KR100466630B1 - 해면철생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융가스화로에서 탄소매체 및 산소함유가스로부터 형성된 환원가스를 산화철 함유물질을 포함하고 있는 환원로내에 취입하여, 입자로 된 산화철 함유물질을 직접 환원함으로써 해면철을 생산하는 방법으로서,

환원로에는, 탄소함유량이 30 ∼ 70 질량%이고 Nm³당 20 ∼ 100 g의 분진을 함유하는 환원가스를 공급하고,

산화철 함유물질은 완전환원에 필요한 기간을 초과하는 시간동안 환원가스에 노출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법은 탄소함유량이 증가된 해면철의 생산을 가능하게 한다.

Description

해면철 생산 방법

본 발명은 미립자, 산화철 함유물질을 직접 환원함으로써 해면철을 생산하는 공정에 관한 것으로서, 탄소매체로부터 형성된 환원가스 및 용융가스화대의 산소함유가스를 산화철 함유물질을 함유하는 환원대에 취입시킨다.

EP-A-0 594 557에는, 철광석 및 플럭스로 형성되고 최소한 부분적으로 분광을 포함하는 장입물질로부터 용융선철을 생산하는 방법이 공지되어 있고, 장입물질은 최소한 하나의 환원대에서 해면철로 직접 환원되고, 해면철은 탄소매체 및 산소함유가스의 공급으로 용융가스화대에서 용융되고, 환원가스가 생성되어 환원대내에 취입되어, 거기에서 반응하고 배기가스로 배출된다. 이 방법에는, 주로 적철광 및/또는 자철광 및/또는 분광을 유동층방법에 의하여 예열대에서 예열하고, 이렇게 예열된 장입물질을 연속적으로 배열된 최소한 하나의 환원로에서 유동층방법에 의하여 대부분 완전하게 환원시킨 후, 장입물질을 강제 반송으로 용융가스화대의 유동층내에 장입하여 거기에서 용융시키는 경제적인 방식으로 분광을 사용하는 것이 가능하다.

전술한 종류의 방법은 EP-A-0 217 331에 공지되어 있다. 이 방법에서는 탄소 및 수소를 필수적으로 포함하고, 사이클론에서 분진이 제거된 가스를 채택하여 분광을 직접 환원시킨다.

일반적으로, 종래 기술에 따른 산화철 함유물질의 직접 환원에 의하여 제조된 해면철은 약 1%의 저탄소 함유량을 가진다. 그러나, 해면철을 더 공정처리하기 위하여, 탄소함유량을 증가시키는 것이 바람직하고, 이로써 해면철을 용융시킬 때 및 후속의 정련공정에서 별도의 탄소를 추가(탄화)할 필요없이 에너지를 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 변형예의 방법을 행할 수 있는 설비를 나타내는 도면이고,

도 2는 잔류시간과 특정의 환원가스 소모와의 관계를 나타내는 그래프이고,

도 3은 환원정도와 탄소함유량과의 관계를 나타내는 그래프이다.

따라서, 본 발명은 전술한 종류의 방법을, 해면철의 탄소함유량이 증가, 바람직하게는 1 ∼ 4%, 특히 2.5% 이상으로 되도록 변형시키는 것이다.

본 발명에 있어서, 이 목적은 다음 특징의 결합으로 달성된다.

환원로에는, 탄소함유량 30 ∼ 70 질량%를 가진 분진 Nm³ 당 20 ∼ 100 g을 함유하는 환원가스가 공급되고,

산화철 함유물질은 완전 환원에 필요한 기간을 초과하는 기간동안 환원가스에 노출된다.

탄소함유량이 0.5 ∼ 2.5%인 해면철의 제조는 WO-A-93/14228에 이미 공지되어 있고; 특히, 이 공지된 방법에서는, 소량의 천연가스를 채택하여 탄소를 조정하고, 천연가스를 유동층 반응로내에 직접 취입한다. 그러나, 직접 환원을 위한 환원온도에서 천연가스의 완전 분해가 확실하지 않기 때문에, 이 방법만으로는 그렇게 효과적이지 않다.

