코크스 생산을 위한 석탄 탄화

코크스 생산을 위한 석탄 탄화

석탄 탄화는 석탄을 가열하고 휘발성 제품(액체 및 기체)을 몰아내고 코크스라고 하는 고체 잔류물을 남기는 과정입니다. 석탄의 탄화는 산소(O2)가 없거나 제어된 양의 O2에서 석탄을 고온으로 가열하는 것을 포함합니다. 암모니아(NH3), 물 및 황 화합물과 함께 코크스 오븐 가스(COG)라고 하는 가스 부산물도 석탄에서 열적으로 제거됩니다. 이 증류 후 남아 있는 코크스는 다양한 결정학적 형태의 탄소(C)로 주로 구성되지만 원래 석탄에 있던 다양한 광물의 열 변형 잔해도 포함합니다. 일반적으로 코크스 재라고 하는 이러한 미네랄 잔여물은 타지 않으며 코크스가 태운 후 잔류물로 남습니다.

최근까지 석탄의 탄화는 '파괴증류(destructive distillation)'로 여겨졌으나, 탄화산물의 중요성이 높아짐에 따라 이 표현은 쓰이지 않고 있다. 이제 석탄 탄화는 코크스 속도, 작동 매개변수, 석탄 혼합 특성 및 열 에너지 전달에 따라 달라지는 물리화학적 공정으로 간주됩니다. 석탄의 가열 속도는 코크스의 강도와 균열 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 균일한 품질에 도달하기 위해 코크스 오븐에서 석탄 케이크의 가열은 오븐의 전체 길이와 높이에 걸쳐 균일해야 합니다. 이 외에도 플라스틱 층 이동 속도는 재응고된 덩어리의 열 응력 수준에 영향을 미치므로 균열 수준에 영향을 줍니다.

석탄 탄화 과정은 18세기 초에 양질의 점결탄을 땅에 쌓아 탄화함으로써 시작되었으며, 그 결과 점차적으로 증가하는 경질 코크스 수요를 충족시키기 위해 다양한 모양과 크기의 벌집 오븐이 개발되었습니다. 철 제련.

석탄의 탄화는 다음 세 가지 온도 범위에서 수행할 수 있습니다.

• 저온 탄화는 일반적으로 500℃~700℃의 온도 범위에서 수행됩니다. 이러한 유형의 탄화에서는 액체 생성물의 수율이 더 높고 기체 생성물 수율이 더 낮다. 생산된 코크스는 휘발성 물질(VM)이 더 높고 자유롭게 연소됩니다.
• 중온 탄화는 약 800 ° C의 온도 범위에서 수행됩니다. 이 탄화는 무연 소프트 코크스를 생성합니다. 생성된 부산물은 고온 탄화와 특성이 유사합니다. 요즘은 중온 탄화법이 거의 시행되지 않습니다.
• 고온 탄화는 900℃ 이상의 온도에서 수행됩니다. 이 탄화는 기체 생성물의 수율을 높이고 액체 생성물의 수율을 낮춥니다. 이 탄화는 점결탄에서 단단한 코크스를 생성합니다.

저온 탄화

저온 탄화는 원래 주거용 및 가로등용 도시 가스를 제공하고 가정용 및 산업용 난방용 무연 연료를 생산하기 위해 개발되었습니다. 부산물 타르는 경제적으로 중요하며 종종 화학 산업의 필수 공급 원료이거나 가솔린, 난방유 및 윤활유로 정제됩니다. 저온 탄화에 바람직한 석탄은 일반적으로 갈탄, 아역청탄 또는 고휘발성 역청탄이며, 이는 500℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 열분해될 때 반응성이 일반적으로 훨씬 낮지 않은 다공성 숯을 생성합니다. 그들의 부모 석탄보다. 이러한 반응성 숯은 (i) 쉽게 발화되어 무연 연료 또는 가스화 공정의 원료로 사용되며, (ii) 석탄과 혼합되어 코크스 오븐 공급물을 만들거나 (iii) 발전소 연료로 사용됩니다.

