KR101199023B1 - 영가철 제조장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영가철 제조장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강산업의 부산물 및 기타 천연에서 발생하는 FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등의 산화철을 이송스크루를 이용하여 교반하면서 고온의 환원가스와 접촉시켜 영가철을 제조할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 영가철 제조장치는 일측에 산화철이 유입되는 유입관이 설치되고 타측에 환원된 영가철이 배출되는 유출관이 형성된 반응기와, 반응기에 설치되어 상기 반응기의 내부를 가열시키는 히터와, 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 상기 반응기의 내부로 공급하는 환원가스공급부와, 반응기에 설치되며 상기 반응기의 내부로 유입된 산화철을 교반하여 상기 환원가스와 접촉시키는 이송 스크루와, 이송스크루와 연결되어 상기 이송스크루를 회전시키는 구동부를 구비한다.

Description

영가철 제조장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법{Manufacturing apparatus of zero-valent iron and manufaturing method of zero-valent iron using the same}

본 발명은 영가철 제조장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강산업의 부산물 및 기타 천연에서 발생하는 FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등의 산화철을 이송스크루를 이용하여 교반하면서 고온의 환원가스와 접촉시켜 영가철을 제조할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 몇 년간, 나노기술의 응용은 놀라운 제거능력으로 환경문제를 해결하는 많은 시도 중의 일부분에 비용-효율적인 해결책을 제공할 수 있는 대단한 가능성을 보여주고 있다. 환경오염 처리에 사용되고 있는 나노 기술 중에서, 영가철(Fe⁰, zero-valent iron)은 그것의 높은 제거 효율을 가진 다양한 응용능력 때문에 환경기술자들과 과학자들 사이에서 가장 주목받고 있다.

영가철은 철강산업 및 기타 천연에서 발생되는 산화철(FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄)에서 산소분자를 가지지 않는 순수한 철을 의미하는 데, 영가철은 표면의 강력한 산화력을 이용하여 각종 환경유해물질 분해에 사용된다.

이러한 영가철은 TCE, PCB, 크롬, 납 및 메탈로이드 비소 (III 및 V)와 같은 중금속, 질산염, 제초제, PAH, TCA 및 PCA, 클로로포름(CF), 니트로벤젠(NB), 니트로톨루엔(NT), 디니트로벤젠 (DNB), 및 디니트로톨루엔, 염소화메탄과 같은 일반적인 환경오염물질의 폭넓은 다양한 성분변환 (transformation)과 해독 (detoxification)에 매우 효과적이라고 알려져 있다.대표적으로는 유기염소계, 중금속, 농약 및 염색폐수로 오염된 지하수 및 토양을 처리하는 용도로 많이 사용되고 있다.

특히, 나노사이즈 수준의 영가철은 기존의 범용 영가철인 나노사이즈 수준의 영가철에 비해서 거대한 표면적과 높은 반응성으로 인해 훨씬 빠르고 효과적인 처리효율을 제공할 수 있다.

현재 영가철을 제조하기 위한 산화철을 환원시키는 기술로는 직접환원법이 주로 이용되고 있다. 직접환원법은 환원제에 따라 고체환원제와 기체환원제를 이용하는 기술로 구분되는데, 고체환원제에 의한 방법은 고정탄소를 사용하여 산화철을 영가철로 환원시키는 방법이며, 기체환원제에 의한 방법은 이산화탄소와 수소를 사용하여 산화철을 환원시키는 방법이다.

기체 환원제를 이용한 종래의 방법 중 고정층 반응기의 내부에서 산화철을 환원시키는 방법은 고온의 반응 온도에서 철의 용융 현상에 의해 영가철 입자가 응집됨에 따라 입자가 수십 마이크로 수준으로 커지는 문제점이 있다.

영가철은 표면에서 반응이 일어나기 때문에 비표면적이 반응속도에 미치는 영향이 크다. 따라서 종래와 같이 고정층에서 환원시키면 반응활성이 낮아지게 된다. 또한, 고정층에서의 환원은 반응 후 냉각시간이 길고, 제조 가능한 영가철의 양도 소량이다는 문제점이 있다.

