연소대 온도에 미치는 미분탄 취입의 영향

정진경, 김봉호

포항종합제철 주식회사

Effects of Pulverized Coal Injection on the Raceway Temperature

Chung Jin-Kyung, Kim Bong-Ho

Pohang Iron & Steel Company

서론

고로에서 연소대는 코크스 및 미분탄이 연소되고, 광석을 용융 시키기 위한 열과 환원가스를 동시에 발생시키는 매우 중요한 곳으로서 연소대의 크기와 온도분포 및 유속분포는 고로 조업의 안정성과 매우 밀접한 관계가 있다.[1] 광양 고로에서는 '87년 조업 시작이래 풍구를 통한 미분탄 취입량을 꾸준히 증가 시켜왔으며 '98년 5고로 준공과 함께 평균 150Kg/t-p의 미분탄 취입량을 목표로 하고 있다.

본 연구에서는 미분탄 취입량에 따른 연소대 온도를 추정 및 측정하고 그 결과를 통하여 취입량 증가시 적정한 연소대 온도를 유지하기 위한 조업 조건에 대해서 검토 하였다.

이론

미분탄을 취입하기전 고로 연소대에서 연소반응은 코크스중 탄소와 송풍중 산소 및 수소에 의해서 이루어졌다.[2] 미분탄의 연소는 코크스와는 아주 다르게 거동을 하게 되며 미분탄 취입과 함께 연소대에서 미분탄 연소에 관한 반응속도식을 동시에 고려하여야 한다.[3]

[eqn: C(coke) + O_2 = CO_2 + 97000[kcal/kgmol(O2)], R_1 -----(1)# C(coke) + CO_2 = 2CO - 41220[kcal/kgmol(CO2)], R_2 -----(2)# C(coke) + H_2 O = CO +H_2 - 31564[kcal/kgmol(O2)], R_3 -----(3)# 2C(coal) + O_2 = 2CO + 52848[kcal/kgmol(O2)], R_4 -----(4)]

여기서 R1, R2, R3, R4 는 반응속도(kgmole-O2/m3 s)

Fig.1 Modelling of pulverized coal and oxygen flow.

미분탄 취입량 증가와 함께 미분탄 연소성을 높이기 위해서 취입란스의 구조를 변경 하였다. co-axial 란스(oxy-coal 란스)를 채용하여 미분탄 주위의 산소농도를 높였다.[4]

본 연구에서는 co-axial란스를 사용하여 미분탄을 취입하는 Fig.1과 같은 경우에 대해 co-axial용 산소가 송풍중 으로  1/2, 미분탄으로 1/2이 관여한다고 가정하여 다음과 같이 산소 초기농도를 설정 하였다.

[eqn: y_O_2 = {0.21·60·F_b + F_oxy + F_oxy-coal /2} over{ 60·F_b ·( C_oxy over { C_oxy +F_oxy-coal /2}) }-----(5)]

여기서 [eqn: y_O_2]는 미분탄 주위 산소농도, [eqn: F_b , ~F_oxy, ~F_oxy-coal]는 송풍량 및 송풍중 산소 부화량, co-axial용 산소 부화량,[eqn: C_oxy]는 란스구조에 따라 co-axial용 산소가 미분탄 취입에 관계하는 송풍량을 결정하는 분산계수

실험장치 및 방법

Fig.2. Average gas temperature with PCR, (a), gas temperature, (b) and gas temperature difference between oxy and non-oxy coal injection, (c), from tuyere to deadman.

영국 compare holman사의 코크스 샘플러를 이용하여 고로 정기 수리시 풍구를 통해서 미분탄 취입후 연소대 주위에서 코크스를 채취하고 이를 분급 및 선별하여 노내 상황을 파악하고자 하였다. 노내에서 연소대의 온도를 알기 위해서 채취된 코크중 10mm정도의 코크스를 XRD분석하여 2□=26.5。 근처 피크의 반가폭을 이용하여 연소대 온도를 간접적으로 측정 하였다.[5] 그러나 이러한 간접적인 측정은 조업중에는 측정이 불가능하여 연소대온도를 직접 계측 할수 있는 방법이 필요 하였다. 고로 연소대는 가스, 먼지등이 있어서 측정조건이 매우 열악하므로 미국 IRCON사의 two-color 적외선 온도계를 채용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

레이스웨이 내 원통형의 control volume에서 미분부에 대한 열,물질수지를 작성하면 여러 가지의 상미분 방정식이 얻어지며, 식(1)∼(5)를 이용하고, Runge-Cutta-Gill 방법을 사용하면 고로 반경 방향에서 온도, 조성의 해를 쉽게 구할수 있다.[6]

