KR101019438B1 - 야금 코크스의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

야금 코크스를 제조하는 공정 및 플랜트가 개시되어 있다. 상기 공정은 석탄 입자를 불활성 분위기에서 급속하게 건조하고 일단 건조된 입자를 불활성 분위기에 유지하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 건조된 입자는 결합제의 추가 없이 단광으로 압축된다. 상기 단광은 1 내지 5 시간의 기간 동안 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 가열되어 야금 코크스를 제조한다.

Description

야금 코크스의 제조 방법{PRODUCTION OF METALLURGICAL COKE}

본 발명은 야금 코크스의 제조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저등급 석탄으로부터 야금 코크스를 제조하는 것에 관한 것이다.

직접 제조 공법과 전호로(電弧爐; electric arc furnace)에 대한 최근의 관심에도 불구하고, 다음 세기에서도 강 제조를 위해 종래의 용광로 공법에 대한 의존도가 전세계적으로 커질 것 같다고 생각된다. 무화 석탄 분사의 사용이 증가되었음에도 불구하고, 대량의 코크스를 제조하고자 하는 지속적인 요구를 요하고 있다. 일본은 2020년에는 70% 이상의 강이 용광로를 매개로 하여 제조될 것으로 추정하고 있다.

종래의 코크스로는 수명이 길지만, 많은 코크스로가 다음 10 내지 15년 내에 교체를 요하는 상태에 도달하게 된다. 따라서, 일본은 다음 세기초에 코크스의 대규모 부족 사태에 놓이게 된다.

현재, 강 제조용 야금 코크스는 중요하지 않은 제련은 별 문제로 하고 최근 50년 동안 거의 변하지 않은 공법을 이용하여 코크스로의 전지에서 배치 방식(batchwise)으로 제조되고 있다. 이것은 배치 방식 공정이기 때문에, 코크스로의 전지는 비교적 생산성이 낮은 유닛이다. 통상적으로 이들 코크스로 전지는 한 배 치의 코크스를 제조하는 데 12 내지 24 시간을 필요로 한다. 또한, 그 설계는 공정의 배치 방식 특성으로 인해 필요한 수많은 도어와 배출구를 포함하며, 이들 도어와 배출구는 정부, 단속 주체 및 공동 사회가 산업에 요구하고 있는 보다 엄격한 환경 기준을 코크스로의 전지가 충족하는 것을 어렵게 만든다. 그러한 종래의 공정에서 야금 코크스를 제조하기 위해서는, 석탄을 신중하게 선택하는 것이 요구된다. 보통, 휘발성이 높은 석탄을 휘발성이 중간인 석탄 및 휘발성이 낮은 석탄 중 어느 한쪽이나 양쪽 모두와 혼합하여 코크스로에 장입하고 있다. 이들 석탄은 황과 회분의 양을 경제적으로 가능한 한 작게 함유해야 한다. 석탄 준비가 또한 중요하며, 현재 흔히 사용되는 격렬한 채광법으로 생산된 과잉의 미세한 석탄은 종래의 코크스로의 전지에 문제를 초래할 수 있다.

위에서 지적한 바와 같이, 야금 코크스의 제조는 매우 특별한 등급의 석탄을 필요로 하는데, 이 등급의 석탄은 전세계 석탄 자원 중 단지 작은 분율에 해당한다. 따라서, 상당한 석탄 보존량을 갖고 있는 많은 나라들도 야금 코크스를 제조하기를 바란다면 여전히 석탄의 수입을 피할 수 없다. 예컨대, 인도네시아는 고순도의 아역청탄(sub-bituminous coal) 보존량이 매우 많지만, 코크스용 석탄은 매우 조금 갖고 있다. 황 배출을 저감하기 위한 시도로, 미국은 동력 발생을 위해 높은 황 역청탄의 연소보다는 거대한 아역청탄 자원에 크게 의존하고 있다. 그러나, 철강 산업용 코크스는 오직 이들 역청탄 중 일부로부터만 제조되므로, 황 배출은 코크스용 플랜트에서 문제가 되고 있다.

우수한 코크스용 석탄이 비교적 부족하기 때문에, 이들 코크스용 석탄은 저 등급 석탄보다 가격이 상당히 비싸다. 통상적으로, 아역청탄의 가격이 톤 당 $30 내지 $50인데 비해 코크스용 석탄의 가격은 톤 당 $60 내지 $70이다. 따라서, 코크스용 석탄 대신에 저등급 석탄을 사용하는 것이 가능하면 경제적으로 상당한 이점이 있다.

