WO2019039666A1 - 용선 제조 설비 및 용선 제조 방법 - Google Patents

용선 제조 설비 및 용선 제조 방법 Download PDF

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신명균
고창국
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주식회사 포스코
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    • C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material

Definitions

  • the present invention relates to a charcoal manufacturing facility and a charcoal manufacturing method, and more particularly, to a charcoal manufacturing facility and a charcoal manufacturing method capable of manufacturing a new raw material utilizing gas generated during charcoal manufacturing.
  • the blast furnace method is a method of charging molten iron ore and coke produced from bituminous coal as raw materials into a blast furnace and blowing oxygen to reduce iron ore to iron to produce molten iron.
  • Such a blast furnace operation method requires raw materials having a strength of at least a certain level and a particle size capable of ensuring ventilation in the furnace. Therefore, coke is used as the carbon source for the fuel and the reducing agent in the production of the charcoal using the blast furnace, and the iron source is mainly dependent on the sintered ores having undergone a series of agglomeration processes.
  • the apparatus for producing molten iron by the molten reduction steelmaking method comprises a multistage fluidized-bed reactor for reducing iron-containing ores in powder form, a molding device for compacting the pulverized iron discharged from the fluidized-bed reduction reactor, And a melter-gasifier for melting the high-temperature compacted body provided in the molding apparatus by the combustion heat to produce molten iron.
  • a part of the high-temperature reducing gas generated in the melter-gasifier is used to regulate the temperature of the high-temperature reducing gas supplied to the fluidized-bed reactor, and the remainder is discharged to the outside so as to keep the internal pressure constant.
  • the amount of the surplus gas should be about 10 to 20% of the amount of the high-temperature reducing gas generated in the melter-gasifier .
  • surplus gas discharged to the outside from the melter-gasifier is discarded or supplied to a power plant and used for power generation.
  • the present invention provides a charcoal manufacturing facility and a charcoal manufacturing method capable of manufacturing a new raw material by utilizing the gas generated during charcoal manufacturing.
  • the present invention provides a charcoal manufacturing facility and a charcoal manufacturing method that can recycle gas generated during charcoal production and reduce the cost of manufacturing chemical raw materials.
  • a molten iron manufacturing facility is a molten iron manufacturing facility comprising a melter-gasifier for melting molten reduced iron to produce molten iron; And a gas processing apparatus for synthesizing CO and H 2 in the gas discharged from the charcoal producing apparatus to produce a raw material.
  • the gas processing apparatus may further comprise: a gas processor for removing impurities from the gas discharged from the charcoal manufacturing apparatus; And a synthesis reactor for synthesizing CO and H 2 in the gas from which the impurities have been removed in the gas processor.
  • the gas processor includes: a cleaning device for removing tar and alkali components from the gas discharged from the charcoal-producing device; And a desulfurization device for removing sulfur from the gas provided from the cleaning device.
  • a separator for receiving the raw material and the unreacted gas generated in the synthesis reactor and separating the raw material and the unreacted gas.
  • a burner installed in the melter-gasifier for blowing a hydrocarbon-containing gas and oxygen to the melter-gasifier.
  • the burner is installed in the melter-gasifier at a height spaced apart from the upper surface of the coal-fired bed charged in the melter-gasifier.
  • a plurality of the burners are arranged and arranged in the circumferential direction of the melter-gasifier.
  • a method of manufacturing a molten iron includes the steps of preparing reduced iron and coal; Charging the reduced iron and coal into a melter-gasifier, melting the reduced iron by heat generated when the coal is burned to produce molten iron; And a step of synthesizing CO and H 2 in the gas discharged from the melter-gasifier to produce a raw material.
  • the process for producing the raw material includes the steps of removing impurities from the gas discharged from the melter-gasifier; And a step of synthesizing the CO and H 2 contained in the gas from which the impurities are removed to produce a raw material.
  • the step of removing the impurities includes the steps of removing tar and an alkali component from the gas discharged from the melter-gasifier; And removing sulfur from the gas from which the tar and alkali components have been removed.
  • the hydrocarbon-containing gas and oxygen are blown into the melter-gasifier to burn the hydrocarbon-containing gas.
  • the molar ratio of the oxygen is 0.6 to 0.7 mole of the number of moles of carbon in the hydrocarbon-containing gas.
  • the blowing flow rate of the hydrocarbon-containing gas is not more than 30% of the amount of gas generated by the combustion of the coal and the reduction of the reduced iron within the melting gasification furnace, by the amount of CO and H 2 gas generated by the hydrocarbon- Respectively.
  • the surplus gas generated in the charcoal manufacturing apparatus can be recycled to produce a high value-added chemical raw material of any one of dimethyl ether, methanol and ethanol.
  • the cost efficiency of the charcoal manufacturing facility is greatly improved as compared with the conventional method, and the chemical raw material can be manufactured at a low cost compared to the conventional production of the chemical raw material, so that the cost competitiveness can be secured.
  • FIG. 1 is a conceptual illustration of a charcoal manufacturing facility according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a view showing more specifically a charcoal manufacturing facility including a charcoal manufacturing device, a gas processing device, and a gas supply part according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a view conceptually showing a charcoal manufacturing facility according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing in more detail a charcoal manufacturing facility including a charcoal manufacturing device, a gas processing device, and a gas supply portion according to an embodiment of the present invention.
  • a charcoal manufacturing facility includes a charcoal manufacturing apparatus 100 for manufacturing molten iron by melting reduced iron, and a new And a gas processing apparatus 200 for producing or producing a raw material. Further, in order to increase the gas content for raw material production, it may include a gas supply unit for supplying additional gas to the charcoal manufacturing apparatus 100.
  • the gas processing apparatus 200 synthesizes CO and H 2 gas contained in the gas discharged from the charcoal manufacturing apparatus 100 to produce a chemical raw material such as dimethyl ether in a liquid state, One of which is produced.
  • the apparatus for producing molten iron includes a plurality of fluidized-bed reactors 10 (11, 12, 13, and 14) for producing powdered iron (DRI) (30) for forming hot compacted iron (HCI) by molding the reduced iron provided in the compacting unit (10), a crusher (30) for crushing the compacted reduced iron provided from the molding apparatus
  • the apparatus for producing molten iron includes a cyclone 60 for separating dust in the gas discharged from the melter-gasifier 40, one end connected to the melter-gasifier 40, A discharge line 61 connected to the melter gasification furnace 60 for discharging the gas generated during the production of the molten iron in the melted gasification furnace 20, that is, the reducing gas to the cyclone 60, A second supply line 62 connected to the first burner 41 at the other end to supply the reducing gas from which the dust has been removed from the cyclone 60 to the first burner 41, A first dust collector 70 for cleaning and collecting the reducing gas from which the dust has been removed from the cyclone 60 to supply the gas to the fluidized-bed reactor 10, a first dust collector 70 connected at one end to the cyclone 60, 1 dust collector 70 and moves the reducing gas discharged from the cyclone 60 to the first dust collector 70 A first collecting line 72 for supplying the reducing gas cleaned by the first dust collecting line 71 and the first dust collecting device 70 to the discharge line 61
  • the apparatus for producing molten iron includes a second dust collector 80 for cleaning and collecting the gas discharged from the fluidized-bed reactors 10, one end connected to the fluidized-bed reactors 10, A second dust collecting line 81 connected to the dust collector 80 and a carbon dioxide remover 90 for removing carbon dioxide from the gas cleaned through the second dust collector 80.
  • the other end of the carbon dioxide remover 90 is connected to the second dust collector 80,
  • a cleaning gas moving line 91 connected to the eliminator 90 for supplying the cleaned gas discharged from the second dust collector 80 to the carbon dioxide remover 90 is connected to the carbon dioxide remover 90 at one end,
  • a second recovery line 92 connected to the discharge line 61 for moving the carbon dioxide-removed gas.
  • the fluidized-bed reactor 10 is a means for producing reduced iron by reducing iron ore.
