KR102019971B1 - 액상 선철 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액상 선철(1)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 제1 환원 시스템(4)에서 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 형성하기 위해 철 산화물 함유 장입 재료들(2)을 환원시키는 단계, 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3), 제1 산소 함유 가스(9, 9a), 및 제1 탄소 담지체(carbon carrier)(10)를 용융 가스화로(melter gasifier)(11)에 도입하는 단계, 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체(13) 그리고 제2 산소 함유 가스(9b)를 용융 가스화기의 고정층 상부에서 용융 가스화로(11) 내의 혼합 영역(18) 내로 도입시키는 단계, 혼합 영역(18)에서 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체(13)를 제2 산소 함유 가스(9b)와 혼합하는 단계 ― 연소 공기비(combustion air ratio)는 0.2 내지 0.4, 바람직하게는 0.3 내지 0.35의 범위로 설정되어 혼합 영역(18) 내에서 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체(13)의 부분 산화를 달성함 ―, 및 혼합 영역(18)으로부터의 부분 산화로부터 생성된 가스를 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적의 가스와 혼합하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 액상 선철(pig iron)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, 환원 가스에 의해 제1 환원 시스템에서 부분적으로 환원된 제1 철 제품을 형성하기 위해 철 산화물 함유 장입 재료들을 환원시키고 환원시에 소비된 환원 가스를 노정 가스(top gas) 또는 오프가스(offgas)로서 토출하는 단계; 부분적으로 환원된 제1 철 제품, 제1 산소 함유 가스, 및 제1 탄소 담지체(carbon carrier)를 용융 가스화로(melter gasifier)에 도입하는 단계; 용융 가스화로에서 환원 가스를 발생시키면서 액상 선철을 형성하도록 탄소 담지체들을 산소 함유 가스로 가스화하고 부분적으로 환원된 제1 철 제품을 용융시키는 단계; 및 환원 가스 라인에 의해 환원 가스의 적어도 부분적인 양을 제1 환원 시스템으로 도입하는 단계를 포함한다.
이러한 제련 환원 공정(smelting reduction process)의 경우에, 가스 정화 시스템들(한편으로는, 환원 시스템으로부터의 노정 가스 또는 오프 가스용, 다른 한편으로는, 용융 가스화로로부터의 환원 가스용)이 또한 일반적으로 제공되며, 그리고, 시스템 구성에 따라, 보통 압력 스윙 흡착에 의한 종래 기술에 따르면, 노정 가스 또는 오프가스로부터 CO2를 제거하기 위한 장치는 이 가스가 제2 환원 시스템에 공급된다면 또는 이 가스가 제련 환원 공정에서 사용될 것이라면, 제공된다.
공지된 제련 환원 공정들은 Corex®공정 및 Finex®공정이다. Corex®공정은 2-단계 제련 환원 공정이다. 제련 환원은 소위 용융 가스화로에서의 제련 공정(잔류 환원을 포함)과 간접 환원(해면철(iron sponge)을 형성하기 위한 철 산화물의 예비 환원, 종종 직접 환원이라고도 함) 공정을 결합한다. 마찬가지로 공지된 Finex®공정은 연달아 배열된 다수의 유동층 반응기들(fluidized bed reactors)에서 사전에 환원된 분광(fine ore)으로서 철광석을 직접 사용함으로써 Corex®공정과 상이하다.
이러한 제련 환원 공정(smelting reduction process)의 경우에, 가스 정화 시스템들(한편으로는, 환원 시스템으로부터의 노정 가스 또는 오프 가스용, 다른 한편으로는, 용융 가스화로로부터의 환원 가스용)이 또한 일반적으로 제공되며, 그리고, 시스템 구성에 따라, 보통 압력 스윙 흡착에 의한 종래 기술에 따르면, 노정 가스 또는 오프가스로부터 CO2를 제거하기 위한 장치는 이 가스가 제2 환원 시스템에 공급된다면 또는 이 가스가 제련 환원 공정에서 사용될 것이라면, 제공된다.
공지된 제련 환원 공정들은 Corex®공정 및 Finex®공정이다. Corex®공정은 2-단계 제련 환원 공정이다. 제련 환원은 소위 용융 가스화로에서의 제련 공정(잔류 환원을 포함)과 간접 환원(해면철(iron sponge)을 형성하기 위한 철 산화물의 예비 환원, 종종 직접 환원이라고도 함) 공정을 결합한다. 마찬가지로 공지된 Finex®공정은 연달아 배열된 다수의 유동층 반응기들(fluidized bed reactors)에서 사전에 환원된 분광(fine ore)으로서 철광석을 직접 사용함으로써 Corex®공정과 상이하다.
선철과 유사한 제품들의 제조를 포함하도록 또한 의도되는 액상 선철의 제조를 위해, 본질적으로 공지된 2 개의 보편적으로 사용되는 방법들: 고로법(blast furnace method) 및 제련 환원이 존재하며, 제련 환원은 예를 들어, Corex®공정 또는 Finex®공정이다. 본 발명은 제련 환원에 관한 것이다.
제련 환원은 고온 액상 금속, 바람직하게는 선철이 제조되는 용융 가스화로를 사용하고, 그리고 또한 적어도 하나의 환원 시스템, 예를 들어, 적어도 하나의 환원 반응기(여기서, 철광석(괴광(lump ore), 분광(fine ore) , 펠릿들(pellets), 소결물(sinter)의 담지체가 환원 가스로 적어도 부분적으로 환원됨)를 사용하며, 이 환원 가스는 용융 가스화로에서 기술적 순도의 산소(산소 함량 90 % 이상)로 주로 석탄 및 코크스를 가스화함으로써 발생된다. 이 가스화 동안, 요구되는 공정 열이 생성되고, 환원 가스가 예열, 건조, 철 환원, 하소(calcination) 등과 같은 공정의 상류 단계들에 요구된다.
부분 환원은, 철 담지체 재료의 환원도가 환원 반응기에서 증가되지만, 환원도는 100 % 미만으로 유지되는 것을 의미한다. 환원 시스템 이후의 통상적인 환원도는 50 % 내지 90 %이다. 환원도(RD; reduction degree)는 철 담지체 재료의 산화물로부터의 산소 고갈의 척도이며, 하기 식에 의해 묘사되는데,
여기서, O는 산소가 차지하는 철 담지체 재료의 물질량 분율(amount-of-substance fraction)을 나타내고, Fetot은 철이 차지하는 철 담지체 재료의 물질량 분율을 나타낸다(각각의 경우, mol %임).
제련 환원 공정의 경우, 발생된 환원 가스의 양이 예비 환원 동안 원하는 부분적인 환원을 달성하기에 충분한 매우 많은 고체 탄소 담지체가 첨가되거나(이는 소비되는 탄소 담지체들의 양이 비 경제적으로 높은 단점을 가짐), 보다 적은 고체 탄소 담지체가 첨가되고 요구되는 환원 가스의 양은 소비되지 않은 공정 가스를 복귀시키고 이를 처리함으로써 이용 가능하게 된다. 그러나, 이 후자의 변형은, 추가로, 적어도 하나의 압축기 및 CO2 제거 시스템을 요구하며, 이는 조업 중에 증가된 투자 비용 및 증가된 에너지 소비를 야기한다.
제련 환원은 고온 액상 금속, 바람직하게는 선철이 제조되는 용융 가스화로를 사용하고, 그리고 또한 적어도 하나의 환원 시스템, 예를 들어, 적어도 하나의 환원 반응기(여기서, 철광석(괴광(lump ore), 분광(fine ore) , 펠릿들(pellets), 소결물(sinter)의 담지체가 환원 가스로 적어도 부분적으로 환원됨)를 사용하며, 이 환원 가스는 용융 가스화로에서 기술적 순도의 산소(산소 함량 90 % 이상)로 주로 석탄 및 코크스를 가스화함으로써 발생된다. 이 가스화 동안, 요구되는 공정 열이 생성되고, 환원 가스가 예열, 건조, 철 환원, 하소(calcination) 등과 같은 공정의 상류 단계들에 요구된다.
부분 환원은, 철 담지체 재료의 환원도가 환원 반응기에서 증가되지만, 환원도는 100 % 미만으로 유지되는 것을 의미한다. 환원 시스템 이후의 통상적인 환원도는 50 % 내지 90 %이다. 환원도(RD; reduction degree)는 철 담지체 재료의 산화물로부터의 산소 고갈의 척도이며, 하기 식에 의해 묘사되는데,
여기서, O는 산소가 차지하는 철 담지체 재료의 물질량 분율(amount-of-substance fraction)을 나타내고, Fetot은 철이 차지하는 철 담지체 재료의 물질량 분율을 나타낸다(각각의 경우, mol %임).
제련 환원 공정의 경우, 발생된 환원 가스의 양이 예비 환원 동안 원하는 부분적인 환원을 달성하기에 충분한 매우 많은 고체 탄소 담지체가 첨가되거나(이는 소비되는 탄소 담지체들의 양이 비 경제적으로 높은 단점을 가짐), 보다 적은 고체 탄소 담지체가 첨가되고 요구되는 환원 가스의 양은 소비되지 않은 공정 가스를 복귀시키고 이를 처리함으로써 이용 가능하게 된다. 그러나, 이 후자의 변형은, 추가로, 적어도 하나의 압축기 및 CO2 제거 시스템을 요구하며, 이는 조업 중에 증가된 투자 비용 및 증가된 에너지 소비를 야기한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 용융 가스화로의 고체 탄소 담지체들의 소비가 추가 장비 또는 자본 지출에 대한 가능한 최소의 지출로 감소될 수 있는 액상 선철을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은, 제1 항에 따른 방법에 의해 달성되며, 다음의 추가 단계들이 처음에 설명된 방법의 경우에 실행된다:
제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체 그리고 또한 제2 산소 함유 가스를 용융 가스화로의 고정층(목탄층(char bed)) 상부의 용융 가스화로 내의 혼합 영역 내로 도입시키는 단계,
혼합 영역에서 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체를 제2 산소 함유 가스와 혼합하는 단계 ― 연소 공기비(combustion air ratio)는 0.2 내지 0.45, 바람직하게는 0.3 내지 0.35의 범위로 설정되어 혼합 영역에서 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체의 부분 산화를 달성함 ―, 및
혼합 영역으로부터의 부분 산화로부터 생성된 가스를 용융 가스화로 내의 잔여 용적의 가스와 혼합하는 단계.
따라서, 본 발명에 따르면, 단지 액체, 단지 기체상, 또는 액체 및 기체상 탄소 담지체들의 상당량들이 H2 및 CO의 형태로 이들로부터 환원 가스를 생성하는데 사용되며, 이 환원 가스는 용융 가스화로에서 발생된 전체 환원 가스의 상당 부분을 형성한다. "제2 탄소 담지체"라는 용어는 제1 탄소 담지체와 상이하다는 것을 의미한다. 그러나, 제2 탄소 담지체는 그 자체로 다양한 물질들을 다시 포함할 수 있으며, 그리고 또한 용융 가스화로의 다수의 지점들에서 도입될 수 있으며, 물론, 이는 제3, 제4 액체 및/또는 고체 탄소 담지체들 등을 어느정도까지는 포함할 수 있다. 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체는, 특히, 천연 가스, 코크스 오븐 가스, 알칸 및 방향족 화합물(예를 들어, 코크스 타르)을 함유할 수 있다.
