KR101482330B1 - 수소 이용률을 극대화한 금속 산화물의 수소환원장치 및 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법 - Google Patents

수소 이용률을 극대화한 금속 산화물의 수소환원장치 및 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법 Download PDF

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    • C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases

Abstract

본 발명은 적절한 제어식을 통하여 수소 환원 반응 후 압력 변화를 측정해 수소 가스를 공급하는 공급 밸브의 개도를 조절함으로써, 수소 이용률을 극대화한 금속 산화물의 수소환원장치 및 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법을 제공한다.
본 발명에 의함으로써, 수소 가스의 사용량을 감소시켜 설비 운용비를 절감할 수 있고, 환원로 내부 압력을 일정하게 유지시켜 설비 안정성이 확보 될 수 있다.

Description

수소 이용률을 극대화한 금속 산화물의 수소환원장치 및 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법{Method for controlling the concentration of hydrogen during reduction mechanism of metal oxide and apparatus for reducing metal oxide having improved hydrogen availability}
본 발명은 수소환원공정 내 수소 가스의 농도를 제어하는 방법 및 수소 가스의 농도를 제어함으로써 수소 이용률을 극대화한 수소 환원 장치에 관한 것이다.
통상, 금속 산화물은 니켈, 몰리브덴 혹은 텅스텐 기타 금속 원소와 산소 원소로만 이루어진 화합물로서, 다양한 용도로 사용되고 있다. 예컨대, 몰리브덴은 융점이 높고, 인성이 우수하며, 열전도도가 높고, 내식성이 강하며, 열팽창계수가 낮은 금속이다. 이러한 몰리브덴의 물성 상의 특징으로 인하여 몰리브덴 금속은 핵 에너지 시설, 미사일, 항공기 등의 고온 구조 재료뿐만 아니라, X-ray 튜브, 전기로의 전극 등 고온 전기재료에 널리 사용되고 있으며, 석유 화학산업에서의 촉매로도 사용된다. 또한 니켈은, 일렉트로닉스 분야 즉, 전자회로나 저항, 콘덴서, IC패키지 등의 부품을 제조하는데 사용한다.
상기와 같은 용도를 지닌 니켈 혹은 몰리브덴은, 자연 상태에서 금속 산화물 형태로 광석에 존재하게 된다. 이러한 금속 산화물로부터 금속 니켈 혹은 금속 몰리브덴을 정제하기 위하여, 용융에 의한 전기로 제강법과 분말에 의한 환원법 등이 사용된다.
전자의 전기로를 이용하는 제강법에서는, 대기 오염을 방지하기 위해서 전기로에서 나오는 전기로 더스트(dust)를 집진 장치로 집진한다. 제강 배출물로서의 더스트는 매우 미세한 분말이고, 그 이용이 어렵기 때문에 FeO 및 Fe2O3를 함유할지라도 그 본래의 상태로 폐기된다.
또한, 전기로를 이용하는 제강에서는 정련 단계에 따라 폐기물로서 산화 슬랙과 환원 슬랙을 배출한다. 폐기물 중에서, 산화 슬랙은 아스팔트 포장 도로 건설에 노반재(roadbed material)로서 사용되나, 환원 슬랙은 특별히 이용할 수 있는 용도가 없어서 불가피하게 처분할 수밖에 없는데, 환원 슬랙을 처분하려면 비용이 많이 들고, 그 처분 비용으로 인해 제강 비용을 증가시킨다.
반면, 후자의 환원법은, 환원성 분위기에서 환원 과정을 거치게 되는데, 이러한 과정을 통하여 고순도의 금속이 형성되며 제련, 제강 공정에서 수소를 사용하여 금속 산화물을 환원시키는 수소 환원 공정이 많이 사용되어 왔다. 수소 환원은 탄소 환원에 비하여 환원 온도가 낮으며, 원료의 성분에 영향을 주지 않아, 경제적인 점에서 장점이 있다.
