KR20050089836A - 유동환원로 조업을 개선한 용철제조장치 및 그용철제조방법 - Google Patents

유동환원로 조업을 개선한 용철제조장치 및 그용철제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동환원로 조업을 개선한 용철제조장치 및 그 용철제조방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명의 용철제조방법은, 분상의 철함유 광석 및 부원료를 혼합 및 건조하여 철함유 혼합체를 제조하는 단계, 철함유 혼합체를 순차적으로 연결한 하나 이상의 기포유동층을 통과시키면서 환원 및 소성시켜 환원체로 변환하는 단계, 환원체를 용융시킬 열원인 석탄충진층을 형성하는 단계, 환원체를 석탄충진층에 장입하고 석탄충진층에 산소를 취입하여 용철을 제조하는 단계, 그리고 석탄충진층에서 배출되는 환원가스를 기포유동층에 공급하는 단계를 포함하며, 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계에서, 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역 상에 산소를 직접 취입 연소하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 용철제조장치는 이러한 용철제조방법을 이용한다. 이러한 본 발명을 통하여 기포유동층을 통과하는 환원가스를 개질하고 철함유 분체의 응집을 방지할 수 있다.

Description

유동환원로 조업을 개선한 용철제조장치 및 그 용철제조방법{AN APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRONS TO IMPROVE OPERATION OF FLUDIZIED BED TYPE REDUCTION APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
발명에 대한 배경
(a) 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 용철제조장치 및 그 용철제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동환원로 내부의 승온을 위한 산소와 수분를 취입하여 용철을 제조하는 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것이다.
(b) 종래기술
철장산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등의 전체 산업에 기초 소재를 공급하는 핵심기간산업으로서, 인류의 발전과 함께하여 온 가장 역사가 오래된 산업중의 하나이다. 철강산업의 중추적인 역할을 담당하는 제철소에서는 원료로서 철광석 및 석탄을 이용하여 용융 상태의 선철인 용철을 제조한 다음, 이로부터 강을 제조하여 각 수요처에 공급하고 있다.
현재, 전세계 철생산량의 60％ 정도가 14 세기부터 개발된 고로법으로부터 생산되고 있다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코우크스 등을 고로에 함께 넣고 산소를 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다. 용철생산설비의 대종을 이루고 있는 고로법은 그 반응 특성상 일정 수준 이상의 강도를 보유하고 노내 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 보유한 원료를 요구하므로, 전술한 바와 같이, 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로는 특정 원료탄을 가공처리한 코우크스에 의존하며, 철원으로는 일련의 괴상화 공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다. 이에 따라 현재의 고로법에서는 코우크스 제조설비 및 소결설비 등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되므로, 고로 이외의 부대설비를 구축해야 할 필요가 있을 뿐만 아니라 부대설비에서 발생하는 제반 환경오염물질에 대한 환경오염방지설비의 설치 필요로 인하여 투자 비용이 다량으로 소모되어 제조원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.
이러한 고로법의 문제점을 해결하기 위하여, 세계 각국의 제철소에서는 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하고, 철원으로는 전세계 광석 생산량의 80％ 이상을 점유하는 분광을 직접 사용하여 용철을 제조하는 용융환원제철법의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
이러한 용융환원제철법의 일례로서, 미국특허 제5,584,910호는 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하여 용철을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 여기서는 부분적으로 분철광석을 포함하는 장입재료로부터 용융선철 또는 용융강 예비산물을 생산하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 분철광석은 적어도 하나의 유동환원로에서 해면철로 직접 환원되고, 해면철은 탄소운반체 및 산소함유가스가 공급되어 용융영역에서 용융되며, 환원가스가 생성되어 유동환원로로 주입되어 반응된 후 배가스로서 배출된다.
전술한 용철제조방법을 종래의 고로법과 비교하면, 괴광 및 코우크스 대신 분철광석과 일반탄을 이용하므로 원료탄의 입도 범위가 넓다는 이점이 있다. 또한, 설비의 휴지 및 재가동이 간편하다. 그러나 분철광석을 원료로 사용하고 다단의 유동환원로를 사용하는 공정 특성상, 유동환원로의 내부 상태, 특히 내부 온도를 외부에서 쉽게 조절할 수 없다는 문제점에 있다.
