KR100359689B1 - 연료소모량및일산화탄소방출량이감소된직접환원철의제조방법및장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환원을 달성하는데 충분한 일산화탄소를 발생시키면서 물질을 처리하는데 필요한 연료의 양으로 환원을 가능하게 하며, 극미량 또는 어떠한 일산화탄소도 노로부터 방출되지 않음을 보장하는 노의 산화 구역 및 환원 구역(각 구역은 옥시 연료에 의해 점화됨)을 통해 철 산화물 및 탄소질 물질이 연속적으로 통과되는 직접 환원된 철을 생성시키는 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 일반적으로 철 산화물의 직접 환원에 관한 것이다.
철광석, 즉, 철 산화물의 직접 환원은 연속적인 산화 상태를 통해서 일산화탄소, 수소 및/또는 고체 탄소와의 반응에 의해 철광석이 금속철로 환원됨으로써 달성된다. 전형적으로, 철 산화물 및 탄소질 물질(예, 석탄)은 노(爐)에 채워진다. 공기와 연료의 연소에 의해 노 내로 공급된 열은 그 중에서도 특히 일산화탄소를 발생시킨다. 철광석 및 환원제가 노를 통해 통과할 때, 철광석은 금속철로환원되며, 노로부터 회수된다. 노 가스는 연관 또는 배출 도관을 통해 노로부터 외부로 방출된다. 철을 생산하는데 사용되는 연료의 양을 감소시키는 것이 바람직한데, 이것은 철을 생산하는데 드는 비용을 감소시키기 때문이다.
최근에는, 환경에 대한 관심이 높아지면서 직접 환원 철을 생산할 때 노로부터 방출되는 일산화탄소의 양을 감소시킬 것을 요구하게 되었다.
본 발명의 목적은 통상의 직접 환원 공정에 비해 일산화탄소의 방출량을 감소시킬 수 있는 직접 환원 철을 생산하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 상부 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 노 2: 공급물
3: 공급물 상자 4: 막
5: 산화 구역 6: 환원 구역
상기한 본 발명의 목적은 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 따른 직접 환원 철을 제조하는 방법은,
(A) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 노의 산화 구역으로 제공하고, 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 1 산화제 및 제 1 연료를 다수의 산화 버너를 통해서 산화 구역으로 제공하고, 공급물을 가열하기 위해 산화 구역에서 제 1 산화제 및 제 1 연료를 연소시키는 단계;
(B) 가열된 공급물을 노의 산화 구역으로부터 환원 구역으로 통과시키는 단계;
(C) 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 2 산화제 및 제 2 연료를 다수의 환원 버너를 통해 환원 구역으로 제공하고, 일산화탄소를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성시키기 위해 환원 구역에서 제 2 산화제 및 제 2 연료를 연소시키는단계;
(D) 철 산화물을 환원시켜서 직접 환원 철을 생성하기 위해 환원 구역에서 철 산화물을 탄소질 물질 및 일산화탄소와 반응시키는 단계; 및
(E) 노로부터 직접 환원 철을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 직접 환원 철을 제조하는 장치는,
(A) 산화 구역 및 환원 구역을 갖는 노;
(B) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 산화 구역 내로 공급하기 위한 공급 수단;
(C) 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원과 도관 수단에 의해 각각 연통하는, 산화제 및 연료를 산화 구역 내로 제공하기 위한 다수의 산화 버너;
(D) 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원과 도관 수단에 의해 각각 연통하는, 산화제 및 연료를 환원 구역 내로 제공하기 위한 다수의 환원 버너; 및
(E) 노로부터 직접 환원 철을 회수하기 위한 회수 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원에서 사용되는 용어 "화학량론적(stoichiometric)"은 주어진 양의 연료를 완전히 연소시키는데 필요한 산소의 양을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "초화학량론적(superstoichiometric)"은 화학량론을초과하는 산소 대 연료의 비를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "하위화학량론적(substoichiometric)"은 화학량론 보다 작은 산소 대 연료의 비를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "산화 버너(oxidizing burner)"는 산소 및 연료를 초화학량론적인 비율로 제공하는 버너를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "환원 버너(reducing burner)"는 산소 및 연료를 화학량론적 또는 하위화학량론적인 비율로 제공하는 버너를 의미한다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1을 보면, 회전식 평로의 상부 단면도가 도시되어 있다. 본 발명을 실시함에 있어 어떠한 적합한 직접 환원 노도 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 회전식 평로 형태, 즉 도넛 모양의 노는 바람직한 그러한 노이다. 공급물(2)은 공급물 상자(3)를 통해 노 내로 통과되고, 막(4)을 통하여 노(1)의 산화 구역(5)으로 이동한다.