수소 환원 공정 중에는 로터리 킬른을 이용한 수소 환원의 사용이 점차 많은 범위로 확대되고 있다. 그런데, 로터리 킬른을 사용하여 수소 환원을 할 경우, 이론적으로 환원 반응에 필요한 수소의 양에 비하여 1.5~2배 이상의 수소를 사용하여야 하여 경제적인 점에서 제약이 따르게 되어, 고가의 금속을 제련하는 경우에만 소규모의 설비로 운용하는 것이 일반적이다.
최근에는 상기와 같은 경제적인 문제점을 해결하고자, 환원로에서 반응하지 않은 잉여 수소를 회수하여 재활용하는 기술이 제시되었으나, 반응하는 수소의 유량과 잉여 수소의 유량을 매 순간 정확하게 측정해야 하는 기술적인 난점이 있고, 설비 운용에 있어서도 전문적인 실력을 요구하여 문제가 있다.
대한민국 공개번호 제2009-0031321호(2009.03.25.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소 환원 반응에 따른 압력 변화를 측정하여 수소 환원 반응에 공급되는 수소 가스의 양을 간단한 방법으로 제어함으로써 수소 이용률을 극대화하고자 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 금속 산화물의 수소 환원 공정에 있어서, 환원로에 공급되는 수소 가스의 농도 제어 방법으로서,
금속 산화물의 수소 환원 반응 후 블로워(blower) 전단의 압력을 측정하는 단계; 및
하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절함으로써 수소 가스의 공급량을 제어하는 단계를 포함하는 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법을 제공한다.
[수학식 1]
Pb<Pmin 일 때: Open = MaxOpen
Pmin≤Pb≤Pmax 일 때: Open = MaxOpen x (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
Pmax<Pb 일 때: Open = 0
(상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
상기 블로워(blower)의 회전수를 일정하게 유지하여 상기 수소 가스의 유량을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 금속산화물 투입부 및 환원 금속 배출부를 구비하며,
수소 가스 분위기 하에서 금속 산화물의 환원 반응이 일어나는 환원로;
상기 환원로에 구비되며, 수소 가스가 주입되는 수소 가스 주입구;
상기 환원로에 구비되며, 환원 반응 후 발생되는 가스가 배출되는 가스 배출구;
상기 수소 가스 주입구에 연결되어, 수소 가스의 유동을 일으키는 블로워(blower);
상기 블로워 전단에 위치하며, 수소 가스의 압력을 감지하는 압력 감지부;
상기 압력 감지부와 블로워 사이에 위치하며, 수소 가스를 상기 환원로에 공급하는 수소 가스 공급 장치;
상기 수소 가스 공급 장치와 블로워 사이에 위치하며, 상기 환원로에 주입되는 수소 가스의 공급량을 조절하는 수소 가스 공급 밸브;
상기 가스 배출구에 연결되어, 환원 반응 후 발생되는 가스 내 포함된 수증기를 제거하는 수증기 제거 장치를 포함하여,
상기 압력 감지부는 블로워 전단의 압력을 측정하여 하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절하는 금속 산화물의 수소 환원 장치를 제공한다.
[수학식 1]
Pb<Pmin 일 때: Open = MaxOpen
Pmin≤Pb≤Pmax 일 때: Open = MaxOpen x (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
Pmax<Pb 일 때: Open = 0
(상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
금속 산화물이 투입되는 금속 산화물 투입부는 상기 가스 배출구 측에 배치되며,
환원 금속이 배출되는 환원 금속 배출부는 상기 수소 가스 주입구 측에 위치하며,
상기 금속 산화물의 반응 흐름과 수소 가스의 흐름이 역방향으로 이루어질 수 있다.
상기 환원로는 금속 산화물을 예열하는 예열부를 더 포함할 수 있다.
상기 블로워(blower)는 저압 블로워일 수 있다.
상기 수소 가스 공급 장치는 수소 가스를 압축하여 저장하는 수소 가스 압축 저장장치를 더 포함할 수 있다.
