KR19990006972A - 연료 소모량 및 일산화탄소 방출량이 감소된 직접 환원된 철의 제조 방법 - Google Patents

연료 소모량 및 일산화탄소 방출량이 감소된 직접 환원된 철의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원을 달성하는데 충분한 일산화탄소를 발생시키면서 물질을 처리하는데 필요한 연료의 양으로 환원을 가능하게 하며, 극미량 또는 어떠한 일산화탄소도 노로부터 방출되지 않음을 보장하는 노의 산화 구역 및 환원 구역(각 구역은 옥시 연료 연소에 의해 점화됨)을 통해 철 산화물 및 탄소질 물질이 연속적으로 통과되는 직접 환원된 철을 생성시키는 시스템에 관한 것이다.

Description

연료 소모량 및 일산화탄소 방출량이 감소된 직접 환원된 철의 제조 방법
본 발명은 일반적으로 철 산화물의 직접 환원에 관한 것이다.
철광석, 즉, 철 산화물의 직접 환원은 연속적인 산화 상태를 통해서 일산화탄소, 수소 및/또는 고체 탄소와의 반응에 의해 철광석이 금속철로 환원됨으로써 달성된다. 전형적으로, 철 산화물 및 탄소질 물질(예, 석탄)은 노(爐)에 채워진다. 공기와 연료의 연소에 의해 노내에 공급된 열은 그 중에서도 특히 일산화탄소를 발생시킨다. 철광석 및 환원제가 노를 통해 통과할 때, 철광석은 금속철로 환원되며, 노로부터 회수된다. 노 가스는 연관 또는 배출 도관을 통해 노로부터 외부로 통과된다. 철을 생산하는데 사용되는 연료의 양을 감소시키는 것이 바람직한데, 이것은 철을 생산하는데 드는 비용을 감소시키기 때문이다.
최근 환경적인 관심으로 인해 직접 환원된 철을 생산함에 있어 노로부터 방출된 일산화탄소의 양을 감소시켜야 하는 요건이 발생하였다.
본 발명의 또 다른 목적은 통상의 직접 환원 공정과 비교할 때 일산화탄소의 감소된 방출을 발생시키는 직접 환원된 철을 생산하는 방법을 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명의 한 바람직한 구체예의 상부 횡단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 노 2: 공급물
3: 공급물 상자 4: 막
5: 산화 구역 6: 환원 구역
본 명세서를 읽을 때 당업자에게는 자명하게 될 것인 상기 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 달성되어 지며, 그 중 한 양태는
(A) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 노의 산화 구역으로 제공하고, 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 1 산화제 및 제 1 연료를 다수의 산화 버너를 통해서 산화 구역내로 제공하고, 산화 구역에서 제 1 산화제 및 제 1 연료를 연소시켜서 공급물을 가열하는 단계;
(B) 가열된 공급물을 노의 산화 구역으로부터 환원 구역내로 통과시키는 단계;
(C) 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 2 산화제 및 제 2 연료를 다수의 환원 버너를 통해 환원 구역내로 제공하고, 환원 구역내에서 제 2 산화제 및 제 2 연료를 연소시켜 일산화탄소를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성시키는 단계;
(D) 환원 구역에서 철 산화물을 탄소질 물질 및 일산화탄소와 반응시켜서 철 산화물을 환원시켜 직접 환원된 철을 생성시키는 단계; 및
(E) 노로부터 직접 환원된 철을 회수하는 단계를 포함하는 직접 환원된 철을 생성시키는 방법이다.
본 발명의 또 다른 양태는
(A) 산화 구역 및 환원 구역을 갖는 노;
(B) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 산화 구역내로 제공하기 위한 수단;
(C) 도관 수단에 의해 각각이 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원으로 연통되는, 산화제 및 연료를 산화 구역내로 제공하기 위한 다수의 산화 버너;
(D) 도관 수단에 의해 각각이 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원으로 연통되는, 산화제 및 연료를 환원 구역내로 제공하기 위한 다수의 환원 버너;
(E) 노로부터 직접 환원된 철을 회수하기 위한 수단을 포함하는 직접 환원된 철을 생성시키기 위한 장치이다.
