분 중 알칼리 성분인 산화칼슘(CaO), 산화철(Fe₂O₃), 산화타트륨(Na₂O), 산화칼륨(K₂O), 산화마그네슘(MgO) 이 많을수록 석탄의 융점이 낮아지는 효과가 있다.

상기 표 1을 참조하면 원료 탄과 부산물을 살펴보면 원료 탄의 성분을 기준으로 부산물의 성분은 고정탄소 비중이 감소하였으며, 휘발분과 회분은 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 원료 탄 비해 부산물에는 회분이 농축되어 있음을 알 수 있다. 따라서 부산물은 원료 탄에 비해 알칼리 성분은 다량 함유하고 있음을 알 수 있다.

상기 설명된 다량의 알칼리 성분을 함유한 부산물을 코크스 제조시 원료 탄에 첨가하면, 반응성이 우수한 즉, 반응개시온도가 낮은 코크스를 제조할 있다. 예컨대, 상기 자세히 설명된 부산물의 회분에 농축되어있는 알칼리 성분(K, Ca 등)과 알칼리 산화물(K₂O 등)이 고로 내 이산화탄소(CO₂), 탄소(C) 성분과 결합하여 일산화탄소(CO)를 생성하여 고로 내의 간접환원을 촉진시켜 열보존대 영역의 온도를 낮추는 효과를 갖는다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 반응성이 우수한 코크스 제조 방법으로 제조된 코크스의 반응개시온도는 원료 탄들에 첨가된 부산물의 함량에 비례하여 낮아진다.

다음은 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조 공정에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조 방법은 원료 탄을 준비하는 과정(S200), 부산물을 준비하는 과정(S210), 원료 탄들과 부산물을 혼합하는 과정(S220), 원료 탄과 부산물이 혼합된 혼합물을 코크스 오븐에 장입하고, 이를 건류하여 코크스를 제조하는 과정(S230)을 포함한다. 이후 별도로 도시되지는 않았지만 코크스 오븐으로부터 제조된 코크스를 압출하고, 압출된 적열 코크스를 습식이나 질소 냉각 방법으로 소화시키는 과정을 포함한다.

또한, 여기서 원료 탄을 준비하는 과정(S200)과 부산물을 준비하는 과정(S210)은 시계열적 관계가 아니며, 각각 독립적으로 수행되거나 동시에 각각 수행 되어도 무방하다.

또한, 원료 탄을 준비하는 과정(S200)은 코크스를 제조하는데 사용될 원료 탄을 마련하는 과정(S201), 원료 탄을 파쇄하는 과정(S202) 및 원료 탄의 수분 함유량을 조절하는 과정(S203)을 포함한다.

또한, 부산물을 준비하는 과정(S210)은 부산물을 마련하는 과정(S211), 부산물을 파쇄하는 과정(S212) 및 부산물의 수분 함유량을 조절하는 과정(S213)을 포함한다.

원료 탄과 부산물을 혼합하기에 앞서, 원료 탄을 준비하는 과정(S200)과 부산물을 준비하는 과정(S210)을 거친다. 원료 탄 및 부산물을 준비하는 과정(S200, S2100)은 코크스를 제조하기 위해 원료 탄과 부산물의 혼합 전에, 원료 탄과 부산물에 실시되는 전 처리 과정들을 포함한다.

먼저, 원료 탄을 준비하는 과정(S200)을 설명한다. 여기서 원료 탄은 복수 탄들이 혼합된 배합 탄이며, 각각 휘발분 함량이 다른 탄들을 사용한다.

또한, 휘발분 함량에 따라 저휘발분 석탄, 저휘발분 석탄보다 휘발분 중량이 더 많은 중휘발분 석탄, 중휘발분 석탄보다 휘발분 중량이 더 많은 고휘발분 석탄으로 분류할 수 있다.

또한, 각 탄의 휘발분 중량은 다음과 같은 범위를 갖는다.

