코킹압력 이해: 원인, 영향, 완화전략

코킹압력 현상과 영향인자

코킹압력(Coking Pressure)은 이중가열벽, 수직, 슬롯형 코크스로 사용으로 중요해진 현상입니다. 원형 벌집로나 열회수형 코크스로에서는 석탄이 위쪽으로 자유팽창 가능해 충전물 팽창이 수용됩니다. 반면 슬롯형 코크스로에서는 석탄의 가열벽 방향 수평팽창이 제한됩니다. 석탄건류공정 중 로벽 조기파손 사례 다수 보고되었습니다.

더 크고 높은 신형 코크스로 건설과 함께 코킹압력으로 인한 벽체변형 바람직하지 않은 발생 동반, 석탄 건류중 팽창거동 연구 다수 수행. 석탄배합 코크스로 투입전 안전성 검증위한 신뢰성 있는 테스트 개발에 노력 집중.

코킹압력 발생메커니즘

건류공정중석탄가소단계통과, 휘발분(VM)주로가소단계중/일부단계후방출. 코킹압력=가소단계발생통상인정. 코크스로챔버내건류초기부터가열벽평행두수직가소층형성. 건류진행→층중앙이동. 동시상부/하부충전물수평가소층형성→수직층과연결→미건류석탄둘러싼연속영역형성='가소엔벨로프(plastic envelope)'.

코킹석탄가소층투과도낮음. 강가소성석탄경우미전환냉존내압력형성가능. 가소층내부압력+층간압력합→반코크/코크층통해벽체압력전달.

가소층로중앙만날때중앙석탄양측동시가열→가소온도범위전체통해온도상승→코킹속도가속→기체방출속도증가+도망저항증가→내부압력/벽압력피크값발생.

가소층로도어평행형성→석탄투입즉시미건류석탄둘러싼완전연속가소엔벨로프존재. 가소층냉측방출VM엔벨로프내포집. 층만날시점가열률증가→가스방출량증가→압력상승. 재고체화(코크화)후엔벨로프소멸→급속압력감소.

다른설명: 로도어평행가소층형성충분열없음→두주가소층+두보조층→대략직사각형이나도어근처열손실로확장된'가소슬리브(plastic sleeve)'형성(그림1). 코킹압력=가소층내부가스압력→반코크/코크통해벽전달.

코킹압력 이해: 원인, 영향, 완화전략

그림 1 가소영역 도식표현

충전중심측가소층방출가스=타르함유→가소층포집시응축/재증발. 응축타르석탄함침→가소층점도변화. 내부가스압력=석탄성질·건류조건강의존. 가소층팽창, 반코크수축, 미건류석탄압축평형관련보임.

주현상=가소층내부가스압력, 벽압력=반코크/코크통해가스압력벽전달결과. 내부가스압력크기=가소층내기체물질방출속도·가소층유동저항(투과성)의존가능성높음.

단, 가소온도범위탈휘발속도=고VM석탄더높음에도이석탄들고압력안줌. 따라서 투과성=내부가스압력발생최지배인자가능성. 고순도석탄최대VM방출속도=재고체화온도근처. 사실최대벽압력=재고체화온도근처잔여VM방출속도와관계존재.

단일가열벽로조사: 투과성=가소층중심최소, 재고체화생성물최대. 투과성두기여: (1) 가소존개방공극, (2) 초미세공극(분자유동허용), (3) 거대공극(점성유동허용). 2번째기여=탈휘발버블파열따른유동. 가소층반코크인접영역버블파열우세→형성반대, 층중심반대현상→중심최대다공성확립→가소층중심→반코크인접존질량이동.

고압력석탄경우이최대치→석탄/가소층인접존최소치대체. 이유: 이석탄제2투과성기여(버블파열)낮음, 중심다공성최대치부재로지지. 가스탈출제한→가소층영역압력증가→석탄압밀→관찰된최소다공성초래.

코킹압력 초기연구

석탄배합안전성확인위해실험실테스트최초수행. 소량석탄작은도가니한쪽가열(정압/정적). 1920년개발테스트=석탄팽창압력측정최초시도. 100g석탄표준조건가스화로수직원통철도가니가열. 천공피스톤충전물상부장착. 피스톤운동기록, 유의측정=부피변화%. 이테스트두방향추가개발→정압테스트/정적테스트.