공급물(2)은 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함한다. 철 산화물은 하나 이상의 철광석, 및 용광로 먼지 및 슬러지, 정련 노(basic oxygen furnace) 먼지 및 슬러지, 밀 스케일, 압연기 슬러지, 전기아크로 먼지, 및 스테인레스 제강 먼지 및 슬러지와 같은 강철 설비 폐기 산화물을 포함한다. 탄소질 물질은 하나 이상의 석탄, 코크스, 석유 코크스 및 목탄을 포함할 수 있다.
제 1 산화제 및 제 1 연료는 다수의 산화 버너(21,22,23,24)를 통해 산화 구역(5)으로 제공된다. 제 1 산화제는 25몰% 이상, 바람직하게는 40몰% 이상, 가장바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 제 1 연료는 메탄, 천연가스, 오일 또는 석탄과 같은 어떠한 적합한 연료일 수도 있다. 바람직하게는, 제 1 산화제 및 제 1 연료는 산화 구역 내의 노 가스, 즉 분위기(atmosphere)에서의 산소 농도가 2 내지 10 부피% 범위 내에 있도록 초화학량론적 비로 산화 구역에 제공된다.
제 1 산화제 및 제 1 연료 연소물은 산화 구역(5) 내에서 연소하여 이산화탄소 및 수증기와 같은 연소 반응 생성물, 및 열을 생성시킨다. 연소로부터 생성된 열은 공급물을 가열하는데 사용된다. 초화학량론적 비는 첨가 가스의 상쇄(dampening) 효과 때문에 일반적으로 낮은 불꽃 온도를 유발시킨다. 그러나, 본 발명을 실시함에 있어, 산화제의 상승된 산소 농도는 공기가 산화제로서 사용된 경우의 동일한 산소 분자를 기준으로 할 때 노 내로 통과될 질소의 양을 감소시킴으로써 이러한 상쇄 효과를 보상하며, 온도를 높게 유지하면서 산화 구역 내에서의 연료 소모를 매우 낮추어 공급물을 효과적으로 가열할 수 있게 한다. 전형적으로, 본 발명을 실시함에 있어, 산화 구역 내의 온도는 1100 내지 1250℃의 범위 내에 놓인다.
공급물은 가열되면서 산화 구역을 통과한다. 도 1에 도시된 회전식 평로에서, 공급물은 시계 반대 방향으로 산화 구역(5)을 통과한다. 이후, 가열된 공급물은 노(1)의 산화 구역(5)으로부터 환원 구역(6)으로 통과한다. 당업자라면 인지하겠지만, 산화 구역이 끝나고 환원 구역이 시작되는 어떠한 분명한 경계도 없으며; 전환(轉換) 범위가 존재한다. 산화 구역과 환원 구역의 존재는 각 구역에 작용하는 버너에 의해 조절된다.
제 2 산화제 및 제 2 연료는 다수의 환원 버너(25,26,27,28,29)를 통해 환원 구역(6) 내로 제공된다. 본 발명을 실시함에 있어, 환원 구역 내에서는 전형적으로 3 내지 10개의 버너가 사용될 것이며, 반면에 산화 구역 내에서는 2 내지 8개의 버너가 사용될 것이다. 본 발명을 실시함에 있어 산화 버너 및 환원 버너 둘 모두로서 사용하기 위한 바람직한 버너는 앤더슨(Anderson) 등의 미국특허 제 5,100,313호에 개시된 연소 장치이다. 당업자라면 각각의 산화 버너 및 환원 버너가 산화제 및 연료 공급원(도면에 기능적으로 도시되어 있지 않지만, 구상적인 형태로 흐름 화살표의 끝에서 원으로서 도시된)과 연통한다는 것, 즉 도관 수단에 의해 연료 공급원에 연결되어 있다는 것을 인지하고 있을 것이다.
제 2 산화제는 25몰% 이상, 바람직하게는 40몰% 이상, 가장 바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 제 2 연료는 메탄, 천연가스, 오일 또는 석탄과 같은 어떠한 적합한 연료일 수도 있다. 제 2 산화제 및 제 2 연료는 일단 연소되면 환원 구역 대기에서 노 가스에 어떠한 산소도 존재하지 않도록 하는 비율로 환원 구역으로 제공된다.
