KR101541900B1 - 용철 제조 장치 - Google Patents

Abstract

용철 제조 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 환원철을 고열과 환원가스를 이용하여 환원, 용융함으로써 용융철을 생산하는 용융환원가스화로, 상기 용융환원가스화로와 함께 반응기를 이루며, 상기 용융환원가스화로로부터 상승하는 고온의 환원가스를 이용하여 철광석으로부터 산소를 제거하여 환원철을 생산하는 환원로, 상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로로부터 배출되는 가스 흐름 중의 고체 성분과 기체 성분을 분리하는 건식 집진 장치, 상기 환원로로부터 배출된 가스로부터 스팀을 활용하여 수소를 생산하는 가스 개질 장치 및 수소 제조 장치, 및 상기 건식 집진 장치로부터 미립자 형태의 철광석, 석탄 등을 공급받아 상기 가스 개질 장치로부터 생산된 수소를 환원제로 활용하여 미세한 철광석을 환원, 용융하는 부산물 처리장치를 포함한다.

Description

용철 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON}

본 발명은 용철 제조 과정에서 발생한 부산물을 처리하는 용철 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용철 제조 공정에서 발생한 배출가스 중 매우 작은 미립자 형태로 부유되어 있는 철광석 또는 석탄 등의 부산물을 포집하고 배출가스로부터 생성된 수소를 환원제로 이용하여 빠르게 미분 철광석을 환원, 용융하는 기술로 이를 통하여 제철공정에서 발생한 부산물을 처리함으로써 전체 용선 생산성을 증가시킬 수 있는 용철 제조 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고로 방식은 예비처리 과정인 철광석의 소결광화, 석탄의 코크스화를 거쳐 고로 상부로 투입하고 고온의 공기를 고로 하부로 주입함으로써 코크스를 열원 및 환원가스로 활용하고 소결광을 환원, 용융하여 대량의 용선을 생산하는 기술이다.

이는 고급 철광석과 점결탄을 사용하여 고로 내 통기성과 환원제의 균일가스 분포를 획득함에 의해 오늘날의 대형화된 고로 방식에 성공하였다. 그러나, 전세계 증가하는 용선 수요에 대응한 고급 철광석 및 석탄 매장량은 점차적으로 고갈되고 철광석의 품위 및 점결탄의 비중은 점차적으로 낮아짐으로써 미래 철강산업의 지속적 경쟁력은 상실되고 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 저품위 철광석 및 미첨탄 사용의 대체 공법은 지속적으로 요구되고 있다. 대체공법으로 수 mm이하의 분철광석을 직접 사용하는 유동층 또는 펠릿 형태로 고정층 반응기에서 환원하여 환원철을 생산하는 FINEX, COREX, FINMET, Circored와 같은 상업적 기술이 개시되었다(J. Feinman and D.R. Mac Rae, Direct Reduction Iron, ISS, 1999).

이러한 공법의 문제점 중의 하나는 아주 작은 미립자가 예비처리 과정이나 환원 또는 용융 반응기에서 이탈하여 배가스와 함께 배출된다는 것이다. 따라서, 기존의 고로 방식보다도 많은 부유물과 미립자 발생이 많아 용선 생산성을 저해하는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여, 예컨대 미국특허 US2,951,756호는 극미분 자철광을 천연가스를 이용하여 1500℃ 이상, 바람직하게는 1950℃ 정도에서 연소가스에 의해 부유시키고 빠르게 환원, 용융시키는 방법을 제안하고 있다. 또한, 선행 문헌(Sohn et al., minerals & metallurgical processing, vol22, 2005)은 구리 제련에서 극미립자와 플럭스(flux)를 산소부하 공기를 이용하여 산화시키고 용융시키는 플래시 스멜팅(flash smelting) 방법을 개시하고 있다.

또한, 미국특허: 5,431,711호는 제철소 부산물 처리 기술 중 하나로 미분체 형태로 버려지는 철광석의 환원을 위해 순환 유동층(Circuating Fluidized Bed)을 사용한 철광석 환원 방법을 개시하고 있다. 이들 기술은 모두 극미분체 형태로 존재하는 철광석과 환원가스 사이의 빠른 반응을 이용하므로, 효과적으로 부산물을 처리할 수 없기 때문에 용선 생산선이 저감되는 문제점이 있었다.

본 특허에서는 용선 생산 과정에서 배출된 부생 가스 중에 부유된 미분체의 부산물을 포집하여 반응기에서 수소와 빠르게 환원, 용융시키는 방법을 적용하여 부산물의 용선화를 이루고자 한다.

