코크스 오븐에서 건류시 석탄의 수축거동 특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

이 운 재, 최 재 훈, 이 용 국

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀

Shrinkage Behavior Characteristics of Coals

during Carbonization in a Coke Oven

Woon-Jae Lee, Jae-Hoon Choi and Yong-Kuk Lee

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

코크스 오븐에서 코크스 압출시 압출 저항의 급격한 증가와 압출 막힘 등의 trouble은 코크스 오븐의 노벽에 과다한 부하를 가해 노벽 연와손상 등으로 오븐 수명을 단축시키기 때문에 압출 저항에 영향을 미치는 요인의 해명은 오븐 수명연장 및 노체 관리 측면에서 중요한 문제로 대두되고 있다. 오븐의 압출 성능을 결정하는 가장 중요한 변수의 하나는 수축이며 코크스의 성공적인 압출을 위해 필요한 수축의 크기는 오븐 벽 조건에 의존하며 일반적으로 오븐 노화정도에 따라 증가한다. 코크스 케이크의 압출 저항은 여러 가지 요인에 의해 지배되지만, 그 중에서도 코크스 케이크와 노벽 간의 간격인 수평수축(lateral shrinkage)의 영향이 매우 크다. 수평수축이 적을수록 압출 저항은 커지며, 압출 전류치가 상승한다. 또한 높이방향 수축량으로 표시되는 수직수축(vertical shrinkage)에 대해서도 경험적으로 압출 저항과 상관이 있으며, 상업용 코크스 오븐에서 수직수축이 작을수록 압출 저항이 증가한다. 코크스로에서 석탄 건류가 진행되는 동안 코크스층, 연화용융층, 석탄층의 세 층이 공존하게 되고, 수축은 코크스의 수축 거동뿐만 아니라 연화용융층의 팽창거동의 영향을 크게 받기 때문에 지배인자와 발생 메커니즘에 대해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 수축현상 이해 및 안정적인 코크스 압출을 위해, 시험로를 이용하여 석탄의 수축평가 및 조업조건에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.

따라서 본 연구에서는 수축거동에 대한 석탄의 영향을 평가하기 위해, 코크스 시험로에서 야금용 코크스 제조에 사용되는 원료탄 및 배합탄에 대해, 석탄 건류과정에서 발생하는 수평 및 수직수축 거동 특성을 분석하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 코크스 시험로의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 오븐 본체(40kg)는 0.20mW×0.5mL×0.6mH 의 크기를 가지며, 이동벽, 탄화차, 고정벽 및 수축 측정장치로 구성된다. 장입된 석탄 가열을 위해 이동벽과 고정벽의 양쪽에 같은 용량의 히터(SiC)를 수평으로 설치하였다. 이동벽에는 수평 수축을 측정하기 위해 오븐 벽 표면에 두 개의 알루미나 플레이트(50dia.)를 설치하였다. 탄화차는 적열 코크스를 배출할 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되어 있다. 탄화차의 한쪽 벽(0.2mW×0.6mH)에는 석탄 내의 가스압과 온도를 측정할 수 있도록 세 개의 프로브를 오븐 폭 방향으로 설치하였다. 오븐 상부에는 석탄 장입을 위해 장입구(0.1mW×0.2mL)와 장입구를 통해 수직수축을 측정할 수 있는 장치를 설치하였다. 발생가스 배출관에는 오븐 내의 압력을 조절하기 위해 damper를 설치하여 오븐 상부의 압력이 약간의 양압 (0∼1mmH2O) 되도록 하였다. 적열 코크스는 건류 종료후 탄화차를 오븐 밖의 pusher 까지 이동시킨 다음, pusher를 이용하여 소화장치로 압출하였으며, 압출된 적열 코크스는 질소(3 l/min)를 이용하여 소화하였다. 건류시 발생하는 가스(COG)는 damper 후단에서 LPG와 함께 연소되어, 외부로 배출된다. 석탄 내에서 발생하는 가스압과 온도는 내부에 K-type 열전대가 있는 프로브(0.7m L, 1/4"dia. SUS tube)를 이용하여 측정하였다. 프로브의 한쪽 끝에 가스압을 측정할 수 있도록 직사각형의 구멍(2×10mm)을 설치하였으며, 압력은 pressure transmitter를 이용하여 측정하였다. 수평수축은 이동벽에 설치된 알루미나 플레이트에 알루미나 튜브를 연결하고 일정 압력의 질소 cylinder를 이용하여 플레이트를 코크스로 밀어 건류시간에 따른 수축을 LVDT에 연결하여 측정하였다. 수직수축은 장입뚜껑을 통해 설치된 ceramic plate(0.07mWx0.15mL)와 plate에 연결되는 세라믹 튜브를 LVDT에 연결하여 건류시간에 따른 수직수축을 측정하였다. 수평 및 수직수축, 석탄 내 가스압 및 온도 데이터는 recorder에 기록하고 동시에 PC에 저장되도록 하였다. 건류조건은 850℃에서 석탄을 장입하여 탄중온도가 600℃에 도달하면 1100℃까지 3℃/min으로 가열하여 일정시간 유지하였다. Table 1 은 본 연구에 사용된 배합탄에 대한 배합지수를 나타낸 것이다.

