코크스 오븐에서 팽창압에 대한 배합탄 및 조업조건의 영향

이 운 재, 김 제 영

포항산업과학연구원, 화성연구팀

Effect of Coal Blends and Operating Condition on Coking Pressure in a Coke Oven

Woon-Jae Lee and Je-Young Kim

Coal and Chemical Process Research Team, RIST

1. 서  론

최근 제철산업에서 코크스 생산효율의 증가와 단위비용 저감에 대한 요구가 증대되고 있다. 이를 위해 코크스 오븐 크기 및 건류속도의 증가와 장입 석탄의 전처리를 통해 코크스 품질개선을 시도하고 있으며, 원료 비용저감 측면에서 장입탄의 장입밀도를 증가시키는 방법으로 oiling 법, stamping 법, 성형탄 배합법, 건조탄 및 예열탄 (∼250℃) 장입법 등이 고려되고 있다. 한편, 코크스로의 설비집약 및 생산량 증가를 위한 고가동률 조업으로 오븐 온도가 상승하고 있다. 이와 같은 개발의 결과는 과잉의 석탄 팽창압 증가를 가져오며, 과잉의 석탄 팽창압은 오븐 벽에 손상을 주거나, 코크스 압출시 배출압 증가와 오븐 부착을 동반하게 된다. 코크스 오븐에서 석탄을 건류하는 동안 최대 팽창압은 석탄 장입한 후 대략 11∼13 시간에서 발생하며, 이것은 두 개의 연화층이 오븐 중심에서 합칠 때이다. 이 압력은 코크스 덩어리를 통해 코크스 오븐 벽으로 전달되며 지나치면 오븐 벽에 영구적인 손상을 주게된다. 일반적으로 석탄 팽창압에 대한 제한범위는 2psi (4m oven), 1psi (6m oven) 이하로 유지해야 한다. 석탄 팽창압은 코크스 오븐에서 배합탄의 안정성, 코크스 오븐 조업 및 노체관리 면에서 매우 중요한 요소이므로 많은 연구가 수행되고 있다.

따라서 본 연구에서는 석탄 건류시 발생되는 팽창압을 측정하기 위해 30kg 용량의 이동벽을 갖는 코크스 오븐을 제작하였으며, 코크스 제조에 사용되는 원료탄의 배합비, 건류되는 석탄의 수분 (4∼9%) 및 가열벽 온도 (900∼1000℃) 의 변화에 따른 팽창압 특성과 제조된 코크스 품질을 조사하였다.

2. 실  험

본 연구에 사용된 이동벽을 갖는 시험로의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. 오븐본체 (0.45L×0.18W×0.4H) 는 30kg 의 석탄 용량으로 내화물 CA16 (1600℃) 로 캐스터블 형태로 제작되었다. 석탄 가열을 위해 시험로 양쪽벽 내에 수직방향으로 각각 12kW 의 히터 (SiC) 를 설치하였다. 히터는 캐스터블 내에 알루미나 튜브를 넣고 튜브 내에 설치하다. 오븐 상부에 석탄의 장입을 위해 0.1×0.2m 크기의 장입구를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 50A 파이프를 설치하였다. 석탄 건류시 연화층에서 발생하는 가스압과 온도 측정을 위해 양쪽 벽에 가스압 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 probe 를 높이와 가로방향으로 각각 9개를 설치하였다. 가스 probe 는 석탄 가열패턴에 영향을 주지 않기 위해 가열벽과 평행하게 설치하였다. 가스압 probe 로 부터의 압력은 pressure transmitter 를 이용하여 측정하였으며, 측정된 압력과 온도데이터는 PC 에 저장된다. 오븐 벽으로부터 열손실을 줄이기 위해 단열재로 ceramic wool 을 이용하여 두께 0.35m 로 단열 하였다. 석탄 팽창이 오븐 벽에 미치는 힘을 측정하기 위해 한쪽 벽을 움직일 수 있도록 하단부분에 레일과 구동 바퀴를 설치하였다. 팽창압 측정을 위해 압축형 load cell (500kg) 을 이동벽에 설치하였으며, 고정틀에 설치된 철봉으로 고정할 수 있도록 하였다. 생성 코크스의 배출은 이동벽을 뒤로 이동시킨 다음 코크스 배출통을 오븐하단에 놓고 긴 쇠봉을 이용하여 오븐으로부터 배출시킨다. 배출된 적열 코크스는 물을 사용하여 소화하였다. 오븐으로부터 방출된 가스는 1차 tar 분리기 (dia 0.6m×1.0m high) 에서 물을 통과하면서 tar 가 분리되도록 하였다. 미포집 tar 는 순환 펌프를 사용하여 노즐을 통해 물을 분무시키는 2차 tar 분리기에서 제거된다. Table 1 은 본 연구에 사용된 석탄의 공업분석 및 원소 분석치를 나타낸 것이다. Table 2 는 단일탄으로 구성된 배합탄의 배합비를 나타낸 것이다.

