KR100350401B1 - 고로내미연소분의소모속도측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고로에 취입되는 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도 예측방법에 관한 것으로서, 상기 미분탄의 성분 분석치로부터 수소성분과, 산소성분과, 탄성성분 사이의 몰수비를 구하는 단계와, 몰수비가 구해진 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도를 측정하는 단계와, 상기 몰수비와 소모속도 사이의 상관관계식을 도출하는 단계로 이루어지고, 상기 상관관계식은,
Figure pat00001
,
으로 표현되고, 여기에서, MH는 미분탄내 수소성분의 몰수이고, Mo는 미분탄내 산소성분의 몰수이고, MC는 미분탄내 탄서성분의 몰수인 것을 특징으로 한다.

Description

고로내 미연소분의 소모속도 예측방법
본 발명은 고로내 미연소 미분탄(이하, "미연소분"이라 칭함)의 소모속도를 예측하기 위한 방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 고로 내에서 미연소분의 축적을 억제할 수 있도록 원료탄의 성분으로부터 미연소분의 소모속도를 추정하는 관계식을 정립할 수 있는 고로내 미연소분의 소모속도 예측방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로 풍구를 통한 미분탄 취입조업은 용선 제조원가 절감과 고로 노황 조절가능성 등 공정상의 장점으로 인해 각광을 받고 있다. 그리고, 이러한 미분탄 취입조업은, 향후 코크스로에서의 환경오염 및 노후 코크스로 폐쇄시에, 이를 대처할 수 있는 효과적이며 경제적인 경쟁력을 갖는 조업기술로 지속적인 설비의증설이 예상된다.
그러나, 미분탄 취입조업은 미분탄의 취입량이 증가하는 경우 노내에서의 통기성 및 통액성 확보 방안을 포함한 제반 기술적 문제점을 수반하게 된다.
따라서, 각국의 제철소에서 미분탄 취입을 통한 다량의 코크스 대체조업시 장기적인 안전조업을 확보하기 위한 기술개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다. 일본 및 유럽의 제철소들의 경우 단기간에 걸쳐 용선 톤당 약 200kg까지 미분탄을 취입한 조업실적을 갖고 있으며, 향후 약 용성 톤당 약 200-250kg의 상시 추입을 계획하고 있다. 국내 제철소의 경우에 있어서도 향후 약 200kg의 미분탄 취입을 목표로 조업기술의 발전 및 연구개발이 이루지고 있다.
미분탄을 고로에 취입하는 공정이 개략적으로 도시되어 있는 도 1을 참조하면, 약 74마이크론 이하로 분쇄된 미분탄 입자들은 고로 하부의 풍구를 통해 고로내에 투입된다. 투입되는 미분탄은 풍구 앞에 존재하는 고온의 분위기에서 열 전달 및 물질 전달에 서로 다르게 지배되는 다종의 반응을 겪으며 연소대를 통과하게 된다. 그리고 고로 내의 미분탄 입자들에서 발생되는 다종의 반응들은 시계열적으로, 순차적으로 또는 연속적으로 일어나게 된다.
한편, 연소대에서의 반응은 고로 연소대의 기하학적 구조 및 매우 높은 송풍속도로 인해 반응시간이 극히 짧은 특징을 갖고 있다. 그 결과, 고로 연소대에서의 반응조건을 고려할 때, 약 10-50밀리초 정도의 반응시간을 갖는 미분탄 입자는 초당 약 104-106℃ 정도의 높은 승온속도로 가열된다. 그러나, 반응시간이 극히 짧으므로, 취입되는 미분탄 입자의 일부분은 연소되지 못한 상태로 연소대를 빠져 가나게 되며 이러한 입자들은 미연소분이라 통칭한다.
이러한 미연소분의 일부는 도 1에서 도시된 바와 같이 연소대 외곽부에 축적되는 반면에, 나머지 미연소분은 상승가스와 함께 상방으로 이송된 후 가스유속이 감소하는 광석의 연화융착대 하부에 축적된다. 그리고, 연화융착대 하부에 축적된 미연소분은 노내를 강하하는 슬라그 및 용선에 혼입되거나 상승가스에 실려 고로 밖으로 배출되기도 하지만 대부분은 연화융착 하부 영역에서 노상승방향으로 상승하는 환원가스의 CO2및 H2O 성분에 의해 가스화되어 소모된다.
