KR20230017022A - 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고로의 내부에서 바이오매스 연료의 분포 위치를 제어할 수 있는 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법에 관한 것으로서, 고로의 반경방향으로 분획된 노치(Notch)를 따라 구분되는 상기 고로의 중간부와 노벽부에 제 1 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께의 제 1 코크스층이 분포되도록 제 1 코크스 프로파일을 형성하는 제 1 코크스 장입 단계와, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 서로 다른 입자 크기를 가지는 복수의 철광석층이 분포될 수 있도록, 복수의 철광석 프로파일을 형성하는 철광석 장입 단계 및 상기 고로의 중심부에 제 2 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중심부에 산형의 제 2 코크스층이 분포되도록 제 2 코크스 프로파일을 형성하는 제 2 코크스 장입 단계를 포함하고, 상기 철광석 장입 단계에서 분포되는 상기 복수의 철광석층은, 제 1 입자 크기를 가지는 제 1 철광석과 바이오매스 연료가 혼합되어, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께로 분포되는 혼합층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법에 관한 것으로서, 고로의 내부에서 바이오매스 연료의 분포 위치를 제어할 수 있는 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법에 관한 것이다.
고로는 철광석을 녹여 용선(선철)을 제조하는 설비이다. 일반적으로, 고로 공정은, 노정벙커에서 원료인 철광석과 연료인 코크스를 선회 슈트를 이용하여 주변부에서 중심부로, 즉, 슈트를 위에서 아래 방향으로 교대로 장입하고 고로 하부의 풍구로부터 고온의 열풍을 보조연료인 미분탄과 함께 불어넣어 공정이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석 중의 산소를 제거하고 용해시켜 용선을 제조하는 제선 공정은, 공정 시 다량의 이산화탄소가 발생하게되는데, 최근 철강 탄소중립정책에 의해 탄소중립재인 바이오매스(반탄화 우드펠렛)를 활용하여 강도와 반응성이 우수한 연료로 제조하여 제선 공정에 투입함으로써, 이산화탄소 발생량을 저감시킬 수 있는 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.
이러한, 바이오매스를 활용한 바이오매스 연료는, 고로 내 반응성이 우수하여 저온에서 코크스의 반응을 촉진시킬 수 있으며, 가스 조성을 산화성으로 제어하여 환원제비 저감을 이룰 수 있다. 상기 환원제비가 저감되면 코크스 사용량이 감소하여 이산화탄소 발생량도 저감되는 효과를 가질 수 있다.
그러나, 종래의 제선 공정에서 고로에 바이오매스 연료를 투입하더라도 바이오매스 연료의 투입이 효율적으로 이루어지지 않으면 바이오매스 연료의 환원 반응 효과가 원활하게 이루어지지 않아 이산화탄소 발생량 저감 효과가 충분히 발생하지 않는 문제점이 일어날 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고로 내부에서 바이오매스 연료의 환원 반응 효과를 극대화할 수 있도록, 바이오매스 연료를 포함한 고로 상부의 장입물 분포를 제어할 수 있는 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법이 제공된다. 상기 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법은, 용선(Hot metal)을 제조하는 고로(Blast furnace)의 상측에 설치되어, 노정벙커에서 공급받은 장입물을 분사하는 선회 슈트(Chute)로부터 상기 고로의 상부에 장입되는 상기 장입물의 분포 프로파일을 제어하는 방법에 있어서, 상기 고로의 반경방향으로 분획된 노치(Notch)를 따라 구분되는 상기 고로의 중간부와 노벽부에 제 1 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께의 제 1 코크스층이 분포되도록 제 1 코크스 프로파일을 형성하는 제 1 코크스 장입 단계; 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 서로 다른 입자 크기를 가지는 복수의 철광석층이 분포될 수 있도록, 복수의 철광석 프로파일을 형성하는 철광석 장입 단계; 및 상기 고로의 중심부에 제 2 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중심부에 산형의 제 2 코크스층이 분포되도록 제 2 코크스 프로파일을 형성하는 제 2 코크스 장입 단계;를 포함하고, 상기 철광석 장입 단계에서 분포되는 상기 복수의 철광석층은, 제 1 입자 크기를 가지는 제 1 철광석과 바이오매스 연료가 혼합되어, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께로 분포되는 혼합층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철광석 장입 단계는, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 상기 제 1 철광석과 상기 바이오매스 연료의 혼합물을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 제 1 코크스 프로파일의 상부를 따라 상기 혼합층이 분포될 수 있도록, 혼합물 프로파일을 형성하는 혼합물 장입 단계; 