KR100433872B1 - 극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법 - Google Patents

극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철생산량을 증가시키기 위해 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법으로서, 극저온 정류는 두 시스템을 연결하고 두 시스템을 위한 공급 재료를 제조한다.

Description

극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법 {METHOD FOR INTEGRATING A BLAST FURNACE AND A DIRECT REDUCTION REACTOR USING CRYOGENIC RECTIFICATION}
본 발명은 일반적인 제강 및 극저온 정류에 관한 것으로, 제강 공정에서 비용을 효율적으로 절감시키기 위해 제강 및 극저온 정류 공정을 통합하는 방법에 관한 것이다.
용광로의 공정에서, 석탄 및 공기가 연소하고, 이에 의해 발생된 환원 가스는 철광석을 철제품으로 환원시키기 위해 사용된다. 용광로부터 배출된 배기 가스는 소정의 열량을 가지고 있으며, 일반적으로 동력 및 증기 발생용 연료로서 사용된다. 이러한 배기 가스는 효과적으로 사용되어야 하는데, 파워 그리드(power grid)를 통해 사용되는 전기 소요량을 감소시키는 측면에서 배기 가스를 보다 양호하게 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 제강 공장에서 제강 용량을 증가시키기 위해 용광로부터 배출된 배기 가스가 효과적으로 채용되는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 압력 요동 흡착 유닛(swing adsorption unit)을 사용하여 이산화탄소를 제거하는 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 도시한 개략적인 흐름도,
도 2는 고온 탄산 칼륨 시스템을 사용하여 이산화탄소를 제거하는 본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예를 도시한 개략적인 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101: 극저온 공기 분리 장치 103: 스토브
104: 용광로 107: 세척탑
110: 압축기 114: 변환 반응 섹션
117: 산가스 제거 시스템 118: 압력 요동 흡착 시스템
120: 메탄화 섹션 123: 건조기
124: 예비정화기 126: 극저온 정류 장치
129: 멤브레인 분리 유닛 132: 직접 환원로 시스템
134: 블로어 136: 산화 반응기
일반적으로, 본 발명은 극저온 정류를 사용하여 용광로와 직접 환원로를 효과적으로 통합시키는 것이다. 극저온 정류는 용광로의 작용을 개선시키며, 용광로로부터 배출된 배기 가스를 직접 환원로에서 사용될 수 있도록 하여 용광로 자체로부터 배출된 철제품 및 용광로와 직접 환원로의 통합체로부터 배출된 철제품 모두를 개선시킨다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 극저온 정류를 사용하여 용광로와 직접 환원로를 통합시키는 방법은,
(A) 산소를 생성하기 위해 극저온 공기 분리 장치에서 극저온 정류에 의해 공기를 분리하는 단계와,
(B) 산소가 약 22 내지 50 몰%이고 나머지는 주로 질소로 구성된 블라스트 공기를 형성하기 위해 상기 극저온 공기 분리 장치로부터 생성된 산소와 공기를 혼합하는 단계와,
(C) 질소, 일산화탄소, 및 수소를 포함하는 용광로 가스를 생성하기 위해 상기 블라스트 공기를 상기 용광로 내로 통과시킨 후 상기 용광로 내에서 상기 블라스트 공기 중와 탄화수소 연료를 연소시키는 단계와,
(D) 이산화탄소와 부가의 수소를 생성하기 위해 상기 일산화탄소와 증기를 반응시키고, 질소와 수소를 포함하는 강화된 용광로 가스를 생성하기 위해 상기 용광로 가스로부터 상기 이산화탄소를 제거하는 단계와,
(E) 상기 강화된 용광로 가스를 극저온 정류 장치 내로 통과시킨 후, 수소와 잔류 질소를 생성하기 위해 상기 극저온 정류 장치 내에서 상기 강화된 용광로 가스를 분리하는 단계와, 그리고
(F) 철을 제조하기 위해, 상기 극저온 정류 장치로부터 생성된 수소와 직접 환원로 내부의 철광석을 반응시키는 단계를 포함한다.
본 명세서에 사용된 "철광석"이라는 용어는 산화제일철(ferric oxide) 및 산화제이철(ferrous oxide)과 같은 하나 이상의 철산화물을 의미한다.
