KR101677719B1 - 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 저감 소스를 이용하여 직접환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 저감 소스를 이용하여 직접환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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마르티네즈 에우제니오 젠데자스
에스카레뇨 파블로 엔리케 두아르테
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다니엘리 앤드 씨. 오피시네 메카니케 쏘시에떼 퍼 아찌오니
에이치와이엘 테크놀로지즈, 에스.에이. 데 씨.브이.
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Abstract

본 발명은 일산화탄소 및 수소를 포함하며, 높은 함량의 산화제(물 및 이산화탄소)를 갖는 탄화수소 또는 석탄의 가스화로부터 직접 또는 간접적으로 배출되는 높은 사화 환원 가스를 이용한 DRI(직접산화철)을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 보다 효과적인 방법과 반응기를 구비하는 플랜트를 제공한다. 상기 반응기에서, 철광석의 미립 재료가 고온의 환원 가스와 접촉하여, DRI를 생산하게 되고, 이에 따라 낮은 비용의 투자 및 운전비용이 들며, 환원 반응기 내로 공급되는 환원 가스용 연소(fired) 히터가 필요하지 않은 장점이 있다. 환원 가스는 두 가지 단계를 통하여 700℃ 이상의 온도로 가열된다. 즉, 상기의 2단계는 환원 반응기로부터 제거된 고온의 사용된 가스의 스트림에 의하여 공급되는 센싱 가능한 열과 교환되어, 금속 더스팅(dusting) 현상을 방지하기 위하여 약 400℃ 이하의 온도에서 실시되는 제1 단계와, 연소실의 건설 재료에 따른 한계 이하의 연소가스 온도를 유지하면서, 산소와의 부분 또는 전체 연소에 의한 제2 단계이다.

Description

수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 저감 소스를 이용하여 직접환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치 {Method and apparatus for producing direct reduced iron utilizing a source of reducing gas comprising hydrogen and carbon monoxide}
본 발명은 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 저감 소스를 이용하는 이용한 직접환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에 있어서, 치솟는 생산 비용과 환경 규제에 의한 제철 플랜트에 부과되는 법률적 규제로 인하여, 제강 공정 효율 및 생산성을 제고하기 위한 필요성이 더욱 시급해지고 있다.
이와 같은 필요성에 대하여, 현재 점점 많이 사용되는 제강용 방법 중 한 가지는 가스를 이용한 철광석에 대한 직접 환원의 방법이다. 이와 같은 방법은, 약 700도씨 내지 1100도씨의 온도에서 미립자 철광석의 이동식 베드(bed)를 통하여 환원 가스를 순환시켜서 업계에서는 해면철(sponge steel)이라고 알려진 직접환원철(DRI)을 제조하는 것이다. 이때, 높은 상태로 메탈라이즈된 DRI를 생산하기 위하여, 화학 환원 방법에 의하여 산소를 철광석으로부터 제거시킨다.
이와 같은 직접 환원 플랜트에서는 금속성 철강이 적은 황 및 실리콘 함량을 갖는 고형물 형태로 생산될 수 있는 높은 생산 용량을 갖는 것이 장점이며, 이에 따라 생산되는 DRI는 전기로에 원료로 사용될 수 있으며, 그에 대한 전체 차지(charge)를 구성한다.
그리고 제안된 기술의 또 다른 장점은 만약 환원 반응의 부산물로서 얻어지는 CO2의 일부는 공정 과정에 선택적으로 제거 가능하다면, 대기 중에 방출되는 전체 CO2는 강철 제조의 다른 방법과 비교하여 현저히 줄일 수 있다.
직접 환원 플랜트에서 이용되는 환원제는 외부 촉매 개질기에 존재하는 자연 가스의 개질에 의하여 얻어지는 또는 철강 환원 시스템 내에 원래 존재하는 자연 가스의 개질에 의하여 얻어지는 수소 및 일산화탄소이다. 그럼에도 불구하고, 직접 환원 플랜트는 코크스로, 용광로, 석탄 또는 오일의 가스화, 자연 가스, 다른 화학/야금 공정으로 발생하는 수소 및 일산화탄소와 같은 가스의 형태로 존재하는 다른 소스의 에너지를 이용할 수 있도록 구성될 수 있다.
사용 가능한 환원 가스 소스는 석탄의 이용(예를 들면, 용광로 또는 상표명 코렉스(Corex)로 알려진 당업계에서 알려진 플랜트) 및 직접 환원 반응기에 따라 선철 생산 플랜트의 조합에 따라 생산되는 과도한 가스이다. 여기서, 코렉스 플랜트 또는 용광로는 산소가 포함된 가스와 부분적인 조합에 의하여 가스화된 석탄을 이용하여 선철을 생산한다. 이와 같은 공정으로부터 배출되며, 수소 및 일산화탄서를 여전히 포함하고 있는 배기 저감 가스는 물 및 이산화탄소의 최소한 일 부분을 제거한 이후에, 환원용으로 이용될 수 있다.
