KR20220162174A - 제철 설비 및 환원철의 제조 방법 - Google Patents

제철 설비 및 환원철의 제조 방법 Download PDF

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KR20220162174A
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코이치 다카하시
스미토 오자와
유키 가와시리
유야 모리타
타이헤이 노우치
미치타카 사토
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

산화철로부터 환원철을 제조할 때에, 에너지 절약화 그리고 CO2 배출량의 삭감이 가능해지는 방도의 실현에 기여하는 제철 설비를 제안한다. 산화철을 환원하는 고로와, 산화철을 환원하는 환원로와, 상기 고로로부터 부생하는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 고로 가스 및/또는 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스 그리고, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 장치와, 상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 상기 고로에 취입하는 취입 장치와, 상기 고로 가스 및/또는 상기 로정 가스 그리고, 상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 가열 또는 가열 개질하여 일산화탄소 가스 및 수소 가스를 포함하는 환원 가스로 하는 가열 개질 장치와, 상기 환원 가스를 상기 환원로에 취입하는 환원 가스 취입 장치와, 상기 로정 가스를 상기 메탄 합성 장치 및/또는 상기 가열 개질 장치로 공급하는 공급 경로를 갖는다.

Description

제철 설비 및 환원철의 제조 방법
본 발명은, 제철 설비 및 당해 제철 설비를 이용하는 환원철의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 지구 환경 문제나 화석 연료 고갈 문제를 배경으로 하여, 여러 가지 분야에 있어서 에너지 절약화 그리고 이산화탄소(CO2)의 배출량 저감이 강하게 요구되고 있다. 이러한 것은, 제철소에 있어서도 예외가 아니며, 제철소의 각 공정에서 에너지 절약화로의 노력이 이루어지고 있다.
그런데, 철의 원료는 주로 산화철이고, 이 산화철을 환원하는, 환원 프로세스가 필수가 된다. 세계적으로 가장 보급되어 있는, 일반적인 환원 프로세스는 고로(blast furnace)이다. 이 고로에서는, 송풍구에 있어서 코크스(coke)나 미분탄과 열풍(1200℃ 정도로 가열한 공기) 중의 산소를 반응시켜 CO 및 H2 가스(환원 가스)를 생성시키고, 이들 환원 가스에 의해 로(furnace) 중의 철광석 등의 환원을 행하고 있다. 최근의 고로 조업 기술의 향상에 의해, 환원재비(용선 1t의 제조당의 코크스 및 미분탄의 사용량)는 500㎏/t 정도까지 저감했지만, 환원재비의 저감은 이미 한계에 도달하고 있어, 이 이상의 대폭적인 환원재비의 저감은 기대할 수 없다.
한편, 천연 가스가 산출되는 지역에서는, 세로형의(vertical) 환원로에 산화철 원료로서 소결광, 펠릿(pellets) 등의 괴성화한 철광석(이하, 산화철이라고 총칭함)을 충전하고, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 환원 가스를 취입하여 산화철을 환원하여 환원철을 제조하는 방법도 잘 이용되고 있다. 이 방법에서는, 환원 가스의 원료 가스로서 천연 가스 등이 이용된다. 원료 가스는, 환원로의 로정(furnace top)으로부터 배출되는 로정 가스와 함께 개질기 내에서 가열·개질되어 환원 가스가 생성된다. 생성된 환원 가스는 환원로에 취입되고, 환원로의 상부로부터 공급되는 산화철 원료와 반응하여, 산화철이 환원되어, 환원철이 된다. 제조된 환원철은 환원로의 하부로부터 배출된다. 또한, 산화철의 환원에 제공한 후의 가스는 환원로의 로정으로부터 로정 가스로서 배출되고, 집진·냉각 후, 일부는 개질 가스의 원료로서 개질기에 보내진다. 또한, 나머지의 로정 가스는, 가열·개질기의 연료 가스로서 이용된다.
상기의 환원철 제조 프로세스로서, 예를 들면 특허문헌 1에는, 환원로의 배기 가스와 천연 가스를 개질기로 개질하여, 주로 CO와 H2 가스로 이루어지는 환원 가스를 생성하고, 이 환원 가스를 환원로에 취입하여 환원로 내의 산화철을 환원하여, 환원철을 제조하는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 코크스로(coke oven) 가스와 CO2 제거한 환원로의 로정 가스를 개질하여 환원 가스를 제조하고, 그것을 환원로에 취입함으로써 환원철을 제조하는 방법이 기재되어 있다.
일본공개특허공보 2017-88912호 일본특허 제6190522호 공보
특허문헌 1에 기재된 환원철 제조 방법에서는, 환원 가스 제조를 위해 천연 가스를 이용하기 때문에, 고로보다는 저위(低位)이긴 하지만, 어느 정도의 CO2 배출을 피할 수 없다는, 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 방법은, 제철소 내에서 생성되는 코크스로 가스 혹은 전로(converter) 가스를 이용하여 환원 가스를 제조하는 것이다. 여기에서, 일관 제철소에 있어서 코크스로 가스나 전로 가스는 가열로나 어닐링로 등의 하(下) 공정의 연료 가스로서 불가결이기 때문에, 환원철 제조 프로세스로 전용해 버리면, 하 공정에 있어서 연료 가스 부족을 일으키게 된다. 그 결과, 결국은 하 공정의 부족 가스 보상을 위해 천연 가스를 외부 공급하게 되어, CO2 배출량의 삭감은 실현되지 않고 과제로서 남는 것이었다.
또한, 특허문헌 2의 방법에서는, 코크스로 가스를 원료로서 개질하여 환원 가스로 하고 있지만, 코크스로 가스에는 황분이 많이 포함되기 때문에, 개질기 등의 반응을 수반하는 설비에 부수되는 촉매를 손상시킬 우려가 있다. 또한, 환원철 제조 프로세스는, H2와 CO의 비를 1.5 전후로 하면 적정한 조업을 할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 전로 가스는 H2 함유량이 적어, 생성된 환원 가스의 H2/CO의 값이 지나치게 낮아지기 때문에, 환원철 프로세스의 조업 적정 조성으로부터 벗어나 버린다. 이를 회피하기 위해서는, 전로 가스에 대하여 CO2 분리를 행할 필요가 있어, 여분의 CO2 분리의 에너지가 필요해져 버리는 문제도 있다.
본 발명은, 상기의 실상을 감안하여 이루어진 것으로서, 산화철로부터 환원철을 제조할 때에, 에너지 절약화의 실현 그리고, CO2 배출량의 삭감이 가능해지는 방도를, 그 실현에 기여하는 제철 설비에 아울러 제안하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은, 종래 기술이 갖고 있는 전술의 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 이하에 서술하는 신규의 제조 설비 그리고 환원철의 제조 방법을 개발하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 요지는, 다음과 같다.
1. 산화철을 환원하는 고로와,
산화철을 환원하는 환원로와,
상기 고로로부터 부생하는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 고로 가스 및/또는 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스 그리고, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 장치와,
상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 상기 고로에 취입하는 취입 장치와,
상기 고로 가스 및/또는 상기 로정 가스 그리고, 상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 가열 또는 가열 개질하여 일산화탄소 가스 및 수소 가스를 포함하는 환원 가스로 하는 가열 개질 장치와,
상기 환원 가스를 상기 환원로에 취입하는 환원 가스 취입 장치와,
상기 로정 가스를 상기 메탄 합성 장치 및/또는 상기 가열 개질 장치로 공급하는 공급 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 제철 설비.
