KR20070111230A - 탄화수소 함유가스 취입에 의한 용철제조방법 및 이를이용한 용철제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화수소 함유가스 취입에 의한 용철제조방법 및 이를 이용한 용철제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 용철제조방법은, 철광석을 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계, 환원로와 연결된 용융가스화로에 괴상 탄재를 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계, 산소함유가스를 석탄충전층에 취입하여 연소대를 형성하는 단계, 괴상 탄재를 연소대에서 연소시켜 환원가스를 발생시키는 단계, 연소대 형성 후 탄화수소 함유가스를 연소대에 직접 취입하여 환원가스를 추가로 발생시키는 단계, 그리고 환원체를 용융가스화로에 장입하여 환원가스와 접촉시켜 용융하는 단계를 포함한다.

탄화수소 함유가스, 취입, 용융가스화로, 증기

Description

탄화수소 함유가스 취입에 의한 용철제조방법 및 이를 이용한 용철제조장치 {METHOD FOR MANUFACTURING MOLTEN IRONS BY INJECTING A HYDROCARBON GAS AND APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRONS USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 풍구를 상세하게 나타낸 도면이다.

도 3은 도 1의 용철제조장치에서 연소대가 형성되는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치에 포함된 풍구를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 용철 생산량의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 환원제비의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 용철 생산량 및 환원 제비의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 연소대 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 용선 온도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11은 본 발명의 실험예와 종래 기술의 비교예에 따른 용철중 Si량의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 탄화수소 함유가스 취입에 의한 용철제조방법 및 이를 이용한 용철제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용융가스화로에 탄화수소 함유가스를 취입하여 환원철을 용융하는 데 필요한 양질의 환원가스를 발생시키기 위한 용철제조방법 및 이를 이용한 용철제조장치에 관한 것이다.

철강 산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등의 전체 산업에 기초 소재를 공급하는 핵심기간산업으로서, 인류의 발전과 함께하여 온 가장 역사가 오래된 산업중의 하나이다. 철강 산업의 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 14세기부터 개발된 고로법으로부터 생 산되고 있다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코크스 등을 고로에 함께 넣고 열풍을 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다. 그러나 고로법은 코크스 및 소결광 제조를 위한 부대 설비가 필요할 뿐만 아니라 부대 설비로 인한 환경 오염이 심각한 문제점이 있다.

이러한 고로법의 문제점을 해결하기 위하여, 세계 각국은 용융환원제철법의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 용융환원제철법에서는 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하고, 철원으로는 광석을 직접 사용하여 용융가스화로에서 용철을 제조한다. 여기서는, 용융가스화로 외벽에 설치된 다수의 풍구를 통해 산소가 취입되어 용융가스화로내의 석탄충전층을 연소시킨다. 산소는 고온의 환원가스로 전환되어 환원로로 보내져서 철광석을 환원한 후 외부로 배출된다.

용융가스화로에는 열원으로서 괴탄 또는 성형탄 등의 석탄이 장입된다. 석탄의 장입량에 따라 제조 비용이 좌우된다. 그러므로 석탄의 장입량을 최소화하기 위해서는 환원율이 높은 철광석을 용융가스화로에 장입해야 한다. 이를 위해서는 양질의 환원가스를 환원로에 공급하여 철광석의 환원율을 최대한 높여 주어야 한다.

환원가스에 함유된 수소(H₂) 및 일산화탄소(CO)를 이용하여 철광석을 환원시킬 수 있다. 따라서 환원가스가 생성되는 용융가스화로에서 다량의 수소 및 일산화탄소가 발생되어야 한다. 이와 같이 많은 양의 환원가스를 발생시키기 위해서는 용융가스화로에서 필요 이상으로 많은 석탄 연료를 연소시켜야 하는 문제점이 있 다.

또한, 용융가스화로에는 순산소가 취입되므로, 촤(char) 또는 코크스가 연소되는 연소대의 온도가 약 4000℃ 정도로 높다. 이와 같이 연소대의 온도가 높으므로, 용융가스화로의 하부에 과도한 열부하를 주게 된다. 따라서 순산소를 취입하는 풍구가 용해되어 손상되는 경우가 많다. 또한, 노하부의 내화물이 손상되어 용융가스화로의 수명이 짧아지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄화수소 함유가스를 취입하여 환원가스의 양을 증대시키면서 그 품질도 향상시킬 수 있는 용철제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 전술한 용철제조방법을 이용한 용철제조장치를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 용철제조방법은, 철광석을 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계, 환원로와 연결된 용융가스화로에 괴상 탄재를 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계, 산소함유가스를 석탄충전층에 취입하여 연소대를 형성하는 단계, 괴상 탄재를 연소대에서 연소시켜 환원가스를 발생시키는 단계, 연소대 형성 후 탄화수소 함유가스를 연소대에 직접 취입하여 환원가스를 추가로 발생시키는 단계, 그리고 환원체를 용융가스화로에 장입하여 환원가스와 접촉시켜 용융하는 단계를 포함한다.

환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 탄화수소 함유가스의 취입 유속은 산소함유가스의 취입 유속보다 작은 것이 바람직하다.

탄화수소 함유가스의 취입 유속에 대한 산소함유가스의 취입 유속의 비는 1.5 내지 3.0인 것이 바람직하다.

환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 탄화수소 함유가스는 산소함유가스와 이격된 상태로 용융가스화로 내부로 취입되는 것이 바람직하다.

