KR850001644B1 - 코우크스로게스를 이용한 철의 직접 환원 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

코우크스로게스를 이용한 철의 직접 환원 장치

제1도는 본 발명의 구체적 예시를 설명한 계통도.

제2도는 본 발명의 구체적 예시의 또다른 계통도.

본 발명은 공정개스용으로 코우크스로게스와 같은 황을 함유하는 개스를 이용하는 산화철의 직접환원장치에 관한 것으로, 황함유개스류 간접 열교환기에서 가열시켜, 황을 뜨거운 적재물에 보내기 위하여 토상부의 환원 구역으로 주입한다.

본 발명에 따른 장치는 예비환원과 황의 전달을 위한상부 환상구역, 적재물을 금속철로 만드는 마지막 환원을 위한 하부 환상구역 및 상부의 소모개스를 냉각구역을 통해 냉각 개스로 재순환시키는 장치로 되어 있다.

본 발명은 공정연료가 개질기로 가기전에 공정 연료내의 유황을 직접환원된 뜨거운 철과 반응시킴으로서 환원로 내에서 공정 연료가 탈황되게끔 하는 미합중국 특허출원 제86,980호에 기술된 직접 환원 공정을 개선시킨 것이다. 공정 연료내의 유황은 환원 과정에서 칠로 전달되는데, 직접 환원된 생성물에 악영향을 미치지 않고 허용될 수 있는 황은 공정 연료의 400ppmv 정도이다.

공정 연료의 자체 탈황법은 유기황 화합물을 포함하고 있는 코우크스로개스 또는 천연 개스와 같이 외부적으로는 탈황이 매우 곤란한 공정연료를 아주 실용적으로 이용할 수 있게 한다.

미합중국 특허출원 제86,980호에는 공정개스 가열기 내에서 공정개스를 예열시키는 것과, 재질기내에서 상부의 소모개스를 환원 개스로 개질시키는 방법이 기술되어 있다.

본 발명에서는 상부의 소모개스를 냉각 개스로 냉각대를 통과시켜 탈황시키고, 개질기 연도 개스로 채워져 있는 직접열 교활기로 공정개스로 예열시킨다. 이 결과로 연료면에서 보다 효율적인 공정이 이루어지게 된다.

본 발명의 첫번째 목적은 탄화수소를 포함한 기상 공정연료의 개질을 이용하여 환원 개스를 만드는 상당히 효율적인 철의 직접 환원 장치를 제공하기 위한 것이며, 여기서 공정 연료는 개질되기전에 환원 공정에서 탈황하도록 되어있다.

본 발명의 또 다른 목적은 유기황을 포함하는 기상 공정연료를 사용하는데 특히 적합한 철의 직접 환원장치를 제공하기 위한 것이다.

집괴 펠릿 또는 괴광과 같은 형태로 된 산화철을 고상의 금속철로 직접 환원시키는 방법이 최근 전세계의도처에 있는 많은 직접환원 공장에서 경제적인 실현을 보게 되었다. 현재 조업중이나 건설중에 있는 공장들의 년간 총 능력은 직접 환원철 생산량이 1500만미터톤을 상회하고 있는데, 이는 주로 전기아크 제강 용로의 공급 재료로 이용된다.

전기 아크도 제강공장이 추가 건설되고 있음에 따라 세계적으로 증가하고 있는 공급재료에 대한 필요성을 충족시키기 위해 수년동안 직접환원된 철의 수요를 실제적인 비율로 증가시키도록 노력하고 있다. 직접환원철을 생산하는 대부분의 공장에서는 환원제의 공급원으로 천연개스를 이용하고 있다. 천연개스는 재질되어 환원재 CO와 H₂를 생성한다.

직접환원 공장에서 기본이 되고 있는 상업용 천연개스중 가장 에너지 효율이 좋고 생산성이 좋은 것은 미드렉스 공장의 것으로서, 미합중국 특허 제3,748,120호에 명시된 바와 같이 환원료로부터 냉각되고 재술환되고 소모된 환원개스중 CO₂와 잔류 수증기를 개질 산화제로 이용하여 천연개스를 연속적으로 접촉개질 시키는 것이다. 천연개스의 접촉 개질 기술에 있어서, 촉매의 유황독을 제거하기 위해 개질될 개스 혼합물 내의 유황분을 극히 낮은 수준으로 유지시키는 것이 필수적이라는 것은 주지의 사실이다.

