KR20010075318A - 다중 상로에서의 직접 환원금속 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 상로에서의 직접 환원금속 제조방법에 관한 것이며, 금속 산화물 및 환원제가 로(furnace)로 유입되고 금속 산화물의 환원을 위한 처리열이 상기 다중 상로의 각 상(tier)의 간접 가열에 의해 생성된다.

Description

다중 상로에서의 직접 환원금속 제조방법{Method for producing directly reduced metal in a multi-tiered furnace}

다중 상로는 금속 산화물들, 금속 산화물 및 환원제를 유입하여 고온에서 서로 반응시켜 금속물을 제조하기 위해 사용되고 있다.

금속 산화물과 환원제는 다중 상로에 유입되어 각각의 상(hearth)에서 연장된 레이크(rake)에 의해 순환되어 상의 가장 자리로 이동되며, 다수의 개방구(opening)를 통해 하부 상으로 낙하된다. 낙하된 환원제 및 금속 산화물 혼합물은 상의 중앙으로 이동되어 하부 상에 계속하여 낙하된다. 다중 상로의 최상부에서 하부로 이동하는 동안, 금속 산화물과 환원제는 점차 가열된다.

금속 산화물의 환원은 흡열반응이므로, 반응을 개시하고 유지하기 위하여 상대적으로 많은 에너지가 소모된다. 이를 위해서, 다중 상로는 가스연소기 등에 의해 가열되고, 일부 환원제 - 통상 석탄과 같은 탄소질의 휘발성 부분 - 는 산소를 포함한 주입된 가스에 의해 연소된다. 석탄의 연소와 가스연소기에 의해 필요한 처리열이 생성되며 이산화탄소가 형성된다. 특정 온도 이상에서는, 핫 가스에 존재하는 이산화탄소가 다중 상로에서의 탄소질과 반응하여 Bourdouard 평형(Bourdouard equilibrium)에 따라 일산화탄소를 형성하게 된다. 이러한 방법으로 형성된 일산화탄소는 금속 산화물을 금속으로 환원시킨다. 다중 상로에서 가스중의 일산화탄소 양에 따라 환원력이 실질적으로 결정된다.

상기 방법의 한 가지 단점은 산화가스 및 산소는 환원이 진행되는 다중 상로에 유입되어야 하며, 다량의 폐가스가 부산된다는 것이다.

천연가스에 의한 핫 화염으로 가열되는 이런 형태의 다중 상로는 일관된 온도 프로필(profile)을 나타내고 유지하기 어렵다. 다른 영역 혹은 상이 상호 연결되어 있으므로, 각각의 영역을 상호 독립적인 조건으로 조절하기 어렵다. 하나의 상을 떠나는 가스는 바로 상부의 상(hearth)조건에 영향을 준다.

따라서, 본 발명은 보다 적은 가스량으로 직접 환원금속을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 다중 상로(multiple-hearth furnace)에서의 직접 환원금속 제조방법에 관한 것이다.

도 1: 직접 환원금속 제조용 다중 상로 단면도,

도 2: 다중 상로내에서 전기 가열 저항기의 개략배치도.

본 발명에 의하면, 상기의 문제점은 금속 산화물 및 환원제가 유입되고 금속 산화물 환원을 위한 처리열이 각각의 상(hearth)의 간접 가열에 의해 생성되는데 특징이 있는, 다중상로에서의 직접 환원금속 제조방법에 의해 해결된다.

본 발명에 의한 방법에서, 처리열은 종래 공정에서와 같은 환원제의 연소 혹은 연소기에 의해 공급되는 것이 아니라 방사 에너지(radiation energy)에 의해 다중 상로로 공급된다.

본 발명의 한 가지 중요한 장점은 처리열을 생산하기 위해 산소 혹은 기타산화 가스를 다중 상로에 주입시킬 필요가 없다는 점이다. 따라서 다중 상로에서 의 순환 가스량은 실질적으로 감소된다. 상당히 소량의 폐가스만이 이후에 처리되며 비용이 감소된다.

또한, 소량의 가스로 인해 각각의 상(hearth)에서 가스 속도가 낮아진다. 다중 상로에서 먼지가 보다 적게 발생되고 배출된다. 산소 혹은 기타 산화 가스가 다중 상로에 유입되지 않기 때문에 다중 상로내의 가스 환원력은 종래 다중 상로보다 높다.

