KR101813670B1 - 산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철광석 생산 유닛, 바람직하게는 용융 환원 유닛(melt reduction unit) 또는 용융 가스화로(melter gasifier) 또는 산소-분출로(oxygen-blowing furnace)의 베드에 진입하는 체적 유량 및 질량 유량을 갖는 산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법에 관한 것으로, 상기 스트림은 상기 베드에 존재하는 탄소 캐리어를 가스화하기 위한 기술적으로 순수한 산소를 포함하고, 상기 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비는 증가되는 것이 특징이다.
Description
본 발명은 베드에 존재하는 탄소 캐리어의 가스화를 위해, 철광석 생산 유닛의 베드에 진입하는 체적 유량 및 질량 유량을 갖는 기술적으로 순수한 산소의 산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법에 관한 것이다.
예컨대, 용광로와 같은 선철 생산 유닛 또는 COREX® 또는 FINEX® 방법에서 사용되는 용융 가스화로(melter gasifier)와 같은 용융 환원 유닛(melt reduction unit)에서의 선철의 생산에 있어서는, 고온 공기 또는 산소 스트림의 취입에 의한 탄소 캐리어의 가스화에 의해 환원 가스가 얻어진다. 산화철 캐리어는 이 환원 가스에 의해 환원되고, 이어서 얻어진 환원 물질은 선철에 용융된다.
COREX® 또는 FINEX® 방법에서 사용된 용융 가스화로에 있어서, 산소 노즐들은, 탄소의 가스화를 위해 산소를 취입해서 환원 가스를 생산하는 한편, 용융 가스화로의 둘레에서 되도록 균일하게 철 캐리어를 상기 용융 가스화로의 베드 내로 제련하는데 필요한 에너지를 제공하기 위해, 용융 가스화로의 차르 베드(char bed)와 하스(hearth) 사이에서 상기 용융 가스화로의 둘레에 설치된다. 상기 철 캐리어가 제련되면, 액체 선철 및 액체 슬래그가 생산된다. 환원 가스에 의한 관통 유동이 없는 상기 산소 노즐들 아래의 용융 가스화로의 영역을 상기와 같은 경우의 상기 하스라고 한다. 상기 하스 내에는 액체 선철, 액체 슬래그 및 차르의 일부가 위치된다. 열적으로 탈기된 탄소 캐리어를 차르이라고 한다. 상기 산소 노즐 위에 놓이는 용융 가스화로의 영역을, 상기와 같은 경우에는, 차르 베드라고 하며, 액체 선철 및 액체 슬래그 및 차르뿐만 아니라, 상기 영역도 미용융된 부분적으로 환원된 철 캐리어 및 첨가물을 함유한다. 도입된 산소를 변환함으로써 형성되는 환원 가스는 상기 차르 베드를 통해 유동한다. 산소 노즐을 통해 상기 용융 가스화로에 진입하는 산소 스트림은 용융 가스화로 내에 소위 레이스웨이(raceway)를 형성하고, 여기서는 이미 탄소 캐리어의 가스화가 발생하고 있으며, 상기 환원 가스가 이미 생산되고 있다. 상기와 같은 경우의 레이스웨이는 산소 노즐 전방의 와류 구역(eddy zone)으로서 이해되어야 하며, 여기서는 상기 환원 가스가 산소 및 탄소 캐리어로부터 생산된다. 이 경우의 와류 구역이라는 용어는 상기 레이스웨이의 영역에서 심하게 요동하는 와류층과 같은 유동 조건을 반영한다. 유입하는 산소 스트림은 상기 차르 베드의 재료에 공동(cavern)을 생성한다. 상기 공동은 도달하는 산소 스트림의 충격 및 산소와 차르의 가스화 반응에 의해 생산된다. 상기 공동의 영역을 상기 레이스웨이라고 한다. 액체 베드를 대신하는 차르 베드와 비교하면, 상기 레이스웨이는 훨씬 많은 수의 갭을 갖는다. 상기 레이스웨이는 상기 용융 가스화로 내측의 상기 용융 가스화로의 둘레에 있는 산소 노즐들의 배치에 따라 수평면에서 연장된다. 상기 레이스웨이의 길이에 의해 위에서 볼 때 형성되는 단면을 또한 유효 링 표면(active ring surface)이라고 하며, 이 유효 링 표면이라는 용어에서, 유효라는 말은, 액체 선철 및 액체 슬래그의 배수가 상기 레이스웨이의 다수의 갭 때문에 상기 레이스웨이에 의해 특히 잘 실행되고, 탄소 캐리어의 가스화에 의해 생산된 환원 가스가 상기 레이스웨이로부터 차르 베드에 진입한다는 사실을 의미한다. 상기 유효 링 표면의 폭은 상기 레이스웨이의 길이방향 범위 및 그에 따른 산소 스트림의 침투 깊이에 의해 결정된다.