US-A-5,137,566에는, 철광석을 환원가스 및 탄화가스에 의하여 고농축 탄화철로 제조하는 것이 공지되어 있고, 여기에는 탄화철 형성공정의 시간 민감성 때문에, 전환에는 보다 높은 잔류시간이 필요하다. 직접 환원에서 산화철 함유물질의 잔류시간이 증가됨에 따라, 생산면에서는 상당한 감소, 즉 단위시간당 환원물질의 생산량이 실질적으로 감소하게 된다. 따라서, 이 방법은 매우 고가이고, 이로써 이렇게 제조된 탄화철은 제철공정에서 단지 부가물로 사용되는 반면, 본 발명에 따라 달성되는 목적은 제철에 사용된 해면철 모두는 탄소함유량이 높고, 즉 이렇게 제조된 탄소함유량이 높은 해면철은 제철작업에서 부가물로 사용될 뿐만 아니라 그 자체가 기본물질을 구성한다.

US-A-Re-32,247에는 제1 단계에서 산화철 함유물질을 탄화철로 전환시키고, 제2 단계에서 탄화철로부터 철을 직접 생산하는 것이 공지되어 있다. 이 공지의 방법에 있어서, 수소함유 환원가스를 채택하여 환원하고, 탄소함유물질을 채택하여 탄화철을 형성한다. 이 방법에 있어서의 한 가지 단점은, 철의 탄화철로의 완전 전환이고, 이것은 마찬가지로 에너지 면(직접 환원에서 탄소함유물질의 상당한 소비)에서 고비용을 수반한다.

본 발명에 있어서, 용융가스화로에서 발생된 분진 함유량이 Nm³ 당 20 ∼ 100 g이고, 탄소함유량이 30 ∼ 70 질량%인 환원가스를 채택하여 미분광을 환원한다. 분진함유량 및 탄소함유량은 고온 사이클론 및 탄소매체 또는 예를 들어 제사(製司)코크스(metallurgical coke), 분(粉)코크스(coke breeze) 또는 석유(石油)코크스(petroleum coke)를 용융가스화로에 혼합함으로써 조정 가능하다. 또한, 상이한 강도를 가진 입자로 분해(디크레피테이션(decrepitation))되기 쉬운 석탄혼합물을 장입하는 것도 가능하다. 완전하게 환원된 분광을 이 특정의 환원가스에 노출시켜 원하는 탄소함유량을 얻게된다. 본 발명은, 완전하게 환원된 분광의 탄소함유량이 완전환원에 필요한 시간을 초과하여 특정 환원가스에 노출되는 경우, 지수적으로 증가된다는 사실을 근거로 한 것이다.

환원로에 공급된 환원가스는 Nm³당 40 ∼ 90 g의 분진을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 다른 바람직한 변형예의 방법은, 환원가스에 함유된 분진은 45 ∼ 55 질량%의 탄소함유량을 가진다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 직접환원은 2개 또는 수개의 연속적으로 연결된 유동층 반응로에서 행해질 수 있고, 환원가스는 산화철 함유물질의 흐름방향으로 마지막에 배열된 유동층 반응로에 공급되고, 이 유동층 반응로 및 계속해서 산화철 함유물질로 역류하는 다른 유동층 반응로를 통과할 수 있다.

해면철의 탄소함유량 증가는, 직접환원작업에 있어서 산화철 함유물질의 잔류시간을 이러한 물질을 완전하게 환원하는 데 필요한 최소 잔류시간에 비하여 연장시킴으로써 달성될 수 있다.

그러나, 탄소함유량의 증가는 산화철 함유물질을 완전하게 환원하는 데 필요한 특정의 최소 가스량에 비하여 증가된 특정의 환원가스량으로 환원이 행해질 때 또한 적절하게 달성될 수 있다.

다음에, 본 발명을 첨부된 도면에 나타낸 예시적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

설비에는, 3개의 유동층 반응로(1, 2, 3)가 직렬로 연속하여 연결되어 있고, 분광이 광석장입관(4)을 거쳐 제1 유동층 반응로(1)에 공급되고, 예열단계(5)에서 분광이 예열되고 선택적으로 예비환원이 발생한 후 유동층 반응로(1)로부터 이송관(6)을 거쳐 유동층 반응로(2,3)로 이송된다. 사전 환원단계(7)인 유동층 반응로 (2)에서 예비환원이 일어나고, 최종 환원단계(8)인 유동층 반응로(3)에서 분광이 해면철로 최종 환원된다.

이송관(9)을 통하여, 완전하게 환원된 물질, 즉 해면철이 용융가스화로(10)로 전달된다. 석탄 및 용융가스화로(10)내의 용융가스화대(11) 및 환원가스공급관(12)내의 산소함유가스로부터 제조된 CO, H₂ 및 탄소함유 분진을 함유하는 환원가스가 고온가스 사이클론(19)을 거쳐 분광의 흐름방향으로 마지막에 배열된 유동층 반응로(3)에 취입된다. 유동층 반응로(3)로부터 연결관(13)을 거쳐 유동층 반응로 (2)에서 다시 반응로(1)로 광석흐름의 역류방향으로 계속해서 이송된 환원가스는, 유동층 반응로(1)로부터 상단가스배출관(14)을 거쳐 상단가스로서 배출된 후 냉각되어 세정장치 15에서 세정된다.

