WO2014104596A1 - 용철제조장치 및 용철제조방법 - Google Patents

용철제조장치 및 용철제조방법 Download PDF

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조민영
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    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing molten iron and a method for manufacturing molten iron, and more particularly, to an apparatus for manufacturing molten iron and a method for manufacturing molten iron using flue gas using a medium circulation process.
  • Electricity production is largely dependent on fossil fuels, in particular the generation of heat generated from burning coal began with modern steam turbines invented by Parsons of England in the late 19th century.
  • Steam turbines generate heat by burning coal, air, or steam in a boiler reactor, and generate power by recovering heat to steam.
  • steam turbines occupy most of the electric power production method, they are low in efficiency, and were developed as a combined power generation system using gas turbines and steam turbines in order to remove hot contaminants such as ash by coal gasification. .
  • the gas passing through the gas turbine for high thermal efficiency and long-term use of the downstream process equipment requires a high temperature of 1100 °C or more containing no ash and harmful substances.
  • Power generation by coal gasification still requires a carbon dioxide capture device or an oxygen separation device from the air to reduce the carbon dioxide emissions generated during power generation.
  • the medium circulation process was invented in the early 1950s as a method for obtaining pure carbon dioxide (US Patent: US2665971) and was designed to reduce heat consumption in the process without including nitrogen gas in the carbon dioxide.
  • oxygen donor particles of solid oxide circulating two reactors are used.
  • a reduction reactor fossil fuel receives oxygen from solid oxide and completely oxidizes, thereby generating pure carbon dioxide.
  • the circulating solid oxide which lacks oxygen, is oxidized by receiving oxygen from air, and serves to return heat to the reduction reactor.
  • the oxygen donor particles which are solid oxides, are made of metal particles such as nickel (Ni) and iron (Fe) having a support, and are preferably iron (Fe) based metal oxides that can be used at low cost. This is because oxygen donor particles circulating through repeated oxidation and reduction reactions are deactivated by impurities and must be replaced periodically.
  • This media circulation process reforms methane gas in a reduction reactor using oxygen donor particles as a medium to produce pure carbon dioxide that does not contain nitrogen gas, and supplies power to high-temperature purified gas generated by inputting air containing moisture from the oxidation reactor. It has been developed into a chemical looping combustion process (US Patent: 5447024).
  • the generated carbon dioxide prefers highly concentrated carbon dioxide free of high-pressure contaminants for transport and storage underground. Therefore, the power generation by the media circulating combustion process does not require an oxygen separator during the process, and natural exhaust gas separation is performed.
  • An object of the present invention is to provide a molten iron manufacturing apparatus and a molten iron manufacturing method capable of efficiently removing carbon dioxide from exhaust gas generated during molten iron production, producing electric power, and removing dust generated in a process.
  • the apparatus for manufacturing molten iron charges iron ore and blows a reducing gas to produce reduced iron, and iron and iron ore by charging coal and reducing iron discharged from the iron ore reducing furnace.
  • a fine dust removal device for removing dust from the reduced sintered ore that is reduced and discharged from the refinery filter type reduction furnace, and an oxidizing furnace which oxidizes the reduced sintered ore by charging the reduced sintered ore with the dust removed and burning it with air.
  • the oxidizing combustion furnace may be provided with a sintered ore supply line for supplying the sintered ore oxidized sintered ore to the gas purification filter type reduction furnace.
  • the gas purification filter type reduction furnace is a first reduced sintered ore supply line for supplying a part of the reduced sintered ore discharged to the molten gasifier and a second reduced sintered ore supply line for supplying the remainder of the reduced sintered ore to the fine dust removal device. This can be installed.
  • the sintered ore may be composed of ore pulverized to 1mm ⁇ 10mm after mixing the iron ore powder, limestone and coal in the natural state and calcined to heated, recrystallized or semi-melted state in the 900 °C ⁇ 1,400 °C range.
  • the remainder of the reduced sintered ore is generated from carbon monoxide, oxygen from hydrogen and sintered FeO or Fe sintered ore, dust separated from the process gas, and repetitive media circulating oxidation and reduction in the gas purification filter type reduction furnace. It may include an eruption ore of sintered ore.
  • the oxidizing furnace may additionally be supplied with a new sintered ore to supplement the amount of reduced sintered ore supplied to the melt gasifier and to promote activity.
  • the molten iron production apparatus heat-exchanges the exhaust gas discharged from the gas purification filter-type reduction furnace to convert water vapor in the exhaust gas into water to separate carbon dioxide and produce hot steam, and from the steam generated by the heat exchanger. It may further include a steam turbine for producing electricity.
  • the amount of heat generated by combustion of the sintered ore reduced in the oxidizing combustion furnace with oxygen in the air may supply heat to the new sintered ore, air, and the reduced sintered ore supplied from the fine dust removal device.
  • the molten iron production apparatus heat-exchanges a gas turbine or oxygen-deficient air for producing electricity from oxygen-depleted air discharged after supplying oxygen for combustion to new sintered or reduced sintered ore in the oxidizing furnace.
  • Steam may further include a steam turbine for producing electricity by using the steam produced.
  • the molten iron production apparatus may further include a carbon dioxide removal device connected to the gas purification filter type reduction furnace to remove carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the gas purification filter type reduction furnace.
  • the exhaust gas discharged from the gas purifying filter type reduction furnace may generate steam by heat exchange and turn electricity into a steam turbine to generate electricity, remove water, and then supply water to the carbon dioxide removal apparatus.
  • the carbon dioxide removal apparatus may be provided with a recycle gas supply line for re-injecting the gas purification filter type reduction furnace exhaust gas from which carbon dioxide is removed to the gas purification filter type reduction furnace.
  • the carbon dioxide removal device may include a water-gas shift reactor and a hydrogen pressure swing adsorption.
  • a gas purification apparatus for removing dust from the process gas discharged from the iron ore reduction furnace may be installed at the front end of the gas purification filter type reduction furnace.
  • the gas purifier may be at least one selected from a cyclone, a ceramic candle filter, a metal filter, and a scrubber.
  • a heat exchanger for heating the air blown into the oxidizing furnace may be installed at the front end of the oxidizing furnace.
  • a molten iron manufacturing apparatus includes an iron ore reduction furnace for charging iron ore and a reducing gas to produce reduced iron, and a charged iron for charging coal and reducing iron discharged from the iron ore reduction furnace to discharge molten iron and the iron ore.
  • a molten gasification furnace for producing a reducing gas to be provided to the reduction furnace, a gas purification filter type reduction furnace for charging calcined pellets and reducing process iron discharged after reducing the iron ore in the iron ore reduction furnace;
  • a fine dust removal device for removing dust from the reduced calcined pellets discharged by being reduced in the gas purifying filter type reduction furnace, and charged with the reduced calcined pellets from which the dust is removed and burned with air to oxidize the reduced calcined pellets And an oxidative combustion furnace.
  • the calcined pellet is made of spherical pellets of 3mm ⁇ 8mm size by pre-heating at 800 °C ⁇ 900 °C after adding finely divided iron ore, bentonite, limestone, dolomite, and olivine with water in a rotating drum with a particle size of 100 ⁇ m or less. It may be formed by firing at 1,200 °C ⁇ 1,400 °C.
  • CaO or CaCO 3 may be added as an additive to the iron ore reduction furnace or the gas purification filter type reduction furnace.
  • a method for manufacturing molten iron by charging iron ore into a reducing furnace and blowing a reducing gas to produce reduced iron, and charging coal and reducing iron discharged from the reducing furnace to the molten iron and the reducing furnace.
  • Preparing a reduced gas blown charging a sintered ore pellet into a gas purification filter type reduction furnace and injecting a process gas discharged from the reduction furnace to reduce the sintered ore pellet; and reducing the reduced sintered ore Or removing dust from the calcined pellet, and charging the dust-sintered sintered or calcined pellet into an oxidizing furnace and combusting it with air, which is discharged after being reduced in the gas purifying filter type reducing furnace.
  • Some of the sintered or calcined pellets are charged into the melt gasifier.
  • the molten iron manufacturing method may further include the step of producing electricity by heat-exchanging the exhaust gas discharged from the gas purification filter-type reduction furnace to condense water vapor into water to separate carbon dioxide, and rotate the steam turbine with the generated steam.
  • the molten iron manufacturing method may further include the step of producing electricity by rotating a gas turbine using oxygen-deficient air discharged after burning the sintered or calcined pellets in the oxidizing combustion furnace.
  • the molten iron manufacturing method further includes the step of removing the carbon dioxide by passing the exhaust gas discharged from the gas purification filter-type reduction furnace to the carbon dioxide removal apparatus, and re-injecting the exhaust gas from which carbon dioxide has been removed into the gas purification filter-type reduction furnace.
  • the molten iron manufacturing method may further include a step of removing dust by passing the process gas discharged from the iron ore reduction furnace through a gas purification device.
  • the molten iron manufacturing method may further include a heat exchange to heat the air supplied to the oxidizing furnace.
  • According to the present invention can easily remove the carbon dioxide contained in the exhaust gas generated in the molten iron production process, it is possible to produce power using the hot gas generated in the process.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a graph showing molten iron production and power production according to the coal ratio and the amount of carbon monoxide and hydrogen.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the molten iron manufacturing apparatus 101 is a molten gasifier 10, iron ore reduction furnace 20, gas purification filter type reduction furnace 30, fine dust removal device 45 ), And an oxidative combustion furnace 40.
  • the melt gasifier 10 is a device for charging coal and charging reduced iron discharged from the iron ore reduction furnace 20 to produce reducing gas to be provided to the molten iron and the iron ore reduction furnace 20.
