KR20160120334A - 산소 고로의 조업 방법 - Google Patents

Abstract

(과제) 우구 끝 연소 영역의 저온화를, 종래보다 CO₂ 배출량을 삭감시켜 실행할 수 있는 산소 고로의 조업 방법을 제안한다.
(해결 수단) 우구로부터 적어도 순산소를 분사하여, 노정으로부터 질소가 적은 고로 가스를 발생시키는 산소 고로의 조업 방법에 있어서, 상기 우구로부터의 순산소의 분사와 함께, 그 우구로부터 탄화수소와 수소의 체적분율의 합이 50 ％ 이상이 되는 우구 분사 가스를 분사함으로써, 우구 끝의 연소 영역의 온도를 저하시킨다.

Description

산소 고로의 조업 방법{METHOD FOR OPERATING OXYGEN BLAST FURNACE}

본 발명은, 우구 (羽口) 로부터 순산소를 공급하여, 노정 (爐頂) 으로부터 질소가 적은 고로 가스를 발생시키는 산소 고로의 조업 방법에 관한 것이다.

최근, 지구 환경 문제를 배경으로 하여, 제철소에 있어서도, 에너지 절약, 자원 절약, 탄산 가스 (CO₂) 발생 억제가 강하게 요구되고 있다. 이것을 받아, 최근의 고로 조업에서는 낮은 환원재비 (낮은 RAR) 조업이 강력하게 추진되고 있다.

일반적인 고로는, 우구로부터 열풍을 분사하고 있으며, 그 열풍을 얻기 위한 열원으로는, 고로나 코크스로, 전로 (轉爐) 등으로부터 발생하는 가스를 혼합하여 이루어지는 혼합 가스 (M 가스) 가 사용된다. 이 경우, 열풍이 갖는 열량분만큼, 고로 내에서의 환원재비는 저감된다. 종래의 고로에서 사용되고 있는 환원재는, 주로 탄소를 주성분으로 하는 화석 연료가 사용되고 있는 점에서, 열풍 송풍은 그 화석 연료의 사용량이나 CO₂ 발생량을 억제하고 있다고도 할 수 있다.

종래, 상기 열풍로가 아니라 우구로부터 상온의 순산소를 분사함으로써 용선 (鎔銑) 을 제조하는 산소 고로가 제안되어 있다 (특허문헌 1 참조). 이 산소 고로에서는, 실질적으로 질소를 함유하지 않는 고로 가스를 발생시켜 회수하고, 이것을 합성 화학 공업용 가스로서 사용하는 것을 목적으로 하고 있었다. 단, 이 산소 고로에서는, 우구로부터 순산소를 분사하여 코크스와 반응시키고 있기 때문에, 우구 끝의 온도가 비정상적으로 고온이 된다는 기술적인 과제가 있었다.

따라서, 산소 고로의 조업에서는, 우구 끝의 연소 영역 (레이스웨이) 에서의 온도 (우구 끝 온도) 를 적정한 온도로 제어할 필요가 있다. 이 점에 관하여, 특허문헌 1 에서는, CO₂ 를 함유하는 노정 가스를 우구로부터 분사함으로써, 소정의 온도 범위로 제어하는 방법이 서술되어 있다. 또, 이 특허문헌 1 은, H₂O 또는 CO₂ 를 우구로부터 분사하는 방법도 제안하고 있다. 또한, 다른 방법으로서, 중질유를 우구로부터 분사하는 기술도 제안되어 있다 (특허문헌 2 참조).

또한, 특허문헌 3 에는, 코크스로로부터 발생하는 C 가스를 우구에 분사하여 탈황하고, 개질을 실시하는 석탄의 건류 가스화법에 대한 제안이 이루어져 있다. 단, 이것들은, 우구 끝 온도의 제어와는 관계없는 기술이다.

일본 공개특허공보 소60-159104호 일본 공개특허공보 소63-171807호 일본 공개특허공보 소61-14290호 일본 공개특허공보 소61-124510호

특허문헌 1 의 기술에 개시되어 있는 바와 같이, 우구로부터 열풍 대신에 순산소를 분사하는 타입의 산소 고로에서는, 우구 끝 온도가 매우 고온이 되는 특징이 있어, 우구 끝의 온도를 잘 저하시켜 조업하는 것이 필수가 된다. 이러한 점과 관련하여, 종래의 우구로부터 열풍을 분사하는 일반적인 고로에서는, 우구 끝이 이상 고온화되는 경우는 없어, 이것은 산소 고로에 특유한 기술 과제이다.

