Pilot-scale 의 코크스 오븐에서 석탄 건류시 팽창압 특성

이 운 재, 이 규 동, 최 재 훈, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀

Coking Pressure Characteristics Generated during Coking in Pilot-scale Coke Oven

Woon-Jae Lee, Gyu-Dong Lee, Jae-Hoon Choi and Yong-Kuk Lee

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

석탄 건류과정에서 대하는 가장 중요한 문제의 하나는 상업용 코크스 오븐에서 높은 팽창압의 발달이다. 장입된 석탄이 오븐 벽에 작용하는 힘은 내화물 구조의 저항 한계를 넘어서는 안 된다. 코크스 오븐에서 팽창압의 예측과 제어는 특히 노화된 코크스 오븐에서는 매우 중요하다. 일반적으로 팽창압은 연화상태에 있는 석탄에서 발생된 휘발분에 의해 야기되며, 휘발분 방출속도와 연화층에서 가스 투과도에 의존한다. 석탄이 slot-type 오븐에서 건류될 때 두 개의 연화층이 오븐 벽에 평행하게 형성되며, 건류가 진행됨에 따라 연화층은 점차적으로 중심으로 이동하여 결국 오븐 중심에서 만나게 된다. 보통 휘발분 함량이 17∼25%(daf) 되는 석탄에 대해 오븐 중심에서 두 연화층이 합체될 때 연화층 내에서 최대 가스압의 발생을 동반한다. 이 압력은 오븐 벽으로 전달되며, 충분히 크면 오븐 벽의 손상을 야기한다. 화학분석과 팽윤물성 조건에서 비슷한 특성의 석탄들에서도 압력발생에 대해 아주 다른 거동을 나타낸다. 어떤 석탄들은 위험한 반면 다른 석탄은 안전하게 건류된다. 최근 석탄 전처리 기술의 도입과 대형 오븐의 개발에 의해 팽창압은 더 중요한 문제가 되고 있다. 이와 같은 기술의 발달은 석탄의 장입밀도를 증가시키며, 이는 팽창압을 증가시키게 되어 결국 오븐 수명을 단축시키게 된다. 많은 방법들이 석탄의 팽창압 특성을 측정하기 위해 개발되었다. 많은 비용과 측정시간이 길다는 문제는 있지만 석탄 건류시 오븐 벽에 영향을 주는 압력을 직접 측정하는 확실한 방법은 이동벽이 있는 pilot 규모의 시험로를 이용하는 것이다. 또한 프로브를 이용하여 상업용 오븐이나 시험로에서 석탄 내의 가스압을 측정하고 이를 토대로 내부 가스압과 팽창압과의 관계를 계산하기 위한 연구가 많이 진행되고있다.

본 연구에서는 pilot 규모의 코크스 오븐에서 야금용 코크스 제조에 사용되는 배합탄에 대해, 조업조건 변화에 따른 석탄 내의 가스압 특성을 조사하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 pilot 규모의 시험로의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. Pilot-scale 시험로는 다음과 같이 크게 네 부분으로 구성된다; 오븐 본체, 코크스 압출 및 소화장치, 발생가스 연소장치, 측정장치.

