KR20240007224A - 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

직접 환원 철을 제조하기 위한 방법으로서, 산화 철이 환원 가스에 의해 직접 환원로에서 환원되고, 상기 직접 환원로는 환원 존, 전이 존 및 냉각 존을 포함하고, 탄소-함유 액체는 상기 환원 존 아래에 주입된다.

Description

직접 환원 철을 제조하기 위한 방법
본 발명은 직접 환원 철 (Direct Reduced Iron; DRI) 을 제조하기 위한 방법 및 DRI 제조 설비에 관한 것이다.
현재 강은 2개의 메인 제조 루트를 통하여 제조될 수 있다. 오늘날, 가장 일반적으로 사용되는 제조 루트는 용광로에서 산화철들을 환원하기 위해, 환원제, 주로 코크스의 사용에 의해 선철을 제조하는 것으로 이루어진다. 이 방법에서, 약 450 내지 600 kg 의 코크스가 선철 미터톤 (metric ton) 당 소비되고; 이 방법은 코킹 플랜트에서 석탄으로부터 코크스의 제조에 그리고 선철의 제조에 있어서 상당한 양의 CO2 를 방출한다.
제 2 메인 루트는 소위 "직접 환원 방법"을 포함한다. 그 중에서 산화철 캐리어의 직접 환원으로부터 HDRI (Hot Direct Reduced Iron), CDRI (Cold Direct Reduced Iron), HBI (Hot Briquetted Iron) 등의 형태로 스폰지 철을 제조하는, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, COREX, FINEX 의 브랜드에 따른 방법이 있다. HDRI, CDRI 및 HBI 형태의 스폰지 철은 보통 전기 아크로에서 추가 프로세싱을 거친다.
저온 DRI 디스차지를 갖는 각각의 직접 환원 샤프트에는 3개의 존이 있다: 상단의 환원 존, 중간의 전이 존, 원뿔 형상의 하단의 냉각 존. 고온 디스차지 DRI 에서, 이 하단 파트는 주로 디스차지 전에 주로 생성물 균질화를 위해 사용된다.
산화철의 환원은 노의 상부 섹션에서 최대 950℃ 까지의 온도에서 발생된다. 약 30 중량% 의 산소를 함유하는 산화철 광석 및 펠릿이 직접 환원 샤프트의 상단에 차징되고 환원 가스를 통해 중력에 의해 하강되게 허용된다. 이 환원 가스는 환원 존의 하단으로부터 노로 진입하고, 충전된 산화된 철로부터 역류로 유동한다. 광석 및 펠릿에 함유된 산소는 가스와 산화물의 역류 반응에서 산화철의 단계적 환원에 의해 제거된다. 가스가 노의 상단로 이동하는 동안 가스의 산화제 함량은 증가한다.
환원 가스는 일반적으로 수소 및 일산화탄소 (합성 가스) 를 포함하며, 천연 가스의 촉매 개질에 의해 얻어진다. 예를 들어, 소위 MIDREX 방법에서, 제 1 메탄은 다음의 반응에 따라 개질기 내에서 변환되어 합성 가스 또는 환원 가스를 생성하고:
CH4 + CO2 -> 2CO + 2H2
산화철은 예를 들어 다음의 반응에 따라 환원 가스와 반응하고:
3Fe203 + CO/H2 -> 2Fe3O4+CO2/H2O
Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O
FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H20
환원 존의 마지막에서 광석은 금속화된다.
전이 섹션 (transition section) 은 환원 섹션 아래에 있으며; 이 섹션은 냉각 섹션으로부터 환원 섹션을 분리하기에 충분한 길이를 가져, 양쪽 섹션들의 독립적인 제어를 허용한다. 이러한 섹션에서 금속화된 생성물의 침탄이 발생한다. 탄화는 다음의 반응을 통해 환원로 내측에서 금속화된 생성물의 탄소 함량을 증가시키는 프로세스이다:
3Fe + CH4 → Fe3C + 2H2 (흡열성)
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 (발열성)
3Fe + CO + H2 → Fe3C + H2O (발열성)
전이 존에서 천연 가스의 주입은 탄화수소 크래킹 및 탄소 디포지션을 촉진하기 위해 전이 존에서 금속화된 생성물의 현열 (sensible heat) 을 사용한다. 상대적으로 낮은 농도의 산화제로 인해, 전이 존 천연 가스는 H2 및 CO 로의 개질보다 H2 및 탄소로 크래킹될 가능성이 더 높다. 천연 가스 크래킹은 DRI 탄화를 위한 탄소를 제공하고, 동시에 가스 환원 포텐셜을 증가시키는 환원제 (H2) 를 가스에 첨가한다.
