KR20230135096A - 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 철광석(207)을 직접 환원 샤프트(211)에 장입하기 위한 장치 및 방법, 뿐만 아니라 직접 환원 샤프트에서 해면철(208)을 배출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 방법은 진공의 적용에 의해 용기에서 가스를 배기하는 단계, 후속하여 밀봉 가스(223)로 용기를 재충전하는 단계를 각각 포함하고, 밀봉 가스는 비산화제 가스이다. 게다가, 본 개시내용은 철광석을 장입하고/하거나 해면철을 배출하기 위한 이러한 장치를 포함하는 해면철의 생산을 위한 시스템에 관한 것이다. 게다가, 본 개시내용은 철광석의 직접 환원을 위한 방법에 관한 것이고, 방법은 철광석을 장입하고/하거나 해면철을 배출하는 것과 함께 수소, 바이오가스, 바이오합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물에서 선택된 가스로 본질적으로 이루어진 밀봉 가스를 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계를 포함한다.

Description

철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 직접 환원 샤프트(direct reduction shaft)에 철광석을 장입하기 위한 장치, 뿐만 아니라 이러한 장치를 활용하여 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치, 뿐만 아니라 이러한 장치를 활용하여 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치를 포함하는 해면철의 생산을 위한 시스템, 및 철광석의 직접 환원을 위한 방법에 관한 것이다.
철강은 세계에서 가장 중요한 엔지니어링 및 건축 재료이다. 현대 세계에서 철강을 포함하지 않거나 또는 제작 및/또는 수송을 위해 철강에 의존하지 않는 임의의 물체를 찾기는 어렵다. 이 방식으로, 철강은 현대 생활의 거의 모든 양상에 복잡하게 관련된다.
2018년에, 전 세계 조강 총 생산량은 18억 1천만 톤으로 임의의 다른 금속을 훨씬 초과했으며, 2050년에는 28억 톤에 이를 것으로 예상되며 이 중 50%는 순수 철 공급원에서 나올 것으로 예상된다. 철강은 또한 전기를 주요 에너지원으로 사용하여, 재용융 후 반복해서 다시 사용될 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 방법을 통해 생산된다:
i) 광석의 산화철이 탄소에 의해 환원되어 철을 생성하는 용광로(blast furnace: BF)에서 순 철광석을 사용하는 통합 생산. 철은 기본 산소 용광로(basic oxygen furnace: BOF)에서 산소 취입에 의해 철강 공장에서 추가로 처리된 후, 철강을 생산하기 위해 정련된다. 이 방법은 또한 일반적으로 '산소 제강'으로 지칭된다.
ii) 전기를 주요 에너지원으로 사용하는 전기 아크로(electric arc furnace: EAF)에서 용융되는 재활용 철강을 사용하는 스크랩 기반 생산. 이 방법은 또한 일반적으로 '전기 제강'으로 지칭된다.
iii) 해면철을 생산하기 위해 탄소질 환원 가스를 사용하는 직접 환원(direct reduction: DR) 공정에서 환원되는 순 철광석을 기반으로 하는 직접 환원 생산. 해면철은 후속하여 EAF에서 스크랩과 함께 용융되어 철강을 생산한다.
용어 조철은 용광로(즉, 선철) 또는 직접 환원 샤프트(즉, 해면철)에서 획득되는지 여부에 관계없이, 철강로의 추가 가공을 위해 생산되는 모든 철을 나타내기 위해 본 명세서에서 사용된다.
위에서 언급한 공정이 수십년 동안 개선되었고 이론적 최소 에너지 소비에 근접하고 있지만, 아직 해결되지 않은 한 가지 근본적인 문제가 있다. 탄소질 환원제를 사용하는 철광석의 환원은 부산물로서 CO2의 생성을 발생시킨다. 2018년에 생산된 철강 1톤당, 평균 1.83톤의 CO2가 생성되었다. 철강 산업은 CO2 배출량이 가장 많은 산업 중 하나로, 전 세계적으로 CO2 배출량의 대략 7%를 차지한다. 탄소질 환원제를 사용하는 한 철강 생산 공정 내에서 과도한 CO2 생성을 피할 수 없다.
HYBRIT 계획은 이 문제를 처리하기 위해 설립되었다. HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology의 줄임말인 HYBRIT는 SSAB, LKAB 및 Vattenfall의 합작 투자로, 스웨덴 에너지청이 부분적으로 자금을 지원했으며, CO2 배출량을 감소시키고 철강 산업의 탈탄소화를 목표로 한다.
HYBRIT 개념의 핵심은 순 광석으로부터 해면철의 직접 환원 기반 생산이다. 그러나, 현재 상업적인 직접 환원 공정에서와 같이, 천연 가스와 같은 탄소질 환원제 가스를 사용하는 대신, HYBRIT는 수소 직접 환원(hydrogen direct reduction: H-DR)으로 불리는 수소 가스를 환원제로 사용할 것을 제안한다. 수소 가스는 - 예를 들어, 스웨덴 전기 생산에 대한 경우와 같이, 주로 화석연료가 없는 그리고/또는 재생 가능한 1차 에너지원을 사용하는 물의 전기분해에 의해 생산될 수도 있다. 따라서, 철광석을 환원시키는 중요한 단계는 화석 연료를 입력으로 사용하지 않고 CO2 대신 물을 부산물로 사용하여 달성될 수도 있다.
종래 기술의 화석 기반 직접 환원 시스템에서, 뿐만 아니라 제안된 수소 기반 직접 환원 시스템에서, 철광석이 직접 환원 샤프트에 안전하게 장입될 수도 있는 것이 필수적이다. 샤프트를 통과하는 공정 가스(일반적으로 화석 기반 공정에서 수소, 일산화탄소 및 탄화수소를 포함함)가 가연성이 높기 때문에, 광석을 샤프트에 도입할 때 폭발성 공기/공정 가스 혼합물의 형성을 방지하는 것이 중요하다. 이것은 일반적으로 광석을 장입할 때 공기가 아닌 불활성(즉, 인화성 비산화제) 밀봉 가스만이 샤프트에 도입되고, 공정 가스가 장입 장치를 통해 제어되지 않은 상태로 샤프트를 빠져나가는 것을 보장함으로써 달성된다. 정확하게 이것을 달성하는 공정은 직접 환원 시스템의 설계에 따라 다르다.
일반적으로 Midrex 공정과 같이, 저압(예를 들어, 2bar 이하)에서 작동하는 DR 샤프트에서, 동적 가스 밀봉부는 광석 충전물 충전 용기를 직접 환원 샤프트에 연결시키는 밀봉 레그에 배열된다. 불활성 밀봉 가스는 밀봉 레그의 하나 이상의 지점에서 DR 샤프트의 작동 압력을 초과하는 압력으로 도입된다. 이 고압 밀봉 가스는 공기가 철광석 충전물과 함께 DR 샤프트로 도입되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 공정 가스가 밀봉 레그를 통해 DR 샤프트에서 빠져나가는 것을 방지한다.
일반적으로 Hyl ZR 공정과 같이 더 높은 압력(예를 들어, 2bar 초과)에서 작동하는 DR 샤프트에서, 충전 용기는 직접 환원 샤프트의 입구에 배열된다. 광석이 가압 가능한 충전 용기에 장입되며, 먼저 불활성 밀봉 가스로 플러싱되어 공기를 차단한 다음, 밀봉 가스를 사용하여 대략 DR 샤프트의 작동 압력으로 가압된다. 일단 가압되면, 충전물 충전 용기와 DR 샤프트를 분리시키는 밸브가 개방되어 철광석 충전물이 밀봉 가스와 함께 샤프트로 도입되게 한다. 충전 용기에서 광석을 비우면, 충전 용기가 재밀봉되고 밀봉 가스로 다시 플러싱되어 충전 용기에서 공정 가스를 배기한다. 마지막으로, 충전 용기가 대기에 개방되고 광석으로 재충전될 수 있다. 일반적으로, 다수의 충전 용기가 DR 샤프트에 광석을 공급하기 위해 병렬로 배열된다.
유사한 장치가 또한 일반적으로 생산된 해면철을 안전하게 배출하기 위해 일반적으로 직접 환원 샤프트의 배출 단부에 위치된다.
철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하는 개선된 수단이 필요하다.
본 발명의 발명자는 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하는 종래 기술 수단의 복수의 결점을 식별하였다.
종래 기술의 광석을 장입하는 수단은 일반적으로 다량의 밀봉 가스의 사용을 필요로 한다. 밀봉 가스는 일반적으로 밀봉 가스가 질소인 경우 예를 들어, 공기 분리기 장치를 사용하여 현장에서 생산된다. 필요한 다량의 밀봉 가스는 직접 환원 시스템의 증가된 자본 및 운영 비용을 초래한다.
부가적으로, 밀봉 가스는 종래 기술의 광석 장입 수단을 사용하여 필연적으로 공정 가스에 도입된다. 위에서 설명된 바와 같이, 질소와 같은, 일반적으로 사용되는 밀봉 가스는 불활성이어야 하고(즉, 공정 가스와 폭발성 혼합물을 형성하지 않음) 따라서 공정 가스에 유지된다. 그러나, 공정 가스의 다른 성분은 일반적으로 반응에 의해 소비되거나(예를 들어, H2, CO, CH4) 또는 순환에서 제거된다(예를 들어, H2O, CO2). 이것은 밀봉 가스가 공정 가스에 점진적으로 축적되고 아무 조치도 취하지 않으면 계속 증가하는 비율을 포함할 것임을 의미한다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 공정 가스의 일정 비율의 공정 가스는 일반적으로 공정 가스 회로에서 배출되고 플레어(flare)되어 공정 가스의 불활성 성분의 적절한 농도를 유지한다. 이것은 특히 이러한 경우의 환원 가스가 적어도 처음에 화석 기반 환원 가스보다 더 비쌀 것으로 예상되기 때문에 제안된 수소 기반 직접 환원 공정의 경우 경제적으로 유해하다. 환원 가스가 화석 기반이라면, 공정 가스를 배출하는 것은 또한 CO2 배출을 증가시키므로 환경에 부정적인 결과를 초래한다.
