KR102070163B1 - 직접환원철 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 구조로 제공되는 환원로를 포함하는 직접환원철 제조장치이며, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하는 것인 직접환원철 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 산화철과 환원제를 혼합할 필요가 없으므로, 기존의 직접환원철 제조공정과 대비하여 제조과정이 용이할 뿐만 아니라 경제적으로도 유리한 효과가 있다.

Description

직접환원철 제조장치 및 제조방법 {METHOD FOR PREPARING DIRECT REDUCED IRON AND APPRATUS FOR THE SAME}

본 발명은 직접환원철 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)은 높은 품위의 금속 Fe를 함유하고 있어 고품위 고철을 대체할 수 있는 철원으로 전기로를 활용한 전기로 공정이나 제강공정에 사용되는 원료이다.

이러한 직접환원철을 제조하는 일반적인 방법은 저품위 분철광을 선별/분리 등 선광공정을 거쳐 고품위 Fe 분철광으로 정제한 후 펠렛(Pellet)으로 괴상화하고 이를 환원하는 공정으로 구성되어 있다.

이때, 환원제 종류에 따라 크게 천연가스, 셰일가스, 석탄 가스화를 통해 환원하는 가스 환원법(MIDREX, HYL 법 등)과 고상의 석탄을 활용하여 직접환원하는 석탄 환원법(SL/RN 법)으로 구분될 수 있으며, 상용화 된 공정이다.

이 중 석탄 환원법의 경우, 로터리 킬른(Rotary kiln) 등을 활용하여 철광석 펠렛과 석탄을 혼합하여 석탄으로부터 연소되어 배출되는 일산화탄소 (CO) 등을 환원제로 사용하며, 이러한 상용공정의 경우, 10시간 이상의 조업시간을 필요로 하는 문제점이 있다.

한편, 선행기술 1에는 펠렛 제조 시 석탄을 혼합하여 괴상화하는 탄재 내장 펠렛을 활용한 공정에 대하여 개시되어 있다. 그러나 펠렛 제조 시 석탄을 혼합하여 괴상화하는 탄재 내장 펠렛의 경우, 석탄의 회분(Ash) 성분으로 인하여, 직접환원철의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2001-0029431호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존의 직접환원철 제조공정과 대비하여 경제적인 직접환원철 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다층 구조로 제공되는 환원로를 포함하는 직접환원철 제조장치이며, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하는 것인 직접환원철 제조장치가 제공된다.

상기 하층은 환원제가 유입되는 환원제 유입부, 유입된 환원제를 이송하는 환원제 이송부 및 환원에 사용된 환원제가 배출되는 환원제 배출부를 포함할 수 있다.

상기 상층은 산화철이 유입되는 산화철 유입부, 유입된 산화철을 이송하는 산화철 이송부 및 환원된 산화철이 배출되는 산화철 배출부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 직접환원철 제조장치에 산화철 펠렛을 장입하는 단계; 및 환원제를 장입하고 가열하여 발생하는 휘발분으로 상기 산화철 펠렛을 환원시키는 단계를 포함하고, 상기 직접환원철 제조장치는 다층 구조로 제공되는 환원로로서, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하는 것인 직접환원철 제조방법이 제공된다.

상기 산화철 펠렛의 장입 방향과 환원제의 장입 방향이 서로 반대일 수 있다.

상기 산화철 펠렛을 장입하기 전 산화철 펠렛에 점결제 1 내지 2중량%를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 환원제가 커피 찌꺼기 및 쌀겨 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 환원로의 온도는 800 내지 900℃일 수 있다.

상기 환원제를 환원로의 열원으로 재사용할 수 있다.

상기 환원로에 불활성 가스를 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 직접환원철 제조장치 및 제조방법에 따르면 산화철과 환원제를 혼합할 필요가 없으므로, 기존의 직접환원철 제조공정과 대비하여 제조과정이 용이할 뿐만 아니라 경제적으로도 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접환원철 제조장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 직접환원철 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접환원철 제조장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

종래 통상적으로, 직접환원철의 제조에 있어서는 산화철 등의 금속산화물과 환원제를 혼합하여 펠렛을 형성한 후 환원가스 분위기에서 열처리를 수행함에 따라 직접환원철을 제조하였다.