용광로의 둘레 주위를 따라 분포되는, 또한 블라스트 형성 레이스웨이라고 하는 노즐들을 통해 고온 블라스트 또는 산소를 취입하는 용광로에 의하더라도, 유효 링 표면을 가진 레이스웨이들은 상기 노즐들의 영역에 형성된다.
용융 가스화로의 차르 베드에 대하여, -15℃와 +45℃ 사이의 온도를 가진 기술적으로 순수한 산소로 이루어지는 산소 스트림의 통상적인 사용에 의해, 또한 보다 작은 직경의 산소 노즐을 사용하기 때문에, 고온 블라스트로 작동되는 용광로에 존재하는 적층된 베드에 비해, 상기 베드 재료 내로의 산소 스트림의 매우 낮은 침투 깊이가 생산된다. 따라서, 상기 차르 베드 내의 보다 짧거나 또는 제각기 더 좁은 레이스웨이를 통해, 고온 블라스트로 작동되는 용광로에 비해, 상기 용융 가스화로의 둘레에 상대적으로 작은 유효 링 표면이 생산되며, 이를 통한 상기 차르 베드 내로의 환원 가스의 가스 투과성 또는 상기 하스 내로의 액체 선철 또는 액체 슬래그의 배수는 제각기 상대적으로 열악하다. 또한, 탄소 캐리어로서 괴탄 및/또는 연탄의 사용에 의해, 코크스로 작동되는 용광로에 비해, 용융 가스화로 내의 차르 매트릭스의 수력학적 직경은 감소되고, 이로써 액체 선철 및/또는 액체 슬래그, 특히 고점성 슬래그의 흐름은 더 어려워져서, 산소 노즐 전방의 액체 선철 및/또는 액체 슬래그의 성장으로부터 문제점을 초래할 수 있다.
산소로 작동되는 용광로 및 용융 가스화로 내에서, 상기 베드 내로의 산소 스트림의 침투 깊이의 증가는 상기 유효 표면을 현저하게 증가시켜서 액체 선철 및 액체 슬래그의 배수를 향상시키게 된다.
상기 환원 가스는 기본적으로 상향으로 유동한다. 환원 가스의 유동 방향에서 보았을 때, 상기 레이스웨이 이후에, 즉 상기 레이스웨이 위에서, 용융 가스화로 또는 용광로의 베드에, 또한 기포 또는 채널 형성이라고 하는 바람직하지 않은 액화 영역이 생성된다. 이들 영역에서는, 다량의 가스가 고압으로 고체 베드 및 고체 혼합물에 진입하고, 생산된 가스는 액체처럼 거동한다. 액화 영역의 형성은, 상기 용융 가스화로 또는 용광로의 베드에 블로우 스루(blow through)를 초래할 수 있기 때문에, 바람직하지 않다. 블로우 스루는 상기 용융 가스화로 또는 용광로에서 이송된 가스의 가스 유동, 먼지 부하 및 그 조합의 급격하게 증가하는 변화를 초래하여, 상기와 같은 유닛들의 작동 관리를 더 어렵게 만든다. 또한, 블로우 스루에 의해 이들 입자는 용융 가스화로 또는 용광로로부터 환원 가스 또는 용광로 가스의 배기용 배관 내로 배출된다.
