KR101121197B1

KR101121197B1 - 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용융가스화로에 미분탄재를 취입하는 용철제조장치 및 그 용철제조방법

Info

Publication number: KR101121197B1
Application number: KR1020050033775A
Authority: KR
Inventors: 권영철; 허남석; 박영도; 김학동
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2012-03-23
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: CN101956036B; MX2007000981A; ATE523606T1; CN102605131B; CN102605130B; KR20060047450A; CN101956036A; ZA200509417B; US7662210B2; CN101935733A; RU2007105966A; EP2290110B1; EP2290110A1; CN102605130A; CN102605131A; US20080295647A1; CN101935733B; UA85248C2; JP2011047053A; RU2346058C2

Abstract

본 발명은 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하는 용철제조장치 및 그 용철제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 용철제조방법은, 철광석 함유 혼합체를 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계, 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 괴상 탄재를 준비하는 단계, 괴상 탄재를 용융가스화로에 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계, 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 미분 탄재를 준비하는 단계, 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 산소와 미분 탄재를 석탄충전층에 취입하는 단계, 환원체를 환원로와 연결된 용융가스화로에 장입하여 용철을 제조하는 단계, 그리고 괴상 탄재와 미분 탄재에 포함된 휘발분으로부터 생성된 용융가스화로내의 환원 가스를 환원로에 공급하는 단계를 포함한다.

미분 탄재, 취입, 용철제조장치, 용철제조방법

Description

일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하는 용철제조장치 및 그 용철제조방법 {APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRONS DIRECTLY USING RAW COALS AND FINE ORES BY INJECTING FINE CARBONEOUS MATERIALS INTO A MELTER-GASIFIER AND THE METHOD USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 사시도이다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 용철제조장치의 개략적인 사시도이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예 내지 제5 실시예에 따른 용철제조장치의 미분탄재 취입 개념도이다.

도 7은 본 발명의 제1 실험예에 따른 미분 탄재 취입량과 CH₄ 가스의 감소량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 제2 실험예에 따른 CH₄ 가스량과 환원 가스의 산화도와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 제3 실험예에 따른 환원 가스의 산화도와 환원체의 환원률 과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명에 따른 용철 제조시 미분 탄재 취입에 따른 연료 저감 효과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 일반탄 및 분철광석을 직접 사용하는 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하는 용철제조장치 및 그 용철제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료 상태의 일반탄 및 분철광석을 용융가스화로에 장입하고 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하여 용철을 제조하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

철강 산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등의 전체 산업에 기초 소재를 공급하는 핵심기간산업으로서, 인류의 발전과 함께하여 온 가장 역사가 오래된 산업중의 하나이다. 철강 산업의 중추적인 역할을 담당하는 제철소에서는 원료로서 철광석 및 석탄을 이용하여 용융 상태의 선철인 용철을 제조한 다음, 이로부터 강을 제조하여 각 수요처에 공급하고 있다.

현재, 전세계 철생산량의 60% 정도가 14세기부터 개발된 고로법으로부터 생산되고 있다. 고로법은 소결 과정을 거친 철광석과 유연탄을 원료로 하여 제조한 코우크스 등을 고로에 함께 넣고 산소를 불어넣어 철광석을 철로 환원하여 용철을 제조하는 방법이다. 용철생산설비의 대종을 이루고 있는 고로법은 그 반응 특성상 일정 수준 이상의 강도를 보유하고 노내 통기성 확보를 보장할 수 있는 입도를 보 유한 원료를 요구하므로, 전술한 바와 같이, 연료 및 환원제로 사용하는 탄소원으로는 특정 원료탄을 가공처리한 코우크스에 의존하며, 철원으로는 일련의 괴상화 공정을 거친 소결광에 주로 의존하고 있다. 이에 따라 현재의 고로법에서는 코우크스 제조설비 및 소결설비 등의 원료예비처리설비가 반드시 수반되므로, 고로 이외의 부대설비를 구축해야 할 필요가 있을 뿐만 아니라 부대설비에서 발생하는 제반 환경오염물질에 대한 환경오염방지설비의 설치 필요로 인하여 투자 비용이 다량으로 소모되어 제조원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.

이러한 고로법의 문제점을 해결하기 위하여, 세계 각국의 제철소에서는 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하고, 철원으로는 전세계 광석 생산량의 80% 이상을 점유하는 분광을 직접 사용하여 용철을 제조하는 용융환원제철법의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

미국특허공보 제5,534,046호는 일반탄 및 분광을 직접 사용하는 용철제조설비를 개시하고 있다. 미국특허공보 제5,534,046호에 개시된 용철제조장치는 기포유동층이 형성된 3단의 유동환원로와 여기에 연결된 용융가스화로로 이루어져 있다. 상온의 분광 및 부원료는 최초의 유동환원로에 장입된 다음, 3단의 유동환원로를 차례로 거친다. 3단의 유동환원로에는 용융가스화로로부터 고온환원가스가 공급되므로, 상온의 분광 및 부원료가 고온환원가스와 접촉하여 승온된다. 이와 동시에, 상온의 분광 및 부원료는 90% 이상 환원되고, 30% 이상 소성되어 용융가스화로내로 장입된다.

용융가스화로내에는 석탄으로 이루어진 석탄충전층이 형성되어 있어서, 상 온의 분광 및 부원료가 석탄충전층내에서 용융 및 슬래깅(slagging)되어 용철 및 슬래그로 배출된다. 용융가스화로 외벽에 설치된 다수의 풍구를 통해 산소가 취입되어 석탄충전층을 연소하면서 고온의 환원가스로 전환되어 유동환원로로 보내져 상온의 분광 및 부원료를 환원한 후 외부로 배출된다.

용융가스화로의 상부를 통하여 전량 장입되는 괴상 석탄은, 1000℃ 정도의 고온으로 유지되는 용융가스화로의 돔(dome)부에서 낙하하는 중에 급격한 열충격으로 분화된다. 이 경우, 다량의 탄소 성분이 포함된 더스트가 다량 발생한다. 다량의 더스트로 인하여 용융가스화로의 통기성이 악화된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 용융가스화로의 돔부에 더스트 버너를 설치해 더스트를 연소시키면서 산소를 취입한다. 더스트의 연소에 의해 더스트내에 함유된 탄소 성분의 연소열을 이용할 수 있다.

한편, 괴상 석탄은 용융가스화로에 장입되어 돔부에서 급속 가열된다. 괴상 석탄에 함유된 휘발분은 주로 C_nH_m 조성의 사슬형 구조를 가진 열분해 가스나 링 구조의 타르(tar)상으로 1차 열분해된다. 휘발분은 1차 열분해 후에 다시 CO 및 H₂ 가스 등의 환원 가스로 분해된다. 열분해 과정에 필요한 열이 주위로부터 흡수되므로 돔부의 온도가 저하된다. 따라서 온도 저하를 방지하기 위하여 더스트 버너를 통해 더스트 연소에 필요한 산소 이외에 추가 산소를 공급한다. 추가 산소 공급으로 용융가스화로 돔부에 형성되는 환원 가스 일부를 연소시켜서 온도 저하를 방지한다. 이와 같은 연소에도 불구하고, 석탄 열분해 가스나 타르 등의 일부는 완전히 CO 및 H₂로 분해되지 않는다. 따라서 용융가스화로로부터 배출되는 환원 가스내에는 CH₄ 등의 미분해된 탄화수소 함유가스 일부가 포함된다.

전술한 바와 같이 괴상 석탄을 용융가스화로에 장입하는 경우, 휘발분내에 함유된 탄소재의 연소열은 휘발분 자체에서 발생하는 가스의 열분해와 열분해 가스의 승온에 주로 이용된다. 일부 탄소재는 연소열을 발생시키지 않은 상태로 용융가스화로 외부로 배출된다. 따라서 용융가스화로 하부에서는 괴상 석탄에 함유된 전체 탄소재의 양 중에서 휘발분내 탄소재의 양을 제외한 양만이 용융가스화로 하부에서 연소된다. 그러므로 용철 제조에 필요한 열원을 공급하기 위해 필요 이상의 탄소재를 사용해야 한다. 한편, CH₄ 등의 미분해 탄화수소가스가 환원 가스내에 일부 존재한 상태로 용융가스화로로부터 배출된다. 그리고 일부 환원가스는 더스트 버너를 통한 과잉 산소의 투입으로 인해 CO₂ 및 H₂O 등이 함유된 채로 배출된다. 따라서 환원로에 공급되는 환원가스의 환원력이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하여 환원력을 높인 환원 가스를 공급함으로써 용철 제조시의 연료비를 저감하고자 한다.

