KR101448605B1 - 용철제조장치 및 용철제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 용철제조장치는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로와, 밀스케일을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 밀스케일을 환원시키는 연료 반응기와, 상기 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원 밀스케일을 산화시키는 산화 반응기, 및 상기 산화 반응기에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하기 위한 고체기체 분리장치를 포함한다.

Description

용철제조장치 및 용철제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 매체순환공정을 이용하여 배가스를 처리하는 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것이다.
고로에서 배출되는 배가스는 50부피비(vol%)의 질소와 25부피비(vol%)의 이산화탄소를 포함한다. 열량이 매우 낮은 이러한 배가스를 효율적으로 이용하기 위해서는 질소 및 이산화탄소를 제거하여야 한다. 그러나 공기 대신 산소를 공급하는 용융가스화로는 이론적으로 질소 함량이 없고 열량이 풍부한 일산화탄소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스를 배출한다.
이러한 공정 배가스를 더 효율적으로 이용하고 배가스에 포함된 이산화탄소를 용이하게 분리하기 위해서 매체순환공정을 적용할 수 있다. 특히, 문헌(미국특허: 7404942, 7767191, 2012/0006158)에서 보여주는 것처럼 기체연료(천연가스, 합성가스 등), 고체연료(석탄, 코크스, 바이오매스 등), 액체연료 및 고로 배가스를 연료로 사용하고 철을 비롯한 금속 매개체 또는 황화칼슘(CaS)/황산칼슘(CaSO4)을 산소공여입자로 사용하는 매체재순환공정은 전력생산과 함께 이산화탄소 분리와 수소생산을 동시에 수행할 수 있다.
이때 사용되는 산소공여입자로서의 철 금속은 싼 가격에 철강산업에서 풍부하게 이용할 수 있으며, 주기적으로 교체하는 비용이 적다는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 철 금속은 반복적인 산화-환원 반응에서 장기적으로 활성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 표면적과 전환효율을 가지는 철을 기본물질로 한 다공성 산소공여입자가 사용된다. 이러한 다공성 산소공여입자는 산소공여입자 안쪽 부분에 지지체를 가지는 것이 유리하다. 또한 석탄 등의 고체연료를 사용할 경우, 반응기내에서 재(Ash) 및 황(S), 질소산화물(NOx) 등을 분리하여야 한다.
본 발명의 목적은 용철 생산과정에서 발생된 이산화탄소를 효율적으로 제거하고, 제철공정의 부산물인 밀스케일을 매체순환공정의 산소공여입자로 활용할 수 있는 용절 제조장치 및 용철제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 용철제조장치는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로와, 밀스케일을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 밀스케일을 환원시키는 연료 반응기와, 상기 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원 밀스케일을 산화시키는 산화 반응기, 및 상기 산화 반응기에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하기 위한 고체기체 분리장치를 포함한다.
상기 미립자 밀스케일은 제철소 부산물로서 압연이나 열가공시 공기중 산소에 의해 산화된 것으로 입도 1mm 이하의 금속산화물로 이루어질 수 있다.
상기 미립자 밀스케일은 상기 연료 반응기, 산화 반응기 및 상기 고체기체 분리장치를 순차적으로 경유한 후 재순환되어 공급되거나 재순환된 밀스케일에 외부에서 공급되는 새로운 밀스케일이 추가될 수 있다.
상기 고체기체 분리장치는 싸이클론 또는 필터 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 고체기체 분리장치는 상기 산화 반응로에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기로부터 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 포집하기 위한 제 1 분리기, 및 100㎛ 이하의 산화 밀스케일을 포집하고 수소를 분리하기 위한 제 2분리기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 분리기는 분리된 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 상기 연료 반응기에 공급하기 위한 제 1 산화 밀스케일 공급라인이 설치되며, 상기 제 2 분리기는 분리된 100㎛ 이하의 산화 밀스케일을 상기 철광석 환원로에 공급하기 위한 제 2 산화 밀스케일 공급라인이 설치될 수 있다.
