KR920000520B1 - 철광석의 용융분해방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

철광석의 용융분해방법

제1도 및 제2도는 본 발명에 의한 상이한 정상부 송풍수단 배열의 드럼형 용융로의 종단면도.

제3도는 제2반응용기가 연결된 용융로의 종단면도.

제4도는 사이클론 근방 출구폭에 연결된 폐가스용 냉각실이 있는 드럼형 융용로의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 드럼형 용융로 2 : 도관

3, 4 : 송풍구 5 : 노즐

6 : 공급도관 7 : 제1반응공간

8 : 제2반응공간 10 : 용융로

12 : 통공 14 : 수냉채널

15 : 회전유도통 16 : 직결냉각실

17 : 석회석 공급도관 18 : 미립광석 공급도관

19 : 사이클론 21 : 폐가스 송출도관

본 발명은 철광석의 용융분해방법(method for the melt reduction of iron ores)에 관한 것으로서, 특히 산화철이 실제로 액체상태로 분해되고, 그 공정의 열평형에 소요되는 에너지가 탄소질 연료를 그 용융물로 공급하므로써 그리고 주로 CO 및 H₂인 반응생성가스를 재연소 하므로써 발생되는 철광석의 용융분해방법에 관한 것이다.

앞서 분해된 광석이 석탄 및 철광석분해시에 사용된 반응생성가스와 함께 용융되는 여러가지 방법은 공지이다. 독일 특허 제3,133,575호는 액면(bath surface)에 송입된 산소에 의하여 용융물상의 공간에 흡입된 철 용융물로부터 발생된 반응생성가스가 상기의 액면을 따라 이동하고, 일부분은 연소되어서 발생된 반응생성열이 철 용융물로 전환되게 하는 기술에 관한 것으로서, 용융 용기 내에서의 열공급을 개량한 것이다. 이러한 공지의 방법에 의해서 철액반응로(iron bath reactor)에 광석을 가하므로써 액체철이 제조된다.

동시에 형성된 탄소가스는 공석을 사전분해하는데에 사용될 수 있다. 그러나 이 방법에서는 연료소모가 비교적 크다. 독일 특허 제2,843,303호에 의한 공법도 동일한 결점을 갖고 있다. 이 공법에서는 탄괴(lumpy coal)는 철액위에 위치한 유동층(fluidized bed)으로 공급되고 그리고 가스는 철광석을 사전 분해하는데 사용된다.

기체상태(gaseous phase)에서 사전분해된 광석으로부터 액체철 1톤을 고온의(high degree)금속화로 하는데에는 약 900㎏의 고품질의 탄이 소요된다.

그러나, 이 공법은 상당량의 과잉가스를 생산하는데 이 가스는 본질적으로 그 이용여하에 따라서 상기 공법의 경제성이 결정되는 것이다.

독일 특허 제3,418,085호는 광석이 광석분해 용기속에서 용융 용기로부터의 송입된 반응가스로 약 50%의 금속화정도까지 분해되고, 이 광석으로부터 철을 생산하는 방법이 기재되어 있다.

이 공법에 철 용융물로부터 나온 반응가스는 용융 용기속에서 30% 내지 40%까지 재연소되고, 발생한 열은 용융물로 광범위하게 전달된다.

이때 상기의 반응생성가스가 천연가스 또는 분탄과 같은 분해제의 추가로 분해됨과 동시에 용융부(meltdown aggregate)로부터 광석분해 용기로 가는 사이에 냉각된다.

92% 내지 94%의 금속화율로 사전분해된 철광석을 실제로 사용하는 또다른 공지의 방법은, 용융 용기속에서 탄소질의 고체 에너지 매개체와 산소를 함께 용융하는 것이다. 생성가스는 광석을 사전 분해(prereduce)하고 그리고 그 실용성을 개량하는데 사용되며, 아울러 생성가스는 순환되어서 탄산가스 부분은 제거된다. 상기한 나중 두가지 방법은 연료소모를 최소화하기 위하여 세단계 즉, 재연소에 의한 융해(melt reduction with afterburning), 용융 용기로부터의 폐가스(waste gas)의 고온 가스분해 및 가스상태에서 광석을 사전분해하며, 한편으로는 재연소없이 탄 및 산소로 용융을 하고 다른 한편으로는 산전분해용 가스의 이용과 가스의 재순환중에 CO₂를 제거하는 것이다. 이들의 방법은 철광석에서 철 1톤을 생산하는데 탄이 약 600㎏ 소요된다.

