KR20180073177A - 용선제조장치 및 용선제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용선제조장치 및 용선제조방법에 관한 것으로, 반응로에서 철광석을 용해시켜 용선을 제조하는 과정; 예열로에 스크랩을 장입하는 과정; 상기 용선을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 상기 예열로에 공급하는 과정; 및 상기 예열로에 산소 함유 가스를 공급하여 상기 배가스를 이차 연소시켜 스크랩을 예열하는 과정;을 포함하고, 조업 중 발생하는 배가스를 효율적으로 이용할 수 있다.

Description

용선제조장치 및 용선제조방법{Apparatus for manufacturing molten iron and method for manufacturing thereof}
본 발명은 용선제조장치 및 용선제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조업 중 발생하는 배가스를 효율적으로 이용할 수 있는 용선제조장치 및 용선제조방법에 관한 것이다.
각종 산업 부문에서 이산화탄소(CO2) 저감이 국가의 긴급 현안으로 부각되고 있다. 이에 따라 에너지 다소비 업종 중 하나인 철강 산업에서 전체 이산화탄소 발생량의 80% 이상을 차지하는 제선공정에서의 이산화탄소 저감 기술의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.
이에 용선을 제조하는 공정에서 사용되는 석탄 자원과, 석탄 자원을 사용함에 따라 발생하는 이산화탄소량을 저감하기 위해서 환원제 및 열원으로 사용되는 석탄 자원의 사용량을 저감시키거나, 공정 중 발생하는 열에너지 회수, 반응/공정 효율을 향상시키거나, 환원 대상의 절대 산소량을 감소시키는 등의 기술이 사용될 수 있다.
현재, 제선 공정에서 발생하는 이산화탄소를 획기적으로 감소시키기 위해서 석탄 자원을 대체하여 수소를 함유하고 있는 자원을 사용하는 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 수소 함유 자원이나 이를 제조하는데 발생하는데 많은 비용이 들고, 코크스 오븐 가스 등과 같은 수소 함유 부생가스 사용에 따른 대체 에너지원 사용 비용이 석탄 자원에 비해 고가이기 때문에 경제성 문제로 사용이 제한되고 있다.
또한, 공정 중 발생하는 반응/공정 효율 향상에 있어서는 용선 제조의 대표적 방법인 고로 공정의 경우, 에너지 효율이 통상 이론치 대비 95 % 전후 수준에 육박할 정도로 효율이 높다. 특히, 우리나라와 일본의 경우, 제철 공정 선진 기술 도입 수준이 높아 추가적 에너지 저감 잠재량은 세계 최저 수준으로 추가적인 효율 향상을 통한 에너지 및 이에 따른 이산화탄소량 저감 역시 기술적 한계에 도달한 상태이다.
이외에 에너지 회수 관점에서, 현재 대표적 현열 회수 대상인 고온 슬래그 현열 회수 기술 역시 많은 시도가 이루어지고 있으나, 설비 및 슬래그 제품 등의 문제로 상용화된 설비가 전무한 실정이다.
이에 따라 환원 대상의 절대 산소량을 저감시킴으로써 이산화탄소의 발생량을 저감시키는 기술로서, 금속 철 함량이 높은 환원철이나 스크랩을 철원으로 사용하는 방법이 있다. 환원철이나 스크랩은 환원율이 매우 높으므로 이를 제선 공정에서 원료로 사용하는 경우 제거 대상인 산소량이 낮아 환원제로 사용되는 석탄 자원의 사용량을 저감시킬 수 있다. 특히 스크랩의 사용은, 폐자원을 재활용할 수 있다는 면에 있어서 이점이 있다. 그러나 고로나 용융로 등에서 가스 이용율이 감소하여 추가적인 에너지원, 예컨대 석탄 자원의 투입량이 증가할 수 있고, 배가스 중 일산화탄소 등과 같이 유효 사용이 가능한 에너지원의 사용 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
KR 2004-0056270 A JP 1996-21691 A
본 발명은 조업 중 발생하는 배가스에 함유되는 유효 에너지원을 효율적으로 이용할 수 있는 용선제조장치 및 용선제조방법을 제공한다.
