KR101178536B1 - 환원철의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

환원철의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

환원철 제조방법 및 제조장치가 개시된다. 본 발명에 의한 환원철 제조방법은 미분 철광석을 분화시키는 단계, 및 상기 분화된 미분 철광석을 환원제 가스를 이용하여 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계를 포함한다. 본 발명을 적용함으로써, 극미분 철광석을 수소가 풍부한 환원가스를 사용하여 회전식 유동층 환원 반응기에서 환원시켜 환원철을 생산함으로써 이산화탄소 저감과 동시에 저품위, 난환원광을 포함한 극미분 철광석을 환원시킬 수 있다.

Description

환원철의 제조방법 및 제조장치{MANUFACTURING METHOD FOR REDUCED IRON AND APPARATUS FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 환원철의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분의 철광석을 회전 유동시켜 환원철을 제조하는 방법에 관한 것이다.
21세기 지속적 경제 성장과 더불어 세계의 에너지 소비는 빠르게 증가하고 있으며, 이에 따른 제철산업에서의 연원료 가격 상승은 경쟁력 저하를 심화시키고 있다.
특히, 화석연료의 지속적 사용에 따른 이산화탄소 발생의 지구 환경 문제와 기존의 철강공정 틀 속에서 고품위 철광석의 고갈은 현 철강공정 경쟁력 저하의 가장 큰 장벽으로 대두되고 있다.
따라서 지구 환경문제의 근본적 해결을 위해 이산화탄소를 발생시키는 철광석 환원의 탄소 환원제를 수소 환원제로 변화시키고, 철광석의 경우, 주로 작은 미립자 크기로 존재하여 제철산업에서 버려지거나 맥석이 많은 경우 선광을 하더라도 너무 작은 극미립자로 존재하여 사용이 제약을 받던 극미분철광석의 사용을 확대하는 기술이 요구되고 있다.
기존의 고로 방식에서 100 마이크론 이하의 철광석 미립자의 사용은 주로 소결 공정에서 배제되거나 또는 미립자를 펠릿(pellet) 형태로 조립하는 사전처리 과정을 거쳐 소결기에 재투입하거나 소성 펠릿(pellet) 형태로 사용하였다.
펠릿(pellet) 형태로 고로에 투입할 경우, 고로 내 가스 흐름에 장애 요인으로 작용하여 사용의 한계치가 있다. 이러한 형태에서 벗어나 수 mm이하의 분철광석을 직접 사용하는 파이넥스(FINEX), 핀멧(FINMET), 서코레드(Circored)와 같은 기술들이 개발되어 환원철 생산에 사용되고 있다.
상기 기술들은 주로 가스 버브링(bubbling) 또는 순환(circulating) 형태의 유동로(fluidized bed furnace)에서 환원제 가스를 사용하여 분철광석을 유동화 시켜 철광석을 환원하는 기술이다.
그러나 여전히 매우 작은 100 마이크론 이하 미립자들은 유동로에서 빠져나가게 되고 이들을 포집하기 위해 사이클론(cyclone)등의 포집 장치를 사용하게 된다.
특히 50 마이크론 이하의 매우 작은 크기의 극미분 철광석을 사전처리 없이 사용하여 환원철을 얻는 것은 현재의 기술로는 어렵다. 또한, 철 함유량이 60% 보다 낮은 저 품위 철광석의 경우, 선광에 의해 맥석 성분을 제거한 철광석 또는 자철광 등은 50 마이크론 이하의 매우 작은 극미립자로 존재하여 공정 중 사이클론(cyclone)에 의해 제거되어 사용의 한계가 있다.
