KR102607615B1 - 고로 조업 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 보조 취입 연료로서 저탄소 함수소 연료를 적어도 일부 포함하는 고로 조업을 제어하기 위한 고로 조업 제어방법에 있어서, (a) 사용자로부터 설정된 조업인자가 입력되는 단계; (b) 상기 조업인자를 활용하여 조업정보가 산출되는 단계; 및 (c) 상기 조업정보가 조업조건을 만족하는지 여부를 판단한 후, 상기 조업조건을 만족하는 경우 고로 조업을 가동하고, 상기 조업조건을 만족하지 못하는 경우 상기 (a) 단계로 돌아가 새롭게 설정된 조업인자가 재입력되는 단계; 를 포함하되, 상기 조업정보는 연소온도, 환원가스량 및 송풍에너지를 포함하는 고로 조업 제어방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고로 조업 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저탄소 함수소 연료를 사용하는 고로 조업의 작동을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
제철공정 중 고로에서는 노정으로부터 철광석, 망간광, 석회석, 코크스를 장입하고 하부의 풍구로부터 열풍 및 보조 취입 연료로서 미분탄을 취입하여 코크스 및 미분탄을 연소시킨다. 장입원료는 상승하는 고온의 가스에 의해 건조, 예열 되고 석회석의 분해 철광석의 환원이 일어나며 환원된 금속철은 흡탄하여 용융하고 또 Si, Mn, P, S등이 이산화물로부터 환원되어 철 중에 들어가서 선철이 되어 노저에 괴는 과정을 거친다.
최근 온실가스 저감을 위한 탄소중립 정책에 의해 탄소연료인 코크스 및 미분탄의 사용을 줄이고자, 보조 취입 연료로서 미분탄을 대신하여 저탄소 함수소 연료, 예를 들어, 천연가스, 코크스오븐가스 및 바이오매스 등을 발굴 및 사용하는 기술을 개발해왔다.
다만, 저탄소 함수소 연료는 미분탄 대비 탄소 함량이 적음에 따라, 연소반응에 따른 발열량 저하로 인해 연소온도가 낮아지고, 이는 곧 용선 및 슬래그 온도 저하에 의한 품질 저하를 야기시킨다는 문제점이 존재한다. 또한, 저탄소 함수소 연료 내 높은 수소 함량에 따라, 연소 후 가스부피가 과도하게 증가되어 고로 압력손실이 증가되며, 이에 고로 내 통기성이 악화되어 열풍의 송풍량이 저하되고 결국 송풍에너지까지도 저하될 수 있다는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제를 포함하여 다양한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 조업을 안정적으로 운용하기 위한 조업조건들을 선제적으로 판단하여 고로의 가동 여부를 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고로 조업 제어방법이 제공된다.
상기 고로 조업 제어방법은, 보조 취입 연료로서 저탄소 함수소 연료를 적어도 일부 포함하는 고로 조업을 제어하기 위한 고로 조업 제어방법에 있어서, (a) 사용자로부터 설정된 조업인자가 입력되는 단계; (b) 상기 조업인자를 활용하여 조업정보가 산출되는 단계; 및 (c) 상기 조업정보가 조업조건을 만족하는지 여부를 판단한 후, 상기 조업조건을 만족하는 경우 고로 조업을 가동하고, 상기 조업조건을 만족하지 못하는 경우 상기 (a) 단계로 돌아가 새롭게 설정된 조업인자가 재입력되는 단계; 를 포함하되, 상기 조업정보는 연소온도, 환원가스량 및 송풍에너지를 포함한다.
상기 보조 취입 연료는 상기 저탄소 함수소 연료를 5 내지 15 중량% 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 연소온도가 2100 내지 2300℃의 범위를 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 환원가스량이 10500 내지 11000 Nm3/min의 범위를 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 송풍에너지가 12500 내지 15000 kgm/s의 범위를 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는 연소대의 총 입열량에서 상기 연소대에 존재하는 가스의 비열을 나눈 값으로부터 상기 연소온도가 산출되는 것일 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 보조 취입 연료의 연소반응으로부터 생성된 CO, H2 및 N2 함량의 총 값으로부터 상기 환원가스량이 산출되는 것일 수 있다.