본원에서 사용되는 용어 화학량론적은 주어진 양의 연료를 완전히 연소시키는데 필요한 산소의 양을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 초화학량론적은 화학량론을 초과하는 산소 대 연료의 비를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 하위화학량론적은 화학량론 보다 작은 산소 대 연료의 비를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 산화 버너는 산소 및 연료를 초화학량론적인 비율로 제공하는 버너를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 환원 버너는 산소 및 연료를 화학량론적 또는 하위화학량론적인 비율로 제공하는 버너를 의미한다.
본 발명은 도면 및 특히 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세하게 기술될 것이다.
도 1을 보면, 회전식 단조로(鍛造爐)의 상부 횡단면도가 도시되어 있다. 본 발명을 실시함에 있어 어떠한 적합한 직접 환원 노도 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 회전식 단조로 형태, 즉 도넛 모양의 노는 바람직한 그러한 노이다. 공급물(2)은 공급물 상자(3)를 통해 노내로 통과되고, 막(4)을 통하여 노(1)의 산화 구역(5)으로 이동한다.
공급물(2)은 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함한다. 철 산화물은 하나 이상의 철광석, 및 용광로 먼지 및 슬러지, 기초 산소로 먼지 및 슬러지, 밀 스케일, 압연기 슬러지, 전기아크로 먼지, 및 스테인레스 제강 먼지 및 슬러지와 같은 강철 플랜트 폐기 산화물을 포함한다. 탄소질 물질은 하나 이상의 석탄, 코크스, 석유 코크스 및 목탄을 포함할 수 있다.
제 1 산화제 및 제 1 연료는 도 1에서 (21), (22), (23) 및 (24)로 표시된 다수의 산화 버너를 통해 산화 구역(5)으로 제공된다. 제 1 산화제는 25몰% 이상, 바람직하게는 40몰% 이상, 가장 바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 제 1 연료는 메탄, 천연가스, 오일 또는 석탄과 같은 어떠한 적합한 연료일 수도 있다. 바람직하게는, 제 1 산화제 및 제 1 연료는 산화 구역내의 노 가스, 즉 대기에서 산소 농도가 2 내지 10용적% 범위내에 있도록 초화학량론적 비로 산화 구역에 제공된다.
제 1 산화제 및 제 1 연료 연소물은 산화 구역(5)내에서 연소하여 열, 및 이산화탄소 및 수증기와 같은 연소 반응 생성물을 생성시킨다. 연소로부터 생성된 열은 공급물을 가열하는데 사용된다. 초화학량론적 비는 첨가 가스의 습기화 효과 때문에 일반적으로 낮은 불꽃 온도를 유발시킨다. 그러나, 본 발명을 실시함에 있어, 산화제에서 산소의 상승된 농도는 공기가 산화제로서 사용된 경우의 산소 분자를 기준으로 하여 노내로 통과된 질소의 양을 감소시킴으로써 이러한 습기화 효과를 보충하며, 공급물을 효과적으로 가열하기 위해 온도를 높게 유지시키면서 산화 구역내의 매우 낮은 연료 소비율을 가능하게 한다. 전형적으로, 본 발명을 실시함에 있어, 산화 구역내의 온도는 1100 내지 1250℃의 범위내에 있게될 것이다.
공급물은 가열되면서 산화 구역을 통과한다. 도 1에 도시된 회전식 단조로에서, 공급물은 시계 반대 방향으로 산화 구역(5)을 통과한다. 이후, 가열된 공급물은 노(1)의 산화 구역(5)으로부터 환원 구역(6)으로 통과한다. 당업자라면 인지하겠지만, 산화 구역이 끝나고 환원 구역이 시작되는 어떠한 분명한 경계도 없으며; 오히려 거리가 변한다. 산화 구역과 환원 구역의 존재는 각 구역을 돕는 버너에 의해 조절된다.
제 2 산화제 및 제 2 연료는 도 1에서 (25), (26), (27), (28) 및 (29)로 표시된 다수의 환원 버너를 통해 환원 구역(6)내로 제공된다. 본 발명을 실시함에 있어 환원 구역내에서는 전형적으로 3 내지 10개의 버너가 사용될 것이며, 반면에 산화 구역내에서는 2 내지 8개의 버너가 사용될 것이다. 본 발명을 실시함에 있어 산화 버너 및 환원 버너 둘 모두로서 사용하기 위한 바람직한 버너는 앤더슨(Anderson) 등의 미국특허 제 5,100,313호에 기술되어 청구된 연소 장치이다. 당업자라면 각각의 산화 버너 및 환원 버너가 (도면에 기능적으로 도시되어 있지 않지만, 구상적인 형태로 흐름 화살표의 끝에서 원으로서 도시된) 산화제 및 연료 공급원과 유통한다는 것, 즉 도관 수단에 의해 상기 공급원에 연결되어 있다는 것을 인지하고 있을 것이다.