그러나, 상기와 같이 산화철과 환원제를 혼합하여 펠렛을 형성한 후 환원공정을 거치는 경우, 환원 후 환원제로부터 회분 성분 및 잔류 탄소가 목적 금속에 불순물로 잔류하는 문제점이 있었으며, 이에 따라 자력선별 등의 후공정이 필요하고 제조된 직접 환원철의 품질이 저하되는 등의 문제점이 있어왔다.

이에 본 발명자들은 환원로의 구조를 다층 구조로 형성하고, 하층에서 환원제를 가열하여 발생하는 휘발분에 의해 상층에 위치하는 산화철을 환원시키는 경우, 환원제와 산화철을 혼합하지 않고도 직접 환원철의 제조가 가능한 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다층 구조로 제공되는 환원로를 포함하는 직접환원철 제조장치이며, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하는 것인 직접환원철 제조장치가 제공된다.

본 발명에 따른 직접환원철 제조장치는 환원제의 가열이 이루어지는 하층과 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층으로 구성될 수 있다.

상기 하층은 환원제가 유입되는 환원제 유입부, 유입된 환원제를 이송하는 환원제 이송부 및 환원에 사용된 환원제가 배출되는 환원제 배출부를 포함하며, 상기 상층은 산화철이 유입되는 산화철 유입부, 유입된 산화철을 이송하는 산화철 이송부 및 환원된 산화철이 배출되는 산화철 배출부를 포함할 수 있다.

한편, 상기 환원제 이송부 및 산화철 이송부는 컨베이어 벨트 등 벨트식으로 형성되어 있을 수 있으며, 유입부에서 유입되어 컨베이어 벨트 등에 의해 배출부 측으로 이송된 후 배출부로 배출되는 구조로 되어 있다.

한편, 상기 환원제 유입부와 산화철 유입부는 서로 반대방향으로 즉, 대향되는 방향으로 형성되어 있으며, 이에 따라, 환원제 배출부와 산화철 배출부 또한 서로 반대방향으로 형성되어 있을 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이 산화철은 환원로에 투입되어 온도가 점점 상승하고, 환원제는 대향되는 방향, 즉. 산화철 배출부 측에서 투입되므로, 온도가 높은 산화철 배출부 측에서 환원반응을 유도하기 위함이다.

이하에서는 상기 직접환원철 제조장치를 이용하여 직접환원철을 제조하는 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 직접환원철 제조장치에 산화철 펠렛을 장입하는 단계; 및 환원제를 장입하고 가열하여 발생하는 휘발분으로 상기 산화철 펠렛을 환원시키는 단계를 포함하고, 상기 직접환원철 제조장치는 다층 구조로 제공되는 환원로로서, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하는 것인 직접환원철 제조방법이 제공된다.

상기 환원로의 하층으로는 산화철을 환원시키기 위한 환원제가 투입된다. 본 발명에서는 상기 환원제로 커피찌꺼기 등 바이오매스를 사용할 수 있다.

커피를 우려 낼 때 발생하는 커피찌꺼기(커피박, Coffee residue)는 커피 원두 무게의 약 81%가 발생하여 현재 국내에서 연간 10만톤 이상 배출되며, 폐기되거나 바이오 연료 등으로 재활용되는 연구가 진행되고 있다. 이러한 커피박은 중량%로 20% 내외의 고정탄소를 가지고 있으며, 휘발분은 70% 이상이고, 회분은 5% 이하로 낮은 편이다. 또한, 열량 역시 약 5,000kcal/kg 내외를 나타낸다.

