KR102424559B1 - 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 30 내지 100mol%의 수소(H2)를 함유하는 환원 기체(8)가 직교류로 관류하는 유동층(4) 내에서 산화 철 담체 입자(2)로부터 환원 생성물(9)로 직접 환원하기 위한 방법에 관한 것이다. 유동층(4) 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)는 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖는다. 유동층(4)을 통해 유동하는 환원 기체(9)의 공탑 속도(U)는, 유동층(4) 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)의 d30의 결정립 크기(d)에 대하여 이론적 부유 속도(Ut)를 초과하고 Umax 이하이도록 0.05m/s 내지 1m/s에서 설정된다.

Description

유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법
본 출원은, 30 내지 100mol%의 수소(H2)를 함유하는 환원 기체가 직교류로 관류하는 유동층 내에서 산화 철 담체 입자로부터 환원 생성물로 직접 환원하기 위한 방법에 관한 것이다.
환원 기체에 의해 관류되는 와류층(와류 베드라고도 불림)에 의한, 산화 철 담체 입자, 예를 들어 철광석의 직접 환원을 위한 매우 다양한 방법들이 공지되어 있다. 지금까지는 예를 들어 FIOR, FINMET, FINEX, CIRCORED가 상업적으로 사용되었다.
본 출원의 범주에서, 철광석이라는 용어는, 광산으로부터 채굴된 이후 바로 환원 공정에 공급되는 광석들뿐만 아니라, 채굴에 이어지는 처리 단계들 또는 기타 전처리 이후에서야 환원 공정에 공급되는 광석들도 포함한다. 어떤 경우든, 그들 내부에는 산화철이 포함된다.
철광석 환원에 사용되는 와류층 방법에서는 고체 입자(즉 산화 철 담체 입자, 예를 들어 철광석으로 이루어진 벌크 재료)가 환원 기체에 의해 중력에 대항하여 관류된다. 이를 통해, 고체 입자는 유동화된 상태, 즉 부유 상태로 전환되며, 관류되는 양은 실제로 유체의 유동 특성을 취하는데, 이는 유동화라고도 불린다. 유동화는, 예를 들어 직교류로의 고체 및 기체의 이동을 갖는 공압식 컨베이어 시스템에서 고체의 운반을 위해서도 사용된다.
와류층의 특징은 유동화의 강도에 따라 상이한 단계들, 예를 들어 최소(minimum)/부드러운(smooth)/기포 발생하는(bubbling)/요동하는(turbulent)으로 분류될 수 있다. 이는 환원 기체가 벌크 재료를 유동화시키지 않으면서 관류하는, 고정 베드(fixed bed) 상태로부터 시작된다. 기체 속도가 증가함에 따라, 유동화는 최소 유동화(minimum fluidization) 상태로 시작된 이후, 기체 속도가 더욱 증가함에 따라 부드러운 유동화(smooth fluidization) 상태로 전환된다. 와류층 내에 존재하는 유동화의 단계는 기체 속도, 기체 밀도 및 기체 점도는 물론, 사용된 고체 입자의 입자 질량 및 입자 밀도, 형태, 입자 부피 그리고 결정립 크기 분포에 의존한다. 와류층이라는 용어는 유동층이라는 용어와 동일시되어야 하며, 두 용어들은 본 출원에서 동의어로 사용된다. 와류점에서는 고정 베드로부터 유동층으로의 전환이 실행된다.
기본적으로, 와류층 내에서는 고체와 기체 사이에 큰 교환 면적이 제공됨으로 인해 비교적 높은 재료 전달율 및 열 전달율이 달성된다. 이에 상응하게, 환원 반응 시에는 높은 비변환율(specific conversion rate)이 발생한다.
기술적으로 그리고 경제적으로 달성 가능한 환원 생성물의 금속화도는 복수의 요인들에 의존한다.
철 산화물의 물질량을 금속의 철로 환원시키기 위하여, 적어도 환원 반응을 위해 화학량론적으로 필요한 양의 환원 기체가 제공되어야 한다. 실제로 고체를 통해 운반되는 환원 기체 부피는 광석의 상이한 산화 단계들과 환원 기체 사이의 열역학적 평형 상태를 통해 결정된다. 이러한 평형 상태는 온도의 영향을 받을 수 있다.
압력이 증가된 작동 모드에서 환원 기체의 질량 유동은 증가될 수 있지만, 이 경우 환원 유닛의 안전 기술 및 디자인에 대한 더욱 까다로운 요건이 불리하다.
고온에서는 고체 입자가 응집[스티킹(sticking)이라고도 불림]되는 경향이 있다는 단점도 발생하는데, 이는 예를 들어 비유동화(defluidization)를 통해 와류층의 작동에 바람직하지 않은 영향을 미친다.
기체 속도가 상승된 작동 모드에 의해, 환원 기체의 질량 유동은 증가될 수 있다.
본 출원의 범주에서, 기체 속도라는 용어는 공탑 속도(superficial velocity)를 의미한다.
고체 입자로 이루어진 특정 벌크 재료에서 실제로 적용 가능한 최대 기체 속도(그리고 이에 따라 단위 시간당, 단위 면적당 와류층을 통해 최대로 운반 가능한 기체량)는, 공정에 있어서 더 이상 무시할 수 없는 분량의 고체 입자가 와류층으로부터 배출되는 기체 속도로부터 얻어진다.
기체 속도가 고체 입자의 침강 속도에 상응할 때의 상태는 배출점이라고 불린다. 환원 기체의 기체 속도는 배출점에서 고체 입자의 침강 속도와 동일하며, 부유 속도라고 불린다. 기체 속도의 추가적인 상승 시에, 고체 입자는 기체에 의해 휩쓸려가고, 중력에 대항하여 와류층으로부터 배출된다. 와류층으로부터 배출된 고체 입자가 더 이상 와류층 내에서의 반응에 참여하지 않음으로써, 와류층 기반 환원 방법의 효율은 저하된다.
고체 입자의 결정립 크기가 작을수록, 부유 속도는 낮아진다. 낮은 기체 속도로부터, 작은 결정립 크기에 대한 특정 처리량을 보장하기 위한 큰 반응기 면적의 필요성이 나타난다. 그러나, 반응기 면적의 확대는 높은 건설 비용, 높은 작동 비용, 더 높은 에러 발생 가능성과 같은 단점들을 갖는다. 큰 반응기 면적은 현재 사용되는 기술에서, 예를 들어 안전 기술 및 작동과 관련하여 고비용의 수단들, 예를 들어 상당한 압력 상승, 배출된 고체의 재순환을 포함한 요동하는 와류층에 의한 작동을 통해 대응된다.
따라서, 작은 결정립 크기의 분량이 높은 산화 철 담체 입자의 처리 시에는, 사용 가능한 기체 속도가 더 적다는 문제와, 이와 관련하여 큰 반응기 면적이 필요하다는 문제가 발생한다.
배출 속도를 상승시키기 위한 수단으로서, 작은 고체 입자가 와류층 내에서의 환원에 공급되기 이전에 응집되는 경우도 빈번하다.