본 발명은 수 mm이하의 분철광석을 직접 사용하는 유동층 또는 펠릿 형태의 고정층 반응기, 용융가스화로 등에서 발생하는 배출가스 중의 매우 작은 미립자 형태로 부유된 철광석, 석탄 등의 부산물을 포집하고 배출가스를 개질하여 생성된 수소를 환원제로 이용함으로써 빠르게 미분 철광석을 환원, 용융하여 용융 제철 공정에서 발생한 부산물을 효율적으로 처리하여 전체 용선 생산성을 증가시킬 수 있는 용철 제조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원철을 고열과 환원가스를 이용하여 환원, 용융함으로써 용융철을 생산하는 용융환원가스화로,

상기 용융환원가스화로와 함께 반응기를 이루며, 상기 용융환원가스화로로부터 상승하는 고온의 환원가스를 이용하여 철광석으로부터 산소를 제거하여 환원철을 생산하는 환원로,

상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로로부터 배출되는 가스 흐름 중의 고체 성분과 기체 성분을 분리하는 건식 집진 장치,

상기 환원로로부터 배출된 가스로부터 스팀을 활용하여 수소를 생산하는 가스 개질 장치 및 수소 제조 장치, 및

상기 건식 집진 장치로부터 미립자 형태의 철광석, 석탄 등을 공급받아 상기 가스 개질 장치로부터 생산된 수소를 환원제로 활용하여 미세한 철광석을 환원, 용융하는 부산물 처리장치를 포함하는 용철 제조 장치가 제공될 수 있다.

상기 고열과 환원가스는 상기 용융환원가스화로에 공급되는 공기 또는 산소와 석탄, 미분탄의 연소에 의해 반응기 내에서 생성될 수 있다.

상기 환원로로부터 배출되는 가스는 매우 작은 미립자 형태로 부유되어 있는 철광석 또는 석탄 등의 부산물과 함께 상기 건식 집진 장치로 투입될 수 있다.

상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 부유되어 있는 미립자 형태의 철광석, 석탄 등의 고체 성분은 건식 집진 장치에서 중력, 원심력, 분리막, 또는 물리적, 화학적 힘에 의해 분리되어 상기 부산물 처리 장치로 이송될 수 있다.

상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 기체 성분은 상기 건식 집진 장치를 통과하고 유해 성분이 제거된 후 상기 가스 개질 장치 또는 상기 환원로로 투입될 수 있다.

상기 수소가스는 철광석으로부터 산소를 제거하고 H₂O로 전환되며, 미반응 수소는 상기 환원로로 재순환되어 철광석으로부터 산소를 제거할 수 있다.

상기 건식 집진 장치는 상기 환원로의 환원로 배출가스 흐름 중 고온의 고체 성분과 기체 성분을 분리하여 함철 극미분광 고체 성분은 상기 부산물 처리 장치로 제공하고, 부생가스 기체 성분은 상기 가스 개질 장치로 제공할 수 있다.

상기 건식 집진 장치는 2차 사이클론(cyclone), 열교환기, 백 필터(bag filter), 또는 열교환기 및 백 필터(bag filter)로 구성되거나 열교환기 없이 구성될 수 있다.

상기 가스 개질 장치 내 스팀 공급은 상기 건식 집진 장치로부터 투입된 고온의 부생가스 중에 포함되어 있는 스팀과 상기 가스 개질 장치 및 반응기 사이의 열교환을 통하여 공급될 수 있다.

상기 부산물 처리 장치는 상기 건식 집진 장치로부터 분리된 고체 성분인 함철 극미분광을 상기 가스 개질 장치 및 상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소를 이용하여 환원하는 극미분 환원 장치, 및 상기 환원된 함철 극미분광을 용융하여 용융철을 생산하는 용융 장치를 포함할 수 있다.

상기 함철 극미분광은 상기 극미분 환원장치 내로 스프레이 형태로 투입되거나 상기 건식 집진 장치의 2차 사이클론(cyclone) 또는 이에 상당하는 트위스트(twist)의 회전력을 가지고 투입 될 수 있다.

상기 극미분 환원장치를 통과한 환원가스/극미분 환원철은 상기 용융 장치에 직접 투입되며, 미환원 극미분광은 용융에 의해 용융철로 전환되고 미환원된 가스와 함께 수소함유 재순환 환원가스는 상기 용융 장치로부터 분리되어 상기 환원로로 순환 될 수 있다.

상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소는 극미분 환원장치로 투입되며, 상기 용융 장치로부터 생성된 수소함유 재순환 가스는 열교환기에서 열교환된 후 물 또는 물과 CO₂는 제거되고, 재순환 수소는 상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소와 함께 상기 극미분 환원장치로 투입 될 수 있다.

상기 열교환기에서 상기 물은 열을 회수하여 스팀으로 전환된 후 상기 가스 개질 장치로 투입 될 수 있다.

상기 용융환원가스화로에서 발생된 용융환원가스는 집진 장치를 거쳐 고체 성분과 기체 성분은 분리되고 함철 극미분광은 환원로 후단의 상기 건식 집진 장치에서 분리된 함철 극미분광과 합쳐져서 극미분 환원장치로 투입 될 수 있다.

상기 용융 장치로부터 생성된 용융철/슬래그의 분리를 원활하게 하기 위해 플럭스(flux)가 상기 집진 장치에 추가로 투입 될 수 있다.

상기 플럭스는 CaCO₃, MgCO₃, MgO, CaO, Ca(OH)₂ 중에서 적어도 하나 또는 1개 이상의 조합으로 구성 될 수 있다.

상기 집진 장치에 투입되는 플럭스는 상기 집진 장치의 사이클론(cyclone)에 의해 모두 포집될 수 있는 70 ~ 300 마이크론으로 존재할 수 있다.

본 실시예에 따르면, FINEX, COREX 등의 용철 제조 공정에서 발생된 배출가스 중의 함철 함유 부산물을 용선화하여 용선 생산성을 증가시킬 수 있다.

