코크스오븐 연소실 온도분포 측정장치 개발

김기홍·윤경호·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Development of Equipment for Measuring of Temperature Distribution in a Coke Oven Combustion Chamber

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

Energy & Chemical Process Research Team,

Research Institute of Industrial Science & Technology

서론

코크스오븐의 최적연소관리는 코크스품질은 물론 건류소비열량 저감 및 오븐의 균일한 온도관리가 기본인 코크스로 장수명화에도 지대한 영향을 미친다고 볼 수 있다.

현재 오븐의 연소관리는 C/S와 P/S의 온도편차를 감안한 열내온도관리와 문간의 온도 균일성유지를 위한 열간온도 관리에 point를 맞추어 행해지고 있다.  이러한 온도관리의 기준은 연소실 하부온도 1 point를 측정한 온도 데이타를 이용하기때문에 탄화실의 상하부 온도관리를 하기에는 어려운 문제점을 갖고 있는 실정이다. 탄화실의 상하온도관리, 즉 연소실의 상하온도분포 관리는 탄화실 상부의 온도를 어떻게 조정하느냐에 따라 건류가스 흐름공간의 온도를  조절할 수 있게되며 이 상부 온도는 코크스품질 및 건류소비열량에 커다란 영향을 주게 된다. 탄화실 상부온도가 낮으면 상부에 미건류 코크스가 발생되어 품질에 이상이 생기며 반대로 너무 높게되면 부착카본의 생성이 심하게되고 건류소비열량이 증가하는 결과를 가져오게 된다. 따라서 상하부온도 편차를 잘 관리해야하는 것은 주지의 사실인 것이다.

본 연구에서는 탄화실의 상하부 온도편차를 용이하게 조절하기 위해서는 우선적으로 연소실의 조업조건별 상하부 온도차를 알아야하기 때문에 연소실의 상하부 벽부온도를 측정할 수 있는 온도분포 측정장치를 우선적으로 개발하고 이를 이용하여 연소실의 온도관리를 최적으로 할 수 있는 조업관리기준을 찾고자 하였다.

장치구성

Fig.1의 본 장치는 고온 분위기인 코크스로 연소실내 상하 벽부의 온도분포를 비접촉식으로 연속측정하기 위한 장치로서 장치의 구성은 크게 Optical Fiber Thermometer, Fiber optic Cable, Mobile Cart, Data Acquisition System으로 이루어져 있다.

기본 설계사양으로는 연소실내 분위기온도가 최대 1300℃정도임을 감안할때 연소실 벽부온도를 감지하는 sensor의 내구성은 최소한 1350℃에 견디는 재질을 선택해야하며 측정온도는 400 - 1300℃이며 또한 연소실 내부가 상당한 고온의 상태를 유지하고 있기때문에 측정센서부를 단열을 잘한다 할지라도 빠른 시간내에 측정을 해야한다. 따라서 본 장치의 경우는 30초내에 연소실 양벽부의 온도를 모두 측정하는 것으로 하였다.

위의 기본 설계조건을 만족시키기 위한 시스템의 주요구성은 온도측정점에서 멀리 떨어져 원격으로 온도를 측정하는 Optical Fiber Thermometer, 온도측정 센서를 물리적으로 고정시키고 충격이나 고온으로부터 보호하게 해주는 Measuring head, 이 sensor 헤드와 Optical Fiber Thermometer사이를 연결하는 Flexible metallic hose 및 Optical Fiber Cable, Optical Fiber Thermometer를 내장하고 Flexible Metallic Hose를 승하강시키는 Automatic Reel Drum, 시스템 제어를 하는 Microprocessor 및 S/W, Microprocessor를 제어하고 Data를 수집 해석하는 Notebook computer 및 System program, 그리고 이들 측정에 필요한 모든 장치를 탑재하여 측정장소로 이동시키는 Mobile cart로 구성되어 있다.

