KR20140094505A - 제철 방법 및 설비 - Google Patents

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자비에 트라베르삭
리차드 뒤베티에-그르니에
리몽 세바스티앙 드
필립 쿠르
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

배기 가스의 환원 가스로의 재순환이 있고, 배기 가스의 일부가 CO/CO2 분리 장치의 상류 및/또는 하류에서 퍼징되며, 상기 퍼징된 배기 가스가 H2 생성을 위하여 수성 가스 전환 반응으로 처리되는 제철 방법 및 설비가 제공된다.

Description

제철 방법 및 설비 {IRONMAKING PROCESS AND INSTALLATION}
본 발명은 배기 가스가 환원 가스로서 부분적으로 재순환되는 철 환원 공정 및 철 환원-제련 공정과 같은 제철 공정, 및 상응하는 설비에 관한 것이다.
그와 같은 공정과 설비의 한 가지 예는 상부 가스 재순환 고로 (Top Gas Recycle Blast Furnace; TGRBF)이다.
이러한 유형의 고로에 대한 다른 명칭은 CO2 초저함량 강철제조용 고로 또는 ULCOS 고로, 산소 고로 (OBF) 및 무질소 고로를 포함한다.
TGRBF는 고로 중 코우크스 소모를 감소시키기 위한 것으로, 코우크스(coke) 소모는 철 환원 과정에서 중요한 비용 인자이다. TGRBF는 또한 제철 산업에서 환원 공정에 의해 생성된 CO2를 포집 및/또는 내부 또는 외부 활용 및/또는 제거함으로써 CO2 방출을 감소시키려는 바람직한 해결책 중의 하나이다.
TGRBF의 기본 원리는 상부 가스로 알려진 고로의 습윤 배기 가스를 한편으로는 CO2-풍부화 분획, 다른 한편으로는 CO-풍부화 분획으로 분리하는 것이다. 이와 같이 얻어진 CO-풍부화 분획을 고로 내로 탄소 공급원으로 주입함으로써 철 1톤 당 필요한 코우크스의 양과 발생되는 CO2의 양을 감소시킨다. 고로 중에서, 주입된 CO는 또한 제련 공정에서 환원 가스로서도 작용하여 생산율을 높인다.
TGRBF의 효율적 가동을 위하여, 상부 가스는 탄소 산화물 (CO2 및 CO)이 풍부하여야 한다. 산소-풍부화 공기 또는 산소로 이루어진 블래스트를 사용하는 것이 알려져 있다.
사실상, CO-풍부화 분획 전체를 고로에 시스템에 의해 재순환시키는 것은 불가능하며, 재순환 가스 중 오염물이나 N2와 같은 불활성 물질이 점차적으로 늘어나는 것을 방지하기 위하여, 퍼징이나 배출(bleeding)이 필요하다.
문헌 [An evaluation of hydrogen production from the perspective of using blast furnace gas and coke oven gas as feedstocks; by Wei-Hsin Chen, Mu-Rong Lin and Shan- Wen Du, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 18, pages 11727-11737]에 따르면, 고로 상부 가스를 그로부터 CO2를 제거하기 전 또는 후에, 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction) (CO + H20 --> CO2 + H2) 처리하여, 그로부터 얻어진 H2-함유 CO-무함유 스트림을 고로 내로 환원 가스로서 주입하거나 달리 사용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 이러한 방법에 따르면, 탄소 공급원, 즉, CO를 고로 내로 유효하게 재순환시키지 못한다. 결과적으로, 코우크스 소모 감소라는 TGRBF 공정의 목적은 쇠퇴하고, 철 1톤 당 CO2 발생량은 증가함으로써, CO를 고로로 재순환시키는 것에 비하여 CO2 방출이 증가하게 되거나 CO2 포집 및 제거 비용이 증가하게 된다. 또한, CO2 제거 전이나 후에 고로 상부 가스 전부를 수성 가스 전환 반응으로 처리하는데 필요한 장치는 그 비용이 상당하여 실질적으로 투자가 이루어지지 않는 정도이다.
WO 2010/057767은 코렉스 (COREX)® 반응기, 피넥스 (FINEX)® 반응기와 같은 금속 반응기 또는 고로로부터의 배출 가스를 일정 비율의 H2 대 CO의 가스를 생성시키는데 사용하여, 생성된 가스를 메탄, 메탄올, 옥소-알콜 또는 피셔-트롭슈 (Fisher-Tropsch) 연료 생산과 같은 화학적 합성 공정에 출발 물질로 사용하는 것을 제안한 바 있다.
WO 2010/057767에 따르면, 소정의 H2 대 CO 비율을 갖는 가스는 배출 가스의 적어도 일부와 그의 다른 부분의 연소 반응에 의해 생성된 수증기의 존재하에 CO-전환 단계로 처리하여 얻어진다.