또한, 본 발명은 미분 탄재를 취입하여 석탄 연소열의 이용 효율을 높인 용철제조장치를 제공하고자 한다.

전술한 문제점을 극복하기 위한 본 발명에 따른 용철제조방법은, 철광석 함유 혼합체를 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계, 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 괴상 탄재를 준비하는 단계, 괴상 탄재를 용융가스화로에 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계, 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 미분 탄재를 준비하는 단계, 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 산소와 미분 탄재를 석탄충전층에 취입하는 단계, 환원체를 환원로와 연결된 용융가스화로에 장입하여 용철을 제조하는 단계, 그리고 괴상 탄재와 미분 탄재에 포함된 휘발분으로부터 생성된 용융가스화로내의 환원 가스를 환원로에 공급하는 단계를 포함한다.

미분 탄재는 8.0wt% 내지 35.0wt%이하의 휘발분을 포함하고, 휘발분은 탄소 및 수소를 포함하는 것이 바람직하다.

미분 탄재의 자유팽윤계수(free swelling index, FSI)가 6.0 이하인 것이 바람직하다.

괴상 탄재는 20.0wt% 내지 35.0wt%의 휘발분을 포함하고, 휘발분은 탄소 및 수소를 포함할 수 있다.

괴상 탄재의 입경은 8mm 내지 35mm인 것이 바람직하다.

괴상 탄재를 준비하는 단계는, 원료탄을 분탄 및 괴탄으로 분급하는 단계와, 괴탄을 고온 가스와 접촉시켜 건조한 괴상 탄재를 준비하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용철제조방법은 분급된 분탄을 미분 탄재로 하여 석탄충전층 에 취입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 용철제조방법은 괴탄을 고온 가스와 접촉시 포집한 미분탄을 이송하여 미분 탄재로 취입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

괴상 탄재는 성형탄을 포함하며, 괴상 탄재를 준비하는 단계는, 원료탄을 분탄 및 괴탄으로 분급하는 단계와, 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

성형탄을 제조하는 단계는, 분탄을 건조하는 단계, 분탄에 바인더를 첨가 및 혼합하는 단계, 그리고 바인더를 첨가 및 혼합한 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 성형탄을 제조하는 단계는, 분탄을 건조하는 단계에서 포집한 미분탄을 이송하여 미분 탄재로 취입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

미분 탄재를 석탄충전층에 취입하는 단계에서, 미분 탄재는 원료탄을 분쇄하여 사용하며 분쇄한 미분 탄재의 입경은 3mm 이하인 것이 바람직하다.

환원 가스를 환원로에 공급하는 단계에서, 환원 가스의 산화도는 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 0% 보다 크고 11.432% 이하가 되도록 감소하는 것이 바람직하다.

미분 탄재의 취입량 증가에 따라 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 양이 감소하며, CH₄ 가스량의 감소에 따라 환원 가스의 산화도가 감소하는 것이 바람직하다.

미분 탄재의 취입량을 x라고 하고, 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 감소량을 y 라고 하는 경우, y = 0.0001x를 실질적으로 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, x의 단위는 kg/t-p이고, y의 단위는 %이며, 0.0001의 단위는 %/(kg/t-p)이다.

용융가스화로내의 CH₄ 가스의 양을 x라고 하고, 환원 가스의 산화도를 y라고 하는 경우, -3.4718 ≤ 1.6653x - y ≤ 1.3824를 실질적으로 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.3824의 단위는 %/vol%이다.

용융가스화로내의 CH₄ 가스량을 x라고 하고, 환원 가스의 산화도를 y라고 하는 경우, 1.6653x - y = -1.1472를 실질적으로 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.6653의 단위는 vol%/%이다.

환원 가스의 산화도를 x라고 하고, 환원체의 환원률을 y라고 하는 경우, y = -2.10x + 103.9를 실질적으로 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, x의 단위는 %이고, y의 단위는 %이며, 103.9의 단위는 %이다.

미분 탄재를 석탄충전층에 취입하는 단계에서, 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 용융가스화로내의 연소 온도가 감소하는 것이 바람직하다.

미분 탄재의 양을 용철 1톤당 50kg씩 증가시킴에 따라 연소 온도는 실질적으로 200℃씩 감소하는 것이 바람직하다.

철광석 함유 혼합체를 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계는, 순차적으로 연결된 다단의 상기 환원로를 통하여 철광석 함유 혼합체를 유동시키면서 환원체로 변환할 수 있다.

전술한 환원체로 변환하는 단계는, 환원체를 용융가스화로에 장입하기 전에 괴성화하는 단계를 더 포함할 수 있다.

환원로는 충전층형 환원로인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용철제조장치는, 철광석 함유 혼합체를 환원하여 환원체로 변환하는 환원로, 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 괴상 탄재를 공급하는 석탄 공급 장치, 환원로에 연결되어 환원체를 장입하고 석탄 공급 장치와 연결되어 괴상 탄재를 장입하며 그 측면에 설치된 풍구를 통해 산소와 함께 휘발분이 포함된 미분 탄재를 취입하여 용철을 제조하는 용융가스화로, 미분 탄재를 공급하는 미분 탄재 공급 장치, 그리고 괴상 탄재와 미분 탄재에 포함된 휘발분으로부터 생성된 용융가스화로내의 환원 가스를 환원로에 공급하는 환원가스 공급관을 포함한다.

미분 탄재의 자유팽윤계수가 6.0 이하인 것이 바람직하다.

괴상 탄재의 입경은 8mm 내지 35mm인 것이 바람직하다.

미분 탄재 공급 장치는, 원료탄을 저장하는 원료탄 저장조, 원료탄 저장조와 연결되어 상기 원료탄을 분쇄하여 미분 탄재를 제조하는 밀(mill), 밀과 연결되어 분쇄 제조된 미분 탄재를 저장하는 미분 탄재 저장조, 미분 탄재 저장조로부터 용 융가스화로로 미분 탄재를 정량 공급하기 위한 균배압 공급 장치, 용융가스화로의 상부에 위치하여 미분 탄재의 공급량을 조절하는 분배기, 그리고 균배압 공급 장치에 연결되어 풍구로 미분 탄재를 공급하는 미분 탄재 공급관을 포함할 수 있다.

다수의 분배기는 각각 다수의 풍구에 연결되고, 미분 탄재는 각 분배기로 균등하게 공급되어 각 풍구로 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 용철제조장치는, 풍구 부근에 설치한 혼합실, 혼합실에 추가 가스를 공급하도록 혼합실에 연결된 추가 가스 공급관, 그리고 혼합실과 풍구를 연결하여 미분 탄재를 취입하는 미분 탄재 취입관을 더 포함할 수 있다. 혼합실은 미분 탄재 공급 장치와 연결되어 미분 탄재 공급 장치로부터 공급받은 미분 탄재를 추가 가스를 이용해 미분 탄재 취입관을 통하여 용융가스화로에 취입할 수 있다.

미분 탄재는 수송 가스와 함께 혼합실에 공급될 수 있다.

추가 가스 공급관으로부터 공급되는 추가 가스 유량을 조절하여 미분 탄재 취입관으로부터 배출되는 미분 탄재의 유속을 40~70m/sec로 조절하는 것이 바람직하다.

추가 가스로서 연소성 가스를 사용할 수 있다.

추가 가스 공급관은 미분 탄재 취입관과 30°내지 90°의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

석탄 공급 장치는 분탄을 성형하여 제조한 성형탄을 공급하는 성형탄 제조 장치를 포함할 수 있다.

