WO2012138191A2 - 코크스 오븐 가스 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2012138191A2
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박주형
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재단법인 포항산업과학연구원
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    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/101—Removal of contaminants

Definitions

  • the present invention relates to a coke oven gas treatment apparatus and method generated upon coal drying in a carbonization chamber of a coke oven.
  • 'COG' coke oven gas
  • 'COG' coke oven gas
  • methane which can be reused as a combustion gas such as hydrogen / carbon monoxide-containing gas (hereinafter referred to as 'H 2 / CO-rich gas') or a furnace
  • 'CH 4 -rich gas' a COG treatment device that enables the collection of a large amount of methane-containing gas (hereinafter referred to as 'CH 4 -rich gas') and further enables effective sensible heat recovery from high temperature COG, ultimately increasing the reusability of COG. And to a method.
  • a coke oven equipped with a plurality of carbonization chambers is charged with coal using a charging car, and then heated with the external air blocked for approximately 19 hours at a temperature of about 1240 ° C. or more to remove volatile matter contained in coal. Produces coke, a kind of coal distillation. Then, the coking after the drying operation is discharged using an extruder in the carbonization chamber, is transferred to the digestion tower to be extinguished.
  • the maximum combustion temperature of a carbonization chamber is about 1200 degreeC or more, COG discharged
  • the temperature of COG immediately after generation in a carbonization chamber is about 700 to 1100 ° C., which includes a lot of sensible heat as a high temperature state.
  • tar is removed while passing through the ordination zone of the ascending tube. Due to the laying on of hands, the temperature of COG is lowered to about 80 ⁇ 90 °C.
  • COG treatment involves the cooling of COG by ordination, which makes recovery of sensible heat contained in COG difficult.
  • COG can also be used as combustion energy (fuel) in furnaces.
  • COG which is a combustible mixed gas generated during coke production, contains a large amount of hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ) or carbon monoxide (CO).
  • COG contains a large amount of hydrogen or carbon monoxide, and does not require a separate high-purity COG purification process for the actual blast furnace or flow furnace injection, but COG directly inhibits the reduction reaction or as a reducing agent Nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), which does not play a role, and tar, which causes problems such as sticking or clogging in the gas transfer line, need to be preceded.
  • COG is treated through a refining facility to contain methane, and to be reused as fuel gas as a renewable energy source in a heating furnace or the like.
  • the present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned conventional problems, and an aspect of the object thereof is based on the generation characteristics of COG such as components and tar-containing distribution depending on the temperature of the carbonization chamber (in consideration of), and at low cost from the COG blast furnace or flow.
  • Another object of the present invention is to provide a COG treatment apparatus and method that enables the recovery of sensible heat from high temperature COG, and ultimately increased the reusability of COG.
  • the first COG processing unit which is connected to the downstream side of the riser of the coke oven carbonization chamber COG is generated;
  • first and second COG processing unit provides a COG processing apparatus configured to process the COG while operating in sequence.
  • a first COG processing unit connected to the downstream side of the riser of the coke oven carbonization chamber COG is generated;
  • first and second COG processing unit provides a COG processing apparatus configured to process COG while being selectively operated based on the carbonization chamber temperature.
  • the first COG treatment step of detecting the carbonization chamber temperature of the coke oven to collect the COG downstream of the ordinal injection downstream of the riser if the temperature lower than the set temperature
  • the recovery of sensible heat contained in COG and the collection of hydrogen such as H 2 / CO-rich gas or methane such as CH 4 -rich gas can be effectively and economically realized, and ultimately COG
  • hydrogen such as H 2 / CO-rich gas or methane such as CH 4 -rich gas
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration associated with the COG treatment apparatus and method including the carbonization chamber and the riser of the coke oven COG is generated and the COG treatment units of the present invention
  • FIG. 2 is a process chart showing a COG treatment step of the present invention
  • the first and second COG treatment units are sequentially or selectively operated (operated) to smoothly and concentrate methane or hydrogen in COG generated in the carbonization chamber 10. To make it possible to collect.
  • the COG generated in the carbonization chamber 10 by sequentially or selectively operating (operating) the first and second COG processing units 100 and 200 described in detail below.
  • This allows for a smooth and intensive collection of H 2 / CO-rich gas (rich hydrogen / carbon monoxide gas) or CH 4 -rich gas (large methane gas).
  • the methane collection is collectively described as the collection of CH 4 -rich gas
  • the hydrogen collection is collectively described as the collection of H 2 / CO-rich gas. This is because the gas containing mainly methane is collected in the first COG treatment section and the gas mainly containing hydrogen and carbon monoxide in the second COG treatment section as shown in FIGS. 3 and 4 below.
  • the second COG processing unit 200 in consideration of the tar content relationship of COG according to the carbonization chamber temperature, the second COG processing unit 200 operating in an environment where tar is likely to be attached to a COG processing line (pipe) or a valve, etc. By implementing the, to increase the sensible heat recovery of the COG.
  • the COG treatment of the present invention uses the second COG treatment unit 200 which will be described in detail below to branch the gas line before passing through the ordination injection zone to enable the maximum sensible heat recovery from the high temperature COG.
  • the COG contains a large amount of tar (tar) generated during the coal distillation process, and thus, the sprayed ordination also contains a large amount of tar, so as to be known, containing tar
  • the ordination separates the tar from the ordination through the decant (ordination / tar specific gravity separator) 52, the pumping tank 54, and the filter 56 of the tar treatment unit 50.
  • FIG. 3 and FIG. 4 graphically show the relationship between the generation characteristics of COG according to the present invention and the content of tar depending on the carbonization chamber temperature. And the following Table 2 has shown the COG component rate according to carbonization chamber temperature.
  • the temperature of the carbonization chamber may vary depending on the measurement position (point), and thus, although not illustrated in a separate drawing, a coal bed in which coal is placed in the carbonization chamber Means the measured temperature at the location.
  • a carbonization chamber temperature it is named a carbonization chamber temperature.
  • the temperature of the carbonization chamber 10 is about 900 ° C. or lower, that is, in the early and middle periods of coal dry distillation, coal, water, tar, methane (CH 4 ), and hydrogen sulfide It can be seen that various components such as (H 2 S) are included in the COG, and then hydrogen (H 2 ) and hydrogen in the region where the temperature of the carbonization chamber 10 in the dry distillation period (mid, late) exceeds 900 ° C. It can be seen that carbon monoxide (CO) is included in a large amount in the COG.
  • CO carbon monoxide
  • Table 2 below associated with FIGS. 3 and 4 can be obtained through the following embodiments.
  • the average concentration of the gas is hydrogen (H 2 ) 70%, carbon monoxide (CO) 24%, carbon dioxide (CO 2 ) 2%, methane (CH 4 ) was 3%, where the temperature of the gas was more than 900 °C.
  • the flow rate of the collected gas was 40% of the total gas, and the average concentration of the collected gas before 9 hours was 54% for hydrogen, 6% for carbon monoxide, 4% for carbon dioxide, and 36% for methane.
  • the average calorific value of gas was 4,675 Kcal / Nm3 which was about 20% higher than the calorific value 3,875 Kcal / Nm3 after 9 hours.
  • the present invention uses the first COG processing unit 100 to be described in detail below when the carbon generation characteristics, that is, COG generation characteristics, for example, the carbonization chamber temperature of the dry distillation and medium periods, are approximately 900 ° C. or lower.
  • COG treatment and when the temperature of the carbonization chamber after the dry distillation period exceeds approximately 900 °C, by treating the COG through the second COG processing unit 200 of the present invention, the sensible heat recovery and blowing into the blast furnace and flow furnace It is possible to separate and collect H 2 / CO-rich gas from COG which can be used as a gas at low cost.
