KR101159284B1 - 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법 - Google Patents

Abstract

작업 조건을 반영하여 보다 정확하게 연소실 로온을 관리할 수 있고, 로온 불량을 보다 정확하게 판정할 수 있도록, 각 연소실의 건류 시간에 대한 로온 변화를 검출하여 건류 시간에 대한 전체 연소실의 평균 로온을 구하여 이를 데이터화하는 단계와, 온도 관리 타켓 연소실의 건류 시간에 대한 실제 로온을 검출하는 단계, 평균 로온과 실제 로온을 건류 시간에 따라 비교하여 그 로온 편차가 관리 범위 이내인지 여부를 확인하고 관리범위를 벗어난 경우 타겟 연소실을 로온 불량으로 판정하는 단계를 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법을 제공한다.

Description

코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법{METHOD OF MANAGEMENT FOR TEMPERATURE OF COMBUSTION CHAMBER IN COKE OVEN}

본 발명은 코크스를 생산하기 위한 코크스오븐에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 최적의 상태로 코크스를 건류시킬 수 있도록 된 코크스오븐의 연소실 로온 관리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제철공정에서 석탄의 건류는 코크스 공정에서 이루어진다. 코크스 공정에서 코크스 오븐의 탄화실에 장입된 석탄은 일정시간 건류되어 코크스화된다.

코크스 오븐은 배합탄이 장입되는 복수의 탄화실들과, 이 탄화실들 사이에 배치되어 코크스 오븐의 내부에서 연소가 이루어지는 연소실들로 구성된다. 이에 코크스 오븐의 탄화실(chamber) 내부에 배합탄을 장입하고, 연소실 내부에는 연료가스와 연소용 공기를 공급하여 연소시키게 되면, 연소실 가열벽을 통하여 간접열이 탄화실로 전달된다. 따라서 밀폐된 탄화실에 장입된 석탄이 간접열에 의한 연화, 용융, 팽창, 수축, 고화 등의 건류 과정을 거쳐 코크스로 제조된다.

상기 코크스 오븐의 연소실로 공급되는 연료 가스는 양압(+)에 의해 공급되며, 연소용 공기는 연돌의 자연통풍력에 의한 부압(-)에 의해 자연 흡입 공급된다. 코크스 오븐의 연소계통을 살펴보면, 연료 가스와 공기는 축열실을 거쳐 연소실에서 연소가 이루어진 후 폐가스는 폐가스 배출통로를 통하여 연돌(stack)로 배출된다.

이 과정에서 개별 연소실의 로온은 열탄화실에 장입된 석탄의 건류에 영향을 주게 된다. 개별 연소실의 로온이 높게 되면 코크스 과건류의 원인이 되고, 로온이 낮으면 코크스 미건류의 원인이 된다. 따라서 연소실의 로온 관리는 코크스의 건류 불량을 방지하기 위해 매우 중요하다.

이에 종래에는 연소실 로온 관리를 위해 전체 77개의 개별 연소실의 로온을 일정시점에서 측정하여 전체 평균 로온을 구하고, 개별 연소실의 로온을 평균 로온과 비교하여 로온 불량으로 판정하였다.

그러나 상기한 종래의 구조는 각 탄화실의 석탄 장입과 압출에 따른 규칙적인 로온 변화를 감안하지 않은 상태에서 연소실의 로온을 일정시점의 전체 평균 로온과 단순 비교한 것으로 로온 불량 판정으로 미흡하였다.

또한, 코크스 오븐 조업 변동(가동율, 계획 감산, 돌발 감산, 가스 열량 변동 등) 요인에 따른 로온 변화시 작업 스케쥴 진행에 따라 개별 연소실의 로온 편차가 크게 되어 건류 로온 불량판정이 어렵다. 이에 로온 불량 판정 대처가 미흡하여 건류 불량에 따른 코크스 품질 하락과 연소효율 저하 및 환경오염의 원인이 되는 문제점이 있다.

이에, 작업 조건을 반영하여 보다 정확하게 연소실 로온을 관리할 수 있도록 된 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법을 제공한다.

또한, 로온 불량을 보다 정확하게 판정할 수 있도록 된 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법을 제공한다.

