KR20150118564A - 석탄계 용철 제조 공정에서 배출되는 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법 - Google Patents

석탄계 용철 제조 공정에서 배출되는 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄계 용철 제조 공정에서 배출되는 부산물의 재활용 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 용철 제조 공정에서 발생한 부산물을 괴성화하여 부산물 괴성체를 형성하는 단계 및 상기 펠렛을 환원철과 혼합하여 괴성화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 재활용 방법에 의함으로써, 재활용 중에 재분화가 일어나지 않아 부산물의 재손실 및 통기도의 저하와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

Description

석탄계 용철 제조 공정에서 배출되는 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법{The method for preparing molten iron by recycling by-product emitted from coal-based iron making process}
본 발명은 석탄계 용철 제조 공정에서 분진 또는 슬러지의 형태로 발생하는, 유용성분이 다량 함유된 부산물을 재활용하는 방법에 관한 것이다.
석탄계 용철 제조 공정 중 파이넥스(FINEX) 용선 제조 설비는 분 상태의 철광석을 환원시키는 유동 환원 공정과 환원된 분철광석을 괴상태로 만드는 괴성화 공정, 및 석탄 충진층을 구비하고 괴성화된 환원광을 제공받아 이를 용융로에서 용융시키는 용융로 공정으로 구성되는 데, 각 공정의 특성에 따라 일정량의 부산물이 배출된다.
이때, 배출되는 부산물은 물을 이용하여 회수하는 경우 슬러지의 형태로, 물을 사용하지 않고 회수하는 경우 분진의 형태로 배출되고 있다. 상기의 부산물은 주로 철광석, 부원료, 탄소 함유 물질과 같이 용철 제조 공정에서 직접 사용되는 유용성분으로 구성되어 있기 때문에 용철 제조 공정에서 재활용하는 것이 경제적인 점에서 유리하다.
그러나, 상기의 부산물은 재활용하는 데에 있어서, 하기와 같은 문제점이 있다. 슬러지의 경우에는 수분을 함유하고 있어, 취급이 용이하지 않고, 이를 전처리 공정 없이 바로 재활용처리를 할 수는 없다. 따라서, 재활용하기 위해서는 일정한 수준까지 수분을 제거해야 하는 데, 이러한 과정에서 다량의 에너지가 소모된다.
또한, 분진과 슬러지 모두 입자기 대부분 100㎛ 이하의 극미분이기 때문에 공정 내에서 직접 사용할 경우, 대부분 재비산되어 손실될 가능성이 크다. 따라서, 상기의 문제점을 극복하기 위하여 슬러지의 경우 건조를 한 후, 분진의 경우는 건조 공정은 생략하고 이를 괴성화한 후 용융로 공정에 장입하여 재활용하고 있다.
그러나, 괴성화된 부산물은 상온 강도와 열간 강도가 낮기 때문에, 이송 중에 분화되거나 약 1,000℃ 정도로 유지되는 용융로에 장입되는 순간 다시 분화되는 문제점이 있다. 이 경우, 분화된 입자는 용융로에 발생되는 환원가스에 의해 재비산되어 다시 분진 또는 슬러지로 손실되기 때문에 재활용 효과가 반감되기도 하고, 용융로 내부에 잔류하는 경우, 입자가 작은 관계로 큰 입자 사이의 공극을 채워 가스 통기도를 악화시키는 문제점이 발생한다.
상기 문제점을 최소화하기 위하여, 일부에서는 입자 간의 결합력을 증대시키기 위해 결합제를 사용하거나 기존 펠렛 제조공정과 유사하게 고온에서 열처리하여 사용하는 방법이 제시되어 있으나, 에너지 소비가 증대되고, 제조 단가가 증가하는 관계로 재활용 효과가 반감되는 문제점이 또 발생하게 된다.
