KR20230110276A - 침탄된 해면철을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 침탄된 해면철(208)을 제조하는 방법으로서, 철광석(207)을 직접 환원 샤프트(211)에 장입(s303a)하고/하거나, 직접 환원 샤프트로부터 침탄된 해면철(208)을 배출(s303b)하는 단계로서, 밀봉 가스(223)는 직접 환원 샤프트에 도입되는, 상기 단계; 직접 환원 샤프트로부터 상부 가스(216)를 제거하는 단계(s305); 상부 가스의 일부를 재활용하고 보충 가스(215)와 혼합시켜 환원 가스(217)를 형성하는 단계(s307); 및 철광석을 환원시켜 침탄된 해면철을 생산하기 위해 환원 가스를 철광석에 대해 역류 흐름으로 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계(s309)를 포함하는, 침탄된 해면철을 제조하는 방법에 관한 것이다. 밀봉 가스는 본질적으로 이산화탄소로 구성되고, 보충 가스는 80 부피%를 초과하는 수소 가스를 포함한다. 본 발명은 추가로 침탄된 해면철을 제조하는 시스템 및 전술한 공정에 의해 제조된 침탄된 해면철에 관한 것이다.

Description

침탄된 해면철을 제조하는 방법
본 발명은 침탄된 해면철을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 침탄된 해면철을 제조하는 시스템 및 전술한 공정에 의해 제조된 침탄된 해면철에 관한 것이다.
철강은 세계에서 가장 중요한 엔지니어링 및 건축 재료이다. 현대 세계에서 철강을 포함하지 않거나 제조 및/또는 수송을 위해 철강에 의존하지 않는 물건을 찾기는 어렵다. 이러한 방식으로, 철강은 현대 생활의 거의 모든 측면에서 복잡하게 관련되어 있다.
2018년에 전 세계 조철 총 생산량은 18억 1천만 톤으로 다른 금속을 훨씬 능가했으며, 2050년에는 28억 톤에 이를 것으로 예상되며, 이 중 50%는 순수 철 소스에서 나올 것으로 예상된다. 철강은 또한 전기를 1차 에너지 소스로 사용하여 재용융 후 반복해서 사용할 수 있는 금속의 능력으로 인해 재활용 등급이 매우 높은 세계에서 가장 많이 재활용되는 재료이다.
따라서, 철강은 현대 사회의 주춧돌로서 앞으로 더욱 중요한 역할을 담당하게 될 것이다.
철강은 주로 세 가지 경로를 통해 생산된다:
i) 고로(blast furnace: BF)에서 순수 철광석을 이용한 통합 생산, 여기서 광석의 산화철은 탄소에 의해 환원되어 철이 생성된다. 철은 기본 산소로(basic oxygen furnace: BOF)에서 산소 취입에 의해 철강 공장에서 추가로 가공된 후 철강을 생산하기 위해 정련된다. 이 공정은 일반적으로 '산소 제강'이라고도 한다.
ii) 전기를 1차 에너지 소스로 사용하는 전기 아크로(electric arc furnace: EAF)에서 용융되는 재활용 철강을 사용하는 고철 기반 생산. 이 공정은 일반적으로 '전기 제강'이라고도 한다.
iii) 해면철을 생산하기 위해 직접 환원(direct reduction: DR) 공정에서 탄소질 환원 가스로 환원되는 순수 철광석을 기반으로 하는 직접 환원 생산. 해면철은 이후 EAF에서 고철과 함께 용융되어 철강을 생산한다.
조철이라는 용어는 본 명세서에서 고로에서 얻어진 것(즉, 선철)인지 또는 직접 환원 샤프트에서 얻어진 것(즉, 해면철)인지 여부에 관계없이 철강으로 추가 처리를 위해 생산되는 모든 철을 나타내는 데 사용된다.
위에서 언급한 공정은 수십 년 동안 개선되어 이론적 최소 에너지 소비에 근접하고 있지만 아직 해결되지 않은 한 가지 근본적인 문제가 있다. 탄소질 환원제를 사용하여 철광석을 환원하면 부산물로 CO2가 생성된다. 2018년에 철강 1톤당 평균 1.83톤의 CO2가 발생했다. 철강 산업은 CO2 배출량이 가장 많은 산업 중 하나로 전 세계적으로 CO2 배출량의 약 7%를 차지한다. 탄소질 환원제를 사용하는 한, 철강 생산 공정 내에서 과도한 CO2 발생을 피할 수 없다.
HYBRIT 이니셔티브는 이 문제를 해결하기 위해 설립되었다. HYBRIT(HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology의 줄임말)는 SSAB, LKAB 및 Vattenfall의 합작 투자로, 스웨덴 에너지청(Swedish Energy Agency)이 부분적으로 자금을 지원하였으며, CO2 배출량을 줄이고 철강 산업의 탈탄소화를 목표로 한다.
HYBRIT 개념의 핵심은 순수 광석으로부터 해면철을 직접 환원시켜 생산하는 것이다. 그러나, 현재 상업적인 직접 환원 공정에서와 같이 천연 가스와 같은 탄소질 환원제 가스를 사용하는 대신 HYBRIT는 환원제로 수소 가스를 사용할 것을 제안하고, 이는 수소 직접 환원(H-DR)이라고 한다. 수소 가스는 예를 들어 스웨덴 전기 생산의 경우와 같이 주로 화석 연료가 없고/없거나 재생 가능 1차 에너지 소스를 사용하여 물을 전기분해하는 것에 의해 생산될 수 있다. 따라서, 철광석을 환원시키는 중요한 단계는 화석 연료를 입력으로 사용하지 않고 CO2 대신 물을 부산물로 생산하며 달성될 수 있다. 당연히 조철 생산에 탄소도 없다.
오늘날 상업용 고로 또는 직접 환원 경로에 의해 생산된 철은 일반적으로 철광석을 환원시키는 동안 탄소 혼입으로 인해 상당한 양의 탄소(일반적으로 최대 5 중량%)를 포함한다. 탄소를 환원제로 사용하는 것 외에도 탄소는 제강 공정에서 다른 중요한 역할을 한다. BF 또는 DR 공정에서 탄소가 조철에 존재하면 철의 녹는점이 낮아진다. EAF 또는 BOF에서 조철을 후속 처리하는 동안 탄화철의 발열 해리 및 탄소의 CO로의 산화는 공정에 열을 공급한다. 이 CO 생성으로 인한 EAF의 가스 방출은 철 용융물의 단열을 돕고 EAF 전극의 소비를 줄이는 데 도움을 주는 포말 슬래그를 제공한다. 적어도 이러한 이유로 조철에 탄소가 존재하면 철강으로 처리하는 동안 에너지 소비를 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 용융물에 탄소가 존재하면 또한 슬래그-금속 반응 역학에 영향을 미치고 금속에서 용해된 가스 성분을 퍼지(purging)하는 데 도움을 줄 수 있다. 더욱이, 직접 환원철에 탄소가 존재하면 해면철이 부동태화되어 취급 및 운송이 더 간편해진다. 마지막으로, 철강 산업은 탄소 함유 조철과 관련하여 유산과 확립된 관행을 갖고 있기 때문에 일부 제강업체는 이점에 관계없이 탄소 희소 조철 사용을 채택하는 것을 어느 정도 꺼릴 수 있다.
적어도 이러한 이유로, 실질적으로 화석 연료가 없는 수단을 사용하여 생산되지만, 오늘날의 조철에 대한 드롭인 교체품(drop-in replacement)으로 사용될 수 있는 정도로 여전히 탄소를 함유하는 조철을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
문헌 US 2015/0259760 A1은 철광석을 수소로 환원시키고 환원된 철광석의 생성된 중간 생성물과 가능하게는 동반 물질이 추가 야금 처리를 받는 철강 생산 방법을 설명한다. 철광석을 환원시켜 중간 생성물을 생성할 때, 탄소 함유 또는 수소 함유 가스를 수소에 첨가하여 탄소를 중간 생성물에 혼입시킨다. 탄소 함유 또는 수소 함유 가스의 예로는 CH4, 코크스 오븐 가스(COG), 합성 가스, 천연 가스, 바이오 가스, 열분해 가스 및 재생 가능 자원이 있다.
