KR20220160694A - 환원철의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이 환원철의 제조 방법은, 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서, 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 포함하며, 또한 소정 온도의 혼합 가스를 샤프트로에 취입한다.
Description
본 발명은 환원철의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2020년 5월 14일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2020-85078호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
샤프트로를 사용한 환원철의 제조 방법(샤프트로 조업)은, 산화철 원료로부터 환원철을 제조하는 직접 환원 프로세스의 대표격이며, 주로 천연 가스를 저렴하게 입수할 수 있는 지역(산유국)에서 널리 보급되어 있다. 여기서, 도 14에 기초하여, 기존의 샤프트로 조업의 개요를 설명한다. 도 14의 예에서는, 샤프트로(100)의 상방으로부터 산화철 원료(예를 들어 산화철 펠릿)(200)를 장입하고, 샤프트로(100)의 하방으로부터 환원 가스(300)를 취입한다. 여기서, 환원 가스는 소정 온도(예를 들어 900 내지 950℃ 정도)까지 가열된 후, 샤프트로(100)에 취입된다. 그리고, 샤프트로(100)에 취입된 환원 가스(300)가 샤프트로 내의 산화철 원료(200)를 환원한다. 이러한 직접 환원 프로세스에 의해 환원철(210)이 제조된다. 환원철(210)은 샤프트로(100)의 하방으로부터 배출되어, 냉각된다. 샤프트로(100)의 노정으로부터는, 수소 가스, CO 가스, 수증기 및 CO2 가스를 포함하는 노정 가스(400)가 배출된다.
샤프트로(100)에서 사용하는 환원 가스(300)는, 탄소분을 포함하는 원료 가스(예를 들어 천연 가스, 코크스로 가스 등)(310)를 수증기나 산소 등을 사용하여 개질함으로써 얻어지며, 주성분은 수소 가스(H2)(300a)와 CO 가스(CO)(300b)이다.
「DIRECT FROM MIDREX 3RD QUARTER 2017」(https://www.midrex.com/dfm-newsletter/3q-2017-direct-from-midrex/)
기존의 샤프트로 조업에서는, 환원 가스의 H2/CO 체적비가 대략 1.5 내지 4.0의 범위로 되어 있다. 따라서, 샤프트로 조업은, 기존의 것이라도, CO2 배출량 삭감의 관점에서는 고로-전로법보다 우수한 철강 제조 프로세스로 되어 있다. 그러나, 이후 다가올 CO2 제로 이미션의 철강 제조를 지향하기 위해서는, 환원 가스에 포함되는 수소 가스의 체적 비율을 더 높이는 것이 요구된다.
지금까지, 샤프트로 조업에 관한 여러 기술이 제안되어 왔는데, 대부분의 기술에 있어서, 환원 가스의 원료로 되는 원료 가스로서 탄소분을 포함하는 천연 가스나 코크스로 가스 등을 사용하고 있다. 그러나, 최근 들어, CO2 제로 이미션을 강조하여, 환원 가스의 주요 원료 가스인 천연 가스를 수소 가스로 치환한 프로세스(즉, 수소 가스를 100체적％에 가까운 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용한 조업)를 제안하는 환원철 메이커가 나타나고 있다(비특허문헌 1 참조).
수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 조업은, 열ㆍ물질 수지에 기초한 화학량론적 논의에서는 가능하더라도, 반드시 실용상 문제가 없다고는 할 수 없다. 그래서, 본 발명자는 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 조업을 기존의 샤프트로 조업의 연장상에서 실용상 문제 없이 달성할 수 있는지를 검토하였다. 이 결과, 해결해야 할 기술적 과제가 존재하는 것이 밝혀졌다. 상세는 후술하지만, 기존의 샤프트로 조업에 있어서 단순히 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 것만으로는, 대량의 수소 가스가 환원에 사용되지 않고 노정으로부터 배출되어, 환원 가스 원단위(환원철 1톤의 제조에 필요한 수소 가스의 노내 흡입량)가 과잉으로 상승한다고 하는 문제가 발생하는 것이 밝혀졌다. 이러한 문제는 비특허문헌 1에서는 전혀 고려되어 있지 않다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 경우라도, 환원 가스 원단위를 감소시키는 것이 가능한, 신규이면서도 개량된 환원철의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명자는 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 조업을 기존의 샤프트로 조업의 연장상에서 실용상 문제 없이 달성할 수 있는지를 검토하였다. 검토 방법은, 샤프트로의 수학적 모델을 사용한 시뮬레이션으로 하였다. 해당 모델은 비특허문헌(예를 들어, 하라 외: 철과 강, 62권(1976), 3호, p.315; 야마오카 외: 철과 강, 74권(1988), 12호, p.2254)에 기재된 화학 공학적 방법에 기초하여 구축된 것이며, 환원 가스에 의한 산화철의 환원 반응을 비롯한 화학 반응이나 전열 현상 등, 샤프트로 내의 열ㆍ물질 이동을 이론적으로 해석ㆍ추정할 수 있는 것이다. 본 수학적 모델을 사용하여, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용한 샤프트로 조업을 시뮬레이션하여, 거시적인 열ㆍ물질 이동을 평가하였다.
표 1은 사례 연구를 위해 마련한 전제 조건(계산 조건)을 나타낸다. 거시적인 열ㆍ물질 이동을 평가하는 목적에 비추어, 결과의 일반성이 손상되지 않도록, 본 계산 조건은 대표적인 조업 조건을 근거로 하여 설정하였다. 또한, 수학적 모델의 계산 대상은 샤프트로의 환원 반응대에 상당하는 공간으로 하였다.