저온 탄화 과정에서 생성되는 타르는 고온 탄화 과정에서 생성되는 타르와 많이 다릅니다. 고온 탄화는 주로 방향족 화합물을 생성하는 경향이 있는 반면 저온 탄화 동안 생성된 것은 주로 지방족 화합물이므로 타르 부산물의 최종 용도가 다릅니다. 가스 수율과 조성도 저온 탄화 동안 다르며 가스 수율은 고온 탄화 동안 생성되는 가스 수율의 약 25%이지만 가스에는 메탄(CH4)이 더 많고 수소(H2)가 적어 발열량이 더 높습니다.

저온 탄화의 주요 응용 프로그램은 인구 밀도가 높고 연료로 석탄, 특히 VM 함량이 높은 석탄에 의존하는 지역의 가정 및 소형 산업용 보일러에서 사용할 무연 연료를 만드는 것입니다.

고온 탄화

고온 탄화의 주요 목적은 고로(BF) 및 주물 공장에서 사용하기 위한 야금 코크스의 생산입니다. 일부 코크스는 탄화칼슘(CaC2) 및 전극 탄소 생산에 사용됩니다. 생산된 코크스의 90% 이상이 용선 생산을 위해 철광석을 제련하는 BF에서 사용됩니다.

석탄의 고온 탄화 공정에는 세 가지 유형이 있습니다. 이들은 (i) 벌집 오븐, (ii) 부산물 회수 코크스 오븐 및 (iii) 비회수/열회수 코크스 오븐입니다.

벌집 오븐은 상단의 개구부를 통해 석탄을 충전한 다음 측면 도어를 통해 수평을 유지하여 약 600mm에서 900mm 두께의 베드를 형성할 수 있는 단순한 돔형 벽돌 구조입니다. 석탄에서 방출된 VM을 태워 열을 공급하고 장입을 통해 탄화가 위에서 아래로 진행된다. 약 5톤~6톤의 석탄을 장입할 수 있으며 탄화에는 48시간~72시간의 기간이 필요하다. 일부 벌집 오븐은 시스템 개선과 연소 생성물로부터 열을 회수하기 위한 폐열 보일러 추가로 인해 여전히 작동하고 있습니다.

만족스러운 BF 코크스 또는 주물 코크스를 주요 제품으로 생산하고 부산물로 타르, 암모니아, 이후 벤젠을 생산한 최초의 부산물 회수 코크스 오븐은 1856년경에 건설되었습니다. 본질적으로 현대식 코크스 오븐인 이 오븐은 1940년대에 완성되었습니다. 더 높은 온도에 도달할 수 있고 코크스 품질을 더 잘 제어할 수 있는 수평 슬롯형 코크스(부산물 회수) 오븐은 다른 디자인을 대체했으며 유연탄을 코크스화하는 데 사용됩니다.

현대의 부산물 코크스 오븐은 길이 15m~20m, 높이 6m~9m, 폭 500mm~600mm, 벽 두께 약 100mm로 구성됩니다. 가열 연도를 수용하는 유사한 셀과 교대하는 이러한 챔버(20~100개)가 배터리로 형성됩니다. 80% - 3mm로 분쇄된 석탄은 상단 크기가 15mm이고 레일 위의 충전 차량을 사용하여 오븐 상단을 따라 적재되고 개폐식 막대로 수평을 유지합니다.

