KR960008723B1 - 입자형 철-산화물 함유물질의 직접환원 방법 및 장치 - Google Patents

입자형 철-산화물 함유물질의 직접환원 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

입자형 철-산화물 함유물질의 직접환원 방법 및 장치
제1도는 본 발명에 의한 장치 및 공정을 나타내는 도해도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1∼4 : 유동층 반응기 6 : 콘베이어 도관
8 : 상부가스 배출라인 10 : 재생기
13 : 재생가스라인 16 : CO2세정기
19 : 연결라인 25 : 산소공급라인
26 : 천연가스 공급라인
본 발명은 재생된 가스가 철-산화물 함유물질의 직접환원으로 생성되는 상부 가스와 혼합되어 환원가스로서 유동층 환원영역으로 공급되는 유동층법(fluidized bed method)에 의해 입자형 철-산화물 함유물질을 직접환원하기 위한 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 형태의 방법은 마합중국 특허 제5,082,251호로부터 공개되어 있다. 상기 공보에서, 철의 함량이 높은 고품위 철광석은 직렬로 배열된 유동층 반응기의 조립체의 승압하에서 환원가스의 도움으로 환원되게 되어 있다. 그 다음, 생성된 철분말은 열간 혹은 냉간 단광법을 받게 된다.
환원가스는 종래의 재생로에서 과열된 수증기에 의해 탈황되고 예열된 천연가스의 촉매재생으로 생성된다. 그 다음 재생된 가스는 열교환기내에서 약 425℃까지 냉각된다. 그 다음에, 다음식에 의해 철산화물 촉매의 도움으로 CO 전환에 의해 환원가스에서의 H2가 증가하게 된다;
H2O+CO=CO2+H2
그 다음, 형성된 CO2및 재생기로부터 유입된 CO2는 CO2세정기에서 제거되어 환원가스는 90% H2와 매우 낮은 비율의 CO, CO2, H2O, N2및 CH4로 구성되게 된다.
이 가스는 부분적으로만 소모되는 (상부)환원가스와 혼합되고 850℃까지 가열되어 역류식 3단계(3개의 반응기)로 미립자를 환원하게 된다.
광석의 흐름은 건조된 상태로 출발하여 체로 선별한 다음 천연가스로 가열하는 예열반응로 내측에 넣어진다. 세개가 연속적으로 배열된 반응기에서 미립자들은 승압하에서 환원된다.
이러한 방법에 있어서, 환원가스는 매우 높은 비율의 H2를 갖게 되어 미립자는 다음 식에 의해 환원되게 된다;
Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O-△H
이 반응은 강한 흡열반응이다.
이러한 강한 흡열반응은 반응기에서 유효한 온도를 상당히 감소시키게 된다. 이러한 것을 피하기 위해 공지의 한 방법에서는 열역학적으로 필요한 가스의 최소량보다 상당히 많게 해면철의 톤당 규정 환원가스의 양을 강제로 증가시켜 마지막 반응기에서의 반응온도가 700℃ 이상으로 되게 한다.
본 발명의 목적은 이러한 단점들 및 문제점들을 극복하게 하여 필요한 에너지를 낮출 수 있게 하도록 환원가스의 화학퍼텐셜을 적용하게 하는데 있다. 이렇게 함으로써 에너지 경비를 포함해 약 3% 이상의 작동 경비를 줄일 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 목적은 상부가스 및 재생가스중의 CO2가 제거될 수 있다는 점과 상부가스를 재생가스와 혼합함으로써 형성되는 환원가스의 H2함량을 45 내지 75%로, 바람직하게는 50 내지 65%로, CO 함량을 10 내지 20%로 조절할 수 있다는 점에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면, 미세한 광석의 환원은 종래기술로서 전술한 H2로의 강한 흡열반응을 통해서만 이루어지는 것이 아니라, 다음과 같은 발열반응을 통해서도 이루어진다;
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2+△H
여기서, CO2형성은 불리한 작용을 하지 않는데, 왜냐하면 상부가스가 통과하는 CO2세정기에서 세정되기 때문이다. 다음 식에 의한 CO와 H2의 반응은 본 발명에 의한 방법에 불합리한 것이 되지 않는데, 이는 메탄이 매우 낮은 농도로 형성되어 부정적인 결과를 초래하지 않기 때문이다;
CO2+3H2=CH2+H2O
또한, CO 함량의 상한은 20%로 제한할 필요가 있다. CO함량이 상기 값보다 많으면, 설비에서의 예상치 못한 문제점이 발생할 수 있고, CO 가스를 안내하는 도관이 파괴될 위험성이 있게 된다.