촉매독이 없이 개질시킬때 견딜 수 있는 유황의 최대 허용치는 개질시키려는 개스혼합물의 약 2 내지 ppmv가 된다. 이 같은 극히 낮은 유황치에 도달키 위해서는 흔히 공정연료로 사용하기 전에 복잡하고 비용이 많이드는 개스탈황작업이 요구된다. 많은 공업 국가들 사이에서는 연료로서 크우크스로 개스가 유용하게 사용된다. 그러나 코우크스로 개스에는 COS 및 티오펜과 같은 유황을 함유한 성분이 들어있다.

첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 내화면으로 된 역류 샤프트 형태의 일반적인 환원로(10)이 있다. 산화릿, 천연괴광, 또는 공칭입자 크기가 5-30mm인 괴광 및 펠릿의 혼합물의 형태로 된 산화철 장입재료(12)는 장입호퍼(14)로 공급되어 장입관(16)을 통해 노내에 들어가 적재물(17)과 같이 된다.

직접 환원된 철입자 생성물은 배출 콘베이어(20)에 의해 로배출관(18)을 통해 노의 하부로 내려가고 이 속도는 노(10)를 통과하는 적재물(17)의 하강비를 조절한다. 노(10)의 중앙부에는 노의 내화벽에 정렬되어 있는 다수의 개스인입구(24)를 유도하는 뜨거운 환원개스 인입관(24)이 장치되어 있다.

뜨거운 예비환원개스 인입관(26)에는 인입구(24)보다 위의 노벽에 정렬되어 있는 다수의 개스흡입구(28)가 닿도록 설치되어 있다. 뜨거운 개질 환원개스와 공정연료 개스가 혼합되어 있는 뜨거운 예비환원 개스는 흡입구(28)을 통해 내부로 유입되며 하강하는 적재물에 대한 역류관계로 위로 올라간다. 인입관(24)으로 들어와 상승하는 뜨거운 환원개스는 처음에는 적재물의 전체 단면부를 채우나, 흡입구(28)근처에서는 이를 통해 들어오는 뜨거운 예비 환원개스의 흐름때문에 적재물의 중앙 부분에 모이게 된다.

노상부에서는 두 개스 흐름이 합쳐져 적재물의 전체단면부를 채우고 장입기준선(30)에 있는 적재물을 통과하여 상부개스 배출관(32)을 통해 노를 빠져나간다. 이 상부 개스는 소모 환원개스와 공정 연료 개스의 혼합물이다.

노(10)의 하부에는 배출시키기전에 직접환원 개스를 냉각시키기 위한 개스 냉각 회로가 장치되어 있다. 배출관(32)을 통해노(10)를 빠져 나가는 상부 개스는 냉각세정 장치(34)에서 냉각되고 먼지가 여과되어 관(36)으로 유입된다. 개스는 다시 두 흐름으로 나뉘어지는데, 냉각된 상부개스의 첫번째 흐름은 관(38)을 통해 개스 냉각 회로로 들어간다.

이 냉각회로에는 관(38)에 연결된 냉각 개스 송풍기(40) 노(10)내어 냉각 개스 분배장치(44)를 유도하는 냉각개스 인입기(42), 노내의 분배장치 상부에 위치한 냉각 개스 집합장치(46), 냉각개스배출기(48), 외부의 개스냉각 세정장치(50)등으로 이루어진다.

냉각 세정된 개스는 관(51)을 통해 냉각 세정장치(50)를 빠져나가 도면에서는 한개만 표시되어 있지만 열저항 합금으로된 다수의 개질기 튜브(52)로 들어가도록 되어있다. 각각의 개질기 튜브(52)는 튜브 내부에 괴상의 내화벽돌로 채워져 있으며, 나머지 대부분은 도면의 (54)와 같이 니켈 또는 코발트와 같은 개질촉매로 채워져있다. 개질기 튜브들은 내화면으로된 개질로(56)에 의해 쌓여져 있는데, 이 노에는 도면에서는 한개만 표시되어 있지만 다수의 버어너(58)와 개질로로부터 나오는 소모 버어너 연소개스를 배출 시키기 위한 배출관(60)으로 되어있다. 관(36)으로 부터 나오는 냉각된 상부개스의 일부와 외부 공급원(62)으로부터 들어오는 연료와 함께 관(64)을 통해 각각의 버어너에 들어간다. 배출관(60)은 연속되어 두개의 열교환기(66),(68)과 이어진다. 열 교환기(66)을 통해 지나가는 관(70)은 연소공기 공급원(72)와 버어너(58)을 이어준다.

