KR20060073651A - 금속-산소 화합물의 환원 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속-산소 화합물의 환원 방법 및 금속-산소 화합물의 환원을 실행시키는 장치에 관한 것으로서,
탄소는 환원제 역할을 하며, 하기 공정 a)와 b)를 포함하는 것을 특징으로 한다:
a) CO가 고체 탄소 및 이산화탄소로 변환되고 이로써 형성된 고체 탄소가 금속-산소 화합물에 도입되는 조건으로, 상기 금속-산소 화합물을 함유하는 반응기 챔버에 CO 기체를 통과시키는 제1 반응 공정;
b) 상기 제1 반응 공정에서 금속-산소 화합물에 도입되는 상기 탄소가 상기 금속-산소 화합물을 환원시키는 제2 반응 공정[상기 금속-산소 화합물의 환원을 촉진시키는데 효과적인 제1 촉진제 물질(first promoter material)이 상기 제2 반응 공정에 필수적으로 존재하고, 상기 제1 촉진제 물질은 제1 촉진제 금속 또는 제1 촉진제 금속의 화합물을 포함함].
Description
본 발명은 금속-산소 화합물의 환원제로서 탄소를 가지고 금속-산화 화합물을 환원시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 금속-산소 화합물의 환원제로서 탄소를 가지고 금속-산소 화합물을 환원시키는 장치에 관한 것이다.
예를 들어 산화철인 금속-산화물과 같은 금속-산소 화합물의 환원은 큰 규모의 환원 노(large-scale reduction furnace)에서 실행하였다. 철-산소 화합물의 환원에 있어서 용광로(blast furnace)는 한 세기 이상 동안 철광석(iron ore)으로부터의 선철(pig iron)로의 환원 용으로 편리한 장치였다. 이러한 용광로에서 화학 에너지 공급원과 주요한 환원제(primary reductant)는 코크스(coke)이다. 코크스는 휘발성 탄화수소를 제거하고 코크스에 용광로를 안정하게 작동시키기 위한 중요한 특성을 부여하기 위해서 산소의 부재하에 석탄을 베이킹(baking)하여 제조한다.
코크스를 제조하는 것은 많은 휘발성 탄화수소가 위험하기 때문에 환경적인 관점에서 문제가 발생한다. 또한 모든 타입의 석탄이 코크스를 제조하는데 적당하지 않다. 또한 코크스 제조의 부산물에 있어서의 요구가 감소한다.
또한 용광로의 전체 연료 비율과 코크스 비율이 감소하는 것이 최근에 개발된 것 중 주요한 점이다. 또한 철광석의 직접 환원과 같은 용광로 공정을 사용하기 위한 새로운 기술이 개발되었다.
직접 환원은 고체 환원제(solid reducing agent) 또는 기체 환원제일 수 있는 환원제로 철광석을 환원시킴으로써 철을 생성하는 공정을 포함한다. 고체 환원제는 코크스 대신에 특정 크기의 석탄일 수 있다. 기체 환원제의 예로는 천연 가스와 일산화탄소이다. 직접 환원을 위한 광석은 Fe을 많이 함유하고 원하지 않는 요소가 적게 함유되어 있는 엄격한 내역을 만족해야 한다.
철광석의 직접 환원으로 고체 직접 환원 철 생성물이 생성되거나 또는 높은 작동 온도 또는 용융 장치와 결합하면 액체 생성물이 생성될 수 있다.
직접 환원 공정의 생성물은 용융시키고 선택적으로 추가 정제시키며, 또는 후에 사용하기 위해서 냉각 및 저장시키기 위한 제2 반응기로 배출시킬 수 있다.
현재 조직화된 제강소에서 나오는 먼지와 슬러지(sludge)는 광석 제조 단계에서 원료로 재사용한다. 종종 "미립자(fines)"라고 하는 이러한 폐기물은 산화철과 같은 철-함유 화합물을 함유할 수 있다. 그러나 이러한 미립자에서 아연과 같은 금속 함량이 높고, 상기 요소들이 축적되고, 용광로를 채우기 위한 이러한 금속의 양은 한계가 있기 때문에 상기 폐기물은 종종 다른 방법으로 재순환시키거나 또는 제거해야 하기 때문에 추가 요금이 생기거나 환경적으로 부담이 생긴다.
철광석의 환원을 위한 공지된 방법은 회전 킬른식(rotary kiln)에서 석탄과 덩어리 철광석 또는 펠릿을 직접 반응시키는 것을 기본으로 한다. 또 다른 공지된 방법은 회전 상로(rotary hearth furnace)에서 예를 들어 석탄, 코크스 또는 목탄에서 산화철과 탄소를 함유하는 조성물 펠릿을 환원시키는 것을 기본으로 한다. 환원 반응에서 나오는 방출 가스(off-gases)는 노에서 후-연소시켜 공정에서 요구되는 열의 일부를 제공할 수 있다. 또 다른 공지된 방법은 유동층 반응기에서 미세 철광석(fine iron ore)의 직접 환원과 관련이 있다.
상기 공지된 환원 공정의 주요한 단점은 고온에서 작동한다는 것이다. 예를 들어 회전 상로 공정은 약 1250 ℃의 온도에서 작동한다. 상기 공정이 석탄 사용을 기본으로 한다면 일산화탄소, 수소와 착체, 및 위험한 탄화수소가 큰 부피로 생성된다는 추가의 단점이 있다. 금속의 재산화를 예방하면서 방출 가스의 후-연소 또는 제거가 필요한 탄화수소의 축합은 피해야 한다. 또한 고온에서의 작동과 이후의 열 손실, 및 다량의 일산화탄소의 발생 때문에 직접 환원 공정의 에너지 효율은 높은 탄소 소비율에 불량한 결과를 가져오는 것이 일반적이다. 높은 작동 온도는 또한 위험한 질소-산소 화합물(NOx-가스)을 다량으로 발생시킨다. 또한 석탄을 사용하는 것을 기본으로 하는 직접 환원 기술은 석탄 중 황의 존재 때문에 많은 양의 황을 처리해야 한다.
