용융선철또는용강예비제품의생산방법및생산용장치

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(51)Int. Cl.6
C21B 13/14
(11) 공개번호 특1999-0087540
(43) 공개일자 1999년12월27일
(21) 출원번호 10-1998-0706977
(22) 출원일자 1998년09월04일
번역문제출일자 1998년09월04일
(86) 국제출원번호 PCT/AT1997/00045 (87) 국제공개번호 WO 1997/33006
(86) 국제출원출원일자 1997년03월03일 (87) 국제공개일자 1997년09월12일
(81) 지정국 EP 유럽특허 : 오스트리아 벨기에 스위스 독일 덴마크 스페인 프랑스
영국 그리스 이탈리아 룩셈부르크 모나코 네덜란드 포르투칼 스웨덴
독일
국내특허 : 아일랜드 오스트레일리아 브라질 캐나다 중국 일본 대한민
국
(30) 우선권주장 A 416/96 1996년03월05일 오스트리아(AT)
(71) 출원인 뵈스트-알핀 인두스트리안라겐바우 게엠바하 파투치 알렉산더, 토이플아
르민
오스트리아 연방공화국 아-4031 린쯔 투름슈트라쎄 44
(72) 발명자 아이히베르거 에른스트
오스트리아 아-4632 피흘/벨스 아이헷 9
슈라이 귄터
오스트리아 아-4040 린쯔 뇌바우어슈트라쎄 54
로이퍼 프란쯔
독일연방공화국 데-40629 뒤쎌도르프 포스베르크벡 81
딜 요르크
오스트리아 아-4040 린쯔 랑펠트슈트라쎄 59
로젠펠르너 게랄트
오스트리아 아-3352 장트 페터/아우 에르틀 223/2
(74) 대리인 김원호, 송만호
심사청구 : 없음
(54) 용융선철 또는 용강 중간제품의 생산방법 및 동 생산방법을실행하는 설비
요약
바람직하게는 괴상 및/또는 펠릿인 철광석 및 선택적으로 용제를 포함하는 장입물질로 용융선철 중간제품
또는 용강 중간제품을 생산하는 방법에 있어서, 상기 장입물질이 환원대(12)에서 해면철로 직접환원되고,
상기 해면철은 탄소캐리어 및 산소함유가스의 공급으로 용융가스화대(8)에서 용해되는 동시에, 환원가스
대(12) 내에 취입되는 CO- 및 H2-함유환원가스가 생성되어 반응한 후 배가스로서 배출되고, 상기 배가스는
소진기(20)에 전달된다.
Cfix 가 높은 탄소캐리어 및 O 2 소모의 억제를 가능하게 하기 위하여, 배가스의 CO 2 함유량을 훨씬
초과하되, 바람직하게는 40%를 초과하는 CO2 함유량을 가지며, 또한 CO가 존재하는 경우 CO의 함유량이 배
가스의 CO 함유량에 훨씬 미달하는 CO 함유량을 가지는 CO2 함유량이 높은 가스가 상기 용융가스화대(8)
내에 취입되고, CO가 형성되면 탄소캐리어와의 반응이 일어난다.
대표도
도1
명세서
기술분야
본 발명은 괴상(lumps) 및/또는 펠릿(pellets)이 바람직한 철광석, 및 선택적으로 플럭스를 포함하는 장
입물질로부터 용융선철 또는 용강 중간제품을 생산하는 방법 및 이 방법을 실행하는 설비에 관한 것으로
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서, 장입물질은 환원대(reduction zone)에서 해면철로 직접환원되고, 해면철은 탄소매체 및 산소함유가스
의 공급으로 용융가스화대(melt-down gasifying zone)에서 용융되어 CO- 및 H2-함유 환원가스가 생성되고,
이것은 환원대에 취입되어 반응한 후 배가스로서 배출되어 소진기에 전달된다.
배경기술
이러한 종류의 방법은, 예를 들면 독일특허 DE-C-40 37 977에 공지되어 있다. 독일특허 DE-C-40 37 977
에 따르면, 해면철 또는 해면철로부터 용융된 선철의 생산비를 최소로하기 위하여, 일산화탄소 및 수소를
많이 함유하며 상당량이 발생하는 배가스가 처리된 후에 추가의 철함유물질을 환원하는 소진기로서 작용
하는 다른 환원대에 공급된다.
이 공지의 방법으로는, Cfix 함유량이 높은 탄소매체가 용융가스화로내로 가스화되는 경우 용융가스화로가
과열될 수 있다. 이러한 종류의 탄소매체는, 예를 들면 무브리캐트 및 양질의 칼신화가능한 석유코크스
가 있다. 이 공지된 방법의 다른 단점은, 일산화탄소가 용융가스화로내에서 탄소매체의 가스화중에 오직
산소를 통해서만 형성되기 때문에, 생산된 각 유니트의 환원제에 대하여 소정량의 O2가 비교적 많이 소모
된다는 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 목적은 이들 단점 및 어려움을 회피하고, Cfix 함유량이 높은 탄소캐리어(carrier)를 사용할 수
있는 방법 및 그 방법을 실행하는 설비를 창안하는 것이다. 또한, 석탄 가스화 실행에 소모되는 소정량
의 산소가 저감된다.
본 발명에 있어서, 상기 목적은 배가스의 CO2 함유량을 훨씬 초과하는, 바람직하게는 40 %를 초과하는 CO2
함유량 및 CO가 함유되어 있다면, 배가스의 CO 함유량을 훨씬 미달하는 CO 함유량을 가지는 CO2 함유량이
높은 가스를 용융가스화대 내에 취입하여 CO의 형성중에 탄소매체와 반응되는 것으로 달성된다.