2. 상기 1에 있어서, 상기 공급 경로에, 상기 로정 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 장치를 갖는 제철 설비.
3. 상기 1 또는 2에 있어서, 상기 메탄 합성 장치의 상류측에 상기 고로 가스로부터 이산화탄소 가스를 분리 회수하는 이산화탄소 가스 분리 회수 장치와,
상기 이산화탄소 가스 분리 회수 장치에서 회수된 이산화탄소 가스를 상기 메탄 합성 장치로 공급하는 경로를 갖는 제철 설비.
4. 상기 1, 2 또는 3에 기재된 제철 설비를 사용하는 환원철의 제조 방법으로서,
산화철을 환원로로 충전하는 산화철 충전 공정과,
상기 환원로로 환원 가스를 취입하는 환원 가스 취입 공정과,
이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합 가스 또는 이산화탄소 가스와, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 공정과,
상기 메탄 가스 및 상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 상기 원료 가스를 가열하여 상기 환원 가스로 개질하는 가스 개질 공정과,
상기 환원로 내에서 상기 환원 가스에 의해 상기 산화철을 환원하는 환원 공정
을 갖는 환원철의 제조 방법.
5. 상기 혼합 가스가, 고로로부터 부생되는 고로 가스 및/또는 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 로정 가스인 상기 4에 기재된 환원철의 제조 방법.
6. 상기 메탄 합성 공정에서 합성된 메탄 가스의 일부를 상기 고로에 취입하는 상기 5에 기재된 환원철의 제조 방법.
7. 상기 고로가, 송풍에 산소 가스를 이용하는 고로인 상기 5 또는 6에 기재된 환원철의 제조 방법.
8. 상기 1, 2 또는 3에 기재된 제철 설비를 사용하는 환원철의 제조 방법으로서,
산화철을 환원로로 충전하는 산화철 충전 공정과,
상기 환원로로 환원 가스를 취입하는 환원 가스 취입 공정과,
상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스로부터 이산화탄소를 분리하고, 일산화탄소와 수소를 포함하는 혼합 가스를 회수하는 이산화탄소 분리 공정과,
상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 상기 원료 가스를 가열하여 상기 환원 가스로 하는 가스 가열 공정과,
상기 환원로 내에서 상기 환원 가스에 의해 상기 산화철을 환원하는 환원 공정
을 갖는 환원철의 제조 방법.
9. 상기 원료 가스의 일부에 메탄 가스를 사용하는 상기 8에 기재된 환원철의 제조 방법.
10. 상기 메탄 가스가, 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스의 일부 및/또는 상기 고로로부터 부생하는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 고로 가스의 일부와, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 공정에서 합성된 재생 메탄 가스이고,
상기 재생 메탄 가스의 일부를 상기 고로에 취입하는 상기 9에 기재된 환원철의 제조 방법.
11. 상기 고로가, 송풍에 산소 가스를 이용하는 고로인 상기 10에 기재된 환원철의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 종래 천연 가스를 이용하여 산화철 원료의 환원 가스를 제조하고 있었던 것에 대하여, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합 가스 또는 이산화탄소 가스와, 수소 가스로부터 메탄을 합성하고, 이 메탄 가스 및 상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 이를 가열하여 환원 가스를 제조하고, 이 환원 가스를 산화철의 환원 처리에 제공한다는, 예를 들면 고로 가스를 이용하는 환원철 제조 프로세스가 실현되는 결과, 환원철 제조 프로세스에 있어서의 CO2 배출량을 대폭으로 삭감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 이용하는 환원철 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 이용하는 환원철 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 형태에 이용하는 환원철 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
도 5는 비교예에 이용하는 환원철 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
도 6은 비교예에 이용하는 환원철 제조 설비를 나타내는 개략도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명의 제철 설비의 일 예를 도 1에 나타낸다. 즉, 도 1에 있어서, 부호 1은 환원로, 2는 산화철, 3은 환원철, 4는 환원로(1)로부터의 로정 가스에 대한 제진 장치, 5는 로정 가스의 공급 경로, 6은 후술의 메탄 합성 장치로부터의 메탄 가스 및/또는 일산화탄소 가스를 가열 또는 가열 개질하여 일산화탄소 가스 및 수소 가스를 포함하는 환원 가스로 하는 가열 개질 장치, 7a는 제1 탈수 장치, 7b는 제2 탈수 장치, 7c는 제3 탈수 장치, 8은 로정 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 장치, 9는 로정 가스나 고로 가스와 수소로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 장치, 10은 환원로(1)로 환원 가스를 공급하는 환원 가스 취입 장치이다. 또한, 부호 21은 고로, 22는 메탄 취입 장치(송풍구), 23은 고로측의 탈수 장치, 24는 버너이다.
본 발명의 환원철의 제조 방법은, 이상의 제철 설비를 부분적 또는 전면적으로 이용하여, 여러 가지의 형태에 따라 환원철을 제조하는 것으로, 산화철을 환원로로 충전하는 산화철 충전 공정과, 상기 환원로로 환원 가스를 취입하는 환원 가스 취입 공정과, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합 가스 또는 이산화탄소 가스와 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 공정과, 상기 메탄 가스 및 상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 상기 원료 가스를 가열하여 상기 환원 가스로 개질하는 가스 개질 공정과, 상기 환원로 내에서 상기 환원 가스에 의해 상기 산화철을 환원하는 환원 공정을 갖는 것을 기본으로 하는 것이다. 또한, 여기에서 말하는 환원로란, 투입한 산화철 원료를 고체인 채 환원하고, 당해 환원 후의 철을 배출할 때까지의 프로세스를 가리키며, 고로와 같은 고온 용해시킨 철을 제조하는 프로세스는 포함하지 않는다.
이하에, 본 발명의 환원철의 제조 방법에 대해서 실시 형태마다 상세하게 설명한다.
[제1 실시 형태]
제1 실시 형태에 대해서, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2에는, 도 1에 있어서 제1 실시 형태로서 이용하는 구성을 선택하여 나타내고 있고, 도 1에 나타낸 제철 설비를 이용하고 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에서는, 다음의 순서에 따라 환원철을 제조한다. 우선, 환원철 제조 프로세스의 중심이 되는 환원로(1)에, 상부로부터 산화철(2)을 장입하고, 당해 산화철(2)을 서서히 강하시킨다. 그 산화철(2)의 강하 과정에 있어서, 환원로(1)의 중간부로부터 고온의 CO, H2 및 탄화수소를 포함하는 환원 가스를 환원 가스 취입 장치(10)로부터 취입함으로써 산화철(2)을 환원하고, 환원로(1)의 하부로부터 환원철(3)을 배출한다. 이 환원로(1) 내에서의 환원 처리에 있어서, 환원로(1)의 상부로부터는 주로 CO, CO2, H2 및 H2O를 포함하는 로정 가스가 배출된다. 이 로정 가스는 제진 장치(4)에서 제진되고 나서, 일부는 원료 가스로서 제2 탈수 장치(7b)에서 수분 조정하여 가열 개질 장치(6)에 보내진다. 나머지의 로정 가스는, 제1 탈수 장치(7a)에서 탈수 후, 가열 개질 장치(6)의 연소실에 있어서 가열용 연료로서 이용한다. 또한, 가열 개질 장치(6)의 연소실에서 로정 가스를 연소시킬 때의 조연 가스(combustion-supporting gas)로서는, 질소가 혼입하지 않도록 공기가 아니라 산소 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
가열 개질 장치(6)에 공급하는 로정 가스를 가열 개질 장치(6) 내에 있어서 가열하여 고온의 환원 가스로 하려면, 로정 가스와 함께, 로정 가스 성분(CO, CO2, H2 및 H2O)을 환원 성분(CO, H2 및 탄화수소)으로 조정하기 위한 탄화수소 가스를 가열 개질 장치(6) 내에 공급할 필요가 있다. 이 탄화수소 가스로서, 종래는 천연 가스를 외부로부터 공급하고 있었던 것은 전술과 같지만, 본 발명에 따르는 제1 실시 형태에서는, 천연 가스 등의 외부로부터 공급되는 탄화수소 가스 대신에, 상기한 제철 설비 내에 있어서, 메탄 합성 장치(9)를 이용하여 생성한 재생 메탄 가스(도 1에 있어서 재생 CH4)를 이용하는 것이 중요하다.