GB-A-1471544에서는 철광석의 직접 환원 공정이 기재되어 있으며, 상기 공정에서 자철석(magnetite)과 같은 산화철은 염화 제2철(ferric chloride)의 형태인 기핵제(nucleating agent)와 혼합되고, 석탄은 또한 염화 제2철의 형태인 활성제 (activator)와 혼합된다. 상기 2개의 혼합물을 함께 완전하게 혼합하고, 볼(ball) 형태로 만든다. 상기 볼은 냉각 질소로 퍼지한 다음에 가열된 질소로 1050 ℃로 천천히 가열하고 30 분 동안 유지한 다음에 냉각 질소로 냉각한다. 산화물과 탄소를 반응시켜 처음에 CO2를 형성한다. 활성제는 탄소에 의해 CO2를 환원시켜 CO를 형성하는 것을 촉진시킨다. 기핵제(산화 제2철로부터의 철)는 산화물 표면에서 CO의 흡수를 도와 CO에 의한 산화물의 환원을 촉진시킨다.
US-A-3979206에서는 철, 코발트, 니켈, 크로늄 또는 마그네슘의 존재하에 1000 ℃ 내지 2000 ℃에서 탄소로 MgO를 환원시키는 것을 기재하고 있다. Fe 분말, MgO 분말 및 C 분말을 진공로(vacuum furnace)에서 가열시켰다. Mg 증기를 회수하였다. Fe은 촉매로서 활성을 가져 반응 온도을 낮춘다고 알려져 있다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 비교적 저온에서 작동할 수 있는 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 예를 들어 탄화수소 및/또는 NOx-가스와 같은 위험한 방출 가스를 소량 생성할 수 있는 금속-산소 화합물을 환원시키는 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 환원된 금속의 1 중량 단위 당 증가된 탄소의 효율성을 유도할 수 있는 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 에너지 효율을 개선시키고 낮은 황 함량을 갖는 생성물을 제공할 수 있는 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 금속 합금을 생성하는 상이한 금속-산소 화합물의 혼합물을 환원시키기 위해서 사용할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적 중 1개 이상을 획득하기 위해서 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 방법을 제공하며, 탄소는 환원제 역할을 하며, 하기 공정 a)와 b)를 포함한다:
a) CO가 고체 탄소 및 이산화탄소로 변환되고 이로써 형성된 고체 탄소가 금속-산소 화합물에 도입되는 조건으로, 상기 금속-산소 화합물을 함유하는 반응기 챔버에 CO 기체를 통과시키는 제1 반응 공정;
b) 상기 제1 반응 공정에서 금속-산소 화합물에 도입되는 상기 탄소가 상기 금속-산소 화합물을 환원시키는 제2 반응 공정[상기 금속-산소 화합물의 환원을 촉진시키기에 효과적인 제1 촉진제 물질이 상기 제2 반응 공정에 필수적으로 존재하고, 상기 제1 촉진제 물질은 제1 촉진제 금속 또는 제1 촉진제 금속의 화합물을 포함함].
본 발명의 하나의 특징은 제2 반응 공정에서 제1 촉진제 물질을 사용한다는 것이다. 제1 촉진제 물질의 첨가로 탄소가 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원제로서 사용되는 금속-산소의 환원 비율이 크게 강화된다는 놀라운 사실을 발견하였다. 또한 상기 환원은 직접 환원 공정의 공지된 형태와 비교하여 현저하게 낮은 온도에서 실행된다는 것도 발견하였다. 예를 들어 공지된 형태의 철-산소 화합물의 환원 형태는 950 ℃ 이상의 온도에서 작동된다. 본 발명에서 수득가능한 발명의 낮은 작동 온도로 또한 장비의 열 손실을 감소시킬뿐만 아니라 위험한 질소-산소 화합물의 방출량도 또한 줄어들 수 있다.
철-생성 용광로에서의 철-산소 화합물의 환원 공정과 같은 공지된 환원 공정에서 환원 공정에서 형성된 금속은 촉매로서 활성을 가지지 않기 때문에 환원 반응에 도움이 되지 않는다는 것이 주목할 점이다. 이것은 상기와 같은 공지된 방법 및 예컨대 용광로에서 철-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원 반응에서 형성된 금속의 촉매적 효과를 위한 공정 조건이 만족스럽지 않다는 사실에서 기인한다고 알려져 있다.
본 발명의 실시양태에서, 중간 화합물(제1 촉진제 물질)로부터 형성된 제1 촉진제 물질 금속의 일부 또는 전부는 금속 탄화물(metal carbides), 금속 수소화물(metal hydrides) 및 금속 질화물(metal nitrides)로 이루어진 화합물로부터 선택되며, 화합물 중의 금속은 제1 촉진제 금속이며, 화합물은 선택적으로 산소를 포함할 수 있다. 상기 중간 화합물은 금속-산소 화합물에 첨가될 수 있다. 금속 탄화물과 같은 중간 화합물은 제1 금속을 형성할 수 있으므로 금속-산화 화합물의 환원 반응을 돕는다. 기타 중간 화합물은 예를 들어 금속 수소화물, 금속 질화물 또는 금속 탄화물 및/또는 금속 수소화물 및/또는 금속 질화물의 혼합물이다. 중간 화합물의 또 다른 예로는 금속 카르보닐이 있으며, 이것은 금속 및 일산화탄소로 분리될 수 있다. 금속 카르보닐은 매우 고가이므로 대량의 금속 생성 공정에서 통상적으로 사용할 수 없다.
중간 화합물을 사용하는 잇점은 중간 화합물의 분해에 따라 형성되는 제1 촉진제 금속이 정교하게 분포되어 있으므로 환원 반응을 효과적으로 도울 수 있다는 점이다. 제1 금속은 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원 반응 이 전(바로 직전에)에 중간 화합물로부터 형성될 수 있다. 중간 화합물이 금속이 제1 촉진제 금속인 금속 탄화물인 경우에 제1 촉진제 금속과 탄소는 둘 다 중간 화합물의 분해에 따라서 미세하게 분배되므로 제1 촉진제 금속은 효과적으로 환원 반응을 도울 수 있고, 상기 탄소는 환원 반응에서 환원제로서 효과적으로 활성을 갖게 된다.
금속-산소 화합물의 환원 반응 용 제1 촉진제 금속은 제1 금속이 금속-산소 화합물의 환원이 발생할 수 있는 시점에 필수적으로 존재하도록 공정 중 임의의 공정에 금속-산소 화합물에 첨가될 수 있다.