따라서 고로, 기포(bubbling) 형태의 유동층 반응기의 극미분 철광석의 사용 한계치를 극복하고 공정상 탄소를 사용함에 따른 이산화탄소 발생의 환경적 제약을 해결할 수 있는 새로운 기술이 필요하다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 평균 300 마이크론 이하, 바람직하게는 평균 100 마이크론 이하의 극미분 철광석을 수소가 풍부한 환원가스를 사용하여 회전식 유동층 환원 반응기에서 환원시켜 환원철을 생산함으로써 이산화탄소 저감과 동시에 저품위, 난환원광을 포함한 극미분 철광석의 환원방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 환원철의 제조방법은 미분 철광석을 분화시키는 단계, 및 상기 분화된 미분 철광석을 환원제 가스를 이용하여 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는, 각속도에 의해 상기 환원장치 내에 원심력을 생성하고 분화된 미분철광석의 유동을 조절하는 단계 및 상기 미분 철광석을 원심력를 이용하여 환원제 가스에 의해 유동 환원시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 환원시키는 단계는 발생된 상기 원심력에 의해 미분 철광석을 유동시키고 예비 환원하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 환원시키는 단계는 전철함량을 증대시키기 위해 미분 환원철을 분리 및 포집하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 수소를 가열하여 분사하는 단계를 포함한다.
상기 환원철의 제조방법은 배출된 환원가스를 순환시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 순산소 투입에 의한 반응온도 조절 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 환원철 제조장치는 미분 철광석의 입자 조절을 위한 철광석 분화 장치, 및 원심력을 이용하여 분화된 철광석을 환원시키기 위한 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치를 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치가 복수인 경우, 상기 복수의 환원장치 사이에 환원철의 분리 및 포집 장치를 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치는 직렬 또는 병렬로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 환원철 제조장치는 상기 회전식 유동 환원장치에서 배출되는 환원가스를 상기 분화 장치 또는 상기 회전식 유동 환원장치에 순환시키기 위한 환원 가스 순환 장치를 더 포함한다.
또한, 상기 환원철 제조장치는 상기 회전식 유동 환원장치 내의 반응 온도를 조절하기 위한 순산소 투입 장치를 더 포함한다.
본 발명을 적용함으로써, 극미분 철광석을 사전 처리 없이 수소가 풍부한 환원제를 사용하여 회전식 유동층 환원 반응기에서 환원철을 생산할 수 있다.
또한, 회전식 유동에서의 원심력에 의한 미립자의 성질 개선에 의해 미립자 방출을 방지하고 유동장에서의 가스 버블 제어와 환원 반응속도를 개선 할 수 있다.
또한, 제철 공정의 이산화탄소 저감과 동시에 저품위, 난환원광을 포함한 극미분 철광석을 직접 환원하여 용선을 생산할 수 있는 효율적 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 환원철 제조방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 의한 회전식 유동 환원장치에 환원가스를 취입하여 미분 철광석을 환원시키는 것을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 복수의 회전식 유동 환원장치를 이용하여 미분 철광석을 환원시키는 것을 개념적으로 도시한 것으로 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 철광석의 분화장치, 복수의 회전식 유동 환원장치를 도입하여 미분 철광석을 환원시키는 것을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 복수의 회전식 유동 환원장치를 병렬로 배치한 것과 열교환기를 도입한 것을 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 환원철 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 환원철 제조방법의 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 환원철 제조방법은 미분 철광석을 분화시키는 단계(S10), 및 상기 분화된 미분 철광석을 환원제 가스를 이용하여 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계(S20)를 포함한다.
미분 철광석의 분화는 철광석 분화장치에서 철광석의 입자를 미세화 하기 위해 난류 유동을 이용하여 분화시키는 것을 말한다.
또한, 상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는, 각속도에 의해 상기 환원장치 내에 원심력을 생성하고 분화된 미분철광석의 유동을 조절하는 단계 및 상기 미분 철광석을 원심력에 의해 수소 유동 환원시키는 단계를 포함한다.
각속도에 의한 원심력 생성 및 조절은 미세 철광석 입자의 이탈을 방지하기 위해 미세 철광석 입자의 최소 유동화 속도 이상으로 각속도를 조절함에 의해 미세 입자를 유동화시키는 것이다.
또한, 미분 철광석을 원심력을 이용하여 환원제 가스에 의해 유동 환원하는 것은 유동화된 미분 철광석을 수소를 포함하는 환원제 가스에 의해 환원시킬 수 있다.
상기 환원제 가스는 일산화탄소(CO), 수소(H2)를 포함하는 가스가 될 수 있다.