오븐 본체(250kg)는 0.45×1.20×1.0m 의 크기를 가지며, 이동벽, 탄화차 및 고정벽으로 구성된다. 이동벽과 고정벽은 실리카 내화물로 제작되었고, 탄화차는 부정형 내화물을 이용하여 제작되었다. 장입된 석탄 가열을 위해 이동벽과 고정벽의 양쪽에 같은 용량의 히터(SiC)를 수평으로 설치하였다. 이동벽에는 오븐 벽이 받는 힘을 측정할 수 있도록 세 개의 로드셀(10톤)을 설치하였으며, 움직일 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되었다. 탄화차는 석탄 건류 종료시 오븐 밖으로 빼내어 적열 코크스를 배출할 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되어있다. 탄화차의 한쪽 벽(0.45×1.0)에는 석탄 내의 가스압과 온도를 측정할 수 있도록 세개의 프로브를 오븐 폭방향으로 설치하였다. 오븐 상부에는 석탄 장입을 위해 장입구(300□)를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 배출관(250A)을 설치하였다. 발생가스 배출관에는 오븐 내의 압력을 조절할 수 있도록 gate 밸브를 설치하였으며, 오븐 내 압력조절을 위해 배출관 하부에 압력계를 설치하여 약간의 양압 (0∼1mm H2O) 걸리도록 하였다. 적열 코크스는 건류 종료후 탄화차를 오븐 밖의 pusher 까지 이동시킨 다음, pusher를 이용하여 오븐 폭 방향으로 밀어 소화장치로 압출하였다. 소화장치로 이송된 적열 코크스는 steel box 로 밀폐시킨 후 질소(15 l/min)를 이용하여 소화하였다. 건류시 발생하는 가스(COG) 는 발생가스 배출관의 gate 밸브 후단에 설치된 LPG 버너에서 LPG와 함께 연소되며, 연소된 배가스는 연도 통풍력으로 외부로 배출된다. 연도 통풍력 조절을 위해 연도 상부에 damper를 설치하였다. 석탄 건류과정에서 발생하는 이동벽이 받는 힘은 이동벽에 삼각 배열로 설치된 로드셀을 이용하여 측정하였다. 또한 석탄 내의 연화층에서 발생하는 가스압과 온도는 내부에 K-type 열전대가 있는 길이 1.2m 직경 3/8□ SUS 튜브로 제작된 프로브를 이용하여 측정하였다. 프로브를 통한 열전달에 의해 석탄의 가열패턴이 변하는 것을 방지하기 위해 프로브는 가열벽과 평행하게 설치하였다. 프로브의 한쪽 끝에 가스압을 측정할 수 있도록 직사각형의 구멍(2×10mm)을 설치하였으며, 압력은 pressure transmitter (2500mmH2O)를 이용하여 측정하였다. 이동벽에 설치된 로드셀, 석탄 내 가스압 및 온도 데이터는 PC 에 저장되도록 하였다. Table 1 은 본 연구에 사용된 장입탄에 배합탄 단일탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2 는 수분 5.2% 의 장입탄(PH : 9, SJ : 16, LC : 10, YK : 7, OC : 8, GY : 17, PG : 8, GD :15, XL : 7, PC : 3)을 830℃에서 장입한 후 오븐 벽 온도를 1010℃까지 조절하면서 가열하였을 때 건류시간에 따른 팽창압, 석탄 중심의 가스압 및 석탄 중심 온도변화를 나타낸 것이다. 수분 9.0% 의 장입탄을 dry oven에서 5.2%로 건조하였으며, 장입량은 320kg으로 장입밀도는 대략 817kg/m3 (0.86% 증가)이다. 석탄 장입 2시간이후 석탄 중심온도는 급격하게 100℃ 에 도달하며 석탄 내의 모든 수분이 증발하는 11 시간여 동안 100℃ 을 유지한다. 장입된 수분이 적기 때문에 습탄보다 수분 증발시간이 짧게 나타났다. 수분 증발이후 석탄 중심온도는 400℃ 까지 2.8℃/min, 석탄 고화후에는 4.8℃/min로 더욱 급격하게 증가한다. 수분 증발 후 평균 가열속도는 3.8℃/min 로 습탄보다 장입밀도의 증가로 느리다. 팽창압은 습탄 장입보다 크게 나타나고 있지만, 석탄 장입 후부터 거의 선형적으로 증가하고 있어, 본 pilot 시험로의 이동벽에서의 팽창압은 정확히 측정되지 않은 것으로 판단된다. 석탄 중심에서의 가스압은 건류 초기에 중심온도가 100℃에서 수분 증발로 인한 습탄보다 높은 수증기압을 나타내며, 석탄 중심온도가 460℃ 근체에서 173mmH2O (0.25psi) 의 최대 값을 나타내었다. 이것은 장입밀도 증가로 인해 습탄의 가스압보다 2.5배 증가한 것이다.

Fig. 2 Typical profiles of IGP and temperature with time for charging coal.