산소함유가스는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 용융가스화로 내부로 취입되고, 산소함유가스가 취입되는 풍구의 풍구경(Φ)과, 탄화수소 함유가스의 용융가스화로내 취입 위치로부터 탄화수소 함유가스의 점화개시위치까지의 수평 거리(F)는 7.0 = F/Φ = 14.0을 만족하는 것이 바람직하다.

환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 탄화수소 함유가스는 용융가스화로에 설치한 랜스를 통하여 연소대에 취입되고, 랜스 출구에서의 탄화수소 함유가스의 유속은 랜스 입구에서의 탄화수소 함유가스의 유속보다 큰 것이 바람직하다.

연소대를 형성하는 단계에서, 산소함유가스에 증기를 혼합하여 공급하는 것이 바람직하다.

증기는 산소함유가스와 함께 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 용융가스화로 내부로 취입되고, 증기와 산소함유가스가 혼합개시위치에서 이루는 각은 18° 내지 26°인 것이 바람직하다.

증기는 용융가스화로에 취입되기 전에 산소함유가스와 혼합되고, 산소함유가스가 취입되는 풍구의 풍구경(Φ), 산소함유가스와 이격된 상태로 탄화수소 함유가 스를 취입하는 랜스의 직경(d), 및 산소함유가스의 용융가스화로내 취입 위치로부터 증기와 산소함유가스의 혼합개시 위치까지의 수평 거리(L)는 10.0 = L/(Φ+d) = 20.0을 만족하는 것이 바람직하다.

환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 탄화수소 함유가스는 액화천연가스(liquid natural gas, LNG), 액화석유가스(liquid petroleum gas, LPG), 고로가스(blast furnace gas, BFG) 및 코크스오븐가스(cokes oven gas, COG)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용철제조방법은, 용융가스화로에서 발생한 환원가스를 환원로에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 용철제조장치는, 철광석을 환원하여 환원체로 변환하는 환원로, 그리고 환원로와 연결되어 환원체가 장입되고 괴상 탄재가 내부로 장입되어 석탄충전층을 형성하고 용철을 제조하는 용융가스화로를 포함한다. 산소함유가스가 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성하여 환원가스를 발생시키고, 연소대 형성 후 탄화수소 함유가스를 연소대에 직접 취입하여 환원가스를 추가로 발생시키며, 환원가스를 환원체와 접촉시켜 용철을 제조한다.

탄화수소 함유가스의 취입 유속은 산소함유가스의 취입 유속보다 작은 것이 바람직하다.

탄화수소 함유가스의 취입 유속에 대한 산소함유가스의 취입 유속의 비는 1.5 내지 3.0인 것이 바람직하다.

용융가스화로는 그 측면에 설치된 풍구를 더 포함하고, 풍구는 산소함유가스 를 용융가스화로에 취입하는 관통공과, 관통공과 이격되어 탄화수소 함유가스를 용융가스화로에 취입하는 랜스를 포함하는 것이 바람직하다.

탄화수소 함유가스가 빠져나가는 랜스 출구의 내경은 탄화수소 함유가스가 유입되는 랜스 입구의 내경보다 작은 것이 바람직하다.

랜스의 내경은 랜스 출구 부근에서 탄화수소 함유가스가 흐르는 방향을 따라 점차 좁아지다가 다시 랜스의 출구측으로 갈수록 동일하게 유지되는 것이 바람직하다.

풍구에서 산소함유가스가 용융가스화로에 취입되는 풍구경(Φ)과 탄화수소 함유가스의 용융가스화로내 취입 위치로부터 탄화수소 함유가스의 점화개시위치까지의 수평 거리(F)는 7.0 = F/Φ = 14.0을 만족하는 것이 바람직하다.

풍구는 증기를 취입하기 위한 증기 취입관과 연결되는 것이 바람직하다.

증기는 용융가스화로내에 취입되기 전에 산소함유가스와 혼합되고, 증기가 산소함유가스와 혼합시 이루는 각도는 18° 내지 26°인 것이 바람직하다.

증기는 용융가스화로에 취입되기 전에 산소함유가스와 혼합되고, 산소함유가스가 취입되는 풍구의 풍구경(Φ), 랜스의 직경(d), 및 산소함유가스의 용융가스화로내 취입 위치로부터 증기와 산소함유가스의 혼합개시 위치까지의 수평 거리(L)는 10.0 = L/(Φ+d) = 20.0을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용철제조장치는 용융환원로에서 발생한 환원가스를 환원로에 공급하는 환원가스 공급관을 더 포함할 수 있다.

환원로는 유동층형 환원로인 것이 바람직하다.

환원로는 충전층형 환원로인 것이 바람직하다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 통하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치(100)를 나타낸다. 도 1에 도시한 용철제조장치(100)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 용철제조장치(100)를 다른 형태로 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 용철제조장치(100)는 환원로(30) 및 용융가스화로(60)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 환원로(30)에서는 철광석을 장입하여 환원한다. 필요에 따라 부원료를 사용할 수도 있다. 환원로(30)에 장입할 철광석은 괴상 형태로 사전 건조된다. 철광석은 환원로(30)를 통과하면서 환원체로 변환된다. 환원로(30)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(60)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다. 철광석은 충전층을 통과하면서 환원체로 변환된다.

