KR20160066122A - 코크스 건식 소화 설비의 회수 열량 증대 방법 - Google Patents

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KR20160066122A
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    • C10B39/00—Cooling or quenching coke
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Abstract

본 발명은 코크스 건식 소화 설비(CDQ)에 적열 코크스를 투입하는 투입 단계; 적열 코크스에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급 단계; 상기 이산화탄소는 하기 반응식 1에 의해 일산화탄소로 전환되는 전환 단계 및
반응식 1
C(코크스) + CO2 → 2CO
상기 일산화탄소에 외부 공기를 공급하여 하기 반응식 2에 의해 연소시키는 연소 단계
반응식 2
2CO + O2 → 2CO2
를 포함하는 회수 열량 증대 방법을 제공한다.
이를 통해, 코크스 건식 소화 설비에서 회수되는 열량을 증대하고, 열교환으로 고압의 스팀을 생성한 후 냉각된 순환 가스를 재활용하는 효과가 있다.

Description

코크스 건식 소화 설비의 회수 열량 증대 방법 {Method of Increasing the Heat Recovery using Coke Dry Quenching}
본 발명은 코크스 건식 소화 설비에서 에너지 회수량을 증대하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 제철 공정에서 고로용 코크스를 제조하기 위해서는 코크스 오븐에 배합탄을 투입하여 1,000℃이상의 온도에서 약 20시간 건류를 하고, 고온의 적열 코크스를 배출, 냉각한 후에 고로에 소결광과 같이 투입하여 선철을 제조하는 열원 및 환원제로 사용된다. 이러한 코크스 제조 공정에서 건류 후 배출되는 고온의 적열 코크스는 1,000℃ 이상의 고온을 가지므로 이의 냉각을 위해 습식 또는 건식 냉각 방법을 사용하게 된다.
이때, 습식 냉각 방법의 경우 고온의 현열 회수가 어려울 뿐만 아니라, 다량의 폐수 및 분진 발생 등의 환경 문제가 있어, 일반적으로 건식 냉각 방법이 주로 사용된다.
상기 건식 냉각 방법은 코크스 건식 소화 설비(CDQ, Coke Dry Quenching)를 활용하며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 CDQ본체(1)를 포함하여 구성된다. 즉, 코크스 건식 소화설비의 CDQ본체(1)는 윈치 리프트(3)를 통해 코크스 버킷(2)으로부터 고온 상태의 적열 코크스를 공급받으며, 상기 적열 코크스를 건식 소화시키는 과정을 통해 고열을 회수하고, CDQ본체(1) 내에서 건식 소화된 코크스를 코크스 배출 장치(4)로 배출한다.
이때, 종래 기술의 코크스 건식 소화설비는 CDQ본체(1) 내에서 적열 코크스를 건식 소화시키는 과정에서 외부로부터 유입되는 수분 및 산소에 의해 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 등의 가스가 발생된다.
그런데, 상기 가스의 농도가 높아지면 코크스 건식 소화 설비의 운전 및 제어가 불안정하게 되므로, 이를 연소시켜 제거해야 하고, 연소에 필요한 연소용 공기는 CDQ본체(1)의 상부 일측에 설치된 연소용 공기 공급 장치(5)를 통하여 공급한다.
상기한 바와 같이, 코크스 건식 소화 설비는 코크스에 불활성 가스를 가하여 고온의 코크스를 냉각 소화시키는데, CDQ본체(1)의 프리 챔버(1a)에 투입된 적열 코크스가 냉각 챔버(1b)로 이동하면 가스 공급관(6)을 통하여 냉각 챔버(1b)에 불활성 가스를 공급함으로써, 불활성 가스와 적열 코크스가 열 교환을 하게 되어, 적열 코크스는 냉각되고, 이때 발생한 고온의 불활성 가스로부터 회수된 열은 발전시스템 등에 이용되는 것이 일반적이었다.
그러나, 이러한 종래의 코크스 건식 소화 방법은 적열 코크스를 충분히 냉각하고 대량의 열을 회수하기 위해서 대량의 불활성 가스를 순환시켜주어야 하는 바, CDQ설비가 대형화될 수 밖에 없고, 적열 코크스의 현열 중 30% 미만 정도만이 전기로 회수할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 코크스 건식 소화 설비에 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 가스를 공급하여 냉각함으로써, 코크스 건식 소화 설비에서 회수되는 열량을 증대하고, 열교환으로 고압의 스팀을 생성한 후 냉각된 순환 가스를 재활용하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코크스 건식 소화 설비(CDQ)에 적열 코크스를 투입하는 투입 단계; 상기 적열 코크스에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급 단계; 상기 이산화탄소는 하기 반응식 1에 의해 일산화탄소로 전환되는 전환 단계 및
반응식 1
C(코크스) + CO2 → 2CO
상기 일산화탄소에 외부 공기를 공급하여 하기 반응식 2에 의해 연소시키는 연소 단계
반응식 2
2CO + O2 → 2CO2
를 포함하는 회수 열량 증대 방법을 제공한다.