따라서 유동환원로의 내부 온도 조절을 위하여 유동환원로 외부에 별도의 연소실 및 버너를 두어 유동환원로에 공급되는 가스의 온도를 승온시키는 방법이 사용된다. 그러나 승온된 반응가스가 유동환원로내에서 균일한 가스 흐름을 유도하도록 마련된 분산판을 통과시, 반응가스내에 함유된 광석분진이 저융점 화합물을 형성하여 분산판을 막아버려서 유동환원공정자체가 불가능해지는 문제점이 있다.
발명에 대한 요약
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유동환원로에 직접 산소와 수분을 취입하여 반응가스를 승온하는 동시에 분체의 용융응집을 방지하여 유동환원로 조업을 개선한 용철제조장치 및 그 용철제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 용철제조방법은, 분상의 철함유 광석 및 부원료를 혼합 및 건조하여 철함유 혼합체를 제조하는 단계, 철함유 혼합체를 순차적으로 연결한 하나 이상의 기포유동층을 통과시키면서 환원 및 소성시켜 환원체로 변환하는 단계, 환원체를 용융시킬 열원인 석탄충진층을 형성하는 단계, 환원체를 석탄충진층에 장입하고 석탄충진층에 산소를 취입하여 용철을 제조하는 단계, 그리고 석탄충진층에서 배출되는 환원가스를 기포유동층에 공급하는 단계를 포함하며, 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계에서, 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역 상에 산소를 직접 취입 연소하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계에서, 산소 취입 연소와 별도로 수분을 취입하여 혼합할 수 있다.
그리고 수분은 공정수 및 스팀(steam) 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 수분은 300∼500Nm3/hr으로 취입할 수 있다.
한편, 산소버너로 취입 연소하는 산소는 유동환원로 내부의 온도가 650℃ 이상인 경우에 취입 연소하는 것이 바람직하다.
본 발명의 용철제조방법에서 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계는, 철함유 혼합체를 제1 기포유동층에서 예열하는 제1 단계, 예열한 철함유 혼합체를 제2 기포유동층에서 예비 환원하는 제2 단계, 그리고 예비 환원한 철함유 혼합체를 제3 기포유동층에서 최종 환원하여 환원체로 변환하는 제3 단계를 포함하며, 제1단계 및 제2 단계에서 산소를 직접 취입 연소할 수 있다.
또한, 제1 단계 내지 제3 단계의 각 단계 직전에 산소를 취입하여 연소할 수 있다.
본 발명의 용철제조장치는, 건조 및 혼합한 철함유 광석 및 부원료를 환원 및 소성하여 환원체로 변환하는 하나 이상의 유동환원로, 환원체를 장입하고, 내부에 산소를 취입하여 용철을 제조하는 용융가스화로, 그리고 용융가스화로에서 배출하는 환원가스를 유동환원로에 공급하는 환원가스 공급관을 포함하며, 유동환원로는, 그 하부에 환원가스가 통과하는 분산판을 포함하며, 분산판 상부의 외벽에 산소버너를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산소버너는, 길이 방향으로 내부에 냉각수가 순환되는 제1 부재, 그리고 제1관과 이격되어 길이 방향으로 제1 부재에 둘러싸이며 내부에 냉각수가 순환되고, 한쪽 단부에 화염감지기를 구비하는 제2 부재를 포함하고, 제1 부재 및 상기 제2 부재 사이로 산소가 취입 연소되며, 유동환원로측으로 갈수록 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재 사이의 거리가 좁아지는 것이 바람직하다.
유동환원로는, 분산판 상부의 외벽에 설치되고, 산소버너 주변에 위치하는 수분취입노즐을 더 구비할 수 있다.
여기서, 수분취입노즐은 그 수분취입방향이 산소버너의 길이 방향과 4∼15°의 각도를 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 수분은 공정수 및 스팀 중 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 용철제조장치에서는 수분을 분무하여 300∼500Nm3/hr으로 취입할 수 있다.
유동환원로는, 철함유 혼합체를 예열하는 예열로, 예열로와 연결되어 예열한 철함유 혼합체를 예비 환원하는 예비 환원로, 그리고 예비 환원로와 연결되어 예비 환원한 철함유 혼합체를 최종 환원하여 환원체로 변환하는 최종 환원로를 포함하며, 예열로 및 예비 환원로에 산소버너를 구비할 수 있다.
