KR20240016962A - 고로 설비의 작동방법 - Google Patents
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Abstract
고로를 작동하는 방법이 제공되고, 상기 방법은
고로로부터의 고로 가스의 스트림을 수집하는 단계;
상기 고로 가스 스트림과 탄화수소 포함 가스를 적어도 하나의 개질기를 포함하는 개질 플랜트로 주입하는 단계;
상기 고로 가스 스트림과 상기 탄화수소 포함 가스를 개질 플랜트에서 개질하여, 합성가스 스트림을 생산하는 단계; 및
상기 합성가스 스트림의 적어도 일부를 고로로 주입하는 단계;
를 포함하고,
H2 스트림은 단계(c) 이전에 탄화수소 포함 가스에 추가되고 및/또는 단계 (c) 이전에 고로 가스의 스트림에 추가되고, 및/또는 단계(d) 이전에 합성가스 스트림에 추가되고, 및/또는 고로의 송풍구로 추가되고,
상기 합성가스 스트림의 적어도 일부를 고로로 주입하는 것은 고로의 샤프트 및/또는 고로의 송풍구를 통하여 발생하고,
및 고로, 개질 플랜트, 및 쿠퍼 플랜트를 포함하는 고로 플랜트에서 수소의 이용 효율은 60 % 초과이다.
고로로부터의 고로 가스의 스트림을 수집하는 단계;
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및 고로, 개질 플랜트, 및 쿠퍼 플랜트를 포함하는 고로 플랜트에서 수소의 이용 효율은 60 % 초과이다.
Description
본 발명은 일반적으로 고로 설비의 작동방법과 이와 같은 고로 설비에 관한 것이다.
스크랩 용융 또는 전기 아크로 내에서의 직접 환원과 같은 대안적인 방법들에도 불구하고, 오늘날 고로는 여전히 스틸의 생산을 위하여 가장 광범위하게 사용되는 장비를 대표한다. 고로의 관심들 중 하나는 고로의 상부로 배출되는 고로 가스(BFG), 일반적으로 “상부 가스”로도 불리우는 가스이다. 초창기에는 이 상부 가스가 대기로 단순히 방출되는 것이 허용되었을 수 있으나, 가스에 포함된 에너지의 낭비를 방지하고, 및 환경에 대한 과도한 부담을 초래하는 것을 방지하기 위하여, 이는 나중에 이를 BFG 주입 발전소에서 사용함에 의하여 회피되었다. 고로 가스 내의 일 성분은 CO2이고, 이는 환경적으로 유해하고, 및 주로 산업 분야에서 쓸모가 없다. 실제로, 고로 가스와 함께 주입되는 발전소에서 방출되는 폐 가스는 20 vol% 내지 40 vol%만큼 높은 CO2 농도를 포함한다. 연소되는 고로 가스는 일반적으로 상기 언급된 CO2외에 상당한 양의 N2, CO, H2O 및 H2를 포함한다. 하지만 N2 함량은 주로 고온의 공기가 고로를 위하여 사용되는지 (순수한) 산소가 사용되는지에 따라 달라진다.
주로, 석탄 또는 다른 사용되는 탄소 소스의 양을 줄이기 위하여, 고로로부터 고로 가스를 회수하는 제안이 있고, 이를 처리하여 이의 환원전위를 증가시키고, 및 이를 고로로 다시 주입하여 환원 과정을 돕도록 하는 것이다. 이를 수행하는 하나의 방법은 EP 2 886 666 A1에서 설명되고 있는 바와 같이, 압력 스윙 흡착(PSA) 또는 진공 압력 스윙 흡착(VPSA)에 의하여 고로 가스내 CO2 함량을 감소시키는 것이다. 비록 PSA/VPSA 설비가 고로 가스 내의 CO2 함량을 약 40 % 내지 약 5 %로 현저히 감소시키지만, 이들은 구입하고, 유지하고, 작동하기에 매우 고가이고, 및 나아가 이들은 많은 공간이 필요하다.
다양한 산업적 목적을 위하여 사용될 수 있는 합성 가스(또한 신 가스라고도 함)를 얻기 위하여 탄화수소를 위한 개질제로서 고로 가스를 사용하는 것이 제안되었다. 제안된 개질 과정에 따르면, 고로 가스는 적어도 하나의 탄화수소(예를 들어 저급 알칸)를 포함하는 탄소질 가스와 혼합된다. 소위 건식 개질 반응에서, 가스의 탄화수소는 고로 가스 내의 CO2와 반응하여 H2 및 CO를 생산한다. 동시에 탄화수소는 고로 가스 내의 H2O와 반응하여 소위 스팀 개질 반응에 의하여 H2와 CO를 생성한다.
CO2 방출의 감소의 관점에서 현저한 노력들이 고로 자체의 작동을 위한 탄소질 연료의 사용을 감소시키는데 적용되었다. 대체로서, 탄화수소의 형태, 가스상의 수소 H2 또는 이들의 혼합물의 형태로 증가된 수소 함량을 갖는 연료가 사용된다. 발열량이 풍부한 수소 및 탄화수소는 보조 연료로서 고로 송풍구 내로 주입에 대한 잠재력을 갖는다. 보쉬 및 샤프트 가스 내에 수소의 함량이 높을수록, 일반적으로 고로 작동을 위한 CO2의 환원전위가 더 높다. “보쉬 가스”는 일반적으로 고로의 응집 영역 내의 가스에 대응되고, 반면, “샤프트 가스”는 본 발명의 관점에서, 고로의 샤프트로, 즉 응집 영역 위에서 주입되는 가스에 대응된다.
하지만, 송풍구 수준에서 / 송풍구를 통하여 많은 양의 미분탄(PCI)을 갖고 차가운 H2 및/또는 탄화수소를 주입하는 것은 RAFT(레이스웨이 단열 화염 온도)에서의 현저한 하강을 초래하게 된다. RAFT를 증가시키기 위하여, 더 높은 산소 풍부도는 상부 가스 온도에 의하여 제한되는 것이 요구된다. 따라서, 단지 상대적으로 작은 양의 차가운 H2 및/또는 탄화수소가 송풍구를 통하여 고로로 주입될 수 있고, 이는 이 기술에서 CO2 절약의 잠재력을 제한하게 된다.
고온 수수의 주입 또는 심지어는 송풍구 수준에서 / 송풍구를 통하여 천연가스와 같은 고온 탄화수소의 주입은 더 많은 양의 수소 이용률과 고로로부터 더 높은 CO2 절약을 가능하게 할 수 있다. 하지만, 고온의 수소를 생산하는 것, 및 특히 고온의 탄화수소를 생산하는 것은 기술적으로 간단하지 않고, 이는 탄화수소가 고온에서 크랙하는 경향이 있고, 및 스틸은 고온의 수소와 접촉하면 탈탄되는 경향이 있고, 이는 스틸이 쉽게 균열되게 하기 때문이다.
더욱이, 탄화수소 및/또는 수소를 고로로 주입할 때, 단지 수소의 일부만이 철광석의 환원을 위하여 고로 내에서 사용되고, 나머지는 상부 가스로 고로로부터 방출되고, 수소 및/또는 탄화수소의 주입의 장점을 더 제한하게 된다. 고로에서 수소 소비의 비율은 탄화수소 및/또는 수소의 주입으로부터 유래하는 고로 내의 수소의 양 증가시에 더 나빠진다. 이는 주어진 양의 수소를 위한 CO2 방출 감소의 가능성은 고로 내에서 사용되는 수소의 양이 증가할 때 감소한다는 것을 의미한다.
마지막 포인트는 특히 고로로 주입되는 수소가 전기분해 과정에서의 전기로부터 생산되는 재생 수소일 때 특히 문제적이다. 실제로, 열 발전소에서 고로 플랜트에서 방출되는 고로 가스의 일부를 사용하는 것은 주로 약 25 내지 35 %의 낮은 열 효율을 도출하게 된다. 이는 고로 가스의 이 일부의 에너지 중 65 내지 75 %는 전력 생산을 위하여 사용될 때 소실된다는 것을 의미한다. 따라서, 특히 고로 플랜트에서 수소와 같은 고가의 탄소 희박 에너지 원을 사용하는 경우에, 전기 에너지 생산을 위하여 고로 가스를 사용하는 것은 가능한 피해야 한다는 것이 분명하다.
따라서, 본 발명의 목적은 고로 플랜트의 효율적인 수소 이용률을 가능하게 하고, 전통적인 고로 스틸 제조로부터 발생하는 CO2 방출의 감소를 가능하게 하고, 및 적어도 부분적으로는 상기한 문제들을 극복하는 것을 가능하게 하는 고로를 작동하는 새로운 방법과, 대응되는 고로 플랜트를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적은 청구항 제1항 및 제2항에 따른 방법, 및 제19항에 따른 고로 플랜트에 따라 달성된다.
도 1은 본 발명의 고로 작동방법을 구현하기 위하여 구성된 고로 플랜트의 제1 변형 구체예의 개략적인 도면이고;
도 2는 본 발명의 고로 작동방법을 구현하기 위하여 구성된 고로 플랜트의 제2 변형 구체예의 개략적인 도면이고;
도 3은 본 발명의 고로 작동방법을 구현하기 위하여 구성된 고로 플랜트의 제3 변형 구체예의 개략적인 도면이고; 및
도 4는 다양한 수소 함량을 위한 온도의 함수로서 개질기 내의 C2H4 농도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 고로 작동방법을 구현하기 위하여 구성된 고로 플랜트의 제2 변형 구체예의 개략적인 도면이고;
도 3은 본 발명의 고로 작동방법을 구현하기 위하여 구성된 고로 플랜트의 제3 변형 구체예의 개략적인 도면이고; 및
도 4는 다양한 수소 함량을 위한 온도의 함수로서 개질기 내의 C2H4 농도 변화를 보여주는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 면에서, 다음의 단계들을 포함하는 고로의 작동방법을 제안한다:
(a) 샤프트 및 적어도 하나의 송풍구를 갖는 고로로부터 고로 가스의 스트림을 수집하는 단계;
(b) 고로 가스 스트림과 탄화수소 포함 가스를 적어도 하나의 개질기를 포함하는 개질 플랜트로 주입하는 단계;
(c) 고로 가스 스트림 및 탄화수소 포함 가스를 개질 플랜트에서 개질하여 합성가스 스트림을 생산하는 단계; 및
(d) 합성가스 스트림의 적어도 일부를 고로로 주입하는 단계.
H2 스트림이 단계(c) 이전에 탄화수소 포함 가스로 추가되고 및/또는 단계(c) 이전에 고로가스 스트림으로 추가되고 및/또는 단계(c)이전에 고로 가스와 탄화수소 포함 가스를 포함하는 혼합물로 추가되고, 및/또는 단계(d) 이전에 합성가스 스트림으로 추가된다. H2 추가는 고로로 주입되는 (즉 도입되는) H2의 양을 증가시키기 위하여 수행된다. 본 발명에 따른 방법은 임의의 H2 제거 단계를 포함하지 않는다. 합성가스 스트림의 적어도 일부를 고로로 주입하는 것은 고로의 샤프트 수준에서 / 샤프트를 통하여 수행된다. 또한 합성가스 스트림의 적어도 일부를 고로로 주입하는 것은 고로의 송풍구 수준에서 / 송풍구를 통하여 수행되거나, 또는 고로의 샤프트와 고로의 송풍구 모두를 통하여 수행되는 것도 가능하다. 다시 말해, 일부 구체예에서는 합성가스 스트림의 일부는 샤프트 수준에서 주입되고, 및 합성가스 스트림의 다른 부분은 동시에 고로의 송풍구 수준에서 주입되고, 한편, 다른 구체예에서는 합성가스 스트림의 일부는 고로의 샤프트를 통해서만 발생한다.