호크(Hauk)씨 등에 의한 미국 특허 번호 5,235,487는 용융가스화로(melter-gasifier), 제1 환원 반응기 및 제2 환원 반응기를 구비하는 공정을 공개하고 있다. 여기서, DRI는 상기 제1 반응기로부터 유출되는 가스를 환원 가스를 직접 이용하여 생산될 수 있다. 상기 특허에 표시되 바와 같이, 정화된 이후에, 유출되는 환원 가스는 찰수 및 사용된 환원 가스와 혼합되며, 이산화탄소 제거 유니트 내에서 처리된다. 이산화탄소 제거 스테이션을 이탈하는 가스는 열교환기 내에서 가열되며, 최종적으로 부분 연소되어, 환원 반응에 이용되는 온도에 이르게 된다. 그리고 상기의 특허는 일산화탄소 분해를 억제시키기 위하여, 산화황 및 염소를 이용하는 것을 공개하고 있다. 상기 특허의 모든 실시예들은 부분 연소 가열 단계 이전에 환원 가스를 가열시키기 위하여 연료를 소모하는 열 교환기들을 이용하는 점이다.
비라몬테-브라운씨 등에 의한 미국 특허 번호 5,676,372는 제1 환원 반응기로부터 배출되는 과도한 배기가스를 직접 환원 플랜트에서 이용하기 위한 개선된 방법 및 장치를 공개하고 있다. 상기 장치는 용융가스화기로부터 환원 가스를 받아들인다. 상기 방법은 환원 반응기 내로 공급하기 이전에, 새로운 가스를 가열하는데 필요한 가스 가열기로부터 유출되는 가스 스트림의 조성물을 조정하기 위하여, 촉매 반응기 또는 쉬프터를 이용하는 방법을 제안하고 있다. 이산화탄소 쉬프트 변환에 따라 최대의 수소 생산 수율을 얻기 위하여, 특수한 촉매가 고정 베드 반응기에 사용된다. 이와 같은 사유로, 촉매에 독성이 있는 물질을 제거하기 위하여, 합성가스가 추가로 처리되어야 한다.
환원 가스의 대안 소스로서 가스화기로부터 배출되는 합성 가스에 대해서는, 젠케씨 등에 의한 미국 특허 번호 6,149,859 및 미국 특허 번호 6,033,456은 고압의 합성 가스를 가스화기로부터 직접 환원 플랜트으로 공급하기 위한 일체형 공정을 공개하고 있다. 종래 기술에 있어서, 상기 특허는 가스가 400도씨(간접 환원 플랜트의 일반적인 공정 가스 히터기에서 공통적으로 발생하는 조건) 이상의 온도에서 가열될 때 발생하는 탄소 증착을 방지하기 위하여, 그 조성물을 변화시킬 목적으로 쉬프터 내의 합성 가스를 처리하는 방법을 공개하고 있다. 이와 같은 방법에서, 이산화탄소를 제거하기 위한 유니트 내에서 처리된 이후에 그리고 간접 환원 회로의 압력으로 팽창된 이후에, 조정(conditioned) 가스 스트림은 DRI 공정에서 메이크-업으로서 사용을 위하여 준비된다.
WO-A-2008/146112는 미국 특허 번호 6,149,859 및 미국 특허 번호 6,033,456에 설명된 바와 같은 공정에서, 단일 흡수 유니트를 갖는 추가 가능성을 공개하고 있다. 산-가스 함량은 가스화기 내에서 생산된 합성가스 및 환원 반응기로부터 배출된 재생 환원 가스로 조합된 스트림으로부터 제거된다.
디엘씨 등에 의한 미국 특허 번호 5,846,268은 철광석으로부터 액체 선철 또는 액체 강철 사전-제품 및 DRI를 제조하기 위한 공정을 공개하고 있다. 상기 특허에 공개된 공정은 호크씨에 의한 미국 특허 5,238,487에 공개된 공정과 매우 유사하다. 왜냐하면, 상기 호크씨 특허에서는 석탄의 가스화로부터 만들어지는 환원 가스가 제1 환원 축(shaft) 용광로 내에서 철광석을 환원시키기 위하여 사용되며, 상기 제1 축 용광로부터 유출되는 배기 환원 가스는 제2 축 용광로 내에서 더 많은 DRI를 제조하기 위하여 이용된다. 상기 특허는 연소 가스히터 내에서 연료로서 이용되는 동일한 가스 스트림의 일부를 가열시키기 위하여, 제2 축 용광로로부터 유출되는 가스 스트림의 열을 이용하는데 여러 가지 방법이 있지만, 환원 반응기로 공급되는 환원 가스의 스트림을 사전에 가열시키기 위하여 상기와 같은 열을 이용하는 것에 대하여 공개 또는 제안하지 못하고 있다.
상기에 설명한 어떤 특허도 종래 기술의 수많은 단점을 극복하고 그리고 어떤 추가적인 연료를 소모하지 않는 그리고 철광석의 효과적인 환원을 위하여 환원 가스의 산화 정도의 제한적인 범위 내에서 상기 반응기로 공급되는 환원 가스를 가열하기 위하여, 환원 반응기로부터 유출되는 상부 가스로부터 배출되는 열을 이용하여, 가스화기 내의 석탄 가스화로부터 발생하는 또는 용융 가스화기로부터 배출되는 DRI 이용 가스를 제조하기 위한 보다 효과적인 방법 및 장치를 제공하고는 것을 공개하고 있지 않는다.
본 발명에 의한 추가적인 장점은 산소와 부분적인 산화가 일어나는 제2 가열 단계 이전에 환원 가스의 온도를 증가시키기 위하여 열 교환기 내에 연소가 발생하지 않기 때문에, 대기로의 일산화탄소의 배출이 감소한다.
