비회수형 코크스 오븐 배터리: 야금 조업을 위한 최적화 기술

야금용 코크스는 역청탄 배합을 '건류(파괴적 증류)' 공정으로 생산하는 단단한 탄소 재료입니다. 산소 결핍 분위기에서 고온(약 1,100°C)으로 석탄을 탄화시켜 생산합니다.

공기 결핍 상태에서 석탄 가열로 코크스 제조하는 기술은 1709년 영국에서 아브라함 다비가 철광석 제련에 사용하며 산업혁명 초기에 시작되었습니다. 초기 코크스 제조법은 숯 제조와 유사: 원형 더미로 석탄 적재, 점화, 측면 점토 덮기. 이는 벌집형 코크스 제조 기초가 되었습니다. 점진적 발전으로 벌집형, 반사로형, 부산물 회수형 오븐 거쳐 약 1세기 전 부산물 회수형 재생 코크스 오븐으로 발전.

비회수형 코크스 오븐 기술은 18세기부터 산업혁명에 코크스 공급한 고전적 벌집형 오븐에서 유래. 벌집형 오븐은 수동 조업, 소량 열회수(오븐 가열용만). 현대 비회수 오븐은 고도로 기계화, 일정 수준 자동화. 휘발분 연소 생성 가스는 다운코머로 보내져 추가 연소되어 오븐 바닥과 측면 가열.

야금 코크스 제조 3대 공정

야금 코크스 제조에는 세 가지 검증된 공정: (1) 벌집형 코크스 오븐, (2) 부산물 회수형 코크스 오븐, (3) 비회수형 코크스 오븐. 연도가스 열에너지 증기 형태로 회수 시 비회수 오븐을 열회수/에너지 회수형 코크스 오븐이라 함. 세 공정 모두 오븐 보통 열 지어 건설, 이웃 오븐 간 공용 벽. 이러한 오븐 열을 '배터리'라 함. 배터리는 보통 여러 개, 때로는 수백 개 오븐으로 구성.

벌집형 오븐은 아치형 지붕으로 내부가 옛 벌집 모양인 단순 내화벽돌 챔버. 소량 생산과 막대한 오염으로 현재 구식 공정이나 일부 지역에서 여전히 사용.

부산물 회수형 코크스 오븐 배터리에서는 오븐 내 양압 운전으로 무공기 상태에서 석탄 탄화. 코크스 제조 공정을 부산물 코크스 제조라 함: 배가스 수집해 부산물 플랜트 송부, 다양한 부산물 회수.

비회수 오븐 코크스 제조 공정에서 석탄 탄화 중 발생 휘발분은 부산물로 회수되지 않고, 제어된 공기량 하 오븐 자체 내 연소되어 휘발성 가스 열이 석탄 덩어리 코크스화에 이용, 외부 가열 불필요. 열은 휘발분 연소로 발생, 복사열로 오븐 상부에서 석탄 덩어리 관통, 전도로도 전달. 중요하게 높은 열로 잠재적 오염 탄화수소 분해·연소시켜 유해 오염 방지. 연소 결과 열은 공정 중 부분만 이용, 나머지 폐연가스 현열은 에너지 회수에 활용.

코크스 오븐 배출 연가스는 현열 상당량과 일부 가연물질 함유. 이 기술 적용 코크스 오븐에서는 코크스 외 아무것도 회수 안 하므로 '비회수 코크스 오븐'이라 함. 폐가스 가연물질 연소 열과 현열로 증기 생산·발전 시 '열회수 코크스 오븐' 또는 '에너지 회수 코크스 오븐'이라 함.

비회수 코크스 오븐 열회수 기초는 소위 '주웰-톰슨 오븐'. 1960년 밴선트 VA에서 3기 시험 오븐 성공적 건조 개발. 1972년 16기 대형 주웰-톰슨 오븐 건조. 최초 열회수 비회수 코크스 플랜트 1998년 3월 미국 인디애나 가동. 268기 오븐, 연산 130만 톤, 열회수 발전소 100MW. 주웰-톰슨 오븐은 직사각형 평면, 오븐 벽돌 라이닝은 실리카 내화물.