또한, 유동환원로는, 분산판 상부의 외벽에 설치되고, 산소버너 주변에 위치하는 수분취입노즐을 더 구비할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산소버너의 부분단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산소취입노즐과 수분취입노즐의 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 실험예에서 수분취입량에 따른 산소화염온도를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예와 첨부된 도면을 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 도면으로서, 유동환원로에 산소버너를 설치한 상태를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치(100)는 크게 유동환원로 유닛(20), 용용가스화로(10), 및 기타 부대설비로 나누어진다. 유동환원로 유닛(20)은 내부에 기포유동층을 가진 하나 이상의 유동환원로를 포함하며, 철광석 및 부원료를 환원 및 소성하여 환원체로 변한한다. 내부에 석탄층진층을 가진 용융가스화로(10)는 환원체를 장입하고 그 내부로 산소를 취입하여 용철을 제조한다. 용융가스화로(10)에서 배출하는 환원가스는 환원가스 공급관(L55)를 통하여 유동환원로에 공급된 후 유동환원로를 거쳐서 철광석 및 부원료를 환원 및 소성하는 데 사용된 다음, 외부로 배출된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치(100)를 구성하는 각각의 구성요소를 이하에서 좀더 상세하게 설명한다.
유동환원로 유닛(20)은 입도가 8mm 이하인 상온의 분상의 철함유 광석 및 부원료를 호퍼(21)에 임시 저장한 후, 건조기(22)에서 수분을 제거하여 혼합해 철함유 혼합체를 제조한다. 이와 같이 제조한 철함유 혼합체를 유동환원로에 장입한다. 건조기(22)와 유동환원로 사이에는 균배압 장치(23)가 마련되어 상온의 철함유 혼합체가 상압 상태에서 1.5∼3기압으로 유지되는 유동환원로에 장입될 수 있도록 해 준다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서 유동환원로는 3단으로 이루어져 있다. 이러한 유동환원로의 수는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 유동환원로를 하나 이상으로 다양하게 구성할 수 있다.
유동환원로에 공급되는 분상의 철함유 광석 및 부원료는 고온의 환원가스기류와 접촉하여 기포유동층을 형성하며, 80℃ 이상 승온, 80％의 환원 및 30％ 이상의 소성이 이루어진 고온의 환원체로 전환된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 유동환원공정의 제1 단계에서는 먼저 상온의 철함유 혼합체를 예열로(24)에서 예열한다. 다음의 제2 단계에서는 예열한 철함유 혼합체를 예열로(24)와 연결된 예비 환원로(25)에서 예비 환원한다. 마지막 제3 단계에서는 예비 환원한 철함유 혼합체를 예비 환원로(25)와 연결한 최종 환원로(26)에서 최종 환원한다.
도 1에는 도시하지 않았지만, 유동환원로에서 배출되는 환원체를 바로 용융가스화로(10)에 바로 장입하는 경우의 비산 손실을 막기 위하여 고온 괴성화 장치를 사이에 설치할 수 있다. 한편, 유동환원로로부터 배출되는 환원체를 융융가스화로(10)에 투입하기 위하여 고온 균배압 장치(12)를 마련함으로써, 용융가스화로(10)에 환원체를 투입하기 용이하게 해준다.
용융가스화로(10)에는 괴탄 또는 미분탄을 성형한 성형탄을 공급하여 석탄충진층을 형성한다. 용융가스화로(10)에 투입한 괴탄 또는 성형탄은 석탄충진층 상부에서의 열분해 반응과 하부에서의 산소에 의한 연소 반응에 의하여 가스화된다. 가스화반응에 의하여 용융가스화로(10)에서 발생하는 고온환원가스는 최종 환원로(26) 후단에 연결되어 있는 환원가스 공급관(L55)을 통하여 유동환원로로 차례로 공급되어 환원제 및 유동화 가스로 이용된다.