도 10은, 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤(환원율 100％)을 제조하는 데 최저한 필요한 열량(이하 「열량 원단위」라고도 칭한다)(MJ/t-Fe)을 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「/t-Fe」는 「환원철 1톤(환원율 100％)당 값」을 나타낸다. 도 10에 있어서, 「완성품 DRI 반출 현열」은 완성품인 환원철에 의해 노 밖으로 반출되는 현열이고, 「노정 가스 반출 현열」은 노정 가스에 의해 노 밖으로 반출되는 현열이고, 「환원 반응열」은 산화철의 환원 반응에 요하는 열이다. 도 10으로부터 명백한 바와 같이, 환원 가스의 H2/CO 체적비가 높아짐에 수반하여 열량 원단위는 증가한다. 여기서, 동비 80/20 내지 66/33은 기존의 샤프트로 조업의 대표적인 환원 가스 조성에 대응하고 있다. 또한, 도 11은, 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤(환원율 100％)을 제조하는 데 최저한 필요한 환원 가스양(즉 환원 가스 원단위)(N㎥/t-Fe)을 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다. 도 11로부터 명백한 바와 같이, 환원 가스의 H2/CO 체적비가 높아짐에 수반하여 환원 가스 원단위는 증가한다.
도 10 및 도 11과 같은 결과로 되는 이유는, 이하의 (1)식과 (2)식으로 나타내는 바와 같이, CO 가스에 의한 환원 반응은 발열 반응인 것에 비해, 수소 가스에 의한 환원 반응은 흡열 반응으로 되는 점에 있다.
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O -854MJ/t-Fe … (1)
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2 +246MJ/t-Fe … (2)
즉, 환원 가스 중에서 차지하는 수소 가스의 체적 비율이 증가할수록, 수소 가스에 의한 환원 반응열을 조달하기 위한 열량 투입량(환원 반응열)이 증가한다. 그리고, 환원 가스의 송풍 온도를 바꾸지 않는 경우에는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 환원 가스 원단위를 증가시키지 않을 수 없게 된다.
여기서 주목해야 할 것은, 환원 가스 원단위의 증가에 수반하여 생기는 환원 가스의 이용률의 악화이다. 노정 가스 조성으로부터 계산되는 환원 가스의 이용률을 도 12에 도시한다. 여기서, 도 12는, 환원 가스의 이용률(％)을 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다. 환원 가스의 이용률은, 노정 가스에 포함되는 수증기 및 CO2 가스의 총 체적을, 노정 가스에 포함되는 수소 가스, 수증기, CO 가스 및 CO2 가스의 총 체적으로 제산함으로써 얻어진다. 환원철 1톤(환원율 100％)을 제조하는 데 필요한 환원 반응량(환언하면, 탈산소량)은 동일하기 때문에, 환원 가스 원단위를 늘리면 환원 반응에 관여하지 않는 환원 가스가 증가해 버리는 것은 당연하며, 열공급을 위해 환원 가스, 즉 수소 가스를 낭비하게 된다. 즉, 환원 가스 중에서 차지하는 수소 가스의 체적 비율이 증가할수록, 수소 가스에 의한 환원 반응열을 조달하기 위해, 열공급원으로서의 수소 가스를 대량으로 샤프트로 내에 공급할 필요가 있다. 나아가, 대량의 수소 가스를 샤프트로 내에 취입하는 결과, 많은 수소 가스가 샤프트로 내에서 반응하지 않고, 노정 가스로서 배출된다. 따라서, 환원 가스의 이용률이 내려간다. 이와 같이, 기존의 샤프트로 조업에 있어서 단순히 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 것만으로는, 대량의 수소 가스가 환원에 사용되지 않고 소비되어, 수소 가스 원단위가 과잉으로 상승한다고 하는 기술적 과제가 발생한다.
한편, 환원 가스의 송풍 온도를 높여 수소 가스에 의한 환원 반응열을 조달하는 것도 이론상은 가능하다. 도 13은, 환원 가스 원단위(N㎥/t-Fe)와 환원 가스의 송풍 온도(℃)의 관계를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다. 도 13에 도시되는 바와 같이, 수소 가스를 90체적％ 이상의 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 경우, 기존의 샤프트로 조업과 동일 정도의 환원 가스 원단위로 조업을 행하기 위해서는, 대략적이기는 하지만 송풍 온도를 기존의 샤프트로 조업보다 적어도 100℃ 이상(H2/CO 체적비가 100/0일 때에는 200℃ 이상)으로 대폭 높일 필요가 있다. 그러나, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스의 송풍 온도를 대폭 높이는 경우, 노내의 환원철 입자가 서로 고착되는 소위 스티킹 현상의 발생이 우려된다. 또한, 고온의 수소 가스를 취급하게 되므로, 조업의 안전성의 확보 및 수소 취화에 대한 대응을 위해 설비 비용이 상승하는 등의 문제도 생길 수 있다.
요컨대, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용한 샤프트로 조업을 행하는 경우의 근원적 문제는, 수소 가스에 의한 환원 반응열을 어떻게 해서 조달하는가라는 점에 귀결된다. 본 발명자는, 이러한 근원적 문제를 해결하는 방법으로서, 샤프트로 내에서의 환원 반응에 영향을 주지 않는 질소 가스를 환원 가스와 함께 샤프트로 내에 취입하는 것에 상도하였다. 그리고, 본 발명자는 수소 가스에 의한 환원 반응에 필요한 열의 적어도 일부를 질소 가스로 조달시키는 것으로 하였다. 이 결과, 환원 가스 원단위를 삭감할 수 있으며, 또한 환원 가스의 송풍 온도도 저감할 수 있었다. 본 발명은 이러한 지견에 의해 이루어진 것이다.
즉, 본 발명의 어떤 관점에 따르면, 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서, 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 포함하며, 또한 가열된 혼합 가스를 샤프트로에 취입하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서, 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 포함하는 혼합 가스를 가열하는 공정과, 가열된 혼합 가스를 샤프트로에 취입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법이 제공된다.
