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KR101322903B1 - 용철제조장치 및 용철제조방법 - Google Patents

용철제조장치 및 용철제조방법 Download PDF

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KR101322903B1
KR101322903B1 KR1020110140624A KR20110140624A KR101322903B1 KR 101322903 B1 KR101322903 B1 KR 101322903B1 KR 1020110140624 A KR1020110140624 A KR 1020110140624A KR 20110140624 A KR20110140624 A KR 20110140624A KR 101322903 B1 KR101322903 B1 KR 101322903B1
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molten iron
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carbon
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Abstract

용철제조장치 및 용철제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 용철제조장치는 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키기 위한 건조장치, 상기 건조장치와 연결된 도관을 통해 상기 건조된 탄소함유 물질을 장입한 후 고온의 열풍 또는 산소에 의해 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 가스화로, 및 상기 가스화로와 도관을 통해 연결되며, 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 풍구를 통해 상기 환원성 가스를 취입하여 용철을 제조하는 용철로를 포함한다.

Description

용철제조장치 및 용철제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 용철제조장치 및 용철제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용철로 외부에서 탄소함유 물질을 연소시켜 제조한 환원성 가스를 로내에 취입하여 철광석 또는 환원철을 환원시키는 용철제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.
고로를 이용한 제선조업에서는 철광석을 환원하기 위한 환원제, 열원 및 스페이서(spacer)의 역할을 위해서 고가의 점결탄을 코크스 공정에서 괴상의 코크스로 제조하여 고로에 장입하게 된다.
상기와 같은 코크스는 가공비 및 원료탄의 가격이 비싸기 때문에 가공비가 적고 점결력이 없어도 용선제조가 가능한 값싼 미분탄을 고로 내부로 취입하여 용선 제조원가를 낮추기 위한 노력이 이루어지고 있다.
미분탄(pulverized coal)을 고로에 취입할 경우, 고체 연료를 다량 취입함에 의하여 연소성이 저하되어 연소대 끝에 미연소 촤가 누적된 버드네스트(bird´ nest)의 강화로 인하여 노심 불활성의 문제가 발생한다.
다단의 유동환원로와 용융가스화로로 이루어진 파이넥스 용융환원공정에서도 용융가스화로에 미분탄을 취입하여 조업이 이루어지고 있으나, 고체연료인 미분탄을 직접 취입하는 것보다는 미분탄을 연소시켜 발생한 환원가스를 용융가스화로에 직접 취입할 경우 환원철의 최종 환원에 보다 유리할 수 있다.
또한, 미분탄 중의 회분(ash) 성분은 주로 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)로 구성되어 있는데, 이는 융점이 매우 높아 슬래그의 유동성을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 제선공정에서사용되는 미분탄을 고로, 파이넥스 용융로, 코렉스 용융로에 직접 취입하지 않고 외부에서 연소시켜 환원가스를 제조하여 이를 로내에 취입하여 철광석 또는 환원철을 환원시키는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 용철제조장치는 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키기 위한 건조장치, 상기 건조장치와 연결된 도관을 통해 상기 건조된 탄소함유 물질을 장입한 후 고온의 열풍 또는 산소에 의해 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 가스화로, 및 상기 가스화로와 도관을 통해 연결되며, 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 풍구를 통해 상기 환원성 가스를 취입하여 용철을 제조하는 용철로를 포함한다.
탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키기 위한 건조장치, 건조된 상기 탄소함유 물질을 장입한 후 고온의 열풍 또는 산소에 의해 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 가스화로, 및 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 상기 환원성 가스를 취입하여 용철을 제조하는 용철로를 포함한다.
상기 용철제조장치는 상기 가스화로에 고온의 열풍을 공급하기 위한 열풍로를 더 포함한다.
상기 용철제조장치는 상기 가스화로에 상기 용철로에서 배출되는 배가스를 공급하기위한 배가스 공급장치를 더 포함한다.