정압테스트수정: 80g공기건조석탄강철도가니. 1kg/cm²하중부과→충전물팽창/수축부피변화기록. 정적테스트수정: 정적조건120g공기건조석탄강철도가니탄화→석탄정적유지필요압력기록.

수kg석탄사용대규모테스트개발. 개념유사. 대표예: 대형정압테스트(소형과크기주차이, 충전용량약 5kg). 0.08kg/cm²초과충전물압력만측정. 이압력=코크스로벽허용최대한계간주. 다른대규모 '솔히티드(sole-heated)' 로테스트: 약 35kg충전바닥일방향가열→약 0.14kg/cm²압력가함. 상부슬래브이동카테토미터추적.

위테스트단일가열→현상대형로와상이다름. 코크스로벽압력기록어려움→초기연구자들상업로건류조건최대한모사위해이중벽가열채택. 양벽가동대규모로챔버설계. 한벽고정→다른벽건류중가압력유압시스템측정. 이로=가동벽로프로토타입(코킹압력직접측정가능).

세계여러가동벽로존재. 모두양측가열기반. 한벽트롤리장착자유이동→건류중발생코킹압력=벽가해진힘표현→적절장치측정='벽압력'. 가스/전기가열, 250~500kg충전. 실규모로처럼두수직가소층건류중형성→점차중앙진행→합쳐짐.

가장오래된가동벽로설계하나: 약 250kg석탄, 코킹챔버 300×700×1100mm. 한벽롤러장착·레버중량시스템벽압력측정. 미국석탄코킹압력연구용. 300테스트수행(석탄 80% 3mm하분쇄, 저수분충전, 벌크밀도 785~850kg/m³범위).

압력-코킹시간곡선 6유형분류(시험석탄특성기반). 그림2 각유형압력곡선예시. 유형1~3=상업로서통상안전석탄/배합. 유형2/3=높은벌크밀도충전시더고압력가능. 유형4~6=코크스로위험석탄.

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그림 2 가동벽시험로에서 다양한 석탄 시험 압력곡선

400kg 대형가동벽로 CPM(Centre de Pyrolyse de Marienau)에서 코킹압력현상광범위조사용. 두벽커런덤구조→고온작동·열충격강도우수. 가동벽가해진힘=유용가열면기하중심외벽부착스트레인게이지밸런스측정. 다수테스트중가장빈번 4주요코킹압력-시간곡선유형그림3.

코킹압력 이해: 원인, 영향, 완화전략

그림 3 주요 코킹압력곡선 유형

곡선형태분석→두기본곡선중첩결과결론. 제1단계=가열벽평행가소층형성·상호이동, 제2단계=로가소층중앙합쳐짐. 유형1/2=고압력발생석탄. 유형3=스탬프차징석탄특성(압력크기무관). 유형4=저압력석탄. 고압력석탄유사곡선유형.

저VM석탄: 압력시작부터최대까지규칙적상승. 고코킹압력다른유형: 1시간급속압력상승→건류중상대적일정유지→가소층만날때추가상승→가소석탄소멸까지.

다른접근: 가소층중심가스압력직접측정. 가동벽로/산업로측정→두결과비교가능. 가스압력=오븐도어/충전구뚜껑관통튜브측정.

가스압력/벽압력동시측정연구다수. 연구결과: 충전중심최대가스압력=피크벽압력관련. 가스압력벽거리증가→충전중심최대값도달(가소층만날시점). 최대가스압력보통피크벽압력일치·항상더큼. 연구마다가스압력/벽압력비율상이.

한연구: 건류진행·가소층이동중가스압력급상승. 가소층지점통과후가스압력급감→프로브다시기록안함. 가소층로중앙만날때기록가스압력=타지점압력초과. 이실험가스압력/벽압력비율: 저압력<1~고압력최대 3변동.

다른조사: 충전/건류조건내부가스압력영향연구→내부가스압력=벽압력동일변수영향확인.

CPM 또다른조사 2관찰: (1) 초기에 바닥/지붕평행두가소층형성→로중앙진행, (2) 도어평행가소층형성안됨. 가스압력/벽압력비율≈0.5.

