코크스 오븐 가스 주입: 고로 효율 증대 및 CO₂ 배출 저감

고로 내 코크스 오븐 가스 주입

철강 산업은 주요 에너지 소비 산업 중 하나로 높은 이산화탄소(CO₂) 배출의 책임이 있습니다. 대부분의 제철소에서 단위당 CO₂ 배출량이 크게 감소했음에도 불구하고, 2013년 16억 600만 톤에 도달한 조강 생산의 지속적 증가로 인해 전 세계적으로 총 CO₂ 배출량은 증가하고 있습니다. 오늘날 철강 산업은 특히 제선 공정에서 에너지 소비와 가스 배출을 최소화하라는 압박에 직면해 있습니다. 부생 가스의 효율적 사용은 관련된 높은 에너지량과 비용으로 인해 제철소 운영의 수익성에 필수적입니다. 현대 고로에 코크스 오븐 가스(COG)를 주입하는 것은 철강 산업이 저탄소 제선, 에너지 절약, 배출 저감을 달성하기 위한 효과적인 조치 중 하나입니다.

코크스는 제선 공정의 필수 투입재로, 코크스 오븐에서 석탄을 가열하여 생산됩니다. 코크스를 만들기 위해 산소 없이 석탄을 가열하여 휘발분을 제거합니다. COG는 제철소에 일반적으로 설치된 부생 코크스 오븐 배터리에서 코크스 제조 공정의 부산물로 생산됩니다. 부생 코크스 오븐에서 코크스 제조 중 생성되는 COG의 특정량은 석탄 투입의 휘발분에 따라 290~340 N㎥/t 범위입니다.

현재 COG는 타르, 나프탈렌, 조벤젠, 암모니아, 황을 정제한 후 고로 스토브 가열, 소결 플랜트 점화로, 압연 밀 가열로, 발전소 전력 생산 등에 사용됩니다.

COG의 조성은 약 55~58% H₂, 25~27% CH₄, 6~7% CO 및 소량의 CO₂, N₂, 탄화수소 및 기타 원소로 구성됩니다. COG 조성이 수소가 풍부하여 최근 몇 년간 환원 공정에서의 활용에 많은 주목을 받고 있습니다.

COG는 고로에서도 환원제로 사용될 수 있습니다. COG 주입은 대량의 코크스 오븐 가스를 고로 레이스웨이(raceway)에 주입하는 공정입니다. 이는 보조 탄소 공급원을 제공할 뿐만 아니라 용선 생산 속도를 높이고 고로 내 반응을 위한 야금 코크스 필요성을 줄여줍니다. COG 주입 기술은 고로로부터 절대적인 CO₂ 배출량과 SO₂ 배출량도 줄여줍니다.

고로 가스 주입 시험은 1990년대 중반 미국에서 수행되었습니다.

에너지 절약과 비용 절감을 위해 USS(U.S. Steel)는 펜실베이니아 피츠버그 외곽에 위치한 몬 밸리(Mon Valley) 공장에서 고로에 COG를 사용할 수 있는 시스템을 개발했습니다. 북미의 다른 제철소들도 이를 시도했지만, USS가 고로에서 COG를 성공적으로 사용한 최초의 사례입니다. 이를 위해 USS는 가스를 철저히 정제하고 압력을 높이며 수정된 고로 취입구(tuyere)를 사용했습니다. 이 프로젝트 구현에는 약 600만 달러가 소요되었으며 연간 610만 달러 절감으로 1년 미만의 단순 회수 기간을 기록했습니다. 비용 절감 외에도 고로에 COG 주입은 에너지 소비와 CO₂ 배출 감소에 기여했습니다.

고로 내 COG 주입은 레이스웨이 조건과 철광석 환원에 영향을 미칩니다. 취입구 앞의 고로 풍(blast oxygen)에 의한 COG 탄화수소 연소로 일산화탄소와 수소 가스가 생성되어 N₂ 대비 환원 가스 잠재력이 증가합니다. 이론적 계산과 BF에서 천연가스를 COG로 대체한 상업 시험 결과, 코크스 소비 감소와 용선 생산 증가를 보였습니다. COG의 높은 효율은 천연가스에 비해 탄화수소가 3.5~4배 적기 때문입니다. 이는 취입구 화로에서 연소를 개선하고, 코크스 컬럼을 활성화하며, 로 내 가스 이용률을 높입니다. COG 주입으로 고로 상부 가스의 더 높은 부피와 발열량을 생성할 수 있으며, 랜스 팁으로부터의 거리에 따라 평균 온도도 상승하는 것이 관찰되었습니다.

