KR20020015787A - 석탄의 품질평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄의 품질 평가에 관한 것이며, 그 목적은 일반탄을 이용하는 COREX의 노내 상황과 실제 유사한 조건에서 일반탄의 품질을 정확히 그리고 신뢰성이 확보될 수 있는 일반탄의 평가방법을 제공함에 있다.

본 발명의 석탄 품질 평가방법은 시료를 가열하는 가열수단(22)을 구비한 반응관(21)과, 상기 반응관의 상부에 시료의 무게를 측정할 수 있는 측정수단(23)과, 상기 반응관의 하부로부터 가스를 공급하기 위한 가스공급수단(24) 및 타르 제거수단(30)을 포함하여 구성되는 TG를 이용하여 상기 반응관을 가열수단(22)에 의해 가열하여 1000~1400℃ 온도로 유지한 후, 가스공급수단(24)에 의해 반응관의 내부에 질소가스를 주입하고, 적어도 5mm 이상의 크기를 갖는 건조된 석탄 시료를 상기 반응관 내에 장입하여 석탄을 차르화한 다음, 석탄의 중량 변화가 없을 때 질소가스를 치환하여 CO₂가스를 주입하여 석탄의 중량 변화를 측정하여 석탄중의 고정탄소분의 중량이 초기 석탄중의 고정탄소분의 중량에 대해 1/2되는 시간, 즉 반감기를 구하고, 사전에 동일한 방법으로 구해진 코크스의 반감기로 석탄 시료의 반감기를 나누어 지수화한 후, 그 지수를 통해 석탄의 품질이 양호 여부를 판단한다.

Description

석탄의 품질평가방법{A METHOD FOR ESTIMATING QUALITY OF COAL IN COAL BASED IRON MAKING}

본 발명은 석탄의 품질 평가에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반탄을 이용하는 COREX의 노내 상황과 실제 유사한 조건에서 일반탄의 품질을 정확히 평가하면서도 다량의 일반탄을 대상으로 평가하므로써 신뢰성이 확보될 수 있는 일반탄의 평가방법에 관한 것이다.

철강생산의 주류를 담당하고 있는 고로 제선법은 고열효율, 고생산성, 고환원 능력 및 긴 설비수명 등의 특성을 구비하여 현재 기술적으로는 거의 완성된 공정이라 할 수 있다. 그러나, 고로 제선법은 고품위 철광석의 사용, 분광석의 괴상화 처리, 원료탄의 수급 문제 및 코크스로의 환경오염 문제 등을 갖고 있으며, 특히 대량 생산방식으로 생산량의 조절이 어려워 시장 수요의 변화에 따른 탄력적인 대응이 어렵다는 단점이 있다. 이에 따라 세계 각국에서는 고로 제선법에 대한 대체 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 괴탄과 괴광을 사용하는 COREX법이 유일하게 상업화에 성공하고 있다.

COREX법의 경우 원료로서 일반 석탄을 사용하여왔는데, 일반탄이 용융로에 장입되면 고온으로 인하여 휘발분과 수분이 가스 형태로 용융로에서 빠져 나가고, 남은 차르(char)는 환원로에서 장입되는 환원광석(DRI)과 혼합되면서 서로 응집을 하게 되고, 이러한 상태로 용융로 하부로 이동하게 된다. 용융로 하부로 이동하는 차르는 반응기 내의 CO₂와 반응한다. 이 반응은 석탄의 특성에 따라 차이를 가지고 있다. 따라서, 일반탄을 이용한 용철제조방법에서 원료로 사용되는 일반탄은 기본적으로 강도, 휘발분, 고정탄소, 회분, 황의 함량과 같은 물리적, 화학적 특성이 만족되어야 하며, 고온분화와 CO₂반응성이 아주 중요한 영향을 미치게 된다. 특히, CO₂반응성이 낮은 일반탄의 경우 용융로의 안정적인 조업에 적합한데, 이는 낮은반응성으로 인하여 용융로 하부에서의 고온영역이 넓기 때문에 용선과 슬래그의 온도가 높고 결과적으로 고가의 코크스를 사용하지 않아도 된다는 큰 장점을 가지고 있다. 그러므로 일반적으로 반응성이 낮은 일반탄을 사용하는 것이 COREX 공정에 유리하다. 결국, CO₂반응성에 대한 조사는 일반탄을 이용한 용철제조 공정에 있어서 석탄이 품질 평가의 중요한 기준을 제공한다고 할 수 있다. 그리고, COREX 공정에 적합한 일반탄을 선택하기 위해서는 CO₂반응성에 대한 조사가 반드시 선행되어야만 보다 경제적이고 원료수급 측면과 조업의 안정화 측면에서 유리하다고 할 수 있다.

