코크스 품질에 미치는 최종온도의 영향

윤경호·김기홍·이용국

포항산업과학연구원 에너지화성연구팀

The Effect of End Temperature on Coke Qualities

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

Energy & Chemical Process Research Team,

Research Institute of Industrial Science & Technology

서론

제철용 코크스 제조공정에서 사용되는 석탄은 역청탄이며, 역청탄 중에서도 코크스가 되는 성질인 점결성이 많은 석탄을 사용할수록 품질이 우수한 즉, 강도가 높은 코크스가 생산된다. 그러나 점결성이 많은 석탄은 그만큼 가격이 높기 때문에 점결성이 거의 없어서 코크스 제조에 적합하지 않은 저가의 석탄(이하 일반탄)을 점결성이 많은 석탄에 일부 혼합하여 사용함으로서 원료비를 낮출 수 있다. 그러나 이에 수반하여 코크스 강도가 하락하기 때문에 코크스 제조공정에서는 석탄조습설비인 CMCP(Coal Moisture Control System)와 CDQ(Coke Dry Quenching) 등의 코크스 오븐 부대설비를 도입하여 코크스 강도를 보상하고 있다. 그러나 이러한 고가의 부대설비에 대한 투자에 의해서가 아닌 코크스 오븐 자체에서도 일반탄 사용량을 증가시킴과 동시에 원하는 코크스 강도를 확보할 수 있는 방안이 필요하다. 이에 본 연구에서는 일반탄 사용량 증대에 따른 코크스 강도 하락을 최소화하는 방안으로 일반탄 사용량에 따른 코크스 최종온도와 코크스 품질과의 관계를 규명함으로서 원료비 및 에너지 절감에 기여하고자 하였다.

실험

코크스 최종온도와 코크스강도와의 관계를 알아보기 위하여 모의 건류실험장치를 제작하였다. 석탄 장입용 Box는 위 부분이 개방된 5mm 두께의Sus 재질로 200 X 400 X 400mm의 크기인 사각 Box형 Type으로 석탄 20kg(수분 포함)을 담을 수 있게 제작하였다. 히팅용 로 역시 사각 Box 형태로 아래부분이 개방된 형태이다. 양쪽에 SIC 히터를 6개씩 총 12개를 부착하였으며 양쪽에 R-Type T/C를 부착하여 히터온도를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 히터를 보호하기 위하여 히터 앞에 SIC Plate를 부착하였다. 로의 온도를 원하는 온도로 상승 유지시킨 후 장입용 Box에 석탄 20kg을 wet 기준 장입밀도 715kg/m3(dry 기준 625kg/m3)으로 넣은 후 승강기를 사용해 로 안에 장입시키었다. 장입직후 로 상부에서 3개의 K-Type T/C를 장입 Box 벽부 쪽, 탄 중심 쪽, 그리고 그 중간에 각각 삽입하여 건류완료 시까지의 전열 과정을 측정하고, 측정된 데이터는 Data Acquisition용 P/C에 자동 저장시키었다. 3개의 T/C 평균온도를 코크스 최종온도로 간주하였다.

건류 중 발생되는 가스는 송풍기를 사용하여 발생되는 가스 양의 정도에 따라 서서히 뽑아낸 후 냉각수와 열 교환시켜 타르 및 수분을 정제한 후 외부로 방출시키었다. 건류 완료 후 승강기를 하강 및 이동시켜 질소 냉각시스템에서 약 18시간 정도 냉각시키었다. 냉각된 코크스는 입도 15mm 이상 10kg을 선별하여 JIS 규격의 드럼에 넣어 150회 회전시킨 후 15mm 이상의 코크스 무게를 측정하여 코크스 강도(DI150)를 측정하였다.

실험에 사용된 배합은 크게 두 가지로 구분된다. 먼저 일반탄의 배합비가 증가할수록 휘발분과 유동도가 변화하는 CASE 1과 일반탄 배합비가 증가하여도 휘발분과 유동도가 그대로 유지되는 CASE 2 두 가지를 고려하였다. CASE 1에 사용된 탄은 CW, FR, LC, GC, GY, GP, KW, MW 총 8개 탄종을 사용하였다. 일반탄인 KW와 MW의 양을 15-40%를 배합함으로서 일반탄 배합비를 조절하였다. CASE 1의 특성은 먼저 일반탄 배합비가 증가할수록 휘발분의 양이 증가하고, 유동도는 감소하는 경향을 보이게 하였으며, CASE 2에 사용된 탄은 CW, PD, HJ, YK, LC, GY, OC, GG, GP, MW, TH, EH, PC 총 13개 탄종을 사용하였다. 일반탄인 MW, TH, EH, PC의 양을 20-40%를 배합함으로서 일반탄 배합비를 조절하였다. CASE 2의 특성은 일반탄 배합비가 증가할수록 휘발분의 양과 유동도가 일정한 경향을 보이도록 하였다.

