KR20010040351A - 고형 폐기물을 최소화하는 효과적인 산화철의 직접환원에의한 자연친화적인 제철공정 - Google Patents

고형 폐기물을 최소화하는 효과적인 산화철의 직접환원에의한 자연친화적인 제철공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화철의 제철공정에 관한 것으로서, 전환원 용광로(20)에서 산화철과 고형 탄소질의 환원제로부터 형성된 복합펠렛(composite pellets)을 처리하여 환원율 75% 이상으로 직접환원철을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 직접환원철은 700 내지 1400 ℃의 온도범위의 제철 용광로(30)로 전달되어 상기 제철 용광로(30)내에서 첨가된 산소 또는 산소/공기 혼합물과 함께 용해되어 탄소, 슬래그(slag) 및 일산화탄소를 함유한 탑가스(top gas)를 포함하는 철 용해물을 형성한다. 상기 전환원 용광로에 요구되는 열의 적어도 일부는 상기 제철 용광로(30)로부터의 상기 탑가스를 공기 또는 산소를 이용하여 연소시킴으로써 제공된다. 또한, 본 발명은 상기 공정을 수행할 수 있는 통합 설비(10)을 제공한다.

Description

고형 폐기물을 최소화하는 효과적인 산화철의 직접환원에 의한 자연친화적인 제철공정 {SUSTAINABLE STEELMAKING BY EFFICIENT DIRECT REDUCTION OF IRON OXIDE AND SOLID WASTE MINIMISATION}
원광 (raw) 또는 예비선 형태의 철광석은 다양한 용광로, 특히 전기 아크 용광로 (electric arc furnaces)에서 용해되도록 전환원 (pre-reduced)시키거나 용광로에서 처리하여 스폰지 철 (sponge iron) 또는 선철을 제조하는 데 여러 공정들이 제안되고 있다. 예를 들면, 미드렉스 코퍼레이션 (Midrex Corporation)은 미드렉스 DRI 공정을 제안하였다. 상기 공정은 재형성된 철광석의 펠렛 (pellets) 선광 (concentrates)을 직접환원철로 제조하기 위해 리폼드(reformed) 천연가스를 사용하여 직접환원하였다. 직접환원철은 송풍 용광로 (blast furnance) 및 전기아크 용광로를 포함한 다양한 용광로의 용융장치에 직접 공급원으로 사용된다. 상기 유사 펠렛 공정이 Hyl III이다. 또 다른 공정은 미세한 철광석 선광은 유동상 (fluidized bed) 또는 순환유동상에서 미리 환원시키는 것이다. 상기 두 공정 모두 생성물이 직접 용광로에 옮겨지거나 고온 브리케트되어 (briquetted) 산화반응 또는 발열없이 운송 및 저장할 수 있다.
미드렉스 코퍼레이션에 의해 개발된 패스트멧트 (FastmetTM) 공정은 DRI 방식중 하나로, 생성물이 송풍 용광로 및 전기아크 용광로를 포함하는 다양한 종류의 용광로의 직접 공급원으로 사용된다 (Metallurgical Plant and Technology Intrnational 2/1991, 36; Steel Times, 12/1994, 91). 상기 공정에서 철광석 선광, 석탄가루 (pulverished coal) 또는 유사한 고형 환원제 및 결합제로부터 형성된 복합 그린 펠렛 (green pellents)은 로터리 허스 용광로 (rotary hearth furnance)를 단층의 하나의 펠렛 깊이로 통과한다. 전체 철이 금속 철로 변환되는 퍼센트를 나타내는 생성물의 금속화도는 생성물의 최종용도에 적합하도록 다양하게 변환시킬 수 있다. 상기 생성물은 고온 브리켓트되어 고온-브리켓트 철-HBI를 얻거나 또는 고온 DRI로서 직접 인접 제철 용광로에 운반되어진다. 상기에서 언급한 문헌에서는 상기 사용되는 용광로로서 송풍 용광로, 전기아크 용광로 (EAF), 침수아크 용광로 (submerged arc furnace, SAF) 또는 에너지-최적화 용광로 (energy optimaising furnance, EOF)를 사용할 수 있다고 보고하였다.
국제금속 개간 회사 (International Metals Reclamation Company)는 석탄 및 가루화된 스탠레스 스틸(stainless steel) 분쇄기의 폐기물을 순환 용광로에서 예비 환원된 녹색펠렛으로 가공하는 인멧코 (InmetcoTM) 공정을 개발하였다. 상기 용광로에서 얻어진 생성물은 고온의 DRI 펠렛형태로 저장실 (bins)을 거쳐 전기아크 용광로로 방출된다. 상기 공정은 패스트멧트 공정과 매우 유사한 공정이다.
SL/RNTM공정은 루지 (lurgi)에 의해 개발되었는데, 철광석 미세가루 (fine) 및 석탄가루를 직접 로터리 킬른 용광로 (kiln furnance)에 펠렛화하지않고 직접 공급하여 DRI 생성물을 얻고 이를 다시 용융장치 용광로로 이동시키는 방법이다.
SL/RNTM 공정의 변형으로 웰츠 킬른 (Waeltz kiln)법이 있다. 이것은 높은 아연 함유량을 갖는 함철 먼지 (ferruginous dusts)를 재생하는데 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 먼지는 직류전기 강철 생성물의 조각을 이용한 전기아크 용광로로부터 제조된다. 먼지는 킬른에 복합 그린 펠렛 (composite green pellets)으로써 충진된다. 1000∼1250℃로 가열하는 동안 아연은 휘발하고 산화아연이 얻어지며 나아가 아연 금속 또는 농축된 아연 먼지를 생산하기 위해 재생된다. 철을 함유한 먼지의 철 함유량은 높은 철 슬래그 또는 블라스트 용광로와 BOF를 포함하는 용광로를 사용하여 액체 철 생성물을 얻기 위해 더욱 환원시키고 용해된 DRI로 전환된다.