각 오븐의 작동은 주기적이지만 배터리에는 기본적으로 연속적인 코크스 오븐 가스의 흐름을 생성하기에 충분히 많은 수의 오븐이 포함되어 있습니다. 개별 오븐은 코크스 주기 동안 거의 동일한 시간 간격으로 충전 및 비워집니다. 코킹은 15시간에서 18시간 동안 진행되어 BF 코크스를 생산합니다. 이 기간 동안 석탄의 VM은 COG로 증류됩니다. 코크스화 시간은 혼합탄, 수분 함량, 소성 속도 및 코크스의 원하는 특성에 따라 결정됩니다. 코크스 수요가 적으면 코킹 시간을 24시간까지 늘릴 수 있다. 코크스 온도는 일반적으로 900℃에서 1100℃ 사이이며 BF 코크스를 생산하는 범위의 더 높은 쪽으로 유지됩니다. 수집 메인에서 양의 배압을 유지하여 공기가 오븐으로 누출되는 것을 방지합니다. 오븐은 배터리에서 약 10mm 수주의 높은 유압 주압을 유지하여 양압으로 유지됩니다. 열 증류 중에 발생하는 가스와 탄화수소는 회수 시스템을 통해 제거되고 회수를 위해 부산물 공장으로 보내집니다.

코킹은 오븐의 중앙 온도가 약 950°C -1000°C일 때 완료됩니다. 이 시점에서 오븐은 유압 본관에서 격리되고 잔류 가스가 적절히 배출된 후 코크스 밀기를 위해 문이 열립니다. 코크스 기간이 끝나면 코크스 덩어리는 부피 수축이 커서 벽에서 덩어리가 분리되어 쉽게 밀 수 있습니다. 코킹은 완전히 밀폐된 오븐에서 이루어지며 탄화가 완료되면 오븐 문이 열리고 한쪽에 있는 숫양이 뜨겁게 달아오른 코크스를 급냉차 안으로 밀어 넣습니다.

코크스 오븐에서 나오는 부산물 가스와 타르 증기는 가스에서 타르를 제거하기 위해 분리 과정을 거칩니다. 그런 다음 가스는 황산암모늄으로 NH3를 회수하기 위해 처리되고, 타르는 증류에 의해 경질, 중유(또는 타르산) 또는 중유로 지정된 3개의 오일 컷으로 분류됩니다. 주로 H2와 CH4의 혼합물인 가스는 발열량이 좋고 연료로 사용됩니다.

비회수/열회수 코크스로의 경우, 연도가스의 열에너지는 증기의 형태로 회수된다. 비회수 오븐에서 코크스를 만드는 과정에서 석탄 탄화 동안 발생된 휘발성 물질은 부산물로 회수되지 않고 제어된 양의 공기가 있는 상태에서 오븐 자체에서 연소되고 발생하는 가스의 휘발성 물질의 열은 다음과 같습니다. 석탄 덩어리를 코크스로 만드는 데 사용되므로 외부 가열이 필요하지 않습니다. 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.

비회수 오븐은 일반적으로 수평 설계이며 양압에서 작동하는 부산물 오븐과 달리 음압에서 작동합니다. 오븐 도어의 포트를 통해 유입되는 1차 연소 공기는 석탄 위의 오븐 공간에 있는 휘발성 물질(타르 및 벤졸 포함)을 부분적으로 직접 연소시킵니다. 이것은 공정에 필요한 열을 발생시킵니다. 원유와 폐가스의 혼합물은 측벽의 수직 덕트를 통해 오븐 밑창 아래의 가열 연도 시스템으로 안내됩니다. 2차 공기는 석탄층 아래에서 구불구불한 형태로 흐르고 가스 연소를 완료하는 유일한 연도에 도입됩니다. 연도의 설계와 공기 흐름의 제어를 통해 석탄층의 상단과 하단에서 코크스 비율을 균일하게 할 수 있습니다. 생성된 온도로 인해 모든 탄화수소와 부산물이 오븐 내에서 연소됩니다. 코킹 시간은 비회수 코크스 오븐의 설계에 따라 48시간에서 72시간까지 다양합니다. 뜨거운 가스는 일반적으로 발전에 사용되는 고압 증기가 생성되는 HRSG(열회수 증기 발생기)로 폐기물 터널을 통과합니다.

