KR101501756B1 - 갈탄을 사용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법 및 장치 - Google Patents

갈탄을 사용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접환원 그리고/또는 고온금속 생산 공정에 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속산화물을 함유한 재료를 가지고 높은 수분함유량의 탄소함유물질로부터 탄소함유물질 덩어리를 만드는 공정을 포함하는, 높은 수분함유량의 탄소함유물질을 이용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법을 제공한다. 방법은 또한 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 분해증류하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 분해증류단계에서 얻어진 탄소함유물질을 건식 담금질하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위한 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것을 포함한다.

Description

갈탄을 사용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법 및 장치{Method and system for producing direct reducing iron and/or hot metal using brown coal}
본 특허출원/특허는 “갈탄을 사용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법 및 장치”란 명칭으로 2010. 12. 15. 출원한 미합중국 임시특허출원 제61/423,173호의 우선권을 청구하고 있으며, 그 내용은 참고로 여기에 전부 포함되어 있다. 본 특허출원/특허는 또한 “재료 재순환 능력을 갖는 용융금속을 생산하기 위한 전기로”란 명칭으로 2011. 11. 29. 출원한 동시계류중인(co-pending) 미합중국 특허출원 제13/305,876호의 일부계속출원(continuation-in-part)으로서, 그 내용은 또한 참고로 여기에 전부 포함되어 있다.
본 발명은 일반적으로 갈탄(brown coal), 즉, 예를 들어 리그나이트(lignite)와 아역청탄을 이용하여 직접환원철(direct reducing iron, DRI) 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법 및 장치는 고효율을 갖는 전력을 발생하는데 유익하게 이용될 수 있으며, 직접환원철 그리고/또는 고온 금속은 에너지를 축적하는데 사용될 수 있으며 용이하게 운반할 수 있다.
리그나이트는 약 25-35%의 총탄소함유량, 가끔 약 66% 수준의 높은 수분함유량, 약 6-19%의 회(灰) 함유량, 그리고 무수무회 베이스(dry ash-free basis, DAF)에서 약 10-20 MJ/kg의 열 함유량 (즉, 쇼트 톤당 약 9-17 밀리언 Btu)을 갖는다. 비교를 위하여, 역청탄은 약 60-80%의 총탄소함유량, 약 6-12%의 회 함유량, 그리고 무수무회 베이스(DAF)에서 약 24-35 MJ/kg의 열량을 갖는다.
아역청탄은 총탄소함유량, 회 함유량, 그리고 리그나이트와 역청탄 사이의 열량을 가지며, 대략 15-30% 수분함유량을 갖는다. (본 명세서에 걸쳐서 사용되는 ) 이들 모든 함유량 범위는 단지 예시적이며 제한이 없다는 것을 주의하여야 한다. 리그나이트는 높은 함량의 휘발성 물질을 갖고 있으며, 이것은 다른 높은 등급의 석탄들보다 가스와 액체 석유제품으로 변환되는 것이 보다 용이하게 한다. 그러나 리그나이트의 높은 수분함량과 자연연소에 대한 민감성은 운반 및 저장에 어려움을 유발할 수 있다.
낮은 에너지 밀도 때문에, 리그나이트는 운송수단에 불충분하고 다른 높은 등급의 석탄에 비하여 세계시장에서 광범위하게 거래되지 않는다. 리그나이트는 종종, 석탄 광산 근처에 건설되는 발전소에서 연료로 사용된다. 오스트레일리아의 라트로베 밸리와 텍사스에 있는 루미넌트쓰 몽티셀로 공장은 석탄광산 근처에 있는 리그나이트를 태우는 발전소의 예들이다.
리그나이트는 액화된다고 하여도 코크스처럼 블래스트 노에 사용될 정도로 충분한 화력을 갖고 있지 않다. 리그나이트는 보다 적은 고정탄소를 갖고 있으며, 이것이 직접환원철 및 다른 철 제조공정에, 산화철함유물질과 함께 덩어리가 된 탄소함유물질로 사용하는 것을 어렵게 한다.
아역청탄은 리그나이트와 유사하고, 약 20-30%의 일반적인 수분 함유량을 갖고 있다. 아역청탄의 높은 수분 함유량은 또한 그 에너지밀도를 다른 높은 등급의 석탄보다 낮게 하여 버린다. 또한 아역청탄은 액화된다고 하여도 코크스처럼 블래스트 노(blast furnace)에 사용될 정도로 충분한 화력을 갖고 있지 않다.
그래서 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 종래의 방법 및 시스템들은 일반적으로 코크스 또는 높은 등급의 석탄을 사용하고, 리그나이트(즉, 갈탄), 아역청탄 등은 사용되지 않는다. 리그나이트는 지방의, 저효율 전력생산을 위해서만 사용된다. 이 전력생산의 저효율은, 석탄의 에너지 부분이 리그나이트 및 아역청탄을 건조하기 위하여 수분을 증발시키는데 사용되어야 한다는 사실로부터 추정될 수 있다.