미국특허공개공보 US 3 776 533　A 미국특허공개공보 US 3 140 940 A 독일특허공개공보 DE 24 20 640 A1,
본 발명의 과제는, 비교적 낮은 안전 기술적 요건과 낮은 건설 비용 및 작동 비용으로 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖는 산화 철 담체 입자를, 사전 응집 단계 없이 유동층 내에서 직접 환원하기 위해 사용하는 것을 허용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
이러한 과제는, 30 내지 100mol%의 수소(H2)를 함유하는 환원 기체가 직교류로 관류하는 유동층 내에서 산화 철 담체 입자로부터 환원 생성물로 직접 환원하기 위한 방법을 통해 해결되며, 이러한 방법은, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자는 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖고, 유동층을 통해 유동하는 환원 기체의 공탑 속도(U)는, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자의 d30의 결정립 크기(d)에 대하여 이론적 부유 속도(Ut)를 초과하고 Umax 이하이도록 0.05m/s 내지 1m/s에서 설정되는 것을 특징으로 한다.
투입된 산화 철 담체 입자의 결정립 크기(본 출원에서 입자 크기라고도 불림)에 대한 값 d30은, 30질량%의 산화 철 담체 입자가 d30 이하의 입자 크기를 갖는 것을 나타낸다(즉 70질량%는 그보다 더 높다).
결정립 크기(d)에 대해 이론적으로 예측된 값(Ut)은 하기 식으로부터 얻어진다.
Figure 112021106149244-pct00001
이 경우,
Figure 112021106149244-pct00002
그리고 이 경우,
Figure 112021106149244-pct00003
Umax는, d30의 입자 크기(d)에 대한 부유 속도와 입자 크기 사이에서 실제로 발견된 관계, 즉
Umax = (40000*d)^2.78
로부터 얻어진다.
Ut 이론적 부유 속도(m/s)
Umax d=d30에 대한 최대 공탑 속도(m/s)
ρp 입자 밀도(kg/m3)
ρg 작동 조건에 대한 환원 기체의 밀도(kg/m3)
d 결정립 크기(m)
g 중력 가속도(m/s2)
μ 동적 점도[kg/(m*s)]
cw 항력 계수
Re 레이놀즈 수
지배적인 교시의 이론에서는 Ut에 대한 이미 상술한 관계에 따라, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자의 입자 크기 d30에 적용되는 이론적 부유 속도(Ut)를 초과하여 공탑 속도(U)가 설정될 때 30질량%를 초과하여 배출이 이루어지는 것이 예상된다.
놀랍게도, 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖는, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자에 대하여, 본 발명에 따른 방법 제어 시에는, 공탑 속도(U)가, d30인 d에 대해 Umax 이하인 경우에, d30인 입자 크기(d)에 대한 Ut가 초과되지 않음에도 불구하고 더 적은 배출이 이루어지는 것으로 판명되었다. 이에 상응하게, 주어진 최대 허용 배출에서, 이론으로부터 예상된 것보다 더 높은 기체 속도로 작업이 이루어질 수 있다. 바람직하게, 공탑 속도(U)는, 최대 30질량%가 배출되도록 설정되며(즉, d=d30에 대한 Umax), 특히 바람직하게는 최대 25질량%가 배출되도록, 매우 특히 바람직하게는 최대 20질량%가 배출되도록, 아주 바람직하게는 최대 15질량%가 배출되도록 설정된다.
본 발명에 따르면, 환원 기체는 0.05m/s 초과, 바람직하게는 0.1m/s 초과의 속도로 와류층을 통해 안내된다. 본 발명에 따라 선택된 매개변수들에 의하여, 환원 기체가 직교류로 관류하는 형성된 유동층 내의 산화 철 담체 입자는 (Ut에 대한 이미 상술한 관계에 따른) 지배적인 교시에 따라 예측된 것과는 다른 거동을 보여준다. 0.05m/s의 속도 미만에서는 유동층의 유지 관리가 조절하기 어렵고, 달성 가능한 처리량에 대한 방법 제어 비용의 비율이 낮다. 실제로 선택된 속도가 0.05m/s, 바람직하게는 0.1m/s를 초과하는 정도는, 작업자에게 허용된, 유동층으로부터의 배출 정도에 의존한다. 한편으로는, 원하는 처리량을 위해 필요한 반응기 면적이 그로 인해 더 작아질 수 있기 때문에 더 빠른 속도가 바람직하다. 다른 한편으로는, 속도가 증가함에 따라 배출이 증가하고, 와류층으로부터의 입자의 배출은 구현 가능한 처리량을 감소시킨다. 이에 따라, 공탑 속도의 상한은 1m/s이다.
0.05m/s 내지 0.5m/s의 속도 범위에서 방법을 실행하는 것이 특히 바람직한데, 이는 이때 배출 정도와 처리량이 바람직한 비율을 이루기 때문이다.
본 발명에 따르면, 유동층이 최소(minimum) 범위의 유동화 상태에서 사용되며, 순환하는 와류층은 사용되지 않는다.
배출되는 양은, 산화 철 담체 입자의 유동층 내로의 투입에서부터 이로부터 형성된 반응 생성물의 제거에 이르기까지의 시간 범위, 즉 유동층 내의 입자 체류 시간과 관련된다.
와류층 또는 유동층 내에서의 환원을 위한 일반적인 특성과 관련하여, 종래 기술에 대한 도입부의 텍스트를 참조한다. "하나의 유동층 내에서"라는 표현에서, "하나의"라는 단어는 부정관사를 의미한다.
산화 철 담체 입자는 철광석일 수 있거나, 철 산화물을 함유하는 상응하는 세립형의 다른 물질, 예를 들어 제철소 또는 제강소의 고로 분진, 소결 분진, 펠릿화 분진 또는 기타 회수 재료들일 수도 있으며, 이들의 혼합물일 수도 있다. 본 발명에 따라, 철광석이라는 용어는, 광산으로부터 채굴된 직후에 환원 공정에 공급되는 광석들뿐만 아니라, 채굴에 이어지는 처리 단계들[예를 들어, 부유선광(flotation)] 또는 기타 전처리 이후에서야 환원 공정에 공급되는 광석들도 의미한다. 어떤 경우든, 그들 내부에는 산화철이 포함된다.
결정립 크기 범위와 결정립 크기 분포는 사용 물질의 대규모 산업 생산 과정을 통해 얻어진다. 이들은 체 분석(sieve analysis)에 의해 측정된다. 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖는[그리고 일반적으로 50질량% 초과에서 50마이크로미터(μm) 미만인] 산화 철 담체 입자의 물질은 예를 들어 펠릿형 공급물(pellet feed)이다. 2019년 3월 상태의 ISO13320에 따른 분석 방법이 사용된다.
