KR19980053186A - 석탄 건류 상태 추정에 의한 연소제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄 건류 상태 추정에 의한 연소제어 방법에 관한 것으로, 목표 온도와 장입탄의 성상을 이용하여 목표 건류상태를 계산하는 방법과,

목표 건류 상태 = -(1300/1000 + 0.25 - 0.23 ) = -1.32 ...... (7)

상승관곡관부의 온도를 측정한 결과를 이용 종합적인 건류상태를 추정하는 방법과,

종합적 건류상태 = 1.01 × -1.2885 - 0.008 × 25.5 + 0.05 × 8.5 + 0.006 × 30.2 - 0.399 = -1.2981 .....(13)

목표 건류 상태와 조업에 의하여 얻어진 종합적인 건류 상태를 비교하여 조정될 열량을 구하는 방법

조절될 열량 = q1(-1.32 + 1.2981) ......... (14)

을 포함하여 이루어져서 된 것이다.

Description

석탄 건류 상태 추정에 의한 연소제어 방법

본 발명은 석탄 건류 상태 추정에 의한 연소제어 방법에 관한 것으로, 석탄건류 상태에 의한 투입 열량의 결과를 평가하는 피드백(Feed back) 방법을 발명하여 연소제어 방법에 적용하고자 하는 것이다.

일반적으로 상승관 곡관부(18)에서 측정되는 라우 가스(Raw Gas)(19) 온도는 일본의 일본 강관제철소에서 개발(화락 판정에 의한 연소 제어방법)되어 현재 일본 제철소의 대부분이 적용되고 있다.

화락판정이란 건류가 완료되는 시점에 탄화실에서 발생되는 가스의 색이 무색으로 되는 것을 판단하는 것을 말한다.

화락판정에 의하여 연소제어가 이루어지는 것을 ACC System(Automatic Combustion System)이라 한다.

상승관 곡관부의 열전쌍(Thermocouple)(도 2)은 이곳을 통과하는 라우가스의 온도를 측정한다.

측정되는 온도를 이용하여 건류가 완료되는 시점을 찾는 것은 화락판정을 작업자가 육안으로 판단하던 것을 자동화함과 동시에 연속적인 제어를 가능하게 한 것이다(도 6). ACC System은 화락판정에 의하여 건류완료 시점을 추정하고 이를 목표생산량에 의하여 결정되는 표준 건류시간(석탄이 탄화실에 장입되어 있는 시간을 밀하며 필요한 생산량이 결정되면 그에 맞는 건류시간이 결정되고 공정에서는 이에 맞게 작업을 수행한다.

실조업에서는 약간 차이는 있으나 건류시간이 결정되고 공장에서는 이에 맞게 작업을 수행한다.

따라서 작업 전에 건류가 완료되도록 열량을 공급해야 하는 것이다.)과의 차이가 없도록 공급열량을 조정토록 하는 것이다(도 7).

즉, (도 7)에서와 같이 투입열량이 적절한지를 확인하는 방법으로 화락방법을 사용하는 것이다. 즉 연소제어 시스템에서 피드백 역할을 하는 것이 화락판정법인 것이다.

화락을 판정하는 원리는 매우 간단하다. 원래 화락판정은 상승관 커버(26)를 열고 나오는 가스의 색깔이 무색으로 될 때를 작업자가 판단하는 것을 말한다.

이것을 상승관 곡관부에서의 온도를 화락시점의 계산된 온도와 비교하여 판단함으로써 자동화한 것이다.

따라서 화락 시점의 상승관 곡관부에서의 온도를 계산하는 계산식이 필요하며 하기 식(1)과 같이 구성되어 있다.

화락시점의 온도 = 상수 + C1 × 건류시간 + C2 × 장입량 + C3 × 수분(1)

상기 식(1)은 필요에 따라서 항을 늘릴수도 있다.

식 (1)이 [도 6]의 Coking equation이다.

탄화실에 장입이 완료되면 식(1)에 의하여 건류완료 시점의 온도를 계산하고 건류시간이 경과하면 측정되는 상승관 곡관부의 온도와 비교하게 된다.

온도가 일치하는 점을 화락점(Coking Point, [도 6] 63)이라 하고 이때의 건류시간을 실제건류시간이라 한다.

