KR20150053809A - 직접 환원 시스템용 공정 가스 가열 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 환원법으로 철광석을 환원시키는 방법으로서, 여기서 환원될 철광석은 환원 고로와 같은 환원부를 통해서 이송되고 및 환원 가스와 접촉되며; 상기 환원 가스는 상기 환원부로 인도되어 그 환원부를 통과하며; 상기 환원부를 통과한 후, 상기 환원부로부터 가스를 취하고; 상기 환원부를 나온 후, 상기 가스를 준비하고 가능한 신규 가스 성분을 추가하고 다시 역공급하며; 및 상기 발생된 가스 혼합물로부터 나온 발생된 가스 혼합물 또는 환원 가스 생성물을, 상기 환원부로 진입하기 전에, 700 내지 1100°C, 바람직하게는 850 내지 1000°C로 가열하는 데 있어서, 상기 가열은 주로 전기적 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법이다.

Description

직접 환원 시스템용 공정 가스 가열 방법{Method for heating process gases for direct reduction systems}
본 발명은 직접 환원 시스템용 공정 가스를 가열하는 방법에 관한 것이다.
제강은 현재 다양한 방식으로 수행되고 있다. 전통적인 제강은 우선 산화철 매체로부터, 선철을 고온로 과정에서 생산함으로써 수행된다. 이러한 방법에서, 선철 톤당, 약 450 내지 600 kg의 산화제, 즉 통상적으로, 코오크를 소비한다. 이러한 방법은, 석탄으로부터의 코오크 생산 및 선철의 생산 둘 다에서, 엄청난 양의 CO2를 방출한다. 또한, 소위 "직접 환원법"이 알려져 있는데 (Midrex, FINMET, ENERGIRON/HYL, 등의 브랜드에 따른 방법), 여기서 일차적으로 산화철 매체로부터 해면철을 HDRI (hot direct reduced iron(열간 직접 환원철)), CDRI (cold direct reduced iron(냉간 직접 환원철), 또는 소위 HBI (hot briquetted iron (열간 연탄 철))의 형태로 생산한다.
또한 소위 제련 환원법이 있는 데 용융 과정, 환원 가스의 생성 및 직접 환원이 서로 조합된 것으로, 예를 들어, COREX, FINEX, HiSmelt, 또는 HiSarna의 명칭의 방법이다.
HDRI, CDRI, 및 HBI의 형태로 있는 해면철은 통상 엄청난 에너지 집약적인 전기로에서 추가 가공된다. 직접 환원은 수소과 천연 가스 (메탄) 및 가능하다면 합성 가스는 물론 코오크 오븐 가스를 사용하여 수행된다. 예를 들어, 소위 MIDREX 방법에서, 제1 메탄은 하기 반응에 따라 전환된다:
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
그리고 산화 철은 상기 환원 가스와, 예를 들어, 하기 식에 따라 반응한다:
Fe2O3 + 6CO(H2) = 2Fe + 3CO2 (H2O) + 3 CO(H2).
이 방법 또한 CO2를 방출한다.
독일 특허 번호DE 198 53 747 C1는 분광석을 직접 환원하는 조합 공정을 개시한 것으로, 환원은 수평적 난류층의 수소 또는 다른 환원 가스를 사용하여 수행된다.
독일 특허 번호DE 197 14 512 A1는 태양광 발전, 전기분해부 및 산업적 야금 공정을 구비한 발전소를 개시한다; 이러한 산업적 공정은 보크사이트로부터 알루미늄을 에너지 집약적 금속 생산과 관련 있거나 또는 텅스텐, 몰리브덴, 니켈 등과 같은 비철 금속을 생산하는 데 수소를 환원제로 사용하는 야금 공정을 의도하거나 철 금속을 생산하는 데 직접 환원법을 사용하여 수소를 환원제로서 이용하는 야금 공정을 의도하기 위한 것이다. 상기 인용 문헌은, 그러나, 이러한 것을 상세히 설명하지 않고 있다.
