KR101370219B1 - 고로 집진수 ｐＨ 변화를 통한 고로내 로황 예측 기술 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로에서 배출되는 배가스 및 집진수가 만나는 지점 이후의 집진수의 pH를 일정시간동안 주기적으로 측정하여, 하기 수학식 1의 값을 만족하는 경우에는 조업 상태가 정상 패턴으로 변하는 것으로 판단하는 고로 내 로황 예측 방법에 관한 것이다.
<수학식 1>
ΔpH/Δt ≤ 0
여기서, ΔpH/Δt는 (pH₂-pH₁)/(t₂-t₁)로, pH₁은 t₁시간에서 측정된 pH, pH₂는 t₁에서 일정시간이 흐른 후 t₂시간에서 측정된 pH이다.

Description

고로 집진수 ｐＨ 변화를 통한 고로내 로황 예측 기술{Prediction technology of blast furnace internal condition by analysis of pH for dust scrubbing water}

본 발명은 선철을 제조하는 고로(Blast Furnace) 공정의 고로 내 로황 상태(소결광과 코크스 및 용융쇳물의 분포와 형상 및 반응 정도를 종합적으로 나타내는 용어)를 신속하게 예측할 수 있는 간단하고 유용한 방법에 관한 것이다.

종래, 고로 내 로황 예측 시스템에 관한 기술로는 한국특허공개 2012-0057966 고로의 취발현상 예측 방법, 2011-0022339 고로의 취발 예측 방법, 2010-0051448 고로 내부의 온도분포 가시화 시스템 및 방법, 2006-0076965 고로 감풍 예측 시스템 및 2005-0013805 고로 조업시의 벽락 발생 예측 장치 등이 있다.

그러나, 이러한 종래 기술들은 복잡한 센싱 기술과 예측모델을 통해 고로 로황을 예측하는데, 많은 경험지식과 고가의 분석장비 및 센서를 필요로 하며, 정확한 로황의 변화를 감지하기 쉽지 않다는 문제점이 있다.

고로 공정은 철광석으로 존재하는 산화철로부터 순수한 철 성분만을 제조하는 공정으로, 산화철에서 산소를 제거하여 선철을 제조하므로 고로 공정은 환원공정이 된다. 이러한 환원 반응을 위해 고온에서 환원제인 코크스를 투입하여 철을 환원하는데, 이때 사용되는 코크스는 부분 연소되면서 열원으로도 이용되고 철광석에서 산소를 빼앗아 CO와 CO₂로 전환되면서 산화철을 환원시키는 환원제로도 이용된다. 따라서 고가의 코크스를 효율적으로 이용하기 위해서는 CO₂까지 가급적 많이 전환되어 고로를 빠져 나오도록 하는 것이 좋다. 고로 하부에서는 고온의 공기(열풍)를 주입하여 로내 유동성을 확보하고 고체-액체-기체 반응을 촉진하며, 열원을 공급하는 역할을 하게 한다. 따라서 이러한 방식을 Blast Furnace라고 부르고 국내에서는 고로(높은 용광로)라고 칭한다.

도 1에서는 고로 내에서의 영역에 따른 코크스와 산소의 반응단계를 나타내고 있다. 상기 도 1에서 보여지듯이, 초기에 코크스는 산소와 결합하여 1차적으로 CO를 형성하고 이렇게 형성된 CO는 다시 상부에서 산소와 재결합하여 CO₂로 전환되어 배출된다. 따라서 고로 배가스인 BFG에는 CO와 CO₂가 공존하며, 이를 분석기로 측정하여 로내 상황을 간접적으로 예측하고 있다.