성형탄 제조 장치는, 분탄을 건조하는 건조기, 건조기에서 발생하는 미분탄 을 포집하는 분진 제거기(dust separator), 건조기와 연결되고 건조된 분탄과 바인더를 첨가 및 혼합하는 혼합기, 그리고 혼합기와 연결되고 바인더를 첨가 및 혼합한 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 한 쌍의 롤(roll)을 포함할 수 있다.

분진 제거기는 포집된 분진을 미분 탄재로서 미분 탄재 취입 장치에 공급할 수 있다.

미분 탄재 공급 장치는 성형탄 제조 장치에 연결되어, 성형탄 제조 장치로부터 미분 탄재를 공급받을 수 있다.

환원로는 순차적으로 연결된 다단의 유동 환원로일 수 있다.

본 발명에 따른 용철제조장치는, 환원로에 연결되어 환원체를 괴성화하는 괴성체 제조 장치를 더 포함하며, 괴성체 제조 장치에서 제조한 괴성체를 용융가스화로에 공급할 수 있다.

환원로는 충전층형 환원로일 수 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이러한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

도 1에서는 용융가스화로(20)에 미분 탄재를 취입하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 여기서, 탄재는 카본(carbon)을 함유한 물질을 의미한다. 미분 탄재는 풍구(202)를 통하여 산소(O₂)와 함께 용융가스화로(20)에 취입된다.

미분 탄재를 취입하여 미분 탄재내의 휘발분 및 고정 탄소내에 포함된 탄소 재를 전량 연소시킨다. 탄소재의 전량 연소시의 연소열을 용철 제조에 사용한다. 그리고 미분 탄재를 고온으로 연소시켜 CO 및 H₂ 등으로만 이루어진 다량의 고온 환원가스를 생성한다. 다량의 고온 환원가스는 용융가스화로(20)에 형성된 충전층을 통과하여 용융가스화로(20)의 돔부로 공급된다. 따라서 용융가스화로(20)에 장입되는 괴상 탄재의 열분해에 소요되는 에너지를 공급하여 열분해에 필요한 탄소재 연소열을 감소시킨다. 그리고 미분 탄재 취입에 의해 용융가스화로(20)에 장입되는 괴상 탄재의 양을 감소시킨다. 고로의 미분탄 취입과는 달리 본 발명은 휘발분을 함유한 미분 탄재를 용융가스화로(20)에 취입하여 환원 가스량을 증대시킨다.

미분 탄재 취입에 따라 용융가스화로의 돔부에 설치된 더스트 버너를 통해 공급되는 과잉 산소의 양을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 돔부에서의 환원 가스의 연소량과 미분해 탄화수소의 양도 감소한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 용융가스화로(20) 상부를 통하여 괴상 탄재를 장입하여 석탄충전층을 형성한다. 괴상 탄재는 환원체를 용융하는 열원으로 사용된다. 괴상 탄재는 괴탄 또는 성형탄을 포함할 수 있다.

본 발명에서는 휘발분을 20.0~35.0wt% 함유한 괴상 탄재를 사용한다. 여기서, 휘발분은 탄소 및 수소를 포함한다. 괴상 탄재에 함유된 휘발분이 20.0wt% 미만인 경우, 용융가스화로(20)에서 발생하는 환원 가스의 양이 환원로(52)에서 환원체의 환원에 소요되는 양보다 현저하게 적은 문제점이 있다. 또한, 괴상 탄재에 함유된 휘발분이 35.0wt%를 초과하면 제철용 석탄으로 수급하기 곤란하다. 괴상 탄재는 준역청탄 계열의 일반탄을 사용한다. 괴상 탄재는 원료탄을 분급하여 얻을 수 있으며, 그 입경은 8mm 내지 35mm인 것이 바람직하다. 괴상 탄재의 입경이 8mm 미만이면, 용융가스화로에서 통기성을 확보하기가 어렵다. 또한, 입경이 35mm를 초과하는 괴상 탄재를 제조하면 생산 효율이 저하된다.

한편, 환원로(52)에서는 철광석 함유 혼합체를 환원한다. 환원체를 용융가스화로(20)에 장입하여 용철을 제조한다.

괴상 탄재에 함유된 휘발분 이외에 미분 탄재에 함유된 휘발분을 이용하여 환원 가스를 제조한다. 그러므로 환원력을 증대시킨 환원 가스를 환원로에 공급할 수 있어서 환원체의 환원률을 크게 증가시킬 수 있다. 이에 따라 궁극적으로는 용융가스화로(20)에서의 연료비를 크게 절감할 수 있다.

미분 탄재는 기송에 의해 풍구 전단까지 공급하여 풍구내로 취입한다. 따라서 기송에 적합하도록 미분 탄재내에 함유된 수분을 2.0wt% 이하로 조절한다. 미분 탄재는 8.0wt% 내지 35.0wt%의 휘발분을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 휘발분은 탄소와 산소를 포함한다. 미분 탄재에 함유된 휘발분이 8.0wt% 미만인 경우, 미분 탄재로 인한 환원 가스의 추가 발생량이 미미하다. 또한, 미분 탄재는 기송 건조되므로, 휘발분 함량이 35.0wt%를 초과하기가 어렵다. 미분 탄재로는 휘발분의 함유량이 35.0wt% 이하인 반무연탄 또는 준역청탄을 사용할 수 있다.

한편, 미분 탄재를 취입시 미분 탄재 취입관이 막히지 않도록 하기 위해 미분 탄재의 입도를 제한한다. 미분 탄재는 입도가 3.0mm 이하가 되도록 분쇄하여 사용한다. 또한, 미분 탄재로 인하여 풍구가 막히는 것을 방지하기 위해서 자유팽 윤계수가 6.0 이하인 미분 탄재를 사용한다. 자유팽윤계수가 높을수록 점결력이 증대하므로, 미분 탄재의 점착이 심해진다. 자유팽윤계수가 6.0 이상인 미분 탄재는 건조 과정에서 상호 점착되므로, 기송에 적합한 입도로 분쇄하기 어렵다. 그리고 기송 과정에서 점착에 의해 미분탄재 공급관도 막힐 수 있다.

용융가스화로(20) 하부에 설치한 풍구(202)를 통해서 산소를 공급하고, 산소를 이용하여 석탄충전층을 고온 가열한다. 풍구(202)는 미분탄 공급관(113)과 연결되어 미분탄 공급장치(10)로부터 미분탄을 공급받아 산소와 함께 석탄충전층에 미분탄을 취입한다.

철광석 환원체와 원료탄을 직접 사용하는 용철제조방법에서는 석탄충전층에 산소와 함께 미분 탄재를 취입함으로써 여러가지 이점을 얻을 수 있다. 즉, 용융가스화로(20)의 풍구(202)에 미분 탄재를 취입시 미분 탄재가 연소되면서 미분 탄재에 함유된 휘발분이 완전 연소된다. 따라서, 탄소의 이용 효율을 높이고, 환원 가스의 양을 증대시켜 철광석 함유 환원체의 환원율을 증가시킨다. 그러므로 연료비를 저감할 수 있다. 또한, 완전 연소로 CH₄ 가스의 발생을 방지할 수 있으므로, CH₄ 가스 감소로 인한 산화도를 개선할 수 있다.

본 발명에서는 미분 탄재 취입을 통하여 산화도가 감소된 환원 가스를 용융가스화로(20)로부터 환원로(52)에 공급함으로써 환원체의 환원률을 높일 수 있다. 즉, 용융가스화로(20)에 설치한 풍구(202)를 통하여 미분 탄재를 취입하는 경우, 미분 탄재가 용융가스화로(20)내의 고온 연소대에 직접 접촉하여 완전 연소가 일어 난다. 따라서 미분 탄재에 함유된 휘발분(volatile material, VM)이 탄소(C), 수소(H₂) 및 산소(O₂)로 완전히 분해되어 불완전 연소로 인한 CH₄ 가스의 발생량이 적다. 또한, 다음의 화학식 1과 같은 반응에 의하여 환원에 필요한 다량의 CO 및 H₂가스가 발생한다.