  • the iron ore used as the raw material may be powder or powdered iron ore in a fine powder state, and may be added as needed.
  • the powdered iron ore charged in the manner described above is reduced while being flowed by the gas.
  • the fluidized-bed reactor 10 may be provided with a gas dispersion plate therein.
  • a plurality of the fluidized-bed reactors (10) are provided, and the iron ores are reduced while sequentially passing through the plurality of fluidized-bed reactors (11, 12, 13, 14).
  • four fluidized-bed reactors hereinafter referred to as first to fourth fluidized-bed reactors 11, 12, 13 and 14 are provided.
  • the first fluidized-bed reactor 11 preheats the iron ores with the reducing gas discharged from the second fluidized-bed reactors 12, where the iron ore is initially charged.
  • the preheated iron ore is reduced or preliminarily reduced through the second fluidized-bed reactor 12 and the third fluidized-bed reactor 13, and the second fluidized-bed reactor 12 is discharged from the third fluidized- And the third fluidized-bed reactor (13) reduces the iron ores with the reducing gas discharged from the fourth fluidized-bed reactor (14).
  • the fourth fluidized-bed reactor 14 finally reduces the iron ores by the reducing gas discharged from the melter-gasifier 40.
  • Each of the plurality of fluidized-bed reactors (11, 12, 13, 14) is connected to a gas conduit through which a reducing gas flows and a raw material conduit (not shown) for moving iron ores and various subsidiary materials.
  • the gas conduit includes a first gas conduit 21 for supplying a reducing gas of the melter-gasifier 40 to the fourth fluidized-bed reactor 14, a third gas-liquid separator 21 for returning the reducing gas of the fourth fluidized- A third gas conduit 23 for supplying the reducing gas of the third fluidized-bed reactor 13 to the second fluidized-bed reactors 12; And a fourth gas conduit (24) for supplying a reducing gas of the second fluidized bed (12) to the first fluidized-bed reactor (11).
  • burners 15 and 16 may be installed on the extension paths of the second and third gas conduits 22 and 23, respectively.
  • the burners 15 and 16 blow oxygen into the second and third fluidized beds 12 and 13, respectively, and raise the temperatures 12 and 13 of the fluidized bed by an exothermic reaction caused by the combustion of the reducing gas.
  • the gas discharged from the first fluidized-bed reactor 11 is transferred to the second dust collector 80 through the second dust collecting line 81 and the second dust collector 80 cleans the gas by the wet cleaning method.
  • the gas cleaned in the second dust collector 80 is supplied to the carbon dioxide remover 90 through the cleaning gas moving line 91 so that the carbon dioxide is removed and then discharged through the first recovery line 72 to the discharge line 61, .
  • the number of the fluidized-bed reactors 10 is not limited to the above-described example, and can be variously changed as required.
  • the molding apparatus 30 includes a reduced iron storage 31 for storing reduced-form reduced iron produced in the fourth fluidized-bed reactor 14, and a molding machine 32 for molding the fine-reduced iron to agglomerate.
  • the molding machine 32 is a molding machine, that is, a twin roll molding machine having a pair of rolls arranged to face each other. Thus, when the reduced iron in the form of powder is charged between the pair of rolls, the reduced iron is produced by extrusion due to the rotation of the pair of rolls.
  • the hot reduced gas of the fluidized-bed reactor is moved together with the molding apparatus 30.
  • the reducing gas of the melter-gasifier 40 flows through the fluidized-bed reactor 10 and the reducing gas is supplied to the fluidized- And moves to the molding apparatus 30 partly.
  • the melter-gasifier 40 melts the reduced iron as described above to produce molten iron.
  • coal and briquettes are charged into the melter-gasifier 40, and oxygen is blown in the lower portion of the melter-gasifier 40.
  • oxygen is blown in the lower portion of the melter-gasifier 40.
  • a coal-filled layer having a constant height is formed therein.
  • Charged coal and briquetted coal generate heat as a heat source by reacting with the blown oxygen, whereby the reduced iron is melted to produce molten iron.
  • the melter-gasifier (40) has a dome shape in which the upper space is wider than other spaces, and the reduced iron, molded coal, and coke are charged into the dome portion, that is, above the melter-gasifier (40).
  • the molten iron which satisfies the desired content of the molten iron is sent to the steelmaking process, subjected to a series of refining processes, and then moved to the steelmaking process.
  • the first burner 41 is mounted on the melter-gasifier 40 as means for providing a heat source for burning coal to melt the reduced iron. That is, when the reducing gas discharged from the melter-gasifier 40 and the dust removed from the cyclone 60 and oxygen are supplied to the first burner 41, the first burner 41 is supplied to the melter- The supplied coal is burned with oxygen. And the generated combustion gas melts the reduced iron supplied to the melter-gasifier 40, thereby producing molten iron.
  • the reducing gas generated during the melting of the reduced iron in the melter-gasifier 40 is discharged to the outside of the melter-gasifier 40 through the discharge line 61 and supplied to the cyclone 60.
  • the cyclone 60 removes dust from the reducing gas, and the reduced reducing gas is supplied to the first burner 41 through the re-supply line.
  • the other part of the reducing gas from which the dust is removed from the cyclone 60 is transferred to the first dust collector 70 through the first dust collecting line 71.
  • the first dust collector 70 is a device for cleaning the reducing gas from which dust has been removed.
  • the first dust collector 70 according to the embodiment is for cleaning the reducing gas by a wet method.
  • the reducing gas wet-cleaned by the first dust collector 70 is boosted through the first recovery line 72 and the first booster 73 and then supplied again to the discharge line 61. Thereafter, And is supplied to the fluidized-bed reactor 10 through the fluidized-
  • the reducing gas supply line 42 supplies the reducing gas discharged from the melter-gasifier 40 to the fourth fluidized-bed reactor 14 so that the reducing gas supplied to the fourth fluidized- It is reused as reducing gas.
  • the reducing gas wet-cleaned by the first dust collector 70 is supplied to the first booster 73 via the first recovery line 72 as described above, And then supplied to the cyclone 60 connected thereto.
  • Gas supply line 40 or the reducing gas supply line 42 to increase the temperature of the reducing gas supplied to the fluidized-bed reactor 10.
  • the gas generated in the melter-gasifier 40 is a reducing gas.
  • the surplus gas that is not circulated in the lean manufacturing equipment but is discharged to the outside includes CO, H 2 , tar, and an alkali component.
  • CO and H 2 are synthesized in an excess gas to produce chemical raw materials such as dimethyl ether, methanol and ethanol.
  • the gas processing apparatus 200 is provided to be connected to the first dust collector 70, and the gas processing apparatus 200 produces the raw material using the surplus gas.
  • the gas processing apparatus 200 includes a gas processor 210 for removing impurities from excess gas exhausted from the charcoal manufacturing apparatus 100, a gas processor 210, A synthesis reactor 230 for producing a chemical raw material such as dimethyl ether, methanol and ethanol by synthesizing H 2 and CO in an excess gas from which impurities have been removed, a synthesis reactor 230 which is synthesized or manufactured in a synthesis reactor 230, And a separator 250 for separating the unreacted residual material from the raw material.
  • the gas processor 210 includes a first cleaner 210a for removing tar and alkali components, a desulfurizer 210b for removing sulfur (S) from the surplus gas from which tar and alkali components have been removed in the first cleaner 210a, And a second cleaning device 210c for additionally removing a small amount of impurities from the sulfur-removed gas in the desulfurizer 210b.