상기 (b) 단계는 하기 [수식 1]로부터 상기 송풍에너지가 산출되는 것일 수 있다.
[수식 1]
송풍에너지(kg·m/s)
={[VB·(1.288+WH20/1000)]+[(O2/60)·1.431]·UOT 2}/(Tu·60·2·9.8)
VB: 고로 내 송풍된 열풍의 풍량(Nm3/min),
WH20: 열풍 내 습분(g/Nm3)
O2: 열풍으로부터 증가된 산소부화량(Nm3/hr)
UOT: 풍구유속(m/s)
TU: 풍구 단면적(m2)
상기 저탄소 함수소 연료는 천연가스, 코크스 오븐 가스 및 바이오매스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송풍 조건 만족여부에 따라 고로 가동을 제어함으로써, 저탄소 함수소 연료를 사용하더라도 고로 조업을 안정적으로 운용할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고로 조업 제어방법의 절차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고로 조업 제어방법의 절차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고로 조업 제어방법은 보조 취입 연료의 적어도 일부를 저탄소 함수소 연료로 사용하는 고로 조업을 제어하는 방법으로서, (a) 사용자로부터 조업인자가 입력되는 단계; (b) 상기 조업인자를 활용하여 조업정보가 산출되는 단계; 및 (c) 상기 조업정보가 조업조건을 만족하는지 여부를 판단한 후, 상기 조업조건을 만족하는 경우 고로 조업을 가동하고, 상기 조업조건을 만족하지 못하는 경우 상기 (a) 단계로 돌아가 새로운 조업인자를 재입력하는 단계; 를 포함한다.
저탄소 함수소 연료는 종래 보조 취입 연료로 사용되던 미분탄을 대체하기 위해 연료 내 탄소 함량이 감소하되 수소를 포함하는 연료를 의미하는 것으로서, 예를 들어, 천연가스, 코크스 오븐 가스 및 바이오매스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
저탄소 함수소 연료는 보조 취입 연료의 5 내지 15 중량%을 이루면서 보조 취입 연료 내에서 미분탄의 적어도 일부 대체할 수 있다. 보조 취입 연료 내 저탄소 함수소 연료가 5 내지 15 중량%의 함량만큼 포함됨으로써, 후술할 조업조건을 만족하기 위한 보조 취입 연료의 전체적인 탄소 및 수소의 함량이 적절히 유지될 수 있다. 보다 구체적으로, 저탄소 함수소 연료의 함량이 5 중량% 미만일 경우, 탄소 입량이 과도하게 적어 보조 취입 연료의 연소반응에 있어서 입열량이 미미하다는 문제점이 있다. 반면 저탄소 함수소 연료의 함량이 15 중량%를 초과할 경우에는 수소의 함량이 과해짐에 따라 연소반응 이후 생성되는 환원가스의 부피가 과도하게 팽창될 수 있다는 문제점이 존재한다.
조업정보는 연소온도, 환원가스량 및 송풍에너지를 포함한다. 연소온도란 보조 취입 연료 및 코크스의 연소반응에 의해 연소대가 도달하는 온도를 의미한다. 또한, 환원가스량이란 고로 내로 송풍되는 열풍을 사용해 보조 취입 연료가 연소됨으로써 생산되는 환원가스 CO, H2 및 N2의 총 함량을 의미하는 것이다. 아울러, 송풍에너지란 고로 내로 송풍되는 열풍의 운동에너지를 의미한다.
(b) 단계에 있어서, 사용자는 연소온도를 도출하기 위한 조업인자들을 입력한다. 이 때, 조업인자는 고로에 송풍된 열풍의 열량, 보조 취입 연료의 연소열, 고로에 장입된 코크스의 연소열 및 방산열이 포함되고, 열풍 내 습분과 산소의 함량 및 보조 취입 연료의 성분별 취입량을 포함할 수 있다.
또한, 사용자는 환원가스량을 도출하기 위한 조업인자들을 입력한다. 이 때, 조업인자는 고로에 송풍된 열풍 중 습분 및 산소의 함량, 보조 취입 연료 중 습분, 산소, 탄소, 수소 및 질소의 함량을 포함할 수 있다.