그러나 본 발명의 방법과 장치에 따르면, 리그나이트, 아역청탄, 그리고 이와 유사한 것을 이용하여 전력이 생산될 수 있으며, 직접환원철 그리고/또는 고온금속이 효과적으로 그리고 효율적으로 생산될 수 있다.
한 실시예에서, 본 발명은 높은 수분함유량의 탄소함유물질을 이용하는 것으로서, 직접환원 그리고/또는 고온금속 생산 공정의 사용에 적합한 덩어리를 형성하도록, 금속산화물을 함유한 재료를 가지고 높은 수분함유량의 탄소함유물질로부터 탄소함유물질 덩어리를 만드는 공정을 포함하는, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하는 방법을 제공한다. 방법은 또한 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 분해 증류하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 분해증류단계에서 얻어진 탄소함유물질을 건식 담금질하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 분해증류 단계 전에, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 공정을 포함한다. 선택적으로, 방법은 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 간접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 분해증류 단계 전에, 낮은 산소함유량의 가스를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 분해증류 단계 전에, 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것을 포함한다. 방법은 또한 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 일부로 전력을 생산하는 것을 포함한다. 방법은 또한 전력생산설비로부터의 배기가스로 높은 수분함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것을 포함한다. 방법은 또한 덩어리를 만드는 단계 전에 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하는 것을 포함한다. 바람직하게, 높은 수분함유량의 탄소함유물질은 갈탄, 리그나이트, 그리고 아역청탄 중 하나를 포함한다. 바람직하게, 높은 수분함유량의 탄소함유물질은 적어도 20%의 수분을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 전력을 생산하기 위하여 분해증류단계로부터의 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 가스화 된 부분을 사용하고, 직접환원 그리고/또는 고온금속 생산 공정에서 환원제로서 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 잔류부분을 사용하는 것을 포함한다. 선택적으로, 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정은, 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여, 원료 베드 또는 층이 시간이 흐르면서 미리 결정된 특성을 갖도록 노로부터 원료의 일부를 선택적으로 제거하기 위하여 바닥 부분에 배치된 하나 이상의 구멍을 갖는 환원 그리고/또는 용해 노를 사용하는 공정을 포함한다. 선택적으로 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정은 노 내부에 제2의 연소 버너로부터의 산소함유가스를 공급하고, 그에 따라 덩어리 층으로부터 생성된 가스를 함유하는 일산탄소의 연소를 유발하는 동안에 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여 환원 그리고/또는 용해 노를 사용하는 것과, 그리고 덩어리 층의 가열감소를 유발하기 위하여 거기로부터의 복사열을 이용하는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은, 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여, 금속 산화물 함유 물질을 갖는 높은 수분 함유량의 탄소함유물질로부터 탄소함유물질 덩어리를 만드는 수단을 포함하는, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 이용하여 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 또한 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 분해 증류하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한 분해 증류단계에서 얻어진 탄소함유물질을 건식 담금질하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한 분해 증류 단계 전에, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 수단을 포함한다. 선택적으로, 장치는 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 직접적으로 건조하기 위한 수단을 포함한다. 선택적으로, 장치는 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 간접적으로 건조하기 위한 수단을 포함한다. 선택적으로, 장치는 분해 증류 단계 전에, 낮은 산소함유량의 가스를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하기 위한 수단을 포함한다. 선택적으로, 장치는 분해증류 단계 전에, 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 일부로 전력을 생산하는 수단을 포함한다. 장치는 또한 덩어리를 만드는 단계 전에 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하기 위한 수단을 포함한다. 바람직하게, 높은 수분함유량의 탄소함유물질은 갈탄, 리그나이트, 그리고 아역청탄 중 하나를 포함한다. 바람직하게, 높은 수분함유량의 탄소함유물질은 적어도 20%의 수분을 포함한다. 선택적으로, 장치는 또한 전력을 생산하기 위하여 증류수단으로부터의 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 가스화 된 부분을 사용하고, 직접환원 그리고/또는 고온금속 생산 공정에서 환원제로서 높은 수분함유량의 탄소함유물질의 잔류부분을 사용하기 위한 수단을 포함한다. 선택적으로, 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정은, 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여, 원료 베드 또는 층이 시간이 흐르면서 미리 결정된 특성을 갖도록 노로부터 원료의 일부를 선택적으로 제거하기 위하여 바닥 부분에 배치된 하나 이상의 구멍을 갖는 환원 그리고/또는 용해 노를 사용하는 공정을 포함한다. 