KR101978986B1 - 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 시스템 및 그 작동방법 - Google Patents

입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 시스템 및 그 작동방법 Download PDF

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KR101978986B1 KR1020170148796A KR20170148796A KR101978986B1 KR 101978986 B1 KR101978986 B1 KR 101978986B1 KR 1020170148796 A KR1020170148796 A KR 1020170148796A KR 20170148796 A KR20170148796 A KR 20170148796A KR 101978986 B1 KR101978986 B1 KR 101978986B1
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spectroscopic iron
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응기 및 그 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 주입구를 통해 분광철과 환원가스가 투입되는 상단부와, 상기 상단부 하단에 연결되며 투입된 분광철이 환원분위기 하에서 환원 반응이 발생되는 몸체와, 상기 몸체 하단에 연결되어 부분 환원된 분광철은 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 배출되는 하단부를 갖는 환원 반응기; 일측 끝단이 상기 환원 반응기 하단부에 구비된 배가스 토출부와 연결되어 배가스가 유입되는 연결관; 및 상기 연결관의 타측끝단에 연결되며 내부로 유입되는 상기 배가스의 분진을 분리하는 사이클론 집진기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템에 관한 것이다.

Description

입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 시스템 및 그 작동방법{A fast smelting reactor to make direct reduced iron regarding to various-sized particles and reductant diversification}
본 발명은 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응기 및 그 작동방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 다양한 조성의 환원제(환원가스)와 다양한 크기의 분광철(산화철)에 대응할 수 있는 환원반응기에 관한 것으로, 반응기의 동작원리는 고온의 환원가스(수소 및 일산화탄소 등)에 분광철을 분사함으로써 분광철을직접환원철(DRI)로 환원하는 것이다.
종래의 분광철(산화철) 환원반응기는 개질가스, 석탄 등의 기상 또는 고상의 탄소계 환원제를 사용하는 레토르트방식, 로터리-킬른 방식, 유동층 방식, 샤프트-퍼니스 방식 등이 있다.
이들은 반응기 내부 환원분위기 온도가 비교적 낮은 저온(약 1000 부근)에서 동작하고 이로 인해 지구온난화가스를 다량 배출하며 분광철 환원에 수 시간이 걸리는 단점이 있다.
또한 수소 성분이 들어간 환원제를 사용하는 경우 수소의 빠른 반응 특성 때문에 반응기 내부로 산화제 누설시 급격한 폭발반응을 제어하기 어려우며 환원입자가 미세한 경우(분광철 직경이 수 십 마이크로 미터 이하) 부력에 의해 입자가 환원되지 않고 반응기출구로 소실되기도 한다.
따라서 다양한 성분의 환원제와 다양한 크기의 분광철 환원에 대응할 수 있는 직접환원철(DRI) 제조 반응기 개발이 필요하였다.
대한민국 등록특허 제1004778 대한민국 공개특허 제2014-0054314호 대한민국 공개특허 제2012-0006032호 대한민국 등록특허 제1272291호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 분광철 입자를 고온의 환원분위기에서 급속환원시킴으로써 직접환원철(DRI; direct reducediron)을 생산할 수 있으며, 고온의 다양한 조성의 환원가스(미활용 부생가스 등) 유동장에 다양한 크기(수 마이크로미터에서 수 십 밀리미터 등)의 분광철을 분사하여 급속하게 환원시킬 수 있는 반응기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 고온의 환원반응기에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간과 환원율 및 환원가스 이용효율을 조절할 수 있는 급속환원반응기 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따르면, 제철 공정시 발생하여 버려지는 부생가스 등으로 산화철 입자를 환원 반응기에서 부분환원하거나 예열하여 고로나 전기로 등에 장입함으로써 에너지 이용효율을 높이고 생산시간을 줄일 수 있는 급속환원반응기 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 직접환원철 제조를 위한 탄소계 및 수소계 등 다양한 조성의 환원제와 직경이 수 마이크로 미터에서 수 밀리미터에 이르는 다양한 크기의 분광철에 대응할 수 있으며, 분광철의 환원속도 및 환원율, 배기단으로 나가는 미반응 환원제의 이용효율을 조절할 수 있는 급속환원반응기 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따르면, 다양한 조성의 환원가스(환원제)와 다양한 크기의 분광철(산화철)에 대응가능하며, 분사된 분광철은 