KR101220683B1

KR101220683B1 - 합성가스를 이용한 환원철 제조장치 및 이를 이용한 환원철 제조방법

Info

Publication number: KR101220683B1
Application number: KR1020100136545A
Authority: KR
Inventors: 정준양; 김성연; 백찬준; 김도형; 최진식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2013-01-09
Also published as: WO2012091414A2; WO2012091414A3; KR20120074645A

Abstract

본 발명은 합성가스를 이용하여 높은 효율의 환원철을 제조할 수 있는 장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 분철광을 환원가스와 반응시켜 환원철로 환원시키는 1개 이상의 유동환원로; 상기 1개 이상의 유동환원로에 분철광을 장입될 수 있도록 연결된 분철광 장입수단; 상기 1개 이상의 유동환원로에서 발생된 배가스를 배출하는 배가스 배출수단; 상기 환원가스로 사용되는 합성가스를 형성하는 가스화수단 및 상기 가스화수단에서 형성된 합성가스를 제1 유동환원로의 저부에 공급할 수 있는 합성가스 공급수단; 및 상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 괴상화 수단을 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치 및 이를 이용한 환원철 제조방법을 제공한다.

Description

합성가스를 이용한 환원철 제조장치 및 이를 이용한 환원철 제조방법{APPARATUS OF MANUFACTURING REDUCED IRON USING SYNGAS AND METHOD FOR MANUFACTURING REDUCED IRON USING THE SAME}

본 발명은 유동환원로를 통해 환원철을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG)의 제조를 위한 전단계로 제조되는 합성가스(Syngas)를 이용하여 환원철을 제조하는 장치 및 이를 이용한 환원철 제조방법에 관한 것이다.

철강산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등의 전체 산업에 기초 소재를 공급하는 핵심기간산업으로서, 인류의 발전과 함께해온 가장 역사가 오래된 산업중의 하나이다. 철강산업의 중추적인 역할을 담당하는 제철소에서는 먼저 원료로 철광석 및 석탄을 이용하여 용융 상태의 선철인 용철을 제조한 다음, 이로부터 강을 제조하여 각 수요처에 공급하고 있다.

지금까지 용철을 제조하는 방법으로는 주로 고로법을 이용하여 왔다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원로로 하여 제조한 코크스 등을 고로에 함께 넣고 산소를 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다. 이러한 고로법은 코크스 제조설비 및 소결설비 등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되므로, 고로 이외의 부대설비를 구축해야 하고, 환경 오염물질을 다량 발생시켜 방견오염 방지설비의 설치 필요 등으로 제조원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.

이러한 고로법의 문제점을 해결하기 위해서, 소결 등의 원료예비설비를 필요치 않고, 전세계 광석 생산량의 80%이상을 점유하는 분광석을 직접 사용하여 용철을 제조하는 용융환원제철법의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

상기 용융환원제철법의 일종으로 개발된 파이넥스(Finex)공정은 분철광을 유동환원로내에서 환원시키는 유동 환원 공정과, 이와 같이 직접 환원된 분철광을 용융로 내에서 용융시켜 용철을 제조하는 용융 공정을 포함한다.

도 1은 일반적인 용융환원제철 설비를 도시한 공정 개략도이다. 도 1을 참조하면, 용융환원제철 설비는 분철광을 투입하여 환원시키는 하나 이상의 유동환원로(20, 30, 40), 환원된 분철광을 괴상화시키는 괴상화 수단(80) 및 용융로(10)를 포함한다.

유동환원로(20, 30, 40)을 거쳐 환원된 분철광(이하 환원철)은 괴상화 수단(80)를 거쳐 괴상화 된다. 이렇게 괴상화된 환원철을 HBI(Hot Briquetted Iron) 또는 HCI(Hot Compacted Iron)이라 칭한다. 상기 HBI 또는 HCI는 용융로(10)에 장입하여 용선을 제조하는데 쓰이게 된다.