또한, 수 mm이하의 분철광석을 직접 사용하는 유동층 또는 펠릿 형태의 고정층 반응기, 용융가스화로 등에서 발생하는 배출가스 중의 매우 작은 미립자 형태로 부유된 철광석, 석탄 등의 부산물을 포집하고 배출가스를 개질하여 생성된 수소를 환원제로 이용함으로써 빠르게 미분 철광석을 환원, 용융하여 용철 제조 공정에서 발생한 부산물을 처리할 수 있으며,

이는 용철 제조 공정에서 발생한 미분 철광석 더스트(dust)를 최소화하고 수소환원제 사용에 의한 철광석 예비처리 과정에서의 철광석 환원력을 강화시키는 효율적 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 용철 제조 공정에서 발생하는 배출가스 중의 매우 작은 미립자 형태로 부유된 철광석, 석탄 등의 부산물을 포집하고 배출가스를 개질하여 생성된 수소를 환원제로 이용함으로써 빠르게 미분 철광석을 환원, 용융하여 제철공정에서 발생한 부산물을 처리 하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 용융환원가스화로(1), 환원로(2), 건식 집진 장치(3), 가스 개질 장치(4), 수소 제조 장치(5), 부산물 처리 장치를 포함하며, 이들은 본 발명의 목적을 위해 변형되거나 부가적인 장치와 함께 설치될 수 있으며 여기에서 서술한 것으로 한정되지 않는다.

상기 용융환원가스화로(1)는 환원로(2)로부터 얻어진 환원철을 고열과 환원가스를 이용하여 환원, 용융함으로써 용융철(8)을 생산하는 장치이다. 이에 사용되는 환원철은 환원로(2)에서 환원된 철광석으로 이루어진다. 고열과 환원가스는 상기 용융환원가스화로(1)에 공급되는 공기 또는 산소(10)와 석탄(11), 미분탄(9)의 연소에 의해 반응기 내에서 생성되며 반응기내에 열량을 공급하고 환원철에 작용하여 산소를 제거하는 환원과 용융을 통하여 용융철과 기타 물질의 슬래그(slag)로 분리가 가능하도록 한다.

상기 환원로(2)는 용융환원가스화로(1)로부터 상승하는 고온의 환원가스를 이용하여 철광석으로부터 산소를 제거하여 환원철을 생산하는 장치이다. 철광석 또는 예비 처리된 철광석은 환원가스와 반응하여 산소를 제공하고 자신은 산소를 적게 포함하는 환원철 상태(FeOx, Fe)로 전환된다. 이때, 철광석은 수분을 제거하기 위해 건조과정을 거쳐 환원로(2)에 투입될 수 있으며, 환원철은 용융환원가스화로(1)에 투입되어 용융철로 전환된다. 상승하는 고온의 환원가스는 반응기내 물질의 열량을 조절함과 동시에 철광석의 산소를 제거하는 것으로 주로 CO, H₂, CO₂, 또는 N₂ 및 기타 미량의 H₂O, CH₄, O₂ 등으로 이루어져 있으며, CO, H₂ 또는 미량의 CH₄ 가스는 철광석에 작용하여 산소를 제거하고 CO₂, H₂O로 전환된다. 이때, 환원로(2)로부터 배출되는 가스는 매우 작은 미립자 형태로 부유되어 있는 철광석 또는 석탄 등의 부산물과 함께 건식 집진 장치(3)로 투입된다.

건식 집진 장치(3)는 환원로(2) 또는 용융환원가스화로(1)로부터 배출되는 가스흐름 중의 고체 성분과 기체 성분을 분리하여 후단의 반응기 또는 장치에 제공하는 장치이다. 환원로 또는 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 부유되어 있는 미립자 형태의 철광석, 석탄 등의 고체 성분은 건식 집진 장치에서 중력, 원심력, 분리막, 또는 다른 물리적, 화학적 힘에 의해 분리되어 부산물 처리 장치로 이송된다. 또한, 환원로 또는 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 기체 성분은 건식 집진 장치를 통과하고 유해 성분이 제거된 후 가스 개질 장치(4) 또는 환원로(2)로 투입된다.

가스 개질 장치(4) 및 수소 제조 장치(5)는 환원로(2)로부터 배출된 가스로부터 스팀을 활용하여 수소를 생산하는 장치이다. 건식 집진 장치를 통과한 배출가스 흐름 중 기체 성분은 가스 개질 장치의 촉매 또는 흡착제와 반응한 후, 기체 성분 중 수소는 분리되어 부산물 처리 장치로 공급된다. 나머지 가스는 전력을 생산하는데 이용될 수 있으며, 배출가스 처리 장치를 거쳐 이산화탄소는 저장되거나 재이용하는 것도 가능하다.

부산물 처리 장치는 건식 집진 장치로부터 미립자 형태의 철광석, 석탄 등을 공급받아 가스 개질 장치로부터 생산된 수소를 환원제로 활용하여 미세한 철광석을 빠르게 환원, 용융하는 장치이다. 미립자 석탄은 산소와 연소되어 열량을 공급하고 미립자 철광석은 수소와 반응하여 환원, 용융되어 용융철로 전환된다. 수소가스는 철광석으로부터 산소를 제거하고 H₂O로 전환되며, 미반응 수소는 환원로(2)로 재순환되어 철광석으로부터 산소를 제거하는데 기여하게 된다.

