KR101720075B1 - 탄화수소를 첨가함으로써 고로 가스를 재순환시키면서 원료 철을 용융시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원 영역이 있으며, 환원 영역으로부터 배출되는 정제된 원천 가스(GG, EG)가 탄화수소의 첨가에 의해서 환원 영역으로 재순환되는, 산소에 의해 작동되는 고로(1) 또는 용융-환원 플랜트에서의 선철의 용융을 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 정제된 원천 가스(GG, EG)가 탄화수소와 혼합되며, 800℃ 초과의 온도를 지닌 재순환 가스(REZG)를 형성시키기 위해서, 1000℃를 초과하는 온도를 지니며 90 용적% 초과의 산소 함량을 지닌 산소 가스에 의한 탄화수소의 부분적 산화에 의해서 생성되는 환원 가스(REDG)와 혼합되고, 재순환 가스(REZG)가 자동-개질 공정에 따른 환원 영역내로 재순환된다.

Description

탄화수소를 첨가함으로써 고로 가스를 재순환시키면서 원료 철을 용융시키는 방법{METHOD FOR MELTING RAW IRON WHILE RECIRCULATING BLAST FURNACE GAS BY ADDING HYDROCARBONS}

본 발명은 특허청구범위중 청구항 제 1항의 전문에 따른 선철(pig iron)을 용융시키는 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 따르면, 선철을 용융시키는 다양한 방법이 공지되어 있다. 예를 들어, GB 883998 A는 고로(blast furnace)에서, 코크스를 절약하고 플랜트의 효율을 증가시키기 위해서, 풍구(tuyere)를 통해서 또는 보쉬 수준(bosh level)에서 다양한 탄소-함유 가스, 예컨대, 천연 가스 또는 코크스 오븐 가스를 주입함을 기개하고 있다. 고온 블라스트 공기(hot blast air)로 작동되는 통상의 고로로부터의 고로 가스의 주입은 높은 이산화탄소 및 질소 함량 및 낮은 수소 함량 때문에 경제적이지 않다.

DE 19 39 354 A는 밑에서 가열된 외부 반응 시스템에서 탄화수소 연료에 의한 고로로부터의 고로 가스의 개질 및 고로 내로의 이러한 고로 가스의 재순환을 기재하고 있다. 이러한 방법은 히터의 밑에서의 가열을 위한 에너지로 인해서 요구되는 추가의 지출 및 고온 열 교환기를 위한 아주 높은 지출에 단점이 있다. 또한, 가열 동안에, 반응 가스중의 일산화탄소 및 수소에 의해서 야기되는 일명 "금속 더스팅 부식(metal dusting corrosion)으로 인해서 단점이 커진다.

DE 2 261 766호는 고온 블라스트 공기 대신에 산소에 의해서 작동되는 고로로부터의 고로 가스의 재순환을 기재하고 있다. 고로 가스의 스크러빙(scrubbing) 후에, 이산화탄소가 제거되고, 보쉬 또는 노상(hearth)위의 풍구를 통해서 고로에 도입된다. 또한, 산소에 의한 고로의 작동 및 고로 가스의 재순환 및 CO₂ 제거 플랜트의 사용이 또한 DE 3702875 C1에 기재되어 있다. WO2004/052510 A3은 고온 블라스트 공기에 의한 고로의 작동 및 고로 가스의 재순환 및 이산화탄소와 질소의 제거를 기재하고 있다. 그러나, 이들 구체예에는, 투자면에서의 상당한 지출 및 고로 가스로부터의 이산화탄소 및 질소의 제거를 위한 작동 비용 및 환원 가스의 필요한 가열에서의 작동 비용에 실질적인 단점이 존재하며, 이는 다시 금속 더스팅 부식을 포함한 문제를 유발시킨다. 게다가, CO₂ 제거로부터의 잔류 가스는 저위 발열량 때문에 이용 또는 재처리를 위해서 전달되어야 한다. 추가로, 이러한 경우에, 이산화탄소는 고로 가스에 고정되어서, 역 CO₂ 방출을 유발시키는데, 그 이유는 이것이 다시 환원가스로 개질되지 않기 때문이다. 따라서, 추가의 환원제의 손실이 잔류 가스에서 발생한다.

