코크스 오븐에서 석탄 건류시 수평 수축에 대한 조업조건의 영향

이 운 재, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀

Effect of Operating Variables on Lateral Shrinkage during Coking in Coke Oven

Woon-Jae Lee and Yong-Kuk Lee

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

코크스 오븐은 가동 20년을 전후로 노화가 급격하게 진행되며, 또한 환경적인 측면이 강화되고 있기 때문에 오븐 수명연장 및 노체 관리는 코크스 제조 공정에서 가장 중요한 문제의 하나로 대두되고 있다. 특히 코크스 케이크를 오븐으로부터 압출할 때 압출 부하의 급격한 증가와 압출 막힘 등의 trouble 은 코크스로의 노벽에 과다한 부하를 가해 노벽 손상으로 연결되기 때문에 압출 저항에 영향을 미치는 요인의 해명은 중요하다. 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. 코크스로에서 건류가 진행되는 동안 코크스층, 연화용융층, 석탄층의 세 층이 공존하게 되고, 수축은 코크스의 수축 거동뿐만 아니라 연화용융층의 팽창거동의 영향을 크게 받는 복잡한 현상이기 때문에 코크스 수축이 압출 저항에 큰 영향을 주는데도 불구하고 그 지배인자와 발생 메커니즘에 대해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 수축현상 이해 및 안정적인 코크스 압출를 위해, 시험로를 이용하여 석탄의 수축평가 및 조업조건에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.

본 연구에서는 코크스 시험로에서 야금용 코크스 제조에 사용되는 배합탄에 대해, 석탄 건류과정에서 수평 수축에 대한 조업조건의 영향을 조사하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 코크스 시험로의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 시험로는 다음과 같이 크게 네 부분으로 구성된다; 오븐 본체, 코크스 압출 및 소화장치, 발생가스 연소장치, 수평 수축측정 장치.

오븐 본체(50kg)는 0.30×0.5×0.6m 의 크기를 가지며, 이동벽, 탄화차, 고정벽 및 수평 수축 측정장치로 구성된다. 이동벽과 고정벽은 SiC plate로 제작되었으며, 탄화차는 부정형 내화물을 이용하여 제작되었다. 장입된 석탄 가열을 위해 이동벽과 고정벽의 양쪽에 같은 용량의 히터(SiC)를 수평으로 설치하였다. 이동벽에는 오븐 벽이 받는 힘을 측정할 수 있도록 로드셀(0.5톤)을 설치하였으며, 움직일 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되었다. 또한 수평 수축을 측정하기 위해 오븐 벽 표면에 알루미나 플레이트(50dia.)를 설치하였다. 탄화차는 석탄 건류 종료시 오븐 밖으로 끌어내어 적열 코크스를 배출할 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되어 있다. 탄화차의 한쪽 벽(0.3×0.6)에는 석탄 내의 가스압과 온도를 측정할 수 있도록 프로브를 오븐 폭 방향과 높이 방향으로 설치하였다. 오븐 상부에는 석탄 장입을 위해 장입구(200□)를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 배출관(150A)을 설치하였다. 발생가스 배출관에는 오븐 내의 압력을 조절할 수 있도록 damper를 설치하였으며, 오븐 내 압력조절을 위해 배출관 하부에 압력계를 설치하여 약간의 양압 (0∼1mm H2O) 걸리도록 하였다. 적열 코크스는 건류 종료후 탄화차를 오븐 밖의 pusher 까지 이동시킨 다음, pusher를 이용하여 오븐 폭 방향으로 밀어 소화장치로 압출하였다. 소화장치로 이송된 적열 코크스는 steel box 로 밀폐시킨 후 질소(3 l/min)를 이용하여 소화하였다. 건류시 발생하는 가스(COG) 는 damper 후단에 설치된 LPG 버너에서 LPG와 함께 연소되며, 연소된 배가스는 연도 통풍력으로 외부로 배출된다. 연도 통풍력 조절을 위해 연도 상부에 damper를 설치하였다. 석탄 내의 연화층에서 발생하는 가스압과 온도는 내부에 K-type 열전대가 있는 프로브(0.7m L, 1/4"dia. SUS tube)를 이용하여 측정하였다. 프로브는 가열벽과 평행하게 설치하였으며, 프로브의 한쪽 끝에 가스압을 측정할 수 있도록 직사각형의 구멍(2×10mm)을 설치하였으며, 압력은 pressure transmitter(2000mmH2O)를 이용하여 측정하였다. 수평 수축 측정을 위해 이동벽을 관통하여 오븐 벽에 알루미나 플레이트(50dia.)를 설치하였으며, 알루미나 튜브를 플레이트에 연결하고 일정 압력의 질소 cylinder를 이용하여 플레이트를 코크스로 밀어 건류시간에 따른 수축을 LVDT에 연결하여 측정하였다. 수평 수축, 석탄 내 가스압 및 온도 데이터는 recorder에 기록하고 동시에 PC 에 저장되도록 하였다. Table 1 은 본 연구에 사용된 배합탄에 배합된 단일탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다. 각 단일탄의 배합비는 다음과 같다; IH12%, GC24%, SR6%, YK7%, GG22%, KW8%, SH8%, EH10%, PC3%.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2 는 최종 건류온도 1100℃, 1150℃에서 배합탄의 수분변화에 따른 수평 수축과 내부 가스압의 변화를 나타낸 것이다. 배합탄은 오븐 온도 850℃에서 장입하여 석탄 중심 온도가 600℃에 도달하면 최종 건류온도까지 오븐 벽을 3℃/min로 가열하여 1시간 동안 유지하였으며, 수평 수축은 석탄 중심이 재고화 온도 이후인 600℃ 이후부터 측정하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 석탄 수분이 감소함에 따라 수평 수축은 감소하고 내부 가스압은 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 수분이 감소함에 따라 오븐에 장입되는 석탄의 장입밀도가 증가하여 석탄 팽창압이 증가하기 때문이다. 또한 최종 건류온도에 대해 수평 수축은 큰 차이를 나타내지는 않았다. 수평 수축은 석탄 건류과정에서 팽창압이 발생하는 동안에는 코크스가 팽창압에 의해 노벽에 밀착되기 때문에 나타나지 않으며, 연화층이 오븐 중심에서 합체 후 팽창압이 소멸된 후에 나타나기 시작하는 것으로 알려져 있다.

