KR102022680B1 - 선철 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 선철의 제조 방법은 철광석 및 코크스로부터 선철을 제조하는 고로에 산소와 연소를 위한 풍량을 공급하는 수소를 취입하는 단계, CO2 환원 반응기를 통해 상기 고로로부터 유입되는 수소를 포함하는 고로 가스로부터 환원 가스를 생성하는 단계, 환원 가스를 냉각하여 수분을 제거하는 단계, 수분이 제거된 상기 환원 가스에 포함된 CO2를 제거하는 단계, CO2가 제거되어 CH4가 5%, H2O가 5%, CO2가 1% 미만인 환원 가스에 나머지를 수소로 보충하는 단계, 수소가 보충된 상기 환원 가스를 1,000℃이상의 온도로 가열한 후 상기 고로의 열보존대에 취입하는 단계를 포함하고, 환원 가스는 상기 고로 내부의 열보존대에 공급한다..

Description

선철 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING PIG IRON}
본 발명은 고로에서 선철을 제조하는 방법에 관한 것으로써, 특히 수소를 환원제로 사용하여 선철을 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재의 고로에서 선철을 생산할 때 탄소가 주성분인 코크스를 이용하고 있는데 탄소가 산화될 때 발생하는 열을 주 열원으로 이용하고 또한 이 탄소가 철광을 환원시키면서 자신이 산화되는 특성을 이용해 선철을 생산한다.
탄소는 산화로 이산화탄소를 발생시키고, 고로 가스에 포함되어 고로가스를 연료로 사용할 때 이산화탄소로 바뀌기 때문에 선철 생산과정에서 사용되는 코크스는 모두 이산화탄소의 발생에 기여하게 된다. 그러므로 제철 공정에서 이산화탄소의 발생을 저감시키려면 코크스의 탄소를 대체할 대체 환원제를 투입하여야 한다.
그러나, 고로 하부 노심에는 고온의 코크스 층이 존재하고 여기에서 코크스의 산화반응 및 고로 상부에서 생성된 철광석 환원의 중간 단계인 뷔스타이트(Wustite)의 환원이 일어나고 용융 철이 생성되기 때문에 이 부분에 대체 환원제나 열원을 투입한다 할지라도 탄소보다 월등히 반응성이 높지 않으면 고로 노심에서 탄소를 대체하는 것은 제한적일 수 밖에 없다.
특히, 고로에는 코크스의 반응성이 급격히 낮아지는 1,000℃ 정도의 온도 영역이 존재하고 이 영역을 열보존대라고 하며 열보존대에서는 뷔스타이트가 금속 철로 환원될 때 CO 와 CO2 비율이 7 대 3 정도로 유지되어야 하며 높은 CO 비율을 요구하기 때문에 고로의 탄소 이용율을 높이는데 한계로 작용하게 된다.
따라서 본 발명에서는 열보존대에서 탄소를 거의 이용하지 않고 선철을 생산하는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 선철의 제조 방법은 철광석 및 코크스로부터 선철을 제조하는 고로에 산소와 연소를 위한 풍량을 공급하는 수소를 취입하는 단계, CO2 환원 반응기를 통해 상기 고로로부터 유입되는 수소를 포함하는 고로 가스로부터 환원 가스를 생성하는 단계, 환원 가스를 냉각하여 수분을 제거하는 단계, 수분이 제거된 상기 환원 가스에 포함된 CO2를 제거하는 단계, CO2가 제거되어 CH4가 5%, H2O가 5%, CO2가 1% 미만인 환원 가스에 나머지를 수소로 보충하는 단계, 수소가 보충된 상기 환원 가스를 1,000℃이상의 온도로 가열한 후 상기 고로의 열보존대에 취입하는 단계를 포함하고, 환원 가스는 상기 고로 내부의 열보존대에 공급한다.
상기 수분을 제거하는 단계에서, 환원 가스를 100oC 이하로 냉각할 수 있다.
상기 환원 가스를 생성하는 단계에서, 고로 가스와 수소의 메탄화 반응으로 CH4와 H2O를 포함하는 상기 환원 가스가 생성될 수 있다.
본 발명에서와 같이 선철을 제조하면 고로로부터 발생되는 고로 가스를 순환하여 재사용할 수 있으며, 코크스의 사용을 최소화하여 이산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 고로 설비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 선철을 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 고로 설비의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 고로 설비(100)는 고로(10), 고로(10)와 연결되어 있는 CO2 환원 반응기(20), CO2 환원 반응기(20)와 연결되어 있는 수분 제거기(30), 수분 제거기(30)와 연결되어 있는 CO2 제거기(40), CO2 제거기(40) 및 고로(10)와 연결되어 있는 가열기(50), 가열기(50)와 연결되어 있는 수소 공급기(60)를 포함한다.