생산된 해면철이 배출되는 직접 환원 샤프트의 유출부는 또한 밀봉을 필요로 하고, 종래 기술의 해면철을 배출하는 수단은 종래 기술의 광석을 장입하는 수단과 동일한 단점이 있다.
위에서 언급한 단점 중 적어도 일부를 극복하거나 또는 적어도 완화시키는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 수단을 달성하는 것이 유리할 것이다. 특히, 밀봉 가스의 필요성을 감소시키고 잠재적으로 공정 가스를 배출할 필요성을 방지하여, 따라서 잠재적으로 직접 환원 공장의 운영 비용을 감소시키는, 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 수단을 가능하게 하는 것이 바람직할 것이다.
이러한 문제 중 하나 이상을 더 잘 해결하기 위해, 독립 청구항에 규정된 특징을 갖는 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하기 위한 방법이 제공된다.
방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 광석 충전 용기의 광석 유출부를 밀봉 상태로 설정하는 단계;
b) 광석 충전 용기의 광석 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계;
c) 광석 유입부를 통해 광석 충전 용기에 철광석을 장입하는 단계;
d) 광석 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계;
e) 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기에서 가스를 배기하는 단계;
f) 광석 충전 용기를 밀봉 가스로 재충전하는 단계; 및
g) 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하기 위해 광석 유출부를 개방 상태로 설정하는 단계.
밀봉 가스는 비산화제 가스이다.
개시된 방법에 따르면, 광석으로 충전된 충전 용기는 선택된 비산화제 밀봉 가스로 재충전되기 전에 진공의 적용에 의해 배기된다. 진공의 적용이 충전 용기에서 실질적으로 모든 공기를 제거하기 때문에, 산소의 제거를 확실하게 하기 위해 다수의 용적의 밀봉 가스로 충전 용기를 플러싱할 필요가 없다. 이것은 충전당 충전 용기의 용적의 일반적으로 약 5배인, 종래 기술의 공정에서 충전 용기를 플러싱하는 데 사용되는 밀봉 가스의 용적과 비교될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법에 의해 달성된다.
해면철을 배출하기 위한 방법은 다음의 단계를 포함하다:
i) 철 배출 용기의 철 유출부 및 철 유입부를 밀봉된 상태로 설정하는 단계;
ii) 진공의 적용에 의해 철 배출 용기에서 가스를 배기하는 단계;
iii) 밀봉 가스로 철 충전 용기를 재충전하는 단계;
iv) 철 배출 용기의 철 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계;
v) 철 유입부를 통해 해면철로 철 배출 용기를 충전하는 단계; 및
vi) 철 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계;
여기서 밀봉 가스는 비산화제 가스이다.
철광석을 장입하기 위한 방법과 유사한 방식으로, 진공의 사용은 배출 용기에서 실질적으로 모든 공기를 제거하고, 이는 배출 용기의 대기가 직접 환원 샤프트에 대한 용기를 개방하기 전에 충분히 비반응적임을 보장하기 위해 더 적은 양의 밀봉 가스가 요구된다는 것을 의미한다.
다음의 고려사항은 달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 철광석을 장입하기 위한 방법과 해면철을 배출하기 위한 방법 둘 다에 독립적으로 적용 가능하다.
진공이 적용되어 광석 충전 용기(그리고 대안적으로 또는 부가적으로, 철 배출 용기)를 적어도 정상 온도(20℃)에서, 약 100mbar 이하, 바람직하게는 약 10mbar 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 1mbar 이하의 압력에 있게 할 수도 있다. 상대적으로 강한 진공의 사용은 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 전에(또는 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 전에) 더 적은 진공 배기/재충전 사이클의 사용을 허용한다.
밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있다. 즉, 밀봉 가스는 이산화탄소, 질소 또는 정화된 연도 가스와 같은, 전형적인 불활성 가스(인화성 비산화제 가스)일 수도 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 방법은 직접 환원 샤프트로의 사용되는 실질적으로 모든 밀봉 가스의 도입을 허용하고, 따라서 다량의 밀봉 가스가 충전 용기를 퍼지하기 위해 또는 동적 밀봉을 유지하기 위해 사용되는 종래 기술의 방법과 대조적으로, 밀봉 가스가 낭비되지 않는다. 게다가, 개시된 공정이 밀봉 가스로 재충전하기 전에 공기의 충전/배출 용기를 실질적으로 비우기 때문에, 공기와 밀봉 가스의 혼합물이 방지된다. 함께, 이 특징은 불활성 가스 이외의 가스가 밀봉 가스, 예를 들어, 더 비싸고/비싸거나 잠재적으로 가연성 가스로서 사용되게 한다. 따라서, 순수한 환원성 가스, 예컨대, 수소 가스, 환원 및 침탄 가스, 예컨대, 메탄, 바이오가스 또는 합성가스, 또는 간접적인 침탄 가스, 예컨대, 이산화탄소가 밀봉 가스로 사용될 수도 있다. 이러한 가스의 사용은 직접 환원 샤프트로의 불활성 가스의 도입이 방지될 수도 있고, 따라서 공정 가스에 불활성 성분의 축적을 방지하기 위해 공정 가스의 배출이 요구되지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 이것은 공정 가스의 활용을 상당히 개선시키고 운영 비용을 감소시킬 수도 있다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
일부 경우에, 철광석을 직접 환원 샤프트에 안전하게 장입하는 데(그리고 대안적으로 또는 부가적으로, 직접 환원 샤프트에서 해면철을 안전하게 배출하는 데) 단 한 번의 진공 배기/재충전 사이클으로 충분할 수도 있다. 이러한 경우에, 공기만이 진공에 의해 제거되고 재충전된 가스가 직접 환원 샤프트로 도입되기 때문에, 이것은 장입/배출 용기를 관련된 장입 압력으로 있게 하는 데 필요한 밀봉 가스의 양 이상이고 초과하는, 장입/배출 방법에서 임의의 초과량의 가스의 사용을 방지할 수도 있다.
방법은 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기에서(그리고 대안적으로 또는 부가적으로, 철 배출 용기에서) 가스를 제거하는 단계; 및 용기를 불활성 가스로 재충전하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이 단계는 광석 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계 d) 후에 하지만 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기에서 가스를 배기하는 단계 e) 전에(또는 해면철을 배출하기 위한 방법에서 단계 i 후에 하지만 단계 ii 전에) 수행될 수도 있다. 즉, 부가적인 진공 배기/재충전 사이클이 수행될 수도 있다. 이것은 약 100mbar보다 큰 것과 같이 상대적으로 열악한 진공이 사용되더라도, 대부분 불활성 가스이지만, 일부 나머지 공기를 포함하는 용기에 가스 혼합물을 제공하기 위해 초기 진공 배기/재충전 사이클을 먼저 수행함으로써 단계적으로 방법이 수행될 수도 있다는 것을 의미한다. 후속 진공 배기/재충전 사이클은 본 발명의 목적을 위해(즉, 잠재적으로 폭발성 가스/공기 혼합물의 형성을 방지함) 본질적으로 밀봉 가스를 포함하는 가스 혼합물을 용기에 제공하는 데 충분해야 한다.
물론, 이미 설명한 단일 및 이중 진공 배기/재충전 사이클 대신에, 총 3회 또는 4회의 진공 배기/재충전 사이클과 같이, 필요에 따라 다수의 진공 배기/재충전 사이클이 수행될 수도 있다. 그러나, 공정에 필요한 불활성 가스의 총량은 진공 배기/재충전 사이클이 수행될 때마다 증가하므로, 가능한 한 적은 진공 배기/재충전 사이클을 사용하는 것이 바람직하다. 1회 초과의 진공 배기/재충전 사이클이 수행되는 경우, 초기 사이클(들)에서 재충전은 불활성 가스를 사용하여 수행되고, 밀봉 가스를 사용하는 재충전은 최종 재충전 단계에서만 수행된다.
불활성 가스는 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있다. 밀봉 가스는 불활성 가스와 동일하거나 또는 상이할 수도 있다. 밀봉 가스가 불활성 가스와 상이한 경우, 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있다. 불활성 가스가 아닌 밀봉 가스를 사용하는 것은 공정 가스에 불활성 가스가 축적되는 것을 방지하는 것을 도우므로 이전에 설명된 바와 같이, 공정 가스를 배출할 필요를 방지하는 것을 돕는다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
구체적으로 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하기 위한 방법은 광석 유출부를 밀봉 상태로 설정하는 단계; 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기에서 공정 가스를 제거하는 단계; 공기에서 선택된 가스, 불활성 가스 및 이들의 조합물로 광석 충전 용기를 재충전하는 단계; 및 광석 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 불활성 가스는 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로부터 선택될 수도 있다. 이 방식으로, 충전 용기는 가스의 효과적인 사용을 보장하면서 철광석의 추가의 장입의 도입을 위해 준비될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 해면철로의 철광석의 직접 환원을 위한 방법에 의해 달성된다. 방법은 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하는 것과 함께 그리고/또는 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하는 것과 함께, 수소, 메탄, 바이오가스 및 합성가스, 또는 수소, 메탄, 바이오가스 또는 합성가스와 이산화탄소의 조합물, 또는 이들의 조합물에서 선택된 가스로 본질적으로 이루어진 밀봉 가스를 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계를 포함한다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
"~와 함께 [...]를 도입하는 것"은, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 그리고 첨부된 독립 청구항에서, 밀봉 가스가 예를 들어, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하고/하거나 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법을 사용하여 직접 환원 샤프트에 도입될 수도 있다는 것을 의미한다.