실제 건류시간(RNCT, Real Net Coking Time)과 표준 건류시간(SNCT, Standard Net Coking Time)의 차이를 줄이도록 열량을 조절하는 것이 바로 화락판정에 의한 연소제어시스템의 근본 원리인 것이다.

조정될 열량 = f(RNCT - SNCT) (2)

화락판정에 의하여 투입되고 있는 열량이 많고 적은지(실제 건류시간이 표준 건류시간 보다 적을 때는 열량투입이 많은 것이고, 크면은 열량투입이 작은 것으로 볼 수 있다.)를 화락판정에 의하여 검증한다.

화락판정에 의한 연소제어 시스템의 운영상 문제점으로는;

화락판정에 의한 연소제어 방법은 측정되는 온도가 항시 정확해야 한다는 전제 때문에 운영상의 문제가 발생한다.

코크스 오븐에서의 열량조정은 탄화실 66개를 한 단위로 하여 이루어진다.

탄화실 마다 상승관이 있으므로 측정되는 온도도 66개의 T/C에서 측정된다.

따라서, 이들이 모두 화락판정에 이용되려면 각각 정확한 온도를 측정해내야 한다.

그러나, 탄화실마다의 조건이 같을 수 없으며 측정되는 T/C도 틀리므로 모두 같은 온도의 정확성을 유지할 수 없다.

일반적으로 탄화실에 장입되는 탄은 같은 특성을 갖기 때문에 계산되는 화락온도도 비슷하게 산출되는데 반하여 측정되는 온도는 변화가 크다(표 1). 대체로 비슷한 기간에서는 조업 및 장입탄의 성상이 비슷하여 Coking Equation에 의한 건류 완료시점의 예상온도는 비슷하나 상승관 곡관부에서 측정되는 온도의 차이에 의하여 실제 건류 완류 시간은 크게 차이난다.

따라서 실제에서는 화락판정에 의한 연소제어 시스템의 운영은 어려운 점이 많다.

[표 1] 건류완료 시간과 연소실 온도의 비교

압축코크스 온도 측정에 의한 연소제어법

- 원리

압축시의 코크스 온도를 측정하여 연소실 온도를 추정하고, 이를 이용하여 열량제어를 하는 것이다.

이 방법은 네덜란드의 Hoggovens 제철소에서 개발한 것으로 독일의 Still otto 사에서 개발한 A.B.C System의 피드백 부분을 개발하여 적용한 것이다.

표준 건류시간에 건류가 완료되는 온도를 미리 설정하여 (이를 목표온도라 함[도 9], 102) 열량을 투입하고 투입된 결과를 연소실의 온도를 파악하여 검증하는 방법이다.

하기 식(3)에서 추정되는 온도가 실제와 일치하는가를 보기 위해 연소실의 온도를 연소실의 검사구(injection Hole)를 통하여 수동으로 가끔 측정한다.

그러나 연속적인 제어를 위하여는 연소실의 온도를 연속적으로 파악되어야 하기 때문에 압축되는 코크스의 온도 측정법에서는 압축되는 코크스의 온도를 이용하여 연소실의 온도를 추정하고 이를 연소제어에 이용한다.

실제 연소실 온도 = f (압출코크스 온도) ......................(3)

열량조정 = f (실제 연소실온도 - 목표 연소실온도) .......(4)

즉 식(3),(4) 의하여 연속적인 열량 조정이 이루어지는 것이다.

- 문제점

먼저 압축되는 코크스의 온도를 파라메터(Pyrometer)로 측정하는데 측정 조건이 열악하여 정확한 온도 측정이 어렵고 연소실 온도를 환산함으로써 생기는 편차가 크다는 것이다.

탄화실벽 온도를 측정하여 연소 제어하는 방법

- 원리

연소제어방법으로 독일 thyssen stillotto 사에서 개발하여 적용한 것이다. 이를 A.B.C. System(Automatic Battery Control System)이라 한다.

이 방법은 [도 4]에서 설명한 것과 같이 장입되는 석탄의 성상 및 조업 여건에 의하여 필요한 열량 및 연소실의 온도가 결정되고, 열량투입 결과를 탄화실벽의 온도를 Autotherm-S장치로 측정하여 연소실 온도를 추정하여 목표 온도 차이를 다음 열량투입에 고려하는 제어시스템이다.