  • the temperature of the carbonization chamber for selectively operating the first and second COG treatment units 100 and 200 during the COG treatment for example, the carbonization chamber temperature range of the treatment unit selection is 700 to 1100 ° C. , Preferably it is 900 degreeC.
  • the carbonization chamber reference (set) temperature for selecting and operating the first and second COG treatment units is preferably 900 ° C, or the actual operating environment of the carbonization chamber, or In consideration of the quality of coal and combustion conditions (environment), etc., it is desirable to adjust the set temperature appropriately based on the above temperature range according to the operating conditions.
  • the temperature of the carbonization chamber may require a temperature range, in which case the temperature outside the above temperature range, for example, when the temperature of the carbonization chamber is lower than 700 ° C, tar is contained in the COG, so that the heat exchange (pipe) Since it is difficult to recover the sensible heat of the present invention through), it will be difficult to apply the second COG processing unit 200 according to the present invention.
  • the temperature of a carbonization chamber exceeds 1100 degreeC, in fact, operation remaining time of dry distillation is small and it is ineffective.
  • the first and second COG processing units 100 and 200 of the present invention selectively operate in consideration of the carbonization chamber temperature (related to the drying time) and the like. Let's look at the details.
  • the first COG processing unit 100 may correspond to the processing process (chemical conversion process) of the existing COG, but will be described in detail as it is a basic component of the present invention.
  • the first and second COG processing unit 100 (200) used in the step of the COG processing apparatus and method of the present invention that is selectively operated in consideration of carbonization chamber temperature (drying time) and the like.
  • the second COG processing unit 200 may be sequentially operated.
  • the first and second COG processing units 100 and 200 of the present invention may be selectively operated based on the carbonization chamber temperature.
  • the COG processing apparatus of the present invention In order to selectively operate the first and second COG processing units 100 and 200 as described above, in the COG processing apparatus of the present invention, first, as illustrated in FIGS. 1 and 2, the internal temperature of the carbonization chamber 10, for example, as described above. As described above, in order to measure the carbonization chamber temperature based on the coal bed, one or more temperature sensing means S, for example, a thermocouple or the like is installed around the call bed, and the thermocouple is connected to the device control unit C. Electrical connection. (Of course, if the measurement position of the carbonization chamber temperature is changed, the position of the thermocouple, the temperature sensing means, is also changed.)
  • a temperature sensing means S for example, a thermocouple or the like
  • the device control unit includes a first link line L1 of the first COG processor 100 connected to the carbonization chamber and a second link line L2 (L2 ') of the second COG processor 200.
  • Control valves V distributed and opening / closing control valves electrically controlled and operated in connection with (C) may be provided.
  • a distribution control valve V is provided on an upstream side of the upstream ordination spraying region of the riser 30, and a second portion of the second COG processing unit 200 is provided.
  • the control valve (V) for opening and closing is installed in the link line (L2), through the control operation through the device control unit (C) of the control valves, COG to the first COG processing unit 100 or the second COG processing unit 200 It is possible to feed quarterly.
  • control valve (V) can be properly adjusted according to the configuration of the line.
  • the device control unit may set the aforementioned temperature.
  • the operation of the control valve V is controlled to supply the COG to the first COG processing unit 100 or the second COG processing unit 200 through branching and distribution of the gas flow (opening and closing of the valve). To control.
  • the first COG processing unit 100 for processing the COG downstream of the carbonization chamber riser 30, that is, passed through the ordination injection zone is connected to the downstream side of the riser.
  • the first connection line (L1) of the pipe is connected, the first connection line (L1) associated with each carbonization chamber riser is linked to the collection tank 102, the COG is collected first.
  • the second linkage lines L2 (L2 ') associated with the second COG processing unit 200 are connected upstream or downstream of each carbonization chamber riser, that is, upstream or downstream of the ordinal spray zone.
  • these second link lines are also linked to the collection tank 202 associated with the second COG processing unit 200 to collect and process the COG.
  • L2 is a second linkage line upstream of the ordination spray zone, and L2 'is shown separately from a second linkage line downstream of the ordination spray zone.
  • the second COG processing unit 200 associated with the second linking line is basically a case in which the carbonization chamber temperature is higher than 900 ° C. in Table 2, the COG temperature is mainly high, but mainly includes H 2 / CO-rich gas.
  • the second connecting line of L2 is connected to the upstream side of the ordination injection zone before the COG passes through the ordination injection zone.
  • the purpose of collecting only H 2 / CO-rich gas irrespective of sensible heat is mainly because the composition of the gas rather than the temperature of COG, COG may pass through the ordination zone, so It is also possible to link to the 2nd connection line (downstream of a riser pipe) of L2 '.
  • the second COG processing unit 200 of the present invention when considering the second line of L2 that enables sensible heat recovery and H 2 / CO-rich gas collection, and H 2 / CO-rich gas collection It may include a second link line of L2 '. However, in the following description of the present embodiment, a description will be given mainly on the second link line of L2.
  • the line (link line) of L3 shown in Figs. 1 and 2 is a line associated with the tar processing unit 50 described above. Therefore, of the first and second linkage lines of the COG processing apparatus of the present invention, the known open / close control valve V, which is operated based on electrical control through the device control unit of the second linkage line, is closed, and the upstream distribution control. The operation of the valve (V) COG is supplied to the first linkage line, on the contrary, when the on-off valve is open and the bonsai control valve is operated, the COG may be branched to the second linkage line.
  • the selective distribution supply of the first and second link lines L1, L2, and L2 'of the COG is not limited to FIGS. 1 and 2 and may be changed to another line structure.
  • the first COG processing unit 100 of the COG processing apparatus of the present invention is the downstream side of the ordination injection region (periphery of the curved pipe portion 32) of the carbonization chamber riser.
  • the first COG processing unit 100 of the present invention processes the COG through the ordinal spray zone, that is, the temperature lowered COG, which may correspond to the existing COG processing process, the sensible heat recovery amount is small.
  • the first COG processing unit 100 of the present invention processes the COG generated during the dry and early drying periods in the carbonization chamber having a carbonization chamber temperature lower than 900 ° C, as shown in FIG. 4. Since tar, dust sulfur hydrogen, etc. are contained in COG and tar adheres to piping and facilities, use of a heat exchanger etc. contained in the 2nd COG treatment part 200 of this invention is a difficult environment.
  • COG subjected to claim 1 COG processing unit 100 of the present invention can be recycled by itself because the temperature of the sensible heat recovered amount is low but ever contained a large volume of CH 4 -rich gas, the combustion energy.
  • the second COG processing unit 200 according to the present invention, the upstream side of the carbonization chamber riser 30, that is, upstream of the COG before passing through the ordination injection zone. And a heat exchanger 210 connected to the side and connected to the second linking line L2 on which the control valve V is installed.
  • the COG is supplied only when the opening / closing valve V is opened by the interlocking of the device control unit C, so that the carbonization chamber temperature is the set temperature during the dry distillation time.
  • the carbonization chamber temperature is the set temperature during the dry distillation time.
  • it exceeds 900 °C as shown in Figure 4
  • the tar content is rapidly reduced, it is possible to recover the sensible heat in the COG with its own high temperature without going through the ordination injection zone using the heat exchanger 210, The recovery efficiency of sensible heat is also maximized.
  • the heat exchanger 210 is a collection tank 202 to which the second linkage line (L2) connected to the upstream side of each carbonization chamber riser is connected. In coordination with (collectively), the collected COG is processed by the second COG processing unit 200.
  • the second COG processing unit 200 of the present invention is connected to a heat exchanger 210 for recovering sensible heat, and a purification tank (tower) 220 and a gas blower 230 for removing COG impurities or other unnecessary components. And, it may further include a COG holder 240 for collecting and storing the final COG.
