KR100236199B1 - 엑스자형 순환관을 가진 분철광석의 2단 유동층 환원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입도가 넓은 분철광석을 환원하는 유동층식 환원장치에 관한 것으로써,

가스이용율 향상과 환원율 및 가스소모량을 줄일 수 있는 생산성, 경제성을 고려한 즉 철광석의 환원조업을 최적화할수 있는 X자 순환관을 갖는 2단 유동층식 환원장치를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 분철광석의 유동층식 환원장치에 있어서, 광석호퍼로 부터 장입된 원료 철광석중 미립/극미립광석은 배출하고,중/대립광석은 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 1유동층로; 상기 제1 유동층로에서 배출된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 2유동층로; 상기 제 2유동층로의 배가스에 함유된 극미립철광석이 가스와 분리되어 재순환되도록 구성된 제 1사이클론; 상기 제 1유동층로에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 중/대립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 3유동층로;

상기 제 2유동층로에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 미립/극미립을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 4유동층로; 상기 제 4유동층로의 배가스에 함유된 미립철광석이 가스와 분리되어 제 4유동층로하부로 재 순환되도록 구성된 제 3사이클론을 포함하고, 상기 제1 유동층로와 제2유동층로은 제1 유동층로내의 미/극미립광을 제2유동층로로 배출하고 제2 유동층로내의 미/극미립광을 제1유동층로로 배출하도록 구성되는 제1 X자형 순환관에 의해 연결되어 있고,그리고 상기 제3 유동층로와 제4 유동층로는 제3 유동층로내의 미/극미립광을 제4유동층로로 배출하고 제4 유동층로내의 미/극미립광을 제3유동층로로 배출하도록 구성되는 제2 X자형 순환관에 의해 연결되어 구성되는 X자형 순환관을 갖는 분철광석의 2단 유동층식 환원장치를 그 요지로한다.

Description

엑스 자형 순환관을 가진 분철광석의 2단 유동층 환원장치

본 발명은 입도가 넓은 분철광석을 환원하는 유동층식 환원장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 2단의 트윈형(twin)유동층 환원로에서 고체 상태의 분철광석을 단계적으로 환원시키는 분철광석의 2단 트윈형(twin)유동층 환원장치에 관한 것이다.

현재 철의 원료인 철광석은 매장량의 약 80%가 12mm이하의 분철광석 상태로 존재하며, 이러한 분철광석과 분탄을 직접 사용할 수 있는 유동층을 이용한 용융환원체철법이 차세대 제철공정으로 크게 각광을 받으며 최근 구미, 일본 및 우리나라 등 전세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

기존 고로법은 고체입자의 크기가 커서 고정층법으로 철광석 환원이 가능하지만 미분 광석의 환원경우는 고정층과 같이 유속이 낮을 경우 스티킹(sticking)등으로 인해 조업중단이 발생할 우려가 있으므로 반응기내 통기성 확보를 위해 유속을 충분히 하여 고체입자의 움직임을 원할하게 하는 유동층법이 필수적으로 채택되고 있다.

용융환원법은 철광석을 고체상태에서 천연가스 혹은 석탄가스화 성분인 CO+H₂의 환원성 가스로 환원하는 예비환원공정과 예비환원된 광석을 용융하여 최종환원하는 용융환원 공정으로 구성된다.

이중 예비환원공정으로는 입도분포가 넓은 분철광석을 기존 고로공정에서 철의 원료로 사용하는 소결광 및 펠렛광등과 같이 사전처리없이 직접 사용함으로써 궁극적으로 소결공정의 생략이 가능토록하기 위한 공정이 요구되어 진다.

따라서 원료의 제약성을 극복하고 괴상화하는 중간공정 단계의 부대설비를 생략하고 분철광석을 직접사용함으로써 상당한 원가절감을 가져올 수 있을 것으로 예상된다.

이러한 분철광석의 가스환원에 있어서는 통기성 확보, 반응기내 균일한 온도분포 및 가스와 고체의 접촉면적을 크게하여 반응성을 좋게하기 위해 유동층법이 필수적이다. 현재까지 상업화 공정으로 개발중인 유동층을 이용하여 철광석을 환원하는 대표적인 공정으로서는 일본의 DIOS, 호주의 HISMELT, FIOR Process등이 있다.

상기 유동층을 이용하여 분철광석을 환원하는 환원로의 한 일례로서는 일본공개실용신안공보 소 58-217615의 유동층 환원로를 들 수 있다.

상기에 제시된 유동층식 분철광석 환원로는 도 1에 나타낸 바와같이, 구조상 크게 원통형 환원로(111)와, 사이클론(115)으로 나누어지고, 이 원통형 환원로에는 원료 철광석 장입구(112)와 고온환원가스의 도입관(113) 및 환원가스에 의해 환원된 철광석의 배출구(114)로 구성되며, 상기 환원로의 하부내에는 가스분산판(116)이 내장되어 있다.

상기 유동층식 분철광석 환원로를 이용하여 환원하는 과정은 다음과 같다.

상기 원통형 환원로(111)의 하부 가스분산판(116)을 통해 광석유동에 필요한 유량으로 환원가스를 공급하면서 장입구(112)를 통해 분철광석을 보내면 고온의 환원가스와 혼합, 교반되며 반응한다.

이때 일정한 시간이 지난후 유동층 높이가 배출구(114)만큼 올라오면 환원된 분철광석은 배출구(114)를 통해 배출된다. 이때 형성된 유동층의 형태는 원통형 환원로에서 공급되는 환원가스가 기포로 되어 환원로 상부의 입자층을 통과하면서 기포가 성장하는 기포유동층이다.

