KR20190081980A

KR20190081980A - 폐기물을 이용한 직접환원철의 제조방법

Info

Publication number: KR20190081980A
Application number: KR1020170184878A
Authority: KR
Inventors: 노동규; 추용식; 김경석
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09

Abstract

본 발명은, 철광석 펠릿을 준비하는 단계와, 무연탄과 폐기물을 혼합하여 연료를 제조하는 단계와, 상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합하는 단계 및 상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 폐기물은 발열량이 8500~10000 kcal 이고 휘발분이 60~80%인 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 폐기물과 무연탄을 배합한 연료를 철광석 펠릿에 혼합 소성하여 직접환원철을 제조할 수 있고, 금속화율이 우수하며, 폐기물 자원을 재활용함으로써 폐기물에 의한 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 무연탄을 일부 대체하여 폐기물을 사용할 수 있으므로 연료 비용을 절감할 수 있고, 공정이 간단하며, 재현성이 높다.

Description

폐기물을 이용한 직접환원철의 제조방법{Manufacturing method of direct reduction iron using waste materials}

본 발명은 폐기물 자원을 이용한 직접환원철의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐기물과 무연탄을 배합한 연료를 철광석 펠릿에 혼합 소성하여 직접환원철을 제조하는 방법에 관한 것이다.

직접환원제철법은 철광석을 고체 상태에서 환원가스(예컨대, CO, H)를 이용하여 환원하여 철을 제조하는 방법이며, 이렇게 제조된 직접환원철은 불순물이 적어 고급 철원으로 사용되고 있다.

직접환원철(DRI; Direct Reduction Iron)은 천연가스를 변성하여 환원가스화 하거나 석탄을 직접 투입하여 철광석을 환원하여 제조한다. 직접환원철을 제조는 방법에는 가스를 환원제로 상용하는 가스 환원법과 석탄을 사용하는 석탄 환원법이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0030064호는 산화철 환원로의 석탄 취입 장치 및 직접 환원철 제조방법을 개시하고 있다. 대한민국 등록특허공보 제10-0030064호에 개시된 바와 같이 석탄 환원법은 석탄과 철광석을 로터리 킬른(Rotary Kiln)에 장입 가열하여 환원하는 방법으로, 국내에 풍부한 무연탄을 연료(환원제)로 사용할 수 있고, 공정이 복잡하지 않은 장점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0030064호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 폐기물과 무연탄을 배합한 연료를 철광석 펠릿에 혼합 소성하여 직접환원철을 제조할 수 있고, 금속화율이 우수하며, 폐기물 자원을 재활용함으로써 폐기물에 의한 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 무연탄을 일부 대체하여 폐기물을 사용할 수 있으므로 연료 비용을 절감할 수고, 공정이 간단하며, 재현성이 높은 직접환원철의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 철광석 펠릿을 준비하는 단계와, 무연탄과 폐기물을 혼합하여 연료를 제조하는 단계와, 상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합하는 단계 및 상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 폐기물은 발열량이 8500~10000 kcal 이고 휘발분이 60~80%인 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법을 제공한다.

상기 폐기물은 폐타이어를 포함할 수 있다.

상기 철광석 펠릿은 철질 함량이 40~45%인 자철광으로 이루어질 수 있다.

상기 연료와 상기 철광석 펠릿은 1.7∼2.3:1의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 무연탄 100중량부에 대하여 상기 폐기물 3∼8중량부를 혼합하여 상기 연료를 제조하는 것이 바람직하다.

상기 소성은 1050∼1300℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 폐기물과 무연탄을 배합한 연료를 철광석 펠릿에 혼합 소성하여 직접환원철을 제조할 수 있고, 금속화율이 우수하며, 폐기물 자원을 재활용함으로써 폐기물에 의한 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 무연탄을 일부 대체하여 폐기물을 사용할 수 있으므로 연료 비용을 절감할 수 있고, 공정이 간단하며, 재현성이 높다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하에서, 주연료나 보조연료라는 언급이 없이 '연료'라고 기재되어 있으면, 주연료와 보조연료를 포함하는 의미로 사용한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐기물을 이용한 직접환원철의 제조방법은, 철광석 펠릿을 준비하는 단계와, 무연탄과 폐기물을 혼합하여 연료를 제조하는 단계와, 상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합하는 단계 및 상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 폐기물은 발열량이 8500~10000 kcal 이고 휘발분이 60~80%인 것을 특징으로 한다.

상기 폐기물은 폐타이어를 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐기물을 이용한 직접환원철의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

철광석 펠릿(pellet)을 준비한다. 상기 철광석 펠릿은 15mm 이하(예컨대, 0.1∼15㎜)의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 철광석 펠릿은 철질 함량이 40~45%인 자철광으로 이루어질 수 있다. 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 일 예에 따른 자철광은 Fe₃O₄, Fe₂O₃, 철질(t-Fe) 등을 구성성분으로 포함하고 있다.

무연탄과 폐기물을 혼합하여 연료를 제조한다.