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 상기 제 1 입자 크기 보다 큰 제 2 입자 크기를 가지는 제 2 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합물 프로파일의 상부를 따라 제 2 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 2 철광석 프로파일을 형성하는 제 2 철광석 장입 단계; 및 상기 고로의 상기 노벽부에 상기 제 1 입자 크기 보다 작은 제 3 입자 크기를 가지는 제 3 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 노벽부에서 상기 제 2 철광석 프로파일의 상부를 따라 제 3 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 3 철광석 프로파일을 형성하는 제 3 철광석 장입 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합물 장입 단계에서, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합층의 두께가 균일하게 형성될 수 있도록 상기 혼합물 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합물 장입 단계에서, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합층의 두께가 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 두껍게 형성될 수 있도록 상기 혼합물 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 철광석 장입 단계에서, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 분포된 상기 제 2 철광석층의 두께가, 상기 제 3 철광석층과 중첩된 구간에서 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 얇아질 수 있도록 상기 제 2 철광석 프로파일을 형성하고, 상기 제 3 철광석 장입 단계에서, 상기 고로의 상기 노벽부에서 상기 제 2 철광석층과 중첩되도록 분포된 상기 제 3 철광석층의 두께가, 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 두꺼워질 수 있도록 상기 제 3 철광석 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 3 철광석 장입 단계에서, 상기 고로의 상기 노벽부에서 중첩되도록 형성된 상기 제 2 철광석층과 상기 제 3 철광석층의 두께의 합이 균일한 두께로 분포될 수 있도록, 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 얇아지는 상기 제 2 철광석층의 두께의 변화량 만큼 상기 제 3 철광석층의 두께가 점점 두꺼워질 수 있도록 상기 제 3 철광석 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 코크스 장입 단계에서, 상기 제 1 코크스층이 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록 상기 제 1 코크스 프로파일을 형성하고, 상기 철광석 장입 단계에서, 상기 복수의 철광석층이 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록 상기 복수의 철광석 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 코크스 장입 단계에서, 산형으로 형성되는 상기 제 2 코크스층의 일단이 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 제 2 철광석층의 상면의 적어도 일부분을 가압하는 형상으로 형성될 수 있도록 상기 제 2 코크스 프로파일을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철광석 장입 단계에서, 상기 혼합층에 혼합된 상기 바이오매스 연료는, 분 철광석, 분 석탄, 반탄화 바이오매스 및 아스팔텐 피치를 혼합하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 코크스 장입 단계와, 상기 철광석 장입 단계 및 상기 제 2 코크스 장입 단계에서, 상기 고로의 상부에 장입되는 상기 장입물의 낙하 및 적층 위치, 층 두께 및 입도 분포를 제어하여 상기 분포 프로파일을 제어할 수 있도록, 상기 선회 슈트의 경동 각도 및 회전 횟수 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스 연료를 고로 내부에서 환원 및 용융 반응이 상대적으로 열위한 벽부에 분포 제어하여 환원 및 반응속도를 개선시킴으로써, 바이오매스 연료의 환원 반응 효과를 극대화할 수 있다.
이에 따라, 탄소중립재인 바이오매스 연료를 고로 조업에 효율적으로 사용하여, 고로 환원제비 및 온실가스 발생을 줄여 철강 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 효과를 가지는 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법을 순서대로 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 고로의 장입물 분포 프로파일 제어가 이루어지는 고로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 고로의 장입물 분포 프로파일 제어로 고로의 상부에 분포된 장입물의 분포 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 고로 내부의 장입물 분포 레이어를 나타내는 단면도이다.
