KR810001897B1 - 산화철 함유물질의 직접환원법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

산화철 함유물질의 직접환원법

본 발명은 산화철함유물질, 바람직하게는 철광석을, 장입물의 연화점 및 융점이하의 회전로에서 환원시켜 해면철(海綿鐵)을 제조하는 방법에 관한 것으로 본 방법은 고함량(高含量)의 휘발성 성분을 함유하는 고형탄소질(固形炭素質) 환원제를 회전로의 도입부말단을 통해 넣고 쉘튜브(shell tube)를 통해 산소함유가스를 회전로의 빈 공간에 조절된 속도로 공급하고 장입물과 가스류를 회전로 내에서 서로 역방향으로 이동하게 하는 것으로 구성된다.

고형탄소질환원제를 사용하여 회전로내에서 해면철을 제조하는데 있어 만일 하기최종부위의 장입물이 과량의 고형 환원제를 함유케 하여 베드(bed)를 환원분위기로 유지시키지 않는다면 환원대역의 최종 부위내의 해면철이 재산화되는 위험이 있다. 이런 이유 때문에 일반적으로 비교적 과량의 탄소를 가지고 반응을 수행한다. 과량의 환원제는 경제적 이유 때문에 분리시켜 회전로로 재순환시켜야 한다. 한편 장입될 다른 성분들 특히 미세한 입자 성분들은 환원제가 넓은 표면을 갖기 때문에 회전로를 통해 이동하는 동안 환원제에 침착되는 경향이 있으며 그 결과 탄재(coal ash)의 융점이 환원온도 이하로 저하되며 회전로 내에서 광의(鑛衣)가 형성되게 된다. 여분의 환원제나 재순환환원제가 낮은 용적밀도를 갖기 때문에 금속성 성분에 비해 회전로내에 비교적 큰 용적을 차지하게 된다. 차지하게 된 회전로 용적은 금속성분을 처리하는데 이용될 수 없으므로 금속 성분의 체류시간이 짧아지게 된다. 더욱이 재순환된 환원제는 환원온도까지 재가열해야 하며 회전로로부터 배출된 물질내에서 냉각되어야 한다. 그 결과 가열시간 및 가열비용이 더 많이 들며 냉각시켜야 할 배출물이 더 많게 된다.

회전로 온도에서 분해되는 높은 반응성의 석탄으로 구성된 환원제를 배출부 말단으로부터 송입하여 환원대역의 전체를 통해 이들을 분산시키고 바라는 정도의 금속화가 수행되며 회전로로부터 배출된 물질이 산화철함유 장입물의 양의 1.5% 이하에 해당하는 탄소를 함유하는 생성속도로 회전로내의 반응을 조절케 하는 방법이 독일공개 1942541호에 공지되어 있다. 해면철에 침착된 탄소뿐아니라 조작이 불안정한 경우 안정상의 이유 때문에 회전로로부터 배출된 물질은 회전로내에 장입되는 산화철 함유물질의 0.1-0.7%에 해당하는 탄소를 더 함유해야 한다. 소량의 여분을 확보하기 위해 환원제를 탄소가 주어진 장입량에 필요한 양만큼 이용될 수 있도록 산소를 제거하면서 환원대역상에 분포시켜야 한다. 특히 커다란 회전로내에서의 이와 같은 정확한 분포는 공급장치 및 그들의 조절장치를 요구하여 상당한 지출을 요한다. 그 밖에도 석탄은 언제나 같은 입자크기로 분포공급되어야 한다. 그들이 더 많은 안정성을 위한 여분량을 요구하므로 회전로 조작시 어떤 단시간 변동도 있어서는 안된다.

