최종온도 변화에 따른 코크스 품질 특성

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

석탄은 코크스 오븐의 연소실로부터 열원을 공급 받아 탄화실에서 약 18시간∼19시간 동안 건류과정을 거쳐 코크스로 생산된다. 이 과정에서 석탄은 온도 상승에 따른 연화와 용융 그리고 재고화 등의 상태 변화를 거쳐 탄화실의 중심온도가 약 950 ℃∼1,000℃에 도달하면 압출 되어진다.

석탄의 성상은 산지의 수급사정에 따라 다양하게 변화 될 뿐만 아니라 특히 연,원료비 절감을 위해 코크스의 제조에 적합치 않는 저가의 일반탄 혼합비가 해마다 증가하는 추세에 있다. 따라서 석탄의 성상은 점차 코크스 품질에 불리한 상황이 되고 이에 따라 코크스 품질을 안정 시키는 일환으로 코크스 최종 건류온도를 지속적으로 높이고 있는 실정이다. 그런데 석탄의 성상이 향후 지속적으로 나빠질 경우 온도보상을 통한 코크스 품질 보상 또한 한계가 있을 것으로 판단되며 또한 건류과정 중의 열전달 현상에도 큰 변화가 있을 것으로 추정 되나 이에 대한 명확한 규명이 아직 이루어지지 않고 있다. 따라서 향후 일반탄 배합비 증가시 안정된 코크스 품질 유지를 위해서는 석탄의 성상이 변화 하더라도 코크스 품질을 안정되게 유지할 수 있는 최적의 최종 코크스 온도와 건류 과정에서의 열전달 현상을 해석하고 이를 기준으로 한 조업기술 정립이 절실히 필요한 실정이다.

현재 원료탄 배합단가 상승에 따라 일반탄 사용을 증대함으로써 배합단가를 낮추려는 노력을 하고 있으나, 이에 수반하여 코크스품질이 하락하기 때문에 품질을 보상할 수 있는 방안이 모색되어야 한다. 여러 품질하락 요인중 특히 코크스 최종온도를 정밀하게 관리할 필요가 있으며 이를 위해서는 석탄의 코크스 최종온도와 품질과의 관계를 규명하는 연구가 요구된다.

실험

코크스 최종온도와 코크스강도와의 관계를 알아보기 위하여 모의 건류실험장치를 Fig.1과 같이 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 COG는 Blower를 사용하여 발생되는 가스량의 정도에 따라 서서히 뽑아낸 후 냉각수와 열교환시켜 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 150회전 시킨 후 15mm 이상의 코크스 무게를 측정하여 코크스강도를 측정하였다.

결과 및 고찰

일반탄의 배합비가 증가할수록 휘발분, 유동도, 전팽창이 변화하는 Table 1의 배합안을 가지고 코크스 최종온도 변화에 따른 코크스강도를 측정하였다. 일반탄의 양을 15~40%를 배합함으로서 일반탄 배합비를 조절하였다. 배합안 특성은 일반탄 배합비가 증가할수록 휘발분의 양이 증가하는 경향을 보이도록 하고 유동도와 전팽창이 감소하는 경향을 보이도록 하였다.

먼저 Fig.2에 나타낸 바와 같이 일반탄 15% 배합 시 코크스 최종온도가 900℃ 이하일 때 미건류에 의해 상당히 낮은 코크스 강도를 보이나, 900℃가 되면 적절한 건류시간에 의해 코크스강도가 상당히 좋아짐을 보이고 있다. 또한 1000℃ 이상일 경우 코크스 강도는 오히려 약간씩 떨어지는 것을 알 수 있다. 이러한 현상을 고려할 때 특정 배합의 경우 특정 조건에서 가장 코크스강도가 높게 나타나는 코크스 최종온도가 존재하는 것으로 보인다. 특히 900℃ 이하에서 상당히 낮다가 900℃에서 급속히 강도가 올라가는 것은 900℃에서는 건류시간 부족에 의한 미건류에 의해 완전한 코크스가 형성되지 않았으나, 건류시간이 어느 정도 확보되는 코크스 최종온도인 900℃에서는 거의 건류가 완료되어 코크스강도가 올라가는 것으로 보인다. 1000℃ 이상에서 강도가 오히려 떨어지는 것은 건류시간은 충분하나 승온속도가 너무 빨라 급속가열에 의한 것으로 보인다. 따라서 이러한 경우 굳이 1000℃ 이상으로 건류시킬 필요가 없다. 즉, 코크스 최종온도를 950℃ 전후로 관리하는 것이 에너지와 품질면에서 모두 최적인 것이다.

일반탄 배합비 20, 25, 30, 35, 40%인 경우의 코크스 최종온도와 코크스강도와의 관계도 위에서 설명한 일반탄 15% 배합의 경우와 마찬가지로 코크스강도가 최대가 되는 코크스 최종온도가 존재함을 알 수 있으며, 일반탄 배합비가 증가할수록 같은 코크스 최종온도에서 코크스강도가 낮음을 알 수 있다.

Table 2는 일반탄 배합비에 따른 코크스 최종온도와 코크스강도와의 관계식 및 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도 범위를 나타낸 표이다. 이 표에서 알 수 있듯이 일반탄 배합비가 증가할수록 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도 범위가 더 높은 온도쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 따라서 일반탄 배합비를 증가시키면 코크스 최종온도를 어느 정도 높게 관리하는 것이 코크스 강도를 관리하는데 적합한 조업으로 판단된다. 또한 각 일반탄 배합비 증가에 따른 코크스화열량을 측정하였다. 일반탄 배합비가 증가할수록 휘발분이 증가하기 때문에 코크스화열량도 증가하는 경향을 보였다. 대체로 일반탄 배합비 1.0% 증가시 0.6kcal/kg의 코크스화열량이 추가로 필요한 것으로 보인다.

탄종	배합비(%)
CW FR LC GC GY GP KW MW	15 15 8 17 20 10 5 10	12 13 7 17 17 9 10 15	8 13 6 14 15 9 15 20	15 13 7 17 18 10 10 10	10 13 7 15 16 9 15 15	6 13 5 14 14 8 20 20
일반탄 배합비(%)	15	20	25	30	35	40
휘발분(%)	25.85	26.25	26.52	26.83	27.27	27.47
유동도	2.755	2.745	2.664	2.617	2.556	2.506
전팽창	103.7	100.3	93.1	86.8	81.0	75.0

Fig.1 실험장치

Table 1. 실험용 배합안

Fig.2 코크스 최종온도와 코크스품질과의 관계

일반탄 배합비(%)	코크스 최종온도와 코크스강도와의 관계식 (Y=코크스강도, X=코크스 최종온도)	코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도 범위(℃)
15	Y = 767.18(X/1000)3 - 2306.2(X/1000)2 + 2298.1(X/1000) - 685.87	900∼950 *(369)
20	Y = 499.87(X/1000)3 - 1488.1(X/1000)2 + 1466.3(X/1000) - 405.25	900∼950 (374)
25	Y = 865.78(X/1000)3 - 2609.7(X/1000)2 + 2606.3(X/1000) - 790.15	920∼960 (376)
30	Y = 235.33(X/1000)3 - 762.63(X/1000)2 + 810.73(X/1000) - 210.89	930∼970 (380)
35	Y = -99.914(X/1000)3 + 198.17(X/1000)2 - 98.527(X/1000) + 72.625	960∼1020 (382)
40	Y = -385.24(X/1000)3 + 970.31(X/1000)2 - 789.66(X/1000) + 276.79	980∼1030 (385)

Table 2. 코크스 강도가 최대가 되는 코크스 최종온도 범위