상기 이산화탄소 공급 단계에서 상기 이산화탄소는 코크스 건식 소화 설비의 상부 또는 하부에 공급될 수 있다.
상기 이산화탄소는 순수한 이산화탄소, 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 연소 연도 가스 중 하나 이상일 수 있다.
상기 반응식 1에서 코크스는 스폰지 카본, 분 코크스 및 괴코크스 중 하나 이상일 수 있다.
상기 외부 공기는 유량이 코크스 투입 톤당 70 내지 300 Nm3/hr일 수 있다.
상기 연소 단계 후에 승온된 순환 가스를 이용하여 스팀을 생산하는 열교환 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환 단계 후에 냉각된 순환 가스는 코크스 건식 소화 설비의 하부로 재공급되는 재공급 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 코크스 건식 소화 설비에 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 가스를 공급하여 냉각함으로써, 코크스 건식 소화 설비에서 회수되는 열량을 증대하고, 열교환으로 고압의 스팀을 생성한 후 냉각된 순환 가스를 재활용하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 코크스 건식 소화 설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 회수 열량을 증대하는 코크스 건식 소화 설비의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 코크스 건식 소화 설비의 회수 열량 증대 방법에 관한 것으로, 투입 단계, 이산화탄소 공급 단계, 전환 단계 및 연소 단계로 이루어질 수 있다.
구체적으로는 코크스 건식 소화 설비(CDQ)에 적열 코크스를 투입하는 투입 단계; 상기 적열 코크스에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급 단계; 상기 이산화탄소는 하기 반응식 1에 의해 일산화탄소로 전환되는 전환 단계 및
반응식 1
C(코크스) + CO2 → 2CO
상기 일산화탄소에 외부 공기를 공급하여 하기 반응식 2에 의해 연소시키는 연소 단계
반응식 2
2CO + O2 → 2CO2
를 포함하는 회수 열량 증대 방법을 제공한다
본 발명은 코크스 건식 소화 설비(CDQ)에 적열 코크스를 투입하는 투입 단계를 포함하며, 구체적으로는 코크스 제조 공정에서 건류 후 배출되는 약 1100℃ 정도의 고온의 적열 코크스는 코크스 버킷(2)에 담긴 뒤, 윈치 리프트(3)를 이용하여 CDQ 본체(1)의 프리 챔버(1a)에 투입된다.
상기와 같이 적열 코크스가 프리 챔버(1a)에 투입된 후에는, 적열 코크스의 건식 냉각을 위하여 순환 가스를 코크스 건식 소화 설비에 공급하며, 상기 순환 가스는 통상적으로 질소를 사용한다.
본 발명은 상기 순환가스 외에도 이산화탄소를 코크스 건식 소화 설비에 공급할 수 있다. 상기 이산화탄소는 순수한 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 가스로써, 제철 공정 내 이산화탄소 농도가 20% 이상인 부생 가스 또는 배가스를 활용할 수 있다.
상기 이산화탄소가 코크스 건식 소화 설비에 공급될 때, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 공급장치(7)에 의해 코크스 건식 소화 설비의 상부 또는 하부에 공급될 수 있다. 상기 순환가스를 코크스 건식 소화 설비의 상부에 공급하는 경우, 프리 챔버(1a)에 있는 적열 코크스와 상기 이산화탄소가 반응을 하여 적열 코크스의 현열을 회수할 수 있다.
반면, 상기 순환가스를 코크스 건식 소화 설비의 하부에 공급하는 경우, 냉각 챔버(1b)에 있는 적열 코크스와 상기 이산화탄소가 반응하여 적열 코크스의 현열을 회수할 수 있다. 하기에 설명하겠지만, 상기 이산화탄소가 하부에서 공급되는 경우에는 외부에서 공급되는 이산화탄소 외에도, 승온된 순환가스가 열 교환기(8)를 겨쳐 냉각된 후 냉각 챔버(1b)에 재공급될 수 있다.
상기 이산화탄소는 이로서 한정하는 것은 아니나, 순수한 이산화탄소, 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 연소 연도 가스 중 하나 이상일 수 있다.