한편, CO₂반응성을 평가하기 위한 기술의 대표적인 예가 대한민국 특허출원 제98-56700호에 개시되어 있다. 즉, 상기 기술은 CO₂반응성을 이용하여 일반탄과 코크스를 배합하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서는 배합되는 일반탄에 대한 CO₂반응성을 평가하기 위해 TG(thermalgravimetry)를 이용하고 있다. TG는 온도의 변화에 따라 물질의 반응 현상을 무게의 증감으로 분석하는 기기로서, 도1은 그 대표적인 TG 구성을 보이고 있다.

종래의 TG(10)는 도1에 도시된 바와 같이, 크게 시료를 가열하는 가열수단(12)을 구비한 반응관(11)과, 상기 반응관의 상부에 시료의 무게를 측정할 수 있는 측정수단(13)과, 상기 반응관의 하부로부터 가스를 공급하기 위한 가스공급수단(14)을 포함하여 구성된다. 도1의 미설명부호 "15"는 "데이타 저장부", "16"은 "온도 데이타 처리부", "17"은 "온도 제어부", "18"은 "열전대"를 의미한다.

도1과 같은 TG를 이용하여 일반탄의 특성을 평가하는 경우 휘발분과 함께 발생하는 타르(tar)가 TG 반응로 밖으로 배출되는 과정에서 가스의 온도가 떨어지는 시점에서 응축되어 일반탄을 직접 평가하기 곤란한 단점이 있다. 또한, TG를 이용하여 일반탄을 평가하는 경우 석탄의 특성을 파악하기 위해서 먼저 석탄을 다른 고온의 반응기를 이용하여 차르를 제조하고 이 차르를 분석해야만 한다. 그리고, 무엇보다도 TG를 이용하는 경우 시료의 최대 사용량이 약 10g 정도로 제한될 뿐만 아니라 석탄의 크기가 4~5mm 정도이고 질량이 약 0.5g 이하로 작은 차르를 사용한 관계로 균일한 조성을 가지고 있지 않은 석탄을 대상으로 재현성이 있는 결과를 얻기 위해서 수많은 실험을 수행해야 하는 단점이 있다. 또한, CO₂반응성 평가를 위해 단일 입자를 사용하기 때문에 석탄 입자 상호간의 응집과 같은 효과를 충분히 반영할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 일반탄을 사용하는 COREX법에서 실제 상황과 유사한 조건을 만족시키는 평가 실험을 통하여 신속하고 정확한 것은 물론 고신뢰성을 갖는 일반탄의 평가방법을 제공함에 있다.

도1은 석탄의 품질을 평가하기 위한 종래의 개략적인 TG 구성도

도2a는 본 발명에 따른 석탄의 품질 평가장치의 구성도

도2b는 도2a의 반응관에 대한 상세 구조도

도3은 본 발명에 따라 석탄의 품질을 평가할 때 석탄의 중량과 온도에 따른 경시변화를 보이는 그래프

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 ..... 반응관 21a .... 분산판

21b .... 금속 볼 22 ..... 가열수단

23 ..... 중량측정수단 24 ..... 가스공급수단

30 ..... 타르 제거수단

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 시료를 가열하는 가열수단을 구비한 반응관과, 상기 반응관의 상부에 시료의 무게를 측정할 수 있는 측정수단과, 상기 반응관의 하부로부터 가스를 공급하기 위한 가스공급수단을 포함하여 구성되는 TG를 이용하여 석탄의 특성을 평가하는 방법에 있어서,