WO 2011/018124는 이산화 탄소 및 재생 전기 에너지와 화석 원료를 사용하여, 저장할 수 있고 또 운반할 수 있는 탄소 기반 에너지 원을 생산하는 방법과 시스템을 개시한다. 이 경우, 재생적으로 생성된 메탄올의 백분율은 비재생적 전기 에너지의 수단으로써 및/또는 직접 환원의 수단으로써 및/또는 부분 산화 및/또는 개질의 수단으로써 생성되는 메탄올의 백분율과 같이 나타난다.
상기 직접 환원법에서, 환원 고로 (shaft)의 하류에서 나오는 가스는 그것이 정제되고 물이 분리되며, HYL 방법에서, 추가의 CO2 분리 또는 HYL MIDREX 방법에서 추가의 CO2 분리 후 재순환 가스로서 공정에 역 공급된다. 다음으로, 통상, 신선한 환원 가스를 공급하기 위해, 이러한 가스는 천연가스로 농축되게 된다. HYL 방법에서, 약 105℃에서 냉각된 정제된 가스는 다시 700 내지 1100℃로 가열되고 그 후 산소로 부분 산화된다.
MIDREX 방법에서, 천연가스를 사용하여CO2 및 물을 약 700 내지 1100℃의 온도 범위에서 가열된 개질기에서 H2와 CO로 전환시킨다. 양 쪽 방법은 정제되었고 및 상기 환원 고로 (shaft)에서 나오는 가스의 부분 유동체를 도입한다는 것과 이 유동체에 천연가스가 첨가된다 사실에서 동일하다.
상기 환원 공정은 하기 식으로 표시될 수 있다:
(1) Fe2O3 + 6CO(H2) = 2Fe + 3CO2(H2O) + 3CO(H2)
상기 MIDREX 방법에서, 하기 반응들이 상기 개질기에서 일어난다:
(2) CH4 + CO2 -> 2CO + 2H2
(3) CH4 + H2O -> CO + 3H2
상기 HYL 방법에서, 하기 반응이 일어난다:
(4) CH4 +
Figure pct00001
O2 -> CO + 2H2
양 쪽 방법에서, 추가로 사용된 화석 연료, 즉 천연가스를 사용하여 공정 가스를 가열하고 및 상기 개질기를 가열한다.
본 발명의 목적은 직접 환원 시스템용 공정 가스를 가열하는 방법을 고안하는 것으로, 이로써, 공정 가스의 가열이 개선되고 및 에너지 수요와 이용 가능한 에너지에 적응된 전체 공정에 더 유연하게 적응되고 적합하게 된다.
본 발명의 다른 목적은 CO2 배출물을 줄이는 것이다.
상기 목적은 청구항 1항의 특징을 가진 방법을 사용하여 얻어진다. 직접 환원법으로 철광석을 환원시키는 방법에 있어서, 환원될 철광석은 환원 고로와 같은 환원부를 통해서 이송되어 환원 가스와 접촉되며; 상기 환원 가스는 상기 환원부로 인도되어 그 환원부를 통과하며; 상기 환원부를 통과한 후, 상기 환원부로부터 가스를 취하고; 상기 환원부를 나온 후, 상기 가스를 준비하고 가능한 신규 가스 성분을 추가하고 다시 역공급하며; 상기 발생된 가스 혼합물로부터 나온 발생된 가스 혼합물 또는 환원 가스 생성물을, 상기 환원부로 진입하기 전에, 700 내지 1100℃, 바람직하게는 850 내지 1000℃로 가열하는 것으로서, 상기 가열은 주로 전기적 방식으로 수행한다.
유리한 변경이 종속항에 개시된다.
재생 에너지 원으로부터 나온 전력을 상기 전기적 가열에 사용한다.
상기 환원부로부터 나온 후, 상기 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가된다.
