KR20210145257A - 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210145257A
KR20210145257A KR1020217035589A KR20217035589A KR20210145257A KR 20210145257 A KR20210145257 A KR 20210145257A KR 1020217035589 A KR1020217035589 A KR 1020217035589A KR 20217035589 A KR20217035589 A KR 20217035589A KR 20210145257 A KR20210145257 A KR 20210145257A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen gas
furnace space
metal material
furnace
heat
Prior art date
Application number
KR1020217035589A
Other languages
English (en)
Inventor
한스 무라위
Original Assignee
그린아이언 에이치투 에이비
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 그린아이언 에이치투 에이비 filed Critical 그린아이언 에이치투 에이비
Publication of KR20210145257A publication Critical patent/KR20210145257A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/10—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in hearth-type furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/004—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in a continuous way by reduction from ores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/12—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in electric furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00—General methods of reducing to metals
    • C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/12—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/64—Controlling the physical properties of the gas, e.g. pressure or temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/66—Heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C2100/00—Exhaust gas
    • C21C2100/04—Recirculation of the exhaust gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Furnace Details (AREA)
  • Manufacture Of Iron (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)

Abstract

a) 환원될 금속 소재를 노 공간에 충전하는 단계와; b) 노 공간으로부터 기존 분위기를 배기하여 노 공간 내부에 저압을 달성하는 단계와; c) 주 가열 단계에서 열 및 수소 가스를 노 공간에 공급하여 가열된 수소 가스가 충전된 금속 소재를 금속 소재 내에 존재하는 금속 산화물이 환원되기에 충분히 높은 온도로 가열하고, 이어서 수증기가 형성되도록 유발하는 단계와; 및 d) 단계 c에서 형성된 수증기를 충전된 금속 소재 밑의 응축기에 응축 및 수집하는 단계를 포함하는 직접 환원 금속 소재의 제조 방법으로; 단계 c 및 d가 적어도 노 공간 내부에 수소 분위기의 과압에 도달할 때까지 수행되는 것과, 상기 과압에 도달할 때까지 노 공간으로부터 수소 가스가 배기되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명은 또한 시스템에도 관련된다.

Description

직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치
본 발명은 직접 환원 금속(direct reduced metal)의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 직접 환원 철(해면철(sponge iron)로도 알려짐)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이러한 직접 환원 금속을 생산하기 위한 제어된 수소 분위기(controlled hydrogen atmosphere) 하에서의 직접 환원 금속 광석(ore)에 관한 것이다.
이와 같이 수소를 환원제(reducing agent)로 사용하는 직접 환원 금속의 제조는 잘 알려져 있다. 예를 들어, SE7406174-8 및 SE7406175-5에는, 한 충전단위(charge)의 금속 광석이 이 충전단위를 지나 흐르는 수소 분위기에 노출되는 방법이 기재되어 있는데, 결과적으로 광석이 환원되어 직접 환원 금속을 형성한다.
본 발명은 특히 환원될 소재의 배치식 충전(batchwise charging) 및 처리의 경우에 적용될 수 있다.
열손실과 함께 수소 가스 사용을 포함하는 종래기술의 몇 가지 문제들이 있다. 또한 환원 공정이 완료되었을 때의 측정이 필요하므로 제어 문제도 있다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결한다.
이에 따라, 본 발명은: a) 환원될 금속 소재를 노 공간(furnace space)에 충전하는(charging) 단계와; b) 노 공간으로부터 기존 분위기(existing atmosphere)를 배기하여 노 공간 내부에 저압(underpressure)을 달성하는 단계와; c) 주 가열(main heating) 단계에서 열 및 수소 가스를 노 공간에 공급하여 가열된 수소 가스가 충전된 금속 소재를 금속 소재 내에 존재하는 금속 산화물이 환원되기에 충분히 높은 온도로 가열하고, 이어서 수증기가 형성되도록 유발하는 단계와; 및 d) 단계 c에서 형성된 수증기를 충전된 금속 소재 밑의 응축기(condenser)에 응축 및 수집하는 단계를 포함하는 직접 환원 금속 소재의 제조 방법으로; 단계 c 및 d가 적어도 노 공간 내부에 수소 분위기의 과압(overpressure)에 도달할 때까지 수행되는 것과, 상기 과압에 도달할 때까지 노 공간으로부터 수소 가스가 배기되지 않는 것을 특징으로 하는 방법에 관련된다.
본 발명은 또한 충전된 환원될 금속 소재를 수용하도록 구성된 폐쇄된 노 공간(closed furnace space)과; 노 공간으로부터 기존 분위기를 배기하여 노 공간 내부에 저압을 달성하도록 구성된 분위기 배기 수단(atmosphere evacuation means)과; 노 공간에 열 및 수소 가스를 제공하도록 구성된 열 및 수소 제공 수단(heat and hydrogen provision means)과; 주 가열 단계에서 열 및 수소 제공 수단을 제어하여 가열된 수소 가스가 충전된 금속 소재를 금속 소재 내에 존재하는 금속 산화물이 환원되기에 충분히 높은 온도로 가열하고, 이어서 수증기가 형성되게 제어하도록 구성된 제어 장치와; 및 충전된 금속 소재 밑에 배치되어 수증기를 응축 및 수집하도록 구성된 냉각 및 수집 수단(cooling and collecting means)을 포함하는 직접 환원 금속 소재를 제조하는 시스템으로, 제어 장치가, 열 및 수소 제공 수단이 적어도 노 공간 내부에 수소 분위기의 과압에 도달할 때까지 열 및 수소 가스를 제공하게 제어하도록 구성되는 것과, 시스템이, 상기 과압에 도달할 때까지 노 공간으로부터 어떤 수소 가스도 배기하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명이 본 발명이 예시적 실시예들과 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것인데, 도면에서:
도 1a는 제1 작동 상태 동안 본 발명에 따른 시스템에 사용될 간략화된 노의 단면도;
도 1b는 제2 작동 상태 동안의 도 1의 간략화된 노의 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 개략도;
도 3은 본 발명에 따른 방법의 흐름도; 및
도 4는 본 발명에 따른 가열 노 공간 내의 H2 압력과 온도 간의 가능한 관계를 보이는 도표이다.
도 1a 및 1b는 동일한 부분들에 동일한 참조번호들을 공유한다.
이에 따라 도 1a 및 1b는 직접 환원 금속 소재(direct reduced metal material)를 제조하는 노(furnace; 100)를 도시한다. 도 2에는, 2개의 이러한 노(210, 220)들이 도시되어 있다. 노(210, 220)들은 노(100)와 동일하거나 상세들만 다르다. 그러나 상기 명세서에서 노(100)에 대해 언급된 모든 것들은 노(210 및/또는 220)에도 동일하게 적용될 수 있고, 그 역도 마찬가지임을 이해해야 할 것이다.
뿐만 아니라 상기 명세서에서 본 발명 방법에 대해 언급된 모든 것들은 본 발명 시스템(200) 및/또는 노(100; 210, 220)에도 동일하게 적용될 수 있고, 그 역도 마찬가지임을 이해해야 할 것이다.
이와 같은 노(100)는 SE7406174-8및 SE7406175-5에 기재된 노들과 많은 유사성을 가져 가능한 설계 상세들에 대해서는 이 문헌들을 참조할 수 있다. 그러나 이 노들과 본 발명 노(100) 간의 중요한 차이는 본 발명 노(100)는 수소 가스가 노(100)를 통해 노(100) 외부의 수집 용기로 재순환되는 방식, 특히 환원될 충전 소재의 동일한(one and the same) 배치 처리(batch processing) 동안 노(100)(또는 가열된 노 공간(120))로부터 외부로 나갔다가 다시 노(100)(또는 가열된 노 공간(120))로 돌아오도록 재순환되는 방식으로 작동되도록 구성되지 않았다는 것이다.
그 대신 이하의 설명에서 명백해질 바와 같이, 노(100)는 한 번에 한 충전단위(charge)의 소재의 배치식(batch-wise) 환원 작동을 위해 구성되어, 배치식 환원 단계 동안 수소 가스가 노(100)로 공급되지만 이로부터 제거되지 않는다는 점에서 이러한 개별적 배치 처리 동안 폐쇄된 시스템으로 작동한다.
