KR20010041141A

KR20010041141A - 개선된 환원 가스를 이용한 직접 환원철 생산 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20010041141A
Application number: KR1020007009189A
Authority: KR
Inventors: 빌라레알-트레비노후안에이.
Original assignee: 조세 드라 루쯔 마누엘 데노리오; 힐사 에스에이 드 시이브이
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2001-05-15
Also published as: US6027545A; WO1999042624A1; AU3270599A; AR014627A1; EP1073772A1; BR9908069A

Abstract

제강 산업에 사용되는 사전 환원된 재료인 DRI를 제조하기 위한 장치 및 방법은 환원 반응기(10)를 포함하며, 환원 반응기(10)로부터 정화된 가스 스트림에 함유된 수소는 상기 환원 반응기(10)로 (양호하게는 PSA 시스템에 의해) 분리되어서 재순환된다. 환원 플랜트의 생산성은 분리된 수소를 연료로서 사용하는 것 대신에 반응기(10)에서 화학적 환원제로서 사용함으로써 증가된다. 이것은 특히 현존하는 DRI 생산 방법을 향상하는 데 유용하다.

Description

개선된 환원 가스를 이용한 직접 환원철 생산 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING DIRECT REDUCED IRON WITH IMPROVED REDUCING GAS UTILIZATION}

(철강 제조에 있어 공급 원료로서 유용한 일반적 사전 환원 재료에서) DRI 또는 스폰지 철(sponge iron)로 알려진 직접 환원철, 고온 브리케트화(briquetted) 철 등을 위한 직접 환원 플랜트는 현재 수소 및 일산화탄소로 주로 구성된 환원 가스를 750 ℃ 내지 1050 ℃ 범위의 온도에서 덩어리(lump), 펠릿(pellet) 또는 그 혼합물 형태로 미립-철 함유 재료의 베드(bed)와 접촉시킴으로써 이런 재료를 생산한다. 철 함유 재료의 베드는 정지되어 있을 수도 있고 환원 반응기 내의 중력에 의해 하강될 수도 있다. 이런 공정의 예들은 미국 특허 제3,749,386호, 제3,764,123호, 제4,336,063호, 제4,428,072호, 제4,556,417호, 제5,078,787호, 제4,046,557호, 제4,002,422호 및 제4,375,983호에서 설명되고 있다.

직접 환원 시스템에서 환원 가스 및 환원되는 산화물은 환원 반응기에서 환원 가스의 전체 이용을 허용하지 않는 평행 상태에 도달하는 것은 공지되어 있다. 결국, 효율을 위해 현재 작업 플랜트는 보급(make-up) 환원 가스의 필요성을 최소화시키도록 재생산된 환원 가스를 재생한다. 그러나, 시스템에 이산화탄소 및 (N₂와 같은 ) 불활성 원소의 축적을 방지하기 위해 소모된 환원 가스의 많은 부분을 재생되기에 유용하도록 정화시키거나 다르게는 제거할 필요가 있어 왔다. 정상적으로 정화된 가스의 부분은 시스템의 가스 히터 또는 리포머에서 연료로서 이용된다. 연료로서의 이용은 비용상 수소 및 일산화탄소의 화학값이 아닌 정화된 환원 가스의 가열 값만을 회수한다. 대부분의 화학값이 정화되는 것 대신에 철 산화물의 환원에 이용될 수 있다면, 소정의 생산 수준에 요구되는 구성 가스의 양은 낮아지거나, 다르게는 생산은 동일한 리포머 용량에 대해 증가되게 된다. 환원 반응기로부터 유출하는 소모된 환원 가스의 질을 높이 위한 재생 방법은 환원 반응기에서 나오는 환원 작용 생산물, 즉 이산화탄소 및 물을 잔여 수소, 일산화탄소, 메탄(그리고 환원 가스에서 최소량으로 존재하는 임의의 다른 고탄수화물)으로부터 이들 생산물의 화학적 평형에 의해 판단되는 양에서 제거하는 것을 포함한다.

환원 반응기에서 재생될 환원 가스 스트림으로부터 이산화탄소 및 물을 제거하는 종래 기술로서는, 예컨대 브라세트 등의 미국 특허 제2,547,685호, 베세라-노보아 등의 미국 특허 제4,584,016호, 칸바라 등의 미국 특허 제4,001,010호, 오노 등의 미국 특허 제4,129,281호, 네메스 등의 미국 특허 제3,853,538호 및 베그 등의 미국 특허 제4,046,557호가 있다. 물은 일반적으로 급냉(quench cooling)에 의해 제거된다. 그러나 CO₂의 제거를 위해 모든 이들 특허는 CO₂함유 가스가 상기 CO₂와 작용하는 액체 용액과 접촉하는 일반적 형태의 CO₂제거 유닛의 이용을 개시하고 있으며, 재생 가스를 전체적으로 처리한다.

이들 화학적 흡착 시스템은 용액을 재생시키기 위해 보통은 증기 형태의 몇몇 가열원이 마련되어야만 하며, 이 필요 조건은 비용이 많이 들고 몇몇 적용에서는 쉽게 적용할 수 없다. CO₂흡수 용액의 재생을 위해 요구되는 에너지가 많이 들며, 대용량의 이들 CO₂제거 유닛은 고가이다.

이것은 본 발명에 따라 가장 양호하게 사용되는 소위 압력 선회 흡착(PSA) 및 진공 압력 선회 흡착(VPSA) 시스템의 CO₂제거 유닛과 비교된다.

PSA식 가스 분리 시스템은, 예컨대 제3,788,037호, 제4,869,894호, 제4,614,525호, 제5,026,406호, 제5,152,975호에서와 같이 공지되어 있다. 미국 특허 제5,833,734호 및 제5,858,057호도 참조할 수 있다. 본 명세서에서 인용된 이들 및 다른 특허는 인용 설명으로서 합체되어 있다.