여기서, 샤프트로의 노정 가스로부터 적어도 미반응의 수소 가스 및 질소 가스를 분리 회수하는 공정과, 분리 회수된 수소 가스 및 질소 가스를 혼합 가스의 일부로서 재사용하는 공정을 포함하고 있어도 된다.
또한, 분리 회수된 수소 가스 및 질소 가스의 일부를, 혼합 가스를 가열할 때의 연료용 가스로서 사용해도 된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서, 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 개별적으로 가열하는 공정과, 가열된 환원 가스와 질소 가스를 혼합함으로써, 혼합 가스를 제작하는 공정과, 혼합 가스를 샤프트로에 취입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법이 제공된다.
여기서, 질소 가스의 가열 온도를 환원 가스의 가열 온도보다 높게 해도 된다.
또한, 샤프트로의 노정 가스로부터 적어도 미반응의 수소 가스 및 질소 가스를 개별적으로 분리 회수하는 공정과, 분리 회수된 수소 가스 및 질소 가스를 가열 대상의 환원 가스 및 질소 가스로서 재사용하는 공정을 포함하고 있어도 된다.
또한, 혼합 가스는, 질소 가스를 수소 가스의 90체적％ 이하의 비율로 함유하고 있어도 된다.
또한, 샤프트로에 취입될 때의 혼합 가스의 온도는 900℃ 이하여도 된다.
본 발명의 상기 관점에 따르면, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 경우라도, 환원 가스 원단위를 감소시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 2는 혼합 가스의 송풍 온도와 수소 가스 원단위의 관계를 질소 가스의 첨가량마다 나타내는 그래프이다.
도 3은 질소 가스의 첨가량과 수소 가스 원단위의 관계를 혼합 가스의 송풍 온도마다 나타내는 그래프이다.
도 4는 질소 가스의 첨가량과 수소 가스 원단위의 관계를 혼합 가스의 송풍 온도마다 나타내는 그래프이다.
도 5는 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 8은 수소 가스의 가열 온도(℃)와 질소 가스의 가열 온도(℃)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제2 실시 형태의 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 10은 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤을 제조할 때의 열량 원단위(MJ/t-Fe)를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 시산한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤을 제조할 때의 환원 가스 원단위(N㎥/t-Fe)를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 시산한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 환원 가스의 이용률(％)을 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다.
도 13은 환원 가스 원단위(N㎥/t-Fe)와 환원 가스의 송풍 온도(℃)의 관계를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다.
도 14는 기존의 샤프트로 조업의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 2는 혼합 가스의 송풍 온도와 수소 가스 원단위의 관계를 질소 가스의 첨가량마다 나타내는 그래프이다.
도 3은 질소 가스의 첨가량과 수소 가스 원단위의 관계를 혼합 가스의 송풍 온도마다 나타내는 그래프이다.
도 4는 질소 가스의 첨가량과 수소 가스 원단위의 관계를 혼합 가스의 송풍 온도마다 나타내는 그래프이다.
도 5는 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 8은 수소 가스의 가열 온도(℃)와 질소 가스의 가열 온도(℃)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제2 실시 형태의 변형예에 관한 환원철의 제조 방법의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
도 10은 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤을 제조할 때의 열량 원단위(MJ/t-Fe)를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 시산한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 900℃의 환원 가스를 사용하여 환원철 1톤을 제조할 때의 환원 가스 원단위(N㎥/t-Fe)를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 시산한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 환원 가스의 이용률(％)을 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다.
도 13은 환원 가스 원단위(N㎥/t-Fe)와 환원 가스의 송풍 온도(℃)의 관계를 환원 가스의 H2/CO 체적비마다 나타내는 그래프이다.
도 14는 기존의 샤프트로 조업의 프로세스 플로를 도시하는 설명도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 「내지」를 사용하여 표현되는 수치 한정 범위는, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다. 「초과」 또는 「미만」으로 나타내는 수치는, 그 값이 수치 범위에 포함되지 않는다.
<1. 제1 실시 형태>
우선, 도 1에 기초하여 제1 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법(샤프트로 조업)의 프로세스 플로를 설명한다. 제1 실시 형태는, 개략적으로는 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 포함하며, 또한 가열된 혼합 가스(30)를 샤프트로(10)에 취입한다고 하는 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 제1 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법은, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 포함하는 혼합 가스(30)를 가열하는 공정과, 가열된 혼합 가스(30)를 샤프트로(10)에 취입하는 공정을 포함한다. 이들 이외의 공정은 기존의 샤프트로 조업과 마찬가지이면 된다.
예를 들어, 도 1에 도시하는 바와 같이, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 가열로(50)에 도입하고, 가열로(50) 내에서 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)를 함께 가열한다. 이에 의해, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)가 가열로(50) 내에서 혼합되어 혼합 가스(30)로 되고, 혼합 가스(30)가 소정 온도까지 가열된다.
여기서, 상술한 바와 같이, 환원 가스(31)는 수소 가스를 90체적％ 이상(환원 가스(31)의 총 체적에 대한 체적％) 포함한다. 즉, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 90체적％ 이상으로 된다. CO2 제로 이미션의 관점에서는, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 90체적％ 이상의 범위 내에서 가능한 한 높은 것이 바람직하며, 100체적％인 것이 바람직하다. 더불어, 환원 가스를 가열하는 방법도 전기적 히터에 의한 것이 바람직하고, 연소 가열에 의한 경우에 있어서는 연료 가스를 수소 주체로 하는 것이 바람직하다.
환원 가스(31)의 수소 가스 농도가 90체적％ 이상 100체적％ 미만으로 되는 경우, 환원 가스(31)에는 수소 가스 이외의 환원 가스가 포함되어도 된다. 이러한 환원 가스로서는, 예를 들어 CO 가스 외에, 탄화수소 가스 등도 포함된다. 탄화수소 가스는 샤프트로 내에서 CO 가스를 생성한다.