가스 주입은 또한 냉각 존 내에서 수행되며, 그것은 일반적으로 재순환 냉각 가스 플러스 첨가된 천연 가스로 이루어진다. 냉각 가스에 대한 천연 가스 (NG) 첨가는 오퍼레이터가 메탄에서 높은 함량으로 재순환 냉각 가스 회로를 유지하게 허용하며, 그렇지 않으면 냉각 가스에서 주요 성분은 질소일 것이다. 천연 가스의 열 용량은 N2 보다 훨씬 크다: 냉각 가스 재순환 유동은 NG 를 갖는 500-600 Nm3/t, 및 NG 를 갖지 않는 800 Nm3/t 이다. 냉각 존에서 너무 많은 탄소 디포지션이 존재하지 않을 것이지만, 노의 더 높은 레벨들로의 냉각 가스의 상향 유동은 크래킹을 위해 더 많은 탄화수소를 제공할 것이다.
지난 세기 초부터 대기 중의 CO2 농도의 상당한 증가 및 후속하는 온실 효과의 관점에서, 대량으로, 그리고 따라서 특히 DRI 제조 동안에 생성되는 CO2 의 배출을 감소시키는 것이 필수적이다.
현재 개발되고 있는 한 가지 해결책은 순수한 수소 환원 가스에 도달한다는 관점에서, 환원 가스 내에 수소 함유량을 점진적으로 증가시키는 것이다. 이때 다음의 환원 반응이 발생하고:
Fe2O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2O
따라서, 온실 가스 CO2 대신 무해한 H2O 를 방출한다.
이는 그러나 환원 가스 내의 탄소의 함량이 감소될 것이고 그리고 어떤 시점에서, 더 이상 탄소가 샤프트 내로 주입되지 않을 것임을 암시한다. 전술한 바와 같이, 이는 더 작고 더 적은 탄소 함량을 가질 DRI 생성물에 영향을 준다.
DRI 생성물에서 탄소의 함량은 전기 아크로 (electric Arc furnace) 에서의 슬래그 포밍 (slag foaming) 과 같은 후속 단계에 중요한 역할을 하지만, DRI 생성물의 수송성을 향상시키는 데에도 도움이 된다.
해결책은 이미 생성물의 탄소 함량을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 이들은 주로 샤프트에 탄화수소, 일반적으로 CH4, 또는 코크스 오븐 가스 (coke oven gas) 를 주입하는 것으로 이루어진다. 그러나, 이들 가스는 순수 H2 환원으로의 스위치와 부합하지 않는 DRI 프로세스의 탄소 풋프린트 (carbon footprint) 를 증가시키는데 기여할 것이다.
DRI 생성물에서 탄소 함량을 증가시키게 허용하는 방법에 대한 필요성이 존재한다. 프로세스의 탄소 풋프린트를 추가로 감소시킬 수 있는 방법에 대한 필요성이 또한 존재한다.
상기 문제는 산화 철이 환원 가스에 의해 직접 환원로에서 환원되고, 상기 직접 환원로가 환원 존, 전이 존 및 냉각 존을 포함하고, 탄소-함유 액체가 상기 환원 존 아래에 주입되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 방법은 또한 별개로 또는 모든 가능한 기술적 조합에 따라 고려되는 다음의 선택적인 특징들을 포함할 수 있다:
- 탄소-함유 액체는 적어도 상기 전이 존 내로 주입되고,
- 탄소-함유 액체는 적어도 냉각 존 내로 주입되고,
- 탄소-함유 액체는 전이 존 및 냉각 존에 주입되고,
- 탄소-함유 액체는 바이오연료이고,
- 탄소-함유 액체는 액체 알코올이고,
- 탄소-함유 액체는 액체 탄화수소이고,
- 탄소-함유 액체는 액체 에탄올이다
- 환원 가스는 50 부피% 초과의 수소를 포함하고,
- 환원 가스는 99 부피% 초과의 수소를 포함하고,
- 환원 가스의 수소는 전기분해에 의해 적어도 부분적으로 생성되고,
- 전기분해는 재생 가능 에너지에 의해 전력을 공급받고,
- 상단 환원 가스는 직접 환원로의 출구에서 포획되고, CO2-풍부 가스와 H2-풍부 가스 사이에서 분할되도록 적어도 하나의 분리 단계를 거치고, 상기 H2-풍부 가스는 환원 가스로서 적어도 부분적으로 사용되고,
- CO2-풍부 가스는 탄화수소 생성 단계를 거친다.
본 발명의 다른 특성들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 비제한적이고 도시에 의해 아래에 주어진 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 수행하게 허용하는 직접 환원 플랜트의 레이아웃을 예시한다.