연구마다최대가스압력/피크벽압력비율차이=테스트장비/절차차이기인. 가동벽로에서주로가열벽동시건류진행하지만바닥/지붕/의문시도어로부터상당건류내진행→중앙만나는가소층면적감소. 조기밀기직접측정으로가소존면적확인. 챔버폭확대→탄화시간증가→바닥동시상향/지붕하향탄화진행시간증가→최종가소층넓은로에서더작은면적. 조기밀기직접측정확인. 챔버확대→코킹압력감소지만변화크기=배합의존·일반적작음.

CPM 가소층중앙만남시간공식제안: Pw/Pi = Si/S (Pw=벽압력, Pi=내부압력, S=충전물측면적, Si=벽압력피크시가소층중앙평면투영면적. Pi>Ps, 동시점내부/벽압력. Si=테스트로두주요가소층합쳐지는순간방출평가. 정의상 k=Si/S 충전시점 1, 건류진행중엔드이펙트로감소, 재고체화후 0. 실규모로 엔드이펙트벽높이비작음→Si/S≈1→코킹벽압력=중심최대가스압력. 제안: 배합특정조건테스트로벽압력P생산시동일조건대형로예상압력≈2P.

안전기준 설정

가동벽로/실규모로연구다수=코킹압력현상제어·과도압력로손상보호목적. 석탄배합평가시일반적가동벽로테스트고용→결과최대벽압력=이전설정기준비교안전/위험분류. 테스트로배합벌크밀도(BD)극중요: 실규모로평균최소동등, 바람직약간높게.

압력과도여부=가해진압력뿐아니라로벽견딜압력도의존. 따라서코크스로벽강도평가노력다수.

벽강도요구사항=건류중벽가해지는피크불균형코킹압력주지배. 불균형압력→수평방향벽굴곡→수직중력하중(지붕/벽무게포함)안정화필요(벽이음매일관된인장강도없음).

특수제작코크스로벽유압프레스측압연구: 초기균열압력≈0.09kg/cm², 압력 0.13kg/cm²올릴때벌징속도급증. 냉벽기반결과→매우낮은안전기준 0.07kg/cm²제안. 매우낮은기준=석탄원료/배합/건류조건선택유연성제한. 수백석탄가동벽로탄화결과·이석탄상업로거동고려→코크스로석탄탄화안전기준설정:

0.14kg/cm² 초과압력발생석탄=위험
0.11kg/cm² 초과압력석탄=3m초과높이로정기탄화시위험가능
0.11kg/cm² 미만압력석탄=안전

1948/1952년작업기반 BCRA(British Coke Research Association): 테스트로개발압력<0.14kg/cm²면배합안전. 1956년추가작업확인. 말기수명상업로·가동벽로여러배합충전. 특수장치실규모로벽이동측정·벽검사진행중/배터리냉각후손상판단. 상업로벽탄성처짐 0.13mm까지균열없이가능. 그이후처짐어렵고균열발생.

1960/70년대 6m이상고로건설보편화. 코킹압력 0.14kg/cm²미만안전가정운영. 결과일부케이스심각조기내화물손상. 6m배터리진행성손상<5년가동후폐쇄보고. 조기파손원인규명위해 6m벽구조해석포함조사.

한쪽압력받는 6m로벽수학연구: 붕괴가능불균형측압≈0.12kg/cm²초과계산. 권장활하중계수 1.7+사용성(균열상대)고려→허용불균형측압 0.07kg/cm²초과금지권장.

코킹압력 영향인자

1950년대초부터가동벽로/유사파일럿로석탄코킹평가사용. 파일럿규모테스트=실규모로테스트보다저렴·일반적대규모거동좋은가이드. 가동벽로/실규모로내부가스압력비교안심제공. 코킹압력영향인자연구대부분파일럿규모로수행.

코킹압력크기영향다수요인발견. 세대분류: (1)석탄고유특성, (2)석탄준비·물리적특성, (3)로운전조건.