용융가스화로(10)의 충진층 상부에는 돔(dome) 형태의 빈 공간이 형성되어 있다. 이것으로 가스유속을 감소시킴으로써, 장입되는 환원체내에 포함되어 있는 미분과 용융가스화로(10)내에 장입되어 있는 석탄의 급속한 승온에 따라 발생하는 미분들이 노외로 다량 방출되는 것을 방지한다. 또한, 석탄을 직접 사용함에 따라 야기되는 가스발생량의 불규칙한 변동에 따른 용융가스화로(10)내의 압력 변동을 흡수한다. 충진층내에서 석탄은 하부로 강하하면서 탈휘 및 가스화되며, 궁극적으로는 노하부에 있는 풍구를 통하여 취입되는 산소에 의하여 연소된다. 이 때의 연소가스는 충진층을 상승하면서 고온 환원가스로 전환되어 용융가스화로(10) 외부로 배출되며, 일부는 용융가스화로(10)에 부과되는 압력이 3.0∼3.5 기압의 범위내에서 일정하게 유지되도록 수집진장치(51, 53)를 거치면서 제진 및 냉각된다.
싸이클론(cyclone)(14)은 용융가스화로(10)에서 발생하는 배가스를 포집하여 더스트는 용융가스화로(10)에 다시 공급하고, 가스는 유동환원로에 환원가스 공급관(L55)을 통하여 환원가스로 공급한다. 환원철은 석탄과 함께 충진층내를 강하하면서 석탄 가스화 및 연소에 의하여 발생하는 환원가스 및 연소열에 의하여 최종 환원 및 용융되어 외부로 배출된다.
용융가스화로(10)로부터 배출된 환원가스는 유동환원로를 거치면서 온도가 점점 떨어지므로, 승온을 위한 산소공급장치(71, 72, 73)를 별도로 설치할 수 있다. 산소공급장치(71, 72, 73)로 산소를 취입하여 부분 연소시킴으로써, 그 연소열을 이용하여 환원가스를 승온하되 환원가스의 산화도를 적절하게 유지한다.
본 발명의 제1 실시예에서는 특히, 승온된 환원가스가 유동환원로의 하부에 설치되어 환원가스가 통과하는 분산판을 손상하거나 분산판을 막아버리는 현상을 방지하기 위하여 유동환원로의 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역에 산소를 직접 취입하여 연소한다. 이를 위하여 본 발명에서는 도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 유동환원로의 분산판(27) 상부의 외벽에 산소버너(60)를 구비한다. 이로써 산소공급장치(71, 72, 73)를 통하여 환원가스를 최소한만큼 승온시키고, 나머지 부족한 부분은 산소버너(60)를 통하여 산소를 취입 연소함으로써 승온한다.
도 1의 확대원에 산소버너(60)를 통하여 산소를 취입 연소하는 경우, 산소버너(60) 부근에서 형성된 연소대(44)를 나타낸다. 본 발명의 제1실시예에서는 유동환원로 내부의 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역상에 산소를 직접 취입 연소한다. 따라서, 분산판(27)을 이미 통과하여 기포유동층이 형성되어 있는 영역에 연소대(44)를 형성하므로 분산판(27)에 미치는 약영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 산소버너(60)를 예열로(24) 및 예비 환원로(25)에 설치하여 산소를 직접 취입 연소하는 것이 바람직하다. 예열로(24)와 예비 환원로(25)는 유동층을 형성하는 철함유 혼합체의 환원률이 그다지 높지 않으므로, 산소 화염에 접촉하더라도 철함유 혼합체끼리의 용융응집현상이 잘 나타나지 않는다. 이와는 대조적으로, 최종 환원로(26)는 기포유동층을 형성하는 물질들이 일정 이상의 환원률에 도달한 것이므로, 분환원철끼리 용융 응집될 우려가 있어서 산소를 직접 취임 연소하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 유동환원로인 예열로(24), 예비 환원로(25), 최종 환원로(26) 내부의 온도가 650℃ 이상인 경우에 산소버너(60)를 이용하여 산소를 취입하는 것이 바람직하다. 유동환원로 내부의 온도가 650℃ 미만인 경우에 산소버너(60)를 작동시켜 산소를 취입하면 취입된 산소 중 일부가 연소되지 못하고 환원가스에 혼합되어 흘러서 철함유 혼합체의 환원률을 저하시킬 우려가 있다. 산소버너(60)에 대해서는 도 2를 참조하여 이하에 좀더 자세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 산소버너(60)의 부분 단면도이다. 산소버너(60)의 외관은 파이프 형태로 형성할 수 있다. 이러한 산소버너(60)의 외관은 본 발명이 속하는 기술분야에 종사하는 자라면 용이하게 이해할 수 있으므로, 전체 외관은 생략하고 그 단면만을 도시한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 산소 버너(60)는 2중관 구조로 되어 있다. 산소 버너(60)는 길이 방향으로 내부에 냉각수가 순환되는 제1 부재(601)와 제1 부재(601)와 이격되어 길이 방향으로 제1 부재(601)에 둘러싸이며 내부에 냉각수가 순환되고 한쪽 단부에 화염감지기(616)를 구비하는 제2 부재(611)를 포함한다. 이외에, 산소 버너(60)는 산소에 필요한 기타 부재 장치를 포함할 수 있다. 산소는 제1 부재(601)와 제2 부재(611) 사이로 취입되며, 도 2에 도시한 바와 같이 화살표 방향인 유동환원로측으로 갈수록 제1 부재(601)와 제2 부재(611) 사이의 거리가 좁아져서 고압으로 산소가 분사되면서 연소된다. 또한, 산소가 가운데로 모아져서 취입 연소되므로 효과적으로 화염을 형성하면서 유동환원로내의 기포유동층으로 깊게 분사될 수 있다.