상기 고체기체 분리장치에서 분리된 산소가 결핍된 고온의 공기로부터 전기를 생산하기 위한 가스터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 연료 반응기와 산화 반응기 사이에 배치되며 상기 연료 반응기로부터 배출되는 환원 밀스케일과 스팀을 반응시켜 수소를 제조하기 위한 수소제조장치를 더 포함할 수 있다.
상기 수소제조장치는 생산된 수소부화 가스를 열교환시켜 물과 수소로 분리하기 위한 열교환기와 분리된 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하기 위한 수소가스 공급라인이 설치될 수 있다.
상기 스팀은 외부에서 생성된 것을 공급되거나 상기 외부에서 공급되는 스팀을 상기 수소부화 가스와 열교환시켜 보다 고온으로 변환되어 공급되거나 상기 수소부화 가스의 열교환시 사용된 물이 열교환에 의해 생성된 스팀이 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 용철제조방법은 환원로에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계와, 석탄을 충진하고 상기 환원로에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 환원로에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계와, 연료 반응기에 밀스케일을 장입하고 상기 환원로에서 배출되는 공정가스를 취입하여 상기 밀스케일을 환원시키는 단계와, 산화 반응기에 상기 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계, 및 고체기체 분리장치에 상기 산화 반응기에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 통과시켜 분리하는 단계를 포함하며, 상기 분리된 산화 밀스케일은 상기 연료 반응기에 공급된다.
상기 연료 반응기에 장입되는 밀스케일은 최초로 장입된 후 상기 연료 반응기, 산화 반응기 및 고체기체 분리장치를 순차적으로 경유한 후 다시 공급되거나 외부에서 공급되는 새로운 밀스케일과 혼합되어 공급될 수 있다.
상기 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기의 분리는 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 분리하는 단계, 및 100㎛ 이하의 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 100㎛ 이상의 산화 밀스케일은 상기 연료 반응기에 공급되며, 상기 100㎛ 이하의 산화 밀스케일은 상기 철광석 환원로에 공급될 수 있다.
상기 산화 밀스케일과 분리된 산소가 결핍된 공기를 가스터빈에 공급하여 전기를 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 반응기에서 배출되는 환원 밀스케일을 상기 산화 반응기에 장입하기 전에 스팀과 반응시켜 수소를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제조된 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하기 전에 열교환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 매체순환공정을 적용하여 용철 생성과정에서 발생된 배가스에서 이산화탄소를 용이하게 분리할 수 있다. 또한, 제철공정의 부산물인 밀스케일을 매체로 사용함으로써 매체 제조비용을 절감하고, 수급이 용이하다. 또한, 활성이 저하된 밀스케일을 철원을 사용함으로써 산소공여입자의 후처리 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 용철제조장치(101)는 용융가스화로(10), 철광석 환원로(20), 연료 반응기(30), 산화 반응기(40), 및 고체기체 분리장치(50)를 포함한다.
용융가스화로(10)는 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 장치이다. 용융가스화로(10)에는 미분탄 공급라인(11), 산소 공급라인(12), 석탄 공급라인(14), 및 환원철 공급라인(25)이 연결 설치된다.
산소 공급라인(12)을 통해서 공기 또는 산소가 용융가스화로(10)에 취입되며, 미분탄 공급라인(11)을 통해서 미분탄이 용융가스화로(10)에 충진된다. 또한, 석탄 공급라인(14)을 통해서 석탄이 용융가스화로(10)에 충진되고, 환원철 공급라인(25)은 용융가스화로(10)와 철광석 환원로(20) 사이에 배치되어 철광석 환원로(20)에서 생성된 환원철을 용융가스화로(10)에 장입한다.
또한, 용융가스화로(10)에는 철광석 환원로(20)와 연결된 환원가스 공급라인(15)이 설치되는 바, 철광석의 용융으로 생성된 환원가스는 환원가스 공급라인(15)을 통해서 철광석 환원로(20)에 취입된다.
용융가스화로(10)에서는 산소와 석탄과 미분탄의 연소에 의해 1400℃ ~ 1600℃의 높은 열과 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 환원가스가 생성된다. 이러한 환원가스는 용융가스화로(10)에 열량을 공급하고 환원철에 작용하여 산소를 제거하여 환원철을 환원 및 용융시킨다. 이에 따라 철광석은 용철과 철광석 내에 포함된 맥석 성분과 석탄 미분탄 등에 포함된 재(Ash) 및 기타물질의 슬래그(slag)로 분리된다. 용융가스화로(10)에는 용철과 슬래그의 배출을 위해서 용철 배출라인(13)이 설치된다.
