KR940007490B1 - 순환유동층식 예비환원 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

순환유동층식 예비환원 장치

제 1 도는 본 발명의 요부를 나타낸 개략도.

제 2 도는 반응기 높이에 따른 철광석의 체류량 비교 예시도.

제 3 도는 시간에 따른 철광석의 환원률 비교 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 분산판 2 : 다운카머(down-comer)

3 : 사이크론 4 : 반응기

5 : 공급장치 6 : 가스배출구

7 : 시료채집구 8 : 돌출부

본 발명은 제철용 용융환원로에 있어서 주 반응부인 반응기와 철광석 재순환용 다운카머(down-comer)의 연결부위 영역에서 반응기의 단면적을 감소시켜 이 부위의 압력을 저하시키고, 반응기 내부로 돌출된 돌출다운카머 상부 반응기중에서 와류를 형성시키므로서, 그 결과 다운카머에서 반응기로 광석의 재공급속도를 증가시켜서 철광석의 1회 순환에 필요한 시간을 단축시키므로서 가스이용율 및 생산성을 높일 수 있는 새로운 순환유동층식 예비환원 장치에 관한 것이다.

오늘날 신제철 공정으로 등장한 용융환원법은 일반적으로 용융환원 부분과 예비환원 부분으로 구성되어 있는데, 예비환원 부분의 경우 용융환원로의 배가스를 철광석 예비환원의 환원매체로 이용하고 있다.

순환유동층식 예비환원로를 채택한 종래의 예비환원공정에 있어서는 철광석의 재순환을 위해 사이크론에서 포집된 철광석을 다운카머를 통해 중력에 의해 자유낙하한 후 자연 혹은 가스에 의해 반응기 내부로 강제공급되게 되어 있다. 이와 같은 내용은 이 분야의 전문서적 문헌(1989년도판 Ironmaking Conference Proceeding P. 55∼62)등에 이미 발표된 바 있다. 이러한 종래의 순환유동층 예비환원로의 경우 환원성 가스의 경로가 반응기 및 다운카머 양쪽으로 형성되어 사이크론에서 재순환을 위한 철광석의 포집효율을 저하시킬 뿐 아니라, 철광석의 중력낙하 및 반응기 내부로의 공급이 방해되기 때문에 철광석이 1회 순환하는데 소요되는 시간이 길어지게 되므로서 결과적으로 환원성 가스의 효율이 낮은 문제점이 있다.

가스 이용율이 낮은 이러한 종래방법의 문제점을 극복하기 위하여 일본 공개특허공보 소62-230910호의 경우 환원성 가스의 효율을 높이기 위하여 용융환원로에서 발생한 환원성 가스의 전부를 반응기의 하부로 공급하는 것이 아니라 미리 계산된 일정량의 가스를 반응기 하부로 보내고, 광석과 처음 공급된 환원가스와의 반응으로 인하여 반응성이 떨어진 가스의 조성 및 온도등을 초기상태로 조정하기 위하여 반응기의 높이 방향에 따라 1개소 이상의 가스공급구를 두고 있다. 또한 반응기내의 철광석의 체류량을 일정하게 하기 위하여 반응기의 높이 방향에 따라 단면적을 점차로 넓히고 있다. 그러나 이러한 반응기 단면적의 증가가 전체 시스템의 압력의 변화나 철광석의 순환속도를 증가시키지는 못하며 다운카머와 연결된 부위에서 반응기의 단면적은 일정하므로서 철광석에 의한 반응기 하부에 미치는 부하는 기존의 순환유동층 예비환원로에서와 차이가 없다. 그러므로 철광석이 반응기 내부에서 1회에 체류하는 시간을 종래의 방법과 같은 정도로 하였다. 그러나 일반적으로 가스 이용율이 매우 낮은 순환유동층 예열, 환원로에서 고속으로 반응기 내부를 통과하는 환원가스의 조성은 별로 변화하지 않기 때문에 보상가스의 공급이 가스이용율에는 거의 영향을 주지 못할뿐 아니라, 1개소 이상의 보상가스 공급구를 설치하는 것은 장치를 복잡하게 하며, 고온의 가스의 농도를 일정하게 유지해야 하는 큰 어려움을 가지고 있다. 즉, 반응기 내부의 철광석의 체류량은 제 2 도에서 보여주고 있는 종래의 결과와 동일하다. 일본 공개특허공보 소62-227022호의 경우에는 반응기 및 다운카머로 가스의 경로가 2원화되는 것을 억제하고 철광석등의 공급을 원활하게 하기 위하여 다운카머 하단부의 형태를 변경하였으나, 이 경우 중력낙하한 철광석이 반응기 내부로 재공급되기 위하여 철광석이 유동하는데 필요한 최소한의 가스를 보내주는 가스공급(aeration)장치를 필요로 하는 단점이 있다. 또한 이 장치를 부착했을 경우 순환 철광석의 재공급은 비교적 원할하지만 장치의 가스이용 효율에는 변화가 없다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 결점을 해소하기 위하여 창출된 것인 바, 다운카머 및 반응기로 구성된 순환유동층식 예비환원로의 제철용 용융환원로에 있어서, 반응기와 다운카머의 연결부위에서 반응기내의 단면적 감소영역(A영역)의 단면적을 반응기 단면적(C영역)에 대하여 1/2∼1/3의 비율로 감소시키고, 단면적이 감소한 영역의 길이를 반응기 전체길이에 대하여 1/8∼1/10의 비율로 하며, 또한, 반응기와 연결되는 다운카머의 선단을 반응기 내부로 부분돌출시킨 돌출부의 길이를 반응기 단면(C영역)의 직경길이에 대하여 1/6∼1/9의 비로 형성하여 된 것으로서, 철광석의 재공급 속도를 증가시켜 철광석의 1회 순환시 실제로 반응이 거의 발생치 않는 사이크론 및 다운카머에서 머무는 시간을 줄이므로서 일정한 작업시간 동안에 철광석의 순환 횟수를 증가시켜서 궁극적으로 일정 시간동안에 철광석이 반응기 내부에 체류하는 시간을 증가하게 하여 본 장치의 가스이용율 및 생산성을 증가시키기 위한 제철용융환원로의 순환유동층식 예비환원 장치를 제공하기 위한 것이다.