제 2 산화제는 25몰% 이상, 바람직하게는 40몰% 이상, 가장 바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 제 2 연료는 메탄, 천연가스, 오일 또는 석탄과 같은 어떠한 적합한 연료일 수도 있다. 제 2 산화제 및 제 2 연료는 일단 연소되면 환원 구역 대기에서 노 가스에 어떠한 산소도 존재하지 않도록 하는 비율로 환원 구역으로 제공된다.
제 2 산화제 및 제 2 연료는 환원 구역(6)에서 연소하여 열 및 연소 반응 생성물을 생성시킨다. 산화 구역과 대립되는 환원 구역내의 연료에 관한 산소 분자의 보다 적은 유용성 때문에, 연료는 완전하게 연소되지 않으며, 결과적으로 환원 영역내에서 생성된 연소 반응 생성물은 일산화탄소를 포함한다. 가열된 탄소질 물질 및 일산화탄소는 철 산화물과 반응하고, 철 산화물을 직접 환원된 철로 환원시키며, 이때 철 산화물 및 탄소질 물질은, 도면에 도시된 회전식 단조로에서, 시계 반대 방향 흐름인 환원 구역을 통해 통과한다. 환원 구역에서 철 산화물의 환원은 흡열반응이며, 그렇기 때문에 많은 열이 환원 구역으로 제공되어 환원을 지속시킨다. 전형적으로, 환원 구역내의 온도는 1200 내지 1350℃ 범위 이내이다. 본 발명의 제 2 산화제의 상승된 산소 농도의 사용 때문에, 산화제로서 공기가 사용된 노내에 제공될 다량의 질소에 의해 야기된 낮은 불꽃 온도로 인한 열전달 효율을 상실하지 않으면서 환원 구역내의 환원 조건을 보다 큰 정도로 작동할 수 있다. 재차, 산화 구역을 실시함에 있어서와 같이, 이것은 어떠한 주어진 생성 수준에 대해서도 상당한 연료 절감으로 옮겨진다.
직접 환원된 철은 막(7)을 통과한 후, 방출 스크루(9)의 조작에 의해 방출 통로(8)를 통해 노로부터 방출되고, 생성물로서 직접 환원된 철이 회수된다.
바람직하게는, 산화제는 각 버너로부터 산화 또는 환원 구역으로, 경우에 따라서는, 초당 200피트(fps) 이상, 가장 바람직하게는 500fps 이상과 같은 고속으로 제공된다. 산화제의 고속은 일부 노 가스가 연료와 산화제의 연소 이전에 산화제로의 흡기를 가능하게 하여, 수개의 버너의 연소 반응으로부터 전체 열 분포를 개선시킨다. 고속 산화제에 의해 야기된 불꽃 안정도를 피하기 위해, 저속의 산화제 부스트림이 연료와 고속의 산화제 주스트림 사이에서 버너로부터 노내로 통과될 수 있다. 그러한 산화제 부스트림은 산화제 주스트림의 속도 보다 작은 속도, 바람직하게는 200fps 미만의 속도, 가장 바람직하게는 100fps 미만의 속도를 가지며, 버너로부터 노내에 제공된 10% 미만의 산화제를 포함할 것이다.
상승된 산소 농도를 갖는 산화제의 사용으로부터 생성된 노의 높은 불꽃 온도는 철 산화물의 환원을 수행함에 있어 산화되지 않은 대부분 또는 모든 일산화탄소가 노내의 이산화탄소로 우세하게 전환되어 주위 대기로의 일산화탄소의 방출량을 감소시키는 것을 보장하도록 돕는다.