C + CO₂ → 2CO

C + H₂O → H₂ + CO

따라서 다량의 CO 및 H₂가스로 인하여 산화도가 감소된 환원 가스를 용융가스화로로부터 환원로에 공급함으로써 철광석 함유 혼합체를 환원하여 환원체로 변환할 수 있다. 철광석 함유 혼합체는 부원료를 포함할 수 있으므로 환원체의 소성을 돕는다.

한편, 용융가스화로(20)에 미분 탄재를 취입시, 미분 탄재에 함유된 휘발분이 열분해되므로, 용융가스화로(20)내의 연소 온도를 감소시킬 수 있다. 이로써, 용융가스화로(20)의 노열을 쉽게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 용철중의 Si 함량을 저감시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1에 도시한 용철제조장치(100)에서 산소와 함께 취입되는 미분 탄재는 다음과 같은 과정을 거쳐서 제조할 수 있다. 산지에서 채취한 원료탄을 분쇄하여 미분 탄재를 제조하고, 분쇄한 미분 탄재를 산소 취입측으로 이송한다. 다음으로, 미분 탄재를 산소와 혼합하여 용융가스화로(20)의 석탄충전층에 취입한다. 미분 탄재의 취입은 미분 탄재 공급 장치(10)를 통하여 이루어진다.

도 1에 도시한 미분 탄재 공급 장치(10)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 변형된 구조의 미분 탄재 공급 장치를 통하여 용융가스화로(20)에 미분 탄재를 공급할 수 있다. 이하에서는 미분 탄재 공급 장치(10)의 구조에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.

미분 탄재 공급 장치(10)는, 원료탄 저장조(101), 밀(mill)(102), 미분 탄재 저장조(104), 균배압 공급 장치(110), 분배기(108) 및 미분 탄재 공급관(113)을 포함한다. 이외에 필요에 따라 다른 장치를 더 포함할 수도 있다.

원료탄 저장조(101)는 원료탄을 저장한다. 다수의 원료탄 저장조(101)를 설치할 수 있다. 이 경우, 각 원료탄 저장조(101)마다 산지가 다른 여러 종류의 석탄을 저장하여 사용할 수 있다.

밀(102)은 원료탄 저장조(101)와 연결되고 원료탄을 분쇄하여 미분 탄재를 제조한다. 분쇄한 미분 탄재의 입도는 3mm 이하인 것이 바람직하다. 미분 탄재의 입도가 3mm를 초과하면, 미분 탄재 취입시 풍구(202)가 막힐 위험이 있다. 미분 탄재 저장조(104)는 밀(102)과 연결되어 분쇄 제조한 미분 탄재를 저장한다.

균배압 공급 장치(110)는 미분 탄재 저장조(104)로부터 용융가스화로(20)로 미분 탄재를 정량 공급한다. 이를 위하여 균배압 공급 장치(110)는 균압조(103), 가압 배출조(105), 차단 밸브(107, 109) 및 정량 공급 장치(111)를 포함한다. 균 압조(103) 및 가압 배출조(105)는 상하로 배치되고, 차단 밸브(107, 109)에 의해 분쇄 제조한 미분 탄재의 공급량을 조절한다.

용융가스화로(20)내의 압력이 큰 점을 감안하여 분배기(108)는 용융가스화로(20)의 상부에 위치한다. 따라서 분배기(108)에서 용융가스화로(20)내로 미분 탄재를 취입하기 위한 압력을 충분히 확보하면서 미분 탄재의 공급량을 조절한다. 미분 탄재 공급관(113)은 분배기(108)를 통하여 균배압 공급 장치(110)와 연결되어 풍구(202)로 미분 탄재를 공급한다.

다수의 풍구(202)와 다수의 분배기(108)를 설치할 수 있다. 다수의 분배기(108)는 각각 다수의 풍구(202)에 연결되고, 미분 탄재는 각 분배기(108)로 균등하게 공급되어 각 풍구(202)로 공급될 수 있다. 균배압 공급 장치(110)는 분배기(108)에 미분 탄재를 균등하게 분배한다.

전술한 각 장치들의 상세한 내부 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명에서는 원료탄을 분급하여 용융가스화로(20)에 취입하는 미분탄으로 사용할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 제2 실시예를 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 2에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 용철제조장치(200)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치와 그 구조가 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 자세한 설명을 생략한다.

원료탄은 분급 장치(111)에 의해 괴탄과 분탄으로 분급된다. 입경이 8mm 이 상인 원료탄은 괴탄으로 분급하고, 입경이 8mm 미만인 원료탄은 분탄으로 분급한다. 이러한 입경 기준은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 입경 기준으로 원료탄을 분급할 수 있다.

괴탄은 건조 장치(115)에서 고온 가스와 접촉하여 건조된다. 건조한 괴상 탄재를 용융가스화로(20)에 장입한다. 건조 장치(115)는 용융가스화로(20)로부터 발생되는 폐열을 이용하여 괴탄을 건조한다. 이외에 다른 방법으로 괴탄을 건조할 수도 있다.

건조 장치(115)에서 괴탄이 고온 가스와 접촉시 포집한 미분탄을 미분탄 이송관(121)을 통하여 원료탄 저장조(101)로 이송한다. 따라서 포집한 미분탄을 미분 탄재로서 용융가스화로(20)에 취입할 수 있다. 또한, 원료탄으로부터 분급된 분탄도 미분 탄재로 사용할 수 있다. 따라서, 용철제조장치(200)는 미분탄 취입용 원료탄 이외에 원료탄으로부터 발생한 분탄을 이용할 수 있어서 분탄 이용 효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

용융가스화로(20)로부터 발생한 환원 가스는 환원 가스 공급관(70)을 통하여 충전층형 환원로(52)에 공급한다. 충전층형 환원로(52)에서 환원된 환원체는 용융가스화로(20)에 공급되어 용융된다.

도 3에 도시한 본 발명의 제3 실시예에 따른 용철제조장치(300)는 성형탄 제조 장치(30)를 포함한다. 성형탄 제조 장치(30)에서 제조한 성형탄을 용융가스화로(20)에 장입한다. 용철제조장치(300)에서 성형탄 제조 장치(30)를 제외한 나머지 부분은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용철제조장치(100)와 유사하므로, 그 자세 한 설명을 생략하고, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타낸다.

용철제조장치(300)는 도 1에 도시한 미분탄 공급 장치를 사용하여 용융가스화로(20)에 미분탄을 공급한다. 도 3에서는 편의상 미분탄 공급 장치를 생략하여 도시한다.

성형탄 제조 장치(30)는 환원체를 용융시킬 열원으로서 분탄을 성형하여 성형탄을 제조한다. 원료탄은 입도선별기(40)를 통하여 입경이 큰 괴탄과 입경이 작은 분탄으로 나누어진다. 괴탄은 괴탄 건조기(42)로 건조된 후 용융가스화로(20)에 바로 장입된다. 분탄은 용융가스화로(20)내에서의 통기성 확보를 위하여 성형탄으로 제조한 후 용융가스화로(20)에 장입한다. 여기서, 괴탄과 분탄은 입경 8mm를 기준으로 하여, 입경 8mm 초과의 괴탄과 입경 8mm 이하의 분탄으로 나눌 수 있다. 이와 같은 입경 기준은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 다른 입경을 기준으로 괴탄과 분탄을 입도 선별할 수 있다.

이와 같이 분탄을 성형하여 제조한 성형탄과 괴탄을 포함하는 괴상 탄재를 준비한다. 괴상 탄재를 용융가스화로(20)에 장입하여 석탄충전층을 형성한다. 여기서, 괴상 탄재를 준비하는 단계는, 원료탄을 괴탄과 분탄으로 분급하는 단계와 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함한다.

성형탄을 제조하는 단계는, 원료탄을 괴탄과 분탄으로 분급하는 단계, 분탄을 건조하는 단계, 분탄에 바인더를 첨가 및 혼합하는 단계, 그리고 바인더를 첨가 및 혼합한 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함한다.

이와 같은 공정을 구현하기 위하여, 성형탄 제조 장치(30)는, 건조기(33), 혼합기(37) 및 한 쌍의 롤(roll)(39)을 포함한다. 이외에 분탄 저장조(31), 바인더 저장조(35) 및 성형탄 저장조(44) 등을 더 포함할 수 있다.