본 발명은 환원 반응기와, 상기 환원 반응기 내에서 리포머(reformer) 및/또는 금속철의 촉매 작용에 의해 상기 시스템의 작업에서 일산화탄소 및 수소를 주성분으로 하는 환원 가스로 변환되는 천연 가스원과, 상기 환원 반응기의 환원 영역으로 도입되기에 앞서 상기 환원 가스를 가열하기 위한 가열 장치를 포함하는 환원 시스템에서 사전 환원된 철광석인, 직접 환원철(Direct Reduced Iron, DRI) 등을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상기 환원 반응기의 생산성을 대응해서 증가시키거나 소정 생산 수준에 요구되는 가스의 보급량(make-up quantity)을 감소시키면서 환원 시스템의 환원 가스의 화학적 환원 잠재력을 보다 많이 이용할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 환원 가스 생성기의 용량을 증가시키거나 환원 가스의 재순환 스트림에서 이산화탄소 제거 시스템을 설치하는 공지 방법을 사용하는 종래의 대안과 비교할 때 적은 설비와 작업비로 현존하는 환원 시스템의 생산성을 증가시키는 방법을 제공한다.

도1은 H₂및 CO 보급 환원 가스의 공급원이 종래의 "오프라인(offline)" 증기/천연가스 리포머이고 회수되고 정화된 H₂가 히터를 거쳐 반응기로 공급된 재순환 가스와 혼합되는 DRI 생산을 위한 이동 베드 공정의 다이아그램에 의해 도시된 본 발명의 양호한 실시예중 하나를 개략적으로 도시한 도면이다.

도2는 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있으며, 이 실시예에서 환원 가스는 (리포머가 필요하지 않고, 옥시던트 H₂O 및 CO₂와의 작용에 의해 첨가된 천연 가스 보급물이 상기 시스템, 특히 상기 반응기에 존재하는 환원된 철의 촉매 작용에 의해 환원 반응기 내에서 수소 및 일산화탄소로 변환되는) 상기 시스템 내에서의 천연 가스 재형성에 의해 "자기 재형성" 환원 시스템 내에서 환원 가스가 생성되고, 정화 가스로부터 회수된 H₂가 도1과 유사한 방식으로 히터로 복귀된다.

도3은 본 발명의 다른 실시예와 세 개의 다른 예시적인 변경(점선으로 도시)들을 개략적으로 도시하고 있으며, 실시예에서 환원 가스는 CO₂-천연 가스 "인-라인(in-line)" 리포머에서 생성되며, 첨가된 보급 천연 가스는 재순환 환원 가스에 존재하는 현존 옥시던트 H₂O 및 CO₂와 반응기의 리포머에서 혼합되며, 본 실시예의 개조예에서, 환원 영역으로 재순환되기 위한 PSA 유닛에 의해 회복된 수소는, 1) (리포머가 충분한 용량이라면) 가열용 리포머로 공급될 수 있거나, 2) (현존하는 플랜트 설비를 향상시킬 때 리포머에 대한 개조 필요성을 방지하는 데 유용하게 리포머를 우회하는) 개별 히터에서 가열될 수 있거나, 3) (리포머의 크기 및 비용을 저감하는, 가열을 위한 산소 공급 부분 연소에 의존하는) 리포머로부터 출구로 공급될 수 있거나, 4) (환원 영역으로 적어도 부분적으로 상향 유동하는 동안, 반응기의 냉각 영역으로 하강하는 고온 DRI과의 열교환에 의존하는) 환원 반응기의 냉각 가스 입구로 공급될 수 있다. 이들 도면에서 도시된 냉각 루프는 DRI가 브리케트화되도록 고온 배출되거나 EAF로 직접 고온 장전되는 설비에서 생략될 수 있다.

도4는 도2에서의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며, 그 차이는 환원 가스 루프로의 천연 가스 공급이 선택적일 수 있고, 양호하게는 냉각 가스 루프 및/또는 가스 유동 링크가 (도시되지는 않았지만 변경값이 설정되는 방법에 따라) 냉각 가스 출구로부터 환원 가스 루프까지 있는 상태에서 냉각 영역으로의 적어도 부분 천연 가스 공급이 있다. 본 실시예와 본 실시예의 개조 및 다음의 도면에서 냉각 영역으로 공급되는 천연 가스는 고온 하강 DRI와 접촉할 때 메탄 및 다른 탄화수소를 분해해서, DRI 상에 탄소를 침착시키고 환원 영역에서 사용하기 위한 가벼운 탄화수소, CO 및 H₂가스가 된다.

도5는 도4의 실시예와는 몇몇 재순화된 가스가 개별 히터에서 전환되어 가열되고 환원 영역으로의 입구에서 재순환 환원 가스 환원 영역으로 공급한다는 차이가 있는 유사한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도6은 도3의 실시예와는 천연 가스가 냉각 가스 루프로도 공급된다는 차이가 있는 유사한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

직접 환원 공정의 기술분야에서는 가스 정화로부터 H₂(및/또는 CO)를 회수하는 것에 대한 어떠한 가르침이나 제시가 없으며, 특히 CO₂/H₂분리를 위한 PSA식 물리 흡착 시스템을 사용해서 수행하는 것에 대한 어떠한 가르침이나 제시도 없다. 이런 PSA 시스템은 CO₂와의 화학 작용이 아닌 가스 스트림으로부터 특수 성분을 선택적으로 흡착하는 활성화된 표면에 의존한다. 본 발명에서, 사용된 PSA 시스템은 양호하게는 주로 가벼운 H₂만을 통과시키면서 거대 분자, 특히 CO₂의 흡착에 의해 기능한다. 물리적 유사성으로 인해, 대부분의 CO는 CO₂및 무거운 분자와 함께 제거된다. 아마도 PSA 시스템은 H₂로부터 원하지 않는 CO₂와 함께 CO를 제거하기 때문에, PSA 사용은 반직관적인 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고, 출원인은 PSA 사용이 전체적으로 고가인 종래의 CO₂용액 흡착 시스템보다 여러 가지 분명한 장점을 갖는다고 판단하고 있다. PSA 시스템의 사용은 결과적으로 정화된 가스만을 처리함으로써 보다 많은 수소를 반응기로 재순환시키고 PSA CO₂제거 유닛의 이용에 의해 이런 정화된 가스의 수소값을 그로부터 복귀시킨다.