철광석을 환원하고/하거나 임의로 침탄하는 이러한 밀봉 가스를 도입함으로써, 직접 환원 샤프트로의 고체의 장입 및/또는 배출과 함께 가스가 직접 환원 샤프트에 불가피하게 도입되기 때문에, 공정은 직접 환원에서 목적을 제공하는 가스만을 도입하고 공정에서 해로운 효과를 줄 수도 있는 가스의 도입을 방지한다. 공정에 해로운 효과를 줄 수도 있는 가스는 예를 들어, 과도한 농도로 축적되도록 허용되면 공정 가스에 축적되고 공정 가스의 환원 능력을 감소시킬 수도 있는 질소와 같은 불활성 가스이다. 보통, 공정 가스의 배출은 이러한 축적의 효과를 개선하는 데 필요하다. 따라서, 개시된 공정은 공정 가스의 더 효과적인 사용을 허용하고 따라서 공정의 운영 비용을 감소시킬 수도 있다.
공정은 철광석과 반대방향 흐름으로 직접 환원 샤프트로 메이크업 가스(make-up gas)를 도입하는 것을 포함할 수도 있다. 메이크업 가스는 수소 및 바이오합성가스에서 선택되고, 밀봉 가스와 동일하거나 또는 상이할 수도 있다. 이 메이크업 가스는 충분한 환원 가스가 공정에 도입되어 철광석을 해면철로 충분히 환원한다는 것을 보장할 수도 있다.
본 발명의 추가의 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치에 의해 달성된다. 철광석을 장입하기 위한 장치는 다음을 포함한다:
- 광석 충전 용기;
- 진공의 공급원; 및
- 밀봉 가스의 공급원.
진공의 공급원과 밀봉 가스의 공급원은 각각 광석 충전 용기와 제어 가능한 유체 연결로 배열된다.
밀봉 가스는 비산화제 가스이다.
이러한 장치는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 그리고 첨부된 독립 청구항에서 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법을 수행하는 것을 용이하게 한다. 광석 충전 용기, 또는 더 구체적으로 광석 충전 용기의 광석 유출부가 일반적으로 직접 환원 샤프트의 유입부와 연통하도록 배열되어, 광석이 광석 충전 용기에서 직접 환원 샤프트까지 통과하게 한다.
본 발명의 추가의 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치에 의해 달성된다.
해면철을 배출하기 위한 장치는 다음을 포함한다:
- 철 배출 용기;
- 진공의 공급원; 및
- 밀봉 가스의 공급원.
진공의 공급원과 밀봉 가스의 공급원은 각각 철 배출 용기와 제어 가능한 유체 연결로 배열된다.
밀봉 가스는 비산화제 가스이다.
이러한 장치는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 그리고 첨부된 독립 청구항에서 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법을 수행하는 것을 용이하게 한다. 철 배출 용기, 또는 더 구체적으로 철 배출 용기의 철 유입부가 일반적으로 직접 환원 샤프트의 유출부와 연통하도록 배열되어, 해면철이 직접 환원 샤프트에서 철 배출 용기까지 통과하게 한다.
다음의 고려사항은 달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 철광석을 장입하기 위한 장치와 해면철을 배출하기 위한 장치 둘 다에 독립적으로 적용 가능하다.
광석 충전 용기는 밀봉 가능한 광석 유입부, 밀봉 가능한 광석 유출부 및 적어도 하나의 가스 도관을 포함할 수도 있다. 철 배출 용기는 밀봉 가능한 철 유입부, 밀봉 가능한 철 유출부 및 적어도 하나의 가스 도관을 포함할 수도 있다. 진공의 공급원 및/또는 밀봉 가스의 공급원은 가스 도관과 유체 연결로 배열될 수도 있다.
밀봉 가스의 공급원에 관하여, 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
장치(들)는 불활성 가스의 공급원을 더 포함할 수도 있다. 불활성 가스의 공급원은 광석 충전 용기 및/또는 철 배출 용기와 제어 가능한 유체 연결로 배열될 수도 있다. 불활성 가스는 밀봉 가스와 상이할 수도 있다.
장치(들)가 불활성 가스의 공급원을 더 포함하면, 불활성 가스는 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있고; 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택될 수도 있다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
장치(들)는 광석 충전 용기(그리고 대안적으로 또는 부가적으로, 철 배출 용기)에서 정상 온도(20℃)에서 약 100mbar 이하, 바람직하게는 약 10mbar 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 1mbar 이하의 압력을 달성하도록 구성될 수도 있다. 이것은 다음의 것을 필요로 할 수도 있다:
진공의 공급원이 충분히 강력하여 용기를 목표하는 압력에 두고/두거나
용기가 이러한 저압을 견디도록 구성되고/되거나(즉, 용기가 진공 용기일 수도 있음)
용기의 임의의 개구, 예컨대, 밀봉 가능한 유입부, 밀봉 가능한 유출부 및/또는 가스 도관(들)은 이들이 진공의 공급원으로 하여금 용기에서 이러한 압력을 유지하게 할 수도 있는 정도로 밀봉 가능하다.
본 발명의 추가의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 해면철의 생산을 위한 시스템에 의해 달성된다. 시스템은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 철광석을 장입하기 위한 장치 및/또는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 해면철을 배출하기 위한 장치를 포함한다. 즉, 시스템은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 철광석을 장입하기 위한 장치; 또는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 해면철을 배출하기 위한 장치; 또는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 철광석을 장입하기 위한 장치와 해면철을 배출하기 위한 장치를 포함한다. 시스템은 기술에 통상적으로 알려진 바와 같은 장입 장치 및/또는 배출 장치를 더 포함할 수도 있다. 시스템은 직접 환원 샤프트; 및 직접 환원 샤프트와 유체 연결로 배열된 메이크업 가스의 공급원을 더 포함한다. 시스템이 철광석을 장입하기 위한 장치를 포함하면, 광석 충전 용기는 직접 환원 샤프트의 유입부와 연통하도록 배열될 수도 있다. 시스템이 해면철을 배출하기 위한 장치를 포함하면, 철 배출 용기는 직접 환원 샤프트의 유출부와 연통하도록 배열될 수도 있다. 시스템이 철광석을 장입하기 위한 장치와 해면철을 배출하기 위한 장치 둘 다를 포함하면, 시스템은 오직 단일의 진공 공급원, 단일의 밀봉 가스 공급원 및/또는 단일의 불활성 가스 공급원을 필요로 할 수도 있다. 즉, 별개의 가스 및/또는 진공 공급원은 장입 장치 및 배출 장치를 위해 필요하지 않고, 이 공급원은 통합될 수도 있다.
메이크업 가스의 공급원은 전해조일 수도 있다. 전해조는 물 전기분해에 의해 수소, 또는 물과 이산화탄소의 공동-전기분해에 의해 합성가스(일산화탄소와 수소의 혼합물)를 생산할 수도 있다. 따라서 메이크업 가스는 수소 또는 합성가스, 예컨대, 바이오합성가스일 수도 있다. 이 방식으로, 환원 가스의 공급원으로서 화석 연료의 사용을 필요로 하는 일 없이 해면철을 생산하는 것이 가능하다.
본 발명의 추가의 목적, 이점 및 새로운 특징은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 분명해질 것이다.
본 발명 및 본 발명의 추가의 목적 및 이점의 더 완전한 이해를 위해, 아래에 제시된 상세한 설명은 동일한 참조 부호가 다양한 도면에서 유사한 항목을 나타내는 첨부 도면과 함께 읽혀져야 하고, 도면에서:
도 1은 Hybrit 개념에 따른 광석계 제강 가치 사슬을 개략적으로 예시하는 도면;
도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같은 방법을 수행하는 데 적합한 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시하는 도면;
도 3은 본 명세서에 개시된 바와 같은 철광석을 장입하기 위한 방법의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도; 및
도 4는 본 명세서에 개시된 바와 같은 해면철을 배출하기 위한 방법의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도.
본 발명은 발명자에 의한, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입할 때, 진공을 사용하여 충전 용기에서 공기를 제거하고 후속하여 선택된 밀봉 가스로 재충전하는 것이 매우 다양한 잠재적인 이점을 제공한다는 통찰에 기초한다. 충전 용기(플러싱되어야 하는 밀봉 가스의 다수의 "용기 용적"에 대응함) 내부의 대기의 희석에 기초하는 종래 기술의 방법과 대조적으로, 대기가 충분히 불활성일 때까지, 현재 개시된 방법이 먼저 공기 대기를 제거하고 이것을 밀봉 가스로 대체하기 때문에, 더 적은 용적의 밀봉 가스가 필요하다. 더 적은 용적의 밀봉 가스가 필요하고, 밀봉 가스와 공기의 혼합물이 방지되기 때문에, 불활성(즉, 공기 또는 공정 가스와 가연성 또는 폭발성 혼합물을 형성하지 않음)인 가스로 밀봉 가스를 제한하는 것이 불필요하다. 대신에, 잠재적으로 가연성 비산화제 가스, 예컨대, 수소, 메탄, 바이오가스 또는 합성가스가 원한다면 사용될 수도 있다. 이것은 공정 가스 내 불활성 가스의 축적이 방지될 수도 있고, 공정 가스의 배출을 위한 필요성이 감소되거나 또는 완전히 방지될 수도 있다는 것을 의미한다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
동일한 개념은 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출할 때 적용될 수도 있고, 동일하거나 또는 유사한 이점이 획득된다.