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 분광철 입자와 환원가스의 반응속도가 빨라지고, 반응기내 선회류는 분광철 입자가 환원분위기에 노출되는 체류시간을 늘리는 역할을 함으로써 환원반응을 촉진할 수 있으며 반응기 부피를 줄일 수 있고, 선회류 유동을 따라 환원된 분광철은 반응기 아래 부분에 쌓이게 되는데 이러한 환원철 층은 환원되지 않은 미세입자가 배출되는 것을 방지함으로써 필터역할을 수행할 뿐만 아니라 환원철 공극사이로 미반응 환원가스가 지나가게 되므로 환원가스 이용효율을 높일 수 있는 급속환원반응기 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 환원 반응기에 있어서, 주입구를 통해 분광철과 환원가스가 투입되는 상단부; 상기 상단부 하단에 연결되며 투입된 분광철이 환원분위기 하에서 환원 반응되는 몸체; 및 상기 몸체 하단에 연결되어 부분 환원된 분광철은 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 배출되는 하단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응기로서 달성될 수 있다.
그리고, 주입구는 상기 상단부 일측에 접선방향으로 연통되어, 상기 주입구를 통해 분사되는 분광철과 환원가스는 선회류를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 미반응 환원가스가 상기 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하단부 일측에는 적층된 상기 분광철층이 배출되는 환원 분광철 배출부가 구비되며 상기 환원 분광철 배출부 일측에 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 하단부는 하부 점진적으로 직경이 감소되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 환원 반응기를 이용한 직접환원철 생산방법에 있어서,환원 반응기의 상단부 일측의 접선방향에 형성된 주입구를 통해 분광철과 환원가스가 분사되어 선회류가 발생되는 단계; 환원 반응기 몸체에서 분사된 분광철이 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 환원분위기 하에서 환원 반응되는 단계; 및 부분 환원된 분광철은 환원 반응기 하단부에 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응기를 이용한 직접환원철 생산방법으로서 달성될 수 있다.
그리고, 상기 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3목적은, 다양한 조성의 환원가스와 다양한 입자 크기의 분광철에 대응하는 급속 환원 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 환원 반응기; 일측 끝단이 상기 환원 반응기 하단부에 구비된 배가스 토출부와 연결되어 배가스가 유입되는 연결관; 및 상기 연결관의 타측끝단에 연결되며 내부로 유입되는 상기 배가스의 분진을 분리하는 사이클론 집진기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고, 상기 주입구 측으로 분광철과 환원가스를 공급하는 공급수단과, 공급되는 분광철과 환원가스의 유량, 유속을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 환원 반응기의 하단부에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하는 수위센서와, 상기 수위센서에서 측정된 값을 기반으로 환원 분광철 배출부 측에 구비된 개폐수단의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 제어부는 상기 유량조절부를 제어하여 반응속도, 환원율을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 연결관은 상기 배가스 토출부와 수평으로 연결되는 제1수평관과, 상기 사이클론 집진기의 유입단에 수평으로 연결되는 제2수평관과 상기 제1수평관과 상기 제2수평관 사이에 구비되는 수직관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 사이클론 집진기는 하부측에 분리된 분진이 토출되는 고체 토출부와, 상부측에 분진이 분리된 배가스가 토출되는 기체토출부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은 급속 환원 반응시스템의 작동방법에 있어서, 공급수단에 의해 환원 반응기의 상단부 일측의 접선방향에 형성된 주입구를 통해 분광철과 환원가스가 분사되어 선회류가 발생되는 단계; 환원 반응기 몸체에서 분사된 분광철이 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 환원분위기 하에서 환원 반응되는 단계; 부분 환원된 분광철은 환원 반응기 하단부에 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 연결관 측으로 배출되는 단계; 상기 연결관을 통해 상기 배가스가 사이클론 집진기 내로 유입되고, 상기 사이클론 집진기에 의해 상기 배가스의 분진이 분리되는 단계;를 포함하고, 상기 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