선택적으로 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정은 노 내부에 제2의 연소 버너로부터의 산소함유가스를 공급하고, 그에 따라 덩어리 층으로부터 생성된 가스를 함유하는 일산탄소의 연소를 유발하는 동안에 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여 환원 그리고/또는 용해 노를 사용하는 것과, 그리고 덩어리 층의 가열감소를 유발하기 위하여 거기로부터의 복사열을 이용하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은, 리그나이트, 아역청탄 또는 그와 유사한 것을 이용하는 것으로서, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온 배기가스의 에너지를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것; 선택적으로 낮은 산소함유량의 가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것; 리그나이트 또는 아역청탄을 분해증류하는 것; 분해증류단계로부터의 탄소함유물질을 건식 담금질하는 것; 그리고 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속 산화물 함유물질로 탄소함유물질 덩어리를 만드는 것을 포함하는 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 방법을 제공한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 간접적으로 건조하는 것을 포함한다. 방법은 또한 건식 담금질과 건조 단계 사이에 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은, 리그나이트, 아역청탄 또는 그와 유사한 것을 이용하는 것으로서, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온 배기가스의 에너지를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하기 위한 수단; 선택적으로 낮은 산소함유량의 가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하기 위한 수단; 리그나이트 또는 아역청탄을 분해증류하기 위한 수단; 분해증류단계로부터의 탄소함유물질을 건식 담금질하기 위한 수단; 그리고 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속 산화물 함유물질로 탄소함유물질 덩어리를 만들기 위한 수단을 포함하는 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 장치를 제공한다. 선택적으로, 장치는 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 장치는 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 간접적으로 건조하기 위한 수단을 포함한다. 장치는 또한 건식 담금질과 건조 단계 사이에 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하기 위한 수단을 포함한다. 선택적으로, 장치는 또한 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하기 위한 수단을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은, 리그나이트, 아역청탄 또는 그와 유사한 것을 이용하는 것으로서, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온 배기가스의 에너지를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것; 선택적으로 낮은 산소함유량의 가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것; 리그나이트 또는 아역청탄의 일부로 탄소함유물질을 생산하는 것; 그리고 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속 산화물 함유물질로 탄소함유물질 덩어리를 만드는 것을 포함하는 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 방법을 제공한다. 방법은 또한 리그나이트 또는 아역청탄의 적어도 일부를 분해증류하는 것과; 분해증류단계로부터의 탄소함유물질을 건식 담금질하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 간접적으로 건조하는 것을 포함한다. 방법은 또한 건식 담금질과 건조 단계 사이에 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하는 것을 포함한다. 방법은 또한 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 이용하는 것으로서, 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온 배기가스의 에너지를 가지고 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것; 선택적으로 높은 수분 함유량의 탄소함유물질의 일부를 가지고 전력을 생산하는 것; 높은 수분 함유량의 탄소함유물질의 일부를 가지고 탄소함유물질을 생산하는 것; 그리고 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속 산화물 함유물질로 탄소함유물질 덩어리를 만드는 것을 포함하는, 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 방법을 제공한다. 높은 수분 함유량의 탄소함유물질은 적어도 약 20% 수분을 포함한다. 방법은 또한 높은 수분 함유량의 탄소함유물질의 적어도 일부를 분해증류하는 것과; 분해증류단계로부터의 탄소함유물질을 건식 담금질하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 간접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고 높은 수분 함유량의 탄소함유물질을 건조하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은, 리그나이트, 아역청탄 또는 그와 유사한 것을 이용하는 것으로서, 리그나이트 또는 아역청탄의 적어도 일부를 분해증류하는 것과; 분해증류단계로부터의 탄소함유물질을 건식 담금질하는 것; 그리고 직접환원 그리고/또는 고온 금속 생산 공정에 사용하는데 적합한 덩어리를 형성하기 위하여 금속 산화물 함유물질로 탄소함유물질 덩어리를 만드는 것을 포함하는, 직접환원철 그리고/또는 고온 금속을 생산하는 방법을 제공한다.
방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온 배기가스의 에너지를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 직접적으로 건조하는 것을 포함한다. 선택적으로, 방법은 또한 직접환원철 그리고/또는 고온금속을 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 리그나이트 또는 아역청탄을 간접적으로 건조하는 것을 포함한다. 방법은 또한 건식 담금질과 건조 단계 사이에서 낮은 산소 함유량의 가스를 리사이클 하는 것을 포함한다. 선택적으로 방법은 또한 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는 것을 포함한다.
본 발명은 비제한적인 실시예에서 여러 도면을 참조하여 설명될 것이며, 참조번호가 방법의 단계/장치 부품들을 지시하기 위하여 적절히 사용되어 있다. 여기서:
도 1은 본 발명의 갈탄 직접환원철/고온금속 생산장치의 한 예시적인 실시예를 나타내는 개략 다이어그램이다.