상기와 같은 문제점으로 인하여, 파이넥스(FINEX) 용선 제조 설비에서는 부산물들의 재활용이 제한적으로 이루어지고, 대부분 무상으로 시멘트 공장에 제공되어 철원으로 재활용되거나 매립되고 있다. 따라서, 에너지 소비를 최소화하고, 괴성화할 경우 재분화를 억제하는 방향으로 기술 개발이 이루어져야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용철 제조 공정에서 발생하는 부산물인 슬러지와 분진을 혼합하여 환원철과 함께 괴성화함으로써, 슬러지를 건조하는 공정 없이도, 슬러지의 수분함량을 낮추어 재활용이 용이하도록 하며, 재활용하는 과정 중에 재분화가 이루어져 부산물이 재손실되고, 통기도를 악화시키는 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 용철 제조 공정에서 발생한 부산물을 괴성화하여 부산물 괴성체를 형성하는 단계; 및 상기 펠렛을 환원철과 혼합하여 괴성화하는 단계를 포함하는 용철 제조 공정 부산물의 재활용 방법을 제공한다.
상기 부산물은 슬러지, 분진 또는 슬러지와 분진의 혼합물일 수 있다.
상기 슬러지와 분진의 혼합물은 슬러지와 분진을 동일한 무게비로 혼합한 것일 수 있다.
상기 펠렛은 입도가 0 초과 10mm 이하일 수 있다.
상기 펠렛의 수분 함량은 0 이상 20 중량% 이하일 수 있다.
상기 펠렛을 형성하는 단계는 부산물을 혼합기로 혼합 성형하거나, 주형틀을 사용하여 성형하거나, 경사진 팬이나 드럼통을 이용하여 회전시킴으로써 구형태로 응집하여 수행될 수 있다.
상기 펠렛을 형성하는 단계는 수분, 결합제 및 첨가제로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 추가로 첨가하여 수행될 수 있다.
상기 결합제는 벤토나이트 또는 물유리를 포함하는 무기질 결합제, 또는 전분 또는 당밀을 포함하는 유기물 결합제일 수 있다.
상기 첨가제는 부산물에 포함된 철산화물의 환원을 촉진시키기 위한 석탄 또는 탄소 성분을 함유하는 폐기물, 또는 철 성분의 함량을 증가시키기 위한 광석 또는 철 성분을 포함하는 폐기물일 수 있다.
상기 첨가제는 석회석 또는 백운석일 수 있다.
상기 펠렛은 환원철과 혼합되기 전에 건조 공정, 선별 공정 또는 건조 공정 및 선별 공정을 추가적으로 거칠 수 있다.
상기 환원철은 550 내지 850℃의 온도일 수 있다.
상기 펠렛과 환원철은 0:10 초과 9:1 이하의 무게비로 혼합될 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면 상기 얻어진 괴성화된 펠렛과 환원철의 혼합물은 용융 가스화로에 장입되어 용융 단계가 후속적으로 이루어지는 재활용된 부산물을 이용한 용철 제조 공정을 제공한다.
본 발명은 용철 제조 공정에서 발생하는 부산물인 슬러지와 분진을 혼합하여 환원철과 함께 괴성화함으로써, 재활용 중에 재분화가 일어나지 않아 부산물의 재손실 및 통기도의 저하와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 재활용 공정의 한 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면 석탄계 용철 제조 공정에서 배출되는 부산물의 재활용 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 용철 제조 공정에서 발생한 부산물을 괴성화하여 펠렛(pellet)을 형성하는 단계 및 상기 펠렛을 환원철과 혼합하여 괴성화하는 단계를 포함한다.
파이넥스(FINEX) 공정에서 배출되는 슬러지와 분진의 평균 입도는 약 10㎛ 이하이고, 무게비로는 90% 이상이 30㎛ 이하에 해당하며, 주요 구성 성분은 철 산화물과 석탄 차르 및 Ca와 Mg의 산화물 또는 탄산화물이기 때문에 괴성화하기에 좋고 고온에서도 급격한 물리화학적 반응을 수반하지 않기 때문에 재활용하기에 용이한 조건을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 재활용 방법에 있어서, 상기 부산물은 슬러지 또는 분진을 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용할 수 있으며, 혼합하여 사용하는 것이 재활용에 있어서 바람직하다.
일반적으로 슬러지의 경우, 대략 수분 함량이 40중량% 이하이기 때문에, 수분 함량이 거의 없는 분진과 동일한 양을 혼합하는 경우 전체 수분 함량이 20% 이하가 되어 재활용하기에 바람직하다. 따라서, 부산물이 괴성화되어 형성된 펠렛 또한 수분 함량은 적을수록 바람직하며, 특히 0 이상 20 중량% 이하인 것이 바람직하다.