탄화 과정

석탄이 뜨거운 코크스 오븐에 장입되면 벽과 직접 접촉하는 석탄 부분이 매우 빠르게 가열됩니다. 융합에 도달하면 가열된 석탄의 얇은 층이 부드러워지고 융합됩니다. 파괴적인 증류 반응은 휘발성 제품의 풍부한 진화와 함께 플라스틱 층에서 빠르게 진행됩니다. 가스와 응축성 증기는 플라스틱 덩어리에 갇혀 팽창하면서 팽창하는 경향이 있습니다. 반응이 진행되고 융합 영역의 온도가 증가함에 따라 충전물의 가소성은 감소하기 시작합니다. 계속되는 가열과 가스 발생으로 융합된 층은 점차적으로 전형적인 셀룰러 코크스 구조로 재응고됩니다. 석탄 탄화 시의 특성 온도와 단계는 그림 1과 같으며, 석탄 탄화 과정에서 플라스틱 층의 발달과 이동은 그림 2와 같다.

그림 1 석탄 탄화 중 온도 및 단계 특성

그림 2 탄화 과정에서 플라스틱 층의 발달과 그 움직임

플라스틱 구역이 응고된 후 남은 코크스는 여전히 상당한 양의 VM을 함유하고 있는데, 이는 온도가 더욱 높아져 가스와 약간의 타르가 발생하면서 파괴 증류 반응이 계속되기 때문입니다. 코크스에서 일어나는 최종 반응은 H2를 구성하는 매우 복잡한 고분자량 탄화수소로부터 H2를 크게 분리하는 것으로 보입니다. 온도가 증가함에 따라 코크스는 오븐 벽에서 멀어지는 경향이 있고 수축 균열이 발생하여 오븐 벽에서 코크스 덩어리의 중심을 향해 안쪽으로 이어집니다. 두 개의 플라스틱 구역은 오븐의 반대쪽 벽에서 서로를 향해 천천히 이동하고 마침내 오븐 중앙에서 만납니다. 구역의 접합부는 장입물의 중심에서 오븐을 통해 세로로 이어지는 수직 균열로 나타납니다. 오븐을 밀면 코크스가 이 균열에서 수직으로 분할됩니다.

플라스틱 구역이 안쪽으로 이동함에 따라 열이 전도되는 거리가 증가하기 때문에 이동 속도가 감소하는 경향이 있습니다. 코크스를 통해 위쪽으로 통과하는 가스에 의해 운반되는 현열의 증가와 가스 상태에서 발생하는 분해 반응에 흡수된 열도 구역의 이동 속도를 늦추는 경향이 있습니다. 오븐의 다른 구역에 있는 장입물의 온도와 거동은 코킹 시간에 따라 다릅니다.

석탄에서 코크스로의 변환은 석탄이 가열될 때 발생합니다. 용융 상태에 도달하면 가열된 석탄 층이 부드러워지고 융합됩니다. 약 375°C에서 475°C 사이에서 석탄은 분해되어 플라스틱 층을 형성합니다. 파괴적인 증류 반응은 휘발성 제품의 진화와 함께 플라스틱 층에서 빠르게 진행됩니다. 약 475 ~ 600 ℃에서 타르 및 방향족 탄화수소 화합물의 현저한 진화가 있습니다. 가스와 응축성 증기는 플라스틱 덩어리에 갇혀 팽창하면서 부풀어 오릅니다. 반응이 진행되고 융합 영역의 온도가 증가함에 따라 석탄의 가소성은 감소합니다. 계속해서 가열하고 가스를 발생시키면서 융합된 층은 점차적으로 전형적인 셀룰러 코크스 구조를 갖는 세미 코크스로 재응고됩니다. 이 단계의 코크스는 여전히 상당한 양의 VM을 포함하고 있습니다. 온도가 600℃ 이상으로 증가함에 따라 가스와 약간의 타르가 발생하면서 파괴적인 증류 반응이 계속됩니다. 코크스 안정화는 온도가 600°C에서 1100°C로 증가함에 따라 발생합니다. 이는 코크스 덩어리의 수축, 코크스의 구조적 발달 및 최종 H2 발생이 특징입니다. 이 단계에서 최종 반응이 발생합니다. 이러한 반응은 매우 복잡한 고분자량 탄화수소에서 H2를 분리합니다. 온도가 증가함에 따라 수축 균열이 발생하면서 코크스 덩어리가 수축합니다.