가장 최근의 종래기술로서 여겨지는 DE 10 2004 036 767 A1에 따른 방법에서도 동일한 단점이 발생하고 있다. 상기 문헌은, 여전히 이전의 이산화탄소 제거가 요구되기는 하지만, 탄화수소를 첨가하면서 산소와 재순환된 고로 가스로 작동되는 고로에서의 선철 생산을 위한 방법을 기재하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 선철의 용융을 위한 개선된 방법에 의해서, 이러한 단점을 피하고, 이산화탄소 및/또는 질소의 복잡한 제거가 요구되지 않는 방법을 제공하는 것이다. 그 결과, CO₂ 제거로 인해서 발생되는 잔류 가스가 회피되고 투자 및 작동 면에서의 지출과 관련한 플랜트의 총 비용이 감소된다.

이러한 목적은 특허청구범위중 청구항 제 1항의 수단에 의해서 실행된다. 청구항 제 1항은, 환원 영역이 있으며 산소에 의해 작동되는 고로 또는 용융-환원 플랜트에서의 선철의 용융을 위한 방법으로서, 환원 영역으로부터 배출되는 정제된 원천 가스(purified crude gas)가 탄화수소의 첨가에 의해서 환원 영역으로 재순환되는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 환원 영역으로부터 배출되는 정제된 원천 가스가 탄화수소와 혼합되게 한다. 후속하여, 이러한 가스 혼합물은 1000℃를 초과하는 온도를 지니며 90용적% 초과의 산소 함량을 지닌 산소 가스에 의한 탄화수소의 부분적 산화에 의해서 생성되는 환원 가스와 혼합된다. 이러한 단계에서, 후속 자동-개질 공정을 위한 재순환 가스의 요구된 온도가 도달된다. 후속하여, 정제된 원천 가스에 함유된 탄화수소가 그에 유사하게 함유된 가스 성분, 즉, 이산화탄소와 물에 의해서 개질되며, 이어서 환원 영역으로 재순환된다. 이러한 경우에, 개질 공정의 결과로, 재순환 가스는 약 800℃의 온도로 추가로 냉각된다.

고로의 경우에, 환원 영역은 고로의 내부에 놓이며, 용융-환원 플랜트의 경우에, 그러한 환원 영역은 멜트-다운(melt-down) 가스화기 및 별도의 환원 샤프트에 놓인다.

특허청구범위중 청구항 제 2항 내지 제 7항은 본 발명의 유리한 구체예를 나타낸다. 따라서, 예를 들어, 자동-개질 공정이 상응하는 촉매가 충진된 개질제의 도움으로 촉진될 수 있다. 고로의 반응 챔버내로의 재순환 가스의 특별히 유리한 재순환은, 예를 들어, 고로의 샤프트에서 또는 풍구 위의 수준에서 풍구를 통해서 수행될 수 있다. 이러한 경우에, 재순환 가스가 풍구를 통해서 재순환되면, 소량의 석탄의 주입이 또한 제공될 수 있다. 또한, 정제된 원천 가스에 공급된 탄화수소는 일반식 C_nH_m의 탄화수소 또는 이들 탄화수소의 혼합물일 수 있다. 원천 가스와 관련하여, 열 회수가 제공될 수 있거나, 원천 가스의 정제를 위한 건식 더스트 제거(dry de-dusting)가 제공될 수 있다.

본 발명이 이하 첨부된 도면을 보조로 하여 다양한 구체예를 참조로 보다 상세히 설명된다.

도 1은 고로에서 선철을 용융시키기 위한 본 발명에 따른 방법의 적용에 대한 다이아그램을 나타내고 있다.
도 2는 용융-환원 플랜트에서의 선철의 용융을 위한 본 발명에 따른 방법의 적용에 대한 다이아그램을 나타내고 있다.