본 발명의 제2 특성은 일산화탄소가 금속-산소 화합물과 접촉하도록 유도되며, 탄소와 이산화탄소는 일산화탄소로부터 부두아 반응(Boudouard reaction)에 의해서 형성되며, 바람직하게는 예를 들어 제2 촉진제 금속일 수 있는 제2 촉진제 물질의 도움으로 형성된다는 것이다. 상기 탄소는 부두아-탄소(Boudouard-carbon)라고 나타내며, 그라파이트(graphite)의 결정성 구조를 갖는 것이 통상적이다. 일산화탄소는 실질적으로 순수한 일산화탄소일 수 있지만, 또한 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물의 일부일 수도 있다. 금속-산소 화합물을 환원시키는 공정의 개시 중, 또는 금속-산소 화합물을 환원시키는 공정 중에 예를 들어 그라파이트 분말과 같은 적당한 형태이며, 부두아-탄소와 유사한 화합물은 금속-산소 화합물에 첨가하여 금속-산소 화합물의 환원 공정 중 일부 또는 전부에 환원제로서 제공할 수 있다.
환원 반응의 반응 속도가 크게 증가하기 때문에 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원제로서 사용되는 탄소는 무정형 탄소 및/또는 결정성 탄소, 바람직하게는 그라파이트이다. 결정성 탄소, 또는 특히 그라파이트는 탄소 형태인 것이 바람직하다. 본 발명에서 탄소는 반응물 사이의 접촉 시점의 수를 증가시키는 효과를 획득하여 환원 반응 속도를 향상시키는 분말 형태이다.
부두아-탄소는 하기 반응식 1과 같은 부두아 반응에 의해서 탄소-일산화물의 분해에 의한 제1 반응 공정에서 발생한다:
제1 반응 공정에서의 조건은 상기 평형이 반응식 1의 오른쪽으로 옮겨가도록하여 탄소를 형성하는 조건이다. 숙련된 자는 적당한 조건을 용이하게 선택할 수 있다.
놀랍게도 그라파이트 구조를 갖는 상기 부두아 탄소는 부두아-탄소, 제1 촉진제 금속 및 금속-산소 화합물이 접촉되는 경우에 제1 촉진제 물질, 예를 들어 제1 촉진제 금속과 결합하여 매우 효과적으로 금속-산소 화합물을 환원시키는 환원제인 것이 발견되었다.
상기에서 언급하였듯이 바람직하게 적어도 제1 반응 공정에서 제2 촉진제 물질이 존재하며, 상기 제2 촉진제 물질은 CO를 탄소와 이산화탄소로 변환시키는 것을 촉진시키는 제2 촉진제 금속 및/또는 제2 촉진제 금속의 화합물을 포함한다. 제2 촉진제 물질은 제2 촉진제 금속, 또는 제2 촉진제 금속 탄화물, 제2 촉진제 금속 수소화물 또는 제2 촉진제 금속 질화물, 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 제2 촉진제 물질은 분말 형태가 바람직하다.
일반적으로 본 발명에서 제1 및 제2 촉진제 물질, 특히 제1 및 제2 촉진제 금속은 촉매 작용 또는 또 다른 반응 기작에 의해 보다 신속하고, 보다 완벽하거나 또는 더 낮은 온도(또는 이들을 모두 배합한 것)에서 실행하기 위해서 2개의 반응 중 각각의 반응을 유도하는 기능을 갖는다.
놀랍게도 제1 촉진제 물질, 예를 들어 제1 촉진제 금속은 금속-산소 화합물의 환원에 도움을 줄 뿐만 아니라 또한 부두아 반응에 의한 부두아-탄소의 형성에 유리한 효과를 가질 수 있다는 것도 발견되었다. 제1 촉진제 금속을 공정에 첨가할 수 있지만 이 것 중 몇몇은 부두아 반응이 실행되는 저온에서 이미 발생한 금속-산소 화합물의 환원에 의해서도 형성될 수 있다.
본 발명의 실시양태에서 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원 반응에서 금속-산소 화합물의 산소는 주로 부두아 반응에 의해 일산화탄소로부터 형성되는 탄소와 결합한다. 주요한 환원제로서 탄소를 사용하는 경우에 저온에서 공정을 작동시킬 수 있다. 이것은 탄소의 주요 공급원으로서 석탄을 사용하는 경우에 가능하다. 그러나 천연 가스를 탄소의 주요 공급원으로 선택한다면 (통상적으로 다량 의 탄화수소, 예컨대 메탄을 포함하는) 천연 가스의 크래킹으로부터 발생하는 다량의 수소는 작동 조건에 역효과를 주어 본 발명에 따른 방법으로 수득가능한 잇점, 특히 화석 연료의 효과적인 사용 및 비교적 낮은 작동 온도와 같은 잇점을 감소시킬 수 있다.
소량의 수소는 부두아 반응에 의한 일산화탄소로부터의 이산화탄소 및 부두아-탄소를 형성하는 것을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 순수한 일산화탄소를 사용하는 경우에 소량의 수소를 일산화탄소에 첨가할 수 있다. 바람직하게 수소의 양은 8 부피% 이하, 보다 바람직하게는 6 부피% 이하이다. 상기 수소는 선택된 작동 조건 때문에 금속-산소 화합물의 환원에서 큰 역할을 수행하지 않는다. 수소에 의한 금속-산소 화합물의 환원은 매우 높은 온도에서 실행되어 본 발명에 따른 방법의 잇점이 없어진다.
본 발명에서 금속-산소 화합물의 산소 중 통상적으로 50 % 이상, 바람직하게는 70 % 이상, 보다 바람직하게는 80 % 이상, 보다 더 바람직하게는 90 % 이상이 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원 반응 중에 부두아-탄소와 결합한다. 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물이 예를 들어 석탄을 기화시킴으로써 생성되면 기체 혼합물은 또한 소량의 수소를 포함할 수도 있다.
부두아-탄소와 유사하고 본 발명에 적당한 형태인 화합물, 또는 예를 들어 개시 중에 금속 탄화물과 같은 부다아-탄소를 발생시키는 화합물을 첨가할 수 있다. 이와 같은 경우에 상기에서 언급한 실시양태에서 부두다 탄소는 일산화탄소 및/또는 부두아-탄소와 유사하고 적당한 형태인 첨가된 탄소, 및/또는 금속 탄화물 로부터 발생하는 탄소로 구성된다. 본 발명에 따른 방법의 기체 반응 생성물이 종래 방법의 방출 가스와 비교하여 다량의 이산화탄소 기체를 포함하기 때문에 탄소를 효과적으로 사용하여 사용하는 화석 연료의 양을 줄일 수도 있다. 환원된 금속의 1 중량 단위 당 사용된 탄소의 양은 따라서 본 발명에 따른 방법에서 더 낮을 수 있다.