  • the COG treated through the second COG treatment unit 200 of the present invention as described above contains 70% hydrogen and 24% carbon monoxide, the treated COG contains a large amount of H 2.
  • / CO-rich gas that is, a gas containing a large amount of hydrogen / carbon monoxide.
  • the second COG processing unit 200 of the present invention can be collected separately from the COG as a gas containing a large amount of hydrogen that can be provided as a blown gas of the blast furnace or the flow path.
  • linkage line of L2 'connected to the downstream side of the ordinal injection zone of the riser is already low in COG temperature, it may be configured to be directly connected to the refinery without passing through the heat exchanger.
  • a water gas (WGS) reactor 250 may be further included (indicated by a dashed line). That is, such a water gas reactor 250 may optionally be used.
  • the heat exchanger 210 is operated by the first COG processing unit ( When the electric dust collector 120 of 100) is connected through the fourth linking line of L4, first, sensible heat is recovered from the high temperature COG, and then, through the first COG processing unit 100, calorific value as combustion gas such as a heating furnace.
  • the treatment with other forms of COG to collect this superior CH 4 -rich gas may also be possible.
  • the COG since the first and second COG treatments are performed in parallel, the COG may be treated in more various forms such as sensible heat and collection of a large amount of hydrogen and methane-containing gas.
  • the heat exchanger is schematically illustrated in the drawing, in the heat exchanger 210 of the second COG processing unit 200, since the tar contained in the COG is less when the temperature of the carbonization chamber is 900 ° C. or higher, The heat exchanger 210 will therefore enable the selection of a suitable type of heat exchanger, such as a cyclone type or heat pipe.
  • the temperature of the carbonization chamber of the coke oven is sensed and when the temperature is higher than the set temperature, the COG is collected upstream of the ordinal spray of the riser to recover sensible heat from the high temperature COG and H 2 / CO-rich. It is desirable to recover at least sensible heat during gas collection. That is, the concentration of sensible heat is concentrated through the upstream side of ordination injection.
  • the COG is cooled because it passes through the ordinal injection zone, and impurities are removed through a scrubber or the like, and tar is removed from the final COG to include a large amount of CH 4 -rich gas.
  • CH 4 -rich gas may be used as the combustion gas in a heating furnace or the like.
  • the heat exchanger 210 of the second COG processing step is connected with the first COG processing step and the link line L4 to recover the COG after the sensible heat recovery. It is also possible to process in a first COG treatment step.
  • a high-pressure reducing gas is introduced into a CO reactor (shift reactor) through a formula of CO + H 2 O-> H 2 + CO 2 , amplified hydrogen, and then a hydrogen-pressure change through a process of recovering sensible heat of the gas.
  • High purity hydrogen can be obtained from the adsorption plant (PSA).
  • CH through the first COG processing unit 100 4 The -rich gas may also be produced as hydrogen through reforming reactions.
  • the first COG treatment is performed when the carbonization chamber is lower than the set temperature of the carbonization chamber, that is, approximately 700 to 1100 ° C, preferably 900 ° C.
  • COG itself temperature is low due to ordination injection, but because the methane gas contains a large amount of combustion calorific value, it is used as a combustion energy source.
  • the set temperature exceeds 900 °C
  • COG itself temperature is not passed through is increasing the sensible heat recovery in a heat exchanger using the high and at the same time, the blast furnace and flows to the injection of hydrogen and carbon monoxide content of the high H 2 / CO-rich gas, or that, the sensible heat and are only independently of H 2 / CO-rich gas To collect.
  • the present invention enables optimum multi-stage treatment of COG in consideration of COG components, generation characteristics or tar content, and is capable of separating and collecting all possible recycling elements, thereby reusing the COG generated in a large amount in the coke process step. To maximize.
  • the carbonization chamber temperature for example, the ambient temperature of the coal bed into which the coal is charged
  • the tar content is rapidly reduced and COG treatment is taken into consideration.

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Abstract

본 발명은 코크스 오븐의 탄화실에서 석탄 건류시 발생되는 COG를 처리하여 재 활용성을 높인 COG 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 탄화실 온도에 따른 성분이나 타르 함유분포 등의 발생특성을 고려하여, 저비용으로 COG 에서부터 고로나 유동로 취입가스로 활용될 수 있는 수소 예컨대, H2/CO-rich 가스 또는, 가열로 등의 연료로 사용될 수 있는 고효율의 메탄 예컨대, CH4-rich 가스의 분리 수집을 가능하게 하면서, 더하여 고온의 COG로부터의 현열 회수를 가능하게 하여, COG의 재활용성을 높이는 것을 가능하게 하는 것이다.

Description

코크스 오븐 가스 처리 장치 및 방법
본 발명은 코크스 오븐의 탄화실에서 석탄 건류시 발생되는 코크스 오븐 가스 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 코크스 오븐 탄화실의 온도에 따른 가스의 성분이나 타르의 함유 분포 등과 같은 발생 특성을 고려하여, 저비용으로 코크스 오븐 가스(coke oven gas)(이하,'COG'이라 함)에서부터 고로나 유동로의 취입가스로 활용될 수 있는 수소 예컨대, 수소/일산화탄소 다량 함유가스(이하,'H2/CO-rich 가스'이라 함) 또는 가열로 등의 연소가스로 재사용될 수 있는 메탄 예컨대, 메탄 다량 함유가스(이하,'CH4-rich 가스'이라 함)를 수집 가능하게 하면서, 추가로 고온의 COG로부터의 효과적인 현열 회수를 가능하게 하여, 궁극적으로 COG의 재 활용성을 높인 COG 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
다수의 탄화실을 구비하는 코크스 오븐은 장입차를 이용하여 석탄을 장입한 후, 대략 1240℃ 이상의 온도로 대략 19시간 동안 외부 공기를 차단시킨 상태에서 가열하여, 석탄에 함유된 휘발성분을 제거한 회백색의 코크스(coke)를 생산하는데, 일종의 석탄 건류작업이다. 그리고, 건류작업이 끝난 코크스는 탄화실에서 압출기를 이용하여 배출하고, 소화탑으로 이송되어 소화된다.
한편, 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 탄화실에 장입된 석탄의 건류시 열분해 작용에 의해 앞에서 설명한 COG가 발생되고, 이와 같은 COG는 각각의 탄화실 상부에 제공된 상승관을 거쳐 정제설비(화성공장)으로 보내지게 된다.
그런데, 상기 상승관에서는 COG나 분진의 원활한 유통과 가스의 역류 또는, COG에 포함된 타르(tar)(미세한 액적을 이루고 있어 타르 미스트(tar mist)라고도 함)를 제거하기 위하여 고압의 물, 예컨대 안수를 분사한다.
따라서, 탄화실의 최대 연소온도는 대략 1200 ℃ 이상이지만, 탄화실에서 고온상태로 배출되는 COG는 상승관의 안수 분사영역을 거치면서 온도가 80∼90 ℃로 떨어진다.
예를 들어, 탄화실에서 발생 직후의 COG의 온도는 대략 700~1100 ℃ 로서 고온 상태로서 많은 현열을 포함하고 있으나, 상승관의 안수 분사영역을 거치면서 타르(tar)가 제거되기는 하지만, 분사되는 안수로 인하여 COG의 온도는 대략 80~90 ℃까지 낮아지는 것이다.
결국, 알려진 COG 처리 형태로는 안수에 의한 COG의 냉각이 수반되기 때문에, COG에 포함된 현열 회수가 쉽지 않은 것이다. 다만 COG를 가열로 등의 연소 에너지(연료)로 사용하기도 한다.