그리고 유동층 반응기의 내부에서 산화철을 환원시키는 방법은 원료인 산화철을 반응기 내부에서 유동화시키기 어렵고, 반응기 내부에 환원 가스 외에도 캐리어 가스를 추가로 공급하는 문제점이 있다. 또한, 기체 환원제를 이용한 방법은 주로 환원가스로 사용하는 수소의 비용이 비싸 영가철의 제조단가를 상승시키는 문제점이 있다.

한편, 통상 제철공장에서 열연강판을 냉연강판으로 제조하기 위해 표면의 스켈일 및 오염물질을 제거하기 위해 18%염산액으로 세척하게 되는데, 이 공정에서 산세폐액이 발생하게 된다. 이러한 산세폐액은 산회수 과정을 통하여 염화철이 산화철로 회수된다. 회수된 산화철은 고품위 및 저품위 산화철로 구분되고, 고품위 산화철은 페라이트 제조 등에 이용되며, 저품위 산화철은 안료용의 기초 원료로 사용되고 있다.

특히, 자국시장의 급속한 성장으로 인한 중국산 저급 산화철의 대량생산이 다른 국가들에게 큰 문제로 대두되고 있어 국제경쟁을 하는 우리나라의 산화철 업계도 값싼 중국산 산화철에 대응한 고부가가치의 산화철 적용기술을 시급히 개발해야할 필요성이 있다. 상기와 같이 공급과잉으로 인해 새로운 이용점을 모색 중인 저급 산화철을 유용한 환경소재인 영가철로 환원시키는 기술의 개발이 매우 시급하고 중요하다

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 철강산업의 부산물 및 기타 천연에서 발생하는 FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등의 산화철을 이송스크루가 설치된 반응기 내부에서 교반하면서 고온의 환원가스와 접촉시켜 영가철을 제조할 수 있는 장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 LNG, CNG, LPG, COG 등을 환원가스로 이용할 수 있는 영가철 제조장치 및 이를 이용한 영가철의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 영가철 제조장치는 일측에 산화철이 유입되는 유입관이 설치되고 타측에 환원된 영가철이 배출되는 유출관이 형성된 반응기와; 상기 반응기에 설치되어 상기 반응기의 내부를 가열시키는 히터와; 상기 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 상기 반응기의 내부로 공급하는 환원가스공급부와; 상기 반응기에 설치되며 상기 반응기의 내부로 유입된 산화철을 교반하여 상기 환원가스와 접촉시키는 이송 스크루와; 상기 이송스크루와 연결되어 상기 이송스크루를 회전시키는 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 반응기로부터 배출된 영가철이 저장되는 저장부;를 더 구비하고, 상기 저장부는 상기 반응기의 유출관과 연결되며 상기 이송스크루에 의해 이송된 영가철이 유입되는 저장탱크와, 상기 저장탱크를 둘러싸도록 설치되어 상기 저장탱크를 냉각시키는 냉각재킷과, 상기 냉각재킷으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급부와, 상기 저장탱크로 불활성 가스를 공급하여 상기 영가철의 산화를 방지하는 불활성가스공급부를 구비하고, 상기 이송스크루는 상기 구동부와 연결되며 상기 반응기에 회전가능하도록 지지되는 회전축과, 상기 회전축에 나선형으로 형성되어 산화철을 유출관 방향으로 이송시키는 이송 날개와, 상기 회전축에 일정 간격으로 다수가 설치되어 산화철을 교반하는 교반날개를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 환원가스공급부는 챔버와, 상기 반응기의 내부에 액화천연가스(liquefied natural gas), 압축천연가스(compressed natural gas), 액화석유가스(liquefied petroleum gas) 중에서 선택된 어느 하나의 환원가스 공급원을 제공하는 환원가스공급원제공부와, 상기 환원가스 공급원과 반응시키기 위한 수증기를 상기 반응기에 제공하는 수증기제공부와, 상기 반응기와 상기 챔버를 연결하며 상기 챔버에서 생성된 수소 및 일산화탄소가 혼합된 환원가스가 이송되는 가스공급라인을 구비하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 영가철 제조방법은 이송 스크루가 설치된 반응기의 내부를 설정된 온도로 가열하는 제 1단계와; 상기 반응기의 내부에 산화철 및 상기 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 공급하는 제 2단계와; 상기 이송스크루를 회전시켜 상기 산화철을 교반하면서 상기 산화철을 환원가스와 접촉시키는 제 3단계와; 상기 이송스크루에 의해 유출구를 통해 배출되는 영가철을 냉각시켜 저장하는 제 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2단계는 a)액화천연가스(liquefied natural gas), 압축천연가스(compressed natural gas), 액화석유가스(liquefied petroleum gas) 중에서 선택된 어느 하나의 환원가스 공급원을 수증기 또는 산소와 반응시키는 단계와, b)상기 반응에 의해 생성된 수소 및 일산화탄소가 혼합된 환원가스를 상기 반응기의 내부로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2단계에서 상기 환원가스는 석탄을 코크스로에서 건류하여 발생된 코크스로 가스(coke oven gas)인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 산화철을 이송스크루가 설치된 반응기 내부에서 교반시키면서 고온의 환원가스와 접촉시켜 영가철을 제조하므로 산화철 입자와 수소가스의 반응 표면적이 커져 반응속도가 증가하게 되어 산화철의 대량 생산이 가능하다.