따라서 본 발명의 일 목적은 먼지 및 타르(TAR)를 제거하기 위하여 정화된 이후에 그리고 높은 일산화탄소 함량을 갖는 정화 가스를 그 조성물을 변경시키지 않고 물 가스 쉬프터 내에서 추가적인 처리를 하지 않고, 환원 회로로 바로 공급한 이후에, 일산화탄소의 높은 함량을 갖는 가스를 이용하여 직접 환원철(DRI)을 제조하기 위한 개선된 공정 및 장치를 제공하는 것이다. 상기의 간략한 공정 구성은 쉬프터 촉매에 대하여 독성이 있는 화합물의 제거가 필요하지 않는 추가적인 단점이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소 제거 유니트 내에 있는 물이 제거되고, 사용된 환원 가스와 사전에 혼합된 합성 가스의 스트림을 처리하면서 얻어진 업그레이드된 환원 가스는 추가적인 연료 연소 없이 그리고 반응기로부터 제거된 사용된 가스로부터 복구된 센싱 가능한 열 만을 활용함이 없이 단독으로 열 교환기 내에서 가열된다. 이와 같은 방법으로, 생산된 강철이 톤 당 에너지는 감소된다. 반응기로 최종적으로 고급되기 이전에 450도씨 미만의 온도에서 가열 이후에 사용 가능한 가스 스트림(가열된 이산화탄소가 희박한 가스(lean gas) 스트림)은 분자-산소를 포함하는 가스 스트림을 포함하고 있는 연소실 내에서 부분 연소 된다. 다른 방법으로는, 이와 같은 가스 스트림의 일부분은 전체 연소 처리되며, 연소 제품들은 가열된 이산화탄소가 희박한 가스 스트림의 나머지와 혼합된다. 여기서, 어떤 추가적인 가스 가열 수단도 열 교환기 및 상기 연소실 사이에 제공되지 않는다.
본 발명의 또 다른 목적은 일산화탄소를 높은 항량 포함하는 가스를 이용하는 냉각 DRI를 생산하기 위한 그리고 침탈 가능성이 있는 냉각 가스, 즉 코크 오븐 가스(Coke Oven Gas)를 환원의 원추형 방출부를 통하여 흐르게 하여, DRI를 냉각시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 직접환원 시스템 내에서 직접환원철(DRI)을 생산하기 위한 방법 및 장치를 제공하여 성취될 수 있으며, 상기 장치는 높은 일산화탄소 함량을 갖는 환원 가스(예를 들면, 먼지 등이 정화된 소스로부터 얻어지는 합성 가스)를 이용하는 환원 반응기를 구비하며, 환원 반응기로부터 제거된 사용된 환원 가스의 최소한 일부는 정화 처리된 합성 가스와 혼합되기 이전에 정화되고, 냉각되어, 이산화탄소 분리 유니트로 최종 공급되는 혼합 가스 스트림을 생산하게 된다. 바람직하게는, 상기의 이산화탄소 분리 유니트는 흡착 유형이며, 이에 따라 이산화탄소가 포함된 가스 스트림 및 이산화탄소가 희박한 가스 스트림은 상기 이산화탄소 분리 유니트로부터 흘러나오게 된다. 업그레이드된 이산화탄소가 희박한 환원 가스 스트림은 환원 반응기로부터 제거된 사용된 환원 가스로부터 복구된 센싱 가능한 열을 교환하는 열 교환기를 통하여 관통하여 흐르며, 연소 없이 450도씨 미만의 온도에서 가열된다. 이와 같이 가열된 이산화탄소가 희박한 환원 가스 스트림은 상기 반응기 입구에서 측정 시, 700도씨 이상의 온도로 가열시키기 위하여, 분자 산소가 포함된 가스와 부분적으로 연소하게 되며, 이에 따라 종래의 연소 가스히터에서 추가적인 가열의 필요성이 발생한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기에 기술한 그리고 소정의 원하는 탄소의 양을 갖는 직접환원철을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하여 성취될 수 있으며, 이와 같은 작용은 코크 오븐 가스와 같은, 환원 반응기의 하부에서 순환되는 탄소 혼합 가스를 이용하여 직접환원철을 냉각시키게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 다음의 첨부도면으로 보다 잘 이해될 것이며, 편의를 위하여 유사한 요소에 대하여 유사한 참조 번호가 부여되었다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접환원 공정의 개략적인 공정도이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 직접환원 공정의 개략적인 공정도이다.
도3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 직접환원 공정의 개략적인 공정도이다.
도 1은 직접환원 시스템을 도시하며, 참조번호 10은 철광석(15)이 덩어리, 팔렛(pellets) 또는 혼합된 상태로 최소한 한 개의 입구(16)를 통하여 공급되는, 환원 영역(12)을 갖는 수직 축, 이동 베드, 철광석 가스 상태 환원 반응기를 지칭한다. 상기의 철광석(15)은 고온의 환원 가스의 흐름 반대 방향으로 접촉하면서 반응기(10)를 통하여 중력에 의하여 하향 이동하게 된다.
상기의 환원 가스는 상부 환원 영역(12)의 하부에 위치하는 파이프(46)를 통해 상기 반응기로 투입되고, 상기 환원가스는 직접 환원철(DRI)(18)을 생산하기 위하여 철광석과 반응하는 수소 및 일산화탄소를 주로 하여 구성되며, 상기 직접 환원철은 원추형상의 하부 배출 영역(14)을 통하여 반응기(10)로부터 배출된다.