한편, 국,내외적으로 지구 온난화의 주 원인이 되는 이산화탄소(CO2)의 저감에 대한 연구가 이루어지고 있고, 코크스 공정도 다량의 COG나 분진을 발생시키기 때문에, 그 처리에 관심이 높고, 이와 같은 이산화탄소 제거는 물론, 특히 COG 재 활용에도 관심이 높다.
예를 들어, 아래의 표 1에서 알 수 있듯이, 코크스 제조시 발생하는 가연성 의 혼합가스인 COG에는 수소(H2), 메탄(CH4) 또는 일산화탄소(CO)가 다량 포함됨을 알 수 있다.
표 1 COG의 성분
성분 분율 (%)
H2 50 ~ 60
CH4 20 ~ 30
CO 5 ~ 15
CO2 0 ~ 5
CnHm 0 ~ 5
N2 0 ~ 5
O2 0 ~ 0.5
그런데, 제철공장에서 저탄소 제선공정을 달성하기 위해 수소(H2)나 일산화탄소(CO) 등을 고로나 (용철제조공정 즉, 파이넥스(FINEX) 공정의) 유동로에 취입한다.
이때, 상기 표 1에서 알 수 있듯이, COG에 수소나 일산화탄소가 다량 함유되어 있고, 실제 고로나 유동로 취입을 위한 별도의 고순도의 COG 정제과정도 필요 없지만, COG에는 환원반응을 저해하거나 환원제로 직접적인 역할을 하지 못하는 질소(N2), 메탄(CH4) 및, 가스 이송라인에서 고착이나 막힘 등의 문제를 발생시키는 원인이 되는 타르(tar)의 제거가 선행되는 것이 필요한 것이다.
따라서, 고로나 유동로에 수소나 일산화탄소를 취입시키기 위하여는, 상기 문제가 되는 성분들의 제거가 필요하고, 또한 저비용으로 고로 및 유동로에 가스를 취입하는 것을 가능하게 하는 것도 필요하다.
그런데, COG를 정제설비를 통하여 처리하면서 메탄을 함유하도록 하여, 가열로 등에서 재생 에너지원인 연료가스로 재사용하도록 하고 있다.
한편, 코크스 오븐의 탄화실에서의 석탄 건류시 발생되는 COG의 현열을 회수하는 관련 기술이 일본 공개특허 소58-76487호에서 제시되고 있는데, 예를 들어 탄화실 상승관에 전열관을 설치하고, 전열관 내부에 열매체를 순환하여 현열을 회수하는 것이다.
그러나, 이 경우 상승관의 온도가 조업에 따라 급변하는 경우 순환 열매체의 온도가 비점이상으로 상승하여 순환계통이 파열될 우려가 높은 문제가 있고, 이에 따라 순환 열매체의 평균 온도를 낮추어야 하기 때문에, 사실상 현열 회수의 효율은 미비한 것이었다.
또한, 하나의 코크스 오븐에 많은 탄화실과 각각의 탄화실에 상승관이 구비되므로, 상승관 내부 마다 전열관을 설치하는 것도 설치 비용을 증가시키고, 특히 COG에 포함된 타르, 카본 등이 상승관 내부 및 전열관에 부착하여 성장하고 고착되기 때문에, 현열 회수 능력이나 효율을 저하시키는 것이었다.
더하여, 기존 COG 처리를 위한 정제공정(화성공정)의 경우 1차 냉각, 전기 집진, 2차 냉각, 다단의 스크루버 단계 등을 통해 정제하고 압축, 냉각 후에야 수소를 COG에서 분리하기 때문에, COG 로부터의 수소 분리에 따른 비용이 상당한 문제가 있고, 그 분리되는 수소량도 충분하지 않은 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적 측면은, 탄화실 온도에 따른 성분이나 타르 함유분포 등의 COG의 발생특성을 토대로(고려하여), 저비용으로 COG에서부터 고로나 유동로 취입가스로 활용될 수 있는 수소 예컨대, H2/CO-rich 가스 또는, 가열로 등의 연료로 사용될 수 있는 고효율의 메탄 예컨대, CH4-rich 가스의 수집을 용이하게 한 COG 처리 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적 측면은 고온의 COG로부터의 현열 회수를 가능하게 하여, 궁극적으로 COG의 재 활용성을 높인 COG 처리 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 일 측면의 일 실시예로서 본 발명은, COG가 발생되는 코크스오븐 탄화실의 상승관 하류측에 연계되는 제1 COG 처리부; 및,
상기 상승관에 연계되는 제2 COG 처리부;
를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 COG 처리부는 순차로 가동되면서 COG를 처리하도록 구성된 COG 처리 장치를 제공한다.
또한, 기술적인 일 측면의 다른 실시예로서, COG가 발생되는 코크스오븐 탄화실의 상승관 하류 측에 연계되는 제1 COG 처리부; 및,
상기 상승관에 연계되는 제2 COG 처리부;
를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 COG 처리부는 탄화실 온도를 기준으로 선택적으로 가동되면서 COG를 처리하도록 구성된 COG 처리 장치를 제공한다.
또한, 기술적인 다른 측면으로서 본 발명은, 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정온도 보다 낮은 경우 상승관의 안수 분사 하류측에서 COG를 수집 처리하는 제1 COG 처리단계; 및,
코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정 온도보다 높은 경우 상승관의 안수 분사 상류측 또는 하류측에서 COG를 수집하여 COG에서 현열 회수와 수소 수집중 적어도 수소를 수집 처리하는 제2 COG 처리단계;
를 포함하여 구성된 COG 처리방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, COG에 포함된 현열의 회수와 수소 예컨대, H2/CO-rich 가스 또는, 메탄 예컨대, CH4-rich 가스의 수집을 효과적이면서 경제적으로 구현 가능하게 하여, 궁극적으로 COG의 재 활용성을 높임으로써, 제철산업의 경쟁력을 향상시키는 것을 가능할 것이다.
즉, 이들 환원가스를 제선 공정의 고로 또는 유동로에 취입시키어 고로나 유동로에서의 코크스 사용량을 줄이도록 함으로써, 지구 온난화의 주 원인인 이산화탄소의 저감을 가능하게 할 것이다.
또한, 높은 발열량을 갖는 가스의 분리가 가능하여, 액화가스(LNG) 대체 용의 다양한 용도로 COG를 재 활용하는 것을 가능하게 할 것이다.
도 1은 COG가 발생되는 코크스 오븐의 탄화실과 상승관 및 본 발명의 COG 처리부들을 포함하는 COG 처리 장치와 방법과 관련된 전체 구성을 도시한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 COG 처리단계를 도시한 공정도이며,
도 3은 탄화실 온도와 건류 시간에 따른 COG에 함유된 주요 성분들의 발생유량을 나타낸 그래프이고,
도 4는 탄화실 온도와 건류 시간에 따른 타르 발생량 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 COG 처리 장치와 방법에 의한 일 실시예는, 제1,2 COG 처리부를 순차로 또는 선택적으로 가동(운용)시키어 탄화실(10)에서 발생되는 COG에서 메탄 또는 수소를 원활하고 집중적으로 수집하는 것을 가능하게 하는 것이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는, 다음에 상세하게 설명하는 제1,2 COG 처리부(100)(200)를 순차로 또는, 선택적으로 가동(운용)시키어 탄화실(10)에서 발생되는 COG에서 H2/CO-rich 가스(수소/일산화탄소 다량 함유가스) 또는 CH4-rich 가스(메탄 다량 함유가스)의 원활하고 집중적인 수집을 가능하게 하는 것이다.