Fig. 3은 수분 8.6%, 6.0%에서 배합탄에 대해 최종 건류온도 변화에 따른 수평 수축과 내부 가스압의 변화를 나타낸 것이다. 배합탄은 오븐 온도 850℃에서 장입되며 석탄 중심 온도가 600℃에 도달하면 3℃/min 로 최종 건류온도로 가열하여 최종 건류온도에서 1시간 동안 유지하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 최종 건류온도가 증가함에 따라 수평 수축은 수분에 따라 약간 증가하거나, 거의 일정한 경향을 보이며, 내부 가스압은 크게 영향이 없는 것으로 나타났다. 이것은 최종 건류온도 증가시 생성되는 코크스의 입경 감소와 코크스 내의 작은 crack 발생 증가에 의해 수평 수축이 증가하는 것으로 사료된다. 또한 수분이 작을수록 장입밀도의 증가로 인해 수평 수축은 작게 나타나고 있다. 850℃에서 장입하여 석탄 중심온도가 600℃도달 후에 오븐 벽 온도를 가열하였기 때문에 가스압이 발생하는 석탄 연화온도 조건이 비슷하므로 최종 건류온도에 따라 석탄 중심에서의 가스압은 큰 영향이 없는 것으로 사료된다. 가스압은 수분이 작을수록 장입밀도의 증가로 증가하는 것으로 나타났다. Fig. 4는 최종 건류온도 1100℃, 석탄 수분 9.0%, 6.0%에서 배합탄에 대해 수평 수축과 내부 가스압에 대한 가열속도의 영향을 나타낸 것이다. 배합탄은 850, 900, 950℃에서 오븐에 장입되고, 석탄 중심온도가 600℃에 도달하면 오븐 온도를 최종 건류온도인 1100℃까지 3℃/min로 가열하였다. 이와 같은 가열조건에서 석탄 중심에서의 가열속도는 각각 3∼4℃/min, 4∼5℃/min, 5∼6℃/min 가 된다. 그림에서 알 수 있듯이, 오븐 중심에서의 가열속도가 증가함에 따라 수평 수축은 감소하며, 석탄 중심에서의 가스압은 증가하였다. 가열속도의 증가는 연화층에서의 가스 발생속도를 증가시키지만, 연화층의 점도와 두께를 감소시켜 팽창압에 서로 상반되는 영향을 주지만 전체적인 영향은 팽창압을 증가시킨다. 팽창압은 코크스 케이크를 오븐 벽으로 미는 힘이므로 팽창압이 클수록 코크스 케이크는 오븐 벽에 밀착되어 수평 수축은 감소하게 된다.

4. 결  론

수평 수축은 석탄 수분이 감소함에 따라 감소하였으나, 최종 건류온도의 증가에 대해서는 약간 증가하였다. 또한 석탄 중심에서의 가열속도가 증가함에 따라 수평 수축은 감소였다. 석탄 중심에서의 가스압은 석탄 수분 감소와 가열속도 증가에 따라 증가하였다.

5. 참고문헌

1. Add, V. K., Ironmaking Conf. Pro, 303 (1993).

2.	Nomura, V. and Arima, T, 鐵□鋼, 85, 289(1999).

3.	Lee, W. J. and Kim, J. Y., HWAHAK KONGHAK, 36, 576(1998).

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*
IH	34.57	58.62	6.81	86.83	5.41	1.68	0.76	5.32	4.09	208	0.87	8.0
SR	17.76	75.24	7.00	92.31	4.45	1.29	0.44	1.51	0.92	17	1.46	4.3
GC	19.37	71.52	9.11	90.45	4.62	2.08	0.73	2.14	2.29	82	1.37	7.7
YK	18.80	71.50	9.70	92.68	4.51	0.81	0.20	1.80	1.71	69	1.45	8.5
GG	34.69	58.25	7.06	85.41	5.56	2.16	0.58	6.29	3.43	158	0.83	8.0
KW	32.32	58.92	8.76	84.66	5.18	1.80	0.41	7.39	2.05	25	0.74	6.1
SH	28.37	62.21	9.42	87.75	5.20	1.77	0.53	4.75	3.15	116	0.91	6.5
EH	20.17	69.53	10.30	90.11	4.51	1.32	0.39	3.69	1.32	36	1.23	5.9
PC	11.70	87.60	0.70

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