제1 부재(601) 및 제2 부재(611) 내부에는 각각 고온의 산소화염으로부터 산소버너(60)를 보호하기 위하여 냉각관(602, 612)을 형성하고 있으며, 이를 통하여 냉각수가 공급되어 순환한다.
제2 부재(611)의 단부에 설치한 화염감지기(616)는 기포유동층 내부로 취입한 산소가 연소되는지 여부를 감시한다. 화염감지기(616)는 산소 취입시 수초 이내로 산소 화염을 감지하고 산소 화염을 계속 유지한다. 설치한 화염감지기(616)로 인하여, 산소버너(60)를 통하여 취입한 산소가 연소되지 못하고 환원가스와 혼합되어 환원가스의 환원률이 저하되던가 연소되지 못한 산소가 일부분에 모여서 폭발할 염려가 없어진다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 유동환원로에 산소버너와 수분취입노즐을 함께 설치한 상태를 나타낸다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치(200)는 수분취입노즐을 제외하고는 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 제1 실시예와 중복되는 부분은 그 설명을 생략하며 수분취입노즐을 중심으로 설명한다.
도 3의 확대원에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치(200)에서는 유동환원로 내부의 분산판(21) 상부의 외벽에 설치하고 산소버너(60) 주변에 위치하는 수분취입노즐(65)을 포함한다. 이외에, 유동환원로는 필요에 따라 다른 기타 설비를 포함할 수 있다.
수분취입노즐(65)은 산소버너(60)로 취입되어 형성되는 산소 화염에 수분을 혼합 공급하여 연소대(46)를 형성한다. 따라서 산소 화염의 온도를 저감시킬 수 있으므로, 산소 화염에 직접 닿거나 산소 화염에 의한 고온 영역에 포함되어 있는 환원철이 용융 응집하는 현상을 저감할 수 있다. 또한, 산소 화염 온도의 저감으로 산소 화염 형성 영역의 맞은 편에 위치하는 내화물의 손상을 저감시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산소버너와 수분취입노즐의 부분단면도이다. 산소버너(60)는 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로 그 자세한 설명을 생략한다. 수분취입노즐(65)은 파이프형의 부재(651)의 내부에 형성된 개구부(652)를 통하여 산소 취입 연소와 별도로 수분을 취입하여 산소화염에 혼합한다.
도 4에는 수분취입노즐(65)이 산소버너(60)의 직상부에 위치하는 것으로 도시하였지만, 이는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수분취입노즐(65)은 산소버너(60) 주변에 위치하기만 하면 된다.
수분취입노즐(65)을 통하여 용철제조공정에 사용하는 공정수 및 스팀 중 어느 하나 이상을 산소 취입 연소시 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이 경우, 산소화염의 온도가 저감될 뿐만 아니라 초고온의 산소화염에 의한 워터 시프트(water shift) 반응으로, 취입한 공정수나 스팀이 산소와 수소로 분리되는 현상이 발생한다. 이 중, 산소는 산소화염내에서 연소되고, 수소는 환원가스에 포함되어 철함유 혼합체의 환원반응을 돕는다. 특히, 수소는 용철제조방법에서 주로 사용하는 환원제로서, 650℃ 이하에서 일산화탄소에 비해 약 4배 정도의 환원력을 가지는 강력한 환원제이므로, 수분 취입이 상당히 바람직하다.
