KR930004475B1 - 금속 산화물을 함유한 물질의 환원방법 및 장치 - Google Patents

금속 산화물을 함유한 물질의 환원방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

금속 산화물을 함유한 물질의 환원방법 및 장치
제1도는 본 발명에 의한 방법을 실시하기 위한 장치의 개략적 단면도.
제2도는 화염실 벽의 확대도.
제3도는 본 발명에 의한 장치의 다른 실시예의 단면도.
제4도는 장치의 또 다른 실시예의 단면도이다.
본 발명은 최종 환원에 적합한 예비 환원된 제품을 제조하기 위하여 선광된 광석이나 광석 농축물 같은 금속 산화물 함유 물질을 예열 및 예비 환원시키는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 금속 산화물 함유 물질을 최종 환원 장치 상부에 설치된 화염실로 공급하여 그 내부에서 적어도 부분적으로 용융 및 예비 환원시키는 방법에 관한 것이다. 화염실 내의 물질은 회전 운동을 하고, 그 후 최종 환원 단계로 도입된다.
본 발명은 또한 최종 환원에 적합한 제품을 제조하기 위하여 선광된 광석(dressed ore)이나 광석 농축물(ore concentrate) 같은 금속 산화물 함유 물질을 예열 및 예비 환원시키는 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 용융 및 예비 환원된 물질의 배출단이 화염실의 하부에 위치하여 최종 환원단계와 연결되어 있는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 금속 산화물을 함유한 예열된 물질을 화염실로 공급하는 내부의 입구 및, 화염실 내부에서 상기 물질이 회전 운동을 일으키도록 하는 수단이 설치되어 있다.
금속 산화물 함유 물질을 용융 금속으로 직접 환원시키는 여러가지 방법이 제안되었는데, 예를들면 금속 산화물을 용융욕 내에 용해된 탄소질 물질에 의하여 용융욕 내의 용융 금속과 직접 접촉하여 환원시키는 방법이 있다. 금속 산화물은 탄소 또는 오일과 함께 용융욕으로 공급된다. 용융욕 내의 다음 반응은 흡열 반응으로서 추가적 열을 필요로 한다:
C+MeO = Me+CO
이 열은 환원 과정에서 생성된 CO 가스의 연소에 의하여 발생될 수 있다.
그러나 CO 가스의 연소로 생성된 열을 용융물로 충분히 전달하기가 어렵다. 용융물 및 금속 산화물로 열을 용이하게 전달하기 위하여 여러가지 방법이 제안되었다. 그 중의 하나로 연소에 의하여 발생한 열이 로(爐)의 라이닝(lining)을 통하여 용융물로 전달되도록 회전 반응기 내에서 환원시키는 방법이 있다. 이 방법은 대량의 라이닝을 요한다.
또, 환원 과정에 필요한 열을 전기 에너지로 공급하는 방법도 개발되었다. 이 방법에 의하면 환원 과정에서 생성된 가스의 연소로 발생한 열은 전기 에너지를 생성시키고, 이 전기 에너지의 전부 또는 일부가 용융물을 가열하는데 이용된다. 배기 가스의 전체 함유 열량이 이용되더라도 전기 에너지의 발생량은 환원 과정 및 열손실을 보충하는데 필요한 에너지에 미치지 못한다. 따라서 추가적 에너지가 필요하다. 반응기에 필요한 열량을 충족시키기 위하여 금속 산화물 함유 물질을 예열 및/또는 예비 환원시키거나 또는 전기 에너지를 발생시키는 추가 연료가 이용될 수 있다.
스웨덴 특허 제419,129호에 기재된 바와 같이 서로 연결된 상하부 반응실을 가진 순환 반응기 내에서 미세하게 분쇄된 산화철 함유 물질을 완전히 또는 부분적으로 환원시키는 것도 종래 기술의 하나이다. 철광석 농축물은 하부 반응실로 공급된다. 탄소질 물질은 상부 반응실로 도입되어 한편으로는 환원에 필요한 환원가스를 발생시키고, 다른 한편으로는 부분 연소를 통하여 반응기에서 필요한 열량을 충족시킨다. 연소 공기도 상부 반응실로 공급된다. 반응기에서 나온 배기 가스는 정화된 후 하부 반응실로 재순환되어 반응기를 유동화시키면서 환원제로 이용된다. 환원은 유동상(流動床)에서 철의 용융점보다 낮은 온도에서 일어난다. 상기 특허의 한가지 실시예에 의하면 미분탄이 700kg/톤 Fe의 비율로 공급된다.
예컨데, 상기에서 설명한 형태의 유동상이 있는 반응기 내에 나타나는 저온에서, 환원 반응 Fe2O3
Figure kpo00001
FeO은 바람직하지 못하다. 800℃에서 반응시간은 입자 크기 및 원하는 환원 정도에 따라 수 분, 또는 수십 분이다. 수용가능한 반응 속도를 가져오는 온도의 상승은 순환 유동상 반응기 내에서는 불가능하며, 그 이유는 입자의 소결 성향이 동시에 증가하기 때문이다.