Table 1  Blending index of various coal blends.

Index	Coal blends
	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8	B9	B10	B11	B12
V.M	23.65	24.64	25.60	26.65	25.26	25.28	25.64	26.30	25.88	26.04	26.13	26.11
LMF	2.47	2.49	2.56	2.55	2.4	2.5	2.6	2.7	2.68	2.63	2.65	2.65
TD	92	97	98	101	81	91	100	109	103	99	97	95
SI	4.69	4.21	3.99	3.88	4.04	4.05	3.99	3.87	4.03	3.97	3.95	3.81
TI	28.80	25.46	26.50	25.14	29.30	28.48	29.01	28.54	25.98	26.86	27.0	28.08
CBI	1.29	1.09	1.14	1.10	1.36	1.31	1.34	1.33	1.20	1.22	1.26	1.22
Non-coking(wt%)	50	50	50	50	50	50	50	50	35	45	55	65

3. 결과 및 고찰

Fig. 2는 수분 5.7wt%의 고유동도탄인 IH탄에 대해, 건류시간에 따른 전형적인 수평수축, 수직수축, 석탄 중심에서의 가스압 및 중심 온도의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 수평 수축은 오븐 중심온도 600℃에서부터 측정하였기 때문에 장입 후 4.3시간 후부터 건류시간에 따라 서서히 증가하여 7.17mm까지 증가하였다. 또한 수직수축은 장입직후 급격하게 감소한 후 건류시간에 따라 일정하게 유지되다가 석탄 중심에서 두 개의 연화층이 합체된 후부터 서서히 증가하여 중심온도 810℃에서 peak를 나타낸 후 급격하게 17.67mm(4.13% 수축)까지 감소하였다. 건류시 수축거동은 오븐 중심에서 연화층이 합체되기 전까지는 연화층에서 발생하는 팽창압의 크기에 의존하며, 오븐 중심에서 연화층 합체이후에는 코크스 자체의 수축과 코크스 내 crack 및 fissure 등의 형성으로 수축이 서서히 일어난다. 수직수축 거동은 장입 직후 오븐 벽에 형성된 연화층에 의해 급격한 수축을 나타낸 후 오븐 중심에서 연화층이 합체될 때까지 큰 변화를 보이지 않고, 오븐 중심에서 연화층 합체이후 약간의 팽창을 나타낸 후 코크스 자체의 수축 증가로 급격하게 수축된다.

Fig. 3은 수분 9.0wt%의 배합탄에 대해, 수평 및 수직수축에 대한 배합탄 휘발분의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 보면, 배합탄의 휘발분이 증가하면 수평수축이 감소하는 경향을 보이는데, 이것은 일반적으로 석탄 휘발분의 증가에 따라 가스압 감소로 인해 수평수축이 증가하는 경향과는 상반되는 것이다. 또한 배합탄의 휘발분이 증가하면 수직수축이 줄어드는 경향을 보이는데, 이것은 일반적으로 석탄 휘발분의 증가에 따른 수직수축 증가와 상반되는 것이다. 그러나 저휘발분을 제외하면 휘발분 증가에 대해서는 뚜렷한 경향을 나타내지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 4는 수분 8.7wt%의 배합탄에 대해, 수평 및 수직수축에 대한 배합탄 유동도의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, 수평수축은 유동도가 증가함에 따라 증가한 후 감소하였으며, 수직수축은 유동도가 증가함에 따라 수축이 증가한 후 감소하였다. 수축특성은 가스압이 높을때는 semi-coke를 오븐 벽으로 미는 힘이 크므로 수축이 작고 가스압이 낮을때는 수축이 커지기 때문에 건류과정에서 발생하는 가스압과 밀접한 관계가 있다. 따라서 유동도의 증가에 따른 수축거동은 배합탄의 유동도 변화에 의한 가스압 변화에 기인한다.

Fig. 5는 수분 8.6wt%의 배합탄에 대해, 수평 및 수직수축에 대한 배합탄 중의 일반탄 배합비의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, 배합탄 중의 일반탄 배합비가 증가함에 따라 수평수축은 감소한 후 증가하는 것으로 나타나고 있다. 또한 수직수축은 일반탄 배합비의 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 야금용 코크스 제조에 사용되는 일반탄 비율의 증가시 건류중 가스압의 감소에 의한 것으로 판단된다.

4. 결  론

원료탄의 휘발분이 증가함에 따라 수평수축은 지수적으로 증가하였으며, 수직수축율은 약간 증가하였다. 배합탄의 수평 및 수직수축은 휘발분, 유동도 및 일반탄 배합비에 대해 큰 상관성을 나타내지 않았다. 수평수축이 증가함에 따라 수직수축이 증가하는 상관성이 있는 것으로 나타났다.

5. 참고문헌

1. Add, V. K., Ironmaking Conf. Pro, 303 (1993).

2. Nomura, S. and Arima, T., Fuel, 80, 1307(2001).

3.	Lee, W. J. and Lee, Y. K., Energy & Fuels, 15, 618(2001).