KR100503226B1 - 코크스 제조용 원료탄 배합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코크스 제조용 원료탄 배합방법에 관한 것으로서, 그 목적은 야금용 코크스의 품질을 대형 고로에 적합한 수준으로 유지하면서도, 건류 중 팽창압이 코크스 오븐 노체에 영향을 미치지 않는 정도의 낮은 값을 가지도록 원료탄을 배합하는 방법을 제공하는 데 있다. 이를 위해, 본 발명에서는 코크스 제조를 위해 원료탄을 배합함에 있어서, 수분 함량이 4∼7 %인 원료탄을 총 불활성 함량이 28∼33% 이 되도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

Description

코크스 제조용 원료탄 배합방법{Coal blending method for producing metallurgical coke }

본 발명은 코크스 제조용 원료탄 배합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스 제조를 위해 여러 종류의 원료탄을 배합함에 있어서, 코크스 강도를 유지하면서 건류 중에 발생되는 팽창압을 저감하기 위해, 배합탄의 총불활성 함량을 적정 함량이 되도록 제어하면서 석탄을 배합하는 방법에 관한 것이다.

최근, '석탄 조습 공정(Coal Moisture Control Process : CMCP)'이라고 하여 코크스 제조용 원료탄의 수분 함량이 4∼7%가 되도록 건조한 다음, 이를 코크스 오븐에 장입하는 방법이 일부 제철소에서 적용되고 있다.

이 외에도, 유동층을 이용하여 원료탄의 수분을 2% 정도까지 건조하는 방법(이것은 DAPS(Dry-Cleaned and Agglomerated Precompaction System) 공정이라 한다)과 200℃ 정도의 고온에서 석탄수분을 완전히 제거하고 예열하는 예열탄 장입법(Preheated Coal Charge) 등에 대해 연구하여, 수분 함량을 제어한 석탄을 코크스 오븐에 장입함으로써 코크스 제조의 생산성 향상을 도모하고 있다.

그러나, 이와 같이 수분 함량을 감소시키도록 석탄을 전처리하는 공정을 도입하면, 코크스 생산성 및 품질이 향상되는 장점이 있으나 코크스 노체에는 악영향을 미치는 단점이 있다. 이것은 부피가 일정한 코크스 오븐의 탄화실에 수분감소분 만큼 더 많은 양의 석탄이 투입되어 건류과정에서 더 많은 가스 성분이 발생되기 때문이다.

가스 성분 발생량의 증가는 건류 중에 있는 석탄의 팽창압이 증가되는 것을 의미하는데, 석탄 수분을 완전히 제거한 예열탄을 기존의 코크스 오븐에 장입한 결과, 높은 건류 팽창압에 의하여 코크스 오븐이 붕괴되는 치명적 사고가 발생하였다. 이로부터 건류 팽창압을 제어하는 기술의 중요성이 강조되기 시작하였다.

따라서, 코크스 오븐 구조에 영향을 주지 않는 낮은 건류 팽창압을 유지하기 위해서는 가능한 한 배합되는 원료탄의 수분 함량을 저감하지 않는 것이 가장 바람직하지만, 이것은 코크스 제조 생산성 향상을 위한 설비가 이미 가동되고 있는 상태에서는 바람직하지 못한 방법이라고 할 수 있다.

또한, 코크스 제조용 원료탄의 수분을 저감하면, 수분 함량이 높은 경우에 비하여 코크스 강도가 상승되므로, 이러한 코크스 강도 상승의 효과와 팽창압이 증대되는 경향을 새롭게 조합해야 한다.

한편, 건류 중 팽창압 제어를 위한 종래의 기술로는, 코크스 제조를 위해 여러 탄종의 원료탄을 배합할 때, 개개 탄종의 최대 팽창압을 미리 측정하고 각 탄종이 배합탄에 배합되는 비율에 따라 산술 평균하여 배합탄의 팽창압을 예측한 후, 이를 배합에 적용하는 방법이 있다.

그러나 이 방법은 개개 탄종의 팽창압을 미리 측정하여야 하는 불편이 있을 뿐만 아니라, 배합탄의 최대 팽창압의 예측치가 안정권에 들어갈 수 있도록 각 탄종의 배합비율을 조정하는 과정에서 코크스 품질 유지 측면에 제약이 따르는 단점이 있다. 왜냐하면, 일반적으로 석탄화도가 높고 휘발분 함량이 낮은 탄종이 코크스 품질 향상에 기여하지만, 이 탄종의 팽창압은 대체적으로 매우 높기 때문이다. 따라서 배합탄의 최대 팽창압의 예측치가 안정권에 들어가도록 각 탄종의 배합비율을 조정하다보면, 석탄화도가 높고 휘발분 함량이 낮은 탄종이 적게 들어가고 결과적으로 코크스의 품질이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출(?)된 것으로, 그 목적은 야금용 코크스의 품질을 대형 고로에 적합한 수준으로 유지하면서도, 건류 중 팽창압이 코크스 오븐 노체에 영향을 미치지 않는 정도의 낮은 값을 가지도록 원료탄을 배합하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 코크스 제조를 위해 원료탄을 배합할 때, 수분 함량이 4∼7 %인 원료탄을 총 불활성 함량이 28∼33% 이 되도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 코크스 제조용 원료탄 배합방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