전술한 바와 유사한 종류의 방법에 덕트한 오스트리아특허 AT-B-394.201에 따르면, CO2-함유 배가스는 집
진기에서 냉각 및 용융가스화로에 형성되어 기술적인 탈황 작용을 필요로 하는 CO2 함유량이 낮은 고온 환
원가스의 일부와 함께 세정 된 다음, 가스터빈용 연료가스로서 사용된다. 이 방법으로는, 환경보호 필요
조건에 부응하도록 연료가스를 처리하는 프로세스엔지니어링 비용이 비교적 많이 들고, 또한 상당한 투자
가 필요하게 된다.
오스트리아특허 AT-B-394.201에는, 배가스를 환원단계로부터 용융가스화로의 유동층내로, 열이 소모되면
서 산소캐리어로서 취입되는 것에 대하여 공지되어 있다.
배가스의 CO2 함유량은 대략 25 % 내지 35 %로 단지 미미하고, 또한 배가스에는 분진이 포함되어 있기 때
문에, 이 방식으로 달성된 효과 또한 미미하다. 이 방법의 한 가지 단점은, 배가스와 함께 비교적 많은
부분의 일산화탄소가 사전에 냉각되어야 하는 용융가스화로 내를 통과한 다음, 용융가스화로에서 재가열
되어야 한다는 것이다. 따라서, 이 특정 부분의 CO는 거기로부터 야기되는 모든 단점(압력손실, 불필요
한 고용량 컴프레서, 에너지소모 증가 등)이 발생되면서, 용융가스화로를 통하여 슬러스되어야 하는 밸러
스트(ballast)를 나타낸다.
오스트리아특허 AT-B-394.201에 따른 또 한 가지 단점은, 탈황수단이 과잉의 환원가스용으로 배설되어야
하는 반면, 본 발명에 있어서는 이러한 종류의 수단이 전혀 필요하지 않던 가, 단지 환원가스의 유황함유
량이 액상에 전달되는 경우, 또는 CO2 제거기에서 나오는 오프가스(offgas)용으로 배설되어야 한다.
본 발명에 따른 방법으로 달성된 장점은 다음과 같다:
본 발명에 있어서, CO2 함유량이 높은 가스를 취입하게 되면, CO2 반응이 식 CO2 C → 2 CO에 따라 일어
난다. 일산화탄소가 형성되어 환원가스흐름을 증가시키고, 따라서 환원에 이용할 수 있다. 일산화탄소
의 형성중에 이산화탄소가스의 반응이 흡열식으로 일어나고, 따라서 CO2가 많은 가스를 적합하게 나누어
취입함으로써, 용융가스화로 내를 원하는 온도로 조정하고 과열이 완전하게 방지될 수 있다.
따라서, 본 발명에 있어서, Cfix 부분이 많고 무브리캐트 및 양질의 칼신화가능한 석유코크스와 같이 휘발
성 성분이 본래 부족한 탄소매체의 사용이 가능하고, 양으로는 과열영향 때문에 온도하강 효과에 미치는
CO2가 많은 가스를 동시에 사용하지 않고 허용될 수 없다. 또한, 용융가스화로 내부에 CO2를 많이 함유한
오프가스로부터 일산화탄소를 - CO2몰 당 2몰의 일산화탄소는 1몰의 탄소로 형성된다 - 유용한 방식으로
형성함으로써 산화철 환원에 필요한 환원가스흐름을 증가시킨다.
본 발명에 따른 방법의 다른 장점은, 용융가스화로 내의 탄소매체 부분은 산소를 사용하지 않고 이산화탄
소를 사용하는 일산화탄소의 형성에 소모되기 때문에, 생산된 환원제의 단위 당 O2의 소정 소모량이 줄어
든다. 따라서, 산소의 제공에 필요한 에너지량이 또한 상당하게 줄어든다. 따라서, 본 발명에 따른 방
법은 기후 변화의 주 원인인 대기로 배출되는 CO2의 양을 최소로 하는 것이 가능하고, 이로써 CO2 배출의
저감에 기여함으로써 토론토선언에 부응하게 된다.
CO2 함유량이 높은 가스를 예열하는 경우, 용융가스화로에 장입된 탄소매체 보다 적게 Cfix가 연소되어야
하기 때문에, 용융가스화로에서 산소 소모를 더 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 다음 과제를 해소하는 것이다.
종래기술에 따른 배가스의 처리는, 먼저 이것을 세정기에서 고체입자로부터 세정하여, 상당히 냉각시키는
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것이 일반적이다. 그 후, CO2가 배가스를 환원가스로서 더 사용하는 것을 방해하고: 배가스에 존재하는
환원제의 비율이 매우 낮을 수 있기 때문에, 배가스가 함유된 CO2를 독일특허 DE-C-40 37 977에 따라 제거
한다. CO2를 배가스로부터 제거하는 방법으로는, 예를 들면 프레셔-스윙 흡착처리 또는 화학 CO2 집진 등
여러 가지가 공지되어 있다. 따라서, 독일특허 DE-C-40 37 977에 있어서, 배가스에 화학적으로 결합된
에너지는 대부분 활용할 수 있으나, 배가스의 세정중에 발생하는 CO2-함유 오프가스는, 환경친화적 방식으
로 처리되어야 하기 때문에 문제가 있다.
CO, H2, CH 4 및 H2S를 함유한 상기 오프가스는, 환경보호 때문에, 그 상태로는 환경에 배출될 수 없다.
또한 이것이, 왜 가능한 처리를 단지 조건부로 더 하게 되는 이유이다. 따라서, 오프가스로부터 황화합
물이 일반적으로 제거된다. 이러한 탈황은 현재까지, 예를 들면 이른 바 "스트렛포드 집진(Stretford
scrubbing)" 또는 활성 탄소상의 촉매에 의한 산화와 같은 상이한 방법에 의하여 행해지고 있다. 이들
방법 모두는 고비용이 들고, 별개로 저장 및 처분되어야 하는 활성 탄소 또는 흡수제와 같은 추가 물질이
필요하다.