도 2a 와 도 2b 는 액체 에탄올 혹은 메탄올을 주입할 때 DRI 생성물 내에서의 탄소 함량 증가를 시뮬레이션한 곡선이다.
도면들에서 요소들은 예시적이고 축척으로 도시될 수 없다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 수행하게 허용하는 직접 환원 플랜트의 레이아웃을 예시한다.
DRI 제조 설비는, 상단으로부터 하단까지, 중력에 의해 샤프트 (1) 를 통해 트레블하는 철광석 (10) 을 위한 입구를 포함하는 DRI 샤프트 (1), 샤프트의 상부 파트에 위치된 환원 섹션, 샤프트의 중간파트에 위치된 전이 섹션, 바닥에 위치된 냉각 섹션, 및 직접 환원된 철 (12) 이 최종적으로 추출되는 출구를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, 직접 환원로 (또는 샤프트)(1) 는 그 상단에서 산화철 (10) 로 차징된다. 이 산화철 (10) 은 노 내에 주입되어 산화철로부터 역류로 유동하는 환원 가스 (11) 에 의해 노 (1) 내에서 환원된다. 환원 철 (12) 은 후속 제강 단계에 사용되기 전에 단광 (briquetting) 과 같은 추가 프로세싱을 위해 노 (1) 의 하단으로 진출한다. 환원 가스는 철을 환원시킨 후에 상단 환원 가스 (20, TRG) 로서 노의 상단으로 진출한다.
냉각 가스 (13) 는 노의 냉각 존으로부터 포획되고, 스크러버와 같은 클리닝 디바이스 (30) 내에서 클리닝 단계를 거치고, 압축기 (31) 에서 압축되고, 그후 샤프트 (1) 의 냉각 존으로 다시 보내질 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 탄소-함유 액체 (40) 가 샤프트 (1) 의 환원 존 아래로 주입된다. 그것은 스트림 (40A) 에 의해 예시된 바와 같이 전이 존에서 및/또는 스트림 (40B 및 40C) 에 의해 예시된 바와 같이 냉각 존에서 주입될 수 있다. 그것은 단독으로 (40B) 또는 냉각 가스 (13) 와 조합하여 (40C) 주입될 수 있다.
탄소-함유 액체는 탄소를 포함하는 액체 생성물을 의미한다. 그것은 메탄올 또는 에탄올과 같은 알코올, 또는 메탄과 같은 탄화수소일 수 있다. 그것은 화석 또는 비-화석 기원일 수 있으며; 바람직한 실시예에서 그것은 바이오연료이다. 바이오연료란 오일과 같은 화석 연료의 형성에 관여하는 매우 느린 지질학적 프로세스에 의해서라기보다 바이오매스로부터의 프로세스를 거쳐 제조되는 연료를 의미한다. 바이오연료는 식물 (즉　 에너지 작물), 또는 농업, 상업용, 가정용 및/또는 산업용 폐기물 (폐기물이 생물학적 기원을 갖는 경우) 로부터 생성될 수 있다. 이러한 바이오 연료는 제강 가스의 전환에 의해 우선적으로 생성될 수 있다.
일단 샤프트 내로 주입되면, 탄소-함유 액체 (40) 는 고온 DRI 에 의해 방출된 열에 의해 크래킹되고, 이는 환원 가스를 생성하고 DRI 생성물을 침탄시켜 그 탄소 함량을 증가시킨다. 더욱이, 기화 엔탈피는 DRI 냉각에 추가로 기여한다.
이 액체의 주입은 직접 환원 철의 탄소 함량을 0.5 내지 3 wt.%, 바람직하게는 1 내지 2 wt.% 의 범위로 증가시키게 되고, 이는 용이하게 핸들링될 수 있고 그 미래의 사용을 위해 양호한 연소 포텐셜을 유지하는 직접 환원 철을 얻게 허용한다.