앞에서 언급한 바와 같이, 원료탄을 배합할 때 코크스 오븐의 노체 보호를 위해서는 팽창압이 높은 저휘발분 고석탄화도탄의 배합비를 감소시켜야 하는 반면, 대형 고로에 사용되는 고강도 코크스 제조를 위해서는 이러한 탄종의 배합비를 증대하여야 하는 상반적인 관계를 해결하여야만, 건류 팽창압을 억제하면서 고강도 코크스를 제조할 수가 있다.

야금용 코크스 제조용 석탄은 350∼500℃의 온도 영역에서 용융되는 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다. 이것은 분말 형태의 석탄이 괴상의 코크스로 전환되기 위하여 필수적으로 요구되는 특징이라고 할 수 있으며, 용융성이 없거나 부족한 석탄으로부터는 괴코크스가 제조될 수 없다.

한편, 석탄은 다양한 탄화수소 화합물들이 고차구조로 결합되어 있고, 재(ash) 등의 불순물이 포함되어 있는 혼합물 상태로 존재하고 있으며, 350∼500℃의 온도 영역에서 용융성을 나타내는 성분과 용융성이 없는 성분으로 구분할 수 있다. 이 때, 350∼500℃의 온도 영역에서 용융성을 나타내는 성분을 활성 성분이라고 하며, 석탄을 구성하는 비트리니트와 엑시니트 그리고 세미 휴지니트 성분의 일부가 이에 해당된다.

반면에, 용융성을 나타내지 않는 성분은 불활성 성분이라고 하며 휴지니트와 광물질, 그리고 세미 휴지니트의 일부로 구성되어 있으며, 어떤 탄종 중에 포함된 불활성 성분의 총량을 총 불활성 성분(Total Inert : TI)이라고 한다.

다탄종 배합에 있어 배합탄의 TI 함량은 개개 원료탄의 TI 함량을 배합비로 산술 평균하여 얻을 수 있다. 불활성 성분은 용융성이 없는 것이기 때문에 배합탄의 TI 함량증가에 따라 코크스 품질이 감소되는 경향을 보인다. 따라서, 대형 고로에 사용되는 고강도 코크스를 제조하는 경우에는 TI 함량이 25% 정도인 배합탄이 사용되고 있으며, 이것은 원료탄 TI 함량이 증가할수록 코크스의 강도가 저하된다고 하는 사피로(Schappiro)의 연구 결과에 기초를 두고 있다. 이러한 결과는 원료탄 수분 저감 공정이 실용화되기 전에 사용되는 기술로서, 석탄의 종류가 다양해지고 원료탄 수분을 6%정도로 저감하는 석탄 조습설비의 도입에 따라 재검토할 필요가 있다.

이와 같이 원료탄의 TI 함량이 증가함에 따라 코크스 강도가 저하되는 현상은, 대부분 미국 석탄을 실험 대상으로 한 결과라고 할 수 있다(Journal of The Institute of Fuel, p234, 1964). 그러나, 최근에는 중국, 러시아 등에서 채광되는 탄종 수와 채광량이 증가되어, 코크스용 원료탄 종류가 다양화되는 추세에 있다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명자들은 수분이 4∼7% 정도의 낮은 조건으로 조습된 원료탄에 있어, 배합의 핵심 인자인 석탄화도(예를 들면:휘발분)와 유동도(예를 들면:LMF)는 일정 조건으로 유지하면서 TI 함량이 상이한 배합탄을 조제한 후 코크스를 제조하는 실험을 반복한 결과, 배합탄의 TI 함량 증가에 따라 최대 가스압이 현저히 감소되는 것을 발견하였다.

배합탄의 TI 함량 증가에 따라 용융층에서의 최대 가스압이 감소하는 것은 용융성을 가진 활성 성분은 용융시에 부피 팽창 등의 물리화학적 변화가 현저하게 나타나지만, 용융성이 없는 TI 성분은 이러한 변화가 거의 나타나지 않는 안정한 상태를 유지하기 때문으로 추정된다.