300 ~ 600℃ 온도 사이에서 반응기의 상부로부터 배출되는 소비된 환원 가스(44)는 재생 회로에서 업그레이드되며, 파이프(46)를 통하여 최종적으로 환원 영역(12)로 돌아간다. 보다 상세하게는, 부분적으로 감소된 환원 용량을 갖는 상기의 소비 환원 가스 스트림(44)은 열 교환기(42)를 통하여 통과하며, 상기 열 교환기에서, 상기 가스 스트림으로부터 제거된 현열(sensible heat)이 복구되어, 반응기(10)로 재생되어 돌아가기 이전에 환원 가스(50)의 업그레이드된 부분을 사전 가열하게 된다.
열 교환기(42)를 통과한 이후에, 부분적으로 냉각된 소비 가스(43)는 정화 스테이션(38)으로 도관 이동되며, 상기 정화 스테이션(38)에서 먼지가 스트림(36) 형태로 배출되는 물 스트림(40)과 접촉하면서 정화되며, 배출되는 정화 가스(39)는 일반적으로 직접 접촉형 냉각 스테이션(30)으로 이동되며, 상기 냉각 스테이션(30)에서, 환원 반응의 물 부산물이 물(32)과 접촉하면서 응축되고, 환원 가스로부터 물 스트림(54) 형태로 제거된다.
재생 회로 내에서 낮은 질소 농도를 유지하기 위하여, 정화 및 탈수된 소비 가스의 작은 부분이 압력 제어 밸브(28)(압력 제어용)를 갖는 파이프(26)를 통해 시스템으로부터 배출된다. 배출된 가스 스트림(26)은 가스가 표준 연소 시스템 내에서 연료로서 사용될 수 있는 양 만큼 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 메탄을 포함하고 있다. 상기의 정화 및 탈수된 환원 유출 가스의 남아 있는 나머지 전체 부분은 파이프(27)를 통하여 압축기(24)로 전달되며, 그 압력은 추가 처리 및 이용에 적합할 정도의 레벨로 올라간다.
압축된 환원 가스 스트림(29)은 압축 이후에 가스 온도를 낮추기 위하여 사용되는, 열 교환기 또는 퀀칭 타워 팩 용기(22) 내에서 추가적인 냉각 단계가 수행된다. 만들어진 가스의 스트림(35)은 석탄 또는 다른 탄화수소 공급 원료(feedstock)의 가스화로부터 얻어지거나 그와 연결된 환원 용광로로부터 유출되는 용융가스화기의 유출 가스로부터 얻어지는 합성가스와 같은 일산화탄소 및 수소를 포함하는 메이크업 가스 스트림(23)과 혼합된다.
소정의 소스(1)로부터 공급되는 합성가스(23)는 파이프(2)를 통하여 먼지, 타르 및 물이 제거되는 가스 정화 시스템(6)으로 공급된다. 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄으로 주로 구성되는 정화 합성가스의 스트림(7)은 합성가스 압축기(20) 내에서 먼저 압축되고, 스트림(23)으로서 반응기(10)의 환원 회로에 메이크업으로서 추가되기 이전에 열 교환기 또는 퀀칭 타워(냉각탑)와 같은 소정의 장비(21) 내에서 냉각된다.
탈수된 환원가스 스트림(35)을 정화 합성가스(메이크업 가스 스트림(23))와 혼합한 이후에, 혼합된 가스 스트림(31) 내에 포함된 이산화탄소는 이산화탄소 제거 유니트(70) 내에서 최소한 부분적으로 제거된다. 상기 유니트는 바람직하게는 이산화탄소가 가스 스트림(33)에서 응축되는 PSA(Pressure Swing Adsorption: 압력 스윙 흡착) 유니트 또는 VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption: 진공 압력 스윙 흡착) 유니트으로 구성되고, 응축된 이산화탄소는 시스템으로부터 배출 제거되고 그리고 연료로서 사용된다. 가스 스트림(33)은 압력 제어 밸브(60)에 의하여 조정된다. 극성을 띠며 및 휘발성이 낮은 분자들을 차단하기 위하여 흡착제를 이용하는 PSA 유니트는 상기 스트림(31)으로부터 물 및 황화수소 분자 또한 제거한다.
본 발명의 원리에 따라, 낮은 이산화탄소 농도 및 개선된 높은 환원 잠재력을 갖는 환원 가스(50)의 업그레이드된 부분은 이산화탄소 제거 유니트(70)를 이탈하여, 앞서 설명한 열 교환기(42)로 공급되고, 거기서 교환기(42) (예를 들면 "금속 더스팅(metal dusting)"으로 알려진 메커니즘을 이용하여)의 금속 재료의 화학적 부식 반응의 시작을 예방하기 위하여 450℃의 온도 이하의 온도로 가열된다. 교환기(42) 내에는 연소가 일어나지 않기 때문에, 대기로 배출되는 이산화탄소의 추가적인 방출이 없다.