아울러, 사용자는 송풍에너지를 도출하기 위한 조업인자들을 입력한다. 이 때, 조업인자는 고로에 열풍을 송풍시키는 풍구의 유속, 풍구의 단면적, 열풍의 풍량, 열풍 중 습분 및 열풍 중 산소에 의한 산소부화량을 포함할 수 있다.
(b) 단계에 있어서, 연소온도에 대한 조업인자들을 활용하여 고로 내에서 측정될 수 있는 연소온도 값을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 연소대의 총 입열량에서, 연소대에 존재하는 가스의 비열을 나눈 값으로부터 연소온도가 산출될 수 있다. 이 때, 연소대의 총 입열량은 전술한 연소온도에 대한 조업인자들인 고로 내 송풍된 열풍의 열량, 산소에 의해 상기 보조 취입 연료 및 코크스가 연소반응 함으로써 발생되는 연소열 및 방산열을 합한 총 값으로부터 도출될 수 있고, 연소대 내 가스의 비열은 열풍 내 습분과 산소의 함량 및 보조 취입 연료의 성분별 취입량 으로부터 도출될 수 있다.
또한, 환원가스량에 대한 조업인자들, 예를 들어, 고로에 송풍된 열풍 중 습분 및 산소의 함량, 보조 취입 연료 중 습분, 산소, 탄소, 수소 및 질소의 함량을 활용하여, 고로 내에서 보조 취입 연료의 연소반응 후 측정될 수 있는 환원가스량을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 환원가스량은 전술한 조업인자들 및 고로 조업 지수 정보에 의거하여 산출될 수 있는 것으로서, 환원가스 중 CO 가스량은 하기 [계산식 1]에 의해 도출될 수 있으며, H2 가스량은 하기 [계산식 2]에 의해 도출될 수 있고, N2 가스량은 하기 [계산식 3]에 의해 도출될 수 있다.
[계산식 1]
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[계산식 2]
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[계산식 3]
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O2_blast:열풍 중 산소 비율(%) H2O_blast:열풍 중 습분 함량(g/Nm3)
H2O_pc:보조 취입 연료 중 수분 함량(%)O_pc:보조 취입 연료 중 산소 함량(%)
C_pc:보조 취입 연료 중 탄소 함량(%) H_pc:보조 취입 연료 중 수소 함량(%)
N_pc:보조 취입 연료 중 질소 함량(%) W_pc:보조 취입 연료 사용량 (kg/Nm3)
아울러, 송풍에너지에 대한 조업인자들, 예를 들어, 고로에 열풍을 송풍시키는 풍구의 유속, 풍구의 단면적, 열풍의 풍량, 열풍 중 습분 및 열풍 중 산소에 의한 산소부화량을 활용하여, 풍구에서 열풍이 고로 내로 전달되는 송풍에너지를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 송풍에너지는 하기 [수식 1]에 의해 도출될 수 있다.
[수식 1]
{[VB·(1.288+WH20/1000)]+[(O2/60)·1.431]·UOT 2}/(Tu·60·2·9.8)
VB: 고로 내 송풍된 열풍의 풍량(Nm3/min),
WH20: 열풍 내 습분(g/Nm3)
O2: 열풍으로부터 증가된 산소부화량(Nm3/hr)
UOT: 풍구유속(m/s)
TU: 풍구 단면적(m2)
(c) 단계에 있어서, (b) 단계에 따라 산출된 조업정보인 연소온도, 환원가스량 및 송풍에너지 값이 각각의 조업조건을 만족하는지 여부를 판단하여 조업정보가 각각의 조업조건을 모두 만족한다면 고로 조업을 가동하도록 제어한다. 조업조건을 만족하지 못하는 경우에는, 조업조건에 해당하는 수치범위를 만족시키도록 종전의 조업인자에서 변경된 새로운 조업인자로 고로 내 환경을 재설정한 후, (a) 단계로 돌아가 사용자에 의해 새로운 조업인자가 재입력되도록 제어한다.