본 발명에 의해 제공되는 재생가스에 의해 상부가스로부터의 CO2제거로 인해, CO 함량은 간단한 방법, 즉, CO와의 환원을 실행시키는 방법에 의해 최적화시킬 수 있어서, 가스전달도관의 파괴를 신뢰성 있게 방지하면서 에너지 균형의 중화(흡열반응인 H2와의 반응과 비교하여)를 보장하게 된다.
전술한 방법은 독일 특허공개 제25 26 737호로부터 공개되어 있지만, 여기서는 메탄이 산소와 함께 반응용기속으로 유입된다. 상부가스가 CO2세정을 받는 반응로 내부에서만 발생되는 환원가스 생성물은 분리된 도관을 통해 공급된다. CO 함량의 범위는 제1반응 단계에서는 31.6%와 최종반응 단계에서는 18.3% 범위이다. 따라서, 평균은 최대범위보다 높게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 환원가스에서의 H2와 CO 함량의 조절은 종래의 재생기 작동법에 비해, 환원된 증기/천연가스 비율이 바람직하게 2.5 내지 3.5인 재생기의 작동법에 의해 이루어진다. 이러한 방법으로 환원영역에서 일정한 온도를 유지할 수가 있다.
바람직하게는 CH4의 함량은 8 내지 35% 범위로 조절된다.
필요한 에너지양을 최소화시키기 위하여, 바람직한 실시예를 통한 직접환원은 직렬로 연속배열된 여러개의 유동층 환원영역에서 행해지며, 여기서 환원가스는 입자형 철-산화물 함유물질과 역류하여 하나의 환원영역으로부터 또다른 환원영역으로 안내되어 환원가스에 대해 마지막인 유동층 환원영역으로 공급되는 산소에 의해 부분연소하게 된다.
모든 유동층 환원영역에서 거의 동일하게 일정한 온도로 조절하기 위하여, 부가적으로 바람직하게 새롭게 형성된 환원가스의 흐름방향에서 보아 제1유동층 환원영역에 이어지는 각각의 유동층 환원영역으로, 바람직하게는 5 내지 15%의 양으로 공급된다.
본 발명의 또다른 변형 실시예에 의하면, 철-산화물 함유물질의 직접환원은 연속하여 직렬배열된 다수의 유동층 환원영역에서 이루어지는데, 여기서는 상기 물질에 대한 제1유동층에서, 연속하여 배열된 유동층 환원영역으로부터 재순환된 완전 환원가스가 철-산화물 함유물질을 예열시키는데 사용된다. 이렇게 하기 위하여, 어떠한 가스도 연소함이 없이 연속하여 배열된 반응기로부터의 폐가스의 감열만이 사용된다. 이러한 예열단계는 하나 또는 여러 단계로 수행될 수 있다.
