석탄 건류시 코크스화열량 예측방법

윤경호, 김기홍, 이용국

포항산업과학연구원 에너지전환연구팀

Method of Estimation for Coke 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 중용항 문제로 대두되기 시작하였다.

현재 광양제철소 코크스오븐에서 사용하는 연소제어시스템은 ABC(Automatic Battery Control) System이라는 독일 OTTO사에서 개발한 시스템으로 코크스오븐에서 석탄 건류에 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 문헌1)-4)에 보고되었지만 아직도 상당히 부족한 실정이다. 석탄을 코크스로 만드는 데 필요한 열량에 관한 최초의 연구는 적은 양의 시료로 단열장치를 사용한 독일의 Terres2)이다. 다른 연구가들도 단열열량측정장치를 사용하고 있다. 그들의 연구결과를 보면 대략 520-910Btu/lb의 코크스화 열량값을 나타낸다. Perch3)와 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

단일탄과 배합탄의 코크스화열량을 측정하기 위한 실험장치는 로안에 내부히터와 외부히터를 2중으로 부착하고 내부히터안에 석탄을 장입하여 건류시키는 장치이다. 2중히터를 사용한 이유는 하나의 히터만 사용할 경우 히터에서 발생한 열량이 내부 석탄 쪽으로도 전달되지만 외부로 상당한 양의 열이 방출되므로 히터에서 발생된 열량이 순수한 코크스화열량이라고 볼 수 없다. 따라서 2중히터를 사용함으로써 두 히터를 같은 온도로 유지시키면 내부히터에서 외부로 전달되는 열이 외부히터에 의해 차단됨으로써 내부히터에서 발생된 열량 전체가 내부 석탄으로 전달된다. 따라서 건류시간 동안 내부히터에 공급된 전력량을 적산전력계(Watt Meter)를 이용해서 측정하였다. 내·외부 히터의 온도를 1000℃로 유지시키고 상온(30℃)의 석탄을 내부히터안에 장입시키는 시점부터 석탄 중앙온도가 950℃가 되는 시점까지의 코크스화열량을 측정하였다. 장입된 석탄의 양은 1kg이며 장입밀도는 786kg/m3이었다.

결과 및 토론

실험대상으로 선정한 단일탄은 광양 제선부 코크스오븐에서 사용하는 석탄으로써 이들 석탄의 코크스화열량을 측정하였다. Table 1에 대상 단일탄의 종류, 성상, 코크스화열량값을 wet base로 나타내었다. 석탄의 성상으로서 수분, 휘발분, 회분을 측정하였고 수분은 2회 평균, 휘발분과 회분은 1회씩 건류 직전에 측정한 값이다. 단일탄의 코크스화열량은 3회 평균값이다. 전체적으로 수분, 휘발분, 회분의 양이 증가할수록 코크스화열량이 증가하며 비점결탄인 PC를 제외하고 약 349.6∼394.9kcal/kg의 코크스화열량을 보이고 있다. 그러나 SB, SR등의 단일탄은 전체적인 경향에 위배되어 수분, 휘발분, 회분의 양에 관계없이 상대적으로 높은 코크스화열량이 측정되었다.

30종류의 단일탄중에서 10∼11종류의 석탄을 선택하고 10%씩 또는 실제 배합비로 배합한 배합탄의 코크스화열량을 측정하였다. 배합탄의 성상으로서 수분, 휘발분, 회분을 측정하였고 수분은 2회 평균, 휘발분과 회분은 1회씩 건류 직전에 측정하였다.

단일탄의 특성이 배합탄내에서 단일탄 상호간의 영향을 받지 않고 그 특성을 그대로 유지한다면 단순히 단일탄의 코크스화열량에 배합비를 곱한 후 합산한 값(산술적인 계산값)이 배합탄의 코크스화열량으로 나타나야 한다. 그러나 실제로는 단일탄의 특성이 배합시에 다른 단일탄에 영향을 주거나 받으므로 단일탄 고유의 특성이 나타나지 않는다. Table 2에 배합탄의 실제 측정값과 단순히 산술적인 계산에 의한 값을 비교하여 나타내었다. 실제 측정값과 산술 계산값과의 편차는 평균 약 ±7.1kcal/kg으로 상당한 차이가 있어서 단일탄의 특성이 배합시에 탄의 종류와 배합비에 따라 달라짐을 알 수 있다. 따라서 배합탄내에서의 각각의 단일탄이 그 종류와 배합비에 따라 배합탄에 미치는 기여도를 계산할 필요가 있다.

배합에 사용된 각각의 단일탄의 코크스화열량에 배합비와 기여도를 곱한 값은 측정된 배합탄의 코크스화열량 값이다. 그러므로 기여도를 구하기 위해서 상수값인 단일탄의 코크스화열량과 배합비에 미지수인 기여도를 곱했을 때의 값이 측정된 배합탄의 코크스화열량에 근접한 값이 나오도록 가능한 많은(56회) 실험 데이터를 사용해서 회귀분석을 하여 최적의 기여도 값을 계산하여 Table 1에 나타내었다. 이러한 단일탄의 기여도를 사용하여 단일탄의 코크스화열량으로부터 배합탄의 코크스화열량을 유도할 수 있다. 즉, 배합에 참여하는 각각의 단일탄의 코크스화열량에 배합비와 기여도를 곱하면 배합탄의 코크스화열량을 구할 수 있다.

단일탄의 종류와 배합비 변화에 따라 배합탄의 코크스화열량을 계산하는 추정식은 식 1과 같다. Table 2에 실제 측정값과 이 추정식을 이용하여 계산한 배합탄의 코크스화열량값의 차이를 나타내었다. 두 값의 차이가 평균 약 ±0.9kcal/g으로 거의 차이가 없으므로 이 추정식은 실험실적인 측면에서는 상당히 정확한 식으로 볼 수 있다.

참고문헌

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

2. Terres, E.,and Voituret, K.,"Coking and Decomposition Heats of Coal", Gas     u. Wasserfach Vol. 74, 1971, pp98 - 101, 122-128

3. Michael Perch, H.L.Bridgewater, "Heat measurement of coking coals",Iron      and Steel Engineer, July, 1980, p47-50

4. R.J.Morlock, A.C.Naso and J.R. Cameron, "Heat Requirement for coking"       Symposium Science & Technology of Coal", Canadian Inst., Min., & Met.,     Ottawa, March 29 to 31, 1967

Table 1.단일탄의 코크스화열량과 기여도

식 1. 배합탄의 코크스화열량 추정식

Table 2. 배합탄의 코크스화열량 산술계산값 및 추정식에 의한 계산값