또한, 환원가스로 COG를 이용하거나 LNG, CNG, LPG을 반응시켜 생성된 수소와 일산화탄소를 이용하므로 영가철의 제조비용을 절감할 수 있다.

그리고 영가철의 재료가 되는 산화철을 제철소에서 발생되는 부산물로부터 얻은 산화철을 이용함으로써 저품위 산화철을 유용한 환경소재인 영가철로 환원시킬 수 있어 유효자원을 재활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영가철 제조장치를 나타내는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영가철 제조장치를 나타내는 구성도이고,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 영가철의 X선 회절분석을 나타낸 그래프들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 영가철 제조장치에 대해서 구체적으로 설명한다.

본 발명은 철강산업의 부산물 및 기타 천연에서 발생하는 FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 등의 산화철을 고온에서 환원가스와 반응시켜 영가철을 제조한다.

산화철로 바람직하게는 제철공장에서 강판을 염산으로 세척시에 발생하는 산세 폐액 중의 염화철화합물을 산화시킨 것을 이용한다. 산세 폐액 중에 포함된 염산은 공해문제를 유발시키므로 회수를 해야되며 폐산을 처리하는 도중에 산화철이 부산물로 발생하게 된다. 산세 폐액 중에는 철강재에 포함되어 있는 불순성분인 규소, 칼슘, 마그네슘, 인 등이 포함되어 있고, 이러한 불순물들이 산화철 제조시에 그대로 유입되어서 산화철 내에 함유되어 악영향을 미치기 때문에 산화철의 제조시에는 일반적으로 산화철의 원료인 산세 폐액의 주성분인 염화제일철 수용액 중의 불순물을 제거한 후, 열분해를 통하여 산화철을 제조한다.

일 예로 산세 폐액을 활성탄 여과기를 이용하여 여과하고 폐산 중 포함된 슬러지 및 조립 SiO₂제거하여 산화철을 얻거나, 산세 폐액을 실리카겔과 접촉시켜 실리카겔표면에 불순물을 흡착제거하거나, 고분자 응집제를 산세 폐액에 첨가하여 산세폐액 중 불순물을 응집시켜 여과해서 분리할 수 있다. 이외에도 통상적인 산세 폐액을 산화철로 재생하는 기술을 이용할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 제철공장에서 부산물로 발생되는 산세 폐액으로부터 얻어지는 산화철, 특히 저품위 산화철을 영가철을 제조함으로써 경제적이면서도 유용하게 활용할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영가철 제조장치는 크게 반응기(10)와, 히터(20)와, 환원가스공급부(30)와, 이송스크루(60)와, 구동부(70)를 구비한다.

