KR20160025621A - 선철 생산시 가스의 탈황처리 - Google Patents

선철 생산시 가스의 탈황처리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 선철(1)을 생산하기 위한 프로세스에 관한 것이며, 이 프로세스에서, 산화 철을 함유하는 장입 재료들(2)은 제 1 부분 환원 철 생성물(3)을 형성하도록 제 1 환원 플랜트(4)에서 환원 가스(5)에 의해 환원되며 액상 선철(1)을 형성하도록 융합 가스화로(11)에서 용융되며, 소모된 환원 가스(5)는 제 2 환원 플랜트(7) 내로 배기 가스(6)로서 도입되며, 황 함유 가스(13)는 산소 함유 가스(9)와 함께, 및/또는 더스트(16)와 함께 및/또는 융합 가스화로(11) 및/또는 환원 가스 라인(12) 내로 도입된다. 본 발명은, 추가로, 프로세스를 실행하기 위한 장치에 관한 것이다. 이에 따라, 황 함유 가스(13)가, 생산성의 동시적인 증가 상태에서, 액상 선철(1)의 또는 DRI의 품질에 악영향을 미치거나 환경에 문제를 일으키지 않으면서, 액상 선철(1) 또는 DRI의 생산에 사용되는 것이 가능하다.

Description

선철 생산시 가스의 탈황처리 {DESULFURIZATION OF GASES IN THE PRODUCTION OF PIG IRON}
본 발명은, 환원 가스(reduction gas)에 의해 제 1 환원 유닛(unit)에서 제 1 부분 환원(part-reduced) 철 생성물(iron product)을 부여하도록 산화 철 함유 장입 재료(iron-oxide containing charge material)들을 환원하고 배기 가스(export gas)로서 환원시에 사용된 환원 가스를 인출하는 단계, 배기 가스로부터 CO2를 제거하고 제 2 부분 환원 철 생성물을 생산하기 위해 하나 이상의 제 2 환원 유닛 내로 배기 가스를 도입하는 단계, 제 1 부분 환원 철 생성물, 산소 함유 가스 및 탄소 담지체(carbon carrier)들을 용융 가스화로(melter gasifier) 내로 도입하는 단계, 산소 함유 가스를 사용하여 탄소 담지체들을 가스화하고(gasifying) 제 1 부분 환원 철 생성물을 용융시켜 용융 가스화로 내의 환원 가스의 형성과 함께 액상 선철(liquid pig iron)을 부여하는 단계, 및 환원 가스 라인(gas line)에 의해 제 1 환원 유닛 내로 환원 가스의 적어도 일부를 도입하는 단계를 포함하는, 액상 선철을 생산하는 프로세스(process)에 관한 것이다.
코킹 플랜트(coking plant)에서 코크스(coke)의 생산시, 또는 산소를 사용하여 석탄의 가스화(gasifying)시에, 가스들이 생산되며, 일례는 코킹 플랜트로부터의 코커 가스(coker gas)이며, 이 가스는 고분율의 수소(H2) 및 일산화탄소(CO) 뿐만 아니라 황화 수소(H2S) 및 메탄(CH4)을 포함한다. 코크스로 가스(coke-oven gas)는, 이 가스가 송풍 가열기(blast heater)들에서 활용되기 이전에, 고로(blast-furnace)의 노정 가스(top gas)의 발열량을 지원하기 위해 종종 사용된다. 코크스로 가스를 활용하는 공지된 다른 방법들은, 슬래브 재가열로(slab reheater furnace)들 또는 롤러 허스로(roller hearth furnace)들에서의 연료 가스로서의 그의 배치, 전기 발전을 위한 발전소(power station)들에서의 그의 배치, 환원제의 소비를 저감하기 위한 고로들의 에어 블라스트 송풍구(air-blast tuyeres)를 통한 이의 송풍이다. 게다가, 코크스로 가스는, 직접 환원 유닛들에서의 환원 가스로서 추가의 가스와 함께 종종 사용된다. 직접 환원 유닛에서, 산화 철 함유 장입 재료들은 예컨대, 해면철(sponge iron)과 같은 직접 환원 철(DRI; directly reduced iron)을 부여하도록 환원된다.
코크스로 가스가 직접 환원 유닛들에서 활용된다면, 다음과 연관된 문제점들이 존재한다:
- 코크스로 가스는 주로 황화 수소(H2S) 형태로 황을 포함한다. 코크스로 가스의 표준 입방 미터(cubic meter)당 300 mg 내지 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 500 mg 사이의 H2S 레벨(level)들이 관습적이다. 코크스로 가스가 직접 환원 유닛 내로 도입된다면, 코크스로 가스에 존재하는 황화 수소의 대부분은, Fe(철, DRI) + H2S(황화 수소) → FeS(황화 철(II)) + H2인 반응식에 따라 DRI에 또는 해면 철에 축적되며, 이에 따라 DRI의 황 함량이 증가한다. DRI는 전기 아크로(EAF; electric arc furnace)에서 또는 순산소로(BOF; basic oxygen furnace)에서 액상 강(liquid steel)으로 관습적으로 추가 처리된다. DRI의 증가된 황 함량은, EAF에서 또는 BOF에서 직접적으로, 또는 EAF에서 또는 BOF에서 생산된 액상 강에서, DRI의 추가 탈황(desulfurization)을 필요로 한다.