야금 코크스를 제조하는 연속적인 공정이 제안되었다. 일례로는 미국에서 개발된 공정인 CTC 공정이 있다.

CTC 공정에서는, 제1 단계에서 트윈 스크류식 마일드 가스화 리액터 내에서 600℃에서 숯이 생성되며, 이 숯을 각종 탄화수소 결합제와 혼합하며, 상기 숯과 결합제의 혼합물을 다양한 크기 및 형태로 단광하고, 그 단광을 회전로 또는 소성로에서 1200℃로 하소한다. 1982년 이래로 발전 중에 있는 상기 공정은 전하는 바에 의하면 전체가 밀폐된 시스템에서 연속적인 방식으로 2 시간 내에 고품질의 코크스를 제조할 수 있다. 하루 당 10 톤의 파일럿 플랜트가 현재 작동하고 있지만 상기 공법은 지금까지 입증되지 못하였다.

저품질의 석탄 또는 비코크스용 석탄, 보통 역청탄으로 야금 코크스를 제조하려는 시도가 많이 있었다. 통상적으로, 제1 단계는 석탄의 부분적인 탄화이고, 그 결과로 생긴 숯이 피치형 결합제와 (흔히 고온에서) 혼합되어 단광된다. 상기 단광은 추가로 열분해되어 코크스를 제조하는데, 상기 코크스를 일반적으로 폼 코크스(form-coke)라 칭한다.

그러한 공정 중 하나에 있어서, 미세하게 무화된 코크스용 또는 비코크스용 석탄은 건조되고 유동층 리액터 내에서 증기 또는 공기와 부분적으로 산화된다. 리액터 생성물은 연속적으로 고온의 2 단계에서 탄화되어 숯을 얻는다. 상기 숯은 탄화 단계에서 얻은 피치형 결합제와 혼합되어 롤 프레스에서 단광된다. "압분" 단광은 저온에서 경화되고, 고온에서 탄화되며, 최종적으로 불활성 분위기에서 냉각됨으로써, 저휘발성 야금 코크스를 제조한다.

폼 코크스는 특성이 부적절하고 제조 비용이 비싸기 때문에 상업적으로 용납되지 않고 있다. 조악한 물리적 특성, 특히 낮은 강도는 사용된 높은 가열 속도에서 발달되기에 적절한 구조가 없는 결과인 것으로 보인다.

회사들이 현 세기초에 신규한 코크스 제조용 유닛을 설치할 것을 피할 수 없게 되면, 필연적으로 종래의 코크스로의 제약 중 일부를 극복할 수 있는 유닛을 주목할 것이다. 따라서, 높은 생산성을 제공하고 필연적으로 신규 설비에 적용되는 더욱 엄격한 환경 기준을 충족시킬 수 있는 신규한 석탄 제조 공법을 개발하려는 요구가 존재한다. 이들 목적을 달성하는 데 가장 매력적인 수단 중 하나는 생산성을 최대화하도록 개선된 열전달 기구를 통해 신속한 탄화 동력학을 채택한 연속적인 코크스 제조 공정을 개발하는 것이다. 그러나, 그러한 공정에서 제조된 야금 코크스는 취급 중에 파손 및 마모를 견딜 수 있도록 물리적으로 강해야 하고, 저등급 석탄과, 미세 분말을 높은 비율 함유한 석탄은 물론 코크스용 석탄을 이용할 수 있어야 한다. 본 발명은 저비용으로 광범위하게 이용할 수 있는 비코크스용 석탄, 특히 아역청탄이 유리한 물리적 특성을 갖는 코크스로 형성될 수 있게 한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면,

(ⅰ) 복수 개의 석탄 입자를 마련하는 단계와,

(ⅱ) 상기 석탄 입자를 불활성 분위기에서 신속하게 건조하고, 건조된 입자를 불활성 분위기에서 유지하는 단계와,

(ⅲ) 상기 석탄 입자를 결합제의 추가 없이 단광으로 압축하는 단계와,

(ⅳ) 상기 단광을 1 내지 5 시간의 기간 동안 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 가열하는 단계와,

(ⅴ) 야금 코크스를 수집하는 단계를 포함하는 야금 코크스의 제조 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 석탄 입자는 2 단계 공정에서 단광으로 압축되고, 그 제1 단계는 상기 입자를 단광 구역으로 가압하는, 예압축 단계를 포함한다. 통상적으로, 표준적인 예압밀(pre-compaction) 나사를 사용하여 상기 입자를 단광 구역으로 가압함으로써, 입자를 어느 정도로 압축한다.

