KR100213342B1 - 분철광석의 복합형 유동층 환원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분철광석을 환원하는 유동층 환원로에서 고체상태의 분철광석을 환원시켜 용융가스화로에서 녹여 최종산물인 선철을 만들 수 있도록 환원된 고체환원철을 제조하기 위한 분철광석의 복합형 유동층 환원장치에 관한 것으로서, 복수의 유동층로와 사이클론을 갖추어 분철광석을 대립과 중립/미립으로 분리하여 환원하도록 된 분철광석의 유동층 환원장치에 있어서, 상기 제1유동층로(100)는 제2유동층로(200)의 내부 공탑영역인 철광석 유동층 상부에 설치되고, 상기 제1유동층로(100)의 광석 및 가스배출을 위한 제2배출구(105)는 제1도관(106)을 통하여 제2유동층로(200)의 내측 하부에 연결되며, 상기 사이클론 (300)의 하단부는 제2유동층로(200)의 상부를 관통하는 제6도관(302)을 통하여 제2유동층로(200)의 내측 하부에 연결됨을 특징으로 하여, 입도가 넓은 분철광석을 환원하는 경우 원료 철광석의 입도분포, 고온에서의 분화 및 환원성을 고려하여 고체 분철광석 입자의 반응성, 가스이용율, 가스소모량등 에너지를 최대한 효율적으로 이용함으로서 입도 분포가 넓은 분척광석을 최적으로 환원할 수 있도록 한다.

Description

분철광석의 복합형 유동층 환원장치

본 발명은 입도가 넓은 분철광석을 환원하는 유동층 환원로에서 고체상태의 분철광석을 환원시켜, 용융가스화로에서 녹여 최종산물인 선철을 만들 수 있도록 철광석이 85% 이상 환원된 고체 환원철을 제조하기 위한 유동층식 환원장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 원료 철광석의 입도 분포, 고온에서의 분화 및 환원성을 고려하여, 800-900℃의 고온파 CO + H₂환원가스 조성법위가 60-100% 범위에 있는 고온환원성 가스를 이용하여 고체 분철광석 입자의 반응성, 가스 이용율, 가스소모량등 에너지를 최대한 효율적으로 이용함으로써 입도분포가 넓은 분철광석을 유동층을 이용함에 있어서 경제성 측면에서 최적 조업을 달성할 수 있도록 한 분철광석의 복합형 유동층 환원장치에 관한 것이다.

일반적인 고로법은 고체입자의 크기가 커서 고정층법으로 철광석 환원이 가능하지만, 미분 광석의 환원인 경우는 고정층과 같이 유속이 낮은 경우 스티킹(sticking) 등으로 인해 조업증단이 발생할 우려가 있으므로 반응기내 통기성 확보를 위해 유속을 충분히 하여 고체입자의 움직임을 원할하게 하는 유동층법이 필수적으로 채택되고 있다.

상기 유동층을 이용하여 분철광석을 환원하는 한 일례로서는 일본 공개용 신안공보 소58-217615호의 유동층 환원로를 들 수 있다. 이 유동층식 분철광석 환원로는 구조상 크게 원통형 환원로와 사이클론으로 나누어지고, 상기 원통형 환원로에는 원료 철광석 장입구와 고온 환원가스의 도입을 위한 도입구 및 환원가스에 의해 환원된 철광석의 배출을 위한 배출구로 구성되며, 환원로의 내측 하부에는 가스 분산판이 내장되어 있다. 상기 원통형 환원로의 하부 가스 분산판만을 통해 원하는 유량으로 환원가스를 공급하면서 장입구를 통해 분철광석을 보내면 고온의 환원가스와 혼합, 교반되며 반응하고, 일정한 시간이 지난후 환원된 분철광석은 배출구를 통해 배출된다. 이때 형성된 유동층의 형태는 원통형 환원로에서 공급되는 환원가스가 기포로 되어 환원로 상부의 입자층을 통과하면서 기포가 성장하는 기포유동층이다.