그러한 공정에서, H2-CO-함유 가스로 전환되는 배출 가스의 부분은 하류 화학 합성 공정에서 출발 물질로서 사용하기에 충분한 양으로 생성되어야 하므로, 배출 가스가 다른 용도로 사용될 가능성이 감소된다.
본 발명의 목적은 배기 가스가 부분적으로 환원 가스로 재순환되어 재순환 효율의 손실없이 배기 가스를 개선된 방법으로 활용하는 개선된 제철 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 특히 그와 같은 철 환원 및/또는 제련 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 그와 같이 개선된 제철 방법에 사용하기 위한 제철, 특히 철 환원 및/또는 제련 설비에 관한 것이다.
본 발명에 따라서, 배기 가스의 개선된 활용은 먼저 배기 가스의 일부를 재순환 루프로부터 분리 장치로 가기 전 배기 가스가 상당량의 CO2를 함유하고 있을 때 및/또는 분리 장치를 거친 후 CO2를 거의 또는 전혀 함유하지 않는 CO-풍부화 가스의 형태로 퍼징한 다음, 상기 퍼징된 배기 가스 부분을 사용하여 유용 성분으로서 수소를 생성함으로써 이루어진다.
본 발명은 1종 이상의 연료가 1종 이상의 산화제로 연소되고, CO2와 CO를 함유하는 1종 이상의 배기 가스가 생성되는 제철 방법에 관한 것이다. 상기 배기 가스는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리된다. 적어도 CO-풍부화 분획의 제1 부분은 재순환되어 제철 공정에서 환원 가스로 사용된다. 배기 가스의 일부는 퍼징되어 수성 가스 전환 반응을 거쳐 H2가 생성된다. 상기한 바와 같이, 상기 배기 가스 부분은 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 퍼징될 수 있다. 상기 배기 가스 부분은 또한 배기 가스를 CO2-풍부화 분획 및 CO-풍부화 분획 으로 분리한 후에 CO-풍부화 분획의 제2 부분으로서 퍼징될 수 있다. 마찬가지로, 상기한 바와 같은 분리 전 및 후 모두에 배기 가스를 퍼징할 수 있다. 배기 가스를 CO-풍부화 분획의 부분으로서 퍼징하는 것이 바람직하다.
배기 가스의 일부를 이와 같이 퍼징하는 것은 퍼징된 부분이 제철 공정 중에 생성된 배기 가스 중에 존재하는 CO의 20% 미만이 되도록 수행되는 것이 유리하다. 이 방법으로, 충분한 양의 CO가 제철 공정으로 재순환되어 사용될 수 있게 하는 동시에, 재순환 가스에 오염물 및 N2와 같은 불활성 물질이 점차적으로 축적되는 것을 방지할 수 있다.
철 환원 및/또는 제련 공정과 같은 제철 공정은 철광석의 준비 및 공급, 연료 준비 및 공급, 가스 압축 등과 같은 단계를 요하는 복잡한 공정이다. 본 발명에 관한 상기 기재는 본 발명을 선행 기술과 구별하는데 필요한 기술적 특징만을 명시적으로 언급하고 있다. 철 제련 과정에 필요한 나머지 공정 단계는 기재된 것으로 간주될 수 있다.
전형적으로, 배기 가스는 CO2, H20 및 CO, 또한 H2, N2 및 Ar을 포함한다.
예를 들어, TGRBF의 경우에, 코우크스 및 가능하게는 석탄은 산소 풍부화된 것일 수 있는 블래스트와, 임의로는 개별적으로 주입되는 산소로 연소됨으로써, 주로 CO2, H20 및 CO와 수 퍼센트의 H2, N2 및 Ar을 함유하며 상부 가스로 불리우는 배기 가스를 생성한다. 상기 배기 가스는 한편으로는 CO2-풍부화 분획, 다른 한편으로는 CO-풍부화 분획으로 분리됨으로써, 상기 CO-풍부화 분획의 적어도 일부가 고로 중 환원 가스로 사용된다. 재순환 루프의 일부 단계에서, 상부 가스의 일부가 퍼징된다. 본 발명에 따라서, 상기 퍼징된 상부 가스는 유용한 H2를 생성하도록 수성 가스 전환 반응 처리된다는 점에서 적어도 부분적으로 활용될 수 있다. 수성 가스 전환 반응에 의해 생성되는 H2는 정제 장치에서 더욱 정제된다.
본 발명에 따라서, H2는 배기 가스의 퍼징된 부분을 "산성 전환 반응(sour shift process)"이라 불리우는 촉매적 공정으로 처리되어 생성되는 것이 유리하다.
H2 생성 공정의 효율 개선을 위하여, 배기 가스의 퍼징된 부분은 수성 가스 전환 반응 상류에서, 바람직하게는 냉각됨이 없이 압축될 수 있다.
