KR102232167B1 - 용광로 및 용광로를 작동시키는 방법 - Google Patents

용광로 및 용광로를 작동시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 현재 공지되어 있는 야금 공장과 비교하여 CO2 생성을 감소시키고, 적용되는 첨가제 및 가열재의 양을 감소시킬 수 있는, 용광로 및 용광로를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 문제는 하기 단계를 포함하는 광석의 금속 생산 공정에 의해 해결된다: 광석, 특히 금속 산화물을 환원시키는 단계; CO2를 함유하는 노가스를 용광로 샤프트에서 생성하는 단계; 용광로 샤프트로부터 상기 노가스를 방출시키는 단계; 노가스의 일부 또는 전부를 직접적으로 또는 간접적으로 CO2 컨버터 내로 유도하고, 노가스 중에 함유된 CO2를 CO2 컨버터에서 CO로 환원시키는 단계; CO2 컨버터로부터 적어도 CO의 제1 부분을 용광로 샤프트 내로 유도하는 단계. 상기 언급된 문제를 해결하는 것 이외에, 상기 방법은 또한 용광로 샤프트로 용이하게 도입될 수 있는 가스성 환원제로서 CO를 생성한다. 상기 언급된 공정에 따라 작동하는 금속 생산을 위한 용광로는 제1 노가스 유출구 및 적어도 하나의 CO 유입구를 지닌 용광로 샤프트; CO2 컨버터 유입구 및 CO2를 함유하는 가스에 대한 CO2 컨버터 가스 유입구를 포함하며, CO2를 CO로 환원하도록 구성된 CO2 컨버터를 포함하며, 제1 노가스 유출구는 CO2 컨버터 가스 유입구에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고, CO2 컨버터는 CO2 컨버터에서 생성된 CO의 제1 부분을 방출시키기 위한 적어도 하나의 제1 CO 유출구를 포함하고, 상기 제1 CO2 유출구는 용광로 샤프트에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다.

Description

용광로 및 용광로를 작동시키는 방법 {BLAST FURNACE AND METHOD FOR OPERATING A BLAST FURNACE}
본 발명은 CO2 방출을 감소시키는데 사용될 수 있는 용광로(blast furnace) 및 용광로를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
야금 공장은 광석(metal ore)을 처리하기 위한 공장이며, 이러한 야금 공장의 중심 요소가 용광로이다. 이들 야금 공장은 오래 동안 알려져 왔다. 용광로에는 광석, 첨가제 및 가열재를 포함하는 원재료(raw material)가 공급된다. 일반적으로, 석탄 또는 코크스가 가열재로서 사용되며, 석탄 및 코크스는 한편으로는 공기의 존재 하에 연소함으로써 열을 발생시키고, 석탄 및 코크스는 또한 광석이 기본적으로 금속 산화물로 이루어짐에 따라 광석에 대한 환원제로서 기능한다. 용광로에서 광석을 환원시키면, 여러 가스가 생성되며, 이는 총괄적으로 노가스(furnace gas) 또는 연도 가스(flue gas)로서 알려져 있다. 상기 노가스는 일반적으로 상당량의 이산화탄소(CO2)를 함유한다. 이산화탄소는 온실 가스이며, 최근 몇년 동안 이들 온실 가스는 기후에 유해한 것으로 간주됨에 따라 온실 가스를 피하거나 변환시키기 위해 점점 더 많은 노력이 이루어져 왔다.
금속 생산 분야에서, 가능한 한 적은 원재료 및 가열재를 사용하는 것이 일반적인 목표인데, 왜냐하면, 이들 물질이 고가이고, 이들 물질을 수송하는데 비용이 많이 들기 때문이다. 생산에 사용되는 코크스/석탄의 양을 감소시키고자 많은 노력이 이루어져 왔다. 한 가지 방법은 용광로 내로 석탄 가루를 취입하는 것이고, 또 다른 방법은 용광로 자체에서, 또는 용광로 외측의 별도의 가스화 반응기에서 환원 가스로서 일산화탄소를 생성시키는 것이다. EP 09318401 A1로부터, 용광로 내로 광석을 대체 환원 물질의 형태로 환원시키는데 요구되는 탄소 중 일부를 취입하는 것이 공지되어 있다. 이러한 의미에서, 예를 들어, 천연 가스, 중유, 미립 석탄 및 높은 탄소 함량을 지닌 유사 물질이 대체 환원 물질로서 사용될 수 있다. 이들 물질은 용광로 샤프트로 직접 취입될 수 있거나, 용광로 샤프트의 외측에서 별도의 가스화 반응기에서 가스화됨으로써 환원 가스를 형성할 수 있다. 이후, 이러한 반응 가스는 직접 용광로 샤프트 내로 유도될 수 있다. EP 09318401 A1로부터 공지된 방법은 석탄 또는 코크스의 소비량을 감소시킬 수 있는 가능성을 제공할 수 있으며, 또한 대체 환원 물질로서 처리하기 어려운 물질을 사용할 수 있는 가능성을 제공할 수 있지만, 금속 생산시 높은 CO2 생성의 문제가 해결되지 않았다.
종래 기술은 노가스 또는 이의 특정 성분이 용광로 샤프트의 밖으로 유도되고, CO2 컨버터에서 처리된 후, 용광로 샤프트로 다시 유도되는 방법을 기술하고 있다. EP　2　543　743　A1는 노가스가 용광로 샤프트의 밖으로 유도되고, CO 및 CO2가 분리되는 분리 디바이스로 유도되는 방법을 기술하고 있다. 분리된 CO2만이 CO2 컨버터에서의 개질(reforming)에 주어진다. 개질은 주로 CO 및 H2O를 생성하고, H2O는 분리되고, CO는 용광로 샤프트로 유도된다. WO　2011/087036　A1는 또한 먼저 노가스가 CO 및 CO2가 분리되는 분리 디바이스로 유도되는 방법을 기술하고 있다. CO2 컨버터에서, CO2는 O2 및 CO로 변환된다. 상기 변환으로부터의 CO 및 앞서 분리된 CO가 함께 용광로 샤프트로 유도된다. US　3　909　446　A는 용광로 샤프트로부터의 노가스가 CO2 컨버터에서 코크스 오븐 가스(coke oven gas)와 혼합되는 방법을 기술하고 있다. 따라서, CO 및 H2를 포함하는 가스 혼합물이 생성되고, 이는 용광로 샤프트로 다시 유도된다. WO　2010/049536　A1는 또한 탄소 함유 입자가 용광로 샤프트로 다시 유도되는 유사한 방법을 기술하고 있다. US　2　598　735　A는 용광로 샤프트로부터의 노가스가 가스 발생기에서 탄소/석탄 및 산소와 혼합되는 방법을 기술하고 있다. 탄소의 일부가 산소의 존재 하에 연소되고, 탄소의 또 다른 부분이 노가스로부터의 CO2 및 연소된 탄소로부터의 CO2를 CO로 환원시킨다. 상기 CO는 환원제로서 용광로 샤프트로 다시 유도된다. 상기 문헌 어느 것도 변환된 C0의 일부에 대한 추가 처리가 수행되는 방법을 기술하고 있지 않다.
본 발명은 현재 사용되는 금속 생산 공장과 비교하여 CO2 생성을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 소비되는 첨가제 및 가열재의 양을 감소시킬 수 있는 용광로 및 용광로를 작동시키는 공정에 관한 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 광석을 처리하는 방법 및 청구항 17에 따른 용광로에 의해 해결된다.
본원에서 기술되는 광석을 처리하는 방법은 하기 단계들을 포함한다: 광석을 환원시키는 단계, 특히 금속 산화물을 환원시키는 단계; 용광로 샤프트에서 CO2를 함유하는 노가스를 생성시키는 단계; 용광로 샤프트로부터 노가스를 방출시키는 단계; 노가스의 적어도 일부를 직접으로 또는 간접적으로 CO2 컨버터로 유도하고, 상기 CO2 컨버터에서 노가스 중에 함유된 CO2를 환원시킴으로써 CO를 생성하는 단계; 및 CO2 컨버터로부터 상기 CO의 제1 부분을 용광로 샤프트 내로 유도하는 단계. 이 방법은 상기 확인된 문제를 해결하고, 또한 용광로 샤프트 내로 용이하게 공급될 수 있는 가스성 환원 물질로서 CO를 생성한다. 또한, CO의 제2 부분은 CO2 컨버터로부터 추가의 처리 공정으로 유도된다. CO2 컨버터의 유형에 의거하여, CO2를 CO로 변환시키는 단계는 용광로 샤프트에서 광석을 환원시키는데 필요한 것보다 더 많은 CO를 생성한다. 추가로 생성된 CO는 추가의 처리 공정에서 공급 원료(feed stock) 또는 에너지 운반자(energy carrier)로서 사용될 수 있다.
삭제
본 발명의 일 구체예에 따르면, CO2 컨버터로부터 CO의 제2 부분은 먼저 연소되어 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 형성한 후, 상기 배기 가스 혼합물의 형태로 추가의 처리 공정으로 유도된다. 이러한 방식으로, CO는 에너지 운반자로서 사용될 수 있다. 추가의 처리 공정의 유형에 의거하여, 공급 원료 또는 원재료로서 CO2를 지니는 것이 바람직할 수 있다.
노가스가 간접적으로 CO2 컨버터로 전송되는 본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 노가스는 먼저 연소됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 형성한 후, 상기 배기 가스 혼합물의 형태로 CO2 컨버터 내로 유도된다. CO2 컨버터에서, CO2는 CO로 환원된다. 따라서, 노가스에 함유된 CO 및 노가스의 그 밖의 가연성 성분들이 에너지 운반자로서 사용될 수 있다.
추가의 처리 공정의 유형에 의거하여, CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부를 CO2 컨버터를 통하지 않고, 추가의 처리 공정으로 유도하는 것이 유리할 수 있으며, 이 경우 CO2는 상기 추가의 처리 공정에서 원재료 또는 공급 원료로서 작용할 수 있다.
상기 방법의 일 구체예에서, 노가스의 일부는 추가의 처리 공정으로 직접 전송된다. 즉, CO2 컨버터를 우회한다. 따라서, 보다 많은 양의 CO2가 추가의 처리 공정에 제공될 수 있다. 또한, 추가의 처리 공정을 위한 가스 혼합물 중 CO2 함량에 대한 CO 함량의 요망하는 비를 설정하는 것이 가능하다.
바람직하게는, CO의 일부는 특히 블라스트 노즐(blast nozzle) 또는 송풍구(tuyer) 영역에서 용융된 금속의 수준 보다 높은 용광로 샤프트의 하부 영역에 주입된다. 따라서, CO는 가스성 환원 물질로서 용광로 샤트트의 환원 구역 내로 주입된다. 나아가, 본 기재의 방법을 위해 기존 용광로를 개량하거나 개조하는 경우, 이미 존재하는 송풍구는 CO 유입구로서 사용될 수 있다.
CO의 일부는 바람직하게는 용광로 샤프트의 높이를 따라 하나 이상의 CO 유입구에 주입될 수 있다. 따라서, 용광로 샤프트의 여러 구역의 위치가 제어될 수 있고, 금속 생산이 정밀하게 제어될 수 있다.
CO 유입구는 임의로 부분적으로 용광로 샤프트에서의 용융 금속의 수준보다 아래에 위치할 수 있다. 따라서, 용융 금속의 균일한 환원이 달성될 수 있다.
상기 방법의 일 구체예에서, 추가의 탄소는 용융 금속과 접촉하게 되도록 용광로 샤프트의 하부 영역에 도입될 수 있다. 따라서, 금속의 용융점이 낮아질 수 있다.
기재된 방법의 일 구체예에서, CO2 컨버터에서 CO2를 CO로 환원시키는 단계는 800 내지 1700℃의 온도에서 C를 첨가함으로써 수행된다. 이들 조건 하에서, 보도우드 평형(Boudouard equilibrium)이 달성될 수 있으며, 이때 도입되는 CO2의 높은 비율이 CO로 변환된다.
기재된 방법의 일 구체예에 따르면, 추가의 처리 공정은 하기 중 하나이다: a) 가스 엔진 또는 가스 터빈에서의 연소 공정; b) 연료 전지에서의 산화 공정. 이러한 공정들에 의해, 열 또는 기계적 에너지가 가연성 CO 가스로부터 얻어질 수 있다.
기재된 방법의 또 다른 구체예에 따르면, 추가의 처리 공정은 바이오 컨버터에서의 생물학적 변환 공정으로, 상기 생물학적 변환 공정은 하기 알짜 반응식 중 하나 이상에 따라 미생물 또는 조류를 사용하여 수행된다: a) 6CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2; b) 6 H2 + 2CO2 → C2H5OH + 3 H2O; c) 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O. 이러한 방식으로, CO 및 특히 원치않는 CO2가 수소 첨가에 의해 에탄올로 변환될 수 있다. 또한, 케로센(kerosene), 디젤(disel), 가솔린, 메탄올 또는 그 밖의 연료가 적합한 미생물 및 조류가 선택되는 경우에 생성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 추가의 처리 공정은 바이오 컨버터에서의 생물학적 변환 공정이다. 미생물 또는 조류의 사용에 의해, 도입된 가스 CO 및 CO2가 최종 생성물로서 케로센, 디젤, 가솔린, 메탄올 또는 그 밖의 연료로 변환된다.
추가의 처리 공정이 생물학적 변환 공정인 경우에, 기재된 방법은 바람직하게는 하기 단계를 포함한다: 탄화수소 함유 유체를 a) 플라즈마에 의해 또는 b) 열에너지를 도입함으로써 탄소 및 수소로 분해시키는 단계로서, 분해 단계가 바람직하게는 별도의 탄화수소 컨버터에서 수행되는 단계; 및 수소(H2)를 생물학적 변환 공정에 유도하는 단계. 이러한 방식으로, 고온의 탄소가 보도우드 평형시에 연소 기기의 노가스 또는 배기 가스 혼합물 중에 함유하는 CO2를 감소시키기 위해 제공된다. 나아가, 상당량의 수소가 생성되는데, 이는 생물학적 변환 공정이 다량의 에탄올을 생성하고, CO2를 거의 또는 전혀 생성하지 않도록 하는 것을 가능하게 한다.
기재된 방법의 또 다른 구체예에 따르면, 추가의 처리 공정은 변환 공정이며, 이 공정에서 합성 가스가 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소로, 바람직하게는 파라핀, 케로센, 디젤, 가솔린, 액체 가스 또는 메탄올로 변환된다. 이러한 방식으로, 판매가능한 생성물이 다량으로 생성되는 CO 가스로부터 생성될 수 있다.
추가의 처리 공정이 합성 가스를 변환시키기 위한 변환 공정인 기재된 방법의 구체예에서, 합성 가스는 바람직하게는 하기 단계에 의해 생성된다: 탄화수소 함유 유체를 a) 플라즈마에 의해 또는 b) 열에너지를 도입함으로써 탄소(C) 및 수소(H2)로 분해시키는 단계; 및 상기 수소(H2) 중 적어도 일부를 CO2 컨버터에서 생성된 CO의 적어도 일부와 혼합하는 단계. 이러한 방식으로, 다량의 수소가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 탄화수소 함유 유체는 CH4, 원유 또는 그 밖의 중유와 같이 저렴한 연료이다.
기재된 방법에서, 노가스, 배기 가스, C, CO 가스, H2 가스, CO2 가스의 질량 흐름은 이상적으로는 복수의 여러 추가의 처리 공정들이 수행되는 경우에 이용될 수 있다.
기재된 방법의 대안적 형태에서, CO2 컨버터에서 CO2를 CO로 환원시키는 단계는 반응식 CO2 + H2 → CO + H2O에 따라 역-수-전환 반응(Reverse-Water-Shift reaction)에 의해 일어난다. 이러한 방식으로, 용광로 공정의 CO2 방출이 감소될 수 있고, 이러한 대안적 형태는 CO 가스의 추가의 질량 흐름을 생성하지 않는다.
일 구체예에서, 용광로 샤프트 및/또는 CO2 컨버터는 추가적으로 가열될 수 있다. 기재된 방법에서, 코크스/석탄에 의한 용광로 샤프트의 가열은 감소되거나 심지어 피해질 수 있다. 그러므로, 용광로 샤프트에서의 열에너지는 모든 상황에서 충분히 높은 온도를 달성하는데 충분하지 않을 수 있다. 추가적 가열에 의해, 보다 높은 온도, 즉, 광석을 환원시키기 위해, 그리고 상기 금속을 용융시키기 위해 요구되는 온도가 달성될 수 있다.