용융가스화로(60)의 상부로부터 괴상 탄재가 장입되어 그 내부에 석탄충전층을 형성한다. 괴상 탄재로는 괴탄 또는 성형탄을 예로 들 수 있다. 성형탄은 미분탄을 가압 성형하여 제조한다. 이외에 필요에 따라 코크스를 장입할 수도 있다. 용융가스화로(60)의 외벽에는 다수의 풍구(80)를 설치하여 산소함유가스와 탄화수소 함유가스를 취입한다. 산소함유가스는 산소를 함유한 가스를 의미하여 실온의 순산소를 사용할 수도 있다. 산소함유가스는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 괴상 탄재는 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

탄화수소 함유가스는 탄화수소를 함유하는 모든 가스를 의미한다. 예를 들면, 액화천연가스(liquid natural gas, LNG), 액화석유가스(liquid petroleum gas, LPG), 고로가스(blast furnace gas, BFG) 및 코크스오븐가스(cokes oven gas, COG) 등을 사용할 수 있다. 따라서 전술한 탄화수소 함유가스들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 선택하여 사용할 수 있다.

탄화수소 함유가스를 용융가스화로에 취입하면, 철광석의 환원에 필요한 환원가스의 발생량이 증가한다. 탄화수소 함유가스 중의 하나로 전술한 LNG를 예로 들 수 있다. 동일한 양의 LNG 및 석탄을 용융가스화로에 장입할 경우, 가스 발생량은 다음의 표 1과 같다.

표 1에 나타낸 바와 같이, LNG는 석탄에 비해 약 2.2배 정도 많은 양의 환원가스를 발생시킨다. 특히, 환원가스 중에서 수소 성분이 크게 증가한다. 수소는 일산화탄소에 비해 환원력이 3배 이상 높다. 따라서 용융가스화로에 탄화수소 함유가스를 취입하면 양질의 환원가스를 다량으로 얻을 수 있다.

양질의 환원가스를 다량으로 환원로에 공급하면, 환원로에서 환원철의 환원율이 증가하므로, 용융가스화로에서 환원철의 추가적인 환원 부담이 경감된다. 따라서 환원제비가 감소한다. 그리고 일정한 환원율 조건하에서는 환원철의 생산량이 증가한다. 그러므로, 용융가스화로의 노체를 통한 열손실량이 감소되어 용철 제조에 따른 환원제 비용이 절감된다.

환원로(30)에서 환원된 환원체는 용융가스화로(60) 상부를 통해 장입되어 석탄충전층을 통과하면서 용융된다. 환원체는 환원가스와 직접 접촉하여 용융된다. 이러한 방법을 이용하여 용철을 제조할 수 있다. 용융가스화로(60)의 하부에는 출탕구가 설치되어 용철 및 슬래그를 외부로 배출한다.

용융가스화로(60) 내부에 형성된 석탄충전층으로부터 수소 및 일산화탄소를 함유하는 환원가스가 생성된다. 용융가스화로(60)의 상부는 돔형으로 형성되어 있으므로, 환원가스의 생성에 유리하다. 용융가스화로(60)에서 배출된 환원가스는 환원가스 공급관(70)을 통하여 환원로(30)에 공급된다. 따라서 철광석을 환원가스에 의해 환원 및 소성할 수 있다. 도 1에는 환원가스가 환원로(30)에 공급되는 것으로 도시하였지만, 다른 장치로부터 환원로(30)에 직접 환원가스를 공급할 수도 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 전술한 용융가스화로(60)에 설치된 풍구(80)를 통하여 산소함유가스와 탄화수소함유가스를 취입할 수 있다. 도 2에는 풍구(80)의 단면 구조를 나타낸다. 또한, 도 2에 도시한 랜스(603)는 소정의 두께를 가진다. 도 2에 도시한 풍구(80)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 풍구(80)의 구조를 다른 형태로 다양하게 변형할 수 있다.

풍구(80)의 내부에는 다수의 냉각도관(605)이 형성되어 풍구(80)를 냉각시킨다. 따라서 용융가스화로 내부의 고온에 노출된 풍구(80)가 손상되는 것을 방지한다.

산소함유가스는 풍구(80)의 관통공(601)을 통하여 용융가스화로에 취입된다. 한편, 탄화수소 함유가스는 풍구(80)의 랜스(603)를 통하여 용융가스화로에 취입된다. 탄화수소 함유가스는 산소함유가스와 이격된 상태로 용융가스화로의 내부로 취입된다. 탄화수소 함유가스와 산소함유가스를 사전 혼합하여 장입하는 경우, 탄화수소 함유가스가 산소함유가스로 인해 착화되어 고열이 발생한다.

즉, 산소가 높은 산화성을 가지기 때문에 연소대의 온도는 약 4,000℃ 정도로 높다. 고온에 기인한 복사열에 의하여 풍구 내부에서 탄화수소 함유가스가 연소되어 풍구가 용손될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 탄화수소 함유가스와 산소함유가스를 이격시켜 용융가스화로의 내부로 취입한다. 탄화수소 함유가스는 랜스(603)를 통하여 취입되므로, 탄화수소 함유가스와 산소가 풍구 내부에서 서로 만나지 못한다. 이러한 구조에 따라 풍구(80)의 단부(6011)의 열부하를 대폭 저감할 수 있어서, 탄화수소 함유가스가 연소대 내부로 안정적으로 취입될 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 랜스(603)를 통하여 탄화수소 함유가스가 흐른다. 랜스(603)의 입구를 통하여 탄화수소 함유가스가 유입되고, 랜스(603)의 출구를 통하여 탄화수소 함유가스가 빠져나간다. 여기서, 랜스(603) 출구의 내경은 랜스(603) 입구의 내경보다 작다. 랜스(603)가 이러한 구조를 가지므로, 탄화수소 함유가스가 랜스(603)를 통과시 탄화수소 함유가스의 종속은 탄화수소 함유가스의 초속보다 커진다. 따라서 고속의 탄화수소 함유가스에 의한 압력 손실을 최소화하면서 랜스(603) 출구에서의 탄화수소 함유가스의 취입 유속을 좀더 높일 수 있다. 탄화수소 함유가스의 종속은 그 초속에 비해 더 커지므로, 탄화수소 함유가스를 용융가스화로 내부로 용이하게 취입할 수 있다.

