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KR101751522B1 - 코크스용 첨가제 제조 방법과 제조 장치 - Google Patents

코크스용 첨가제 제조 방법과 제조 장치 Download PDF

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KR101751522B1
KR101751522B1 KR1020150127866A KR20150127866A KR101751522B1 KR 101751522 B1 KR101751522 B1 KR 101751522B1 KR 1020150127866 A KR1020150127866 A KR 1020150127866A KR 20150127866 A KR20150127866 A KR 20150127866A KR 101751522 B1 KR101751522 B1 KR 101751522B1
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coal
slurry
additive
separating
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주식회사 포스코
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

코크스용 첨가제 추출에 최적화되어, 첨가제를 용이하고 효과적으로 생산할 수 있도록, 석탄을 용매에 분산시켜 슬러리화하는 석탄 전처리 공정; 석탄 슬러리와 크래킹 가스를 반응하여 석탄 슬러리를 액화하는 석탄 액화 공정; 석탄 액화 공정시 크랙킹 가스로 COG 및/또는 LNG를 공급하는 공정; 액화 생성물로부터 첨가제를 분리하는 분리공정; 및 분리 공정에서 얻어진 액상의 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하여 용매로 사용하는 재순환 공정을 포함하고, 상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 연화시키는 제1 공정 및 제1 공정에 연속하여 제2 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 실질적으로 크랙킹하는 제2 공정을 포함하는 코크스용 첨가제 제조 방법을 제공한다.

Description

코크스용 첨가제 제조 방법과 제조 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING BINDER FOR COKE}
코크스 강도 향상을 위해 사용되는 코크스용 첨가제를 제조하기 위한 제조 방법 및 제조 장치를 개시한다.
일반적으로, 코크스는 원료탄(coking coal)을 사용하여 코크스 제조 공정을 통해 제조한다. 코크스를 제조하는데 사용되는 원료탄은 점결성의 정도에 따라 강점탄과 미점탄으로 분류된다. 대형 고로의 안정적인 조업을 위해서는 고강도 코크스의 사용이 요구된다. 고강도의 코크스를 제조하기 위해서는 점결성이 우수한 강점탄을 사용하거나, 미점탄에 비해 강점탄을 대량 사용하는 것이 유리하다. 이에, 그 동안 코크스의 제조에 있어서 고품위이고 고가인 강점탄이 대량으로 사용되었다.
하지만, 세계적인 야금용 점결탄 수요의 급격한 증가와 강점탄의 제한된 매장량으로 인해, 강점탄의 확보가 점점 어려워지고 있으며, 이로 인해 가격이 급등되는 문제가 발생 되었다. 따라서, 저품위이고 저가인 아역청탄 또는 갈탄 등의 비점결탄을 원료탄으로 사용하면서 고강도의 코크스를 제조할 수 있는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 저품위의 원료탄을 고온 고압 조건에서 고가의 초임계용매에 녹여 점결물질을 추출하는 용매출방식을 통해 코크스 제조용 품질 개선제를 제조하는 기술이 개발되었다.
그러나, 현재는 주로 석탄으로부터 오일의 생산에 초점이 맞춰져 있어 첨가제 추출을 위한 최적화된 공정이 전무한 실정으로, 첨가제를 효과적으로 생산하기에는 부족한 점이 있다. 또한, 기존 석탄 직접 액화 방식의 공정을 이용함으로써, 잦은 고장과 더불어 새로운 운영 노하우가 요구되어 첨가제 생산에 있어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
코크스용 첨가제 추출에 최적화된 코크스용 첨가제 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
또한, 첨가제 추출에 최적화된 석탄 액화 공정을 통해 코크스 강도 향상을 위한 첨가제를 용이하고 효과적으로 생산할 수 있도록 된 코크스용 첨가제 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
또한, 수소화설비와 같은 대단위 설비의 구축없이 첨가제를 생산할 수 있도록 된 코크스용 첨가제 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
또한, 제조 공정을 보다 단순화할 수 있도록 된 코크스용 첨가제 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
또한, 저품위탄을 이용하여 코크스용 첨가제를 제조할 수 있도록 된 코크스용 첨가제 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
본 구현예의 첨가제 제조 방법은, 석탄을 용매에 분산시켜 슬러리화하는 석탄 전처리 공정; 석탄 슬러리와 크래킹 가스를 반응하여 석탄 슬러리를 액화하는 석탄 액화 공정; 석탄 액화 공정시 크랙킹 가스로 COG 및/또는 LNG를 공급하는 공정; 액화 생성물로부터 첨가제를 분리하는 분리공정; 및 분리 공정에서 얻어진 액상의 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하여 용매로 사용하는 재순환 공정을 포함하고, 상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 연화시키는 제1 공정 및 제1 공정에 연속하여 제2 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 실질적으로 크랙킹하는 제2 공정을 포함할 수 있다.