보다 환경 친화적인 방식으로 탄소 함유 조철을 생산하는 수단이 요구된다.
본 발명의 발명자들은 탄소 함유 조철을 제공하는 종래 기술의 수단의 많은 단점을 확인하였다.
오늘날의 상업적 공정은 석탄이나 천연 가스와 같은 탄소질 화석 연료를 광범위하게 사용해야 하므로 순 CO2 배출이 과도하게 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 공정에서도 여전히 상당한 양의 탄소 함유 가스가 광석과의 접촉에 의해 CO2로 산화될 것이다. 이는 종래 기술에서 예상되는 바와 같이 탄소 함유 가스가 재생 가능 소스로부터 유래하는지 여부 또는 재생 가능 수소 이용률의 변동을 보상하는 데 화석 연료가 사용되는지 여부에 관계없이 해당될 것이다.
위에서 언급한 단점 중 적어도 일부를 극복하거나 적어도 완화하는 수단을 달성하는 것이 유리할 것이다. 특히, CO2의 순 배출량이 적은 탄소를 포함하는 조철을 생산하는 수단을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 문제 중 하나 이상을 더 잘 해결하기 위해, 첨부된 독립 청구항에 한정된 특징을 갖는 침탄된 해면철을 생산하는 방법이 제공된다.
공정은 다음 단계, 즉,
- 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고, 철광석을 장입하는 것과 함께 밀봉 가스를 직접 환원 샤프트에 도입하고/하거나, 직접 환원 샤프트(211)로부터 침탄된 해면철(208)을 배출하는 단계로서, 침탄된 해면철을 배출하는 것과 함께 밀봉 가스(223)를 직접 환원 샤프트에 도입하는, 상기 단계;
- 직접 환원 샤프트로부터 상부 가스를 제거하는 단계;
- 상부 가스의 일부를 재활용하고 보충 가스와 혼합시켜 환원 가스를 형성하는 단계; 및
- 철광석을 환원시켜 침탄된 해면철을 생산하기 위해 환원 가스를 철광석에 대해 역류 흐름으로 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계
를 포함한다.
밀봉 가스는 본질적으로 이산화탄소로 구성되고, 보충 가스는 80 부피%를 초과하는 수소 가스를 포함한다.
직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 생산된 해면철을 배출할 때, 이 기술 분야에서 일반적인 수단을 이용하여 장입 및/또는 배출할 때 필연적으로 약간의 밀봉 가스가 샤프트에 도입된다. 본 발명은 본질적으로 이산화탄소로 구성된 밀봉 가스를 이용한다. 공정에 밀봉 가스로 도입된 이산화탄소는 궁극적으로 해면철의 침탄을 초래하며, 이는 추가 침탄 가스의 필요성이 감소되거나 완전히 방지됨을 의미한다. 이론에 얽매이지 않고 직접 환원 샤프트에 밀봉 가스로 도입된 CO2는 공정에서 보충 가스로 도입된 H2와 함께 공정 가스의 구성 성분을 형성할 것이다. CO2와 H2는 CO와 H2O를 형성하기 위해 역 수성 가스 전이 반응에 의해 반응할 수 있다. CO는 차례로 반응하여 직접 환원 공정에서 생성된 해면철의 침탄을 제공할 수 있다. 궁극적으로 탄소와 증기를 제공하기 위해 수소와 이산화탄소의 철 촉매 반응은 일반적으로 보쉬 반응(Bosch reaction)이라고 한다. 대안적으로 CO2와 H2가 반응하여 사바티에르 반응(Sabatier reaction)에 의해 메탄을 형성할 수 있으며, 이 메탄은 차례로 해면철을 침탄시킬 수 있다. 이러한 방식으로 공정에 도입된 CO2는 CO 또는 CH4로 전환되고 이는 침탄에 의해 제거된다. 전체적인 결과는 CO2의 순 소비를 통해 침탄된 해면철을 생산한다.
공정의 또 다른 이점은 밀봉 가스로서의 CO2가 일반적으로 밀봉 가스로 사용되는 다른 불활성 가스(예를 들어, 질소)의 사용을 대체한다는 것이다. 다른 불활성 가스를 사용하면 일반적으로 공정 가스에 불활성 가스가 축적되고, 이는 적절한 환원 가스를 유지하기 위해, 예를 들어, 소각(flaring)에 의해 상부 가스의 일부를 폐기해야 하는 것을 의미한다. 이는 환경적인 관점에서 또는 경제적인 관점에서 바람직하지 않다. 그러나 본 경우 밀봉 가스로서의 CO2가 해면철의 침탄에 의해 공정 가스로부터 수동적으로 제거되기 때문에, 밀봉 가스가 축적되지 않으므로 적절하게 환원 가스를 유지하기 위해 상부 가스를 폐기할 필요가 없다.
보충 가스의 수소는 물의 전기분해에 의해 생성될 수 있다.
보충 가스는 90 부피%를 초과하는 수소 가스, 예를 들어, 95 부피%를 초과하는 수소 가스를 포함할 수 있다.
보충 가스는 본질적으로 수소로 구성될 수 있다. 따라서, 침탄된 해면철은 침탄을 제공하기 위해 밀봉 가스로 도입된 이산화탄소만을 사용하여 얻어질 수 있다.
대안적으로, 보충 가스는 본질적으로 수소와 이산화탄소로 구성될 수 있다. 따라서, 침탄된 해면철은 일반적인 침탄 가스를 전혀 사용하지 않고 이산화탄소만을 사용하여 침탄을 실시함으로써 얻어질 수 있다.
대안적으로, 보충 가스는 본질적으로 수소, 보조 침탄 가스 및 선택적으로 이산화탄소로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 보조 침탄 가스는 재생 가능 소스로부터 유도될 수 있다. 침탄 가스에 존재하는 탄소의 높은 이용률은 화석 등가물에 비해 상대적인 희소성과 높은 비용에도 불구하고 재생 가능 침탄 가스의 사용을 허용할 수 있다.
재활용된 상부 가스는 외부 개질기를 통과하지 않을 수 있다. 즉, 수소 직접 환원이 나타나는 조건 하에서, 외부 개질기 없이 공정 가스에서 수성 가스 전이 반응이 진행될 수 있고, 따라서 외부 개질기의 사용이 필요하지 않을 수 있다.
공정은 상부 가스의 소각을 필요로 하지 않을 수 있다. 공정 가스에 도입된 이산화탄소 밀봉 가스는 결국 침탄으로 인해 소비되기 때문에, 공정 가스에 밀봉 가스가 덜 축적될 수 있으므로 밀봉 가스 축적을 방지하기 위해 상부 가스를 소각할 필요가 적거나 없을 수 있다.
공정에 사용되는 이산화탄소는 바이오연료 생산의 부산물로서 부분적으로 완전히 얻어질 수 있다. 따라서 재생 가능 자원으로의 탄소만을 공정에 사용할 수 있다.
대안적으로, 이산화탄소는 산소와 바이오매스의 산소 연료 연소에 의해 생성될 수 있다. 이는 공정 가스의 가열과 공정에서 사용되는 이산화탄소 모두 재생 가능 물질로부터 완전히 또는 부분적으로 유도될 수 있음을 의미한다. 산소 연료 연소에 사용되는 산소는 물의 전기분해에 의해 생성될 수 있는 데, 이는 전기분해에서 생성된 수소와 산소가 모두 이용되고 잠재적으로 산소 연료 연소 비용을 줄인다는 것을 의미한다.
상부 가스의 일부를 재활용하는 것은 상부 가스로부터 물과 더스트(dust)를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
공정은 추가로 다음 단계, 즉,
- 침탄된 해면철을 침탄 유닛으로 전달하는 단계; 및
- 침탄 가스를 이용하여 침탄 유닛에서 침탄된 해면철을 추가로 침탄시켜 추가로 침탄된 해면철을 제공하는 단계
를 포함할 수 있다.