환원 기체는 수소(H2)로 이루어질 수 있거나, 수소와 하나 이상의 추가 기체의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 기술적으로 순수한 수소가 사용될 수 있다. 즉, 환원제는 적어도 수소(H2)이다. 추가 기체들도 자체적으로 산화 철 담체 입자에 환원 효과를 가질 수 있으며, 즉 수소(H2)에 추가하여 추가 환원제들을 제공할 수 있다. 추가 기체는 예를 들어 일산화탄소(CO)일 수 있다. 수소는 예를 들어 전기 분해로부터, 바람직하게는 녹색 에너지를 사용하여, 또는 천연 가스 개질로부터 얻을 수 있다.
철 산화물에 의한 수소(H2)의 환원 동역학은 기본적으로, 그리고 특히 더 낮은 온도에서, 다른 기체들에서보다, 예를 들어 일산화탄소(CO)와 비교하여 더 유리하다. 따라서, 본 발명에 따라, 환원 기체는, 스티킹 위험 때문에 바람직한 본 발명에 따른 온도 범위에서 여전히 경제적으로 사용 가능한 환원 동역학을 보장하기 위해 적어도 30mol%의 수소(H2)를 함유해야 한다. 결과적으로, 수소 함량이 더 낮은 환원 기체에 비해, 특정 금속화도를 달성하기 위해 더 적은 양의 신선한 환원 기체가 사용되어야 한다. 결과적으로, 수소 함량이 더 낮은 환원 기체에 비해, 경우에 따라서는 더 적은 양의, 유동층으로부터 발생하는 소비된 환원 기체가, 처리 이후에 그에 함유된 소비되지 않은 환원제의 사용을 목적으로 재순환되어야 한다.
환원 기체는 유동층을 통해 하부로부터 상부를 향하여 중력에 대항하여 안내된다. 본 발명에 따라, 이러한 방법은 직교류로 실행된다. 유동층 내에서의 입자(산화 철 담체 입자, 중간 생성물, 환원 생성물)의 이동은, 환원 기체와 입자의 직교류가 발생하는 방식으로 실행된다. 이러한 방법에서, 산화 철 담체 입자가 유동층 내에 투입되고, 환원 생성물이 유동층으로부터 제거된다. 투입 지점으로부터 제거 지점을 향해 직교류로 중력에 대항하여 유동하는 환원 기체의 이동은 실질적으로 수평 상태로 실행된다.
(예를 들어 유동층 골 내에서 실행되는) 직교류 내의 유동층에서는, 투입 지점으로부터 제거 지점을 향한 유동층의 (바람직하게는 대략 수평으로 정렬된) 길이에 걸친 직접 환원이 실행된다. 따라서, 유동층의 길이에 걸쳐, 함유된 철 산화물의 품질(예를 들어, 철 산화물 종인 자철광, 적철광 또는 황철석의 비율 또는 입자의 다공성)은 변화한다. 와류층에서 심지어 모든 지점들에서의 균질성에 이르기까지 발생할 수 있는 것과 같은 역혼합은 바람직하지 않은데, 이는 이를 통해 예를 들어 적은 양의 환원된 물질이 투입 지점으로부터 제거 지점에 이르기까지 도달할 수 있거나, 입자 체류 시간이 불균일해질 것이기 때문이다.
환원 생성물[예를 들어, 90%를 초과하는 금속화도를 갖는 해면철(DRI)]은 산화 철 담체 입자보다 더 높은 금속화도를 갖는다. 금속화도는 환원 생성물 내에 존재하는 전체 철에 대한 금속 형태로 존재하는 철의 질량 분율의 비율로서 정의된다.
금속화도 = 질량 분율(금속 형태의 Fe) / 질량 분율(전체 Fe)
방법 제어에 따라, 환원 생성물의 금속화도는 상이할 수 있다. 환원 생성물의 사용 목적에 따라, 더 높거나 더 낮은 금속화도가 바람직할 수 있으며, 예를 들어 이러한 금속화도는 다른 곳에서의 최종 환원을 위한 사전 환원을 위해 본 발명에 따른 방법을 사용할 때는 해면철(DRI)의 것보다 더 낮을 수도 있으며, 예를 들어 60%의 크기일 수 있다. 입자가 원하는 환원 생성물로 변환될 때까지 유동층 내에 남아 있어야 하는 시간(소위 체류 시간)은, 진행될 환원 반응의 동역학에 의존한다. 다른 한편으로, 이는 환원 기체의 조성, 환원 기체의 속도, 산화 철 담체 입자의 유형, (예를 들어 자철광, 적철광 또는 황철석이 환원되어야 하는지에 따라서는) 환원될 입자의 다공성과 같은 복수의 요인들에 의존한다. 입자 체류 시간은, 입자가 투입 지점으로부터 제거 지점을 향한 유동을 위해 필요로 하는 시간, 즉 산화 철 담체 입자로서 투입되고, 환원 생성물 입자로서 제거되는 시간에 상응한다. 입자 체류 시간의 길이는, 예를 들어 제거 지점으로부터 투입 지점까지의 간격 및 유동층의 층 높이에 의존한다. 예를 들어, 실질적으로 수평인 유동층 내에서 산화 철 담체 입자의 (바람직하게는 연속적인) 첨가 그리고 환원 생성물의 (바람직하게는 연속적인) 제거 하에 실행되는 본 발명에 따른 직교류로의 방법 제어에서는 입자 체류 시간이, 설정되는 층 높이를 통해, 예를 들어 웨어(weir)를 통해 간단하게 조절될 수 있다. 이 경우, 입자 체류 시간은 투입 지점과 제거 지점 사이의 간격의 선택을 통해 조절될 수도 있다. 실질적으로 수평이라는 것에는, 수평 상태로부터 최대 10°의 편차가 함께 포함되고, 바람직하게는 최대 5°의 편차가 함께 포함되고, 특히 바람직하게는 최대 2°의 편차가 함께 포함된다. 수평 상태로부터의 편차가 너무 클 때, 유동층 내의 층 높이는 투입 지점으로부터 제거 지점으로의 유동층의 종방향 연장부에 걸쳐 불균일한데, 이는 입자 체류 시간의 조절 가능성에 부정적인 영향을 미친다.
기체 체류 시간의 지속 기간 동안, 환원 기체는 유동층 내에 남아 있다. 기체 체류 시간이 환원 반응의 대략적 평형 상태로 설정하기에 너무 짧은 경우, 비교적 많은 양의 소비되지 않은 환원제가 유동층을 벗어날 것이다. 유동층을 벗어나는 기체(소비된 환원 기체로 불림) 내의 소비되지 않은 환원제의 분량은 층 높이에 영향을 받을 수 있다. 직교류로의 방법 제어는, 입자 체류 시간 및 기체 체류 시간의 요건에 매칭하기 쉽게 만든다.
본 발명에 따른 방법에 의해서는, 본 발명에 따라 존재하는 철 담체 입자를 사전 응집 없이 경제적으로 유용하게 감소시키는 것이 가능하다. 공지된 방법에 비해, 적어도 온도, 경우에 따라서는 압력도 비교적 낮기 때문에, 방법의 실행을 위한 설비의 건설 비용 및 작동 비용도 더 낮게 유지될 수 있다. 이로 인해, 마찬가지로 안전 기술에 있어 더 적은 비용만 소모되면 된다.