Table 1  Analyses of various coals.

Coal	Proximate analysisdb			Ultimate analysis					FSI	RI	Calorific value (cal/g)
	V.M	F.C	Ash	C	H	N	S	O*
CW	30.70	61.84	7.46	87.28	5.45	1.90	0.91	4.46	830	0.97	7884
PD	19.98	70.37	9.65	90.80	4.46	2.02	0.62	12.10	8.5	1.24	7782
GP	25.65	65.99	8.39	80.47	4.67	1.58	0.71	12.56	7.6	0.98	7775
DP	33.85	57.19	8.96	78.74	4.84	1.56	0.41	17.45	4.1	0.7	7527
MX	35.03	56.47	8.50	82.26	5.44	1.89	0.46	9.95	3.5	0.71	7435

* : difference [100-(C+H+N+S)]

Table 2 Blending ratios of various coal blends composed of 5 single coals.

Coal	배합 1	배합 2	배합 3	배합 4	배합 5	배합 6	배합 7	배합 8	배합 9	배합10
CW	5	10	15	20	11.7	10.8	10	9.2	11.4	10.7
PD	42.2	40	37.8	35.6	30	35	40	45	45.7	42.9
GP	31.7	30	28.3	26.7	35	32.5	30	27.5	20	25
DP	5.3	5	4.7	4.4	5.8	5.4	5	4.6	5.7	5.4
MX	15.8	15	14.2	13.3	17.5	16.3	15	13.8	17.1	16.1
Coal	배합11	배합12	배합13	배합14	배합15	배합16	배합17	배합18	배합19	배합20
CW	10	9.4	10.5	10	9.5	8.9	10.6	10	9.4	8.8
PD	40	37.1	42.1	40	37.9	35.8	42.2	40	37.6	35.3
GP	30	35	31.6	30	28.4	26.8	31.8	30	28.2	26.5
DP	5	4.6	-	5	10	15	5.3	5	4.7	4.4
MX	15	13.9	15.8	15	14.2	13.3	10	15	20	25

3. 결과 및 고찰

Fig. 1 은 강점결탄 (PD), 중점결탄 (GP), 약점결탄 (DP), 일반탄 (MX) 을 일반적인 배합비로 거의 일정하게 유지하면서 미국탄 (CW) 의 배합비를 5∼20wt% 로 변화시켰을 때 건류시간에 따른 석탄 중심에서의 가스압 변화를 나타낸 것이다. CW 탄은 단일탄으로 건류하였을 때 낮은 팽창압과 가스압을 나타낸다. CW 탄은 휘발분이 높기 때문에 CW 의 배합비가 증가할수록 배합탄의 휘발분 함량은 증가하게 된다. 그림에서 보듯이, 전체적으로 배합탄은 낮은 가스압을 나타내며, CW 의 배합비가 증가할수록 가스압은 감소하는 경향을 나타낸다. 이것은 고휘발분 석탄의 첨가로 배합탄의 휘발분이 증가하여 건류과정에서 발생하는 가스가 증가하더라도 석탄의 연화 용융층에서의 가스투과도가 낮아지기 때문으로 생각된다. 일반적으로 고휘발분 탄의 첨가는 팽창압을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 장입탄이 과잉의 팽창압을 나타낼 경우 CW 첨가량을 증가시켜 팽창압을 저감시킬 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 2 는 배합탄에서 CW 탄의 배합비를을 5∼20wt% 로 변화시켰을 때 석탄 중심에서의 최대 가스압과 코크스 강도의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, CW 의 배합비가 증가할수록 최대 가스압은 초기에 급격하게 감소하며, 10% 이상의 첨가는 가스압에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 코크스 강도는 CW 의 배합비를 10% 까지 증가시킴에 따라 증가하며, 그 이상 증가시    Fig. 3 Effect of M on ICP and DI15015.	키면 감소한다. 따라서 팽창압과 코크스 품질 측면에서 CW 배합비는 10%정도 내외가 적당하다고 생각된다.