질소 가스(32)는 샤프트로 내에 있어서의 환원 반응에 직접 관여하지 않는 불활성 가스이며, 단순히 현열을 샤프트로(10) 내에 운반하는 캐리어로서 기능한다. 따라서, 제1 실시 형태에 따르면, 수소 가스에만 가열 부하를 걸 필요가 없기 때문에, 적정한 송풍 온도(소정 온도)에서 샤프트로 조업을 행하는 것이 가능하게 된다.
환원 가스(31)에 대한 질소 가스(32)의 첨가량에 대한 상세는 후술하지만, 질소 가스(32)를 환원 가스(31)에 약간 첨가하기만 해도 본 실시 형태의 효과(수소 가스 원단위의 저감 및 수소 가스의 송풍 온도의 저감)가 얻어진다. 한편, 질소 가스(32)를 과잉으로 첨가하면, 혼합 가스(30) 중의 수소 농도가 저하함에 따른 산화철의 환원 반응 속도의 감속이, 질소 가스(32)로부터의 열공급에 의한 환원 반응열의 보충 효과를 상회한다. 이 경우, 본 실시 형태의 효과가 포화된다. 이러한 관점에서, 질소 가스(32)의 첨가량은, 환원 가스(31)의 90체적％ 이하인 것이 바람직하다.
혼합 가스(30)는, 상술한 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)만으로 구성되는 것이 바람직하지만, 본 실시 형태의 효과에 영향을 주지 않는 범위에서 환원 가스(31) 및 질소 가스(32) 이외의 가스가 포함되어 있어도 된다.
가열로(50) 내에서는, 혼합 가스(30)가 소정 온도(샤프트로에 취입될 때의 혼합 가스의 온도, 즉 송풍 온도)까지 가열된다. 소정 온도는 샤프트로 조업의 상황 등에 따라 적절하게 조정되면 되지만, 후술하는 바와 같이, 질소 가스(32)를 첨가하지 않는 경우보다 소정 온도를 저감할 수 있다. 질소 가스(32)가 현열의 캐리어로서 기능하기 때문이다. 소정 온도는 바람직하게는 900℃ 이하이다. 소정 온도의 하한값은 제1 실시 형태에 따른 샤프트로 조업이 가능한 범위이면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 750℃ 정도여도 된다.
혼합 가스(30)는, 소정 온도까지 가열된 후, 샤프트로(10)에 취입된다. 한편, 샤프트로(10)의 상방으로부터 산화철 원료(20)가 장입된다. 산화철 원료(20)의 종류는 특별히 불문하며, 기존의 샤프트로 조업과 마찬가지이면 된다. 산화철 원료(20)로서는, 예를 들어 산화철 펠릿을 들 수 있다. 샤프트로(10)에 취입된 혼합 가스(30)는, 샤프트로(10) 내에서 상승한다. 혼합 가스(30) 중의 환원 가스(31)는, 샤프트로(10) 내의 산화철 원료(20)를 환원시켜, 환원철(21)을 제작한다. 수소 가스에 의한 환원 반응은 흡열 반응이지만, 환원 반응열은 환원 가스(31)가 갖는 현열 외에, 질소 가스(32)가 갖는 현열에 의해 조달된다. 환원철(21)은 샤프트로(10)의 하방으로부터 배출되어, 냉각된다. 한편, 샤프트로(10)의 노정으로부터는 노정 가스(40)가 배출된다. 노정 가스(40)에는, 미반응의 수소 가스 외에, 수증기, 질소 가스(32)가 포함된다.
다음에, 제1 실시 형태에 따른 효과에 대하여 설명한다. 본 발명자는, 상술한 수학적 모델을 사용하여 제1 실시 형태에 관한 샤프트로 조업을 시뮬레이션하였다. 또한, 비교를 위해 질소 가스(32)를 첨가하지 않는 샤프트로 조업도 시뮬레이션하였다. 또한, 본 시뮬레이션은 제1 실시 형태의 실시예 및 비교예에 상당하는 것이다. 결과를 도 2 및 도 3에 도시한다. 또한, 계산 조건은 표 1과 마찬가지로 하였다. 또한, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 100체적％로 하였다.
도 2는 혼합 가스(30)의 송풍 온도(℃)와 수소 가스 원단위(N㎥/t-Fe)의 관계를 질소 가스(32)의 첨가량마다 나타낸다. 그래프 L1은 질소 가스를 첨가하지 않았을 때의 상기 관계, 그래프 L2는 질소 가스를 환원 가스(31)에 250N㎥/t-Fe 첨가하였을 때의 상기 관계, 그래프 L3은 질소 가스를 환원 가스(31)에 500N㎥/t-Fe 첨가하였을 때의 상기 관계를 나타낸다. 따라서, 그래프 L2, L3이 제1 실시 형태에 관한 샤프트로 조업에 대응한다. 또한, 여기서는 환원 가스(31)의 수소 가스 농도가 100체적％이므로, 수소 가스 원단위는 환원 가스 원단위로 바꾸어 읽어진다. 도 2의 그래프 L2, L3에 따르면, 송풍 온도가 900℃로 될 때의 환원 가스 원단위는, 대략 1500 내지 1700N㎥/t-Fe 정도로 되어 있다. 한편, 도 11을 보면, 기존의 샤프트로 조업(환원 가스의 H2/CO 체적비=80/20 내지 66/33)에서는, 송풍 온도가 900℃로 될 때의 환원 가스 원단위는, 대략 1200 내지 1400N㎥/t-Fe 정도로 되어 있다. 따라서, 환원 가스(31)에 질소 가스(32)를 첨가함으로써, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도가 고농도(여기서는 100체적％)라도, 기존의 샤프트로 조업과 동일 정도의 송풍 온도 레벨(예를 들어 900℃), 또한 환원 가스 원단위 레벨(예를 들어 1500 내지 1700N㎥/t-Fe 정도)에서의 환원철 제조가 가능하게 된다.