압력 상승은 환원 기체의 증가된 질량 유량을 통하여, 동일하게 유지되는 반응기 면적에서 가능한 처리량 증가로서 또는 동일하게 유지되는 처리량에서 가능한 반응기 면적 감소로서 작용한다. 그러나, 계획된 초과압은 환원 유닛의 안전 기술 및 디자인에 대한 더욱 까다로운 요건을 제시할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 773K와 1173K의 한계 사이에 위치한(이러한 한계는 함께 포함됨) 온도에서 실행된다. 이에 따라, 더 높은 온도에서는 문제를 일으킬 수도 있을 바람직하지 않은 정도의 유동층 내의 입자의 스티킹 위험은 감소된다. 773K 미만에서, 환원은 열역학적 이유 및 동역학적 이유로 인해, 경제적 방법 제어에 충분할 정도로 진행되지 않는다.
예를 들어, 산화 철 담체 입자는 예열되고, 최대 1173K의 온도로 유동층 내로 도입되고, 환원 기체는 최대 1023K의 온도로 유동층 내로 도입된다. 수소(H2)에 의한 환원은 흡열 반응과 함께 진행되므로, 환원 생성물은 더 낮은 온도, 예를 들어 약 853K에서 얻어진다.
유동층 외부에서의 예열 대신에 또는 이에 추가하여, 환원 기체 내의 흡열 반응하는 환원되는 [예를 들어, 수소(H2)와 같은] 구성 요소에 대한, 발열 반응하는 환원되는 [예를 들어, 일산화탄소(CO)와 같은] 구성 요소의 비율도, 유동층 내에서 원하는 정도의 열이 제자리에 공급되도록 설정될 수 있을 것이다.
바람직하게, 본 발명에 따른 방법은 주변에 대한 낮은 초과압 하에 실행된다. 낮은 초과압의 경우, 한편으로는 초과압이 없는 방법 제어에 비해 장치 구성적 안전 기술적 추가 비용이 필요하지 않으며, 다른 한편으로는 반응기 내로의 주변 공기 침투를 통한 위험이 감소된다. 초과압은 바람직하게는 최대 200000파스칼(이러한 값은 함께 포함됨)이다.
바람직한 일 변형예에 따르면, d30은 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자에 대해 110마이크로미터 이하이다. 이러한 영역에서, 유동층은 특히 양호하게 작동될 수 있는데, 그 이유는 미세한 산화 철 담체 입자의 배출이 바람직하지 않을 정도로 높지 않고, 유동층의 유동화가 큰 입자 크기를 통해 어려움을 겪지 않기 때문이다.
바람직한 일 변형예에 따라, 본 발명에 따른 방법은, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자가 적어도 50질량%에서 15마이크로미터 내지 100마이크로미터가 되도록(이러한 한계는 함께 포함됨) 실행된다.
이러한 영역에서, 유동층은 특히 양호하게 작동될 수 있는데, 그 이유는 미세한 산화 철 담체 입자의 배출이 바람직하지 않을 정도로 높지 않고, 유동층의 유동화가 큰 입자 크기를 통해 어려움을 겪지 않기 때문이다.
바람직한 추가의 일 변형예에 따라, 본 발명에 따른 방법은, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자가 적어도 50질량%에서 15마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖도록 실행된다. 이러한 영역에서, 유동층은 특히 양호하게 작동될 수 있는데, 그 이유는 미세한 산화 철 담체 입자의 배출이 바람직하지 않을 정도로 높지 않기 때문이다.
산화 철 담체 입자가 미세할수록, 증가된 분진 배출로 인해 필요한, 소비된 환원 기체의 분진 제거를 위한 비용은 더 높아진다. 더욱이, 유동층 자체는 철 담체 입자의 크기가 감소함에 따라, 덜 안정적으로 그리고 더 어렵게 제어 가능해질 수 있다. 바람직하게, 산화 철 담체 입자는 최대 30질량%에서 10마이크로미터(μm) 미만의 분량으로 존재한다. 적어도 산화 철 담체 입자의 이러한 미세도에 이르기까지, 공정은 양호하게 제어될 수 있다.
유동층은 상이한 층 높이를 갖는 상이한 구역들도 포함할 수 있다. 일반적으로, 산화 철 담체 입자의 경우, 상이한 산화 단계들로 철이 존재함으로써 환원이 복수의 단계들로 중간 생성물들을 거치도록, 예를 들어, 자철광에서 적철광을 거쳐 황철석이 되도록 실행된다. 형태학적, 열역학적 및 동역학적 이유로, 상이한 단계들 또는 중간 생성물들에 대한 입자 체류 시간 및 기체 체류 시간을 위한 최적값들은 서로 상이하다. 본 발명에 따른 직교류로의 방법 제어에서는 상이한 중간 생성물들이 유동층의 상이한 구역들 내에서 상이한 농도로 존재한다. 이 경우, 유동층의 구역들은, 투입 지점으로부터 제거 지점을 향한 연장부를 따른 영역들을 의미한다. 따라서, 유동층의 상이한 구역들 내에 상이한 층 높이들을 설정하는 것이 가능한 경우가 바람직하다. 이와 같이, 상이한 구역들에 대하여 입자 체류 시간 및 기체 체류 시간이 층 높이의 설정을 통해 적합하게 적응될 수 있다. 이는 예를 들어 웨어를 통해, 또는 유동층을 제한하는 반응기 공간의 상이하게 치수 설계된 구역들을 통해 가능하다.
바람직하게, 유동층 내의 층 높이는 0.1 내지 0.5m, 특히 바람직하게는 0.3 내지 0.4m이다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 제어에서는 산화 철 담체 입자의 환원 시에 충분한 기체 체류 시간 및 입자 체류 시간이 달성될 수 있다. 유동층이 0.1 내지 0.5미터의 층 높이(0.1 및 0.5이 범위에 함께 포함됨)를 가질 때, 소비된 환원 기체 내의 소비되지 않은 환원제의 분량은 경제적으로 납득 가능한 범위 내에 있다.
바람직하게, 유동층 내의 환원 기체의 기체 체류 시간은 0.1초 내지 10초, 특히 바람직하게는 1s 내지 2s이다. 환원 기체가 유동층 내에서 1 내지 2초 동안(1 및 2가 각각의 범위에 함께 포함됨) 체류될 때, 산소 분해가 이미 평형에 가까운 상태에서도 실행될 수 있으며, 이때, 소비된 환원 기체 내의 소비되지 않은 환원제의 분량은 경제적으로 특히 잘 납득 가능한 범위 내에 있다.
즉, 유동층을 통과할 때 가능한 한 많은 환원제를 소비하는 것이 목표이다. 환원제가 덜 소비될수록, 더 많은 환원 기체가, 주어진 양의 산화 철 담체 입자를 위해 유동층 내로 도입되어야 하거나, 소비되지 않은 환원제의 재순환을 위한 비용이 더 높아진다.
