코크스 공장

섬네일|보트로프에 있는 아르셀로미탈의 프로스퍼 코크스 공장. 굴뚝과 저압 가스탱크(티센 건설)가 보인다.
코크스 공장()은 건조 증류 공정을 사용하여 석탄에서 코크스와 제조 가스를 합성하는 곳이다. 900°C에서 1,400 °C 사이의 온도로 가열하여 방출되는 열분해된 석탄의 휘발성 성분은 일반적으로 추출되어 회수된다. 방출된 성분들이 연소되는 코크스 공장도 있는데, 이를 열 회수 공정이라고 한다. 이 경우 결과로 생성된 코크스 표면에 재 층이 형성된다. 석탄의 탈가스화는 코크스에 매우 바람직한 다공성을 부여한다. 가스는 분별 증류에 의해 탄화수소 타르, 황산, 암모니아, 나프탈렌, 벤졸, 그리고 코크스 가스로 분해되며, 이 제품들은 추가 화학 반응기에서 정제된다. 독일에는 국내 산업의 필요를 충족시키기 위해 2010년 기준으로 여전히 5개의 코크스 공장이 가동 중이다.

코크스는 주로 용광로에서 무쇠를 생산하는 데 사용되며, 이는 오늘날에도 주요 용도이다. 탈가스화는 황 함량을 상당히 줄여주어 철강 산업이 배출량을 줄이면서 더 높은 품질의 무쇠를 생산할 수 있도록 한다. 이 외에도 코크스 재는 일반 경탄과 거의 동일한 조성을 가지고 있다.

 역사와 원리 
섬네일|코크스 오븐 내부 (1976년, 웨일스).|221x221px
제철 초기에는 광석 생산에 숯만 사용되었다. 미가공 화석 석탄(갈탄 및 역청탄) 또는 숯으로 만들지 않은 나무는 철 금속공학에 적합하지 않은데, 불순물 함량이 높아 좋은 무쇠를 생산할 만큼 높은 온도에 도달하지 못하기 때문이다. 현대 코크스 공장과 거의 동일한 방식으로 작동하는 코크스 오븐에서 추출되는 숯에 대한 수요는 전체 지역(예: 영국 애시다운 숲)을 영구적으로 훼손하는 대규모 벌채를 초래했다. 18세기가 되어서야 코크스 공장에서 천연 석탄을 정제하는 아이디어가 구상되었다. 새로운 연료는 곧 숯을 완전히 대체하여 무쇠의 대량 생산을 가능하게 했고, 이로 인해 철도 또한 가능해졌다.

공기가 없는 상태에서 석탄을 가열하면 코크스가 생성되는데, 이는 천연 석탄보다 더 순수하고 고품질의 특히 탄소가 풍부한 연료이다. 공정을 제어함으로써 다음과 같은 특성 측면에서 특정 성능 수준을 달성할 수 있다.

 함수량
 재 함량
 황 함량
 입자 크기
 굳기
 깨짐성

코크스는 주로 용광로와 주조공장에서 사용된다. 용광로 코크스의 가장 중요한 특성 중 하나는 고온에서도 유지되는 굳기인데, 따라서 연료 역할을 하면서 철광석과 융제 더미의 안정성을 보장하며, 일반 경탄은 구워져 혼합물의 산소화를 방해할 것이다.

 설명 
 코크스 오븐 
섬네일|가스 배출.|251x251px
섬네일|코크스 오븐 내부: 세부사항 (1942년, 미국).|210x210px|left
코크스 오븐은 코크스 공장의 중심 요소이다. 가장 흔히 사용되는 수평 오븐(다양한 추출 단계를 모니터링하는 데 적합함)은 폭이 좁은(약 50cm) 칸막이 형태이지만 높이와 깊이는 수 미터이다. 현대식 칸막이는 최대 100m3의 부피(예: 0.5 × 6 × 32m)를 가진다. 일반적으로 이 용광로들은 1,200~1,400°C에서 연소되는 가스 주입구로 분리되어 배터리 형태로 배열되어 내부 온도를 유지한다. 이 가스들은 연기 추출기에서 나오며 열 회수도 보장한다. 만약 제철소 현장에 있다면 용광로 가스도 석탄 로스터에서 나오는 가스와 혼합하여 아래층을 가열하는 데 사용될 수 있다. 용광로 배터리의 가열은 매 30분마다 측면과 상단 사이에서 번갈아 가며 등방성 석탄 로스팅을 보장한다.