도 5는 고로 상부 반응 모사 시험 장치를 나타내는 이미지이다.
도 6은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 분포 위치 별 바이오매스 연료의 반응량을 시험한 결과를 나타내는 표이다.
도 7은 고로 내부의 온도 분포 프로파일을 전산 모사로 해석한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 8은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 철광석과 바이오매스 연료의 혼합 효과를 시험한 결과를 나타내는 표이다.
도 2는 도 1의 고로의 장입물 분포 프로파일 제어가 이루어지는 고로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 고로의 장입물 분포 프로파일 제어로 고로의 상부에 분포된 장입물의 분포 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 고로 내부의 장입물 분포 레이어를 나타내는 단면도이다.
도 5는 고로 상부 반응 모사 시험 장치를 나타내는 이미지이다.
도 6은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 분포 위치 별 바이오매스 연료의 반응량을 시험한 결과를 나타내는 표이다.
도 7은 고로 내부의 온도 분포 프로파일을 전산 모사로 해석한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 8은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 철광석과 바이오매스 연료의 혼합 효과를 시험한 결과를 나타내는 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법을 순서대로 나타내는 순서도이고, 도 2는 도 1의 고로(10)의 장입물 분포 프로파일 제어가 이루어지는 고로를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 3은 고로의 장입물 분포 프로파일 제어로 고로(10)의 상부에 분포된 장입물의 분포 프로파일을 나타내는 그래프[X축: 고로의 반경(노치) 방향, Y축: 고로의 높이 방향]이며, 도 4는 고로 내부의 장입물 분포 레이어를 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법은, 용선(Hot metal)을 제조하는 고로(Blast furnace)(10)의 상측에 설치되어, 노정벙커(20)에서 공급받은 장입물을 분사하는 선회 슈트(Chute)(40)로부터 고로(10)의 상부에 장입되는 장입물의 분포 프로파일을 제어하는 방법으로서, 크게, 제 1 코크스 장입 단계(S100)와, 철광석 장입 단계(S200) 및 제 2 코크스 장입 단계(S200)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 고로 공정은, 고로(10)의 상부에 위치하는 노정벙커(20)로부터 장입물을 공급받는 호퍼(30)와, 호퍼(30) 하단에 회전 및 각변화가 가능하도록 설치된 선회 슈트(40)로 수행될 수 있다. 이와 같은, 고로(10)에서의 용선 생성 과정은 철광석과 코크스를 고로 상부에서 선회 슈트(40)를 통해 입도별로 장입하고, 고로 하부 풍구에서 고온의 열풍과 미분탄 및 산소를 공급하면 고로(10)의 내부에서 환원반응이 발생하여 용선을 생산할 수 있다.
장입물이 노정벙커(20)에서 호퍼(30)를 거쳐 선회 슈트(40)로 이동하는데, 선회 슈트(40)는 회전과 각변화가 가능하며, 장입물 낙하궤적의 제어를 통해 원하는 장입물 분포 프로파일을 얻을 수 있다. 장입물의 낙하는 호퍼(30)에서 선회 슈트(40)를 지나 장입물 상부에 적층될 때까지 연속적으로 이루어지기 때문에 각 위치에서의 장입물 거동을 이해하는 것이 중요하며, 이를 통해 효율적이고 경제적인 고로 공정을 수행할 수 있다.
예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 코크스 장입 단계(S100)에서, 고로(10)의 반경방향으로 분획된 노치(Notch)를 따라 구분되는 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 제 1 코크스를 장입시켜, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 소정 두께의 제 1 코크스층이 분포되도록 제 1 코크스 프로파일(P1)을 형성할 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 코크스 장입 단계(S100)에서, 상기 제 1 코크스층이 고로(10)의 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향(제 11 노치에서 제 1 노치를 향하는 방향)으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록, 제 1 코크스 프로파일(P1)을 형성할 수 있다.
