Coke Wharf내 적열코크스 자동소화시스템 개발

김기홍, 윤경호, 이용국

포항산업과학연구원 에너지연구팀

Development of Automatic Quenching System for

Hot Coke in Coke Wharf

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

Energy Research Team, RIST

서론

건류가 완료된 코크스는 적열상태로 소화전차에 실려 소화탑에서 살수 냉각된 후 5∼7분 정도의 정치시간을 거친 다음 코크스와프에 적치된다. 이렇게 적치된 코크스중에 일부 살수 냉각이 완전히 이루어지지 않은 잔화 적열코크스는 인력에 의한 육안 관찰 후 호스를 통해 물을 분사하여 냉각시키고 있다. 한편 코크스와프내에서도 소화되지 않은 적열코크스는 이송 벨트컨베이어에 설치되어 있는 spot quenching system에 의해 2차살수를 하고 있다. 그러나 사람에 의한 적열코크스 육안감지 및 살수작업은 단순 열악한 작업환경으로 살수작업의 기피현상과 적열코크스의 완전소화 및 과잉살수에 대한 문제 등을 내포하고 있다. 또한 2차적으로 와프에서 미소화된 적열코크스를 이송 컨베이어벨트 상에서 소화시킬 경우에는 적은 양의 적열 코크스는 문제가 되지 않으나 경우에 따라서는 이송벨트를 태울 수 있는 결과를 초래할 수도 있다. 한편, 코크스의 수분은 고로조업의 안정화를 위해서는 될 수 있으면 낮게, 수분편차가 적게 관리하는 것이 중요하다. 따라서 근본적으로 코크스와프상에서 잔화코크스의 완전소화가 가능하면서 코크스수분을 낮출수 있는 무인화된 자동살수장치의 개발을 진행하게 되었다.

실험

코크스와프내 미소화된 코크스를 찾아내어 자동소화시키는 실적용용 장치를 개발하기 이전에 실험실내에서 현장조건과 유사하게 시스템을 구성하여 현장설치에 필요한 핵심 요소기술인 온도감지 sensor의 성능파악, 살수 manipulator와 제어시스템과의 통신, manipulator의 원활한 작동유무 등의 기본적인 사항을 조사하고 현장실정에 맞출 수 있는 제어프로그램의 개발을 위해 시뮬레이터를 제작하였다.

시뮬레이터의 적외선 온도 scanner로 측정한 값과 실제온도와의 비교를 위해 알루미나볼 표면에 직접 k-type T/C를 접촉시키고 알루미나 볼을 가열한 후 냉각시키면서 적외선 온도 scanner를 이용하여 측정 하였다. 적외선 온도 scanner의 온도측정범위인 60∼600℃ 사이에서 실제온도와 scanner 측정온도와의 차이는 30∼60℃정도로 scanner 측정온도가 작게 나타났다. 300℃에서 400℃ 구간에서 온도차가 특히 크게 나타났다. 따라서 scanner 측정범위의 전온도 구간에서 실제온도는 scanner 측정온도보다 약 50℃ 높다고 할 수 있다.

적외선 온도 scanning시 코크스에서 발생되는 스팀의 간섭때문에 실제측정온도에 어느 정도의 영향이 있는지를 알아보기 위해 동일한 크기의 두 개의 알루미나볼을 전기로에 넣고 가열한 후 한쪽에 물을 부어 스팀을 발생시키었다. 스팀의 영향을 받는 경우의 온도가 스팀의 영향을 안 받는 경우보다 약 70℃ 낮게 측정되었다. 따라서 실제 현장적용용 시스템에는 코크스온도 측정부위의 스팀을 제거할 수 있는 장치보완이 필요한 것으로 판단되었다.

본 장치에서 사용된 적외선 line scanner는 90°범위의 온도 스케닝이 가능하다. 다시말하면 모의 W/F의 면에서 수직으로 스케너가 떨어진 거리의 두배를 폭방향으로 온도감지가 가능하다는 것이다. 이때 line scanner는 폭방향 동일선상의 온도를 감지하게 되는데 측정범위의 각 위치는 scanner와의 거리가 각각 다르게 된다. 따라서 온도분포 상황이 어떻게 변하는지 알아볼 필요가 있다.

동일선상에 위치한 알루미나볼의 온도를 스케닝한 결과 위치에 따라 약간의 온도편차가 생기는 것으로 나타났으나 알루미나볼을 전기로에서 꺼낼때 다소의 시간차로 인한 볼의 냉각차이에 의해 발생한 것으로 보이며 모의 W/F 동일선상에서는 scanning 위치에 따라서는 온도분포에 영향을 주지 않는 것으로 볼 수 있다.