하기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 기존 CDQ 하부 투입 가스의 이산화탄소 함량 10 내지 20 %이지만, 파이넥스 오프 가스는 30~35 %, 파이넥스 테일 가스는70~75 %, 고로 가스는 20~25 % 및 연소 연도 가스는 30~35 %이므로 기존 순환 가스에 비해 이산화탄소의 함량이 높다는 것을 알 수 있다.
기존 CDQ 하부 투입 가스 파이넥스 오프 가스 파이넥스 테일 가스 고로 가스
 연소 연도 가스
N2 (%) 70~80 10~15 10~15 50~55 65~70
CO2 (%) 10~20 30~35 70~75 20~25 30~35
CO (%) <1 30~35 10~15 20~25 -
H2 (%) <1 15~20 1~5 <1 -
H2O (%) 5~15 <1 <1 <1 <1
특히, 파이넥스 오프 가스(FOG)를 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 등으로 CO 및 H2 가스를 분리하고 나서 파이넥스 테일 가스(FTG)이 생성된다. FTG는 이산화탄소의 농도가 70 내지 75 %로 제철 공정에 사용이 어려워 기존 부생가스 발전의 열량을 조절하기 위한 보완가스로 사용되고 있는데, 이를 코크스 건식 소화 설비의 회수 열량 증대에 활용할 수 있다.
본 발명에서 코크스 건식 소화 설비에서 이산화탄소를 이용한 현열 회수 방법은 코크스와 이산화탄소가 하기 [반응식 1]과 같이 부다 반응(Boudouard reaction)을 수행함을 통해 일어날 수 있다.
[반응식 1]
C(s) + CO2 → 2CO (ΔH= +172.5 KJ/mol)
고상의 적열 코크스(C)는 이산화탄소 가스(CO2)와 반응하여 일산화탄소(CO)가 생성되고, 이때 반응 엔탈피(ΔH)는 +172.5 KJ/mol로, 적열 코크스(C(s))와 이산화탄소(CO2)가 갖는 반응 엔탈피보다 생성물에 해당되는 일산화탄소(CO)의 엔탈피가 증가하는 흡열 반응에 해당한다. 이러한 흡열 반응에 의해 적열 코크스의 온도가 떨어져 냉각될 수 있으며, 적열 코크스의 현열을 회수할 수 있다.
상기 이산화탄소를 이용한 화학적인 반응을 통한 적열 코크스의 현열 회수방법 이외에도 물리적으로도 적열 코크스의 현열은 회수될 수 있다. 고온의 적열 코크스에 비하여 상대적으로 저온인 이산화탄소가 물리적으로 열을 교환함으로써, 적열 코크스의 열이 이산화탄소로 이동하여, 이산화탄소는 가열되고, 적열 코크스는 냉각될 수 있다.
상기에 기재한 바와 같이, 상기 순환가스는 코크스 건식 소화 설비의 상부 또는 하부에서 투입할 수 있으며, 코크스 건식 소화 설비의 상부로 투입되는 경우 상기 이산화탄소는 프리 챔버(1a) 내에서 상기 적열 코크스와 상기 [반응식 1]과 같이 부다 반응(Boudouard reaction)을 수행하여 상기 적열 코크스는 냉각되며, 상기 이산화탄소는 일산화탄소로 전환될 수 있다.
상기 부다 반응시 상기 이산화탄소와 반응하는 코크스는 저품질인 것이 바람직하며, 스폰지 카본, 분 코크스 및 괴코크스 중 하나 이상일 수 있으며, 입자가 작고 기공이 많은 스폰지 카본, 분 코크스 또는 이들의 혼합물이 대부분 반응에 관여한다.
적열 코크스는 프리 챔버(1a)에 처음 투입될 당시의 온도가 약 1100℃ 정도에 해당하지만, 프리 챔버(1a) 내에서 상기와 같이 이산화탄소와의 반응을 통하여 약 750 내지 900℃ 정도까지 냉각될 수 있다.
상기 프리 챔버(1a) 내에서 부다 반응을 통해 냉각된 적열 코크스는 이후 프리 챔버(1a)의 하부에 이어지는 냉각 챔버(1b)로 이동하게 된다. 앞서 기재한 바와 같이, 상기 순환가스가 코크스 건식 소화 설비의 하부에서 투입되는 경우 상기 순환가스 내에 포함된 이산화탄소는 냉각 챔버(1b) 내에서 상기 적열 코크스와 상기 [반응식 1]과 같이 부다 반응(Boudouard reaction)을 수행하여 상기 적열 코크스는 냉각되며, 상기 이산화탄소는 일산화탄소로 전환될 수 있다.