  • the gas processing apparatus 200 is provided so as to connect the first dust collector 70 and the first cleaning apparatus 210a to each other so that the surplus gas cleaned in the first dust collector 70
  • a first surplus gas line 220a for supplying the first cleaning device 210a to the first cleaning device 210a and a first cleaning device 210b for connecting the first cleaning device 210a and the desulfurizing device 210b to remove tar and alkali from the first cleaning device 210a
  • a second surplus gas line 220b for supplying surplus gas to the desulfurizer 210b and a booster 220b for increasing the surplus gas from which the tar and alkali components have been removed, (Hereinafter referred to as the second booster 270)
  • the desulfurizer 210b and the second cleaner 210c are connected to supply the surplus gas removed from the desulfurizer 210b to the second cleaner 210c
  • the third excess gas line 220c, the second cleaning device 210c and the synthesis reactor 230 to connect the second cleaning device 210c
  • the charcoal manufacturing apparatus 100 uses charcoal to produce molten iron
  • surplus gas discharged from the charcoal manufacturing apparatus 100 contains tar, an alkali component, sulfur, and the like. Since the tar and alkali components inhibit the synthesis reaction for producing chemical raw materials, tar, alkali components, sulfur and the like are removed using the gas processing apparatus 200 according to the embodiment of the present invention.
  • the first cleaning device 210a is a wet cleaning device for removing tar and alkali components from an excess gas by spraying an organic solvent toward an excess gas and dissolving tar and an alkali component in the organic solvent.
  • organic solvent include acetone, alcohol, and chloroform.
  • the desulfurizer 210b removes sulfur (S) from the excess gas from which the tar and alkali components have been removed.
  • the desulfurizer 210b according to the embodiment is configured to pass excess gas through a desulfurizing agent in powder form capable of adsorbing sulfur (S), thereby removing sulfur (S) from the excess gas.
  • a desulfurizing agent for example, ZnO can be used.
  • the second cleaning apparatus 210c removes remaining trace impurities such as NH 3 , Ni (CO) 4, and Fe (CO) 4 from tar, alkali component, and surplus gas from which sulfur has been removed.
  • the second cleaning apparatus according to the embodiment may include a filter for passing an excess gas except NH 3 , Ni (CO) 4, and Fe (CO) 4 . That is, the second cleaning device 210c according to the embodiment filters excess gas through the filter to filter the Ni and Co.
  • the synthesis reactor 230 synthesizes the CO and H 2 contained in the surplus gas from which the tar, the alkali component, the sulfur and the trace impurities are removed to produce a new raw material.
  • a predetermined temperature for example, 100 to 200 ° C
  • CO and H 2 in the excess gas in the synthesis reactor 230 are reacted in either of the following reaction schemes 1 and 2 To selectively produce one of dimethyl ether and methanol.
  • a catalyst can be used to improve the reaction rate.
  • the catalyst used in the synthesis reactor 230 is preferably replaced periodically in order to maintain its performance and the catalyst discharged for replacement in the synthesis reactor 230 can be recycled to the filter of the second cleaning apparatus 210c have.
  • the separator 250 is provided to be connected to the synthesis reactor 230, and a raw material such as dimethyl ether produced by the synthesis reaction in the separator 250 is used. Remove the methanol or ethanol and the unreacted gas CO and H 2.
  • the raw material separated in the separator 250 is transferred to the outside of the separator 250 through the first separating line 260a, refined if necessary, and then sold to the place of use. Unreacted CO and H 2 are mixed with the exhaust gas of the fluidized-bed reactor 10 through the second separation line 260 b to the outside of the separator, and utilized as a fuel gas for the power plant.
  • the gas processing apparatus 200 uses the excess gas discharged from the reducing gas generated in the melter-gasifier 40 without circulating through the char combustion apparatus 100 To produce new chemical raw materials.
  • a gas supply unit for supplying the gas for producing the raw material to the melter-gasifier 40 is connected.
  • the gas supply part blows hydrocarbon gas and oxygen into the melter-gasifier (40) and burns it.
  • This gas supply portion includes the second burner 300, and the hydrocarbon-containing gas and oxygen are blown into the second burner.
  • the second burner 300 is installed in the upper part of the melter-gasifier 40, that is, in the dome portion. It is preferable that the second burner 300 is disposed at a position 1.5 m or more higher than the uppermost surface of the coal- This is to prevent the oxygen injected through the second burner 300 from contacting the coal-filled layer of the melter-gasifier 40.
  • a plurality of the second burners 300 are provided in plurality, and a plurality of the second burners 300 are preferably disposed along the circumferential direction of the dome portion of the melter-gasifier 40.
  • the hydrocarbon-containing gas includes CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 6 and is decomposed into CO and H 2 by a partial combustion reaction more specifically than the combustion as shown in the following reaction formulas 3 to 6.
  • natural gas is used as the hydrocarbon-containing gas, but not limited thereto, various gases containing hydrocarbons can be applied.
  • blowing oxygen into the gas supply part, that is, the second burner 300 it is preferable to blow oxygen so that the molar ratio of oxygen is 0.6 to 0.7 mole of the number of moles of carbon in the hydrocarbon-containing gas. This is to ensure that the components in the hydrocarbon-containing gas are decomposed or converted to CO and H 2 at 90% or more.
  • the component in the hydrocarbon-containing gas may be less than 90% decomposition or conversion to CO and H 2 .
  • addition of the hydrocarbon-containing gas and oxygen through the second burner 300 allows the content of CO and H 2 in the surplus gas to be increased as compared with the case where the hydrocarbon-containing gas and oxygen are not blown through the second burner 300, .
  • the blowing amount of the hydrocarbon-containing gas is such that the amount of CO and H 2 gas generated by the partial combustion of the hydrocarbon-containing gas is 30% or less of the amount of gas generated by the combustion and gasification of coal in the melter- And it is more stable to adjust it to 25% or less. This is because when the amount of CO and H 2 gas generated by the partial combustion of the hydrocarbon containing gas exceeds 30% of the amount of gas generated by the combustion and gasification of coal in the melter-gasifier 40, This is because the excessive gas amount may cause excessive pressure rise compared to the volume of the domed part.
  • the hydrocarbon-containing gas and oxygen are blown into the melter-gasifier 40 through the gas supply unit and burned, the CO and H 2 contents in the gas discharged from the melter- . Therefore, the CO and H 2 contents in the surplus gas discharged from the charcoal manufacturing apparatus 100 or the second dust collector 80 and supplied to the gas processing apparatus 200 are increased. Accordingly, since the content of CO and H 2 involved in the synthesis reaction in the synthesis reactor 230 is increased, the production of chemical raw materials such as dimethyl ether and methanol is increased.
  • the reduced iron and coal are charged into the dome portion of the melter-gasifier 40 through the first charging device 50a and the second charging device 50b for the production of charcoal.
  • oxygen is blown by using the inlet and the first burner 41 provided in the lower portion of the melter-gasifier 40, the charged coal reacts with the blown oxygen to generate heat, which causes the reduced iron to melt The charcoal is produced.
  • the amount of oxygen blown through the oxygen is 76.900 Nm 3 / hr
  • the first burner is blown from the intake port of the melter-gasifier 40 may be 12,800Nm 3 / hr.
  • the reducing gas generated during the production of the molten iron in the melter-gasifier furnace 40 is supplied to the first burner 41 after the dust is removed by the cyclone 60 and the other is supplied to the first dust collector 70 To be cleaned.
  • the reducing gas generated during the melting of the reduced iron in the melter-gasifier 40 is discharged to the outside of the melter-gasifier 40 through the discharge line 61 and supplied to the cyclone 60.
  • the cyclone 60 removes dust from the reducing gas, and the reduced reducing gas is supplied to the first burner 41 through the re-supply line.
  • the other part of the reducing gas from which the dust is removed from the cyclone 60 is transferred to the first dust collector through the first dust collecting line 71 or to the fluidized-bed reactor 10 through the reducing gas supplying line.
  • the reducing gas from which dust has been removed is cleaned, and a part of the reducing gas is re-supplied to the cyclone 60 connected to the melter-gasifier 40 through the first recovery line 72.
  • the remaining gas that is, the surplus gas
  • the gas processing apparatus according to the embodiment of the present invention and used to produce the chemical raw material.
  • the natural gas and oxygen are blown into the melter-gasifier 40 through the second burner 300, the content of CO and H 2 in the surplus gas is increased as compared with the case where they are not blown.