탄화 메커니즘

탄화 과정에서 가루 석탄은 다공성의 균열이 있는 은흑색 고체 코크스로 변형됩니다. 현미경으로 볼 때 코크스는 고체 매트릭스, 매트릭스의 유기 및 무기 개재물, 기공 및 미세 균열로 구성됩니다. 다공성 구조의 개발 과정과 코크스의 미세 조직은 본질적으로 플라스틱 범위 내에서 발생합니다. 기포에 의해 코크스에 형성되는 구조는 부피의 거의 절반을 차지하며 코크스의 기계적 강도와 부피 밀도의 두 가지 특성에 영향을 미칩니다.

기공 벽을 형성하는 고체 물질은 일반적으로 편광 현미경(PLM)을 사용하여 관찰되는 광학 이방성 물질로 구성됩니다. 코크스의 미세 조직은 BF에서 사용하는 데 필수적인 코크스 특성에 영향을 미칩니다.

탄화 과정에서 야금(코크스) 석탄은 연화되어 플라스틱이 되고, 분해되고, 팽창하고, 덩어리지고 최종적으로 재응고됩니다. 플라스틱 온도 범위는 일반적으로 350°C ~ 500°C입니다. 따라서 탄화 과정에서 두 개의 수직 플라스틱 층이 합체되는 중심을 향해 진행하는 가열 벽에 평행하게 형성됩니다(그림 2). 탄화 중에 일부 석탄은 내부 가스 압력을 생성하고 오븐 벽에 측정 가능한 벽 압력(때로는 위험할 정도로 높음)을 가합니다.

탄화 과정에서 소성 온도 범위에서 두 가지 과정이 발생합니다. 코크스의 기공 구조가 발달하고 석탄 C는 흑연 유형의 층 평면으로 조직화되어 코크스의 광학 이방성을 초래합니다. 이방성 단위의 크기 변화는 코크스의 조직 성분을 발생시킵니다. 존재하는 다양한 구성 요소의 비율이 코크스의 조직 구성입니다.

고온 탄화 과정 중 탄화 메커니즘에 대한 여러 연구가 있으며 석탄 탄화 메커니즘에 대한 몇 가지 가설이 제시되었습니다. 그 중 두 가지는 플라스틱 탄화 메커니즘과 중간상 탄화 메커니즘입니다.

석탄의 소성 탄화 메카니즘에서는 석탄에서 소성상을 거쳐 코크스로 전환되는 세 가지 연속적인 반응이 있다고 생각된다. 점결탄이 공기가 없는 상태에서 350℃ 이상으로 가열되면 석탄의 유기물이 열분해를 시작합니다. 석탄에서 열분해되는 가스, 액체 및 연화탄의 혼합물을 플라스틱 덩어리라고 합니다. 점결탄은 연화되고, 녹고, 융합하고, 팽창하고, 플라스틱 단계 내에서 함께 결합됩니다. 온도가 450°C에서 550°C로 상승하면 플라스틱 덩어리의 일부가 가스 및 응축성 증기로 방출되고 다른 부분은 세미 코크스로 재응고됩니다. 550℃ 이상으로 온도가 더 올라가면 세미 코크스의 유기물이 더 분해되어 응축되고, CH4와 H2가 발생하고, 세미 코크스의 C 라멜라가 지속적으로 증가하여 최종적으로 코크스가 형성됩니다. 석탄에서 코크스로 전환되는 두 가지 주요 단계는 플라스틱 덩어리를 생산하는 탄화 단계와 반코크스의 수축 단계입니다.