구체예에서, 수소 및/또는 탄화수소의 추가적인 스트림이 고로의 송풍구에서 추가될 수 있다.
방법이 납 또는 구리와 같은 다른 금속들의 생산에 적용될 수 있지만, 고로는 일반적으로 선철을 생산하는데 사용된다.
본 발명의 관점에서, 합성가스는 개질기에서 개질 과정에 의하여 생산되는 합성된 가스를 의미한다.
본 발명의 관점에서, 개질 플랜트는 적어도 하나의 개질기를 포함한다. 구체예에서, 개질 플랜트는 복수의 개질기들을 포함할 수 있고, 개질기는 서로에 대하여 직렬로 또는 병렬로 배치될 수 있고, 또한 개질 플랜트는 개질기들의 적어도 2개의 직렬을 형성하도록 배치되는 복수의 개질기들을 포함할 수 있고, 적어도 2개의 직렬은 서로에 대해서는 병렬로 배치된다. 개질 플랜트의 개질기는 임의의 형태일 수 있고, 예를 들어, 재생 개질기 또는 임의 형태의 촉매 건식 및/또는 습식 개질기, 특히 바닥 연소형, 측벽 연소형, 테라스형, 또는 상부 연소형일 수 있다. 개질 플랜트가 하나를 초과하는 개질기를 포함하는 경우의 구체예에서, 개질기는 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 개질 플랜트는 예를 들어, 개질 플랜트 내에서 예비 개질기와 주 개질기를 포함한다. 개질기의 정확한 수, 형태, 및 배열은 생산되는 합성가스에 대한 요구사항(예를 들어 온도, 환원 정도)을 충족하기 위하여 고로로 생산된 합성가스를 후속적으로 주입하는 수준, 또는 수소의 추가 위치에 따라 유리하게 구성될 수 있다.
개질 과정이 개질 플랜트에서 수행되기 위하여, 이산화탄소와 스팀 소스, 예를 들어 수집된 고로 가스와 탄화수소 포함 가스가 개질 플랜트의 제1 개질기의 반응 챔버로 도입되기 전, 또는 도입될 때 가스 혼합물을 형성하기 위하여 조합(즉 혼합)되어야 한다. 개질 플랜트가 단지 하나의 개질기를 포함하는 구체예에서, 제1 개질기는 이 개질기에 대응된다.
반응기에서 개질되는 가스는 고로 가스 및 탄화수소 포함 가스 및 가능하게는 또한 스팀의 가스 혼합물이고, 및 다소 잘 혼합될 수 있는 가스 혼합물이다. 일반적으로 고로 가스를 탄화수소 포함 가스 및 가능하게는 스팀과 조합시키는 것은 “고로 가스가 탄화수소 가스 및 가능하게는 스팀과 혼합되는 것을 가능하게 한다”라고 언급된다. 이는 (능동적으로), 즉 가스를 혼합하기 위하여 기계적인 힘을 작용하여 고로 가스를 탄화수소 포함 가스 및 가능하게는 스팀과 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 하지만, 일부의 경우에는, 예를 들어 파이프로 가스를 주입하기만 해서, 혼합이 다소 수동적으로 대류 및/또는 확산에 의하여 발생하는 것으로 충분할 수 있다. 하지만, 화학적 반응이 더 높은 정도의 혼합에 의하여 개선될 수 있음이 이해된다. 가스들이 혼합 용기 또는 혼합 챔버로 언급될 수 있는 전용 용기에서 조합 및 혼합되는 것도 가능하다. 구체예에서, 고로 가스 및 탄화수소 포함 가스 및 가능하게는 스팀을 개별적으로 개질기에 주입하여, 가스들이 개질기 내에서, 즉, 개질기의 예비-챔버 내에서 혼합되도록 하는 것으로 충분할 수 있다.
일 면에서, 본 발명은 또한 수소 이용률의 효율을 증가시킴에 의한 고로 플랜트의 작동 방법을 제안한다. 상기 방법은 고로로 H2를 추가하는 것과 개질 반응을 조합하는 것으로 포함하고, 고로, 개질 플랜트, 및 쿠퍼(cowper) 플랜트를 포함하는 고로 플랜트에서 수소 이용률의 부분은 고로로 주입되는 수소의 60 % 초과, 및 바람직하게는 고로로 주입되는 수소의 65 % 초과이고, 고로로 주입되는 수소는 합쳐져서, 생산되는 고온 금속의 최소 200 Nm3/t의 유동이 되고, 및 이 중 고온 금속의 최소 50 Nm3/t는분자 수소 H2의 형태로 고로 플랜트로 주입된다.
수소 이용률은 다음과 같이 정의된다: (고로 플랜트로의 수소 주입량 - 고로 플랜트로부터의 수소 배출량) / (고로 플랜트로의 수소 주입량).
고로로의 수소 주입, 또는 고로로 주입되는 수소, 또는 고로 플랜트로의 수소 주입은 보쉬 가스(즉, 고로의 응집 영역 내의 가스) 및 샤프트 수준에서 고로로 주입되는 샤프트 가스의 총 수소 함량으로 정의된다. 이와 같은 고로로의 수소 주입은 특히 합성가스에 포함된 수소, 주입된 분자 수소 H2 내에 포함된 수소, 다른 수소 함유 가스에 포함된 수소, 주입된 석탄 및/또는 타르에 포함된 수소, 주입된 가스 및 고체연료의 수분에 포함된 수소, 및 고온 블라스트의 수분에 포함된 수소를 포함한다.
수소 배출은 쿠퍼 플랜트에서, 및 적용되는 경우에는 개질 플랜트에서의 이용률를 제외한 상부에서 고로로부터 배출되는 고로 가스에 포함된 수소로 정의된다.
다른 면에서, 본 발명은 수소 함유 가스의 스트림을 고로로 주입하기 위하여 배치되는 샤프트, 송풍구, 및 합성가스 스트림, 바람직하게는 고온 합성가스 스트림을 고로로 주입하기 위하여 배치되는 고로의 샤프트 내의 가스 도입부가 제공되는 고로를 포함하는 고로 플랜트를 제안한다. 고로 플랜트는 다음을 더 포함한다:
고로의 상부, 및 탄화수소 함유 가스의 소스와 유체적으로 연결되는 적어도 하나의 개질기를 포함하는 개질 플랜트이되, 상기 개질 플랜트는 고로 가스 스트림과 탄화수소 포함 가스를 합성가스 스트림으로 전환시키고, 및 고로의 샤프트 내의 상기 가스 도입부의 하류에 이와 유체적으로 연결되는, 개질 플랜트; 및
적어도 하나의 개질기 및/또는 골의 샤프트 내의 가스 도입부 및/또는 고로의 송풍구와 유체적으로 연결되는 H2 스트림의 소스.
구체예에서, 개질 플랜트는 또한 고로의 송풍구의 하류에 이와 유체적으로 연결된다.
유리하게는, 고로 설비는 제1면에 따른 방법을 구현함에 의하여 작동되도록 구성되고, 및 이하에서 보다 자세히 설명된다.
따라서, 본문은 더 적은 CO2 발자국 및 증가된 수소(H2) 이용률의 효율을 갖고, 감소된 석탄 및 다른 탄소 소스의 비율을 갖고, 고로를 작동하는 것을 가능하게 하는 통합된 방법 및 대응되는 설비를 제안한다.
실제로, 본 발명은 수소(H2)의 이용, 고로 가스의 재사용을 탄화수소의 개질과 조합함에 의하여, 고로 설비의 CO2 배출이 생산되는 금속, 예를 들어 선철의 품질에 부정적인 영향을 주지 않으면서도 감소될 수 있다는 것을 확인하였다. 본 발명의 방법 및 설비의 주된 장점은 따라서, 재사용을 위하여 고로 가스의 일부를 재생함에 의하여, 고로 작동의 전반적인 CO2 생산이 실질적으로 감소될 수 있다는 것이다.
다른 주된 장점은 재사용을 위하여 고로 가스의 일부를 재생함에 의하여, 고로, 개질 플랜트, 및 쿠퍼 플랜트를 포함하는 고로 플랜트의 전반적인 에너지 효율이 증가될 수 있고, 이에 의하여, 수소 이용률의 효율도 증가한다는 것이다. 추가된 H2는 일반적으로 고로 플랜트에서 완전히 소비되지는 않고, 따라서, 적어도 추가된 H2의 일부는 배출되는 고로 가스 내에서 고로 플랜트로부터 배출된다. 배출되는 고로 가스는 본 발명의 맥락에서, 고로 플랜트 내에서 이의 소비 이후에, 보다 구체적으로는 고로, 쿠퍼 플랜트 및 개질 플랜트에서의 이의 소비 이후에, 고로로부터 배출되는 고로 가스로부터 남는 고로 가스를 의미한다. 적어도 하나의 개질기의 버너를 위한 연료 가스로 개질 플랜트 내의 고로 가스를 이용하는 것은 또한 고로 플랜트 내에서 고로 가스의 이용을 증가시킨다. 합성가스를 생산하기 위하여 고로 플랜트 내에서 수집되고 재활용되는 고로 가스는 매우 높은 전체 에너지 효율로 사용될 것이다. 개질을 통하여, 이는 예를 들어, 열 발전소로 제공되는 대신에, 고로 내에서, 야금적 목적을 위하여 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있다. 결과적으로, 배출되는 H2의 적어도 일부는 낮은 에너지 효율 비율에서 에너지, 예를 들어 전기를 생산하기 위하여 태워지지 않을 것이다. 다시 말해, H2 연소에 의한 에너지 낭비가 줄어들고, 및 H2 이용의 에너지 효율이 개선된다.
실제로, 수소 생산은 종종 많은 양의 에너지가 필요하고, 및 약 60 %의 생산 효율로 생산된다. 고로로 수소를 주입할 때, 단지 수소의 일부만이 고로 내에서 철광석을 환원시키기 위하여 사용된다. 일반적으로 추가되는 수소의 30 내지 55 %가 이와 같은 철광석 환원을 위하여 사용되고, 나머지는 상부 가스 내에서 고로로부터 방출된다. 고로 상부 가스에 포함되는 수소를 연소시키는 것은 약 30%의 생산 효율로 전기 에너지를 생산할 것이다. 이는 이 수소의 부분을 생산하기 위하여 사용되는 전기 에너지의 59 내지 69%의 “파괴”를 초래하게 된다.
고로의 상부에서 수소를 수집하고, 주로 80 % 초과인 높은 효율의 개질 기술의 도움과 함께 고로 플랜트 내에서 이를 재사용하는 것은 발전소 내에서 사용되는 수소의 비율을 감소시키고, 및 따라서, 에너지의 파괴 비율을 감소시킨다.
나아가, 고로의 샤프트 수준에서 결과적인 합성가스의 주입은 코크 비율, 즉 생산되는 선철의 톤 당 코크 및/또는 다른 탄소 소스의 양의 현저하 감소를 가능하게 한다.
추가로, 고로의 샤프트 내로 합성가스를 주입하는 것은 미분탄, 천연가스 및 특히 또한 수소, 또는 다른 물질의 더 높은 송풍구 주입을 가능하게 한다. 따라서, 추가적인 양의 석탄이 수소가 풍부한 보조 연료에 의하여 대체될 수 있고, 이는 고로 환원제의 탄소 함량을 더 감소시키고, 및 결과적으로 CO2 방출량을 더 감소시키는 것을 가능하게 한다.
