KR20000039376A - 슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화방법 - Google Patents

슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동층식 예비환원로와 용융가스화로로 구성되는 용선제조장치에서 용융선철을 제조함에 있어서 예비환원로에서 예비환원된 미립 환원철에 폐기물 슬러지(sludge)를 혼합하여 미분 환원철을 괴상화시키는 방법에 관한 것으로서, 고온에서 슬러지내의 탄재성분및 환원철의 점결력을 이용하여 미분 환원철을 괴상화시킴으로써, 공정이 단순할 뿐만 아니라 폐기물 슬러지를 유용하게 활용할 수 있고, 또한 슬러지에 함유된 철분 회수율을 향상시킬 수 있는 슬러지를 이용한 미분 환원철의 괴상화방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 유동층식 환원로에서 예비환원된 미분 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용융선철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 미분 환원철에 슬러지를 혼합하여 미분 환원철을 괴상화하여 용융가스화로에 장입하는 슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화 방법을 그 요지로 한다.

Description

슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화방법
본 발명은 유동층식 예비환원로와 용융가스화로로 구성되는 용선제조장치에서 분철광석을 이용하여 용융선철을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유동층식 예비환원로와 용융가스화로로 구성되는 용선제조장치에서 용융선철을 제조함에 있어서 예비환원로에서 예비환원된 미립 환원철에 폐기물 슬러지(sludge)를 혼합하여 미분 환원철을 괴상화시키는 방법에 관한 것이다.
용철을 제조하는 방법으로는 고로(blast furnace)법과 샤프트로(shaft furnace)를 사용하여 환원한 철광석을 전기로에서 용해하는 방법이 종래부터 채용되고 있으며, 상기 고로공정에서는 열원및 환원제로써 재분진방지 및 통기성 확보를 위하여 일정한 강도와 크기를 지닌 코크스및 소결광의 형태로 고로에 장입하고 있다.
이 때문에 고로법은 강점결탄을 건류하기 위한 코크스로 설비 및 소결광제조설비등의 전처리설비가 필요할 뿐만 아니라 소결시 많은 에너지가 소요된다.
따라서, 고로법은 막대한 설비투자비가 필요하고, 더우기 코크스 제조 원료인 강점결탄은 세계적으로 부존량이 적어 수급상의 문제가 심각하다.
현재 철의 원료인 철광석은 매장량의 약 80%가 입경 8mm이하의 분철광석상태로 존재하며, 이러한 분철광석과 분탄을 전처리 없이 직접사용할 수 있는 유동층을 이용한 용철환원제철법이 차세대 제철공정으로 크게 각광을 받고 있으며, 최근 구미, 일본 및 우리나라등 전세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
용융환원법은 철광석을 괴상상태에서 천연가스 혹은 석탄가스화 성분인 CO + H2의 환원성가스로 환원하는 예비환원공정과 예비환원된 광석을 용융하여 최종환원하는 용융환원공정으로 구성된다.
이중 예비환원공정으로는 입도분포가 넓은 분철광석을 기존 고로공정에서 철의 원료로 사용하는 소결광 및 펠렛광등과 같이 사전처리 없이 직접사용하므로써 궁국적으로 소결공정의 생략이 가능토록 하기 위한 공정이 요구되어 진다.
따라서, 원료의 제약성을 극복하고 괴상화하는 중간공정단계의 부대설비를 생략하고 분철광석을 직접사용함으로써 상당항 원가절감을 가져올수 있을 것으로 예상된다.
이러한 분철광석의 가스환원에 있어서는 통기성의 확보, 반응기내의 균일한 온도분포 및 가스와 고체의 접촉면적을 크게하여 반응성을 좋게하기 위하여 유동층법이 필수적이다.
현재까지 상업화공정으로 개발중인 유동층을 이용하여 철광석을 환원하는 대표적인 공정으로는 일본의 DIOS, 호주의 HISMELT, 베네주엘라/오스트리아의 FIOR Process, 및 한국의 FINEX 법등이 있다.
이와 같은 용융환원법에 있어서는 유동층식 예비환원로에서 환원된 환원철을 용융가스화로로 장입하여 용융선철을 제조하는 방식이 채용되고 있다.