달리 말해, 노(100) 내부에 존재하는 수소 가스의 양은 환원 공정 동안 언제나 증가한다. 환원이 완료되면, 수소 가스는 물론 노(100) 내부로부터 배기되지만 환원 단계 동안 수소 가스의 재순환은 없다.
이에 따라, 노(100)는 예를 들어, 적어도 5 바(bars), 또는 적어도 6 바, 또는 적어도 8 바, 또는 심지어 적어도 10 바로 가압되도록 구성된 가열된 노 공간(120)을 포함하는 폐쇄 시스템의 일부이다. 노(100)의 상부는 종 형태(bell-shape)이다. 이는 처리될 소재의 충전(charging)을 위해 개방될 수 있고 체결 수단(111)을 사용하여 기밀 방식(gas-tight manner)으로 폐쇄될 수 있다. 노 공간(120)은 예를 들어 벽돌 소재(brick material; 130) 등의 내화성(refractory) 소재로 둘러싸일 수 있다.
노 공간(120)은 하나 또는 복수의 발열체(heating element; 121)를 사용하여 가열될 수 있다. 바람직하기로 발열체(121)는 전기 발열체이다. 그러나 복사 연소관(radiator combustion tube) 또는 유사한 연료 발열체 역시 사용될 수 있다. 그러나 발열체(121)는 노 공간(120)과 직접 화학적으로 상호작용하는 어떤 연소가스를 생성하지 않는데, 이는 본 발명 목적을 위해 화학적 제어를 유지해야 한다. 후술하는 주 가열 단계(main heating step) 동안 노 공간 내로 제공되는 유일한 기체(gaseous matter)는 수소 가스만인 것이 바람직하다.
발열체(121)는 바람직하기로 몰리브덴 합금 등의 내열성 금속 소재로 구성될 수 있다.
추가적 발열체들 역시 가열된 노 공간(120)내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 발열체(121)와 유사한 발열체들이 예를 들어 충전된 소재 또는 적어도 용기(container; 140)에 해당하는 높이 등의 노 공간(120)의 측벽에 구비될 수 있다. 이러한 발열체들은 열복사를 통해 가스뿐 아니라 충전된 소재의 가열을 보조할 수 있다.
노(100)는 또한 노가 체결 수단(111)으로 폐쇄되었을 때 상부(110)와 함께 밀봉된 용기를 형성하는 상부(150)도 포함한다.
처리될(환원될) 소재의 용기(140)는 노(100)의 하부(150)에 위치한다. 용기(140)는 노 공간(120)의 내화성 바닥에, 예를 들어 상기 바닥에 형성된 개방 또는 폐쇄 채널(channel; 172)을 따르는 등 가스의 용기(140) 밑으로의 통과를 허용하는 방식으로 지지되는데, 상기 채널(172)은 수소 가스의 유입구(inlet; 171)로부터 예를 들어 노 공간(120)의 상기 노 바닥의 중앙부로부터 노 공간(120)의 반경방향 주변부를 향해 반경 방향 외측으로 통과한 다음 노 공간(120)의 상부를 향해 상방으로 통과한다. 후술할 초기(initial) 및 주(main) 가열 단계 동안의 이 흐름들에 대해서는 도 1a에 표시된 흐름 화살표들을 참고하라.
용기(140)는 바람직하기로 개방 구성, 즉 가스가 적어도 용기(140)의 바닥(bottom/floor)을 통해 자유로이 통과될 수 있다. 이는 예를 들어 용기(140)의 바닥을 관통하여 구멍들을 형성함으로써 달성될 수 있다.
처리될 소재는 금속 산화물, 바람직하기로 Fe2O3 및/또는 Fe3O4 등의 산화철을 포함한다. 소재는 예를 들어 펠릿(pellet) 또는 볼(ball) 형태 등의 입상(granular)이 될 수 있다. 배치 환원에 충전되기에 적절한 하나의 소재는 압연 철광석(rolled iron ore) 볼인데, 이는 약 1-1.5 cm의 볼 직경으로 수간 압연(rolled in water)되었다. 이러한 철광석이 본 발명 방법의 충전 소재의 최종 온도 미만에서 기화(evaporate)되는 산화물들을 포함한다면, 이러한 산화물들은 응축기(condenser; 160)에서 응축되어 분말 형태로 용이하게 수집할 수 있다. 이러한 산화물들은 Zn 및 Pb 산화물 등의 금속 산화물들을 포함할 수 있다.
바람직하기로, 노 공간(120)은 매우 많은 양의 환원될 소재가 충전되지 않는다. 각 노(100)는 각 배치(batch)에 바람직하기로 최대(at the most) 50 톤(tonnes), 예를 들어 최대 25 톤, 예를 들어 5 내지 10 톤으로 충전된다. 이 충전단위(charge)는 노 공간(120) 내부의 하나의 단일한 용기(150) 내에 수용(hold)될 수 있다. 스루풋(throughput) 요건에 따라, 몇 개의 노(100)들이 병렬로 사용될 수 있는데, 그러면 하나의 노(220) 내의 하나의 배치로부터의 잔열(residual heat)이 다른 노(210)를 예열(preheat)하는 데 사용될 수 있다(도 2 및 아래 참조).
이는 환원 전에 원가 높은 광석의 운송을 요구하지 않고 광산 현장에 직접 설치 및 사용에 적절한 시스템(200)을 제공한다. 그 대신, 직접 환원 금속 소재는 현장에서(on-site) 생산되고, 보호 분위기 하에서 포장되어 추가 처리를 위해 다른 현장으로 이송될 수 있다.
이에 따라, 수간 압연(water-rolled) 철광석 볼의 경우, 노(100)가 철광석 볼 제조 시스템과 연계하여 설치되어, 용기(140) 내의 노(100)로의 금속 소재의 충전이 완전 자동화된 방식으로 이뤄질 수 있는데, 여기서 용기(140)는 철광석 볼 제조 시스템과 시스템(100) 간에 자동으로 순환되어 환원될 철광석 볼들로 충전되고; 노 공간(120)에 삽입되며; 이 명세서에 기재된 환원 수소/열 처리에 노출되고; 노 공간(120)에서 제거되어 비워지며; 철광석 볼 제조 시스템으로 복귀되고; 재충전되어; 이하 반복된다. 노(100)보다 더 많은 용기(140)들이 사용되어, 각 배치 전환(batch switch)에 있어서 노(100) 내의 특정 용기 내의 환원된 충전단위가 아직 환원되지 않은 소재를 반송하는 다른 용기로 교체된다. 광산 현장 등 이와 같은 더 큰 시스템이 완전히 자동화되도록 구현될 수 있으며, 하나의 매우 큰 노 대신 몇 개의 더 작은 노(100)들을 사용함으로써 스루풋에 있어 매우 유연해질 수 있다.
용기(100) 밑에, 노(100)는 가스-가스 방식 열교환기(160)를 포함하는데, 이는 바람직하기로 그 자체로 알려진 관(tube)형 열교환기이다. 열교환기(160)는 바람직하기로 역류(counter-flow)형 열교환기이다. 열교환기(160)의 가열을 위해 열교환기(160) 밑에는 열교환기(160)로부터의 응축수(condensed water)를 수집 및 수용하는 폐쇄된 홈통(trough; 161)이 연결된다. 이 홈통(161)은 또한 노 공간(120) 내의 작동 압력을 기밀 방식으로 견딜 수 있게 구성된다.
열교환기(160)는 노 공간(120)에 연결되어, 바람직하기로 냉각/냉각된(cool/cooled) 가스가 열교환기 관의 외부/외주를 따라 열 교환기(160)를 통과하여 노 공간(120)에 도달하고 또한 상기 채널(172)을 통해 발열체(121)까지 도달한다. 그러면 충전 소재를 통과 및 가열(아래 참조)한 후, 노 공간(120)으로부터의 가열된 공기가 열교환기 관의 내부/중심을 통해 열교환기(160)를 통과함으로써 상기 냉각/냉각된 가스를 가열한다. 이에 따라, 유출 가스(outgoing gas)는 유입 가스(incoming gas)를 이들 간의 온도 차이에 기인한 열전달뿐 아니라, 유출 가스에 포함된 응축 수증기의 응축열(condensing heat)의 양자로 유입 가스를 유효하게 가열한다.
유출 가스로부터 형성된 응축수는 홈통(161)에 수집된다.