제 2 산화제 및 제 2 연료는 환원 구역(6)에서 연소하여 열 및 연소 반응 생성물을 생성시킨다. 산화 구역과 달리, 환원 구역 내의 연료에 대한 산소 분자의 보다 적은 이용성(availability) 때문에, 연료는 완전하게 연소되지 않으며, 결과적으로 환원 영역 내에서 생성된 연소 반응 생성물은 일산화탄소를 포함한다. 가열된 탄소질 물질 및 일산화탄소는 철 산화물과 반응하고, 철 산화물을 직접 환원철로 환원시키며, 이때 철 산화물 및 탄소질 물질은, 도면에 도시된 회전식 평로에서, 시계 반대 방향으로 환원 구역을 통해 통과한다. 환원 구역에서 철 산화물의 환원은 흡열반응이며, 그렇기 때문에 많은 열이 환원 구역으로 제공되어 환원을 지속시킨다. 전형적으로, 환원 구역 내의 온도는 1200 내지 1350℃ 범위 이내이다. 본 발명에서는 상승된 산소 농도를 갖는 제 2 산화제를 사용하기 때문에, 산화제로서 공기가 사용되는 경우에 노 내에 제공될 다량의 질소에 의해 야기되는 낮은 불꽃 온도로 인한 열전달율의 손실 없이 환원 구역 내에서 보다 높은 정도의 환원 조건으로 작동시킬 수 있다. 재차, 산화 구역에서의 실시예와 같이, 이는 어떠한 정도의 생산 수준에 대해서도 상당한 연료 절감을 얻을 수 있게 한다.
직접 환원 철은 막(7)을 통과한 후, 방출 나사(9)의 조작에 의해 방출 통로(8)를 통해 노로부터 방출되고, 생성물로서 직접 환원 철이 회수된다.
바람직하게는, 산화제는 각 버너로부터 산화 또는 환원 구역으로, 경우에 따라, 초당 200피트(fps) 이상, 가장 바람직하게는 500fps 이상의 고속으로 공급된다. 이렇게 고속으로 공급된 산화제는 일부 노 가스가 연료와 산화제의 연소 이전에 산화제내로 빨려 들어가게 하며, 그에 따라 수개의 버너의 연소 반응으로부터 전체 열 분포를 개선시킨다. 고속 산화제에 의해 야기되는 불꽃의 불안정을 피하기 위해, 저속의 산화제 부스트림이 연료와 고속의 산화제 주스트림 사이에서 버너로부터 노 내로 통과될 수 있다. 그러한 산화제 부스트림은 산화제 주스트림의 속도 보다 작은 속도, 바람직하게는 200fps 미만의 속도, 가장 바람직하게는 100fps 미만의 속도를 가지며, 버너로부터 노 내에 제공되는 10% 미만의 산화제를 포함할것이다.
상승된 산소 농도를 갖는 산화제를 사용함으로써 생성된 노의 높은 불꽃 온도는 철 산화물의 환원 수행에서 산화되지 않은 대부분 또는 모든 일산화탄소가 노 내에서 이산화탄소로 우세하게 변환되게하며, 그에 따라 주위 대기로의 일산화탄소의 방출량을 감소시키는 것을 보장하는 역할을 한다.
도 1에는 배출 도관 또는 연관(10)이 산화 구역(5) 내의 노 내부와 통하는 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 노 내에서의 가스 흐름은 노 내에서의 철 산화물 및 탄소질 물질의 흐름 방향에 역방향이다. 즉, 도 1에 도시된 배열에 있어, 노 내에서의 가스 흐름량은 철 산화물 및 탄소질 물질의 흐름량 보다 크며, 시계 방향으로 흐른다. 어떠한 초과량의 일산화탄소라도 연관에 도달하기 전에 산화 구역의 주요 부분을 통해 먼저 통과될 것이기 때문에, 본 발명의 일산화탄소 환원 경향을 증대시킨다. 산화 구역에서, 잔류하는 일산화탄소는 산소의 높은 분압 및 높은 불꽃 온도에서 초과량의 산소 분자와 만나게 되는데, 이는 노 내에서 일산화탄소가 이산화탄소로 추가로 변환되는 것을 조력한다. 노 가스, 예를 들어 연소 반응 생성물은 연관(10)을 통해 노(1)로부터 방출된다.
