KR100991598B1 - 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법은, (a) 소결 후 파쇄가 완료된 적열소결광을 환원로로 이송하는 단계; (b) 상기 환원로에 환원가스를 공급하여 상기 적열소결광을 일부 예비환원시키는 단계; (c) 상기 부분환원 소결광을 냉각로에 투입하는 단계; (d) 상기 냉각로에 질소를 공급하여 상기 부분환원 소결광을 냉각시키는 단계; (e) 상기 냉각로에서 가열되어 배출되는 질소의 현열을 회수하는 단계; 및 (f) 현열이 회수되어 냉각된 상기 질소를 재순환시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 별도로 구성된 환원로내의 적열소결광에 고온으로 예열된 환원가스가 공급되면서 고온상태에서 환원반응이 일어나므로 저온 환원반응시 제기되는 저온분화 문제를 해소하고, 환원 오프 개스(off-gas)를 환원로에 재순환하여 이용함에 따라 환원가스의 이용효율을 높이고, 소결광의 상태 및 환원가스의 조성에 맞추어 환원율의 조절이 가능하여 최대환원을 도모할 수 있다.

또한, 환원로와 별도로 구성되는 냉각로에 환원가스와 독립적으로 순환질소가 공급되므로 순환량의 조절에 의해 열회수량의 제어가 가능해져서 환원 소요가스량과 냉각소요 가스량간의 부조화 문제를 해소하고, 소결광의 환원율 증대와 열회수량의 증대가 가능하므로 적열소결광 현열의 이용율을 극대화하는 것이 가능하며, 소결광의 현열을 최대로 회수하여 이용하면서 소결광의 고로 외 부분환원이 가능하므로 고로에서 사용되는 코크스의 절감 등 제철소의 에너지절약과 이산화탄소 발생 저감이 가능하다.

소결기, 적열소결광, 예비환원, 현열, 환원로, 냉각로

Description

적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법{A method for pre-reduction and heat recovery of hot sinter}

본 발명은 적열소결광의 고로 장입 전 일부 예비환원과 현열회수를 동시에 이루기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 소결이 완료된 후 1차 파쇄된 적열소결광을 환원로에 장입하고 상기 환원로에는 예열된 환원가스를 공급함으로써 적열소결광을 일부 예비 환원하며, 상기 환원로와 별도로 냉각로를 구성하여 상기 환원로에서 일부 예비 환원된 부분환원 소결광을 냉각로에 장입하고 상기 냉각로에는 질소를 순환 주입하여 부분환원 소결광의 현열을 회수하고 후속 배열회수 기구를 통하여 전력이나 증기를 생산할 수 있도록 한 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철광석 소결기에서는 무한궤도로 구성되는 대차위에 원료를 장입하고, 점화로에서 소결원료층의 상부 표면을 점화하여 소결기를 진행시키면 유인송풍기에 의해 흡인되는 외부공기가 소결원료층 중의 코크스 등과 반응한 연소열에 의하여 소결이 이루어진다.

소결이 완료된 적열소결광 케이크(cake)는 파쇄기에서 1차 파쇄된 후 소결광냉각기로 배출되며, 소결광 냉각기에서는 공기를 강제로 분사하여 소결광을 냉각시킨 후 고로로 공급하고 있다. 이때, 에너지절약 방법으로서 소결광 냉각공기의 현열을 회수하여 증기를 생산하는 방법이 통상적으로 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 배열회수 일체형 소결광 부분환원 설비가 부착된 소결기의 구성을 나타낸 개략도로서, 이를 참조하면 소결이 완료되어 파쇄되기 전의 적열소결광 케이크(20)는 그 온도가 1,200℃에 달하는데 이러한 적열소결광 케이크(20)는 파쇄기(21)에서 1차 파쇄되며, 파쇄가 완료된 적열소결광(22)은 800~900 ℃에 달한다.

이 적열소결광(22)은 이송장치(미도시)에 의해 환원로(30)로 이송되고, 환원가스가 환원로(30)로 주입되어 환원반응이 일어난다. 환원로에서 배출되는 부분환원소결광(32)은 온간으로 혹은 추가적인 냉각을 거쳐 냉간으로 고로에 공급된다. 환원가스는 전로가스나 전로가스 중의 이산화탄소를 제거한 가스 혹은 천연가스를 개질한 가스 등이 사용될 수 있는데, 이는 일산화탄소와 수소를 주요 구성성분으로 한다.