정제 장치에서, 수성 가스 전환 반응기를 사용하여 생성된 H2는 유리하게는 1 부피% 미만의 탄소-함유 화합물 (예를 들어, CO, CO2, 탄화수소 등), 바람직하게는 10 ppm 미만의 탄소-함유 화합물을 함유하는 수준으로 정제된다.
그 경우에, 정제된 H2는 철 또는 강철 제조 공정의 하류에서, 예를 들어, 도금 공정에 유용하게 사용될 수 있다. 생성된 수소를, 예컨대, 화학 합성 공정에서 활용하기 위하여, 90 부피% 이상의 H2 순도, 바람직하게는 95 부피% 이상의 H2, 보다 바람직하게는 99 부피% 이상의 H2 순도가 필요할 수 있다.
H2 정제 장치는 유리하게는 흡착 장치, 바람직하게는 압력 스윙 흡착 장치, 또는 흡착 장치와 멤브레인 정제 장치의 조합을 포함한다. 바람직하게는 흡착 장치, 특히 압력 스윙 흡착 장치가 사용된다. H2 정제 장치의 폐기 가스 스트림은 일반적으로 N2가 매우 풍부하며, 예컨대, 연소 (플레어)에 의해 폐기된다. .
1종 이상의 연료는 전형적으로 코우크스 또는 석탄, 또는 이들 둘의 조합을 포함한다. 산화제 중 적어도 1종은 산소-풍부화 공기 또는 산소, 전형적으로 산업용 순도 (02가 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상)인 것이 유리하다. 산소-풍부화 공기, 및 더욱 특히 산소는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리될 배기 가스 중 N2의 양을 감소시킬 수 있다.
배기 가스는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 바람직하게는 20 내지 25 바아의 절대 압력으로 압축되어 분리 공정의 효율을 개선할 수 있다. 예컨대, TGRBF의 경우에, 그러한 상부 가스는 당업계에 상부 가스 컴프레서 (Top Gas Compressor)로 알려진 수단에 의해 압축된다.
제철 공정 배기 가스는 일반적으로 입자상 물질을 함유하므로, 배기 가스는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 여과되는 것이 바람직하다. 따라서, 배기 가스는 분획들로 분리되기 전에 여과되어 압축될 수 있다.
배기 가스는 또한 일반적으로 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 건조 단계로 처리되어 상기 배기 가스 중 함유 수분의 적어도 일부를 제거하여 하류 공정 및 장치에서 바람직하지 않은 응축을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따라서, 배기 가스는 압력 스윙 흡착에 의해 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리된다.
CO2-풍부화 분획은 정제되어 CO2 함량을 증가시킬 수 있다. 정제는 상기 CO2-풍부화 분획을 사용하는 추후의 용도에 따라 필요할 수 있다. CO2 방출을 감소시키기 위하여 CO2-풍부화 분획이 포집되고 제거되는 경우, 규제 법규는 비교적 높은 수준의 정제를 요한다. CO2-풍부화 분획은, 예컨대, 극저온 처리, 증류, 응축, 흡수, 투과에 의하거나 상기 방법을 조합하여 정제될 수 있다. 가능한 경우, CO2-풍부화 분획의 적어도 일부는 제철 공정 자체 또는 그에 존재하는 다른 설비에서 설비내 반응제로 사용된다. CO2-풍부화 분획 또는 그의 부분은 또한 전형적으로는 또 다른 사용자에게 수송하거나 제거하기 위하여 포집될 수 있다.
바람직하게는, 생성된 정제 H2의 전부 또는 일부가 재순환되어 제철 공정에 반응제로서 사용된다. 그러한 H2는 재순환되는 CO-풍부화 스트림의 부분에 가해져, 예컨대, 고로 중에서의 제철 공정 또는 철광석 직접 환원 공정에서 환원 가스로 사용될 수 있다. 다른 방식으로 또는 상기와 조합하여, 생성된 정제 H2의 적어도 일부는 포집될 수 있다. 포집된 정제 H2는 이어서 수송되고/거나 판매될 수 있다. 본 발명은 따라서 제철 공정의 조업자가 배기 가스, 보다 특히 CO-풍부화 분획의 퍼징된 제2 부분을 몇 가지 방식으로 활용할 수 있도록 할 수 있다. H2 대 CO 비율이 어떠한 합성 공정에서 가스가 효과적으로 사용될 수 있는지를 결정하는 H2-CO-함유 가스와는 달리, H2는 정제된 H2가 포집되고, 저장되고/거나 수송될 수 있는 보다 광범위한 상업적 용도를 갖는다.