도 1에는 배출 도관 또는 연관(10)이 산화 구역(5)내의 노 내부와 통하는 본 발명의 바람직한 구체예가 도시되어 있다. 노 내에서의 가스 흐름은 노 내 철 산화물 및 탄소질 물질로의 공류이다. 즉, 도 1에 도시된 배열에 있어, 노 내에서의 가스 흐름량은 철 산화물 및 탄소질 물질의 흐름량 보다 크며, 시계 방향으로 흐른다. 어떠한 초과량의 일산화탄소라도 연관에 도달하기 전에 산화 구역의 주요 부분을 통해 먼저 통과될 것이기 때문에, 본 발명의 일산화탄소 환원 경향을 증대시킨다. 산화 구역에서, 잔류하는 일산화탄소는 산소의 높은 분압 및 높은 불꽃 온도에서 초과량의 산소 분자와 만나게 될 것인데, 이것은 노 내에서 일산화탄소를 이산화탄소로 추가로 전환시키는 것을 도울 것이다. 노 가스, 예를 들어 연소 반응 생성물은 연관(10)을 통한 통과에 의해 노(1)로부터 방출된다.
도 1에 도시된 배열은 산화 버너 중의 하나, 이 경우에는 버너(21)가 산화제 및 연료가 연관(10)으로 유도되도록 배향된다는 점에서 특히 바람직하다. 도면에 버너를 통해 통과되는 화살표는 버너로부터 노로 산화제 및 연료의 흐름 방향을 표시하도록 의도된다. 이러한 배열은 일산화탄소가 노 내에서 이산화탄소로 전환되고 노로부터 방출되지 않는다는 것을 더 보장한다.
하기의 실시예 및 비교 실시예는 본 발명을 추가로 도해하고, 이로써 달성될 수 있는 장점을 입증하기 위해 제시된다. 이들은 제한하려고 의도된 것은 아니다.
회전식 단조로는 니켈-카드뮴 배터리와 함께 크롬 및 니켈 산화물 함유 제강 슬러지를 처리하여 시간 당 8톤(tph)의 비율로 직접 환원된 철을 생성시키는데 사용되었다. 철 산화물과 함께 노내로 통과된 탄소질 물질은 분말화된 코크스였다. 상기 시스템은 145%의 화학량론에서 조작되는 산화 구역내에서 6개의 버너 및 100%의 화학량론에서 조작되는 환원 구역내에서 10개의 버너를 사용하였다. 16개의 버너 각각에 대해 연료는 천연가스였고, 산화제는 공기였다. 이러한 통상의 방법의 결과는 표 1에 기재하였다.
산화 구역 환원 구역 합계
발생된 열(MM Btu/h) 4.3 12.17 16.47
유용 가능한 열(MM Btu/h) 1.03 4.46 5.49
열효율 (%) 23.9 36.7 33.3
천연가스 소모량(scfh) 4,214 12,016 16,257
버너로부터 방출된 가스 용적(scfh) 62,816 126,397 189,213
유사한 공급물은 본 발명을 사용하여 처리되어 직접 환원된 철을 생성시킨다. 사용된 시스템은 4개의 버너가 산화 구역에서 사용되고 5개의 버너가 연소 반응물이 배출 장치로 유도되도록 배향된 산화 구역 버너 중의 하나를 갖는 환원 구역에서 사용되는 도면에 도해된 시스템과 유사하다. 천연가스는 각 버너에 대하여 연료로서 사용되며, 9몰%의 산소 농도를 갖는 유체는 각 버너에 대해 산화제로서 사용된다. 산화 구역 버너는 111%의 화학량론에서 조작되고, 환원 구역 버너는 100%의 화학량론에서 조작된다. 본 발명은 16tph의 생성 비율에서 직접 환원된 철의 생산을 가능하게 한다. 본 발명의 이러한 실시예의 결과는 표 2에 기재하였다.
산화 구역 환원 구역 합계
발생된 열(MM Btu/h) 2.88 12.74 15.6
유용 가능한 열(MM Btu/h) 2.06 8.92 10.98
열효율 (%) 71.2 70.2 70.4
천연가스 소모량(scfh) 2,847 12,558 15,405
버너로부터 방출된 가스 용적(scfh) 9,837 40,465 50,302
표에 기재된 결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명 실시하게 되면 직접 환원된 철의 생성 비율이 두배로 증가하게 되지만 연료 소모량은 실제로 감소된다. 보고된 예의 연료 절감율은 통상의 시스템의 연료 절감율과 비교하여 생성물을 기준으로 하여 1 톤당 52.6%이다. 더욱이, 보다 낮은 특정의 연료 소모는 단위 시간당 파운드로 일산화탄소 뿐만 아니라 이산화탄소 및 NOX의 방출량을 감소시킨다.