제2 산소 함유 가스는, 바람직하게는, 적어도 90 %의 O2 함량을 갖는 기술적 순도의 산소이다. 이는 용융 가스화로 내로의 질소 투입을 낮게 유지하는 것을 허용한다. 이는 또한, 여기서는, "제2 산소 함유 가스"는 다수의 소스들로부터의 가스를 함유할 수 있으며, 다수의 지점들에서 용융 가스화로의 상응하는 혼합 영역 또는 혼합 영역들로 도입될 수 있으며, 이 가스들 모두가 "제2 산소 함유 가스"로 지칭되는 것을 적용한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제1 탄소 담지체와 공간적으로 독립적인 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체, 그리고 마찬가지로 제1 산소 함유 가스와 공간적으로 독립적인 제2 산소 함유 가스가 용융 가스화로 내에서 혼합 영역(또는 다수의 혼합 영역들) 내로 도입된다. 가능한 한, 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 서로 반응하기 전에 이미 이 혼합물에 첨가하는 용융 가스화로 내에 있는 환원성 가스의 상당한 부분들없이 서로 혼합되는 것을 보장하기 위해서, 이 혼합 영역은 가스 유동들, 반응들 및 온도에 관하여 용융 가스화로 내의 잔여 용적에 의해 영향을 받지 않는다.
본 발명에 따른 연소 공기비와 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스의 혼합은 부분 산화를 야기하며, 즉, 제2 탄소 담지체의 탄화수소들은 주로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 전환되며, 결과적으로 환원 가스의 환원 구성성분들(reducing constituents)로서 이용 가능하다.
작은 부분(25 % 미만)에서, 산소 함유 가스의 산소 및 탄화수소들은 혼합 영역에서 완전히 산화되어 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)를 형성한다. 결과적으로, 혼합 영역의 온도들이 환원 가스로의 높은 전환율을 달성하기에 충분히 높다(1000 ℃ 초과)는 것이 보장된다.
마찬가지로, 작은 부분(10 % 미만)에서는, 제2 탄소 담지체의 탄화수소들이 분해되지 않거나 더 작은 탄화수소들로만 분해된다. 분해되지 않거나 단지 부분적으로 존재하는 이러한 탄화수소들은, 그 다음에, 추가될 촉매들에 대한 요구 없이, 어떠한 경우라도 존재하고 촉매로서 작용하며, 또한 특히 금속성 철을 함유하는 분진(dust) 입자들에 의해 용융 가스화로 내의 잔여 용적에서 추가로 분해될 수 있다. 이러한 이유로, 혼합 영역으로부터 결과적인 가스는 또한 용융 가스화로 내의 잔여 용적으로 공급된다.
가동 디바이스들이 혼합 영역에서의 혼합을 위해 반드시 제공될 필요는 없는데; 보통은, 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 도입될 때 적절한 압력 및/또는 적절한 방향들에 의해서만 충분한 혼합이 달성된다. 즉, 혼합 영역으로 도입될 때의 제2 탄소 담지체의 방향은 혼합 영역으로 도입될 때의 제2 산소 함유 가스의 방향과 상이할 수 있다.
유사하게는, 혼합 영역으로부터의 결과적인 가스를 용융 가스화로의 잔여 용적의 가스와 혼합하기 위해 가동 디바이스가 특별히 제공되는 것이 불필요할 수 있는데, 이는 그 대신에 유사하게 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 도입될 때의 압력 및 방향에 의해서만 유사하게 야기되는데, 이는 결국 어떤 경우에도 혼합 영역과 용융 가스화로의 잔여 용적 사이의 공간적 연결이 존재하기 때문이다. 혼합 영역으로부터 결과적인 가스는 부분 산화의 결과의 결과로서 발생된 열로 인해 그리고 제2 탄소 담지체와 제2 산소 함유 가스의 소용돌이(swirling)로 인해 잔여 용융 가스화로의 가스와 혼합된다.
연소 공기비는 보통, 람다로 표시되며 또한 공기비 또는 공기 갯수로 공지되고 있다. 이는, 연소 이론으로부터 무차원양인데, 이것은 연소 공정에서, 공기(여기서는, 제2 산소 함유 가스) 및 연료(여기서는, 제2 탄소 담지체)의 당량비(stoichiometric ratio)를 나타낸다. 본 발명에 따른 연소 공기비로, 25 % 미만, 특히 15 % 미만의 산화도가 부분 산화시에 달성될 수 있고, 1150 내지 1500 ℃의 평균 온도가 제2 산소 함유 가스 및 제2 탄소 담지체의 혼합 영역에서 달성될 수 있다.
원칙적으로, 제1 탄소 담지체들 이외에 덩어리 형태(lump form)로 용융 가스화로에 기체상 탄소 담지체들을 도입하는 것이 또한 공공연하게 공지되어 있으며, 이 점에 있어서는, 예를 들어 WO 2015/000604 A1을 참조하며, 여기서는, 하나의 설계 변형에서 황 함유 가스가 산소 함유 가스와 함께 용융 가스화로 내로 도입된다. 그러나, 실제로 환원 가스(H2 및 CO)의 수율을 최대화하는 것과 같은 방식으로 작동하도록 설계되지 않은 종래의 산소 버너에 의해 도입이 발생되는 동시에, 미리 규정된 혼합비를 설정함으로써 CO2, H2O 및 C 형성을 최소화시킨다. 더욱이, WO 2015/000604 A1에 따른 종래의 산소 버너는, 가스와 산소를 혼합하기 위해 용융 가스화로 내에 규정된 공간 혼합 영역이 없다. 산소 버너에서 제어된 조건 하에서의 적어도 부분 산화는, WO 2015/000604 A1에 개시되어 있지 않다. 혼합 영역의 결과로서 본 발명에 따른 방법의 경우에서 가능한 것처럼, 보다 많은 양의 기체상 탄소 담지체들의 사용은, 기체상 탄소 담지체들과 관련하여 산소 함유 가스의 특정 제어없이 종래의 산소 버너들에 의해 달성될 수 없는데, 이는 제어없이, 형성된 환원 가스의 산화도는 제1 환원 시스템에서의 철 담지체들의 예비 환원에 대해 너무 높아질 것이기 때문이다.
추가 디바이스들없이 혼합 영역에서 환원 가스 성분들(CO 및 H2)의 고 수율을 동시에 만족하는 부분 산화를 위한 충분히 높은 온도를 보장하기 위해, 설계 변형에서, 혼합 영역이 용융 가스화로에 있는 환원성 가스에 의해 둘러싸이는 것이 제공된다. 그 결과, 혼합 영역의 열 손실들이 최소화된다. 용융 가스화로 내의 혼합 영역을 둘러싸는 기체상는 전형적으로 1050 ℃의 온도에 있고; 혼합 영역의 반응 영역은 1150 내지 1500 ℃의 온도에 있으므로, 혼합 영역의 반응 영역은 어떠한 경우에도 주변 가스에 의해 현저히 냉각되지 않는다. 혼합 영역을 둘러싸는 용융 가스화로 내의 가스 내의 분진은, 주위 환원 가스에 대한 혼합 영역의 방사로 인한 열 손실을 추가로 감소시킨다.
가능한 한 방해받지 않는(undisturbed) 제2 탄소 담지체와 제2 산소 함유 가스의 혼합을 달성하기 위해, 혼합 영역이 용융 가스화로 내의 잔여 용적와 적어도 부분적으로 공간적으로 분리되는 것이 제공될 수 있다.
이를 위해, 혼합 영역이 용융 가스화로의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부(protrusion)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 용융 가스화로의 내부 벽은 주위 영역과 관련하여 제한된 영역에서 외측방으로 만곡된다. 돌출부는, 예를 들어, 대체로, 원통의 형태 또는 구형 캡, 특히 반구형의 형태를 가질 수 있다. 특히, 돌출부는 튜브로 형성될 수 있다.
돌출부가 용융 가스화로의 내부 벽의 주변 영역(즉, 돌출부가 존재하지 않으면 용융 가스화로의 내부 벽의 가상 연속부)에 인접한 경우, 돌출부의 단면 영역(이는 돌출부가 없는 내부 벽의 표면 영역에 대해 항상 평행하게 보여짐)은, 구형 캡의 형태의 돌출부의 경우와 같이 가장 크다. 그러나, 돌출부가 더 큰 단면 영역을 보다 외측방에 갖는 경우, 즉 돌출부가 내부 벽의 주변 영역에 접하는 곳에 수축부(constriction)를 갖는 경우도 있을 수 있다. 이러한 수축부는 용융 가스화로의 잔여 용적으로부터 보다 양호하게 혼합 영역을 범위를 제한하는 목적을 제공한다. 어쨌든, 돌출부에 의해 형성된 혼합 영역은, 용융 가스화로의 내부로 돌출된 벽들을 분리함으로써, 크기가 추가로 증가될 수 있다.
혼합 영역을 떠날 때 분해되지 않은 탄화수소들의 촉매 반응에 대한 양호한 조건들을 달성하기 위해서, 혼합 영역이 1000 내지 1100 ℃의 온도 범위, 특히 약 1050 ℃에서 용융 가스화로의 고정층 상부에 있도록 제공될 수 있다. 이는 혼합 영역이 용융 가스화로의 고정층보다 1 내지 2 m 상부에 있는 경우, 예를 들어 분진 버너들이 또한 배열되는 동일한 높이인 경우에 일반적으로 존재할 것이다. 이는, 혼합 영역으로부터 유래하지 않는 잔여 환원 가스와의 혼합 영역으로부터의 가스의 혼합 후에 충분한 체류 시간을 추가로 보장한다.
고체 탄소 담지체들의 가능한 가장 낮은 투입을 가지면서 가능한 가장 높은 환원 가스의 수율을 달성하기 위해, 예를 들어, 천연 가스의 형태인 기체상의 제2 탄소 담지체의 경우에, 100 ㎥ 초과의 제2 탄소 담지체가 선철 1 톤당 용융 가스화로에, 특히 선철 1 톤당 140 ㎥ 초과로 공급된다.
