KR102105528B1 - 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법 - Google Patents

제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 생성유닛; 상기 생성유닛으로부터 공급된 환원가스를 승온시키는 승온유닛; 상기 승온유닛으로부터 공급된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 환원유닛; 및 상기 환원유닛으로부터 발생된 배출가스를 상기 승온유닛으로 순환시키는 순환유닛;을 포함하며, 상기 승온유닛은 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하여 승온시키고, 상기 환원유닛으로 공급하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치가 소개된다.

Description

제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법{HYDROGEN REDUCTION APPARATUS OF IRON ORE UTILIZING BY-PRODUCT GAS GENERATED FROM STEEL WORK AND HYDROGEN REDUCTION METHOD OF THE SAME}
본 발명은 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법에 관한 것이다.
철광석으로부터 용선을 생산하는 기술은 현재까지 19세기에 개발된 고로방식에 의존하고 있다. 고로방식은 예비처리과정인 철광석의 소결광화, 석탄의 코크스화를 거쳐 고로상부로 투입하고 고온의 공기를 고로 하부로 주입함으로써 코크스를 열원 및 환원가스로 활용하고 소결광을 환원, 용융하여 대량의 용선을 생산하는 기술이다. 이는 고급 철광석과 점결탄을 사용하여 고로내 통기성과 환원제의 균일가스 분포를 획득함에 의해 오늘날의 대형화된 고로방식에 성공하였다.
그러나 전세계 증가하는 용선 수요에 대응한 고급 철광석 및 석탄 매장량은 점차적으로 고갈되고 철광석의 품위 및 점결탄의 비중은 점차적으로 낮아짐으로써 미래 철강산업의 지속적 경쟁력은 점차적으로 상실되고 있다. 이에 반해 오늘날 적은 탄소(C)환원제 사용, 저급 품질의 철광석 사용 증대 및 스크랩 사용증가는 새로운 패러다임의 근본 추세로 이를 뒤 바침 할 수 있는 제철공정에서의 이산화탄소 배출 저감의 혁신적 기술 개발을 요구하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 대체공법으로 수 mm이하의 분철광석을 직접사용하는 유동층 또는 페렛 형태로 고정층 반응기에서 환원하여 환원철을 생산하는 FINEX, COREX, FINMET, Circored와 같은 상업적 기술은 발전하였다. 이러한 공법은 메탄가스 또는 석탄(C) 가스화 기반 환원철 생산 공정으로 주로 고급 철광석 사용에 한정되었으며, 사용되는 환원제 종류에 의해 철광석 물리화학적 특성 변화, 유동화 성질, sticking 해결 등 환원철 생산의 반응 조건이 구별된다. 특히 지역적 특성에 따라 천연가스 공급이 원활한 지역에서는 고정층 반응기인 shaft로를 이용한 기술이 발전하게 되었다.
그러나 지역적 한계에 의해 천연가스 공급이 원활하지 않고 기존의 석탄(C)기반 공정에서 적은 탄소(C)환원제를 사용하여 이산화탄소 배출을 줄이고자 할 시에는 활용 가능 환원제 가스의 한계 및 저급 품질의 분철광석 사용 환원철 생산 반응조건과 방식이 상이하여 기술적 한계가 존재한다.
분환원철의 환원 과정에서 발생된 배출가스를 분철광석의 환원을 위해 재차 공급하여 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 생성유닛; 상기 생성유닛으로부터 공급된 환원가스를 승온시키는 승온유닛; 상기 승온유닛으로부터 공급된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 환원유닛; 및 상기 환원유닛으로부터 발생된 배출가스를 상기 승온유닛으로 순환시키는 순환유닛;을 포함하고, 상기 승온유닛은 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하여 승온시키고, 상기 환원유닛으로 공급한다.
상기 생성유닛은, 상기 부생가스를 압축시키는 제1압축기; 상기 제1압축기와 연결되며, 상기 압축된 부생가스를 수증기와 반응시키는 개질기; 및 상기 개질기와 연결되고, 상기 수증기와 반응한 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 수소 추출기;를 포함할 수 있다.
