건식 담금질(CDQ)로 고온 코크 냉각 시 에너지 절감 및 환경 개선

코크스 건식 담금질(Coke Dry Quenching, CDQ)은 코크스 오븐 배터리에서 코크스 생산 시 에너지 절감을 위한 공정입니다. CDQ 플랜트는 코크스 건식 냉각 플랜트(Coke Dry Cooling Plant, CDCP)라고도 부릅니다. 기존 습식 담금질(CWQ) 공정에서는 코크스 오븐에서 밀려 나온 적열 코크스에 물을 분사하여 냉각합니다. 냉각용 물은 증발하여 대기로 방출됩니다. 이 방식의 문제는 적열 코크스의 열에너지가 미사용 증기로 전환되어 손실된다는 점입니다. 또 다른 단점은 CWQ 공정이 비산 코크스 분진을 발생시키며, 높은 CO₂ 배출과 열에너지 손실과 연관된다는 것입니다.

CWQ 공정으로 오븐 출하 코크스 냉각 시 고온 코크스의 현열이 대기로 방산되어 손실됩니다. 또한 비산 배출물(코크스 톤당 0.5톤 증기, 페놀·시안화물·황화물·분진 함유)과 대량의 물(코크스 톤당 약 0.6㎥)이 필요합니다. 오염된 물도 환경으로 배출됩니다. 표 1은 CWQ와 CDQ 공정으로 생산된 코크스의 대표적 특성 비교입니다.

표 1 CWQ 및 CDQ 공정 코크스 특성 비교
순번	항목	단위	CWQ 공정	CDQ 공정
1	수분 함량	%	2-5	0.1-0.3
2	회분 함량	%	11.35	11.39
3	휘발분	%	0.5	0.41
4	평균 입도	mm	65	55
5	코크스 브리즈 비율(-15mm 기준)	%	10	13
6	다공율	%	49	48
7	드럼 인덱스	%	83.5	85
8	반응 후 코크스 강도(CSR)	%	58	60

CDQ 공정에서는 적열 코크스를 밀폐 시스템 내 순환 가스로 냉각하여 비산 코크스 분진 방출을 방지합니다. 기존 CWQ 공정에서 손실되던 적열 코크스의 열에너지를 회수하여 CDQ 시스템에서 증기로 재사용합니다. 이 기술은 화석 연료 사용을 줄이고 CO₂ 배출을 저감하여 지구온난화 방지에 기여합니다. 최근 CDQ 플랜트는 효율적 에너지 회수와 환경오염 저감 특성으로 세계적 주목을 받으며, CO₂에 의한 지구온난화와 대기오염 대책의 필수 설비로 여겨집니다. 기존 CDQ 공정 조업 기반 에너지 절감 계산 연구에서 석탄 건류 시 발생하는 폐열의 85%가 CDQ 공정으로 회수됨이 입증되었습니다.

역사

CDQ 기술은 1920년대 스위스 설처 형제에 의해 도입되었습니다. 수십 년 후 러시아 기프로콕스 연구소에서 연속 조업용 개선된 CDQ 공정을 개발했습니다. 파일럿 및 파일럿/상업 시험 후 1965년 구소련 체레포베츠 제철소에 첫 전규모 CDQ 플랜트가 가동되었습니다. 1978년까지 구소련에서 56톤/시간 용량의 CDCP 모듈 약 50기가 가동되었습니다. 지난 20년간 CDQ 공정은 점진적으로 수용되었으나 CWQ 공정도 여전히 널리 사용됩니다. 그러나 많은 국가에서 다수의 CDQ 플랜트가 가동 중입니다. 그림 1은 56톤/시간 용량의 기프로콕스 설계 CDQ 플랜트 모듈입니다.