또다른 SL/RNTM공정의 변형으로 루지와 만네스만 데마그 (Mannesmann Demag)는 콤비스멜트 (Combismelt) 공정을 개발하였다 (SEAISI Quarterly Journal, 10/1986, 29). 상기 공정은 펠렛 또는 침수아크 용광로에서 용해되는 미세한 DRI를 생산하기 위해 SL/RN 화로를 사용한다. 침수아크 용광로는 고온의 또는 저온의 DRI와 현재 광석에 존재하는 산화철로부터 산소 제거율이 80∼90% 감소된 정도에서 공급되어 질 수 있다. 고온의 DRI을 공급하는 경우에는, DRI는 버킷 (skips) 또는 운반선 (hoppers)를 이용하여 침수아크 용광로로 옮긴다.
HismeltTM공정은 주요 에너지원 및 환원제로 석탄을 사용한다. 상기 공정은 제련용기 및 전환원 (pre-reducing) 타워 또는 순환 유동상 배열의 조합으로 이루어진다. 전 환원 장치에서 제련 용기로부터 방출된 정상의 가스 (top gas)는 하강하는 철광석에 거슬러 올라간다. 이런 배치 결과, 전환원장치에서 비교적 낮은 전환원율로 약 30% 정도의 환원율을 갖게되고 이 결과, 용해로 (smelter)는 높은 에너지의 입력이 필요로 하게된다. 이런 용해로에서 높은 에너지의 후연소 (일산화탄소가 이산화탄소로 연소되는 퍼센트로 나타낸다) 과정은 대량의 공기의 주입 및 매우 격렬한 환경을 요구한다. 이러한 공정의 베스 및 용해로 용기의 가스 공간이 필요로 하는 온도에서는 내화성 분해 (refractory degradation)가 일어날 수 있으며 더 높은 전환원율 (higher degree of pre-reduction)을 사용한 블라스트 용광로 또는 용해로와 비교할 때 비교적 슬래그에 산화철의 함량이 높을 것이다. 슬래그의 높은 산화철의 함유량은 많은 양의 슬래그가 분쇄되어 생성되어 시멘트로 대체됨으로써 직접과정을 방해하고 슬래그의 부반응물이 생성되어 경제면이나 환경면에서 불리하다.
일반적으로 1970년 이래 제철 공정에 많은 관심을 가져왔다. 제철공정은 전통적인 집적 제철공정 보다 덜 집약적이고 코크스 (coke)가 더이상 필요없으며 미세한 철광석을 직접 사용할 수 있게 되었다. 최근 더욱이 생성물로 철은 높은 에너지 소비와 생산단계에서 발생하는 온실의 가스 방출은 나무나 콘크리트와 같은 물질과 비교해 볼때, 환경친화적이지 못하다는 인식이 점점 더해가고 있다.
현재 제철공정에 있어서 가장 낮은 생산단가의 공정은 전기아크 용광로를 기초로 한 공정이다. 철강 제조기 또는 미니 제조기는 철 조각 (scrap)을 공급하고, 더욱 더 DRI 공장으로부터의 DRI 또는 HBI을 공급한다. EAF 미니 제조기 공장은 전기, 조각 및 높은 환원률, 전형적으로 90∼95%의 환원률 또는 87∼94%의 금속화도 를 갖는 DRI 또는 HBI와 같은 고급의 공급물질이 요구되는 단점이 있다. 또한 DRI 및 HBI 공장은 저가의 천연가스를 사용하여 석탄과 비교할 경우 매우 높은 수준의 에너지가 요구된다. 전기아크 용광로는 높은 철 생성물 조각을 사용하여 높은 수준의 해로운 잔여 원자들 예를 들면 구리, 비산 및 규소 등 철 생성물 및 철의 기계적 성질에 부작용을 줄 수 있다고 보고 된 바 있다. 이러한 오염을 막기 위해서 철광석으로부터 얻은 DRI 또는 HBI을 충분히 사용하여 조각을 희석해야한다. 그러나 DRI 및 HBI의 생산은 매우 집약적이고 전체 에너지 소비 및 철을 제조하는데 있어 온실의 가스 방출에는 아주 약간의 향상만 있었을 뿐이었다. 더욱이 EAF 공정은 높은 수준의 DRI 및 HBI를 사용하여 많은 양의 슬래그가 생산되어 시멘트 (예를 들면 시멘트 클링커 (clinker) 대체물을 만드는 분쇄작업에 의한 직접 공정에는 높은 산화철의 함량 및 자유 또는 불용성의 용매의 존재때문에 일반적으로 적합하지 않다.
본 발명은 일반적으로 철, 제철에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 철, 반철 (semi-steel) 또는 선철 (pig iron)과 같은 철 제조물(iron product)을 위한 산화철의 직접 환원공정 (direct reduction of iron oxides, DRI)을 도입한 환경친화적인 제철에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 에너지의 소비를 최소화하고 지구온난화를 초래하는 가스의 방출을 줄이고 생산공정에서 생기는 부산물를 최대한 이용한다.