결과 및 토론

시뮬레이터를 이용한 기초실험 결과를 기초로하여 현장설치용 살수장치를 제작하였다. 우선 적절한 살수설정온도를 찾기 위해 TGA를 이용하여 코크스의 착화온도를 측정하였다. 먼저 코크스 시료를 100mesh정도로 분쇄한 후 약 10mg을 취하여 승온속도를 20℃/min으로, 공기주입을 300cc/min으로 하여 중량감소실험을 수행하였다. Fig.1에서 알 수 있듯이 약 570℃가 되면 급격한 중량감소가 일어남을 알 수 있는데 이는 이온도에서 코크스가 착화되어 연소반응이 일어나 급격히 무게가 줄어드는 것이다. 따라서 공기분위기하에서 570℃ 부근에서 코크스는 착화되기 때문에 와프에서는 좀 더 안전하게 코크스온도가 500℃ 이상으로 검출되는 시점에서는 즉각적인 살수가 필요하다고 볼 수 있다.

현장설치용 manipulator는 적열코크스의 온도감지 및 소화를 담당하는 기계장치를 말하며 크게 적열코크스 온도감지를 위한 scanner unit, manipulator 주행을 위한 주행장치, 적열코크스에 물을 분사시키는 살수장치의 세부분으로 되어있다. manipulator 내부에는 온도감지 센서인 line scanner가 탑재되며, 이것은 시뮬레이터 실험에서 사용된 scanner를 사용하였다. 길이 48m 와프 양 끝단에는 manipulator의 위치감지 sensor가 설치되어 있으며, 주행 및 arm의 위치를 알 수 있는 encoder가 두개 설치되어 있다. manipulator에 설치된 물분사용 arm은 와프 중간부분의 칸막이를 피할 수 있게 접었다 폈다 할 수 있게 되어있다. manipulator의 주행장치는 최대 25m/min으로 움직일 수 있으며 arm의 이송장치는 최대 45m/min으로 움직일 수 있다.

스팀 발생에 의한 스케너의 온도감지 능력 저하를 막기 위해 manipulator 하단부에 이중으로 blower fan을 설치하여 스팀을 날려보낼 수 있게 하였다. manipulator의 arm 끝부분에 살수용 분사노즐을 통하여 적열코크스가 감지된 부분에 물이 분사되게 되어있다. 또한 물공급 line에 유량계와 압력계가 장착되어 살수량을 조절할 수 있게 되어있다. 한편, 물공급 line은 air 공급 line과 연결되어 있어서 통상 살수 동작시 air가 동시에 분사되어 분사압과 각도를 적절히 유지해주며 겨울철 물공급 line내 결빙을 방지하기 위해 purge용으로도 쓸 수 있게 되어있다.

코크스와프내 적열코크스 온도감지 화면구성 형태는 시뮬레이터의 화면구성과 동일하며 다른점은 온도스켄 구간설정과 향후 코크스 수분관리시스템과 연계시 필요한 데이터를 얻기 위해 와프내 특정 구간별 평균온도를 산출해주는 화면표가 있다는 점이다. 현장용 온도스켄 기본화면은 Fig.2와 같다. 와프내 적열코크스 감지동작은 코크스가 압출된 후 소화차에서 냉각될 때 소화수가 쏟아질 때 기동되는 전동 밸브의 신호를 받아서 이를 wharfing 신호로 인식한 후 일정시간(5∼7분)후 와프내 온도스켄을 시작한다. 일단 와프 전면에 걸쳐 1회 온도스켄을 하고 이 결과에 의해 와프내 온도분포를 기억하고 살수설정온도 이상 나타나는 지점으로 manipulator가 이동하여 살수동작을 행하게 된다. 이러한 동작을 반복하면서 살수설정온도 이상의 온도가 나타나지 않으면 manipulator는 home position에서 대기상태로 들어가게 된다. 이 후 wharfing 신호를 받게 되면 상기동작을 반복하는 것이다. Fig.3은 현장설치용 자동소화시스템의 온도감지 화면을 나타낸다.

결론

코크스와프내 잔화코크스의 자동소화에 의한 인원합리화 및 코크스수분의 안정적 관리를 통한 고로조업의 안정화를 도모하기 위해 적열코크스 자동소화시스템을 개발하였다.

개발과정은 우선적으로 적외선 line scanner의 운용범위 확대 및 살수 manipulator의 개발을 위해 자동살수 시뮬레이터를 이용하여 실험실에서 기술개발에 필요한 요소기술을 개발하였으며, 시뮬레이터 실험에서 얻어진 line scanner를 이용한 2차원 온도계측기법 및 측온된 온도 데이터의 실시간 통신 data processing 기법을 현장시스템에 그대로 적용하였다. 현장 적용용 자동소화시스템이 현재 설치되어 단위장치 성능 테스트와 시스템의 통신에 대한 기본적인 성능 실험을 마친 상태로 최적조업조건 설정작업을 진행중에 있다. 본 연구에서 개발된 시스템이 현장의 코크스 수분관리시스템에 핵심적 역할이 기대되며 와프 근무요원의 인원합리화를 통한 코크스 생산기술력 향상에 도움이 될 것이다.

Fig.1 살수온도 설정을 위한 TGA 실험결과

Fig.2 현장설치용 자동소화시스템의 기본화면

Fig.3 현장설치용 자동소화시스템의 온도감지 화면