도 1에 도시된 배열은 산화 버너 중의 하나, 이 경우에는 버너(21)가 산화제 및 연료가 연관(10)으로 유도되도록 배향된다는 점에서 특히 바람직하다. 도면에 버너를 통해 통과되는 화살표는 버너로부터 노로 산화제 및 연료의 흐름 방향을 표시하도록 의도된 것이다. 이러한 배열은 일산화탄소가 노 내에서 이산화탄소로 변환되도록 하고 일산화탄소가 노로부터 방출되지 않도록 하는 것을 더 보장한다.
하기의 실시예 및 비교 실시예는 본 발명을 추가로 도해하고, 이로써 달성될 수 있는 장점을 입증하기 위해 제시된다. 이들은 본 발명을 제한하려고 의도된 것은 아니다.
회전식 평로는 니켈-카드뮴 배터리와 함께 크롬 및 니켈 산화물 함유 제강 슬러지를 처리하여 시간 당 8톤(tph)의 비율로 직접 환원 철을 생산하는데 사용되었다. 철 산화물과 함께 노 내로 통과된 탄소질 물질은 분말화된 코크스였다. 상기 시스템은 산화 구역 내에서 145%의 화학량론으로 조작되는 6개의 버너 및 환원 구역 내에서 100%의 화학량론으로 조작되는 10개의 버너를 사용하였다. 16개의 버너 각각에 대해 연료는 천연가스였고, 산화제는 공기였다. 이러한 통상의 방법의 결과는 표 1에 기재하였다.
| 산화 구역 | 환원 구역 | 합계 | |
| 발생된 열(MM Btu/h) | 4.3 | 12.17 | 16.47 |
| 유용 가능한 열(MM Btu/h) | 1.03 | 4.46 | 5.49 |
| 열효율 (%) | 23.9 | 36.7 | 33.3 |
| 천연가스 소모량(scfh) | 4,214 | 12,016 | 16,257 |
| 버너로부터 방출된 가스 용적(scfh) | 62,816 | 126,397 | 189,213 |
본 발명을 사용하여, 유사한 공급물을 처리하여 직접 환원 철을 생성시킨다. 사용된 시스템은 상기 4개의 버너가 산화 구역에서 사용되고 5개의 버너가 환원 구역에서 사용되는 시스템으로서 도 1에 도시된 시스템과 유사하며, 상기 산화 구역 버너 중의 하나는 연소 반응물을 배출 장치로 유도하도록 배향된다. 천연가스는 각 버너에 대하여 연료로서 사용되며, 92몰%의 산소 농도를 갖는 유체는 각 버너에대해 산화제로서 사용된다. 산화 구역 버너는 111%의 화학량론에서 조작되고, 환원 구역 버너는 100%의 화학량론에서 조작된다. 본 발명은 시간 당 16톤(tph)의 생산율로 직접 환원 철의 생산을 가능하게 한다. 본 발명의 이러한 실시예의 결과는 표 2에 기재하였다.
| 산화 구역 | 환원 구역 | 합계 | |
| 발생된 열(MM Btu/h) | 2.88 | 12.74 | 15.6 |
| 유용 가능한 열(MM Btu/h) | 2.06 | 8.92 | 10.98 |
| 열효율 (%) | 71.2 | 70.2 | 70.4 |
| 천연가스 소모량(scfh) | 2,847 | 12,558 | 15,405 |
| 버너로부터 방출된 가스 용적(scfh) | 9,837 | 40,465 | 50,302 |
표에 기재된 결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실시는 직접 환원 철의 생성 비율을 두배로 증가시키면서 연료 소모량을 실제로 감소시킨다. 제시된 예의 연료 절감율은 통상의 시스템의 연료 절감율과 비교하여 제품을 기준으로 하여 1 톤당 52.6%이다. 더욱이, 보다 낮은 연료 소모 비율은 일산화탄소 뿐만 아니라 이산화탄소 및 NOX의 방출량을 시간당 파운드 단위로 감소시킨다.
또한, 본 발명의 실시는 버너를 조작하는데 필요한 버너의 수를 상당히 감소시키며, 이에 의해 직접 환원 철을 생산하는 자본 비용이 상당히 절감된다.