CO2 환원 반응기(20)는 고로(10)와 연결되어 고로(10)로부터 배출되는 고로 가스를 환원시킨다.
*수분 제거기(30)는 CO2 환원 반응기(20)와 연결되어 있으며 환원 가스를 냉각시키고 냉각으로 발생된 환원 가스의 수분을 제거한다.
CO2 제거기(40)는 반응하지 않고 남겨져 수분이 제거된 고로 가스 내에 포함되어 있는 CO2를 제거한다.
가열기(50)는 CO2가 제거된 고로 가스를 고로(10)에 재 투입하기 위한 것으로, 수분 제거를 위해서 냉각된 고로 가스를 그대로 고로에 취입할 경우, 낮은 온도로 인해서 모자란 열량만큼 코크스의 사용량이 증가하므로 고로에 재 투입전 고로 가스를 일정 온도로 상승시킨다.
수소 공급기(60)는 고로에 재투입되는 고로 가스에 수소를 공급하기 위한 것으로 환원 가스와 함께 가열기(50)에서 혼합되어 온도를 상승한후 고로로 취입될 수 있다.
이상 설명한 고로 설비를 이용하여 선철을 제조하는 방법에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 선철을 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 선철을 제조하는 방법은 고로(10) 내부에 산소를 취입하는 단계(S101), 고로 가스를 환원시켜 환원 가스를 생성하는 단계(S103), 환원 가스의 수분을 제거하는 단계(S105), CO2를 제거하는 단계(S107), 환원 가스를 가열하는 단계(S109), 환원 가스를 고로에 취입하는 단계(S111)를 포함한다.
고로(10) 내부에 산소를 취입하는 단계(S101)는 고로 내부에는 주원료인 철광석과 코크스가 취입하는 단계를 포함한다.
산소는 고로 하부의 풍구를 통해서 고로 내부로 공급될 수 있다. 코크스는 고로 내부에서 산소에 의해서 산화되며, 코스크 산화시 발생되는 고온의 열과 환원 가스에 의해서 고로 내부에 있는 철광석이 환원 및 용융된다. 이때, 고로 내부에서 연소를 원활하게 하기 위한 풍량은 수소 가스를 공급하여 얻을 수 있다.
고로 가스를 환원시켜 환원 가스를 생성하는 단계(S103)에서, 고로로부터 배출되는 고로 가스는 CO2 환원 반응기로 전달된다. CO2 환원 반응기 내부에서, 고로 가스에 포함된 CO2는 하기 [반응식 1]의 과정으로 환원되어 CH4와 H2O를 생성할 수 있다.
[반응식 1]
CO2+4H2=CH4+2H2O(발열반응)
고로 상부 가스의 온도는 대략 200℃로 이 온도 영역에서, CO2환원 반응기에서의 반응은 메탄화 반응이 우세하여 상기 [반응식 1]과 같이 고로 가스에 포함된 CO2의 대부분은 CH4로 전환될 수 있다. 따라서 고로 가스에 포함된 CO2의 양을 줄일 수 있다. 상기 [반응식 1]은 발열 반응으로 환원 가스의 온도는 상승될 수 있다.
CO2 환원 반응기에서는 하기 [반응식 2]와 같은 역 수성가스 전환 반응이 일어날 수 있으며, 이는 화학 평형적으로 유리한 반응이 아니므로 미미하게 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 2]
CO2+H2=CO+H2O
환원 가스의 수분을 제거하는 단계(S105)는, H2O가 고로로 취입될 경우 고로 내부의 코크스가 소비되어 CO2의 발생량을 증가시키므로, 환원 가스 내에 포함된 H2O를 제거한다. H2O는 환원 가스를 냉각시켜 응축하켜 흡착제에 흡착시켜 제거할 수 있다. 이때, 환원 가스는 100℃이하, 바람직하게는 30℃이하로 냉각될 수 있다.
이후, CO2 환원 반응기에서 반응하지 못한 CO2는 수분 제거 후, CO2 제거기(40)를 통해서 제거(S107)할 수 있다.
CO2 제거기에서 CO2의 제거는 공지의 방법으로 제거할 수 있으며, 가압 또는 냉각으로 액화 또는 고화하는 방법, 가성소다나 아민등의 알칼리성 수용액에 CO2를 흡수시킨 후 가열 또는 감압에 의해 분리 제거하는 방법, 활성탄이나 제올라이트 등에 CO2를 흡착시킨 후 가열 또는 감압으로 분리회수 하는 방법, CO2 분리막에 의해 분리 회수 하는 방법 등을 필요에 따라서 선택적으로 사용할 수 있다.
환원 가스를 가열하는 단계(S109)에서, 냉각된 환원 가스를 고로에 재 취입하기 전 1,000℃이상의 온도로 가열한다.