상기와 같이 분철광석을 용융환원함에 있어서, 유동층식환원로에서 배출된 환원철를 용융가스화로로 중력투입하는 경우, 용융가스화로의 상부에서 석탄의 가스화에 의해 발생, 배출되는 환원가스의 고속상승흐름과 함께 중/미립 환원철의 비산으로 인하여 배가스내 미립분철광석의 농도를 증가시켜 사이클론의 부하가 중대하고 결국 미분의 비산손실의 증대로 인하여 철분회수율이 떨어져 경제성이 저하하게 된다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 미국특허제 4,978,387호와 대한민국 특허출원제87-12076호 및 일본특개소 62-224620호에서는 미립환원철을 용융로로 투입하는 방법으로 운송가스와 버너를 이용하고 있다.
그러나, 이러한 방법은 유동층에서 환원된 미분철광석을 배출구로부터 버너입구까지 운송하기 위한 막대한 양의 가스가 필요할 뿐만아니라 미분철광석에 의해 버너 주위가 심하게 마모되어 버너가스를 자주 고체해야 하는 문제점이 있으며, 가스취입에 의한 분체의 재분진화현상이 일어나 분진이 예비환원로로 도입되어 환원로 분산판의 막힘현상이나 유동층 노벽에 부착되어 설비 및 조업시간에 막대한 지장을 초래하게 된다.
또한, 일본특개평1-116035호, 1-119631호, 1-188635호, 1-252714호에는 분철광석에 석탄을 혼합하고 이 혼합물을 냉간 혹은 열간성형을 통하여 제조한 괴상화 브리케트(briquette)를 용융가스화로로 투입하는 방법이 제안되어 있다.
이들 방법들은 혼합물을 괴상화하는 성형기등의 부대설비가 별도로 설치되어야 하며, 또한 괴상화 과정없이 직접 중력투입이 가능한 대립철광석까지도 미립철광석과 함께 혼합괴상화되므로 입도분포가 넓은 성형물의 기공율이 증가하여 브리케트 압축강도가 저하한다. 이는 성형기의 용량이 커지고 탄재 소요량도 증가하는 문제점이 있다.
한편, 오스트리아 특허 제AT 1234/95호는 유동층 예비환원로 배출구와 용융가스화로 내부에 연결한 장입관을 통하여 산소를 취입하면서 미분환원철을 중력장입하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 이러한 방법은 고온의 산화성 분위기에서 장시간 조업에 사용할 수 있는 내구성소재 개발의 어려운점과 추가 산소로 인한 용융로의 환원가스 산화도가 높아 예비원로로 가스가 유입되어 분철광석과 반응시 반응율 저하를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명자들은 상기와 같은 종래방법의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게된 것으로서, 본 발명은 고온에서 슬러지내의 탄재성분 및 환원철의 점결력을 이용하여 미분 환원철을 괴상화시킴으로써, 공정이 단순할 뿐만 아니라 폐기물 슬러지를 유용하게 활용할 수 있고, 또한 슬러지에 함유된 철분 회수율을 향상시킬 수 있는 슬러지를 이용한 미분 환원철의 괴상화방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 통상적인 유동층식 예비환원장치를 사용하여 용선을 제조하는 용선제조장치 를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 부합되는 혼합기가 구비되어 있는 용선제조장치를 나타내는 구성도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20... 예비환원로 32... 중/미립 환원철 배출관 40... 용융가스화로
50... 혼합기 51... 배출 스크류 52... 진동기 53... 슬러지 공급관
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 유동층식 환원로에서 예비환원된 미분 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용융선철을 제조하는 방법에 있어서, 상기 미분 환원철에 슬러지를 혼합하여 미분 환원철을 괴상화하여 용융가스화로에 장입하는 슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
분철광석을 이용하여 용철을 제조하는 방법에 있어서는 통상, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 분철광석을 예비환원로(20)에서 입도별즉, 대립이 존재하는 로 하부(21)와 중/미립(미분)이 존재하는 로 상부(22)에서 각각 예비환원시킨후, 예비환원한 분철광석중 대립 환원철은 중력낙하에 의해 대립환원철 배출관(31)을 통해 용융가스화로(40)에 장입되고, 중/미립 환원철은 중/미립 환원철 배출관(32)을 통해 용융가스화로(40)에 장입되어 용융환원되므로서 용철이 제조된다.