노(100)는 홈통(161)(122); 노 공간(120)의 바닥, 예를 들어 용기(140)(123) 밑, 및/또는 노 공간(120)(124)의 상부에 온도 및/또는 압력 센서들의 세트(set)를 구비할 수 있다. 이 센서들은 제어 유닛(201)에 사용되어 후술하는 바와 같이 환원 공정을 제어할 수 있다.
171은 가열/냉각 수소 가스의 입구 도관(entry conduit)을 표기한다. 173은 사용된 냉각 수소 가스의 출구 도관(exit conduit)을 표기한다.
홈통(161)과 입구 도관(171) 사이에는 밸브(163)를 가지는 과압 평형 채널(overpressure equilibration channel; 162)이 구비될 수 있다. 많은 양의 물이 홈통(161)으로 흘러들어와 홈통(161) 내에 과압이 축적되는 경우, 이러한 과압은 입구 도관(171)으로 방출(release)될 수 있다. 밸브(163)는 홈통(161) 내의 압력이 (입구) 도관(171) 내의 온도보다 높을 때 개방되도록 구성된 단순한 과압 밸브가 될 수 있다. 이와는 달리, 밸브가 압력 센서(122)로부터의 측정에 기반하여 제어 장치(201)(아래 참조)로 작동될 수도 있다.
응축수는 응축기/열교환기(160)로부터 유도되어 꼭지(spout; 164) 등을 통해 홈통으로 하향 유도되고 홈통(161) 바닥, 예를 들어 홈통의 국부적 저점(165)으로 흐르는데, 상기 꼭지(164)의 배출구(orifice)는 도 1a에 도시된 바와 같이 홈통(161)의 주 바닥(main bottom; 166)보다 충분히 밑에 위치한다. 이는 홈통(161) 내의 액체 물의 난류(turbulence)를 방지하여 더 제어 가능한 작동 조건을 제공한다.
홈통(161)은 바람직하기로 충전된 소재의 환원 동안 형성되는 모든 물을 수납 및 수용할 수 있는 크기로 구성된다. 이에 따라, 홈통(161)의 크기는 환원 소재의 하나의 배치(one batch)의 종류 및 용적에 맞춰 설계된다. 예를 들어 1000 kg의 Fe3O4를 완전히 환원시킬 때 310 리터의 물이 형성되고, 1000 kg의 Fe2O3를 완전히 환원시킬 때 338 리터의 물이 형성된다.
도 2에서, 시스템(200)은 도 1a 및 1b에 도시된 종류의 노를 사용하는 것으로 도시되어 있다. 특히, 하나 또는 둘 모두의 노(210, 220)들이 도 1a 및 1b에 도시된 종류이거나, 적어도 본 발명의 청구항 1을 따르는 종류이다.
230은 가스-가스 방식 열교환기를 표기한다. 240은 가스-물 방식 열교환기를 표기한다. 250은 팬(fan)을 표기한다. 260은 진공 펌프를 표기한다. 270은 압축기(compressor)를 표기한다. 280은 사용된 수소 가스의 용기를 표기한다. 290은 신선한/비사용 수소 가스 용기를 표기한다. V1-V14는 밸브들을 표기한다.
201은 제어 장치를 표기하는데, 이는 센서(122, 123, 124)들과 밸브(V1-V14)들에 연결되어, 이 명세서에 기재된 공정들을 일반적으로 제어하도록 구성된다. 제어 장치(201)는 또한 추가적 제어의 감독(supervision)을 위해 시스템(200)의 사용자에게 컴퓨터(도시 안 됨)로 제공되는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface) 등의 사용자 제어 장치로도 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 도시하는데, 이 방법은 일반적으로 도 3에 도시된 종류의 시스템(200)을 사용하고, 특히 일반적으로 도 1a 및 1b에 도시된 노(100)를 사용한다. 특히 이 방법은 수소 가스를 환원제(reducing agent)로 사용하여 직접 환원 금속 소재를 제조하기 위한 것이다.
이러한 직접 환원 후, 금속 소재는 해면 금속(sponge metal)을 형성할 수 있다. 특히 금속 소재가 산화철 소재일 수 있는데, 그러면 직접 환원 후의 결과적 제품은 해면철(sponge iron)이 될 수 있다. 이러한 해면철은 후속 방법 단계에서 강철 등을 제조하는 데 사용될 수 있다.
첫 번째 단계에서 방법이 시작된다.
후속 단계에서, 환원될 금속 소재가 노 공간(120)에 충전된다. 이 충전은 적재된 용기(140)를 도 1a 및 1b에 도시된 방향으로 노 공간(120) 내에 위치시킴으로써 이뤄질 수 있는데, 노 공간(120)은 이어서 폐쇄되어 체결 수단(111)을 사용하여 기밀 방식으로 밀봉될 수 있다.
후속 단계에서, 기존의 분위기(existing atmosphere)가 노 공간(120)으로부터 배기되어 노 공간(120) 내부가 대기압에 비해 저압이 달성된다. 이는 밸브 1-8, 11 및 13-14들이 폐쇄되고 밸브 9-10 및 12가 개방되고, 진공 펌프가 흡입하여 240 및 250을 통과하는 도관을 통해 노 공간(120) 내부에 포함된 분위기를 배기함으로써 이뤄진다. 노 공간(120)에 공기가 채워진 경우, 이어서 밸브(9)가 개방되어 이러한 배기가스가 주변 대기로 흘러나오도록 허용한다. 노 공간(120)이 사용된 수소 가스로 채워진 경우, 이는 대신 용기(280)로 배기된다.
노(100)에 설치된 어떤 다른 적절한 출구 도관이 사용될 수 있도록 구현될 수 있다고 하더라도, 이 예에서는 노 분위기가 도관(173)을 통해 배기된다.
이 배기 단계와 함께 후술하는 다른 단계들에서, 제어 장치(201)는 예를 들어 입력 센서(122, 123, 및/또는 124)로부터의 측정치(reading)들에 기반하여 노 공간(120)의 압력을 제어하는 데 사용될 수 있다.
이 배기(emptying)는 노 공간(120)에 최대 0.5 바, 바람직하기로 최대 0.3 바의 압력이 달성될 때까지 지속된다.
후속되는 초기 가열(initial heating) 단계에서, 열 및 수소 가스(heat and hydrogen gas)가 노 공간(120)에 제공된다. 수소 가스는 용기(280 및/또는 290)들로부터 공급된다. 전술한 바와 같이 노(100)가 폐쇄되어 있으므로, 공정 동안 제공된 수소 가스는 거의 탈출하지 않는다. 달리 말해, (환원 반응에서 소비되는 수소를 제외한) 수소 가스 손실은 매우 낮거나 심지어 없다. 그 대신, 환원 공정 동안 환원 반응에 화학적으로 소비되는 수소만이 사용될 것이다. 또한, 환원 공정 동안 요구되는 수소 가스만이 필요 압력과 환원 공정 동안의 수소 가스와 수증기 간의 화학적 평형을 유지하는 데 필요한 양이다.
전술한 바와 같이, 용기(290)는 신선한(사용되지 않은) 수소 가스를 저장(hold)하는 반면, 용기(280)는 하나 또는 복수의(one or several) 환원 단계들에서 이미 사용되어 이후 시스템(200)에 수집된 수소 가스를 저장한다. 환원 공정이 수행되는 첫 시간에는 용기(290)로부터 제공된 신선한 수소 가스만이 사용된다. 후속 환원 공정들 동안, 용기(180)로부터의 재사용 수소 가스가 사용되는데, 이는 필요에 따라 용기(290)로부터의 신선한 수소 가스에 의해 보충된다(top up).
수소 가스 도입의 한 국면으로 노 공간(120)의 약 1 바의 압력까지 어떤 열 제공이 없이 수행되는 초기 가열 단계의 선택적인(optional) 초기 국면(phase) 동안, 밸브 2, 4-9, 11 및 13-14들이 폐쇄되는 반면, 밸브 10 및 12들이 개방된다. 신선 또는 재사용 수소 가스가 사용되는지에 따라 밸브 V1 및/또는 V3이 개방된다.
