코크스 오븐 부산물 플랜트: 가스 포집 최적화와 에너지 효율 극대화

코크스 오븐 부산물 플랜트

코크스 오븐 부산물 플랜트는 부산물 코크스 제조 공정의 필수적인 부분입니다. 코크스 오븐 배터리에서 석탄 건류로 코크스를 생산하는 동안 석탄의 휘발분 기화로 대량의 가스가 생성됩니다. 가스는 코킹 기간 대부분 동안 생성되며, 조성과 발생 속도는 이 기간 동안 변하고, 석탄 장입 온도가 700℃에 도달할 때쯤 보통 완료됩니다. 이 가스를 원료 코크스 오븐 가스(raw coke oven gas)라고 하며, 부산물 플랜트에서 처리됩니다. 부산물 플랜트의 기능은 원료 가스를 처리해 가치 있는 석탄 화학 제품을 회수하고, 가스를 정제해 청정하고 환경 친화적인 연료 가스로 사용할 수 있도록 조절하는 것입니다.

코크스 오븐 챔버를 떠난 원료 코크스 오븐 가스는 플러싱 리큐어(flushing liquor)를 분무해 온도를 충분히 낮추고, 가장 쉽게 응축되는(높은 비점) 성분을 응축시킵니다. 원료 가스는 분무 리큐어의 단열 증발로 약 80℃까지 냉각되며 수증기로 포화됩니다. 가스 온도가 충분히 낮아져 가스 집기관(gas collecting main)에서 다룰 수 있게 됩니다. 가스 집기관에서 원료 코크스 오븐 가스는 흡입관(suction main)으로 흐릅니다. 오븐 챔버를 떠나는 뜨거운 가스에 분무되는 플러싱 리큐어 양은 냉각에 필요한 양보다 훨씬 많으며, 증발되지 않은 나머지 플러싱 리큐어가 가스 집기관에서 액체 스트림을 형성합니다. 이 단계에서 액체 응축액 스트림과 가스 스트림 두 가지 스트림이 존재합니다. 두 스트림은 코크스 오븐 배터리 구역을 떠나기 전 버터플라이 제어 밸브를 통과합니다. 이 제어 밸브는 집기관 내 약간의 양압을 유지해 코크스 오븐 챔버 내 안전한 작업 조건을 제공하도록 설정됩니다.

가스 집기관의 액체 스트림은 응축된 타르와 기타 화합물을 씻어냅니다. 플러싱 리큐어 스트림은 중력으로 원료 코크스 오븐 가스와 함께 흡입관으로 흐릅니다. 원료 코크스 오븐 가스와 플러싱 리큐어는 흡입관의 드레인 팟(drain pot, 다운코머)에서 분리됩니다. 플러싱 리큐어와 원료 코크스 오븐 가스는 다시 부산물 플랜트로 각각 흘러가 처리됩니다.

코크스 오븐 배터리에서 오는 포화 원료 가스에는 약 46~48% 수증기가 포함됩니다. 원료 가스의 기타 성분은 수소, 메탄, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 고급 파라핀, 불포화 탄화수소(에탄, 프로판 등), 산소 등입니다. 원료 코크스 오븐 가스에는 코크스 오븐 가스의 고유한 특성을 주는 다양한 오염물질도 포함됩니다. 이들은 다음과 같습니다.

• 타르 성분
• 타르 산성 가스(페놀성 가스)
• 타르 염기성 가스(피리딘 염기)
• 벤젠, 톨루엔, 자일렌(BTX), 경유(light oil) 및 기타 방향족 화합물
• 나프탈렌
• 암모니아 가스
• 황화수소 가스
• 시안화수소 가스
• 염화암모늄
• 이황화탄소

부산물 플랜트의 기능

원료 코크스 오븐 가스를 청정하고 환경 친화적인 연료 가스로 사용하기 위해 부산물 플랜트는 다음 기능을 수행해야 합니다.

• 코크스 오븐 가스 냉각으로 수증기와 오염물질 응축
• 가스 라인/장비 오염 방지를 위한 타르 에어로졸 제거
• 가스 라인 부식 방지를 위한 암모니아 제거
• 응축에 의한 가스 라인 오염 방지를 위한 나프탈렌 제거
• 벤젠, 톨루엔, 자일렌(BTX) 회수 및 판매를 위한 경유 제거
• 코크스 오븐 가스 연소에 관한 지역 배출 규제 준수를 위한 황화수소 제거

코크스 오븐 가스 처리 외에도, 부산물 플랜트는 코크스 오븐 배터리로 반환되는 플러싱 리큐어 조절과 코크스 제조 공정에서 발생하는 폐수 처리도 수행해야 합니다. 부산물 플랜트의 일반적인 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 일반적인 부산물 플랜트 블록 다이어그램