특허문헌 1 에 개시된 기술에서는, 우구로부터 상온 순산소와 함께 H₂O 나 CO₂ 를 분사하고, 하기의 흡열 반응을 유도하여 우구 끝의 온도를 저하시키는 수단이 채용된다. 이 때의 반응은, 연소 (산화) 와 역반응 (환원) 의 흡열 반응으로서, 이상 고온화된 우구 끝의 온도를 낮추는 것이 가능하다. 한편으로, 하기 (1) 식 및 (2) 식의 반응은 우구 끝 (레이스웨이) 에 있어서 고체 탄소를 소비하므로, 코크스 사용량이 증가한다. 그 결과적으로, 산소 고로에서는, 화석 연료 사용량의 증가 및 CO₂ 발생량의 증가가 일어난다는 과제가 있다.

H₂O ＋ C → H₂ ＋ CO (1)

CO₂ ＋ C → 2CO (2)

특허문헌 2 에 개시된 기술에서는, 우구로부터 중유를 분사하여 중유의 열분해에 의해 우구 냉각을 실시하므로, 코크스 소비량을 증가시키지 않고 산소 고로의 우구 끝 온도를 저하시킬 수 있다. 그 한편으로, 중유에 의한 우구 냉각 방법은, 특허문헌 4 에 개시되어 있는 바와 같이, 액적으로 하여 분사하기 때문에, 미분탄의 다량 분사 조업시에는 그을음이 발생하고, 미연소에 의한 효과의 저하나 노 내 충전층에 그을음이 가득 차서 치솟아 빠지거나 하는 현상이 발생하기 쉬워진다.

본 발명의 목적은, 종래 기술이 안고 있는 상기 서술한 문제를 해소하고, 우구 끝의 연소 영역에 있어서의 저온화를, 종래보다 CO₂ 배출량을 삭감시켜 실현할 수 있는 산소 고로의 조업 방법을 제안하는 것에 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 중유의 사용으로 문제가 되는 그을음의 발생을 회피하고, 우구로부터 순산소의 안정적인 분사를 실현할 수 있는 산소 고로의 조업 방법을 제안하는 것에 있다.

상기 목적의 실현을 향하여 개발한 본 발명은, 우구로부터 적어도 순산소를 분사하여, 노정으로부터 질소가 적은 고로 가스를 발생시키는 산소 고로의 조업 방법에 있어서, 상기 우구로부터의 순산소의 분사와 함께, 그 우구로부터 탄화수소와 수소의 체적분율의 합이 50 ％ 이상이 되는 우구 분사 가스를 분사함으로써, 우구 끝의 연소 영역의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 산소 고로의 조업 방법이다.

또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 산소 고로의 조업 방법에 있어서는,

(1) 상기 우구 분사 가스로서, 천연 가스, 프로판 가스, 코크스로 가스 (C 가스) 또는 바이오 가스를 사용하는 것,

(2) 상기 우구 분사 가스로서, 고로 가스와 코크스로 가스의 혼합 가스를 사용하는 것이 보다 바람직한 해결 수단이 될 것으로 생각된다.

본 발명의 산소 고로의 조업 방법에 의하면, 우구로부터의 순산소의 분사와 함께, 그 우구로부터는 또 탄화수소와 수소의 체적분율의 합이 50 ％ 이상이 되는 우구 분사 가스를 분사함으로써, 산소 고로 특유의 과제인 우구 끝 연소 영역에 있어서의 이상 고온을 저지하여 저온화시킬 수 있다. 게다가, 본 발명에서는, 종래의 산소 고로 조업 방법에서 사용되고 있는 우구 끝의 저온화 방법과 비교하여, CO₂ 배출량을 삭감시킬 수 있는 효과도 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 중유와 같은 액체 연료를 사용할 때에 문제가 되는 그을음의 발생도 회피하는 것이 가능해지고, 우구 끝 온도의 조정에 적절한 순산소의 분사를 안정적으로 실시할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 관련된 조업 방법의 대상이 되는 산소 고로 및 주변 설비의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 산소 고로의 조업 방법에서 사용하는 우구의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서의 고로에서의 CO₂ 배출량을 나타내는 그래프이다.
도 4 는 본 발명에서 사용하는 우구 분사 가스 중의 수소 ＋ 탄화수소의 비율과 CO₂ 배출량의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1 은 본 발명에 관련된 조업 방법의 대상이 되는 산소 고로 및 주변 설비의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1 에 나타내는 구성예에 있어서, 1 은 산소 고로, 2 는 가스를 혼합하는 혼합기, 3 은 가스를 예열하여 예열 가스 (SGI) 를 얻는 버너, 4 는 고로 배기 가스를 사용하여 발전하는 발전기, 5 는 순산소를 제조하는 산소 플랜트, 6 은 산소 고로 (1) 내에 산소 등을 분사하기 위해 사용하는 우구이다.

