KR100551609B1 - 미립자 산화철을 포함한 물질의 직접 환원방법 및 이를위한 장치 - Google Patents

미립자 산화철을 포함한 물질의 직접 환원방법 및 이를위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동화를 이용하여 미립자 산화철을 포함한 물질을 직접 환원시키는 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서 환원용 가스를 위하여 일련의 연속적으로 배열된 다수의 유동층 영역에 합성 가스가 환원용 가스로서 유입되고 상기 환원용 가스는 미립자 산화철을 포함한 물질의 흐름 방향과 반대 방향으로 한 유동층 영역으로부터 다른 유동층 영역으로 이송된다.
조업 비용, 특히 에너지 요구량을 감소시키기 위하여 산화철을 포함한 물질의 온도는 제1 유동층 반응기에서 400℃ 이하, 바람직하게는 350℃ 이하, 580℃ 이상, 바람직하게는 약 650℃ 또는 400 내지 580℃의 온도 범위에서 조절되는데, 온도가 400℃ 이하로 조절되는 경우에는 400 내지 580℃의 온도 범위는 최대 10분, 바람직하게는 5분 이내에서 통과되고, 온도가 580℃ 이상으로 조절되는 경우에 400 내지 580℃의 온도 범위는 최대 10분, 바람직하게는 5분 이내에서 통과되고, 또한 온도가 400 내지 580℃의 온도 범위로 조절되는 경우에는 산화철을 포함한 물질은 상기 온도 범위에서 최대 10분, 바람직하게는 5분 이내에서 유지되고 원하는 온도에 도달한 직후에 다음 유동층 영역으로 이송된다.
유동층, 산화철, 직접환원, 마그네타이트, 미세광석

Description

미립자 산화철을 포함한 물질의 직접 환원방법 및 이를 위한 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE DIRECT REDUCTION OF A MATERIAL CONTAINING IRON OXIDE IN A PARTICULATE FORM}
본 발명은 유동화(fluidization)에 의하여 미립자 산화철을 포함한 물질을 직접 환원시키는 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 방법에서는, 개질된 천연가스 등과 같은 합성 가스가, 환원가스를 위해 연속적으로 배열된 복수개의 유동층 영역으로 환원가스로서 유입되고 하나의 유동층 영역에서 다른 유동층 영역으로 미립자 산화철을 포함한 물질의 흐름 방향과 반대 방향으로 이동되며, 이 때, 산화철을 포함한 물질의 가열은 산화철을 포함한 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 영역에서 수행되며 직접 환원은 추가되는 유동층 영역(들)에서 수행된다.
이러한 종류의 공정은 미국특허공보 제5,082,251호, 국제공개공보 제92/02458호 및 유럽공개공보 제0 571 358호에 개시되어 있다. 미국특허공보 제5,082,251호는, 상승된 압력 하에서 환원가스를 사용하여 일련의 배열된 유동층 반응기 시스템에서 철 성분이 많은 미세 광석을 환원시키는 것에 대해서 개시하고 있다. 환원 후 상기 생성된 철 분말은 열간 브리켓 또는 냉간 브리켓(hot and cold briquetting) 공정을 거치게 된다.
환원가스는 종래의 개질로에서 과열 수증기를 사용하여 탈황되고 예열된 천연가스를 촉매 개질반응시켜 제조된다. 이후, 상기 개질된 가스는 열교환기에서 냉각되고, 이어서, 산화철 촉매를 사용한 CO 전환반응에 의해 환원가스 중에 있는 H2 분율이 증가하게 된다. 이후, 개질기로부터 오는 CO2 와 생성되는 CO2가 CO2 스크러버(scrubber)에 의해서 제거된다.
이 가스는 부분적으로 소모된 환원 가스 [상부 가스(top gas)]와 혼합되고 가열되며 미세 광석은 역류(counterflow) 상태에 있는 3단계 [3개의 유동층 반응기]로 환원된다.
광석 흐름은 건조 조건하에서 시작하여 스크리닝(screening)된다. 이어서, 천연가스가 연소되는 예열 반응기로 상기 광석이 들어간다. 상기 광석은 상승된 압력 하에서 3개의 연속적인 반응기에서 환원된다.
유럽공개공보 제0 571 358호로부터 미세 광석의 환원은 하기 반응식
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2 - △H
에 따른 H2에 의한 강한 흡열반응에 의해서만 수행되는 것은 아니며, 하기 반응식
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 + △H
에 따른 CO에 의한 발열반응을 통하여 부가적으로 수행되는 것으로 공지되었다. 따라서 이것에 의하여 조업 비용이 낮아지게 될 수 있고, 특히 에너지 비용이 현저 하게 저하될 수 있다.