별도의 침탄 유닛에서 해면철을 추가로 침탄하면 침탄 가스의 탄소를 효과적으로 사용할 수 있으며, 더 많은 양의 탄소가 해면철에 통합되고 더 적은 양이 CO2로 산화된다. 또한 추가 침탄 단계를 개별적으로 수행하면 환원 샤프트에서 수성 가스 전이 평형을 유리하게 제어할 수 있다.
직접 환원 샤프트는 2 Bar를 초과하는 압력에서 동작할 수 있다. 이러한 경우, 밀봉 가스와 철광석은 직접 환원 샤프트의 입구에 배열된 가압 가능 장입 호퍼를 통해 직접 환원 샤프트에 도입될 수 있다.
대안적으로 직접 환원 샤프트는 2 Bar 이하의 압력에서 동작할 수 있다. 이러한 경우, 직접 환원 샤프트의 입구에 배열된 밀봉 레그를 통해 직접 환원 샤프트에 밀봉 가스와 철광석이 도입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 침탄된 해면철을 제조하는 시스템에 의해 달성된다. 본 제조 공정은 첨부된 독립 청구항에서 한정된 공정일 수 있으며, 침탄된 해면철은 첨부된 독립 청구항에서 한정된 침탄된 해면철일 수 있다.
침탄된 해면철을 제조하는 시스템은,
- 물의 전기분해로부터 수소를 생산하도록 배열된 전해조;
- 직접 환원 샤프트;
- 철광석 장입 장치;
- 침탄된 해면철 배출 장치; 및
- 이산화탄소 소스
를 포함한다.
이산화탄소 소스는 철광석 장입 장치와 유체 연결되게 배열되거나, 또는 이산화탄소 소스는 침탄된 해면철 배출 장치와 유체 연결되게 배열된다. 이산화탄소 소스는 철광석 장입 장치 및 침탄된 해면철 배출 장치 모두와 유체 연결되게 배열될 수 있다.
전해조는 전해조에 의해 생성된 수소가 직접 환원 샤프트로 이송될 수 있도록 직접 환원 샤프트와 유체 연통하도록 배열될 수 있다. 이것은 바람직하게는 전기분해 가스의 처리 및/또는 수소 저장 설비를 통한 간접 유체 연통일 수 있다.
철광석 장입 장치는 철광석과 같은 재료를 직접 환원 샤프트의 입구 단부로 이송하도록 배열될 수 있다.
CO2는 침탄에서 적어도 부분적으로 소비되기 때문에 시스템은 CO2의 개질을 위한 개질기를 필요로 하지 않을 수 있다. 시스템에 CO2 포집 디바이스도 필요하지 않을 수 있다. 따라서 시스템은 CO2의 개질 또는 제거가 필요한 시스템보다 훨씬 간단하다.
철광석 장입 장치는 가압 가능 장입 호퍼를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 가압 가능 장입 호퍼는 밀봉 가스 입구를 포함할 수 있고, 밀봉 가스 입구는 이산화탄소 소스와 유체 연결되게 배열된다.
대안적으로, 철광석 장입 장치는 광석 통 및 밀봉 레그를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 밀봉 레그는 밀봉 가스 입구를 포함할 수 있고, 여기서 밀봉 가스 입구는 이산화탄소 소스와 유체 연결되게 배열된다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 청구범위에 따른 침탄된 해면철에 의해 달성된다. 침탄된 해면철은 첨부된 독립 청구항에 따른 공정에 의해 제조될 수 있다. 침탄된 해면철은 90% 초과, 예를 들어, 94% 초과의 환원도를 갖고, 0.1 중량% 내지 5 중량% 탄소, 예를 들어, 0.5 중량% 내지 3 중량% 탄소, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 2 중량% 탄소를 포함한다. 침탄된 해면철은 현재보다 10,000년 미만 전, 바람직하게는 현재보다 1000년 미만 전, 훨씬 더 바람직하게는 현재보다 100년 미만 전의 방사성 탄소 연대를 갖는다. 이는 침탄된 해면철이 상당한 재생 가능 탄소 함량을 함유하는 이산화탄소를 사용하여 침탄되어야 함을 의미하며, 이는 본 명세서에 기술된 바와 같이 본 명세서에 기술된 공정을 사용하여 상업적으로 실현 가능하다.
침탄된 해면철은 펠릿(즉, DRI) 또는 단광(briquette)(즉, HBI)의 형태일 수 있다.
본 발명의 추가 목적, 이점 및 신규 특징은 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명과 그 추가 목적 및 장점을 더 잘 이해하기 위해, 아래에 제시된 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽어야 하며, 도면에서 동일한 참조 부호는 다양한 도면에서 유사한 항목을 나타낸다.
도 1은 Hybrit 개념에 따른 광석 기반 제강 제조 가치 사슬을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기에 적합한 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 2b는 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기에 적합한 시스템의 또 다른 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 공정의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 4a는 입력 가스 혼합물로부터 수립된 계산된 평형을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 도 4a의 계산된 평형 부분의 확대도를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 본 발명자들에 의한 다수의 통찰에 기초한다. 본 발명자들은 수소를 환원 가스의 주성분으로 이용하는 공정에서 해면철의 침탄에 의해 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거할 수 있음을 인식하였다. 이는 공정 가스에 CO2를 축적하고 제거 및/또는 개질하여야 하는 일반적인 (화석) 탄소 기반 환원 시스템과 대조된다. 본 발명자들은 또한 CO2의 상대적 불활성이 CO2가 밀봉 가스로서 공정에 도입되어 밀봉 가스로서 일반적으로 사용되는 불활성 가스를 대체할 수 있음을 의미함을 인식하였다. 이렇게 함으로써, 본 명세서에 기술된 바와 같이 광범위한 이점이 얻어진다.
공정 가스라는 용어는 본 명세서에서 공정의 단계에 관계없이 직접 환원 공정의 가스 혼합물을 나타내는 데 사용된다. 즉, 공정 가스는 직접 환원 샤프트로 도입되고 직접 환원 샤프트를 통과하고 직접 환원 샤프트를 빠져나가서 재활용되는 가스를 의미한다. 보다 구체적인 용어는 공정의 다양한 지점에서 공정 가스를 나타내거나, 공정 가스의 일부를 형성하기 위해 공정 가스에 첨가되는 성분 가스를 나타내는 데 사용된다. 환원 가스는 광석을 환원 및/또는 침탄시키기 위해 샤프트의 입구보다 낮은 지점에서 도입되어 광석의 이동 층과 반대 방향인 상방으로 흐르는 가스이다. 상부 가스는 광석 입구 부근의 샤프트 상위 단부로부터 제거되는 부분적으로 사용된 공정 가스이다. 처리 후 상부 가스는 환원 가스의 성분으로서 직접 환원 샤프트로 다시 재활용된다. 보충 가스는 환원력을 유지하기 위해 환원 가스에 첨가되는 신선한 가스이다. 따라서, 환원 가스는 재활용된 상부 가스와 함께 보충 가스를 포함한다. 보충 가스와 재활용된 상부 가스는 직접 환원 샤프트에 도입되기 전에 함께 혼합될 수 있고, 또는 별도로 도입되어 샤프트에서 혼합될 수 있다. 밀봉 가스는 직접 환원 샤프트의 입구에 있는 광석 장입 장치로부터 직접 환원 샤프트로 들어가는 가스이다. 직접 환원 샤프트의 출구 단부는 또한 밀봉 가스를 사용하여 밀봉되고, 따라서 밀봉 가스는 일반적으로 적은 양이지만 직접 환원 샤프트의 출구에서 배출 장치로부터 DR 샤프트에 들어갈 수 있다. 따라서 본 발명은 직접 환원 샤프트로부터 해면철을 배출하는 동안 도입되는 밀봉 가스를 이용하여 동일하게 적용할 수 있다.