또한 석탄의 형태인 탄소 대신에 일산화탄소로부터의 부두아 탄소는 공정에 환원제로서 사용되기 때문에 본 발명에 따른 공정의 기체 반응 생성물은 석탄과 관련된 위험한 탄화수소를 함유하지 않는다. 반응 고형물의 황 함량은 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물이 황 화합물을 포함하지 않는 것에 영향을 미치지 않는다. 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물이 탄화수소 및/또는 황 화합물을 포함한다면 본 발명에 따른 공정의 기체 반응 생성물은 상기 탄화수소 및/또는 황 화합물을 적은 양 함유할 것이며, 이것은 탄화수소의 무거운 물질 중 일부 또는 전부가 그래킹되었거나 및/또는 공정 중에 사용될 것이기 때문이다. 황 화합물은 예를 들어 시클론 중의 금속성 부분으로부터 분리될 수 있는 CaS와 같은 칼슘-황 화합물에 공지된 칼슘 처리함으로써 중성화시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 실시양태에서 제1 촉진제 금속은 제2 촉진제 금속과 동일하므로 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원 방응의 생성물에 가능한 소량의 기타 금속이 도입된다. 본 발명의 추가의 실시양태에서 제1 및/또는 제2 촉진제 금속은 금속-산소 화합물 중의 금속과 동일하다. 단일 금속 물질을 생성하는 경우에 기타 요소의 양은 기타 금속으로 오염되는 것을 예방할 수 있을 만큼 소량을 유 지시켜야 한다. 합금을 생성하는 경우에 금속-산소 화합물 중의 금속과 상이한 제1 및/또는 제2 촉진제 금속으로서 1개 이상의 금속을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서 금속-산소 화합물의 환원 반응은 연속 공정으로 실행하며, 제1 및 제2 반응 공정은 동시에 실행하고, 금속-산소 화합물은 제1 반응 공정이 실행되는 제1 반응 구역에서 제2 반응 공정이 실행되는 제2 반응 구역으로 이동한다. 바람직한 실시양태에서 일산화탄소는 금속-산소 화합물, 금속-산소 화합물의 환원용 환원제, 및 제1 및/또는 제2 촉진제 물질 금속의 혼합물과 관련하여 움직인다. 추가의 바람직한 실시양태에서 금속-산소 화합물은 한 방향으로 수송되며, 일산화탄소는 또 다른 방향으로 수송된다. 추가의 바람직한 실시양태에서 금속-산소 화합물과 일산화탄소는 역 흐름 방향으로 수송된다. 또한 기체 반응 생성물의 일부 또는 전부는 공정 중에 재도입되어 첨가될 새로운 일산화탄소의 양을 감소시킨다. 또한 금속-산소 화합물의 환원 반응의 실질적으로 고체인 생성물의 일부 또는 전부는 환원 반응에 있어서의 제1 및/또는 제2 촉진제 금속으로서 공정 중에 재도입되어 첨가해야 할 새로운 제1 및/또는 제2 촉진제 물질의 양을 감소시킬 수 있다.
반응 속도론 때문에 부두아 반응이 실행되는 제1 반응 구역 중의 작동 온도는 650 ℃ 이하, 바람직하게는 300 ℃ 내지 600 ℃, 보다 바람직하게는 450 ℃ 내지 550 ℃가 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서 금속-산소 화합물은 산화철 및/또는 수산화철 및/또는 탄산철과 같은 철-산소 화합물을 포함한다. 또 한 제1 및/또는 제2 촉진제 금속은 철을 포함하여 철-산소 화합물의 환원 반응의 최종 생성물 중 비철 금속의 양을 제한할 수 있다. 반응 속도론 때문에 금속-산소 화합물, 예를 들어 철-산소 화합물의 환원이 실행되는 반응 구역 중의 작동 온도는 550 ℃ 내지 900 ℃, 바람직하게는 650 ℃ 내지 850 ℃, 보다 바람직하게는 700 ℃ 내지 775 ℃가 바람직하다. 상기에서 기재된 본 발명에 따른 공정은 본질적으로 대기 압력에서 실행될 수 있다. 비(非)-대기 압력에서 본 발명에 따른 방법을 실행하면 반응의 균형이 이동할 것이라는 것은 당업에 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 또한 본 발명은 부대기압(sub-atmospheric pressure) 또는 초대기압(super-atmospheric pressure)에서 방법을 실행하는 것을 포함하며, 또한 부두아 반응(제1 반응 공정)이 금속-산소 화합물의 환원(제2 반응 공정)과 상이한 압력에서 발생하도록 하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것을 포함한다.
속도론에 있어서 부두아 반응의 특성 및 금속-산소 화합물의 환원 특성 때문에 한편에서 부두아 반응에 의한 일산화탄소로부터의 탄소가 형성되는 반응 구역과 다른 한편으로 금속-산소 화합물의 환원 반응이 주로 발생하는 반응 구역 사이가 오버랩될 수 있으며, 이것은 몇몇 부두아 탄소가 금속-산소 화합물의 환원 반응이 실행되는 반응 구역에서 형성될 수 있거나 및/또는 몇몇 금속-산소 화합물이 부두아 반응이 실행되어 환원 반응에 있어서의 제1 금속의 일부 또는 전부를 생성하는 반응 구역에서 이미 일부 또는 전부가 환원되었기 때문이라는 시실을 알아야 한다.
환원제, 제1 촉진제 금속 및 금속-산소 화합물 사이의 접촉 시점의 수는 본 발명에 따른 공정에 의한 금속-산소 화합물의 환원 공정의 속도론을 결정하기 때문 에 금속-산소 화합물 또는 금속-산소 화합물 및 제1 촉진제 물질, 예를 들어 제1 촉진제 금속은 분말의 형태인 것이 바람직하다. 상기 분말의 알갱이 크기는 바람직하게 1 mm 이하여야 하지만, 100 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 분말 또는 이의 혼합물을 전처리하여 펠릿 또는 신터(sinter)와 같은 고체라세미혼합물(conglomerate)을 형성할 수 있으며, 상기 고체라세미혼합물은 일산화탄소 용으로 효과적인 공극률(porosity)을 가져 고체라세미혼합물 중의 금속-산소 화합물 또는 제1 금속 및 금속-산소 화합물에 접근한다. 본 발명에 따른 방법은 소량의 제1 촉진제 금속이 존재하는 경우에 시작되지만, 제1 촉진제 금속의 양은 금속-산소 화합물의 환원이 실행되는 공정 중에 상이 시작되면 금속-산소 화합물의 1 중량% 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 중량% 이상, 바람직하게는 약 10 중량%이다.