- 코크스로 가스는 황 뿐만 아니라 메탄을 함유한다. 코크스로 내에서 20 내지 25 체적%의 메탄 레벨(level)들이 관습적이다. 코크스로 가스를 포함하는 환원 가스가 직접 환원 조립체 내로 도입된다면, 환원 가스 온도가 저하된 상태로 흡열 반응(endothermic reaction)에서 메탄이 분해된다. 특히, 환원 가스 내에서 8 체적%를 초과하는 메탄 함량의 경우에, 환원 가스 온도는 최소 온도 아래로 감소되며, 이 온도는 철광석(iron ore) 함유 장입 재료들의 환원을 위해서 필수이며, 이에 따라 직접 환원 조립체의 생산성 및 유닛 성능이 실질적으로 감소된다. 그 결과, 정량적 제한들이 직접 환원 유닛들의 코크스로 가스의 배치에 부과된다.
이러한 문제점들을 회피하기 위해서, DRI 생산에 사용되기 이전에, 코크스로 가스는, 종래 기술로부터 공지된 방법들에 의해서, 예컨대 탈황에 및/또는 코크스로 가스에 함유된 메탄을 일산화탄소(CO) 및 수소로 전환하기 위해서 이른바 열 반응기 시스템(thermal reactor system)에서의 처리에 영향을 받는다. 그러나, 이를 성취하는 것은 불편하고 고가인 기술들 및 유닛들을 필요로 한다.
본 발명에 의해 해결되는 문제는, 액상 선철의 생산시 가스들을 탈황처리하기 위한 프로세스 및 장치를 제공하는 것이다.
이 문제는, 액상 선철을 생산하는 프로세스에 의해 해결되며, 상기 프로세스는 환원 가스에 의해 제 1 환원 유닛에서 제 1 부분 환원 철 생성물을 부여하도록 산화 철 함유 장입 재료들을 환원하고 환원시에 배기 가스로서 사용된 환원 가스를 인출하는 단계, 배기 가스로부터 CO2를 제거하고 제 2 부분 환원 철 생성물을 생산하기 위해 하나 이상의 제 2 환원 유닛 내로 배기 가스를 도입하는 단계, 제 1 부분 환원 철 생성물, 산소 함유 가스 및 탄소 담지체들을 용융 가스화로 내로 도입하는 단계, 산소 함유 가스를 사용하여 탄소 담지체들을 가스화하고 제 1 부분 환원 철 생성물을 용융시켜 용융 가스화로 내의 환원 가스의 형성과 함께 액상 선철을 부여하는 단계, 및 환원 가스 라인에 의해 제 1 환원 유닛 내로 환원 가스의 적어도 일부를 도입하는 단계를 포함하며, 상기 프로세스는,
황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을,
- 산소 노즐(nozzle)들에 의해 산소 함유 가스와 함께 그리고 선택적으로 미분탄(fine coal)과 함께 용융 가스화로 내로 및/또는
- 더스트 버너(dust burner)들에 의해 더스트(dust) 및 산소 함유 가스와 함께 용융 가스화로 내로 및/또는
- 산소 버너들에 의해 산소 함유 가스와 함께 용융 가스화로 내로 및/또는
- 환원 가스 라인 내로,
제트분사(jetting) 또는 도입하는 단계를 더 포함한다.
용어 "황 함유 가스"는, 본 명세서의 맥락에서,
ㆍ황 함유 코크스로 가스,
ㆍ황 함유 천연 가스 또는
ㆍ황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 지칭한다.
제 1 환원 유닛에서, 환원 가스에 의해, 산화 철 함유 장입 재료들은 제 1 부분 환원 철 생성물을 부여하도록 환원된다. 제 1 환원 유닛은, 예컨대, 종래 기술의 COREX® 환원 샤프트(reduction shaft)로서 또는 FINEX® 환원 캐스케이드(cascade)의 유동층 반응기(fluidized bed reactor)로서 설계될 수 있다. 산화 철 함유 장입 재료들에 의해 철광석 생성물들이 의도된다. 환원시 소비된 환원 가스는 제 1 환원 유닛으로부터 배기 가스로서 인출된다. 이러한 배기 가스는 또한 용어 "노정 가스(top gas)"로 관습적으로 지칭된다. 그러나, 본 명세서에서, 배기 가스는 제 1 환원 유닛과 별개인 제 2 환원 유닛 내로 선택적으로 추가의 가스들의 혼합물로서, 도입되거나 배기된다. 배기 가스로부터, 또는 혼합물로부터, CO2는 종래 기술로부터 공지된 설비들, 예컨대, PSA 유닛들에 의해 제거되며, 가열된 이후에, 제 2 환원 유닛 내로 도입된다. 제 2 환원 유닛은 직접 환원 샤프트(direct reduction shaft)로서 바람직하게 설계된다. 공지된 직접 환원 샤프트들의 예들은, MIDREX® 고압 샤프트들 또는 MIDREX® 저압 샤프트들이다. 제 1 환원 유닛과 마찬가지로, 제 2 환원 유닛은 환원 캐스케이드의 유동층 반응기로서 설계될 수 있다. 제 2 환원 유닛에서, 추가의 산화 철 함유 장입 재료들이 환원되어 제 2 부분 환원 철 생성물을 부여하며, 보다 자세하게는 직접 환원 철(DRI; directly reduced iron) 또는 해면 철을 부여한다. 해면 철은, 후속하여 전기 아크로(EAF; electric arc furnace)에서 또는 순산소로(BOF; basic oxygen furnace)에서 액상 강(liquid steel)으로 추가 처리된다. 용융 가스화로에서, 탄소 담지체들 및 산소 함유 가스에 추가로, 제 1 환원 조립체에서 생산된 제 1 부분 환원 철 생성물은 제련되어(smelted) 액상 선철을 부여한다. 산소 함유 가스에 의한 탄소 담지체들의 가스화는, 환원 가스를 생성하며, 이 가스는 환원 가스 라인에 의해 제 1 환원 유닛 내로 도입된다.
