KR101353469B1 - 제강 슬래그 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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류성욱
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Abstract

본 발명은 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입자상태의 슬래그로 변환시키는 입상변환부; 상기 입상변환부의 출구와 연결되어 상기 입상변환부에서 배출되는 고온의 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 환원성 가스를 취입하여 상기 슬래그 입자에 포함된 산화철을 환원시키는 환원부; 및 상기 환원부의 출구와 연결되어 상기 환원부에서 배출되는 환원된 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 내부에서 열회수 가스와의 열교환을 통해 상기 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 열회수부를 포함하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다. 상기와 같은 제강 슬래그 처리 장치는 용융 제강 슬래그로부터 헌열을 회수함과 동시에 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리할 수 있다.

Description

제강 슬래그 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING STEEL MAKING SLAG}
본 발명은 제강 슬래그 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 제강 슬래그로부터 헌열을 회수함과 동시에 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리할 수 있는 제강 슬래그 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 제철소의 제철공정에서는 용선에 산소를 취련하여 용강을 만드는 과정에서 다량의 제강 슬래그가 발생한다. 이 제강 슬래그는 철산화물 성분을 다량으로 함유하고 있으며, 주성분으로는 CaO, SiO2, MgO, Fe2O3 등 주로 염기성 산화물을 많이 함유하고 있다.
이와 같이 제철공정에서 발생되는 슬래그는 용융상태로부터 주로 냉각에 의해 입상화 처리를 하고 있다.
종래의 용융 제강 슬래그 처리 방법에는 고압수를 사용하여 급냉시키는 수쇄처리방법과 공기 등을 사용한 고속가스로 냉각하는 풍쇄처리방법이 있다. 그러나, 수쇄처리방법은 설비가 간단하지만 용융 슬래그로부터 헌열을 유효하게 회수할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 풍쇄처리방법은 미립화가스와 냉각가스 등의 열교환에 의한 열회수가 가능하지만, 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리가 곤란하여 유용한 자원의 재 사용이 불가능하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용융 제강 슬래그로부터 헌열을 회수함과 동시에 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리할 수 있는 제강 슬래그 처리 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입자상태의 슬래그로 변환시키는 입상변환부; 및 상기 입상변환부의 출구와 연결되어 상기 입상변환부에서 배출되는 고온의 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 환원성 가스를 취입하여 상기 슬래그 입자에 포함된 산화철을 환원시키는 환원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다.
또한, 본 발명은 상기 환원부의 출구와 연결되어 상기 환원부에서 배출되는 환원된 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 내부에서 열회수 가스와의 열교환을 통해 상기 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 열회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다.
또한, 상기 열회수부에서 배출되는 고온의 상기 열회수 가스는 상기 환원부에서 미 반응된 상기 환원성 가스의 연소에 의한 고온 가스와 합류되어 증기발생부로 보내지는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다.
또한, 상기 증기발생부에서 사용후 배출되는 상기 열회수 가스가 상기 열회수부로 다시 보내지도록 상기 열회수부와 상기 증기발생부 사이에 폐순환 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다.
또한, 본 발명은 상기 열회수부의 출구에 위치하며, 상기 열회수부에서 열교환을 통해 냉각된 후 배출되는 상기 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분을 분리하는 분리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치를 개시한다.
또한, 본 발명은 (a) 입상변환부에서 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입자상태의 슬래그로 변환시키는 단계; (b) 상기 입상변환부로부터 배출되는 고온의 상기 슬래그 입자가 환원부의 내부로 충전되는 단계; 및 (c) 상기 환원부에서 내부에 환원성 가스를 취입하여 상기 슬래그 입자에 포함된 산화철을 환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법을 개시한다.
또한, 본 발명은 (d) 상기 환원부로부터 배출되는 환원된 상기 슬래그 입자가 열회수부의 내부로 충전되는 단계; 및 (e) 상기 열회수부에서 내부의 열회수 가스와의 열교환을 통해 상기 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법을 개시한다.
