KR20180073882A - 코크스오븐 상승관 에너지 회수 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상승관 내의 벽면에 부착된 부착카본을 화학적으로 제거할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 탄화실에서 코크스 건류에 의해 생성되어 상승관으로 공급되는 COG에 과산화수소수 분사하여 상승관 내의 부착카본을 제거하고 COG를 증량하는 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법 및 내부에 소정 높이로 석탄이 장입되고, 석탄이 건류되는 탄화실 및 상기 탄화실의 일측 상부에 위치하며, 상기 탄화실에서의 석탄 건류 과정에서 발생한 COG가 이동하는 상승관을 포함하며, 상기 상승관의 하부에 산화제를 주입하는 과산화수소수 주입관을 구비하는 코크스 오븐을 제공한다.

Description

코크스오븐 상승관 에너지 회수 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERYNG ENERGY OF COKE OVEN ASCENSION PIPE}

본 발명은 상승관 내의 벽면에 부착된 부착카본을 화학적으로 제거하고 미활용에너지를 회수할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

코크스 오븐 조업 중에 발생되는 고온의 COG(Coke Oven Gas)는 코크스 오븐의 탄화실 상부 가스웨이를 통해 상승관으로 이동하며, 암모니아수로 급냉하여 COG 후처리 설비로 이송된다.

상기 고온 COG는 다량의 타르와 석탄미분을 포함하고 있는데, 이들은 탄화실 및 상승관의 벽면에 부착되어 가스의 이동 면적 감소 및 에너지 효율 저하를 유발한다.

따라서, 탄화실 및 상승관의 벽면에 부착된 카본을 제거하기 위해 코크스 건류 말기에 물리적으로 제거하거나 탄화실 및 상승관에 공기를 주입하여 부착카본을 연소한다.

일 예로서, 대한민국 공개특허공보 제2011-0076106호에는 코크스 오븐의 탄화실에 이산화탄소 및/또는 물의 가스화제를 투입하여 탄화실 내의 분말 코크스, 분말 석탄, 부착카본 등과의 반응을 통해 가스화시켜 코크스 오븐 가스를 증량시키는 기술이 개시되어 있다.

이와 같이 종래 기술에는 탄화실 벽면의 부착카본을 제거하여 가스웨이를 통한 COG의 원활한 이송 및 COG 증량을 도모하는 기술이 다수 존재한다.

본 발명은 상승관 내의 부착카본을 효과적으로 제거하고 미활용 에너지를 회수할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

나아가, 본 발명은 상승관 내 부착카본을 효과적으로 제거 제거하고 미활용 에너지를 회수할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법을 제공하며, 본 발명의 일 구현예에 따른 방법은 탄화실에서 코크스 건류에 의해 생성되어 상승관으로 공급되는 COG에 과산화수소수 분사하여 상승관 내의 부착카본을 제거와 동시에 COG를 증량하는 방법이다.

상기 과산화수소는 상기 상승관 내의 부착탄소 중량에 대하여 1 내지 3의 중량비로 공급할 수 있다.

상기 과산화수소는 상승관 하부에 공급되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 코크스 오븐 상부에서부터 상승관 전체 높이의 20% 이하의 범위에서 공급될 수 있다.

상기 과산화수소는 상온 내지 50℃에서 공급되며, 공급될 때 상승관 내부 COG 온도는 600 내지 700℃의 온도를 갖는다.

상기 과산화수소는 스프레이 분사될 수 있다.

상기 과산화수소는 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 공급할 수 있다.

본 발명은 또한 코크스 오븐에 대한 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 탄화실 내부에 석탄이 장입되고, 각 탄화실 좌우측에 위치한 연소실에서 공급되는 열에너지를 활용해 간접 가열로 상기 장입된 석탄을 건류하며, 상기 탄화실에서의 석탄 건류 과정에서 발생한 COG는 탄화실 상부 가스웨이를 통과여 상승관으로 이동한다. 본 발명에서는 상기 상승관의 하부에 산화제를 주입하는 과산화수소수 주입관을 구비하는 코크스 오븐을 제공한다.