본 발명에서 사용되는 철광석은 수 마이크론에서 수천 마이크론의 미분 철광석, 또는 수 밀리미터에서 수백 밀리미터의 펠릿 또는 브리켓으로 존재하는 것이 가능하다. 환원로, 가스 개질장치, 부산물 처리장치에 사용되는 반응기는 처리되는 철광석 또는 촉매의 입자 크기에 의존하여 고정층, 이동층(moving bed), 유동층, 라이저(riser), 회전식 드럼(drum) 또는 스프레이 형태 등 다양한 반응기가 사용될 수 있다.

[제1 실시예 ]

본 발명은 도 1 및 발명의 구성에서 설명하는 바와 같이 용융환원가스화로(1), 환원로(2), 건식 집진 장치(3), 가스 개질 장치(4), 수소 제조 장치(5). 부산물 처리 장치로 구성되며, 용융환원가스화로(1) 및 환원로(2)로 이루어진 용철 제조 공정에서 발생한 배출가스 중의 철광석 또는 석탄 등의 미립자를 포집하고 이들 고체 부산물을 배출가스로부터 생성된 수소를 환원제로 이용하여 빠르게 용철화함으로써 전체 용선 생산성을 증가시키는 효율적 시스템을 도모하는데 있다. 본 발명의 구성은 변형되거나 부가적인 장치와 함께 구성될 수 있으며 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철 제조 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

구체적으로 용철 제조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 용융환원가스화로(1) 및 환원로(2)로 이루어진 반응기(FINEX 또는 COREX 등의 공정)로 구성되며, 환원로(2)는 투입 철광석(14)이 분철광석의 형태로 존재할 경우 FINEX 공정과 같이 2개이상의 유동층 환원로로 존재할 수 있으며, 투입철광석(14)이 펠릿 또는 브리켓 형태로 존재할 경우 1개 또는 1개 이상의 이동층(moving bed)으로 존재할 수 있다.

이들 반응기는 반응기 내부 또는 외부에 1차 사이클론(Cyclone)을 가지며 반응기로부터 이탈하는 철광석, 석탄 등의 미립자를 재순환시킴에도 불구하고 여전히 많은 미립자들이 배출 가스흐름(15)에 동반되어 반응기로부터 이탈하게 된다. 이렇게 이탈된 배출가스 중의 미립자의 입자 크기는 평균 50 마이크론 이하로 존재하며 이들은 본 특허에 서술한 바와 같이 분리되어 환원, 용융된다. 본 특허는 용철 제조 장치로부터 이탈한 부생가스 중의 부산물을 처리하는 방법 및 장치를 주요 구성성분으로 이루어지나 이것으로 한정되지 않는다.

상기 용융환원가스화로(1)는 환원로(2)에서 얻어진 환원철(12)를 고온에서 환원/용융하여 용철(8)을 생산하는 장치이다. 반응기 내 1400 ~ 1600℃ 고열과 CO, H₂를 주성분으로 하는 철광석 환원가스는 산소(10), 석탄(11), 미분탄(9) 등의 연소에 의해 생성되며 반응기 내에 열량을 공급하고 환원철(12)에 작용하여 산소를 제거하는 환원과 용융을 통하여 용융철(8)과 철광석 내에 포함된 맥석 성분과 석탄 미분탄 등에 포함된 애쉬(Ash) 및 기타 물질의 슬리그(slag)로 분리가 발생한다. 석탄(11)은 사전처리 과정을 거쳐 코크스, 또는 브리켓 형태 석탄 덩어리(성형탄)로 존재할 수 있으며, 철강공정 이산화탄소 저감 측면에서 공정가스로부터 이산화탄소 분리를 쉽게 하기위해 FINEX, COREX 공정처럼 공기보다는 순 산소(10)를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 환원로(2)은 건조 또는 가열에 의해 예비 처리된 철광석(14)을 용융환원가스화로(1)로부터 상승하는 CO, H₂를 주성분으로 하는 고온의 용융환원가스(13)와 반응하여 방정식(1), 방정식(2)에서 보는 바와 같이 산소가 제거된 환원철 상태인 FeOx 또는 Fe 형태로 전환된다. 여기서, 환원가스는 CO₂, H₂O로 전환되고 환원철의 x는 0 ~ 1.3 사이에 존재한다. 이때, 반응기 내 고온의 가스는 방정식(3)에서 보는 바와 같이 수증기-기체 전이 반응(Water-Gas Shift Reaction)이 발생될 수 있다.

1/3 Fe₂O₃ + CO/H₂ -> 2/3 Fe + CO₂/H₂O (1)

1/4 Fe₃O₄ + CO/H₂ -> 3/4 Fe + CO₂/H₂O (2)

CO + H₂O -> CO₂ + H₂ (3)

환원로(2)로부터 배출되는 환원로 배출가스(15) 흐름은 철광석 및 석탄 등의 미립자 형태로 존재하는 부유 고체 성분을 분리하기 위해 건식 집진 장치(3)로 투입되며, 환원로(2)에서 환원된 철광석(12)은 용융환원가스화로(1)로 투입되어 용융철(8)로 전환된다. 반응 온도 및 압력은 용융환원가스화로(1)의 배출가스 온도 및 압력에 의존하여 반응온도는 400℃ 이상 1000℃ 이하, 반응기 압력은 상온에서 10bar 이하를 선호하나 이것으로 한정되지 않는다.

