KR840002356B1 - 석탄으로 생성시킨 가스를 이용하여 수형로에서 철을 직접 환원하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

석탄으로 생성시킨 가스를 이용하여 수형로에서 철을 직접 환원하는 방법

단일도는 본 발명의 실시예를 도시한 구조 및 계통의 개략도

본 발명은 석탄을 기화시켜서 발생한 가스를 환원지로 사용하며 원료 산화철과 환원제를 서로 역류시키는 수형로에서, 산화철을 금속철로 직접 환원시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 배경을 설명하면, 종래 페릿 괴상(塊狀)의 산화철을 고형의 금속철로 직접 환원하는 방법은 근년에 와서 범세계적으로 실용화 되어서, 지금은 실비시설중인 것을 포함하여 조업중인 직접 환원법의 제철시설이 범세계적으로 종합하여 년산 총 15,000,000톤을 초과하게 직접 환원한 금속철을 생산하고 있는데 이렇게 생산한 철은 주로 제강용 전기로의 원료로 사용되고 있다.

직접 환원한 철의 세계적 수요는, 제강용 전기로의 증설에 따라 그러한 로의 원료공급을 충족시키려면 앞으로 다년간 상당한 속도로 계속 증가할 것이 예상되고 있다.

직접 환원철을 생산하는 대부분의 공장은 환원제의 공급원으로 천연가스를 이용하고 있으나, 천연가스는 환원제인 CO와 H₂를 생성하게 재조성을 시켜야 한다.

일부 소수의 공장은 SL/RN공과 법같은 로타리 킬른공법에서 환원제의 공급원으로 탄을 이용하고 있으나 로타리 킬른법에서는 탄을 CO와 H₂로 별도 기화시키지 않고도 킬른내에서 탄을 직접 반응시키고 있으므로, 탄의 약 2/3는 킬른내에서 연소하여 열을 공급하는데 소모되고 나머지 1/3만이 직접 환원에 필요한 환원가스를 공급하는데 이용되는 비효울적인 탄의 이용도가 필수적으로 뒤따르는 흠이 있다.

이러한 비효율성으로 인해, 직접환원한 철의 산출톤당 5.0 내지 6.0 Gcals(Gigacalories)열량의 탄을 소요로하게 되어 천안가스공법 즉, 미드렉스(Midrex) 공법 또는 푸로퍼(Purofer)공법, 또는 아암코(Armco)공법과 같은 공법으로 생산하는 직접환원컬철 산출톤당 소요되는 천연가스의 열량 3.0 내지 3.5 Gcals에 비하면 비효율적임을 알 수 있다.

산소와 증기로 부분산화시키므로서 탄을 기화시킨 가스를 철을 직접 환원하는데 여러가지 방법으로 이용하는 공법은 아직 실용화는 되지 않았지만 많이 있다.

그러한 방법의 어느 하나도 실용화되지 못한 주요 이유는 그 방법들이 너무복잡하거나, 또는 상업화에 실용성이 없거나, 또는 탄소요량이 지나치게 많거나 하기 때문이다.

공법을 실용화에 부적합하게 하거나 탄소용량을 과다하게 하는 기본 문제점은, 탄기화기에서 발생하는 고온 가스가 그 조성에서 산화제(CO₂및 기화 H₂O)에 대비하여 너무 적게 환원제(CO₂및 기화 H₂)를 함유하고 있어서 철을 직접 환원하는데 효율적으로 직접 사용할 수 없다는 것이다.

본 발명에서는, 기화 가스의 환원제 함량개량과 탈황 그리고 직접 환원의 공정이 같은 로내에서 이루어지기 때문에, 탄기화기에서, 생성된 고온 가스가 탄소의 반응으로 환원로내에서 산화제에 대비하여 환원제의 함유량을 개량하며, 또한 석회의 반응으로 탈황을 하여, 철을 직접 환원하는데 효율적으로 이용할 수 있는 환원가스를 생산할 수 있게 하였다.

또한 환원로에서 사용한 환원성의 페가스는 분진을 세정제거하여 냉각하고 저 유황의 청정연료 가스로 만들어 타용도에 이용할 수 있게 하였다.

이렇게 철을 직접환원시키면서 동시에 연료 가스를 겸하여 생산하는 방법은 현재 재가열 작업과 열처리작업에서 코오크스오븐 가스를 보충하는데 연료가스로서 천연가스를 사용하는 일관 공정제강 시설에서 용도가 특히 유용하다.