본 발명에 따르면, 황 함유 가스는, 산소 함유 가스와 함께 그리고 선택적으로 미분탄과 함께 산소 노즐들에 의해 용융 가스화로 내로 제트분사된다(jetted). 황 함유 가스는, 예컨대 코킹 플랜트에서 코크스의 생산 중, 또는 산소를 사용하여 석탄의 가스화 중 생산된다. 보다 특히, 황 함유 가스는 코킹 플랜트로부터의 코크스로 가스를 지칭한다. 고분율의 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)에 부가하여, 이러한 가스들은 황(S) 및 메탄(CH4)을 또한 포함한다.
코크스로 가스의 전형적인 조성은 다음과 같다:
- 60 내지 65 체적% 수소(H2),
- 2 내지 3 체적% 질소(N2),
- 6 내지 6.5 체적% 일산화탄소(CO),
- 20 내지 25 체적% 메탄(CH4),
- 2.5 내지 3.5 체적%의 다른 탄화수소들(CnHm),
- 1.5 내지 1.5 체적% 이산화탄소(CO2),
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 350 내지 500 mg 황화 수소(H2S),
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 500 내지 550 mg 타르(tar), 및
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 500 내지 550 mg 더스트.
미분탄의 제트분사식(jetted) 도입은, 표현 "미분탄 취입(PCI; Pulverized Coal Injection)"에 의해 공지된다. 이 경우에 추진제 가스로서 표준 기반으로 기능하는 것은 질소이며, 이의 결과로서, 용융 가스화로에서 형성된 환원 가스는 또한 질소 분율(nitrogen fraction)을 포함하며, 이는 산화 철 함유 장입 재료들의 환원에 영향을 미치지 않는다. 본 발명에 따라, 질소 분율은 줄어들거나 황 함유 가스로 치환되며, 제 1 및 제 2 환원 유닛 양자 모두에서 환원 절차가 보다 효율적인 이점을 갖는다. 황 함유 가스가 황 함유 천연 가스이면, 황 함유 천연 가스에 존재하는 CH4는 산소 함유 가스에 함유된 산소와 함께 반응하여 질소 분율의 치환 이외에 CO 및 H2를 형성한다. CO 및 H2 양자 모두는 환원 절차의 효율을 증가시키는 데 기여한다.
본 발명의 프로세스의 추가의 변형에서, 황 함유 가스는 더스트 및 산소 함유 가스와 함께, 바람직하게는 기술적으로 순수한 산소와 함께, 용융 가스화로 내로 더스트 버너들에 의해 제트분사된다. 더스트는, 예컨대, 제 1 환원 유닛에 있는 건식 탈진(dry dedusting) 설비들로부터 기원한다. 산소 함유 가스에서의 산소의 추가의 에너지 입력(energy input)의 결과로서, 더스트 버너들에 의해 낮은 탄소 함량의 더스트를 축적하는 것이 가능하며, 그래서 더스트가 환원 가스와 함께 용융 가스화로부터 운반되지 않는다.
황 함유 가스는, 또한 산소 버너들에 의해 산소 함유 가스와 함께 용융 가스화로 내로 제트분사되거나 환원 가스 라인 내로 직접 도입될 수 있다. 바람직하게는, 환원 가스 라인 내에 위치되는 것은 탈진 설비, 보다 자세하게는, 고온-가스 사이클론(hot-gas cyclone)이며, 여기서 용융 가스화로로부터 기원하는 환원 가스가 제 1 환원 유닛 내로 도입되기 이전에 탈진된다. 황 함유 가스의 온도가 용융 가스화로로부터 인출되는 환원 가스의 온도 미만이기 때문에, 탈진 설비 이전의 환원 가스 라인 내로의 황 함유 가스의 도입―환원 가스의 유동 방향에서 볼 때―은, 환원 가스의 냉각을 성취한다. 이 경우에, 황 함유 가스는, 제 1 환원 유닛에서 최적의 환원 온도를 설정하기 위해서 냉각 가스로서 추가로 작용하며, 이와 동시에, 요구되는 냉각 가스의 양이 감소되는 것을 허용한다. 환원 가스 라인 내로의 도입 이전에, 황 함유 가스는 선택적으로 예열 설비에서, 보다 자세하게는 열교환기에서 예열된다. 예열 설비에서, 예컨대, 제련 작업 가스(smelting-works gas)의 현열(sensible heat)이 활용된다. 그 결과, 특히, 황 함유 가스의 온도가 환원 가스의 온도보다 훨씬 더 낮다면, 공급될 수 있는 황 함유 가스의 양은 최대화된다.
주로 황화 수소(hydrogen sulfide)(H2S)의 형태로 황을 포함하는 황 함유 가스가 제 1 부분-환원 철 생성물의 철(Fe)과 접촉하게 된다면, Fe + H2S → FeS(황화 철(II)) + H2의 반응식에 따라 반응이 발생한다. 이러한 반응은 용융 가스화로에서 또는 제 1 환원 유닛에서 발생한다. 액상 선철의 생산의 경우에, 산화 철 함유 장입 재료들 뿐만 아니라 CaO(산화 칼슘) 및/또는 MgO(산화 마그네슘)과 같은 첨가물(adjuvant)들이 또한 사용된다. 그 경우, 황 함유 가스와 이들 첨가물들의 접촉시, 다음 반응들이 발생한다: CaO(산화 칼슘) + H2S → CaS(황화 칼슘) + H2O(물) 또는 MgO(산화 마그네슘) + H2S → MgS + H2O. 황화 철(II), 황화 마그네슘, 및 황화 칼슘이 슬래그(slag)를 경유하여 배출되며, 이는 용융 가스화로에서 액상 선철 상에 부유한다.
