KR101277955B1 - 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법에 관한 것으로, 미분탄의 발열량에 영향을 미치는 영향인자들을 수집하는 수집단계와, 상기 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 상기 영향인자들간의 결정계수를 도출하는 결정계수 도출단계와, 상기 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수를 분석하여 상기 영향인자들 중 상기 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택하는 선택단계와, 상기 선택단계에서 선택된 독립변수에 의하여 미분탄의 발열량을 예측하는 발열량 예측단계를 포함한다.
본 발명은 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하게 예측할 수 있는 것은 물론, 발열량 예측 수학식을 통해 석탄 야드 적치특성에 따른 적치위치별 미분탄의 발열량을 예측할 수 있어 고로의 안정적인 고 미분탄취 조업이 가능한 이점이 있다.
본 발명은 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하게 예측할 수 있는 것은 물론, 발열량 예측 수학식을 통해 석탄 야드 적치특성에 따른 적치위치별 미분탄의 발열량을 예측할 수 있어 고로의 안정적인 고 미분탄취 조업이 가능한 이점이 있다.
Description
본 발명은 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄 품위 변동에 따른 미분탄의 발열량을 예측하는 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법에 관한 것이다.
고로 조업은 고로의 상부로 장입된 철광석이 풍구를 통해 공급된 열풍에 의해 용융되어 용융물(용선과 슬래그)을 생성하게 되고, 노하부에 축적되어 있는 용융물이 출선구를 통해 연속적으로 배출되는 공정이다.
고로 조업시 열원으로 코크스가 사용된다. 코크스는 고로의 열원으로 사용되는 원료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스는 석탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 제조한다.
이와 관련된 선행기술로는 국내공개특허공보 2001-0001703호가 있다.
본 발명의 목적은 고로의 안정적인 고 미분탄취입(PCI, Pulverized Coal Injection) 고로 조업이 가능하도록 석탄 품위 변동에 따른 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하게 예측할 수 있도록 한 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택하여 미분탄의 발열량을 예측한다.
상기 독립변수는 미분탄의 발열량에 영향을 미치는 영향인자들을 수집하는 수집단계와, 상기 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 상기 영향인자들간의 결정계수를 도출하는 결정계수 도출단계와, 상기 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수를 분석하여 상기 영향인자들 중 상기 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택하는 선택단계를 통해 도출된다.
상기 수집단계에서 수집된 영향인자들은 휘발분(VM), 회분(Ash), 탄소(C), 수소(H)이다.
상기 독립변수는 회분(Ash), 수소(H), 탄소(C)이고, 상기 미분탄의 발열량은 하기의 수학식을 만족한다.
<수학식>
미분탄의 발열량 = -4610 - 120×(Ash) + 138×(C) + 184×(H)
[여기서, Ash는 회분, C는 탄소, H는 수소]
상기 선택단계에서 선택된 독립변수는 상기 결정계수와 상기 영향인자의 개수를 비교 분석하여 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자를 선택한다.
상기 선택단계에서 선택된 독립변수는 상기 영향인자를 단계적 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자를 선택한다.
본 발명은 미분탄의 발열량과 상관성이 있는 영향인자들을 분석하여 최소한의 독립변수를 도출하고, 단계적 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량 예측 수학식을 도출한다. 도출한 수학식은 미분탄의 발열량 실측치와 결정계수가 0.939로 상관도가 높다.
따라서, 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하게 예측할 수 있는 것은 물론, 본 수학식을 통해 석탄 야드 적치특성에 따른 적치위치별 미분탄의 발열량을 예측할 수 있어 안정적인 고로 조업이 가능한 효과가 있다.
또한, 제철소로 입하되는 미분탄의 항차별 품질 편차 원인 분석이 가능하고, 미분탄의 탄종 선정 및 배합비 조정이 가능하여 고로의 안정적인 고 미분탄취입 고로 조업이 가능하므로 고로 용선 제조원가를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고 미분탄취입 고로 조업은 코크스 사용량을 절감시키고 코크스 생산부하를 경감하여 코크스 오븐 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 석탄의 적치높이에 따른 입도분포를 나타낸 그래프.
도 2는 석탄의 입도분포에 따른 회분과 휘발분 함량을 나타낸 그래프.
도 3은 휘발분과 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 4는 회분과 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 5는 탄소와 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 6은 수소와 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 7은 표 2에 의해 분석된 미분탄의 발열량의 실측치와, 표 2의 데이터를 다중 회귀분석 방법에 적용하여 도출한 미분탄의 발열량 예측 수학식을 사용하여 산출된 미분탄 발열량 예측치를 비교하여 나타낸 그래프.
도 2는 석탄의 입도분포에 따른 회분과 휘발분 함량을 나타낸 그래프.