상기 건조장치는 상기 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질(volatile material)을 제거 또는 저감시키는 것을 특징으로 한다.
상기 용철로는 고로, 파이넥스 용융가스화로 및 코렉스 용융가스화로 중 어느 하나인 것을 특징으로한다.
상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로의 압력은 5bar 이상 20bar 이내인 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소함유 물질은 석탄, 미분탄, 발전용탄, RDF, RPF 및 바이오 매스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 용철제조방법은 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키는 단계, 건조된 상기 탄소함유 물질을 가스화로에 장입한 후 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 단계, 및 로 내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 상기 환원성 가스를 취입하여 환원시키는 단계를 포함한다.
상기 용철제조방법은 상기 가스화로에 상기 철광석 또는 환원철을 환원시킨후 배출되는 배가스를 취입하는 단계를 더 포함한다.
상기 탄소함유 물질의 건조는 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질을 제거 또는 저감시키는 것을 특징으로 한다.
상기 환원성 가스의 생산은 상기 가스화로에 고온의 열풍 또는산소를 취입하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 로는 고로, 파이넥스 용융가스화로, 및 코렉스 용융가스화로 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로의 압력은 5bar 이상 20 bar 이내인 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소함유 물질은 석탄, 미분탄, 발전용탄, RDF, RPF 및 바이오 매스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고로, 파이넥스 용융로, 코렉스 용융로 내부에 미분탄에 포함된 회분 성분이 유입되지 않으므로 맥석성분이 높은 저품위의 광석으로부터 용선을 제조할 수 있다.
또한, 고로, 파이넥스 용융로, 코렉스 용융로 내부로 미분탄이 아닌 회분성분이 높은 연료를 연소시켜 생산한 환원가스만이 취입되므로 용선제조시의 연료비를 획기적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 미분탄을 취입하지 않으므로 인하여, 고로내 버드네스트(bird´s nest) 생성 및 이로 인한 노심 불활성의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 의한 가스화로에 의해 생성된환원성 가스를 고로에 취입하여 용철을 제조하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원발명에 다른 실시예에 의한 가스화로에 의해 생성된 환원성 가스를 파이넥스 용융가스화로 또는 다단의 유동환원로에 취입하여 용철을 제조하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3는 본원발명에 다른 실시예에 의한 가스화로에 의해 생성된 환원성 가스를 코렉스 용융가스화로 또는 샤프트로(shaft furnace)에 취입하여 용철을 제조하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본원발명의 다른 실시예에 의한 용철제조방법에 대한 공정도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 용철제조장치를 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 용철제조장치는 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키기 위한 건조장치(10), 건조된 상기 탄소함유 물질을 장입한 후 고온의 열풍 또는 산소에 의해 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 가스화로(20), 및 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 상기 환원성 가스를 취입하여 용철을 제조하는 용철로(50, 60, 70)를 포함한다.
상기 탄소함유 물질은 저급석탄(저품위석탄), 미분탄, 발전용탄, RDF(Refuse Derived Fuel)/RPF(Refuse Plastic Fuel), 바이오매스(biomass) 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되지 않고 철광석의 환원을 위한 환원성 가스의 생산(제조)를 위한 연료는 어느 것이나 사용될 수 있다.
RDF(Refuse Derived Fuel)은 가연성 생활폐기물을 고형연로로 만든 것으로, RDF의 원료로는 폴리염화비닐, 종이, 플라스틱, 목재, 섬유, 음식물 등이 이에 해당될 수 있다.
RPF(Refuse Plastic Fuel)은 폐플라스틱 고형연료를 말한다.
제철공정에서 배출되는 배가스는 고로배가스(BFG), 코렉스(COREX®) 공정의 샤프트로 배가스, 파이넥스(FINEX®)공정의 유동환원로에서 배출되는 배가스, 코크스 오븐에서 배출되는 배가스(COG), 제강공정의 전로 등에서 배출되는 배가스(LDG) 등을 의미할 뿐만 아니라 제철소에서 발생하는 모든 형태의 배가스를 모두 포함할 수 있다.
