코크스 오븐 가스 발생과 제철 공정 활용

코크스는 제선 공정 필수 투입재. 코크스 제조 위해 석탄 무공기 가열로 휘발분(VM) 제거. 석탄→코크스 변환: 석탄 탄화, 코크스 오븐서 수행. 코크스 오븐 배터리 = 다수 코크스 오븐 집합. 현재 고로용 코크스 생산 2가지 주 방법.

제1법: 회수 공정. 석탄 완전 환원 분위기 가열, 휘발성 생성물 연계 부산물 플랜트서 회수. 이 방식 탄화용 코크스 오븐 = 부산물 오븐, 배터리 = 부산물 코크스 오븐 배터리. 부산물 코크스 오븐 배터리서 코킹 석탄 탄화 시 VM(장입 석탄 25~30%) 유출 가스(핫 로우 코크스 오븐 가스) 배출. 로우 코크스 오븐 가스: 인화성, 황갈색, 유기적 냄새.

제2법: 비회수(열회수/에너지 회수) 코크스 오븐 배터리서 석탄 탄화. 비회수 공정: 코크스 베드 상부 상공에 공기 도입, 탄화 중 생성 휘발성 생성물 오븐 내부서 연소→석탄 탄화 필요 열 공급.

부산물 플랜트와 로우 코크스 오븐 가스 처리

부산물 플랜트: 부산물 코크스 제조 공정 필수 부분. 각 오븐 조업 주기적이나, 배터리 충분한 오븐 수로 로우 코크스 오븐 가스 본질적 연속 흐름 생산. 개별 오븐 코킹 주기 중 대략 균등 간격 장입·비움. 코킹 15~18시간 진행→BF 코크스 생산. 이 기간 석탄 VM 증류→로우 코크스 오븐 가스. 코킹 시간: 석탄 배합, 수분, 언더파이어링 속도, 목표 코크스 물성 결정. 코크스 수요 낮을 때 코킹 시간 24시간 연장 가능. 코킹 온도: 900~1,100°C. 집진 메인 양압 유지(약 10mm 수주)로 코크스 오븐 공기 유입 방지. 열증류 중 발생 가스·탄화수소 오프테이크 시스템 통해 부산물 플랜트 회수.

부산물 코크스 오븐 배터리서 석탄 VM 기화로 발생 대량 가스 인접 부산물 플랜트서 처리. 코킹 주기 중 대부분 기간 가스 생산. 조성·CO 가스 발생률 기간 중 변화, CO 가스 발생 보통 배터리 석탄 장입물 700°C 도달 시 완료. 이 가스 = 로우 코크스 오븐 가스, 부산물 플랜트서 처리. 부산물 플랜트 기능: (1) 로우 가스 처리→유가 석탄 화학물질 회수, (2) 로우 코크스 오븐 가스 충분히 처리→청정 환경친화 연료 사용 가능. 부산물 플랜트 처리 후 로우 코크스 오븐 가스 = 클린 코크스 오븐 가스 또는 CO 가스.

부산물 코크스 오븐 배터리서 발생 코크스 오븐 가스 챔버 떠날 때 고온(1,100°C 근접). 로우 CO 가스 분무액(플러싱 리커) 단열 증발로 80°C 냉각, 물 포화. 가스 온도 충분히 낮아 가스 집진 메인 핸들링 가능. 가스 집진 메인→흡입 메인 유입. 오븐 챔버 떠난 핫 가스 분무 플러싱 리커 양 냉각 필요량 훨씬 초과, 미증발 잔여 플러싱 리커 집진 메인 액체 스트림 형성→응축 타르 등 화합물 플러싱. 플러싱 리커 스트림 중력 흡입 메인 유입(로우 코크스 오븐 가스와 함께). 드레인 팟(다운코머)서 플러싱 리커와 로우 코크스 오븐 가스 분리. 각각 부산물 플랜트 별도 유입 처리. 로우 코크스 오븐 가스 주성분 대표적 조성 표 1.

표 1 로우 코크스 오븐 가스 주성분 조성
순번	화학명	부피%
1	수소	52-59
2	메탄	26-33
3	질소	1.9-5.7
4	일산화탄소	4.5-7.0
5	에틸렌	2.0-2.8
6	이산화탄소	1.4-2.1
7	황화수소	0.4-1.2
8	시안화수소	0-1.2
9	에테인	0.7-1.1
10	암모니아	0-1.1
11	벤젠	0-1.0
12	이황화탄소	0-0.3
13	톨루엔	0.1-0.2

코크스 오븐 배터리서 온 포화 로우 가스: 수증기 46~48%. 기타: 수소(H₂), 메탄(CH₄), 질소(N₂), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), 고급 파라핀·불포화 탄화수소(에테인, 프로판 등), 산소(O₂) 등. 로우 코크스 오븐 가스 다양한 오염물질 함유, 고유 특성 부여: (1) 타르 성분, (2) 타르산 가스(페놀 가스), (3) 타르염기 가스(피리딘 염기), (4) 벤젠·톨루엔·자일렌(BTX), 경질유·기타 방향족, (5) 나프탈렌, (6) 암모니아 가스, (7) 황화수소 가스, (8) 시안화수소 가스, (9) 염화암모늄, (10) 이황화탄소.