이런 특수한 발명적 개념은 유닛이 작은 가스량을 처리하고 따라서 자본금이 적게 들고 흡착재의 재생이 가열이 아닌 압력 변화(따라서 운행 에너지가 덜 필요함)에 의해 이루어지는 장점도 갖는다. 이런 종류의 가스 분리는 수소가 풍부한 PSA 유닛으로부터 92%의 체적보다 많은 수소 함량을 갖는 가스 스트림을 생산하며, 이것은 반응기 시스템으로 유리하게 재순환되고 환원 가스의 일부로서 사용된다.

따라서, 본 발명은 환원 반응기로부터 유출되는 가스의 제1 부분을 상기 반응기로 재순환시키는 단계와, 이와 동시에 상기 유출 가스의 정화된 제2 부분으로 수소 풍부 가스 스트림을 재순환시키기 위해 분리하는 단계를 포함한다. 본 발명의 가장 넓은 태양에서 유출 가스의 정화된 부분의 H₂및 CO₂함량의 서로로부터 분리하는 것인 임의의 분리 수단에 의해 이루어질 수 있으나, 가장 양호하게는 PSA 흡착이다. 제1 부분에 대한 제2 부분의 비율은 (1:4보다 작은 것에서 1:1보다 큰 것을 포함해서) 넓게 변경될 수 있다.

즉, 본 발명은 보통은 (과거에는 단지 비교적 저등급 연료의 고가 공급원으로 사용되어 온) 정화부로서의 반응기 시스템으로부터 제거된 환원 가스 부분으로부터 수소를 분리하는 원리에 기초한다. 따라서, 본 발명은 환원 반응기로의 수소 및 이산화탄소의 재순환이 두 방식으로 수행된다는 점에서 종래 기술과 구별되며, 두 가지 방식중 하나는 유출 가스 부분의 직접 재생하는 것이고 다른 하나는 보통은 연료로서 정화되고 사용되는 가스 스트림으로부터 CO₂(양호한 PSA 분리 시스템을 사용할 때는, CO도 역시 필수적)의 분리에 의해 얻어진 수소 고함량 가스 스트림을 재순환하는 것이다. 본 발명에 의해서, 수소는 연료로서 단지 연소시키는 것 대신에 화학적 환원제로서 회수되어 사용된다.

따라서, 본 발명의 목적은 재생 가스의 질이 재생 가스로부터 작용 생산물을 보다 효율적으로 제거하고 반응기로 재순환되는 수소량을 증가시킴으로써 개선된 환원 시스템에서 직접 환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 시스템의 생산성이 개선된 재순환에 의해 증가되어 (이전에는 유용한 부분을 재순환시키지 않고 완전 정화되었던) 정화된 환원 가스로부터 분리된 수소를 포함하는 환원 시스템에서 직접 환원철을 생산하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 직접 환원 시스템의 생산성 증가 및/또는 소모된 재순환 가스의 필수적인 향상과 관련된 자본 투자비 및 작업비를 감소시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 기술분야의 당업자에게는 명백하며 첨부된 도면과 명세서에서 설명될 것이다.

본 발명에 따르면, 발명의 목적은 다음의 양호한 실시예에 의한 방법 및 장치를 제공함으로써 달성된다.

DRI 생산 방법은, 850 ℃ 내지 1050 ℃ 사이의 온도로 가열된 주로 수소 및 일산화탄소로 이루어지고 메탄, 이산화탄소 및 물도 포함하는 환원 가스를 환원 반응기로 공급함으로써 철 산화물을 함유한 반응기 내의 고체 입자가 철 산화물 및 환원 가스와의 작용에 의해 스폰지 철로 많이 환원되는 단계와, 상기 철 산화물과의 작용후 상기 반응기로로부터 상기 환원 가스를 상부 가스로서 회수하는 단계와, 상기 상부 가스를 냉각 및 세척하고 그로부터 물을 제거하는 단계와, 상기 상부 가스의 제1 부분을 상기 환원 반응기로 재순환시키는 단계와, (양호하게는 체적당 92% 이상이고 가장 통상적으로 체적당 95% 이상인 수소 함량을 갖는) 수소 고함량 가스 스트림 및 (보통은 CO₂, CO, 어느 정도의 CH₄및 잔여 H₂를 함유한) 수소 희박 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 상부 가스의 상부로부터 양호하게는 PSA 또는 VPSA 흡착 유닛에 의해 적어도 CO₂를 제거하는 단계와, 상기 수소 고함량 가스 스트림을 상기 환원 반응기로 재순환시키는 단계를 포함한다.

발명의 목적은 가스 입구 및 가스 출구를 구비한 환원 영역을 갖는 환원 반응기와, 상기 환원 영역의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 냉각기와, 상기 환원 영역의 가스 입구와 유체 연통하는 환원 가스 히터와, 상기 가스 출구로부터 상기 가스 입구로 환원 가스를 재순환시키기 위해 상기 냉각기 및 히터에 연결된 제1 펌핑 장치와, 상기 환원 영역의 가스 출구로부터 유도된 유출 환원 가스의 부분을 제2 펌핑 장치로 전환시키기 위한 도관과, 가스 스트림으로부터 CO 및 CO₂를 분리하기 위한 CO 및 CO₂PSA 또는 VPSA 흡착 유닛과, 상기 제2 펌핑 장치를 CO 및 CO₂PSA 또는 VPSA 흡착 유닛과 연통시키는 도관과, 상기 환원 영역의 가스 입구와 분리하면서 CO 및 CO₂PSA 또는 VPSA 흡착 유닛과 연통시키기 위한 도관을 포함하는 DRI 생산 장치를 제공함으로써 달성된다.

