KR101572388B1 - 고로 효율 예측 방법 - Google Patents

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Abstract

고로 효율 예측 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 고로 효율 예측 방법은 고로의 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 도출하는 단계; 및 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 비교하는 단계; 를 포함하고, 이론 환원제비는 산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도의 교점으로부터 도출할 수 있다.

Description

고로 효율 예측 방법 {PREDICTION METHOD OF BLAST FURNACE EFFICIENCY}
본 발명은 고로 효율 예측 방법에 관한 것이다.
고로 조업은 고로의 상부로 장입된 철광석이 풍구를 통해 공급된 열풍에 의해 용융되어 용융물(용선과 슬래그)을 생성하게 되고, 노하부에 축적되어 있는 용융물이 출선구를 통해 연속적으로 배출되는 공정이다.
고로는 풍구를 통해 미분탄뿐 아니라 열풍이 고로 내부로 공급되고, 가스의 흐름이 제어된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0024493호 (2001.03.26, 환원제를 고로 내에 장입하는 방법 및 장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 이론 환원제비와 실제 환원제비를 비교하여 용이하게 고로의 효율을 예측할 수 있는 고로 효율 예측 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고로의 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 도출하는 단계; 및 이론 환원제비와 실제 환원제비를 비교하는 단계; 를 포함하고, 이론 환원제비는 산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도의 교점으로부터 도출되는 고로 효율 예측 방법이 제공된다.
직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도는, 하기의 수학식 1을 만족할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112014101711358-pat00001
(DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, (O/C)Eq: 간접환원 종료점에서 CO와 CO2의 몰비율, (O/H2)Eq: 간접환원 종료점에서 H2와 H2O의 몰비율, nI H2: 풍구 내 수소 입량(mol), nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nFeO O: 간접환원 종료 시 Fe 몰 수, nB O: 철광석 내 산소 몰수)
직접환원비율에 따른 열적 평형 선도는, 하기의 수학식 2를 만족할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112014101711358-pat00002
(DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, ΔHSL R: C+CO2->2CO 의 반응 엔탈피(Kcal/mol), nB O: 철광석 내 산소 몰수, Q1: 노내 반응열(Kcal/mol), Q2: 노내 현열(Kcal/mol))
실제 환원제비는, 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112014101711358-pat00003
(FR: 실제 환원제비, DPR: 직접환원비율, nB O: 철광석 내 산소 몰수, nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), γTG+1=가스이용율+1)
본 발명의 실시예에 따르면 이론 환원제비와 실제 환원제비를 비교하여 용이하게 고로의 효율을 예측할 수 있다.
도 1은 고로를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고로 효율 예측 방법을 나타내는 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 고로의 C-DRR선도를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 고로의 C-DRR선도를 나타내는 도면.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
그리고 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 고로 효율 예측 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 고로를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고로 효율 예측 방법을 나타내는 순서도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 고로의 C-DRR선도를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 고로의 C-DRR선도를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고로 효율 예측 방법은 고로의 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 도출하는 단계(S100)로부터 시작된다.
여기서, 이론 환원제비는 산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도의 교점으로부터 도출된다.
도 1을 참고하면, 고로(10)는 고로(10)의 상부로부터 철광석과 코크스(Coke)를 장입하고, 풍구(20)로부터 공급된 열풍에 의해 용선을 생산하는 설비이다. 코크스는 고로(10)의 열원으로 사용되는 원료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 한편, 풍구(20)로부터 열풍과 함께 고로(10)로 취입되는 미분탄도 마찬가지로 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다.
환원제비(kg/thm)란, 고로 내 용선 1ton을 생성하기 위해서 사용된 코크스와 미분탄의 중량이다. 즉, 철광석(산화철, FeOX)을 환원시켜 용선 1ton을 생산하는데 필요한 총 탄소의 양이라고 할 수 있다. 환원제비는 고로 내 열교환, 환원, 통기의 역할을 보는 정량적 지표가 될 수 있다.
산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도를 이용하여 이론적 값(이론적 환원제비)을 산출할 수 있고, 후술할 바와 같이 실제 환원제비를 비교하여 고로의 효율을 예측 또는 비교할 수 있다.
즉, 고로내 열교환(열적 평형 선도) 및 환원반응(화학적 평형 선도)을 기준으로 고로 내부에서 소모되는 환원제비를 정량적으로 구별하여 이론적 환원제비를 도출할 수 있다.
여기서, 이론적 환원제비란 최소 환원제비를 의미하는 것으로 조업 조건 등이 변경됨에 따라 그 값은 변경될 수 있다.
직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도는 하기의 수학식 1을 만족할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112014101711358-pat00004
(DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, (O/C)Eq: 간접환원 종료점에서 CO와 CO2의 몰비율, (O/H2)Eq: 간접환원 종료점에서 H2와 H2O의 몰비율, nI H2: 풍구 내 수소 입량(mol), nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nFeO O: 간접환원 종료 시 Fe 몰 수, nB O: 철광석 내 산소 몰수)
구체적으로, i)노정 가스 조성, 송풍 조건(송풍량, 산소부화량, 스팀입량 등)을 이용하고 RIST 선도를 이용하여 간접환원 종료점을 계산한다. ii)간접환원 종료점은 간접환원에 사용된 Fe 몰수와 CO, CO2 및 H2 몰수 등으로 구성되므로, 이를 상기의 수학식 1에 대입하여 C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 선도 상에서 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도를 구한다.
도 3을 참고하면, C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 그래프가 도시되어 있는데, 선도 2가 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도를 나타낸다. 수학식 1에서 nT C 가 환원제비를 나타내는 것이나 계산에 의해 mol단위를 kg/thm 단위로 변경할 수 있다.
직접환원비율에 따른 열적 평형 선도는 하기의 수학식 2를 만족할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112014101711358-pat00005
(DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, ΔHSL R: C+CO2->2CO 의 반응 엔탈피(Kcal/mol), nB O: 철광석 내 산소 몰수, Q1: 노내 반응열(Kcal/mol), Q2: 노내 현열(Kcal/mol))
고로 노내 반응 시 발생하는 열량은 환원반응 열량, 환원가스 열량, 방산열량, 용선 및 슬래그 열량으로 크게 구별할 수 있다. 이러한 열량은 환원반응의 열량으로 공급되어 사용될 수 있다. 따라서, 고로에서 발생하는 열량의 변화를 이용하여 열적으로 필요한 환원제비를 구할 수 있다. 한편, 환원반응은 간접환원(FeOX+CO=Fe+CO2)인 경우에는 발열반응이고, 직접환원(FeOX+C=Fe+ CO)인 경우에는 흡열반응이다.
상술한 고로에서 발생하는 열량 및 기타의 변수를 상기의 수학식 2에 대입하여 C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 선도 상에서 직접환원비율에 따른 열적 평형 선도를 구한다.
도 3을 참고하면, C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 그래프가 도시되어 있는데, 선도 1이 직접환원비율에 따른 열적 평형 선도를 나타낸다. 수학식 2에서 nT C 가 환원제비를 나타내는 것이나 계산에 의해 mol단위를 kg/thm 단위로 변경할 수 있다.
이론적 환원제비는 주어진 고로 조업 조건에서 필요한 최소 환원제비를 의미하므로, 산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도의 교점으로부터 도출될 수 있다. 즉, 도 3을 참고하면 C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 선도 상에서 선도 1(열적 평형선)과 선도 2(화학적 평형선)가 만나는 위치 3이 이론적 환원제비가 되는 것이다.
실제 환원제비는, 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112014101711358-pat00006
(FR: 실제 환원제비, DPR: 직접환원비율, nB O: 철광석 내 산소 몰수, nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), γTG+1=가스이용율+1)
실제 환원제비의 C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 선도 상에서의 위치는 상기의 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다. 도 3을 참고하면, 위치 4는 실제 환원제비를 C-DRR(Carbon Direct Reduction Rate) 선도 상에서 표시한 것이다. 도 3의 η는 가스 이용율을 나타내는 것으로 CO2/(CO+CO2)로 정의된다.
다음으로 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 비교한다(S200).
도 3및 도 4를 참고하여 설명한다.
도 3의 제1 고로 및 도 4의 제2 고로의 경우, 실제 환원제비는 각각 480, 487kg/thm으로 실제 환원제비만을 비교하면 제1 고로의 효율이 더 좋은 것으로 판단될 수 있다. 하지만, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 고로 및 제2 고로의 이론 환원제비는 각각 458, 470kg/thm으로 이를 고려하여 판단하면 제2 고로의 효율이 더 좋다.
즉, 도 3의 제1 고로의 경우 이론 환원제비와 실제 환원제비의 차이는 22kg/thm이나, 도 4의 제2 고로의 경우 이론 환원제비와 실제 환원제비의 차이는 17kg/thm으로 제2 고로가 제1 고로에 비해 효율이 더 높은 것으로 판단할 수 있다.
본 실시예에서는 이론 환원제비와 실제 환원제비의 차이를 이용하여 고로의 효율을 정의하였으나, (실제 환원제비-이론 환원제비)/이론 환원제비 등으로 다양하게 그 효율을 정의할 수 있을 것이다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 고로 효율 예측 방법은 이론 환원제비와 실제 환원제비를 비교하는 용이한 방법으로 고로의 효율을 예측할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 고로
20: 풍구