또한, 상기 환원철 제조방법은 발생된 상기 원심력에 의해 미분 철광석을 유동시키고 예비 환원하는 단계를 포함한다. 예비 환원에 의해 미분 철광석을 일부 환원시켜 후속의 환원공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 전철함량을 증대시키기 위해 미분 환원철을 분리 및 포집하는 단계를 포함한다. 회전식 유동 환원장치가 복수로 구비된 경우, 전단계에서 환원된 미분 환원철을 맥석 성분으로부터 원심력 또는 자성을 이용하여 분리시킴으로써 전철함량을 증대시킬 수 있다.
또한, 전철함량을 증대시키기 위해 맥석 성분을 분리 또는 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 수소를 가열하여 분사하는 단계를 포함한다. 수소 환원제 가스를 회전식 유동 환원장치에 취입할 경우, 취입된 수소 가스의 온도를 증가시킴으로써 환원장치 내에서 환원철의 환원속도 및 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 배출된 환원가스를 순환시키는 단계를 포함한다. 회전식 유동 환원장치에서 배출된 환원가스는 다시 재순환시킴으로써 미분 철광석의 분화단계 또는 환원장치에 의한 환원단계에 사용될 수 있다.
또한, 상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 순산소 투입에 의한 반응온도 조절 단계를 포함한다. 순산소를 투입시킴으로써 환원장치내의 온도를 증가시켜 환원철의 환원반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 환원철 제조장치는 미분 철광석의 입자 조절을 위한 철광석 분화 장치, 및 원심력을 이용하여 분화된 철광석을 환원시키기 위한 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치를 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치가 복수인 경우, 상기 복수의 환원장치 사이에 환원철의 분리 및 포집 장치를 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치는 직렬 또는 병렬로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 회전식 유동 환원장치에서 배출되는 환원가스를 상기 분화 장치 또는 상기 회전식 유동 환원장치에 순환시키기 위한 환원 가스 순환 장치를 더 포함한다.
상기 회전식 유동 환원장치 내의 반응 온도를 조절하기 위한 순산소 투입 장치를 더 포함한다.
미분 철광석은 300 마이크론 이하, 바람직하게는 50 마이크론 이하의 입도를 갖는 극미분 철광석일 수 있다.
상기 미분 철광석은 하기의 회전식 유동 환원장치에 장입되기 전 원료인 미분 철광석의 미세 입자를 조절하기 위해 분화될 수 있다.
상기 분화된 미분 철광석은 수소 가스를 이용하여 회전식 유동 환원장치에 의해 환원되게 된다.
상기 회전식 유동 환원장치는 일반적인 기포 유동층 반응기에 작용하는 중력, 드래그 힘(drag forces)외에 원심력이 유동층에 작용하게 된다.
일반적인 가스-고체 유동층 반응기에서 환원제 가스 투입은 반응기내에서 가스 버블을 형성하여 반응기안에 들어있는 고체 상태의 철광석을 유동화 시키는 모멘텀(momentum)을 제공하게 되고 이는 반응기내에서 환원가스인 기체속도와 철광석의 속도 차이인 드래그 힘(drag forces)로 나타나게 된다.
이러한 드래그 힘(drag forces)는 중력장과 균형을 이루어 유동화를 일으키고 반응에 필요한 적절한 기체-고체 혼합을 형성한다. 만약 환원제의 유속이 높아지면 철광석 미립자는 반응기를 이탈하여 환원반응에 참여하지 못하게 된다. 특히 싸이클론 등에 의해 회수되지 못하는 100마이크론, 특히 50마이크론 이하의 미립자 철광석은 기존의 기포 유동층에 의하여 환원 하기 어렵다.
이에 반해 본 발명에서 사용한 회전식 유동층 환원장치는 원심력이 중력과 함께 드래그 힘(drag forces)과 반대로 작용하여 환원장치로부터 미립자의 이탈을 방지한다. 원심력이 높아질수록 더 많은 환원제 가스의 투입은 가능하며, 미립자의 이탈은 감소하게 된다.