첨부도면과 본 명세서에서는 본 발명에 대한 여러 가지 양호한 실시예가 도시되고 설명되고 있으며, 이들의 다양한 대안 및 변경이 제안되고 있지만, 이것들은 소모적이지 않고 본 발명의 범위 내에서 다양한 개조 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 본 명세서에서 주어진 제안은 기술분야의 당업자가 본 발명과 그 원리를 보다 충분히 이해함으로써 각각 특별한 사용에 따른 조건에 가장 적합할 수 있는 다양한 형태로 변경할 수 있도록 설명 상의 목적으로서 선택되고 포함되는 것이다.

각각의 첨부 도면에는 정화부의 H₂성분을 반응기로 회복하고 복귀시키기 위해 소모되고 탈수된 재생 가스로부터 정화된 가스를 처리하기 위한 PSA 유닛이 도시되어 있다.

천연 가스를 도4 내지 도6에 도시된 상기 환원 반응기의 하부로 도입시킴으로써, 최종 냉각 가스 스트림은 반응기의 냉각 영역 내에서 고온 DRI와 접촉함으로써 가열되고 이 가스의 적어도 상당 부분이 환원 영역으로 상기 반응기 내에서 상향으로 이동하도록 된다. 미국 특허 제4,556,417호를 참조한다.

본 발명은 이동 베드 반응기를 갖는 직접 환원 시스템에 적용되는 것으로 설명되고 있지만, 고정 베드 또는 유동화된 베드 반응기를 갖는 플랜트에 적합할 수 있다. 도1을 참조하면, 도면부호 10은 환원 영역(12)과 배출 영역(14)을 갖는 환원 반응기를 지시한다. 예컨대, 펠릿 또는 덩어리 형태의 철광석인 철 산화물(16)을 포함하는 고체 입자는 환원 영역(12)의 상부로 공급되며, 철 산화물이 적어도 부분적으로 금속철로 환원되고 화살표 18에 의해 지시된 바와 같이 배출 영역(14)을 거쳐 반응기(10)로부터 통상 DRI로서 최종적으로 회수되는 상기 반응기(10)를 거쳐 하향 유동한다. 고온 환원 가스(20)의 스트림은 상기 철 산화물의 환원 작용에 의한 물 및 이산화탄소와 같은 옥시던트와 수소 및 일산화탄소와 같은 환원제를 포함하는 환원 영역(12)의 하부로 공급된다. 환원 가스는 상부 가스 스트림(22)으로서 그 상부에서 환원 영역(12)을 빠져나가서, 직접 접촉 냉각기(24)에서 급냉수로 냉각된다. 이와 같이 물을 사용한 냉각 및 세척은 먼지가 포함된 상부 가스(22)를 세척하며 환원 작용에 의해 생산된 물을 응축하고 분리한다. 최종의 세척되고 냉각된 상부 가스 스트림(26)은 탈수된 재순환 가스 스트림(28) 및 정화 가스 스트림(30)으로 분리된다.

가스 스트림(28)은 환원 시스템의 작업 압력에 따라 송풍기 또는 압축기일 수 있는 펌핑 장치(32)에 의해 이동되며, 가스 스트림(20)으로서 환원 영역(12)으로 재순환되기 전에 가스 히터(34)로 향한다.

천연 가스(및/또는 재형성 가능한 탄화수소, 36)와 증기(38)는 기술분야에서 공지된 방식으로 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 종래의 가스-증기 리포머(40)로 공급되어서, 냉각기(44)에서 냉각되고 고온 환원 동력의 보급 환원 가스 스트림(46)으로 되는 환원 가스(42)의 고온 가스 스트림을 생산한다. 이 보급 가스 스트림(46)은 탈수된 재생 스트림(28)으로 첨가되어, 철 산화물의 효율적인 환원에 화학적으로 적합한 개선된 냉각 환원 가스(48)를 생산한다.

종래 기술의 시스템에서 일반적으로 연소된 정화 가스이거나 리포머 및 가스 히터(들)에서 연료로서 단지 개조없이 사용되는 냉각 상부 가스(26)의 다른 부분, 즉 스트림(30)은 제2 펌핑 장치(50)를 통과한 후 압력 선회 흡착 유닛(PSA) 또는 진공 압력 선회 흡착 유닛(VPSA)(52)(이하, VPSA를 제외한다고 명백하게 언급하기 않는다면, PSA로 지칭함)에서 처리된다. PSA 유닛(52)은 가스 스트림(30)으로부터의 거대 분자인, 대부분의 일산화탄소 및 이산화탄소(이 스트림(30)은 추가로 메탄, 물 및 질소를 포함한다)를 흡착하기 위해 흡착면을 사용하며, 약 92% 내지 99% 이상의 높은 수소 체적% 함량, 양호하게는 95% 이상의 수소 체적% 함량을 갖는 수소 고함량 스트림(54)과, 체적당 10 내지 25% 순서로 낮은 수소 체적% 함량을 갖는 희박 스트림(56)을 생산한다. 높은 수소 함량을 구비한 스트림(54)은 건식 기초에서 50% 내지 70%의 H₂와 10% 내지 17%의 CO 함량을 구비한 개선된 환원 가스 스트림(58)을 생산하는 재순환된 환원 가스 스트림(48)과 혼합되는 보급 가스를 포함한다. 향상된 재순환 가스 스트림(58)의 환원 잠재능 및 환원량은 (CO₂용액 흡수 칼럼을 사용하는 경우에도) 종래 기술의 시스템에 사용된 환원 가스 조성과 비교해서 높다.