제 1의 바람직한 실시예에 의하면, 각각의 상이 서로 독립적으로 간접 가열된다.

또한, 상기 방법을 통해 보다 균일한 다중 상로 내용물의 가열이 가능하다.

상기 방법은 1 내지 5bar의 압력 하에 진행되므로, 다중 상로는 보다 콤팩트한 디자인이 가능하다.

전기 가열 저항기가 각각의 상의 간접 가열을 위해 바람직하게 사용된다.

고상 환원제와 함께, 기상 환원제가 바람직한 실시예에서 사용된다.

금속 산화물은, 예를 들면 철광석, 아연광석, 오일과 산화철을 포함하는 폐기물 및 아연 산화물 및 또는 기타 중금속 산화물에 의해 오염된 산화물을 포함한 먼지와 같은 다양한 형태의 문제성 폐기물 등이다.

또한 본 발명은 직접 환원금속 제조를 위한 다수의 상이 적층구성된 다중 상로에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 다중 상로는 금속 산화물의 환원에 요구되는 처리열을 생성하기 위한 각각의 상의 간접 가열을 특징으로 하고 있다.

다중 상로(multiple hearth furnace)는 내부에 설치된 전기 가열 저항기에 의해 요구 온도에 도달되며 유지될 수 있다.

따라서, 각 상에 인접한 다른 상의 조건들에 큰 영향을 주지 않고서도 선택적으로 온도를 조절할 수 있다. 종래 다중 상로와는 대조적으로 다른 상(hearth)의 조건들은 상호 독립적으로 조절될 수 있다. 상의 동일용량 및 가스속도를 상정하면 본 발명에 따른 직접 환원금속 제조용 다중 상로는 종래 다중 상로보다 더 작다.

간접 가열 구성은 각각의 상 표면 및 /또는 하부에 장착될 수 있다. 그러나, 그 구성들은 측벽에 장착될 수도 있다.

본 발명에 의한 방법은 철광석의 직접 환원공정에 바람직하다.

더욱 바람직한 실시예는 세부 청구항에 기재된다.

본 발명의 실시예는 첨부된 도면과 함께 상세히 설명된다.

도 1은 다수의 상이 - 이 경우 12개의 상(12)- 적층 구성된 다중 상로(10)의 단면을 나타낸다. 상기 로(10)의 케이싱(14), 커버(16) 및 바닥(18)뿐만 아니라 지지대가 없는 상(12)은 내화성 물질로 제조된다.

로(10)에서 가스가 배출되는 배출구(20), 금속 산화물 및 환원제를 최상부상으로 충진시키는 주입구(22)는 로(10)의 커버(16)에 배치된다. 그러나, 금속 산화물은 또한 환원제와는 별도로 보다 하부에서 다중 상로(10)로 유입될 수 있다.

각 상에서 연장되는 레이크(26)를 고정시키는 새프트(24)는 로의 중앙에 장착된다. 새프트(24)와 레이크(26)는 공냉 또는 수냉된다.

상기 레이크(26)는 다중 상로(10)의 최상부에서 하부로 재료를 운반하기 위하여 하나의 상에서는 가장자리에서 내부로 그리고 하부 상에서는 내부에서 가장자리로 재료를 이동시키는 방식으로 고안되었다.

금속 산화물은 다중 상로(10) 외부에서, 갈탄 코크, 석유 코크, 또는 석탄 등과 같은 고상 환원제와 혼합되며, 연속하여 금속 산화물 및 환원제의 혼합물은 최상부 상으로 충진된다.

그러나, 금속 산화물은 최상부 상으로 충진되고, 이와는 별도로 고상 환원제는 보다 하부인 케이싱(14)의 입구(30)를 통해 다중 상로(10)로 유입될 수도 있다.

금속 산화물은 고상 환원제와 혼합되기 전후에 다중 상로(10)외부에서 예비 건조될 수 있다.

금속 산화물 및 환원제의 혼합물이 다중 상로(10)의 제1상에 충진된 후, 레이크(26)에 의해 순환되어, 로의 가장 자리로 운반되며 그 곳에서 다수의 개방구(28)을 통하여 하부 상으로 낙하된다. 환원제와 혼합된 금속 산화물은 상의 중앙으로 운반되고 다시 하부 상으로 낙하된다. 운반 과정에서 금속 산화물과 환원제는 점차 가열된다.

