코크스로 연소실내 연료가스 분배특성

윤경호·김기홍·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Gas Distribution Control in Combustion Chamber

of Coke Oven

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

Energy & Chemical Process Research Team,

Research Institute of Industrial Science & Technology

서론

코크스오븐에서 석탄을 1200∼1300℃로 18∼19시간 가열하면 코크스가 된다. 코크스는 고로에 넣어 철광석과 함께 철을 생산하는 원료로 사용되며 코크스 품질에 따라 생산되는 철의 품질에 큰 영향을 준다. 따라서 제철산업에서 코크스오븐의 역할은 상당히 중요하다고 볼 수 있다.

코크스 제조공정은 제철공정의 생산량에 비례하여 가동율이 수시로 변화 될 수 있다. 이와 같이 수시로 변화하는 조업상황에서 코크스로의 연소관리상 문제로 대두될 수 있는 것은 연료가스 분배 문제이다. 즉, 가동율 변화에 따라 연소실에 공급되는 연료가스의 유량이 변화되면 효율적인 연소실 온도관리가 어렵다. 코크스오븐은 한개의 탄화실 양 옆에 2개의 연소실로 구성되며 탄화실에 석탄을 넣고 건류시 발생되는 부생가스를 연소실에서 연소시켜 발생되는 열을 탄화실로 전달시켜 건류를 시킨다. 분배관에서 공급된 연료가스는 Sole Flue 상단에 설치된 크기가 다른 34개의 N/P를 통해 축열실을 거쳐 각 연소실의 Flue로 공급된다. 각 연소실은 다시 34개의 Flue로 구성되어 한쪽 연소실에서 홀수번 Flue가 연소되면 짝수번 Flue는 폐가스 통로로 사용되며, 다른쪽 연소실은 짝수번 Flue가 연소된다. 각 Flue의 온도는 분배관에서 Sole Flue로의 공급유량을 변화시키기거나 해당 N/P의 크기를 변화시키 Flue에 공급되는 연료가스의 유량을 변화시켜 조절할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 분배관에서의 연료가스 공급유량을 변화시키거나 N/P의 크기를 변화시킬 때 각 Flue내 공급되는 연료가스의 유량 특성에 대한 실험적 자료를 얻음으로서 코크스로의 조업시 가동율 변화 및 조업환경 변화시 문제가 될 수 있는 연료가스 분배 문제를 해결하고 최적의 코크스로 연소관리 기술을 정립하고자 하였다.

실험

연료가스 유량변화와 N/P 크기 변화에 따른 연소실내 각 Flue의 연료가스 유량변화를 알아보기 위해 실제 코크스로의 연료가스 유로를 실험실적인 크기의 축소 모형으로 제작하였다. 시뮬레이터에 공급되는 가스는 실제 코크스로에서 사용되는 연료가스 대신 공기를 사용하였으며 제작된 시뮬레이터의 구성을 Fig.1에 나타내었다. 시뮬레이터의 축소규모를 결정하기 위해 실제 코크스로내에서의 연료가스의 Reynolds number와 시뮬레이터내에서 사용된 공기의 Reynolds number를 일치시켜 축소규모를 결정하였다.

분배관 입구에 Blower를 부착하여 연료가스 역할을 하는 공기를 불어넣었다. 주입된 공기는 Sole Flue전에 부착된 유량계를 통해 유량이 측정되었으며, 연소실 각 Flue의 연료가스가 나오는 34개의 port에 압력계를 부착하여 압력을 측정할 수 있게 하였으나 본 실험은 짝수번 Flue에 설치된 압력계의 데이터만 나타내었다. N/P는 가로 20mm, 세로 50mm의 크기로 세로 방향으로 0∼50mm의 크기를 조절할 수 있게 제작하였다. 또한 공기가 빠져나가는 폐기변 쪽에 유량조절 밸브를 부착하여 나가는 공기유량을 조절할 수 있게 하였다.

N/P 크기에 따른 Flue내 연료가스유량 분포를 알아보기 위해 분배관으로 공급하는 유량을 95∼205Nm3/hr의 범위로 변화시켰으며, N/P size는 1∼3mm 간격으로 34번 까지 변화시키거나 1,2,33,34번을 완전히 50mm open시키기도 하였다. 측정 압력은 한쪽 연소실인 짝수번 연소실만 측정하였으며 압력을 유속으로 환산하고 N/P 면적을 곱해 유량으로 변환하여 계산하였다.