본 발명은 또한 환원 공정이 샤프트 노(shaft furnace), 예컨대 용광로(blast furnace)에서 실행되는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 금속-산소 화합물이 철-산소-화합물을 포함하며, 철-산소 화합물의 환원 반응이 샤프트 노, 예컨대 용광로에서 실행되어 철을 생성하는 방법에 관한 것이다. 철광석의 환원 반응에 있어서 제1 촉진제 금속으로서 철을 첨가하는 공정을 포함하는 종래의 용광로 방법에 본 발명에 따른 방법을 적용시키면 용융 철의 불균형 증가가 일어난다는 것을 발견하였다. 예를 들어 분말의 형태로 제1 촉진제 금속으로서 철을 혼합물을 형성하기 위해서 철광석에 첨가하여 종래의 펠릿을 생성하는 것은 용광로 공정에 들어가는 제1 촉진제 금속으로서의 철과 철-산소 화합물의 혼합물을 보충할 수 있다. 용광로 공정의 과정 중에 펠릿을 노에 하강시키고, 적당한 온도에서 부두아 탄소의 제1 발생이 용광로의 낮은 구역에서 타는 코크스로부터 방출되는 일산화탄소 가스를 사용하여 개시할 것이다. 일산화탄소 가스는 이산화탄소 가스 및 부두아 탄소로 환원된다.
산화철로부터 선철을 제조하기 위한 종래의 용광로 공정에서의 고온의 결과로서 부두아-평형(반응식 1)은 용광로의 하부에서 일어나는 코크스와 산소로부터 형성된 탄소 및 이산화탄소로부터 일산화탄소가 형성되는 면으로 이동한다는 것을 알아야 한다. 따라서 부두아-탄소는 철-산소 화합물의 환원이 실행되는 용광로의 위치에서 종래의 용광로 공정으로 형성되지 않는다.
본 발명에 따른 방법에서 부두아 탄소는 용광로에 추가로 하강되는 결합 물질 및 제1 촉진제 금속으로서의 철 및 철-산소 화합물의 혼합물 상에 침전되는 것으로 알려져 있다. 적당한 온도에서 철-산소 화합물의 환원이 개시되어 철-산소 화합물이 철로 환원될 것이다. 최후에 용광로에 추가로 하강된 후, 철은 용융되고 공지된 방법으로 용광로로부터 탭핑(tapping)될 준비가 될 것이다. 본 발명에 따른 방법은 또한 철광석과 제1 촉진제 금속(철일 수 있음)을 철광석, 제1 금속 및 일산화탄소 사이의 큰 접촉 영역을 갖는 임의의 기타 고체라세미혼합물 또는 소결된 생성물의 형태로 공정에 첨가되는 경우에 실행된다는 것은 명백하다. 본 발명의 결과로서 용광로 공정의 일산화탄소 방출은 코크스로부터의 탄소를 보다 효과적으로 사용하기 때문에 감소할 것이며, 시간 단위 당 용광로로부터의 용융 철의 방출은 첨가된 철 촉매에 관하여 불균형하게 증가할 것이다. 즉 철광석에 시간 단위 당 제1 촉진제 금속으로서 철 중 x %를 첨가한 후 노로부터 탭핑될 수 있는 것 보 다 시간 단위 당 용융 철의 양은 탭핑될 수 있는 시간 단위 당 용융 철 중 100 + x % 이상이 나오며 이것은 시간 단위 당 철광석으로부터 새롭게 형성된 철의 양을 증가시킴으로써 용광로를 보다 효과적으로 사용하도록 한다. 명백하게 시간 단위 당 철광석의 유용성은 상대적으로 증가해야만 한다.
생산성의 필적할 만한 증가와 방법의 필적할 만한 응용은 예를 들어 소결될 수 있거나 또는 펠릿 형태의 금속 광석으로 진행되는 임의의 종래 직접 환원 설비로 획득될 수 있다. 이러한 설비는 전통적으로 금속-산소 화합물의 환원이 실행되는 1개 이상의 노를 포함하며, 상기 노는 예를 들어 회전 상로(rotary hearth furnace), 회전 킬른로(rotary kiln furnace), 샤프트 노(shaft furnace), 사이클론 노(cyclone furnace) 또는 회분식 노(batch-type furnace)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 따라서 본 발명은 금속-산소 화합물의 환원 반응이 유동층, 회전 상로, 회전 킬른로, 사이클론 노 또는 회분식 노에서 실행되어 직접 환원된 금속을 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 또한 금속-산소 화합물이 철-산소-화합물이며, 철-산소 화합물의 환원 공정이 유동층, 회전 상로, 회전 킬른로, 사이클론 노 또는 회분식 노에서 실행되는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 금속성 부분과 비금속성 부분을 포함하는 실질적으로 고체인 물질을 생성하기 위한 금속-산소 화합물의 환원 방법에 관한 것이며, 실질적으로 고체인 물질을 처리하여 맥석(gangue) 또는 슬래그(slag)와 같은 비금속성 부분으로부터 금속성 부분을 분리한다. 상기 분리 공정은 예를 들어 사이클론(cyclone)에서 실행될 수 있다.
본 발명은 또한 금속성 부분을 압착하여 이것의 공극률을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 또한 금속성 부분을 롤링(rolling)하여 슬래브(slab), 빌릿(billet), 블룸(bloom), 로드(rod), 섹션(section) 또는 스트립(strip)을 형성할 수 있다. 상기 방법은 광석으로부터 개시하고 슬래브로 끝내는 생성 공정의 단계를 생략할 수 있으며, 따라서 비용이나 에너지 소비를 크게 감소시킨다. 또한 금속성 부분은 사출 성형하여 프로필, 섹션 또는 로드를 형성할 수도 있으며, 또는 거의 최종적인 성형 제품(near net shape product)을 형성할 수도 있다. 이러한 제품은 마지막 처리 공정이 필요없거나 또는 단지 한정된 마지막 처리 공정만이 필요하다.
금속성 부분은 또한 예를 들어 Electric Arc Furnace를 사용하여 용융화 작업 중에 공급 물질로서 사용할 수도 있으며, 철의 경우에는 예를 들어 Basic Oxygen 제강 공정 또는 Siemens Martin 제강 공정 중 적어도 스크랩의 일부분의 대체물로서 제강 공정(steelmaking process) 중에 공급 물질로서 사용할 수도 있다.