환원 가스 스트림(58)의 온도는 히터(34)에서 철 산화물의 환원에 효과적인 약 750 ℃ 내지 1050 ℃ 사이의 수준, 양호하게는 900 내지 950 ℃까지 상승된다. 산소 또는 산소가 풍부한 (양호하게는 30 체적 %의 산소 함량을 갖는) 공기(60)는 생산성 증가에 대응해서 환원 영역에서 고온을 얻기 위해 또는 동일한 생산성을 가지면서도 가스 히터의 낮은 듀티비를 요구하도록 하기 위해 고온 환원 가스(20)와 혼합될 수 있다. 고온에서의 생산성 증가는 높은 작용 속도와, 산소를 사용한 환원 가스의 부분 연소에 의해 환원 가스에 존재하는 탄화수소가 H₂와 CO로의 변환으로 인한 것이다.

희박 가스 스트림(56)은 성분중에 가스 히터(34)를 연소시키기 위해 연료로서도 사용될 수 있고 가열값을 갖는 소량의 기상 탄화수소와, 일산화탄소와 어느 정도의 메탄을 포함한다. 그러나 가스 스트림(56)의 에너지는 일반적으로 히터(34)의 모든 가열 필요성을 충족하기에 불충분해서, 재형성되지 않은 천연 가스 또는 다른 저가의 적합한 연료(62)는 (히터(34)에 대해 라인(62)에서 효율적인 연료 공급을 생산하기 위해) 상기 스트림(56)을 보충하도록 첨가된다.

환원 영역(12)에서 생산된 DRI 또는 사전환원된 재료(18)는 400 ℃ 내지 750 ℃의 순서로 고온에서 배출될 수 있으며, 예컨대 전기 아크로와 같은 제강 제조로로 고온 브리케트화되거나 기체식으로 전달될 수 있어서, 이런 강 제조 작업에서의 에너지 요구를 저감시킨다. 선택적으로, DRI는 천연 가스를 포함하는 냉각 가스 스트림(66), 환원 가스 스트림(30) 또는 스트림(56)의 일부 또는 상기 DRI를 재산화시키지 않는 다른 적절한 가스를 고온 DRI와 접촉시킴으로써 배출 영역(14)에서 냉각된다. 배출 영역 냉각 가스 유출(68)은 기술분야에서 공지된 방식으로 스트림(66)으로 냉각되고 재순환될 수 있다.

도1에서와 동일한 구성 요소를 지시하는 동일한 도면 부호가 사용된 도2를 참조하면, 본 발명의 실시예는 환원 시스템에서 합체된 본 발명을 설명하고 있으며, 환원 시스템에서 환원 가스는 천연 가스 리포머에서 발생되지 않지만, 산소에 의해 환원 가스에 존재하는 메탄의 부분 연소 및/또는 상기 환원 영역에서 철 함유 입자의 촉매 작용에 의해 환원 영역에 존재하는 옥시던트에 의한 분해 및 재형성에 의해 생성된다. 본 실시예에서, 증기 리포머(40)가 면제되며, 대신에 천연 가스(36)의 보급 스트림이 재순환된 가스 스트림(28)으로 직접 첨가되며, 그 후 혼합된 가스 스트림(58)을 생산하기 위해 수소 고함량 스트림(54)과 혼합된다. 가스 스트림(58)에서의 물 함량은 물/증기 스트림(67)의 첨가에 의해 조절되어서 존재하는 물의 양은 체적당 3%와 10% 사이에 있으며, 환원 영역 내에서 이런 메탄의 재형성을 수행하기에 충분하게 되기에 적합하다. 물 조절은 미국 특허 제5,110,350호에서 설명된 것과 같은 예로서 실현될 수 있으며, (67)에서 첨가된 물은 가스 냉각기(24)로부터 유출된 고온수로부터 유익하게 취해진다.

도3은 공급원(36)으로부터의 천연 가스가 환원 반응기로부터의 재순환된 가스(28)와 혼합되어서 상기 재순환된 가스에 존재하는 CO₂와 H₂O와 같은 옥시던트와 촉매가 존재하는 상태에서 작용한다. 이것은 (재순환된 가스와 작용하지 않고 재순환 가스의 외측에 있는 도1의 "오프-라인" 리포머(40)와 비교해서) 때로 "인-라인" 리포머로 지칭된다. 이들 "인-라인" 환원 시스템의 예는 미국 특허 제3,748,120호 및 제3,749,386호이다. 이들 종류의 환원 시스템에서, 리포머(40A)는 히터로서 기능도 하며, 비교적 저온의 천연 가스(36)와 재순환된 가스(28)의 혼합물이 공급되며, 생산된 환원 가스는 800 ℃ 내지 950 ℃ 사이의 온도에서 리포머를 빠져나간다. 본 실시예에서, 환원 가스의 온도는 (가스(20)의 환원 잠재력을 적게 손상시키고도) 환원 반응기의 생산성을 증가시키기 위해 산소가 풍부한 공기 또는 산소의 스트림을 첨가(60)함으로써 증가될 수도 있다. 존재하는 작업 환원 시스템에서, 리포머(40A)는 첨가된 수소 고함량 가스 스트림을 가열하기에 충분한 용량을 갖지 않으며, 결과적으로 O₂-첨가 대신에 수소 고함량 스트림(54a)에 의해 공급된 개별 가스 히터(34A)가 (라인(70)을 거쳐 라인(20)으로, 양호하게는 라인(60)의 하류로 고온 수소 고함량 스트림을 공급하는) 이 목적을 위해 마련될 수 있다.

도시된 바와 같이, 도3은 수소 고함량 스트림(54b)이 개별 히터를 필요로 하지 않고도 리포머(40A)에서 가열되는 다른 변경예를 포함하며, 리포머는 첨가된 수소 고함량 가스를 가열하기 위해 충분한 가열 용량을 갖는다고 가정한다. 비록 양호하게는 (이 방식에서 재순환된 수소 고함량 스트림(54a)이 리포머(40A)의 촉매 베드를 통과할 필요는 없기 때문에) 다른 히터(34A)가 제공되지만, 임의의 존재하는 조건에서 상기 개별 환원 히터(34A)없이도 새로운 환원 시스템을 설계할 수 있다.