통상적으로 고로의 조업 패턴은 도 2에서와 같이 고중심류 조업과 정상조업의 두 가지 패턴을 가진다. 고중심류 조업은 고로 내 장입되는 원료 중 통기성이 우수한 코크스를 중앙쪽에 집중적으로 장입함으로써 고로 내 가스가 중심부로 주로 배출되는 특성을 보인다. 또한, 정상 패턴은 고로 내 가스가 골고루 철광석과 코크스 층을 통과하면서 배출되는 특성을 보이는데, 각각의 경우에 나타나는 최종 배가스의 조성은 상당한 차이가 있다. 고중심류 조업 패턴에서는 가스의 체류시간이 짧아 CO₂까지의 전환율이 다소 감소하고, 고온의 가스가 중심으로 바로 빠져나가므로 배가스 온도도 높으며, 고로 상부의 압력도 높은 편이다. 따라서 이 경우에는 배가수중 CO₂ 함량이 적고 풍속이 빨라지면서 고로 내 분진을 많이 함유하고 배출되는 특징이 있다. 반면, 정상 패턴에서는 CO₂ 함량이 높고 가스 유속이 느리며 온도도 낮아 분진을 적게 함유한 가스가 배출된다.

이를 후단 공정에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 건식 집진 설비(Dust Catcher)를 거쳐 습식 집진설비인 비숍스크러버나 벤튜리 스크러버를 거쳐 고로 배가스는 청정화되고 냉각되어 다시 고로로 공급되는 열풍을 제조하기 위한 연료로 재이용된다. 이때 집진수는 순환 재이용하면서 오염물 농도가 지나치게 높아지면 배출하여 폐수처리 후 방류하게 된다. 이 과정에서 순환 집진수는 고로 배가스와 지속적인 접촉을 하기 때문에 집진수의 수질은 BFG 가스의 조성에 밀접한 관계를 가지게 된다. 고중심류 조업의 경우 배가스 중에 암모니아, CN, 분진 등을 많이 함유하고 있어 집진수 수질을 악화시키는 근본 요인이 되므로 환경적 측면에서도 정상패턴의 조업을 어느 정도 유지하는게 유리하다고 할 수 있다.

또한 고로 내 가스 분포가 채널링 현상을 일으켜 어느 한 방향으로만 빠져나가게 되어도 고중심류 조업에서 나타나는 현상이 관찰될 수 있으며, 역시 집진수 수질에 신속하게 영향을 주게 된다.

따라서 집진수의 조성을 잘 파악해보면 고로 가스의 성분을 어느 정도 예측할 수 있고 이는 다시 고로내의 상황을 역으로 예측할 수 있게 된다.

본 발명에서는 고로 내 로황을 고가의 장비 없이 집진수의 pH 측정 분석만으로 예측할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. 이를 통해 신속하게 원료의 장입 패턴을 조절하여 정밀한 조업이 가능하게 하고, 폐수처리를 용이하게 하여 폐수처리 비용을 크게 절감할 수 있다.

본 발명은 고로에서 배출되는 배가스 및 집진수가 만나는 지점 이후의 집진수의 pH를 일정시간동안 주기적으로 측정하여, 하기 수학식 1의 값을 만족하는 경우에는 조업 상태가 정상 패턴으로 변하는 것으로 판단하는 고로 내 로황 예측 방법에 관한 것이다.

<수학식 1>

ΔpH/Δt ≤ 0

여기서, ΔpH/Δt는 (pH₂-pH₁)/(t₂-t₁)로, pH₁은 t₁시간에서 측정된 pH, pH₂는 t₁에서 일정시간이 흐른 후 t₂시간에서 측정된 pH이다

이하, 본 발명에 따른 고로 내 로황 예측 방법을 보다 상세하게 설명한다.

고로에서는 고로 공정을 통해 배가스가 발생된다. 상기 고로 공정은 상기 배경기술에서 전술한 바와 같이 진행될 수 있다.

고로 공정 중 고로의 조업 패턴은 고중심류 및 정상 패턴으로 분류할 수 있는데, 고중심류 패턴에서 배출되는 배가스는 이산화탄소의 함량이 적고, 풍속이 빨라지면서 고로 내 분진을 많이 함유하게 된다. 반면에, 정상 패턴에서는 이산화탄소의 함량이 높고 가스 유속이 느리며 온도도 낮아 분진을 적게 함유한 배가스가 배출된다.