노 공간(120) 내부의 압력이 대기압(약 1 바)에 도달 또는 근접하면, 발열체(121)가 켜진다. 바람직하기로, 공급된 수소 가스를 가열함으로써 노 공간(120)에 상기 열을 제공하는 것은 발열체(121)인데, 이는 이어서 용기(140) 내의 소재를 가열한다. 바람직하기로, 발열체(121)는 수소 가스가 노 공간(120)에 흘러 들어오는 위치를 지난 위치에 배치되어, 발열체(121)는 환원 공정 동안 새로이 공급되는 수소 가스 내에 잠긴다(완전히 또는 거의 완전히 둘러싸인다). 달리 말해, 열은 노 공간(120)으로 함께 공급되는 수소 가스에 직접 제공된다. 도 1a 및 1b에는, 발열체(121)가 노 공간(120)의 상부에 배치된 바람직한 경우가 도시되어 있다.
그러나 본 발명자는 예를 들어 공급된 수소 가스가 노 공간(120)으로 진입되는 곳으로부터 먼 위치에서 노 공간(120) 내부의 가스 혼합물에 직접 열이 공급되는 등 노 공간(120)으로의 다른 방식의 열 공급도 예견할 수 있다. 다른 예들에서, 열은 노 공간(120)의 외부의 위치에서 가열된 수소 가스가 노 공간(120)으로의 진입이 허용되기 전에 공급되는 수소 가스에 열이 제공될 수 있다.
성기 초기 가열 단계의 나머지 동안, 밸브 5 및 7-14들이 폐쇄되는 반면, 밸브 1-4 및 6들은 압축기(270)와 함께 제어 장치로 제어되어 후술하는 바와 같이 재사용 및/또는 신선한 수소 가스의 제어된 공급을 달성한다.
이와 같이, 초기 가열 단계 동안, 제어 장치(201)는 열 및 수소 공급 수단(121, 280, 290)들이, 가열된 수소 가스가 충전된 금속 소재를 금속 소재에 포함된 물의 비등점 이상으로 가열하도록 하는 방식으로 노 공간(120)에 열 및 수소 가스를 제공한다. 결과적으로 상기 포함된 물이 기화된다.
초기 가열 단계 및 주 가열 단계(아래 참조) 전체에 걸쳐, 수소 가스는 제어 장치(201)의 제어 하에 완만히 공급된다, 결과적으로, 비교적 완만하지만 꾸준하게 충전 소재를 통한 수직 하향의 수소 가스의 흐름이 지속적으로 존재하게 된다. 일반적으로, 제어 장치는 노 공간(120) 내에 (예를 들어 점증(단조 증가; monotonically increasing) 등) 원하던 증가 압력 곡선을 유지하도록 수소 가스를 지속적으로 추가하고, 특히 열교환기(160) 내의 수증기의 일정한 응축(아래 참조)으로 결과되는 노 공간(120)의 하부(및 열교환기(160)의 하부)에서의 저하되는 압력에 대응한다. 전체 에너지 소비는 열교환기(160)의 효율, 특히 열교환기(160)을 통해 흐르는 고온 가스와 응축되는 수증기의 응축열 양자로부터 유입되는 수소 가스에 열에너지를 전달하는 능력에 좌우된다. Fe2O3의 예시적인 경우, 산화물을 가열하는 데 필요한 이론적 에너지는 흡열 반응(endothermic reaction)과 산화물의 환원을 열적으로 보상하여 1000 kg의 Fe2O3 당 약 250 kWh이다. Fe3O4에 대해 해당 수치는 1000 kg의 Fe3O4 당 약 260 kWh이다.
본 발명의 중요한 특성(aspect)은 환원 공정 동안 수소 가스의 재순환(recirculation)이 없다는 것이다. 이는 위에서 일반론 수준으로 논의하였지만, 도 1a에 도시된 예에서, 이는 수소 가스가 예를 들어 압축기(270)를 경유하여 입구 도관(171)을 통해 노 공간(120)의 상부로 진입하고, 여기서 발열체(121)로 가열된 다음 천천히 하방으로 통과하여 용기(140) 내의 환원될 금속 소재를 지나, 열교환기(160)를 통해 홈통(161)로 더 하방으로 이동함을 의미한다. 그러나 노 공간(120)으로부터, 특히 홈통(161)으로부터의 사용 가능한 출구 구멍들이 없다. 도관(173)은 예를 들어 밸브(V10, V12, V13, V14)들이 폐쇄됨으로써 폐쇄된다. 이에 따라, 공급된 수소 가스는 일부는 환원 공정에서 소비되고, 일부는 노 공간(120) 내의 증가된 가스 압력으로 결과될 것이다. 이어서 공정은 아래 상세히 설명할 바와 같이 금속 소재에 완전한 또는 원하는 환원이 이뤄질 때까지 계속된다.
이와 같이, 용기(140) 내의 충전 금속 위의 노 공간(120)에 존재하는 가열된 수소 가스는 수소가스의 완만한 공급을 통해 완만하게 하방으로 이동하는 가스 흐름(gas stream)을 형성하여 충전 소재를 향해 하강한다. 거기서 충전 소재로부터의 수증기와 함께 가스 혼합물을 형성할 것이다(아래 참조).
결과적인 고온 가스 혼합물은 하방 및 열교환기(160)를 통과하는 가스 흐름을 형성할 것이다. 그러면 열교환기(160) 내에서, 노 공간(120)으로부터 도달한 고온 가스로부터의 열이 도관(171)으로부터 새로 공급된 저온의 수소 가스와 열교환이 이뤄짐으로써 후자가 전자에 의해 예열된다. 달리 말해, 초기 및 주 가열 단계들에서 공급되는 수소 가스는 열교환기(160)에서 예열된다.
고온 가스 흐름의 냉각 때문에 냉각된 가스에 포함된 수증기는 응축될 것이다. 이 응축은 액체 물로 결과되는데, 이는 홈통(161)에 수집되고, 응축열로도 결과된다. 열교환기(160)가 응축수로부터의 이러한 응축 열에너지를 노 공간(120)에 공급될 찬 수소 가스에 전달하도록 더 구성되는 것이 바람직하다.
포함된 수증기의 응축은 또한 노 공간(120)으로부터 하방으로 흐르는 고온 가스의 압력을 저하시켜 더 많은 고온 가스가 열교환기(160)를 통해 흐를 공간을 제공한다.
추가적인 가열 수소 가스의 완만한 공급과 수소 가스의 비교적 높은 열전도성 때문에, 충전 소재는 예를 들어 10분 이내 등 비교적 신속히 충전 소재에 포함된 액체 물의 비등점에 도달할 것인데, 이는 이때까지 100℃ 약간 위여야 한다. 결과적으로, 이 포함된 액체 물이 기화하여 고온 수소 가스와 혼합된 수증기를 형성한다.
열교환기(160)에서의 수증기의 응축은 구조의 하단에서 수증기의 가스 분압(partial gas pressure)을 저하시켜, 충전 소재에서 생성된 수증기가 평균적으로 하방으로 흐르도록 할 것이다. 이 효과에 추가하여, 수증기는 또한 이와 혼합된 수소 가스보다 현저히 더 낮은 밀도를 갖는다.
이러한 방식으로, 용기(140) 내의 충전 소재의 함유 물(water content)이 점차적으로 기화되어, 열교환기(160)를 통해 하방으로 흐르며, 거기서 냉각 및 응축되어 홈통(161) 내에 액체 상태로 축적된다.
열교환기(160)로 공급되는 찬 수소 공기는 실온으로 조정되거나(room tempered) 실온보다 약간 낮은 온도를 갖는 것이 바람직하다.
충전 소재가 어떤 포함된 액체 물로부터 건조되도록 구현되는 이 초기 가열 단계는 본 발명 방법에서 선호되는 단계이다. 특히 이는 소재를 노 공간(120)에 충전하기 전의 값비싸고 복잡한 건조 단계 없이 충전 소재를 예를 들어 소재의 압연된 볼의 형태 등의 입상 소재로 제조 및 공급하는 것을 용이하게 해준다.