밀봉 가스
직접 환원 샤프트에서는 철광석 장입물을 샤프트에 안전하게 도입해야 한다. 샤프트를 통과하는 공정 가스(일반적으로 수소, 일산화탄소 및 탄화수소를 포함함)는 가연성이 높기 때문에 샤프트에 광석을 도입할 때 폭발성 공기/공정 가스 혼합물이 형성되는 것을 피하는 것이 중요하다. 이는 일반적으로 광석을 장입할 때 공기가 아닌 불활성 밀봉 가스만이 샤프트에 도입되고, 공정 가스가 장입 장치로부터 샤프트를 벗어나지 않는 것을 보장함으로써 달성된다. 이를 달성하는 정확한 방법은 직접 환원 샤프트의 동작 압력에 따라 다르다.
일반적으로 Midrex 공정과 같이 저압(예를 들어, ≤ 2 Bar)에서 동작하는 DR 샤프트에서 동적 가스 밀봉은 광석 장입 호퍼를 직접 환원 샤프트에 연결하는 밀봉 레그에 배열된다. 밀봉 가스는 밀봉 레그의 하나 이상의 지점에서 DR 샤프트의 동작 압력을 초과하는 압력에서 도입된다. 이 고압 밀봉 가스는 공기가 철광석 장입물과 함께 DR 샤프트로 도입되는 것을 방지할 뿐만 아니라 공정 가스가 밀봉 레그를 통해 DR 샤프트로부터 빠져나가는 것을 방지한다.
일반적으로 Hyl ZR 공정과 같이 더 높은 압력(예를 들어, 2 Bar 초과)에서 동작하는 DR 샤프트에서 가압 가능 장입 호퍼는 직접 환원 샤프트의 입구에 배열된다. 광석은 가압 가능 호퍼에 장입되며, 이 호퍼는 먼저 불활성 밀봉 가스로 플러싱되어 공기를 차단한 다음 밀봉 가스를 사용하여 DR 샤프트의 대략 동작 압력으로 가압된다. 일단 가압되면 장입 호퍼와 DR 샤프트를 분리하는 밸브가 열려 철광석 장입물이 밀봉 가스와 함께 샤프트로 도입될 수 있다. 장입 호퍼에서 광석이 비워지면 장입 호퍼가 다시 밀봉되고 밀봉 가스로 다시 플러싱되어 호퍼로부터 공정 가스를 배기한다. 마지막으로, 장입 호퍼를 대기로 개방하고 광석을 다시 채울 수 있다. 일반적으로, 4개의 장입 호퍼와 같은 여러 개의 가압 가능 장입 호퍼가 병렬로 배열되어 DR 샤프트에 광석을 공급한다.
또한 직접 환원 샤프트의 출구로부터 환원된 해면철 생성물을 배출할 때 밀봉 가스를 이용하고, 일반적으로 이 지점에서 샤프트에 도입할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 출구에서 도입되는 밀봉 가스의 양은 일반적으로 입구에서 도입되는 양에 비해 적다.
광석을 장입하는 데 사용되는 기술에 관계없이 밀봉 가스는 필연적으로 공정 가스에 도입된다. 위에서 설명된 바와 같이, 질소와 같이 일반적으로 사용되는 밀봉 가스는 불활성이어야 하므로(즉, 공정 가스와 폭발성 혼합물을 형성하지 않아야 하므로) 공정 가스에 유지된다. 그러나, 공정 가스의 다른 성분은 일반적으로 반응(예를 들어, H2, CO, CH4)에 의해 소비되거나, 순환(예를 들어, H2O, CO2)으로부터 제거된다. 이것은 밀봉 가스가 공정 가스에 점진적으로 축적되고 아무 조치도 취하지 않으면 계속 증가하는 양을 포함한다는 것을 의미한다. 최종 결과는 광석을 환원시키는 능력이 감소된 공정 가스가 될 것이다. 이러한 상황을 방지하기 위해 공정 가스의 일부를 일반적으로 순환으로부터 (상부 가스로서) 제거하고 소각하여 공정 가스의 불활성 성분의 적절한 농도를 유지한다. 이는 최소한 경제적으로 유해하며 공정 가스(예를 들어, 화석 연료)의 소스에 따라 환경에 부정적인 결과를 초래할 수도 있다.
그러나 본 공정에서는 이산화탄소가 밀봉 가스로 사용된다. 후술하는 바와 같이, 수소계 직접 환원이 나타나는 조건 하에서 이산화탄소는 직접 환원 샤프트에서 생성된 해면철을 침탄하는 데 참여하고 공정 가스로부터 수동적으로 제거된다. 여기에는 몇 가지 이점이 있다. 침탄된 해면철 생성물이 얻어지는 데 수반되는 CO2 배출량이 적다. 사용된 이산화탄소 소스에 따라 전체 CO2 배출량은 0에 가깝거나 심지어 음수가 될 수 있다. 이산화탄소 밀봉 가스는 공정 가스로부터 상당한 정도로 수동적으로 제거되기 때문에 공정 가스에 밀봉 가스가 반드시 과도하게 축적되는 것은 아니다. 이것은 공정 가스의 불활성 가스 수준을 제어하기 위해 상부 가스를 폐기할 필요가 없을 수 있다는 것을 의미한다. 또한 외부 개질기 또는 탄소 포집 장치와 같이 이산화탄소를 제거하거나 전환하기 위한 별도의 장치가 필요치 않을 수 있다. 또 다른 이점은 밀봉 가스에 일반적으로 사용되는 질소가 일반적으로 값비싼 공기 분리 유닛에 의해 생성되기 때문에 밀봉 가스 생성 비용이 낮아질 수 있다는 것이다.
공정에 도입되는 이산화탄소가 충분한 것을 보장하기 위해 밀봉 목적으로 엄격하게 필요한 것보다 더 많은 밀봉 가스가 공정 가스에 도입될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 레그 또는 가압 가능 장입 호퍼에 더 높은 압력으로 밀봉 가스가 도입될 수 있다. 가압 가능 장입 호퍼 장치는 철광석 적재물을 샤프트에 장입하는 사이에도 공정 가스로 이산화탄소가 연속적으로 (누출되어) 흐르도록 구성될 수도 있다.
CO 2 를 이용한 침탄
위에서 언급한 바와 같이 수소 기반 직접 환원 공정에 이산화탄소를 추가하면 해면철의 침탄에 의해 공정 가스로부터 탄소가 궁극적으로 제거된다. 이론에 얽매이지 않고, 이산화탄소는 초기에 역 수성 가스 전이 반응에 의해 수소가 풍부한 공정 가스에서 일산화탄소로 전환될 것으로 생각된다.
역 수성 가스 전이 반응은 다음과 같다:
CO2 + H2 CO + H2O
종래 기술의 합성 가스 기반 공정에서 상당한 양의 수소와 탄소질 가스(CO, CO2)가 이미 존재한다. 이는 밀봉 가스가 평형을 크게 이동시키지 않기 때문에 소량의 이산화탄소를 추가로 도입하는 것을 의미한다. 그러나, 수소 기반 직접 환원 공정에서 공정 가스에 도입된 임의의 CO2는 직접 환원 샤프트에서 나타나는 상승된 온도에서 다소 정량적으로 CO로 전환된다. 많은 추가 요인이 또한 CO2에서 CO로의 전환에 유리한 것을 결정한다. 산화철(예를 들어, 자철광)과 같은 철 기반 촉매는 수성 가스 전이 반응을 촉매하는 것으로 알려져 있고, 이는 반응이 철 함유 반응물 및/또는 직접 환원 생성물에 의해 촉진되며 외부 개질기가 필요하지 않음을 의미한다. 직접 환원 공정의 상부 가스에서 물이 지속적으로 제거되어 르 샤틀리에(Le Chatelier)의 원리에 따라 CO 생성이 향상된다. 역 WGS 반응은 흡열 반응이고, 이는 다시 르 샤틀리에의 원리에 따라 평형이 고온에 의해 CO 쪽으로 이동함을 의미한다. 마지막으로, 아래에 설명된 바와 같이 생성된 일산화탄소는 침탄 반응에 의해 공정 가스로부터 지속적으로 제거되어 CO2에서 CO로의 전환을 더욱 향상시킨다.