또한, 본 발명을 실시하게 되면 버너를 조작하는데 필요한 버너의 수가 상당히 감소되며, 이로써 직접 환원된 철을 생산하는 자본 비용이 상당히 절감된다. 보다 높은 생산성이 요구되지 않는 경우, 본 발명은 직접 환원된 철의 품질을 개선시키는데 사용될 수 있다. 품질의 개선은 노 내로 제공된 탄소질 물질의 양을 증가시키고 노를 통해 통과되는 물질의 체류 시간을 증가시킴으로써 달성된다. 본 발명으로 달성된 고온 및 개선된 열효율은 본 발명의 실시로 달성된 고온에 의해 제공된 철로 확산된 탄소 양 및 증가된 체류 시간으로 인해 공급물의 금속화의 정도의 증가를 가능하게 한다.
본 발명을 실시하게 되면, 어떠한 주어진 수준의 생성률에 대해서 지금까지 이용되고 있는 직접 환원 방법과 비교하여 감소된 수준의 일산화탄소 방출시키고, 보다 적은 양의 연료를 사용하고, 보다 적은 수의 버너를 사용하고 보다 적은 배기 가스를 발생시키면서 직접 환원된 철을 생산할 수 있다. 본 발명이 특정의 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 특허청구의 범위의 정신 및 범주 안에 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인지할 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명을 사용하게 되면 연료 소모량 및 이산화탄소 방출량이 실질적으로 감소되고, 버너의 수가 감소되어 자본 비용이 상당히 절감된다.

Claims (10)

  1. (A) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 노의 산화 구역으로 제공하고, 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 1 산화제 및 제 1 연료를 다수의 산화 버너를 통해서 산화 구역내로 제공하고, 산화 구역에서 제 1 산화제 및 제 1 연료를 연소시켜서 공급물을 가열하는 단계;
    (B) 가열된 공급물을 노의 산화 구역으로부터 환원 구역내로 통과시키는 단계;
    (C) 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체인 제 2 산화제 및 제 2 연료를 다수의 환원 버너를 통해 환원 구역내로 제공하고, 환원 구역내에서 제 2 산화제 및 제 2 연료를 연소시켜 일산화탄소를 포함하는 연소 반응 생성물을 생성시키는 단계;
    (D) 환원 구역에서 철 산화물을 탄소질 물질 및 일산화탄소와 반응시켜서 철 산화물을 환원시키고 직접 환원된 철을 생성시키는 단계; 및
    (E) 노로부터 직접 환원된 철을 회수하는 단계를 포함하는 직접 환원된 철을 생성시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 산화제 및 제 2 산화제가 고속의 산화제 주스트림 및 산화제 주스트림 보다 저속의 산화제 부스트림을 포함하는 두 부분에서 각각의 버너로부터 노내에 제공되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 연소 반응 생성물을 환원 구역으로부터 산화 구역으로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 연소 반응 생성물을 산화 구역내에 위치한 배출 도관을 통해 노의 외부로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 산화 버너가 배출 도관 방향으로 제 1 산화제 및 제 1 연료를 노내에 제공하도록 배향되는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 제 1 산화제 및 제 1 연료가 산화 구역내의 노 가스의 산소 농도가 2 내지 10 용적% 범위 이내가 되게 하는 비율로 산화 구역내로 제공되는 방법.
  7. (A) 산화 구역 및 환원 구역을 갖는 노;
    (B) 철 산화물 및 탄소질 물질을 포함하는 공급물을 산화 구역내로 제공하기 위한 수단;
    (C) 도관 수단에 의해 각각이 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원에 연통하는, 산화제 및 연료를 산화 구역내로 제공하기 위한 다수의 산화 버너;
    (D) 도관 수단에 의해 각각이 연료 공급원 및 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산화제 공급원에 연통하는, 산화제 및 연료를 환원 구역내로 제공하기 위한 다수의 환원 버너;
    (E) 노로부터 직접 환원된 철을 회수하기 위한 수단을 포함하는 직접 환원된 철을 생성시키기 위한 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 노가 회전식 단조로인 장치.
  9. 제 7항에 있어서, 산화 구역내에 위치한 배출 도관을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 산화 버너가 배출 도관 방향으로 산화제 및 연료를 노내에 제공하도록 정위되는 장치.
KR1019980022239A 1997-06-16 1998-06-15 연료소모량및일산화탄소방출량이감소된직접환원철의제조방법및장치 KR100359689B1 (ko)

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