비회수 코크스 오븐 핵심 요소

• 제어된 분위기에서 석탄 가열로 코크스 생산, 휘발분(가스와 수분) 방출
• 가스 환경적으로 '스마트'하게 연소시켜 코크스 제조 열 생산
• 공정 중 발생 초과 열로 발전
• 석탄 연소 의존 안 함, 석탄에서 방출된 가스만 이용
• 공정 온실가스 배출은 단순 가스 화력 발전소 수준(증기 발생→터빈 통과)

비회수 코크스 오븐은 고로, 큐폴라, 페로합금로용 양질 코크스 생산. 고분탄 주입 고로 조업에서 더 좋은 코크스 특성 필요 시, 또는 비코킹탄 일부 배합으로 표준 품질 확보 시 유용.

부산물 회수형 오븐과 비교

부산물 회수형 코크스 오븐과 비회수 코크스 오븐 코크스 제조 비교 그림 1.

그림 1 비회수 코크스 오븐과 부산물 회수형 코크스 오븐 비교

부산물 회수형과 비회수 코크스 오븐 코크스 제조 다양한 파라미터 비교 표 1.

표 1 부산물 회수형 오븐과 비회수 오븐 비교
번호	파라미터	부산물 회수형 오븐	비회수 오븐
1	오븐 압력	약한 양압	약한 음압
2	오븐 높이	높은 오븐	수평 넓은 오븐
3	벽돌 형상	다수	소수
4	열공급	연료 가스로 외부 공급	휘발분 부분 연소로 내부 공급
5	열전달	간접, 수평, 전도	직접, 수직, 상부 복사·대류, 하부 간접 전도
6	오염	환경 비우호적	사실상 무오염
7	자본비	높음	낮음
8	에너지	높은 에너지 소요	낮은 에너지 소요
9	운영비	높음	낮음
10	건설 기간	긺	짧음
11	시운전	느림	빠름
12	코킹탄	품질 제한	유연성 있음
13	부산물	다수	부산물 없음
14	공산물	CO 가스	증기/전력
15	벽압	취약	비취약
16	탄화 온도	낮음	높음
17	코크스 수율	높음	낮음
18	코크스 품질	낮음	높음
19	인력	숙련 필요	고숙련 불필요
20	유지보수	고온 유지보수	오븐 냉각 후 유지보수 가능

부산물 회수형 코크스 오븐 플랜트와 열회수 코크스 오븐 플랜트 구성 산키 다이어그램 비교 그림 2.

그림 2 산키 다이어그램

비회수 코크스 오븐 설계·건설 특징

비회수 코크스 오븐 여러 설계 존재. 주요 설계 특징 설명.

주웰-톰슨 코크스 오븐

코크스 오븐 챔버 전형적 치수: 길이 14m, 폭 3.5-3.7m, 높이 2.4-2.8m. 오븐당 40-50톤 석탄 충전. 전형적 충전 높이 1,000mm. 23종 내화벽돌 형상 사용. 석탄 배합 '푸셔 차저 머신(PCM)'으로 오븐 근처 레일 주행하며 한쪽에서 충전. 충전 즉시 내화물 열 흡수, 휘발분 연소 시작.

오븐 지붕 아래 석탄 덩어리 위에서 휘발분 부분 연소. 직후 가스 오븐 노바닥 흡입, 추가 공기 도입 완전 연소. 코킹 전선 상부와 하부에서 진행, 중간에서 합류. 부산물 회수형처럼 압력 상승 없어 저휘발분 탄 배합 가능.

오븐 내 온도, 압력, 내부 연소 제어. 코킹 시간 약 48시간. 코크스 인출 충전용 동일 PCM 사용. 코크스 수냉. 증발 손실 제외 모든 담금질 물 회수. 주웰-톰슨 코크스 오븐 단면도 그림 3.