  • the molten gasifier 10 is provided with an oxygen supply line 14, a pulverized coal supply line 13, a reduced iron supply line 61, and a coal supply line 15.
  • Air or oxygen is blown into the molten gasifier 10 through the oxygen supply line 14, and pulverized coal is filled into the molten gasifier 10 through the pulverized coal supply line 13. Further, coal is filled into the molten gasifier 10 through the coal supply line 15, and the reduced iron supply line 61 is disposed between the molten gasifier 10 and the iron ore reduction furnace 20 to reduce the iron ore reduction furnace ( The reduced iron produced in 20) is charged to the melt gasifier (10).
  • a first reduced sintered ore supply line 64 connected to the gas purification filter type reduction furnace 30 is installed in the molten gasifier 10, and thus, the gas purified filter type is reduced through the first reduced sintered ore supply line 64. Oxygen-deficient sintered ore generated in the furnace 30 is supplied to the melt gasifier (10).
  • the reduced iron used in the melt gasifier 10 consists of reduced iron supplied from the iron ore reduction furnace 20 and reduced sintered ore supplied from the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the reduced sintered ore consists of reduced sintered ore or reduced calcined pellets.
  • the melt gasifier 10 generates high heat by the combustion of coal and fine powder, and together with the reducing gas is generated in the melt gasifier 10.
  • the reducing gas has a high heat of 1400 ° C to 1600 ° C and mainly contains carbon monoxide and hydrogen.
  • the reducing gas having high heat separates the reduced iron into slag of molten iron and other materials through reduction and melting of supplying heat into the molten gasifier 10 and acting on the reduced iron to remove oxygen.
  • the molten gas furnace 10 is provided with a molten iron discharge line 16 for discharging molten iron and slag.
  • Coal may be supplied to the coke or coal mass through a pretreatment process, and air may be blown into the melt gasifier 10, but oxygen may be melted into the gas to facilitate the separation of carbon dioxide from the process gas to reduce carbon dioxide. It may be blown into the furnace 10.
  • the iron ore reduction furnace 20 is a device for charging iron ore and blowing reduced-temperature gas supplied from the molten gasifier 10 to produce reduced iron.
  • the iron ore reduction furnace 20 includes a first reduction furnace 21, a second reduction furnace 22, and a third reduction furnace 23.
  • the iron ore reduction furnace 20 is illustrated as including three reduction furnaces, but the present invention is not limited thereto, and the iron ore reduction furnace 20 may include a plurality of reduction furnaces.
  • the first reduction furnace 21 preheats the iron ore
  • the second reduction furnace 22 preliminarily reduces the preheated iron ore
  • the third reduction furnace 23 finally converts the reduced iron ore into reduced iron.
  • Iron ore reduction furnace 20 is provided with an iron ore supply line 27 for supplying iron ore to the iron ore reduction furnace (20). At this time, the iron ore supplied is made of natural ore supplied from the outside.
  • a reducing gas supply line 12 is connected between the molten gasifier 10 and the iron ore reduction furnace 20 to supply the high temperature reducing gas generated in the molten gasifier 10 to the iron ore reduction furnace 20. do.
  • the high temperature reducing gas supplied from the melt gasifier 10 is generated by combustion of air or oxygen, coal and pulverized coal, and is a gas generated after reducing or melting iron ore and includes carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, steam, and methane. do.
  • the iron ore in the iron ore reduction furnace 20 reacts with the reducing gas to contain a lot of oxygen (Fe2O3, Fe3O4) in the state containing less oxygen (FeOx And Fe).
  • X has a value between 0 and 1.
  • the reducing gas is converted into carbon dioxide and water vapor by a steam gas shift reaction (Water-Gas Shift Reaction). That is, a reducing gas containing carbon monoxide and hydrogen acts on the iron ore to remove oxygen and is converted into carbon dioxide and water vapor.
  • the reduced iron (FeOx, Fe) generated in the iron ore reduction furnace is supplied to the molten gasifier 10 through the reduced iron supply line 61.
  • Gas purification filter-type reduction furnace 30 is a device to charge the sintered ore and reduce the iron ore in the iron ore reduction furnace 20 to blow the process gas discharged to reduce the sintered ore. Between the iron ore reduction furnace 20 and the gas purification filter type reduction furnace 30, a process for injecting a process gas generated in the iron ore reduction furnace 20, mainly carbon monoxide and hydrogen as a gas purification filter reduction reactor (30) The gas supply line 62 is connected and installed.
  • the amount of process gas discharged from the iron ore reduction furnace 20 may be controlled through the amount of air or oxygen supplied to the melt gasifier 10 and the amount of coal and pulverized coal and the amount of iron ore introduced into the iron ore reduction furnace 20.
  • Carbon monoxide and hydrogen, the main components of the process gas, can be adjusted depending on coal and pulverized coal consumption.
  • the process gas supply line 62 is connected to the lower portion of the gas purification filter type reduction furnace 30, and the process gas is raised from the bottom of the gas purification filter type reduction furnace 30 to reduce the sintered ore. In addition, the sintered ore is introduced into the upper portion of the gas purification filter type reduction furnace (30).
  • the sintered oxide supply line for supplying the sintered oxide generated in the oxidative combustion furnace 40 to the gas purification filter type reduction furnace 30 ( 66 is connected to the upper portion of the gas purification filter reduction reactor (30).
  • carbon monoxide and hydrogen which are the main components of the process gas, come into contact with the sintered ore in the gas purification filter type reduction furnace 30 to remove oxygen from the sintered ore and are converted into carbon dioxide and steam and discharged. Accordingly, it is easy to separate carbon dioxide from the process gas, and the generated water can be converted into steam.
  • Process gas supplied to the gas purification filter-type reduction furnace 30 may be made at a high temperature of 500 °C or more, when the gas purification filter-type reduction furnace 30 is provided with a preliminary reduction furnace may be maintained at 300 ° C or more. .
  • the sintered ore charged in the gas purification filter type reduction furnace 30 supplies heat to the gas purification filter type reduction furnace 30 in a state in which a lot of high temperature oxygen is contained, and is in contact with a process gas to reduce the amount of oxygen. Is switched to.
  • the process gas rises up from the bottom of the gas purification filter type reduction furnace 30, and the dust moves down with the slowly descending sintered ore. Accordingly, dust may be separated from the public purification gas and discharged together with the sintered ore. At this time, the slower the flow rate of the rising process gas is improved the efficiency of removing dust from the process gas.
  • sintered ore is used as the oxygen donor particles in the medium circulation process, and the sintered ore is introduced into the upper portion of the gas purification filter type reduction furnace 30, so that dust contained in the process gas rising from the lower side is efficiently Can be removed.
  • the sintered ore is formed by sintering the natural iron ore at a high temperature, and the dust in the process gas may be removed by reacting with the sintered ore.
  • the sintered ore supplied to the upper portion of the gas purification filter type reduction furnace 30 is composed of Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 containing a large amount of oxygen, and has a temperature of 700 ° C. to 800 ° C. or more.
  • the sintered ore is supplied with heat to the gas purification filter-type reduction furnace 30, and reacted with carbon dioxide and hydrogen in the process gas is reduced, thereby converting to FeO or Fe state containing less oxygen.
  • the reaction temperature of the gas purifying filter type reduction furnace 30 is 600 ° C. to 700 ° C. or higher in consideration of the calorific value and the reducing property of the sintered ore introduced from the oxidative combustion furnace 40, and the higher the reaction temperature, the more advantageous.
  • the sintered ore may be composed of ore pulverized to 1mm ⁇ 10 mm after mixing the natural iron ore powder, limestone and coal and calcined to 900 °C ⁇ 1400 °C, or 1100 °C ⁇ 1400 °C heated, recrystallized or semi-melted state have.
  • the sintered ore is generally composed of ore containing 3 to 10% by weight of FeO, 50% or more by weight of the total Fe in the ore.
  • the components of the sintered ore pulverized may be variously set according to the process conditions, and the present invention is not limited thereto.
  • the sintered ore pulverized ore formed through pores through reduction, oxidation reaction may have a high mechanical strength, low degree of reduction, high reducibility.
  • the sintered ore may be circulated from Fe 2 O 3 to FeO or Fe in the gas purification filter reduction reactor 30 to improve reaction efficiency with carbon dioxide and hydrogen.
  • the sintered ore used in the present invention it is also possible to use a sintered ore obtained from a sintering machine applied for the molten iron manufacturing process.
  • a crushed particle having a particle size of 5 mm to 50 mm may be used in the blast furnace, and a smaller sintered ore may be used as the oxygen donor particles of the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the particle size of the sintered ore of the gas purification filter-type reduction furnace 30 may be 10 mm or less, and preferably, the particle size of the sintered ore may be 1 mm to 8 mm.
  • the sintered ore is used as the medium that is the oxygen donor particles, but the present invention is not limited thereto, and the medium may be formed in the form of plastic pellets.
  • calcined pellets include ultrafine iron ore having a particle size of 100 ⁇ m or less or 60 ⁇ m or less, bentonite as a binder, limestone, dolomite, olivine and the like as an additive material.
  • the calcined pellets are prepared in the form of spherical pellets having a size of about 3 mm to 8 mm by putting together ultrafine iron ore, a binder, and an additive material with water in a rotating drum.
  • the spherical pellets prepared as above are preheated to 800 ° C. to 900 ° C. and then fired at 1200 ° C. to 1400 ° C.
  • Calcined pellets have more pores than sintered ore and typically contain at least 50%, suitably at least 60%, of total Fe.
  • the calcined pellets can be as hard as sintered ores and have high reducibility and low degree of reduction.
