KR20020051084A - 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법에 관한 것으로서,
코크스 오븐에서 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%)를 예측하여 코크스의 품질을 추정하는 방법에 있어서, 코크스 오븐에 장입되는 석탄의 수분(%)을 M, 최종 건류온도(℃)를 Tf, 석탄 장입온도(℃)를 Tcharging, -3mm인 장입탄 입도(%)를 dp라 할 때,코크스 오븐 조업시에 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%) DI150 15를 수학식 1(DI150 15= 590.704 ×(M)-0.170×(Tf)-0.294×(Tcharging)-0.045×(dp)-0.263)을 이용하여 구함으로써,
코크스 오븐에서 제조되는 코크스의 품질을 정확하게 예측 추정할 수 있도록 하여 고품질의 코크스 제조와 안정적인 오븐 조업에 기여할 수 있는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법, 보다 상세하게는 제철소의 코크스 오븐 조업에 있어서 원료로 사용되는 석탄의 장입조건과 조업시의 건류조건을 회귀분석법을 통해 분석하여 최종적으로 제조되는 코크스강도를 구함으로써, 제조되는 코크스의 품질을 정확하게 예측하여 고품질의 코크스를 제조하고 안정적인 코크스 오븐 조업을 제공할 수 있도록 하는 코크스 품질 추정방법에 관한 것이다.
제철소 등에서 사용되는 상업용 코크스 오븐에 있어서 야금용 코크스는 입도 3mm 이하(-3mm)가 대략 80∼90%인 원료석탄을 탄화실로 장입하여, 탄화실 양측 연소실로부터 전열에 의해 15∼20시간 동안 약 1000℃까지 가열하는 공정을 통해 제조된다. 상기와 같은 공정에서 장입된 석탄은 연화-용융하여 점결하는 성질을 필수적으로 가져야 하며, 이러한 석탄의 점결성은 코크스 제조시의 기본적인 요구조건이 된다.
상기의 코크스 제조공정시 탄화실에 장입된 석탄은 코크스 오븐 벽으로부터 열전달이 일어나면서 350∼500℃에서 연화용융 과정을 거치고, 500∼1000℃에서 고화 수축과정을 거치면서 코크스 케이크를 형성하게 된다.
코크스 오븐에서 원하는 품질을 갖는 코크스를 제조하기 위하여 고려해야 되는 요인으로서 크게 세 가지가 중요한데, 즉 원료석탄의 배합, 장입탄의 전처리 및 건류조건의 세 가지 요인이 가장 중요하다고 볼 수 있다. 여기서 원료석탄의 배합은 내부 요인이며, 나머지 두 개는 외부 요인으로 볼 수 있다.
보다 상세하게 보면, 원료석탄의 배합에 대한 인자로는 석탄의 조직성분, 석탄화도, 배합비, 점결성 등이 있으며, 장입탄 전처리에 대한 인자는 원료탄 입도조정과 장입밀도가 있으며, 건류조건에 대한 인자는 연소실 온도와 총 건류시간이 있다.
상기와 같은 여러 가지 요인들은 전체적인 조업 상황에 따라 그 중요도에 차이가 발생하게 된다.
즉, 경제가 고도성장기에 있을 때에는 일정한 품질을 갖는 코크스 확보가 가장 우선적으로 요구되기 때문에, 신설 코크스로에 의한 고가동율 조업을 계속하게 되고, 그 경우에 주로 내부요인인 원료석탄의 배합에 관한 문제가 중요한 요인으로서 고려되게 된다.
그러나 안정성장 시기에 있을 때에는 장입탄 전처리, 건류조건의 변화 (가동율의 대폭적인 변화, 에너지 절약 조업) 또는 성형 코크스 등 새로운 제조 프로세스의 개발에 동반하여 코크스 품질에 대한 외부요인의 기여가 매우 커지게 된다. 한편 원료석탄에 있어서도 비미점결탄과 점결재 등 새로운 특성을 갖는 것이 사용되며, 그렇기 때문에 석탄배합을 결정할 때 외부요인을 고려할 필요가 있게 된다.
상기한 바와 같은 여러가지 요인들을 고려하여 고품질의 코크스를 저비용으로 생산하기 위해 실로와 시험로를 이용하여 코크스 품질에 대한 원료탄 성상 및 배합비 변화와 조업조건 등의 영향이 다수 연구된 바 있다.
