KR20240007225A - 직접환원철 제조 방법 및 dri 제조 설비 - Google Patents
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Abstract
수소 분리 유닛을 통해 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득되는 수소를 포함하는 환원 가스에 의해 DRI 샤프트에서 철광석이 환원되고, 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분은 상기 직접환원철의 탄소량을 0.5 내지 3 중량% 범위로 설정하기 위해 상기 DRI 샤프트의 전이 섹션에 적어도 부분적으로 주입되는, 직접환원철(DRI)의 제조 방법, 및 DRI 샤프트 (1) 및 수소 분리 유닛 (5) 을 포함하는 DRI 제조 설비로서, 상기 수소 분리 유닛 (5) 은 입구가 코크스 오븐 가스 공급부 (6) 에 연결되고, 상기 코크스 오븐 가스로부터 분리된 수소를 주입하기 위해 DRI 샤프트에 연결되는 제 1 출구 및 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분의 적어도 일부를 주입하기 위해 상기 DRI 샤프트 (1) 의 전이 섹션에 연결되는 제 2 출구를 포함하는, DRI 제조 설비.
Description
본 발명은 직접환원철 (DRI) 제조 방법 및 DRI 제조 설비에 관한 것이다.
강은 현재 2 개의 메인 제조 루트를 통하여 생산될 수 있다. 오늘날, 가장 흔히 사용되는 생산 루트는 산화철을 환원하기 위해 환원제, 주로 코크스를 사용하여 고로에서 선철을 생산하는 것으로 이루어진다. 이 방법에서, 선철 미터톤당 대략 450 내지 600 kg 의 코크스가 소비되고; 이 방법은 코킹 플랜트에서 석탄으로부터 코크스의 생산 및 선철의 생산 둘 다에서, 상당한 양의 CO2 를 방출한다.
제 2 메인 루트는 소위 "직접 환원 방법" 을 포함한다. 그 중에, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, COREX, FINEX 등의 브랜드에 따른 방법이 있으며, 산화철 담체를 직접 환원시켜 HDRI (Hot Direct Reduced Iron), CDRI (cold direct reduced iron), 또는 HBI (hot briquetted iron) 의 형태로 스폰지 철이 생성된다. HDRI, CDRI 및 HBI 형태의 스폰지 철은 보통 전기 아크로에서 추가 프로세싱을 거친다.
저온 DRI 배출을 갖는 각각의 직접 환원로에는 3 개의 구역들이 있다: 상단의 환원 구역, 중간의 전이 구역, 원뿔 형상 바닥의 냉각 구역. 고온 배출 DRI 에서, 이 바닥 부분은 배출 전에 주로 생성물 균질화를 위해 사용된다.
산화철의 환원은 노의 상부 섹션에서 950℃ 까지의 온도에서 일어난다. 대략 30 중량% 의 산소를 함유하는 산화철광석과 펠릿은 직접 환원로의 상부에 장입되어 환원 가스를 통하여 중력에 의해 하강하게 된다. 이 환원 가스는 환원 구역의 바닥으로부터 노로 진입하고 있고, 장입된 산화된 철로부터 역류 유동한다. 광석 및 펠릿에 함유된 산소는 가스와 산화물 사이의 역류 반응에서 산화철의 단계적 환원에 의해 제거된다. 가스가 노의 상부로 이동하는 동안 가스의 산화제 함량이 증가하고 있다.
환원 가스는 일반적으로 수소 및 일산화탄소 (합성 가스) 를 포함하며, 천연 가스의 촉매 개질에 의해 얻어진다. 예를 들어, 소위 MIDREX 방법에서, 먼저 메탄이 개질기 내에서 다음 반응에 따라 변형되어 합성 가스 또는 환원 가스를 생성하고:
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
산화철은 예를 들어 다음 반응에 따라 환원 가스와 반응한다:
3Fe203 + CO/H2 → 2Fe3O4+CO2/H2O
Fe3O4 + CO/H2 → 3FeO + CO2/H2O
FeO + CO/H2 → Fe + CO2/H20
환원 구역의 끝에서, 광석은 금속화된다.