탄화수소 함유가스의 흐름을 좀더 원활하게 하기 위해서, 랜스(603)는 도 2에 도시한 바와 같은 형태를 가지는 것이 바랍직하다. 즉, 랜스(603)의 내경은 랜스(603)의 출구 부근에서 탄화수소 함유가스가 흐르는 방향을 따라 점차 좁아진다. 다시, 랜스(603)의 내경은 랜스(603)의 출구측으로 갈수록 동일하게 유지된다.

그리고 도 2에 도시한 바와 같이, 탄화수소 함유가스를 산소함유가스에 의해 형성된 연소대에 직접 취입한다. 즉, 탄화수소 함유가스는 풍구(80) 내에서 산소함유가스와 혼합되지 않고 바로 연소대에 취입된다. 연소대에 직접 취입된 탄화수소 함유가스는 연소대에서 바로 연소 및 개질된다. 따라서 환원체의 용융에 필요한 열량과 환원에 필요한 수소를 다량 함유한 환원가스를 추가로 발생시킬 수 있다.

석탄충전층을 형성하는 촤를 연소시키기 위해서 산소함유가스를 먼저 융융가스화로에 취입한다. 산소함유가스의 유속은 170m/s 내지 230m/s 정도이므로, 산소함유가스가 가지는 운동 에너지는 풍구 앞으로 낙하하는 석탄 촤를 밀어낸다. 따라서 풍구 앞에 연소대를 형성한다. 연소대는 빈 공간이며, 석탄 촤는 이 연소대 주변에서 주로 연소된다. 산소함유가스에 포함된 산소는 풍구(80) 앞에 형성된 연소대에서 다음의 화학식 1의 반응에 의해 열을 발생시킨다.

즉, 탄소 1kg은 당량의 산소와 반응하여 2,200 kcal의 열을 발생시킨다. 이 탄소 연소열에 의해 용융가스화로의 연소대의 온도는 약 4,000℃로 높다. 연소대의 온도가 이와 같이 높으므로, 풍구의 선단이 용용되어 손상될 수 있고, 용융가스화로 내부에 설치된 내화물을 손상시킬 수 있다. 그리고 용철내에서 불순물인 실리콘의 함량이 증가할 수 있다.

그러나 본 발명의 제1 실시예에서는 탄화수소 함유가스를 연소대에 직접 취입하므로, 연소대의 온도를 낮출 수 있어서 전술한 문제점을 방지할 수 있다. 연소대에 취입된 탄화수소 함유가스에 포함된 탄화수소는 다음의 화학식 2와 같이 분해된다.

용융가스화로로 취입된 탄화수소 함유가스는 화학식 2를 통하여 탄소와 수소로 분해된다. 이 경우, CH₄ 1kg 당 약 1,380 kcal의 열을 다량 흡수한다. 따라서 연소대의 온도를 3,000℃ 이하로 낮출 수 있다. 그러므로 풍구 및 내화물을 보호할 수 있고 용철의 품질을 향상시킬 수 있다.

산소함유가스는 연소대를 형성하기 위하여 탄화수소 함유가스보다 빠른 속도로 취입된다. 즉, 탄화수소 함유가스의 취입 유속은 산소함유가스의 취입 유속보다 작다. 따라서 산소함유가스에 의해 환원가스를 일단 발생시킨 후, 탄화수소 함유가스에 의해 환원가스를 추가적으로 발생시킬 수 있다.

탄화수소 함유가스의 취입 유속에 대한 산소함유가스의 취입 유속의 비는 1.5 내지 3.0 으로 유지한다. 이 비가 1.5 미만이면, 탄화수소 함유가스와 산소함유가스가 함께 취입되므로, 착화가 일어나 풍구(80)의 단부(6011)가 용융되어 손상될 수 있다. 반대로, 이 비가 3.0을 넘으면, 연소대의 형성에 영향을 미쳐서 연소가 불완전할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시한 풍구(80)가 작동하는 상태를 개략적으로 나타낸다. 도 3에 도시한 풍구(80)의 작동 상태는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

도 3에 도시한 바와 같이, 풍구(80)를 통하여 공급된 산소함유가스에 의해 석탄 촤베드에 연소대를 형성하여 환원가스를 발생시킨다. 또한, 풍구(80)를 통해 공급된 탄화수소 함유가스는 연소대에 직접 취입되어 환원가스를 추가로 발생시킨다.