본 발명은 탄소질 연료와 같은 외부자원으로부터 보다 작은 비율의 에너지를 소요로 하는 방법을 마련하는 문제에 근거를 둔 것이다.

본 발명의 방법은 이와 같은 문제들을 서로 효과적으로 독립적인 반응공간속으로 송입하는 산소함유 가스분사속에 2회 이상 연속적으로 반응생성가스를 재연소시키므로써 해결한다. “효과적으로 독립적인 반응공간”이라는 용어는 다른 가스분사와는 독립적으로 재연소하는 주변가스로부터 가스속으로 한 개의 산소함유 가스분사가 흡입되는 공간을 말한다. 이들 반응공간은 통상적으로 반응가스가 흐르는 방향으로 차례로 배치된다.

본 발명에 의하면 반응가스는 최초 재연소 단계후에 산소함유 연소가스속으로 재흡입되어 최소한 2회이상 재연소되고, 그리고 생성되는 에너지의 대부분이 용융분해하는데에 사용되며, 그러므로써 예를들면 투입된 원광석을 용융하기 위하여 철광석을 용융된 산화철의 “비이스티테단계”(wustite stage)로 역시 사전분해 할 수 있는 것이다.

본 발명의 바람직한 한 실시예는 제1재연소 가스분사 영향점에서 보다 제2재연소 가스분사 영향점에서 더 적은 분해조건을 갖는 것으로 구성되는 것이다. 제2단계에서 고온의 재연소를 얻기 위해서는, 가스분사는 통상적으로 고온의 산화성을 갖고 그리고 용융 용기속에서 아마도 액체상태(liquid phase)로 도달할 것이기 때문에, 분해위치는 여기서 제1재연소 가스분사 영향점에 비하여 더 낮아야 한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 반응공간은 가스분사 동작영역이 두 개로 분리되어 있고 그러나 용기에 직접 연결되어 있다. 예를들면, 제1반응용기는 드럼용기이고, 제2반응용기 예를들어 용융사이클론(melting cyclone)과 연결된 것이다.

그러나, 하나의 용기속에서 재연소 가스분사의 반응공간은 상기 반응가스의 2단 재연소를 허용할 수 있는 방법으로 분리하여 유지될 수 있다. 본 발명의 본질적인 특징은 서로 효과적으로 분리된 반응공간속으로 송입된 산소함유 가스분사속에서 2회 이상 연속적으로 반응가스가 재연소되는 것이다.

본 발명에 의하면 용융로의 운전중에 한용기내에서 두 단계의 재연소를 할 수 있는 조정법과 높은 재연소 수준의 전체적인 수행 및 발생된 열의 용융물로의 신뢰할 수 있는 전환 등에 관한 수긍할만한 효과를 갖는다.

제2 또는 그 이상의 재연소 가스분사 영향점에서 보다 제1재연소 가스분사 영향점인 고분해 위치의 영역에서의 재연소가 더 크도록 하기 위하여 액교반은 투입된 반응물들 또는 순환가스의 형태 및 양에 의해서 설정되어야 한다. 제1재연소 가스분사는 금속비말(metal splashes)이 주로 일어나는 영역에서 철액(쇳물)표면으로 가해진다.

그러나, 제2재연소 가스분사는 용융물위의 잔재에 광범위하게 접촉하면서 거의 완전히 연소된 가스위에서 분해효과를 갖는다. 제3도와 같이, 높은 분해위치를 갖으면서 제2반응공간보다 제1반응공간내에 있는 액의 깊이를 더 크게 만들면 보다 더 확실한 잇점을 갖는다.

특히 그로인하여 제2반응공간에는 쇳물이 단지 액잔재 밖에 없는 것이 바람직하다. 본 발명에서 원광석은 부분적으로 또는 완전히 제2반응공간속으로 공급된다. 액체상태에서 즉, 용융물속에서, 두 반응공간사이에 충분한 집중전환 및 대량전환이 이루어진다.

이 목적을 위해서 반응공간내에서의 활발한 액교반은 통상적으로 충분하다.

에너지 매체, 주로 탄소질연료는 제1재연소 반응공간의 영역내에서 용융물로 유리하게 공급되고, 그 속에서 반응가스는 제1재연소를 조건으로 한다.

