건류 팽창압 저감을 위한 원료탄 배합 방법

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

최 재 훈, 이 운 재, 이 종 인*

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀, POSCO 광양제철소 화성부*

Coal Blending Technology for Reducing The Coking Pressure

under CMCP

Jae-Hoon Choi, Woon-Jae Lee and Jong-In Lee*

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST, POSCO*

서론

POSCO 광양 제철소는 1999년 4월부터 석탄 조습 공정(CMCP: Coal Moisture Control Process)을 가동하였다. 이 공정은 배합탄의 수분을 6.5% 정도로 균일하게 건조한 후, 코크스 오븐에 장입하기 때문에 탄화실의 문당 장입량과 장입 밀도의 상승효과에 의하여 코크스 생산성과 품질이 향상되는 장점이 있다. 그러나, 장입 밀도가 증가되면 건류 팽창압 (coking pressure)이 급증하게 되어, 코크스 오븐의 노체 손상 위험이 커지게 되는 단점이 있다.1,2,3) 따라서, CMCP 등의 방법으로 석탄 수분을 낮은 제어하는 경우에는 건류팽창압 저감을 도모하기 위하여 배합탄의 유동도(LMF)와 전팽창(TD: Total Dilatation) 지수를 하향 조정하는 것이 노체 보호 측면에서 바람직하다고 알려져 있다. 그러나, 현재 또는 장기적 원료탄 수급 정책에 의하면 고유동도 석탄의 사용량이 급증하였기 때문에 배합탄의 유동도 상승이 예상되는 반면, CMCP의 가동으로 배합탄(장입탄으로 표현하기도 함)의 유동도 하향 조정이 필요한 상반된 조건에 대한 해결방안 수립과 적정 배합 패턴 설정을 위한 연구가 필요하게 되었다.

따라서, 본 연구에서는 Test Coke Oven을 이용하여 고Inert 고유동도 석탄 증배합에 따른 건류 팽창압과 코크스 품질 영향을 평가하였다

본론

1. 석탄의 용융성에 의한 분류 및 특성

야금용 코크스 제조용 원료탄(일반적으로는 역청탄이라고 함)의 독특한 특성은 건류중에 용융성을 나타내는 것이다. Table 1에 나타낸 바와 같이, 불균일 물질인 원료탄 성분을 용융성을 기준으로 분류하면, 크게 400∼500℃의 건류 온도 영역에서 용융성을 나타내는 활성성분(reactive component)과 용융성이 전혀 없는 불활성 성분(inert component)으로 분류할 수 있다. 고강도 코크스는 골재 역할을 하는 inert 성분과 결합재 역할을 하는 reactive 성분이 적정비율로 존재하는 조건에서 제조될 수 있음을 알 수 있다.

Table  코크스 제조에 있어 석탄 조성의 역할 비교

재료명	원료 역할 구분		특 징
	골재(filler)	결합재(binder)
콘크리트	모래, 자갈	시멘트, (물)	- 골재와 결합재의 최적 배합 조건에서 고강도 재료 제조
코크스	석탄(inert 성분)	석탄(reactive 성분)

2. 석탄 팽창압 발생기구

석탄 팽창압은 코크스 오븐의 탄화실에 장입된 석탄이 연화·용융상태에 있으면서 열분해 반응에 의한 가스발생속도와 발생가수 배출에 대하여 저항으로 작용하는 용융층의 가스 투과도에 의하여 결정된다. 따라서, 용융층에 있어 가스 투과성을 개선하면서 고강도 코크스를 제조할 수 있다면, 건류 팽창압 저감에 의한 코크스 노체 손상을 방지할 수 있게 된다.

Fig.  코크스 오븐에서 연화용융층과 건류 팽창압 발생기구

3. 실  험

8∼10종의 석탄을 적정비율로 배합하여 배합탄(장입탄으로 명명하기도 함)을 조제하였으며, 점결탄과 비점결탄(일반탄)의 조성을 일정하게 유지하는 조건에서, 개개 석탄의 특성을 이용하여 배합탄 물성을 제어하였다. 이때, 배합탄의 여러 물성치(휘발분:VM, 강도지수:SI)등은 가능한 일정하도록 배합 설계하였으며, 배합탄의 TI(total inert)함량 및 유동도(LMF : Maximum Fluidity measured by Gieseler Plastometer)를 각각 25∼33%, 2.4∼3.0의 범위에서 변화시키면서 코크스를 제조하고 제조된 코크스의 강도(드럼 강도, Drum Index: DI)를 비교하였다. 한편, 건류중에 발생되는 건류 팽창압은 직접 측정이 어렵기 때문에 지정된 위치의 석탄층에 스테인리스제의 probe를 삽입하여 용융층의 가스압을 측정하였다.