즉, 캐나다의 CANMET 연구소에서는 장입탄의 장입밀도, 치시간(soaking time), 석탄화도(refractory index) 및 코크스 불활성 성분(inert)을 이용하여 코크스 품질을 추정하는 상관식을 제시한 바 있고(57th Ironmaking Conf. Proc., 1998), 일본의 관서 열화학(Kansai coke and chemical)에서는 건류조건인 최종 건류온도와 가열속도가 코크스 강도에 미치는 영향을 분석한 바 있다(Fuel, 1997). 또한 벨기에의 CRM 연구소에서는 습탄을 중력 장입하여 코크스를 생산하는 코크스오븐에 대해 석탄의 불활성 함량, 반응물질의 점결력 및 배합탄의 최대 유동도를 토대로 코크스 강도를 예측하는 상관식을 제시한 바 있다.(Ironmaking Conf. Proc., 1995).
그런데, 상기한 바와 같은 여러가지 연구들은 원료석탄의 배합보다는 석탄 장입조건과 건류조건을 중심으로 이루어졌는데, 그 이유는 다음과 같다.
즉, 야금용 코크스 제조에 사용되는 원료탄은 일반적으로 10 여종의 단일탄을 적정비율로 혼합한 배합탄을 사용하는데, 실제 조업에 있어서 코크스 오븐에 장입되는 배합탄 즉 장입탄은 배합되는 단일탄이 바뀌어도 대략 비슷한 범위의 물성치(배합지수)를 갖도록 배합되므로, 현실적으로 제조되는 코크스의 품질은 원료석탄의 배합에 의해서는 큰 영향을 받지 않게 되고 석탄 장입조건과 건류조건에 의해 주로 영향을 받게 되기 때문이다.
특히, 코크스 오븐의 석탄 전처리 설비인 석탄 조습설비 및 생산성 증가를 위한 고가동율 조업 등과 같은 오븐 조업 환경 변화는 장입되는 배합탄의 물성치가 일정할 경우 생산되는 코크스 품질에 많은 영향을 주게 되므로, 이러한 조업 환경 변화에 의한 코크스 품질의 변화를 추정하여야 할 필요성이 커지게 된다.
상기한 바와 같이 코크스 오븐 조업에 있어서 코크스 품질 특히 코크스 강도에 영향을 미치는 요인으로 석탄 장입조건과 건류조건이 중요하게 고려되고 있으므로, 이러한 요인의 변화에 의하여 코크스가 어떠한 품질로 제조될 것인지를 정확하게 예측하는 것이 절실히 요구되는 실정이나, 여러가지 연구에도 불구하고 이러한 예측을 간단하면서도 정확하게 할 수 있는 기술로서 아직 명확하게 제시된 것이 없다는 것이 문제점으로 남아 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 그 목적은 제철소의 코크스 오븐 조업에 있어서 원료로 사용되는 석탄의 장입조건과 조업시의 건류조건을 회귀분석법을 이용하여 분석함으로써, 제조되는 코크스의 품질을 정확하게 예측하여 고품질의 코크스를 제조하고 안정적인 코크스 오븐 조업을 할 수 있도록 하는 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 코크스 시험로의 개략도,
도 2는 실험측정된 코크스 강도와 본 발명의 코크스 품질 추정방법에 의해 예측된 코크스 강도의 비교 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
1: 고정벽2: 이동벽
3: SiC 히터4: 오븐 본체
5: 탄화차7: 댐퍼(damper)
8: LPG 버너 9: 공기공급부
10: 연도
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 코크스 오븐에서 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%)를 예측하여 코크스의 품질을 추정하는 방법에 있어서, 코크스 오븐에 장입되는 석탄의 수분(%)을 M, 최종 건류온도(℃)를 Tf, 석탄 장입온도(℃)를 Tcharging, -3mm인 장입탄 입도(%)를 dp라 할 때,코크스 오븐 조업시에 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%) DI150 15를 다음의 수학식 1을 이용하여 구함으로써, 코크스 오븐에서 제조되는 코크스의 품질을 정확하게 예측할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
DI150 15= 590.704 ×(M)-0.170×(Tf)-0.294×(Tcharging)-0.045×(dp)-0.263
또한 본 발명에 있어서, 상기 수학식 1은 장입조건으로서 석탄의 수분(M)이 5.6∼9.2%, -3mm인 장입탄 입도(dp)가 77∼86% 이고, 건류조건으로서 최종 건류온도(Tf)가 1050∼1200℃, 석탄 장입온도(Tcharging)가 850∼1000℃ 인 범위에서 적용되는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 코크스 품질에 대한 코크스 오븐의 조업환경 변화(석탄 전처리, 건류조건 변화)의 영향을 고찰하기 위해, 코크스 시험로(50kg)를 이용하여 야금용 코크스 제조에 사용되는 장입탄에 대해 장입조건과 건류조건을 변화시키면서 석탄 건류를 통하여 코크스를 제조하였다.