석탄은 사전처리 과정을 거쳐 코크스, 또는 브레켓 형태의 석탄 덩어리(성형탄)로 공급될 수 있으며, 공기가 용융가스화로(10)로 공급될 수 있으나, 이산화탄소 저감을 위해서 공정가스로부터 이산화탄소 분리를 용이하게 하기 위해서 산소가 용융가스화로(10)로 공급될 수 있다.
철광석 환원로(20)는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 장치이다. 철광석 환원로(20)는 제1 환원로(21), 제2 환원로(22), 및 제3 환원로(23)를 포함한다. 본 실시예에서는 철광석 환원로(20)는 3개의 환원로를 포함하는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 철광석 환원로(20)는 복수개의 환원로를 포함하면 충분하다. 제1 환원로(21)는 철광석을 예열하고, 제2 환원로(22)는 예열한 철광석을 예비 환원하며, 제3 환원로(23)는 예비 환원한 철광석을 최종 환원하여 환원철로 변환한다.
제1 내지 제3 환원로(21, 22, 23) 중 적어도 하나의 환원로에는 제2 분리기(52)와 연결되어 제2 분리기(52)에서 밀스케일을 공급받는 제2 산화 밀스케일 공급라인(53)이 연결 설치된다. 제2 산화 밀스케일 공급라인(53)을 통해서 공급된 밀스케일은 환원로(20)에서 철원으로 활용된다.
철광석 환원로(20)에는 철광석 환원로(20)에 철광석을 공급하는 철광석 공급라인(27)이 설치된다. 또한, 용융가스화로(10)와 철광석 환원로(20) 사이에는 용융가스화로(10)에서 생성된 고온의 환원가스를 철광석 환원로(20)로 공급하는 환원가스 공급라인(15)이 연결 설치된다.
용융가스화로(10)로부터 공급되는 고온의 환원가스는 공기 또는 산소와 석탄, 미분탄의 연소에 의해 생성되며, 철광석을 환원, 용융한 후 발생된 가스로 주로 일산화탄소(CO), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 및 기타 미량의 물(H2O), 메탄(CH4), 산소(O2) 등으로 이루어진다.
아래의 [반응식 1], 및 [반응식 2]에 나타난 바와 같이 철광석 환원로(20)에서 철광석은 환원가스와 반응하여 산소를 많이 포함하는 상태(Fe2O3, Fe3O4)에서 산소를 적게 포함하는 상태(FeOx, Fe)인 환원철로 전환된다. 여기서 X는 0~1 사이의 값을 갖는다. 또한, [반응식 3]에 나타난 바와 같이 환원가스는 스팀 기체 전이 반응(Water-Gas Shift Reaction)에 의하여 CO2, 및 H2O로 전환된다. 즉, 일산화탄소(CO), 수소(H2) 또는 미량의 메탄(CH4)을 포함하는 환원가스는 철광석에 작용하여 산소를 제거하고 이산화탄소(CO2), 물(H2O)로 전환된다.
[반응식 1]
1/3 Fe2O3 + CO/H2 ----> 2/3 Fe + CO2/H2O
[반응식 2]
1/4 Fe3O4 + CO/H2 ----> 3/4 Fe + CO2/H2O
[반응식 3]
CO + H2O ----> CO2 + H2
상기한 바와 같이 철광석 환원로(20)에서 생성된 환원철(FeOx, Fe)은 환원철 공급라인(25)을 통해서 용융가스화로(10)에 공급된다. 또한, 철광석 환원로(20)에는 환원과정에서 발생된 공정가스를 연료 반응기(30)에 공급하는 공정가스 공급라인(26)이 연결 설치된다.
연료 반응기(30)는 밀스케일을 장입하고 철광석 환원로(20)에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 밀스케일을 환원시키는 장치이다.