일단 형성되면 일산화탄소는 추가 반응 범위에 참여할 수 있으며 그 중 일부는 아래에 제시된다.
메탄화
환원
침탄 (흑연 생산)
침탄 (시멘타이트(cementite) 생산)
수소는 또한 다음 반응에 의해 철광석을 환원시킨다:
메탄을 생성하는, 수소와 이산화탄소의 반응은 일반적으로 사바티에르 반응이라고 한다. 탄소와 증기를 생성하는, 수소와 이산화탄소의 반응을 일반적으로 보쉬 반응이라고 한다.
수소는 공정 가스에서 우세하므로 주요 환원제가 된다. 그러나, 일산화탄소는 수소와 이산화탄소의 반응으로 형성되고, 일산화탄소가 환원제로 작용하더라도 이것은 이산화탄소를 재생시킬 뿐이므로 "1차" 환원제는 모든 경우에 수소로 간주될 수 있다. 침탄된 해면철 생성물이 직접 환원 샤프트의 출구에서 제거되기 때문에 탄소는 침탄 반응에 의해서만 화학 시스템으로부터 제거된다. 따라서, 전체 화학 시스템은 수소는 광석과 이산화탄소를 각각 철과 일산화탄소로 전환하는 데 소비되고, 일산화탄소는 이후에 침탄에 의해 소비되고, 궁극적인 생성물은 물과 침탄된 해면철이고 이 둘 다는 시스템으로부터 제거되는 것으로 개념화될 수 있다.
직접 환원
직접 환원 샤프트는 이 기술 분야에 일반적으로 알려진 임의의 종류일 수 있다. 샤프트란 철광석 적재물이 반응기 상부의 입구에 장입되고 중력에 의해 반응기 하부에 배열된 출구를 향해 내려가는 고체-기체 역류 이동 층 반응기를 의미한다.
환원은 일반적으로 약 900℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 수행된다. 필요한 온도는 일반적으로 예를 들어 전기 예열기와 같은 예열기를 사용하여 반응기에 도입되는 공정 가스를 예열하는 것에 의해 유지된다. 가스의 추가 가열은 예열기를 떠난 후 및 반응기로 도입되기 전에 산소 또는 공기로 가스의 발열 부분 산화에 의해 얻어질 수 있다. 환원은 DR 샤프트에서 약 1 Bar 내지 약 10 Bar, 바람직하게는 약 3 Bar 내지 약 8 Bar의 압력에서 수행될 수 있다.
철광석 적재물은 일반적으로 철광석 펠릿으로 주로 구성되지만 일부 덩어리 철광석도 도입될 수 있다. 철광석 펠릿은 일반적으로 맥석, 플럭스 및 바인더와 같은 추가 첨가제 또는 불순물과 함께 대부분 적철광을 포함한다. 그러나, 펠릿은 일부 다른 금속 및 자철광과 같은 다른 광석을 포함할 수 있다. 직접 환원 공정에 특화된 철광석 펠릿은 시판되고 있으며, 이러한 펠릿이 본 공정에서 사용될 수 있다. 대안적으로, 펠릿은 본 공정에서와 같이 탄소 희박 환원 단계에 특별히 적합할 수 있다.
오늘날 상업적인 직접 환원 공정과 달리, 환원 가스를 채우는 데 사용되는 보충 가스는 침탄 가스를 거의 포함하지 않거나 본질적으로 전혀 포함하지 않는다. 침탄 가스란 해면철, 예를 들어, 탄화수소 또는 일산화탄소와 같은 완전히 산화되지 않은 모든 탄소 화합물을 직접 침탄시킬 수 있는 탄소 함유 가스를 의미한다. 보충 가스는 예를 들어 수소를 포함하거나, 수소로 필수적으로 구성되거나, 수소로 구성될 수 있다. 대신에, 본 공정의 주요 침탄 효과는 밀봉 가스로 도입된 이산화탄소에 의해 달성되며, 이는 일산화탄소로 전환된 후 해면철을 침탄시킨다. 그러나, 해면철의 적절한 수준의 침탄을 달성하기 위해 소량의 추가 탄소가 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스로서 보충 가스에 포함될 수 있다. 예를 들어, 보충 가스는 적어도 80 부피%(1 atm 및 0℃의 정상 상태에서 결정된 부피%)의, 바람직하게는 90 부피%를 초과하는, 훨씬 더 바람직하게는 95 부피%를 초과하는 수소 가스를 포함하거나, 이 수소 가스로 본질적으로 구성되거나, 또는 이 수소 가스로 구성될 수 있다. 균형은 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스를 포함하거나, 이로 본질적으로 구성되거나, 이로 구성될 수 있다. 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스가 보충 가스의 일부를 구성하는 경우 이들은 수소 보충 가스와 함께 직접 환원 샤프트에 도입될 수 있다. 대안적으로, 보충 가스의 일부를 구성하는 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스의 일부 또는 전부는 보충 가스의 주요 부피와 별도로 직접 환원 샤프트에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 직접 환원 샤프트의 침탄 또는 냉각 영역에 보조 침탄 가스를 첨가할 수 있다.
공정 가스는 적어도 부분적으로 재활용되고, 여기서 DR 샤프트로부터 상부 (사용된) 가스는 DR 샤프트로 재도입되기 전에 물 및/또는 더스트와 같은 부산물을 제거하기 위해 세정 및 처리될 수 있다. 이 재활용된 상부 가스는 반응기로 재도입되기 전에 신선한 보충 가스와 혼합될 수 있고, 또는 임의의 신선한 보충 가스 공급과 별도로 도입될 수 있다.
해면철은 철광석을 환원시킨 생성물로서 얻어지고, 직접 환원 샤프트의 하부 단부의 출구로부터 배출된다. 샤프트는 출구로부터 배출되기 전에 해면철이 냉각될 수 있도록 하부에 배열된 냉각 및 배출 원추부를 가질 수 있다.
해면철
조철이라는 용어는 본 명세서에서 고로에서 얻어진 것(즉, 선철)인지 또는 직접 환원 샤프트에서 얻어진 것(즉, 해면철)인지 여부에 관계없이 철강으로의 추가 가공을 위해 생산되는 모든 철을 나타내는 데 사용된다. DR 샤프트의 출구에서 얻어진 해면철은 일반적으로 직접 환원 펠릿의 구조적 무결성과 DR 샤프트에 나타나는 조건으로 인해 주로 펠릿 형태이다. 이러한 해면철은 일반적으로 직접 환원철(DRI)라고 불린다. 공정 파라미터에 따라 해면철은 열간 환원철(HDRI) 또는 냉간 환원철(CDRI)로 제공될 수 있다. 냉간 DRI는 유형(B) DRI라고도 알려져 있을 수 있다. DRI는 재 산화되기 쉬울 수 있으며 일부 경우에는 발화성이다. 그러나, DRI를 부동태화하는 알려진 수단이 많이 있다. 생성물을 해외로 수송하는 것을 용이하게 하기 위해 일반적으로 사용되는 이러한 부동태화 수단 중 하나는 열간 DRI를 단광으로 압축하는 것이다. 이러한 단광은 일반적으로 열간 단광(HBI)이라고 하며, 유형(A) DRI로도 알려져 있을 수 있다.
본 공정에 의해 얻어진 해면철 생성물은 본질적으로 완전히 금속화된 해면철, 즉, 약 90% 초과, 예를 들어 약 94% 초과 또는 약 96% 초과의 환원도(DoR)를 갖는 해면철일 수 있다. 환원도는 산화철에서 제거된 산소의 양으로 정의되며, 산화철에 존재하는 초기 산소량의 백분율로 표시된다. 반응 역학으로 인해 약 96%보다 큰 DoR를 갖는 해면철을 얻는 것은 종종 상업적으로 바람직하지 않지만, 이러한 해면철은 원하는 경우 생산될 수 있다.