건조기(33)는 분탄을 건조한다. 혼합기(37)는 건조기(33)와 연결되어 바인더 저장조(35)로부터 바인더를 공급받아 건조된 분탄과 바인더를 혼합한다. 한 쌍의 롤(39)은 혼합기(37)와 연결되어 바인더가 혼합된 분탄을 압착하여 성형탄을 제조한다.

분탄 저장조(31)는 분탄을 임시 저장하고, 바인더 저장조(35)는 당밀 등의 바인더를 저장한다. 또한, 성형탄 저장조(44)는 제조한 성형탄을 임시 저장한다. 이외에 필요에 따라 분진 제거기 등 성형탄 제조에 필요한 기타 장치를 포함할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 산지에서 채취한 분상의 원료탄 및 분상의 철광석을 직접 사용하여 용철을 제조할 수 있다. 이하에서는 도 4를 참조하여 이러한 용철제조방법을 좀더 상세하게 설명한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 분상의 원료탄 및 분상의 철광석을 직접 사용하여 용철을 제조할 수도 있다. 도 4는 전술한 공정을 수행하기 위한 본 발명의 제4 실시예에 따른 용철제조장치(400)를 나타낸다. 도 4에 도시한 용철제조장치(400)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다른 구조로 이를 변형할 수도 있으며 기타 다른 장치를 포함할 수 있다.

용철제조장치(400)는 도 3에 도시한 용철제조장치와 그 구조가 유사하므로 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 자세한 설명을 생략한다.

용철제조장치(400)는, 크게 환원로인 유동 환원로(50), 성형탄 제조 장치(30), 용융가스화로(20), 미분탄 공급 장치(10)(도 1에 도시), 및 환원 가스 공급관(70)을 포함한다. 이외에도 용철제조장치(400)는 유동 환원로(50)와 용융가스화로(20) 사이에 연결된 괴성체 제조 장치(60)를 더 포함할 수 있다. 이외에, 용철제조장치(200)는 용철 제조에 필요한 기타 여러 가지 장치를 포함할 수 있다.

기포 유동층이 내부에 형성된 다단의 유동 환원로(50)는 철광석 함유 혼합체를 환원하여 환원체로 변환하도록 순차적으로 연결되어 있다. 각 유동 환원로(50)는 용융가스화로(20)의 석탄충전층으로부터 배출된 환원 가스를 환원 가스 공급관(70)을 통하여 공급받는다. 환원 가스가 유입되어 흐르도록 하면서 미립의 철광석 및 부원료를 통과시켜 환원체로 변환한다. 환원체는 괴성체 제조 장치(60)를 통하여 괴성화될 수 있다. 이와 같이, 제조한 환원체를 용융가스화로(20)에 장입하여 용철로 제조한다.

괴성체 제조 장치(60)는 통기성 확보 및 비산 방지를 위하여 환원체를 괴성화된 환원체로 제조한다. 괴성체 제조 장치(60)는, 장입 호퍼(hopper)(62), 한 쌍의 롤(64), 파쇄기(66), 그리고 환원체 저장조(68)를 포함한다. 이외에, 괴성체 제조 장치(60)는 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다.

장입 호퍼(62)는 철함유 혼합체를 환원한 환원체를 저장한다. 한 쌍의 롤(64)은 환원체를 압착하여 괴성화된 환원체로 제조한다. 파쇄기(66)는 괴성화된 환원체를 적당한 크기로 파쇄한다. 환원체 저장조(68)는 파쇄한 환원체를 임시 저장한다.

고온 균배압 장치(46)는 괴성체 제조 장치(60) 및 용융가스화로(20) 사이에 위치한다. 고온 균배압 장치(46)는 압력 조절을 위하여 용융가스화로(20) 상부에 설치된다. 용융가스화로(20) 내부가 고압이므로, 고온 균배압 장치(46)가 압력을 균일하게 조절하여 파쇄한 환원체를 용융가스화로(20)에 쉽게 장입하도록 한다.

도 5에 도시한 본 발명의 제5 실시예에 따른 용철제조장치(500)에서는 성형탄 제조시에 발생하는 미분탄을 용융가스화로(20)에 취입할 수 있다. 본 발명의 제5 실시예에 따른 용철제조장치(500)의 구조는 도 4에 도시한 용철제조장치의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 자세한 설명을 생략한다.

성형탄 제조 장치(30)는 건조기(33)에서 발생하는 미분탄을 포집하는 분진 제거기(dust separator)(32)를 포함할 수 있다. 분진 제거기(32)는 미분탄 공급 장치(10)와 연결되어 미분탄 공급 장치(10)에 미분탄을 공급한다. 미분탄은 용융가스화로(20)에 산소와 함께 취입된다. 이와 같은 방법을 이용하여, 석탄을 재활용할 수 있다. 따라서 연료비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 분탄의 비산으로 인한 석탄 손실량을 최소화할 수 있다.

전술한 본 발명의 제1 실시예 내지 제5 실시예에서는 미분 탄재 취입을 위하여 풍구(202) 부근에 미분 탄재 취입 장치를 설치한다. 이하에서는 도 6을 통하여 미분 탄재 취입 장치의 개념에 대하여 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 풍구 전단에 혼합실(203)을 구비하여 미분 탄재를 가스와 혼합한 후 풍구측으로 공급한다. 혼합실(203)에는 추가 가스 공급관(115)을 연결하여 일정량의 추가 가스를 공급한다. 미분 탄재는 미분 탄재 공급 장치로부터 미분 탄재 취입관(113)을 통하여 공급된다. 미분 탄재를 추가 가스를 이용하여 용융가스화로에 취입한다.

미분 탄재 취입관(113)을 통하여 산소와 함께 미분 탄재를 풍구로 공급하는 경우, 미분 탄재가 빠르게 연소한다. 따라서 미분 탄재 취입관(113)으로부터의 미분 탄재 배출 유속이 작을 경우, 미분 탄재 연소대가 미분 탄재 취입관(113) 부근에 형성된다. 연소대로부터 복사열이 방출되므로, 복사열에 의해 미분 탄재 취입관(113)이 융착되어 막히는 현상이 발생한다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 추가 가스 공급관(115)를 통하여 추가 가스를 공급한다. 이로써, 미분 탄재 취입관(113)으로부터의 미분 탄재 배출 유속을 빠르게 한다. 따라서 연소대를 미분 탄재 취입관(113)으로부터 먼 곳에 형성한다. 이 경우, 추가 가스 유량을 조절하여 미분 탄재 취입관으로부터 배출되는 미분 탄재의 유속을 40~70m/s로 조절하는 것이 바람직하다. 미분 탄재의 유속이 40m/s 미만이면, 용융가스화로 내부의 압력을 감안시 미분 탄재를 용융가스화로 내부로 취입하기가 어렵다. 또한, 미분 탄재의 유속이 70m/s를 초과하면 생산 효율이 저하되는 문제점이 있다.

추가 가스로는 연소성 가스를 이용할 수 있다. 연소성 가스는 탄화수소, 수소 및 일산화탄소를 포함할 수 있다. 예를 들면 액화천연가스(liquid natural gas, LNG) 및 코크스 오븐 가스(cokes oven gas, COG) 등을 사용할 수 있다. 그리고 본 발명의 제1 실시예 내지 제5 실시예에 따른 용철제조장치에서 발생하는 배가스에서 CO₂ 및 H₂0를 일부 제거한 가스를 이용할 수도 있다.

연소성 가스를 산소와 함께 풍구로 취입하는 경우, 다음의 화학식 2와 같은 연소 반응이 일어난다.

연소성 가스내 (C, H₂) + O₂ → CO₂ + H₂O

여기서 생성되는 CO₂ + H₂O는 미분 탄재 및 풍구 주위에 형성된 석탄 충전층내의 탄소 성분과 전술한 화학식 1과 같이 반응한다. 따라서, 연소성 가스 공급에 의해 풍구에서 발생하는 추가적인 환원 가스를 이용할 수 있다. 또한, 환원 가스의 우선적 연소에 의해 발생하는 열은 미분 탄재의 승온을 가속하여 미분 탄재의 점화 온도까지 도달하는 시간을 단축시킨다. 따라서 미분 탄재의 연소를 촉진할 수 있다.