CO2 함유 오프가스를 소각하는 것은 유럽에 알려져 있다. 그러나, CO2-함유 오프가스는 발열량이 미미하
기 때문에, 이 소각에는 점화 및 탄화가스와 같은 가연성 지지가스의 준비가 필요하다.
본 발명의 다른 목적은, 이들 단점 및 곤란함을 회피하고 광석 환원, 즉 해면철을 생산하는 직접환원에서
발생하는 배가스를 사용하는 동시에, 종래기술에서 알려진 방법에 덕트련된 곤란함이 회피된 효과적인 방
법을 제공하는 것이다. 특히, CO2-함유 오프가스를 환경친화적 방식으로 처리 및 처분할 뿐 아니라 이 방
법 및 설비의 에너지 스킴(scheme)내에 가능한 최대한으로 활용하는 것이 가능하다. 또한, CO2의 분리와
동시에 일어나는 H2S 분리에 덕트련된 과제도 또한 환경친화적 방식으로 해소된다.
본 발명에 있어서, 이 목적은 CO2를 제거하는 동안에 분리된 오프가스 중 CO2 함유량이 높은 최소한 일부
를 용융가스화대 내에 취입하여 CO의 형성중에 탄소와 반응시키는 청구항 1에 따른 방법으로 달성된다.
본 발명에 있어서, CO 2 제거기로부터 나오는 CO2의 높은 수율이 감소될 뿐 아니라 CO는 많이 증가되어,
CO2 분류(fraction)의 백분율 감소를 효과적으로 얻게 된다. 또한, 본 발명에 있어서, CO2를 다른 환원대
에 이용할 수 있다면, 종래기술에서와 같이 높은 퍼센트를 배가스로부터 제거할 필요는 없다.
석유코크스를 사용하는 경우, CO2 제거와 동시에 분리된 H2S가 용융가스화로내에 또한 전달된다면 바람직
할 수 있고, 따라서 유황이 용융가스화로에 용해된 액체상을 통과한다. 그러나, 유황은 용융가스화로로
부터 공지의 방법 및 가스질 H2S를 환원가스로부터 제거하는 데 필요한 것 보다 에너지를 덜 소모함으로써
간단한 방식으로 보다 용이하게 제거될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 CO2 함유량이 높은 가스를 용융가스화대에 형성된 유동층의 하
측 말단영역 내에 취입하고, 이로써 탄소에 의한 CO2 의 반응이 특히 효과적인 방식으로 진행된다.
CO2 함유량이 높은 가스는 용융가스화대 내에, 여기에 전달될 산소함유가스와 함께 취입되는 것이 바람직
하다. 그러나, 이 경우 CO2-함유가스는 임의의 친화성부를 함유하지 않아야 되고, 그렇지 않으면 산소함
유가스 및 CO2-함유가스용의 별개의 덕트을 배설하여 용융가스화로의 버너에 함께 흐르게 하여야 한다.
CO2 함유량이 높은 가스는 용융가스화대내에 공급될 분진과 함께 용융가스화대내에 취입되는 것이 특히 바
람직하고, CO 2 함유량이 높은 가스는 용융가스화대에 형성되는 환원가스로부터 분리되어 용융가스화대에
재순환될 분진과 함께 용융가스화대 내에 취입되는 것이 적합하다. 흡열반응식으로 일어나는 철과 CO2의
재산화로 온도가 하강하게 되어, 제어되지 않은 산화의 위험이 현저하게 감소된다. 여기서 CO2 함유량이
높은 가스에 사용된 질소를 혼합하여 이송가스로서 기능하게 할 수 있고, 이것은 시스템내에 질소의 농도
가 낮아질 수 있다는 장점을 가진다. 질소는 시스템으로부터 어렵게 다시 제거할 수 있고, 더 많은 에너
지를 소모되게 하여 밸러스트에 의하여서만 이송되어야 하는 질소에 의하여 이렇게 증가된 가스체적을 이
송한다.
특히 유황함유량이 낮은 선철 또는 철강 중간제품을 생산하기 위하여, CO2 함유량이 높고 용융가스화대내
에 공급되는 가스는, 이 용융가스화대내에 취입되기 전에 탈황되는 것이 적합하다.
본 발명에 따른 방법은, CO2가 제거된 배가스는 최소한 하나의 제1 환원대에 형성되고, CO2로부터 세정된
배가스는 최소한 하나의 다른 환원대에 환원가스로서 사용되어, 선택적으로 가열된 후, 다른 입상의 산화
금속 함유물질, 바람직하게는 산화철 함유물질을 환원시키고, 반응을 나타내는 경우, 특히 바람직한 방식
으로 적용될 수 있다. 그 이유는 CO2 제거 후 제1 환원대의 배가스로부터 배출되어 다른 환원대의 환원가
스로서 기능하는 가스는 환원제의 퍼센트가 특히 높다는 것이다. 전술한 바와 같이, 이것은 용융가스화
로 내부에 형성된 환원가스 중 일산화탄소의 과잉으로 인하여(높은 CO/CO2 비율), 제1 환원대의 배가스로
부터 CO2의 제거는 지금까지 필요한 바와 동일방식으로 일어나지 않아야 하기 때문에 달성될 수 있다. 예
를 들면, 배가스의 일부를 CO2를 제거하지 않고 다른 환원대 내에 바로 취입할 수 있다.
이 점에서, 가열작용으로부터의 플루가스(flue gas) 중 최소한 일부는 용융가스화대 내에 공급되는 것이
바람직하고, CO2를 제거하는 동안 분리된 CO2를 많이 함유한 오프가스는 가열에 사용되는 것이 적합하고,
다른 환원대에서 반응된 환원가스가 가열에 사용되고, 이렇게 형성된 플루가스의 최소한 일부가 용융가스
화대 내에 취입된다면 더 바람직하다.
