야금용 코크스 품질 향상을 위한 석탄 탄화 공정 최적화

석탄 탄화는 석탄 코킹으로도 알려져 있습니다. 이 공정은 공기 부재 또는 제어된 분위기에서 석탄의 열분해로 구성되어 코크스로 알려진 탄소질 잔류물을 생산합니다.

석탄 탄화 온도 범위

석탄 탄화는 다음 세 가지 온도 범위에서 수행될 수 있습니다.

• 저온 탄화는 일반적으로 500°C~700°C 온도 범위에서 수행됩니다. 이 탄화 유형에서는 액체 생성물 수율이 높고 기체 생성물 수율이 낮습니다. 생산된 코크스는 높은 휘발분을 가지며 자유 연소합니다.
• 중온 탄화는 약 800°C 온도 범위에서 수행됩니다. 이 탄화는 무연 연질 코크스를 생산합니다. 부산물 특성은 고온 탄화와 유사합니다. 중온 탄화는 요즘 거의 수행되지 않습니다.
• 고온 탄화는 900°C 이상의 온도에서 수행됩니다. 이 탄화는 기체 생성물 수율이 높고 액체 생성물 수율이 낮습니다. 이 탄화는 경질 코크스를 생산하며 코킹 석탄으로부터 야금용 코크스 생산에 일반적으로 사용됩니다.

석탄 탄화 공정

석탄에서 코크스로의 변환은 석탄이 가열될 때 일어납니다. 용융 상태에 도달하면 가열된 석탄 층이 연화되고 융합됩니다. 약 375°C~475°C에서 석탄은 가소성 층을 형성하기 위해 분해됩니다. 가소성 층에서 파괴적 증류 반응이 휘발성 생성물 방출과 함께 빠르게 진행됩니다. 약 475°C~600°C에서 타르와 방향족 탄화수소 화합물의 현저한 방출이 있습니다. 가스와 응축성 증기는 가소성 질량에 갇혀 있으며, 팽창하면서 이를 부풀게 합니다. 반응이 진행되고 융합 구역 온도가 증가함에 따라 석탄의 가소성은 감소합니다. 지속적인 가열과 가스 방출로 융합 층은 전형적인 세포 구조 코크스 구조를 가진 반코크스로 점차 재고체화됩니다. 이 단계의 코크스는 여전히 상당한 휘발분을 함유합니다. 온도가 600°C 이상으로 더 증가하면 파괴적 증류 반응이 가스와 약간의 타르 방출과 함께 계속됩니다. 코크스 안정화는 온도가 600°C에서 1100°C로 증가함에 따라 일어납니다. 이는 코크스 질량 수축, 코크스 구조 발달, 최종 수소 방출로 특징지어집니다. 이 단계에서 최종 반응이 일어납니다. 이 반응들은 극도로 복잡한 고분자량 탄화수소에서 수소를 분리합니다. 온도 증가에 따라 코크스 질량은 수축 균열 발달과 함께 수축합니다.

케이킹 메커니즘

코킹 석탄이 탄화되면 먼저 광학적으로 등방성인 가소성 질량이 형성되고, 이후 점차 층상 네마틱 액정 결정이 형성됩니다. 이 고분자 상을 메조페이스(mesophase)라고 합니다. 이는 등방성 유체 석탄과 고체 이방성 반코크스 사이의 중간 상으로, 결국 메조페이스에서 형성되며 고체와 액체 사이의 중간 특성을 가집니다. 중간 상의 유동성이 상당히 높으면 메조페이스가 즉시 단일 더 큰 단위로 합쳐집니다. 증가하는 온도 범위에서 메조페이스는 지속적으로 형성되고, 크기가 커지며 결국 서로 접촉합니다. 따라서 메조페이스는 고체화되어 코킹 석탄을 코크스의 광학적 이방성 조직으로 변환할 수 있습니다.

코킹 석탄 역사

역사적 기록에 따르면 코크스는 4세기 중국에서 생산되었습니다. 중국인들은 9세기 이전부터 코크스를 난방과 요리에 처음 사용했습니다. 1709년 영국에서 코크스 연소 고로가 주철 생산을 위해 설립되었습니다. 18세기 초반에는 지면에 석탄 더미를 태워 외부 층만 타게 하여 더미 내부가 탄화 상태가 되도록 코크스를 제조했습니다.

'허스(Hearth)' 공정은 19세기 전반 동안 많은 지역에서 덩어리 석탄을 사용하여 계속되었습니다. 이 공정은 준비된 나무 더미를 가지, 잎, 흙으로 덮는 숯 제조와 유사했지만 코크스 먼지로 덮인 석탄 더미를 사용했습니다.

이것들은 이후 증가하는 제철용 경질 코크스 수요를 충족하기 위해 다양한 모양과 크기의 벌집 오븐 개발로 이어졌습니다.