금속-산소 화합물(들) 중의 금속은 바람직하게 철, 구리, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 플래티넘 또는 이리듐인 것을 알아야 한다. 몇몇 금속에 있어서 1개 이상의 금속-산소 화합물은 예를 들어 산화구리 및 수산화구리로 존재한다는 것을 알아야 한다. 본 발명은 또한 금속-산소 화합물이 2개 이상의 금속-산소 화합물의 혼합물을 포함하며, 금속-산소 화합물 중의 금속들은 서로 상이하고, 각각의 금속은 철, 구리, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 플래티넘 또는 이리듐을 포함하여 2개 이상의 상이한 금속을 포함하는 환원된 제품을 생성하는 방법 에 관한 것이다. 상기 실시양태의 잇점은 합금이 직접 제조된다는 것이다. 제1 촉진제 금속 또는 제1 촉진제 금속들은 또한 금속-산소 화합물 중의 금속 또는 금속들과 상이할 수도 있다.
탄소가 부두아 반응에 의해 형성되는 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물은 코크스, 석탄, 목탄, 오일, 플라스틱, 천연 가스, 종이, 바이오매스, 타르 샌드(tar sand), 강하게 오염된 탄소-함유 에너지 공급원(strongly polluted carbon-containing energy source)을 포함하는 탄소-함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1개 이상의 탄소-함유 화합물을 공지된 방법에 따른 표준 기화 장치(standard gasifier)에서 처리하여 제조할 수 있다. 예를 들어 황과 같은 바람직하지 않은 요소들은 적당한 전처리 및/또는 후처리에 의해서 기체 혼합물로부터 제거할 수 있다. 표준 기화 장치는 탄소-함유 화합물의 기화로부터 생성되는 위험하거나 원하지 않는 부산물의 방출량을 제어하는 수단이 장착될 수 있다.
본 발명은 또한 탄소가 환원제 역할을 하는 금속-산소 화합물의 환원을 실행하는 장치에 관한 것으로서 하기 장비 a), b), c), d), e) 및 f)를 구비한다:
a) 금속-산소 화합물의 고체 충전물(solid charge)을 보유하기 위해 적합한 제1 공정 반응 챔버;
b) 상기 금속-산소 화합물을 도입시키기 위한 상기 제1 반응 챔버의 입구;
c) 제2 공정 반응 챔버;
d) 상기 제1 공정 반응 챔버에서의 반응 이 후에, 고체 충전물을 상기 제1 공정 반응 챔버로부터 상기 제2 공정 반응 챔버로 이동시키기 위한 수송 수단 (transport mean);
e) 상기 제2 공정 반응 챔버에서 상기 제1 공정 반응 챔버로 CO 기체를 통과시키는 수단; 및
f) 실질적으로 고체인 반응 생성물을 상기 제2 공정 반응 챔버에서 배출시키기 위한 배출 출구.
따라서 예를 들어 반응기는 제1 반응 구역과 제2 반응 구역을 포함하는 것으로 사용한다. 금속-산소 화합물용의 입구에 가까운 제1 반응 구역에서 탄소는 온도와 압력과 같은 작동 파라메터를 선택한 결과로서 부두아 반응에 의해 일산화탄소로부터 형성되며, 금속-산소 화합물의 환원 결과로서 실질적으로 고체인 물질 용 출구에 가까운 제2 반응 구역에서 금속-산소 화합물은 온도 및 압력과 같은 작동 파라메터를 선택한 결과로서 환원된다. 유사한 작동 압력에서 제1 반응 구역의 온도는 제2 반응 구역의 온도 이하인 것이 바람직하다.
제1 및/또는 제2 촉진제 물질을 공정 개시시에 첨가하는 것이 바람직하다는 것을 알아야 한다. 제1 및/또는 제2 금속은 선택적으로 공정 중의 후기 공정 또는 초기 공정 중에 첨가될 수 있으므로 선택적인 추가 입구가 요구된다는 것이 상기에 의해서 명백하게 알 수 있다. 또한 공정 개시 중 또는 공정 중에 부두아-탄소와 유사하고 그라파이트 분말과 같은 적당한 형태인 화합물은 금속-산소 화합물의 환원 반응 중 환원제로서 제공하여 선택적으로 탄소 용의 1개 이상의 추가 입구를 필요로하는 금속-산소 화합물에 첨가할 수 있다.
제2 공정 반응 챔버에 공급되는 열 CO 기체(hot CO gas)를 발생시키기 위한 수단이 장착된 장치가 바람직하다.
본 발명에 따른 추가의 실시양태에서 장치는 또한 기체 반응 생성물의 일부 또는 전부를 공정에 재도입시키기 위한 수단을 포함한다. 또한 장치는 금속-산소 화합물의 환원으로 수득된 실질적으로 고체인 물질의 일부 또는 전부를 공정에 재도입시키기 위한 수단을 포함할 수 있다.
추가의 실시양태에서 반응 구역은 온도와 압력과 같은 작동 파라메터를 보다 독립적으로 선택할 수 있도록 하는 분리 반응기 중에서 발생시키기 위해서 물리적으로 분리시킬 수 있다.
추가의 실시양태에서 장치는 제1 및 제2 공정 반응 챔버 중 1개 이상을 제공하는 유동층을 포함한다. 추가의 실시양태에서 장치는 회전 상로, 회전 킬른로, 샤프트 노, 사이클론 노, 연속 또는 회분식 노를 포함하는 노로부터 선택된 노를 포함한다.
바람직한 실시양태에서 장치는 실질적으로 관 모양이며, 보다 바람직하게는 실질적으로 축대칭 형태(axi-symmetrical shape)이다.
본 발명의 특이 실시양태는 하기의 비(非)제한적 실시예로 지금 설명할 것이며, 하기 개요 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 도식적으로 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시양태를 도식적으로 보여준다.
도 3은 분리된 반응 구역을 갖는 본 발명에 따른 장치의 추가의 실시양태를 도식적으로 보여준다.