상기, 유동층 환원로에서는 생산성등 경제적인 측면을 고려하여 원할한 유동상태에서 환원로 외부로 비산되는 미립 철광석의 양을 줄이고, 환원 가소소모량을 최소화하여, 가스이용율을 최대로 하기 위해서는 환원로에 장입되는 원료 철광석의 입도가 엄격히 제한되기 때문에 넓은 입도분포를 지니는 분철광석을 처리할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 도 1에 나타낸 유동층로는 상부와 하부의 직경이 같으므로 넓은 입도분포를 지닌 분철광석에 대해 미분의 비산과 대립의 스티킹(sticking)문제를 동시에 해결할 수 없으므로 입도범위가 제한될 수 밖에 없는 문제점이 있다.

또한 1단의 유동층 장치로 그 가스이용율이 상당히 낮은 문제점이 있다.

상기 종래의 유동층 환원로에 장입되는 철광석의 입도분포는 일반적으로 넓은 범위의 입도를 갖지 못하고 0-0.5mm, -1mm, 1-2mm등 상당히 좁은 입도범위로 제한되어 있다.

그러나 실제로 존재하는 분철광석의 입도는 대부분이 12mm이하이다. 따라서 상기 입도를 가지는 분철광석을 사용하기 위해서는 장입하는 철광석을 미리 규정 입도로 체질하여 분급 사용하거나 규정입도 이하로 분쇄하여 사용해야 함으로써 생산속도저하, 공정 및 추가설비부담으로 인하여 경제적인 면에서 손실을 초래하는 문제점이 있다.

상기 종래의 유동층 환원로로에 대한 제반 문제점을 해결하기 위해 도 2에 나타낸 바와같이 넓은 입도분포를 갖는 철광석의 유동을 안정시키면서 환원율과 가스이용율 및 가스원단위 향상을 도모할 수 있는 싱글(single)형 예열 및 예비환원로 및 트윈(twin)형 최종환원로로 구성된 3단식 유동층식 환원장치가 대한민국 특허출원 94-38980호로 출원된 바 있다.

상기한 대한민국 특허출원 94-38980호에 제시되어 있는 분철광석의 유동층식 예비환원장치는 도2에 나타난 바와같이.호퍼(70)로 부터 공급된 철광석을 건조/예열하도록 구성되는 예열로(10A ); 건조/예열로로 부터 공급된 건조/예열된 광석을 1차환원 하도록 상광하협으로 구성되는 제1환원로(10B );제1환원로(10B)로부터 공급된 1차환원된 철광석을 환원하도록 원통형으로 구성되는 제2환원로(20); 제2환원로(20)로부터 공급된 철광석을 환원하도록 상광하협으로 구성되는 제3환원로(30); 사이클론(40A,40B,60)를 포함하여 구성된다.

상기한 대한민국 특허출원 94-38980호에 제시되어 있는 분철광석의 유동층식 예비환원장치의 경우에 있어서는 싱글(single)형 건조/예열로(10A) 및 1차 예비환원로(10B)는 대립과 미립을 동시에 처리하으로써 대립에 대한 스티킹 발생을 억제하기 위해 상대적으로 높은 유속이 필요하여 입도분포가 12mm이하로 넓은 입도를 대립과 미립을 하나의 반응기에서 처리할 경우에 반응기 외부로 미분입자의 상당한 비산을 초래하며, 사이클론의 부하가 커져 이에 대한 막힘현상과 사이클론으로 재순환될 경우 환원가스와의 접촉시간이 감소하여 환원율에 문제점을 초래하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래 유동층식 환원장치의 제반 문제점을 해결 및 개선시키기 위해 기초적 이론에 근거하여 실험을 행하고, 이를 바탕으로 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 가스이용율 향상과 환원율 및 가스소모량을 줄일수 있는 생산성, 경제성을 고려한 즉 철광석의 환원조업을 최적화할수 있는 X자 순환관을 갖는 2단 유동층식 환원장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 분철광석의 유동층식 환원로를 나타내는 구성도

도 2는 종래의 분철광석의 싱글형(single)+트윈형(twin)의 3단 유동층 환원장치를 나타낸 구성도

도 3은 본 발명에 부합되는 분철광석의 2단 트윈형(twin)유동층 환원장치를 나타낸 구성도

도 4는 평균입경에 따른 분철광석의 최소유동화속도의 변화를 나타내는 그래프

도 5는 반응시간에 따른 밀도 및 환원율 변화를 나타낸 그래프

도 6은 대립에 미분입자의 혼합정도에 따른 최소유동화속도의 영향을 나타낸 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

210...제 1유동층로 211...제 1배출관

212...제 2배출관 214...제 1 순환관

220...제 2유동층로 221...제 3배출관

222...제 4배출관 224...제 2순환관

230...제 3유동층로 231...제 5배출관

232...제 6배출관 234...제 3순환관

240...제 4유동층로 241...제 7배출관

242...제 8배출관 244...제 4순환관

215,225,235,245...제 1,2,3,4 가스 분산판 250...호퍼

260,280,270...제 1,2,3사이클론 400...용융가스화로

본 발명은 분철광석의 유동층식 환원장치에 있어서,

광석호퍼로 부터 장입된 원료 철광석중 미립/극미립광석은 배출하고,중/대립광석은 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 1유동층로;

상기 제1 유동층로에서 배출된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 2유동층로;

상기 제 2유동층로의 배가스에 함유된 극미립철광석이 가스와 분리되어 재순환되도록 구성된 제 1사이클론;