이상에서 설명한 바와 같이 연소실온도의 추정식이 필요한데 하기 식(6)과 같이 이루어져 있다.

추정연소실연도 = 상수 + D1 × 건류시간 + D2 × 장입량 + D3 × 수분(5)

식 (5)에 쓰이는 계수(D1, D2, D3, 상수)들은 조업변화에 적응하기 위하여 정기적으로 변경된다.

식(6)에 의해 추정된 연소실 온도는 목표 연소실 온도와의 차이가 없도록 열량을 조절하는 역할을 한다.

열량조정 = f(추정된 온도 - 목표 온도) ........ (6)

결과적으로 A.B.C.System은 탄화실의 온도를 추정함으로써 투입된 열량이 많고 적음을 결정하는 피드백 방법을 채택한 것이다.

- 문제점

탄화실의 온도 측정 장치의 정확성이 부족하고 따라서 예측되는 연소실의 온도 역시 정확성이 부족하다.

하기 [표 2]를 보면 예측된 온도와 수동에 의하여 측정된 온도의 차이가 크다는 것을 알 수 있다.

[표 2] 연소실의 탄화실 온도 측정에 의한 추정 온도와 실제 수동 측정한 결과 비교

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안한 이를 해소하고자 발명한 것으로, 상승관 곡관부의 한 시점에서의 온도에 의한 판단이 아니라 분포를 분석하여 적용함으로써 측정치가 실제보다 낮거나 높을 때에도 분포의 형태는 건류 상태에 의존하는 점을 이용하여 적용함으로써 단순한 측정 결과에 의하여 생기는 문제점을 해결하고자 함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 목표 온도와 장입탄의 성상을 이용하여 목표 건류 상태를 계산하는 방법과, 상승관 곡관부의 온도를 측정한 결과를 이용 종합적인 건류 상태를 추정하는 방법과, 목표 건류 상태와 조업에 의하여 얻어진 종합적인 건류상태를 비교하여 조정될 열량을 구하는 방법을 포함한 연소제어 방법을 제공함에 있다.

도 1은 탄화실벽 온도 측정장치 및 코크스오븐의 개략도

도 2는 탄화실 측면에서 본 상승관 곡관부에 설치된 T/C와 발생가스의 흐름도

도 3은 상승관 T/C에서 측정된 온도 분포도

도 4는 코크스오븐 연소제어 시스템 구성도

도 5는 피드백 방법에 의한 코크스 오븐연소제어시스템 구성도

도 6은 화락 판정법에 의한 개념도

도 7은 화락판정법에 의한 코크스오븐 연소제어시스템 구성도

도 8은 상승관 곡관부에서 측정된 온도와 건류기간에 따른 그래프

도 9는 압출시 코크스의 온도를 파라메터로 측정하는 상태도

도 10은 압출시 코크스의 온도 측정에 의한 코크스오븐제어시스템 구성도

도 11은 (가)(나)(다)는 라우 가스 발생량이 상승관 온도에 영향을 주는 원인을 나타낸 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 상승관12 : G.C 메인관

13 : 파라메이터14 : 퓨셔램

15 : 연소실16 : 탄화실

17 : 상승관 커버18 : 상승관 곡반부

19 : 라우 가스20 : 장입탄

21 : T/C

본 발명은 상승관 곡관부(18)에 T/C(21)를 설치하여 건류 시간에 따라 온도를 측정하는 것은 ACC System에서와 같다.

측정된 결과들은 도 8과 같다. 본 발명에서는 측정된 온도를 화락판정에 이용되는 것이 아니라 건류 상태를 추정하여 연소제어 시스템에 이용된다. 즉 투입되는 열량의 과다를 건류 상태를 추정하여 검증하는 방법을 채택한 것이다.

본 발명의 근본 원리는 장입되는 석탄의 성상 및 조업여건에 의하여 목표 온도가 산출되는 현ABC System과는 다르게 목표 온도와 목표 온도를 이용한 목표 건류 상태를 수치화하여 동시에 제시한 다음 목표 온도는 수동으로 연소실(15)의 온도를 측정하는 경우에 이용되고, 평상시의 제어에서는 상승관 곡관부(18)의 온도를 분석한 제건류상태를 분석하여 목표 건류 상태에 접근하도록 열량을 조절하는 방법이다.