침탄된 해면철이란 탄소 함유 해면철을 의미한다. 해면철 생성물에 존재하는 탄소는 일반적으로 시멘타이트(Fe3C) 및/또는 흑연 형태일 수 있다. 해면철 생성물에 존재하는 탄소는 일반적으로 시멘타이트(Fe3C) 및/또는 흑연 형태일 수 있다. 흑연은 EAF의 용융물에 도달하기 전에 더스트로 되어 해면철에서 손실되는 경향이 있다. 이러한 이유로 탄소가 세멘타이트 형태로 해면철에 존재하는 것이 바람직할 수 있다.
침탄된 해면철은 0.1 중량% 내지 5 중량% 탄소, 예를 들어, 0.5 중량% 내지 3 중량% 탄소, 예를 들어, 약 1 중량% 내지 2 중량% 탄소를 포함할 수 있다. 해면철의 탄소 함량이 0.5 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 4 중량%, 예를 들어, 약 3 중량%인 것이 추가 가공을 위해 일반적으로 바람직하지만, 이는 후속 EAF 처리 단계에서 사용되는 고철에 대한 해면철의 비율에 따라 달라질 수 있다. 원하는 경우, 본 공정의 침탄된 해면철 생성물은 후속 처리 전에 다른 수단에 의해 추가로 침탄될 수 있다.
가스
수소 가스는 바람직하게는 물의 전기분해에 의해 적어도 부분적으로 얻어질 수 있다. 재생 가능 에너지를 사용하여 물의 전기분해를 수행하면 재생 가능 소스로부터 환원 가스를 제공할 수 있다. 전해 수소는 전해조로부터 DR 샤프트로 직접 도관에 의해 이송될 수 있고, 또는 수소는 생산 시 저장될 수 있고 필요에 따라 DR 샤프트로 이송될 수 있다.
본 발명은 밀봉 가스로서 이산화탄소 소스를 필요로 한다. 해면철의 침탄을 증가시키기 위해 일부 이산화탄소가 또한 보충 가스로 도입될 수 있다. 공정 가스에 불활성 가스가 축적되는 것을 방지하기 위해 밀봉 가스는 본질적으로 이산화탄소로 구성되고, 즉, 가스 소스의 불순물과 이산화탄소로 구성된다. 예를 들어, 이산화탄소의 소스는 본질적으로 순수한 이산화탄소이고, 예를 들어, 95 부피% 이상, 바람직하게는 98 부피% 이상의 이산화탄소인 것이 바람직하다. 이산화탄소의 소스는 바람직하게는 고농도 소스, 바람직하게는 고농도 생물 소스에서 유래할 수 있다. 예를 들어, 농축된 "그린(green)" CO2는 혐기성 소화에 의한 바이오 가스 생산의 부산물로서 얻어지거나 또는 바이오에탄올 생산의 부산물로 얻어질 수 있다. 공정에 사용된 이산화탄소가 재생 가능 자원에서 나온 것이라면 공정은 CO2 배출과 관련하여 순수 음수가 될 수 있다. 그러나, 그렇지 않았다면 직접 배출되었을 화석 연료 소스로부터 심지어 이산화탄소 소스를 사용하는 것은 이 공정에서 CO2가 과도하게 배출되지 않았을 수 있다는 것을 의미한다. 이산화탄소를 제공하는 대안적인 수단은 바이오매스의 산소 연료 연소를 사용하여 직접 환원 샤프트에 도입하기 전에 환원 가스를 예열하는 것이다. 산소 연료 연소의 원리는 간단하다: 바이오매스는 본질적으로 순수한 산소를 산화제로 사용하여 연소된다. 그 결과 생성된 연도 스트림은 본질적으로 이산화탄소와 증기로 구성된다. 증기는 단순한 응축으로 제거되어 본질적으로 순수한 이산화탄소 소스를 제공할 수 있다. 종래에 본질적으로 순수한 산소의 제공은 산소 연료 연소의 이용에 대한 경제적 장애물이다. 그러나, 본 경우에는 물 전기분해로부터 낮은 추가 비용으로 이용할 수 있는 산소를 즉시 공급할 수 있어 환원 가스의 산소 연료 예열이 경제적으로 실현 가능하다.
보조 침탄 가스는 침탄을 제공하기 위해 이 기술 분야에 알려지거나 예상되는 임의의 가스일 수 있다. 이와 관련하여 가스는 침탄 반응기에서 나타나는 고온에서는 가스 상태인 물질을 의미하지만, 가스는 실온에서는 액체이거나 고체일 수 있다. 적합한 침탄 가스는 메탄, 천연 가스, LPG 또는 석유와 같은 탄화수소, 또는 합성 가스, 저급(C1-C6) 알코올, 에스테르 및 에테르와 같은 기타 탄소질 물질을 포함한다. 침탄 가스는 화석 연료 기원일 수 있지만 순 CO2 배출량을 줄이기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 재생 가능 소스로부터 얻어지는 것이 바람직하다. 재생 가능이라는 것은 인간의 시간 척도에서 자연적으로 채워지는 자원을 의미한다. 침탄 가스에 존재하는 탄소의 높은 이용률은 화석 연료에 비해 상대적으로 희소성과 높은 비용에도 불구하고 재생 가능 침탄 가스를 사용할 수 있게 한다. 적합한 재생 가능 침탄 가스는 바이오메탄, 바이오가스, 바이오매스의 열분해 또는 부분 연소로부터 얻어진 가스, 저급 알코올 또는 에테르, 예를 들어, 재생 가능 공급 원료로부터 유래된 메탄올, DME 또는 에탄올, 또는 이들의 조합을 포함한다. 황 함유 침탄 가스도 사용될 수 있는 데, 이는 황이 흑연의 핵 형성을 방지하고 해면철 생성물을 부동태화하는 것으로 알려져 있기 때문이다.
침탄 가스의 조성은 얻어지는 최종 침탄된 해면철에 적합하도록 선택될 수 있다. 탄화수소와의 침탄 반응은 상대적으로 흡열 반응이어서 상대적으로 차가운 최종 생성물을 생성하는 반면, CO 함유 침탄 가스와의 반응은 보다 발열 반응이어서 더 뜨거운 최종 생성물을 생성한다. 이 효과는 얻어진 최종 생성물의 온도를 맞추는 데 활용될 수 있다. 예를 들어, 단광(HBI)에 열간 생성물이 필요한 경우, 일부 부분적으로 산화된 탄소(예를 들어, CO, 케톤, 알데하이드 형태)를 포함하는 가스를 사용할 수 있는 반면, 냉간 해면철(CDRI)이 요구되는 경우 바이오메탄이 사용될 수 있다.
밀봉 가스(이산화탄소) 또는 보충 가스(이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스)로서 공정 가스에 추가하기에 적합한 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스의 총량을 고려할 때, 고려해야 할 요소는 원하는 침탄 정도, 수성 가스 전이 평형에 대한 첨가된 탄소에 대한 영향, 및 첨가된 탄소가 환원 가스의 환원 능력에 미치는 영향이다. 예를 들어, 탄소를 과도하게 첨가하면 공정 가스에 이산화탄소가 상당히 축적되어 잠재적으로 환원 가스의 환원 용량이 감소할 수 있다.
사용되는 이산화탄소 및 임의의 보조 침탄 가스는 재생 가능 소스로부터 유래되는 것이 바람직하며, 이러한 경우 해면철 생성물의 탄소도 재생 가능 소스로부터 유래될 수 있다. 해면철의 탄소가 재생 가능 소스로부터 유래한 것인지 또는 화석 연료 소스로부터 유래했는지 여부는 해면철의 방사성 탄소 연대 측정에 의해 결정될 수 있다. 철 생성물의 샘플 준비와 방사성 탄소 연대 측정 방법은 이 기술 분야에 알려져 있다. 예를 들어, 적절한 방법은 문헌[Cook, A., Wadsworth, J., & Southon, J. (2001). AMS Radiocarbon Dating of Ancient Iron Artifacts: A New Carbon Extraction Method in Use at LLNL. Radiocarbon, 43(2A), 221-227 (이 문헌의 방법은 전체 내용이 본 명세서에 포함됨)]에 개시되어 있다.