그러나 이는 미리 건조 또는 건조된 소재를 노 공간(120)에 충전할 수 있도록 구현할 수 있다. 이 경우, 이 명세서에 기재된 초기 가열 단계는 수행되지 않을 수도 있지만, (본 발명) 방법은 주 가열 단계(아래 참조)로 바로 건너뛸(skip) 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 초기 가열 단계 동안의 노 공간(120)으로의 수소 가스의 공급은 충분히 완만해 초기 가열 단계의 수행 전체에서 압력 평형이 거의 유지되어, 바람직하기로 노 공간(120) 전체와 홈통(161)의 유체가 채워지지 않은 부분 전체에 걸쳐 언제나 거의 동일한 압력이 작용(prevail)하도록 제어될 수 있다. 특히, 수소 가스의 공급은 초기 가열 단계 동안 상기 평형 가스 압력이 증가되지 않거나 약간만 증가하도록 제어될 수 있다. 이 경우, 수소 가스 공급은 용기(140) 내의 충전 소재로부터 모든 또는 거의 모든 액체 물이 기화된 다음에만 노 공간(120) 압력을 증가시키도록 제어될 수 있다. 이것이 발생되는 시점은 예를 들어 온도 센서(123 및/또는 124)로 측정된 온도-대-시간 곡선의 경사의 상방으로의 변화로 결정될 수 있는데, 경사의 변화는 거의 모든 액체 물이 기화되었지만 환원은 아직 시작되지 않은 점을 표시한다. 이와는 달리, 수소 가스 공급이 온도 센서(123 및/또는 124)로 측정된 노 공간(120) 내의 온도가 소정 한도를 초과하고 나면 증가되도록 제어될 수 있는데, 이 한도는 예를 들어 120℃ 내지 130℃ 등 100℃ 내지 150℃가 될 수 있다.
후속적인 주 가열 단계에서, 열 및 수소 가스가 전술한 초기 가열 단계 동안의 공급에 해당하는 방식으로 노 공간(120) 내에 더 공급되어, 가열된 수소 가스가 충전 소재를 금속 소재 내에 존재하는 금속 산화물이 환원되기에 충분히 높은 온도로 가열하는데, 이는 수증기의 형성을 유발한다.
이 주 가열 단계 동안, 노 공간(120) 내부의 점차적인 압력 증가 하에 추가적인 수소 가스가 이와 같이 공급 및 가열되어, 충전 소재가 환원 화학 반응이 대시되어 유지될 온도까지 가열된다.
도 1a 및 1b에 도시된 예에서, 맨위(topmost)에 충전된 소재가 이에 따라 먼저 가열된다. 산화철 소재의 경우, 수소 가스는 350-400℃에서 충전 소재의 환원을 개시하여 금속철을 형성하는데, 다음 식에 따라 해면철(pyrophytic iron)과 수증기를 형성한다.
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
Fe3O4 + 4H2 = 2Fe + 4H2O
이 반응은 흡열성(endothermal)으로, 노 공간(120)에서 위로부터 아래로 흐르는 고온 수소 가스를 통해 공급되는 열에너지로 구동된다.
이에 따라, 초기 가열 단계와 주 가열 단계 양자 동안 충전 소재에서 수증기가 산출된다. 이 형성된 수증기는 충전 금속 소재 밑에 배치된 응축기에서 지속적으로 응축 및 수집된다. 도 1a에 도시된 예에서, 응축기는 열교환기(160)의 형태이다.
본 발명에 따르면, 상기 응축을 포함하는 주 가열 단계는 노 공간(120)이 대기압에 비해 과압(overpressure)에 도달할 때까지 수행된다. 이 압력은 예를 들어 압력 센서(123 및/또는 124)로 측정될 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상기 과압에 도달하기까지 노 공간(120)으로부터 수소 가스가 배기되지 않고, 바람직하기로 주 가열 단계가 완전히 완료될 때까지 수소 가스가 노 공간(120)으로부터 배기되지 않는다.
더 바람직하기로, 주 가열 단계에서의 수소 가스의 공급과 수증기의 응축은 노 공간(120)이 소정의 과압에 도달할 때까지 수행되는데, 이 소정의 과압은 적어도 4 바, 더 바람직하기로 적어도 8 바, 심지어 절대값으로(in absolute terms) 약 10 바이다.
이와는 달리, 주 가열 단계에서의 수소 가스의 공급과 수증기의 응축이, 노 공간(120) 내부에 도달된 안정 상태(steady state)의 가스 압력을 유지하기 위해 더 이상의 수소 가스의 공급이 필요하지 않은 압력 상태에 도달할 때까지 수행될 수 있다. 이 압력은 전술한 것에 대응하는 방법으로 측정될 수 있다. 바람직하기로, 안전 상태의 가스 압력은 적어도 4 바, 더 바람직하기로 8 바, 심지어 약 10 바가 될 수 있다. 이 방법으로 환원 공정이 완료된 때를 파악하는 간단한 방법이 달성된다.
이와는 달리, 주 가열 단계에서의 수소 가스 및 열의 공급과 수증기의 응축이, 환원될 충전 금속 소재가 소정 온도에 도달할 때까지 수행될 수 있는데, 이 온도는 적어도 600℃, 예를 들어 640-680℃, 바람직하기로 약 660℃가 될 수 있다. 충전 소재의 온도는 예를 들어 적절한 센서로 충적 소재로부터의 열복사를 측정하거나 온도 센서(123)에 의해 간접적으로 측정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 형성된 수증기의 상기 응축을 포함하는 주 가열 단계는 적어도 0.25 시간, 예를 들어 적어도 0.5 시간, 예를 들어 적어도 1 시간의 연속적 시간 주기 동안 수행된다. 이 전체 시간 동안, 노 공간(120)의 압력과 온도는 점차적으로(단조적으로; monotonically) 증가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 주 가열 단계는 또한 반복적으로 수행될 수 있는데, 각 반복에서 제어 장치는 추가적인 양의 수소 가스를 노 공간 내로 공급하기 전에 노 공간(120) 내부가 안정 상태 압력에 도달하도록 한다. 열 공급 역시 반복적(펄스 공급; pulsed)이거나 전체 주 가열 단계 동안 on 상태로 전환되어 있을 수 있다.
초기 가열 단계와 주 가열 단계 양자를 수행하는 동안, 특히 이 단계들의 적어도 거의 전체 길이 동안, 용기(140) 내의 충전 금속 소재를 통한 수증기의 하방으로의 순 흐름(net flow)이 존재함에 유의해야 한다.
초기 및 주 가열 단계 동안, 압축기(270)는 제어 장치(201)에 의해 언제나 추가적 수소 가스를 공급함으로써 압력을 유지 또는 증가시키도록 제어된다. 이 수소 가스는 환원 공정에서 소비된 수소를 보상하는 데 사용되고, 또한 원하는 최종 압력까지 압력을 점차 증가시킨다.
충전 소재 내의 수증기의 형성은 국부적으로 가스 압력을 증가시켜, 실제 노 공간(120)과 홈통(161)에 압력 변동(pressure variation)을 생성한다. 결과적으로, 형성된 수증기는 충전 소재를 통해 하강하여 열교환기(160)에서 응축되며, 열교환기(160)의 (노 공간(120)에 대해) 먼 쪽의 압력을 강하시킨다. 이 프로세스는 결과적으로 충전물(charge)을 통한 가스의 하방으로의 순(net) 이동을 생성하는데, 새로 추가된 수소 가스가 노 공간(120) 내의 압력 손실을 보상한다.
노 공간(120)으로부터 흘러나오는 가스 내의 함유 열(thermal content)과 특히 수증기의 응축열이 열교환기(160)에서 유입되는 수소 가스로 전달된다.
이에 따라, 이 프로세스는 환원될 금속 소재와 수증기가 산출되는 한 유지되어 상기 하방의 가스 이동으로 결과된다. (거의 모든 금속 소재가 환원되어) 수증기의 산출이 중단되고 나면, 노(100) 내부 전체의 압력이 동일해지고 측정된 온도는 노 공간(120) 전체에 걸쳐 유사할 것이다. 예를 들어, 홈통(161)의 가스로 채워진 부분의 점과 충전 소재 위의 점의 측정된 압력차가 소정 량 미만이 될 것인데, 이는 최대(at the most) 0.1 바가 될 수 있다. 추가적으로 또는 대체적으로, 충전 소재 위의 점과 열 교환기의 노 공간(120) 쪽이 아닌 충전 소재 밑의 점 간의 온도 차이가 소정 량 미만이 될 것인데, 이는 최대 20℃가 될 수 있다. 이에 따라, 이러한 압력 및/또는 온도의 균질성이 도달 및 측정되면, 수소 가스 공급이 차단되고 발열체(121)가 꺼져 주 가열 단계가 종료할 수 있다.
