원료 코크스의 입자 크기 분포는 회전로에서 재료층의 투과성과 소성 균일성에 정량적으로 어떤 영향을 미치는가?

원료 코크스의 입자 크기 분포가 회전로 내 재료층의 투과성 및 소성 균일성에 미치는 정량적 영향은 입자 크기 매개변수와 공정 지표 간의 상관관계를 통해 다음과 같이 분석할 수 있다.

I. 입자 크기 분포가 재료층 투과율에 미치는 정량적 영향

입자 크기 균일성(PDI 값)

• 정의: 입자 크기 분포 분산 지수(PDI = D90/D10, 여기서 D90은 입자의 90%가 통과하는 체 크기이고, D10은 입자의 10%가 통과하는 체 크기임).
• 충격 패턴:
  PDI 값이 작을수록(입자 크기가 더 균일함을 나타냄) 재료층의 다공성이 높아지고 투과 지수(K 값)가 약 15%~20% 증가합니다.
• 실험 데이터:
  PDI가 2.0에서 1.3으로 감소하면 가마 내부의 압력 강하는 22% 감소하고 가스 유량은 18% 증가하여 투과성이 크게 향상됨을 나타냅니다.
• 기구:
  균일한 입자 크기는 작은 입자가 큰 입자 사이의 틈을 메우는 현상을 줄여 "입자 가교" 효과를 방지하고 공기 흐름 저항을 낮춥니다.

미세 입자 함량(<0.5mm)

• 임계점:
  미세 입자의 비율이 10%를 초과하면 투수성이 급격히 저하됩니다.
• 양적 관계:
  미세 입자가 5% 증가할 때마다 가마 내부의 압력 강하는 약 30% 증가하고 가스 유량은 25% 감소합니다.
• 사례 연구:
  석유 코크스 소성로에서 미세 입자 함량이 8%에서 15%로 증가하면 소성로 상단의 부압이 -200 Pa에서 -350 Pa로 상승하여 조업 유지를 위해 유도 통풍 팬의 동력을 증가시켜야 하므로 에너지 소비량이 12% 증가합니다.

평균 입자 크기(D50)

• 최적 범위:
  최적의 투과율은 D50 값이 8mm에서 15mm 사이일 때 달성됩니다.
• 편차의 영향:
  D50이 5mm 미만일 경우, 재료층의 다공성은 35% 미만으로 감소하고 투과율 지수는 40% 감소합니다.
  D50이 20mm를 초과하면 다공성은 높지만 입자 간 접촉 면적이 감소하여 열 전달 효율이 15% 감소하고 간접적으로 소성 균일성에 영향을 미칩니다.

II. 입자 크기 분포가 소성 균일성에 미치는 정량적 영향

온도 분포 표준편차(σT)

• 정의:
  가마 내부의 축 방향 온도 변동 진폭을 나타내는 통계적 지표로, σT 값이 작을수록 소성이 더욱 균일함을 의미합니다.
• 입자 크기의 영향:
  입자 크기가 균일할 경우(PDI < 1.5), σT는 ±15℃ 이내로 제어할 수 있습니다.
  입자 크기가 균일하지 않을 경우(PDI > 2.5), σT는 ±40℃까지 확장되어 국부적인 과연소 또는 불완전 연소를 초래합니다.
• 사례 연구:
  알루미늄-탄소 회전로에서 입자 크기 분포를 최적화하여 PDI를 2.8에서 1.4로 낮추면 제품의 휘발성 물질 함량의 표준 편차가 0.8%에서 0.3%로 감소하여 소성 균일성이 크게 향상됩니다.

반작용 전선 이동 속도(Vr)

• 정의:
  재료층 내 소성 반응 계면의 추진 속도는 소성 효율을 반영합니다.
• 입자 크기와의 상관관계:
  미세 입자(<3mm)의 비율이 10% 증가할 때마다 Vr은 약 25% 증가하지만, 지나치게 빠른 반응과 국부적인 과열을 유발할 수 있습니다.
  조립자(>20mm)의 비율이 10% 증가할 때마다 열 전달 저항 증가로 인해 Vr은 15% 감소합니다.
• 평형점:
  입자 크기 분포가 이중 모드(예: 3-8mm와 15-20mm 입자의 혼합물)인 경우, 균일성을 확보하면서 Vr을 최적 범위(0.5-1.0mm/min) 내로 유지할 수 있습니다.

제품 적격률(Q)

• 양적 관계:
  입자 크기 균일도(즉, PDI 값)가 0.5 단위 증가할 때마다 제품 합격률이 약 8% 증가합니다.
  미세 입자 함량이 5% 감소할 때마다 과소 연소 또는 과다 연소로 인한 폐기물 발생률이 12% 감소합니다.
• 산업 데이터:
  이산화티타늄 회전로에서 원료 코크스의 입자 크기(D50 = 12mm, PDI = 1.6)를 제어함으로써 제품 백색도의 표준편차가 1.2에서 0.5로 감소하고, 1등급 제품 생산율이 75%에서 92%로 증가한다.

III. 종합적인 최적화 권장 사항

입자 크기 제어 목표:

• D50: 8-15mm (재질 특성에 따라 조절 가능)
• PDI: <1.5;
• 미세 입자(<0.5mm) 함량: <8%.

프로세스 조정 전략:

• 입자 크기 분포를 균일하게 하기 위해 다단계 분쇄 및 선별 공정을 채택합니다.
• 미세 입자의 비산 손실을 줄이기 위해 사전 성형 처리(예: 브리켓팅)를 수행하십시오.
• 가마의 종류(길이 대 직경 비율, 회전 속도)에 따라 입자 크기 분포를 최적화하십시오. 예를 들어, 긴 가마에는 굵은 입자를 주성분으로 사용하고 짧은 가마에는 미세 입자를 보충적으로 사용하십시오.

모니터링 및 피드백:

• 소성로에 투입되는 재료의 입자 크기 분포를 실시간으로 모니터링하기 위해 온라인 입자 크기 분석기를 설치하십시오.
• 소성로 내부 온도장의 전산 유체 역학(CFD) 모델링과 결합하여 입자 크기 매개변수 및 소성 조건을 동적으로 조정합니다.