그럼에도 불구하고, 더 높은 보조 주입 비율은 더 많은 고로 가스 재순환을 요구하는 더 낮은 수소 이용률을 초래하게 된다. 이와 같은 문제는 또한 바람직한 구체예에서 보여지는 바와 같은 본 발명의 방법에 의하여 해결될 수 있다.
샤프트를 통한 합성가스 주입 온도는 약 950 °C이어야 하지만, 로 내에서 물질을 용융시키지 않기 위하여 1050 °C를 초과해서는 안된다.
샤프트를 통하여 주입되는 합성가스 스트림이 높은 온도 수준(즉, 주로 샤프트 주입을 위한 온도 수준을 초과)에서 적어도 하나의 개질기를 포함하는 개질 플랜트에 의하여 생성되는 구체예에서, H2는 유리하게는 적어도 하나의 개질기의 하류의 고온 합성가스 스트림에 추가될 수 있다. 따라서, H2 스트림은 합성가스 스트림의 냉각제로 작용한다. 이와 같은 방식, 즉 냉각제로 수소를 사용하는 것은 고가의 가열 장치에서 고로의 샤프트를 통하여 수소를 주입하기 전에 수소를 가열할 필요성을 완전히 제거한다. 실제로, 합성가스의 과도한 열은 유리하게는 수소를 가열하는데 사용될 것이다. 이는 합성가스 냉각과 수소의 가열을 위한 양쪽 필요성 모두를 제거함에 의하여 공정의 효율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
추가로, 이와 같은 구성에서 수소의 사용은 고로에서 더 높은 작업 가능한 수소 주입을 가능하게 하고, 이는 수소가 개질기에서 가열되고, 및 샤프트 수준에서 합성가스의 일부로 주입되기 때문이다. 다시 말해, 단일 고온 가스 주입 시스템이 합성가스 및 수소의 주입 모두를 수행하기 위하여 필요하고, 수소를 샤프트 수준 주입 온도로 가열하기 위한 분리된 시스템이 필요하지 않다.
나아가, 다른 산업 분야에서는 개질기의 압력 수준이 주로 20 barg 초과, 또는 심지어는 40 barg 초과와 같이 상대적으로 높지만, 고로 분야에서는 요구되는 압력 수준이 1.5 내지 6 barg 정도일 뿐이다. 이는 탄소 형성 및 평형 전환과 같은 작동 조건 및 개질 장비의 제한에 중요한 영향을 미친다. 낮은 압력 수준이 동일 온도 수준에서는 더 높은 메탄 전환을 선호하게 하지만, 불행히도 이는 또한 탄소 그을음 형성도 선호하게 된다. 이것이 고로 가스 스트림 및/또는 개질기 상류의 탄화수소 포함 가스에 H2 스트림의 추가가 수소 추가가 없는 경우와 비교하여 주어진 온도에서 메탄 전환율을 낮추지만, 동시에 그을음 형성을 부분적으로 억제하기 때문에 특히 유리한 이유이다.
수소는 또한 탄화수소 포함 가스 및/또는 개질기 상류의 고로 가스 스트림 양쪽으로 추가될 수 있고, 및 샤프트 수준에서 주입되는 합성가스 스트림으로 추가될 수 있다. 수소의 추가는 샤프트를 통하여 주입되는 합성가스 스트림의 냉각제로서의 이의 이용과 탄화수소 포함 가스 및/또는 합성가스 생산을 위한 개질기 상류의 고로 가스 스트림으로의 이의 추가 사이에 평형을 유지하는 것이 필요하다. 이미 언급된 바와 같이, 수소를 탄화수소 포함 가스 및/또는 고로 가스 스트림으로 추가하는 것은 개질 반응 중 그을음이 형성되는 것을 감소시키는 것을 도울 것이다.
고로를 작동시키는 본 진보적인 방법의 다른 장점은 수소가 냉각 수소(즉, 경제적으로 관심이 있는 정도까지의 온도 수준으로만 가열된 비가열 스트림), 또는 순수한 고온 H2(즉, CO2 및/또는 H2O 함량이 없는)(따라서, 스틸 크래킹이 방지됨)로서 주입된다는 것이다.
본문에 따른 작동방법 및 고로 설비의 주된 장점 및 유리한 사항은 다음과 같이 정리될 수 있다:
- 개질 공정 중 감소된 그을음 형성
- 감소된 코크 비율
- 송풍구에서 증가된 보조 연료 주입 수준 및 구체적으로는 탄화수소 및/또는 순수 수소와 같은 수소 포함 연료의 증가된 주입 수준
- 수소에 의한 화석 연료의 대체에 따른 높은 CO2 절약
- 샤프트에서의 슬립(slipping)과 같은 문제를 방지하고, 코크 베드에서 향류 액상(낙하하는 용융철 또는 슬래그)/가스상(상승하는 가스)을 갖는 응집 영역의 유체 역학 상황을 개선시키는 H2의 낮은 점도로 인한 개선된 고로의 작동
- 수소 이용율의 더 높은 에너지 효율을 초래하는 고로 상부 가스 재순환에 따른 고로 플랜트에서의 개선된 수소 이용률.
본문에서 개시되는 고로 설비 뿐만 아니라 고로를 작동하는 본 발명의 방법의 이와 같은 및 추가적인 장점들은 이하에서 더 설명될 것이다.
구체예에서, 고로의 개시된 작동방법은 하위 단계들을 더 포함한다:
a1) 선택적으로 탄화수소 포함 가스 및/또는 고로 가스의 수소화 및/또는 탈황화하는 단계
c1) 그 자체로, 또는 다른 가스들과 혼합되어 고로 가스의 다른 부분을 개질기의 버너로 주입하는 단계.
이와 같은 구체예에서, 가스 세척, 개질 조건들, 및 합성가스 온도 요구조건들은 유리하게는 수소 추가의 위치에 따라 다르게 조정될 수 있다. 유리하게는 H2는 합성가스 온도가 이를 고로로 직접 주입하기에는 너무 높은 경우, 고로 가스의 스트림 및/또는 수소화 유닛 상류의 탄화수소 포함 가스(단계 a1 이전), 개질기 상류의 탄화수소 포함 가스(단계 b 이전), 및/또는 개질 플랜트 하류의 탄화수소 포함 가스(단계 c 이후)에 추가될 수 있다.
선택적으로, 스팀 스트림은 또한 단계 a1), 단계 c) 이전에 탄화수소 포함 가스로 추가될 수 있고, 및/또는 단계 c)이전에 고로 가스의 스트림으로 추가될 수 있고, 또는 단계 c) 이전에 고로 가스와 탄화수소 포함 가스의 혼합물로 추가될 수 있다.
H2 스트림, 및/또는 탄화수소 포함 가스 스트림 및/또는 고로 가스 스트림은 가열될 수 있고, 특히 임의의 하나, 또는 이들 스트림 모두는 개질 공정 이전에, 바람직하게는 열교환기로 가열될 수 있고, 열 교환기는 바람직하게는 개질기로부터 오는 연도 가스의 에너지 일부를 회수한다. 바람직하게는 탄화수소 포함 가스의 스트림 및/또는 고로 가스 스트림은 개질기 상류에서 예비적으로 가열된다(즉, 적당한 온도로 가열됨). H2 스트림이 탄화수소 포함 가스 스트림 및/또는 고로 가스 스트림에 추가되는 구체예에서, H2 스트림은 탄화수소 포함 가스 스트림 및/또는 고로 가스 스트림으로 추가되기 전에 전용 가열 장치에 의하여 예비적으로 가열될 수 있다. 대안으로, H2 스트림은 추가 이후에 탄화수소 포함 가스 스트림 및/또는 고로 가스 스트림과 동시에 예비적으로 가열될 수 있다. 하지만, H2 스트림이 개질기 하류의 합성가스 스트림에 추가되는 구체예에서, H2 스트림은 바람직하게는 가열되지 않거나, 또는 경제적으로 관심이 있는 온도 수준, 즉 예를 들어 특히 600 °C 미만, 또는 심지어는 400 °C 미만과 같이 고온 수소 공격을 대비하는 고비용의 예방조치를 요구하지 않는 온도 수준까지만 가열된다. 본 발명의 개시의 맥락에서, 가열되지 않은 수소 스트림, 또는 경제적으로 관심이 있는 온도 수준까지만 가열된 수소 스트림은 저온으로 언급된다.
구체예에서, 이의 조성에 따라 탄화수소 포함 가스의 탈황화가 요구될 수 있다. 예를 들어 산화 아연 베드에서 황을 제거하기 위해서는 황이 무기 형태로 존재하고, 보다 구체적으로는 H2S의 형태로 존재하는 것이 요구된다. 하지만, 탄화수소 포함 가스는 매우 종종 또한 유기 황을 포함하고, 이는 수소와 특정 촉매의 존재 하에서 무기 황, H2S로 전환될 필요가 있다. 따라서, 구체예에서, 탈황이 요구되는 경우에는 수소화 단계(단계 a1) 이전에 또한 탄화수소 가스에 수소를 추가하는 것이 바람직할 수 있다. 고로 가스 자체가 수소화 공정을 위한 충분한 수소를 포함할 수 있으므로, 후자는 고로 가스에 필수적으로 적용되는 것은 아니다.
바람직하게는 개질 플랜트의 적어도 하나의 개질기의 버너에서의 각각의 이용을 위하여 공기 뿐만 아니라 고로 가스의 일부를 포함하는 연료 가스는 또한 개질 공정의 연도 가스의 에너지 일부를 사용하는 열 교환기에서 가열된다.
바람직한 구체예에서, H2 스트림은 전기분해 셀에서 전기분해에 의하여 생산된다. 바람직하게는, 수소는 재생가능하고, 또는 “그린(green)이다. 본 발명 개시의 맥락에서, 재생가능 또는 “그린” 수소는 바람직하게는 물 및/또는 스팀의 전기분해에 의하여 생산되는 것을 의미하고, 및/또는 전기분해 셀을 작동하기 위한 전력은 풍력, 태양과 및/또는 수력과 같은 재생가능 자원에 의하여 생산된다.
본 발명의 맥락에서, 탄화수소 또는 “탄화수소 함유 가스”라는 표현은 상온(ambient temperature)에서 가스상인 임의의 탄화수소를 의미한다. 따라서, 이와 같은 탄화수소 가스는 천연가스, 즉 주로 메탄으로 이루어지고, 일반적으로 다양한 양의 다른 고급 알칸들을 포함하는 화석 원료로부터의 자연적으로 발생하는 탄화수소 가스 혼합물을 포함하고, 또한 바이오 가스, 코크스 오븐 가스 등의 유사한 탄화수소 성분들을 갖는 가스들을 포함한다. 코크스 오븐 가스는 수개 가스들의 혼합물이고, 주로 수소(즉, 적어도 50 %의 수소 함량을 가짐), 메탄(통상적으로 코크스 오븐 가스의 25 % 정도의 양), 및 나머지는 질소, CO, CO2 또는 H2O와 같은 다양한 가스들의 혼합물인 나머지의 혼합물이다. 따라서, 코크스 오븐 가스 그 자체는 이미 많은 양의 수소를 포함한다.
바람직하게는 탄화수소 포함 가스는 천연가스, 코크스 오븐 가스 및/또는 바이오 가스를 포함한다.