바람직한 실시양태의 설명
도 1은 본 발명의 금속-산소 화합물을 환원시키는 장치를 나타내며, 상기 장치는 반응기 (1), 금속-산소 화합물 용의 입구 (2), 제1 및/또는 제2 금속[나타내지는 않았지만, 제1 및/또는 제2 금속은 금속-산소 화합물과 함께 첨가되지 않는한, 상기 경우에 제1 및/또는 제2 금속 입구는 역시 (2)임]의 형태로 제1 및/또는 제2 촉진제 물질 용 입구, 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물 용 입구 (3), 반응기의 상이한 부분을 가열시키기 위한 가열 수단(나타내지 않음), 기체 반응 생성물 용 출구 (4) 및 금속-산소 화합물의 환원의 결과로서 수득되는 실질적으로 고체인 물질 용 출구 (5)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시양태를 나타내며, 장치는 반응기 (1), 금속-산소 화합물 용 입구 (2), 제1 및/또는 제2 금속[나타내지는 않았지만, 제1 및/또는 제2 금속은 금속-산소 화합물과 함께 첨가되지 않는한, 상기 경우에 제1 및/또는 제2 금속 입구는 역시 (2)임]의 형태로 제1 및/또는 제2 촉진제 물질 용 입구, 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물 용 입구 (3), 반응기의 상이한 부분을 가열 또는 냉각시키기 위한 가열 또는 냉각 수단(나타내지 않음), 기체 반응 생성물 용 출구 (4) 및 금속-산소 화합물을 환원시켜 수득되는 실질적으로 고체인 물질 용 출구 (5), 고체 반응물을 운반하기 위한 수송 수단 (6), 출구 (4)에서 공정에 기체 반응 생성물의 일부 또는 전부를 재도입시키기 위한 수단 (7), 및 금속-산소 화합물을 환원시켜 수득되는 실질적으로 고체인 물질 중 일부 또는 전부를 재도입시키기 위한 수단 (8)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시양태를 나타내며, 반응기는 부두아 반응에 의해 주로 탄소가 발생하는 제1 반응기 부분 (9), 금속-산소 화합물의 환원이 주로 발생하는 제2 반응기 부분 (10), 제1 반응기 부분 (9)로부터 제2 반응기 부분 (10)으로 고체 반응물을 운반하기 위한 수송 수단 (11), 제2 반응기 부분 (10)에서 제1 반응기 부분 (9)로 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 운송하는 수송 수단 (11), 금속-산소 화합물의 입구 (2), 제1 및/또는 제2 금속[나타내지는 않았지만, 제1 및/또는 제2 금속은 금속-산소 화합물과 함께 첨가되지 않는 한, 상기 경우에 제1 및/또는 제2 금속 입구는 역시 (2)임]의 형태로 제1 및/또는 제2 촉진제 물질 용 입구, 일산화탄소를 포함하는 기체 혼합물 용 입구 (3), 반응기의 상이한 부분을 가열하거나 또는 냉각시키기 위한 가열 또는 냉각 수단(나타나있지 않음), 기체 반응 생성물 용 출구 (4), 및 금속-산소 화합물의 환원으로부터 수득되는 실질적으로 고체인 물질 용 출구 (5)를 포함한다. 상기 실시양태는 출구 (4)로부터 기체 반응 생성물의 일부 또는 전부를 공정에 재도입시키는 수단 및 촉매 입구를 통해 제1 및/또는 제2 금속으로서 금속-산소 화합물을 공정에서 환원시켜 수득된 실질적으로 고체인 물질의 일부 또는 전부를 재도입시키는 수단을 구비할 수도 있다(도3에서는 나타나있지 않음).
1개 이상의 선택적 입구는 공정 개시 중 및/또는 공정 중에 그라파이트와 같은 적당한 형태이며, 부두아-탄소와 유사한 화합물을 도입시키기 위한 모든 3개의 실시양태에 존재할 수 있다.
본 발명을 설명하고 예증하기 위해서 실시예를 설명할 것이다. 실시예 1 및 2는 단지 본 발명의 제2 반응 공정 중에 수득되는 효과를 설명하였다.
실시예 1
열 중량 분석기(thermal gravimetry analyser)에서 금속-산소 화합물로서 산화철의 균질 혼합물, 금속-산소 화합물을 환원시키기 위한 환원제로서의 탄소 및 제1 및 제2 금속으로서 철을 가열하였다. 탄소의 양은 금속성 철로 산화철을 완전하게 환원시킬 수 있도록 효과적으로 선택하였다. 다량의 혼합물이 환원되는 것은 금속-산소 화합물의 환원을 직접적으로 표시한다. 완전한 환원의 경우에 약 12 질량% 내지 15 질량%의 환원을 기대할 수 있다. 상기 측정으로 650 ℃ 내지 850 ℃ 온도에서 산화철의 완전한 환원이 결정성 탄소, 예컨대 결정성 그라파이트, 합성 그라파이트, 엘레크트로그라파이트(elektrographite) 또는 부두아-탄소를 사용한 경우에 획득된다. 분말 석탄, 활성화 탄소 또는 분말 코크스는 산화철이 900 ℃ 이하에서 환원되지 않거나 또는 단지 일부분만 환원되는 범위내에서 덜 효과적인 것으로 입증되었다. 산화철의 환원에 있어서 무정형 탄소의 활성은 그라파이트와 같은 결정성 탄소의 활성 이하로 입증되었지만 분말 석탄, 활성화 탄소 또는 분말 코크스 이상으로 입증되었다.
실시예 2
스테인레스 스틸 관 및 노, 사출 성형기 형태 스크류가 장착된 반응기에 고체 반응물을 수송 수단으로 올린다. 산화철, 부두아-탄소와 유사하고 적당한 형태인 탄소 및 제1 금속으로서의 철 분말의 혼합물을 관에 도입시키고 온도를 650 ℃ 내지 850 ℃로 만들었다. 산화철은 금속성 철로 신속하게 환원된다.
실시예 3(본 발명의 실시예)
스테인레스 스틸 관이 반응기를 형성하는 도 2에 나타낸 반응기에서 사출 성형기 형태 스크류는 고체 반응물 용의 수송 수단 (6)으로서 올려놓았다. 화살표는 고체 반응물의 수송 방향을 나타낸다. 금속-산소 화합물로서 산화철과 제1 금속으로서 철 분말의 혼합물을 관의 한쪽 끝의 입구 (2)를 통해 도입시키고, 사출 성형기 스크류 (6)로 관의 다른쪽 말단으로 운반한다. 역방향 흐름에서 일산화탄소를 포함하는 열 기체 혼합물을 반응기에서 환원 반응 용 열을 제공하는 입구 (3)을 통해 반응기에 도입시킨다. 기체 혼합물의 유입시 반응물의 온도는 약 900 ℃이고, 고체 반응물의 기체 혼합물의 방출시 온도는 약 550 ℃이다. 반응기의 냉각 말단에서 제1 반응 구역에서 부두아-탄소는 촉매와 관련된 역할을 수행하는 금속성 철의 도움으로 부두아 반응에 의해서 일산화탄소로부터 형성된다. 수득된 이산화탄소는 기체 반응 생성물의 일부로서 출구 (4)를 통해 공정을 떠난다. 부두아-탄소는 고체 반응물 상에서 침전되고, 고체 반응물과 함께 제2 반응 구역에 사출 성형기 스크류에 의해서 운반된다. 상기 제2 반응 구역에서 산화철은 일산화탄소와 이산화탄소의 혼합물 및 금속성 철로 수득된 부두아 탄소에 의해서 환원된다. 실질 적으로 고체인 철 중 일부는 예를 들어 입구 (2)를 통해 제1 금속으로서 수단 (8)에 의해 공정에 재도입될 수 있으며, 기체 반응 생성물 중 일부는 예를 들어 입구 (3)을 통해 수단 (7)에 의해 재도입될 수 있다.