하기 표 1은 파이넥스(FINEX) 공정에서 배출되는 슬러지와 분진의 구성 성분 및 평균 입도를 나타낸 것으로, 슬러지와 분진은 철 산화물, 탄소성분을 함유한 차르 및 부원료 성분 등으로 구성되어 있다. 따라서, 슬러지와 더스트를 동일한 무게비로 혼합할 경우, 전체 철 함량은 약 55 중량% 이상을 유지하며, 탄소 함량 또한 약 4% 내외로 유지되는바, 저품위 철광석에 탄소 성분과 부원료가 혼합되어 있는 수준에 불과하여 파이넥스(FINEX) 공정에서 재사용하기에 충분한 유용성분을 가지고 있다고 볼 수 있다.
물성 슬러지 분진
Total Fe 원소(중량%) 53.6 63.2
금속 Fe + Fe 산화물(중량%) 74.8 83.0
C 원소(중량%) 8.4 2.1
CaO (중량%) 3.9 5.1
MgO (중량%) 0.7 1.4
잔부 (중량%) 12.2 8.4
평균입도 (㎛) 6.5 8.2
(*상기 슬러지는 슬러지 총량에 대하여 약 33 중량%의 함량으로 포함되는 수분을 제거한 고형분의 물성만을 분석하여 기재한 것이고, 금속 Fe 및 Fe 산화물은 Fe 원소 총량(Total Fe 원소)을 포함하는 개념이며, 잔부는 미량원소의 화합물을 의미한다)
본 발명에서 부산물 괴성화 시, 아이리 믹서와 같은 혼합기를 사용하여 슬러지와 분진을 혼합 성형하며 수행하는 경우, 슬러지에 포함된 수분으로 인하여 두 물질이 혼합되면서 구형의 펠렛으로 응집된다.
이때 형성되는 펠렛의 크기는 슬러지와 분진의 혼합비, 수분 함량, 혼합 조건에 따라 달라질 수 있으나, 평균 입도가 0 초과 10mm 이하의 구형태인 것이 바람직하다.
본 발명에서 부산물을 괴성화하여 펠렛을 형성하는 방법은 상기와 같이 혼합기를 사용하여 혼합 성형하는 것 외에 기계적인 힘을 가하여 압착하거나, 밀어내기와 같이 주형틀을 이용하여 성형하는 방법 또는 회전하는 경사진 팬이나 드럼통을 활용하여 응집시키는 방법 등이 있을 수 있으며, 그 종류를 특별히 한정하지는 않으나, 혼합기를 사용하는 것이 가장 간단한 공정으로 수행될 수 있어 바람직하다.
본 발명은 펠렛을 형성함에 있어서, 수분, 결합제 및 첨가제로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 추가로 첨가하여 수행될 수 있다.
상기 수분은 혼합 및 응집을 용이하게 하기 위해, 결합제는 응집효율과 상온강도 및 열간강도를 향상시키기 위하여, 첨가제는 철 산화물의 환원을 촉진하거나 철 성분의 함량을 증가시키기 위하여 첨가할 수 있다.
이때, 상기 결합제로는 벤토나이트 또는 물유리와 같은 무기질 결합제를 사용하거나 전분 또는 당밀과 같은 유기물 결합제를 사용할 수 있다.
또한, 상기 첨가제로는 부산물에 포함된 철산화물의 환원을 촉진할 수 있도록 석탄 또는 탄소 성분을 함유한 폐기물, 또는 철 성분의 함량을 증가시키기 위한 광석 또는 철 성분을 포함하는 폐기물일 수 있다. 혹은 추후 환원철과 혼합하여 용융단계를 수행할 때, 슬래그 형성을 용이하게 하기 위하여 석회석 또는 백운석과 같은 첨가제를 부산물에 첨가할 수 있다.