여기에서, 메탄 가스를 합성하기 위한 원료는, 외부로부터 공급하는 수소 가스와, CO, CO2 및 탄화수소를 포함하는 가스를 이용한다. CO, CO2 및 탄화수소를 포함하는 가스는, 제철소 내에서 입수 가능한 가스이면 적용 가능하지만, 이 제1 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 가열 개질 장치(6)의 연소실로부터의 연소 배기 가스를 이용한다. 즉, 가열 개질 장치(6)의 연소실에서 로정 가스를 조연 가스로서 바람직하게는 산소 가스와 함께 연소시킬 때에 발생하는, 연소 배기 가스를, 제4 탈수 장치(7d)에서 탈수한 후, 수소와 함께 메탄 합성 장치(9)에 공급하고, 여기에서 메탄 합성을 행한다. 합성된 재생 메탄은, 원료 가스인 로정 가스를 제2 탈수 장치(7b)에서 수분 조정한 가스와 함께, 가열 개질 장치(6) 내에 공급하고, 가열 개질 장치(6) 내에서 가열을 행하여 고온의 환원 가스로서 환원로(1)로 공급한다.
상기 원료 가스로서 이용하는 로정 가스는, 환원 가스의 조성을 적정하게 조정하기 위해 수분 조정을 행하지만, 아울러 이산화탄소 분리 장치(8)에서 CO2 분리를 행해도 좋다. 또한, 환원 가스의 원료 가스에는 재생 메탄 및 로정 가스를 이용하고 있지만, 조성 조정을 위해 물 혹은 수증기를 첨가해도 좋다. 또한, 가열 개질 장치(6)에 있어서는, 촉매 등 반응을 촉진하는 기구를 형성하여 개질 반응을 발생시켜, CO, H2를 주로 하는 개질 가스로 해도 좋고, 혹은 가열 개질 장치 내에서는 가열만을 행하여, 그대로 환원로에 취입해도 좋다. 또한, CO2 분리를 행했을 때는, 분리 후의 CO2 리치한 가스를 메탄 합성 장치(9)의 원료 가스로서 이용할 수 있지만, CO 등의 가연 가스를 포함하는 잔가스는, 가열 개질 장치(6)의 연료 가스로서 이용하거나, 제철소 내의 타 프로세스로 공급하여 연료 가스 등에 이용하면 좋다.
참고로, 재생 메탄의 합성에 이용하는 수소 가스는, 외부로부터 공급하는 CO2 프리의 수소, 예를 들면 태양광 발전 전력으로 물을 전기 분해하여 생성되는 수소 가스 등을 이용하면 좋다. 또한, 가열 개질 장치(6)의 연소실에 있어서 조연 가스로서 이용하는, 상기의 산소 가스는 반드시 산소 농도 100％의 순산소일 필요는 없고, 다소의 산소 이외의 가스, 예를 들면 질소, 이산화탄소, 아르곤 등이 포함되어 있어도 좋다. 단, 산소 농도가 지나치게 낮으면 가스 체적이 증대하여, 가열 개질 장치(6)나 메탄 합성을 행하는 메탄 합성 장치(9)를 대형화하지 않으면 안 되는 문제가 생기기 때문에, 산소 농도를 80％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 제1 실시 형태에서는, 산소 제조나 수소 제조에 CO2 프리의 전력을 이용하면, 원리적으로는 CO2 배출을 제로로 할 수 있다. 참고로, CO2 프리의 전력으로서는, 예를 들면 태양광 발전, 원자력 발전에 의해 발생시킨 전력을 이용하면 좋다.
[제2 실시 형태]
본 발명의 제2 실시 형태를 도 3에 나타낸다. 제2 실시 형태에서는, 환원로(1)로부터 발생한 로정 가스 중, 제1 실시 형태에 있어서 가열 개질 장치(6)의 가열에 이용하고 있던 분(分)을, 탈수 장치(7e)에서 수분 조정하고 나서 메탄 합성 장치(9)에 유입하고, 재생 메탄 가스(도 3에 있어서 재생 CH4)의 원료로 함으로써, 가열 개질 장치(6)에 있어서 필요한 양의 재생 메탄을 합성한다. 이 때, 가열 개질 장치(6)의 가열용 연료가 부족한 것 같으면, 대체로서 외부로부터 CO2 프리의 열원, 예를 들면 CO2 프리 전력을 이용하여 가열하는 외부 열원을 이용하는 것도 가능하다. 이 제2 실시 형태에 있어서, 가열 개질 장치(6)에서의 가열이나 수소 제조에 CO2 프리의 전력을 이용하면, 원리적으로는 CO2 배출을 제로로 할 수 있다.
또한, 이상의 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, CO, CO2, H2, H2O, 탄화수소 이외의 소량의 불요 가스, 예를 들면 퍼지용(purging)의 질소 가스 등이 혼입하면, 환원철 제조 프로세스 내에 불요 가스가 서서히 축적되어 버려, 환원 가스 농도가 저하해 버리는 문제가 일어난다. 따라서, 계 내에서 질소 농도를 정기적으로 감시하여, 어느 정도까지 질소 농도가 상승하면, 예를 들면 질소 농도 20％ 이상이 되면, 일시적으로 메탄 합성 장치(9)에 유입하는 로정 가스 혹은 연소 배기 가스를 계 외로 배출하는 조업을 행하면 좋다. 이 때는 재생 메탄 가스를 생성할 수 없게 되기 때문에, 일시적으로 재생 메탄 가스 대신에 천연 가스 등을 취입하는 조업을 행하는 것도 가능하다.
또한, 메탄 합성의 원료로서 외부로부터 공급되는 수소 가스에 관해서는, CO2를 최대한 발생하지 않는 제법으로 제조하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 물의 전기 분해 등을 이용하면 좋다. 이 때, H2 가스는 반드시 농도 100％의 H2 가스가 아니라도 좋지만, 생성된 재생 메탄 가스 중의 메탄 농도를 높게 유지하기 위해서는 H2 농도가 높을수록 좋다. 바람직하게는, H2 농도가 80체적％ 이상이다.
[제3 실시 형태]
본 발명의 제3 실시 형태에 대해서, 상기한 도 1을 참조하여 설명한다.
제3 실시 형태는, 용선을 제조하는 고로가 있는 제철소에 있어서, 본 발명에 따르는 환원철 제조 프로세스를 병설하는 경우에 유리하게 성립하는 방법이다. 우선, 제3 실시 형태는, 환원철 제조 프로세스로서, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이, 환원로(1)의 로정으로부터 배출되는 로정 가스는, 제진 장치(4)에서 제진되고 나서, 일부는 원료 가스로서 제2 탈수 장치(7b)에서 수분 조정하여 가열 개질 장치(6)에 보내지고, 나머지의 로정 가스는, 제1 탈수 장치(7a)에서 탈수 후, 가열 개질 장치(6)의 연소실에 있어서 가열용 연료로서 이용한다.