냉각된 환원 가스가 고로에 투입될 경우 열량을 보충하기 위해서 코크스가 연소되고, 코크스 연소로 인해서 CO2가 추가로 발생될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 환원 가스를 적정 온도로 가열한 후 고로에 재 취입함으로써 열량 부족으로 인해서 코크스가 연소되는 것을 방지하여 CO2의 발생을 최소화할 수 있다. 이때, 가열기(50)에는 철광석 환원에 사용된 수소를 보충하면서 전체 풍량을 유지하기 위해서 H2가 함께 전달될 수 있다.
수소가 보충된 환원가스는 고로로 취입(S111)된다. 고로로 위입된 환원 가스에 포함된 CH4는 수소 보다 비열이 높아 고로 하부, 즉 열보존대에서 열량 공급원이 되어 고로 하부에서 코크스의 사용량을 저감시켜 CO2발생을 최소화할 수 있다. 즉, 고로 내로 취입된 CH4는 하기 [반응식 3]에 의해 환원제로 전환되고, 하기 [반응식 3]은 발열 반응으로 철광석의 환원에 필요한 열로서 공급될 수 있다.
[반응식 3]
CH4+1/2O2 = CO+2H2(발열 반응)
상기 [반응식 3]에서 생성된 CO와 H2는 하기 [반응식 4]의 과정으로 철광석을 환원한다.
Fe2O3+CO+2H2=2Fe+CO2+2H2O(흡열반응)
이후, 고로에 CH4와 함께 취입된 H2는 철광석이 환원 되면서 발생된 CO2와 함께 CO2 환원 반응기로 전달되고, CO2 환원 반응기 내에서 CH4로 전환된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에서와 같이 CO2 환원 반응기를 설치하여 메탄화 공정을 진행함으로써, 고로 가스로부터 발생되는 CO2를 제거함과 동시에 고로 내부로 재취입함으로써 순환 구조를 형성할 수 있다. 이하에서는 선철 1톤(ton hot metal, THM)을 생산하는 것을 예로 설명한다.
선철 1톤을 생상하기 위해서 고로에는 철광석 Fe2O3 기준으로 1.43ton/THM, 회분 10%의 코크스 146kg/THM 이 공급된다.
철광석이 환원되고 용융되면서 발생되는 고로 상부의 가스 온도는 대략 200℃이며, CO2환원 반응기 내에서 고로 가스의 CO2가 수소와 반응하여 환원되어 CH4 및 H2O를 생성한다. 메탄화 반응시에 발열이 발생하고, 따라서 환원 가스의 온도는 300℃ 정도로 상승한다.
이후, CO2 환원 반응기로부터 배출되는 환원 가스를 냉각기를 통해서 대략 30oC까지 냉각시켜 수분을 제거한다. 이때, 제거된 수분의 양은 390kg/THM 이다.
수분이 제거된 환원 가스로부터 다시 CO2를 제거하고 가열기를 통해서 1,100oC까지 가열한 후 고로 하부로 주입한다. 이때, 제거된 CO2 양은 280kg/THM 이었다.
가열기에 공급되는 환원 가스는 CH4 5% 이외에, 완전히 제거되지 못한 H2O 5%, CO2 1% 미만, CO 1% 미만이 포함될 수 있으며, 그외 나머지는 수소를 포함할 수 있으며, 부족한 수소를 보충하여 가열기에 공급될 수 있다. H2는 환원 반응에 사용되므로, H2O로 전환된 만큼 보충될 수 있다. 이때, H2는 고로 내부로 취입되면서 고로에 필요한 풍량을 제공할 수 있다.
한편, 고로 하부 보쉬(bosh) 부분에서의 환원 가스의 순환량은 1,300Nm3/THM 정도로 유지될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (3)

  1. 철광석 및 코크스로부터 선철을 제조하는 고로에 순산소와 연소를 위한 풍량을 공급하는 수소를 취입하는 단계,
    CO2 환원 반응기를 통해 상기 고로로부터 유입되는 수소를 포함하는 고로 가스로부터 환원 가스를 생성하는 단계,
    상기 환원 가스를 냉각하여 수분을 제거하는 단계,
    수분이 제거된 상기 환원 가스에 포함된 CO2를 제거하는 단계,
    CO2가 제거되어 CH4가 5%, H2O가 5%, CO2가 1% 미만인 상기 환원 가스에 나머지를 수소로 보충하는 단계,
    수소가 보충된 상기 환원 가스를 1,000℃이상의 온도로 가열한 후 상기 고로의 열보존대에 취입하는 단계
    를 포함하는 선철 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 수분을 제거하는 단계에서,
    상기 환원 가스를 100oC 이하로 냉각하는 선철 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 환원 가스를 생성하는 단계에서,
    상기 고로 가스와 상기 수소의 메탄화 반응으로 CH4와 H2O를 포함하는 상기 환원 가스가 생성되는 선철 제조 방법.
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