유동상이 있는 반응기에서 금속 산화물을 800℃에 예비 환원시키는 데에는 환원 가스의 특정한 환원 잠재력이 요구된다. 평형 상태에서는, 이로 인하여 가스가 심지어 배기될 때에도 CO 및 H2같은 환원 성분을 상당량 함유하게 된다. 다른 것들 중에서 CO2와 H2O를 분리하면서 가스를 재순환 시키면 환원 성분이 더욱 양호하게 이용될 수 있다. 유동상에서 탄소질환원제의 일부를 가스화시킴으로써 충분한 환원 잠재력을 유지할 수 있으나, 이 경우 다른 동시 단계가 없으면 과정의 에너지 효율이 나빠진다.
스웨덴 특히 제395,017호에 기재된 바와 같이 샤프트(shaft) 내부에 있는 금속 산화물-함유 물질을 용융 상태 즉 전술한 것보다 더 높은 온도에서 예비 환원시키는 것도 종래 기술의 하나이다. 산화 분위기가 지배하고 있는 샤프트의 상부에서는 고체, 유체 또는 기체 연료의 연소를 통하여 열이 발생한다. 금속 산화물을 함유하는 물질은 생성된 고온 가스와 접촉함으로써 가열 및 용융되어 샤프트의 하부로 내려간다. 이 물질은 연소 가스에 의해 부분적으로 예비 환원된다. 그러나 샤프트의 상부로 도입되어 점결된 후, 환원 분위기를 유발하는 탄소질 환원제가 있는 샤프트의 하부로 내려와서 그곳에서 실질적인 환원이 행해진다. 샤프트의 상부로 도입된 탄소질 환원 물질의 일부도 열을 생성시키는데 이용된다. 달리 말하면, 금속 산화물 함유 물질의 가열, 용융 및 환원에 필요한 에너지를 샤프트에 공급해야만 한다. 결과적으로 배기 가스는 다량의 에너지를 함유한다. 이 방법에서의 문제는 어떻게 이 에너지를 가장 적절하게 사용하느냐 하는 것이다.
이에 덧붙여, 용융된 금속 산화물의 드룹(drop)과 환원제, 금속 산화물 및, 기타 첨가성분의 고형 입자가 샤프트에서 상향 이동하는 가스에 혼입되기 때문에 배기 가스의 정화가 큰 문제점으로 대두된다. 금속 산화물 입자는 바람직하게는 용융된 입자가 모두 응고되고 더 이상 입자 분리기 및 가스 정화기를 폐쇄시키지 않은 온도까지, 바람직하게는 1000℃ 미만까지 가스가 냉각될 때 금속 산화물의 입자가 배기 가스로부터 분리될 수 있다. 냉각 및 분리 후에 입자는 본래의 과정으로 복귀될 수 있으나, 다시 가열되어야 하기 때문에 에너지 효율을 떨어뜨린다. 열량 회수와 관련하여, 가스를 1000℃ 미만까지 냉각시키는 것은 실제적으로 어려운 일이다.
본 발명의 목적은 전술한 예비 환원 방법을 개선하는데 있다.
본 발명의 목적은 용융 금속 생성물의 제조에 필요한 에너지 요구량을 최소화하기 위하여, 부수적인 과정에서 형성된 가스에 함유된 에너지를 전체 과정에 이용하는 방법을 제공하는데 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 효율 및, 환원 반응 자체가 더욱 개선된 방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은, 화염실의 예비 환원 단계로부터 배기가스와 함께 배출되는 고형 및 용융 입자가 분리되어 간단히 예비 환원 단계로 복귀되며, 배기가스는 더욱 소량으로 깨끗하게 생성될 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
전술된 환원 방법에 내포된 문제점은, 본 발명에 따라서, 화염실과 연결된 유동상 반응기에 금속 산화물 함유 물질을 도입하고 이것을 화염실로 공급하기 전에 미리 가열함으로써 매우 간단한 방식으로 해결된다. 화염실에서 나오는 고온 가스는 유동화(流動化) 가스로서 반응기 하부에 공급된다. 이 고온 가스는 동시에 반응기의 물질을 예열시킨다. 금속 산화물 함유 물질은 유동상에서 예열된 다음 반응기에서 나오는 배기 가스로부터 분리되어, 반응기로 복귀되거나 또는 화염실로 공급된다. 그 후 최종 환원 수단에서 나오는 고온의 환원 가스를 이용함으로써, 도입 및 예열된 금속 산화물-함유 물질은 화염실에서 용융 및/또는 예비 환원된다.
본 발명에 따르면, 금속 산화물 함유 물질을 화염실에 공급하기 전에 이를 예열시키는 유동상 반응기(화염실의 상부와 연결되어 있음)를 포함하는 장치에서 금속 산화물-함유 물질을 예열 및 예비 환원시킬 수 있다. 반응기의 하부에는 화염실에서 나오는 고온의 배기 가스용 입구가 있고, 상부에는 반응기에서 나오는 가스로부터 예열된 금속 산화물-함유 물질을 분리하기 위한 입자 분리기가 연결되어 있다. 입자 분리기는 복귀 도관을 통해 반응기의 하부와 연결되어 있고, 도입 도관을 통해 화염실에 연결되어 있다. 화염실은 그 하부에서, 최종 환원 수단으로부터 나오는 고온의 환원가스용 입구와 연결되어 있는 것이 바람직스럽다.