연소대내에서 탄화수소 함유가스가 효율적으로 개질되기 위해서는 각도(θ)와 연소초점거리(F)를 적절하게 조절해야 한다. 각도(θ)는 산소함유가스 및 탄화수소 함유가스가 취입시 이루는 각도를 의미한다. 연소초점거리(F)는 탄화수소 함유가스의 용융가스화로내 취입 위치(a)로부터 탄화수소 함유가스의 점화개시위치(b)까지의 수평 거리를 의미한다. 즉, 풍구 단부로부터 탄화수소가스의 연소가 일어나는 수평거리를 의미한다. 여기서, 수평 거리는 취입 위치(a)와 점화개시위치(b) 사이를 실제 측정한 거리가 아니라 중력 방향과 직각을 이루는 거리를 의미한다.

각도(θ)는 랜스(603)를 조정하여 적절하게 조절할 수 있다. 각도(θ)가 지나치게 크면, 연소초점거리(F)가 지나치게 짧아져서 풍구에 대한 열부하가 증대된다. 또한, 각도(θ)가 지나치게 작으면, 연소초점거리(F)가 지나치게 길어져서 탄화수소 함유가스의 착화가 지연된다. 각도(θ)의 크기는 풍구의 직경에 따라 변한다. 도 3에서 풍구경(Φ)은 풍구(80)에서 산소함유가스가 용융가스화로에 취입되는 경우의 관통공(601)의 직경을 의미한다.

여기서, F/Φ는 7.0 이상이고, 14.0 이하인 것이 바람직하다. 개질 효율은 이 범위에서 최적화될 수 있다. F 및 Φ의 단위는 전부 mm이다. F/Φ가 7.0 미만이면, 풍구에 열이 가해져서 풍구가 손상될 수 있다. 또한, F/Φ가 14.0을 넘으 면, 탄화수소 함유가스가 연소대내에서 완전히 개질되지 못하고 연소대를 빠져 나간다.

도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치에 포함된 가스취입장치(90)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 4에 도시한 가스취입장치(90)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 가스취입장치(90)에 포함된 풍구(80)는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치에 포함된 풍구와 동일하므로, 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 4에 도시한 가스취입장치(90)는 증기 취입관(701)을 포함한다. 증기는 산소함유가스와 용융가스화로에 취입하기 전에 혼합된다. 증기를 산소함유가스와 혼합하여 취입함으로써 풍구(80)에 증기를 취입하기 위한 별도의 증기 취입관을 설치할 필요가 없다. 따라서 풍구(80)의 구조를 간단하게 만들 수 있다. 산소함유가스는 블로우 파이프(703)를 통하여 용융가스화로의 내부로 공급되므로, 증기와 잘 혼합된다.

증기는 연소대에서 탄화수소 함유가스와 직접 접촉하여 탄화수소 함유가스의 개질 반응을 촉진시킨다. 이 개질 반응을 다음의 화학식 3에 나타낸다. 여기서, CH₄는 탄화수소 함유가스의 주성분이다.

화학식 3에 기재한 바와 같이, 증기는 탄화수소 함유가스와 접촉하여 일산화 탄소 및 수소로 분해되면서 주변의 열을 흡수하는 흡열 반응을 일으킨다. 흡열 반응시 CH₄ 1mol당 228,000kJ의 열량을 소모한다. 흡열반응에 의해 연소대의 온도를 저감시킬 수 있다. 따라서 연소대가 풍구(80) 및 용융가스화로 내벽에 가하는 열부하를 경감시켜서 열화되거나 용손되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 증기와 탄화수소 함유가스의 접촉 현상을 화학식을 순차적으로 사용하여 좀더 상세하게 설명하면 다음의 화학식 4와 같다.

전술한 화학식 4에 기재한 바와 같이, 증기는 탄화수소 함유가스의 개시제 역할을 한다. 즉, 증기는 탄화수소 함유가스가 가진 탄소를 일산화탄소로 전환시킨다. 탄화수소 함유가스가 증기와 반응하여 생성된 일산화탄소와 수소는 연소대에서 연소되어 이산화탄소와 물로 된다. 이산화탄소와 물은 연소대를 빠져나가 석탄 촤베드층을 통과하면서 석탄 촤와 반응하여 다시 일산화탄소와 수소로 전환된 다.

일산화탄소와 수소를 포함하는 환원가스는 용융가스화로내에서 상승하면서 환원체에 잔존하는 산소를 제거하여 환원체를 완전히 환원시킨다. 특히, 환원가스는 용융가스화로 내부의 촤 베드를 통과하면서 상승한다. 이 경우, 다량의 열을 노 하부로부터 노 상부로 전달하며 환원가스는 환원로로 보내져서 철광석의 환원율을 좀더 높일 수 있다. 따라서 예를 들면, 철광석의 환원율을 70% 내지 80% 정도로 조절할 수 있다. 특히, 증기는 일산화탄소에 비해 환원력이 뛰어난 수소를 일산화탄소의 3배 정도로 많이 발생시키므로, 철광석을 환원하는 데 유리하다.