종래 기술에 의하면, 공지된 공정들의 반응 속도론 때문에, 직접 환원반응 중, 외부로부터 내부를 향해 성장하고 산화철-함유 재료의 각 입자 또는 알갱이상에 형성하는 층 내에 마그네타이트(magnetite)가 형성된다. 실제, 상기 마그네타이트의 형성은 환원 가스에 의한 직접 환원의 수행을 억제하는 효과가 있다. 따라서 충전된 산화철-함유 재료를 다소 완전하게 산화시키는 것은, 예를 들어 환원용 가스의 사용량을 증가시킴에 의해, 높은 산화비용에서만 가능하게 된다. 특히, 첫 번째 배열된 유동층 영역에서 조차 높은 환원 전위를 갖는 환원 가스를 이용할 수 있도록 하는 것이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제 및 어려움을 피하기 위한 것으로, 환원가스의 화학적 전위를 충분히 사용함에 의해 에너지 수요를 감소시켜 초기에 정의된 공정을 더욱 개발하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본원 발명에 따를 경우, 환원 전위(reduction potential)와 현열(sensible heat)의 관점에서, 환원가스를 최적의 상태로 이용함으로써, 조업비용을 현저하게 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따라서, 상기 목적은,
제1 유동층에서, 산화철 함유 물질의 온도를
- 400℃ 이하, 및 바람직하게는 350℃ 이하로,
- 또는 580℃ 이상, 바람직하게는 약 650℃로,
- 또는 400 내지 580℃의 범위로 조절하고, 이 때,
· 온도를 400℃ 이하로 조절하는 경우에는, 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 제1 유동층 영역 다음에 배열된 유동층 영역에서 400 내지 580℃의 온도 범위가 10분 이내, 바람직하게는 5분 이내에 통과되도록 하고,
· 온도를 580℃ 이상으로 조절하는 경우에는, 400 내지 580℃의 온도 범위가 최대 10분 이내, 바람직하게는 5분 이내로 통과되게 하고, 나아가,
· 온도를 400 내지 580℃의 범위로 조절하는 경우에는, 산화철 함유 물질은 상기 온도 범위에서 최대 10분, 바람직하게는 5분 이내로 유지되도록 하고, 소망하는 온도에 도달한 후 바로 다음 유동층 영역으로 이송시키는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 마그네타이트 층의 형성을 효과적으로 방지하거나 또는 허용 가능한 정도로 감소시키는 것이 가능해진다. 마그네타이트 층의 형성은 매우 급속하게 발생하며, 마그네타이트 층은 산화철을 포함한 물질의 온도가 약 580℃의 한계 온도에 접근할수록 더 신속하게 형성된다. 산화철 함유 물질의 입자나 광석 입자(ore grain)의 표면에 형성된 마그네타이트는 광석 그 자체보다 조밀(dense)하기 때문에 환원가스와 철광석간의 계면에서 확산 저항을 증가시킨다. 그 결과 반응 속도가 감소된다. 바우어-글라에스너 다이어그램(Baur-Glaessner diagram)에 따르면, 철광석 입자의 표면상의 이와 같은 조밀한 마그네타이트 층의 형성은 철광석의 온도가 580℃가 도달할 때까지 주로 일어난다. 400℃ 이하의 철광석 온도에서는 마그네타이트 형성이 다시 감소되므로, 조밀한 마그네타이트 층도 덜 급속하게 형성된다.
마그네타이트 형성 반응속도는 가스 및 고체의 조성에 영향을 받는다. 환원가스 분자는 외부 가스 흐름으로부터 고착 가스 경계층(adhering gas border layer)를 통해, 그리고 마크로포어(macropores) 및 마이크로포어(micropores)를 통해 반응 사이트에 도달해야 한다. 여기서 산소의 해리가 일어난다. 산화된 가스는 동일한 방법으로 다시 나가게 된다. 따라서 광석 입자는 외부에서 내부 방향으로 환원된다. 이러한 방법으로 해리된 산소는 중공의(hollow) 공간을 떠나고 광석 입자의 원래 부피는 거의 수축되지 않기 때문에 광석 입자의 기공성이 증가된다. 반응 선단(reaction front)은 광석 입자의 외부에서 내부로 이동된다. 조밀한 층에서 환원용 가스의 농도는 층의 외부에서 내부로 갈수록 감소한다. 우선, 가스는 외부로부터 이미 환원된 쉘(shell)을 통해서 반응 선단(front)까지 확산되고, 반응 선단에서 반응된 후 반응 생성물로서 다시 확산된다. 다공성 표면에서는 반응 선단내의 기공의 벽에서 상 경계(phase border) 반응이 일어남과 동시에 가스가 내부로 가스가 확산될 수도 있다. 광석 입자 표면에 있는 조밀한 마그네타이트 층에서는, 상기 마그네타이트 층이 환원용 가스의 확산을 방해하기 때문에 반응 속도가 억제되고 따라서 환원용 가스의 물질전달이 다공성 광석 입자에서와 동일한 양태로 일어날 수 없다.
본 발명의 기본적인 사상은 산화철 함유 물질의 400℃에서 580℃로의 온도 전이를 가능한 단시간 내에 도달시켜 임계 온도범위 내에서의 체류(maintenance)를 피하는데 있다. 상기 온도범위를 신속하게 통과하는 경우, 마그네타이트 층의 형성이 현저하게 감소한다. 뷔스티테(wuestite)가 형성된다고 하더라고 이것은 환원에 해로운 영향을 미치지는 않는다. 따라서, 산화철 함율 물질의 흐름 방향에서, 첫 번째로 배열된 유동층 영역에 대한 환원 조건이 현저하게 향상된다.
유리하게는, 어떠한 상황에서도, 산화철 함유 물질은, 요구되는 온도가 도달된 후 바로, 연속적으로 배열된 유동층 영역으로 이송된다.
본 발명의 바람직한 구현 방법에 따르면, 400 내지 580℃의 온도 범위는 체류시간을 피하면서 통과되며, 400 내지 580℃의 온도 범위 내에서 평균 온도구배는 적어도 20℃/분, 바람직하게는 40℃/분이다.
