코크스 제조용 원료탄의 유동도 및 팽창도 특성

이 운 재, 이 성 수, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지전환연구팀

Fluidity and Dilatation Properties of Coals using in Cokemaking

Lee Woon-Jae, Lee Sung Su, and Lee Yong KuK

Energy Conversion Research Team, RIST

서  론

제철산업의 코크스오븐에서 건류과정에 있는 석탄의 팽창압은 노벽손상과 코크스 배출시 trouble 면에서 코크스로 조업의 중요한 관리 항목이 되기 때문에 이에 대한 많은 측정법과 평가법의 검토가 되어왔다.  정성적으로 석탄화도, 점결성 및 장입밀도가 높을수록 석탄의 팽창압이 증가한다.

최근들어 코크스 오븐에 장입되는 석탄의 전 처리에 의해 코크스 품질개선을 시도하고 있다.  원료 비용저감의 관점에서 장입탄의 장입밀도를 증가시키는 방법으로 oiling 법, stamping 법, 성형탄 배합법, 건조탄 및 예열탄 장입법이 이루어지고 있다. 또한 설비집약에 의한 고가동률 조업으로 노온도가 상승하고 있다. 이와 같이 석탄의 팽창압이 높게 되는 방향의 코크스 제조기술의 흐름을 배경으로 노체관리의 중요성의 재인식으로 석탄의 팽창압 관리에 대한 평가 수단이 구해지고 있다. 노벽에 걸리는 팽창압은 연화층에서 발생한 기체가 탄중부의 석탄층을 압밀하고 노벽측 코크스층을 통해서 노벽의 팽창압으로 작용하게 된다.  따라서 노벽에서의 팽창압은 연화상태에 있는 석탄의 팽창에 의존하게 되며, 현장의 코크스로에서 석탄배합의 안정성을 고려할 때 매우 중요한 요소가 된다.

따라서 본 연구에서는 코크스 오븐에서 석탄 팽창압에 대한 고찰의 일환으로, 코크스 제조에 사용되는 원료탄과 이들로 구성된 배합탄의 팽창성과 유동성을 조사하였으며, 배합탄으로부터 제조된 코크스의 CO2 반응성을 측정하였다.

실  험

코크스 제조에 사용되는 원료탄 및 배합탄의 팽창과 유동 특성을 측정하기 위해 Dilatometer 와 Plastometer 를 사용하였다. Dilatometer 에서는 100mesh 이하로 파쇄된 시료 10g 을 원통형 bar 로 제조하여 300℃ 에서  550℃/min 까지 가열속도 3℃/min 로 가열하면서 수축 팽창성을 측정하였다. Plastometer 에서는 35mesh 이하로 파쇄된 시료 4.5g을 300℃ 에서  550℃/min 까지 가열속도 3℃/min 로 가열하면서 유동도를 측정하였다.

원료탄과 이들로 구성된 배합탄으로부터 코크스를 제조하기 위해 coke oven 을 사용하였다. 먼저 코크스 오븐을 코크스 제조 온도인 1100℃ 로 가열한 다음 시료를 장입하고 inert 분위기에서 8시간 건류하여 코크스를 제조하였다.

제조된 코크스는 반응기에서 CO2 반응성을 측정하였다. 반응기를 1100℃ 로 가열한 다음 등온 조건하에서 코크스 시료 200g 을 넣고 CO2 를 5l/min 주입하면서 2시간동안 반응시킨후 무게 감량을 측정한다. Table 1 은 본 연구에 사용된 석탄의 분석치를 나타낸 것이다.

Table 1 Analyses of various coals used in coal blending.

Coal Analysis	UH	NP	PD	BM	FR	GP	PG	DP	XL	PC
Proximate analysisdb
V.M	34.56	16.67	19.98	19.93	23.56	25.62	25.14	33.85	33.77	10.34
F.C	59.36	71.74	70.37	70.68	67.92	65.99	65.17	57.19	57.66	89.25
Ash	6.08	11.59	9.65	9.39	8.42	8.39	9.69	8.96	8.57	0.41
Ultimate analysis
C	80.56	79.60	80.80	81.68	80.77	80.47	79.01	75.74	75.00	90.49
H	5.28	4.08	4.46	4.43	4.57	4.67	4.43	4.84	4.86	3.88
N	1.76	2.04	2.02	1.34	1.45	1.59	1.36	1.56	1.53	3.22
S	1.01	0.67	0.62	0.40	0.51	0.71	0.45	0.41	0.50	1.97
O*	11.39	13.61	12.10	12.15	12.70	12.56	14.75	17.45	18.11	0.44