반응기(10)는 내부에 일정 크기의 공간이 마련된 원통형으로 형성된다. 반응기는 다양한 재질로 형성될 수 있지만, 관리가 쉬운 스테인리스 재질이 유리하다. 반응기(10)의 내부에는 열원을 공급하는 가열수단인 히터(20)가 장착된다. 반응기(10)의 상부 일측에는 산화철이 유입되는 유입관(21)이 설치되고, 하부 타측에는 반응기(10) 내부에서 환원된 영가철이 배출되는 유출관(23)이 설치된다. 유입관(21) 및 유출관(23)에는 통로를 개폐하는 밸브(22)(24)가 각각 설치된다. 유입관은(21) 호퍼(25)와 연결된다. 호퍼(25)에는 산화철이 채워져 있어 유입관(21)을 통해 일정한 속도로 산화철이 반응기(10)의 내부로 유입된다.

히터(20)는 반응기(10)의 상부에 배치되는 하나 또는 다수의 카트리지 히터를 사용할 수 있다. 히터(20)는 중공관체와, 중공관체에 내설되어 소정의 열을 전도시키는 전열코일로 구성된다. 히터(20)는 반응기(10)의 온도를 상온에서 1000℃까지 제어할 수 있도록 설계된다.

반응기(10)에는 고온의 내부 온도를 측정하는 열전대(미도시)가 설치된다. 그리고 반응기(10)의 일측에는 컨트롤러 박스(미도시)와 전원공급부(미도시)가 설치될 수 있다. 히터(20)는 전원공급부와 연결되어 전원을 공급받는다. 히터(20)는 반응기(10) 내부를 500 내지 700℃ 범위 내에서 가열하도록 제어된다. 이 경우 컨트롤러 박스는 열전대에서 측정된 온도 값을 기준으로 히터(20)를 제어할 수 있다.

반응기(10) 내부에 설치된 이송스크루(60)는 유입관(21)을 통해 반응기(10) 내부로 유입된 산화철을 교반시킴과 동시에 유출관(23)이 설치된 반응기(10)의 일측 방향으로 이송시킨다. 이송스크루(60)는 반응기(10)에 회전가능하도록 지지되는 회전축(61)과, 회전축(61)에 나선형으로 형성된 이송 날개(63)와, 회전축(61)에 일정 간격으로 다수가 설치된 교반날개(65)로 이루어진다.

이송스크루(60)는 반응기(10)의 외측에 설치된 구동부(70)에 의해 작동된다. 구동부로 통상적인 전동모터가 이용된다.

환원가스공급부(30)는 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 반응기(10)의 내부로 공급한다. 환원가스공급부(30)에서 공급하는 환원가스로 수소 가스 또는 일산화탄소를 이용할 수 있다. 또한, 수소와 일산화탄소가 혼합된 혼합가스를 이용할 수 있다.

바람직하게는 환원가스로는 석탄을 코크스로에서 건류하여 발생된 코크스로 가스(coke oven gas, 이하 COG라 함)를 이용한다. 이러한 COG는 코크스(cokes)를 생산하는 코크스공장에서 부산물로 주로 얻어지는데, 코크스공장은 유연탄을 밀폐된 코크스 오븐에 넣고 약 24시간 정도 건류시켜 코크스를 얻는다. 코크스로 가스는 수소를 주성분으로 하며, 그외에도 메탄, 일산화탄소 등을 함유하므로 경제적인 환원가스로 충분히 이용할 수 있다.

도시된 일 예로 환원가스공급부(30)는 수소가스를 저장하는 수소 봄베(31) 및 일산화탄소 가스를 저장하는 일산화탄소 봄베(35), COG가스를 저장하는 COG붐베(41)와, 각 봄베(31)(35)(41)와 반응기(10)를 연결하는 가스공급라인(34)(39)(45)이 설치된다. 각 가스공급라인(34)(39)(45) 상에는 유량계(32)(37) (42)및 유량을 조절하는 유량조절밸브(33)(38)(43)가 각각 설치된다. 도시된 바와 달리 수소 봄베(31), 일산화탄소 봄베(35), COG붐베(41) 중 어느 하나만이 설치될 수 있음은 물론이다.

반응기(10) 내부에는 상기 환원가스공급부(30)와 연결된 가스노즐(50)이 설치된다. 가스노즐(50)은 이송스크루(60)의 상방에 배치되도록 설치된다. 가스노즐(50)에는 환원가스가 분출되는 분출구가 일정 간격으로 다수가 형성되어 반응기(10) 내부에 환원가스를 골고루 분출시킨다.

