KR20160048766A - 천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법 - Google Patents

천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법 Download PDF

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이. 메티우스 게리
쥬니어. 제임스 엠. 멕클랜드
쥬니어. 제임스 엠. 멕클랜드
씨. 메이쓰너 다비드
씨. 몬테큐 스테펜
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미드렉스 테크놀리지스, 인코오포레이티드
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Abstract

다양한 실시예에서, 본 발명은 최소한의 처리 또는 정화로, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 직접환원에 적합한 환원가스/합성가스로 전환시킬 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 탄화수소와 이와 유사한 것은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환된다, S은 환원가스/합성가스로의 전환에 영향을 주지 않지만, 직접환원용광로의 철 베드에 의하여 제거되거나, 그렇지 않으면 완전히 정화될 것이다. 탑가스는 연속적으로 재생되며, 또는 관류형 접근방식이 이용될 것이다.

Description

천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법{System and method for reducing iron oxide to metallic iron using natural gas}
본 특허출원/특허는 "코크스 오븐가스와 산소 제강로가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법"의 명칭으로 2010. 5. 14.에 출원된 미합중국 임시 특허출원 61/334,786호의 우선권 이익을 주장하고 있는, "코크스 오븐가스와 산소 제강로가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법"의 명칭으로 2011. 5. 13.에 출원된 동시출원중인 미합중국 특허출원 제13/107,013호의 CIP(continuation-in-part) 출원인, "코크스 오븐가스와 산소 제강로가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법"의 명칭으로 2012. 1. 31.에 출원한 동시출원중인 미합중국 특허출원 제13/363,044호의 CIP 출원인, "코크스 오븐가스와 산소 제강로가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 시스템 및 그 방법"의 명칭으로 2013. 7. 31.에 출원한 동시출원중인 미합중국 특허출원 제13/955,654호의 CIP 출원으로서, 그 내용은 여기에 참고로 전체적으로 포함되어 있다.
본 발명은 일반적으로, 깨끗한 또는 가공되지 않는(즉, 갱구 상태) 천연가스 (Natural Gas, NG), 깨끗한 또는 더러운 코크스 오븐가스(Coke Oven Gas, COG), 또는 이와 유사한 것을 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 신규의 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은, 직접환원에 적합한 합성가스가 결과로 초래되도록, 열 반응 시스템을 이용하여 최소한의 처리 또는 정화작용으로 천연가스 또는 이와 유사한 것을 리폼하는 것이다.
산화철의 금속철로의 직접환원을 위한 종래 리포밍 처리는, 탄화수소(기체 및 액체), 과도한 이산화탄소(CO2), 유황(S) 등과 같은 불순물을 제거하도록 처리 또는 정화된(cleaned) 천연가스를 이용한다. 대부분의 리포머(reformer)들은 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 그리고 극미량의 C5+를 취급하지만, 주로 예를 들어 탑가스로 메탄(CH4)을 리폼하도록 설계되어 있다. S은 촉매 활성억제제로서의 기능을 하고, 5 내지 10 ppm의 범위에서, 낮은 ppm 분량에서 겨우 견뎌질 수 있다.
그래서, 이 기술 분야에서 아직도 필요로 하는 것은 리포머를, 최소한의 처리 또는 정화로, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 직접환원에 적합한 환원가스/합성가스로 전환시킬 수 있는 다른 부품으로 교체하는 시스템 및 방법이다. 탄화수소와 이와 유사한 것은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환될 수 있다, S는 환원가스/합성가스로의 전환에 영향을 주지 않지만, 직접환원용광로의 철 베드에 의하여 제거되거나, 그렇지 않으면 완전히 정화될 것이다.
다양한 실시예에서, 본 발명은 리포머를, 최소한의 처리 또는 정화로, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 직접환원에 적합한 환원가스/합성가스로 전환시킬 수 있는 다른 부품으로 교체하는 시스템 및 방법을 정확하게 제공한다. 탄화수소와 이와 유사한 것은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환된다, S은 환원가스/합성가스로의 전환에 영향을 주지 않지만, 직접환원용광로의 철 베드에 의하여 제거되거나, 그렇지 않으면 완전히 정화될 것이다. 높은 수준의 S로 오염된 직접환원철은 전기아크로 공급원료로서는 적절치 않으나, 예를 들어 블래스트 로(blast furnace)의 금속화된 공급원료로서는 적절하다는 점에 유의하여야 한다.