다만, 이하의 본 실시예 설명에서는 메탄 수집을 CH4-rich 가스의 수집으로 수소 수집을 H2/CO-rich 가스의 수집으로 일괄하여 설명한다. 이는 다음의 도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 제1 COG 처리부에서는 주로 메탄을 함유하는 가스가 수집되고, 제2 COG 처리부에서는 수소와 그 다음으로 일산화탄소를 주로 함유하는 가스가 수집되기 때문이다.
더하여, 본 발명에 의한 다른 실시예는 탄화실 온도에 따라 COG의 타르 함유 관계를 고려하여, 타르가 COG 처리 라인(배관)이나 밸브 등에 부착될 가능성이 환경에서 가동되는 제2 COG 처리부(200)를 구현하여, COG의 현열 회수율을 높이는 것이다.
도 1에서는, 본 발명에 따른 코크스 오븐(1)의 탄화실(10) 상부의 상승관(30)과 연계되는, 다음에 상세하게 설명하는 제1 COG 처리부(100)와 제2 COG 처리부(200)를 도시하고 있다.
예를 들어, 도 1에서 도시한 바와 같이, 코크스 오븐(1)의 탄화실(10)에 석탄이 장입되어 연소실에서 가스를 연소시켜 열을 가하면, 탄화실에 장입된 석탄은 건류되고, 이때 열분해 작용에 의해 발생되는 COG는 각각의 탄화실(10)의 상부에 제공된 상승관(30)을 통하여 배출 처리되는데, 상승관(30)의 곡관부(32) 및 메인 수집관(34)을 거쳐 정제공정(화성공정)으로 보내지게 된다.
한편, 이와 같은 상승관(30)의 곡관부(32)에서는 COG나 분진이 메인 수집관(34)에서의 (블로잉을 통한) 수집시 그 유통(압력인가)을 원활하게 하고, 가스의 역류를 방지시키기는 한편, COG에 포함된 타르나 분진을 함침시키기 위하여, 도면에서는 구체적으로 도시하지 않았지만, 분사노즐을 통하여 고압의 물 즉, 안수를 분사한다.
따라서, 앞에서 설명한 바와 같이, 탄화실에서 발생된 COG의 온도는 대략 700~1000 ℃ 로서 고온상태이므로 많은 현열을 가지고 있으나, 앞의 이유로 고압의 안수를 분사하기 때문에, 안수 분사영역(상승관의 하류측으로 곡관부(32) 부근)을 통과하는 COG의 온도는 80~90 ℃로 떨어지고, 결과적으로 현열의 회수율을 저하시키게 된다.
그러나, 본 발명의 COG 처리는 다음에 상세하게 설명하는 제2 COG 처리부(200)를 이용하여 안수 분사영역을 거치기 전에 가스라인을 분기시키어 고온 상태의 COG로부터 가능한 최대로 현열 회수를 가능하게 한다.
한편, 도 1에서 도시한 바와 같이, COG에는 석탄 건류 과정에서 생성되는 다량의 타르(tar)가 함유되어 있고, 따라서 분사된 안수에도 다량의 타르가 포함되기 때문에, 알려진 바와 같이 타르를 포함하는 모아진 안수는 타르 처리부(50)의 데칸트(안수/타르 비중분리기)(52)와 펌핑탱크(54) 및, 여과기(56)를 거쳐 타르(tar)를 안수에서 분리한다.
다음, 도 3 및 도 4에서는 본 발명에 따른 COG의 발생 특성과 타르의 탄화실 온도에 따른 함유량 관계를 그래프로 각각 도시하고 있다. 그리고, 다음의 표 2는 탄화실 온도에 따른 COG 성분율을 나타내고 있다.
다만, 이하의 본 실시예 설명에서, 탄화실 온도는 그 측정 위치(지점)에 따라 온도 편차가 발생할 수 있기 때문에, 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 탄화실에서 석탄이 놓이는 콜 베드(coal bed) 위치에서의 측정 온도를 의미한다. 그리고, 이하의 설명에서 탄화실 온도로 총칭한다.
예컨대, 도 3 및 다음의 표 2에서 알 수 있듯이, 탄화실(10)의 온도가 대략 900 ℃ 이하 상태 즉, 석탄 건류의 초,중기에서는 분탄,수분,타르,메탄(CH4),황하수소(H2S) 등의 다양한 성분들이 COG에 포함되고 있음을 알 수 있고, 그 다음 건류 (중,)후기인 탄화실(10)의 온도가 900 ℃ 를 초과하는 영역에서는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 COG에 다량 포함됨을 알 수 있다.
그리고, 도 4와 같이, 건류 (중,)후기인 탄화실 온도가 대략 900 ℃ 를 초과하는 경우에는, 타르(tar)의 함유량이 급속하게 감소함을 알 수 있다.
예를 들어, 아래와 같은 실시예를 통하여 도 3 및 도 4와 관련된 아래의 표 2를 구할 수 있다.
(실시예)
수분함량이 8% 이고 탄소 성분이 90% 인 석탄 20kg 을 건류장치에 넣고 10 시간에 걸쳐 탄화실 온도를 1000 ℃까지 승온시킨 후, 10시간을 유지하면서 발생하는 가스성분과 유량을 측정/계산하였다.
예를 들어, 도 3과 같이, 건류 초,중기인 건류 9시간 까지의 온도가 대략 900 ℃ 이하에서는, 메탄(CH4)이 상당히 포함된 가스가 발생하였으나, 건류 (중,) 후기인 건류 9시간 이후 즉, 온도가 900 ℃ 이상에서는 수소가 상당부분 포함됨을 알 수 있다.
이때, 9시간 이후 발생하는 가스를 수집하여 평가한 경우, 가스의 평균 농도는 수소(H2)가 70%, 일산화탄소(CO)는 24%, 이산화탄소(CO2)는 2%, 메탄(CH4)은 3% 였으며, 이때 가스의 온도는 900 ℃ 이상임을 알 수 있었다.
그리고, 수집된 가스의 유량은 전체 가스의 40% 에 해당하였으며 9시간 이전에 수집된 가스의 평균 농도는 수소는 54%, 일산화탄소는 6%, 이산화탄소는 4%, 메탄은 36% 정도 였으며, 발열량(예컨대, 가스의 평균 발열량)은 9시간 이후의 발열량 3,875 Kcal/N㎥ 보다 20% 정도 높은 4,675 Kcal/N㎥ 이었다.
표 2 (탄화실 온도에 따른 COG 성분)
탄화실온도 900℃ 이하 탄화실온도 900℃ 초과
성분 농도(%) 성분 농도(%)
수소(H2) 54 수소(H2) 70
일산화탄소(CO) 6 일산화탄소(CO) 24
이산화탄소(CO2) 4 이산화탄소(CO2) 2
메탄(CH4) 36 메탄(CH4) 3
발열량 4,675 Kcal/N㎥ 발열량 3,875 Kcal/N㎥
본 발명은 이와 같은 실시예를 통하여, 가스 발생 특성 즉, COG 발생 특성 예컨대, 건류 초,중기인 탄화실 온도가 대략 900℃ 이하에서는, 다음에 상세하게 설명하는 제1 COG 처리부(100)를 이용하여 COG를 처리하고, 건류 중기 이후인 탄화실의 온도가 대략 900℃를 초과하는 경우에는 본 발명의 제2 COG 처리부(200)를 통하여 COG를 처리함으로써, 현열 회수 및, 고로와 유동로의 취입가스로 사용될 수 있는 H2/CO-rich 가스를 저비용으로 COG에서 분리 수집하는 것을 가능하게 하는 것이다.
이때, 바람직하게는 본 발명에서는 COG 처리시, 제1,2 COG 처리부(100) (200)를 선택적으로 가동하도록 하는 탄화실의 설정 온도 예컨대, 처리부 선택의 탄화실 온도범위는 700 ∼1100 ℃ 이고, 바람직하게는 900℃이다.
