코크스로 폐가스의 통풍력 향상방안

윤경호·김기홍·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

The Method of Improving Ventilation Efficiency

in Waste Gas Duct of Coke Oven

Kyong-Ho Yoon, Ki-Hong Kim, Yong-Kuk Lee

Energy & Chemical Process Research Team,

Research Institute of Industrial Science & Technology

서론

코크스로의 연소관리는 로체, 생산량, 품질, 작업의 난이 등에 영향을 주어 코크스 생산가격에 직접적인 관련을 가지며 공정의 조업성적을 좌우하는 중요한 부분이다. 특히 연소관리의 목적은 전 Flue의 온도와 연소상태를 최상의 상태로 유지하려는 것으로 최상의 상태를 장기적으로 지속하고 이것에 영향을 주는 변화에 즉각적으로 대응할 수 있어야 한다. 이렇게 하기 위해서는 합리적이고 용이한 관리방법과 관리기준을 정해 그 기준에 따라 적절한 조치를 취해야한다. 비합리적 관리는 단지 열경제적 손실뿐만 아니라 로황의 변화에 대응하지 못하고 현재와 같이 가동율, 로온 등의 변동이 심한 상황에서 소요 코크스 품질의 확보가 어려울 뿐 만 아니라 로체에도 중요한 손상을 초래하므로 합리적인 연소관리가 요구된다.

코크스오븐의 구조상 연소실내에서 발생되는 폐가스는 폐기변을 통해서 집합되고 소연도 대연도를 거쳐서 굴뚝으로 빠져나가게 되어 있다. 이과정에서 연소되는 폐가스를 원할하게 외부로 배출시키지못하면 코크스오븐의 연소관리상 여러문제점을 유발시키게 된다.

통풍력개선을 위한 방법은 연료가스의 발열량을 높임에 의해 연소폐가스양을 작게하여 개선하는 방법과 연도 유로의 저항을 적게하여 개선하는 방법 및 연도하부에서의 폐가스 온도를 높게하여 통풍력의 driving force를 크게하여 개선하는 방법이 있을 수 있는데 연료가스의 발열량을 높이는 방법은 연소실에서의 화염온도를 높이는 관계로 폐가스내 질소산화물의 농도를 높이는 단점이 상존하고 연도하부에서의 페가스 온도를 높여주는 사항은 열원공급을 위한 장치설치등의 부가적인 사항이 있게된다.

따라서 본 연구에서는 폐가스 유로의 저항을 줄여서 원할한 통풍력을 보장받을 수 있는 방안을 선택하였다.

이론

코크스 굴뚝에서의 이론통풍력은 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다.

굴뚝의 이론 통풍력(△P) = 355·H (1/Ta - 1/Tg)  (mmH2O) -------(1)

단, Tg = (Tg1 - Tg2) / ln(Tg1/Tg2)

식(1)에서 T는 절대온도이며, Tg1은 굴뚝하부에서의 폐가스온도를 Tg2는 굴뚝상부에서의 폐가스 배출온도, Ta는 외기온도를 의미한다. 또한 H는 굴뚝의 높이(m)이다.

위 식은 굴뚝내의 유로저항을 무시한 겉보기 통풍력이며 보다 상세한 계산을 위해서는 굴뚝내 유로저항을 고려한 유효통풍력으로 계산하여야한다. 그러나 코크스오븐의 굴뚝은 내부 규모가 대단히 크기때문에 유로저항을 무시하고 겉보기 통풍력으로만 계산해도 조업에 유용한 자료를 얻을 수 있다고 판단된다.

제철소내 실제 코크스공장에 대한 굴뚝의 겉보기 통풍력을 계산해보면 다음과 같다.