한 실시예에서, 본 발명은 직접환원용광로로부터 탑가스 스트림을 제공하는 공정; 이산화탄소제거시스템을 이용하여 탑가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 공정: 가스히터에서 탑가스 스트림을 가열하여 환원가스 스트림을 형성하고, 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정; 그리고 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 환원가스 스트림에 첨가하는 공정; 을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법을 제공한다. 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 환원가스 스트림에 첨가하기 전에 예열기에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 예열하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 열 반응 시스템에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 반응시켜 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함한다. 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함한다. 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는다. 연료는 탑가스 스트림의 일부를 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG스트림 중하나의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 탑가스 스트림의 일부로 예열기를 가열하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 버슬가스에 산소를 첨가하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 탑가스 스트림의 현열(sensible heat)을 이용하여 보일러 내에서 스팀을 발생하고 (흡수타입) 이산화탄소 제거시스템에서 스팀을 이용하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 탑가스 스트림의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 직접환원용광로로부터 탑가스 스트림을 제공하는 공정; 이산화탄소제거시스템을 이용하여 탑가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 공정: 포화기를 사용하여 탑가스 스트림으로부터 수분을 제거하는 공정; 가스히터에서 탑가스 스트림을 가열하여 환원가스 스트림을 형성하고, 상기 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정; 그리고 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 탑가스 스트림에 첨가하는 공정; 을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법을 제공한다. 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 열교환기에서 예열하여 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 열 반응 시스템에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 반응시켜 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함한다. 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함한다. 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는다. 연료는 탑가스 스트림의 일부를 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG스트림 중 예열되고 반응된 하나를 보일러와 열교환기에서 냉각하여 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG스트림 중 하나의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함한다. 열 교환기는 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나와 합성가스 스트림의 교차 교환에 의하여 작동한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 탑가스 스트림을 이용하여 첫 번째 보일러에서 스팀을 발생하고 (흡수타입) 이산화탄소 제거유닛에서 상기 스팀을 이용하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열되고 반응된 하나를 이용하여 두 번째 보일러에서 스팀을 발생하고 이산화탄소 제거 시스템에서 상기 스팀을 이용하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 탑가스 스트림의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 환원가스 스트림에 산소를 첨가하는 공정을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 제공하는 공정; 열교환기에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 예열하는 공정; 열반응 시스템에서 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 반응시켜 환원가스 스트림을 형성하는 공정; 그리고 상기 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정; 을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법을 제공한다. 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함한다. 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함한다. 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는다. 연료는, 열교환기에서 냉각되고 스크러버에서 정화된, 직접환원용광로에서 얻어진 탑가스 스트림의 일부로 구성된다. 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탑가스 스트림과의 교차 교환에 의해서 열교환기에서 예열된다. 방법은 또한 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함한다. 방법은 또한 냉각되고/ 정화된 탑가스 스트림의 남아있는 일부를 발전시스템과 제강시설 중 하나 또는 모두에서 사용하는 공정을 포함한다.
본 발명은 여러 도면을 참조하여 설명될 것이며, 참조번호가 시스템의 부품들/방법의 공정들을 지시하기 위하여 적절히 사용되어 있다. 여기서:
도 1은 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 본 발명의 신규의 시스템 및 그 방법의 일실시예를 나타내는 개략도이다- 특히, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스는 HBI(Hot Briquetted Iron) 플랜트 또는 이와 유사한 것과 같이, 저탄소(즉, 약 1-2%까지) 직접환원 플랜트와 결부되어 사용된다.
도 2는 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 본 발명의 신규의 시스템 및 그 방법의 일실시예를 나타내는 개략도이다- 특히, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스는 고탄소(즉, 약 2%보다 많음) 직접환원 플랜트와 결부되어 사용된다.