연료 반응기(30)에는 밀스케일 공급라인(31)이 연결 설치되는 바, 밀스케일 공급라인(31)은 외부에서 공정에 참여하지 않은 밀스케일을 연료 반응기(30)에 공급한다. 공정에서 순환되는 밀스케일은 반복적인 산화, 환원 반응에 의해 활성이 감소하면 제2 분리기(52)에 의해 분리되어 철광석 환원로(20)에 투입된다. 이와 같이 외부에서 공급된 밀스케일은 산화, 환원 반응에 의한 산소공여입자의 비활성화를 방지할 뿐만 아니라 철강산업의 부산물을 철원으로 재활용할 수 있다.
산소공여입자로써 밀스케일은 제철소에서 쉽게 얻어지는 부산물의 일종으로 압연이나 열가공 시, 공기 중에서 산소에 의해 고온에서 산화된 두꺼운 산화물층으로 이루어진 철강 부산물이다. 밀스케일은 FeO를 주성분으로 하며, Fe3O4, Fe2O3를 포함할 수 있다. 밀스케일은 100㎛ 내지 1mm이하의 입도를 갖고, 밀스케일의 평균 입도는 500㎛로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서 밀스케일은 매체순환공정의 반복적인 산화, 환원 반응에 참여하는 산소공여입자로 기능한다. 밀스케일은 연료 반응기(30)에서 환원반응에 의해 산소를 연료에 공급하고, 산화 반응기(40)로 이동하여 산화 반응기(40)에서 공기중의 산소와 반응하여 산화 발열반응으로 산소를 공급받으며, 다시 연료 반응기(30)로 이동하여 열량과 산소를 연료 반응기(30)에 공급하는 역할을 수행한다.
또한, 연료 반응기(30)에는 제1 산화 밀스케일 공급라인(56)이 연결 설치되는 바, 제1 산화 밀스케일 공급라인(56)은 고체기체 분리장치(50)에서 분리된 산화 밀스케일을 연료 반응기(30)로 전달한다.
연료 반응기(30)로 투입되는 산화 밀스케일은 산화 반응기(40)에서 공기와 반응하여 산화된 후 고체기체 분리장치(50)를 거쳐서 순환된 밀스케일로서, 700℃ 이상, 적절하게는 800℃의 온도를 갖는다. 또한 산화 밀스케일은 산소가 많이 포함된 Fe3O4 또는 Fe2O3 로 이루질 수 있다. 산화 밀스케일은 제1 분리기(51)를 거쳐 연료 반응기(30)에 열량을 공급하고 공정가스중의 일산화탄소 및 수소와 환원반응하여 산소가 적게 포함된 FeO 또는 Fe 상태의 환원된 환원 밀스케일로 전환된다.
연료 반응기(30)에는 환원 밀스케일 공급라인(34)이 설치되며, 환원 밀스케일 공급라인(34)은 산화 반응기(40)와 연결되어 환원된 밀스케일을 산화 반응기(40)로 전달한다.
연료 반응기(30)의 반응 온도는 600℃ ~ 750℃ 이상으로 이루어질 수 있으며, 반응온도는 높을수록 유리하다. 연료 반응기(30)에는 철광석 환원로(20)와 연결된 공정가스 공급라인(26)이 연결 설치되어 철광석 환원로(20)에서 공정가스를 공급받는다. 철광석 환원로(20)에서 배출된 공정가스는 정제된 상태로 연료 반응기(30)에 투입될 수 있다. 여기서, 일산화탄소와 수소를 주성분으로하는 공정가스는 연료 반응기(30)의 하부로 투입되어 미립자 밀스케일 환원시키고 이산화탄소와 물로 변환되어 연료 반응기(30)로부터 배출된다.
연료 반응기(30)에는 배가스가 배출되는 배가스 배출관(32)이 연결 설치된다. 배가스 배출관(32)에서 배출되는 배가스는 열교환기를 거치면서 수증기가 물로 전환되고 이산화탄소는 분리 배출된다.
