코크스 오븐에서 석탄 건류시 팽창 및 수축 특성

이 운 재, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지화성연구팀

Expansion and Contraction Characteristics of Coals during Carbonization in a Sole Heated Oven

Woon-Jae Lee and Yong-Kuk Lee

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

코크스 오븐에서 적열 코크스 압출시 압출 저항의 급격한 증가와 압출 막힘 등의 trouble은 코크스 오븐의 노벽에 과다한 부하를 가해 노벽 연와손상 등으로 오븐 수명을 단축시키기 때문에 압출 저항에 영향을 미치는 요인의 해명은 오븐 수명연장 및 노체 관리 측면에서 중요한 문제의 하나로 대두되고 있다. 오븐의 압출 성능을 결정하는 가장 중요한 변수의 하나는 수축이며 코크스의 성공적인 압출을 위해 필요한 수축의 크기는 오븐 벽 조건에 의존하며 일반적으로 오븐 노화정도에 따라 증가한다. 코크스 케이크의 압출 저항은 여러 가지 요인에 의해 지배되지만, 그 중에서도 코크스 케이크와 노벽 간의 간격인 수평수축(lateral shrinkage)의 영향이 매우 크다. 수평 수축이 적을수록 압출 저항은 커지며, 압출 전류치가 상승한다. 또한 노고 방향 코크스 수축량으로 표시되는 수직 수축(vertical shrinkage)에 대해서도 경험적으로 압출 저항과 상관이 있으며, 상업용 코크스 오븐에서 수직 수축이 작을수록 압출 저항이 증가한다. 코크스 오븐에서 야금용 코크스를 제조하기 위해 여러 종류의 단일탄들로 구성된 배합탄이 사용된다. 또한 석탄 건류과정에서 코크스층, 연화용융층, 석탄층이 공존하게 되며, 수축은 코크스 수축 거동뿐만 아니라 연화용융층의 팽창거동의 영향을 받기 때문에 수축이 압출 저항에 큰 영향을 주는데도 불구하고 그 지배인자와 발생 메커니즘에 대해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 야금용 코크스 제조에 사용되는 원료탄에 대해, 석탄 건류과정에서 발생하는 팽창/수축거동을 조사하기 위해 sole heated oven(SHO)에서 석탄 종류 및 조업조건 변화에 따른 팽창/수축 특성을 조사하였다.

2. 실  험

Fig. 1은 석탄의 팽창/수축 특성을 조사하기 위해, 본 연구에 사용된 일방향 석탄 건류로(Sole Heated Oven)에 대한 개략도이다. 오븐은 dual chamber (0.12mW × 0.12mL × 0.15mH)로 이루어져 있으며, 장입된 석탄을 가열하기 위해 오븐 바닥에 히터를 설치하였다. 장입된 석탄이 한쪽 방향으로 열전달에 의해 건류가 될 수 있도록 오븐 하부와 벽을 단열재로 단열하였다. 석탄 건류동안 높이 방향의 팽창/수축을 측정하기 위해 오븐 상부에 LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)를 설치하였다. 석탄의 팽창/수축은 장입된 석탄 표면에 놓인 단열 plate와 ceramic tube를 통해 LVDT로 측정된다. 석탄의 가열속도는 히터 주위에 설치된 열전대에 의해 temperature controller를 이용하여 조절하였다. 석탄의 높이 방향 온도를 측정하기 위해 오븐 바닥으로부터 0.022m 간격으로 열전대를 설치하였다. 석탄 건류시 air 흡입에 의한 석탄 산화를 방지하기 위해 소량의 질소를 LVDT에 연결된 ceramic tube 주위와 반응기 케이스 하부로 주입하였다. Chamber 하부의 히터를 이용하여 히터 온도가 400℃의 일정한 온도가 되도록 가열한다. 히터 온도가 400℃에 도달하면 반응기 상부의 해치를 들어올리고, 원하는 석탄 시료를 오븐 내로 장입하여 일정한 높이가 되도록 한 다음 석탄 표면에 단열 plate를 놓는다. 장입후 반응기 해치를 내리고, ceramic tube를 이용하여 석탄 표면의 단열 plate와 LVDT를 연결한다. 장입된 석탄은 chamber 하부의 히터를 400℃에서 1150℃까지 3℃/min로 가열한다. 석탄 상부의 표면온도가 500℃에 도달하면 실험를 종료한다. LVDT와 열전대로부터의 데이터는 data acquisition system을 이용하여 PC로 저장하였다. Table 1 은 본 연구에 사용된 단일탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다.