도 3은 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스를 이용하여 산화철을 금속철로 환원하는 본 발명의 신규의 관류형(즉, 재활용하지 않는) 시스템 및 그 방법의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 1-3을 참조하여, 본 발명의 시스템들과 방법들은 이 기술분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려진 개개의 부품들을 포함하고 있고 사용하고 있으며, 따라서 이들 부품들에 대해서는 구체적인 설명이나 도시는 하지 않는다. 그러나 이들 개개의 부품들은 진보된 전체 장치에 결합되어 있다. 이들 부품들은 종래의 직접환원용광로(direct reduction shaft furnace), 보일러, 냉각기/스크러버, CO2제거시스템, 압축기, 포화기, 가스히터, 열교환기, 가스 공급원(그리고/또는 적절한 가 저장용기), 그리고 유사한 것들이다.
일반적으로 직접환원용광로(110)(210)(310)는 펠릿들, 덩어리들, 집합체들 등의 형태로 철광석이 공급되는 상부 부분을 갖는다. 환원된 펠릿들, 덩어리들, 집합체들 등은 직접환원철(direct reduction iron, DRI)로서 직접환원용광로(110)(210)(310)의 하부부분에서 빠져나간다. 환원가스/합성가스 유입구(120)(220)(320)는 공급 장입부분과 생성물 배출부분 사이에 위치하며, 고온의 환원가스/합성가스를 직접환원용광로(110)(210)(310)에 공급한다. 이 고온의 환원가스/합성가스는 일반적으로 직접환원용광로(110)(210)(310)의 가스유입구(120)(220)(320) 가까이에서 리폼되는 CH4와, 물(H2O)을 함유하여 추가적인 H2, CO, 그리고 탄소(C)를 생성한다. 고온 직접환원철(HDRI)은 리포밍반응에서 촉매로서의 역할을 한다. 리포밍 반응에 이어서, H2와 CO를 함유하는 고온의 환원가스/합성가스는 산화철을 금속철로 환원하고 사용후 환원가스(또는 탑가스)로서 직접환원용광로(110)(210)(310)의 상부에 있는 유통도관을 통하여 직접환원용광로를 빠져나간다. 그리고 이 탑가스(130)(230)(330)는 여러 가지 목적을 위하여 회수되고 재생된다.
위에서 언급한 바와 같이, 여러 실시예에 있어서, 본 발명은 종래 리포머를, 최소한의 처리 또는 정화로, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 직접환원에 적합한 환원가스/합성가스로 전환시킬 수 있는 다른 부품으로 교체하는 시스템 및 방법을 제공한다. 탄화수소와 이와 유사한 것은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환된다, S은 환원가스/합성가스로의 전환에 영향을 주지 않지만, 직접환원용광로의 철 베드에 의하여 제거되거나, 그렇지 않으면 완전히 정화될 것이다. 탑가스는 연속적으로 재생될 수 있으며 또는 관류형 접근방식이 이용될 수 있다. 다시 설명하지만, 높은 수준의 S로 오염된 직접환원철은 전기아크로 공급원료로서는 적절치 않으나, 예를 들어 블래스트 로의 금속화된 공급원료로서는 적절하다는 점에 유의하여야 한다.
도 1을 구체적으로 참조하면, 본 발명의 한 실시예에서, HBI(Hot Briquetted Iron) 플랜트 또는 이와 유사한 것과 같은, 저탄소(즉, 약 1-2%까지) 직접환원 플랜트에서, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 이용하여, 산화철을 금속철로 환원하는 시스템(105)이 제공된다.
이 실시예는 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 천연가스에 대해서는 약 250 m3/t DRI 까지, COG애 대해서는 약 500-600 m3/t DRI 까지 사용한다. 재생 탑가스(130)는 직접환원용광로(110)로부터 빠져나와 스팀발생, 물 제거, 냉각, 그리고/또는 정화를 위한 보일러(132)를 및 냉각기/스크러버(134)로 공급되고, 그 결과 약 30℃와 약 45℃ 사이의 온도에서 포화된 재생탑가스(136)가 얻어진다. 그리고 이 재생 탑가스(136)는 여러 스트림으로 분리된다. 첫 번째 스트림(138)은 흡착타입의 CO2제거유닛(140) 또는 이와 유사한 것으로 공급되는데, CO2제거유닛(140)은 재생 탑가스(306)의 이 첫 번째 스트림으로부터 CO2와 (H2S와 같은)S의 약 95%를 제거하고, 그리고 가스히터(142)로 공급되는데 가스히터(142)는 첫 번째 스트림(138)을 약 900℃와 1100℃ 사이의 온도로 가열하고, 그에 따라 직접환원용광로(110)로 공급되는 환원가스 스트림(144)을 제공한다.