상기 과정 중, 상(12)및 상승 핫 가스와 접촉으로 환원제와 혼합된 금속 산화물로부터 수분이 제거된다. 따라서, 다중 상로(10)의 최상부 상은 건조 및 예비 가열 영역에 속하게 된다.

환원제가 금속 산화물과 함께 다중 상로(10)로 유입되지 않을 경우 적어도 하나의 입구(30)를 통해 환원제가 유입되며, 상기 입구는 다중 상로(10)의 측벽에- 통상 상부 3단- 구비된다. 모든 또는 추가적인 환원제는 상기 입구(30)를 통해 다중 상로(10)로 유입될 수 있다. 상기 환원제는 액상 또는 고상뿐만 아니라 기상일 수 도 있다. 환원제는 예를 들면, 일산화탄소, 수소, 천연가스, 석유, 석유 유도체 또는 갈탄코크, 석유코크, 용광로 먼지, 석탄 등과 같은 고상 탄소질 등이 있다.

환원제, 이 경우 석탄은 다중 상로(10)의 하부 상으로 유입되어 레이크(26)에 의해 가열된 금속 산화물과 혼합된다. 다중 상로(10)를 통해 운반되는 도중 금속 산화물은 고온과 환원제에 의해 점차 금속으로 환원된다.

다중 상로(10)의 다양한 지점에서 고상, 액상 혹은 기상 환원제의 조절된 공급 및 중요 지점에서의 과잉 가스배출을 통해 금속 산화물의 환원은 정확하게 조절될 수 있으며 그 과정은 최적의 조건하에서 진행된다.

공기 혹은 산소를 포함하는 기타 가스를 다중 상로(10)로 공급할 수도 있으며, 산소를 포함하는 핫 (250℃ 내지 500℃) 가스 주입을 위한 노즐(30)은, 로의 측벽에 배치된다. 고온과 산소의 존재 결과, 가연성의 가스는 다중 상로(10)의 상부의 상(12)에서 연소되며, 생성된 에너지는 금속 산화물과 환원제의 건조를 위하여 이용된다.

일산화탄소 또는 수소와 같은 기상 환원제의 공급은 마지막 하나 또는 두개의 상에서 특수 노즐(44)을 통과하여 이루어진다. 환원력이 증가된 분위기에서 금속 산화물의 환원은 완성된다.

제조된 금속은 연속적으로 다중 상로(10)의 바닥(18)에서 배출구(46)를 통해 재와 함께 배출된다.

배출구(46)에서 배출된 금속은 특정 환경에서 재사용될 수 있는 재 및 환원제와 함께 냉각기(48)에서 냉각된다. 연속하여 환원금속은 재사용이 가능한 환원제의 재 및 환원제(52)로부터 분리기(50)를 통해 분리된다.

다중 상로(10)에서 나온 가스 혼합물은 배출구(20)를 통과하여 후-연소기(54)로 이동하고, 그 속에서 가스 혼합물 중 가연성 가스는 연소된다. 연속하여 가스 혼합물은 냉매가 구비된 냉각기(56)에 공급되며 냉각된다. 냉각된 가스 혼합물은 대기로 배출되기 전에 사이클론 필터(58)에서 정화된다.

만약 다중 상로(10)이 과압하에서 작동된다면 금속 산화물과 환원제의 공급용 압력록(pressure lock)이 입구(22), (30) 및 배출구(20)에 구비되어야 한다. 새프트(24)의 베어링은 실링(sealing)되어야 하며, 배출구(46)는 고온 물질 방출용 록(lock)과 함께 제공되어야 한다.

다중 상로(10)의 폐가스는 발전용 터빈을 구동시키는 데 이용될 수 있다. 이 경우 다중 상로(10) 내부의 후 연소는 발생되지 않고, 산소를 포함하는 가스가 노즐(32)을 통해서 다중 상로(10)로 유입되지 않는다.

다중 상로(10)는 철광석, 아연광석, 오일 및 산화철을 포함한 폐기물 그리고아연 산화물이나 기타 중금속 산화물에 의해 오염된 산화철을 포함한 먼지와 같은 다양한 문제성 폐기물에 사용될 수 있다.