도 1은 전환원 단계를 위한 순환로를 이용하는 본 발명의 첫 번째 바람직한 예의 철광석 제철공정 설비에 기초한 통합석탄(integrated coal)의 구역도면이고,
도 2는 전환원 단계를 위한 환기 용광로(shaft furnace)를 이용하는 두 번째 바람직한 예의 유사도면이다.
본 발명은 석탄-광석 혼성물 펠렛과 같은 자발 환원펠렛을 사용하는 제조과정에 대한 두가지의 중요한 개념에 관한 것이다. 그 첫째는 전환원 단계와 제철 단계간의 상호작용에 관한 것이다: 로터리 킬른(rotary kiln), 이동성 허스(travelling hearth), 로터리 허스(rotary hearth) 또는 이동성 쇠살대 용광로(travelling grate furnace)와 같은 설비에서 전산화를 수행하여 상대적으로 상당히 환원된 고온물을 상기 제철 용광로에 투입되도록 생산하도록 하며, 전산화단계를 위한 열을, 적어도 일부는, 감지할 수 있는 열과 상기 제철 용광로로부터의 가스의 연소로부터 자발적으로 생성시키도록 하여 이들 단계들간의 밀접성을 증가시키기 위해 제안된다. 둘째로, 상기 제철 용광로의 상기 슬래그 성분은 실질적으로 콘크리트 제조에 있어 포틀랜드(Portland) 또는 유사한 시멘트를 대체할 수 있는 유용한 재료로 제공하도록 제안된다.
다른 관점에서, 본 발명은, 바람직한 실시예에서, 제철 슬래그 및 방출 가스를 최소화하려는 종래 개념을 버리고, 대신에 전기적 및/또는 기계적 에너지 측면에서 충실하다는 바람직한 목적을 위해 유용한 슬래그를 생산하고 상기 방출 가스를 직접적으로 이용하고자 한다. 또한, 상기 제철 용광로내 높은 정도의 후-연소를 추구하는 종래의 목적도 버리고자 한다.
또다른 관점에서, 본 발명은, 바람직한 실시예에서, 코크스(coke) 또는 재가 적은 석탄(low ash coals)를 요구하지 아니하고, 또한 목재(wood), 용재(timber) 폐기물 또는 생목재의 폐기물(green waste)로부터 생산된 활성탄과 같은 재생가능한 연료로부터 생산되는 환원제를 사용하도록 한다.
또다른 관점에서, 본 발명은, 바람직한 실시예에서, 플럭스 킬른(flux klins)의 요구없이, 상기 전환원 단계에서 가공하지 않은 그대로의 플럭스(raw flux)를 연소시키도록 한다.
본 발명은 하기와 같이 구성된 산화철의 제철 방법을 제공한다:
산화철과 고형의 탄소질의 환원제(바람직하게는 활성탄을 포함하는 환원제)로부터 형성된 복합성 펠렛(composite pellet)을 전환원(pre-reduction) 용광로내에서 처리하여 환원율 75% 이상[균등하게는 금속화도(metallisation) 65% 이상]의 직접환원철(direct reduced iron product)을 형성하는 단계;
상기 직접환원철을 700 내지 1400 ℃, 바람직하게는 800 내지 1100 ℃의 온도의 제철 용광로(smelter furnace)로 옮기는 단계;
상기 직접환원철을 상기 제철 용광로 내에서 첨가된 산소 또는 산소/공기혼합물과 함께 용해시켜 탄소를 함유한 철 용해물, 슬래그(slag) 및 일산화탄소(carbon monoxide)를 포함한 탑 가스(top gas)를 형성하는 단계; 및
상기 제철 용광로로부터 상기 철 용해물을 회수하는 단계에서,
상기 전환원 용광로의 열의 적어도 일부는 공기 또는 산소를 사용하여 상기 제철 용광로로부터 상기 탑 가스를 연소하여 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전환원 용광로 내의 가스의 조성은 환원된 펠렛의 과도한 재산화를 최소화하거나 회피하도록 한다.
바람직하게는, 전환원 용광로의 방출가스는 상기 방출가스로부터 에너지를 생성하는 장치, 바람직하게는 폐열 보일러 또는 가스터빈에 의해 재생된다.
바람직하게는, 또한 용해제로서의 하나 또는 그 이상의 원재료를 그 내부에서 용해되도록 가공되어 전환원 용광로로 전달하고, 그 다음 상기 고온 용해물은 제철 용광로로 옮긴다. 하나의 실시예에서는, 상기 슬래그 용해제로서 석회암 및/또는 백운석 원석이며, 상기 가공으로는 상기 석회석 및/또는 백운석을 생석회화하는 것으로 이루어진다. 다른 하나의 실시예에 따르면, 상기 용해제들은 연소된 용해제를 포함하며, 이러한 연소된 용해제는 다른 설비에서 예비가열에 의해 제조된다.
DRI 중간산물의 환원율은 바람직하게는 80-90% [균등하게는 금속화도(metallisation) 73-86%]이다. 전환원의 정도를 최대화함으로써, 상기 제련에서 요구되는 후 연소 에너지가 현저히 감소시키며, 그러므로 상기 용해공정이 덜 강하고 덜 위험하며 덜 격렬할 뿐만아니라 부식성이 낮아 내화성을 갖는다. 그리고, DIOS 또는 Hismelt와 같은 종래 공정들과 비교하여 산소 또는 공기 소비 수준이 상대적으로 보다 낮으며, 상기 제련이 산소로 부푼 EAF인 경우에 비교하여 전기 소비 수준이 상대적으로 낮다. 더욱이 탑 가스의 에너지 함량(후 연소에 의해 상기 제련로에 열을 이와 동함량으로 공급할 필요는 없다)은 전환원 용광로 및 폐열 보일러 또는 가스 터빈에 열을 공급하는데 이용가능하다.
