코크스로 정기수리시 열량조절 방안

김기홍·윤경호·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

The Method of Heat Control in Maintenence Break

of Coke Oven

Ki-Hong Kim, Kyong-Ho Yoon, 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.

COKE OVEN 연소관리 SYSTEN은 최적연소 제어를 통해 로온안정을 기하며 효율적인 조업관리를 위해 운영되고 있지만 연소제어는 코크스원가절감, 품질안정및 작업환경을 위하여 조업기술 중에서도 끊임없이 추구해야할 가장 중요한 과제로 되어있다. 주기적으로 실시하는 COKE OVEN 정기수리시는 그 기간에 따라 열량손실을 줄이고 로의 손상을 예방하며 COKE 고품질을 위해 단계별로 열량을 감소시키게 된다. 이에 본 연구에서는 코크스로의 정기수리시 보다 효율적인 열량 조절방법을 정립하고자 최적 추가감산시간, 열량조절방안, 연소실온도예측방법 등을 제시하였다.

이론

정수시 열량조절은 코크스로의 온도가 지나치게 높아지거나 낮아지지 않게 관리하는 것이 중요하다. 코크스로의 온도는 예측하기가 어렵다. 열량을 일정하게 유지해도 온도는 계속 변한다. 그전에 공급된 열량 및 건류과정 진행상태에 영향을 받기때문이다. 과거 정수실적을 분석한 결과 정수시 코크스로의 온도를 결정하는 것은 정수완료시점의 온도이다. 정수완료시점의 온도가 대략 1240℃ 이상(특히 1250℃ 이상)이 될 경우 정수완료후 열량증급 패턴을 서서히 하더라도 최고온도가 1300℃ 부근까지 증가되는 현상을 볼 수 있다. 정수완료후 코크스로의 온도를 1230℃ 정도를 유지할 경우 가장 이상적인 온도관리를 할 수 있다. 정수완료시점의 온도를 좌우하는 것은 정수기간중 열량조절패턴이다. 정수가 시작되면 장입/압출 작업이 중지되어 비록 열량을 감급하더라도 온도 하강율이 급속히 떨어지고 이 기간중 열량을 일정하게 유지하더라도 오히려 온도가 상승하는 현상이 나타난다. 따라서 상승하는 온도 기울기를 조절하지 못하면 정수완료시점의 온도가 지나치게 높아져 결국 온도조절에 어려움이 발생된다. 따라서 본 연구에서는 과거 정수실적 분석결과를 기초로 주로 정수기간중 열량조절방법에 주안점을 둠으로서 정수완료후 온도상승기울기를 관리하고자 하였다.

결과 및 고찰

1) 추가감산시간 결정

Fig.1은 일반적으로 정수시 단계별로 증/감급하는 열량패턴을 나타낸 그림으로 P 시점에서 장입한 오븐은 압출시점에서 A1+A2의 열량이 부족하나 A1+A2=B1의 열량을 추가 공급하면 부족열량이 없다. P1 시점에서 장입한 오븐의 경우 A2의 열량만 부족하나 B1의 열량이 추가공급되어 B1-A2의 열량이 과잉공급된다. Q에서 장입한 오븐의 경우는 B1의 열량이 과잉공급 된다. 따라서 B=A1+A2라면 P 시점에서 장입한 오븐의 경우만 열량손실이 없고 P에서 Q사이에 장입된 오븐은 과잉열량이 공급될 수 있다. 따라서 과잉열량을 최소화시키면서 열량부족을 최소화시키는 B1을 구할 필요가 있다. 즉, B1 = (A1+A2)×□가 되는 □ 값을 구한다. □값이 커질수록 열량부족오븐의 수는 작아지나 반대로 연소실온도가 증가한다. 열량부족오븐은 품질문제와 관련되며, 연소실온도는 로체수명에 관련되기 때문에 두가지문제를 동시에 고려해서 □=0.5를 권장한다.

2) 정수전후 열량 증/감급 방안 도출

정수시 열량조절은 코크스로의 온도가 지나치게 높아지거나 낮아지지 않게 관리하는 것이 중요하다. 코크스로의 온도는 예측하기가 어렵다. 열량을 일정하게 유지해도 온도는 계속 변한다. 그전에 공급된 열량 및 건류과정 진행상태에 영향을 받기때문이다. 과거 현장 정수실적을 분석한 결과 정수시 코크스로의 온도를 결정하는 것은 정수완료시점의 온도이다. 정수완료시점의 온도가 대략 1240℃ 이상(특히 1250℃ 이상)이 될 경우 정수완료후 열량증급 패턴을 서서히 하더라도 최고온도가 1300℃ 부근까지 증가되는 현상을 볼 수 있다. 정수완료후 코크스로의 온도를 1230℃ 정도를 유지할 경우 가장 이상적인 온도관리를 할 수 있다. 정수완료시점의 온도를 좌우하는 것은 정수기간중 열량조절패턴이다. 정수가 시작되면 장입/압출 작업이 중지되어 비록 열량을 감급하더라도 온도 하강율이 급속히 떨어지고 이 기간중 열량을 일정하게 유지하더라도 오히려 온도가 상승하는 현상이 나타난다. 따라서 상승하는 온도 기울기를 조절하지 못하면 정수완료시점의 온도가 지나치게 높아져 결국 온도조절에 어려움이 발생된다. 따라서 과거 정수실적 분석결과를 기초로 주로 정수기간중 열량조절방법에 주안점을 둠으로서 정수완료후 온도상승기울기를 관리하고자 하였다.

위에서 언급한 내용을 조업자가 보다 손쉽게 사용하기 위해 MS-EXCEL 프로그램을 이용해 정수시 열량조절 프로그램을 개발하였다. Fig.2는 정수시 열량조절 프로그램의 초기화면으로 정수시간, 가동율 등을 입력하고 확인버튼을 누르면 Fi화면이 출력되면서 연소실 예상온도 및 추가감산시간이 나타난다. 1,2기와 3,4기를 따로 만든것은 1,2기는 Gcal/Rev. 단위가 사용되고, 3,4기는 GJ/Rev. 단위가 사용되기 때문이다. 따라서 조업자는 이 프로그램을 PC에 설치하고 정수시 열량공급 패턴을 결정할 때 이 프로그램을 수행시켜 연소실온도를 미리 예측하므로서 보다 효과적으로 정수시 열량 증감급을 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3) 정수전후 연소실온도 예측방법

정수 작업을 위해 코크스로에 공급되는 열량을 변화시킬 때 나타나는 연소실온도를 정수전 공급열량 대비 부족열량을 온도로 환산하여 예측하였다. Fig.3은 현장테스트를 한 경우로 예상연소실온도와 측정연소실온도가 거의 유사하게 나타났으며 전체적으로 최대/최소 온도편차가 적어 열량조절이 매우 잘 이루어졌다. 이것은 정수시간이 연장되지 않았고 앞에서 언급한 열량조절원리를 그대로 반영한 결과이다. 따라서 본 연소실온도 예측 및 열량조절 프로그램은 정수 예정시간만 지켜지면 상당히 정확한 프로그램으로 판단된다.

Fig.1 Heat control in maintenence break of coke oven

Fig.2 program of flue temperature estimation

Fig.3 Real test of program of flue temperature estimation