또한, 본 발명은 (f) 상기 열회수부에서 열교환을 통해 냉각된 상기 슬래그 입자를 상기 열회수부의 출구에 위치하는 분리부로 배출하여 상기 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 제강 슬래그 처리 장치 및 방법은 용융상태의 제강 슬래그로부터 헌열을 회수함과 동시에 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리할 수 있도록 함으로써, 제철공정에서 고온 폐열의 회수 및 재 사용에 의한 에너지 절감과 CO2 배출 저감에 기여함은 물론 유효자원의 재 사용을 통한 관련 제조 에너지 절감 및 CO2발생을 저감시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제강 슬래그 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제강 슬래그 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제강 슬래그 처리 장치의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제강 슬래그 처리 장치(100)는 입상변환부(110), 환원부(120), 열회수부(130), 분리부(140) 및 증기발생부(150)를 포함한다.
입상변환부(110)는 슬래그 저장용기(10)로부터 주입되는 1300℃ 이상의 고온 용융상태의 제강 슬래그(용융 슬래그(1))를 직경 5mm 이하의 고온 입자상태의 슬래그(입자 슬래그(2))로 변환시키는 역할을 한다. 용융상태의 슬래그를 입상화하는 입상변환부(110)는 고속기류를 이용한 풍쇄방식 또는 기계장치를 이용한 방식 등이 적용될 수 있으며, 이러한 방식은 공지된 기술로 이해 가능하므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 입상변환부(110)에서 입상화된 슬래그 입자는 온도가 700~1100℃ 범위에 이르고, 입자 형상은 구형 또는 판형을 가진다.
환원부(120)는 입상변환부(110)의 출구와 연결되어 입상변환부(110)에서 배출되는 고온의 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 하부에 수소(H2) 등과 같은 환원성 가스를 취입하여 슬래그 입자에 포함된 산화철을 순수철로 환원시키는 환원챔버이다. 여기서, 슬래그 입자에 포함된 산화철은 대부분 Fe2O3의 상태로 존재하며 전체 중량 대비 20~30% 비율로 존재한다. 또한, 환원에 필요한 반응시간, 반응온도 등은 환원가스의 종류, 슬래그 입자의 형상 등에 따라 달라진다. 일반적으로 슬래그 입자의 온도가 높을수록 반응시간은 단축되고 반응율은 증대된다. 이때, 반응에 요구되는 환원성 가스보다 여분의 환원성 가스를 취입하고 산소를 이용하여 이를 연소시켜 환원부(120) 내의 온도 증대를 유도하면 반응시간 단축과 반응율을 증대시킬 수 있다. 또한, 환원부(120)에서 미 반응된 환원성 가스는 환원부(120)의 출구에서 산소(O2)를 이용하여 연소시킨 후 후술할 열회수부(130)에서 배기되는 열회수 가스와 혼합한 후(도 1의 120a 및 130a의 혼합 경로 참조) 후술할 증기발생부(150)로 송기하여 열을 회수할 수 있도록 한다. 또한, 산화철의 환원을 위해 사용되는 환원성 가스는 수소 이외에도 메탄, 일산화 탄소 등이 사용될 수 있으며, 제철 부생가스인 코크스로 가스, 전로가스 등도 사용될 수 있음을 밝혀 둔다.
열회수부(130)는 환원부(120)의 출구와 연결되며, 환원부(120)에서 산화철이 환원되어 배출되는 슬래그 입자가 환원부(120)의 출구 이송통로(121)를 통해 이송되어 열회수부(130)의 내부로 충전되고, 그 내부에서 열회수 가스와의 열교환을 통해 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 열교환기 역할을 하는 열회수챔버이다. 열회수부(130)에서 열교환을 통해 냉각된 슬래그 입자는 열회수부(130)의 하부 출구에 위치하는 후술할 분리부(140)로 배출되어 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분이 분리된다.
열회수부(130)의 상부 출구에서 배출되는 고온의 열회수 가스는 환원부(120)에서 미 반응된 환원성 가스의 연소에 의한 고온 가스와 혼합한 후(도 1의 120a 및 130a의 혼합 경로 참조) 후술할 증기발생부(150)로 보내져 증기를 생산하는데 사용된다.
분리부(140)는 열회수부(130)의 하부 일측 출구에 위치하며, 열회수부(130)에서 열교환을 통해 냉각된 후 배출되는 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분을 분리하는 역할을 한다. 분리부(140)는 슬래그 입자에 포함된 순수철과 타 성분과의 비중차를 이용하여 슬래그 입자에서 환원철 성분을 분리하는 방법이 기본적으로 적용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 비중차를 이용하는 방법 이외에도 다양한 분리 방법이 적용될 수 있다.