이하, 첨부된 도면 및 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

제 1 도는 본 발명의 요부를 개략적으로 나타낸 도면으로서, A영역은 반응기 단면적 보다 단면적이 감소된 영역이고, C영역은 반응기 단면적을 그대로 유지하는 영역이며, B영역은 반응기 내에서 와류현상을 일으키는 영역을 나타낸다.

또한, 제 1 도에 도시된 바와 같이, 반응기(4)내의 단면적 감소영역(A영역)의 길이를 반응기 전체 길이에 대하여 1/8∼1/10의 비율로 하며, 단면적 감소영역(A영역)과 반응기 단면적(C영역)에서의 단면적의 비가 1/2∼1/3(Aa/Ac = 1/2∼1/3, 여기에서 Aa는 A영역의 단면적, Ac는 C영역의 단면적을 나타낸다)이 되게 반응기(4)와 다운카머(2) 연결부위, 즉 A영역에서 반응기의 단면적을 부분적으로 감소시켜 베르누이 정리에 따라 장치전체를 통해 가장 낮은 압력을 형성시키므로서 환원성 가스의 경로가 2원화되는 경향을 확실하게 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 이 부분에서 낮은 압력이 형성되므로 인하여 사이크론(3)에서 포집된 철광석이 중력낙하한 후 반응기 내부의 낮은 압력쪽으로 빨리듯이 공급되므로서 철광석의 재공급효과를 증대시킬 수 있다. 또한 본 발명에서는 다운카머(2)의 일부를 반응기 내부로 반응기 단면(C영역)의 직경길이에 대하여 1/6∼1/9의 비율로 부분 돌출시킨형상의 돌출부(8)를 형성시키므로서 B영역에서 전체 유체흐름의 방향과 반대되는 방향의 흐름인 와류를 형성시킨다. 이와 같은 와류가 형성되는 지역은 가스속도 및 가스압력과 돌출부위의 길이에 따라 변화하지만, 와류가 형성되는 B영역의 길이는 하기식과 같이 형성되는 것이 바람직하며, B영역 길이 = (반응기 단면직경 - 단면적 감소영역(A영역)의 단면직경) ×1/tanθ, 이때 θ는 30∼45로 하는 것이 좋다.

이러한 역방향의 흐름을 갖는 와류는 하강하다가 와류가 형성되기 시작하는 다운카머(2)의 선단에서 광석과 함께, 반응기(4)의 중심에서 높이 방향으로 흐르는 중심류로 혼합되어 다시 상승하게 되므로 광석의 재공급 속도를 증가시키게 된다. 이때 반응기(4)내에서 단면적 감소영역(A영역)과 반응기 단면적(C영역)에서의 단면적의 비(Aa/Ac)가 1/3 이하가 되면 와류에 의해, 분산판(1) 위에서 단면적 감소영역(A영역) 사이에 있는 철광석의 유동특성에 좋지 않은 영향을 주게된다.