Fig. 3 은 수분 5%의 장입탄 (CW : 16, GC : 24, BM : 11, YK : 5, GG : 13, GY : 10, OC : 6, MW :12, PC : 3)을 830℃에서 장입한 후 오븐 벽의 온도를 1200℃ 로 가열하였을 때, 건류시간에 따른 팽창압, 석탄 중심의 가스압 및 석탄 중심 온도변화를 나타낸 것이다. 수분 10.1%의 장입탄을 dry oven에서 5% 로 건조하였으며, 장입량은 287kg 이다. 석탄 장입 1시간 후에 석탄 중심온도는 100℃ 에 도달하며 석탄 내의 모든 수분이 증발하는 6.5 시간여 동안 100℃ 을 유지한다. 수분 증발후 석탄 중심온도는 450℃ 까지 5.9℃/min, 석탄 고화후에는 9.3℃/min 으로 급격하게 증가한다. 수분 증발 후 평균 가열속도는 장입밀도의 증가로 습탄보다 느린 7.6℃/min 이다. 팽창압은 건류 초기에 급격하게 증가한 후 거의 일정하게 유지되었으며, 정확히 측정되지 않은 것으로 판단된다. 석탄 중심에서의 가스압은 건류 초기 수분 증발에 의해 70mmH2O 정도의 수증기압을 나타내며, 중심온도가 460℃ 근체에서 283mmH2O (0.40psi) 의 최대 값을 나타내었다. 이것은 장입밀도 증가에 의해 습탄의 가스압보다 1.89배 증가한 것이다. 또한 장입탄은 다르지만 평균 가열속도가 3.8℃/min에서 7.6℃/min 로 증가하였을 때 팽창압도 약간 증가하는 것으로 판단된다.

4. 결  론

Pilot 시험로에서 장입탄을 건조하여 장입하였을 때 가스압은 코크스 오븐에서와 비슷한 가열속도에서 습탄에 비해 건조탄이 2.5배 증가하였으며, 코크스 오븐의 가열속도보다 훨씬 빠른 가열속도에서는 습탄에 비해 건조탄이 2배 이상 증가하였다. 석탄 조습 조건보다 훨씬 낮은 수분을 갖는 장입탄에 대해서도 400mmH2O이하의 가스압을 나타내었다.

5. 참고문헌

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

2.	Lee, W. J. and Kim, J. Y., HWAHAK KONGHAK, 36, 576(1998).

3.	Tucker, J. and Everitt. G., Ironmaking Conf. Proc., 599(1989).

Table 1  Analyses of various coals used in coal blending.

Coal	Proximate analysisdb			Ultimate analysis					LMF	TD	RI	FSI
	V.M	F.C	Ash	C	H	N	S	O*
CW	32.25	60.35	7.40	87.90	5.24	1.59	0.83	4.45	4.11	217	0.95	8.0
PH	35.12	57.49	7.39	86.91	5.32	1.77	0.92	5.08	4.13	161	0.90	7.5
BM	20.50	69.98	9.52	91.29	4.67	1.29	0.33	2.41	1.20	29	1.23	6.5
LC	22.67	67.78	9.55	91.28	4.65	1.17	0.28	2.62	2.49	66	1.15	6.7
GC	19.37	71.52	9.11	90.45	4.62	2.08	0.73	2.14	2.29	82	1.37	7.7
SJ	19.11	71.16	9.73	90.88	4.68	1.87	0.61	1.97	2.41	108	1.38	8.0
YK	18.80	71.50	9.70	92.68	4.51	0.81	0.20	1.80	1.71	69	1.45	8.5
GG	34.69	58.25	7.06	85.41	5.56	2.16	0.58	6.29	3.43	158	0.83	8.0
GY	24.40	66.51	9.09	89.48	4.98	1.83	0.52	3.18	3.11	139	1.05	8.0
OC	27.36	63.35	9.29	88.21	5.20	2.20	0.65	3.74	3.81	314	1.02	8.1
PG	28.54	61.43	10.03	88.23	4.85	1.64	0.46	4.82	3.11	49	0.91	4.3
MW	35.16	55.54	9.30	83.23	5.41	1.79	0.47	9.10	1.88	33	0.70	5.0
GD	35.90	55.12	8.98	82.42	5.88	2.31	0.53	7.77	1.97	32	0.68	3.9
XL	34.17	56.83	9.00	81.65	5.23	1.82	0.48	10.82	1.56	8	0.67	4.0
PC	11.70	87.60	0.70

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