본 발명은 석탄 자원의 사용량을 저감시킬 수 있는 용선제조장치 및 용선제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용선제조장치는, 철광석을 포함하는 원료를 용해시킬 수 있는 공간이 형성되는 반응로; 상기 반응로에서 발생하는 배가스를 이용하여 스크랩을 예열할 수 있는 공간이 형성되고, 상기 반응로와 연통되도록 구비되는 예열로; 상기 예열로에 산소 함유 가스를 취입하도록 상기 예열로에 구비되는 연소장치;를 포함할 수 있다.
상기 반응로는 산소 함유 가스와 미분탄을 공급할 수 있는 취입 노즐을 포함할 수 있다.
상기 반응로와 상기 예열로 사이에 구비되고, 상기 스크랩을 성형할 수 있는 열간 가공장치를 포함할 수 있다.
상기 예열로에서 발생하는 배가스에 함유되는 이산화탄소를 제거할 수 있는 이산화탄소 제거기를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 제거기를 통과한 배가스 중 적어도 일부를 공급하도록 상기 이산화탄소 제거기는 상기 반응로와 상기 예열로 중 적어도 어느 하나와 연통될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 용선제조방법은, 반응로에서 철광석을 용해시켜 용선을 제조하는 과정; 예열로에 스크랩을 장입하는 과정; 상기 용선을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 상기 예열로에 공급하는 과정; 및 상기 예열로에 산소 함유 가스를 공급하여 상기 배가스를 이차 연소시켜 스크랩을 예열하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 용선을 제조하는 과정은, 상기 반응로에 순산소를 취입하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 스크랩을 예열하는 과정은, 상기 배가스에 함유되는 일산화탄소와 수소가 상기 산소 함유 가스와 이차 연소를 일으켜 발생하는 반응열을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 스크랩을 예열하는 과정 이후에, 상기 예열로에서 발생하는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소가 제거된 배가스를 상기 반응로와 상기 예열로 중 적어도 어느 하나에 공급할 수 있다.
상기 예열된 스크랩을 상기 반응로에 투입하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태들에 의하면, 용선 제조 시 철광석에 비해 산소 함량이 적은 스크랩을 용선의 원료 이용함으로써 배가스 중 이산화탄소의 비중을 감소시킬 수 있다. 또한, 배가스 스크랩을 예열함으로써 용선 제조에 소요되는 에너지 비용을 절감할 수 있다. 특히, 배가스 중 일산화탄소와 수소의 2차 연소를 이용하여 스크랩의 예열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 요소를 명확하게 표현하기 위하여 크기를 과장하거나 확대하여 표현하였으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1에서 실선은 원료의 이동 경로를 나타내고, 점선은 가스의 이동 경로를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 용선 제조 장치는 함철 원료를 용융시키는 반응로(100)와, 반응로(100)에서 발생하는 배가스를 이용하여 함철 원료 중 일부를 예열하는 예열로(200)와, 예열로(200)에 공급된 배가스를 이차 연소시켜 열원을 발생시키도록 산소 함유 가스를 공급하는 연소장치(300)를 포함할 수 있다. 또한, 예열로(200)에서 예열된 함철 원료를 열간 상태로 가공하기 위한 열간 가공장치(500) 및 예열로(200)에서 발생하는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거기(400)를 포함할 수 있다.
반응로(100)는 내부에 용선을 제조하기 위한 원료를 수용할 수 있도록 공간이 형성되고, 하부에는 원료를 용해시키도록 연료와 산소 함유 가스를 공급할 수 있는 취입 노즐(110)이 구비될 수 있다. 이때, 원료는 철광석, 환원철, 소결광 등의 함철 원료와 코크스, 석탄 등의 환원제를 포함할 수 있고, 필요에 따라 석회석 등의 부원료를 더 포함할 수도 있다. 그리고 취입 노즐(110)을 통해 반응로(100)에 투입되는 연료는 미분탄이 사용될 수 있고, 산소 함유 가스는 공기, 순산소 등을 포함할 수 있다. 그리고 취입 노즐(110)은 연료와 산소 함유 가스를 각각 공급할 수 있도록 구비될 수도 있고, 연료와 산소 함유 가스를 함께 공급할 수 있도록 구비될 수도 있다.