보다 높은 생산성이 요구되지 않는 경우, 본 발명은 직접 환원 철의 품질을 개선하는데 사용될 수 있다. 품질의 개선은 노 내로 제공되는 탄소질 물질의 양을 증가시키고 노를 통과하는 물질의 체류 시간을 증가시킴으로써 달성된다. 본 발명으로 달성된 고온 및 개선된 열효율은, 본 발명의 실시로 달성된 고온에 의해 제공된 증가된 체류 시간으로 인해, 철내로 확산된 탄소 양 및 공급물의 금속화의 정도의 증가를 가능하게 한다.
본 발명의 실시는 지금까지 이용되고 있는 직접 환원 방법에 비해 임의의 주어진 수준의 생산성과 관련하여 감소된 수준의 일산화탄소를 방출시키고, 보다 적은 양의 연료를 사용하고, 보다 적은 수의 버너를 사용하고 보다 적은 배기 가스를 발생시키면서 직접 환원 철을 생산할 수 있다. 본 발명이 특정의 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 특허청구의 범위의 개념 및 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 구현될 수 있음을 인지할 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명을 사용하게 되면 연료 소모량 및 이산화탄소 방출량이 실질적으로 감소되고, 버너의 수가 감소되어 자본 비용이 상당히 절감된다.
Claims (10)
- 직접 환원 철의 제조 방법으로서,(A) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 노의 산화 구역으로 제공하고, 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 1 산화제 및 제 1 연료를 다수의 산화 버너를 통해서 상기 산화 구역으로 제공하고, 상기 공급물을 가열하기 위해 상기 산화 구역에서 상기 제 1 산화제 및 상기 제 1 연료를 연소시키는 단계;(B) 가열된 상기 공급물을 상기 노의 산화 구역으로부터 환원 구역으로 통과시키는 단계;(C) 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 2 산화제 및 제 2 연료를 다수의 환원 버너를 통해 상기 환원 구역으로 제공하고, 일산화탄소를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성시키기 위해 상기 환원 구역에서 상기 제 2 산화제 및 상기 제 2 연료를 연소시키는 단계;(D) 상기 철 산화물을 환원시켜 직접 환원 철을 생성시키기 위해 상기 환원 구역에서 상기 철 산화물을 탄소질 물질 및 일산화탄소와 반응시키는 단계; 및(E) 상기 노로부터 직접 환원 철을 회수하는 단계를 포함하는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 산화제 및 상기 제 2 산화제는 고속의 산화제 주스트림 및 상기 산화제 주스트림 보다 저속의 산화제 부스트림을 포함하는 두 부분으로 각각의 버너로부터 노 내로 제공되는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 연소 반응 생성물을 상기 환원 구역으로부터 상기 산화 구역으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 연소 반응 생성물을 상기 산화 구역 내에 위치된 배출 도관을 통해 상기 노의 외부로 통과시키는 단계를 더 포함하는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 제 1 산화제 및 상기 제 1 연료를 상기 배출 도관을 향하는 방향으로 상기 노 내에 제공하도록 상기 산화 버너가 배향되는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 산화 구역 내의 노 가스의 산소 농도가 2 내지 10 부피% 범위가 되도록 상기 제 1 산화제 및 상기 제 1 연료를 상기 산화 구역 내로 제공하는 직접 환원 철의 제조 방법.
- 직접 환원 철의 제조 장치로서,(A) 산화 구역 및 환원 구역을 갖는 노;(B) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 상기 산화 구역 내로 공급하기 위한 공급 수단;(C) 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제의 공급원과 도관 수단에 의해 각각 연통하는, 산화제 및 연료를 상기 산화 구역 내로 제공하기 위한 다수의 산화 버너;(D) 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제의 공급원과 도관 수단에 의해 각각 연통하는, 산화제 및 연료를 상기 환원 구역 내로 제공하기 위한 다수의 환원 버너; 및(E) 상기 노로부터 직접 환원 철을 회수하기 위한 회수 수단을 포함하는 직접 환원 철의 제조 장치.
- 제 7항에 있어서, 상기 노가 회전식 평로인 직접 환원 철의 제조 장치.
- 제 7항에 있어서, 상기 산화 구역 내에 위치한 배출 도관을 더 포함하는 직접 환원 철의 제조 장치.
- 제 9항에 있어서, 상기 산화제 및 연료를 상기 배출 도관을 향하는 방향으로 상기 노 내로 제공하도록 산화 버너가 위치되어 있는 직접 환원 철의 제조 장치.
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