한편, 고로 내에서 미연소분의 축적량은 발생되는 미연소분의 가스화 반응속도의 크기에 의해서 결정된다. 그리고, 발생되는 미연소분이 원활히 가스화되어 소모되지 않고 노내에 축적되면, 상승하는 환원가스의 기류가 제약을 받게 되어 환원가스의 통기성이 악화되고 결과적으로 가스분포의 편심을 야기시킨다. 이와 같이 노내 통기성의 악화가 발생하는 경우 가스류의 분포가 균일하지 못하여 노내 가스이용율이 저하되어 연료비의 상승을 초래하게 된다.
또한, 장입물의 순조로운 강하를 저해하는 경우에, 슬립(slip) 또는 행잉(hanging) 등의 노내 불균일한 현상이 초래되며 용선 및 슬라그의 강하 및 배출에도 이상을 초래하게 되어 궁국적으로 불안정한 조업을 야기시키게 된다. 이 경우 조업의 안정성이 크게 위협받게 되며, 연료비의 상승및 노황부조를 초래하게 된다.
한편, 발생되는 미연소분이 원활히 가스화는 경우에 있어서는 상기와 같은 문제점이 발생되지 않아 연료비의 감소, 안정된 노황유지가 보장된다. 그리고, 노황을 안정화시킴으로써 미분탄 취입량을 증대시킬 수 있게 된다. 따라서, 미분탄 취입량의 증대를 도모하기 위해서는 미연소분의 가스화에 의한 소모속도의 예측이 필요하다.
또한, 미분탄 취입용으로 사용되는 탄종이 매우 많기 때문에 이들 취입탄종의 특정 성상으로부터 노내에서 가스화 반응에 의해 소모되는 소모속도의 추정이 가능한 경우 미분탄 취입을 위한 탄종의 선택등에 매우 유익한 정보를 제공할 수 있다. 특히, 측정이 용이한 미분탄의 물리적 또는 화학적 성상에 기초한 미연소분의 가스화에 의한 노내 소모속도의 빠르기를 합리적으로 예측할 수 있는 방안의 도출이 요청되고 있다.
한편, 이제껏 가스와 반응속도에 대한 연구는 코크스를 매체로 이루어져 왔으며 특히 취입탄종의 성상분석에 의한 미연소분 입자의 가스화반응속도의 예측은 이루어진 바없다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 인출된 것으로, 노내에 취입되는 미분탄의 성상중 특히 성분원소간의 상대적 비율에 의해 미연소분이 노내에서 가스화되는 속도의 크기를 상대적으로 비교할 수 있는 간편한 추정식을 제공함으로써 보다 합리적이고 경제적인 미분탄 취업조건이 형성하고 또한미분탄의 취입량을 확대시킬 수 있는 고로내 미연소분의 소모속도 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 고로 공정에서의 미탄분 취입 및 미연소분의 축적 가능부위를 나타내는 고로의 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 시료 석탄에 대한 구성성분의 몰수비와 미연소분의 소모속도 측정치간의 상관관계를 나타낸 그래프;
도 3은 본 발명에 의한 미연소분 소모속도 이론치와 실제 측정된 소모속도 실측치간의 관계를 나타낸 그래프.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 고로에 취입되는 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도 예측방법은 상기 미분탄의 성분 분석치로부터 수소성분과, 산소성분과, 탄성성분 사이의 몰수비를 구하는 단계와, 몰수비가 구해진 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도를 측정하는 단계와, 상기 몰수비와 소모속도 사이의 상관관계식을 도출하는 단계로 이루어지고, 상기 상관관계식은,
Figure pat00002
으로 표현되고, 여기에서, MH는 미분탄내 수소성분의 몰수이고, Mo는 미분탄내 산소성분의 몰수이고, MC는 미분탄내 탄소성분의 몰수인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 석탄의 성분조성을 알기 위해 일반적으로 사용되는 분석방법을 통해서 미분탄의 각 구성원소의 함량을 분석한다.
하기의 표 1은 본 실시예에 사용된 시료 미분탄에 대한 화학 분석치를 나타낸다.
Figure pat00003
이 후에, 상기 표 1에 나타난 바와 같은 탄종의 변화에 수반하여 가스화에 의한 미연소분의 소모속도, 즉 분당 미연소분의 소모량의 변화를 확인한다. 이를 위해, 미분탄의 주성분인 탄소성분을 기준으로 한다. 한편, 시료는 58%의 탄소함량을 갖는 미분탄으로부터 97.54%의 탄소함량을 갖는 미분탄에서 선택된다. 이는 넓은 범위의 탄화도를 갖는 미분탄을 포함시키기 위한 것이다.
또한, 표 1의 화학 분석치로부터 각 성분의 무게분율에 따른 각 성분의 몰(mol)을 환산한 후 각 성분의 몰수비, 특히 탄소성분에 대한 수소성분과 산소성분의 몰수비를 구한다. 이때, 표 1의 화학 분석치 중에서 미분탄 내에 미량으로 존재하는 질소와 황의 성분은 제외한다. 상기 몰수비는 하기 수학식 1에 의거하여 구한다.