상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기로 유동층 반응기가 사용되고 제2 반응기로 슬러리 반응기가 사용되어, 석탄 슬러리가 유동층 반응기와 슬러리 반응기를 차례로 거쳐 제1 공정과 제2 공정이 수행될 수 있다.
상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기와 제2 반응기로 유동층 반응기가 사용되어, 석탄슬러리가 복수개의 유동층 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행될 수 있다.
상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기와 제2 반응기로 슬러리 반응기가 사용되어, 석탄슬러리가 복수개의 슬러리 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행될 수 있다.
상기 석탄 전처리 공정 진행 시 분산형 철촉매를 투입하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 석탄 전처리 공정은 석탄을 분쇄하는 단계와, 분쇄된 석탄을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 석탄은 갈탄 또는 아역청탄을 포함할 수 있다.
상기 석탄 분쇄 단계에서 석탄은 60메쉬(mesh) 이하의 크기로 분쇄될 수 있다.
상기 석탄 건조 단계는 석탄의 수분 함량이 10wt% 이하가 되도록 건조하는 구조일 수 있다.
상기 석탄 전처리 공정은 용매에 대해 건조된 석탄을 중량비로 1/1 내지 1/4로 혼합하여 슬러리화하는 구조일 수 있다.
상기 분산형 철촉매는 Fe2O3 일 수 있다.
상기 분산형 철촉매는 석탄 100중량부에 대해 0.5 내지 3.0 중량부로 투입될 수 있다.
상기 석탄 액화 공정은 350 내지 450℃의 온도와, 30 내지 120bar의 압력하에서 이루어질 수 있다.
상기 석탄 액화 공정은 크래킹 가스를 400 내지 600℃로 가열하여 공급할 수 있다.
상기 분리공정은 액화 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이팅(separating) 단계, 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 여과 단계, 및 여과 단계에서 분리된 액상 물질을 증류하여 첨가제를 분리하는 분별증류단계를 포함하고, 상기 재순환 공정은 상기 분별증류단계에서 첨가제와 분리된 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하는 구조일 수 있다.
상기 여과 단계는 120 내지 400℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 분별증류단계는 350 내지 450℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 구현예의 제조 장치는 전처리된 석탄과 용매를 혼합하여 슬러리화하는 믹싱드럼, 상기 믹싱드럼을 거친 석탄 슬러리를 액화하는 반응기, 상기 반응기로 크랙킹 가스를 공급하는 가스공급부, 상기 반응기로부터 생성된 액화 생성물에서 첨가제를 분리하기 위한 분리부, 및 상기 분리부와 상기 믹싱드럼 사이에 연결되어 분리부에서 분리된 오일을 믹싱드럼에 용매로 공급하는 공급라인을 포함하고, 상기 반응기는 석탄슬러리를 1차로 연화시키는 제1 반응기, 상기 제1 반응기 후단에 연결되어 제1 반응기를 거친 석탄슬러리를 실질적으로 크랙킹하는 제2 반응기를 포함할 수 있다.
상기 제1 반응기는 유동층 반응기이고, 상기 제2 반응기는 슬러리 반응기일 수 있다.
상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기는 유동층 반응기일 수 있다.
상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기는 슬러리 반응기일 수 있다.
상기 제조장치는 상기 믹싱드럼으로 분산촉매를 공급하는 촉매공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 분리부는 액화 공정 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터에 연결되어 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 필터장치, 및 상기 필터장치에서 분리된 액상 물질을 증류하여 첨가제를 분리하며 상기 공급라인을 통해 상기 믹싱드럼에 연결되어 첨가제와 분리된 오일을 믹싱드럼으로 공급하는 증류기를 포함할 수 있다.
상기 제조 장치는 석탄 전처리를 위해 석탄을 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄된 석탄을 건조하는 건조기를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매공급부는 분산형 철촉매를 공급하는 구조일 수 있다.
상기 가스공급부는 COG 및/또는 LNG를 공급하는 구조일 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 의하면, 최적화된 첨가제 제조 공정을 구현할 수 있게 된다.