반응기의 내부에서 고온의 환원가스와 산화철은 접촉하여 아래와 같이 환원반응이 일어나 영가철을 생성한다.

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O, Fe₂O₃ + 2CO → 2Fe + 2CO₂

환원된 영가철은 이송스크루(60)에 의해 유출관(23) 방향으로 이송되어 유출관(23)을 통해 배출된다. 그리고 과잉의 환원가스 및 산화철과 환원반응에 의해 생성된 가스 등은 반응기(10)의 상부에 설치된 배기관(27)을 통해 외부로 배출된다. 배기관(10)에는 통로를 개폐하는 밸브(29)가 설치된다.

그리고 본 발명은 반응기(10)로부터 배출된 영가철을 냉각시킴과 동시에 산화를 방지하기 위한 저장부(80)가 구비된 것이 바람직하다. 영가철 분말은 상온에서 높은 산화성 및 폭발성으로 취급이 곤란한 문제점이 있다. 특히 영가철 분말의 경우 대기 중의 산소와 결합한 후 표면에 산화막이 빠르게 형성되어 확산됨으로써 결과적으로는 금속의 성질을 잃어버리는 문제점이 발생된다.

이를 방지하기 위한 저장부(80)는 반응기의 유출관(23)과 연결되어 영가철이 유입되는 저장탱크(81)와, 저장탱크(81)를 둘러싸 저장탱크(81)를 냉각시키는 냉각재킷(83)과, 냉각재킷(83)으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급부(85)와, 저장탱크(81)의 내부로 불활성 가스를 주입하기 불활성가스공급부(90)를 구비한다.

냉각재킷(83)은 저장탱크(81)의 주위를 둘러싸도록 형성된다. 냉각수공급부(85)는 상온의 냉각수가 공급되는 냉각수유입관(87)과, 냉각수유입관(87)과 연결되어 냉각재킷(83)에 내장되며 저장탱크(81)의 주위를 나선형으로 감아 올라가는 순환관(88)과, 순환관(88)과 연결되어 냉각수가 배출되는 냉각수 배출관(89)으로 이루어진다.

불활성가스공급부(90)는 저장탱크에 아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스가 주입하여 영가철의 산화를 방지한다. 질소를 이용하는 불활성가스공급부(90)의 일 예로 질소가스를 저장하는 질소 봄베(93) 및 질소 봄베(93)와 유출관(23)을 연결하는 가스공급라인(91), 가스공급라인(91) 상에 설치된 유량계(95) 및 유량을 조절하는 유량조절밸브(97)를 구비한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 영가철 제조장치를 도 2에 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 반응기(10)와, 히터(20)와, 환원가스공급부(30)와, 이송스크루(60)와, 구동부(70), 저장부(80)는 상술한 도 1의 예와 동일하므로 설명은 생략한다.

환원가스공급부의 다른 예를 도 2에 도시하고 있다. 환원가스공급부는 챔버(101)와, 반응기(10)의 내부에 액화천연가스(liquefied natural gas, 이하 LNG라 함), 압축천연가스(compressed natural gas, 이하 CNG라 함), 액화석유가스(liquefied petroleum gas, 이하 LPG라 함) 중에서 선택된 어느 하나의 환원가스 공급원을 제공하는 환원가스공급원제공부(110)와, 환원가스공급원(110)과 반응시키기 위한 수증기를 챔버(101)에 제공하는 수증기제공부(120)와, 반응기(10)와 챔버(101)를 연결하며 챔버(101)에서 생성된 수소 및 일산화탄소가 혼합된 환원가스가 이송되는 가스공급라인(130)을 구비한다.

본 실시 예에서 산화철을 환원시키는 환원 가스로 LNG, CNG, LPG를 반응시켜 생성된 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 이용한다. 따라서 저렴한 LNG, CNG, LPG를 이용할 수 있으므로 경제적이다.

LNG와 CNG는 메탄을, 그리고 LPG는 프로판과 부탄을 주성분으로 한다. 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소는 산소 또는 물과 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성시킨다.