도 1 에 나타내는 구성에 있어서는, 종래 고로와 동일하게 산소 고로 (1) 에서는 상부로부터 광석과 코크스가 투입된다. 또, 하부의 우구 (6) 로부터는 상온의 순산소가 분사된다. 순산소는 산소 플랜트 (5) 에서 심랭 분리 등의 분리 기술을 사용하여 공기로부터 제조되는데, 그 때 전력을 소비한다. 그래서, CO 를 많이 함유한 연소 가스인 코크스로 가스, 고로 가스, 혹은 이것들을 혼합한 가스를 사용하여 발전기 (4) 에서 발전하고, 그 전력으로 순산소를 제조하는 방법을 사용한다. 또, 하부의 우구 (6) 로부터는 순산소와 함께, 미분탄이나, 천연 가스, 코크스로 가스 등의 우구 분사 가스도 분사된다.

이 때, 우구 (6) 는, 일본 공개특허공보 소63-171811호에 기재된 우구와 같은 산소-미분탄 버너를 내포한 우구를 사용하고, 내부의 버너로부터 미분탄과 우구 분사 가스, 외부의 우구로부터 순산소를 분사하면 된다. 이 때, 우구 내에 버너를 1 개 배치하고, 버너로부터 미분탄과 우구 분사 가스를 혼합하여 분사하는 방법, 혹은 우구 내에 버너를 2 개 배치하고, 일방으로부터 미분탄, 다른 일방으로부터 우구 분사 가스를 분사하도록 하면 된다.

한편으로, 산소 고로 (1) 에서는 가스 유량이 작기 때문에, 노정부의 온도가 저하되는 문제가 일어난다. 예를 들어, 그 노정 가스의 온도가 100 ℃ 이하가 되면, 노정부에서 결로가 발생하여 조업 트러블을 일으킨다. 그래서, 노정의 온도를 100 ℃ 이상으로 유지하기 위해, 도 1 에 나타내는 바와 같이, CO 를 많이 함유한 연소 가스인 고로 배기 가스 (B 가스) 의 일부를 순환시켜, 버너 (3) 에 유입시키고 부분 연소시켜, 고온의 예열 가스 (SGI) 로 하여, 고로 샤프트부로부터 분사하는 방법을 사용하면 된다.

또한, 우구 끝 온도에 관해서는, 2000 ℃ ∼ 2600 ℃ 의 정도로 하는 것이 바람직하다. 우구 끝 온도가 2000 ℃ 미만이 되면, 일본 공개특허공보 2003-247008호에서 서술되어 있는 바와 같이, 미분탄의 연소가 불충분해지기 때문에, 미연 (未然) 차가 증대되고, 고로 내의 압손이 증대될 우려가 있다. 한편으로, 산소 고로에서는, 우구로부터 열풍 (1000 ℃ 이상) 이 아니라, 상온의 순산소를 고유속 (100 m/s 이상) 으로 분사하기 때문에, 상온의 산소 자체에 의한 우구 냉각 효과가 얻어진다. 요컨대, 일본 공개특허공보 2003-247008호에서 서술되어 있는 바와 같은 우구 내화물 손상의 우려는 작고, 우구 끝 온도를 2300 ℃ 이하로 할 필요는 없다. 한편으로, 일본 공개특허공보 소58-58207호에 의하면, 우구 끝 온도가 2600 ℃ 를 초과하면 직접 환원 비율이 급증하고, 노 내의 흡열 반응 증가에 의해 노 조업이 곤란해지는 것이 지적되어 있다. 이상을 감안하면, 우구 끝 온도는 2000 ℃ ∼ 2600 ℃ 로 제어하는 것이 바람직하다.