그림 1 56톤/시간 용량 기프로콕스 설계 CDQ 플랜트 모듈

일본은 1975년 구소련에서 라이선스를 구매하여 1976~77년 3개 설비를 가동했습니다. 최근 코크스 오븐 생산 능력 증가에 따라 CDQ 용량도 이에 맞춰 확대되어야 했습니다. 이러한 추세와 다양한 고객 요구 충족을 위해 일본에서 대량 코크스 담금질용 단일 챔버(단일 챔버 CDQ) 대형 CDQ 플랜트 개발이 이루어졌습니다. 단일 챔버 CDQ는 예비 설비가 없으므로 가용성이 매우 중요합니다. 높은 가용성을 위해 안정적 조업이 필수적이나, 미숙련 조업자가 다양한 파라미터 조정으로 안정 조업을 달성하기는 어렵습니다. 최근 CDQ 플랜트용 신규 자동화 기술도 개발되었습니다. 1975년 이후 CDCP 챔버 용량의 점진적 증가는 그림 2와 같습니다.

그림 2 1975년 이후 CDCP 챔버 용량의 점진적 증가

CDQ 공정

밀려 나온 고온 코크스는 바닥 개방형 버킷에 담겨 담금질 차로 코크스 오븐 배터리에서 CDQ 플랜트로 이송됩니다. 이 버킷은 CDQ 플랜트에서 호이스팅/장입 장치로 들어 올려 CDQ 챔버 상부로 이동하고, 장입 장치에 의해 예비 챔버로 방출됩니다. 고온 코크스(약 1,000~1,100°C)는 챔버 내 순환 가스로 냉각됩니다. 챔버 내 순환 가스는 코크스 이동 방향과 역류합니다. 즉, 순환 가스는 상향 이동하고 코크스는 중력에 의해 하향 이동합니다.

연속 운전 CDCP 플랜트의 순환 가스는 주로 질소(N₂)와 소량의 이산화탄소(CO₂), 일산화탄소(CO), 수소(H₂)로 구성된 혼합 가스입니다. 대표적 조성은 N₂ 70~75%, CO₂ 10~15%, CO 8~10%, H₂ 2~3%입니다. 고온 코크스는 챔버 하부에서 불어오는 순환 가스에 의해 200°C 미만으로 냉각되어 챔버 하부 배출 설비로 배출됩니다. 코크스의 챔버 통과 시간은 약 5~6시간입니다. 56톤/시간 용량 CDQ 플랜트의 대표적 운전 파라미터는 표 2와 같습니다.

표 2 56톤/시간 용량 CDQ 플랜트 대표 파라미터
순번	파라미터	단위	값
1	용량	톤/시간	56
2	코크스 장입 온도	°C	1,000~1,050
3	코크스 배출 온도	°C	200
4	가스 유입 온도	°C	170
5	가스 유출 온도	°C	800~850
6	증기 발생량	톤/시간	25
7	증기 압력	kg/cm²	40
8	증기 온도	°C	440
9	총 가스량	Nm³/시간	84,000

냉각 챔버에서 열교환 후 고온 순환 가스(약 800~850°C)는 1차 집진기를 거쳐 보일러로 공급됩니다. 보일러에서 열교환 후 순환 가스는 약 180°C로 냉각됩니다. 보일러에서 발생한 증기는 공정용 범용 증기로 사용하거나, 초고압 과열 증기로 변환하여 터빈 발전기로 발전합니다.

순환 가스는 2차 집진기를 거쳐 순환 송풍기로 유입되며, 여기서 압력이 상승하고 N₂ 가스 첨가로 조성이 보정된 후 CDQ 챔버 하부로 주입됩니다. 필요 시 서브 이코노마이저를 설치하여 순환 가스 온도를 약 130°C로 낮춰 냉각 챔버의 냉각 효율을 높입니다.

보조 설비로는 챔버 내 코크스 절단 장치, 순환 불활성 가스 내 분진 제거 시스템, 순환 송풍기 전 2차 집진기 등이 있습니다. CDQ 공정 흐름도는 그림 3과 같습니다.

그림 3 CDQ 공정 흐름도

CDQ 공정의 이점

CDQ 공정은 기존 CWQ 공정에 비해 많은 이점이 있습니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.