용어 공정 가스는 공정의 단계와 관계 없이, 직접 환원 공정에서 가스 혼합물을 나타내도록 본 명세서에서 사용된다. 즉, 공정 가스는 직접 환원 샤프트로 도입되고, 직접 환원 샤프트를 통과하고, 직접 환원 샤프트를 떠나고, 직접 환원 샤프트로 다시 재순환되는 가스를 나타낸다. 더 구체적인 용어는 공정의 다양한 지점에서 공정 가스를 나타내도록 또는 공정 가스의 부분을 형성하기 위해 공정 가스에 추가된 성분 가스를 나타내도록 사용된다.
환원 가스는 샤프트의 유입부보다 더 낮은 지점에서 도입되는 가스이고, 가스는 광석의 이동 베드에 역행하여 상향으로 흘러서 광석을 환원하고 임의로 해면철을 침탄한다.
상단 가스는 광석 유입부에 근접하여, 샤프트의 상부 단부로부터 제거되는 부분적으로 사용된 공정 가스이다. 처리 후, 상단 가스는 환원 가스의 성분으로서 직접 환원 샤프트로 다시 재순환될 수도 있다.
메이크업 가스가 공정 가스에 추가된 신선한 가스이므로 환원 능력을 유지한다. 일반적으로, 메이크업 가스는 직접 환원 샤프트로의 재도입 전에 재순환된 상단 가스에 추가된다. 따라서, 환원 가스는 일반적으로 재순환된 상단 가스와 함께 메이크업 가스를 포함한다. 메이크업 가스와 재순환된 상단 가스는 직접 환원 샤프트로의 도입 전에 함께 혼합될 수도 있거나 또는 별도로 도입되고 샤프트에서 혼합될 수도 있다.
밀봉 가스는 광석 장입 장치로부터 직접 환원 샤프트의 유입부에서 직접 환원 샤프트에 진입하는 가스이다. 직접 환원 샤프트의 유출부 단부는 또한 밀봉 가스를 사용하여 밀봉될 수도 있고, 따라서 밀봉 가스는 배출 장치로부터 직접 환원 샤프트의 유출부에서 DR 샤프트에 진입할 수도 있다. 따라서 본 발명의 변형은 직접 환원 샤프트에서 해면철의 배출 동안 도입되는 밀봉 가스를 사용하여 동일하게 적용 가능하다. 종래 기술의 방법에서 사용되는 밀봉 가스는 일반적으로 불활성이고, 불활성 밀봉 가스는 또한 본 명세서에 개시된 방법에서 사용될 수도 있다. 그러나, 종래 기술의 방법과 대조적으로, 본 명세서에 개시된 방법의 밀봉 가스는 대신 환원 및/또는 침탄 가스일 수도 있고, 따라서 메이크업 가스에 대한 보충물로서 여겨질 수도 있다.
불활성 가스는 공기 또는 공정 가스와 잠재적으로 가연성 또는 폭발성 혼합물을 형성하지 않는 가스, 즉, 공정에서 만연한 조건하에서 연소 반응 시 산화제 또는 연료의 역할을 하지 않는 가스이다. 이산화탄소가 본 명세서에서 불활성 가스로 칭해지지만, 이산화탄소가 일산화탄소에 대한 역 수성-가스 전화 반응에 의해 변환될 수도 있고 그후 환원 및/또는 침탄 반응에 참여할 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 가연성/폭발성 혼합물을 형성하지 않는 목적을 위해 불활성일지라도, 이것은 여전히 특정한 조건하에서 소비되고 공정 가스에 축적되지 않을 수도 있다.
철광석의 장입
철광석 적재량이 일반적으로 대부분 철광석 펠릿으로 이루어지지만, 일부 덩어리 철광석이 또한 도입될 수도 있다. 철광석 펠릿은 일반적으로 대부분 적철광을 포함하고, 추가의 첨가제 또는 불순물, 예컨대, 맥석, 플럭스 및 바인더를 함께 갖는다. 그러나, 펠릿은 일부 다른 금속 및 다른 광석, 예컨대, 자철석을 포함할 수도 있다. 직접 환원 공정을 위해 지정된 철광석 펠릿은 상업적으로 입수 가능하고, 이러한 펠릿은 본 공정에서 사용될 수도 있다.
광석 충전 용기는 일반적으로 가스의 배기 및/또는 도입을 위해 적합한 밀봉 가능한 광석 유입부, 밀봉 가능한 광석 유출부 및 적어도 하나의 가스 도관을 포함하는 용기이다. 물론, 용기는 다수의 가스 도관, 예를 들어, 가스의 배기 및 도입을 위한 별개의 도관, 또는 다양한 가스의 도입을 위한 다수의 도관을 포함할 수도 있다. 광석 충전 용기는 광석 충전 용기가 겪는 압력: 배기 단계에서 만연한 대기압 미만 압력(c:a 100mbar 이하, 바람직하게는 c:a 10mbar 이하) 및 밀봉 가스로의 재충전으로 인해 후속하는 대기압 초과 압력(종종 2bar 초과, 예컨대, 약 2bar 내지 약 10bar) 둘 다를 견딜 수 있도록 적합하게 구성된다. 복수의 광석 충전 용기가 병렬로 배열되어 광석을 단일의 직접 환원 샤프트에 공급할 수도 있다. 예를 들어, 2개, 3개 또는 4개의 광석 충전 용기가 배열되어 단일의 직접 환원 샤프트에 광석을 공급할 수도 있다.
광석을 충전 용기에 장입하기 전에, 광석 유출부가 밀봉 상태로 설정되어 도입될 광석을 포함할 수 있다. "상태로 설정"은 이러한 상태에 이미 있지 않다면 컴포넌트가 관련된 상태로 놓이거나 또는 이러한 상태에 이미 있다면 상태로 유지되는 것을 의미한다. 따라서, 용어 "상태로 설정"은 반드시 상태의 변화를 수반하지는 않는다. 광석이 유입부를 통해 용기에 장입되고, 이어서 유입부가 밀봉된다. 이어서 가스 도관과 유체 연결로 배열된 진공의 공급원이 사용되어 충전 용기에서 대기를 배기한다. 진공의 공급원은 예를 들어, 진공 펌프일 수도 있다. 이러한 펌프는 기술에 알려져 있다. 바람직하게는, 충전 용기 및 펌프는, 충전 용기가 정상 온도(20℃)에서 약 100mbar 이하, 바람직하게는 약 10mbar 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 1mbar 이하의 압력으로 있을 수도 있도록 구성된다. 따라서, 실질적으로 모든 공기가 충전 용기에서 배기된다. 배기 단계에서 달성 가능한 진공이 충분히 낮다면, 충전 용기는 후속하여 장입 압력, 즉, 광석을 직접 환원 샤프트에 도입하기 위해 목표되는 충전 용기 압력으로 밀봉 가스로 재충전될 수도 있다. 장입 압력은 일반적으로 직접 환원 샤프트의 작동 압력을 초과하는 압력일 수도 있고, 예를 들어, 약 2bar 내지 약 10bar의 압력일 수도 있다. 배기 단계에서 달성 가능한 진공이 충분히 낮지 않다면, 원하지 않은 양의 공기가 충전 용기에 유지될 수도 있다. 이러한 경우에, 충전 용기는 처음에 불활성 가스로 재충전될 수도 있고, 추가의 배기 단계가 후속된다. 이 방식으로, 남아있는 공기의 양은 안전 레벨로 낮춰질 수도 있다. 배기하고 불활성 가스로 재충전하는 단계는 안전을 보장하기 위해 필요한 만큼 여러번 수행될 수도 있다. 최종 재충전 단계에서, 충전 용기는 장입 시 직접 환원 샤프트로 도입될 밀봉 가스로 충전된다. 일단 광석 및 밀봉 가스로 충전된다면, 충전 용기의 광석 유출부는 개방 상태로 설정되어 광석과 밀봉 가스의 혼합물이 직접 환원 샤프트에 장입되게 한다.
일단 광석이 직접 환원 샤프트에 장입되었다면, 광석 충전 용기는 용기에 포함된 임의의 공정 가스를 안전하게 제거하고 광석의 새로운 장입을 위해 용기를 준비하도록 재설정되어야 한다. 이것은 광석 유출부를 밀봉하고, 공정 가스를 제거하기 위해 진공을 사용하여 충전 용기를 배기하고, 이어서 후속하여 적합한 가스, 예컨대, 공기, 질소, 정화된 연도 가스 또는 이산화탄소로 충전 용기를 재충전함으로써 수행될 수도 있다. 이 단계에서 배기된 공정 가스는 직접 환원 샤프트로 재순환될 수도 있다. 용기는 거의 대기압인 압력으로 재충전된다. 대안적으로, 용기는 종래 기술의 방법에 따라, 개방 전에 공정 가스를 제거하기 위해 간단히 불활성 가스로 플러싱될 수도 있다. 용기의 부분적으로 가연성 내용물이 배기되었고 용기가 대기압 또는 대략 그쯤으로 다시 한번 배기될 때, 용기의 유입부가 개방되어 새로운 철의 장입이 수용되게 할 수도 있다.