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

UH : USM high volatile coal	NP : Norwich Park	PD : Peak Down

BM : Balmer	FR : Fording	GP : Poscan

PG : Pingdingshan	DP : Dongpang	XL : X.L. Zhuang

PC : Petroleum coke

결과 및 고찰

제철산업에 사용하기 위한 강도와 반응성을 가진 코크스 생산을 위해 여러 종류의 원료탄을 배합하여 코크스를 생산하고 있다. 이들 단일탄과 배합탄에 대한 수축 팽창성과 유동도 특성은 코크스 제조시 코크스 오븐 내에서 건류건동을 해석하는 데 매우 중요하다.  Fig. 1 은 코크스 제조에 사용되는 단일탄과 배합탄에 대한 plastometer 의 측정 결과를 온도에 따른 석탄의 유동도로 나타낸 것이다.  코크스 제조에 사용되는 원료탄들은 점결성 정도에 따라 강점결탄 (UH, NP, PD, BM, FR), 준강점결탄 (GP, PG), 약점결탄 (DP), 일반탄 (XL, PC) 으로 분류된다. 그림에서 알 수 있듯이, 점결성이 클수록 높은 유동도와 넓은 연화용융온도를 나타내며 일반탄으로 갈수록 낮은 유동도와 좁은 연화용융 온도영역을 나타낸다. 코크스 제조시 점결력이 강한 석탄이 대부분이며, 일반탄은 대략 20% 정도로 사용되고 있다. 코크스 제조시 생산원가를 줄이고 제한된 매장량은 가진 점결탄 사용비율을 줄이기 위해 일반탄 사용비율을 점차적으로 높이는 추세이다. 그러나 점결탄 사용비율을 줄이고 일반탄 사용비율을 증가시키면 코크스 품질 (강도, CO2 반응후 강도) 은 향상되는 반면 코크스 오븐내에서 석탄 건류시 석탄 팽창압의 증가로 코크스  Fig. 1 Fluidity curves for various coals.          로벽의 손상과 코크스 배출시 trouble 을 일으킬 수 있으므로 적정한 배합비를 유지해야한다. 그림에서 배합탄은 각 원료탄들의 상호작용에 의해 전체 원료탄의 연화용융 온도의 중간 온도범위와 낮은 유동도를 나타낸다.  Table 2 는 plastometer 에서 각 원료탄의 연화용융 개시온도 (GST), 최고 유동도 온도 (MFT) 와 최고 유동도 및 고화온도 (SLT) 를 나타낸 것이다.

Table 2 Fluidity properties of coals

Coal	GST(℃)	MFT(℃)	SLT(℃)	DDPM
USM high volatile coal (UH)	406	442	473	1158
Peak Down (PD)	451	478	493	6
Balmer (BM)	448	470	488	5
Fording (FR)	439	458	477	6
Poscan (GP)	430	462	484	44
Pingdingshan (PG)	414	449	482	548
Dongpang (DP)	416	438	455	11
XL Zhuang (XL)	419	426	440	2
Petroleum Coke (PC)	-	-	-	-

원료탄 및 배합탄의 수축-팽창특성은 코크스 오븐의 조업과 노체관리에 중요한 영향을 미친다. 석탄 건류시 수축이 적은 석탄은 코크스 배출의 문제와 석탄 팽창압의 증가로 로벽에 과잉의 압력증가로 로체손상에 이르게되어 로수명을 단축시키는 결과를 가져온다. Table 3 은 dilatometer 에서 본 연구에 사용된 석탄의 팽창-수축에 대한 값을 나타낸 것이다. Dilatometer 에서 석탄 시료를 300℃ 부터 3℃/min 로 가열하면 석탄 특성에 따라 석탄이 연화-용융-고화 상태를 거치면서 수축 팽창을 나타낸다. 일반적으로 점결력이 큰 석탄일수록 높은 수축 팽창 특성을 보이며 비점결탄인 PC 탄은 석탄의 연화용융특성을 보이지 않는다.

Table 3 Dilatation properties of coals

석탄	연화개시온도 (℃)	팽창개시온도 (℃)	고화온도 (℃)	수축	팽창	전팽창
UH	361	411	445	24	46	70
PD	420	454	483	20	17	37
BM	404	457	477	24	-10	14
FR	398	450	470	25	-6	19
PG	389	445	461	23	-17	6
DP	368	429	445	23	-16	7
PC	-	-	-	-	-	-

결  론

코크스로에서 석탄의 팽창압은 노체관리와 생산성에 큰 영향을 미치므로 석탄 건류시 석탄 팽창압이 지나치지 않도록 원료탄의 배합관리는 중요하다. 원료탄의 점결성이 강할수록 수축 팽창성과 유동성이 크고 일반탄에 가까울수록 팽창성과 유동도는 거의 나타나지 않는다. 이들의 배합에 의해 적절한 팽창압을 갖는 배합탄 제조와 우수한 품질의 코크스를 생산하는 것이 필요하다.

참고문헌

1. Nomura, S. and Thomas, K. M., "The Effect of Swelling Pressure during Coal Carbonization on Coke Porosity", Fuel, 75, 187 (1996).

2. 西岡邦彦, 吉田周平., □軟化狀態□□□石炭□膨脹壓評價法□, 燃料協會志, 第 68卷 3號, 210 (1989).

3. Benedict, L, G. and Thompson, R. R., "Selection of Coals and coal Mixes to avoid Excessive Coking Pressure",

4. Grimley, J. J. and Radley, C. E., "Factors Affecting Coking Pressures in Tall Coke Ovens", Ironmaking Conf. Proceedings, 415 (1995).

5. Monson, J. R., "Hypotheses on Generation and Effects of Coking Pressure", Cokemaking International, 4 Special, 3 (1992).