KR102474050B1 - 바이오매스 혼합 장입 원료를 이용한 고로 환원제비 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전처리된 바이오매스를 준비하는 단계, 상기 바이오매스를 원료 탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 단계 및 상기 코크스를 고로 내에 장입하여 소결광을 환원시키는 단계를 포함하고, 상기 혼합 단계에서, 혼합물의 전체 비중을 기준으로 바이오매스가 5wt% 내지 20wt%의 범위로 함유되는, 바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법이 제공된다.

Description

바이오매스 혼합 장입 원료를 이용한 고로 환원제비 저감 방법{Method for reducing the ratio of reducing agent of blast furnace using biomass mixed raw materials}

본 발명은 바이오매스 혼합 장입 원료를 이용하여 소결광을 환원시킴으로써 고로 환원제비를 저감하는 방법에 관한 것이다.

최근 제철산업의 가장 큰 이슈 중 하나는, 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소(CO₂) 배출량 저감이다. 이산화탄소 배출량 저감으로, 인풋(input) 카본량을 줄이거나, 배출되는 이산화탄소를 포집 후 심해 또는 지하에 저장하거나, 종래의 석탄 및 석유 등 화석연료 탄소원을 탄소중립형(Carbon neutral) 바이오매스로 대체하는 방법이 있다.

상기 바이오매스는 건축물 목재 및 폐자재와 삼림 및 농업계 부산물까지 광범위하게 적용되며, 발생량에 비해 그 사용비율은 극히 미미한 수준이다. 바이오매스는 탄소중립재로서 온실가스 발생량을 직접적으로 저감할 수 있을 뿐 아니라, 원료 내 휘발성분(Volatile material, VM) 중 포함된 높은 함량의 수소에 의한 광석 환원 효율 향상을 추가로 기대할 수 있어 매우 효율적인 고로 공정 원료로 주목받고 있다. 그러나, 현재까지 바이오매스의 연료화를 위한 효율적 처리 방법의 부재로 인해 그 활용범위가 제한되어 있는 상황이다. 주된 이유로는 바이오매스가 기존의 화석연료와 같이 탄소, 수소, 산소 등으로 이루어진 유기화합물이지만 그 자체로 고함수율과 부피당 발열량(수분 15wt% 이상 발열량 16.2MJ/kg)이 낮기 때문에 적절한 전처리 과정 없이 발전용 연료로 적용되기 비효율적이기 때문이다. 따라서 바이오매스를 고로 공정에 활용하기 위해서는 기존 고로 연/원료와 같은 수준의 물리적 강도, 에너지 밀도, 성형성 및 파쇄성을 확보하기 위한 전처리 단계를 필수로 거쳐야 한다.

최근 철강 분야에서의 바이오매스와 관련된 많은 연구에도 불구하고, 바이오매스의 전처리 및 가공 공정의 최적 조건을 도출하고, 바이오매스 활용에 따른 고로 내 광석 환원 및 코크스의 화학 반응 거동을 정량적으로 평가하는 기술 개발은 아직도 부족한 실정이다.

한국공개특허 제10-2012-0069765호

본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고로 조업을 안정화하고 환원 효율을 극대화하기 위한 최상의 바이오매스 혼합 원료의 비율을 도출하고, 바이오매스 혼합 원료의 고로 내 괴상대(granular zone)에서 나타나는 영향 평가를 정량화하는 방법을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 환원 방법은, 전처리된 바이오매스를 준비하는 단계, 상기 바이오매스를 원료 탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 단계 및 상기 코크스를 고로 내에 장입하여 소결광을 환원시키는 단계를 포함하고, 상기 혼합 단계에서, 혼합물의 전체 비중을 기준으로 바이오매스가 5wt% 내지 20wt%의 범위로 함유될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소결광을 환원시키는 단계는, 일산화탄소 및 수소 가스를 주입하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전처리는 바이오매스를 반탄화 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 고로 내 환원개시온도는 675 내지 750℃일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 고로 내 환원개시온도는 바이오매스 함량에 비례하여 낮아질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오매스의 함량에 비례하여 가스이용률이 높아질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가스이용률은 하기 식 2를 만족할 수 있다.