상기 냉각 챔버(1b)에서 최종적으로 냉각되어 200℃이하의 온도를 가지는 코크스는 코크스 배출 장치(4)를 통해 코크스 건식 소화 설비 외부로 배출될 수 있다.
본 발명은 코크스 건식 소화 설비에 외부 공기를 공급할 수 있다. 상기 일산화탄소는 12.6 MJ/m3의 열량을 가지고 있으므로, 공급된 상기 외부 공기 내에 포함된 산소와 반응하여 연소하면 코크스 건식 소화 설비 내에 포함된 적열 코크스로부터 회수하는 열량은 증대될 수 있다. 공급된 외부 공기와 상기 일산화탄소는 하기 [반응식 2]에 의해 반응할 수 있다.
[반응식 2]
CO + 1/2O2 → CO2 (ΔH= -283.0 KJ/mol)
일산화탄소(CO)는 외부 공기 내에 포함된 산소(O2)와 반응하여 이산화탄소(CO2)가 생성되고, 이때 반응 엔탈피(ΔH)는 -283.0 KJ/mol로, 일산화탄소(CO)와 산소(O2)가 갖는 반응 엔탈피보다 생성물에 해당되는 이산화탄소(CO2)의 엔탈피가 낮은 발열 반응에 해당한다. 이러한 발열 반응에 의해 순환 가스의 전체 열량은 증가하고, 적열 코크스로부터 얻을 수 있는 회수 열량의 전체량도 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 외부 공기의 유량은 코크스 투입 톤당 70 내지 300 Nm3/hr인 것이 바람직하다. 상기 유량이 코크스 투입 톤당 70 Nm3/hr 미만이면 일산화탄소 연소시 충분한 양의 산소가 없어서 회수 열량이 증대될 수 없으며, 상기 유량이 코크스 투입 톤당 300 Nm3/hr 초과하면 연소에 활용되지 못한 공기는 가스의 온도를 떨어뜨려 회수 열량이 감소하게 된다.
상기 연소 단계 후에 승온된 순환가스의 온도는 약 980℃의 온도를 해당하며, 이를 이용하여 고압의 스팀을 생산할 수 있다. 승온된 순환가스로 고압의 스팀을 생산하기 위해서는 상기 승온된 순환가스를 열 교환기(8)에 통과시켜 열교환이 일어나도록 한다. 상기 열 교환기(8)에서 순환가스의 열교환으로 생성된 고압의 스팀은 직접 공정에 이용하거나, 전기 에너지 생산을 위한 발전에 활용할 수 있다.
상기 순환가스가 열 교환기(8)를 통과하기 전에 집진 장치(10)를 사용하여 순환가스 내에 포함된 더스트 등의 이물질을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 승온된 순환가스는 열 교환기(8)를 통과하면 고압의 증기를 생산한 후 냉각되며, 이렇게 냉각된 순환가스는 코크스 건식 소화 설비의 하부로 재공급될 수 있다. 재공급되는 순환가스는 회전팬(9)에 의해 코크스 건식 소화 설비의 하부로 재공급될 수 있다.
실시예
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
온도가 1,000~1,100℃에 해당하는 적열 코크스 1톤을 코크스 건식 소화 설비에 투입한 뒤, 하부에 총 투입 가스를 1,400 Nm3/hr의 유량으로 공급하였다.
상기 투입 가스는 통상적으로 투입하는 하부투입가스 및 파이넥스 테일 가스(FTG)를 혼합한 가스이며, 가스의 조성, 투입량, 잉여 가스 배출량, 회수 열량 및 전력 생산량은 표 2에 기재된 바와 같다.
단위 코크스 건식 소화 설비
하부 총 투입 가스 상부 배출가스
하부투입가스 FTG 추가
가스 유량 Nm3/hr 1,300 100 1,400 1,430
조성 N2 % 72 14 67.9 66.5
CO2 % 17 75 21.1 19
CO % 0.5 10 1.2 3.9
H2 % 0.5 1 0.5 1.9
H2O % 10 - 9.3 8.7
공기 투입량 Nm3/hr 210
잉여 가스 배출량 Nm3/hr 250
회수 열량 Mcal/hr 540
전력 생산량 kW 189
[비교예 1]
온도가 1,000~1,100℃에 해당하는 적열 코크스 1톤을 코크스 건식 소화 설비에 투입한 뒤, 하부에 총 투입 가스를 1,400 Nm3/hr의 유량으로 공급하였다.