본 발명에서 고로 공정은 일반적으로, 도 3과 같은 방법으로 공정이 진행된다. 즉, 고로에서 배출되는 배가스는 건식 집진 설비(Dust Catcher)를 거쳐 습식 집진설비인 비숍스크러버 또는 벤튜리 스크러버를 거쳐 청정화되고 냉각되어 다시 고로로 공급되는 열풍을 제조하기 위한 연료로 재이용될 수 있다. 이 때, 집진수는 고로 배가스와 지속적으로 접촉을 하기 때문에 집진수의 수질은 배가스의 조성에 밀접한 관계를 가지게 된다.

일반적으로 고로에서 배출되는 배가스는 이산화탄소, 암모니아, 시안화수소 및 분진을 포함하는데, 고중심류 패턴의 경우, 중심 패턴 대비 배가스 중 이산화탄소의 함량이 적으며, 암모니아, 시안화수소 및 분진의 함량이 높다.

따라서, 집진수의 pH 측정을 통해 로황의 조업 패턴을 확인할 수 있다.

본 발명에서 집진수의 pH 측정은 고로에서 배출되는 배가스 및 집진수가 만나는 지점 이후의 집진수의 pH를 측정함으로써 이루어진다. 상기 측정은 pH 센서를 통해 이루어질 수 있다.

앞에서 전술한 바와 같이, 일반적으로 고중심류 패턴에서 배가스 중의 이산화탄소의 함량이 낮고, 암마노니아 및 시안화수소의 함량이 높으므로, 고중심류 패턴의 pH가 중심 조업 패턴보다 높을 것으로 유추할 수 있다.

따라서, 고로에서 배출되는 배가스 및 집진수가 만나는 지점 이후의 집진수의 pH를 측정하고, 일정시간동안 주기적으로 pH 측정한 후 앞서 측정한 pH와 비교한다면, 고로의 조업 패턴이 고중심류 패턴쪽으로 변하는지 아니면 정상 패턴쪽으로 변하는지 판단할 수 있다.

이러한 판단은 하기 수학식 1에 의해 수행될 수 있다.

<수학식 1>

ΔpH/Δt ≤ 0

여기서, ΔpH/Δt는 (pH₂-pH₁)/(t₂-t₁)로, pH₁은 t₁시간에서 측정된 pH, pH₂는 t₁에서 일정시간이 흐른 후 t₂시간에서 측정된 pH이다.

구체적으로, 임의의 시간(t₁)에서 집진수의 pH(pH₁)를 측정하고 일정시간이 흐른 후의 시간(t₂)의 집진수의 pH(pH₂)를 측정한 후 ΔpH/Δt(기울기)를 구하면, 고로의 조업 패턴이 고중심류 패턴쪽으로 변하는지 아니면 정상 패턴쪽으로 변하는지 판단할 수 있다.

본 발명에서 상기 수학식 1을 만족하면, 즉 ΔpH/Δt 값이 0 이하이면, pH가 감소하고 있으므로 배가스내 이산화농도가 상승추세여서 조업 상태가 정상 패턴으로 변화하며, 상기 수학식 1을 만족하지 않으면, 즉 ΔpH/Δt 값이 0을 초과하면, pH가 상승하고 있으므로 이산화탄소농도가 감소하는 추세여서 조업 상태가 고중심류 패턴으로 변화한다.

상기와 같은 결과를 토대로, 수학식 1을 통해 로내 상황을 확인할 수 있으며, 이를 원료 장입패턴에 반영하여 고로의 안정조업을 달성할 수 있다.