배기가스영역(10)에서, 자동점화를 피하고, 용해로 영역(14) 등에 배치된 가마, 환원-가열 노(reducing-heating furnace, RHF), 그리고/또는 용해로(12)와 같은, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 사용함으로써 리그나이트, 아역청탄, 또는 그와 유사한 것이 미리 결정된 수분함유량까지 우선 예비 건조된다. 이 공정은 석탄예비건조용기(16)에서 행해진다. 고온배기가스의 에너지는 직접적으로(즉, 고온배기가스가 석탄에 접촉한다) 또는 간접적으로(즉, 고온배기가스가 열전달표면 그리고/또는 다른 적절한 열전달 매개체에 의하여 석탄과 분리된다) 사용될 수 있다. 직접건조방법에서는, 석탄이 (예를 들어, 유동층, 컨베이어타입 건조기 등을 통하여, MIDREX® Process에 사용된 것과 유사한 용기와 같은, 샤프트 노(shaft furnace)-타입 용기에 있는) 고온배기가스와 접촉한다. 그러나 석탄이 너무 건조된다면, 고온배기가스는 석탄의 연소로 인해 문제를 유발할 수 있을 정도의 산소를 함유할 수 있다.
이 경우에, 석탄의 간접건조가, (예를 들어, 연도가스가 튜브를 통하여 흐르고 석탄이 장비의 쉘 측면에 잔류하는 용기 또는 가마 등에서) 적절한 장비 설계를 이용하여 적용될 수 있다. 이 간접 건조 경우에, 석탄은 낮은 산소함유량 분위기에서 유지될 수 있으며, 고온배기가스의 에너지는 그래도 석탄을 예비 건조하는데 이용될 수 있다. 하나의 있을 수 있는 문제는, 부분적으로 건조된 리그나이트 또는 아역청탄의 재료취급과 관련되어 있다. 부분적으로 건조된 리그나이트 또는 아역청탄의 연소 또는 대량의 재료 취급 문제가 발생하면, 예비 건조단계는 생략될 수 있으며, 다른 간접적인 건조방법이 채택될 수 있다. 이 경우에, (다음 단락에서 기술되어 있는 바와 같이) 건조의 모든 것이 낮은 산소함유량 조건하에서 작동하는 유닛에서 완료될 수 있다. 낮은 산소함유량 가스는 고온 배기가스의 에너지를 가지고 부분적으로 가열되고 리사이클 된다.
그리고 예비 가열된 리그나이트. 아역청탄, 또는 그와 유사한 것은 제2의 건조시스템(18)(예를 들어, 유동층, 컨베이어타입 건조기 등, MIDREX® Process에 사용된 것과 유사한 용기와 같은, 샤프트 노-타입 용기)으로 이송되고, 여기서, 전력생산영역(20)에서 높은 효율의 전력생산을 위하여 리그나이트 또는 아역청탄을 충분히 건조한다. 제2의 건조시스템(18)은 예를 들어, 석탄건조 및 준비영역(22)에 배치되어 있다. 리그나이트, 아역청탄, 또는 그와 유사한 것은 약 5% 이하의 수분으로 건조된다. 이 전력생산은, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노의 폐기 열이 수분을 제거하는데 이용되고, 따라서 에너지가 물을 증발하는데 요구되는 잠열 또는 연도가스에 있는 수증기에 의해서 전달된 현열로 상실되지 않기 때문에 매우 효율적이다.
낮은 산소함유량 가스는 리그나이트 또는 아역청탄의 자동 점화를 피하기 위하여, 제2의 건조시스템(18)에서 건조 매개체로서 사용된다. 대안으로서, 튜브 또는 그와 유사한 것을 갖는 가마(kiln)를 가지고 간접 건조 방식이 이용될 수 있다. 재료 관리 문제 때문에 리그나이트 또는 아역청탄을 예비 건조하는 것이 불가능한 경우에는, 이것은 단지 석탄건조유닛 작동일 뿐이다.
제2의 건조시스템(18)으로부터 건조된 리그나이트 또는 아역청탄은 회전 가마 그리고/또는 회전 평로(hearth furnace)와 같은, 분해증류설비(24)로 이송된다. 분해 증류 설비(24)로부터의 분해증류된 연소가능 가스는 전력생산에 적합한 고온 가스 또는 증기를 만들기 위하여, 연소되거나 후연소실(26)로 보내진다.
리그나이트 또는 아역청탄을 사용하는 현존하는 발전장치는 또한 발전장치 배기가스에 의하여 가열되는 예비 건조 시스템을 가지고 있다. 그러나 발전장치로부터의 배기가스는 리그나이트 또는 아역청탄을 적절히 건조시킬 정도의 충분한 에너지를 가지고 있지 않으며, 또는 리그나이트 또는 아역청탄이 전력생산을 위하여 사용되는 에너지의 비용으로 적절히 건조될 수 있다. 그래서 전력생산효율이 낮다.