이렇게 직접 환원된 철은 기본적인 산소법 제강의 공급원료로서, 또한 고온 금속의 산출을 증가시키기 위한 용광로 장입물의 일부 원료로 또는 전기로의 공급원로로서 사용할 수 있다.

또한 동시에 생산된 연료 가스는 현재 제강 시설에서 연료로 사용하고 있는 천연 가스의 일부 또는 전부를 대체시킬 수도 있다.

본 발명에서는 약 6.1 Gcals의 석탄을 소모하여, 0.8 Gcals의 탄을 가진 로내에서 반응하는데 필요한 0.6Gcals의 탄소와 함께 기화가스를 발생시켜, 기화용 산소 생산에 소요되는 전기를 생산하고 직접 환원철 1톤을 생산하고, 동시에 3.6 Gcals의 청정 연료가스를 생산할 수 있다.

따라서, 직접 환원철 1톤을 생산하는데 소모된 실제 Gcals는 표 Ⅳ에서 보는 바와 같이 약 3.9 Gcals가 된다.

로장입물에 첨가한 탄소의 80%만이 실제로 반응하고 나머지 탄소는 직접 환원철과 함께 배출하게 되며, 이러한 나머지 탄소는 직접 환원철에서 자기(磁氣)분리하여 본 공정의 에너지 소모를 더 감소시키기 위하여 재순환시켜 사용할 수 있다.

본 발명의 목적을 설명하면,

첫째는 철의 직접환원 공정에서, 석탄을 가스형 환원제의 공급원으로 이용하는 실용적이고 열효율이 좋은 방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 석탄기화기에서 발생시킨 고온가스를 철의 환원반응을 시키는같은 수형로에서 탄소와 반응시킴으로서 가스의 환원 능력을 높여 철의 환원공정에 직접 사용하게 하는 효율적 방법을 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 철의 환원반응을 시키는 같은 수형로에서 석탄기화기에서 발생시킨 고온의 가스를 석회와 같은 유황수용체와 반응시킴으로서 탈황하는 방법을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 직접 환원철과 석탄으로 발생시킨 청정한 연료가스를 동시에 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

또 하나의 목적은 직접 환원철과 청정 연료가스를 같이 생산하는 장치를 제공하는 것이다,

본 발명을 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

내화재로 라이닝을 하고, 공급원료를 억류 유동시켜 직접 환원시키는 수형(竪型)로 (10)의 정상부에 원료공급호퍼(12)를 장착하고, 페릿형 또는 자연생성 괴형의 산화철(14) 및 탄소(코오크스)(16), 및 5 내지 30mm범위의 기준치수로 된 입상 석회석(18)을 상기 호퍼를 통해 공급하여, 공급관(20)을 통하여 로내에 하강하게 하여 로내의 장입체(21)를 형성하게 한다.

페릿 또는 괴형의 환원철 및 미반응 탄소, 및 유화칼슘 및 미반응 석회석, 또는 석회는 로의 하부로부터 토출 콤베이어(24)를 이용하여 로의 토출관(22)을 통해 인출하며, 여기서 콤베이어(24)의 토출속도는 로(10)내의 장입체(21)의 하강속도를 좌우한다.

새로 생성시킨 고온의 환원가스는 도입관(26)과 로(10)의 중간부의 내화제 벽(29)에 설치한 복수의 주입구(28)를 통해 하향으로 유입시켜서 다음에 장입체(21)의 하강 방향과 반대의 역류 방향 즉 화살표(30)의 가스 유동방향과 같이 로내에서 상향방향으로 유동하게 한다.

반응을 끝내고 CO₂를 다량함유한 폐환원가스(이하폐가스라 한다)는 공급관(20)을 통해 장입하여 로상부의 적재선(31)부위에 형성된 공급원료의 경사표면으로부터 장입체(21)를 탈출하여 토출관(32)을 통해 로외로 도출시킨다.

도출관(32)을 통해 로외로 도출된 폐가스는 냉각세정기(34)에서 냉각시키고 분진을 세정하여, 관(36)을 통해 기타용도의 청전연료가스로써 이송된다.

로(10)의 하부에는 배출전에 환원철을 냉각시키는 냉각가스 재순환 회로장치를 설치하며, 이 장치는 냉각가스 주입구(38)와 그것에 연결된 로(10) 내에서 냉각가스를 분산 공급하는 멤버(40)위로 위치한 냉각가스 포집멤버(40) 및 냉각가스 배출구(42) 및 냉각세정기(44)로 구성된 로외의 가스 재순환 장치 및 재순환 장치 및 재순환 송풍기(46) 및 부대 도관 등으로 구성되어 있다.

