코크스로에서 석탄 건류시 팽창압 특성

이 운 재, 이 성 수, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지전환연구팀

Coking Pressure Characteristics during Carbonization in a Coke Oven with Movable-Wall

Woon-Jae Lee, Sung-Su Lee and Yong-Kuk Lee

Energy Conversion Research Team, RIST

1. 서  론

제철산업에서 최근의 경제 상황은 코크스 생산효율의 증가와 단위비용 저감에 대한 요구가 증대되고 있다. 이를 위해 오븐 크기, 건류속도의 증가와 장입 석탄의 전처리를 통해 코크스 품질개선을 시도하고 있으며, 원료 비용저감의 관점에서 장입탄의 장입밀도를 증가시키는 방법이 고려되고 있다. 구체적인 예로는 oiling 법, stamping 법, 성형탄 배합법, 건조탄 및 예열탄 (∼250℃) 장입법 등이다. 한편, 코크스로의 설비집약에 동반된 고가동률 조업으로 노온도가 상승하고 있다. 이와 같은 개발의 결과는 과잉의 석탄 팽창압의 증가를 가져오며, 석탄 팽창압의 증가는 코크스 배출시 배출압의 증가와 오븐 부착을 동반하게 된다. 코크스 오븐에 석탄을 장입한 후 대략 11∼13 시간에 최대 팽창압이 발생하는데, 이것은 두 개의 연화층이 오븐 중심에서 합칠 때이다. 이 압력은 코크스 덩어리를 통해 코크스 오븐 벽으로 전달되며 지나치면 오븐 벽에 영구적인 손상을 주게된다. 일반적으로 석탄 팽창압에 대한 제한범위는 2psi (4m oven), 1psi (6m oven) 이하로 유지해야 한다. 석탄 팽창압은 코크스 오븐에서 배합탄의 안정성, 코크스로 조업 및 노체관리 면에서 매우 중요한 요소이므로 선진 각국에서 계속적인 연구가 수행되고 있다.

따라서 본 연구에서는 석탄 건류시 발생되는 팽창압을 측정하기 위해 30kg 용량의 이동벽을 갖는 시험로를 제작하였으며, 원료탄에 대해 석탄 팽창압과 석탄 내 가스압을 측정하였다. 또한 석탄 건조에 의한 장입밀도 증가의 영향을 알아보기 위해 건조된 원료탄에 대한 팽창압 특성을 조사하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 석탄 건류장치의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 오븐본체는 30kg 의 석탄 용량으로 내화물 CA16 (1600℃) 로 캐스터블 형태로 제작되었다. 석탄 가열을 위해 시험로 양쪽벽 내에 각각 9kW 의 열선 (kanthal) 을 설치하였다. 열선은 캐스터블 내에 알루미나 튜브를 넣고 튜브 내에 설치하였다. 오븐 상부에 석탄의 장입을 위해 0.1×0.2m 크기의 장입구를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 50A 파이프를 설치하였다. 석탄 건류시 연화층에서 발생하는 가스압과 온도 측정을 위해 양쪽 벽에 가스압 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 probe 를 높이와 가로방향으로 각각 9개를 설치하였다. 가스 probe 는 석탄 가열패턴에 영향을 주지 않기 위해 가열벽과 평행하게 설치하였다. 가스압 probe 로 부터의 압력은 pressure transmitter 를 이용하여 측정하였으며, 측정된 압력과 온도데이터는 PC 에 저장된다. 오븐 벽으로부터 열손실을 줄이기 위해 단열재로 kawool 을 이용하여 두께 0.35m 로 단열 하였다. 석탄 팽창이 오븐 벽에 미치는 힘을 측정하기 위해 한쪽 벽을 움직일 수 있도록 하단부분에 레일과 구동 바퀴를 설치하였다. 석탄 팽창압 측정을 위해 압축형 load cell (500kg) 을 이동벽의 지지대에 설치하였으며, 고정틀에 설치된 철봉으로 고정할 수 있도록 하였다. 건류 종료시 생성 코크스의 배출은 이동벽을 뒤로 이동시킨 다음 코크스 배출통을 오븐하단에 놓고 긴 쇠봉을 이용하여 오븐으로부터 배출시킨다. 배출된 적열 코크스는 물을 사용하여 소화하였다. 오븐으로부터 방출된 가스는 1차 tar 분리기 (dia 0.6m x 1.0m high) 에서 물을 통과하면서 tar 가 분리되도록 하였다. 미포집 tar 는 순환 펌프를 사용하여 노즐을 통해 물을 분무시키는 2차 tar 분리기에서 제거된다. Table 1 은 본 연구에 사용된 석탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다.