  • the pellets are better than the sintered ore in terms of pore development.
  • the pellets between 8mm ⁇ 20mm are mainly used in the blast furnace process, and only small size pellets of 2mm ⁇ 8mm can be used as oxygen donor particles.
  • CaO or CaCO 3 may be added as an additive to the iron ore reduction furnace 20 or the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the gas purification filter type reduction reactor 30 may be in the form of a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, or a moving bed reactor, but the fluidized bed reactor or in terms of convenience of periodic replacement of oxygen donor particles and prevention of inertness by carbon deposition. It is preferably made in the form of a moving bed reactor.
  • the injected process gas may be mixed with the sintered ore in the reactor to have a uniform temperature distribution.
  • the process gas may be oxidized and discharged to the upper portion of the gas purification filter type reduction furnace 30, and the sintered ore may be discharged to the lower portion of the gas purification filter type reduction furnace 30 together with the dust in the process gas.
  • a plurality of fluidized bed reactors are connected in series, thereby facilitating complete oxidation of the process gas and improving dust removal efficiency.
  • process gas is introduced from the top or side of the reactor, and the injected process gas is completely oxidized by continuous contact with a large amount of slowly descending sintered ore. Can be.
  • the falling sintered ore can be discharged by filtering the dust in the process gas together with the reduction.
  • the gas purification filter type reduction furnace 30 includes a first reduced sintered ore supply line 64 for supplying a part of the reduced sintered ore discharged to the molten gasifier 10 and a fine dust removal device 45 for the remainder of the reduced sintered ore. ) Is provided with a second reduced sintered light supply line (65).
  • the remainder of the reduced sintered ore was generated from carbon monoxide and oxygen in the gas purification filter-type reduction furnace 30, and the sintered ore of FeO or Fe discharged and the dust separated from the process gas, and repeated media circulating oxidation and reduction reactions. It contains the differentiation ore of sintered ore.
  • the sintered ore supplied to the fine dust removing device 45 is mixed with the sintered ore supplied from the outside to promote the activity and is introduced into the oxidizing combustion furnace 40.
  • the exhaust gas discharge pipe 63 is connected to and installed in the gas purification filter reduction reactor 30.
  • the exhaust gas generated in the gas purification filter reduction reactor 30 is discharged through the exhaust gas discharge pipe 63.
  • a heat exchanger may be connected to the exhaust gas discharge pipe 63, and the heat exchanger exchanges the exhaust gas discharged from the gas purification filter-type reduction furnace to convert water vapor in the exhaust gas into water to separate carbon dioxide and produce hot steam.
  • the separated carbon dioxide may be stored or treated underground or used separately.
  • the exhaust gas discharge pipe 63 is connected to the generator 50, the generator includes a steam turbine for producing electricity from the steam generated by the heat exchanger.
  • the fine dust removal device 45 is a device for removing dust from the reduced sintered ore discharged from the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the fine dust removing device 45 is connected to the second reduced sintered light supply line 65 and includes a vibrating screen device for removing fine dust.
  • the fine dust removal device 45 may be installed before the vibration screen device may include a pre-dust removal unit for removing a portion of the fine dust by blowing air or nitrogen.
  • the fine dust removal device 45 may include a magnetic dust removal unit, the magnetic dust removal unit to remove the deactivated oxygen donor particles and dust by applying a magnetic field to the reduced sintered ore.
  • the deactivated oxygen donor particles and dust have magnetism, and the magnet dust removal unit can remove the oxygen donor particles and dust by pulling them. Oxygen donor particles and dust removed by the magnet dust removal unit may be circulated to the melt gasifier.
  • the second reduced sintered ore supply line 65 is connected to a sintered ore supply line 68 for supplying fresh (new) sintered ore to the sintered ore discharged from the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the sintered ore supply line 68 additionally supplies new sintered ore to supplement the amount of reduced sintered ore supplied to the melt gasifier 10 and to promote activity.
  • the second reduced sintered light supply line 65 is connected to the lower portion of the oxidizing combustion furnace 40, and an air supply line 69 for supplying air is connected to the lower portion of the oxidizing combustion furnace 40.
  • the oxidizing combustion furnace 40 is an apparatus for oxidizing the sintered ore by burning the reduced sintered ore from which dust is removed with the air supplied.
  • the oxidative combustion furnace 40 generates heat by combustion, and converts the reduced sintered ore into an oxidized sintered ore containing much oxygen.
  • Oxygen-deficient sintered ore is supplied with oxygen in the air and oxidized while supplying heat to the reactor or transferring heat to the sintered or air and converted to oxidized sintered ore containing a lot of high temperature oxygen gas purification filter type reduction furnace 30 Recycled.
  • the sintered ore supply line 66 for supplying the sintered ore oxidized in the oxidative combustion furnace 40 to the gas purification filter type reduction furnace 30 is provided. This is installed.
  • the compressed air having a high pressure is introduced through the air supply line 69, the compressed air can be supplied at a normal temperature, and after heat exchange with the sintered ore discharged from the gas purification filter type reduction furnace 30, It can be introduced into the oxidizing combustion furnace 40 in the state of.
  • the introduced air is supplied with oxygen for combustion to the sintered ore, and then discharged in an oxygen deficient state.
  • the temperature of the discharged air is made of 700 °C ⁇ 1200 °C.
  • the air flow rate is adjusted to be larger than the flow rate of the sintered ore.
  • the oxidizing combustion furnace 40 may be formed of a riser reactor, and the riser reactor has an outlet at the bottom thereof, and thus, a sintered ore having a particle size of 10 mm or 15 mm or more may be removed from the bottom of the riser.
  • a cyclone (cyclone) is installed on the upper portion of the riser, thereby ensuring a large space can be easily separated from the sintered oxide oxidized light from the air.
  • the oxidizing combustion furnace 40 may include a plurality of reactors connected in parallel, and the reactor pressure may be maintained at 30 bar at room temperature for efficient power production. At this time, the pressure is controlled by the injected compressed air.
  • the oxidizing combustion furnace 40 is provided with an exhaust gas supply line 42 for transmitting high temperature air to the generator, and the exhaust gas supply line 42 is installed between the oxidizing combustion furnace 40 and the generator 50 to oxidize combustion.
  • the hot exhaust gas generated in the furnace 40 is delivered to the generator.
  • the generator 50 may be formed of a gas turbine as a device that generates electric power by using hot air supplied through the exhaust gas supply line 42.
  • the generator 50 may be formed of a combined power generation system including a gas turbine and a steam turbine.
  • the gas turbine produces electricity from oxygen-deficient air discharged after supplying oxygen for combustion to the new sintered or reduced sintered ore in the oxidizing combustion furnace 40, and the steam turbine heat-exchanges the oxygen-deficient air to steam To produce electricity using the steam produced.
  • the pressure of the air expands the volume, the pressure is very high, thereby driving the turbine with a strong force to improve the power generation efficiency have.
  • the apparatus for manufacturing molten iron 101 can not only easily separate carbon dioxide generated in the molten iron manufacturing process by using medium circulation through iron ore, but also uses hot air generated in this process. Power by rotating the turbine.
  • the method for manufacturing molten iron comprises the steps of preparing iron ore by charging iron ore into the reduction furnace 20 and reducing gas, and charging molten iron discharged from the reduction furnace 20 by charging coal and reducing iron and reducing furnace. Preparing a reducing gas blown into (20), charging the sintered ore pellets into the gas purification filter-type reduction furnace 30, and blowing the process gas discharged from the reduction furnace 20 to reduce the sintered ore pellets; And removing dust from the reduced sintered ore pellets and charging the sintered ore pellets from which dust has been removed into an oxidizing furnace and combusting with air.
  • a part of the sintered ore or pellets discharged after being reduced in the gas purification filter type reduction furnace 30 is charged into the molten gasifier 10.
  • the molten iron manufacturing method according to the present embodiment is a step of producing electricity by heat-exchanging the exhaust gas discharged from the gas purification filter-type reduction furnace 30 to condense the water vapor into water to separate the carbon dioxide, and rotate the steam turbine with the generated steam It further includes.
  • the molten iron manufacturing method according to the present embodiment further includes the step of producing electricity by rotating the gas turbine using oxygen-deficient air discharged after burning the sintered or calcined pellets in the oxidizing combustion furnace (40).
  • FIG. 3 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • the apparatus for manufacturing molten iron 102 according to the second exemplary embodiment of the present invention includes the first method except that the carbon dioxide removal device 70 is installed in the gas purification filter type reduction furnace 30. Since it is made of the same structure as the apparatus for manufacturing molten iron according to the embodiment, duplicate description of the same structure is omitted.
  • a carbon dioxide removal device 70 is connected to the exhaust gas discharge pipe 63 of the gas purification filter reduction reactor 30, and the carbon dioxide removal device 70 removes carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the gas purification filter reduction reactor. Device.
  • the carbon dioxide removal apparatus 70 absorbs carbon dioxide by a method such as carbon dioxide adsorption, carbon dioxide absorption using amine or ammonia, and carbon dioxide absorption by stripping.
  • the carbon dioxide removal device 70 may include a water-gas shift reactor and a hydrogen pressure swing adsorption.
  • the high concentration carbon dioxide-containing gas absorbed by the carbon dioxide removal device 70 may be stored, processed or reused underground.
  • the carbon dioxide removal unit 70 is provided with a recycle gas supply line 72 for re-injecting the gas purification filter type reduction furnace exhaust gas from which carbon dioxide has been removed to the gas purification filter type reduction furnace 30, and supplies the recycle gas.
  • the line 72 removes carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the gas purification filter reduction reactor 30 and supplies the exhaust gas having the remaining reducing power to the gas purification filter reduction reactor 30 again.