상기 건식 집진 장치(3)는 환원로(2) 환원로 배출가스(15) 흐름 중 고온의 고체 성분과 기체 성분을 분리하여 함철 극미분광(17_1) 고체 성분은 후단의 부산물 처리 장치로 제공되고, 부생가스(16) 기체 성분은 후단의 가스 개질 장치로 제공하는 장치이다. 건식 집진 장치(3)는 환원로 내부 또는 외부의 1차 사이클론(cyclone) 설치에도 불구하고 환원로 배출가스(15) 흐름 중 부유되어 있는 미립자 형태의 철광석, 석탄 등의 고체 성분을 중력, 원심력, 분리막, 또는 다른 물리적, 화학적 힘에 의해 분리하여 부산물 처리 장치로 이송한다. 환원로 배출가스(15) 흐름 온도는 일반적으로 300℃ ~ 600℃ 사이로 존재하며, 고온 상태에서 철광석, 석탄 등의 미립자 고체 성분을 분리하기 위해 건식 집진 장치(3)는 300℃ 이상의 고온에서 사용될 수 있는 세라믹 또는 금속 필터 등으로 구성될 수 있다.

또한, 건식 집진 장치(3)는 2차 사이클론(cyclone), 열교환기, 백 필터(bag filter) 또는 열교환기 및 백 필터(bag filter)로 구성될 수 있다. 또는 이후에 가스 개질 장치(4)에서 설명하는 것처럼 열교환기 없이 구성되는 것도 가능하다. 이는 300℃ 이상의 고온의 환원로 배출가스(15)가 열교환기를 거쳐 스팀을 생산하고 120℃ 이상, 적당하게는 150 ~250℃ 사이의 온도로 백 필터(bag filter)에 무리가 가지 않는 온도에서 미립자의 철광석, 석탄을 분리하여 부산물 처리 장치로 이송될 수 있다. 이때, 분리된 미립자 크기는 평균 50 마이크론 이하로 존재한다. 따라서, 건식 집진 장치(3)는 고온 상태의 평균 50 마이크론 이하 미립자로 존재하는 철광석, 석탄 성분을 환원로 배출가스(15)로부터 분리하여 부산물 처리장치로 이송하는 것을 특징으로 하며, 환원로 배출가스(15)로부터 분리된 가스성분은 가스 개질 장치에서 수소를 생산하는데 사용된다.

가스 개질 장치(4) 및 수소 제조 장치(5)는 건식 집진 장치(3)로부터 분리된 기체 성분의 부생가스(16)로부터 스팀(22_1)을 활용하여 수소(18)를 생산하는 장치이다. 부생가스(16) 성분은 주로 CO, H₂, CO₂, H₂O 또는 N₂ 및 기타 미량의 가스성분으로 구성되며, CO와 H₂ 가스의 합은 드라이 베이시스(dry basis)로 30 ~ 60%로 존재한다. 이중 CO 가스는 가스 개질 장치(4)에서 방정식(3)에서 보는 바와 같이 Fe₂O₃ 또는 CuO/ZnO계 등의 촉매하에서 H₂O와 반응하여 CO₂와 H₂로 전환될 수 있다. 수증기-기체 전이 반응은 발열반응으로 1단 또는 2단 반응기에서 일어날 수 있으며, 부생가스의 공급(feed) 온도는 촉매에 의존하여 2단 반응기의 경우, 1단에서 280℃ ~380℃ 사이, 2단에서 180℃ ~ 280℃ 사이에 존재하는 것이 적당하다. 1단 반응기의 경우, 촉매에 의존하여 180℃ ~ 550℃ 사이에 존재하는 것이 가능하다. 가스 개질 장치(4)는 부생가스(16) 중의 CO 에서 H₂로의 전환율을 높이기 위해 반응기 온도를 적정 등온으로 유지하는 것이 바람직하며, 이를 위해 발생한 열을 제거하는 장치를 추가할 수도 있다. 반응기 압력은 높을수록 반응기가 작아지는 장점이 있다.

가스 개질 장치(4) 내 스팀(22_1)공급은 건식 집진 장치(3)로부터 투입된 고온의 부생가스(16) 중에 포함되어 있는 스팀과 상기 가스 개질 장치 및 반응기 사이의 열교환을 통하여 공급될 수 있다. 가스 개질 장치(4)에서 소모되는 스팀 공급량을 증가시키기 위한 하나의 방법으로 환원로(2) 또는 환원로 배출가스(15) 중에 물 또는 저온의 스팀(H₂O)을 첨가하여 건식 집진 장치(3) 구성 중 열교환기 설치 없이 부생가스(16)의 배출온도를 조정하고 스팀량을 늘리는 것도 가능하다. 열교환에 의한 스팀 제공은 건식 집진 장치(3)내 열교환기가 설치될 경우 이를 통하여 가능할 뿐만 아니라 가스 개질 장치(4)내 발열반응에 의한 열을 회수하는 열교환을 통하여 스팀을 공급하는 것도 가능하다. 또한, 용융장치(7)로부터 배출되는 고온의 수소함유 재순환가스(21_1)로부터 열교환을 통하여 스팀을 공급하는 것도 가능하다. 열교환을 통해 얻어지는 스팀량이 부족할 경우, 가스 개질 장치(4)로 공급되는 부족한 스팀은 수소제조장치 배출가스(19)의 연소에 의해 전력을 공급하는 대신 스팀(22_1)을 가스 개질 장치(4)로 보충할 수 있다.