메조페이즈에 의한 탄화 메커니즘에서 석탄, 피치 또는 선택된 모델 유기 화합물의 등방성 용융물로부터 이방성 C의 형성은 먼저 독특한 액정 상의 발달에 기인합니다. 석탄이 탄화되면 광학 등방성의 플라스틱 덩어리가 먼저 형성된 다음 점차적으로 라멜라 네마틱 액정을 형성합니다. 이 중합체 상을 중간상이라고 합니다. 그것은 등방성 유체탄과 최종적으로 중간상으로부터 형성되는 고체 이방성 반코크스의 중간상으로, 고체와 액체의 중간 성질을 갖는다. 중간상의 유동성이 충분히 높으면 중간상은 즉시 하나의 더 큰 단위로 합쳐집니다. 온도가 상승하는 범위에 걸쳐 중간상은 지속적으로 형성되고 크기가 커지고 궁극적으로 서로 접촉합니다. 따라서 중간상은 고형화되어 석탄에서 코크스의 광학 이방성 질감으로 변환될 수 있습니다.

탄화 과정을 이해하는 데 상당한 발전이 있었습니다. 탄화의 소성 단계에서 중간상이 발견되어 광학 현미경으로 관찰한 바와 같이 흑연화 가능한 탄소로 이어집니다. 등방성 덩어리로부터 구형 중간상 입자의 발달과 이방성 구조를 형성하기 위한 점진적 성장 및 합체는 피치형 전구체에 대해 잘 확립되어 있습니다. 기본적으로 탄화 과정에서 방향족 분자의 탈수소 중합이 일어나 결과적으로 평균 분자량이 증가합니다. 최종 코크스 구조는 응고 시 중간상의 특성과 관련되며, 이는 차례로 모재의 화학적 특성에 지배적으로 의존합니다. 코크스 품질 향상은 결과 코크스의 광학적 질감을 미리 결정하는 모 공급원료의 품질에 의해 결정됩니다.

피치와 같은 재료와 달리 석탄의 탄화는 높은 점도 때문에 관찰 가능한 유착을 나타내지 않는 많이 왜곡된 구 형태의 중간상을 생성합니다. 이러한 거동의 차이는 N2(질소), O2 및 S(황)와 같은 요소의 억제 효과와 석탄의 미립자 불활성 물질의 영향에 기인할 수 있습니다.

세미 코크스의 기공 형성에 영향을 미치는 메커니즘과 주요 요인은 다양한 연구의 주제였습니다. 이러한 연구는 코크스의 기공 구조가 탄화 공정의 소성 온도 범위 내에서 크게 결정된다는 것을 보여주었습니다. 연구 동안, 연화점 근처의 온도에서 초기에 기공이 큰 입자에서 나타나는 반면 중간 크기의 입자는 고온에서 다공성이 되는 것으로 관찰되었습니다. 크기가 125마이크로미터(마이크론) 미만인 입자 내에서는 어떠한 온도에서도 기공 형성이 감지되지 않았습니다. 온도의 증가는 기공의 수와 크기 모두의 증가를 유도했습니다. 더 많은 입자가 기공을 갖는 것으로 관찰되었으며 큰 입자는 다중 기공이 되었습니다. 온도가 증가함에 따라 입자는 더욱 둥글어지고 입자 간 공극으로 팽창했습니다.

유동성이 0인 석탄의 경우 위에서 언급한 단계는 관찰된 변화의 끝을 표시했습니다. 그러나 유동성이 더 높은 석탄의 경우 온도가 증가하여 결국 최대 수축 온도에 도달하면 더 큰 입자가 계속 팽창하고 감소하는 공극 공간에 작은 입자가 집중됩니다. 더 유동적인 석탄의 팽창은 모든 작은 입자가 더 큰 입자의 팽창하는 세포벽 내에 통합되어 분리된 정체성을 상실할 때까지 계속됩니다. 이 완전한 융합 온도 이상에서는 평균 기공 크기가 증가하여 피크 값에 도달한 후 최종적으로 더 높은 온도에서 실질적으로 변경되지 않는 크기로 떨어지게 됩니다. 온도에 따른 기공 수의 증가는 최대 기공 크기에 해당하는 온도에서 전이 최소값에 의해 중단됩니다. 이러한 큰 기공의 크기는 재응고 온도 이전에 감소하여 보다 일관된 구조를 남깁니다. 이 온도 근처에서 거의 구형에 가까운 작은 기공의 성장과 매트릭스의 융합은 일반적으로 상호 연결된 기공의 형성을 초래합니다.