상기 유동환원로(20, 30, 40)를 이용한 유동 환원 공정에서는 철산화물 형태의 분철광을 환원시키기 위해서, CO 및 H₂ 등의 환원가스가 필요하다. 지금까지는 용융로(10)에서 석탄의 연소에 의해 발생한 일산화탄소 등을 주로 사용하고 있다.

그러나, 상기 용융로(10)의 배가스 중 일산화탄소를 유동환원로(20, 30, 40)의 환원가스로 이용하는 경우에는, 충분한 환원가스가 포함되어 있지 않기 때문에 유동환원로의 환원효율이 낮고, 상기 용융로(10)에서 발생된 분진 등 다량의 불순물이 포함되어 있어, 환원철의 품질을 저하시키는 문제가 있다.

한편, 20세기부터 지속된 사회의 급격한 성장에 따라 에너지의 수급체계가 불안정하여지고 지구의 온난화와 같은 환경문제가 대두되면서 환경친화적으로 화석에너지를 이용하려는 시도가 지속되고 있으며, 환경오염이 전혀 없는 연료를 생산하기 위한 제조공정에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 특히, 환경오염이 심하게 발생되는 석탄의 직접적인 연소방식보다는 석탄을 활용하여 합성가스(Syngas), 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG) 등의 가스 연료 형태로 전환 생산하여 이를 이용하려는 노력이 지속적으로 진행되고 있으며, 이렇게 생산된 합성가스 등을 활용하는 기술에 대해서도 지속적인 연구가 진행되고 있다.

그러나, 지금까지 석탄 등의 가스화를 통한 합성가스의 생산과 동시에 이를 활용하여 분철광을 환원시켜 강을 제조하는 기술에 대해서는 아직 제안된 바가 없다.

본 발명의 일측면은 합성천연가스(SNG) 제조를 위한 석탄 등의 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 이용하여 환원철을 제조할 수 있는 장치와 이를 이용한 환원철 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은분철광을 환원가스와 반응시켜 환원철로 환원시키는 1개 이상의 유동환원로;

상기 1개 이상의 유동환원로에 분철광을 장입될 수 있도록 연결된 분철광 장입수단;

상기 1개 이상의 유동환원로에서 발생된 배가스를 배출하는 배가스 배출수단;

상기 환원가스로 사용되는 합성가스를 형성하는 가스화수단 및 상기 가스화수단에서 형성된 합성가스를 제1 유동환원로의 저부에 공급할 수 있는 합성가스 공급수단; 및

상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 괴상화 수단을 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 가스화 수단을 통해 합성가스를 제조하는 단계;

상기 합성가스를 하나 이상의 유동환원로 중 제1 유동환원로에 장입하여 분철광을 환원시키는 단계;

상기 제1 유동환원로에 장입된 합성가스가 유동환원로를 순차적으로 통과하면서, 각 유동환원로 내의 분철광을 환원철로 환원시키는 단계; 및

상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 단계를 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 종래의 용융로의 배가스를 이용하는 대신에, 다량의 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스(Syngas)를 이용하여 분철광을 환원시킴으로서, 높은 수율의 환원철을 확보할 수 있으며, 상기 배가스에서 미/소립광석 등은 분진을 제거할 필요가 없으므로, 추가설비가 필요하지 않은 장점이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 유동환원로를 이용한 환원철 제조를 나타낸 개략도임.
도 2는 본 발명의 합성가스를 이용한 환원철 제조를 나타낸 개략도임.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

먼저, 본 발명의 제조장치에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 이해를 위한 것으로, 도 2에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 장치는 장입된 분철광을 내부에 가스 분산판(23, 33, 43)이 구비된 유동환원로(20, 30, 40)를 포함한다. 이때 유동환원로는 적어도 1개 이상 설치되는데, 바람직하게는 3개의 유동환원로가 설치된다.

