KR20110070893A - 직접 환원철 생산 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상부에 있는 적어도 하나의 철광 환원 구역(8)과 적어도 하나의 침탄 구역(9) 및 하부에 있는 적어도 하나의 환원된 금속 제품 냉각 구역(10)을 구비한 중력식 용광로(2), 환원 가스 혼합기를 환원 구역에 대응한 반응로로 공급하기 위한 수단, 및 반응로로부터 나온 배기 또는 반응로 배출 가스를 합성 가스로 재순환하고 재순환 가스를 천연 가스와 혼합시켜 환원 가스 혼합기를 형성하는 수단을 포함하는 설비에 의해 행해지는 철광의 직접 환원 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 제1 개질 단계에서는 반응로 배출 가스에 존재하는 미반응 일산화탄소(CO)와 증기가 수성 가스 전환 반응(CO+H2O=CO2+H2)에 따라 이산화탄소(CO2)와 수소로 개질되고, 제2 개질 단계에서는 주로 이산화탄소와 수소를 포함하는 반응로 배출 가스가 이산화탄소를 제거하도록 처리되고, 제3 개질 단계에서는 환원 합성 가스로부터 질소와 탄소 산화물(CO) 둘 다를 물리적으로 분리시켜 재순환 환원 가스가 가능한 한 순수한 수소(H2)에 가깝도록 재순환 가스 중의 CO와 임의의 다른 존재 가스들의 수준을 가능한 한 낮은 수준으로 낮춘다.

Description

직접 환원철 생산 공정{PROCESS FOR PRODUCTION OF DIRECT REDUCED IRON}
본 발명은 일반적으로 특허청구범위의 청구항 제1항의 전제부에 따른 직접 환원철 생산 공정에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 철의 직접 환원을 위한 공정에서 이미 사용된 환원 가스로부터 이산화탄소와 수증기를 정화하고 제거하기 위한 공정에 관한 것이다.
산화철 펠릿, 괴광(lump ore) 또는 산화철을 포함하는 유사한 재료로부터 금속화된 철을 생산하기 위한 직접 환원 공정은 철강 산업에서 널리 공지되어 있고 사용되고 있다. 직접 환원(DR: direct reduction) 공정에서는 이 공정에 관련된 재료들 중 임의의 재료의 융융 온도보다 낮은 온도에서 광석으로부터 결합된 산소를 제거하는 것에 의해 광석으로부터 금속을 생산한다. 직접 환원 공정의 결과로써 얻어진 제품은 DRI(direct reduced iron) 또는 "직접 환원철"이라고 한다. 직접 환원 공정은 철광을 고도로 금속화된 철제품으로 전환시킨다. 직접 환원로에서 철광의 실질적인 환원은 접촉 중에 철광을 금속화된 철로 환원시키는 환원 가스, 예를 들면 환원제인 수소(H2)를 포함하는 천연 가스와 일산화탄소(CO)의 존재 하에 행해진다. 대안적으로, 탄소가 산소와 반응할 때 일어나는 연소 공정에 의한 가스화에 의해서 일산화탄소의 형태인 환원 가스가 생산될 수 있는데, 탄소와 산소의 반응은 고로에서의 후속하는 가스화 반응을 위한 열을 제공하는 장점이 있다.
