비회수 코크스 오븐 배터리

비회수 콜라 오븐 배터리

야금 코크스는 다양한 역청탄 혼합물을 '파괴 증류'하는 과정에서 생산되는 단단한 탄소 재료입니다. 그것은 코크스 오븐의 산소 결핍 분위기에서 고온(약 1100℃)에서 석탄을 탄화시켜 생성됩니다.

공기가 부족한 상태에서 석탄을 가열하여 코크스를 제조하는 것은 1709년 영국에서 에이브러햄 다비가 철광석을 제련할 때 사용했을 때의 산업 혁명 초기에 시작되었습니다. 코크스 생산 방법은 처음에는 목탄 생산, 둥근 더미에 석탄을 비축하고 말뚝에 불을 붙인 다음 점토로 측면을 덮는 목탄 생산과 동일했습니다. 이것은 벌집 코크스 제조의 기초를 마련했습니다. 점진적인 발전은 벌집, 반사 및 부산물 오븐의 개발로 이어졌으며, 약 100년 전에 부산물을 회수하여 재생 코크스 오븐으로 절정에 달했습니다.

비회수 코크스 오븐 기술은 18세기부터 산업 혁명을 위해 코크스를 공급한 고전적인 벌집 오븐에서 비롯되었습니다. 벌집 오븐은 오븐을 가열하기 위해 작은 열 회수로 수동으로 작동되었습니다. 이제 비회수 오븐은 고도로 기계화된 작동과 어느 정도 자동화된 현대식 구조입니다. 휘발성 물질의 연소에 의해 생성된 가스는 다운커를 통해 보내지고 추가 연소되어 오븐 바닥과 측면을 가열합니다.

야금 코크스의 제조에는 세 가지 입증된 공정이 있습니다. 이들은 (i) 벌집 코크스 오븐, (ii) 부산물 코크스 오븐 및 (iii) 비회수 코크스 오븐입니다. 연도 가스의 열 에너지가 증기 형태로 회수될 때 비회수 코크스 오븐은 열 회수 또는 에너지 회수 코크스 오븐으로 알려져 있습니다. 세 가지 공정 모두에서 오븐은 일반적으로 열로 만들어지며, 하나의 오븐은 다른 오븐 옆에 인접 오븐 사이에 공통 벽이 있습니다. 이러한 오븐 행을 배터리라고 합니다. 배터리는 일반적으로 여러 개의 오븐, 때로는 수백 개의 오븐으로 구성됩니다.

벌집 화덕은 내부 모양이 옛날 벌집 모양이 되도록 아치형 지붕으로 지어진 단순한 내화 벽돌 방입니다. 벌집 코크스화는 소량 생산하고 매우 많은 양의 오염 물질을 생산하기 때문에 이제 구식 공정이 되었습니다. 그러나 여전히 특정 장소에서 사용되고 있습니다.

부산물 코크스 오븐 배터리에서 석탄은 공기가 없는 상태에서 탄화되는데, 이는 이러한 배터리가 오븐에서 양압으로 작동되기 때문입니다. 이러한 코크스 오븐 배터리의 코크스 제조 공정은 오프 가스가 수집되어 다양한 부산물이 회수되는 부산물 공장으로 보내지기 때문에 부산물 코크스 제조라고 합니다.

비회수 오븐에서 코크스를 만드는 과정에서 석탄 탄화 과정에서 발생하는 휘발성 물질은 부산물로 회수되지 않고 조절된 양의 공기가 있는 오븐 자체에서 연소되며 발생하는 가스의 휘발성 물질의 열이 활용됩니다. 석탄 덩어리를 코크스로 코크스화하기 위해 외부 가열이 필요하지 않습니다. 열은 휘발성 물질의 연소에 의해 생성되며 오븐 상단의 복사와 전도를 통해 석탄 덩어리로 침투합니다. 더 높은 수준의 열은 잠재적으로 오염된 탄화수소를 구성 가연성 화합물로 분해하고 연소시켜 잠재적으로 위험한 오염을 피하는 데 중요하게 사용됩니다. 연소로 인한 열은 공정 중에 부분적으로만 사용되며 폐연도 가스의 나머지 열은 에너지 생성을 위해 회수됩니다.