상온으로 환원로(30)에 주입된 환원가스는 환원로내에서 적열소결광(22)과 접촉, 반응하여 온도가 상승하고, 환원가능 성분(일산화탄소, 수소)의 농도가 낮아진 상태로 환원로(30)에서 배출된다. 상기와 같이 적열소결광(22)과 반응한 환원가스는 고온가스순환계(40)를 통하여 일부는 환원로(30)로 순환되고, 일부는 가스배 출계(45)를 통하여 배출되어 타공정의 열원 등으로 사용된다.

상기 고온가스순환계(40)를 통하는 고온의 환원가스 열회수를 위하여는 열교환기를 갖춘 배열증기발생기(41)가 고온가스순환계(40)와 일체화되어 설치되며, 배열증기발생기(41)에는 발전기(42)가 장착되어 전력(E)생산이 가능하다.

이와 같은 구성의 종래기술에서는 환원로(30)에서 부분환원과 배열회수가 이루어지게 되는데, 효과적인 설비운용과 관련하여 기술적으로 3가지의 문제점을 내포하고 있다. 즉, 환원로(30)에서는 가스 이용효율 증대와 함께, 현열의 최대회수가 필요하며, 부가적으로 환원로(30) 출구의 부분환원소결광(32)의 분화(powdering)가 없어야 한다. 환원로(30)에 환원가스를 일회성(once-through)으로 공급하게 되면 반응초기의 가스 이용효율은 높지만 1~2분내에 환원로 오프개스(off-gas)의 환원성분 농도가 증가하게 된다.

예로서 일산화탄소 60%, 질소 40%의 환원가스를 사용하는 경우 환원로 오프개스(off-gas)중의 일산화탄소 농도가 30%이면 가스이용율이 50%가 되는데, 실험에 의하면 많은 조건에서 오프개스(off-gas)중 일산화탄소의 농도가 수분 내에 40%를 초과하는 현상이 발견된 바 있다. 이는 반응초기에 소결광의 표면에서 빠른 환원반응이 일어난 후 점차 소결광 내부로 환원가스가 확산되어 반응이 일어나는데 상대적으로 느린 확산과정이 반응의 율속단계 때문인 것으로 파악된다. 따라서 환원가스의 이용효율 증대가 필요하다.

도 1에서처럼 일부의 환원 오프개스(off-gas)를 환원로(30)에 순환하게 되면 가스의 이용효율은 증대하게 되지만, 상대적으로 고온의 가스가 주입됨에 따라 소 결광의 열회수량이 감소하여 냉각성능이 저하하게 된다. 또한 고온의 가스가 순환하게 되면 상온의 환원가스 주입량이 감소하므로 가스 이용효율은 증가하지만 전체적인 환원처리량이 감소하게 되는 단점이 있다. 따라서 열회수율 증대와 동시에 가스 이용효율 증대를 위한 개선이 필요하다.

환원로(30)에 주입되는 적열소결광(22)은 환원로를 통과하면서 냉각에 의해 온도가 저하되는데 400~700℃ 영역에서 소결광이 환원가스와 반응하게 되면 환원에 따른 산화철 격자크기의 증대로 부피팽창이 일어나 소결광의 강도가 저하되는 소위 환원 분화가 일어나게 된다. 소결광을 고로에 사용하기 위해서는 일정강도를 가져야하는데 종래의 구성에서는 소결광이 냉각과정에서도 계속 환원가스와 접촉하므로 환원분화의 우려가 크다.

실제 500℃로 유지한 전기식 가열로에 소결광을 장입하고 환원가스를 주입하여 1시간 반응 후, 강도 테스트(ISO 3271, Iron Ores - Determination of tumble strength)를 수행한 결과, +6.3mm가 10% 미만으로 강도가 매우 약화됨을 확인한 바 있다. 따라서 환원반응시 강도저하를 방지하기 위한 수단이 강구되어야 한다.

종래의 기술과 같이 환원가스를 환원제와 냉각매체로서 사용하는 경우에는 환원에 필요한 가스와 냉각에 소요되는 가스량간에 불균형이 일어난다. 소결광을 전로가스를 이용하여 환원 및 냉각을 수행하는 경우를 예로 들어 살펴보면, 환원속도를 고려하여 소결광을 10% 환원하고 열회수는 70%로 하는 경우, 환원에 필요한 가스량보다 열회수에 필요한 가스량이 2.5배에 달한다. 이 균형을 맞추기 위해서는 소결광의 환원율을 25%로 해야 하나 일반적인 방법으로 적열소결광을 25%까지 환원 시키는 것은 소결광의 온도(냉각고려) 및 처리시간, 가스 이용효율과 연계하여 어려움이 많다.