상기 생성유닛은, 일측이 상기 개질기와 연결되고, 타측이 상기 수소 추출기와 연결되며, 상기 개질기로부터 공급된 부생가스로부터 열을 회수하는 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
상기 생성유닛은, 상기 제1압축기와 연결되며, 상기 압축된 부생가스를 상기 개질기 및 이산화탄소 분리기로 분기시키는 제1분기기;를 더 포함하고, 상기 이산화탄소 분리기는 상기 압축된 부생가스에서 이산화탄소를 분리시켜 환원가스를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 상기 수소 추출기 및 상기 이산화탄소 분리기와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛;을 더 포함할 수 있다.
상기 승온유닛은, 상기 생성유닛으로부터 공급된 환원가스 및 상기 순환유닛으로부터 공급된 배출가스를 혼합하는 가스 혼합기; 및 상기 가스 혼합기와 연결되며, 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키는 승온기;를 포함할 수 있다.
상기 환원유닛은, 상기 환원가스 및 상기 분철광석의 반응이 이루어지는 내부공간이 마련되고, 상기 환원된 분철광석은 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하며, 상기 배출가스는 상기 순환유닛으로 배출하는 반응기;를 포함할 수 있다.
상기 순환유닛은, 상기 환원유닛으로부터 공급된 배출가스를 세정하는 세정기; 및 상기 세정기와 연결되고, 상기 세정된 배출가스를 압축시켜 상기 가스 혼합기로 전달하는 제2압축기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 상기 세정기와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛;을 더 포함할 수 있다.
상기 순환유닛은, 상기 세정기와 연결되며, 상기 세정된 배출가스를 상기 승온기, 상기 제2압축기 및 상기 전력유닛으로 분기시키는 제2분기기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법은 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 단계; 상기 환원가스를 승온시키는 단계; 상기 승온된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 단계; 및 상기 분철광석의 환원 과정에서 발생된 배출가스를 순환시키는 단계;를 포함하고, 상기 승온시키는 단계에서 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하여 승온시킨다.
상기 환원가스를 제조하는 단계는, 상기 부생가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계; 상기 압축된 부생가스를 수증기와 반응시켜 개질하는 단계; 및 상기 개질된 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 환원가스를 제조하는 단계에서, 상기 환원가스 중에서 수소의 부피%는 60 내지 80%일 수 있다.
상기 부생가스를 압축시키는 단계 이후, 상기 압축된 부생가스 중에서 일부는 수증기와 반응시키고, 나머지는 이산화탄소를 분리시키도록 상기 압축된 부생가스를 분배하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 환원가스를 승온시키는 단계는, 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 800℃ 이상으로 승온시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 분철광석을 환원시키는 단계는, 상기 분철광석의 무게를 기준으로 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 1000 내지 1700Nm3/ton으로 공급하여 상기 분철광석과 반응시키는 단계; 및 상기 환원된 분철광석을 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배출가스를 순환시키는 단계는, 상기 배출가스를 세정하는 단계; 상기 세정된 배출가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계; 및 상기 압축된 배출가스를 상기 환원가스와 혼합되도록 이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 세정하는 단계 이후, 상기 세정된 배출가스 중에서 일부는 상기 환원가스와 혼합되도록 이동시키고, 나머지는 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키도록 상기 세정된 배출가스를 분배하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 분환원철의 환원 과정에서 발생된 배출가스를 분철광석의 환원을 위해 재차 공급하여 에너지를 효율적으로 활용함으로써 경제적으로 환원철을 생산하는 것이 가능하다. 또한, 분철광석의 환원율은 80% 이상인 것이 가능하다.
이와 같은 공정은 석탄(C)기반 공정 부생가스의 효율은 향상시키고, 타공정보다 더 낮아진 온도, 압력하에서 저급 품질의 분철광석 환원 및 고온의 DRI 투입을 통한 용선 생산이 가능해짐으로써 석탄(C)기반 제철공정에서의 일산화탄소 배출 저감을 가능케 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치를 개략도로 표현한 도면이다. 실선은 가스의 이동을 나타내고, 점선은 철광석의 이동을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가스의 수소 함량에 따른 분철광석의 환원율을 나타내는 그래프이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치
도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 생성유닛(100), 생성유닛(100)으로부터 공급된 환원가스를 승온시키는 승온유닛(200), 승온유닛(200)으로부터 공급된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 환원유닛(300) 및 환원유닛(300)으로부터 발생된 배출가스를 승온유닛(200)으로 순환시키는 순환유닛(400)을 포함한다.