상기 제 1유동층로에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 중/대립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 3유동층로;

상기 제 2유동층로에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 미립/극미립을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 4유동층로;

상기 제 4유동층로의 배가스에 함유된 미립철광석이 가스와 분리되어 제 4유동층로하부로 재 순환되도록 구성된 제 3사이클론을 포함하고,

상기 제1 유동층로와 제2유동층로는 제1 유동층로내의 미/극미립광을 제2유동층로로 배출하고 제2 유동층로내의 미/극미립광을 제1유동층로로 배출하도록 구성되는 제1 X자형 순환관에 의해 연결되어 있고,그리고 상기 제3 유동층로와 제4 유동층로는 제3 유동층로내의 미/극미립광을 제4유동층로로 배출하고 제4 유동층로내의 미/극미립광을 제3유동층로로 배출하도록 구성되는 제2 X자형 순환관에 의해 연결되어 구성되는 X자형 순환관을 갖는 분철광석의 2단 유동층식 환원장치에 관한 것이다.

본 발명은 상기한 대한민국 특허출원 94-38980호에 제시되어 있는 분철광석의 3단 유동층식 예비환원로에 있어 1 단계인 건조 및 예열단계의 환원로를 없애고, 트윈형(twin) 1차 환원로를 설치함으로서 건조, 예열 및 예비환원단계를 동시에 행하고, 대립/중립과 미립/극미립을 나누어 환원시킴으로써, 기존장치와 유사한 환원율을 확보하면서 예열 및 건조에 필요한 반응시간을 줄일 수 있고, 미립과 대립은 최종목적 환원율을 얻는데 반응시간이 다르므로 이를 효과적으로 분리하여 환원 및 배출 가능하며, 더불어 장치 간소화등 경제성을 꾀할수 있다.

즉, 본발명은 철광석 장입후 고온 유동환원 초기에 환원가스에 의해 입도분포가 넓은 12mm이하의 철광석이 유동층 환원로에서 대립과 미립이 효율적으로 분급, 배출되어 비산억제 및 환원철 회수율이 향상된다는 사실과, 대립과 미립을 환원하는데 사용한 환원가스를 재 이용함으로써 가스이용율 향상시키고, 또하 X자형 순환관을 이용함으로써 미분입자를 대립이 존재한 하부로 재순환시킴으로써 대립과 혼합유동되어, 대립입자가 유동할 수 있는 유동속도를 감소시켜 결국 가스소모량을 줄이고 유동을 안정적이고 원할하게 유지할 수 있다는 사실, 건조, 예열/예비환원단계에서의 분화와 밀도감소에 의해 최종환원 단계에서 가스유속을 낮출수 있어 가스원단위를 향상시킬수 있다는 사실, 상대적으로 유동이 원할치 못한 대립입자에 미분을 첨가하면 유동이 원할하게되어 스티킹(Sticking)현상을 막는데 도움을 준다는 사실, 또한 X자형 순환관과 각 유동층 환원로 상부의 미분정체 현상을 제거함으로써 순환관에서 막힘현상 및 상부로 순환되는 미분의 양을 줄여 유동층환원로 및 사이클론에서 부하를 줄여 안정적 조업을 가져오고, 환원로에서 체류시간을 증가시켜 환원율 향상에 도움을 준다는 사실, 건조,예열/예비환원을 동시에 행함으로써 기존의 3단 및 4단 유동층 장치에 비해 장치를 간소함으로써 투자비가 절감된다는 사실에 착안하여 완성된 것이다.

이하 본 발명을 도면에 의해 상세히 설명한다.

도 3에 나타낸 바와같이, 본 발명의 X자 순환관을 가진 2단 유동층로식 환원장치(200)는 제3도관(251)을 통해 광석호퍼(250)로 부터 장입된 원료 철광석중 미립/극미립광석은 배출하고, 중/대립광석은 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 1유동층로(210);

상기 제1 유동층로(210)에서 배출된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 2유동층로(220);

상기 제 2유동층로(220)의 배가스에 함유된 극미립철광석이 가스와 분리되어 재순환되도록 구성된 제 1사이클론(260);

상기 제 1유동층로(210)에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 중/대립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 3유동층로(230);

상기 제 2유동층로(220)에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 4유동층로(240);

상기 제 4유동층로(240)의 배가스에 함유된 미립철광석이 가스와 분리되어 제 4유동층로(240)의 하부로 재 순환되도록 구성된 제2 사이클론(280)을 포함하고,

상기 제1 유동층로(210)와 제2유동층로(220)는 제1 유동층로(210)내의 미/극미립광을 제2유동층로(220)로 배출하고 제2 유동층로(220)내의 미/극미립광을 제1유동층로(210)로 배출하도록 구성되는 제1 X자형 순환관(14,24)에 의해 연결되어 있고,그리고 상기 제3 유동층로(230)와 제4 유동층로(240)는 제3 유동층로(230)내의 미/극미립광을 제4유동층로(240)로 배출하고 제4 유동층로(240)내의 미/극미립광을 제3유동층로(230)로 배출하도록 구성되는 제2 X자형 순환관(34,44)에 의해 연결되어 구성된다.

상기 제 1유동층로(210)는 제 1확대부(210a), 제 1경사부(210b) 및 제 1 축소부(210c)로 구성되고, 상기 제 1축소부(210c)의 하단부에는 상기 제2 사이클론(280)의 배가스를 공급받기 위한 제 1가스공급관(216)이 연결되고, 그 하부내에는 제 1가스분산판(215)이 장착된다.