상기 반응관을 가열하여 일정온도로 유지한 후, 그 내부에 질소가스를 주입하고, 적어도 5mm 이상의 크기를 갖는 건조된 석탄 시료를 상기 반응관 내에 장입하여 석탄을 차르화하는 단계;

상기 차르환된 석탄에 질소가스를 치환하여 CO₂가스를 주입하여 상기 CO₂가스와 석탄과 반응하면서 발생되는 석탄의 중량 변화를 측정하고, 측정된 석탄중의 고정탄소분의 중량이 초기 석탄중의 고정탄소분의 중량이 1/2되는 시간을 구하는 단계;

상기와 같은 동일한 방법으로 코크스의 중량이 1/2되는 반감기를 구하는 단계; 및

상기에서 구한 석탄 시료의 반감기를 코크스의 반감기로 나누어 지수화한 후, 구해진 지수가 1에 근접할수록 석탄의 품질이 양호하다고 판단하는 단계;를 포함하여 구성되는 석탄의 품질평가방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도2a는 본 발명의 품질 평가장치의 개략적인 구성도로서, 크게 시료를 가열하는 가열수단(22)을 구비한 반응관(21)과, 상기 반응관의 상부에 시료의 무게를 측정할 수 있는 측정수단(23)과, 상기 반응관의 하부로부터 가스를 공급하기 위한 가스공급수단(24) 및 타르 제거수단(30)을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 반응관(21)은 도2b와 같이, 그 주위에 반응관의 온도를 승온하기 위한 가열수단(22)이 마련되어 있으며, 그 내부에는 상온의 가스를 흐름을균일하게 형성시키는 분산판(21a)과, 온도를 균일하게 유지하기 위한 다수개의 볼(21b)이 상기 분산판 아래에 충진되어 있다. 상기 볼은 어떠한 금속이라도 상관없으며, 바람직하게는 Al볼로 구성하는 것이다. 가열수단은 보통 노내의 온도를 1600℃까지 승온할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

본 발명의 장치는 종래의 TG와는 달리, 반응관 내에서 직접 석탄을 차르화하면서 품질을 평가하므로 반응관의 상부 측벽에 타르 제거수단(30)이 마련됨에 특징이 있다.

상기 타르 제거수단(30)은 배출되는 타르와 더스트를 제거하는 타르 제거장치(31)와, 제거된 타르를 응축시키는 냉각수조(32)와, 분리된 더스트를 걸러주는 더스트 제거용 필터(33)와, 배가스 배출펌프(34)를 포함하여 구성된다.

도2a의 미설명부호 "25"는 "데이타 저장부", "26"은 "온도 데이타 처리부", "27"은 "온도 조절부", "28"은 "열전대"를 의미한다.

이러한 장치는 결과적으로 일반탄으로부터 먼저 차르를 제조하고, 사용량의 제한으로 인하여 신뢰성을 가진 결과를 얻기 위해서 다수의 실험을 행해야 하는 종래의 TG를 이용한 석탄의 품질 평가에 있어서의 문제점을 해결해 주고 있다. 즉, 본 발명의 장치에 의하면 다량의 일반탄을 직접 사용하므로써 석탄간의 응집을 실험결과에 포함할 수 있으며, 보다 실제와 유사한 조건에서 실험을 행할 수 있을 뿐만아니라 시료량을 증대할 수 있어 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있다.

이하, 상기한 장치를 이용한 본 발명의 석탄 품질 평가방법을 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명에서는 도2의 반응관(21)을 가열하여 온도 조절부(27)에 의해 일정온도로 유지한 후, 가스공급수단(24)에 의해 반응관 내부에 질소가스를 주입함이 필요하다. 이때, 반응관의 온도는 1000~1400℃의 범위로 유지함이 바람직하다. 반응관의 온도를 1000℃미만으로 하여도 석탄의 차르화에는 문제는 없으나, 평가시간이 길어지는 단점이 있다. 더욱이, COREX법에서의 실제 노내 조건과 유사하도록 하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 또한, 반응관의 온도를 1400℃ 이상으로 유지하게 되면 석탄의 반응속도가 빨라 품질평가가 곤란한 문제가 있게 된다.