저휘발분 석탄은 저휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 미만인 석탄, 중휘발분 석탄은 중휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 이상 내지 25퍼센트 이하인 석탄, 고휘발분 석탄은 고휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 25퍼센트를 초과하는 석탄이다.

예를 들어, 작업장의 야드(Yard)에는 코크스를 제조하기 위한 여러 종류 예컨대 10 ~ 13종류의 석탄 즉, 원료 탄들이 각각 적재되어 있다. 여기서 여러 종의 원료 탄들 중 본 발명의 실시 예에 따른 코크스 제조시 사용되는 코크스 원료 탄으로 9개의 탄종을 혼합하여 제조할 수 있다. 여기서 사용된 9개 탄종으로 저휘발분 석탄 3종, 중휘발분 석탄 4종, 고휘발분 석탄 2종을 사용할 수 있다.

이후, 원료 탄을 각각 파쇄(S202)하여 그 입도의 크기가 10mm가 되도록 하며, 이 중 3mm 이하의 입도를 가지는 입자의 분율이 80% 내지 90%가 되도록 파쇄하는 것이 바람직하다. 이는, 파쇄된 원료 탄이 코크스 오븐 내에 장입될 시에, 그 장입 밀도와 유동도를 향상시키기 위함이다. 예를 들어, 파쇄된 원료 탄의 입도가 10mm를 초과하는 경우, 입자와 입자 사이의 공극이 너무 커, 코크스 오븐 내로 장입 시에 장입 밀도가 낮으며, 이로 인해 유동성이 저하될 수 있다. 따라서, 실시 예에서는 각 석탄을 파쇄하여, 상기 석탄의 입도가 10mm 이하가 되도록 한다. 코크스 제조에 사용되는 9종의 원료 탄 각각이 파쇄 과정을 거쳐 적정 입도로 파쇄되면, 복수의 호퍼(hopper) 각각에 원료 탄을 저장한다. 그리고 일정한 품질의 코크스를 제조하기 위해 각 탄종별 배합비를 계산하고, 배합비를 바탕으로 각 호퍼로부터 탄종별 일정량의 원료 탄을 배출하여 벨트 상에 적재한다. 이에, 각 원료 탄들은 벨트를 타고 이동하다가, 벨트의 이동 경로 상에 위치하는 슈트를 거치면서 혼합되며, 이렇게 복수 종의 원료 탄들이 혼합된 것이 배합 탄이다.

상술한 바와 같이, 복수 종의 원료 탄들이 혼합된 것을 배합 탄이라 하나, 설명의 편의를 위하여 이하에서는 복수 종의 원료 탄들이 혼합된 것을 원료 탄이라 명명한다. 여기서 원료 탄의 조성은 휘발분이 15 내지 20wt%, 회분이 5 내지 10wt %이며 나머지는 고정탄소와 수분이다.

각 원료 탄들의 파쇄가 종료되면, 소정의 온도로 열처리하여 건조하며, 건조 과정에서 수분 함유량을 조절한다(S203). 실시 예에서는 원료 탄에 대해 수분이 6wt% 내지 10wt%가 포함되도록 조절한다. 이러한 수분 함유량의 조절은 타르 첨가 시에 원료 탄 입자의 흐름성을 향상시켜, 원료 탄 입자의 공극을 감소시킴으로써, 장입 밀도를 증가시키기 위함이다. 한편, 수분의 함유량이 6wt% 미만인 경우, 원료 탄에 함유되어 있는 수분이 너무 작아, 타르 첨가 시에 원료 탄 입자의 흐름성 및 장입 밀도가 좋지 않은 문제가 있다. 반대로, 수분의 함유량이 10wt%를 초과하는 경우, 흐름성이 과도하게 향상되어 원료 탄을 이동시켜 호퍼, 벨트, 슈트 등으로 공급하기가 용이하지 않은 문제가 있다. 따라서, 실시 예에서는 각 원료 탄에 함유되는 수분의 함유량이 6wt% 내지 10wt%가 되도록 한다.