층 높이 및/또는 기체 체류 시간의 본 발명에 따른 방법 제어에서는, 놀랍게도, 환원 기체의 상승된 압력 때문에 물질 변환률의 증가가 유의미하게 발생하는 경우가 거의 없고, 소비된 환원 기체 내의 소비되지 않은 환원제의 분량의 증가가 발생할 수 있는 것이 나타나기도 한다. 이에 상응하게, 대기압 또는 약간의 초과압에 의하여, 물질 변환률의 현저한 증가를 생략하는 일 없이 자원 절약적이며 안전 기술에 있어 바람직하게 작업이 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 유동층으로부터 발생하는 소비된 환원 기체가 처리 이후에 다시 환원 기체의 구성 요소로서 유동층 내로 재순환된다. 이는 방법을 더 경제적으로 만든다. 환원 기체 구성 요소인 수소는 산화 철 담체 입자의 환원 시의 재순환을 매우 간단하게 만드는데, 이는 이와 관련하여, 경우에 따라 필요한 분진 분리 외에, 반응 생성물인 물(H2O)의 분리만 실행되면 되기 때문이다.
바람직한 일 변형예에 따라, 유동층에는, 조성과 관련하여서던지, 온도와 관련하여서던지, 압력과 관련하여서던지, 이러한 매개변수들 중 둘 이상과 관련하여서던지 동일한 환원 기체가 모든 곳에서 공급된다. 이는 방법의 제어를 간단하게 만들고, 장비 기술적인 비용을 감소시킨다.
바람직한 다른 일 변형예에 따라, 유동층의 상이한 구역들 내에는 상이한 환원 기체[예를 들어, 상이한 비율의 복수의 구성 요소들의 혼합물, 즉 각각 상이한 조성의 환원 기체(이는 각각 상이한 온도를 갖는 환원 기체이거나, 각각 상이한 압력을 갖는 환원 기체이거나, 이러한 매개변수들 중 둘 이상과 관련하여 상이한 환원 기체일 수 있음)]가 공급된다. 이는, 유동층이 상이한 구역들을 포함하는 경우에 가능하다. 이러한 방식으로, 상이한 반응성을 갖는 환원 기체에 의하여, 상이한 구역들 내에 상이한 반응성을 갖는 중간 생성물들이 존재하는 것에 대해 반응할 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치는 이어서 설명되는 바와 같이 형성될 수 있다. 이러한 장치는, 유동층의 형성을 위한 분배기 바닥을 구비한 반응기 공간 내에서 직교류로 입자 및 환원 기체를 안내하기에 적합한 유동층 반응기를 포함한다. 이러한 반응기 공간은, 산화 철 담체 입자를 위한 적어도 하나의 투입 개구와, 반응기 공간으로부터의 반응 생성물을 위한 적어도 하나의 제거 개구를 갖는다. 이러한 장치는, 분배기 바닥을 향해 환원 기체를 공급하기 위한 적어도 하나의 환원 기체 공급 라인과, 소비된 환원 기체를 반응기 공간으로부터 배출하기 위한 적어도 하나의 환원 기체 배출 라인도 포함한다.
"하나의 반응기 공간 내에서"라는 표현에서, "하나의"라는 단어는 부정관사를 의미한다.
반응기 공간은 투입 개구로부터 제거 개구를 향한 자신의 연장부를 따라 복수의 구역들로 분할될 수 있다. 이는 예를 들어 (바람직하게는 조절 가능한) 웨어를 통해 실행될 수 있으며, 이러한 웨어는 (투입 개구로부터 제거 개구를 향해 볼 때) 인접한 구역들로부터의 입자들의 교차 혼합을 방지하고, 상이한 층 높이들을 갖는 구역들을 원하는 대로 설정하는 것을 가능하게 한다. 이는, 유동층 반응기가 복수의 부분 반응기들을 포함하고, 이러한 부분 반응기들의 각각의 부분 반응기 공간들은 각각 개별 구역들을 형성함으로써 구현될 수도 있다. 전체적으로, 부분 반응기들은 유동층 반응기를 나타내고, 부분 반응기 공간들은 유동층 반응기의 반응기 공간을 나타낸다. 부분 반응기 공간들은 복수의 구역들로 분할될 수도 있다. 일 변형예에 따라, 개별 구역들은 수평 및/또는 수직으로 상이한 치수들을 가질 수 있으므로, 유동층은 각각 상이한 폭을 갖거나, 상이한 최대 층 높이가 가능하며, 이러한 방식으로 처리량이 일정할 때 상이한 구역들 내의 상이한 층 높이들이 구현 가능하다.
일 변형예에 따라, 유동층 반응기(또는 경우에 따라서는 부분 반응기들)는 동일한 유형의 복수의 모듈들을 포함한다. 이는 사전 조립된 모듈에 의한 저렴한 구성과, 상이한 용량 요건에 대한 간단한 매칭을 가능하게 한다.
바람직하게, 유동층 반응기는 복수의 부분 반응기들을 포함한다. 이들은 연속적으로 그리고/또는 병렬로 배열될 수 있다. 이들은 바람직하게는 전달 장치들을 통해 서로 연결된다. 작동 시에, 입자는 예를 들어 하나의 부분 반응기로부터, 유동층 반응기를 따라 투입 개구로부터 제거 개구를 향한 방향으로 볼 때 인접한 부분 반응기 내로, 전달 장치에 의해 전달된다. 전달 장치는 부분 반응기들 내로의 공기 유입 또는 기체 발생을 야기하지 않으며 입자를 전달하기에 적합하다.
바람직하게는 복수의 부분 반응기들이 층층이 서로 겹쳐진다. 이는 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 장치의 레이아웃에 대한 면적 요구를 감소시킨다. 입자는 중력을 따라 상부에 위치한 투입 개구로부터 하부에 위치한 제거 개구를 향해 유동한다.
유동층 반응기의 분배기 바닥은 실질적으로 수평이다. 여기에는, 수평 상태로부터 최대 10°의 편차가 함께 포함되고, 바람직하게는 최대 5°의 편차가 함께 포함되고, 특히 바람직하게는 최대 2°의 편차가 함께 포함된다. 수평 상태로부터의 편차가 너무 클 때, 유동층 내의 층 높이는 투입 지점으로부터 제거 지점으로의 유동층의 종방향 연장부에 걸쳐 불균일한데, 이는 입자 체류 시간의 조절 가능성에 부정적인 영향을 미친다. 바람직하게, 유동층 반응기 또는 적어도 하나의 부분 반응기의 분배기 바닥은 투입 개구로부터 제거 개구를 향해 아래쪽으로 기울어져 있다. 이는, 예를 들어 공압식 컨베이어 시스템으로부터 공지된 바와 같이 직교류로의 입자의 유동을 단순화한다.
