코크스 제조용 석탄 배합 최적화: 효율적 생산을 위한 선택 가이드

코크스 제조용 석탄 배합(Coal Blend) 선정

석탄 배합은 경제성 관점에서 필수: 고가 프라임/하드 코킹 콜(Prime/Hard coking coal) 비율 낮추고 미디엄/소프트 코킹 콜로 대체. 일부 코크스 오븐 플랜트서는 비코킹/증기탄(Non-coking/Steam coal) 소량 배합도 활용.

부산물 코크스 오븐용 적정 석탄 배합 선정은 코크스 생산자에게 항상 큰 도전. 배합은 다음 요건 충족해야 함.

• 석탄 준비 공정 분쇄 요건 충족. 모든 성분 과분쇄/미분쇄 안 됨. 충전용 입도 배합: 밀도, 유동성, 입도 분율 요건 만족.
• 고로용 코크스 품질 요건 충족 위한 필수 코킹·케이킹 특성 보유. 고로 코크스 3대 기본 품질: (1) 고로 내 흡열 반응 열원 공급, (2) 필요 환원 가스 생성→환원제 역할, (3) 철원료 부담 투과성 지지체 역할.
• 코크스 오븐 안전 푸싱 성능 확보. 코킹 과정 중 오븐 벽 과도 압력 가해 손상 방지.
• 코크스·코크스 오븐 가스 수율 요건 충족. 적정 배합=과도 넛 코크스·코크스 브리즈 미생산.
• 경제적일 것.

다양·상충 요건 고려해 배합 결정은 임의적 아닌 신중히. 처리량, 고품질, 비용 효율 등 경쟁 요건 간 균형 달성하도록 배합 설계 필요. 배터리 수명 중요성 고려 필수.

위 요건 고려해 배합 설계 초점:

1. 코크스 물리적 물성 만족
2. 코크스 화학적 물성 만족
3. 코크스 오븐 푸싱 성능 만족
4. 저가치 탄소 재료(소프트 콜) 최대 활용
5. 경제적 요건 충족
6. 석탄 분율 지속적 가용성 보장(빈번한 배합 변경 방지)

석탄 배합 설계 절차

일반적으로 단계적 수행. 신규 석탄 추가 시도 동일 절차 필요.

1. 품질 데이터시트 검토: 공급자 제공 데이터시트로 품질 평가, 배합 사용 적합성 판단. 비용·장기 가용성 확인. 예비 만족 시 5kg 샘플 요청.
2. 실험실 테스트: 5kg 샘플로 석탄 품질 분석, 데이터시트 일치 확인. 테스트 결과→배합 가능 비율 결정. 예비 경제성 평가. 만족 시 파일럿 오븐 탄화 시험용 충분량 발주.
3. 파일럿 오븐 탄화 시험: (1) 신규 석탄 100%, (2) 계획 배합 비율 신규 석탄 포함 배합. 수축·가스 압력 시험 병행. 성공 시 계획 비율로 플랜트 시험 적용. 시험 중 전 파라미터 밀착 모니터링.
4. 플랜트 시험 성공 → 정기 배합 채택.

최종 선정 시 가격, 석탄 준비 플랜트 요건, 조달 품질 관리도 고려.

석탄 배합 설계 핵심 물성

1. 코크스 물리적 물성 위한 배합 설계

안정 고로 운전에 중요한 코크스 물리적 물성: (1) 코크스 반응성 지수(CRI), (2) 반응 후 강도(CSR), (3) 미쿰 인덱스(Micum index).

• CRI: 상온 코크스 파손 저항성→고로 외부·상부 거동 반영.
• CSR: 고로 환원 분위기 노출 후 강도→고로 하부 2/3 고온 CO/CO₂ 환경서 소립화 잠재력 측정.
• 미쿰 인덱스: 드럼 테스트, 상온 강도. M40(+40mm 원형공 잔존율, 100회전 후) 크고 M10(-10mm) 작을수록 고강도.

석탄 암석학적 분석(Petrographic analysis) – 코크스 강도 예측 주요 도구. 중요 특성:

• 도가니 팽창 수(CSN, Crucible Swelling Number) – 코킹 콜 3~6. 프라임=높음, 소프트=낮음.
• 최대 팽창도(Maximum dilatation) – 최소 55%. 배합 성분 최대 팽창도 값 의존.
• 최대 유동도(Maximum fluidity) – 코킹 콜 최소 600 ddpm. 고유동도=오븐 내 유동성 우수.
• 그레이 킹 코크 타입(Gray king coke type) – 코킹 콜 G5 이상. 소프트 콜 하한 G min.
• 평균 최대 반사율(MMR, Mean Maximum Reflectance) – 코킹 콜 0.85~1.35%. 소프트=낮음, 하드=높음.
• 비트리나이트(Vitrinite) – 코킹 콜 최소 50%. 소프트=45% 하한.
• 비트리나이트 분포(V9~V14) – 코킹 콜 최소 70%.