또한, 상기 제1 확대부(210a)의 측벽에는 제 1배출관(211)이 연결되고, 제 1축소부(210c)의 측벽에는 제 2배출관(212)및 호퍼(50)와 관통 연결되어 있는 제3순환관(251)이 연결되어 있다.

그리고 제 1유동층로(210)의 상부 일측은 제 1순환관(214)을 통해 배출가스와 중/미립 철광석을 제 2유동층로(220)의 하부로 공급하도록 제 2유동층로(220)의 하부 와 연결되어 있다. 이때 제 1순환관(214)에는 미량의 가스공급구(P)를 설치하여 이송되는 분철광석의 막힘을 방지하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제 2유동층로(220)는 제 2확대부(220a), 제 2경사부(220b) 및 제 2축소부(220c)로 구성되고, 상기 제2 축소부(220c)의 하단부에는 상기 제2 사이클론(280)의 배가스를 공급받기 위한 제 2가스공급관(226)이 연결되고, 그 하부내에는 제 2가스분산판(225)이 장착된다,

또한, 상기 제 2확대부(220a)는 제 4도관(261)을 통해 제 1사이클론(260)과 연결되어 있으며,제 1사이클론(260)의 하부에는 제 1순환관(214)과 연통되어 있는 제1극미분 배출관(263)이 연결되어 있다.

따라서, 제 1사이클로(260)은 제 2 유동층로(220)상부로 비산되는 극미분, 바람직하게는 50㎛이하의 극미분을 포집하여 제 1순환관(214)을 통해 제 2유동층로(220)

의 하부로 재 순환시킨다.

상기 제 2확대부(220a)측벽에는 제 1유동층로(210)의 제 1가스분산판(215) 상부의 측벽에 연결되어 있는 제 2순환관(224)이 연결되어 있으며,따라서, 제 2유동층로(220) 의 상부에 정체하는 미분입자, 바람직하게는 50-250㎛범위의 미분입자 혹은 제 2유동층로(220) 상부 밖으로 비산되는 미분입자, 바람직하게는 50㎛이하의 미분입자는 제 2순환관(224)을 통해 제 1유동층로(210)의 제 1가스분산판(215) 상부로 재순환된다.

이때 미분 철광석의 흐름을 원할케하기 위해 제 2순환관(224)에는 가스공급구(P)를 설치하는 것이 바람직하다. 또한 제 2축소부(220c)의 측벽에는 각각 제 3배출관(221)와 제 4배출관(222)연결되어 있다.

본 발명에 있어서는 제1 사이클론(260)에서 배출되는 배가스를 공급받아 극미분광을 포집하기 위한 제3 사이클론(270)을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제 1사이클론(260) 상부는 가스와 철광석을 공급받기 위한 제 5도관(262)을 통해 제 2사이클론(270)과 연결되어 있고, 그 상부에는 배가스를 최종적으로 배출하기 위한 제 6도관(271)이 연결되어 있으며, 그 하부에는 제1 극미분 배출관(263)과 연통되어 있는 제3 극미분 배출관(273)이 연결되어 있다.

상기 제 3유동층로(230)는 제 3확대부(230a), 제 3경사부(230b) 및 제 3축소부(230c)로 구성되고, 상기 제 3축소부(230c)의 하단부에는 환원가스공급원, 바람직하게는 용융가스화로(400)의 배가스를 공급받기 위한 제 3가스공급관(236)이 형성되고, 그 하부내에는 제 3가스분산판(235)이 장착된다.

또한, 상기 제 3확대부(230a)의 측벽에는 제 5배출관(231)이 연결되며, 상기 제 5배출관(231)은 바람직하게는.용융가스화로(100)와 연통된다.

상기 제 3축소부(230c)의 측벽에는 제 1유동층로(210)의 제 1배출관(211) 및 제 2배출관(212)과 연통되어 있는 제7도관(213)이 연결되어 있으며, 따라서,제 1유동층로(210)의 제 1배출관(211) 및 제 2배출관(212)을 통해 배출되는 중/대립의 예비환원된 철광석은 최종환원될 수 있도록 제 7도관(213)을 통해 제3 유동층로(230)로 장입된다.

그리고 제 3유동층로(230)의 상부 일측은 제 3순환관(234)을 통해 배출가스와 중/미립 철광석을 제 4유동층로(240)의 하부로 공급하도록 제 4유동층로(240)의 하부 와 연결되어 있다. 이때 제 3순환관(234)에는 미량의 가스공급구(P)를 설치하여 이송되는 분철광석의 막힘을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제4 유동층로(240)는 제 4확대부(240a), 제 4경사부(240b) 및 제 4축소부(240c)로 구성되고, 상기 제 1축소부(240c)의 하단부에는 환원가스공급원 ,바람직하게는 ,용융가스로(100)의 배가스를 공급받기 위한 제 4가스공급관(246)이 연결되고, 그 하부내에는 제 4가스분산판(245)이 장착된다.

또한, 상기 제 4확대부(240a)는 제 13도관(247)을 통해 제 2사이클론(280)과 연결되어 있으며, 제2 사이클론(280)의 하부에는 제3 순환관(234)과 연통되어 있는 제2극미분 배출관(283)이 연결되어 있다.

따라서,제 2사이클론(280)은 제 4유동층로(240)상부로 비산되는 극미분,바람직하게는, 50㎛이하의 극미분을 포집하여 제 3순환관(234)을통해 제 4유동층로(240) 하부로 재순환시킨다.