본 발명의 하나의 실시양태에 따라서, 제철 공정은 상부 가스 재순환을 시키는 고로 제련 공정 (TGRBF)이다. CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되는 배기 가스는 고로 상부 가스의 적어도 일부이거나 상부 가스의 적어도 일부를 포함하며, CO-풍부화 분획의 재순환된 부분은 고로 내로 환원 가스로서 주입된다.
또한, 제철 공정은 철광석 직접 환원 공정일 수 있다. 이 경우에, 철광석을 철광석 직접 환원 장치 내에서 직접 환원시킴으로써, 직접 환원된 철광석 및 연도 가스가 생성된다. CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되는 배기 가스는 철광석 직접 환원 장치로부터의 연도 가스의 적어도 일부이거나 연도 가스의 적어도 일부를 포함하며, CO-풍부화 분획의 재순환된 제1 부분은 철광석 직접 환원 장치 내로 환원 가스로서 주입된다.
그러한 철광석 직접 환원 공정은 전형적으로는, 코렉스 (COREX)® 및 피넥스 (FINEX)®라는 명칭으로 상업화된 공정의 경우에서와 같이, 용융기-가스화기 중에서 직접 환원된 철광석의 용융과 결합된다.
그와 같은 경우에, 제철 공정은 또한 (a) 직접 환원된 철광석을 용융기-가스화기로 이송하여, 직접 환원된 철광석을 상기 용융기-가스화기 중에서 최종 환원 및 용융 처리하여 상부 가스를 생성하는 단계, (b) 용융기-가스화기의 상부 가스를 철광석 직접 환원 장치 내로 환원 가스로서 주입하는 단계를 포함한다.
코렉스® 타입 공정에서, 철광석 직접 환원 장치는 상기 CO-풍부화 분획의 재순환된 제1 부분이 환원 가스로서 주입되는 철광석 환원 샤프트이거나 그를 포함한다. 피넥스® 타입 공정에서, 철광석 직접 환원 장치는 상기 CO-풍부화 분획의 재순환된 제1 부분이 환원 가스로서 주입되는 다단 유동층 철광석 예열 및 직접 환원 시스템이거나 그를 포함한다.
수성 가스 전환 반응은 또한 CO2를 생성한다. 수성 가스 전환 반응에 의해 생성된 CO2는 바람직하게는 상기 기재한 바와 같은 배기 가스 CO2-풍부화 분획의 처리 방법과 유사한 방식으로 처리 및 취급된다. 특히, 수성 가스 전환 반응에 의해 생성된 바람직하게 혼합된 CO2는 배기 가스의 분리에 의해 수득된 CO2-풍부화 분획과 혼합될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 적절한 설비에 관한 것이다. 상기 제철 설비는 배기 가스 회로를 포함한다. 배기 가스 회로는 배기 가스를 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리하는 장치를 포함한다.
배기 가스를 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리하는 장치는 제철 설비의 배기 가스 배출구와 유체 연통되어 있는 배기 가스 유입구를 갖는다. 분리 장치는 또한 CO2-풍부화 분획을 위한 CO2-배출구, 및 배기 가스의 CO-풍부화 분획을 위한 CO-배출구를 갖는다. 재순환 회로는 분리 장치의 CO-배출구를 제철 설비의 환원 가스 소모 장치, 예컨대, 고로 또는 철광석 직접 환원 장치의 환원 가스 유입구에 유체 연통시킨다.
재순환 회로는 또한, 예컨대, 질소와 같은 오염물이 축적되는 것을 방지하기 위하여 배기 가스 회로 중에 배기 가스의 일부를 퍼징하기 위한 퍼지를 포함한다. 그러한 오염물은 시스템 내로 상이한 경로로, 예를 들어, 산화제와 함께 (예를 들어, 산화제가 산소-풍부화 공기인 경우), 철광석과 함께 및/또는 연료와 함께 (특히, 코우크스 및/또는 석탄의 경우) 들어간다. 상기 퍼지를 위해 여러 가지 방법이 존재한다. 예를 들어, 배기 가스 회로는 분리 장치의 상류에 퍼지를 포함할 수 있다. 그 경우에, 퍼징된 배기 가스는 CO 및 CO2를 모두 상당량 포함한다. 배기 가스 회로는 또한 분리 장치 하류의 재순환 라인 상에 퍼지를 포함할 수 있다. 그와 같은 경우에, 퍼징되는 배기 가스는 CO-풍부화 분획의 일부이다. 또한, 분리 장치 상류의 퍼지와 분리 장치 하류의 퍼지를 조합할 수 있다. 그와 같은 경우에, 퍼징된 배기 가스는 상기 두 가스의 혼합물이다.
본 발명에 따라서, 수성 가스 전환 반응기는 상기 퍼지와 유체 연통되어 있으며, 상기 수성 가스 전환 반응기는 퍼징된 배기 가스로부터 H2를 생성할 수 있고, 또한 반응기로부터 H2-함유 가스를 탈기하기 위한 H2-배출구를 포함한다.