직접 환원 반응이 약 1000℃ 이하의 용광로에서 행해질 때, 환원제는 일반적으로 CO와 H2로 제한된다. DRI 공정에서, 철은 환원되고 환원 반응에서 생성된 이산화탄소는 일반적으로 반응로 배출 가스(reactor off-gas)라고 알려진 이미 사용된 환원 가스와 함께 제거된다. 반응로 배출 가스는 미반응 수소(H2), 미반응 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 증기 형태의 물(H2O)을 포함한다. 냉각 후에, 반응로 배출 가스는 이산화탄소를 제거하고 수소 및 일산화탄소 함량을 풍부화(enrich)시키기 위해 재처리되고, 그 후에 풍부화된 배출 가스는 유효한 환원 가스로서 직접 환원로로 되돌아가게 된다. 합성 가스(syngas)(어원: synthesis gas)라고 하는 정제된 생성물은 반응로 배출 가스를 발열량을 갖는 기상 생성물로 가스화시킴으로써 가변량의 일산화탄소와 수소를 함유하는 가스 혼합기이다. 합성 가스는 그에 대한 정의에 따르면 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 주로 함유한 생성물이다. 반응로 배출 가스는 반응 도중에 형성되는 이산화탄소와 물을 상당한 수준으로 함유한다. 일부 방식에서는 더 많은 수소와 일산화탄소를 제공하기 위해 개질 단계를 사용하고, 또 다른 일부 방식에서는 합성 가스라고 하는 고강도 정제 환원 가스를 제공하기 위하여 수성 가스 전환 단계 반응을 사용한다. 이러한 방식들 모두 환원 공정을 유지하기 위해 반응로 배출 가스로부터 이산화탄소를 제거해야 한다. 철광석, 예컨대 주로 적철석(Fe3O3)인 산화철의 직접 환원은 철광석을 연속적인 산화 상태를 통해 일산화탄소, 수소 및/또는 고형 탄소와 반응시켜 금속화된 철로 환원시키는 것에 의해 이루어진다. 일반적으로, 철과 일례로 석탄과 같은 탄소질 원료의 산화물이 용광로 내로 투입된다. 연료를 공기와 함께 연소시킴으로써 발생한 열을 용광로로 공급하여 특히 일산화탄소를 발생시킨다. 고형 원료가 반응로 아래로 이동함에 따라 고형 원료는 반대 방향으로 유동하는 환원 가스 증기를 만나게 됨으로써 금속화된 철로 환원되어 용광로로부터 회수된다. 배기 가스 및 용광로 가스는 배기 가스 라인 또는 덕트를 통해 용광로로부터 제거된다. DRI(스폰지철) 또는 고온 브리켓 철(hot briquetted iron)(철과 강 제조를 위한 공급원료(feedstock)로서 유용한 미리 환원시킨 원료)로 알려진 직접 환원철을 생산하기 위한 직접 환원 설비는 그러한 제품을 생산하기 위해 현재 주로 수소와 일산화탄소로 이루어진 환원 가스를 약 750℃ 내지 1050℃ 범위의 유효 환원 온도에서 덩어리 또는 펠릿 형태인 입상 철-함유 원료의 베드(bed) 위로 접촉시킨다. 직접 환원에 사용된 가스 증기는 종종 가스 혼합기의 몰비(H2+CO/H2O+CO2)로 정의된 환원제와 산화제 간의 비에 근거하여 정량화된다. 이 값은 흔히 "환원비" 또는"R"값으로 지칭된다. 환원비는 환원제로 사용되는 경우의 가스 혼합기의 효율을 나타내는 척도로서, 환원비가 높을수록 효율이 높다.
수 년 동안 철의 직접 환원 공정과 다른 공정들을 위한 고농도의 H2와 CO를 함유하는 이미 사용된 환원 가스 또는 반응로 배출 가스로부터 고강도 합성 가스를 생성하기 위해 여러 가지 공정 방식들이 개발되었다. 최근에는, 생산비(특히 에너지 비용)의 증가로 인해 그리고 또한 생태학적 이유 때문에 제철소에 부과되는 제약들이 증가함으로 인해서, 제철 공정을 더욱 효율적이고 더욱 생산적이고 덜 낭비적으로 만들 필요성이 시급하게 증가되었다. 따라서 본 발명의 목표는 수소와 일산화탄소 함량이 높은 합성 가스를 생성시킬 수 있도록 하기 위해 반응로 배출 가스의 개질을 더 간단한 방식으로 개선시키는 직접 환원철 생산 공정을 이룩하는 데 있다. 본 발명의 다른 목표는 화석 연료 소비율을 크게 감소시키는 데에, 즉 주에너지인 화석 에너지의 소비율을 낮추고 생성된 DRI의 톤당 CO2 배출율을 크게 감소시키는 데에 있다.
따라서 본 발명의 목적은 DRI 생산 능력을 증가시킬 수 있고 동시에 화석 연료의 소비를 감소시킬 수 있는 직접 환원철 생산 공정을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 직접 환원을 위한 공정에서 이미 사용된 가스로부터 이산화탄소와 증기를 정화하고 제거하는 것에 의해 재순환 가스를 얻는 데 있으는데, 여기서 상기 재순환 가스는 반응로의 환원 특성을 더욱 개선하기 위한 본질적으로 순수한 수소이다.
본 발명의 또 다른 목적은 사용되는 물의 양을 증가시키지 않고도 설비로부터 나오는 금속 분진(metal dusting), 반응로 배출 가스 중의 입자 또는 다른 바람직스럽지 않은 성분들과 관련한 문제를 감소시키는 공정을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응로 배출 가스를 합성 가스로 개질시키는 동안 특히 냉각 매체로서 사용되는 물의 양을 감소시키는 공정을 제공하는 데 있다. 냉각과 재가열로 인해 많은 비용이 드는 열 교환 장비가 필요해지고, 이와 관련된 고온의 큰 관(piping)으로 인해 공정이 매력적이게 않게 된다.