코크스 오븐에서 나오는 연도 가스는 일부 가연성 물질 외에도 상당한 양의 현열을 전달합니다. 이 기술을 접목한 코크스로에서는 코크스 외에는 아무것도 회수되지 않기 때문에 코크스로를 비회수 코크스로라고 한다. 폐가스에 존재하는 가연물이 연소되고 연도가스의 현열과 함께 발생된 열이 증기 생산 및 발전에 사용될 때 코크스로를 열회수 코크스로 또는 에너지 회수 코크스로라고 합니다.

열회수 기능이 있는 비회수 코크스 오븐의 기본은 소위 '주얼-톰슨 오븐'입니다. 이 오븐은 1960년 버지니아 주 Vansant에서 3개의 테스트 오븐이 성공적으로 건설되었을 때 개발되었습니다. 1972년에 16개의 대형 Jewell Thompson 오븐이 건설되었습니다. 열회수 기능이 있는 최초의 비회수 코크스 플랜트는 1998년 3월 미국 인디애나에서 시운전되었습니다. 이 플랜트에는 연간 130만 톤의 용량을 가진 268개의 오븐과 100MW 등급의 열회수 발전소가 있었습니다. Jewell-Thomson 오븐은 직사각형 바닥 면적으로 형성됩니다. 오븐 벽돌 라이닝은 실리카 내화물로 구성되어 있습니다.

비회수 코크스 오븐 기술의 핵심 요소는 다음과 같습니다. 코크스를 만들기 위한 열을 생산하는 방식, (iii) 공정에서 생성된 과잉 열은 전기를 생성하는 데 사용됩니다. (iv) 공정은 석탄의 연소에 의존하지 않고 석탄에서 방출되는 가스만 사용합니다. , (v) 공정의 온실 가스 배출은 단순한 가스 화력 발전기, 즉 터빈을 통과하는 증기를 올리는 발전기의 전형입니다.

비회수 코크스 오븐은 고로, 큐폴라 및 합금철로 등의 고품질 코크스를 생산합니다. 이 오븐은 코크스의 더 나은 특성이 필요한 고로 미분탄 주입량이 필요한 고품질 코크스를 얻는 데 유용합니다. 비점결탄을 일정 비율로 혼합하여 표준 품질을 얻습니다.

부산물 오븐과의 비교

부산물 코크스로에서의 코크스 제조와 비회수 코크스로에서의 코크스 제조 비교는 그림 1과 같다.

그림 1 비회수 코크스 오븐과 부산물 코크스 오븐의 비교

부산물 코크스 오븐에 의한 코크스 제조와 비회수 코크스 오븐에 의한 코크스 제조의 다양한 매개변수의 비교는 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 부산물 오븐과 비회수 오븐 비교
SL 번호	매개변수	부산물 오븐	비회수 오븐
1	오븐 압력	약간 긍정적	약간 부정적
2	오븐 높이	키가 큰 오븐	수평 와이드 오븐
3	벽돌 모양	큰 숫자	소수
4	열 공급	연료 가스를 통한 외부	휘발성 물질의 부분 연소에 의한 내부
5	열전달	간접, 수평, 전도	상단에서 직접, 수직, 복사 및 대류 및 하단에서 간접 전도
6	오염	환경 친화적이지 않음	실질적으로 오염되지 않음
7	자본 비용	높음	하단
8	에너지	더 높은 에너지 요구사항	낮은 에너지 요구사항
9	운영 비용	높음	하단
10	공사 시간	길게	짧음
11	시운전	느림	빠른
12	점점탄	품질 제한	유연성
13	부산물	큰 숫자	부산물 없음
14	부산물	CO 가스	증기/힘
15	벽 압력	감수성	민감하지 않음
16	탄화 온도	하단	높음
17	콜라 생산량	높음	하단
18	콜라 품질	하단	높음
19	인력	숙련된	숙련되지 않음
20	유지보수	상시 유지보수	유지보수를 위해 오븐을 식힐 수 있음

부산물 코크스로 플랜트의 Sankey 다이어그램과 열회수 코크스로 플랜트 구성의 비교는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 Sankey 다이어그램

비회수 코크스 오븐의 설계 및 구성 특징

비회수 코크스 오븐에 사용할 수 있는 몇 가지 디자인이 있습니다. 일부 디자인의 주요 기능은 아래에 설명되어 있습니다.