이어서, 철광석 장입 단계(S200)에서, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 철광석을 장입시켜, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에서 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 서로 다른 입자 크기를 가지는 복수의 철광석층이 분포될 수 있도록, 복수의 철광석 프로파일을 형성할 수 있다.
이때, 철광석 장입 단계(S200)에서 분포되는 상기 복수의 철광석층은, 제 1 입자 크기를 가지는 제 1 철광석과 바이오매스 연료가 혼합되어, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 소정 두께로 분포되는 혼합층을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 철광석 장입 단계(S200)는, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 상기 제 1 철광석과 상기 바이오매스 연료의 혼합물을 장입시켜, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에서 제 1 코크스 프로파일(P1)의 상부를 따라 상기 혼합층이 분포될 수 있도록, 혼합물 프로파일(P2)을 형성하는 혼합물 장입 단계(S210)와, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 상기 제 1 입자 크기 보다 큰 제 2 입자 크기를 가지는 제 2 철광석을 장입시켜, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에서 혼합물 프로파일(P2)의 상부를 따라 제 2 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 2 철광석 프로파일(P3)을 형성하는 제 2 철광석 장입 단계(S220) 및 고로(10)의 노벽부(S3)에 상기 제 1 입자 크기 보다 작은 제 3 입자 크기를 가지는 제 3 철광석을 장입시켜, 고로(10)의 노벽부(S3)에서 제 2 철광석 프로파일(P3)의 상부를 따라 제 3 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 3 철광석 프로파일(P4)을 형성하는 제 3 철광석 장입 단계(S230)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 혼합물 장입 단계(S210)에서, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에서 상기 혼합층의 두께가 균일하게 형성될 수 있도록, 혼합물 프로파일(P2)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 상기 제 1 철광석과 혼합된 상기 바이오매스 연료가 고로(10) 내부에서 환원 및 용융 반응이 중심부(S1)에 비해 상대적으로 열위한 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 분포하도록 분포 프로파일을 제어함으로써, 환원 및 반응속도를 개선시켜 상기 바이오매스의 환원 반응 효과를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 연료가 고로(10)의 내부에서 환원 및 용융 반응이 상대적으로 열위한 고로(10)의 벽부 부분으로 더욱 밀집하여 분포될 수 있도록, 혼합물 장입 단계(S210)에서, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에서 상기 혼합층의 두께가 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향으로 갈수록 점점 두껍게 형성될 수 있도록 혼합물 프로파일(P2)을 형성함으로써, 환원 및 반응속도를 더욱 개선시켜 상기 바이오매스의 환원 반응 효과를 최대한으로 증가시킬 수도 있다.
이와 같이, 철광석 장입 단계(S200)의 혼합물 장입 단계(S210)에서 상기 제 1 철광석과 혼합된 후 장입되어 상기 혼합층을 이루는 상기 바이오매스 연료는, 분 철광석, 분 석탄, 반탄화 바이오매스 및 아스팔텐 피치를 혼합하여 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 바이오매스 연료에 포함되는 상기 분 석탄은, 코크스 제조 시 배합되는 주요 성분이며 통상적인 것을 사용할 수 있다. 또한, 이와 혼합되는 상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료가 반탄화 된 것으로, 상기 석탄을 대체하는 역할을 할 수 있다. 상기 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등을 포함할 수 있다. 상기 반탄화 바이오매스는 휘발분 함량이 상대적으로 높으며, 석탄에 비해 고정 탄소 함량이 낮을 수 있다.
한 구체예에서, 상기 바이오매스 원료는, 목질계 및 초본계 바이오매스 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 목질계 바이오매스는, 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 중 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 상기 초본계 바이오매스는 팜 커넬 껍질(palm kernel shell), 코코넛 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(miscanthus), 대나무, 갈대(phragmites), 볏짚(rice straw), EFB(empty fruit bunch) 및 낙엽 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는, 바이오매스 원료를 100~500℃ 에서 열처리하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 범위로 열처리시, 고 에너지 밀도를 갖는 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리는 상기 바이오매스 원료를 250~350℃ 에서 20분 내지 3시간, 다른 예를 들면 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 반탄화 바이오매스를 제조할 수 있다.