상기 폐기물은 발열량이 8500~10000 kcal 이고 휘발분이 60~80%인 것이 바람직하다. 현재까지는 환원철 제조의 보조연료로 폐타이어와 같은 폐기물이 사용되고 있지는 않다. 이는 산화철의 환원반응이 주로 고온에서 탄소에 의한 직접환원반응과 환원가스에 의한 가스환원 반응으로 이루어지는데, 보조연료는 순수 탄소로 이루어진 석탄 대비 직접환원에 의한 환원반응이 잘 이루어지지 않으며, 열량이 낮아 환원율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 하지만, 연료의 발열량과 휘발분이 높은 폐기물은 연소과정에서 열에너지와 함께 가스화 반응을 통한 환원가스의 발생으로 보조연료 및 환원제로 사용이 가능하다. 특히, 휘발분이 높은 폐기물은 낮은 온도에서 연소촉진 작용과 함께 환원가스가 발생할 수 있기에 석탄 대비 낮은 온도에서 산화철의 환원반응을 유도할 수 있다. 발열량과 휘발분이 높은 폐기물의 일 예로서 폐타이어를 들 수 있다. 특히, 폐타이어는 휘발분 함량이 68%로 높아 보조연료로 사용시 저온에서 환원반응을 촉진하여 연료로서 무연탄만을 사용한 경우에 비하여 저온(예컨대, 1100℃) 소성시 더 높은 금속화율을 보이며, 무연탄만을 사용하여 고온(예컨대, 1250℃) 소성 시와 유사한 수준의 금속화율을 나타낼 수 있다. 이러한 결과는 보조연료로서 소량의 폐타이어를 혼합함으로써 소성 온도를 저감하는 효과를 볼 수 있음을 나타낸다.

상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합한다. 상기 연료와 상기 철광석 펠릿은 1.7∼2.3:1, 더욱 바람직하게는 2:1의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성한다. 상기 소성은 1050∼1300℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 소성 후에 직접환원철을 수득할 수가 있다. 본 발명에 의해 제조된 직접환원철의 금속화율은 82∼84% 정도일 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

폐기물을 에너지 자원으로 재활용하여 환원철 제조를 위한 보조연료로 이용하기 위하여 폐자원의 성상 분석 및 에너지발생량 분석을 통해 연료로써의 활용가능성을 평가하고, 폐기물을 보조연료로 이용한 환원철의 제조 및 분석을 통해 보조연료의 환원거동에 미치는 영향을 분석하였다.

<실험예 1>

철광석 펠릿을 준비하였다. 상기 철광석 펠릿은 철질 함량이 43.5%인 자철광으로 이루어진 것을 사용하였다. 아래의 표 1에 철질(t-Fe) 함량이 43.5%인 자철광의 조성을 나타내었다.

Fe₃O₄	Fe₂O₃	MgO	SiO₂	CaO	Al₂O₃	t-Fe	total
53.7%	6.6%	15.1%	17.7%	4.3%	2.5%	43.5%	100%

폐기물인 폐타이어를 준비하였다.

주연료로 무연탄과 보조연료로 폐기물(폐타이어)을 혼합하여 연료(환원제)를 제조하였다. 상기 연료 제조 시 상기 무연탄과 상기 폐기물의 혼합 비율은 중량비로 95:5 였다.

상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합하였다. 상기 철광석 펠릿과 상기 연료의 혼합 비율은 중량비로 1:2 였다.

상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하였다. 상기 소성은 1100℃에서 2시간 동안 수행하였다.

<실험예 2>

실험예 1에서와 동일한 철광석 펠릿을 준비하였다.

폐기물인 폐타이어를 준비하였다.

상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하였다. 상기 소성은 1250℃에서 2시간 동안 수행하였다.

<실험예 3>

실험예 1에서와 동일한 철광석 펠릿을 준비하였다.

무연탄만을 연료로 준비하였다.

<실험예 4>

실험예 1에서와 동일한 철광석 펠릿을 준비하였다.

무연탄만을 연료로 준비하였다.

<실험예 5>

실험예 1에서와 동일한 철광석 펠릿을 준비하였다.

폐기물인 톱밥을 준비하였다.

주연료로 무연탄과 보조연료로 폐기물(톱밥)을 혼합하여 연료(환원제)를 제조하였다. 상기 연료 제조 시 상기 무연탄과 상기 폐기물의 혼합 비율은 중량비로 95:5 였다.

<실험예 6>

실험예 1에서와 동일한 철광석 펠릿을 준비하였다.

폐기물인 비성형 SRF(solid refused fuel)를 준비하였다.

주연료로 무연탄과 보조연료로 폐기물(비성형 SRF)을 혼합하여 연료(환원제)를 제조하였다. 상기 연료 제조 시 상기 무연탄과 상기 폐기물의 혼합 비율은 중량비로 95:5 였다.