다음에, 분해증류설비(24)로부터의 고온 탄소함유물질은 다음 공정단계에 사용될 수 있도록 탄소함유물질을 냉각시키는 건조 담금질 시스템(28){예를 들어, 회전 가마, 유동층(fluidized beds), 컨베이어타입 건조기 등, MIDREX® Process에 사용된 것과 유사한 용기와 같은, 샤프트 -타입 용기}으로 이송된다. 분해증류된 탄소함유물질을 냉각한 후에, 고온의 낮은 산소함유량 가스는 위에서 언급한 제2의 건조시스템에 있는 리그나이트 또는 아역청탄을 건조하는데 사용된다. 그리고 낮은 산소함유량 가스는 건조 담금질 시스템(28)으로 리사이클 되도록 상태가 조절된다.
본 발명은, 분해증류된 탄소함유물질로부터 제거된 에너지를 리사이클하기 위하여, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노(12)로부터의 폐열을 사용하여 리그나이트 또는 아역청탄에 있는 대부분의 수분을 제거하기 때문에 전체 장치로서의 높은 에너지 효율이 얻어진다. 배기가스, 리그나이트 또는 아역청탄 건조 영역, 그리고 전력생산영역에 대한 열과 재료의 밸런스는 유익하다.
본 발명의 다른 이점은, 슬래브, 빌렛, 그리고/또는 괴철(bloom), 등을 생산하기 위하여 처리되어질 환원된 금속 그리고/또는 고온 금속을 제조하기 위하여 환원제로서 분해증류된 탄소함유물질의 사용이다. 분해증류된 탄소함유물질은, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노에서 사용될 때, 석탄(특히, 리그나이트 또는 아역청탄의 직접 사용)과 비교하여 여러 가지 이점을 갖는다. 몇 개의 이점은 덩어리들에 있는 탄소함유물질의 낮은 혼합비율, 그린 및 환원된 덩어리들의 개선된 물리적 특성, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노의 높은 생산성, 그리고 낮은 수소함유량으로 인한 배기가스 시스템내의 저온부식의 줄어든 위험성이다.
리그나이트 또는 아역청탄으로부터의 에너지는 금속제품에 "저장(store)"되고 리그나이트 또는 아역청탄보다 쉽게 운반될 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에 따르면, 액화 및 냉각된 탄소함유물질은, 볼링 드럼(balling drum) 또는 햄머 밀(hammer mill)-타입 분쇄기와 같은, 분쇄시스템(30)으로 이송된다. 그리고는 분쇄된 탄소함유물질은, 재료관리영역(32)에서, 제한되지는 않지만 산화철, 산화아연, 산화니켈, 블래스트 노 가루(blast furnace dust), 기본 산소 노 가루, 전기 아크 노 가루, 등과 같이, 금속산화물 함유물질과 함께 덩어리로 만들어진다. 덩어리들은 (요구되면) 펠릿 건조기(34)에서 건조되고, 그리고 환원 그리고/또는 용해될 가열 노(12)로 이송된다. 가열 노(12)는 제한되는 것은 아니지만 회전 평로, 전기 아크 노(electric arc furnace, EAF), 서브머지드 아크로, 용광로, 등을 포함한다. 환원 및 용융 노는 예를 들어, 통상적으로 양도된 미합중국 특허출원 제13/305,876호, WO2009/131148에 기재된 것과 같은, 노 또는 그와 유사한 것이다.
그래서 본 발명은 전력생산설비와, 가열, 환원, 그리고 용해 노를 결합하고 있으며, 리그나이트 또는 아역청탄을 쉽게 운반될 수 있는 금속 제품으로 효율적으로 변환되게 한다.
전력생산설비는, 리그나이트 또는 아역청탄이 건조되고 높은 효율의 전력생산을 가능하게 하기 때문에, 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노의 폐 배기가스의 에너지로부터 이득을 본다.
가열, 환원, 그리고 용해 노는 분해증류된 탄소함유물질을 환원제로 사용하고 전력을 전력생산설비로부터 받음으로써 이득을 얻는다.
본 발명에 따르면, 모든 필요한 에너지는 리그나이트 또는 아역청탄에 의하여 공급될 수 있다. 그러나 열손실이 비교적 큰 소규모 발전장치 또는 낮은 휘발성 물질 석탄과 같은 몇 개의 특수한 경우에서, 또는 보다 높은 열회수가 필요한 경우에, 석탄만을 통하여 전체 요구 에너지를 얻기 위하여 매우 높은 효율이 필요하고, 그렇지 않으면 발전장치는, 배터리 리밋 밖에서부터의 천연가스 또는 전기와 같은 다른 열원을 요구한다. 그러한 경우에 재생 버너 또는 재생 노가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 그런 재생버너가 가열, 환원, 그리고/또는 용해 노로부터의 고온 배기가스에 의해 가열될 수 있으며, 또는 재생 버너가 리그나이트, 아역청탄 또는 그와 유사한 것을 위한 분해증류시스템으로부터의 에너지의 일부분에 의하여 가열될 수 있다.