석탄 고유특성

초기연구: 건조회분무기준 VM 16~30%석탄충전시위험압력직면, 이범위밖석탄(더낮거나높은VM)위험없음. 강팽창석탄=주로명암(bright coal), 둔암(dull coal)비율높은석탄=팽창력약함. 암석학조사→석탄팽창정도결론가능.

베들레헴스틸 18인치(457mm)테스트로·다양단일석탄/배합사용석탄조성코킹압력영향실험시리즈. 석탄순도(비트리나이트반사율로표시)와 코킹압력일반적관계발견(그림4). 그림4서고코킹압력=일부(전부아님) 저VM석탄 반사율 1.35%초과생성경향. 추가: 코킹압력=석탄순도증가·불활성함량감소시증가.

코킹압력 이해: 원인, 영향, 완화전략

그림 4 석탄순도와 코킹압력 관계

석탄순도·불활성함량상호작용. 주어진순도수준에서불활성함량높으면코킹압력낮음. 저VM석탄효과만고려시: 배합코킹압력=저VM석탄반사율증가시증가, 반사율 1.65%초과시가속증가. 단, 순도지식만으로석탄코킹압력위험성확실평가불가. 18~25% VM=위험크고, 25~28% VM=여전히위험(약간낮음). 반사율 1.65%초과·저불활성저VM석탄=단독/배합불문고압력생성.

석탄 산화(Oxidation)

석탄산화→최대가소성감소·가소영역협소. 일부석탄초기산화→코킹압력증가, 이후팽창도감소·코킹압력급감. 동시 M10지수증가.

푸리에변환적외선(FIR)연구: 초기산화주기능기=카보닐/카르복실. 고산화도→에테르/에스테르/페놀기유의증가증거. 산화에의한가소성상실=에테르/에스테르가교결합형성기인.

스페인석탄 3종공기산화영향조사. 결과: 테스트'위험'판정석탄→산화특정수준까지위험성증가→이후급감. '안전'석탄→공기산화유의미영향없음.

CPM 저순도석탄 500~600°C저투과성산화영향연구: 산화로투과성증가→산화석탄개방공극부피증가기인. 일반적합의: 코크스품질동시손상없이산화로코킹압력감소어려움, 적당산화압력증가가능성.

석탄배합 연구

석탄배합거동/코킹압력실험연구시리즈. 배합: 수분 3.5%, 단순분쇄 80% 2mm이하 중력충전. 결과결론:

단독충전시중간코킹압력석탄→위험석탄코킹압력배합조성함수로서거의선형영향.
코킹압력없는고VM석탄→비례이상빠르게압력감소. 압력감소효과더큼. 효과=낮은순도일수록큼.
세미앤스라사이트(저VM)다름. 배합함께분쇄시압력저감효과현저하나코크스품질현저악화. 별도분쇄(95% 1mm미만)시 15%첨가→압력감소충분, 코크스품질약간만저하. 세미앤스라사이트=불활성→융해중석탄점도증가→응집력손상. 반코크수축감소(고VM석탄첨가시수축증가).

석탄배합개별석탄단독충전시보다고압력생성관찰. 약간융해성저VM석탄+고융해성석탄연관시→유동조건허용→저VM석탄위험성발현.

BCRA: 팽창압력발생관점에서이원배합거동=배합과량석탄특성주지의존. 배합효과연구결론:

코킹압력=VM 24%미만배합에서만발생.
약코킹석탄 30%첨가→저VM석탄위험성대폭감소.
고/저VM배합: 고VM비율증가시압력감소.
유사VM삼원배합: 거의비코킹석탄 15%첨가→코킹압력발생완전방지.

피치첨가 효과

고순도석탄가용성감소→야금코크스생산석탄배합피치첨가제관심증대. 피치=브리징에이전트→결과코크스강도개선. 피치: (1)가소상태수정(수소전이반응연관: 피치→자유라디칼H₂이동→가소상태안정화), (2)가소층확대, (3)VM방출증가. 피치첨가→코킹압력증가경향, 효과크기=석탄성질의존.

불활성물질 효과

상대적소비율불활성물질→석탄압력상당감소, 입자크기매우큰영향. 불활성물질여러효과: (1)희석효과(불활성물질부피불변→석탄팽창공간증가), (2)입자크기효과(불활성입자석탄보다미세→평균미세도증가→압력감소), (3)특정작용(불활성물질타르/역청흡수→석탄유동성/팽창감소, 미세/다공성일수록효과큼), (4)재고체화후충전물수축변화, (5)가소층투과성증가가능.