2. 코크스 크기 위한 배합 설계

코크스 원형 크기 = 배합 내 불활성 성분량 영향. 불활성↓→코크스 크기↓. 석탄 종류→코크스 크기 영향. 단, 운전 변수 의존도 높음. 실무상 코크스 크기=스크리닝으로 주로 제어.

3. 코크스·코크스 오븐 가스 수율 위한 배합 설계

코크스 생산량 ∝ 1/석탄 휘발분. 휘발분 범위=고강도 코크스 생산에도 중요. 휘발분→코크스 오븐 가스 수율 영향(제철소 가스 밸런스 중요 파라미터).

4. 코크스 화학적 물성 위한 배합 설계

물리적 안정 원료 확보 후 화학적 물성 제어로 고로 공정 추가 제어. 핵심 화학적 물성: 수분, 고정탄소, 회분, 황, 인, 알칼리. 대부분 석탄 의존. 회분·황·알칼리→CSR 악영향. 인→CSR 긍정적이나 전량 용선 이행→비선호. 고수율 고품질 코크스 위해: 저수분·저회분·저황·저알칼리·저인·고고정탄소 배합 바람직. 회분 융점(ash fusion temperature)도 코킹 공정 중요 특성→코킹 온도 이상 필수.

5. 코크스 오븐 푸싱 성능 위한 배합 설계

최대 코킹 압력 ≤0.14 kg/㎠. 내재적 석탄 물성 중 랭크(rank)와 불활성 함량→코킹 압력 주 영향. 랭크=코킹 압력 정비례. 저휘발분 콜=과도 코킹 압력. 단, 고코크스 강도·고수율 기여.

유사 랭크이나 고이너티나이트(고불활성) 콜=저압력. 호주산 저휘발분 콜=일반적 저벽압→배합 압력 저감용 포함. 상업 오븐 벽압 측정 난해→파일럿 오븐 벽압/가스압 측정과 상업 오븐 가스압 측정 상관관계 구축→상업 가스압 측정으로 코킹 압력 모니터링. 가스압=랭크↑ 증가, 이너티나이트↑ 감소.

석탄 차지 수축 = 코킹 공정 2단계 발생.

1. 1단계: 가소층 형성기. 주로 석탄 물성 의존.
2. 2단계: 가소층 반코크스화 후 수축기. 주로 운전 조건(코킹 온도, 가열률) 의존.

최대 유동도 값→1단계 측면 수축 예측 주용. 수직 수축=주로 운전 파라미터 의존.

6. 저가치 탄소 재료 최대 활용 위한 배합 설계

운전비 절감+코크스 품질 유지 위해 저가치 탄소 재료 가변량 배합 첨가. 소프트 콜, 석탄 미분, 코크스 브리즈, 콜타르, 석유 코크스, 아스팔텐(증류 잔사), 비코킹 콜 등 적정량·적정 배합 첨가 시 코크스 품질·코킹 조업 긍정 효과 입증. 저비용·양호 운전·자원 절약 달성.

산화(풍화) 콜도 저가치 탄소 재료로 고려. 산화→CSR·안정성·코크스 크기·수율 저하, 팽창·벽압 특성 악화 일반적. CSR 산화 민감도 최고. 최저 랭크 콜 CSR 하락 폭 최대. → 산화 콜 사용 최소화.

7. 경제적 요건 충족 위한 배합 설계

기술적 평가+이용 비용 경제적 평가 병행. 톤당 단가 낮은 석탄도 코크스 생산·고로 사용 통합 고려 시 비경제적 가능. 석탄 품질→코크스 수율 악영향, 고로 코크스 소비량 악영향, 고로 생산성 악영향 가능. → 코크스 오븐서 경제적 보이는 것 아닌, 사용점(고로)에서 궁극적 경제성 확보 배합 설계 필요. 고로 최대 잠재 비용 절감 코크스 생산 배합→코크스 플랜트 채택.

8. 석탄 지속 가용성 보장 배합 설계

장기 기반 미가용 석탄→배합 포함 고려 배제(빈번한 배합 변경 방지).

위 절차 설명대로 코크스 제조용 석탄 배합 선정 시 처리량, 고코크스 품질, 배터리 수명, 비용 효율, 종합 경제성, 석탄 지속 공급 보장 간 균형 달성 필수.