상기 종래의 유동층 환원로에서는 생산성등 경제적인 측면을 고려하여 원할한 유동상태에서 환원로 외부로 비산되는 미립 철광석의 양을 줄이고, 환원 가스 소모량을 최소화 하며, 가스 이용율을 최대로 하기 위해서 환원로에 장입되는 원료 철광석의 입도가 엄격히 제한되기 때문에 넓은 입도분포를 지니는 분철광석을 처리할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 상기 종래의 유동층 환원로에 장입되는 철광석의 입도분포는 일반적으로 넓은 범위의 입도를 갖지 못하고 0-0.5㎜, 0-1㎜, 1-2㎜ 등으로 제한되어 있다. 그러나, 실제로 존재하는 분철광석의 입도는 대부분이 8㎜ 이하로서, 이러한 입도를 가지는 분철광석을 사용하기 위해서 장입하는 철광석을 미리 규정 입도로 체질하여 분급 사용하거나 규정입도 이하로 분쇄하여 사용함으로서 생산속도저하, 공정 및 추가설비부담으로 인하여 경제적인 면에서 손실을 초래하는 문제점이 있다.

한편, 상기 종래의 유동층 환원로에 대한 제반 문제점을 해결하기 위한 트윈(Twin)형 유동층 환원로의 일례로서 대한민국 특허 제 074056호가 제시되어 있다.

상기에 제신된 트윈형 유동층식 분철광석 환원로는 도1에 나타낸 바와 같이, 구조상 크게 대립철광석을 환원하는 제1유동층로(10)와 중/미립철광석을 환원시키는 제2유동층로(20), 극미립철광석을 포집하는 사이클론(30)으로 구성된다.

상기 제1유동층로(10)는 하단부에 환원가스 공급구(11)가 형성되고, 내부에는 가스분산판(12)가 장착되어 있으며, 반응기 일측 하부에는 제1배출구(13)가 형성되며, 상부에는 제2배출구(15)가 형성되고, 이러한 제2배출구(15)는 제1도관(16)을 통해 상기 제2유동층로(20)의 하부 일측과 연결되어 있다. 또한, 상기 제1유동층로(10)와 타측 하부에는 광석공급구(14)가 형성되어 있다.

상기 제2유동층로(20)는 하단부에 환원가스 공급구(21)가 형성되고, 내측 하부에는 가스분산판(22)이 장착되어 있으며, 반응기 일측 하부에는 제3배출구(23)가 형성되는 한편, 상단부는 사이클론(30)의 일측과 연결되어 있다. 상기 사이클론(30)의 하단부는 제6도관(35)과 연결되어 상기 제2유동층로(20)의 일측 하부로 연결된다. 상기 사이클론(30)의 상단부에는 가스 배출구(33)가 형성되어 분철광석과 반응한 배기가스를 대기중으로 방출한다.

상기와 같이 구성된 트위형 유동층식 분철광석 환원로를 이용하여 환원하는 과정은 다음과 같다.

즉, 제1유동경로(10)의 광석공급구(14)로 분철광석을 공급하고, 이때 제1환원가스 공급구(11)를 통해 공급되는 환원가스의 유속을 조절하여 대립 철광석은 제1유동층로(10)내에 남아 있도록 해서 기포 또는 난류 유동층을 형성하면서 환원하며, 중/미립 철광석은 제1도관(16)을 경유하여 제2유동층로(20) 하부로 기송시켜 제2유동층로(20)내에서 제2가스공급구(21)를 통해 공급되는 낮은 유속의 환원가스에 의해 기포 또는 난류 유동층을 형성하면서 환원하며, 환원된 철광석은 각각 제1배출구(13)와 제3배출구(23)를 경유하여 배출한다.

상기 대한민국 특허 제074056호에 제시된 트윈형 유동층 환원로는 적정유속으로 대립과 중/미립철광석을 효과적으로 분급하여 환원함으로서, 넓은 입도분포를 갖는 철광석의 유동을 안정시키고 철광석의 농도를 균일하게 유지하면서 환원율이 양호한 환원철을 얻을 수 있어, 비산을 줄이고 가스원단위를 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기한 종래의 트윈형 유동층로는 제1유동층로(10)와 제2유동층로(20)인 2개의 반응기를 사용하기 때문에 종래의 싱글(single) 형에 비해 열손실이 크고 많은 공간이 필요하다. 또한 열원이기도 한 환원가스도 2개로 나누어 각 반응기로 공급해야 하기 때문에 공급관에서의 열손실이 커 각 반응기에 충분한 열량을 공급하기가 어려워 추가로 열량을 보충해주어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입도가 넓은 분철광석을 환원하는 경우 원료 철광석의 입도분포, 고온에서의 분화 및 환원성을 고려하여 고체 분철광석 입자의 반응성, 가스이용율, 가스소모량등 에너지를 최대한 효율적으로 이용함으로서 입도분포가 넓은 분철광석을 최적으로 환원할 수 있도록 한 분철광석의 복합형 유동층 환원장치를 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 종래의 분철광석이 트윈(Twin)형 유동층식 환원로를 나타낸 구성도.