메탄을 예로 들면, 메탄은 아래의 식과 같이 산소 또는 물과 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성한다.

CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂, CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

챔버의 내부에 환원가스공급원을 공급하기 위한 환원가스공급원제공부(110)는 LNG, CNG, LPG를 각각 저장하는 봄베들(111)(112)(113)과, 각 봄베와 챔버(101)를 연결하는 이송관들(115)(116)(117)과, 각 이송관에 설치된 유량조절밸브들(121)(122)(123)을 구비한다.

그리고 수증기제공부(120)를 통해 챔버(101)의 내부로 수증기가 유입된다. 수증기제공부(120)는 증기발생기(121)와, 증기발생기(121)와 챔버(101)를 연결하는 증기공급관(124)과, 증기공급관(124)에 설치된 밸브(125)로 구비된다. 한편, 상기 수증기제공부 대신에 챔버의 내부로 공기를 제공하는 공기제공부가 설치될 수 있음은 물론이다.

그리고 챔버(101)의 내부에는 챔버(101)의 내부를 가열시키기 위한 히터가 설치될 수 있다. 히터(20)는 반응기(10)의 온도를 800 내지 900℃로 유지시킨다.

800 내지 900℃로 가열된 챔버의 내부로 주입된 LNG, CNG, LPG 중 어느 하나의 가스는 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 생성한다. 챔버(101)의 내부에서 생성된 혼합가스는 가스공급라인(130)을 통해 반응기(10)의 내부로 유입된다.

이하, 도 1을 참조하면서 상술한 본 발명의 영가철 제조장치를 이용한 영가철 제조방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 영가철 제조방법은 이송 스크루(60)가 설치된 반응기(10)의 내부를 설정된 온도로 가열하는 제 1단계와, 반응기(10)의 내부에 산화철 및 환원가스를 공급하는 제 2단계와, 이송스크루(60)를 회전시켜 산화철을 교반하면서 산화철을 환원가스와 접촉시키는 제 3단계와, 이송스크루(60)에 의해 유출관(23)을 통해 배출되는 영가철을 냉각시켜 보관하는 제 4단계를 포함한다.

먼저, 반응기(10)에 설치된 히터(20)를 가동하여 반응기 전체를 균일하게 가열하여 반응기(10) 내부 온도를 500 내지 700℃로 유지시킨 상태에서 반응기(10)의 내부에 산화철 및 환원가스를 공급한다.

산화철 분말을 호퍼(25)에 충진한 다음 밸브(22)를 조절하여 반응기(10)의 내부로 산화철을 유입시킨다. 산화철의 유입속도는 산화철의 환원반응속도를 고려하여 적절하게 유입시킨다.

환원가스로 수소 또는 일산화탄소, 수소 및 일산화탄소가 혼합된 혼합가스를 이용할 수 있다. 바람직하게는 석탄을 코크스로에서 건류하여 발생된 COG를 이용한다. 그리고 수소 및 일산화탄소가 혼합된 혼합가스는 LNG, CNG, LPG를 수증기 또는 공기와 반응시켜 얻을 수 있다.

이송스크루(60)의 회전에 의해 산화철은 환원가스와 접촉한다. 이에 따라 산화철 입자와 수소가스의 반응 표면적이 커져 반응속도가 증가하게 되어 산화철의 대량생산이 가능해진다.

이송스크루(60)에 의해 산화철은 유출관(23) 측으로 점진적으로 이동한다. 유출관(23) 입구에 도달한 산화철은 환원반응이 완료된 상태이다. 산화철이 유출관(23)의 입구에 도달할 때 충분히 환원될 수 있도록 산화철 및 환원가스의 유입속도, 이송스크루의 이송속도를 적절히 조절한다.

이와 같이 제조된 영가철은 도 3의 X선 회절분석(XRD) 패턴에 나타난 바와 같이 Fe⁰피크가 선명하게 관찰되었다.