본 명세서에 사용된 "칼럼"이라는 용어는 증류 또는 분류 칼럼 또는 영역, 즉 접촉 칼럼 또는 영역을 의미한다. 여기서 액체와 기체상은 유체 혼합물을 효과적으로 분리시키기 위해 역류식으로 접촉되는데, 예컨대 칼럼 및/또는 규칙적 또는 무질서한 팩킹과 같은 팩킹 요소 내에 장착된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 판 상에서 기체와 액체가 접촉함으로써 역류식으로 접촉된다.
본 명세서에 사용된 "극저온 정류 장치"라는 용어는 장치의 적어도 일부분이 150 K 이하의 온도에서 작동하는 분리 설비를 의미한다.
본 명세서에 사용된 "극저온 공기 분리 장치"는 공급 공기를 분리하여 산소와 질소 중 적어도 어느 하나를 제조할 수 있는 하나 이상의 칼럼을 포함하는 극저온 정류 장치를 의미한다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 주로 질소와 산소를 포함하는 공급 공기(1)가 극저온 공기 분리 장치(101) 내로 공급되고, 극저온 공기 분리 장치(101)에서 극저온 정류에 의해 분리되어 산소가 생성된다. 극저온 공기 분리 장치(101)는 다른 유효한 극저온 공기 분리 장치일 수도 있다. 극저온 공기 분리 장치(101)는 서로 열교환 관계에 있는 고압 칼럼과 저압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼 장치인 것이 바람직한데, 고압 칼럼에서 공급 공기는 극저온 정류에 의해 산소 부화 유체(oxygen-enriched fluid)와 질소 부화 유체로 예비 분리되며, 이후 이들 유체들은 저압 칼럼 내로 공급되어서 극저온 정류에 의해 산소 생성물과 질소 생성물로 최종 분리된다. 극저온 공기 분리 장치로는 아르곤 생성물이 제조될 수도 있는 아르곤 사이드아암 칼럼(argon sidearm column)과 같은 다른 칼럼들이 적용될 수도 있다.
질소는 극저온 공기 분리 장치(101)로부터 스트림(4)으로 배출되며, 이러한 질소는 전체적으로 또는 부분적으로 회수되거나, 또는 대기로 배출될 수도 있다. 산소 부유 공기의 농도로부터 고순도의 산소 농도, 즉 일반적으로 40 내지 99.9 몰%의 산소 농도를 갖는 산소 생성물은 극저온 공기 분리 장치로부터 스트림(6)으로 배출된다. 극저온 공기 분리 장치로부터 배출된 산소는 산소 부유 공기 또는 블라스트 공기(8)를 생성하기 위해 스트림(7)으로부터 배출된 공기와 혼합된다. 블라스트 공기는 일반적으로 22 내지 50 몰%의 산소 농도를 가지며, 나머지는 주로 질소를 포함한다.
블라스트 공기(8)는 스토브(103)에서 1500 내지 2200 ℉의 온도로 가열되고, 가열된 고온의 블라스트 공기(10)는 석탄, 오일 또는 천연 가스일 수도 있는 탄화수소 연료(12)와 함께 용광로(104) 내로 공급된다. 또 철광석, 석탄 및 융제(flux materials)를 포함하는 노 장입물(14)이 용광로(104) 내로 공급된다. 블라스트 공기 중의 산소는 용광로 내에서 탄화수소 연료와 반응하여 열을 발생시키고, 노를 통해 위로 상승할 때 철광석을 철로 변환시키는 환원 가스를 생성한다. 용융철과 슬래그가 용광로(104)의 바닥부로부터 라인(13)을 통해 제거되고, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 수소를 포함하는 용광로 가스가 용광로(104)의 상부에서 수집되어서 배기 가스(15)로서 용광로(104)로부터 배출된다.
블라스트 공기가, 공기 중의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 가지면서도, 상당한 수준의 질소, 즉 약 60 몰% 이상의 질소도 포함하는 것이 본 발명의 중요한 양태이다. 이는 두 가지의 장점을 제공한다. 즉, 종래의 용광로를 대폭 개조하지 않으면서 용광로를 작동시킬 수 있는데, 이러한 용광로에서, 공기는 단일 산소 공급원이며, 또한 하류에서 용광로와 직접 환원로의 통합 작용이 유리하게 적용될 수도 있는 질소 공급원으로서 작용한다.