제1 환원 시스템을 위한 용융 가스화로에서 기술적 순도의 산소를 갖는 액체 또는 기체상 탄소 담지체들의 본 발명에 따른 부분 산화는, 특히 적은 질소 환원 가스가 발생되는 것을 허용하는데, 이는 노정 가스 또는 오프가스의 환원 가스로의 가스 리사이클링 그리고 또한 미분탄(pulverized coal)의 도입이 생략되며, 이는, 보통, 전달 수단으로서 질소에 의해 이루어지기 때문이다. 이러한 이유로, 본 발명에 따라 제조된 환원 가스는, 또한, 하류의 직접 환원 시스템에서의 사용에 매우 적합하다. 이 경우에, 예를 들어, 직접 환원 시스템용 환원 가스를 제조하기 위한 개질기(reformer)가 생략될 수 있는데, 이는, 환원 가스가 본 발명에 따른 방법에 의해 용융 가스화로에서 발생되기 때문이다. 대응하여, 따라서, 노정 가스 또는 오프가스가 제2 환원 시스템 내로 적어도 부분적으로 도입되는 것이 제공될 수 있는데, 이 제2 환원 시스템은 직접 환원로(reduction shaft) 또는 유동층(fluidized bed)으로 형성되고 여기서 추가의 철 산화물 함유 장입 재료들이 환원되어 부분적으로 환원되는 제2 철 제품을 형성하고, 특히 해면철을 제조한다.
직접 환원 시스템에서는, 고체 상태의 덩어리상태의 철광석 담지체들(덩어리 상태의 광석 또는 펠릿들) 또는 분광이 가스를 환원시킴으로써 750 내지 1000 ℃에서 환원된다. 이는 또한 해면철로 지칭되는 직접 환원 철(DRI; direct reduced iron)을 제조한다. 직접 환원 시스템은 환원 반응기를 핵심 구성 요소로 포함하는데, 이 환원 반응기는 고정층 반응기의 관점에서 환원로 또는 유동층 반응기들의 형태로 형성되어 덩어리 상태인 철광석 또는 분광 및 환원 가스가 이들 내로 도입된다.
그러나, 직접 환원 시스템은 또한 단광들(iron briquettes)을 제조할 수 있으며, 고온 환원된 산화물 재료들은 고온 단광제조(hot briquetting)에 의해 더 큰 단위들로(HBI(hot briquetted iron), 또는 HCl(hot compacted iron))로 응집된다. 이른바 저환원철(LRI: short reduction iron)은 또한 공정이 적절하게 수행되면 직접 환원 시스템의 환원로 또는 유동층 반응기로부터 토출될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 가능한 용융 가스화로는 적어도, 부분적으로 환원된 제1 철 제품을 도입하기 위한 하나의 철 제품 장입 라인; 제1 산소 함유 가스를 도입하기 위한 하나의 매체 장입 라인; 및 용융 가스화로에 제1 탄소 담지체를 도입하기 위한 하나의 장입 라인을 포함한다.
용융 가스화로는, 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체를 도입하기 위한 적어도 하나의 탄소 담지체 라인 그리고 또한 제2 산소 함유 가스를 그의 고정층 상부의 용융 가스화로 내의 혼합 영역으로 도입하기 위한 적어도 하나의 매체 장입 라인이 제공되며, 이 혼합 영역은 용융 가스화로의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 용융 가스화로가 돔(dome) 및 이에 인접한 원뿔형 영역을 가지며, 돌출부가 원뿔형 영역의 높이의 50 내지 100 % 내에, 특히 50 내지 75 % 내에 있는 것이 제공될 수 있다. 또는, 용융 가스화로가 돔 및 이에 인접한 원뿔형 영역을 가지며, 돔의 하부 부분은 원통형 영역으로 형성되고, 그리고 돌출부는 원통형 영역 내에 있는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 액체 또는 기체상 탄화수소들이 액상 1차 강 제품들을 제조하는데 더 많이 사용될 수 있고, 그리고 보다 적은 고체 탄소 담지체들이 사용되어야 한다는 사실에 의해 구별된다. 후자는 액체 또는 기체상 탄화수소들로서 일부 지역들에서는 쉽게 이용 가능하지 않다. 액체 또는 기체상 탄화수소들은 고체 탄소 담지체들보다 더 높은 수소 비율을 갖기 때문에, 이 수소가 환원에 쉽게 사용될 수 있다. 압축기들 및 CO2 제거 시스템들 그리고 연관된 에너지 비용들은 본 발명에 따른 방법에 의해 절약될 수 있다.
제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체 그리고 또한 제2 산소 함유 가스를 용융 가스화로의 고정층(목탄층(char bed)) 상부의 용융 가스화로 내의 혼합 영역 내로 도입시키는 단계,
혼합 영역에서 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체를 제2 산소 함유 가스와 혼합하는 단계 ― 연소 공기비(combustion air ratio)는 0.2 내지 0.45, 바람직하게는 0.3 내지 0.35의 범위로 설정되어 혼합 영역에서 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체의 부분 산화를 달성함 ―, 및
혼합 영역으로부터의 부분 산화로부터 생성된 가스를 용융 가스화로 내의 잔여 용적의 가스와 혼합하는 단계.
따라서, 본 발명에 따르면, 단지 액체, 단지 기체상, 또는 액체 및 기체상 탄소 담지체들의 상당량들이 H2 및 CO의 형태로 이들로부터 환원 가스를 생성하는데 사용되며, 이 환원 가스는 용융 가스화로에서 발생된 전체 환원 가스의 상당 부분을 형성한다. "제2 탄소 담지체"라는 용어는 제1 탄소 담지체와 상이하다는 것을 의미한다. 그러나, 제2 탄소 담지체는 그 자체로 다양한 물질들을 다시 포함할 수 있으며, 그리고 또한 용융 가스화로의 다수의 지점들에서 도입될 수 있으며, 물론, 이는 제3, 제4 액체 및/또는 고체 탄소 담지체들 등을 어느정도까지는 포함할 수 있다. 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체는, 특히, 천연 가스, 코크스 오븐 가스, 알칸 및 방향족 화합물(예를 들어, 코크스 타르)을 함유할 수 있다.
제2 산소 함유 가스는, 바람직하게는, 적어도 90 %의 O2 함량을 갖는 기술적 순도의 산소이다. 이는 용융 가스화로 내로의 질소 투입을 낮게 유지하는 것을 허용한다. 이는 또한, 여기서는, "제2 산소 함유 가스"는 다수의 소스들로부터의 가스를 함유할 수 있으며, 다수의 지점들에서 용융 가스화로의 상응하는 혼합 영역 또는 혼합 영역들로 도입될 수 있으며, 이 가스들 모두가 "제2 산소 함유 가스"로 지칭되는 것을 적용한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제1 탄소 담지체와 공간적으로 독립적인 제2 기체상 또는 액체 탄소 담지체, 그리고 마찬가지로 제1 산소 함유 가스와 공간적으로 독립적인 제2 산소 함유 가스가 용융 가스화로 내에서 혼합 영역(또는 다수의 혼합 영역들) 내로 도입된다. 가능한 한, 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 서로 반응하기 전에 이미 이 혼합물에 첨가하는 용융 가스화로 내에 있는 환원성 가스의 상당한 부분들없이 서로 혼합되는 것을 보장하기 위해서, 이 혼합 영역은 가스 유동들, 반응들 및 온도에 관하여 용융 가스화로 내의 잔여 용적에 의해 영향을 받지 않는다.
본 발명에 따른 연소 공기비와 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스의 혼합은 부분 산화를 야기하며, 즉, 제2 탄소 담지체의 탄화수소들은 주로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 전환되며, 결과적으로 환원 가스의 환원 구성성분들(reducing constituents)로서 이용 가능하다.
작은 부분(25 % 미만)에서, 산소 함유 가스의 산소 및 탄화수소들은 혼합 영역에서 완전히 산화되어 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)를 형성한다. 결과적으로, 혼합 영역의 온도들이 환원 가스로의 높은 전환율을 달성하기에 충분히 높다(1000 ℃ 초과)는 것이 보장된다.
마찬가지로, 작은 부분(10 % 미만)에서는, 제2 탄소 담지체의 탄화수소들이 분해되지 않거나 더 작은 탄화수소들로만 분해된다. 분해되지 않거나 단지 부분적으로 존재하는 이러한 탄화수소들은, 그 다음에, 추가될 촉매들에 대한 요구 없이, 어떠한 경우라도 존재하고 촉매로서 작용하며, 또한 특히 금속성 철을 함유하는 분진(dust) 입자들에 의해 용융 가스화로 내의 잔여 용적에서 추가로 분해될 수 있다. 이러한 이유로, 혼합 영역으로부터 결과적인 가스는 또한 용융 가스화로 내의 잔여 용적으로 공급된다.
가동 디바이스들이 혼합 영역에서의 혼합을 위해 반드시 제공될 필요는 없는데; 보통은, 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 도입될 때 적절한 압력 및/또는 적절한 방향들에 의해서만 충분한 혼합이 달성된다. 즉, 혼합 영역으로 도입될 때의 제2 탄소 담지체의 방향은 혼합 영역으로 도입될 때의 제2 산소 함유 가스의 방향과 상이할 수 있다.
유사하게는, 혼합 영역으로부터의 결과적인 가스를 용융 가스화로의 잔여 용적의 가스와 혼합하기 위해 가동 디바이스가 특별히 제공되는 것이 불필요할 수 있는데, 이는 그 대신에 유사하게 제2 탄소 담지체 및 제2 산소 함유 가스가 도입될 때의 압력 및 방향에 의해서만 유사하게 야기되는데, 이는 결국 어떤 경우에도 혼합 영역과 용융 가스화로의 잔여 용적 사이의 공간적 연결이 존재하기 때문이다. 혼합 영역으로부터 결과적인 가스는 부분 산화의 결과의 결과로서 발생된 열로 인해 그리고 제2 탄소 담지체와 제2 산소 함유 가스의 소용돌이(swirling)로 인해 잔여 용융 가스화로의 가스와 혼합된다.
연소 공기비는 보통, 람다로 표시되며 또한 공기비 또는 공기 갯수로 공지되고 있다. 이는, 연소 이론으로부터 무차원양인데, 이것은 연소 공정에서, 공기(여기서는, 제2 산소 함유 가스) 및 연료(여기서는, 제2 탄소 담지체)의 당량비(stoichiometric ratio)를 나타낸다. 본 발명에 따른 연소 공기비로, 25 % 미만, 특히 15 % 미만의 산화도가 부분 산화시에 달성될 수 있고, 1150 내지 1500 ℃의 평균 온도가 제2 산소 함유 가스 및 제2 탄소 담지체의 혼합 영역에서 달성될 수 있다.