가스 개질 장치(4)를 통과한 부생가스의 주성분은 H₂, CO₂, H₂O 또는 N₂ 및 CO를 포함한 기타 미량의 가스성분으로 구성되며, 열교환을 통하여 부생가스 온도를 상온까지 낮춘 후 부생가스 중 다량의 물을 제거한다. 이때, 물과 함께 부생가스 중의 미량의 불순물을 제거하는 것도 가능하며, 후단의 반응기에 압력을 제공하기 위해 압축기를 설치하여 압력을 상승시키는 것도 가능하다. 수소 제조 장치(5)는 주로 H2 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 구성되며, 이는 CMS/Zeolite계 촉매를 사용한 물리 흡착/탈착에 의해 수소를 분리하는 것으로 가스 개질 장치(4)를 통과한 부생가스로부터 95%이상의 순도를 가지는 수소(18)를 생산하는 것이 가능하다. 생산된 수소(18)는 극미분 환원장치(6)에 공급되어 열원 및 환원제로 사용될 수 있다. 수소 제조 장치(5)로부터 배출되는 수소 제조 장치 배출가스(19)는 수소를 제외한 나머지 가스와 PSA 세정 과정에서 발생한 H₂를 포함한 가스로 연소에 의해 스팀을 생산하여 전력을 생산하는데 사용될 수 있다. 또는 위에서 언급한 바와 같이 가스 개질 장치(4)에 스팀(22_1)을 공급하기 위해 사용하는 것도 가능하다.

상기 부산물 처리 장치는 건식 집진 장치(3)로부터 분리된 고체 성분인 함철 극미분광(17_1)을 가스 개질 장치(4) 및 수소 제조 장치(5)로부터 생성된 수소(18)를 활용하여 환원하는 극미분 환원 장치(6), 및 환원된 함철 극미분광을 용융하여 용융철(8)을 생산하는 용융 장치(7)를 포함할 수 있다.

상기 극미분 환원장치(6)로 투입되는 함철 극미분광(17_1)은 주로 평균 50마이크론 이하의 미분철광석(Fe₂O₃ & FeO)과 석탄(C)으로 구성되며, 주성분은 전체 Fe함량이 35%~ 60%, C가 5% ~ 20%이고 나머지는 극미분 철광석에 함유된 산소(O₂)와 기타 부과물로 이루어져 있다. 함철 극미분광(17_1)은 극미분 환원장치(6)내로 스프레이 형태로 투입되거나 건식 집진 장치(3)의 2차 사이클론(cyclone) 또는 이에 상당하는 트위스트(twist)의 회전력을 가지고 투입하는 것도 가능하다. 함철 극미분광(17_1)은 건식 집진 장치(3)로부터 열을 함유한 고온의 상태로 극미분 환원장치(6)로 투입되어 반응기 내에 열량을 공급한다.

또한, 미분의 석탄(C)은 버너(burner) 형태로 투입되는 수소(18)와 함께 산소(O₂)와 연소하여 부산물 처리 장치에 열량을 공급하는 원천으로 사용된다. 극미분 환원장치(6)로 투입되는 수소(18)는 2개의 흐름으로 나누어져 하나는 먼저 위에서 언급한 것처럼 버너(burner) 형태로 산소와 함께 극미분 환원장치(6)의 입구로 투입되어 부산물 처리 장치의 열량 공급원으로 사용되고 다른 하나는 극미분 환원장치(6)내로 투입되어 함철 극미분광(17_1)의 산소를 제거하는 환원제로 사용되게 된다. 극미분 환원장치(6)의 반응 온도는 극미분광의 빠른 환원을 위하여 700℃ 이상, 적당하게는 800℃ ~ 1300℃가 적당하며 반응 압력은 높을수록 반응기 크기가 작아지고 유리할 수 있다.

극미분 환원장치(6)를 통과한 환원가스/극미분 환원철(20)은 용융 장치(7)에 직접 투입되며, 미환원 극미분광은 용융에 의해 용융철(8)로 전환되고 미환원된 가스와 함께 수소함유 재순환 환원가스(21)는 용융 장치(7)로부터 분리되어 철광석 환원로(2)로 순환하게 된다. 이때, 수소함유 재순환가스(21)는 열교환에 의해 온도를 용융환원가스(13) 온도 또는 철광석 환원로(2)의 가스 투입 온도로 조절하여 순환시키는 것은 가능하다.