본 발명의 다른 목적들은 본 명세서 내에서 언급되거나 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 수소와 일산화탄소 함량이 높은 개질기 또는 합성 가스 유출물을 생성하도록 공정에서 이미 사용된 환원 가스로부터 나온 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 제거되는 직접 환원철 생산 공정에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 일반적으로 청구범위 제1항에서 정의된 공정에 의해 수행된다.
더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명의 공정은 수성 가스 전환 반응(CO+H2O=CO2+H2)에 따라 제1 개질 단계로서 반응로 배출 가스에 존재하는 미반응 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)와 수소로 개질하는 것을 포함하는데, 배출 가스에 존재하는 수증기가 반응수로 작용한다. 상기 제1 개질 단계는 이차 개질 단계에 선행하는데, 반응로 배출 가스는 이산화탄소가 제거되고 수소와 일산화탄소 함량이 풍부화되도록 재처리되고 그 후에 풍부화된 배출 가스는 직접 환원로로 되돌아가게 된다. 다수의 공지된 전이 금속 및 전이 금속 산화물 중에서, 바람직하게는 마그네타이트(Fe3O4)가 수성 가스 전환 반응용 촉매로서 사용된다. 전환 반응이 발열성이므로, 즉 반응이 열을 방출하므로, 배기 가스는 그 온도가 상부 가스 온도보다 약 120℃ 높은 480 내지 520℃이다. 얻어진 현열 또는 잠열 에너지는 후속의 가스 정제 단계에서 사용된다. 제3 개질 단계는 탄소 산화물과 질소를 제거하는 것에 의해 반응로 배출 가스를 추가로 감소시켜 본질적으로 순수한 수소로 이루어진 재순환 가스를 얻는 것이다.
제2 개질 단계에서, 주로 이산화탄소와 수소를 포함하는 반응로 배출 가스는 이산화탄소를 제거하도록 처리되고, 따라서 본질적으로 이산화탄소가 없는 고로 재순환 증기를 생성한다. 이러한 본질적으로 이산화탄소가 없는 고로 재순환 증기는 가열되어 전체 환원 가스의 일부로서 고로로 재순환된다.
반응로 배출 가스가 고농도의 H2와 CO을 함유한 합성 가스로 정제되는 개질기로부터 고강도 환원 가스를 얻기 위해서는 개질기로 들어가는 입구 흐름에서 수증기의 수준을 낮게 유지하는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 환원 가스의 수증기 함량을 감소시키는 기본적인 이유는 개질 작용에 있어서의 수증기의 희석 효과 때문이다. 비록 개질기로부터 수증기를 제거함으로써 고강도 환원 가스를 생성할 수 있지만, 그러한 단계는 물의 응축 및 제거를 위해 개질기 유출물을 냉각시키고 그 후에 철광 환원 설비로 도입되기 전에 재가열해야 할 필요가 있을 것이기 때문에 비경제적인 것으로 간주된다. 냉각 및 재가열은 비싼 열교환 장비 및 이와 연관된 고온 배관을 필요로 하는데, 이는 공정을 매력적이지 않게 만들 것이다. 또한, 물 응축 단계는 압력 강하를 증대시키고 이에 따라 개질 작용이 더 높은 압력에서 행해질 것을 요구하는데, 이러한 더 높은 압력에서는 잔류 메탄 요건을 충족시키기 위해 작동 온도 또는 수증기-탄소 비 중 어느 하나 또는 둘 다를 증가시킬 필요가 있게 된다. 고강도 환원 가스를 생성하기 위한 현재의 방식은 에너지 효율과 생산비 절감의 측면에서 개선될 필요가 있다. 이를 개선하기 위하여, 본 발명은, 고로 후에 배치되는 촉매 처리 단계를 채용하는데, 이 단계에서 수성 가스 전환 반응(CO+H2O=CO2+H2)에 따라 반응로 배출 가스 중의 수증기가 미반응 일산화탄소에 의해 수소로 전환된다. 본 발명의 실시예에서, 마그네타이트 또는 갈철과 같은 촉매가 사용된다. 수성 가스 전환 반응은 온도에 민감하며, 고온에서는 반응물 쪽으로 전환되는 경향이 있다. 따라서 지금까지 문제점으로 간주되었던 반응로 배출 가스의 비교적 고온은 장점으로 사용된다. 또한, DRI 반응로로부터 나온 반응로 배출 가스가 일반적으로는 단점으로 간주되는 저압에서 생산된 것이라는 점이 장점으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 위에서 설명한 1단계와 2단계로부터 나온 환원 합성 가스로부터 질소와 탄소 산화물(CO) 둘 다를 물리적으로 분리하는 제3 개질 단계를 포함한다. 제3 개질 단계의 목표는 재순환 환원 가스가 가능한 한 순수한 수소(H2)에 가깝도록 재순환 가스 중의 CO와 임의의 다른 존재 가스들의 수준을 가능한 한 낮은 수준으로 낮추는 것이다.