이와 같이, 수분취입노즐(65)을 통해 분무하여 취입하는 수분은 300∼500Nm3/hr인 것이 바람직하다. 수분을 분무하여 취입하지 않고 물 자체 그대로 취입하면 워터 시프트 반응이나 연소가스 냉각 효과를 얻을 수 없다.
취입하는 수분의 취입량이 300Nm3/hr 미만인 경우, 산소 화염 온도를 적정 온도로 낮출 수 없다. 또한, 분해되는 산소 및 수소의 발생량이 적어서 수분 취입 효과가 그리 크지 않을 뿐만 아니라 산소버너(60)의 산소 취입 유속이 낮아져서 산소버너(60)의 용손을 초래할 수 있다. 수분의 취입량이 500Nm3/hr를 초과하는 경우에는 필요 이상의 수분이 산소 화염과 접촉하여 산소 화염으로 인한 기포유동층의 가열 효과가 반감된다. 또한, 워터 시프트 반응에 참여하지 못하고 스팀 상태로 남는 수분이 바인더 역할을 하여 기포유동층내의 철함유 혼합체의 응집을 초래할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서 수분취입노즐(65)은 그 수분취입방향이 산소버너(60)의 길이 방향과 4∼15°의 각도(θ)를 이루도록 설치하는 것이 바람직하다. 특히, 도 4에 도시한 바와 같이, 수분취입노즐(65)을 산소버너(60) 상부에 설치한 경우, 4∼15°로 하향 경사지게 설치하는 것이 바람직하다.
각도(θ)가 4°미만인 경우, 산소 화염에 닿는 지점이 기포유동층 내부로 더 확장되거나 아예 닿지 못할 가능성이 있다. 또한, 각도(θ)가 15°를 초과하는 경우, 산소화염의 취입 경로를 방해할 수 있을 뿐만 아니라 산소화염에 닿는 시간이 너무 짧아서 산소화염의 온도저감 및 워터 시프트 반응을 기대하기 어렵다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이하의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
본 발명의 제2 실시예에 따라 산소버너로 산소를 취입하는 동시에 수분취입노즐로 수분을 취입하여 수분취입유량을 조절하여 이에 따른 산소화염온도를 측정하는 모사실험을 행하였다. 수분취입유량은 유량계를 사용하여 측정하였고, 산소화염온도는 적외선 온도계를 사용하였다.
실험 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5는 본 발명의 실험예에서 수분취입량에 따른 산소화염온도를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 실험예에서는 분위기 온도를 600℃ 이상으로 하여 산소화염을 생성하였지만, 이는 대기중의 산소화염에 대한 테스트이므로 절대적인 온도값은 차이가 날 수 있다. 다만, 그 온도저감 경향은 도 5에 도시한 그래프와 동일한 것으로 예측된다.
도 5 에 도시한 바와 같이, 약 300Nm3/hr 의 수분을 산소화염내로 취입하는 경우, 약 2700℃인 산소화염온도가 약 2000℃ 이하로 저감되는 효과가 있었으며, 이 경우에 발생한 산소 및 수소의 양은 각각 300 Nm3/hr 정도였다. 또한, 약 500Nm3/hr 의 수분을 산소화염내로 취입하는 경우, 약 2700℃인 산소화염온도가 약 1500℃ 이하로 저감되는 효과가 있었으며, 이 경우에 발생한 산소 및 수소의 양은 각각 500 Nm3/hr 정도였다.
본 실험예에 따라 수분취입량에 따른 산소화염온도를 분석한 결과, 1Nm3/hr 의 수분을 취입시 산소화염온도는 약 2.53℃씩 저감되는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역상에 산소를 직접 취입 연소하므로, 분산판에 끼치는 악영향을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 환원가스를 승온시켜 철함유 혼합체의 환원률을 높일 수 있다. 따라서 기포유동층을 통과하는 환원가스를 개질하고 철함유 분체의 응집을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한, 산소취입연소 이외에 별도로 수분을 취입하여 환원가스의 온도를 저감시킴으로써, 산소 취입 영역 반대편에 위치한 내화물이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 환원가스의 환원력을 높일 수 있다.