전기 로강 제조공장(electric steel mill) 또는 전로강 제조공장(converter steel mill)에서 산화철을 포함하여 탄소질을 거의 함유하지 않는 먼지 또는 슬러지(sludge), 또는 용광로(blast furnace)의 폐기 가스 정련과정에서 생긴 먼지 등은 특수 주입구(30)를 통해 다중 상로로 유입될 수 있다. 다중 상로(10)의 다양한 지점에서 고상, 액상 또는 기상 환원제의 조절된 공급 및 중요지점에서의 과량 가스 배출을 통해 잔여물의 환원은 정확하게 조절될 수 있으며, 그 과정은 최적의 조건하에서 진행된다.

산화철을 포함하는 먼지 또는 슬러지가 종종 중금속 산화물에 의해 오염되기 때문에 다중 상로의 상부로 흐르는 가스의 상당량이 중금속을 포함하는 먼지 혹은 슬러지가 충진된 상의 하부로부터 다중 상로(10)에서 배출되고 측벽에 위치한 배기 연결부(60)를 통하여 상기 상의 상부에 위치한 주입구(62)를 통해 다중 상로(10)로 재주입된다. 그 결과, 중금속을 포함하는 먼지 또는 슬러지가 유입되는 상에 존재하는 가스는 소량이다. 먼지 또는 슬러지에 존재하는 중금속은 다중 상로로 유입된 후 환원되며 형성된 금속은 증발된다. 이것은 측벽의 배출구(64)를 통과하여 상에서 상대적으로 적은 양의 가스로 다중 상로(10)에서 배출될 수 있다.

상대적으로 높은 중금속 함량이 포함된 소량의 가스는 각각 정화될 수 있다. 상기 소량의 폐가스로 인하여 이에 상응하는 상의 가스 속도가 떨어지고 소량의 먼지만이 폐가스와 함께 배출된다. 그 결과 폐가스 내에서 매우 높게 농축된 중금속이 얻어진다.

가스 혼합물내의 가연성 가스는 후연소기(66)에서 연소된다. 나머지 가스 혼합물은 대기 중으로 방출되기 전에 냉각기(68)에서 냉각되고 연속적으로 사이클론 필터(70)에 의해 정화된다.

먼지 속에 있는 산화철은 오일 및 산화철을 포함하는 폐기물과 함께 철로 환원된다.

환원제의 휘발성분 등을 포함한 모든 상승 가스는 중금속과 산화철을 포함하는 잔여물과 다중 상로 외부의 환원제용 건조플랜트에서 완전히 연소될 수 있으며, 따라서 다중 상로의 폐가스의 잔유열은 최적의 방법으로 이용된다.

도 2 는 다중 상로(10)에서의 상의 개략도이며, 열저항기(72), (74)는 다중 상로의 측벽 또는 케이싱(14) 및 로(12)하부에 장착된다.

Claims (11)

1. 다중 상로에서의 직접 환원금속 제조방법에 있어서, 금속 산화물 및 환원제가 다중 상로로 유입되고 금속 산화물의 환원을 위하여 요구되는 처리열은 다중 상로의 각각의 상의 간접 가열로 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 각 상이 상호 독립적으로 간접 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 1 내지 5bar의 압력 하에 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 상기 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 전기 가열 저항기가 각각의 상의 간접 가열을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 상기 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 기상 환원제가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 상기 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물이 철광석, 아연광석, 오일 및 산화철을 포함하는 폐기물과 아연 산화물 및/또는 기타 중금속 산화물에 의해 오염된 산화철을 포함하는 먼지와 같은 다양한 문제성 폐기물인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 직접 환원금속 제조를 위한 다수의 상이 적층구성된 다중상로에 있어서, 금속 산화물의 환원에 요구되는 처리열을 생성하는 각각의 상을 간접 가열하는 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 다중 상로.
8. 제 7항에 있어서, 전기 가열 저항기가 다중 상로 내에 장착된 것을 특징으로 하는 다중상로.
9. 제 7항에 또는 제 8항에 있어서, 전기 가열 저항기가 각각의 상 및/또는 하단에 장착된 것을 특징으로 하는 다중 상로.
10. 제 8항 또는 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 가열 저항기가 다중 상로 측벽에 장착된 것을 특징으로 하는 다중 상로.
11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 가열 저항기는 보호외장(protective sheath)을 가지는 것을 특징으로 하는 다중 상로.