즉, 도 3,4 및 위의 표 2에서와 같이, 제1,2 COG 처리부를 선택하여 가동하는 탄화실 기준(설정)온도는 바람직하게는 900 ℃ 이나, 탄화실의 실제 가동 환경이나 또는, 석탄의 품질과 연소 조건(환경) 등을 고려할 때, 상기 온도 범위를 기준으로 하되, 조업 조건에 따라 설정온도를 적정하게 조정하는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 탄화실의 온도는 온도 범위가 필요할 수 있고, 이때 상기의 온도 범위를 벗어나는 경우 예를 드렁, 탄화실 온도가 700 ℃ 보다 낮은 경우에는 타르(tar)가 COG에 많이 함유되어 사실상 열교환(배관)을 통한 본 발명의 현열 회수를 어렵게 하기 때문에, 본 발명에 따른 제2 COG 처리부(200)의 적용을 어렵게 할 것이다. 또는, 탄화실의 온도가 1100 ℃ 를 초과하는 경우에는, 사실상 건류의 조업 잔여 시간이 적어 실효성이 없다.
다음, 이하에서는 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기의 탄화실 온도(건류 시간과 관계) 등을 고려하여 선택적으로 가동하는 본 발명의 제1,2 COG 처리부(100)(200)에 대하여 구체적으로 살펴본다.
다만, 제1 COG 처리부(100)는 기존 COG의 처리공정(화성공정)에 해당될 수 있으나, 본 발명의 기본 구성부이므로 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 탄화실 온도(건류시간) 등을 고려하여 선택적으로 가동되는 본 발명의 COG 처리장치와 방법의 단계에서 사용되는 제1,2 COG 처리부(100)(200)는 제1 COG 처리부(100)가 가동되고, 탄화실 설정온도 보다 높은 경우에 순차로 제2 COG 처리부(200)가 가동될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 제1,2 COG 처리부(100)(200)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 탄화실 온도를 기준으로 선택적으로 가동될 수 있는 것이다.
이와 같은 제1,2 COG 처리부(100)(200)의 선택적 가동을 위하여, 본 발명의 COG 처리장치에서는, 도 1 및 도 2와 같이, 우선 탄화실(10)의 내부 온도 예컨대, 앞에서 설명한 바와 같이 콜 베드(coal bed)를 기준으로 하는 탄화실 온도를 측정하기 위하여, 하나 이상의 온도감지수단(S) 예를 들어, 열전대(thermocouple) 등을 콜베드 주변에 설치하고, 열전대를 장치 제어부(C)와 전기적으로 연계한다. (물론, 탄화실 온도의 측정 위치가 변경되면 온도 감지수단인 열전대의 위치도 변경됨은 당연하다.)
동시에, 도 2와 같이, 탄화실과 연계되는 제1 COG 처리부(100)의 제1 연계라인(L1)과 제2 COG 처리부(200)의 제2 연계라인(L2)(L2')에는 상기 장치제어부(C)와 전기적으로 연계되어 제어 작동되는 제어밸브(V)(분배 및 개폐용 제어밸브)들이 설치될 수 있다.
예를 들어, 도 2에서 구체적으로 도시한 바와 같이, 상승관(30)의 상류측 안수 분사영역의 상류 측에 분배용 제어밸브(V)를 설치하고, 제2 COG 처리부(200)의 제2 연계라인(L2)에 개폐용 제어밸브(V)를 설치하면, 제어밸브들의 장치 제어부(C)를 통한 제어작동을 통하여, COG를 제1 COG처리부(100) 또는 제2 COG 처리부(200)로의 분기 공급하는 것이 가능하다.
물론, 이와 같은 제어밸브(V)들의 배열(배치)는 라인의 구성에 따른 적정하게 조정될 수 있음은 당연하다.
따라서, 상기 온도감지수단(S)인 열전대에서 탄화실(10) 내의 콜 베드(미부호)를 기준으로 탄화실의 온도를 감지하여 장치 제어부(C)에 전달되면, 장치 제어부에서는 앞에서 설명한 설정온도와 비교하여 높은 경우 또는 낮은 경우 제어밸브(V)의 가동을 제어하여 가스 흐름의 분기와 유통(밸브의 개폐)을 통하여 COG를 제1 COG 처리부(100) 또는 제2 COG 처리부(200)로 공급 제어하는 것이다.
이때, 바람직하게는 도 1 및 도 2와 같이, 탄화실 상승관(30)의 하류측 즉, 안수 분사영역을 통과한 COG를 처리하는 제1 COG 처리부(100)는 상승관 하류측에 연계되는 배관의 제1 연계라인(L1)과 연계되는데, 각각의 탄화실 상승관들과 연계되는 제1 연계라인(L1)은 수집조(102)에 연계되어 COG가 일차적으로 수집된다.
마찬가지로, 제2 COG 처리부(200)와 연계되는 제2 연계라인(L2)(L2')들은 각각의 탄화실 상승관의 상류측 또는 하류측 즉, 안수 분사영역의 상류측 또는 하류측에 연계되고, 이들 제2 연계라인들도 제2 COG 처리부(200)와 연계되는 수집조(202)에 연계되어 COG가 수집 처리된다.
즉, 도 1,2에서 L2는 안수 분사영역의 상류측 제2 연계라인이고, L2'는 안수 분사영역 하류측 제2 연계라인을 구분하여 나타낸다.
따라서, 제2 연계라인과 연계된 제2 COG 처리부(200)는 기본적으로 표 2에서 탄화실 온도가 900℃ 보다 높은 경우이므로, COG 온도가 고온이면서도 H2/CO-rich 가스를 주로 포함하기 때문에, 현열 회수인 경우에는 COG가 안수 분사영역을 통과하기 전인 안수 분사영역의 상류측으로 L2의 제2 연계라인을 연결한다.
이때, 현열과는 무관하게 H2/CO-rich 가스 만을 주로 수집하는 목적일 경우에는 COG의 온도 보다는 그 성분이 주이므로, COG가 안수 분사영역을 통과하여도 무방하기 때문에, 안수 분사영역을 거친 L2'의 제2 연계라인(상승관 하류측)으로 연계하는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)는, 현열 회수와 H2/CO-rich 가스 수집을 가능하게 하는 L2의 제2 연계라인 및, H2/CO-rich 가스 수집을 고려하는 경우의 L2'의 제2 연계라인을 포함할 수 있다. 다만, 이하의 본 실시예 설명에서는 L2의 제2 연계라인을 위주로 설명한다.
또한, 도 2에서는 L2'의 제2 연계라인의 경우 별도의 제어밸브(V)들을 구체적으로 도시하지 않았지만, COG 공급라인을 구현하기 위한 적정한 제어밸브들을 배치할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에서 도시한 L3의 라인(연계라인)은 앞에서 설명한 타르 처리부(50)와 연계되는 라인이다. 따라서, 본 발명의 COG 처리 장치의 제1,2 연계라인 중, 제2 연계라인의 장치 제어부를 통하여 전기적 제어를 기반으로 작동되는 알려진 개폐용 제어밸브(V)가 닫히고, 상류측의 분배용 제어밸브(V)의 작동으로 COG는 제1 연계라인으로 공급되고, 반대로 개폐밸브가 개방되고 분재용 제어밸브가 작동하는 경우 COG는 제 2 연계라인으로 분기 공급될 수 있다.
다만, 이와 같은 COG의 제1,2 연계라인(L1)(L2)(L2')들의 선택적 분배 공급은 반드시 도 1,2로 제한되는 것이 아니고 다른 라인 구조로 변경 가능함을 인식해야 한다.