환원된 산화철, 즉 영가철은 유출관(23)을 통해 저장부(80)로 배출된다. 저장부(80)의 저장탱크(81)로 유입된 영가철은 질소가스에 의해 산화가 방지된다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 반응기 20: 히터
21: 유입관 23: 유출관
30: 가스공급부 50: 가스노즐
60: 이송스크루 70: 구동부
80: 저장부 90: 질소가스공급부
101: 챔버

Claims (6)

1. 일측에 산화철이 유입되는 유입관이 설치되고 타측에 환원된 영가철이 배출되는 유출관이 형성된 반응기와;
   상기 반응기에 설치되어 상기 반응기의 내부를 가열시키는 히터와;
   상기 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 상기 반응기의 내부로 공급하는 환원가스공급부와;
   상기 반응기에 설치되며 상기 반응기의 내부로 유입된 산화철을 교반하여 상기 환원가스와 접촉시키는 이송 스크루와;
   상기 이송스크루와 연결되어 상기 이송스크루를 회전시키는 구동부;를 구비하고,
   상기 환원가스공급부는 챔버와, 상기 반응기의 내부에 액화천연가스(liquefied natural gas), 압축천연가스(compressed natural gas), 액화석유가스(liquefied petroleum gas) 중에서 선택된 어느 하나의 환원가스 공급원을 제공하는 환원가스공급원제공부와, 상기 환원가스 공급원과 반응시키기 위한 수증기를 상기 챔버에 제공하는 수증기제공부와, 상기 반응기와 상기 챔버를 연결하며 상기 챔버에서 생성된 수소 및 일산화탄소가 혼합된 환원가스가 이송되는 가스공급라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 영가철 제조장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응기로부터 배출된 영가철이 저장되는 저장부;를 더 구비하고,
   상기 저장부는 상기 반응기의 유출관과 연결되며 상기 이송스크루에 의해 이송된 영가철이 유입되는 저장탱크와, 상기 저장탱크를 둘러싸도록 설치되어 상기 저장탱크를 냉각시키는 냉각재킷과, 상기 냉각재킷으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수공급부와, 상기 저장탱크로 불활성 가스를 공급하여 상기 영가철의 산화를 방지하는 불활성가스공급부를 구비하고,
   상기 이송스크루는 상기 구동부와 연결되며 상기 반응기에 회전가능하도록 지지되는 회전축과, 상기 회전축에 나선형으로 형성되어 산화철을 유출관 방향으로 이송시키는 이송 날개와, 상기 회전축에 일정 간격으로 다수가 설치되어 산화철을 교반하는 교반날개를 구비하는 것을 특징으로 하는 영가철 제조장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 이송 스크루가 설치된 반응기의 내부를 설정된 온도로 가열하는 제 1단계와;
   상기 반응기의 내부에 산화철 및 상기 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 공급하는 제 2단계와;
   상기 이송스크루를 회전시켜 상기 산화철을 교반하면서 상기 산화철을 환원가스와 접촉시키는 제 3단계와;
   상기 이송스크루에 의해 유출관을 통해 배출되는 영가철을 냉각시켜 저장하는 제 4단계;를 포함하고,
   상기 제 2단계는 a)액화천연가스(liquefied natural gas), 압축천연가스(compressed natural gas), 액화석유가스(liquefied petroleum gas) 중에서 선택된 어느 하나의 환원가스 공급원을 수증기 또는 산소와 반응시키는 단계와, b)상기 반응에 의해 생성된 수소 및 일산화탄소가 혼합된 환원가스를 상기 반응기의 내부로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영가철 제조방법.
6. 이송 스크루가 설치된 반응기의 내부를 설정된 온도로 가열하는 제 1단계와;
   상기 반응기의 내부에 산화철 및 상기 산화철을 환원시키기 위한 환원가스를 공급하는 제 2단계와;
   상기 이송스크루를 회전시켜 상기 산화철을 교반하면서 상기 산화철을 환원가스와 접촉시키는 제 3단계와;
   상기 이송스크루에 의해 유출관을 통해 배출되는 영가철을 냉각시켜 저장하는 제 4단계;를 포함하고,
   상기 제 2단계에서 상기 환원가스는 석탄을 코크스로에서 건류하여 발생된 코크스로 가스(coke oven gas)인 것을 특징으로 하는 영가철 제조방법.

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