도 1을 다시 참조하면, 용광로 배기 가스(15) 중의 일부 배기 가스(17)는 블라스트 공기를 가열하는 스토브(103)로 이송되며, 용광로 배기 가스(15) 중의 나머지 배기 가스(16)는 세척탑(wash tower, 107)의 하부로 이송된다. 물은 스트림(18)을 통해 세척탑(107)의 상부로 이송되고, 용광로 가스의 상방 유동에 대항하여 세척탑(107) 아래로 유동하며, 이러한 과정에서 용광로 가스 내의 불순물 입자가 아래로 유동하는 물에 의해 세척되고, 용광로 가스는 40 내지 150 ℉의 온도로 냉각된다. 세척물은 스트림(20)을 통해 세척탑(107)으로부터 제거된다.
냉각된 용광로 가스는 스트림(22)을 통해 세척탑(107)의 상부로부터 배출되어서 압축기(110)로 이송되는데, 압축기(110)에서 가스는 100 내지 500 psia의 범위로 가압된다. 가압된 용광로 가스 스트림(24)은 거의 동일한 압력에서 증기와 혼합되어서 물-가스 변환 반응 스트림(28)을 형성한다. 증기 스트림(26)은 물-가스 변환 반응 스트림(28) 내에서 물 대 일산화탄소의 비가 2 대 5의 범위가 되도록 가압된 용광로 가스 스트림(24)에 부가된다. 스트림(24, 26)은 서로 혼합되기 전에 각각 약 600 ℉로 가열되어서 용광로 가스 스트림(28)을 형성하는 것이 바람직하다.
물-가스 변환 반응 스트림(28)은 물-가스 변환 반응 섹션(114)으로 이송되는데, 이러한 물-가스 변환 반응 섹션(114)은 고온 변환 반응기 및 저온 변환 반응기를 포함하는 것이 좋으며, 각각의 변환 반응기 뒤에는 열교환기를 갖추고 있다. 물-가스 변환 반응 혼합물이 변환 반응기를 통과할 때, 일산화탄소는 증기와 발열 반응하여 이산화탄소와 수소를 생성한다. 이후, 질소, 이산화탄소, 및 수소를 포함하는 용광로 가스는 스트림(30)을 통해 물-가스 변환 반응 섹션(114)으로부터 압력 요동 흡착 시스템(118)으로 이송되는데, 이러한 압력 요동 흡착 시스템(118)은 이산화탄소를 우선적으로 흡착하는 하나 이상의 흡착 베드를 포함한다. 예컨대, 이러한 흡착 재료로는 활성화된 탄소 및 제오라이트가 있다.
용광로 가스가 압력 요동 흡착 시스템(118)을 통과할 때, 이산화탄소는 흡착 베드에 우선적으로 흡착됨으로써 용광로 가스로부터 제거된다. 질소와 수소를 포함하는 강화된 용광로 가스는 압력 요동 흡착 시스템으로부터 스트림(32)을 통해 배출된다.
스트림(32)은 최대 300ppm의 이산화탄소를 포함할 수도 있으며, 어느 정도의 물도 포함할 것이다. 스트림(32)은 물과 이산화탄소의 제거를 위해 예비정화기(124)를 통과한다. 이러한 예비정화기(124)로부터 강화된 용광로 가스가 스트림(40)을 통해 배출되고, 재생 스트림(52)과 혼합되어 극저온 정류 장치(126)로 공급되는 스트림(42)을 형성한다. 극저온 정류 장치(126)는 열교환기를 포함하는 것이 바람직한데, 여기서 공급물은 부분적으로 응축되고 이후 분리되도록 상(phase)이 분리된다. 그렇지만, 장치는 열교환기와 조합될 수 있고, 또 다른 칼럼 분리를 통해 상을 분리할 수도 있다. 극저온 정류 장치(126) 내에서 스트림(42)의 공급물은 극저온 정류에 의해 수소 부화 유체로 분리되는데, 이때 수소 부화 유체는 일반적으로 70 내지 95 몰%의 수소 농도를 가지며, 나머지 질소는 질소 농도가 약 98 몰%이며 그밖에는 주로 수소와 일산화탄소이다.