그리고, 상기와 같이 제조된 코크스에 대해 회전(drum) 강도를 측정하였으며, 장입조건과 건류조건 변화에 대해 코크스 품질을 추정하는 회귀분석식을 구하였다.
[실시예]
본 실시예의 코크스 제조를 위한 석탄 건류시험은 50kg 용량의 시험로에서 상업용 코크스 오븐에서 야금용 코크스 제조를 위해 사용되는 장입탄을 사용하여 수행되었다. 사용된 장입탄의 물성치는 다음과 같다; 공업분석(휘발분: 26.55, 고정탄소: 64.51, 회분: 8.94), 원소분석(C: 88.10, H: 5.02, N: 1.81, S: 0.58, O: 4.49), 장입탄 입도(-3mm) 82%.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 코크스 시험로의 개략도이다.
본 실시예에서 사용된 오븐 본체(4)는 이동벽(2), 탄화차(5), 고정벽(1)으로 구성되며, 장입된 석탄의 가열을 위해 이동벽(2)과 고정벽(1)의 양쪽에 같은 용량의 SiC 히터(3)를 수평으로 설치하였다. 이동벽(2)은 코크스 배출시 탄화차를 분리하기 위해 움직일 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되었다. 탄화차(5)는 석탄 건류 종료시 오븐 밖으로 끌어내어 적열 코크스를 배출할 수 있도록 하부에 레일과 바퀴가 설치되어 있다.
오븐 상부에는 석탄 장입을 위해 장입구를 설치하였으며, 발생되는 가스 배출을 위해 배출관을 설치하였다. 발생가스 배출관에는 오븐 내의 압력을 조절할 수 있도록 댐퍼(damper)(7)를 설치하였으며, 오븐 내 압력조절을 위해 배출관 하부에 압력계를 설치하여 약간의 양압(0∼1mm H2O)이 걸리도록 하였다.
적열 코크스는 건류 종료후 탄화차를 오븐 밖의 푸셔(pusher)까지 이동시킨 다음, 푸셔를 이용하여 코크스를 오븐 폭 방향으로 밀어 소화장치로 압출하였다. 소화장치로 이송된 적열 코크스는 밀폐 후 질소를 이용하여 소화하였다. 건류시 발생하는 가스(COG)는 댐퍼(damper) 후단에 설치된 LPG 버너에서 LPG와 함께 연소되며, 연소된 배가스는 연도 통풍력으로 외부로 배출하였다.
<실시예 1>
석탄 입도(-3mm) 80%의 장입탄을 시험로에서 850℃에서 장입하여, 석탄 중심온도가 600℃에 도달하면 최종 건류온도 1100℃ 및 1150℃까지 3℃/min로 가열하여 1시간 동안 유지하였을 때, 장입탄 수분에 따른 코크스 강도 변화를 측정하였다.
장입탄의 수분은 강제순환식 오븐에서 건조하여 조절하였으며, 최종 건류온도 1100℃와 1150℃에서 1시간 유지하였을 때의 최종 코크스 온도는 각각 1060℃와 1100℃로 나타났으며, 장입탄 수분변화에 따른 코크스 강도는 다음의 표 1과 같이 얻어졌다.
| 수분 (%) | 5.6 | 6.0 | 6.5 | 6.8 | 7.0 | 7.5 | 7.8 | 8.5 | 8.6 | 9.2 | |
| 코크스 강도DI150 15(%) | 1100℃ | 82.4 | 81.2 | 81.0 | 78.0 | 77.3 | |||||
| 1150℃ | 82.7 | 80.9 | 80.4 | 77.2 | 75.0 |
위의 표 1에서 알 수 있듯이, 장입탄의 수분이 감소함에 따라 장입밀도 증가로 인해 코크스 강도는 선형적으로 증가하였다.