결과 및 고찰

CASE 1의 석탄시료를 가지고 코크스 최종온도 변화에 따른 코크스 강도를 측정하였다. Fig. 1은 일반탄 배합비 15, 20, 25, 30, 35, 40%인 경우의 코크스 최종온도와 코크스 강도와의 관계를 나타낸 그림이다. 모든 배합에서 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도가 존재함을 알 수 있으며, 코크스 최종온도가 같을지라도 일반탄 배합비가 증가할수록 코크스 강도는 낮아짐을 알 수 있다. 또한 일반탄 배합비가 증가할수록 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도 범위가 더 높은 온도 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 코크스화 열량과 석탄 중심온도 변화로 설명될 수 있다. 코크스화 열량이란 석탄 1kg을 건류하여 코크스의 최종온도를 특정온도(예, 1000℃)까지 도달시키는데 공급한 열량을 말하며, 코크스화 열량은 석탄에 함유된 수분의 양이 일정할 경우 주로 휘발분의 양에 의해 결정된다. 석탄 건류 중 발생하는 휘발분은 연소실에서 전달되는 열량을 함유한 상태로 탄화실을 빠져나감으로서 석탄 또는 코크스로의 열전달을 방해하여 건류 진행속도를 늦추는 작용을 하기 때문이다. 따라서 일반탄 배합비가 증가할수록 휘발분의 양이 증가하기 때문에 특정 온도에 도달하기 위해서는 필요한 코크스화 열량을 증가시키거나, 더 오랜 시간을 건류해야 할 것으로 판단된다. 이것을 확인하기 위해 일반탄 배합비 변화에 따른 코크스화 열량을 측정한 결과를 Table 1에 나타내었고 CASE 1의 경우는 일반탄 배합비가 증가할수록 코크스화 열량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 CASE 2의 경우는 일반탄 배합비가 증가하여도 휘발분의 양이 변화되지 않아 코크스화 열량은 거의 변화가 없음을 알 수 있다.

Fig. 2는 CASE 2에 대해 일반탄 배합비 20, 30, 40%인 경우의 코크스 최종온도와 코크스 강도와의 관계를 나타낸 그림으로 CASE 1과 마찬가지로 일반탄 배합비가 증가하면 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도가 조금씩 높은 온도 쪽으로 이동하며, CASE 1에 비해 코크스 강도가 0.2-0.4 정도 높은 것을 알 수 있다. 이것은 CASE 2의 경우 일반탄 배합비가 증가하여도 배합지수(휘발분, 유동도)를 그대로 유지시켜 주기 때문에 CASE 1보다 같은 일반탄 배합비 일지라도 코크스 강도가 상대적으로 높은 것이다. 또한 CASE 2의 경우도 일반탄 배합비가 증가할수록 코크스 최종온도를 상향 관리하는 것이 적합한 조치로 판단된다.

가열온도를 1050℃, 건류시간을 4.0시간으로 일정하게 유지했을 때의 CASE 1의 일반탄 배합비 변화에 따른 석탄 중심온도 변화는 일반탄의 양이 많을수록 일정한 열량을 일정한 건류시간 동안 공급하면 도달하는 코크스 최종온도는 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 일반탄 배합비를 증가시키기 위해서는 코크스 최종온도를 기존보다 높게 하는 것이 코크스 강도를 확보하는데 적합한 것으로 판단된다.

Fig. 1. The effect of coke end temperature on coke quality for 15-40%

low cost coal(CASE 1)

Fig. 2. The effect of coke end temperature on coke quality for 20-40%

low cost coal(CASE 2)

Table 1. The effect of mixing ratios of low cost coal on coke heat

quantities

Mixing ratios of low cost coal(%)	Coke heat quantities(kcal/kg)
	CASE 1	CASE 2
15 20 25 30 35 40	369 374 376 380 382 385	- 375 - 377 - 374