이를 위해 본 관리방법은 각 연소실의 건류 시간에 대한 로온 변화를 검출하여 건류 시간에 대한 전체 연소실의 평균 로온을 구하여 이를 데이터화하는 단계와, 온도 관리 타켓 연소실의 건류 시간에 대한 실제 로온을 검출하는 단계, 평균 로온과 실제 로온을 건류 시간에 따라 비교하여 그 로온 편차가 관리 범위 이내인지 여부를 확인하고 관리범위를 벗어난 경우 타겟 연소실을 로온 불량으로 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 관리방법은 로온 불량 판정시 타겟 연소실의 연료 가스 공급량을 제어하여 로온을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 관리방법은 건류 진행 과정에 따라 평균 로온과 실제 로온간의 로온 편차의 변화량을 검출하는 진행예측 단계와, 로온 불량이고 상기 진행예측 단계에서 변화량이 증가시 타겟 연소실을 건류 불량으로 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 진행예측 단계는 실제 로온 측정시점에서 전체 연소실의 로온을 평균하여 목표 로온을 구하고, 상기 목표 로온과 평균 로온의 차이에 따라 상기 로온 편차를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 관리범위는 평균 로온에서 ± 20℃의 범위로 설정될 수 있다.

본 관리방법은 건류 불량 판정시 타겟 연소실에 대한 석탄의 장입량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 방법에 의하면, 코크스 오븐의 작업 조건에 따른 규칙적인 로온 변화와 불규칙적인 로온 변화를 감안하여 로온을 관리함으로써, 로온의 편차를 최소화하고 보다 정확한 불량 여부를 판정할 수 있게 된다.

또한, 불량 판정에 따른 정확한 조치작업이 가능하여 로온 불량을 최소화하고 양질의 코크스를 생산할 수 있게 된다.

또한, 연소실로 공급되는 연료가스의 불필요한 낭비를 줄여 에너지를 절감하고 환경오염을 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 코크스 오븐을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 코크스 오븐의 연소실 로온 관리를 위한 순서도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 코크스 오븐의 연소실 로온 관리를 위한 로온 변화 추이를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.

도 1은 코크스 오븐을 도시하고 있으며, 도 1을 참조하여 코크스 오븐을 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 코크스 오븐(100)은 배합탄을 장입하는 탄화실(110)들과, 상기 탄화실들에 열을 제공하기 위한 연소실(120)들로 구성된다. 상기 탄화실(110)과 연소실(120)은 서로 교대로 배치된다. 상기 각 연소실(120)에는 연료용 연료가스를 공급하기 위해 가스분배관(130)에 연결되는 가스공급박스(132)와, 연료 가스의 연소에 필요한 산소를 공급하기 위한 공기공급박스(140)가 각각 구비된다. 따라서, 공기공급박스와 가스공급박스를 통해 유입된 공기 및 연료가스는 축열실을 거쳐 연소실(120)에서 연소되고, 이 때 발생된 열은 탄화실(110)로 전달되어 탄화실에 장입된 배합탄을 건류시켜 코크스로 제조하게 된다. 그리고 연소가 이루어진 후 폐가스는 폐가스 배출통로(150)를 통하여 연돌(stack)로 배출된다.

상기 코크스 오븐(100)은 상기 각 연소실(120)의 로온을 컨트롤하기 위한 컨트롤러(10)를 구비한다. 상기 컨트롤러(10)는 각 연소실에 대해 로온을 검출하여 로온 불량 여부를 판정한다. 또한, 상기 컨트롤러(10)는 각 연소실(120)로 공급되는 연료가스의 공급량을 개별적으로 조절함으로써, 석탄의 과건류 또는 미건류를 방지하게 된다. 그리고 상기 컨트롤러(10)는 각 연소실에 대해 건류 불량 여부를 판정하여 추후 연소실로 장입되는 석탄의 장입량을 조절하게 된다.

본 실시예의 코크스 오븐은 상기 각 연소실의 온도 검출을 위해, 연소실(120)과 탄화실(110) 사이의 벽체를 이루는 연와 내부로 컨트롤러(10)와 전기적으로 연결된 열전대(thermocouple)(20)를 설치한다. 상기 각 연소실에 설치된 열전대(20)를 통해 원하는 연소실(이하 타겟 연소실이라 한다)에 대한 로온을 검출할 수 있게 된다. 각 연소실의 온도 검출을 위해 상기 열전대(20) 외에 광온도계(Pyro-meter)가 사용될 수 있다.