또한, 첨가제 제조 공정을 최적화하여 코크스용 첨가제를 보다 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있게 된다.
또한, 반응기에서의 반응성을 높여 첨가제의 생산성을 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 코크스용 첨가제 제조 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 코크스용 첨가제 제조 장치를 반응기 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3과 도 4는 또 다른 실시예에 따라 반응기 구성을 도시한 도면이다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 코크스용 첨가제 제조 장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 제조 장치는 전처리된 석탄과 용매를 혼합하여 슬러리화하는 믹싱드럼(10), 상기 믹싱드럼(10)을 거친 석탄 슬러리(slurry)를 액화하는 반응기(30), 상기 반응기(30)로 크랙킹 가스를 공급하는 가스공급부(32), 상기 반응기(30)로부터 생성된 액화 생성물에서 첨가제를 분리하기 위한 분리부(40), 및 상기 분리부(40)와 상기 믹싱드럼(10) 사이에 연결되어 분리부에서 분리된 오일을 믹싱드럼(10)에 용매로 공급하는 공급라인(50)을 포함한다.
상기 제조장치는 상기 믹싱드럼(10)으로 분산촉매를 공급하는 촉매공급부(20)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제조장치는 석탄을 전처리하기 위해, 석탄을 분쇄하는 분쇄기(12)와, 분쇄된 석탄을 건조하는 건조기(14)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 첨가제 제조를 위한 원료인 석탄은 갈탄이나 아역청탄과 같은 저품위의 비점결탄을 포함할 수 있다. 갈탄이나 아역청탄 등의 저품위탄은 점결성 등의 물성이 낮은 반면 매장량이 풍부하고 저가이므로, 코크스용 첨가제 제조시 생산 단가를 낮출 수 있게 된다.
상기 믹싱드럼(10)은 전처리된 석탄과 용매를 혼합하여 석탄 슬러리를 형성한다.
본 실시예에서 상기 믹싱드럼(10)에 투입되는 용매는 상기 분리부(40)를 통해 최종적으로 첨가제를 분리하고 남은 오일을 활용하는 구조로 되어 있다.
이를 위해, 공급라인(50)이 분리부(40)와 믹싱드럼(10) 사이에 연결되어, 첨가제 분리 후 남은 오일이 공급라인(50)을 통해 믹싱드럼(10)에 용매로 재순환되어 공급된다.
이와 같이, 분리부(40)를 거처 분리된 액상의 오일을 바로 믹싱드럼(10)으로 공급하여 용매로 재활용함으로써, 설비를 단순화할 수 있고 공정을 단순화하여 첨가제 생산 원가를 낮출 수 있게 된다.
상기 촉매공급부(20)는 믹싱드럼(10)에 연결되어 분산형 철촉매를 공급한다. 이에, 분산형 철촉매가 믹싱드럼(10) 내에서 석탄 및 용매와 같이 고르게 혼합된다.
본 실시예에서 상기 분산형 철촉매는 Fe2O3 일 수 있다. 이와 같이 분산형 철촉매를 투입하여 석탄 슬러리에 혼합함으로써, 액화 반응시 반응성을 높일 수 있게 된다. 이에, 액화 반응시 크랙킹 가스로 COG 또는 LNG를 사용하더라도 상기 분산형 철촉매가 반응성을 높여 첨가제 생산을 위한 충분한 반응 효과를 끌어낼 수 있다.
믹싱드럼(10)에서 혼합된 석탄 슬러리는 고압펌프에 의해 반응기(30)로 이송된다. 믹싱드럼(10)에서 반응기(30) 사이로 석탄 슬러리가 이송되는 과정에서 믹싱드럼(10)과 반응기(30) 사이에 설치된 가열부(16)를 통해 석탄 슬러리에 열량을 공급하여 석탄 슬러리를 설정 온도까지 가열한다.
상기 반응기(30)는 고온 고압 하에서 석탄 슬러리를 액화시킨다.