한편, 석탄 액화 공정에서 용제 정제탄(SRC)와 부산물이 생산된다. 이 중, 부산물은 원료 탄의 알칼리 성분 보다 더 많은 알칼리 성분을 포함하고 있다. 알칼리 성분은 상기 설명과 같이 열보존대 영역의 온도를 낮추는 효과가 있다. 따라서, 코크스의 원료 탄에 부산물을 혼합시키면, 원료 탄의 알칼리 성분에 부산물의 알칼리 성분이 더해져 코크스의 반응성을 향상시킨다. 따라서, 본 발명에서는 원료 탄에 부산물을 첨가하여 반응성이 우수한 코크스를 제조한다.

이하, 부산물을 준비하는 과정(S210)에 대해 상세히 설명한다.

실시 예에서 부산물을 준비하는 과정(S210) 중에 부산물을 마련하는 과정(S211)은 상기 설명된 도 1의 설명과 중복되므로 생략한다. 또한, 부산물을 파쇄하는 과정(S212)은 상기 원료 탄들이 파쇄되는 조건과 동일한 조건에서 파쇄 과정이 진행되며 입도 조건 또한 동일하다. 즉, 그 입도의 크기가 10mm가 되도록 하며, 이 중 3mm 이하의 입도를 가지는 입자의 분율이 80% 내지 90%가 되도록 파쇄하는 것이 바람직하다.

부산물의 파쇄가 종료되면, 소정의 온도로 열처리하여 건조하며, 건조 과정에서 수분 함유량을 조절한다(S213). 상기 설명된 S203 과정과 동일한 조건을 수행되므로 상세한 설명은 생략한다.

원료 탄의 파쇄 과정을 거친 여러 종의 원료 탄이 혼합된 배합 탄과 부산물이 준비되면, 준비된 원료 탄들 즉, 배합 탄과 부산물을 혼합기에 장입하고, 혼합한다(S220). 여기서, 혼합기는 예컨대, 원료 탄과 부산물을 수용하는 용기, 용기 내로 장입되도록 설치되며 회전 가능한 블레이드를 포함할 수 있다. 이에, 블레이드가 회전하면 용기 내에 수용된 원료 탄과 부산물이 혼합된다. 물론 혼합기는 상기에서 서술한 블레이드를 가지는 구조에 한정되지 않고, 원료 탄과 타르를 혼합시킬 수 있는 다양한 수단이 사용될 수 있다.

원료 탄과 부산물의 혼합 시에, 상기 원료 탄과 부산물이 혼합된 혼합물 전체를 기준으로 부산물의 함유량이 10wt% 이하가 되도록 한다. 이는 부산물을 10wt %를 초과하여 첨가함으로써, 제조되는 코크스의 물성 즉, 제조되는 최종 코크스의 물리적 강도가 약화 될 수 있기 때문이다. 따라서, 제조되는 코크스의 반응성을 높이는 동시에 물성에 영향을 미치지 않는 10wt% 이하 범위 내에서 부산물을 첨가하여 혼합한다.

그 후, 원료 탄과 부산물이 혼합된 혼합물을 코크스 오븐에 장입하고, 이를 건류하여 반응성이 우수한 코크스를 제조한다(S230). 예컨대, 부산물과 원료 탄이 혼합되면, 혼합물을 콜빈(Coal bin)으로 장입하고, 콜빈으로부터 일정량의 혼합물을 장입차로 불출하여, 코크스 오븐에 장입한다. 이후, 코크스 오븐 내에서 혼합물을 건류하여 코크스가 제조되며, 제조된 코크스는 압출된다. 그리고 압출된 코크스는 습식이나 질소 냉각에 의해 소화된다.

다음은 본 발명의 실시 예에 따른 부산물이 첨가되어 제조된 반응성이 우수한 코크스의 반응개시온도에 대하여 설명한다.

코크스 시험로에서 코크스 제조용 원료 탄에 석탄 액화 공정에서 부생된 부산물을 혼합하여 반응성이 우수한 코크스의 초기 반응성 및 반응개시온도에 미치는 영향을 평가하였다.