  • a surplus gas of 140,000 Nm 3 / hr which is a part of the surplus gas discharged from the first dust collector 70, sequentially passes through the first scrubber 210a and the desulfurizer 210b to remove tar, alkali and sulfur.
  • the surplus gas from which the tar, alkali, and sulfur have been removed is transferred to the synthesis reactor 230 after removing a small amount of residual impurities from the second cleaning apparatus 210c.
  • CO and H 2 contained in the excess gas are synthesized, for example, by a first reaction scheme, and a dimethyl ether raw material is produced.
  • the raw material dimethyl ether and unreacted gas, that is, CO and H 2 , produced in the synthesis reactor 230 are transferred to the separator and separated.
  • the output of the dimethyl ether raw material separated in the separator 250 may be 24 ton / hr and the unreacted gas may be 65,800 Nm 3 / hr.
  • the surplus gas generated in the charcoal manufacturing apparatus 100 can be recycled to produce at least one high value-added chemical raw material of dimethyl ether, methanol, and ethanol.
  • the cost efficiency of the charcoal manufacturing facility is greatly improved as compared with the conventional method, and the chemical raw material can be manufactured at a low cost compared to the conventional production of the chemical raw material, so that the cost competitiveness can be secured.
  • the surplus gas generated in the charcoal manufacturing apparatus can be recycled to produce high value-added chemical raw materials such as dimethyl ether, methanol, and ethanol.
  • chemical raw materials such as dimethyl ether, methanol, and ethanol.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비에 의하면, 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융가스화로를 구비하는 용선 제조 장치 및 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 생산하는 가스 처리 장치를 포함한다. 따라서, 본 발명의 실시형태들에 의하면, 용선 제조 장치에서 발생된 잉여 가스를 재활용하여 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올 중 어느 하나의 고부가 가치의 화학 원료를 생산할 수 있다. 이에, 종래에 비해 용선 제조 설비의 경제성이 크게 향상되며, 종래의 화학 원료 생산에 비해 저 비용으로 화학 원료를 제조할 수 있음에 따라, 원가 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

용선 제조 설비 및 용선 제조 방법
본 발명은 용선 제조 설비 및 용선 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용선 제조 시에 발생된 가스를 활용하여 새로운 원료를 제조할 수 있는 용선 제조 설비 및 용선 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 전세계 철생산량의 60%가 고로 조업법으로부터 생산되고 있다. 고로 조업법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코크스 등을 고로에 함께 장입하고, 산소를 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용선을 제조하는 방법이다.
이러한 고로 조업법은 그 반응 특성상 일정 수준 이상의 강도를 보유하고 노내 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 가지는 원료를 요한다. 이에, 고로를 이용한 용선 제조 시에 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로는 코크스를 사용하고, 철원으로는 일련의 괴상화 공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다.
이에 따라 현재의 고로 조업법에서는 고로 외에 코크스 제조설비 및 소결설비 등의 원료 예비처리설비가 반드시 수반되어야 할 뿐만 아니라, 부대설비에서 발생하는 제반 환경오염물질에 대한 환경오염방지설비의 설치 필요로 인하여 투자 비용이 다량으로 소모되어 제조원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.
이러한 고로법의 문제점을 해결하기 위하여, 세계 각국의 제철소에서는 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하고, 철원으로는 전세계 광석 생산량의 80% 이상을 점유하는 분광을 직접 사용하여 용선을 제조하는 용융환원제철법의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
용융환원제철법으로 용선을 제조하는 장치는 분상의 철함유 광석을 환원하는 다단의 유동환원로, 유동환원로에서 배출되는 분 환원철을 괴성화하는 성형 장치, 성형탄 및 괴상의 일반탄(석탄)을 산소로 연소시켜, 그 연소열로 성형 장치에서 제공되는 고온 괴성체를 용융시켜 용선을 생산하는 용융가스화로를 포함한다.
한편, 용융가스화로에서 발생하는 고온환원 가스의 일부는 유동환원로로 공급되는 고온환원 가스의 온도를 조절하는 데 활용되며, 나머지는 용융가스화로 내 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 외부로 배출된다. 외부로 배출되는 가스를 잉여 가스라고 칭하며, 용융가스화로의 압력을 일정하게 유지하기 위해서는 상기한 잉여 가스의 양이 상기 용융가스화로에서 발생하는 고온 환원 가스의 양의 10~20% 정도가 되어야 한다. 통상 용융가스화로에서 외부로 배출되는 잉여가스는 폐기되거나, 발전소에 공급되어 전력생산에 사용되고 있다.
(선행문헌)
한국공개특허 10-2000-0039376
본 발명은 용선 제조 시에 발생된 가스를 활용하여 새로운 원료를 제조할 수 있는 용선 제조 설비 및 용선 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 용선 제조 시에 발생된 가스를 재활용 할 수 있고, 화학 원료 제조 비용을 절감시킬 수 있는 용선 제조 설비 및 용선 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 용선 제조 설비는 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융가스화로를 구비하는 용선 제조 장치; 및 상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 생산하는 가스 처리 장치;를 포함한다.
상기 가스 처리 장치는, 상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 불순물을 제거하는 가스 처리기; 및 상기 가스 처리기에서 불순물이 제거된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시키는 합성 반응기;를 포함한다.
상기 가스 처리기는, 상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 세정 장치; 및 상기 세정 장치로부터 제공된 가스로부터 황을 제거하는 탈황 장치;를 포함한다.
상기 합성 반응기에서 생성된 원료 및 미반응 가스를 제공 받아, 상기 원료와 미반응 가스를 분리하는 분리기를 포함한다.
상기 용융가스화로에 탄화수소 함유 가스 및 산소를 취입하도록 상기 용융가스화로에 설치된 버너를 포함한다.
상기 버너는 상기 용융가스화로에 장입된 석탄충진층의 상부 표면과 이격되는 높이로 상기 용융가스화로에 설치된다.
상기 버너는 복수개로 마련되어, 상기 용융가스화로의 둘레 방향으로 나열되어 이격 배치된다.
본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 방법은 환원철 및 석탄을 마련하는 과정; 상기 환원철 및 석탄을 용융가스화로에 장입하여, 상기 석탄의 연소시에 발생되는 열에 의해 상기 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 과정; 및 상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 제조하는 과정;을 포함한다.
상기 원료를 제조하는 과정은, 상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중 불순물을 제거하는 과정; 및 불순물이 제거된 가스 중 함유된 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 제조하는 과정;을 포함한다.
상기 불순물을 제거하는 과정은, 상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중, 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 과정; 및 상기 타르 및 알칼리 성분이 제거된 가스로부터 황을 제거하는 과정;을 포함한다.
상기 합성 반응에 의해 생성된 원료와 미반응 가스를 분리하는 과정을 포함한다.
상기 용선을 제조하는 과정에 있어서, 상기 용융가스화로로 탄화수소 함유 가스 및 산소를 취입하여, 상기 탄화수소 함유 가스를 연소시킨다.
상기 산소를 취입하는데 있어서, 상기 산소의 몰비가 탄화수소 함유 가스 내 탄소 몰수의 0.6 내지 0.7 몰비가 되도록 취입한다.
상기 탄화수소 함유 가스의 취입 유량은, 상기 탄화수소 함유 가스와 산소에 의해 발생된 CO 및 H2 가스량이 상기 용융가스화로 내부에서 상기 석탄의 연소 및 상기 환원철의 환원에 의해 발생되는 가스량의 30% 이하가 되도록 조절한다.