본 실시예에서, 상기 반응기(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개가 공정 상 석탄슬러리의 이동 방향을 따라 순차적으로 연결되어 배치된 구조로 되어 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 공정 상 앞쪽에 배치된 반응기는 제1 반응기(34)라 하고, 연속하여 제1 반응기 후단에 배치된 반응기는 제2 반응기(36)로 하며, 반응기(30)는 두 개의 반응기 모두를 지칭한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반응기(30)는 제1 반응기(34)가 유동층 반응기로 이루어지고, 상기 제2 반응기(36)가 슬러리 반응기로 이루어질 수 있다. 유동층 반응기는 EBR(Ebullated Bed Reactor) 또는 FBR(Fluidized Bed Reactor) 반응기를 의미한다. 유동층 반응기는 하부에 석탄슬러리를 반응기 내부에서 재순환시키기 위한 구동펌프가 구비된다. 유동층 반응기로 석탄슬러리가 유입되면서 열적 연화가 되고 점진적으로 크래킹이 발생하여 액화된다. 이때 하부에 설치된 재순환용 구동펌프가 작동되어 내부의 석탄슬러리를 유입량 대비 많은 양으로 재순환시키게 된다. 이렇게 함으로써, 반응기 내부의 성분 균질화 및 유입구에서 출구까지의 온도 구배를 5℃이하로 유지할 수 있다. 유동층 반응기에 대해서는 많은 기술이 개시되어 있으므로 그 상세한 구조에 대한 설명은 생략한다.
상기 슬러리 반응기는 SBCR(Slurry Bubble Column Reactor) 또는 SPR(Slurry Phase Reactor) 반응기로, 액체 내에 기체 버블(bubble)의 슬러리를 형성하는 반응기를 의미한다. 슬러리 반응기로 석탄슬러리가 유입되면서 열적연화가 되고 상부로 올라가면서 점진적으로 크랙킹이 발생하여 액화된다. 슬러리 반응기는 구조가 단순하며 충분한 높이로 제작하여 하부로부터 상부로 석탄슬러리가 상승하면서 반응이 일어나게 된다. 슬러리 반응기 역시 그 구조에 대해 많은 기술이 개시되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 본 실시예는 석탄 슬러리가 1차적으로 제1 반응기(34)인 유동층 반응기를 거친 후 2차로 제2 반응기(36)인 슬러리 반응기를 거쳐 액화됨으로써, 크랙킹 효율을 극대화할 수 있게 된다.
상기 제1 반응기(34)는 믹싱드럼으로부터 혼합된 석탄 슬러리를 공급받아 반응성을 높일 수 있도록 충분한 시간을 두고 석탄 슬러리를 연화(thermal process)시킨다. 제1 반응기(34)로 상기 유동층 반응기가 사용되는 경우 충분한 시간 동안 석탄 슬러리를 재순환하면서 연화 공정을 진행하여 석탄 슬러리를 보다 액화되기 쉽도록 한다.
상기 제2 반응기(36)는 제1 반응기(34)로부터 배출되어 공급된 석탄 슬러리를 실질적으로 크랙킹(cracking)하게 된다. 실질적이라 함은 제1 반응기(34)와 비교하여 상대적으로 제2 반응기(36)에서 주로 크래킹이 이루어짐을 의미한다. 제2 반응기(36)로 슬러리 반응기가 사용되는 경우, 반응기 내부에서 상승류만 존재하므로 크래킹 후 하이드로카본(hydrocarbon)이 바로 상부를 통해 배출될 수 있다. 이에, 크래킹으로 분해된 하이드로카본이 다시 고분자 구조물인 석탄으로 돌아가는 것을 방지할 수 있다. 종래의 경우 반응기 내에서 석탄 슬러리가 오랜 시간 체류하면서 크래킹으로 분해된 하이드로카본이 다시 석탄으로 돌아가는 현상이 발생된다.
이와 같이, 본 실시예의 반응기는 제1 반응기(34)와 제2 반응기(36)를 통해 순차적으로 석탄 슬러리를 액화 반응시킴으로써, 공정 효율성을 보다 높일 수 있게 된다.
상기한 구조 외에 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 반응기는 제1 반응기와 제2 반응기가 모두 유동층 반응기로 이루어지거나, 제1 반응기와 제2 반응기가 모두 슬러리 반응기로 이루어질 수 있다.
상기 가스공급부(32)는 반응기(30) 일측에 연결되어 반응기(30)로 크랙킹 가스를 공급한다. 본 실시예에서 상기 가스공급부(32)는 크랙킹 가스로 COG(Coke Oven Gas), LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 이들의 조합을 공급한다.
이와 같이, 크랙킹 가스로 COG나 LNG를 이용함으로써, 본 실시예의 장치는 종래 수소 제조설비를 갖출 필요가 없게 된다. 수소제조설비는 알려진 바와 같이 대단히 복잡한 설비로, 건설비용이 전체 설비의 1/4에 달하며 운전비 역시 많이 소요된다. 따라서, 본 실시예의 경우 수소제조설비를 구축하지 않아도 되므로, 전체 공장 규모를 줄이고 첨가제의 생산 원가를 크게 낮출 수 있게 된다.