[식 2]

가스이용률(%) = 0.1963 * A1 +45.12

여기서, A1 = 바이오매스의 함량(%)

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 바이오매스 혼합 원료는 기존 코크스의 환원개시온도보다 낮은 환원개시온도를 보장하여 코크스 사용비와 고로 환원제비를 줄일 수 있다. 또한, 반응성이 우수한 바이오매스 혼합 원료를 사용한 고로 공정에서는 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 친환경적인 장점이 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 바이오매스 혼합 원료를 이용하여 소결광을 환원시키는 장비를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서 바이오매스의 함량에 따른 가스이용률을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

본 발명에서는 소결광을 환원시켜 금속철을 제조하는 과정에서 가격이 비싼 코크스를 대체하기 위하여 바이오매스를 효율적으로 활용하기 위한 방법을 제공하고자 한다. 본 발명에 있어서, 상기 바이오매스는 우분, 왕겨, 볏짚, 및 팜커널쉘(Palm Kernel Shell, PKS) 중에서 선택되는 1 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에 있어 석탄의 대체재로 사용되는 바이오매스는 기본적으로 다량의 휘발분을 포함하고 있어 석탄에 비해 고정탄소가 상당히 낮은 특징을 보이고 있으며, 특히 발열량은 기존 석탄의 50% 수준을 나타내고 있다. 소결 연소 과정에서 휘발분이 높은 연료는 다량의 매연, 즉 환경오염 물질을 방출할 뿐만 아니라, 타르 등의 점착성이 강한 물질도 동시에 형성하여 소결 배가스 청정설비인 공정집진기와 백필터 등에 부착되어 집진효율을 저하시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 본 발명에서는 다량의 휘발분을 포함하는 바이오매스를 반탄화 처리하는 전처리 과정을 수행한다. 반탄화 처리는 무산소 상태의 온도 200~300 ℃ 범위에서 수행되는 일종의 저온 열분해 또는 고온건조 기술이다. 반탄화 처리로 바이오매스를 건조시킨 이후에, 바이오매스를 바인더와 혼합하여 브리켓 장비로 성형한 다음 약 500 ℃ 온도에서 열처리하여 차(char)가 얻어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전처리된 바이오매스를 원료 탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 단계를 수행한다. 상기 전처리된 바이오매스는 혼합물 100 중량부에 대해 5 내지 20wt% 범위로 배합하는 것이 바람직하다. 바이오매스 함량이 지나치게 높은 경우 고로 내 혼합 장입 원료로 제조하기 어렵고 소결광의 생산성 및 품질이 저감된다. 반대로, 바이오매스 함량이 지나치게 낮은 경우 고로 내 환원개시온도를 낮추고 가스이용률을 높이는 효과를 달성하기 어렵다.

다음으로, 상기 제조된 코크스를 고로 내에 장입하여 연소시킨 환원열로 소결광을 용해, 환원시키는 단계를 수행한다. 도 1은 바이오매스 혼합 원료를 이용하여 소결광을 환원시키는 장비 및 상기 장비 내에 장입된 원료를 나타낸다. 도 1(a)를 참조하면, 고로(100) 상부로부터 장입물을 고로(100) 내에 장입하고, 고로 상부의 가스 주입구(101)를 통해 고온의 열풍을 불어넣어, 고로(100) 내에서 환원 용융 반응을 유도하여 용선 및 슬래그(slag)를 생산한다. 도 1(b)는 소결광과 코크스가 고로(100) 내에 장입된 모습을 나타내고, 코크스와 배합된 바이오매스를 보여준다. 상기 원/연료를 고로(100) 내에 순차적으로 장입한 다음 온도 400~1200 ℃ 구간에서 0~0.1기압 조건의 일산화탄소 및 수소 가스를 흘려주며 약 6시간 동안 반응시킨다. 고온의 일산화탄소 및 수소 가스에 의해 [FeO + CO → Fe + CO₂]의 반응에서 생긴 CO₂는 [CO₂ + C → 2CO]의 반응에 의해 CO로 된다. 이때 반응이 종료된 가스는 가스 배출구(102)를 통해 배출되고 질량 분석기를 통해 조성 변동을 측정할 수 있다.

안정적인 고로 조업을 위해서는 고로 내 반경방향으로의 가스류 흐름분포가 일정하여야 하며, 고 효율의 환원반응을 유도하기 위해서는 고로 내 가스류 분포 및 가스이용률의 관리가 중요하다. 가스이용률(ηCO)은 질량 분석기에서 검출된 가스에 함유된 CO와 CO₂의 함유량을 분석한 후 계산되며, 하기 식 1과 같다.

[식 1]

본 발명의 실시예에서, 가스이용률은 바이오매스 혼합 장입 원료에 함유되어 있는 바이오매스 함량과 관련이 있으며, 하기의 식 2를 만족한다.