  • the gas purification filter type reduction furnace in which carbon dioxide is removed is mixed with the process gas supplied from the iron ore reduction furnace 20 and supplied to the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • the flue-gas mixture is mixed, the fraction of carbon monoxide and hydrogen is improved to improve the power production efficiency.
  • a condenser 71 may be further disposed between the gas purification filter reduction reactor 30 and the carbon dioxide removal device 70 to remove water contained in the exhaust gas.
  • the condenser 71 is connected to the exhaust gas discharge pipe 63 to separate the water contained in the exhaust gas.
  • the separated water is supplied to the generator 50 through a water discharge pipe 74 connected to the condenser 71 and the generator 50 and used for the production of steam.
  • the exhaust gas discharged from the gas purification filter type reduction furnace 30 is passed through the carbon dioxide removal device 70 to produce carbon dioxide. Removing and reblowing the exhaust gas from which carbon dioxide has been removed to the gas purification filter type reduction furnace 30.
  • Figure 4 is a block diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • the molten iron manufacturing apparatus 103 is a gas purification device 81 and the second reduced sintered ore supply line 65 is connected to the process gas supply line 62 Except for the heat exchanger 82 installed in the connection, since the same structure as the apparatus for manufacturing molten iron according to the second embodiment is repeated, duplicate description of the same structure will be omitted.
  • the process gas supply line 62 supplies the process gas from the iron ore reduction furnace 20 to the gas purification filter type reduction furnace 30, and the gas purification apparatus 81 removes dust and the like contained in the process gas.
  • the gas purification device 81 is installed at the front end of the gas purification filter type reduction furnace 30 to remove dust from the process gas discharged from the iron ore reduction furnace 20.
  • the gas purification device 81 may be made of a dry dust collector such as a cyclone, a ceramic candle filter, a metal filter, or a wet dust collector such as a scrubber.
  • a dry dust collector such as a cyclone, a ceramic candle filter, a metal filter, or a wet dust collector such as a scrubber.
  • the gas purification device 81 is formed of a wet dust collecting device, after the heat recovery, the gas purification device 81 is configured to supply heat to the process gas at the rear end of the wet dust collecting device.
  • the heat exchanger 82 is installed between the gas purification filter type reduction furnace 30 and the fine dust removal device 45 in the second reduced sintered ore supply line 65, and the oxidizing combustion furnace 40 is provided in the heat exchanger 82.
  • Air supply line 69 for supplying air to the connection is installed.
  • the heat exchanger 82 is installed at the front end of the oxidizing furnace 40 to induce heat exchange between the high temperature sintered ore and air to heat the air, and the heated air is supplied to the oxidizing furnace 40 by the air supply line 69. Supplied.
  • the heat exchanger 82 When the heat exchanger 82 is installed as described above, by supplying high-pressure compressed air to the oxidative combustion furnace 40, the pressure and temperature of the hot air discharged from the oxidative combustion furnace 40 may be increased to improve power generation efficiency.
  • the molten iron manufacturing method according to the present embodiment removes dust by passing the process gas discharged from the iron ore reduction furnace 20 through the gas purification device 81 in addition to the molten iron manufacturing method according to the second embodiment. And heat exchange to heat the air supplied to the oxidizing combustion furnace 40.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 용철제조장치는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로와, 소결광을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소결광을 환원시키는 가스정제 필터형 환원로와, 상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원되어 배출되는 환원된 소결광으로부터 분진을 제거하기 위한 미세분진 제거장치, 및 분진이 제거된 환원된 소결광을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원된 소결광을 산화시키는 산화 연소로를 포함한다.

Description

용철제조장치 및 용철제조방법
본 발명은 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 매체순환공정을 이용하여 배가스를 처리하는 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것이다.
전력생산은 대부분 화석연료에 의존하는 것으로 특히, 석탄을 연소하여 발생한 열을 이용한 발전은 19세기 말 영국의 파슨스에 의해 발명된 현대적인 스팀터빈과 함께 시작 되었다.
스팀터빈은 석탄, 공기, 또는 스팀을 보일러 반응기내에서 연소함으로써 열을 발생시키고 열을 스팀으로 회수하여 전력을 생산한다. 그러나 스팀터빈은 전력생산방식의 대부분을 차지함에도 불구하고 효율이 낮아서 석탄가스화에 의해 재(ash) 등 오염물질을 제거한 고온의 정제 가스를 가스터빈과 스팀터빈을 순차적으로 활용한 복합발전으로 개발되었다.
이때 보다 높은 열효율과 하부공정 장치의 장기적 사용을 위해 가스터빈을 통과하는 가스는 재(ash) 및 유해물질을 포함하지 않는 1100℃ 이상의 고온 상태를 요구하게 된다. 이러한 석탄가스화에 의한 발전은 여전히 전력생산 시 발생되는 이산화탄소 배출 감소를 위해 이산화탄소 포집장치 또는 공기로부터 산소분리장치를 필요로 하게 된다.
최근에 이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로 매체순환연소공정(Chemical Looping Combustion Process)이 개발되고 있다. 특히, 문헌(미국특허 US6572761, USS7404942, US7767191, US2010/0050654)은 석탄 또는 바이오 매스(biomass) 등 고체연료를 직접 사용하여 이산화탄소 분리 또는 수소생산을 통하여 전력생산을 효율화하는 방법을 제시하였다.
매체순환공정은 1950년대 초 순수한 이산화탄소를 얻기 위한 방법으로 발명(미국특허: US2665971)된 것으로 이산화탄소에 질소가스를 포함하지 않으면서도 공정에서의 열 소모를 줄이기 위해 고안되었다.
매체순환 공정은 두 개의 반응기를 순환하는 고체산화물의 산소공여입자를 이용하는 것으로, 환원반응기에서는 화석연료가 고체산화물에서 산소를 공급받아 완전 산화반응하며 이에 의해 순수한 이산화탄소가 생성된다. 또한, 산화반응기에서는 산소가 결핍된 순환하는 고체산화물이 공기부터 산소를 공급받아 산화되며, 환원반응기로 되돌아가서 열을 공급하는 역할을 수행한다.
이때 고체산화물인 산소공여입자는 지지체를 가지는 니켈(Ni), 철(Fe) 계열 등의 금속입자로 이루어지는데 저비용으로 이용이 가능한 철(Fe) 계열의 금속산화물을 선호된다. 이는 반복적인 산화, 환원 반응을 거치면서 순환하는 산소공여입자가 불순물에 의해 활성이 떨어져 주기적으로 교체해야 하기 때문이다.
이러한 매체순환공정은 산소공여입자를 매개체로 환원반응기에서 메탄가스를 개질하여 질소가스를 포함하지 않는 순수한 이산화탄소를 생성하고 산화반응기에서 수분을 함유한 공기를 투입하여 생성된 고온의 정제 가스로 전력을 생성하는 매체순환연소공정((Chemical Looping Combustion Process)으로 발전되어 졌다(미국특허: 5447024).
이때 생성된 이산화탄소는 지하로의 수송 및 저장을 위해 고압의 오염물질이 없는 고농축 이산화탄소를 선호한다. 따라서, 매체순환연소공정에 의한 발전은 공정 중 산소분리장치가 필요 없고, 자연스러운 배출가스분리가 이루어진다.
본 발명의 목적은 용철 생산과정에서 발생된 배가스로부터 이산화탄소를 효율적으로 제거하고, 전력을 생산하며 공정에서 발생된 분진을 제거할 수 있는 용철제조장치 및 용철제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 용철제조장치는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로와, 소결광을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소결광을 환원시키는 가스정제 필터형 환원로와, 상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원되어 배출되는 환원된 소결광으로부터 분진을 제거하기 위한 미세분진 제거장치, 및 분진이 제거된 환원된 소결광을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원된 소결광을 산화시키는 산화 연소로를 포함한다.
상기 산화 연소로는 산화된 소결광을 상기 가스정제 필터형 환원로로 공급하기 위한 산화소결광 공급라인이 설치될 수 있다.
상기 가스정제 필터형 환원로는 배출되는 환원된 소결광의 일부를 상기 용융가스화로에 공급하는 제 1 환원소결광 공급라인과 환원된 소결광의 나머지를 상기 미세분진 제거장치로 공급하는 제2 환원소결광 공급라인이 설치될 수 있다.
상기 소결광은 자연상태의 철광석 분말, 석회석 및 석탄을 혼합하고 900℃~1,400℃ 범위에서 가열, 재결정 또는 반용융상태까지 소성한 후 1mm~10mm로 분쇄한 광석으로 이루어질 수 있다.
상기 환원된 소결광의 나머지는 상기 가스정제 필터형 환원로에서 일산화탄소, 수소에 산소를 제공하고 배출된 FeO 또는 Fe의 소결광, 상기 공정가스로부터 분리된 분진 및 반복적인 매체순환식 산화, 환원반응에서 발생한 소결광의 분화광석을 포함할 수 있다.
상기 산화 연소로에는 상기 용융가스화로에 공급된 환원된 소결광의 양을 보충하고 활성을 촉진하기 위하여 새로운 소결광이 추가적으로 공급될 수 있다.
상기 용철생산장치는 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 배가스내 수증기는 물로 전환시켜 이산화탄소를 분리하고 고온의 스팀을 생산하기 위한 열교환장치, 및 상기 열교환장치에 의해 생성된 스팀으로부터 전기를 생산하기 위한 스팀터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 산화 연소로에서 환원된 소결광이 공기중 산소와 연소됨으로써 발생한 열량은 상기 새로운 소결광, 공기 및 상기 미세분진 제거장치로부터 공급되는 환원된 소결광에 열량을 공급할 수 있다.
