부산물 회수형 코크스 오븐 배터리: 제철용 코크스 제조 공정 해설

코크스는 고로에서 철광석을 선철(용선)로 환원하는 핵심 원료로, 대부분 고로용으로 쓰이며 주철·비철 제련·화학·강재 카버라이징에도 이용됩니다. 코크스와 부산물(코크스오븐가스, 타르, 암모니아, 페놀, 나프탈렌, 경유, 황)은 적성 석탄을 무공기 상태에서 열분해(탄화)해 얻습니다. 코크스오븐가스는 타르·암모니아(황산암모늄 회수)·페놀·나프탈렌·경유·황 제거 후 연료·증기·발전용으로 활용합니다.

산업 구조와 원료탄

• 일관 제철소 부설(Integrated): 자사 고로용 고로코크스 주생산.
• 독립 상인 플랜트(Merchant): 고로·주조·비철용 코크스 공개 시장 판매.

좋은 코크스는 우량 코킹 석탄 탄화로 얻습니다. 코킹 석탄은 가열 시 연화·팽창·재고결로 코크스화. 배합탄 선정 시 오븐 벽압 과다 방지, 수축 충분(푸시 용이) 필수. 코크스는 저회분·저유황 역청탄을 1,100~1,200°C 제어 온도에서 건류(탄화)해 얻는 고체 탄소질 물질(회분+고정탄소 잔류물). 휘발분(타르·유분 등) 제거, 탄소 연소 미발생. 휘발분 25% 수준이 코킹 적합. (관련: 코킹 석탄, 석탄 개요, 석탄 탄화, 야금 코크스)

코크스 품질·푸시 성능 영향 인자

석탄 랭크, 암석학적/화학적/유변학적 특성, 입도, 수분, 겉보기 밀도, 풍화, 탄화 온도·속도, 담금 시간, 퀜칭, 코크스 취급 등 10대 요인. 전 공정 관리 시 품질 변동 최소화. 다양한 석탄 배합·다양한 품질·생산성·배터리 수명 향상 기법 병용.

석탄 전처리 및 충전

일반적으로 2종 이상 저/중/고휘발분 석탄(저유황·저회분) 배합. 목적: 코크스 물성 제어, 부산물 수율·품질 최적화, 팽창성 석탄에 의한 과도 벽압 방지.

1. 수신(철도) → 1차 파쇄 → 저장 → 배합 비율 계량 → 코크스 제조 폐기물 혼입 → 최종 파쇄(3.2mm 하회 85% 이상) → 혼합 → 코크스 타워 벙커 이송.
2. 컨베이어→혼합 빈 저장→파쇄기(미분탄화 반응성·코크스 강도 고려 입도 제어, 저휘발분탄 미립화 유리).
3. 배합탄 혼합·물/오일 첨가(겉보기 밀도 제어)→타워 저장.

특수 배합 기술: ① 공기 분리 이용 선택적 파쇄 ② 열처리(예열) ③ 부분 브리케팅 ④ 스탬프 차징용 배합.

충전 방식: 탑 차징(중력, 차징카) 또는 스탬프 차징(푸셔 측 도어). 탑 차징: 계량 탄 차징카→빈 오븐 스포팅(spotting)→차징 포트 뚜껑 개방→호퍼에서 오븐 내 낙하. 증기 아스피레이션으로 충전 중 가스 유출 최소화(집합 메인 흡인). 충전 포트 하부 피크 형성→푸셔 측 레벨링 도어(chuck door)로 레벨링 바 삽입 평탄화→균일 탄화·가스 배출로 확보. 레벨링 도어·차징 포트 폐쇄(러팅 lute 점토 밀봉)→아스피레이션 중단→오프테이크 시스템·집합 메인으로 가스 유도.

탄화 공정과 오븐 배터리 구조

코크스 오븐 배터리: 20~100기 인접 오븐, 공통 측벽(고품질 실리카·타 내화벽돌). 단일 오븐: 길이 11~18.74m, 폭 0.35~0.5m, 높이 3.0~7.4m. 측벽·단벽은 연소 플루(flue) 다열 구성. 다수: 수직 플루(개별 플루 다수), 소수: 수평 플루(뱀행, 연소가스 상→하).

가열 시스템: ① 언더제트(under jet): 지하 배관서 각 플루 개별 유량 제어. ② 건-플루(gun-flue): 수평 가스 덕트→짧은 덕트→수직 플루 하부 노즐 브릭. 최신: PVR 시스템(트윈 수직 플루+폐가스 재순환).

역전(reversal) 운전: 벽면 플루 절반 연소, 절반 폐열 회수(열교환→연소탑). 20~30분마다 역전→벽돌 융점 초과 화염온도 보호, 석탄 덩어리 균일 가열. 오븐당 15~50톤 석탄 보유.