고로 조업이 안정적으로 운용되기 위해서는 일정 범위의 기준치를 만족하는 조업조건이 요구된다. 보다 구체적으로, 연소온도에 대한 조업조건은 (b) 단계에 따라 산출된 연소온도가 2100 내지 2300℃의 범위를 만족할 것이 요구된다. 연소온도가 2100℃ 미만일 경우 장입된 코크스 및 송풍된 보조 취입 연료의 연소성이 저하될 수 있고, 연소온도가 2300℃를 초과할 경우에는 온도의 과도한 상승으로 인한 가스 부피가 기준치 이상 팽창되어 고로의 통기성이 악화되는 문제점이 존재한다.
또한, 환원가스량에 대한 조업조건은 (b) 단계에 따라 산출된 환원가스량이 10500 내지 11000 Nm3/min의 범위를 만족할 것이 요구된다. 환원가스량이 10500 Nm3/min 미만일 경우 고로 내 환원반응의 반응성이 저하될 수 있고, 반면에 환원가스량이 11000 Nm3/min을 초과할 경우 가스 부피가 기준치 이상 팽창되어 고로의 통기성이 악화되는 문제점이 존재한다.
아울러, 송풍에너지에 대한 조업조건에 있어서, (b) 단계에 따라 산출된 송풍에너지가 12500 내지 15000 kgm/s의 범위를 만족할 것이 요구된다. 이 때, 송풍에너지가 12500 kg·m/s에 못 미칠 경우 송풍되는 열풍의 전달력이 악화될 수 있고, 송풍에너지가 15000 kgm/s를 초과할 경우에는 고로 내 중심류를 확보하는 것에 어려움이 따른다는 문제점이 존재한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
표 1과 같이, 본 실시예에서는 (c) 단계에 있어서 고로 조업 가동여부의 판단 기준이 되는 조업조건인 최적의 연소온도, 환원가스량, 송풍에너지를 산출하고, 이를 만족시키는 보조 취입 연료 내 저탄소 함수 연료의 함량을 도출하였다.
| 구분 | 비교예 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 보조 취입 연료 내 저탄소 함수소 연료의 함량(중량%) | 0 | 12.4 | 5.9 | 10 |
| 연소온도(℃) | 2,200 | 2,175 | 2,100 | 2,156 |
| 송풍에너지(kg·m/s) | 14609 | 13059 | 13945 | 14267 |
| 환원가스량(Nm3/min) | 10655 | 10655 | 10642 | 10624 |
| 환원가스 내 조성비(중량%) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| CO | 40.64 | 36.97 | 38.70 | 39.37 |
| H2 | 7.74 | 12.01 | 9.34 | 8.32 |
| N2 | 51.62 | 51.02 | 51.96 | 52.32 |
| 제선 온실가스 발생량(%) | 100 | 98.5 | 98.7 | 97.0 |
본 실시예에 의하면, 함수소 기체인 코크스 오븐 가스의 함량을 각각 12.4 중량%(실시예 1) 및 5.9 중량%(실시예 2)로 달리하여 사용하거나, 바이오매스의 함량을 10 중량%(실시예 3)만큼 사용한 고로 조업 방법 로직을 고로 조업 시뮬레이터에 입력하고 그 결과를 산출하였다.