반응로(100)는 용선을 제조할 수 있는 다양한 종류의 반응로일 수 있으며, 예컨대 고로, 유동환원로, 전기로 등이 사용될 수 있다. 여기에서 반응로(100)가 용융환원로인 경우에는 반응로(100)에 투입되는 함철 원료인 환원철을 제조하기 위한 용융 환원로를 더 포함할 수 있다.
예열로(200)는 내부에 함철 원료, 예컨대 스크랩을 수용할 수 있도록 공간이 형성될 수 있다. 예열로(200)는 반응로(100)에서 발생하는 배가스를 이용하여 스크랩을 예열할 수 있도록 배관이나 덕트를 통해 반응로(100)와 연결될 수 있다. 그리고 예열로(200)에는 스크랩을 예열하기 위한 열원을 발생시키도록 예열로(200)에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 연소장치(300)가 구비될 수 있다.
연소장치(300)는 반응로(100)에서 공급된 배가스와 반응하여 반응열을 발생시킬 수 있도록 순산소 등과 같은 산소 함유 가스를 예열로(200)에 공급할 수 있다. 여기에서는 연소장치(300)가 예열로(200)에 연결된 것으로 설명하지만, 반응로(100)와 예열로(200)를 연결하는 배관이나 덕트에 연결될 수도 있다.
예열로(200)에는 반응로(100)에서 발생하는 배가스가 주입될 수 있으며, 배가스에 함유되는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 2차 연소시켜 스크랩을 예열할 수 있는 열원을 발생시킬 수 있다. 이에 대해서는 이후에 다시 설명하기로 한다.
예열로(200)에서 예열된 스크랩은 반응로(100)에 투입될 수 있으며, 필요에 따라 열간 가공장치(500)에서 소정의 형상으로 가공한 후 반응로(100)에 투입될 수도 있다.
열간 가공장치(500)는 예열로(200)와 반응로(100) 사이에 구비되어 스크랩을 괴성화 또는 파쇄 등과 같은 방법으로 가공할 수 있다. 이때, 스크랩은 예열로(200)에서 예열된 상태, 즉 열간 상태이기 때문에 열간 가공장치(500)로 용이하게 성형할 수 있다.
이산화탄소 제거기(400)는 예열로(200)에서 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거 또는 분리할 수 있다. 이산화탄소 제거기(400)는 고체흡수제를 사용하여 배가스 중 이산화탄소를 선택적으로 흡수하여 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식이나 TSA(Thermal Swing Adsorption) 방식, 화학흡착방식 등이 사용될 수 있다. 이산화탄소 제거기(400)를 통과한 배가스는 일산화탄소, 수소, 메탄(CH4) 등을 포함하며, 이는 반응로(100)와 예열로(200) 중 적어도 어느 하나에 공급하거나 다른 공정에서 환원제나 화학물질의 원료로 사용될 수 있다. 예컨대 이산화탄소 제거기(400)를 통과한 배가스는 용융환원제철공정의 용융가스화와 유동 환원로에 공급되어 환원제로 사용될 수도 있고, 메탄올, 디메틸에테르(Dimethylether, DME)를 제조하는데 원료로 사용될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 용선제조방법에 대해서 설명한다.
먼저, 반응로(100)에 용선을 제조하기 위한 원료를 투입한다. 이때, 원료는 철광석, 환원철, 소결광 등과 같은 함철 원료와, 코크스, 석탄 등과 같은 환원제를 포함할 수 있고, 필요에 따라 석회석 등과 같은 부원료를 포함할 수도 있다. 또한, 초기에 반응로(100)에 원료를 투입할 때 예열되지 않은 스크랩을 추가로 투입할 수도 있다.