화석 연료 자원으로부터 유래된 탄소는 일반적으로 35,000년이 넘는 방사성 탄소 연대를 갖는 반면, 재생 가능 소스로부터 유래된 탄소는 "현대적인" 것으로 발견된다. 이산화탄소와 침탄 가스에서 화석 연료 탄소에 대한 재생 가능 탄소의 비율에 따라 변하는, 해면철에서 화석 연료 탄소에 대한 재생 가능 탄소의 비율에 따라, 해면철의 방사성 탄소 연대는 (탄소가 전적으로 화석 연료에서 유래된 경우) 약 35,000년에서 (탄소가 전적으로 재생 가능 소스에서 유래된 경우) "현대"까지 이를 수 있다. 방사성 탄소 연대 측정된 철 물건의 목록은 문헌[Cook, A.C., Southon, J.R. & Wadsworth, J. Using radiocarbon dating to establish the age of iron-based artifacts. JOM 55, 15-22 (2003)]에서 제공된다. 본 명세서에 기술된 공정은 우수한 탄소 활용으로 인해 주로 또는 본질적으로 재생 가능 소스에서 유래된 이산화탄소와 선택적으로 침탄 가스를 사용하여 상업적으로 실행 가능 방식으로 수행될 수 있다. 따라서 생성된 해면철 생성물은 현재보다 10,000년 미만 전, 바람직하게는 1,000년 미만, 예를 들어, 현재보다 100년 미만 전의 방사성 탄소 연대를 가질 수 있다.
실시형태
본 발명은 이제 특정 예시적인 실시형태 및 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 논의되고/되거나 도면에 도시된 예시적인 실시형태로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위 내에서 변경될 수 있다. 또한, 특정 기능을 보다 명확하게 설명하기 위해 일부 기능이 과장되었을 수 있으므로 도면은 축척에 맞게 그려진 것으로 고려해서는 안 된다.
도 1은 Hybrit 개념에 따른 광석 기반 제강 가치 사슬의 종래 기술의 실시형태를 개략적으로 도시한다. 광석 기반 제강 가치 사슬은 철광석 광산(101)에서 시작된다. 채광 후, 철광석(103)은 펠릿화 공장(105)에서 농축 및 가공되고, 철광석 펠릿(107)이 생성된다. 이 펠릿은 공정에 사용되는 덩어리 광석과 함께 수소 가스(115)를 주 환원제로 사용하고 물(117)을 주 부산물로 생성하는 직접 환원 샤프트(111)에서 환원에 의해 해면철(109)로 전환된다. 수소 가스(115)는 바람직하게는 주로 화석 연료 없거나 재생 가능 소스(122)로부터 유래된 전기(121)를 사용하여 전해조(119)에서 물(117)을 전기분해하는 것에 의해 생성된다. 수소 가스(115)는 직접 환원 샤프트(111)로 도입되기 전에 수소 저장부(120)에 저장될 수 있다. 해면철(109)은 용융물(127)을 제공하기 위해 고철(125) 또는 다른 철 소스의 일부와 함께 전기 아크로(123)를 사용하여 선택적으로 용융된다. 용융물(127)은 추가 하류 2차 야금 공정(129)을 거치고, 철강(131)이 생산된다. 광석으로부터 철강에 이르기까지 전체 가치 사슬에서 화석 연료가 없고 탄소 배출이 적거나 전혀 발생하지 않을 수 있도록 의도되었다.
도 2a는 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기에 적합한 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한다. 도 2a에 도시된 시스템은 높은 압력(예를 들어, > 2 Bar)에서 동작하는 직접 환원 공정에 특히 적합하다.
직접 환원 샤프트(211)는 철광석(207)용 입구(211a), 해면철(208)을 배출하기 위한 출구(211b), 환원 가스용 입구(211c), 및 상부 가스용 출구(211d)를 갖도록 배열된다. 가압 가능 장입 호퍼(213)는 직접 환원 샤프트(211)에 대한 입구(211a)와 연통하도록 배열된다. 가압 가능 장입 호퍼(213)는 철광석(207)용 입구(213a), 철광석(207)용 출구(213b), 가스 입구(213c) 및 가스 출구(213d)를 포함한다. 가압 가능 장입 호퍼(213)의 입구(213a)는 광석 통(227)과 연결되게 배열된다. 가압 가능 장입 호퍼(213)의 가스 입구(213c)는 이산화탄소 소스(221)와 연결되게 배열된다.
사용 시, 광석 통(227)으로부터의 철광석(207)은 가압 가능 장입 호퍼(213) 내로 도입된다. 광석이 장입되면, 광석 입구(213a)와 출구(213b)는 밀봉되고 호퍼(213)는 호퍼(213)로부터 공기를 배출하기 위해 이산화탄소 소스(221)로부터 소정량의 이산화탄소(223)로 퍼지된다. 이산화탄소와 혼합된 공기는 퍼지된 가스(225)로서 호퍼(213)를 떠난다. 퍼지된 가스 혼합물은 원하는 경우 이산화탄소를 회수하기 위해 재활용될 수 있다. 그런 다음 가스 출구(213d)를 밀봉하고 호퍼(213)를 이산화탄소(223)로 직접 환원 샤프트(211)의 동작 압력에 가까운 압력으로 가압한다. 일단 가압되면 호퍼(213)의 출구(213b)가 개방되어 철광석(207)이 직접 환원 샤프트(211)의 입구(211a)로 장입된다. 이산화탄소(223)는 장입 작업에서 불가피하게 직접 환원 샤프트로 도입된다. 직접 환원 샤프트(211)에 장입된 철광석(207)은 샤프트를 점진적으로 통과하여 출구(211b)로 배출된다. 샤프트(211)를 통과하는 동안 광석(207)은 역류 흐름의 환원 가스(217)에 의해 환원되어 해면철(208)이 반응기(211)의 배출 출구(211b)에서 얻어진다.
보충 가스(215)는 수소 가스 저장소 또는 물 전해조와 같은 보충 가스(220)의 소스로부터 공급된다. 보충 가스(215)는 처리된 상부 가스(218)와 혼합되어 환원 가스(217)를 형성한다. 환원 가스(217)는 직접 환원 샤프트(211)로 도입되기 전에 예열기(241)를 통과한다. 출구(211d)를 빠져나가는 상부 가스(216)는 DR 샤프트(211)로 재도입되기 위한 가스를 준비하기 위해 복수의 처리 장치(243)를 통과한다. 복수의 처리 장치는 가스로부터 고형물을 제거하기 위해 전기 집진기를 통과하는 것과 같은 세정 단계, 환원 가스(217)와 같은 다른 공정 가스와의 열 교환 단계, 및 물 분리 단계를 포함할 수 있다. 처리된 상부 가스(218)는 보충 가스(215)와 혼합되고, 입구(211c)를 통해 직접 환원 샤프트(211)로 재도입되기 전에 예열기(241)를 통과한다. 입구(211c)에 들어가는 가스의 온도는 부분 산화에 의해 추가로 증가될 수 있다. 이러한 경우에, 예열기(241)와 입구(211c) 사이에 산소 공급부(도시되지 않음)가 배열될 것이다.