상기 수증기 제거 장치는 집진 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 수증기 제거 장치 및 상기 블로워는 연결되어 폐회로를 구성할 수 있다.
본 발명은 수소 환원 반응에 따른 압력 변화를 측정하여 수소 환원 반응에 공급되는 수소 가스의 양을 제어함으로써, 수소 이용률을 극대화하고, 수소 가스의 사용량을 감소시켜 설비 운용비를 절감하도록 하며, 환원로 내부 압력을 일정하게 유지시켜 설비 안정성을 확보하고자 한다.
도 1은 본 발명의 수학식 1을 그래프로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 금속 산화물의 예시적인 수소 환원 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 금속 산화물의 예시적인 수소 환원 장치에서 금속 산화물 및 수소 가스의 흐름 방향을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 실시예 1에서 수소의 최대 주입량 및 최소 주입량과 환원반응 후 최소 허용압력 및 최대 허용압력을 정하여 운전 화면 상에 입력한 것을 도시한 것이다.
도 5는 실시예 1에 따라 금속산화물을 환원하는 동안 압력의 변화를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 비교예 1에 따라 금속산화물을 환원하는 동안 압력의 변화를 그래프로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 금속 산화물의 수소 환원 공정에 있어서, 환원로에 공급되는 수소 가스의 농도 제어 방법으로서, 금속 산화물의 수소 환원 반응 후 블로워(blower) 전단의 압력을 측정하는 단계 및 하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절함으로써 수소 가스의 공급량을 제어하는 단계를 포함하는 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법을 제공한다.
[수학식 1]
Pb<Pmin 일 때: Open = MaxOpen
Pmin≤Pb≤Pmax 일 때: Open = MaxOpen x (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
Pmax<Pb 일 때: Open = 0
(상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
도 1은 상기 수학식 1을 그래프로 나타낸 것으로, 금속 산화물의 수소 환원 반응 후에는 수소 가스가 소모되어 압력 변화가 발생하고, 블로워 전단이 시스템 내에서 압력이 가장 낮은 부분이므로, 블로워 전단의 압력을 측정하여 압력의 변화를 판단하게 된다.
이때, 블로워 전단이란, 블로워를 통한 유체의 흐름이 있을 때, 블로워를 기준으로 흐름이 시작되는 방향 쪽을 의미한다.
블로워 전단의 압력이 측정되면 상기 수학식 1을 이용하여, 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절함으로써, 연속하여 수행되는 수소 환원 반응을 위하여 환원로에 공급되는 수소 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
상기 수학식 1에서 Pmin 및 Pmax는 본 발명의 방법을 실시할 때, 실시자가 반응 조건이나 기타 목적을 고려하여 임의로 설정할 수 있는 것으로, 고정된 값을 나타내며, Pb는 상기 압력을 측정하는 단계에서 측정된 블로워 전단의 압력을 의미하는 것으로, 유동적인 값을 나타낸다.
최소 허용압력(Pmin)은 상기한 바와 같이 반응 조건이나, 기타 목적에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 0 초과 5 mbar 이하의 압력으로 설정함이 바람직하고, 최대 허용압력(Pmax)은 20 내지 50 mbar의 압력으로 설정하는 것이 바람직하다.
수소 가스의 공급량 제어와 관련하여 구체적으로, 측정된 블로워 전단의 압력(Pb)이 최소 허용압력(Pmin)의 미만인 경우, 수소 가스 공급 밸브를 최대로 개방하여 환원로에 공급되는 수소 가스의 공급량이 최대로 되도록 한다. 반면, 블로워 전단의 압력(Pb)이 최대 허용압력(Pmax)을 초과하는 경우, 수소 가스 공급 밸브를 완전히 닫아 수소 가스를 공급하지 않는다.