상기 제 2사이클론(280)상부에는 제 4유동층로(240)의 배가스를 제 1유동층로(210) 및 제 2유동층로(220)로 공급하기 위한 제 14도관(281) 이 연결되어 있으며,이 제14도관(281)은 상기 제1가스공급관(216)과 상기 제2가스공급관(226)과 연통되어 있다.

상기 제4 확대부(240a)측벽에는 제3 유동층로(230)의 제3 가스분산판(235) 상부의 측벽에 연결되어 있는 제 4순환관(244)이 연결되어 있으며,따라서, 상부에 정체하는 미분입자, 바람직하게는,50-250㎛범위의 미분입자 혹은 제 4유동층로 상부 밖으로 비산되는 미분입자 바람직하게는50㎛이하의 미분입자는 제 4순환관(244)을 통해 제 3유동층로(230)의 제 3가스분산판(235)상부로 재순환된다.

이때 미분 철광석의 흐름을 원할케하기 위해 상기 제 4순환관(244)에는 가스공급구(P)를 설치하는 것이 바람직하다.

또한 제 4축소부(240c)의 측벽에는 제 7배출관(241)과 제 8배출관(242)이 연결되며, 최종환원된 미분철광석이 제 7배출관(241)과 제 8배출관(242)를 통해배출되며, 바람직하게는, 제 12도관(243)을 통해 용융가스화로(400)로 장입되도록 한다.

또한,상기 제4 축소부(240c)의 측벽에는 제 2유동층로(220)의 제 3배출관(221)과 제 4배출관(222)과 연통되어 있는 제 10도관(223)이 연결되어 있으며,따라서,제 2유동층로(220)의 제 3배출관(221)과 제 4배출관(222)를 통해 배출되는 미립/극미립의 예비환원된 철광석은 제 10도관(223)을 통해 4 유동층로(240)로 장입되어 최종환원된다.

상기 제 3유동층로(230) 및 제 4유동층로(240)에 공급되는 환원가스로 용융가스화로(400)의 배가스를 이용하는 경우에는 상기 제3가스공급관(236)과 제2가스공급관(246)은 용융가스화로(400)의 제1가스배출관(402)와 제2가스배출관(403)과 각각 연결된다.

한편, 제 1유동층로(210), 제 2유동층로(220), 제 3유동층로(230) 및 제 4유동층로(240)는 하부에서 철광석의 기포유동을 활발하게 하여 가스이용율을 높이는 한편, 가스원단위가 향상되고 노상부의 내경을 하부보다 크게하여 노상부 유속을 저하시켜 극미립철광석의 비산을 억제하도록 형성되어 있다.

도 3에서, 점선화살표는 가스흐름, 실선화살표는 광석흐름을 나타내고, 굵은 실선화살표는 광석/가스흐름을 나타낸다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 X자형 순환관을 갖는 2단 유동층식 환원장치를 사용하여 분철광석을 환원하는 방법에 대하여 설명한다.

광석 호퍼(250)로 부터 제 1유동층로(210)로 공급된 분철광석중 제1 가스공급관(216)와 제 2가스공급관(226)를 통해 공급된 제2 사이클론(280)의 배가스를 이용하여 대립철광석은 제 1유동층로 축소부(210c), 중립철광석은 제 1유동층로 확대부(210a) 및 경사부(210b), 미립 철광석은 제 2유동층로 축소부(220c), 극미립 철광석은 제 2유동층로 확대부(220a) 및 경사부(220b)에서 각각 기포유동상태를 유지하여 건조, 예열/예비환원을 동시에 한 다음, 중/대립철광석은 제 1배출관(211)과 제 2배출관(212)를 통해 제 3유동층로 축소부(230c)의 제 3가스분산판(235)상부로 공급되고, 미/극립철광석은 제 3배출관(221)와 제 4배출관(222)을 통해 제 4유동층로 축소부(240c)의 제 4가스분산판(245) 상부로 공급된다. 이때 미/극미립 철광석은 제 3유동층로(230)의 상부 확대부(230a)의 순환관을 경유하여 제 8도관(234)을 통해 제 4유동층로(240)의 하부 축소부(240c)의 하부로 공급된다.

상기 제 3유동층로(230) 및 제 4유동층로(240)로 공급된 철광석중 대립철광석,바람직하게는,5-12mm의 대립철광석은 제 3유동층로 축소부(230c), 중립철광석,바람직하게는, 1-5mm의 중립철광석은 제 3유동층로 확대부(230a) 및 경사부(230b),미립철광석,바람직하게는, 0.25mm-1mm의 미립철광석은 제 4유동층로 축소부(240c),극미립철광석,바람직하게는, 0.05-0.25mm의 극미립철광석은 제 4유동층로 확대부(240a) 및 경사부(240b)에 존재하며 기포유동상태를 유지한다. 상기 철광석은 제 3가스 공급관(236)를 통해 공급된 용융가스화로(400)의 배가스에 의해 최종환원된 다음, 중/대립철광석은 각각 제 5배출관(231)과 제 6배출관(232)을 통해 용융가스화로(400)에 공급되고, 미/극미립철광석은 각각 제 7배출관(241)을 통해 용융가스화로(400)에 공급된다.

이때 미/극미립 철광석은 제 3유동층로(230)의 상부 확대부(230a)의 순환관을 경유하여 제 3순환관(234)을 통해 제 4유동층로(240)의 하부 축소부(240c)의 하부로 공급된다.