또한, 제조된 코크스의 강도를 측정한 결과, TI 함량이 33% 정도까지는 코크스 강도 저하현상이 미미하였으며, TI 함량이 이보다 높은 경우에는 코크스 강도 저하가 현저한 거동을 나타내었다. 배합탄의 TI 함량이 33% 정도까지 높은 경우에도 코크스 품질이 유지되는 것은 원료탄 성분 중에 세미 휴지니트의 분류방법 차이에 의한 것으로 추정된다. 다시 말하면, 일반적으로 세미 휴지니트의 일부(약 3분의 1)는 용융성이 있는 활성 성분으로, 나머지는 불활성 성분으로 분류되고 있으나, 최근 개발된 석탄 중에는 이러한 분류 기준을 적용하기 어려운 것을 의미한다고 할 수 있다.

이하 본 발명의 실시 예를 들어 설명한다.

실시 예 1

수분 함량이 6% 정도이며, 휘발분 25%, 유동도 2.4, TI 함량이 25% 수준의 배합탄 A(비교 예 1)에 대하여 휘발분 함량과 유동도는 동일 수준을 유지하면서 실시 예 1에 나타낸 바와 같이, TI 함량이 각각 29%(배합탄 B), 33%(배합탄 C), 36%(배합탄 D)인 배합탄을 실험실의 테스트 오븐을 이용하여 동일한 조건에서 건류한 결과를 표 1에 나타내었다. 이 때, 최대 가스압은 건류 중인 석탄층에 압력 센서를 삽입하여 측정하였으며, 제조된 코크스는 2회의 낙하시험 후 드럼 강도를 측정한 것이다.

저유동도 배합에 있어 TI 함량과 최대 가스압 측정 결과

시료	배합탄 특성				최대 가스압(mmH2O)	코크스 강도(DI150)	비고
	수분(%)	휘발분(%)	유동도(LMF)	TI(%)
A	6.8	24.6	2.42	25.3	301	78.7	비교예 1
B	6.8	24.5	2.41	29.1	187	78.2	실시예 1
C	6.3	25.1	2.43	32.7	101	78.1	실시예 1
D	6.6	25.2	2.42	35.4	78	76.4	실시예 1

표 1에 나타낸 바와 같이, 배합탄의 TI 함량이 통상의 배합 수준인 25% 정도로 제어한 경우에는 최대 가스압이 300 mmH₂O 이상의 높은 값을 나타내었으나, 배합탄 TI 함량 증가에 따라 가스압이 급격히 감소함을 알 수 있다.

이와 같이, 배합탄 TI 함량 증가에 의하여 건류 중 발생 가스압이 감소하고 있는 것은 가스압의 크기에 의존하는 석탄 용융층의 팽창압이 감소하는 것으로 해석할 수 있다.

한편, 제조된 코크스의 품질을 나타내는 드럼강도(DI¹⁵⁰)는 배합탄 TI 증가에 따라 감소되고 있으며, 특히 TI 함량이 35.4%로 높은 경우(배합탄 D)에는 코크스 강도가 급격히 감소되었다. 이러한 결과로부터 배합탄의 TI 함량 증가는 건류 팽창압 감소에는 효과적이지만, 코크스 강도 유지를 위해서는 적정 범위에 포함되도록 제어하여야 하는 특징이 있음을 알 수 있다.

실시 예 2

수분 함량이 6% 정도이며, 휘발분 25%, 유동도 2.6, TI 함량이 25% 수준의 배합탄 E(비교 예 2)에 대하여 휘발분 함량과 유동도는 동일 수준을 유지하면서 실시 예 2에 나타낸 바와 같이, TI 함량이 각각 29%(배합탄 F), 33%(배합탄 G), 36%(배합탄 H)인 배합탄으로부터 코크스를 제조한 결과를 표 2에 나타내었다.

중유동도 배합에 있어 TI 함량과 최대 가스압 측정 결과

시료	배합탄 특성				최대 가스압(mmH2O)	코크스 강도(DI150)	비고
	수분(%)	휘발분(%)	유동도(LMF)	TI(%)
E	5.9	26.1	2.62	25.4	367	81.0	비교예 2
F	6.2	24.5	2.61	29.6	192	80.2	실시예 2
G	6.3	25.1	2.63	33.0	186	79.5	실시예 2
H	6.4	25.2	2.62	36.1	106	77.2	실시예 2

표 2에 나타난 바와 같이, 배합탄의 유동도가 2.6정도로 증가된 경우에 있어서도 유동도가 낮은 실시 예 1과 유사한 거동을 나타내고 있으며, 배합탄의 TI 함량이 통상의 배합 수준인 25% 정도로 제어한 경우에는 최대 가스압이 367mmH₂O 의 높은 값을 나타내었으나(비교 예 2), 배합탄 TI 함량이 29.6%(배합탄 F), 33%%(배합탄 G), 36.1%(배합탄 H)로 증가함에 따라 최대 가스압이 절반 이하 수준으로 감소되는 효과가 있음을 알 수 있다.