반응로(100)에 원료가 투입되면, 반응로(100) 하부의 취입 노즐(110)을 통해 반응로(100) 내부에 산소 함유 가스와 미분탄 등과 같은 연료를 취입할 수 있다. 이때, 산소 함유 가스는 수 백도의 온도로 가열된 상태로 취입될 수 있으며, 산소 함유 가스에 의해 미분탄이 연소되면서 발생하는 열에 의해 반응로(100)에 투입된 원료를 용해시킬 수 있다.
반응로(100)에서 원료가 용해되면서 용선이 제조되고, 용선이 제조되면서 발생하는 배가스는 예열로(200)로 공급될 수 있다. 이때, 배가스 중 이산화탄소의 비율을 감소시키고, 일산화탄소 및 수소의 비율을 증가시키기 위하여 반응로(100)에는 순산소가 취입될 수 있다. 이와 같이 반응로(100)에 순산소를 취입하면 배가스 중 질소 함량을 저감시켜 이후 수행되는 이산화탄소의 분리를 용이하게 하는 동시에, 배가스 중 유효 에너지, 예컨대 일산화탄소와 수소의 비율을 높일 수 있다. 본 발명에서는 용선의 원료인 스크랩을 예열하기 위하여 반응로(100)에서 발생하는 배가스를 이용할 수 있다. 이때, 배가스의 온도는 제한적이기 때문에 스크랩을 효율적으로, 즉 고온으로 예열하기 위해서는 별도의 열원이 요구될 수 있다. 이에 본 발명에서는 반응로(100)에 발생하는 배가스의 성분 중 이산화탄소의 비율을 줄이고 스크랩을 예열하는데 필요한 연료로 사용될 수 있는 일산화탄소와 수소의 비율을 증가시킬 수 있다. 통상 반응로에는 산소 함유 가스로 공기를 가열시킨 열풍을 취입하지만, 열풍 중에는 질소 함량이 매우 높아 배가스는 이산화탄소 함께 질소가 대부분을 차지하게 된다. 따라서 반응로(100)에 순산소를 취입하는 경우 배가스의 질소의 함량을 줄일 수 있다. 또한, 용선을 제조하기 위해 투입되는 스크랩은 절대 산소량이 적기 때문에, 즉 거의 환원된 상태이기 때문에 스크랩을 환원하기 위해 투입되는 환원제의 양을 줄일 수 있지만, 환원제의 이용율이 감소하여 배가스 중 중간 형태의 일산화탄소 등과 같은 유효 에너지의 비율이 증가하게 된다.
이와 같이 반응로(100)에서 용선을 제조하면서 발생하는 배가스는 예열로(200)에 공급하여 스크랩을 예열할 수 있다. 이때, 예열로(200)에는 함철 원료로서 스크랩이 장입될 수 있고, 스크랩의 장입은 반응로(100)에서 용선을 제조하는 과정 또는 반응로(100)에서 용선을 제조하는 과정 이전에 장입될 수 있다.
예열로(200)에 배가스가 공급되면 연소장치(300)를 통해 예열로(200) 내부에 산소 함유 가스, 예컨대 순산소를 취입할 수 있다. 예열로(200)에 공급된 산소 함유 가스는 배가스 중 수소 및 일산화탄소와 하기의 화학식 1 및 2와 같은 반응을 통해 열원을 발생시킬 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
즉, 예열로(200)에 장입된 스크랩은 반응로(100)에서 공급되는 배가스에 의해 1차적으로 예열될 수 있고, 배가스 중 수소 및 일산화탄소와 예열로(200)에 취입되는 산소 함유 가스의 반응을 통해 발생하는 반응열에 의해 2차적으로 예열될 수 있다.
스크랩은 예열로(200)에서 예열된 후 반응로(100)에 투입되어 용선으로 제조될 수 있다. 또는 스크랩은 예열로(200)에서 예열된 후 열간 가공장치(500)에서 소정의 형상으로 성형 또는 가공되어 반응로(100)에 투입될 수도 있다.