개질기는 촉매 개질기, 재생 개질기로도 불리우는 재생기 유형의 반응기, 플라즈마 토치가 구비된 개질기, 부분 산화 개질기, 산소/탄소 및/또는 탄화수소 버너가 구비된 개질기와 같이 임의의 종류일 수 있다.
유리하게는 합성가스 스트림은 건식 또는 습식 개질 공정으로부터 나온다. 소위 건식 개질 공정에서, 메탄과 같은 탄화수소 함유 가스의 탄화수소는 고로 가스 내의 CO2와 반응하여 H2와 CO를 생산한다. 건식 개질 반응은 따라서, CH4 + CO2 = 2 CO + 2 H2이다. 소위 습식 개질 공정에서, 탄화수소는 또한 고로 가스 내의 H2O와 반응하여 H2와 CO를 생산한다. 습식 개질 반응은 따라서 CH4 + H2O = CO + 3 H2이다. 어느 방식이든, H2와 CO의 농도가 현저히 증가한 합성가스가 얻어진다.
개질 공정은 촉매적으로 또는 비 촉매적으로 수행될 수 있다. 특히, 천연 가스 고정의 개질은 촉매적으로 또는 비 촉매적으로 수행될 수 있고, 반면, 코크스 오븐 가스의 개질은 바람직하게는 비 촉매적으로 수행된다. 촉매적으로 수행되는 공정은 촉매의 존재 하에서 수행되고, 반면, 비 촉매적으로 수행되는 공정은 촉매 없이, 즉 촉매가 존재하지 않는 상태에서 수행된다. 개질 공정은 나아가 단일 개질기에서 수행될 수 있고, 또는 예를 들어 예비 개질기와 제2 또는 주 개질기와 같이 복수의 개질기들에서 수행될 수 있다.
생산되는 합성가스는 고로에서의 이의 효율적인 이용을 위하여 고품질일 필요가 있다. 이와 같은 품질은 일반적으로 다음의 몰비율과 같이 정의되는 이의 환원전위로 기술된다: (cCO+cH2)/(cH2O+cCO2). 합성가스의 충분한 품질을 보장하기 위하여, 환원전위는 가능한 높아야 하고, 및 바람직하게는 6, 보다 바람직하게는 7, 및 가장 바람직하게는 7과 1/2이어야 한다.
열역학적으로, 합성가스의 특정 수준의 환원전위만이 개질 공정에 최소 온도 수준을 적용함에 의하여 달성될 수 있다. 개질 공정은 바람직하게는 합성가스 스트림이 바람직한 환원전위를 갖고, 및 고로의 샤프트를 통한 이의 주입을 가능하게 하는 온도를 가질 수 있는 충분히 높은 온도에서 수행된다. H2 스트림이 탄화수소 포함 가스 및/또는 개질기 상류의 고로 가스 스트림으로 추가되는 구체예에서, 수소의 추가는 개질기와 고로의 샤프트를 통하여 합성가스를 주입하기 위한 개질기로부터 고로로 이어지는 파이프에서 그을음의 형성을 감소시키는데 도움을 준다.
추가로, 고로 가스 스트림은 바람직하게는 개질기로 도입되기 이전에, 가스 냉각 및/또는 세척 및/또는 가압 단계, 바람직하게는 증기 제거 단계, 먼지 제거 단계, 금속 제거 단계, HCl 제거 단계, 및/또는 황 성분 제거 단계의 대상이 될 수 있다.
구체예에서, 고로 가스의 제2 스트림은 개질 플랜트의 버너에서 그 자체로 사용될 수 있고, 또는 다른 가스들과의 혼합으로 사용될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 가능한 많은 양의 고로로부터 배출되는 고로 가스가 쿠퍼 및 개질 플랜트에서의 이용을 위하여 수집된다. 다시 말해, 스틸 플랜트 내의 다른 유닛들로 주입되는 배출 고로 가스는 가능한 적어진다. 바람직하게는 그 양이 매우 적어서, 이의 열 발전소에서의 이용은 회피된다.
"유체적 연결"이라는 표현은 2개의 장치가 가스와 같은 유체가 하나의 장치에서 다른 장치로 유동할 수 있는 연결체 또는 파이프에 의하여 연결되는 것을 의미한다. 이와 같은 표현은 예를 들어 질량 유동을 조절하기 위한 밸브 또는 팬, 압력 등을 조절하기 위한 컴프레서, 또는 센서, 엑츄에이터 등과 같은 제어 요소들과 같은 이와 같은 유동을 변환시키기 위한 수단을 포함하고, 이는 고로 작동, 또는 고로 설비 내의 요소들 각각의 작동의 적절한 제어를 위하여 전반적으로 필요하거나 또는 바람직하다.
본 발명의 문헌에서, “개질기”는 개질기 반응기 또는 개질기 용기와 같이 개질 공정이 수행될 수 있는 임의의 컨테이너를 의미한다.
“샤프트 도입”, “샤프트 주입”, “…를 고로의 샤프트로 도입”, “…를 샤프트 수준에서 도입”, “…를 샤프트를 통하여 도입”, “샤프트 수준에서 도입”, “샤프트 수준에서 주입된” 또는 “샤프트에서 가스 도입”은 고온 블라스트 수준 위에서, 즉, 보쉬 위에서, 바람직하게는 고로 내의 응집 영역 위의 산화철의 가스 고체 환원 영역 내에서 물질(예를 들어 가스)을 주입하는 것을 의미한다.
"송풍구 수준에서 …를 도입", "송풍구를 통하여 …를 도입", "송풍구 수준에서 도입된", 또는 “송풍구 수준에서 주입된”은 고로의 송풍구를 통하여 물질(예를 들어 가스)를 주입하는 것을 의미한다.
본 발명에서, “고로로 도입” 및 “고로로 주입”, 또한, “고로로 도입된“ 및 “고로로 주입된” 또는 “고로 내에 주입된”은 각각 동의어로 사용되고, 및 동일 의미를 가지며, 이는 물질을 고로로 주입하는 것을 의미한다
본 발명에서 “또는”은 배타적인 것을 의미하는 것이 아니고, “또는” 또는 “및”을 의미한다.
“약”은 본 발명에서 주어진 수치적 값이 상기 수치적 값의 -10 % 내지 +10 %의 값의 범위를 포괄하는 것을 의미한고, 바람직하게는 수치적 값의 -5% 내지 +5%를 포괄하는 것을 의미한다.
본 발명에서, 단계(c)는 일반적으로 개질을 의미한다. 이는 샤프트 또는 송풍구를 통한 주입을 위한 합성가스의 생산을 포괄하고, 및 또한 샤프트와 송풍구로 동시에의 주입을 위한 합성가스의 생산을 포괄한다.
본 발명의 추가적인 세부사항 및 장점은 첨부된 도면들을 참조하는 비제한적인 구체예들의 세부 설명으로부터 명확할 것이다.
본문의 바람직한 구체예들은 이에 예시적인 목적으로 도면을 참조하여 설명될 것이다.
CO2 배출:
석탄은 고로 제철 과정에서 주요한 에너지 투입원이다. CO2와 종종 경제적인 관점에서, 이는 덜 선호되는 에너지 원이다. 석탄을 주로 송풍구 수준에서 주입되는 다른 에너지 원으로 대체하는 것이 널리 사용되고 있다. 비용상의 문제로 주로 미분탄이 주입되지만, 천연가스 비용이 낮은 국가들에서는 이 에너지가 사용된다. 종종 폐 플라스틱과 같은 잔류물들도 고로도 주입된다. 온실가스 방출의 저감이라는 목적으로, 산업적인 운영은 또한 이들의 보조 연료로 수소를 포함시키기 시작했고, 및 수소의 높은 가용성에 대한 기대와 함께, 수소의 보조 연료로의 기여도가 강하게 증가할 것으로 기대된다.
이와 같은 보조 연료는 고로 제강으로부터의 CO2 배출에 긍정적인 영향을 줄 것이지만, 이들의 이용은 공정상의 이유로 제한되고, 및 매우 종종 이와 같은 제한은 오늘날 이미 도달해 있다. 고로는 고로로 도입되는 에너지의 약 40 %까지를 포함하는 고로 가스(BFG)를 생산한다. 고로로부터 배출되는 그 고로가스의 약 25%는 일반적으로 쿠퍼 플랜트에서 고로의 송풍구에서 주입되는 블라스트를 가열하기 위하여 사용된다. 그 고로 가스의 나머지 75%는 고로로 도입되는 에너지의 약 30 %를 포함하고, 일반적으로 스틸 플랜트에서 내부적인 열 요구사항을 충족하기 위하여 사용되고, 또한 전기 에너지 생산을 위하여 사용된다.
고로 기반 스틸 생산의 CO2 발자국의 감소라는 목적을 위하여, 하나의 중요한 전략은 가능한 많이 이와 같은 BFG를 야금의 목적을 위하여 사용하고, 스틸 플랜트의 나머지 에너지 요구사항을 위하여 그린 전기 에너지와 같은 다른 CO2가 적은 에너지를 적용하는 것이다.
따라서, 합성 가스의 생산은 CO2가 적은 탄화수소를 사용하는 것 외에, 또한 고로 제강으로부터, 또한 가능하다면 고로 플랜트, 전환 가스 및/또는 저온 기본 산소로(BOF) 가스에서 CO2 배출 환원전위를 개선하기 위하여 가능한 고로 가스를 많이 사용해야 한다.
제강을 위한 수소 이용률:
제강을 위한 수소 이용률은 고로에서 수소의 직접 이용과, 보조 플랜트에서, 특히 쿠퍼 플랜트에서, 및 설치된 경우 고로의 샤프트로 주입되는 합성가스를 생산하기 위한 개질 플랜트에서의 이의 이용으로 구분될 수 있다.
고로에서 수소의 이용은 주로 eta H2로서 언급된다. eta H2는 다음과 같이 정의된다: eta H2 = ((BF 내 H2) - (상부 가스 내 H2 아웃 BF)) / (BF 내 H2). 본 발명에서, BF는 고로를 의미하고, (BF 내 H2)는 고로로 이동하는 H2의 유동을 의미하고, 및 (상부 가스 내 H2 아웃 BF)는 고로의 상부로 배출되는 고로 상부 가스 내의 H2의 유동을 의미한다.
"BF 내 H2"는 보쉬 가스(즉, 고로의 응집 영역 내의 가스)와 샤프트 수준에서 고로로 주입되는 샤프트 가스의 총 수소 함량으로 정의된다. 이와 같은 고로로의 수소의 도입은 합성가스 내, 주입된 분자 수소 H2 내, 다른 수소 함유 가스들 내, 주입된 석탄 및/또는 타르 내, 주입된 가스 및 고체 연료의 수분 내, 및 고온 블라스트의 수분 내에 포함된 수소를 포함한다.
“상부 가스 내 H2 아웃 BF”는 고로로부터 나가는 상부 가스의 건조 유동 비율 곱하기 그 상부 가스 내 수소의 건조 농도로 정의된다.
eta H2는 일반적으로 50 % 미만이고, 및 종종 45 % 미만이다. eta H2 및 고로 내에서 수소 이용률의 비율은 나아가 고로로 도입되는 수소의 양이 증가할수록 감소하는 특징을 갖는다. 이는 고로 내에서 더 많은 수소를 사용하기를 원할 때, 이의 이용 효율은 크게 감소하고, 훨씬 많은 부분의 고로로 도입되는 수소가 상부 가스와 함께 고로로부터 배출된다는 것을 의미한다. 결과적으로, 주입되는 수소의 kg 당 달성 가능한 석탄 비율의 감소속도가 감소하고, 이는 간접적으로 주입되는 수소의 CO2 환원전위를 감소시킨다.