석탄 기화기(50)에는 산소 주입기(52) 및 증기 주입기(54) 및 석탄 주입기(56)의 부대장치가 있어, 이들 장치로 주입한 산소 또는 산소-증기 동시 주입으로 별도 주입한 탄연료 즉, 석탄 또는 갈탄 또는 목탄을 기화시켜서 고온의 기화가스를 생성하게 하여 도관(58)을 통하여 기화기(50)에서 도출시키고, 연료의 기화후 남은 재는(도시하지 않음) 재배출 구를 통해 기화기에서 인출한다.

도관(58)으로 도출하는 고온 기화가스의 대부분은 구멍(60)을 통해 통과하게 하여, 이때 일부의 고온가스는 구멍(60)의 저항으로 우회 도관(62) 및 냉각기(64)로 강제 유도되어 흐르게 된다.

냉각된 우회가스는 다음에 도관(66)과 제어변(68)을 통해 도관(70)의 고온가스와 합류 혼합한다.

도관(72) 내의 혼합가스 온도는 열전쌍(熱電雙－thermocouple)으로 감지 측정되어 그것에 연결된 제어기(76)를 통해 제어변(68)을 조정한다.

상태에 따라서는 냉각된 폐가스의 일부 또는 전부를 도관(78)을 통해 재순환시켜 조절용 가스로 사용할 수도 있다.

조절된 기화가스에는 기화기에 발생한 입상 고형물이 포함되어 있으므로, 사이클론(80)으로 분리해서 분리된 고형물은 사이클론의 저부를 통해 배출시키고, 분진을 제거한 가스는 도관(82)을 통해 사이클론에서 도출시켜 환원로의 환원가스 유입구(26)를 통하여 로내에 주입한다.

역류 수형로는 직접 환원철을 생산하는 가장 효율적인 장치로 이미 인정되고 있으며 이러한 로에서 고온의 환원가스는 투입한 저온의 원료 산화철을 환원 온도로 가열하고, 산화철을 금속철로 화학적 환원 반응을 시키는데 필요한 환원제(CO 및 H₂)를 공급하는 역할을 한다.

천연가스를 환원기초제로 사용하는 제철설비를 실제 운전한 경험에서 얻은 바에 의하면, 역류환원 수형로의 화학반응율을 최대로 이용하기 위해서는 산화제(CO₂및 H₂O)에 대한 환원제(CO 및 H₂)의 비율로 정하는 고온기화가스의 환원잠제 능력[또는 가스의 질도(質度)]의 경험치는 최소 약 8이 되야 하는 것으로 나타나고 있다.

종래 기화기(50)와 같은 부분산화형 기화기에서 석탄이나 갈탄 같은 분쇄된 탄을 기화시켜서 주로 CO, H₂, CO₂, H₂O 등을 함유하는 고온 기화가스로 발생시키는 방법에서 영리적으로 실현된 최고질의 고온 기화가스의 질도는 약 3 내지 4의 범위이다.

그리고 현재는 기화기술의 개선으로 최소 6의 질도도를 가진 개량된 고온 기화가스를 생산할 목적으로 개발된 시범 탄 기화기들이 건조중에 있다.

그러한 개량 기화기의 출현으로, 기화기에서 발생시킨 원료가스의 고열을 이용하여, 그 원료가스 중의 산화제와 탄소를 흡열 반응시킴으로서 기화 가스의 질을 더욱 개량하게 하는 액체 화상(火床)장치와 수형로 가스 개량공법이 발명되기에 이르렀다.

이러한 질개 량장치들은 기화기와 직접 환원로 사이에 위치하게 되는 별도의 액체 상이나 수형로 장치들을 의미한다.

본 발명에서는 같은 수형로에서 직접 환원 반응을 시킴으로서 가스의 질을 개량하게 하여, 고가의 복잡한 추가장치의 필요성을 제거한 것이 특징이다.

종래에는 저온도에서 반응속도가 느리기 때문에, 약 950℃이하의 온도에서는 탄소(코오크스)를 반응시키는 것이 비현실적인 것으로 생각하였다.

그래서 가스의 질 개량을 위한 반응을 950℃이상 약 1350℃(기화가스의 도출온도) 사이에서 실시한 다음 개질(改質)된 가스를 직접 환원로에서 사용할 수 있게 약 815℃의 온도로 내리게 조정할 필요가 있있다.

그러나 본 발명자들은 실험을 통하여, 비교적 장시간에 걸쳐 반응을 시키면, 750℃의 저온도에서도 실용적인 속도로 탄소와 H₂O 및 CO₂가 서로 반응한다는 결론을 얻었다.