추가적 가열은 바람직하게는 적어도 부분적으로 상기 언급된 연소 단계들 중 어느 하나에서 생성된 열에 의해, 및/또는 탄화수소 함유 유체를 a) 플라즈마에 의해 또는 b) 열에너지의 도입에 의해 탄소(C) 및 수소(H2)로 분해시키는 상기 언급된 단계들 중 어느 하나에서 생성된 열에 의해 수행되고/거나 추가적 가열은 CO 또는 합성 가스의 작용성화된 또는 비-작용성화된 탄화수소의 변환 동안에 생성된 열에 의해 수행된다. 이러한 방식으로, 분해 단계 동안에 생성된 열이 일정한 열 에너지 수요가 있는 공정 단계 현장에서 사용될 수 있다. 따라서, 열 에너지가 낭비되지 않는다.
본원에서 기술되는 금속 생산을 위한 용광로는 제1 노가스 유출구 및 적어도 하나의 CO 유입구를 지닌 용광로 샤프트; CO2를 CO로 환원시키고, CO2를 함유하는 가스들에 대한 CO2 컨버터 유입구 및 CO2 컨버터 가스 유입구를 포함하는 CO2 컨버터를 포함하며, 노가스 유출구가 CO2 컨버터 가스 유입구에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고; CO2 컨버터가 CO2 컨버터에서 생성된 CO의 제1 부분을 방출시키기 위한 적어도 하나의 제1 CO 유출구를 포함하며, 제1 CO 유출구가 용광로 샤프트에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다. 이러한 용광로는 상기 언급된 문제점을 해결하고, 추가로, 용광로 샤프트에 용이하게 제공될 수 있는 가스성 환원 물질로서 CO를 생성할 수 있다. 또한, CO2 컨버터는 CO의 제2 부분을 추가의 처리 컨버터로 방출시키기 위한 적어도 하나의 제2 CO 유출구를 포함한다. CO2 컨버터의 유형에 의거하여, CO2의 변환은 용광로 샤프트에서 광석의 환원에 필요한 보다 많은 CO를 지니게 한다. 추가적으로 생성된 CO는 이에 따라 CO의 제2 부분으로서 전환될 수 있고, CO의 상기 제2 부분은 공급 원료 또는 에너지 운반자로서 추가의 처리 공정에 사용될 수 있다.
삭제
일 구체예에 따르면, 용광로는 연소 가스 유입구 및 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 방출시키기 위한 적어도 하나의 배기 가스 유출구를 지닌 연소 기기를 추가로 포함한다. CO2 컨버터의 제2 CO 유출구들 중 적어도 하나는 연소 기기의 연소 가스 유입구에 연결된다. 연소 기기는 적어도 부분적으로 CO2 컨버터로부터 나온 CO로 작동된다. 연소 기기의 배기 가스 유출구들 중 하나는 추가의 처리 컨버터에 연결된다. 연소 기기에서, CO2 컨버터에서 생성된 CO는 에너지 운반자로서 사용될 수 있다. 추가의 처리 공정의 유형에 의거하여, 연소 기기로부터 배기 가스 혼합물을 제공하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 CO2는 추가의 처리 공정을 위한 공급 원료로서 사용된다.
일 구체예에서, 용광로는 또한 연소 가스 유입구, 및 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 방출시키기 위한 적어도 하나의 배기 가스 유출구를 지닌 연소 기기를 포함한다. 이 구체예는 노가스 유출구와 CO2 컨버터의 간접적인 연결을 포함하며, 용광로 샤프트의 제1 노가스 유출구는 연소 기기의 연소 가스 유입구에 연결된다. 연소 기기는 적어도 부분적으로 노가스로 작동된다. 따라서, 노가스의 CO 및 그 밖의 가연성 성분들은 에너지 운반자로서 사용될 수 있다. 이러한 구체예에서, 바람직하게는 연소 기기의 배기 가스 유출구들 중 하나는 CO2 컨버터의 CO2 컨버터 가스 유입구에 연결됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부를 CO2 컨버터 내로 유도한다.
추가의 처리 공정의 유형에 의거하여, 연소 기기의 배기 가스 유출구들 중 하나가 추가의 처리 컨버터에 연결됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부가 CO2 컨버터를 지나치도록, 즉, CO2 컨버터를 통과하지 않고, 추가의 처리 공정으로 유도하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 다량의 CO2가 추가의 처리 공정에 제공될 수 있다. 또한, 추가의 처리 공정에 적합한 CO2에 대한 CO의 바람직한 비를 지닌 가스 혼합물을 조절하는 것이 가능하다.
CO2 컨버터에서 연소 기기의 배기 가스 또는 노가스 중에 함유된 CO2를 C에 의해 환원시키는 경우, CO2 컨버터의 제2 CO 유출구들 중 적어도 하나를 추가의 처리 컨버터에 연결시키는 것이 바람직하다. 추가의 처리 컨버터, 용광로 샤프트로 다시 유도될 수 있고 이에 따라 용광로 샤프트에서 소비될 수 없는, 생성된 CO 부분들이 열로, 기계적 힘으로, 또는 판매가능한 생성물로 변환될 수 있다. 열 및/또는 기계적 힘은 용광로를 작동시키는데 사용될 수 있다. 생성물은 판매될 수 있다.
추가의 처리 공정의 유형에 의거하여, 노는 추가의 처리 컨버터에 직접 연결되는, 즉, CO2 컨버터를 우회하는 커넥션(connection)을 지닌 제2 노가스 유출구를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 노가스는 CO 및 CO2 성분을 함유하며, 이들 성분은 특히 생물학적 원리를 지닌 추가의 처리 컨버터에서 추가로 처리될 수 있다.
바람직하게는, 용광로는 특히 블라스트 노즐 또는 송풍구 영역에서 용융 금속의 수준 보다 높은 용광로 샤프트의 하부 영역에 CO 유입구를 포함한다. 이러한 방식으로, CO는 가스성 환원 물질로서 용광로 샤프트의 환원 구역으로 주입될 수 있다. 기존의 노가 본원에서 기재된 방법을 위해 개량되는 경우, 이미 존재하는 송풍구가 CO 유입구로서 사용될 수 있다.
노는 바람직하게는 용광로 샤프트의 다양한 높이에서 복수의 CO 유입구를 포함한다. 따라서, CO 가스는 용광로 샤프트의 높이에 따라 여러 영역으로 주입될 수 있다. 따라서, 용광로 샤프트의 여러 구역들의 위치가 제어될 수 있고, 금속 생산이 용이하게 제어될 수 있다.
임의로, CO 유입구는 부분적으로 노의 작동 동안 용광로 샤프트에서 용융 금속의 수준보다 낮은 높이에서 위치할 수 있다. 따라서, 환원이 또한 필요에 따라 용융 금속 상태에서 달성될 수 있다.
또한, 용광로는 임의로 용광로 샤프트의 하부 영역에 탄소에 대한 C 유입구를 포함하며, C 유입구는 탄소(C)가 용광로의 작동 동안에 용융 금속의 수준보다 낮은 용광로 샤프트로 제공되어 금속의 용융점을 낮추도록 하는 방식으로 위치한다.
용광로의 일 구체예에서, CO2 컨버터는 800 내지 1700℃의 온도에서 C의 첨가에 의해 CO2를 CO로 환원시키도록 구성된다. 이러한 상황들에서, 보도우드 평형 영역이 도달될 수 있고, 이때 높은 비율의 도입된 CO2가 CO로 변환된다. 이 구체예는 예를 들어, 탄화수소 컨버터로부터 이미 고온의 탄소(C)가 이용가능할 경우에 유리하다.
노의 일 구체예에 따르면, 추가의 처리 컨버터는 가스 엔진, 가스 터빈 또는 연료 전지이다. 이들 기기에 의해, 열 또는 기계적 힘이 가연성 CO 가스로부터 생성될 수 있다.
노의 또 다른 구체예에 따르면, 추가의 처리 컨버터는 미생물 또는 조류를 사용하는 생물학적 변환 공정이 하기 알짜 반응식 중 하나 이상에 따라 수행되는 바이오 컨버터이다: a) 6CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2; b) 6 H2 + 2CO2 → C2H5OH + 3 H2O; c) 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O. 이러한 방식으로, CO 및 특히 원치않는 CO2가 수소 첨가에 의해 에탄올로 변환될 수 있다. 또한, 케로센, 디젤, 가솔린, 메탄올 또는 그 밖의 연료가 적합한 미생물 및 조류가 선택되는 경우에 생성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 추가의 처리 컨버터는 변환 공정이 미생물 또는 조류의 사용에 의해 수행됨으로써 케로센, 디젤, 가솔린, 메탄올 또는 그 밖의 연료를 생성하는 바이오 컨버터이다.
용광로는, 바람직하게는 플라즈마 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터를 포함한다. 탄화수소 컨버터는 탄화수소를 함유하는 유체에 대한 적어도 하나의 탄화수소 유입구 및 적어도 탄소에 대한 적어도 하나의 C 유출구 및 수소(H2)에 대한 적어도 하나의 H2 유출구를 포함하며, 적어도 탄소에 대한 C 유출구들 중 적어도 하나는 CO2 컨버터 유입구에 연결된다. 예를 들어, 불활성 가스, 예컨대 아르곤 또는 질소가 플라즈마 가스로서 사용될 수 있다. 다른 한편, 수소 가스 H2, CO 또는 합성 가스가 플라즈마 가스로서 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이들 가스가 상기 탄화수소의 조성 중에 어떠한 식으로든 생성되기 때문이다. 따라서, 고온의 탄소가 보도우드 평형시 연소 기기의 배기 가스 혼합물에 또는 노가스에 함유된 CO2의 환원을 위해 생성된다.
유리하게는, 탄화수소 컨버터의 수소(H2)에 대한 H2 유출구들 중 하나는 추가의 처리 컨버터에 연결된다. 이러한 방식으로, 상당량의 수소가 제공되고, 이에 따라 생물학적 변환이 다량의 에탄올을 생성하고, CO2를 거의 또는 전혀 생성하지 않는 것을 가능하게 한다.
용광로의 일 구체예에서, 추가의 처리 컨버터는 합성 가스로부터 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성하도록 구성된 CO 컨버터이다. 이들 탄화수소는 바람직하게는 파라핀, 케로센, 디젤, 가솔린, 액체 가스 또는 메탄올이다. 이러한 방식으로, 판매가능한 생성물이 다량의 생성된 CO 가스로부터 생성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 합성 가스는 바람직하게는 탄화수소 컨버터에서 생성된 수소와 CO2 컨버터에서 생성된 CO의 혼합물이다.
노가스, 배기 가스, C, CO 가스, H2 가스, CO2 가스의 생성된 질량 흐름은 용광로가 동시에 작동될 수 있는 복수의 추가의 처리 컨버터를 포함하는 경우에 이상적으로 변환될 수 있다.
용광로의 또 다른 형태에 있어서, CO2 컨버터는 반응식 CO2 + H2 → CO + H2O에 따라 역-수-전환 반응에 의해 CO2의 CO로의 환원을 수행하도록 구성된다. 역-수-전환 반응은 CO/H2O 혼합물을 생성한다. 이러한 구체예에서, CO2 방출이 감소될 수 있고, 과잉의 CO 가스 스트림이 생성되지 않는다. 용광로의 이러한 구체예에서, CO/H2O 혼합물로부터 물을 분리시키기 위한 디바이스가 CO2 컨버터의 CO 유출구 아래 CO/H2O 혼합물의 흐름 방향으로 위치한다. 이러한 구체예에서, 용광로는 플라즈마에 의해 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터를 추가로 포함하며, 탄화수소 컨버터는 탄화수소를 함유하는 유체에 대한 적어도 하나의 탄화수소 유입구 뿐만 아니라 적어도 탄소에 대한 하나의 C 유출구 및 수소(H2)에 대한 적어도 하나의 H2 유출구를 포함한다. 수소(H2)에 대한 적어도 하나의 H2 유출구는 CO2 컨버터 유입구에 연결된다. 따라서, 다량의 수소가 용광로 샤프트로부터 CO2를 환원시키기 위해 제공될 수 있다.
바람직하게는, 용광로는 용광로 샤프트의 환원 구역 및/또는 용융 구역을 가열하도록 구성된 보조히터를 포함한다. 추가적 가열에 의해, 고온이 모든 상황에서 달성될 수 있으며, 고온은 용융 광석을 환원시키기 위해 그리고 금속을 용융시키는데 필요하다.
보조 히터는 바람직하게는 상기에서 언급된 바와 같이, 상기 언급된 연소 기기들 중 어느 하나에서 및/또는 b) 연소 기기 또는 CO 컨버터인 추가의 처리 컨버터에서 생성되는 열에너지 및/또는 c) 플라즈마 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터에서 생성된 열에너지를 사용한다.
용광로 및 광석을 처리하는 방법의 이점은 적어도 하기와 같다. 석탄 또는 코크스가 비교적 덜 사용되거나 전혀 사용되지 않는다. 그러므로, 재(ash)가 상당히 적게 생성되거나, 전혀 생성되지 않고, 이에 따라 첨가제가 덜 필요하거나 전혀 필요하지 않다. 이러한 방식으로, 이송 및 원재료에 대한 비용이 감소될 수 있고, 선철(pig iron)이 보다 우수한 품질을 지닌다. 또한, 슬래그가 덜 생성되거나 전혀 생성되지 않는다. 용광로 샤프트 내측에 환원성 보호 대기가 존재하기 때문에 슬래그가 용융 선철 상에 떠 있을 이유가 없다.
본원에서 기재되는 용광로 및 광석을 처리하는 방법의 기본 개념은 노가스로부터 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 것이다. 야금 공정에서 사용되는 환원 가스는 예를 들어 EP 09318401 A1에서와 같이, 전부 용광로 샤프트 자체에서 나오며, 별도로 생성되지 않는다. 또 다른 기본 개념은 노가스로부터의 이산화탄소가 판매가능한 합성 생성물을 생산하기 위한, 특히 탄화수소를 생성하기 위한 합성 생성물 또는 합성 원재료로서 사용될 수 있다는 것이며, 이는 하기에서 상세히 기술될 것이다.
본 발명의 추가의 상세사항 및 이의 이점들은 하기에서 교정 구체예를 참조하고, 그리고 첨부되는 도면을 참조하여 논의될 것이다.
도 1은 제1 구체예에 따른 용광로의 개략도이다.
도 2는 제2 구체예에 따른 용광로의 개략도이다.
도 3은 제3 구체예에 따른 용광로의 개략도이다.
도 4는 제4 구체예에 따른 용광로의 개략도이다.
도 5는 제5 구체예에 따른 용광로의 개략도이다.
도 6은 제1 내지 제5 구체예들 중 하나에 따른 용광로에 사용될 수 있는, 탄화수소 컨버터의 개략도이다.
상세한 설명
하기 명세서에서, 용어, 상부, 저부, 우측 및 좌측 뿐만 아니라 유사한 용어는 도면에 도시되어 있는, 배향 및 정렬과 각각 관련되며, 단지 구체예들을 기술하기 위한 것이다. 이들 용어는 바람직한 배열을 나타낼 수 있기는 하지만, 제한되는 것을 의미하지 않는다.
도 1은 용광로 샤프트(2), CO2 컨버터(4) 및 추가의 처리 컨버터(6)를 포함하는 용광로(1)의 개략도를 나타낸다. 공급기(8)는 용광로 샤프트(2)의 상단부에 위치하며, 공급기는 원재료 또는 공급 원료를 용광로 샤프트(2)로 공급하도록 구성된다. 구체적으로, 원재료는 광석, 가능하게는 필요한 첨가제, 환원 물질 및 용광로를 가열하거나 초기에 가열하기 위한 가연성 물질이다.
상부에서 저부로 보면, 용광로 샤프트(2)는 환원 구역, 탄화 구역 및 용융 구역을 건조시키고, 예열하기 위한 유입구 구역을 포함한다. 건조 및 예열 구역에서, 원재료가 건조되고, 예열된다. 환원 구역에서, 주로 금속 산화물로 이루어진 광석이 CO 및 C에 의해 환원될 것이다. 탄화 구역에서, 금속 탄소 혼합물이 형성되며, 금속 탄소 혼합물의 융융점은 금속에 의거하여 1000 내지 1300℃이다. 용융 구역에서, 금속 탄소 혼합물, 특히 철 탄소 혼합물은 가열재(예를 들어, 코크스, 가연성 가스, 노가스 등)의 연소로부터의 열에 의해, 또는 보조 히터에 의해 용융된다. 미가공 금속은 용광로 샤프트(2)의 저부에서 수거된다. 광석의 금속 생산 동안, 가스 혼합물이 용광로 샤프트(2)에서 형성된다. 이러한 가스 혼합물이 노가스 또는 연도 가스로서 지칭된다. 대략 150 내지 250℃의 노가스의 열로 인해, 노가스는 용광로 샤프트(2)의 상부로 상승한다.