제1 유동층 영역에서 온도가 400℃ 이하로 조절된 경우, 400 내지 580℃의 온도 범위는 산화철 함유물질의 흐름 방향에서 두 번째로 배열된 유동층 영역에서 통과하게 될 것이다. 제2 유동층 영역에서 환원가스 온도는 실질적으로 보다 높고 환원전위도 보다 높기 때문에, 상기 통과는 제1 유동층의 통상적 조건하에서의 가능한 속도보다 실질적으로 높은 속도로 일어난다. 후자의 경우도 마찬가지로 마그네타이트의 형성을 방해하거나 감소시킨다. 이 경우, 비 임계적 기간의 시간동안 임계온도 범위의 신속한 통과가 제2 유동층 영역에서 일어난다.
임계 온도범위를 단지 제2 유동층 영역에서만 통과한다면, 이는 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 방법은 제1 유동층 영역에 공급되는 환원가스를 제1 유동층 영역에 도입되기 전에 냉각공정에 투입하는 것으로 달성된다.
제1 유동층 영역에 있어, 400℃ 이하로의 효과적 온도 조절은, 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서, 제1 유동층 영역 다음에 배열된 유동층 영역으로부터 나오는 환원용 가스를 단지 부분적으로 제1 유동층 영역에 유입시키고 제1 유동층 영역으로부터 배출되는 환원용 가스를 적어도 부분적으로 제1 유동층 영역으로 재순환시킴에 의해 달성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현 방법에 따르면, 산화철 함유 물질과 가스는 제1 유동층에서 간접적으로, 바람직하게는 공기 또는 물을 사용하여, 냉각된다.
또한 제1 유동층 영역에서 산화철을 포함하는 물질 및 가스를 직접, 바람직하게는 물 및/또는 수증기를 분사시켜, 냉각시킬 수 있다.
특히 간단한 방법으로 수행될 수 있는 다른 구현 방법에 따르면, 산화철 함유 물질이, 상기 물질의 흐름 방향에서 연속적으로 배열된 일련의 유동층 영역에서보다 제1 유동층 영역에서 더 짧은 체류시간을 가지도록 함에 의해 제1 유동층 영역에서 임계온도 이하의 체류를 보장한다.
또한, 제1 유동층 영역에서 임계 온도 범위를 가능한 신속하게, 예를 들어 최대 5분 이내에 통과하도록 하기 위해서 일부 다른 구현 방법이 사용될 수 있다.
이는, 제1 유동층 영역으로 공급되는 환원용 가스를 제1 유동층 영역으로 도입하기 전, 전체적인 또는 부분적인 흐름으로, 바람직하게는 연도 가스(smoke gas)를 사용하여 간접적으로, 가열시켜서 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 변형 방법에 따르면, 산화철 함유 물질의 흐름방향에서 제1 유동층 영역 다음에 배열된 유동층 영역으로부터 나오는 환원용 가스의 총량 또는 일부량과, 최소한 일부량의 새로운 공기, 바람직하게는 미사용의 환원용 가스를 제1 유동층 영역으로 유입시키는 방법으로 본 발명은 달성될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 구현방법은, 제1 유동층 영역으로의 도입 전, 환원용 가스를 부분 연소시키면서 제1 유동층 및/또는 연속적으로 배열된 유동층 영역으로 공급되는 환원용 가스에, 산소 또는 산소-함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구현방법은, 환원용 가스를 부분 연소시키면서, 제1 유동층 및/또는 연속적으로 배열된 유동층 영역에 산소 또는 산소-함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 유동층 영역에 충진되는 산화철 함유 물질을 예열된 상태, 바람직하게는 고온으로 예열된 상태 및 특히 250℃ 이상의 온도 범위에서 예열된 상태로 충진시키는 방법으로 임계 온도 범위가 신속하게 통과될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 구현방법은, 산화철 함유 물질과 가스를, 제1 유동층 영역에서 간접적으로, 바람직하게는 고온 가스, 연도 가스 또는 연소가스의 연소에 의해 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 기술된 여러 구현 방법을 2개 또는 여러개 조합시켜 달성될 수도 있다.
본 발명의 방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 산화철 함유 물질을 수용하기 위한 일련의 연속적으로 배열된 다수의 유동층 반응기를 포함하며, 이 때, 상기 산화철 함유 물질은 이송관(conveying duct)을 통하여 하나의 유동층 반응기로부터 다른 유동층 반응기로 한 방향으로 이동되고, 환원 가스는 연결관(connecting duct)을 통하여 상기 산화철을 포함하는 물질의 흐름 방향과 반대 방향으로 하나의 유동층 반응기로부터 다른 유동층 반응기로 이동되는 바, 상기 장치는, 산화철 함유 물질의 흐름방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기에 복열기(recuperator)가 제공된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치는 종속항들에서 한정되어 있다. 이러한 장치는 그 자체로 일부가 공지되어 있는데, 그 예로는 유럽특허공개 제571,358호(제1 환원 반응기의 승온 온도의 조절)가 있다. 또한, 미국특허 제3,205,066호에는 유동층에서 산소 또는 산소를 포함한 가스로 부분 연소시키는에 관하여 개시되어 있고, 미국특허 제3,982,901호 및 제3,983,927호에는 유동층 반응기에 열교환기를 설치하는 것에 관하여 개시되어 있고, 유럽특허공개 제345,467호에는 유동층 반응기에 자켓 제트 히팅 파이프(jacketed jet heating pipes)를 설치하는 것에 대하여 개시되어 있다.