원칙적으로, 제1 탄소 담지체들 이외에 덩어리 형태(lump form)로 용융 가스화로에 기체상 탄소 담지체들을 도입하는 것이 또한 공공연하게 공지되어 있으며, 이 점에 있어서는, 예를 들어 WO 2015/000604 A1을 참조하며, 여기서는, 하나의 설계 변형에서 황 함유 가스가 산소 함유 가스와 함께 용융 가스화로 내로 도입된다. 그러나, 실제로 환원 가스(H2 및 CO)의 수율을 최대화하는 것과 같은 방식으로 작동하도록 설계되지 않은 종래의 산소 버너에 의해 도입이 발생되는 동시에, 미리 규정된 혼합비를 설정함으로써 CO2, H2O 및 C 형성을 최소화시킨다. 더욱이, WO 2015/000604 A1에 따른 종래의 산소 버너는, 가스와 산소를 혼합하기 위해 용융 가스화로 내에 규정된 공간 혼합 영역이 없다. 산소 버너에서 제어된 조건 하에서의 적어도 부분 산화는, WO 2015/000604 A1에 개시되어 있지 않다. 혼합 영역의 결과로서 본 발명에 따른 방법의 경우에서 가능한 것처럼, 보다 많은 양의 기체상 탄소 담지체들의 사용은, 기체상 탄소 담지체들과 관련하여 산소 함유 가스의 특정 제어없이 종래의 산소 버너들에 의해 달성될 수 없는데, 이는 제어없이, 형성된 환원 가스의 산화도는 제1 환원 시스템에서의 철 담지체들의 예비 환원에 대해 너무 높아질 것이기 때문이다.
추가 디바이스들없이 혼합 영역에서 환원 가스 성분들(CO 및 H2)의 고 수율을 동시에 만족하는 부분 산화를 위한 충분히 높은 온도를 보장하기 위해, 설계 변형에서, 혼합 영역이 용융 가스화로에 있는 환원성 가스에 의해 둘러싸이는 것이 제공된다. 그 결과, 혼합 영역의 열 손실들이 최소화된다. 용융 가스화로 내의 혼합 영역을 둘러싸는 기체상는 전형적으로 1050 ℃의 온도에 있고; 혼합 영역의 반응 영역은 1150 내지 1500 ℃의 온도에 있으므로, 혼합 영역의 반응 영역은 어떠한 경우에도 주변 가스에 의해 현저히 냉각되지 않는다. 혼합 영역을 둘러싸는 용융 가스화로 내의 가스 내의 분진은, 주위 환원 가스에 대한 혼합 영역의 방사로 인한 열 손실을 추가로 감소시킨다.
가능한 한 방해받지 않는(undisturbed) 제2 탄소 담지체와 제2 산소 함유 가스의 혼합을 달성하기 위해, 혼합 영역이 용융 가스화로 내의 잔여 용적와 적어도 부분적으로 공간적으로 분리되는 것이 제공될 수 있다.
이를 위해, 혼합 영역이 용융 가스화로의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부(protrusion)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 용융 가스화로의 내부 벽은 주위 영역과 관련하여 제한된 영역에서 외측방으로 만곡된다. 돌출부는, 예를 들어, 대체로, 원통의 형태 또는 구형 캡, 특히 반구형의 형태를 가질 수 있다. 특히, 돌출부는 튜브로 형성될 수 있다.
돌출부가 용융 가스화로의 내부 벽의 주변 영역(즉, 돌출부가 존재하지 않으면 용융 가스화로의 내부 벽의 가상 연속부)에 인접한 경우, 돌출부의 단면 영역(이는 돌출부가 없는 내부 벽의 표면 영역에 대해 항상 평행하게 보여짐)은, 구형 캡의 형태의 돌출부의 경우와 같이 가장 크다. 그러나, 돌출부가 더 큰 단면 영역을 보다 외측방에 갖는 경우, 즉 돌출부가 내부 벽의 주변 영역에 접하는 곳에 수축부(constriction)를 갖는 경우도 있을 수 있다. 이러한 수축부는 용융 가스화로의 잔여 용적으로부터 보다 양호하게 혼합 영역을 범위를 제한하는 목적을 제공한다. 어쨌든, 돌출부에 의해 형성된 혼합 영역은, 용융 가스화로의 내부로 돌출된 벽들을 분리함으로써, 크기가 추가로 증가될 수 있다.
혼합 영역을 떠날 때 분해되지 않은 탄화수소들의 촉매 반응에 대한 양호한 조건들을 달성하기 위해서, 혼합 영역이 1000 내지 1100 ℃의 온도 범위, 특히 약 1050 ℃에서 용융 가스화로의 고정층 상부에 있도록 제공될 수 있다. 이는 혼합 영역이 용융 가스화로의 고정층보다 1 내지 2 m 상부에 있는 경우, 예를 들어 분진 버너들이 또한 배열되는 동일한 높이인 경우에 일반적으로 존재할 것이다. 이는, 혼합 영역으로부터 유래하지 않는 잔여 환원 가스와의 혼합 영역으로부터의 가스의 혼합 후에 충분한 체류 시간을 추가로 보장한다.
고체 탄소 담지체들의 가능한 가장 낮은 투입을 가지면서 가능한 가장 높은 환원 가스의 수율을 달성하기 위해, 예를 들어, 천연 가스의 형태인 기체상의 제2 탄소 담지체의 경우에, 100 ㎥ 초과의 제2 탄소 담지체가 선철 1 톤당 용융 가스화로에, 특히 선철 1 톤당 140 ㎥ 초과로 공급된다.
제1 환원 시스템을 위한 용융 가스화로에서 기술적 순도의 산소를 갖는 액체 또는 기체상 탄소 담지체들의 본 발명에 따른 부분 산화는, 특히 적은 질소 환원 가스가 발생되는 것을 허용하는데, 이는 노정 가스 또는 오프가스의 환원 가스로의 가스 리사이클링 그리고 또한 미분탄(pulverized coal)의 도입이 생략되며, 이는, 보통, 전달 수단으로서 질소에 의해 이루어지기 때문이다. 이러한 이유로, 본 발명에 따라 제조된 환원 가스는, 또한, 하류의 직접 환원 시스템에서의 사용에 매우 적합하다. 이 경우에, 예를 들어, 직접 환원 시스템용 환원 가스를 제조하기 위한 개질기(reformer)가 생략될 수 있는데, 이는, 환원 가스가 본 발명에 따른 방법에 의해 용융 가스화로에서 발생되기 때문이다. 대응하여, 따라서, 노정 가스 또는 오프가스가 제2 환원 시스템 내로 적어도 부분적으로 도입되는 것이 제공될 수 있는데, 이 제2 환원 시스템은 직접 환원로(reduction shaft) 또는 유동층(fluidized bed)으로 형성되고 여기서 추가의 철 산화물 함유 장입 재료들이 환원되어 부분적으로 환원되는 제2 철 제품을 형성하고, 특히 해면철을 제조한다.
직접 환원 시스템에서는, 고체 상태의 덩어리상태의 철광석 담지체들(덩어리 상태의 광석 또는 펠릿들) 또는 분광이 가스를 환원시킴으로써 750 내지 1000 ℃에서 환원된다. 이는 또한 해면철로 지칭되는 직접 환원 철(DRI; direct reduced iron)을 제조한다. 직접 환원 시스템은 환원 반응기를 핵심 구성 요소로 포함하는데, 이 환원 반응기는 고정층 반응기의 관점에서 환원로 또는 유동층 반응기들의 형태로 형성되어 덩어리 상태인 철광석 또는 분광 및 환원 가스가 이들 내로 도입된다.
그러나, 직접 환원 시스템은 또한 단광들(iron briquettes)을 제조할 수 있으며, 고온 환원된 산화물 재료들은 고온 단광제조(hot briquetting)에 의해 더 큰 단위들로(HBI(hot briquetted iron), 또는 HCl(hot compacted iron))로 응집된다. 이른바 저환원철(LRI: short reduction iron)은 또한 공정이 적절하게 수행되면 직접 환원 시스템의 환원로 또는 유동층 반응기로부터 토출될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 가능한 용융 가스화로는 적어도, 부분적으로 환원된 제1 철 제품을 도입하기 위한 하나의 철 제품 장입 라인; 제1 산소 함유 가스를 도입하기 위한 하나의 매체 장입 라인; 및 용융 가스화로에 제1 탄소 담지체를 도입하기 위한 하나의 장입 라인을 포함한다.
용융 가스화로는, 제2 기체상 및/또는 액체 탄소 담지체를 도입하기 위한 적어도 하나의 탄소 담지체 라인 그리고 또한 제2 산소 함유 가스를 그의 고정층 상부의 용융 가스화로 내의 혼합 영역으로 도입하기 위한 적어도 하나의 매체 장입 라인이 제공되며, 이 혼합 영역은 용융 가스화로의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 용융 가스화로가 돔(dome) 및 이에 인접한 원뿔형 영역을 가지며, 돌출부가 원뿔형 영역의 높이의 50 내지 100 % 내에, 특히 50 내지 75 % 내에 있는 것이 제공될 수 있다. 또는, 용융 가스화로가 돔 및 이에 인접한 원뿔형 영역을 가지며, 돔의 하부 부분은 원통형 영역으로 형성되고, 그리고 돌출부는 원통형 영역 내에 있는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 액체 또는 기체상 탄화수소들이 액상 1차 강 제품들을 제조하는데 더 많이 사용될 수 있고, 그리고 보다 적은 고체 탄소 담지체들이 사용되어야 한다는 사실에 의해 구별된다. 후자는 액체 또는 기체상 탄화수소들로서 일부 지역들에서는 쉽게 이용 가능하지 않다. 액체 또는 기체상 탄화수소들은 고체 탄소 담지체들보다 더 높은 수소 비율을 갖기 때문에, 이 수소가 환원에 쉽게 사용될 수 있다. 압축기들 및 CO2 제거 시스템들 그리고 연관된 에너지 비용들은 본 발명에 따른 방법에 의해 절약될 수 있다.
본 발명은 개략적이며 예시로서 주어진 도면들에 기초하여 하기에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은, 용융 가스화로 그리고 제1 및 제2 환원 시스템들을 포함하는 본 발명에 따른 일체형 플랜트를 도시한다.
도 2는, 혼합 영역의 제1 실시예를 갖는 도 1의 용융 가스화로를 도시한다.
도 3은, 튜브 형태의 돌출부에 의해 제공되는 혼합 영역의 제2 실시예를 갖는 도 1의 용융 가스화로를 도시한다.
도 1은, 용융 가스화로 그리고 제1 및 제2 환원 시스템들을 포함하는 본 발명에 따른 일체형 플랜트를 도시한다.
도 2는, 혼합 영역의 제1 실시예를 갖는 도 1의 용융 가스화로를 도시한다.
도 3은, 튜브 형태의 돌출부에 의해 제공되는 혼합 영역의 제2 실시예를 갖는 도 1의 용융 가스화로를 도시한다.
도 1은 Corex®일체형 직접 환원 시스템으로 설계된 액상 선철(1)을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 시스템을 도시한다. 철 산화물 함유 장입 재료들(2)은 철 산화물 함유 장입 재료들(2)을 공급하기 위한 장입 라인(20)을 통해 고정층을 갖는 Corex®환원로인 제1 환원 시스템(4)에 공급된다.