직접 환원
직접 환원 샤프트는 기술에 흔히 알려진 임의의 종류의 것일 수도 있다. 샤프트는, 고체-가스가 베드 반응기를 반대방향으로 이동시켜서, 철광석의 적재량이 반응기의 상단부에서 유입부에 장입되고 반응기의 하단부에 배열된 유출부를 향하여 중력에 의해 하강하는 것을 의미한다. 환원 가스는 광석 유입부보다 샤프트의 더 낮은 지점(I)에서 도입되고, 환원 가스가 상향으로 흘러서 철광석을 환원하고 임의로 철광석을 침탄한다. 환원은 약 900℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 수행된다. 요구되는 온도는 일반적으로 예를 들어, 예열기, 예컨대, 전기 예열기를 사용하여, 반응기에 도입되는 공정 가스의 예열에 의해 유지된다. 가스의 추가의 가열은 예열기를 떠난 후 그리고 산소 또는 공기와 가스의 발열 부분적 산화에 의한 반응기로의 도입 전에 획득될 수도 있다. 환원은 DR 샤프트에서 약 1bar 내지 약 10bar, 바람직하게는 약 3bar 내지 약 8bar의 압력으로 수행될 수도 있다.
종래의 직접 환원 공정에서, 공정 가스를 보충하도록 사용되는 메이크업 가스는 화석 기반이고 일반적으로 가변 비율로 합성가스 및 천연 가스를 포함한다. 본 개시내용은 이러한 화석 기반 메이크업 가스를 활용하는 방법에 적용 가능하다. 그러나, 바람직하게는 메이크업 가스는 해면철을 획득하기 위한 화석 없는 공정을 제공하기 위해 화석 연료로부터 유래되지 않는다.
메이크업 가스는 주로 수소로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 메이크업 가스는 적어도 80vol%, 바람직하게는 90vol% 초과, 더욱 더 바람직하게는 95vol% 초과의 수소 가스(1기압 및 0℃의 정상 조건에서 결정된 vol%)를 포함하거나, 이로 본질적으로 이루어지거나 또는 이로 이루어질 수도 있다. 개시된 공정은 메이크업 가스로서 수소를 사용하고 탄소질 가스를 공정 가스에 도입하지 않음으로써 본질적으로 무탄소 해면철의 생산을 허용한다. 그러나, 일부 경우에 침탄된 해면철을 획득하는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 해면철의 침탄의 적합한 수준을 달성하기 위해, 일부 양의 침탄 가스 및/또는 이산화탄소가 메이크업 가스로서 추가될 수도 있다. 침탄 가스는 해면철을 직접적으로 침탄할 수 있는 탄소-함유 가스, 예를 들어, 모든 비완전하게 산화된 탄소 화합물, 예컨대, 탄화수소 또는 일산화탄소이다. 이러한 가스는 메탄, 바이오가스, 합성가스 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 그러나, 본 공정의 침탄 효과는 대안적으로 또는 부가적으로 이산화탄소의 도입에 의해 달성될 수도 있다. 직접 환원 샤프트의 만연하는 탄소-희박 조건하에서, 이산화탄소는 일산화탄소로 변환되고 후속하여 해면철을 침탄할 수도 있다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있다. 이산화탄소는 생물학적 공급원, 즉, 비화석 CO2에서 유래될 수도 있다.
따라서 수소 이외에, 메이크업 가스의 균형은 이산화탄소 및/또는 침탄 가스를 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들로 이루어질 수도 있다. 이산화탄소 및/또는 침탄 가스가 메이크업 가스의 일부를 구성하면, 이들은 수소 메이크업 가스와 함께 직접 환원 샤프트로 도입될 수도 있다. 대안적으로, 메이크업 가스의 일부를 구성하는 이산화탄소 및/또는 침탄 가스의 일부 또는 전부는 메이크업 가스의 주 용적과는 별도로 직접 환원 샤프트에 추가될 수도 있다. 예를 들어, 침탄 가스는 직접 환원 샤프트의 침탄 또는 냉각 구역에 추가될 수도 있다.
공정 가스는 적어도 부분적으로 재순환될 수도 있고, DR 샤프트로부터 상단(사용된) 가스는 세정되고 처리되어 DR 샤프트로의 재도입 전에 물 및/또는 먼지와 같은 부산물을 제거할 수도 있다. 이 재순환된 상단 가스는 반응기로의 재도입 전에 신선한 메이크업 가스와 혼합될 수도 있거나 또는 임의의 신선한 메이크업 가스 공급부와는 별도로 도입될 수도 있다.
철광석 적재량과 함께 도입된 밀봉 가스는 또한 공정 가스의 성분 부분을 형성한다. 이전에 설명된 바와 같이, 밀봉 가스는 불활성 가스, 예컨대, 질소 또는 정화된 연도 가스일 수도 있다. 이러한 경우에, 공정 사이클로부터 공정 가스의 일부를 연속적으로 제거하여 공정 가스의 균형을 유지하고 불활성 성분의 축적을 방지하는 것이 필수적일 수도 있다. 이것은 다른 방식으로 공정 가스를 배출하는 것으로 알려져 있다. 공정 사이클로부터 배출된 공정 가스가 예를 들어, 연소되어 예를 들어, 예열과 함께, 공정 가열을 제공할 수도 있다.
대안적으로, 밀봉 가스는 위에서 잠재적인 메이크업 가스로서 설명된 가스와 같은, 공정의 목적을 이행하는 비산화제 가스를 포함하거나, 이로 본질적으로 이루어지거나 또는 이로 이루어질 수도 있다. 이들은 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물을 포함한다. 메탄은 바이오메탄일 수도 있고/있거나 합성가스는 바이오합성가스일 수도 있고/있거나 이산화탄소는 바이오-CO2일 수도 있다. 이러한 경우에, 불활성 가스는 공정 가스에 추가되지 않고 따라서 공정 가스의 배출은 방지될 수도 있다. 밀봉 가스로서 불활성 가스의 생산을 위한 필요성이 또한 감소되고, 공기 분리 장치와 같은 자본 장비가 축소되거나 또는 완전히 방지될 수도 있다.
해면철은 철광석의 환원의 생산물로서 획득되고, 직접 환원 샤프트의 하단 단부에서 유출부로부터 배출된다. 샤프트가 하단부에 배열된 냉각 및 배출 원추를 가져서 해면철이 유출부로부터 배출 전에 냉각되게 될 수도 있다.
해면철의 배출
직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하는 것은 철광석을 샤프트에 장입하는 것에 관한 유사한 요건을 갖는다. 가연성/폭발성 가스 혼합물이 형성되지 않는 것이 배출 때 필수적이고, 가능한 한 공정 가스로의 불활성 가스의 도입을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 원리는 또한 해면철 배출 장치 및 방법에 적용될 수도 있다.
철 배출 용기는 일반적으로 가스의 배기 및/또는 도입을 위해 적합한 밀봉 가능한 철 유입부, 밀봉 가능한 철 유출부 및 적어도 하나의 가스 도관을 포함하는 용기이다. 물론, 용기는 다수의 가스 도관, 예를 들어, 가스의 배기 및 도입을 위한 별개의 도관, 또는 다양한 가스의 도입을 위한 다수의 도관을 포함할 수도 있다. 철 배출 용기는 철 배출 용기가 겪는 압력: 배기 단계에서 만연한 대기압 미만 압력(c:a 100mbar 이하, 바람직하게는 c:a 10mbar 이하) 및 밀봉 가스로의 재충전으로 인해 후속하는 대기압 초과 압력(종종 2bar 초과, 예컨대, 약 2bar 내지 약 10bar) 둘 다를 견딜 수 있도록 적합하게 구성된다. 복수의 철 배출 용기가 병렬로 배열되어 철을 단일의 직접 환원 샤프트로부터 수용할 수도 있다. 예를 들어, 2개, 3개 또는 4개의 광석 배출 용기가 배열되어 단일의 직접 환원 샤프트에서 철을 배출할 수도 있다.
배출 용기에서 철을 배출하기 전에, 철 유입부 및 유출부는 밀봉 상태로 설정된다. 가스 도관과 유체 연결로 배열된 진공의 공급원은 배출 용기로부터 대기를 배기하도록 사용된다. 진공의 공급원은 예를 들어, 진공 펌프일 수도 있다. 이러한 펌프는 기술에 알려져 있다. 바람직하게는, 배출 용기 및 펌프는, 배출 용기가 정상 온도(20℃)에서 약 100mbar 이하, 바람직하게는 약 10mbar 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 1mbar 이하의 압력으로 있을 수도 있도록 구성된다. 따라서, 실질적으로 모든 공기가 배출 용기에서 배기된다. 배기 단계에서 달성 가능한 진공이 충분히 낮다면, 배출 용기는 후속하여 배출 압력, 즉, 직접 환원 샤프트에서 해면철을 수용하기 위해 목표되는 배출 용기 압력으로 밀봉 가스로 재충전될 수도 있다. 배출 압력은 일반적으로 직접 환원 샤프트의 작동 압력과 동일하거나 또는 초과하는 압력일 수도 있고, 예를 들어, 약 2bar 내지 약 10bar의 압력일 수도 있다. 배기 단계에서 달성 가능한 진공이 충분히 낮지 않다면, 원하지 않은 양의 공기가 배출 용기에 유지될 수도 있다. 이러한 경우에, 배출 용기는 처음에 불활성 가스로 재충전될 수도 있고, 추가의 배기 단계가 후속된다. 이 방식으로, 남아있는 공기의 양은 안전 레벨로 낮춰질 수도 있다. 배기하고 불활성 가스로 재충전하는 단계는 안전을 보장하기 위해 필요한 만큼 여러번 수행될 수도 있다. 최종 재충전 단계에서, 배출 용기는 배출 시 직접 환원 샤프트 또는 해면철로 도입될 밀봉 가스로 충전된다. 일단 적합한 대기가 배출 용기의 내부에서 확립되면, 철 유입부가 개방되어 해면철이 직접 환원 샤프트로부터 용기에 수용되게 할 수도 있다. 일단 해면철을 로딩하면, 배출 용기의 유입부가 폐쇄될 수도 있다. 이어서 폐쇄된 용기는 뜨거운 해면철과 공정 가스의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 용기의 가스 내용물이 진공의 적용에 의해 다시 한번 제거되어야 하고 포함된 해면철을 배출하기 위해 배출 용기의 유출부를 개방하기 전에 적합한 압력에서 불활성 가스로 교체되어야 한다. 이 단계에서 배기된 공정 가스는 직접 환원 샤프트로 재순환될 수도 있다.