따라서, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용하는 경우라도, 환원 가스 원단위를 감소시킬 수 있으며, 또한 혼합 가스(30)의 송풍 온도(즉, 환원 가스(31)의 송풍 온도)를 저감할 수 있다. 또한, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 환원 가스 원단위가 감소하고, 환원 가스(31)의 송풍 온도도 저감하는 것을 알 수 있다. 환원 가스(31)의 송풍 온도가 저감됨으로써, 예를 들어 스티킹 등이 억제된다.
도 3은, 도 2의 관계를 질소 가스(32)의 첨가량(N㎥/t-Fe)과 수소 가스 원단위(N㎥/t-Fe)의 관계로 다시 정리한 도면이다. 즉, 도 3은, 질소 가스(32)의 첨가량(N㎥/t-Fe)과 수소 가스 원단위(N㎥/t-Fe)의 관계를 혼합 가스(30)의 송풍 온도(℃)마다 나타낸다. 그래프 L4는 송풍 온도가 800℃로 될 때의 상기 관계, 그래프 L5는 송풍 온도가 900℃로 될 때의 상기 관계, 그래프 L6은 송풍 온도가 1000℃로 될 때의 상기 관계를 나타낸다. 그래프 L4 내지 L6에 따르면, 어느 송풍 온도에 있어서도, 질소 가스(32)를 약간 첨가하는 것만으로 수소 가스 원단위가 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 그래프 L5, L6에 착안하면, 330N㎥/t의 질소 가스를 환원 가스(31)에 첨가하면, 수소 가스 원단위를 유지하면서 혼합 가스(30)의 송풍 온도를 1000℃→900℃로 내릴 수 있다. 따라서, 질소 가스(32)를 환원 가스(31)에 첨가함으로써, 송풍 온도를 저감하고, 나아가 스티킹의 억제를 도모할 수도 있다.
또한, 그래프 L5(송풍 온도 900℃)에 착안하면, 질소 가스(32)를 환원 가스(31)에 330N㎥/t-Fe 부가함으로써 수소 가스 원단위를 300N㎥/t-Fe 정도 삭감할 수 있다. 이것은, 330N㎥/t-Fe의 질소 가스(32)와 300N㎥/t-Fe의 수소 가스는 열 및 반응 조작의 관점에서 대략 등가인 것을 의미한다. 또한 생각을 바꾸면, 송풍 온도 일정의 조건 하에서 질소 가스(32)의 첨가량을 조정함으로써, 환원철의 생산량도 제어할 수 있다. 예를 들어, 송풍 온도 및 수소 가스의 단위 시간당 흡입량을 바꾸지 않고 질소 가스(32)의 첨가량(N㎥/t-Fe)을 늘리면 환원철의 단위 시간당 생산량은 증가한다.
이와 같이, 일견 이해할 수 없는 것으로 보이는 등가 관계가 성립하거나, 혹은 일견 불가사의한 조업 조작이 가능한 것은, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스를 사용한 샤프트로 조업을 행하는 경우, 샤프트로(10) 내에서 열이 율속되는 환원 반응이 생기기(즉, 샤프트로(10)에 반입되는 열량에 의해 노내 온도가 적정하게 유지되어 환원 반응이 원활하게 진행되기) 때문이다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태에 따르면, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)의 혼합 가스(30)를 샤프트로(10)에 취입하므로, 질소 가스(32)를 현열의 캐리어로서 사용할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 수소 가스를 고농도로 포함하는 환원 가스(31)를 사용하여 샤프트로 조업을 행하는 경우라도, 환원 가스 원단위를 감소시킬 수 있고, 혼합 가스(30)의 송풍 온도를 저감할 수 있다.
여기서, 도 4에 기초하여, 질소 가스(32)의 과잉 투입에 의한 효과의 포화에 대하여 설명한다. 도 4의 종축, 횡축의 정의는 도 3과 마찬가지이다. 단, 도 4의 횡축은 도 3보다 많은 질소 가스 첨가량을 나타낸다. 즉, 도 4의 횡축은 도 3의 횡축을 연장한 것이다. 도 4에 도시한 그래프는 도 3의 그래프 L4 내지 L6과 마찬가지의 것이다. 이들 그래프의 송풍 온도는, 위에서부터 800℃, 840℃, 860℃, 880℃, 900℃, 920℃, 940℃, 960℃, 980℃, 1000℃, 1020℃, 1050℃, 1100℃로 되어 있다.
도 4 및 명세서 원문 [0036]에 기재되어 있는 바와 같이, 질소 가스(32)를 과잉으로 환원 가스(31)에 첨가하면, 본 실시 형태의 효과는 포화된다. 송풍 온도의 조건에 따라 포화에 이르는 조건은 변화하지만, 대략 질소 가스(32)의 체적 유량(첨가량)을 환원 가스(31)의 체적 유량의 90체적％ 이하로 한다고 하는 조건(즉, 혼합 가스(30)가 질소 가스(32)를 환원 가스(31)의 90체적％ 이하의 비율로 함유한다고 하는 조건)을 충족하면, 본 실시 형태의 효과를 향수할 수 있다고 할 수 있다.
<1-1. 제1 변형예>
다음에, 도 5에 기초하여 제1 실시 형태의 제1 변형예를 설명한다. 실제의 샤프트로 조업에서는, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)를 유효 이용하는 것도 중요하다. 그래서, 제1 변형예에서는, 노정 가스(40)로부터 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 분리 회수하여, 혼합 가스(30)의 일부로서 재이용한다.