하나의 실시양태에 따라서, 제철 설비는 상부 가스 재순환 고로 (TGRBF)를 포함한다. 분리 장치의 유입구는 고로의 상부 가스 배출구와 유체 연통되어 있으며, 재순환 라인은 분리 장치의 CO-배출구를 고로의 환원 가스 유입구에 유체 연통시킨다.
또 다른 실시양태에 따라서, 제철 설비는 철광석 직접 환원 장치를 포함한다. 상기 철광석 직접 환원 장치는 환원 가스 유입구, 직접 환원된 철광석 배출구 및 연도 가스 배출구를 포함한다. (CO/CO2-) 분리 장치의 유입구는 철광석 직접 환원 장치의 연도 가스 배출구에 유체 연통되어 있다. 재순환 라인은 분리 장치의 CO-배출구를 환원 장치의 환원 가스 유입구에 유체 연통시킨다. 철광석 환원 장치가 코렉스® 공정에 사용되는 타입인 경우, 직접 환원 장치는 환원 샤프트이거나 그를 포함하며, 재순환 라인은 분리 장치의 CO-배출구를 환원 샤프트의 환원 가스 유입구에 유체 연통시킨다. 철광석 환원 장치가 피넥스® 공정에 사용되는 타입인 경우, 직접 환원 장치는 다단 유동층 철광석 예열 및 직접 환원 시스템이거나 그를 포함하며, 재순환 라인은 분리 장치의 CO-배출구를 상기 다단 환원 시스템의 환원 가스 유입구에 유체 연통시킨다. 실제상, 그러한 직접 환원 장치는 통상적으로는 환원 장치의 직접 환원된 철광석 배출구에 연결된 직접 환원된 철광석 유입구 및 직접 환원 장치의 환원 가스 유입구에 유체 연통된 상부 가스 배출구를 갖는 용융기-가스화기와 결합된다.
본 발명에 사용되는 바람직한 수성 가스 전환 반응기는 산성 전환 반응기이다.
바람직하게는, 가스 압축기가 배기 가스 회로 상의 퍼지(들)과 수성 가스 전환 반응기 사이에 배치된다. 수성 가스 전환 반응기 하류의 H2 정제 장치는 수성 가스 전환 반응기로부터 배출되는 H2를 정제하여 그의 기술적 및 상업적 가치를 증가시킬 수 있도록 한다.
정제 장치는 흡착 장치, 바람직하게는 압력 스윙 흡착 장치를 포함하거나, 흡착 장치와 멤브레인 정제 장치를 조합하여 포함할 수 있다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명의 제철 방법에서, 정제 장치는 바람직하게는 H2를 1 부피% 미만의 탄소-함유 화합물, 보다 바람직하게는 10 ppm 미만의 탄소-화합물 및/또는 90 부피% 이상의 H2, 보다 바람직하게는 95 부피% 이상의 H2, 가장 바람직하게는 99 부피% 이상의 H2의 순도로 정제하기에 적합하다.
배기 가스 회로는 전형적으로는 배기 가스 배출구와 분리 장치 사에에 배치된 가스 압축기를 포함한다.
배기 가스 배출구와 분리 장치 사이의 분진 여과기를 배치함으로써, 배기 가스가 (CO/CO2-) 분리 장치로 들어가기 전에 그로 부터 입자상 물질을 제거할 수 있다. 바람직하게는, 배기 가스 회로는 분리 장치 상류에서 압축기 전에 배치된 분진 여과기를 갖는다. 배기 가스의 습기를 적어도 부분적으로 제거하기 위하여, 배기 가스 회로에는 배기 가스 배출구와 분리 장치 사이에 가스 건조기가 장착될 수 있다.
(CO/CO2-) 분리 장치의 CO2-배출구는 분리 장치 하류에 배치되어 있는 CO2-정제 장치와 유체 연통되어 있을 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, CO2 방출을 감소시키기 위하여 CO2가 포집되고 제거되어야 하는 경우, 관련 규제법에 의해 정제 장치를 설치하여야 할 수 있다. 그와 같은 CO2 정제 장치는 증류 장치, 응축 장치, 흡수 장치, 투과 장치 또는 상기 장치의 조합을 포함할 수 있다. 유리하게는, CO2 정제 장치는 극저온 정제 장치이거나 그를 포함한다.
수성 가스 전환 장치 또한 수성 가스 전환 반응에 의해 생성된 CO2를 탈기시키기 위한 CO2 배출구를 포함한다. 상기 CO2 배출구는 바람직하게는 분리 장치의 CO2 배출구와 유체 연통되어 있다.