상기 투입 가스는 통상적으로 투입하는 하부 투입 가스이며, 가스의 조성, 투입량, 잉여 가스 배출량, 회수 열량 및 전력 생산량은 표 3에 기재된 바와 같다.
단위 코크스 건식 소화 설비
하부 투입 가스 상부 배출 가스
가스 유량 Nm3/hr 1,400 1,410
조성 N2 % 72 71.5
CO2 % 17 16
CO % 0.5 2
H2 % 0.5 2
H2O % 10 9.5
공기 투입량 Nm3/hr 100
잉여 가스 배출량 Nm3/hr 120
회수 열량 Mcal/hr 400
전력 생산량 kW 140
상기 표 2 및 3에서 볼 수 있듯이, 기존 코크스 건식 소화 설비로써 하부 투입 가스 만이 투입되는 비교예 1의 경우에 전체 조성 중 이산화탄소의 함량은 17%이지만, 하부투입가스 및 파이넥스 테일 가스(FTG)를 투입하는 실시예 1의 경우에 전체 조성 중 이산화탄소의 함량은 21.1%에 해당하는 것을 알 수 있다. 따라서, 제철 부생 가스인 FTG 가스를 투입하는 경우에는 투입되는 이산화탄소의 양이 증가함을 알 수 있다.
또한, 투입되는 이산화탄소의 양이 많은 경우에 부다 반응을 통해 전환된 일산화탄소의 양도 많아진다. 이로 인해, 연소 단계에서 일산화탄소를 연소하기 위한 공기의 양이 증가되는데, 표 2 및 3에 나타난 바와 같이, FTG 가스를 추가적으로 투입하는 경우에는 공기 투입량이 210 Nm3/hr 이지만, 그렇지 않은 경우는 100 Nm3/hr 에 불과하다는 것을 알 수 있다.
투입되는 이산화탄소의 양이 많은 경우에는 그렇지 않은 경우 비해 회수 열량 및 전력 생산량이 증가함을 알 수 있다. 상기 표 2 및 3에서 볼 수 있듯이, 실시예 1의 경우 회수 열량은 540 Mcal/hr이나, 비교예 1의 회수 열량은 400 Mcal/hr이므로, FTG 가스를 코크스 건식 소화 설비에 공급하는 경우에는 회수 열량이 35%가 증대됨을 알 수 있다.
더욱이, 회수 열량을 이용해 전력을 생산하는 경우, 실시예 1의 전력 생산량은 189 kW이나 비교예 1의 전력 생산량은 140 kW이므로, FTG 가스를 코크스 건식 소화 설비에 공급하는 경우에는 전력 생산량도 35%가 증대됨을 알 수 있다.
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 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1: CDQ본체
1a: 프리 챔버
1b: 냉각 챔버
2: 코크스 버킷
3: 윈치 리프트
4: 코크스 배출 장치
5: 연소용 공기 공급장치
6: 가스 공급관
7: 이산화탄소 공급장치
8: 열 교환기
9: 회전 팬
10: 집진 장치

Claims (7)

  1. 코크스 건식 소화 설비(CDQ)에 적열 코크스를 투입하는 투입 단계;
    상기 적열 코크스에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급 단계;
    상기 이산화탄소는 하기 반응식 1에 의해 일산화탄소로 전환되는 전환 단계 및
    반응식 1
    C(코크스) + CO2 → 2CO
    상기 일산화탄소에 외부 공기를 공급하여 하기 반응식 2에 의해 연소시키는 연소 단계
    반응식 2
    2CO + O2 → 2CO2
    를 포함하는 회수 열량 증대 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 공급 단계에서 상기 이산화탄소는 코크스 건식 소화 설비의 상부 또는 하부에 공급되는 회수 열량 증대 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이산화탄소는 순수한 이산화탄소, 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 연소 연도 가스 중 하나 이상인 회수 열량 증대 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반응식 1에서 코크스는 스폰지 카본, 분 코크스 및 괴코크스 중 하나 이상인 회수 열량 증대 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 외부 공기는 유량이 코크스 투입 톤당 70 내지 300 Nm3/hr인 회수 열량 증대 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 연소 단계 후에 승온된 순환 가스를 이용하여 스팀을 생산하는 열교환 단계를 더 포함하는 회수 열량 증대 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 열교환 단계 후에 냉각된 순환 가스는 코크스 건식 소화 설비의 하부로 재공급되는 재공급 단계를 더 포함하는 회수 열량 증대 방법.
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