그러나 분해될 광석과 같은 산화물질들은 제1반응공간에 가해지고 그 속에서 제2재연소 가스분사의 효과를 낸다. 본 발명에 의하면 재연소 가스분사는 그들 반응공간에 각각 상이하게 설치된다.

최적의 재연소를 달성하기 위하여서는 노즐직경 및 가스가 횡단하는 거리가 결정적으로 중요하다. 예를들어 재연소 가스분사는 액(bath)에 직각으로 향할 수 있다. 그러나, 긴 거리를 가로지르게 하기 위해서는 비스듬한 배치가 편리하다.

제1 및 제2재연소 가스분사는 평행으로 향할 수 있으나, 대향해서 경사지게 하는 것이 용융로의 기하학에 관하여 재연소에 더 좋은 조건을 제공할 수 있다.

본 발명의 에너지 매체의 저소비치 및 방법의 고경제성은 제1반응공간에서의 30% 내지 50%의 재연소 및 제2재연소 단계에서의 60% 내지 100%의 재연소에 의해 얻어질 수 있다.

이미 기재한 방법에 더하여 높은 재연소율을 달성키 위하여 산소함유 가스로서 예열공기 즉, 고열풍을 사용하는 것이 유용하다는 것이 입증된다.

경이적인 진보적방법에서 산소매체로서의 열풍의 사용은 용융로의 가스공간에서 바람직하지 않은 과열을 야기하지 않는다.

열풍은 임시로 또는 부분적으로 산소 또는 산소와의 임의의 혼합 또는 예열공기로 대체될 수 있다.

폐가스가 용융로를 떠날때(또는 상술한 두 공간으로 조합된 반응용기) 또는 그 직후에 발열력이 명백히 증가되도록 분탄 또는 자연가스 등의 분해제의 첨가에 의해서 냉각됨과 동시에 분해되므로써 발열력이 명백히 증가된다.

이와 같은 방법으로 폐가스류의 일부분을 처리할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 폐가스류의 부분은 반응로로부터 빼내져서 이 가스를 사용하는 공정에 이용되는 공기를 예열하기 위하여 전술한 방법으로 분해된다.

본 발명에 의하면, 두 반응공간사이의 액상(liquid phase)속에서 물질의 교차교환은 예를들면 반응공간들 사이의 에너지의 평형을 역시 포함하고 있으나, 그러나 액상(liquid phase)에서의 이러한 교차교환은 발명의 수행에 있어서 절대적으로 필요한 것은 아니다.

이 방법은 역시 상기 액상영역에서 제1시스템과 별도로 분리된 반응용기를 연결한 제2시스템속에서 산화철이 용융되는 방법등으로 시행될 수 있고 그리하여 산화철은 열량적으로 비이스티테로 분리될 수 있고 이 용융물은 그후 반응공간으로 공급된다. 광석이 제2재연소 가스분사와 함께 미립으로 송출되면, 동시에 같이 가열되게 하는 방법등으로 재연소 가스분사속으로 광석을 투입하므로서 열 이용의 개량이 유용하다. 이것을 달성하기 위해서는 미립의 크기가 0.3㎜이하의 원광석의 균일한 분포로 재연소 가스분사속으로 함께 분사되어야 하는 것이 유용함이 입증되었다.

본 발명에 의하면 미립광석의 균일한 분포는 투입되는 점의 가스분사속에 난류를 더하기 위하여 약 50 내지 200m/초 정도에서 가능한 낮은 비율로 분출시키면 획득할 수 있다.

본 발명을 도면에 의하여 상술하면 다음과 같다. 제1도 및 제2도는 정상부 송풍수단이 상이하게 배열된 본 발명의 드럼형 용융로의 종단면도이며, 제3도는 제2반응용기가 부착된 본 발명의 드럼형 용융로의 종단면도이고, 제4도는 출구의 사이클론 근방에 연결된 폐가스 냉각실이 설치된 본 발명의 드럼형 용융로의 종단면도이다.