상기 우구 끝 온도는, 탄화수소 혹은 수소를 함유하는 기체 분사재를 분사하면 저온화되는 점에서, 우구 끝 온도를 적정 온도로 하려면, 기체 분사재의 분사량을 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 미분탄으로도 탄화수소 혹은 수소를 함유하는 기체 분사재와 유사한 우구 끝 온도 저감 작용을 기대할 수 있지만, 너무 다량으로 지나치게 분사하면 노 내의 압손이 증대되어, 조업이 불안정해진다. 따라서, 미분탄만으로 우구 끝 온도를 적정한 온도로까지 저온화시킬 수 없다. 그래서, 우구 끝 온도의 컨트롤 (저온화) 에는, 탄화수소 혹은 수소를 함유하는 기체 분사재를 사용하는 것이 좋다. 또, 중유 분사로도 우구 끝 온도를 저감시킬 수 있지만, 전술한 바와 같이, 그을음 발생의 우려가 있기 때문에, 다량으로 분사할 수는 없다. 이러한 의미에서, 중유의 분사에 의해, 산소 고로의 우구 끝 온도를 충분히 저온화시키는 것은 곤란하다.

또, 본 발명에서는, 우구 분사 가스 중의 수소 및 탄화수소의 합계의 함유량을 체적분율 환산으로 50 ％ 이상으로 할 필요가 있다. 그 이유는, 우구 분사 가스 중의 수소 및 탄화수소의 합계의 비율이 50 ％ 미만인 경우, 우구 냉각 능력이 낮아져, 우구 끝 온도를 충분히 저하시킬 수 없게 된다. 만약, 수소 및 탄화수소의 함유량이 50 ％ 미만으로 우구 끝 온도를 적정 온도로 저하시키고자 한다면, 수소 또는 탄화수소와 함께 CO₂ 나 H₂O 등의 산화물계의 우구 냉각재를 분사할 필요가 있다. 이것들은, 솔루션 로스 반응에서 코크스를 소비하므로, 결과적으로 CO₂ 발생량이 증대된다.

실시예

이 실시예에서는, 고로 내의 열 물질 수지를 계산하는 시뮬레이션에 의해, 본 발명의 효과를 확인하였다.

이 실시예는, 출선 (出銑) 비 5, 노 내용적 2515 ㎣, 출선량이 12573 t/day 인 산소 고로를 상정한 예로서, 산소 고로 및 주변 설비의 구성은 도 1 의 구성으로 하였다. 우구는, 우구에 버너관 (7) 을 내장한 도 2 에 나타내는 바와 같은 형식을 사용하였다. 그리고, 그 버너관 (7) 내를 통하여 미분탄과 우구 분사 가스를 분사하고, 그리고, 우구와 버너관 (7) 의 사이로부터 25 ℃ 의 순산소를 분사하였다. 버너관 (7) 은 외경 89 ㎜ 로 하고, 우구는 내경 140 ㎜ 로 하였다. 고로 노정의 결로를 방지하기 위해, 고로 배기 가스 (B 가스) 중 200 Nm³/t 를 재순환시켜, 1000 ℃ 가 될 때까지 버너 (3) 에서 부분 연소시킨 후, 예열 가스 (SGI) 로서 샤프트부로부터 분사하였다. 노정으로부터 장입하는 광석은, 소결광 80 mass％, 괴광석 20 mass％ 의 혼합물로 하고, 샤프트 효율은 94 ％ 를 가정하였다. 우구로부터 미분탄을 300 ㎏/t 분사하는 조건을 본 검토의 베이스 조건으로 하였다.

본 발명에 적합한 예 (실시예) 로서, 우구 분사 가스로서 천연 가스, 코크스로 가스 (C 가스), 프로판 가스를 분사하는 조건을 생각하였다. 또, 비교예로는, 우구로부터 우구 분사재로서 고로 가스, 중유, 수증기를 분사하는 방법으로 하였다. 또한, 산소 고로의 우구에 대하여 미분탄만을 분사하는 조건 및, 종래의 열풍 고로의 조건도 비교예로 하였다. 이들 우구 분사재의 CO₂ 배출 삭감 효과를 비교하기 위해, 우구 분사 가스에 의해 우구 끝의 온도를 2600 ℃ 이하가 되도록 분사량을 제어한 조건으로 통일하여, 실시예와 비교예의 CO₂ 배출량 (㎏-CO₂/t) 을 비교하였다. 이하의 표 1 에 우구 끝 온도를 2600 ℃ 이하로 제어한 조건의 실시예, 비교예에 있어서의 우구 분사재의 분사량, 우구 분사 가스 중의 수소와 탄화수소의 비율 및 우구 끝 온도를 나타낸다.