그림 3 전형적 비회수 오븐 단면도

중국 설계 비회수 오븐

중국은 표준 수평 열회수 코크스 오븐 외에 수직형 비회수 오븐도 건설. 수평 오븐: 오븐 지붕 120° 아치 구조. 조절 가능 1차 공기 유입구 아치에 균등 설치, 오븐 지붕 연소대와 석탄 사이 배가스 보호층 형성. 오븐 바닥에 4개 연동 아치. 아치 베이스에 조절 가능 2차 공기 유입구 설치, 플루 내 공기 분배로 배출 가스 추가 연소해 오븐 바닥 가열. 벽체·바닥 플루 조정 가능. 오븐 기초와 솔 사이 환기층으로 베이스 플레이트 과열 방지. 메인 벽 흡입 조절 설비 장착.

오븐 도어 상하 2단 분할(상부 고정, 하부 가동)로 그을음 누출 방지. 주철 세라믹 파이버 라이닝.

수평 열회수 코크스 오븐 배터리 한 설계 탄화실 치수: 길이 13,340mm, 폭 3,596mm, 높이 2,758mm, 챔버 중심간 거리 4,292mm. 유효 석탄 케이크 치수: 길이 1,300mm, 폭 3,400mm, 높이 1,100mm. 충전 석탄 겉보기 밀도 1.0-1.5 t/㎥. 오븐 충전 용량 약 50톤, 코킹 시간 72시간.

다른 두 설계 추가 존재. 탄화실 치수: 길이 13,334mm/15,440mm, 폭 3,598mm/3,700mm, 높이 2,888mm/2,693mm, 중심간 거리 4,530mm/4,300mm. 유효 석탄 케이크: 길이 12,750mm/14,850mm, 폭 3,500mm/3,600mm, 높이 1,050mm/1,000mm. 건조 기준 충전 용량 42.393톤/51.856톤, 코킹 시간 72시간/70시간.

최초 수직 코크스 오븐 열회수 배터리 2002년 중국 건조. 수평형 대비 공간 덜 필요, 건설비 20-30% 절감. 더 중요: 코킹실과 연소실 분리로 수평형에서 발생 가능한 코크스 연소 방지. 열은 내화물 통해만 전달, 재래식 배터리 유사. 배터리 바닥에 2층 공기 냉각 채널. 기초 온도 100-150°C로 파손 방지. 수직 오븐 주요 치수·특징 표 2.

표 2 수직 열회수 코크스 오븐 기술 파라미터
번호	파라미터	단위	값
1	탄화실
	높이	mm	3,200-4,830
	길이	mm	12,570-16,940
	평균 폭	mm	560
	중심 거리	mm	1,180
2	충전 중량	톤	약 24
3	케이크 겉보기 밀도	t/㎥	1.0-1.1
4	코킹 시간	시간	38
5	오븐 수	기	4×35
6	칸막이 벽 두께	mm	100
7	오븐 솔 두께	mm	1,182
8	유효 높이	mm	2,800-4,400
9	중심 온도	°C	1,000 ± 50
10	인출 코크스 중량	톤	약 18
11	배출 가스	N㎥/h	350,000
12	배출 가스 온도	°C	950 ± 50

세사 고아(Sesa Goa) 코크스 오븐 설계

주웰-톰슨보다 좁아 로만 아치 지붕 사용 가능. 알루미나 내화물 사용으로 폭 축소 가능. 알루미나 내화물 사용 이유는 산화 분위기 하 우수한 거동, 열충격 저항 우수, 재충전 지연 시 냉각 시 체적 변화 적음. 오븐 치수: 길이 10,760mm, 폭 2,745mm. 21기 오븐 스택 연결. 상부 충전 방식. 압착 석탄 충전 운전.

우데(Uhde) 설계

현재 우데 설계는 스탬프 충전. 충전 머신 오븐 진입 안 함. 오븐 치수: 폭 3.8m, 길이 15m. 라이닝 실리카 벽돌. 배가스 터널이 오븐 바닥 레벨 아래 수평 통과, 오븐 위 통과 아님.