한편, 본 발명에 있어서는 상기 제 1유동층로(210)에서는 1mm이상의 중/대립이 그리고 제 2유동층로(220)에서는 1mm이하의 미립/극미립이 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 FeO정도까지 예비환원이 동시에 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제 1사이클론(260) 및 제3 사이클론(270)에서는 상기 제 2유동층로(220)의 배가스에 함유된 50㎛이하의 극리밉철광석이 가스와 분리되어 재순환되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제 3유동층로(230)에서는 1mm이상의 중/대립이 그리고 제 4유동층로(240)에서는 1mm 이하의 미립/극미립이 기포유동층을 형성하면서 환원율 약 80-98% 범위의 환원철까지 최종환원되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 2단 유동층식 환원장치를 사용하여 분철광석을 환원하는 경우에 가스유속은 원할한 유동 및 비산량을 고려하여, 중/대립이 존재하는 제 1유동층로(210)의 가스유속은 로내에 체류하는 분철광석의 최소유동화속도의 1.2-2.5배이하, 미립/극미립이 존재하는 제 2유동층로(220)의 가스유속은 최소유동화속도의 1.2-2.0배 이하가 되도록 선정하는 것이 바람직하며, 제 3유동층로(230) 및 4유동층로(240)의 유속은 제 1유동층로(210) 및 제 2유동층로(220)에서 분화되어 입경이 감소하고, 환원에 의한 밀도감소에 의해 분철광석의 유동이 더욱 원할하여 미분의 비산이 증가하는 것을 고려하여, 예비환원이 존재하는 중/대립이 존재하는 제 3유동층로(230)의 가스유속은 로내에 체류하는 분철광석의 최소유동화속도의 1.2-2.0배 이하, 미립/극미립이 존재하는 제 4유동층로(240)의 가스유속은 최소유동화속도의 1.2-1.5배 이하가 되도록 예열/예비환원 단계보다 조금 낮게 선정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 각 유동층에서 분철광석의 유동화속도는 도 4에 나타낸 바와같이 각 입경에 따른 최소유동화 속도를 측정하여 각 유동층로에 존재하는 입자의 평균입경을 기준으로 결정하였다.

그리고, 각 배출구에 미량의 가스공급구(P)를 통해 미량의 고온환원가스를 취입하여, 분 철광석 배출시에 미 반응 철광석의 반응율을 높이고, 또한 이들 도관들이 막히지 않도록 하는 것이 바람직하며, 또 X자형 순환관의 제 1순환관(214), 제 2순환관(224), 제 3순환관(234), 제 4순환관(244)에 형성된 미량의 가스공급구(P)를 통해 미량의 고온환원가스를 취입하여, 유동층 환원로 하부로의 미분 순환을 원활히 하게하고 가스역류 현상 및 현상을 방지하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

(실시예)

하기표 1과 같은 크기를 갖는 도 3의 환원장치를 이용하여 하기 표 2에서 표 5까지 나타낸 환원조건으로 환원을 행했다.

유동층 환원로 높이 및 내경
제 1유동층로	축소부내경:50cm확대부내경:94cm경사부+축소부 높이:460cm확대부 높이:280cm
제 2유동층로	축소부내경:205cm확대부내경:425cm경사부+축소부 높이:1900cm확대부 높이:1300cm
제 3유동층로	축소부내경:58cm확대부내경:105cm경사부+축소부 높이:450cm확대부 높이:310cm
제 4유동층로	축소부내경:246cm확대부내경:495cm경사부+축소부 높이:2100cm확대부 높이:1400cm

유동층 환원로내 입경범위
제 1유동층로	확대부 입경(중립):1~5mm축소부 입경(대립):5~12mm
제 2유동층로	확대부 입경(중립):0.05~0.25mm축소부 입경(대립):0.25~1.0mm
제 3유동층로	확대부 입경(중립):1~5mm축소부 입경(대립):5~12mm
제 4유동층로	확대부 입경(중립):0.05~0.25mm축소부 입경(대립):0.25~1.0mm

환원가스 성분, 온도 및 압력
1.화학적 조성	T.Fe:63.49, FeO:0.49, SiO2:4.32
2.입도분포	-0.05mm:4.2%, 0.05-0.15mm:5.8%,0.15-0.5mm:15.6%, 0.5-4,75mm:57.4%,4.75-8mm:12.3%, 8-12mm:4.7%

환원가스 성분, 온도 및 압력
1.가스조성	CO:65%, H2:25, CO2:5%, Ar:5%
2.온도	약 850℃
3.반응시간	예열/예비환원:20분최종환원:30분
4.압력	1,2 기압(절대압)

유동층 환원로내 고온가스유속
제 1유동층로	확대부 유속:3.53m/s축소부 유속:12.45m/s
제 2유동층로	확대부 유속:0.22m/s축소부 유속:0.84m/s
제 3유동층로	확대부 유속:2.81m/s축소부 유속:9.30m/s
제 4유동층로	확대부 유속:0.14m/s축소부 유속:0.59m/s

상기와 같이 분철광석을 유동 환원한후, 평균가스이용율 및 가스원단위를 조사한 결과, 평균가스이용율은 약 33%로 기존 유동설비의 20-25%에 비해 우수하였으며, 가스원단위는 약 1200Nm³/ton-ore이었다. 또한 대립과 미립을 입도별로 처리함으로써 효율적인 분급 및 배출이 가능하였고, 예비환원후 제 1배출관(211), 제 2배출관(212)에서 평균환원율은 30-32%, 제 3배출관(221) 및 제 4배출관(222)에서 평균환원율은 34-37%이었고, 최종환원후 제 5배출관(231), 제 6배출관(232)에서 평균환원율은 88-92%, 제 7배출관(241) 및 제 8배출관(242)에서 평균환원율은 93-97%로 미립철광석의 환원율이 다소 높았음을 알 수 있었다.