본 발명에 의한 방법을 행하기 위한 장치는 철-산화물 함유물질을 수용하기 위한 적어도 하나의 유동층 반응기, 상기 유동층 반응기로 안내되는 환원가스 공급라인(유동층 반응기로부터 환원공정에서 생성된 상부가스를 배출하는 상부가스 배출라인, 재생기, 재생기로부터 떨어져나와 상부가스 배출라인과 연결된 재생가스라인, 여기서 상부가스와 재생가스로 형성된 환원가스는 환원가스 공급도관을 통해 유동층 반응기로 들어감) 및 CO2세정기를 포함하고 있으며, 재생가스라인과 상부가스 배출라인 양자는 CO2세정기로 연결되고 환원가스 공급라인의 CO2세정기로부터 유동층 반응기로 연결됨을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 필요한 에너지를 더욱 최소화시키는 것은 다수의 유동층 반응기를 연속하여 직렬배열시켜 달성할 수 있는데, 여기서 철-산화물 함유물질은 콘베이어 도관을 통해 한 방향으로 하나의 유동층 반응기에서 또다른 유동층 반응기로 안내되고, 환원가스는 반대방향으로 연결라인을 통해 하나의 유동층 반응기에서 또다른 유동층 반응기로 안내되며, 또한 여기서 먼저 배열된 유동층 반응기로부터 나오는 환원가스를 공급하는 도관에 더하여 산소공급라인과 필요하면 천연가스 공급라인이 환원가스 흐름방향으로 마지막에 배열된 유동층 반응기와 일체로 되게 된다.
동일한 수준으로 모든 유동층 반응기에서의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여, 본 발명의 또다른 실시예에서는 다수의 유동층 반응기와 연속하여 직렬로 배열되는데, 여기서 철-산화물 함유물질은 콘베이어 도관을 통해 한 방향으로 하나의 유동층 반응기로부터 또다른 유동층 반응기로 안내되고, 환원가스는 연결라인을 통해 반대방향으로 하나의 유동층 반응기로부터 또다른 유동층 반응기로 안내되고, 또한 여기서 직렬배열된 것에 더하여 유동층 반응기들은 환원가스공급의 관점에서 부가적 환원가스 공급라인에 대해 평행하게 배열된다.
이하에서는 바람직한 실시예를 통해 공정 일람표를 나타내는 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 장치는 연속하여 직렬배열된 4개의 유동층 반응기(1∼4)를 포함하고, 여기서 분광과 같은 철-산화물 함유물질은 광석공급도관(5)을 통해 제1유동층 반응기(1)로 안내되어 콘베이어 도관(6)을 통해 하나의 유동층 반응기로부터 또다른 유동층 반응기로 안내되고, 완전히 환원된 물질(해면철)은 분광장치(7)에서 열간 또는 냉간 분광된다. 이때 필요하면, 환원된 철은 불활성 가스 시스템(도시되지 않음)에 의해 단광되는 동안 재산화시키지 않을 수도 있다.
분광을 제1유동층 반응기로 유입시키기 전에, 미세광석을 본 명세서에서는 상술하지 않은 건조 및 체걸음 등의 예비처리시킨다.
환원가스는 유동층 반응기(4)로부터 유동층 반응기(3∼1)로 광석흐름에 역류에 지나가게 하여 상부가스 배출라인(8)을 통하여 상부가스로서 가스흐름방향에서 마지막에 배열된 유동층 반응기(1)로부터 배출시켜 습식 세정기(9)에서 냉각 세정시킨다. 환원가스는 라인(11)을 통해 공급되는 천연가스를 재생기(10)에서 재생되어 탈황장치(12)에서 탈황시킨다. 재생된 가스는 H2, CO, CH4, H2O 및 CO2로 구성되는 증기와 천연가스로 형성된다. 이 재생가스는 재생가스라인(13)을 통해 여러개의 열교환기로 공급되어 주위 온도로 냉각되므로 가스로부터 물이 응축된다. 재생가스라인(13)은 압축기(15)에 의해 상부가스가 압축된 후 상부가스 배출라인(8)으로 들어간다. 따라서, 형성되는 혼합가스는 CO2세정기(16)를 거쳐 CO2가 없게 된 다음 환원가스로 사용된다. 이 환원가스는 환원가스 공급라인(17)을 통해 CO2세정기(16) 하류의 가스가열기(18)에서 약 800℃의 환원가스온도로 가열되어 가스흐름방향으로 먼저 배열된 유동층 반응기(4)로 공급되어, 여기서 분광과 반응하여 직접환원된 철을 생산하게 된다. 유동층 반응기(4∼1)는 직렬로 연결되고, 환원가스는 연결라인(19)을 통해 하나의 유동층 반응기에서 또다른 유동층 반응기로 이동된다.