광석(207)과 함께 직접 환원 샤프트에 도입된 이산화탄소(223)는 공정 가스로 순환할 것이고, 여기서 이산화탄소는 이론에 얽매이지 않고 먼저 수소와의 반응에 의해 일산화탄소로 전환된 다음 해면철에서 탄소(예를 들어, 흑연 또는 시멘타이트)로 흡수된다. 따라서, 이산화탄소(223)는 순환으로부터 수동적으로 제거될 것이고 이 과정에서 축적되지 않을 것이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 것과 유사한 공정 시스템을 개략적으로 도시하지만, 차이점은 시스템이 대기압에 가까운 압력(예를 들어, ≤ 2 Bar)에서 동작하는 직접 환원 공정에 특히 적합하다는 것이다. 이 시스템에서, 철광석(207)은 밀봉 레그(229)를 통해 직접 환원 샤프트(211)의 입구(211a)에 장입된다. 이산화탄소(223)는 직접 환원 샤프트(211)의 동작 압력을 초과하는 압력에서 밀봉 가스 입구(229c)에서 밀봉 레그(229)에 제공되고, 이산화탄소와 공기의 혼합물은 퍼지된 가스(225)로서 제거된다. 이러한 방식으로, 직접 환원 샤프트(211)의 입구(211a)에 장입되는 철광석(207)에서 공기가 제거될 것이고, 직접 환원 샤프트(211)로부터 공정 가스는 밀봉 레그(229)를 통해 샤프트를 빠져나가는 것이 방지될 것이다. 그러나, 이러한 배열은 또한 필연적으로 광석(207)과 함께 이산화탄소(223)를 직접 환원 샤프트(211)로 도입한다. 다른 양태에서, 시스템 및 공정의 동작은 도 2a에 기술된 것과 유사하다. 다시, 퍼지된 가스(225)를 재활용하는 것이 가능할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 도 2a 및 도 2b에 도시된 공정 시스템은 또한 직접 환원 샤프트의 배출 출구(211b)에 배열된 침탄된 해면철 배출 장치를 포함한다. 이러한 배출 장치는 이 기술 분야에 알려져 있으며, 가압 배출 호퍼 또는 밀봉 레그 및 배출 용기를 포함할 수 있다. 이러한 배출 장치는 도 2a 및 도 2b와 관련하여 설명된 광석 장입 장치와 유사한 방식으로 기능한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 공정의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 단계(s301)는 공정의 시작을 나타낸다. 단계(s303a)에서 철광석은 직접 환원 샤프트에 장입되고, 여기서 필연적으로 밀봉 가스인 이산화탄소가 철광석과 함께 직접 환원 샤프트에 도입된다. 단계(s305)에서 상부 가스가 직접 환원 샤프트로부터 제거된다. 단계(s307)에서 상부 가스의 일부를 재활용하고 보충 가스와 혼합시켜 환원 가스를 형성한다. 단계(s309)에서 환원 가스는 철광석을 환원시켜 침탄된 해면철을 생성하기 위해 철광석에 대한 역류 흐름으로 직접 환원 샤프트에 도입된다. 단계(s311)는 공정의 종료를 나타낸다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 단계인 단계(s303b)는 단계(s303a)를 대체하거나 보완할 수 있다. 단계(s303b)에서 직접 환원 샤프트로부터 침탄된 해면철이 배출되고, 여기서 침탄된 해면철의 배출과 함께 밀봉 가스인 이산화탄소가 직접 환원 샤프트에 유입된다.
도 4a 및 도 4b는 4 Bar의 압력에서 H2: 91%; CO2: 4%; 및 H2O: 5%(부피 기준)의 초기 가스 조성을 사용하여 형성된 평형 조성을 도시한다. 평형은 오토텍(Outotec)의 HSC 평형 소프트웨어를 사용하여 계산된다. 도 4a는 모든 성분을 도시하는 반면, 도 4b는 혼합물의 탄소질 성분에 중점을 둔다. 상대적으로 낮은 온도(< 약 600℃)에서는 메탄이 우세하고, 중간 온도(약 600℃ 내지 900℃)에서는 탄소(흑연 형성)가 우세한 반면, 약 900℃를 초과하는 온도에서는 일산화탄소가 우세함을 볼 수 있다. 이산화탄소는 조사된 어떤 평형 조건에서도 유리하지 않지만, 초기 가스 혼합물의 성분이기 때문에 낮은 온도에서 동역학적으로 유리할 것이라고 가정할 수 있다. 직접 환원 샤프트의 환원 가스 입구에서 나타나는 온도는 일반적으로 950℃를 초과하므로 평형에 의해 일산화탄소가 유리하다는 것이 주목된다. 일단 형성되면 일산화탄소는 침탄에 참여하고 이전에 설명한 방식으로 공정으로부터 제거된다.

Claims (15)

  1. 철광석(207)으로부터 침탄된 해면철(208)을 제조하는 방법으로서,
    - 직접 환원 샤프트(211)에 철광석을 장입(s303a)하고/하거나, 상기 직접 환원 샤프트(211)로부터 침탄된 해면철(208)을 배출(s303b)하는 단계로서, 상기 철광석을 장입하고/하거나 상기 침탄된 해면철을 배출하는 것과 함께 밀봉 가스(223)를 상기 직접 환원 샤프트에 도입하는, 상기 철광석을 장입하고/하거나 침탄된 해면철을 배출하는 단계;
    - 상기 직접 환원 샤프트로부터 상부 가스(216)를 제거하는 단계(s305);
    - 상기 상부 가스의 일부를 재활용하고 보충 가스(215)와 혼합시켜 환원 가스(217)를 형성하는 단계(s307); 및
    - 상기 철광석을 환원시켜 침탄된 해면철을 생산하기 위해 상기 환원 가스를 상기 철광석에 대해 역류 흐름으로 상기 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계(s309)
    를 포함하되;
    상기 밀봉 가스는 본질적으로 이산화탄소로 구성되고,
    상기 보충 가스는 80 부피%를 초과하는 수소 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보충 가스는 본질적으로 수소 및 선택적으로 이산화탄소로 구성되는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보충 가스는 본질적으로 수소로 구성되고, 상기 수소는 선택적으로 물의 전기분해에 의해 생성되는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재활용된 상부 가스는 외부 개질기를 통과하지 않는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 가스는 소각되지 않는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소는 바이오연료 생산의 부산물로서 얻어지는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 가스의 일부를 재활용하는 것은 상기 상부 가스로부터 물과 더스트(dust)를 제거하는 것을 포함하는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직접 환원 샤프트는 2 Bar를 초과하는 압력에서 동작하고, 상기 밀봉 가스와 상기 철광석은 상기 직접 환원 샤프트의 입구(211a)에 배열된 가압 가능 장입 호퍼(213)를 통해 상기 직접 환원 샤프트에 도입되는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직접 환원 샤프트는 2 Bar 이하의 압력에서 동작하고, 상기 밀봉 가스와 상기 철광석은 상기 직접 환원 샤프트의 입구(211a)에 배열된 밀봉 레그(229)를 통해 상기 직접 환원 샤프트에 도입되는, 철광석으로부터 침탄된 해면철을 제조하는 방법..
  10. 침탄된 해면철을 제조하는 시스템으로서,
    - 물의 전기분해로부터 수소(215)를 생성하도록 배열된 전해조(220);
    - 직접 환원 샤프트(211);
    - 철광석 장입 장치;
    - 침탄된 해면철 배출 장치; 및
    - 이산화탄소 소스(221)
    를 포함하되, 상기 이산화탄소 소스는 상기 철광석 장입 장치 및/또는 상기 침탄된 해면철 배출 장치와 유체 연결되게 배열된, 침탄된 해면철을 제조하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 시스템은 개질기를 포함하지 않는, 침탄된 해면철을 제조하는 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 시스템은 CO2 포집 디바이스를 포함하지 않는, 침탄된 해면철을 제조하는 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철광석 장입 장치는 가압 가능 장입 호퍼(213)를 포함하고, 상기 가압 가능 장입 호퍼는 밀봉 가스 입구(213c)를 포함하고, 상기 밀봉 가스 입구는 상기 이산화탄소 소스와 유체 연결되게 배열된, 침탄된 해면철을 제조하는 시스템.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철광석 장입 장치는 광석 통(227) 및 밀봉 레그(229)를 포함하고, 상기 밀봉 레그는 밀봉 가스 입구(229c)를 포함하고, 상기 밀봉 가스 입구는 상기 이산화탄소 소스와 유체 연결되게 배열된, 침탄된 해면철을 제조하는 시스템.
  15. 침탄된 해면철(208)로서,
    상기 침탄된 해면철은 90 중량%를 초과하는 환원도를 갖고, 0.1 중량% 내지 5 중량%의 탄소를 포함하고, 상기 침탄된 해면철은 현재보다 10,000년 미만 전, 바람직하게는 현재보다 1000년 미만 전, 훨씬 더 바람직하게는 현재보다 100년 미만 전의 방사성 탄소 연대를 갖는, 침탄된 해면철.
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