액화 영역은 또한 가스 또는 고형물의 최적의 상 전도(phase conduction)를 방지하기 때문에 바람직하지 않다. 액화 영역에서는, 상기 차르 베드의 상부 및 하부 영역으로부터 재료를 혼합하는 결과로 될 수 있고, 그에 따라 예컨대, 철 산화물이 상기 차르 베드의 상부 영역으로부터 상기 차르 베드의 하부 영역에까지 이르게 되며, 완전히 환원된 또한 부분적으로 이미 용융된, 상기 차르 베드의 하부 영역으로부터의 철이 그 상부 영역으로 운반되게 된다.
보다 많은 양의 가스의, 특히 산소에 의해 구동되는 용융 가스화로 및 용광로에서, 보다 많은 양의 산소의 상기 베드 내로의 도입시에, 액화 영역의 발생 위험은 증가하는 반면, 침투 깊이는 동일하게 유지된다.
상기 산소 스트림의 침투 깊이가 기본적인 상태에 관하여 증가되면, 특정량의 가스가 상기 레이스웨이로부터 상기 기본적인 상태에 비해 증가된 표면을 통해 상기 베드 내로 빠져 들어갈 수 있다. 결국, 상기 기본적인 상태에 비해 상기 산소 노즐 근처에서 액화 영역의 형성을 초래하는 압력 조건은 공간적으로 및 시간적으로 적게 발생하게 되고, 결과적으로, 산소 노즐 부근에서는 액화 영역이 덜 크고 또한 적은 빈도로 발생하게 된다.
용융 가스화로에 있어서, 상기 베드 내로의 산소 스트림의 진입 영역, 즉 상기 레이스웨이에서는, 용광로에 비해 다수배 높은 빠른 유속 때문에, 화학적 및 열적 체적 팽창이 발생하는 한편, 용광로 내의 코크스의 평균 사이즈에 비해 작은 차르 사이즈 때문에, 와류 구역이 발생한다. 공지된 바에 따르면, 산소 스트림의 보다 빠른 유속에 의해 침투 깊이의 증가가 달성되는 일은 거의 없다. 산소 스트림의 유속의 증가는 차르에서의 기계적 응력을 증가시키게 된다. 상기 기계적 응력은 상기 산소 스트림의 입자와 상기 차르 베드, 즉 상기 차르 사이의 충격 전달 및 그에 따른 상기 차르 베드 자체의 성분들간의 충격 전달에 의해 증가하게 된다. 상기 충격 전달에 의해 또는 상기 충격 전달에 기인하는 기계적 응력에 의해 각각 야기된 상기 차르의 마찰 또는 붕괴(decay)를 통해, 상기 와류 구역에서는 보다 미세한 입자가 형성되게 된다.
상기 차르의 붕괴에 대하여, 단위 공간마다 전달된 특정 충격은 결정 변수이다. 이 특징적인 변수는 표면 단위에 관련된 특정 펄스를 나타내는 충격력이다.
그러나, 상기 와류 구역에서의 보다 미세한 입자는 상기 레이스웨이의 와류 구역의 수력학적 직경의 감소를 초래하고, 이는 결국 상기 유효 링 표면을 통한 액체 선철 및 액체 슬래그의 배수에 악영향을 미친다.
용광로 내의 적층된 베드의 경우에는, 상기 침투 깊이의 증가는 산소 속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이 경우에, 고온 블라스트로 작동되는 용광로와 산소로 작동되는 용광로 사이에는 현저한 차이가 생긴다. 산소로 작동되는 용광로에서의 산소 스트림의 침투 깊이는 동일한 힘의 고온 블라스트에 의해 작동되는 용광로 내의 고온 블라스트의 침투 깊이에 비해 현저하게 적다. 이 이유는 도입된 가스의 질량 유량이 산소 스트림에서는 적기 때문이며, 고온 블라스트에서처럼 필요한 산소량에서 다량의 질소가 생기지 않기 때문이다. 산소로 작동되는 용광로의 경우에는, 고온 블라스트로 작동되는 동일한 출력의 용광로에서 나타나는 침투 깊이를 달성하기 위해, 산소 속도가 고온 블라스트의 속도에 비해 증가되어야만 하지만, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 충격 전달의 결과로서 용광로 내의 코크스의 기계적 파괴를 증가시키고, 결국 미세 입자 형성을 통해 용광로 내의 적층된 베드의 낮은 가스 투과성을 초래한다.