상기 과산화수소수 주입관은 상승관 전체 높이의 20% 이하의 위치에 구비될 수 있다.

이때, 상기 분사구는 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 과산화수소를 공급하도록 형성되며, 2 이상의 분사구는 서로 동일 또는 상이한 방향을 가질 수 있다.

상기 과산화수소수 주입관은 2 내지 4개일 수 있다.

상기 과산화수소수 주입관은 2 이상의 분사구가 형성될 수 있으며, 상기 2 이상의 분사구는 서로 동일 또는 상이한 방향을 가질 수 있다.

상기 과산화수소수 주입관은 상기 상승관의 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 과산화수소를 공급하도록 형성된 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상승관 내의 벽면에 부착된 부착카본을 효과적으로 제거할 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 구현예에 따르면 상승관 내의 부착카본을 효과적으로 제거함으로써 상승관 막힘 현상을 방지할 수 있으며, 주입된 과산화수소수와 부착카본, 타르 등이 반응하여 수소, 일산화탄소 등이 생산되므로 COG 생산량을 증가시킬 수 있다.

또한 부착카본 제거로 상승관 개방 시간을 단축시킬 수 있어 COG 생산량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 코크스 오븐 내 COG, 타르 및 석탄 미분 이동 경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 개략적인 도면으로서, 상승관 하부에 과산화수소수를 분사하는 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에서 상승관 하부에 도입된 과산화수소에 의해 상승관 내의 부착카본과 반응하여 COG를 증량하는 반응 블록 다이어그램을 개략적으로 나타내는 개념도이다.

본 발명은 상승관 내에 부착된 부착카본을 제거하는 방법 및 이를 위한 적합한 코크스 오븐을 제공하고자 한다. 이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 코크스 오븐 내 COG, 타르 및 석탄 미분의 이동 경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.

상기 도 1에 나타낸 바와 같이, 탄화실에 석탄을 장입한 후에 장입된 석탄을 고온에서 건류하여 코크스를 생산하는데, 각 탄화실 좌우측에 위치한 연소실에서 공급되는 열에너지를 활용하여 간접 가열에 의해 상기 장입된 석탄을 건류하며, 상기 탄화실에서의 석탄 건류 과정에서 발생한 COG는 탄화실 상부 가스웨이를 통과여 상승관으로 이동한다. 이때, 상기 석탄 건류 과정에서 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas COG)가 발생하고, 상기 COG는 탄화실 상부의 가스웨이(gas way)를 통하여 탄화실 측단 상부에 구비된 상승관으로 이동한다.

상기 COG는 다량의 미분탄과 타르 등을 포함하고 있으며, 이들은 탄화실 내벽면 및 상승관 내에 부착되는데, 이러한 부착카본은 계속적으로 퇴적되어 COG의 원활한 이송을 방해하는바, 이의 제거가 필요하다. 이에, 본 발명은 이러한 부착카본, 특히, 상승관 내에 부착된 부착카본을 화학적인 방법으로 제거하여 COG 이송을 원활하게 함은 물론, 부착카본의 화학적 제거 과정에서 COG의 증량을 도모할 수 있는 방법을 제공한다.

이를 위해, 본 발명은 상승관의 하부에 과산화수소수를 산화제로 공급하여 상승관 내에 부착된 부착카본을 제거하고자 한다. 상승관 분위기 온도가 600℃이기 때문에 취입된 과산화수소수는 H₂O, O₂, O^-1, O^-2 등으로 분해된다. 따라서 물과 산소를 동시에 산화반응에 활용하면서, 반응성이 우수한 O^-1, O^-2 이온을 부착카본 산화 반응에 활용할 수 있어, 종래의 산소 혹은 이산화탄소를 산화제로 사용한 부착카본 산화 반응과 비교하여 부착카본 제거 효율이 우수하다.

상기 상승관의 내부 온도는 600 내지 700℃의 온도를 갖는다. 따라서, 이러한 고온의 상승관에 과산화수소수를 공급하면, 과산화수소는 아래의 식 (1)과 같이 열에 의해 물과 산소로 급격히 분해된다.

