고층후 소결베드 내에서 연소 반응시 NO 및 SO2의

발생 거동에 관한 연구

장석흥, 송호철, 박진원

연세대학교 화학공학과 환경공학연구실

A study on the emission of NO and SO2 of combustion

in the high sintering bed

Seokheung Chang, Hocheol Song, Jinwon Park

Environmental Eng. Lab., Dept. Chem. Eng., Yonsei University

서론

갈수록 엄격해지고 있는 환경 규제에 대처하기 위해 소결 배가스 처리방법과 달리 소결 반응에서 NOx와 SOx를 제어하려는 연구가 현재 활발히 진행중에 있다. 석탄과 코크스의 연소는 대표적인 고체-기체 반응으로 제철공정에서 그 중요성으로 인해 많은 연구의 대상이 되고 있다.  고층후 소결법은 소결베드의 높이를 높임으로써 에너지 효율을 증가시켜 소결에 투입되는 연료량을 줄이기 위해 개발되고 있다. 고층후 소결은 층내 열축적효과에 의한 고온, 저압, 저산소분압이라는 특성을 가진다. 본 연구에서는 고층후 소결 반응중에 코크스에 존재하는 질소와 황의 연소 거동을 조사하기 위해 산소분압과 고온조건하에서 코크스의 연소거동을 조사하였다.

실험방법

전기로(I.D.70□, 150cm(h), tube furnace)를 이용해 각각 1100℃, 1300℃, 1400℃, 1500℃에서 등온 연소반응을 실험하였다. 반응 온도에 도달한 후 일정기간 반응 온도를 유지하면서 Air와 O2 Lean Air(O2 10%)를 2L/min 유량으로 주입했다. 가스분석기(Madur 40T Gas Analyzer)로 NO, SO2 가스의 농도를 2분 주기로 분석하였으며 이를 통해 NO, SO2의 전환율을 계산하였다. 균일한 coke 미분말시료 4g을 채취하여 직경 20mm인 몰드에 장입한 후 200 kgf/cm2로 가압하여  disk 형태의 pellet을 제조하였다.

본 실험에 사용된 시료의 화학 조성은 다음과 같다.

Table1. Chemical composition of coke(wt%)

C	N	S	T-Fe	SiO2
87.792	1.1	0.53	0.37	6.57
Al2O3	CaO	MgO	P	TiO2
3.18	0.2	0.06	0.038	0.16

실험결과

Air 사용시 각각 온도에 따른 coke pellet의 NO 농도와 누적 전환율을 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 1.에서 반응 온도가 증가함에 따라 배출 농도가 증가함을 알 수 있으나 1100, 1300℃의 경우 배출 농도에 있어 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 그러나 1400, 1500℃의 경우에는 초기배출농도가 급격히 증가하고, 시간의 경과에 따라 급격히 감소하는 현상을 보였다. Fig. 2에서는 1100, 1300℃ 의 경우 전환율이 10%미만이나 1500℃의 경우 최대 42%까지 증가함을 보였다. 결과적으로 온도가 올라갈수록 발생농도와 전환율이 증가함을 알 수 있었으며 특히 고온인 1500℃경우에서 뚜렷하게 나타났다.

O2 Lean Air(O2 10%) 사용시에 NO발생 농도와 전환율을 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 공급되는 O2의 양이 Air의 경우의 절반에 이르므로 Air 사용시 발생농도의 1/2이하로 감소함을 알 수 있었다. NO의 발생량은 O2의 농도에 강하게 영향을 받는 것으로 판단된다. 반응 온도가 증가함에 따라 NO 발생량이 급격히 증가하는 경향은 Air 사용시와 유사했다.

Air 사용시 각각 SO2 농도와 전환율을 Fig. 5와 Fig. 6에 나타내었다. 1100℃, 1300℃의 영역에서는 낮은 농도로 비교적 장시간에 걸쳐서 배출되는 반면 1400℃, 1500℃의 경우에는 초기 20분이내에 급격히 발생했다가 이후 급격히 감소함을 알 수 있었다. 전환율의 경우에는 1300℃에서 최대값을 나타냈으며 1500℃의 경우 다른 온도와 비교해 낮은 전환율을 보였다.  O2 Lean Air(O2 10%) 사용시 SO2 농도와 전환율을 Fig. 7과 Fig. 8에 보였다. 그 결과 고온에서는 초기에 고농도가 배출 후 급격히 감소하는 경향을 보이고 저온반응의 경우 초기 배출농도 값이 전체 반응 시간동안 유지되고 있음을 보였다. 그러나, O2의 양이 부족하기 때문에 반응 중반이후 반응온도에 따른 발생량의 차이가 보이지 않았다. 전환율은 Air를 사용했을 경우와 비교해 거의 비슷한 값을 나타냈고 1100℃, 1400℃의 전환율은 비슷한 값을 보이고 1300℃에서 최고값을 나타냈다.

결론

NO와 SO2 등온실험을 비교하였을 때 NO 등온실험에서는 고층후 소결 조건인 1400℃ 이상의 온도조건에서 초기에 NO가 급격히 발생하는 현상을 보였으나 O2 농도를 1/2로 낮추면 발생량이 크게 감소하며 전환율 역시 1/2로 감소함을 알 수 있었다. SO2 등온실험에서는 1300℃에서 최고의 전환율을 보이고, 1400℃ 이상의 고온에서 SO2가 급격히 감소하는 현상을 보였다. 또한 낮은 O2 농도에도 전환율에 비례하여 크게 감소하지 않음을 알 수 있었다.

감사

본 과제는 포항제철 사외위탁과제로 수행되고 있으며, 포항제철의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. P. Davini, "Investigation into the desulphurization properties of by-products of the manufacture of white mables of Northern Tuscany", Fuel, 79, pp. 1363-1369(2000).

2. Chin-Lu Mo, Cher-Son Teo, Ian Hamilton, John Morrison, "Admixing Hydrocarbons in Raw Mix to Reduce NOx Emission in Iron Ore Sintering Process", ISIJ International, Vol. 37, NO. 4, pp. 350-357(1997).

3. M. T. Hepworth, R. Ben-Slimane, S. Zhong, "Thermodynamic Comparison of Several Sorbent Systems for Hot Coal-Derived Fuel-Gas Desulfurization", Energy & Fuels, 7, pp. 602-609(1993).