일 변형예에 따르면, 각각의 구역은 고유의 환원 기체 공급 라인을 포함한다. 일 변형예에 따르면, 각각의 부분 반응기 내로는 고유의 환원 기체 공급 라인이 이어진다. 바람직하게, 이러한 환원 기체 공급 라인들은 모두 중심 라인으로부터 발원한다. 중심 라인은 환원 기체를 환원 기체 공급 라인 내로 공급한다. 중심 라인을 통해 공급되는 환원 기체는 예를 들어 신선한 환원 기체(즉, 와류층을 아직 한번도 관류하지 않은 환원 기체)이거나, 신선한 환원 기체와 재순환된 환원 기체(소비된 환원 기체의 처리로부터 얻어진 환원 기체)의 혼합물일 수 있다.
일 변형예에 따르면, 각각의 구역은 고유의 환원 기체 배출 라인을 포함한다. 일 변형예에 따르면, 각각의 부분 반응기로부터 고유의 환원 기체 배출 라인이 발원한다. 바람직하게, 모든 환원 기체 배출 라인들은, 기체 처리 설비 내로 이어지는 배출 수집 라인 내로 이어진다. 기체 처리 설비 내에서, 소비된 환원 기체는 처리되고, 예를 들어 분진 제거 및 건조된다. 중앙 처리를 목적으로, 반응기 공간 또는 그 구역들 및/또는 부분 반응기들로부터 발생하는 모든 소비된 환원 기체를 통합하는 것은, 환원 공정 내로의 재순환을 용이하게 한다.
본 출원의 추가적인 하나의 대상은, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 제어 명령을 갖는 것을 특징으로 하는 머신 판독가능한 프로그램 코드를 갖는 신호 처리 장치이다. 추가적인 하나의 대상은, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 신호 처리 장치이다.
본 출원의 추가적인 하나의 대상은, 신호 처리 장치로 하여금 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 하는 제어 명령을 갖는 것을 특징으로 하는, 신호 처리 장치를 위한 머신 판독가능한 프로그램 코드이다. 추가적인 하나의 대상은, 신호 처리 장치를 위해 실행될 때 신호 처리 장치로 하여금 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 하는 신호 처리 장치를 위한 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이다.
본 출원의 추가적인 하나의 대상은, 본 발명에 따른 머신 판독가능한 프로그램 코드가 저장된 저장 매체이다. 본 출원의 추가적인 하나의 대상은, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 저장 매체이다.
하기에, 본 발명은 몇몇 개략적인 도면들에 의해 예시적으로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 구현예를 개략적인 반응기 공간을 통한 단면으로 도시한 도면이고,
도 2는 복수의 부분 반응기들을 구비한 배열체를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 3은 공탑 속도(U)와 입자 크기(d) 사이의, 지배적인 교시의 이론적 관계 및 본 발명자들에 의해 발견된 관계를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 구현예를 개략적으로 도시한다. 이러한 방법은 장치(1) 내에서 실행된다. 적어도 90질량%에서 200μm 이하의 결정립 크기를 갖는 산화 철 담체 입자(2)는 투입 지점(A)에서 투입 개구(3)를 통해 연속적으로 유동층 반응기(6)의 반응기 공간(5) 내의 유동층(4) 내로 투입되는데, 이는 화살표로 도시된다. 일 변형예에 따라, 30질량%에 이르기까지의 산화 철 담체 입자가 15μm 미만일 수 있다. 유동층(4)은, 분배기 바닥(7)을 통해 하부로부터 유입되는 환원 기체(8)(채워지지 않은 블록 화살표들로 도시됨)에 의하여 입자가 중력에 대항하여 들어 올려짐으로써, 반응기 공간(5) 내에 형성된다. 도시된 예시에서, 동일한 환원 기체(8)가 모든 곳에 공급된다. 분배기 바닥(7)은 반응기 공간(5)의 하부 윤곽선에서 간극을 통해 도시되고, 명확성을 위하여 각각의 간극에 고유의 블록 화살표가 할당되지 않았으며, 모든 블록 화살표들에 도면 부호 8이 제공되지는 않았다. 산화 철 담체 입자(2) 내의 철 산화물은 환원 기체(8)에 의해 환원 생성물(9)로 환원된다. 산화 철 담체 입자 내의 철 산화물의 환원을 통해 소비된 환원 기체(10)(채워진 블록 화살표들로 도시됨)는 상부에서 유동층(4)으로부터 방출된다. 환원 기체(8)는 예를 들어 기술적으로 순수한 수소(H2)로 구성되며, 이에 상응하게, 소비된 환원 기체(10)는 예를 들어 물(H2O) 및 수소를 함유할 것인데, 그 이유는 하부로부터 유입되는 수소 전체가 변환되지는 않을 것이기 때문이다. 소비된 환원 기체(10)에 의해 유동층으로부터 나와 상부를 향해 휩쓸려가는 입자는 별도로 도시되어 있지 않다. 제거 지점(B)에서, 환원 생성물(9)의 입자는 반응기 공간(5) 내의 유동층(4)으로부터 연속적으로 제거되며, 이는 화살표로 도시되어 있다. 환원 기체(8)는 0.05m/s를 초과하는 속도로 유동층(4)을 통해 하부로부터 상부를 향하여 직교류로 안내된다. 투입된 산화 철 담체 입자(2)의 온도는 예를 들어 1173K이고, 유입되는 환원 기체(8)의 온도는 모든 곳에서 1023K이다. 환원 생성물(9)은 예를 들어 853K의 온도를 갖는다. 도 1에 개략적으로 도시된 유동층 반응기(6) 내에는 바람직하게 주변에 대한 200000Pa의 낮은 초과압이 존재한다. 도시된 방법은, 예를 들어 와류층(4) 내의 층 높이가 0.1 내지 0.5m이고 그리고/또는 기체 체류 시간이 0.1 내지 10s, 바람직하게는 1 내지 2s인 방식으로 실행될 수 있다. 환원 기체(8)는 환원 기체 공급 라인(11)을 통해 분배기 바닥(7)에 공급된다. 환원 기체 배출 라인(12)은 소비된 환원 기체(10)를 반응기 공간(5)으로부터 배출하는데 사용된다.
도 2는 유동층 반응기(13)가 복수의 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들을 포함하는 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 부분 반응기들은 순차적으로 서로 연결되며, 부분 반응기(14)는 자신의 종료부(15)에서 부분 반응기(16)와 연결되고, 이러한 부분 반응기는 자체적으로 자신의 종료부(17)에서 부분 반응기(18)와 연결된다. 부분 반응기(18)는 자신의 종료부(19)에서 부분 반응기(20)와 연결된다. 이러한 연결은 전달 장치(21a, 21b, 21c)들을 통해 실행된다. 산화 철 담체 입자(22)를 위한 투입 개구(A)는 부분 반응기(14)의 시작부(23)에 위치하고, 반응 생성물(24)을 위한 제거 개구(B)는 부분 반응기(20)의 종료부(25)에 위치한다. 환원 생성물(24)을 생성하는 산화 철 담체 입자(22)의 환원의 중간 생성물들은 전달 장치(21a, 21b, 21c)들을 통해 각각, 투입 개구(A)로부터 와류층을 따라 제거 개구(B)를 향하는 방향으로 볼 때 전방의 부분 반응기로부터 후속 부분 반응기 내로 전달된다. (별도로 도시되지 않은) 와류층 내의 고체 물질, 즉 산화 철 담체 입자, 중간 생성물들의 입자 및 환원 생성물의 입자가, 연속하는, 즉 순차적으로 서로 연결된 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들을 통해 투입 개구(A)로부터 유동층 반응기(13)의 제거 개구(B)를 향해 유동하는 동안, 이러한 고체 물질은 직교류로 환원 기체에 의해(별도로 도시되지 않음) 관류된다.