즉, 용융가스화로(40)에서 발생한 환원가스에 의해 예비환원로(20)내에서 분철광석을 환원시킬 경우, 유속에 따라 분철광석의 입경 500㎛를 기준으로 로 상부(22)에는 500㎛이하의 미분(중/미립)이 존재하고, 로 하부(21)에는 500㎛이상의 대립이 존재하게 된다.
이때, 500㎛이상의 대립은 대립환원철 배출관(31)을 통해 용융가스화로(40)에 중력 장입되고, 로 상부(22)에 존재하는 500㎛이하의 미분은 괴상화 없이 용융가스화로(40)로 장입할 경우, 용융가스화로(40)의 상부의 석탄가스화에 의해 발생, 배출되는 환원가스의 고속 상승 흐름과 함께 환원철의 재비산으로 인하여 배가스내 미립 환원철의 농도를 증가시켜 사이클론이 부하가 증대하고 결국 미분의 비산손실의 증대로 인하여 철분회수율이 떨어져 경제성이 저하하게 된다.
따라서, 본 발명은 슬러지중의 탄재성분 및 미분 환원철의 고온에서의 점결성을 이용하여 미분 환원철을 슬러지와 혼합 괴상화하여 용융가스화로(40)로 장입하므로서, 상기한 문제점을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명에 부합되는 혼합기의 일례가 구비되어 있는 용선제조장치가 도 2에 나타나 있다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 혼합기(50)는 예비환원로(20)에서 예비환원된 중/미립 환원철을 용융가스화로(40)에 공급하는 중/미립 환원철 배출관(32)에 설치된다.
상기 혼합기(50)는 그 상부가 상기 예비환원로(20)에서 배출되는 중/미립 환원철을 공급 받도록 중/미립 환원철 배출관(32)에 연결되어 있으며, 그 저부에는 하나 또는 복수개의 배출 스크류(51) 및 진동기(52)가 각각 구비되어 있다.
그리고, 상기 혼합기(50)의 상부에는 슬러지 공급관(53)이 연결되어 있다.
상기 진동기(52)는 장입되는 액상의 슬러지의 원활한 건조 및 슬러지와 미분환원철의 혼합을 적절히 하도록 구성된다.
즉, 상기 진동기(52)는 슬러지와 미분 환원철을 원활히 혼합되게 하여 미분 환원철의 괴상화가 원활히 이루어지도록 구성된다.
상기 스크류(51)는 슬러지와 미분 환원철의 혼합물을 상기 중/미립 환원철 배출관(32)으로 배출하도록 구성되며, 이렇게 하므로서 슬러지와 미분 환원철의 혼합물은 상기 중/미립 환원철 배출관(32)을 통해 용융가스화로(40)에 공급된다.
상기와 같이, 슬러지와 미분 환원철의 혼합물이 상기 중/미립 환원철 배출관(32)을 통해 용융가스화로(40)에 공급될 때, 즉, 상기 중/미립 환원철 배출관(32)을 이동하면서 미분 환원철은 슬러지에 의해 괴상화된 후 용융가스화로(40)에 공급된다.
본 발명에 따라 괴상화되는 미분 환원철은 상기 중/미립 환원철 배출관(32)을 통해 용융가스화로(40)에 장입되는 미분 환원철로서, 그 입경은 대략 500㎛이하정도 이다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 도 2에 나타나 있는 일단 방식의 유동층식 예비환원로에만 한정되는 것은 아니며, 다단식 유동층식 예비환원로에서 예비환원되어 용융가스화로에 장입되는 미분환원철의 괴상화에도 적용됨은 물론이다.
본 발명에 적용될 수 있는 슬러지로는 예비환원 후 용융환원하는 용철제조공정에 있어서, 용융가스화로에서 발생하는 더스트와 예비환원로에서 발생되는 최종 더스트를 침적하여 생성된 슬러지를 들 수 있다.