상기 가스 혼합물은 산소가 첨가된다.
상기 환원 고로로부터 나온 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되고 그 후 가열된다.
상기 환원 고로로부터 나온 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되고 다음 개질기에서 변형된다.
상기 환원 고로로부터 나온 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되고 다음 개질기에서 변형된다.
에너지 원을 가격 최적화적으로 사용하는 것은 가스 가격 및 전기 가격을 연속적으로 평가함으로써 이뤄진다.
상기 가열 공정을 더 유연하게 만들기 위해, 본 발명에 따라, 환원 가스 및 상기 개질기의 가열은 전기 가열로 전환된다.
바람직하게는, 상기 전기 에너지는 재생가능한 자원으로부터 생성될 수 있고, 따라서, 화석 연료를 대체한다.
이러한 것은 사용된 에너지 원에 대하여 공정의 유연성을 유리하게 높일 수 있다. 이것은 화석 연료 및 전기 에너지의 다양한 조합을 사용하여 가열함으로써 이루어진다.
이와 관련하여, 본 발명은 전류가 100% 에너지 유효이용도(exergy)로 간주될 수 있어 이는 완전히 고온 열로 전환될 수 있는 장점을 가진다. 전기 에너지가 열로 직접적으로 전환되기 때문에, 특히, 시장에서 값싸게 이용 가능한 피크 전류의 용도에 관하여, 매우 유연하게 적용될 수 있다.
또한 수력, 풍력 및 태양 에너지와 같은 재생가능한 에너지 원으로부터 나온 전류는, 생성될 때, 어떠한 CO2 배출물도 생성하지 않는다.
도 1은 천연 가스-추진으로 공정 가스를 가열하는, 선행기술에 따른 HYL Energiron 방법을 예로서 나타낸다.
도 2는 전기-추진으로 공정 가스 가열하는, 본 발명에 따른 HYL Energiron 방법을 예로서 나타낸다.
도 3은 MIDREX 방법의 개략도이다.
도 4는 CO2-제거부 (예, VPSA - 진공-압력 전환 흡수)를 구비한, 선행기술에 따른 비싸고 복잡한 CO2-최적화된 MIDREX 방법을 설명하는 개략도이다.
본 발명은 도면과 연계하여 예증적 방식으로 설명될 것이다.
상기 HYL은 전기 아크로 (EAF)를 위시하여, 년간 이백만 톤의 직접 환원 철 (DRI) 용량을 기반으로 하는 것으로, 도2에 예증적으로 도시되어 있다. 철광석이 환원되는 고로로부터 나온 공정 가스를 먼저 수 분리한 후 CO2 분리하면서 운송된다. 이 경우, 순환 가스 유동체 부피는 시간당 약 500,000㎥ 시간당 약 72,000　㎥ 천연 가스가 이 유동체에 추가되고, 이의 56,000　㎥ 가 상기 환원에 사용되며, 이의 약 16,000　㎥ 를 105 내지 970℃의 온도로 공정 가스를 가열하는 데 전용한다. 다음, 산소를 가열된 공정가스에 첨가하고, 다음 이를 상기 환원 고로로 역 공급한다.
본 발명에 따른 방법에서 (도 2), 상기 환원 가스는 마찬가지로 상기 고로로부터 취하고 수 분리 및 CO2 분리 하면서 운반한다. 공정 가스를 전기 가열하는 덕택으로, 시간당 약 56,000㎥ 양의 천연 가스를 첨가하는 것만이 필요하며, 상기 가스는 산소를 이용하여 전술한 식에 따라 CO 및 수소로 분리된다. 도 2의 표는 환원된 철의 톤 당 CO2 가 21% 감소됨을 나타낸다. 또한, 전기 가열로 인하여, 상기 공정은 정확하게 제어할 수 있고 유연한 방식으로 사용될 수 있다.