증기발생부(150)는 열회수부(130)의 출구측에 위치하여 열교환을 통해 증기를 발생시킨다. 여기서, 증기발생부(150)는 보일러와 같은 구조로 이루어질 수 있다. 증기발생부(150)는 열회수부(130)에서 배출되는 고온의 열회수 가스와 환원부(120)에서 미반응된 환원성 가스의 연소에 의한 고온 가스가 합류하여 유입되는데, 이러한 가스를 이용하여 증기를 생산하는 보일러이다. 증기발생부(150)는 내부에서 사용후 배출되는 열회수 가스가 회수라인(130b)을 통해 열회수부(130)로 다시 보내지도록 열회수부(130)와 폐순환 회로(도 1의 130a 및 130b의 순환 경로 참조)로 연결된다. 즉, 열회수부(130)와 증기발생부(150) 사이에 형성된 폐순환 회로를 통해 열회수부(130)에서 배출되는 고온의 열회수 가스가 증기발생부(150)로 보내지고(130a 경로), 증기발생부(150)에서 증기생성에 사용된 후 배기되는 열회수 가스가 열회수부(130)로 다시 보내져(130b 경로) 재 사용된다. 증기발생부(150)에서 발생된 증기는 공정용 증기로 사용되거나 증기발전에 이용될 수 있다. 예를 들어, 증기발생부(150)를 증기발전에 이용하는 경우, 증기발생부(150)에서 발생된 증기는 증기드럼(151)을 경유하여 증기터빈(153)을 회전시켜 발전기(155)를 가동하고, 이에 따라 전력의 생산이 이루어진다. 또한, 증기터빈(153)을 회전시킨 후 배출되는 증기는 복수기(157)를 통과하면서 물로 변환되어 증기발생부(150)로 보내진다.
또한, 본 발명의 제강 슬래그 처리 장치(100)는 용융상태의 슬래그로부터 열에너지를 회수하기 위해서는 입상변환부(110)와 열회수부(130)가 기본적으로 필요하지만, 실제의 경우에는 용융 슬래그가 연속적으로 배출되지 않으므로 입상변환부(110)와 열회수부(130) 사이에 별도의 고온 슬래그 입자에 대한 저장장치를 설치하여 주기적인 슬래그 발생조건을 흡수하고, 열회수부(130)에 대해서는 일정량의 슬래그 입자가 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서와 같이, 입상변환부(110)와 열회수부(130) 사이에 환원부(120)를 설치하게 되면, 환원부(120)는 전술한 슬래그 공급주기 변동에 대한 완충역할을 수행함과 동시에 입상화 직후의 고온 슬래그 입자가 가지는 열에너지를 활용하여 슬래그 중에 포함된 유효 성분인 산화철을 환원시킬 수 있는 융합적인 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제강 슬래그 처리 방법을 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 슬래그 저장용기(10)로부터 1300℃ 이상의 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입상변환부(110)에 주입한다(S101).
이어, 입상변환부(110)에서 고온 용융상태의 제강 슬래그를 직경 5mm 이하의 고온 입자상태의 슬래그로 변환시킨다(S102). 여기서, 용융상태의 슬래그를 입상화하는 방법은 고속기류를 이용한 풍쇄방식 또는 기계장치를 이용한 방식 등을 적용할 수 있다. 또한, 입상변환부(110)에서 입상화된 슬래그 입자는 온도가 700~1100℃ 범위에 이르고, 입자형상이 구형 또는 판형을 가진다.
이어, 입상변환부(110)로부터 배출되는 고온의 슬래그 입자가 환원부(120)의 내부로 충전된다(S103).
이어, 환원부(120)의 하부를 통해 내부에 수소(H2) 등과 같은 환원성 가스를 취입하여 슬래그 입자에 포함된 산화철을 순수철로 환원시킨다(S104). 이때, 환원부(120)에서 미 반응된 환원성 가스는 환원부(120)의 상부 출구에서 산소를 이용하여 연소시킨 후 열회수부(130)에서 배기되는 열회수 가스와 혼합된 후 증기발생부(150)로 송기하여 열을 회수할 수 있도록 한다.
이어, 환원부(120)에서 산화철이 환원되어 배출되는 슬래그 입자가 환원부(120)의 출구 이송통로(121)를 통해 이송되어 열회수부(130)의 내부로 충전된다(S105).