해면철
용어 조철은 이들이 용광로(즉, 선철)에서 또는 개시된 공정에서와 같이, 직접 환원 샤프트(즉, 해면철)에서 획득되는지에 관계 없이, 철강으로의 추가의 처리를 위해 생산되는 모든 철을 나타내도록 본 명세서에서 사용된다. DR 샤프트의 유출부에서 획득된 해면철은 직접 환원 펠릿의 구조적 무결성, 뿐만 아니라 DR 샤프트에 만연하는 조건으로 인해, 일반적으로 대부분 펠릿의 형태이다. 이러한 해면철은 일반적으로 직접 환원 철(direct reduced iron: DRI)로 지칭된다. 공정 매개변수에 따라, 이것은 뜨거운 직접 환원 철(HDRI) 또는 차가운 직접 환원 철(CDRI)로서 제공될 수도 있다. 차가운 DRI는 또한 유형 (B) DRI로서 알려져 있을 수도 있다. DRI는 재산화되기 쉬울 수도 있고 일부 경우에 인화성이다. 그러나, DRI를 부동태화하는 복수의 알려진 수단이 있다. 생산물의 해외 수송을 용이하게 하도록 흔히 사용되는 하나의 이러한 부동태화 수단은 뜨거운 DRI를 연탄으로 가압하는 것이다. 이러한 연탄은 흔히 뜨거운 연탄화된 철(hot briquetted iron: HBI)로 불리고 또한 유형 (A) DRI로 알려져 있을 수도 있다.
본 명세서의 공정에 의해 획득되는 해면철 생산물은 본질적으로 완전히 금속화된 해면철, 즉, 약 90% 초과, 예컨대, 약 94% 초과 또는 약 96% 초과의 환원도(degree of reduction: DoR)를 가진 해면철일 수도 있다. 환원도는 산화철에 존재하는 산소의 초기량의 백분율로서 표현되는, 산화철로부터 제거된 산소의 양으로서 규정된다. 반응 동역학으로 인해 약 96% 초과의 DoR을 가진 해면철을 획득하는 것이 종종 상업적으로 유리하지 않지만, 이러한 해면철은 원한다면 생산될 수도 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 공정은 원한다면, 무탄소 또는 침탄된 해면철을 생산하는 데 적합하다. 침탄된 해면철은 탄소-함유 해면철을 의미한다. 해면철 생산물에 존재하는 탄소는 일반적으로 탄화철(Fe3C) 및/또는 흑연의 형태일 수도 있다. 흑연은 EAF의 용융물에 도달하기 전에 먼지가 털리고 해면철로부터 손실되는 경향이 있다. 이 이유로, 탄소가 탄화철로서 해면철에 존재하면 바람직할 수도 있다.
침탄된 해면철은 0.1 내지 5 중량 백분율 탄소, 예컨대, 0.5 내지 3 중량 백분율 탄소, 예컨대, 약 1 내지 2 중량 백분율 탄소를 포함할 수도 있다. 해면철이 0.5 내지 5 중량 백분율 탄소, 바람직하게는 1 내지 4 중량 백분율, 예컨대, 약 3 중량 백분율의 탄소 함량을 갖는 것이 추가의 처리를 위해 일반적으로 바람직하지만, 후속 EAF 처리 단계에서 사용되는 해면철 대 스크랩의 비에 따라 달라질 수도 있다. 원한다면, 본 공정의 침탄된 해면철 생산물은 추가의 처리 전에 다른 수단에 의해 후속하여 더 침탄될 수도 있다.
가스
수소 가스는 바람직하게는 적어도 부분적으로 물의 전기분해에 의해 획득될 수도 있다. 물 전기분해가 재생 가능한 에너지를 사용하여 수행되면, 이것은 재생 가능한 공급원으로부터 환원 가스의 제공을 허용한다. 전해질 수소는 전해조에서 DR 샤프트까지 직접적으로 도관에 의해 운반될 수도 있거나 또는 수소는 생산 시 저장될 수도 있고 필요할 때 DR 샤프트로 운반될 수도 있다.
이산화탄소가 밀봉 가스, 메이크업 가스 또는 불활성 가스로서, 본 명세서에서 설명된 공정에서 사용되면, 이산화탄소의 공급원이 본질적으로 순수한 이산화탄소, 예를 들어, 95vol% 이상의 이산화탄소, 바람직하게는 98vol% 이상인 것이 바람직하다. 이산화탄소의 공급원은 바람직하게는 고농도 공급원, 바람직하게는 고농도 생체 공급원일 수도 있다. 예를 들어, 농축된 "그린(green)" CO2는 혐기성 소화에 의한 바이오가스 생산의 부산물로서 또는 바이오에탄올 생산의 부산물로서 획득될 수도 있다. 공정에서 사용되는 이산화탄소가 재생 가능한 공급원에서 나오면, 공정은 CO2 배출물에 관해 순 음성일 수도 있다. 그러나, 다른 방식으로 직접적으로 배출될 화석 공급원으로부터의 이산화탄소의 공급원의 일정한 사용은 공정이 CO2의 임의의 과도한 배출을 발생시키지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 이산화탄소를 제공하는 대안적인 수단은 바이오매스의 산소-연료 연소를 사용하여 직접 환원 샤프트로의 도입 전에 환원 가스를 예열하는 것이다. 산소-연료 연소의 원리는 간단하다: 바이오매스가 산화제로서 본질적으로 순수한 산소를 사용하여 연소된다. 결과적으로 발생된 연도 스트림은 본질적으로 이산화탄소 및 증기로 이루어진다. 증기가 간단한 응결에 의해 제거되어, 본질적으로 순수한 이산화탄소의 공급원을 제공할 수도 있다. 관습적으로, 본질적으로 순수한 산소의 제공은 산소-연료 연소의 활용의 경제적 장애물이다. 그러나, 본 경우에 물 전기분해로부터 낮은 추가의 비용으로 이용 가능한 산소가 즉시 공급될 수도 있어서, 환원 가스의 산소-연료 예열이 경제적으로 실현 가능하게 한다.
침탄 가스는 밀봉 가스 및/또는 메이크업 가스로서 사용될 수도 있다. 침탄 가스는 침탄을 제공하는, 기술에 알려져 있거나 또는 예상되는 임의의 가스일 수도 있다. 이 점에서 가스는 침탄 반응기에서 만연한 고온에서 가스이지만, 상온에서 액체 또는 고체일 수도 있는 물질을 나타낸다. 적합한 침탄 가스는 탄화수소, 예컨대, 메탄, 천연 가스, LPG 또는 석유, 또는 다른 탄소질 물질, 예컨대, 합성가스, 저급(C1 내지 C6) 알코올, 에스터 및 에터를 포함한다. 침탄 가스가 화석 기원일 수도 있지만, 침탄 가스가 순 CO2 배출물을 환원하기 위해 재생 가능한 공급원으로부터 부분적으로 또는 전적으로 획득되는 것이 바람직하다. 재생 가능한은 인간 시간 척도로 자연적으로 보충되는 자원을 의미한다. 침탄 가스에 존재하는 탄소의 높은 활용은, 화석 등가물과 비교할 때 이들의 상대적인 부족 및 고비용에도 불구하고, 재생 가능한 침탄 가스의 사용을 허용한다. 적합한 재생 가능한 침탄 가스는 바이오메탄, 바이오가스, 바이오매스의 열분해 또는 부분적인 연소로부터 획득되는 가스(예를 들어, 바이오합성가스), 저급 알코올 또는 에터, 예컨대, 메탄올, 재생 가능한 공급 원료로부터 유래된 DME 또는 에탄올, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 황-함유 침탄 가스는, 황이 흑연의 핵생성을 방지하고 해면철 생산물을 부동태화하는 것으로 알려져 있기 때문에 사용될 수도 있다.
침탄 가스의 조성은 획득될 최종 침탄된 해면철에 적합하도록 선택될 수도 있다. 탄화수소와의 침탄 반응이 상대적으로 흡열성이므로, 상대적으로 차가운 최종 생산물을 발생시키고, 반면에 CO-함유 침탄 가스와의 반응이 더 발열성이므로, 더 뜨거운 최종 생산물을 발생시킨다. 이 효과가 활용되어 획득된 최종 생산물의 온도를 조정할 수도 있다. 예를 들어, 뜨거운 생산물이 단광화법(HBI)을 위해 목표된다면, 일부 부분적으로 산화된 탄소를 포함하는 가스(예를 들어, CO, 케톤, 알데하이드의 형태임)가 사용될 수도 있고, 반면에 차가운 해면철(CDRI)이 목표된다면, 바이오메탄이 사용될 수도 있다.