여기서 본 방법은 타겟 연소실(120)의 건류 과정에서 로온의 불량 여부를 보다 정확하게 판정하게 된다.

이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연소실 로온 관리 방법을 설명하면 다음과 같다.

본 관리 방법은 각 연소실(120)의 건류 시간에 대한 로온 변화를 검출하여 건류 시간에 대한 전체 연소실(120)의 평균 로온을 구하여 이를 데이터화하는 기준 설정 단계(S100)와, 판정 대상인 타켓 연소실(120)의 건류 시간에 대한 실제 로온을 검출하는 단계(S110), 상기 평균 로온과 실제로온을 건류 시간에 따라 비교하여 그 편차가 관리 범위 이내인지 여부를 확인하는 단계(S120), 관리범위를 벗어난 경우 타겟 연소실(120)을 로온 불량으로 판정하는 단계(S130)를 포함한다.

상기 기준 설정 단계는 컨트롤러(10)의 내부에 기록될 평균 로온을 데이터화하기 위한 단계이다. 평균 로온은 코크스 오븐의 전체 연소실 각각에 대해 연소실 별로 건류 시간에 대한 시간별 로온을 검출하고, 이렇게 구해진 각 연소실의 로온을 건류시간 별로 평균하여 산출된 값이다. 여기서 건류시간이라 함은 탄화실에 배합탄을 장입하고 건류를 진행하여 압출하기까지의 시간을 의미한다.

이와 같이 구해진 평균 로온을 건류시간에 따라 연결하면 하나의 곡선을 얻게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 평균 로온은 A곡선으로 나타낼 수 있다. 본 실시예에서 상기 평균 로온 계산시 건류불량으로 판정된 연소실은 제외될 수 있다.

컨트롤러(10)는 상기 A곡선으로 나타나는 평균 로온 데이터를 기준값으로 저장하여 타겟 연소실(120)의 건류 시간에 대한 실제 로온을 상기 평균 로온과 비교 연산하게 된다.

상기 타겟 연소실(120)의 실제 로온은 타겟 연소실(120)에 설치된 열전대(20)를 통해 실시간으로 검출되어 컨트롤러(10)에 인가된다. 이렇게 검출된 타겟 연소실(120)의 실제 로온은 건류 시간에 따라 연결하여 하나의 곡선으로 표시될 수 있다. 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 상기 타겟 연소실(120)의 실제 로온은 평균 로온보다 높은 B곡선이나 평균 로온보다 낮은 C곡선으로 표시될 수 있다.

이에 상기 컨트롤러(10)는 타겟 연소실(120)의 건류시간에 대한 실제 로온과 저장된 A곡선에 따른 해당 건류시간대의 평균 로온과의 차이(이하, 로온 편차라 한다)를 연산하고, 상기 로온 편차가 관리범위 이내인가를 확인하게 된다.(S120)

상기 관리범위는 로 특성상 코크스 품질이나 로의 수명에 영향을 미치지 않는 온도 범위로, 본 실시예에서 상기 관리범위는 평균 로온 ±20℃로 설정될 수 있다. 즉, 해당 건류시간에서 평균 로온보다 +20℃에서 -20℃의 범위를 관리 가능한 범위라 할 수 있다. 상기 관리 범위를 벗어나는 경우 코크스의 품질 저하나 로의 파손이 우려된다.

이에 컨트롤러(10)는 건류시간에 대한 타겟 연소실(120)의 실제 로온과 평균 로온의 로온 편차를 연산하여 상기 로온 편차가 ±20℃를 벗어나는 경우 로온 불량을 판정하게 된다. 로온 불량이 판정된 경우 컨트롤러(10)는 타겟 연소실(120)로 공급되는 연료가스의 공급량을 제어하여 연소 온도를 조절하게 된다.(S130 ~ S140)

도 3에 도시된 바와 같이, 타겟 연소실(120)의 실제 로온이 B곡선으로 나타난 경우 장입 시점에서 평균 로온은 대략 1085℃ 정도이고 실제 로온은 약 1095℃로 로온편차는 약 10℃이다. 로온편차 10℃는 관리범위인 ±20℃ 이내이므로 상기 타겟 연소실(120)은 장입시점에서 로온 불량이 아닌 것으로 판정할 수 있다.