본 발명의 목적은 상술한 단점들이 회피되는 선철 생산 유닛의 베드에 산소 스트림을 도입시키는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은, 베드에 존재하는 탄소 캐리어를 가스화하기 위해, 선철 생산 유닛의 베드에 진입하는, 체적 유량 및 질량 유량을 갖는 기술적으로 순수한 산소로 이루어진 산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법에 있어서, 상기 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비가 증가되는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.
기술적으로 순수한 산소는 적어도 85체적%, 특히 바람직하게는 적어도 90체적%의 산소 함유량을 갖는다.
상기 선철 생산 유닛은, 예컨대 용융 가스화로 또는 산소 고로(oxygen blast furnace)와 같은 용융 장치 환원 유닛이 바람직하다.
상기 관통 깊이는 상기 질량 유량에 대한 체적 유량의 비의 증가에 의해 증가된다.
질량 유량 및 체적 유량은 주어진 운전 상태에 관련된다; 즉 주어진 운전 상태에서 얻어진 압력 및 온도 조건에서의 질량 유량 및 체적 유량을 의미한다.
산소 스트림의 베드에의 침투 깊이를 증가시킴으로써, 상기 용융 가스화로의 유효 링 표면이 증가된다. 따라서, 이것이 차르 베드를 통해 상향으로 유동할 때, 보다 느린 유속의 환원 가스가 생산된다. 따라서, 한편으로는, 용융 가스화로에 존재하는 와류층의 일반적이기는 하지만 원치 않는 기포 형성이 감소되고, 다른 한편으로는, 상기 용융 가스화로 내의 베드와 환원 가스 사이의 열 및 물질 교환이 향상된다. 액체 선철 및 액체 슬래그의 배수에 이용 가능한 표면이 증가되고, 그에 따라 상기 용융 가스화로 내로의 산소 스트림의 도입에 사용된 노즐에 대하여 매우 중요한 이들 액체의 정체(congestion)가 감소된다. 또한, 본 발명의 산소 스트림의 침투 깊이의 증가는 하스 내의 보다 양호한 야금 조건-예컨대, 슬래그 및 선철의 고상 및 액상간의 보다 양호한 상 교환- 및 태핑-오프(tapping-off) 프로세스 동안 결함 발생이 적은, 낮은 침투 깊이에 비해 개선된 태핑-오프 조건을 생성한다.
상기 질량 유량을 동일하게 유지하면서 상기 체적 유량이 증가되는 것이 바람직하다.
이 경우에는 동일하게 유지되는 다량의 산소가 시간 단위로 베드에 도입된다.
동일하게 유지되는 질량 유량은 본원에서는 플랜트 기술의 관점에서 이해되어야 하며, 주어진 운전 상태에 적합한 값의 +/- 10% 까지의 주어진 운전 상태-예컨대, 주어진 용융 파워, 열 요건, 사용 원료의 유형, 압력, 온도 등-에 대한 조절에 따라 결정된 변동을 또한 포함한다.
상기 산소 스트림은 유속을 가지고 상기 베드에 도달한다.
본 발명의 방법의 일 실시예에 따르면, 상기 산소 스트림의 온도는 증가된다.
상기 온도의 증가를 통해, 질량 유량에 대한 체적 유량의 비가 증가된다.
유리하게는, 연결되어 있는 선철 생산 유닛에의 에너지의 입력을 통해, 다른 유형의 에너지 입력, 예컨대 선철 생산 유닛에의 연료 보충에 있어서 절약이 될 수 있다.
본 발명의 방법의 다른 실시예에 따르면, 상기 유속을 동일하게 유지하면서 상기 산소 스트림의 온도가 증가된다.