본 발명의 여러 실시예와 함께 사용된 용해로는 예를 들어 통상적으로 양도된 미합중국 특허출원 제13/305,876호, WO2009/131148에 기재된 것과 같은 것일 수 있다. 이 노는 예를 들어 비-경사 전기로이다. 노는 예를 들어 위/아래에서 보아 실질적으로 직사각형 형태를 가지고 있다. 원료장입슈트와 배기가스 덕트가 노의 천정벽에/을 관통하여 삽입되어 있다. 히터로서의 기능을 하는 전극봉은, 전극봉을 노의 내부에 집어넣거나 노의 내부로부터 빼내는데 사용되는 전극봉 리프팅 장치에 각각 연결되어 있다. 원료장입슈트들은 노의 양 측벽에 인접한 곳에 설치되어 있으며, 전극봉은 노의 중심선 가까이에 제공되어 있다. 다수의 원료장입슈트들과 전극봉들이 노의 길이를 따라 서로 떨어져 있다. 다수의 배기가스 덕트들과 제2의 연소버너들이 노의 길이를 따라 서로 떨어져 있다. 바람직하게 배기가스 덕트들은, 제2의 연소후에 생성되는 산화배기가스가 전극봉쪽으로 흐르는 것을 방지하고 그에 따라 전극봉들의 손상을 최소화하기 위하여, 전극봉들보다 원료충진슈트들에 가깝게 배치되어 있다.
노의 천정 벽은 바람직하게 양 측면에서 원료장입슈트로부터 전극봉 쪽으로의 계단형상 또는 경사면을 갖고 있다. 이 계단형상의 각 계단은 실질적으로 수평인 디딤판과 실질적으로 수직인 수직면을 포함한다. 제2의 연소버너들은, 산소함유가스가 덩어리층에 근접하게 효율적으로 분사되도록, 실질적으로 수직인 수직면을 관통하여 실질적으로 수평으로 배치되어 있다. 제2의 연소버너들은 또한 실질적으로 수평인 디딤판을 관통하여 실질적으로 수직으로 배치될 수도 있음을 주의하여야 한다.
중심선에 가깝고 원료장입슈트로부터 멀리 있는(즉, 원료베드로부터 멀리 있는) 노의 측벽/ 바닥벽에, 용융금속과 용융슬래그의 태핑(출탕)을 용이하게 하기 위하여 금속 탭홀과 슬래그 탭홀이 제공되어 있다. 금속탭홀과 슬래그 탭홀은 노의 하부 부분의 어느 원하는 위치에라도 배치시킬 수 있음을 주의하여야 한다. 이들 홀들은 노의 바닥 중심에 위치할 수 있다.
전극봉은 바람직하게 원하는 열효율을 갖는 삼상교류타입인데, 제강 전기아크로에서 일반적으로 사용되고 있다. 예로서, 각각 단상인 세 쌍의 전극봉을 구성하는, 6개의 전극봉의 배열이 사용될 수 있다. 각 전극봉의 팁 부분은 용해작용이 실행되고 있는 동안에 바람직하게, 원료베드상에 위치한 덩어리 층에 잠기거나, 또는 용융슬래그에 잠긴다. 그 결과로, 복사열과 저항열의 효과에 의하여 용해가 가속될 수 있으며, 원료 베드에 의하여 보호되지 않는, 노의 내부면에 대한 손상이 최소화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 노의 하부 부분은, 원료 및 덩어리 층 밑의 여러 위치에 배치된 다수의 배출 호퍼들을 포함한다. 이 배출호퍼들은, 미리 결정된 양의 (덩어리와 미립자 포함하는) 원료를 배출하기 위하여, 작동 중 또는 작동중지중에 선택적으로 작동되는데, 따라서 노 내의 재료 흐름 및 용해구역의 위치가 제어될 수 있다. 배출작용은 배출호퍼 밑에 설치된 슬라이드 게이트 및 스크류 컨베이어를 이용하여 실행된다. 여러 개의 슬라이드 게이트가 각 호퍼에 사용된다면, 재료들은 하나 또는 그 이상의 슬라이드 게이트를 따로따로 개방함으로써 노의 특정 부분으로부터 배출될 수 있다.
작용을 할 때, 노의 질서정연하고 연속적이 작동이 유지될 수 있도록, 노내의 재료흐름과 용해구역의의 위치를 제어하는 것이 필요하다. 그래서 배출호퍼의 사용에 추가하여, 원료장입슈트가 포개질 수 있거나 그밖에 수직으로 조절될 수 있는, 공급포트를 포함하는 외부슈트를 구비하고 있다. 각 원료장입슈트는 원료를 저장하기 위한 호퍼, 호퍼에 연결된 내부슈트, 그리고 내부슈트에 포개질 수 있거나 그밖에 내부슈트에서 수직으로 조절될 수 있는 외부슈트를 포함한다. 덩어리 층의 하부 부분은 외부슈트와 공급포트를, 덩어리 층의 리포즈(repose) 각을 따라, 수직방향으로 이동시킴으로써 원하는 위치에 존재하도록 조절될 수 있다.