또한, 제 2 도는 본 발명에 의한 반응기(4)의 높이 방향에 따른 철광석의 체류량을 상기한 이 분야의 전문서적(Ironmaking Conference Proceeding P. 55∼62)에 기재된 실험결과와 비교하여 나타낸 예시도로서, 제 2 도에 도시된 바와 같이, 다운카머(2)와 반응기(4)의 연결부위에서 종래의 것과 비교하여 철광석의 체류량이 증가하고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 고속순환유동층로 내부에 있어서, 반응기의 중심에서는 윗방향의 입자의 흐름이 있고 반응기 벽면에서는 벽면효과에 의해서 반응기 벽면을 따라 입자가 하강하게 된다. 이와 같이 반응기 벽면을 따라 하강하던 일부의 철광석은 제 1 도 및 제 2 도에 도시된 바와 같이 반응기(4) 내부로 부분 돌출된 다운카머(2)의 돌출부(8)에 이르러 다운카머(2)에 있던 철광석에 충격을 주므로서 철광석의 재공급속도를 더욱 증가시키는 효과를 가져올 뿐 아니라 반응기(4) 내부에서 체류하는 철광석의 양이 증가하여 반응기(4)의 가스이용율 및 생산성의 향상을 가져오게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 의하여, 순환 철광석의 1회 순환시 필요한 시간이 단축되므로서 종래의 순환유동층 예열, 환원로에 비해 일정한 시간동안에 철광석이 순환되는 횟수가 증가하게 된다. 즉, 일정 시간동안에 철광석이 반응기 내부에 머무는 시간이 증가하게 되어 가스이용율 및 단위시간당, 단위 체적당의 생산성을 향상시키게 된다.

한편, 도면중 미설명부호(6)은 가스배출구를 나타낸다.

[실시예]

반응기(4) 전체를 약 800℃로 예열한 후, 반응기 내부의 분위기를 불활성 가스인 질소가스로 치환하고 광석내에 함유된 총 철분의 양이 약 57%이고, 입도가 0.5mm 이하인 철광석 1.5kg을 공급장치(5)의 밸브를 열고 역시 불활성 가스인 질소가스로 철광석을 반응기(4) 내부로 장입하였다. 철광석의 장입이 완료되면 약 800℃의 산소농도가 5∼10%인 CO-CO₂-H₂-N₂혼합가스를 8∼9m/sec의 속도로 분산판(1)을 통해 보내면서 로내의 온도변화와 차압(어떤 두 지점에서의 압력의 차)을 측정하였다. 또한, 제 2 도에는 반응기의 높이 방향에 따른 철광석의 반응기(4) 내부에서 체류하는 양을 나타내었는데 제 2 도에서 보여주고 있는 것처럼 반응기(4)내의 단면적 감소영역(A영역)에서 철광석의 체류량이 증가하였음을 알 수 있다. 즉, 일반적인 순환유동층 예열, 환원로의 다운카머(2)에서 철광석이 쌓이는 현상을 전혀 볼 수 없었다. 또한 반응기(4)내에서 단면적 감소영역(A영역)의 아래부분은 반응기 단면적(C영역)과 같은 단면적을 가지므로 순환하지 못하고 반응기 벽면을 따라 하강하는 철광석이나, 비말 동반되지 못하고 반응기 하부에서 기포 유동현상을 보이는 비교적 중립의 철광석의 유동현상등에 전혀 영향을 주지 않는다. 실험을 진행하는 동안 매 시간마다 다운카머(2)의 중간에 부착된 3방 밸브(3-way valve)로 된 시료채집구(7)를 통해 일정량의 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 불활성 분위기에서 상온까지 냉각한 후 재산화의 방법으로 환원률을 측정하였다.

전체 4시간의 작업이 끝나면 환원성 가스를 불활성의 N₂가스로 바꾸어 주고 순환유동층 예열, 환원로가 냉각될때까지 불활성 가스를 계속 불어준다. 제 3 도에 본 실험의 결과와 앞에 언급한 종래의 실험결과를 비교하여 도시하였다. 제 3 도에 도시된 바와 같이, 철광석의 체류시간은 반응기 내에 채류광석의 정체(hold-up)로부터 역산을 하여 구할 수 있으며, 본 발명의 경우 반응기 내에서 철광석의 체류시간이 종래의 경우와 대비하여 약 25% 증가함을 알 수 있으며, 본 발명에 의한 장치를 사용하면 종래의 장치에 비해 철광석의 환원률이 4시간 조업시 약 23% 정도 향상됨을 알 수 있다.

Claims (1)

1. 반응기와 다운카머로 이루어지는 제철용 용융환원로의 순환유동층식 예비환원 장치에 있어서, 반응기(4)와 다운카머(2)의 연결부위에서 반응기 내의 단면적 감소영역(A영역)의 단면적을 반응기 단면적(C영역)에 대하여 1/2∼1/3의 비율로 감소시키고, 반응기(4)와 연결되는 상기 다운카머(2)의 선단을 반응기(4) 내부로 부분돌출시킨 돌출부(8)를 형성하여서 된 순환유동층식 예비환원 장치.