상기 분리부(40)는 액화 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이터(42)와, 상기 세퍼레이터에 연결되어 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 필터장치(44), 및 상기 필터장치에서 분리된 액상 물질을 증류하여 코크스용 첨가제(B)를 분리하는 증류기(46)를 포함한다.
상기 분리부(40)의 증류기(46)는 공급라인(50)을 통해 상기 믹싱드럼(10)에 연결된다. 이에, 증류기(46)를 거쳐 첨가제와 분리된 오일은 공급라인을 통해 믹싱드럼(10)으로 공급된다. 상기 증류기(46)는 끓는점의 차이를 이용하여 첨가제를 분리시키는 분별 증류기가 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 장치는 분리부(40)를 거쳐 최종적으로 코크스용 첨가제(B)를 생산할 수 있게 된다.
이하, 본 실시예에 따른 첨가제 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.
이하 본 실시예는 도 1과 도 2의 실시예로부터 첨가제를 제조하는 과정을 예로서 설명한다.
첨가제 제조를 위한 공정은, 석탄을 용매에 분산시켜 슬러리화하는 석탄 전처리 공정, 석탄 슬러리와 크래킹 가스를 반응하여 석탄 슬러리를 액화하는 석탄 액화 공정, 석탄 액화 공정시 크랙킹 가스로 COG 및/또는 LNG를 공급하는 공정, 액화 생성물로부터 첨가제를 분리하는 분리공정, 및 분리 공정에서 얻어진 액상의 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하여 용매로 사용하는 재순환 공정을 포함한다.
또한, 본 실시예의 제조 과정은 석탄 전처리 시 분산형 철촉매를 투입하는 공정을 더 포함할 수 있다.
석탄 전처리 공정은 첨가제 제조를 위한 원료인 석탄을 전처리하여 준비하는 과정으로, 석탄을 분쇄한 후 분쇄된 석탄을 건조하는 과정을 거친다.
원료인 석탄은 점결성이 낮거나 없고, 가격이 저렴한 미점탄(또는 저급탄)이며, 갈탄, 아역청탄 등을 사용할 수 있다. 갈탄, 아역청탄 등의 저품위탄은 분쇄기를 통해 분쇄한다. 석탄의 분쇄는 예를 들어, 60메쉬 이하로 크기로 분쇄할 수 있다.
분쇄된 석탄은 건조 공정을 거쳐 수분을 제거한다. 석탄의 수분은 석탄과 용매와의 혼합을 방해하고 반응기 압력을 불안정하게 만들어 반응 효율을 저하시킨다. 본 실시예에서, 석탄 건조 공정을 통해 석탄은 수분함량이 10wt% 이하가 되도록 건조한다. 석탄의 수분함량이 10wt%를 넘게 되면 상기와 같은 공정 효율 저하 및 추가적인 폐가스 처리공정이 필요하게 된다.
분쇄 및 건조된 석탄은 용매와 혼합되어 슬러리화된다. 본 실시예에서 상기 용매에 대해 건조된 석탄은 중량비로 1/1 내지 1/4로 혼합된다.
용매에 대한 석탄의 비율이 1/1보다 큰 경우에는 용매의 양이 작아 석탄 슬러리가 잘 생성되지 않는다. 이에 반응기에서의 석탄 전환율도 낮아지게 된다. 용매에 대한 석탄의 비율이 1/4보다 낮은 경우에는 용매가 너무 많이 섞여 석탄 슬러리의 점도가 떨어지며, 각 공정에서 처리량이 증대하여 설비의 규모가 증가하게 된다. 이에 장치 비용 및 유틸리티 사용량이 증가하여 비용 문제가 발생된다.
여기서, 상기 용매는 첨가제 제조과정을 거쳐 최종적으로 첨가제를 분리하고 남은 오일을 이용할 수 있다.
상기 석탄 전처리 과정에서 분산형 철촉매가 투입될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 분산형 철촉매는 Fe2O3 일 수 있다. 이와 같이, 분산형 철촉매를 투입하여 석탄 슬러리에 혼합함으로써, 액화 반응시 반응성을 높일 수 있게 된다.
상기 분산형 철촉매는 석탄 100중량부에 대해 0.5 내지 3.0 중량부로 투입될 수 있다.