또한, 한 구체예에서 상기 반탄화 바이오매스는 5~30mm 크기를 갖는 펠릿 형태로 적용할 수 있다. 상기 크기는, 상기 펠릿 형태의 반탄화 바이오매스의 최대 길이를 의미할 수 있다.
또한, 상기 제 1 철광석은, 코크스 제조 시 배합되는 주요 성분이며, 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 상기 아스팔텐 피치(Asphaltenic pitch)는, 바인더로서 포함될 수 있다. 이와 같은, 상기 아스팔텐 피치의 포함 시, 상기 바이오매스 연료의 강도 및 성형성이 우수해질 수 있다.
한 구체예에서 상기 아스팔텐 피치는, 원유의 정제시 발생하는 상압 증류 잔유를 감압 증류하여, 감압 증류 잔유를 수득하는 단계 및 상기 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력(solvent deasphalt)하는 단계를 포함하여 수득될 수 있다. 예컨대, 원유를 정제 공정 중에서 상압 증류를 실시하여, 가스, LPG, 나프타, 등유, 경질 경유, 중질 경유 및 상압 증류 잔유로 분리한 다음, 이 중에서 상기 상압 증류 잔유를 분리하여, 통상 감압 증류 장치를 사용하여 감압 증류하여 감압 증류 잔유를 수득할 수 있다. 그 다음에, 상기 수득된 감압 증류 잔유를 용제를 이용하여 용제 탈력을 실시하여 아스팔텐 피치를 제조할 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 철광석 장입 단계(S220)에서, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3)에 분포된 상기 제 2 철광석층의 두께가, 상기 제 3 철광석층과 중첩된 구간에서 고로(10)의 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향으로 갈수록 점점 얇아질 수 있도록 제 2 철광석 프로파일(P3)을 형성하고, 제 3 철광석 장입 단계(S230)에서, 고로(10)의 노벽부(S3)에서 상기 제 2 철광석층과 중첩되도록 분포된 상기 제 3 철광석층의 두께가, 고로(10)의 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향으로 갈수록 점점 두꺼워질 수 있도록 제 3 철광석 프로파일(P4)을 형성할 수 있다.
이때, 제 3 철광석 장입 단계(S230)에서, 고로(10)의 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향으로 갈수록 점점 얇아지는 상기 제 2 철광석층의 두께의 변화량 만큼 상기 제 3 철광석층의 두께가 점점 두꺼워질 수 있도록 제 3 철광석 프로파일(P4)을 형성함으로써, 고로(10)의 노벽부(S3)에서 중첩되도록 형성된 상기 제 2 철광석층과 상기 제 3 철광석층의 두께의 합이 균일한 두께로 분포되게 할 수 있다.
이와 같이, 혼합물 장입 단계(S210)와, 제 2 철광석 장입 단계(S220) 및 제 3 철광석 장입 단계(S230)를 포함하는 철광석 장입 단계(S200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 철광석층이 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 고로(10)의 중간부(S2)에서 노벽부(S3) 방향으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록 상기 복수의 철광석 프로파일을 형성할 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 코크스 장입 단계(S300)에서, 고로(10)의 중심부(S1)에 제 2 코크스를 장입시켜, 고로(10)의 중심부(S1)에 산형의 제 2 코크스층이 분포되도록 제 2 코크스 프로파일(P5)을 형성할 수 있다. 이와 같은, 제 2 코크스 장입 단계(S300)에서, 산형으로 형성되는 상기 제 2 코크스층의 일단이 고로(10)의 중간부(S2)에서 상기 제 2 철광석층의 상면의 적어도 일부분을 가압하는 형상으로 형성될 수 있도록 상기 제 2 코크스 프로파일(P5)을 형성함으로써, 고로(10)의 상부에 분포된 장입물들이 전체적으로 갈매기 형상으로 분포될 수 있다.