본 발명의 특징들, 목적들 및 장점들은 아래에 기재된 바람직한 실시예들의 설명을 도면을 참조하여 읽으면 명백해질 것이고, 도면에서 유사한 도면 부호들은 여러 도면들에 걸쳐서 유사하거나 대응하는 부분들을 가리킨다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예로서 본 발명에 따른 DRI를 생산하기 위한 공정 및 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 두 개의 선택적인 공정 방식을 설명하는데, 하나는 수소(H2) 함량이 높은 일차 개질기 유출물을 가열하기 위한 상보형 히터(complementary heater)를 구비한 것이고 다른 하나는 상보형 히터가 없는 것이다. 두 공정 방식들은 각각 도 1과 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 도면 부호 1로 지시되고 본 발명에 따른 공정을 행할 수 있게 구성된 환원 설비의 제1 레이아웃이 도시되어 있다. 이 레이아웃에서, 도면 부호 2는 대체로 DRI 생산용 직접 환원로를 나타내고, 도면 부호 3은 반응로에서 회수된 이미 사용된 가스이고 환원로에서 환원 가스로서 사용되도록 정제된 합성 가스를 공급하는 가스 발생기를 나타내고, 도면 부호 4는 반응로로부터 인출된 반응로 배출 가스로부터 금속 분진을 분리하기 위한 입자 정화 시스템을 나타내고, 도면 부호 5, 6 및 7은 세 개의 개질 단계를 포함하는 개질 시스템을 나타내는데, 도면 부호 5는 반응로 배출 가스에 존재하는 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 증기 개질시키기 위한 제1 개질 단계를 나타내며, 도면 부호 6은 증기 개질된 반응로 배출 가스로부터 탄소를 제거하기 위한 제2 개질 단계를 나타내며, 도면 부호 7은 반응로 배출 가스로부터 질소와 탄소 산화물을 제거하기 위한 제3 개질 단계를 나타낸다.
직접 환원로(2)는 상부로부터 저부까지 철광 공급 구역, 광물의 직접 환원을 위한 반응로 구역(8), 침탄 구역(9) 및 냉각 용기(10)를 포함한다. 반응로 또는 고로(8)는 중력의 작용으로 인해 침탄 구역(9)으로 하강하는 펠릿 및/또는 덩어리 형태의 산화물로부터 고온 금속철 또는 DRI를 생산한다. 하류 측의 냉각 용기(10)는 배출 장치에 직접 연결된다. 따라서 고로 또는 칼럼의 상부로부터 저부 또는 기부까지 원료의 단일 유동이 이루어진다. 고형 원료가 반응로(8)를 통해 아래로 유동함에 따라 고형 원료는 상기 반응로의 반응 구역으로 공급되어 반대 방향으로 유동하는 환원 가스의 흐름과 만나게 되는데, 상기 구역은 그 형상이 실질적으로 원통형이고 환원 가스의 흐름은 가스 발생기(3)로부터 덕트(12, 13)들을 통해 공급된다.
배기 또는 "배출" 가스는 산화철과 반응한 후에 반응로(8)의 상부로부터 추출되고 배기 가스 라인 또는 덕트(14)를 따라 입자 정화 시스템(4)으로 유동한다. 배기 가스의 온도는 반응로에 투입되는 철광에 따라 결정되지만, 일반적으로 반응로로부터 추출되는 온도는 약 340 내지 380℃이다. 반응로(8)로부터 추출된 배기 가스 중에 분진이 있기 때문에, 입자 정화 시스템(4)으로 보내진 배출 가스는 배출 가스 중의 분진의 주요 부분이 분리되는 다중 사이클론(15)과 다량의 나머지 분진과 미세 입자들이 배출 가스로부터 분리되는 필터(16)를 통과하게 된다. 반응로 배출 가스 중의 금속 분진과 입자들의 대부분은 여기서 제거될 수 있다. 입자 정화 시스템(4)으로부터 나온 금속 분진을 적당한 크기와 형태의 브리켓 또는 덩어리로 압축하는 것을 포함하는 적당한 처리 후에 원료는 고로로 투입될 수 있다.