본 발명에 따르면, 금속 산화물을 함유하는 예열된 물질은 최종 환원 수단으로부터 나오는 고온의 상승가스에 포함된 열에 의해 직접 화염실에서 용융될 수 있기 때문에, 금속 산화물-함유 물질은 화염실의 하부로 공급되는 것이 바람직스럽다. 금속 산화물 함유 물질은 그 물질과 상승 가스가 가장 양호하게 접척되어 화염실의 하부에서 물질이 용융 및 예비 환원 될 수 있는 방식으로 공급된다. 상향 이동 가스에 의해 용융 및 예열된 물질이 화염실 상부로 이동하고 여기에서 물질은 회전 운동을 하여 화염실의 벽쪽으로 밀려난다. 예비 환원된 용융 상태의 물질은 최종 환원 단계로 유동한다.
예열된 물질은 화염실내에서 환원 가스 중 일부 또는 전체가 연소되어 발생한 열에 의해 용융될 수도 있다. 연소-촉진 가스의 공급 지점에 따라 화염실의 상부 또는 하부에서 예비 연소될 수 있다. 공기 또는 산소가 풍부하게 함유된 공기 등이 연소에 이용할 수 있다.
최종 환원 수단에서 생성된 가스가 바람직하게는 화염실 바닥의 구멍을 통해 상향 공급됨으로써 용융된 금속 산화물-함유 물질은 최종 환원 단계를 향해 아래로 흐른다. 그러나 몇몇 경우에 있어서는, 화염실의 측면 또는 상부에 위치한 입구를 통해 가스를 도입할 수 있다. 예열된 금속 산화물 함유 물질과 가스가 양호하게 접촉되어야 한다.
최종 환원 수단에서 나오는 환원 가스는 화염실에서 완전히 또는 부분적으로 연소될 수 있으며 화염실에서의 예비 환원 과정에 해로운 영향을 끼치지 않으면서 예열된 광석 농축물을 용융 및 환원시키는데 이용될 수 있는데, 이것은 연소와 예비 환원이 화염실의 상이한 부위에서 일어나기 때문이다. 이로 인해 가스의 환원 잠재력을 최대한으로 이용할 수 있고 배기 가스의 환원 잠재력을 최소한으로 줄일 수 있다.
연소에 사용된 환원 가스의 양에 따라, 금속 산화물 함유 물질의 예비 환원에 필요한 환원제의 양을 충족시키기 위해 다른 환원제를 첨가할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 탄소질 물질이 환원제로서 사용된다. 탄소질 물질은 연소-촉진 가스와 동시에 화염실로 공급되는 것이 바람직스럽다. 연소-촉진 가스는 위로 이동하는 환원 가스를 연소시켜, 바람직하게는 화염실의 중앙에 고온의 화염 및 높은 연소 잠재력을 갖는 영역을 형성시킨다. 석탄 중 휘발성 성분도 연소될 수 있다. 바람직하게는, 고온의 화염중에 탄소가 체류하는 시간은 상당히 연소될 정도까지가 아니라 점결될 정도이다. 금속 산화물 함유 물질은 고온 화염과 접촉하도록 도입되어 용융된다. 용융물 및 생성된 코크스는 회전 운동을 하면서 화염실 벽을 향해 밀려난다. 코크스 입자는 벽에 인접한 환원 영역을 만드는데 기여하며, 이로 인해 금속산화물은 주로 용융 상태에서 환원된다. 화염실 벽에 인접한 가스가 화염실 중앙의 가스와 평형 상태를 이루어야 할 필요는 없다.
예컨대 탄소질 물질로 구성된 추가 환원제가 화염실로 도입될 때, 이것은 바람직하게는 화염 중에서 즉시 연소하지 않고 거의 점결될 정도로 큰 입도를 가져야 한다. 비연소 상태의 탄소질 매질은 벽을 향해 밀려나서 금속 산화물의 용융물에 코크스 입자로서 혼합된다. 코크스 입자가 존재함으로써, 용융물 중의 기포 및 용융물상의 가스 중에 높은 환원 잠재력이 부여되고 이로 인해 벽 표면상에 연속적으로 하향 이동하는 수 밀리미터의 예비 환원된 용융 금속 산화물의 층이 형성된다.
전술한 실시예에서 화염실은 사이클론형인 것이 바람직스러우며, 여기에서 고체 및 유체 입자가 가스로부터 분리된다. 화염실 내부에서 가스의 평균 체류시간은 십분의 수초이다. 짧은 체류 시간에도 불구하고 사이클론에서의 강력한 와류(渦流)로 인해 가스는 열을 발생시키고, 따라서 입자를 가열시켜 이것이 용융되게 한다. 이 와류로 인해, 현탁 입자에 대한 복사 및 대류 열 전달이 증진된다. 용융 금속 산화물 및 점결된 환원제의 체류 시간은 수초이며, 이것은 물질이 벽에 체류하는 시간이다.
예를 들어, 상부 직경(d1)이 2460mm이고 하부 직경(d2)이 1920mm이며 높이(h)가 1700mm인 화염실에 시간당 7.5톤의 광석 농축물을 공급한다. 화염실의 온도는 1600℃ 내지 1700℃이다. 용융 및 예비 환원된 층이 화염실 벽에 생성된다. 가스의 체류 시간은 약 0.2초이다. 그러나 벽을 따라 아래로 흐르는 용융물은 약 10초간 체류한다. 예열 덕분에 금속 산화물 함유 물질이 환원에 적합한 온도까지 신속하게 도달하기 때문에 화염실내에서 신속하게 예비 환원된다. 달리 말하면, 금속 산화물 함유 물질은 예비 환원 단계에 도입될 때 이미 비교적 고온이다. 이 물질은 유동상에서 응고되지 않도록 하기 위해서 고착되는 온도 미만까지만 예열된다. 600℃ 내지 950℃가 통상 적합하다. 특히 금속 산화물 함유 물질이 고온 화염 또는 고온 환원가스와 근접하여 화염실로 도입될 때에는 예비 환원에 적합한 온도까지 신속하게 가열되어 매우 급속하게 예비 환원된다. 예컨대, 반응 Fe2O3
Figure kpo00002
Fe2O4
Figure kpo00003
FeO는 1200℃ 내지 1300℃ 이상에서 거의 자동적으로 일어난다.