상기 단광 구역은 2개의 단광용 롤 사이의 닙 구역인 것이 보통이다. 상기 단광용 롤에 인가되는 힘이 롤 폭의 cm 당 20 내지 80 kN, 바람직하게는 cm 당 50 kN이 되도록 단광용 롤이 하중을 받는다.

통상적으로, 상기 단광은 노에서 가열된다.

상기 단광은 상기 노에 지체 없이 직접 전달되는 것이 바람직하다. 유리하게는, 상기 단광은 작은 서지 용기(surge bin)를 통해 전달된다.

특히 바람직한 실시예에서, 상기 노는 샤프트로이다. 철광석을 직접 감소시키는 데 사용되는 것과 같은 종래 설계의 샤프트로 중 임의의 샤프트로가 적합하 다. 통상적으로, 상기 샤프트로 내의 분위기는 불활성 가스, 환원성 가스 또는 가스 혼합물로 이루어진다. 상기 가스 혼합물은 흔히 질소, 수소 및 일산화탄소의 혼합물이다. 상기 가스 혼합물은 일산화탄소가 농후한 것이 바람직하고, 일산화탄소를 95% 이하 포함할 수도 있다.

유리하게는, 상기 노에서 제조된 야금 코크스는 불활성 또는 환원성 가스 분위기에서 냉각된다. 이 냉각은 샤프트로의 바닥 섹션에서 일어나는 것이 바람직하다. 냉각된 야금 코크스는 상기 노의 바닥 섹션으로부터 취출함으로써 수집될 수 있다.

바람직하게는, 상기 건조 단계는 상기 석탄 입자를 가스 플래시 건조기의 고온 가스 스트림에 노출시키는 단계를 포함하지만, 유동층 리액터는 입자를 건조하는 데 사용될 수 있다. 통상적으로, 상기 가스 플래시 건조기의 고온 가스 스트림의 온도는 약 320℃이고, 상기 입자는 고온 가스 스트림에 약 2-5 초 동안 노출된다. 상기 건성 가스는 수증기, 이산화탄소 및 질소를 주성분으로 하고, 5% 미만의 산소를 포함한다. 일반적으로, 석탄은 이 단계에서 130℃ 이하로 가열된다.

상기 석탄은 건조하기 전에 롤 분쇄기 또는 햄머 밀 등의 기계적 분쇄 수단으로 분쇄되는 것이 유리하다. 석탄은 이 단계에서 직경 4 mm 미만의 입자로 분쇄되는 것이 유리하다.

본 발명의 제2 양태에 따르면,

(ⅰ) 석탄 입자를 불활성 분위기에서 신속하게 건조하고, 건조된 입자를 불활성 분위기에서 유지하는 수단과,

(ⅱ) 상기 석탄 입자를 결합제의 추가 없이 단광으로 압축하는 수단과,

(ⅲ) 상기 단광을 1 내지 5 시간의 기간 동안 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 가열하여 야금 코크스를 제조하는 수단을 구비하는 야금 코크스의 제조 플랜트가 제공된다.

상기 건조 수단은 상기 석탄 입자를 고온 가스 스트림에 노출하기 위한 가스 플래시 건조기인 것이 바람직하다.

상기 압축 수단은 입자를 미리 압축하는 수단과 미리 압축된 입자로부터 단광을 형성하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 압축 수단은 입자를 미리 압축하기 위한 예압밀 나사와, 이 미리 압축된 입자로부터 단광을 형성하는 2개의 단광용 롤을 구비하고, 상기 예압밀 나사는 미리 압축된 입자를 롤 사이의 닙으로 가압하도록 배치된다.

상기 가열 수단은 샤프트로와 같은 노인 것이 바람직하다.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면, 즉 본 발명에 따른 야금 코크스 제조 공정 및 플랜트의 플로우 시트인 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

특히 바람직한 공정과 플랜트가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.

공정의 제1 단계에서, 수분이 많은 석탄이 컨베이어(10)에 의해 코크스 제조 장치로 급송된다. 컨베이어(10)에 의해 운반된 석탄은 통상적으로 야금 코크스를 제조하기 위한 것으로 종래의 코크스로의 전지에 사용하는 데는 적합하지 않은 아 역청탄이다. 그러나, 상기 석탄은 코크스용 석탄(coking coal)이거나 저등급 석탄과 코크스용 석탄의 혼합물이어도 좋다.

컨베이어(10)로부터 급송된 석탄은 분쇄기(11)로 이동된다. 통상적으로 분쇄 스테이지는 매우 큰 덩어리의 석탄을 직경 4 mm 미만의 입자로 감소시킨다. 분쇄 장치는 통상적으로 햄머 밀 또는 롤 분쇄기이다. 석탄 입자는 분쇄기(11)로부터 서지 용기(12)로 이동된다. 컨베이어(13)는 또한 공정의 재순환을 위해 단광 공정으로부터의 미세 분말을 다시 서지 용기로 운반한다.