다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 COG 처리장치의 상기 제1 COG 처리부(100)는, 탄화실 상승관의 안수 분사영역(곡관부(32)의 주변)의 하류측에 연계된 제1 연계라인(L1)에 순차로 연계되는 제1차 냉각기(타워)(110),전기 집진기(120),가스 블로워(130),제2차 냉각기(타워)(140), 황화수소(H2S)와 암모늄(NH3) 및, 타르계 부산물(BTX)를 제거하는 제 1 내지 제3 스크루버(SCRUBBER)(150) (160)(170) 및, 최종적으로 COG를 수집 저장하는 COG 홀더(180)를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 COG 처리부(100)는 기존의 COG 처리공정에 해당할 수 있는, 안수 분사영역을 거친 COG 즉, 온도가 낮아진 COG를 처리하기 때문에, 현열 회수량은 적다.
그리고, 본 발명의 제1 COG 처리부(100)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 탄화실 온도가 900℃ 보다 낮은 탄화실에서의 건류 초,중기에 발생되는 COG를 처리하기 때문에, 도 4에서 알 수 있듯이 COG에 타르, 분진 황하수소 등이 포함되어 있어 타르가 배관이나 설비에 부착되기 때문에, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)에 포함되는 열교환기 등의 사용은 어려운 환경이다.
그러나, 도 1,2 및 위에서 설명한 표 2에서 알 수 있듯이, 이와 같은 본 발명의 제1 COG 처리부(100)를 거친 COG의 경우에는 COG 자체의 온도는 안수 분사영역을 통과하여 낮지만, 다량의 CH4-rich 가스 즉, 메탄 다량 함유 가스를 포함하고, 표기와 같으 그 발열량도 4,675 Kcal/N㎥ 로 높기 때문에, 가열로 등의 연소가스로 재 사용되는 것에는 전혀 문제가 없다.
따라서, 본 발명의 제1 COG 처리부(100)를 거친 COG는 자체 온도는 낮아 현열 회수량은 적으나 다량의 CH4-rich 가스를 포함하기 때문에, 연소 에너지로 재활용될 수 있다.
다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 COG 처리부(200)는, 상기 탄화실 상승관(30)의 상류측 즉, COG가 안수 분사영역을 통과하기 전인 그 상류측에 연계되고 제어밸브(V)가 설치된 제2 연계라인(L2)에 연계된 열교환기(210)를 포함한다.
한편, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)의 경우 개폐밸브(V)가 장치 제어부(C)의 연동으로 개방되는 경우에만, COG가 공급되고, 따라서 건류 시간상 건류 후기이면서 탄화실 온도가 설정온도 예컨대, 900℃를 초과하는 경우 도 4와 같이, 타르 함유량이 급속하게 감소하므로, 열 교환기(210)를 사용하여 안수 분사영역을 거치지 않아 자체 온도가 높은 COG에서 현열을 회수하는 것이 가능하고, 따라서 현열의 회수효율도 극대화되는 것이다.
다음, 더 바람직하게는 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 열교환기(210)는 각각의 탄화실 상승관의 상류측에 연계된 제2 연계라인(L2)들이 연결되는 수집조(202)와 (일괄적으로) 연계되어, 수집한 COG를 제2 COG 처리부(200)에서 처리한다.
예를 들어, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)에는 현열 회수를 위한 열교환기(210)와 연계되어 COG 분순물이나 기타 불필요한 성분을 제거하는 정제조(타워)(220)와 가스 블로워(230) 및, 최종 처리된 COG를 수집 저장하는 COG 홀더(240)를 더 포함할 수 있다.
한편, 위의 표 2에서 나타낸 바와 같이, 이와 같이 본 발명의 제2 COG 처리부(200)를 통하여 처리된 COG는 70% 의 수소와 24%의 일산화탄소를 포함하므로, 처리된 COG에는 다량의 H2/CO-rich 가스 즉, 수소/일산화탄소 다량 함유 가스를 포함한다.
즉, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)는 고로나 유동로의 취입 가스로 제공될 수 있는 수소를 다량 포함하는 가스로서 COG에서 분리 수집될 수 있는 것이다.
물론, 도 1을 참고하고, 앞에서 설명한 바와 같이, H2/CO-rich 가스의 수집만을 고려하는 경우에는, 현열과는 무관하여 반드시 안수 분사영역의 상류측 뿐만 아니라, 안수 분사영역의 하류측에서도 분기하여 처리하는 것도 가능하고, 이와 같은 연계라인인 L2'이다.
이때, 도 1,2에서는 구분하여 도시하지 않았지만, H2/CO-rich 가스의 수집만을 고려하는 경우에는, 현열과는 무관하여 안수 분사영역의 하류측에서 분기하여 처리하는 것도 가능하기 때문에, 연계라인인 L2'의 경우에는 반드시 열교환기(210)를 거치지 않고 바로 정제조(220)와 연계되는 것도 가능하다.
즉, 상승관의 안수 분사영역의 하류측에 연계되는 L2'의 연계라인은 이미 COG의 온도가 낮기 때문에, 열교환기를 거치지 않고 바로 정제조로 연계되도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
한편, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 COG 처리부(200)를 통한 수소의 고순도 분리를 하기 위하여, 상기 상승관(30)과 열교환기(210)의 상류측사이에 연계되는 수성가스(WGS)반응기(250)를 더 포함할 수 있다.(점선으로 라인을 표시함) 즉, 이와 같은 수성가스 반응기(250)은 선택적으로 사용될 수 있다.
이때, 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1,2 COG 처리부(100)(200)를 탄화실 온도에 따라 순차로 가동시키는 것과 함께, 상기 열교환기(210)를 제1 COG 처리부(100)의 전기 집진기(120)와 L4의 제4 연계라인을 통하여 연계하는 경우, 먼저 고온 COG에서부터 현열을 회수하고, 그 다음 제1 COG 처리부(100)를 통하여, 가열로 등의 연소가스로서 발열량이 우수한 CH4-rich 가스를 수집하는 다른 형태의 COG로의 처리도 가능하게 할 수 있다.
즉, 이 경우 제1,2 COG 처리를 병행하기 때문에, 현열과 수소 및 메탄 다량 함유 가스의 수집과 같은 더 다양한 형태로 COG를 처리할 수 있어 바람직할 것이다.
이때, 도면에서는 열 교환기를 개략적으로 도시하였지만, 상기 제2 COG 처리부(200)의 열교환기(210)는, 탄화실의 온도가 900 ℃ 이상인 경우에는 COG에 함유되는 타르가 적기 때문에, 타르 부착 등의 문제가 없고, 따라서 열 교환기(210)는 사이크론 타입 또는 전열관 등의 적절한 형태의 열교환기 선택을 가능하게 할 것이다.
다음, 지금까지 상세하게 설명한 본 발명의 COG 처리장치를 이용한 그 처리 단계를 정리하면, 도 1 및 도 2와 같이, 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정온도 보다 낮은 경우 상승관의 안수 분사 하류측에서 COG를 수집 처리하는 제1 COG 처리단계와, 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정 온도보다 높은 경우 상승관의 안수 분사 상류측 또는 하류측에서 COG를 수집하여 COG에서 현열 회수와 H2/CO-rich 가스 수집중 적어도 H2/CO-rich 가스를 수집 처리하는 제2 COG 처리단계로 이루어 질 수 있다.
물론, 상기 제2 COG 처리단계의 경우에는 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정 온도보다 높은 경우 상승관의 안수 분사 상류측에서 COG를 수집하여 고온 COG에서의 현열 회수와 H2/CO-rich 가스 수집중 적어도 현열을 회수하는 것이 바람직하다. 즉, 안수 분사 상류측을 통하여는 현열 회수에 집중하는 것이다.