반면 종래의 펠렛 제조시 사용되는 일반적인 유연탄의 경우 중량%로 50~60%의 고정탄소를 가지고 있으며, 휘발분은 20~35%이고, 회분은 10% 내외이다. 또한 열량의 경우 6000kcal/kg 내외를 나타낸다. 하기 표 1에 일반적인 커피 부산물과 유연탄의 조성을 비교하여 나타내었다.

	고정탄소	회분	휘발분	열량(kcal/kg)
커피부산물	15~25%	<5%	>70%	4500 이상
유연탄	50~60%	10 내외	20~35%	6,000 내외

상술한 바와 같이, 유연탄 등을 펠렛과 혼합하는 경우, 10% 내외의 회분으로 인해 직접환원철 품질 저하를 나타내는 문제점이 있다. 그러나 커피 부산물을 환원제로 활용 시 낮은 회분으로 품질 저하를 방지할 수 있다.

또한 유연탄의 고정탄소(50~60%) 대비 상대적으로 낮은 고정탄소로 인한 단점은 높은 휘발분으로 보상이 가능하다. 휘발분은 일반적으로 탄소와 수소의 화합물로 고온에서 일산화탄소, 수소 등 환원가스로 배출된다. 더불어 커피 부산물은 열량도 4,500kcal/kg 수준을 함유하고 있어 유연탄 대비 에너지 효율도 크게 저하되지는 않는다. 또한 커피 부산물이 폐기물로 버려지는 양이 많은 점을 고려하면, 이를 환원제로 이용하는 경우 원가 측면에서 석탄 대비 큰 효과를 얻을 수 있다.

한편, 상기 환원로의 온도는 800 내지 900℃일 수 있다. 커피박 내의 휘발분은 일반적으로 100~200 부근부터 휘발을 시작하여 800 정도까지 수소(H₂)혹은 일산화탄소(CO) 가스 등으로 휘발한다. 환원로의 가열은 외부에서 전기 또는 가스연료 등을 이용하여 간접가열 방식으로 수행될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

환원 온도가 800 미만인 경우에는 일부 휘발분이 휘발되지 못하고 잔류할 수 있으며, 이에 따라 휘발분에 의한 환원이 충분이 이루어지지 않을 수 있다. 반면에, 환원 온도가 900 초과인 경우에는 에너지 측면에서 과잉일 뿐만 아니라, 설비 측면에서도 900 초과의 고온에서 견디는 재질을 활용하여야 하기 때문에 제조비용이 증가할 우려가 있어 바람직하지 않다.

상기와 같이 커피 찌꺼기의 가열에 의해 발생하는 휘발분은 환원로의 상층으로 이동하여 산화철 펠렛을 환원시키며, 직접환원철이 제조된다.

한편, 이때 하층에서 환원제가 장입되는 방향과 상층에서 산화철 펠렛이 장입되는 방향은 서로 반대로 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어 설명하면, 산화철 펠렛은 상층의 산화철 유입부를 통해 환원로에 장입되어 환원로 내에서 이송부를 따라 진행하면서 온도가 상승하고, 환원제는 산화철 펠렛의 유입부의 반대 방향에 형성된 하층의 환원제 유입부에서 장입되므로, 환원제의 장입 초기에 휘발 성분은 모두 가스화 되고, 산화철 펠렛의 배출부 부근에서 환원반응이 일어나게 된다.

한편, 이때 지속적으로 환원로 내에 투입되는 환원제의 휘발 성분으로 인해 환원로 내의 가스의 흐름은 환원제의 진행방향과 같으며, 환원 후 배가스는 환원제 배출부를 통해 함께 배출된다.

한편, 상기와 같은 배가스의 흐름을 용이하게 하기 위하여, 본 발명은 상기 환원로에 불활성가스, 예를 들어, 질소, 아르곤 가스 등을 투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 환원제가 이동하면서 발생하는 환원가스(H₂, CO 함유가스)에 반응 후 생성되는 배가스(CO₂, H₂O 함유가스)가 혼합되어 국부적으로 환원반응을 원활하게 일어나지 않을 수 있는 문제점이 있다. 환원제와 펠렛을 반대방향으로 투입하는 경우 환원제가 투입되는 방향과 같은 방향으로 불활성가스를 투입하여, 반응 후 배가스가 펠렛 투입부(가스 배출부)로 원활히 흘러 배출되고 신규 투입되는 환원제에서 발생하는 환원가스로 인한 반응을 좀 더 효율적으로 일어나도록 할 수 있다.