이에 따라, 황 함유 가스의 매우 환경 친화적인 탈황이 존재하는데, 이는 황이 슬래그에서 대부분 구속되며, 따라서, 대기에 진입하지 않는다. 게다가, 본 발명의 프로세스 내로의 황 함유 가스의 제트분사(jetting) 또는 도입에 의해, 환원 가스의 수소 함량은 증가된다. 반응 동역학들의 증가를 통해, 이는, 제 1 환원 유닛에서의 환원 절차의 개선을 유발한다. 본 발명의 프로세스에서의 황 함유 가스의 직접 활용을 통해, 그의 황 함량의 관점에서 액상 선철의 품질에 어떠한 악영향도 없이, 탈황을 위한 고가의 그리고 불편한 설비들에 대한 필요가 존재하지 않는다. 또한, 제 2 환원 유닛에서의 DRI는, 제 1 환원 유닛 내로 또는 용융 가스화로 내로 도입되는 황 함유 가스의 결과로서 그의 황 함량의 관점에서 악영향을 미치지 않는데, 그 이유는 제 2 환원 유닛 내로 도입되는 배기 가스가 이미 탈황처리된 형태로 유닛에 진입하기 때문이다. 액상 강 내로의 DRI의 추가 프로세싱(processing) 이전에 또는 그 동안, 따라서 추가의 탈황 처리들에 대한 필요가 존재하지 않는다.
코크스로 가스는, 황 뿐만 아니라 CH4(메탄), C2H4(에탄), C6H6(벤젠), C7H8(톨루엔) 및 C10H8(나프탈렌)을 포함하며, 이들은 일부 경우들에, 유독성(toxic)이며 본 발명의 프로세스에서는 모두 원치 않는다. 용융 가스화로에서 또는 제 1 환원 유닛에서, 코크스로 가스에 존재하는 이들 탄화수소들은 적어도 부분적으로, 그 내부에서 우세한 고온들의 결과로서, 그리고 내부에서 존재하는 산소의 결과로서, CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소), H2O(물), 및 C(탄소)로 전환된다. 본 발명의 프로세스에 의해, 코크스로 가스에 존재하는 탄화수소들은 본 발명의 프로세스에 대해 비교적 해롭지 않은(undetrimental) 원소들 및 화합물들, 그리고 환경에 대해 비교적 문제가 없는 화합물들 및 원소들로 전환된다.
본 발명의 프로세스에 의해, 황 함유 가스는, 생산성의 동시적인 증대와 함께, 액상 선철 또는 DRI의 품질에 악영향을 주지 않거나 환경에 부담을 주지않으면서, 액상 선철 또는 DRI의 생산에 사용될 수 있다.
본 발명의 프로세스의 바람직한 일 실시예는, 제 1 환원 유닛은 하나 이상의 제 1 및 제 2 유동층 반응기를 포함하며, 상기 유동층 반응기들은 환원 가스를 유동층 반응기들 내로 도입하고 유동층 반응기들로부터 환원 가스를 인출하기 위한 연결 라인들에 의해 연결되며, 상기 2 개의 유동층 반응기들을 통해 유동한 후에 환원 가스는 배기 가스로서 인출되며, 상기 프로세스는, 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스, 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을,
- 산소 버너들에 의해 산소 함유 가스와 함께 연결 라인들 중 적어도 하나 내로 및/또는
- 상기 연결 라인들 중 적어도 하나 내로 직접,
제트분사 또는 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예는, 전형적으로, 종래 기술에서 주지되는, FINEX®-환원 캐스케이드-의 유동층 반응기들을 수반한다. 개별 유동층 반응기들은 연결 라인들에 의해 연결되며, 환원 가스는 제 1 유동층 반응기 내로 먼저 통과된다. 제 1 유동층 반응기에서의 산화 철 함유 장입 재료들의 환원에 후속하여, 환원 가스가 연결 라인에 의해 이 반응기로부터 인출되며, 내부에 위치된 산화 철 함유 장입 재료들의 환원을 위해 다른 유동층 반응기 내로 통과된다. 2 초과의 유동층 반응기들이 존재한다면, 이러한 조업은 대응하여 보다 자주 발생한다. 마지막으로 입수가능한 유동층 반응기를 통한 유동의 통과에 후속하여, 소비된 환원 가스는 배기 가스로서 이 반응기로부터 인출된다. 본 발명의 프로세스의 이 실시예에 의해, 산소 함유 가스와 함께 황 함유 가스의 제트분사는 산소 버너들에 의해 연결 라인들 중 적어도 하나에서 발생하며, 및/또는 황 함유 가스의 도입은 연결 라인들 중 적어도 하나에서 직접 발생한다. 이러한 맥락에서, 직접(direct)은, 연결 라인들 내로 황 함유 가스의 비간접적인(unmediated) 도입을 지칭한다. 이는, 황 함유 가스가 산소 버너에서의 이전 연소(prior combustion) 없이 연결 라인 내로 도입되는 것을 의미한다.