여기에서, 제3 실시 형태에서는, 메탄 합성 장치(9)에 있어서의 메탄 합성의 원료로서, 제1 실시 형태에 있어서 이용한 가열 개질 장치(6)로부터의 연소 배기 가스는 이용하지 않고, 제2 실시 형태에 있어서 이용한 로정 가스에 더하여, 고로(21)로부터 배출되는 고로 가스를 이용하는 부분에 특징이 있다. 이하에, 제3 실시 형태에 있어서의, 고로의 조업 방법에 대해서 설명한다.
[고로의 조업 방법]
본 발명의 제3 실시 형태에 따르는 고로의 조업 방법에서는, 고로(21)의 로정부로부터 고로 내로 원료가 되는 소결광이나 괴광석, 펠릿(이하, 광석 원료라고도 함)이나 코크스 등이 장입된다(도시하지 않음). 또한, 고로(21) 하부에 설치된 취입 장치(송풍구)(22)로부터 고로(21) 내로, 송풍 가스와 환원재 및 재생 메탄 가스가 취입된다. 또한, 취입 장치(22)로부터 고로(21) 내로 취입하는 환원재를, 코크스와 구별하기 위해, 취입 환원재라고도 한다.
그리고, 송풍 가스와 환원재의 반응에 의해 생긴 일산화탄소 가스나 수소 가스에 의해, 고로(21) 내에 장입한 광석 원료가 환원된다. 이 광석 원료의 환원 반응에 있어서, 이산화탄소가 발생하고, 광석 원료와 반응하지 않았던 일산화탄소나 수소 등과 함께, 부생 가스로서, 고로의 로정부로부터 배출된다. 고로(21)의 로정부는 2.5기압 정도의 고압 조건이 되어 있기 때문에, 이 고로의 로정부로부터 배출되는 고로 가스(부생 가스(by-product gas))가, 상압으로 되돌아올 때의 팽창 냉각으로 수증기가 응축되기 때문에, 탈수 장치(23)에 있어서, 그 응축수가 제거된다.
이어서, 고로 가스의 적어도 일부를, 상기한 메탄 합성 장치(9)에 도입한다. 그리고, 메탄 합성 장치(9)에 있어서, 고로 가스에 포함되는 일산화탄소 및 이산화탄소와, 수소 가스를 반응시켜, 메탄(CH4) 가스를 생성한다. 여기에서, 고로 가스를 반응시켜 얻은 메탄 가스를, 재생 메탄 가스(도 1에 있어서 재생 CH4)라고 칭한다. 얻어진 재생 메탄 가스를 상온까지 냉각함으로써, 재생 메탄 가스 중의 수증기가 응축되고, 상기의 제3 탈수 장치(7c)에 있어서 부생수가 제거된다. 또한, 전술한 바와 같이, 이 부생수를, 물의 전기 분해 장치에 공급하여, 물의 전기 분해로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 메탄 합성 장치(9)에 공급하는 고로 가스의 적어도 일부는, 고로 가스로부터 배출된 조성인 채가 아니라도 좋다. 예를 들면, 이산화탄소 가스 분리 회수 장치에 의해 이산화탄소를 분리하여, 이산화탄소만을 메탄 합성 장치에 공급하도록 해도 좋다.
이렇게 하여 얻어진 재생 메탄 가스는, 상기한 원료 가스인 로정 가스와 함께 가열 개질 장치(6)에 공급하고, 가열 개질 장치(6) 내에서 가열을 행하여 고온의 환원 가스로서 환원로(1)로 공급한다.
또한, 재생 메탄 가스의 일부는, 취입 장치(22)에 취입 환원재로서 공급하는 것이 바람직하다. 취입 환원재에 재생 메탄 가스를 유용함으로써, 그 외의 취입 환원재, 예를 들면, 미분탄이나 폐플라스틱, 수소 가스나 일산화탄소 가스 등의 환원 가스의 사용량을 억제할 수 있다. 참고로, 취입 환원재의 고로 내로의 취입량은, 재생 메탄 가스 및, 그 외의 취입 환원재의, 합계로 150㎏/t 이하로 하는 것이 적합하다. 여기에서, 「㎏/t」이라는 단위는, 용선 1t을 제조할 때에 고로 내로 취입하는 그 외의 취입 환원재의 양이다.
또한, 재생 메탄 가스의 생성에 사용하는 수소 가스는, 수소 농도: 100체적％의 가스가 아니라도 좋지만, 재생 메탄 가스의 메탄 농도를 고농도로 하기 위해, 수소 농도가 높은 가스, 구체적으로는, 수소 농도가 80체적％ 이상인 수소 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 90체적％ 이상, 더욱 바람직하게는 95체적％ 이상이다. 수소 이외의 잔부 가스로서는, 예를 들면, CO나 CO2, H2S, CH4, N2 등을 들 수 있다.
여기에서, 재생 메탄 가스의 생성 시에 사용하는 수소 가스의 적어도 일부에, 예를 들면 물의 전기 분해 장치에 있어서, 물의 전기 분해에 의해 생성하는 수소 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유는,
·물의 전기 분해에서 사용하는 물에, 재생 메탄 가스를 생성하는 공정에 있어서 부차적으로 생성하는 부생수를 사용할 수 있고,
·또한, 물의 전기 분해에 있어서 부차적으로 생성하는 부생 산소 가스를, 송풍구(22)의 송풍 가스로서 이용하는 산소 가스에 사용할 수 있는 점에서, 이 고로의 조업 조건(송풍 가스로서 산소 가스를 이용하고, 또한, 환원재로서 재생 메탄 가스를 이용함)과 조합함으로써, 매우 고효율인 자원 순환 시스템을 구축하는 것이 가능해지고, 또한, 조업 유연성도 향상하기 때문이다.
또한, 물의 전기 분해에서 사용하는 물에는, 상기한 바와 같이, 부생수를 사용하는 것이 적합하지만, 부족분에 대해서는, 제철소 내로부터, 적절히, 공급하면 좋다.
또한, 부생 산소 가스는, 전량, 송풍 가스로서 이용하는 산소 가스로서 사용하는 것이 적합하지만, 공급량에 따라서, 다른 산소 사용 설비(예를 들면, 전로나 전기로, 연소 기기(가열로 버너나 소결 점화 버너) 등)에 공급해도 좋다.
더하여, 재생 메탄 가스의 생성 시에 사용하는 수소 가스는, 전량, 물의 전기 분해에서 발생하는 수소 가스를 이용하는 것이 적합하지만, 부족분에 대해서는, 외부나 제철소 내의 다른 설비로부터 공급하면 좋다.
제철소 내의 수소 가스의 공급원으로서는, 예를 들면, 코크스로 가스(코크스로로부터 배출되는 부생 가스) 등을 들 수 있다. 코크스로 가스로부터 수소 가스를 공급하는 경우, 코크스로 가스 중의 수소를 PSA(물리 흡착) 등으로 분리 회수하는 방법이나, 코크스로 가스 중의 탄화수소를 개질(부분 산화)하고, 이 개질 가스로부터, 수소를 PSA(물리 흡착) 등으로 분리 회수하는 방법, 등을 들 수 있다.
또한, 외부로부터 공급되는 수소 가스로서는, 예를 들면, 천연 가스 등의 탄화수소를 수증기 개질 등에 의해 개질함으로써 제조되는 수소 가스나, 액화 수소를 기화시켜 얻어지는 수소 가스, 유기 하이드라이드를 탈수소하여 제조되는 수소 가스 등을 들 수 있다.