상기 용철생산장치는 상기 산화 연소로에서 새로운 소결광 및 환원된 소결광에 연소를 위한 산소를 공급한 후 배출되는 산소가 결핍된 공기로부터 전기를 생산하기 위한 가스터빈 또는 상기 산소가 결핍된 공기를 열교환시켜 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 스팀터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 용철생산장치는 상기 가스정제 필터형 환원로에 연결되어 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 제거장치를 더 포함할 수 있다.
상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스는 열교환에 의해 스팀을 생산하고 생산된 스팀으로 스팀터빈을 돌려 전기를 발생시키고, 물을 제거한 후 상기 이산화탄소 제거장치에 공급될 수 있다.
상기 이산화탄소 제거장치는 이산화탄소가 제거된 가스정제 필터형 환원로 배가스를 상기 가스정제 필터형 환원로에 재취입하기 위한 재순환 가스 공급라인이 설치될 수 있다.
상기 이산화탄소 제거장치는 수증기-가스 개질반응기(water-gas shift reactor) 및 수소 압력스윙흡착기(pressure swing adsorption)를 포함할 수 있다.
상기 철광석 환원로에서 배출되는 공정가스로부터 분진을 제거하기 위한 가스정제장치가 상기 가스정제 필터형 환원로의 전단에 설치될 수 있다.
상기 가스정제장치는 싸이클론, 세라믹 캔들 필터, 메탈 필터 및 스크러버에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 산화 연소로는 취입되는 공기를 가열하기 위한 열교환장치가 상기 산화 연소로 전단에 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 용철제조장치는 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로와, 석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로와, 소성 펠렛을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소성 펠렛을 환원시키는 가스정제 필터형 환원로와, 상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원되어 배출되는 환원된 소성 펠렛으로부터 분진을 제거하기 위한 미세분진 제거장치, 및 분진이 제거된 환원된 소성 펠렛을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원된 소성 펠렛을 산화시키는 산화 연소로를 포함한다.
상기 소성 펠렛은 입도 100㎛ 이하의 극미분 철광석, 벤토나이트, 석회석, 백운암, 감람석을 회전식 드럼내에 물과 함께 투입하여 3mm~8mm 크기의 구형펠렛으로 만든 후 800℃~900℃에서 예비가열한 후, 1,200℃~1,400℃ 에서 소성하여 형성될 수 있다.
상기 철광석 환원로 또는 가스정제 필터형 환원로에는 첨가제로 CaO 또는 CaCO3가 투입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 용철제조방법은 환원로에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계와, 석탄을 충진하고 상기 환원로에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 환원로에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계와, 가스정제 필터형 환원로에 소결광 또는 소성 펠렛을 장입하고 상기 환원로에서 배출되는 공정가스를 취입하여 상기 소결광 또는 소성 펠렛을 환원시키는 단계와, 상기 환원된 소결광 또는 소성 펠렛으로부터 분진을 제거하는 단계, 및 산화 연소로에 상기 분진이 제거된 소결광 또는 소성 펠렛을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계를 포함하며, 상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원된 후 배출되는 소결광 또는 소성 펠렛의 일부는 상기 용융가스화로에 장입된다.
상기 용철제조방법은 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 수증기를 물로 응축시켜 이산화탄소를 분리하고, 생성된 스팀으로 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용철제조방법은 상기 산화 연소로에서 소결광 또는 소성 펠렛을 연소시킨 후 배출되는 산소가 결핍된 공기를 이용하여 가스터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용철제조방법은 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 이산화탄소 제거장치에 통과시켜 이산화탄소를 제거하고, 이산화탄소가 제거된 배가스를 상기 가스정제 필터형 환원로에 재취입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용철제조방법은 상기 철광석 환원로에서 배출되는 공정가스를 가스정제장치에 통과시켜 분진을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용철제조방법은 상기 산화 연소로에 공급되는 공기를 가열하기 위하여 열교환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 용철 생산과정에서 발생된 배기가스에 포함된 이산화탄소를 용이하게 제거할 수 있으며, 공정과정에서 발생된 고온가스를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 가스정제 필터형 환원로를 구비하므로 공정에서 발생된 분진 및 미세오염물질을 효율적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 석탄비와 일산화탄소 및 수소의 양에 따른 용철 생산량과 전력 생산량을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 용철제조장치(101)는 용융가스화로(10), 철광석 환원로(20), 가스정제 필터형 환원로(30), 미세분진 제거장치(45), 및 산화 연소로(40)를 포함한다.
용융가스화로(10)는 석탄을 충진하고 철광석 환원로(20)에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 철광석 환원로(20)에 제공할 환원가스를 생산하는 장치이다. 용융가스화로(10)에는 산소 공급라인(14), 미분탄 공급라인(13), 환원철 공급라인(61), 및 석탄 공급라인(15)이 연결 설치된다.
산소 공급라인(14)을 통해서 공기 또는 산소가 용융가스화로(10)로 취입되며, 미분탄 공급라인(13)을 통해서 미분탄이 용융가스화로(10)로 충진된다. 또한, 석탄 공급라인(15)을 통해서 석탄이 용융가스화로(10)로 충진되고, 환원철 공급라인(61)은 용융가스화로(10)와 철광석 환원로(20) 사이에 배치되어 철광석 환원로(20)에서 생성된 환원철을 용융가스화로(10)에 장입한다.
또한, 용융가스화로(10)에는 가스정제 필터형 환원로(30)와 연결된 제1 환원소결광 공급라인(64)이 설치되는 바, 제1 환원소결광 공급라인(64)을 통해서 가스정제 필터형 환원로(30)에서 생성된 산소가 결핍된 소결광이 용융가스화로(10)로 공급된다.
이에 따라 용융가스화로(10)에서 사용되는 환원철은 철광석 환원로(20)에서 공급된 환원된 철과 가스정제 필터형 환원로(30)에서 공급된 환원소결광으로 이루어진다. 이때, 환원소결광은 환원된 소결광 또는 환원된 소성 펠렛으로 이루어진다.
용융가스화로(10)는 석탄 및 미분의 연소에 의하여 높은 열을 발생시키며, 이와 함께 용융가스화로(10) 내에서 환원가스가 생성된다. 환원가스는 1400℃ ~ 1600℃의 높은 열을 갖고, 일산화탄소와 수소를 주성분으로 한다.
높은 열을 갖는 환원가스는 용융가스화로(10) 내에 열량을 공급하고 환원철에 작용하여 산소를 제거하는 환원과 용융을 통하여 환원철을 용철과 기타물질의 슬래그로 분리한다. 용융가스화로(10)에는 용철과 슬래그의 배출을 위해서 용철 배출라인(16)이 설치된다.
석탄은 사전처리 과정을 거쳐 코크스, 또는 석탄 덩어리로 공급될 수 있으며, 공기가 용융가스화로(10)로 취입될 수 있으나, 이산화탄소 저감을 위해서 공정가스로부터 이산화탄소 분리를 용이하게 하기 위해서 산소가 용융가스화로(10)에 취입될 수 있다.
철광석 환원로(20)는 철광석을 장입하고 용융가스화로(10)에서 공급되는 고온의 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 장치이다. 철광석 환원로(20)는 제1 환원로(21), 제2 환원로(22), 및 제3 환원로(23)를 포함한다. 본 실시예에서는 철광석 환원로(20)는 3개의 환원로를 포함하는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 철광석 환원로(20)는 복수개의 환원로를 포함하면 충분하다. 제1 환원로(21)는 철광석을 예열하고, 제2 환원로(22)는 예열한 철광석을 예비 환원하며, 제3 환원로(23)는 예비 환원한 철광석을 최종 환원하여 환원철로 변환한다.
철광석 환원로(20)에는 철광석 환원로(20)에 철광석을 공급하는 철광석 공급라인(27)이 설치된다. 이때 공급되는 철광석은 외부에서 공급되는 자연 상태의 광석으로 이루어진다.
또한, 용융가스화로(10)와 철광석 환원로(20) 사이에는 용융가스화로(10)에서 생성된 고온의 환원가스를 철광석 환원로(20)로 공급하는 환원가스 공급라인(12)이 연결 설치된다.
용융가스화로(10)로부터 공급되는 고온의 환원가스는 공기 또는 산소와 석탄, 미분탄의 연소에 의해 생성되며, 철광석을 환원, 용융한 후 발생된 가스로서 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 수증기 및 메탄을 포함한다.
아래의 [반응식 1], 및 [반응식 2]에 나타난 바와 같이 철광석 환원로(20)에서 철광석은 환원가스와 반응하여 산소를 많이 포함하는 상태(Fe2O3, Fe3O4)에서 산소를 적게 포함하는 상태(FeOx, Fe)인 환원철로 전환된다. 여기서 X는 0~1 사이의 값을 갖는다. 또한, [반응식 3]에 나타난 바와 같이 환원가스는 스팀 기체 전이 반응(Water-Gas Shift Reaction)에 의하여 이산화탄소와 수증기로 전환된다. 즉, 일산화탄소와 수소를 포함하는 환원가스는 철광석에 작용하여 산소를 제거하고 이산화탄소와 수증기로 전환된다.
[반응식 1]
1/3 Fe2O3 + CO/H2 ----> 2/3 Fe + CO2/H2O
[반응식 2]
1/4 Fe3O4 + CO/H2 ----> 3/4 Fe + CO2/H2O
[반응식 3]
CO + H2O ----> CO2 + H2
상기한 바와 같이 철광석 환원로에서 생성된 환원철(FeOx, Fe)은 환원철 공급라인(61)을 통해서 용융가스화로(10)로 공급된다.