본 발명에 따른 방법의 첫 번째 구체예는 도 1을 참조로 하여 기재된다. 도 1은 철이 아이언 옥사이드(iron oxide)의 환원에 의해서 얻어지는 고로(1)를 나타내고 있다. 이러한 목적으로, 원료, 특히, 아이언 옥사이드, 응집물 및 코크스를 함유한 장입물이 경사진 호이스트(hoist: 2) 또는 가파른 벨트 컨베이어(2)를 통해서 고로(1)의 상부 폐쇄 장치(3)에 수송되고 고로(1)의 내부 내로 도입된다. 고로(1)는 장입 컬럼이, 예를 들어, 풍구(4)를 통해서 도입되는 주입된 산소와 역류로 반응하는 야금 반응기로서 여겨질 수 있다. 코크스로부터의 탄소의 가스화는 반응에 필요한 열과 장입 컬럼을 통해서 흐르며 아이언 옥사이드를 환원시키는 일산화탄소를 생성시킨다. 상부 폐쇄 장치(3)에서 고로(1)의 바닥부에 이르는 경로상에서, 상이한 물리적-화학적 과정이 이러한 경우에 발생하여, 통상, 고로(1)내의 상이한 영역이 다른 영역, 예를 들어, 용융 존(melting zone), 침탄(carburizing) 존, 환원 존 등과 다르게 한다. 이들 영역이 이하 요약되며, 이러한 예시적인 구체예의 경우에서, 일반적으로 환원 영역으로서 지칭된다. 후속하여, 고로(1)의 바닥부에서, 선철 분획(5) 및 슬래그 분획(6)이 얻어질 수 있으며, 주기적으로 채취된다.

환원 영역에서 형성되며 고로 가스로서 지칭되는 원천 가스 RG가 고로(1)의 상부 샤프트 단부에서 배출되고, 집진기(de-duster)에서 건식 더스트 제거가 수행되고, 고로 가스 스크러버(8)에서 정제된다. 따라서, 정제된 원천 가스는 이 경우에 정제된 고로 가스 GG로 지칭된다. 고로 가스는 또한, 일산화탄소에 추가로, 이산화탄소 및 수소의 분획 및 수증기를 함유하며, 적절한 경우, 소량의 질소를 함유한다. 정제된 고로 가스 GG는 통상적으로 고로(1)내로 부분적으로 재순환되고 환원제로서 사용된다. 정제된 고로 가스 GG의 추가의 분획이 전류 생산(9)을 위한 파워 스테이션에서, 어닐링 및 재가열 노의 가열을 위해서, 또는 코크스 오븐을 위한 가열하는 가스로서 사용될 수 있다.

추가로, 본 발명의 방법을 수행하는데 요구되는 연소 챔버(10) 및 개질기(11)가 도 1에서 입증되고 있다. 연소 챔버(10)에서, 탄화수소, 예를 들어, 천연 가스가 90용적% 초과의 산소 분획을 함유하는 산소 가스에 의해서 화학양론적으로 산화된다. CH₄의 대부분(및 추가의 고급 탄화수소)가 이러한 경우에 부분적으로 산화되고, 단지 적은 부분이 연소되며, 아주 적은 분획이 전혀 반응하지 않는다. 화학적 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다:

CH₄ + 1/2 O₂ → CO + 2 H₂

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

CH₄ → CH₄

따라서, 연소 챔버(10)의 하류에서, 환원 가스 REDG가 얻어지며, 이는 주로 약 1500℃의 온도를 지닌 H₂ 및 CO로 이루어진다.