더욱이, 보조 연료(즉, 수소 함유 가스)의 주입을 증가시킬 때, 산소의 농축이 화염 온도를 유지하기 위하여 증가되어야 한다. 고로에서 산소 농축을 증가시키는 것은 고로에서 사용될 자연 블라스트(공기)의 양을 감소시킨다는 것을 의미한다. 결과적으로, 고로도 도입되는 고온 블라스트의 전반적인 양이 감소된다. 이는 더 적은 양의 고로 가스가 고로 블라스트를 가열하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
마지막으로, 이는 철광석의 환원을 위하여 고로에서 수소의 퍼센트를 증가시킬 때, 이 수소의 더 적은 부분이 고로 내에서 사용되고, 및 이의 더 작은 부분이 쿠퍼 플랜트에서 사용되어, 결과적으로 배출 가스 내에서 고로 플랜트로부터 배출되는 수소의 양이 증가하게 된다.
이는 다음의 표(표 1)에서 보여지고, 표 1은 고로의 기준 작동과 본 발명의 방법의 3가지 구체예들에 따른 수소 주입을 포함하는 고로의 작동을 비교하고 있다.
| 아이템 | 유닛 | 기준 | 케이스 1: H2 주입 |
케이스 2: H2 주입 + 샤프트 합성가스 |
케이스 3: 최대 H2 주입 + 샤프트 합성가스 |
|
| 1 | 고온 금속 (HM) 생산 | t HM / h | 300 | 300 | 300 | 300 |
| 2 | 석탄 비율 | t/h | 90,3 | 87,12 | 67,35 | 63,03 |
| 3 | 미분탄 주입 | t/h | 57,6 | 57,6 | 57,6 | 57,6 |
| 4 | 합성가스생산을 위하여 사용된 천연가스 | Nm3/h | 0 | 0 | 9993 | 9993 |
| 5 | 송풍구에서 H2 주입 | Nm3 / t HM | 38 | 38 | 109 | |
| 6 | 고로의 샤프트에서 합성가스의 주입 | Nm3 / h | 120000 | 120000 | ||
| 7 | 샤프트에 주입되는 합성가스에 포함된 H2 | Nm3/h | 61963 | 64485 | ||
| 8 | 보쉬 가스 내 H2 | Nm3/h | 30322 | 41520 | 41062 | 60821 |
| 9 | 총 H2 | Nm3/h | 30322 | 41520 | 103025 | 125306 |
| 10 | H2 out 상부가스 | Nm3/h | 15901 | 21860 | 62053 | 76261 |
| 11 | Eta H2 (고로에서 H2 이용) | 47,6% | 47,4% | 39,8% | 39,1% | |
| 12 | 상부 가스 에너지 | GJ/h | 1469531 | 1475909 | 1978421 | 2057046 |
| 13 | 고온 스토브 플랜트의 열 요구사항 | GJ/h | 541180 | 494746 | 392866 | 313884 |
| 14 | 합성가스 반응기의 상부 가스 요구사항 | GJ/h | 575753 | 654788 | ||
| 15 | 상부 가스 배출 | GJ/h | 928351 | 981163 | 1009801 | 1088374 |
| 16 | H2 배출 | Nm3/h | 10045 | 14532 | 31672 | 40349 |
| 17 | H2 배출 비율 | 33% | 35% | 31% | 32% | |
| 18 | 고로 플랜트에서 H2 이용율 | 67% | 65% | 69% | 68% | |
| 19 | 석탄, 미분탄및 천연가스로부터 도출되는 CO2 배출량 | t/h | 0 | 0 | 0 | 0 |
기준 작동에서, 고로는 송풍구에서 석탄 및 미분탄만의 주입을 사용하고, 반면, 케이스 1에서 저온 수소가 고로의 송풍구 수준에서 추가로 주입된다.
케이스 1에서, 고로에서 수소의 도입이 30.322 Nm3/h (기준의 경우)에서 11.198 Nm3/h 만큼 증가하여 41.520 Nm3/h (케이스 1의 경우)가 되기 위하여, 고로 플랜트로부터 배출되는 수소의 비율이 10.045 Nm3/h(기준)으로부터 4.487 Nm3/h이 증가하여 14.532 Nm3/h(케이스 1의 경우)가 되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 고로 플랜트에서의 수소 이용률이 67에서 65 %로 감소하게 된다. 다시 말해, 상부 가스 내에서 고로 플랜트로부터 나가는 4.487 Nm3 이 추가적으로 주입되는 수소 11.198 Nm3 의 40 %를 나타내고, 따라서, 고로에서의 추가적인 수소의 이용률은 매우 낮아서 60 %밖에 안된다.
케이스 2에서(표 1), 고온 합성가스가 950 °C에서 고로의 샤프트로 주입된다. 이제 고로로 주입되는 수소의 총량이 기준의 케이스와 비교하여 세배를 초과하지만, 고로 플랜트에서 이의 이용은 67에서 69 %로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것이 송풍구 수준에서 고로로의 수소의 약간의 추가만으로도 이미 고로 플랜트에서 수소의 이용의 감소에 이미 영향을 준다는 것을 보여준다는 점에서 매우 인상적이다. 기준의 케이스와 비교하여, 수소 72.703 Nm3의 추가적인 주입 중, 단지 21.627 Nm3또는30% 만이 배출가스와 함께 고로 플랜트로부터 배출된다.
표 1에 보여지는 마지막 케이스(케이스 3)에서, 고로로 도입되는 수소의 양은 현저하게 증가하고, 즉 기준 케이스와 비교하여 4배 이상으로 도입된다. 이때에도, 고로 플랜트 내에서 수소의 이용률은 기준의 경우보다 더 높다. 수소의 94.984 Nm3의 추가적인 주입 중, 단지 30.304 Nm3 또는 32% 만이 배출가스와 함께 고로 플랜트로부터 배출된다.
에너지 효율
공정의 전반적인 높은 효율을 달성하기 위하여, 개질 플랜트 뿐만 아니라 쿠퍼 플랜트는 바람직하게는 연소 공기 및/또는 연소 가스를 예비 가열하기 위한 열 회수 시스템을 구비해야 한다. 양 플랜트들의 효율은 70 % 초과이어야 하고, 보다 구체적으로는 80 % 초과이어야 한다.
개질 및 합성가스 요구사항:
고로에서 합성가스를 이용하기 위한 합성가스에 대한 요구사항은 다른 산업분야에서 적용을 위한 요구사항과는 상이하다.
고로에서 합성가스 이용을 위한 주된 요구사항은 다음과 같다:
합성가스의 환원전위 및 온도 수준:
다른 산업분야에서, 일반적으로 합성가스가 생산되고, 및 그 후 냉각되어 합성가스로부터 과도한 스팀이 분리된다. 이에 의하여 단지 냉각된 가스만이 하류 공정에서 사용된다. 스틸 산업분야 외의 다른 존재하는 산업분야의 적용에 있어서, 따라서, 개질 공정에 의하여 직접 달성되는 높은 환원 전위는 중요하지 않다. 하지만, 스틸 산업분야에서, 높은 환원전위, 바람직하게는 적어도 6 이상의 환원전위가 바람직하고, 및 높은 공정 효율을 위하여 유리하고, 환원전위 또는 환원 정도는 다음과 같이 정의된다: (cCO+cH2)/(cH2O+cCO2), 여기서, c는 몰농도를 의미하고, 예를 들어, cCO는 합성가스 내 CO 몰농도를 의미하고, cH2는 합성가스 내 H2 몰농도를 의미하고, cH2O는 합성가스 내 H2O의 몰농도를 의미하고, 및 cCO2는 합성가스 내 CO2의 몰농도를 의미한다.
더욱이, 최대 열 효율을 위하여 송풍구 및/또는 샤프트를 통한 샤프트 주입을 위하여 요구되는 온도 수준에 적합한 합성가스의 높은 온도가 선호된다. 따라서, 온도는 고로의 응집 영역 위, 즉 샤프트 수준에서 샤프트의 주입을 가능하게 하기 위하여, 850 내지 1100 °C 사이이어야 하고, 바람직하게는 약 950 °C이다.
H2/CO 비율:
스틸 산업 분야 외의 다른 산업분야에서, 합성가스는 순수 수소생산, 암모니아, 또는 다른 화학 성분의 생산과 같은 구체적인 적용분야를 위하여 사용된다. 이에 의하여, 합성가스 내 CO에 대한 수소의 구체적인 비율이 일반적으로 요구된다.
비교하여, 고로에서 합성가스를 사용하는 목적은 CO 및 수소인 환원 성분들 모두와 함께 달성되는 광석의 환원이다. CO 또는 수소로 광석을 환원하는 것에는 차이가 있지만, 합성가스가 고로 내에서 사용되는 환원 가스의 일부일 뿐이라는 점을 고려하면 이와 같은 차이는 상대적으로 미미하다.
압력 수준:
다른 산업분야에서는 개질기의 압력 수준이 상대적으로 높고, 주로 20 barg 초과, 또는 심지어는 40 barg 초과이지만, 고로 적용분야에서는 요구되는 압력 수준은 1.5 내지 6 barg에 불과하다. 이는 작동 조건 및 그을음 형성 및 평형 전환과 같은 개질 장비의 제한에 중요한 영향을 준다. 낮은 압력 수준이 동일 온도 수준에서 더 높은 메탄 전환을 선호하게 될 것이지만, 불행히도, 또한 이는 그을음의 형성을 선호하게 되고, 따라서, 고로 가스 스트림으로 및/또는 개질기의 탄화수소 포함 가스 상류로 H2 스트림을 추가하는 것이 수소 추가가 없는 경우와 비교하여 주어진 온도에서 메탄의 전환율을 낮추지만, 동시에 부분적으로 그을음의 형성을 억제하기 때문에 특히 유리하다.
수소 추가:
상기한 바와 같이, 수소는 단순히 H2의 형태로, 또는 탄화수소의 형태로 고로의 송풍구에서 추가될 수 있다. 하지만, 또한 합성가스 생산에 긍정적인 영향을 주기 위하여, 고로의 샤프트에서의 주입으로 수소 추가를 사용하는 것도 가능하다.
수소의 스트림, 바람직하게는 재생가능 수소의 스트림은 본 발명의 방법에서 추가되고, 특히 개질기 이전에 추가되고, 이는 그을음 형성을 감소시키고, 또는 개질기 이후에 샤프트를 통하여 주입되는 합성가스 스트림으로 추가되어, 동시에 이를 냉각시키고 및 이의 환원전위를 증가시킨다. 본문에서, 및 합성가스를 언급할 때, 환원전위 및 환원 정도는 서로 동의어로 사용되고, 및 이들 모두는 (cCO+cH2)/(cH2O+cCO2)의 몰비율을 의미한다. 개질기의 상류로 수소를 추가하기 이전에, 수소 스트림을 가열하는 것이 유리할 수 있다.
합성가스 생산을 위한 개질 반응:
천연가스 개질과 같은 탄화수소 가스의 개질은 원칙적으로 다음의 반응들에 의하여 수행될 수 있다:
스팀 존재 하에서 스팀 개질:
CO2 존재 하에서 건식 개질:
이 2가지 반응들은 강한 흡열반응이고, 많은 열이 필요하다.