환원가스 스트림(144)이 직접환원용광로(110)에 공급되어지기 전에 산소(O2)(146)가 필요에 따라 환원가스 스트림(144)에 첨가된다. 선택적으로 CO2제거유닛(140)은 멤브레인 타입의 CO2제거유닛, 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛, 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 유닛 등이다. 보일러(132)로부터의 스팀(148)은 흡수타입의 CO2제거유닛(140)에 의하여 사용될 수 있으며, 또는 발전을 포함한 다른 용도로 사용될 수 있다. CO2와 N2도 또한 예를 들어, 가스히터 연도(150)를 통하여 제거된다. 두 번째 스트림(152)은 가스히터 연료로서 사용된다. 세 번째 스트림(154)은 예열기(156)를 가열하는데 사용된다. 압축된 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것(158)의 공급은 예열기(156)를 통과하며 처리되며. 약 300℃와 500℃ 사이의 온도로 예열된다.
CO2와 N2(160)는 예열기(156)를 통하여, 필요에 따라 배기된다. 예열하기 전에 천연가스 또는 COG(158)의 일부는 가스히터 연료(162)로서 사용된다. 예열 후, 천연가스 또는 COG(158)의 일부는 부슬(강화)가스(BG)(164)로서 직접환원 용광로(110)에 전달되고, 천연가스 또는 COG(158)의 일부는 전이영역(TZ) 가스(166)로서 직접환원 용광로(110)에 전달된다. 천연가스 또는 COG(158)의 나머지는 열 반응 시스템(168)에 의하여 처리되어 합성가스(170)을 형성하고, 이것은 전에 기술한 환원가스 스트림(144)에 첨가된다. 일부의 합성가스(171)는 가스히터(142)의 주입구에 첨가되어, 가스히터(142)에서 C 형성이 방지되도록, 추가적인 수분을 제공한다.
바람직하기로는 합성가스(170)는 적어도 약 82% H2와 CO로 구성된다. 일반적으로 열 반응 시스템(168)은 고온 산소 버너(HOB)(172)와 노즐(174)을 포함한다. 재생 탑가스(136)로부터 얻은 연료(176)는 고온 산소 버너(172)에서 공기분리 플랜트(180) 또는 이와 유사한 것으로부터의 O2(178)와 합류하고, 높은 온도(즉, 2,000-2,500℃)에서, 노즐(174)을 통과하며 압축된 새로운 천연가스 또는 COG(158)와 접촉하여 합성가스(170)을 형성한다. 버슬가스와 전이영역가스에 천연가스 또는 COG(158)의 사용은 결과물인 직접환원철의 탄소함유량 제어와, 직접환원용광로내(110)의 베드의 온도제어를 가능하게 한다.
도 2를 자세히 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 고탄소 (약 2%보다 많음) 직접환원 플랜트 또는 이와 유사한 것에서 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 이용하여, 산화철을 금속철로 환원하는 시스템(205)이 제공된다. 재생 탑가스(230)는 직접환원용광로(210)로부터 빠져나와 스팀 발생, 물 제거, 냉각, 그리고/또는 정화를 위한 보일러(232) 및 냉각기/스크러버(234)로 공급되고, 그 결과 약 30℃와 약 45℃ 사이의 온도에서 포화된 가스재생 탑가스(236)을 얻는다. 그리고 이 재생 탑가스(236)는 여러 스트림으로 분리된다. 첫 번째 스트림(238)은 흡수타입 CO2제거유닛(240)으로 공급되는데, CO2제거유닛(240)은 첫 번째 스트림(238)로부터 CO2와 S(H2S)의 약 95%를 제거하고, 그리고 포화기(241)로 공급되는데, 포화기(241)는 첫 번째 스트림(238)로부터 H2O를 제거하고, 다음에 가스히터(242)로 공급되는데 가스히터(242)는 첫 번째 스트림(238)을 약 900℃와 1100℃ 사이의 온도로 가열하고, 그에 따라 직접환원용광로(210)로 공급되는 환원가스 스트림(244)를 제공한다.