정제된 고로 가스 GG는 먼저 압축기(12)에서 압축되고, 일반식 C_nH_m의 탄화수소 또는 이들의 혼합물, 예를 들어, 천연 가스와 혼합되고, 후속하여, 연소 챔버(10)로부터의 환원 가스 REDG와 고르게 혼합된다. 그렇게 형성된 가스가 이하 재순환 가스 REZG로서 지칭된다. 이러한 목적으로, 균일한 온도 분포를 설정하기 위한 충분한 혼합 존 또는 혼합 챔버가 요구된다. 이러한 혼합의 결과로, 환원 가스 REDG의 초기 온도는 저하되고, 약 1000℃의 재순환 가스 REZG의 온도가 달성된다. 재순환 가스 REZG의 온도는 어떠한 경우이든 바람직하지 않은 부다트 평형(Boudouard equilibra)의 경우에 탄소의 분리를 방지하기 위해서 800℃ 이상에 달해야 한다.

이러한 재순환 가스 REZG는 후속하여 촉매가 충전된 용기 또는 튜브인 개질기(11)를 통해서 유도되며, 탄화수소-함유 가스의 개질이 수행되고, 가스의 품질이 CO₂와 H₂O 함량에 비해서 CO 및 H₂의 증가로 인해서 인지 가능하게 향상된다. 개질기(11)에서 수행되는 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다:

C_nH_m + n CO₂ → 2n CO + m/2 H₂

C_nH_m + n H₂O → n CO + (m/2+n) H₂

개질 공정의 결과로서, 재순환 가스 REZG는 약 800℃의 온도로 추가로 냉각된다. 재순환 가스 REZG는 후속하여 풍구(4)를 통해서 풍구(4) 위의 수준에서 또는 고로(1)의 샤프트내로 도입된다.

도 2는 특별히 용융-환원 플랜트와 관련하여 본 발명에 따른 방법의 추가 예시적인 구체예를 설명하고 있다. 이러한 유형의 플랜트는, 예를 들어, COREX? 방법을 통해서 액체 선철의 생산을 위해서 사용된다.

이러한 경우에, 고로 공정과는 대조적으로, 고로 코크스가 요구되지 않는다, 본 발명에 따른 방법이 다른 생산 공정, 예를 들어, FINEX? 방법에도 적용될 수 있지만, 본 발명에 따른 방법은 도 2에 개괄된 COREX?을 참조로 하여 이하 설명된다.

도시된 방법은 2-스테이지(two-stage) 용융-환원 방법("용융 환원법")이며, 첫 번째 단계는 선철의 원광이 해면철(sponge iron)로 환원되고, 두 번째 단계에서, 선철로의 최종 환원, 용융 및 침탄이 수행된다. 용융 작업에 필요한 에너지는 이러한 경우에 석탄의 가스화에 의해서 제공된다. 이러한 경우에, 대량의 일산화탄소와 수소가 환원 가스로서 사용될 수 있는 원천 가스로서 발생한다.

도 2로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 먼저, 덩어리 원광, 소결물(sinter), 펠릿 또는 이들의 혼합물이 환원 샤프트(13)내로 도입되고, 환원 공정 가스 GPG에 의해서 역류로 환원된다. 환원 샤프트(13)를 통과한 후에, 이러한 첫 번째 스테이지로부터의 최종 생성물은 배출 웜(discharge worm: 14)을 통해서 밑에 배열된 멜트-다운 가스화기(15)내로 수송된다. 환원 샤프트(13)에서 발생되는 원천 가스 RG가 환원 샤프트(13)로부터 배출되고 스크러버(19)에서 정제된다. 정제 및 냉각 후에, 환원 가스중 일부가 멜트-다운 가스화기(15)로부터 배출된 공정 가스 PG를 위한 냉각 가스 KG로서 사용된다. 조절 가스로서 발생되는 환원 가스는 냉각 및 정제 후에 원천 가스 RG와 혼합된다.

멜트-다운 가스화기(15)에서, 해면철의 나머지 환원 및 멜트 다운에 추가로, 필요한 야금 금속 및 슬래그 반응이 수행된다. 후속하여, 고로에서와 같이, 선철 분획(5)과 슬래그 분획(6)이 멜트-다운 가스화기(15)로부터 얻어지고 주기적으로 채취된다.