본 발명에 따른 방법의 가장 중요한 장점 중 하나는 개선된 에너지 효율이다. 금속 산화물이 예열되어 화염실로 도입되는 경우, 예비 환원 및 용융을 위해서 외부로부터 추가되어야 할 에너지의 요구량은 최소화 된다. 예비 환원된 용융 상태의 금속 산화물을 최종 환원 단계로 도입함으로써 최종 환원에서의 에너지 요구량을 최소화 한다.
생성된 가스가 포함되는 에너지는 최대한으로 이용된다. 우선, 이 열량은 유동상에서 광석 농축물을 예열시키는데 적절하게 이용되고, 이어서 실제적으로 완전 연소된 가스로 예열시킬 수 있다. 유동상이 있는 기존의 방법에서는, 적절하게 이용될 수 없었던 상당량의 에너지가 포함된 과정상의 배기가스를 환원개스로서 사용함으로써 예열이 이루어지는 것이 바람직스럽다.
예컨대 유동상에서 행해지는, 고형 금속 산화물의 예비 환원에는 환원 가스중 더욱 높은 CO함량이 요구된다. 이것은 다시 최종 환원 단계로부터 더욱 많은 환원 가스를 요구하고 결과적으로 최종 환원에서 탄소요구량을 증가시킨다.
용융 상태에서 예비 환원이 이루어지면 환원제 요구량이 상당히 감소하게 된다. 한편, 유동상에서 예비 환원을 행하게 되면 가스에 충분한 환원 잠재력을 유지시키기 위해 탄소 요구량이 상당히 커지게 된다. 1500℃ 용융 상태의 예비 환원에 의해서는 예비 환원으로부터의 배기 가스가 약 5%의 CO만을 함유하는 반면, 800℃에서 고체 상태, 예컨대 유동상의 예비 환원에 의해서는 약 30%의 CO를 함유한다.
용융 FeO 금속으로의 최종 환원은 자연적으로 고형 FeO의 최종 환원보다 적은 에너지를 필요로 한다. 최종 환원 단계에서, FeO의 환원은 CO의 C에 의해 일어나며 생성된 CO2는 반응에 존재하는 탄소로 인해 CO로 즉시 전환된다. 실질적으로 CO는 반응 영역에서 수득된다. 산소 또는 공기가 욕(bath) 자체에 공급되는 경우 연소로 인해 CO만이 생성된다. 그러나 생성된 CO의 완전 연소는 욕 표면 위에서 행해질 수 있다. 욕 표면 위에서의 연소에 의해, 부가적인 열 에너지가 욕에 공급된다. 욕 위의 가스는 최종 환원에 유해 효과를 끼치지 않으면서 CO2를 60%까지 함유할 수 있다. 생성된 가스는 화염실에서의 환원 잠재력 및 요구열량을 충족시킬 수 있는 CO를 함유한다. 유동상에서 요구되는 열량은, 광석 농축물의 예열로 인해, 광석 농축물이 예열되지 않은 채 예비 환원 단계로 공급된 경우보다 더 적다.
본 발명에 따른 방법의 에너지 요구량 및 석탄 소비량은, 연소 가스 및 예비 환원 가스가 혼합되어 유동상에서 예비 환원이 행해지는 방법에서 보다 훨씬 적다. 스웨덴 특허 제419,129호에서는 총 석탄 요구량이 700kg/톤 Fe로 주어져 있고 첨가된 석탄 중 다량이 연소 열량으로서 배기에 함유되어 있다. 본 발명에 따른 에너지 요구량은 400kg/톤 내지 500kg/톤 Fe이다. 총 석탄 요구량의 5 내지 30%를 예비 환원 단계에 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 장점은, 다른 상응하는 방법에 비해, 석탄 요구량의 감소로 인하여 최종 배출 부피가 훨씬 작아진다는 점이다. 또한 순환 유동상 반응기에서 나오는 배기 가스가 완전 연소되기 때문에 본 발명은 환경면에서 훨씬 더 안전한 방법이 된다. 본 발명에 따른 방법에서는, 독성이 있는 냉각된 폭발성 가스, 예컨대 CO 및 H2를 함유하는 비연소 가스에 의한 문제를 피할 수 있다. 또, 순수한 공학적 관점에서, 더 간단한 장치를 만들 수 있다. 비연소 가스를 초래하게 되는 과정에서는 이들 가스가 통상 최종 단계에서 공기와 함께 연소되며, 이로 인해 배출량이 커지며 결과적으로 비용이 비싸진다. 뿐만 아니라, 공기와 함께 연소됨으로써 배기 가스중 NOx 함량을 증가시키게 된다.