종래의 용광로 공정에서, 노가스는 질소(N2, 대략 52-59%), 이산화탄소(CO2, 약 22-24%), 일산화탄소(CO, 약 18-21%) 및 수소(H2, 약 1-3%) 및 물 스팀 및 가능하게는 미량의 메탄(CH4)로 이루어진 다양한 조성물을 지닌다. 질소 및 일부 산소는 노 샤프트로 취입된 공기로부터 비롯된다. 이산화탄소, 일산화탄소 및 수소는 용광로의 작동 동안 화학 반응에 의해 생성되며, 이들 화학 반응은 당업자들에게 널리 공지되어 있으며, 상세히 기술되지 않는다.
본 기재의 용광로 공정에서, 예열 단계 동안 용광로 샤프트에 보다 다량의 공기를 취입하는 것이 고려된다. 용광로(1)의 안정된 작동이 달성되자 마자, 상당량의 공기는 용광로 샤프트(2)로 취입되지 않을 것이다. 용광로 샤프트(2)에 공기가 외부에서 유입되지 않기 때문에, 이에 따라 안정된 작동 동안 용광로 샤프트(2) 내측에는 질소도, 그리고 산소도 존재하지 않는다. 따라서, 본 기재의 노가스는 기본적으로 안정된 작동 동안에는 질소를 함유하지 않는다. 오히려, 노가스는 이산화탄소(CO2, 대략 50-53%), 일산화탄소(CO, 대략 42-46%) 및 수소(H2, 대략 2-6%) 뿐만 아니라 물 스팀(H2O; 광석 및 첨가제의 잔류 습도에 의거함) 및 가능하게는 미량의 메탄(CH4)의 가변적인 조성을 갖는다. CO2 및 CO 가스는 광석의 화학적 변환 동안에 형성된다. 또한, CO2 및 CO는 첨가제로부터 형성될 수 있다. 실시 구체예에서, 노가스 중 CO2에 대한 CO의 비는 가변적이고, 용광로의 구조, 철 광석(Fe2O3 및/또는 Fe3O4)의 조성, 및 공정 파라미터 등에 의거한다.
또한, 본 기재의 용광로 공정에서, 비교적 소량의 공기, 및 이에 따라 또한 소정의 산소 및 질소가 용광로 샤프트(2)로 유입될 수 있음이 주지되어야 한다. 이들 소량의 공기는 용광로 샤프트(2)의 틈, 또는 파이프 또는 도관의 틈을 통해, 또는 보조 공정들에 의해(예를 들어, 보조 히터 등에 의해) 유입될 수 있다. 그러나, 이들 양은 매우 적고, 본 기재의 용광로 공정에 무시될 수 있다. 질소는 불활성 가스이고, 기술된 화학 반응 중 어느 하나에 관여하지 않는다. 가능하게는 공정에 유입되는 소량의 공기에서 비롯될 수 있는 산소의 양은 이미 광석(금속 산화물인)에 존재하는 산소의 양과 비교하는 경우 무시될 수 있다. 그러므로, 가스의 이러한 작은 부분들은 하기 기재에 대해 무시될 수 있다.
통상적인 용광로 공정 및 본 기재의 공정 둘 모두에서, 또한 분진 및 그 밖의 오염물질이 노가스에 함유된다. 이들 오염물질은 더스트 캐처(dust catcher) 또는 필터에 의해 여과됨으로써 용광로의 다른 원소의 오염을 피하도록 한다. 더스트 캐처는 당업자들에게 널리 알려져 있으며, 상세히 기술되지 않을 것이다.
또한, 기재되는 가스(CO 가스, CO2 가스, H2 가스 등)가 실제로는 가스 혼합물임이 주지되어야 한다. 하기 기재에서, 가스는 보다 잘 구분되도록 이들의 주 성분 또는 이들의 화학적 활성 성분 다음에 명명될 것이다. 또한, 가스가 기재되는 공정에 영향을 미치지 않는, 첨가제 또는 오염물질을 포함할 수 있음이 자명할 것이다. 나아가, 이들 가스는 또한 화학적으로 비활성인 성분들, 예컨대 상기 언급된 질소를 함유할 수 있다. 예로서, 본 기재에 따른 CO 가스는 90% 일산화탄소뿐만 아니라 10% 이하의 다른 성분들로 이루어질 수 있다. 일산화탄소(CO)는 산소의 존재 하에 가연성이다. 90% 일산화탄소, 5% 질소 및 5% CO2(이러한 혼합물이 CO 가스로서 지칭될 것임)를 지닌 가스 혼합물이 연소되는 경우, 질소 및 CO2는 산화 반응의 부분이 아닐 것이고, 이에 따라 화학적으로 비활성인 성분일 것이다.
제1 노가스 유출구(10) 및 임의의 제2 노가스 유출구(12)가 용광로 샤프트(2)의 상부에 위치한다. 다양한 양의 노가스가 작동 동안에 노가스 유출구(10, 12)로부터 배출될 수 있다. 추가로, 복수의 CO 유입구(14)가 용광로 샤프트(2)의 다양한 높이에서 제공된다. 가스성 일산화탄소는 CO 유입구(14)를 통해 다양한 높이에서 용광로 샤프트(2)로 취입될 수 있다. 분할기 유닛(divider unit)(16)이 CO의 하나 이상의 스트림을 다양한 높이에서 CO 유입구(14)로 유도하기 위해 제공된다. 분할기 유닛(16)은 상세히 도시되지는 않은, 예를 들어, 밸브(valve), 셔터(shutter) 및 파이프를 포함한다. CO 유입구(14) 중 적어도 하나는 작동 동안 달성되는 용융 금속의 수준보다 높은 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에 위치한다. 특히, CO 유입구(14)는 종래 기술의 용광로 샤프트의 블라스트 노즐 또는 송풍구의 영역에 위치한다. 기존 용광로가 본 기재의 공정을 위해 개량되어야 하는 경우, 용광로 샤프트의 기존 송풍구가 CO 유입구(14)로서 사용될 수 있다. 또한, CO 유입구(14) 중 적어도 하나가 임의로 용광로(1)의 작동 동안 용융 금속의 수준보다 아래의 높이에서 제공될 수 있다.
C 유입구(18)는 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에서 위치한다. 작동 동안, 탄소(C)는 금속의 용융점을 낮추도록 용융 금속 수준보다 낮은 C 유입구(18)를 통해 용광로 샤프트 내로 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, C 유입구(18)는 분말 형태의 탄소가 C 유입구(18)를 통해 취입됨으로써 이 시점에서 환원되는 금속의 용융점을 낮출 수 있는 환원 구역의 영역에 위치할 수 있다.
CO2 컨버터(4)는 CO2 컨버터 유입구(20), CO2 컨버터 가스 유입구(22), 제1 CO 유출구(24) 및 제2 CO 유출구(26)를 포함한다. CO2 컨버터 가스 유입구(22)는 제1 노가스 도관(23)에 의해 용광로 샤프트(2)의 제1 노가스 유출구(10)에 직접 연결된다. 하기 기재에서, 또한 CO2 컨버터 가스 유입구(22)와 노가스 유출구(10) 간의 간접적인 연결을 지닌 구체예가 도 2 및 도4를 참조하여 기술될 것이다.
하기 명세서 및 청구범위에서, 용어 "직접적인" 및 "간접적인" 및 유사한 용어는 "직접적으로 연결되는"과 같이 사용될 것이다. 이와 관련하여, 용어 "직접적인"은 물질 또는 재료가 용광로(1)의 한 요소에서 또 다른 요소로 그 사이에 어떠한 처리 또는 컨버터 없이 유도될 수 있음을 의미한다. 따라서, 용어 "간접적인"은 물질이 어느 한 요소에서 다른 한 요소로 전송되며, 이때 물질이 상기 요소 사이에서 처리되거나 변환되는 것을 의미한다.
도 1의 구체예에서, CO2 컨버터(4)는 제1 CO 유출구(24) 및 제2 CO 유출구(26)를 포함한다. 대안적으로, CO2 컨버터는 단지 하나의 CO 유출구(24 또는 26)를 포함할 수 있으며, 이 경우 분할기(미도시됨)가 상기 유출구(24 및/또는 26)의 하부에 위치하고, 상기 분할기는 CO2 컨버터에서 생성된 CO 흐름의 어떠한 요망하는 부분을 용광로(1)의 여러 그 밖의 컨버터들 또는 요소들에 전송할 수 있다. 또한, CO2 컨버터(4)가 예를 들어, 복수의 CO 유입구(14) 또는 복수의 분할기 유닛(16)으로 이어지는 복수의 제1 CO 유출구(24)를 포함할 수 있다. 상기에도 불구하고, CO2 컨버터(4)는 다양한 추가의 처리 컨버터(6)로 이어지는 복수의 제2 CO 유출구(26)를 포함할 수 있다.
CO2 컨버터(4)는 탄소(C) 및 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO)를 생성할 수 있는 어떠한 적합한 CO2 컨버터일 수 있다. 도 1의 구체예에서, CO2 컨버터(4)는 용광로에서 공지된 방법의 부분 반응에 따라 작동하며, 상기 부분 반응은 촉매를 필요로 하지 않고 750℃ 내지 1200℃의 온도에서 일어난다. 바람직하게는, CO2 컨버터(4)는 800℃ 내지 1200℃의 온도에서 작동한다. CO2 컨버터(4)의 작동 온도는 도입되는 물질(즉, 노가스, CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물, 탄소)의 온도에 의거하여 선택될 수 있다. 도입되는 물질 또는 재료가 고온을 지니는 경우라면, CO2 컨버터(4)의 작동 온도 또한 높을 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 본 기재의 용광로 공정에서, CO2 컨버터(4)로 유도되는 노가스는 주로 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)로 이루어진다. CO2 컨버터(4)에서, CO는 고온의 탄소 상에서 유도되거나 고온이 탄소(및 가능하게는 수소)와 혼합됨으로써 하기 화학 반응에 따라 변환된다:
CO2 + C → 2 CO
CO2 컨버터(4)에 도입되는 탄소 C는 간단히 저장 컨테이너로부터 전달될 수 있다. 도 4와 관련된 하기 기재에서, 고온의 탄소 C가 탄화수소 컨버터에서 생성되고 CO2 컨버터로 유도되는 구체예가 논의될 것이다. CO2 컨버터(4)는 보도우드-평형에서 최상으로 작동한다. 대략 800℃의 온도에서, 약 94% 일산화탄소가 제공될 것이고, 대략 1000℃의 온도에서, 약 99% 일산화탄소가 제공될 것이다. 또한, 광석에 또는 첨가제에 잔류 습도로서 존재할 수 있는 잔류수가 물 스팀(H2O)의 형태로 존재할 수 있고, 하기 반응에 따라 CO2 컨버터에서 변환될 것이다:
C + H2O → CO + H2
또한, CO2 컨버터로 유도되는, 노가스의 그 밖의 성분들(CO 및 가능하게는 미량의 N2, H2 및 CH4)은 화학 변환의 부분이 아니다.
CO2 컨버터(4)로부터 방출되는 가스 혼합물은 실제로 낮은 수소 함량을 지닌 합성 가스이며, 상기 합성 가스는 추가의 처리 컨버터로 유도된다. 수소 함량은 광석의 습도 또는 첨가제, 및 가능하게는 탄소와 혼합되는 수소의 양에 의거한다. 가스 혼합물은 주로 CO 가스로 이루어지며, CO의 일부는 이미 노가스의 구성성분으로서 존재하였고, CO의 나머지는 CO2 컨버터(4) 내측의 노가스에 함유된 CO2의 변환에서 비롯된다.
추가의 처리 컨버터(6)는 CO 및 CO2를 단독으로 또는 추가의 처리 공정에서 그 밖의 원재료와 관련되어 처리할 수 있는 디바이스이다. 추가의 처리 컨버터(6)는 CO 유입구(28), 보조제 유입구(29), 임의의 노가스 유입구(30) 및 추가의 처리 컨버터 유출구(32)를 포함한다. CO2 유입구는 CO 커넥션(34)에 의해 CO2 컨버터의 CO 유출구(28)에 연결된다. 추가의 처리 컨버터(6)의 임의의 노가스 유입구(30)는 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 용광로 샤프트(2)의 제2 노가스 유출구(12)에 연결된다. 도 1의 구체예에서, 추가의 처리 컨버터(6)는 하기에서 설명되는 바와 같이 합성의 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성할 수 있는, 연소 기기, 바이오 컨버터 또는 CO 컨버터일 수 있다:
추가의 처리 컨버터(6)의 한 형태로서 사용될 수 있는 연소 기기는, 예를 들어, 가스 버너, 가스 터빈 또는 가스 엔진일 수 있다. 연소 기기에서, CO는 산소 또는 공기의 존재 하에서 연소됨으로써 또 다른 기기를 위해 및/또는 열을 생성하기 위해 에너지를 생성할 것이다. 또한, 추가의 처리 컨버터는 CO가 첨가되는 산소로 산화되는 연료 전지일 수 있다.
추가의 처리 컨버터(6)의 대안적인 형태일 수 있는 바이오 컨버터에서, 미생물 또는 조류를 사용하는 변환 공정은 하기 알짜 반응식 중 하나 이상에 따라 수행된다:
a) 6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2;
b) 6 H2 + 2 CO2 → C2H5OH + 3 H2O;
c) 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O.
바이오 컨버터의 경우에, 천연 발생 또는 유전자 변형된 미생물 또는 조류가 임의로 수소와 혼합될 수 있는 (하기에서 기술되는 바와 같이) 일산화탄소(노가스) 또는 순수한 일산화탄소(CO2 컨버터(4)로부터 나오는 CO) 또는 이산화탄소를 함유하는 가스를 염기성 화학물질로 변환시키기 위해 사용된다. 이러한 염기성 화학물질은 예를 들어, 알코올, 에테르 또는 에스테르이다. 이러한 변환에서, 이들 미생물 또는 조류의 능력, 즉, 내부 물-전환 반응(WSR)의 일환으로 이산화탄소의 환원에 필요한 수소를 자체적으로 생성하는 능력이 사용된다. CO2의 에탄올(C2H5OH 또는 또한 C2H6O)로의 변환은 하기와 같이 요약될 수 있다:
6 CO + 3H20 → C2H5OH + 4 CO2
또한 수소가 첨가되는 경우, 하기의 알짜 반응식이 발생한다:
6 H2 + 2CO2 → C2H5OH + 3 H2O
또한, 적합한 미생물 또는 조류가 선택될 경우, 케로센, 디젤, 가솔린, 메탄올 또는 그 밖의 연료가 생성될 수 있다. 적합한 미생물 또는 조류로는, 예를 들어, Coskata(USA) 및 BRI(USA) 뿐만 아니라 Lanza Tech(New Zealand)사로부터 상업적으로 입수가능한 클로스트리듐(Clostridium)으로 불리우는 혐기성 박테리아가 공지되어 있다. 바이오 컨버터에서, 미생물 또는 조류는 도입되는 가스와 접촉하게 된다. 또한, 미생물 또는 조류의 유형에 의거하여 부작용제(accessory agent) 또는 보조제를 바이오 컨버터로 공급하는 것이 고려되며, 이들 부작용제는 미생물 또는 조류의 중요 기능을 지지하도록 작용할 수 있다. 합성 가스 발효 컨버터로서도 알려져 있는 바이오 컨버터의 구성 및 작동이 기술 문서로부터 당업자들에게 공지되어 있다.
추가의 처리 컨버터(6)를 구현하기 위한 제3의 옵션은 합성 가스가 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소, 바람직하게는 파라핀, 케로센, 디젤, 가솔린, 액체 가스 또는 메탄올로 변환되는 CO 컨버터이다. 이러한 경우에, 추가의 처리 컨버터(6)는 예를 들어, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 컨버터, 베르기우스-피어(Bergius-Pier) 컨버터 또는 피어(Pier) 컨버터이다. 이러한 컨버터의 구성 및 작동은 당업자들에게 공지되어 있으며, 상세히 기술되지 않을 것이다. 추가의 처리 컨버터(6)가 CO 컨버터인 경우, 수소는 부작용제 유입구(29)를 통해 도입될 것이다. 이러한 경우가 도 4와 관련하여 보다 상세히 기술될 것이다.
용광로 샤프트(2)로부터의 노가스를 제2 노가스 커넥터(31)를 통해 추가의 처리 컨버터(6)에 공급하는 것은 선택사항이며, 처리 컨버터(6)가 바이오 컨버터 또는 연소 기기인 경우가 유리하다.
보조제는 보조제 유입구(29)를 통해 추가의 처리 컨버터(6)에 도입될 것이며, 보제는 추가의 처리 컨버터에서 CO 또는 CO2를 추가 처리하는데 필요하다. 이들 보조제는 예를 들어, 수소(추가의 처리 컨버터(6)가 바이오 컨버터 또는 CO 컨버터인 경우), 각각 공기 또는 산소(추가의 처리 컨버터(6)가 연소 기기인 경우), 또는 그 밖의 보조제이다.