제1 개질 단계(5)는 특히 정화된 반응로 배출 가스가 이산화탄소와 수소로의 개질에 의해 탈수될 수 있는 탄화수소의 증기 개질용 전환기(shifter)(17)를 포함한다. 더욱 상세하게 설명하면, 전환기(17)는 반응로 배출 가스에 존재하는 미반응 일산화탄소(CO)를 공지의 수성 가스 전환 반응(CO+H2O=CO2+H2)에 따라 이산화탄소로 전환시키도록 구성되는데, 이 반응에서는 배출 가스에 존재하는 수증기가 반응수로 작용한다. 전환기(17)는 마그네타이트 또는 임의의 전이 금속 또는 전이 금속 산화물과 같이 수성 가스 전환 반응에 적당한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 임의의 촉매를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 광석 형태인 갈철(brown iron)이 촉매로서 사용된다. 수성 가스 전환 반응은 온도에 매우 민감하여 온도가 증가하면 반응물 쪽으로 전환되는 경향이 있는데, 여기서 배출 가스의 고온이 장점으로 사용된다. 제1 개질 단계(5)가 발열성이므로, 탈수된 배출 가스는 배출 가스가 처음 시스템 단계로 들어갈 때보다 높은 온도가 된다. 따라서, 도면 부호 16으로 지시된 덕트 또는 라인을 따라 전환기(17)에서 나온 탈수된 가스의 온도는 일반적으로 약 480 내지 520℃이다. 전환기 뒤에 설치된 열교환기(18)에서, 주로 이산화탄소와 수소로 이루어진 탈수된 배출 가스는 라인(19)을 따라 이동하는 재순환 가스 중 일부와 열 교환하는 것에 의해 약 300 내지 340℃로 냉각된다. 더욱 상세하게 설명하면, 제1 개질 단계(5)의 전환기(17)로부터 발생된 열은, 라인(20)의 재순환 가스가 외부 공급원(이 경우에서는 가스 발생기(3)임)으로부터 공급되는 온도가 약 1200℃인 합성 가스의 증기와 혼합되기 전에 제2 개질 단계(6)로부터 나온 고농도의 CO와 H2를 함유한 재순환 가스를 가열하는데 사용된다. 재순환 가스 및 가스 발생기(3)로부터 나온 합성 가스의 제조에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
탈수된 배출 가스로부터 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위한 제2 개질 단계(6)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지되어 있는 CO2 흡수기(21)와 CO2 분리기(stripper)(22)를 포함한다. 탈수된 가스는 열교환기(18)로부터 라인(23)을 따라 가스의 현열이 방사되는 리보일러(reboiler)(24)로 이동한다. 한편으로는 리보일러를 통과한 탈수된 가스로부터 받은 현열의 영향에 의해서 리보일러(24)에 의해, 다른 한편으로는 열교환기(26)를 통해 증기 발생기(25)로부터 받은 현열에 의해 생성된 증기는 CO2 분리기(22)에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 방식으로 탈수된 가스로부터 이산화탄소를 제거(desorb)하는데 사용된다. 분리기로부터 제거된 고순도 이산화탄소(CO2)는 바람직하게는 포집되어 다른 사용자들에게 판매될 수 있다. 라인(28)을 따라 유동하는 탈수된 가스는 역시 제2 개질 시스템의 일부를 형성하는 압축기 또는 펌핑 수단(27)에 도달하기 전에 수냉기(water quench)(29)를 지나가는 것에 의해 냉각된다. 수냉기로부터 나온 열은 냉각을 위해 라인(29)을 통해 냉각탑(30)으로 안내된다. 라인(28)에서 압축기 또는 펌핑 수단(27)으로 보내진 탈수된 가스는 CO2 흡수기(21)를 통과하고 이에 의해 환원 포텐셜(reducing potential)을 증가시킨다. 라인(31)의 가스는 CO2 흡수기(21)에서 처리된 후에 주로 탄소 산화물, 이산화탄소 및 수소로 이루어진 조성을 갖는다.