Fig. 1 Schematic diagram of test coke oven.

Table 1  Analyses of various coals.

Coal Analysis		PH	PD	BM	FR	GP	NP	PG	DP	XL
Proximate analysisdb	V.M	34.43	19.98	19.93	23.56	25.62	17.75	25.14	33.85	33.77
	F.C	57.68	70.37	70.68	67.92	65.99	71.56	65.17	57.19	57.66
	Ash	7.89	9.65	9.39	8.42	8.39	9.69	9.69	8.96	8.57
Ultimate analysis	C	85.14	80.80	81.68	80.77	80.47	87.76	79.01	75.74	75.00
	H	5.55	4.46	4.43	4.57	4.67	4.78	4.43	4.84	4.86
	N	1.85	2.02	1.34	1.45	1.59	2.08	1.36	1.56	1.53
	S	0.92	0.62	0.40	0.51	0.71	0.62	0.45	0.41	0.50
	O*	6.54	12.10	12.15	12.70	12.56	2.66	14.75	17.45	18.11
FSI		7.5	8.5	8.0	7.6	7.6	8.1	4.0	4.1	4.5
RI		0.85	1.24	1.22	1.11	0.98	1.48	0.97	0.7	0.65
Calorific value (cal/g)		7757	7782	7789	7718	7775	7727	7545	7527	7332

* : difference [100-(C+H+N+S)]

3. 결과 및 고찰

Fig. 2 는 수분 7.9% 의 강점결탄 (PD) 을 건류하였을 때 건류시간에 따른 석탄 중심 내의 가스압, 석탄 팽창압 및 석탄 중심온도 변화를 나타낸 것이다. 석탄 팽창압은 석탄 중심온도가 100℃ 도달후부터 급격히 증가한 다음 건류가 진행됨에 따라 서서히 증가하다가 석탄 중심온도가 470℃ 에서 peak 를 보인후 감소한다. 석탄 중심에서의 가스압은 석탄 중심온도가 460℃ 에서 최대값을 나타내었다. 석탄 팽창압과 석탄내의 가스압이 석탄 장입후 4hr 에서 석탄 중심온도가 460∼470℃ 에서 peak 를 나타낸 것은 양쪽 가열벽으로부터 연화층이 중심에서 만났기 때문으로 사료된다. 강점결탄인 PD 탄은 최대 팽창압이 0.34psi 로 큰 값을 나타내지는 않는다.

Fig. 3 은 수분 7.6% 의 중점결탄 (GP) 을 건류하였을 때 건류시간에 따른 석탄 중심 내의 가스압, 석탄 팽창압 및 석탄 중심온도 변화를 나타낸 것이다. 석탄 팽창압은 석탄 중심온도가 100℃ 도달후부터 서서히 증가하여 초기에 약간의 수증기압을 나타내며, 건류가 진행됨에 따라 계속 증가하여 건류 5hr 에 peak 를 나타낸후 감소한다. Fig. 2 Variation of coking pressure for PD.  CGP 탄의 최대 팽창압은 0.26psi 로 낮은 값을 나타내므로 weak coking coal 로 볼 수 있다. 석탄 중심에서의 가스압은 석탄내의 온도가 430℃ 근처에서 peak 를 나타내었다.

Table 2 는 단일탄들의 최대팽창압과 가스압을 나타낸 것이며, 일부탄에 대해서는 원료공급사의 팽창압 데이터와 비교하였다. 유동도가 큰 석탄이 대체로 큰 석탄 팽창압을 나타내었으며, NP 탄의 경우 가장 큰 팽창압을 보였다.