이와 같이 스크랩을 예열한 후 반응로(100)에 장입하면 스크랩을 냉간 상태로 장입할 때보다 열량이 높아져 노내 온도 저하나 용선의 온도 저하를 억제할 수 있고, 용선을 제조하는데 소요되는 에너지 사용량을 저감시킬 수 있다.
한편, 예열로(200)에서 발생하는 배가스는 이산화탄소 제거기(400)를 통과시켜 배가스에 함유되는 이산화탄소를 제거 또는 분리할 수 있다. 즉, 반응로(100)에서 발생한 배가스에는 이산화탄소가 포함되어 있으며, 예열로(200)에서 스크랩을 예열하는 동안 이산화탄소가 추가로 발생하게 된다.
따라서 예열로(200)에서 발생하는 배가스는 이산화탄소 제거기(400)를 통과시켜 배가스 중 이산화탄소를 제거 또는 분리할 수 있다. 그리고 이산화탄소 제거기(400)에서 이산화탄소가 분리된 배가스, 예컨대 부생가스는 수소, 일산화탄소 및 메탄 등을 함유할 수 있다. 부생가스는 반응로(100)에 공급되어 원료를 환원하기 위한 환원가스로 사용될 수 있다. 또는 예열로(200)에 공급되어 스크랩을 예열하기 위한 연료가스로 사용될 수도 있다. 또는 용융환원제철공정의 용융가스화로, 유동환원로 등에 공급되어 환원가스로 사용되거나, 메탄올, 디메틸에테르(Dimethylether, DME)를 제조하는데 원료로 사용될 수도 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 반응로 110: 취입 노즐
200: 예열로 300: 연소장치
400: 이산화탄소 제거기 500: 열간 가공장치

Claims (11)

  1. 철광석을 포함하는 원료를 용해시킬 수 있는 공간이 형성되는 반응로;
    상기 반응로에서 발생하는 배가스를 이용하여 스크랩을 예열할 수 있는 공간이 형성되고, 상기 반응로와 연통되도록 구비되는 예열로;
    상기 예열로에 산소 함유 가스를 취입하도록 상기 예열로에 구비되는 연소장치;
    를 포함하는 용선 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응로는 산소 함유 가스와 미분탄을 공급할 수 있는 취입 노즐을 포함하는 용선제조장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반응로와 상기 예열로 사이에 구비되고,
    상기 스크랩을 괴성화 또는 파쇄할 수 있는 열간 가공장치를 포함하는 용선제조장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 예열로에서 발생하는 배가스에 함유되는 이산화탄소를 제거할 수 있는 이산화탄소 제거기를 포함하는 용선제조장치.
  5. 청구항 5에 있어서,
    상기 이산화탄소 제거기를 통과한 배가스 중 적어도 일부를 공급하도록 상기 이산화탄소 제거기는 상기 반응로와 상기 예열로 중 적어도 어느 하나와 연통되는 용선제조장치.
  6. 반응로에서 철광석을 용해시켜 용선을 제조하는 과정;
    예열로에 스크랩을 장입하는 과정;
    상기 용선을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 상기 예열로에 공급하는 과정; 및
    상기 예열로에 산소 함유 가스를 공급하여 상기 배가스를 이차 연소시켜 스크랩을 예열하는 과정;을 포함하는 용선제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 용선을 제조하는 과정은,
    상기 반응로에 순산소를 취입하는 과정을 포함하는 용선제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스크랩을 예열하는 과정은,
    상기 배가스에 함유되는 일산화탄소와 수소가 상기 산소 함유 가스와 이차 연소를 일으켜 발생하는 반응열을 이용하여 수행되는 용선제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 스크랩을 예열하는 과정 이후에,
    상기 예열로에서 발생하는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하는 과정을 포함하는 용선제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이산화탄소가 제거된 배가스를 상기 반응로와 상기 예열로 중 적어도 어느 하나에 공급하는 용선제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 예열된 스크랩을 상기 반응로에 투입하는 과정을 포함하는 용선제조방법.
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