공급원(75)으로 부터 들어오는 공정 연료 개스는 열교환기(68)를 통해 지나간다. 가열된 공정 연료개스는 관(82),(84)와 예비환원 개스 인입계(26)을 지 나 환원로(10)에 유입되도록 되어있다. 우선 보충 개질기 튜브(52)을 나오는 뜨거운개스의 대부분은 관(87),(90)을 통해 뜨거운 개질환원개스로서 환원개스 인입기(22)로 이송되며, 다음에는 개질기 튜브(52)를 나오는 개스의 약간만이 관(92)과 밸브(94)를 통해 지나간다. 그리하여 관(84)에서 가열된 공정 연료 개스와 혼합되어 인입기(26)에서 노(10)으로 들어가는 뜨거운 예비환원 개스가 되는 것이다.

공정연료 개스의 온도는 최소한 600℃는 되어야 한다. 공정연료 개스와 뜨거운 개질환원 개스와의 혼합물이 충분히 높은온도를 유지하여 철산화물의 직접 환원을 수행할 수 있게끔 공정연료 개스는 층분히 높은 온도로 가열되어야 한다.

광의의 개념에서 볼때, 이 공정에서는 코우크스로 개스, 천연개스 또는 용광로 개스와 같은 유황을 함유하는 공정연료 개스와 뜨거운 개질 환원 개스가 완전히 혼합되어 환원 개스 혼합물을 이룰 수 있도록 하는 방법이 포함되어 있는 것이다.

이 혼합물이 단일 풍구식으로 노의 환원대로 유입된다. 이 공정은 도면에 도시된 바와 같이 관(84)내에 있는 밸브(100)를 폐쇄시킴으로써 이루어질 수 있다. 천연개스, 용광로개스 또는 코우크스로 개스와 같은 연료 개스의 탈황 기술에 있어서, 단일 탈황단계를 거쳐 황화수소를 제거하는 상업적인 방법은 무수히 많이 확립되어 있으나, 황화 일산화탄소와 치오펜과 같은 유기황화합물을 제거하는 데는 복잡하고 비용이 많이드는 다단계 탈황 공정이 수반되어야만 황화 합물을 수소화시켜 황화수소와와 같은 형태로 만들어 제거시킬 수 있다.

최근에는 수소가 있는 상태에서 뜨거운 직접환원철 펠렛과의 작용으로 개스로 부터 황화일산화탄소와 유기황화합물을 제거할 수 있다는 것이 발견되어 왔다. 저온에서 이러한 황화합물은 제거하는 데는 직접 환원철이 효과적일 수 없지만, 약 700℃나 그 이상의 온도에서는 효과적이다.

이 탈황기구는 아직 정확히 알려져 있지는 않으나, 뜨거운 직접환원철이 수소 분위기에서 이러한 황화합물을 철과 화학작용을 하는 황화수소로 바꾸는데 효과적인 촉매로 된다는 것으로 믿어지고 있다. 아뭏튼, 황은 개스에서 직접 환원철로 이송된다. 그러므로, 인입기(26)로 들어간 개스 화합물은 황을 재거하기 위해서는 약 700℃이상이 되어야 한다. 그러나, 철산화물을 직접 환원시키는 데는 최소한 800℃가량이 필요하므로 보다 높은 온도가 바람직하다.

약간의 펠렛들은 800℃에서 엉겨 붙으므로, 보다 낮은 은도에서 환원시켜야만 한다. 그러므로 인입기(22)에서의 개스의 온도 하한선은 750℃가 적당하다. 공정연료 개스로서 황을 함유하는 코우크스로 개스를 이용하는 본 발명의 독특한 예를 보면 다음과 같. 이 예에서 코우크스로 개스를 사용한 유황치는 200ppm인데 이 수치는 단순한 단일 탈황공정 단계에서 보통 수행되는 것이다.

이 수치를 갖는 개스는 비록 개질시키기 위한 공정 연료로서는 사용 불능이나 버어너 연료로서는 매우 적합하다. 본 발명의 독특한 예에서는 도면에서와 같이, 개질기 튜브(52)로 부터 나오는 뜨거운 환원개스는 약 900℃의 온도로 인입계(22)에서 환원로로 들어간다.