또한, 열교환에 의해 온도를 상온까지 저하시키면서 물 또는 물과 CO₂를 제거한 후, 주 성분이 환원가스인 수소함유 재순환가스(21)를 환원로(2)로 재순환하는 것도 가능하다. 용융 장치(7)는 전로 또는 용융로와 같은 형태로 유지하는 것이 바람직하다. 반응기 압력은 용융가스화로(1)와 비슷하게 압력이 조절되는 것이 바람직하며, 이를 위해 압력은 수소제조장치(5)전의 압축기에 의해 조절하는 것이 가능하다. 또한, 용융장치(7)에서 극미분 환원철의 용융온도 및 슬래그(slag) 비 조절을 위해 플럭스(flux)를 부산물 처리장치에 투입하는 것도 가능하다.

[제2 실시예 ]

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도로서, 기본적인 구성은 제1 실시예와 동일하나 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철 제조 장치와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 용철 제조 장치는 부산물 처리 장치와 가스 개질 장치(4) 및 수소 제조 장치(5)에서의 순환가스를 처리하는 장치와 용융환원가스(13)에서 2차 사이클론(cyclone) 또는 필터(filter) 방식에 의해 가스를 처리하는 장치에 따라 발명의 구성은 변형되고 추가로 부가 장치가 설치될 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 실시예는 수소 제조 장치(5)로부터 생성된 수소(18)는 극미분 환원장치(6)로 투입되며, 용융 장치(7)로부터 생성된 수소함유 재순환 가스(21_1)는 열교환장치(23)에서 열교환된 후 물 또는 물과 CO₂는 제거되고 재순환 수소(21_2)는 수소 제조 장치(5)로부터 생성된 수소(18)와 함께 극미분 환원장치(6)로 투입될 수 있다.

이 때, 물(water, 22_2)은 열교환기(23)에서 열을 회수하여 스팀(22_1)으로 전환후 가스 개질 장치(4)로 투입되는 것이 가능하다. 상기 용융환원가스화로(1)에서 발생된 용융환원가스(13)는 집진 장치(24)의 2차 사이클론(cyclone)을 거쳐 고체 성분과 기체 성분은 분리되고 함철 극미분광(17_2)은 환원로(2) 후단의 건식 집진 장치(3)에서 분리된 함철 극미분광(17_1)과 합쳐져서 극미분 환원장치(6)로 투입된다.

이 때, 용융환원가스(13)에서 열교환장치(23)에 의하여 분리된 기체성분은 환원로(2)로 투입된다. 함철 극미분광(17_2)의 구성 성분은 제1 실시예에서 설명한 것과 동일한 범위에서 존재하는 것이 가능하다. 또한, 집진 장치(24)는 800℃ 이상의 고온에서 견디는 세라믹 필터 형태를 사용하는 것도 가능하다.

[제3 실시예 ]

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철 제조 장치의 개략적인 구성도로서, 기본적인 구성은 제2 실시예와 동일하나 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철 제조 장치와 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 용철 제조 장치는 CaO(25)와 같은 플럭스(flux)를 집진 장치(24)에 투입하는 것으로 본 발명의 구성은 변형되고 추가로 부가 장치가 설치될 수 있다.

보다 상세하게는, 용융 장치(7)로부터 생성된 용융철/슬래그(8)의 분리를 원활하게 하기 위해 CaCO₃, MgCO₃, MgO, CaO, Ca(OH)₂ 등의 추가적인 철광석 부원료인 플럭스를 집진 장치(24)에 투입하는 것도 가능하다.

상기 집진 장치(24)에 투입되는 플럭스(flux)는 상기 플럭스는 CaCO₃, MgCO₃, MgO, CaO, Ca(OH)₂ 중에서 적어도 하나로 구성되거나, 1개 이상의 조합으로 구성되는 것이 가능하다. 이때, 상기 집진 장치(24)에 투입되는 CaO(25)는 용융환원가스(13) 중에 포함되어 있는 CO₂와 반응하여 CaCO₃ 형태로 용융환원가스(13) 중의 CO₂을 일정부분 제거하고 용융 장치(7)의 플럭스(flux)로 사용될 수 있다.

또한, 상기 플러스로 사용되는 CaO, Ca(OH)₂는 용융환원가스(13) 중에 미량의 불순물로 존재할 수 있는 Cl- 성분을 염화무기물로 고정화하는 것도 가능하며, CaCO₃ 또는 CaCO₃-MgCO₃도 비슷한 기능을 수행할 수 있다.

상기 집진 장치(24)에 투입되는 플럭스는 수백 마이크론, 적당하게는 집진 장치의 사이클론(cyclone)에 의해 모두 포집될 수 있는 70 ~ 300 마이크론으로 존재하는 것이 적당하다. 세라믹 필터가 집진장치(24)로 사용될 경우, 플럭스는 더 작은 미립자로 존재하는 것도 가능하다. 이와 같은 구성은 제1 실시예와 함께 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 상기에 언급한 변형만으로 한정되지 않음은 물론이다.