4. 결과 및 고찰

Fig.2는 건류중에 측정한 최대 가스압을 장입탄(배합탄)의 TI 함량에 대하여 나타낸 것으로, 장입탄의 TI 함량이 25% 정도에서부터 33% 정도까지 증가함에 따라 가스압이 현저하게 감소되는 상관성을 나타내고 있음을 알 수 있다.  이러한 현상은 용융성이 없는 TI 성분이 용융층에 다량 존재할수록 용융층에서 발생된 가스의 방출이 용이하였음을 의미한다. 즉, 용융층의 가스 투과성이 낮으면 가스압 (또는 팽창압)이 상승되는 반면, 투과성이 높으면 가스압이 저감되는 현상으로 해석할 수 있다.  그러나, 이러한 해석은 별도의 모사장치를 이용하여 정량적으로 상세히 필요가 있으나, 용융충의 가스압은 가스 발생량과 발생가스의 투과성에 의하여 결정되는 점을 감안하면, 가스 발생량의 영향인자인 장입탄 휘발분 함량을 거의 일정하게 조절한 배합설계 패턴에 있어서는 가스발생량 감소에 의한 가스압 감소보다는 TI함량 증가에 의하여 가스투과성이 향상된 것으로 사료된다.

Fig.  장입탄 TI(total inert) 함량 변화에 따른 코크스 강도(DI) 변화

그러나 일반적으로 장입탄의 TI함량 증가는 제조된 코크스 강도를 저하시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다4,5). 본 실험에서도 Fig.3 에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 장입탄 TI 함량 증가에 따라 코크스 강도는 감소되는 경향을 나타내고 있으며, TI 함량이 30% 정도까지는 현저한 강도 저하 현상이 나타나지 않으나, 33%의 경우에는 다소 감소되는 경향을 나타내었다.

Fig.  장입탄 TI(total inert) 함량 변화에 따른 코크스 강도(DI) 변화

코크스 강도(Drum Index:DI)는 ASTM 또는 JIS 규격에 의하여 측정하는 것이며, 일정량(10Kg)의 코크스가 미분으로 분화되는 정도를 백분율로 나타내기 때문에 DI지수가 높을수록 미분 발생량이 작으므로 코크스 강도가 높은 것으로 평가된다. 따라서, TI 함량 증가에 따라 코크스 강도가 저하되는 것은 용융상태에서 골재 역할을 하는 TI 성분과 결합재 역할을 하는 활성성분(TR: Total Reactive)의 구성비의 변화로 인하여 두 성분이 완전하게 결합되지 못한 영향이라고 할 수 있다.

이와 같이, 노체 보호 측면에서 건류 팽창압 저감을 도모하기 위하여 장입탄 TI 함량을 증대함이 바람직하나, 이 경우 코크스 품질이 저하되는 단점을 해소하기 위하여 장입탄의 유동도(LMF)를 조절하여 코크스 제조 실험한 결과를 Fig.4에 나타내었다.

그림  장입탄의 유동도(LMF)에 대한

코크스 강도(DI) 변화

장입탄 유동도가 증가함에 따라 코크스 강도는 증가되는 경향을 나타내었다. 장입탄의 유동도 증가는 용융상태에 있는 석탄층의 점도가 낮게 유지되기 때문에, 불용인 TI 성분이 결합재인 용융성분 matrix상 고르게 분산될 수 있어 보다 강한 코크스가 제조되기 때문으로 사료된다. 이러한 현상은 장입탄 유동도가 증가함에 따라 제조된 코크스의 광학적 이방성 조직이 거대하게 발달되는 결과를 얻을 수 있었으며, 이방성 조직발달은 코크스 강도 상승과 양의 상관성을 나타내고 있었다.

결론

석탄 조습 공정의 가동의 장입탄 수분이 6.5% 정도로 감소함에 따라, 과잉 건류 팽창압에 의한 코크스 오븐의 노체 손상 위험을 방지하고, 코크스 품질을 일정 수준 이상으로 유지하기 위하여, 장입탄의 TI 함량 및 유동도(LMF)를 상향조정하는 석탄 배합 설계에 의하여, 팽창압 저감 및 코크스 품질 안정을 동시에 도모할 수 있음을 알 수 있었으며, 이는 TI 함량이 높은 저가의 석탄 사용량 증대로 코크스 제조 원가절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.

참고문헌

1. 이운재, 이규동, 최재훈, 이용국., 화학공학 추계학술대회(경남대), 3697(1999)

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

3.	Tucker, J. and Everitt. G., Ironmaking Conf. Proc., 599(1989).

4. N. Schapiro and R. J Gray. J. Institute of Fuel, 234 (1964)

5. N. Schapiro et al " Blast Furnace, Coke Oven, and Raw Materials

Conference", 89 (1961)

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년