연료 반응기(30)의 형태는 고정층 반응기, 유동층 반응기, 무빙베드(moving bed) 반응기로 이루어질 수 있으며, 밀스케일의 크기, 산소공여입자로서의 주기적인 교체 편리성 및 카본침적에 의한 비활성 방지 측면에서 유동층 반응기로 이루어질 수 있다. 유동층 반응기는 밀스케일의 환원측면에서 2개 이상의 반응기가 직렬로 연결되거나 복수개이 반응기가 다단으로 연결될 수 있다.
상기한 바와 같이 연료 반응기(30) 내에서 온도가 높으며 산소가 많이 포함된 산화 밀스케일과 외부에서 공급된 밀스케일이 공정가스와 접촉함으로써 밀스케일 중의 산소가 제거되는 밀스케일 환원이 발생한다. 또한 공정가스의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하여 용이하게 분리할 수 있다.
산화 반응기(40)는 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원 밀스케일을 산화시키는 장치이다.
산화 반응기(40)에는 공기 공급라인(41)과 환원 밀스케일 공급라인(34)이 연결 설치된다. 공기 공급라인(41)을 통해서 압축된 공기가 취입되고, 환원 밀스케일 공급라인(34)을 통해서 연료 반응기(30)에서 환원된 밀스케일이 장입된다.
산소가 결핍된 환원 밀스케일은 공기 중 산소를 공급받아 산화되면서 발열반응에 의해 열을 발생시키고 고온의 산소가 많이 포함된 산화 밀스케일로 전환하여 고체기체 분리장치(50)로 투입된다. 공기는 상온 또는 고온의 상태로 산화 반응기(40)에 취입될 수 있으며, 밀스케일에 산화반응을 위한 산소를 공급한 후 산소가 결핍된 고온의 형태로 산화 반응기(40)에서 배출된다.
산화 반응기(40)에 장입되는 밀스케일은 FeO 또는 Fe을 주성분으로 하며, 산소가 결핍된 환원 밀스케일이다. 환원 밀스케일은 공기와 함께 산화 반응기(40) 하부로 투입되어 공기에 포함된 산소와 산화반응하며 이때 발생한 열이 산화 반응기(40) 내에 열을 공급하고 자신은 산소가 더 많이 포함된 Fe3O4 또는 Fe2O3의 산화 밀스케일로 전환된다.
산화반응에 의해 발생된 열은 투입되는 공기 및 밀스케일에 열을 공급한다. 투입되는 공기는 밀스케일에 산화반응을 위한 산소를 공급한 후 산소가 결핍된 배가스로 변하며, 배가스의 온도는 800℃ ~ 1300℃로 이루어질 수 있다. 배가스는 밀스케일과 함께 고체기체 분리장치(50)로 공급된다.
산화 반응기(40)의 배출가스의 온도가 높을수록 고체기체 분리장치(50)의 후단에 설치된 발전기(80)의 효율이 증가될 수 있으며, 발전기(80)를 가스터빈과 스팀터빈을 구비하여 복합발전으로 전력을 생산할 수 있다.
산화 반응기(40)는 유동층 상승관 반응기로 이루어질 수 있으며, 산화 반응기(40)가 유동층 상승관 반응기로 이루어지면 밀스케일의 반응성을 향상시킬 수 있으며, 핫스팟을 방지할 수 있다.
산화 반응기(40)는 복수개의 반응기가 병렬로 설치된 구조로 이루어질 수 있으며, 산화 반응기(40)의 압력은 상온에서 30bar로 이루어질 수 있다. 여기서 산화 반응기(40)의 압력은 투입되는 압축공기에 의해 조절될 수 있다. 산화 반응기(40)에는 산화 반응기(40)에서 생성된 산화 밀스케일을 고체기체 분리장치(50)로 전달하는 산화 밀스케일 공급라인(42)이 설치된다.
고체기체 분리장치(50)는 산화 반응기(40)에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하는 장치이다. 고체기체 분리장치(50)는 싸이크론, 필터 또는 이 둘의 결합 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 고체기체 분리장치(50)는 제1 분리기(51)와 제2 분리기(52)를 포함하며, 제1 분리기(51)는 산화 반응기(40)에서 전달된 밀스케일을 공기에서 일차적으로 분리하고, 제2 분리기(52)는 제1 분리기(51)에서 전달된 밀스케일을 공기에서 분리한다.