제철 공정 및 설비는 수성 가스 전환 반응기로 보내지는 배기 가스의 일부를 퍼징하기 위한 상기와 같은 퍼지(들)가 아닌 다른 가스 퍼지들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배기 가스가 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 퍼지를 사용함으로써 퍼징된 가스가 열 회수에 사용되고/거나 플레어되고/거나 화력 생산 장치로 보내질 수 있는 것이 알려져 있다. 또한, 그와 같은 퍼징된 가스(의 일부)를 일반적으로는 추가의 연료 및 산화제와 함께 제철 설비/공정 내에서 발열을 위해 연소시킬 수 있다. CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로의 분리는 퍼징되지 않은 배기 가스, 즉, 재순환 회로에 잔류하는 배기 가스에 대해 이루어진다.
본 발명이 수성 가스 전환 반응기 하류의 H2 정제 장치 중에서 수성 가스 전환 반응기로부터 생성된 H2로부터 오염물 및/또는 불활성 물질을 제거하여 기술적으로 및/또는 상업적으로 유용한 수준의 순도의 H2를 생성함으로써 배기 가스를 개선된 방식으로 활용할 수 있게 하므로, 추후에 수성 가스 전환 반응으로 처리되지 않고 퍼징되는 배기 가스의 양을 줄이거나 수성 가스 반응으로 처리하는 것을 제외하고는 어떠한 배기 가스도 퍼징시키지 않는 것이 유리할 수 있으며, 따라서 더 많은 양, 심지어 전량의 퍼징된 배기 가스가 수성 가스 전환 반응으로 처리되며, CO-풍부화 분획을 제공하는 퍼징되지 않은 배기 가스는 재순환되어 환원 가스로 사용된다. 이 방식으로 (CO-풍부화 분획을 제철 공정에서 환원 가스로 사용하는 것에 대한 꾸준한 요구), 본 발명의 제철 공정 및 설비에서 생성되는 H2의 양은 증가될 수 있다.
본 발명은 이와 같이 공정을 에너지 요구의 증가 (이 경우에 보다 높은 비율의 배기 가스가 퍼징되어 화력 생산 장치로 보내질 수 있음) 또는 수소 요구의 증가 (이 경우에, 보다 높은 비율의 배기 가스가 H2 생성을 위해 수성 가스 전환 반응으로 처리됨)에 따라 유연하게 대처할 수 있도록 한다. 마찬가지로, 공정은 에너지 시장 가격이나 수소 시장 가격을 고려하여 이윤 창출을 위해 적정화될 수 있다.
본 발명의 장점은 유용한 물질인 H2가 제련 제출 공정의 부산물로서 비교적 낮은 비용으로 생성된다는 것이다. 본 발명의 장점은 특히 CO-풍부화 분획을 환원 가스로서 재순환시키는 장점을 상실하거나 감쇄시키지 않으면서 H2가 생성될 수 있다는 것이다.
이와 같이 생성된 H2는 즉시 사용되거나 저장 및/또는 수송을 위해 컨디셔닝될 수 있다.
생성된 H2는 제철 제련 설비 그 자체 또는 현장의 또 다른 설비 내에서 사용될 수 있다.
생성된 H2는 또한 다른 곳에서 사용하기 위해 수송될 수 있다. 생성된 H2는, 예를 들어, 연료 전지 구동 차량을 포함하여 연료 전지에 사용될 수 있다.
제철 설비는 지리학적으로 널리 퍼져 있는 경향이 강하다. 본 발명의 장점은 특히 수소의 수요가 있으나 전통적인 대규모 수소 생산 장치를 지역적으로 건축하기에는 그 수요가 너무 제한적인 지역의 경우를 포함하여, 한정된 양의 수요가 지역적으로 생산될 수 있다는 것이다. 이런 식으로, 수소 수송에 따른 비용을 또한 절감할 수 있다.
본 발명은 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명되며, 도 1은 본 발명에 따른 TGRBF 설비를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 설비의 재순환 라인의 퍼지 (200)를 보다 상세하게 나타낸 것이다.
고로 (10)는 주로 CO2, H20 및 CO와 수 퍼센트의 H2, N2, Ar을 함유하며, 고로 (10)의 상부에서 배출되는, 일반적으로 상부 가스라 불리우는 배기 가스 (20)를 생성한다.
여과기 (30)는 배기 가스 (20)를 여과하여 먼지와 기타 입자상 물질을 제거한다.
배기 가스의 일부는 퍼지 (40)를 통해 퍼징되어 에너지 생성 장치로 이송될 수 있다. 또한, 배기 가스 (20) 중 어느 일부도 퍼징되지 않을 수 있다.
퍼징되지 않은 배기 가스는 상부 가스 압축기 (50)에 의해 압축되고, 압축된 가스는 건조기 (60) 내에서 건조되어 함유된 수분의 일부를 응축 제거한다.