Claims (4)

  1. 고로의 이론 환원제비 및 실제 환원제비를 도출하는 단계; 및
    상기 이론 환원제비 및 상기 실제 환원제비를 비교하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 이론 환원제비는,
    산화철(FeOX)의 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도 및 열적 평형 선도의 교점으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 고로 효율 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직접환원비율에 따른 화학적 평형 선도는,
    하기의 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 고로 효율 예측 방법.
    (수학식 1)
    Figure 112014101711358-pat00007

    (DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, (O/C)Eq: 간접환원 종료점에서 CO와 CO2의 몰비율, (O/H2)Eq: 간접환원 종료점에서 H2와 H2O의 몰비율, nI H2: 풍구 내 수소 입량(mol), nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nFeO O: 간접환원 종료 시 Fe 몰 수, nB O: 철광석 내 산소 몰수)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직접환원비율에 따른 열적 평형 선도는,
    하기의 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 고로 효율 예측 방법.
    (수학식 2)
    Figure 112014101711358-pat00008

    (DPR: 직접환원비율, nT C: 총 C 몰 수, G: 송풍계수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, ΔHSL R: C+CO2->2CO 의 반응 엔탈피(Kcal/mol), nB O: 철광석 내 산소 몰수, Q1: 노내 반응열(Kcal/mol), Q2: 노내 현열(Kcal/mol))
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실제 환원제비는,
    하기의 수학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 고로 효율 예측 방법.
    (수학식 3)
    Figure 112014101711358-pat00009

    (FR: 실제 환원제비, DPR: 직접환원비율, nB O: 철광석 내 산소 몰수, nM O: 철 원자이외 피환원 O 몰 수, nI O: 풍구 내 산소 입량(mol), γTG+1=가스이용율+1)
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