상기 분산형 철촉매의 투입이 상기 범위보다 적은 경우에는 촉매로써 역할을 제대로 수행할 수 없으며, 상기 범위를 넘게 되면 재회수가 어렵고 촉매가 너무 많아 안 좋은 영향을 끼치게 된다.
상기 공정을 거쳐 슬러리화된 석탄은 반응기로 이송되어 석탄 액화 공정을 거친다. 석탄 슬러리는 액화 공정으로 이송하는 과정에서 가열공정을 거쳐 원하는 온도까지 가열된다.
석탄 액화 공정은 상기 전처리 공정에서 충분히 높은 온도로 슬러리화된 석탄을 액화하는 단계이다. 반응기 내에 석탄 슬러리와 크랙킹 가스를 투입하고 설정된 온도와 압력하에서 액화 반응을 진행한다.
본 실시예에서, 상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 연화시키는 제1 공정 및 제1 공정에 연속하여 제2 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 실질적으로 크랙킹하는 제2 공정을 포함한다.
이에, 상기 석탄 액화 공정에서 석탄 슬러리는 제1 반응기인 유동층 반응기와 제2 반응기인 슬러리 반응기를 차례로 거치면서 액화된다.
도 3에 도시된 구조의 경우, 석탄 액화 공정에서 석탄 슬러리가 두 유동층 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행되며, 도 4에 도시된 구조의 경우, 석탄 슬러리가 두 유동층 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 석탄 액화 공정은 350 내지 450℃의 온도와, 30 내지 120bar의 압력하에서 이루어질 수 있다. 각 반응기 내부의 압력은 크랙킹 가스의 공급유량을 조절함으로써 제어할 수 있다.
각 반응기 내부가 상기 온도와 압력 범위로 조성됨에 따라, 석탄과 용매가 혼합된 혼합물 즉, 석탄 슬러리에서 액화 반응이 진행된다. 이때, 공급되는 크랙킹 가스는 반응기 내부의 압력 조절뿐만 아니라, 석탄을 구성하는 탄소 원자간의 끊어진 고리를 이어, 액화시키는 역할을 한다.
석탄 액화 공정에서 온도가 350℃보다 낮은 경우에는 석탄이 멜팅(melting)되지 않아 액화공정이 진행되지 않고, 온도가 450℃를 넘게 되면 석탄의 코킹이 일어나서 석탄이 딱딱하게 굳어 반응을 저하시키게 된다.
또한, 석탄 액화 공정에서 반응 압력이 30bar보다 작은 경우에는 반응기 내의 압력이 낮아 석탄으로 수소의 공여가 발생하지 않는 문제가 생긴다. 압력이 120bar를 넘게 되면 석탄으로 수소가 과다하게 공여되어 최종 결과물인 코크스용 첨가제 생산량이 줄게 되며, 오일 등의 원하는 않는 물질의 생산량은 늘게 된다.
상기 석탄 액화 과정에서 상기 크랙킹 가스로 COG, LNG 또는 이들의 혼합 가스가 공급될 수 있다.
반응기 내부로 공정 조건에 따라 COG 또는 LNG 중 어느 하나를 선택적으로 사용하거나, COG와 LNG 모두를 사용하여 반응기 내부에 공급할 수 있다.
이와 같이, COG나 LNG를 사용함으로써, 석탄 액화 공정에서 액화 오일의 생산량을 줄고 첨가제의 생산량을 늘어나게 된다.
상기 크랙킹 가스는 석탄 액화 반응이 이루어지는 반응기 내부 온도에 맞춰 400 내지 600℃로 가열하여 공급할 수 있다. 이에, 크랙킹 가스 투입시 반응기 내부의 온도에 변화가 최소화되어 반응성 저하를 방지할 수 있게 된다.
석탄 슬러리는 제1 공정을 통해 보다 액화되기 쉽도록 연화 과정(thermal process)을 거친다. 즉, 석탄 슬러리는 제1 반응기 내에서 충분한 시간과 순환을 통해 연화되어 액화가 이루어진다. 제1 공정을 거친 석탄 슬러리는 제2 공정을 통해 실질적으로 크랙킹된다. 제 2 반응기로 공급된 석탄 슬러리는 내부 상승류에 의해 크래킹 된 후 하이드로카본이 바로 상부로 배출된다.
이와 같이, 본 실시예은 액화 공정을 제1 공정과 제2 공정으로 나누어 순차적으로 진행함으로써, 석탄 슬러리 액화 효율성을 보다 높일 수 있게 된다.