석탄 수송 웜(16)을 통한 석탄 저장 샤프트(17)로부터 수송되는 석탄이 멜트-다운 가스화기(15)내로 도입된다. 석탄의 탈수 및 탈기(degassing) 후에, 저온 탄화 코크스의 고형층(solid bed)이 먼저 멜트-다운 가스화기(15)에서 형성되고, 후속하여 산소에 의해서 가스화된다. 발생되는 고온 공정 가스 PG는 약 1000℃의 온도를 지니며, 우세하게는 CO 및 H₂로 이루어지고, 그에 따라서, 환원 작용을 하며 미세한 더스트(dust)를 함유한다. 이러한 공정 가스 PG는 냉각 가스 KG와 혼합됨으로써 냉각되고, 사이클론(cyclone: 18), 예를 들어, 고온 사이클론에서 더스트가 제거되며, 최종적으로 정제된 공정 가스 GPG로서 환원 샤프트(13)에 공급된다. 과량의 가스는 추가의 스크러버(19)에서 정제된다. 환원 가스의 일부 스트림이 냉각 가스 KG로서 사용된다. 사이클론(18)으로부터 분리된 더스트 분획 SF가 멜트-다운 가스화기(15)내로 재도입되고 물질적으로 사용되거나 산소에 의해서 가스화된다.

추가로, 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 필요한 연소 챔버(10) 및 개질기(11)가 도 2에서 또한 입증되고 있다. 연소 챔버(10)에서, 탄화수소, 예를 들어, 천연가스는 90부피% 초과의 산소 분획을 함유하는 산소 가스에 의해서 화학양론적으로 산화된다. 화학적 반응이 상기된 바와 같이 다시 한번 수행된다. 연소 챔버(10)의 하류에서, 환원 가스 REDG가 얻어지며, 이는 주로 H₂와 CO로 이루어지고 약 1500℃의 온도를 지닌다.

이러한 경우에서 보급 가스 EG로서 지칭되는 정제된 원천 가스는 먼저 압축기(12)에서 압축되고, 일반식 C_nH_m의 탄화수소 또는 이들의 혼합물, 예를 들어, 천연 가스와 혼합되고, 후속하여 연소 챔버(10)로부터의 환원 가스 REDG와 균일하게 혼합된다. 그와 같이 형성된 가스가 이하 재순환 가스 REDG로서 지칭된다. 이러한 목적을 위해서, 앞서 유사하게 언급된 바와 같이, 균일한 온도 분포를 형성시키기 위한 충분한 혼합 존 또는 혼합 챔버가 요구된다. 이러한 혼합 결과, 환원 가스 REDG의 초기 온도는 저하되며, 약 1000℃의 재순환 가스 REZG의 온도가 달성된다. 재순환 가스 REZG의 온도는 어떠한 경우에도 800℃ 초과에 달하여 바람직하지 않은 부다트 평형의 경우에 발생되는 탄소 분리를 방지해야 한다.

후속하여, 이러한 재순환 가스 REZG는 촉매가 충진된 용기 또는 튜브인 개질기(11)를 통해서 유도되며, 탄화수소-함유 가스의 개질이 수행되고, 가스의 품질이 CO₂ 및 H₂O 함량에 비해서 CO 및 H₂ 함량의 증가에 의해서 인지 가능하게 개선된다. 개질기(11)에서 수행되는 반응이 상기 기재된 예시적인 구체예와 동일한 방식으로 다시 한번 더 진행된다.

개질 공정의 결과로, 재순환 가스 REZG가 약 800℃의 온도로 추가로 냉각된다. 재순환 가스 REZG는 후속하여 조악하게 정제된 공정 가스 GPG 및 환원 샤프트(13)에 공급되거나, 산소 노즐을 통해서 멜트-다운 가스화기(15)내로 도입된다.