제1 분리기(51)는 싸이크론으로 이루어질 수 있으며, 제1 분리기(51)에는 연료 반응기(30)에 밀스케일을 공급하는 제1 산화 밀스케일 공급라인(56)이 연결 설치된다. 제1 분리기(51)는 입도가 100㎛ 보다 큰 밀스케일을 분리하며, 분리된 재순환 밀스케일은 연료 반응기(30)로 공급되어 산소공여입자로 기능을 한다.
제2 분리기(52)에서는 제1 분리기(51)를 통과한 밀스케일을 분리하므로 더욱 미세한 밀스케일이 분리된다. 제2 분리기(52)는 싸이크론 또는 필터로 이루어질 수 있으며, 입도가 100㎛ 보다 작은 밀스케일을 분리한다.
제2 분리기(52)에는 철광석 환원로(20)에 밀스케일을 공급하는 제2 산화 밀스케일 공급라인(53)이 연결 설치된다. 밀스케일은 순환하는 반복적인 산화, 환원과정에서 100㎛보다 작은 입자로 부서지거나 분화될 수 있다. 이러한 미세 밀스케일은 반복적인 산화, 환원반응에 의해 활성이 떨어져 산소공여입자로 사용하기에 부족하다. 이에 제2 분리기(52)에서 분리된 미세 밀스케일은 철광석 환원로(20)의 제1 환원로(21) 내지 제3 환원로(23) 중 적어도 하나에 공급하여 철원으로 활용한다.
한편, 고체기체 분리장치(50)에는 밀스케일에서 분리된 고온의 공기가 배출되는 배가스 배출관(54)이 연결 설치되는 바. 배가스 배출관(54)은 발전기(80)와 연결되어 발전기(80)로 배가스를 공급한다. 발전기(80)는 고체기체 분리장치(50)에서 분리된 산소가 결핍된 고온의 공기로부터 전기를 생산하며, 가스 터빈 및 스팀 터빈을 구비한다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 밀스케일을 매세순환의 산소공여입자로 사용하여 배가스에 포함된 이산화탄소를 용이하게 분리할 수 있을 뿐만 아니라 활성이 높은 밀스케일을 이용하여 지지체를 가지는 별도의 산소공여입자의 제작 없이도 용이하게 매체순환공정을 실시할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 실시에 따른 용철 제조 방법은 철광석 환원로(20)에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로(20)에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 철광석 환원로(20)에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계와, 연료 반응기(30)에 밀스케일을 장입하고 철광석 환원로(20)에서 배출되는 공정가스를 취입하여 밀스케일을 환원시키는 단계와, 산화 반응기(40)에 연료 반응기(30)에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계, 및 고체기체 분리장치(50)에 산화 반응기(40)에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 통과시켜 분리하는 단계를 포함하며, 분리된 산화 밀스케일은 연료 반응기에 공급된다.
또한, 연료 반응기에 장입되는 밀스케일은 최초로 장입된 후 상기 연료 반응기, 산화 반응기 및 고체기체 분리장치를 순차적으로 경유한 후 다시 공급되거나 외부에서 공급되는 새로운 밀스케일과 혼합된다.
산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기의 분리하는 단계는 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 분리하는 단계, 및 100㎛ 이하의 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하는 단계를 포함한다. 여기서 100㎛ 이상의 산화 밀스케일은 연료 반응기(30)에 공급되며, 100㎛ 이하의 산화 밀스케일은 철광석 환원로(20)에 공급된다. 또한, 본 실시예에 따른 용철제조방법은 산화 밀스케일과 분리된 산소가 결핍된 공기를 가스터빈에 공급하여 전기를 생산하는 단계를 더 포함한다.
도 2은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치(102)는 수소제조장치(60)와 열교환기(70)가 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 용철제조장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
수소제조장치(60)는 연료 반응기(30)와 산화 반응기(40) 사이에 배치되며 연료 반응기(30)로부터 배출되는 환원 밀스케일과 스팀을 반응시켜 수소를 제조하는 장치이다. 수소제조장치(60)에는 연료 반응기(30)와 연결된 환원 밀스케일 공급라인(35)이 연결 설치되며, 환원 밀스케일 공급라인(35)은 연료 반응기(30)에서 생성된 환원 밀스케일을 수소제조장치(60)로 공급한다.