오프테이크 플루: 열분해 가스 배출. 공정 열원은 챔버 간 가스 연소. 오븐별 순환 운전, 주기=탄화 시간. 다수 오븐으로 부산물 연속 생산. 충방전 간격 균등. 탄화 시간: 고로코크스 15~18시간, 주조코크스 25~30시간(배합·수분·가열률·목표 물성 결정). 저생산 시 연장(고로 24h, 주조 48h). 탄화 온도 900~1,100°C(고로코크스 고온측).

탄화 메커니즘: 석탄 벽면 접촉→가소대(plastic zone) 형성·뙤중심 합류. 휘발분 가소대 전방 탈출. 중심부 최대 1,100~1,500°C→전 휘발분 증발→고품질 야금 코크스 생성. 오븐 내 공기 유입 차단 위해 10mmH₂O 양압 유지. 진화 가스·탄화수소 오프테이크→부산물 플랜트 회수.

푸싱·퀜칭·건식 냉각(CDC)

탄화 종료 임박(푸시 순서 3~4번째) 오븐 댐퍼 차단→스탠드파이프 캡 개방 압력 해제(미자연착화 시 점화 연소 지속). 더블 메인 시 양 스탠드파이프/차징 리드 개방으로 드래프트 형성(비하이빙 beehiving, 미완성 시 짙은 배출).

푸싱: 양단 도어 개방→푸셔 램으로 소결 코크스 푸시→코크스 가이드→퀜치카(quenching car)→퀜치 타워 수냉(공기 접촉 연소 방지)→코크스 와프(wharf) 경사면 배수·냉각→게이트 제어 컨베이어→파쇄·스크리닝.

건식 냉각(CDC): 퀜치카=코크스 버킷카. 2단 CDC 챔버(예냉·냉각), 보일러, 집진망. 버킷카→예냉실(먼지 분리)→냉각실 배치 충전→불활성 가스(질소) 밀폐 순환→보일러서 열회수(증기 발생)→하부 배출. (참조: 코크스 건식 냉각)

부산물 플랜트: 코크스오븐가스 정제

원료 가스: 스탠드파이프→구스넥→댐퍼 밸브→집합 메인→부산물 플랜트. 석탄 중량 20~35%, 수증기·타르·경유·중질 탄화수소 등.

1. 쇼크 쿨링: 구스넥서 재순환 플러싱 리쿼 분무→760~870°C→80~100°C. 타르 침전·증기 응축·운반 매체 역할. 디캔터 분리→타르·유도체 후처리.
2. 최종 타르 제거: 타르 엑스트랙터 또는 정전기 집진기. 출구 잔류 암모니아 75%, 경유 95%(벤젠·톨루엔·자일렌 주체).
3. 암모니아 회수: 수흡수(수용액) 또는 황산암모늄염. 새츄레이터서 5~10% 황산 용액 중 결정화→에어 인젝터/원심펌프 탈리→원심 건조.
4. 최종 냉각: 60°C→간접 열교환 24°C.
5. 경유(벤졸) 스크러버: 워시 오일(중질 석유분/콜타르 오일) 충진탑 흡수(자중 2~3%, 제거율 95%). 풍부 오일→역류 증기 스트리핑→열교환·응축·수분리→조경유 판매 또는 벤젠·톨루엔·자일렌·용매 나프타 분리.
6. 탈황: H₂S 제거 후 연료 사용. 코크스오븐가스 발열량 ~4,400 kcal/Nm³. (참조: 부산물 플랜트, 가스 발생·이용)

전형적 흐름도 Fig 1 참조.

환경 이슈

코크스 오븐은 주요 비산 배출원. 톤당 코크스 기준: 분진(PM) 0.7~7.4 kg, SOx 0.2~6.5 kg(평균 2.9), NOx 1.4 kg, NH₃ 0.1 kg, VOCs 3 kg(벤젠 2 kg), CH₄ ~100 g, H₂S 50~80 g(푸싱), HCN, SOx(공급 황 30% 방출). 부산물 회수 공정서도 VOCs 다량. 무증기 회수 시 상기 배출.

석탄 취급 분진 10% 기여. 충전·푸싱·퀜칭이 주요 분진원.

폐수: 0.3~4 m³/t. 주원: 가스 냉각·암모니아/타르/나프탈렌/페놀/경유 처리. 벤젠 10 mg/L, BOD 1,000 mg/L(4 kg/t), COD 1,500~6,000 mg/L, SS 200 mg/L, 페놀 150~2,000 mg/L(0.3~12 kg/t), PAHs 30 mg/L, 암모니아-N 0.1~2 kg/t, 시안 0.1~0.6 kg/t.

고형 폐기물(코크스 브리즈 제외 평균 1 kg/t): 벤젠·PAHs 유해 성분 다수. 콜타르 회수 잔사 0.1, 타르 디캔터 0.2, 타르 저장 0.4, 경유 처리 0.2, 폐수 처리 0.1, 나프탈렌 회수 0.02, 타르 증류 0.01, 생물 처리 슬러지 등 kg/t 단위 발생.