그리고, 수위센서가 상기 환원 반응기의 하단부에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하고, 상기 수위센서에서 측정된 값이 기 설정된 값을 초과하는 경우, 제어부는 상기 공급수단의 가동을 중단하고, 환원 분광철 배출부 측에 구비된 개폐수단을 개방시켜 상기 하단부에 적층된 환원된 분광철을 배출시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 유량조절부를 제어하여 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 환원 반응기에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간, 환원율을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 급속환원반응기에 따르면, 분광철 입자를 고온의 환원분위기에서 급속환원시킴으로써 직접환원철(DRI; direct reducediron)을 생산할 수 있으며, 고온의 다양한 조성의 환원가스(미활용 부생가스 등) 유동장에 다양한 크기(수 마이크로미터에서 수 십 밀리미터 등)의 분광철을 분사하여 급속하게 환원시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 급속환원반응기에 따르면, 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 고온의 환원반응기에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간과 환원율 및 환원가스 이용효율을 조절할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따른 급속환원반응기에 따르면, 제철 공정시 발생하여 버려지는 부생가스 등으로 산화철 입자를 환원 반응기에서 부분환원하거나 예열하여 고로나 전기로 등에 장입함으로써 에너지 이용효율을 높이고 생산시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 급속환원반응기에 따르면, 직접환원철 제조를 위한 탄소계 및 수소계 등 다양한 조성의 환원제와 직경이 수 마이크로 미터에서 수 밀리미터에 이르는 다양한 크기의 분광철에 대응할 수 있으며, 분광철의 환원속도 및 환원율, 배기단으로 나가는 미반응 환원제의 이용효율을 조절할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따른 급속환원반응기에 따르면, 다양한 조성의 환원가스(환원제)와 다양한 크기의 분광철(산화철)에 대응가능하며, 분사된 분광철은 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 분광철 입자와 환원가스의 반응속도가 빨라지고, 반응기내 선회류는 분광철 입자가 환원분위기에 노출되는 체류시간을 늘리는 역할을 함으로써 환원반응을 촉진할 수 있으며 반응기 부피를 줄일 수 있고, 선회류 유동을 따라 환원된 분광철은 반응기 아래 부분에 쌓이게 되는데 이러한 환원철 층은 환원되지 않은 미세입자가 배출되는 것을 방지함으로써 필터역할을 수행할 뿐만 아니라 환원철 공극사이로 미반응 환원가스가 지나가게 되므로 환원가스 이용효율을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기의 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기의 단면 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기를 이용한 직접환원철 생산방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템의 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템의 단면 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템의 작동방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기(10)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기(10)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기(10)의 단면 사시도를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 급속 환원반응기(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전체적으로 상단부(11)와, 몸체(13), 하단부(14)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 상단부(11)로는 주입구(12)를 통해 분광철과 환원가스가 투입, 분사되게 된다. 구체적으로 주입구(12)는 상단부(11) 일측에 접선방향으로 연통되어, 주입구(12)를 통해 분사되는 분광철과 환원가스는 선회류를 발생시키게 된다.
몸체(13)는 상단부(11) 하단에 연결되며 투입된 분광철이 환원분위기 하에서 환원 반응을 일으키게 된다. 따라서 다양한 조성의 환원가스와 다양한 크기의 분광철에 대응가능하며, 분사된 분광철은 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 분광철 입자와 환원가스의 반응속도가 빨라지고, 반응기(10) 내 선회류는 분광철 입자가 환원분위기에 노출되는 체류시간을 늘리는 역할을 함으로써 환원반응을 촉진할 수 있으며 반응기(10) 부피를 줄일 수 있게 된다.
그리고, 하단부(14)는 몸체(13) 하단에 연결되며, 이러한 하단부(14)에서는 부분 환원된 분광철은 적층되고, 배가스는 배가스 토출부(16)를 통해 배출되게 된다.
또한, 하단부(14)에 환원된 분광철은 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 미세입자의 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않게 되며, 미반응 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 환원되지 않은 분광철과 반응하게 된다.