승온유닛(200)은 환원가스 및 배출가스를 혼합하여 승온시키고, 환원유닛(300)으로 공급한다.
먼저, 생성유닛(100)은 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조한다. 부생가스는 파이넥스 공정의 제철 배가스, 고로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스, 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 등으로 이루어질 수 있다.
부생가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2)를 포함할 수 있다. 생성유닛(100)은 부생가스 중에서 일산화탄소를 수소로 전환하는 개질 과정을 수행하여 수소가 풍부한 환원가스를 제조한다. 승온유닛(200)으로 공급되는 환원가스는 수소의 부피%가 전체에 대해 60 내지 80%일 수 있다.
구체적으로, 생성유닛(100)은 부생가스를 압축시키는 제1압축기(110), 제1압축기(110)와 연결되며, 압축된 부생가스를 수증기와 반응시키는 개질기(120) 및 개질기(120)와 연결되고, 수증기와 반응한 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 수소 추출기(130)를 포함할 수 있다.
제1압축기(110)는 부생가스를 압축시킬 수 있다. 구체적으로, 6 내지 10bar로 압축시킬 수 있다.
개질기(120)는 제1압축기(110)로부터 공급된 부생가스를 수증기(H2O)와 반응시켜 부생가스 중의 일산화탄소를 산화시킬 수 있다. 일산화탄소와 수증기의 산화 환원 반응으로 이산화탄소 및 수소가 생성된다. 이에 따라 부생가스 중의 수소 분율이 높아져 개질이 이루어질 수 있다.
수소 추출기(130)는 개질된 부생가스 중에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조할 수 있다. 구체적으로, PSA(Pressure Swing Adsorption)으로 부생가스 중에서 수소를 분리, 추출할 수 있다.
또한, 생성유닛(100)은 일측이 개질기(120)와 연결되고, 타측이 수소 추출기(130)와 연결되며, 개질기(120)로부터 공급된 부생가스로부터 열을 회수하는 열교환기(140)를 더 포함할 수 있다.
열교환기(140)는 개질기(120) 및 수소 추출기(130) 사이에 배치되어 일측이 개질기(120)와 연결되고, 타측이 수소 추출기(130)와 연결됨으로써 개질기(120)로부터 공급된 부생가스로부터 열을 회수할 수 있다. 열이 회수된 부생가스를 수소 추출기(130)로 전달할 수 있다.
열교환기(140)로부터 회수한 열을 이용하여 개질기(120)를 작동시키는 열원으로 사용할 수 있다.
한편, 생성유닛(100)은 제1압축기(110)와 연결되며, 압축된 부생가스를 수소 추출기(130) 및 이산화탄소 분리기(160)로 분기시키는 제1분기기(150)를 더 포함하고, 이산화탄소 분리기(160)는 압축된 부생가스에서 이산화탄소를 분리시켜 환원가스를 제조할 수 있다.
제1분기기(150)는 제1압축기(110)로부터 공급된 부생가스를 각각 개질기(120)와 이산화탄소 분리기(160)로 분기시킬 수 있다.
개질기(120)로 분기된 부생가스의 일부는 상기에서 언급한 바와 같이, 수증기와 반응하여 개질될 수 있다. 이산화탄소 분리기(160)로 분기된 부생가스의 나머지는 이산화탄소가 분리되어 수소 분율이 높아질 수 있다. 이에 따라 환원가스가 제조될 수 있다. 구체적으로, PSA(Pressure Swing Adsorption)으로 부생가스 중에서 이산화탄소를 분리, 배출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 수소 추출기(130) 및 이산화탄소 분리기(160)와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛(500)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 수소 추출기(130)에서 환원가스를 제조하고 남은 폐가스를 전력유닛(500)으로 이동시키고, 전력유닛(500)은 폐가스의 잔열을 열원으로 하여 전력을 생산할 수 있다. 또한, 이산화탄소 분리기(160)에서 제조하고 남은 폐가스를 전력유닛(500)으로 이동시키고, 전력유닛(500)은 폐가스의 잔열을 열원으로 하여 전력을 생산할 수 있다.