결과적으로 얻어지는 450℃ 이하의 온도는 사전에 가열된 이산화탄소가 희박한(lean) 가스 스트림의 일부분을 연소시키는 것에 의하여 제2 단계에서 원하는 최종 값까지 증가된다. 결국 사전 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45)은 연소 챔버(47)로 바로 보내지는 제1 부분(132)으로 분할되며, 거기서 소정의 소스(49)로부터 공급되는 산소 분자 가스 스트림(48), 바람직하게는 업계의 순도를 갖는 산소 스트림과 함께 연소된다. 산소의 양은 파이프(46)를 통하여 흐르는 환원 가스용 온도 레벨에 따라 밸브(52)에 의하여 조정된다. 또한, 산소의 양은 가열된 가스 스트림(46) 내의 산화제(수소+일산화탄소)/(물+이산화탄소)에 대한 환원제의 비율 값이 최소한 7이 될 수 있도록 조정되며, 또는 환원 반응기(10)로 공급되는 가스 스트림의 (수소+일산화탄소)/(수소+일산화탄소+물+이산화탄소)로 계산되는 환원 인덱스가 최소한 0.87이 될 수 있도록 조정된다.
연소는 전용 버너 또는 연소챔버(47) 내에 위치하는 주입 렌스(lance)를 통하여 산소를 주입하는 방법으로 수행된다. 환원가스(사전 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45))의 나머지 부분, 즉 가스 스트림(130)은 동일한 연소챔버(47)로 공급되고, 나머지 환원가스(130)와 혼합된 부분 연소 또는 전체 연소된 가스(53)는 반응기(10)의 입구에서 700℃ 이상의 온도에 도달하게 된다. 가스 스트림(130)은 스트림(53)으로 인하여 도달할 수 있는 고온으로부터 연소챔버(47)의 재료를 보호하기 위하여 동일한 연소챔버(47)로 공급될 수 있다. 가스 스트림(132)의 조정은 반응기(10)의 환원 영역(12) 내로 투입되는 환원 가스(46)의 희망 온도에 따라 그리고 연소챔버(47)의 디자인 및 재료에 의하여 허용되는 최대 온도에 따라 제어 밸브(134)에 의하여 이루어진다. 한 예로서, 연소챔버(47) 내에서 부분적으로 또는 전체적으로 연소되는 가스 스트림(132)의 유량은 가스 스트림(45)의 유량의 50% 내지 70%의 범위에 있다. 환원 가스(132)의 유량 및 산소(48)의 양은 파이프(46)를 통하여 흐르는 환원 가스 스트림에 대한 희망온도에 따라 각각 밸브(134) 및 밸브(52)에 의하여 제어된다.
가스 스트림(130)은 내부의 철광석을 환원시키기 위하여 반응기(10)의 환원 영역(12) 내로 투입되기에 적절한 값이 얻어 질 때 까지, 혼합된 환원 가스 스트림의 온도를 조정하기 위하여 연소챔버(47) 외부에서 부분 또는 전체 연소 가스 스트림(53)과 혼합될 수도 있다.
연소챔버(47)는 가능성 있는 폭발성 혼합물의 형성을 방지하기 위하여, 환원 가스 및 산소의 혼합물이 점화 상태로 유지될 수 있도록 600℃ 이상의 온도로 예열되는 것이 바람직하다.
미립 상태의 고형 철광석(15)이 반응기(10) 내로 파이프(46)를 통하여 공급되는 고온의 업그레이드된 환원 가스와 환원 영역(12) 내에서 접촉된다. 이와 같은 방법으로, 상기 가스에 대하여 반대 방향으로 흐르는 고형 재료는 수소 및 일산화탄소와 반응하여 직접환원철(DRI)을 생산한다. 하부 배출 영역(14)을 통하여 흐르는 DRI는 DRI의 그 다음 이용 유형에 따라, 뜨겁거나 차가운 상태로 하부 배출 영역(14)을 통하여 상기 반응기(10)로부터 배출된다.
한편, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 직접환원철을 생산하기 위한 장치는 환원가스가 순환되는 다수의 도관수단을 포함하여 구성되는데, 환원반응기(10)의 환원영역(12)과 열교환기(42)의 사이에는 제1가스도관수단(44)이 연결 설치되고, 열교환기(42)의 출구와 정화 스테이션(38) 및 냉각 스테이션(30)의 사이에는 각각 제2가스도관수단(43,39)가 연결 설치되며, 냉각 스테이션(30)과 가스 압축기(24)의 사이에는 제3가스도관수단(27)이 연결 설치된다.
또한, 상기 가스 압축기(24)와 열 교환기 또는 퀀칭 타워 팩 용기(22)의 사이 및 상기 열 교환기 또는 퀀칭 타워 팩 용기(22)와 이산화탄소 분리 유니트(70)의 사이에는 제4가스도관수단(29, 35, 31)들이 연결 설치되고, 상기 이산화탄소 분리 유니트(70)와 열교환기(42)의 사이에는 제5가스도관수단(50)이 연결 설치되며, 상기 열교환기(42)와 연소챔버(47)의 사이에는 제6가스도관수단(45,130,132)이 연결 설치된다.
이때, 상기 제6가스도관수단(45,130,132)은 열교환기(42)에 연결 설치되는 제1도관(45)과, 상기 제1도관(45)으로부터 분기되어 연소챔버(47)의 연소영역과 혼합영역 사이에 각각 연결 설치되는 제2도관(130) 및 제3도관(132)으로 구성된다.