배기가스중 일정량의 먼지에 대해 유동상은 현저하게 유리한 효과를 갖는다. 화염실에서 나오는 가스에 혼입된 용융 드롭 및 입자는 저온의 광석 농축물 입자에 의해 포착되어 반응기 온도까지 즉시 냉각됨으로써 가스가 정화되거나 또는 화염실로 복귀할 때 문제를 야기시키지 않는다. 배기가스와 함께 유출될 수 있는 석탄 입자도 동일한 방식으로 다루어져서 화염실로 복귀한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
제1도에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 장치에는 화염실(1), 그 상부에 설치되어 입자 분리기(3)와 연결된 유동상 반응기(2)가 포함된다. 화염실은 예를들면 전로(轉爐, 4)와 같은 최종 환원 수단의 상부에 설치되며 전로(4)는 그 상부의 구멍(5)을 통하여 화염실의 하부와 연결된다.
예를들면, 철을 함유한 선광된 광석 또는 광석 농축물 같이 금속 산화물을 함유한 환원될 물질은 공급수단(6)을 통해 반응기(2)의 하부로 공급된다. 동시에 약 1400℃ 내지 1800℃의 고온 가스가 하부에 설치된 화염실로부터 구멍(7)을 통하여 반응기로 유입되고, 공급된 광석 농축물을 유동화시킨다. 화염실의 온도 및 이에 의한 배출 가스의 온도는 예비 환원될 금속 산화물에 따라 달라진다. 니켈 산화물의 경우에는 상기 온도보다 높은 온도가, 구리 산화물의 경우에는 낮은 온도가 필요하다. 광석 농축물은 반응기(2) 내에서 약 600℃ 내지 950℃인 물질의 고착(sticking) 온도보다 낮은 온도까지 고온 가스로 가열된다. 이 경우에도 상기 온도는 예열중인 금속 산화물에 따라 달라지는데, 니켈 산화물은 철 산화물보다 높은 온도를, 구리 산화물은 낮은 온도를 필요로 한다. 유입되는 환원 가스의 온도가 너무 높으면 순환 유동상 반응기로 도입되기 직전 또는 직후에, 정화 및 냉각된 배출 가스의 일부를 재순환시켜 낮출 수 있다. 보통의 경우에는 화염실에서 나오는 가스의 전량이 광석 농축물을 가열시키는데 이용되지만, 농축물의 온도가 유동상 반응기 내에서 너무 고온으로 되는 경향이 있으면 화염실에서 나오는 가스의 일부가 공기, 연료 또는 슬래그 생성제를 예열시키는데 이용될 수도 있다.
광석 농축물의 입자 크기는 예열 및 환원에 적합하여야 한다. 대부분의 경우 직경 1mm 미만의 입자가 적합하다고 알려져 있다. 유동화 가스는 광석 농축물을 반응기의 상부로 이동시키고 도관(8)을 통하여 반응기로부터 입자 분리기(3)로 유출시킨다. 도면에는 수직 사이클론 분리기형 입자 분리기가 도시되어 있지만, 이 목적에 적합한 다른 분리기나 분리 장치도 이용될 수 있다. 정화된 배기 가스는 출구(9)를 통하여 분위기로부터 제거된다. 분리된 입자는 사이클론 분리기의 하부로부터 배출되어 복귀도관(10)을 통하여 유동상반응기(2)로 복귀되거나 도입 도관(11)을 통하여 화염실로 공급된다. 장치(12)에 의하여 화염실로 직접 도입되는 물질에 대한 재순환되는 물질의 비가 조절될 수 있다. 어떤 경우에는 반응기로 재순환시킬 필요가 전혀 없지만, 대부분의 경우 광석 농축물의 균일하고 신속한 가열을 위하여 순환 유동상을 이용하는 것이 유리하다. 순환 유동상의 큰 용적은 반응기의 에너지 균형에 영향을 미치지 않으면서 반응기 내의 열전달을 안정화시킨다. 입자의 유동상 내부 체류 시간이 길어지고, 또 용이하게 조절될 수 있으므로 처리 과정에 큰 용통성이 부여된다.
석탄이나 코크스같은 입자 형태의 환원제(13), 공기, 산소 17% 이상의 공기 또는 산소같은 연소 촉진 가스(14)가 도관(11)내의 물질과 혼합된다. 본 발명의 방법에서는 이탄, 갈탄 및 석탄 같은 저급 탄소질 환원제도 이용될 수 있다. 어떤 경우에는 최종 환원 단계로부터 나오는 환원 가스의 환원 잠재력이 철광석 농축물의 예비 환원에 충분할 수도 있다. 이런 경우에는 화염실로 환원제로 공급하지 않아도 좋다. 슬래그 형성제 즉, 용제(flux agent) 또한 광석 농축물과 함께 또는 별도의 입구를 통하여 직접 화염실이나 유동상 반응기로 공급될 수 있다. 석탄 및 산소도 별도의 입구를 통하여 화염실로 직접 공급될 수 있다.
도관(11)은 화염실로 연결되기 전에 2 내지 8개에 달하는 다수의 지관(15)으로 분리되는데, 이들은 원형으로 배열되어 노즐(16)을 통하여 화염실과 연결된다. 유동상 반응기에 다수의 평행한 입자 분리기가 설치된 경우에는 도관(11)은 각 개별적 분리기로부터 별개의 노즐을 각각 통하여 화염실과 연결된다.