본 발명의 실시형태들에 의하면, 용선 제조 장치에서 발생된 잉여 가스를 재활용하여 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올 중 어느 하나의 고부가 가치의 화학 원료를 생산할 수 있다. 이에, 종래에 비해 용선 제조 설비의 경제성이 크게 향상되며, 종래의 화학 원료 생산에 비해 저 비용으로 화학 원료를 제조할 수 있음에 따라, 원가 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 개념적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 장치, 가스 처리 장치 및 가스 공급부를 포함하는 용선 제조 설비를 보다 구체적으로 도시한 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 장치, 가스 처리 장치 및 가스 공급부를 포함하는 용선 제조 설비를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 설비는 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용선 제조 장치(100) 및 용선 제조 장치(100)에서 용선 제조 시에 발생된 가스를 이용하여 새로운 원료를 제조 또는 생산하는 가스 처리 장치(200)를 포함한다. 또한, 원료 제조를 위한 가스 함량을 증대시키기 위해, 용선 제조 장치(100)에 추가로 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 가스 처리 장치(200)는 용선 제조 장치(100)로부터 배출된 가스 내 포함된 CO와 H2 가스를 합성시켜, 화학 원료 예컨대, 액상 상태의 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올 중 하나를 생산한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 용선 제조 장치 및 가스 처리 장치에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 용선 제조 장치(100)는 분철광석을 환원시켜 분환원철(DRI)을 제조하는 복수의 유동환원로(10; 11, 12, 13, 14), 유동환원로(10)에서 제공된 분환원철을 성형하여 괴성화된 환원철(HCI : Hot compacted iron)을 제조하는 성현 장치(30), 성형 장치(30)로부터 제공된 괴성화된 환원철을 소정의 크기로 파쇄하는 파쇄기(33), 파쇄기(33)로부터 제공된 파쇄된 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융가스화로(40), 용융가스화로(40)에 장착되어 괴상 상태의 석탄을 산소로 연소시켜, 환원철을 용융시키기 위한 열원을 제공하는 버너(이하, 제 1 버너(41)), 각각이 용융가스화로(40)의 상측에 설치되어, 상기 용융가스화로(40)로 환원철 및 석탄을 장입하는 제 1 및 제 2 장입 장치(50a, 50b)를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 용선 제조 장치(100)는 용융가스화로(40)로부터 배출된 가스 중 더스트를 분리하는 싸이클론(60), 일단이 용융가스화로(40)에 연결되고, 타단이 싸이클론(60)에 연결되어 용융 가스 화로(20)에서 용선 제조 중에 발생된 가스 즉, 환원 가스를 싸이클론(60)으로 배출시키는 배출 라인(61), 일단이 용융가스화로(40)에 연결되고, 타단이 제 1 버너(41)에 연결되어 싸이클론(60)에서 더스트가 제거된 환원 가스를 제 1 버너(41)에 공급하는 재공급 라인(62), 용융가스화로(40)에서 발생된 환원 가스를 유동환원로(10)로 공급하기 위해, 싸이클론(60)에서 더스트가 제거된 환원 가스를 세정하여 집진하는 제 1 집진기(70), 일단이 싸이클론(60)에 연결되고 타단이 제 1 집진기(70)에 연결되어 싸이클론(60)으로부터 배출된 환원 가스를 제 1 집진기(70)로 이동시키는 제 1 집진 라인(71), 제 1 집진기(70)에서 세정된 환원 가스를 배출 라인(61)으로 공급하는 제 1 회수 라인(72), 제 1 회수 라인(72)의 연장 경로 상에 장착되어 환원 가스를 승압시키는 제 1 승압기(73), 제 1 집진 라인(71)으로부터 분기되어 유동환원로(10)에 연결되며, 싸이클론(60)에서 더스트가 제거된 환원 가스를 유동환원로(10)로 공급하는 환원 가스 공급 라인(42)를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 용선 제조 장치(100)는 유동환원로(10)에서 배출된 가스를 세정하여 집진하는 제 2 집진기(80), 일단이 유동환원로(10)에 연결되고 타단이 제 2 집진기(80)에 연결된 제 2 집진 라인(81), 제 2 집진기(80)를 거쳐 세정된 가스 중 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거기(90), 일단이 제 2 집진기(80)에 연결되고 타단이 이산화탄소 제거기(90)에 연결되어, 제 2 집진기(80)로부터 배출된 세정된 가스를 이산화탄소 제거기(90)로 공급하는 세정 가스 이동 라인(91), 일단이 이산화탄소 제거기(90)에 연결되고, 타단이 배출 라인(61)에 연결되어 이산화탄소가 제거된 가스를 이동시키는 제 2 회수 라인(92)을 포함한다.
유동환원로(10)는 철광석을 환원시켜 환원철을 제조하는 수단이며, 이때 원료로 사용되는 철광석은 파우더(powder) 또는 미분 상태의 분철광석일 수 있으며, 필요에 따라 부원료가 투입될 수 있다. 이러한 유동환원로(10)에서는 상술한 바와 같이 장입된 분철광석을 가스에 의해 유동시키면서 환원시키는데, 이를 위해 유동환원로(10)는 그 내부에 가스 분산판이 설치될 수 있다.
유동환원로(10)는 복수개로 구비되고, 철광석이 복수의 유동환원로(11, 12, 13, 14)를 순차적으로 거치면서 환원된다. 실시예에는 4개의 유동환원로(이하 제 1 내지 제 4 유동환원로(11, 12, 13, 14))를 구비한다.
제 1 유동환원로(11)는 철광석이 최초 장입되는 곳으로, 제 2 유동환원로(12)에서 배출되는 환원 가스로 철광석을 예열한다. 예열된 철광석은 제 2 유동환원로(12) 및 제 3 유동환원로(13)를 거치면서 환원 또는 예비 환원되는데, 제 2 유동환원로(12)는 제 3 유동환원로(13)에서 배출되는 환원 가스로 철광석을 환원시키고, 제 3 유동환원로(13)는 제 4 유동환원로(14)에서 배출되는 환원 가스로 철광석을 환원시킨다. 그리고 제 4 유동환원로(14)는 용융가스화로(40)에서 배출된 환원 가스에 의해 철광석을 최종 환원시킨다.
복수의 유동환원로(11, 12, 13, 14) 각각에는 환원 가스가 흐르는 가스도관과, 철광석 및 각종 부원료를 이동시키는 원료도관(미도시)이 연결된다. 가스도관은 용융가스화로(40)의 환원 가스를 제 4 유동환원로(14)로 공급하는 제 1 가스도관(21), 제 4 유동환원로(14)의 환원 가스를 제 3 유동환원로(13)로 공급하는 제 2 가스도관(22), 제 3 유동환원로(13)의 환원 가스를 제 2 유동환원로(12)로 공급하는 제 3 가스도관(23), 제 2 유동환원로(12)의 환원 가스를 제 1 유동환원로(11)로 공급하는 제 4 가스도관(24)을 포함한다.
또한, 제 2 및 제 3 가스도관(22, 23) 각각의 연장 경로 상에는 버너(15, 16)가 설치될 수 있다. 버너(15, 16)는 제 2 및 제 3 유동 환원(12, 13)로 각각에 산소를 취입하며, 환원 가스의 연소에 의한 발열반응으로 유동환원로의 온도(12, 13)를 상승시킨다.
제 1 유동 환원로(11)에서 배출되는 가스는 제 2 집진 라인(81)을 통해 제 2 집진기(80)로 이동되며, 제 2 집진기(80)는 습식 세정 방식으로 가스를 세정한다. 이후, 제 2 집진기(80)에서 세정된 가스는 세정 가스 이동 라인(91)을 통해 이산화탄소 제거기(90)로 공급되어 이산화탄소가 제거된 후, 제 1 회수 라인(72)을 통해 배출 라인(61)으로 공급된다.
유동환원로(10)의 갯수는 상술한 예에 한정되지 않고, 필요에 따라 다양하게 변경 가능하다.
성형 장치(30)는 제 4 유동환원로(14)에서 제조된 미분 형태의 환원철을 저장하는 환원철 저장부(31), 미분 환원철을 성형하여 괴상화하는 성형기(32)를 포함한다. 여기서 성형기(32)는 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 성형기 즉, 쌍롤식 성형기이다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 분말 상태의 환원철이 장입되면, 상기 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 괴상화된 환원철이 제조된다.