가스화로(20)는 산소 또는 열풍(공기)를 이용하여 탄소함유 물질을 부분 연소시켜 고체인 탄소함유 물질로부터 목적하는 가스를 발생시키는 장치이다. 본원발명의 가스화로(20)는 철광석의 환원에 필요한 일산화탄소(CO), 수소(H2)를 발생시키기 위한 장치이다.
상기 용철제조장치는 상기 가스화로(20)에 고온의 열풍을 공급하기 위한 열풍로(30)를 더 포함한다. 상기 가스화로(20)에 탄소함유 물질을 장입한 후 연소시키기 위한 열원은 열풍로(30)에서 승온되어 공급되는 1,000℃~1,200℃의 열풍(공기) 또는 산소의 취입에 의해 공급될 수 있다.
열풍로(30)의 모양은 철판으로 된 원통인데, 원통의 외피 속에 내화벽돌이 격자 모양으로 쌓여 있다. 이 안에 있는 내화벽돌층 사이에 용철로에서 발생하는 배가스, 즉 용광로의 고로가스, 코렉스 공정의 샤프트로 배가스, 파이넥스 유동환원로의 배가스 또는 코크스로(coke oven)에서 발생하는 코크오븐가스(coke oven gas; COG)를 연소시켜 예열하고, 다음에 이 벽돌층 사이로 냉풍(공기)을 보내어 열풍을 만든다. 이 열풍의 온도는 1,000℃ 이상이다. 이렇게 예열한 열풍이 가스화로(20)에 송풍된다.
상기 가스화로(20)에서 생성되는 환원성 가스에는 철광석 또는 환원철의 환원을 위한 일산화탄소(CO), 수소(H2)뿐만 아니라 메탄(CH4) 등의 휘발성 물질도 포함될 수 있으므로 상기 환원성 가스의 온도를 메탄 등이 분해될 수 있는 온도인 1,000℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
따라서, 가스화로에서 생성된 가스의 온도를 1,000℃ 이상으로 유지하기 위해서는 공기를 예열하여 취입할 필요가 있으며, 고로 조업에서는 일반적으로 열풍로(30)를 사용하므로 열풍로(30)를 추가로 건설할 필요없이, 고로 조업의 열풍로(30)를 그대로 이용하는 것이 본 발명에서는 가능하다.
상기 용철제조장치는 상기 가스화로(20)에 상기 용철로에서 배출되는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급장치(40)를 더 포함한다.
상기 용철로는 고로(50), 파이넥스(FINEX®) 공정의 용융가스화로(60), 코렉스(COREX®) 공정의 용융가스화로를 포함할 수 있다.
파이넥스 공정(FINEX® PROCESS)은 분철광석과 석회석, 백운석 등의 부원료를 다단의 유동환원로에 장입하여 환원로내에서 순차적으로 유동환원시킨 후 배출되는 환원철을 석탄과 함께 용융가스화로(60)에 장입하고 로 하부에서 풍구를 통해 산소를 취입하여 용철을 제조하는 공정을 말한다.
상기 용융가스화로(60)는 석탄과 환원철을 장입하고 산소를 취입하여 석탄의 연소에 의해 일산화탄소, 수소 등의 환원성 가스를 생성함과 동시에 탄재의 열에 의해 환원철을 용철시키게 된다.
도 2에 파이넥스 공정을 구성하는 다단의 유동환원로와 용융가스화로를 간략하게 도시하였다.
상기 가스화로(20)에서 생성되는 환원성 가스는 상기 파이넥스 용융가스화로(60) 또는 상기 다단의 유동환원로(65)에 취입될 수 있다.