Fig. 3 Variation of coking pressure for GP.

Table 2 Coking pressure and internal gas pressure of single coals (635kg/m3).

Coal	Max. fluidity (ddpm)	Moisture (wt%)	Coking pressure (psi)		Gas pressure (mmH2O)
			Exp.	Lit.
PH	14689	7.6	0.74		40
PD	544	7.9	0.34	<0.5	167
NP	52	9.2	0.78	4.5	147
FR	8	7.1	0.25		59
GP	110	7.6	0.26		63
PG	587	9.2	0.27
DP	1635	7.5	0.69		32
XL	17	8.3	0.24

Fig. 4 는 수분 7.9% 의 강점결탄 (PD) 을 5.2wt% 로 건조하여 시험로에 장입시 장입밀도가 727kg/m3 로 습탄에 비해 14.5% 증가하였을때 건류시간에 따른 석탄 중심 내의 가스압, 석탄 팽창압 및 석탄 중심온도 변화를 나타낸 것이다. 석탄 팽창압은 석탄 중심온도가 100℃ 도달 후부터 급격히 증가하여 수증기압을 나타낸 후 서서히 증가하여 석탄 중심온도 540℃ 에서 peak 를 보인후 감소하였다. PD 탄의 최대 팽창압은 1.0psi 로 습탄의 팽창압 0.34psi 보다 2배 이상의 높은 값을 나타내었다. 석탄 중심에서의 가스압은 석탄내의 온도가 510℃ 에서 peak 를 나타내었으며, 최대 가스압은 220mmH2O 로 습탄의 167mmH2O 보다 크게 증가하였다.

Fig. 5 는 수분 7.6% 의 중점결탄Fig. 4 Variation of coking pressure for dried PD. (GP) 을 5.1wt% 로 건조하여, 시험로에 장입시 장입밀도가 700kg/m3 로 습탄에 비해 10.2% 증가하였을때 건류시간에 따른 석탄 중심 내의 가스압, 석탄 팽창압 및 석탄 중심온도 변화를 나타낸 것이다. 석탄 팽창압은 석탄 중심온도가 100℃ 도달 후부터 급격히 증가하여 석탄 중심온도 670℃ 에서 peak 를 보인후 감소하였다. 최대 팽창압을 보인 온도가 석탄 연화온도보다 높게 나타났으며, 이것은 두 연화층이 오븐 중심에서 합체가 일어나지 않았기 때문으로 보인다. GP 탄의 최대 팽창압은 0.73psi 로 습탄의 팽창압 0.26psi Fig. 5 Variation of coking pressure for dried GP.보다 2.8배 높은 값을 나타내었다. 석탄 중심에서의 가스압은 석탄내의 온도가 670℃ 에서 peak 를 나타내었으며, 최대 가스압은 156mmH2O 로 습탄의 63mmH2O 보다 크게 증가하였다.

4. 결  론

높은 유동도를 갖는 석탄이 높은 팽창압을 나타내었고, 유동도가 상대적으로 낮은 NP 탄은 건류시 연화층 특성으로 가장 높은 팽창압을 나타내었다. 습탄 (7∼9wt%) 을 5∼6wt% 의 수분을 갖는 석탄으로 건조하였을 경우 장입밀도는 10∼17% 증가하며, 조습탄 중심에서의 건류속도는 습탄에 비해 훨씬 느리며, 건조된 점결탄의 팽창압은 습탄에 배해 2배 이상의 높은 값을 나타내었다. 또한 조습탄의 석탄내 가스압은 습탄에 비해 높은 값을 나타내었다.

5. 참고문헌

1. Latshaw, G. H., McCollum, H. R. and Stanley, R. W., ISS Ironmaking	Proceedings, 43, 373 (1984).

2. 西岡邦彦, 吉田周平., 燃料協會志, 第 68卷 3號, 210 (1989).

3. Miura,K., Inoue,K., Takatani,K. and Nishioka,K., 鐵□鋼, 第 8號, 1243 (1991).