도3은 수소 고함량 스트림(54b)이 개별적으로 가열되지 않고도 (따라서 개별 히터 비용을 절감한) 반응기 시스템으로 도입되기에 앞서 수소 고함량 스트림(54b)이 고온 환원 가스 스트림(20)으로 직접 도입되는 다른 변경예를 도시한다. 리포머(40A)는 통상적으로 첨가된 수소 고함량 가스 스트림(54c)을 가열할 만한 충분한 용량을 갖지 않고, 상기 스트림(54c)의 온도는 환원 가스의 온도를 낮추기 때문에, 산소 함유 가스(60)의 첨가는 고온 환원 가스 스트림(20)의 온도를 소정 수준으로 올리기에 충분하다. (가공되는 광석의 성질에 따르는) 다른 경우, 환원 가스 스트림(20)의 온도는 너무 높을 수 있어서 반응기 내에서 DRI의 과열 및 들러붙음을 방지하기 위해 스트림(54)에 의해 의도하지 않고 감소될 수 있다.

도3은 바로 위의 것과 유사한 제4 실시예를 도시하고 있지만, 대신에 수소 고함량 스트림(54)이 냉각 가스 스트림(66)과의 혼합에 의해 환원 반응기의 하부(냉각 영역)로 도입된다. 비록 본 발명의 본 실시예는 아주 유용하지만, 단지 스트림(54d)의 비교적 적은 부분만이 환원 영역에서 사용될 수 있기 때문에, 스트림(54d)에 함유된 수소의 환원 잠재력의 전체 장점을 갖지 않는다.

도2와 유사하게, 도4는 본 발명이 어떻게 현존하는 "자기 리포머"식 설비에 적용될 수 있는지에 대해 도시하고 있다. 본 실시예에서, 잠재적으로는 다른 냉각 영역에 대해 다른 천연 가스 공급(36A)을 사용함으로써 제거되더라도, 천연 가스 공급량(36)은 감소될 수 있다. 도4에서, 전체 냉각 재순환 로프가 도시되어 있으며, 냉각 가스 스트림의 입구(66) 및 출구(68)와, 급냉 냉각기(39)와, 압축기(41)를 포함한다. 천연 가스 공급(36A)은 가스 입구(66)로 들어간다. 도4는 (라인(36)에서 공급을 완전히 대체할 수 있는) 환원 영역으로의 간접 보급 가스 외부 공급으로 기능할 수 있는 냉각 가스 루프로부터 환원 가스 루프로의 연결부(43)를 포함한다.

밸브(35, 37)가 설치되는 방법에 따라, 많은 형상중 임의의 것을 택할 수 있다. 물론, 하나의 특별한 형상이 선호된다면, 밸브와, 파이핑과, 냉각 루프 요소가 적절하게 포함되거나 생략될 수 있다. 비록 특별히 설명되지는 않았지만 라인(43)이 압축기(32)의 상류가 아닌 하류로 공급될 수 있도록 급냉 냉각기(39) 바로 뒤에 위치된 압축기(41)를 갖는 것과 같은 다른 변경이 이루어질 수 있다.

설명된 변경중에서, 밸브(37)가 폐쇄되고 밸브(35)가 개방되면, 압축기(41)는 작동하지 않게 되어 필요하지 않게 된다. 이런 경우, 첨가된 모든 천연 가스는 관통 라인(36A)을 통해 공급되어서 (몇몇은 고온 하강 DRI의 탄소 함량을 조절하는 데 사용되며, 몇몇은 이런 DRI가 있는 상태에서 흡열식으로 부분 재형성되고, 일부는 환원 영역(12)에서 환원을 위한 또다른 재형성 및 사용을 위해 고온 하강 DRI에 의해 미리 부분적으로 가열되며, 나머지는 반응기로부터 출구(68)를 거쳐 외부로 통과해서 세척되고 급냉부(39)에서 냉각되는) 냉각 영역(14)을 거쳐 통과하고, 연결 라인(43)에서 개방 밸브(35)를 거쳐 최종적으로는 라인(28)에서 환원 가스 재순환 루프로 공급된다.

다른 형상은 이들 설비에서 양 밸브(35, 37)가 개방된 것으로서, 냉각 영역(14)에서 천연 가스의 일회 통과는 불충분하고 따라서 냉각 로프에서의 재순환이 요구된다.

도4의 또다른 형상은 이들 설비에서 양 밸브(35, 37)가 폐쇄된 것이다. 이것은 모든 천연 가스가 환원 영역(12)으로 상향 유동하는 상태에서 라인(36A) 공급으로부터 라인(66)을 거쳐 (냉각 재순환을 갖지 않는) 냉각 영역(14)으로의 천연 가스만을 갖는 것과 같다. 모든 천연 가스가 완전히 라인(36A)을 거치게 되면, 이것은 냉각 배출을 위해 나가는 DRI(18)를 불충분하게 냉각시키며, 다르게는 전기 아크로에 브리케트화되거나 장전되도록 고온 배출되거나 너무 냉각되게 된다. 결과적으로, 공급 관통 라인(36A)과 라인(36)사이의 균형은 통상적으로 현존하는 공정 조건으로 적절하게 조절함으로써 이루어질 수 있다.

도5는 도4와 매우 유사하지만, 압축기(32)와 히터(34)의 상류의 라인(28)으로의 공급 대신 냉각 가스 루프 및 환원 가스 루프를 연결하는 라인(43)이 대신에 히터(34)의 하류의 라인(20)으로 공급되어서, (60에서 첨가된 산소의 부분 연소가 불충분하거나 라인(20)에서 환원 영역으로 공급된 가스 성분을 너무 분열시키게 되는) 보조 히터(34B)를 필요로 한다.