도 4에 도시한 바와 같이, 증기는 용융가스화로 내부로 취입되기 전에 산소함유가스와 혼합된다. 산소함유가스가 상온 상태일 수 있으므로, 물의 응축으로 인한 설비 파손을 방지하기 위하여 수분을 증기 상태로 취입해야 한다. 더욱이, 증기도 블로우 파이프(703) 또는 풍구(80)에서 응축될 수 있다. 이 경우, 물이 산소함유가스의 고속 흐름을 저하시킨다. 따라서 가스취입장치(90) 전체의 압력 손실이 발생하여 연소대에 의해 풍구(80)가 용융되어 손상될 수도 있다. 따라서 증기가 응축되지 않도록 그 설치 위치를 적절하게 조절할 필요가 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 증기가 산소함유가스와 혼합시 이루는 각도(α)는 18° 내지 26°인 것이 바람직하다. 증기 취입관(701)을 블로우 파이프(703)에 설치하는 경우, 설계상 각도(α)를 18° 미만으로 하는 것은 불가능하다. 또한, 각도(α)가 26°를 넘으면, 산소함유가스의 흐름을 방해하여 증기가 응축될 수 있다. 따라서 각도(α)를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

도 4에서 풍구의 풍구경을 Φ, 랜스의 직경을 d, 그리고 산소함유가스의 용융가스화로내 취입 위치(c)로부터 증기와 산소함유가스의 혼합개시 위치(e)까지의 수평 거리(L)는 일정한 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, L/(Φ+d)은 10.0 이상이거나 20.0 이하인 것이 바람직하다.

L/(Φ+d)이 10.0 미만이면, 증기와 산소함유가스가 잘 혼합되지 않는다. 또한, L/(Φ+d)이 20.0을 넘으면 취입된 증기와 산소가 혼합되는 과정에서 증기가 응축된다. 따라서 전술한 범위를 만족하도록 증기 취입관(701)의 설치 위치를 조절하는 것이 필요하다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치(300)를 나타낸다. 도 5에 도시한 용융가스화로(60)는 도 1에 도시한 용용가스화로와 동일하므로, 편의상 동일한 도면 부호를 사용하며 그 자세한 설명을 생략한다.

용철제조장치(300)는 하나 이상의 유동환원로(20), 용융가스화로(60), 환원가스 공급관(70) 및 괴성체 제조 장치(40)를 포함한다. 이외에, 괴성체 제조 장치(40)에서 제조한 괴성체를 용융가스화로(60)로 이송하기 위한 고온 균배압 장치(50)를 더 포함할 수 있다. 고온 균배압 장치(50)는 괴성체 제조 장치(40)에서 제조한 괴성체를 용융가스화로(60)로 압송한다. 괴성체 제조 장치(40)와 고온 균배압 장치(50)는 필요에 따라 생략할 수 있다.

용철제조장치(300)는 분철광석을 사용할 수 있다. 필요에 따라 부원료를 사용할 수도 있다. 유동환원로(20)의 내부에는 유동층이 형성되어 철광석을 환원한다. 유동환원로(20)는 제1 유동환원로(201), 제2 유동환원로(203), 제3 유동환원 로(205) 및 제4 유동환원로(207)를 포함한다. 도 5에는 4개의 유동환원로(20)를 도시하였지만, 이는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 3개의 유동환원로를 사용할 수도 있다.

제1 유동환원로(201)는 제2 유동환원로(203)에서 배출되는 환원가스로 철광석을 예열한다. 제2 유동환원로(203) 및 제3 유동환원로(205)는 예열한 철광석을 예비 환원한다. 그리고 제4 유동환원로(207)은 예비 환원한 철광석을 최종 환원하여 환원체로 변환한다.

철광석은 유동환원로(20)를 통과하면서 환원 및 가열된다. 이를 위하여 용융가스화로(60)에 생성된 환원가스가 환원가스 공급관(70)을 통하여 유동환원로(20)에 공급된다. 환원된 철광석은 괴성체 제조 장치(40)를 통하여 괴성체로 제조된다.

괴성체 제조 장치(40)는, 장입 호퍼(401), 한 쌍의 롤(403), 파쇄기(405) 및 저장조(407)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 다른 장치를 더 포함할 수 있다. 장입 호퍼(401)는 유동환원로(20)를 거치면서 환원된 철광석을 저장한다. 철광석은 장입 호퍼(401)로부터 한 쌍의 롤(403)로 장입되면서 스트립 형태로 압착 성형된다. 이와 같이 압착 성형된 철광석은 파쇄기(405)에서 파쇄되어 저장조(407)에 괴성체로 저장된다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 본 발명의 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실험예에서는 도 5에 도시한 용철제조장치를 사용하여 용철을 제조하였다. 용철제조장치의 측벽에 26개의 풍구를 설치하였고, 풍구의 직경은 23mm 이었다. 용철 생산량은 2500 t-p/d이었고, 송풍 산소량은 36,000 m³/hr 이었다. 용융가스화로의 연소대 온도는 액화천연가스 취입전에 3,850℃ 이었다. 용융가스화로에 25~50 kg/thm의 액화천연가스를 취입하여 용철을 제조하였다.

종래 기술의 비교예의 실험 조건은 액화천연가스의 취입을 제외하고는 전술한 본 발명의 실험예의 실험 조건와 동일하다.

이외의 상세한 용철제조방법은 본 발명아 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다. 실험예와 비교예에 따른 실험 결과를 설명하면 다음과 같다.

용철생산량 및 환원제비

도 6에 도시한 바와 같이, 실험예의 경우 1일간 용철 생산량이 2250톤이었던 데 비해, 비교예의 경우 1일간 용철 생산량은 2100톤이었다. 따라서 실험예의 경우 비교예에 비해 용철 생산량이 150톤 증대되는 결과를 얻었다. 즉, 실험예에서는 LNG 취입에 의해 용융가스화로의 수소 발생량을 증가시킴으로써 일정한 환원율을 가지는 환원철의 생산량이 증가하였다.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 실험예의 경우 환원제는 용철 1톤을 생산하기 위하여 790kg이 소요되었다. 반면에, 비교예의 경우 환원제는 용철 1톤을 생산하기 위하여 850kg이 소요되었다. 따라서 실험예는 비교예에 비해 환원제를 60kg 적게 사용할 수 있었다. 이는 용철 생산량이 증가하면서 용융가스화로의 노체를 통해 손실되는 방열량이 감소한 것에 기인한다.