제1 환원대에 형성된 배가스 중 일부가 최소한 부분연소되어, 플루가스가 용융가스화대 내에 공급되고,
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용융가스화대내에 취입되기 전에 냉각가스가 플루가스에 혼합된다면 특히 바람직하다.
플루가스의 냉각은, 플루가스가 용융가스화대에 공급되기 전에 처리용으로는 산소함유가스가 바람직한
가스의 열회수식가열(recuperative heating)에서 냉각된다면, 전체적인 처리에 있어서 특히 효과적이 될
것이다. 또한 열회수식가열은 산화제로서 사용가능한 수증기를 생성하는 기능을 할 수 있다.
이 점에서, 제2 환원대에 형성된 배가스 중 최소한 일부 또한, 바람직하게는 제1 환원대로부터의 배가스
와 혼합 후, CO2를 제거하고, 이렇게 분리된 CO2 함유량이 높은 오프가스의 최소한 일부 또한 용융가스화
대에 공급되어 CO형성 중에 탄소와 반응되는 것이 바람직하다.
괴상 및/또는 펠릿이 바람직한 철광석용 환원반응로, 용융가스화로, 용융가스화로와 반응환원로를 연결하
는 환원가스용 공급덕트, 환원반응로와 용융가스화로를 연결하는 환원반응로에 형성된 환원제품용 이송덕
트, 환원반응로에서 분기된 배가스 배출덕트, 용융가스화로내를 통하는 산소함유가스 및 탄소캐리어용 공
급덕트들 및 용융가스화로에 배설된 선철 및 슬래그용 출탕구를 포함하는 방법 실행용 설비로서, 상기 용
융가스화로 내에는 CO함유량을 가능한 적게 가지는 CO2 함유량이 높은 가스를 전달하는 가스덕트이 통하는
것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 환원반응로의 배가스 배출덕트은 CO2 제거기를 통하고, 분리된 CO2함유 오프가
스를 배출하는 오프가스덕트이 CO2 제거기로부터 용융가스화로와 유체연통된다.
가스공급덕트은 용융가스화로의 하단부, 대략 용융가스화로 내부에 형성된 유동층의 하측 단부영역 레벨
상으로 통하는 것이 적합하고, 폭발위험이 없다면(대략 100% 산화체(oxidants) 및 0% 환원체
(reductants)), 가스덕트는 산소함유가스용 공급덕트와 함께 용융가스화로 내로 통하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 가스덕트은 분진을 용융가스화로에 공급하는 공급덕트과 함께, 바람직하게는
분진을 용융가스화로내에 장입하는 버너를 통하여 용융가스화로내로 통하고, 용융가스화로와 환원반응로
를 연결하는 환원가스용 공급덕트에는, 분진분리기가 배설되어 분진재순환덕트을 용융가스화로와 연결하
고, 가스덕트는 상기 분진재순환덕트과 함께 분진버너를 통하여 용융가스화로내로 통한다.
유황함유량을 가능한 적게 가지는 제품을 얻기 위하여, 가스공급덕트에는 탈황수단이 배설된다.
바람직한 실시예는 제1 환원반응로의 배가스 배출덕트을 통하여 서로 연결되고, CO2 제거기를 통하여 서로
유체연결되는 2개의 환원반응로가 배설되고, CO2 제거기에서 배출되는 배가스는 가열수단을 통하여 제2 환
원반응로 내로 전달되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 제2 환원반응로의 배가스를 배출하는 이송덕트는 CO2 제거기, 바람직하게는 제2 환원반응로의
배가스용 CO2 제거기 내로 개방되는 것이 적합하다.
바람직한 실시예에 있어서, 오프가스 분지덕트는 CO2 제거기로부터 가열수단내로 통하여 가열가스를 공급
하고, 플루가스를 배출하는 플루가스 배출덕트는 가열수단으로부터 용융가스화로와 유체연결된다.
배가스 분지덕트는 배가스 배출덕트로부터 연소수단으로 통하고, 플루가스 배출덕트는 연소수단으로부터
용융가스화로 내로 통하는 것이 적합하다.
바람직한 실시예는, 산소함유가스 즉 공기의 가열용으로 바람직한 열화수장치가 플루가스 배출덕트에 개
재되는 것을 특징으로 한다. 고온공기는 광석 예열, 건조등에 사용될 수 있다.
다음에, 본 발명을 도면에 개략적으로 나타낸 몇 가지 예시적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.
도면의 간단한 설명
도 1 내지 도 5는 방법 변형예의 블록도이다.
실시예
환원반응로(1)를 형성하는 제1 샤프트로에, 괴상 철광석 및/또는 펠릿 철광석이 도시되지 않은 슬러스시
스템(sluice system)을 통한 이송수단(2)를 거쳐, 선택적으로 용제와 함께 이동층을 형성하면서 상단으로
부터 장입된다. 샤프트로(1)는 용융가스화로(3)와 연통되고, 여기에서 석탄 및 산소함유가스로부터 환원
가스가 형성되어 공급덕트(4)을 거쳐 샤프트로(1)에 공급되고, 공급덕트(4)의 내부에는 건식 탈분진용
가스세정수단(4')이 선택적으로 배설되어 있다.
"이동층"이라는 용어는 계속해서 이동하는 물질흐름을 칭하는 것이고, 이 중 이동가능한 입자는 환원가스
흐름과 접한다. 중력에 의하여 하향으로 계속해서 이동하는 물질흐름이 사용되는 것이 바람직하다.
샤프트로(1) 대신에, 벤츄리유동층, 순환유동층, 유동층과 결합되는 반응로 또는 이동 그레이트
(traveling grate) 즉 로터리 튜브형로(rotary tubular kiln)와 결합되는 반응로를 환원반응로로서 또한
배설할 수 있다.
