KR100691514B1 - 연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료가스의 발열량을 이용하여 계속 변하는 연료가스의 조성을 예측하고, 이에 따라 적정량의 공기를 공급함으로써 코크스 오븐의 열손실을 최소화하는 연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량 제어방법에 관한 것으로,

코크스 오븐의 공기량을 제어하는 방법에 있어서, 연료가스의 발열량을 측정하는 과정과, 상기 발열량과 연료가스 중 COG 및 BFG의 평균발열량에 의하여 COG 및 BFG의 분율을 계산하는 과정과, 상기 COG 및 BFG의 분율과 연료가스를 조성하는 각 성분의 평균분율에 의하여 연료가스 조성 중 가연성가스의 조성을 계산하는 과정과, 상기 가연성가스의 조성에 의하여 최적의 공기량을 계산하는 과정과, 상기 최적의 공기량의 공기를 공급하는 과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 하여,

코크스 오븐에서 발생하는 열손실을 최소화할 수 있으며, 수시로 폐가스 중의 산소량을 확인할 필요가 없으므로 인력 및 시간을 현저하게 절약할 수 있는 효과가 있다.

연료가스, 발열량, COG, BFG, 평균발열량, 분율, 평균분율, 공기량

Description

연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량 제어방법{Combustion air control method by measuring of fuel calorific value}

도 1은 공연비가 열손실에 미치는 영향을 나타내는 그래프.

도 2는 종래의 연소용 공기량 결정방법을 나타내는 흐름도.

도 3은 본 발명에 의한 공기량 제어방법을 나타내는 흐름도.

본 발명은 코크스 오븐의 공기량 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료가스의 발열량을 이용하여 계속 변하는 연료가스의 조성을 예측하고, 이에 따라 적정량의 공기를 공급함으로써 코크스 오븐의 열손실을 최소화하는 연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 코크스 오븐(Coke oven)은 내화벽돌로 축조된 로로서 탄화실과 연소실로 이루어져 있으며, 코크스는 탄화실에 석탄을 넣고 연소실에서 열원인 연료가스를 연소시켜 발생된 열을 탄화실에 전달시켜 제조한다.

이 때 열원으로 사용되는 연료가스는 코크스 오븐에서 발생되는 코크스 오븐 가스(Coke oven gas ; 이하 COG라 함)와 고로에서 발생되는 고로 가스(Blast furnace gas ; 이하 BFG라 함)를 혼합하여 사용하며, 연소를 위해서는 적정량의 공기도 공급해 주어야 한다.

코크스 오븐 연소에 있어서 사용되는 공기의 양은 일반적으로 과잉공기비로 나타내며, 이론공기량은 연소 가능한 가스(이하 가연성가스라 함)를 완전연소시키는데 필요한 공기의 양을 의미하고, 과잉공기비는 실제공급공기량과 이론공기량의 비를 의미한다.

도 1의 공연비가 열손실에 미치는 영향을 나타내는 그래프에 도시된 바와 같이, 과잉공기비(m)는 그 비에 따라 열손실에 영향을 주는데 일반적으로 약 1.3 정도일 때 가장 적은 열손실을 주는 것으로 알려져 있다.

만약 공기비가 1.3 미만일 때는 연료가스가 연소가 되지 않고 폐가스로 빠져나가는 부분이 많아 열손실이 크고, 공기비가 1.3을 초과할 때는 폐가스의 손실열이 증가하여 열손실이 커진다.

따라서 연료가스 중 가연성가스의 양보다 공기의 양을 약 1.3배 정도 공급하는 것이 에너지절약 측면에서 가장 효율적이다.

그러나 연료가스 중 가연성가스의 조성을 알기 어렵기 때문에 코크스 오븐 조업에서는 공기비를 1.3으로 조절하는 것은 매우 어렵다.

즉, 가연성가스의 조성을 알면 정확히 공기비가 1.3이 되도록 공기를 공급해 주면 되지만, 이 조성이 너무 자주 변하기 때문에 매번 가스를 샘플링하여 조성을 분석하는 것은 시간과 인력이 많이 소모되므로 공연비의 조절이 어렵다.

종래의 연소제어시스템은 도 2의 종래의 연소용 공기량 결정방법을 나타내는 흐름도에 도시된 바와 같이, 임의의 공기량의 공기를 공급한 다음, 연소 후 발생하는 폐가스 중 산소의 양을 측정하여 공기가 적당량 공급되었는지 확인하고 공기량을 변동시키는 방법을 사용하였다.

그러나 이와 같은 종래의 방법에 의하면 수시로 폐가스 중 산소의 양을 확인해야 하며, 수시로 공기량을 변동시켜 주어야 하므로 그에 따른 시간과 인력의 소모에 의한 생산량의 저하 등의 문제점이 여전히 남아 있었다..

본 발명은 상기와 같은 종래기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 연료가스 발열량을 이용하여 계속하여 변화하는 연료가스의 조성을 예측하고, 이에 따라 적적량의 공기를 공급하여 코크스 오븐의 열손실을 최소화하는 연료가스 발열량을 이용한 코크스 오븐의 공기량 제어방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량 제어방법은, 코크스 오븐의 공기량을 제어하는 방법에 있어서, 연료가스의 발열량을 측정하는 과정과, 상기 발열량과 연료가스 중 COG 및 BFG의 평균발열량에 의하여 COG 및 BFG의 분율을 계산하는 과정과, 상기 COG 및 BFG의 분율과 연료가스를 조성하는 각 성분의 평균분율에 의하여 연료가스 조성 중 가연성가스의 조성을 계산하는 과정과, 상기 가연성가스의 조성에 의하여 최적의 공기량을 계산하는 과정과, 상기 최적의 공기량의 공기를 공급하는 과정을 포함하여 구성 됨을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 공기량 제어방법을 나타내는 흐름도로서 본 발명은 크게 연료가스 발열량 측정 과정, 연료가스 중 가연성가스의 조성 계산 과정 및 가연성가스에 대한 공기량 계산 과정으로 구성된다.