도6의 실시예는 ("인-라인" 리포머(40A)가 이용되는) 도3에 도시된 다양한 실시예와 유사하지만 천연 가스 공급을 갖도록 개조되고, 양호하게는 냉각 루프 관통 라인(36A)으로 가는 공급(36)에 추가된다.

본 발명의 다른 장점은 CO의 열용량과 비교해서 수소의 낮은 열용량으로 인해 높은 가스량을 처리할 수 있도록 하는 높은 수소 함량을 갖는 재순환 스트림에 의한 것이다. 수소의 이런 특성은 사용자가 가스 히터 또는 소정 크기의 리포머를 거쳐 대량의 환원 가스를 처리할 수 있도록 한다. 또한, 사용자가 (대부분의 현재 종래 기술에서와 같이) 재순환된 가스 스트림(30)으로부터 CO₂만을 회수할 때, CO와 CO₂사이의 비율은 높은 수준으로 증가된다. 이것은 가스가 높은 탈탄 잠재력을 갖도록 해서, 2CO →C + CO₂의 작용으로 인해 리포머 파이프 또는 히터 파이프의 내층에서 금속 더스팅(dusting)을 발생시킨다. 금속 더스팅은 공지된 문제이며, 이것이 포함하는 것은 처리 설비의 강에 탄소에 의한 처리 온도에서의 파괴이다. 본 발명에 의해서, 재순환된 스트림의 주성분은 수소이고, 이것은 금속 더스팅 문제를 방지한다. 특별한 합금 또는 억제제가 사용되지 않는다면 3보다 큰 CO/CO₂비율이 열적 장치에서 탄화 문제를 발생시킨다.

그 분자가 CO 보다 가벼운 수소를 주로 재순환시키는 것에 의한 본 발명의 다른 장점은 대량의 재순환 가스가 상기 반응기와 (리포머 또는 히터와 같은) 다른 장치를 거친 압력 강하의 증가를 작게 하면서 환원 반응기와 내부의 고체 입자를 통과하도록 하는 데 있다. 이런 장점에 의해, 환원 가스를 순환시키기 위해 압축기에 의해 요구되는 전기 에너지는 감소된다.

예

특허 청구된 공정의 예는 도1(그러나 도6에서와 같이 냉각 가스 루프와 천연 가스 공급부를 구비한)에 도시된 종류의 현존하는 환원 시스템의 잠재적 이행을 위해 계산된 것이다. 증기-천연 가스 리포머(40)에서 생산된 환원 가스(46)는 체적%로서 건식 기초에 따라 다음과 같은 조성을 갖는다. 이때, 나머지는 적은 양의 탄화수소 및 불활성 가스이다.

H₂: 50% 내지 60%

CO: 30% 내지 37%

CO₂: 2% 내지 3.5%

CH₄: 1% 내지 3%

N₂: 0% 내지 1.5%

이 가스는 스트림(46)과 같은 환원 시스템에 보급물로서 공급된다. 환원 영역에서의 상부 가스(26)의 약 50%는 스트림(30)으로서 전환되며, 조성은 체적%로서 건식 기초에 따라 다음과 같다.

H₂: 35% 내지 45%

CO: 18% 내지 25%

CO₂: 10% 내지 20%

CH₄: 2% 내지 4%

N₂: 0% 내지 3%

이것은 PSA 흡착 시스템(52)을 거쳐 압축되고 통과된다. 가스 스트림(54)은 체적%로서 건식 기초에 따라 92%와 99% 사이의 수소 함량이 얻어진다. 단지 연료로서만 사용되지 않고 화학적 환원제로서 사용되는 가스 스트림(30)으로부터 수소를 재생하는 것은 약 50%까지의 최대 조건에서 환원 반응기의 생산 속도를 증가시킨다.

전술한 설명으로부터, 본 발명은 상술한 바와 같은 본 발명의 여러 목적을 달성할 수 있는 공정을 제공하는 것이 명백해진다. 따라서, 화학적 환원 잠재력의 장점을 취하는 것 대신, 종래 기술에서 정화되고 연료로서 연소되는 수소를 유익하게 이용함으로써 현존하는 환원 시스템의 생산 용량을 증가시키는 신규하고 대단히 효율적인 방법을 제공한다.

수소 함량을 회수하기 위해 처리되는 환원 가스의 조성에 따라, 처리되는 전체 유출 가스의 체적으로서 대략 40%가 재순환된다. 유출 가스의 나머지는 연료로서 연소된다.

예컨대, 환원 가스(30)가 (체적당), H₂: 55%, CO: 21%, CO₂: 15%, CH₄: 6%, N₂: 1%, H₂O: 2%의 조성을 갖고, CO 및 CO₂제거 유닛(52)에서 처리된다면, 수소 고함량 스트림(54)은 H₂의 체적당 95% 내지 100%를 함유할 수 있으며, 수소 희박 스트림(56)은 H₂: 25%, CO: 35%, CO₂: 26%, CH₄: 11%, N₂: 1%, H₂O: 2%의 조성을 갖는다. 이로부터, 본 예에서 정화 스트림에서 75% 이상의 H₂함량이 재순환되도록 회복되며, 거의 모든 CO₂함량이 영구히 정화됨을 알 수 있다. 다른 예에서, 수소 고함량 스트림이 98%의 H₂이면, 나머지 2%는 CO이고 N₂, CH₄와 같은 미량의 다른 가스를 갖는다.