고형환원제를 사용하여 환원시킬 때 장입물에서 일어나는 반응은 중앙버너에 의해 환원온도로 가열된 장입물에 공기나 환원제를 송입시킴으로써 촉진된다는 것이 독일특허 1032550호에 공지되어 있다. 필요한 탄소여분량의 감소는 이 방법에서는 설명되어 있지 않다. 미국특허 3180725호에서는 고형탄소질환원제를 도입부말단으로부터 떨어져있는 지점에서 회전로내에 넣고 회전로로부터 배출된 물질로부터 분리 및 재순환이 가능한 여분의 탄소를 가한다. 기체 또는 액체상 환원대역내의 장입물에 송입할 수 있으며 이들은 고형탄소를 제조하는데 사용할 수 있다. 이 실시는 필요한 여분량에 영향을 주지 않는다.

회전로로부터 배출된 물질내 여분의 탄소를 제공하기 위해 탄화수소 및 공기를 장입물층에 도입하는 방법이 독일특허 1226126호에 공지되어 있다. 수소를 함유하거나 또는 방출하는 물질을 환원대역내의 장입물에 송입함으로써 황함량이 적은 해면철을 제조하는 방법이 독일특허 1273549호에 공지되어 있다. 이것은 요구되는 탄소여분에 영향을 미치지 않는다.

제1단계에서 고형환원제를 사용하여 50-60%의 금속화를 수행하고 이어, 2단계에서 환원가스를 사용하여 다른 분리된 회전로 내에서 환원을 수행하면서 동시에 해면철을 냉각시키는 2단계 환원공정이 미국 특허 2663632호에 공지되어 있다. 이 공정에서는 2유니트로된 복합 전달 메카니즘이 요구된다. 만일 2단계로부터의 가스가 1단계에서 사용된 경우 고형환원제로서는 코우크스만이 사용될 수 있다.

탄화수소만을 사용하여 펠렛을 환원하는 방법 또는 요구된 연료를 제공하기 위해 석탄가루 또는 석탄재를 혼입시킨 펠렛을 가공하는 방법이 독일공개 2146133호 및 미국특허 3182980호에 공지되어 있다. 여기서는 탄화수소를 관상공기노즐을 통해 환원대역의 장입물에 공급해 주며 이것은 장입물이 거의 환원온도로 되는 지점에서 공급하기 시작한다. 산화가스를 관상공기노즐을 통해 회전로 빈 공간에 송입한다. 이 공정은 장입물에 고형 환원제를 첨가함으로써 얻어지는 이점이 결여되어 있다. 이런 첨가결과, 환원제가 균일하게 분포하며 회전로 전체에 균일하게 작용한다. 그 외에도 장입물층이 덜 조밀해지며 소결을 위한 온도한계치가 증가된다. 공기를 관상공기노즐을 통해 송입해줌으로써 생기는 또다른 불리한 점은 회전로벽에 불꽃이 형성되는 점이다.

20-50%의 휘발성 성분을 함유하는 응집된 고반응성 고형탄소질 환원제를 그의 도입부말단을 통해 회전로 내에 장입하고 상기 대역 전방에 있는 회전로의 가열대역내에서 그들이 미세입자로 붕해되는 속도로 상기 환원제를 가열하는 방법이 독일공개 2501182호에 공지되어 있다. 이 방법에서 회전로로부터의 탄소의 배출속도는 특허 환원화염이 오일이나 가스로 조작되는 중앙버너에 의해 환원대역의 최종부에 유지되는 경우 산화철함유물질의 공급속도의 1% 이하일 수 있다.

본 발명의 목적은 회전로의 환원대역의 최종 부위에서 고형잔류 탄소를 최소로 하면서 간단한 방법으로 해면철의 재산화를 막아주는 방법에 의해 고형탄소질환원제를 사용하여 해면철을 제조하는데 있다.