즉, 선회류 유동을 따라 환원된 분광철은 하단부(14)에 쌓이게 되며 이러한 환원철층은 환원되지 않은 미세입자가 배출되는 것을 방지함으로써 필터역할을 수행할 뿐만 아니라 환원철 공극사이로 미반응 환원가스가 지나가게 되므로 환원가스 이용효율을 높일 수 있게 된다.
따라서 직접환원철 제조를 위한 탄소계 및 수소계 등 다양한 조성의 환원제와 직경이 수 마이크로미터에서 수 밀리미터에 이르는 다양한 크기의 분광철에 대응할 수 있게 된다.
또한, 하단부(14) 일측에는 적층된 상기 분광철층이 배출되는 환원 분광철 배출부(15)가 구비되며 환원 분광철 배출부(15) 일측에 개폐수단이 구비되게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응기(10)를 이용한 직접환원철 생산방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 환원 반응기(10)를 이용한 직접환원철 생산방법은 먼저, 환원 반응기(10)의 상단부(11) 일측의 접선방향에 형성된 주입구(12)를 통해 분광철과 환원가스가 분사되어 선회류가 발생되게 된다. 즉, 다양한 입자크기의 분광철과 다양한 조성의 환원가스가 접선방향으로 환원반응기(10)의 상단부(11) 측으로 분사되게 된다(S1).
그리고, 환원 반응기(10) 몸체(13)에서 분사된 분광철이 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 환원분위기 하에서 환원 반응이 발생되게 된다(S2).
그리고, 부분 환원된 분광철은 환원 반응기(10)의 하단부(14)에 적층되고, 배가스는 배가스 토출부(16)를 통해 배출되게 된다(S3).
이러한 과정에서, 하단부(14)에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 환원되지 않은 분광철과 반응하게 된다(S4).
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템(100)의 구성 및 기능 그리고 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템(100)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템(100)의 단면 사시도를 도시한 것이다. 또한, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(40)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 환원반응시스템(100)의 작동방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 다양한 조성의 환원가스와 다양한 입자 크기의 분광철에 대응하는 급속 환원반응시스템(100)은 앞서 언급한 환원 반응기(10)를 포함하며, 연결관(20)과 사이클론 집진기(30) 등을 더 포함하여 구성된다.
연결관(20)은 일측 끝단이 환원 반응기(10)의 하단부(14)에 구비된 배가스 토출부(16)와 연결되어 배가스가 유입되게 된다. 그리고, 사이클론 집진기(30)는 연결관(20)의 타측끝단에 연결되며 내부로 유입되는 배가스의 분진을 분리하게 된다. 사이클론 집진기(30)를 통해 분리된 분진은 하부측의 고체토출부(31)를 통해 배출되고, 기체는 상부측의 기체토출부(32)을 통해 토출되게 된다.
연결관(20)은 배가스 토출부(16)와 수평으로 연결되는 제1수평관(21)과, 사이클론 집진기(30)의 유입단에 수평으로 연결되는 제2수평관(23)과, 제1수평관(21)과 제2수평관(23) 사이에 구비되는 수직관(22)을 포함하여 구성되며, 제1수평관(21)과 수직관(22)의 연결부, 그리고 제2수평관(23)과 수직관(22)의 연결부는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 특정곡률로 만곡된 곡관 형태를 가짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 급속 환원반응시스템(100)은 주입구(12) 측으로 분광철과 환원가스를 공급하는 공급수단(1)과, 공급되는 분광철과 환원가스의 유량, 유속을 조절하는 유량조절부(2)를 포함하여 구성된다.