상술한 설명은 단지 설명적인 것이며, 설명된 시스템의 구조와 첨부된 청구범위에 한정된 바와 같은 발명의 정신을 벗어나지 않고 작업 조건에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims

환원 가스 이용에 의한 직접 환원철인 DRI 또는 사전 환원된 철광석을 생산하기 위한 방법에 있어서,

750 ℃ 내지 1050 ℃ 사이의 온도로 가열된 주로 수소 및 일산화탄소로 이루어지고 메탄, 이산화탄소 및 물도 포함하는 환원 가스의 스트림을 환원 반응기 내의 환원 영역으로 공급함으로써 내부에 존재하는 철 산화물을 함유한 고체 입자가 철 산화물 및 환원 가스와의 작용에 의해 환원되는 단계와,

상기 철 산화물과의 작용후 상기 반응기로부터 상기 환원 가스를 상부 가스로서 회수하는 단계와,

냉각된 상부 가스를 생산하기 위해 상기 상부 가스를 냉각 및 세척하고 그로부터 물을 제거하는 단계와,

환원 가스의 상기 스트림의 일부로서 상기 냉각된 상부 가스의 제1 부분을 가열하고 상기 환원 반응기로 재순환시키는 단계와,

상기 냉각된 상부 가스의 제2 부분을 정화시키는 단계와,

환원 영역으로 최종 재순환된 가스에 보급 가스를 첨가하는 단계와,

이산화탄소가 희박한 수소 고함량 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 냉각된 상부 가스의 제2 부분으로부터 내부에 함유된 적어도 대부분의 수소를 분리하는 단계와,

상기 수소 고함량 가스 스트림을 상기 환원 반응기로 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제1항에 있어서, 상기 수소 고함량 가스 스트림은 사실상 이산화탄소를 갖지 않으며, 상기 제2 부분에 비해 아주 소량의 질소를 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제1항에 있어서, 상기 냉각된 상부 가스의 제2 부분으로부터 H₂를 분리하는 것은 PSA 또는 VPSA 흡착 유닛에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제1항에 있어서, 상기 냉각된 상부 가스의 제2 부분으로부터 H₂를 분리하는 것은 CO₂화학 흡수 유닛에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제3항에 있어서, 상기 수소 고함량 가스 스트림은 체적으로 92% 이상의 수소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제3항에 있어서, 상기 수소 고함량 가스 스트림은 체적으로 95% 이상의 수소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 증기-천연 가스 리포머에서 보급 가스로서 환원 가스를 생산하는 단계와, 상기 보급 환원 가스를 상기 환원 가스의 제1 부분과 혼합시키는 단계와, 상기 제1 부분과 보급 가스의 혼합물을 750 ℃보다 놓은 온도로 가열하는 단계와, 이것을 상기 환원 영역으로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 천연 가스 스트림 또는 다른 재형성 가능한 탄화수소를 상기 냉각된 상부 가스의 제1 부분과 보급 가스로서 혼합하는 단계와, 이런 혼합물을 CO₂리포머를 거쳐 순환시키는 단계를 추가로 포함함으로써, 상기 환원 가스의 상기 스트림을 생성하고 상기 환원 가스의 스트림을 상기 환원 영역으로 도입하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 상기 냉각된 상부 가스 스트림과 습화 천연 가스 스트림을 보급 가스로서 혼합하는 단계와, 환원 가스 스트림의 상기 스트림을 형성하기 위해 상기 혼합된 스트림을 가열하는 단계를 추가로 포함함으로써, 환원 영역으로 공급된 환원 가스에 존재하는 천연 가스는 상기 환원 반응기 내에서 금속철의 촉매 작용 장점을 갖고 환원 영역 내에서 대량으로 재형성되는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제7항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기를 상기 환원 반응기로 도입하기에 앞서 환원 가스의 스트림에 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제8항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기를 상기 환원 반응기로 도입하기에 앞서 환원 가스의 스트림에 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제9항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기를 상기 환원 반응기로 도입하기에 앞서 환원 가스의 스트림에 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제10항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기는 체적으로 30%보다 많은 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제11항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기는 체적으로 30%보다 많은 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제12항에 있어서, 산소 또는 산소 스트림이 풍부한 공기는 체적으로 30%보다 많은 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 상기 환원 가스 스트림과 수소 고함량 가스 스트림을 혼합하는 단계와, 상기 혼합물을 상기 환원 영역으로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제12항에 있어서, 상기 환원 영역으로 도입하기에 앞서 별개의 개별 히터에서 상기 수소 고함량 가스 스트림을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 상기 수소 가스 스트림을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제5항에 있어서, 천연 가스를 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제7항에 있어서, 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 천연 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제8항에 있어서, 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 천연 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제9항에 있어서, 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 천연 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
제10항에 있어서, 상기 환원 반응기의 냉각 영역으로 천연 가스를 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산 방법.
환원 가스 이용에 의해 DRI를 포함하는 사전 환원된 재료를 생산하기 위한 장치에 있어서,

가스 입구 및 가스 출구를 구비한 환원 영역을 갖는 환원 반응기와,

상기 환원 영역의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 냉각기와,

상기 환원 영역의 가스 입구와 유체 연통하는 환원 가스 히터와,

상기 가스 출구로부터 상기 가스 입구로 환원 가스를 재순환시키기 위해 상기 냉각기 및 히터에 연결된 제1 펌핑 장치와,

상기 환원 영역의 가스 출구로부터 유출된 환원 가스의 일부를 제2 펌핑 장치로 전환시키기 위한 도관 장치와,

이산화탄소 성분을 구비한 수소 희박 출력물과 수소 고함량 출력물을 생산하기 위한 분리 장치와,

상기 제2 펌핑 장치와 상기 분리 장치를 연통시키기 위한 도관 장치와,

분리 장치의 상기 수소 고함량 출력물로부터 상기 환원 영역의 가스 입구와 펌핑 장치 사이까지 연통하기 위한 도관 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제24항에 있어서, 상기 분리 장치는 화학적 흡수 유닛인 것을 특징으로 하는 장치.
제24항에 있어서, 상기 분리 장치는 물리적 흡착 PSA 또는 VPSA 유닛인 것을 특징으로 하는 장치.