한편, 유동환원로(10)에서 환원철이 성형 장치(30)로 장입되는데 있어서, 유동환원로의 고온의 환원 가스가 성형 장치(30)로 함께 이동된다. 여기서 유동환원로(10)로의 가스는 후술되는 용융가스화로(40)에서 발생된 환원 가스이므로, 이를 다른 말로하면, 용융가스화로(40)의 환원 가스가 유동환원로(10)를 거쳐, 환원철과 함께 성형 장치(30)로 일부 이동한다.
용융가스화로(40)는 상술한 바와 같이 환원철을 용융시켜 용선을 제조한다. 환원철의 용융을 위해, 용융가스화로(40)로 석탄 및 성형탄을 장입하며, 용융가스화로(40) 하부에서는 산소가 취입된다. 용융가스화로(40)의 상부에서 괴상의 석탄이 연속적으로 공급되면, 내부에 일정한 높이의 석탄충진층을 형성된다. 장입된 석탄 및 성형탄은 열원으로서, 취입된 산소와 반응하여 열을 발생시키고, 이로 인해 환원철이 용융되어 용선이 제조된다. 이러한 용융가스화로(40)는 그 상측 공간이 다른 공간에 비해 넓게 형성된 돔부 형태로서, 돔부 즉, 용융가스화로(40) 상측으로 환원철, 성형탄 및 코크스가 장입된다.
용융가스화로(40)에서 제조된 용선은 성분 함량 검출한 후에, 목적하는 성분 함량을 만족하는 용선은 제강 공정으로 보내져 일련의 정련 과정을 거친 후에 제강 공정으로 이동되어 주편으로 제조된다.
제 1 버너(41)는 석탄을 연소시켜 환원철을 용융시키기 위한 열원을 제공하는 수단으로, 용융가스화로(40)에 장착된다. 즉, 용융가스화로(40)로부터 배출되어 싸이클론(60)으로부터 더스트가 제거된 환원 가스와 산소가 제 1 버너(41)로 공급되면, 제 1 버너(41)는 용융가스화로(40)로 공급된 석탄을 산소로 연소시킨다. 이때 발생된 연소 가스가 용융가스화로(40)로로 공급된 환원철을 용융시킴에 따라 용선이 제조된다.
용융가스화로(40)에서 환원철의 용융중에 발생된 환원 가스는 배출 라인(61)을 통해 상기 용융가스화로(40)의 외부로 배출되어 싸이클론(60)으로 공급된다. 싸이클론(60)은 환원 가스 중 더스트를 제거하고, 더스트가 제거된 일부의 환원 가스는 재공급 라인을 통해 제 1 버너(41)로 공급된다. 그리고 싸이클론(60)에서 더스트가 제거된 다른 일부의 환원 가스는 제 1 집진 라인(71)을 통해 제 1 집진기(70)로 이동된다.
제 1 집진기(70)는 더스트가 제거된 환원 가스를 세정하는 장치로서, 실시예에 따른 제 1 집진기(70)는 습식 방법으로 환원 가스를 세정한다. 그리고 제 1 집진기(70)에서 습식 세정된 환원 가스는 제 1 회수 라인(72) 및 제 1 승압기(73)를 통해 승압된 후 배출 라인(61)으로 다시 공급되며, 이후 환원 가스 공급 라인(42)을 통해 유동환원로(10)로 공급된다.
환원 가스 공급 라인(42)은 용융가스화로(40)로부터 배출된 환원 가스를 제 4 유동환원로(14)로 공급하는 것으로, 상기 제 4 유동환원로(14)로 공급된 환원 가스는 철광석을 환원시키는 가스로 재사용 된다.
상술한 바와 같이, 제 1 집진기(70)에서 습식 세정된 환원 가스는 상술한 바와 같이 제 1 회수 라인(72)을 통해 제 1 승압기(73)로 공급되어 승압된 후, 용융가스화로(40)와 연결된 싸이클론(60)으로 재공급된다. 이후, 용융가스화로(40)로 재공급되거나, 환원 가스 공급 라인(42)으로 공급되어 유동환원로(10)로 공급되는 환원 가스의 온도를 높이는데 사용된다.
한편, 용융가스화로(40) 내 압력 조절을 위해, 일반적으로 제 1 집진기(70)에서 습식 세정된 환원 가스 중 일부는 외부로 배출시키는데, 이를 잉여 가스라고 한다.잉여 가스는 용융가스화로(40)에서 발생하는 환원 가스량의 10% 내지 20%이다.
용융가스화로(40)에서 발생된 가스는 환원 가스이며, 이 환원 가스 중 용선 제조 장치에서 순환되지 않고 외부로 배출되는 잉여 가스에는 CO, H2, 타르 및 알칼리 성분 등이 포함되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 잉여 가스 중, CO와 H2를 합성 반응시켜, 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올과 같은 화학 원료를 생산한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에서는 제 1 집진기(70)와 연결되도록 가스 처리 장치(200)를 마련하고, 상기 가스 처리 장치(200) 에서 잉여 가스를 이용하여 원료를 생산한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 장치(200) 는 도 2에 도시된 바와 같이, 용선 제조 장치(100)로부터 배출된 잉여 가스로부터 불순물을 제거하는 가스 처리기(210), 가스 처리기(210)와 연결되어, 불순물이 제거된 잉여 가스 내 H2와 CO를 합성시켜 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올과 같은 화학 원료를 생산하는 합성 반응기(230), 합성 반응기(230)에서 합성된 또는 제조된 원료와 미반응된 잔여 물질을 분리하는 분리기(250)를 포함한다.
가스 처리기(210)는 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 제 1 세정 장치(210a), 제 1 세정 장치(210a)에서 타르 및 알칼리 성분이 제거된 잉여 가스로부터 황(S)을 제거하는 탈황 장치(210b), 탈황 장치(210b)에서 황이 제거된 가스로부터 미량의 불순물을 추가 제거하는 제 2 세정 장치(210c)를 포함한다.
또한, 가스 처리 장치(200) 는 용선 제조 장치(100) 보다 구체적으로는 제 1 집진기(70)와 제 1 세정 장치(210a)를 연결하도록 설치되어, 제 1 집진기(70)에서 세정된 잉여 가스를 제 1 세정 장치(210a)로 공급하는 제 1 잉여 가스 라인(220a), 제 1 세정 장치(210a)와 탈황 장치(210b)를 연결하여, 제 1 세정 장치(210a)에서 타르 및 알칼리가 제거된 잉여 가스를 탈황 장치(210b)로 공급하는 제 2 잉여 가스 라인(220b), 제 2 잉여 가스 라인(220b)의 연장 경로 상에 설치되어, 타르 및 알칼리 성분이 제거된 잉여 가스를 승압시키는 승압기(이하, 제 2 승압기(270)), 탈황 장치(210b)와 제 2 세정 장치(210c)를 연결하여, 탈황 장치(210b)에서 황이 제거된 잉여 가스를 제 2 세정 장치(210c)로 공급하는 제 3 잉여 가스 라인(220c), 제 2 세정 장치(210c)와 합성 반응기(230)를 연결하여, 제 2 세정 장치(210c)에서 미량 불순물이 제거된 잉여 가스를 합성 반응기(230)로 공급하는 제 4 잉여 가스 라인(220d), 합성 반응기(230)와 분리기(250)를 연결하여, 합성 반응기(230)에서 생산된 생성물 즉, 화학 원료과 미반응 물질을 분리기(250)로 공급하는 이동 라인(240), 분리기(250)에서 분리된 원료 및 미반응 물질을 분리기(250) 외부로 이동시키는 제 1 및 제 2 분리 라인(260a, 260b)을 포함한다.
용선 제조 장치(100)에서는 석탄을 이용하여 용선을 제조하기 때문에, 용선 제조 장치(100)에서 배출된 잉여 가스에는 타르, 알칼리 성분 및 황 등이 포함되어 있다. 타르 및 알칼리 성분은 화학 원료 제조를 위한 합성 반응을 저해하기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 장치(200)를 이용하여 타르, 알칼리 성분 및 황 등을 제거한다.