추가의 처리 컨버터 유출구(32)는 추가의 처리 컨버터(6)에 의해 생성된 생성물을 배출시킨다. 이는 가스 엔진 또는 가스 터빈의 경우에, 추가의 처리 컨버터 유출구(32)가 모터 샤프트 또는 터빈 샤프트임을 의미한다. 화학적인 추가의 처리 컨버터(바이오 컨버터 또는 CO 컨버터)의 경우, 추가의 처리 컨버터 유출구는 추가의 처리 컨버터(6)에서 생성된 액체 또는 가스성 생성물에 대한 유출구이다.
도 2는 도 1의 구체예와 유사한 방식으로 구성된 용광로(1)의 또 다른 구체예를 나타낸다. 도 1과 관련하여 이미 논의된 용광로(1)의 동일하거나 상응하는 요소들은 도 2에서 동일한 도면 부호를 가질 것이고, 간결하게 하기 위해 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 2에 도시된 용광로(1)는 연소 기기(36)(즉, 도 1의 용광로(1)와 관련하여 추가로)를 추가로 포함하며, 연소 기기는 용광로 샤프트(2)와 CO2 컨버터(4) 사이에 위치한다. 연소 기기(36)는 연소 가스 유입구(38) 및 CO2를 함유하는 배기 가스를 방출시키기 위한 배기 가스 유출구(40)를 포함한다. 용광로 샤프트(2)의 노가스 유출구(10)는 연소 가스 유입구(38)에 연결된다. 배기 가스 유출구(40)는 CO2 컨버터(4)의 CO2 컨버터 가스 유입구(22)에 연결된다. 이는 연소 단계가 용광로 샤프트(2)와 CO2 컨버터(4) 사이의 연소 기기(36)에서 일어나기 때문에, 제1 노가스 유출구(10)가 CO2 컨버터 가스 유입구(22)에 간접적으로 연결됨을 의미한다.
연소 기기(36)는 CO2를 함유하는 배기 가스를 생성하는, 가스 엔진, 가스 터빈 또는 가스 버너일 수 있다. 연소 기기(36)가 가스 버너인 경우, 가스 버너에 의해 생성되는 열은 보조 히터에 의해 용광로 샤프트(2)를 가열하기 위해 또는 용광로 샤프트(2)로 또는 CO2 컨버터(4)로 공급될 가스 또는 그 밖의 원재료를 예열하기 위해 사용될 수 있다. 연소 기기(36)가 가스 엔진 또는 가스 터빈인 경우, 가스 엔진 또는 가스 터빈의 출력이 용광로(1)의 작동에 필요할 수 있는 펌프 또는 팬을 작동시키는데 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, CO2를 함유하는 모든 배기 가스가 배기 가스 유출구(40)로부터 제1 배기 커넥션(41)(실선으로 도시됨)을 통해 CO2 컨버터(4)로 유도될 수 있다. 임의로 (점선으로 도시된 바와 같이), 배기물의 일부는 배기 가스 유출구(40)로부터 제2 배기 커넥션을 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 유도될 수 있다. 배기물은 노가스 유입구(30)를 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 유도될 수 있다.
도 3은 도 1 및 2의 구체예들과 유사한 구성을 갖는 용광로(1)의 또 다른 구체예를 나타낸다. 도 1 또는 2와 관련하여 이미 논의된 용광로(1)의 동일하거나 상응하는 요소들은 동일한 도면 부호를 가질 것이고, 간결하게 하기 위해 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 3에 도시된 용광로(1)은 연소 기기(36)(즉, 도 1의 용광로(1)와 관련하여 추가로)를 추가로 포함하며, 연소 기기는 CO2 컨버터(4)와 추가의 처리 컨버터(6) 사이에 위치한다. 연소 기기(36)는 연소 가스 유입구(38) 및 CO2를 함유하는 배기 가스를 배출시키기 위한 배기 가스 유출구(44)를 포함한다. CO2 컨버터(4)의 제2 CO 유출구(36)는 연소 가스 유입구(39)에 연결된다. 배기 가스 유출구(40)는 추가의 처리 컨버터(6)의 CO 유입구(28)에 연결된다. 이는 연소 단계가 CO2 컨버터(4)와 추가의 처리 컨버터(6) 사이의 연소 기기(36)에서 일어나기 때문에, CO2 컨버터(4)의 제2 CO 유출구(26)가 CO 유입구(28)에 간접적으로 연결됨을 의미한다.
연소 기기(36)는 CO2를 함유하는 배기 가스를 생성하는, 가스 엔진, 가스 터빈 또는 가스 버너일 수 있다. 연소 기기(36)가 가스 버너인 경우, 가스 버너에 의해 생성되는 열은 보조 히터에 의해 용광로 샤프트(2)를 가열하기 위해 또는 용광로 샤프트(2)로 또는 CO2 컨버터(4)로 공급될 가스 또는 그 밖의 물질을 예열하기 위해 사용될 수 있다. 연소 기기(36)가 가스 엔진 또는 가스 터빈인 경우, 가스 엔진 또는 가스 터빈의 출력이 용광로(1)의 작동에 필요할 수 있는, 예를 들어 펌프 또는 팬을 작동시키는데 사용될 수 있다.
도 4는 도 1, 2 및 3의 구체예들과 유사한 구성을 갖는 용광로(1)의 또 다른 구체예를 나타낸다. 도 1 내지 3과 관련하여 이미 논의된 용광로(1)의 동일하거나 상응하는 요소들은 도 4에서 동일한 도면 부호를 가질 것이고, 간결하게 하기 위해 상세히 논의되지 않을 것이다.
도 4에 도시된 용광로(1)는 용광로 샤프트(2)와 CO2 컨버터(4) 사이에 위치한 연소 기기(36)를 포함한다. 연소 기기(36)는 도 2와 관련하여 이미 상세히 기술되어 있다. 배기 가스 유출구(40)로부터의 CO2를 함유하는 배기 가스가 도 2와 관련하여 상기 기술된 바와 동일한 방식으로 도입된다.
도 4의 용광로는 탄화수소 컨버터(46)를 추가로 포함한다. 탄화수소 컨버터(46)는 탄화수소를 함유하는 유체를 도입하기 위한 적어도 하나의 탄화수소 유입구(48) 및 적어도 탄소(임의로 일부 수소와 혼합됨)를 방출시키기 위한 제1 C 유출구(50) 및 수소를 방출시키기 위한 H2 유출구(52)를 포함한다. 탄화수소 컨버터(46)는 탄화수소(CnHm)를 탄소 및 수소로 변환시키거나 분해시킬 수 있는 어떠한 탄화수소 컨버터, 특히 플라즈마에 의해 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터이다. 탄화수소 컨버터(46)는 임의로 탄소를 방출시키기 위한 제2 C 유출구(54)를 포함할 수 있다. 제1 C 유출구(50)는 C 커넥션(56)을 통해 CO2 컨버터(4)의 CO2 컨버터 유입구(20)에 연결된다. H2 유출구(52)는 H2 커넥션(58)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)의 보조제 유입구(29)에 연결되며, 이에 따라 보조제로서 H2를 공급한다. 제1 C 유출구(50) 및 H2 유출구(52)는 또한 탄소 및 수소에 대한 통합 유출구(50/52)로 통합될 수 있다. 통합 유출구(50/52)는 도면에 도시되어 있지 않지만, 기술되는 모든 구체예에서 존재할 수 있다. 탄소 및 수소는 통합 유출구(50/52)로부터 CO2 컨버터(4)로 동시에 전송될 수 있다. 특히 탄소 및 수소는 H2/C 에어로졸 형태로 제공될 수 있다.
탄화수소 컨버터(46)는 바람직하게는 플라즈마 작동 반응기, 특히 크베너(Kvaerner) 반응기이다. 탄화수소 컨버터에서, 탄화수소를 함유하는 유체의 형태의 탄화수소는 고온에서 플라즈마 유닛 또는 플라즈마 버너에 의해 순수한 탄소(예를 들어, 활성 석탄, 카본 블랙, 그라파이트 또는 산업 검댕(industrial soot)의 형태로) 및 수소로 분해된다. 탄화수소 컨버터(46)에 대한 출발 물질 또는 원재료로서 사용되는 탄화수소 함유 유체는 예를 들어, 메탄, 천연 가스, 바이오가스, 습식 가스 또는 액체 가스 또는 중유일 수 있다. 그러나, 합성의 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소 또한 탄화수소 컨버터(46)에 대한 출발 물질로서 사용될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 탄화수소 컨버터(46)는 열에너지로 작동되고, 탄화수소를 예를 들어, 열분해에 의해 분해시킬 수 있다. 탄화수소 분해는 가능하게는 요망하지 않는 탄소 산화물 또는 물의 형성을 억제하도록 산소의 부재 하에 이루어져야 한다. 그럼에도 불구하고, 탄화수소와 함께 도입될 수 있는 소량의 산소는 공정에 유해하지 않다.
탄화수소 컨버터는 탄화수소를 함유하는 유체에 대한 유입구, 분해 에너지를 유체에 도입시키기 위한 적어도 하나의 유닛 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는 공정 챔버를 포함한다. 분해 에너지는 적어도 부분적으로 예를 들어 플라즈마(플라즈마 반응기)에 의해 제공되는 열에 의해 제공된다. 그럼에도 불구하고, 분해 에너지는 또한 그 밖의 수단(열 반응기)에 의해 제공될 수 있다. 주로, 이러한 구성은 열에 의해 수행된다. 유체는 1000℃ 초과, 특히 1500℃ 초과의 온도로 가열되어야 한다. 플라즈마 작동 탄화수소 컨버터에서, 플라즈마 가스는 외부로부터 도입되거나 탄화수소 컨버터 내측에서 형성되는 어떠한 적합한 가스일 수 있다. 불활성 가스, 예컨대, 아르곤 또는 질소가 플라즈마 가스로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 가스성 수소 H2, CO 또는 합성 가스는 이들 가스가 탄화수소의 구성 동안에 어떻게든 생성되기 때문에 임의적일 것이다.
탄화수소 컨버터(46)는 1000℃ 초과의 온도에서 작동하는 고온 반응기(예를 들어, 고온 크베너 반응기)일 수 있다. 대안적으로, 탄화수소 컨버터는 200℃ 내지 1000℃의 온도에서 작동하는 저온 반응기(예를 들어, 저온 크베너 반응기)일 수 있다.
또 다른 구체예에서, 탄화수소 컨버터(46)는 하나 이상의 고온 반응기와 하나 이상의 저온 반응기의 조합일 수 있다. 이러한 배열은 하기에서 도 6을 참조하여 기술될 것이다.
탄화수소 컨버터(46)에서 생성된 탄소는 다양한 비율로 제1 C 유출구(50) 및 제2 C 유출구(54)로부터 방출될 수 있다. 제1 C 유출구(50)는 생성된 탄소(C)의 일부를 CO2 컨버터(4)로 유도하는데 사용된다. 탄소화 함께, 분해 단계로부터 비롯되는 수소의 변화가능한 비율이 C 유출구(50)로부터 CO2 컨버터(4)로 유도될 수 있다. (이러한 경우, C 유출구(50) 및 H2 유출구(52)는 통합 유출구(50/52)를 형성함). 수소는 CO2 컨버터(4)에서 C와 CO2의 상기 언급된 반응에 대해 유해하지 않다. 수소는 또한 에너지 운반자로서 작용할 수 있는데, 그 이유는 수소가 탄화수소 컨버터(46)에서 분해 단계의 결과로서 매우 고온이기 때문이다. 제2 C 유출구(54)는 일산화탄소를 생성시키기 위한 CO2 컨버터(4)에서 사용되지 않는, 생성된 탄소의 일부를 축출하는데 사용된다. 생성된 탄소는 탄화수소 컨버터(46)의 구성에 의거하여 다양한 온도를 지닌다. 온도는 열에 의해 작동되는 반응기 또는 저온 플라즈마 반응기가 사용되는 경우라면 200℃ 내지 1000℃이지만, 고온 플라즈마 반응기가 사용되는 경우에, 온도는 1700℃ 이하일 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, CO2 컨버터(4)의 작동 온도는 도입되는 원재료(즉, 노가스, CO2를 함유하는 배기 가스, 탄소)의 온도에 의거하여 선택될 수 있다. CO2 컨버터(4)로 유도되는 탄소(및 임의로 동시에 도입되는 수소)가 예를 들어, 1500℃ 내지 1700℃의 고온이라면, CO2 컨버터(4)의 작동 온도 또한 높을 수 있다. 단지 200℃ 내지 700℃의 온도를 지닌 탄소를 생성하는 탄화수소 컨버터(46)가 사용되는 경우, 본 기재는 CO2 컨버터(4)를 추가로 가열함으로써 노가스/배기 가스의 보다 우수한 CO2 변환을 달성하도록 하는 것을 고려한다. 탄소의 온도가 C 커넥션 분리 등의 구성에 의거하여 탄화수소 컨버터(46)의 작동 온도에 의거함이 주지되어야 한다.
제2 C 유출구(54)로부터 방출되는 탄소는 생성물, 예컨대 활성 석탄, 그라파이트, 카본 블랙 또는 그 밖의 변형물, 예컨대 카본 콘(carbon cone) 또는 카본 디스크(carbon disc)로서 공정에서 얻어질 수 있다. 방출되는 탄소의 형태 및 품질에 의거하여, 방출되는 탄소는 화학 산업에서 또는 전자 산업을 위해 원재료로서 사용될 수 있다. 예상가능한 적용은 예를 들어, 반도체 생산, 타이어 생산, 잉크, 토너 또는 유사 제품들이다. 탄화수소 컨버터(46)에서 생성되는 탄소는 특히 플라즈마 작동 탄화수소 컨버터가 사용되는 경우에 용이하게 추가로 처리될 수 있는, 고순도 원재료이다.
탄화수소 컨버터(46)의 임의의 제2 C 유출구(54)는 또한 용광로 샤프트(2)의 C 유입구(18)에 연결될 수 있다. 따라서, 탄화수소 컨버터(46)에서 생성되는 탄소는 용광로 공정에서 사용될 수 있다.
도 4의 구체예에서, 도 3의 구체예와 관련하여 상기 기술된 바와 같은 추가의 연소 기기(36)가 임의로 CO2 컨버터(4)와 추가의 처리 컨버터(6) 사이에 제공될 수 있다. 이러한 제2 연소 기기(36)는 간략하게 하기 위해 도 4에 도시되어 있지 않다. CO2 컨버터(4)와 추가의 처리 컨버터(6) 간에 제2 연소 기기(36)를 제공하는 것은 추가의 처리 컨버터(6)에서의 추가의 처리 공정의 유형에 의거한다.
상기 언급된 바와 같이, CO2 컨버터(4)로부터 나오는 가스 혼합물은 실제로 낮은 수소 함량을 지닌 합성 가스이며, 이러한 합성 가스는 주로 CO로 이루어진다. 이러한 합성 가스는 탄화수소 컨버터(46)로부터 나오는 수소와 혼합됨으로써 높은 수소 함량을 지닌 합성 가스를 생성할 수 있다. CO와 수소의 혼합은 추가의 처리 컨버터(6)에서, 또는 추가의 처리 컨버터 위에 구비되는 믹서(mixer)(미도시됨)에서 직접 수행될 수 있다. 탄화수소 컨버터(46)로부터의 수소의 적어도 일부와 탄소가 동시에 CO2 컨버터(4)(예를 들어, H2/C-에어로졸의 형태로)에 유도되는 구체예에서, CO2 컨버터(4)는 보다 높은 수소 함량을 지닌 합성 가스를 생성한다.
도 4에 도시된 구체예의 추가의 처리 컨버터(6)는 또한 CO2, CO 및 H2의 다양한 비율을 포함하는 가스 혼합물로 작동될 수 있다. 추가의 처리 컨버터(6)로 유도되는 가스 혼합물의 CO2 비율은 연소 기기(36)의 배기 가스로부터 비롯된다. 가스 혼합물의 CO2 비율은 연소 기기(36)가 제공될 지의 여부에 의거하고, 그 안에서 노가스 또는 CO가 연소되는 양에 의거하여 보다 높거나 보다 낮다. 가스 혼합물의 CO 비율은 CO2 컨버터로부터 비롯되고, H2 비율은 탄화수소 컨버터(46)로부터 비롯된다. 가스 혼합물은 합성 가스로 일컫어질 수 있다. 합성 가스, 약어로 신가스(syngas)는 또한 이산화탄소를 포함할 수 있는, 일산화탄소과 수소의 가스 혼합물이다. 합성 가스는 천연 가스 에너지 함량의 약 50%를 지닌다. 합성 가스는 연소될 수 있고, 이에 따라 연료원으로서 작용할 수 있다. 합성 가스는 또한 그 밖의 화학적 생성물을 생성하기 위한 중간 생성물로서 사용될 수 있다.
추가의 처리 컨버터(6)에 제공되는 가스 혼합물은 가연성이고, 일반적으로 연소됨으로써 기계적 힘 또는 화력을 생성할 수 있다. 이러한 경우에, 추가의 처리 컨버터(6)는 연소 기기이다. 그 안에서 생성된 기계적 힘은 예를 들어, 전력을 생성하기 위해 또는 용광로(1)에서 다른 기기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용광로 샤프트(2)를 가열하기 위해 연소 열이 사용될 수 있다.