이하에서는 도면을 사용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1은 제1 유동층 영역에서 산화철 함유 물질의 온도가 400℃ 이하로 유지되는 본 발명의 바람직한 구현에 대한 공정도이다. 도 2 내지 4는 도 1에 도시된 공정도의 변형된 구현의 상세도인데, 여기서 상기 구현에 따라서 제1 유동층에서는 온도가 최대 400℃로 조절된다. 도 5 내지 8에 도시된 변형은 도 2 내지 4와 유사하게 도 1에 따른 공정도의 다른 구현에 대한 상세도인나, 여기서는 산화철 함유 물질의 흐름방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 영역에서 580℃ 이상의 온도가 조절된다. 도 9는 바우어 글라에스너 다이어그램을 나타낸 것인데, 환원과정은 제1 유동층 영역의 온도 수준에 영향을 주거나 주지 않으면서 수행된다. 도 10은 제1 유동층 영역의 가열을 위한 본 발명에 따른 방법의 다양한 운전모드를 나타낸 그래프이다.
도 1에 따른 본 발명의 장치는 4개의 일련의 연속적으로 배열된 유동층 반응기 1 내지 4를 포함하는데, 여기서 미세 광석 등, 산화철 함유 물질이 광석 공급관 (5)을 통하여 제1 유동층 반응기(1)로 공급되고, 여기서 미리 정해진 온도로의 가열 (및/또는 선택적으로 예비환원)이 일어나는 바, 이하, 상세히 기술한다. 계속해서 미세광석은 이송관 6을 통하여 하나의 유동층 반응기로부터 다른 유동층 반응기로 이송되고, 유동층 영역은 유동층 반응기 1 내지 4의 각각에서 형성된다. 완전하게 환원된 물질(해면철:sponge iron)은 브리켓 장치 7에서 열간 브리켓 된다. 필요에 따라서 브리켓 되는 동안 환원된 철은 불활성 가스 시스템(도시되지 않음)에 의해 재산화되는 것으로부터 보호된다.
미세 광석을 제1 유동층 반응기(1)로 도입시키기 전, 건조, 스크리닝 등의 광석 준비공정이 수행되며, 이들에 대해서는 상세하게 예시하지 않는다.
환원용 가스는 유동층 반응기(4)로부터 다른 유동층 반응기(3) 내지 (1)로 광석흐름과 반대 방향으로 흐르고, 가스 흐름방향에서 마지막에 배열된 유동층 반응기(1)로부터 상부가스 배출관 8을 통해서 상부가스로서 유출되고 냉각되며, 습식 스크러버(wet scrubber: 9)에서 불순물이 제거된다.
환원가스는 관(11)을 통해 유입되는 천연가스를 개질기(10)에서 개질시키고 탈황시설 (12)에서 탈황시켜 제조한다. 개질기(10)를 떠나는 천연가스 및 증기에 의해서 형성된 가스는 주로 H2, CO, CH4, H2O 및 CO2를 포함한다. 개질된 천연가스는 개질 가스관(13)을 통해서 1개 또는 다수의 열교환기 (14)로 이송되고, 여기서 온도 80 내지 150℃로 냉각되어 물이 응축되어 제거된다.
개질된 가스관(13)은, 압축기(15)에 의한 상부가스의 압축 후, 상부가스 배출관(8)으로 이어진다. 이렇게 형성된 혼합가스는 CO2 스크러버(16)를 통과하여 CO2 및 H2S가 제거된 후에 환원용 가스로 사용될 수 있다. 이 환원용 가스는 환원용 가스 공급관(17)을 통해 CO2 스크러버(16) 다음에 배열된 가스 가열기(18)에서 약 800℃의 환원용 가스 온도로 가열되고, 가스흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(4)로 공급되는데, 여기서 환원용 가스는 미세 광석과 반응하여 환원된 철을 직접 제조한다. 유동층 반응기들 (4) 내지 (1)은 연속적으로 배열된다; 환원용 가스는 하나의 유동층 반응기로부터 다른 유동층 반응기로 연결관(19)를 통해 이동된다. 유동층 반응기의 수는 환원용 가스의 물성, 요구되는 환원 등급(gradient) 등과 같은 각각의 상황에 따라 다르다.
N2 같은 불활성 가스가 많아지는 것을 방지하기 위하여 일부의 상부가스는 가스 순환경로 (8), (17) 및 (19)로부터 배출된다. 가지관(branch duct) (20)을 통해서 배출된 상부 가스는 환원용 가스의 가열을 위하여 가스 가열기 18로 공급되어 연소된다. 에너지가 부족한 경우에는 공급관 (21)을 통해서 공급되는 천연가스에 의해서 에너지가 보충된다.
개질기(10)로부터 나오는 개질 천연가스와 개질기 연도가스의 현열(sensible heat)은 복열기(22)에서 이용되어, 탈황시설 (12) 통과 후의 천연가스를 예열시키고 개질에 요구되는 수증기를 제조하고, 관(23)을 통해서 가스 가열기 (18)로 공급되는 연소 공기, 뿐만 아니라, 필요한 경우에 환원용 가스를 예열시킨다. 또한 관(24)를 통해서 개질기(10)로 공급되는 연소공기도 예열된다.
마그네타이트의 형성을 최소화하기 위해서 도 1 내지 4에 나타낸 본 발명의 구현예에서는 유동층 반응기(1)의 온도가 400℃ 보다 높게 가열되지는 않는다. 도 1에 따르면, 이것은 유동층 반응기(1)에 설치된 열교환기(25)에 의해서 수행되는데, 상기 열교환기는 유동층 반응기(1) 내부의 냉각나선 (26) 또는 이와 유사하게 배열된 것을 포함한다. 상기 냉각나선에서는 물이 통과되어 수증기로 전환된다. 또한 상기 수증기는 냉매로 사용될 수 있고 공정의 다른 단계에서 사용될 수도 있다. 냉각나선 대신에 침수(immersion) 가열 표면이 유동층 반응기(1)에 삽입될 수도 있다.