블로워 전단의 압력(Pb)이 최소 허용압력(Pmin) 이상 최대 허용압력(Pmax)이하로 측정된 경우, 상기 수학식 1에서 계산된 값, 혹은 도 1의 그래프에서 x값에 대응 되는 y값으로 수소 가스 공급 밸브를 개방 정도를 정하여, 환원로에 공급되는 수소 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
본 발명의 제어방법은 상기 블로워(blower)의 회전 수를 일정하게 유지하여 환원로에 공급되는 수소 가스의 유량을 일정하게 유지할 수 있다. 종래에는 유량을 일정하게 유지하기 위하여 유량을 실시간으로 측정하여 제어하여야 했으나, 본 발명에서는 사용되는 블로워의 회전 수가 일정하게 유지되는 한 가스의 유량 또한 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 금속 산화물 투입부 및 환원 금속 배출부를 구비하며, 수소 가스 분위기 하에서 금속 산화물의 환원 반응이 일어나는 환원로, 상기 환원로에 구비되며, 수소 가스가 주입되는 수소 가스 주입구, 상기 환원로에 구비되며, 환원 반응 후 발생되는 가스가 배출되는 가스 배출구, 상기 수소 가스 주입구에 연결되어, 수소 가스의 유동을 일으키는 블로워(blower), 상기 블로워 전단에 위치하며, 수소 가스의 압력을 감지하는 압력 감지부, 상기 압력 감지부와 블로워 사이에 위치하며, 수소 가스를 상기 환원로에 공급하는 수소 가스 공급 장치, 상기 수소 가스 공급 장치와 블로워 사이에 위치하며, 상기 환원로에 주입되는 수소 가스의 공급량을 조절하는 수소 가스 공급 밸브, 상기 가스 배출구에 연결되어, 환원 반응 후 발생되는 가스 내 포함된 수증기를 제거하는 수증기 제거 장치를 포함하여, 상기 압력 감지부는 블로워 전단의 압력을 측정하여 하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절하는 금속 산화물의 수소 환원 장치를 제공한다.
[수학식 1]
Pb<Pmin 일 때: Open = MaxOpen
Pmin<Pb<Pmax 일 때: Open = MaxOpen x (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
Pmax<Pb 일 때: Open = 0
(상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
본 발명은 상기 금속 산화물 투입부를 통하여 환원될 금속 산화물이 환원로에 투입되면 수소 가스 공급 장치에서 수소 가스가 공급되어 블로워를 통해 일정한 유량으로 수소 가스 주입구를 통하여 환원로 내로 공급된다.
이때, 금속 산화물은 수소 가스와 함께 환원 반응이 일어나, 환원된 금속과 수증기가 생성된다. 금속 산화물로는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, 산화철(Ⅲ)은 하기 식(1)과 같이 수소와 환원 반응이 일어나, 철과 수증기가 생성된다. 이때, 금속 산화물에 포함되는 금속은 특별히 한정하지는 않으나, 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 그 외에 수소 환원이 가능한 금속류일 수 있다.
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (1)
환원된 금속 산화물은 상기 환원 금속 배출부를 통하여 배출되며, 상기 환원 반응으로 인해 생성된 수증기와 환원 반응을 수행하지 않은 잉여의 수소 가스는 환원로에 존재하는 가스 배출구를 통하여 수증기 제거 장치로 이동한다.
상기 수증기 제거 장치에서는 환원 반응에서 생성된 수증기는 외부로 제거되고, 잉여의 수소 가스만이 남아 블로워 전단으로 이동한다.
블로워 전단에서 압력 감지부는 상기 잉여의 수소 가스의 압력을 측정하고, 이어 존재하는 수소 가스 공급 장치를 통하여 공급되는 수소 가스는 상기 잉여의 수소 가스와 혼합하여 블로워로 이동한다.