이 경우에, 유속을 동일하게 유지하는 것은 플랜트 기술의 관점에서 이해되어야 하며, 주어진 운전 상태에 적합한 값의 +/- 10% 까지의 주어진 운전 상태에 대한 조절에 따라 발생하는 변동을 또한 포함한다.
유속을 동일하게 유지하는 방안은 일정한 유속에 기인하여 산소 스트림의 충격을 유지한다. 증가된 침투 깊이 및 진입 표면에 의하면, 충격력이 감소된다. 이는 보다 적은 미세 입자가 형성되게 한다.
동일하게 유지되는 질량 유량에서의 초기값에 관하여 증가된 산소 스트림의 온도에서 일정한 질량 유량을 보증하기 위해, 산소 스트림의 밀도가 온도의 증가에 의해 감소되더라도, 고온에서 사용되는 산소 노즐의 직경은 그에 맞게 더 크게 설계된다.
산소 노즐을 내부 단열하거나 또는 산소 노즐에 대한 산소 배관을 단열하거나 및/또는 열 손실을 낮추도록 설계하는 것이 더 권장된다.
산소 스트림의 온도를 증가시키기 위해, 이 산소 스트림은 선철 생산 유닛의 베드에 진입하기 전에 예열된다.
이는 단일의 프로세스에 의해 또는 하기의 다수의 프로세스들의 조합에 의해 실행될 수 있다:
- 버너를 통한 산소와, 고체, 액체 또는 가스 연료-예컨대 천연 가스인 환원 샤프트로부터의 탑 가스와 같이, 선철 생산 유닛을 사용하는 선철 생산 프로세스로부터 발생하는 프로세스 가스-의 연소, 및 이 프로세스에서 얻은 고온 가스의 산소와의 혼합.
바람직하게는, 이 경우의 산소와의 혼합은 산소를 이송하는 배관의 외벽에 미치는 온도의 영향을 최소화하기 위해 버너의 연소 챔버에서 발생한다.
- 혼합 챔버에서 또는 블라스트 지점에서의 스팀 및/또는 고온 질소와 산소의 혼합
- 예컨대, 하기의 것들을 통한 간접식 열교환기의 사용
- COREX®/FINEX® 프로세스 가스로부터의 폐열을 이용한 예열,
- 증기에 의한 예열,
- 열 오일 또는 질소와 같은 다른 열 매체에 의한 예열,
- 연소 연료로부터의 고온 연소 가스를 통한 예열. 이는 예컨대, 석탄 건조용 시스템, 환원 가스 오븐, 발전소와 같은 기존 시스템으로부터의 고온 연소 가스를 통해 실행될 수도 있다.
스팀에 의한 예열을 위해, 예컨대 응축 또는 배압 열교환기가 사용될 수 있다. 스팀 공급원은 임의의 경우에서라도 고 가용성을 가져야 한다.
가열된 산소는 그 제공을 위해 사용된 산소 생산 유닛으로부터 직접적으로 전달될 수 있다. 따라서, 산소 생산 시스템에서 발생하는 가온된 산소가 사용될 수 있으며, 이는 추가적인 가열과 함께 또는 추가적인 가열 없이 실행될 수 있다. 본 발명의 변형에 따르면, 이 경우의 산소는 산소 생산 프로세스의 고온 프로세스 공기에 의한 산소의 간접 열교환에 의해 산소 생산 유닛에서 가열된다. 다른 변형에 따르면, 산소는 가스 산소의 단열 압축에 의해 가열된다.
상기 산소는 또한, 예컨대 먼저 낮은 산소 압력에서 취해지는, 예컨대 100 내지 150℃ 까지의 예열에 이은, 대략 300℃ 까지 실행되는 단열 압축에 의해, 2 단계로 가열될 수도 있다.
상기 산소는 플라즈마 버너에 의한 산소의 예열 및 이렇게 예열되지 않은 산소와의 혼합에 의해 본 발명의 방법의 추가적인 실시예에 따라 예열될 수도 있다.
상기 산소는 산소 생산 유닛의 폐열 및/또는 발전소의 폐열에 의해 예열되는 것이 바람직하다.