광석호퍼(250)로 부터 광석투입후 50분 이내 즉 한 개의 반응기내에서 평균 잔류시간이 25분 이내에 광석배출이 가능하였으며, 이로써 환원철의 생산속도가 우수함을 알 수 있었다.

도 5는 상기 주어진 조건에서 예열/예비환원과 최종환원단계를 거치는 동안 밀도변화와 환원율 변화를 나타낸 것으로 밀도는 언급한 바와 같이 시간에 따라 감소함을 보이고, 환원율은 최종환원후 95% 이상으로 상기 시스템에서 우수한 반응성을 보였다.

도 6은 미분입자의 혼합정도에 따른 입자의 최소유동화속도를 나타낸 것으로, 상기 결과로부터 전술한 바와 같이 미분입자의 대립입자와의 혼합정도가 많을수록 입자의 최소유동화속도가 감소함을 알 수 있었다. 따라서 본 발명에서 목적하는 바와 같이 X자형 순환관을 통해 미분을 중/대립과 혼합시킴으로써 중/대립철광석의 유동화속도를 줄여 결국 가스소모량을 낮출수 있어 생산성을 향상시킬 수 있었다.

또한 분철광석의 고온유동환원 초기단계 즉 예열 및 예비환원단계를 동시에 행함으로써 장치를 간소화시킬 수 있었고, 중/대립과 미립/극미립을 효율적으로 분급하여 최종환원, 배출시킴으로써, 종래의 트윈(twin)형에서 가스혼합으로 야기된 가스환원력 저하와 고비산 등의 문제점이 개선되었고, 종래의 좁은입도범위의 유동환원과는 달리 12mm 이하의 넓은 입도 범위의 분철광을 처리할 수 있었다.

또한, 각 유동층 상단에 X자형 순환관을 통해 극미립이 정체하는 미분을 재순환함으로써 유동층 상단의 부하를 줄이고, 제 1유동층 및 제 2유동층에 존재하는 중/대립 철광석의 원할한 유동을 도모하여 스티킹(sticking)에 의한 조업중단을 막을 수 있었다.

그리고, 미분입자의 재순환에 의한 대립과의 혼합 및 건조, 예열/예비환원 단계에서의 분화 및 밀도감소에 의해 최종환원 단계에서 가스유속을 낯출수 있었으며, 이는 결국 가스소모량을 낮취 생산성 향상킬 수 있었으며, 트윈(twin)형 2단 유동층을 구성하여 중/대립철광석과 미립/극미립 철광석의 유동환원 및 배출을 효과적으로 처리할 수 있고, 기존 3단 혹은 4단의 유동층에 비해 장치 간소화에 따른 투자비를 절감할 수 있었으며, 조업을 최적화시킬 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 분철광석의 입경과는 크게 관계없이 환원율이 비교적 균일한 환원철을 얻는 동시에 입경별로 분급된 환원철을 얻을수 있어 용해로로 환원철 투입시 투입설비와 투입위치별로 적정크기의 환원철 공급이 가능해지고, 환원가스의 공급유속에 따라 각각의 배출구를 통해 배출되는 환원철의 양과 입경조절이 가능하고, 철광석 로내 체류시간을 제어함으로써 환원율 제어가 가능하고, 또한 2단계 4개의 유동층에서 조업이 모두 기포유동으로 이루어지기 때문에 가스이용율과 가스원단위를 향상시킬수 있음은 물론 장치구조가 간단하여 장시간 조업에서 도관의 막힘이나 비유동화 같은 현상이 방지되는 분철광석의 유동층식 환원장치를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다

Claims (3)

1. 분철광석의 유동층식 환원장치에 있어서.

   제3도관(251)을 통해 광석호퍼(250)로 부터 장입된 원료 철광석중 미립/극미립광석은 배출하고, 중/대립광석은 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 1유동층로(210);

   상기 제1 유동층로(210)에서 배출된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되는 제 2유동층로(220);

   상기 제 2유동층로(220)의 배가스에 함유된 극미립철광석이 가스와 분리되어 제 2유동층로(220)의 하부로 재순환되도록 구성된 제 1사이클론(260);

   상기 제 1유동층로(210)에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 중/대립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 3유동층로(230);

   상기 제 2유동층로(220)에서 배출되는 건조 및 예열과 예비환원된 미립/극미립광석을 공급받아 기포유동층을 형성하면서 최종환원하도록 구성되는 제 4유동층로(240);및

   상기 제 4유동층로(240)의 배가스에 함유된 미립철광석이 가스와 분리되어 제 4유동층로(240)의 하부로 재 순환되도록 구성된 제2 사이클론(280)을 포함하고;

   상기 제 1유동층로(210)는 제 1확대부(210a), 제 1경사부(210b) 및 제 1 축소부(210c)로 구성되고, 상기 제 1축소부(210c)의 하단부에는 상기 제2 사이클론(280)의 배가스를 공급받기 위한 제 1가스공급관(216)이 연결되고, 그 하부내에는 제 1가스분산판(215)이 장착되고, 상기 제1 확대부(210a)의 측벽에는 제 1배출관(211)이 연결되고, 제 1축소부(210c)의 측벽에는 제 2배출관(212)및 호퍼(50)와 관통 연결되어 있는 제3순환관(251)이 연결되며, 제 1유동층로(210)의 상부 일측은 제 1순환관(214)을 통해 배출가스와 중/미립 철광석을 제 2유동층로(220)의 하부로 공급하도록 제 2유동층로(220)의 하부와 연결되고;