또한, 추가의 처리 컨버터(6)는 도 1 내지 3의 구체예와 관련하여 상기에서 기술된 바와 같이 바이오 컨버터일 수 있다. 추가의 처리 컨버터(6)가 바이오 컨버터인 경우, 바이오 컨버터에서 사용되는 미생물 또는 조류의 유형에 의거하여 다양한 비율의 CO 및 CO2를 추가의 처리 컨버터(6)에 유도하는 것이 바람직할 수 있다. 제2 CO 유출구(26)로부터의 CO 스트림의 일부는 추가의 처리 컨버터(6)로 직접 유도될 수 있지만, 제2 CO 유출구(26)로부터 나오는 CO 스트림의 또 다른 부분은 연소 기기(36)를 통해 전송될 수 있고, 그 안에서 연소됨으로써 열을 생성하고 보다 많은 CO2를 추가의 처리 컨버터(6)에 제공할 수 있다. 따라서, 추가의 처리 컨버터(6)에 대해 유리한 CO과 CO2의 혼합물이 전달될 수 있다. 바이오 컨버터에서, 가스 혼합물은 가스 혼합물의 CO2, CO 및 H2 비율에 의거하여 조류 또는 미생물을 사용하여 상기 언급된 반응식 중 어느 하나에 따라 변환된다.
추가의 처리 컨버터(6)가 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성하기 위한 CO 컨버터인 경우, 추가의 처리 컨버터(6)에 제공되는 가스 혼합물은 주로 CO 및 H2로 이루어진 합성 가스이다. 상기 합성 가스로부터, CO 컨버터는 바람직하게는 상기 언급된 공정들(피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정, 베르기우스-피어(Bergius-Pier) 공정 등)에 의해 파라핀, 케로센, 디젤, 가솔린, 습식 가스 또는 액체 가스 또는 메탄올을 생성한다. 이러한 경우에, 가스 혼합물은 CO2를 함유하는 배기 가스를 거의 함유하지 않는데, 왜냐하면, 바람직하게는 CO 및 H2가 추가의 처리 컨버터(6)로 유도되기 때문이다.
상기 논의된 모든 구체예에 대해, 임의의 제2 노가스 유출구(12)로부터, 그리고 임의의 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 유도되는 노가스는, 상응하는 추가의 처리 컨버터(6)에 대해 유해할 수 있는, 유해 물질, 예컨대 황, 재, 중금속 및 그 밖의 물질로부터 정제될 수 있음이 주지되어야 한다. 추가의 처리 컨버터(6)가 단지 연소 기기인 경우, 또한 제2 노가스 유출구(12)로부터의 비-정제된 노가스가 사용될 수 있다.
상기 논의된 모든 구체예에 대해, CO2를 함유하는 배기 가스의 일부는 추가의 처리 컨버터(6)에 대해 특정 CO2 비율이 요망되는 경우, 연소 기기(36) 중 어느 하나로부터 직접 추가의 처리 컨버터(6)로 전송될 수 있음이 추가로 주지되어야 한다.
도 5의 구체예는 노가스, 특히 CO2가 노가스 중에 포함되는 노가스를 대안적인 CO2 컨버터(104)에 의해 처리하는 또 다른 용광로(1)를 나타낸다. 도 1 내지 4과 관련하여 이미 논의된 용광로(1)의 동일하거나 상응하는 요소들은 도 5에서 동일한 도면 부호를 가질 것이고, 이들 요소는 간결하게 하기 위해 상세히 논의되지 않을 것이다.
용광로 샤프트(2)는 도 1 내지 4의 상기 기술된 구체예에서와 같은 동일한 방식으로 구성된다. 연소 기기(36)는 또한 용광로 샤프트(2)와 대체적인 CO2 컨버터(104) 사이에 위치할 수 있으며, 연소 기기는 CO2를 함유하는 배기 가스를 생성한다. CO2를 함유하는 배기 가스는 배기 가스 커넥션(41)에 의해 대안적인 CO2 컨버터(104)의 CO2 컨버터 가스 유입구(122)로 전송될 것이다.
도 5에 따른 구체예의 대안적인 CO2 컨버터(104)는 CO2를, 역-수-전환 반응(Reverse-Water-Shift reaction) 또는 하기 반응식에 따른 RWS 반응에 의해 CO와 H2O의 혼합물로 변환시키도록 구성된다.
CO2 + H2 → CO + H2O
그러므로, 대안적인 CO2 컨버터(104)는 하기에서 RWS CO2 컨버터(104)로서 지칭된다. RWS CO2 컨버터(104)는 CO2 컨버터 유입구(120), CO2 컨버터 가스 유입구(122) 및 CO2 컨버터 유출구(124)를 포함하며, CO/H2O 혼합물이 상기 CO2 컨버터 유출구(124)로부터 방출된다.
CO/H2O 혼합물은 혼합물 커넥션(126)을 통해 물 분리기(128)로 전송되며, 물 분리기(128)는 혼합물 유입구(130), H2O 유출구(132) 및 CO 유출구(134)를 포함한다. 물 분리기(128)는 CO/H2O 혼합물로부터 H20를 분리시키고, H2O 유출구(132)를 통해 상기 H2O를 방출하도록 구성된다. 분리된 CO 가스는 CO 유출구(134)로부터 방출될 수 있고, 분배 유닛(16)으로 전송될 수 있다. 분배 유닛(16)은 CO 가스를 용광로 샤프트(2)의 다양한 높이로 유도한다. 물 분리기(128)는 선택적이며, 또한 물의 양은 야금 공정의 요망하는 제어 방법에 의거하여 용광로 샤프트(2)에 도입될 수 있음이 주지되어야 한다.
또한, 제5 구체예의 용광로(1)는 도 1 내지 4의 구체예와 관련하여 상기 논의된 바와 동일한 방식으로 구성될 수 있고, 동일한 방법에 따라 작용할 수 있는 탄화수소 컨버터(46)를 포함한다. 그러나, 제5 구체예의 탄화수소 컨버터(46)는 상이하게 연결된다. 탄화수소 컨버터(46)의 H2 유출구(52)가 RWS CO2 컨버터(104)의 CO2 컨버터 유입구(120)에 연결된다. 언급된 바와 같이, 탄화수소 컨버터(46) 내측에서 생성되는 탄소(C)의 일부, 예를 들어, 제1 C 유출구(50)로부터 방출되는 탄소는 제품으로서 판매될 수 있다. 대안적으로, 탄소(C)는 C 유입구(18)를 통해 용광로 샤프트(2) 내로 유도될 수 있다. 다른 구체예에 대해 기술된 바와 같이, 탄화수소 컨버터(46)는 단지 하나의 C 유출구(50, 54)를 가질 수 있으며, 요망하는 C 비율이 후에 방출될 수 있다. C 유출구(50 및 54)는 상이한 C 흐름이 가능할 수 있음을 기재하기 위해 제시되는 것 뿐이다.
RWS CO2 컨버터(104)에서 사용되지 않거나 변환되지 않은 탄화수소 컨버터(46)로부터 나오는 어떠한 과잉의 수소 H2는 임의로 H2 저장 컨테이너로 유도될 수 있다. 저장된 수소는 생성물로서 판매될 수 있거나, 기재된 공정에서 다른 장소를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
도 1 내지 5의 모든 구체예에서, 보조 히터(도면에 기재되지 않음)가 제공될 수 있으며, 보조 히터는 용광로 샤프트(2)의 환원 구역을 가열하기 위해 구성된다. 이러한 추가적 가열은 코크스 또는 석탄 및 철 광석이 첨가제와 함께 용광로 샤프트(2)에 제공되는 이전에 공지된 용광로 공정과 비교하여 보다 낮은 공정 온도가 예상될 수 있기 때문에 필요하다. 따라서, 용광로 샤프트(2)의 구성 및 크기에 의거하여, 그리고 용광로 샤프트(2)에 제공되는 원재료의 온도에 의거하여 추가의 또는 보조 가열을 제공하는 것이 필요할 수 있다. 상기 보조 히터는 추가의 처리 컨버터(6)가 연소 기기인 경우, 연소 기기(36) 중 어느 하나에서 또는 추가의 처리 컨버터(6)에서 생성되는 열을 사용할 수 있다. 또한, 보조 히터는 탄화수소 컨버터(46)로부터의 폐열을 사용할 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 탄화수소 컨버터(46)는 열적으로 또는 플라즈마에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터(46)와 무관하게 탄화수소의 분해 동안 상당량의 폐열을 발생시킨다.
또한, 다양한 컨버터 및 용광로 샤프트(2)의 크기에 의거하여, 하나 초과의 CO2 컨버터, 하나 초과의 탄화수소 컨버터, 하나 초과의 연소 기기 및 하나 초과의 추가의 처리 컨버터가 제공될 수 있으며, 도 1 내지 5의 모든 구체예에서 병행하여 작동될 수 있음이 주지되어야 한다.
또한, 복수의 추가의 처리 컨버터(6)가 도 1 내지 5의 모든 구체예에 대해 고려되며, 이들 추가의 처리 컨버터(6)는 상이한 원리에 따라 작용한다. 예로서, 제1 추가의 처리 컨버터(6)는 용광로 샤프트를 추가로 가열하기 위한 가스 버너(제1 연소 기기)로서 구현될 수 있고, 제1 추가의 처리 컨버터와 병행하여 작동하는 제2 추가의 처리 컨버터(6)는 가스 터빈(제2 연소 기기)로서 구현될 수 있으며, 상기 가스 터빈은 용광로(1)의 펌프 또는 팬에 대한 동력을 생성하고, 또한 병행하여 작동되는 제3 추가의 처리 컨버터(6)가 CO 및 H2를 포함하는 합성 가스로 작동됨으로써 상기 기재된 방식(피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch principle) 이론에 따라 CO 컨버터)으로 탄화수소를 생성할 수 있고, 가스 혼합물의 나머지는 제4 추가의 처리 컨버터(6)(바이오 컨버터)에서 조류 또는 미생물을 사용하여 생물학적 공정으로 변환될 수 있다.
상기 논의를 토대로, 하기 유리한 조합이 요약될 수 있다:
1. 보도우드 평형에 따라 C의 존재 하에서 CO2를 CO로 환원시키는 CO2 컨버터(4)로서, CO2 컨버터(4)는 합성 가스를 변화시키는 연소 기기, 바이오 컨버터 또는 CO 컨버터 중 하나인 추가의 처리 컨버터(6)와 병합된다. 특히 바람직한 추가의 처리 컨버터는 CO2가 이들 구체예(하기 실시예 1 내지 4 참조)의 전체 공정에서 거의 또는 전혀 방출되지 않기 때문에, 합성 가스를 변환시키는 바이오 컨버터 및 CO 컨버터이다.
2. 역-수-전환 반응에 따라 CO2 및 H2를 CO/H2O 혼합물로 환원시키는 대안적인 RWS CO2 컨버터(104)로서, RWS CO2 컨버터(104)는 임의의 물 분리기와 병합된다.
상기 언급된 모든 구체예에서, CO2 또는 수소를 환원시키는데 필요한 탄소가 용이하게 이용가능하고, 낮은 비용의 탄화수소로 작동될 수 있는 탄화수소 컨버터에서 생성되는 경우 유리할 것이다. 특히, 탄화수소를 함유하는 천연 발생 가스, 즉, 천연 가스, 프랙킹(fracking) 가스, 또는 그 밖의 용이하게 이용가능하고, 저렴한 가스를 탄화수소 컨버터(46)에 공급하는 것이 고려된다.
하기에서, 도 1 내지 5의 구체예의 작동이 기술된다. 먼저, 기본적인 작동은 제1 구체예의 간단한 예시를 토대로 설명될 것이다.
작동 동안, 주로 금속 산화물로 이루어진 광석이 공급기(8)를 통해 용광로 샤프트로 공급된다. 작동 동안, 약 200 내지 2000℃ 범위의 상부에서 저부로의 용광로 샤프트(2)에서의 온도 분포가 존재한다. 작동시, 건조 및 예열 구역의 온도는 약 200℃이고, 환원 구역의 온도는 약 400 내지 900℃이고, 탄화 구역의 온도는 약 1000 내지 1500℃이고, 용융 구역의 온도는 약 1200 내지 1800℃이다.
상기 언급된 바와 같이, 공급기(8)를 통해 공급되는 원재료는 일반적으로 가열 및 환원 물질로서, 각각 광석, 첨가제 및 코크스 또는 석탄이다. 본 기재에 따른 공정에 의해, 가열 및 환원 물질로서 코크스 또는 석탄의 공급이 안정한 또는 정상 작동 동안에 감소되거나, 심지어 완전히 생략될 수 있다. 작동의 개시 시에만, 가열재로서 코크스 또는 석탄을 상당량 공급하는 것이 필요할 수 있다. 안정하고 지속적인 작동 동안, 광석의 환원, 특히 금속 산화물의 환원이 최종적으로 CO2 컨버터(4, 104)로부터 용광로 샤프트(2)로 유도되는 가스성 CO에 의해 달성된다.
상기 언급된 바와 같이, 통상적인 용광로 공정의 노가스는 가변적 조성의 질소(N2, 약 52-59 %), 이산화탄소(CO2, 약 22-24 %), 일산화탄소(CO, 약 18-21 %) 및 수소(H2, 약 1-3 %) 및 추가의 물 스팀 및 가능하게는 미량의 메탄(CH4)을 지닌다. 본 기재에 따른 용광로 공정에서, 이러한 조성은 용광로(1)의 예열 또는 개시를 위해서만 용광로 샤프트(2)에 상당량의 공기를 취입하는 것이 고려되기 때문에, 작동 개시 시에만 예상될 수 있다.
용광로(1)의 안정한 작동이 얻어지고, 안정된 온도가 존재하자 마자, 용광로 샤프트(2)에 취입되는 공기의 실질적인 양은 없다. 본 출원의 용광로의 노가스는 안정된 작동 동안에는 단지 질소를 포함하지 않고, 이산화탄소(CO2, 약 50-53 %), 일산화탄소(CO, 약 42-46 %) 및 수소(H2, 약 2-6 %) 뿐만 아니라 물 스팀(H2O; 광석 및 임의의 첨가제의 습도에 의거함) 및 가능하게는 미량의 메탄(CH4)를 함유하는, 가변적인 혼합물로 이루어진다. 광석의 변환 동안에 가스성 CO2 및 CO가 형성되지만, 이들 가스는 또한 첨가제로부터 형성될 수 있다. 실제로, 용광로의 구성에 의거하여, 철 광석의 조성(Fe2/O3 및/또는 Fe3/O4)에 의거하여, 공정 파라미터 등에 의거하여, 노가스 중 CO 내지 CO2에 대한 CO의 비는 가변적이다.
노가스는 고온이고, 이에 따라 작동 동안 용광로 샤프트(2)에서 상승한다. 상승하는 노가스는 제1 노가스 유출구(10)로부터 방출되고, 제1 노가스 커넥션(23)을 통해 CO2 컨버터(4)로 유도된다. 또한, 탄소(C 입자)가 CO2 컨버터 유입구(20)를 통해 CO2 컨버터(4)로 제공된다. 탄소는 도 1에 따라 간단히 C 저장 컨테이너로부터 비롯될 수 있다. 대안적으로, 탄소는 도 4의 구체예와 관련하여 기술된 바와 같이 탄화수소 컨버터(46)로부터 나온다. 임의로, 탄소는 수소와 혼합된다(H2/C 에어로졸).
주로 CO2를 함유하는 노가스는 CO2 컨버터 가스 유입구(22)를 통해 CO2 컨버터(4)로 유도되고, 노가스는 고온의 탄소 상으로 유도되거나 H2/C 에어로졸과 혼합된다. 상기 언급된 바와 같이, 노가스는 본 출원의 야금 공정의 안정한 작동 동안에 주로 가변적인 비율의 CO2 및 CO로 이루어진다. 노가스는 250 내지 400℃의 온도를 지닌다. 고온의 탄소가 CO2 컨버터 유입구(20)를 통해 CO2 컨버터(4)로 제공된다. CO2 컨버터(4)는 고온 탄소로의 이산화탄소의 변환 동안에 설정되는 보도우드 평형에서 작동한다. "보도우드 반응"은 당업자들에게 공지되어 있으며, 상세히 기술되지 않을 것이다:
CO2 + C → 2CO ΔH = +172,45 kJ/mol
상기 언급된 바와 같이, 또한 가능하게 존재하는 물 스팀(H2O)의 변환이 하기 반응식에 따라 CO2 컨버터(4) 내측에서 소규모로 일어난다:
H2O + C → CO + H2 ΔH = +131,4 kJ/mol
노가스 중 CO 및 CO2의 상기 언급된 가변적인 비율은 상응하게 야금 공정을 제어함으로써 수용될 것이다. 특히, CO2 컨버터(4)에 제공되는 탄소(C)는 이산화탄소 및 물 스팀의 변환에 필요한 만큼이 될 것이다. 또한, CO2 컨버터(4) 내측의 온도는 가능한 우수한 변환 등급이 달성되는 방식으로 제어될 것이다. 약 94 % 일산화탄소는 약 800℃의 온도에서 형성될 것이고, 약 99 % 일산화탄소는 약 1000℃의 온도에서 생성될 것이다. 따라서, 이상적인 경우, 이산화탄소(CO2)는 공급된 탄소(C)의 존재 하에 거의 완전히 변환되고, 거의(99 %) CO 가스 만이 생성된다. CO2 컨버터 유입구(20)로 공급된 탄소로 인해, 용광로 샤프트(2)와 CO2 컨버터(4) 간의 순회 중 가스의 양은 시간 경과시 평균 두 배가 된다. 그러므로, 본 기재의 공정에 따르면, 변환된 노가스의 대략 절반이 CO2 컨버터(4)로부터 추가의 처리 컨버터(6)로, 즉, 제2 CO 유출구(26)를 통해 유도된다.