제2도는 본 발명에 의한 분철광석의 복합형 유동층 환원로를 나타낸 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 제1유동층로 101 : 가스공급구

102 : 제1가스분산판 103 : 제1배출구

104 : 철광석공급구 105 : 제2배출구

200 : 제2유동층로 200a : 축소부

200c : 확대부 201 : 가스공급구

202 :제2가스분산판 203 : 제3배출구

300 : 사이클론

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 내측 하부에 가스분산판을 갖추고 하단부에 환원가스공급구를 각각 형성한 제1 및 제2유동층로를 갖추어 상기 제1유동층로에서 분철광석을 대립과 중립/미립으로 분리하고 중립/미립분철광석은 제2배출구를 통하여 제2유동층로로 공급함으로서 분철광석을 유동층을 형성하면서 환원시켜 각각 광석배출구를 통해 배출하고, 상기 제2유동층로로부터의 배가스에 함유된 미립철광석을 가스와 분리하여 유동층로로 재 순화될 수 있도록 된 사이클론을 갖춘 분철광석의 유동층 환원장치에 있어서, 상기 제1유동층로는 제2유동층로의 내부 공탑영역인 철광석 유동층 상부에 설치되고, 상기 제1유동층로의 광석 및 가스배출을 위한 제2배출구는 제1도관을 통하여 제2유동층로의 내측 하부에 연결되며, 상기 사이클론의 하단부는 제2유동층로의 상부를 관통하는 제6도관을 통하여 제2유동층로의 내측 하부에 연결됨을 특징으로 하는 분철광석의 복합성 유동층 환원장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

본 발명은, 제1유동층로 및 제2유동층로로 이루어져 분철광석을 대립과 중립/미립으로 분리하여 각각 기포유동층을 형성하면서 환원하는 복합형 유동층로와, 제2유동층로의 배가스에 함유된 미립철광석이 가스와 분리되어 제2유동층로 하부로 재순환되도록 한 사이클론을 포함하여 구성하며, 제1유동층로를 제2유동층로 내에 위치하게 구성하여 종래 트윈형에 비하여 열손실 및 설치공간을 대폭 줄일 수 있게 하는 구성을 가진다.

즉, 제2도는 본 발명에 따른 분철광석의 복합형 유동층 환원장치를 개략적으로 도시한 구성도로서, 제2유동층로(200) 내부에 형성되는 중/미립철광석 유동층 보다 높은 위치 즉, 공탑영역(freeboard zone)에 설치되며, 제2도관(107)으로부터 장입된 원료분철광석이 조절된 가스유속에 의해 대립과 중/미립으로 분급됨으로서, 대립 철광석은 제1유동층로(100)내로 남아 제1가스공급구(101)를 통해 공급되는 높은 가스유속의 환원가스에 의하여 기포 또는 난류 유동층을 형성하면서 환원되도록 하고, 중/미립철광석은 제1도관(106)을 통하여 제2유동층로(200) 하부로 기송되도록 구성된 제1유동층로(100)와, 상기 제1유동층로(100)로부터의 폐가스에 비말동반되어 이송된 중/미립 분철광석이 제2가스공급구(201)를 통해 공급되는 낮은 유속의 환원가스에 의해 기포 또는 난류 유동층을 형성하면서 환원되는 제2유동층로(200); 및, 상기 제2유동층로(200)의 배가스에 함유된 미립 철광석이 가스와 분리하여 제2유동층로(200) 하부로 재순환되도록 구성된 사이클론(300); 을 포함하여 구성된다.

상기 제1유동층로(100)는 대략의 원통형으로 이루어져, 하단부에는 환원가스를 공급받기 위한 제1가스공급구(101)가 형성되고, 하부 내측에는 제1가스분산판(102)이 장착된다. 그리고, 일측 하단부에는 광석의 배출을 위한 제3도관(108)에 연결된 제1배출구(103)가 형성되고, 타측 하부에는 분철광석 공급을 위한 제2도관(107)에 연결된 철광석 공급구(104)가 형성되며, 상부에는 광석 및 가스의 배출을 위한 제2배출구(105)가 형성되어 제1도관(106)을 거쳐 제1유동층로(200)의 하부로 연결되도록 한다.