실험예 1 내지 실험예 6에서 보조연료로 사용된 폐기물의 공업분석과 발열량을 아래의 표 2에 나타내었다.

sample	공업분석(wt%)				고위 발열량 (kcla/kg)	저위 발열량 (kcal/kg)
sample	수분 (M)	회분 (Ash)	휘발분 (VM)	고정탄소 (FC)	고위 발열량 (kcla/kg)	저위 발열량 (kcal/kg)
무연탄	1.9	13.3	13.8	71.1	7,180	6,990
폐타이어	1.0	5.8	68.0	25.2	9,040	8,650
톱밥	12.5	0.4	70.7	16.4	4,610	4,220
비성형　SRF	0.18	0.35	99.47	N.D	8,063	7,701

실험예 1 내지 실험예 6에 따라 직접환원철을 제조하기 위한 철광석 펠릿, 연료 및 소성조건을 아래의 표 3에 정리하여 나타내었고, 금속화율도 함께 나타내었다.

	철광석 펠릿	연료			소성조건	금속화율
	철광석 펠릿	석탄 연료	폐기물 연료	혼합비(wt%)	소성조건	금속화율
실험예1	Fe=43.5% 자철광	무연탄	폐타이어	95:5	1100℃, 2h	83.5%
실험예2	Fe=43.5% 자철광	무연탄	폐타이어	95:5	1250℃, 2h	83.7%
실험예3	Fe=43.5% 자철광	무연탄	-	100:0	1100℃, 2h	81.7%
실험예4	Fe=43.5% 자철광	무연탄	-	100:0	1250℃, 2h	83.9%
실험예5	Fe=43.5% 자철광	무연탄	톱밥	95:5	1100℃, 2h	77.2%
실험예6	Fe=43.5% 자철광	무연탄	비성형 SRF	95:5	1100℃, 2h	45.7%

실험예 1에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 95%와 폐타이어 5%)를 혼합하여 1100℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 83.5% 였다. 폐타이어는 휘발분 함량이 68%로 높아 보조연료로 5% 사용시(실험예 1의 경우) 저온에서 환원반응을 촉진하여 무연탄 100%(실험예 3의 경우로서 무연탄 100%를 연료로 사용한 경우) 대비 1100℃ 소성시 더 높은 83.5%의 금속화율을 보였으며, 이는 1250℃ 소성 결과(실험예 2 및 실험예 4의 경우)와 유사한 수준의 금속화율로 소량의 폐타이어 혼합으로 소성 온도를 저감하는 효과를 볼 수 있었다.

실험예 2에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 95%와 폐타이어 5%)를 혼합하여 1250℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 83.7% 였다. 실험예 2에 따라 1250℃의 고온소성의 경우, 반응온도가 높아 폐타이어 혼합시 폐타이어의 휘발분에 의한 환원촉진 효과가 보이지 않았으며, 실험예 4에 따라 무연탄 100%을 사용한 경우와 대비하여 유사한 수준의 금속화율을 보였다.

실험예 3에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 100%)를 혼합하여 1100℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 81.7% 였다.

실험예 4에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 100%)를 혼합하여 1250℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 83.9% 였다.

실험예 5에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 95%와 톱밥 5%)를 혼합하여 1100℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 77.2% 였다. 톱밥의 경우 폐타이어와 휘발분 함량(70%))은 유사하나 발열량이 낮아 철광석의 환원반응이 용이하게 진행되지 않았으며, 낮은 금속화율을 보였다(실험예 5 참조).

실험예 5에 따라 철광석 펠릿(43.5%의 철질 함량을 갖는 자철광)과 연료(무연탄 95%와 비성형 SRF 5%)를 혼합하여 1100℃에서 2시간 동안 소성하여 직접환원철을 제조하는 경우에, 철광석의 금속화율은 45.7% 였다. 비성형 SRF(solid refused fuel)의 경우 발열량이 약 8000kcal/kg으로 높으나 휘발분 함량(99%)이 지나치게 높아 초기에 연소가 진행되어 소비되어 지면서 환원을 위한 에너지로 사용되지 않으며, 다량의 비환원가스의 발생으로 철광석의 환원반응을 저해하는 것으로 추정되어 낮은 금속화율을 보였다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

철광석 펠릿을 준비하는 단계;
무연탄과 폐기물을 혼합하여 연료를 제조하는 단계;
상기 철광석 펠릿과 상기 연료를 혼합하는 단계; 및
상기 연료가 혼합된 철광석 펠릿을 소성하여 직접환원철을 제조하는 단계를 포함하며,
상기 폐기물은 발열량이 8500~10000 kcal 이고 휘발분이 60~80%인 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폐기물은 폐타이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 철광석 펠릿은 철질 함량이 40~45%인 자철광으로 이루어진 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 연료와 상기 철광석 펠릿은 1.7∼2.3:1의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 무연탄 100중량부에 대하여 상기 폐기물 3∼8중량부를 혼합하여 상기 연료를 제조하는 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 소성은 1050∼1300℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 직접환원철의 제조방법.