이와 같은 열은 간접적으로 연료 가스를 태움에 의하여, 및 연도가스 열을 반응기로 전달함에 의하여 공급될 수 있고, 또한 개질 반응을 다음 식에 따른 부분 산화 반응과 조합함에 의하여 공급될 수 있다:
CH4 + ½ O2 -> CO + 2H2
개질 반응과 함께, 개질기에서는 부반응이 발생할 수 있다. 이와 같은 반응들의 상대적인 중요도는 가스 조성, 온도 및 압력, 촉매의 사용여부 및 특성 등과 같은 작동 조건에 따라 달라진다. 개질 온도에 가까운 온도에서의 주된 부반응은 다음과 같다:
역 수성-가스 전이반응(Reverse water-gas shift reaction, RWGS):
CH4 분해: CH4 -> C + 2H2
메탄화 반응: 4H2 + CO2 -> CH4 + 2H2O 또는 3H2 + CO -> CH4 + H2O
또한, 그을음 / 탄소 침전물 생성을 위한 반응 스킴의 부분인 다양한 반응들도 있다. 이와 같은 반응들의 예는 다음과 같은 아세틸렌 형성반응이다:
아세틸렌 형성: 2CH4 -> C2H2 + 3H2
이와 같은 아세틸렌은 그 후 그을음의 일부인 방향족 탄화수소의 생성에서 분자(전구체)가 될 수 있고, 또는 다음의 반응에 의하여 열적으로 분해될 수 있다:
아세틸렌의 분해: C2H2 -> 2C + H2
수소는 이와 같은 반응들 대부분의 일부이고, 및 따라서 개질 반응 자체 뿐만 아니라 부 반응들에 대해서도 중요한 영향을 준다. 따라서, 개질기의 상류의 탄화수소 포함 가스 및/또는 고로 가스의 스트림에 H2를 추가함에 의하여 그을음 형성과 증착을 감소시키기 위해서와 같이 탄화수소 개질 공정을 더 개선하기 위하여 CO2 환원의 목적을 위한 고로에서 수소의 바람직한 이용의 장점을 위하는 것이 가능하다.
본 발명의 3개의 서로 다른
구체예들의
세부 설명
다음에서, 고로의 작동을 위한 방법 및 고로 플랜트의 3가지 서로 다른 변형예들이 첨부된 도면과의 관계에서 보여진다.
도 1은 고로의 샤프트를 통한 합성가스의 제1 스트림 및 고로의 송풍구를 통한 합성가스의 제2 스트림의 동시 주입을 포함하는 고로의 작동을 위한 본 발명의 방법의 제1 변형예의 구체예를 보여준다.
고로 12로부터 배출되는 고로 가스 10는 고로의 상부 12에서 수집된다.
수집된 고로 가스 10는 일반적으로 고로로부터 배출되면서 예비 가열된다. 고로 가스 스트림의 예비 처리는 우선 이의 증기 함량 감소를 위한 냉각, 세척, 특히 먼지 및/또는 HCl 및/또는 금속 성분들의 제거를 위한 세척, 및 그 후, 궁극적인 탈황을 위한 충분한 압력을 갖도록 가압, 가열, 개질 공정 및 고로로의 주입을 포함한다. 도 1의 구체예에서, 고로 가스의 냉각, 세척 및 가압은 냉각, 세척 및 가압 유닛 14에서 수행된다. 대안으로, 분리된 유닛들이 사용될 수 있고, 각 유닛들은 고로 가스의 냉각, 세척 또는 가압 중 하나를 수행할 수 있다. 다른 구체예에서, 하나의 유닛은 고로 가스의 냉각, 세척 및 가압의 2가지를 수행할 수 있고, 세번째 예비 처리 단계는 분리된 유닛에서 수행될 수 있다. 본문에서, 냉각, 세척 및 가압 유닛은 가스 스트림을 냉각, 세척 및 가압하도록 구성된 유닛이지만, 이 순서로 다양한 단계들(냉각, 세척 및 가압)이 수행되는 것이 필수적이라는 것을 가정하는 것은 아니다. 구체예에서, 가압은 예를 들어 가스 스트림의 세척이 탈황인 구체예에서, 세척의 상류에서 수행될 수 있다.
냉각, 세척 및 가압 유닛 14의 하류에서, 고로 가스 스트림은 3개의 스트림들로 분리된다. 고로 가스의 제1 스트림 16은 제1 개질 플랜트 18로 도입되고, 및 고로 가스의 제2 스트림 20은 제2 개질 플랜트 22로 도입된다. 본 구체예에서, 양 개질 플랜트는 재생형 개질 플랜트이다. 고로 가스의 제3 스트림 27은 고로 배출 가스로 언급되고, 개질 플랜트 18, 22를 갖는 고로 플랜트를 포함하는 제강 플랜트의 다른 유닛으로 주입되는 고로 가스에 대응된다.
추가로, 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 24은 개질 플랜트 18, 22로 도입된다.
기본 산소로 (Basic oxygen furnace) 가스 및/또는 스팀은 선택적으로 고로 가스 스트림(냉각, 세척 및 가압 유닛 14의 상류 및/또는 하류), 및/또는 탄화수소 포함 가스 스트림 24, 및/또는 직접 개질 플랜트 18, 22(미도시)로 추가될 수 있다.
코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 24와 함께 고로 가스의 제1 스트림 16의 개질은 제1 개질 플랜트 18에서 수행되어, 합성가스 제1 스트림 26을 생성한다. 코크스 오븐 가스 및/또는 탄화수소 포함 가스의 스트림 24와 함께 고로 가스 제2 스트림 20의 개질은 개질 플랜트 22에서 수행되어, 합성가스 제2 스트림 28을 생성한다.
양 개질 공정은 건식 및/또는 습식 개질 공정이고, 가능하게는 또한 부분 산화와 조합되고, 높은 CO 및 H2 함량을 갖는 2개의 합성가스 스트림 26, 28의 형성을 유도한다. 개질 공정은1.5 내지 10 barg의 압력 범위에서 수행되고, 개질 플랜트에 따라 900 °C 초과 온도, 바람직하게는 950 °C 초과, 보다 바람직하게는 1000 °C 초과의 온도에서 수행된다.
고로 가스 및/또는 탄화수소 포함 가스는 선택적으로 개질 공정 이전에 가열될 수 있다(미도시). 가열은 예를 들어, 튜브 번들 열교환기에 의하여 수행될 수 있다. 제2 개질 플랜트 22로부터 배출되는 합성가스 제2 스트림 28은 약 1200 °C의 온도와, 2 내지 6 barg의 압력으로 송풍구 30를 통하여 고로로 도입된다.
추가로, 고로 설비는 전기 분해, 바람직하게는 물/스팀 전기분해에 의하여 H2 스트림 36을 생산하기 위하여 전력 34에 의하여 작동하는 전기분해 셀32을 포함한다. 전기분해 셀 32을 작동시키는 전력 34은 바람직하게는 재생가능 또는 "그린"이고, 즉 풍력, 태양광 및/또는 수력과 같은 재생가능 자원으로부터 얻어진다.
대안으로 또는 추가적으로, 상기 수소는 고상 탄소 형성 또는 조합된 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 및/또는 탄소 포집 및 이용(CCU) 기술을 갖는 열분해 공정을 통하여 천연가스로부터 생산될 수 있다. 또한 수소는 메탄 열 크래킹 또는 조합된 CCS 및/또는 CCU 기술과 함께 스팀 메탄 개질에 의하여 생산될 수 있다
전기분해 셀에 의하여 생산되는 H2의 스트림 36은 제1 개질 플랜트 18의 하류로, 및 고로 12의 내부로 샤프트를 통하여 노출되는 가스 도입부 38의 상류로 합성가스의 제1스트림 26으로 추가된다. 수소 36와 함께 추가되는 합성가스 제1 스트림 26은 H2 풍부한 가스 스트림 40을 형성하고, 이는 샤프트 수준에서 약 900 °C의 온도, 및 주로 1.5 내지 4 barg의 압력으로 가스 도입부 38를 통하여 고로로 도입된다.
H2 스트림 36은 합성가스 제1 스트림 26의 냉각제로 작용한다. 상기 수소를 이와 같이 사용하는 것, 즉 냉각제로 사용하는 것은 고가의 가열 장치 내에서 고로 12의 샤프트를 통하여 주입하기 전에 상기 수로를 가열할 필요성을 완전히 제거한다. 실제로, 합성가스 26의 초과 열이 상기 수소를 가열한다. 이는 합성가스의 냉각과 수소의 가열의 필요성 모두를 제거함에 의하여 공정의 효율을 증가시키도록 한다.
도 2는 고로의 샤프트를 통한 합성가스 제1스트림과 고로의 송풍구를 통한 합성가스 제2 스트림의 동시 주입을 포함하는 고로의 작동방법의 제2 변형의 구체예를 도시한다.
고로 112로부터 배출되는 고로 가스 110는 고로 112의 상부에서 수집된다.
수집된 고로 가스 110는 일반적으로 고로로부터 배출되면서 예비적으로 처리된다. 고로 가스 스트림의 예비 처리는 첫째로 이의 증기 함량을 감소시키기 위한 냉각, 세척, 특히 먼지 및/또는 HCl 및/또는 금속 성분 및/또는 황 성분의 제거를 위한 세척, 및 그 후, 고로로의 주입 및 개질공정을 위한 충분한 압력을 갖기 위한 가압을 포함한다. 도 2의 구체예에서, 고로 가스의 냉각, 세척 및 가압은 냉각, 세척 및 가압 유닛 114에서 발생한다. 대안으로, 분리된 유닛들이 사용될 수 있고, 각 유닛들은 고로 가스의 냉각, 세척 또는 가압의 어느 하나를 수행할 수 있다. 다른 구체예에서, 하나의 유닛은 고로 가스의 냉각, 세척 및 가압 중 두가지를 수행할 수 있고, 세번째 예비 처리 단계는 분리된 유닛에서 수행될 수 있다.
냉각, 세척 및 가압 유닛 114의 하류에서, 고로 가스의 스트림은 3개의 스트림으로 분리된다. 고로 가스의 제1 스트림 116은 제1 개질 플랜트 118로 도입되고, 및 고로 가스의 제2스트림 120은 제2 개질 플랜트 122로 도입된다. 본 구체예에서, 양쪽의 개질 플랜트는 재생형 개질 플랜트이다. 고로 가스의 제3 스트림 127은 고로 배출 가스로 언급되고, 개질 플랜트 118, 122를 갖는 고로 플랜트를 포함하는 제강 플랜트의 다른 유닛으로 도입되는 고로 가스에 대응된다.
추가로, 고로 설비는 고로 및 냉각, 세척 및 가압 유닛 114에 더하여, 개질 플랜트 118,122 각각 및 전력 134에 의하여 가동되는 전기분해 셀 132에 유체적으로 연결되는 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스 스트림 124의 소스를 포함하고, H2 스트림 136은 전기분해에 의하여 생산되고, 바람직하게는 물 전기분해에 의하여 생산된다. 전기분해 셀 132을 구동하는 전력 134은 바람직하게는 재생가능 또는 "그린"이고, 즉, 풍력, 태양광 및/또는 수력과 같은 재생가능 자원으로부터 얻어진다.
H2 스트림 136은 전기분해 셀에 의하여 생산되고, 개질 플랜트 118, 122 각각에 도입되는 H2-풍부한 탄화수소 포함 가스 스트림 142를 형성하기 위하여 개질 플랜트 118, 122의 상류에서 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 124에 추가된다.