제 1 세정 장치(210a)는 잉여 가스를 향해 유기 용매를 분사하여, 상기 유기 용매에 타르 및 알칼리 성분을 용해시킴으로써, 잉여 가스로부터 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 습식 세정 장치이다. 여기서 유기 용매로는 예컨대, 아세톤, 알코올, 클로로포룸 등의 사용될 수 있다.
탈황 장치(210b)는 타르 및 알칼리 성분이 제거된 잉여 가스로부터 황(S)을 제거한다. 실시예에 따른 탈황 장치(210b)를 잉여 가스를 황(S)의 흡착이 가능한 파우더 형태의 탈황제에 통과시킴으로써, 잉여 가스로부터 황(S)을 제거한다. 탈황제는 예컨대, ZnO를 사용할 수 있다.
제 2 세정 장치(210c)는 타르, 알칼리 성분 및 황이 제거된 잉여 가스로부터 남아있는 미량의 불순물 예컨대, NH3, Ni(CO)4 및 Fe(CO)4 등을 제거한다. 실시예에 따른 제 2 세정 장치는 NH3, Ni(CO)4 및 Fe(CO)4 등을 제외한 잉여 가스를 통과시키는 여과기를 포함할 수 있다. 즉, 실시예에 따른 제 2 세정 장치(210c)는 잉여 가스를 여과기로 통과시켜, 상기 Ni 및 Co를 걸러낸다.
합성 반응기(230)는 타르, 알칼리 성분, 황 및 미량의 불순물이 제거된 잉여 가스 내 포함된 CO와 H2를 합성 반응시켜, 새로운 원료를 생산한다. 합성 반응을 위해, 합성 반응기(230) 내부를 소정의 온도 예컨대, 100℃ 내지 200℃가 되도록 조절하면, 합성 반응기(230)에서는 잉여 가스 내 CO와 H2를 아래의 반응식 1 및 반응식 2 중 어느 하나로 선택적으로 반응시켜, 디메틸에테르(dimethyl ether) 및 메탄올 중 어느 하나를 생산한다.
반응식 1) 3CO + 3H2 -->CO3OCH3(디메틸에테르)+CO2
반응식 2) CO + 2H2 -->CO3OH(메탄올)
또한, 디메틸에테르(dimethyl ether) 및 메탄올 외에 에탄올을 생산할 수도 있다.
상술한 바와 같이 CO와 H2를 합성시키는데 있어서, 반응 속도 향상을 위해 촉매를 사용할 수 있다.
합성 반응기(230)에서 사용되는 촉매는 그 성능을 유지하기 위하여 주기적으로 교체해주는 것이 바람직하며, 합성 반응기(230)에서 교체를 위해 배출된 촉매는 제 2 세정 장치(210c)의 여과기에 재활용될 수 있다.
한편, 합성 반응기(230)에서는 공급된 잉여 가스 내 CO와 H2를 합성 반응시키나, 합성 반응기(230) 내로 공급된 잉여 가스 내 모든 CO와 H2가 모두 합성 반응하지 않을 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 합성 반응기(230)와 연결되도록 분리기(250)를 마련하고, 분리기(250)에서 합성 반응에 의해 생산된 원료 예컨대, 디메틸에테르(dimethyl ether). 메탄올 또는 에탄올과, 미반응 가스인 CO와 H2를 분리한다.
분리기(250)에서 분리된 원료는 제 1 분리 라인(260a)을 통해 분리기(250) 외부로 이송되어 필요에 따라 정제 과정을 거친 후, 사용처에 판매된다. 그리고 미반응 CO 및 H2는 제 2 분리 라인(260b)을 통해 분리기 외부로 유동환원로(10)의 배가스와 혼합되어 발전소 연료가스로서 활용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 장치(200) 는 용융가스화로(40)에서 발생되는 환원 가스 중, 용선 제조 장치(100)를 순환하지 않고 외부로 배출되는 잉여 가스를 이용하여 새로운 화학 원료를 제조한다.
이때, 원료의 생산량을 증대시키기 위하여, 실시예에서는 용융가스화로(40)에 상기 원료를 제조하기 위한 가스를 공급하는 가스 공급부를 연결한다.
실시예에 따른 가스 공급부는 용융가스화로(40)로 탄화수소 함유 가스와 산소를 취입하며, 이를 연소시킨다. 이러한 가스 공급부는 제 2 버너(300)를 포함하며, 제 2 버너로 탄화수소 함유 가스와 산소가 취입된다. 제 2 버너(300)는 용융가스화로(40)의 상부 즉 돔부에 설치되는데, 용융가스화로(40) 내 석탄충진층의 최상부면으부터 1.5m 이상 높은 위치에 배치되도록 설치하는 것이 바람직하다. 이는 제 2 버너(300)를 통해 취입되는 산소가 용융가스화로(40)의 석탄충진층과 접촉하지 않도록 하기 위함이다. 또한, 제 2 버너(300)는 2개 이상의 복수개로 마련되는 것이 효과적이며, 복수의 제 2 버너(300)는 용융가스화로(40) 돔부의 둘레 방향을 따라 이격 설치되는 것이 바람직하다.
탄화수소 함유 가스에는 CH4, C2H6 및 C3H6 등이 포함되어 있는데, 아래의 반응식 3 내지 반응식 6과 같은 연소 보다 구체적으로는 부분 연소 반응에 의해 CO 및 H2 등으로 분해된다.
반응식 3) CH4 + 0.5O2 = CO + 2H2
반응식 4) C2H6 + O2 = 2CO + 3H2
반응식 5) C3H8+1.5O2 = 3CO + 4H2
실시예에서는 탄화수소 함유 가스로 천연 가스를 사용하나, 이에 한정되지 않고, 탄화수소가 함유되어 있는 다양한 가스를 적용할 수 있다.
가스 공급부 즉, 제 2 버너(300)로 산소를 취입하는데 있어서, 산소의 몰비가 탄화수소 함유 가스 내 탄소 몰수의 0.6 내지 0.7 몰비가 되도록 산소를 취입하는 것이 바람직하다. 이는 탄화수소 함유 가스 중 성분이 CO 및 H2로 분해 또는 전환율이 90% 이상이 되도록 하기 위함이다.
예를 들어, 산소의 몰비가 탄화수소 함유 가스 내 탄소 몰수의 0.6 몰비 미만인 경우, 탄화수소 함유 가스 중 성분이 CO 및 H2로 분해 또는 전환율이 90% 미만이 될 수 있다. 그러나, 제 2 버너(300)를 통해 탄화수소 함유 가스 및 산소를 추가로 취입하는 것으로부터 취입하지 않을 때에 비해 잉여 가스 내 CO 및 H2의 함량을 증대시킬 수 있으므로, 반드시 산소의 취입량이 상술한 범위를 만족할 필요는 없다.
또한, 탄화수소 함유 가스의 취입량은, 상기 탄화수소 함유 가스의 부분 연소에 의해 발생된 CO 및 H2 가스량이 용융가스화로(40)에서 석탄의 연소 및 가스화에 의해 발생하는 가스량의 30% 이하가 되도록 조절되는 것이 바람직하고, 25% 이하로 조절하는 것이 보다 안정적이다. 이는 탄화수소 함유 가스의 부분 연소에 의해 발생된 CO 및 H2 가스량이 용융가스화로(40)에서 석탄의 연소 및 가스화에 의해 발생하는 가스량의 30%를 초과하는 경우, 상기 용융가스화로(40)의 돔부 체적에 비하여 과도한 가스량으로 인해, 과도하게 압력이 상승할 수 있기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 가스 공급부를 통해 용융가스화로(40)로 탄화수소 함유 가스와 산소를 취입하여 연소시킴에 따라, 용융가스화로(40)부터 배출되는 가스 내 CO 및 H2 함량이 증가된다. 따라서, 용선 제조 장치(100) 또는 제 2 집진기(80)로부터 배출되어 가스 처리 장치(200)로 공급되는 잉여 가스 내 CO 및 H2 함량이 증가된다. 이에, 합성 반응기(230)에서 합성 반응에 참여되는 CO 및 H2 함량이 증가되므로, 디메틸에테르(dimethyl ether) 및 메탄올과 같은 화학 원료 생산량이 증가되는 효과가 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 용선 제조 장치로부터 발생된 잉여 가스를 이용하여 가스 처리 장치에서 원료를 생산하는 방법에 대해 설명한다. 이때, 앞에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
용선 제조를 위해 제 1 장입 장치(50a) 및 제 2 장입 장치(50b)를 통해 용융가스화로(40)의 돔부로 환원철 및 석탄을 장입한다. 그리고, 용융가스화로(40)의 하부에 마련된 취입구 및 제 1 버너(41)를 이용하여 산소를 취입하면, 장입된 석탄이 취입된 산소와 반응하여 열이 발생되며, 이 열에 의해 환원철이 용융됨에 따라 용선이 제조된다. 이때, 용융가스화로(40)의 취입구로부터 취입되는 산소량은 76.900 Nm3/hr, 제 1 버너를 통한 산소 취입량은 12,800Nm3/hr 일 수 있다.