본 발명에서는 또한 산화철을 철로 제련하는 이하를 포함한 통합장치를 제공한다:
산화철 및 고형 탄소질의 환원제로부터 형성된 복합펠렛을 처리하여 환원율 75 % 이상(균등하게는 메탈리세이션으로 65 % 이상)의 직접환원철 및 잉여 탄소를 함유하는 펠렛을 형성하는 전환원 용광로(pre-reduction furnace);
용해실(melting chamber) 및 상기 용해실에 산소 또는 산소/공기혼합물을 전달하는 장치를 갖는 제철 용광로(smelter furnace);
상기 직접환원철을 상기 전환원 용광로로부터 상기 제철 용광로로 700 내지 1400 ℃, 바람직하게는 800 내지 1100 ℃의 온도 조건하에서 옮기는 장치로서, 상기 제철 용광로는 상기 직접환원철을 첨가된 산소와 임의의 전기 에너지로 용해실내에서 용해시켜, 탄소, 슬래그, 및 일산화탄소:이산화탄소가 부피비로 1.0 이상이 되도록 함유된 탑 가스를 함유하는 철 용해물을 형성하는 장치;
상기 용해실로부터 상기 철 용해물은 회수하는 장치; 및
적어도 일부는 상기 제철 용광로로부터의 상기 탑 가스의 열 및 연소로부터 얻어진 열을 전환원 용광로에 제공하는 장치.
바람직하게는, 탑가스의 연소는, 로터리 킬른 또는 로터리 허스 용광로의 경우, 전 환원 용광로의 내부에서 이루어지며, 상기 용광로에 일정간격으로 다수 위치되어, 예를 들어 로터리 킬른 용광로에 일정간격으로 위치되어 도입된다. 보다 바람직하게는, 상기 연소는 산소보다 공기를 가지고 이루어지며: 상기 공기는 주위로부터 얻을 수 있으므로, DIOS와 같은 종래 기술에 비해 모든 연소과정의 주요 부분에서 산소설비에 드는 자본과 작동에 드는 비용을 피할 수 있다. 질소함량이 그 부피 또는 상기 복합펠렛과의 반응으로 인해 어떠한 역작용을 하지 않으므로 산소보다는 공기를 사용할 수 있는 것이다. 그러므로, 상기 제련로에서의 일산화탄소의 낮은 수준의 전환원 및 높은 수준의 후연소를 나타내는 종래 공정에 비하여, 본 발명은 상기 제련에서 상대적으로 비싼 산소를 요구하는 대신에 전환원 단계에서 저렴한 공기로 부분적으로 대치하였다.
산화철은 전환원 용광로에서 복합 펠렛에 공급되므로, 상기 제철 용광로의 탑가스는 종래 기술의 공정에서와 같은 환원 환경을 반드시 제공할 필요없이, 전환원 용광로에 열을 공급하기 위한 연소에 이용할 수 있다.
상기 철 제조방법은 상기 복합 펠렛을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산화철은 바람직하게는 철광석 농축이다. 선택적 응용에서, 상기 공급재료는 제철소(steelwork) 고형 폐기물, 예를들면 먼지를 함유한 산화철 및 본 발명의 공정으로부터 모아져 재생된 먼지와 같은 고형 폐기물일 수 있다.
상기 고형 탄소질의 환원제는 바람직하게는 석탄 또는 활성탄, 및/또는 목재 폐기물과 같은 생물자원 물질이다.
상기 복합펠렛은 바람직하게는 20 내지 40 중량% 석탄 (또는 균등 환원제)이며, 가장 바람직하게는 25 내지 30 중량% 석탄이다. 부가적 환원제가 직접환원 용광로에서 별도로 첨가되고 상기 제련로에 직접 첨가되거나 주입될 수 있다.
상기 직접환원 중간산물의 탄소 함량은 바람직하게는 약 5 내지 15 중량% 이다. 상기 직접환원 철(환원율 80 내지 90%) 및 포함된 전처리된 용해제는 바람직하게는 상기 제철 용광로에 직접 전달되며, 상기 두 개의 용광로가 상호 근접, 예를 들면 연결 인클로저(enclosure) 또는 관로에 의해 연결되어 있는 하나의 통합 설비에서 상기 탑 가스는 가열 및 연소를 위해 재사용된다. 직접환원철을 상기 지정된 온도범위에서 공급하기 위해 전달은 전형적인 방식으로 이루어진다. 선택적으로(작동 편의적으로), 상기 전환원철 산물과 전처리된 용해제는 전환원 용광로로부터 회수되어, 내화성 상자내에 저장되고 고온 상태로 수송된 다음, 상기 제철 용광로에 바람직한 시기에 전달될 수 있다. 이 경우, 어느 정도의 냉각이 발생할 수 있으나, 최소화하는 것이 바람직하다.
상기 전환원 용광로로는 상기 지정된 생성물의 조건을 충족시킬 수 있는 용광로라면 어떤 용광로라도 사용가능하지만, 바람직하게는 이동성 쇠살대 전열기(상기 펠렛을 건조시키고 내구성을 주는 목적으로 사용됨)을 갖는 로터리 킬른이 사용된다. 이동성 쇠살대 킬른(travellin grate kiln)은 그 하나로도 충분하다. 그러나, 그린 펠렛(펠렛화하는 드럼 또는 바퀴로부터 직접얻어진 건조되지 않은 펠렛)은 펠렛화하는 설비로부터 이동성 쇠살대를 거처 로터리 킬른으로 전달된다. 상기 킬른내 최고 온도는 900 내지 1400℃이지만, 전형적으로는 1150 내지 1300 ℃로 유지된다. 상기 필요한 열은 상기 감지할 수 있는 열과 석탄 또는 천연 가스의 연소 버너에 의해 필요에 따라 축적된 상기 탑가스의 상기한 연소에 의해 공급된다.