Fig. 3 은 가열벽 온도 900℃에서 장입탄, 배합탄5, 배합탄8 에 대해 석탄 중심에서의 가스압과 코크스 강도에 대한 석탄 수분의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 석탄 수분의 영향은 장입탄과 배합탄의 배합비에 따라 다르게 나타나고 있으며, 수분 감소에 따라 가스압이 선형적으로 증가하거나 급격하게 증가하였다. 이것은 오븐에 장입되는 석탄    Fig. 4 Effect of Tw on IGP and D15015.       의 수분이 감소함에 따라 dense packing 으로 인한 석탄의 장입밀도가 증가하게 되어 연화용융층 (350∼500℃) 에서 발생한 가스가 연화용융층을 투과할 때 더 큰 저항이 작용하기 때문이다. 또한 코크스 강도는 장입탄과 배합탄에 관계없이 수분 감소로 인한 장입밀도의 증가로 거의 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4 는 장입탄 (M:4.4∼5.5%), 배합탄5 (M:7.1∼7.6%), 배합탄8 (M:6.7∼8%) 에 대해 석탄 중심에서의 가스압과 코크스 강도에 대한 가열벽 온도의 영향을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 가열벽 온도가 증가함에 따라 장입탄의 가스압은 급격히 증가하지만, 배합탄의 가스압은 감소하거나 일정하게 나타났다. 가열벽 온도의 증가는 가열속도를 증가시켜 연화층에서 가스흐름이 증가되지만, 연화층의 두께와 점도는 감소하게 된다. 팽창압에 대한 상반된 영향이 동시에 작용하게 되며 일반적으로는 팽창압이 증가하게 된다. 장입탄과 배합탄에 대해 연화층에서 가스흐름과 저항이 다른 정도로 나타나는 것으로 사료된다. 또한 코크스 품질은 가열벽 온도 증가에 따라 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다.

4. 결  론

배합탄의 가스압 (팽창압) 은 CW 탄의 증가에 따라 크게 감소하였고, PD 탄에 대해서는 특정한 영향을 보이지 않았으며, GP 탄에 대해서는 증가하였고, DP 탄과 MX 탄에 대해서는 최대 값을 나타내었다. 석탄 수분이 감소할수록 석탄 중심의 가스압과 수증기압은 크게 증가하였고, 가열벽 온도와 석탄에 관계없이 코크스 강도는 선형적으로 증가하였다. 가열벽 온도가 증가함에 따라 가스압은 장입탄에 대해 급격하게 증가하였으나, 배합탄에 대해서는 감소하거나, 거의 일정하게 나타났다. 코크스 강도는 가열벽 온도 증가에 따라 감소하였다.

5. 참고문헌

1. Latshaw, G. H., McCollum, H. R. and Stanley, R. W., ISS Ironmaking	Proceedings, 43, 373 (1984).

2.	Rohde, W., Habermehl, D. and Kolitz, V., Ironmaking Conference	Proceedings, 135(1988).

3.	Loison, R., Foch, P. and Boyer, A., "Coke ; Quality and Production",	Butterworths, London, 353(1989).