구체적으로는, 노정 가스(40)를 분리 회수 장치(60)에 도입하고, 분리 회수 장치(60)에 있어서 노정 가스(40)를 냉각한다. 바람직하게는 추가로 노정 가스(40)를 제진한다. 이에 의해, 노정 가스(40)로부터 수증기를 물(65)로서 제거하고, 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 순환 가스(70)로서 분리 회수한다. 또한, 환원 가스(31)가 수소 가스 이외의 환원 가스(CO 등)를 포함하는 경우, 순환 가스(70)에는 미반응의 당해 환원 가스 외에, 당해 환원 가스의 산화물(CO2 등)이 포함되는 경우도 있지만, 순환 가스(70)에 이들 가스가 포함되어 있어도 조업상 문제는 없다. 분리 회수 장치(60)로서는, 예를 들어 고로의 노정 가스로부터 미반응의 환원 가스를 분리 회수하는 장치 등을 이용할 수 있다. 그리고, 순환 가스(70)를 혼합 가스(30)의 일부로서 재이용한다. 즉, 순환 가스(70)를 다시 가열로(50)에 도입하여, 가열한다.
또한, 상술한 바와 같이, 질소 가스(32)는, 현열을 샤프트로(10) 내에 운반하는 캐리어로서 기능하기 때문에, 샤프트로(10) 내에서 소비되지 않는다. 따라서, 질소 가스(32)는, 가열로(50), 샤프트로(10) 및 분리 회수 장치(60)를 연결하는 순환계 내를 순환하게 된다. 따라서, 원하는 양의 환원철의 생산에 필요한 분의 질소 가스(32)를 일단 이 순환계에 도입하면, 그 후에는 이상적으로는 외부로부터 질소 가스(32)를 도입하지 않아도 되게 된다. 물론, 외부로부터 추가로 질소 가스(32)를 공급해도 된다.
한편, 환원 가스(31)는 샤프트로(10) 내에서 소비되므로, 순환된 수소 가스(31a)만으로는 환원 가스(31)가 부족하다. 그래서, 환원 가스(31)에 대해서는 부족분만 외부로부터 공급하면 된다. 이에 의해, 이상적으로는, 화학량론적으로 최소량의 환원 가스(31)로 환원철(21)을 제조할 수 있다. 물론, 화학량론적인 양을 초과하여 외부로부터 환원 가스(31)를 공급해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 변형예에 따르면, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)를 유효 이용할 수 있다.
<1-2. 제2 변형예>
다음에, 도 6에 기초하여 제1 실시 형태의 제2 변형예를 설명한다. 제2 변형예도 제1 변형예와 마찬가지로 노정 가스(40)로부터 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 분리 회수하여, 혼합 가스(30)의 일부로서 재이용한다. 제2 변형예에서는, 제1 변형예와 마찬가지의 처리를 행하는 것 외에, 순환계 내를 순환하는 질소 가스(32)의 양을 조정할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제2 변형예에서는, 분리 회수 장치(60)에서 분리 회수된 순환 가스(70)를 분기관(80)에 도입한다. 분기관(80)에서는, 순환 가스(70)의 일부를 가열로(50)의 연료용 가스(85)로서 가열로(50)에 공급한다. 가열로(50)는, 연료용 가스(85)를 연소시킴으로써 열을 발생시키고, 이 열에 의해 가열로(50) 내의 가스를 가열한다. 연소 후의 배기 가스(85a)(수증기, 질소 가스(32)를 포함함)는 외부에 방산된다. 남은 순환 가스(70)는, 제1 변형예와 마찬가지로, 혼합 가스(30)의 일부로서 재이용한다. 즉, 순환 가스(70)를 다시 가열로(50)에 도입한다. 다른 처리는 제1 변형예와 마찬가지이다. 또한, 외부로부터 질소 가스(32)를 도입하지 않는 경우, 순환계(순환 가스(70)가 순환하는 순환계)를 순환하는 질소 가스(32)는 점차 감소해 가게 된다. 반대로, 외부로부터 질소 가스(32)를 도입함으로써, 순환계를 순환하는 질소 가스(32)의 양을 유지 또는 증가시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제2 변형예에 따르면, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)를 유효 이용할 수 있는 것 외에, 순환계를 순환하는 질소 가스(32)의 양을 조정할 수 있다.
<2. 제2 실시 형태>
다음에, 도 7에 기초하여 제2 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법(샤프트로 조업)의 프로세스 플로를 설명한다. 제2 실시 형태도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 포함하며, 또한 소정 온도의 혼합 가스(30)를 샤프트로(100)에 취입한다고 하는 것이다. 단, 제2 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법은, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열한 후에 혼합한다고 하는 점에서 제1 실시 형태와 다르다.
보다 구체적으로 설명하면, 제2 실시 형태에 관한 환원철의 제조 방법은, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열하는 공정과, 가열된 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 혼합함으로써, 소정 온도의 혼합 가스(30)를 제작하는 공정과, 소정 온도의 혼합 가스(30)를 샤프트로(10)에 취입하는 공정을 포함한다. 이들 이외의 공정은 기존의 샤프트로 조업과 마찬가지이면 된다.
예를 들어, 도 7에 도시하는 바와 같이, 환원 가스(31)를 환원 가스용 가열로(51)에 도입하여 가열하고, 질소 가스(32)를 질소 가스용 가열로(52)에 도입하여 가열한다. 이에 의해, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열한다. 또한, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)의 특성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 예를 들어, 환원 가스(31)는 수소 가스를 90체적％ 이상(환원 가스(31)의 총 체적에 대한 체적％) 포함한다. 즉, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 90체적％ 이상으로 된다. 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 90체적％ 이상의 범위 내에서 가능한 한 높은 것이 바람직하며, 100체적％인 것이 바람직하다. 환원 가스(31)의 수소 가스 농도가 90체적％ 이상 100체적％ 미만으로 되는 경우, 환원 가스(31)에는 수소 가스 이외의 환원 가스가 포함되어도 된다. 이러한 환원 가스로서는, 예를 들어 CO 가스 외에, 탄화수소 가스 등도 포함된다. 혼합 가스(30)는, 상술한 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)만으로 구성되는 것이 바람직하지만, 본 실시 형태의 효과에 영향을 주지 않는 범위에서 환원 가스(31) 및 질소 가스(32) 이외의 가스가 포함되어 있어도 된다.