도 8은 전술한 용철 생산량과 환원제비를 같이 나타낸 그래프이다. 도 8에서 실험예는 ■으로, 비교예는 ●으로 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 실험예는 주로 도 8의 우측 하단에 위치한다. 따라서 환원제비는 낮으면서 용철 생산량은 많은 것을 알 수 있다. 반면에, 비교예는 주로 도 8의 좌측 상단에 위치한다. 따라서 환원제비는 높으면서 용철 생산량은 적은 것을 알 수 있다. 따라서 실험예는 비교예에 비해 제조 비용을 최소화하면서 용철을 제조할 수 있다.

도 9 및 도 10은 각각 실험예와 비교예에 있어서 용철 온도와 연소대 온도를 나타낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 실험예의 경우 용철 온도는 1495℃인데 비해 비교예의 경우 용철 온도는 1515℃이었다. 따라서 실험예의 경우 비교예에 비해 용철 온도가 20℃ 정도 낮아지는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 실험예의 경우 연소대 온도는 3850℃인데 비해 비교예의 경우 연소대 온도는 3570℃로 크게 낮았다. 따라서 실험예는 비교예에 비해 연소대 온도가 280℃ 낮았다. 이와 같이 연소대 온도가 낮아지면, 풍구가 덜 파손된다. 즉, 연소대 온도가 낮아지면서 풍구 선단부의 열부하가 감소된다. 따라서 풍구가 용융되어 파손되는 현상이 없어지므로, LNG 취입시 용융가스화로 조업이 안정된다. 또한, 연소대 온도가 낮아지면 용철 내의 실리콘 함량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 도 11을 참조하여 이하에서 좀더 상세하게 설명한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 실험예의 경우 용철 중 [Si]는 0.9% 정도로 적었다. 반면에, 인용예의 경우 용철 중 [Si]는 1.3% 정도로 실험예에 비해 0.4% 많았다. 실험예와 같이 LNG를 취입하면 용철 온도와 연소대 온도가 낮아지면서 안정된다. (도 9 및 도 10 참조) 연소대 온도가 낮아지면, 촤내의 애쉬(ash) 성분 중에서 실리카(SiO₂) 가 SiO 가스로 전환되는 속도 및 양이 감소한다. 따라서 하기의 화학식 5에 나타낸 바와 같이, SiO 가스가 용철에 가규 작용을 덜 일으키게 된다.

용철 중 실리콘의 함량이 높으면 용철의 품질이 저하되므로, 제강 공정에서 용철 중의 실리콘을 제거해야 한다. 따라서 용철제조비용이 증가한다. 그러므로실험예와 같이 LNG를 취입함으로써 용철의 품질을 향상시켜 용철제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 따른 용철제조방법에서는 탄화수소 함유가스를 취입하므로, 환원력이 높은 환원가스를 생산할 수 있다. 따라서 철광석의 환원율을 향상시킬 수 있으므로 용철 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

탄화수소 함유가스의 분해열을 이용하여 용융가스화로 하부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 탄화수소 함유가스가 분해되면서 많은 양의 가스가 방출되어 용융가스화로 하부의 열을 석탄충전층의 상부 공간으로 효율 적으로 전달할 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (24)

1. 철광석을 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계,

   상기 환원로와 연결된 용융가스화로에 괴상 탄재를 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계,

   산소함유가스를 상기 석탄충전층에 취입하여 연소대를 형성하는 단계,

   상기 괴상 탄재를 상기 연소대에서 연소시켜 환원가스를 발생시키는 단계,

   상기 연소대 형성 후 탄화수소 함유가스를 상기 연소대에 직접 취입하여 환원가스를 추가로 발생시키는 단계, 및

   상기 환원체를 상기 용융가스화로에 장입하여 상기 환원가스와 접촉시켜 용융하는 단계

   를 포함하는 용철제조방법.
2. 제1항에서,

   상기 환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 상기 탄화수소 함유가스의 취입 유속은 상기 산소함유가스의 취입 유속보다 작은 용철제조방법.
3. 제2항에서,

   상기 탄화수소 함유가스의 취입 유속에 대한 상기 산소함유가스의 취입 유속의 비는 1.5 내지 3.0인 용철제조방법.
4. 제1항에서,

   상기 환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 상기 탄화수소 함유가스는 상기 산소함유가스와 이격된 상태로 상기 용융가스화로 내부로 취입되는 용철제조방법.
5. 제4항에서,

   상기 산소함유가스는 상기 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 상기 용융가스화로 내부로 취입되고, 상기 산소함유가스가 취입되는 상기 풍구의 풍구경(Φ)과, 상기 탄화수소 함유가스의 상기 용융가스화로내 취입 위치로부터 상기 탄화수소 함유가스의 점화개시위치까지의 수평 거리(F)는 하기의 식을 만족하는 용철제조방법.