수소 부화 유체는 스트림(46)을 통해 극저온 정류 장치(126)로부터 수소 농축기로 이송되는데, 도 1에 도시된 실시예에서는 수소 농축기가 멤브레인 분리기 유닛(129)이다. 멤브레인 분리기 유닛(129) 내에서, 수소는 95 몰%를 초과하는 순도로 농축된다. 85 몰% 미만의 수소를 포함하는 재생 스트림이 약 200psia로 스트림(50)을 통해 멤브레인 분리기 유닛(129)으로부터 블로어(blower, 134)로 이송되고, 블로어(134)로부터 재생 스트림(52)을 통해 극저온 정류 장치(126)로 이송된다. 농축된 수소 스트림은 철광석(54)과 함께 스트림(48)을 통해 직접 환원로(132) 내로 이송된다. 수소는 철광석과 반응하여 철광석을 금속철로 직접 환원시킨다. 철 생성물은 스트림(56)을 통해 직접 환원로(132)로부터 제거되며, 반응기로부터 정화 가스는 일반적으로 예열기에서 연소되고 스트림(58)을 통해 연도 가스로서 배출된다.
잔류 질소는 스트림(43)을 통해 극저온 정류 장치(126)로부터 배출된다. 스트림(43)의 주요 부분(44)은 압력 요동 흡착 유닛(118)으로 이송되는데, 압력 요동 흡착 유닛은 흡착제로부터 이산화탄소를 잔류 질소 스트림으로 제거함으로써 이산화탄소가 적하된 흡착제를 재생시키는 작용을 한다. 스트림(43)의 나머지 부분(45)은 예비정화기(124)로 이송되는데, 예비정화기는 흡착제로부터 물을 잔류 질소 스트림으로 제거함으로써 물과 이산화탄소가 차 있는 흡착제를 재생시키는 작용을 한다. 압력 요동 흡착 유닛(118)과 예비 정화기(124)로부터의 폐기 질소 스트림(31,39)은 배출되거나, 도 1에 도시된 바와 같이, 산화 반응기(136)로 이송될 수 있으며, 여기서 스트림(33)으로부터의 산소는, 잔류 질소 스트림이 스트림(35)으로서 배출되기 전에, 임의의 잔류 일산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 생성한다.
이산화탄소 제거 시스템을 재생하기 위해 사용되는 질소가 공기 분리 장치로부터 제조되는 것이 아니라 극저온 질소-수소 분리로부터 제조된다는 것은 본 발명의 중요한 특징이다. 공기 분리 장치로부터 제조된 질소는 이산화탄소 제거 시스템 내로 그리고 최종적으로는 강화된 용광로 가스 내로 산소를 도입하며, 이로부터 직접 환원 반응을 위한 질소가 얻어진다. 이러한 산소의 존재는 위험할 수 있으며, 두 개의 별도의 극저온 정류 장치를 사용하는 본 발명은 이러한 위험가능성을 제거한다.
도 2는 이산화탄소 제거 시스템이 압력 요동 흡착 시스템이 아니라 고온 탄화칼륨 시스템인 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 2에서는 도 1과 공통 요소에 대해서는 도 1의 도면 부호와 동일한 부호를 병기하였으며, 이들 공통 요소에 대해서는 다시 상세하게 기술하지 않는다.
도 2를 참조하면, 용광로 가스 스트림(30)은 물-가스 변환 반응 섹션(114)으로부터 산가스(acid gas) 제거 시스템(117)으로 이송되는데, 이러한 산가스 제거 시스템(117)은 용매로서 고온 탄화칼륨을 사용하는 흡착기와 스트리퍼(stripper)를 포함한다. 용매는 흡착기 탑에서 가스 혼합물(30)로부터 이산화탄소를 제거한다. 용매는 스트리퍼 탑에서 스트림(44)으로부터의 잔류 질소와 증기를 사용하여 재생되며, 이산화탄소와 잔류 질소의 혼합물은 스트림(34)을 통해 배출된다. 약 500ppm의 이산화탄소를 포함할 수도 있는 강화된 용광로 가스는 스트림(32)을 통해 메탄화 섹션(120)으로 이송되는데, 메탄화 섹션에서 가스는 예열되고 이후 메탄 생성기로 부가된다. 메탄 발생기내에서 모든 잔류 일산화탄소와 이산화탄소는 수소와 반응하여 메탄을 생성한다. 메탄화 섹션(120)으로부터의 가스 혼합물은 스트림(36)을 통해 가스 혼합물로부터 물을 제거하는 건조기(123)로 이송되며, 물이 제거된 용광로 가스는 스트림(40)을 통해 건조기(123)로부터 배출된다. 건조기(123)는 잔류 질소 스트림(45)과 질소의 혼합물에 의해 재생되며, 물은 스트림(38)을 통해 건조기(123)로부터 배출된다. 본 실시예에서의 잔류 질소는 불순물로서 수소와 메탄을 포함한다.