상술한 제 1 코크스 장입 단계(S100)와, 철광석 장입 단계(S200) 및 제 2 코크스 장입 단계(S300)에서, 고로(10)의 상부에 장입되는 상기 장입물의 낙하 및 적층 위치, 층 두께 및 입도 분포를 제어하여 상기 분포 프로파일을 제어할 수 있도록, 선회 슈트(40)의 경동 각도 및 회전 횟수 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이, 고로(10)의 상부에서 장입물 분포 프로파일의 제어가 이루어지면, 고로(10)의 중심부(S1)에서 노벽부(S3)로 갈수록 대립 철광석(Large ore)에서 소립 철광석(Small ore)의 함량이 더 많아지도록 분포될 수 있다.
이와 같은, 철광석의 분포로, 도 4에 도시된 바와 같이, 고로(10)의 중심부(S1)에서 노벽부(S3)로 갈수록 철광석(Ore) 대 코크스(Coke)의 비(이하, O/C라 함)가 높게 형성될 수 있다. 이러한, 고로(10) 내부의 O/C의 분포로, 고로(10)의 노벽부(S3)로 갈수록 가스의 흐름이 원활하지 못하여, 압력손실 증대와 통기성 약화로 고로 조업이 불안정한 문제가 발생할 수 있지만, 고로(10)의 중간부(S2)와 노벽부(S3) 구간에 걸쳐서 상기 바이오 매스 연료가 혼합된 상기 혼합층인 혼합물 프로파일(P2)을 형성함으로써, 환원 및 용융 반응이 상대적으로 열위할 수 있는 노벽부(S3) 구간의 환원 및 반응속도를 개선시켜 위와 같은 문제를 해소할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법에 따르면, 탄소중립재인 상기 바이오매스 연료를 고로 조업에 효율적으로 사용하여, 고로 환원제비 및 온실가스 발생을 줄임으로써, 저탄소 고효율 고로 조업 기술을 구현하여 철강 탄소중립 실현에 기여하는 효과를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 5는 고로 상부 반응 모사 시험 장치를 나타내는 이미지이고, 도 6은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 분포 위치 별 바이오매스 연료의 반응량을 시험한 결과를 나타내는 표이다. 그리고, 도 7은 고로 내부의 온도 분포 프로파일을 전산 모사로 해석한 결과를 나타내는 이미지이고, 도 8은 도 5의 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 철광석과 바이오매스 연료의 혼합 효과를 시험한 결과를 나타내는 표이다.
상기 바이오매스 연료는, 고로(10)의 1,000℃ 이하 영역(상부)에서 신속하게 반응하여, 환원 속도를 증가시키고 1,200℃ 에서 완전 소진시킬 수 있다. 이에 따라, 고로(10)의 상부에서 상기 바이오매스 연료가 코크스 환원 반응을 대체하여 상기 코크스의 사용량을 줄여서 고로(10)에서 발생하는 온실가스의 배출을 절감할 수 있다.
이와 같은, 상기 바이오매스 연료의 고로(10) 상부에서의 분포 위치를 결정하기 위해, 도 5에 도시된 고로 상부 반응 모사 시험 장치로 분포 위치 별 바이오매스 탄소 반응량의 결과를 비교 확인하였다.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 위치 변수는, 코크스층과, 코크스층과 철광석층의 경계 및 철광석층으로 하였고, 본 발명의 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법과 같이, 상기 바이오매스 연료를 철광석층에 혼합 장입할 경우의 반응량이 가장 높은 것으로 나타났다.
또한, 고로(10)의 내부에서 압력손실의 최대구간은 1,100℃ 내지 1,400℃ 이며, 상기 온도 구간은 상기 철광석이 연화 및 용융되는 구간이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 고로(10) 내부 온도 프로파일의 전산 모사 결과를 해석하면, 중심부가 온도가 높고 벽부의 온도가 낮은 것으로 나타났다. 이와 같이, 벽부의 온도가 낮은 이유는 노체 방산열을 줄이기 위해, 고로 벽부 방향에 입도가 작은 철광석을 분포시켜 고로(10)의 환원가스의 흐름을 제어한 결과이다.