본 발명의 수분취입노즐에서는 용철제조공정에서 쉽게 구할 수 있는 공정수 또는 스팀을 사용하므로, 용철제조공정을 좀더 효율적으로 운영할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 기포유동층에 직접 산소를 취입 연소하는 것 이외에 기포유동층 외부에 별도의 산소공급장치를 마련함으로써, 산소 취입연소에 따라 걸리는 부하를 경감시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (16)

  1. 분상의 철함유 광석 및 부원료를 혼합 및 건조하여 철함유 혼합체를 제조하는 단계,
    상기 철함유 혼합체를, 순차적으로 연결한 하나 이상의 기포유동층을 통과시키면서 환원 및 소성시켜 환원체로 변환하는 단계,
    상기 환원체를 용융시킬 열원인 석탄충진층을 형성하는 단계,
    상기 환원체를 상기 석탄충진층에 장입하고 상기 석탄충진층에 산소를 취입하여 용철을 제조하는 단계, 및
    상기 석탄충진층에서 배출되는 환원가스를 상기 기포유동층에 공급하는 단계
    를 포함하며,
    상기 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계에서, 상기 기포유동층으로 환원가스가 유입되는 영역 상에 산소를 직접 취입 연소하는 용철제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계에서,
    상기 산소 취입 연소와 별도로 수분을 취입하여 혼합하는 용철제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수분은 공정수 및 스팀(steam) 중 어느 하나 이상인 용철제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수분을 300∼500Nm3/hr으로 취입하는 용철제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산소는 상기 유동환원로 내부의 온도가 650℃ 이상인 경우 취입 연소하는 용철제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 철함유 혼합체를 환원체로 변환하는 단계는,
    상기 철함유 혼합체를 제1 기포유동층에서 예열하는 제1 단계,
    상기 예열한 철함유 혼합체를 제2 기포유동층에서 예비 환원하는 제2 단계, 및
    상기 예비 환원한 철함유 혼합체를 제3 기포유동층에서 최종 환원하여 환원체로 변환하는 제3 단계
    를 포함하며,
    상기 제1단계 및 상기 제2 단계에서, 상기 산소를 직접 취입 연소하는 용철제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계 내지 상기 제3 단계의 각 단계 직전에 산소를 취입하여 연소하는 단계를 포함하는 용철제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산소 취입 연소와 별도로 수분을 취입하는 용철제조방법.
  9. 건조 및 혼합한 철함유 광석 및 부원료를 환원 및 소성하여 환원체로 변환하는 하나 이상의 유동환원로,
    상기 환원체를 장입하고, 내부에 산소를 취입하여 용철을 제조하는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에서 배출하는 환원가스를 상기 유동환원로에 공급하는 환원가스 공급관
    을 포함하며,
    상기 유동환원로는, 그 하부에 상기 환원가스가 통과하는 분산판을 포함하며, 상기 분산판 상부의 외벽에 산소버너를 구비하는 용철제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산소버너는,
    길이 방향으로 내부에 냉각수가 순환되는 제1 부재, 및
    상기 제1관과 이격되어 길이 방향으로 상기 제1 부재에 둘러싸이며 내부에 냉각수가 순환되고, 한쪽 단부에 화염감지기를 구비하는 제2 부재을 포함하고,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재 사이로 산소가 취입 연소되며, 상기 유동환원로측으로 갈수록 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재 사이의 거리가 좁아지는 용철제조장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유동환원로는, 상기 분산판 상부의 외벽에 설치되고, 상기 산소버너 주변에 위치하는 수분취입노즐을 더 구비하는 용철제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수분취입노즐은 그 수분취입방향이 상기 산소버너의 길이 방향과 4∼15°의 각도를 이루도록 설치되는 용철제조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수분은 공정수 및 스팀 중 어느 하나 이상인 용철제조장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 수분을 분무하여 300∼500Nm3/hr으로 취입하는 용철제조장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 유동환원로는,
    상기 철함유 혼합체를 예열하는 예열로,
    상기 예열로와 연결되어 상기 예열한 철함유 혼합체를 예비 환원하는 예비 환원로, 및
    상기 예비 환원로와 연결되어 상기 예비 환원한 철함유 혼합체를 최종 환원하여 환원체로 변환하는 최종 환원로
    를 포함하며,
    상기 예열로 및 상기 예비 환원로에 상기 산소버너를 구비하는 용철제조장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유동환원로는, 상기 분산판 상부의 외벽에 설치되고, 상기 산소버너 주변에 위치하는 수분취입노즐을 더 구비하는 용철제조장치.
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