또한, 물의 전기 분해에서 사용하는 전력으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 재생 가능 에너지 유래의 전력이나 제철소 내의 발전 설비에서 발전한 전력을 사용하는 것이 바람직하다.
재생 가능 에너지 유래의 전력을 사용하는 경우, 이산화탄소의 배출량의 한층의 삭감이 가능해진다. 여기에서, 재생 가능 에너지란, 자연계에 정상적으로 존재하는 에너지로서, 예를 들면, 태양광이나 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등을 들 수 있다.
또한, 제철소 내의 발전 설비에서 발전한 전력을 사용하는 경우, 보다 고효율인 자원 순환 시스템을 구축하는 것이 가능해진다. 여기에서, 제철소 내의 발전 설비로서는, 예를 들면, 고로의 로정압 발전 설비나, 고로 가스를 연료(열원)로 하는 발전 설비를 들 수 있다. 또한, 고로 가스를 연료(열원)로 하는 발전 설비에서는, 고로의 조업 상태에 맞추어, 코크스로 가스나 전로 가스(전로로부터 배출되는 부생 가스), 도시 가스를 연료에 이용할 수 있다.
취입 장치(22)에서는, 재생 메탄 가스 등의 취입 환원재 및 산소 가스가 혼합되고, 이 혼합 가스가, 취입 장치(22)로부터 고로(21) 내에 취입된 직후에, 급속 발화·급속 가스화한다. 그리고, 취입 장치(22)의 끝의 고로 내에, 재생 메탄 가스 등의 취입 환원재나 코크스와 산소 가스가 반응하는 영역인 레이스웨이(raceway)가 형성된다.
또한, 송풍 가스 중의 산소 농도가 증가하면, 로 내 가스량이 적어져, 고로 상부에 있어서의 장입물의 승온이 불충분해지는 경우가 있다. 이 경우에는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 탈수 장치(23)의 하류의 고로 가스의 일부를, 800℃∼1000℃ 정도가 되도록 버너(24)에 의해 부분 연소시킨 후, 고로 샤프트부에 취입하는 예열 가스 취입을 행하는 것이 바람직하다.
여기에서, 제3 실시 형태에 있어서, 취입 장치(22)에는, 송풍 가스로서, 열풍(1200℃ 정도로 가열한 공기)이 아니라, 산소 가스를 사용하는 것이 중요하다.
즉, 송풍 가스로서, 열풍(1200℃ 정도로 가열한 공기)을 사용하는 경우, 연소 가스 중에 연소 반응에 기여하지 않는 50체적％ 정도의 질소가 포함되기 때문에, 레이스웨이에 있어서의 화염의 온도는 고온이 되기 어렵다. 그 때문에, 고로 내에 취입하는 환원재의 대부분을 미분탄으로부터 메탄 가스로 치환하면, 상기한 미분탄-산소의 반응에 있어서의 반응열과, 메탄 가스-산소의 반응에 있어서의 반응열의 차이에 의해, 취입 장치(22)의 송풍구 끝 온도가 저하하여, 송풍구 끝 온도가 적정 온도의 하한인 2000℃를 하회해 버린다. 그 결과, 고로 하부의 착열 부족이나 압손(pressure loss) 상승, 출재(出滓) 불량(tapping failure) 등의 조업 트러블을 초래한다. 또한, 고로 가스에 질소가 다량으로 포함되게 되기 때문에, 고로 가스로부터 메탄 가스를 생성하는 공정의 전(前) 공정에서, 질소와, 일산화탄소 및 이산화탄소를 분리하는 공정이 필요해진다.
한편, 송풍 가스로서, 산소 가스를 사용함으로써, 연소 반응에 기여하지 않는 질소 가스의 혼입을 억제할 수 있기 때문에, 송풍구 끝 온도를 충분한 온도까지 승온하는 것이 가능해진다. 즉, 레이스웨이에 있어서의 화염의 온도를, 열풍을 사용하는 경우와 비교하여 고온으로 할 수 있기 때문에, 송풍구로부터 환원재로서 다량의 메탄을 취입하는 경우에도, 송풍구 끝 온도를 적정 범위인 2000℃∼2400℃의 범위로 제어하는 것이 가능해진다.
그 때문에, 제3 실시 형태에 있어서의 고로의 조업 방법에서는, 송풍 가스로서, 산소 가스를 사용하는 것이 중요해진다.
또한, 전술한 바와 같이, 물의 전기 분해에 있어서, 부차적으로 생성하는 부생 산소 가스를, 송풍 가스로서 이용하는 산소 가스로서 사용하는 것이 적합하고, 이에 따라, 고효율인 자원 순환 시스템을 구축하는 것이 가능해진다. 또한, 부생 산소 가스 이외의 산소 가스는, 예를 들면, 심냉식 공기 분리 장치(cryogenic air separator)에 의해 제조할 수 있다.
또한, 산소 가스의 산소 농도는, 80체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 산소 가스 농도가 낮으면, 고로 내로의 도입하는 가스량, 나아가서는, 고로의 압력 손실이 증대하여, 생산성이 저하할 우려가 있다. 또한, 상기의 가스 순환을 반복하는 동안에, 재생 메탄 가스 중의 메탄 가스의 농도가 상대적으로 저하한다. 그 때문에, 산소 가스에 있어서의 산소 농도는 80체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 90체적％ 이상, 더욱 바람직하게는 95체적％ 이상이다. 특히, 산소 농도가 90％ 이상이면, 통상의 고로의 조업 기간을 초과하여 조업하는 경우에도, 외부 메탄 가스의 공급 등 없이, 재생 메탄 가스 중의 메탄 가스 농도를 고농도(90체적％ 정도)로 유지할 수 있기 때문에, 매우 유리하다. 산소 농도는 100체적％라도 좋다.
또한, 산소 가스 중의 산소 이외의 잔부 가스로서는, 예를 들면, 질소나 이산화탄소 등이 포함되어 있어도 좋지만, 질소는 최대한 낮은 쪽이 좋다. 즉, 일반적인 고로의 고로 가스에서는 약 50체적％의 질소 가스가 포함되어 있기 때문에, 재생 메탄 가스 중의 메탄 농도가 낮아질 가능성이 있어 바람직하지 않다. 이 점, 산소 가스를 송풍하는 고로로부터 배출되는 고로 가스는, 질소 농도가 거의 제로가 되어, 거의 CO, CO2 및 H2의 조성이 되기 때문에, 메탄 합성에 적합하다.
또한, 재생 메탄 가스의 일부를 취입 메탄 가스로서 이용하는 경우, 메탄 농도는 80체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 재생 메탄 가스가 부족한 경우는, 외부로부터의 메탄 가스를 사용해도 좋다.
즉, 취입 메탄 가스 중의 메탄 농도가 낮으면, 고로 내로의 취입하는 가스량, 나아가서는, 고로의 압력 손실이 증대하여, 생산성이 저하할 우려가 있다. 또한, 상기한 가스 순환을 반복하는 동안에, 재생 메탄 가스 중의 메탄 농도가 상대적으로 저하한다. 그 때문에, 취입 메탄 가스의 메탄 농도는, 80체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 90체적％ 이상, 더욱 바람직하게는 95체적％ 이상이다. 취입 메탄 가스의 메탄 농도는 100체적％라도 좋다.