본 발명은 부산물에 탄소가 함유되어 있으므로, 용융 가스화로에서 부산물을 주로 구성하고 있는 철산화물의 환원을 촉진시켜, 환원율이 높지 않은 환원철을 재활용하는 경우에도 연료비 상승과 같은 문제가 발생하지 않게 할 수 있다. 단, 이때, 석탄 또는 탄소 성분을 함유한 폐기물을 추가로 첨가하는 경우 철산화물의 환원율을 크게 향상시킬 수 있어, 상기의 문제점 방지에 더욱 효과적이다.
또한, 본 발명은 상기 형성된 펠렛이 환원철과 혼합되기 전에 건조 공정, 선별 공정 또는 건조 공정 및 선별 공정을 상황에 따라 적절한 순서로 포함할 수도 있고, 생략할 수도 있다. 이때, 상기 건조 공정은 대기 중, 열풍로 또는 CO2를 함유한 고온의 배가스를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 재활용 방법은 펠렛을 형성한 후 환원철과 혼합하여 괴성화하는 단계를 포함함으로써, 고온의 분위기에서 재활용 시 발생되는 부산물의 재분화에 의한 손실 및 통기도 저하와 같은 2차적 문제를 해결할 수 있다.
상기 펠렛과 혼합되는 환원철은 600℃ 이상의 고온에서 환원 및 소성되어, 550 내지 850℃의 온도일 수 있다. 따라서, 펠렛은 환원철과 혼합됨으로써 상온에서 약 600℃로 온도가 급격히 상승하게 되지만, 펠렛 내 수분 함량이 매우 낮고, 입도가 작으며, 펠렛을 구성하는 부산물은 이미 고온의 조건을 거친 뒤 배출된 것이므로, 고온에서 물리화학적 변화가 거의 이루어지지 않기 때문에 열충격이 크지 않아 분화가 많이 이루어지지 않는다.
또한, 본 발명에서 상기 펠릿과 환원철은 0:10 초과 9:1 이하의 무게비로 혼합될 수 있다. 환원철의 경우 입자 표면이 주로 철로 환원되어 있으며, 약 600℃ 내외의 고온 상태를 유지하기 때문에 상기 비율로 혼합된다고 하여도 괴성화에 큰 문제가 없다. 단, 펠릿과 환원철의 혼합비는 무게비로 2:8 정도가 상기 기술한 문제점을 해결하는 데에 있어서 가장 바람직하다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 두 단계를 거쳐 괴성화된 부산물 및 환원철의 혼합물은 최종적으로 용융 가스화로에 장입되어 용융단계가 후속적으로 이루어지는 재활용된 부산물을 이용한 용철 제조 공정을 제공한다.
도 1은 본 발명의 재활용 공정의 한 예시를 개략적으로 도시한 것으로, 용철 제조 공정에서 발생한 슬러지(21) 및 분진(31)은 각각 슬러지 저장소(23) 및 분진 저장소(33)에 저장된 뒤, 동일한 중량비로 혼합되어 혼합/괴성화 설비(51)로 보내진다. 상기 혼합/괴성화 설비(51)에서는 괴성화 공정이 수행되기에 앞서, 슬러지(21) 및 분진(31)의 응집 효율을 증가시키고, 철 성분의 환원을 촉진하기 위하여 슬러지(21) 및 분진(31)에 결합제(41) 및 첨가제(42)를 추가적으로 첨가할 수 있다.
슬러지(21) 및 분진(31)의 혼합물은 괴성화 과정에 의해 구형태의 펠렛으로 형성되어 선택적으로 건조설비(53)를 거쳐 수분이 추가적으로 제거될 수 있고, 분급설비(55)를 거쳐 평균 입도가 적정 수준에 맞지 않거나 재활용에 적절하지 않은 경우 재순환관(56)을 통하여 혼합/괴성화 설비(51)로 다시 보내진다.
상기 형성된 펠렛은 이후, 저장 및 장입설비(57)로 보내어지고, 분광석(11)이 유동환원로(13)에서 환원, 소성되어 형성된 환원철이 저장된 환원철 저장조(15)로 보내어져 환원철과 일정 비율로 혼합된다.