Fig.2 (a)는 미분탄 취입량 및 산소 취입량에 따라서 풍구에서부터 노중심으로 2.5m까지의 노내 가스 온도 평균값을 계산하여 나타낸 것으로 미분탄을 취입하지 않는 경우 2200℃정도 이고 미분탄 취입량이 100∼150kg/t-p일경우 온도는 1900∼2000℃ 였다. 산소부화량 10000Nm3/hr 증량시 온도 변화는 100℃정도의 상승을 나타냈다. (b)는 미분탄 취입량이 130kg/t-p시 고로 반경방향에서 계산된 온도분포를 나타내고 있는 것으로 co-axial란스를 사용하면 최고점온도는 증가하나 노심에서 온도는 감소하는 것을 알 수 있다. (c)는 두가지 경우의 온도차를 나타낸 것으로서 풍구쪽에서는 200∼300℃ 정도를 나타내다가 노중심으로 갈수록 그편차가 감소하고 1.7m 이후에는 오히려 co-axial 란스를 사용하는 경우가 온도가 낮았다.

Fig.3. Calculated, (a), and measured, (b), gas temperature in raceway with amount of O2 through oxy-coal and relationship between both, (c).

위의 계산 결과를 확인하기 위해서 미분탄 취입량에 따라서 연소대 주위에서 채취한 코크스를 채취한후 XRD분석하여 코크스의 이력온도를 추정하였다.  co-axial란스를 사용할때와 하지 않을때 풍구쪽에서 온도차가 200∼300℃정도를 나타냈으며 미분탄 취입량에 따라서 전체적으로 연소대 온도가 감소하는것으로 나타났다. 고로 중심부 코크스는 co-axial란스를 사용하는 경우 온도가 오히려 감소하는 것으로 나타났고, Fig.2의 계산결과와 매우 잘 일치 하였다.

co-axial 란스로 사용되는 산소 취입량에 따른 연소대에서 온도변화를 알아보기 위해서 Fig.3. (a)와 같이 산소 취입량에 따른 계산결과를 나타냈다. 동일 조건에서 연소대의 최고점 온도를 two-color 적외선 온도계로 측정하여 Fig.3 (b)와 같은 결과를 얻었다.

미분탄 취입량 150kg/t-p, 송풍중 산소량([eqn: F_oxy])이 5000Nm3/hr, co-axial 란스로 사용되는 산소량이 10000Nm3/hr 일때 계산 및 측정온도는 2450℃정도를 나타냈다. 동일 조건에서 co-axial 란스로 사용되는 산소량을 7500, 5000, 2500Nm3/hr으로 감소 시켰을때 계산된 연소대에서 최고 온도값과 측정된 값은 Fig.3 (c)에 나타낸 것과 같이 매우 잘 일치 하였다. 즉 co-axial란스를 통한 산소부화량 1000Nm3/hr당  연소대에서 온도증가는 60℃정도이다.

결론

미분탄 취입량 증대시 연소대 온도를 이론적으로 해석하고 직,간접적으로 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.연소대 온도 측정결과 미분탄 취입유로에서 최고점온도가 2450℃ 였다.

2.co-axial용 산소 1000Nm3/hr당 연소대 최고점 온도는 60℃ 씩 증가 하는 것으로 나타났다.

3.co-axial란스 사용시 다음과 같은 산소 초기농도 가정을 기초로 하여 연소대 온도 분포를 미분 수지식을 통해 해석한 결과, 실측정 값과 매우 잘 일치 하였다.

4.미분탄 취입량 증대시 co-axial란스를 통해서 산소를 부화하는 경우 송풍중으로 산소를 부하하는 경우에 비해서 풍구전 온도는 상승하고 고로 중심쪽 온도는 감소 하는 것으로 나타났다.

참고문헌

1.J.J. Poveromo : I&SM, 6, No.7, 22(1979)

2.J.M. Burgess : Prog. Energy Combust. Sci., 11, 61(1985)

3.Y. Ohno, T. Furukawa and M.Matsuura : Testu to Hagane, 78, No.1, 50(1992)

4.K.H. Peters : 2nd European Ironmaking Conference, Glasgo, 250(1991)

5.Chung Jin-Kyung : Ironmaking Conference Proceeding, Nashivile, 54, 13(1995)

6.鞭巖 : □製鍊化學工學 演習□, 1st ed., 養賢堂, 東京(1974)