도 3은 휘발분과 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 4는 회분과 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 5는 탄소와 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 6은 수소와 미분탄 발열량과의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 7은 표 2에 의해 분석된 미분탄의 발열량의 실측치와, 표 2의 데이터를 다중 회귀분석 방법에 적용하여 도출한 미분탄의 발열량 예측 수학식을 사용하여 산출된 미분탄 발열량 예측치를 비교하여 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법은, 상대적으로 고가인 코크스를 대체하기 위한 보조연료로서 미분탄(Pulverized Coal)을 고로 풍구에 취입하여 사용하기 위해 미분탄의 발열량을 추정하는 방법이다.
미분탄 취입은 고로에 사용하는 코크스 대신 값이 저렴한 비점결탄을 잘게 파쇄해 고로에 풍구를 통해 직접 취입하는 것을 의미한다.
미분탄의 가격은 코크스 가격보다 40% 이상 저렴하기 때문에 용선 제조원가를 크게 절감시키고, 코크스 생산부하를 경감하여 코크스 오븐 수명을 연장시킬 뿐 아니라 코크스 오븐의 가동률을 낮춤으로써 추가적인 원가절감에 기여할 수 있다.
그런데, 고로 조업시 180kg/htm 이상의 고 미분탄비로 취입하면 미분탄의 코크스 치환율이 저하되어 고로 조업이 불안정해지고 연료비가 오히려 상승할 수 있다. 여기서, 단위 kg/htm는 1ton 용선 생산에 취입되는 미분탄 양을 의미한다.
미분탄의 코크스 치환율에 영향을 미치는 영향인자로는 석탄 특성, 고로 조업 조건 등 다양한 요인이 있으나, 그 중 미분탄의 발열량이 가장 중요한 요인 중 하나이다. 이는 미분탄의 발열량이 코크스 치환율에 직접적인 영향을 미치는 석탄 특성 중 하나이기 때문이다. 미분탄의 발열량은 미분탄이 완전 연소할 때 발생하는 열량으로 정의한다.
고로 취입용 미분탄의 발열량을 추정하는 구체적인 방법은, 미분탄의 발열량에 영향을 미치는 영향인자들을 수집하는 수집단계와, 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 영향인자들간의 결정계수를 도출하는 결정계수 도출단계와, 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수를 분석하여 영향인자들 중 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택하는 선택단계와, 선택단계에서 선택된 독립변수에 의하여 미분탄의 발열량을 예측하는 발열량 예측단계를 포함한다.
수집단계는 미분탄의 발열량에 영향을 미치는 영향인자들을 수집하는 단계이다.
석탄의 특성은 야드 적치시 입도편석에 의해 크게 변화되며 이는 미분탄의 발열량 변화로 이어진다. 따라서, 석탄 품위 변동에 따른 미분탄의 발열량을 예측할 수 있다면 고로의 안정적인 고 미분탄취입(PCI, Pulverized Coal Injection) 고로 조업이 가능해진다. 또한, 신규 미분탄 선정과 미분탄의 배합조정 및 항차별 미분탄 발열량 편차 원인 분석이 가능하고 이를 통해 안정적인 고로 조업이 가능해진다.
수집단계에서 수집된 영향인자들은 휘발분(VM), 회분(Ash), 탄소(C), 수소(H)이다.
측정결과, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 석탄은 적치높이에 따라 입도분포에 차이가 발생하고, 적치높이에 따라 석탄의 휘발분, 회분 등 발열량 인자에서 크게 차이가 나타난다.
또한, 미분탄 중의 탄소는 공기 중의 산소, 송풍 습분 그리고 산소부하에 의한 산소와 반응하여 CO가스를 생성하므로 미분탄의 발열량에 영향을 미치고, 수소는 연소 중 생성가스에 포함되어 미분탄의 발열량에 영향을 미치므로 영향인자로 수집한다.
결정계수 도출단계는 수집단계에서 수집한 휘발분, 회분, 탄소, 수소를 각각 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 관련된 결정계수를 도출하는 단계이다.
측정결과, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 휘발분과 미분탄의 발열량과 관련된 결정계수는 0.01이고, 회분과 미분탄의 발열량과 관련된 결정계수는 0.63이며, 탄소와 미분탄의 발열량과 관련된 결정계수는 0.07, 수소와 미분탄의 발열량과 관련된 결정계수는 0.10으로, 회분, 수소, 탄소, 휘발분 순서로 미분탄의 발열량과 영향인자들의 상관성이 높았다.
회귀분석(regression analysis) 방법은 둘 또는 그 이상의 변수들간의 관계를 파악함으로써 어떤 특정한 변수(종속변수)의 값을 다른 한 개 또는 그 이상의 변수(독립변수)들로부터 설명하고 예측하는 통계적 기법이다.