이 때, pH의 측정 주기는 특별히 제한되지 않으며, 연속 내지 10시간일 수 있고, 구체적으로는 15분 내지 2시간일 수 있으며, 보다 구체적으로 15분 이내일 수 있다. 15분 이내의 값을 취하는 것이 로황 예측에 가장 유리하고 신속한 예측이 가능하다. 10시간 이상의 주기는 로황을 예측하여 조업에 적용하기 어려운 문제가 있다.

또한, 본 발명에서는 기준 pH(pH_기준)를 통하여 현재 조업 상태를 판단할 수 있다.

이러한 판단은 하기 수학식 2를 통해 수행될 수 있다.

<수학식 2>

pH₃ ≤ pH_기준

여기서, pH₃는 임의 시간(t₃)에의 pH, pH_기준은 조업 패턴을 구분하는 기준 pH 값이다.

상기 식 pH₃ ≤ pH_기준(즉, pH₃ - pH_기준 ≤ 0)상기 기준 pH는 조업 패턴이 정상 패턴인지 고중심류 패턴인지를 구분할 수 있는 기준이 되며, 기준 pH 이하의 집진수 pH에서는 정상 패턴으로, 기준 pH 초과의 집진수 pH에서는 고중심류 패턴으로 조업이 진행된다.

따라서, 임의의 시간에서의 집진수 pH(pH₃)를 측정했을 때, 상기 수학식 2를 만족하면, 정상 패턴으로, 상기 수학식 2를 만족하지 않으면, 고중심류 패턴으로 조업이 진행된다.

본 발명에서 기준 pH는 5.0 내지 8.5일 수 있고, 구체적으로는 6.0 내지 7.5일 수 있으며, 보다 구체적으로는 7.0일 수 있다. 상기 기준 pH가 5.0 미만이면, 통기성에 문제가 생길 우려가 있으며, 8.5를 초과하면, 조업 패턴의 파악이 어렵다.

본 발명에서는 고가의 장비 없이 신속하면서 저렴하게 고로 내 로황 상태를 예측하여 안정적 조업을 달성할 수 있으며, 이를 통해 코크스 이용율을 극대화할 수 있으므로, 원료비 절감과 에너지 효율 향상을 도모할 수 있고 더 나아가 분진 감소, 폐수 중 오염물질 저감 등 환경적 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 고로내 영역에 따른 코크스의 가스화 반응을 나타내는 도이다.
도 2는 고로 조업 방식에 따른 로내 상황을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명에서의 집진수 pH 측정에 의한 로황 예측 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 로황 예측 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장입패턴 변화에 따른 집진수 pH 변화 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명에서 도 4는 본 발명의 일례에 따른 집진수 pH 측정에 따른 로황 예측 순서도를 나타낸다.

먼저 집진수의 pH를 측정하는 단계 및 이 측정결과 값이 산성(pH 7.0이하) 인지 알칼리성(pH 7.0 이상)인지를 판단하는 단계를 거쳐 산성쪽이면 정상 패턴, 알칼리 성이면 고중심류 패턴임을 판단한다.

다시 이 측정값을 일정 주기의 시간으로 기울기(ΔpH/Δt)를 측정하여 그 값이 0보다 적으면 pH가 감소하고 있으므로 배가스 내 CO₂ 농도가 상승추세여서 정상 패턴으로 이동중임을 판단하고, 미분 값이 0보다 크면 pH가 상승하고 있으므로 CO₂ 농도가 감소하고 있어서 고중심류 패턴으로 변하고 있다는 것을 판단할 수 있다.

이러한 결과를 토대로 로내 상황을 확인하고, 원료 장입패턴에 반영할 수 있다.

pH 측정값은 현재 상태를 나타내는 변수로 활용할 수 있고, ΔpH/Δt 값은 현재 변해가고 있는 상황을 알 수 있어 두 가지 측정치로 정확한 로내 상황 예측이 가능해 진다.

본 발명은 이들의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법을 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 청구항의 범위에 의해 정의될 뿐이다.