1: 용융환원가스화로 2: 환원로
3: 건식 집진 장치 4: 가스 개질 장치
5: 수소 제조 장치 6: 극미분 환원 장치
7: 용융 장치 8: 용융철/슬래그
9: 미분탄 10: 산소
11: 석탄 12: 환원철
13: 용융환원가스 14: 철광석
15: 환원로 배출가스 16: 부생가스
17: 함철 극미분광

Claims (18)

1. 환원철을 고열과 환원가스를 이용하여 환원, 용융함으로써 용융철을 생산하는 용융환원가스화로,
   상기 용융환원가스화로와 함께 반응기를 이루며, 상기 용융환원가스화로로부터 상승하는 고온의 환원가스를 이용하여 철광석으로부터 산소를 제거하여 환원철을 생산하는 환원로,
   상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로로부터 배출되는 가스 흐름 중의 고체 성분과 기체 성분을 분리하는 건식 집진 장치,
   상기 환원로로부터 배출된 가스로부터 스팀을 활용하여 수소를 생산하는 가스 개질 장치 및 수소 제조 장치, 및
   상기 건식 집진 장치로부터 미립자 형태의 철광석, 석탄 등을 공급받아 상기 가스 개질 장치로부터 생산된 수소를 환원제로 활용하여 미세한 철광석을 환원, 용융하는 부산물 처리장치
   를 포함하고,
   상기 건식 집진 장치는 상기 환원로의 환원로 배출가스 흐름 중 고온의 고체 성분과 기체 성분을 분리하여 함철 극미분광 고체 성분은 상기 부산물 처리 장치로 제공하고, 부생가스 기체 성분은 상기 가스 개질 장치로 제공하고,
   상기 부산물 처리 장치는 상기 건식 집진 장치로부터 분리된 고체 성분인 함철 극미분광을 상기 가스 개질 장치 및 상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소를 이용하여 환원하는 극미분 환원 장치, 및 상기 환원된 함철 극미분광을 용융하여 용융철을 생산하는 용융 장치를 포함하는 용철 제조 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고열과 환원가스는 상기 용융환원가스화로에 공급되는 공기 또는 산소와 석탄, 미분탄의 연소에 의해 반응기 내에서 생성되는 용철 제조 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 환원로로부터 배출되는 가스는 매우 작은 미립자 형태로 부유되어 있는 철광석 또는 석탄 등의 부산물과 함께 상기 건식 집진 장치로 투입되는 용철 제조 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 부유되어 있는 미립자 형태의 철광석, 석탄 등의 고체 성분은 건식 집진 장치에서 중력, 원심력, 분리막, 또는 물리적, 화학적 힘에 의해 분리되어 상기 부산물 처리 장치로 이송되는 용철 제조 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 환원로 또는 상기 용융환원가스화로 배출가스 흐름 중 기체 성분은 상기 건식 집진 장치를 통과하고 유해 성분이 제거된 후 상기 가스 개질 장치 또는 상기 환원로로 투입되는 용철 제조 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 수소가스는 철광석으로부터 산소를 제거하고 H₂O로 전환되며, 미반응 수소는 상기 환원로로 재순환되어 철광석으로부터 산소를 제거하는 용철 제조 장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 건식 집진 장치는 2차 사이클론(cyclone), 열교환기, 백 필터(bag filter), 또는 열교환기 및 백 필터(bag filter)로 구성되거나 열교환기 없이 구성되는 용철 제조 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 가스 개질 장치 내 스팀 공급은 상기 건식 집진 장치로부터 투입된 고온의 부생가스 중에 포함되어 있는 스팀과 상기 가스 개질 장치 및 반응기 사이의 열교환을 통하여 공급되는 용철 제조 장치.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 함철 극미분광은 상기 극미분 환원장치 내로 스프레이 형태로 투입되거나 상기 건식 집진 장치의 2차 사이클론(cyclone) 또는 이에 상당하는 트위스트(twist)의 회전력을 가지고 투입되는 용철 제조 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 극미분 환원장치를 통과한 환원가스/극미분 환원철은 상기 용융 장치에 직접 투입되며, 미환원 극미분광은 용융에 의해 용융철로 전환되고 미환원된 가스와 함께 수소함유 재순환 환원가스는 상기 용융 장치로부터 분리되어 상기 환원로로 순환되는 용철 제조 장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소는 극미분 환원장치로 투입되며, 상기 용융 장치로부터 생성된 수소함유 재순환 가스는 열교환기에서 열교환된 후 물 또는 물과 CO₂는 제거되고, 재순환 수소는 상기 수소 제조 장치로부터 생성된 수소와 함께 상기 극미분 환원장치로 투입되는 용철 제조 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 열교환기에서 상기 물은 열을 회수하여 스팀으로 전환된 후 상기 가스 개질 장치로 투입되는 용철 제조 장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 용융환원가스화로에서 발생된 용융환원가스는 집진 장치를 거쳐 고체 성분과 기체 성분은 분리되고 함철 극미분광은 환원로 후단의 상기 건식 집진 장치에서 분리된 함철 극미분광과 합쳐져서 극미분 환원장치로 투입되는 용철 제조 장치.
16. 제15항에 있어서,
    상기 용융 장치로부터 생성된 용융철/슬래그의 분리를 원활하게 하기 위해 플럭스(flux)가 상기 집진 장치에 추가로 투입되는 용철 제조 장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 플럭스는 CaCO₃, MgCO₃, MgO, CaO, Ca(OH)₂ 중에서 적어도 하나 또는 1개 이상의 조합으로 구성되는 용철 제조 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 집진 장치에 투입되는 플럭스는 상기 집진 장치의 사이클론(cyclone)에 의해 모두 포집될 수 있는 70 ~ 300 마이크론으로 존재하는 용철 제조 장치.
    

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