초기 반응관에 주입되는 질소 가스는 장입되는 석탄 시료가 공기중의 산소와 서로 연소되는 것을 방지하면 되는 것으로 시료의 양에 따라 적절히 취입하는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 반응관 내에 석탄 시료를 장입하여 석탄을 차르화한다. 이때, 장입되는 석탄은 건조된 것을 사용함이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 실제 노내 상황과 유사한 조건이 되도록 적어도 5mm 이상의 크기를 갖는 일반탄을 사용할 수 있다. 바람직하게는 석탄의 입자는 15~20mm의 범위를 갖는 것을 사용하는 것이다.

이후, 상기 석탄 시료는 반응관 상부에 마련된 중량 측정수단(23)에 의해 측정된 결과, 시간에 따라 중량 변화가 없을 때 질소가스를 치환하여 가스공급수단(24)를 통해 CO₂가스를 주입한다. 상기 CO₂가스의 취입량은 석탄의 차르의 무게에 맞추어 결정할 수 있다. 즉, 차르의 무게에 따라 CO₂가스의 유량을 정하면 각 석탄에 따라 동일한 조건에서 실험을 수행할 수 있어 바람직하다. 구체적으로 석탄의 열분해가 끝나고 생성된 차르의 무게에 따라 그 비로 CO₂가스의 유량을 결정하여 질소와 치환하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 초기에 장입되는 석탄 100g의 70중량%가 차르로 되었다고 가정하면 이때 공급해 주는 CO₂가스의 유량은 5ℓ 정도가 적당하다.

이와같이 반응관 내에 CO₂가스를 취입하면 상기 CO₂가스와 석탄과 반응하면서 석탄은 그 중량이 감소하게 된다. 도3은 이러한 석탄의 중량 변화와 온도 변화의 일례를 보이고 있다. 즉, 도3과 같이, 반응관 내의 석탄은 수분과 휘발분이 방출되면서 무게 감소가 일어나다가 이들 성분들이 완전히 방출하게 되는 시점에서 석탄은 일정 무게를 유지하면 고정탄소와 회분으로 구성된 차르의 형성이 완전히 된 것으로 판단할 수 있다.

그 다음, 이와 같이 측정된 차르화된 석탄중 고정탄소분의 중량이 초기 석탄중의 고정탄소분의 중량에 대하여 1/2되는 시간, 즉 반감기를 구한다.

그 다음, 상기와 같은 동일한 방법으로 코크스에 대해서도 실시하여 코크스의 중량이 1/2되는 반감기를 구한다. 코크스의 반감기는 석탄의 품질을 평가하기 위한 기준으로 사용되는 것이다.

마지막으로 상기에서 구한 석탄 시료의 반감기를 코크스의 반감기로 나누어 지수화한다. 이와같이 구해진 지수는 1에 근접할수록 석탄의 품질이 양호하다고 판단할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

[실시예]

내경 100m, 외경 110mm 크기를 갖는 반응관을 갖춘 도1과 도2와 같은 장치를 이용하여 10종류의 석탄(A~J)에 대하여 각각 종래의 방법과 본 발명에 따라 품질 특성을 평가하였다.

먼저, 본 발명의 경우 도1의 장치내의 반응관을 가열하여 온도를 약 1200℃로 유지하고, 질소를 5ℓ로 일정하게 공급한 후, 여기에 약 100g의 석탄을 장입하였다. 장입된 석탄의 입도는 15~20mm 사이이었으며, 장입 전에 105℃의 온도에서 24시간 건조한 것을 사용하였다.