그리고 연소성 가스의 승온 및 연소 가스내에 함유된 탄화 수소의 열분해에 소요되는 열에 의해 연소대 온도를 낮출 수 있으며, 고온 가스량 발생량을 증대시킬 수 있다. 따라서 풍구 주위의 열 분포를 더욱 넓은 범위에서 균일하게 조절할 수 있다.

추가 가스 공급관(115)과 미분 탄재 취입관(113)이 이루는 각도광판 제조용 금형장치(200)(α)는 30°내지 90°인 것이 바람직하다. 각도(α)가 30°미만인 경우, 추가 가스로 인한 유속이 너무 빨라서 연소가 일어나기 어려울 수 있다. 반대로, 각도(α)가 90°를 넘는 경우, 미분 탄재의 가속이 용이하지 않은 문제점이 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

용융가스화로에 미분 탄재를 취입함에 따른 환원 가스의 환원률 변화를 관찰하고, 용융가스화로내의 연소 온도 변화를 관찰하기 위하여 도 4에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조의 용철제조장치를 대상으로 하여 다음과 같은 실험을 행하였다.

용융가스화로의 풍구를 통하여 온도가 25℃인 산소를 380Nm³/(t-p), 즉, 용철 1톤당 380Nm³/의 산소를 용융가스화로로 불어 넣으면서 미분 탄재 공급 장치를 통하여 미분 탄재의 양을 변화시키면서 취입하였다. 본 발명의 실험예에서 사용한 미분 탄재의 공업분석 및 원소분석 결과는 각각 표 1 및 표 2와 같았다.

실험예 1에서는 전술한 미분 탄재 취입을 통하여 미분 탄재 취입량에 따른 용융가스화로내의 CH₄가스의 감소량을 측정하였고, 실험예 2에서는 용융가스화로내의 CH₄ 가스량에 따른 환원 가스의 산화도를 측정하였다. 실험예 3에서는 환원 가스의 산화도 변화에 따라 환원 가스로 환원되는 환원체의 환원률을 측정하였다. 마지막으로 실험예 4에서는 미분 탄재 취입량 변화에 따른 용융가스화로내의 연소 온도 변화를 측정하였다. 이하에서는 실험예 1 내지 실험예 4에 대하여 상세하게 설명한다.

실험예 1

용융가스화로의 미분 탄재 취입량 증가에 따른 CH₄ 가스의 감소량을 관찰하기 위하여 미분 탄재의 취입량을 50kg/(p-t)로 증가시키면서 그 때마다 용융가스화로내의 CH₄가스량의 감소량을 측정하였다. 미분 탄재 취입전에 용융가스화로내에서 약 4.5 vol%였던 CH₄가스량은 미분 탄재 취입량을 증가시킴에 따라 점차 감소하였다. 미분 탄재 취입량 증가에 따른 용융가스화로내의 CH₄가스 감소량을 나타내면 다음의 표 3과 같다. 여기서, CH₄ 가스 감소량은 최초의 CH₄ 가스량인 4.5vol%에서 측정시의 CH₄ 가스량을 뺀 값이다.

도 7에는 전술한 표 3의 데이터를 그래프화하여 나타내었다. 도 7에서는 미분 탄재 취입량을 x축에, 용융가스화로내의 CH₄ 가스 감소량을 y축에 도시하였다. 도 7에 도시한 바와 같이, 미분 탄재 취입량과 CH₄ 가스 감소량은 선형 관계를 나타내고 있다. 즉, 미분 탄재 취입량에 증가함에 따라 용융가스화로내의 CH₄ 가스가 일정하게 감소되는 것을 알 수 있었다. 도 7에 도시한 바와 같이, 미분 탄재 취입량(x)과 용융가스화로내의 CH₄ 가스 감소량(y)은 다음의 수학식 1을 실질적으로 만족하였다. 즉, 수학식 1과 동일하거나 수학식 1에 가깝게 그 조건을 만족하였다.

y = 0.0001x

여기서, x의 단위는 kg/t-p이고, y의 단위는 %이며, 0.0001의 단위는 %/(kg/t-p)이다.

실험예 1을 통하여, 용융가스화로에 미분 탄재를 취입하는 경우, 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 양을 선형적으로 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

실험예 2

본 발명의 실험예 2에서는 용융가스화로내의 CH₄ 가스량의 감소에 따른 환원 가스의 산화도를 측정하였다. 산화도 측정은 선스펙트럼을 관찰할 수 있는 분광기를 이용하여 실시하였다. 산화도의 측정 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명을 생략한다.

용융가스화로내의 CH₄ 가스량의 변화에 따른 환원 가스의 산화도를 총 67회에 걸쳐서 측정하였으며, 그 결과를 다음의 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 환원 가스의 산화도가 11.432% 이하로 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉, 환원 가스의 산화도는 0% 보다 크고 11.432% 이하가 되도록 감소되어 환원로에 공급되었다. 따라서, 미분 탄재 취입에 따라 CH₄ 가스량이 감소하여, 환원 가스의 산화도가 11.432% 이하로 감소된다는 것을 알 수 있었다.

도 8은 표 4의 데이터를 그래프화하여 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 용융가스화로내의 CH₄ 가스량이 증가함에 따라 환원 가스의 산화도가 증가하는 추이를 관찰할 수 있었다. 즉, 환원 가스의 환원력이 증가하였다. 용융가스화로내의 CH₄ 가스량과 환원 가스의 산화도와의 상관 관계를 도출하기 위하여 최소자승법(linear square method)으로 직선 함수를 구하였다. 최소 자승법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명을 생략한다. 용융가스화로내의 CH₄ 가스량을 x라고 하고, 용융가스화로내의 환원 가스의 산화도를 y라고 하면, 다음의 수학식 2를 실질적으로 만족하는 것을 알 수 있었다. 즉, CH₄ 가스량과 환원 가스의 산화도는 다음의 수학식 2와 동일하거나 수학식 2에 가깝게 그 조건을 만족한다.

1.6653x - y = -1.1472

여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.6653의 단위는 vol%/%이 다.

또한, 상기한 수학식 2의 직선과 기울기가 동일한 직선으로서, 표 4의 데이터 중 상한 및 하한에 해당하는 데이터를 통과하는 직선을 파악하기 위하여 수학식 2의 직선과의 거리가 가장 먼 데이터값을 조사하였다.

그 결과, 표 4에서 NO.2에 해당하는 CH₄ 가스량 2.215vol%와 환원 가스의 산화도 2.307%가 하한치에 해당하였고, NO.51 에 해당하는 CH₄ 가스량 4.107vol%와 환원 가스의 산화도 10.311%가 상한값에 해당하였다.

따라서, 전술한 하한치와 상한치를 통과하면서 전술한 수학식 2의 직선과 기울기가 동일한 직선을 구하여 그 범위를 나타내면 다음의 수학식 3과 같았다. 즉, 용융가스화로내의 CH₄ 가스량(x)과 환원 가스의 산화도(y)는 다음의 수학식 3과 같은 관계를 실질적으로 만족하였다. 즉, 용융가스화로내의 CH₄ 가스량과 환원 가스의 산화도는 다음의 수학식 3과 동일하거나 이에 가깝게 그 조건을 만족한다.

-3.4718 ≤ 1.6653x - y ≤ 1.3824

여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.3824의 단위는 %/vol%임.

수학식 3에 따라 CH₄ 가스량의 감소에 따른 환원 가스의 산화도를 도 8에 빗금으로 나타낸다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실험예 2를 통하여 CH₄ 가스량의 감소에 따라 환원 가스의 산화도도 이에 비례하여 감소한 것을 알 수 있었다. 따라서 미분탄 취입에 의하여 환원 가스의 산화도를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

실험예 3

실험예 3에서는 환원 가스의 산화도에 따른 환원체의 환원률 변화를 그래프화하여 그 추이를 관찰하였다. 즉, 용융가스화로내의 환원 가스의 산화도를 측정하고, 환원 가스가 공급되는 환원로에서 환원된 환원체의 환원률을 측정하여 이를 그래프화하였다. 환원 가스의 산화도 측정은 실험예 2와 동일한 방법으로 실시하였으며, 환원체의 환원률은 환원로를 통과하기 전의 철광석 함유 혼합체와 환원로를 통과한 후의 철광석 함유 혼합체를 상호 비교하여 측정하였다. 이러한 환원 가스의 산화도 측정 및 환원체의 환원률은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 자세한 설명을 생략한다.