Jewell-Thompson 코크스 오븐 – 코크스 오븐 챔버의 일반적인 치수는 길이 14m, 너비 3.5m ~ 3.7m, 높이 2.4m ~ 2.8m입니다. 오븐당 40~50톤의 석탄이 충전됩니다. 일반적인 충전 높이는 1000mm입니다. 오븐은 23개의 내화 벽돌 모양으로 제작되었습니다. 석탄 혼합은 오븐에 가까운 레일 위로 이동하는 소위 푸셔 차저'(PCM)를 통해 한쪽 면을 통해 장입됩니다. 장입 직후 혼합탄은 내화물의 열을 흡수하고 휘발성 물질의 연소가 시작됩니다.

오븐 지붕 아래에서 석탄 덩어리 위에서 휘발성 물질의 부분 연소가 발생합니다. 그 직후 가스는 오븐 난로로 흡입되어 연소를 완료하기 위해 더 많은 공기가 도입됩니다. 코킹 전면은 아래쪽과 위쪽에서 진행되어 중간 어딘가에 합류합니다. 부산물 코크스 오븐과 같이 압력 상승이 발생하지 않으므로 휘발성이 낮은 석탄을 혼합할 수 있습니다.

온도, 압력 및 내부 연소는 오븐에서 제어됩니다. 코킹 시간은 48시간 정도입니다. 코크스 인출은 충전에 사용된 동일한 PCM으로 수행됩니다. 콜라를 물로 식힙니다. 코크스 급냉에 사용된 모든 물은 증발 손실을 제외하고 회수됩니다. Jewell-Thompson 코크스 오븐의 단면은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 비회수 오븐의 일반적인 단면  

중국이 설계한 비회수 오븐 – 중국은 표준 수평형 열회수 코크스로 외에 수직형 비회수형 화로도 건설했다. 수평 오븐과 관련하여 오븐 지붕은 120도 아치 구조입니다. 조정 가능한 1차 공기 흡입구가 아치에 고르게 설치되어 석탄과 오븐 지붕의 연소 구역 사이에 폐가스 보호 층을 형성합니다. 4개의 연결된 아치가 오븐 바닥에 사용됩니다. 아치의 바닥에는 오븐 바닥을 가열하기 위한 출구 가스의 추가 연소를 위해 조정 가능한 2차 공기 흡입구가 연도에 공기를 분배하기 위해 설치됩니다. 벽과 바닥 내부의 굴뚝은 조정될 수 있습니다. 오븐의 기초와 밑창 사이의 환기 층이 베이스 플레이트의 과열을 방지합니다. 메인 벽에는 흡입 조절 장치가 설치되어 있습니다.

오븐 도어는 그을음 누출을 방지하기 위해 상단이 고정되고 하단이 움직일 수 있는 두 부분으로 나뉩니다. 주철로 만들어졌으며 세라믹 섬유로 안감 처리되어 있습니다.

설계 중 하나인 수평형 열회수 코크스로 전지의 탄화실 치수는 길이 13,340mm, 너비 3,596mm, 높이 2,758mm, 챔버 중심간 거리 4,292mm로 구성됩니다. 석탄 케이크의 유효 치수는 길이 1,300mm, 너비 3,400mm, 높이 1,100mm입니다. 장입탄의 부피밀도는 1.0ton/cum 내지 1.5ton/cum이다. 오븐의 석탄 장입량은 약 50톤이며 코킹 시간은 72시간입니다.

두 가지 디자인이 더 있습니다. 이 두 설계에서 탄화 챔버의 치수는 길이 13,334mm 및 15,440mm, 너비 3,598mm 및 3,700mm, 높이 2,888mm 및 2,693mm로 구성되며 챔버의 중심 간 거리가 각각 4,530mm 및 4,300mm입니다. 석탄 케이크의 유효 치수는 각각 길이 12,750mm 및 14,850mm, 너비 3,500mm 및 3,600mm, 높이 1,050mm 및 1,000mm입니다. 오븐의 석탄 충전 용량(건조 기준)은 42,393톤 및 51,856톤이며 코킹 시간은 각각 72시간 및 70시간입니다.