기본 산소로 가스 및/또는 스팀은 선택적으로 고로 가스의 스트림(냉각, 세척 및 가압 유닛 114의 상류 및/또는 하류)으로, 및/또는 탄화수소 포함 가스 스트림 124으로 및/또는 H2 스트림 136으로 및/또는 개질 플랜트 118,122로 직접(미도시) 추가될 수 있다.
H2 풍부한 탄화수소 포함 가스 스트림 142과 함께 고로 가스 제1 스트림 116의 개질은 제1 개질 플랜트 118에서 수행되어 합성가스 제1 스트림 126을 생산한다. H2 풍부한 탄화수소 포함 가스 스트림 142와 함께 고로 가스 제2 스트림 120의 개질은 제2 개질 플랜트 122에서 수행되어, 합성가스 128의 제2 스트림을 생산한다.
양 개질 공정은 건식 개질이고, 높은 CO 및 H2 함량을 갖는 합성가스의 2개의 스트림 126, 128의 형성을 초래한다. 개질 공정은 1.5 내지 10 barg의 압력 범위에서 발생되고, 개질 플랜트에 따라, 900 °C 초과의 온도, 바람직하게는 1000 °C 초과의 온도, 더욱 바람직하게는 1200 °C 초과의 온도에서 발생된다.
고로 가스 및/또는 수소 함유 가스는 선택적으로 개질 공정 이전에 가열될 수 있다(미도시). 가열은 예를 들어 튜브 번들 열교환기를 사용하여 수행될 수 있다.
개질 플랜트 118, 122의 상류에서, 따라서, 개질 공정 이전에, 탄화수소 포함 가스에 수소를 추가하는 것은 개질 반응 중에 그을음이 발생하는 것을 감소시키는데 도움을 준다. 건식 개질을 통하여 탄소 증착의 형성은 알려진 문제이다. 개질 플랜트 내에서 발생하고, 탄소 증착의 형성을 초래하게 되는 서로 다른 반응들이 있다. 이와 같은 반응들의 많은 수가 에텐 C2H4 와 아세틸렌 C2H2 전구체를 형성하는 것을 포함한다. 메탄으로부터의 이와 같은 전구체들의 형성은 수소의 분리와, 가스 부피의 증가를 초래하게 된다. 따라서, 탄소 증착 전구체의 형성을 감소시키는 것이 가능하고, 및 이에 의하여 반응기 도입부 가스에서 수소의 분압을 증가시킴에 의하여 탄소 증착 형성 자체를 감소시키는 것도 가능하며, 이는 예를 들어 H2를 탄화수소 포함 가스 및/또는 합성 가스 스트림에 추가하는 것과 같이 H2를 개질되는 가스 혼합물에 추가하는 것을 의미한다. 예를 들어, 도 4에서 보여지는 바와 같이, 개질되는 가스 혼합물에서 H2의 양을 10 %로부터 40%로 증가시키는 것은 개질 플랜트에서 C2H4의 농도를 1225 °C 에서, 약 0.35 %에서 약 0%로 현저한 감소를 초래한다.
제2 개질 플랜트로부터 배출되는 합성가스 제1 스트림 126은 약 950 °C의 온도 및 1.5 내지 4 barg의 압력으로 고로 112 내부에서 샤프트를 통하여 노출되는 가스 도입부 138를 통하여 고로로 도입된다(즉, 합성가스 제2 스트림 126은 고로의 샤프트를 통하여 도입된다.). 개질 공정에 따라, 합성가스 제2 스트림은 고로의 샤프트를 통하여 도입되기 전에 약 950 °C의 온도로 냉각될 수 있다.
제2 개질 플랜트 122로부터 배출되는 합성가스 128의 제2스트림은 약 1200 °C 온도 및 2 내지 6 barg의 압력으로 송풍구 130를 통하여 고로로 도입된다.
도 3은 고로의 샤프트를 통하여 합성가스의 제1스트림을 주입하고, 이와 함께 고로의 송풍구를 통하여 저온 수소 및/또는 탄화수소 포함 가스 및 가능하게는 또한 미분탄을 동시에 주입하는 것을 포함하는 고로의 작동방법의 본 발명에 다른 제3 구체예를 도시한다.
고로 212로부터 배출되는 고로 가스 210는 고로 212의 상부에서 수집된다.
수집된 고로 가스 210는 일반적으로 고로로부터 배출되면서 가스 세척 및 냉각 유닛 214에서 예비 처리된다. 고로 가스 스트림의 예비처리는 첫째로 이의 증기 함량을 감소시키기 위한 냉각, 세척, 특히 먼지, 및/또는 HCl 및/또는 금속 성분의 제거를 위한 세척을 포함한다.
세척된 고로 가스의 일부 219는 습윤 공기 223 및 종종 다른 높은 열량의 가스들(미도시)와 함께 쿠퍼 플랜트 221의 버너에서 연료의 부분으로 사용되고, 이는 송풍구 수준에서 고로로 주입되는 블라스트를 가열하기 위한 것이다. 가스와 공기 모두는 예비 가열되거나 또는 예비 가열되지 않을 수 있다.
고로 가스의 다른 부분 217은 습윤 공기 223 및 종종 다른 고열량 가스(미도시)와 함께 개질 플랜트 218의 버너에서 연료의 일부로 사용된다. 양 가스 및 공기는 예비 가열되거나 또는 예비 가열되지 않을 수 있다.
고로 가스의 다른 스트림 216은 개질 반응 내에서 사용된다. 이 스트림은 추가로 컴프레서(가압 유닛) 215으로 도입되어, 고로 가스를 개질 및 고로로의 주입을 위하여 요구되는 압력 수준으로 압축시킨다.
고로 212로부터 배출되는 나머지 고로 가스 및 개질 플랜트와 쿠퍼 플랜트에서 사용되지 않은 잔여 고로 가스는 고로 배출 가스 227로 언급되고, 고로 212를 포함하는 스틸 플랜트 내의 다른 유닛들로 도입된다.
도 3의 구체예에서, 선택적으로 컴프레서(가압 유닛)215 이후에 수소화 및 탈황 유닛 250이 존재한다.
추가로, 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 224은 개질 플랜트 218로 도입된다. 가스 224는 탈황 유닛 250에서 탈황처리될 수 있다. 가스 224의 탈황은 고로 가스의 탈황(도 3)과 함께 수행될 수 있다. 대안으로, 가스 224는 별도의 탈황 유닛(미도시)에서 탈황처리될 수 있다. 이와 같은 구체예에서, 수소는 천연가스에 추가되어 천연 가스에 포함된 유기 황의 수소화를 수행할 수 있다(미도시).
기본 산소로 가스 및/또는 스팀 225은 선택적으로 고로 가스 스트림에 추가될 수 있고(가압 유닛 215의 상류 및/또는 하류), 수소화 및 탈황 유닛 250으로 추가될 수 있고, 탄화수소 포함 가스 스트림 224(미도시)으로 추가될 수 있고, 및/또는 직접 개질 플랜트로 218 또는 개질 플랜트 218 이후에 추가될 수 있다.
코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 224과 함께 고로 가스 스트림 216의 개질은 개질 플랜트 218에서 수행되어, 합성가스 스트림 226을 형성한다. 고로 가스 216 및 탄화수소 포함 가스의 2개의 가스 스트림은 개질 플랜트 218에 도입되기 전에 혼합될 필요가 있고, 이는 개질 플랜트 218 내에서 및/또는 수소화 및 탈황 플랜트 250에 도입되기 이전에 수행된다.
개질 공정은 건식 및/또는 습식 개질 공정이고, 가능하게는 부분 산화와 조합될 수 있고, 높은 CO 및 H2 함량을 갖는 합성가스 스트림 226을 형성한다. 개질 공정은 1.5 내지 10 barg의 압력범위에서 이루어지고, 및 개질 플랜트에 따라, 900 °C 초과의 온도, 바람직하게는 950 °C 초과의 온도, 더욱 바람직하게는 1000 °C 초과의 온도에서 수행된다.
고로 가스 및/또는 수소 함유 가스는 선택적으로는 개질 공정 이전에 가열될 수 있다(미도시). 가열은 예를 들어 튜브 번들 열교환기에 의하여 수행될 수 있고, 이는 개질 플랜트로부터의 연도 가스의 열의 일부를 전달한다. 동일한 사항이 개질 플랜트로 도입되는 고로 가스와 탄화수소 포함 가스를 포함하는 가스 혼합물에도 적용되고, 이는 바람직하게는 적어도 350 °C, 보다 바람직하게는 400 °C 초과, 및 바람직하게는 450 °C 초과의 온도로 가열될 것이다. 선택적으로 쿠퍼 플랜트 및/또는 개질 플랜트의 버너에서 사용되는 고로 가스 및 공기는 또한 튜브 번들 열교환기와 같은 열교환기에서 개질 플랜트로부터의 연도 가스의 열 중 일부를 전달함에 의하여 가열될 수 있다.
추가로, 고로 설비는 전력 234에 의하여 작동하는 전기분해 셀 232을 포함하고, 전기 분해, 바람직하게는 물/스팀 전기분해에 의하여 H2의 스트림 236을 생산한다. 전기분해 셀 232을 구동하는 전력 234은 바람직하게는 재생가능이고, 또는 "그린"이고, 즉, 풍력, 태양광 및/또는 수력과 같은 재생가능 자원으로부터 얻어진다.
대안으로 또는 추가적으로, 상기 수소는 고상 탄소 형성, 또는 조합된 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술, 및/또는 탄소 포집 및 이용(CCU) 기술을 갖는 열분해 공정을 통하여 천연가스로부터 생산될 수 있다. 수소는 또한 메탄 열 크래킹 또는 조합된 CCS 및/또는 CCU 기술을 갖는 스팀 메탄 개질에 의하여 생산될 수 있다.
전기분해 셀에서 생산된 H2 스트림 236, 또는 이의 일부는 개질 플랜트 218의 상류에서 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 224으로 추가되어 H2 풍부한 탄화수소 함유 가스의 스트림을 형성하고, 이는 개질 플랜트 218로 도입되고, 및/또는 이의 일부가 수소화 단계 이전에 탄화수소 포함 가스의 스트림으로 도입되고, 및/또는 그 자체로 저온에서 고로의 송풍구에서 도입되거나, 또는 석탄, 천연가스, 플라스틱, 바이오매스 등과 같은 다른 보조 연료와 함께 도입된다.
기본 산소로 가스 및/또는 스팀은 선택적으로 고로 가스 스트림(가압 유닛 215 또는 수소화 유닛 250의 상류 및/또는 하류)(미도시)으로 추가될 수 있고, 및/또는 탄화수소 포함 가스 스트림 224(미도시)으로 추가될 수 있고, 및/또는 H2 스트림 236(미도시)으로 추가될 수 있고, 및/또는 개질 플랜트 218로 직접 추가되거나, 또는 개질 플랜트 218 이후에 추가될 수 있다.
H2 스트림 236의 일부는 개질 플랜트 218의 하류 및 고로 212 내부의 샤프트를 통하여 노출된 가스 도입부 238의 상류의 합성가스 스트림 226으로 추가될 수 있다. 수소 236와 함께 추가되는 합성가스 스트림 226은 H2 풍부한 가스 240를 형성하고, 이는 약 900 °C의 온도에서, 주로 1.5 내지 4 barg의 압력으로 샤프트 수준에서 가스 도입부 238를 통하여 고로로 도입된다.