이러한 본 실시예의 로온 불량 판정은 타겟 연소실(120)의 각 건류 시간을 따라 실시간으로 확인되며, 건류시간에 대한 규칙적인 변화를 반영한 평균 로온을 이용하여 판정됨으로써, 보다 정확하게 판단할 수 있게 된다.

한편, 본 관리방법은 타겟 연소실(120)에 대해 앞으로의 건류 진행을 예측하여 건류 불량 여부를 판정하게 된다.

이를 위해 본 관리방법은 건류 진행 과정에 따라 평균 로온과 타겟 연소실(120)의 실제 로온에 대한 로온 편차의 변화량을 검출하는 진행예측 단계(S170)와, 로온 불량으로 판정되고 상기 진행예측 단계에서 변화량이 증가시 타겟 연소실(120)을 건류 불량으로 판정하는 단계(S190)를 포함한다.

상기 진행예측 단계(S170)는 건류 시간에 따라 로온 편차가 계속 커질 것인가를 예측하는 것이다. 상기 진행예측 단계는 건류 시간에 따라 장입시점에서 압출시점까지를 복수개의 시점으로 구분하고, 각 시점에서의 로온 편차의 변화량을 검출하여 확인하게 된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 건류 시간에 따라 상기 시점을 5개로 구분하여 각 시점에서 로온 편차를 확인할 수 있다.

건류 진행 과정을 따라 각 시점을 t0 ~ t4로 표시한다. 타겟 연소실(120)의 실제 로온이 B곡선과 같이 평균 로온보다 높게 나타나는 경우 각 시점에서의 로온 편차를 x0 ~ x4로 표시한다. 이와 달리 타겟 연소실(120)의 실제 로온이 C곡선과 같이 평균 로온보다 낮게 형태로 나타나는 경우 각 시점에서의 로온 편차를 y0 ~ y4로 표시한다.

이에 상기 진행예측 단계에서는 건류 시간에 따라 t0에서의 로온 편차 값인 x0(또는 y0)과 t1에서의 로온 편차 값인 x1(또는 y1)을 비교하여 로온 편차의 변화량을 검출하게 된다. 컨트롤러(10)는 상기 변화량이 증가하는 경우, 즉, 건류 시간에 따라 x0(또는 y0)의 절대값보다 x1(또는 y1)의 절대값이 큰 경우 또는 x1(또는 y1)의 절대값보다 x2(또는 y2)의 절대값이 큰 경우와 같이 건류 시간에 따라 로온 편차가 점점 커질 때 변화량이 증가하는 것으로 판단한다.(S170)

여기서 본 관리 방법은 상기 진행예측 단계(S170)를 진행하기 전에 실제 로온 측정시점에서 전체 연소실(120)의 로온을 평균하여 목표 로온을 구하고, 상기 목표 로온과 평균 로온의 차이에 따라 상기 로온 편차를 조정하는 단계를 더 거치게 된다.(S150 ~ S160)

상기 목표 로온은 타겟 연소실(120)의 실제 로온 측정시점에서 코크스 오븐의 전체 연소실(120)의 로온의 평균 온도를 의미한다. 즉, 코크스 오븐의 조업 스케쥴에 따라 타겟 연소실(120)의 건류 진행 시점과 다른 연소실(120)의 건류 진행 시점은 서로 일치하지 않는다. 상기 목표 로온은 건류시간에 따른 각 연소실(120)의 로온을 건류시간에 따라 평균한 값인 평균 로온과는 다르다. 상기 목표 로온은 건류 진행시점이 서로 일치하지 않은 전체 연소실(120)의 실제 로온 측정시점에서의 평균 온도이다. 상기 목표 로온은 코크스 오븐의 목표 관리 온도라 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 목표온도는 타겟 연소실(120)의 건류 시간에 따라 연결하여 D곡선으로 나타낼 수 있다. 그리고 각 건류시점에서의 목표온도 값은 d0 ~ d4로 나타낼 수 있다.