라인(31)의 재순환 가스(14)의 흐름은 두 개의 유동 경로(32, 33)로 갈라지는데, 경로(32)는 한편으로는 증기 발생기(25)에서 연소될 수 있는 테일 가스(tail gas)로 사용되고 다른 한편으로는 역시 포집되어 다른 사용자들에게 분배될 수 있다. 환원 매체로서 사용될 수 있기 위해서는 테일 가스의 양이 낮아야 하므로 가스 중의 N2는 제거되어야 한다. 따라서 제2 유동 경로(33) 내의 가스 유동은 가스 중의 질소를 흡수하도록 구성된 분자체(34)와 같은 물리적 분리 수단을 포함하는 질소(N2) 분리기를 통과하게 된다. 물리적 분리 수단은 그 목표를 위해 멤브레인, 분자체 또는 화학적 흡수 시스템과 같은 임의의 분리 수단을 포함할 수 있다. 분자체(34)는 바람직하게는 질소뿐만 아니라, 제거되고 연소되고 CO2 분리기(22)로부터 나온 CO2와 혼합된 가스에 존재하는 탄소 산화물(CO)도 흡수하도록 구성된다. 분자체(34)는, 비한정적인 예로서 임의의 알루미늄 실리케이트, 점토, 활성탄 또는 합성 탄소 등과 같은, 분자를 흡수할 수 있는 특징을 갖는 열린 구조를 구비한 임의의 적당한 재료를 포함할 수 있다. 흐름(35)은 테일 가스로부터 제거된 N2의 방출을 나타내고, 흐름(36)은 이산화탄소의 제거를 나타낸다. 분자체(34)로부터 나온 흐름(33)은 두 개의 유동 경로 또는 흐름(19, 27)으로 갈라지는데, 한 경로(19)는 이미 위에서 설명한 바와 같이 열교환기(18)를 통과하도록 안내되어 전환기(17)를 포함하는 제1 개질 시스템(5)으로부터 방출되는 열을 받아들이고, 다른 경로(37)는 환원로(2)의 DRI 냉각 용기(10)로 보내어진다. 분자체(34)에서의 처리 단계의 목적은 두 경로(19, 37) 내의 재순환 가스가 가능한 한 순수한 수소(H2)에 가깝도록 재순환 가스 중의 CO 및 임의의 다른 존재 가스들의 수준을 가능한 한 낮은 수준으로 낮추는 것이다. 재순환 가스 내의 수소 수준을 정제하는 것에 의해 더 높은 환원비 또는 "R"과 더 높은 효율을 갖는 합성 가스 뿐만 아니라 질이 낮은 철광으로 양호한 환원을 보장하는 처리 조건을 달성할 수 있다.
본 발명의 직접 환원 공정에서 환원 매체로서 사용되는 합성 가스는 라인(37)으로부터 나온 본질적으로 맑은 수소(H2)와 천연 가스, 예를 들어 CH4로 이루어진 예열된 혼합기이다. 환원 및 개질 반응을 최적화하기 위하여, 설비는 유리하게는 라인(37)의 재순환 가스와 혼합되도록 공급되는 천연 가스의 양을 제어하기 위한 도면에는 도시되지 않은 조정 수단을 구비한다. 저온의 천연 가스는 라인(38)에 의해 공정으로 공급되어 라인(36)으로부터 오는 재순환 가스와 혼합되며, 혼합 가스는 라인(39)과 혼합되는 것에 의해 냉각 용기(10)로 안내되고 그 후에 냉각 용기(10) 내의 고온 DRI를 통과한다. 결과적으로, 냉각 용기 내의 DRI는 냉각되는 반면에, 동시에 재순환 가스와 천연 가스의 혼합기는 본 발명의 공정 시스템의 가스 발생기(3)에 공급되기 전에 가열된다. 혼합 가스를 520℃까지 예열하는 것은 바람직하게는 냉각 용기(10) 내의 고온의 DRI로부터 열을 교환함으로써 이루어진다. 반응로(2)로 들어가는 환원 가스 중의 천연 가스 함량을 제어하게 되면, 반응 구역의 원료(load)의 온도를 바람직하게는 800 내지 900℃ 사이의 범위에서 적절하게 조정하여 반응 운동(reaction kinetics)을 적절하게 조정함으로써 반응로의 반응 구역(8) 내의 환원 공정을 직접 제어하는 것이 가능하다. 가스 혼합기는 추출 수단에 의해 DRI 냉각 용기(10)로부터 추출되어 배기 라인(40)을 따라 가스 발생기(3)까지 유동되고 라인(41)을 통해 가스 발생기로 들어가는 산소 또는 공기로 부분적으로 산화된다. 환원 가스를 가열하는 상보적인 공정이, CO와 H2를 부분적으로 연소시키고 도입될 환원 가스를 850 내지 1200℃로 가열하도록 미리 정해진 양의 순수한 산소 또는 산소 풍부화 공기를 덕트(40)로 분사하는 것에 의해 가스 혼합기가 라인(40)을 통해 가스 발생기(3)로 들어가는 지점에 제공된다. 부가적인 가열 공정을 거친 후에, 환원 가스 증기는 제2 라인(13)을 통한 환원 및 개질을 위해 제1 라인(12)으로 공급된다. 가스 발생기(3)로부터 나온 고온 가스는 반응로로 들어가기 전에 덕트(20)에 의해 안내되고 주로 수소(H2)를 함유한 약 400℃의 저온 예열 가스와 혼합된다. 도면에 도시되지 않은 조정 수단으로써 800 내지 950℃의 온도로 제어될 수 있는 이 혼합기는 환원이 일어나는 DR 반응로(1)로 공급된다. 가스 중의 주된 환원 요소는 수소일 것이라는 점에 유의해야 한다.