[식 2]

가스이용률(%) = 0.1963 * A1 + 45.12 (A1 = 바이오매스의 함량)

도 2는 상기 식 2에 따라 바이오매스의 함량에 비례하여 가스이용률이 높아지는 경향을 나타내는 그래프이다. 도 2에 따르면, 바이오매스의 함량이 20 wt%인 경우, 가스이용률이 약 50%까지 상승하므로 코크스 사용비와 고로 환원제비(용선 1 ton 생산을 위해 필요한 코크스와 미분탄 취입비의 합)를 줄일 수 있어 효율적이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 원료 혼합물 내 바이오매스의 함유량이 증가할수록 제조되는 코크스의 반응성은 증가하고 고로 내 환원개시온도가 낮아질 수 있다. 다만, 혼합물 전체 비중 대비 바이오매스의 비중이 정적 범위를 초과하면 제조되는 코크스의 물성 즉, 물리적 강도가 약화될 수 있다. 따라서, 코크스 제조 시 첨가되는 바이오매스의 비중은 코크스 전체 비중 대비 0wt% 초과 내지 20wt%이하의 범위를 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 5wt%이상 내지 20wt%이하의 범위를 가질 수 있다. 이는 제조되는 코크스의 물성을 변화시키지 않고 반응성이 우수한 코크스를 제조하기 위함이다. 반응성이 우수한 코크스는 고로 내에 낮은 온도 영역에서 가스화 반응성이 촉진되어 열보존대 온도를 감소시킨다. 예컨대, 실제 가스 농도와 환원 평형 가스 농도 차이에 의해 표현되는 환원에 필요한 구동력을 증가시켜 반응 효율을 증대하여 환원제비를 줄이는 효과를 가진다. 이러한 조성물로 만들어진 코크스는 기존 코크스의 환원개시온도(750℃)보다 낮은 환원개시온도를 보장할 수 있다. 고로 내 환원개시온도는 원료 탄들에 첨가된 바이오매스의 함량에 비례하여 낮아지고, 바이오매스 함량이 20wt%일 때 675 ℃의 환원개시온도를 나타낼 수 있다.

바이오매스 장입원료에 의해 환원이 촉진될 뿐 아니라 열보존대 온도 저하에 따른 환원율 향상을 기대할 수 있다. 환원율은 다음과 같은 식 3을 따른다.

[식 3]

이하 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예에 대해서 기술한다. 본 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공되는 것으로서 본 발명이 본 실험예에 한정되지 않음은 물론이다.

<실시예>

고로의 연료로 사용하기 위하여 발열량 5,000 cal/g 이상, SI 강도 88% 이상인 바이오매스를 준비하였다. 바이오매스를 반탄화 처리 후 바인더와 혼합 하여 브리켓 장비로 성형한 다음 약 500 ℃ 온도에서 열처리하였다. 이를 원료 탄과 혼합하여 제조한 코크스 및 소결광을 실제 고로와 같은 조건으로 만들어놓은 '고로 연소성 평가장치'(모의 고로)에 순차적으로 장입한 다음, 온도 400~1200 ℃ 구간에서 0~0.1기압 조건의 일산화탄소(CO) 및 수소(H₂) 가스를 흘려주며 약 6시간 동안 반응시켰다. 이때 반응이 종료된 가스는 가스 배출구를 통해 배출되고 질량 분석기를 통해 조성 변동을 측정하였다. 코크스의 함량 변화에 따른 환원 개시온도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

	바이오매스 함량(%)	환원개시온도(℃)
비교예 1	0	750
실시예 1	5	700
실시예 2	20	675

상기 표 1의 결과에 나타나듯이, 바이오매스의 함유량이 증가할수록 반응개시온도가 낮아졌다. 이 결과를 통해 바이오매스를 5wt% 내지 20wt%의 범위로 첨가하여 반응성이 우수한 코크스를 제조할 수 있으며, 제조된 반응성이 우수한 코크스를 사용하면 고로 내 열보존대 온도를 낮출 수 있음을 알 수 있다.

괴상대 하부에서의 소결광 중 금속철의 농도는 800 ℃ 온도 이상에서 급격한 반응 증가를 보였으며, 바이오매스 장입원료의 가스화에 따른 CO 가스 농도 증가가 소결광 환원 속도를 높인 것으로 판단된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 고로
101: 가스 주입구
102: 가스 배출구

Claims (7)

1. 바이오매스를 무산소 상태에서 200~300 ℃ 열처리하는 반탄화 단계;
   상기 반탄화된 바이오매스를 바인더 및 원료 탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 단계; 및
   상기 코크스를 고로 내에 장입하여 소결광을 환원시키는 단계;를 포함하고,
   상기 혼합 단계에서,
   혼합물의 전체 비중을 기준으로 바이오매스가 5wt% 내지 20wt%의 범위로 함유되는, 바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소결광을 환원시키는 단계는,
   일산화탄소 및 수소 가스를 주입하여 수행되는,
   바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   고로 내 환원개시온도는 675 내지 750 ℃인,
   바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   고로 내 환원개시온도는 바이오매스 함량에 비례하여 낮아지는,
   바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 바이오매스의 함량에 비례하여 가스이용률이 높아지는,
   바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 가스이용률은 하기 식 2를 만족하는,
   바이오매스를 이용한 소결광 환원 방법.
   [식 2]
   가스이용률(%) = 0.1963 * A1 +45.12
   여기서, A1 = 바이오매스의 함량(%)

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