본 발명의 프로세스를 위해 이미 언급된 이점들 이외에, 황 함유 가스, 보다 자세하게는 코크스로 가스에 존재하는 환원 포텐셜(reduction potential)이 추가의 유리한 이점을 발생시킨다. 코크스로 가스는, 전형적으로 60 내지 65 체적%의 수소(H2) 및 6 내지 6.5 체적%의 일산화탄소(CO)를 함유한다. 이는, 코크스로 가스에서 환원 포텐셜―산화 철의 철로의 환원을 위한 성능을 의미함―이 존재함을 의미한다. 황 함유 가스의 용융 가스화로 내로, 환원 가스 라인 내로, 및/또는 연결 라인들 내로의 본 발명의 도입의 경우에, 이러한 환원 포텐셜이 활용되며, 이로써 환원제, 특히, 용융 가스화로에서의 석탄 또는 성형탄(coal briquette)들과 같은 탄소 담지체들의 소비의 감소를 성취한다.
본 발명의 추가의 주제는, 본 발명의 프로세스를 구현하는 장치이며, 상기 장치는, 산화 철 함유 장입 재료들을 공급하기 위한 공급 라인 및 배기 가스 라인을 갖는 제 1 환원 유닛, 환원 가스 라인을 통해 제 1 환원 유닛으로 연결되는 용융 가스화로, 배기 가스 라인에 의해 제 1 환원 유닛에 연결된 하나 이상의 제 2 환원 유닛, 배기 가스 라인에 배치되고 CO2를 제거하기 위해 의도된 CO2 제거 유닛, 용융 가스화로 내로 개방되는 하나 이상의 철 생성물 공급 라인, 및 탄소 담지체 공급 라인, 용융 가스화로 내로 개방되며 산소 노즐 또는 더스트 버너 또는 산소 버너 설계를 갖는 하나 또는 그 초과의 도입 요소들을 포함하며, 상기 도입 요소들은, 각각의 경우에 용융 가스화로 내로 가스 및/또는 고체를 도입하기 위해서 매체 공급 라인을 가지며, 상기 장치는, 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 공급하기 위한 하나 이상의 프로세스 가스 라인을 포함하며, 상기 라인은,
- 매체 공급 라인들 중 하나 이상의 라인 내로 및/또는
- 도입 요소들 중 하나 이상의 요소 내로 및/또는
- 환원 가스 라인 내로, 개방된다.
고로(blast furnace)에 반해, 용융 가스화로는, 피스 형태(piece form), 이를테면 괴탄(lump coal) 또는 성형탄(coal briquette)들의 환원제들, 예컨대 적어도 예비 환원이 행해진 철 담지체들, 그리고 기술적으로 순수한 산소: 90 체적% 초과의 산소 분율에 의해 주로 조업되는 것을 특징으로 한다. 게다가, 고로에 반해, 용융 가스화로는 안정 공간(calming space)을 갖춘 돔(dome)을 갖는다.
제 1 환원 유닛은 환원 가스 라인을 통해 용융 가스화로에 연결된다. 제 1 환원 유닛은, 예컨대, 종래 기술로부터 공지된 COREX® 환원 샤프트(reduction shaft)로서 또는 FINEX® 환원 캐스케이드(cascade)의 유동층 반응기(fluidized bed reactor)로서 설계될 수 있다. 산화 철 함유 장입 재료들에 의해 철광석 생성물들이 의도된다. 제 1 환원 유닛에서 산화 철 함유 장입 재료들의 환원에 소비된 환원 가스는, 배기 가스 라인에 의해 배기 가스로서 제 1 환원 유닛으로부터 인출된다. 배기 가스 라인은, 제 1 환원 유닛과 상이한 제 2 환원 유닛 내로 개방된다. 제 2 환원 유닛은 직접 환원 샤프트(direct reduction shaft)로서 바람직하게 설계된다. 공지된 직접 환원 샤프트들의 예들은, MIDREX® 고압 샤프트들 또는 MIDREX® 저압 샤프트들이다. 제 1 환원 유닛과 마찬가지로, 제 2 환원 유닛은 또한 환원 캐스케이드의 유동층 반응기로서 설계될 수 있다. 제 2 환원 유닛에서, DRI가 생산된다. 배기 가스 라인 내에 배치되는 것은, 배기 가스로부터의 CO2의 제거를 위한, CO2 제거 유닛, 바람직하게는 가압 교대 흡착(PSA; pressure swing absorption) 유닛(unit) 또는 진공 가압 교대 흡착(VPSA; vacuum pressure swing adsorption) 유닛이다. 선택적으로, 배기 가스 라인에 배치된, 하나 또는 그 초과의 냉각 설비들 및/또는 가열 설비들 및/또는 압축기 스테이지(compressor stage)들이 추가로 존재한다. 용융 가스화로는 용융 가스화로 내로 개방되는 하나 이상의 철 생성물 공급 라인 및 탄소 담지체 공급 라인을 갖는다. 철 생성물 공급 라인을 통해, 제 1 부분 환원 철 생성물이 제 1 환원 플랜트로부터 용융 가스화로 내로 도입된다. 탄소 담지체 공급 라인을 통해, 탄소 담지체들, 바람직하게는 괴탄들 또는 성형탄들이 용융 가스화로 내로 도입된다. 용융 가스화로의 도입 요소들 내로 개방되는 매체 공급 라인들에 의해, 가스들 또는 고체들이 용융 가스화로 내로 도입된다. 보다 자세하게는, 산소 함유 가스 및 더스트가 매체 공급 라인들에 의해 용융 가스화로 내로 도입된다.