가스정제 필터형 환원로(30)는 소결광을 장입하고 철광석 환원로(20)에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소결광을 환원시키는 장치이다. 철광석 환원로(20)와 가스정제 필터형 환원로(30) 사이에는 철광석 환원로(20)에서 생성되며 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 공정가스를 가스정제 필터형 환원로(30)로 취입하는 공정가스 공급라인(62)이 연결 설치된다.
철광석 환원로(20)로부터 배출되는 공정가스의 양은 용융가스화로(10)로 공급되는 공기 또는 산소와 석탄, 미분탄의 양과 철광석 환원로(20)로 투입되는 철광석량을 통해서 조절될 수 있다. 공정가스의 주성분인 일산화탄소와 수소는 석탄 및 미분탄 소비량에 의존하여 조절될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 석탄비가 낮고, 일산화탄소와 수소의 양이 적을수록 용철 생산이 유리하고, 석탄비가 높고 일산화탄소와 수소의 양이 많을수록 전력 생산이 유리하다.
예로서 공정가스 중, 일산화탄소와 수소의 비중이 30중량% 이하일 경우 전력생산량보다는 용철 생산량을 증가시키며, 일산화탄소와 수소의 비중이 60중량% 이상일 경우 용철 생산량보다는 전력생산량을 증가시킨다. 이는 석탄비가 높고 일산화탄소와 수소의 양이 많은 경우에는 공정 가스의 양이 상대적으로 커지므로 전력 생산 효율이 증가하기 때문이다.
공정가스 공급라인(62)은 가스정제 필터형 환원로(30)의 하부에 연결되며, 공정가스는 가스정제 필터형 환원로(30)의 아래로부터 위로 상승하면서 소결광을 환원시킨다. 또한, 소결광은 가스정제 필터형 환원로(30)의 상부로 투입된다.
한편, 가스정제 필터형 환원로(30)와 산화 연소로(40)와 사이에는 산화 연소로(40)에서 생성된 산화소결광을 가스정제 필터형 환원로(30)로 공급하는 산화소결광 공급라인(66)이 가스정제 필터형 환원로(30)의 상부에 연결 설치된다.
이때, 공정가스의 주성분인 일산화탄소와 수소는 가스정제 필터형 환원로(30)내에서 소결광과 접촉하여 소결광의 산소를 제거하고 이산화탄소와 스팀으로 전환되어 배출된다. 이에 따라 공정가스에서 이산화탄소의 분리가 용이하고, 생성된 물은 스팀으로 전환이 가능하게 된다.
가스정제 필터형 환원로(30)로 공급되는 공정가스는 500℃ 이상의 고온으로 이루어질 수 있으며, 가스정제 필터형 환원로(30)가 예비 환원로를 구비하는 경우에는 300℃ 이상으로 유지될 수 있다. 가스정제 필터형 환원로(30)에 장입되는 소결광은 고온의 산소가 많이 포함된 상태로 가스정제 필터형 환원로(30)에 열량을 공급하고 공정가스와 접촉, 환원되어 산소가 적게 포함된 상태로 전환된다.
공정가스는 가스정제 필터형 환원로(30)의 아래에서 위로 상승하고, 분진은 천천히 하강하는 소결광과 함께 아래로 이동한다. 이에 따라 분진이 공공정가스부터 분리되어 소결광과 함께 배출될 수 있다. 이때, 상승하는 공정가스의 유속이 느릴수록 공정가스에서 분진을 제거하는 효율이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 실시예에서는 매체순환공정의 산소공여입자로서 소결광을 사용하고, 소결광을 가스정제 필터형 환원로(30)의 상부로 투입함으로써 하부에서 상승하는 공정가스에 포함된 분진을 효율적으로 제거할 수 있다.
소결광은 자연상태 철광석이 고온에서 소성하여 분쇄되어 형성되며, 공정가스 중의 분진은 소결광과 반응하여 제거될 수도 있다. 가스정제 필터형 환원로(30)의 상부로 공급되는 소결광은 산소를 많이 포함하는 Fe2O3 또는 Fe3O4로 이루어지며, 700℃ 내지 800℃ 이상의 온도를 갖는다. 이러한 소결광은 가스정제 필터형 환원로(30)에 열을 공급하고, 공정가스 중의 이산화탄소 및 수소와 반응하여 환원되며, 이에 따라 산소가 적게 포함된 FeO 또는 Fe 상태로 전환된다.
가스정제 필터형 환원로(30)의 반응 온도는 산화 연소로(40)로부터 투입되는 소결광의 열량 및 환원성을 고려하여 600℃ 내지 700℃ 이상이 되며, 반응온도가 높을수록 유리하다.
여기서 소결광은 자연상태 철광석 분말, 석회석 및 석탄을 혼합하고 900℃~1400℃, 또는 1100℃~1400℃로 가열, 재결정 또는 반용융상태까지 소성한 후, 1mm~10 mm로 분쇄한 광석으로 이루어질 수 있다.
분쇄된 소결광은 일반적으로 FeO를 3~10중량%, 광석 중 전체 Fe를 50중량%이상 함유한 광석으로 이루어질 수 있다. 다만 분쇄된 소결광의 성분은 공정 조건에 따라 다양하게 설정될 수 있으며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 분쇄된 소결광은 환원, 산화반응을 거쳐 기공을 형성한 광석으로 높은 기계적 강도, 낮은 환원분화도, 높은 환원성을 가질 수 있다. 이러한 소결광은 가스정제 필터형 환원로(30)에서 Fe2O3 상태에서 FeO, 또는 Fe상태까지 순환하여 이산화탄소 및 수소와의 반응효율을 향상시킬 수 있다.
소결광의 크기는 작을수록 공정가스 중의 분진제거 효율은 증가된다. 본 발명에서 사용되는 소결광은 용철제조공정을 위해 적용되는 소결기로부터 얻어지는 소결광을 사용하는 것도 가능하다. 소결기로부터 얻어진 소결광 중에서 분쇄되어 입도가 5mm~50mm인 것은 고로에 사용되고 이보다 작은 소결광을 가스정제 필터형 환원로(30)의 산소공여입자로 사용될 수 있다. 가스정제 필터형 환원로(30)의 소결광의 입도는 10mm 이하로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 소결광의 입도는 1mm~8mm로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 산소공여입자인 매체로서 소결광이 사용된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 매체는 소성 펠렛(pellet) 형태로 이루어질 수 있다.
매체가 소성 펠렛으로 이루어지는 경우, 소성 펠렛은 입도 100㎛ 이하, 또는 60㎛ 이하의 극미분철광석과, 바인더로써 벤토나이트와, 첨가 물질로 석회석, 백운암, 감람석 등을 포함한다. 또한, 소성 펠렛은 극미분철광석과 바인더와 첨가 물질을 회전하는 드럼속에 물과 함께 투입하여 3mm ~ 8mm 정도 크기의 구형 펠렛 형태로 제조된다. 상기와 같이 제조된 구형 펠렛은 800℃~900℃로 예비 가열된 후, 1200℃~1400℃에서 소성하여 제조된다.
소성 펠렛은 소결광보다 더 많은 기공을 갖고, 전형적으로 전체 Fe을 50%이상, 적절하게는 60%이상 함유하게 된다. 소성 펠렛은 소결광처럼 단단함과 높은 환원성, 낮은 환원분화도를 가지는 것이 가능하다. 또한, 펠렛의 구성 성분 중에 미세 석탄분말을 함유하여 펠렛을 형성하고 소성 할 경우 소성 펠렛은 기공 발달 측면에서 소결광에 비하여 더 우수하다.
용철생산을 위해 만들어진 2mm~20mm의 펠렛 중에서 8mm~20mm사이의 펠렛은 주로 고로공정에서 사용되고, 2mm~8mm의 작은 크기 펠렛만 선택하여 산소공여입자로 사용될 수 있다.
매체로서 소성 펠렛을 사용하는 경우, 철광석 환원로(20) 또는 가스정제 필터형 환원로(30)에는 첨가제로 CaO 또는 CaCO3가 투입될 수 있다.
가스정제 필터형 환원로(30)는 고정층 반응기, 유동층 반응기, 무빙베드(moving bed) 반응기 형태로 이루어질 수 있으나, 산소공여입자의 주기적인 교체 편리성 및 카본침적에 의한 비활성 방지 측면에서 유동층 반응기 또는 무빙베드(moving bed) 반응기 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
가스정제 필터형 환원로(30)가 유동층 형태로 이루어질 경우, 투입된 공정가스가 반응기 내의 소결광과 혼합되어 균일한 온도분포를 가질 수 있다. 또한, 공정가스는 산화되어 가스정제 필터형 환원로(30)의 상부로 배출되고 소결광은 환원되면서 공정가스내의 분진과 함께 가스정제 필터형 환원로(30)의 하부로 배출될 수 있다. 유동층 반응기는 복수 개가 직렬로 연결되는 바, 이에 의하면 공정가스의 완전산화가 용이하며, 분진제거 효율이 향상된다.
가스정제 필터형 환원로(30)가 무빙베드(moving bed) 반응기 형태로 이루어질 경우, 반응기 윗부분 또는 측면으로부터 공정가스가 투입되며, 투입된 공정가스는 천천히 하강하는 다량의 소결광과 지속적인 접촉에 의해 완전 산화될 수 있다. 또한, 이때 하강하는 소결광은 환원되면서 공정가스 내의 분진을 함께 필터링하여 배출될 수 있다.