대표적인 공정으로는 코렉스(COREX)공정과 FINEX 공정이 있다.
본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 슬러지로는 중량%로 T.Fe:5-50%, SiO2:2-20%, CaO:3-30%, Al2O3: 2.0-11.5%, MgO: 1.0-3.5%, C: 2-9%, TiO2: 1%이하, P2O5: 1%이하, K2O: 1.5%이하, Na2O: 1%이하, S: 1%이하로 조성되는 슬러지를 들 수 있다.
상기 슬러지중의 C은 열분해될 때 자체점결성을 가지며, 그 양이 많을수록 효과가 크고, 환원가스 발생으로 인한 환원력 증대 및 환원철을 용융가스화로에서 용해시 열원및 환원가스로 작용하여 여분의 석탄양을 줄일 수 있다.
상기 미분 환원철에 대한 슬러지의 혼합량은 중량%로 10-90%가 바람직하다.
상기 슬러지의 혼합량이 10%이하인 경우에는 괴상화된 혼합물의 점결성이 떨어져 낙하에 필요한 압축강도의 확보가 곤란하고,
또한, 상기 슬러지의 혼합량이 90%이상인 경우에는 예비환원로의 상부에서 배출되는 700-900℃의 고온의 환원철이 다량의 상온 슬러지와 혼합되게 되어 혼합기(50)내의 온도가 600℃이하로 낮아져 미분 환원철의 괴상화 강도가 저하되어 용융가스화로에 장입시 분화되어 재 분진화될 우려가 있다.
상기 혼합기(50)에서 미분 환원철과 슬러지를 혼합한 후 600-900℃의 온도범위에서 2분이상 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 600-900℃의 온도로 유지되는 혼합기(50)에서 진동기(52)를 진동시키면서 미분 환원철과 슬러지를 혼합한 후 2분이상 유지하므로서, 미분 환원철은 슬러지에 의해 대략 500㎛이상의 입경을 갖도록 괴상화 된다.
상기 유지 온도가 600℃이하이거나 유지시간이 2분미만인 경우에는 미분탄의 응집이 잘 이루어지지 않아서 혼합물의 압축강도가 저하한다.
한편, 예비환원된 미분 환원철을 괴상화하여 이를 용융가스화로에 중력장입함에 있어서 낙하거리와 용융가스화로의 가스 상승에 따라 달라질 수 있지만, 일반적인 용융가스화로에 있어서 낙하 높이가 10m인 것을 상정할 때, 괴상화된 분체의 바람직한 압축강도는 약 5kg/㎠이상이어야 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예1
하기 표1과 같은 성분을 가진 슬러지와 하기 표 2에 나타낸 분철광석 1mm이하인 환원철을 시료로 하여 전기로를 사용하여 실험을 수행하였다.
싱험 동안 환원철의 재산화 및 일반탄의 연소를 방비하기 위하여 미량의 질소(10ml/min)를 공급하였다.
슬러지 조성
(단위 : 중량%)
T.Fe:25.3%, SiO2:8.7%, CaO:8.4%, Al2O3: 5.5%, MgO: 4.1%, C: 43.2%,TiO2: 0.4%, P2O5: 0.3%, K2O: 0.9%, Na2O: 0.5%, S: 0.7%이하, 기타:2%
분철광석의 입도분포
0-106㎛:16%. 106-250㎛: 34%, 250-500㎛: 31%, 500-1000㎛: 19%
실험에 사용한 시료는 85% 예비환원된 환원철로서 슬러지와 혼합비는 중량%로 8:2로 하였다.
이와 같은 혼합시료를 도가니에 담아 800℃로 미리 가열된 전기로에 넣은 후 반응시간을 각각 30초, 1분, 2분, 5분, 10분, 15분, 20분, 25분으로 하여 반응시킨 후, 압축강도를 측정하였으며, 이때, 측정된 시료의 압축강도는 하기 표 3과 같다.