액상 선철이 용융 가스화로에서 생산된다. 황 함유 가스를 공급하기 위한 프로세스 가스 라인들은, 본 발명에 따르면 매체 공급 라인들 중 하나 이상으로 및/또는 도입 요소들 중 하나 이상으로 개방된다. 도입 요소들은 산소 노즐들로서 또는 더스트 버너들로서 또는 산소 버너들로서 설계된다. 본 발명에 따르면, 하나 또는 그 초과의 프로세스 가스 라인들은 또한 환원 가스 라인 내로 개방될 수 있다. 선택적으로, 환원 가스 라인 내에 위치되는 것은 환원 가스를 탈진하기 위한 탈진 설비들이다. 환원 가스의 유동 방향에서 볼 때, 프로세스 가스 라인들은 탈진 설비의 앞에서 및/또는 하류에서 환원 가스 라인 내로 개방될 수 있다.
본 발명의 장치에 의해, 황 함유 가스는, 생산성의 동시적인 증대와 함께, 액상 선철 또는 DRI의 품질에 악영향을 주지 않거나 환경에 부담을 주지않으면서, 액상 선철 또는 DRI의 생산에 사용될 수 있다.
본 발명의 장치의 일 실시예에서, 제 1 환원 유닛은 하나 이상의 제 1 및 제 2 유동층 반응기를 포함하며, 유동층 반응기들은 환원 가스를 유동층 반응기들 내로 도입하고 유동층 반응기들로부터 환원 가스를 인출하기 위한 연결 라인들에 의해 연결되며, 연결 라인들중 하나 이상의 라인 내로 개방되며 산소 노즐들로서 설계되는 하나 또는 그 초과의 도입 요소들이 존재하며, 상기 도입 요소들은, 각각의 경우에 가스를 연결 라인 내로 도입하기 위한 매체 공급 라인을 가지며, 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 공급하기 위한 하나 이상의 프로세스 가스 라인이 존재하며, 상기 라인은,
- 매체 공급 라인들 중 하나 이상의 라인 내로 및/또는
- 도입 요소들 중 하나 이상의 요소 내로 및/또는
- 상기 연결 라인들 중 적어도 하나 내로, 개방된다.
본 발명의 장치의 바람직한 일 실시예에서, 프로세스 가스 라인은 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 생산하는 플랜트, 보다 자세하게는, 코크스 생산 플랜트(plant for producing coke) 및/또는 석탄 가스화 플랜트(coal gasification plant) 및/또는 황 함유 천연 가스 공급원(source of the sulfur-containing natural gas)으로부터 나온다.
이에 따라, 황 함유 천연 가스, 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물은, 또한 액상 선철의 생산 중 활용되고 동시에 탈황처리될 수 있다.
도 1에 의해 예시적이며 개략적으로 도시되는 것은, 코크스로 가스(coke-oven gas)의 사용 및 탈황을 갖춘, 액상 선철(1)을 생산하기 위한 본 발명의 장치 및 본 발명의 프로세스이다
도 1은 COREX® 일체형 직접 환원 플랜트(direct reduction plant)의 버전(version)에서, 코크스로 가스(coke-oven gas)의 사용 및 탈황을 갖춘, 액상 선철(1)을 생산하기 위한 본 발명의 장치 및 본 발명의 프로세스를 도시한다.
제 1 환원 플랜트(4)-고정층(fixed bed)을 갖춘 COREX® 환원 샤프트(reduction shaft)-에는 산화 철을 함유하는 장입 재료들(2)의 공급을 위해서 공급 라인(20)을 통해 산화 철을 함유하는 장입 재료들(2)이 공급된다. 이러한 재료들은, 부분 환원 철 생성물(3)을 부여하기 위해서 환원 가스(5)에 의해서 환원되며, 이 철 생성물은, 후속하여 용융 가스화로(melter gasifier)(11) 내로 개방되는 복수 개의 철 생성물 공급 라인들(22)을 통해 용융 가스화로(11) 내로 도입된다. 용융 가스화로(11) 내로 탄소 담지체 공급 라인(23)을 통해 괴탄 형태의 탄소 담지체들(10)이 그리고 매체 공급 라인들(24)을 통해 산소 함유 가스(9)가 추가로 도입된다. 용융 가스화로(11) 내로 도입되는 탄소 담지체들(10)은, 환원 가스(5)의 형성과 함께 산소 함유 가스(9)에 의해 가스화된다. 환원 가스(5)는 환원 가스 라인(12)을 통해 제 1 환원 유닛(4) 내로 도입된다. 용융 가스화로(11) 내로 도입되는 제 1 철 생성물(3)은, 탄소 담지체들(10)의 가스화시에 생성된 열에 의해 용융되어 액상 선철(1)을 형성한다. 산화 철 함유 장입 재료들(2)의 환원에 소비된 환원 가스(5)는, 배기 가스 라인(19)을 통해서 배기 가스(6)로서 제 1 환원 유닛(4)으로부터 인출되며, 배기 가스 라인(19)에 배치된 CO2 제거 설비(21)에서 CO2 제거가 이루어진 후에 압축된다. 후속하여, 배기 가스(6)는 제 2 부분 환원 철 생성물(8), 보다 자세하게는 직접 환원 철(DRI; direct reduced iron)의 생산을 위해서, 제 2 환원 유닛(7) 내로 도입된다. 용융 가스화로(11)는 용융 가스화로(11) 내로 개방되며 산소 노즐(15), 더스트 버너(dust burner)(17), 및 산소 버너(18) 설계를 갖는 3 개의 도입 요소들을 소유한다. 용융 가스화로(11)에 대해 외부측 상에서, 도입 요소들은 매체 공급 라인들(24)에 연결된다. 5 개의 프로세스 가스 라인들(25)이 존재하는데, 프로세스 가스 라인들(25) 중 2 개는 환원 가스 라인(12) 내로 개방되며, 각각의 경우에, 라인 중 하나는 산소 노즐(15) 내로, 더스트 버너(17) 내로 그리고 산소 버너(18) 내로 개방된다. 프로세스 가스 라인들(25)을 통해, 용융 가스화로(11)에는 황을 함유하는 가스(13)가 공급되며, 이러한 특별한 경우에 코크스로 가스는 다음과 같은 전형적인 조성을 갖는다:
- 65 체적% 수소(H2),
- 2.5 체적% 질소(N2),
- 6 체적% 일산화탄소(CO),
- 22 체적% 메탄(CH4),
- 3 체적%의 다른 탄화수소들(CnHm),
- 1.5 체적% 이산화탄소(CO2),
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 350 mg 황화 수소(H2S),
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 500 mg 타르, 및
- 코크스로 가스의 표준 입방 미터당 500 mg 더스트.