전이 섹션은 환원 섹션 아래에서 발견되며; 이 섹션은 냉각 섹션으로부터 환원 섹션을 분리하기에 충분한 길이를 가져서, 섹션들 둘 다의 독립적인 제어를 허용한다. 이 섹션에서, 금속화된 생성물의 탄화가 일어난다. 탄화는 다음의 반응을 통해 환원로 내부에서 금속화된 생성물의 탄소 함량을 증가시키는 공정이다:
3Fe + CH4 → Fe3C + 2H2 (흡열)
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 (발열)
3Fe + CO + H2 → Fe3C + H2O (발열)
전이 구역에서 천연 가스의 주입은 탄화수소 분해 및 탄소 디포지션을 촉진하기 위해 전이 구역에서 금속화된 생성물의 현열 (sensible heat) 을 사용한다. 산화제의 비교적 낮은 농도로 인해, 전이 구역 천연 가스는 H2 및 CO 로의 개질보다 H2 및 탄소로 분해될 가능성이 더 높다. 천연 가스 분해는 DRI 탄화용 탄소를 제공하고, 동시에 환원제 (H2) 를 가스에 추가하여 가스 환원 전위를 증가시킨다.
지난 세기 초부터 대기 중의 CO2 농도의 상당한 증가 및 그에 따른 온실 효과의 관점에서, 대량으로 그리고 따라서 특히 DRI 제조 동안에 생산되는 CO2 의 배출을 줄이는 것이 필수적이다.
상기에 기초하여, CO2-중성이고, 친환경적이며, 구현이 용이하면서도, 양호한 수율을 나타내는 직접환원철의 제조 방법이 필요하다.
이 과제는 직접환원철의 제조 방법으로서, 수소 분리 유닛을 통해 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득되는 수소를 포함하는 환원 가스에 의해 DRI 샤프트에서 철광석이 환원되고, 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분은 상기 직접환원철의 탄소량을 0.5 내지 3 중량% 로 설정하기 위해 상기 DRI 샤프트의 전이 섹션에 적어도 부분적으로 주입되는, 직접환원철의 제조 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 방법은 또한 개별적으로 또는 모든 가능한 기술적 조합들에 따라 고려되는 다음의 선택적 특징들을 포함할 수 있다:
- 환원 가스는, 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득된 상기 수소와 혼합되는, DRI 샤프트를 빠져나가는 노정가스를 더 포함하고,
- 환원 가스는 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득된 상기 수소와 혼합되는, 수소 및 바이오가스 중에서 선택되는 추가의 환원제 가스를 더 포함하며,
- 이러한 환원 가스는 혼합 후에 가열되고,
- 환원 가스의 가열은 CO2 중성 전기를 사용하여 행해지며,
- 환원 가스는 DRI 샤프트에 그 환원 섹션에서 주입되고,
- 상기 DRI 샤프트로부터 나오는 노정가스는 상기 환원 가스에 혼합되기 전에 물을 제거하기 위해 스크러빙되며,
- 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분은 상기 DRI 샤프트의 냉각 섹션에 부분적으로 주입되고,
- 직접환원철의 탄소 함량이 1 내지 2 중량% 로 설정된다.
본 발명의 프레임 내에서, 직접환원철은 이른바 DRI, 또한 HBI (hot briquetted iron), CDRI (Cold Direct Reduced iron) 및 HDRI (Hot Direct Reduced Iron) 를 포함한다. 이러한 재료는 나중에 예를 들어 고로에서 선철을 생산하거나 BOF 또는 전기 아크로에서 강을 생산하는 공정과 같은 다른 공정에서 사용될 수 있다. 이는 또한 가연물 (combustible) 로서 또는 전지의 전극으로서 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, DRI 샤프트 및 수소 분리 유닛을 포함하는 DRI 제조 설비로서, 상기 수소 분리 유닛은 입구가 코크스 오븐 가스 공급부에 연결되고, 상기 코크스 오븐 가스로부터 분리된 수소를 주입하기 위해 DRI 샤프트에 연결되는 제 1 출구 및 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분의 적어도 일부를 주입하기 위해 상기 DRI 샤프트의 전이 섹션에 연결되는 제 2 출구를 포함하는, DRI 제조 설비에 관한 것이다.