혼합이 이루어진 후에는 환원 철 괴성화 설비(17)로 보내어져 괴성화가 이루어지는데, 괴성화 공정에서 발생하는 미립자는 미분 재순환관(16)을 통하여 다시 환원철 저장소(15)로 보내어질 수 있다. 나머지는 용융 가스화로(19)로 보내어져 용융이 일어나 슬래그(61) 및 용선(62)으로 배출된다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예]
상기 표 1에 기재한 물성을 가진 것으로, 파이넥스(FINEX) 용철 제조 공정에서 발생한 슬러지 및 분진을 동일한 중량비의 양으로 아이리 믹서를 사용하여 약 3분간 혼합한 결과, 평균 입도가 2mm인 펠렛을 형성하였다. 이후 형성된 펠렛에 포함된 수분을 오븐 타입의 건조기를 사용하여, 105℃에서 24시간 동안 완전히 제거한 이후, 펠렛과 환원철을 2:8의 무게비로 혼합한 뒤, 혼합 시료 100g을 600℃에서 150MPa의 힘으로 디스크 형태로 괴성화하고 얻어진 시료의 압축강도를 측정하였다. 측정값은 이상치를 제외한 총 10개의 값을 평균하여 얻었으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
[비교예]
실시예에서 혼합에 사용한 것과 동일한 환원철만을 부산물과 혼합 없이 실시예와 동일한 방법으로 괴성화한 뒤 압축강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시료 비교예 실시예
압축강도(kg/cm2) 575 682
압축강도를 측정한 결과, 펠렛(부산물)과 환원철이 혼합되어 괴성화된 실시예의 압축강도를 환원철만으로 괴성화된 비교예의 압축강도와 비교하였을 때, 실시예를 이용하여 측정한 압축강도가 비교예에 비하여 동등 이상의 값을 가지는 것을 확인하였다. 따라서, 부산물과 환원철이 혼합된 괴성체는 용융로에 장입되어도 분화 등에 있어서 문제가 없는 것을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
11: 분광석 13: 유동 환원로
15: 환원철 저장조 16: 미분 재순환관
17: 환원철 괴성화 설비 19: 용융 가스화로
21: 슬러지 23: 슬러지 저장조
31: 분진 33: 분진 저장조
41: 결합제 42: 첨가제
51: 혼합/괴성화 설비 53: 건조 설비
55: 분급 설비 56: 재순환관
57: 저장 및 장입설비 61: 슬래그
62: 용선

Claims (13)

  1. 용철 제조 공정에서 발생한 부산물을 괴성화하여 부산물 괴성체를 형성하는 단계;
    상기 부산물 괴성체를 환원철과 혼합한 뒤 괴성화하여 부산물 괴성체와 환원철의 혼합 괴성화물을 형성하는 단계; 및
    상기 혼합 괴성화물을 용융 가스화로에 장입하여 용융하는 용융단계
    를 포함하는 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부산물은 슬러지, 분진 또는 슬러지와 분진의 혼합물인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 슬러지와 분진의 혼합물은 슬러지와 분진을 동일한 무게비로 혼합한 것인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체는 평균 입도가 2 내지 10mm인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체의 수분 함량은 0 이상 20 중량% 이하인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체를 형성하는 단계는 부산물을 혼합기로 혼합 성형하거나, 주형틀을 사용하여 성형하거나, 경사진 팬이나 드럼통을 이용하여 회전시킴으로써 구형태로 응집하여 수행되는 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체를 형성하는 단계는 수분, 결합제 및 첨가제로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 추가로 첨가하여 수행되는 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결합제는 벤토나이트 또는 물유리를 포함하는 무기질 결합제, 또는 전분 또는 당밀을 포함하는 유기물 결합제인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는 부산물에 포함된 철산화물의 환원을 촉진시키기 위한 석탄 또는 탄소 성분을 함유하는 폐기물, 또는 철 성분의 함량을 증가시키기 위한 광석 또는 철 성분을 포함하는 폐기물인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는 석회석 또는 백운석인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체는 환원철과 혼합되기 전에 건조 공정, 선별 공정 또는 건조 공정 및 선별 공정을 추가적으로 거치는 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 환원철은 550 내지 850℃의 온도인 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 부산물 괴성체와 환원철은 0:10 초과 9:1 이하의 무게비로 혼합되는 용철 제조 공정 부산물을 재활용하여 용철을 제조하는 방법.
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