마찬가지의 이유에서, 재생 메탄 가스(및 외부 메탄 가스)의 메탄 농도도, 80체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 90체적％ 이상, 더욱 바람직하게는 95체적％ 이상이다. 재생 메탄 가스(및 외부 메탄 가스)의 메탄 농도는 100체적％라도 좋다.
또한, 취입 메탄 가스, 재생 메탄 가스(및 외부 메탄 가스) 중의 메탄 이외의 잔부 가스로서는, 예를 들면, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 탄화수소, 그리고, 질소 등의 불순물 가스가 포함되어 있어도 좋다.
또한, 재생 메탄 가스의 메탄 농도가 저하한 경우에는, 예를 들면, 취입 메탄 가스에 있어서의 재생 메탄 가스의 비율을 저하시키는 한편, 메탄 농도가 높은 외부 메탄 가스의 비율을 증가시킴으로써, 취입 메탄 가스 중의 메탄 농도를 높게 유지하는 것이 가능하다.
이상에서 서술한 제3 실시 형태에서는, 제조된 환원철(3)을 고로(21)에 원료로서 공급할 수 있다. 그 결과, 고로의 환원재비를 삭감할 수 있고, 더 한층의 CO2 삭감을 행하는 것도 가능하다. 또한, 이 제3 실시 형태에 있어서도, 제1 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 환원철 제조 프로세스의 CO2 배출량은 원리적으로 제로로 할 수 있는 데에 더하여, 고로로부터의 CO2도 재생 메탄 가스로서 재이용되기 때문에, 고로로부터의 CO2 배출도 삭감할 수 있는 이점이 있다.
[제4 실시 형태]
제4 실시 형태에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에는, 도 1에 있어서 제4 실시 형태로서 이용하는 구성을 선택하여 나타내고 있고, 도 1에 나타낸 제철 설비를 이용하고 있다.
본 발명의 제4 실시 형태에서는, 다음의 순서에 따라 환원철을 제조한다. 우선, 환원철 제조 프로세스의 중심이 되는 환원로(1)에, 상부로부터 산화철(2)을 장입하고, 당해 산화철(2)을 서서히 강하시킨다. 그 산화철(2)의 강하 과정에 있어서, 환원로(1)의 중간부로부터 고온의 CO 및 H2 및 탄화수소를 포함하는 환원 가스를 환원 가스 취입 장치(10)로부터 취입함으로써 산화철(2)을 환원하고, 환원로(1)의 하부로부터 환원철(3)을 배출한다. 이 환원로(1) 내에서의 환원 처리에 있어서, 환원로(1)의 상부로부터는 주로 CO, CO2, H2 및 H2O를 포함하는 로정 가스가 배출된다. 이 로정 가스는 제진 장치(4)에서 제진되고 나서, 일부는 원료 가스로서 이산화탄소 분리 장치(8)에서 이산화탄소를 분리 후, 제2 탈수 장치(7b)에서 수분 조정하여 가열 개질 장치(6)에 보내진다. 나머지의 로정 가스는, 제1 탈수 장치(7a)에서 탈수 후, 가열 개질 장치(6)의 연소실에 있어서 가열용 연료로서 이용한다. 또한, 원료 가스에는 환원로(1)로부터 배출되는 로정 가스에 더하여 고로(21)로부터 배출되는 고로 가스를 사용할 수 있다.
이어서, 가열 개질 장치(6)에 공급하는 로정 가스를, 합성된 재생 메탄과 함께 가열 개질 장치(6) 내에 있어서 가열하여 고온의 환원 가스로 한다.
상기 원료 가스로서 이용하는 로정 가스 및 고로 가스는, 환원 가스의 조성을 적정하게 조정하기 위해 수분 조정을 행하지만, 아울러 이산화탄소 분리 장치(8)에서 CO2 분리를 행해도 좋다. 또한, 환원 가스의 원료 가스에는 재생 메탄, 로정 가스 및 고로 가스를 이용하고 있지만, 조성 조정을 위해 물 혹은 수증기를 첨가해도 좋다. 또한, 가열 개질 장치(6)에 있어서는, 촉매 등 반응을 촉진하는 기구를 형성하여 개질 반응을 발생시켜, CO, H2를 주로 하는 개질 가스로 해도 좋고, 또한 가열 개질 장치 내에서는 가열만을 행하여, 그대로 환원로에 취입해도 좋다.
또한, 고로의 조업은 제3 실시 형태와 동일하다. 고로 가스의 적어도 일부를, 상기한 메탄 합성 장치(9)에 도입하고, 메탄 합성 장치(9)에 있어서, 고로 가스에 포함되는 일산화탄소 및 이산화탄소와, 수소 가스를 반응시켜, 재생 메탄 가스를 생성한다. 재생 메탄 가스는, 가열 개질 장치(6)에 원료 가스와 함께 공급되고, 가열 개질 장치(6)에서 환원 가스로 한다. 남은 재생 메탄 가스는, 고로의 환원재로서 송풍구로부터 취입해도 좋다.
또한, 도 4의 설비에 있어서, 메탄 합성 장치(9)의 상류측에 고로 가스로부터 이산화탄소 가스를 분리 회수하는 이산화탄소 가스 분리 회수 장치와, 이 이산화탄소 가스 분리 회수 장치에서 회수된 이산화탄소 가스를 메탄 합성 장치(9)로 공급하는 경로를, 추가로 형성함으로써, 일산화탄소, 수소 등의 연료 성분을 포함하는 이산화탄소 가스 분리 회수 장치의 잔가스를 취출하여, 제철소 내의 타 공정, 예를 들면 코크스로나 발전소의 연료로서 이용할 수 있다. 즉, 제철소 내로의 에너지 공급을 행하면서, 본 발명을 실시하는 것도 가능하다.
참고로, 재생 메탄의 합성에 이용하는 수소 가스는, 외부로부터 공급하는 CO2 프리의 수소, 예를 들면 태양광 발전 전력으로 전기 분해하여 생성되는 수소 가스 등을 이용하면 좋다. 또한, 가열 개질 장치(6)의 연소실에 있어서 조연 가스로서 이용하는, 상기의 산소 가스는 반드시 산소 농도 100％의 순산소일 필요는 없고, 다소의 산소 이외의 가스, 예를 들면 질소, 이산화탄소, 아르곤 등이 포함되어 있어도 좋다. 단, 산소 농도가 지나치게 낮으면 가스 체적이 증대하여, 가열 개질 장치(6)나 메탄 합성을 행하는 메탄 합성 장치(9)를 대형화하지 않으면 안 되는 문제가 생기기 때문에, 산소 농도를 80％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 제1 실시 형태에서는, 산소 제조나 수소 제조에 CO2 프리의 전력을 이용하면, 원리적으로는 CO2 배출을 제로로 할 수 있다. 참고로, CO2 프리의 전력으로서는, 예를 들면 태양광 발전, 원자력 발전에 의해 발생시킨 전력을 이용하면 좋다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 또한, 여기에서는, 환원철(DRI) 1t 제초당의 원단위로서 조업 제원을 기재한다. 예를 들면, 3000t/일의 환원철 플랜트를 생각하는 경우는, 하기를 3000배 하면 1일당의 제원이 된다.