고온의 가스 혼합물이 CO2 컨버터(4)로부터 배출되고, 가스 혼합물은 거의 완전히 일산화탄소(CO)로 이루어지고, 약 800℃ 내지 2000℃의 온도를 지닌다(CO2 컨버터(4)의 작동 온도에 의거하여). 전환률은 상기 언급된 바와 같이 공정 제어(압력 및 온도의 제어)에 의거한다. CO2 컨버터로부터 배출되는 가스 혼합물은 단순화를 위해 일산화탄소 또는 CO 가스로서 기술될 것이다. CO2 컨버터(4)로부터 배출되는 CO 가스는 또한 열에너지를 함유하며, 열 에너지는 직접적으로 또는 간접적으로, 즉, 도 1에 도시되어 있지 않는 열교환기를 통해, 예를 들어, CO2 컨버터 가스 유입구(22)로 공급되는 높은 CO2 함량을 지닌 노가스를 예열시키는데 사용될 수 있다.
CO2 컨버터(4)로부터 나오는 CO 가스의 절반은 CO 커넥션(25)을 통해 용광로 샤프트(2)에서 CO 유입구(14)로 유도된다. 분배 유닛(16)에 의해, 가변량의 CO 가스가 용광로 샤프트(2)로 다양한 높이에서 공급될 수 있다. CO 가스가 용광로 샤프트(2)로 되돌아가자마자, CO의 일부는 금속 산화물의 존재 하에 CO2로 변환된다. 첨가제 및 광석으로부터, 추가의 CO2(첨가제로부터 생성되는) 및 물 (첨가제 및 광석으로부터 기원하는)이 생성될 것이다. 용광로(1)의 소정 작동 시간 후, 본 발명에 따른 야금 용광로 공정의 지속되는 안정한 작동 동안에 공기로부터 새로운 질소가 용광로 샤프트에 제공되지 않기 때문에 질소의 양이 감소한다. 따라서, 본 기재의 야금 공정의 노가스는 최종적으로 CO2, CO 및 H2 만으로 이루어진다. CO 및 수소의 비율은 하기 반응식에 따라 증가한다:
C + CO2 → 2 CO
C + H2O → CO + H2
용광로 샤프트(2)에서 CO 가스 및 수소는 환원제로서 작용하고 광석을 환원시킨다. 임의로, CO의 일부 가스는 용융 금속의 수준보다 낮게 도입될 수 있다.
임의로, 순수한 탄소가 C 유입구(18)를 통해 용융 금속으로 제공될 수 있으며, 이것이 금속의 용융점을 감소되게 한다. C 유입구(18)로 제공되는 탄소는 탄소와 동일한 공급원으로부터 비롯될 수 있다. 바람직하게는, 탄소 C는 상기 언급된 탄화수소 컨버터(46)로부터 비롯된다.
CO2 컨버터(4)로부터 가스 혼합물 또는 CO 가스 각각의 제2 부분은 제2 CO 유출구(26) 및 CO 커넥션(34)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)의 CO 유입구(28)로 유도된다.
추가의 처리 컨버터(6)가 연소 기기인 경우, 연소 공정이 예를 들어, 가스 엔진 또는 가스 터빈, 또는 산화 공정에서, 예를 들어, 연료 전지에서 일어날 것이다. 어떠한 필요한 보조제가 보조제 유입구(29)를 통해 공급될 것이고, 이들 보조제는 가스 혼합물 또는 CO 가스 각각의 연소 또는 산화에 필요하다. 이들 보조제는 가스 엔진 또는 가스 터빈 또는 가스 버너 각각의 경우에 산소 또는 공기일 수 있다.
추가의 처리 컨버터(6)가 바이오 컨버터로서 구현되는 경우, 생물학적 변환 공정이 추가의 처리 컨버터(6)에서 수행되며, 이러한 변환 공정은 하기 알짜 반응식에 따라 미생물 또는 조류를 사용하여 수행된다:
a) 6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2;
b) 6 H2 + 2 CO2 → C2H5OH + 3 H2O;
c) 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O
이러한 생물학적 변환 공정에 의해, 추가의 처리 컨버터(6)에 공급되는 가스는 미생물 또는 조류를 사용하여 최종 생성물로서 케로센, 디젤, 가솔린, 메탄올 또는 또 다른 연료로 변환될 수 있다. 이러한 최종 생성물은 이후 추가의 처리 컨버터 유출구(32)로부터 배출될 것이다.
추가의 처리 컨버터(6)가 CO 컨버터인 경우, 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소가 추가의 처리 컨버터(6)에서 생성될 것이다. 이러한 경우에, 추가의 처리 컨버터(6)에는 CO2 컨버터(4)로부터 CO가, 그리고, 보조제 유입구(29)를 통해 보조제로서 H2가 제공될 것이며, 둘 모두 합성 가스를 형성할 것이다. 대안적으로, H2/C 에어로졸이 CO2 컨버터(4)로 공급되는 경우, CO 및 H2는 동시에 CO2 컨버터(4)로부터 추가의 처리 컨버터(6)로 공급된다. 생성된 탄화수소는 예를 들어, 파라핀, 케로센, 디젤, 가솔린, 습식 가스 또는 액체 가스 또는 메탄올이다. 이러한 경우에, 추가의 처리 컨버터는 예를 들어, 피셔-트롭쉬 공정에 따라, 베르기우스-피어 공정 또는 피어 공정에 따라 작동하며, 이들 공정은 당업자들에게 공지되어 있으며, 상세히 기술되지 않을 것이다. 이러한 경우에, 생성된 탄화수소는 최종 생성물로서 추가의 처리 컨버터 유출구(32)로부터 배출될 것이다.
사용되는 추가의 처리 컨버터(6)의 유형에 의거하여, 노가스는 제2 노가스 유출구(12)로부터 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)의 노가스 유입구(30)내로 공급될 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, 추가의 처리 컨버터(6)가 바이오 컨버터인 경우, 노가스는 미생물 또는 조류에 유해할 수 있는 독성 물질로부터 정제된다. 추가의 처리 컨버터(6)가 상기 언급된 CO 컨버터 중 하나인 경우, 노가스는 선택된 CO 컨버터(피셔-트롭쉬 컨버터, 베르기우스 피어 컨버터 등)의 작동에 해로울 수 있는 물질로부터 정제된다.
도 2에 따른 용광로(1)의 구체예의 작동은 도 1의 용광로와 관련하여 상기 기술된 것과 동일한 방식으로 발생한다. 도 2에 도시된 컨버터는 상기 기술된 것과 동일한 방식으로 작동할 수 있다.
그러나, 도 2에 따른 용광로(1)의 작동은 제1 노가스 유출구(10)로부터 방출된 노가스가 연소 기기(36)로 유도되고, 추가된 산소로 연소된다는 점에서 상이하다. 연소 기기(36)에서의 이러한 연소 단계 동안, 노가스의 연소성 성분들, 즉, CO 및 H2가 연소된다. 일산화탄소(CO)는 이산화탄소(CO2)로 연소되고, 수소(H2)는 물 스팀(H2O)으로 연소된다. H2O의 양은 매우 적다. 따라서, 노가스는, 산화 단계가 연소 기기(36)에서 일어나기 때문에 간접적으로만 CO2 컨버터(4)로 유도된다.
상기 언급된 바와 같이, 상당량의 질소(N2)가 용광로(1)의 초기 가열 단계 동안 노가스의 부분일 있다. 질소는 불활성 가스이고, 연소 기기(36)의 산화 단계에 관여하지 않는다. 용광로(1)의 지속되는 작동 동안, 노가스의 N2의 비율은 작동시 특정 시간 후에 용광로 샤프트(2)로 유도되는 N2가 거의 없기 때문에 본 기재의 야금 공정에서 감소한다. 노가스 중 함유된 CO의 연소 또는 산화 단계 후, 연소 기기(36)로부터 방출되는 배기 가스 혼합물은 주로 CO2, 즉, 산화 단계 전의 노가스 중에 함유된 CO2의 양과 연소된 CO로부터 비롯된 CO2의 양으로 이루어진다. 이러한 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물은 배기 가스 커넥션(41)을 통해 CO2 컨버터 가스 유입구(22)로 공급될 것이다. CO2 컨버터(4)에서, CO2를 함유하는 배기 가스는 상기 기술된 바와 같이 첨가된 C의 존재 하에 CO로 환원될 것이다.
도 2에 따른 구체예의 그 밖의 작동 단계들은 도 1과 관련하여 상기 기술된 작동에 상응하고, 이러한 기재는 간결하게 하기 위해 반복되지 않는다.
상기 언급된 바와 같이, CO2를 함유하는 배기 가스의 일부를 제2 배기 가스 커넥션(42)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 임의로 유도하는 것이 고려된다. 이러한 방식으로, CO2에 대한 CO의 요망하는 비가 추가의 처리 컨버터(6)에 대해 제공될 수 있다. 이는 특히 추가의 처리 컨버터(6)가 미생물 또는 조류를 사용하는 바이오 컨버터인 경우에 특히 유리할 수 있다.
도 3에 따른 구체예의 작동은 또한 도 1의 구체예와 관련하여 상기 기술된 것과 유사한 방식으로 일어나며, 이에 따라 작동 단계가 완전히 반복되지는 않을 것이다.
도 3에 따른 용광로(1)의 작동 동안, CO2 컨버터(4)에서 생성된 CO 가스는 제2 CO 유출구(26)로부터 연소 기기(36)로 유도된다. 연소 기기(36)에서, 이에 공급된 CO는 첨가되는 산소에 의해 CO2로 연소된다. 도 3에 따른 구체예의 작동은 CO2 컨버터(4)로부터 CO의 일부 가스가 산화 단계가 연소 기기(36)에서 일어나기 때문에 추가의 처리 컨버터(6)로 간접적으로만 전송된다는 점에서 상이하다. CO2를 함유하는 배기 가스가 연소 기기(36)의 배기 가스 유출구(40)로부터 방출되고, CO2를 함유하는 배기 가스는 배기 가스 커넥션(41)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 유도된다.
이러한 경우에, 추가의 처리 컨버터(6)는 CO2 및 보조제 유입구(29) 및 임의로 제공되는 노가스 유입구(30)를 통해 도입되는 상응하는 보조제로 거의 완전히 작동한다. 도 3의 구체예에서, 추가의 처리 컨버터(6)는 조류 또는 미생물을 사용하여 작동하는 바이오 컨버터이다. 이러한 구체예에서, 바람직하게는 수소, 물 또는 CO가 보조제로서 간주된다. 수소는 상기에 기술되는 바와 같이 저장 컨테이너로부터 또는 탄화수소 컨버터(46)로부터 보조제로서 제공될 수 있다. 추가적으로, CO는 보조제로서 제공될 수 있으며, 제2 노가스 유출구(12) 및 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 유도되는 노가스의 일부일 수 있다. 이러한 경우에, 생물학적 변환 공정에서 생성된 생성물, 즉, 에탄올(C2H5OH 또는 C2H6O) 및 H2O는 추가의 처리 컨버터 유출구(32)로부터 방출된다.
도 4에 도시된 용광로(1)의 작동은 그 밖의 구체예에 대해 상기 기술된 것과 유사한 방식으로 수행된다. 도 4에 도시된 컨버터는 상기 기술된 것과 동일한 방식으로 작동할 수 있다.
도 4의 구체예에서, C 유입구(20)를 통해 CO2 컨버터(4)로 공급되는 탄소는 상기 기술된 탄화수소 컨버터(46)에 의해 생성된다. 탄화수소 컨버터(46)는 추가로 보조제로서 추가의 처리 컨버터(6)의 보조제 유입구(29)로 유도될 수 있는 수소(H2)를 생성한다. 대안적으로, 수소의 적어도 일부는 예를 들어, H2/C 에어로졸(도면에서는 도시되지 않음)로서 탄소와 동시에 CO2 컨버터(4)로 유도된다. 이러한 수소의 부분은 CO2 컨버터(4)로부터의 CO와 함께 추가의 처리 컨버터(6)로 유도된다.
탄화수소 컨버터(46)는 다음과 같이 작동한다: 탄화수소를 함유하는 공급원료가 탄화수소 유입구(48)를 통해 탄화수소 컨버터(46)로 공급된다. 탄화수소가 예를 들어, 메탄(CH4)인 경우, 1 mol 탄소 및 2 mol 수소가 1 mol 메탄으로부터 생성된다. 탄화수소 컨버터(46)는 공지된 열 공정에 의해, 예를 들어, 열분해를 통해 탄화수소를 함유하는 물질을 분해시킬 수 있다. 대안적으로, 탄화수소를 함유하는 원재료 또는 공급원료가 플라즈마의 보조로, 예를 들어, 크베너 공정에 의해 분해된다. 탄화수소 컨버터(46)의 플라즈마 버너에서 플라즈마의 보조에 의한 분해 단계에서, 탄화수소는 하기 반응식에 따라 약 1600℃의 온도에서 변환되며, 이때 플라즈마 버너에 대한 에너지는 전기적 에너지이며, 플라즈마 버너는 열에너지를 생성한다:
CnHm + 에너지 → n C + m/2 H2
화학 생성물의 높은 에너지 함량 및 높은 온도로 인해 거의 100%의 변환 또는 분해 공정의 효율이 달성될 수 있다.
형성되는 탄소는 적어도 부분적으로 C 유입구(20)를 통해 CO2 컨버터(4) 내로 유도된다. 탄화수소 컨버터(46)로부터 방출되는 탄소는 높은 온도를 지니기 때문에, 탄소의 적어도 일부의 열에너지가 CO2 컨버터(4) 내측의 변환 공정을 가열하거나 구동시키는데 사용될 수 있으며, CO2 컨버터는 바람직하게는 약 1000℃의 온도에서 작동한다. 임의로, 탄소는 수소(H2/C 에어로졸)로 혼합될 수 있으며, CO2 컨버터(4)로 유도될 수 있고, 이때 수소는 추가의 에너지 운반자이다.
탄화수소 컨버터(46)와 CO2 컨버터(4) 간의 C 커넥션(56)은 탄소가 탄화수소 컨버터(46)에서 CO2 컨버터(4)까지의 경로에 대해 지나치게 냉각되지 않도록 하는 방식으로 형성된다. C 커넥션(56)은 예를 들어, 분리되고/거나 가열될 수 있다. 탄화수소 컨버터(46)에서 생성된 수소는 또한 탄화수소 컨버터(46) 내측의 높은 작동 온도로 인해 열에너지를 함유한다. 그러므로, C 커넥션(56)을 가열하기 위한 한 가지 가능성은 열교환기에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 탄화수소 컨버터(46)와 CO2 컨버터(4) 간의 C 커넥션(56)을 가열하기 위해 수소 유출구(52)로부터 나오는 수소의 열에너지를 사용하는 것이다. 이러한 방식으로, 탄화수소 컨버터(46)로부터 고온의 탄소를, 어떠한 상당한 에너지 도입 없이 CO2 컨버터(4) 내측의 CO2를 함유하는 노가스 또는 배기 가스로부터의 첨가되는 가온의 또는 고온의 이산화탄소에 의해 일산화탄소로 변환시키는 것이 가능하다.
상기 언급된 바와 같이, 탄화수소 컨버터(46)에서 생성된 탄소의 일부는 제2 C 유출구(54)를 통해 방출될 수 있고, 최종 생성물로서 판매될 수 있거나 C 유입구(18)를 통해 용광로 샤프트(2) 내로 유도될 수 있다. 대안적으로, 탄소는 연소 기기(36) 중 하나에서 연소될 수 있거나, 환원제로서 용광로 샤프트(2) 내로 취입될 수 있거나, 열에너지를 생성하기 위해 연소될 수 있다.