또한, 상기 연소챔버(47)와 환원반응기(10)의 환원영역(12)의 사이에는 제7가스도관수단(46)이 연결 설치되고, 산소 또는 산소분자를 포함하는 가스를 제공하는 소스(49)와 연소챔버(47)의 사이에는 도관수단(48)이 연결 설치된다.
DRI가 약 400 ~ 750℃의 고온(도1에 도시)으로 배출될 때, 저장 및 사용을 위하여 후에 연탄으로 제조될 수 있으며 또는 다른 방법으로는 탱크 또는 비활성(inertized) 벨트에 의하여 공지의 기술에 따라 제강로에 바로 공압적인 (pneumatically) 방법으로 수송될 수 있다.
만약 DRI가 냉간의 방법으로 생산될 수 있으면(도2에 도시된 바와 같이, 도1에 도시된 동일한 요소들은 동일한 참조 번호가 부여되며, 여기서 다시 설명되지 않는다), DRI는 반응기(10)의 원추형 하부 배출 영역(14)을 통하여 상대적으로 낮은 온도에서 반대방향으로 흐르는 냉각 가스 스트림(122)에 의해 냉각되며, 이에 따라 냉각 가스 온도는 증가하고, DRI의 온도는 100℃ 이하의 온도로 내려간다. 탄화수소가 고온의 DRI와 접촉하며 크렉될 수 있도록 냉각 가스 메이크업(80)은 코크 오븐 가스와 같은 자연적인 가스 또는 다른 탄화수소를 포함하는 가스에 해당하는 소정의 소스(81)로부터 냉각 가스회로에 공급되고, 이러한 방식에 의해 소정 양의 혼합된 카본 또는 흑연을 갖는 직접환원철이 생산된다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서(도 1에 도시된 동일한 요소들은 동일한 참조 번호가 부여되며, 여기서 다시 설명되지 않는다), 소스(81)로부터 제공된 코크 오븐 가스는 탄소 혼합 및 냉각 가스 스트림(80)으로서 사용되며, DRI 온도가 높은 소정의 위치에서 반응기 콘(cone)으로 바로 공급된다. 이와 같은 방법으로, 코크 오븐 가스에 포함된 탄화수소가 크렉킹으로 파괴되기 때문에 추가적인 장점을 얻을 수 있다.
고온의 소비된 냉각 가스 스트림(90)은 업계에 알려진 방법에 따라 냉각 및 재활용될 수 있다. 간단히 말하면, 냉각 영역의 상부로부터 배출된 웜-업(warm-up) 가스는 정화 스테이션(92) 내에서 추가로 처리되어, 파이프(95)로부터 배출되는 물(93)을 이용하여 세척하여 먼지를 제거하게 된다. 정화 가스(94)는 파이프(99)를 통하여 배출되는 물(97)과의 접촉에 의하여 완전히 탈수 및 냉각되는 냉각 스테이션(96) 내에서 처리된다. 이와 같이 얻어진 가스(98)는 파이프(120)를 통해 반응기(10)로 공급되기 이전에 압축기(100)에 의하여 압축된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, DRI는 약 400 ~ 750℃의 온도로 환원 반응기로부터 고온 상태로 배출될 수도 있으며, 대기 중의 산소 및 물에 의해 재산화(re-oxidation)되는 것을 피하기 위하여 냉전술한 냉각 가스 시스템과 유사한 냉각 가스 시스템을 갖는 환원 반응기(10)의 외부에 별도로 설치되는 DRI 냉각 용기(미도시) 내에서 100℃ 이하의 온도로 냉각될 수도 있다. 이와 같은 구성에 따라, 빠른 용융을 위하여 고온의 DRI를 생산하도록 구성되는 강철 환원 플랜트는 안전한 조건으로 DRI를 즉시에 배출할 수 있으며, 이와 같은 재료는 저장 및 나중의 이용을 위하여 적절한 온도에서 사용 가능하다.
고온 또는 냉각 DRI 둘을 생산할 수 있는 용량을 갖는 직접환원 플랜트에 대한 다른 대안적인 디자인은 냉각 시스템의 작동을 선택적으로 가능하게 하고 또는 가능하게 하지 않도록 구성되는 냉각 가스 시스템을 갖는 환원 반응기를 제공하며, 이에 따라 동일한 반응기가 배출 원추형 구성 내부에서 DRI를 냉각시키거나 DRI를 고온에서 배출할 수도 있다.
이산화탄소 희박 가스 스트림의 제2 가열 단계가 95%의 순수 산소를 포함하는 76Nm3/t의 DRI과 함께 연소되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 철광석의 환원에 적합한 838℃까지 가열되는 환원 가스의 요소의 일부 상대적인 양이 아래의 표 1에 도시되어 있다.
수소 및 일산화탄소 포함 가스 PSA 유니트로부터 유출되는 가스 반응기로 공급되는 환원 가스 환원 영역으로부터 유출되는 가스
가스스트림 번호 23 50 46 44
온도 ℃ 45 48 838 519
흐름 NCM/Ton DRI 1622 1997 1998 2060
조성물
수소 부피% 18.070 33.926 26.354 23.196
일산화탄소 부피% 43.168 48.418 48.408 29.053
이산화탄소 부피% 32.125 2.000 2.000 19.669
물 부피% 1.116 0.001 7.566 12.627
메탄 부피% 2.309 3.326 3.325 2.930
질소 및 다른가스들 부피% 3.212 12.333 12.347 11.975
환원 인덱스 0.65 0.98 0.89 0.62
환원 인덱스는 (수소+일산화탄소)/(수소+일산화탄소+물+이산화탄소)로 계산되며, 각 가스 스트림의 환원력을 표시한다.