용융가스화로(3)는 고체 탄소캐리어용 공급덕트(5), 산소함유가스용 공급덕트(6) 및 선택적으로는 탄화수
소와 같이 실온에서 액체 또는 기체인 탄소캐리어 및 칼신화된 플럭스용 공급덕트(7)를 가진다. 용융가
스화로(3)의 내부에는, 용융선철(9) 및 용융슬래그(10)가 용융가스화대(8) 아래에 포집되어 출탕구(11)를
통하여 배출된다.
직접환원대(12)에서 칼신화된 플럭스와 함께, 샤프트로(1) 내부의 직접환원대(12)에서 해면철로 환원된
철광석은 샤프트로(1)와 용융가스화로(3)를, 예를 들면 이송웜 등을 통하여 연결하는 이송덕트(13)를 통
하여 장입된다. 샤프트로(1)의 상단부에는, 직접환원대(12)의 환원가스로부터 형성된 배가스용의 배가스
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배출덕트(14)가 연결되어 있다.
배가스 배출덕트(14)를 통하여 배출된 배가스는 먼저 집진기(15)에서 세정되어, 분진입자를 가능한 완전
하게 제거하고 수증기 함유량을 감소시킨 후 다른 용도에 사용가능하게 한다. 그 후, 배가스는 컴프레서
(16)에 의하여 CO2 제거기(17)(예를 들면, CO2 세정기 또는 프레셔-스윙 흡착기)내를 통과하여 CO2를 가능
한 완전히 제거한다. CO2 제거기(17)에 잔류한 오프가스는 탈황수단(18)에 선택적으로 공급된다. 환원가
스 공급덕트(19)를 통하여, 이렇게 CO2가 세정된 배가스는, 제1 샤프트로(1)와 같이 이동층을 또한 가지고
환류원리에 따라 운전하는 샤프트로(20)로서 구성된 제2 환원반응로에 공급된다. 제2 샤프트로(20)에 있
어서, 괴상 및/또는 펠릿의 철광석이 환원대(21)에서 직접환원 된다. 광석 공급덕트를 참조부호(20')로
나타내고, 해면철을 꺼내는 수단을 참조부호(20")로 나타낸다.
배가스가 세정과정에서 상당히 냉각되었기 때문에, 제2 환원샤프트로(20)내로 취입되기 전에 가열된다.
가열은 2단계로 행해지는데: 먼저, 세정된 배가스는 제1 단계에서, 열교환기로서 제작되어 이 용도로 채
택된 가열수단(22)으로 간접가열된다. 열교환기(22)(열회수장치)는 제2 환원샤프트로(20)로부터 덕트
(23)를 통하여 배출된 세정된 배가스에 의하여 운전된다. 이 외에, 공기와 같은 산소함유가스(산소는 분
자형태로 존재함)가 덕트(24)를 통하여 열교환기(22)의 버너에 공급된다. 다음에, 가열된 배가스는 세정
된 배가스의 일부가 산소공급(26)으로 연소되는 이른 바 사후연소수단(25)에서 사후연소된다. 이 방법에
의하여, 세정된 배가스는 제2 환원로(20)의 환원에 필요한 온도를 얻게 되고, 이 온도는 600 ∼ 900℃의
범위가 바람직하지만, 특히 코팅된 장입물질의 경우에는 보다 고온이 될 수 있다.
제2 환원샤프트로(20)에서 배출된 배가스 또한, 배가스세정기(27)에서 세정 및 냉각되어 분진입자가 세정
되고 수증기 함유량이 감소된 후 다른 용도를 위하여 통과할 수 있다. 배가스의 일부는 덕트(23)를 통하
여 열교환기(22)에 공급된다. 제2 환원샤프트로(20)에서 발생한 배가스 중 다른 일부는 컴프레서(28),
이른 바 배가스 배출덕트(14)내로 개방된 이송덕트(29)를 통하여 마찬가지로 CO2 제거기(17)에 공급되고,
CO2가 제거된 후 재순환 환원가스로서 제2 환원샤프트로(20)에 사용가능하다. 제2 환원샤프트로(20)의 배
가스 중 일부는 다른 용도를 위하여 배가스덕트(30)를 통과한다.
공급덕트(4)로부터 분기된 분지덕트(31)를 통하여, 용융가스화로(3) 내부에 형성된 환원가스 중 일부는,
세정되지 않은, 예를 들면 세정기를 통과하지 않고 분진제거 사이클론(4')을 통과할 시, 재순환 환원가스
및 CO2가 세정된 배가스로 형성된 환원가스 혼합물에, 분지덕트(31)를 통하여, 이른 바 이러한 환원가스
혼합물이 열교환기(22) 및 사후연소수단(25)을 통과한 후 고온상태로 혼합된다. 이렇게 하여, 용융가스
화로(25) 내부에 형성된 환원가스의 현열(顯熱)이 다른 환원샤프트로(20)에 일어나는 직접환원 프로세스
에 공급되어 효과적으로 사용된다. 따라서, CO2 제거기(17), 열교환기(22) 및 사후연소수단(25)의 크기를
저감할 수 있을 뿐만 아니라 이들의 운전 중에 에너지를 저감할 수 있다.
분진제거 사이클론(4')을 통과한 후 고온으로 분지된 환원가스는 분진함유량이 여전히 잔류되어 있으나,
이것은 분진함유량이 이러한 고온의 분지된 환원가스와 재순환 환원가스 및 CO2가 세정된 배가스를 혼합함
으로써 상당히 희석되기 때문에, 시스템에 의하여 문제없이 처리될 수 있다는 것은 틀림없다. 따라서,
제2 환원샤프트로(20)에 일어나는 직접환원 프로세스상의 부정적인 결과는 예상되지 않는다.