다시, 도 4의 구체예에서, 추가의 처리 컨버터(6)는 도 1 내지 3의 구체예와 관련하여 상기 기술된 바와 같이 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성하기 위한 연소 기기, 바이오 컨버터 또는 CO 컨버터일 수 있다. 추가의 처리 컨버터(6)의 상이한 구현의 작동은 다른 구체예들에 대해 상기 기술된 작동과 유사하다.
모든 구체예들에서, 추가의 처리 컨버터(6)에 공급되는 가스는 직접적으로 또는 도면에 도시되어 있지 않은 믹서를 통해 도입될 수 있다. 합성 가스의 요망하는 조성에 의거하여, CO에 대한 수소의 요망하는 비는 이러한 믹서에서 조절될 수 있고, 믹서의 합성 가스 유출구에서 방출될 수 있다. 전체 이용가능한 CO 스트림 및 전체 이용가능한 H2 스트림이 믹서에서 사용될 수 없다면, 믹서에서 사용되지 않은 순수한 가스 CO 또는 H2의 부분이 별도로 추가로 처리될 수 있다.
모든 구체예들에서, 노가스는 임의로 제2 노가스 유출구(12)로부터 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)로 유도될 수 있다. 추가의 처리 컨버터(6)의 유형에 의거하여, 노가스는 유해 물질로부터 세정된다.
또한, 연소 기기(36)가 용광로 샤프트(2)과 CO2 컨버터(4) 사이에 위치하는 모든 구체예들에서, CO2를 함유하는 배기 가스의 일부는 제2 배기 가스 커넥션(42)을 통해, 즉, CO2 컨버터(4) 우회하여, 추가의 처리 컨버터(6) 내로 직접 전송될 수 있다.
하기에서는, 도 5에 따른 구체예의 작동이 기술된다. 용광로 샤프트(2) 내측의 공정은 도 1의 구체예와 관련하여 상기에서 기술된 바와 동일하다. 따라서, 용광로 샤프트(2) 내측의 공정들은 반복되지 않는다. 용광로 샤프트(2)로부터 방출되는 노가스는 대안적인 RWS CO2 컨버터(104) 내로 직접 전송되거나, 간접적으로 중간 연소 기기(36)를 통해 RWS CO2 컨버터(104) 내로 CO2를 함유하는 배기 가스의 형태로 전송된다. 이전의 구체예들에서와 같이, 연소 기기(36)와 그 안에서의 연소 또는 산화 단계를 통한 간접적인 방식은 임의적이다.
도 1 내지 4의 구체예들과 다르게, CO2를 함유하는 노가스 또는 배기 가스는 RWS CO2 컨버터(104) 내측에서의 탄소가 아니라 수소와 혼합되며, 수소는 CO2 컨버터 유입구(120) 내로 공급된다. 수소는 도 5에 도시된 탄화수소 컨버터(46)로부터 나온다. 대안적으로, 수소는 간단히 저장 컨테이너로부터 나온다. 탄화수소 컨버터(46)는 도 1 내지 4의 다른 구체예들과 관련하여 상기 기술된 것과 동일한 방식으로 작동한다. 탄화수소 컨버터(46)에서 생성된 수소(H2)는 RWS CO2 컨버터(104) 내로 공급되고, 그 안에서 배기 가스로부터 또는 노가스로부터의 CO2와 반응함으로써 역-수-전환 반응: CO2 + H2 → CO + H2O에 따라 CO 및 H2O의 혼합물을 형성한다. 또한, 물 스팀(H2O)이 CO2를 함유하는 노가스 또는 배기 가스와 함께 RWS CO2 컨버터(104)에 도입되면, H2O는 화학적으로 중성이고, 역-수-전환 반응에 관여하지 않는다.
CO/H2O 혼합물은 RWS CO2 컨버터(104)에서 CO2 컨버터 유출구(124)로부터 방출된다. CO/H2O 혼합물은 물 분리기(128)를 통해 유도되고, H2O은 물 분리기(128)에서 분리되고, H2O 유출구(132)로부터 배수된다. 잔류하는 CO 가스는 물 분리기(128)의 CO 유출구(134)로부터 방출되고, CO 커넥션(25)을 통해 용광로 샤프트(2) 내로 유도된다. CO/H2O 혼합물은 대안적으로 CO 커넥션(25)(도 4에서 도시되지 않음)을 통해 용광로 샤프트(2) 내로 유도될 수 있다.
탄화수소 컨버터(46)가 CO2 컨버터 내측의 CO2의 존재 하에 변환될 수 없는 과잉의 H2 가스를 생성하는 한, 상기 과잉 H2는 저장되고 생성물로서 판매될 수 있다. 대안적으로, 이러한 과잉 H2는 용광로 샤프트(2)에 대한 상기 언급된 보조 히터를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
탄화수소 컨버터(46) 내측에서 생성되고, RWS CO2 컨버터(104)에서 사용되지 않은 탄소는 생성물, 즉, 카본 블랙 또는 활성 탄소로서 판매될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 과잉 탄소는 부분적으로 C 유입구(18)를 통해 용융 금속으로 도입됨으로써 용융점을 감소시킬 수 있다. 나아가, 생성된 탄소는 또한 용광로 샤프트(2) 내로 취입될 수 있거나 보조 히터 또는 용광로 샤프트(2)를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
도 5의 구체예는 노가스 중에 함유된 CO2가 역-수-전환 반응에 따라 CO로 변환되기 때문에, 즉, 탄소(C)가 첨가되지 않기 때문에 추가의 처리 컨버터를 포함하지 않는다. 따라서, 용광로 샤프트(2)와 RWS CO2 컨버터(104) 간의 순회 중 가스의 양은 도 1 내지 4와 관련하여 상기 기술된 바와 같이 2배로 되지 않는다. 따라서, 추가의 처리 컨버터에서의 과잉 CO의 추가 처리가 도 5의 구체예에서는 유용하지 않다.
컨버터 및 전체 용광로(1)의 크기에 의거하여, 하나 초과의 CO2 컨버터(4, 104), 하나 초과의 연소 기기(36) 및 하나 초과의 추가의 처리 컨버터(6)가 모든 구체예에서 상기 언급된 방식으로 작동될 수 있다. 또한, 추가의 처리 컨버터(6)가 상기 언급된 다양한 작동을 수행할 수 있다. 즉, 바이오 컨버터가 베르기우스-피어 컨버터 또는 피셔-트롭쉬 컨버터와 병행하여 작동될 수 있다.
도 1 내지 5의 모든 구체예에서, 용광로 샤프트(2) 또는 CO2 컨버터(4, 104)는 보조 히터로부터의 열로 가열될 수 있다. 용광로 샤프트(2) 하부의 온도는 금속을 용융 상태로 유지시키기에 충분해야 한다. CO2 컨버터(4, 104) 내측의 온도는 CO2를 CO로 가능하게는 완전히 변환시키기에 충분해야 한다. 보조 히터에 대한 열은 바람직하게는 연소 기기(36) 중 어느 하나에서 또는 연소 기기 형태의 추가의 처리 컨버터(6)에서 연소에 의해 생성된다. 대안적으로, 탄화수소 컨버터(46)의 작동으로부터 비롯되는 폐열이 사용될 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 탄화수소 컨버터(46)는 특히 탄화수소 컨버터가 고온 플라즈마 컨버터로서 구현되는 경우 고온에서 작동한다. 폐열은 열교환기에 의해 또는 서로 긴밀한 접촉으로 전송되는 원재료의 전송 스트림들에 의해 용광로 샤프트(2) 및/또는 CO2 컨버터(4)로 유도될 수 있다.
저온에서 작동하는 탄화수소 컨버터(46)가 사용된다면(예를 들어, 열에너지 컨버터 또는 저온 플라즈마 컨버터), 단지, 지나치게 낮은 작동 온도(즉, 800℃ 미만)로 인해 CO2 컨버터(4) 내측에서 CO2의 CO로의 변환이 너무 불완전한 경우, 즉, 너무 적은 CO2가 CO로 변환되는 경우에 CO2 컨버터(4)에 보조 히터를 제공하는 것이 필요할 수 있다. 약 94 % 일산화탄소가 800℃의 온도에서 제공되는 동안, 변환율은 상기 온도 미만에서 크게 감소한다. 이미 약 99 % 일산화탄소가 약 1000℃의 온도에서 제공된 이래로, CO2 컨버터(4)를 훨씬 더(예를 들어, 1700℃ 초과로) 가열하는데 덜 유용할 것인데, 그 이유는 CO 가스가 제2 CO 유출구(26)로부터 방출됨에 따라 열에너지의 절반이 소실되기 때문이다. 적어도 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에서, 온도는 1000℃ 내지 1300℃이어야 하는데, 그 이유는 환원된 금속(선철)이 그러한 온도에서 용융되고, 방출되거나 탭핑(tapping)될 수 있기 때문이다. 용광로 샤프트(2)가 고온의 도입되는 CO 가스에 의해 충분히 가열되지 않은 경우, 그리고 이에 따라 보다 낮은 온도가 지배적인 경우, 용광로 샤프트(2)에서 보조 히터를 사용하는 것이 유용할 것이다.
고온에서 작동하는 탄화수소 컨버터(46)가 사용되는 경우, 탄화수소 컨버터(46)는 미리 900℃ 내지 1700℃의 온도에서 탄소를 CO2 컨버터(4)(고온 플라즈마 반응기에 대해 1500℃ 내지 1700℃의 온도 범위)에 제공한다. 따라서, 1700℃ 이하의 CO2 컨버터(4)의 작동 온도가 유용할 수 있다. CO2 컨버터(4)에 대한 보조 히터는 이러한 경우에 필요하지 않을 것이다.
용광로의 크기에 의거하여, 복수의 탄화수소 컨버터(46)를 병행하여 작동함으로써 변환 또는 분해를 위한 요망하는 커패시티(capacity)를 제공하는 것이 또한 고려된다. 모든 구체예들에서, 탄화수소 컨버터(46)는 도 6에 도시된 바와 같이 병행하여 작동하는 복수의 탄화수소 컨버터(46a, 46b)의 조합, 예를 들어, 예를 들어, 고온 탄화수소 컨버터(46a)와 저온 탄화수소 컨버터(46b)의 조합일 수 있다. 고온 탄화수소 컨버터는 1000℃ 초과의 온도에서 작동하고, 저온 탄화수소 컨버터는 200℃ 내지 1000℃의 온도에서 작동한다. 분해되어야 하는 탄화수소는 공통의 공급 라인을 통해 또는 별개의 공급 라인들을 통해 고온 및 저온 탄화수소 컨버터(46a, 46b) 내로 공급될 수 있다. 복수의 보다 작은 모듈을 포함하는 탄화수소 컨버터(46)가 여러 탄화수소 또는 다양한 비율의 탄화수소가 이상적인 처리 파라미터로 분해될 수 있다는 점에서 유리하다. 나아가, 개별 고온 또는 저온 탄화수소 컨버터는 상이한 등급 또는 유형의 탄소, 예를 들어, 판매가능한 생성물에 대한 어느 한 유형 및 용광로 샤프트에 사용하기 위한 또 다른 유형을 생성할 수 있다.
상기 언급된 구체예는 이상적인 조건에 대해 기술되었다. 실제 구현에서는, 노가스 중에 가변적인 비율의 수소, CO2, CO 및 N2가 존재하는 것임이 자명할 것이다. 그러므로, 또한 각각 가변적인 CO 가스 또는 합성 가스의 스트림이 CO2 컨버터(4)로부터 방출될 것이다. 그럼에도 불구하고, 추가의 처리 컨버터(6)에서 추가로 처리되어야 하는 합성 가스의 조성은 믹서에 의해 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 거의 일정한 조성을 지닌 합성 가스가 추가의 처리 컨버터(6)에 제공될 수 있다.
그러나, 추가의 처리 컨버터(6)가 미생물 또는 조류를 사용하는 경우, 전달되는 가스 혼합물의 작은 변동은 미생물 또는 조류에 의해 보상될 수 있다. 하기 실시예는 가변적인 비율의 포함되는 가스 또는 원재료가 변환되는 경우에 발생할 수 있는 상황에 관한 것이다:
실시예 1
용광로 샤프트(2) 내로 제공된 CO의 50 %가 CO2로 변환되었다(방출된 금속(Fe) 없이 CO에 대한 전체 결과):
2 CO + ½ O2 → CO + CO2
가스 CO 및 CO2를 노가스로서 CO2 컨버터(4)로 유도하였다. CO2 컨버터(4)(C로 환원; 보도우드(Boudouard))에서, 하기 반응이 일어난다:
3 CO2 + 3 CO + 3 C → 9 CO
다시 말해: 노가스 + 3 C → 9 CO
탄화수소 컨버터(46)(이 경우에, 플라즈마 컨버터, 특히 크베너 반응기)에는, 하기 반응이 일어난다:
3 CH4 → 3 C + 6 H2
따라서, 생성된 전체 수소(6 mol H2)가 추가의 처리 컨버터(6)(이러한 경우에 탄화수소를 생성하기 위한 CO 컨버터)에서 사용되었다. 생성된 전체 탄소(3 mol C)를 CO2 컨버터(4)로 유도하였다.
이후, CO2 컨버터(4) 내측에서 생성된 전체 9 mol CO 중 2/3의 일산화탄소(6 mol CO)를 용광로 샤프트(2)로 다시 유도하였다. 나머지 1/3의 일산화탄소(3 mol CO)를 탄화수소 컨버터(46)로부터의 수소와 함께 합성 가스의 형태로 추가의 처리 컨버터(6)(이러한 경우에, CO 컨버터)에 공급하였다. 수소(6 mol H2)를, 보조제로서 추가의 처리 컨버터(6) 내로 공급하였다(또는, 탄소가 H2/C 에어로졸의 형태로 CO2 컨버터(4)로 공급될 경우, CO2 컨버터(4)를 통해 추가의 처리 컨버터(6) 내로 공급할 수 있다).
요약하면, 실시예 1에서 하기 반응이 일어난다:
1. 용광로 샤프트(2):
Fe2O3 + 6 CO → 2 Fe + 3 CO2 + 3 CO
2. 탄소 컨버터(46)(여기에서는, 크베너 반응기):
3 CH4 → 3 C + 6 H2
3. CO2 컨버터(4)(여기에서는, 보도우드):
3 CO2 + 3 CO + 3 C → 9 CO
4. 추가의 처리 컨버터(6)(여기에서는, CO 컨버터에서의 합성 가스의 변환):
3 CO + 6 H2 → 3(CH2)n + 3 H2O
실시예 2
용광로 샤프트(2) 내로 제공된 CO의 75 %가 CO2로 변환되었다(방출된 금속(Fe) 없이 CO에 대한 전체 결과):
4 CO + 3/2 O2 → CO + 3 CO2
가스 CO 및 CO2를 노가스로서 CO2 컨버터(4)로 유도하였다. CO2 컨버터(C로의 환원; 보도우드) 내측에서는, 하기 반응이 일어난다:
3 CO2 + CO + 3 C → 7 CO
다시 말해: 노가스 + 3 C → 7 CO
탄화수소 컨버터(46)(이러한 경우에, 플라즈마 컨버터, 특히 크베너 반응기) 내측에서는, 하기 반응이 일어난다:
3 CH4 → 3 C + 6 H2
이후, CO2 컨버터(4)에서 생성된 7 mol CO 중 4/7의 일산화탄소(4 mol CO)를 용광로 샤프트(2)로 다시 유도하였다. 나머지 3/7의 일산화탄소(3 mol CO)를 탄화수소 컨버터(46)로부터의 수소(6 mol H2)와 함께 합성 가스의 형태로 추가의 처리 컨버터(6)(이러한 경우에, CO 컨버터)에 공급하였다. 수소를, 보조제로서 추가의 처리 컨버터(6) 내로 공급하였다(또는, 탄소가 H2/C 에어로졸의 형태로 CO2 컨버터(4)로 공급될 경우, 수소는 CO2 컨버터(4)를 통해 추가의 처리 컨버터(6) 내로 공급될 수 있다).
요약하면, 실시예 2에서 하기 반응이 일어난다:
1. 용광로 샤프트(2):
Fe2O3 + 4 CO → 2 Fe + 3 CO2 + CO
2. 탄화수소 컨버터(46)(여기에서는, 크베너 반응기):
3 CH4 → 3 C + 6 H2
3. CO2 컨버터(4)(여기에서는, 보도우드):
3 CO2 + CO + 3 C → 7 CO
4. 추가의 처리 컨버터(6)(여기에서는, CO 컨버터에서의 합성 가스의 변환):
3 CO + 6 H2 → 3(CH2)n + 3 H2O
실시예 3
용광로 샤프트(2) 내로 제공된 CO의 100 %가 CO2로 변환되었다(방출된 금속(Fe) 없이 CO에 대한 전체 결과):
2 CO + O2 → 2 CO2
CO2를 노가스로서 CO2 컨버터(4) 내로 유도하였다. CO2 컨버터(4)(C로의 환원; 보도우드) 내측에서는, 하기 반응이 일어난다:
2 CO2 + 2 C → 4 CO
다시 말해: 노가스 + 2 C → 4 CO
CO2 컨버터(4)에서 생성된 일산화탄소의 1/2을 용광로 샤프트(2)로 다시 유도하였다. 일산화탄소의 나머지 1/2을 탄화수소 컨버터(46)(이 경우, 플라즈마 컨버터)의 수소와 동시에 합성 가스의 형태로 추가의 처리 컨버터(6)(이 경우, 바이오 컨버터)로 유도하였다.