도시된 실시예에서 노즐들은 화염실의 하부에 원형으로 배열된다. 이들 노즐은 공급된 물질을 화염실 내부의 가상 수평원에 대하여 접선 방향으로 상향 내측으로 경사지게 유도한다. 이 원의 직경은 화염실의 단면보다 적다.
최종 환원 수단(4)으로부터 나온 CO, H2같은 가연성 고온 환원가스는 구멍(5)을 통하여 화염실로 유입된다. 노즐(16)을 통하여 공급된 공기 또는 산소 함유 가스는 가연성 가스와 잘 혼합되어 화염실의 중앙에 있는 산화 영역 내에서 상향 이동하는 가스를 효율적으로 연소시키고 이에 따라 공급되는 금속 산화물 함유 물질을 용융시키는 열을 발생시킨다. 적절한 속도로 접선 방향을 따라 화염실의 상향 내측으로 공급되는 가스는 사이클론 효과를 발생시켜 물질이 화염실 내에서 회전운동을 하도록 하고, 가스와 입자를 효과적으로 혼합시킨다. 동시에, 제2도에 도시된 바와 같이 금속 산화물을 함유한 용융된 물질은 화염실의 벽(18)을 향하여 외측으로 밀려가서 용융 금속 산화물의 얇은 층(19)을 형성시킨다. 연소되지 않은 코크스 입자(20)는 용융 금속 산화물의 층(19) 내에 혼합되어 환원을 저속시키고, 이에 따라 얇은 환원 가스 층(21)이 용융을 위에서(부분적으로는 그 내부에) 벽과 가깝게 형성된다. 코크스를 함유한 입자의 일부는 용융물과 함께 최종 환원 수단으로 도입된다.
화염실로 공급될 물질은 통상적인 노즐을 이용하지 않으면서도 필요한 방향으로 도입될 수 있도록, 화염실 화염실의 벽이나 천정의 구멍을 통하여 공급될 수도 있다. 광석 농축물 및 산소(또는 공기) 같은 모든 물질이 화염실에 들어가기 전에 혼합될 필요는 없지만, 연소 촉진 가스가 화염실 내의 가스와 효과적으로 혼합되고 금속 산화물을 함유한 물질이 화염의 열을 효과적으로 흡수할 수 있어야 한다는 것은 필수적이다.
화염실의 벽은, 물이나 증기가 튜브를 통하여 유동하는 박막형인 것이 바람직하다. 박막벽은 벽에 가장 가까운 용융 금속 산화물의 층을 냉각 응고시켜 고체 층을 형성시킨다. 이 고체 층은 마모로부터 벽을 보호한다. 용융 금속 산화물은 벽을 따라 계속 아래로 흐르면서, 예비 환원된 용융 상태로 화염실과 연결된 전로(4)와 같은 최종 환원 수단으로 유입된다.
화염실 내에서 상향 이동하는 환원 가스는 공급되는 산소에 의하여 화염실의 사노하 영역에서 완전 연소되고, 구멍(7)을 통하여 화염실로부터 반응기(2) 내로 도입된다.
제1도에는 화염실의 하부로 물질을 공급하는 수단이 설치된 장치가 도시되어 있다. 어떤 경우에는 화염실의 중간이나 상부로 물질을 공급하는 것이 바람직하다. 이 경우에도 노즐의 방향은 상향 이동하는 환원 가스가 화염실의 중심부에 있는 고온 화염 내에서 연소되는 동시에 화염실의 벽에 의하여 환원층이 보존되도록 배치되어야 한다.
제3도에 도시된 실시예에서는 노즐(16)들이 화염실의 상부에 원형으로 배치되어 있다. 이들 노즐은 물질을 하향 내측으로 경사지게, 화염실의 직경보다 작은 화염실 내부 가상 수평원(17)과 접선 방향으로 유도한다. 도입된 물질은 원 운동을 하게 되고, 이에 따라 용융된 물질은 화염실의 벽(18)을 향하여 밀려간다. 용융물이 화염실의 벽면에 걸쳐서 필요한 방식으로 분포되도록 상승 가스의 방향 및 노즐들의 방향이 정해질 수 있다.
예비 환원되고 적어도 부분적으로 용융된 금속 산화물 함유 물질은 화염실 내에서 벽을 따라 하향 유동하여 전로(4)와 같은 최종 환원 수단으로 도입된다. 이 전로내에서 완전히 환원된 금속은 전로 하부에 용융욕(smelt bath, 27)을 형성시키고, 용융 금속의 상부에 슬래그 층(26)을 형성시킨다.
예비 환원되어 하향 유동되는 용융 물질의 최종 환원은, 슬래그 내부 및 슬래그의 용융을 사이의 층에서 환원 가스를 생성시키면서 이루어진다. 생성되는 환원 가스를 연소시키기 위하여 산소 또는 산소 함유 가스를 분사시키는 적어도 2개의 노즐(24)이 반응기 벽의 슬래그 층의 바로 상부에 배치되어 있다. 노즐은 직경이 반응기보다 작은 가상 수평원에 대하여 접선 방향을 향하고 있고, 전로 내부의 가스 혼합물은 회전운동을 하게 된다. 산소 함유 가스는 슬래그 층의 표면을 스쳐 지나가면서 슬래그 층에서 환원가스가 생성되는 즉시 이를 연소시키고, 이에 따라 슬래그 층에서 환원가스가 생성되는 즉시 이를 연소시키고, 이에 따라 슬래그 층 및 용융욕으로 열을 전달한다. 17% 내지 100%의 산소를 함유한 가스의 이용되는 것이 바람직하다. 예컨대 불활성 가스 등을 이용하여 욕을 잘 교반시키면 연소 가스로부터 욕으로의 열전달이 더 양호해진다. 최종 환원 단계에서 생성되는 가스는 예비 환원은 물질의 하향 유동과는 반대로 상향 유동하며 직접 화염실로 도입된다. 어떤 경우에는 가스를 측면으로부터 화염실로 도입시키는 것이 유리할 수도 있다. 이는 화염실 내의 연소가 그 산화 영역에서 주로 일어나고, 또 환원 영역도 화염실 내에 유지되도록 하여 달성될 수 있다.