설비는 또한 개별적으로 또는 모든 가능한 기술적 조합들에 따라 고려되는 다음의 선택적 특징들을 포함할 수 있다:
- 상기 수소 분리 유닛의 상기 제 1 출구에 연결된 제 1 입구 및 상기 DRI 샤프트의 노정가스 출구에 연결된 제 2 입구를 포함하는 믹서가 제공되고,
- 믹서는 추가의 환원제 가스 공급부에 연결된 제 3 입구를 포함하며,
- 믹서는 상기 DRI 샤프트의 환원 섹션에 연결되고,
- 상기 DRI 샤프트의 노정가스 출구에 연결된 스크러버가 제공된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 비제한적으로 일례로서 이하에 주어지는 설명으로부터 명백하게 드러날 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 DRI 제조 설비를 도시한다.
도면의 요소들은 예시적이며, 일정 비율로 도시되지 않을 수도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 DRI 제조 설비의 개략도이다. DRI 제조 설비는 DRI 샤프트 (1) 를 포함하고, 이는 위로부터 아래까지, 중력에 의해 샤프트를 통해 이동하는 철광석 (10) 을 위한 입구, 샤프트의 상부에 위치된 환원 섹션, 샤프트의 중간 부분에 위치된 전이 섹션, 바닥에 위치된 냉각 섹션, 및 직접환원철이 최종적으로 추출되는 출구 (12) 를 포함한다.
샤프트의 상부에서, DRI 샤프트를 빠져나가는 노정가스는 파이프 (20) 에서 수집되고, 이 파이프는 DRI 샤프트의 노정가스 출구에 위치된 스크러버 (2) 에 선택적으로 연결될 수 있다. DRI 샤프트로부터 나오는 노정가스는 일반적으로 H2, CO, CH4, H2O, CO2 및 N2 를 다양한 비율로 포함한다. 노정가스 스크러빙 작업은 스트림의 나머지로부터 수증기를 제거할 수 있게 하여, 그 환원 전위를 향상시킨다.
바람직한 실시형태에서, 스크러빙 후, 노정가스는 40 내지 75 부피%의 H2, 0 내지 30 부피%의 일산화탄소 CO, 0 내지 10 부피%의 메탄 CH4, 0 내지 25 부피%의 이산화탄소 CO2, 5 부피% 이하의 H2O, 잔부인 질소 N2 를 포함한다. 스크러빙 후, 이러한 노정가스 중에 1.5 내지 3 의 H2/N2 비율을 갖는 것이 바람직하다.
일단 노정가스가 스크러버 (2) 를 빠져나가면, 선택적으로 압축될 수 있고, DRI 샤프트로 다시 보내지거나 연결 파이프 (21) 를 통해 믹서 (4) 의 입구들 중 하나로 보내질 수 있다.
상기 믹서 (4) 의 다른 입구는 환원 가스 공급부 (3) 에 연결될 수 있다. 이러한 환원 가스는 수소 또는 예컨대 메탄과 같은 탄화수소 가스로 구성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 수소 공급부에는, 예를 들어 CO2 중성 전기로 전력을 공급받을 수 있는 물 또는 증기 전기분해에 의해, CO2 배출없이 생성된 그린 수소가 공급된다.