다음에, 가열된 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 혼합부(55)(예를 들어 환원 가스(31)의 배관과 질소 가스(32)의 배관의 합류 부분)에서 혼합한다. 즉, 가열된 환원 가스(31)에 가열된 질소 가스(32)를 첨가한다. 이에 의해, 소정 온도의 혼합 가스(30)를 제작한다. 다음에, 혼합 가스(30)를 샤프트로(10)에 취입한다. 그 후의 공정은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)의 가열 온도는, 혼합 후의 혼합 가스(30)의 온도가 소정 온도로 되도록 조정된다. 여기서, 소정 온도는 상술한 바와 같이, 바람직하게는 900℃ 이하이다. 소정 온도의 하한값은 제2 실시 형태에 따른 샤프트로 조업이 가능한 범위이면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 750℃ 정도여도 된다.
환원 가스(31)의 가열 온도 및 질소 가스(32)의 가열 온도는, 혼합 가스(30)의 온도가 소정 온도로 되는 범위이면 특별히 제한되지 않지만, 질소 가스(32)의 가열 온도를 환원 가스(31)의 가열 온도보다 높게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 환원 가스(31)의 가열 온도를 저감할 수 있으므로, 환원 가스(31)에 대한 가열 부하를 보다 저감할 수 있다. 여기서, 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 혼합 가스(30)의 송풍 온도(즉 소정 온도)를 저감할 수 있다. 따라서, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 환원 가스(31)에 대한 가열 부하를 보다 저감할 수 있다. 또한, 상세는 후술하지만, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 질소 가스(32)의 가열 온도의 상승량에 대한 환원 가스(31)의 가열 온도의 저감량이 증가한다. 즉, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 질소 가스(32)의 가열 온도를 약간 상승시키는 것만으로 환원 가스(31)의 가열 온도를 크게 저감시킬 수 있다. 따라서, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 분리 가열의 효과가 커진다. 물론, 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 질소 가스(32)의 첨가량은, 환원 가스(31)의 총 체적에 대하여 90체적％ 이하인 것이 바람직하다.
다음에, 제2 실시 형태에 따른 효과에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명자는, 상술한 수학적 모델을 사용하여 제2 실시 형태에 관한 샤프트로 조업을 시뮬레이션하였다. 또한, 비교를 위해 제1 실시 형태와 마찬가지의 샤프트로 조업, 및 질소 가스(32)를 첨가하지 않는 샤프트로 조업도 시뮬레이션하였다. 또한, 본 시뮬레이션은 제2 실시 형태의 실시예 및 비교예에 상당하는 것이다. 결과를 도 8에 도시한다. 또한, 계산 조건은 표 1과 마찬가지로 하였다. 또한, 환원 가스(31)의 수소 가스 농도는 100체적％로 하였다.
도 8은, 수소 가스의 가열 온도(즉 환원 가스(31)의 가열 온도)(℃)와 질소 가스의 가열 온도(℃)의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 8에서는, 수소 가스 원단위(환원 가스 원단위)는 1620N㎥/t-Fe로 일정하게 되어 있다. 그래프 L10은 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 혼합하여 가열한(즉 제1 실시 형태와 마찬가지의 가열 처리를 행한) 경우의 상기 관계를 나타낸다. 또한, 수소 가스 원단위가 일정한 점에서, 그래프 L10 상의 각 점에서는, 질소 가스(32)의 첨가량이 다르다(도 2 및 도 3 참조). 그래프 L10 상의 점 P1에서는 질소 가스의 첨가량이 제로로 되어 있다. 그래프 L11, L12는 모두 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열한 경우의 수소 가스의 가열 온도(즉 환원 가스(31)의 가열 온도)(℃)와 질소 가스의 가열 온도(℃)의 관계를 나타낸다. 단, 그래프 L11에서는 질소 가스(32)의 첨가량이 330N㎥/t-Fe로 되어 있고, 그래프 L12에서는 질소 가스(32)의 첨가량이 500N㎥/t-Fe로 되어 있다.
수소 가스 원단위가 1620N㎥/t-Fe로 되며, 또한 질소 가스(32)의 첨가량이 330N㎥/t-Fe로 되는 경우, 도 3에서 도시한 바와 같이, 혼합 가스(30)의 송풍 온도는 900℃ 정도로 된다. 따라서, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 혼합하여 가열하는 경우, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)의 가열 온도는 혼합 가스(30)의 송풍 온도와 동일한 900℃로 된다(점 P2).
수소 가스 원단위가 1620N㎥/t-Fe로 되며, 또한 질소 가스(32)의 첨가량이 500N㎥/t-Fe로 되는 경우, 도 3에서 도시한 바와 같이, 혼합 가스(30)의 송풍 온도는 900℃ 이하(수학적 모델에 의한 계산값은 872℃)로 된다. 따라서, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 혼합하여 가열하는 경우, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)의 가열 온도는 혼합 가스(30)의 송풍 온도와 동일한 872℃로 된다(점 P4).
따라서, 송풍 온도 1000℃의 100체적％ 수소 가스를 샤프트로(10)에 취입하는 경우(점 P1)를 기점으로 생각하면, 질소 가스(32)의 첨가량을 330N㎥/t-Fe로 함으로써, 수소 가스 원단위를 증가시키지 않고, 혼합 가스(30)의 송풍 온도를 900℃까지 저감할 수 있다(점 P2). 또한, 그래프 L11이 나타내는 바와 같이, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열함과 함께, 질소 가스(32)의 가열 온도를 1350℃ 정도까지 높임으로써, 환원 가스(31)의 가열 온도를 800℃ 정도까지 저감할 수 있다(점 P3).