[발명예 1]
도 2에 개략적으로 나타낸 환원철 제조 설비를 이용하여, 다음에 나타내는 환원로 조업을 행했다. 즉, 환원로(1)의 상부로부터 산화철(2)로서 1394㎏/t의 소결광을 장입하고, 로(1)의 중간부로부터는 800℃로 가열한 고온 환원 가스 2200N㎥/t(H2: 62체적％, CO: 38체적％)의 취입을 행했다. 이 때, 로(1)의 상부로부터는 2200N㎥/t(H2: 46체적％, CO: 29체적％, CO2: 10체적％, H2O: 15체적％)의 로정 가스가 배출되었다. 이 로정 가스를 제진한 후, 1501N㎥/t을 원료 가스로서, 나머지의 699N㎥/t을 가열 개질 장치(6)의 가열 연료 가스로서 이용했다. 원료 가스로 하는 로정 가스는, 수분 조정을 위해 86㎏/t의 물을 제거한 후, 가열 개질 장치(6)에 도입했다. 한편, 가열 연료 가스로 하는 로정 가스는, 탈수 후, 가열 개질 장치(6)의 연소실에서, CO2 프리 전력으로 구동하는 심냉 분리 프로세스에 의해 생성된 순산소를 이용하여 연소시켰다. 그리고, 가열 개질 장치(6)의 연소실로부터의 배기 가스를 전량 회수하고, 이것을 탈수한 연소 배기 가스 269N㎥/t(CO2: 100체적％)은 메탄 합성 장치(9)에 송급했다. 추가로 메탄 합성 장치(9)에는, CO2 프리 전력에 의한 전기 분해로 생성한 수소 1075N㎥/t을 더하여 재생 메탄 가스 269N㎥/t을 합성했다. 그리고, 합성된 재생 메탄 가스는 상기 원료 가스로 하는 로정 가스와 함께 가열 개질 장치(6)에 유입되어, 환원 가스의 원료로서 이용했다.
이상의 조업에서는, CO2 프리 전력에 의한 수소 이외의 에너지원을 외부로부터 공급하는 일은 없기 때문에, CO2 배출량은 제로였다.
[발명예 2]
도 3에 개략적으로 나타낸 환원철 제조 설비를 이용하여, 다음에 나타내는 환원로 조업을 행했다. 즉, 환원로(1)에 장입하는 소결광, 환원로(1)에 취입하는 환원 가스, 로정으로부터 배출되는 로정 가스 및, 원료 가스의 조건은, 상기한 발명예 1과 동일하다. 원료 가스에 제공한 나머지의 로정 가스 699N㎥/t은, 탈수한 후, 메탄 합성의 원료로서 메탄 합성 장치(9)에 송급했다. 추가로 메탄 합성 장치(9)에, CO2 프리 전력에 의한 전기 분해로 생성된 수소 551N㎥/t을 더하여, 재생 메탄 가스 269N㎥/t을 합성했다. 합성된 재생 메탄 가스는 가열 개질 장치(6)에 유입하여, 환원 가스의 원료로서 이용했다. 그 때, 가열 개질 장치(6)의 가열용 연료가 공급되지 않게 되기 때문에, 그 대신에 CO2 프리 전력을 외부로부터 공급하여, 전기 가열을 행했다.
이상의 조업에서는, CO2 프리 전력에 의한 수소 및 전기 가열 이외의 에너지원을 외부로부터 공급하는 일은 없기 때문에, CO2 배출량은 제로였다.
[발명예 3]
도 1에 개략적으로 나타낸 제철 설비를 이용하여, 다음에 나타내는 고로 그리고 환원로의 조업을 행했다. 즉, 상기의 발명예 2와 유사한 환원철 제조 프로세스이지만, 메탄 합성 장치(9)에는 로정 가스에 더하여 고로 가스를 이용하는, 사례이다. 고로(21)에서는, 고로 가스를 질소 레스(nitrogen-free)로 하기 위해, 송풍 가스를 순산소로 했다. 이 조건에 있어서 발생하는 고로 가스 중, 242N㎥/t(H2: 24체적％, CO: 33체적％, CO2: 43체적％)을, 로정 가스 220N㎥/t 및 CO2 프리 전력에 의한 전기 분해로 생성된 수소 772N㎥/t과 함께 메탄 합성을 위한 메탄 합성 장치(9)에 유입했다. 메탄 합성 장치(9)에서는 269N㎥/t의 재생 메탄 가스가 생성되고, 이 재생 메탄 가스는 원료 가스로 하는 로정 가스와 함께 가열 개질 장치(6)에 유입되어, 환원 가스의 원료로서 이용했다. 또한, 재생 메탄 가스의 일부는, 고로(21)의 취입 장치(22)에 취입 환원재로서 송급했다. 가열 개질 장치(6)의 연소실에는, 환원로의 로정 가스의 일부를 연료로서 연소시키지만, 이 배기 가스는 회수하지 않았다. 또한, 가열 개질 장치의 연료 가스가 부족한 분은, 도시하고 있지 않지만 CO2 프리 전력을 외부로부터 공급하여, 전기 가열을 행했다.
상기의 조업에 의하면, 메탄 합성을 위한 메탄 합성 장치(9)에 투입되는 수소 가스는 CO2 프리 전력에 의한 것이었기 때문에, 수소 제조에 있어서 CO2는 발생하지 않는다. 또한, 가열 개질 장치(6)의 연소 배기 가스는 계 외로 배출되기 때문에, 여기에서 362㎏/t의 CO2가 발생했지만, 동시에 고로 가스의 일부를 회수하여 재생 메탄 가스로서 재이용하고 있는 점에서, 고로(21)로부터의 CO2를 362㎏/t 삭감하는 것에 성공하고 있다. 따라서, 기설(旣設)의 고로가 있는 제철소에 본 발명에 따르는 환원철 제조 프로세스를 부가한 경우는, 발명예 3의 조업의 적용에 의해 CO2의 총 배출량은 차인하여 제로(zero)가 되고, 환원철은 실질 CO2 배출량 제로에서의 제조를 실현했다. 또한, 본 발명에 의해 환원철 제조 프로세스에서 사용한 만큼, 고로 가스의 소(所) 내 공급분이 감소하지만, 고로 가스는 칼로리가 낮기 때문에 하 공정 프로세스의 가열로 등에서는 거의 이용되지 않고, 발전 용도가 주요하다. 따라서, 제철소 내의 공급 고로 가스 부족에 수반하는 전력 부족분은 CO2 프리 전력으로 보충하면, CO2의 증가를 초래하는 일 없이 제철소의 운용이 가능하다.
또한, 재생 메탄 가스의 일부는, 고로(21)의 송풍구(22)에 취입 환원재로서 송급한 결과, 송풍구로부터 취입하는 미분탄을 삭감할 수 있어, 더 한층의 CO2 삭감이 되었다.
또한, 상기한 환원철 제조 프로세스에서 얻어진 환원철을 고로(21)에 원료로서 장입하여 고로 조업을 행한 결과, 고로에 있어서의 코크스 사용량을 삭감할 수 있어, 더 한층의 CO2 삭감 효과가 얻어졌다.
[비교예 1]
도 5에 나타내는 환원철 제조 설비를 이용하는, 일반적인 환원로 조업을 행했다. 이 일반적인 환원로 조업은, 상기한 발명예 1에 있어서, 원료 가스로 하는 로정 가스에 더하는 원료를 재생 메탄 가스가 아니라 천연 가스로 하는 비교예 1이다. 즉, 환원로(1)의 중간부로부터 800℃로 가열한 고온 환원 가스 2200N㎥/t(H2: 62체적％, CO: 38체적％)을 취입하여, 환원로 조업을 행했다. 이 때, 로 상부로부터는 2200N㎥/t(H2: 46체적％, CO: 29체적％, CO2: 10체적％, H2O: 15체적％)의 로정 가스가 배출되었다. 이 로정 가스를 제진한 후, 1501N㎥/t을 원료 가스로, 나머지의 699N㎥/t을 가열 개질 장치(6)의 가열 연료 가스로서 이용했다. 원료 가스로서는 수분 조정을 위해 86㎏/t의 물이 제거되고, 가열 개질 장치(6)에 보냈다. 가열 연료 가스는, 탈수 후, 가열 개질 장치(6)의 연소실에서 공기로 연소되어, 연소 배기 가스는 대기 방산했다. 가열 개질 장치(6)에서는, 상기 프로세스 가스와 함께 천연 가스 269N㎥/t이 유입되어, 환원 가스를 제조했다.