- 목표 건류 상태의 설정

목표 건류 상태의 설정은 본 발명에서 매우 중요한 부분이다. 일반적으로 건류상태는 공급되는 열량에 의존하며 열량은 연소실의 목표 온도(15)인 것이다.

목표 온도에 이미 표준건류시간을 포함한 석탄의 성상들이 고려되었으므로 다음식에 의해 목표 건류상태는 간단히 계산될 수 있다.

목표 건류 상태 = -(목표 온도/1000.0 + 장입탄의 휘발분/100 + Battery Factor)...... (7)

식 (7)에 의하여 계산된 식을 목표 건류 상태로 설정하여 이용한다.

- 실제 건류 상태를 추정하는 방법

상승관 곡관부(18)에서 측정된 온도의 형태를 보면 매우 다양한 형태를 갖고 있다.

최고점(Peak Temp)의 온도와 최고점을 전후로 한 분포의 기울기 형태는 별관계가 없고 탄화실(16)의 건류상태에 의하여 좌우된다.

건류 상태는 온도 분포에 의하여 알 수 있는데 그 근거는 석탄에서 발생하는 라우 가스는 탄화실(16)의 온도 및 라우 가스 자체의 온도가 발생량에 의하여 상승관 곡관부(18)로 전달되기 때문이다.

또한, 석탄에서 가스의 발생속도는 탄의 용융상태의 진행속도에 의존하여, 이 용융상태는 승온속도에 의존하며, 승온속도는 연소실(15)의 온도가 가장 중요하다. 탄화실(16)의 위치별로 승온 속도가 다른데에서 대체적인 경향을 보여주고 있다.

결론적으로 다음식들과 같이 표현될 수 있다.

라우 가스의 발생속도 = f (석탄의 용융상태 진행속도) (8)

상승관 곡관부의 온도분포 = f (라우 가스의 발생속도)(9)

문제는 라우 가스의 발생속도와 건류 상태를 어떻게 연결되는가이다.

일반적으로 용융상태(Plastic Zone)에서 가스가 가장 많이 발생하며 이의 상태가 코크스 품질에 큰 영향을 미친다고 보고되고 있다.

상승관 곡관부(18)에서 온도의 형태는 탄화실(16)의 중심부근에 용융상태가 어떻게 이동 소멸하는가에 의존한다.

상승관(11)에서의 온도가 Peak Temp를 지나서 급하게 온도가 하락한다는 것은 용융상태의 소멸이 빠르다는 것을 의미한다. 가장 이상적인 건류상태는 석탄의 용융상태가 같은 시간에(동시에) 소멸되는 상태를 말한다.

이런 경우에는 탄화실(16)의 모든 부분에서 건류가 동일하다고 할 수 있다.

그러나 탄화실(16) 전체에서의 용융상태가 소멸되는 시간이 길다면 가스의 발생감소 속도가 완만한 기울기를 갖는 것이다.

따라서, 다음 관계식이 성립할 수 있다.

건류 상태 = f (상승관 곡관부의 온도분포) .............. (10)

상승관 곡관부(18)의 온도분포를 수치화한 다음 상기 식(10)을 이용하여 건류상태를 수치화 할 수 있다.

다음식에 의하여 온도분포를 수식화 할 수 있다.

상승관 곡관부의 온도분포(Tst) = ax²+ bx + c .......... (11)

a,b,c = 계수이고 x는 측정되는 온도임

온도가 측정되면 최소자승법에 의하여 a,b,c의 계수를 구할 수 있다. 여기서 분포의 형태는 식(11)의 기울기에 해당되므로 a를 측정된 온도 분포의 형태라 할 수 있다.

이미 설명한 바와 같이 온도 분포는 건류 상태에 의한 것으로 식 (12)와 같이 기울기를 건류 상태라 할 수 있다.

건류상태 = f(a) .............. (12)

실제로 상승관 곡관부(18)의 온도 분포는 건류 상태 이외에도 장입탄(20)의 성상 및 조업 조건에 의하여도 영향을 받으므로 조건 변화에 대응하여 건류 상태를 추정하려면 관련된 조건들을 고려해야 한다.