이어, 열회수부(130)에서 내부의 열회수 가스와의 열교환을 통해 슬래그 입자로부터 열에너지를 회수한다(S106). 이때, 열회수부(130)에서 배출되는 고온의 열회수 가스는 환원부(120)에서 미 반응된 환원성 가스의 연소에 의한 고온 가스와 합류하여 증기발생부(150)로 보내져 증기를 생산하는데 사용된다. 또한, 증기발생부(150)에서 발생된 증기는 공정용 증기로 사용되거나 증기발전에 이용될 수 있다. 또한, 열회수부(130)와 증기발생부(150) 사이에 형성된 폐순환 회로를 통해 열회수부(130)에서 배출되는 고온의 열회수 가스가 증기발생부(150)로 보내지고, 증기발생부(150)에서 증기생성에 사용된 후 배기되는 열회수 가스가 열회수부(130)로 다시 보내져 재 사용된다.
마지막으로, 열회수부(130)에서 열교환을 통해 냉각된 슬래그 입자는 열회수부(130)의 하부 출구에 위치하는 분리부(140)로 배출되어 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분이 분리된다(S107). 이때, 슬래그 입자에 포함된 순수철과 타 성분과의 비중차를 이용하여 슬래그 입자에서 환원철 성분을 분리하는 방법이 기본적을 적용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 분리방법이 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 용융상태의 제강 슬래그로부터 헌열을 회수함과 동시에 슬래그 중에 포함되어 있는 산화철을 환원 및 분리할 수 있도록 함으로써, 제철공정에서 고온 폐열의 회수 및 재 사용에 의한 에너지 절감과 CO2 배출 저감에 기여함은 물론 유효자원의 재 사용을 통한 관련 제조 에너지 절감 및 CO2발생을 저감시킬 수 있다.
이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다. 또한, 특허청구범위의 기재 중 괄호 내의 기재는 기재의 불명료함을 방지하기 위한 것이며, 특허청구범위의 권리범위는 괄호 내의 기재를 모두 포함하여 해석되어야 한다.
100 : 제강 슬래그 처리 장치
110 : 입상변환부
120 : 환원부
130 : 열회수부
140 : 분리부
150 : 증기발생부
151 : 증기드럼
153 : 증기터빈
155 : 발전기
157 : 복수기

Claims (8)

  1. 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입자상태의 슬래그로 변환시키는 입상변환부; 및
    상기 입상변환부의 출구와 연결되어 상기 입상변환부에서 배출되는 고온의 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 환원성 가스를 취입하여 상기 슬래그 입자에 포함된 산화철을 환원시키는 환원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제강 슬래그 처리 장치는,
    상기 환원부의 출구와 연결되어 상기 환원부에서 배출되는 환원된 상기 슬래그 입자가 내부로 충전되며, 내부에서 열회수 가스와의 열교환을 통해 상기 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 열회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열회수부에서 배출되는 고온의 상기 열회수 가스는 상기 환원부에서 미 반응된 상기 환원성 가스의 연소에 의한 고온 가스와 합류되어 증기발생부로 보내지는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증기발생부에서 사용후 배출되는 상기 열회수 가스가 상기 열회수부로 다시 보내지도록 상기 열회수부와 상기 증기발생부 사이에 폐순환 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제강 슬래그 처리 장치는,
    상기 열회수부의 출구에 위치하며, 상기 열회수부에서 열교환을 통해 냉각된 후 배출되는 상기 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분을 분리하는 분리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 장치.
  6. (a) 입상변환부에서 고온 용융상태의 제강 슬래그를 입자상태의 슬래그로 변환시키는 단계;
    (b) 상기 입상변환부로부터 배출되는 고온의 상기 슬래그 입자가 환원부의 내부로 충전되는 단계; 및
    (c) 상기 환원부에서 내부에 환원성 가스를 취입하여 상기 슬래그 입자에 포함된 산화철을 환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제강 슬래그 처리 방법은,
    (d) 상기 환원부로부터 배출되는 환원된 상기 슬래그 입자가 열회수부의 내부로 충전되는 단계; 및
    (e) 상기 열회수부에서 내부의 열회수 가스와의 열교환을 통해 상기 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제강 슬래그 처리 방법은,
    (f) 상기 열회수부에서 열교환을 통해 냉각된 상기 슬래그 입자를 상기 열회수부의 출구에 위치하는 분리부로 배출하여 상기 슬래그 입자에 포함된 환원철 성분을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 슬래그 처리 방법.
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