밀봉 가스로서 또는 메이크업 가스에서, 공정 가스에 추가되는 데 적합한 이산화탄소 및/또는 보조 침탄 가스의 총량을 고려할 때, 고려되는 요인은 목표된 침탄도, 물-가스 이동 평형에 대한 추가된 탄소의 영향, 및 추가된 탄소가 환원 가스의 환원 능력에 미치는 영향이다. 예를 들어, 탄소의 과도한 추가는 공정 가스에서 이산화탄소의 상당한 축적을 발생시킬 수도 있어서, 잠재적으로 환원 가스의 환원 능력을 감소시키고 공정 가스를 배출하는 요건을 발생시킨다.
불활성 가스, 예컨대, 질소 또는 정화된 연도 가스는 밀봉 가스로서 사용될 수도 있다. 질소는 예를 들어, 공기 분리기 장치(air separator unit: ASU)를 사용하는 공기의 액화 증류법에 의해 획득될 수도 있다. 정화된 연도 가스는, 충분히 불활성 밀봉 가스로서 사용을 위해 적합한 것을 보장하기 위해 처리된 연도 가스를 의미한다. 이러한 처리는 과도한 산소를 제거하는 사후 연소 및/또는 연도 가스의 건조를 포함할 수도 있다.
실시형태
본 발명이 이제 특정한 예시적인 실시형태 및 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 개시되고/되거나 도면에 도시된 예시적인 실시형태로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 변경될 수도 있다. 게다가, 도면은 일부 특징부가 과장되어 특정한 특징부를 더 분명하게 예시할 수도 있기 때문에 축척대로 도시되는 것으로 여겨지지 않을 것이다.
도 1은 Hybrit 개념에 따른 광석계 제강 가치 사슬의 종래 기술의 실시형태를 개략적으로 예시한다. 광석계 제강 가치 사슬은 철광석 광산(101)에서 시작된다. 채굴 후, 철광석(103)이 펠릿화 공장(105)에서 집중되고 처리되며, 철광석 펠릿(107)이 생산된다. 이 공정에서 사용되는 임의의 괴광과 함께 이 펠릿은 주 환원제로서 수소 가스(115)를 사용하고 주 부산물로서 물(117)을 생산하는 직접 환원 샤프트(111)에서 환원에 의해 해면철(109)로 변환된다. 수소 가스(115)는 바람직하게는 주로 무화석 또는 재생 가능한 공급원(122)으로부터 유래되는 전기(121)를 사용하여 전해조(119)에서 물(117)의 전기분해에 의해 생산된다. 수소 가스(115)는 직접 환원 샤프트(111)로의 도입 전에 수소 저장소(120)에 저장될 수도 있다. 해면철(109)이 임의로 고철(125) 또는 다른 철 공급원의 일부와 함께 전기 아크로(123)를 사용하여 용융되어, 용융물(127)을 제공한다. 용융물(127)이 추가의 하류의 부수적인 야금 공정(129)을 겪고, 철강(131)이 생산된다. 광석에서 철강까지, 전체 가치 사슬이 무화석일 수도 있고 오직 낮거나 또는 0인 탄소 배출물을 생산할 수도 있다는 것이 의도된다.
도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같은 방법을 수행하는 데 적합한 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시한다.
철광석(207)을 위한 유입부(211a), 해면철(208)을 배출하기 위한 유출부(211b), 환원 가스(211c)를 위한 유입부 및 상단 가스(211d)를 위한 유출부를 가진 직접 환원 샤프트(211)가 배열될 수도 있다. 충전 용기(213)는 직접 환원 샤프트(211)에 대한 유입부(211a)와 연통하도록 배열된다. 배출 용기(231)는 직접 환원 샤프트(211)의 유출부(211b)와 연통하도록 배열된다.
충전 용기(213)는 철광석(207)을 위한 유입부(213a), 철광석(207)을 위한 유출부(213b), 가스 유입부(213c) 및 가스 유출부(213d)를 포함한다. 충전 용기(213)의 유입부(213a)는 광석 통(227)과 연결되도록 배열된다. 충전 용기(213)의 가스 유입부(213c)는 밀봉 가스(223)의 공급원(221)과 연결되도록 배열되고, 가스 유출부(213d)는 진공 펌프(229)와 연결되도록 배열된다.
배출 용기(231)는 해면철(208)을 위한 유입부(231a), 해면철(208)을 위한 유출부(231b), 제1 가스 유입부(231c), 제2 가스 유입부(231e) 및 가스 유출부(231d)를 포함한다. 배출 용기(231)의 유입부(231a)는 직접 환원 샤프트(211)의 유출부(211b)와 연결되도록 배열된다. 충전 용기(231)의 제1 가스 유입부(231c)는 밀봉 가스(223)의 공급원(221)과 연결되도록 배열된다. 충전 용기(231)의 제2 가스 유입부(231e)는 밀봉 가스(235)의 공급원(233)과 연결되도록 배열된다. 가스 유출부(231d)는 진공 펌프(229)와 연결되도록 배열된다.
처음에, 충전 용기(213)의 광석 유입부(213a)가 개방되고, 광석 유출부(213b), 가스 유입부(213c) 및 가스 유출부(213d)가 폐쇄된다. 광석 통(227)으로부터의 철광석(207)이 충전 용기(213)에 도입된다. 일단 광석을 로딩하면, 광석 유입부(213a)가 밀봉되고, 유출부(213d)가 개방되고, 충전 용기(213)가 진공 펌프(229)를 사용하여 공기로 배기되어, 충전 용기(213)의 압력을 약 100mbar 이하로 감소시킨다. 일단 목표 압력에 도달하면, 가스 유출부(213d)가 폐쇄되고, 가스 유입부(213c)가 개방되고, 충전 용기(213)가 직접 환원 샤프트(211)의 작동 압력과 근사치인 압력으로 밀봉 가스(223)에 의해 가압된다. 일단 가압되면, 가스 유입부(213c)가 폐쇄되고 충전 용기(213)의 광석 유출부(213b)가 개방되어 철광석(207)이 직접 환원 샤프트(211)의 유입부(211a)에 장입되게 한다. 밀봉 가스(223)는 장입 작동 시 직접 환원 샤프트에 필연적으로 부수적으로 도입된다. 직접 환원 샤프트(211)에 장입된 철광석(207)은 샤프트를 점진적으로 통과하여 유출부(211b)에서 배출된다. 샤프트(211)를 통한 통과 동안, 광석(207)이 역류로 환원 가스(217)에 의해 환원되어, 해면철(208)이 반응기(211)의 배출물 유출부(211b)에서 획득된다.
해면철(208)을 배출하기 전에, 배출 용기(231)는 먼저 유입부(231a 및 231b)에서 밀봉되고, 진공 펌프(229)를 사용하여 배기되고, 밀봉 가스(223)로 재충전된다. 이어서 용기(231)는 해면철(208)을 수용할 준비가 된다. 용기의 유입부(231a)가 개방되어, 해면철(208)이 용기로 떨어지게 하고, 용기의 밀봉 가스를 직접 환원 샤프트(211)로 상향으로 변위시킨다. 이어서 배출 용기의 유입부(231a)가 폐쇄되고, 배출 용기(231)가 진공 펌프(229)를 사용하여 배기되고, 불활성 가스(235)를 사용하여 대기압으로 재충전된다. 이어서 배출 용기(231)의 유출부(231b)가 개방되어 해면철(208)을 배출할 수도 있다.
메이크업 가스(215)는 메이크업 가스의 공급원(220), 예컨대, 수소 가스 저장소 또는 물 전해조로부터 공급된다. 메이크업 가스(215)가 처리된 상단 가스(218)와 혼합되어 환원 가스(217)를 형성한다. 환원 가스(217)는 직접 환원 샤프트(211)로의 도입 전에 예열기(241)를 통과한다. 유출부(211d)를 나가는 상단 가스(216)가 복수의 처리 장치(243)를 통과하여 DR 샤프트(211)로의 재도입을 위한 가스를 제조한다. 복수의 처리 장치는 세정 단계, 예컨대, 가스로부터 고체를 제거하기 위해 정전 집진기를 통한 통과, 환원 가스(217)와 같은 다른 공정 가스와의 열교환, 및 물의 분리를 포함할 수도 있다. 처리된 상단 가스(218)가 메이크업 가스(215)와 혼합되고 유입부(211c)를 통한 직접 환원 샤프트(211)로의 재도입 전에 예열기(241)를 통과한다. 유입부(211c)에 진입하는 가스의 온도는 부분적 산화에 의해 더 증가될 수도 있다. 이러한 경우에, 산소의 공급부(미도시)는 예열기(241)와 유입부(211c) 사이에 배열될 수도 있다.
일단 광석이 충전 용기(213)로부터 배출되면, 용기는 새로운 광석의 장입을 위해 준비될 수도 있다. 먼저, 광석 유출부(213b)가 폐쇄된다. 후속하여, 가스 유출부(213d)가 개방되고 공정 가스가 진공 펌프(229)를 사용하여 충전 용기(213)로부터 배기된다. 이어서 가스 유출부(213d)가 폐쇄되고, 충전 용기가 주위 압력으로 가스로 재충전된다. 예시된 실시예에서, 용기(213)가 가스 유입부(213c)를 개방함으로써 밀봉 가스(223)로 재충전되지만, 용기는 대신에 밀봉 가스가 불활성이 아니라면 불활성 가스의 공급원(미도시)으로 충전될 수도 있다. 최종적으로, 가스 유입부(213c)가 폐쇄되고, 광석 유입부(213a)가 개방된다. 이러한 방식으로, 충전 용기(213)는 초기 구성으로 재설치되고 철광석의 추가의 장입을 수용하기 위해 준비된다.