최초의 수직 코크스 오븐 열회수 배터리는 2002년 중국에서 건설되었습니다. 수평형에 비해 적은 공간과 20~30%의 공사비를 절감할 수 있는 코크스로입니다. 더 중요한 것은 코크스실과 연소실이 분리되어 있어 수평형 오븐에서 발생할 수 있는 코크스의 연소를 방지할 수 있다고 합니다. 열은 기존 배터리에서와 같이 내화물을 통해서만 옵니다. 배터리 하단에는 2개의 공기 냉각 채널이 있습니다. 기초의 온도는 100℃에서 150℃ 사이로 파손을 방지합니다. 수직형 오븐의 주요 치수 및 기능은 탭 2에 나열되어 있습니다.

수직 열회수 코크스 오븐의 탭 2 기술 매개변수
번호	매개변수	단위	가치
1	탄화 챔버
	신장	mm	3,200-4,830
	길이	mm	12,570-16,940
	평균 너비	mm	560
	중심 거리	mm	1,180
2	충전 중량	톤	약 24명
3	케이크 부피 밀도	정액	1.0-1.1
4	코킹 시간	시간	38
5	오븐 수	숫자	4×35
6	칸막이 벽 두께	mm	100
7	오븐 바닥의 두께	mm	1,182
8	유용한 높이	mm	2,800-4,400
9	중심 온도	도 C	1,000 +/- 50
10	콜라 무게 증가	톤	약 18세
11	배기 가스	N 정액/시간	350,000
12	배기 가스 온도	도 C	950 +/- 50

Sesa Goa의 코크스 오븐 디자인 – 코크스 오븐은 Jewell-Thompson 코크스 오븐보다 좁습니다. 이를 통해 지붕에 로마 아치를 사용할 수 있습니다. 오븐은 알루미늄 내화물로 제작되었으며 이는 더 작은 너비를 의미합니다. 오븐의 길이는 10,760mm, 너비는 2,745mm입니다. 21개의 오븐이 스택에 연결됩니다. 오븐은 최고 충전 기능이 있습니다. 실리카 내화물 대신 알루미늄 내화물을 사용하는 것은 산화 분위기에서 더 나은 거동, 열 충격에 대한 더 나은 저항성, 오븐 재충전에 약간의 지연이 있을 때 냉각 시 부피 변화가 적기 때문입니다. 오븐은 압축 석탄 충전으로 작동되고 있습니다.

Uhde 디자인 – 현재 Uhde 디자인에서는 코크스 오븐에 충전된 스탬프가 찍혀 있습니다. 그러나 충전기는 오븐에 들어가지 않습니다. 오븐의 치수는 폭 3.8m, 길이 15m입니다. 안감은 실리카 벽돌로 되어 있습니다. 출구 가스용 터널은 오븐 위가 아니라 오븐 바닥 수준 아래에서 측면으로 흐릅니다.

SJ 96 콜라 오븐 -이 오븐은 Shanxi Sanjia에서 자체 개발했으며 120톤에 달하는 석탄 장입량의 예외적인 무게가 특징입니다. 따라서 다른 공정의 일반적인 코킹 시간이 48시간 내지 72시간인 것에 비해 10일이라는 긴 코크스 시간이 필요하다. 석탄 덩어리 높이는 1.8m이고 레벨링은 90cm 및 180cm 수준에서 수행됩니다. 충전 및 방전은 모두 수동이며 오븐이 냉각됩니다. 온도는 상부 석탄층에서 1,200℃, 하부 석탄층에서 1,150℃ 정도이다. 가스는 오븐 아래의 굴뚝에서 완전히 연소되고 그 온도는 발전용 증기를 생산하는 데 사용됩니다.

비회수 오븐에서 코크스 만드는 과정

비회수 코크스 오븐에서 석탄의 모든 휘발성 물질은 코크스 제조 공정에 필요한 열을 제공하기 위해 오븐 내에서 연소됩니다. 오븐은 음압에서 작동합니다. 오븐 도어의 포트를 통해 유입되는 1차 연소 공기는 오븐 챔버의 휘발성 물질을 부분적으로 연소시킵니다. 2차 공기는 석탄 덩어리 아래에서 구불구불한 형태로 흐르는 유일한 굴뚝으로 도입됩니다. 굴뚝의 설계와 공기 흐름의 제어는 석탄 덩어리의 상단과 하단 모두에서 균일화되는 코크스 속도를 조절합니다.