본 발명의 수소 환원 장치는 수소 가스 공급 장치를 수소 가스 주입구 측에 두는 대신, 압력이 가장 낮은 블로워 전단에 위치하게 하여, 수소 공급을 통하여 자체적으로 음압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
블로워란 유체의 유동을 일으키는 장치로, 유체가 일정한 방향으로 흐를수 있도록 한다. 상기 블로워로 이동한 잉여의 수소 가스와 신 수소 가스의 혼합 가스는 블로워의 일정한 회전에 의해, 일정한 유량으로 수소 가스 주입구를 통하여 다시 환원로에 공급된다.
본 발명의 수소 환원 장치는 환원로에 주입되는 수소 가스의 공급량을 상기 수소 가스 공급 장치와 블로워 사이에 위치하는 수소 가스 공급 밸브의 개도를 통하여 조절할 수 있다.
구체적으로는, 블로워 전단에서 측정한 잉여의 수소 가스의 압력은 수소 환원 반응 후의 압력으로, 수소 환원 반응으로 인해 공급되는 수소와 동일한 부피의 수증기가 생성되지만, 수증기는 블로워 전단에 도달하기 전에 수증기 제거 장치를 통하여 제거되므로, 수소 환원 반응 후에는 압력이 감소된다.
이러한 압력 변화를 감지하여, 측정된 블로워 전단의 압력(Pb)이 실시자가 실시 목적 및 반응 조건에 따라 임의로 설정한 최소 허용압력(Pmin)의 미만인 경우, 수소 가스 공급 밸브를 최대로 개방하여, 환원로에 공급되는 수소 가스의 공급량이 최대로 되도록 한다. 반면, 블로워 전단의 압력(Pb)이 실시자가 또한 임의로 설정한 최대 허용압력(Pmax)을 초과하는 경우, 수소 가스 공급 밸브를 완전히 닫아, 수소 가스를 공급하지 않는다.
한편, 블로워 전단의 압력(Pb)이 최소 허용압력(Pmin) 이상 최대 허용압력(Pmax)이하로 측정된 경우, 상기 수학식 1에서 계산된 값, 혹은 도 1에서 x값에 대응 되는 y값으로 수소 가스 공급 밸브를 개방 정도를 정하여, 환원로에 공급되는 수소 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
본 발명의 수소 환원 장치에 있어서 금속 산화물이 투입되는 금속 산화물 투입부는 상기 가스 배출구 측에 배치되며, 환원 금속이 배출되는 환원 금속 배출부는 상기 수소 가스 주입구 측에 위치하며, 상기 금속 산화물의 반응 흐름과 수소 가스의 흐름이 역방향으로 이루어진다. 도 3은 본 발명의 금속 산화물의 수소 환원 장치에서 금속 산화물 및 수소 가스의 흐름 방향을 개략적으로 도시한 것으로, 일반적으로도 금속 산화물과 수소의 흐름을 역방향으로 하는 것이 반응 효율을 높이는 데에 바람직하다.
환원로에 투입되는 금속 산화물은 수소 가스와 반응성을 높이기 위해 예열하는 것이 바람직하며, 따라서, 본 발명의 수소 환원 장치는 환원로에 금속 산화물을 예열하는 예열부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 블로워로서 저압 블로워를 사용하여 필요한 유량을 수송할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이 경우 블로워 전단과 후단의 압력 차이를 최소화할 수 있다. 이때, 블로워 후단이란, 블로워를 통한 유체의 흐름이 있을 때, 블로워를 기준으로 유체가 흘러나가는 방향 쪽을 의미한다.