그러나, 철광석 환원, 연화, 용융층은 조밀하고, 가스 흐름의 변동성이 많은 구간으로서, 고로 조업 불안정 요인 중 하나일 수 있다. 이에 따라, 상기 바이오 매스 연료를 도 6의 실험 결과에 따라 철광석층과 혼합 장입하고, 반경 방향 분포 제어(장입 밀도)는 벽부에 집중 분포시켜서 반응속도 및 환원성을 개선시킬 수 있다.
이와 같이, 고로(10)의 벽부에 상기 바이오 매스 연료와 철광석을 혼합 장입 시, 효과를 확인하기 위해 고로 상부 반응 모사 시험을 실시한 결과, 벽부 장입물 분포 제어를 철광석과 바이오매스 연료로 했을 경우의 가스이용율과 광석 환원율이 모두 높은 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법에 따르면, 상기 바이오매스 연료를 고로(10)의 상부에서 환원 및 용융 반응이 상대적으로 열위한 벽부에 분포 제어하여 환원 및 반응속도를 개선시킴으로써, 상기 바이오매스 연료의 환원 반응 효과를 극대화할 수 있다. 그러므로, 탄소중립재인 상기 바이오매스 연료를 고로 조업에 효율적으로 사용하여, 고로 환원제비 및 온실가스 발생을 줄여 철강 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 고로
20: 노정벙커
30: 호퍼
40: 선회 슈트
S1: 중심부
S2: 중간부
S3: 노벽부
P1: 제 1 코크스 프로파일
P2: 혼합물 프로파일
P3: 제 2 철광석 프로파일
P4: 제 3 철광석 프로파일
P5: 제 2 코크스 프로파일
20: 노정벙커
30: 호퍼
40: 선회 슈트
S1: 중심부
S2: 중간부
S3: 노벽부
P1: 제 1 코크스 프로파일
P2: 혼합물 프로파일
P3: 제 2 철광석 프로파일
P4: 제 3 철광석 프로파일
P5: 제 2 코크스 프로파일
Claims (10)
- 용선(Hot metal)을 제조하는 고로(Blast furnace)의 상측에 설치되어, 노정벙커에서 공급받은 장입물을 분사하는 선회 슈트(Chute)로부터 상기 고로의 상부에 장입되는 상기 장입물의 분포 프로파일을 제어하는 방법에 있어서,
상기 고로의 반경방향으로 분획된 노치(Notch)를 따라 구분되는 상기 고로의 중간부와 노벽부에 제 1 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께의 제 1 코크스층이 분포되도록 제 1 코크스 프로파일을 형성하는 제 1 코크스 장입 단계;
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 서로 다른 입자 크기를 가지는 복수의 철광석층이 분포될 수 있도록, 복수의 철광석 프로파일을 형성하는 철광석 장입 단계; 및
상기 고로의 중심부에 제 2 코크스를 장입시켜, 상기 고로의 상기 중심부에 산형의 제 2 코크스층이 분포되도록 제 2 코크스 프로파일을 형성하는 제 2 코크스 장입 단계;를 포함하고,
상기 철광석 장입 단계에서 분포되는 상기 복수의 철광석층은,
제 1 입자 크기를 가지는 제 1 철광석과 바이오매스 연료가 혼합되어, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 소정 두께로 분포되는 혼합층;
을 포함하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 철광석 장입 단계는,
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 상기 제 1 철광석과 상기 바이오매스 연료의 혼합물을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 제 1 코크스 프로파일의 상부를 따라 상기 혼합층이 분포될 수 있도록, 혼합물 프로파일을 형성하는 혼합물 장입 단계;
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 상기 제 1 입자 크기 보다 큰 제 2 입자 크기를 가지는 제 2 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합물 프로파일의 상부를 따라 제 2 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 2 철광석 프로파일을 형성하는 제 2 철광석 장입 단계; 및
상기 고로의 상기 노벽부에 상기 제 1 입자 크기 보다 작은 제 3 입자 크기를 가지는 제 3 철광석을 장입시켜, 상기 고로의 상기 노벽부에서 상기 제 2 철광석 프로파일의 상부를 따라 제 3 철광석층이 분포될 수 있도록, 제 3 철광석 프로파일을 형성하는 제 3 철광석 장입 단계;
를 포함하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 혼합물 장입 단계에서,
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합층의 두께가 균일하게 형성될 수 있도록 상기 혼합물 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 혼합물 장입 단계에서,