테이블 1로부터, 본 발명은 낮은 환원 인덱스를 갖는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 및 원하는 환원 온도까지 가열되는 효과적인 두-단계 가스 가열을 이용하여 DRI를 생산하기 위한 효과적인 방법 및 장치를 제공함을 알 수 있다.
본 발명은 종래 기술과 비교하여 많은 장점을 갖는다. 즉, 온도를 환원 레벨까지 증가시키기 이전에 환원 가스를 사전 가열하기 위하여 연소 히터(fired heater)가 필요하지 않기 때문에, 보다 단순한 철광석 환원 플랜트 및 공정이 가능한 장점이 있다. 따라서 본 발명에 따른 직접환원 플랜트는 운전 및 유지보수 재료 및 인력을 필요로 하는 장비(히터)의 중요한 부분이 필요 없기 때문에 낮은 자본 및 운전비용을 필요로 한다.
본 발명에 따른 실시예들에 대한 상기의 설명은 예시적인 목적으로 제시되었으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니며, 아래의 청구항에 의하여 결정되는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 특정 실시예에 가장 적합하도록, 수많은 변경이 본 발명의 적용 방법으로 설명된 실시예에 실시될 수 있음은 자명하다.

Claims (20)

  1. 수소와 일산화탄소를 포함하여 구성되는 700℃ 이상의 환원가스에 의해 산화철이 금속철을 포함하는 직접환원철(DRI)(18)로 환원 및 변환되는 상부 환원 영역(12)과, 하부 배출 영역(14)을 구비한 환원반응기(10)를 포함하여 구성된 환원플랜트에서 일산화탄소와 수소를 포함하는 메이크업 환원가스를 이용하여 직접환원철(18)을 생산하는 방법에 있어서,
    상기 환원반응기(10)의 환원 영역(12)으로부터 소비 환원 가스 스트림(44)을 300 ~ 600℃의 온도 사이에서 빼내는 단계와;
    상기 소비 환원 가스 스트림(44)을 온도가 200 ~ 400℃ 수준의 감소된 온도를 갖는 열교환기(42)에 통과시킨 후, 100℃ 이하의 온도를 갖는 냉각 및 정화스테이션(30, 38)을 통과시켜 냉간 소비 환원 재생 가스 스트림을 생성하는 단계와;
    메이크업 환원 가스 스트림(23)을 상기 냉간 소비 환원 재생 가스 스트림의 적어도 일부와 혼합시키는 단계와;
    혼합된 가스(31)를 흡착형 이산화탄소 분리 유니트(70)를 관통하여 흐르도록 하여, 상기 흡착형 이산화탄소 분리 유니트(70)에 의해 이산화탄소가 제거된 상태의 이산화탄소 희박(lean) 가스 스트림(50)과, 상기 흡착형 이산화탄소 분리 유니트(70)에 의해 분리된 이산화탄소를 포함하는 이산화탄소 포함(laden) 가스 스트림(33)을 형성시키는 단계와;
    상기 이산화탄소 희박 가스 스트림(50)을 열교환기(42)에 통과시켜 환원반응기(10)로부터 배출되는 소비 환원 가스(44)로부터 회수되는 현열(sensible heat)에 의해 연료의 소비 없이 제1가열단계에서 450℃보다 낮은 수준으로 이산화탄소 희박 가스 스트림(50)의 온도를 상승시키는 단계와;
    가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45) 중 일부(132)를 연소 챔버(47) 내부에서 산소 분자를 포함하는 가스 스트림(48)과 함께 부분 연소(partial combustion)시키거나, 상기 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45) 중 일부(132)를 연소 챔버(47) 내부에서 전체 연소(total combustion)시킴으로써 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45)의 온도를 700℃ 이상으로 상승시키고, 부분 연소 또는 전체 연소된 가스 스트림(53)을 상기 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45)의 나머지 부분(130)과 혼합시키는 단계와;
    연소 공정 이후의 700℃ 이상의 가스(46)를 환원반응기(10)의 환원 영역(12)으로 공급하는 단계와;
    환원반응기(10)의 상부 환원 영역(12)에서 생성된 직접환원철(18)을 하부 배출 영역(14)으로 배출시키는 단계;를 포함하여 구성되되,
    상기 연소챔버(47)에서의 부분 연소 또는 전체 연소 단계에서는 부분 연소 또는 전체 연소를 수행하기 위한 버너가 제공되고, 상기 가열된 이산화탄소 희박 가스 스트림(45)의 나머지 부분(130)은 이산화탄소 희박 가스의 온도를 상기 환원 영역(12)에서의 철광석(15) 환원에 적합한 온도까지 상승시킬 수 있도록 하기 위하여 연소 챔버(47)로부터 배출되는 가스 스트림과 연소 챔버(47)의 외부 또는 내부에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    백분율 부피로 (수소+일산화탄소)/(물+이산화탄소)로 표현되는, 상기 환원 반응기(10)로 공급되는 환원 가스 스트림 내의 산화제에 대한 환원제의 비율은 최소한 7인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    백분율 부피로 (수소+일산화탄소)/(수소+일산화탄소+물+이산화탄소)로 표현되는, 상기 환원 반응기(10)로 공급되는 환원 가스 스트림 내의 환원 인덱스(index)는 최소한 0.87인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있서,
    상기 환원 반응기(10)는 이동식 베드 반응기인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착형 이산화탄소 분리 유니트(70)는 PSA 또는 VPSA 흡착 유니트인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착형 이산화탄소 분리 유니트(70)는 화학 흡착 유니트인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 산소분자 포함 가스는 산업 순도(industrial purify)의 산소인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 산소분자 포함 가스는 산소 농축(enriched) 공기인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    이산화탄소 희박 가스 및 산소분자 포함 가스의 유속은 연소 챔버(47) 내의 부분 또는 전체 연소가 그을음이 형성 없이 수행되는 방법으로 제어되는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    연소 챔버(47) 내로 공급되는 이산화탄소 희박 가스는 전체 이산화탄소 희박 가스 스트림의 50% 및 70% 사이인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 직접환원철(18)은 폐쇄된 냉각 회로 내에서 재순환되는 냉각 가스를 순환시킴으로써 반응기의 원추형 하부 배출 영역(14) 내부에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 직접환원철(18)의 카본 함량을 증가시키기 위하여, 탄화수소를 포함하는 비산화제(non-oxidant) 냉각 가스를 상기 폐쇄된 냉각 회로로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 냉각 가스는 코크 오븐 가스(Coke Oven Gas)인 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 탄화수소를 포함하고 있는 냉각 가스는 환원반응기 하부 배출 영역(14)으로 바로 공급되는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 방법.