따라서 종래와 같은 소결광의 현열회수 동시 예비환원의 개념을 최대한 활용하여 실시하기 위해서는 환원가스의 이용효율 향상, 저온분화 문제의 개선 그리고 환원에 소요되는 가스량과 냉각에 소요되는 가스량의 부조화 문제를 해결할 수 있는 새로운 공정이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 별도로 구성된 환원로내의 적열소결광에 고온으로 예열된 환원가스가 공급되면서 고온상태에서의 환원반응을 통해 저온 환원반응시 제기되는 저온분화 문제를 해소할 수 있는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 환원 오프 개스(off-gas)를 환원로에 재순환하여 이용함에 따라 환원가스의 이용효율을 높이고, 소결광의 상태 및 환원가스의 조성에 맞추어 환원율의 조절이 가능하여 최대환원을 도모할 수 있는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 환원로와 별도로 구성되는 냉각로에 환원가스와 독립적으로 순환질소가 공급되므로 순환량의 조절에 의해 열회수량의 제어가 가능 해져서 환원 소요가스량과 냉각소요 가스량간의 부조화 문제를 해소할 수 있는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 소결광의 환원율 증대와 열회수량의 증대가 가능하므로 적열소결광 현열의 이용율을 극대화하는 것이 가능한 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 소결광의 현열을 최대로 회수하여 이용하면서 소결광의 고로 외 부분환원이 가능하므로 고로에서 사용되는 코크스의 절감 등 제철소의 에너지절약과 이산화탄소 발생 저감이 가능한 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적은, (a) 소결 후 파쇄가 완료된 적열소결광을 환원로로 이송하는 단계; (b) 상기 환원로에 환원가스를 공급하여 상기 적열소결광을 일부 예비환원시키는 단계; (c) 상기 부분환원 소결광을 냉각로에 투입하는 단계; (d) 상기 냉각로에 질소를 공급하여 상기 부분환원 소결광을 냉각시키는 단계; (e) 상기 냉각로에서 가열되어 배출되는 질소의 현열을 회수하는 단계; 및 (f) 현열이 회수되어 냉각된 상기 질소를 재순환시키는 단계를 포함하여 이루어지는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법에 의하여 달성된다.

바람직하게는 이러한 본 발명에서 상기 적열소결광 예비환원 단계(b)는, 상기 환원로의 상부를 통해 배출되는 환원 오프개스(off-gas)의 일부를 환원가스순환계를 통해 상기 환원로로 재투입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이러한 본 발명에서 상기 현열 회수단계(e)는, 상기 냉각로의 상부를 통해 고온의 상태로 배출되는 질소를 열교환에 의해 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

아울러, 이러한 본 발명에서 상기 현열 회수단계(e)는, 상기 고온의 질소 배출라인에 배열증기발생기와, 발전기가 순차적으로 설치되어 전력 및 스팀을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 이러한 본 발명에서 상기 적열소결광 예비환원 단계(b)는, 상기 환원가스가 공급되는 환원가스공급관과 연결되는 환원가스예열기가 설치되어 상기 환원가스를 예열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 따르면, 별도로 구성된 환원로내의 적열소결광에 고온으로 예열된 환원가스가 공급되면서 고온상태에서 환원반응이 일어나므로 저온 환원반응시 제기되는 저온분화 문제를 해소할 수 있다.

또한, 환원 오프 개스(off-gas)를 환원로에 재순환하여 이용함에 따라 환원가스의 이용효율을 높이고, 소결광의 상태 및 환원가스의 조성에 맞추어 환원율의 조절이 가능하여 최대환원을 도모할 수 있다.

또한, 환원로와 별도로 구성되는 냉각로에 환원가스와 독립적으로 순환질소가 공급되므로 순환량의 조절에 의해 열회수량의 제어가 가능해져서 환원 소요가스량과 냉각소요 가스량간의 부조화 문제를 해소할 수 있다.

또한, 소결광의 환원율 증대와 열회수량의 증대가 가능하므로 적열소결광 현열의 이용율을 극대화하는 것이 가능하고, 소결광의 현열을 최대로 회수하여 이용하면서 소결광의 고로 외 부분환원이 가능하므로 고로에서 사용되는 코크스의 절감 등 제철소의 에너지절약과 이산화탄소 발생 저감이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 작용효과에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 소결광의 예비환원설비와 현열회수설비가 독립적으로 부착된 소결기의 구성을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법의 공정 흐름도이다.