주) C 가스 : 코크스로 가스

도 3 에 CO₂ 배출량의 평가 결과를 나타낸다. 도 3 으로부터 종래법의 고로 가스 분사와 수증기 분사에서는 CO₂ 배출량이 종래 고로보다 커지는 것을 알 수 있다. 이것은, 분사재 자체가 CO₂ 나 H₂O 라는 산화물이며, 이것들을 한 번 CO 와 H₂ 로 열분해할 때에 코크스를 소비하기 때문이다. 또, 종래법의 중유 분사, 미분탄 분사는 종래 고로보다 CO₂ 배출량이 적어졌지만, 이것들은 전술한 바와 같이 그을음의 발생이나 미분탄 연소율 상한의 제약이 있기 때문에, 실시 곤란하였다. 한편, 천연 가스 분사, 코크스로 가스 분사, 프로판 분사를 한 실시예 (발명예) 는, 우구 분사 가스 중의 수소와 탄화수소의 체적분율이 50 ％ 이상이 되는 가스를 우구로부터 분사하고 있기 때문에, 우구 끝 온도를 저감시키면서도 CO₂ 배출량을 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또, 바이오 가스 분사를 한 실시예 (발명예) 는, 바이오 가스에 30 ％ 정도 함유되는 CO₂ 가 CO 와 H₂ 로 열분해될 때에 코크스를 소비하기 때문에 그만큼의 CO₂ 발생량은 증가하지만, 바이오 가스는 카본 뉴트럴이기 때문에 바이오 가스로부터 발생한 CO₂ 는 고려에 넣을 필요가 없다. 그 때문에, 우구 끝 온도를 감소시키면서, CO₂ 발생량을 억제할 수 있었다.

고로 가스와 코크스로 가스를 상이한 비율로 혼합한 조건을 상정하고, 우구 분사 가스 중의 수소와 탄화수소의 체적분율의 합과 CO₂ 배출량의 관계를 도 4 에 나타낸다. 바이오 가스 조건에 대해서도 함께 나타냈다. 코크스로 가스의 비율이 커질수록 수소와 탄화수소의 체적분율의 합이 증대되고, CO₂ 배출량이 저감되는 것을 알 수 있다. 이것을 종래형 고로의 CO₂ 배출량과 비교하면, 우구 분사 가스 중의 수소와 탄화수소의 비율을 50 ％ 이상으로 하면, 종래형 고로보다 CO₂ 배출량이 적어진다. 이상으로부터, 수소와 탄화수소의 비율을 50 ％ 이하로 하면 좋은 것을 확인할 수 있었다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 본 발명에 따른 산소 고로의 조업 방법은, 우구 끝 연소 영역의 저온화를 종래보다 CO₂ 배출량을 삭감시켜 실현할 수 있고, 또, 중유의 사용으로 문제가 되는 그을음의 발생을 회피할 수 있고, 또한 우구로부터의 안정적인 순산소의 분사를 달성할 수 있기 때문에, 산소 고로의 조업시에 바람직하게 적용할 수 있다.

1 : 산소 고로
2 : 혼합기
3 : 버너
4 : 발전기
5 : 산소 플랜트
6 : 우구
7 : 버너관

Claims (3)

1. 우구로부터 적어도 순산소를 분사하여, 노정으로부터 질소가 적은 고로 가스를 발생시키는 산소 고로의 조업 방법에 있어서, 상기 우구로부터의 순산소의 분사와 함께, 그 우구로부터 탄화수소와 수소의 체적분율의 합이 50 ％ 이상이 되는 우구 분사 가스를 분사함으로써, 우구 끝의 연소 영역의 온도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 산소 고로의 조업 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 우구 분사 가스로서, 천연 가스, 프로판 가스, 코크스로 가스 (C 가스) 또는 바이오 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 산소 고로의 조업 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 우구 분사 가스로서, 고로 가스와 코크스로 가스의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 산소 고로의 조업 방법.
   

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