상기 유동환원로(20, 30, 40)들은 저부로부터 공급되는 환원가스로 유동층을 형성하여 분철광을 환원하여 다음 공정으로 공급하고, 배가스는 상부로 배출되도록 배가스 배출관(21, 31, 41)을 포함한다.

제1 유동환원로(20)에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 괴상화 수단(80)을 포함한다. 상기 괴상화 수단(80)을 통해 괴상화된 환원철(HBI 또는 HCI)은 용융로(10)에 장입된다.

본 발명은 합성가스(Syngas)를 형성하는 가스화 수단(100)을 포함한다. 상기 가스화 수단에서, 석탄 등을 원료로 하여 고온 고압에서 가스화되어 제조된 합성가스(Syngas)는 제1 유동환원로(20)의 저부와 연계된 합성가스 공급수단(101)을 통해 제1 유동환원로(20)에 공급된다. 상기 합성가스는 CO, H₂ 등의 환원가스를 포함한다.

상기 합성가스는 석탄, 산소 및 스팀을 상기 가스화 수단(100)에 취입하여 고온, 고압의 상태로 합성하여 제조하게 된다. 상기 합성가스는 40%이상의 일산화탄소(CO)와 30%이상의 수소가스(H₂)를 포함하고, 나머지는 일부 이산화탄소 및 메탄 가스를 포함한다.

상기 합성가스가 제1 유동로(20)에 공급되기 전, 합성가스의 온도를 상승시킬 수 있는 가열수단(110)이 설치되는 것이 바람직하다. 상기 합성가스는 가열을 통해 유동 환원로의 환원온도 이상의 온도로 가열된다.

상기 가스화 수단(100)에 의해 형성된 합성가스는 높은 순도의 일산화탄소(CO) 및 수소(H₂)를 포함하고 있어, 유동환원로(20, 30, 40)에서의 환원 효율을 높을 수 있으며, 용융로(10)에서 생성된 배가스를 이용하는 경우와 달리, 미/소립광석 등은 분진 등을 여과하여야 하는 공정이 불필요하다는 장점이 있다.

도 2에서는 3개의 유동환원로를 예시하고 있다. 이때 상기 제1 유동환원로(20)에서 환원 후 배출되는 배가스는 다시 제2 유동환원로(30)의 저부와 가스 소통관계로 연결된 제1 유동환원로 배가스 배출수단(21)을 통해 제2 유동환원로(30)로 이송되어, 제2 유동환원로(20)에서의 환원에 이용된다.

또한, 제2 유동환원로(30)에서 환원 후 배출되는 배가스는 다시 제3 유동환원로(40)의 저부와 가스 소통관계로 연결된 제2 유동환원로 배가스 배출수단(31)을 통해 제3 유동환원로(30)로 이송되어 제3 유동환원로(40)에서의 환원에 이용된다.

순차적으로 제1 내지 제3 유동환원로를 통과한 합성가스는 제3 유동환원로(30)에서 배가스의 형태로 제3 배가스 배출수단(41)을 통해 배가스 청정장치(70)로 배출된다.

한편, 도 2에서 12는 용융로(10)에 연결된 환원철 이송수단, 22, 32 및 42는 상기 용융환원로(20, 30, 40)로의 분철광 장입수단을 나타낸 것이며, 60은 용융로의 분진취입장치를 의미한다.

이하, 본 발명의 환원철 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 가스화수단을 통해 합성가스를 제조한다. 상기 합성가스는 앞서 언급한 바와 같이, 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)를 다량 포함한다. 상기 합성가스는 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)를 제조하기 위한 가스화 수단에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

상기 합성가스를 제1 유동환원로에 장입하여 분철광을 환원시킨다. 상기 합성가스가 제1 유동환원로에 장입되기 전에, 제1 유동환원로의 반응온도 이상으로 상기 합성가스를 가열하는 것이 바람직하다. 이는 제1 유동환원로에서의 환원 반응 최적화하기 위한 것이다. 일예로, 제1 유동환원로의 환원온도가 780℃인 경우, 상기 합성가스는 820℃로 가열하는 것이 바람직하다.