결과 및 토론

먼저 N/P size 균일시 연소실 압력/유량 변화이다. N/P를 완전히 개방(100%)하면 50mm까지 열 수 있다. 모든 N/P를 50mm로 똑같이 열고 분배관 유량을 변화시키며 측정한 짝수번 연소실의 압력 변화를 Fig.2에 나타내었다. 분배관 유량이 많아질 수록 N/P 6번까지는 압력이 상승하다 그 이후로는 압력변화가 거의 없음을 알 수 있다. 이러한 현상은 분배관에서 Sole Flue로의 관 확대로 인해 입구쪽 N/P의 압력손실에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 상대적으로 분배관 유량이 적을 수록 1번과 34번의 압력차이가 거의 없어지는 현상을 볼 수 있다. 짝수번 연소실의 압력을 유량으로 환산하여 Fig.2에 나타내었다. 유량도 압력과 거의 유사한 경향을 나타내고 있으며, N/P size 구배가 없으면 공기가 주입되는 입구쪽이 유량이 적게 들어가고 나머지는 거의 비슷하게 들어가며, 분배관 유량이 커지는 즉, 가동율이 높아질 수록 입구쪽 유량구배가 상대적으로 커짐을 알 수 있다.

다음은 N/P size 변화시 연소실 압력/유량 변화이다. 실제 코크스로의 N/P는 연료가스가 공급되는 입구쪽에서 출구쪽으로 갈수록 N/P의 크기가 증가한다. 그것은 탄화실의 폭이 입구쪽보다 출구쪽이 넓기때문에 출구쪽의 온도를 높게해야 하기 때문이다. 따라서 본 실험에서는 N/P의 크기를 1번에서 34번쪽으로 갈수록 증가시키며 연소실내 압력을 측정하였다. Fig.3은 N/P의 크기를 30번 기준으로 30번을 40mm로 고정하고 30번 이하는 1mm씩 감소, 30번 이상은 1mm씩 증가시켜 2번은 26mm, 4번 27mm, 6번 28mm,……, 34번은 42mm를 유지시킨 후 분배관 유량변화에 따른 연소실내 압력분포를 나타낸 그림이다. N/P의 크기를 변화시켜도 N/P가 균일할 때와 마찬가지로 6번까지는 압력이 증가하고 그 이후는 일정압력을 유지하거나 약간 상승한다. 그러나 Fig.3에 나타낸 바와 같이 유량으로 환산하여 나타내면 입구쪽보다 출구쪽에서 훨씬 많은 양의 공기가 유입됨을 알 수 있다. 또한 분배관 유량이 증가 할 수록 입구와 출구쪽간의 편차가 훨씬 커짐을 보이고 있다. 따라서 분배관 유량이 적으면 입구와 출구쪽간의 유량편차가 거의 없어져 실조업시 N/P 크기를 변화시키지 않은 상태에서 분배관 유량이 변동되면 온도 관리가 어려울 것으로 판단된다.

Fig.4는 N/P 1mm, 2mm, 3mm 변화패턴을 연소실내 평균유량 대비 유량으로 나타낸 그림이다. 분배관 유량이 일정할 때 N/P 변화폭이 큰 3mm 변화패턴시 1mm 변화패턴에 비해 유량구배가 크다. 이 현상을 이용하면 실조업에서 같은 분배관 유량이 공급될지라도 열내온도분포를 온도차가 크게 또는 작게 변화시킬 수 있을 것으로 판단된다.

실제 조업에서는 평상 가동율에서 가동율이 증가하면 분배관 유량이 증가한다. 정상적인 유량 구배를 유지한 상태에서 분배관 유량이 증가하면 유량구배가 커짐이 실험을 통해 확인되었다. 따라서 분배관 유량 증가시 입구쪽의 유량이 지나치게 많아져서 입구쪽이 출구쪽보다 건류시간이 빨라질 수 있다. 따라서 이러한 현상에 대처하기 위해서는 N/P size를 작게 해야한다. 즉, 위의 결과에서 나타나 듯이 같은 양의 분배관유량이 공급될지라도 N/P size가 줄면 유량구배가 작아지기 때문에 분배관유량 증가시 N/P size를 줄이는 것이 적절한 조치로 판단된다. 이 때 N/P size를 줄일 때는 연소실내 N/P간의 간격을 작게하므로서 크기구배를 작게 해주어야 한다. 위에 나타낸 바와 같이 크기구배를 변화시키지 않고 일률적으로 N/P size만 줄이면 유량구배는 변하지 않기 때문이다.

1. Blower

2. Air flow rate control valve of distribution pipe  3. Nozzle plate

4. Air flow rate control valve of oulet

5. Pressure gauge   6. Combustion chamber

7. Air inlet   8.Air outlet   9. Sole flue

10. Regenerative chamber

Fig.1 Schematic diagram of coke oven simulator

Fig.2 Effect of total gas flow rate on                  Fig.3 Effect of total gas flow rate on

pressure/flow rate in flue                             pressure/flow rate in flue

Fig.4 Effect of nozzle plate opening area on flow rate gradient in flue

(Nozzle plate opening area :

No.30=40mm, Total gas flow rates=120Nm3/hr

1mm=No.30 basis 1mm increasing, 2mm=No.30 basis 2mm increasing,

3mm=No.30 basis 3mm increasing)