로우 코크스 오븐 가스 청정 환경친화 연료 가스화 위해 부산물 플랜트 필수 기능: (1) 로우 오븐 가스 냉각→수증기·오염물질 응축, (2) 타르·나프탈렌 제거→가스 라인/설비 파울링 방지, (3) 암모니아(NH₃) 제거→가스 라인 부식 방지, (4) 벤졸유 제거→벤젠·톨루엔·자일렌(BTX) 회수·판매, (5) 황화수소 제거→코크스 오븐 가스 연소 규제 배출 기준 충족. 로우 코크스 오븐 가스 처리 흐름도 그림 1.

그림 1 로우 코크스 오븐 가스 처리 흐름도

코크스 오븐 가스 부산물 회수 효과: (1) 가스 부피 감소, (2) 발열량 감소, (3) 화염 온도·부피 영향, (4) 가스 밀도·조성 변화. 클린 코크스 오븐 가스: 무색, 황화수소·탄화수소 특유 냄새.

로우 CO 가스: 수소, 메탄, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 에테인, 산소, 에틸렌, 벤젠 함유 가능. 암모니아, 황화수소, 수증기, 시클로펜타디엔, 톨루엔, 나프탈렌, 시안화수소, 시아노겐, 산화질소 일부 함유 가능. 클린 코크스 오븐 가스 대표적 조성 표 2.

표 2 클린 코크스 오븐 가스 조성
순번	화학명	부피%
1	수소	42-65
2	메탄	17-34
3	질소	1.2-18
4	일산화탄소	4.6-7.5
5	이산화탄소	0.2-3.5
6	에테인	0.1-2.9
7	산소	0-2.6
8	에틸렌	0.1-2.5
9	벤젠	0-0.4

부산물 플랜트 처리 후 최종 클린 코크스 오븐 가스 수율: 건조 석탄 톤당 약 300Nm³. 가스 수율 의존: (1) 장입 석탄 휘발분, (2) 탄화 조건. 표준 온도 압력 CO 가스 밀도: 0.45~0.50kg/m³. 발열량: 4,000~4,600kcal/Nm³. 이론 화염 온도: 1,982°C. 화염 전파 속도→실제 화염 온도 이론치 근접. CO 가스: 코크스 오븐·부산물 배터리 투입 에너지의 약 18% 운반(그림 2).

그림 2 코크스 오븐·부산물 플랜트 대표적 에너지 밸런스

분석 데이터: 기존 부산물 플랜트 로우 CO 가스 처리 후 휘발성 HAP(유해 대기 오염물질) 총량 CO 가스 부피 1% 훨씬 미만. 잘 유지·운전된 연소 장치(공정 히터, 보일러 등)서 CO 가스 연소 시 HAP 배출 매우 낮음. CO 가스 연소 필터러블 입자상 물질(PM) 배출 통상 낮음. CO 가스 HAP 금속 배출 유의미하지 않음.

코크스 오븐 가스 용도

코크스 오븐 가스: 제철소 에너지 밸런스 주요 구성. 통상: 코크스 오븐 배터리 가열, 제철소 타 로 가열, 발전용. COG 단독 사용 또는 고로 가스 혼합 후 로 연료 사용.

COG는 고로 환원제로도 사용 가능. CO 가스 주입: 대량 코크스 오븐 가스 고로 레이스웨이 주입. 보충 탄소원 제공뿐 아니라 선철 생산 가속, 고로 내 반응용 야금 코크스 필요량 저감. CO 가스 주입 기술: 고로 절대 CO₂·SO₂ 배출도 저감.

통합 제철 루트 DRI(직접 환원철) 생산에 가용 CO 가스 활용: 최근 현상. CO 가스 DRI 생산 활용: 경제·환경 양면 다수 이점. 잉여 CO 가스 환원가스로 DRI 생산→가용 에너지 97% 회수(CO 가스 연소 발전: 30~40% 회수 대비). CO 가스 활용도 그림 3.

그림 3 제철소 대표적 가스 흐름: CO 가스 활용

국제에너지기구(IEA) 2007년 연구: CO 가스 약 70% 제선·제강 공정 사용, 15% 코크스 오븐 가열, 15% 발전. 동 연구: CO 가스 발전용 더 많이 사용 시(바람직: 복합 사이클 발전, 효율 ~42%, 보일러 증기 사이클 평균 ~30% 대비) 에너지 효율 개선 달성 가능.