시간에 따른 압축강도 변화
반응시간 (분) 0.5 1 2 5 10 15 20
압축강도(kg/㎠) 2 3 5.5 18 14 11 11
상기 표3에 나타난 바와 같이, 반응시간이 2분이하 일때에는 장입 최소 압축강도인 5 kg/㎠에 달하였으며, 반응시간이 5분이었을때 최대 압축강도를 나타내었고, 5분을 초과하였을 때에는 반대로 압축강도가 줄어 들었다.
실시예2
상기 실시예 1과 동일한 조건하에서 반응시간을 5분으로 고정하고 반응온도를 400-900℃로 변화시켜 실험을 수행하고 반응후 온도변화에 따른 압축강도의 영향을 나타내었다.
이때 측정된 시료의 압축강도는 하기 표 4와 같다.
온도에 따른 압축강도 변화
반응온도(℃) 400 500 600 700 800 850 900
압축강도(kg/㎠) 5.5 7 12 16 18 20 24
상기 표4에 나타난 바와 같이 반응온도가 상승될수록 반응후 시료의 압축강도는 증가하였으나, 열손실및 실제 유동층식 예비환원로에서 반응온도는 850℃이하에서 행해지므로 700-850℃가 가장 바람직함을 알 수 있다.
실시예 3
실시예1과 동일한 조건하에서 반응온도 800℃, 반응시간을 5분으로 고정하고 슬러지 배합비를 5-20중량%로 변화시켜 실험을 수행하고 반응후 슬러지 배합비에 따른 압축강도의 영향을 나타내었다.
이때 측정된 시료의 압축강도는 하기 표 5와 같다.
슬러지 배합비에 따른 압축강도 변화
배합비(중량%) 5 10 15 20 25 30 40
압축강도(kg/㎠) 4 12 15 18 25 38 56
상기 표5에 나타난 바와 같이, 슬러지 배합비가 증가할 수록 반응후 시료의 압축강도는 증가하였으며, 배합비가 10%이상이 되면 용융가스화로 장입에 필요한 강도를 얻을 수 있었으며, 배합비 20%이상에서는 압축강도가 급격히 증가함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 폐기물 슬러지를 유동층식 예비환원로에서 환원된 분철광석과 함께 고온에서 혼합,괴상화하여 용융가스화로내로 연속적으로 중력낙하방식에 의해 장입하므로서 공정이 단순할 뿐만 아니라 용융가스화로내에서의 미분 환원철의 비산을 억제할 수 있고 슬러지내에 함유된 철분을 환원함으로서 철분 회수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 유동층식 예비환원로(20)에서 예비환원된 미분 환원철을 중/미립(미분) 환원철 배출관(32)을 통해 용융가스화로(40)에 장입하여 용융선철을 제조하는 방법에 있어서,
    그 상부에 상기 중/미립 환원철 배출관(32) 및 슬러지 공급관(53)이 연결되고, 그 저부에는 미분 환원철과 슬러지의 혼합물을 상기 중/미립 환원철 배출관(32)으로 배출하도록 구성되는 하나 또는 복수개의 배출 스크류(51) 및 하나 또는 복수개의 진동기(52)가 각각 구비되는 혼합기(50)를 설치하는 단계;
    상기 중/미립 환원철 배출관(32)을 통해 공급되는 미분 환원철에 10-90중량%의 슬러지를 상기 혼합기(50)에 공급하는 단계;
    상기 혼합기(50)내의 온도를 600-900℃로 유지하고 상기 진동기(52)를 진동하면서 미분 환원철과 슬러지를 혼합한 후, 2분이상 유지하여 미분 환원철을 괴상화하는 단계;및
    상기와 같이 슬러지에 의해 괴상화된 미분 환원철을 상기 배출 스크류(51)를 통해 상기 중/미립 환원철 배출관(32)으로 배출하여 용융가스화로(40)에 공급하는 단계를 포함하여 구성되는 슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬러지가 중량%로 T.Fe:5-50%, SiO2:2-20%, CaO:3-30%, Al2O3: 2.0-11.5%, MgO: 1.0-3.5%, C: 2-9%, TiO2: 1%이하, P2O5: 1%이하, K2O: 1.5%이하, Na2O: 1%이하, 및 S: 1%이하로 조성되는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용한 용철제조용 미분 환원철의 괴상화 방법
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