코크스 시험로에서 석탄 건류시 발생하는 석탄 내의 가스압 특성

이 운 재, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀

Internal Gas Pressure Characteristics Generated within Coal Charge during Coking in Test Coke Oven

Woon-Jae Lee and Yong-Kuk Lee

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

야금용 코크스제조 산업에서 가장 중요한 문제의 하나는 석탄 건류과정에서 코크스 오븐 벽에 작용하는 위험한 수준의 높은 팽창압에 의한 코크스 오븐 벽의 손상을 막는 방법이다. 코크스 생산을 위한 초기 벌집모양 오븐의 소멸과 이들이 slot-type 오븐으로 대체된 이래, 코크스 제조에서는 특히 저휘발분 석탄의 사용을 고려할 때 코크스 오븐 벽에 작용하는 매우 높은 팽창압에 대한 가능성에 많은 관심을 가져왔다. 높은 팽창압을 나타내는 석탄이나 배합탄은 오븐 벽을 손상시키고 오븐 수명을 단축시킨다. 석탄이 slot-type 오븐에서 건류될 때 두 개의 연화층이 오븐 벽에 평행하게 형성된다. 이들 두 연화층은 장입된 석탄의 바닥과 상부에서 연화된 석탄의 envelope, sleeve, tube를 형성하는 부가적인 연화층을 형성하며 연결된다. 건류가 진행됨에 따라 연화층은 점차적으로 중심으로 이동하여 결국 오븐 중심에서 만나게 된다. 이 연화층 내에서 입자의 석탄이 다공성, 용융된 코크스로 전환된다. 보통 휘발분 함량이 17∼25%(daf) 되는 석탄에 대해 오븐 중심에서 두 연화층이 합체될 때 연화층 내에서 최대 수준에 도달하는 가스압의 발생을 동반한다. 이 압력은 오븐 벽으로 전달되며, 충분히 크면 오븐 손상을 야기한다. 화학분석과 팽윤물성 조건에서 비슷한 특성의 석탄들에서도 압력발생에 대해 아주 다른 거동을 나타낸다. 어떤 석탄들은 위험한 반면 다른 석탄은 안전하게 건류된다. 많은 방법들이 석탄의 팽창압 특성을 측정하기 위해 개발되었다. 비용이 많이 들고 측정시간이 많이 걸리는 문제는 있지만 석탄 건류시 오븐 벽에 영향을 주는 압력을 직접 측정하는 확실한 방법은 이동벽이 있는 pilot 규모의 시험로를 이용하는 것이다. 또한 프로브를 이용하여 상업용 오븐이나 시험로에서 석탄 내의 가스압을 측정하고 이를 토대로 내부 가스압과 팽창압과의 관계를 계산하기 위한 연구가 많이 진행되고있다.