또한 기존의 기포 유동층보다 반응기 부피는 감소하게 된다. 특히 50 마이크론 보다 작은 미립자의 경우 작은 미립자 사이에 작용하는 응집력(cohesive forces) 때문에 서로 뭉치는 힘이 강화되어 유동화를 위해 가스가 반응기내로 투입되면 슬러깅(slugging), 채널링(channeling) 현상에 의해 유동화가 매우 어렵다.
그러나 회전식 유동층 반응기를 사용할 경우, 이러한 Geldart C (Cohesive 미립자) 미립자의 성질은 Geldart A 미립자의 성질로 변화되어 부드럽게 유동화되는 성질을 가지게 된다. 따라서 회전식 유동층에서의 기포 버블은 제어가 가능해지고 미립자 유동에 의한 질량 및 열 전달(mass and heat transfer)는 증가하여 환원 반응속도는 증가하게 된다.
회전식 유동층 반응기에서 환원제 가스는 회전하는 반응기의 벽면으로부터 투입하고 미립자 철광석은 반응기 측면의 중앙으로 투입되게 된다.
일정한 크기의 미립자 철광석이 사용될 경우, 철광석이 환원되면서 철광석 밀도는 증가하고 원심력에 의해 회전식 유동로내에서 환원철의 층별화가 이루어지게 된다. 따라서 환원가스에 의한 환원력은 Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 순으로 작용하게 되어 고환원율을 얻는데 유리하게 작용하게 된다.
또한 반응기 벽으로부터 안쪽으로의 가스흐름 모멘텀(momentum)은 반응기내 유동장의 유지 뿐만 아니라 환원철이 벽 쪽에 부착되는 현상도 방지하게 된다. 또한 이러한 회전식 유동층 환원장치에서 환원에 의해 극미분 철광석이 분화되거나 순차적으로 층별화됨으로써 난환원성 자철광 또는 맥석 성분이 많은 저품위 철광석의 맥석 성분을 반응기 안쪽으로부터 분리 할 수 있다.
이러한 반응기의 환원제 가스는 수소의 함량을 증가시킴으로써 반응식 (1)에서 보는 바와 같이 환경에 무해한 물만을 배출하여 이산화탄소의 발생을 급격히 줄일 수 있다.
Figure 112010086959226-pat00001
..... (1)
철광석 환원제로써 수소 함량의 증가는 800℃ 이상의 고온에서 수소(H2)에 의한 환원 반응속도가 일산화탄소(CO)에 의한 환원 반응속도 보다 빠르게 됨으로써 고환원율의 환원철 생산에 유리하다.
또한, 자철광과 같은 50마이크론 이하의 난환원광의 경우, 회전식 유동층 환원장치를 사용하여 고온에서 빠르게 환원되는 것이 가능하다. 반응기의 온도를 800℃ 이상 1,300℃ 까지 증가 시키기 위해 반응기 속으로 산소를 투입하는 것도 가능하다.
극미분 철광석을 환원시키기 위해 회전식 유동층 환원장치를 직렬또는 병렬로 복수 개 연결하는 것도 가능하며, 환원장치 온도 조절을 위해 열 교환기를 회전식 유동층 환원장치 사이에 또는 회전식 유동층 환원장치 내부에 설치하는 것도 가능하다.
또한, 극미분 철광석을 회전식 유동층 환원장치에 장입하기 전에 철광석 건조 또는 예비 환원을 위한 반응장치는 여러 가지가 가능할 수 있다. 반응장치는 드럼(drum) 형태의 반응기, 회전식 유동층 반응기, 순환형 유동층 반응기, 기포 유동층 반응기로 존재하는 것이 가능하며, 800℃ 이하 또는 이상의 온도에서 극미분 철광석을 건조 또는 예비 환원시킴으로써 주 회전식 반응장치의 철광석 환원력 강화에 도움을 줄 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 회전식 유동 환원장치를 이용한 환원철의 제조방법을 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 2는 본 발명의 미분 철광석(10)을 수소 환원제 가스(30)를 취입하여 주 반응기인 회전식 유동층 환원장치(20)에 의해 환원시키는 공정을 개념적으로 도시한 것이다.