상부가스의 일부는 N2와 같은 불활성 가스의 축적을 피하기 위해 가스순환라인(8, 17, 19)들로부터 이송된다. 외부로 이송된 상부가스는 환원가스를 가열하고 거기서 연소하기 위해 분기라인(20)을 통해 가스가열기(18)로 공급된다. 부족한 에너지는 라인(21)을 통해 공급되는 천연가스로 보충한다.
재생기(10)로부터 나오는 재생가스 뿐 아니라 재생기로부터 유도되는 연기가스의 감열은 복열장치(22)에서 사용되어 탈황장치(12)를 통과한 후 천연가스를 예열시키고, 재생에 필요한 증기를 발생시키고, 또 라인(23)을 통해 가스가열기(18)에 공급되는 연소가스 및 환원가스를 예열시키게 된다. 라인(24)을 통해 재생기로 공급되는 연소가스는 잘 예열된다.
광석의 흐름방향에서 보아, 제1유동층 반응기에서의 온도감소를 방지하기 위하여는 제1유동층 반응기로부터 제2유동층 반응기(2)를 떠나는 환원가스의 일부를 연소시키는 것이 바람직한데, 이렇게 하기 위해서는 산소 공급도관(25)과, 필요하면 천연가스 공급도관(26)이 제1유동층 반응기와 일체로 되면 된다.
모든 유동층 반응기(1∼4)에서 똑같은 수준으로 일정하게 반응온도를 유지시켜 에너지를 더욱 감소시키기 위하여는 분기라인(27)을 통해 고온 및 새로운 환원가스가 유동층 반응기(1, 2, 3)당 약 10%의 양으로 환원가스의 흐름방향에서 제1유동층 반응기(4) 다음의 유동층 반응기(1∼3)로 직접 공급시킨다. 따라서, 유동층 반응기(1∼4)는 환원가스 공급면에서는 직렬로 배열될 뿐 아니라, 환원가스의 경량공급에 대하여는 병렬로 연결되어 있다. 이렇게 하여, 유동층 반응기(1∼4)는 환원가스의 이송 및 배출도관이 연결되는 한 도시된 예에서는 직렬로만 연결되어 있다.
직접환원을 위해 4개의 유동층 반응기(1∼4)를 사용(예열반응기를 없애면서)하는 것에 의해 종래기술에 비해 필요한 에너지의 감소 및 분말손실의 최소화를 꾀할 수 있게 된다.
[실시예]
도면에 도시한 바와 같으며 시간당 70t의 고온 단광철 생산량을 갖고 있는 장치에서, 100t/h의 미세 광석, 12,200 Nm3/h의 천연가스를 43,000Nm3/h의 증기와 반응시켜 76,600Nm3/h의 재생가스를 형성시킨다. 재생온도는 830℃였고, 압력은 18.5바였다. 재생기를 가열시키는데 필요한 천연가스의 양은 6,200Nm3/h였다.
각각의 가스와 미세광식의 분석값은 다음과 같다.
냉간 재생된 가스 50,000Nm3/h를 145,000Nm3/h의 재순환 상부가스와 혼합시켜 CO2세정기로 안내해 CO2를 없앤다. 이 가스 182,000Nm3/h를 분석한 값은 다음과 같다;
이 가스를 가스열기에서 800℃까지 가열한다. 이렇게 하면 약 5,500Nm3/h의 상부가스와 4,600Nm3/h의 천연가스가 소모된다.
상부가스는 다음과 같은 분석값을 갖는다 :
고온 단광철은 92%의 금속화(Fe금속/Fe전체)도를 갖는다.