시료는 코크스 원료 탄으로 9개의 탄종을 혼합하여 제조한다. 여기서 사용된 9개 탄종은 상기 자세히 설명된 저휘발분 석탄 3종, 중휘발분 석탄 4종, 고휘발분 석탄 2종이다.

먼저, 시료를 만들기 위한 원료 탄을 마련한다. 예컨대, 원료 탄을 마련하는 방법은 상기 도 2를 참조하여 설명된 원료 탄을 마련하는 과정과 동일하다. 여기서 시료를 만들기 위한 원료 탄 각각 파쇄하여 그 입도의 크기가 10mm가 되도록 하며, 이 중 3mm 이하의 입도를 가지는 입자의 분율이 80% 내지 90%가 되도록 한다. 바람직하게는 85% 분율을 유지하도록 파쇄를 진행한다. 그 이유는 상기 도 2를 참조하여 설명된 이유와 동일하다. 즉, 파쇄된 원료 탄이 코크스 오븐 내에 장입될 시에, 그 장입 밀도와 유동도를 향상시키기 위함이다.

그 후, 시료를 만들기 위한 부산물을 마련한다. 예컨대, 부산물을 마련하는 방법은 상기 도 2를 참조하여 설명된 부산물을 마련하는 과정과 동일하다.

그 후, 원료 탄과 부산물을 이송하여 혼합기로 혼합물을 제조한다. 여기서 혼합물은 원료 탄에 첨가되는 부산물의 비율을 달리하여 제조하였다.

첫째, 시료 A는 원료 탄의 비중이 100%, 부산물이 0% 첨가되어 제조된 시료로서 휘발분 15% 이상 내지 20% 이하 범위, 회분 5% 이상 내지 10% 미만 범위, 나머지 고정탄소와 수분으로 조성이 구성된 시료이다.

둘째, 시료 B는 원료 탄의 비중이 97%, 부산물이 3% 첨가되어 제조된 시료로서 휘발분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 회분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 나머지 고정탄소와 수분으로 조성이 구성된 시료이다.

셋째, 시료 C는 원료 탄의 비중이 95%, 부산물이 5% 첨가되어 제조된 시료로서 휘발분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 회분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 나머지 고정탄소와 수분으로 조성이 구성된 시료이다.

넷째, 시료 D는 원료 탄의 비중이 90%, 부산물이 10% 첨가되어 제조된 시료로서 휘발분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 회분 10% 이상 내지 15% 이하 범위, 나머지 고정탄소와 수분으로 조성이 구성된 시료이다.

하기 설명될 본 발명의 실시 예에 따른 반응성이 우수한 코크스의 초기 반응성 및 반응개시온도에 미치는 영향을 각 시료를 대상으로 각각 실험하여 평가하였다.

원료 탄과 부산물이 각각 다른 비중으로 제조된 시료를 건조 베이스로 730kg/m³의 일정한 장입 밀도를 갖도록 충전하였다. 실험에 사용된 코크스 시험로는 상업용 코크스 오븐과 같은 방식으로 양쪽 측벽으로부터 열전달이 일어나도록 히터가 설치되었다. 700℃로 가열된 시험로 내에 시료를 장입한 후, 950℃까지 2.7℃/min으로 승온하여 가열한다. 코크스 시험로 내에 장입된 시료의 중심온도가 900℃에 도달하면, 1시간을 유지한 후 압출하여, 압출된 적열 코크스는 소화설비에서 약간의 공기를 공급하여 소화설비의 온도가 1050℃ 되도록 한 후, 질소 분위기 하에서 소화 냉각하였다.

상기 과정으로 제조된 네 가지 시료를 대상으로 반응성이 우수한 코크스의 초기 반응성 및 반응개시온도에 미치는 영향을 평가하였다. 여기서 반응개시온도는 시료를 소정 입도(1 내지 3mm 이내)로 만들어 열 분석기(Thermo gravimetry)를 사용하여 측정한다. 시료를 CO: CO2=1.5L: 1.5L 분위기에서 1200℃까지 5℃/min으로 승온하며 반응선 추이 분석을 통해 분당 무게 감당률이 0.002g/min 을 넘는 가장 낮은 온도를 반응개시온도로 정의하여 측정한다.