이에 따라, 주 가열 단계는 노(100) 내의 가열 용적이 소정의 최소 온도 및/또는 압력에 도달할 때까지, 및/또는 소정의 최대 온도차 및/또는 최대 압력차에 도달할 때까지 수행될 수 있다. 이러한 판단기준(들)은 예를 들어 노(100)의 설계와 환원될 금속 소재의 종유에 따라 사용될 수 있다. 예를 들어 소정의 주 가열 시간 또는 소정의 가열/수소 공급 프로그램의 완결 등의 다른 기준들도 사용할 수 있는데, 이들은 경험적으로(empirically) 결정된다.
후속적인 냉각 단계에서, 노 공간(120) 내의 수소 분위기는 최대 100℃, 바람직하기로 약 50℃의 온도로 냉각되고, 그 다음 노 공간(120)으로부터 배기되어 수집된다.
하나 또는 복수의 노들에 연결되지 않은 단일한 노(100/220)의 경우, 충전 소재는 팬(250)을 사용하여 냉각될 수 있는데, 이는 가스-물 방식 냉각기(cooler; 240)의 하류에 배치되어 수소 가스를 냉각시키도록 구성된다(밸브(V12), 열교환기(240), 팬(250) 및 밸브(V10)를 지나, 출구 도관(173)을 통해 노 공간(120)을 나갔다가 입구 도관(171)을 통해 노 공간(120)으로 다시 들어오는 루브(loop) 내에서 팬(250)에 의해 폐쇄된 루프(closed loop)를 순환). 이 냉각 순환은 도 1b에 화살표로 도시되어 있다.
이에 따라 열교환기(240)는 순환되는 수소 가스로부터 물(또는 다른 액체)로 열에너지를 전달하는데, 이로부터 열에너지가 예를 들어 지역난방 시스템 등에 적절한 방식으로 사용될 수 있다. 이 폐쇄된 루프는 밸브 V10 및 V12를 제외한 모든 밸브 V1-V14들을 폐쇄함으로써 이뤄질 수 있다.
이 경우 수소 가스가 용기(140) 내의 충전 소재를 지나 순환하므로, 이는 충전 소재로부터 열에너지를 흡수하여 수소 가스가 폐쇄된 루프를 순환하면서 충전 소재의 효율적인 냉각을 제공한다.
다른 예에서, 노(100/220)의 냉각으로부터 얻어진 열에너지가 다른 노(210)의 예열에 사용된다. 이는 전술한 닫힌 냉각 루프에 비해 제어 장치(201)가 밸브(V13, V14)를 개방하는 대신 밸브(V12)를 폐쇄함으로써 달성된다. 이러한 방식으로 노(220)로부터 도달한 고온 수소 가스가 가스-가스 방식 열교환기(230)로 수용되는데, 이는 바람직하기로 역류 열교환기이고, 다른 노(210)에 관련하여 수행된 초기 또는 주 가열 단계에 공급되는 수소 가스가 열교환기(230)에서 예열된다. 그 다음, 노(230)로부터의 약간 냉각된 수소 가스가 노(220)에 재도입되기 전에 더 냉각되도록 열교환기(240)를 지나 순환된다. 다시, 노(220)로부터의 수소 가스가 팬(250)을 사용하여 폐쇄된 루프 내에서 순환된다.
이에 따라, 냉각 단계에서의 수소 가스의 냉각이 상기 다른 노(210) 공간(120)에 관련하여 전술한 바와 같이 다른 노(210) 공간(120)에 초기 및 주 가열 단계와 응축을 수행하도록 공급되는 수소 가스와 열교환을 통해 이뤄질 수 있다.
수소 가스가 노(210)에 공급되는 수소 가스를 가열할 만큼 충분히 고온이 아니면, 제어 장치(201)는 다시 밸브(V13, V14)들을 폐쇄하고 밸브(V12)를 재개방하여, 노(220)로부터의 수소 가스가 열교환기(240)에 직접 수용된다.
그 열에너지가 어떻게 처리되는지와 무관하게, 노(220)로부터의 수소 가스는 충전 소재가 대기에 노출되었을 때의 재산화(reoxidation)를 방지하기 위해 수소 가스(또는 더 중요하기로 충전 소재)가 100℃ 미만의 온도에 도달하기까지 냉각된다. 충전 소재의 온도는 예를 들어 전술한 것과 같은 적절한 방법으로 직접 측정되거나 출구 도관(173)을 이탈하는 수소 가스를 적절한 방법으로 측정함으로써 간접적으로 측정될 수 있다.
수소 가스의 냉각은 수소 가스의 과압을 유지하거나, 밸브(V10, V12)가 개방되어 고온의 수소 가스가 (폐쇄된 루프 도관과 열교환기들의) 더 큰 용적을 차지한 결과 수소 가스의 압력이 낮아진 상태로 이뤄질 수 있다.
후속 단계에서, 수소 가스가 노(220) 공간(120)으로부터 배기되어 용기(280) 내에 수집된다. 이 배기는 가능하기로 압축기(270)와 조합된 진공 펌프(260)로 수행되는데, 이에 따라 제어 장치가 밸브(V3, V5, V6, V8, V10 및 V12)들을 개방하고 다른 밸브들을 폐쇄하여 진공 펌프(260) 및 압축기(270)을 작동시킴으로써 냉각된 수소 가스를 사용된 수소 가스용 용기(280)로 배출시킨다. 이 배기는 바람직하기로 노 공간(120) 내부에서 최대 0.5 바, 또는 심지어 0.3 바가 검출될 때까지 수행된다.
노 공간(120)이 폐쇄되어 있으므로 화학적 환원 반응에서 소비된 수소 가스만이 시스템에서 제거되고, 나머지 수소 가스는 주 가열 단계 동안 노 공간(120) 내의 수소 가스/수증기 균형을 유지하는 데 필요한 것이 된다. 이 배기된 수소 가스는 환원될 금속 소재의 새로운 충전단위의 후속 배치 작동에 완전히 이용될 수 있다.
후속 단계에서, 예를 들어 체결 수단(111)을 해제하고 상부(110)를 개방함으로써 노 공간(120)이 개방된다. 이 용기(140)가 제거되고 환원될 금속 소재의 새로운 배치를 갖는 용기로 교체된다.
후속 단계에서, 제거된, 환원된 소재는 이어서 이송 및 저장 동안의 재산화를 방지하기 위해 예를 들어 질소 분위기 등의 불활성 분위기(inert atmosphere)하에 위치될 수 있다.
예를 들어 환원된 소재는 불활성 가스로 채워진 연질 또는 경질(flexible or rigid) 이송 용기 내에 위치될 수 있다. 몇 개의 이러한 연질 또는 경질 용기들이 하나의 이송 용기 내에 배치된 다음, 연질 또는 경질 용기들을 둘러싸는 공간이 불활성 가스로 채워질 수 있다. 그 다음, 환원된 급속 소재는 재산화의 우려 없이 안전하게 이송될 수 있다.
아래 표는 노 공간(120) 내부의 다른 온도에 대한 수소 가스 H2와 수증기 H2O 간의 대략적 평형을 보이는데:
온도 (℃): 400 450 500 550 600
H 2 (용적%): 95 87 82 78 76
H 2 O (용적%): 5 13 18 22 24
대기압에서, 1000 kg의 Fe2O3를 환원하는 데 약 417 m3의 수소 가스(H2)가 필요하고 1000 kg의 Fe3O4를 환원하는 데 약 383 m3의 수소 가스(H2)가 필요하다.