시운전 후 약 3개월의 초기 단계가 지나면 코크스 공장의 가열 시스템은 계속해서 작동한다. 너무 빨리 가열하거나 너무 갑자기 멈추면 열응력이 발생하여 용광로에 돌이킬 수 없는 손상을 초래한다.

용광로는 용광로와 마찬가지로 내부가 샤모트 또는 규산염의 내화성 층으로 라이닝되어 있다. 각 용광로에는 세 개의 입구가 있다. 용광로 자체만큼 넓은 전면 및 후면 문, 그리고 상단의 충전/비움 해치이다. 유압 갈고리가 용광로 내부의 석탄 층을 수평으로 조절한다.

 지붕 
섬네일|에센의 세계유산 목록에 포함된 촐페라인 코크스 공장의 공급자 측(배경에 보임)에서 본 용광로의 모습.
지붕은 용광로 배터리의 닫는 슬래브일 뿐만 아니라, 석탄 버킷을 운반하는 천장크레인이 각 용광로에 석탄을 적재하는 곳이기도 하다. 이 작업을 담당하는 작업자에게는 위험 노출이 최대치에 달한다. 먼지, 열, 불꽃이 작업을 극도로 위험하게 만든다.

 석탄 저장고 
용광로 유형에 따라 석탄 저장고는 용광로 배터리 상단 또는 한쪽 끝에 위치한다. 각 저장고에는 하나의 용광로를 채우는 데 필요한 석탄 양이 들어 있다. 이 저장고에는 생산될 코크스의 품질을 위해 특별히 선택되고 사전에 체로 치거나 분쇄된 석탄 혼합물이 들어 있다.

 바 스크린 
바 스크린은 레일 위를 움직이는 이동식 수레로, 오븐 배터리 한쪽을 따라 배치된다. 코크스 브리켓을 오븐에서 꺼내어 처리 장소로 운반하도록 설계되었다. 이 수레에는 종종 두 개의 관절로 구성된 관절형 팔이 장착되어 있어 오븐 배터리 전체 길이를 훑을 수 있다. 유압 동력 장치는 이 관절형 팔의 바닥에 위치한다. 레일을 따라 오븐 앞의 통로는 마스터 통로라고 불리며, 문을 닫는 작업자와 감독자가 동시에 지나갈 수 있어야 한다.

 작업 순서 
섬네일|푈클링겐 제철소의 배터리 용광로.
 석탄이 용광로에 공급되고, 혼합되고, 분쇄되고, 압축된다;
 천장크레인이 용광로 상단의 공급 해치를 연다;
 단일 용광로로 석탄을 배출한다;
 용광로 유형 또는 석탄 품질에 따라 석탄을 뾰족하게 만든다;
 용광로의 기밀 폐쇄;
 가열;
 이어서 탈가스화 및 충분한 다공성 확보를 위한 대기;
 용광로 끝 문 열기;
 코크스 회수;
 다음 사이클을 위해 용광로를 동시에 소화하고 공급한다.
가마가 가득 차면 가마 공급기는 석탄 호퍼로 돌아가 다음 가마를 적재한다. 사이클은 2분마다 새로운 오븐이 시작될 수 있도록 시간이 맞춰진다. 가마 벽은 계속해서 가열된다. 코크스 벽돌의 특성과 오븐 크기에 따라 소성에는 15~30시간이 소요된다.

 코크스 소화 
코크스는 주변 공기와 접촉하자마자 매우 높은 온도 때문에 연소하기 시작하므로 특히 빠르게 냉각해야 한다.코크스를 냉각하는 방법은 두 가지가 있다.

 습식 냉각 
 이 공정은 코크스 1톤당 약 2m3의 물이 필요하다;
 열이 손실된다;
 물의 거의 3분의 1이 증기로 소산된다;
 황산, 먼지 및 수성가스로 오염된 이 증기의 정화는 여전히 문제로 남아 있다.

1986년에는 냉각 중 코크스 1톤당 200g에서 2kg의 고체 불순물이 발견되었다. 현대적인 코크스 안정화 급랭 공정 덕분에 이 양은 10~15g/t으로 줄었다.

 건식 냉각 
이는 일반적으로 액체 질소를 비반응성 기체로 선택하여 수행된다.

 이 기술은 에너지를 절약한다;
 자연 환경에서 물을 빌리는 것을 피한다;
 먼지를 덜 방출한다;
 최종 함수량이 낮으므로 우수한 품질의 코크스가 얻어진다;
 반면에 이 공정은 투자 및 유지 보수 측면에서 비용이 많이 들며, 일부 전문가와 계약자가 이 점에 대해 이의를 제기한다. 특히 연간 운영 비용을 줄이는 에너지 회수에 해당한다. 세계에서 두 번째로 큰 철강 생산국인 중국에서 일본제철은 건식 냉각에 대한 투자가 20%에서 33% 사이의 절감 효과를 가져온다고 추정한다.