상기 석탄 액화 공정에서 생성된 생성물은 분리 공정을 통해 최종 목표인 코크스용 첨가제로 분리할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 분리공정은 순차적으로 액화공정 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이팅(separating) 단계, 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 여과 단계, 및 여과 단계에서 분리된 액상 물질을 증류하여 첨가제를 분리하는 분별증류단계를 포함한다.
석탄 액화 공정을 거쳐 액화된 생성물은 고상 생성물, 액상 생성물 및 기상 생성물을 모두 포함한다. 액상 생성물은 코크스용 첨가제 및 오일을 포함하며, 기상 생성물은 연료가스, 황, 암모니아 등을 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이팅 단계는 석탄 액화 공정을 통해 생성된 물질들 중 가장 가벼운 기체 성분(C1 내지 C5, H2S, NH3, H2 등)들을 생성물에서 분리한다. 상기 여과 단계에서는 생성물을 고상 생성물(residue)와 액상 생성물로 분리한다.
상기 여과 단계에 이어지는 상기 분별증류단계는 여과 단계에서 분리된 액상 생성물을 증류하는 것으로, 최종적으로 코크스용 첨가제가 분리되어 얻어진다.
본 실시예에서, 상기 여과 단계는 120 내지 400℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 코크스용 첨가제는 연화점이 120℃ 내외이다. 따라서, 상기 여과단계에서 온도가 120℃보다 낮은 경우에는 코크스용 첨가제는 고상 생성물로 존재하게 되고 이에, 고상 생성물과 코크스용 첨가제가 혼합되므로 코크스용 첨가제만을 분리할 수 없게 된다. 이에, 상기 여과 단계는 코크스용 첨가제의 연화점을 고려하여 120℃ 이상의 온도에서 수행한다.
또한, 언급한 바와 같이 석탄 액화 공정은 350 내지 450℃의 온도에서 수행되므로, 석탄 액화 공정에서 생성된 최초 생성물은 냉각하지 않는 이상 120 내지 400℃의 고온으로 존재하게 된다. 따라서 상기 여과 단계에서 생성물을 추가로 가열하지 않고 석탄 액화 공정 직후에 여과 단계를 수행하는 경우, 생성물이 갖는 열을 이용하여 120℃ 이상의 온도로 여과 과정을 수행할 수 있다. 이에, 본 실시예에서 상기 여과 단계는 석탄 액화 공정 직후에 생성물의 온도가 120℃ 아래로 낮아지기 전에 수행할 필요가 있다.
상기 분별증류단계에서는 여과 단계를 거쳐 분리된 액상 생성물을 증류기를 이용하여 증류하여 코크스용 첨가제를 얻을 수 있다.
여과 단계에서 분리된 액상 생성물은 언급한 바와 같이 코크스용 첨가제 뿐아니라 오일을 포함하고 있으며, 온도에 따라서는 일부 연료가스, 황, 암모니아 등을 더 포함할 수 있다.
상기 분별증류단계에서는 통상 사용되는 분별증류가 사용될 수 있다.
본실시예에서, 상기 분별증류단계는 350 내지 450℃의 온도에서 수행될 수 있다. 액상 생성물 중 오일은 끓는점이 350 내지 450℃보다 낮으므로, 분별증류방법을 이용하여 액상 생성물에서 오일을 분리 제거하여 코크스용 첨가제를 얻을 수 있게 된다. 즉, 분별증류단계에서 350℃ 내지 450℃의 온도로 액상 생성물을 가열하게 되면, 오일(Oil)이 증발되고 잔류물로 코크스용 첨가제만을 분리할 수 있게 된다. 이에, 분별증류단계를 통해 오일을 분리하여 최종적으로 코크스용 첨가제가 얻어진다.
상기 재순환 공정은 분리 공정에서 얻어진 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급함으로써, 오일은 석탄 슬러리화 공정의 용매로 재활용한다.