선택단계는 결정계수 도출단계에서 도출한 결정계수를 분석하여 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택한다. 선택단계에서 선택된 독립변수는 회분(Ash), 수소(H), 탄소(C)이다.
선택단계에서 선택된 독립변수는 결정계수와 영향인자의 개수를 비교 분석하여 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자를 선택한 것이다.
구체적으로 선택단계에서 선택된 독립변수는 미분탄의 발열량과 영향인자간의 상관성이 높은 영향인자를 우선순위로 하여 단계적 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자를 선택한 것이다.
우선 순위는, 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수를 우선순위로 하되, 미비한 차이가 있는 탄소와 수소의 경우 실측치와 예측치에서 차이가 발생할 수 있는 점을 고려하여 동일한 순위로 취급할 수 있다.
아래의 표 1에 미분탄의 발열량과 선택단계에서 비교 분석한 영향인자들간의 결정계수를 나타내었다.
| 구분 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 |
| 상수 | 8670 | -371 | -4610 | -3019 |
| 회분(Ash) | -108 | -133 | -120 | -116 |
| 탄소(C) | 101 | 138 | 117 | |
| 수소(H) | 184 | 308 | ||
| 휘발분(VM) | -14.8 | |||
| 결정계수(R2) | 0.589 | 0.891 | 0.939 | 0.942 |
표 1은 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 회분을 우선순위로 하여 탄소, 수소, 휘발분 순서로 단계적 회귀분석 방법을 적용하여 영향인자들간의 결정계수를 도출한 것이다.
독립변수는 회분(Ash), 수소(H), 탄소(C)이다.
회분만을 영향인자로 선택한 실시예 1의 경우 결정계수가 0.589로 낮았고, 회분, 탄소, 수소를 영향인자로 선택한 실시예 3의 경우 결정계수가 0.939로 크게 증가하였다. 반면, 실시예 4의 경우 영향인자 개수가 증가하였음에도 불구하고 결정계수가 크게 증가하지 않았다.
결정계수(R2,coefficient of determination)는 도출한 수학식이 실제 데이터 분포를 얼마나 적합하게 반영하고 있는가를 말해준다. R2이 0이면 실제 변화량을 수학식이 전혀 반영하고 있지 못한 것이고, R2이 1이면 실제 변화량을 수학식이 정확히 반영하고 있는 것을 의미한다.
표 1에 의하면, 영향인자들의 개수가 많을수록 결정계수는 증가한다. 그러나 영향인자들의 개수가 많은 것은 미분탄의 발열량을 예측하기에 고려해야할 변수가 많고 분석하는데 많은 시간이 소요됨을 의미한다.
따라서, 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하게 예측할 수 있도록 결정계수가 크게 상승하되 영향인자의 개수가 적은 실시예 3으로부터 미분탄의 발열량을 예측하는 수학식을 도출한다. 실시예 3의 경우 결정계수 값이 실시예 4와 크게 차이가 없고 영향인자의 개수가 적어 미분탄의 발열량을 예측하기에 적합하다.
미분탄의 발열량은 하기의 수학식을 만족한다.
<수학식>
미분탄의 발열량 = -4610 - 120×(Ash) + 138×(C) + 184×(H)
(결정계수 R2이 0.939)
여기서, Ash는 회분, C는 탄소, H는 수소이다.
발열량 예측단계는 상기 선택단계에서 선택된 독립변수를 이용하여 도출된 수학식을 이용하여 미분탄의 발열량을 예측하는 단계이다.
상기 수학식에 의한 미분탄의 발열량 예측은 미분탄의 항차별 품질편차 원인 분석이 가능하도록 하고, 미분탄 탄종 선정과 배합비 조정이 용이하도록 한다.
이하, 본 발명을 실험예를 통해 설명하기로 한다. 그러나 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
미분탄의 발열량과 선택단계에서 선택된 독립변수인 회분, 수소, 탄소의 상관성을 조사하기 위해 무작위로 추출된 12종의 미분탄으로 사용되는 석탄을 분석하고 다중 회귀분석 방법을 적용하여 미분탄의 발열량을 예측하는 수학식을 도출하였다.
다중 회귀분석 방법은 회귀분석의 한 방법으로 여러개의 독립변수와 종속변수 사이의 관계를 설명, 예측하고자 할 때 사용한다.