  15. 환원가스 소스로서 일산화탄소와 수소를 포함하는 가스 스트림을 이용하여 환원 플랜트에서 직접환원철을 생산하기 위한 장치에 있어서,
    수소와 일산화탄소를 포함하여 구성되는 700℃ 이상의 환원가스에 의해 산화철이 금속철을 포함하는 직접환원철(DRI)(18)로 환원 및 변화되고 가스 입구와 가스 배출구가 구비된 환원 영역(12)과, 배출영역(14)을 구비한 환원 반응기(10)와,
    상기 환원 반응기(10)로부터 발산되는 소비 가스로부터 제공되는 현열을 활용함으로써 연소 없이 환원 가스를 예열시킬 수 있도록 하는 가스-가스 열교환기(42)와,
    가스 정화 수단(38) 및 가스 냉각 수단(30)과,
    가스 압축기(24)와,
    이산화탄소 분리 유니트(70)와,
    연소영역과 혼합영역을 구비한 연소챔버(47)와,
    환원반응기(10)의 환원영역(12)에 구비된 가스 배출구와 열교환기(42)의 사이에 연결 설치되는 제1가스도관수단(44)과,
    상기 열교환기(42)의 출구와 가스 정화 수단(38) 및 가스 냉각 수단(30)의 사이에 연결 설치되는 제2가스도관수단(43,39)과,
    상기 가스 냉각 수단(30)과 가스 압축기(24)의 사이에 연결 설치되는 제3가스도관수단(27)과,
    상기 가스 압축기(24)와 상기 이산화탄소 분리 유니트(70)의 사이에 연결 설치되는 제4가스도관수단(29, 35, 31)과,
    상기 이산화탄소 분리 유니트(70)와 열교환기(42)의 사이에 연결 설치되는 제5가스도관수단(50)과,
    상기 열교환기(42)와 연소챔버(47)의 사이에 어떠한 가스 가열수단도 없이 직접 연결 설치되는 제6가스도관수단(45,130,132)과,
    상기 연소챔버(47)와 환원영역(12)의 가스 입구 사이에 연결 설치되는 제7가스도관수단(46)과,
    산소 또는 산소분자를 포함하는 가스를 상기 연소챔버(47) 내로 안내하기 위한 도관수단(48)과,
    상기 도관수단(48)에 설치되어 상기 환원 영역(12)의 가스 입구에서의 가스 스트림 희망 온도에 대응하여 산소분자를 포함하는 가스의 양을 제어하는 산소분자 포함가스 제어수단(52)을 포함하여 구성되되,
    상기 제6가스도관수단(45,130,132)은 열교환기(42)에 연결 설치되는 제1도관(45)과, 상기 제1도관(45)과 연소챔버(47)의 연소영역 사이에 연결 설치되는 제2도관(132) 및 상기 제1도관(45)과 연소챔버(47)의 혼합영역 사이에 연결 설치되는 제3도관(132)을 포함하여 구성되고,
    상기 제3도관(132)에는 상기 연소챔버(47)를 통과하는 환원가스의 양을 제어함으로써 환원가스가 연소챔버(47)로부터 흘러나오는 고온의 가스와 혼합될 수 있도록 하는 환원가스 제어수단(134)이 설치된 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    탄화수소 포함 냉각 가스를 환원 반응기(10)의 하부 배출 영역(14)으로 직접 공급하기 위한 도관 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    코크 오븐 가스를 환원 반응기(10)의 하부 배출 영역(14)으로 직접 공급하기 위한 도관 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 장치.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 환원반응기(10)는 고온 또는 냉간 직접환원철을 선택적으로 배출할 수 있도록 하기 위하여 직접환원철을 냉각하기 위한 냉각 가스 순환 시스템을 선택적으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 직접환원철을 생산하기 위한 장치.

  19. 삭제
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