본원에서의 산소 생산 유닛이 의미하는 것은 주로 공기 분리 유닛(ASU: Air Separation Unit)이다. 주공기 압축기(MAC: Main Air Compressor), 부스터 공기 압축기(BAC: Booster Air Compressor) 등의 복수의 압축기가 상기와 같은 ASU 에 존재한다. 복합 사이클 발전 설비(Combined Cycle Power Plants)에서는, 특히 공기 압축기에 결합되는 가스 터빈이 존재한다. 공기 생산 설비 또는 발전소에서 가스를 가열한 상기와 같은 압축기의 하향류는 압축을 통해 발생하고, 그 열은 폐열로서 환경에 배기된다. 이 폐열은 용융 가스화로의 적층된 베드에 도입되는 산소를 가열하는데 사용되는 것이 바람직하다.
산소 스트림의 온도의 증가는 철 캐리어를 용융하는데 필요한 에너지의 제공을 위한 탄소 캐리어의 요건을 감소시킨다. 이는 선철 생산 프로세스를 보다 용이하게 만들고, 선철 생산에 있어서, 특정 배기가스, 특히 CO2 는 감소된다.
산소 스트림은 차르 베드에 걸친 산소의 변환 중에 형성된 환원 가스의 플레넘 챔버까지의 유동 중에 발생하는 압력 손실을 극복할 수 있도록 선택되는 진입 압력하에서 베드에 진입한다.
본 발명의 방법의 실시예에 따르면, 상기 진입 압력은 질량 유량을 동일하게 유지하는 상태에서 감소된다. 이 경우에 선철 생산 프로세스를 계속할 수 있도록 하기 위해, 교반 챔버 내의 압력은 동시에 저하되거나, 또는 상기 차르 베드는 압력 손실을 저감시키는 사이즈로 감소된다. 진입 압력을 감소시킴으로써, 질량 유량을 동일하게 유지하는 상태에서 보다 높은 체적 유량이 달성될 수 있다.
이 경우에 동일하게 유지되는 질량 유량은 플랜트 기술의 관점에서 이해되어야 하며, 주어진 운전 상태에 적합한 값의 +/- 10% 까지의 주어진 운전 상태에 대한 조절에 따라 발생하는 변동을 또한 포함한다.
산소 스트림의 밀도가 압력의 감소에 의해 저하하더라도, 초기값에 대하여 감소된 입력 압력에 대하여 동일하게 유지되는 질량 유량을 보장하기 위해, 감소된 압력에 사용되는 산소 노즐의 직경은 그에 상응하여 보다 크게 구현되게 된다.
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 온도는 적어도 200℃, 바람직하게는 적어도 250℃ 에 이르는 것이 바람직하다.
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 유속은 대략 100m/s 내지 음속까지, 바람직하게는 150 내지 300m/s 범위에 이르는 것이 바람직하다. 여기서, 음속은 진입 산소의 압력/온도 조건하의 속도를 의미한다. 100m/s 미만에서는, 노즐 내로의 액체 선철의 역류에 의해 노즐 손상의 위험이 커지고, 음속을 초과하면, 산소 노즐을 통한 고압 손실이 발생되고, 그와 같은 속도에 필요한 압력을 달성하기 위해 높은 에너지가 요구된다. 또한, 상기와 같은 고속과 연관된 큰 충격은 바람직하지 않은 미세 입자의 형성에 크게 기여한다.
본 발명의 방법의 유리한 실시예에 따르면, 상기 산소 스트림과 함께, 상기 산소 스트림의 상기 베드에의 진입 영역에 형성된 레이스웨이의 전에 및/또는 상기 레이스웨이에서 상기 산소 스트림에 고체 또는 액체 또는 가스 형태로, 예컨대 석탄/오일/가스 자체로 탄소 캐리어를 주입한다.