Fig. 1  Schematic diagram of Sole Heated Oven.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2 는 수분 7.9wt%의 C2 탄에 대해 건류시간에 따른 팽창/수축 거동과 높이방향의 온도변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, 건류시간에 따라 약간 팽창한 후, chamber 바닥에서 2.2cm 높이의 온도가 400℃ 이상 되어 연화용융층이 형성되면서 급격하게 수축이 일어난다. Chamber 바닥에서 4.4cm 높이의 온도가 500℃ 이상이 되면 수축이 끝나면서 약간 팽창함을 알 수 있다. 이것은 C2 탄이 고유동도 석탄으로 chamber 바닥에서부터 연화용융층이 형성되면 이층의 급격한 유동성 증가로 수축이 증가하며, chamber 상부의 온도가 석탄의 재고화온도(500℃)에 도달하면 더 이상의 수축은 일어나지 않고, 온도 증가에 따라 형성된 코크스의 crack 발생으로 약간의 팽창이 나타나기 때문이다.

Fig. 3은 수분 8.4∼8.6wt%의 TH 탄에 대해, 장입밀도 변화에 대해 건류시간에 따른 팽창/수축 거동을 나타낸 것이다. 장입밀도는 장입되는 석탄의 높이를 조절하여 변화시켰다. 그림에서 보듯이, 장입밀도가 낮을 때는 chamber 하부에 연화층이 형성되기 전까지는 건류시간에 따라 팽창/수축이 일어나지 않지만, 용융층 형성이후에는 급격하게 수축이 일어나며, 석탄 고화이후에는 일정하게 유지된다. 장입밀도 750kg/m3 이하에서는 석탄 건류가 진행됨에 따라 급격한 수축이 일어나지만, 750kg/m3 이상에서는 팽창만 일어남을 알 수 있다. 이것은 장입밀도가 증가함에 따라 석탄 입자간의 간격이 좁아지게 되어 연화용융층 형성시 유동성 증가와 발생되는 가스의 통과 저항 증가로 인해 수축이 감소하게 되고 결국 팽창이 일어나는 것으로 사료된다.

Fig. 4는 장입밀도 700kg/m3 일 때, 장입량 변화에 따른 TH 탄의 팽창/수축 특성을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, TH 탄은 장입밀도가 증가함에 따라 -11%에서 5% 까지 거의 선형적으로 팽창하는 것을 알 수 있다. TH 탄은 고휘발분의 고유동도 탄으로 장입밀도가 낮을 때는 연화층에서의 높은 유동성으로 높은 수축을 나타내지만, 장입밀도가 증가함에 따라 연화층에서 발생된 가스의 통과저항 증가로 팽창이 일어난다. 또한 장입된 석탄의 양에 따라서는 거의 영향이 없는 것으로 나타났다.

Fig. 5는 장입밀도 700kg/m3 에서 본 연구에 사용된 석탄의 휘발분에 따른 팽창/수축 특성을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 일부 고유동도탄을 제외하면 석탄의 팽창/수축 특성은 휘발분이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 일반적으로 휘발분이 적은 석탄일수록 석탄 건류시 연화층에서 발생하는 석탄 가스압의 증가로 높은 석탄 팽창압을 나타낸다. 낮은 휘발분의 석탄이 팽창 특성을 나타내는 것은 연화층에서 발생하는 높은 석탄 가스압에 의한 것으로 사료된다.

4. 결  론

석탄의 팽창성은 유동도가 증가함에 따라 증가하였으며, 휘발분에 대해서는 감소하는 것으로 나타났다. 장입밀도가 증가함에 따라 석탄의 팽창성은 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.

5. 참고문헌

1. Nomura, S. and Arima, T., Fuel, 80, 1307(2001).

2.	ASTM D2014-71, 282(1981).

3.	Addes, V. I., Ironmaking Conf. Proc., 303(1993).

Table 1  Analyses of various coals used.

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	4.44	4.11	217	0.95	8.0
IH	34.57	58.62	6.81	86.83	5.41	1.68	0.76	5.32	4.09	208	0.87	8.0
ER	33.64	60.18	6.18	87.33	5.24	1.61	0.83	4.99	4.15	226	0.93	8.0
C2	29.22	63.11	7.67	86.56	5.19	1.49	0.66	6.10	4.34	248	0.86	6.5
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	3.19	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
GC	19.37	71.52	9.11	90.45	4.62	2.08	0.76	2.09	2.29	82	1.37	7.7
PD	20.78	69.50	9.72	89.62	4.76	1.85	0.57	3.20	2.60	112	1.26	8.0
HJ	20.21	70.86	8.93	90.64	4.62	1.43	0.41	2.90	2.73	89	1.28	7.4
LR	23.04	67.50	9.46	88.90	4.79	1.20	0.28	4.83	2.50	47	1.10	6.5
TH	34.75	56.65	8.60	83.03	5.23	1.45	0.56	9.73	3.09	43	0.7	5.5
BG	34.98	55.84	9.18	83.33	5.32	2.21	0.46	8.68	1.84	2	0.69	5.0
MX	34.18	56.87	8.95	82.60	5.42	1.74	0.41	9.83	1.54	21	0.71	4.0

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