[논문]다공질 물질의 냉각현상 연구를 통한 코크스냉각공정의 모델링

김주한; 이용주; 김기석

doi:10.7735/ksmte.2012.21.5.697

다공질 물질의 냉각현상 연구를 통한 코크스냉각공정의 모델링
Modeling for a Coke Dry Quenching Process Using a Theory of a Porous Material 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.5, 2012년, pp.697 - 701

김주한 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 이용주 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 김기석 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical modeling for a coke dry quenching process was developed and evaluated. The cokes had similar characteristics to a porous material, therefore, its quenching analysis was simplified as a cooling process of porous blocks. A uniform inlet temperature and constant properties of materials in the oven were also assumed. With given operating conditions, temperature profiles in the cokes were calculated and compared to the actual values. The calculated temperature gradient was high at the upper part of the coke flow and the cooling rate decreased as cokes came down to the exit port. The exit port temperature of cokes was similar to the measured value, however, temperature-dependent material properties and operating conditions must be considered to predict the temperature precisely. The calculated results could be applied to design a coke oven to produce high quality cokes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 코크스 냉각공정을 모사할 수 있는 모델을 제시하였고 이를 통한 코크스의 온도분포에 대한 계산된 결과를 도출하였다. 또한 실제 코크스 공장에서 측정된 실험값과 비교하여 모델에 대한 검증을 하였다.
만일 코크스의 온도가 냉각공정에서 어떻게 분포하는지 정량적으로 파악할 수 있다면 코크스의 품질을 상승시켜 고로내부의 안정적인 제선공정이 가능하게 할 것이고, 냉각공정 중 식지 않은 코크스의 수를 최소화함으로써 제조공정에 투입되는 원가와 시간을 줄일 수 있다. 본 연구에서는 코크스 제조공정의 마지막 단계인 질소가스를 이용한 코크스 냉각 공정을 다공질 물질의 열전달과정으로 모델링하여 초기 코크스의 온도가 질소가스에 의해 최종적으로 어떻게 분포되는지 이론적 모델링을 수행하였으며 이에 대한 고찰을 수행하였다. 또한 예상된 모델링의 결과와 알려진 온도 분포와의 관계를 통해 본 공극모델의 유효성을 검증하였다.

가설 설정

① 적열코크스와 열교환된 질소가스가 지속적으로 냉각로 설비 내로 공급되고 배출되고 있으므로 이 공정을 하나의 정상상태(steady state)로 가정한다.
② 다공층을 이루는 고체와 유체의 열적 물성치는 일정하다.
③ 다공층은 균질이며 등방성이다.
코크스 냉각공정에서 코크스 사이에는 공극이 다량 존재하므로 전체 계를 하나의 다공질 물질로 가정할 수 있다. 코크스 냉각 공정은 챔버의 윗부분에서 코크스가 투입되고 아랫쪽으로 이동하며 냉각된 코크스는 배출된다.

제안 방법

본 연구에서는 코크스 냉각공정을 모사할 수 있는 모델을 제시하였고 이를 통한 코크스의 온도분포에 대한 계산된 결과를 도출하였다. 또한 실제 코크스 공장에서 측정된 실험값과 비교하여 모델에 대한 검증을 하였다. 본 모델을 통해 공극물질인 코크스내부의 온도분포와 변화를 확인할 수 있었고 코크스의 냉각유체의 유량에 따른 배출온도도 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 코크스 제조공정의 마지막 단계인 질소가스를 이용한 코크스 냉각 공정을 다공질 물질의 열전달과정으로 모델링하여 초기 코크스의 온도가 질소가스에 의해 최종적으로 어떻게 분포되는지 이론적 모델링을 수행하였으며 이에 대한 고찰을 수행하였다. 또한 예상된 모델링의 결과와 알려진 온도 분포와의 관계를 통해 본 공극모델의 유효성을 검증하였다.

대상 데이터

세부적인 다공질 물질의 냉각 해석을 위해 Fig 4와 같이 다공질 물질 안과 밖에 검사체적을 선정하였다. 검사체적 CV1은 열유속으로부터 대류항을 이용하여 냉각질소와 다공질 물질로 가정된 코크스가 접촉할 때의 외부의 온도분포를 위한 검사체적이며, 검사체적 CV2는 코크스의 공극을 포함한 물질내의 에너지 전달에 대한 지배방정식을 적용하기 위한 검사체적이다.

