KR101322638B1 - 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법 - Google Patents

파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파이넥스 용선 제조 공정 중 발생하는 슬러지를 예비환원 처리하는데 있어 별도의 건조설비나 괴상화 장치 없이 폐종이컵을 포함하는 폐종이를 활용하여 용선을 제조하기 위한 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은, (a) 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지를 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배하는 단계와; (b) 상기 가연성 폐자원 틀에 담긴 슬러지를 회전상로에서 예비환원 처리하여 아이언 너겟으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법을 제공한다.

Description

파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD OF PROCESSING PRE-REDUCTION OF FINEX SLUDGE}
본 발명은 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파이넥스 슬러지를 철원으로 재활용하는데 있어 예비환원 공정을 위한 별도의 사전 건조설비나 괴상화 장치 없이 가연성 폐자원으로 만들어진 틀에 슬러지를 담아 예비환원 처리할 수 있도록 한 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
파이넥스(FINEX) 용선 제조설비는 크게 철광석을 환원시키는 유동 환원로와, 내부에 석탄 충진층을 구비하고 환원된 철광석을 제공받아 이를 용융시키는 용융로로 구성된다.
상기한 용융로에는 석탄의 연소에 의해 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 환원력이 강한 가스가 발생하므로, 이를 유동 환원로에 환원가스로서 공급한다.
이러한 파이넥스 공정은 일반탄과 철광석을 최초 채광한 상태에서 입도만 분리하여 그대로 사용하므로 종래 제철법인 고로법에 비해 연료비가 적게 들고 환경 오염이 적은 장점이 있다.
도 1에는 상기한 파이넥스 용선 제조설비 구성을 개략적으로 나타내 보인 개략도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파이넥스 용선 제조설비는, 용융로(10)와 다단의 유동 환원로(21,22,23)를 포함한다.
상기 용융로(10)의 상부는 대략 1,000℃ 이상의 고온 조업이 이루어지는 곳이므로, 장입되는 석탄의 열분해 등에 의해 다량의 분진이 발생한다.
그리고 상기 유동 환원로(21,22,23)는 예열로(21), 예비 환원로(22) 및 최종 환원로(23)의 3단으로 구성될 수 있고, 상기 최종 환원로(23)는 용융로(10)와 연결되고, 용융로(10)의 내부에는 석탄 충진층이 형성된다.
또한 상기 용융로(10)의 환원가스는 핫 사이클론(45)에서 90% 이상 포집되어 용융로(10)에 다시 투입되나, 포집되지 못한 분진은 유동 환원로(21,22,23)에 유입된다.
그리고 상기 유동 환원로(21,22,23)에 유입되는 환원가스는 분진을 포함하고 있는데, 이 분진은 석탄의 열분해 잔류물과 함께 미립의 환원철 등을 포함한다. 또한 상기 유동 환원로(21,22,23)에서 유동되고 있는 광석은 기계적 마찰과 열충격 그리고 환원에 의해 분화가 일어난다.
또한 분철광석은 제1 내지 제4광석도관(31,32,33,34)을 따라 예열로(21), 예비 환원로(22), 최종 환원로(23) 및 용융로(10)의 순서로 이동한다.
그리고 상기 용융로(10)의 환원가스는 핫 사이클론(45)을 거쳐 제1 내지 제3가스도관(41,42,43) 및 가스배관(44)을 따라 최종 환원로(23), 예비 환원로(22) 및 예열로(21)를 거쳐 제조설비 외부로 배출된다.
이때, 분철광석은 제1광석도관(31)을 통해 예열로(21)에 장입되고, 제3가스도관(43)으로부터 공급된 환원가스에 의해 예열로(21) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층을 형성하면서 예열된다.
또한 분철광석은 이후 제2광석도관(32)을 통해 예비 환원로(22)에 장입되고, 제2가스도관(42)으로부터 공급된 환원가스에 의해 예비 환원로(22) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층을 형성하면서 예비 환원된다.
상기한 예비 환원된 분철광석은 제3광석도관(33)을 통해 최종 환원로(23)에 장입되고, 제1가스도관(41)으로부터 공급된 환원가스에 의해 최종 환원로(23) 내의 분산판(50) 상부에서 유동층을 형성하면서 최종 환원된다.
그리고 최종으로 환원된 환원광은 제4광석도관(34)을 통해 용융로(10)에 장입되며, 석탄 충진층 내에서 용융되어 용선으로 전환된다. 이때, 상기 예열로(21) 내부의 환원가스는 가스배관(44)을 거쳐 설비 외부로 배출된다.