표 1을 참조하면, 미분탄 100중량%를 사용한 종래의 보조 취입 연료를 사용한 고로 조업 방법과 비교하여 볼 때, 비교예로부터 산출된 조업조건들과 유사한 값을 갖는 조업조건들이 실시예 1 내지 3으로부터 산출되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 조업조건들은 안정적인 고로 조업을 가능하게 하는 조건들로서, 전술한 바와 같이 연소온도가 2100 내지 2300℃의 범위를 만족할 것, 환원가스량이 10500 내지 11000 Nm3/min의 범위를 만족할 것, 송풍에너지가 12500 내지 15000 kgm/s의 범위를 만족할 것을 의미한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따라 보조 취입 연료 내 미분탄을 저탄소 함수소 연료를 대체하여 사용한 경우라도, 소정의 대체비, 예를 들어, 보조 취입 연료의 5 내지 15 중량%를 만족하며 사용한 경우라면, 여전히 종래의 비교예와 같은 조업조건들이 도출됨으로써 고로 조업을 안정적으로 운용할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 표 1을 참조해보면, 실시예 1 내지 3 모두 비교예 대비 환원가스 내 일산화탄소(CO)의 함량은 상대적으로 감소하였고, 수소가스(H2)의 함량은 상대적으로 증가함을 확인할 수 있다. 아울러, 상술한 일산화탄소 함량 감소에 따라 제선 온실가스 발생량 역시 비교예 대비 감소된 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따라 탄소 입량은 적되 수소를 함유하는 연료를 사용함으로써, 제선 온실가스 발생량이 감소될 수 있을 뿐만 아니라 생성되는 수소가스의 조성이 증가함에 따라 환원가스의 환원력이 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
Claims (7)
- 보조 취입 연료로서 저탄소 함수소 연료를 적어도 일부 포함하는 고로 조업을 제어하기 위한 고로 조업 제어방법에 있어서,
(a) CO, H2 및 N2를 포함하는 환원가스량, 연소온도 및 송풍에너지를 포함하는 조업정보를 산출하는 단계; 및
(b) 상기 환원가스량이 10500 내지 11000 Nm3/min의 범위 내, 상기 연소온도가 2100 내지 2300℃의 범위 및 상기 송풍에너지가 12500 내지 15000 kgm/s의 범위 내인 조업조건을 만족하는지 여부를 판단한 후, 상기 조업조건을 만족하는 경우 고로 조업을 가동하고, 상기 조업조건을 만족하지 못하는 경우 상기 (a) 단계로 돌아가 상기 조업정보를 재산출하는 단계; 를 포함하되,
상기 (a) 단계는,
상기 보조 취입 연료의 연소반응으로부터 생성된 CO, H2 및 N2 함량의 총 값으로부터 상기 환원가스량이 산출되고,
환원가스 중 CO 가스량은 하기 [계산식 1]에 의해 도출되고, H2 가스량은 하기 [계산식 2]에 의해 도출되고, N2 가스량은 하기 [계산식 3]에 의해 도출되고,
연소대의 총 입열량에서 상기 연소대에 존재하는 가스의 비열을 나눈 값으로부터 상기 연소온도가 산출되고,
하기 [수식 1]로부터 상기 송풍에너지가 산출되는 단계인,
고로 조업 제어방법.
[계산식 1]
2.0103·O2_blast+1.2509·(H2O_blast+H2O_pc)/1000+(1.4081·O_pc-0.0096·C_pc)/100·W_pc/1000
[계산식 2]
0.0544·O2_blast+1.2784·(H2O_blast+H2O_pc)/1000+(11.118·H_pc+0.0381·O_pc-0.0508·C_pc)/100·W_pc/1000
[계산식 3]
0.0098·O2_blast+0.0061·(H2O_blast+H2O_pc)/1000+(0.8·N_pc+0.0069·O_pc-0.0091·C_pc)/100·W_pc/1000
O2_blast:열풍 중 산소 비율(%) H2O_blast:열풍 중 습분 함량(g/Nm3)
H2O_pc:보조 취입 연료 중 수분 함량(%)O_pc:보조 취입 연료 중 산소 함량(%)
C_pc:보조 취입 연료 중 탄소 함량(%) H_pc:보조 취입 연료 중 수소 함량(%)
N_pc:보조 취입 연료 중 질소 함량(%) W_pc:보조 취입 연료 사용량 (kg/Nm3)
[수식 1]
송풍에너지(kg·m/s)={[VB·(1.288+WH20/1000)]+[(O2/60)·1.431]·UOT2}/(Tu·60·2·9.8)
VB: 고로 내 송풍된 열풍의 풍량(Nm3/min),
WH20: 열풍 내 습분(g/Nm3)
O2: 열풍으로부터 증가된 산소부화량(Nm3/hr)
UOT: 풍구유속(m/s)
TU: 풍구 단면적(m2) - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 보조 취입 연료는 상기 천연가스, 코크스 오븐 가스 및 바이오매스 중 적어도 어느 하나를 5 내지 15 중량% 포함하는,
고로 조업 제어방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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