본 발명의 수소 가스 공급 장치는 수소 가스를 압축하여 저장하는 수소 가스 압축 저장장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 수증기 제거 장치는 집진 장치를 더 포함할 수 있다. 수소 환원 반응에 의해 생성되는 수증기와 잉여의 수소 가스의 혼합 가스 내에는 더스트(dust)가 포함되어 있으므로 환원 반응의 효율을 높이기 위해서는 집진 장치로 더스트를 제거함이 바람직하다. 집진 장치에서는 더스트뿐만 아니라 수증기가 응결되어 생성된 물방울 또한 제거될 수 있다. 집진 장치로는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 스크러버(Scrubber)가 수증기 제거의 기능 또한 할 수 있어, 이를 사용함이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 금속 산화물의 예시적인 수소 환원 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 환원로에서 금속 산화물의 수소 환원 공정에 의해 발생한 수증기 및 잉여의 수소 가스는 수증기 제거 장치 이자 집진장치로 기능하는 스크러버(5)로 이동하여 더스트 및 수증기가 제거된다. 이후, 수소 가스는 블로워 전단에 위치한 압력 감지부(4)에서 압력이 측정된 뒤에, 수소 투입 장치(3)로부터 신 수소를 공급받아 저압 블로워(2)로 이동된다. 저압 블로워는 수소 가스를 환원로(1) 로 유동시켜 수소 환원 공정이 연속적으로 일어날 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 수소 환원 장치는 수증기 제거 장치 및 블로워가 연결되어 폐회로를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명은 가스 배출구, 수증기 제거 장치, 블로워 및 수소 가스 주입구가 모두 연결되어 있고, 이때 연결 방식은 특별히 한정하지는 않으나, 일반적으로 가스 도관으로 연결된 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예 1]
도 4에 나타난 바와 같이, 밸브의 최대 개도(Maxopen)를 7%로 하고, 환원반응 후 측정된 저압 블로워 전단의 최대 허용압력을 40mbar, 최소 허용압력을 5mbar로 설정한 뒤, Fe를 주 성분으로 포함하며, 미량의 Ni, Co및 Mn이 혼합된 금속산화물의 수소환원반응을 수행하였다.
실시예 1에 따라 수행된 수소환원반응 동안 환원로 내의 압력 변화는 도 5에 그래프로 나타내었다.
[비교예 1]
금속 산화물을 500kg/h로 주입하면서 150m3/h의 수소를 일정량 주입하면서, 환원반응 후 압력변화를 측정함 없이 Fe를 주 성분으로 포함하며, 미량의 Ni, Co및 Mn이 혼합된 금속산화물에 상기 주입량을 지속적으로 주입하면서 환원반응을 수행하였다.
비교예 1에 따라 수행된 수소환원반응 동안 환원로 내의 압력 변화는 도 6에 그래프로 나타내었다.
도 5에 따르면, 실시예 1에 따라 수소환원반응을 수행하는 경우, 반응 동안 환원로 내의 압력이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있었다. 또한, 반응으로 소비되는 수소의 유량 및 실제 설비에 사용된 수소 주입량을 비교하여 본 결과, 불과 2.3%의 수소가 설비에서 손실되었으며, 회수된 잉여 수소의 98% 이상이 환원로에서 재사용되어 경제성이 뛰어났다.
다만, 도 6에 따르면, 비교예 1에 따라 수소환원반응을 수행하는 경우, 유량을 수동으로 입력하여 설비를 운전하기 때문에, 원료의 유입량의 변화에 따라 환원로 내부의 압력이 크게 변화하는 것을 볼 수 있었다. 또한, 환원반응을 수행하는 데에 이론적으로 필요한 양에 비하여 대략 200% 가량의 수소를 사용하여 실시예 1에 비하여 경제성이 많이 떨어지는 결과를 보였다.
또한, 비교예 1에 의하는 경우, 환원로 내부 압력이 대기압 보다 낮아질 경우, 외부의 공기가 유입되어 환원로 내부 수소와 반응하여 폭발이 일어날 위험성이 있고, 수소 유량을 높여 환원로 내부 압력을 상승시킨다고 하더라도, 환원로의 실링이 견딜 수 있는 압력을 초과하면 수소가 외부로 유출되어 역시 화재 및 폭발의 위험성이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1: 환원로
2: 저압 블로워
3: 수소 투입 장치
4: 압력 감지부
5: 수증기 제거 장치

Claims (9)

  1. 금속 산화물의 수소 환원 공정에 있어서, 환원로에 공급되는 수소 가스의 농도 제어 방법으로서,
    금속 산화물의 수소 환원 반응 후 블로워(blower) 전단의 압력을 측정하는 단계; 및
    하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절함으로써 수소 가스의 공급량을 제어하는 단계를 포함하는 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법.