본 발명에 따라 환원가스 및/또는 액체 탄화수소를 관상공기노즐을 통해 조절된 속도로 환원대역의 최종부위에 철의 75% 이상이 금속화되는 지점에서 공급하기 시작하여 상기 환원가스 및/또는 액체 탄화수소의 적어도 일부를 노즐블럭위에 있는 장입물내에 공급함으로써 이 목적이 달성된다. 환원가스 및/또는 액체탄화수소의 일부를 관상공기노즐을 통해 환원대역의 최종부위에 있는 회전로 빈 공간에 공급해 줄 수 있다. 이것에 의해 공급도관이 냉각된다. 이 목적을 위해선 소량의 유속이면 충분하다. ＂금속화＂는 장입물등의 금속철에 대한 전체철의 비이다. 여기서 ＂관상공기노즐＂은 회전로 벽 및 회전로 내화벽을 통해 뻗어 있는 공급관을 말하는 것으로 이것은 내화벽의 안쪽표면이나 또는 이 표면에서 약간 안쪽이나 바깥쪽에 출구를 가지고 있다. 관상공기노즐은 세라믹 또는 금속물질로 구성되어 있다. 관상공기 노즐을 통한 장입물내로의 환원가스 및/또는 액체탄화수소의 공급은 75%이상의 금속화가 이루어진 지점에서 시작된다. 약 1.5-3.5m 떨어져서 또 다른 관상공기노즐이 환원대역의 최종 부위에 설치되어 있다. 이 간격이면 충분한 환원물질이 베드내에 송입될 수 있으며 회전로의 구조로 취약해지지 않는다. 각각의 송입지점에서 방사상관상공기 노즐은 원주방향으로 1.5-3.5m 떨어져서 환상계열을 형성한다. 관상공기노즐은 회전로벽에 나선상으로 배열될 수도 있다. 만일 모든 환원가스 및/또는 액체 탄화수소가 장입물에 공급되는 경우 환원가스 및/또는 액체탄화수소가 장입물 아래 위치한 관상공기노즐에만 공급되도록 하는 조절 메카니즘이 제공되어야 한다. 회전로의 배출부 말단 전방에 관상공기노즐이 일정간격으로 설치되어 있다. 환원제를 회전로에 송입하고 오일같은 액체탄화수소를 압력하에 또는 노즐을 통해 주입한다.

연소에 요구되는 산소함유가스는 주로 공기로 구성되며 이것은 회전로 길이 방향을 따라 간격져 있으며 회전로 횡단면 거의 중앙부에 위치한 출구를 가지고 있는 방사상 쉘튜브를 통해 회전로 빈 공간에 도입된다. 이들 출구는 회전로의 장축에 평행이며 장입물로 덮히지 않기 때문에 각 송입지점에서 하나의 쉘튜브만이 요구된다. 공급된 고형환원제의 일부가 환원대역의 최종부위에서 이용되며 거기서 환원제로서 작용한다. 회전로의 도입부 말단에 공급된 고형탄소질환원제는 건조량기준으로 최저 20% 이상의 휘발성 성분을 함유한다. 이런 환원제에는 주로 갈탄이나 역청탄이 포함된다. 환원제 및/또는 액체탄화수소의 공급속도는 형성된 해면철의 재산화를 막기 위해 장입물 표면에 환원가스층이 유지되도록 조절한다.

바람직한 특징에 따라, 환원가스 및/또는 액체탄화수소를 금속화가 최저 80%이상 수행된 지점에서 환원대역의 최종부원에 공급한다. 이 경우 적은 비용으로 재산화를 막을 수 있다.

바람직한 특징에 따라, 환원대역의 최종부위에서의 고형탄소질 환원제의 양 및 상기 부위내로 공급되는 환원가스 및 또는 오일의 공급속도는 해면철의 재산화가 방지되도록 조절해야 하며 바라던 최종금속화가 이루어졌을 때 회전로로부터 배출된 물질에 유리고형탄소가 거의 없도록 조절되어야 한다. 여기서 ＂유리탄소＂란 해면철에 침착되지 않은 탄소를 말한다. 이 경우 회전로로부터 배출된 물질로부터 여분의 탄소를 제거하기 위해 이 물질을 자기분리할 필요가 없으며 고형탄소질환원제의 공급은 환원에 필요한 양으로 제한될 수 있다.

바람직한 특징에 따라 해면철을 공급된 환원가스 및/또는 액체탄화수소를 사용하여 환원대역의 최종부위에서 탄화(炭化)시켜 약 2%의 탄소를 갖게 한다. 이 탄화는 충분한 양의 환원가스 및/또는 액체탄화수소가 공급된다는 조건하에서 이루어질 수 있다. 그 결과 용융상으로 수행되는 다음 야금공정에서 해면철을 더 환원시키기 위해 요구되는 탄소가 이상적인 분포로 이용될 수 있다.