즉, 상기 환원성 가스는 용융가스화로(60) 뿐만 아니라 상기 다단의 유동환원로(65)에도 취입되어 철광석의 환원에 이용될 수 있다.
상기 용철로 중 고로(50)에서 배출되는 배가스는 온도가 약 200℃ 부근의 저온이며 이를 상기 가스화로(20)에 취입하여 상기 가스화로(20)에서 배출되는 환원성 가스의 온도를 1,100℃ 부근으로 유지함으로써 메탄 등의 휘발성 물질을 분해하면서 환원성 가스의 온도가 1,200℃를 초과할 경우 발생될 수 있는 열손실, 배관상의 문제, 부피의 증가 등의 기술적인 문제점을 해결할 수 있다.
상기 건조장치(10)는 탄소함유 물질의 저장 및 건조 등의 전처리를 위한 것으로, 상기 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질(volatile material; VM)을 제거 또는 저감시키는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소함유 물질에 포함된 수분은 물(H2O)의 형태로, 휘발성물질은 대부분 탄화수소(hydrocarbon) 화합물로 존재하며 전처리 공정없이 제선공정의 환원반응에 유입할 경우, 수소 성분의 유입증가의 원인이 될 수 있다.
탄소함유 물질에서 수분, 휘발성 물질의 제거를 위한 전처리를 위해서는 동결건조, 진공건조, 강제순환 방식의 (열풍)건조, 흡수제를 사용한 건조, 열교환기 등을 이용한 간접건조 방법이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제철소 부생가스인 배가스(노정가스)를 이용한 고온 대류 방식의 직접건조 방법이 사용될 수 있다.
본 발명에서는 제선 공정에서 발생하는 노정가스가 200℃ 이하의 잠열을 가지고 있고, 한편 환원공정에서 환원반응에 참여하지 못한 일산화탄소(CO), 수소(H2)가 노정가스에 일부 존재하므로 이러한 특징들을 이용하면 탄소함유 물질로부터 수분과 휘발성물질을 효율적으로 전처리할 수 있다.
보다 상세하게, 휘발성물질의 함량이 비교적 낮거나 RDF/RPF 등과 같이 기화점이 낮을 경우, 부착 수분만을 증발시키는 경우에는 건조를 위해 사용되는 배가스(노정가스)를 그대로 사용하거나 미량을 부분 연소시켜 온도를 200℃ 이하로 하여 건조할 수 있다.
휘발성물질의 함량이 높고 발화점이 비교적 높은 석탄의 경우는 배가스(노정가스)에 추가로 산소나 공기를 혼입하여 부분 연소시켜 온도를 높여 건조시키게 된다.
이때 부분 연소된 노정가스의 온도는 건조 효율을 위해 발화점 이상으로 유지할 수 있다. 이는 부분 연소되어 온도가 상승된 노정가스에는 산소 성분이 존재하지 않으므로, 발화점 이상에서 건조하여도 발화가 일어나지 않으므로 건조 및 탈 휘발성물질의 효율을 위해 높은 온도로 전처리가 가능하다.
그러나, 지나치게 높은 온도로 가열하면(예를 들어 700℃ 이상), 노정가스중의 이산화탄소(CO2)나 수분(H2O)이 탄소함유 물질의 탄소(C)와 반응하여 일산화탄소(CO) 발생 속도가 가속화되어 탄소함유 물질의 탄소 성분의 손실이 일어나므로 바람직하지 않다.
전처리 방법은 열교환과 가스의 대류가 잘 일어날 수 있는 유동층을 이용하는 방법이 가능하며 유동층을 이용한 건조 방식으로는 부분 연소된 배가스를 탄소함유 물질이 충진되어 있는 챔버(용기)에 취입함으로써 이루어질 수 있으며, 건조 속도나 탄소함유 물질의 입도에 따라 배가스의 온도와 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 제철공정에서 배출되는 배가스로는 용철로에서 발생되는 배가스, 즉 고로에서 배출되는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로에서 발생하는 파이넥스 배가스, 코렉스 공정의 샤프트로에서 발생하는 코렉스 배가스를 포함한다.