    [수학식 1]
    Pb<Pmin 일 때: Open = MaxOpen
    Pmin≤Pb≤Pmax 일 때: Open = MaxOpen x (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
    Pmax<Pb 일 때: Open = 0
    (상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 블로워(blower)의 회전 수를 일정하게 유지하여 상기 수소 가스의 유량을 일정하게 유지하는 금속 산화물의 수소환원공정 내 수소 가스의 농도 제어방법.
  3. 금속산화물 투입부 및 환원 금속 배출부를 구비하며,
    수소 가스 분위기 하에서 금속 산화물의 환원 반응이 일어나는 환원로;
    상기 환원로에 구비되며, 수소 가스가 주입되는 수소 가스 주입구;
    상기 환원로에 구비되며, 환원 반응 후 발생되는 가스가 배출되는 가스 배출구;
    상기 수소 가스 주입구에 연결되어, 수소 가스의 유동을 일으키는 블로워(blower);
    상기 블로워 전단에 위치하며, 수소 가스의 압력을 감지하는 압력 감지부;
    상기 압력 감지부와 블로워 사이에 위치하며, 수소 가스를 상기 환원로에 공급하는 수소 가스 공급 장치;
    상기 수소 가스 공급 장치와 블로워 사이에 위치하며, 상기 환원로에 주입되는 수소 가스의 공급량을 조절하는 수소 가스 공급 밸브;
    상기 가스 배출구에 연결되어, 환원 반응 후 발생되는 가스 내 포함된 수증기를 제거하는 수증기 제거 장치를 포함하여,
    상기 압력 감지부는 블로워 전단의 압력을 측정하여 하기 수학식 1을 이용하여 수소 가스 공급 밸브의 개도를 조절하는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
    [수학식 1]
    Pb<Pmin 일때: Open = MaxOpen
    Pmin≤Pb≤Pmax 일때: Open = MaxOpen * (1 - (Pb-Pmin)/(Pmax-Pmin))
    Pmax<Pb 일때: Open = 0
    (상기 수학식 1에서, Pb는 블로워 전단의 압력이고, Pmin는 블로워 전단의 최소 허용압력이고, Pmax는 불로워 전단의 최대 허용압력이며, Open은 수소 가스 공급 밸브의 개도(%), Maxopen은 수소 가스 공급 밸브의 최대 개도(%), 0은 수소 가스 공급 밸브가 닫힌 것을 의미한다.)
  4. 제3항에 있어서, 금속 산화물이 투입되는 금속 산화물 투입부는 상기 가스 배출구 측에 배치되며,
    환원 금속이 배출되는 환원 금속 배출부는 상기 수소 가스 주입구 측에 위치하며,
    상기 금속 산화물의 반응 흐름과 수소 가스의 흐름이 역방향으로 이루어지는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 환원로는 금속 산화물을 예열하는 예열부를 더 포함하는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 블로워(blower)는 저압 블로워인 금속 산화물의 수소 환원 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 수소 가스 공급 장치는 수소 가스를 압축하여 저장하는 수소 가스 압축 저장장치를 더 포함하는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 수증기 제거 장치는 집진 장치를 더 포함하는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 수증기 제거 장치 및 상기 블로워는 연결되어 폐회로를 구성하는 금속 산화물의 수소 환원 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR940021510A (ko) * 1993-03-12 1994-10-19 알프레트 노이바우어, 디트프리트 과산화성 가오존분해 생성물의 가수소분해적 환원방법
KR960010820B1 (ko) * 1991-11-28 1996-08-09 미쯔비시 마테리알 카부시키가이샤 금속계 재료의 열처리장치
JP2007154222A (ja) 2005-11-30 2007-06-21 Fujikura Ltd 金属粉の製造装置及び製造方法

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