도 3은 MIDREX 방법을 나타내는 데, 여기서 마찬가지로, 배출 가스를 상기 환원 고로에서 취하고 공정 가스 유동체 및 가열 가스 유동체로 분리한다. 상기 공정 가스 유동체는 천연 가스가 시간당 약 63,000　㎥ 의 양으로, 특히 연간 2백만 톤의 환원된 철에 대하여 발명된 시스템에서, 첨가될 때까지 공정 가스 컴프레서를 통해 운반된다. 이러한 공정 가스는 열교환기를 통해 통과되는 데, 여기서 상기 개질기에서 나온 배출 가스에 의해 600℃로 예비 가열된 다음 개질기를 통과하며 이 와중에 980℃로 가열되고, 및 추가 천연 가스와 산소가 풍부하게 된 공정 가스로서 고로에 역공급된다. 마찬가지로, 상기 가열 가스를 상기 고로로부터 취하고, 천연가스를 첨가하고, 및 예비가열된 연소 공기와 같이 상기 개질기로 이송된다. 천연 가스의 총 요구량은 시간당 약 68,200㎥ 상기 개질기를 전기적으로 가열함으로써, 52 메가와트의 전기로를 사용하여, 시간당 약 5,100　㎥의 배출 가스를 보상하는 것이 가능하다. 그 결과, 한편으로, 환원된 철광석의 톤 당 7.5% 의 CO2 감소율을 달성할 수 있다. 또한, 이러한 공정은 전기적 가열로 인하여 더욱 유연하고 정밀한 방식으로 제어될 수 있다.
본 발명의 효과는 화석 연료를 재생 가능한 에너지로부터 나온 전력으로 대체하는 것에 대하여 간단하고 빠르게 실행 가능한 조건을 성취하는 것이다. 직접 환원 시스템으로부터 나온 CO2 배출물 또한 환원된다. 본 발명은 또한 직접 환원 시스템을 효과적이고 유연한 방식으로 성공적으로 운영하게 할 수 있다. 특히, 재생 에너지의 이용가능성을 활용하는 제강에 있어서, 공정 가스를 전기적으로 예비 가열함으로써, 특히 재생 가능한 에너지에 기반한 가열로써, 개선할 수 있고, 상호 적응할 수 있다.
또한, 그러한 시스템이 이용 가능한 피크 전류를 값싸게 이용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 직접 환원법으로 철광석을 환원시키는 방법에 있어서, 환원될 철광석은 환원 고로와 같은 환원부를 통해서 이송되어 환원 가스와 접촉되며; 상기 환원 가스는 상기 환원부로 인도되어 그 환원부를 통과하며; 상기 환원부를 통과한 후, 상기 환원부로부터 가스를 취하고; 상기 환원부를 나온 후, 상기 가스를 준비하고 가능한 신규 가스 성분을 추가하고 다시 역공급하며; 상기 발생된 가스 혼합물로부터 나온 발생된 가스 혼합물 또는 환원 가스 생성물을, 상기 환원부로 진입하기 전에, 700 내지 1100℃, 바람직하게는 850 내지 1000℃로 가열하는 것으로서, 상기 가열은 주로 전기적 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 재생 에너지 원으로부터 나온 전력을 상기 전기적 가열에 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 전술항 중 한 항에 있어서, 상기 환원부로부터 나온 후, 상기 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 전술항 중 한 항에 있어서, 상기 가스 혼합물은 산소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 전술항 중 한 항에 있어서, 상기 환원 고로로부터 나온 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되고 그 후 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전술항 중 한 항에 있어서, 상기 환원 고로로부터 나온 가스는 천연 가스, 코오크 오븐 가스 또는 바이오매스나 석탄으로부터 나온 합성 가스가 첨가되고 다음 개질기에서 변형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 전술항 중 한 항에 있어서, 에너지 원을 가격 최적화적으로 사용하는 것은 가스 가격 및 전기 가격을 연속적으로 평가함으로써 이뤄지는 것을 특징으로 하는 방법.
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