BCRA: 코크스브리즈첨가코킹압력연구. 보통코크스브리즈비율증가→평균벽압력감소. 다른시리즈: 조대브리즈최대 30%까지→내부가스최대압력 5%초과첨가부터감소, 최대벽압력 10%초과첨가전까지감소미미.

코킹압력감소특허: 톱밥/기타불활성물질플레이크 2~8%첨가제안. 플레이크작용=로충전물가소층파괴→가스통로제공.

오일첨가 효과

석탄배합오일첨가→일정수분조건BD변화→압력감소. 첨가오일=희석제작용→결과코크스기계적특성손상없이압력감소달성. 관찰: 안트라센오일첨가→석탄벽압력대폭감소, 압력최대치매우저온(<300°C)관찰. '풍선효과(balloon effect)'기인: 저온형성오일휘발성분→전진가소층사이포집→축적→압력발생.

수분 효과

충전물수분증가→BD감소→압력감소. 습식충전→탄화공정매우불균일·교란. 증기석탄입자작용→액체열분해생성물흡수능력영향. 수분가소존여러지점돌파→챔버벽따라이동→가스자유공간도달. 결과=고도로변형된가소층.

가소층합쳐짐=시간적/국소적개별구간확산. 벽압력=감소형태만발현. 반면예열충전탄화시가소층평행면으로가열벽수렴·동시전체길이/높이실질적합쳐짐→벽압력최대값달성.

슬롯형로건류중충전물수분함량=원충전수분비교지속상승(수분로중앙방향증류).

실규모로내부압력측정연구자다수: 로중심온도 100°C도달시피크압력기록. 이피크='물/증기피크'명명→이영역증기더이상응축불가→배출강제→결국가소엔벨로프내포집.

한연구: 평균물피크압력=석탄수분만의존, 수분증가시감소→BD가중요인자시사.

벌크밀도(BD) 효과

BD=코킹압력영향변수중최중요. BD증가→안전배합도매우고압력발생가능. 다수연구: 충전밀도높을수록로손상위험증가. 대형로건설→충전높이증가→충전중낙하높이증가→석탄충전밀도증가→팽창정도영향더중요.

BD코킹압력영향연구다수: 테스트로벽압력-BD함수관계본질합의부존재. 일부: 로그벽압력-BD직선기울기주장. 다른쪽: 곡선대표성더낫다주장. 또다른: 800kg/m³(건조)초과밀도에서BD증가압력증가율가속보임.

BCRA연구: 가스압력도벽압력과동일BD변동보임. 주어진BD변화→방법무관동일압력변화생성결론.

최근 BD코킹압력영향연구(단일배합다른BD사용): BD변화달성방식다양(오일첨가, 예열처리, 수분변화). BD=코킹압력큰영향, 아마 임의석탄/배합충전압력발생최중요인자확인.

입자크기 효과

다른크기석탄입자가열시입자중심→표면기체열분해생성물수송조건상이. 입자클수록유기질열분해결과내부압력증가→응축촉진→이후석탄물질열적변화주영향. 입자크기감소시초기연화온도상승·가소온도범위축소·가소질량점도증가.

실제BD·입자크기코킹압력독립적영향분석어려움. 사실배합미세도증가→충전밀도감소·코킹압력감소알려짐. 분쇄코킹압력독립영향연구. 연구검토: 전체배합미세도정도, 각배합성분미세도정도(차등분쇄), 분쇄모드효과(입도분포곡선모양). 결과: 실질적동일밀도에서입자크기코킹압력현저영향, 미세분쇄압력감소.

배합성분별도분쇄특별이점없음. 연구: 체계적분쇄특정경우특정효과(동일미세도단순분쇄보다압력낮음). 결론: 압력=조대입자비율(2~3mm이상)의존크다.

벌크밀도·분쇄동시작용검토: 한요인효과=다른요인수준의존. 밀도효과=조대분쇄일수록큼. 분쇄효과=고밀도일수록현저.