또한 흡열반응을 할 수 있게 탄소가로의 장입물에 존재한다는 조건하에서, 장입물 중의 금속화된 입상원료를 끈적거려서 서로 엉키게 하지 않고서더 950℃이상의 온도로 고온기화가스를 직접 환원로내에 도입시킬수 있다는 것도 알게 되었다.

본질적으로 탄소는 로내 장입물을 냉각시키는 흡열 반응을 하게 된다.

직접 환원 수형로를 잘 설계하면, 직접 환원반응을 시키는데 고형원료에 대해서는 최소한 6시간의 체류시간을 제공할 수 있으며 가스에 대해서도 같은 체류시간을 제공한다.

또한 로의 용적을 증가시키면, 값싸고 쉽게 체류시간을 연장시킬 수도 있다.

이러한 장기간의 체류시간은 수형로의 직접환원 작업의 정상운전 온도, 즉 750 내지 900℃의 온도에서 탄소의 반응을 실용화시킬 수 있다.

따라서 본 발명은 선행 기술에 비해 상당한 겸비절약을 가져오게 한다. 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

단, 본작용의 설명은 연좌(連座)식 화상(火床)헝의 기화기에서 산소, H₂O, 분탄을 공급하는 방법으로 미국 서부지역의 전형적인 아역청탄을 기화시켜서 Co, H₂, CO₂, H₂O 등을 주로 함유하는 고온가스를 발생시킨 결과에 근거하였다.

기화기내의 기화온도는 대체로 약 1,400℃이며, 이때에 탄재는 액상이 되므로, 물을 뿌려 냉각하여 기화기의 저부로부터 슬랙으로서 인출 제거한다.

본 발명의 한 실시예를 도면과 함께 다음과 같이 설명한다.

탄, 산소, 증기를 부분산화 기화기(50) 내에서 반응시켜 1350℃,의 온도와 4.1의 질도를 가진 가스로 생성하여 도출시키며, 이에 가스 중에는 탄이 함유한 유황으로 인해 생긴 H₂S와 COS와 미반응 탄화물 및 약간의 재(ash)를 함유하게 된다.

발생가스는 물 냉각기(64)를 통하여 우회시켜 냉각한 일부 가스로 950℃로 조절한다.

우회가스의 질을 7.1로 또한 조절된 가스의 질은 4.8로 개선하고 우회 가스자체에서 수분은 응축한다.

또한, 1350℃온도의 기화가스에 포함된 재는 950℃로 냉각하였을 때 액체방울로 응축한다.

조절된 가스는 로(10)로 송풍하기 전에 사이클론(80)에서 탈진 처리하여 고온의 환원가스로 로내의 장입물(21)의 평단면에 고루 분산되게 송급하여 하강하는 장입물에 역행으로 상향 유동하게 한다.

로의 장입물은 페릿형 또는 자연적 괴형의 산화철 및 코오크스 같은 입상(粒狀)의 탄화물질 및 입상의 석회석 등으로 구성되어 있으며, 입상의 크기는 환원 가스의 침투를 좋게 하기 위해 가급적 약 5 내지 30mm범위의 크기로 한다.

혼합장입물은 수형로(10)의 공급호퍼(12)로 장입하여 중력으로 로내를 하강하게 하고, 하강하는 동안에 고온가스로 가열되어, 산화철은 철로 환원하고, 석회석은 생석회화하여 환원가스 중의 유황과 반응하여 유화칼슘을 형성하며, 탄소는 가스 중의 CO₂및 H₂O와 반응하여 CO 및 H₂를 형성하게 된다.

고온으로 가열된 장입물은 로의 냉각부에서 냉각하여 로토출관(22)을 통하여 토출 콤베이어(24)로 토출한다.

로에서 토출된 로의 산출물은 직접 환원한 철, 및 미반응 탄소 및 미반응 석회, 및 유화 칼슘으로 조성되어 있으며, 직접 환원한 철은 자기를 이용해서 분리하여 전기로의 원료로 사용하거나, 또는 간단하게 채로 분리해서 용광로에 사용할 수도 있다.

고온의 기화 가스는 주입구(28)를 통하여 약 950℃의 온도와 4.8의 질도로 장입물에 유입하여, 장입물 내의 탄소와 다음과 같은 공식으로 반응한다.

즉 CO₂+C=2CO 및

H₂O+C=CO+H₂

수형로 내에서의 장기 체류시간으로 인해 상기 공식과 같은 흡열반응이 진행하여 주입된 가스는 약 750℃로 냉각하며, 동시에 장입물내에서 가스(30)의 질도를 8로 계산한다.