이를 참조하면, 소결 후 파쇄가 완료된 적열소결광(22)은 이송장치(미도시)에 의해 환원로(30)로 이송된다(S11). 환원로(30)의 하부 일측에는 환원가스를 공급하는 환원가스공급관(51)이 연결되고, 환원로(30)의 상부에는 환원 오프 개스(off-gas)가 배출되는 가스배출계(45)가 설치된다.

가스배출계(45)와 환원가스공급관(51) 사이에는 환원가스순환계(53)가 구비 되어 환원 오프 개스(off-gas)중 일부를 환원가스공급관(51)을 통하여 환원로(30)로 재순환되도록 한다. 환원로(30)의 하부 타측에는 부분환원소결광 공급계(57)가 연결되고 그 하부에는 냉각로(50)가 설치된다. 환원로(30)에서 일부 예비환원된 고온의 부분환원소결광은(S12), 부분환원소결광 공급계(57)를 통하여 냉각로(50)로 투입된다(S13). 부분환원소결광 공급계(57)는 가스 밀폐장치(미도시)를 구비하여 환원로(30)와 냉각로(50)간 소결광의 이송시 가스의 흐름이 차단된다.

상기 냉각로(50)에는 질소순환계(56)가 구비되어 저온의 질소가 냉각로(50)의 하부에 공급되어 부분환원 소결광을 냉각한 후(S14), 냉각로(50)의 상부에서 고온(약 800℃)으로 배출된다. 이와 같이 배출되는 고온의 질소의 현열을 회수하며(S15), 이와 같이 현열이 회수되어 냉각된 질소는 재순환된다(S16).
상기 냉각로(50)의 상부를 통해 고온의 상태로 배출되는 질소는 열교환에 의해 냉각시키거나, 질소순환계(56)의 고온질소 배출라인에 배열증기발생기(41)와, 발전기(42)를 순차적으로 설치하여 전력(E) 및 스팀을 발생시킨다. 즉, 상기 부분환원 소결광에 의해 가열되어 온도가 상승한 질소의 현열을 회수하여 전력 및 스팀을 발생시킨다. 한편, 상기 질소순환계(56)의 고온질소 배출라인에는 환원가스예열기(52)가 구비되며 상기 환원가스 공급관(51)은 환원가스예열기(52)와 연결되어 환원가스의 예열이 가능토록 구성된다.

이와 같이 본 발명에 따른 예비환원 및 현열회수 공정에서는 환원로(30)와 냉각로(50)가 별도로 구성되어 있다. 소결기에서 공급되는 적열소결광(22)은 환원로(30)에 장입되고 일산화탄소와 수소를 주요 구성성분으로 하는 환원가스는 환원가스공급관(51)을 통하여 공급되면서 환원가스 예열기(52)에서 예열되어 환원로(30)의 하부로 공급되어 환원로(30) 내부에서 적열소결광(22)을 환원시킨다.

도면에는 나타나지 않았지만 상기 환원로(30)와 냉각로(50), 부분환원소결광 공급계(57), 가스배출계(45), 환원가스순환계(53), 질소순환계(56) 등은 모두 적절한 보온등을 통하여 단열이 유지되도록 한다. 상기 환원로(30)에서 배출되는 부분환원 소결광은 뜨거운 상태로 냉각로(50)에 장입되고 순환질소에 의해 냉각되어 부분환원냉각 소결광(60)이 되어 배출된 후 고로에 공급된다. 상기 가스배출계(45)로 배출되는 환원 오프 개스(off-gas)는 환원가스순환계(53)를 통하여 일정비율만큼 환원로(30)로 재공급된다. 이때 고온 환원가스의 순환은 단독으로 기계적 장치를 사용하던지 또는 원료 환원가스의 압력을 이용하여 흡인하는 방법 등 여러가지 방법을 고려할 수 있다.

환원가스로는 전로가스나 코크스로 가스 또는 천연가스를 개질한 환원가스, 바이오가스 등 수소와 일산화탄소 등을 주성분으로 하는 다양한 종류가 이용될 수 있다. 질소순환계(56)를 통과하는 고온 질소의 열회수를 위하여는 열교환기를 갖춘 배열증기발생기(41)가 질소순환계(56)와 일체화로 설치된다. 배열증기발생기(41)에는 발전기(42)가 장착되어 전력(E) 생산이 가능하다. 배열증기 발생기(41)에서 발생되는 증기는 발전에 이용될 수도 있고, 증기 자체로도 이용될 수 있도록 증기공급계(미도시)를 구성할 수도 있다.