타르 및 리큐어 처리 플랜트

타르 및 리큐어 플랜트는 부산물 플랜트와 코크스 오븐 배터리 사이를 순환하는 플러싱 리큐어를 처리합니다. 또한 코크스 제조 공정에서 발생하는 폐수(석탄 수분과 화학적으로 결합된 물에서 유래)도 처리합니다. 이 플랜트의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 적절한 플러싱 리큐어 스트림의 연속적 신속 분리. 이 흐름은 뜨거운 오븐 출구 가스를 가스 집기 시스템에서 다룰 수 있는 온도까지 냉각하는 데 필요하므로 매우 중요한 기능입니다.
• 청정하고 타르가 없는 초과 암모니아 리큐어 분리로 추가 처리.
• 물과 고형분이 거의 없는 청정 타르 분리.

플러싱 리큐어 공급이 매우 중요하므로, 플러싱 리큐어 디캔팅과 재순환을 위한 예비 장비가 보통 제공됩니다.

플러싱 리큐어는 타르 디캔터로 흘러 타르가 물에서 분리되어 타르 저장소로 펌핑되어 타르 증류 플랜트에서 처리되거나 판매됩니다. 더 무거운 고체 입자가 타르 층에서 분리되어 타르 디캔터 슬러지로 제거됩니다. 수용성 리큐어는 다시 배터리로 펌핑되며, 일부는 회로에서 분리되어 코크스 플랜트 '초과 리큐어' 또는 폐수가 됩니다. 이는 암모니아를 포함하며, 타르 입자 추가 제거 후 스틸(still)에서 증기 스트리핑됩니다. 스틸에 수산화나트륨 같은 알칼리를 첨가해 리큐어에 용해된 암모니아 화합물을 분해합니다. 스틸에서 나온 암모니아 증기는 암모니아 제거 시스템 상류의 코크스 오븐 가스로 공급되거나, 스틸 자체가 암모니아 제거 시스템에 통합되기도 합니다. 어느 쪽이든 코크스 오븐 가스와 폐수에서 제거된 암모니아의 최종 처리는 동일합니다. 스트리핑된 스틸 유출수는 방류되거나 현장 생물학적 폐수 처리장에서 잔류 암모니아, 페놀, 시안화물 제거를 위해 추가 처리됩니다.

가스 처리 공정

부산물 플랜트의 가스 처리 공정은 보통 다음 플랜트 장비로 구성됩니다.

• 1차 가스 쿨러 – 1차 가스 쿨러는 원료 코크스 오븐 가스를 냉각해 수증기를 제거함으로써 부피를 줄입니다. 1차 쿨러는 스프레이 타입 쿨러와 수평 튜브 타입 두 가지 기본 유형이 있습니다. 스프레이 타입 쿨러에서는 코크스 오븐 가스가 순환 수분무와 직접 접촉으로 냉각되며, 접촉 냉각수는 외부 열교환기에서 냉각됩니다. 튜브 타입에서는 코크스 오븐 가스가 냉각수가 펌핑되는 수평 장착 튜브를 가로질러 흐르며 간접 냉각됩니다. 이 경우 냉각수가 코크스 오븐 가스와 접촉하지 않으므로 냉각탑 등에서 냉각할 수 있습니다. 코크스 오븐 가스가 냉각되면서 물, 타르, 나프탈렌이 응축되어 나옵니다. 응축액은 1차 쿨러 시스템에 모였다가 타르 및 리큐어 처리 플랜트로 배출됩니다.
• 타르 프리시피테이터 – 원료 코크스 오븐 가스가 냉각되면서 타르 증기가 응축되어 에어로졸을 형성하고 가스 흐름에 실려갑니다. 이 타르 입자가 가스 스트림에 계속 남아 있으면 하류 공정을 오염시키고 가스 라인과 버너 노즐을 오염시킵니다. 타르 프리시피테이터는 일반적으로 고전압 전극으로 타르 입자를 대전시킨 후 정전기적 인력으로 가스에서 포집합니다. 타르 프리시피테이터는 익호스터(exhauster) 전후에 설치할 수 있습니다.
• 익호스터 – 익호스터는 코크스 오븐 배터리에서 부산물 플랜트를 통해 코크스 오븐 가스가 흐르도록 하는 동력을 제공합니다. 익호스터는 코크스 오븐 배터리 운영에 최우선 중요합니다. 집기관 내 가스 압력을 정밀 제어할 수 있게 하며, 이는 코크스 오븐 배터리의 도어 배출 등 배출 정도에 영향을 줍니다. 익호스터 고장은 생성된 모든 원료 코크스 오븐 가스가 배터리 플레어를 통해 대기로 즉시 배출되는 결과를 낳습니다.
• 암모니아 제거 – 암모니아의 부식성 때문에 부산물 플랜트에서 제거는 필수적입니다. 코크스 오븐 가스에서 암모니아 제거로 황산암모늄이라는 판매 가능한 제품이 나옵니다. 황산암모늄 공정은 기본적으로 코크스 오븐 가스를 황산 용액과 접촉시키는 것입니다. 변형으로는 흡수기에서 황산 용액을 가스에 분무하거나, 새처레이터(saturator)에서 가스를 황산 용액 욕조에 거품지게 통과시키는 방식이 있습니다. 황산은 코크스 오븐 가스 내 암모니아와 쉽게 반응해 황산암모늄을 생성합니다. 이는 결정화되어 용액에서 분리, 건조되어 비료로 판매됩니다. 보다 현대적인 암모니아 제거 공정으로는 물 세척 공정이 있는데, 코크스 오븐 가스를 물로 스크러빙해 암모니아와 일부 황화수소, 시안화수소를 용해시킵니다. 결과 스크러빙 용액은 암모니아 스틸로 펌핑되어 증기로 암모니아를 스트리핑합니다. 스틸에서 나온 암모니아 증기는 위와 유사한 공정으로 황산암모늄을 만들거나, 농축 암모니아 용액으로 응축시키거나, 소각하거나, 촉매 전환으로 질소와 수소로 변환해 코크스 오븐 가스로 재순환시킬 수 있습니다.