아래의 표 2에 12종의 미분탄으로 사용되는 석탄을 분석하여 나타내었다. 여기서 열량은 실측치이다.
| 탄종 | 휘발분 (VM) |
회분 (Ash) |
탄소 (C) |
수소 (H) |
HGI | 열량 (kcal/kg) |
| A | 20.1 | 8.9 | 89.6 | 4.4 | 76.8 | 7449 |
| B | 12.8 | 9.7 | 91.9 | 4.1 | 80.8 | 7686 |
| C | 18.9 | 9.1 | 91.3 | 4.6 | 84.6 | 7759 |
| D | 12.9 | 8.0 | 91.7 | 4.1 | 82.4 | 7762 |
| E | 14.0 | 12.3 | 91.4 | 4.0 | 70.4 | 7195 |
| F | 13.4 | 9.5 | 91.4 | 4.2 | 73.3 | 7627 |
| G | 13.9 | 9.1 | 92.0 | 4.2 | 83.1 | 7721 |
| H | 10.5 | 11.8 | 92.2 | 3.8 | 80.9 | 7435 |
| I | 14.6 | 8.1 | 91.4 | 4.2 | 36.0 | 7849 |
| J | 9.7 | 9.7 | 91.6 | 3.6 | 71.0 | 7533 |
| K | 9.8 | 10.0 | 93.3 | 3.8 | 74.6 | 7685 |
| L | 9.4 | 10.5 | 93.1 | 3.7 | 72.3 | 7662 |
[HGI는 파쇄지수이고, 구체적으로 파쇄 후 74㎛ 이하인 석탄 질량분율을 나타낸다.]
참고로, 회분은 석탄을 공기 중에서 서서히 가열하고 800±10℃로 연소시켜 재로 변했을 때 잔류하는 무기물의 양과 석탄양과의 중량비를 %로 나타낸 것이다. 휘발분은 건조한 석탄을 공기를 차단하고 950℃로 7분간 가열한 다음 그 감량 백분율으로부터 수분 백분율을 뺀 나머지 백분율을 휘발분으로 간주한다. 석탄의 주성분은 탄소, 산소, 수소이며, 미량의 황과 수분을 포함한다.
표 2에 12종의 석탄을 다중 회귀분석 방법을 통하여 발열량 예측 수학식을 도출하였으며, 도 7에 미분탄의 발열량 실측치와 미분탄의 발열량 예측치를 비교하여 그래프로 나타내었다.
표 2와 도 7에 의해 도출된 미분탄의 발열량 예측 수학식은
미분탄의 발열량 = -4610 - 120×(Ash) + 138×(C) + 184×(H)이고 결정계수 (R2)가 0.939로 전술한 미분탄의 발열량 수학식과 동일하게 도출된다.
이를 통해, 회분, 탄소, 수소의 세 영향인자로부터 미분탄의 발열량 예측이 가능하고 상관성도 높아 실제 미분탄의 발열량을 상기 도출한 수학식이 단순하고 정확하게 반영하고 있는 것으로 볼 수 있다.
즉, 본 발명은 미분탄의 발열량을 단순하고 정확하에 예측하여 미분탄 탄종 선정 및 배합비 조정 업무가 용이하고 제철소로 입하되는 항차별 품질 편차 원인 분석이 가능하다.
특히, 석탄 야드에 적치된 적치 위치에 따라 미분탄의 발열량을 예측할 수 있어 안정적인 고로 조업이 가능해진다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
Claims (6)
- 회분(Ash), 수소(H), 탄소(C)를 독립변수로 선택하여 미분탄의 발열량을 예측하며,
상기 미분탄의 발열량은 하기의 <수학식>을 만족하는 것을 특징으로 하는 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법.
<수학식>
미분탄의 발열량 = -4610 - 120×(Ash) + 138×(C) + 184×(H)
[여기서, Ash는 회분, C는 탄소, H는 수소] - 청구항 1에 있어서,
상기 독립변수는
미분탄의 발열량에 영향을 미치는 영향인자들을 수집하는 수집단계와;
상기 수집단계에서 수집한 영향인자들을 각각 회귀분석 방법에 적용하여 미분탄의 발열량과 상기 영향인자들간의 결정계수를 도출하는 결정계수 도출단계와;
상기 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수를 분석하여 상기 영향인자들 중 상기 미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자들을 독립변수로 선택하는 선택단계를 통해 도출되며,
미분탄의 발열량과 상관성이 높은 영향인자는 상기 결정계수 도출단계에서 도출된 결정계수가 높은 순서로 영향인자들을 단계적 회귀분석 방법에 적용하고, 상기 단계적 회귀분석 방법에 적용하여 도출되는 결정계수의 증가폭에 유의한 영향력을 미치는 최소의 영향인자들을 선택한 것을 특징으로 하는 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 수집단계에서 수집된 영향인자들은 휘발분(VM), 회분(Ash), 탄소(C), 수소(H)인 것을 특징으로 하는 고로 취입용 미분탄의 발열량 추정방법. - 삭제
- 삭제
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