수소 236의 일부 및/또는 탄화수소 포함 가스 224는 또한 직접 고로의 송풍구 230를 통하여 주입될 수 있다. 구체예에서, 수소 236 및/또는 탄화수소 포함 가스 224의 주입은 미분탄 주입 229과 같은 고체 연료의 주입과 함께 수행될 수 있다.
H2 스트림 236의 일부는 합성가스 226 제1스트림의 냉각제로 사용될 수 있다. 상기 수소를 이와 같이 사용함으로써, 즉 냉각제로 사용함으로써, 고가의 가열 장치로 고로 212의 샤프트를 통하여 주입 이전에 상기 수소를 가열할 필요가 완전히 제거된다. 실제로, 합성가스 226의 초과 열은 상기 수소를 가열한다. 이는 합성 가스 냉각 및 수소 가열을 위한 양쪽 필요성 모두를 제거함으로써, 공정의 효율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명이 도면과 전술한 설명들에 따라 도시되고, 세부적으로 설명되었지만, 이와 같은 도시와 설명은 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 제한적으로 고려되어서는 안된다; 본 발명은 개시된 구체예들로 한정되는 것은 아니다. 개시된 구체예들과 다른 변형예들이 도면, 개시 내용 및 첨부된 청구항들의 연구로부터 청구된 발명을 실시함에 있어 당업자에 의하여 이해되고 실행될 수 있다.
| 10, 110, 210 | 고로 가스 스트림 |
| 12, 112, 212 | 고로 |
| 14, 114, 214 | 냉각, 세척 및 가압 유닛 |
| 16, 116, 216 | 고로 가스 제1 스트림 |
| 18, 118, 218 | 제1 개질 플랜트 |
| 20, 120 | 고로 가스 제2스트림 |
| 22, 122 | 제2 개질 플랜트 |
| 24, 124, 224 | 코크스 오븐 가스 및/또는 천연가스의 스트림 |
| 26, 126, 226 | 합성가스의 제1스트림 |
| 27, 127, 227 | 고로 배출 가스 |
| 28, 128 | 합성가스의 제2스트림 |
| 30, 130, 230 | 고로의 송풍구 수준 |
| 32, 132, 232 | 전기분해 셀 |
| 34, 134, 234 | 전력 |
| 36, 136, 236 | H2 스트림 |
| 38, 138, 238 | 고로의 샤프트를 통한 가스 도입 |
| 40, 240 | 합성가스의 H2-풍부한 스트림 |
| 142 | 탄화수소 함유 가스의 H2-풍부한 스트림 |
| 215 | 가압 유닛 (컴프레서) |
| 217 | 개질 플랜트의 버너로 도입되는 고로 가스 |
| 219 | 쿠퍼 플랜트의 버너로 도입되는 고로 가스 |
| 221 | 쿠퍼 플랜트 |
| 223 | 습윤 공기 |
| 225 | 스팀 |
| 229 | 미분탄 |
| 250 | 수소화 및 탈황 유닛 |
Claims (29)
- a. 고로 가스의 스트림(16,116,216)을 샤프트 및 적어도 하나의 송풍구를 갖는 고로(12,112, 212)로부터 수집하는 단계;
b. 상기 고로 가스의 스트림(16, 116, 216)과 탄화수소 포함 가스(24, 124, 224)를 적어도 하나의 개질기(18,118,218)를 포함하는 개질 플랜트로 주입하는 단계;
c. 상기 고로 가스의 스트림(16, 116, 216)과 상기 탄화수소 포함 가스(24, 124, 224)를 개질 플랜트(18,118,218)에서 개질하여 합성가스 스트림(26, 126, 226)을 생산하는 단계; 및
d. 상기 합성가스 스트림(26, 126, 226) 중 적어도 일부를 고로(12, 112, 212)로 주입하는 단계;
를 포함하는 고로(12,112, 212)의 작동방법이되,
H2의 스트림(36, 136, 236)은 단계 (c) 이전에 탄화수소 포함 가스(24)로 추가되고, 및/또는 단계(c) 이전에 고로 가스 스트림(16)으로 추가되고, 및/또는 단계 (c) 이전에 고로 가스와 탄화수소 포함 가스를 포함하는 혼합물에 추가되고, 및/또는 단계 (d) 이전에 합성가스의 스트림(26)으로 추가되고, 및
상기 합성가스 스트림(26)의 적어도 일부의 고로로의 주입은 고로의 샤프트(38)를 통하여 발생하는 작동방법.
- 고로(212) 내에서 수소 이용률의 효율을 개선시킴에 의한 고로(212)의 작동방법이되, 상기 방법은 H2를 고로로 추가하는 것과 개질 반응의 조합을 포함하고, 고로(212), 개질 플랜트(218), 및 쿠퍼(cowper) 플랜트(221)를 포함하는 고로 플랜트에서 수소 이용률의 부분은 고로로 주입되는 수소의 60 % 초과, 및 바람직하게는 고로로 주입되는 수소의 65 % 초과이고, 수소 이용률은 다음과 같이 정의되고: (고로 플랜트로의 수소 주입량 - 고로 플랜트로부터의 수소 배출량) / (고로 플랜트로의 수소 주입량), 고로로의 수소의 주입은 고로의 응집 영역 내의 가스 및 샤프트 수준에서 고로로 주입되는 샤프트 가스의 총 수소 함량으로 정의되고(240), 및 고로로 주입되는 수소는 합해져서 생산된 고온 금속의 최소 200 Nm3/t를 형성하고, 이 중, 최소 50 Nm3/t의 고온 금속이 분자 수소 H2의 행태로 고로 플랜트로 도입되고(236), 고로로의 수소 도입은 특히 합성가스(226), 주입된 분자 수소 H2(236), 다른 수소 함유 가스(224), 주입된 석탄 및/또는 타르, 주입된 가스(224) 및 고체 연료(229)의 수분, 및 고온 블라스트(230)의 수분 내에 포함된 수소를 포함하는 고로(212)의 작동방법.
- 제1항에 있어서, 상기 합성가스 스트림(26)의 적어도 일부를 고로로 주입하는 것은 고로의 샤프트(38) 및 고로의 적어도 하나의 송풍구(30)를 통하여 발생하는 작동방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 플랜트로 주입되는 수소의 적어도 일부는 고로의 송풍구를 통하여 주입되는 작동방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성가스 스트림(26)의 적어도 일부의 고로로의 주입은 고로의 샤프트(38) 및 고로의 송풍구(30)를 통하여 발생하는 작동방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, H2(36, 236)의 스트림은 600 °C 미만의 온도에서 합성가스 스트림(26, 226)으로 추가되는 작동방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 가스의 스트림 및/또는 탄화수소 포함 가스의 스트림은 개질 플랜트(218)의 상류의 수소화 및 탈황 유닛(250)에서 수소화 및/또는 탈황되는 작동방법.
- 제7항에 있어서, 수소의 적어도 일부는 수소화 및 탈황 유닛(250)의 상류의 탄화수소 포함 가스의 스트림으로 추가되는 작동방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, H2의 스트림(36)은 전기분해 셀(32)에서 전기분해에 의하여 생산되는 작동방법.
- 제9항에 있어서, 전기분해 셀(32)을 작동시키기 위한 전력(34)은 풍력, 태양광 및/또는 수력과 같은 재생가능 자원에 의하여 생산되는 작동방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소 포함 가스(24)는 천연가스, 코크스 오븐 가스 및/또는 바이오 가스를 포함하는 작동방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)의 적어도 하나의 개질기는 재생 개질기인 작동방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)의 적어도 하나의 개질기는 임의 타입, 특히 바닥 연소형, 측벽 연소형, 테라스형 또는 상부 연소형의 촉매 건식 및/또는 습식 개질기인 작동방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)는 2개의 개질기, 특히 예비 개질기 및 주 개질기를 포함하는 작동방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)에서 개질은 비 촉매적으로 수행되는 작동방법.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)에서 개질은 탄화수소의 부분 산화와 조합되는 작동방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)에서 생산되는 합성가스(26, 28)의 환원전위는 6 초과, 바람직하게는 7 초과, 보다 바람직하게는 7.5 초과이고, 환원전위는 몰비율 (cCO+cH2)/(cH2O+cCO2)로 정의되는 작동방법.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)에서의 개질은 약 900 °C 초과, 바람직하게는 약950 °C 초과, 보다 바람직하게는 약 1000 °C 초과의 온도에서 수행되는 작동방법.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 가스의 스트림(10)은 개질기(18)로의 도입 이전에, 가스 냉각 및/또는 세척 및/또는 가압 단계, 바람직하게는 증기 제거 단계, 먼지 제거 단계, 금속 제거 단계, HCl 제거 단계 및/또는 황 성분 제거 단계를 더 거치는 작동방법.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 스팀의 스트림은 탄화수소 포함 가스(24)로 추가되고, 및/또는 스팀의 스트림은 세척 단계 이후에 고로 가스로 추가되는 작동방법.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 가스의 스트림은 개질 플랜트의 버너에서 사용되는 작동방법.
- 샤프트, 고로로 수소 함유 가스의 제1스트림을 주입하기 위하여 배치되는 송풍구, 및 합성가스 스트림을 고로로 주입하기 위하여 배치되는 고로의 샤프트 내의 가스 도입부가 제공되는 고로(12, 112, 212)를 포함하는 고로 설비이되, 상기 고로 설비는 다음을 포함하는 고로 설비:
고로(12, 112, 212)의 상부 및 탄화수소 포함 가스의 소스에(24, 124, 224) 유체적으로 연결된 적어도 하나의 개질기를 포함하는 개질 플랜트(18, 118, 218)이되, 상기 개질기는 고로 가스의 스트림과 탄화수소 포함 가스의 스트림을 합성가스 스트림으로 전환시키도록 배치되고, 및 고로의 샤프트 내 상기 가스 도입부의 하류에 이와 유체적으로 연결되고; 및 H2의 스트림 소스(36, 136, 236)는 적어도 하나의 개질기와 유체적으로 연결되고 및/또는 샤프트 내 가스 도입부와, 및/또는 고로의 송풍구와 유체적으로 연결되는 개질 플랜트(18, 118, 218).
- 제22항에 있어서, 고로 설비는 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 고로의 작동방법을 구현하기 위하여 구성되는 고로 설비.
- 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 개질기는 고로의 송풍구 및 고로의 샤프트의 가스 도입부의 하류에 유체적으로 연결되는 고로 설비.
- 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)는 재생 개질기를 포함하는 고로 설비.
- 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)는 촉매 건식 및/또는 습식 개질기를 포함하고, 및/또는 개질 플랜트(18)는 2개의 개질기, 특히 예비 개질기 및 주 개질기를 포함하는 고로 설비.
- 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 플랜트(18)는 부분 산화 반응기를 더 포함하는 고로 설비.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 가스 스트림을 개질 플랜트로 이송하기 위하여 배치되는 고로 상부와의 유체적 연결은 가스 냉각 및/또는 세척 및/또는 가압 플랜트, 바람직하게는 증기 제거 유닛, 먼지 제거 유닛, 금속 제거 유닛, HCl 제거 유닛 및/또는 황 성분 제거 유닛을 더 포함하는 고로 설비.
- 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 고로 가스의 스트림을 개질 플랜트로 이송하기 위하여 배치되는 고로의 상부와의 유체적 연결은 가압 유닛 (215) 및/또는 a 수소화 및 탈황 유닛 (250)을 더 포함하는 고로 설비.
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