수소 추출기(130)에서 환원가스를 제조하고 남은 폐가스 및 이산화탄소 분리기(160)에서 제조하고 남은 폐가스는 전력유닛(500)에서 열원으로 작용 후, 외부로 배출될 수 있다.
다음으로, 승온유닛(200)은 환원가스를 승온시키는 역할을 한다. 또한, 순환유닛(400)으로부터 배출가스를 공급받아 환원가스와 혼합하여 함께 승온시키는 역할을 한다.
구체적으로, 승온유닛(200)은 생성유닛(100)으로부터 공급된 환원가스 및 순환유닛(400)으로부터 공급된 배출가스를 혼합하는 가스 혼합기(210) 및 가스 혼합기(210)와 연결되며, 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키는 승온기(220)를 포함할 수 있다.
가스 혼합기(210)는 생성유닛(100)으로부터 환원가스를 공급받고, 순환유닛(400)으로부터 배출가스를 공급받아 환원가스와 배출가스를 혼합시킬 수 있다. 구체적으로, 수소 추출기(130)와 연결되어 환원가스를 공급받을 수 있다. 또는 수소 추출기(130) 및 이산화탄소 분리기(160)와 연결되어 환원가스를 공급받을 수 있다.
승온기(220)는 가스 혼합기(210)로부터 공급된 환원가스와 배출가스의 혼합가스를 승온시킨 다음 환원유닛(300)으로 공급할 수 있다. 구체적으로, 혼합가스는 800℃ 이상의 온도로 승온될 수 있다.
다음으로, 환원유닛(300)은 승온유닛(200)으로부터 공급받은 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 역할을 한다. 또한, 환원유닛(300)으로 배출가스를 배출하며, 승온유닛(200)으로부터 공급받은 환원가스 및 배출가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 역할을 한다.
구체적으로, 환원유닛(300)은 환원가스 및 분철광석의 반응이 이루어지는 내부공간이 마련되고, 환원된 분철광석은 브리켓을 제조하는 성형기(320)로 공급하며, 배출가스는 순환유닛(400)으로 배출하는 반응기(310)를 포함할 수 있다.
반응기(310)의 내부에 형성된 내부공간에서 환원가스와 분철광석의 반응이 이루어질 수 있다. 환원가스 및 배출가스의 혼합가스와 분철광석의 반응이 이루어질 수 있다. 반응기(310)는 유동층 반응기(310) 또는 고정층 반응기(310)일 수 있다. 그 형태에 구애되지 않는다.
구체적으로, 반응기(310)는 승온기(220)와 연결되어 내부로 승온된 환원가스 또는 혼합가스의 공급이 이루어질 수 있으며, 분철광석이 저장된 분철광석 공급기(330)와 연결되어 분철광석의 공급이 이루어질 수 있다. 또한, 반응기(310)는 브리켓을 제조하는 성형기(320)와 연결되어 환원된 분철광석을 성형기(320)로 공급할 수 있으며, 순환유닛(400)과 연결되어 배출가스를 배출할 수 있다. 성형기(320)는 용선을 생산하기 위한 일정 크기의 환원철을 제조하는 장치이다.
다음으로, 순환유닛(400)은 환원유닛(300)으로부터 배출된 배출가스의 재사용을 위해 배출가스를 승온유닛(200)으로 순환시키는 역할을 한다. 승온유닛(200)은 환원유닛(300)으로부터 배출가스를 공급받고, 이를 환원가스와 혼합한 뒤, 혼합된 환원가스 및 배출가스를 환원유닛(300)으로 재차 공급한다.
이에 따라 에너지를 효율적으로 활용하여 경제적으로 환원철을 생산하는 것이 가능하다.
구체적으로, 순환유닛(400)은 환원유닛(300)으로부터 공급된 배출가스를 세정하는 세정기(410) 및 세정기(410)와 연결되고, 세정된 배출가스를 압축시켜 가스 혼합기(210)로 전달하는 제2압축기(420)를 포함할 수 있다.