여기서 얻어지는 효과는, - 도입된 가스 스트림이 유입하는 산소 스트림 및 가스화 중에 발생하는 가스로 구성되어 있기 때문에 - 최종 가스 스트림으로 불리는 산소 스트림만이 상기 베드에 진입하는 경우보다, 실질적으로 큰 가스 체적이 이들 탄소 캐리어의 가스화에 의해 상기 레이스웨이에 형성되어 상기 베드에 도입된다는 점이다. 상기 베드에 진입하는 동일한 양의 산소에 대하여, 진입하는 최종 가스 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비의 증가가 달성된다. 내부로 주입되는 또는 주입이 이루어지는 레이스웨이 내로의 산소 스트림의 주입량 및 순도는 최종 가스 스트림이 여전히 기술적으로 순수한 산소를 수반하도록 선택된다.
석탄은, 예컨대 분탄으로서 공급된다.
오일은, 예컨대 미세 연무로서 공급된다.
가스 자체는 산소 스트림의 온도까지 예열되는 것이 바람직하다. 가스 자체는 산소가 기여하는 선철 생산 프로세스 동안 형성된 환원 가스 또는 배기 가스로서 이해되어야 한다.
상기 산소 스트림의 질량 유량, 체적 유량, 온도, 압력 사양 및 상기 산소 스트림의 질량 유량, 체적 유량, 온도, 압력의 값들은 산소 스트림이 베드 내로 공급되는 지점에 관련된다.
도 1 내지 도 3 은 본 발명에 의해 달성된 효과들을 다이어그램들을 참조로 도시하는 도면들이다.
도 4, 도 5 및 도 6 은 유속을 동일하게 유지하는 상태에서 산소 스트림의 온도를 증가시킬 수 있는 방법의 개략적인 다이어그램의 예들을 도시하는 도면들이다.
도 4, 도 5 및 도 6 은 유속을 동일하게 유지하는 상태에서 산소 스트림의 온도를 증가시킬 수 있는 방법의 개략적인 다이어그램의 예들을 도시하는 도면들이다.
도 1 은 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비의 증가에 의해 산소 스트림의 침투 깊이가 어떻게 증가하는지에 대한 일례를 도시한다. 질량 유량은 일정하다. 도 1 은, 예를 들어 대략 0.22 로부터 대략 0.42㎥/㎏ 까지 질량 유량에 대한 체적 유량의 비의 약 90% 의 증가에 의해, 산소 스트림의 침투 깊이가 대략 15% 증가한 것을 도시한다. 이는 도시되어 있는 두 유속에 관련된다.
도 2 는 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비가 증가될 때 용융 가스화로의 베드 내로의 산소 스트림의 침투 깊이가 어떻게 증가하는지에 대한 일례를 또한 도시한다. 산소 스트림의 질량 유량은 동일하게 유지된다. 산소 스트림의 온도가 증가된 상태로 상기 유속을 동일하게 유지하기 위해서, 온도가 높을 수록 직경이 큰 산소 노즐-도면에서는 Nozzledia 로서 약기됨-이 사용된다. 일정한 질량 유량 및 일정한 유속에서는, 온도가 상승함에 따라 침투 깊이가 증가한다는 것을 도 2 로부터 알 수 있다. 밀도가 감소하는데 온도가 증가한다는 것은 체적이 보다 커진다는 것을 의미하기 때문에, 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비의 증가에 의해 침투 깊이의 증가가 발생한다.
도 3 은 산소 스트림의 질량 유량에 대한 체적 유량의 비가 진입 압력의 하락 또는 온도의 상승에 의해 증가하고 있음을 도시한다.
나타나 있는 도면들의 기준은 순산소의 2200N㎥/h 의 질량 유량 및 산소 노즐들로부터의 산소의 출구에서의 각각 5.5 또는 4.5 바(bar)의 절대 압력이었다.
도 4, 도 5 및 도 6 은 유속을 동일하게 유지하는 상태에서 산소 스트림의 온도를 증가시킬 수 있는 방법의 개략적인 다이어그램들을 예로서 도시한다. 이들 다이어그램에 있어서, 산소 노즐은 각 경우에 다이어그램의 우측단에 개략적으로 지시되어 있다.