환원가스 스트림(244)이 직접환원용광로(210)에 공급되어지기 전에 산소(O2)(246)가 필요에 따라 환원가스 스트림(244)에 첨가된다. 선택적으로 CO2제거유닛(240)은 멤브레인 타입의 CO2제거유닛, 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛, 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 유닛 등이다. 보일러(232)로부터의 스팀(248)은 흡수타입 CO2제거유닛(240)에 의하여 사용될 수 있고, 발전을 포함한 다른 용도로 사용될 수도 있다. CO2와 N2는 예를 들어, 가스히터 연도(250)를 통하여 제거된다. 두 번째 스트림(253)은 가스히터 연료로서 사용된다. 압축된 깨끗한 또는 가동되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 새로운 COG, 또는 그와 유사한 것(258)의 공급은 COG 열교환기(256)를 통과하며 처리되며, 약 300℃와 500℃ 사이의 온도로 예열된다. 선택적으로, 열교환기(256)는 추후 설명되는 바와 같이, 아직 가열된 합성가스(270)와의 교차 교환에 의하여 작동한다. 예열하기 전에 압축된 천연가스 또는 COG(258)의 일부는 가스히터 연료(262)로서 사용된다. 다시, 예열된 천연가스 또는 COG(258)의 일부는 부슬가스(BG)(265)로서 직접환원용광로(210)에 전달되고, 예열된 천연가스 또는 COG(258)의 일부는 전이영역(TZ) 가스(275)로서 직접환원용광로(210)에 전달된다. 다시, 예열된 천연가스 또는 COG(258)의 나머지는 열 반응 시스템(TRS)(268)에 의하여 처리되어 가열된 합성가스(270)를 형성한다. 바람직하기로는 가열된 합성가스(270)는 적어도 약 82% H2와 CO로 구성되며, 열 반응 시스템(268) 그리고 열 반응 시스템(268), 보일러(284)(이것은 또한 CO2제거유닛(240)에 사용되는 스팀(286)을 발생한다), 그리고 예열되고 반응된 천연가스 또는 COG 스트림을 냉각하여 합성가스(270)를 형성하는 열교환기(256)를 포함하는 재생 루프에 의해서 발생된다. 일반적으로 열 반응 시스템(268)은 고온 산소 버너(HOB)(272)와 노즐(274)을 포함한다. 재생 탑가스(252)로부터 얻은 연료(276)는 고온 산소 버너(272)에서 공기분리 플랜트(280) 또는 이와 유사한 것으로부터의 O2(278)와 합류하고, 높은 온도(즉, 2,000-2,500℃)에서, 노즐(274)을 통과하며 상기 예열된 천연가스 또는 COG(258)와 접촉하여 합성가스 스트림(270)을 형성한다. 합성가스 스트림(270)은 바람직하게 CO2제거유닛(240)과 포화기(241) 사이에서 상기 환원가스 스트림(244)과 합류한다. 그러나 모든 실시예에서, 합성가스 스트림(270)(도 1에서는 부호 "170")은, 이것이 높은 수준의 CO2 그리고/또는 S를 함유한다면, CO2제거유닛(240)(도 1에서는 부호 "140")의 상류에 유용하게 도입되어, 과도한 CO2 그리고/또는 H2S를 제거한다.
다시 돌아가서, 환원가스 스트림(244)이 직접환원용광로(210)에 분사되기 전에 O2(246)가 환원가스 스트림(244)에 첨가된다. 이 실시예에서, 고탄소 함유량이 포함된다면, 산화가스에 대한 환원가스의 적절한 비를 얻기 위하여 적은 H2O가 바람직하다. 따라서 열 반응 시스템(268)을 떠나는 대략적으로 1,200℃의 온도는 보일러(284)에 의하여 대략적으로 400-600℃로 감소되고, 이것은 다시 교환기(256)에 의하여 대략적으로 200℃로 감소된다. 그리고 포화기(241)는 대략적으로 12%-H2O 합성가스 스트림(270)을 받고, 재생 탑가스 스트림(238)과 합류할 때, 수분함유량을 대략적으로 2-6%로 감소시킨다. 다시 설명하지만, 버슬가스와 전이영역가스에 천연가스 또는 COG의 사용은 결과물인 직접환원철의 탄소함유량 제어와, 직접환원용광로(210)내의 베드의 온도제어를 가능하게 한다.