세정기(410)는 환원유닛(300)으로부터 공급받은 배출가스를 세정하여 배출가스 중의 이물질을 제거할 수 있다. 이때, 세정 방식은 습식 방식 또는 건식 방식으로 이루어질 수 있다. 그 방식에 구애되지 않는다. 구체적으로, 세정기(410)는 반응기(310)와 연결되어 반응기(310)로부터 배출가스를 공급받을 수 있다.
제2압축기(420)는 세정기(410)와 연결되며, 세정기(410)로부터 공급받은 세정된 배출가스를 압축하여 승온유닛(200)으로 공급할 수 있다. 구체적으로, 6 내지 10bar로 압축시킬 수 있으며, 가스 혼합기(210)와 연결되어 가스 혼합기(210)로 압축된 배출가스를 공급할 수 있다.
구체적으로, 가스 혼합기(210)로 공급되는 가스는 전체 배출가스 중에서 10 내지 60 부피%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치는 세정기(410)와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛(500)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 세정된 배출가스 중 일부를 전력유닛(500)으로 이동시키고, 전력유닛(500)은 배출가스의 잔열을 열원으로 하여 전력을 생산할 수 있다. 보다 구체적으로, 전력유닛(500)은 수소 추출기(130), 이산화탄소 분리기(160) 및 세정기(410)와 연결되어 수소 추출기(130), 이산화탄소 분리기(160) 및 세정기(410)로부터 공급받은 가스의 잔열을 열원으로 하여 전력을 생산할 수 있다.
세정된 배출가스 중 일부는 전력유닛(500)에서 열원으로 작용 후, 외부로 배출될 수 있다.
순환유닛(400)은 세정기(410)와 연결되며, 세정된 배출가스를 승온기(220), 제2압축기(420) 및 전력유닛(500)으로 분기시키는 제2분기기(430)를 더 포함할 수 있다.
제2분기기(430)는 세정기(410)로부터 공급된 배출가스를 각각 승온기(220), 제2압축기(420) 및 전력유닛(500)으로 분기시킬 수 있다.
승온기(220)로 분기된 배출가스의 일부는 승온기(220)를 작동시키는 열원으로 작용할 수 있다. 이에 따라 승온기(220)는 산소 취입에 의한 직접 가열과 배출가스의 일부를 이용한 간접 가열 형태로 작동할 수 있다.
승온기(220)로 분기된 배출가스의 일부는 열원으로 작용 후, 외부로 배출될 수 있다.
제2압축기(420)로 분기된 배출가스의 또 다른 일부는 상기에서 언급한 바와 같이, 제2압축기(420)에서 압축되어 가스 혼합기(210)로 공급될 수 있다. 전력유닛(500)으로 분기된 배출가스의 나머지는 잔열이 열원으로 이용되어 전력을 생산할 수 있다.
제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법은 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 단계, 환원가스를 승온시키는 단계, 승온된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 단계 및 분철광석의 환원 과정에서 발생된 배출가스를 순환시키는 단계를 포함한다.
승온시키는 단계에서 환원가스 및 배출가스를 혼합하여 승온시킨다.
먼저, 환원가스를 제조하는 단계에서는 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조한다. 부생가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2)를 포함할 수 있다. 부생가스 중에서 일산화탄소를 수소로 전환하여 수소가 풍부한 환원가스를 제조한다.
환원가스를 제조하는 단계에서, 환원가스 중에서 수소의 부피%는 60 내지 80%일 수 있다. 구체적으로, 환원가스는 50 부피% 이상의 수소, 환원제로서 5 부피% 이상의 일산화탄소 및 10 내지 25 부피%의 질소를 포함할 수 있다.
구체적으로, 환원가스를 제조하는 단계는 부생가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계, 압축된 부생가스를 수증기와 반응시켜 개질하는 단계 및 개질된 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
압축시키는 단계에서는 부생가스를 6 내지 10bar로 압축시킬 수 있다.
구체적으로, 압축시키는 단계 이후, 압축된 부생가스의 열을 회수하여 이를 개질하는 단계의 열원으로 이용할 수 있다.
개질하는 단계에서는 압축된 부생가스를 수증기(H2O)와 반응시켜 부생가스 중의 일산화탄소를 산화시킬 수 있다. 일산화탄소와 수증기의 산화 환원 반응으로 이산화탄소 및 수소가 생성된다. 이에 따라 부생가스 중의 수소 분율이 높아져 개질이 이루어질 수 있다. 구체적으로, PSA(Pressure Swing Adsorption)으로 부생가스 중에서 수소를 분리, 추출할 수 있다.