그리고 환원 반응기(10)의 하단부(14)에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하는 수위센서(41)와, 수위센서(41)에서 측정된 값을 기반으로 환원 분광철 배출부(15) 측에 구비된 개폐수단의 개폐를 제어하는 제어부(40)를 포함하여 구성된다. 또한, 환원반응기(10) 내부온도를 실시간으로 측정하는 온도센서(43)와, 투입되는 유량을 실시간으로 측정하는 유량계(42)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 제어부(40)는 유량조절부(2)를 제어하여 유입되는 환원가스와 분광철의 유속, 유량을 조절함을써, 반응속도, 환원율을 제어할 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따르면, 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 고온의 환원반응기(10)에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간과 환원율 및 환원가스 이용효율을 조절할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 환원 반응시스템(100)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 개폐수단을 닫고, 공급수단(1)을 가동시켜, 환원 반응기(10)의 상단부(11) 일측의 접선방향에 형성된 주입구(12)를 통해 분광철과 환원가스를 분사시켜 선회류를 발생시키게 된다(S10).
그리고, 환원 반응기(10) 몸체(13)에서 분사된 분광철이 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 환원분위기 하에서 환원 반응이 발생되게 된다(S20).
하단부(14)에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 환원되지 않은 분광철과 반응하게 된다(S30).
그리고, 배가스는 배가스 토출부(16)를 통해 연결관(20) 측으로 배출되게 된다(S40). 그리고, 연결관(20)을 통해 배가스가 사이클론 집진기(30) 내로 유입되고, 사이클론 집진기(30)에 의해 배가스의 분진이 분리되게 된다(S50).
이러한 과정에서 수위센서(41)가 상기 환원 반응기(10)의 하단부(14)에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하고, 온도센서(43)는 환원반응기(10)의 온도를 측정하게 되며, 유량계(42)는 유량을 실시간으로 측정하게 된다.
제어부(40)는 측정된 값을 기반으로 유량조절부(2)는 제어하여 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 환원 반응기(10)에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간, 환원율을 조절하게 된다(S60).
그리고 수위센서(41)에서 측정된 값이 기 설정된 값을 초과하는 경우, 제어부(40)는 공급수단(1)의 가동을 중단하고(S80), 환원 분광철 배출부(15) 측에 구비된 개폐수단을 개방시켜 하단부(14)에 적층된 환원된 분광철을 배출시키게 된다(S90). 이러한 과정은 시스템(100)을 완전히 종료할 때까지 반복적으로 수행되게 된다(S100).
따라서 앞서 언급한 본 발명의 일실시예에 따르면, 분광철 입자를 고온의 환원분위기에서 급속환원시킴으로써 직접환원철(DRI; direct reducediron)을 생산할 수 있으며, 고온의 다양한 조성의 환원가스(미활용 부생가스 등) 유동장에 다양한 크기(수 마이크로미터에서 수 십 밀리미터 등)의 분광철을 분사하여 급속하게 환원시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 고온의 환원반응기(10)에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간과 환원율 및 환원가스 이용효율을 조절할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 직접환원철 제조를 위한 탄소계 및 수소계 등 다양한 조성의 환원제와 직경이 수 마이크로 미터에서 수 밀리미터에 이르는 다양한 크기의 분광철에 대응할 수 있으며, 분광철의 환원속도 및 환원율, 배기단으로 나가는 미반응 환원제의 이용효율을 조절할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 일실시예에 따르면, 다양한 조성의 환원가스(환원제)와 다양한 크기의 분광철(산화철)에 대응 가능하며, 분사된 분광철은 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 분광철 입자와 환원가스의 반응속도가 빨라지고, 반응기(10) 내 선회류는 분광철 입자가 환원분위기에 노출되는 체류시간을 늘리는 역할을 함으로써 환원반응을 촉진할 수 있으며 반응기 부피를 줄일 수 있고, 선회류 유동을 따라 환원된 분광철은 반응기 아래 부분에 쌓이게 되는데 이러한 환원철 층은 환원되지 않은 미세입자가 배출되는 것을 방지함으로써 필터역할을 수행할 뿐만 아니라 환원철 공극사이로 미반응 환원가스가 지나가게 되므로 환원가스 이용효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:공급수단