도 3을 자세히 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 관류형(즉, 재활용 하지 않음) 시스템을 기초로 하는, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 이용하여, 산화철을 금속철로 환원하는 시스템(305) 및 방법이 제공된다. 이 변형예는깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 금속철을 생산하고 발전하는데 사용되게 하며, 뿐 아니라 제강시설에 사용되게 하며, 그러한 다기능이 요구되는 응용장치에 사용되게 한다. 압축된 천연가스 또는 COG(332)는 열교환기(334)를 통과하며 처리되어 약 300℃와 약 500℃ 사이의 온도로 가열된다. 사용 후 탑가스 스트림(336)은 열교환기(334)와 스크러버(338)에서 냉각 그리고/또는 정화되고, 그 결과로 초래되는 가스 스트림은 열반응 시스템(342) 또는 그와 유사한 것을 위한 연료(340)로서 사용될 수 있고, 그리고/또는 발전/제강 버너(344)를 위해서 사용될 수 있다.
다시 돌아가, 가열된 천연가스 또는 COG(332)의 일부는 부슬가스(BG)(346)로서 직접환원용광로(310)에 전달되고, 가열된 천연가스 또는 COG(332)의 일부는 전이영역(TZ) 가스(348)로서 직접환원용광로(310)에 전달된다. 가열된 천연가스 또는 COG(332)의 나머지는 열반응 시스템(342)에 의하여 처리되어 합성가스/환원가스 스트림(350)을 형성한다. 바람직하기로는, 합성가스/환원가스 스트림(350)은 산화제 대 환원제의 비가 약 5 대 6으로 구성된다.
일반적으로 열 반응 시스템(342)은 고온 산소 버너(HOB)(352)와 노즐(354)을 포함한다. 열교환기(334)로부터 나오는 연료(340)는 예를 들어, 고온 산소 버너(352)에서 공기분리 플랜트(358) 또는 이와 유사한 것으로부터의 O2(356)와 합류하고, 높은 온도(즉, 2,000-2,500℃)에서, 노즐(354)을 통과하며, 압축되고 가열된 천연가스 또는 COG(332)와 접촉하여 합성가스/환원가스 스트림(350)을 형성한다. 다시 설명하지만 버슬가스와 전이영역가스에 천연가스 또는 COG(332)의 사용은 결과물인 직접환원철의 탄소함유량 제어와, 직접환원용광로(310)내의 베드의 온도제어를 가능하게 한다.
위에서 설명한 바와 같이, 여러 실시예에 있어서, 본 발명은 종래의 리포머를, 최소한의 처리 또는 정화로, 깨끗한 또는 가공되지 않은 천연가스, 깨끗한 또는 더러운 COG, 또는 이와 유사한 것을 직접환원에 적합한 환원가스/합성가스로 전환시킬 수 있는 다른 부품으로 교체하는 시스템 및 방법을 제공한다. 탄화수소와 이와 유사한 것은 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환된다, S은 환원가스/합성가스로의 전환에 영향을 주지 않지만, 직접환원용광로의 철 베드에 의하여 제거되거나, 그렇지 않으면 완전히 정화될 것이다. 탑가스는 연속적으로 재새오딜 수 있으며, 또는 관류형 접근방식이 이용될 수 있다. 다시 설명하지만, 높은 수준의 S로 오염된 직접환원철은 전기아크로 공급원료로서는 적절치 않으나, 예를 들어 블래스트 로(blast furnace)의 금속화된 공급원료로서는 적절하다는 점을 유의하여야 한다.