도 9는 총 26회 측정을 통하여 용융가스화로내 환원 가스의 산화도를 x축으로, 환원체의 환원률을 y축으로 하여 나타낸다.

도 9에 점으로 나타낸 환원 가스의 산화도와 환원체의 환원률과의 관계를 최소 자승법을 사용하여 직선화함으로써 다음의 수학식 4와 같은 결과를 얻었다. 환원 가스의 산화도(x)와 환원체의 환원률(y)는 다음의 수학식 4를 실질적으로 만족한다. 즉, 환원 가스의 산화도(x)와 환원 가스의 환원률(y)은 다음의 수학식 4와 동일하거나 수학식 4에 가까운 조건을 만족한다.

y = -2.10x + 103.9

여기서, x의 단위는 %이고, y의 단위는 %이며, 103.9의 단위는 %이다.

수학식 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 환원 가스의 산화도가 증가하는 경우 환원체의 환원률이 감소한다. 따라서 용융가스화로에서 환원체를 완전히 환원하는데 걸리는 시간이 줄어들게 되고, 이는 생산성 향상으로 이어진다.

즉, 미분 탄재가 고온의 용융가스화로 중심부로 취입되므로, 완전 연소되면서 미분 탄재내에 함유된 휘발분이 CO 가스 또는 H₂ 가스로 변환된다. 따라서 미연소로 인한 용융가스화로내의 CH₄ 가스량이 감소한다. 또한, CH₄ 가스량이 감소하고 CO 가스 또는 H₂ 가스가 증가되므로, 용융가스화로에서 발생하여 환원로로 공급되는 환원 가스의 양이 증가한다. 따라서 환원 가스의 산화도도 증가하게 된다. 산화도가 증가된 환원 가스가 환원로에 공급되어 환원로를 통과하는 환원체의 환원률을 증가시킨다. 환원률이 증가된 환원체가 용융가스화로에 공급되므로, 괴상 탄재를 용융가스화로에 소량만 장입하여도 최종 환원된 용철을 얻을 수 있다. 즉, 미분 탄재 취입에 따라 용융가스화로에 장입되는 괴상 탄재의 양이 크게 감소하여 연료비가 크게 줄어든다.

실험예 4

실험예 4에서는 미분 탄재 취입에 따른 용융가스화로내의 연소대 온도 변화를 측정하였다. 연소는 단열 과정하에서 진행되며 연소대 외부로는 열손실이 없다는 가정하에 미분 탄재 취입량을 용철 1톤당 50kg씩 늘려가면서 이에 따른 연소대 의 연소 온도를 측정하였다. 연소대의 온도는 용융가스화로에 설치된 열전쌍을 이용하여 측정하였으며, 그 실험 결과를 나타내면 다음의 표 5와 같다.

표 5에 도시한 바와 같이, 미분 탄재의 취입량을 용철 1톤당 50kg씩 증가시킴에 따라 연소대의 연소 온도는 실질적으로 200℃씩 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 연소 온도가 200℃에 가깝게 감소한다.

본 발명의 실험예 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 용융가스화로내의 연소 온도를 크게 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 용융가스화로의 노열 제어가 용이할 뿐만 아니라 용철에 나쁜 영향을 끼치는 용철내 Si 함량을 저감시킬 수 있다. 또한, 미분 탄재 취입 공정은 노열 제어를 위하여 풍구를 통하여 조습을 실시하는 공정을 대체할 수 있다.

도 10에는 미분탄 취입에 따른 연료비와 생산량의 변화를 나타낸다. 도 10에는 미분 탄재 취입(pulverized coal injection, PCI) 이전, 50~80kg/(p-t)의 미분 탄재 취입시 및 80~120kg/(p-t)의 미분 탄재 취입시에 따른 연료비와 생산량의 변화를 나타낸다. 동일한 양의 용철을 생산한다고 가정하면, 미분 탄재 취입에 따라 연료비가 크게 저감하는 것을 알 수 있다. 즉, 용철 1톤당 미분 탄재를 100kg 취입시에 연료비는 용철 1톤당 약 30kg 저하되는 것을 알 수 있었다.

이와 같이 미분 탄재를 취입하면, 미분 탄재에 함유된 휘발분이 완전 연소되므로 용융가스화로내의 환원 가스의 양이 증가된다. 이와 같이 환원 가스가 증대되어 환원로에 공급되므로, 환원로를 통과하는 환원체의 환원률이 증가시킬 수 잇다. 따라서 용융가스화로에서는 최종 환원을 위하여 장입되는 괴상 탄재의 양을 줄일 수 있다. 즉, 연료비가 절감되는 효과가 있다.

또한, 용융가스화로의 풍구를 통하여 산소와 함께 미분 탄재를 취입함으로써, 용융가스화로내의 연소 온도 조정이 가능하고, 노열을 미세 조정할 수 있을 뿐만 아니라 석탄충전층을 안정화시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 미분 탄재 취입시에 용융가스화로내 장입물의 체류 시간이 늘어나 돔부의 온도를 자연스럽게 증가시킴으로써, 용융가스화로내에 설치한 더스트 버너의 산소 유량을 줄일 수 있다. 이에 따라 환원 가스의 재산화율을 감소시켜 환원에 유리한 환원 가스를 얻을 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims

철광석 함유 혼합체를 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계,

상기 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 괴상 탄재를 준비하는 단계,

상기 괴상 탄재를 용융가스화로에 장입하여 석탄충전층을 형성하는 단계,

상기 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 미분 탄재를 준비하는 단계,

상기 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 산소와 상기 미분 탄재를 상기 석탄충전층에 취입하는 단계,

상기 환원체를 상기 환원로와 연결된 상기 용융가스화로에 장입하여 용철을 제조하는 단계, 및

상기 괴상 탄재와 상기 미분 탄재에 포함된 휘발분으로부터 생성된 상기 용융가스화로내의 환원 가스를 상기 환원로에 공급하는 단계

를 포함하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 미분 탄재는 8.0wt% 내지 35.0wt%의 휘발분을 포함하고, 상기 휘발분은 탄소 및 수소를 포함하는 용철제조방법.
제2항에서,

상기 미분 탄재의 자유팽윤계수(free swelling index, FSI)가 6.0 이하인 용철제조방법.
제1항에서,

상기 괴상 탄재는 20.0wt% 내지 35.0wt%의 휘발분을 포함하고, 상기 휘발분은 탄소 및 수소를 포함하는 용철제조방법.
제4항에서,

상기 괴상 탄재의 입경은 8mm 내지 35mm인 용철제조방법.
제1항에서,

상기 괴상 탄재를 준비하는 단계는,

원료탄을 분탄 및 괴탄으로 분급하는 단계, 및

상기 괴탄을 고온 가스와 접촉시켜 건조한 괴상 탄재를 준비하는 단계

를 포함하는 용철제조방법.
제6항에서,

상기 분급된 분탄을 상기 미분 탄재로 하여 상기 석탄충전층에 취입하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
제6항에서,

상기 괴탄을 고온 가스와 접촉시 포집한 미분탄을 이송하여 상기 미분 탄재로 취입하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 괴상 탄재는 성형탄을 포함하며, 상기 괴상 탄재를 준비하는 단계는,

원료탄을 분탄 및 괴탄으로 분급하는 단계, 및

상기 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계

를 포함하는 용철제조방법.
제9항에서,

상기 성형탄을 제조하는 단계는,

상기 분탄을 건조하는 단계,

상기 분탄에 바인더를 첨가 및 혼합하는 단계, 및

상기 바인더를 첨가 및 혼합한 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계

를 포함하는 용철제조방법.
제10항에서,

상기 분탄을 건조하는 단계에서 포집한 미분탄을 이송하여 상기 미분 탄재로 취입하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 미분 탄재를 상기 석탄충전층에 취입하는 단계에서,

상기 미분 탄재는 원료탄을 분쇄하여 사용하며, 상기 분쇄한 미분 탄재의 입경은 3mm 이하인 용철제조방법.
제1항에서,

상기 미분 탄재를 상기 석탄충전층에 취입하는 단계에서, 상기 석탄충전층에 취입하는 상기 미분 탄재의 유속을 40~70m/sec로 조절하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 환원 가스를 상기 환원로에 공급하는 단계에서, 상기 환원 가스의 산화도는 상기 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 0% 보다 크고 11.432% 이하가 되도록 감소하는 용철제조방법.
제14항에서,

상기 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 상기 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 양이 감소하며, 상기 CH₄ 가스량의 감소에 따라 상기 환원 가스의 산화도가 감소하는 용철제조방법.
제15항에서,

상기 미분 탄재의 취입량을 x라고 하고, 상기 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 감소량을 y라고 하는 경우, y = 0.0001x를 실질적으로 만족하는 용철제조방법.