상기 제2유동층로(200)는 상부측 내경크기가 하부측 내경크기보다 크게 형성되는 대략의 상광하협의 중공원통형으로 이루어지는바, 내경크기가 큰 상부측 확대부(200c), 내경크기가 작은 하부측 축소부(200a) 및, 상기 확대부(200c)와 축소부(200a)를 연결할 수 있도록 그 내경크기가 점차로 변화하는 경사부(200b)로 구성되어, 하부측 축소부(200a)에서는 철광석의 기포유동을 활발하게 하여 가스 이용율을 높임과 동시에 가스 원단위를 향상시키며, 로상부의 내경을 하부보다 크게하여 로 상부 유속을 저하시킴으로서 극미립 철광석의 비산을 억제하는 것이다.

상기 축소부(200a)의 하단부에는 환원가스를 공급받기 위한 제2가스 공급구(201)가 형성되고, 하부 내측에는 제2가스분산관(202)이 장착되며, 일측 하부에는 광석의 배출을 위한 제5도관(205)에 연결된 제3배출구(203)가 형성된다. 그리고, 상기 확대부(200c) 상단부에는 가스의 배출을 위한 제4배출구(204)가 형성되고, 제7도관(305)을 통해 사이클론(300)을 통해 사이클론(300)의 일측과 연결된다.

상기 사이클론(300)은 제7도관(305)을 통해 유입구(301)로 유입되는 제2유동층로(200)의 배가스에 함유된 미립 철광석이 가스와 분리되어 제2유동층로(200)의 내측 하부로 깊숙이 재 순환되도록 하단부(302)에 제6도관(305)이 연결되어 있다. 또한, 상기 사이클론(300)의 상단부에는 가스 배출구(303)가 형성되어 가스 배출관(304)을 통하여 분철광석과 반응한 배기가스를 대기중으로 방출한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 분철광석의 복합형 유동층 환원장치를 사용하여 분철광석을 환원하는 방법에 대하여 설명한다.

제1유동층로(100)로 공급된 환원가스 유속을 중립광석의 종말 속도 이상으로 유지하여 제1유동층로(100)에 공급된 원료 분철광석을 대립과 중/미립으로 분급시킴으로서, 대립 철광석은 제1유동층로(100)내에 남겨 기포 또는 난류 유동층을 형성하면서 환원시키고, 중/미립 철광석은 제1도관(106)을 경유하여 제2유동층로(200)의 하부로 기송시켜 제2가스 공급구(201)를 통해 공급된 환원가스를 이용하여 별도로 기포 유동층을 형성하면서 환원시킨 다음, 각각 제1배출구(103)와 제3배출구(203)를 통해 배출시킨다. 제2유동층로(200)의 배가스에 함유된 극미립 철광석은 제7도관(305)을 통하여 사이클론(300)으로 공급되어 그 사이클론(300)에서 가스와 분리되어 제2유동층로(200)의 하부에 형성되는 중립/미립 유동층의 하부 깊은 곳으로 재 순화되도록 한다.

본 발명에서와 같이 복합형 유동층식 환원로를 사용하여 분철광석을 환원하는 경우에는, 제1유동층로(100)내 가스유속은 원할한 유동 및 비산량을 고려해볼 때, 로내에 체류하는 분철광석의 최소 유동화속도의 1.2-2.5 배의 범위에 있도록 설정하는 것이 바람직하며, 제2유동층로내 가스유속은 최소 유동화속도의 1.2-1.8배의 범위에 있도록 설정하는 것이 바람작하다.

또한, 제1유동경로(100)의 분산판(102)으로부터의 높이는 그 내경의 10-15배로 설정하는 것이 바람직하고, 제2유동층로(200)의 축소부(200a)와 경사부(200b)의 분산판(202)으로부터의 높이는 축소부(100a) 내경의 5-10배로 설정하고 제2유동층로(200)의 확대부의 높이는 그 내경의 2-4배로 함이 바람직하다. 제1유동층로(100)는 제2유동층로(200)내의 공탑영역(Freeboard zone)에 설치하여 야 하며, 즉 그 하단부가 제3광석 배출구(203)보다 높게 유지하도록 함이 발생한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기 표1과 같은 크기를 갖는 제3도의 환원장치를 이용하여 표2 내지 표4에 나타낸 환원조건으로 환원을 행하였다.