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (1)

상기 과산화수소수 분해로 얻어진 H₂O와 O₂는 부착카본에 대한 산화제로 작용하여 상승관 내벽에 부착된 탄소와 다음 식 (2) 내지 (4)와 같이 반응하여 부착카본을 화학적으로 제거한다.

C + O₂ → CO₂ (2)

2C + O₂ → 2CO (3)

C + H₂O → CO + H₂ (4)

상기 식 (2) 내지 (4)에 나타낸 바와 같이, 과산화수소수의 분해로 발생된 H₂O와 O₂는 부착카본과 반응하여 CO, CO 및 H₂로 전환되어 부착카본을 화학적으로 제거할 수 있으며, 생성된 CO, CO 및 H₂는 상승관을 통해 이동하는 COG와 혼합되어 COG를 증량시킬 수 있다.

본 발명은 상승관 내의 부착카본 제거를 주요 타겟으로 하는 것이나, 상승관을 통해 COG와 함께 이동하는 미분탄 등의 플로팅 카본(floating carbon)과도 반응함으로써 COG 증량을 도모할 수 있다.

이와 같은 상승관 내의 부착 카본과 과산화수소수가 반응하여 H₂, CO, CO₂ 가 생산되고, 부착카본이 제거되는 반응식을 블록 다이어그램(Block diagram)으로 나타내면 도 2와 같다.

상기 상승관에 부착된 카본을 제거하기 위해 공급되는 과산화수소수는 상승관 하부에 분사한다. 상승관 하부에 분사하는 것이 상승관 내에 부착된 탄소와의 반응시간을 확보할 수 있어, 카본의 분해 효율을 향상시킬 수 있어 바람직하다.

이를 위해 상기 상승관 하부에는 도 3에 나타낸 바와 같이 과산화수소수의 주입을 위한 과산화수소수 주입관을 포함한다. 상기 주입관을 통해 상승관 내의 고온 COG 흐름에 과산화수소수를 공급함으로써 H₂O와 O₂로 분해되어 COG와 함께 흐르면서 상승관 내에 부착된 부착카본과 반응하여 부착카본을 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 과산화수소수 주입관은 상승관 전체 높이의 20% 이하의 위치에 구비될 수 있다.

상기 상승관 하부에 설치되는 주입관은 상승관의 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 과산화수소를 공급하도록 형성되는 것이 바람직하다. COG 흐름에 대하여 반대방향으로 과산화수소를 공급하면 과산화수소의 분해에 의해 생성된 산화제가 상승관 내에 체류하는 시간을 보다 증대시킬 수 있으며, 또한, 산화제가 상승관 내의 COG 흐름에 보다 균일하게 분산되도록 함으로써 상승관 내의 부착카본과의 반응을 보다 향상시킬 수 있어 바람직하다.

상기 과산화수소수의 주입 방향은 상기 주입관 말단의 분사구의 형상을 조절함으로써 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 분사구의 형상이나 위치, 방향 등을 제어하여 상기한 바와 같은 방향으로 과산화수소를 주입하도록 할 수 있다.

이때, 상기 분사구는 상기 과산화수소수 주입관에 대하여 2 이상 형성될 수 있다. 상기 분사구는 그 개수를 특별히 한정하지 않으며, 필요에 따라 조절할 수 있다. 이때, 각 분사구는 서로 동일한 방향으로 과산화수소수가 분사되도록, 예를 들어 일렬로 형성될 수 있음은 물론, 서로 상이한 방향으로 과산화수소수를 분사하도록 형성될 수 있다.

상기 분사구는 과산화수소수를 스프레이 분사할 수 있는 노즐일 수 있다.