상기 제철 용광로는 산소 공급 설비를 가진 어떠한 용광로이든 적합하다. 다양한 종래 용광로가 적당한데, 예를들면, 산소로 부푼 전기 아크 용광로(oxygen blown electric arc furnace, EAF), 침수 아크 용광로(submerged arc furnace, SAF), 블라스트 용광로(blast furnace), 에너지 최적화 용광로(energy optimised furnace, EQF), 기초 산소 강철제조로[basic oxygen steelmaking (BOS) vessel] 및 신장된 용광로(elongated furnace) 등이다. 이들중 특히 적합한 것은 EQF-형 사이드 블로운 허스 용광로(EOF-style side blown hearth furnace) 및 상기 신장된 용광로이다. 상기 마지막에 언급된 제철 용광로의 신장된 배치는 조성 및 온도에 따라 두가지 용해 지대를 갖음으로써 액체 철 생산에 적합하게 될 수 있다. 상기 슬래그의 대부분은 슬래그 철(5 % 이하의 FeO)의 보다 낮은 수준을 확보하도록 높은 수준의 탄소 말단으로부터 제거되어질 것이다. 상기 제철 용광로는 보다 많은 환원제의 덩어리로의 첨가 및/또는 주입을 가능하게 할 수 있다.
상기 철 용해물은 철(steel), 반철(semi-steel) 또는 선철(pig steel)일 수 있다.
상기 제련소 용광로로부터의 상기 슬래그는 바람직하게는 FeO로 산출된 5% 이하의 함량으로 Fe을 함유하며, 보다 바람직하게는 1.5% 이하로서 이에 의해 분쇄(grinding)에 의해 시멘트로 제조하는데 적합하게 된다. 통합 제철 공정과 같은 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 상기 목적을 위해 상기 슬래그를 회수 및 가공 또는 수송하는 것을 더 포함한다. 가공단계는 전형적으로 유리의 높은 함량(결정없이)를 확보하도록 급속 냉각 또는 결정화하고 그 다음 이를 분쇄하는 것을 포함한다. 상기 슬래그는 FeO으로서 측정된 5% 이하, 가장 바람직하게는 1.5% 이하의 함량으로 Fe를 함유한다. 바람직하게, 이는 상기 배스의 탄소함량, 용해된 금속과 슬래그 상(phases) 사이 산소의 공급 및 혼합의 상대적 강도, 액체 정지부피 및 필요시의 상기 슬래그 상에 탄소 환원제의 주입을 조절함으로써 달성할 수 있다.
통합 강철제조 공정과 같은 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 제조방법은 상기 용해물을 두드리는 단계 및 이를 다시 부가적 용해제 및 요구 산소을 사용하여 더 제련할 수 있는 설비로 옮기는 단계을 부가하여 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 부가적 설비의 상기 슬래그 폐기물은 상기 제철 용광로로 재반입시켜 고형 폐기물 생성을 "0"으로 만든다. S 및 P와 같은 철 오염인자는 슬래그 흐름(slag stream)내의 공정으로부터 바람직하게 유출된다.
바람직하게는 상기 부가 설비의 탑가스도 또한 상기 환원 용광로 또는 폐열 회수 시스템으로 재공급된다.
다른 바람직한 실시예로서, 단일 또는 다중 제철 용광로가 전환원 용광로에 직접 연결된 상태로 모두 이용된다. 각각의 제철 용광로 2 단계 사이클(cycle)로 작동되는데, 첫 단계는 고온의 DRI 및 4.5%의 탄소량을 함유하는 액체 금속을 생산하는 제련이 이루어지는 단계이고, 두 번째 단계에서는 첫 단계의 슬래그가 제거된 후 유량의 첨가와 산소 주입에 의해 액체금속이 정제되고 탄소가 제거된다. 두 번째 단계 동안 전환원 용광로는 다른 제련기 또는 고온의 저장용기로 전환하는 고온의 DRI를 연속생산한다.
바람직하게, 본 발명의 장치는 전환원 용광로로부터 유출되는 가스(gas)를 이용하여 전기 또는 기계적인 힘을 유도시키기 위한 배기물 보일러(boiler) 또는 가스 터빈(gas turbine)을 포함하고 있다. 상기 전기 또는 기계적인 힘은 제철 용광로와 다리바퀴까지의 모든 관련 설비를 위한 산소를 발생시키는데 충분한 힘을 제공하는 것으로 추측된다. 고온의 가스는 순환로 및/또는 미리 가열된 출입로로 직접 공급될 수 있다.
도면 1에 나타난 철광석 공정 설비(10)에 기초한 통합석탄은 일반적인 기존 구성과 측면의 제철 용광로(30) 및 경사진 로터리 킬른(20) 형태의 전환원 용광로에 의해 공급되는 제철 용광로의 이동 쇠창살(21)을 포함한다. 상기의 제철 용광로 및 전환원 용광로는 순환로 전환원제의 하부 방전말단(discharge end)(22)와 제철 용광로의 중앙 상단 공급 포트(port)(32) 사이에 연결 인클로저(link exclosure)(25)에 의하여 직접 연결되어 있다.