도 3은 본 명세서에 개시된 바와 같은 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도이다. 단계(s301)는 방법의 시작을 나타낸다. 단계(s303)에서, 광석 충전 용기(213)의 광석 유출부(213b)가 밀봉 상태로 설정된다. 단계(s305)에서, 광석 충전 용기(213)의 광석 유입부(213a)가 개방 상태로 설정된다. 광석 유출부(213b)와 광석 유입부(213a)가 이미 각각 폐쇄된 상태와 개방된 상태로 있다면, 이 단계는 장입 장치의 임의의 상태 변화를 수반하지 않는다는 것에 유의한다. 단계(s307)에서, 철광석(207)이 광석 유입부(213a)를 통해 광석 충전 용기(213)에 장입된다. 단계(s309)에서, 광석 유입부(213a)는 밀봉 상태로 설정된다. 단계(s312)에서, 가스는 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기(213)로부터 배기된다. 단계(s313)에서, 광석 충전 용기는 밀봉 가스(223)로 재충전된다. 단계(s315)에서, 광석 유출부(213b)가 개방 상태로 설정되어 철광석(207)을 직접 환원 샤프트(211)에 장입한다. 단계(s317)는 방법의 종료를 나타낸다.
나열된 단계가 순차적으로 수행되지만, 중간 단계가 있을 수도 있다. 예를 들어, 어떤 이유로 충전 용기에 적용 가능한 진공이 실질적으로 모든 공기를 제거하는 데 충분하지 않다면, 예를 들어, 충전 용기가 이러한 저압을 견디지 못한다면, 하나 이상의 추가의 배기/재충전 사이클은 단계들(s309 및 s312) 간에 수행될 수도 있다. 하나의 이러한 배기/재충전 사이클이 도 3에 예시된다. 이것은 진공의 적용에 의해 광석 충전 용기(213)에서 가스를 배기하는 단계(s310) 및 광석 충전 용기를 불활성 가스로 재충전하는 단계(s311)를 수반한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 바와 같은 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법의 예시적인 실시형태를 개략적으로 예시하는 흐름도이다. 단계(s401)는 방법의 시작을 나타낸다. 단계(s403)에서, 철 배출 용기(231)의 철 유출부(231a) 및 철 유입부(231b)가 밀봉 상태로 설정된다. 유출부(231b) 및 유입부(231a)가 이미 폐쇄된 상태로 있다면, 이 단계가 배출 장치의 임의의 상태 변화를 수반하지 않는다는 것에 유의한다. 단계(s405)에서, 가스가 진공의 적용에 의해 철 배출 용기(231)로부터 배기된다. 단계(s407)에서, 철 충전 용기(231)가 밀봉 가스(223)로 재충전된다. 단계(s409)에서, 철 배출 용기(231)의 철 유입부(231a)가 개방 상태로 설정된다. 단계(s409)에서, 해면철(208)이 철 유입부(231a)를 통해 철 배출 용기(231)에 장입된다. 단계(s411)에서, 철 유입부가 밀봉 상태로 설정된다. 이 방식으로, 해면철(208)이 직접 환원 샤프트(211)로부터 배출된다. 복수의 임의의 중간 단계(미도시)를 통해, 배출 용기가 해면철(208)의 배출을 위해 준비된다. 최종 단계(s413)에서, 철 유출부(231b)가 개방되고 해면철(208)이 배출된다. 단계(s415)는 방법의 종료를 나타낸다. 나열된 단계가 순차적으로 수행되지만, 중간 단계가 있을 수도 있다. 예를 들어, 어떤 이유로 배출 용기에 적용 가능한 진공이 실질적으로 모든 공기를 제거하는 데 충분하지 않다면, 예를 들어, 배출 용기가 이러한 저압을 견디지 못한다면, 하나 이상의 추가의 배기/재충전 사이클은 단계들(s403 및 s405) 간에 수행될 수도 있다.

Claims (19)

  1. 철광석(207)을 직접 환원 샤프트(direct reduction shaft)(211)에 장입하기 위한 장치로서,
    - 광석 충전 용기(213);
    - 진공의 공급원(229); 및
    - 밀봉 가스의 공급원(221)
    을 포함하되;
    상기 진공의 공급원과 상기 밀봉 가스의 공급원은 상기 광석 충전 용기와 제어 가능한 유체 연결로 각각 배열되고;
    상기 밀봉 가스는 비산화제 가스인, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광석 충전 용기는 밀봉 가능한 광석 유입부(213a), 밀봉 가능한 광석 유출부(213b) 및 적어도 하나의 가스 도관(213c, 231d)을 포함하고, 상기 진공의 공급원과 상기 밀봉 가스의 공급원은 상기 가스 도관과 유체 연결로 배열되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 불활성 가스의 공급원을 더 포함하되, 상기 불활성 가스의 공급원은 상기 철광석 장입 장치와 제어 가능한 유체 연결로 배열되고, 상기 불활성 가스는 상기 밀봉 가스와 상이한, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 불활성 가스는 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되고, 상기 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 정상 온도에서 약 100mbar 이하, 바람직하게는 약 10mbar 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 1mbar 이하의 압력에 이르도록 구성되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 장치.
  7. 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치로서,
    - 해면철 배출 용기(231);
    - 진공의 공급원(229); 및
    - 밀봉 가스의 공급원(221)
    을 포함하되;
    상기 진공의 공급원과 상기 밀봉 가스의 공급원은 상기 철 배출 용기와 제어 가능한 유체 연결로 각각 배열되고;
    상기 밀봉 가스는 비산화제 가스인, 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 장치.
  8. 해면철의 생산을 위한 시스템으로서,
    - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 철광석을 장입하기 위한 장치 및/또는 제7항에 따른 해면철을 배출하기 위한 장치;
    - 직접 환원 샤프트(211); 및
    - 상기 직접 환원 샤프트와 유체 연결로 배열된 메이크업 가스(make-up gas)의 공급원(220)
    을 포함하는, 해면철의 생산을 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 메이크업 가스의 공급원은 전해조이고 상기 메이크업 가스는 수소인, 해면철의 생산을 위한 시스템.
  10. 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법으로서,
    a) 광석 충전 용기의 광석 유출부를 밀봉 상태로 설정하는 단계(s303);
    b) 상기 광석 충전 용기의 광석 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계(s305);
    c) 상기 광석 유입부를 통해 상기 광석 충전 용기에 철광석을 장입하는 단계(s307);
    d) 상기 광석 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계(s309);
    e) 진공의 적용에 의해 상기 광석 충전 용기에서 가스를 배기하는 단계(s312);
    f) 상기 광석 충전 용기를 밀봉 가스로 재충전하는 단계(s313); 및
    g) 상기 직접 환원 샤프트에 철광석을 장입하기 위해 상기 광석 유출부를 개방 상태로 설정하는 단계(s315)
    를 포함하되;
    상기 밀봉 가스는 비산화제 가스인, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    e0) 진공의 적용에 의해 상기 광석 충전 용기에서 가스를 제거하는 단계(s310); 및
    f0) 불활성 가스로 상기 광석 충전 용기를 재충전하는 단계(s311)
    를 더 포함하되;
    단계 e0) 및 단계 f0)는 단계 d) 후에 하지만 단계 e) 전에 수행되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 불활성 가스는 이산화탄소, 질소, 정화된 연도 가스 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 밀봉 가스와 불활성 가스는 동일한, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    밀봉 가스와 불활성 가스는 상이하고;
    상기 밀봉 가스는 수소, 메탄, 바이오가스, 합성가스, 이산화탄소 및 이들의 조합물로 이루어진 목록에서 선택되는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    h) 상기 광석 유출부를 밀봉 상태로 설정하는 단계;
    i) 진공의 적용에 의해 상기 광석 충전 용기에서 공정 가스를 제거하는 단계;
    j) 공기, 불활성 가스 및 이들의 조합물에서 선택된 가스로 상기 광석 충전 용기를 재충전하는 단계; 및
    k) 상기 광석 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계
    를 더 포함하는, 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하기 위한 방법.
  17. 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법으로서,
    i) 철 배출 용기의 철 유출부 및 철 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계(s403);
    ii) 진공의 적용에 의해 상기 철 배출 용기에서 가스를 배기하는 단계(s405);
    iii) 밀봉 가스로 상기 철 충전 용기를 재충전하는 단계(s407);
    iv) 상기 철 배출 용기의 철 유입부를 개방 상태로 설정하는 단계(s409);
    v) 해면철을 상기 철 유입부를 통해 상기 철 배출 용기에 장입하는 단계(s411); 및
    vi) 상기 철 유입부를 밀봉 상태로 설정하는 단계(s411)
    를 포함하되;
    상기 밀봉 가스는 비산화제 가스인, 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하기 위한 방법.
  18. 철광석의 직접 환원을 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    수소,
    메탄,
    바이오가스,
    합성가스,
    수소, 메탄, 바이오가스 또는 바이오합성가스와 이산화탄소의 조합물, 및
    이들의 조합물
    에서 선택된 가스로 본질적으로 이루어진 밀봉 가스를, 상기 철광석을 직접 환원 샤프트에 장입하는 것 그리고/또는 상기 직접 환원 샤프트에서 해면철을 배출하는 것과 함께 상기 직접 환원 샤프트에 도입하는 단계를 포함하는, 철광석의 직접 환원을 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 밀봉 가스는 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 철광석을 장입하기 위한 방법에 의해 그리고/또는 제17항에 따른 해면철을 배출하기 위한 방법에 의해 도입되는, 철광석의 직접 환원을 위한 방법.
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