이렇게 외부로 배출된 환원가스에 포함된 분진은 스크러버(48)를 통과하여 물에 포집되며 침전조(46)에 저장된다.
또한 상기 침전조(46)에는 응집제를 가하여 부유하고 있는 분진들을 응집시켜 침전을 촉진시킨다.
그리고 상기 유동환원로(21,22,23)를 거치며 산화철과 탄소, CaO, MgO 등의 부원료를 포함하는 극미분 분진의 물질들 간의 혼합정도는 매우 높으나 침전조(46)에서 다시 혼합이 된다.
이렇게 잘 혼합된 침전된 분진은 침전조(46)에서 여과되어 물과 침전물이 분리되어 수분이 약 35% 함유된 슬러지(47)가 만들어지게 된다.
그러므로, 슬러지(47)는 극미분의 탄소와 산화철, 그리고 부원료 등이 매우 잘 혼합된 이상적인 철원으로 재해석될 수 있다.
도 2에는 어떤 특정 광석이 상기 유동 환원로에 장입되기 전과 후의 광석 입도 분포 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 30㎛ 이하의 입도 함량이 증가되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 유동환원 중 광석이 분화되기 때문이다. 이러한 30㎛ 이하의 광석과 환원철, 그리고 석탄 및 석탄 잔류물은 도 1에 도시된 핫 싸이클론(45)에 의해 포집되기 곤란하므로 가스배관(44)을 따라 외부로 배출된다.
이와 같이 미분이 대기로 직접 배출되면 환경문제를 야기할 수 있으므로 가스배관(44)을 통과한 가스에 물을 분사시켜 가스 중 분진을 포집하는 스크러버(48)를 거치게 된다.
그리고 물에 포집된 분진은 침전조(46)로 보내져 침전 및 여과 과정을 거쳐 물과 분리되고, 분리된 슬러지(47)의 수분 함량은 30wt% 이상이다. 또한 건조된 슬러지(47)는 철이 50∼52wt%, 탄소는 10∼12wt%, 맥석류를 포함한 CaO, MgO 등의 부원료 약 15∼18wt%로 구성되어 있다.
상기와 같이 슬러지(47) 내 철 함량은 50∼52wt%이나, 탄소는 산화철을 환원시키는 환원제로 사용될 수 있으므로, 이를 제외하면 철 함량은 56∼59wt%로 비교적 높아 철원으로서 활용이 필요하다.
이를 이용하여 용선을 얻기 위해서는 슬러지(47)를 예비환원시킨 후, 용융로(10)에 재투입하는 과정이 필요한데, 슬러지(47)의 입자 크기가 30㎛ 이하로 매우 미립이기 때문에 유동 환원로(21,22,23)에서 재투입하여 예비환원시키는 것은 곤란하다.
여타의 예비환원 공정의 경우에도 이러한 미분을 직접 사용하기는 어렵기 때문에 예비환원공정을 위해서는 사전에 펠렛타이징 또는 브리케팅을 포함하는 괴상화 공정이 필요하다.
상기한 펠렛타이징 또는 브리켓팅을 위해서는 원료의 수분을 10∼20wt% 조절해야 하나, 슬러지(47)에는 수분이 30wt% 이상 함유되어 있어 괴상화를 위해서는 별도의 건조 장치가 필요하다.
그러므로 슬러지의 예비환원을 위해서 건조설비, 괴상화장치 등이 필히 수반되어 재활용으로 인한 경제적 이점이 저하되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 슬러지를 철원으로 재활용하는데 있어 예비환원 공정을 위한 별도의 사전 건조설비나 괴상화 장치 없이 폐종이컵을 포함한 다양한 가연성 폐자원으로 만들어진 틀에 수분이 다량 함유되어 있는 슬러지를 담아 예비환원 처리할 수 있도록 한 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치는, 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지를 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배하는 압출기와; 상기 가연성 폐자원 틀에 담겨진 슬러지를 예비환원 처리하여 아이언 너겟을 제조하는 회전상로;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가연성 폐자원 틀은, 폐종이컵, 플라스틱 용기, 나무 틀, 종이 틀, 또는 상기 슬러지를 담을 수 있는 바이오 매스로 이루어진 틀 중 어느 하나로 이루어진다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법은, (a) 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지를 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배하는 단계와; (b) 상기 가연성 폐자원 틀에 담긴 슬러지를 회전상로에서 예비환원 처리하여 아이언 너겟으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 예비환원 처리는, 질소를 포함하는 불활성 분위기에서 90∼110℃에서 8∼12분간 가열한 후, 200∼1200℃까지 25∼35분간 승온시켜 이루어진다.