복합펠렛(composite pellets)은 철광석 선광, 석탄 및 결합제로부터 약 20% 내지 35% 및 바람직하게는 25% 내지 30%의 석탄 생산내역까지 침전제(pelletiser)로 형성된다. 상기 침전물은 쇠창살로 만들어진 건조기로 공급되어 경화되고 석회암과 같은 원료 플러스(fluxes)와 함께 전가열 단계로 넘어간다. 전가열된 침전물은 로터리 킬른 전환원제(20)으로 직접 공급된다.
순환로에서 천연가스 버너(burners)가 순환로의 전길이를 1250℃로 유지하기 위한 열을 공급하여 80% 내지 90%의 훤원도(73%-86%의 금속화 정도에 해당함) 및 80% 내지 90%의 탄소함량을 함유하는 공급말단의 DRI(direct-reduced iron)을 형성하기 위하여 철광석을 환원시킨다. 상기 DRI는 약 1050℃에서 로터리 킬른(20)으로부터 배출되고 연결 인클로저(20)을 통하여 제철 용광로(30)으로 떨어진다. 석회암 유입은 순환로에 하소되어 제철 용광로로 전달된다. 이 때, DRI는 산소가 외부 공간 위치(31)에서 측면 주입되고 5% 이하의 탄소함량을 포함하는 액체 철용해물 또는 반강철과 산화철로 측정된 5% 이하의 철함량을 포함하는 슬래그 형태로 제련된다. 산소는 측면으로부터 상기 액체 철용해물로 주입된다. 제철 용광로(30)으로 공급된 DRI의 고도의 전환원 때문에 산소주입이 감소되고 후반기 연소가 상대적으로 낮은 20% 내지 30%로 조절될 수 있다. 일산화탄소를 포함하는 상부 가스(약 1600℃)는 연결 인클로저(25)를 통하여 로터리 킬른(20)으로 공급되어 로터리 킬른 온도를 유지하기 위한 열의 일부부 및 추가적인 훤원력기 위하여 공기로 연소된다. 연소는 다수의 공기 주입기(23)를 이용하여 열 유입을 유지하기 위하여 순환로를 따라 이루어지는데, 이 때 공기는 주위 환경으로부터 공급된다.
적당한 전열기(21) 및 전환원기(20)은 로터리 킬른 및 침전설비에 이용되는 쇠살대 조합(grate combination)과 유사하다. 전형적인 거주시간(residence)은 45 내지 60 분이다.
적당한 제철 용광로(30)은 직경 8 m이고 회수된 슬래그는 시멘트 클링커(cement clinker)로 전환되기 위하여분쇄기(50)로 전달된다. 용해물은 필요시 더욱 정제하기 위하여 고온 금속 또는 반강철로 가볍게 두드려진다. 정제 설비로부터 배출된 슬래그 배기물은 제련기(30)으로 재활용되고 배출 가스는 전환원기(20) 또는 배기열 회수 단위(60)으로 재활용된다. 또한, 슬래그 배기물은 토양 개량 또는 저속 배출 비료 등에 응용될 수도 있다.
제련기(30)으로부터 나온 유용한 금속생산물은 반강철(2% 탄소), 낮은 실리콘 고온금속(3.5% 탄소) 또는 철(0.1% 탄소)를 포함하는데, 상기 철은 ROMET 형태의 2-존(zone) 제련기 또는 상술한 2 단계 공정같은 제련기를 작동할 경우 가장 많이 생산된다.
도 1에서 보여진 설비의 바람직한 작동에서 로터리 킬른(20)으로 시간당 공급되는 것은 다음과 같다:
광석 160 톤(tonnes)-침전물
석탄 60 톤-침전물
원료유입 40 톤
녹색 침전화 동안에 첨가되는 플러스(plus) 결합제
제철 용광로(30)에서 시간당 100 톤의 고온금속 및 시간당 30 톤의 슬래그를 회수하기 위하여 요구되는 산소는 시간당 25 톤이다.
로터리 킬른(20)으로부터 배출되는 가스는 전열기(21)를 통하여 직접 폐열 보일러(60)으로 전달데는데, 보일러가 40 MW(또는 150 GJ/시간)을 발생시키는 공정에서 15 MW의 전력이 생산될 것이다.
제철 용광로에는 배치(batch) 또는 연속작동으로 공급되는데, 예를 들면 상기 배치작동은 두 평행 순환로가 각각의 제철 용광로로 공급되는 방식으로 작동된다. 전체 에너지는 대략 15 GJ/톤이고, 그린하우스(green house) 가스는 대략 1500 kg/톤의 석탄을 이용하는 액체금속 및 목탄을 이용하는 제로(zero) 또는 음전기이다.
도 2에서 유사 구성요소는 일반적으로 수평하게 확장된 로터리 킬른(20)이 샤프트로 대체된 다른 구체적예(10')를 설명하는 유사 참고번호로 기재된다. 상기 샤프트는 바람직하게 다중 버슬링(bussle rings)을 가지고 있는데, 이것은 열 핀치 점(heat pinch point)를 피하기 위한 것으로 각 버슬링에서의 천연가스 또는 제련가스의 부분적인 산화에 의하여 열을 공급받는다. 대기가 하부에서 환원되고 상부에서 중화된다. 천연가스는 샤프트 먼지를 제거해주는 반면, 연결 인클로저(25')을 통하여 재활용되는 배출가스는 온도를 조절하는데 이용된다. 천연가스는 2 GJ/톤 HM 순으로 공급되고 고체 거주시간은 전형적으로 약 60 분 내지 90 분이다.
