석탄 건류열량에 관한 연구

윤경호, 김기홍, 이용국

포항산업과학연구원 에너지전환연구팀

A Study on Heat Quantities of Coking Coal

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

Energy Conversion Research Team, RIST

서론

화성공정은 제철소 에너지 사용량의 14%를 점유하며 이 중 60% 정도가 코크스오븐에서의 건류소비열량으로 소모된다. 또한 건류소비열량을 판정할 수 있는 연소관리의 필요성이 증대되고 있으며 안정적인 가열이 코크스오븐의 장수명화에도 직접적인 영향을 주고 있다. 최근에 제철소의 고로가 대형화되면서 안정되고 우수한 품질의 코크스를 요구하게 되었고, 석유파동 이후 코크스 제조에 있어서 에너지 사용의 절감을 위해서 코크스오븐의 적정 노온관리가 최종적인 것으로 대두되기 시작하였다.

현재 광양제철소 코크스오븐에서 사용하는 연소제어시스템은 ABC(Automatic Battery Control) System이라는 독일 OTTO사에서 개발한 시스템으로 코크스오븐에 필요한 열량을 조절하고 있다. 그러나 이 시스템은 독일에서 사용하는 석탄을 대상으로 만들어졌으며 광양제철소에서의 특성상 여러 석탄을 배합하여 만든 배합탄을 고려하지 않은 이유로 광양제철소 실정에 맞지 않고 있다. 즉, 특정한 석탄의 경우에는 현재의 시스템으로 열량을 공급해도 좋은 품질의 코크스가 될 수도 있으나 석탄의 종류와 배합의 변화에 따라 일반적으로 적용하기에는 적합하지 않다.

따라서 본 연구는 광양제철소에서 실제 사용하는 단일탄 및 배합탄의 건류소비열량을 측정하여 현재의 연소제어시스템을 보완하고 최적의 건류소비열량만을 공급함으로써 에너지 소비를 최소화시키는 데 목적이 있다.

이론

석탄을 건류하여 코크스를 제조함에 있어서 기존에 알려진 물성만으로는 배합탄의 건류특성 및 건류후 코크스 품질 예측이 곤란하며 또한 배합 특성별 공급열량에 대한 정량적 control이 불가능한 문제점이 나타나고 있다.

이러한 문제점은 코크스 품질변동을 분석함에 있어서 매우 어려운 요소로 작용하고 있고 또한 배합탄의 특성에 따른 입열 pattern이 정립되지 않아 건류열량을 증가시키는 요인으로도 작용하고 있다. 따라서 배합탄의 특성에 따라서 정량적인 열량공급 pattern을 수식적으로 정립화함으로써 에너지를 절감시키는 연구가 필요하게 되었다.

코크스화열량에 관한 연구가 여러 문헌에 보고되었지만 아직도 상당히 부족한 실정이다. 석탄을 코크스로 만드는 데 필요한 열량에 관한 최초의 연구는 적은 양의 시료로 단열장치를 사용한 독일의 Terres이다. 다른 연구가들도 단열열량측정장치를 사용하고 있다. 그들의 연구결과를 보면 대략 520-910Btu/lb의 코크스화 열량값을 나타낸다. Beck과 공동연구원들은 코크스오븐에서 열분포에 관한 자세한 연구를 하였다. 특히 석탄의 수분함량에 관한 영향을 계산하였다. 그들은 2-4%의 수분을 함유한 석탄을 1%의 수분을 증발시키기 위한 열량은 12Kcal/kg이라고 결론지었다.

실험

코크스화열량을 측정하기 위한 실험장치를 Fig. 1에 나타내었다. 이 장치는 두 개의 원통형 히터를 사용하여 두 개의 히터를 같은 온도로 유지시키고 내부히터 안에 석탄을 넣을 경우 내부히터의 열이 외부로 방출되지 않고 전량 석탄쪽으로 전달되게 제작되었다. 즉, 내부히터는 장입된 석탄을 가열하는 데 이용되며 외부히터는 내부히터로부터 외부로의 열손실을 막는데 이용된다. 내부히터와 외부히터의 온도가 똑같이 1000℃를 유지한 후에 석탄을 장입시키고 석탄의 중안온도가 상온에서 950℃가 될 때까지 가열하여 내부히터에 연결된 적산전력계를 이용하여 소비된 열량을 측정하였다. 실험에 사용된 석탄은 포항제철 화성부 1 coke  공장에서 사용되는 10개 탄종을 단일탄 또는 배합탄으로 만들어 실험전에 석탄의 성상(수분, 휘발분, 회분)을 측정한 후 장입량 1Kg, 장입밀도 786Kg/m3을 유지시켜 석탄 장입통에 넣어 사용하였다.

결과 및 토론

실험에 사용된 10개 탄종의 단일탄과 배합합탄의 성상 및 코크스화열량 측정결과를 Table 1에 나타내었다. 단일탄의 수분은 6.2-11.5%, 휘발분 18.41-33.99%, 회분 6.48-10.19%의 범위를 보였으며 측정된 코크스화 열량은 351-390Kcal/Kg의 범위를 보였다. 이들 단일탄을 배합하여 측정한 배합탄의 코크스화열량은 374Kcal/Kg으로 계산치 368.4Kcal/Kg와 약 5.6Kcal/Kg의 차이를 보이고 있다. 단일탄의 건류열량으로 부터 배합탄의 건류열량을 이론적으로 계산할 수는 없으나 어느 정도 근사치에 가까운 열량을 계산할 수 있는 가능성을 보였다.

SB탄의 장입밀도 변화에 따른 코크스화열량의 측정결과를 Table 2에 나타내었다. 장입밀도가 655Kcal/m3에서 873Kcal/m3으로 증가할수록 코크스화열량은 356Kcal/m3에서 377Kcal/m3까지 상승하는 것으로 나타났다. 이것은 장입밀도가 증가할수록 석탄입자사이의 가스흐름 공간을 통한 가스의 열전달이 용이하지 않기 때문으로 생각된다.

참고문헌

1. Leibovich, R.E., and Leites, V.A. : Method of determining the consumption     of heat in coking, Coke and Chemistry, No. 4, 23-27, 1960

2. Kazmina, V.V. : Thermal effects of the coking process, Coke and             Chemistry, No.2, 10-22, 1966

3. Kasperczyk, J., "Predicting the Carbonizing Period and Coking Heat of        Coal Charges in Horizontal Chamber Coke Ovens", Fuel Vol. 53, 1974,        pp126-131

4. Grosick, H. A., Helm, E. J., and Airgood, J. M., "Underfiring Requirement     of Modern Coke Ovens", AISE Year Book, 1976, p192

Table 1. 단일탄과 배합탄의 성상 및 코크스화열량

종류	배합비(%)	성상			코크스화열량(Kcal/Kg)
		수분(%)	휘발분(%)	회분(%)
GG	10	7.2	34.0	6.48	376
GH	14	7.6	26.32	9.14	390
PG	6	11.5	26.11	10.19	351
SR	10	6.8	16.95	7.44	360
NP	13	9.5	18.41	9.05	387
CW	12	6.2	31.58	6.06	369
DP	4	9.3	33.17	8.37	352
SB	7	6.6	19.23	8.09	363
FR	7	7.1	23.47	9.37	363
CN	17	7.3	33.99	7.06	351
배합탄	100	8.2	27.60	7.88	374

Table 2. SB탄의 장입밀도 변화에 따른 코크스화열량

장입밀도(Kcal/m3)	코크스화열량(Kcal/Kg)
655 714 786 873	356 363 370 377

FIg. 1 석탄건류열량측정장치