구체적으로, 환원가스를 제조하는 단계는 부생가스를 압축시키는 단계 이후, 압축된 부생가스 중에서 일부는 수증기와 반응시키고, 나머지는 이산화탄소를 분리시키도록 압축된 부생가스를 분배하는 단계를 더 포함할 수 있다.
압축된 부생가스를 분배하는 단계는 압축된 부생가스를 분배하고, 부생가스의 일부는 상기에서 언급한 바와 같이, 수증기와 반응시켜 개질할 수 있다. 부생가스의 나머지는 이산화탄소를 분리하여 수소 분율을 높일 수 있다. 이에 따라 환원가스가 제조될 수 있다. 구체적으로, PSA(Pressure Swing Adsorption)으로 부생가스 중에서 이산화탄소를 분리, 배출할 수 있다.
다음으로, 환원가스를 승온시키는 단계에서는 환원가스를 승온시킨다. 또한, 공급받은 배출가스를 환원가스와 혼합하여 함께 승온시킨다.
구체적으로, 환원가스를 승온시키는 단계는 환원가스 및 배출가스를 혼합하는 단계 및 혼합된 환원가스 및 배출가스를 800℃ 이상으로 승온시키는 단계를 포함할 수 있다.
환원가스 및 배출가스를 혼합하는 단계에서는 공급받은 환원가스와 배출가스를 혼합시킬 수 있다. 구체적으로, 수소가 추출된 환원가스를 공급받을 수 있다. 또는 수소가 추출된 환원가스 및 이산화탄소가 분리된 환원가스를 공급받아 배출가스와 혼합할 수 있다.
승온단계에서는 혼합한 환원가스 및 배출가스를 800℃ 이상으로 승온시킬 수 있다.
다음으로, 분철광석을 환원시키는 단계에서는 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키며, 환원 과정에서 발생된 배출가스를 배출한다. 또한, 환원가스 및 배출가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 역할을 한다.
구체적으로, 분철광석을 환원시키는 단계는 분철광석의 무게를 기준으로 혼합된 환원가스 및 배출가스를 1000 내지 1700Nm3/ton으로 공급하여 분철광석과 반응시키는 단계 및 환원된 분철광석을 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
혼합된 환원가스 및 배출가스를 분철광석과 반응시키는 단계에서는 공급된 분철광석 무게당, 혼합된 환원가스 및 배출가스의 유량을 1000 내지 1700Nm3/ton으로 제어하여 효율적으로 분철광석을 환원시킬 수 있다.
환원된 분철광석을 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하는 단계에서는 환원된 분철광석을 일정 크기의 환원철 제조를 위해 브리켓을 제조하는 성형기로 공급할 수 있다.
다음으로, 배출가스를 순환시키는 단계에서는 배출가스의 재사용을 위해 배출가스를 환원가스와 혼합되도록 순환시킨다. 이에, 환원가스를 승온시키는 단계에서는 공급받은 배출가스를, 이를 환원가스와 혼합한 뒤, 혼합된 환원가스 및 배출가스를 분철광석의 환원을 위해 재차 공급한다.
이에 따라 에너지를 효율적으로 활용하여 경제적으로 환원철을 생산하는 것이 가능하다. 또한, 분철광석의 환원율은 80% 이상인 것이 가능하다.
구체적으로, 배출가스를 순환시키는 단계는 배출가스를 세정하는 단계, 세정된 배출가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계 및 압축된 배출가스를 환원가스와 혼합되도록 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
세정하는 단계에서는 배출가스를 세정하여 배출가스 중의 이물질을 제거할 수 있다. 이때, 세정 방식은 습식 방식 또는 건식 방식으로 이루어질 수 있다. 그 방식에 구애되지 않는다.
배출가스를 압축시키는 단계에서는 세정된 배출가스를 압축하여 환원가스와 혼합되도록 공급할 수 있다. 구체적으로, 6 내지 10bar로 압축시킬 수 있다.