개량된 질도 8은 직접 환원로의 효율적 작업에 적합한 질이다.

본 발명의 실현에 사용한 탄의 경우 950℃로 장입물에 유입하는 고온 기화가스는 약 4100ppnmv의 유황농도를 보유하고 있었으며, 유황은 H₂S 및 COS의 형태로 함유되어 있어서, 다음과 같은 공식으로 석회와 반응하였다.

즉, H₂S+CaO=CaS+H₂O 및

COS+CaO=CaS+CO₂

상대적인 저온(950℃)주입과 산화제(CO₂및 H₂O)의 저함량질 개량을 결합한 방법은 석회로 H₂S 및 COS를 제거하기 좋게 한다.

본 발명의 실험에 의하면, 주입 가스에 포함된 유황성분은 석회와 직접 환원철을 포함하는 장입물에서 선택적으로 석회와 반응하는 것으로 나타나고 있다.

그렇게 됨으로서 저유황 환원철이 생산되며 석회석의 소요량은 탄의 유황 함유량에 따라 다르다.

상기 식에 따른 탈황 반응으로 생성된 CO₂및 H₂O의 량은 전체 기화가스 용량의 극히 일부에 지나지 않아 반응한 가스의 질에는 큰 영향을 주지 않는다.

석회석을 소석회로 생석회화하는 과정에서 발생하는 CO₂도 가스의 질에는 별 영향을 미치지 않는다. CO₂및 H₂O의 발생량은 다음의 표에서 예시한다.

다음의 표들은 도면으로 예시한 본 발명의 공정을 종합적으로 분석한 자료로서 설명을 위해 작성한 것으로 어떠한 제한을 가하는 것은 아니다.

모든 표는 92%의 금속화 반응도와 1.5%의 탄소함유량을 가지고 산출된 환원철 생산량 1톤을 기준으로 하여 작성하였다.

그뜻한 기준은 천연가스를 사용하여 직접 환원하는 시설로 생산하는 직접 환원철의 통상의 사용기준과 같다.

표 1은 도면에 표시된 위치에서의 가스의 유량과 질(산화제에 대한 환원제 비율)을 나타낸다.

[표 1]

표 2는 석탄 기화기(50)에 공급하는 원료 소요량을 나타낸다.

[표 2]

표 3은 수형의 직접 환원로(10)의 원료 소요량과 산출량을 나타낸다.

[표 3]

표 3은 본 발명의 공정에 소요되는 에너지 소요 추정량을 나타낸다.

[표 4]

^*30% 전환 효율에서 약 29.3kwh

표 5는 공정에서 표시한 각 위치에서의 가스온도를 나타낸다.

[표 5]

표 6는 공정에서 표시한 각 위치에서의 가스 분석치를 나타낸다.

[표 6]

[표 6]

^*폐가스의 가열 값은 208 Btu/scf 또는 1959kcal/Nm³(HHV)이다.

이상의 표로 제시한 자료로 볼 때, 본 발명이 석탄 기화기에서 발생시킨 기화 가스를 환원제로 사용하여 철을 직접 환원시킬 수 있고 동시에 기타 용도를 사용할 수 있는 청정 연료 가스를 생산하는 에너지.

효율적이며 매우 실용성 있는 환원철 생산공법을 제공하고 있다는 것을 쉽게 알 수 있다.

Claims (1)

1. 산화철을 금속철로 직접 환원시키는 방법으로서, 기화기에서 석탄 연료를 기화시켜서 고온 기화가스를 발생시키고, 상기 고온 기화가스의 일부를 냉각하여 냉각하지 않은 나머지 부분에 혼합시켜서 750-1050℃범위의 온도로 냉각 조절한 가스를 형성하게 하여, 상기 조절 가스에서 분진 물질을 분리 제거하고, 상기 분진제거 처리한 조절 가스를 주로 산화철 및 탄소함유의 석탄연료 및 석회석 등으로 구성된 장입물을 가진 수형의 직접 환원로의 환원 반응부에 유입시켜서, 상기 가스를 장입물의 유동방향과 반대로 역류시켜 상기 장입물 속을 통과하게 하여 장입물 중의 탄소 및 석회석과 반응시켜 상기 가스를 탈황시키고 환원성을 높여서 장입물 중의 산화철을 환원시켜 입상의 고순도 금속철을 생성하게 하고 동시에 로상부에 폐가스를 생성하게 하며, 상기 폐가스를 도출하여 냉각 세정하여 저온의 청정연료가스를 동시에 생산하는 것을 특징으로 하는 산화철의 직접 환원방법.

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