가스정제 필터형 환원로(30)에는 배출되는 환원된 소결광의 일부를 용융가스화로(10)에 공급하는 제1 환원소결광 공급라인(64)과, 환원된 소결광의 나머지를 미세분진 제거장치(45)로 공급하는 제2 환원소결광 공급라인(65)이 설치된다. 환원된 소결광의 나머지는 가스정제 필터형 환원로(30)에서 일산화탄소, 수소에 산소를 제공하고 배출된 FeO 또는 Fe의 소결광, 공정가스로부터 분리된 분진 및 반복적인 매체순환식 산화, 환원반응에서 발생한 소결광의 분화광석을 포함한다.
또한, 미세분진 제거장치(45)로 공급된 소결광은 분진이 제거된 후, 활성을 촉진하기 위해 외부에서 공급된 소결광과 혼합되어 산화 연소로(40)로 투입된다.
가스정제 필터형 환원로(30)에는 배가스 배출관(63)이 연결 설치되는 바, 배가스 배출관(63)을 통해서 가스정제 필터형 환원로(30)에서 생성된 배가스가 배출된다. 배가스 배출관(63)에는 열교환기가 연결 설치될 수 있으며, 열교환기는 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 배가스내 수증기는 물로 전환시켜 이산화탄소를 분리하고 고온의 스팀을 생산한다.
이때 분리된 이산화탄소는 지하 등에 저장 처리되거나 별도로 이용될 수 있다. 또한, 배가스 배출관(63)은 발전기(50)와 연결되며, 발전기는 열교환기에 의해 생성된 스팀으로부터 전기를 생산하는 스팀터빈을 포함한다.
미세분진 제거장치(45)는 가스정제 필터형 환원로(30)로부터 배출된 환원된 소결광으로부터 분진을 제거하는 장치이다. 미세분진 제거장치(45)는 제2 환원소결광 공급라인(65)에 연결 설치되며, 미세분진을 제거하는 진동스크린장치를 포함한다. 또한, 미세분진 제거장치(45)는 진동스크린장치 이전에 설치되며 공기 또는 질소를 불어넣어 미세분진의 일부를 미리 제거하는 사전분진제거부를 포함할 수 있다.
또한, 미세분진 제거장치(45)는 자석분진제거부를 포함할 수 있으며, 자석분진제거부는 환원소결광에 자기장을 인가하여 비활성화된 산소공여입자 및 분진을 제거한다. 비활성화된 산소공여입자 및 분진은 자성을 갖는 바, 자석분진제거부는 이러한 산소공여입자 및 분진을 끌어 당겨서 제거할 수 있다. 자석분진제거부에 의해 제거된 산소공여입자 및 분진은 상기 용융가스화로로 순환될 수 있다.
제2 환원소결광 공급라인(65)에는 가스정제 필터형 환원로(30)에서 배출된 소결광에 신선한(새로운) 소결광을 공급하는 소결광 공급라인(68)이 연결 설치된다. 소결광 공급라인(68)은 용융가스화로(10)에 공급된 환원된 소결광의 양을 보충하고 활성을 촉진하기 위하여 새로운 소결광을 추가적으로 공급한다. 제2 환원소결광 공급라인(65)은 산화 연소로(40)의 하부에 연결 설치되며, 산화 연소로(40)의 하부에는 공기를 공급하는 공기 공급라인(69)이 연결 설치된다.
산화 연소로(40)는 분진이 제거된 환원된 소결광을 공급되는 공기와 연소시켜서 소결광을 산화시키는 장치이다. 산화 연소로(40)는 연소에 의하여 열을 발생시키고, 환원된 소결광을 산소가 많이 포함된 산화된 소결광으로 전환한다.
산소가 결핍된 소결광은 공기 중 산소를 공급받아 산화되면서 열을 반응기에 공급하거나 소결광 또는 공기에 열을 전달하고 고온의 산소가 많이 포함된 산화된 소결광으로 전환하여 가스정제 필터형 환원로(30)로 재순환된다. 이를 위해서 산화 연소로(40)와 가스정제 필터형 환원로(30) 사이에는 산화 연소로(40)에서 산화된 소결광을 가스정제 필터형 환원로(30)로 공급하는 산화소결광 공급라인(66)이 설치된다.
또한, 공기 공급라인(69)을 통해서 높은 압력을 갖는 압축 공기가 유입되며, 압축 공기는 상온인 상태로 공급될 수 있으며, 가스정제 필터형 환원로(30)로부터 배출되는 소결광과 열교환 후, 고온의 상태로 산화 연소로(40)로 투입될 수 있다. 유입된 공기는 소결광에 연소를 위한 산소를 공급한 후, 산소가 결핍된 상태로 배출된다. 이때 배출되는 공기의 온도는 700℃~1200℃로 이루어진다.
산화 연소로(40)에서 발생되는 열을 공기에 효율적으로 전달하기 위해서는 공기의 유속이 소결광의 유속보다 크도록 조절된다. 또한, 산화 연소로(40)는 상승관(riser) 반응기로 이루어질 수 있으며, 상승관 반응기는 하부에 배출구를 갖는 바, 10mm 또는 15mm이상의 입도를 갖는 소결광이 상승관의 하부에서 제거될 수 있다. 또한, 상승관의 상부에는 사이클론(cyclone)이 설치되는 바, 이에 따라 넓은 공간을 확보하여 상승하는 산화소결광이 공기에서 용이하게 분리될 수 있다.
또한, 산화 연소로(40)는 병렬로 연결된 복수의 반응기를 포함할 수 있으며, 반응기 압력은 효율적 전력생산을 위하여 상온에서 30bar로 유지될 수 있다. 이때 압력은 투입되는 압축공기에 의해 조절된다.
산화 연소로(40)에는 고온의 공기를 발전기로 전달하는 배가스 공급라인(42)이 설치되는 바, 배가스 공급라인(42)은 산화 연소로(40)와 발전기(50) 사이에 설치되어 산화 연소로(40)에서 생성된 고온의 배가스를 발전기로 전달한다.
발전기(50)는 배가스 공급라인(42)을 통해서 공급된 고온의 공기를 이용하여 전력을 생산하는 장치로서 가스터빈으로 이루어질 수 있다. 또한, 발전기(50)는 가스터빈과 스팀터빈을 포함하는 복합발전 시스템으로 이루어질 수 있다. 가스터빈은 산화 연소로(40)에서 새로운 소결광 및 환원된 소결광에 연소를 위한 산소를 공급한 후 배출되는 산소가 결핍된 공기로부터 전기를 생산하며, 스팀 터빈은 산소가 결핍된 공기를 열교환시켜 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 이용하여 전기를 생산한다.
본 실시예와 같이 산화 연소로에서 배출되는 공기의 온도가 700℃~1200℃로 이루어지면 공기의 압력이 부피가 팽창하여 압력이 매우 높아지며 이에 따라 터빈을 강한 힘으로 구동하여 발전효율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 용철제조장치(101)는 철광석을 매개로한 매체 순환을 이용하여 용철제조공정에서 발생된 이산화탄소를 용이하게 분리할 수 있을 뿐만 아니라 이 과정에서 생성된 고온의 공기를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 전력을 생산할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 용철제조방법에 대해서 설명한다.
본 실시에 따른 용철제조방법은 환원로(20)에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계와, 석탄을 충진하고 환원로(20)에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 환원로(20)에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계와, 가스정제 필터형 환원로(30)에 소결광 또는 소성 펠릿을 장입하고 환원로(20)에서 배출되는 공정가스를 취입하여 소결광 또는 소성 펠릿을 환원시키는 단계와, 환원된 소결광 또는 소성 펠릿으로부터 분진을 제거하는 단계, 및 산화 연소로에 분진이 제거된 소결광 또는 소성 펠릿을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 실시에 따른 용철제조방법에서 가스정제 필터형 환원로(30)에서 환원된 후 배출되는 소결광 또는 소성 펠릿의 일부를 용융가스화로(10)에 장입한다.
또한, 본 실시에 따른 용철제조방법은 가스정제 필터형 환원로(30)에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 수증기를 물로 응축시켜 이산화탄소를 분리하고, 생성된 스팀으로 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 실시에 따른 용철제조방법은 산화 연소로(40)에서 소결광 또는 소성 펠릿을 연소시킨 후 배출되는 산소가 결핍된 공기를 이용하여 가스터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치(102)는 가스정제 필터형 환원로(30)에 이산화탄소 제거장치(70)가 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 용철제조장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
가스정제 필터형 환원로(30)의 배가스 배출관(63)에는 이산화탄소 제거장치(70)가 연결 설치되는 데, 이산화탄소 제거장치(70)는 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하는 장치이다. 이산화탄소 제거장치(70)는 이산화탄소 흡착법, 아민 또는 암모니아를 사용한 이산화탄소 흡수, 탈거에 의한 이산화탄소 흡수법 등의 방법으로 이산화탄소를 흡수한다.
또한, 이산화탄소 제거장치(70)는 수증기-가스 개질반응기(water-gas shift reactor) 및 수소 압력스윙흡착기(pressure swing adsorption)를 포함할 수 있다.
이산화탄소 제거장치(70)에서 흡수된 고농도 이산화탄소 함유 가스는 지하에 저장, 처리하거나 재이용하는 것이 가능하다. 또한, 이산화탄소 제거장치(70)에는 이산화탄소가 제거된 가스정제 필터형 환원로 배가스를 가스정제 필터형 환원로(30)로 재취입하기 위한 재순환 가스 공급라인(72)이 설치되는 바, 재순환 가스 공급라인(72)은 가스정제 필터형 환원로(30)에서 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 제거하고, 남은 환원력을 가지는 배가스를 가스정제 필터형 환원로(30)에 다시 공급한다.