결과 및 고찰

특정 연소실을 택하여 reversing time에 따른 연소실 온도분포 변화를 측정하였다. 측정시간은 reversing후 4분 간격으로 하였다. Fig.2는 측정결과를 나타낸 그림이다. pyrometer로 측정한 결과는 reversing 시작후 1224℃에서 reversing 종료 4분점 시점에서는 1193℃까지 떨어지는 것으로 나타나 30℃정도의 편차를 보이고 있다. 이때 연소실 온도분포 변화는 6m 지점의 연소실 벽부온도 변화를 살펴보면 직접적으로 화염의 영향을 받는 바닥온도 보다는 reversing 시간 변화에 따라 영향을 덜받는 것으로 나타났으며 변화폭은 10℃정도로 나타났다. 현장에서 연소실 바닥온도를 측정할 때 통상 reversing후 5분에서 8분사이에 온도를 측정하는 것은 타당하다고 판단된다.

연소실내 상하온도분포 변화를 시킬 수 있는 방법으로 통상 연소실 top압을 조정하는데 이는 top압을 높게 관리하면 화염이 길어져 상부온도를 높일수 있고 top을 낮게 관리하면 화염이 짧아져서 연소실 상부온도가 낮게된다. Fig.3은 top압을 1.2에서 3.5mmH2O까지 변화 시키면서 연소실 벽부온도를 측정한 결과이다. 측정결과에서 보면 예상한바와 같이 top압이 높을수록 연소실 상부온도가 높게 나타남을 알수 있으며 top압의 적정한 관리로 상하부 온도편차를 줄일 수 있음을 알 수 있다. 본 측정장치의 측정 결과에서 바닥에서 상부 200mm지점과 550mm 지점의 온도 편차로 보면 top압이 3.5인 경우는 259℃이나 1.2인 경우는 284℃로 상하부 온도편차가 30℃정도 차이를 보인다.

Fig.4는 전체적인 온도분포는 P/S에서 C/S로 갈수록 높게 나타나며 30번 flue와 2번 flue를 비교했을때 연소실 상부 6m지점의 온도편차는 28℃로 나타났다. 이러한 수치는 전체적인 온도 taper는 존재하지만 미흡한 taper로 이는 가동율이 낮아서 연소실 온도가 낮게 관리되는 면도 있지만 좀 더 taper를 주게끔 개선할 필요가 있다고 본다. 한편, #32 flue경우는 연소실 상하온도가 상당히 낮게 측정되는 것으로 보아 단 flue에 대한 온도관리는 신경을 써야 할 것으로 보인다. Fig.5는 pyrometer로 연소실 바닥온도를 측정한 데이타와 온도분포 측정장치를 이용한 연소실 상부 2m지점의 온도를 비교한 결과로 온도편차는 flue별로 120에서 150℃정도의 차이를 보이고 있으나 전체적인 온도분포 경향은 상당히 일치하는 것으로 보이며 이는 온도분포 측정장치의 신뢰성이 있음을 보여주는 것이다. 오븐의 열간 온도분포에서는 pyrometer로 바닥온도를 측정한 결과는 평균 1243℃이며 편차는 ±23℃로 양호하게 연소 관리가 행해지는 것으로 나타났다. 전체적인 열간온도분포 변화는 w자형이 반복되는 형태이며 이는 5문씩 건너서 장입,압출이 되는 점을 고려하면 타당한 결과로 보여진다. 또한 pyrometer 바닥온도와 온도분포 측정장치를 이용한 측정 data(연소실 바닥 2m지점온도)를 비교한 결과도 상당히 유사한 경향치를 보여주는 것으로 나타났다.

Fig.1 연소실 온도분포 측정장치

Fig.2 Reversig time     변화에 따른 연소실 온도분포 변화

Fig.3 Top압 변화에 따른 연소실 온도분포 변화

Fig.4 열내 온도분포 변화

Fig.5 열내온도분포의 센서온도와 pyromrter 측정온도