 기체상 
19세기 중반에 산업가들은 화학공업에 대한 배출 가스의 가치를 깨달았다. 가스를 세척하고 성분을 분리하는 증류기는 종종 용광로 배터리 바닥에 설치되어 방수 파이프로 연결되었다. 가스는 팬에 의해 추출되며, 외부 공기 유입으로 인한 용광로 폭발 위험을 피하기 위해 2 밀리바에서 5밀리바 사이의 과압을 유지해야 한다. 팬이 막히면 일상적인 플레어링이 발생한다.

석탄 가스는 냉각되어 스크러버에서 세척된다. 응축 생성물은 분리되어 다양한 플랜트로 보내진다.

 부산물 
 콜타르
 벤졸
 황
 암모니아
 황산 암모늄, 그리고 더 드물게 질산 암모늄(비료)
 황산
 알칼리성 페놀류

 21세기의 코크스 공장 
섬네일|프로스퍼 코크스 공장의 습식 급랭탑에서 솟아오르는 증기 기둥.
2002년부터 2004년까지 철강 수요 증가로 중국산 코크스 가격은 80달러에서 거의 350달러로 4배 이상 급등했으며, 이는 동시에 발생한 철강 가격 상승의 3배에 달하는 수준이다.

동시에 중국은 도르트문트의 현대적인 카이저스툴 코크스 공장을 해체하여 중국에서 재건했다. 독일의 마지막 건식 냉각 공장은 티센크루프 그룹이 도르트문트와 뒤스부르크의 제철소를 통합하면서 수요를 따라잡지 못했다.

루르 지역에서 가동 중인 마지막 세 코크스 공장인 아르셀로미탈 보트로프의 프로스퍼 코크스 공장, 뒤스부르크-슈벨게른의 카르보나리아 / 티센크루프 코크스 공장, 뒤스부르크-후킹엔 열병합 발전소의 코크스 공장은 2010년부터 용량 한계에 도달했다. 2005년 6월 3일, 뒤셀도르프 지방 당국은 HKM(휘텐베르케 크루프 만네스만)을 위해 뒤스부르크-후킹엔 코크스 공장의 확장을 공익에 부합한다고 승인했으며, 이는 2006년 1월 13일에 재확인되었다. 이 코크스 공장은 2014년 3월 29일에 개장했다.

2005년 12월, 딜링겐에 있는 자를란트 중앙 코크스 공장(Zentralkokerei Saar GmbH)의 현대화가 승인되었다. 여기에는 완전히 새로운 세 번째 용광로 배터리 건설이 포함된다. 이를 통해 결국 용광로 배터리 1의 작동을 중단하고 재건할 수 있게 될 것이다. 배터리 2는 단계적으로 폐쇄될 것이다.

프랑스에서는 2000년 11월에 6개의 코크스 공장이 가동 중이었다. 유시노르 제철 그룹 소유의 세르망주, 됭케르크, 포쉬르메르의 3개, 샤르보나주 드 프랑스 소유의 드로쿠르와 카를링의 2개, 그리고 운영이 중단된 퐁타무송 공장이다. 2020년 5월, 세르망주 코크스 공장 폐쇄 후에는 됭케르크와 포쉬르메르 공장만 남게 되었다.

카를링의 코크스 공장은 폴리염화 바이페닐 오염으로 인해 2009년 10월에 폐쇄되었고 2014년까지 완전히 철거되었다.

 산업 정책 
코크스 가격의 지속적인 상승을 고려하여 여러 산업 지지자들이 독일 당국에 특정 탄광을 재개하는 것이 수익성이 있을 것이라고 주장했다. 예를 들어, 함 북쪽에 광산을 개설하려는 전적으로 사적인 자금으로 운영되는 프로젝트가 있었지만, 투자 규모 때문에 불가능했다. 회의론자들은 현재 경제 주기 동안 이 분야에 대한 투자가 부족할 경우 공공 재정에 영향을 미칠 수 있다고 우려한다.

 같이 보기 
 대기 오염
 석탄화학
 석탄
 탄광 지역
 코크스
 광업 지구 (유럽)
 여러 고리 방향족 탄화수소

 참고 문헌 







 각주 

분류:공장
분류:탄소