고온 코크스 현열 활용

화석 연료 소비 없이 코크스 건식 담금질로 전력을 생산할 수 있어 CO₂ 배출이 저감됩니다. 예시(그림 4): 200톤/시간 용량 CDQ는 약 36MW 전력을 생산합니다. 중유 보일러로 동일 전력 생산 시 중유 12톤/시간 필요, CO₂ 36톤/시간 배출. 따라서 CDQ 플랜트는 경제적·환경적 이점을 동시에 제공합니다. 코크스 현열 회수로 순 에너지 절감 효과가 있습니다. 에너지 절감량은 코크스 톤당 약 0.25Gcal입니다. CDQ 공정은 CWQ 공정에서 대기로 방산되는 에너지를 효과적으로 활용합니다.

환경 보호

CDQ에서는 CWQ 공정 담금질 탑에서 나오는 백연(흰 연기)이 없습니다. 이 백연은 고농도 분진을 함유합니다. CDQ 공정에서 백연이 없는 이유는 모든 공정이 완전 밀폐되어 있기 때문입니다. 결과적으로 CDQ 설비 주변 작업 환경이 개선됩니다.

일반적으로 CWQ 공정에서는 대량의 코크스 분진(코크스 톤당 약 300~400g)이 배출 증기에 포함되어 환경으로 방출됩니다. 최근 개발된 '코크스 안정화 담금질(CSQ)' 공정으로 분진 배출이 감소하지만, CDQ 공정이 여전히 분진 방지에 더 효율적입니다. CDQ 분진 배출량은 코크스 톤당 3g 미만(그림 4)이며, CDQ 공정의 지속적 개선으로 더욱 향상되었습니다.

CDQ 공정은 수질 오염 방지와 물 절약 측면에서도 환경 친화적입니다. CWQ 공정은 담금질 매질로 물을 사용하지만 CDQ 공정은 물을 사용하지 않습니다.

그림 4 CDQ 공정의 이점

고로 생산성 향상 기여

CDQ 공정으로 생산된 코크스의 품질 향상이 고로(BF) 생산성 개선으로 이어집니다. CDQ 코크스는 CWQ 코크스 대비 두 가지 우수한 특징을 가집니다: (1) 높은 기계적 강도, (2) 극저 수분 함량(거의 0). 이 특징들은 고로에서 다음과 같은 이점을 제공합니다.

코크스 내 수분 증발에 여분 열에너지가 불필요하여 고로 연료 소비가 수% 감소합니다. 이는 고로 CO₂ 저감과 고로 상부 온도 상승으로 TRT(상압 회수 터빈) 발전량 개선에도 기여합니다.

CDQ 코크스 사용으로 높은 코크스 강도 덕분에 고로 투과성이 개선됩니다. 고로 투과성 향상은 고로 내 환원 반응 효율을 높여 선철 생산성을 개선합니다. CDQ 코크스 사용 고로는 비교적 더 안정적으로 조업됩니다. 또한 코크스 강도 증가로 고로 내부가 충분한 투과성을 유지하여 고로에서 더 높은 분탄 주입율을 달성할 수 있습니다.

코크스 품질 개선

CDQ 공정으로 생산된 코크스 품질은 CWQ 코크스보다 우수합니다. 표준편차가 보통 1.25% 정도로 낮아 품질이 더 안정적입니다. 균일한 코크스 품질은 고로 조업에 도움이 됩니다. 이는 고온 코크스가 CWQ 공정의 워터 제트 급랭 대신 CDQ 챔버에서 순환 가스로 서서히 냉각되기 때문입니다. 또한 수성 가스 반응이 방지됩니다. 기계적 강도(드럼 인덱스) 개선은 약 1.5%, 반응 후 코크스 강도(CSR) 개선은 약 2.5% 기대됩니다. 이 개선은 서서히 냉각된 고온 코크스가 습식 담금질 코크스에 일반적으로 존재하는 표면 기공과 내부 균열이 없기 때문입니다.

일반적으로 석탄 배합에 고급 코크스용 석탄 비율이 높으면 코크스 강도 증가율이 상대적으로 낮습니다. 저코크스화 석탄 비율을 높이면 CDQ 공정으로 추가 비용 이점을 얻을 수 있습니다.