또한, 수소제조장치(60)에는 스팀 공급라인(72)과 수소가스 공급라인(37)이 연결 설치된다. 수소가스 공급라인(37)과 스팀 공급라인(72)은 열교환기(70)에 연결되며, 열교환기(70)는 수소제조장치(60)에서 생성된 후 수소가스 공급라인(37)을 통해 환원로(20)로 공급되는 고온의 수소와 물을 열교환시켜 생성된 스팀을 스팀 공급라인(72)을 통해 수소제조장치(60)로 공급한다. 또한, 상기 열교환기(70)는 수소제조장치(60)에서 생산된 수소부화 가스를 열교환시켜 물과 수소로 분리한다.
수소제조장치(60)에 공급되는 스팀은 외부에서 생성된 것을 공급되거나 상기 외부에서 공급되는 스팀을 수소부화 가스와 열교환시켜 보다 고온으로 변환되어 공급되거나 수소부화 가스의 열교환시 사용된 물이 열교환에 의해 생성된 스팀이 공급될 수 있다.
수소가스 공급라인(37)은 환원가스 공급라인(15)과 연결되며 수소가스 공급라인(37)을 통해 전달되는 수소는 용융가스화로(10)에서 생성된 환원가스와 함께 철광석 환원로(20)에 공급된다. 여기서 수소는 수소부화가스가 열교환기(70)를 통과함으로써 수소부화가스에 포함된 물이 제거되고 철광석 환원로(20)에 공급될 수 있다.
수소제조장치(60)에 공급되는 환원 밀스케일은 스팀과 반응하여 수소를 생산할 만큼의 강한 산화력을 요구하는 바, 이에 환원 밀스케일은 환원력이 높은 Fe 또는 FeO로 이루어질 수 있다. 이들 Fe 또는 FeO의 밀스케일은 스팀으로부터 산소를 뺏아서 FeO 또는 Fe3O4로 전환된다.
수소제조장치(60)에는 산화 반응기(40)와 연결 설치되어 산화 반응기(40)에 밀스케일을 공급하는 밀스케일 전달관(61)이 설치된다. 수소제조장치(60)에서 환원 밀스케일은 스팀과 산화반응하여 수소를 생산하고 밀스케일 전달관(61)을 통해서 산화된 미립자 밀스케일로 산화 반응기(40)에 장입된다.
수소제조장치(60)는 고정층 반응기 무빙베드 반응기, 또는 유동층 반응기로 이루어질 수 있다. 수소제조장치(60)의 반응온도는 연료 반응기(30)로부터 투입되는 환원밀스케일에 의하여 조절되며 600℃ ~ 1000℃로 이루어질 수 있다. 수소제조장치(60)의 반응압력은 철광석 환원로(20)의 압력과 균형을 이루도록 상온에서 10bar 이하로 이루어질 수 있다. 이때, 수소제조장치(60)의 반응압력은 투입되는 스팀 압력에 의해 조절될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 용철 제조 방법은 상기한 제1 실시예에 따른 용철제조방법에 부가하여 연료 반응기(30)에서 배출되는 환원 밀스케일을 산화 반응기(40)에 장입하기 전에 스팀과 반응시켜 수소를 제조하는 단계와, 상기 제조된 수소를 철광석 환원로(20)에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 용철 제조 방법은 수소를 철광석 환원로(20)에 공급하기 전에 열교환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101, 102: 용철제조장치 10: 용융가스화로
11: 미분탄 공급라인 12: 산소 공급라인
13: 용철 배출라인 14: 석탄 공급라인
15: 환원가스 공급라인 20: 철광석 환원로
21: 제1 환원로 22: 제2 환원로
23: 제3 환원로 25: 환원철 공급라인
26: 공정가스 공급라인 27: 철광석 공급라인
30: 연료 반응기 31: 밀스케일 공급라인
32: 배가스 배출관 34: 환원 밀스케일 공급라인
37: 수소가스 공급라인 40: 산화 반응기
41: 공기 공급라인 42: 산화 밀스케일 공급라인
50: 고체기체 분리장치 51: 제1 분리기
52: 제2 분리기 53: 제2 산화 밀스케일 공급라인
54: 배가스 배출관 56: 제1 산화 밀스케일 공급라인
60: 수소제조장치 61: 밀스케일 전달관
70: 열교환기 72: 스팀 공급라인
80: 발전기

Claims (18)

  1. 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로;
    석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로;
    밀스케일을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 밀스케일을 환원시키는 연료 반응기;
    상기 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원 밀스케일을 산화시키는 산화 반응기; 및
    상기 산화 반응기에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하기 위한 고체기체 분리장치를 포함하는 용철 제조장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 밀스케일은 제철소 부산물로서 압연이나 열가공시 공기중 산소에 의해 산화된 것으로 입도 1mm 이하의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밀스케일은 상기 연료 반응기, 산화 반응기 및 상기 고체기체 분리장치를 순차적으로 경유한 후 재순환되어 공급되거나 재순환된 밀스케일에 외부에서 공급되는 새로운 밀스케일이 추가된 것인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체기체 분리장치는 싸이클론 또는 필터 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체기체 분리장치는 상기 산화 반응로에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기로부터 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 포집하기 위한 제 1 분리기; 및