바람직한 특징에 따라, 산소함유가스를 관상공기노즐을 통해 조절된 속도로 고형환원제의 발화성 입자가 생기기 시작하는데서 시작하여 환원대역 전방에서 끝나는 회전로의 가열대역에 있는 관상공기 노즐 위에 놓인 장입물에 송입하고, 산소함유가스를 가열대역의 상기한 부위에 있는 회전로 빈 공간이 쉘튜브를 통해 조절된 속도로 송입한다. 관상공기노즐은 앞서와 같이 배열한다. 이 방법에 적용되는 경우 회전로의 가열대역의 크기가 크게 감소되며 가스온도와 배드온도와의 온도치가 최소가 되며 환원제의 휘발성 가연성분의 가열용량이 크게 감소되기 때문에 모든 에너지가 크게 이용되며 회전로 빈 공간의 가스 온도 및 배기가스온도가 저하되며 열이 보유되어 있지 않으므로 배드 표면상의 탄소의 직접가스화가 크게 감소한다. 환원제의 발화성입자는 장입물의 롤링(rolling) 표면의 저부에서 생기기 시작한다. 개개의 입자가 롤링베드의 표면상을 구를 때 입자는 뜨거운 회전로 가스에 의해 가열되어 발화온도로 된다. 이 지점에서 산소함유가스를 관상공기노즐을 통해 장입물에 송입한다. 그 결과 발화된 발화성 환원제 입자가 발화온도 이하로 냉각되지 않고 그들이 롤링베드로 도입될 때 계속 연소된다. 장입물내에서 일어나는 연소에 의해 또 다른 휘발성 가연성분이 방출되어 곧 장입물의 횡단면 전체를 통해 퍼지게 되는 연쇄반응과 같은 것이 일어나게 된다. 휘발성 가연성분의 모든 열용량이 장입물을 가열하는데 이용되며 열전달에 이용되는 열교환 표면이 실질적으로 증가되게 된다.

바람직한 가열대역의 상기한 부위는 환원제의 온도가 300℃인데서 시작하여 장입물의 온도가 800-950℃인데서 끝난다. 환원제의 최저 온도는 장입물에 의해 생성된 롤링베드의 저부표면에서 입자가 롤링베드로 도입되기 직전에 측정한다. 최고온도에 도달하기전에 롤링베드내에서 온도의 평균치가 이루어지므로 장입물에 의해 생성된 전체 롤링베드의 평균온도가 최고온도가 된다. 이 온도범위의 선택은 장입물이 최저온도한계(300℃) 이하로 냉각이송되지 않으며 휘발성 성분이 최고온도한계(800-950℃)에서 거의 제거될 수 있게 해준다. 바람직한 특징에 따라, 회전로에 공급된 총산소의 40-70%를 가열대역내의 상기한 부위에 송입한다. 그 결과 가열속도가 특히 높아지게 된다.

바람직한 특징에 따라 가열대역의 상기 부위로 송입된 산소의 10-60%의 관상공기노즐을 통해 장입물에 송입되며 나머지는 쉘튜브를 통해 회전로 빈 공간에 송입된다. 그 결과 신속한 가열이 이루어지며 회전로 빈 공간에서 가연성가스성분이 거의 완전히 연소되게 된다.