이렇게 용융가스화로(40)에서 용선을 제조할 때, 용융가스화로(40)의 돔부에 설치된 제 2 버너(300)를 통해 탄화수소 함유 가스인 천연 가스와 산소를 취입한다. 실시예에서는 천연 가스를 26,000Nm3/hr, 산소를 15,385Nm3/hr 유량으로 취입한다.
상술한 바와 같은 공정이 진행되는 용융가스화로(40)에서는 180ton/hr의 용선이 제조된다.
용융가스화로(40)에서 용선을 제조하는 동안 발생된 환원 가스는 싸이클론(60)에 의해 더스트가 제거된 후, 일부는 제 1 버너(41)로 공급되고, 다른 일부는 제 1 집진기(70)로 이송되어 세정된다.
용융가스화로(40)에서 환원철의 용융중에 발생된 환원 가스는 배출 라인(61)을 통해 상기 용융가스화로(40)의 외부로 배출되어 싸이클론(60)으로 공급된다. 싸이클론(60)은 환원 가스 중 더스트를 제거하고, 더스트가 제거된 일부의 환원 가스는 재공급 라인을 통해 제 1 버너(41)로 공급된다. 그리고 싸이클론(60)에서 더스트가 제거된 다른 일부의 환원 가스는 제 1 집진 라인(71)을 통해 제 1 집진기로 이송되거나, 환원 가스 공급 라인을 통해 유동환원로(10)로 공급된다.
제 1 집진기(70)에서는 더스트가 제거된 환원 가스를 세정하며, 이중 일부는 제 1 회수 라인(72)을 통해 용융가스화로(40)와 연결된 싸이클론(60)으로 재공급된다.
그리고, 나머지 가스 즉, 잉여 가스는 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 장치로 공급되어 화학 원료를 제조하는데 사용된다. 실시예에서는 용융가스화로(40)에 제 2 버너(300)를 통해 천연 가스와 산소를 취입함에 따라, 이들을 취입하지 않을 때에 비해 잉여 가스 내 CO 및 H2의 함량이 증가 되었다.
제 1 집진기(70)로부터 배출된 잉여 가스 중 일부인 140,000Nm3/hr의 잉여 가스가 제 1 세정 장치(210a), 탈황 장치(210b)를 순차적으로 통과하면서, 타르, 알칼리 및 황을 제거한다. 그리고 타르, 알칼리 및 황이 제거된 잉여 가스는 제 2 세정 장치(210c)에서 미량의 잔여 불순물을 제거한 후, 합성 반응기(230)로 이송된다.
합성 반응기(230)에서는 잉여 가스 내 포함된 CO와 H2를 예컨대 제 1 반응식으로 합성 반응시키며, 디메틸에테르(dimethyl ether) 원료가 제조된다.
그리고, 합성 반응기(230)에서 제조된 원료인 디메틸에테르(dimethyl ether)와 미반응 가스 즉, CO 및 H2는 분리기로 이송되어 분리된다. 분리기(250)에서 분리된 디메틸에테르(dimethyl ether) 원료의 생산량은 24 ton/hr 일 수 있으며, 미반응 가스는 65,800Nm3/hr 일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 용선 제조 장치(100)에서 발생된 잉여 가스를 재활용하여 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 고부가 가치의 화학 원료를 생산할 수 있다. 이에, 종래에 비해 용선 제조 설비의 경제성이 크게 향상되며, 종래의 화학 원료 생산에 비해 저 비용으로 화학 원료를 제조할 수 있음에 따라, 원가 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시형태들에 따른 용선 제조 설비에 의하면, 용선 제조 장치에서 발생된 잉여 가스를 재활용하여 디메틸에테르(dimethyl ether), 메탄올 및 에탄올 중 어느 하나의 고부가 가치의 화학 원료를 생산할 수 있다. 이에, 종래에 비해 용선 제조 설비의 경제성이 크게 향상되며, 종래의 화학 원료 생산에 비해 저 비용으로 화학 원료를 제조할 수 있음에 따라, 원가 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 용융가스화로를 구비하는 용선 제조 장치; 및
    상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 생산하는 가스 처리 장치;
    를 포함하는 용선 제조 설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 처리 장치는,
    상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 불순물을 제거하는 가스 처리기; 및
    상기 가스 처리기에서 불순물이 제거된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시키는 합성 반응기;
    를 포함하는 용선 제조 설비.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가스 처리기는,
    상기 용선 제조 장치로부터 배출된 가스 중 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 세정 장치; 및
    상기 세정 장치로부터 제공된 가스로부터 황을 제거하는 탈황 장치;
    를 포함하는 용선 제조 설비.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 합성 반응기에서 생성된 원료 및 미반응 가스를 제공 받아, 상기 원료와 미반응 가스를 분리하는 분리기를 포함하는 용선 제조 설비.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융가스화로에 탄화수소 함유 가스 및 산소를 취입하도록 상기 용융가스화로에 설치된 버너를 포함하는 용선 제조 설비.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 버너는 상기 용융가스화로에 장입된 석탄충진층의 상부 표면과 이격되는 높이로 상기 용융가스화로에 설치된 용선 제조 설비.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 버너는 복수개로 마련되어, 상기 용융가스화로의 둘레 방향으로 나열되어 이격 배치된 용선 제조 설비.
  8. 환원철 및 석탄을 마련하는 과정;
    상기 환원철 및 석탄을 용융가스화로에 장입하여, 상기 석탄의 연소시에 발생되는 열에 의해 상기 환원철을 용융시켜 용선을 제조하는 과정; 및
    상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 제조하는 과정;
    을 포함하는 용선 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 원료를 제조하는 과정은,
    상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중 불순물을 제거하는 과정; 및
    불순물이 제거된 가스 중 함유된 CO와 H2를 합성 반응시켜 원료를 제조하는 과정;
    을 포함하는 용선 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 불순물을 제거하는 과정은,
    상기 용융가스화로로부터 배출된 가스 중, 타르 및 알칼리 성분을 제거하는 과정; 및
    상기 타르 및 알칼리 성분이 제거된 가스로부터 황을 제거하는 과정;
    을 포함하는 용선 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 합성 반응에 의해 생성된 원료와 미반응 가스를 분리하는 과정을 포함하는 용선 제조 방법.
  12. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용선을 제조하는 과정에 있어서, 상기 용융가스화로로 탄화수소 함유 가스 및 산소를 취입하여, 상기 탄화수소 함유 가스를 연소시키는 용선 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 산소를 취입하는데 있어서,
    상기 산소의 몰비가 탄화수소 함유 가스 내 탄소 몰수의 0.6 내지 0.7 몰비가 되도록 취입하는 용선 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 탄화수소 함유 가스의 취입 유량은, 상기 탄화수소 함유 가스와 산소에 의해 발생된 CO 및 H2 가스량이 상기 용융가스화로 내부에서 상기 석탄의 연소 및 상기 환원철의 환원에 의해 발생되는 가스량의 30% 이하가 되도록 조절되는 용선 제조 방법.
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