재응고 온도 이상에서는 평균 기공 크기의 약간의 감소를 제외하고는 미미한 변화가 관찰됩니다. 재응고 온도 근처에서 발생하는 완전히 융합된 구조의 압축은 큰 관심을 불러일으켰습니다. 이에 대한 설명은 약간 더 차가운 영역의 큰 팽창이 더 단단한 반코크스에 대해 압축 층을 누를 수 있다는 것입니다. 이 단계에서 발생할 수 있는 기공의 상호 연결은 이 과정을 용이하게 할 수 있습니다. 이 설명은 가장 큰 치수가 온도 등온선을 따라 놓여 있는 기공 모양의 등방성 발달 관찰에 의해 더욱 뒷받침됩니다.

기공 구조 발달에 대한 전하 밀도 및 입자 크기의 영향에 대한 추가 연구는 평균 기공 및 기공 벽 크기가 모두 소성 영역 내에서 최대값에 도달함을 보여줍니다. 새로운 발견은 두 가지 추가 과정, 즉 (i) 융합 후 팽창 단계 동안 일부 얇은 기공 벽의 파열 및 (ii) 압축 과정 동안 더 높은 온도에서 발생하는 2차 기공 핵 생성의 제안으로 설명됩니다. 전하 밀도의 증가는 공극률, 주로 생성된 코크스의 평균 공극 크기를 감소시키는 반면, 평균 공극 벽 크기는 무시할 수 있는 변동을 보이는 것으로 나타났습니다. 전하 밀도의 영향은 오븐 벽에 수직인 수평 방향을 따른 팽창의 제한에 기인합니다. 고려한 범위 내에서 석탄 입자 크기 분포의 변화로 인한 코크스 기공 구조의 체계적인 변화에 대한 증거는 발견되지 않았습니다.

석탄에서 코크스로의 전환을 현미경으로 연구하기 위한 조사가 수행되었습니다. 이 조사에서 석탄 등급의 함수로서 플라스틱 층의 형태에 관한 연구가 수행되었습니다. VM 함량이 25% ~ 30% 범위인 석탄의 경우 변형의 첫 번째 단계는 기포가 없는 것이 특징인 점성 변형 석탄 입자로부터 연속 매질을 형성하는 것으로 관찰되었습니다. 두 번째 단계는 고도로 다공성 영역의 존재에 의해 명백한 탈휘발입니다. 연구의 결론은 개별 입자의 경계를 식별할 수 없을 때 기공의 형성이 갑자기 시작된다는 것입니다. 기공이 없는 용융 영역 외에도 거품 영역으로 설명되는 매우 얇은 벽을 가진 기공이 풍부한 또 다른 영역이 있습니다.

유사한 연구에서 고급 석탄과 중간 등급 석탄의 차이가 발견되었습니다. 중간 VM 석탄의 경우, 재응고 동안 기포의 압축이 형성을 지배하는 반면 최대 유동성의 이전 영역에서는 반대 현상이 발생하는 것으로 관찰되었습니다. 플라스틱 층의 중심에서 측정된 높은 다공성으로 표현되는 최대 유동성 영역에서 세미 코크스까지 플라스틱 층에 대량 수송이 존재하였다. 고급 석탄의 경우 유사한 최대값이 관찰되지 않았으며 이는 이러한 석탄에 대해 기포 제거를 위한 다른 메커니즘이 존재할 수 있음을 나타냅니다.

탄소화 압력

탄화 과정에서 발생하는 탄화 압력은 벽에 가해지는 힘으로 표현되며 적절한 장치에 의해 측정되며 벽압이라고 합니다. 이중 가열 벽, 수직, 슬롯 형 코크스 오븐의 사용으로 인해 중요하게 된 현상입니다. 둥근 벌집 오븐에서 석탄은 위쪽으로 자유롭게 팽창할 수 있으므로 충전물의 팽창은 이 자유 팽창에 의해 수용됩니다. 반대로 슬롯형 오븐에서는 가열된 벽에 수평으로 석탄의 팽창이 제한됩니다.