건조된 배기 가스는 압력 스윙 흡착 (PSA) 장치 (70)로 보내져, 거기서 CO2-풍부화 분획 (80)과 CO-풍부화 분획 (90)으로 분리된다.
CO2-풍부화 분획은 압축기 (100)에서 압축되고, 압축된 CO2-풍부화 분획은 극저온 정제 장치 (110)로 보내져, 거기서 CO2-풍부화 분획은 포집 및/또는 제거하기 용이한, 실질적으로 순수한 CO2 (120)로 농축된다. CO2-풍부화 분획 중 고도로 불순한 잔여 부분 (130)은 압력 스윙 흡착 장치 (70)의 유입구로 재순환되거나 폐기될 수 있다.
분리 장치 (70)로 부터 배출되는 CO2-풍부화 분획이 여전히 상당량의 CO를 함유하는 경우가 종종 있다는 것에 주목하여야 한다. H2 요구 여부에 따라, CO2-풍부화 분획 중에 함유된 CO를 수성 가스 전환 반응에 의해 부분적으로 또는 전적으로 H2 생성에 사용하는 것이 유리할 수도 있다. 따라서, CO2-정제의 부산물로서 남겨진 가스 (130)의 적어도 일부를 수성 가스 전환 반응기로 보내거나, 또는 특히 설비가 CO2-정제 장치 (110)를 포함하지 않는 경우에는, 분리 장치 (70)로부터 배출되는 CO2-풍부화 분획의 전부 또는 일부를 수성 가스 전환 반응기에 보내도록 선택할 수 있으며, 이러한 선택 사항은 도시된 실시양태에만 한정되는 것이 아니라, 사실상 본 발명에 일반적으로 적용될 수 있다.
배기 가스의 CO-풍부화 분획 (90)의 제1 부분 (140)은, TGRBF 공정으로 알려진 바와 같이, 환원 가스 및 탄소 공급원으로서 고로 (10)로 다시 주입되기 전에 핫 스토브 (160)에서 예열된다.
본 발명에 따라서, 배기 가스의 CO-풍부화 분획 (90)의 제2 부분 (150)은 퍼지 (200)에서 재순환 라인으로부터 배출된다.
상기 배출된 또는 퍼징된 부분 (150)은 도 2에 도시된 방법으로 처리된다.
퍼징된 CO-풍부화 가스는 압축기 (210) 중에서 압축되고, 압축된 퍼징된 가스 (211)는 수성 가스 전환 반응기 (220) 중에서 수성 가스 전환 반응, 보다 특히 산성 전환 반응으로 처리된다. 수성 가스 전환 반응기는 수증기 유입구 (222)를 포함한다. 수증기는 수성 가스 전환 반응기를 위해 특별히 생성된 것일 수 있거나, 열 회수 보일러와 같은 설비내 다른 수증기 공급원으로부터 얻을 수 있다. 반응기 (220)로부터 배출되는 H2- 및 CO2-함유 가스 (221)는 정제 장치 (230)에서 더 정제된다. 실질적으로 순수한 H2 (231)는 TGRBF 공정 중에, 예를 들어, 환원 가스로 사용될 수 있으나, 일반적으로는 다른 설비에 사용되거나 상업화를 위해 컨디셔닝되는 것이 보다 유리할 수 있다. 도시된 실시양태에서, 실질적으로 순수한 H2의 분획 (231a)은 포집되어 활용되며, 나머지 분획 (231b)은 H2 생성 공정의 여러 상류 단계로 재순환될 수 있다. 제거된 불순물을 함유하는 가스 (221)의 나머지 분획 (232)은 TGRBF 공정으로 재순환되거나 폐기될 수 있다.

Claims (15)

  1. (a) 1종 이상의 연료와 1종 이상의 산화제의 연소 반응, (b) 적어도 CO2와 CO를 함유하는 1종 이상의 배기 가스의 생성, 및 (c) 배기 가스 재순환을 포함하며,
    Figure pct00001
    배기 가스의 적어도 일부는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되고,
    Figure pct00002
    적어도 상기 CO-풍부화 분획의 제1 부분이 재순환되어 제철 공정 중 환원 가스로서 사용되며,
    배기 가스의 일부는 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리되기 전에 퍼징되고/퍼징되거나 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리된 후에 CO-풍부화 분획의 제2 부분으로서 퍼징되는 제철 방법에 있어서,
    상기 배기 가스의 퍼징된 부분을 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction)으로 처리하여 H2를 생성하고, 수성 가스 전환 반응에 의해 생성된 H2를 정제 장치에서 더 정제하는 것을 특징으로 하는 제철 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 CO-풍부화 분획의 퍼징된 제2 부분을 산성 전환 반응(sour shift process)으로 처리하여 H2를 생성하는 제철 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, CO2-풍부화 분획이 포집되는 제철 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 가스 재순환을 시키는 고로 제련 방법으로서, 배기 가스가 고로 상부 가스의 적어도 일부이거나 고로 상부 가스의 적어도 일부를 포함하고, 상기 CO-풍부화 분획의 재순환되는 제1 부분이 고로에 환원 가스로서 주입되는 제철 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 철 환원 공정 또는 철 환원-제련 공정이며,
    Figure pct00003
    철광석을 철광석 직접 환원 장치 내에서 직접 환원시켜 직접 환원된 철광석과 연도 가스를 생성하는 단계를 포함하며,
    배기 가스가 철광석 직접 환원 장치로부터의 연도 가스의 적어도 일부이거나 연도 가스의 적어도 일부를 포함하고, 상기 CO-풍부화 분획의 재순환되는 제1 부분이 철광석 직접 환원 장치에 환원 가스로서 주입되는 제철 방법.