용융가스화로(10)에는 고체탄소매체용 공급관(16), 산소함유가스 및 선택적으로 탄화수소와 같은 실온에서 액체 또는 가스질인 탄소매체는 물론 소결플럭스용 공급관(17)이 배설되어 있다. 용융가스화로(10)에는, 용융선철 또는 용융철 예비물질 및 용융슬래그가 용융가스화존(11) 아래에 포집되어 탭(18)을 거쳐 배출된다.

용융가스화로(10)에서 분기되어 유동층 반응로(3)로 개방된 환원가스공급관 (12)에는, 환원가스내에서의 본 발명에 따라 제공되는 분진함유량을 조정 기능을 하는 고온가스 사이클론이 배설되고, 상기 사이클론에서 분리된 분진입자는 재순환관(20)을 거쳐 이송매체로서의 질소와 함께 산소를 주입한 버너(32)를 통하여 용융가스화로(10)에 공급된다.

분광의 사전환원이 일어나는 유동층 반응로(2)에는 환원전위가 낮은 동등량의 환원가스가 공급되지만, 이것은 사전환원에는 사실 충분하다. 환원된 물질의 환원정도는 최종 환원단계(8)에서 보다 낮기 때문에, 결국 "들러붙음(sticking)"이 없다. 이 유동층 반응로(2)에 존재하는 반응 환원가스는 관(13)을 거쳐 세정기 (26)에 전달된다. 세정 및 반응 환원가스의 일부는 배가스 배출구(27)을 거쳐 배출되고; 다른 일부는 관(13)을 거쳐 사전예열단계(5), 즉 유동층 반응로(1)에 전달된다.

바람직하게 배설되고, 환원가스 공급관(12)으로부터 분기되어 세정기(30) 및 컴프레서(31)을 거쳐 환원가스의 일부를 환원가스 공급관(12), 즉 고온가스 사이클론(19)의 전방위치로 다시 복귀시키는 가스재순환관(29)으로 인하여, 환원가스의 온도를 750 ∼ 950℃, 바람직하게는 800 ∼ 850℃로 조정되는 가능성이 일어난다.

분광의 예열온도를 조정하기 위하여, 공기 또는 산소와 같은 산소함유가스를 관 32를 거쳐 예열단계(5), 즉 유동층 반응로(1)에 공급할 수 있고, 이로써 예열단계(5)에 공급된 반응 환원가스의 부분연소가 일어난다. 부분연소를 제어함으로써, 후속 환원단계(7, 8)의 온도가 최적으로 되도록 분광의 온도를 예열단계 동작에서 조정할 수 있다.

본 발명은 도시된 예시적인 실시예에만 한정하는 것이 아니고 여러 가지 양태로 변형될 수 있다. 예를 들면, 유동층의 개수는 실제 필요로 하는 기능에 따라 선택될 수 있다.

예:

도 1에 대응하는 설비에 있어서, 표 I에 나타낸 화학성분을 가진 석탄을 시간 당 31.4 t씩 용융가스화로(10)에 장입하여, 시간 당 40 t의 선철을 생산하고 시간 당 31,240 Nm³ O₂로 가스화된다.

표 I

석탄(건성)

C 78.9%

H 3.8%

N 1.0%

O 2.0%

분진 8.7%

C_fix 72.0%

이 설비에, 표 II에 나타낸 광석분석을 가진 분광(적철광; 입자크기＜8 mm)을 시간 당 58.6 t씩 및 표 III에 따른 시간 당 8.6 t의 플럭스를 장입한다.

표 II 표 III

광석 (습성) 플럭스

Fe 62.8% CaO 45.2%

Fe₂O₃ 87.7% MaO 9.3%

LOI 0.08% SiO₂ 1.2%

습기 2,0% Al₂O₃ 0.7%

점화시 손실 39.1%

용융가스화로(10)에서는, 환원가스가 시간 당 63,440 Nm³, 온도 1000 ∼ 1200℃로 생성된다. 이 가스는 용융가스화로(10)으로부터 배출되고, 세정기(30)에서 냉각된 환원가스와 혼합함으로써 800℃로 조정된다. 사이클론(19)으로부터 배출될 때, 환원가스의 화학성분은 표 IV와 같다.