그래서 본 발명은, 미립자들의 분리 그리고/또는 축적에 기인하는 변하는 리포즈 각과 원료 베드 및 층의 붕괴 각에 상관없이 덩어리 층의 하부 부분을 조절하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 공급 포인트로부터 용해구역에 이르는 안정된 재료흐름이 이루어질 수 있고 장기간 작동 동안 유지될 있다. 이 작용은, 특히 미립자들이 공급 포인트 아래로부터 제거될 때 매우 효과적이다. 덩어리들이 공급호퍼에 들어가기 바로 전에 여과될지라도, 노 내에 어느 정도의 양의 미립자들은 피할 수 없다. 이들 미립자들은 분리하고 그리고/또는 공급 포인트에 직접 축적하는 경향이 있다. 이 재료는 공급재료와 화학적으로 유사거나, 또는 부분적으로 환원된다. 이것이 부분적으로 환원된다고 하여도, 이것은 산화물과 환원물 사이에서 양호한 균형을 가지며, 일반적으로 리사이클(재순환) 될 수 있다. 리사이클 재료를 리사이클 하는 하나의 방법은, 새로운 장비를 요구하지 않고, 단지 응집장비로 들어가는 새로운 공급재료에 이들을 혼합하는 것이다. 리사이클 재료를 리사이클 하는 다른 방법은 노의 태핑 측면 반대쪽에 위치한 새로운 공급호퍼 및 공급슈트로 이들 리사이클재료를 보내는 것이다. 다시 말하면, 노의 바람직한 형상은 직사각형이고, 내화물은 네 개의 측면 중 두 측면의 직접환원철(DRI) 공급에 의하여 보호된다. 노의 태핑 측면은 탭홀에서 양호한 고온 금속 그리고/또는 슬래그 흐름을 유지해야 하기 때문에, DRI 층을 유지하는 것에 의해서 노의 태핑 측면을 보호하는 것은 어렵다. 그러므로 노의 태핑 측면을 수냉에 의하여 보호하는 것이 바람직하다. 다른 예로서, 리사이클재료들을 노의 이 측면을 통하여 공급하면 또한 내화물을 보호하고 수냉에 비하여 열손실을 감소시킬 수 있다.
제거된 재료의 양이 너무 많으면, 노는 예를 들어 재료공급을 위한 두 측면과 동일한 양의 사전환원영역을 필요로 할 것이다. 그러나 제거된 물질의 양이 새로운 공급량보다 크게 적고 부분적으로 환원될 수 있다. 그래서 리사이클된 물질을 용해하는 것은 새로운 리사이클 호퍼 밑에 슬래그 및 고온금속 층에 파일(pile)을 만듦으로써 이루어질 수 있다.
이러한 전기 용해로의 하나의 중요한 점은 환원반응으로부터 발달되는 가스에 의하여 부분적으로 만들어지는 포말성 슬래그의 생성이다. 재료는 전극봉에 인접한 영역(한쌍의 전극봉 사이와 같은 영역)으로 리사이클되고, 그에 따라 환원반응과 포말성 슬래그에 의하여 CO가스의 생성을 초래하게 된다. 양호한 탈황 성능이 얻어질 수 있도록, CaO가 리사이클된 재료에 첨가될 수 있다. 석회석(CaCO3) 또는 백운석(CaCO3 및 MgCO3)이 CaO 대신에 리사이클된 재료에 첨가된다면, 포말성 슬래그가 그 결과로 초래되는 CO2를 사용하며 생성될 수 있다. 석회석 및 백운석은 리사이클된 재료와 별도로 노 내에 장입될 수 있다.
본 설명은 선택된 구체예 및 특수한 실시예를 참조하여 여기에 기술된 것이지만, 다른 구체예 및 실시예가 유사한 기능을 수행하고, 그리고/또는 같은 결과를 얻을 수 있다는 사실은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 그러한 모든 구체예 및 실시예는 본 설명의 사상 및 범위내에 있으며 뒤따르는 청구범위에 의하여 보호되어야 한다. 이러한 의미에서, 본 명세서는 제한이 없고 모두를 아우르는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (28)

  1. 직접환원철 그리고 고온금속 중에서 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하는 공정,
    수분을 함유하는 탄소함유물질을 분해 증류하는 공정,
    분해증류단계에서 얻어진 탄소함유물질을 건식 담금질하는 공정,
    덩어리를 형성하기 위하여 금속산화물을 함유한 재료를 가지고 수분을 함유하는 탄소함유물질로부터 탄소함유물질 덩어리를 만드는 공정; 그리고
    직접환원 그리고 고온금속 생산 공정 중에서 적어도 하나에서 상기 덩어리를 이용하는 공정을 포함하는, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 이용하여 직접환원철과 고온금속 중에서 적어도 하나를 생산하는 금속생산방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 직접환원철 그리고 고온금속 중에서 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 직접적으로 건조하는 것을 추가로 포함하는 금속생산방법.