나아가, 예를 들어, 상기 상승관 내에는 2 내지 4개의 과산화수소수 주입관을 설치할 수 있다. 이와 같이 복수개의 과산화수소수 주입관을 구비함으로써 과산화수소수를 상승관 내에 골고루 공급할 수 있어, 상승관 내의 부착카본과의 반응성을 보다 향상시킬 수 있다. 그러나, 지나치게 많은 상승관을 구비하는 경우에는 설비 구성을 지나치게 복잡하게 하고, 또한 오히려 COG의 흐름을 방해할 수 있는바, 4개를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

상기 과산화수소수는 상승관 내의 부착탄소량에 대하여 1 내지 3의 중량비로 공급하는 것이 바람직하다. 상기 과산화수소수가 부착탄소량의 1배 미만으로 공급되는 경우에는 과산화수소수의 열분해에 의해 생성되는 산화제의 양이 부착카본과 충분히 반응할 수 있을 정도로 과량이라 할 수 없어, 부착카본의 분해 제거 효율이 충분하지 않을 수 있다.

한편, 과산화수소수의 분해에 의한 산화제와 부착탄소의 반응은 상승관 내의 600 내지 700℃의 높은 열을 이용하는데, 상기 과산화수소수가 부착탄소량의 3배를 초과하여 공급되는 경우에는 과산화수소수의 공급에 의한 상승관 내부의 온도 저하를 초래하여 부착카본과 산화제의 반응 효율이 저하할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상승관에 부착된 탄소를 효율적인 화학반응에 의해 제거할 수 있고, 이로 인해 COG의 증량을 도모할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 일 실시태양을 나타내는 일 예로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

고상의 탄소가 내부에 부착된 700℃ 온도의 COG가 흐르는 상승관에 액상(상온 20℃)의 과산화수소수를 공급하였다. 이때, 상기 과산화수소수를 1.0ℓ/min에서 3.0ℓ/min 사이의 유속으로 공급하여 반응을 도모하였다.

투입되는 과산화수소수의 농도는 10~40%이며, 액상 상온으로 상승관 하부에 공급한다.

	반응물		생성물
성분	C	H2O2	H2	CO	CO2
상태	solid	liquid	gas	gas	gas
중량(kg)	138	194	13	276	71

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 위 반응에 의해 생산되는 가스 발생량은 전체 COG 발생량의 3-10% 수준임을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따르면 상승관내 부착카본 제거 및 COG 증량을 도모할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (14)

1. 탄화실에서 코크스 건류에 의해 생성되어 상승관으로 공급되는 COG에 과산화수소수 분사하여 상승관 내의 부착카본을 제거하면서 COG를 증량하는 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 과산화수소수는 상기 상승관 내의 부착탄소에 대하여 1:1 내지 3의 중량비로 공급하는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 과산화수소수는 상승관 하부에 공급되는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 과산화수소수는 코크스 오븐 상부에서부터 상승관 전체 높이의 20% 이하의 범위에서 공급되는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 과산화수소수가 공급되는 COG는 600 내지 700℃의 온도를 갖는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 과산화수소수는 상온 내지 50℃ 이하의 온도를 갖는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 스프레이 분사되는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 공급하는 것인 코크스 오븐 상승관의 에너지 회수 방법.
   
9. 내부에 소정 높이로 석탄이 장입되고, 석탄이 건류되는 탄화실; 및
   상기 탄화실의 일측 상부에 위치하며, 상기 탄화실에서의 석탄 건류 과정에서 발생한 COG가 이동하는 상승관
   을 포함하며, 상기 상승관의 하부에 과산화수소수를 주입하는 과산화수소수 주입관을 구비하는 코크스 오븐.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 과산화수소수 주입관은 상승관 전체 높이의 20% 이하의 위치에 구비된 것인 코크스 오븐.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 과산화수소수 주입관은 2 내지 4개인 코크스 오븐.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 과산화수소수 주입관은 2 이상의 분사구가 형성된 것인 코크스 오븐.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 과산화수소수 주입관은 COG 흐름 방향을 기준으로 90 내지 180℃의 방향으로 과산화수소를 공급하도록 형성된 분사구를 갖는 것인 코크스 오븐.
    
14. 제12항에 있어서, 상기 과산화수소소 주입관은 2 이상의 방향으로 과산화수소를 공급하도록 형성된 분사구를 갖는 것인 코크스 오븐.
    

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