2:유량조절부
10:환원반응기
11:상단부
12:주입구
13:몸체
14:하단부
15:환원 분광철 배출부
16:배가스 토출부
20:연결관
21:제1수평관
22:수직관
23:제2수평관
30:사이클론 집진기
31:기체토출부
32:고체토출부
40:제어부
41:수위센서
42:유량계
43:온도센서
100:환원반응시스템

Claims (17)

  1. 다양한 조성의 환원가스와 다양한 입자 크기의 분광철에 대응하는 급속 환원 시스템에 있어서,
    주입구를 통해 분광철과 환원가스가 투입되는 상단부와, 상기 상단부 하단에 연결되며 투입된 분광철이 환원분위기 하에서 환원 반응되는 몸체와, 상기 몸체 하단에 연결되어 부분 환원된 분광철은 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 배출되는 하단부를 갖는 환원 반응기;
    일측 끝단이 상기 환원 반응기 하단부에 구비된 배가스 토출부와 연결되어 배가스가 유입되는 연결관; 및
    상기 연결관의 타측끝단에 연결되며 내부로 유입되는 상기 배가스의 분진을 분리하는 사이클론 집진기;
    상기 주입구 측으로 분광철과 환원가스를 공급하는 공급수단과, 공급되는 분광철과 환원가스의 유량, 유속을 조절하는 유량조절부; 및
    상기 환원 반응기의 하단부에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하는 수위센서와, 상기 수위센서에서 측정된 값을 기반으로 환원 분광철 배출부 측에 구비된 개폐수단의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주입구는 상기 상단부 일측에 접선방향으로 연통되어, 상기 주입구를 통해 분사되는 분광철과 환원가스는 선회류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    미반응 환원가스가 상기 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하단부 일측에는 적층된 상기 분광철층이 배출되는 환원 분광철 배출부가 구비되며 상기 환원 분광철 배출부 일측에 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 하단부는 하부 점진적으로 직경이 감소되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  7. 급속 환원 반응시스템의 작동방법에 있어서,
    공급수단에 의해 환원 반응기의 상단부 일측의 접선방향에 형성된 주입구를 통해 분광철과 환원가스가 분사되어 선회류가 발생되는 단계;
    환원 반응기 몸체에서 분사된 분광철이 선회되는 난류유동을 따라 흐르면서 환원분위기 하에서 환원 반응되는 단계; 및
    부분 환원된 분광철은 환원 반응기 하단부에 적층되고, 배가스는 배가스 토출부를 통해 연결관 측으로 배출되는 단계;
    상기 연결관을 통해 상기 배가스가 사이클론 집진기 내로 유입되고, 상기 사이클론 집진기에 의해 상기 배가스의 분진이 분리되는 단계;를 포함하고,
    상기 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하며,
    수위센서가 상기 환원 반응기의 하단부에 적층되는 분광철층의 수위를 측정하고, 상기 수위센서에서 측정된 값이 기 설정된 값을 초과하는 경우, 제어부는 상기 공급수단의 가동을 중단하고, 환원 분광철 배출부 측에 구비된 개폐수단을 개방시켜 상기 하단부에 적층된 환원된 분광철을 배출시키는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템의 작동방법.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 7항에 있어서,
    상기 하단부에 환원된 분광철이 적층되어 분광철층을 형성하며 환원되지 않은 분광철은 분광철층에 의해 배출되지 않고, 환원가스가 분광철층 공극사이로 통과하면서 상기 환원되지 않은 분광철과 반응하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템의 작동방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 유량조절부를 제어하여 반응속도, 환원율을 조절하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연결관은 상기 배가스 토출부와 수평으로 연결되는 제1수평관과, 상기 사이클론 집진기의 유입단에 수평으로 연결되는 제2수평관과 상기 제1수평관과 상기 제2수평관 사이에 구비되는 수직관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 사이클론 집진기는 하부측에 분리된 분진이 토출되는 고체 토출부와, 상부측에 분진이 분리된 배가스가 토출되는 기체토출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 7항에 있어서,
    상기 제어부는 유량조절부를 제어하여 선회류 유속과 유량을 조절하여 분광철 입자가 환원 반응기에 머무는 체류시간을 조절하여 분광철 입자의 환원시간, 환원율을 조절하는 것을 특징으로 하는 입자 크기 및 연료 다변화 대응 급속 환원 반응시스템의 작동방법.
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