   상기 제 2유동층로(220)는 제 2확대부(220a), 제 2경사부(220b) 및 제 2축소부(220c)로 구성되고, 상기 제2 축소부(220c)의 하단부에는 상기 제2 사이클론(280)의 배가스를 공급받기 위한 제 2가스공급관(226)이 연결되고, 그 하부내에는 제 2가스분산판(225)이 장착되고, 상기 제 2확대부(220a)는 제 4도관(261)을 통해 제 1사이클론(260)과 연결되어 있으며,제 1사이클론(260)의 하부에는 제 1순환관(214)과 연통되어 있는 제1극미분 배출관(263)이 연결되어 있고, 상기 제 2확대부(220a)측벽에는 제 1유동층로(210)의 제 1가스분산판(215) 상부의 측벽에 연결되어 있는 제 2순환관(224)이 연결되어 있으며, 제 2축소부(220c)의 측벽에는 각각 제 3배출관(221)와 제 4배출관(222)연결되어 있고;

   상기 제 1사이클론(260) 상부에는제 5도관(262)이 연결되어 있고;

   상기 제 3유동층로(230)는 제 3확대부(230a), 제 3경사부(230b) 및 제 3축소부(230c)로 구성되고, 상기 제 3축소부(230c)의 하단부에는 환원가스를 공급받기 위한 제 3가스공급관(236)이 연결되고, 그 하부내에는 제 3가스분산판(235)이 장착되고, 상기 제 3확대부(230a)의 측벽에는 제 5배출관(231)이 연결되며, 상기 제 3축소부(230c)의 측벽에는 제 1유동층로(210)의 제 1배출관(211) 및 제 2배출관(212)과 연통되어 있는 제7도관(213)이 연결되어 있으며, 제 3유동층로(230)의 상부 일측은 제 3순환관(234)을 통해 배출가스와 중/미립 철광석을 제 4유동층로(240)의 하부로 공급하도록 제 4유동층로(240)의 하부와 연결되어 있고;

   상기 제4 유동층로(240)는 제 4확대부(240a), 제 4경사부(240b) 및 제 4축소부(240c)로 구성되고, 상기 제 1축소부(240c)의 하단부에는 환원가스를 공급받기 위한 제 4가스공급관(246)이 연결되고, 그 하부내에는 제 4가스분산판(245)이 장착되고, 상기 제 4확대부(240a)는 제 13도관(247)을 통해 제 2사이클론(280)과 연결되어 있으며, 제2 사이클론(280)의 하부에는 제3 순환관(234)과 연통되어 있는 제2극미분 배출관(283)이 연결되고;

   상기 제 2사이클론(280)상부에는 제 4유동층로(240)의 배가스를 제 1유동층로(210) 및 제 2유동층로(220)로 공급하기 위한 제 14도관(281) 이 연결되어 있으며,이 제14도관(281)은 상기 제1가스공급관(216)과 상기 제2가스공급관(226)과 연통되고, 상기 제4 확대부(240a)측벽에는 제3 유동층로(230)의 제3 가스분산판(235) 상부의 측벽에 연결되어 있는 제 4순환관(244)이 연결되어 있으며, 제 4축소부(240c)의 측벽에는 제 7배출관(241)과 제 8배출관(242)이 연결되고, 상기 제4 축소부(240c)의 측벽에는 제 2유동층로(220)의 제 3배출관(221)과 제 4배출관(222)과 연통되어 있는 제 10도관(223)이 연결되어 되어 구성됨을 특징으로 하는 X 자형 순환관을 갖는 분철광석의 유동층식 환원장치
2. 제 1항에 있어서,

   제1 사이클론(260)에서 배출되는 배가스를 공급받아 극미분광을 포집하기위한 제3 사이클론(270)을 추가로 구비시키고, 상기 제 1사이클론(260) 상부는 가스와 철광석을 공급받기 위한 제 5도관(262)을 통해 제 2사이클론(270)과 연결되어 있고, 그 상부에는 배가스를 최종적으로 배출하기 위한 제 6도관(271)이 연결되어 있으며, 그 하부에는 제1 극미분 배출관(263)과 연통되어 있는 제3 극미분 배출관(273)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 X 자형 순환관을 갖는 분철광석의 유동층식 환원장치
3. 제 1항또는 제2항에 있어서,

   상기 제 1유동층로(210)와 제 2유동층로(220)는 상기 제 1유동층로(210)에서는 1mm이상의 중/대립이 그리고 제 2유동층로(220)에서는 1mm이하의 미립/극미립이 각각 기포유동층을 형성하면서 건조 및 예열과 FeO정도까지 예비환원이 동시에 이루어지도록 구성되고,

   상기 제 3유동층로(230) 및 제 4유동층로(240)는 공급된 철광석중 5-12mm의 대립철광석은 제 3유동층로 축소부(230c), 1-5mm의 중립철광석은 제 3유동층로 확대부(230a) 및 경사부(230b), 0.25mm-1mm의 미립철광석은 제 4유동층로 축소부(240c), 0.05-0.25mm의 극미립철광석은 제 4유동층로 확대부(240a) 및 경사부(240b)에 존재하여 기포유동상태를 유지하면서 환원율 약 80-98% 범위의 환원철까지 최종환원되도록 구성됨을 특징으로 하는 X 자형 순환관을 갖는 분철광석의 유동층식 환원장치

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