그리고, 상기 제1 COG 처리단계에서는, COG가 안수 분사영역을 거치므로 냉각되고, 스크루버 등을 통하여 불순물들을 제거하여 최종 처리된 COG에는 타르 등이 제거되어 다량의 CH4-rich 가스를 포함하게 되고, 이와 같은 CH4-rich 가스는 가열로 등에서 연소 가스로 사용될 수 있다.
특히, 상기 제2 COG 처리단계에서는, 도 1 및 도 2와 같이 제2 COG 처리단계의 열교환기(210)를 제1 COG 처리단계와 연계라인(L4)와 연계하여, 현열 회수된 후의 COG를 제1 COG 처리단계로 처리하는 것도 가능한 것이다.
한편, 본 발명의 COG 처리에 의하여 분리된 고온의 H2/CO-rich 가스를 이용하여 수소를 증폭하는 것도 가능하다.
예를 들어, 고온의 환원성 가스를 CO＋H2O → H2＋CO2 의 식을 통하여, CO 반응기(shift 반응기)에 투입하고 수소를 증폭한 후, 가스의 현열을 회수하는 공정을 거쳐 수소-압력변동흡착설비(PSA)에서 고순도 수소를 얻을 수 있다.
다음, CH4＋H2O → CO＋3H2 , CH4＋CO2 → 2CO＋2H2 , CH4＋1／2 O2 → CO＋2H2 의 식을 통하여, 제1 COG 처리부(100)를 거친 CH4-rich 가스를 개질 반응을 통해 수소로 제조할 수도 있다.
이에 따라서, 지금까시 설명한 본 발명의 COG 처리 장치와 방법을 이용하면, 탄화실의 설정 온도 즉, 대략 700 ∼ 1100℃, 바람직하게는 900℃의 온도를 기준으로 그 보다 낮은 경우에는 제1 COG 처리라인을 통하여, 안수 분사에 따른 COG 자체 온도는 낮지만 메탄가스가 다량 함유되어 연소 발열량은 높기 때문에, 연소 에너지원으로 사용하고, 반대로 설정온도 900℃ 를 초과하는 경우에는 안수를 거치지 않아 COG 자체 온도가 높은 것을 이용하여 열교환기에서 현열 회수율을 높임과 동시에, 고로와 유동로에 취입되는 수소와 일산화탄소 함유량이 높은 H2/CO-rich 가스 또는, 현열과는 무관하게 H2/CO-rich 가스만을 수집하는 것이다.
결국, 본 발명은 COG 성분이나 발생 특성 또는 타르 함유량을 고려하여 최적의 COG의 다단 처리를 가능하게 하고, 가능한 모든 재활용 요소를 분리 수집할 수 있어, 코크스 공정단계에서 다량 발생하는 COG의 재 활용성을 극대화시키는 것이다.
이에 따라서, 본 발명은 탄화실 온도(예를 들어, 석탄이 장입되는 콜 베드(coal bed)의 주변 온도)가 설정온도 보다 높은 경우, 타르 함유량은 급속히 감소하는 COG 발생특성을 고려하여, COG 처리라인을 다변화하여 경제적이면서도 현혈 회수율이나 H2/CO-rich 가스 또는 CH4-rich 가스의 수집 효율을 높이어, 궁극적으로 COG 재활용성을 향상시키는 것이다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (19)

  1. COG가 발생되는 코크스오븐 탄화실의 상승관 하류측에 연계되는 제1 COG 처리부; 및,
    상기 상승관에 연계되는 제2 COG 처리부;
    를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 COG 처리부는 순차로 가동되면서 COG를 처리하도록 구성된 COG 처리 장치.
  2. COG가 발생되는 코크스오븐 탄화실의 상승관 하류 측에 연계되는 제1 COG 처리부; 및,
    상기 상승관에 연계되는 제2 COG 처리부;
    를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 COG 처리부는 탄화실 온도를 기준으로 선택적으로 가동되면서 COG를 처리하도록 구성된 COG 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리부는, 현열 회수와 수소 수집 중, 적어도 현열회수를 가능토록 상승관의 상류 측에 연결되거나, 수소 수집을 가능토록 상승관의 하류 측에 연계되는 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리부는, 현열 회수와 H2/CO-rich 가스의 수집 중, 적어도 현열회수를 가능토록 상승관의 상류 측에 연결되거나, H2/CO-rich 가스의 수집을 가능토록 상승관의 하류 측에 연계되는 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 COG 처리부는, 상기 탄화실 상승관의 안수 분사영역의 하류측에 연계된 제1 연계라인에 연계되는 하나 이상의 냉각기, 집진기 및, 하나 이상의 스크루버를 포함하여 CH4-rich 가스를 수집토록 구성된 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄화실에는 장치 제어부와 연계되는 하나 이상의 온도감지수단이 구비되고, 상기 탄화실과 제1,2 COG 처리부 사이에 연계되는 연계라인에 제공되는 하나 이상의 제어밸브는 상기 장치 제어부와 연계되어, 탄화실 온도에 따라 COG는 제1 COG 처리부 또는 제2 COG 처리부로 공급되는 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리부는, 상기 탄화실 상승관의 안수 분사영역의 상류측에 연계된 제2 연계라인에 제공되는 열교환기를 포함하여 COG의 현열 회수를 가능토록 구성된 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열교환기에 연계되는 정제조를 포함하여 H2/CO-rich 가스를 수집토록 구성된 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리부는, 상기 탄화실 상승관의 안수 분사영역의 하류측에 연계되는 다른 제2 연계라인에 연계되는 정제조를 포함하여 H2/CO-rich 가스를 수집토록 구성된 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 제1 COG 처리부와 연계되어 현열 회수된 COG를 제1 COG 처리부에서 더 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1,2 COG 처리부를 순차로 또는, 선택적으로 가동하는 기준인 탄화실 온도는 700 ∼ 1100 ℃ 인 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄화실 온도는 탄화실의 콜 베드(coal bed) 근처의 온도로서, 900 ℃ 인 것을 특징으로 하는 COG 처리 장치.
  13. 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정온도 보다 낮은 경우 상승관의 안수 분사 하류측에서 COG를 수집 처리하는 제1 COG 처리단계; 및,
    코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정 온도보다 높은 경우 상승관의 안수 분사 상류측 또는 하류측에서 COG를 수집하여 COG에서 현열 회수와 수소 수집중 적어도 수소를 수집 처리하는 제2 COG 처리단계;
    를 포함하여 구성된 COG 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리단계에서는 코크스 오븐의 탄화실 온도를 감지하여 설정 온도보다 높은 경우 상승관의 안수 분사영역의 상류측에서 COG를 수집하여, COG에서 현열 회수와 수소 수집 중 적어도 현열을 회수하는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 탄화실 설정온도는 700 ∼1100 ℃ 로 이루어지고, 상기 설정온도는 탄화실에 구비된 온도감지수단을 통하여 실시간 감지되는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 COG 처리단계에서는, COG를 냉각하고, 스크루버들을 통하여 불순물을 제거하여 CH4-rich 가스를 수집하는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리단계에서는, 상승관의 안수 분사영역을 통과하기 전에 수집된 COG에서 열교환기를 통하여 현열을 회수하고, 이후 COG는 정제단계를 거쳐 H2/CO-rich 가스를 수집하는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
  18. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리단계에서는, COG가 상승관의 안수 분사영역을 통과하고 정제단계를 거쳐 H2/CO-rich 가스를 수집하는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 COG 처리단계에서는, 열교환기를 거친 COG를 제1 COG 처리단계와 연계하여, 현열 회수된 COG를 제1 COG 처리단계에서 더 처리하는 것을 특징으로 하는 COG 처리 방법.
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