그리고 상기 예비환원 처리를 통해 상기 아이언 너겟의 환원율이 90∼95%가 된다.
또한 상기 아이언 너겟은, 금속철 70∼72wt%, 미환원 산화철 7∼8wt%, 탄소 1wt% 미만, 맥석 19∼20wt%로 이루어진다.
그리고 상기 단계 (a)에서, 상기 파이넥스 슬러지를 상기 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배는 압출기를 이용하고, 상기 단계 (b)에서, 상기 예비환원 처리는 파이넥스 배가스를 이용한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 철과 탄소 함량이 높아 철원으로 이용 가능함에도 불구하고 고수분 함유로 인해 활용이 곤란했던 슬러지를 별도의 건조 및 괴상화 설비 없이 가연성 폐자원을 활용해 예비환원처리 가능하게 하였다.
그리고 극미분 탄소, 산화철로 구성된 슬러지는 예비환원시 급속한 환원율 증대를 기대할 수 있다.
또한 예비환원 처리된 슬러지는 환원율이 높아 용융로에 장입시 연료비 부담 없이 용선 생산량 증대에 기여할 수 있다.
도 1은 상기한 파이넥스 용선 제조설비 구성을 개략적으로 나타내 보인 개략도이다.
도 2는 어떤 특정 광석이 상기 유동 환원로에 장입되기 전과 후의 광석 입도 분포 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법을 설명하기 위해 나타내 보인 설명도이다.
도 4는 도 3의 예비환원공정인 회전상로의 반응조건에서 슬러지가 온도에 따라 환원율이 변화하는 것을 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 따른 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치 및 방법을 설명하기 위해 나타내 보인 설명도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 우선, 본 발명에 따른 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치는, 전술한 바와 같이, 다량의 수분(약 35%)을 함유한 파이넥스 슬러지(47)를 가연성 폐자원 틀(62)에 일정량씩 분배하는 압출기(extruder)(61)와, 상기 가연성 폐자원 틀(62)에 담겨진 슬러지(47)를 예비환원 처리하여 아이언 너겟(iron nugget)(65)을 제조하는 회전상로(Rotary Hearth Furnace)(64)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 가연성 폐자원 틀(62)은, 슬러지(47)를 아이언 너겟(65)과 같은 형태로 성형되도록 틀(cast 또는 mold)로 이루어진 것으로, 폐종이컵, 플라스틱 용기, 나무 틀, 종이 틀, 또는 슬러지(47)를 담을 수 있는 바이오 매스(biomass)로 이루어진 틀 중 어느 하나로 이루어진다.
이어서, 본 발명에 따른 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법은, 먼저, 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지(47)를 가연성 폐자원 틀(62)에 일정량씩 분배한다.(단계 110)
상기 단계 110에서, 가연성 폐자원 틀(62)은, 전술한 바와 같이, 폐종이컵, 플라스틱 용기, 나무(예컨대, 대나무) 틀, 종이 틀, 또는 상기 슬러지(47)를 담을 수 있는 바이오 매스로 이루어진 틀 중 어느 하나를 이용한다.
이렇게 가연성 폐자원 틀(62)을 이용하게 되면, 상기 슬러지(47)는 수분(약 35%)이 높아 가연성 폐자원으로 구성된 틀(62)에 맞게 형태가 변화한다. 즉, 아이언 너겟(65)이 가연성 폐자원 틀(62)의 형태대로 성형된다.
또한 상기 파이넥스 슬러지(47)를 가연성 폐자원 틀(62)에 일정량씩 압출 분배를 위해 압출기(61)를 이용한다.
그리고 상기 가연성 폐자원 틀(62)에 담긴 슬러지(47)를 회전상로(64)에서 예비환원 처리하여 아이언 너겟(65)으로 제조한다.(단계 120)
상기 단계 120의 예비환원 처리 공정은, 질소를 포함하는 불활성 분위기에서 90∼110℃(예컨대, 약 100℃)에서 8∼12분간(예컨대, 약 10분) 가열한 후, 200∼1200℃까지 25∼35분간(예컨대, 약 30분간) 승온시켜 이루어진다.