본 발명은 선택된 구체예 및 특수한 실시예를 참조하여 여기에 기술된 것이지만, 다른 구체예 및 실시예가 유사한 기능을 수행하고, 그리고/또는 같은 결과를 얻을 수 있다는 사실은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 그러한 대응하는 모든 구체예 및 실시예는 본 설명의 사상 및 범위내에 있으며 뒤따르는 청구범위에 의하여 보호되어야 한다. 이러한 의미에서, 본 명세서는 제한이 없고 모두를 아우르는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (36)

  1. 직접환원용광로로부터 탑가스 스트림을 제공하는 공정;
    이산화탄소제거시스템을 이용하여 탑가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 공정:
    가스히터에서 탑가스 스트림을 가열하여 환원가스 스트림을 형성하고, 상기 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정; 그리고
    천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 환원가스 스트림에 첨가하는 공정;
    을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 환원가스 스트림에 첨가하기 전에 예열기에서 예열하는 공정을 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 열 반응 시스템에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 반응시켜 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함하는 공정.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 연료는 탑가스 스트림의 일부로 이루어지는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG스트림 중하나의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 탑가스 스트림의 일부로 예열기를 가열하는 공정을 포함하는 방법.
  10. 제3항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 버슬가스에 산소를 첨가하는 공정을 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 탑가스 스트림의 현열을 이용하여 보일러 내에서 스팀을 발생하고 이산화탄소 제거시스템에서 상기 스팀을 이용하는 공정을 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 탑가스 스트림의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  14. 직접환원용광로로부터 탑가스 스트림을 제공하는 공정;
    이산화탄소제거시스템을 이용하여 탑가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 공정:
    포화기를 사용하여 탑가스 스트림으로부터 수분을 제거하는 공정;
    가스히터에서 탑가스 스트림을 가열하여 환원가스 스트림을 형성하고, 상기 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정; 그리고
    천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 합성가스 스트림으로서 상기 탑가스 스트림에 첨가하는 공정;
    을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법을 제공하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 열교환기에서 예열하여 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 열 반응 시스템에서 반응시켜 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 연료는 탑가스 스트림의 일부로 이루어지는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG스트림 중 예열되고 반응된 하나를 보일러와 열교환기에서 냉각하여 합성가스 스트림을 형성하는 공정을 포함하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG스트림 중 하나의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 열 교환기는 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나와 합성가스 스트림의 교차 교환에 의하여 작동하는 방법.
  24. 제16항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  25. 제14항에 있어서, 상기 탑가스 스트림을 이용하여 첫 번째 보일러에서 스팀을 발생하고 이산화탄소 제거유닛에서 상기 스팀을 이용하는 공정을 포함하는 방법.
  26. 제17항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열되고 반응된 하나를 이용하여 두 번째 보일러에서 스팀을 발생하고 이산화탄소 제거 시스템에서 상기 스팀을 이용하는 공정을 포함하는 방법.
  27. 제14항에 있어서, 상기 탑가스 스트림의 일부를 연료로서 가스히터에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  28. 제14항에 있어서, 상기 환원가스 스트림에 산소를 첨가하는 공정을 포함하는 방법.
  29. 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 제공하는 공정;
    열교환기에서 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나를 예열하는 공정;
    상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나를 열반응 시스템에서 반응시켜 환원가스 스트림을 형성하는 공정; 그리고
    상기 환원가스 스트림을 직접환원용광로에 제공하여 산화철을 금속철로 환원하는 공정;
    을 포함하는 산화철을 금속철로 환원하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 유황 중 하나 이상을 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 열 반응 시스템은 산소와 연료를 사용하는 고온 산소 버너 및 노즐을 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 산소는 공기 분리 플랜트로부터 받는 방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 연료는, 열교환기에서 냉각되고 스크러버에서 정화된, 직접환원용광로에서 얻어진 탑가스 스트림의 일부로 이루어지는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 하나는 탑가스 스트림과의 교차 교환에 의해서 열교환기에서 예열되는 방법.
  35. 제29항에 있어서, 상기 천연가스 스트림과 COG 스트림 중 예열된 하나의 일부를 버슬가스 또는 전이영역가스 중 하나 또는 모두로서 직접환원용광로에 제공하는 공정을 포함하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 냉각되고/ 정화된 탑가스 스트림의 남아있는 일부를 발전시스템과 제강시설 중 하나 또는 모두에서 사용하는 공정을 포함하는 방법.
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