SJ 96 코크스 오븐

산시 산지아(Sanjia) 자체 개발. 특징: 석탄 충전 중량 120톤 예외적. 타 공정 48-72시간 대비 10일 긴 코킹 시간 필요. 석탄 층 높이 1.8m, 90cm와 180cm 레벨에서 평탄화. 충전과 방출 모두 수동, 오븐 냉각 상태에서. 상부 석탄층 1,200°C, 하부 1,150°C 온도. 가스 오븐 아래 언더 플루에서 완전 연소, 온도 증기 생산·발전 활용.

비회수 오븐 코크스 제조 공정

비회수 코크스 오븐에서 석탄 내 모든 휘발분 오븐 내부 연소로 코크스 제조 필요 열 공급. 오븐 음압 운전. 1차 연소 공기 오븐 도어 포트 통해 도입, 오븐 챔버 내 휘발분 부분 연소. 2차 공기 솔 플루 도입, 석탄 덩어리 아래 지그재그 운행. 플루 설계와 공기 흐름 제어로 코킹 속도 석탄 덩어리 상하부 균등화.

부산물 코킹 공정에서는 코크스 가열이 오븐 챔버 외부 가열 플루 내 가스 연소로 독점적 간접 가열인 반면, 비회수 코킹에서는 필요 열이 오븐 챔버로 직접·간접 모두 전달.

사이클 시작 시 석탄 오븐 바닥에 충전. 탄화 공정 이전 사이클 잔열로 시작. 오븐 충전 푸셔 사이드 도어 개방으로 수행. 흔히 석탄 사전 스탬핑 후 뜨거운 오븐 챔버 충전. 전형적 충전 레벨 1,000mm.

방출된 원시 코크스 오븐 가스 오븐 도어 통해 유입 주변 공기로 크라운에서 부분 연소, 가스 다운코머 거쳐 오븐 솔 가열 플루 통과. 이 플루 시스템 오븐 바닥 아래, 추가 주변 공기 공급으로 1,200-1,400°C에서 원시 가스 완전 연소. 가스 애프터버너 터널 통과, 잔류 미연소 가스 산화. 애프터버너 터널 시스템 고온 가스 열회수 증기 발생기 송부.

최근 모든 설치에서 고온 폐가스 에너지 회수 후 탈황 거쳐 대기 배출. 코킹 시간 오븐 유형 따라 48-72시간 범위 변동. 코킹 시간 완료 후 코크스 인출, 보통 습식 담금질.

음압 운전으로 원리적으로 도어 누출 배출 방지. 코크스 인출 시 분진 배출 코크스 사이드 셰드 통해 배기. 흔히 푸셔 사이드 흡입 장치 설치로 충전 중 배출 포집.

충전, 인출, 담금질 시 배출 제어 기술은 부산물 오븐 적용 기술과 유사.

발생 온도로 휘발분 유독 탄화수소와 부산물 모두 오븐 내부 소각. 고온 가스 폐가스 터널 거쳐 열회수 증기 발생기, 고압 증기 생산(난방용 또는 발전용). 냉각 폐가스 탈황 플랜트 정제 후 대기 배출. 공정 흐름도 그림 4.

그림 4 비회수 코크스 오븐 공정 흐름도

비회수 코크스 오븐 이점

비회수 오븐 다양한 이점: (1) 폐수 처리 플랜트 불필요, (2) 순 폐수 배출 없음(모든 폐수 코크스 담금질 사용), (3) 벽압 제약 제거로 석탄 배합 선택 높은 유연성, (4) 느린 가열·고온·긴 담금 시간으로 일관된 결정 성장→코크스 강도 향상, (5) 코크스 오븐+부산물 플랜트 대비 소요 공간 적음, (6) 모듈러 건설 가능, (7) 음압 운전으로 가용 흡입점에서 주변 공기 유입→비산 배출 근원적 차단, (8) 유해 대기 오염물질 오븐 내 열산화로 파괴, (9) 공정 제어 포인트 적음.