분쇄된 석탄 입자는 서지 용기(12)로부터 나와 나사식 이송부(14)로 이동되고, 그 후에 가스 재순환 플래시 건조기(15)로 급속하게 인발된다. 분쇄된 석탄은 상기 가스 재순환 플래시 건조기 내에 2-5 초만 잔류하며, 그 시간에 수증기, 이산화탄소 및 질소로 이루어지며 320℃에서 5% 미만의 산소를 함유하는 고온 가스 스트림에 노출된다. 건성 입자는 90℃ 내지 110℃의 온도에서 가스 재순환 플래시 건조기로부터 나오므로 휘발성 탄화수소는 대기로 방출된다. 이어서, 건성 입자는 분리용 싸이클론(16)으로 이동되는데, 이 싸이클론은 건성 가스로부터 입자를 분리하고 건성 가스를 도관(18)을 경유하여 건성 가스 히터(17)로 반환한다.

건성 입자는 싸이클론(16)으로부터 용기(19)로 이동되고, 이 용기로부터 밀폐된 나사식 이송부(20)로 이동된다. 상기 용기(19)와 나사식 이송부(20)는 모두 건조된 입자가 대기의 산소 및 수증기에 노출되는 것을 방지하도록 불활성 가스 분위기를 갖는다. 나사식 이송부(20)는 건조된 석탄 입자를 예압밀(pre-compaction) 스크류(21)로 도입시키는데, 이 예압밀 스크류는 2개의 단광용 롤(22, 23) 사이의 닙 구역으로 입자를 가압한다. 상기 롤들은 각 롤에 걸리는 힘이 롤 폭의 cm 당 50 kN이 되도록 부하를 받는다. 일단 형성된 단광은 스크린(24) 위로 낙하하여 스크린(24)으로부터 컬렉터(26)로 굴러간다. 단광으로 형성되지 않은 임의의 미세한 입자는 스크린(24)을 통과하여 컬렉터(25)로 이동되어 컨베이어(13)에 의해 다시 서지 용기(12)로 운반된다.

컬렉터(26)는 단광을 샤프트로의 상부에 배치된 서지 용기(28)로 컨베이어 벨트(27)에 의해 운송한다. 샤프트로는 가열 구역(30), 냉각 구역(31) 및 출구(32)를 구비한 종래의 샤프트로이다. 샤프트로는 가열된 가스를 위한 입구(39)와 가스를 배출하는 출구(32)를 포함한다. 배출된 가스는 가스 세정 장치(36)를 통과하여 가스 가열 및 컨디셔닝 장치(37)로 재순환되며, 이 장치에서 공급 가스 부분 및 연료 가스 부분으로 분할된다. 상기 연료 가스 부분은 연소되고 연소로부터의 열이 공급 가스 부분을 가열한다. 그 결과로 생긴 고온의 공급 가스는 입구(39)를 통해 다시 샤프트로(29)로 이동되어 샤프트로를 가열한다. 연소 단계에서 생긴 가스는 굴뚝을 통해 배출된다.

단광은 샤프트로(29)의 가열 구역(30)에서 1-5 시간 동안 잔류한다. 이 시간에, 단광의 휘발성 성분이 발산되어 코크스를 제조한다. 이 시간은 상당히 짧은 코크스 제조 시간이므로 생산성이 높다. 또한, 모든 탄화가 하나의 샤프트로에서 수행되므로, 자본 비용이 저렴하고 배출 제어가 간소해진다.

개질된 가스로부터 단광으로 열이 직접 전달되기 때문에 샤프트로 내에서의 탄화가 신속한 반면에, 종래의 코크스로에서는 코크스로의 벽이 가열됨에 따라 열 이 그 벽으로부터 서서히 그리고 간접적으로 전달된다는 것을 유념해야 한다. 그럼에도 불구하고, 이 경우에 급속한 가열로 인해 물리적 특성이 나빠지지 않는다. 종래의 코크스 제조 공정에서는 석탄이 한 지점에서 유체로 되고 이 상태에서 기포를 형성하는 가스를 방출하며, 이들 기포는 코크스용 석탄이 급속하게 가열되면 더 흔해지고 커지게 된다. 본 발명은 종래의 공정보다 훨씬 높은 가열 속도를 이용하지만, 석탄이 심각한 유체 상을 경험하지 않기 때문에, 가스 기포를 통한 구조의 약화가 발생하지 않는다.