환원가스의 일부는 세정기(32) 및 컴프레서(34)를 가진 덕트(33)를 통하여 공급덕트(4)내로 재순환 복귀
되어, 용융가스화로(3)에서 배출되는 환원가스를 가스세정수단(4')으로 유입되기 전에 매우 높은 고온상
태로 조절하고, 특히 샤프트로(1)의 직접환원 프로세스에 바람직한 온도범위로 냉각시킨다. 보정덕트
(35)를 통하여, 시스템압력을 조절하기 위하여 환원가스를 샤프트로(1)에서 배출되는 배가스에 선택적으
로 혼합시킬 수 있다.
제2 환원샤프트로(20)에 공급된 상당량의 환원가스가 CO2 제거기(17)에 공급되지 않으나, 환원가스의 흐름
방향으로 보아 CO 2 제거기에서 배출되는 환원가스 중 일부와 후에 혼합된다는 사실로 보아, CO 2 제거기
(17)의 크기를 상당히 감소시킬 수 있다.
도 1에 나타낸 실시예에 있어서, CO2 제거기(17)에서 분리된 CO2함유 오프가스는 오프가스덕트(36)를 통하
여 탈황수단(18)에 공급되어 탈황 후 배출된다. CO2 제거기(17)에서 배출되는 오프가스의 탈황는, CO2
제거기(17)에서 배출되는 오프가스의 유황함유량이 배가스의 함유량 보다 3배이고, 즉 다른 직접환원 프
로세스의 운전특징으로 결정되기 때문에, 설비의 상이한 지점에서 행해진 탈황에 비하여 훨씬 효과적으로
행해질 수 있다.
오프가스덕트(36)로부터, CO2 함유량이 높은 오프가스의 일부가 분지덕트(37)를 통하여 용융가스화로(3),
이른 바 용융가스화로(3) 내부에 형성된 유동층(38)의 하측 단부영역 위의 지점에 공급된다.
이 유동층(38)에서, 오프가스의 CO2는 용융가스화로(3)내에 존재하는 탄소와 식 CO2 C → 2 CO에 따라
반응한다. 얻어진 일산화탄소는 유동층(38)을 통하여 상승하여 환원가스흐름 및 이의 환원제분류를 증가
시킨다. 이산화탄소가스와 일산화탄소의 흡열반응 때문에, Cfix를 많이 함유한 석탄을 사용하는 경우 특
히 발생할 수 있는 용융가스화로(3)의 과열이 확실하게 방지된다.
도 2에 나타낸 특정의 실시예에 있어서, CO2 함유량이 높은 오프가스의 일부는 분지덕트(37)로부터 분기된
덕트(37')를 통하여 분진버너(39)에 전달되고, 이를 통하여 분진분리기(4')에서 분리된 환원가스의 분진
이 용융가스화로(3)에 다시 공급되어 분진버너(39)를 통하여 공급된 분진과 함께 용융가스화로(3)내에 장
입된다. 이 점에서, CO2 함유량이 높은 오프가스는 분진을 분진버너(39)에 일반적으로 전달하는 질소의
일부로 대체할 수 있고, 따라서 환원가스내의 질소밸러스트가 저감된 전술한 장점이 달성될 수 있다.
도 3에 있어서, 용융가스화로(3)로 재순환된 CO2 제거기(17)로부터의 CO2함유 오프가스만이 탈황되고, 분
지덕트(37)는 산소를 용융가스화로(3)내로 취입하는 공급덕트(6)과 함께 용융가스화로(3)내로 개방되어
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있다.
다음에, 본 발명에 따른 방법을 예를 들어 상세하게 설명한다.
용융가스화로(3)에서 펠릿의 철광석으로 용융선철을 생산하는 데 있어서, 시간 당 대략 100톤의 선철 및
시간 당 대략 155,000 Nm3의 배가스가 발생한다. 이러한 배가스는 CO2 제거기(17)에서 CO2가 제거된 후 철
광석의 다른 환원을 위하여 제2 환원샤프트로(20)에 공급된다. 환원샤프트로(1)에서 배출되는 배가스는
대략 37 체적%의 CO2를 함유한다. 따라서, CO2 제거기(17)에는 시간 당 57,350 Nm3의 CO2가 발생한다.
이러한 양의 CO2 중에서, 시간 당 대략 10,500 Nm
3의 CO2가 용융가스화로(3)에 재순환되고, 여기에는 100%
의 무브리캐트이 탄소캐리어로서 채택된다. 이 방법에 의하여, 한편으로는 반응온도가 CO2와 용융가스화
로(3)에 존재하는 탄소와의 흡열반응에 의하여 프로세스엔지니어링에 필요한 크기로 감소되고, 다른 한편
으로는 CO2와 C의 화학반응으로 인한 CO 2 질량용제(mass flux)의 배가(doubling) 때문에 시간 당 대략
21,000 Nm3의 CO가 형성된다. 그래서 추가량의 CO는 다른 환원샤프트로(20)에 사용가능하다. 따라서,CO2
제거기(17)에서 배출되는 CO2 함유량이 높은 오프가스 중 약 18%는 바람직한 방식으로 재사용할 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 방법의 열균형을 상세하게 설명하지만, 용융가스화로에서 일어나는 용융환원에
필요한 열의 양을 초과하는 에너지량만을 보다 상세하게 고려한다. 여기에서 우리의 목적은 단일 Nm3 CO2
의 효과를 순수형태로 도시하는 것이고, 용이한 계산을 위하여, CO2, C 및 O2는 25℃에서 사용가능하고,
반응물 CO는 1060℃의 온도를 가지는 것으로 단순화하여 가정한다. 여기에서, 반응엔탈피는 반응 CO2 C
→ 2 CO에 대하여 ΔH = 238 kJ/몰 이다. 반응 O2 2 C → 2 CO에 대하여, 반응엔탈피는 ΔH = -156
kJ/몰 이다. 따라서, 1.53 Nm3O2가 Nm
3CO2당 장입되어야 하고, 여기에서 1 Nm
3CO2로부터, 즉 2.17kg C의
사용으로 대략 5 Nm3CO가 형성된다.