석탄이나 코크스 같은 최종 환원제는 입구(28)를 통하여 전로 내부의 금속 용융물이나 슬래그 층 또는 슬래그 층의 상부로 공급될 수 있다. 산소는 입구(29)를 통하여 공급된다.
전로 내의 용융되지 아니한 금속 산화물의 최종 환원에 필요한 에너지를 공급하기 위하여 연료 및 산소 함유 가스가 슬래그 층이나 용융물로 공급될 수 있다. 생성되는 환원 가스의 20% 내지 60%가 전로 내의 슬래그 층 상부에서 연소될 수 있다.
전극에 의하여 용융물에 추가로 에너지가 공급되면 생성되는 가스중 4% 내지 20%만 슬래그 층 상부에서 연소될 수 있다. 고온은 전극에 해를 끼칠 수도 있다.
플라즈마 가열 산소 또는 폐열 회수 가열 산소 가스 및/또는 공기가 슬래그 층 상부에서 생성되는 가스의 연소에 이용될 수 있다. 열은 플라즈마 가열 가스내의 발광 아크(arc)를 통하여 용융을 자체로 전달될 수 있다.
생성되는 가스의 일부는 폐열 회수식 예열 또는 폐열 재생 예열용으로서 최종 환원 단계로부터 추출될 수있다.
제4도에는 본 발명의 다른 실시예를 위한 수단이 도시되어 있다. 이 경우 화염실(1)은 테이퍼진 하단부(34)를 가지며 이 하단부에는 금속 산화물을 함유한 물질이 예열되어 도입되는 도입 도관(11)이 연결된다. 그 목적은 실질적으로 고온 가스의 연소나 별도의 환원제의 추가 없이 최종 환원단계에서 나오는 고온 환원가스로 예열된 물질을 용융 및 예비 환원시키는 것이다. 그러므로 화염실 내에서 예열된 물질과 최종 환원수단(4)으로부터 나오는 고온 환원 가스가 매우 양호하게 접촉되어야 한다. 도시된 실시예에서는 효과적인 혼합을 위하여 화염실의 하부가 테이퍼져 있다. 이 하부 내의 온도 1,000-1,700℃까지 상승되므로 용융 및 환원이 신속히 이루어진다.
본 발명의 방법에 의한 반응은 연소 촉진 가스 없이 진행되므로, 최종 환원 단계에서 생성되는 환원가스는, 화염실 내부의 연소 과정에서 환원 가스가 필요한 경우보다 더 많은 부분이 전로 내에서 연소될 수 있다. 전로내에서 가스를 연소시키면 화염실에서 연소시키는 것보다 경제적이다.
용융된 물질이 벽을 향하여 밀려가고 유동상 반응기(2)로 올라가지 않도록 하는 화염실 내부 물질의 회전 운동은, 도관(33)을 통하여 유동상 반응기로부터 화염실로 배기가스를 공급하여 이루어진다. 입자 분리기(3)에서 처리된 배기 가스의 일부는 열교환기(30)를 통하여 외부로 배출되고, 일부는 도관(33)을 통하여 화염실의 상부로 도입되어 화염실 내에 와류를 발생시킨다. 물론 회전 운동은 화염실에 인접한 가스화 장치로부터 나오는 가스를 공급하는 등의 다른 방법으로 발생시킬 수도 있다. 이 가스는 화염실 내에서 연소되어 화염실 내부의 열량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 이상 기술된 실시예로 한정되지 않으며 첨부된 특허 청구의 범위내에서 달리 실시할 수도 있다.