도면에서 드럼형 반응로(1)는 그 대칭축주위로 회전가능하다. 열풍이 도관(2)을 통하여 두개의 정상부 송풍입구(3) 및 (4)로 공급된다. 재 연소가스분사가 위로부터 용액표면위로 향하여 분출된다. 제1반응공간이 하나의 정상부 송풍입구(3)밑쪽으로 형성되고 제2반응공간이 다른 하나의 정상부 송풍입구(4)밑쪽에 형성된다. 주로 분말탄(dust coal)인 탄소질 연료가 노즐(5)을 통하여 용융물에 공급된다. 정상분출과 같은 다른 탄공급방법도 역시 가능하다. 원광석은 원광석 공급도관(6)을 통하여 공급되어서 제2재연소 가스분사로서 함께 정상 송풍입구(4)를 통하여 분출된다. 용융로(1)속의 가스류는 화살표와 같다. 제1도에서 볼수 있듯이, 두 개의 반응공간이 효과적으로 서로 독립하여 즉, 정상부에서 분출된 가스분사가 극히 안정되어 있기 때문에 실질적으로 기상(gaseous phase)에서는 서로 분리되어 있는 것이다.

이 재연소 가스분사의 안정성은 상부구역 즉 정상부분출구 바로 근방에는 대량의 가스가 흡입되지 않는다는 사실과 함께 제2도에 도시한 것과 같은 두개의 재연소가스의 이용 방법도 있다.

그러나, 노즐들은 가스분사가 공간에서 서로 맞붙이치지 않도록 배치해야 한다.

제3도는 본 발명의 변형된 용융로(10)의 일종으로서, 제1반응공간 및 그에 연결된 제2반응공간(11)이 있다. 이 경우에 액상도 역시 두개의 분리된 반응공간속에 위치한다. 제1반응공간(10)으로부터의 폐가스는 통공(12)을 통하여 수냉된 제2반응공간(11)으로 도달한다.

제2반응공간(11)에서 용융로(10)로부터의 폐가스는 정상부 노즐들(13)으로부터 분출되는 두 개의 재연소 가스분사에 의하여 연소된다. 동시에 광석 공급도관(6)을 통하여 정상부노즐들(13)로 공급된 광석은 용융되어 FeO로 열분해된다.

즉, 용융된 산화철인 용융된 비이스티태는 수냉된 협로(14)를 통하여 제1반응공간 즉, 용융로 속으로 유입된다.

이 액체 바이스티태는 제1반응공간의 용융물속으로 내화성 물질과 접촉하지 않고 유입된다.

제4도는 본 발명의 또다른 실시예를 표시한다.

용융로(1)로부터의 폐가스는 회전유도통(rotary leadthrough)(15)를 통하여 유출되고 석회석 공급도관(17)으로 공급되는 석회석과 미립광석 공급도관(18)으로 공급되는 미립광석의 첨가에 의하여 직결냉각실(the directly adjoining cooling chamber)(16)속에서 냉각된다.

동시에 이 분말 물질은 폐가스속에 포함된 금속입자를 흡수(take up)한다.

특히 본 발명의 이실시예에서는 석회석 및 광석이 가스를 냉각하기 위하여 계속적으로 공급된다. 이것은 석회석의 고온에서의 급속한 탈산 및 광석의 가열을 의미한다. 냉각후에 분말 물질들은 사이클론(19)속에서 분리되고, 가스-고형물 혼합체는 좀더 미리 냉각된다. 이 목적을 위해서 사이클론(19)처리전에 재순환 폐가스를 첨가하는 것이 유용하다. 예열된 광석혼합물(약 700℃) 및 석회석은 다음에 도관(20)을 통하여 정상부 송풍입구(4)의 재연소가스분사로 공급된다. 폐가스류의 일부분은 용융로에서 폐가스 송출도관(21)을 통하여 폐열보일러로 직접 공급되고, 이 폐가스는 예를들면 고열풍을 생성하는데도 유용하게 사용될 수 있다. 철 1톤을 생산하기 위하여, 약 33%의 휘발성 성분 및 7200㎉/㎏의 발열량 Hu을 갖는 가스화염탄 550㎏이 제4도와 같은 용융 용기속으로 액화노즐(5)을 통하여 분사된다. 열전달을 위한 추가적인 요소로서 전체 광석량의 약 5% 정도가 재연소 가스로부터 제1반응공간속으로 정상부 송풍입구(3)를 통하여 추가적으로 분출된다. 제1반응공간에서 40%의 재연소율은 얻을 수 있는데 즉, 반응로 공간(1)에서 가스 출구로 나가는 폐가스는 40%의 평균산화율을 갖는다.

제2반응공간에서 800N㎥의 또다른 열풍이 같은 온도로 정상부 송풍입구(4)를 통하여 분출되어서 총개연소율은 80%로 된다. 제2반응공간에서의 이 재연소 가스분사와 함께 광석 및 석회석이 약 700℃로 예열되어서 역시 물(탕)위로 분출된다. 이것은 0.4Gcal의 잠열을 포함하여 1.3Gcal의 현열의 2100㎥ 체적의 폐가스로 늘어난다.