극미분 철광석(10)을 환원시키는 주 반응기인 회전식 유동층 환원장치(20)는 도 2에서 보는 바와 같이 중력 방향과 직각으로 또는 중력방향과 일치하게 설치될 수 있으며, 환원장치(20)는 환원장치(20)의 중심축에 의해 또는 환원장치(20)의 외벽에 설치된 회전력을 주는 기구에 의해 회전 될 수 있다. 본 발명에서의 반응기의 기울기 각도와 회전력을 주는 방법은 위에서 언급한 것으로 한정되지 않는다.
환원가스(30)가 투입되는 환원장치(20)의 외벽은 기공 또는 스크린 형태로 되어 있어 기존의 유동층 반응기에서의 환원가스 분배자 (distributor)의 역할을 수행하며, 반응기 외벽 바깥에 회전되지 않는 고정된 외벽을 두어 환원가스가 투입되도록 설치하는 것도 가능하다.
환원가스의 투입 각도는 도 2에서 보는 바와 같이 환원장치(20)와 직각으로 한정되는 것이 아니며, 극미분 환원철이 투입 되는 방향으로 기울어지는 것이 바람직하다. 환원가스 투입구는 고정된 외벽의 전체에서 고르게 분포되며 그의 갯수 및 형태는 한정되는 것이 아니며 반응기의 외벽과 고정된 외벽 사이에 공간을 두어 투입 환원가스가 충분히 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
환원가스(30)는 수소가 풍부한 환원제 가스로 존재하는 것이 바람직하나 수소 가스가 얻어지는 형태는 한정되지 않으며, 혼합 환원가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소, H2O 등과 기타 성분으로 이루어진 가스로 그 형태에 구애 받지 않으며 이들 혼합물의 일부 또는 전체로 존재 할 수 있다.
극미분 철광석 원료 및 철광석 환원을 위한 기타 고체 물질은 회전식 유동층 환원장치(20)의 한쪽 면의 중심으로 장입되는 것이 바람직하다. 극미분 철광석 투입 면 및 위치는 반응기의 각도, 회전축 등과 관련하여 변화될 수 있다. 투입된 극미분 철광석은 환원장치내에서 분포되어 환원제 가스에 의해 유동화되고 환원되며, 원심력, 중력, 드래그 힘(drag forces) 및 기타 힘에 의해 균형을 이루게 된다.
환원장치(20)의 회전력은 최소 환원장치(20) 내에 들어있는 내용물인 철광석과 기타 성분이 드래그 힘(drag forces), 중력 등과 균형을 이루어 최소한의 유동화가 이루어 지는 회전력 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 환원장치(20) 내의 극미분 철광석 미립자가 환원장치(20)로부터 환원가스와 함께 이탈하지 못하도록 회전력을 상승시키는 것도 매우 바람직하다.
철광석이 환원되면서 철광석 밀도는 증가하여 회전식 유동 환원장치(20)내에서 환원철의 층별화가 이루어지게 된다. 따라서 환원가스에 의한 환원력은 Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 순으로 작용하게 되어 고환원율을 얻는데 유리하게 작용하게 된다.
또한 반응기 벽으로부터 안쪽으로의 가스흐름 모멘텀(momentum)은 환원장치(20)내 유동장의 유지 뿐만 아니라 환원철이 벽 쪽에 부착되는 현상도 방지하게 된다. 또한 이러한 회전식 유동층 환원장치(20)에서 환원에 의해 극미분 철광석(10)이 분화되거나 순차적으로 층별화됨으로써 난환원성 자철광 또는 맥석 성분이 많은 저품위 철광석의 맥석 성분을 반응기 안쪽으로부터 분리 할 수 있다. 이러한 분리 현상을 더 강화시키기 위하여 회전식 유동층 환원장치를 일정 각도로 기울여 사용하는 것도 가능하다.
환원장치(20)내 환원제 가스 투입은 철광석이 투입되는 입구로부터 일산화탄소가 풍부한 환원제 가스를 사용하고 환원된 혼합가스가 나가는 방향으로 점차적으로 수소 함량을 증가시킴으로써 고온에서 극미분 철광석의 환원력을 강화시키는 방법도 가능하다.