도 2의 도시에서, 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들은 수직으로 층층이 서로 겹쳐진다. 이들은 약간 경사진 바닥을 갖도록 형성된다. 상이한 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들 내로는, 모두 중심 라인(27)으로부터 발원하는 각각 고유의 환원 기체 공급 라인(26a, 26b, 26c, 26d)들이 이어지고, 명확성을 위해 이들의 중심 라인(27)과의 연결부들은 별도로 도시되지 않는다. 상이한 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들로부터는, 모두 배출 수집 라인(29) 내로 이어지는 각각 고유의 환원 기체 배출 라인(28a, 28b, 28c, 28d)들이 시작되고, 명확성을 위해 이들의 배출 수집 라인(29)과의 연결부들은 별도로 도시되지 않는다. 배출 수집 라인(29)은, 소비된 환원 기체가 예를 들어 분진 제거 및 건조되는 기체 처리 설비(30) 내로 이어진다. 재순환 라인(31)을 통해, 처리 생성물(도 1의 예시의 경우, 분진 제거 및 건조된 수소)은 중심 라인(27)에 공급되고, 이에 따라 다른 곳에서 조달된 신선한 수소(H2)와 함께 환원 기체의 구성 요소로서 공정 내로 재순환된다.
유동층 반응기(13) 내의 유동층은 복수의 구역들을 포함하고, 각각의 부분 반응기(14, 16, 18, 20) 내에는 하나의 구역이 위치한다. 부분 반응기(14, 16, 18, 20)들의 상이한 치수 설계를 통해, 즉 도 2의 개략적인 도시에서 상이한 높이를 통해, 유동층의 상이한 구역들은 연속적인 방법 제어에서 각각 상이한 층 높이를 갖는다. 본 발명에 따른 방법의 일 변형예에 따라, 상이한 구역들에는 상이한 환원 기체가 공급될 수 있고, 이러한 변형예는 별도로 도시되지 않는다.
다른 소스로부터의 신선한 수소(H2)의 공급 또는 형성에 대한 상세한 설명은 명확성을 위해 생략되었다.
전체적으로 환원 기체의 온도, 압력 및 조성은 반응 동역학에 영향을 미치며, 이로부터 기체 체류 시간 및 입자 체류 시간은 물론, 층 높이에 대한 요건이 얻어진다. 환원 기체의 속도는, 유동층으로부터의 배출 정도와, 순환하는 환원 기체 부피의 양에 영향을 미친다. 다른 한편으로, 반응 동역학 및 환원 기체 속도는 필요한 특정 반응 면적에 영향을 미친다.
도 3은, 환원 기체로서 수소(H2)를 갖고 200000Pa의 초과압을 갖는 1023K에서의 구형 DRI/철광석 입자의 상이한 결정립 크기(d)들에 대한 이론적 부유 속도(Ut)의, 지배적인 교시에 따라 예상되는 값을 실선으로 도시한다.
Figure 112021106149244-pct00004
이 경우,
Figure 112021106149244-pct00005
그리고 이 경우,
Figure 112021106149244-pct00006
마찬가지로, 실제로 발견된, 지배적인 교시와는 다르게
Umax = (40000*d)^2.78을 따르는, 결정립 크기(d)와 부동 속도(Umax) 사이의 관계가 파선으로 도시되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 지금까지 제공된 설명은, 개별 종속 청구항들에서 부분적으로 복수의 결합된 형태로 재현되는 수많은 특징들을 포함한다. 그러나, 이러한 특징들은 목적에 맞게 개별적으로 고려될 수도 있고, 유용한 추가 조합들로 결합될 수도 있다. 특히, 이러한 특징들은 본 발명에 따른 방법 내에서 각각 개별적으로 그리고 임의의 적절한 조합으로 조합 가능하다.
상세한 설명 또는 청구항들에서 일부 용어가 각각 단수로 사용되거나 수치 용어와 관련하여 사용될지라도, 이러한 용어들에 대한 발명의 범위는 이러한 단수 또는 각각의 수치 용어로 한정되어서는 안된다. 또한, "하나의"라는 단어는 수치 용어가 아니라 부정관사를 의미한다.
본 발명의 설명된 특성들, 특징들 및 장점들은 물론, 그들이 달성되는 방식은, 도면들과 관련하여 더 상세히 설명되는 본 발명의 상세한 설명 또는 실시예들과 관련하여 더 명료하고 더 명확하게 이해 가능할 것이다. 실시예(들)는 본 발명의 설명에 사용되고, 본 발명을 그에 설명된 특징들의 조합들로 제한하지 않으며, 기능적 특징들에 관해 제한하지도 않는다. 또한, 각각의 실시예의 이에 적합한 특징들은 명시적으로 분리되어 고려될 수도 있고, 하나의 실시예로부터 제거될 수도 있으며, 그 보완을 위해 다른 실시예에 도입될 수도 있고, 임의의 청구항들과 조합될 수도 있다.
본 발명이 바람직한 실시예(들)을 통해 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예(들)로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 도출될 수 있다.