도 4에 나타낸 실시예에 있어서, 가열수단(22)으로부터 플루가스 배출덕트(39)를 통하여 배출되는 플루가
스흐름 중 최소한 일부는 컴프레서(41)가 배설되어 있는 분지덕트(40)를 통하여 용융가스화로(3)내로 공
급된다. 또한, 이러한 플루가스는 CO2 함유량은 매우 높고 CO 함유량은 매우 낮다. 다른 환원반응로(2
0)에 전달된 환원가스를 가열하기 위하여, CO2 제거기로부터 도 4에 쇄선으로 나타낸 오프가스 분지덕트
(42)를 통하여 가열수단(22)에 전달된 오프가스를 추가로 사용하여 가열하는 것이 가능하다.
도 5에 나타낸 실시예에 있어서, 환원반응로(1)로부터 배가스 분지덕트(43) 및 컴프레서(44)를 통하여 배
출된 배가스 중 일부는 연소수단(45)에서 연소되고, 프로세스에서 형성된 플루가스 중 최소한 일부는 플
루가스 배출덕트(46)를 통하여 용융가스화로(3)내로 공급된다. 플루가스 배출덕트에는, 예를 들면 석탄
가스화프로세스에 필요한 산소를 가열하는 열회수장치(47)가 배설되는 것이 바람직하다. 이것은 완전 연
소가 매우 고온의 연소온도를 야기하기 때문에, 배가스의 연소가 완전하게 그리고 냉각가스와 후속하여
혼합하지 않고 행해지는 경우 특히 필요하다. 그러나, 연소는 배가스와 상이한 가스의 혼합 후 또는 부
분연소 형태의 경우에도 또한 행해질 수 있다.
산업상이용가능성
본 발명은 명세서에 상세하게 개시된 예시적인 실시예에 한정되는 것이 아니라 여러 가지 점에서 변형될
수 있다. 예를 들면, 그들의 배가스를 모아서 그들을 CO2를 제거한 후 최소한 하나의 다른 환원샤프트로
에 배치할 수 있는 2개 이상의 제1 샤프트로(1)를 배설하는 것이 또한 가능하다. 또한, 환원샤프트로
(20)에서부터 재순환된 배가스를, 환원샤프트로(1)로부터의 배가스용 CO 2 제거기와 독립적으로 운전되는
리포머로서 제작가능한 별개의 설비를 통하여 전달하여 CO2를 제거할 수 있다.
(57) 청구의 범위
청구항 1
괴상 및/또는 펠릿이 바람직한 철광석 및 선택적으로 용제를 포함하는 장입물질로 용융선철 또는 용강 중
간제품을 생산하는 방법에 있어서,
상기 장입물질이 환원대(12)에서 해면철로 직접환원되고, 상기 해면철은 탄소캐리어 및 산소함유가스의
공급으로 용융가스화대(8)에서 용해되는 동시에, 환원가스대(12)내에 취입되는 CO- 및 H2-함유가스가 생성
되어 반응한 후 배가스로서 배출되고, 상기 배가스는 소진기(20)에 전달되며, CO2 함유량은 배가스의 CO2
함유량을 훨씬 초과하되, 바람직하게는 40%를 초과하는 CO2 함유량을 가지며, 또한 CO가 존재하는 경우 CO
함유량이 배가스의 CO 함유량에 훨씬 미달하는 CO2 함유량을 가지는 CO2 함유량이 높은 가스가 상기 용융
가스화대(8) 내에 취입되고, CO가 형성되면 탄소캐리어와의 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 용융선
철 또는 용강 중간제품생산방법.
청구항 2
제1항에 있어서, 상기 배출된 배가스는 CO2가 제거되고, CO2 함유량이 높은CO2의 제거 중에 분리된 오프가
스 중 최소한 일부가 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간
제품 생산방법.
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청구항 3
제1항 또는 제2항에 있어서, CO 2 함유량이 높은 상기 가스는 상기 용융가스화대(8) 내에 형성된 이동층
(38)의 하측 단부영역 내에 취입되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 4
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, CO2 함유량이 높은 상기 가스가 상기 용융가스화대에 전달되는
산소함유가스와 함께 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간
제품 생산방법.
청구항 5
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, CO2 함유량이 높은 상기 가스가 상기 용융가스화대(8)에 공급
될 분진과 함께 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품
생산방법.
청구항 6
제5항에 있어서, CO2 함유량이 높은 상기 가스가 상기 용융가스화대(8)에 형성되는 환원가스로부터 분리되
어 상기 용융가스화대(8)로 재순환될 분진과 함께 상기 용융가스화대(8)내에 취입되는 것을 특징으로 하
는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 7
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융가스화대(8) 내에 공급될 CO2 함유량이 높은 상기 가
스가 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되기 전에 탈황되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제
품 생산방법.