Figure pat00004
여기에서, MH는 미분탄내 수소성분의 몰수이고, Mo는 미분탄내 산소성분의 몰수이고, MC는 미분탄내 탄소성분의 몰수이다.
하기 표 2에는 본 발명에 따른 실시예에 사용된 미분탄 시료에 대해서 상기 식 1에 의해 구한 몰수비가 나타나 있다. 또한, 하기 표 2에는 이들 미분탄 시료를 사용하여 발생된 미연소분을 동일한 조건하에서 실험적으로 가스화 반응시켜 구한 미연소분의 소모속도도 나타나 있다.
Figure pat00005
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에 사용된 미분탄 시료에 대해 상기식 1에 의해 계산된 몰수비와 이들 미분탄 시료로부터 발생된 미연소분의 실험실적 소모속도 측정치의 관계를 알 수 있다.
즉, 미연소분의 소모속도는 몰수비가 증가할수록 급격하게 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 몰수비의 증가에 따라 미연소분의 소모속도가 급격히 증가하는 것은 미분탄의 승온시 급격한 열분해 과정을 겪게되며 이때 방향성결합 등 강한 원자간 결합에 의해 기지조직을 형성하는 탄소분자의 가스화속도에 비해 기지조직의 가지형태로 결합되어 결합력이 탄소분자보다 매우 낮은 산소 및 수소분자의 가스화가 매우 용이한 것에 기인되는 것으로 설명될 수 있다.
이와 같은 이유로 인해 소모속도의 실측치와 몰수비 사이의 관계식은 양호한 직선관계를 보이고 있다. 따라서, 미분탄 성분간의 몰수비와 고로내 소모속도간의 직선관계로부터 컴퓨터의 변환프로그램을 이용하여 다음과 같은 식 2를 도출하였다.
Figure pat00006
여기에서, MH는 미분탄내 수소성분의 몰수이고, Mo는 미분탄내 산소성분의 몰수이고, MC는 미분탄내 탄소성분의 몰수이다.
한편, 도 3에는 여러 미분탄 시료로부터 발생하는 미연소분에 대해 실험실적으로 측정한 가스화반응이 소모속도 실측치와 상기 식 2로부터 도출된 미연소분의 소모속도 추정치를 비교하여 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 실제 측정된 미연소분의 소모속도 실측치는 본 발명에 의해 도출된 소모속도 추정치는 매우 근사함을 알 수 있다.
결과적으로, 고로에 취입하고자 하는 임의 미분탄에 대한 화학 분석치를 구한 후, 이로부터 임의 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 노내 소모속도를 추정할 수 있다.
또한, 상기 결과로부터 실공정에서 요구되는 임의 소모속도치 이상을 가진 미분탄을 용이하게 결정함으로써, 임의의 노내조건 하에서 선택된 미분탄의 미연소분이 노내에 축적되어 통기장애등 노황부조의 원인이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 이 경우 미분탄 취입조업에 의한 용선의 제조공정시 미분탄의 탄종선택 및 미분탄 취입량 증대요구에 보다 탄력적으로 대응하여 안정적인 조업을 실시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 미분탄 취입조업을 행하는 경우 고로내에서 발생하는 미연소분의 노내 소모속도를 상대적으로 비교할 수 있어 미분탄 취입시 탄종선택의 판단기준을 제시함으로써 미분탄 취입조건의 경제성을 최대화할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (1)

  1. 고로에 취입되는 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도 예측 방법에 있어서,
    상기 미분탄의 성분 분석치로부터 수소성분과, 산소성분과, 탄성성분 사이의 몰수비를 구하는 단계와,
    몰수비가 구해진 미분탄으로부터 발생되는 미연소분의 소모속도를 측정하는 단계와,
    상기 몰수비와 소모속도 사이의 상관관계식을 도출하는 단계로 이루어지고,
    상기 상관관계식은,
    Figure pat00007
    으로 표현되고, 여기에서, MH는 미분탄내 수소성분의 몰수이고, MO는 미분탄내 산소성분의 몰수이고, MC는 미분탄내 탄소성분의 몰수인 것을 특징으로 하는 고로내 미연소분의 소모속도 예측방법.
KR1019970072734A 1997-12-23 1997-12-23 고로내미연소분의소모속도측정방법 KR100350401B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103868815A (zh) * 2014-03-05 2014-06-18 首钢总公司 焦炭在高炉上部劣化程度的评价方法

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