본 연구에서는 30kg 용량의 이동벽이 있는 시험로에서 야금용 코크스 제조를 위해 사용되는 원료탄에 대해 석탄 건류과정에서 발생하는 석탄 중심의 내부가스압 특성을 고찰하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 시험로의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 오븐 본체 (0.45L×0.18W×0.4H) 는 30kg 의 석탄 용량으로 부정형내화물 CA16 (1600℃) 로 캐스터블 형태로 제작되었다. 석탄 가열을 위해 시험로 양쪽벽 내에 수직방향으로 각각 12kW 의 히터 (SiC) 를 설치하였다. 히터는 캐스터블 내에 알루미나 튜브를 넣고 튜브 내에 설치하다. 오븐 상부에 석탄 장입을 위해 0.1×0.2m 크기의 장입구를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 50A 파이프를 설치하였다. 석탄 건류시 연화층에서 발생하는 가스압과 온도 측정을 위해 오븐 벽 (0.18×0.4m) 에 가스압 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 프로브를 높이와 가로방향으로 9개 설치하였다. 가스 프로브는 석탄 가열패턴에 영향을 주지 않기 위해 가열벽과 평행하게 설치하였다. 가스압 프로브로부터의 압력은 pressure transmitter 를 이용하여 측정하였으며, 측정된 압력과 온도데이터는 PC 에 저장된다. 오븐 벽으로부터 열손실을 줄이기 위해 단열재로 ceramic wool 을 이용하여 두께 0.35m 로 단열 하였다. 석탄 팽창이 오븐 벽에 미치는 힘을 측정하기 위해 한쪽 벽을 움직일 수 있도록 하단부분에 레일과 구동 바퀴를 설치하였다. 팽창압 측정을 위해 압축형 load cell (500kg) 을 이동벽에 설치하였으며, 고정틀에 설치된 철봉으로 고정할 수 있도록 하였다. 생성 코크스의 배출은 이동벽을 뒤로 이동시킨 다음 코크스 배출통을 오븐하단에 놓고 긴 쇠봉을 이용하여 오븐으로부터 배출시킨다. 배출된 적열 코크스는 물을 사용하여 소화하였다. 오븐으로부터 방출된 가스는 1차 tar 분리기 (dia 0.6m×1.0m high) 에서 물을 통과하면서 tar 가 분리되도록 하였다. 미포집 tar 는 순환 펌프를 사용하여 노즐을 통해 물을 분무시키는 2차 tar 분리기에서 제거된다. Table 1 은 본 연구에 사용된 석탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 3-1 은 Table 1 의 단일탄에 대해 석탄 중심에서의 최대 가스압에 대한 석탄의 유동도 영향을 나타낸 것이다. 코크스 제조에서 석탄의 유동특성은 생성된 코크스 강도에 큰 영향을 주기 때문에 중요한 인자중의 하나이다. 그림에서 알 수 있듯이, 대체로 유동성이 높은 석탄이 약간 높은 팽창압을 보이는 경향은 있지만, 석탄의 가스압이 유동도와 일정한 상관성을 나타내지는 않는다. 일반적으로 원료탄 분석을 통해 석탄 유동도로부터 가스압(팽창압)특성을 판정하기는 어렵다. 보통 팽창압의 크기는 연화층에서 휘발분 방출속도와 연화층의 두께 및 점도에 의존하는 것으로 알려져 있으며, 높은 휘발분을 갖는 석탄들은 높은 가열속도와 장입밀도에서도 큰 팽창압을 좀처럼 나타내지 않는다. 낮은 유동도를 갖는 높은 휘발분의 석탄은 연화층이 매우 점성이 있지만 발생된 가스가 쉽게 투과될 정도로 얇다. 초기에 많은 연구가 팽창압과 석탄의 유동도와의 상관성을 맺기 위해 진행되었으나, 이들에 대한 만족할 만한 결과를 얻지는 못했다.

Fig. 3-2 는 Table 1 의 단일탄에 대해 석탄 중심에서의 가스압에 대한 휘발분의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 일부 고휘발분탄 (GG, PB) 과 저휘발분탄 (BM, SR, EH) 를 제외하면 휘발분 함량이 증가함에 따라 석탄의 가스압이 감소하는 경향을 보이고 있다. 휘발분의 함량에 따라 석탄의 가스압 특성은 크게 네 개의 group 으로 나뉘어지며, 이것은 석탄의 coking 특성에 의한 분류와 유사하다. 일반적으로 휘발분이 17∼25%(daf) 사이의 석탄들이 팽창압에 위험성이 높은 것으로 알려져 있다. 영국의 BCRA 에서는 석탄의 휘발분이 26%(daf) 이하인 석탄은 특별한 팽창압 시험에 의해 판명되지 않으면 팽창압에 대한 잠재적인 위험을 갖는다고 보고하였다. 또한 스페인의 INCAR 에서는 Koppers-INCAR test를 이용하여 휘발분에 대한 석탄의 수축거동의 분석하였으며, 휘발분이 24% 이상이면 정상적인 장입밀도에서 위험성이 없다고 보고하고 있다.

4. 결  론

단일탄의 가스압 특성은 강점결탄이 높은 가스압을 나타내었으며, 중점결탄과 약점탄중의 특정 탄이 높은 가스압을 나타내었으며, 유동도에는 큰 상관성이 없었으며, 휘발분이 증가함에 따라 감소하였으나, 평        Fig. 3-2 Effect of V.M on IGP.     균 반사율이 증가함에 따라 증가하였다. 또한 단일탄의 가스압특성은 석탄 건류시 연화층 특성을 결정하는 연화시의 용융물량비와 팽창체적비에 대해 높은 상관성을 나타내었다.