다음 표는 대기압과 (종래기술에 따른) 개방 시스템이지만 다른 온도들에서 각각 1000 kg의 Fe2O3 및 Fe3O4,를 환원하는 데 필요한 수소 가스의 양을 보이는데:
온도 (℃): 400 450 500 550 600
Nm 3 H 2 / 톤 Fe 2 O 3 : 8340 3208 2317 1895 1738
Nm 3 H 2 / 톤 Fe 3 O 4 : 7660 2946 2128 1741 1596
다음 표는 다른 압력 및 다른 온도들에서 각각 1000 kg의 Fe2O3 및 Fe3O4,를 환원하는 데 필요한 수소 가스의 양을 보이는데:
온도 (℃): 400 450 500 550 600
Nm 3 H 2 / 톤 Fe 2 O 3 :
1 바 8340 3208 2317 1895 1738
2 바 4170 1604 1158 948 869
3 바 2780 1069 772 632 579
4 바 2085 802 579 474 434
5 바 1668 642 463 379 348
6 바 1390 535 386 316 290
Nm 3 H 2 / 톤 Fe 3 O 4 :
1 바 7660 2946 2128 1741 1596
2 바 3830 1473 1064 870 798
3 바 2553 982 709 580 532
4 바 1915 737 532 435 399
5 바 1532 589 426 348 319
6 바 1277 491 355 290 266
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 주 가열 단계는 바람직하기로 고압 및 고온까지 수행된다. 주 가열 단계의 대부분 동안, 적어도 500℃의 가열 수소 가스 온도와 적어도 5 바의 노 공간(120) 압력의 조합을 사용하는 것이 유용함이 파악되었다.
이상에서 바람직한 실시예들이 설명되었다. 그러나 당업자에게는 본 발명의 기본적 개념을 벗어나지 않고도 개시된 실시예들에 많은 변경을 가할 수 있음이 자명하다.
예를 들어, 노(100)의 치수는 상세한 전제 조건에 따라 달라질 수 있다.
열교환기(160)는 관형 열교환기로 설명되었다. 이것이 특히 유용하다고 파악된다고 하더라도 다른 종류의 가스-가스 방식 열교환기/응축기로 구현하는 것도 가능하다. 열교환기(240)는 어떤 적절한 구성의 것일 수 있다.
냉각된 수소 가스로부터의 잉여 열(surplus heat)은 또한 열에너지를 요구하는 다른 공정들에 사용될 수 있다.
환원될 금속 소재는 산화철로 설명되었다. 그러나 본 발명 방법 및 시스템은 예를 들어 약 600℃ 미만의 온도에서 기화되는 Zn 및 Pb 등의 전술한 금속 산화물 등의 금속 소재를 환원시키는 데도 사용될 수 있다.
본 발명 직접 환원 원리는 예를 들어 사용된 구축 소재 등 노(100)의 구축에 적절한 조정을 거쳐 철광석보다 더 높은 환원 온도를 갖는 금속 소재에도 사용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 변화될 수 있다.

Claims (21)

  1. a) 환원될 금속 소재를 노 공간(120)에 충전하는 단계와;
    b) 상기 노 공간(120)으로부터 기존의 분위기를 배기하여 상기 노 공간(120) 내부에 저압을 달성하는 단계와;
    c) 주 가열 단계에서 열 및 수소 가스를 상기 노 공간(120)에 공급하여, 가열된 상기 수소 가스가 상기 충전된 금속 소재를 상기 금속 소재 내의 금속 산화물이 환원되고, 이어서 수증기가 형성되도록 유발하기에 충분히 높은 온도로 가열하는 단계와; 및
    d) 상기 단계 c에서 형성된 상기 수증기를 상기 충전된 금속 소재 밑의 응축기(160)에 응축 및 수집하는 단계를 포함하는 직접 환원 금속 소재를 제조하는 방법에 있어서:
    상기 단계 c 및 d가 적어도 상기 노 공간(120) 내부가 수소 분위기 과압에 도달할 때까지 수행되는 것과, 상기 과압에 도달할 때까지 상기 노 공간(120)으로부터 수소 가스가 배기되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 c가, 상기 열 및 수소 가스를 상기 노 공간(120)에 공급하여 상기 가열된 수소 가스가 상기 충전된 금속 소재를 상기 금속 소재에 포함된 물의 비등점 이상으로 가열함으로써 상기 포함된 물의 기화를 유발하는 초기 가열 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초기 가열 단계에서의 상기 노 공간(120)으로의 상기 수소 가스의 공급이 충분히 완만하여 상기 초기 가열 단계의 수행의 전체에 걸쳐 압력 평형이 거의 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b에서의 배기가 상기 노 공간(120) 내부가 최대 0.5 바에 도달하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c에서 제공되는 열이 역시 상기 단계 c에서 공급되는 수소 가스에 직접 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열이 상기 노 공간(120)의 상부에 배치된 발열체(122)에 의해 상기 공급되는 수소 가스에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c에서 공급될 수소 가스가 열교환기(160)에서 예열되고, 상기 열교환기(160)가 상기 기화된 물로부터 상기 단계 c에서 공급될 상기 수소 가스로 열에너지를 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c의 주 가열 단계와 상기 단계 d의 응축이, 소정의 압력에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소정의 압력이 적어도 4 바, 바람직하기로 적어도 8 바인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c의 주 가열 단계와 상기 단계 d의 응축이, 상기 노 공간(120) 내부의 도달된 안정 상태 가스 압력을 유지하기 위해 수소 가스의 더 이상의 공급이 필요 없는 상기 안정 상태에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 안정 상태 가스 압력이 적어도 4 바, 바람직하기로 적어도 8 바인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c의 주 가열 단계와 상기 단계 d의 응축이, 환원될 상기 충전 금속 소재가 소정 온도에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c의 수행 동안, 상기 충전 금속 소재를 통한 수증기의 하방으로의 순 흐름이 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    e) 상기 단계 c 및 d의 완료 후, 상기 수소 분위기를 최대 100℃로 냉각시키는 단계와; 및
    f) 상기 단계 c 및 d의 완료 후, 상기 노 공간(120)으로부터 상기 수소 분위기를 배기하고 상기 배기된 수소 분위기의 수소 가스를 수집하는 단계를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 e에서의 냉각이 다른 노 공간과 관련되어 상기 다른 노 공간으로 공급됨으로써 상기 단계 a-c를 수행할 수소 가스와 열교환하여 이뤄지는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서,
    g) 상기 환원된 금속 소재를 불활성 분위기 하에서 저장 및/또는 이송하는 단계를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 c 및 d가 적어도 0.25 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 단계 c에서의 주 가열 단계가 반복적으로 수행되고, 상기 각 반복에서 열 및 수소 가스의 추가적인 양을 공급하기 전에 상기 노 공간(120) 내부가 안정 상태 압력에 도달하도록 허용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 충전된, 환원될 충전 급속 소재를 수용하도록 구성된 폐쇄된 노 공간(120)과;
    상기 노 공간(120)으로부터 기존 분위기를 배기하여 상기 노 공간(120) 내부에 저압을 달성하도록 구성되는 분위기 배기 수단(260)과;
    열 및 수소 가스를 상기 노 공간(130)에 공급하도록 구성된 열 및 수소 제공 수단(121;280,290)과;
    주 가열 단계에서 상기 열 및 수소 제공 수단(121;280,290)을 제어하여 가열된 수소 가스가 상기 충전된 금속 소재를 상기 급속 소재 내에 존재하는 금속 산화물을 환원시키고, 이어서 수증기의 형성을 유발하도록 구성된 제어 장치(201)와; 및
    상기 충전 금속 소재 밑에 배치되어 상기 수증기를 응축 및 수집하도록 구성되는 냉각 및 수집 수단(160, 161)을 포함하는 직접 환원 금속 소재의 제조 시스템(100;200)에 있어서:
    상기 제어 장치(201)가 상기 열 및 수소 제공 수단(121;280,290)을 제어하여 적어도 상기 노 공간(120) 내부에 수소 분위기의 과압에 도달할 때까지 상기 열 및 수소 가스를 제공하게 제어하도록 구성되는 것과, 상기 시스템(100;200)이, 상기 과압에 도달할 때까지 상기 노 공간(120)으로부터 어떤 수소 가스도 배기하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(100;200).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어 장치(201)가 상기 열 및 수소 제공 수단(121;280,290)을 초기 가열 단계에서 제어하여, 가열된 수소 가스가 상기 충전된 금속 소재를 상기 금속 소재 내에 포함된 물의 비등점 이상으로 가열함으로써 상기 포함된 물의 기화를 유발하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(100;200).
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 시스템(100;200)이 상기 노 공간(120) 내부의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서(123,124)를 더 포함하는 것과, 상기 제어 장치(201)가 상기 열 및 수소 제공 수단(121;280,290)이 안정 상태 압력에 도달할 때까지 수소 가스를 제공하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템(100;200).