비록, 본 발명이 소정의 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 개념 및 범위 내에서 다른 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 극저온 공기 분리 장치는 용광로에 대한 산소만을 제조할 필요가 없으며, 배관으로 통하는 산소를 제조할 수도 있는데, 이 배관으로부터 산소는 용광로 뿐만 아니라 다른 지점으로도 이송될 수 있다. 극저온 공기 분리 장치내로 공급되는 공급 공기는 공기를 용광로로 공급하도록 설계된 블라스트 공기 블로어로부터 얻어질 수 있다. 극저온 정류 장치의 하류의 수소 농축은 멤브레인 유닛이 아니라 압력 요동 흡착 유닛에 의해 이루어질 수 있다.
상기한 본 발명에 의하면, 용광로와 직접 환원로를 통합하여 용광로부터 배출된 배기 가스를 사용함으로써, 철생산량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법으로서,
    (A) 산소를 생성하기 위해 극저온 공기 분리 장치에서 극저온 정류에 의해 공기를 분리하는 단계와,
    (B) 약 22 내지 50 몰%의 산소를 포함하고 나머지는 주로 질소로 구성된 블라스트 공기를 형성하기 위해 상기 극저온 공기 분리 장치로부터 생성된 산소와 공기를 혼합하는 단계와,
    (C) 질소, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 용광로 가스를 생성하기 위해, 상기 블라스트 공기를 상기 용광로 내로 이송한 후 상기 용광로 내에서 상기 블라스트 공기 중의 산소와 탄화수소 연료를 연소시키는 단계와,
    (D) 이산화탄소와 추가의 수소를 생성하기 위해 상기 일산화탄소와 증기를 반응시키고, 상기 용광로 가스로부터 상기 이산화탄소를 제거하여, 질소와 수소를 포함하는 강화된 용광로 가스를 생성하는 단계와,
    (E) 상기 강화된 용광로 가스를 극저온 정류 장치 내로 이송하고 상기 극저온 정류 장치 내에서 상기 강화된 용광로 가스를 분리하여, 수소와 잔류 질소를 생성하는 단계와, 그리고
    (F) 상기 극저온 정류 장치로부터 생성된 수소와 직접 환원로 내부의 철광석을 반응시켜 철을 제조하는 단계를 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블라스트 공기를 상기 용광로로 이송하기 전에 상기 블라스트 공기를 가열하도록 상기 용광로로부터 배출된 상기 용광로 가스의 일부를 사용하는 단계를 더 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 일산화탄소와 증기가 반응하기 전에, 물의 하방 흐름에 대항하여 상기 용광로 가스를 역류식으로 상방으로 유동시키는 단계를 더 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (D)단계의 상기 용광로 가스로부터 상기 이산화탄소를 제거하는 단계가 상기 용광로 가스로부터 공급되는 이산화탄소를 흡착제 위에 흡착시킴으로써 수행되는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (D)단계의 상기 용광로 가스로부터 상기 이산화탄소를 제거하는 단계가 상기 용광로 가스로부터 공급되는 이산화탄소를 탄화칼륨 용액으로 흡착시킴으로써 수행되는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (D)단계의 상기 용광로 가스로부터 상기 이산화탄소를 제거하는 단계가 재료 상으로 이산화탄소를 이송함으로써 수행되며, 잔류 질소를 상기 재료와 접촉하도록 이송하고 상기 재료로부터의 이산화탄소를 잔류 질소로 이송하는 단계를 더 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 극저온 정류 장치로부터 수소 농축기를 통해 상기 수소를 이송하여, 상기 극저온 정류 장치로부터의 상기 수소 스트림의 수소 농도를 상기 직접 환원로로 이송하기 전에 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 농축기로부터 상기 극저온 정류 장치로 재생 스트림(recycle stream)을 이송하는 단계를 더 포함하는,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 농축기가 멤브레인 유닛인,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 농축기가 압력 요동 흡착 유닛인,
    극저온 정류를 이용하여 용광로와 직접 환원로를 통합하는 방법.
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