5. 참고문헌

1. Latshaw, G. H., McCollum, H. R. and Stanley, R. W., ISS Ironmaking	Proceedings, 43, 373 (1984).

2.	Nomura, S. and Thomas, K. M., Fuel, 75, 801(1996).

3.	Loison, R., Foch, P. and Boyer, A., "Coke ; Quality and Production",	Butterworths, London, 353(1989).

4.	Jordan, R., Patrick, J. W. and Walker, A., Cokemaking Int. 4, 12(1992).

Table 1  Analyses of various coals used in coal blending.

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	4.45	4.11	217	0.95	8.0
HM	31.93	61.88	6.19	88.11	5.11	1.60	0.87	4.30	4.29	254	0.98	7.7
ER	33.64	60.18	6.18	87.33	5.24	1.61	0.83	4.99	4.15	226	0.93	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
PH	35.12	57.49	7.39	86.91	5.32	1.77	0.92	5.08	4.13	161	0.90	7.5
AH	32.80	60.82	6.38	85.43	5.46	1.51	0.83	6.77	4.17	201	0.85	7.0
UH	32.00	61.85	6.15	88.63	5.19	1.59	0.87	3.72	4.58	272	0.98	7.8
BM	20.50	69.98	9.52	91.29	4.67	1.29	0.33	2.41	1.20	29	1.23	6.5
FR	23.47	67.07	9.46	89.69	4.7	1.34	0.44	3.76	1.96	62	1.11	7.0
LC	22.67	67.78	9.55	91.28	4.65	1.17	0.28	2.62	2.49	66	1.15	6.7
LN	22.39	68.34	9.36	89.65	4.77	1.23	0.43	3.92	2.09	31	1.14	7.0
SR	17.76	75.24	7.00	92.31	4.45	1.29	0.44	1.51	0.92	17	1.46	4.3
HJ	20.21	70.86	8.93	90.64	4.62	1.43	0.41	2.90	2.73	89	1.28	7.4
BN	22.88	70.36	6.76	90.15	4.86	1.80	0.28	2.91	2.12	54	1.08	7.0
GC	19.37	71.52	9.11	90.45	4.62	2.08	0.73	2.14	2.29	82	1.37	7.7
PD	20.78	69.50	9.72	89.62	4.76	1.85	0.57	3.19	2.60	112	1.26	8.0
SJ	19.11	71.16	9.73	90.88	4.68	1.87	0.61	1.97	2.41	108	1.38	8.0
YK	18.80	71.50	9.70	92.68	4.51	0.81	0.20	1.80	1.71	69	1.45	8.5
NP	17.62	72.52	9.86	90.14	4.66	2.04	0.59	2.57	1.41	64	1.48	8.4
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	3.18	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
KL	23.93	64.98	11.09	89.23	4.76	1.48	0.67	3.86	2.84	110	1.19	7.0
PG	28.54	61.43	10.03	88.23	4.85	1.64	0.46	4.82	3.11	49	0.91	4.3
GP	27.65	63.95	8.40	88.33	5.00	1.58	0.64	4.45	2.59	96	0.98	7.8
DP	32.90	58.5	8.60	85.38	5.24	1.77	0.33	7.27	3.40	68	0.71	4.3
PB	35.00	57.55	7.45	86.47	5.40	1.89	1.61	4.63	3.7	189	0.76	8.0
EH	20.17	69.53	10.30	90.11	4.51	1.32	0.39	3.68	1.32	36	1.23	5.9
KW	32.32	58.92	8.76	84.66	5.18	1.80	0.41	7396	2.05	25	0.74	6.1
MW	35.16	55.54	9.30	83.23	5.41	1.79	0.47	9.10	1.88	33	0.70	5.0
MX	34.18	56.87	8.95	82.60	5.42	1.74	0.41	9.85	1.54	21	0.71	4.0
GD	35.90	55.12	8.98	82.42	5.88	2.31	0.53	7.77	1.97	32	0.68	3.9
FW	25.71	63.28	11.01	85.83	4.86	.199	0.46	6.84	1.99	43	0.97	4.0
XL	34.17	56.83	9.00	81.65	5.23	1.82	0.48	10.82	1.56	8	0.67	4.0
SH	28.37	62.21	9.42	87.75	5.20	1.77	0.53	4.75	3.15	116	0.91	6.5
PC	11.70	87.60	0.70

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