도 2를 참조하여 수소(H2) 함량이 높은 일차 개질기 유출물을 가열하기 위한 상보형 히터를 구비한 대안적인 공정 방식을 설명한다. 도 2의 도 1에 대응하는 도면 부호들은 동일하거나 유사한 수단을 지칭한다. 라인(32) 내의 테일 가스는 두 개의 흐름 경로(32, 42)로 갈라지는데, 경로(32)는 위에서 설명한 바와 같이 증기 발생기(25)에서 테일 가스로 사용되고 다른 부분(42)은 라인(37) 내의 재순환 가스를 천연 가스와 혼합되어 DRI 냉각기(10)를 통과하기 전에 가열하기 위한 상보형 재순환 가스 히터(43)에서 테일 가스로 사용된다. 재순환 가스 히터(43)에서 가열된 재순환 가스는 라인(44)에 의해 안내된다. 저온의 천연 가스는 라인(38)에 의해 공정으로 공급되어 라인(44)으로부터 오는 재순환 가스와 혼합되며, 혼합 가스는 라인(39)과 혼합되는 것에 의해 냉각 용기(10)로 안내되고 그 후에 냉각 용기(10) 내의 고온 DRI를 통과한다. 결과적으로, 냉각 용기 내의 DRI는 냉각되는 반면에, 동시에 재순환 가스와 천연 가스의 혼합기는 본 발명의 공정 시스템의 가스 발생기(3)에 공급되기 전에 가열된다.
반응로(8)로 공급되는 환원 가스는 라인(13)을 통해 반응로(8)로 들어가기 전에 910℃ 이상의 온도로 가열된다. 상기 온도는 반응로 내에서 "들러붙지(sticking)" 않는 양호한 평균치이다. 한편으로는 가스 중의 다량의 수소(H2) 그리고 다른 한편으로는 낮은 분자량에 의해 반응로의 크기가 작아질 수 있다.
본 발명은 위의 설명과 도면에 도시된 바에만 한정되지 않고, 아래의 청구범위에서 특정된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 각기 다른 여러 가지 방법으로 변경되고 개조될 수 있다.

Claims (15)

  1. 상부에 있는 적어도 하나의 철광 환원 구역(8)과 적어도 하나의 침탄 구역(9) 및 하부에 있는 적어도 하나의 환원된 금속 제품 냉각 구역(10)을 구비한 중력식 용광로(2), 환원 가스 혼합기를 환원 구역에 대응한 반응로로 공급하기 위한 수단, 및 반응로로부터 나온 배기 또는 반응로 배출 가스를 합성 가스로 재순환하고 재순환 가스를 천연 가스와 혼합시켜 환원 가스 혼합기를 형성하는 수단을 포함하는 설비에 의해 행해지는 철광의 직접 환원 공정으로서,
    (a) 재순환을 위하여 반응로(8)로부터 반응로 배출 가스를 추출해 내는 단계;
    (b) 정화 시스템(4)에서 반응로 배출 가스를 입자와 먼지로부터 정화시키는 단계;
    (c) 수성 가스 전환 반응을 이용한 제1 개질 단계(5)에서 반응로 배출 가스에 존재하는 일산화탄소(CO)와 증기(H2O)를 CO2와 H2로 전환시켜 탈수된 가스를 얻는 단계;
    (d) 압축기 또는 펌핑 수단(27)에서 반응로 배출 가스를 처리하는 단계;
    (e) 이산화탄소(CO2) 흡수 수단(21)과 분리 수단(22)을 이용한 제2 개질 단계(6)에서 반응로 배출 가스로부터 CO2를 제거하여 본질적으로 수소와 CO로 이루어진 합성 가스를 형성하는 단계;
    (f) N2 및 CO 흡수 수단을 이용한 제3 개질 단계(7)에서 반응로 배출 가스로부터 N2와 탄소 산화물(CO)을 제거하여 본질적으로 수소로 이루어진 순수한 합성 가스를 형성하는 단계;
    (g) 합성 가스의 흐름을 제1 유동 경로(37)와 제2 유동 경로(19)로 분리하는 단계;
    (h) 제1 흐름(37)의 합성 가스를 외부 공급원(38)으로부터 공급되는 천연 가스와 혼합하는 단계;
    (i) 상기 (c) 단계의 탈수 공정으로부터 얻어진 현열의 교환에 의해 제2 유동 경로(19)의 상기 (f) 단계로부터 나온 제2 유동 경로(19)의 합성 가스를 가열하는 단계;
    (j) 상기 (f) 단계로부터 나온 제1 유동 경로(37)의 합성 가스와 상기 (h) 단계의 천연 가스의 혼합기를 냉각 구역(10)의 환원된 금속 제품으로부터의 현열의 교환에 의해 가열하는 단계;
    (k) 상기 (j) 단계로부터 나온 합성 가스와 천연 가스의 혼합기를 금속 제품 냉각 구역(10)으로부터 가스 발생기(3)로 추출해 내는 단계;
    (l) 라인(41) 내의 산소(O2)를 합성 가스와 천연 가스의 혼합기로 분사하는 것에 의해 상기 (k) 단계로부터 나온 가스 혼합기를 가열하고 이 혼합기를 가스 발생기(3)로 안내하는 단계;
    (m) 가스 발생기 내의 상기 (i) 단계에서 산소(O2)가 분사된 가스 혼합기를 처리하여 환원 가스 혼합기를 얻고 이 가스 혼합기를 가스 발생기(3)로부터 반응로(8)로 안내하는 단계;