코크스로 가스는, 용융 가스화로(11) 내로 코크스로 가스의 제트분사에 의해 공급되며, 첫번째 경우에, 코크스로 가스는, 산소 노즐(15)에 의해 산소 함유 가스(9) 및 미분탄(fine coal)(14)과 함께 용융 가스화로 내로 제트분사되며, 두번째 경우에, 더스트 버너(17)에 의해 더스트(16) 및 산소 함유 가스(9)와 함께 제트분사되고, 그리고 세번째 경우에, 산소 버너(18)에 의해 산소 함유 가스(9)와 함께 제트분사된다. 네번째 경우에, 황 함유 가스(13) 또는 코크스로 가스가 프로세스 가스 라인들(25)에 의해 환원 가스 라인(12)에 직접 도입된다. 환원 가스(5)의 유동 방향에서 볼 때, 이는, 일 예에서는, 환원 가스 라인(12)에 배치된 탈진(dedusting) 설비(26)에 앞서서 발생하고, 다른 예에서는, 이 탈진 설비의 하류에서 발생한다. 프로세스 가스 라인들(25)은, 황 함유 가스(13)를 생산하는 플랜트―보다 자세하게는 코킹 플랜트(coking plant)―로부터 유래한다.
요약하면, 본 발명은 액상 선철(1)을 생산하는 프로세스에 관한 것이며, 여기서 산화 철 함유 장입 재료들(2)은 환원 가스(5)에 의해 제 1 환원 유닛(4)에서 환원되어 제 1 부분 환원 철 생성물(3)을 부여하고, 제 1 부분 환원 철 생성물은 액상 선철(1)을 부여하도록 용융 가스화로(11)에서 용융되며, 소비된 환원 가스(5)는 배기 가스(6)로서 제 2 환원 유닛(7) 내로 도입되며, 황 함유 가스(13)는 산소 함유 가스(9)와 함께 및/또는 더스트(16)와 함께 용융 가스화로(11) 내로 및/또는 환원 가스 라인(12) 내로 도입된다.
본 발명은, 또한, 프로세스를 구현하는 장치에 관한 것이다.
이에 따라, 황 함유 가스(13), 보다 자세하게는 코크스로 가스는, 동반된 생산성의 증가 상태에서, 액상 선철(1)의 또는 DRI의 품질에 악영향을 미치거나 환경에 문제를 일으키지 않으면서, 액상 선철(1) 또는 DRI의 생산에 사용될 수 있다.
본 발명이 바람직한 작동 예시들에 의해 상세히 설명되고 보다 밀접하게 예시되었지만, 본 발명은 개시된 예시들에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해서 다른 변경예들이 이로부터 유도될 수 있다.
1 : 액상 선철
2 : 산화 철 함유 장입 재료들
3 : 제 1 부분 환원 철 생성물
4 : 제 1 환원 유닛
5 : 환원 가스
6 : 배기 가스
7 : 제 2 환원 유닛
8 : 제 2 부분 환원 철 생성물
9 : 산소 함유 가스
10 : 탄소 담지체
11 : 용융 가스화로
12 : 환원 가스 라인
13 : 황 함유 가스
14 : 미분탄
15 : 산소 노즐
16 : 더스트
17 : 더스트 버너
18 : 산소 버너
19 : 배기 가스 라인
20 : 산화 철 함유 장입 재료들을 공급하는 공급 라인
21 : CO2 제거 유닛
22 : 철 생성물 공급 라인
23 : 탄소 담지체 공급 라인
24 : 매체 공급 라인
25 : 프로세스 가스 라인
26 : 탈진 설비

Claims (5)

  1. 액상 선철(liquid pig iron)(1)을 생산하는 프로세스(process)로서,
    상기 프로세스는,
    - 환원 가스(reduction gas)(5)에 의해 제 1 환원 유닛(reduction unit)(4)에서 제 1 부분 환원(part-reduced) 철 생성물(iron product)(3)을 부여하도록 산화 철 함유 장입 재료(iron-oxide containing charge material)들(2)을 환원하고 배기 가스(export gas)(6)로서 환원시에 소비된 환원 가스(5)를 인출하는 단계,
    - 상기 배기 가스(6)로부터 CO2를 제거하고 제 2 부분 환원 철 생성물(8)을 생산하기 위해 하나 이상의 제 2 환원 유닛(7) 내로 상기 배기 가스(6)를 도입하는 단계,
    - 제 1 부분 환원 철 생성물(2), 산소 함유 가스(9) 및 탄소 담지체(carbon carrier)들(10)을 용융 가스화로(melter gasifier)(11) 내로 도입하는 단계,
    - 상기 산소 함유 가스(9)를 사용하여 탄소 담지체들(10)을 가스화하고(gasifying), 상기 제 1 부분 환원 철 생성물(3)을 용융시켜 상기 용융 가스화로(11) 내의 환원 가스(5)의 형성과 함께 액상 선철(1)을 부여하는 단계,
    - 환원 가스 라인(gas line)(12)에 의해 제 1 환원 유닛(4) 내로 상기 환원 가스(5)의 적어도 일부를 도입하는 단계를 포함하며,
    상기 프로세스는,
    황 함유 코크스로 가스(coke-oven gas), 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을,
    - 산소 노즐(nozzle)들(15)에 의해 산소 함유 가스(9)와 함께 그리고 선택적으로 미분탄(fine coal)(14)과 함께 용융 가스화로(11) 내로 및/또는
    - 더스트 버너(dust burner)들(17)에 의해 더스트(dust)(16) 및 상기 산소 함유 가스(9)와 함께 용융 가스화로(11) 내로 및/또는