  6. 제5항에 있어서, 추가로
    Figure pct00004
    직접 환원된 철광석을 용융기-가스화기로 이송하여, 직접 환원된 철광석을 상기 용융기-가스화기 중에서 최종 환원 및 용융시켜 상부 가스를 생성하고,
    Figure pct00005
    용융기-가스화기의 상부 가스를 철광석 직접 환원 장치에 환원 가스로서 주입하는 단계를 포함하는 제철 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 철광석 직접 환원 장치가 상기 CO-풍부화 분획의 재순환되는 제1 부분이 환원 가스로서 주입되는 철광석 환원 샤프트를 포함하는 제철 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 철광석 직접 환원 장치가 상기 CO-풍부화 분획의 재순환되는 제1 부분이 환원 가스로서 주입되는 다단 유동층 철광석 예열 및 직접 환원 시스템을 포함하는 제철 방법.
  9. Figure pct00006
    배기 가스를 CO2-풍부화 분획과 CO-풍부화 분획으로 분리하기 위한 것으로, 제철 설비의 배기 가스 배출구와 유체 연통되어 있는 가스 유입구 및 CO2-풍부화 분획을 위한 CO2-배출구 및 CO-풍부화 분획을 위한 CO-배출구를 추가로 갖는 분리 장치,
    Figure pct00007
    상기 CO-배출구를 제철 설비의 환원 가스 소모 장치의 환원 가스 유입구에 유체 연통시키는 재순환 회로,
    Figure pct00008
    배기 가스의 일부를 퍼징시키기 위한 것으로, 상기 배기 가스 회로 상
    (a) 분리 장치 상류의 퍼지, 및/또는
    (b) 상기 CO-배출구와 유체 연통되어 있는 재순환 라인으로부터, 재순환 라인으로부터의 CO-풍부화 분획의 일부를 퍼징하기 위한 것으로 분리 장치 하류의 퍼지를 포함하는, 배기 가스 회로를 갖는 제철 설비에 있어서,
    상기 퍼지와 유체 연통되어 있으며 H2-함유 가스를 배출하기 위한 H2-배출구를 갖는 수성 가스 전환 반응기, 및 H2-함유 가스를 정제하기 위한 하류 H2 정제 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제철 설비.
  10. 제9항에 있어서, 상부 가스 재순환 고로를 포함하며, 분리 장치의 유입구가 고로의 상부 가스 배출구에 유체 연통되어 있고, 재순환 라인이 분리 장치의 CO-배출구를 고로의 환원 가스 유입구에 유체 연통시키는 제철 설비.
  11. 제9항에 있어서, 환원 가스 유입구, 직접 환원된 철광석 배출구 및 연도 가스 배출구를 갖는 철광석 직접 환원 장치를 포함하며, 분리 장치의 유입구가 직접 환원 장치의 연도 가스 배출구에 유체 연통되어 있고, 재순환 라인이 분리 장치의 CO-배출구를 직접 환원 장치의 환원 가스 유입구에 유체 연통시키는 제철 설비.
  12. 제11항에 있어서, 직접 환원 장치가 직접 환원 샤프트를 포함하고, 재순환 라인이 분리 장치의 CO-배출구를 직접 환원 샤프트의 환원 가스 유입구에 유체 연통시키는 제철 설비.
  13. 제11항에 있어서, 직접 환원 장치가 다단 유동층 철광석 예열 및 직접 환원 시스템을 포함하고, 재순환 라인이 분리 장치의 CO-배출구를 상기 다단 직접 환원 시스템의 환원 가스 유입구에 유체 연통시키는 제철 설비.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 환원 장치의 직접 환원된 철광석 배출구에 연결된 직접 환원된 철광석 주입구를 갖는 용융기-가스화기를 추가로 포함하는 제철 설비.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 가스 전환 반응기가 산성 전환 반응기인 제철 설비.
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