상기 제1 유동환원로는 장입된 합성가스는 1개 이상의 유동환원로를 순차적으로 통과하면서, 각 유동환원로 내의 분철광을 환원시킨다. 이러한 순차적인 유동환원로에서의 환원반응은 전단계의 유동환원로에서 배가스의 형태로 배출되는 합성가스에 의해 이루어진다. 예를 들면, 제1 유동환원로에서 환원반응이 이루어지고 배출된 배가스는 합성가스를 포함하고 있으며, 이 배가스는 다시 제2 유동환원로로 장입되어, 제2 유동환원로내의 분철광과 환원반응이 이루어지게 된다.

상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시킨다. 상기 괴상화를 통해 용융로에 장입될 수 있는 적정의 크기로 형성한다. 상기 괴상화는 통상의 공정에 의하며, 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니다. 이처럼 괴상화된 환원철을 HBI(Hot Briquetted Iron) 또는 HCI(Hot Compacted Iron)이라 한다.

10.....용융로
11.....용융로 배가스 배출수단
20, 30, 40.....용융환원로
21, 31, 41....용용환원로 배가스 배출수단
12, 22, 32, 42.....분철광 장입수단
23, 33, 43.....가스 분산판
50.....용융로 배가스 포집수단
51.....용융로 배가스 배출수단
70.....배가스 처리수단
80.....괴상화 수단
100.....가스화 수단
101.....합성가스 공급수단
110.....가열수단

Claims

분철광을 환원가스와 반응시켜 환원철로 환원시키는 1개 이상의 유동환원로;
상기 1개 이상의 유동환원로에 분철광을 장입될 수 있도록 연결된 분철광 장입수단;
상기 1개 이상의 유동환원로에서 발생된 배가스를 배출하는 배가스 배출수단;
상기 환원가스로 사용되는 합성가스를 형성하는 가스화수단 및 상기 가스화수단에서 형성된 합성가스를 제1 유동환원로의 저부에 공급할 수 있는 합성가스 공급수단; 및
상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 괴상화 수단
을 포함하고, 상기 합성가스는 합성천연가스(SNG, Sythetic Natural Gas)를 제조하기 위한 가스화 수단에 의해 제조되고, 상기 합성가스는 40%이상의 일산화탄소와 30%이상의 수소가스를 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 합성가스 공급수단은 합성가스가 제1 유동환원로에 공급되기 전 가열될 수 있도록 1개 이상의 가열수단을 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 환원철 제조장치의 유동환원로는 3개로 이루어지는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 유동환원로에서 배출된 배가스는 제2 유동환원로의 저부와 가스 소통관계로 연결되어 있고, 상기 제2 유동환원로에서 배출된 배가스는 제3 유동환원로의 저부와 가스 소통관계로 연결되어 있는 합성가스를 이용한 환원철 제조장치.
가스화 수단을 통해 합성가스를 제조하는 단계;
상기 합성가스를 하나 이상의 유동환원로 중 제1 유동환원로에 장입하여 분철광을 환원시키는 단계;
상기 제1 유동환원로에 장입된 합성가스가 유동환원로를 순차적으로 통과하면서, 각 유동환원로 내의 분철광을 환원철로 환원시키는 단계; 및
상기 제1 유동환원로에서 환원된 환원철을 괴상화시키는 단계
를 포함하고, 상기 합성가스는 합성천연가스(SNG, Sythetic Natural Gas)를 제조하기 위한 가스화 수단에 의해 제조되고, 상기 합성가스는 40%이상의 일산화탄소와 30%이상의 수소가스를 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조방법.
삭제
삭제
청구항 5에 있어서,
상기 제1 유동환원로에 장입되기 전, 상기 합성가스를 제1 유도환원로의 환원온도 이상으로 가열하는 단계를 더 포함하는 합성가스를 이용한 환원철 제조방법.