철 산화물 함유 장입 재료들(2)은 환원 가스(5)에 의해 환원되어 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 형성하고, 이는 후속하여 용융 가스화로(11) 내로 개방되는 하나 또는 그 초과의 철 제품 장입 라인들(22)을 통해 용융 가스화로(11)로 도입된다. 본 명세서의 문맥 내에서, 철 제품(3)은 산화된(oxidized) 형태, 예를 들어 산화물(oxidic) 형태 및 환원된 형태, 즉 금속성 형태 둘 모두의 철을 포함한다. 철 제품(3)에서, 철은 둘 모두의 형태들을 취할 수 있는데; 이것은, 예를 들어, 그 다음에, 예비 환원된 철 담지체 재료로서 지칭되고, 이는 금속성 형태와 비교하여 아직 최종적으로 완벽하게 환원되지는 않았지만, 그러나 이전 상태와 비교하여 이미 더 환원되어 있다. 철 제품은 또한 2 개의 형태들 중 단지 하나만 취할 수 있다. Corex®의 경우에, 철 제품(3)은, 예를 들어, 고온, 소위 직접 환원철(DRI) 또는 금속화(metalization)에 의한 대응하는 철 담지체 재료(이는 아직 DRI로 간주되지 않음을 의미함)이다. Corex®공정의 경우에, 철 제품(3)은 고온의 환원 가스(5)로 충전된 제1 환원 시스템(4)의 환원로로부터 배출되고 그리고 하나 또는 그 초과의 슈트들(chutes) 그리고 적절하다면 분배기 플랩들(distributor flaps)을 통해 중력에 의해 용융 가스화로(11)로 이송된다. 예를 들어, 다수의 슈트들이 용융 가스화로(11)의 돔의 둘레에 걸쳐 제공되고 분포될 수 있다.
게다가, 괴탄(lump coal) 및/또는 응집된 미분탄(agglomerated fine coal) 및/또는 성형탄(coal-containing briquettes)의 형태인 제1 탄소 담지체(10)로서의 고체 탄소 담지체들이 장입 라인(23)을 통해 용융 가스화로(11)로 도입되고, 제1 산소 함유 가스(9, 9a)는 매체 장입 라인들(24)을 통해 도입된다. 제1 탄소 담지체(10) 및 부분적으로 환원된 철 제품(3)을 용융 가스화로(11)로 장입하는 것은, 일반적으로, 서로 별도로 발생한다. 제1 탄소 담지체(10)는, 예를 들어, 스크류 컨베이어들을 통해 탄소 함유 재료를 위한 저장 용기로부터 분배 디바이스로 공급되는데, 분배 디바이스는 용융 가스화로(11)의 돔에서 중앙에 장착되고 이 분배 디바이스에 의해 제1 탄소 담지체(10)가 용융 가스화로(11) 내로의 투입 중에 용융 가스화로(11)의 단면에 걸쳐 분배되며, 이에 대해서는, 도 2 및 도 3을 참조한다.
용융 가스화로(11)로 도입된 탄소 담지체들(10) 및 적절하다면, 분탄(fine coal)(14)은 환원 가스(5)를 발생시키는 산소 함유 가스(9a)에 의해 가스화된다. 이는 주로 CO와 H2로 구성된 가스 혼합물을 제조한다.
환원 가스(5)는 환원 가스 라인(12)을 통해 제1 환원 시스템(4) 내로 도입되고, 제진 디바이스(dedusting device)(26)에서 제진(dedusting)이 선행된다. 분리된 분진은, 하나 또는 그 초과의 분진 버너들(17)에 의해 특정되는 용융 가스화로(11)로 복귀된다.
용융 가스화로(11) 내로 도입된 제1 철 제품(3)은, 탄소 담지체들(10)의 가스화 중에 발생된 열에 의해 용융되어 액상 선철(1)을 형성한다. 용융 가스화로(11)에서 제련된 고온 금속 및 슬래그는 배출된다.
철 산화물 함유 장입 재료들(2)의 환원 동안 소비된 환원 가스는 노정 가스(6)로 지칭되고, 배출 가스 라인(19)을 통해 제1 환원 시스템(4)으로부터 배출 가스로서 배출되고, 습식 스크러버들(wet scrubbers)(32)에 의해 그곳에서 세정된다. 배출 가스는, 압축기(33)에서 압축되고, 이어서 CO2 제거(21) 및 가열(31)되게 되며, 부분적으로 환원된 제2 철 제품(8), 특히 해면철 형태의 직접 환원철(DRI)을 제조하기 위한 제2 환원 시스템(7)으로 도입될 수 있다. 따라서, 이러한 제2 환원 시스템(7)에 대해, 환원 가스를 발생시키기 위한 상세한 시스템, 예컨대, 개질기가 필요하지 않은데, 이는 이 공정이 용융 가스화로(11)에서 발생하기 때문이다.
용융 가스화로(11)를 떠난 후에, 환원 가스(5)의 일부는 습식 스크러버(27)에서 추가로 세정되고, 냉각되어 배출 가스(6)와 혼합될 수 있다.
용융 가스화로(11)는 용융 가스화로(11) 내로 개방되는 3 개의 유형들의 도입 요소들을 가지며, 이 도입 요소들은 산소 노즐(15)로서, 분진 버너(17)로서 그리고 혼합 영역(18)으로서 형성되지만, 이는 각각의 경우에 또한 배수로 존재할 수 있다. 외부측 상에서, 용융 가스화로(11)와 관련하여, 도입 요소들은 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인들(24)에 연결된다. 적어도 하나의 탄소 담지체 라인(25)이 존재하며, 이 탄소 담지체 라인에 의해 액체 및/또는 기체상일 수 있는 제2 탄소 담지체(13)가 용융 가스화로(11) 내로 도입된다. 제2 탄소 담지체가 기체상이면, 각각의 경우에, 또한 환원 가스 라인(12) 내로 개방되는 탄소 담지체 라인(25)이 추가로 존재할 수 있다.
액체 및/또는 가스 형태의 제2 탄소 담지체(13), 예를 들어, 코크스 오븐 가스 또는 천연 가스는 혼합 영역(18)으로 개방되는 탄소 담지체 라인(25)을 통해 용융 가스화로(11)로 공급된다.
코크스 오븐 가스는,
65 용적 %의 수소(H2),
2.5 용적 %의 질소(N2),
6 용적 %의 일산화탄소(CO),
22 용적 %의 메탄(CH4),
3 용적 %의 기타 탄화수소들(CnHm),
1.5 용적 %의 이산화탄소(CO2)의 전형적인 조성을 갖는다.
탄소 담지체 라인(25)은, 이 경우에, 코크스화 플랜트(coking plant)에 연결될 수 있다.
천연 가스는,
75 내지 99 용적 %의 메탄,
1 내지 15 용적 %의 에탄,
1 내지 10 용적 %의 프로판의 전형적인 조성을 갖는다.
게다가, 황화수소, 질소 및 이산화탄소가 함유될 수 있다.
기술적 순도의 산소 형태인 제2 산소 함유 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내로 도입되고, 이 영역은 그의 내부에서 용융 가스화로(11)의 고정층 바로 위에, 여기서는 분진 버너들(17)와 동일한 높이로, 돔 아래에 제공된다. 혼합 영역(18)은, 여기서 분리 벽들과 같은 내부 구성요소들에 의해 용융 가스화로(11)의 잔여 내부 공간으로부터 분리되지는 않는다. 용융 가스화로(11)의 작동 중에, 혼합 영역(18)은 반응 존(화염)에 의해 분명해지는데, 이 반응 존은 제2 탄소 담지체(13)의 작은 부분(25 % 미만)의 완전한 산화가 존재하여 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 형성할 때 발생된다. 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인(24) 및 탄소 담지체 라인(25)은 혼합 영역(18)으로 개방된다. 2 개의 라인들은 서로 예각을 형성할 수 있어서, 제2 산소 함유 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내에서 서로를 향해 이동하고 그 결과 혼합된다. 또한, 2 개의 매체(9b, 13) 각각이 노즐들을 통해 혼합 영역(18)에 진입할 때 2 개의 매체(9b, 13)의 소용돌이가 존재하도록 배열되는 2 개의 매체(9b, 13) 각각을 위해 제공되는 다수의 노즐들이 존재할 수 있다.
혼합 영역(18)에서의 제2 탄소 담지체(13)와 제2 산소 함유 가스(9b)의 혼합은 부분 산화를 유발하며, 즉 제2 탄소 담지체(13)의 탄화수소들은 주로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 전환된다. 작은 부분(25 % 미만)에서, 산소 함유 가스(9b)의 산소 및 탄화수소들은 혼합 영역(18)에서 완전히 산화되어 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 형성한다. 이는 1000 ℃ 초과, 확실히 말하면, 대략 약 1150 내지 1500 ℃ 의 화염 온도를 갖는 화염을 발생시켜, 이에 의해 환원 가스로의 전환을 위한 온도가 충분히 높아진다.
혼합 영역(18)에서 분해되지 않거나 더 작은 탄화수소들에만 존재하는 제2 탄소 담지체(13)의 탄화수소들의 작은 부분(10 % 미만)은, 그 다음에, 어떤 경우에도 존재하고, 그리고 또한 특히 금속성 철을 함유하는, 촉매로서 작용하는 분진 입자들에 의해 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적에서 추가로 분해된다.
물론, 다수의 이러한 혼합 영역들(18)이 제공될 수 있는데, 예를 들어, 동일한 높이에서 그리고 용융 가스화로(11)의 둘레에 걸쳐 분포되는 다수의 혼합 영역들(18), 상하로(one above the other) 다수의 혼합 영역들(18), 또는 상하로 그리고 둘레에 걸쳐 분포되는 다수의 혼합 영역들이 제공될 수 있다.
도 2에서, 도 1의 용융 가스화로(11)가 단독으로 도시되어 있다. 석탄(coal) 형태의 제1 탄소 담지체(10)(실선들)는 장입 라인(23)이 개방되는 돔(30)의 중간 유출구를 통해 용융 가스화로(11) 내로 도입된다. 이 경우에, 제1 탄소 담지체(10)는 분배 디바이스(도시 생략됨)에 의해 공급되며, 이 분배 디바이스는 용융 가스화로(11)의 돔에서 중심에 장착되며, 이 분배 디바이스에 의해, 제1 탄소 담지체(10)가 용융 가스화로(11)의 단면에 걸쳐 분포된다.
제1 환원 시스템(4)의 환원로로부터의 철 제품(3), 확실히 말하면, 직접 환원철(DRI)은 슈트들(chutes)로 형성된 하나 또는 그 초과의 철 제품 장입 라인들(22)을 통해 용융 가스화로(11) 내로 중력에 의해 운반된다. 용융 가스화로(11)의 돔(30)의 둘레 상에 분배되는 다수의 이러한 슈트들이 존재한다.