하기 표 2는 저급의 원료 탄으로부터 추출된 부산물의 첨가량을 각각 다른 비중으로 첨가되어 제조된 코크스들을 대상으로 각각 측정된 반응개시온도이다.

부산물 첨가량(wt%)	시료 A(0wt%)	시료 B(3wt%)	시료 C(5wt%)	시료 D(10wt%)
반응개시온도(℃)	1120℃	1090℃	1086℃	1080℃

시료 A는 첨가물이 첨가되지 않은 코크스로서 반응개시온도가 1120℃이다. 이에 반해 시료 B는 첨가물을 3wt% 함유하는 코크스로서 반응개시온도가 1090℃이다. 시료 A와 시료 B를 살펴보면 부산물 함유 차이는 +3wt%, 반응개시온도 차이는 -30℃였다.

또한, 시료 C는 첨가물을 5wt% 함유하는 코크스로서 반응개시온도가 1086℃이다. 시료 A와 시료 C를 살펴보면 부산물의 함유 차이는 +5wt%, 반응개시온도 차이는 -34℃였으며, 시료 B와 시료 C를 살펴보면 부산물의 함유 차이는 +2wt%, 반응개시온도 차이는 -4℃였다.

또한, 시료 D는 첨가물을 10wt% 함유하는 코크스로서 반응개시온도가 1080℃이다. 시료 A와 시료 D를 살펴보면 부산물의 함유 차이는 +10wt%, 반응개시온도 차이는 -40℃였으며, 시료 B와 시료 D를 살펴보면 부산물의 함유 차이는 +7wt%, 반응개시온도 차이는 -10℃였고, 시료 C와 시료 D를 살펴보면 부산물의 함유 차이는 +5wt%, 반응개시온도 차이는 -5℃였다.

따라서, 상기 표 2에 결과에 나타나있듯이, 석탄 액화 공정에서 부생된 부산물의 함유량이 증가할수록, 반응개시온도가 낮아졌다. 이 결과를 통해 저가의 저급석탄을 원탄으로 사용한 석탄 액화 공정에서 부생된 부산물을 첨가하여 반응성이 우수한 코크스를 제조할 수 있으며, 제조된 반응성이 우수한 코크스를 사용하면 고로 내 열보존대 온도를 낮출 수 있음을 알 수 있다. 여기서 본 발명에 실시 예에 따른 반응성이 우수한 코크스 제조 시 부산물의 함유량이 증가할수록 제조되는 코크스의 반응성은 증가하지만, 전체 제조되는 반응성이 우수한 코크스 비중 대비 부산물의 비중이 정적 범위를 초과하면 제조되는 코크스의 물성 즉, 물리적 강도가 약화 될 수 있다. 따라서, 코크스 제조 시 첨가되는 부산물의 비중은 코크스 전체 비중 대비 0wt% 초과 내지 10wt%이하의 범위를 가질 수 있다. 이는 제조되는 코크스의 물성을 변화시키지 않고 반응성이 우수한 코크스를 제조하기 위함이다. 더 바람직하게는 본 발명의 코크스 제조 방법에 의해 최종 제조된 코크스가 반응성이 우수한 특성이 보장되기 위하여 3wt% 이상 내지 10wt%이하 범위를 가지는 것이 좋다.

또한, 원료 탄으로만 제조된 코크스와 부산물이 첨가된 원료 탄으로 제조된 코크스의 반응개시온도 차이는 -30도 내지 -40도 범위를 갖는다. 여기서 오차 범위를 를 ±20도 설정하면, -10도 내지 -60도의 범위를 갖는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 저급 석탄을 대상으로 석탄 액화 공정을 실시하여 부생된 잔사 즉, 부산물을 코크스 제조에 사용한다. 이때, 실시 예에서는 원료 탄에 부산물을 첨가하여 코크스의 반응성을 향상시키며, 제조되는 코크스의 부산물 함유량을 10wt% 이하가 되도록 조절함으로써, 저가의 저급 석탄을 대상으로 석탄 액화 공정을 실시하여 부생된 부산물 사용하면서도 반응성이 우수한 코크스를 제조할 수 있도록 한다. 따라서, 매장량의 한계로 점차 확보가 어려워지고 있는 고급 석탄을 대체할 수 있으며, 반응성이 우수한 코크스를 제조할 수 있다. 이에, 코크스 제조 원가가 절감되며, 생산성이 향상되는 효과가 있다.