CO2 중성 전기는 특히 재생가능 소스로부터의 전기를 포함하지만, 생산될 CO2 를 방출하지 않기 때문에 핵 소스(nuclear source)로부터 나오는 전기의 사용을 포함할 수 있다. 재생가능 소스로부터의 CO2 는 태양광, 바람, 비, 조수, 파도, 및 지열과 같은 소스를 포함하는, 인간의 시간 척도에서 자연적으로 보충되는, 재생가능 자원으로부터 수집되는 에너지로서 규정된다.
다른 실시형태에서, 환원제 가스 공급부는 바이오가스 (biogas) 로 구성되며, 이는 바이오리액터 (bioreactor) 로 불리는 폐쇄 시스템 내부에서 산소의 부존재 하에 유기 물질의 분해에 의해 획득될 수 있는 재생가능 에너지 소스이다. 바이오가스는 농업 폐기물, 비료, 도시 폐기물, 식물 재료, 하수, 녹색 폐기물 (green waste), 음식물 쓰레기 또는 임의의 생분해성 재료와 같은 원료로부터 생성될 수 있다. 선호되는 바이오가스는 예를 들어 바이오메탄이다.
믹서 (4) 의 제 3 입구는 분리 유닛 (5) 의 출구에 연결된다. 이러한 분리 유닛 (5) 은 코크스 오븐 가스 공급부 (6) 에 연결된다. 코크스 오븐 가스 조성은 보통 3 내지 6 부피%의 CO, 1 내지 5 부피%의 CO2, 36 내지 62 부피%의 H2, 16 내지 27 부피%의 CH4, 잔부인 질소를 포함한다. 코크스 오븐은 코크스 생산의 부산물로 생산되고, 일반적으로 코크스 오븐 배터리를 점화하는 데 사용되거나 단순히 연소된다. 대부분의 경우, 이의 추가적인 사용은 대기 중 CO2 배출을 초래한다.
분리 유닛 (5) 은 이러한 스트림으로부터 수소를 추출하고 이러한 수소를 연결 파이프 (50) 를 통해 믹서 (4) 로 보낼 수 있게 한다.
분리 유닛은 물리적 및 화학적 흡수 공정, 흡착 공정 또는 막 공정과 같은 가스 분리의 임의의 적합한 산업 공정에 기초할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 분리 유닛은 압력 스윙 흡착 (PSA) 이다.
다른 실시형태에서, 분리 유닛은 막, 바람직하게는 세라믹 미소공성 막이다.
코크스 오븐 가스로부터의 수소, 추가 환원제 가스 및 노정가스의 첨가를 통해 믹서 (4) 에서 생성된 환원 가스는 믹서에 제공된 가열 수단을 통해 선택적으로 가열될 수 있으며, 이러한 가열 수단은 예를 들어 바람직하게는 CO2 중성 전기에 의해 또는 코크스 오븐 가스의 일부를 연소시킴으로써 동력이 공급된다. 바람직한 실시형태에서, 환원 가스의 온도는 700℃ 내지 1000℃, 바람직하게는 800 내지 1000℃ 의 범위로 설정된다.
그리고 이 환원 가스는 바람직하게는 파이프 (11) 를 통해 환원 섹션에서 DRI 샤프트로 다시 보내진다.
다시 분리 유닛 (5) 으로 돌아오면, 수소의 추출 후에 수득된 가스의 나머지 부분은 연결 파이프 (51) 를 통해 DRI 샤프트 (1) 의 천이 섹션으로 다시 보내진다.
이러한 가스의 주입은, 직접환원철의 탄소 함량을 0.5 내지 3 중량%, 바람직하게는 1 내지 2 중량% 로 증가시키게 하고, 이는 용이하게 취급될 수 있고 장래의 사용을 위해 양호한 연소 포텐셜을 유지하는 직접환원철을 얻을 수 있게 한다.