한편, 상기 산화철 펠렛을 장입하기 전 산화철 펠렛에 점결제 1 내지 2중량%를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 점결제을 첨가함으로써 산화철 펠렛의 강도를 확보할 수 있다. 다만 2 중량% 이상 투입 시 강도는 높아지지만 불순물 및 경제성 측면에서 의미가 없으므로, 1 내지 2중량%를 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 점결제로는 벤토나이트, 제올라이트 등 당 업계에서 사용되는 무기바인더라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 벤토나이트를 사용할 수 있다.

한편, 환원제 배출부로부터 배출된 환원제는 성형 과정을 통하여 본 발명의 환원로를 가열하는 열원으로 재사용될 수 있다. 예를 들어 환원제로 커피 부산물을 사용하는 경우, 배출 후에도 고정 탄소가 60% 수준에 이르므로, 기존의 석탄 등과 같이 환원로의 열원으로 사용이 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

10: 환원제 유입부
20: 환원제 이송부
30: 환원제 배출부
40: 산화철 배출부
50: 산화철 이송부
60: 산화철 유입부
100: 직접환원철 제조장치

Claims (10)

1. 다층 구조로 제공되는 환원로를 포함하는 직접환원철 제조장치이며,
   상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및
   상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하고,
   상기 상층은 산화철이 유입되는 산화철 유입부, 유입된 산화철을 이송하는 산화철 이송부 및 환원된 산화철이 배출되는 산화철 배출부를 포함하며,
   상기 하층은 환원제가 유입되는 환원제 유입부, 유입된 환원제를 이송하는 환원제 이송부 및 환원에 사용된 환원제가 배출되는 환원제 배출부를 포함하고,
   상기 환원제가 커피 찌꺼기 및 쌀겨 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
   상기 산화철 이송부 및 환원제 이송부는 벨트식으로 형성되어 있는 것인 직접환원철 제조장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 직접환원철 제조장치에 산화철 펠렛을 장입하는 단계; 및
   환원제를 장입하고 가열하여 발생하는 휘발분으로 상기 산화철 펠렛을 환원시키는 단계를 포함하고,
   상기 직접환원철 제조장치는 다층 구조로 제공되는 환원로로서, 상기 환원로는 환원제를 가열하여 상층으로 휘발분을 공급하는 하층; 및 상기 하층으로부터 공급되는 휘발분에 의해 산화철의 환원이 이루어지는 상층을 포함하고,
   상기 상층은 산화철이 유입되는 산화철 유입부, 유입된 산화철을 이송하는 산화철 이송부 및 환원된 산화철이 배출되는 산화철 배출부를 포함하며,
   상기 하층은 환원제가 유입되는 환원제 유입부, 유입된 환원제를 이송하는 환원제 이송부 및 환원에 사용된 환원제가 배출되는 환원제 배출부를 포함하고,
   상기 환원제가 커피 찌꺼기 및 쌀겨 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
   상기 산화철 이송부 및 환원제 이송부는 벨트식으로 형성되어 있는 것인 직접환원철 제조방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 산화철 펠렛의 장입 방향과 환원제의 장입 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 직접환원철 제조방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 산화철 펠렛을 장입하기 전 산화철 펠렛에 점결제 1 내지 2중량%를 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철 제조방법.
   
7. 삭제
8. 제4항에 있어서,
   상기 환원로의 온도는 800 내지 900℃인 것을 특징으로 하는 직접환원철 제조방법.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 환원제를 환원로의 열원으로 재사용하는 것을 특징으로 하는 직접환원철 제조방법.
   
10. 제4항에 있어서,
    상기 환원로에 불활성 가스를 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철 제조방법.
    

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