이러한 수단에 의해서 유동층 반응기(2)로부터 나오는 이미 부분적으로 사용된 환원용 가스를 냉각시켜, 유동층 반응기(1)에 함유되어 있는 광석이 400℃ 보다 높은 온도로 가열되지 않도록 할 수 있다. 400℃ 이상의 요구되는 환원 온도로 가열시키는 것은 유동층 반응기(2) 에서 수행되며, 유동층 반응기 (3) 으로부터 오는 유동층 반응기 (2)의 환원용 가스가 광석을 온도 580℃ 이상으로 매우 단시간 내 가열시킨다. 따라서 가열은 매우 신속하게 수행되기 때문에 마그네타이트의 형성이 가능한 방지된다.
또한, 유동층 반응기(1)의 온도는 물 및/또는 수증기로 직접 냉각시켜 낮출 수 있다. 이것에 대해서는 도 2에 도시되어 있다. 물 또는 수증기는 관 (27) 및/또는 관(28)을 통과해서 유동층 반응기(1)로 연결된 연결관(19)를 통해서 유동층 반응기(1)로 공급된다. 상부가스 배출관(8)을 통해서 유동층 반응기(1)로부터 배출되는 상부가스는 스크러버(9)를 통해서 이송되고 유동층 반응기(1)에서 일어나지 않은 잔류냉각은 스크러버(9)에서 수행되기 때문에 상기 매체의 유입은 에너지 소비면에서 어떠한 단점을 갖지 않는다.
도 3에 따르면, 유동층 반응기(1)의 유동층 영역의 냉각은 유동층 반응기(2)로부터 유동층 반응기 (1)로 연결된 연결관(19)에 재생 열교환기 (29)를 제공하여 수행되며, 상기 열교환기는 물 또는 이와 유사한 것을 사용하여 유동층 반응기(1)로 유입되는 환원가스를 냉각시키는데 사용된다. 또한 냉각은 물 및/또는 수증기의 직접 분사에 의해 수행될 수도 있다.
도 4에 따르면, 유동층 반응기(1)의 최대온도 400℃는 유동층 반응기(2)로부터 배출되는 환원 가스의 일부를 가지관 (30)을 통해서 상부 가스로 직접 보내고 나머지 가스를 유동층 반응기(1)로부터 배출되는 순환상부 가스와 혼합시켜 유동층 반응기(1)로 유입시킴으로써 조절된다. 이를 위해 유동층 반응기 (1)로부터 나오는 상부 가스 배출관(8)에서 가지관 (31)이 갈라져서 연결관 (19)와 연결된다.
또한 광석을 보다 낮은 온도로 가열하는 것은 유동층 반응기 (1)에서 광석의 체류시간을 보다 짧게 함으로써 달성될 수 있으며, 이는 환원속도에 긍정적인 영향을 준다. 실시에 있어, 상기는 제1 유동층 반응기의 크기를 감소시켜 달성될 수 있다.
전술한 모든 수단에 의해, 유동층 반응기 (1)은 환원영역으로 직접적으로 작용한다기 보다는 가열영역으로 먼저 작용한다.
도 5, 6, 7 및 8에 따르면, 580℃ 이상의 온도가 제1 유동층 반응기에서 조절되는데, 이 경우에 본 발명에서 매우 중요한 400 내지 580℃의 온도 범위는 5분 이내에서 유지된다. 상기 온도는 가스온도가 아니라 반응기에 충진된 산화철을 포함하는 물질, 즉 미세 광석의 온도이다.
도 5에 도시된 본 발명의 구현에 따르면, 이것은 유동층 반응기(2)로부터 배출되는 이미 부분적으로 소모된 환원용 가스 중 적어도 일부를 재생 열교환기(32)를 경유시켜 유동층 반응기(1)로 공급함에 의해 달성될 수 있다. 상기 열교환기는 연도 가스 또는 다른 고온 가스로 운전하는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 본 발명의 구현에 따르면, 유동층 반응기 (2)로부터 나와 유동층 반응기 (1)로 유입되는 환원용 가스를 새로운 환원용 가스와 혼합하여 실질적으로 보다 높은 온도를 나타내도록 한다. 혼합된 새로운 환원용 가스는 환원용 가스 공급관 (17)로부터 갈라진 가지관(33)을 통해서 유동층 반응기(1)로 공급된다. 유동층 반응기(2)로부터 배출되는 환원용 가스의 일부가 새로운 환원 가스로 대체되기 때문에 유동층 반응기(2)로부터 배출되는 환원용 가스의 일부는 가지관(30)을 통해서 상부 가스 배출관(8)로 유입될 수 있다. 이 경우, 완전히 새로운 환원용 가스를 혼합할 필요는 없으며, 유동층 반응기 (2)로부터 배출되는 환원용 가스에 높은 환원 잠재성을 여전히 갖고 있는 환원가스도 혼합될 수 있다.
도 7에 따르면, 재생 열교환기 (35)는 유동층 반응기 (1)에 도입되는데, 이 열교환기로 연도 가스와 같은 고온 가스가 흐른다. 또한 상기 열교환기에 공기, 산소를 포함한 다른 가스 또는 산소를 포함한 연소 가스가 유입될 수도 있는데, 이것에 의해 연소 가스의 연소가 야기되고 유동층 반응기 (1)에 충진된 광석의 온도가 단시간 내에 본 발명에 따른 방법으로 현저하게 상승된다. 이 경우에 복열기 (35)는 그 내부에 제공된 버너를 위한 연소실(combustion chamber)로서의 기능을 한다. 생성된 연도 가스는 광석을 건조시키거나 또는 환원용 가스를 예열시키는데 사용될 수 있다. 유동층 반응기 (2)로부터 배출되는 환원용 가스의 일부 흐름은 가지관 (30)을 통해서 상부가스 배출관으로 유입된다.