KR1020217035589A 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치 KR20210145257A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE1950403-4 2019-04-01
SE1950403A SE543341C2 (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method and device for producing direct reduced metal
PCT/SE2020/050335 WO2020204795A1 (en) 2019-04-01 2020-03-31 Method and device for producing direct reduced metal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210145257A true KR20210145257A (ko) 2021-12-01

Family

ID=72666265

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217035589A KR20210145257A (ko) 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치
KR1020217035590A KR20210144875A (ko) 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치
KR1020217035591A KR20210144876A (ko) 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217035590A KR20210144875A (ko) 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치
KR1020217035591A KR20210144876A (ko) 2019-04-01 2020-03-31 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치

Country Status (17)

Country Link
US (3) US20220119914A1 (ko)
EP (3) EP3947749A4 (ko)
JP (3) JP2022529619A (ko)
KR (3) KR20210145257A (ko)
CN (3) CN113874528B (ko)
AU (3) AU2020251282A1 (ko)
BR (3) BR112021019303A2 (ko)
CA (3) CA3135162A1 (ko)
CL (3) CL2021002552A1 (ko)
DE (3) DE20784353T1 (ko)
ES (3) ES2962703T1 (ko)
FI (3) FI3947758T1 (ko)
MX (3) MX2021011895A (ko)
PL (3) PL3947757T1 (ko)
SE (1) SE543341C2 (ko)
UA (1) UA127777C2 (ko)
WO (3) WO2020204796A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE543341C2 (en) * 2019-04-01 2020-12-08 Greeniron H2 Ab Method and device for producing direct reduced metal
CN117431356B (zh) * 2023-12-20 2024-03-12 山西泰峰合金有限公司 一种用氢气制取微碳铬铁的工艺及制取设备

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT251301B (de) 1962-09-27 1966-12-27 Nat Smelting Co Ltd Verfahren zur Raffination von unreinem Zink
JPS5083990A (ko) * 1973-11-26 1975-07-07
SE382078B (sv) * 1974-05-09 1976-01-12 Skf Nova Ab Forfarande och ugnsanleggning for satsvis framstellning av metallsvamp
CN85103258A (zh) * 1985-04-27 1986-10-22 Skf钢铁工程公司 一种用于还原氧化物料的方法和装置
US4606760A (en) * 1985-05-03 1986-08-19 Huron Valley Steel Corp. Method and apparatus for simultaneously separating volatile and non-volatile metals
HU209657B (en) * 1989-06-02 1994-10-28 Cra Services Method for the pre-heating and pre-reduction of metal oxide ores
JP2934517B2 (ja) * 1991-02-06 1999-08-16 三菱重工業株式会社 金属鉱石の直接還元方法
DE4326562C2 (de) * 1993-08-07 1995-06-22 Gutehoffnungshuette Man Verfahren und Vorrichtung zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten
LU90273B1 (de) * 1998-08-11 2000-02-14 Wurth Paul Sa Verfahren zur thermischen Behandlung schwermetall-und eisenoxidhaltiger Reststoffe
CN1183261C (zh) * 2000-11-10 2005-01-05 刘恩琛 铁矿还原熔融电弧炼钢炉
AT503593B1 (de) * 2006-04-28 2008-03-15 Siemens Vai Metals Tech Gmbh Verfahren zur herstellung von flüssigem roheisen oder flüssigen stahlvorprodukten aus feinteilchenförmigem eisenoxidhältigem material
SE532975C2 (sv) * 2008-10-06 2010-06-01 Luossavaara Kiirunavaara Ab Förfarande för produktion av direktreducerat järn
AT509073B1 (de) * 2009-12-23 2011-06-15 Siemens Vai Metals Tech Gmbh Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung von reduktionsgas aus generatorgas
DE102010022773B4 (de) * 2010-06-04 2012-10-04 Outotec Oyj Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Roheisen
IT1402250B1 (it) * 2010-09-29 2013-08-28 Danieli Off Mecc Procedimento ed apparato per la produzione di ferro di riduzione diretta utilizzando una sorgente di gas riducente comprendente idrogeno e monossido di carbonio
KR101197936B1 (ko) * 2010-12-28 2012-11-05 주식회사 포스코 원자로를 이용한 환원철 제조장치 및 이를 이용한 환원철 제조방법
US9938594B2 (en) * 2014-07-15 2018-04-10 Midrex Technologies, Inc. Methods and systems for producing direct reduced iron and steel mill fuel gas using coke oven gas and basic oxygen furnace gas
CN104087700B (zh) * 2014-07-18 2017-05-03 北京神雾环境能源科技集团股份有限公司 气基竖炉制备海绵铁的方法和系统
KR101617351B1 (ko) * 2014-12-19 2016-05-03 한국생산기술연구원 액체금속을 이용한 환원장치
CN207130292U (zh) * 2017-07-24 2018-03-23 江苏省冶金设计院有限公司 一种竖炉生产直接还原铁的系统
SE543341C2 (en) * 2019-04-01 2020-12-08 Greeniron H2 Ab Method and device for producing direct reduced metal
SE543642C2 (en) * 2019-09-23 2021-05-11 Greeniron H2 Ab Method and device for producing direct reduced, carburized metal

Also Published As

Publication number Publication date
DE20785335T1 (de) 2023-12-21
CA3135162A1 (en) 2020-10-08
FI3947758T1 (sv) 2023-11-06
ES2962701T1 (es) 2024-03-20
AU2020251282A1 (en) 2021-11-11
EP3947758A4 (en) 2022-05-11
SE1950403A1 (en) 2020-10-02
SE543341C2 (en) 2020-12-08
WO2020204795A1 (en) 2020-10-08
BR112021019298A2 (pt) 2021-12-14
MX2021011899A (es) 2022-01-06
PL3947749T1 (pl) 2023-11-27
MX2021011895A (es) 2022-01-06
PL3947758T1 (pl) 2023-11-20
BR112021019303A2 (pt) 2021-12-14
PL3947757T1 (pl) 2023-11-27
DE20782625T1 (de) 2024-01-11
CN113874528B (zh) 2023-03-21
JP2022528463A (ja) 2022-06-10
AU2020253206A1 (en) 2021-11-11
BR112021019301A2 (pt) 2021-12-14
CL2021002553A1 (es) 2022-04-29
JP7482149B2 (ja) 2024-05-13
WO2020204796A1 (en) 2020-10-08
EP3947749A1 (en) 2022-02-09
DE20784353T1 (de) 2023-12-28
KR20210144876A (ko) 2021-11-30
EP3947749A4 (en) 2022-05-11
FI3947749T1 (sv) 2023-11-06
EP3947757A1 (en) 2022-02-09
CN113874528A (zh) 2021-12-31
JP2022528469A (ja) 2022-06-10
CN113874532A (zh) 2021-12-31
US20220064744A1 (en) 2022-03-03
CN113874533A (zh) 2021-12-31
ES2962914T1 (es) 2024-03-21
CA3135159A1 (en) 2020-10-08
JP2022529619A (ja) 2022-06-23
MX2021011896A (es) 2022-01-06
ES2962703T1 (es) 2024-03-20
KR20210144875A (ko) 2021-11-30
UA127777C2 (uk) 2023-12-27
CN113874532B (zh) 2023-05-26
EP3947757A4 (en) 2022-06-08
CA3135155A1 (en) 2020-10-08
FI3947757T1 (sv) 2023-11-06
US20220010405A1 (en) 2022-01-13
EP3947758A1 (en) 2022-02-09
CL2021002551A1 (es) 2022-04-29
AU2020255992A1 (en) 2021-11-11
US20220119914A1 (en) 2022-04-21
CN113874533B (zh) 2023-10-27
CL2021002552A1 (es) 2022-04-29
WO2020204797A1 (en) 2020-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20210145257A (ko) 직접 환원 금속의 제조 방법 및 장치
EP4034685B1 (en) Method and device for producing direct reduced, carburized metal
RU2809973C2 (ru) Способ и устройство получения прямовосстановленного металла
RU2810464C2 (ru) Способ получения прямовосстановленного металла
RU2810184C2 (ru) Способ и устройство получения прямовосстановленного металла
SE543348C2 (en) Method and device for producing direct reduced metal
CN116018419A (zh) 生产直接还原的金属的方法和装置
SE543355C2 (en) Method and device for producing direct reduced metal
WO2023224541A1 (en) Method and device for producing direct reduced metal