이상 설명된 실시 예와 실시 방법은 제강용 코크스 외에 다양한 코크스 제조에 변형 적용이 가능하다. 이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예, 변형 예, 실시 방법 및 변형 방법들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예, 변형 예, 실시 방법 및 변형 방법들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 실시 예 및 변형 예들 간의 다양한 조합이 가능하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

원료 탄을 마련하는 과정;
석탄계 첨가제 제조 공정의 부산물을 마련하는 과정;
상기 원료 탄과 부산물을 파쇄하는 과정;
파쇄된 상기 원료 탄과 파쇄된 상기 부산물을 혼합기를 사용하여 혼합물을 제조하는 과정; 및
상기 혼합물을 코크스 오븐을 사용하여 코크스를 제조하는 과정을 포함하는 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 과정은, 상기 혼합물의 전체 비중을 기준으로, 상기 부산물이 3wt% 이상 내지 10wt% 이하의 범위로 함유되도록 혼합하는 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 원료 탄은 복수 탄들이 혼합된 배합 탄이며, 각각 휘발분 함량이 다른 탄들인 코크스 제조 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 배합 탄은 상기 휘발분 함량에 따라 분류된 저휘발분 석탄들, 상기 저휘발분 석탄들보다 휘발분 중량이 더 많은 중휘발분 석탄들, 상기 중휘발분 석탄들보다 휘발분 중량이 더 많은 고휘발분 석탄들이 혼합된 코크스 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 저휘발분 석탄들은, 개별의 상기 저휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 미만인 석탄이며, 상기 중휘발분 석탄들은, 개별의 상기 중휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 15퍼센트 이상 내지 25퍼센트 이하인 석탄이며, 상기 고휘발분 석탄들은, 개별의 상기 고휘발분 석탄의 전체 중량 대비 휘발분 중량이 25퍼센트를 초과하는 석탄인 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 부산물을 준비하는 과정은,
저급 석탄을 파쇄 및 건조하여 원료 탄을 준비하는 과정;
용매를 준비하는 과정;
슬러리 제조기 내로 파쇄된 상기 원료 탄과 상기 용매를 장입하여, 혼합하고 슬러리를 제조하는 과정;
상기 슬러리를 추출반응기로 이송하고, 추출 반응시키는 과정;
상기 추출 반응이 완료된 물질을 용해분과 불용분으로 분리하는 과정; 및
상기 불용분을 건조기로 이송한 후, 건조하여 상기 부산물을 획득하는 과정;
을 포함하는 코크스 제조 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 저급 석탄은 아탄, 갈탄, 아역청탄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 파쇄하는 과정은, 상기 원료 탄 및 상기 부산물의 입도가 10mm 이하가 되도록 파쇄하며, 상기 파쇄된 원료 탄 및 부산물 전체를 기준으로, 3mm 이하의 입도를 가지는 입자가 80% 내지 90%가 되도록 파쇄하는 코크스 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 3에 있어서,
상기 원료 탄은 휘발분을 15wt% 이상 내지 20wt% 이하 범위로, 회분을 5wt% 이상 내지 10wt% 이하 범위로 포함하는 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코크스는 휘발분을 10wt% 이상 내지 15wt% 이하 범위로, 회분을 10wt% 이상 내지 15wt% 이하 범위로 포함하는 코크스 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코크스의 반응개시온도가 상기 원료 탄의 반응개시온도보다 -10도 내지 -60도 범위 내에 낮은 온도를 갖는 코크스 제조 방법.