본 실시예에서, 상기 재순환 공정은 분별증류단계를 통해 얻어진 오일을 바로 석탄 전치리 공정의 믹싱드럼으로 공급하게 된다. 이와 같이, 분리공정에서 분리되어 나온 오일을 바로 석탄 전처리 공정으로 재순환시킴으로써, 공정을 단순화할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 믹싱드럼 12 : 분쇄기
14 : 건조기 20 : 촉매공급부
30 : 반응기 32 : 가스공급부
34 : 제1 반응기 36 : 제2 반응기
40 : 분리부 42 : 세퍼레이터
44 : 필터장치 46 : 증류기
50 : 공급라인

Claims (20)

  1. 석탄을 용매에 분산시켜 슬러리화하는 석탄 전처리 공정;
    석탄 슬러리와 크래킹 가스를 반응하여 석탄 슬러리를 액화하는 석탄 액화 공정;
    석탄 액화 공정시 크랙킹 가스로 COG 및/또는 LNG를 공급하는 공정;
    액화 생성물로부터 첨가제를 분리하는 분리공정; 및
    분리 공정에서 얻어진 액상의 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하여 용매로 사용하는 재순환 공정을 포함하고,
    상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 연화시키는 제1 공정, 및 제1 공정에 연속하여 제2 반응기를 거쳐 석탄슬러리를 크랙킹하며 제1 공정과 비교하여 상대적으로 주로 크랙킹이 이루어지는 제2 공정을 포함하며,
    석탄 전처리 시 분산형 철촉매를 투입하는 공정을 더 포함하며,
    상기 분리공정은 액화 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이팅(separating) 단계, 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 여과 단계, 및 여과 단계에서 분리된 액상 물질을 증류하여 첨가제를 분리하는 분별증류단계를 포함하고,
    상기 재순환 공정은 상기 분별증류단계에서 첨가제와 분리된 오일을 상기 석탄 전처리 공정으로 공급하는 구조의 코크스용 첨가제 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기로 유동층 반응기가 사용되고 제2 반응기로 슬러리 반응기가 사용되어, 석탄 슬러리가 유동층 반응기와 슬러리 반응기를 차례로 거쳐 제1 공정과 제2 공정이 수행되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기와 제2 반응기로 유동층 반응기가 사용되어, 석탄슬러리가 복수개의 유동층 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 석탄 액화 공정은 제1 반응기와 제2 반응기로 슬러리 반응기가 사용되어, 석탄슬러리가 복수개의 슬러리 반응기를 차례로 거치면서 제1 공정과 제2 공정이 수행되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산형 철촉매는 Fe2O3 인 코크스용 첨가제 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분산형 철촉매는 석탄 100중량부에 대해 0.5 내지 3.0 중량부로 투입되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 석탄 액화 공정은 350 내지 450℃의 온도와, 30 내지 120bar의 압력하에서 이루어지는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 석탄 액화 공정은 크래킹 가스를 400 내지 600℃로 가열하여 공급하는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 여과 단계는 120 내지 400℃의 온도에서 수행되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분별증류단계는 350 내지 450℃의 온도에서 수행되는 코크스용 첨가제 제조 방법.
  13. 전처리된 석탄과 용매를 혼합하여 슬러리화하는 믹싱드럼,
    상기 믹싱드럼을 거친 석탄 슬러리를 액화하는 반응기,
    상기 반응기로 크랙킹 가스로 COG 및/또는 LNG를 공급하는 가스공급부,
    상기 반응기로부터 생성된 액화 생성물에서 첨가제를 분리하기 위한 분리부, 및
    상기 분리부와 상기 믹싱드럼 사이에 연결되어 분리부에서 분리된 오일을 믹싱드럼에 용매로 공급하는 공급라인을 포함하고,
    상기 반응기는 석탄슬러리를 1차로 연화시키는 제1 반응기, 및 상기 제1 반응기 후단에 연결되어 제1 반응기를 거친 석탄 슬러리를 크랙킹하며 제1 반응기와 비교하여 상대적으로 주로 크랙킹이 이루어지는 제2 반응기를 포함하며,
    상기 믹싱드럼으로 분산형 철촉매를 공급하는 촉매공급부를 더 포함하며,
    상기 분리부는 액화 공정 생성물에서 기체 성분을 분리하는 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터에 연결되어 액상 물질과 고상 물질을 분리하는 필터장치, 및 상기 필터장치에서 분리된 액상 물질을 증류하여 첨가제를 분리하며 상기 공급라인을 통해 상기 믹싱드럼에 연결되어 첨가제와 분리된 오일을 믹싱드럼으로 공급하는 증류기를 포함하는 코크스용 첨가제 제조 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 반응기는 유동층 반응기이고, 상기 제2 반응기는 슬러리 반응기인 코크스용 첨가제 제조 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기는 유동층 반응기인 코크스용 첨가제 제조 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기는 슬러리 반응기인 코크스용 첨가제 제조 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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