    - 산소 버너들(18)에 의해 상기 산소 함유 가스(9)와 함께 용융 가스화로(11) 내로 및/또는
    - 환원 가스 라인(12) 내로,
    제트분사(jetting) 또는 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    액상 선철을 생산하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 환원 유닛(4)은 하나 이상의 제 1 및 제 2 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 포함하며, 상기 유동층 반응기들은 환원 가스(5)를 유동층 반응기들 내로 도입하고 유동층 반응기들로부터 환원 가스(5)를 인출하기 위한 연결 라인들에 의해 연결되며, 상기 2 개의 유동층 반응기들을 통해 유동한 후에 상기 환원 가스(5)는 배기 가스(6)로서 인출되며, 상기 프로세스는,
    상기 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을,
    - 산소 버너들에 의해 상기 산소 함유 가스(9)와 함께 연결 라인들 중 적어도 하나 내로 및/또는
    - 상기 연결 라인들 중 적어도 하나 내로 직접,
    제트분사 또는 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    액상 선철을 생산하는 프로세스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 프로세스를 구현하는 장치로서,
    상기 장치는,
    - 산화 철 함유 장입 재료들(2)을 공급하기 위한 공급 라인(20) 및 배기 가스 라인(19)을 갖는 제 1 환원 유닛(4),
    - 환원 가스 라인(12)을 통해 상기 제 1 환원 유닛(4)으로 연결되는 용융 가스화로(11),
    - 상기 배기 가스 라인(19)에 의해 상기 제 1 환원 유닛(4)에 연결된 하나 이상의 제 2 환원 유닛(7),
    - 상기 배기 가스 라인(19)에 배치되고 CO2를 제거하기 위해 의도된 CO2 제거 유닛(21),
    - 상기 용융 가스화로(11) 내로 개방되는 하나 이상의 철 생성물 공급 라인(22), 및 탄소 담지체 공급 라인(23),
    - 상기 용융 가스화로(11) 내로 개방되며 산소 노즐(15) 또는 더스트 버너(17) 또는 산소 버너(18) 설계를 갖는 하나 또는 그 초과의 도입 요소들을 포함하며, 상기 도입 요소들은, 각각의 경우에 용융 가스화로(11) 내로 가스 및/또는 고체를 도입하기 위해서 매체 공급 라인(24)을 가지며, 상기 장치는,
    황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 공급하기 위한 하나 이상의 프로세스 가스 라인(25)을 포함하며, 상기 라인은,
    - 매체 공급 라인들(24) 중 하나 이상의 라인 내로 및/또는
    - 상기 도입 요소들 중 하나 이상의 요소 내로 및/또는
    - 상기 환원 가스 라인(12) 내로,
    개방되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 환원 유닛(4)은 하나 이상의 제 1 및 제 2 유동층 반응기를 포함하며, 상기 유동층 반응기들은 상기 환원 가스(5)를 유동층 반응기들 내로 도입하고 유동층 반응기들로부터 상기 환원 가스(5)를 인출하기 위한 연결 라인들에 의해 연결되며, 상기 연결 라인들중 하나 이상의 라인 내로 개방되며 산소 노즐들(18)로서 설계되는 하나 또는 그 초과의 도입 요소들이 존재하며, 상기 도입 요소들은, 각각의 경우에 가스를 상기 연결 라인 내로 도입하기 위한 매체 공급 라인(24)을 가지며, 상기 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 공급하기 위한 하나 이상의 프로세스 가스 라인(25)이 존재하며,
    상기 라인(25)은,
    - 상기 매체 공급 라인들(24) 중 하나 이상의 라인 내로 및/또는
    - 상기 도입 요소들 중 하나 이상의 요소 내로 및/또는
    - 상기 연결 라인들 중 적어도 하나 내로,
    개방되는 것을 특징으로 하는,
    장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 프로세스 가스 라인(25)은 상기 황 함유 코크스로 가스, 황 함유 천연 가스 또는 황 함유 천연 가스 및 코크스로 가스의 혼합물을 생산하는 플랜트(plant), 보다 자세하게는, 코크스 생산 플랜트(plant for producing coke) 및/또는 석탄 가스화 플랜트(coal gasification plant) 및/또는 황 함유 천연 가스 공급원(source of the sulfur-containing natural gas)으로부터 나오는 것을 특징으로 하는,
    장치.
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