도 8에 도시된 구성 변화에 따르면, 공기, 산소를 포함한 다른 가스 또는 산소가 계에 공급되고, 이에 의해서 유동층 반응기 1의 온도가 반응기 1에 충진된 광석이 5분 이내에 400 내지 580℃의 온도로 가열되도록 상승된다. 산소 또는 산소를 포함한 가스는 유동층 반응기 (2)를 유동층 반응기 (1)과 연결시키는 연결관 19(점 B)로 효과적으로 공급된다. 그러나, 또한 이들 매체는 유동층 반응기 (2) 및/또는 유동층 반응기 (1) (점 A 및/또는 D) 또는 유동층 반응기 (3)을 유동층 반응기 (2)와 연결시키는 연결관 (19)(점 C)로 직접 공급되는 것도 가능할 수 있다. 이것은 환원용 가스의 부분 연소를 야기시켜서 유동층 반응기 (1) 또는 유동층 반응기 (2)의 온도를 각각 현저하게 상승시키거나 또는 연결관 (19)의 온도를 현저하게 상승시키게 된다. 또한 이러한 수단에 의해서 마그네타이트 형성 면에서 중요한 온도 범위인 400 내지 580℃, 바람직하게는 350 내지 650℃의 온도를 중요한 것으로 인식되는 시간인 5분 이내에서 비교적 간단한 방법으로 유지시킬 수 있다. 유동층 반응기 (2)로부터 배출되는 환원용 가스의 일부 흐름은 가지관 (30)을 통해서 상부 가스 배출관 (8)로 유입된다.
또한 이러한 임계 온도 범위에서 광석의 신속한 가열은 미리 예열된, 예를 들어 250 내지 400℃의 온도 범위로 예열된 광석을 유동층 반응기 (1)에서 통과시켜 달성될 수도 있다.
바우어 글라에스너 다이어그램을 나타낸 도 (9)로부터 마그네타이트의 형성은 제1 유동층 반응기의 온도 준위에 영향을 미치지 않으면서 환원 공정에서 발생된다. 이 공정은 곡선형의 점선으로 도시되어 있다. (바우어 글라에스너 다이어그램은 열역학적 도표로 이해되기 때문에 반응 속도 및 환원 과정과는 관계가 없다). 도 9의 사각형으로 표시된 580℃ 이상의 유동층 반응기 (1)의 온도에서는 마그네타이트가 거의 완전하게 형성되지 않는다. 연속적인 유동층 영역, 즉 유동층 반응기 (2)에서 임계 온도 범위가 매우 빠르게 지나치기 때문에 어떠한 환원 단계에서 진행하는 환원 공정을 방해시키지 않으면서 마그네타이트의 형성이 제한된다.
온도를 세로축 및 시간을 가로축으로 하는 그래프인 도 10은 유동층 반응기 (1)에서 3가지 종류의 조업 변형에 대한 온도 경로를 표시한 것이다. 실선으로 나타낸 조업 변형 I에 따르면 유동층 반응기 1에서 온도는 400℃ 바로 이하로 조절된다. 도 10에서 사선 빗금친 영역으로 표시된 400 내지 580℃의 임계 온도 범위가 도달되지 않은 것은 명확하다.
400℃ 바로 이하의 온도에서는 마그네타이트의 형성이 매우 느리게 진행되기 때문에 광석 입자상의 잠재적인 마그네타이트 층은 더 이상 환원을 억제하는 층을 구성하지는 않는다. 추가적인 환원은 곡선 I에 연속되고 Ⅳ로 표시된 곡선으로 표시되는데, 이 곡선은 유동층 반응기 (2)에 있는 산화철을 포함하는 물질 또는 광석 입자의 가열을 나타낸 것이다. 유동층 반응기 (2)의 환원용 가스는 매우 고온이고 반응성이 강하기(avid) 때문에 유동층 반응기 2에서 400 내지 580℃의 임계 온도 범위가 매우 신속하게 통과되는 것은 명확하다. 마그네타이트의 형성은 상기 온도 범위에서 매우 신속하게 발생될 수 있으나, 마그네타이트가 형성될 수 있는 시간이 매우 짧아서 환원을 방해할 수 있는 마그네타이트 층이 형성되지는 않는다.
점선으로 나타낸 조업 변형 곡선 Ⅱ는 유동층 반응기 1의 온도가 580℃ 이상으로 조절되는 경우의 주요한 온도 경향을 나타낸 것이다. 여기서 400 내지 580℃의 임계 온도 범위는 매우 신속하게 통과되고 광석 입자에 마그네타이트 층이 형성되는 시간은 매우 짧아서 환원 공정에 대한 어떠한 방해도 야기시키지 않는다.