철광석 환원제로써 수소 함량의 증가는 800℃ 이상의 고온에서 수소에 의한 환원 반응속도가 일산화탄소에 의한 환원 반응속도 보다 빠르게 됨으로써 고환원율의 환원철 생산에 유리하다. 또한 자철광과 같은 50마이크론 이하의 난환원광의 경우, 회전식 유동층 환원장치를 사용하여 고온에서 빠르게 환원되는 것이 가능하다.
환원장치(20)의 온도를 800℃ 이상 1300℃ 까지 증가시키기 위해 환원장치(20) 속으로 산소를 투입하는 것도 가능하다.
극미분 철광석(10)을 환원시킨 혼합 환원제 가스 또는 환원후 혼합가스(50)는 반응기의 중심으로 이동하여 반응기 중심축을 따라 이동하여 반응기 밖으로 배출되게 된다. 환원철은 회전식 유동층 환원장치로부터 배출구(40)를 통하여 배출되는 것이 가능하다. 배출구(40)의 형태는 일정한 형태로 한정되지 않으며 분리를 목적으로 반응기의 배출 면에서 지름방향으로 층별화 될 수 있다. 반응기는 배출 형태에 따라 배치(batch) 형태, 연속식 형태도 가능하다.
<실시예 2>
도 3은 극미분 철광석 환원을 위한 회전식 유동층 환원장치(20, 25)를 2개 이상 직렬로 연결하여 극미분 철광석(10)의 환원을 보다 유리하게 한 것이다.
전단계의 회전식 유동층 환원장치(20)로부터 배출된 환원철은 후속의 회전식 유동층 환원장치(25)로 재투입되어 환원되게 된다. 이때 후속의 회전식 유동층 환원장치(25)의 철광석 환원제는 수소가 풍부한 환원제로, 더 자세하게는 환원제 가스의 60%이상이 수소로 존재하여 800℃이상의 고온에서 70%이상, 더 자세하게는 90%이상의 고환원율을 얻을 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.
회전식 유동층 환원장치(25)로부터 배출된 혼합가스는 재순환되어 회전식 유동층 환원장치(20, 25)의 철광석 환원제로 사용하는 것이 가능하다. 이때 회전식 유동층 환원장치(20, 25)의 환원력을 강화시키기 위해 수소 또는 일산화탄소를 더 투입할 수 있다.
또한 철광석의 맥석 성분은 회전식 유동층 환원장치(20, 25) 각각으로부터 분리하는 것도 가능하다. 이때 자력 등을 이용한 맥석 성분 분리장치(미도시)는 회전식 유동층 환원장치(20, 25) 외부에 설치하여 분리능력을 강화시킬 수 있다. 특히 적철광이 자철광으로 변환한 시점이나 자철광의 경우 외부로부터 제공된 자력은 맥석 성분 분리에 매우 유리하다.
또한, 회전식 유동층 환원장치(20, 25)를 2개 이상 직렬로 여러 개 연결하여 온도를 연속적으로 증가하거나 온도 및 압력을 변화시키고 극미분 철광석의 환원 정도에 따라 환원제의 성분을 조절하는 것도 가능하다. 만약 극미분 철광석이 투입되는 첫번째 회전식 환원장치 온도가 800℃이하, 더 자세하게는 600℃ 이하에서 일산화탄소가 수소 보다 환원력이 클 경우, 일산화탄소가 수소보다 반응기 안으로 더 많이 투입되도록 조절하는 것이 유리할 수 있다. 회전식 유동층 환원장치(20, 25)의 배열은 직렬 또는 병열의 혼합 형태로 존재하는 것이 가능하다.
<실시예 3>
도 4는 회전식 유동층 환원장치(20) 전단에 철광석 분화장치(5) 또는 예비환원을 위하여 드럼(drum) 형태 반응기, 회전식 유동층 환원장치, 순환형 유동층 환원장치, 기포 유동층 환원장치를 연결하는 것을 개념적으로 나타낸 것이다. 80% 수소 환원제를 사용하는 배치(batch)식 드럼(drum) 형태의 반응기를 사용하여 700℃에서 300마이크론 이하 자철광 500g의 예비 환원을 실시한 경우 40%의 환원율을 얻었으며, 800℃에서 60마이크론의 자철광의 예비환원을 실시한 경우 약 47%의 환원율을 얻었다.