청구항 8
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, CO2가 제거될 상기 배가스는 최소한 하나의 제1 환원대(12)에
형성되고, CO2가 세정된 상기 배가스는 최소한 하나의 다른 환원대(21)에, 선택적으로 가열된 후, 입상의
산화금속함유물질, 바람직하게는 산화철함유물질을 더 환원하기 위한 환원가스로서 사용되어 반응하는 것
을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 9
제8항에 있어서, 상기 가열냉각으로부터 형성되는 상기 플루가스 중 최소한 일부가 상기 용융가스화대(8)
내에 공급되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 10
제8항 또는 제9항에 있어서, CO2 함유량이 높은 CO2의 제거 중에 분리된 오프가스는 가열에 사용되는 것을
특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 11
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다른 환원대(21)에서 반응된 환원가스는 가열에 사용되고,
가열에 의해 형성된 상기 플루가스 중 최소한 일부는 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되는 것을 특징으로
하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 12
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 환원대(12)에 형성된 상기 배가스 중 일부는 최소
한 부분연소되고, 상기 플루가스는 상기 용융가스화대(8) 내에 공급되는 것을 특징으로 하는 용융선철 또
는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 13
제12항에 있어서, 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되기 전에, 상기 플루가스에 냉각가스가 혼합되는 것을
특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 14
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 플루가스가 상기 용융가스화대(8) 내에 취입되기 전에 냉각되어
가스, 바람직하게는 프로세스용으로 기능하는 산소함유가스를 열회수식으로 가열하거나, 또는 수증기를
생성하는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
청구항 15
제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 환원대(21)에 형성된 상기 배가스는 최소한 부분적
으로, 바람직하게는 상기 제1 환원대(12)에서 형성되는 상기 배가스와 혼합 후에 CO2가 제거되고, 이렇게
분리되고 CO2 함유량이 높은 상기 오프가스는 또한 최소한 부분적으로 상기 용융가스화대(8)에 공급되어
CO의 형성으로 탄소와 반응하는 것을 특징으로 하는 용융선철 또는 용강 중간제품 생산방법.
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청구항 16
제1항 내지 제15항에 따른 방법을 실행하는 설비에 있어서,
바람직하게는 괴상 및/또는 펠릿인 철광석용 환원반응로(1), 용융가스화로(3), 상기 용융가스화로(3)와
상기 반응환원로(1)를 연결하는 환원가스용 공급덕트(4), 상기 환원반응로(1)와 상기 용융가스화로(3)를
연결하는 상기 환원반응로(1)에 형성된 환원제품용 이송덕트(13), 상기 환원반응로(1)에서 분기된 배가스
배출덕트(14), 상기 용융가스화로(3)내를 통하는 산소함유가스 및 탄소캐리어용 공급덕트들(6, 7) 및 상
기 용융가스화로(3)에 배설된 선철 및 슬래그용 출탕구(11)를 포함하고,
상기 용융가스화로(3) 내에는 CO 함유량을 가능한 적게 가지며 CO2 함유량이 높은 가스를 전달하는 가스덕
트내로 통하는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 17
제16항에 있어서, 상기 환원반응로(1)의 상기 배가스 배출덕트(14)는 CO2 제거기(17)를 통해 전달되고, 분
리된 CO2함유 오프가스를 배출하는 오프가스공급덕트(36, 37, 37')가 상기 CO2 제거기(17)로부터 상기 용
융가스화로(3)와 유체연통되는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 18
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 가스공급덕트(37, 37')가 대략 상기 용융가스화로(3) 내부에 형성된
유동층(38)의 하측 단부영역 레벨상의 상기 용융가스화로(3)의 하단부에 있는 용융가스화로(3)내로 개방
되는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 19
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급덕트(37)가 산소함유가스용 공급덕트(6)과 함
께 상기 용융가스화로(3) 내로 통하는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 20
제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급덕트(37')가 분진을 상기 용융가스화로(3)에
공급하는 공급덕트과 함께, 바람직하게는 상기 분진을 상기 용융가스화로 내로 장입하는 버너(39)를 통하
여 상기 용융가스화로(3) 내로 통하는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 21
제20항에 있어서, 상기 용융가스화로(3)와 상기 환원반응로(1)를 연결하는 상기 환원가스용 상기 공급덕
트에는, 분진분리기(4')가 배설되어 분진재순환덕트를 상기 용융가스화로(3)와 연결하고, 상기 가스덕트
(37')는 상기 분진재순환덕트와 함께 분진버너(39)를 통하여 상기 용융가스화로(3)내로 통하는 것을 특징
으로 하는 설비.
청구항 22
제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급덕트(36, 37)에는 탈황수단(18)이 배설되는
것을 특징으로 하는 설비.
청구항 23
제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 환원반응로(1)의 상기 배가스 배출덕트(14)을 통
하여 서로 연결되고, 상기 CO2 제거기(17)를 통하여 서로 유체연통되는 2개의 환원반응로(1, 20)가 배설되
고, 상기 CO2 제거기에서 배출되는 배가스는 선택적으로 가열수단(22, 25)을 통하여 상기 제2 환원반응로
(20) 내로 전달되는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 24
제23항에 있어서, 상기 제2 환원반응로(20)의 배가스를 배출하는 이송덕트(29)은 CO2 제거기(17), 바람직
하게는 상기 제2 환원반응로의 상기 배가스용 상기 CO2 제거기(17) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 설
비.
청구항 25
제23항 또는 제24항에 있어서, 오프가스 분지덕트(42)는 상기 CO2 제거기(17)로부터 상기 가열수단(22)내
로 통하여, 가열가스로서 기능하는 오프가스를 공급하고, 플루가스를 배출하는 플루가스 배출덕트(39,
40)는 상기 가열수단(22)으로부터 상기 용융가스화로(3)와 유체연통되는 것을 특징으로 하는 설비.
청구항 26
제16항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 배가스 분지덕트는 상기 배가스 배출덕트로부터 연소수단으
로 유도되고, 플루가스 배출덕트는 상기 연소수단으로부터 상기 용융가스화로(3) 내로 통하는 것을 특징
으로 하는 설비.
청구항 27
제25항 또는 제26항에 있어서, 산소함유가스의 가열용으로 바람직한 열회수장치가 상기 플루가스 배출덕
트에 개재되는 것을 특징으로 하는 설비.
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청구항 28
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 생산된 선철 중간제품 또는 철강 중간제품으로 제작된
철도차량(rolling stock)과 같은 판매가능 제품.
도면
도면1
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도면2
12-10
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도면3
12-11
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도면4
도면5
12-12
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