이러한 재순환 및 고급 탄화수소의 의한 개질의 결과로, 종래기술에 비해 여러가지 이점이 발생된다. 복잡한 CO₂ 및/또는 N₂ 제거가 요구되지 않기 때문에, 다른 방법에 비해서 투자 비용이 절감될 수 있으며, 이용 또는 재처리를 위해서 전달되어야 하는, CO₂ 제거로 인해서 발생되는 잔류 가스가 회피될 수 있다. 일반적으로 낮은 CO₂ 방출이 달성되며, 그 이유는 고로 가스로부터의 CO₂가 고급 탄화수소(예를 들어, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀ 등)로 개질되며 환원을 위해서 다시 사용되기 때문이다. 또한, 개질 및 고로내로의 주입을 위해서 요구되는 열의 발생에서의 효율이 증가할 수 있으며, 그 이유는 개질기(11)의 가열을 위한 연료 가스가 필요하지 않기 때문이다.

또한, CO-함유 환원 가스로 인한 금속 더스팅 부식이 가열, 개질 및 수송 동안 감소될 수 있으며, 그 이유는 연소 챔버(10)와 고로로의 상응하는 파이프라인이 정렬되고 제거가 아주 짧게 유지될 수 있기 때문이다.

추가의 이점은 아주 소량으로 여전히 존재하는 H₂O, CO₂ 및 CH₄의 분획에 의한 코크스의 흡열 반응으로 인한 불꽃 온도의 직접적인 저하에 기인하는 레이스웨이 (raceway)의 냉각이다.

a. C + H₂O → CO + H₂ △H₂₉₈=+132 kJ/mol

b. C + CO₂ → 2 CO △H298=+173 kJ/mol

c. CH₄ → 2 H₂ + C △H₂₉₈=+74 kJ/mol

그러나, 낮은 농도로 인해서 과도한 냉각이 발생되지 않기 때문에, 직접적인 천연 가스 또는 오일 주입의 경우에서보다 실질적으로 더 많은 양이 고로(1)로 도입될 수 있다. 게다가, 재순환 가스 REZG로부터의 환원제(CO, H₂)의 재순환에 의해서 환원제로서의 석탄 및 연탄(coal briquette)을 절약하고 탄소 함유 가스로 개질시키는 것이 가능하였다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 전체 플랜트의 작동 비용을 현저하게 감소시키고 있다.

Claims (7)

1. 환원 영역이 있으며, 환원 영역으로부터 배출되는 정제된 원천 가스(purified crude gas: GG, EG)가 탄화수소의 첨가에 의해서 환원 영역으로 재순환되는, 산소에 의해 작동되는 고로(1) 또는 용융-환원 플랜트에서의 선철의 용융을 위한 방법으로서,
   정제된 원천 가스(GG, EG)가 먼저 탄화수소와 혼합되며, 800℃ 초과의 온도를 지닌 재순환 가스(REZG)를 형성시키기 위해서, 후속하여 1000℃를 초과하는 온도를 지니며 90 용적% 초과의 산소 함량을 지닌 산소 가스에 의한 탄화수소의 부분적 산화에 의해서 생성되는 환원 가스(REDG)와 혼합되고, 후속하여 촉매가 충전된 용기 또는 튜브인 개질기(11)를 통해 재순환 가스(REZG)가 전송되는, 자동-개질 공정에 따라 상기 재순환 가스(REZG)가 환원 영역내로 재순환됨을 특징으로 하는 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 고로(1)의 환원 영역내로의 재순환을 위해서, 재순환 가스(REZG)가 풍구(4)를 통해서 풍구(4) 위의 수준에서 또는 고로(1)의 샤프트내로 도입됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 재순환 가스(REZG)의 재순환이 미분탄(fine coal)의 주입에 의해서 풍구(4)를 통해서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 정제된 원천 가스(GG, EG)에 공급된 탄화수소가 일반식 C_nH_m의 탄화수소 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 원천 가스(RG)로부터의 열 회수가 수행됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 원천 가스(RG)의 정제를 위해서 원천 가스(RG)의 건식 더스트 제거(dry de-dusting)가 수행됨을 특징으로 하는 방법.
   

Images