    100㎛ 이하의 산화 밀스케일을 포집하고 수소를 분리하기 위한 제 2분리기를 포함하는 용철제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 분리기는 분리된 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 상기 연료 반응기에 공급하기 위한 제 1 산화 밀스케일 공급라인이 설치되며,
    상기 제 2 분리기는 분리된 100㎛ 이하의 산화 밀스케일을 상기 철광석 환원로에 공급하기 위한 제 2 산화 밀스케일 공급라인이 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고체기체 분리장치에서 분리된 산소가 결핍된 고온의 공기로부터 전기를 생산하기 위한 가스터빈을 더 포함하는 용철제조장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 반응기와 산화 반응기 사이에 배치되며 상기 연료 반응기로부터 배출되는 환원 밀스케일과 스팀을 반응시켜 수소를 제조하기 위한 수소제조장치를 더 포함하는 용철제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소제조장치는 생산된 수소부화 가스를 열교환시켜 물과 수소로 분리하기 위한 열교환기와 분리된 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하기 위한 수소가스 공급라인이 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스팀은 외부에서 생성된 것을 공급되거나 상기 외부에서 공급되는 스팀을 상기 수소부화 가스와 열교환시켜 보다 고온으로 변환되어 공급되거나 상기 수소부화 가스의 열교환시 사용된 물이 열교환에 의해 생성된 스팀이 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  11. 환원로에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계;
    석탄을 충진하고 상기 환원로에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 환원로에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계;
    연료 반응기에 밀스케일을 장입하고 상기 환원로에서 배출되는 공정가스를 취입하여 상기 밀스케일을 환원시키는 단계;
    산화 반응기에 상기 연료 반응기에서 환원되어 배출되는 환원 밀스케일을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계; 및
    고체기체 분리장치에 상기 산화 반응기에서 배출되는 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 통과시켜 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 분리된 산화 밀스케일은 상기 연료 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 반응기에 장입되는 밀스케일은 최초로 장입된 후 상기 연료 반응기, 산화 반응기 및 고체기체 분리장치를 순차적으로 경유한 후 다시 공급되거나 외부에서 공급되는 새로운 밀스케일과 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기의 분리는 100㎛ 이상의 산화 밀스케일을 분리하는 단계; 및
    100㎛ 이하의 산화 밀스케일과 산소가 결핍된 공기를 분리하는 단계를 포함하는 용철제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 100㎛ 이상의 산화 밀스케일은 상기 연료 반응기에 공급되며, 상기 100㎛ 이하의 산화 밀스케일은 상기 철광석 환원로에 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 산화 밀스케일과 분리된 산소가 결핍된 공기를 가스터빈에 공급하여 전기를 생산하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 반응기에서 배출되는 환원 밀스케일을 상기 산화 반응기에 장입하기 전에 스팀과 반응시켜 수소를 제조하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제조된 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 수소를 상기 철광석 환원로에 공급하기 전에 열교환시키는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
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