1 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 장치
2 산화 철 담체 입자
3 투입 개구
4 유동층
5 반응기 공간
6 유동층 반응기
7 분배기 바닥
8 환원 기체
9 환원 생성물
10 소비된 환원 기체
11 환원 기체 공급 라인
12 환원 기체 배출 라인
13 유동층 반응기
14 부분 반응기
15 종료부
16 부분 반응기
17 종료부
18 부분 반응기
19 종료부
20 부분 반응기
21a, 21b, 21c 전달 장치
22 철 담체 입자
23 시작부
24 반응 생성물
25 종료부
26a, 26b, 26c, 26d 환원 기체 공급 라인
27 중심 라인
28a, 28b, 28c, 28d 환원 기체 배출 라인
29 배출 수집 라인
30 기체 처리 설비
31 재순환 라인

Claims (15)

  1. 30 내지 100mol%의 수소(H2)를 함유하는 환원 기체(8)가 직교류로 관류하는 유동층(4) 내에서 산화 철 담체 입자(2)로부터 환원 생성물(9)로 직접 환원하기 위한 방법에 있어서,
    유동층(4) 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)는 적어도 90질량%에서 200마이크로미터 이하의 결정립 크기를 갖고,
    유동층(4)을 통해 유동하는 환원 기체(9)의 공탑 속도(U)는, 유동층(4) 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)의 d30의 결정립 크기(d)에 대하여 이론적 부유 속도(Ut)를 초과하고 Umax 이하이도록 0.05m/s 내지 1m/s에서 설정되며, 이 경우 결정립 크기(d)에 대해 이론적으로 예측된 값(Ut)은 하기 식, 즉
    Figure 112022023961605-pct00007

    이 경우,
    Figure 112022023961605-pct00008

    그리고 이 경우,
    Figure 112022023961605-pct00009

    으로부터 얻어지며,
    Umax는, d30의 입자 크기(d)에 대한 부유 속도와 입자 크기 사이에서 실제로 발견된 관계, 즉
    Umax = (40000*d)^2.78
    로부터 얻어지며,
    여기서, Ut는 이론적 부유 속도(m/s),
    ρp는 입자 밀도(kg/m3),
    ρg는 작동 조건에 대한 환원 기체의 밀도(kg/m3),
    d는 결정립 크기(m),
    g는 중력 가속도(m/s2),
    μ는 동적 점도[kg/(m*s)],
    cw는 항력 계수,
    Re는 레이놀즈 수를 의미하는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 773K 내지 1123K의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주변에 비해서 높은 압력 하에 실행되는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, d30은 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)에 대해 110마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층 내로 투입된 산화 철 담체 입자(2)의 적어도 50질량%가 15마이크로미터 내지 100마이크로미터인 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산화 철 담체 입자(2)의 30질량% 이하의 분율이 10마이크로미터(μm) 미만으로 존재하는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층(4)은 상이한 층 높이를 갖는 상이한 구역들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층 내의 층 높이는 0.1 내지 0.5m, 또는 0.3 내지 0.4m인 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층(4) 내의 환원 기체(8)의 기체 체류 시간은 0.1초 내지 10초, 또는 1s 내지 2s인 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층(4)으로부터 발생하는 소비된 환원 기체(10)가 처리 이후에 다시 환원 기체(8)의 구성 요소로서 유동층(4) 내로 재순환되는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층(4)의 전체에 걸쳐 동일한 환원 기체(8)가 공급되는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유동층(4)의 상이한 구역들 내에는 상이한 환원 기체(8)가 공급되는 것을 특징으로 하는, 유동층 내에서 직접 환원하기 위한 방법.
  13. 머신 판독가능한 프로그램 코드를 갖는 신호 처리 장치에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하기 위한 제어 명령을 갖는 것을 특징으로 하는, 신호 처리 장치.
  14. 저장 매체에 저장되고, 신호 처리 장치를 위한 머신 판독가능한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램에 있어서,
    프로그램 코드는 신호 처리 장치로 하여금 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하도록 하는 제어 명령을 갖는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 프로그램.
  15. 제14항에 따른 머신 판독가능한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이 저장된 저장 매체.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE544421C2 (en) 2020-06-26 2022-05-17 Greeniron H2 Ab Method and device for producing direct reduced metal
EP4059597A1 (de) * 2021-03-16 2022-09-21 Primetals Technologies Austria GmbH Fliessbett- oder wirbelschichtreaktor zur behandlung von oxidischem feinerz, insbesondere eisenerz, und verfahren zur herstellung solch eines fliessbettreaktors

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3140940A (en) 1953-01-14 1964-07-14 Hydrocarbon Research Inc Iron oxide reduction with hydrogen

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3022156A (en) * 1953-09-14 1962-02-20 Texaco Inc Process for reduction of iron orew
GB1165827A (en) 1967-12-04 1969-10-01 Exxon Research Engineering Co Iron Ore Reduction
US3551138A (en) * 1968-03-14 1970-12-29 Exxon Research Engineering Co Iron ore reduction process
US3607217A (en) * 1968-12-11 1971-09-21 Exxon Research Engineering Co Agglomeration of particulate metals
US3776533A (en) * 1970-01-28 1973-12-04 Dravo Corp Apparatus for continuous heat processing of ore pellets
US3840363A (en) * 1970-02-12 1974-10-08 Hydrocarbon Research Inc Fluidization of particulate solids
FI62232C (fi) 1973-04-30 1982-12-10 Boliden Ab Foerfarande foer elektroinduktiv vaermning av styckeformigt maerial i en reaktorkammare
FI62233C (fi) 1973-04-30 1982-12-10 Boliden Ab Foerfarande foer elektroinduktiv vaermning av virvelbaeddar avtyckeformigt material
US3948645A (en) 1973-04-30 1976-04-06 Boliden Aktiebolag Method of carrying out heat-requiring chemical and/or physical processes in a fluidized bed
JP2501662B2 (ja) 1990-12-26 1996-05-29 川崎製鉄株式会社 循環流動層予備還元炉の鉱石滞留量制御方法
JPH0860215A (ja) * 1994-08-17 1996-03-05 Kawasaki Heavy Ind Ltd 流動層炉とそれを用いる溶融還元装置
AT405942B (de) 1995-03-17 1999-12-27 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zur reduktion von feinerz sowie anlage zur durchführung des verfahrens
AT405652B (de) 1996-08-21 1999-10-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zur direktreduktion von teilchenförmigem eisenhältigem material sowie anlage zur durchführung des verfahrens
AT405521B (de) 1996-05-17 1999-09-27 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zum behandeln teilchenförmigen materials im wirbelschichtverfahren sowie gefäss und anlage zur durchführung des verfahrens
KR100276297B1 (ko) 1996-11-07 2000-12-15 이구택 유동충식 철광석 예비환원로
US5876679A (en) 1997-04-08 1999-03-02 Dorr-Oliver, Inc. Fluid bed reactor
AT407879B (de) 1999-10-28 2001-07-25 Voest Alpine Ind Anlagen Verfahren zur direktreduktion eisenoxidhältigen materials
DE10017480A1 (de) 2000-04-07 2001-10-11 Transmit Technologietransfer Verwendung von Substanzen, die als MEK Inhibitor wirken, zur Herstellung eines Arneimittels gegen DNA- und RNA-Viren
KR100411262B1 (ko) 2001-12-21 2003-12-18 주식회사 포스코 유동층로에서의 낙광처리 장치
DE10260731B4 (de) 2002-12-23 2005-04-14 Outokumpu Oyj Verfahren und Anlage zur Wärmebehandlung von eisenoxidhaltigen Feststoffen
JP2008060215A (ja) 2006-08-30 2008-03-13 Elpida Memory Inc 半導体装置
CN101445851A (zh) 2008-12-29 2009-06-03 莱芜钢铁集团有限公司 一种含铁物料悬浮还原工艺方法及其装置
RU2471000C1 (ru) 2011-06-20 2012-12-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники" (ОАО "ВНИИМТ") Способ получения восстановительных газов
EP2664681A1 (de) * 2012-05-16 2013-11-20 Siemens VAI Metals Technologies GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von feinteilchenförmigem Material in die Wirbelschicht eines Reduktionsaggregates

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3140940A (en) 1953-01-14 1964-07-14 Hydrocarbon Research Inc Iron oxide reduction with hydrogen

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