Coke Oven NOx 발생 특성연구

윤경호·김기홍·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

Characteristics of NOx Formation in Coke Oven

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

Energy & Chemical Process Research Team,

Research Institute of Industrial Science & Technology

서론

전체 공정에서 차지하는 연료비용의 비율이 무시될 수 있을 정도로 낮았고, 복잡한 연소과정에 관한 이론적인 기초가 확립되어 있지 않았던 초기에는 주로 고부하 연소방법과 연소의 안정화에 관심을 두고 연소설비를 운용해 왔다.

최근에 와서 에너지가격이 상승되고 유해연소 생성물과 소음 등의 공해문제가 대두되면서 연소설비에서 일어나고 있는 제반현상에 관한 충분한 이해와 더불어 이에 근거한 고효율 저공해 연소의 필요성이 증대되고 있다. 특히 유해연소 생성물에 의한 환경오염문제는 연소의 고효율화나 연소와 관련한 제반 설비 기술력의 향상, 품질의 고급화 등에 우선하는 당면 해결과제로 부각되고 있다. 유해연소 생성물중의 하나인 질소화합물, 즉 NOx는 다른 유해연소 생성물에 비하여 쉽게 제거할 수 없고 화학적 smog 현상 증과 같은 중요한 공해문제의 원인이 되기 때문에 연소설비에서 배출되는 오염물질 가운데서 가장 중요하게 다루어지고 있다.

국내 에너지 소비량의 10%를 점유하고 있는 POSCO에서는 년간 80조Kcal에 해당되는 유연탄을 소비하고 있고, 유연탄이 지니고 있는 열량의 약 40$는 부생가스로 변환되어 각 공정의 열원으로 이용되고 있으며 그 양은 34조Kcal에 이르고 있다. POSCO에서는 이와 같은 막대한 양의 부생가스를 소비하고 있고 연소설비가 밀집되어 있기 때문에 유해연소 생성물로 인한 환경오염에 관한 대내외적인 관심이 높아지고 있다. 따라서 환경오염을 방지하고 유해연소 생성물 특히 NOx에 대한 배출규제 강화에 대비하기 위해서는 부생가스에 대한 저 NOx 연소기술의 확립과 아울러 각 연소설비에 대한 NOx 배출량 저감대책이 마련되어야 한다.

본 연구에서는 제철공정 중에서 Coke Oven에서 발생하는 NOx의 주 영향인자를 도출하고 그 저감방안에 대하여 검토하고자 하였다.

실험

코크스오븐에서 발생되는 NOx의 양에 영향을 미치는 인자는 크게 연소온도(=로온), 발열량, 공기비 등을 들 수 있다. 따라서 본 연구에서는 코크스공장 조업데이터를 분석하여 이러한 인자들의 NOx 발생에 미치는 영향을 알아보았다.

연소온도가 높을수록 평형농도에 도달하는 시간이 짧아지고 NO 발생량도 많아진다. 연소온도가 상대적으로 높을 때는 NO 생성속도식 중의 온도가 증가하고 온도증가에 따라 산소의 해리도 촉진되므로 생성속도 및 생성랴이 급격히 증가하는 것이다. 그러므로 NO 저감을 위하여는 과부하 연소를 피하고 적정온도로 연소실 온도를 유지하는 것이 중요하다.

Fig.1은 로온이 NOx 발생에 미치는 영향을 나타낸 그림으로서 여기서 로온은 연소실 헤어핀 상단에 부착된 T/C(Thermocouple)의 온도이다. 전 공장이 대체적으로 T/C온도와 NOx 발생량과의 상관관계가 있음을 알 수 있다. 이론적으로는 NOx는 연소온도와 매우 관계가 깊지만, 코크스오븐의 로온을 나타내는 T/C온도는 설치위치상 화염의 길이 또는 정밀도에 따라 영향을 받기 때문에 상관관계가 정확하지 않을 수도 있다. 그러나 데이터 분포를 볼 때 T/C온도와 NOx는 분명한 관계가 있음을 확인할 수 있다.

Fig.2는 발열량과 NOx의 관계를 나타낸 그림으로 상관성이 거의 없는 것으로 나타났다. 이론적으로는 발열량이 증가하면 화염온도가 상승하여 NOx가 증가하는 것으로 되어있으나, 코크스오븐은 조업특성상 정확한 발열량 측정이 어려워 발열량과 NOx는 상관성이 거의 없는 것으로 판단된다.