쇄선으로 나타낸 조업 변형 곡선 Ⅲ는 유동층 반응기 1에서 온도가 임계 범위, 즉 400 내지 580℃로 조절되는 경우의 가열을 나타낸 것이다. 이러한 경우에는 산화철을 포함한 물질 또는 광석 입자가 상기 온도 범위 내에서 소비되는 시간을 가능한 짧게 유지시키기 위하여 가열을 특히 신속하게 진행시키는 것이 중요하다. 또한 이 경우에 유동층 반응기 1의 온도가 요구되는 온도까지 도달한 직후에 상기 물질을 유동층 반응기 1에서 배출시켜 유동층 반응기 2로 이송시키는 것이 중요하다. 상기에서 기술한 바와 같이 마그네타이트는 상기 임계 온도 범위에서 매우 신속하게 형성되어 광석 입자에 두꺼운 마그네타이트 층이 형성될 수 있기 때문 에 상기 임계 온도 범위에서 조업이 유지되는 것은 어떠한 경우에도 피해야 한다.
또한 마그네타이트의 형성을 도 10에 수직으로 빗금쳐서 나타냈는데, 마그네타이트 증가 부분을 시간을 함수로 하여 세로 방향으로 표시하였다.
도 1은 제1 유동층 영역에서 산화철을 포함한 물질의 온도가 400℃ 이하로 유지되는 본 발명의 바람직한 구현에 대한 공정도.
도 2 내지 4는 도 1에 도시된 공정도의 변형된 구현에 대한 상세도.
도 5 내지 8은 도 1에 도시된 공정도의 변형된 다른 구현에 대한 상세도.
도 9는 바우어 글라에스너 다이어그램.
도 10은 제1 유동층 영역의 가열을 위한 본 발명에 따른 여러 조업 형태를 나타낸 그래프.

Claims (39)

  1. 유동화에 의해 미립자 산화철 함유 물질을 직접 환원시키는 방법으로서,
    환원용 가스(reducing gas)로서, 합성 가스(synthesis gas)를, 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 영역으로 도입시키고, 산화철 함유 물질에 대하여 역방향 흐름으로 하나의 유동층으로부터 다른 유동층으로 흐르도록 하고,
    산화철 함유물질의 가열은, 상기 물질의 흐름방향에서 첫 번째로 배열된 제1 유동층 영역에서 수행하고, 산화철 함유 물질의 직접 환원은 후속하는 유동층 영역(들)에서 수행하며,
    - 상기 제1 유동층 영역에서 상기 산화철 함유 물질의 온도는, 400℃ 미만으로 조절되거나, 혹은 580℃ 초과로 조절되거나, 혹은 400 내지 580℃의 범위로 조절되고, 이 때,
    ·400℃ 미만으로의 온도조절에서는, 상기 산화철 함유 물질의 흐름방향으로 제1 유동층 영역 다음의 유동층 영역에서 400 내지 580℃의 온도 범위가 10분 이내로 통과되고,
    ·580℃ 초과로의 온도조절에서는, 400 내지 580℃의 온도 범위가 최대 10분 이내로 통과되며,
    · 400 내지 580℃의 범위로의 온도조절에서는, 상기 산화철 함유 재료가 상기 온도범위 내에서 최대 10분간 머물고, 요구되는 온도에 도달한 직후, 다음에 이어지는 유동층 영역으로 통과되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질이 요구되는 온도에 도달한 직후 연속적으로 배열된 유동층 영역으로 이송되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    400 내지 580℃의 상기 온도범위가 체류시간을 피하면서 통과되고, 400 내지 580℃의 온도범위 내에서 평균 온도구배가 20℃/분 이상인 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역으로 공급되는 환원용 가스는 제1 유동층 영역으로의 도입 전, 냉각되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 상기 제1 유동층 영역 다음에 배열되어 있는 유동층 영역으로부터 나온 환원용 가스의 일부가 제1 유동층 영역으로 도입되고, 상기 제1 유동층 영역으로부터 나온 환원용 가스의 적어도 일부가 상기 제1 유동층 영역으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질과 가스가 제1 유동층 영역에서 공기 또는 물에 의해 간접적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질과 가스가 제1 유동층 영역에서, 물, 수증기 또는 물과 수증기의 분사에 의해 직접 냉각되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역으로 도입되는 환원용 가스는, 제1 유동층 영역으로 도입되기 전에, 전체적 또는 부분적 흐름으로, 연도가스(smoke gas)에 의해 간접적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  9. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서, 상기 제1 유동층 영역 다음에 배열된 유동층 영역으로부터 나온 환원용 가스의 전체 또는 일부와, 미사용(unused)의 새로운(fresh) 환원가스 일부가 제1 유동층 영역으로 도입되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  10. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    산소 또는, 산소 함유 가스가, 환원용 가스를 그의 제1 유동층 영역으로의 도입 전, 부분 연소시키면서, 제1 유동층 영역, 또는 연속 배열된 유동층 영역, 또는 제1 유동층 영역과 연속 배열된 상기 유동층 영역으로 유입되는 환원용 가스에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  11. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    산소 또는 산소를 포함한 가스가, 상기 환원용 가스를 부분 연소시키면서, 제1 유동층 영역으로, 혹은 연속적으로 배열된 유동층 영역으로, 혹은 제1유동층 영역 및 연속적으로 배열된 상기 유동층 영역으로 유입되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  12. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역에 충진되는 산화철 함유 물질이 예열상태로 충진되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  13. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질과 가스가 제1 유동층 영역에서, 고온 가스에 의해, 혹은 연도가스나 연소가스의 연소에 의해, 간접적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 산화철 함유 물질이, 제1 유동층 영역에서, 상기 물질의 흐름 방향으로 연속적으로 배열된 유동층 영역에서의 체류시간 보다 더 짧은 체류시간을 갖는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철을 포함한 물질의 직접 환원방법.