따라서, 식(12)는 다음과 같이 식(13) 일반적인 상황에서 건류상태를 추정할 수 있도록 해야 한다.

종합적인 건류상태 = c1 a + c2 VM + c3 TM + c4 Ch + c5(13)

c1, c2, c3, c4, c5 : 계수

a : 상승관 곡관부 온도의 기울기

VM : 장입탄 휘발분(%)

TM : 장입탄의 수분(%)

Ch : 문당 장입량(ton)

식(13)에 의해 투입된 열량의 적절성을 판단할 수 있다. 투입 열량의 적절성은 목표 건류 상태(식 17)와 조업 결과로 얻어진 식(13)을 비교하여 판단할 수 있다.

이와 같이 판단된 것을 현재의 열량관리 시스템의 피드백 방법에 적용할 수 있다.

조정되어야할 열량 = f(목표건류상태(식 7) - 종합적 건류상태(식 13)) ....... (14)

식(14)에 의하여 공급되는 열량의 적고 많음을 조절할 수 있는 것이다. 결국 종전의 온도비교에 의하여 공급열량을 확인하는 방법(식 6)을 건류 상태라는 코크스의 품질과 좀 더 관련이 있는 지수로 바꾸어 연소제어 시스템을 개선하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명에서는 제어 시스템의 피드백 방법을 채택한 것이다.

- 상세적용 방법

상기 목표 건류 상태의 설정, 실제 건류상태를 추정하는 방법에서 기본적인 수식에 의하여 설명하였다.

따라서, 이들을 이용하여 실제 제어 시스템에서는 어떻게 이용되는가를 설명한다.

식(7)에 의하면 목표 건류 상태를 계산할 수 있다.

현재 적용되고 있는 Battery Factor는 4기(4코크스)의 경우 -0.23을 적용하고 있다.

따라서, 목표 건류 상태는 다음과 같다.

목표 건류 상태 = -(1300/1000 + 0.25 - 0.23) = -1.32식(7)

다음으로 실제 건류상태는 식(11)을 측정되는 온도를 최소자승법을 적용하여 만들어 보면 다음과 같은 계수가 얻어진다.

a = -1.2885b = 0.1338c = -2924.19

즉 식(11)은 다음과 같다.

Tst = -1.2885X²+ 0.1338X - 2924.19

건류상태는 곡선의 기울기이므로 -1.2885가 된다.

여기에 석탄의 성상 및 조업 조건을 고려해야 하므로 종합적인 건류상태는 다음과 같이 구해진다.

종합적 건류상태 = 1.01 × -1.2885 - 0.008 × 25.5 + 0.05 × 8.5 + 0.006 × 30.2 - 0.399 = -1.2981 ................................... 식(13)

따라서 조정될 열량은

조정될 열량 = q1(-1.32 + 1.2981) ............. 식(14)

q1 : 열량환산을 위한 계수(Gcal/revercing)

조정 시스템인 Bach 값을 조정하는 것이므로 q1을 -75.56을 적용한다.

다음 Step에서 공급될 열량은 1.65 Gcal을 증가시켜야 한다.

이상과 같은 본 발명은 상승관 곡관부의 한 시점에서의 온도에 의한 판단이 아니라 분포를 분석하여 적용함으로써 측정치가 실제보다 낮거나 높을 때에도 분포의 형태는 건류 상태에 의존하는 점을 이용하여 적용함으로써 단순한 측정 결과에 의하여 생기는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 목표 온도와 장입탄의 성상을 이용하여 목표 건류 상태를 계산하는 방법과,

   목표 건류 상태 = -(1300/1000 + 0.25 - 0.23) = -1.32 ............ (7)

   상승관 곡관부의 온도를 측정한 결과를 이용 종합적인 건류 상태를 추정하는 방법과,

   종합적 건류상태 = 1.01 × -1.2885 - 0.008 × 25.5 + 0.05 × 8.5 + 0.006 × 30.2 - 0.399 = -1.2981 ................................... (13)

   목표 건류 상태와 조업에 의하여 얻어진 종합적인 건류상태를 비교하여 조정될 열량을 구하는 방법과,

   조정될 열량 = q1(-1.32 + 1.2981) ......... (14)

   을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 석탄 건류 상태 추정에 의한 연소제어 방법.