<실시예 2>
시험로에서 습탄(8.6∼8.8%) 및 건조탄(6.0∼6.5%)을 850℃에서 장입하여, 석탄 중심온도가 600℃에 도달하면 최종 건류온도 1100℃와 1150℃까지 3℃/min로 가열하여 1시간 유지하였을 때, 장입탄의 입도변화에 따른 코크스 강도를 측정하였다.
석탄의 입도는 체(sieve)를 이용하여 3mm 상하로 분리한 다음 3mm이하(-3mm) 비율이 77%에서 86%가 되도록 무게비로 혼합하였다. 최종 건류온도 1100℃와 1150℃에서 1시간 유지하였을 때의 최종 코크스 온도는 1060℃와 1100℃로 나타났으며, 장입탄 입도변화에 따른 코크스 강도는 다음의 표 2와 같이 얻어졌다.
| 장입탄 입도(-3mm),(%) | 77 | 80 | 83 | 86 | ||
| 코크스 강도DI150 15(%) | 1100℃ | 습탄(8.6∼8.8%) | 78.5 | 77.3 | 75.9 | 76.5 |
| 건조탄(6.0∼6.5%) | 83.2 | 82.4 | 80.9 | 81.1 | ||
| 1150℃ | 습탄(8.6∼8.8%) | 78.4 | 77.2 | 76.3 | 8.6 | |
| 건조탄(6.0∼6.5%) | 84.4 | 82.3 | 82.5 | 82.1 |
위의 표 2에서 알 수 있듯이 장입탄(-3mm)의 입도가 증가함에 따라 장입밀도의 감소로 코크스 강도는 선형적으로 감소하며, 습탄보다는 건조탄이 장입밀도의 증가로 코크스 강도가 높게 나타난다.
<실시예 3>
석탄 입도(-3mm) 80%의 습탄 및 건조탄을 시험로에서 850℃에서 장입하여, 최종 건류온도를 1050℃에서 1200℃까지 변화시켰을 때 최종 건류온도에 따른 코크스 강도 변화를 측정하였다.
850℃에서 장입하여 중심온도 600℃에 도달하면 최종 건류온도까지 3℃/min로 가열하였으며, 최종 건류온도에서 1시간 유지하였다. 최종 건류온도가 1050℃, 1100℃, 1150℃, 1200℃으로 증가함에 따라 최종 코크스온도는 1010℃, 1060℃, 1100℃, 1150℃로 증가하였으며, 최종 건류온도(최종 코크스온도) 변화에 따른 코크스 강도는 다음의 표 3과 같다.
| 최종 건류온도(℃) | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 | |
| 코크스 강도DI150 15(%) | 습탄 (8.6∼9.0%) | 77.6 | 77.3 | 77.2 | 77.0 |
| 건조탄 (6.0∼6.5%) | 82.5 | 82.4 | 82.3 | 81.8 |
위의 표 3에서 알 수 있듯이, 습탄 및 건조탄에 대해 최종 건류온도가 증가함에 따라 코크스 강도는 거의 일정하거나 약간 감소하는 경향을 나타내었으며, 건조탄이 습탄에 비해 장입밀도의 증가로 높은 코크스 강도를 나타내었다.
<실시예 4>
석탄 입도(-3mm) 80%의 습탄 및 건조탄에 대해 시험로에서 석탄 중심에서의 가열속도 변화를 위해 장입온도를 850℃에서 1000℃까지 변화시키면서 장입하여, 석탄 중심온도가 600℃에 도달하면 최종 건류온도 1100℃와 1150℃까지 3℃/min로 가열하여 1시간 유지하였을 때 코크스 강도를 측정하였다.
장입온도가 850℃에서 1000℃까지 증가함에 따라 석탄 중심에서의 가열속도는 2.3℃/min에서 6.2℃/min까지 증가하였다. 장입온도 변화, 즉 가열속도 변화에 따른 코크스 강도는 다음의 표 4와 같다.
| 장입 온도(℃) | 850 | 900 | 950 | 1000 | ||
| 코크스 강도DI150 15(%) | 1100℃ | 습탄(8.6∼9.0%) | 77.2 | 76.4 | 78.8 | 77.9 |
| 건조탄(6.0∼6.7%) | 81.5 | 81.6 | 81.4 | 81.3 | ||
| 1150℃ | 습탄(8.5∼8.7%) | 77.8 | 77.6 | 77.7 | 77.5 | |
| 건조탄(6.5∼6.7%) | 80.9 | 80.6 | 80.8 | 80.7 |
위의 표 4에서 알 수 있듯이, 장입온도 즉 오븐 중심에서의 가열속도가 증가할수록 코크스 강도는 거의 일정하거나 약간 감소하는 경향을 나타내었으며, 건조탄이 습탄보다 높은 코크스 강도를 나타내었다.