여기서, x의 단위는 kg/t-p이고, y의 단위는 %이며, 0.0001의 단위는 %/(kg/t-p)임.
제15항에서,

상기 용융가스화로내의 CH₄ 가스의 양을 x라고 하고, 상기 환원 가스의 산화도를 y라고 하는 경우, -3.4718 ≤ 1.6653x - y ≤ 1.3824를 실질적으로 만족하는 용철제조방법.

여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.3824의 단위는 %/vol%임.
제15항에서,

상기 용융가스화로내의 CH₄ 가스량을 x라고 하고, 상기 환원 가스의 산화도를 y라고 하는 경우, 1.6653x - y = -1.1472를 실질적으로 만족하는 용철제조방법.

여기서, x의 단위는 vol%이고, y의 단위는 %이며, 1.6653의 단위는 vol%/% 임.
제15항에서,

상기 환원 가스의 산화도를 x라고 하고, 상기 환원체의 환원률을 y라고 하는 경우, y = -2.10x + 103.9를 실질적으로 만족하는 용철제조방법.

여기서, x의 단위는 %이고, y의 단위는 %이며, 103.9의 단위는 %임.
제1항에서,

상기 미분 탄재를 상기 석탄충전층에 취입하는 단계에서, 상기 미분 탄재의 취입량 증가에 따라 상기 용융가스화로내의 연소 온도가 감소하는 용철제조방법.
제20항에서,

상기 미분 탄재의 양을 용철 1톤당 50kg씩 증가시킴에 따라 상기 연소 온도는 실질적으로 200℃씩 감소하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 철광석 함유 혼합체를 환원로에서 환원하여 환원체로 변환하는 단계는,

순차적으로 연결된 다단의 상기 환원로를 통하여 상기 철광석 함유 혼합체를 유동시키면서 환원체로 변환하는 용철제조방법.
제22항에서,

상기 환원체를 상기 용융가스화로에 장입하기 전에 괴성화하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
제1항에서,

상기 환원로는 충전층형 환원로인 용철제조방법.
철광석 함유 혼합체를 환원하여 환원체로 변환하는 환원로,

상기 환원체를 용융하는 열원으로서 휘발분이 포함된 괴상 탄재를 공급하는 석탄 공급 장치,

상기 환원로에 연결되어 상기 환원체를 장입하고, 상기 석탄 공급 장치와 연결되어 괴상 탄재를 장입하며, 그 측면에 설치된 풍구를 통해 산소와 함께 휘발분이 포함된 미분 탄재를 취입하여 용철을 제조하는 용융가스화로,

상기 미분 탄재를 공급하는 미분 탄재 공급 장치, 및

상기 괴상 탄재와 상기 미분 탄재에 포함된 휘발분으로부터 생성된 상기 용융가스화로내의 환원 가스를 상기 환원로에 공급하는 환원가스 공급관

을 포함하는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 미분 탄재는 8.0wt% 내지 35.0wt%이하의 휘발분을 포함하고, 상기 휘발 분은 탄소 및 수소를 포함하는 용철제조장치.
제26항에서,

상기 미분 탄재의 자유팽윤계수가 6.0 이하인 용철제조장치.
제25항에서,

상기 괴상 탄재는 20.0wt% 내지 35.0wt%의 휘발분을 포함하고, 상기 휘발분은 탄소 및 수소를 포함하는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 괴상 탄재의 입경은 8mm 내지 35mm인 용철제조장치.
제25항에서,

상기 미분 탄재 공급 장치는,

원료탄을 저장하는 원료탄 저장조,

상기 원료탄 저장조와 연결되어 상기 원료탄을 분쇄하여 미분 탄재를 제조하는 밀(mill),

상기 밀과 연결되어 분쇄 제조된 미분 탄재를 저장하는 미분 탄재 저장조,

상기 미분 탄재 저장조로부터 상기 용융가스화로로 미분 탄재를 정량 공급하기 위한 균배압 공급 장치,

상기 용융가스화로의 상부에 위치하여 상기 미분 탄재의 공급량을 조절하는 분배기, 및

상기 균배압 공급 장치에 연결되어 상기 풍구로 미분 탄재를 공급하는 미분 탄재 공급관

을 포함하는 용철제조장치.
제30항에서,

다수의 상기 분배기는 각각 다수의 풍구에 연결되고, 상기 미분 탄재는 상기 각 분배기로 균등하게 공급되어 각 풍구로 공급되는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 풍구 부근에 설치한 혼합실,

상기 혼합실에 추가 가스를 공급하도록 상기 혼합실에 연결된 추가 가스 공급관, 및

상기 혼합실과 상기 풍구를 연결하여 상기 미분 탄재를 취입하는 미분 탄재 취입관

을 더 포함하고,

상기 혼합실은 상기 미분 탄재 공급 장치와 연결되어 상기 미분 탄재 공급 장치로부터 공급받은 미분 탄재를 상기 추가 가스를 이용해 상기 미분 탄재 취입관을 통하여 상기 용융가스화로에 취입하는 용철제조장치.
제32항에서,

상기 미분 탄재는 수송 가스와 함께 상기 혼합실에 공급되는 용철제조장치.
제32항에서,

상기 추가 가스 공급관으로부터 공급되는 추가 가스 유량을 조절하여 상기 미분 탄재 취입관으로부터 배출되는 미분 탄재의 유속을 40~70m/sec로 조절하는 용철제조장치.
제32항에서,

상기 추가 가스로서 연소성 가스를 사용하는 용철제조장치.
제32항에서,

상기 추가 가스 공급관은 상기 미분 탄재 취입관과 30°내지 90°의 각도를 이루는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 석탄 공급 장치는 분탄을 성형하여 제조한 성형탄을 공급하는 성형탄 제조 장치를 포함하는 용철제조장치.
제37항에서,

상기 성형탄 제조 장치는,

상기 분탄을 건조하는 건조기,

상기 건조기에서 발생하는 미분탄을 포집하는 분진 제거기(dust separator),

상기 건조기와 연결되고, 상기 건조된 분탄과 바인더를 첨가 및 혼합하는 혼합기, 및

상기 혼합기와 연결되고, 상기 바인더를 첨가 및 혼합한 분탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 한 쌍의 롤(roll)

을 포함하는 용철제조장치.
제38항에서,

상기 분진 제거기는 포집된 분진을 상기 미분 탄재로서 상기 미분 탄재 취입 장치에 공급하는 용철제조장치.
제37항에서,

상기 미분 탄재 공급 장치는 상기 성형탄 제조 장치에 연결되어, 상기 성형탄 제조 장치로부터 미분 탄재를 공급받는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 환원로는 순차적으로 연결된 다단의 유동 환원로인 용철제조장치.
제41항에서,

상기 환원로에 연결되어 상기 환원체를 괴성화하는 괴성체 제조 장치를 더 포함하며, 상기 괴성체 제조 장치에서 제조한 괴성체를 상기 용융가스화로에 공급하는 용철제조장치.
제25항에서,

상기 환원로는 충전층형 환원로인 용철제조장치.