  15. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제6항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기 (1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 반대방향으로 이송되고,
    산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)에 복열기(25, 35)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복열기(25)는 수관(water duct) 또는 수증기관(water vapor duct)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복열기는 고온 가스관(hot gas duct: 35)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 복열기는 연도 가스관(smoke gas duct)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제14항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 반대방향으로 이송되고,
    상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)에, 그 유동층 반응기의 유동층 영역에 대하여 인캡슐화된 버너가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제4항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서, 첫 번째 배열된 유동층 반응기(1)와 두번째 배열된 유동층 반응기(2) 간의 연결관(19)에 냉각 수단(29)이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제5항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    상기 산화철 함유 재료의 흐름 방향에서 첫번째 배열된 유동층 반응기(1)로부터 상부 가스(top gas)를 배출(carrying off)하는 관(8)으로부터 가지관(31)이 분기(分岐)하고,
    상기 가지관은 상기 유동층 반응기(1)와 유체 통로로 연결되어 있고, 상기 유동층 반응기로 열려있는 연결관 (19)로 이어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    가지관(30)이, 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)를 연속적으로 배열된 유동층 반응기(2)와 연결시키는 연결관(19)으로부터 상부 가스 배출관(8)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제7항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    냉매를 공급하는 관(27, 28)이, 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)로 직접 열려 있거나 혹은, 상기 제1 유동층 반응기를 연속적으로 배열된 유동층 반응기와 연결하는 연결관(19)으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제8항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기 (1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)와 제2 유동층 반응기(2) 사이의 연결관(19)에 가열 수단(32)이 제공되는 것을 특징으로 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 유동층 반응기(1)를 연속적으로 배열된 유동층 반응기(2)와 연결하는 연결관(19)로부터 가지관(30)이 분기되어 있고, 상기 가지관은 제1 유동층 반응기로부터 오프가스(offgas)를 배출하는 상부 가스 배출구(8)로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제9항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    상기 연결관(19)에 추가하여, 새로운 환원용 가스를 공급하는 관이, 상기 산화철 함유 물질의 흐름방향에서 첫번째로 배열된 유동층 반응기(1)로, 직접적으로 또는, 상기 연결관(19)를 경유하여 간접적으로, 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 유동층 반응기(1)를 연속적으로 배열된 유동층 반응기(2)와 연결하는 연결관(19)로부터 가지관(30)이 분기되어 있고, 상기 가지관은 제1 유동층 반응기로부터 오프가스를 배출하는 상부 가스 배출구(8)로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제10항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    산소 함유 가스 또는 산소를 공급하는 관이, 연결관(19) 중의 하나로, 혹은 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 두 번째로 배열된 유동층 반응기(2)로, 혹은, 상기 연결관(19) 중 하나와 상기 두번째 배열된 유동층 반응기(2)로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제11항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    산소함유 가스 또는 산소를 공급하는 관이 상기 산화철 함유 물질의 흐름방향에서 첫번째로 배열된 유동층 반응기(1)로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제12항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    상기 산화철 함유 물질을 예열시키기 위한 예열 수단이 상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)에 선행하여 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 산화철 함유 물질을 수용하기 위해 연속적으로 배열된 일련의 복수개의 유동층 반응기 (1 내지 4)를 포함하는, 제12항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    상기 산화철 함유 물질은, 유동층 반응기(1)로부터 다른 유동층 반응기(2 내지 4)로 이송관(6)을 경유하여 한 방향으로 이송되고, 환원용 가스는 유동층 반응기 (4)로부터 다른 유동층 반응기(3 내지 1)로 연결관(19)을 경유하여 대향하는 방향으로 이송되고,
    상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향에서 첫 번째로 배열된 유동층 반응기(1)가, 상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향으로 연속 배열된 유동층 반응기들(2 내지 4)보다 작은 내부 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 제1 유동층 반응기(1)를 연속적으로 배열된 유동층 반응기(2)와 연결하는 연결관(19)로부터 가지관(30)이 분기되어 있고, 상기 가지관은 제1 유동층 반응기로부터 오프가스를 방출하는 상부 가스 배출구(8)로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 합성 가스는 개질된 천연가스인 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역에서 상기 산화철 함유 물질의 온도는, 350℃ 미만으로 조절되거나, 혹은 650℃ 초과로 조절되거나, 혹은 400 내지 580℃의 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  35. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역에서 상기 산화철 함유 물질의 온도가 400℃ 미만으로 조절되는 경우, 상기 산화철 함유 물질의 흐름 방향으로 제1 유동층 영역 다음의 유동층 영역에서 400 내지 580℃의 온도 범위가 5분 이내로 통과되고;
    580℃ 초과로의 온도조절에서는, 400 내지 580℃의 온도 범위가 5분 이내로 통과되며;
    400 내지 580℃의 범위로의 온도조절에서는, 상기 산화철 함유 재료가 상기 온도범위 내에서 최대 5분간 머물고, 요구되는 온도에 도달된 후 바로, 다음에 이어지는 유동층 영역으로 통과되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  36. 제3항에 있어서,
    400 내지 580℃의 온도범위 내에서 평균 온도구배가 40℃/분 이상인 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  37. 제12항에 있어서,
    상기 제1 유동층 영역에 충진되는 산화철 함유 물질이, 250℃ 이상의 고온으로 예열된 상태로 충진되는 것을 특징으로 하는 미립자 산화철 함유 물질의 직접 환원방법.
  38. 제20항에 있어서,
    상기 냉각수단(29)은, 공기 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 냉매에 연결된 복열기인 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제24항에 있어서,
    상기 가열 수단(32)은 연도가스 또는 가열 가스에 연결된 복열기인 것을 특징으로 하는 장치.
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