구체적으로, 배출가스를 순환시키는 단계는 세정하는 단계 이후, 세정된 배출가스 중에서 일부는 환원가스와 혼합되도록 이동시키고, 나머지는 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키도록 세정된 배출가스를 분배하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
[혼합된 환원가스 및 배출가스의 수소 분율에 따른 분철광석의 환원율]
본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치를 이용하여 혼합된 환원가스 및 배출가스를 4단 유동층 반응에 공급하여 분환원철을 환원시켰다. 부생가스는 FINEX 공정의 제철 배가스일 수 있고, 16 부피%의 수소(H2), 25 부피%의 일산화탄소(CO), 35 부피%의 이산화탄소(CO2), 잔부 질소(N2) 및 기타 가스를 포함하였다.
혼합된 환원가스 및 배출가스의 수소 분율, 온도는 하기의 표 1과 같았다. 또한, 분철광석의 환원율은 하기의 표 1과 같았다.
혼합된 환원가스 및 배출가스의 공급 유량은 분철광석의 무게를 기준으로 1000 내지 1700Nm3/ton으로 제어되었다.
혼합된 환원가스 및 배출가스의 산화도는 4.0 내지 6.5%였다. 산화도는 하기의 식으로 표현될 수 있다.
[식]
산화도(%)=([CO2]+[H2O])/([CO]+[CO2]+[H2]+[H2O])*100
(식에서, [CO], [CO2], [H2] 및 [H2O]은 각각 CO, CO2, H2 및 H2O의 부피%를 의미한다.)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
H2분율(부피%) 77 73 69 63 63
온도(℃) 816 811 821 815 815
환원율(%) 83 96 93 92 91
상기의 표 1 및 도 2와 같이, 혼합된 환원가스 및 배출가스의 수소 분율이 63 내지 77 부피%이고, 온도가 811 내지 821℃일 경우, 분철광석의 환원율은 83 내지 96%로 확보될 수 있음을 알 수 있다.
[공정 조건에 따른 분철광석의 환원율 비교]
하기의 표 2는 타공정과 본 발명의 일 실시예에 의한 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법의 공정 조건을 나타내었다. 또한, 이에 따른 분철광석의 환원율을 나타내었다. 타공정은 모두 천연가스를 이용하였고, 실시예 6은 제철 부생가스를 이용하였다.
반응기 환원율
(%)		 온도
(℃)		 압력
(bar)		 H2 CO CO2 CH4 N2 비고
(부피%)
실시예6 유동층 92 830 4.5 63 13 4 - 20
FINMET 90 835 13.2 60 7 2 24 7
HYL Ⅲ 고정층 94 950 6.5 73 15 - 5 7 N2미량
CO2
비포함
HYL ZR 94 1050 6.5 50 15 - 25 5
MIDREX 94 950 1.5 55 34 - 3 8
상기 표 2와 같이, 실시예 6의 경우, 타공정들보다 공정 온도가 낮았음에도 분환원철의 환원율은 90% 이상으로 나타났음을 확인할 수 있다.
공정 압력도 MIDREX를 제외하고는 가장 낮았음에도 분환원철의 환원율은 90% 이상으로 나타났다.
또한, 천연가스가 아닌 제철 부생가스를 이용하였음에도 분환원철의 환원율은 타공정과 동등 또는 이상을 나타냈으므로 경제적임을 확인할 수 있다.