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에서 상기 혼합층의 두께가 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 두껍게 형성될 수 있도록 상기 혼합물 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 철광석 장입 단계에서,
상기 고로의 상기 중간부와 상기 노벽부에 분포된 상기 제 2 철광석층의 두께가, 상기 제 3 철광석층과 중첩된 구간에서 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 얇아질 수 있도록 상기 제 2 철광석 프로파일을 형성하고,
상기 제 3 철광석 장입 단계에서,
상기 고로의 상기 노벽부에서 상기 제 2 철광석층과 중첩되도록 분포된 상기 제 3 철광석층의 두께가, 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 두꺼워질 수 있도록 상기 제 3 철광석 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 철광석 장입 단계에서,
상기 고로의 상기 노벽부에서 중첩되도록 형성된 상기 제 2 철광석층과 상기 제 3 철광석층의 두께의 합이 균일한 두께로 분포될 수 있도록, 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 얇아지는 상기 제 2 철광석층의 두께의 변화량 만큼 상기 제 3 철광석층의 두께가 점점 두꺼워질 수 있도록 상기 제 3 철광석 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 코크스 장입 단계에서,
상기 제 1 코크스층이 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록 상기 제 1 코크스 프로파일을 형성하고,
상기 철광석 장입 단계에서,
상기 복수의 철광석층이 상기 제 1 코크스층의 상부를 따라 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 노벽부 방향으로 갈수록 점점 높아지게 형성될 수 있도록 상기 복수의 철광석 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 코크스 장입 단계에서,
산형으로 형성되는 상기 제 2 코크스층의 일단이 상기 고로의 상기 중간부에서 상기 제 2 철광석층의 상면의 적어도 일부분을 가압하는 형상으로 형성될 수 있도록 상기 제 2 코크스 프로파일을 형성하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 철광석 장입 단계에서, 상기 혼합층에 혼합된 상기 바이오매스 연료는,
분 철광석, 분 석탄, 반탄화 바이오매스 및 아스팔텐 피치를 혼합하여 형성되는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 코크스 장입 단계와, 상기 철광석 장입 단계 및 상기 제 2 코크스 장입 단계에서,
상기 고로의 상부에 장입되는 상기 장입물의 낙하 및 적층 위치, 층 두께 및 입도 분포를 제어하여 상기 분포 프로파일을 제어할 수 있도록, 상기 선회 슈트의 경동 각도 및 회전 횟수 중 적어도 어느 하나를 제어하는, 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법.
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| KR1020210098729A KR102567429B1 (ko) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법 |
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| KR1020210098729A KR102567429B1 (ko) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법 |
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| KR1020210098729A KR102567429B1 (ko) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | 고로의 장입물 분포 프로파일 제어 방법 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011202159A (ja) * | 2010-03-03 | 2011-10-13 | Jfe Steel Corp | 冶金用フェロコークスの製造方法 |
| KR20140016643A (ko) | 2012-07-30 | 2014-02-10 | 현대제철 주식회사 | 고로 장입물 분포 평가방법 |
| KR20210035525A (ko) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 | 현대제철 주식회사 | 고로 환원제비 및 co2 발생량 저감 방법 |
-
2021
- 2021-07-27 KR KR1020210098729A patent/KR102567429B1/ko active IP Right Grant
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