상기 로온 편차 조정은 각 시점에서 상기 평균 로온에서 목표 로온을 반영한 후 실질적인 로온 편차를 구하는 것이다.

즉, 건류 시간을 따라 t0시점과 t1시점에서의 로온 편차가 동일하더라도, t0시점의 목표 로온인 d0와 t1시점의 목표 로온인 d1이 차이가 있는 경우, t1시점에서의 로온 편차는 목표 로온 만큼 보정되어 t0시점보다 높거나 낮아지게 된다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, t0시점에서 목표 로온이 대략 1085℃ 이고, t1시점에서 목표 로온이 대략 1090℃이면 건류시간에 따라 목표 로온은 5℃ 상승한 것이 된다. 이는 t1시점에서 전체 연소실(120)의 평균온도가 t0시점보다 5℃ 올라간 것을 의미한다. 따라서 타겟 연소실(120)의 로온도 역시 5℃ 상승된 상태이며, 이 상승된 온도를 감안하여 평균 로온과 실제 로온과의 로온 편차를 구하여야 한다.

t0시점에서 로온 편차인 x0 값은 대략 10℃이고 t1시점에서 로온 편차인 x1값은 대략 10℃로 x0 값과 x1의 값이 같다고 볼 수 있다. 그러나, 언급한 바와 같이 t1시점에서의 목표 로온이 t0시점보다 5℃ 상승하였으므로, t1시점에서의 타겟 연소실(120)의 보정된 로온 편차는 x1 값에서 목표 로온인 5℃를 반영하여 5℃로 계산될 수 있다. 즉, t1시점에서 목표 로온을 반영한 x1의 실제 값은 x0보다 떨어진 결과가 된다.

이와 같이 상기 진행예측 단계는 목표 로온을 구하고 이를 건류 시간에 따라 로온 편차에 반영하여 로온 편차를 조정한 후 로온 편차의 변화량을 검출하게 된다.

따라서 컨트롤러(10)는 상기와 같이 목표 로온을 반영한 로온 편차의 변화량이 감소하거나 그대로인 경우 건류 작업을 계속 진행하여 압출한다.(S180) 그리고 컨트롤러(10)는 타겟 연소실(120)의 로온 편차가 관리범위를 넘어 로온 불량이고, 목표 로온을 반영한 로온 편차의 변화량이 증가하는 경우 타겟 연소실(120)을 건류 불량으로 판정하게 된다.(S190) 건류 불량 판정시 상기 컨트롤러(10)는 다음 건류 작업시 타겟 연소실(120)에 대한 석탄의 장입량을 조절하여 최적의 건류가 이루어질 수 있도록 한다.(S200)

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 컨트롤러 20 : 열전대
120 : 연소실

Claims (6)

1. 코크스 오븐의 각 연소실의 건류 시간에 대한 로온 변화를 검출하여 건류 시간에 대한 전체 연소실의 평균 로온을 구하여 이를 데이터화하는 단계와,
   온도 관리 타켓 연소실의 건류 시간에 대한 실제 로온을 검출하는 단계,
   상기 평균 로온과 타겟 연소실의 실제 로온을 건류 시간에 따라 비교하여 그 로온 편차가 관리 범위 이내인지 여부를 확인하는 단계,
   상기 로온 편차가 관리범위를 벗어난 경우 타겟 연소실을 로온 불량으로 판정하는 단계
   를 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로온 불량 판정시 타겟 연소실의 연료 가스 공급량을 제어하여 로온을 조절하는 단계를 더 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 관리범위는 평균 로온에서 ± 20℃의 범위로 설정되는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   건류 진행 과정에 따라 평균 로온과 실제 로온 간의 로온 편차의 변화량을 검출하는 진행예측 단계와, 로온 불량이고 상기 진행예측 단계에서 변화량이 증가할 경우 타겟 연소실을 건류 불량으로 판정하는 단계를 더 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 진행예측 단계는 실제 로온 측정시점에서 전체 연소실의 로온을 평균하여 목표 로온을 구하고, 상기 목표 로온과 평균 로온의 차이에 따라 상기 로온 편차를 조정하는 단계를 더 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 건류 불량 판정시 타겟 연소실에 대한 석탄의 장입량을 조절하는 단계를 더 포함하는 코크스 오븐의 연소실 로온 관리 방법.

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