철 제품(3) 및 탄소 담지체들(10)은 돔(30)을 통해 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역(29) 내로 낙하하고, 원뿔형 영역으로부터 고정층(34)을 형성하는데, 이 고정층은 여기에서 원뿔형 영역(29)을 대략 절반까지 채운다. 그러나, 원통형의 형태의 돔(30)의 하부 부분을 연장시키고 원뿔형 영역(29)을 단축시키는 가능성이 또한 존재한다. 이 경우에, 원뿔형 영역(29)은 심지어 고정층(34)으로 완전히 채워질 수 있다. 탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24) 또는 도시된 라인 조각의 통로, 그리고 결과적으로 혼합 영역(18)은 그 다음에, 또한 돔(30)의 연장된 하부 원통형 영역에 배열된다. 고정층(34)의 중심에는, 그 표면 아래에, 데드 맨(dead man)(35)으로 지칭되는 무반응 존(reaction-free zone)이 존재한다.
제2 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b) 둘 모두는, 여기서, 탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24)의 연속 또는 통합을 나타내는 라인의 일부에 의해 원뿔형 영역(29)의 벽을 통과한다. 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)는 이미 이 라인의 일부에 혼합되어 있을 수 있다. 그러나, 이들은 또한 이 라인의 일부(예를 들어, 동심 파이프들)에서 별도로 운반될 수 있으며, 라인의 일부의 일 단부 영역(이는 예를 들어, 노즐로서 형성됨)에서만 또는, 용융 가스화로(11)의 내부에서 라인의 일부의 단부 이후에서만 혼합될 수 있다. 어떠한 경우라도, 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)의 (추가의) 혼합 및 부분 산화는 도시된 라인의 일부에 인접하는 혼합 영역(18)에서 발생한다.
탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24) 또는 도시된 라인의 부분의 경로는 여기서, 대략 용융 가스화로(11)의 원뿔 영역(29)의 높이(저부로부터 측정됨)의 대략 50 내지 75 % 사이에 있다. 따라서, 혼합 영역(18)은 또한 원뿔 영역(29)의 높이의 대략 50 내지 75 % 사이에 있다. 실시예에 따라, 배열체는 또한 원뿔형 영역(29)의 75 % 초과 또는 예를 들어, 돔(30)의 하부 부분이 원통형 영역으로 형성된다면 돔(30)의 하부 부분에 있을 수 있다.
도 3에는, 여기서 원통형 튜브(28)에 의해 형성되는 돌출부 형태의 혼합 영역(18)을 위한 설계의 변형이 도시되어 있다. 그렇지 않은 경우, 용융 가스화로(11) 및 Corex®플랜트의 구성은 도 1 및 도 2와 동일하다.
원통형 튜브(28)는 용융 가스화로(11)의 대응하는 개구 내로 삽입되어 있고 용융 가스화로(11)의 내부 벽과 동일 평면에서 끝나고, 즉, 용융 가스화로(11) 내의 용적 내로 돌출하지 않는다. 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인(24) 및 제2 탄소 담지체(13)를 위한 탄소 담지체 라인(25) 둘 모두는, 혼합 영역(18) 내로 개방되며, 이는 한편으로는 튜브(28) 자체에 의해 형성되고, 다른 한편으로, 또한 용융 가스화로(11)의 잔여 용적으로 돌출한다. 제2 산소 함유 가스(9b)와 제2 탄소 담지체(13)의 방해받지 않는 혼합이 튜브(28) 내에서 발생할 수 있으며; 튜브(28) 내의 부분 산화를 위한 에너지는, 이 경우에, 마찬가지로 제2 탄소 담지체(13)의 부분 산화에 의해 제공되어야 하며, 이 손실들은 튜브(28)의 적절한 내화성 라이닝(refractory lining)에 의해 억제된다.
혼합 영역(18)이 용융 가스화로(11)의 내부로 가능한 멀리 연장되도록 하고 결과적으로 혼합 영역(18)에서의 열 손실들이 억제될 수 있는 것을 보장하기 위해서, 튜브(28)의 길이 방향 축은 용융 가스화로(11)의 내부 벽의 접선 평면에 대해 수직으로 정렬될 수 있다. 도 3에서, 튜브(28)는 대략 수평으로 정렬된다.
튜브(28)의 직경은 일반적으로, 매체 장입 라인(24) 또는 탄소 담지체 라인(25) 또는 분진 버너(17) 또는 산소 노즐(15)의 유출구 개구의 직경의 배수이다.
제2 탄소 담지체(13)를 더 많이 전환시킬 수 있도록, 용융 가스화로(11) 당 다수의 튜브들(28)이 제공될 수 있다. 이 경우에, 튜브들(28) 및 연관된 혼합 영역들(18)은 도 1의 경우에서 설명된 바와 같이 용융 가스화로(11)의 둘레 및/또는 높이에 걸쳐 분배될 수 있다.
2 개의 라인들(24, 25)은 다시 서로에 대해 예각을 형성할 수 있어서, 제2 산소 운반 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내에서, 특히 튜브(28) 내에서 서로를 향해 이동하고 그 결과 혼합된다. 또한, 2 개의 매체(9b, 13) 각각이 노즐들을 통해 혼합 영역(18)에, 특히 튜브(28)에 진입할 때 2 개의 매체(9b, 13)의 소용돌이가 존재하도록 배열되는 2 개의 매체(9b, 13) 각각을 위해 제공되는 다수의 노즐들이 존재할 수 있다.
돌출부가 없는 혼합 영역들(18) 그리고 돌출부를 갖는 혼합 영역들(18) 둘 모두를 위해, 이들은 바람직하게는 고정층(34) 위 1 내지 2 m에 배열되도록 적용한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합 영역 또는 영역들(18)은, 예를 들어, 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역(29)에서 용융 가스화로(11)의 돔(30) 아래에 또는 원통형 연장된 돔(30)의 하부 부분일 수 있다. 원뿔형 영역(29)은, 대략 반구형 돔(30)이 인접하는 용융 가스화로(11)의 절두 원추형으로 상방 확장하는 부분(upwardly widening part)이다.
Corex®플랜트 대신 Finex®플랜트가 사용된다면, 미분 광석의 예비 환원이 발생하는 3 개 내지 4 개의 유동층 반응기들 중 마지막 반응기 이후에, 오프가스의 부분 흐름이 배출 가스로서 제거되며, 그렇지 않으면, 도 1에서와 같이 사용된다. Corex®플랜트의 경우에서와 같이, 용융 가스화로(11)로부터의 과잉 가스(surplus gas)의 일부가 또한 배출 가스에 첨가될 수 있다.
철 산화물 함유 장입 재료들(2)은 환원 가스(5)에 의해 환원되어 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 형성하고, 이는 후속하여 용융 가스화로(11) 내로 개방되는 하나 또는 그 초과의 철 제품 장입 라인들(22)을 통해 용융 가스화로(11)로 도입된다. 본 명세서의 문맥 내에서, 철 제품(3)은 산화된(oxidized) 형태, 예를 들어 산화물(oxidic) 형태 및 환원된 형태, 즉 금속성 형태 둘 모두의 철을 포함한다. 철 제품(3)에서, 철은 둘 모두의 형태들을 취할 수 있는데; 이것은, 예를 들어, 그 다음에, 예비 환원된 철 담지체 재료로서 지칭되고, 이는 금속성 형태와 비교하여 아직 최종적으로 완벽하게 환원되지는 않았지만, 그러나 이전 상태와 비교하여 이미 더 환원되어 있다. 철 제품은 또한 2 개의 형태들 중 단지 하나만 취할 수 있다. Corex®의 경우에, 철 제품(3)은, 예를 들어, 고온, 소위 직접 환원철(DRI) 또는 금속화(metalization)에 의한 대응하는 철 담지체 재료(이는 아직 DRI로 간주되지 않음을 의미함)이다. Corex®공정의 경우에, 철 제품(3)은 고온의 환원 가스(5)로 충전된 제1 환원 시스템(4)의 환원로로부터 배출되고 그리고 하나 또는 그 초과의 슈트들(chutes) 그리고 적절하다면 분배기 플랩들(distributor flaps)을 통해 중력에 의해 용융 가스화로(11)로 이송된다. 예를 들어, 다수의 슈트들이 용융 가스화로(11)의 돔의 둘레에 걸쳐 제공되고 분포될 수 있다.
게다가, 괴탄(lump coal) 및/또는 응집된 미분탄(agglomerated fine coal) 및/또는 성형탄(coal-containing briquettes)의 형태인 제1 탄소 담지체(10)로서의 고체 탄소 담지체들이 장입 라인(23)을 통해 용융 가스화로(11)로 도입되고, 제1 산소 함유 가스(9, 9a)는 매체 장입 라인들(24)을 통해 도입된다. 제1 탄소 담지체(10) 및 부분적으로 환원된 철 제품(3)을 용융 가스화로(11)로 장입하는 것은, 일반적으로, 서로 별도로 발생한다. 제1 탄소 담지체(10)는, 예를 들어, 스크류 컨베이어들을 통해 탄소 함유 재료를 위한 저장 용기로부터 분배 디바이스로 공급되는데, 분배 디바이스는 용융 가스화로(11)의 돔에서 중앙에 장착되고 이 분배 디바이스에 의해 제1 탄소 담지체(10)가 용융 가스화로(11) 내로의 투입 중에 용융 가스화로(11)의 단면에 걸쳐 분배되며, 이에 대해서는, 도 2 및 도 3을 참조한다.
용융 가스화로(11)로 도입된 탄소 담지체들(10) 및 적절하다면, 분탄(fine coal)(14)은 환원 가스(5)를 발생시키는 산소 함유 가스(9a)에 의해 가스화된다. 이는 주로 CO와 H2로 구성된 가스 혼합물을 제조한다.
환원 가스(5)는 환원 가스 라인(12)을 통해 제1 환원 시스템(4) 내로 도입되고, 제진 디바이스(dedusting device)(26)에서 제진(dedusting)이 선행된다. 분리된 분진은, 하나 또는 그 초과의 분진 버너들(17)에 의해 특정되는 용융 가스화로(11)로 복귀된다.
용융 가스화로(11) 내로 도입된 제1 철 제품(3)은, 탄소 담지체들(10)의 가스화 중에 발생된 열에 의해 용융되어 액상 선철(1)을 형성한다. 용융 가스화로(11)에서 제련된 고온 금속 및 슬래그는 배출된다.
철 산화물 함유 장입 재료들(2)의 환원 동안 소비된 환원 가스는 노정 가스(6)로 지칭되고, 배출 가스 라인(19)을 통해 제1 환원 시스템(4)으로부터 배출 가스로서 배출되고, 습식 스크러버들(wet scrubbers)(32)에 의해 그곳에서 세정된다. 배출 가스는, 압축기(33)에서 압축되고, 이어서 CO2 제거(21) 및 가열(31)되게 되며, 부분적으로 환원된 제2 철 제품(8), 특히 해면철 형태의 직접 환원철(DRI)을 제조하기 위한 제2 환원 시스템(7)으로 도입될 수 있다. 따라서, 이러한 제2 환원 시스템(7)에 대해, 환원 가스를 발생시키기 위한 상세한 시스템, 예컨대, 개질기가 필요하지 않은데, 이는 이 공정이 용융 가스화로(11)에서 발생하기 때문이다.