   7.0 = F/Φ = 14.0
6. 제1항에서,

   상기 환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 상기 탄화수소 함유가스는 상기 용융가스화로에 설치한 랜스를 통하여 상기 연소대에 취입되고, 상기 랜스 출구에서의 상기 탄화수소 함유가스의 유속은 상기 랜스 입구에서의 상기 탄화수소 함유가스의 유속보다 큰 용철제조방법.
7. 제1항에서,

   상기 연소대를 형성하는 단계에서, 상기 산소함유가스에 증기를 혼합하여 공급하는 용철제조방법.
8. 제7항에서,

   상기 증기는 상기 산소함유가스와 함께 상기 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 상기 용융가스화로 내부로 취입되고, 상기 증기와 상기 산소함유가스가 혼합개시위치에서 이루는 각은 18° 내지 26°인 용철제조방법.
9. 제7항에서,

   상기 증기는 상기 용융가스화로에 취입되기 전에 상기 산소함유가스와 혼합되고, 상기 산소함유가스가 취입되는 상기 풍구의 풍구경(Φ), 상기 산소함유가스와 이격된 상태로 상기 탄화수소 함유가스를 취입하는 랜스의 직경(d), 및 상기 산소함유가스의 상기 용융가스화로내 취입 위치로부터 상기 증기와 상기 산소함유가스의 혼합개시 위치까지의 수평 거리(L)는 하기의 식을 만족하는 용철제조방법.

   10.0 = L/(Φ+d) = 20.0
10. 제1항에서,

    상기 환원가스를 추가로 발생시키는 단계에서, 상기 탄화수소 함유가스는 액화천연가스(liquid natural gas, LNG), 액화석유가스(liquid petroleum gas, LPG), 고로가스(blast furnace gas, BFG) 및 코크스오븐가스(cokes oven gas, COG)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 포함하는 용철제조방법.
11. 제1항에서,

    상기 용융가스화로에서 발생한 환원가스를 상기 환원로에 공급하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
12. 철광석을 환원하여 환원체로 변환하는 환원로, 및

    상기 환원로와 연결되어 상기 환원체가 장입되고, 괴상 탄재가 내부로 장입되어 석탄충전층을 형성하고 용철을 제조하는 용융가스화로

    를 포함하고,

    산소함유가스가 상기 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성하여 환원가스를 발생시키고, 상기 연소대 형성 후 탄화수소 함유가스를 상기 연소대에 직접 취입하여 환원가스를 추가로 발생시키며, 상기 환원가스를 상기 환원체와 접촉시켜 상기 용철을 제조하는 용철제조장치.
13. 제12항에서.

    상기 탄화수소 함유가스의 취입 유속은 상기 산소함유가스의 취입 유속보다 작은 용철제조장치.
14. 제13항에서,

    상기 탄화수소 함유가스의 취입 유속에 대한 상기 산소함유가스의 취입 유속의 비는 1.5 내지 3.0인 용철제조장치.
15. 제12항에서,

    상기 용융가스화로는 그 측면에 설치된 풍구를 더 포함하고, 상기 풍구는 상기 산소함유가스를 상기 용융가스화로에 취입하는 관통공과, 상기 관통공과 이격되어 상기 탄화수소 함유가스를 상기 용융가스화로에 취입하는 랜스를 포함하는 용철제조장치.
16. 제15항에서,

    상기 탄화수소 함유가스가 빠져나가는 상기 랜스 출구의 내경은 상기 탄화수소 함유가스가 유입되는 상기 랜스 입구의 내경보다 작은 용철제조장치.
17. 제16항에서,

    상기 랜스의 내경은 상기 랜스 출구 부근에서 상기 탄화수소 함유가스가 흐르는 방향을 따라 점차 좁아지다가 다시 상기 랜스의 출구측으로 갈수록 동일하게 유지되는 용철제조장치.
18. 제16항에서,

    상기 풍구에서 상기 산소함유가스가 상기 용융가스화로에 취입되는 풍구경(Φ)과 상기 탄화수소 함유가스의 상기 용융가스화로내 취입 위치로부터 상기 탄화수소 함유가스의 점화개시위치까지의 수평 거리(F)는 하기의 식을 만족하는 용철제조장치.

    7.0 = F/Φ = 14.0
19. 제16항에서,

    상기 풍구는 증기를 취입하기 위한 증기 취입관과 연결된 용철제조장치.
20. 제19항에서,

    상기 증기는 상기 용융가스화로내에 취입되기 전에 상기 산소함유가스와 혼합되고, 상기 증기가 상기 산소함유가스와 혼합시 이루는 각도는 18° 내지 26°인 용철제조장치.
21. 제19항에서,

    상기 증기는 상기 용융가스화로에 취입되기 전에 상기 산소함유가스와 혼합되고, 상기 산소함유가스가 취입되는 상기 풍구의 풍구경(Φ), 상기 랜스의 직경(d), 및 상기 산소함유가스의 상기 용융가스화로내 취입 위치로부터 상기 증기와 상기 산소함유가스의 혼합개시 위치까지의 수평 거리(L)는 하기의 식을 만족하는 용철제조장치.

    10.0 = L/(Φ+d) = 20.0
22. 제12항에서,

    상기 용융환원로에서 발생한 환원가스를 상기 환원로에 공급하는 환원가스 공급관을 더 포함하는 용철제조장치.
23. 제12항에서,

    상기 환원로는 유동층형 환원로인 용철제조장치.
24. 제11항에서,

    상기 환원로는 충전층형 환원로인 용철제조장치.

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