먼저 연료가스 공급 라인에 부착된 열량계(Calorimeter)에 의하여 측정된 연료가스의 발열량을 온라인(On-line) 상태에서 연료가스 조성계산 프로그램에 입력된 후, 연료가스 중 COG와 BFG의 분율을 다음과 같은 과정에 의하여 계산한다.

연료가스로 사용되는 COG와 BFG의 혼합가스의 성분은 O₂, N₂, H₂, H₂ O, CO, CO₂, CH₄, CmHn, H₂S으로 구성되어 있으며, 이 성분들의 종류는 변하지 않으나 각성분의 분율 및 발열량은 변화한다.

따라서 열량계에 의하여 측정된 연료가스의 발열량 및 하기 표 1의 COG와 BFG의 평균 발열량을 이용하여 연료가스 중 COG와 BFG의 혼합 비율을 계산한다.

연료가스의 평균 발열량 및 평균 조성을 나타내는 표

구 분		COG	BFG
평균 발열량(kcal/Nm3)		4400	750
평균 조성 (분율)	O2	0.003	0.000
	N2	0.023	0.541
	H2	0.564	0.032
	H2O	0.000	0.000
	CO	0.084	0.220
	CO2	0.031	0.207
	CH4	0.266	0.000
	CmHn	0.029	0.000
	H2S	0.000	0.000

상기와 같은 COG분율과 BFG분율은 하기의 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서 구한 COG 및 BFG의 분율과 표 1의 각 성분의 평균분율을 이용하여 연료가스인 O₂, N₂, H₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄, CmHn 및 H₂S를 A라 할 때, 각각의 연료가스의 조성은 하기의 수학식 2와 같이 계산한다.

예를 들어, 산소(O₂)의 분율은,

O₂분율 = (COG 중 O₂평균분율 × COG분율) + (BFG 중 O₂평균분율 × BFG분율)이다.

다음으로 상기와 같이 계산된 연료가스의 조성을 통하여 적정량의 공기를 공급하여야 한다.

예를 들어, 연료가스 중 가연성가스가 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)일 때, 필요한 공기량은 다음과 같은 수학식 3과 같이 계산된다.

상기 수학식 3에서 2.38은 1.0Nm³의 H₂와 CO를 각각 완전연소시키는 데 필요한 공기의 양이며, 1.3은 열손실을 최소화하기 위한 과잉공기비이다.

하기 표 2는 본 발명과 종래의 방법에 의한 폐가스 중 산소농도의 비교를 나타낸 표로서, 과잉공기비를 1.3으로 하였을 때 이론적으로 계산된 폐가스 중 산소농도는 약 3.5%이며, 본 발명에 의한 결과가 폐가스 중 산소농도는 거의 3.5%를 유지함으로써 최적의 과잉공기비인 1.3이 공급되었음을 알 수 있다.

본 발명과 종래의 방법에 의한 폐가스 중 산소농도의 비교

측정 횟수	종래의 방법에 의한 폐가스 중 산소농도(%)	본 발명에 의한 폐가스 중 산소농도(%)
1	1.5	3.5
2	4.6	3.6
3	2.7	3.5
4	5.3	3.4
5	3.7	3.5

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료가스의 발열량 측정에 의한 코크스 오븐의 공기량 제어방법을 사용하면, 코크스 오븐 내에서 계속적으로 변하는 연료가스의 조성을 연료가스의 발열량을 이용하여 미리 연료가스의 조성을 예 측하여 최적의 공기량의 공기를 공급함으로써 코크스 오븐에서 발생하는 열손실을 최소화할 수 있으며, 수시로 폐가스 중의 산소량을 확인할 필요가 없으므로 인력 및 시간을 현저하게 절약할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (1)

1. 코크스 오븐의 공기량을 제어하는 방법에 있어서,

   연료가스 공급 라인에 그 발열량을 측정하기 위한 칼로리미터가 설치되어 이 칼로리미터에서 측정된 연료가스의 발열량값을 온라인으로 다음과 같은 연료가스 조성계산 프로그램에 입력하여 연료가스 중 COG 와 BFG의 분율을 계산하되,칼로리미터에 의해 측정된 연료가스의 발열량 및 COG 와 BFG의 평균 발열량을 이용하여 연료가스 중 COG와 BFG의 혼합비율을 계산하며,

   

   BFG 분율 = 1.0 - COG분율

   상기 식으로 구한 COG 와 BFG 분율 및 혼합가스 성분의 평균 분율을 이용하여 연료가스의 각 조성을 다음과 같이 계산하는 과정과,

   A (혼합가스 중의 하나의 성분) 분율 = (COG중 A평균분율 x COG분율) + (BFG 중 A평균 분율 x BFG분율)

   상기 식에서 구한 연료가스의 조성을 이용하여 최적의 공기량을 다음과 같이 계산하되, B와 C 는 연료가스 중 가연성가스이며,

   (B분율 + C분율) x 2.38 x 1.3 x 연료가스유량

   상기 식으로 구한 최적의 공기량을 공급하는 과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 코크스 오븐의 공기량 제어방법.

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