이상의 실시예로부터 석탄 장입조건인 장입탄 수분 및 입도(-3mm)와 건류조건인 최종 건류온도(최종 코크스온도) 및 장입온도(가열속도)의 코크스 강도에 대한 영향을 도출하였으며, 코크스 강도에 대한 이들 장입조건과 건류조건에 대한 상관성을 회귀분석법을 이용하여 구하였다. 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 강도에 대한 상관식은 다음의 수학식 1과 같다.
위 식에 대한 상관계수는 0.95로서 매우 높으며, 수학식 1에 사용된 기호는 다음과 같다. DI150 15는 코크스 강도(%), M은 장입탄 수분(%), Tf는 최종 건류온도(℃), Tcharging은 석탄 장입온도(℃), dp는 -3mm인 장입탄 입도(%)를 나타낸다.
DI150 15는 코크스 강도를 나타낼 때 사용하는 드럼 지수(Drum Index)를 의미하는 것으로서 그 단위는 %이다. DI150 15에서 150은 제조된 코크스를 회전 드럼에 넣고 150 바퀴 회전시킴을 의미하고, 15는 회전 후에 인출된 코크스를 15mm 사이즈의 체에 넣고 거르는 것을 의미한다. 보다 상세하게 보면, DI150 15가 예를 들어 80이라면, 이는 상기와 같이 제조된 코크스를 회전 드럼에 넣고 150 바퀴 회전시킨 후 15mm 체로 걸렀을 때 15mm 이상의 사이즈로 남아있는 코크스의 무게 비율이 80% 라는 것을 의미하게 되는 것이다. 그러므로, DI150 15가 높은 수치를 가질 수록 코크스의 강도가 더욱 큰 값을 갖는다는 것을 의미한다.
도 2는 실험측정된 코크스 강도와 본 발명의 코크스 품질 추정방법에 의해 예측된 코크스 강도의 비교 그래프로서, 코크스 강도에 대한 회귀분석식인 수학식1을 사용한 계산치와 실제 측정치를 비교하여 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 수학식 1은 실제 측정치와 매우 높은 상관성을 보이므로, 장입조건과 건류조건으로부터 코크스 품질을 정확하게 예측 추정하는데 실제적으로 활용가능함을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법은, 코크스 오븐의 조업환경 변화에 대응하여 장입조건 및 건류조건으로부터 코크스 품질을 정확하게 예측 추정할 수 있도록 하여 고품질의 코크스 제조와 안정적인 오븐 조업에 기여할 수 있는 효과를 제공하는 장점이 있다.
Claims (2)
- 코크스 오븐에서 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%)를 예측하여 코크스의 품질을 추정하는 방법에 있어서,코크스 오븐에 장입되는 석탄의 수분(%)을 M, 최종 건류온도(℃)를 Tf, 석탄 장입온도(℃)를 Tcharging, -3mm인 장입탄 입도(%)를 dp라 할 때,코크스 오븐 조업시에 최종적으로 제조되는 코크스 강도(%) DI150 15를 다음의 수학식 1을 이용하여 구함으로써, 코크스 오븐에서 제조되는 코크스의 품질을 정확하게 예측할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법.[수학식 1]DI150 15= 590.704 ×(M)-0.170×(Tf)-0.294×(Tcharging)-0.045×(dp)-0.263
- 제1항에 있어서, 상기 수학식 1은 장입조건으로서 석탄의 수분(M)이 5.6∼9.2%, -3mm인 장입탄 입도(dp)가 77∼86% 이고, 건류조건으로서 최종 건류온도(Tf)가 1050∼1200℃, 석탄 장입온도(Tcharging)가 850∼1000℃ 인 범위에서 적용되는 것을 특징으로 하는 석탄 장입조건과 건류조건을 이용한 코크스 품질 추정방법.
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