일부 석탄은 탄화 과정에서 과도한 압력이 발생하거나 탄화 과정이 끝날 때 코크스 수축이 충분하지 않아 코크스로 벽을 손상시킬 수 있다는 것이 확인되었습니다. 이 문제는 최근 석탄 예열과 석탄 충전물의 부피 밀도를 증가시켜 코크스 압력, 수축 및 코크스 오븐 수명에 영향을 미치는 톨 배터리의 광범위한 수용으로 인해 중요한 문제가 되었습니다. 바람직하지 않은 일그러진 벽의 형태로 석탄을 침탄시키는 동안 발생하는 압력의 영향은 더 큰 오븐에서 더 잘 보입니다.

많은 요인들이 탄화 압력의 크기에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 요소는 특히 (i) 석탄의 고유한 특성, (ii) 석탄 준비 및 물리적 특성, (iii) 오븐 작동 조건의 세 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있습니다.

압력이 과도한지 여부는 가해지는 압력뿐만 아니라 오븐 벽이 견딜 수 있는 압력에 따라 달라집니다. 따라서, 코크스로 벽의 강도를 평가하기 위한 다양한 노력이 있어 왔다. 벽 강도 요구 사항은 탄화 과정에서 벽에 가해지는 최대 불균형 코크스 압력에 의해 크게 좌우됩니다. 이러한 불균형한 압력은 벽의 접합부가 일관된 인장 강도를 갖지 않기 때문에 지붕과 벽의 무게를 포함하여 수직 중력 하중에 의해 안정화되어야 하는 수평 방향으로 벽 굽힘을 유발합니다.

매우 낮은 한계는 석탄 공급원, 혼합탄 및 탄화 조건을 선택할 때 유연성을 제한합니다. 이동식 벽 오븐에서 탄 수백 개의 석탄 결과를 비교하고 상업용 오븐에서 이러한 석탄의 거동을 고려한 연구에서 코크스 오븐에서 탄화되는 석탄에 대해 다음과 같은 안전 한계를 설정했습니다.

• 평방센티미터당 0.14킬로그램(kg/sq cm) 이상의 압력을 발생시키는 석탄은 위험합니다.
• 0.1kg/sq cm 이상의 압력이 발생하는 석탄은 3미터 이상의 오븐에서 정기적으로 탄화될 때 위험할 수 있습니다.
• 0.1kg/sq cm 미만의 압력을 주는 석탄은 안전합니다.

연구에 따르면 최대 1.25mm의 상업용 오븐 벽의 탄성 변형이 균열 없이 발생할 수 있습니다. 그 지점을 넘어서면 더 이상의 편향이 쉽게 발생하지 않고 균열이 발생합니다.

1960년대와 1970년대에는 톨 코크스 오븐(높이 6m 이상) 건설이 보편화되었습니다. 이 오븐은 0.14kg/sq cm 미만의 코킹 압력이 안전하다는 가정 하에 작동됩니다. 그 결과 어떤 경우에는 이러한 오븐이 심각한 초기 내화성 손상을 입었습니다. 6m 높이의 배터리가 점진적인 손상을 입었고 5년 미만의 작동 후 종료되어야 했습니다. 조기 파손의 원인을 파악하기 위한 조사에는 6m 높이의 벽에 대한 구조 분석이 포함되었습니다. 한 쪽에서 압력을 받는 6m 높이의 오븐 벽에 대해 수학적 연구가 수행되었습니다. 이 분석에서 붕괴를 유발할 수 있는 불균형 측면 압력은 0.12kg/sq cm를 약간 넘는 것으로 계산되었습니다. 1.7의 권장 활하중 계수와 균열에 대한 서비스 가능성을 고려하여 허용되는 불균형 측압이 0.07kg/sq cm를 초과하지 않는 것이 좋습니다.