코크스가 제조되면, 코크스는 샤프트로(29)의 냉각 구역(31)으로 이동되어, 불활성 또는 환원 분위기에서 냉각된다. 코크스는 출구(32)를 매개로 하여 샤프트로에서 배출되어 컨베이어(33, 34)에 의해 코크스 비축 장소(35)로 운반된다.

결과적인 제품은 코크스 단광이 형성되는 석탄 단광 용적의 약 50%를 갖는 조밀한 코크스 단광이다. 통상적인 특성은 커래프 석탄(curragh coal)으로부터의 전형적인 코크스의 경우에 15-27 g/g/s ×10^-6 및 아역청탄 숯의 경우에 100-155 g/g/s ×10^-6 에 비교하여 16-30 g/g/s ×10^-6의 반응성이다. 상기 공정에 의해 제조된 코크스 단광의 분쇄 강도는 70-80 kg cm²(가장 긴 축선을 따라 인가된 힘의 경우)이고, 대략 1.4 g cm^-1의 겉보기 밀도(침수성)를 갖는다. 단광이 축소되어 코크스 제조 중에 들러붙지 않기 때문에 리액터에서 자유로운 유동층이 생긴다는 것을 유념해야 한다.

전술한 본 발명의 특정 형태에 대해 변경 및 수정이 이루어질 수 있으며, 이들 변경 및 수정은 본 발명의 일부를 구성한다는 점을 인식해야 한다.

Claims (23)

1. 야금 코크스의 제조 방법으로서,

   (ⅰ) 복수 개의 석탄 입자를 마련하는 단계와,

   (ⅱ) 상기 석탄 입자를 가스 플래시 건조기의 가스 스트림에 2 내지 5초 동안 노출시키고 상기 석탄을 130℃ 이하로 가열시킴으로써, 상기 석탄 입자를 불활성 분위기에서 신속하게 건조하고, 건조된 석탄 입자를 불활성 분위기에서 유지하는 단계와,

   (ⅲ) 상기 석탄 입자를 결합제의 추가 없이 단광으로 압축하는 단계와,

   (ⅳ) 상기 단광을 샤프트로(shaft furnace)에서 1 내지 5 시간 동안 1000℃ 내지 1400℃의 온도로 가열하는 단계와,

   (ⅴ) 야금 코크스를 수집하는 단계

   를 포함하는 야금 코크스의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단광 단계(ⅲ)는 2 단계 공정으로 상기 석탄 입자를 단광으로 압축하는 단계를 포함하고, 그 제1 단계는 상기 석탄 입자를 미리 압축하는 것으로 이루어지며, 제2 단계는 상기 미리 압축된 입자를 단광으로 형성하는 것으로 이루어지고, 상기 미리 압축하는 단계는 상기 석탄 입자를 단광 구역으로 가압하는 것으로 이루어지는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 미리 압축하는 단계는 상기 입자를 예압밀(pre-compaction) 나사에서 미리 압축함으로써, 상기 입자를 압축하는 단계를 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 단광 구역은 2개의 단광용 롤 사이의 닙 구역인 것인 야금 코크스의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 단광용 롤에 인가되는 힘이 롤 폭의 cm 당 20 내지 80 kN이 되도록 단광용 롤에 하중을 가하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 단광용 롤에 인가되는 힘이 롤 폭의 cm 당 50 kN이 되도록 단광용 롤에 하중을 가하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 단광을 지체 없이 상기 노에 직접 전달하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 단광을 서지 용기(surge bin)를 통해 상기 노에 전달하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계(ⅳ)는 상기 단광을 샤프트로 내에서 불활성 가스, 환원성 가스 또는 불활성 가스와 환원성 가스의 가스 혼합물로 이루어지는 분위기에서 가열하는 단계를 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 질소, 수소 및 일산화탄소의 혼합물인 것인 야금 코크스의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 95% 이하의 일산화탄소를 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 노에서 제조된 야금 코크스를 불활성 또는 환원성 가스 분위기에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 야금 코크스를 상기 노의 바닥 섹션에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 냉각된 야금 코크스를 상기 노의 바닥 섹션으로부터 취출함으로써 수집하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
16. 제1항에 있어서, 상기 가스 스트림은 수증기, 이산화탄소, 질소 및 5% 미만의 산소를 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 석탄을 기계적 분쇄 수단으로 분쇄하여 상기 입자를 형성한 후에, 건조 단계(ⅱ)에서 상기 입자를 건조시키는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 석탄을 분쇄하여 직경 4 mm 미만의 입자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 야금 코크스의 제조 방법.
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제

Images