용융 가스화로(11)를 떠난 후에, 환원 가스(5)의 일부는 습식 스크러버(27)에서 추가로 세정되고, 냉각되어 배출 가스(6)와 혼합될 수 있다.
용융 가스화로(11)는 용융 가스화로(11) 내로 개방되는 3 개의 유형들의 도입 요소들을 가지며, 이 도입 요소들은 산소 노즐(15)로서, 분진 버너(17)로서 그리고 혼합 영역(18)으로서 형성되지만, 이는 각각의 경우에 또한 배수로 존재할 수 있다. 외부측 상에서, 용융 가스화로(11)와 관련하여, 도입 요소들은 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인들(24)에 연결된다. 적어도 하나의 탄소 담지체 라인(25)이 존재하며, 이 탄소 담지체 라인에 의해 액체 및/또는 기체상일 수 있는 제2 탄소 담지체(13)가 용융 가스화로(11) 내로 도입된다. 제2 탄소 담지체가 기체상이면, 각각의 경우에, 또한 환원 가스 라인(12) 내로 개방되는 탄소 담지체 라인(25)이 추가로 존재할 수 있다.
액체 및/또는 가스 형태의 제2 탄소 담지체(13), 예를 들어, 코크스 오븐 가스 또는 천연 가스는 혼합 영역(18)으로 개방되는 탄소 담지체 라인(25)을 통해 용융 가스화로(11)로 공급된다.
코크스 오븐 가스는,
65 용적 %의 수소(H2),
2.5 용적 %의 질소(N2),
6 용적 %의 일산화탄소(CO),
22 용적 %의 메탄(CH4),
3 용적 %의 기타 탄화수소들(CnHm),
1.5 용적 %의 이산화탄소(CO2)의 전형적인 조성을 갖는다.
탄소 담지체 라인(25)은, 이 경우에, 코크스화 플랜트(coking plant)에 연결될 수 있다.
천연 가스는,
75 내지 99 용적 %의 메탄,
1 내지 15 용적 %의 에탄,
1 내지 10 용적 %의 프로판의 전형적인 조성을 갖는다.
게다가, 황화수소, 질소 및 이산화탄소가 함유될 수 있다.
기술적 순도의 산소 형태인 제2 산소 함유 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내로 도입되고, 이 영역은 그의 내부에서 용융 가스화로(11)의 고정층 바로 위에, 여기서는 분진 버너들(17)와 동일한 높이로, 돔 아래에 제공된다. 혼합 영역(18)은, 여기서 분리 벽들과 같은 내부 구성요소들에 의해 용융 가스화로(11)의 잔여 내부 공간으로부터 분리되지는 않는다. 용융 가스화로(11)의 작동 중에, 혼합 영역(18)은 반응 존(화염)에 의해 분명해지는데, 이 반응 존은 제2 탄소 담지체(13)의 작은 부분(25 % 미만)의 완전한 산화가 존재하여 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 형성할 때 발생된다. 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인(24) 및 탄소 담지체 라인(25)은 혼합 영역(18)으로 개방된다. 2 개의 라인들은 서로 예각을 형성할 수 있어서, 제2 산소 함유 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내에서 서로를 향해 이동하고 그 결과 혼합된다. 또한, 2 개의 매체(9b, 13) 각각이 노즐들을 통해 혼합 영역(18)에 진입할 때 2 개의 매체(9b, 13)의 소용돌이가 존재하도록 배열되는 2 개의 매체(9b, 13) 각각을 위해 제공되는 다수의 노즐들이 존재할 수 있다.
혼합 영역(18)에서의 제2 탄소 담지체(13)와 제2 산소 함유 가스(9b)의 혼합은 부분 산화를 유발하며, 즉 제2 탄소 담지체(13)의 탄화수소들은 주로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 전환된다. 작은 부분(25 % 미만)에서, 산소 함유 가스(9b)의 산소 및 탄화수소들은 혼합 영역(18)에서 완전히 산화되어 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 형성한다. 이는 1000 ℃ 초과, 확실히 말하면, 대략 약 1150 내지 1500 ℃ 의 화염 온도를 갖는 화염을 발생시켜, 이에 의해 환원 가스로의 전환을 위한 온도가 충분히 높아진다.
혼합 영역(18)에서 분해되지 않거나 더 작은 탄화수소들에만 존재하는 제2 탄소 담지체(13)의 탄화수소들의 작은 부분(10 % 미만)은, 그 다음에, 어떤 경우에도 존재하고, 그리고 또한 특히 금속성 철을 함유하는, 촉매로서 작용하는 분진 입자들에 의해 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적에서 추가로 분해된다.
물론, 다수의 이러한 혼합 영역들(18)이 제공될 수 있는데, 예를 들어, 동일한 높이에서 그리고 용융 가스화로(11)의 둘레에 걸쳐 분포되는 다수의 혼합 영역들(18), 상하로(one above the other) 다수의 혼합 영역들(18), 또는 상하로 그리고 둘레에 걸쳐 분포되는 다수의 혼합 영역들이 제공될 수 있다.
도 2에서, 도 1의 용융 가스화로(11)가 단독으로 도시되어 있다. 석탄(coal) 형태의 제1 탄소 담지체(10)(실선들)는 장입 라인(23)이 개방되는 돔(30)의 중간 유출구를 통해 용융 가스화로(11) 내로 도입된다. 이 경우에, 제1 탄소 담지체(10)는 분배 디바이스(도시 생략됨)에 의해 공급되며, 이 분배 디바이스는 용융 가스화로(11)의 돔에서 중심에 장착되며, 이 분배 디바이스에 의해, 제1 탄소 담지체(10)가 용융 가스화로(11)의 단면에 걸쳐 분포된다.
제1 환원 시스템(4)의 환원로로부터의 철 제품(3), 확실히 말하면, 직접 환원철(DRI)은 슈트들(chutes)로 형성된 하나 또는 그 초과의 철 제품 장입 라인들(22)을 통해 용융 가스화로(11) 내로 중력에 의해 운반된다. 용융 가스화로(11)의 돔(30)의 둘레 상에 분배되는 다수의 이러한 슈트들이 존재한다.
철 제품(3) 및 탄소 담지체들(10)은 돔(30)을 통해 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역(29) 내로 낙하하고, 원뿔형 영역으로부터 고정층(34)을 형성하는데, 이 고정층은 여기에서 원뿔형 영역(29)을 대략 절반까지 채운다. 그러나, 원통형의 형태의 돔(30)의 하부 부분을 연장시키고 원뿔형 영역(29)을 단축시키는 가능성이 또한 존재한다. 이 경우에, 원뿔형 영역(29)은 심지어 고정층(34)으로 완전히 채워질 수 있다. 탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24) 또는 도시된 라인 조각의 통로, 그리고 결과적으로 혼합 영역(18)은 그 다음에, 또한 돔(30)의 연장된 하부 원통형 영역에 배열된다. 고정층(34)의 중심에는, 그 표면 아래에, 데드 맨(dead man)(35)으로 지칭되는 무반응 존(reaction-free zone)이 존재한다.
제2 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b) 둘 모두는, 여기서, 탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24)의 연속 또는 통합을 나타내는 라인의 일부에 의해 원뿔형 영역(29)의 벽을 통과한다. 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)는 이미 이 라인의 일부에 혼합되어 있을 수 있다. 그러나, 이들은 또한 이 라인의 일부(예를 들어, 동심 파이프들)에서 별도로 운반될 수 있으며, 라인의 일부의 일 단부 영역(이는 예를 들어, 노즐로서 형성됨)에서만 또는, 용융 가스화로(11)의 내부에서 라인의 일부의 단부 이후에서만 혼합될 수 있다. 어떠한 경우라도, 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)의 (추가의) 혼합 및 부분 산화는 도시된 라인의 일부에 인접하는 혼합 영역(18)에서 발생한다.
탄소 담지체 라인(25) 및 매체 장입 라인(24) 또는 도시된 라인의 부분의 경로는 여기서, 대략 용융 가스화로(11)의 원뿔 영역(29)의 높이(저부로부터 측정됨)의 대략 50 내지 75 % 사이에 있다. 따라서, 혼합 영역(18)은 또한 원뿔 영역(29)의 높이의 대략 50 내지 75 % 사이에 있다. 실시예에 따라, 배열체는 또한 원뿔형 영역(29)의 75 % 초과 또는 예를 들어, 돔(30)의 하부 부분이 원통형 영역으로 형성된다면 돔(30)의 하부 부분에 있을 수 있다.
도 3에는, 여기서 원통형 튜브(28)에 의해 형성되는 돌출부 형태의 혼합 영역(18)을 위한 설계의 변형이 도시되어 있다. 그렇지 않은 경우, 용융 가스화로(11) 및 Corex®플랜트의 구성은 도 1 및 도 2와 동일하다.
원통형 튜브(28)는 용융 가스화로(11)의 대응하는 개구 내로 삽입되어 있고 용융 가스화로(11)의 내부 벽과 동일 평면에서 끝나고, 즉, 용융 가스화로(11) 내의 용적 내로 돌출하지 않는다. 제2 산소 함유 가스(9b)를 위한 매체 장입 라인(24) 및 제2 탄소 담지체(13)를 위한 탄소 담지체 라인(25) 둘 모두는, 혼합 영역(18) 내로 개방되며, 이는 한편으로는 튜브(28) 자체에 의해 형성되고, 다른 한편으로, 또한 용융 가스화로(11)의 잔여 용적으로 돌출한다. 제2 산소 함유 가스(9b)와 제2 탄소 담지체(13)의 방해받지 않는 혼합이 튜브(28) 내에서 발생할 수 있으며; 튜브(28) 내의 부분 산화를 위한 에너지는, 이 경우에, 마찬가지로 제2 탄소 담지체(13)의 부분 산화에 의해 제공되어야 하며, 이 손실들은 튜브(28)의 적절한 내화성 라이닝(refractory lining)에 의해 억제된다.
혼합 영역(18)이 용융 가스화로(11)의 내부로 가능한 멀리 연장되도록 하고 결과적으로 혼합 영역(18)에서의 열 손실들이 억제될 수 있는 것을 보장하기 위해서, 튜브(28)의 길이 방향 축은 용융 가스화로(11)의 내부 벽의 접선 평면에 대해 수직으로 정렬될 수 있다. 도 3에서, 튜브(28)는 대략 수평으로 정렬된다.
튜브(28)의 직경은 일반적으로, 매체 장입 라인(24) 또는 탄소 담지체 라인(25) 또는 분진 버너(17) 또는 산소 노즐(15)의 유출구 개구의 직경의 배수이다.
제2 탄소 담지체(13)를 더 많이 전환시킬 수 있도록, 용융 가스화로(11) 당 다수의 튜브들(28)이 제공될 수 있다. 이 경우에, 튜브들(28) 및 연관된 혼합 영역들(18)은 도 1의 경우에서 설명된 바와 같이 용융 가스화로(11)의 둘레 및/또는 높이에 걸쳐 분배될 수 있다.