DRI 제조 설비는 샤프트 (1) 내에 재주입하기 전에 스크러버 (30) 및 압축 유닛 (31) 내에 보내기 위해 그 레벨로 존재하는 가스의 일부를 추출하는 것을 허용하는 냉각 섹션 내의 재순환 루프를 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 연결 파이프 (51) 에서 이송되는 가스의 일부는 냉각 섹션에서 직접환원철의 탄소 함량을 증가시킬 수 있도록 압축 유닛 이후의 냉각 섹션의 이러한 재순환 루프에 주입될 수 있다.
연결 파이프 (51) 에서 이송되는 가스의 일부를 DRI 샤프트의 환원 섹션에 주입하는 것도 또한 가능한데, 이러한 가스는 CO 및 나머지 H2 에서의 그 함량 덕분에 환원력을 갖기 때문이다.
본 발명에 따른 방법을 사용함으로써, CO2 중성을 유지하고 코크스 제조로부터의 가스 부산물의 최적의 이점을 취하면서, 적절한 품질 및 수율로 직접환원철을 제조할 수 있다. 또한 천연 가스와 같은 화석 에너지의 사용을 줄일 수 있게 한다.
Claims (14)
- 직접환원철 (DRI) 의 제조 방법으로서, 수소 분리 유닛을 통해 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득되는 수소를 포함하는 환원 가스에 의해 DRI 샤프트에서 철광석이 환원되고, 이러한 코크스 오븐 가스의 나머지 부분은 상기 직접환원철의 탄소량을 0.5 내지 3 중량% 범위로 설정하기 위해 상기 DRI 샤프트의 전이 섹션에 적어도 부분적으로 주입되는, 직접환원철의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 환원 가스는, 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득된 상기 수소와 혼합되는, DRI 샤프트를 빠져나가는 노정가스를 더 포함하는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 환원 가스는 코크스 오븐 가스로부터의 추출에 의해 획득된 상기 수소와 혼합되는, 수소 및 바이오가스 중에서 선택되는 추가의 환원제 가스를 더 포함하는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 환원 가스는 혼합 후에 가열되는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 환원 가스의 상기 가열은 CO2 중성 전기를 사용하여 행해지는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환원 가스는 DRI 샤프트에 그 환원 섹션에서 주입되는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DRI 샤프트로부터 나오는 노정가스는 상기 환원 가스에 혼합되기 전에 물을 제거하기 위해 스크러빙되는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코크스 오븐 가스의 나머지 부분은 상기 DRI 샤프트의 냉각 섹션에 부분적으로 주입되는, 직접환원철의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
직접환원철의 탄소 함량이 1 내지 2 중량% 로 설정되는, 직접환원철의 제조 방법. - DRI 샤프트 (1) 및 수소 분리 유닛 (5) 을 포함하는 DRI 제조 설비로서, 상기 수소 분리 유닛 (5) 은 입구가 코크스 오븐 가스 공급부 (6) 에 연결되고, 상기 코크스 오븐 가스로부터 분리된 수소를 주입하기 위해 상기 DRI 샤프트에 연결되는 제 1 출구 및 상기 코크스 오븐 가스의 나머지 부분의 적어도 일부를 주입하기 위해 상기 DRI 샤프트 (1) 의 전이 섹션에 연결되는 제 2 출구를 포함하는, DRI 제조 설비.
- 제 10 항에 있어서 ,
상기 수소 분리 유닛 (5) 의 상기 제 1 출구에 연결된 제 1 입구 및 상기 DRI 샤프트 (1) 의 노정가스 출구에 연결된 제 2 입구를 포함하는 믹서 (4) 를 더 포함하는, DRI 제조 설비. - 제 11 항에 있어서,
상기 믹서 (4) 는 추가의 환원제 가스 공급부에 연결된 제 3 입구를 포함하는, DRI 제조 설비. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 믹서 (4) 는 상기 DRI 샤프트 (1) 의 환원 섹션에 연결되는, DRI 제조 설비. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DRI 샤프트 (1) 의 노정가스 출구에 연결된 스크러버 (2) 를 더 포함하는, DRI 제조 설비.
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