실시예

본 발명의 효용성을 판단하기 위하여, 정상패턴으로 조업되고 있는 고로와 고중심류로 조업되고 있는 고로의 집진수 수질을 분석하였으며, 그 결과를 토대로 두 가지 조업 패턴에서의 집진수 수질과 로황과의 상관관계를 예측해보는 실험을 수행하였다.

하기 표 1에는 정상 패턴으로 조업되는 고로와 고중심류 패턴으로 조업되는 고로의 집진수 수질을 비교한 결과를 나타내었다. 하기 표 1에서 보이는 바와 같이, 고중심류 패턴의 경우 pH 및 모든 오염물의 농도가 정상패턴에 비해 매우 높음을 확인할 수 있다. 따라서 집진수의 수질을 분석함으로써, 고로의 로황 및 조업 패턴을 쉽게 예측할 수 있음을 알 수 있다.

	pH	NH3-N (mg/L)	CN (mg/L)	F (mg/L)	COD (mg/L)	SS (mg/L)
정상패턴 고로 집진수	6.7	68.2	0.4	12	8.96	650
고중심류 패턴 고로 집진수	8.9	184	24	88	224	3,640

다음으로는 실제 고로 중에서 고중심류 패턴으로 조업되고 있는 고로를 선정하여, 집진수의 pH를 연속적으로 측정하면서 원료의 장입패턴을 변경시키면서 그 변화를 관찰하여 보았다. 즉 장입 패턴에서 고로 중심부에 소결광을 많이 투입함으로써 중심부로 배가스가 집중되는 현상을 방지하여 고로 내 조업 패턴이 정상적인 패턴으로 이동하도록 변화를 주었다.

도 5는 장입패턴 변화에 따른 집진수 pH 변화 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 집진수의 pH 측정은 연속으로 수행하였으며, 데이터는 5분에 1개씩 나타내었다.

상기 도 5에 나타난 바와 같이, 장입 패턴 변화에 따라 신속하게 집진수의 pH가 감소하여 산성으로 변하였다. 또한 그 기울기 값(미분값)이 음으로 변하여 정상 패턴 방향으로 변하고 있음을 쉽게 예측할 수 있다.

반대로 다시 중심부에 소결광의 장입을 줄이고 코크스의 장입량을 늘렸을 경우, pH는 다시 급격히 상승하여 원래의 고중심류 패턴에서 보였던 높은 pH 값을 나타내었다.

따라서 이러한 집진수 pH 측정에 의한 고로 로황 예측 시스템이 매우 신속하고 정확하게 작동될 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (5)

1. 고로에서 배출되는 배가스 및 집진수가 만나는 지점 이후의 집진수의 pH를 일정시간동안 주기적으로 측정하여, 하기 수학식 1의 값을 만족하는 경우에는 조업 상태가 정상 패턴으로 변하는 것으로 판단하는 고로 내 로황 예측 방법:
   <수학식 1>
   ΔpH/Δt ≤ 0
   여기서, ΔpH/Δt는 (pH₂-pH₁)/(t₂-t₁)로, pH₁은 t₁시간에서 측정된 pH, pH₂는 t₁에서 일정시간이 흐른 후 t₂시간에서 측정된 pH이다.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   고로에서 배출되는 배가스는 이산화탄소, 암모니아, 시안화수소 및 분진을 포함하는 고로 내 로황 예측 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   pH 측정 주기는 10분 내지 10시간인 고로 내 로황 예측 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   하기 수학식 2를 사용하여 식을 만족하는 경우에는 조업 상태가 정상 패턴, 만족하지 않을 경우에는 비정상 패턴으로 현재 조업 상태를 판단하는 고로 내 로황 예측 방법:
   <수학식 2>
   pH₃ ≤ pH_기준
   여기서, pH₃는 임의 시간(t₃)에의 pH, pH_기준은 조업 패턴을 구분하는 기준 pH 값이다.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   pH_기준는 5.0 내지 8.5인 고로 내 로황 예측 방법.

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