    (n) 제2 흐름(19)의 상기 (i) 단계로부터 나온 합성 가스를 상기 (m) 단계의 환원성 가스 혼합기의 흐름에 혼합시켜 환원 가스 혼합기를 형성하는 단계;
    (o) 상기 (n) 단계에서 형성된 환원 가스 혼합기를 환원 구역(8)으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철광의 직접 환원 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    열교환 수단(24)이 상기 (c) 단계에서 형성된 탈수된 배출 가스로부터 나온 현열을 제2 개질 단계(6)의 CO2 분리 수단(22)에 교환하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 제1항 내지 제2항에 있어서,
    가스 발생기로부터 나온 환원 가스의 온도는 800 내지 1400℃, 바람직하게는 1200℃인 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    환원 가스는 온도가 910℃ 이상인 반응로의 환원 구역(8)으로 들어가는 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    제2 개질 단계(6)로부터 나온 가스의 증기는 제1 유동 경로(32)와 제2 유동 경로(33)로 나누어지되, 한 경로(32)의 가스는 제2 개질 단계용 열을 발생시키는 증기 발생기(25) 내에서 연소 가능한 테일 가스로서 사용되고 다른 부분(33)의 가스는 제3 개질 단계(7)로 공급되는 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    연속하는 제1, 제2 및 제3 개질 단계(5, 6, 7)들의 결과로써 본질적으로 순수한 수소(H2)의 흐름이 발생되는 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 (m) 단계에서의 가열은 미리 정해진 양의 산소(O2) 및/또는 공기를 냉각 구역(10)으로부터 나온 합성 가스와 천연 가스의 혼합기로 분사하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    제3 개질 단계(7)에 의해 제거된 질소(N2)와 탄소 산화물(NO)은 제2 개질 단계(6)에서 제거된 이산화탄소와 함께 소각되는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    분진 정화 시스템(4)은 다중 사이클론(15) 및 반응로 배출 가스가 통과하는 후속 필터(16)로 이루어진 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    제1 개질 단계(5)는 마그네타이트, 임의의 전이 금속 또는 전이 금속 산화물과 같은 수성 가스 전환 반응에 적합한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 임의의 촉매, 바람직하기로는 광석 형태인 갈철을 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서,
    제3 개질 시스템(7)은 멤브레인 또는 분자체와 같은 임의의 물리적 분리 수단 또는 임의의 적당한 화학적 흡수 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제11항에 있어서,
    제3 개질 시스템(7)은 임의의 알루미늄 실리케이트, 점토, 활성탄 또는 합성 탄소 등과 같은, 분자를 흡수할 수 있는 특징을 갖는 임의의 적당한 물질을 포함하는 분자체(34)로 이루어진 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 제1항 내지 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계로부터 탈수된 가스는 압축기 또는 펌핑 수단(27)으로 들어가기 전에 냉각 수단(29)에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. 제1항에 있어서,
    제3 개질 단계(7) 뒤에 그리고 합성 가스가 천연 가스와 혼합되는 상기 (h) 단계의 지점 앞에서 얻어진 합성 가스를 가열하기 위해 상보형 히터(43)가 배치된 것을 특징으로 하는 공정.
  15. 제14항에 있어서,
    제2 개질 단계(6)로부터 나온 테일 가스의 흐름이 상보형 히터(43)에서 연소 가능한 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 공정.
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