바람직한 실시예에서, 환원 가스 (11) 는 적어도 50%v 의 수소, 및 보다 바람직하게는 99%v 초과의 H2 를 포함한다. H2 스트림 (40) 은 전기분해 플랜트와 같은 전용 H2 제조 플랜트 (9) 에 의해 상기 환원 가스 (11) 를 생성하도록 공급될 수 있다. 그것은 물 또는 스팀 전기분해 플랜트일 수 있다. 그것은 바람직하게는, 태양광, 바람, 비, 조수, 파도, 및 지열 열원과 같은 공급원을 포함하여, 휴먼 타임 스케일에서 자연적으로 보충되는, 재생 가능한 리소스로부터 수집된 에너지로서 규정되는 특히 재생 가능한 공급원으로부터의 전기를 포함하는 CO2 중립 전기 (CO2 neutral electricity) 를 사용하여 작동된다. 일부 실시예들에서, 원자력 공급원들로부터 나오는 전기의 사용은 그것이 생성될 CO2 를 방출하지 않기 때문에 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, H2 스트림 (40) 은 환원 가스 (11) 를 형성하기 위해 상단 환원 가스 (20) 의 일부와 혼합될 수 있다. 천연 가스로 작동될 때, 상단 환원 가스 (20) 는 일반적으로 15 내지 25%v 의 CO, 12 내지 20%v 의 CO2, 35 내지 55%v 의 H2, 15 내지 25%v 의 H2O, 1 내지 4% 의 N2 를 포함한다. 그것은 250 로부터 500℃ 까지의 온도를 갖는다. 순수 수소가 환원 가스로서 사용될 때, 상기 상단 환원 가스의 조성은 오히려 40 내지 80%v 의 H2, 20-50%v 의 H20 및 샤프트의 시일 시스템으로부터 나오거나 수소 스트림 (40) 에 존재하는 일부 가능한 가스 불순물로 구성될 것이다. 환원 가스에서 H2 양이 변화하고 탄소-함유 액체 (40) 가 주입될 때, 상단 가스 (20) 는 이전에 설명된 2개의 경우 사이에 중간 조성을 가질 것이다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 스크러버 및 디미스터 (demister) 와 같은 클리닝 디바이스 (5) 에서의 분진 및 미스트 제거 단계 후의 상단 환원 가스 (20) 는 그것이 2개의 스트림 (22, 23) 으로 분할되는, 분리 유닛 (6) 으로 보내진다. 이 분리 유닛 (6) 은 흡수 디바이스, 흡착 디바이스 극저온 증류 디바이스 또는 멤브레인일 수 있다. 또한 그것은 이러한 여러 장치의 조합일 수도 있습니다.
제 1 스트림 (22) 은 상이한 화학 프로세스에서 포획되어 사용될 수 있는 CO2-풍부 가스이다. 바람직한 실시예에서, 이 CO2-풍부 가스 (22) 는 메탄화 단계를 거친다. 제 2 스트림 (23) 은 다른 가스와 혼합되고, 선택적으로 개질되고 가열되어 환원 가스 (11) 를 생성할 제조 디바이스 (7) 로 보내지는 H2-풍부 가스이다. 바람직한 실시예에서, 제조 디바이스 (7) 는 히터이다.
이전에 설명된 모든 상이한 실시예들은 서로 조합될 수 있다.
도 2a 및 도 2b 는 각각 100kg/ton 의 액체 에탄올의 DRI (도 2a) 또는 430kg/ton 의 액체 메탄올의 DRI (도 2b) 를 주입할 때 온도에 대한 직접 환원 철 생성물 내의 탄소 중량 퍼센티지의 진전 (evolution) 을 시뮬레이션한 곡선이다. 양쪽 경우 모두, 액체가 노의 전이 존 및/또는 냉각 존으로 주입될 때, 고체 생성물에서 약 2 중량% 의 탄소 함량에 도달할 수 있다는 것을 알 수 있다. 에탄올의 이점은 메탄올에 비해 더 적은 양이 요구되고, 더 유용하다는 것이다. 열역학적 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 발명에 따른 방법은 요구되는 탄소 함량을 갖는 DRI 생성물을 얻게 허용한다.

Claims (14)

  1. 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법으로서,
    산화 철이 환원 가스에 의해 직접 환원로에서 환원되고,
    상기 직접 환원로는 환원 존, 전이 존 및 냉각 존을 포함하고, 탄소-함유 액체는 상기 환원 존 아래에 주입되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 적어도 상기 전이 존 내로 주입되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 적어도 상기 냉각 존 내로 주입되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 상기 전이 존 및 상기 냉각 존에 주입되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 바이오연료인, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 액체 알코올인, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 에탄올인, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소-함유 액체는 액체 탄화수소인, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 50 부피% 초과의 수소를 포함하는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 99 부피% 초과의 수소를 포함하는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 환원 가스의 수소는 전기분해에 의해 적어도 부분적으로 생성되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기분해는 재생 가능 에너지에 의해 전력을 공급받는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상단 환원 가스는 상기 직접 환원로의 출구에서 포획되고, CO2-풍부 가스와 H2-풍부 가스 사이에서 분할되도록 적어도 하나의 분리 단계를 거치고, 상기 H2-풍부 가스는 환원 가스로서 적어도 부분적으로 사용되는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 CO2-풍부 가스는 탄화수소 생성 단계를 거치는, 직접 환원 철을 제조하기 위한 방법.
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