Claims (21)

  1. 금속 산화물을 함유한 물질을 최종 환원 수단 상부에 배치된 화염실로 공급하며, 화염실 내에서 최소한 부분적으로 용융 및 예비 환원시키고, 회전 운동을 하게하며, 최종 환원 수단으로 하향 공급하는 방법에 있어서, (a) 금속 산화물 함유 물질을, 화염실로 공급하기 전에, 유동상이 제공되어 있으며, 화염실에 연결된 반응기로 공급하여 그 안에서 가열하고, 반응기 내의 물질이 유동화(流動化) 및 예열되도록 화염실로 부터 고온의 배기 가스가 반응기 하부로 공급되고, 금속 산화물을 포함하는 예열된 물질은 반응기로부터 나오는 배기가스로부터 분리되며, 금속 산화물을 포함하고 있는 분리된 물질의 일부는 반응기로 재순환되고 다른 일부는 화염실로 공급되며, (b) 금속 산화물을 포함하는 예열된 물질은, 최소한 부분적으로, 최종 환원수단으로부터의 고온 환원 가스를 이용하여 용융 및/또는 예비 환원되는 것을 특징으로 하는, 최종 환원에 적절한 예비 환원물질을 생성하기 위하여 선광된 광석이나 광석 농축물과 같은 금속 산화물을 함유하는 물질을 예열 및 예비 환원시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연소-촉진 가스가 화염실로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 연소-촉진 가스가 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 연소-촉진 가스가 산소인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 금속 산화물 함유 물질을 용융시키도록 최종 환원 수단에서 상승하는 고온 환원 가스를 연소시키기 위한 연소-촉진 가스를 화염실로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 탄소질 물질이 화염실로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제2항에 있어서, 탄소질 물질과 연소-촉진 가스를 화염실로 공급함으로써 내부에 고도의 연소도를 갖는 고온 영역이 형성되거나, 화염실 벽에 인접하여 환원 영역 및 고온의 화염이 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 금속 산화물을 함유한 예열된 물질이 화염실 내의 고연소도 영역으로 공급되어, 그 안에서 최소한 부분적으로 용융되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 금속 산화물을 포함하는 물질을 용융시키고 탄소질 물질을 최소한 부분적으로 점결시키는 고온의 산화 영역이 형성되며, 금속 산화물을 포함하는 용융 물질을 환원시키는 환원 영역이 형성되는 화염실의 벽면에 대하여 금속 산화물을 포함하는 용융 물질 및 점결된 탄소질 물질을 외측으로 밀어내는 방식으로 탄소질 물질 및 연소 촉진 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 환원 가스와 금속 산화물 함유 물질이 양호하게 접촉하도록, 금속 산화물 함유 물질을 최종 환원 수단에서 나오는 고온 환원 가스의 공급 지점과 인접한 화염실의 하부로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 화염시로 공급된 금속 산화물-함유 물질이 회전운동을 하며, 용융된 금속 산화물-함유 물질이 화염실의 벽을 향하여 밀려나도록 가스를 화염실로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 물질의 회전운동을 발생시키기 위하여 유동상 반응기로부터 나오는 배기 가스를 화염실로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 화염실내 물질의 회전운동을 발생시키기 위하여 탄소질 물질을 화염실에 인접하여 가스화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 화염실 내의 금속 산화물 함유 물질이 최종 환원 수단에서 나오는 환원 가스에 의해 주로 환원되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 금속 산화물-함유 물질을 환원시키도록 환원제를 화염실로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 금속 산화물 함유 물질이 유동상 반응기에서 물질의 점결온도를 초과하지 않는 온도까지 예열되며, 바람직하게는 600℃ 내지 950℃까지 예열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 금속 산화물 함유 물질이 화염실에서 물질이 주로 용융되는 온도까지 가열되며, 바람직하게는 1400℃ 내지 1800℃까지 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 화염실에서 기화 및 용융되어, 화염실로부터 유동상 반응기로 배출되는 배기 가스에 혼입될 수 있는 물질은 유동상의 저온 입자 상에서 응축 및 응고되거나, 또는 유동상의 저온 입자에 의해 다른 방식으로 포착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, (a) 제1단계로서 금속 산화물 함유 물질을 예열하는 단계, (b) 제2 단계로서 미리 가열된 물질을 예비 환원시키고 최소한 부분적으로 용융시키는 단계, (c) 제3 단계로서 예비 환원된 물질을 최종적으로 환원시키는 단계 등의 연속적인 3개의 단계에서, 용융 금속 물질의 생산에 필요한 에너지를 최소화하기 위하여 제2 및 제3의 단계에서 형성된 개스에 포함된 에너지가 동일한 단계 또는 바로 이전 단계에서 사용되면서 금속 산화물을 포함하는 물질로부터 용융 금속 물질을 생산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 예비 환원되고 최소한 부분적으로 용융된, 금속 산화물을 포함하는 물질이 용융 금속의 욕 및 그 위의 슬래그층을 갖는 반응기에서 완전히 환원되고, 또 최종 환원에서 생성된 가스가 슬래그 층의 표면을 스치고 지나가는 연소-촉진 가스에 의해 부분적으로 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 용융 및 예비 환원된 물질의 출구가 환원 수단에(직접적으로) 연결되어 화염실의 하부에 위치하고 있는 화염실, 예열된 금속 산화물 함유 물질을 화염실내로 공급하는 수단 및, 금속 산화물 함유 물질을 화염실 내에서 회전운동 하도록 하는 수단을 포함하고, (a) 금속 산화물 함유 물질을 화염실내로 공급하기 전에 예열하도록 화염실(1)의 상부에 연결되어 있으며, 하부에는 화염실(1)로부터의 고온인 배출 가스용 유입부(7)를 지니고, 상부에는 예열된 물질을 반응기로부터 나오는 개스에서 분리시키는 입자 분리기(3)와 연결된 유동상 반응기(2), 복귀도관(10)을 경유하여 반응기의 하부에 연결되어 있으며 유입관(11)을 경유하여 화염실로 연결된 입자 분리기(3) 및, (b) 화염실(1)의 하부(34)에 연결된 최종 환원수단(4)에서 나오는 고온의 환원 가스용 유입부를 포함하는 것으로 특징지워지며, 최종 환원에 적절한 예비 환원된 물질을 생산하기 위하여 광석 농축물 또는 선광된 광석과 같은 금속 산화물을 함유하는 물질을 예비 가열 및 예비 환원시키는 장치.
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