도 4 는, 버너(3) 내에서 산소(1)의 일부와 함께 연소되는, 사용된 가스 연료-이 경우에는 선철 제조 유닛을 사용하는 선철 제조 프로세스로부터 도면에는 도시되지 않은 환원 샤프트로부터의 탑 가스(top gas)(2)-에 의해, 산소(1)가 어떻게 가열되는지를 개략적으로 도시하며, 여기서 얻은 고온 가스는 미연소 산소(1)와 혼합된다. 상기 혼합은, 이 경우에는, 산소를 이송하는 배관의 벽체에 대한 온도의 영향을 최소화하기 위해 버너(3)의 연소 챔버(4) 내에서 발생한다. 산소 스트림의 압력은 이 경우에는 동일하게 유지되고, 온도만이 상승한다.
도 5 는 간접식 열교환기(5)에 의해 산소(1)가 어떻게 가열되는지를 개략적으로 도시한다. 간접식 열교환기(5)에서는, 스팀(6)으로부터의 열이 산소에 전달되고, 이때 산소 스트림의 압력은 동일하게 유지된다.
도 6 은 산소(1)의 가열이 2 단계에 걸쳐 어떻게 실행되는지를 개략적으로 도시한다. 먼저, 산소 스트림의 저압에서의 예열이 간접식 열교환기(5) 및 스팀(6)에 의해 실행되고, 이어서 이렇게 예열된 산소의 단열 압축이 압축기(7)에서 실행된다. 이 경우에는, 예열 전에, 팽창 장치(8)에서의 단열 팽창에 의해 산소 스트림이 개시 압력으로부터 중간 압력까지 팽창되고, 여기서는 산소 스트림의 온도가 저하된다. 중간 압력하의 산소의 후속 예열 이후에, 산소는 단열 압축 동안 상기 개시 압력까지 되돌려지게 되고, 이 프로세스 동안 원하는 온도까지 가열된다.
1 : 산소
2 : 탑 가스
3 : 버너
4 : 연소 챔버
5 : 열교환기
6 : 스팀
7 : 압축기
8 : 팽창 장치
2 : 탑 가스
3 : 버너
4 : 연소 챔버
5 : 열교환기
6 : 스팀
7 : 압축기
8 : 팽창 장치
Claims (9)
- 베드에 존재하는 탄소 캐리어들을 가스화하기 위해, 산소 노즐에 의해, 철광석 생산 유닛의 베드에 진입하는, 체적 유량 및 질량 유량 그리고 유속을 갖는 기술적으로 순수한 산소의 산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법에 있어서,
상기 질량 유량을 동일하게 유지하면서, 상기 산소 스트림의 체적 유량은 산소 노즐의 직경을 증가시킴으로써 증가되고,
상기 유속을 동일하게 유지하면서 상기 산소 스트림의 온도가 증가되는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산소 스트림의 온도는 하기의 다수의 방법들 :
- 버너를 통한 산소와 고체, 액체 또는 가스 연료의 연소, 및 그에 따라 얻은 고온 가스의 산소와의 혼합,
- 혼합 챔버에서 또는 블라스트 입력 지점에서의 스팀 및/또는 고온 질소와 산소의 혼합,
- 간접식 열교환기들의 사용,
- 플라즈마 버너에 의해 산소를 예열하고, 이렇게 예열되지 않은 산소와의 혼합, 중 하나 또는 이들의 조합에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 산소 스트림은 진입 압력으로 상기 베드에 진입하며, 상기 질량 유량을 동일하게 유지하면서 상기 진입 압력이 감소되는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 온도는 적어도 200℃에 이르는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 유속은 100m/s 내지 음속의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 산소 스트림과 함께, 상기 산소 스트림의 상기 베드에의 진입 영역에 형성된 레이스웨이의 전에 및/또는 상기 레이스웨이에서 상기 산소 스트림에 고체 또는 액체 또는 가스 형태로 탄소 캐리어들을 주입하는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 철광석 생산 유닛은, 용융 환원 유닛(smelter reduction unit)/용융 가스화로(melter gasifier) 또는 산소-고로(oxygen-blast furnace)인 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 온도는 적어도 250℃에 이르는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 베드에 진입하는 산소 스트림의 유속은 150m/s 내지 300m/s의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는,
산소 스트림의 침투 깊이를 증가시키는 방법.
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