코크스 오븐 가스에서 암모니아를 제거하는 또 다른 공정은 US 스틸이 개발한 PHOSAM 공정입니다. 이 공정은 인산일암모늄 용액으로 코크스 오븐 가스의 암모니아를 흡수합니다. 이 공정은 판매 가능한 무수 암모니아를 생산합니다.

• 최종 가스 쿨러 – 최종 가스 쿨러는 익호스터를 통과하며 얻는 압축열을 코크스 오븐 가스에서 제거합니다. 이는 많은 부산물 플랜트 공정의 효율이 낮은 온도에서 크게 향상되기 때문에 필요합니다. 최종 가스 쿨러는 따라서 물 세척 암모니아 스크러버 상류에 배치됩니다. 최종 가스 쿨러는 일반적으로 물이나 세척유(wash oil)와 직접 접촉으로 코크스 오븐 가스를 냉각합니다. 최종 가스 쿨러 운영의 중요한 측면은 1차 가스 쿨러 출구 온도 이하로 코크스 오븐 가스를 냉각하면 가스에서 나프탈렌이 응축된다는 점입니다. 이 나프탈렌은 냉각 매체에서 쉽게 결정화되어 장비를 오염시키므로 제거해야 합니다. 세척유 최종 가스 쿨러에서는 나프탈렌이 세척유에 용해되고 오일 측류를 증기 스트리핑해 나프탈렌을 제거합니다. 물을 냉각 매체로 사용하면 응축된 나프탈렌을 타르로 흡수합니다. 타르는 냉각수에 섞여 흐름의 일부가 지속적으로 블로다운되어 처리되거나, 냉각수가 흐르는 타르 층 형태를 취합니다. 타르는 타르 및 리큐어 처리 플랜트에서 신선한 타르와 지속적으로 교환되어 흡수된 나프탈렌을 처리합니다.
• 나프탈렌 제거 – 나프탈렌은 세척유를 사용하는 가스 스크러빙 용기에서 코크스 오븐 가스에서 제거됩니다. 용기는 충전형이거나 세척유를 여러 단계로 가스에 분무하는 '보이드(void)' 타입일 수 있습니다. 세척유는 스틸에서 증기로 나프탈렌을 스트리핑해 재생합니다. 일부 플랜트에서는 나프탈렌 제거가 경유 제거와 유사한 공정으로 통합됩니다. 나프탈렌은 종종 중유 스트림으로 회수되어 부산물 플랜트에서 생산된 타르와 혼합됩니다.
• 경유 – 주로 벤젠, 톨루엔, 자일렌(BTX)으로 구성된 유사한 화학 물질 혼합물의 일반적 용어입니다. 벤졸 오일(benzol oil)이라고도 합니다. 코크스 오븐 가스에서 경유 제거는 나프탈렌 제거와 유사한 공정으로 세척유를 사용합니다. 경유는 스틸에서 세척유로부터 스트리핑되어 조경유(crude light oil)로 응축됩니다. 이 오일은 외부에서 추가 정제를 위해 판매하거나 부산물 플랜트의 경유 플랜트에서 여러 증류 단계를 거쳐 정제할 수 있습니다. 경유는 실제로 코크스 오븐 가스에 남겨둘 수 있으며, 이때 발열량을 높입니다.
• 코크스 오븐 가스 탈황 – 코크스 오븐 가스에서 황화수소 제거를 위한 여러 공정이 있습니다. 특정 공정이 가스 트레인 내 설치 위치를 결정합니다. 주요 탈황 공정으로는 진공 공정, 암모니아 공정, 세척 공정, 설피반 공정, 클라우스 공정 등이 있습니다.