개질기 튜브로 부터 나오는 900℃의 개스와 열교환기(65)로 부터 나오는 500℃의 코우크스로 개스의 혼합물인 뜨거운 예비환원개스는 약 800℃로 인입기(26)에서 환원로로 들어간다. 노내의 적재물 시간을 장입 기준선(30)에서 인입구(25)까지 약 4시간, 장입 기준선(30)에서 인입구(24)까지 약 6시간 정도가 되도록 환원로를 설계하여, 확실히 인입구(28)상부의 예비환원대에서 상당한 정도까지 철산화물을 금속철로 직접환원 시키고, 인입구(24)와 (28)사이의 환원대에서 마지막 단계의 직접환원이 이루어 질 수 있게끔 하였다.

예비환원대에서, 뜨거운 예비 환원 개스와 마지막 환원대에서 올라오는 뜨거운환원개스 중에 있는 환원체인 일단화탄소와 수소로써 장입재료인 철산화물을 금속철로 약 94퍼센트 가량 환원시킨다. 실험실이나 실제 기업적인 면에서 보아, 코우크스토에서 나오는 예비환원 개스중에 메탄개스가 있다하더라도, 개스중에 이미 수소가 있으므로 800℃에서 예비환원대를 통과하는 도중 심각한 정도까지 분해 되지는 않는다.

그러므로, 장입 기준선에서의 노적재물과 노개스 배출관(32)로부터 나오는 소모 환원개스 또는 상부개스에는 환원과정중 아직 받응하지 않은 환원제인 일산화탄소, 수소, 산화제인 이산화탄소 수증기 및 메탄가스등이 포함되어 있다.

상부 개스 냉각 세정장치(34)에서 대부분의 수증기가 농축된다. 냉각 세정장치(34)에서 나으는 탈수와 세정된 대부분의 개스는 라인(38)을 통해 압축기 (40)을 지나 냉각개스인입구(44)로 냉각대에 유입된다. 냉각 개스는 낙하하는 금속철과 열교환을 하며 위로 역류하면서 냉각대 상부(48)에서 배출될때는 금속철을 주위의 온도와 같게끔 충분히 냉각시켜 준다.

낙하하는 금속철은 냉각 개스중에 포함되어 있던 황화수소, 공정 연료로 부터 나오는 황화수소, 황을 함유한 철산화룰의 초기 환원단계에서 방출되는 황화개스등과 반응하여 효과적으로 개스 탈황작용을 하게된다.

탈황된 개스는 냉각 세정장치(50)에서 냉각되고 세정되어 뜨거운 신선한(환원개스를 만드는 개질기튜브(52)에서 개질시키기에 적합한 개스 혼합물이 된다.

개질기 튜브에서는 냉각 세정된 상부개스에 있던 이산화탄소와 잔류 수증기가 메탄의 계질 산화제로 작용한다는 것이 미합중국 특허 제3,748,120호에 기술되어 있다. 다음 도표에 본 발명의 전반적인 과정이 분석되어 있으며, 도면을 파악하는 데 도움이 될 것이다. 이 자료들은 단순한 예에 불과하며 본 발명을 한정한 것은 아니다.

도표에서는 92퍼센트의 금속과 1.5퍼센트의 탄소로 된 직접 환원철 제품의 1미터톤을 기준으로 한 것이다. 이들은 직접 환원법을 시행하는 공장에서 기본이 되는 천연개스에서 생산된 직접환원철의 상업표준으로서 광범위하게 채택되고 있다.

표 I은 공정에 필요한 연료 통입량을 나타내고 있다. 코우크스로 개스는 4618Kca1/Nm³의 높은 열량을 갖는다.

[표 I]

표 Ⅱ는 도면에서 표시된 것과 같이, 시간당 평균 입방미터로서 공정에서 개스 흐름을 나타내고 잇다.

[표 Ⅱ]

표 Ⅲ에는 지정된 위치에서의 개스 분석치가 퍼센트로 나타내고 있다.

[표 Ⅲ]

금속철제품에는 공정 연료 개스로 부터 들어오는 황이 약 0.018퍼센터 가량 첨가되지만, 이는 전기아크로 제강법에서의 직접 환원철사용시 허용치인 0.03퍼센트 보다는 낮다. 예에서 보듯이 소모된 연료 개스의 약 98.3퍼센트가 환원공정을 수행하는 데 필요하다.

나머지 1.7퍼센트는 가열용으로 사용된다. 개질기로 가는 공정 개스를 예열시키기 위한 재질 송풍개스로 부터의 잔류열을 보다 많이 회수하기 위해 열 교환기를 부가적으로 설치할 수 있다. 이렇게하므로서, 약 2200Kca1/Nm³의 개스연료를 뽑아 다른 곳에 이용할 수 있을 정도까지 가열에 필요한 연료를 더욱 절감할 수 있다.