또한, 질소 가스(32)의 첨가량을 500N㎥/t-Fe로 함으로써, 수소 가스 원단위를 증가시키지 않고, 혼합 가스(30)의 송풍 온도를 900℃ 이하인 872℃까지 저감할 수 있다(점 P4). 또한, 그래프 L12가 나타내는 바와 같이, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열함과 함께, 질소 가스(32)의 가열 온도를 1080℃ 정도까지 높임으로써, 환원 가스(31)의 가열 온도를 800℃ 정도까지 저감할 수 있다(점 P5).
또한, 그래프 L11과 그래프 L12를 대비하면, 그래프 L12의 기울기는 그래프 L11의 기울기보다 작다. 이것은, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록, 질소 가스(32)의 가열 온도의 상승량에 대한 환원 가스(31)의 가열 온도의 저감량이 증가하는 것을 의미한다.
이상 설명한 바와 같이, 제2 실시 형태에 따르면, 환원 가스(31)와 질소 가스(32)를 개별적으로 가열하므로, 환원 가스(31)의 가열 부하를 보다 저감할 수 있다. 이러한 분리 가열의 효과는, 질소 가스(32)의 가열 온도를 환원 가스(31)의 가열 온도보다 높임으로써 커진다. 또한, 분리 가열의 효과는, 질소 가스(32)의 첨가량이 많을수록 커진다.
<2-1. 변형예>
다음에, 도 9에 기초하여 제2 실시 형태의 변형예를 설명한다. 본 변형예는, 개략적으로는, 제1 실시 형태의 제1 변형예를 제2 실시 형태에 적용한 것이다. 즉, 본 변형예에서는, 노정 가스(40)로부터 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 개별적으로 분리 회수하여, 가열 대상의 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)로서 재이용한다.
구체적으로는, 노정 가스(40)를 분리 회수 장치(60)에 도입하고, 분리 회수 장치(60)에 있어서 노정 가스(40)를 냉각한다. 바람직하게는 추가로 노정 가스(40)를 제진한다. 이에 의해, 노정 가스(40)로부터 수증기를 물(65)로서 제거하고, 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 분리 회수한다. 분리 회수된 가스는 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)의 혼합 가스로 되어 있으므로, 이 혼합 가스에 대하여 수소 가스 분리 처리, 또는 질소 가스 분리 처리를 행한다. 이에 의해, 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)를 개별적으로 분리 회수한다. 여기서, 수소 가스 분리 처리 및 질소 가스 분리 처리로서는, 예를 들어 압력 변동 흡착법(PSA법)(https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj1958/43/12 /43_12_1088/_pdf)을 들 수 있다. 분리 회수된 미반응의 수소 가스(31a)는, 환원 가스용 가열로(51)에 도입되고, 분리 회수된 질소 가스(32)는, 질소 가스용 가열로(52)에 도입된다. 이에 의해, 미반응의 수소 가스(31a) 및 질소 가스(32)가 재이용된다.
또한, 제1 실시 형태의 제1 변형예와 마찬가지로, 질소 가스(32)는 순환계(여기서는 질소 가스용 가열로(52), 샤프트로(10) 및 분리 회수 장치(60)를 연결하는 순환계)에서 소비되지 않는다. 따라서, 원하는 양의 환원철의 생산에 필요한 분의 질소 가스(32)를 일단 이 순환계에 도입하면, 그 후에는 이상적으로는 외부로부터 질소 가스(32)를 도입하지 않아도 된다. 한편, 환원 가스(31)는 샤프트로 내에서 소비되므로, 순환된 수소 가스(31a)만으로는 환원 가스(31)가 부족하다. 그래서, 환원 가스(31)에 대해서는 부족분만큼 외부로부터 공급하면 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 변형예에 따르면, 환원 가스(31) 및 질소 가스(32)를 유효 이용할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하며, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
10: 샤프트로
20: 산화철 원료
30: 혼합 가스
31: 환원 가스
32: 질소 가스
40: 노정 가스
50: 가열로
60: 분리 회수 장치
70: 순환 가스
80: 분기관
85: 연료용 가스
20: 산화철 원료
30: 혼합 가스
31: 환원 가스
32: 질소 가스
40: 노정 가스
50: 가열로
60: 분리 회수 장치
70: 순환 가스
80: 분기관
85: 연료용 가스
Claims (9)
- 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서,
수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 포함하며, 또한 가열된 혼합 가스를 상기 샤프트로에 취입하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법. - 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서,
수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 포함하는 혼합 가스를 가열하는 공정과,
상기 가열된 혼합 가스를 샤프트로에 취입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법. - 제2항에 있어서, 상기 샤프트로의 노정 가스로부터 적어도 미반응의 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스를 분리 회수하는 공정과,
분리 회수된 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스를 상기 혼합 가스의 일부로서 재사용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법. - 제3항에 있어서, 분리 회수된 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스의 일부를, 상기 혼합 가스를 가열할 때의 연료용 가스로서 사용하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법.
- 샤프트로에 장입된 산화철을 환원함으로써 환원철을 제조하는 환원철의 제조 방법으로서,
수소 가스를 90체적％ 이상 함유하는 환원 가스와 질소 가스를 개별적으로 가열하는 공정과,
가열된 상기 환원 가스와 상기 질소 가스를 혼합함으로써, 혼합 가스를 제작하는 공정과,
상기 혼합 가스를 샤프트로에 취입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 질소 가스의 가열 온도를 상기 환원 가스의 가열 온도보다 높게 하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 샤프트로의 노정 가스로부터 적어도 미반응의 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스를 개별적으로 분리 회수하는 공정과,
분리 회수된 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스를 가열 대상의 상기 환원 가스 및 상기 질소 가스로서 재사용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 가스는, 상기 질소 가스를 상기 환원 가스의 90체적％ 이하의 비율로 함유하는 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트로에 취입될 때의 상기 혼합 가스의 온도는 900℃ 이하인 것을 특징으로 하는 환원철의 제조 방법.
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