표 IV 표 V

최종 환원단계 8의 환원가스 사전 환원단계(7)의 환원가스

800℃ 800℃

CO 62% CO 52%

CO₂ 5% CO₂ 19%

H₂ 28% H₂ 24%

N₂ 5% N₂ 5%

분진 80 g/Nm³

분진의 C 함유량 50%

최종 환원단계(8)에서의 이 환원가스의 잔류시간을 조정함으로써, 해면철의 탄소함유량을 조정할 수 있다. 잔류시간과 탄소함유량간의 관계를 도 2에 나타내고, 가로좌표는 잔류시간을 분으로, 세로좌표는 해면철의 탄소함유량을 질량%로 나타낸다.

도 2에 있어서, 그래프 A는 광석 t당 1500 Nm³의 특정의 환원가스 소모율에 관한 것이고, 그래프 B는 광석 t당 1200 Nm³의 특정의 환원가스 소모율에 관한 것이다. 따라서, 도 2에서는 해면철의 탄소함유량이 잔류시간 및 특정의 환원가스 소모 양자 모두에서 증가되는 것을 알 수 있다.

이렇게 증가된 탄소함유량은, 분광이 완전히 환원된 후 얼마 동안 환원가스에 계속해서 노출되는 경우에만 얻을 수 있다는 것이 명백하다. 환원정도와 해면철의 탄소함유량간의 관계를 도 3에 나타내고, 가로좌표는 환원정도 (Fe_Met/Fe_tot)를 %로 세로좌표는 탄소함유량(질량%)을 나타낸다. 그래프 C는 850℃에서의 환원에 관한 것이고, 그래프 D는 800℃에서의 환원에 관한 것이다.

도 3으로부터, 탄소함유량은 광석이 완전하게 환원된 경우에만 증가되는 것을 알 수 있고, "완전 환원"이라는 용어는 소정의 환원조건하에서 최대로 얻을 수 있는 환원정도를 나타내는 것으로 이해된다. 그래프 C는 850℃로 완전하게 환원되어 환원정도가 약 90 ∼ 92%를 가지는 광석을 나타내고, 그래프 D는 800℃로 완정하게 환원되어 환원정도가 약 85 ∼ 87%를 가지는 광석을 나타낸다. 이렇게 완전하게 환원된 광석이 본 발명에 따라 채택된 환원가스와 보다 오래동안 접하고 있는 경우, 환원정도는 미미하게 증가되는 반면, 탄소함유량은 크게 증가한다. 따라서, 이렇게 하여 탄소함유량이 증가된 해면철의 생산이 가능하게 된다.

Claims (6)

1. 용융가스화로에서 탄소매체 및 산소함유가스로부터 형성된 환원가스를 산화철 함유물질을 포함하고 있는 환원로내에 도입하여, 입자 상의 산화철 함유물질을 직접 환원함으로써 해면철을 생산하는 방법으로서,

   상기 환원로에 탄소함유량이 30 ∼ 70 질량%이고 Nm³당 20 ∼ 100 g의 분진을 함유하는 환원가스를 공급하고,

   완전환원에 필요한 기간을 초과하는 시간동안 상기 산화철 함유물질을 상기 환원가스에 노출시키는 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.
2. 제1항에서, 상기 환원로에 공급된 상기 환원가스는 Nm³당 40 ∼ 90 g의 분진을 함유하는 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.
3. 제1항 또는 제2항에서, 상기 환원가스에 함유된 분진은 탄소함유량이 45 ∼ 55 질량%인 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.
4. 제1항 또는 제2항에서, 상기 직접환원반응은 복수 개의 연속하여 연결된 유동층 반응로에서 행해지고, 상기 환원가스는 산화철 함유물질의 흐름방향으로 마지막에 배열된 유동층 반응로에 공급되고, 산화철 함유물질의 흐름의 역방향인 상기 마지막 유동층 반응로를 통과한 후 계속해서 다른 유동층 반응로를 통과하는 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.
5. 제1항 또는 제2항에서, 상기 직접환원공정에서, 잔류시간은 산화철 함유물질을 완전하게 환원하는 데 필요한 최소 잔류시간 이상인 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.
6. 제1항 또는 제2항에서, 상기 환원은 산화철 함유물질을 완전하게 환원하는 데 필요한 비(specific) 최소량보다 증가된 비 환원가스량을 이용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 해면철 생산방법.