탄화수소 컨버터(46)(여기에서는, 플라즈마 컨버터, 특히 크베너 반응기)에서, 하기 반응이 일어난다:
12 CH4 → 12 C + 24 H2
따라서, 생성된 수소 전부(24 mol H2)가 추가의 처리 컨버터(6)에서 사용되었다. 생성된 탄소 전부(12 mol C)를 CO2 컨버터(4)로 유도하였다.
요약하면, 실시예 3에서 하기 반응이 일어난다:
1. 용광로 샤프트(2):
4 Fe2O3 + 12 CO → 8 Fe + 12 CO2
2. 탄화수소 컨버터(46)(여기에서는, 크베너 반응기):
12 CH4 → 12 C + 24 H2
3. CO2 컨버터(4)(여기에서는, 보도우드):
12 C + 12 CO2 → 24 CO
4. 추가의 처리 컨버터(6)(여기에서는, 바이오 컨버터):
24 H2 + 12 CO → 6 C2H5OH + 18 H2O
실시예 4
용광로 샤프트(2) 내로 제공된 CO의 100 %가 CO2로 변환되었다(방출된 금속(Fe) 없이 CO에 대한 전체 결과):
2 CO + O2 → 2 CO2
이후, 용광로 샤프트(2)로부터 나오는 CO2를 나누었다. 이러한 CO2의 절반을 CO2 컨버터(4)에 유도하였다. 용광로 샤프트(2)로부터 CO2의 나머지 절반을 제2 노가스 커넥션(31)을 통해 추가의 처리 컨버터(6)(여기에서는, 바이오 컨버터)에 유도하였다. CO2의 상기 제2 부분 또는 제2 절반 CO2(제1 보조제를 나타냄)을 탄화수소 컨버터(46)(이 경우, 크베너 반응기)로부터의 수소(제2 보조제를 나타냄)와 함께 합성 가스로서 추가의 처리 컨버터(6)에 제공하였다.
CO2 컨버터(4)(C로의 환원; 보도우드)에서, 하기 반응이 일어난다:
2 CO2 + 2 C → 4 CO
다시 말해: 노가스 + 2 C → 4 CO
탄화수소 컨버터(46)(여기에서는, 플라즈마 컨버터, 특히 크베너 반응기)에서는, 하기 반응이 일어난다:
9 CH4 → 9 C + 18 H2
그러므로, 생성된 수소 전부(18 mol H2)가 추가의 처리 컨버터(6)에서 사용되었다. 생성된 탄소의 2/3(6 mol C)를 CO2 컨버터(4) 내로 유도하였다. 나머지 1/3의 탄소(3 mol C)는 최종 생성물로서, 예를 들어, 상업용으로, 또는 본 출원의 광석을 처리하는 방법에서 사용하기 위해 이용가능하다.
요약하면, 실시예 4에서는 하기 반응이 일어난다:
1. 용광로 샤프트(2):
4 Fe2O3 + 12 CO → 8 Fe + 12 CO2
2. 탄화수소 컨버터(46)(여기에서는, 크베너 반응기):
9 CH4 → 9 C + 18 H2
3. CO2 컨버터(4)(여기에서는, 보도우드):
6 C + 6 CO2 → 12 CO
4. 추가의 처리 컨버터(6)(여기에서는, 바이오 컨버터):
18 H2 + 6 CO → 3 C2H5OH + 9 H2O
대안적으로, 모든 실시예에서, CO 및 H2로 이루어진 합성 가스는 상기 기술된 바와 같이 작용성화된 및/ 또는 비-작용성화된 탄화수소로 변환될 수 있다.
실시예 3 및 4의 비교
실시예 3(신가스 경로) 및 실시예 4(CO2 경로)를 비교하는 경우, 동일량의 선철이 동일한 철광석 헤마타이트(hematite)(Fe2O3)으로부터 생성된다면, 실시예 3에서 생성물(에탄올)의 수율이 바이오 컨버터에서 더 높음이 인지될 것이다. 그러나, 실시예 3에서 2배 양의 에탄올 수득을 위해, 1/3 더 많은 메탄이 분해될 필요가 있다. 또한, 실시예 4에서 이용가능하고, C 유입구(18)를 통해 도입될 경우 미가공 금속(선철)의 융융점을 낮추는데 사용될 수 있는 추가로 이용가능한 탄소(3 mol C)가 수득되지 않았다. 두 경우에서, 에탄올의 탄소(및 탄소 생성물 또는 순수한 탄소를 형성하는 탄소)가 전적으로 외부로부터 제공되는 (화석) 메탄으로부터 생성된다. 그러나, 실시예 4는 바이오 컨버터에서 변환된 탄소의 100%가 실제로 용광로 샤프트(2)에 의해 방출된 CO2로부터 비롯된다는 이점을 지닌다. 따라서, 실시예 4는 그것이 CO2를 피하고 있기 때문에 유리하다. 오히려 더 많은 메탄이 공정에 공급되어, 이에 따라 더 많은 에탄올이 생성될 수 있는 것인지(실시예 3) 또는 오히려 더 적은 에탄올이 생성될 것이지만, 그 대신 추가의 탄소(C)가 생성되어야 할 것인지(실시예 4)는 경제학의 문제이다.
또한, 본 기재의 전체 방법에 대한 공정 제어가 용광로 샤프트(2)에서의 공정에 대해 유연하게 구성될 수 있음이 분명해진다. 광석을 처리하는 방법이 순환으로 구현되기 때문에, 원재료 또는 생성물의 양은 최종적으로 미가공 금속 생성(선철 생성) 및 사용되는 광석(철광석)에 의거한다:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Fe3O4 + 4 CO → 4 Fe + 4 CO2
헤마타이트(Fe2O3)이 사용되는 경우, 광석으로서 마그네타이트(Fe3O4)의 사용과 비교하여 미가공 철의 톤 당 보다 많은 CO가 필요하다. 따라서, 헤마타이트가 최종적으로 또한 추가의 처리 컨버터(6)에서 (예를 들어, 바이오 컨버터에서) 마그네타이트보다 더 많은 최종 생성물을 수득하였다.
본 발명은 바람직한 구체예를 토대로 기술되었으며, 기술된 구체예들의 개별 특징들은 자유롭게 조합될 수 있고/거나 이들 특징이 양립가능하다면 치환될 수 있다. 또한, 기술된 구체예들의 개별 특징들은 이들 특징이 필수적이 아니라면 생략될 수 있다. 따라서, 당업자들은 본 발명의 완전하고 공정한 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변경 및 실제 구현이 가능하며, 자명함을 인지할 것이다.

Claims (48)

  1. 광석(metal ore)을 처리하는 방법으로서,
    광석을 환원시키는 단계;
    CO2를 함유하는 노가스(furnace gas)를 용광로 샤프트(2)에서 생성하는 단계;
    용광로 샤프트(2)로부터 상기 노가스를 방출시키는 단계;
    노가스의 일부 또는 전부를 직접적으로 또는 간접적으로 CO2 컨버터(4) 내로 유도하고, 노가스 중에 함유된 CO2를 CO2 컨버터(4)에서 CO로 환원시키는 단계;
    CO2 컨버터(4)로부터 CO의 제1 부분을 용광로 샤프트(2) 내로 유도하는 단계; 및
    CO2 컨버터(4)로부터 CO의 제2 부분을 추가의 처리 공정으로 유도하는 단계를 포함하며,
    추가의 처리 공정이 합성 가스를 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소로 변환시키는 변환 공정을 포함하고,
    여기서, 합성 가스가 하기 단계들에 의해 생성되는, 방법:
    탄화수소 함유 유체를 플라즈마에 의해 또는 열에너지를 도입함으로써 탄소(C) 및 수소(H2)로 분해시키는 단계; 및
    수소(H2) 중 일부 또는 전부를 CO2 컨버터(4)에서 생성된 CO의 일부 또는 전부와 혼합하는 단계.
  2. 제1 항에 있어서, CO2 컨버터(4)로부터 나온 CO의 제2 부분이 연소됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 형성한 후에 배기 가스 혼합물로서 추가의 처리 공정으로 유도되는 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 노가스를 CO2 컨버터(4)에 간접적으로 유도하는 경우, 상기 노가스는 먼저 연소됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물을 형성한 후에 상기 배기 가스 혼합물의 형태로 CO2 컨버터(4) 내로 유도되고, CO2 컨버터(4)에서 CO로 환원되는 방법.
  4. 제3 항에 있어서, CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부를 상기 CO2 컨버터(4)를 우회하는 추가의 처리 공정으로 유도하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 노가스의 일부가 추가의 처리 공정으로 직접 전송되는, 즉, CO2 컨버터(4)를 우회하는 방법.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, CO의 일부가 용융 금속의 수준 보다 높은 그 하부 영역에서 용광로 샤프트(2) 내로 공급되는 방법.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, CO의 일부가 용광로 샤프트(2)를 따라 위치한 하나 이상의 CO 유입구에서 용광로 샤프트(2)에 공급되는 방법.
  8. 제7 항에 있어서, CO 유입구가 부분적으로 용광로 샤프트(2) 내 용융 금속의 수준보다 아래에 위치하는 방법.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 추가의 탄소가 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에 공급되어 상기 탄소가 용융 금속과 접촉하게 되는 방법.
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, CO2를 CO로 환원시키는 단계가 800℃ 내지 1700℃ 범위의 온도에서 C를 첨가함으로써 CO2 컨버터(4) 내측에서 수행되는 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1 항에 있어서, 분해 단계가 별도의 탄화수소 컨버터(46)에서 수행되는 방법.
  14. 삭제
  15. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 용광로 샤프트(2) 및 CO2 컨버터(4) 중 적어도 하나가 추가로 가열되는 방법.
  16. 제15 항에 있어서, 추가적 가열이 부분적으로 또는 전체적으로, CO2 컨버터(4)로부터 나오는 CO의 제2 부분이 연소되는 단계; 노가스를 CO2 컨버터(4)에 간접적으로 유도하는 경우, 노가스를 먼저 연소시키는 단계; 또는 합성 가스를 생성하는 단계에서 생성된 열로 수행되는 방법.
  17. 제1 노가스 유출구(10) 및 적어도 하나의 CO 유입구(14)를 지닌 용광로 샤프트(2);
    CO2 컨버터 유입구(20) 및 CO2를 함유하는 가스들에 대한 CO2 컨버터 가스 유입구(22)를 포함하는 CO2 컨버터(4)로서 CO2를 CO로 환원시키도록 구성된 CO2 컨버터(4); 및
    플라즈마에 의해 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터(46)
    를 포함하는 금속을 제조하기 위한 용광로(1)로서,
    제1 노가스 유출구(10)가 CO2 컨버터 가스 유입구(22)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고;
    CO2 컨버터(4)가 CO2 컨버터(4)에서 생성된 CO의 제1 부분을 방출시키기 위한 적어도 하나의 제1 CO 유출구(24)를 포함하며, 상기 제1 CO 유출구(24)가 용광로 샤프트(2)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고;
    CO2 컨버터(4)가 CO의 제2 부분을, 합성 가스로부터 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성하도록 구성된 추가의 처리 컨버터(6)로 방출시키기 위한 적어도 하나의 제2 CO 유출구(26)를 포함하고,
    탄화수소 컨버터(46)는 탄화수소를 함유하는 유체에 대한 적어도 하나의 탄화수소 유입구(48) 뿐만 아니라 탄소에 대한 적어도 하나의 유출구(50, 54) 또는 탄소 및 수소에 대한 통합 유출구를 포함하며, 탄소에 대한 유출구들(50, 54) 또는 탄소 및 수소에 대한 통합 유출구 중 적어도 하나는 CO2 컨버터 유입구(20)에 연결되는, 용광로(1).
  18. 제17 항에 있어서, 연소 가스 유입구(38) 및 CO2를 함유하는 배기 가스들을 방출시키기 위한 적어도 하나의 배기 가스 유출구(40)를 지닌 연소 기기(36)를 포함하며,
    CO2 컨버터(4)의 제2 CO 유출구(26) 들 중 적어도 하나는 연소 기기(36)의 연소 가스 유입구(38)에 연결되고,
    연소 기기(36)는 부분적으로 또는 전체적으로 CO2 컨버터(4)로부터 나오는 CO로 작동되고,
    연소 기기(36)의 배기 가스 유출구(40) 중 하나는 추가의 처리 컨버터(6)에 연결되는 용광로(1).
  19. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 연소 가스 유입구(38), 및 CO2를 함유하는 배기 가스들을 방출시키기 위한 적어도 하나의 배기 가스 유출구(40)를 지닌 연소 기기(36)를 포함하며,
    노가스 유출구(10)와 CO2 컨버터(4)의 간접 연결에서, 용광로 샤프트(2)의 제1 노가스 유출구(10)가 연소 기기(36)의 연소 가스 유입구(38)에 연결되고,
    연소 기기(36)는 부분적으로 또는 전체적으로 노가스로 작동되는 용광로(1).
  20. 제19 항에 있어서, 연소 기기(36)의 배기 가스 유출구(40) 중 하나가 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부를 CO2 컨버터(4) 내로 유도하기 위해 CO2 컨버터(4)의 CO2 컨버터 가스 유입구(22)에 연결되는 용광로(1).
  21. 제19 항에 있어서, 연소 기기(36)의 배기 가스 유출구(40) 중 하나가 추가의 처리 컨버터(6)에 연결됨으로써 CO2를 함유하는 배기 가스 혼합물의 일부를 CO2 컨버터(4)를 우회하는 추가의 처리 컨버터(6)에서의 추가의 처리 공정으로 유도하는 용광로(1).
  22. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, CO2 컨버터(4)의 제2 CO 유출구들(24, 26) 중 적어도 하나가 추가의 처리 컨버터(6)에 연결되는 용광로(1).
  23. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 추가의 처리 컨버터(6)에 직접 연결되는, 즉, CO2 컨버터(4)를 우회하는 제2 노가스 유출구(12)를 포함하는 용광로(1).
  24. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 용융 금속의 수준 보다 높은 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에 CO 유입구(14)를 포함하는 용광로(1).
  25. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 용광로 샤프트(2)의 상이한 높이에서 복수의 CO 유입구(14)를 포함하는 용광로(1).
  26. 제25 항에 있어서, CO 유입구(14)가 부분적으로 용광로(1)의 작동 동안 용광로 샤프트(2)에서 용융 금속의 수준보다 낮은 높이에 위치하는 용광로(1).
  27. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 용광로 샤프트(2)의 하부 영역에 탄소에 대한 C 유입구(18)를 포함하며, C 유입구는 탄소(C)가 용광로(1)의 작동 동안에 용융 금속의 수준보다 낮은 용광로 샤프트(2)내로 제공될 수 있는 방식으로 위치하는 용광로(1).
  28. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, CO2 컨버터(4)가 800℃ 내지 1700℃의 온도에서 C의 첨가에 의해 CO2를 CO로 환원시키도록 구성되는 용광로(1).
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 탄화수소 컨버터(46)가 수소(H2)에 대한 적어도 하나의 H2 유출구(52)를 포함하는 용광로(1).
  32. 제31 항에 있어서, 탄화수소 컨버터(46)의 수소(H2)에 대한 H2 유출구(52) 중 하나가 추가의 처리 컨버터(6)에 연결되는 용광로(1).
  33. 제17 항에 있어서, 합성 가스가 탄화수소 컨버터로부터의 수소와 CO2 컨버터로부터의 CO의 혼합물인 용광로(1).
  34. 제31 항에 있어서, 수소(H2)에 대한 적어도 하나의 H2 유출구(52)는 CO2 컨버터 유입구(120)에 연결되는 용광로(1).
  35. 제17 항 또는 제18 항에 있어서, 용광로 샤프트(2)의 환원 구역 및/또는 용융 구역 또는 CO2 컨버터(4)를 가열하도록 구성된 보조히터를 추가로 포함하는 용광로(1).
  36. 제35 항에 있어서, 보조 히터가
    a) 연소 기기(36),
    b) 합성 가스로부터 작용성화된 및/또는 비-작용성화된 탄화수소를 생성하도록 구성된 CO 컨버터로서 구현되는 추가의 처리 컨버터(6), 또는
    c) 플라즈마 또는 열에너지에 의해 작동되는 탄화수소 컨버터(46)에서 생성된 열을 사용하는 용광로(1).
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