샤프트에 대한 부분적인 엔탈피(enthalpy)의 대체수단은 열처리되어 압축 가스주입기 또는 공기주입기를 이용하여 버슬링으로 주입되는 샤프트 상부 가스를 이용하는 것이다.
샤프트(20')에 대한 적당한 온도 프로파일(profile)은 도 2에 나타나 있다.
제철 용광로(30)으로부터 배출된 청정가스는 샤프트를 가열시키는데 이용되고 청정되지 않은 배출가스는 필요하면 다이옥신(dioxin) 형성을 감소시키기 위하여 염소 화합물을 제거한 후에 폐열 보일러(50)위의 버너에 직접 열을 공급하는데 이용된다.
예비계산으로부터 기존의 블라스트-베이직 산소 통합 강철제조 설비(blast furnace-basic oxygen furnace integrated steelmaking plants)의 가스 방출이 2500 kg/톤인데 비하여 도 2에서 나타난 통합 형태의 그린하우스 가스 방출은 약 1500 kg/톤 만큼 작다. 기존의 석회로, 코크(coke) 오븐, 침전장치, 블라스트, 스토브, BOF 및 전력장치를 본 발명에서 예시한 것으로 대체하면 상대적으로 자본이 절약되므로 기존의 공정을 이용하여 생산된 시멘트를 대체할 수 있다.
본 발명의 공정은 블라스에서 낮은 강도의 목탄 대신에 강철제조에 근거한 목탄을 위한 이상적인 공정이다. 또한, 높은 반응성, 낮은 황함량 및 낮은 재함량의 목탄을 포함한다는 이점도 있다. 본 발명의 공정은 재생 에너지만을 소비하기 때문에 그린 하우스 가스방출이 매우 낮거나 아주 없다(그린 하우스 가스방출이 아주 없는 경우는 목탄생산으로부터 목재 타르(tars) 또는 다른 부산물이 생산되기 때문이다.)

Claims (42)

  1. 산화철과 고형의 탄소질의 환원제로부터 형성된 복합성 펠렛(composite pellets)을 전환원(pre-reduction) 용광로내에서 처리하여 환원율 75% 이상의 직접환원철(direct reduced iron product)을 형성하는 단계;
    상기 직접환원철을 700 내지 1400 ℃의 온도의 제철 용광로(smelter furnace)로 옮기는 단계;
    상기 직접환원철을 상기 제철 용광로 내에서 첨가된 산소 또는 산소/공기혼합물과 함께 용해시켜 탄소를 함유한 철 용해물, 슬래그(slag) 및 일산화탄소(carbon monoxide)를 포함한 탑 가스(top gas)를 형성하는 단계; 및
    상기 제철 용광로로부터 상기 철 용해물을 회수하는 단계; 로 구성되며,
    상기 전환원 용광로의 열의 적어도 일부는 공기 또는 산소를 사용하여 상기 제철 용광로로부터 상기 탑 가스의 연소시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 산화철(iron oxide)로부터 철(iron product)을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고형 탄소질의 환원제는 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 철의 직접환원산물을 상기 제철 용광로로 옮기는 단계에서의 상기 온도는 800 내지 1100 ℃인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  4. 제 1 항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 전환원 용광로내 기체의 조성은 환원 펠렛의 재산화를 최소화하거나 지나치게 일어나는 것을 피하도록 하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전환원 용광로로부터의 방출 가스는 에너지를 생성하기 위한 장치에서 재생되는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 에너지 생성 장치는 폐열 보일러 또는 가스 터빈인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단계에 부가하여 하나 또는 그 이상의 원재료(raw materials)를 용해제(fluxes)로 상기 전환원 용광로에 넣어, 상기 원재료을 상기 용광로내에서 용해한 다음, 상기 고온의 원재료를 상기 제철 용광로에 전달하는 단계를 포함하는 철 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 직접환원철 중간 생산물로의 환원율은 80 내지 90%인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탑 가스의 연소는 상기 전환원 용광로의 내부에서 발생되며, 상기 용광로에 일정한 간격을 두고 다수의 위치에 도입되는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탑 가스의 연소는 산소에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단계에 부가하여 상기 복합 펠렛을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항에 있어서, 상기 산화철은 철광석 선광인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 산화철은 먼지를 함유한 산화철을 포함하여 제철소 고형 폐기물(steelwork solids waste)인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고형 탄소질의 환원제는 석탄 또는 활성탄, 및/또는 폐목재와 같은 생물 자원 물질(biomass substance)인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복합 펠렛은 석탄(또는 동등 환원제)에 대한 중량비로 20 내지 40 중량 %인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 복합 펠렛은 석탄 중량비로 25 내지 30 중량 %인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 직접환원 중간산물의 탄소함량은 5 내지 15 중량 %인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 직접환원철 및 이를 포함한 전열 처리된(preheated) 용해제는 상기 제철 용광로로 직접 전달되고, 상기 두 용광로가 상호 근접하여 있는 통합설비내에서 상기 탑 가스는 가열 및 연소에 재사용되는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단계에 부가하여 상기 그린 펠렛을 펠렛화하는 설비로부터 이동성 쇠살대(travelling grate)를 통해 상기 전환원 용광로를 포함하는 로터리 킬른(rotary kiln)으로 옮기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 킬른내 최고 온도는 900 내지 1400 ℃인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 철 용해물은 철(steel), 반철(semi-steel) 또는 선철(pig steel)인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제철 용광로로부터의 상기 슬래그가 FeO로서 정량되어 5% 이하의 Fe 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 Fe 함량은 FeO로서 정량되어 1.5% 이하인 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  24. 제 1항 내지 제 23항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단계에 부가하여 상기 용해물을 두드린 후, 이를 부대 설비(further plant), 바람직하게는 인접한 설비로 옮겨 추가적 용해제 및 요구산소를 사용하여 더욱 제련하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기에 부가하여, 상기 부대 설비의 슬래그 폐기물을 상기 제철 용광로로 되돌리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  26. 제 24항 또는 제 25항에 있어서, 상기에 부가하여, 상기 부대 설비의 탑 가스 폐기물을 전환원 용광로 또는 폐열 회수 시스템으로 되돌리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