또한 상기 아이언 너겟(65)은, 금속철 70∼72wt%, 미환원 산화철 7∼8wt%, 탄소 1wt% 미만, 맥석 19∼20wt%로 이루어진다.
이러한 예비환원 처리를 통해 상기 슬러지(47) 또는 아이언 너겟(65)의 환원율이 90∼95%가 된다.
이렇게 제조된 아이언 너겟(65)을 용융로(10)에 장입하여 원료로 사용하며, 이때 예비환원된 아이언 너겟(65)은 용융 및 추가 환원시킨다.(단계 130)
즉, 상기 가연성 폐자원으로 된 틀(62)에 담겨진 슬러지(47)는 예비환원 처리를 위해 회전상로(64)로 이동되고, 예비환원 처리를 통해 제조된 아이언 너겟(65)을 용융로(10)에 장입하게 된다.
도 4에는 도 3의 예비환원공정인 회전상로의 반응조건에서 슬러지가 온도에 따라 환원율이 변화하는 것을 나타내 보인 그래프가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이, 극미분 탄소와 산화철의 급속 반응에 의해 슬러지(47)가 매우 빠르게 환원되는 것을 알 수 있다.
그리고 질소를 포함하는 불활성 분위기에서 100℃에서 10분간 예비가열 한 후 200∼1200℃까지 30분간 승온시켰을 때 환원율이 95%까지 증가한다.
가열에 의해 제조된 아이언 너겟(65)의 성분은 금속철이 70~72wt%, 미환원 산화철이 7~8wt%, 탄소는 1wt%미만, 기타 19~20wt%의 맥석으로 이뤄져 있다.
이렇게 제조된 아이언 너겟(65)은 용융로(10)에 장입될 경우, 용선 생산량이 증가되고 슬래그는 용선 1톤당 약 280kg 발생하므로 용융로(10)의 생산성 증대에 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 용융로 21,22,23: 유동 환원로
31,32,33,34: 제1 내지 제4광석도관
41,42,43: 제1 내지 제3가스도관
44: 가스배관 45: 핫 사이클론
46: 침전조 47: 슬러지
48: 스크러버 50: 분산판
61: 압출기 62: 가연성 폐자원 틀
64: 회전상로 65: 아이언 너겟

Claims (9)

  1. 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지를 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배하는 압출기와;
    상기 가연성 폐자원 틀에 담겨진 슬러지를 예비환원 처리하여 아이언 너겟을 제조하는 회전상로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가연성 폐자원 틀은,
    폐종이컵, 플라스틱 용기, 나무 틀, 종이 틀, 또는 상기 슬러지를 담을 수 있는 바이오 매스로 이루어진 틀 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 장치.
  3. (a) 다량의 수분을 함유한 파이넥스 슬러지를 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배하는 단계와;
    (b) 상기 가연성 폐자원 틀에 담긴 슬러지를 회전상로에서 예비환원 처리하여 아이언 너겟으로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가연성 폐자원 틀은,
    폐종이컵, 플라스틱 용기, 나무 틀, 종이 틀, 또는 상기 슬러지를 담을 수 있는 바이오 매스로 이루어진 틀 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 예비환원 처리는,
    질소를 포함하는 불활성 분위기에서 90∼110℃에서 8∼12분간 가열한 후, 200∼1200℃까지 25∼35분간 승온시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 예비환원 처리를 통해 상기 아이언 너겟의 환원율이 90∼95%가 되는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 아이언 너겟은, 금속철 70∼72wt%, 미환원 산화철 7∼8wt%, 탄소 1wt% 미만, 맥석 19∼20wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 파이넥스 슬러지를 상기 가연성 폐자원 틀에 일정량씩 분배는 압출기를 이용하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 예비환원 처리는 파이넥스 배가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 파이넥스 슬러지의 예비환원 처리 방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20010109293A (ko) * 1999-12-13 2001-12-08 아사무라 타카싯 산화 금속 환원용 설비와 그 조작 방법 및 환원로용원재료의 성형물
JP2006152432A (ja) 2004-10-29 2006-06-15 Kobe Steel Ltd 溶鉄の製造方法
JP2008013797A (ja) 2006-07-04 2008-01-24 Nippon Steel Corp 回転炉床式還元炉での酸化金属の還元方法
KR20090078052A (ko) * 2008-01-14 2009-07-17 주식회사 제철세라믹 제철원료 및 그 제조방법

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