바람직한 특징에 따라, 20-50%의 휘발성가연성분을 함유하는 비교적 반응성이 높은 고형탄소질 환원제연탄을 회전로의 도입부말단을 통해 넣고, 그들이 회전로의 가열대역내에서 미세입자로 붕해되는 속도로 가열한다. 그 결과 이런 환원제는 경제적, 기술적으로 간단한 방식으로 이용되며 이들의 휘발성성분은 회전로에서 최적으로 이용되며 배기가스로의 더스트(dust)손실이 감소되며 최적조작조건 및 높은 생산이 이루어진다. 탄소의 연소는 특히 가열대역내에서의 가열이 상기와 같이 수행되는 경우 상당히 저하된다. 회전로의 가열대역 및 그 대역 말단전방에 있는 응집물의 붕해(崩解)는 가열대역 길이 전체에서 붕해가 일어날 수 있도록 그리고 가열대역의 첫 번째 부위에서 모든 응집물이 완전붕해되지 않도록 조절한다. 환원대역은 회전로의 장입물이 환원온도로 되어 일정하게 유리되는 지점에서 시작된다. 산화가가 낮은 산화철을 생성하기 위한 환원이 환원대역 전방에서 수행될 수 있다. 가열대역내에서 환원제는 환원에 유리한 입자크기로 붕해되어야 하며 즉 예컨대 입자크기는 가능한 한 작게 5㎜이하나, 경우에 따라 8㎜ 이하로 한다.

반응성이 높은 석탄이란 1000℃에서 CO₂와의 보도아르(Boudouard) 반응 CO₂＋C→2CO에 의해 CO로 되는 그런 석탄이다. 실질적으로 반응성은 CO₂가스가 1000℃에서 가스로 제거되는 탄소와 1000℃에서 접촉되는데서 결정된다. CO₂와의 반응에 의해 CO를 형성하는데 소비되는 탄소의 비는 하기와 같이 측정한다.

예컨대 이 비는 무연탄의 경우는 1이하이며 오래 타는 석탄가스의 경우 1-2사이이며 본 발명에 따라 사용되는 석탄은 3이상 바람직하게는 5이상이다. 이런 높은 반응성은 거의 모든 탄소가 소비되게 한다.

바람직한 특징에 따라 대부분의 연탄의 크기는 1-7㎝이다. 이 크기에 따라 매우 우수한 조작조건이 얻어진다. 모든 연탄이 이런 범위로 신축되나 이들 중 일부는 통과 중 붕해되어 1㎝ 이하의 입자크기를 갖는다.

바람직한 구체예에 따라, 연탄을 9-15℃/min의 속도로 가열 대역내에서 가열한다. 이 가열속도에서 환원제 응집물의 탄화속도는 응집되지 않은 환원제의 탄화속도보다 느리며 그 결과 가열대역전체에 탄화가 골고루 일어나게 되며 열소모가 적어지게 된다. 이런 속도로 가열하면 응집된 환원제가 특히 바람직하게 붕해되며 더스트나 연소에 의해 손실이 더 적어진다.

본 발명에 의해 얻어지는 이점은 회전로로부터 배출된 물질중에 여분의 고형탄소를 전혀 필요로 하지 않거나 소량으로 충분하며 그럼에도 불구하고 해면철의 재산화가 방지된다는데 있다. 또한 회전로의 생성율이 증가하며 에너지 소비가 감소된다. 회전로로부터 배출된 물질은 잔류탄소를 제거하기 위해 자기(磁氣)분리할 필요가 없다. 회전로로부터 배출된 물질은 비자기성부분이 없기 때문에 어려움없이 용융로내의 고온에서 이용될 수 있다.

Claims (1)

1. 높은 함량의 휘발성성분을 함유하는 고형탄소질환원제를 회전로의 도입부 말단을 통해 넣고 산소함유가스를 쉘튜브를 통해 회전로의 빈 공간에 조절된 속도로 공급하고 장입물과 가스류를 회전로내에서 서로 역방향으로 이동시키는 방법에 있어 환원가스나 액체탄화수소 또는 양자를 관상(管狀)공기노즐을 통해 철의 최저 75%가 금속화되는 지점에서 시작되는 환원대역의 최종부위에 공급하고 상기 환원가스나 액체탄화수소 또는 양자의 적어도 일부를 관상공기노즐상에 위치한 장입물에 공급해주는 것을 특징으로 하는 장입물의 연화점 및 융점이하의 회전로에서 해면철을 제조하기 위한 철광석과 같은 산화철함유 물질의 직접환원법.