또한, 제조된 코크스의 품질을 나타내는 드럼강도(DI¹⁵⁰)는 배합탄 TI 증가에 따라 감소되고 있으며, 특히 TI 함량이 36.1%로 높은 경우(배합탄 H)에는 코크스 강도가 급격히 감소되었다. 이러한 결과로부터 배합탄의 TI 함량 증가는 건류 팽창압 감소에는 효과적이지만, 코크스 강도 유지를 위해서는 적정 범위에 포함되도록 제어하여야 하는 특징이 있음을 알 수 있다.

실시 예 3

수분 함량이 6% 정도이며, 휘발분 25%, 유동도 2.8, TI 함량이 25% 수준의 배합탄 I(비교 예 3)에 대하여 휘발분 함량과 유동도는 동일 수준을 유지하면서 실시 예 3에 나타낸 바와 같이, TI 함량이 각각 29%(배합탄 J), 33%(배합탄 K), 36%(배합탄 L)인 배합탄으로부터 코크스를 제조한 결과를 표 3에 나타내었다

고유동도 배합에 있어 TI 함량과 최대 가스압 측정 결과

시료	배합탄 특성				최대 가스압(mmH2O)	코크스 강도(DI150)	비고
	수분(%)	휘발분(%)	유동도(LMF)	TI(%)
I	6.3	26.7	2.82	25.6	198	81.0	비교예 3
J	5.3	26.1	2.81	29.9	154	80.2	실시예 3
K	5.7	25.9	2.80	32.6	139	79.5	실시예 3
L	6.1	26.2	2.82	35.7	122	77.2	실시예 3

표 3에 나타난 바와 같이, 배합탄의 유동도가 2.8 정도로 증가된 경우에 있어서도 유동도가 낮은 실시 예 1과 유사한 거동을 나타내고 있으며, 배합탄의 TI 함량이 통상의 배합 수준인 25% 정도로 제어한 경우에는 최대 가스압이 198mmH₂O 의 높은 값을 나타내었으나(비교 예 3), 배합탄 TI 함량이 29.9%(배합탄 J), 32.6%(배합탄 K), 35.7%(배합탄 L)로 증가함에 따라 최대 가스압이 감소되는 효과가 있음을 알 수 있다.

제조된 코크스의 품질을 나타내는 드럼강도(DI¹⁵⁰)는 배합탄 TI 증가에 따라 감소되고 있으며, 특히 TI 함량이 36.1%로 높은 경우(배합탄 H)에는 코크스 강도가 급격히 감소되었다. 이러한 결과로부터 배합탄의 TI 함량 증가는 건류 팽창압 감소에는 효과적이지만, 코크스 강도 유지를 위해서는 적정 범위에 포함되도록 제어하여야 하는 특징이 있음을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 실시 예 1∼실시 예 3의 결과를 요약하여 도 1에 나타내었다. 즉, 도 1은 배합탄의 TI 함량에 따른 최대 가스압의 변화를 도시한 그래프로서, 이에 도시된 바와 같이, 배합탄의 유동도에 상관없이 TI 함량이 28% 이상으로 제어하는 경우에는 건류 중 최대 가스압이 200mmH₂O 이하의 낮은 값을 유지하고 있는 것으로부터, 건류 중 용융층의 팽창압을 저하시킬 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.

실시 예 1∼실시 예 3의 결과로부터 배합탄의 TI 함량에 따른 코크스 강도변화를 요약한 것이 도 2이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배합탄의 TI 함량 증가에 따라 코크스 강도는 저하되고 있으나, 배합탄 TI 함량이 33%정도까지는 강도 저하가 미세한 반면, 33%보다 높은 경우에는 급격한 강도 저하 현상을 나타내었다.

따라서, 배합탄의 TI 함량을 28∼33% 범위 내에서 관리하는 것이 코크스 강도를 일정수준으로 유지하면서 코크스 오븐의 노체보호를 위한 건류 팽창압 저감에도 효과적임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 수분 함량이 4∼7% 정도로 저감된 배합탄의 TI 함량을 28∼33% 범위 내에서 제어함으로써 급격한 코크스 강도저하를 방지하는 효과가 있으며, 건류 중 팽창압을 억제하여 코크스 오븐의 노체가 붕괴되는 사고를 미연에 방지하는 효과가 있다.

도 1은 배합탄의 TI 함량에 따른 최대 가스압의 변화를 도시한 그래프이다.

도 2는 배합탄의 TI 함량에 따른 코크스 강도변화를 도시한 그래프이다.

Claims (1)

1. 코크스 제조를 위해 원료탄을 배합함에 있어서,

   수분 함량이 4% 내지 7%, 총 불활성 함량(total inert, TI)이 28% 내지 33% 의 범위에 속하도록 원료탄을 배합하는 것을 특징으로 하는 코크스 제조용 원료탄 배합방법.