  6. 제1항에 있어서, 직접환원철 그리고 고온금속 중에서 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 간접적으로 건조하는 것을 추가로 포함하는 금속생산방법.
  7. 제1항에 있어서, 가스를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하는 것을 추가로 포함하는 금속생산방법.
  8. 제1항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질의 일부로 전력을 생산하는 것을 추가로 포함하는 금속생산방법.
  9. 제8항에 있어서, 전력생산설비로부터의 배기가스로 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하는 것을 추가로 포함하는 금속생산방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질은 갈탄, 리그나이트, 그리고 아역청탄 중 하나를 포함하는 금속생산방법.
  12. 제1항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질은 적어도 20%의 수분을 포함하는 금속생산방법.
  13. 제1항에 있어서, 전력을 생산하기 위하여 분해증류단계로부터의 수분을 함유하는 탄소함유물질의 가스화 된 부분을 사용하는 것과, 직접환원 그리고 고온금속 생산 공정 중 적어도 하나에서 환원제로서 수분을 함유하는 탄소함유물질의 잔류부분을 사용하는 것을 포함하는 금속생산방법.
  14. 제1항에 있어서, 직접환원 그리고 고온 금속 생산 공정 중 적어도 하나는, 노 내부에 제2의 연소 버너로부터의 산소함유가스를 공급하고 그에 따라 덩어리 층으로부터 생성된 가스를 함유하는 일산탄소의 연소를 유발하는 동안에 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여 환원 노 그리고 용해 노 중 적어도 하나를 사용하는 것과, 그리고 덩어리 층의 가열감소를 유발하기 위하여 거기로부터의 복사열을 이용하는 것을 포함하는 금속생산방법.
  15. 직접환원철 그리고 고온금속 중 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하는 수단과;
    수분을 함유하는 탄소함유물질을 분해증류하기 위한 수단과;
    분해증류단계에서 얻어진 탄소함유물질을 건식 담금질하기 위한 수단과;
    덩어리를 형성하기 위하여, 금속 산화물 함유 물질을 갖는 수분을 함유하는 탄소함유물질로부터 탄소함유물질 덩어리를 만드는 수단과;
    직접환원 그리고 고온금속 생산 공정 중 적어도 하나에서 상기 덩어리를 사용하기 위한 수단을 포함하는, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 이용하여 직접환원철 그리고 고온금속 중 적어도 하나를 생산하는 금속생산장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제15항에 있어서, 직접환원철 그리고 고온금속 중 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 직접적으로 건조하기 위한 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  20. 제15항에 있어서, 직접환원철 그리고 고온금속 중 적어도 하나를 생산하기 위하여 노로부터의 고온배기가스의 에너지를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 간접적으로 건조하기 위한 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  21. 제15항에 있어서, 가스를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하기 위한 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  22. 제15항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질의 일부로 전력을 생산하는 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  23. 제22항에 있어서, 전력생산설비로부터의 배기가스를 가지고, 수분을 함유하는 탄소함유물질을 건조하기 위한 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  24. 삭제
  25. 제15항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질은 갈탄, 리그나이트, 그리고 아역청탄 중 하나를 포함하는 금속생산장치.
  26. 제15항에 있어서, 수분을 함유하는 탄소함유물질은 적어도 20%의 수분을 포함하는 금속생산장치.
  27. 제15항에 있어서, 전력을 생산하기 위하여 분해증류수단으로부터의 수분함유 탄소함유물질의 가스화 된 부분을 사용하고, 직접환원 그리고 고온금속 생산 공정 중 적어도 하나에서 환원제로서 수분을 함유하는 탄소함유물질의 잔류부분을 사용하기 위한 수단을 추가로 포함하는 금속생산장치.
  28. 제15항에 있어서, 직접환원 그리고 고온 금속 생산 공정 중 적어도 하나는, 노 내부에 제2의 연소 버너로부터의 산소함유가스를 공급하고, 그에 따라 덩어리 층으로부터 생성된 가스를 함유하는 일산탄소의 연소를 유발하는 동안에 덩어리로부터 용융금속을 생산하기 위하여 환원 노 그리고 용해 노 중에서 적어도 하나를 사용하는 것과, 그리고 덩어리 층의 가열감소를 유발하기 위하여 거기로부터의 복사열을 이용하는 것을 포함하는 금속생산장치.
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