Claims (9)

  1. 재생가스가 철-산화물 함유물질의 직접환원에 의해 형성되는 상부가스와 혼합하여 환원가스로서 유동층 환원영역으로 공급되는 유동층법에 의한 입자형 철-산화물 함유물질의 직접환원법에 있어서, 재생기 작동방법에 의해, 상부가스와 재생가스에서 CO2가 제거되고, 재생가스와 상부가스와의 혼합에 의해 형성된 환원가스의 H2함량이 45 내지 75% 범위로, CO 함량이 10 내지 20% 범위로, CH4의 함량이 8 내지 35%로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재생기는 환원된 증기/천연가스가 통상의 재생기 작동방법에 비교하여 2.5 내지 3.5 사이로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 직접환원은 직렬로 연속배열된 다수의 유동층 환원영역에서 행해지고, 여기서 환원가스는 하나의 환원영역으로부터 또다른 환원영역으로 입자형 철-산화물 함유물질에 대해 역류로 안내되어 환원가스에 대해 마지막인 유동층 환원영역에 공급된 산소에 의해 부분연소됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 추가로 새롭게 형성된 환원가스는 환원가스의 흐름방향에서 보아 제1유동층 환원영역 다음의 각각의 유동층 환원영역으로 5 내지 15%의 양으로 직접 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서 철-산화물 함유물질의 직접환원은 직렬로 연속하여 배열된 다수의 유동층에서 행해지고, 여기서 상기 물질에 대한 제1유동층에서는 연속하여 배열된 유동층 환원영역으로부터 재순환된 환원가스만이 철-산화물 함유물질을 예열시키는데 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 철-산화물 함유물질을 수용하기 위한 하나 이상의 유동층 반응기(1∼4)와, 상기 유동층 반응기(1∼4)로 안내되는 환원가스 공급라인(17)과, 환원공정에서 형성되는 상부가스를 유동층 반응기(1)로부터 배출하는 상부가스 배출라인(8)과, 재생기(10)와, 재생기(10)로부터 떨어져나와 상부가스 배출라인(8)과 연결되며 재생가스와 상부가스로 형성된 환원가스가 환원가스 공급도관(17)을 통해 유동층 반응기(1∼4)로 들어가는 재생가스라인(13), 및 CO2세정기를 포함하는 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서, 재생가스라인(13)과 상부가스 배출라인(8) 양자는 CO2세정기(16)로 들어가고, 환원가스 공급라인(17)은 CO2세정기(16)로부터 유동층 반응기(1∼4)로 안내됨을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 다수의 유동층 반응기(1∼4)들은 연속하여 직렬로 배열되어 있고, 철-산화물 함유물질은 콘베이어 도관(6)을 통해 한 방향으로 어는 하나의 유동층 반응기(1∼4)로부터 다른 하나(1∼4)로 유도되고, 환원가스는 연결라인(19)을 통해 반대방향으로 어느 하나의 유동층 반응기(1∼4)로부터 다른 하나(1∼4)로 유도되며, 이미 배열된 유동층 반응기로부터 나오는 환원가스를 공급하는 라인(19)에 더하여, 산소공급라인(25)과, 필요하면 천연가스 공급라인(26)이 환원가스 흐름방향에서 마지막에 배열된 유동층 반응기(1)에 연결됨을 특징으로 하는장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 다수의 유동층 반응기들은 연속하여 직렬로 배열되고, 철-산화물 함유물질은 콘베이어 도관(6)을 통해 한 방향으로 어느 하나의 유동층 반응기로부터 다른 하나로 유도되고, 환원가스는 연결라인(19)을 통해 반대방향으로 어느 하나의 유동층으로부터 다른 하나로 유도되며, 직렬로 배열된 것에 더하여, 유동층 반응기가 환원가스를 공급하는 추가의 환원가스 공급라인에 대해 병렬로 배열됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 4개의 유동층 반응기가 연속하여 직렬로 배열되어 있음을 특징으로 하는 장치.
KR1019930008751A 1992-05-22 1993-05-21 입자형 철-산화물 함유물질의 직접환원 방법 및 장치 KR960008723B1 (ko)

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ATA1066/92 1992-05-22
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