비록 드럼(drum) 형태 반응기 안의 철광석이 충분한 회전력에 의해 유동화되지 않고 환원제 가스(30)가 반응기 중심으로 통과함으로써 충분히 환원제 역할을 하지 않았음에도 불구하고 예비 환원장치 역할을 할 수 있음을 보여주었다.
이는 회전식 유동층 환원장치 또는 순환식 유동층 환원장치로 대체될 경우 빠른 철광석 건조 뿐만 아니라 예비 환원 능력은 유동층 환원장치(20) 내에서의 가스-고체 혼합에 의한 접촉 면적 증가에 의해 환원 반응속도가 증가되고 환원 능력은 상승하게 될 가능성이 높다. 철광석 건조 및 예비환원에 사용되는 환원제 가스는 회전식 유동층 환원장치(25)에서 배출되는 혼합 환원제 가스 또는 환원후 혼합가스(50)를 이용하는 것이 바람직하다. 따라서 이러한 예비 환원장치는 도 2에 도시된 회전식 유동층 환원장치(20)의 전단에 설치함으로써 주 회전식 반응기의 철광석 환원력 강화에 도움을 줄 수 있다.
<실시예 4>
도 5는 회전식 유동층 환원장치가 병렬적으로 배열되어 설치된 것을 도시한 것이다. 또한, 도 5는 회전식 환원장치의 열량 조절을 위해 회전식 환원장치들 사이에 또는 회전식 환원장치 내에 열 교환기(130, 135)를 설치하는 것을 개념적으로 도시한 것이다. 회전식 유동층 환원장치(20)는 직렬 배열 뿐만 아니라 병렬화하여 극미분 철광석의 대량생산을 위해 사용될 수 있다. 반응기의 배열은 직렬 배열, 병렬 배열 등의 각각으로 존재 할 수 있으며, 이들의 혼합형태도 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
5: 분화장치 10 : 미분 철광석
20, 25 : 회전식 유동층 환원장치
30 : 환원 가스 40 : 환원철 배출구
50 : 환원후 혼합가스 60 : 환원장치내 철광석
70 : 환원철 90, 110 : 순환 환원가스
130, 135 : 열교환기

Claims (12)

  1. 미분 철광석을 분화시키는 단계; 및
    상기 분화된 미분 철광석을 환원제 가스를 이용하여 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계를 포함하는 환원철의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는,
    각속도에 의해 상기 환원장치 내에 원심력을 생성하고 분화된 미분철광석의 유동을 조절하는 단계; 및
    상기 미분 철광석을 원심력을 이용하여 환원제 가스에 의해 유동 환원시키는 단계를 포함하는 환원철의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    발생된 상기 원심력에 의해 미분 철광석을 유동시키고 예비 환원하는 단계; 를 포함하는 환원철의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전철함량을 증대시키기 위해 미분 환원철을 분리 및 포집하는 단계; 를 포함하는 환원철의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 수소를 가열하여 분사하는 단계를 포함하는 환원철의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배출된 환원가스를 순환시키는 단계를 포함하는 환원철의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치에 의해 환원시키는 단계는 순산소 투입에 의한 반응온도 조절 단계를 포함하는 환원철의 제조방법.
  8. 미분 철광석의 입자 조절을 위한 철광석 분화 장치; 및
    원심력을 이용하여 분화된 철광석을 환원시키기 위한 적어도 하나의 회전식 유동 환원장치를 포함하는 환원철 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치가 복수인 경우,
    상기 복수의 환원장치 사이에 환원철의 분리 및 포집 장치를 포함하는 환원철 제조장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치는 직렬 또는 병렬로 형성된 것을 특징으로 하는 환원철 제조장치.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치에서 배출되는 환원가스를 상기 분화 장치 또는 상기 회전식 유동 환원장치에 순환시키기 위한 환원 가스 순환 장치를 더 포함하는 환원철 제조장치.
  12. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전식 유동 환원장치 내의 반응 온도를 조절하기 위한 순산소 투입 장치를 더 포함하는 환원철 제조장치.
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