성능/효과

이는 본 공극의 비율이 본 모델의 온도분포에 민감하게 영향을 주는 것으로 판단된다. 또한, 내부온도 분포에서 확인될 수 있는 사항은 공극효과에 의해 온도 상승률이 상층으로 갈수록 높게 형성된다는 것이다. 이것은 일정한 온도 상승률에서 오는 균질한 냉각이 바람직한 형태라고 볼 때 실제 냉각공정의 설계에 있어 상대적으로 많은 양의 코크스가 초기 냉각공정을 거칠 수 있도록 한다면 실제 균질한 냉각효과를 얻을 수 있을 것으로 판단할 수 있다.
현재의 모델링은 코크스 냉각공정에서의 복잡한 물성변화를 고려하지 않았기에 가스의 유동이나 내부 가스압력의 형성과 같은 다양한 운전상황에 대해서는 오차를 수반한 모델로 볼 수 있다. 본 모델은 간단한 유한체적법을 통해 그 결과를 비교해 볼 수 있는데 구형태로 단순화된 코크스의 냉각을 확인해 본 결과 초기 온도 상승률이 실제 제시된 모델보다 높게 나타났다(Fig. 7). 이는 본 공극의 비율이 본 모델의 온도분포에 민감하게 영향을 주는 것으로 판단된다.
또한 실제 코크스 공장에서 측정된 실험값과 비교하여 모델에 대한 검증을 하였다. 본 모델을 통해 공극물질인 코크스내부의 온도분포와 변화를 확인할 수 있었고 코크스의 냉각유체의 유량에 따른 배출온도도 확인할 수 있었다. 실제 공극의 효과에 의해 코크스의 냉각속도는 상층부에서 더 크게 계산되었으며 이는 균질한 냉각공정을 위해 코크스 냉각공정 설계에 있어 반영될 수 있다.
6과 같이 계산되어졌다. 온도의 감소는 선형적지 않고 이는 실제 공극을 통과하면서 에너지 전달이 더 효율적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 수치들은 계산에 사용된 물성치들에 직접적인 관계가 있어 절대적인 수치와 직접 비교하기는 어렵다.

후속연구

실제 공극의 효과에 의해 코크스의 냉각속도는 상층부에서 더 크게 계산되었으며 이는 균질한 냉각공정을 위해 코크스 냉각공정 설계에 있어 반영될 수 있다. 코크스의 냉각의 정확한 온도분포 예측을 위해서는 다양한 조건에서의 코크스의 물성치와 공극의 세분화된 모델 및 이에 대한 유동 형태가 적용된 모델링이 필요하며 이를 통해 더욱 개선된 결과를 도출할 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	코크스란 무엇인가?	초기 공정에서는 석탄을 활용하였으나 이 경우 효율이 낮았으며 생산되는 철의 품질이 떨어짐에 따라 코크스가 개발되었다. 코크스란 점결탄의 고온건류에 의해서 생기는 다공질 고체연료를 일컫는다. 코크스는 일반적으로 회흑색을 띄며 금속성 광택을 지니고 일반적인 성분은 고정탄소이다.
	제선공정에서 코크스는 어떤 역할을 하는가?	코크스는 일반적으로 회흑색을 띄며 금속성 광택을 지니고 일반적인 성분은 고정탄소이다. 코크스는 제선공정에서제련하는철의환원제역할, 내부물질의용융을위한 에너지원, 그리고 내부 유체의 원활한 유동제 등의 세 가지 역할을하게된다(1). 양질의 코크스를 생산하는 공정은 다음과 같다.
	초기 제철공정에서는 무엇을 사용하였는가?	제철공정에서 코크스는 제철 및 제선에 있어서 중요한 역할을 하고있는요소이다. 초기 공정에서는 석탄을 활용하였으나 이 경우 효율이 낮았으며 생산되는 철의 품질이 떨어짐에 따라 코크스가 개발되었다. 코크스란 점결탄의 고온건류에 의해서 생기는 다공질 고체연료를 일컫는다.

참고문헌 (11)

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Figini-Albisetti, A., Velasco, L. F., Parra, J. B., and Ania, C. O., 2010, "Effect of Outgassing Temperature on the Performance of Porous Materials," Applied Surface Science, Vol. 256, No. 17, pp. 5182-5186.

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Amahmid, A., Hasnaoui M., Mamou, M., and Vasseur, P., 1999, "Double-diffusive Parallel Flow Induced in a Horizontal Brinkman Porous Layer Subjected to Constant Heat and Mass Fluxes: Analytical and Numerical Studies," Heat and Mass Transfer, Vol. 35, No. 5, pp. 409-421.

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Nakayama, A., Koyama, H., and Kuwahara, F., 1988, "An Analysis on Forced Convection in a Channel Filled with a Brinkman-Darcy Porous Medium: Exact and Approximate solutions," Heat and Mass Transfer, Vol. 23, No. 5, pp. 291-295.
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Chung, M., 1995, "A Study on Heat and Mass Transfer in Porous Media," Solar Energy, Vol. 15, No. 1, pp. 39-51.
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POSCO Engineering & Construction, 2011, Operation Manual, POSCO Inc.

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