벌집 오븐

벌집 오븐은 내부가 옛날식 벌집 모양이 되도록 아치형 지붕으로 지어진 단순 내화 벽돌 챔버입니다. 치수는 일반적으로 폭 4m, 높이 2.5m입니다. 벌집 오븐은 보통 이웃 오븐 사이에 공통 벽을 두고 한 줄로 나란히 지어집니다. 이러한 오븐 열을 배터리라고 합니다. 배터리는 보통 한 줄로 많은 오븐, 때로는 수백 개로 구성됩니다. 전형적인 벌집 오븐 단면도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 전형적인 벌집 오븐 단면도

석탄 취급을 위한 레일 트랙이 상단을 따라 지나가고, 코크스 차 취급을 위한 다른 레일 트랙이 오븐 옆에 지나갑니다. 지붕에는 상단에서 석탄이나 기타 착화재를 장입하기 위한 구멍이 있습니다. 방출 구멍은 벽 하부 둘레에 제공됩니다.

석탄은 돔 정점의 구멍을 통해 빈 오븐에 장입됩니다. 원뿔형 더미를 형성하며 문으로 통과시킨 갈퀴로 600mm~900mm 깊이의 균일한 층으로 평탄화됩니다.

탄화 공정은 이전 석탄 장입으로부터 오븐 벽에 유지된 열로 시작됩니다. 장입 후 거의 즉시 휘발분으로 구성된 가스가 석탄에서 생성됩니다. 연소용 공기는 오븐 문 상단 개구부 또는 측면 문을 통해 유입됩니다. 탄화 시작은 부분적으로 닫힌 측면 문 내부에서 연소되는 휘발분을 생성합니다. 탄화는 상단에서 하단으로 진행됩니다. 열은 연소하는 휘발분에 의해 공급되므로 부산물은 회수되지 않습니다. 배기 가스는 대기로 배출되도록 허용됩니다.

코킹 시간은 주로 석탄 층 깊이에 크게 의존하며 48~72시간 범위입니다. 코킹이 진행됨에 따라 방출 가스 부피가 감소하고, 문 개구부 크기가 상단 개구부에 벽돌을 도입하거나 그에 따라 감소시킵니다. 이는 공기 양을 조절하고 과도한 공기 유입을 방지하여 그렇지 않으면 코크스 일부를 태우고 오븐을 냉각시키기에 충분할 수 있습니다.

뜨거운 코크스는 물로 급랭되고 측면 문을 통해 수동으로 배출됩니다. 코킹이 완료되면 문이 열리고 백열 코크스는 개구부를 통해 향하는 물줄기로 급랭됩니다. 급랭된 코크스는 오븐에서 수동으로 갈퀴로 긁어내어 운반용 열차 차에 적재됩니다. 벽과 지붕은 다음 장입의 탄화를 개시하기에 충분한 열을 유지합니다.

석탄이 코크스 오븐에서 연소될 때, 이미 가스로 제거되지 않은 석탄 불순물이 축적되어 슬래그를 형성하며, 이는 효과적으로 제거된 불순물의 집합체입니다. 원하는 코크스 제품이 아니므로 슬래그는 폐기되거나 벽돌 제조, 혼합 시멘트, 심지어 비료 성분으로 사용됩니다.

새 오븐은 장입 전에 석탄이나 나무로 가열하여 온도를 높입니다.

벌집 코킹은 적은 생산량과 매우 많은 오염 배출로 인해 현재 구식 공정이지만 여전히 사용되고 있습니다.

부산물 회수 코크스 오븐 배터리

전 세계 코크스 생산의 최대량은 이 배터리에서 나옵니다. 이 배터리에서 석탄은 공기 부재 하에 탄화되며 배터리는 오븐에서 양압으로 운전됩니다. 이 코크스 오븐 배터리에서의 코크스 제조 공정은 오프가스가 수집되어 다양한 부산물이 회수되는 부산물 플랜트로 보내지기 때문에 부산물 코크스 제조라고 불립니다. 대부분의 부산물 회수 코크스 오븐 배터리는 코크스 오븐 가스 목적으로 제철소에 통합되어 있습니다.

부산물 회수 코크스 오븐 배터리에서의 코크스 제조와 코크스 오븐 부산물 플랜트 세부사항은 https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ 및 https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/ 링크의 별도 기사에서 제공됩니다.

비회수 코크스 오븐 배터리

비회수 코크스 오븐 배터리에서 석탄은 대형 오븐 챔버에서 탄화됩니다. 탄화 공정은 상단에서 복사 열전달과 바닥에서 솔 플로어 열전도로부터 발생합니다. 연소를 위한 1차 공기는 오븐 양쪽 푸셔와 코크스 사이드 도어의 장입 레벨 위에 위치한 여러 포트를 통해 오븐 챔버로 유입됩니다. 부분 연소 가스는 오븐 벽의 '다운코머' 통로를 통해 상단 챔버를 빠져나가 솔 플루에 진입하여 오븐 솔을 가열합니다. 연소 가스는 공통 터널에 모여 스택을 통해 배출되어 오븐에 자연 통풍을 생성합니다. 부산물이 회수되지 않으므로 이 공정을 비회수 코크스 제조라고 합니다. 이 배터리에서는 보통 배기 가스가 폐열 회수 보일러로 빠져나가 여분의 열을 발전용 증기로 변환하므로 이 공정을 열회수 코크스 제조라고도 합니다. 비회수 코크스 오븐 배터리에서의 코크스 제조 세부사항은 https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/ 링크의 별도 기사에서 제공됩니다.