  27. 산화철 및 고형 탄소질의 환원제로부터 형성된 복합 펠렛을 처리하여 환원율 75 % 이상의 직접환원철 및 잉여 탄소를 함유하는 펠렛을 형성하는 전환원 용광로(pre-reduction furnace);
    용해실(melting chamber) 및 상기 용해실에 산소 또는 산소/공기혼합물을 전달하는 장치를 갖는 제철 용광로(smelter furnace);
    상기 직접환원철을 상기 전환원 용광로로부터 상기 제철 용광로로 700 내지 1400 ℃의 온도 조건하에서 옮기는 장치로서, 상기 제철 용광로는 상기 직접환원철을 첨가된 산소와 임의의 전기 에너지로 용해실내에서 용해시켜, 탄소, 슬래그, 및 일산화탄소:이산화탄소가 부피비로 1.0 이상이 되도록 함유된 탑 가스를 함유하는 철 용해물을 형성하는 장치;
    상기 용해실로부터 상기 철 용해물은 회수하는 장치; 및
    적어도 일부는 상기 제철 용광로로부터의 상기 탑 가스의 열 및 연소로부터 얻어진 열을 전환원 용광로에 제공하는 장치로 구성되는 산화철로부터 철을 제조하는 통합 장치.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 직접환원철의 전달장치는 상기 직접환원철을 상기 제철 용광로로 전달시의 온도는 800 내지 1100 ℃이도록 배열되는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  29. 제 27항 또는 제 28항에 있어서, 상기에 부가하여 상기 전환원 용광로로부터의 방출 가스를 사용하여 전기 또는 동력을 생성하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 전기 또는 동력 생성 장치는 폐열 보일러 또는 가스 터빈인 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  31. 제 27항 내지 제 30항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기에 부가하여 상기 전환원 용광로에 하나 또는 그 이상의 원재료물질을 용해제로서 전달하는 장치를 포함하는 것으로, 상기 원재료물질이 상기 용광로 내부에서 용해되도록 제조된 다음 상기 제철 용광로로 고온의 물질을 전달하는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  32. 제 27항 내지 제 31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 직접환원철의 환원율은 80 내지 90 % 이도록 배열 형성된 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  33. 제 27항 내지 제 32항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기에 부가하여 상기 복합 펠렛을 형성하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  34. 제 27항 내지 제 33항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전환원 용광로 및 상기 제철 용광로는 하나의 통합된 설비내에서 상호 인접하여 있으므로 사용에 있어, 상기 직접환원철은, 포함된 전열처리된 용해제와 상기 제철 용광로로 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 용광로들은 하나의 인클로저(enclosure)에 의해 또는 관로가 형성되어 연결되는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  36. 제 27항 내지 제 35항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전환원 용광로는 이동성 쇠살대 전열기(travelling grate preheater)를 갖는 로터리 킬른(rotary kiln)인 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  37. 제 27항 내지 제 36항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제철 용광로는 EOF-형 사이드 블로우 허스 용광로(EOF-style side blow hearth furnace) 및 신장된 용광로(elongated furnace)인 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  38. 제 27항 내지 제 37항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기에 부가하여 상기 제철 용광로로부터 상기 용해물을 두드리는 장치 및 상기 두드려진 용해물을 받아들이도록 배열되어 부가적 용해제 및 요구산소를 사용하여 더욱 제련하는 부대 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  39. 제 38항에 있어서, 상기에 더하여 상기 부대 설비의 슬래그 폐기물을 상기 제철 용광로로 되돌리는 장치를 포함하는 철 제조장치.
  40. 제 38항 또는 제 39항에 있어서, 상기에 더하여 상기 부대설비의 탑가스 폐기물을 상기 전환원 용광로 또는 폐열 회수 시스템으로 되돌리는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  41. 제 27항 내지 제 40항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다수의 상기 제철 용광로들중 하나 또는 각각은 고온의 직접환원철을 채우고 1 내지 4.5 % 탄소함량의 액체 금속을 만들기 위해 제련하는 첫 번째 단계 및 상기 첫 단계의 슬래그가 제거되고 그 다음 상기 액체 금속이 용해제의 첨가와 산소의 주입으로 제련되고 탈탄화되는 두 번째 단계로 구성되는 2 단계의 사이클으로 작용가능한 것을 특징으로 하는 철 제조장치.
  42. 제 1항 내지 제 26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제련은 고온의 직접환원철을 채우고 1 내지 4.5 %의 탄소 함량의 액체 금속을 만들기 위해 제련하는 첫 번째 단계 및 상기 첫 단계로부터의 슬래그를 제거하고 상기 액체 금속을 용해제의 첨가 및 산소의 주입으로 제련하고 탈탄화하는 두 번째 단계로 구성되는 2 단계 사이클으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 제조방법.
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