1200℃의 고온에 장입된 석탄은 10분이 경과한 후 차르화되었으므로 질소가스를 CO₂가스로 치환하였다. 이때, CO₂가스는 약 5ℓ의 유량으로 주입하였다.

그 다음, CO₂가스 주입개시부터 상기 석탄 시료중 고정탄소분의 중량이 초기 중량 대비 1/2되는 시점(이하, '반감기')을 구하였다.

동일한 방법으로 코크스에 대하여 코크스의 반감기를 구한 후, 석탄의 반감기를 코크스의 반감기로 나눈 지수(conversion index)를 구하고, 그 결과를 표1에 나타내었다.

한편, 종래의 TG를 사용하여 동일한 10종류의 석탄에 대하여도 지수를 구한 후, 그 결과를 표1에 나타내었다. 종래의 방법에서는 본 발명과는 달리, 먼저 석탄을 별도의 반응로에서 1200℃로 가열하여 석탄을 차르화한 다음, 이 차르를 0.5g정도 TG의 반응관에 장입하여 실험을 행하였다.

석탄의 종류	C. I.
	발명예	종래예
코크스	1.000	1.000
석탄A	1.052	0.571
석탄B	0.929	0.330
석탄C	0.704	0.396
석탄D	0.652	0.341
석탄E	0.547	0.207
석탄F	0.724	0.663
석탄G	0.689	0.336
석탄H	0.669	0.253
석탄I	0.893	0.290
석탄J	0.704	0.420

표1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 석탄의 품질 평가를 한 경우 종래의 방법에 비하여 전체적으로 코크스의 지수값 1에 가까움을 알 수 있었다. 이는 본 발명의 경우 평가 분석에 필요한 석탄의 양을 증대하여 석탄을 차르화하면서 분석하여 실제 COREX조업과 유사한 조건을 갖는 상태에서 석탄을 분석하므로써, 종래의 TG를 사용한 경우에 비하여 보다 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있음을 보이고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 석탄 품질 평가방법에 의하면, 기존의 TG를 이용한 실험조건보다 시료량을 크게 증가시켜 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있고, 나아가 실제 COREX공정과 유사한 조건에서 평가실험을 행하므로써 이를 통하여 석탄 상호간의 작용에 대한 영향을 실제 노내 상황에 적합하도록 반영할 수 있기 때문에 최대한 실제 공정상에서 얻어지는 조업결과와 유사한 결과를 확보할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 시료를 가열하는 가열수단을 구비한 반응관과, 상기 반응관의 상부에 시료의 무게를 측정할 수 있는 측정수단과, 상기 반응관의 하부로부터 가스를 공급하기 위한 가스공급수단을 포함하여 구성되는 TG를 이용하여 석탄의 특성을 평가하는 방법에 있어서,

   상기 반응관을 가열하여 일정온도로 유지한 후, 그 내부에 질소가스를 주입하고, 적어도 5mm 이상의 크기를 갖는 건조된 석탄 시료를 상기 반응관 내에 장입하여 석탄을 차르화하는 단계;

   상기 차르화된 석탄에 질소가스를 치환하여 CO₂가스를 주입하여 상기 CO₂가스와 석탄과 반응하면서 발생되는 석탄의 중량 변화를 측정하고, 측정된 석탄중의 고정탄소분의 중량이 초기 석탄중의 고정탄소분의 중량에 대하여 1/2되는 시간(반감기)을 구하는 단계;

   상기와 같은 동일한 방법으로 코크스의 중량이 1/2되는 반감기를 구하는 단계; 및

   상기에서 구한 석탄 시료의 반감기를 코크스의 반감기로 나누어 지수화한 후, 구해진 지수가 1에 근접할수록 석탄의 품질이 양호하다고 판단하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 석탄의 품질평가방법
2. 제1항에 있어서, 상기 반응관의 온도는 1000~1400℃의 범위로 유지함을 특징으로 하는 평가방법
3. 제1항에 있어서, 상기 석탄 시료는 그 입자 크기를 15~20mm의 범위로 하여 장입함을 특징으로 하는 평가방법