2 개의 라인들(24, 25)은 다시 서로에 대해 예각을 형성할 수 있어서, 제2 산소 운반 가스(9b) 및 제2 탄소 담지체(13)가 혼합 영역(18) 내에서, 특히 튜브(28) 내에서 서로를 향해 이동하고 그 결과 혼합된다. 또한, 2 개의 매체(9b, 13) 각각이 노즐들을 통해 혼합 영역(18)에, 특히 튜브(28)에 진입할 때 2 개의 매체(9b, 13)의 소용돌이가 존재하도록 배열되는 2 개의 매체(9b, 13) 각각을 위해 제공되는 다수의 노즐들이 존재할 수 있다.
돌출부가 없는 혼합 영역들(18) 그리고 돌출부를 갖는 혼합 영역들(18) 둘 모두를 위해, 이들은 바람직하게는 고정층(34) 위 1 내지 2 m에 배열되도록 적용한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합 영역 또는 영역들(18)은, 예를 들어, 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역(29)에서 용융 가스화로(11)의 돔(30) 아래에 또는 원통형 연장된 돔(30)의 하부 부분일 수 있다. 원뿔형 영역(29)은, 대략 반구형 돔(30)이 인접하는 용융 가스화로(11)의 절두 원추형으로 상방 확장하는 부분(upwardly widening part)이다.
Corex®플랜트 대신 Finex®플랜트가 사용된다면, 미분 광석의 예비 환원이 발생하는 3 개 내지 4 개의 유동층 반응기들 중 마지막 반응기 이후에, 오프가스의 부분 흐름이 배출 가스로서 제거되며, 그렇지 않으면, 도 1에서와 같이 사용된다. Corex®플랜트의 경우에서와 같이, 용융 가스화로(11)로부터의 과잉 가스(surplus gas)의 일부가 또한 배출 가스에 첨가될 수 있다.
1 : 액상 선철
2 : 철 산화물 함유 장입 재료들
3 : 부분 환원된 제1 철 제품
4 : 제1 환원 시스템
5 : 환원 가스
6 : 노정 가스(top gas)
7 : 제2 환원 시스템
8 : 부분 환원된 제2 철 제품
9 : 산소 함유 가스
9a : 제1 산소 함유 가스
9b : 제2 산소 함유 가스
10 : 제1 탄소 담지체(carbon carrier)
11 : 용융 가스화로(melter gasifier)
12 : 환원 가스 라인(reducing gas line)
13 : 제2 탄소 담지체
14 : 분탄(fine coal)
15 : 산소 노즐
16 : 분진(dust)
17 : 분진 버너
18 : 혼합 영역
19 : 배출 가스 라인(export gas line)
20 : 철 산화물 함유 장입 재료들을 공급하기 위한 장입 라인
21 : CO2 제거
22 : 철 제품 장입 라인
23 : 제1 탄소 담지체(10)를 위한 장입 라인
24 : 매체 장입 라인(media feed line)
25 : 탄소 담지체 라인
26 : 제진 디바이스(dedusting device)
27 : 습식 스크러버(wet scrubber)
28 : 돌출부(튜브)
29 : 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역
30 : 용융 가스화로(11)의 돔
31 : 가열
32 : 노정 가스를 위한 습식 스크러버
33 : 압축기
34 : 고정층(fixed bed)
35 : 데드 맨(dead man)
2 : 철 산화물 함유 장입 재료들
3 : 부분 환원된 제1 철 제품
4 : 제1 환원 시스템
5 : 환원 가스
6 : 노정 가스(top gas)
7 : 제2 환원 시스템
8 : 부분 환원된 제2 철 제품
9 : 산소 함유 가스
9a : 제1 산소 함유 가스
9b : 제2 산소 함유 가스
10 : 제1 탄소 담지체(carbon carrier)
11 : 용융 가스화로(melter gasifier)
12 : 환원 가스 라인(reducing gas line)
13 : 제2 탄소 담지체
14 : 분탄(fine coal)
15 : 산소 노즐
16 : 분진(dust)
17 : 분진 버너
18 : 혼합 영역
19 : 배출 가스 라인(export gas line)
20 : 철 산화물 함유 장입 재료들을 공급하기 위한 장입 라인
21 : CO2 제거
22 : 철 제품 장입 라인
23 : 제1 탄소 담지체(10)를 위한 장입 라인
24 : 매체 장입 라인(media feed line)
25 : 탄소 담지체 라인
26 : 제진 디바이스(dedusting device)
27 : 습식 스크러버(wet scrubber)
28 : 돌출부(튜브)
29 : 용융 가스화로(11)의 원뿔형 영역
30 : 용융 가스화로(11)의 돔
31 : 가열
32 : 노정 가스를 위한 습식 스크러버
33 : 압축기
34 : 고정층(fixed bed)
35 : 데드 맨(dead man)
Claims (19)
- 액상 선철(liquid pig iron)(1)을 제조하기 위한 방법으로서,
환원 가스(5)에 의해 제1 환원 시스템(4)에서 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 형성하기 위해 철 산화물 함유 장입(iron-oxide-containing feed) 재료들(2)을 환원시키고 환원시에 소비된 상기 환원 가스(5)를 노정 가스(top gas)(6) 또는 오프가스(offgas)로서 토출하는 단계,
상기 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3), 제1 산소 함유 가스(9a), 및 제1 탄소 담지체(carbon carrier)(10)를 용융 가스화로(melter gasifier)(11)에 도입하는 단계,
상기 용융 가스화로(11)에서 상기 환원 가스(5)를 발생시키면서 상기 액상 선철(1)을 형성하도록 탄소 담지체들(10)을 산소 함유 가스(9a)로 가스화하고 부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 용융시키는 단계,
환원 가스 라인(12)에 의해 상기 환원 가스(5)의 적어도 부분적인 양을 상기 제1 환원 시스템(4)으로 도입하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 또한,
제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13) 그리고 또한 제2 산소 함유 가스(9b)를 용융 가스화로의 고정층(fixed bed) 상부에서 상기 용융 가스화로(11) 내의 혼합 영역(18) 내로 도입시키는 단계,
상기 혼합 영역(18)에서 제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13)를 제2 산소 함유 가스(9b)와 혼합하는 단계 ― 연소 공기비(combustion air ratio)는 0.2 내지 0.45의 범위로 설정되어 상기 혼합 영역(18) 내에서 상기 제2 기체상 또는 제2 액체 탄소 담지체(13)의 부분 산화를 제어된 조건 하에서 달성함 ―, 및
상기 혼합 영역(18)으로부터의 부분 산화로부터 생성된 가스를 상기 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적의 가스와 혼합하는 단계를 포함하는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 산소 함유 가스는 적어도 90 %의 O2 함량을 갖는 기술적 순도의 산소인,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13)를 상기 제2 산소 함유 가스(9b)와 혼합하는 단계는, 단지 상기 제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)가 도입될 때 상기 제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13) 및 제2 산소 함유 가스(9b)의 압력 및 방향에 의해서만 발생하는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)으로부터의 부분 산화로부터 생성된 가스를 상기 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적의 가스와 혼합하는 단계는, 단지 상기 제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13) 및 상기 제2 산소 함유 가스(9b)가 도입될 때 압력 및 방향에 의해서만 발생하는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)은 상기 용융 가스화로에 있는 상기 환원 가스(5)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)은 상기 용융 가스화로(11) 내의 잔여 용적과 적어도 부분적으로 공간적으로 분리되는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)은 상기 용융 가스화로(11)의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부(28)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)은 1000 내지 1100 ℃의 온도 범위에서 상기 용융 가스화로(11)의 고정층 상부에 있는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 혼합 영역(18)은 상기 용융 가스화로(11)의 고정층(34)보다 1 내지 2 m 상부에 있는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
기체상 제2 탄소 담지체의 경우에, 100 ㎥ 초과의 제2 탄소 담지체가 선철 1 톤당 용융 가스화로(11)에 공급되는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 노정 가스(6) 또는 오프가스는 제2 환원 시스템(7) 내로 적어도 부분적으로 도입되며, 상기 제2 환원 시스템은 직접 환원로(reduction shaft) 또는 유동층(fluidized bed)으로 형성되고, 추가의 철 산화물 함유 장입 재료들이 환원되어 부분적으로 환원된 제2 철 제품(8)을 형성하는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제1 항 또는 제2 항에 따른 방법을 실행하기 위한 용융 가스화로(11)로서,
부분적으로 환원된 제1 철 제품(3)을 도입하기 위한 하나의 철 제품 장입 라인(22),
제1 산소 함유 가스(9a)를 도입하기 위한 하나의 매체 장입 라인(24), 및
상기 용융 가스화로(11)에 제1 탄소 담지체(10)를 도입하기 위한 하나의 장입 라인(23)을 적어도 포함하며,
제2 기체상 및/또는 제2 액체 탄소 담지체(13)를 도입하기 위한 적어도 하나의 탄소 담지체 라인(25) 그리고 또한 제2 산소 함유 가스(9b)를 용융 가스화로의 고정층 상부에서 용융 가스화로(11) 내의 혼합 영역(18)으로 도입하기 위한 적어도 하나의 매체 장입 라인(24)이 제공되며,
상기 혼합 영역(18)은 상기 용융 가스화로(11)의 내부 벽의 외측방으로 지향된 돌출부(28)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는,
용융 가스화로. - 제12 항에 있어서,
상기 용융 가스화로(11)는, 돔(dome)(30) 및 이에 인접한 원뿔형 영역(29)을 가지며, 상기 돌출부(28)는 상기 원뿔형 영역(29)의 높이의 50 내지 100 % 내에 있는,
용융 가스화로. - 제13 항에 있어서,
상기 용융 가스화로(11)는 돔(30) 및 이에 인접한 원뿔형 영역(29)을 가지며, 상기 돔(30)의 하부 부분은 원통형 영역으로 형성되고, 그리고 상기 돌출부(28)는 원통형 영역 내에 있는,
용융 가스화로. - 제1 항에 있어서,
연소 공기비(combustion air ratio)는 0.3 내지 0.35의 범위로 설정되는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 혼합 영역(18)은 1050 ℃의 온도에서 상기 용융 가스화로(11)의 고정층 상부에 있는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제10 항에 있어서,
기체상 제2 탄소 담지체의 경우에, 140 ㎥ 초과의 제2 탄소 담지체가 선철 1 톤당 용융 가스화로(11)에 공급되는,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제11 항에 있어서,
상기 부분적으로 환원된 제2 철 제품(8)은 해면철(iron sponge)인,
액상 선철을 제조하기 위한 방법. - 제13 항에 있어서,
상기 돌출부(28)는 상기 원뿔형 영역(29)의 높이의 50 내지 75 % 내에 있는,
용융 가스화로.
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| EP16167288.6A EP3239306A1 (de) | 2016-04-27 | 2016-04-27 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von flüssigem roheisen |
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