가스 중에 유일하게 CH4가 포함되지 않았으며, N2의 분율이 가장 높았다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 생성유닛 110: 제1압축기
120: 개질기 130: 수소 추출기
140: 열교환기 150: 제1분기기
160: 이산화탄소 분리기 200: 승온유닛
210: 가스 혼합기 220: 승온기
300: 환원유닛 310: 반응기
320: 성형기 330: 분철광석 공급기
400: 순환유닛 410: 세정기
420: 제2압축기 430: 제2분기기
500: 전력유닛

Claims (18)

  1. 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 생성유닛;
    상기 생성유닛으로부터 공급된 환원가스를 승온시키는 승온유닛;
    상기 승온유닛으로부터 공급된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 환원유닛; 및
    상기 환원유닛으로부터 발생된 배출가스를 상기 승온유닛으로 순환시키는 순환유닛;을 포함하며,
    상기 승온유닛은 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하여 승온시키고, 상기 환원유닛으로 공급하고,
    상기 생성유닛은,
    상기 부생가스를 압축시키는 제1압축기;
    상기 제1압축기와 연결되며, 상기 압축된 부생가스를 수증기와 반응시키는 개질기;
    상기 개질기와 연결되고, 상기 수증기와 반응한 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 수소 추출기; 및
    상기 제1압축기와 연결되며, 상기 압축된 부생가스를 상기 개질기 및 이산화탄소 분리기로 분기시키는 제1분기기;를 포함하고,
    상기 이산화탄소 분리기는 상기 압축된 부생가스에서 이산화탄소를 분리시켜 환원가스를 제조하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 생성유닛은,
    일측이 상기 개질기와 연결되고, 타측이 상기 수소 추출기와 연결되며, 상기 개질기로부터 공급된 부생가스로부터 열을 회수하는 열교환기;를 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 추출기 및 상기 이산화탄소 분리기와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛;을 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 승온유닛은,
    상기 생성유닛으로부터 공급된 환원가스 및 상기 순환유닛으로부터 공급된 배출가스를 혼합하는 가스 혼합기; 및
    상기 가스 혼합기와 연결되며, 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키는 승온기;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 환원유닛은,
    상기 환원가스 및 상기 분철광석의 반응이 이루어지는 내부공간이 마련되고, 상기 환원된 분철광석은 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하며, 상기 배출가스는 상기 순환유닛으로 배출하는 반응기;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 순환유닛은,
    상기 환원유닛으로부터 공급된 배출가스를 세정하는 세정기; 및
    상기 세정기와 연결되고, 상기 세정된 배출가스를 압축시켜 상기 가스 혼합기로 전달하는 제2압축기;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세정기와 연결되며, 열을 이용하여 전력을 생산하는 전력유닛;을 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 순환유닛은,
    상기 세정기와 연결되며, 상기 세정된 배출가스를 상기 승온기, 상기 제2압축기 및 상기 전력유닛으로 분기시키는 제2분기기;를 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 장치.
  11. 제철 부생가스를 개질하여 환원가스를 제조하는 단계;
    상기 환원가스를 승온시키는 단계;
    상기 승온된 환원가스를 이용하여 분철광석을 환원시키는 단계; 및
    상기 분철광석의 환원 과정에서 발생된 배출가스를 순환시키는 단계;를 포함하고,
    상기 승온시키는 단계에서 상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하여 승온시키며,
    상기 환원가스를 제조하는 단계는,
    상기 부생가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계;
    상기 압축된 부생가스를 수증기와 반응시켜 개질하는 단계; 및
    상기 개질된 부생가스에서 수소를 추출하여 환원가스를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 부생가스를 압축시키는 단계 이후,
    상기 압축된 부생가스 중에서 일부는 수증기와 반응시키고, 나머지는 이산화탄소를 분리시키도록 상기 압축된 부생가스를 분배하는 단계;를 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 환원가스를 제조하는 단계에서,
    상기 환원가스 중에서 수소의 부피%는 60 내지 80%인 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 환원가스를 승온시키는 단계는,
    상기 환원가스 및 상기 배출가스를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 800℃ 이상으로 승온시키는 단계;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 분철광석을 환원시키는 단계는,
    상기 분철광석의 무게를 기준으로 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 1000 내지 1700Nm3/ton으로 공급하여 상기 분철광석과 반응시키는 단계; 및
    상기 환원된 분철광석을 브리켓을 제조하는 성형기로 공급하는 단계;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 배출가스를 순환시키는 단계는,
    상기 배출가스를 세정하는 단계;
    상기 세정된 배출가스를 6 내지 10bar로 압축시키는 단계; 및
    상기 압축된 배출가스를 상기 환원가스와 혼합되도록 이동시키는 단계;를 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 세정하는 단계 이후,
    상기 세정된 배출가스 중에서 일부는 상기 환원가스와 혼합되도록 이동시키고, 나머지는 상기 혼합된 환원가스 및 배출가스를 승온시키도록 상기 세정된 배출가스를 분배하는 단계;를 더 포함하는 제철 부생가스를 활용한 철광석의 수소환원 방법.
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