코크스가 오븐 챔버 외부의 가열 연도 내에서 가스 연소에 의해 간접적으로 가열되는 부산물 코크스화 공정과 대조적으로, 독점적으로 비회수 코크스화 동안 필요한 열은 오븐 챔버로 직간접적으로 전달됩니다.

석탄은 주기 시작 시 오븐 바닥에 장입됩니다. 탄화 과정은 이전 탄화 사이클에서 존재하는 열에 의해 시작됩니다. 오븐의 석탄 충전은 푸셔 측면 도어를 통해 수행됩니다. 매우 자주 석탄은 전에 찍혀 있고, 그 다음 석탄은 뜨거운 오븐 챔버에 채워집니다. 일반적인 충전 수준은 1,000mm입니다.

방출된 미가공 코크스 오븐 가스는 오븐 도어를 통한 주변 공기의 추가에 의해 크라운에서 부분적으로 연소되고 가스는 다운커머를 통해 오븐 바닥에 위치한 가열 연도로 전달됩니다. 이 연도 시스템은 오븐 바닥 아래에 있으며 주변 공기의 추가 공급을 통해 1,200°C ~ 1,400°C 범위의 온도에서 미가공 가스의 완전한 연소가 발생합니다. 그런 다음 가스는 애프터버너 터널로 전달됩니다. 연소되지 않은 나머지 가스가 산화되는 곳. 애프터버너 터널 시스템은 뜨거운 가스를 열회수 증기 발생기로 보냅니다.

최근의 모든 설비에서 뜨거운 폐가스는 에너지를 생성하는 데 활용되며, 이후 탈황을 거쳐 대기로 배출됩니다. 코킹 시간은 오븐의 종류에 따라 다르며 코크스 오븐의 설계에 따라 약 48시간에서 72시간 사이입니다. 코킹 시간이 끝나면 코크스를 밀어내고 일반적으로 습식 급랭합니다.

코킹 공정이 진행되는 음압으로 인해 도어 누출로 인한 배출은 원칙적으로 방지됩니다. 코크스 푸싱 중에 발생하는 분진 배출은 코크스 측면 창고를 통해 배출됩니다. 충전 중 발생하는 배기 가스를 포착하기 위해 푸셔 쪽에도 흡입 장치를 설치하는 경우가 많습니다.

장입, 밀기, 담금질 중 배출 제어 기술은 부산물 오븐에 적용되는 기술과 유사합니다.

생성된 온도로 인해 모든 유독성 탄화수소와 휘발성 물질의 부산물이 오븐 내에서 소각됩니다. 뜨거운 가스는 폐가스 터널에서 열회수 증기 발생기로 전달되며, 여기서 가열 목적이나 발전을 위해 고압 증기가 생성됩니다. 냉각된 폐가스는 대기로 배출되기 전에 연도 가스 탈황 설비에서 세척됩니다. 공정 흐름도는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 비회수 코크스 오븐의 공정 흐름도

비회수 코크스 오븐의 장점

비회수 오븐의 다양한 이점에는 (i) 폐수 처리 시설이 필요하지 않으며, (ii) 모든 폐수가 코크스 급냉에 사용되기 때문에 순 폐수 배출이 없으며, (iii) 석탄 혼합에서 더 높은 유연성을 사용할 수 있습니다. 벽 압력 제약의 제거로 인한 선택, (iv) 향상된 코크스 강도는 더 높은 온도에서 느린 가열과 일관된 결정 성장을 유발하는 긴 침지 시간에 기인합니다. (v) 코크스 오븐 및 부산물 공장과 비교할 때 더 적은 공간이 필요합니다. (vi) 플랜트는 모듈식 구조로 건설될 수 있습니다. (vii) 비회수 오븐은 음압에서 작동하기 때문에 주변 공기가 사용 가능한 모든 흡입 지점에서 코크스 오븐으로 유입되어 비산 배출을 제거합니다. (viii) 위험한 공기 오염 물질은 열 산화에 의해 오븐에서 파괴되고 (ix) 공정 제어 지점의 수가 더 적습니다.