이상의 조업에 있어서, 가열 개질 장치(6)의 연소 배기 가스로서 방출되는 CO2를 환산하면, 528㎏－CO2/t이 되어, CO2의 배출을 억제할 수 없었다.
[비교예 2]
도 6에 나타내는 환원철 제조 설비를 이용하는, 일반적인 환원로 조업을 행했다. 이 일반적인 환원로 조업은, 상기한 발명예 1에 있어서, 원료 가스로 하는 로정 가스에 더하는 원료를 재생 메탄 가스가 아니라 코크스로 가스로 하는 비교예 2이다. 즉, 비교예 2는, 비교예 1에 있어서, 천연 가스 대신에 524N㎥/t의 코크스로 가스를 가열 개질 장치(6)에 유입함으로써 환원철을 제조하는 것이다. 따라서, 비교예 1과 마찬가지로, 가열 개질 장치(6)의 연소 배기 가스로서 방출되는 CO2를 환산하면, 456kg－CO2/t이 되지만, 이는 제철소 내에서 발생한 코크스로 가스의 일부를 환원철 프로세스에 유용한 것이기 때문에, 코크스로측의 CO2 배출도 456kg－CO2/t 감소하고 있어, 제철소로서는 차인하여 제로가 된다. 그러나, 코크스로 가스는 고로 가스와는 달리 하 공정에서 프로세스 가스로서 이용되고 있는 것이기 때문에, CO2 프리 전력이나 CO2 프리 전력을 이용한 수전해에 의해 얻어지는 수소에 의해 대체할 수는 없다. 따라서, 비교예 2의 방법에서는 하 공정에서 284N㎥/t의 외부 메탄(천연 가스 등)을 도입할 필요가 있다. 이에 따라 제철소 전체적으로 보면 557㎏/t의 CO2 배출 증가가 되는 계산이 되어, CO2의 배출을 억제할 수 없었다. 또한, 코크스로 가스는 황을 다량으로 포함하고 있고, 가열 개질 장치의 안에 형성한 반응 촉진용 촉매는 황에 약하기 때문에, 추가로 대규모의 탈황 설비도 형성할 필요가 있었다.
또한, 이 비교예 2에서 사용한 코크스로 가스는, 일관 제철소에 있어서 하 공정 프로세스의 연료, 예를 들면 가열로의 버너 연료 등에 이용되는 중요한 프로세스 가스이기 때문에, 환원철 프로세스에서 다량으로 사용해 버리면 하 공정의 연료가 부족해져 버리는 문제가 일어난다. 10000t/일의 고로를 갖는 제철소에 있어서 사용되는, 코크스를 제조할 때에 발생하는 코크스로 가스는 169만N㎥/일이 된다. 환원철의 제조량을 3000t/일로 하면, 본 발명의 환원철 제조 프로세스에서 소비되는 코크스로 가스는 157만N㎥/t이고, 발생하는 코크스로 가스의 거의 전량을 전부 사용해 버리게 된다. 따라서, 비교예 2의 방법은 실제의 제철소에 적용하는 것은 불가능하다.
1 : 환원로
2 : 산화철
3 : 환원철
4 : 제진 장치
5 : 공급 경로
6 : 가열 개질 장치
7a : 제1 탈수 장치
7b : 제2 탈수 장치
7c : 제3 탈수 장치
7d : 제4 탈수 장치
8 : 이산화탄소 분리 장치
9 : 메탄 합성 장치
10 : 환원 가스 취입 장치
21 : 고로
22 : 취입 장치
23 : 고로측의 탈수 장치
24 : 버너

Claims (11)

  1. 산화철을 환원하는 고로와,
    산화철을 환원하는 환원로와,
    상기 고로로부터 부생하는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 고로 가스 및/또는 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스 그리고, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 장치와,
    상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 상기 고로에 취입하는 취입 장치와,
    상기 고로 가스 및/또는 상기 로정 가스 그리고, 상기 메탄 합성 장치에서 합성된 메탄 가스를 가열 또는 가열 개질하여 일산화탄소 가스 및 수소 가스를 포함하는 환원 가스로 하는 가열 개질 장치와,
    상기 환원 가스를 상기 환원로에 취입하는 환원 가스 취입 장치와,
    상기 로정 가스를 상기 메탄 합성 장치 및/또는 상기 가열 개질 장치로 공급하는 공급 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 제철 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급 경로에, 상기 로정 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 장치를 갖는 제철 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메탄 합성 장치의 상류측에 상기 고로 가스로부터 이산화탄소 가스를 분리 회수하는 이산화탄소 가스 분리 회수 장치와,
    상기 이산화탄소 가스 분리 회수 장치에서 회수된 이산화탄소 가스를 상기 메탄 합성 장치로 공급하는 경로를 갖는 제철 설비.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 기재된 제철 설비를 사용하는 환원철의 제조 방법으로서,
    산화철을 환원로로 충전하는 산화철 충전 공정과,
    상기 환원로로 환원 가스를 취입하는 환원 가스 취입 공정과,
    이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합 가스 또는 이산화탄소 가스와, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 공정과,
    상기 메탄 가스 및 상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 상기 원료 가스를 가열하여 상기 환원 가스로 개질하는 가스 개질 공정과,
    상기 환원로 내에서 상기 환원 가스에 의해 상기 산화철을 환원하는 환원 공정을 갖는 환원철의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혼합 가스가, 고로로부터 부생되는 고로 가스 및/또는 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 로정 가스인 환원철의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메탄 합성 공정에서 합성된 메탄 가스의 일부를 상기 고로에 취입하는 환원철의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 고로가, 송풍에 산소 가스를 이용하는 고로인 환원철의 제조 방법.
  8. 제1항, 제2항 또는 제3항에 기재된 제철 설비를 사용하는 환원철의 제조 방법으로서,
    산화철을 환원로로 충전하는 산화철 충전 공정과,
    상기 환원로로 환원 가스를 취입하는 환원 가스 취입 공정과,
    상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스로부터 이산화탄소를 분리하고, 일산화탄소와 수소를 포함하는 혼합 가스를 회수하는 이산화탄소 분리 공정과,
    상기 혼합 가스를 원료 가스로 하여, 상기 원료 가스를 가열하여 상기 환원 가스로 하는 가스 가열 공정과,
    상기 환원로 내에서 상기 환원 가스에 의해 상기 산화철을 환원하는 환원 공정을 갖는 환원철의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원료 가스의 일부에 메탄 가스를 사용하는 환원철의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메탄 가스가, 상기 환원로의 로정으로부터 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 로정 가스의 일부 및/또는 상기 고로로부터 부생하는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소를 포함하는 고로 가스의 일부와, 수소 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 공정에서 합성된 재생 메탄 가스이고,
    상기 재생 메탄 가스의 일부를 상기 고로에 취입하는 환원철의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고로가, 송풍에 산소 가스를 이용하는 고로인 환원철의 제조 방법.
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