예를들어, 본 발명에서 코우크스로 개스 보다는 천연개스를 공정 연료개스로 사용할때, 필요한 천연개스의 부피는 천연개스의 두배의 칼로리치를 갖기 때문에 코우크스로 개스의 약 반이 될 것이다. 이렇게 되어 천연개스는 철제품에 과잉의 황을 부가함하 없이 약 400ppmV의 황을 함유할 수 있게된다. 코우크스로 개스와 나프타 증기와 같은 공정 연료개스에는 응축되지 않은 일산화탄소를 함유함으로써 접촉개질시 탄소 침적을 보일 수 있다.

본 발명의 공정에서는 공전연료개스의 탈황작용 뿐 아니라 상기한 비용축된 일산화탄소를 메탄 또는 개질시키기 전에 환원로에 있는 다른 응축된 일산화 탄소로 전화시키기도 한다.

제2도에서 보는 바와 같이, 열 교환기(66), (88)을 직렬식으로 보다는 병렬식으로 병열할 수도 있다. 배출관(60)을 통해 소모 연소개스를 관(60-A), (60-B)으로 도내는데, 이들은 각각 열교환기(66), (68)에 연결되어 있다.

또 다른 변형 구조로서는 제1도의 열교환기를 거꾸로하여 연소 공기를 먼저 가열하고 나중에 공정 열로 개스를 가열시킬 수도 있으나, 제l도와 같은 배열이 바람직하다. 본 발명이 황을 포함하는 연료 개스를 직접 사용하는 직접 환원법에 극히 효율적인 공정이는 것은 전술한 바에서도 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 일반적으로 수직인 샤프트형의로(10), 로의 상부에 철산화 물질을 장입시키는 장치(16) 및 연속적인 중력 작용으로 적재물이 내려오게 되어 노의 하부로 부터 금속철제품을 제거하는 장치, 로의 중간끝부분에 있는 첫번째 환원개스 인입구(24), 첫번째 인입기와 로의 상단부 중간에 있는 두번째 환원개스 흡입구(28), 상기로의 상단부에 있는 반응개스 배출기(32), 반응개스의 냉각, 세정을 위하여 반응 개스 배출기에 연결된 장치(34), 상기 첫번째, 두번째 환원 개스인입기를 연결하는 배출기를 갖는 개질기(52)와 개스 환원제를 만들기 위한 촉매를 포함하는 튜브를 갖는 개질기로, 공정연료개스의 공급원, 상기 두번째 환원 개스 인입기와 공정연료 개스 공급원을 연결하는 고급연료개스관을 포함하며, 특히 최소한 한개의 버어너를 갖고 상기 촉매로 채워진 튜브를 가열시키기 위한 개질기로 및 상기로로 부터 소모연소 개스를 제거하기 위한 소모 연소 개스관, 열교환기와 연결된 상기 소모연소개스관 및 공정연료 개스가 통과하여 예열될 수 있게끔 되어있는 공정 연료 개스관(64)과 연결되어 있는 열교환기(66)를 특징으로 하고 있는 코우크스로 개스를 이용한 철의 직접 환원장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 개질기로에 필요한 연소공기 공급원(72)과 연결되어 연소 공기를 예열시키고 소모연소개스의 온도를 환원시키는 두번째 열 교환기(68) 및 상기 두번째 열교환기와 연결되어 있는 소모 연소개스관(60-A) (60- B)으로 된 장치 .
3. 제2항에 있어서, 상기 첫번째 환원개스 인입구(24)와 금속화된 펠렛 제품을 냉각 시키기 위한 상기로의 하부 중간에 있는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 냉각 및 세정기구와 연결되고 또한 상기 냉각대로 냉각 개스를 보내는 냉각기구와 연결된 통로로 된 장치(34).
5. 제4항에 있어서, 상기 냉각대의 개스 배출구와 연결되어 있는 통로, 소모냉각 개스를 세정케 하기위한 두번째 세정장치(50), 상기 두번째 냉각세정 장치와 연결된 두번째 통로, 상기 개질기로 내에 있는 촉매로 채워져 있는 튜브로 들어가는 인입기로 된 장치.
6. 제1항에 있어서, 세정, 냉각장치와 연결된 통로, 상기 개질기로의 연료로서 세정된 상부의 소모개스를 버어너로 보내는 상기 개질기로에 있는 버어너(58)로 된 장치.

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