(계산을 위한 전제조건)

● 굴뚝높이            : 145m

● 굴뚝하부 폐가스온도 : 200, 180, 150℃

● 굴뚝배출 폐가스온도 : 100℃, 외기온도

● 외기온도            : 25(하절기), 5(동절기)℃

● 실측압력강하        : 약 37 mmH2O(폐기변 - 굴뚝전단)

이 조건을 식(1)에 의해 계산하면 외기온도가 5℃이하가 되는 동절기에는 통풍력에 문제가 없으나 하절기에는 기존 연도내 압력강하 한계인 37mmH2O가 되어 문제의 소지가 있음을 알 수 있다. 따라서 하절기때 통풍력의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 강구해야하는데 본 연구에서는 기존 연도내 폐가스유로를 조사하여 압력강하를 많이 유발시키는 지점을 찾아서 유로저항을 줄이는 방법을 택하게 되었다.

결과 및 고찰

연도내부에 가이드베인을 설치하여 유로저항을 줄여서 통풍력을 개선할 경우 어느정도의 개선효과가 있는지를 미리 파악하기위하여 Fluent를 이용하여 3차원 비압축성 난류유동 해석을 수행해 보았다. 시뮬레이션을 위한 계산조건은 다음과 같다.

(계산조건)

● 3차원 비압축성 난류유동

● 격자 크기 : 35×35×42, 29×45×52(guide vane 부착시)

● 입구조건  :

- 폐가스 온도 : 180℃

- 폐가스조성 : N2 75%, CO2 18%, H2O 4%, O2 3%

- 폐가스유량 : 128,000Nm3/hr

- 폐가스유속 : 7.334m/s

- 밀도       : 0.808kg/m3

- 점성계수   : 0.00003kg/m·s

● 입구측 직관길이 : 5m

● 출구측 직관길이 : 10m

코크스오븐의 Layout 및 guide vane 설치위치는  Fig.1 및 Fig.2와 같다. Fig.2의 가)의 경우 즉, 가이드베인을 설치하지 않았을때 A와 C지점간의 압력강하는 11.0mmH2O로 나타났으며 직관부에서의 압력손실에 비해 유동방향이 바뀌는부분, 급확대부분 등 곡관부에서의 압력손실이 매우큰 것으로 나타났다. 유동특성으로는 수직한 벽면과 만나는 영역의 일부에서 recirculation이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig.2의 나)의 경우는 가이드베인을 곡관부 4군데에 설치했을때를 보여주는 그림으로 이때의 A지점과 C지점간의 압력강하는 7.8mmH2O로 예측되었다. Fig.3과Fig.4의 계산결과에 의하면 1), 2)위치에 있는 가이드베인의 효과는 미미하나 3), 4)의 위체에 있는 가이드베인의 효과는 있는것으로 판단되었다. 위 계산결과에서 가이드베인 설치전후의 압력강하 개선효과는 3.2mmH2O정도로 나타났다. 이러한 계산근거를 바탕으로 실제 제철소내 코크스오븐의 연도내부에 가이드베인을 설치하여 통풍력을 개선하고자 하였다.

가이드베인 설치위치는 통풍력 시뮬레이션시 고려했던 4 point(Fig.2의 1),2),3),4)위치)중에서 설치가 까다로운 2)지점은 제외하였으며 또한 1)지점은 현장 실사결과 당지점에 계단이 설치되어 있고 이미 연도 유로상 저항을 줄일 수 있는 형태로 되어 있었기 때문에 이지점에 가이드베인을 설치하지 않았다. 가이드베인 설치전후의 효과파악은 Fig.1의 A지점과 B지점의 압력강하를 측정하여 비교하였다. 가이드베인을 설치할 경우 설치전보다 평균 1.8mmH2O정도 압력강하가 덜일어나며 그만큼 통풍력이 개선되는 것으로 나타났다. 이러한 수치는 원래 시뮬레이션시에 예상했던 3.2mmH2O 개선효과 보다는 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 이유로는 시뮬레이션시 고려했던 가이드베인 설치위치에서 두 지점이 제외되기때문에 나타난 결과이다.