이 폐가스는 총중량 약 300㎏/t의 광석 및 석회석을 추가함으로써 회전유도통(15)을 가로질러 통고한 후 즉시 냉각된다. 결과로 평균온도가 약 1200℃가 된다.

약 800℃로 평균온도를 내리기위하여 약 500N㎥의 재순환 폐가스를 사이클론처리전에 직접 추가한다. 본 발명의 단순한 변형의 예를들어보면 다음과 같다. 외형의 깊이 약 10m(전장) 및 직경 6m에 60㎝두께의 내화 라이닝(refractory lining)의 드럼형 용융로에서 매시간당(refractory lining) 60t의 액체철이 생산된다. 제1반응구역에서 약 600㎏/t의 가스-화염탄의 철이 액화 노즐을 통하여 철액속으로 공급된다.

탄소의 연소에 소요되는 전 산소량이 반응공간(7) 속의 액표면위로 자유분사로 6개의 노즐을 통하여 크고 작은 균일 분포 및 약 5m의 분출길이로 분출된다. 제1반응공간 구역내의 액표면 밑으로 총광석량의 약 5%를 투입하므로써 재연소 가스율을 개량하는데 유익함이 입중된다. 폐가스는 용융로의 가스출구로 가는 길에 제2반응공간을 통과한다.

이 제2반응공간(8)에서 제1반응공간(7)에서와 같은 정상부 분출기법으로 열풍을 액위에 분출한다. 열풍과 접촉하여 가열하는 미립광석이 열풍에 실린다. 광석의 첨가 및 예열공기의 정상부 분출에 의하여 이 제2반응공간속의 액표면구역속의 용융 잔재에 포함되어 있는 산화철의 함량은 제1반응로(7)속의 그것보다 명백히 많다. 제2반응공간(8)속에서 획득되는 재연소율은 약 80%이며, 액에 전환된 열량은 제1반응공간(7)에서와 같이 약 90%에 달한다.

불활성가스를 탄분에 첨가하거나 또는 하지 아니하고 액의 교반 및 그와 관련하여 재연소 가스분사로부터의 열 전달성의 효과 재고를 위하여 제2반응공간(8) 속의 액표면밑에 투입하는 것이 유용함이 입증되었다.

Claims (10)

1. 용융물에 탄소질 연료를 투입하고, 또한 주로 CO 및 H₂인 반응생성가스를 재연소함으로써 산화철이 액상속에서 실질적으로 분해되고 아울러 공정의 열평형에 소요되는 에너지를 발생하는 철광석의 용융분해방법에 있어서, 서로 효과적으로 독립된 반응공간속으로 분출되는 산소함유 가스분사에서 반응생성가스가 적어도 2회이상 계속하여 재연소되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스분사의 반응공간은 반응가스의 유동방향 쪽으로 하나 다음 하나씩으로 위치하고, 분해위치는 제2반응 영향점 또는 재연소 가스분사에서 더 작은 것을 특징으로 하는 철광석이 용융분해방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융로 속의 용융물의 고분해 위치구역에서 강한 액교반이 유지되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
4. 제3항에 있어서, 둘 이상의 단계의 재연소가 한개의 용기 또는 두 개가 서로 연결된 용기속에서 수행되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
5. 제4항에 있어서, 원광석은 제2반응공간 또는 재연소용 또다른 반응공간속에 투입되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
6. 제5항에 있어서, 대량 전환은 두개의 재연소용 반응공간사이의 액상속에서 일어나는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
7. 제6항에 있어서, 탄소질 연료가 재연소용 제1반응공간 즉 최고분해 위치 구역속의 용융물 속으로 투입되는 것을 특징으로 하는 철광석의 융용분해방법.
8. 제7항에 있어서, 산소함유 가스분사가 물표면에 대하여 경사지게 반응공간 속으로 분출되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
9. 제8항에 있어서, 30% 내지 50%의 재연소율이 반응로 속의 제1재연소 단계인 고분해위치에 설정되고, 60% 내지 100%의 재연소율이 제2재연소 단계에 설정되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.
10. 제9항에 있어서, 예열공기가 재연소용 산소함유 가스로써 사용되는 것을 특징으로 하는 철광석의 용융분해방법.

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