또한 배열증기발생기(41)의 작동 유체는 물외에 다양한 유체가 사용될 수 있으며, 이에 따라 발전기(42)도 작동유체에 적절한 발전기가 사용될 수 있다. 본 공정에는 필요에 따라 적절한 분진처리장치와 이송장치 등이 구비된다.

상기한 구성을 갖는 본 발명은 별도로 구성된 환원로(30)를 통해 단열이 이루어진 상태에서 환원로(30)내의 적열소결광(22)에 고온으로 예열된 환원가스가 공 급되므로 환원반응이 촉진되고, 800℃ 이상의 고온상태에서 환원반응이 일어나므로 저온 환원반응시 제기되는 저온분화 문제를 해소할 수 있다. 또한, 환원 오프 개스(off-gas)를 환원로(30)에 재순환하여 이용함에 따라 환원가스의 이용효율을 높일 수 있고, 환원가스가 냉각용 매체와 독립적으로 환원로(30)에만 공급되므로 소결광의 상태 및 환원가스의 조성에 맞추어 환원율의 조절이 가능하여 최대환원을 도모할 수 있다.

한편, 냉각로(50)에는 환원가스와 독립적으로 순환질소가 공급되므로 순환량의 조절에 의해 열회수량의 제어가 가능하므로 환원소요가스량과 냉각소요 가스량간의 부조화 문제를 해소할 수 있다.

즉, 본 발명은 환원로(30)와 냉각로(50)를 별도로 구성하여 환원로(30)에는 적열소결광(22)을 장입한 후 예열된 환원가스를 공급하면서 환원 오프 개스(off-gas)를 재순환하여 이용함으로써, 환원율 증대와 함께 가스 이용효율 증대가 가능하고, 냉각로(50)에는 고온상태의 부분환원소결광을 장입하고 질소를 순환하면서 소결광의 냉각을 행하므로 순환질소량의 조절과 후속 열회수계통의 적정설계 운전에 의해 종래 방법에서 문제로 지적된 냉각가스와 환원가스 소요량의 불일치 문제를 해소할 수 있다. 따라서 본 발명은 종래 제안기술의 실시상 문제점을 완전히 해소할 수 있으므로 소결광 현열 회수 이용율 제고가 가능한 유익한 특징을 갖는다.

이상과 같이 본 발명에 따른 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변 형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 종래 기술에 의한 배열회수 일체형 소결광 부분환원 설비가 부착된 소결기의 구성을 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 소결광의 예비환원설비와 현열회수설비가 독립적으로 부착된 소결기의 구성을 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법의 공정 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 소결기 20 : 적열소결광 케이크

21 : 파쇄기 22 : 적열소결광

30 : 환원로 32 : 부분환원 소결광

40 : 고온가스 순환계 41 : 배열증기 발생기

42 : 발전기 45 : 가스배출계

50 : 냉각로 51 : 환원가스공급관

52 : 환원가스예열기 53 : 환원가스순환계

56 : 질소순환계 57 : 부분환원소결광 공급계

60 : 부분환원 냉각소결광

Claims (5)

1. 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법에 있어서,

   (a) 소결 후 파쇄가 완료된 적열소결광을 환원로로 이송하는 단계;

   (b) 상기 환원로에 환원가스를 공급하여 상기 적열소결광을 일부 예비환원시키는 단계;

   (c) 상기 부분환원 소결광을 냉각로에 투입하는 단계;

   (d) 상기 냉각로에 질소를 공급하여 상기 부분환원 소결광을 냉각시키는 단계;

   (e) 상기 냉각로에서 가열되어 배출되는 질소의 현열을 회수하는 단계; 및

   (f) 현열이 회수되어 냉각된 상기 질소를 재순환시키는 단계를 포함하여 이루어지는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 적열소결광 예비환원 단계(b)는,

   상기 환원로의 상부를 통해 배출되는 환원 오프개스(off-gas)의 일부를 환원가스순환계를 통해 상기 환원로로 재투입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 현열 회수단계(e)는,

   상기 냉각로의 상부를 통해 고온의 상태로 배출되는 질소를 열교환에 의해 냉각시키는 것을 특징으로 하는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 현열 회수단계(e)는,

   상기 고온의 질소 배출라인에 배열증기발생기와, 발전기가 순차적으로 설치되어 전력 및 스팀을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 적열소결광 예비환원 단계(b)는,

   상기 환원가스가 공급되는 환원가스공급관과 연결되는 환원가스예열기가 설치되어 상기 환원가스를 예열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적열소결광의 예비환원 및 현열회수 방법.

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