이산화탄소가 제거된 가스정제 필터형 환원로 배가스는 철광석 환원로(20)에서 공급되는 공정가스와 함께 혼합되어 가스정제 필터형 환원로(30)에 공급되는데, 이산화탄소가 제거된 가스정제 필터형 환원로 배가스가 혼합되면 일산화탄소와 수소의 분율을 향상시켜서 전력 생산 효율이 향상된다.
또한 가스정제 필터형 환원로(30)와 이산화탄소 제거장치(70) 사이에는 배가스에 포함된 물을 제거하는 응축기(71)가 더 설치될 수 있다. 응축기(71)는 배가스 배출관(63)에 연결 설치되어 배가스에 포함된 물을 분리시킨다. 분리된 물은 응축기(71)와 발전기(50)에 연결 설치된 물배출관(74)을 통해서 발전기(50)로 공급되어 스팀의 생산에 사용된다.
한편, 본 실시예에 따른 용철제조방법은 상기한 제1 실시예에 따른 용철제조방법에 부가하여 가스정제 필터형 환원로(30)에서 배출되는 배가스를 이산화탄소 제거장치(70)에 통과시켜 이산화탄소를 제거하고, 이산화탄소가 제거된 배가스를 가스정제 필터형 환원로(30)에 재취입하는 단계를 포함한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치를 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치(103)는 공정가스 공급라인(62)에 연결 설치된 가스정제장치(81)와 제2 환원소결광 공급라인(65)에 연결 설치된 열교환장치(82)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 용철제조장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
공정가스 공급라인(62)은 철광석 환원로(20)에서 가스정제 필터형 환원로(30)로 공정가스를 공급하는 바, 가스정제장치(81)는 공정가스에 포함된 분진 등을 제거한다. 가스정제장치(81)는 가스정제 필터형 환원로(30)의 전단에 설치되어 철광석 환원로(20)에서 배출되는 공정가스로부터 분진을 제거한다.
가스정제장치(81)는 싸이크론, 세라믹 캔들 필터, 메탈 필터와 같은 건식집진장치 또는 스크러버와 같은 습식집진장치로 이루어질 수 있다. 가스정제장치(81)가 습식집진장치로 이루어질 경우, 열을 회수한 후, 습식집진장치 후단에서 공정가스에 열을 공급하는 구조로 이루어진다.
열교환장치(82)는 제2 환원소결광 공급라인(65)에서 가스정제 필터형 환원로(30)와 미세분진 제거장치(45) 사이에 설치되며, 열교환장치(82)에는 산화 연소로(40)에 공기를 공급하는 공기 공급라인(69)이 연결 설치된다.
열교환장치(82)는 산화 연소로(40)의 전단에 설치되어 고온의 소결광과 공기의 열교환을 유도하여 공기를 가열하며 가열된 공기는 공기 공급라인(69)에 의하여 산화 연소로(40)로 공급된다.
이와 같이 열교환장치(82)가 설치되면 산화 연소로(40)에 고온의 압축공기를 공급함으로써 산화 연소로(40)에서 배출된 고온공기의 압력 및 온도를 증가시켜서 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 용철제조방법은 상기한 제2 실시예에 따른 용철제조방법에 부가하여 철광석 환원로(20)에서 배출되는 공정가스를 가스정제장치(81)에 통과시켜 분진을 제거하는 단계와, 산화 연소로(40)에 공급되는 공기를 가열하기 위하여 열교환시키는 단계를 더 포함한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (25)

  1. 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로;
    석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로;
    소결광을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소결광을 환원시키는 가스정제 필터형 환원로;
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원되어 배출되는 환원된 소결광으로부터 분진을 제거하기 위한 미세분진 제거장치; 및
    분진이 제거된 환원된 소결광을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원된 소결광을 산화시키는 산화 연소로를 포함하는 용철제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화 연소로는 산화된 소결광을 상기 가스정제 필터형 환원로로 공급하기 위한 산화소결광 공급라인이 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스정제 필터형 환원로는 배출되는 환원된 소결광의 일부를 상기 용융가스화로에 공급하는 제 1 환원소결광 공급라인과 환원된 소결광의 나머지를 상기 미세분진 제거장치로 공급하는 제2 환원소결광 공급라인이 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결광은 자연상태의 철광석 분말, 석회석 및 석탄을 혼합하고 900℃~1,400℃ 범위에서 가열, 재결정 또는 반용융상태까지 소성한 후 1mm~10mm로 분쇄한 광석인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 환원된 소결광의 나머지는 상기 가스정제 필터형 환원로에서 일산화탄소, 수소에 산소를 제공하고 배출된 FeO 또는 Fe의 소결광, 상기 공정가스로부터 분리된 분진 및 반복적인 매체순환식 산화, 환원반응에서 발생한 소결광의 분화광석을 포함하는 용철제조장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화 연소로에는 상기 용융가스화로에 공급된 환원된 소결광의 양을 보충하고 활성을 촉진하기 위하여 새로운 소결광이 추가적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  7. 제 1 항에서,
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 배가스내 수증기는 물로 전환시켜 이산화탄소를 분리하고 고온의 스팀을 생산하기 위한 열교환장치; 및
    상기 열교환장치에 의해 생성된 스팀으로부터 전기를 생산하기 위한 스팀터빈을 더 포함하는 용철제조장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화 연소로에서 환원된 소결광이 공기중 산소와 연소됨으로써 발생한 열량은 상기 새로운 소결광, 공기 및 상기 미세분진 제거장치로부터 공급되는 환원된 소결광에 열량을 공급하는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화 연소로에서 새로운 소결광 및 환원된 소결광에 연소를 위한 산소를 공급한 후 배출되는 산소가 결핍된 공기로부터 전기를 생산하기 위한 가스터빈 또는 상기 산소가 결핍된 공기를 열교환시켜 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 스팀터빈을 더 포함하는 용철제조장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스정제 필터형 환원로에 연결되어 상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 제거장치를 더 포함하는 용철제조장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스는 열교환에 의해 스팀을 생산하고 생산된 스팀으로 스팀터빈을 돌려 전기를 발생시키고, 물을 제거한 후 상기 이산화탄소 제거장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 제거장치는 이산화탄소가 제거된 가스정제 필터형 환원로 배가스를 상기 가스정제 필터형 환원로에 재취입하기 위한 재순환 가스 공급라인이 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 제거장치는 수증기-가스 개질반응기(water-gas shift reactor) 및 수소 압력스윙흡착기(pressure swing adsorption)를 포함하는 용철제조장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 철광석 환원로에서 배출되는 공정가스로부터 분진을 제거하기 위한 가스정제장치가 상기 가스정제 필터형 환원로의 전단에 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스정제장치는 싸이클론, 세라믹 캔들 필터, 메탈 필터 및 스크러버에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 산화 연소로는 취입되는 공기를 가열하기 위한 열교환장치가 상기 산화 연소로 전단에 설치된 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  17. 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 생산하는 철광석 환원로;
    석탄을 충진하고 상기 철광석 환원로에서 환원되어 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 철광석 환원로에 제공할 환원가스를 생산하는 용융가스화로;
    소성 펠렛을 장입하고 상기 철광석 환원로에서 철광석을 환원한 후 배출되는 공정가스를 취입하여 소성 펠렛을 환원시키는 가스정제 필터형 환원로;
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원되어 배출되는 환원된 소성 펠렛으로부터 분진을 제거하기 위한 미세분진 제거장치; 및
    분진이 제거된 환원된 소성 펠렛을 장입하고 공기와 함께 연소시켜 환원된 소성 펠렛을 산화시키는 산화 연소로를 포함하는 용철제조장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 소성 펠렛은 입도 100㎛ 이하의 극미분 철광석, 벤토나이트, 석회석, 백운암, 감람석을 회전식 드럼내에 물과 함께 투입하여 3mm~8mm 크기의 구형펠렛으로 만든 후 800℃~900℃에서 예비가열한 후, 1,200℃~1,400℃ 에서 소성한 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 철광석 환원로 또는 가스정제 필터형 환원로에는 첨가제로 CaO 또는 CaCO3가 투입되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  20. 환원로에 철광석을 장입하고 환원가스를 취입하여 환원철을 제조하는 단계;
    석탄을 충진하고 상기 환원로에서 배출되는 환원철을 장입하여 용철과 상기 환원로에 취입되는 환원가스를 제조하는 단계;
    가스정제 필터형 환원로에 소결광 또는 소성 펠렛을 장입하고 상기 환원로에서 배출되는 공정가스를 취입하여 상기 소결광 또는 소성 펠렛을 환원시키는 단계;
    상기 환원된 소결광 또는 소성 펠렛으로부터 분진을 제거하는 단계; 및
    산화 연소로에 상기 분진이 제거된 소결광 또는 소성 펠렛을 장입하고 공기와 함께 연소시키는 단계를 포함하며,
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 환원된 후 배출되는 소결광 또는 소성 펠렛의 일부는 상기 용융가스화로에 장입되는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 열교환시켜 수증기를 물로 응축시켜 이산화탄소를 분리하고, 생성된 스팀으로 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 산화 연소로에서 소결광 또는 소성 펠렛을 연소시킨 후 배출되는 산소가 결핍된 공기를 이용하여 가스터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 가스정제 필터형 환원로에서 배출되는 배가스를 이산화탄소 제거장치에 통과시켜 이산화탄소를 제거하고, 이산화탄소가 제거된 배가스를 상기 가스정제 필터형 환원로에 재취입하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 철광석 환원로에서 배출되는 공정가스를 가스정제장치에 통과시켜 분진을 제거하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 산화 연소로에 공급되는 공기를 가열하기 위하여 열교환시키는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
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