레이스웨이 조건은 매우 복잡하며 취입구 조건에도 영향을 미치고 따라서 환원 가스 연소에도 영향을 미친다는 점을 지적해야 합니다. 또한 더 완전한 연소와 가스의 높은 발열량(약 4,000~4,400 kcal/N㎥)으로 인해 COG 주입 시 온도 상승이 더 높습니다.

취입구 레벨에서 주입되는 COG는 일반적으로 열풍의 산소 농축을 동반합니다. COG는 주입을 위해 압축되어야 하므로 압축기 유닛이 필요하며 이는 전력 소비 증가를 의미합니다. 열풍에 산소 주입은 가스 비유량을 감소시켜 상부 온도 감소와 취입구에서 레이스웨이 단열 화염 온도(RAFT) 증가를 초래합니다. 이러한 효과는 대체 연료 주입에 의해 보상됩니다. 따라서 취입구 레벨에서 산소와 COG의 병합 주입은 고로 생산성을 증가시킵니다. 열풍 산소 농축 1%마다 생산성이 2.0~2.5% 향상됩니다. 고로 내 COG 주입의 일반적인 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

고로 내 COG 주입은 약 30~280 N㎥/tHM 범위의 다양한 주입율로 일부 국가에서 시행되고 있습니다. 일부 고로에서는 통합 플랜트에서 자유롭게 사용 가능한 COG가 제한되어 간헐적으로만 주입됩니다. COG 활용의 유연성은 순간적인 필요에 따라 고로와 다른 가스 사용자 간에 가스를 이동시킴으로써 향상될 수 있습니다. 따라서 고로에 주입되는 가스는 외부에서 구매해야 하는 대체 환원제를 대체합니다.

또한 고로 취입구에서 COG 최대 주입 수준은 열화학적 조건에 따라 0.1톤 COG/tHM으로 생각된다고 보고되었습니다. 달성되는 코크스/COG 대체 비율은 일반적으로 0.4~0.45 kg/N㎥(약 0.98톤 코크스/톤 COG)로, 천연가스(NG)의 0.8~0.85 kg/N㎥와 비교됩니다.

스웨덴 MEFOS에서 고로 주입 취입구의 연소를 시뮬레이션하기 위해 환원 가스 주입 시 수학적 모델을 개발했습니다. 고로 취입구에 COG 주입에 대한 수학적 모델링 결과, 단일 랜스 대비 두 개의 주입 랜스 사용 시 더 나은 연소 조건과 더 높은 주입율을 달성함을 나타냈습니다.

단일 랜스 주입 결과: (i) 온도와 속도의 매우 불균일한 분포, (ii) 유량이 높은 속도로 레이스웨이 끝까지 도달, (iii) 레이스웨이 끝에서 최고 온도, (iv) 취입구 과열 없음.

두 개 랜스 주입 결과: (i) 침투 깊이 현저히 감소, (ii) 온도, 속도, 가스 농도의 더 균일한 분포, (iii) 중유 주입과 유사한 더 균일한 연소, (iv) 취입구 과열 없음.

일반적인 고로에서 단일 랜스 또는 두 개 랜스 사용과 관련된 기타 사항은 다음과 같습니다.

• 단일 주입 랜스 사용 시 최대 주입량은 10,000 N㎥/h입니다. 주입량이 더 높으면 가스 일부가 취입구에서 연소하지 않고 미연소 상태로 고로로 유입됩니다.
• 두 개 주입 랜스 사용 시 최대 주입량은 15,000 N㎥/h로 증가합니다. 가스 입구 속도가 낮고, 취입구 파이프 내 난류가 강화되며, 더 많은 코크스 오븐 가스가 고로 풍과 접촉하여 반응 면적이 더 커지기 때문입니다.
• 랜스 주입 각도 변화가 예측 결과에 미치는 영향은 명확하지 않습니다.

일반적인 취입구 랜스 시스템의 개요는 그림 2에 나와 있습니다. 여기에는 COG 주입용 두 개의 주입 랜스가 고로 풍관에 삽입되어 있고, 고로 풍관과 구리 취입구가 포함됩니다.