로내에서는 연료의 연소에 필요한 공기만이 존재하는 것이 에너지 손실방지, 전열효율 측면에서 바람직하다. 대부분의 연소장치에서는 이론공기량만으로는 완전연소가 불가능하기 때문에 어느 정도의 과잉공기가 투입되는데, 이러한 과잉공기는 화염영역에서 산소의 농도를 증가시킴과 동시에 화염의 온도를 저하시키게 된다. NOx는 화염의 온도와 산소농도가 높을 때 그 생성이 증대되므로 과잉공기는 NOx 생성에 서로 상반되는 효과를 나타내개 된다. 일반적으로 공기비가 증대되면 NOx 생성량은 최고치를 보이다가 급속히 저하되는데 대부분의 로는 공기비 증가에 따라 NOx 생성량이 증대되는 범위내에서 운전되고 있다. 따라서 가능한 한 과잉공기의 양을 적게하는 것이 NOx 배출량 저감뿐만이 아니라 연소효율, 에너지절감 측면에서도 바람직하다. 그러나 공기량의 과도한 감소는 CO나 Soot 생성의 원인이 되므로 버너와 설비의 특성을 고려한 적정 공기비 수준을 설정하는 것이 중요하다. 저 과잉공기 연소를 위해서는 배가스중의 CO 또는 Soot의 생성에 지속적인 관심을 가져야 하며 이를 위해서는 부대적인 연소제어장비가 필요하게 된다. 연소영역의 과잉산소농도가 1% 감소될 경우 NOx는 25ppm 정도 저하되는 것으로 알려져 있으며 전체적으로 볼 때는 20-30%의 NOx 배출량 저감이 가능하다.

Fig.3은 폐가스중 O2농도와 NOx의 관계를 나타낸 그림으로 발열량과 마찬가지로 거의 상관성이 없는 것으로 판단된다. 이론적으로는 특정 과잉공기비(약 1.2)에서 가장 NOx가 많이 나오고 그 외의 공기비에서는 NOx가 감소하는 것으로 되어 있으나 코크스오븐에서는 그 이론이 적용되지 않을 것으로 판단된다.

결과 및 고찰

코크스오븐의 NOx 발생에 미치는 인자 중 로온이 가장 큰 영향을 주는 것으로 파악되어 로온에 대한 집중적인 연구를 하였다. 로온 차이가 많이 나는 특정 연소실 3개를 선택해 연소실온도와 NOx 측정을 통해 로온이 NOx 발생에 미치는 영향을 알아보았다. 연소실온도가 1200℃ 이상에서는 3ppm/℃, 1200℃ 이하에서는 2ppm/℃ 차이가 발생하는 데 이것은 온도가 높을수록 NOx 발생에 더 큰 영향을 준다는 것으로 판단된다.

다음에 온도를 같게 할 경우 NOx 발생량 차이가 없어지는 지를 확인해 보았다. 3A, 3B의 평균로온을 파이로미터를 사용하여 매일 측정하면서 같게 유지한 결과 NOx 편차가 30ppm에서 15ppm으로 감소하였다. 그러나 전체 베터리의 평균로온을 같게 하여도 여전히 3A가 15ppm 많이 발생하는 것은 아직도 다른 요인이 영향을 미치고 있기 때문이다.

Fig.4 그림을 볼 때 원형으로 표시한 부분(38-73A)의 연소실온도가 다른 부분에 비해 상대적으로 높음을 알 수 있다. 따라서 이 부분에 대한 집중적인 연소조정이 요구된다. 특히 57번 근처의 연소실의 온도가 유달리 높다. 위에서 측정된 57번 연소실의 NOx가 410ppm이나 발생한 것으로 볼 때 로단 평균온도는 유사하더라도 이와 같이 온도가 높은 연소실이 다수 존재할 때 NOx 발생량에 많은 영향을 주는 것임을 알 수 있다. 결국 3A와 3B 베터리간의 평균로온을 같게 함에도 15ppm 차이가 나는 것은 이와 같이 온도가 높은 연소실 수가 많기 때문으로 판단된다.

연소실과 탄화실 사이의 연와 손상에 의해 건류중 발생하는 가스가 탄화실에서 연소실로 전달되어 연소실에서 연소되는 경우 NOx 발생량이 증가 할 가능성이 있다.따라서 연와 손상이 많은 연소실과 그렇지 않은 연소실 사이의 NOx 발생량 차이가 있는 지를 알아 보았다. 해당 연소실의 양쪽 연소실에서 공급되는 가스를 차단 후 탄화실에서 연소실로 leak되는 가연성가스가 연소되면서 발생할 수 있는 NOx량 측정결과 양호한 연소실의 경우 NOx가 전혀 발생하지 않으나, 불량 연소실로 판정된 연소실에서는 최대 8ppm까지 발생하였다. 건류초기 가스가 다량 발생할 때에는 더 많은 NOx가 발생할 수 있다. 따라서 탄화실 손상정도에 따라 각 연소실에서 발생하는 NOx량에 차이가 있을 수 있다.

Fig.1 로온과 NOx의 관계

Fig.2 발열량과 NOx의 관계

Fig.3 폐가스중 O2농도와 NOx의 관계

Fig.4 각 연소실 온도분포를 나타낸 그림