본 발명은 상기에서 기재된 실시양태와 실시예에 제한하지 않으며, 여기서 밝히고 있는 본 발명의 정신 내 및 청구의 범위와 상세한 설명의 범주 내의 모든 및 임의의 실시양태를 포함한다.
Claims (26)
- 금속-산소 화합물의 환원 방법으로서,탄소는 환원제 역할을 하며, 하기 공정 a)와 b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:a) CO가 고체 탄소 및 이산화탄소로 변환되고 이로써 형성된 고체 탄소가 금속-산소 화합물에 도입되는 조건으로, 상기 금속-산소 화합물을 함유하는 반응기 챔버에 CO 기체를 통과시키는 제1 반응 공정;b) 상기 제1 반응 공정에서 금속-산소 화합물에 도입되는 상기 탄소가 상기 금속-산소 화합물을 환원시키는 제2 반응 공정[상기 금속-산소 화합물의 환원을 촉진시키는데 효과적인 제1 촉진제 물질(first promoter material)이 상기 제2 반응 공정에 필수적으로 존재하고, 상기 제1 촉진제 물질은 제1 촉진제 금속 또는 제1 촉진제 금속의 화합물을 포함함].
- 제 1 항에 있어서,방법은 연속적으로 실행되는 것으로, 상기 제1 및 제2 반응 공정은 동시에 실행되고, 상기 금속-산소 화합물은 상기 제1 반응 공정이 실행되는 제1 반응 구역에서 상기 제2 반응 공정이 실행되는 제2 반응 구역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,제2 반응 공정에서 형성되는 CO 기체는 상기 제1 반응 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 반응 공정은 상기 제1 반응 공정의 온도보다 높은 온도에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 촉진제 물질은 상기 제1 촉진제 금속, 제1 촉진제 금속 탄화물(metal carbide), 제1 촉진제 금속 수소화물(metal hydride), 제1 촉진제 금속 질화물(metal nitride) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 촉진제 물질은 분말 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 촉진제 금속은 상기 금속-산소 화합물의 금속과 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,제2 촉진제 물질은 상기 제1 반응 공정에 필수적으로 존재하며, 상기 제2 촉진제 물질은 CO를 탄소 및 이산화탄소로 변환시키는 것을 촉진시키는 제2 촉진제 금속 또는 제2 촉진제 금속의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2 촉진제 물질은 상기 제2 촉진제 금속, 제2 촉진제 금속 탄화물, 제2 촉진제 금속 수소화물, 제2 촉진제 금속 질화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제2 촉진제 물질은 분말 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속-산소 화합물은 분말로부터 형성된 고체라세미혼합물(conglomerate)의 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속-산소 화합물, 상기 제1 촉진제 물질, 및 존재한다면 상기 제2 촉 진제 물질은 이들의 분말로부터 형성된 고체라세미혼합물의 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속-산소 화합물 중의 금속은 Fe, Cu, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt 또는 Ir인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 반응 공정은 650 ℃ 이하에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,금속-산소 화합물은 산화철, 수산화철, 탄산철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것과 같은 철-산소 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 촉진제 금속 및 존재한다면 제2 촉진제 금속은 철인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,상기 제2 반응 공정은 550 ℃ 내지 900 ℃에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 금속-산소 화합물은 2개 이상의 금속-산소 화합물의 혼합물을 포함하며, 금속-산소 화합물 중의 금속은 서로 상이하고, 각각의 금속은 Fe, Cu, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt 또는 Ir인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,샤프트 노(shaft furnace), 용광로(blast furnace), 유동층(fluidised bed), 회전 상로(rotary hearth furnace), 회전 킬른로(rotary kiln furnace), 사이클론 노(cyclone furnace) 또는 회분식 노(batch-type furnace)에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,실질적으로 고체인 반응 생성물은 제2 반응 공정에서 생성되며, 상기 제2 반응 공정에서 수득된 상기 반응 생성물의 일부분은 상기 제1 반응 공정에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,기체 반응 생성물을 추출하고, 공정에 재도입시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 금속-산소 화합물의 환원을 실행하는 장치로서,탄소는 환원제 역할을 하며, 하기 장비 a), b), c), d), e) 및 f)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치:a) 금속-산소 화합물의 고체 충전물(solid charge)을 보유하기 위해 적합한 제1 공정 반응 챔버;b) 상기 금속-산소 화합물을 도입시키기 위한 상기 제1 반응 챔버의 입구;c) 제2 공정 반응 챔버;d) 상기 제1 공정 반응 챔버에서의 반응 이 후에, 고체 충전물을 상기 제1 공정 반응 챔버로부터 상기 제2 공정 반응 챔버로 이동시키기 위한 수송 수단(transport mean);e) 상기 제2 공정 반응 챔버에서 상기 제1 공정 반응 챔버로 CO 기체를 통과시키는 수단; 및f) 실질적으로 고체인 반응 생성물을 상기 제2 공정 반응 챔버에서 배출시키기 위한 배출 출구.
- 제 22 항에 있어서,상기 제1 공정 반응 챔버로부터 수득된 기체 반응 생성물 용의 출구 및 상기 제2 공정 반응 챔버에 기체 반응 생성물을 재도입시키는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,상기 배출 출구를 경유하여 배출된 실질적으로 고체인 반응 생성물을 상기 제1 공정 반응 챔버에 재도입시키는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 공정 반응 챔버에 공급하기 위한 열 CO 기체(hot CO gas)를 발생시키는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,제1 공정 반응 챔버, 제2 공정 반응 챔버, 또는 제1 및 제2 공정 반응 챔버를 제공하는 유동층 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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