상기와 같이 분철공석을 환원한 후, 평균 가스이용율 및 가스원단위를 조사한 결과, 가스이용율은 약 30-50%, 가스원 단위는 1200-1300Nm3/ton-ore 이었다. 또한 제1배출구(103), 제3배출구 (203)에서 배출된 환원철은 그 환원율이 88-95% 범위였으며, 미립 철광석 환원율이 다수 높았음을 알 수 있었다. 광학호퍼로부터 광석투입 후 60분 이내에 광석배출이 가능하였으며, 이는 환원철의 생산속도가 우수함을 알 수 있었다. 그리고 특히 외부에서 열보충없이 반응기내 온도 850℃로 유지하면서 조업할수 있었다.

상술한 바와 같이 입도분포가 넓은 분철광석을 입자크기별로 나누어 환원시킴으로서, 가스원단위를 향상시킬 수 있는 종래의 트윈형의 장점을 살리고, 제1유동층로를 제2유동층로내에 설치함으로서 열 근실을 줄이고 충분한 로열을 확보할 수 있게 하여 종래의 트윈형의 문제점을 개선할 수 있고 또한 트윈형에 비해 설치공간이 훤씬 작게 요구되는 우수한 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 분철광석의 입경과는 관계없이 환원율이 비교적 균일한 환원철을 얻는 동시에 입경별로 분급된 환원철을 얻을 수 있어 용해로로 투입시 투입설비와 투입위치별로 적정크기의 환원철 공급이 가능해지고, 환원가스의 공급유속에 따라 각각의 배출구를 환원철의 양과 입경 조절이 가능하고, 철광석 로내 체류기간으로서 환원을 제어가 가능한 효과를 가진다.

Claims (7)

1. 내측 하부에 가스분산판을 갖추고 하단부에 환원가스공급구를 각각 형성한 제1 및 제2유동층로를 갖추어 상기 제1유동층로에서 분철광석을 대립과 중립/미립으로 분리하고 중립/미립분철광석은 제2배출구를 통하여 제2유동층로로 공급함으로서 분철광석을 입도별로 각각 유동층을 형성하면서 환원시켜 각각 광석배출구를 통해 배출하고, 상기 제2유동층로로부터의 배가스에 함유된 미립철광석을 가스와 분리하여 유동층로로 재 순화될 수 있도록 된 사이클론을 갖춘 분철광석의 유동층 환원장치에 있어서, 상기 제1유동층로(100)는 제2유동층로(200)의 내부 공탑영역인 철광석 유동층 상부에 설치되고, 상기 제1유동층로(100)의 광석 및 가스배출을 위한 제2배출구(105)는 제1도관(106)을 통하여 제2유동층로(200)의 내측 하부에 연결되며, 상기 사이클론(300)의 하단부는 제2유동층(200)로의 상부를 관통하는 제6도관(302)을 통하여 제2유동층로(200)의 내측 하부에 연결됨을 특징으로 하는 분철광석의 복합성 유동층 환원장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2유동층로(200)는 내경이 점차적으로 변화하는 중앙측 경사부(200b)와, 상기 경사부(200b)의 하단부 내경을 유지하도록 된 하측 축소부(200a) 및, 상기 경사부(200b)의 상단부 내경을 유지하도록 된 상측 확대부(200c)로 이루어진 상광하협형임을 특징으로 하는 분철광석의 복합형 유동층 환원장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1유동층로(100)내의 가스유속을 로내에 체류하는 분철광석의 최소 유동화속도의 1.2-2.5배의 범위에 있음을 특징으로 하는 분철광석의 복합형 유동층 환원장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2유동층로(200)내의 가스유속을 로내에 체류하는 분철광석의 최소 유동화 속도를 1.2-1.8 배의 범위에 있음을 특징으로 하는 분천광석의 복합성 유동층 환원장치.
5. 제1항 내지 제3항의 어느 한 한 항에 있어서, 상기 제1유동층로(100)의 분산판(102)으로부터의 높이는 내경의 10-15배의 범위에 있음을 특징으로 하는 분철광석의 복합형 유동층 환원.
6. 제1항, 제2항 또는 제4항에 있어서 어느 한 항에 있어서, 상기 제2유동층(200)의 축소부(200a)와 경사부(200b)의 분산판(202)으로부터의 높이는 축소부 내경의 5-10 배로 설정하고, 확대부(200c)의 높이는 그 내경의 2-4배에 있음을 특징으로 하는 분철광석의 복합성 유동층 환원장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1유동층로(100)는 그 하단부가 제2유동층로(200)의 광석배출을 제3배출구(203)보다 높게 유지하도록 함을 특징으로 하는 분철광석의 복합형 유동층 환원장치.

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