또한, 상기 제철공정에서 배출되는 배가스는 코크스로에서 발생하는코크오븐가스, 전로에서 발생하는 전로가스 등을 포함할 수 있다.
배가스를 부분연소시킴으로써 탄소 함유물질의 온도를 100℃~700℃ 범위로 가열함으로써 수분, 휘발성 물질을 가스화로(20)에 장입전에 미리 증발시킴으로써 탄소 함유물질을 가스화로(20)에서 연소시켜 환원성 가스를 생산할 경우, 최종 환원성 가스에 포함된 수소의 함량을 일정비율 이하로 유지할 수 있다.
상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 한다. 철광석 혹은 환원철의 환원을 위해 용철로에 취입되는 환원성 가스내에 수소 함량이 30%를 초과할 경우, 수소에 의한 철광석의 환원은 아래 철광석의 환원 반응식과 같이, 흡열반응이므로 이에 의해 제선공정의 노 상부에서 열부족이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
즉, 환원성 가스의 수소 함량이 30%를 초과하여, 제선공정의 노 상부에 열이 부족하면 상부의 온도가 저하되고 그 결과 노 상부에서 환원반응이 일어나지 않으며 노정가스의 온도가 이슬점 이하로 떨어져 결로 현상이 발생하고, 이로 인하여 로의 부식, 설비의 막힘등이 일어날 수 있다.
철광석을 수소, 일산화탄소에 의해 환원시킬 경우 반응식은 아래와 같다.
Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O -22.8kcal/mol ··· (흡열반응)
Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2 +6.7kcal/mol ··· (발열반응)
상기 가스화로(20)의 압력은 5bar 이상 20bar 이내인 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로(20)에서 발생한 환원성 가스를 고로(50)(blast furnace), 파이넥스 용융환원로(melter-gasifier), 코렉스 용융환원로에 취입할 경우, 고로(50) 하부의 압력은 통상 4기압 이상이며 파이넥스 용융환원로 또는 코렉스 용융환원로 하부의 압력은 통상 5기압 이상이므로 상기 가스화로(20)의 압력은 5기압(bar) 이상으로 유지하는 것이 바람직하며 20 기압을 초과하는 경우는 가스화로(20)의 폭발방지를 위한 설비의 추가와 철피의 두께를 증가시키는 등의 내압 설계를 위한 재료비의 과다투입으로 인하여 바람직하지 않다.
상기 가스화로(20)에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 한다.
환원성 가스는 메탄 등의 탄화수소 화합물이 분해되어 일산화탄소, 수소 등을 포함하는 것이 바람직하므로 메탄의 분해온도 이상인 1,000℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
도 3은 본원발명의 다른 실시예인 코렉스 용융환원공정에 외부에서 탄소함유 물질을 연소시켜 제조한 환원성 가스를 취입하여 용선을 제조하는 장치를 도시한 도면이다.
코렉스 공정(COREX® PROCESS)은 도 2에 도시된 파이넥스 공정과 같이 석탄과 광석을 직접 사용하여 용선을 제조하는 제선공정이나 사용되는 철광석의 입도가 8~30mm인 펠렛, 괴광이 사용되며, 석탄의 입도가 8~50mm로 괴상태의 원, 연료를 사용하며, 환원반응로가 유동로가 아닌 샤프트로(shaft furnace)인 점에서 파이넥스 공정과 다르다.
본 발명에 의한 기술은 제선조업에 있어서, 미분탄을 직접 취입할 필요없이 저급의 석탄을 외부에서 전처리(가스화)함에 의해 발생한 환원가스를 용철로, 즉 고로(50), 파이넥스 용융환원로, 코렉스 용융환원로에 직접 취입함으로써 석탄의 연소에 의한 회분 성분(Al2O3, SiO2 등)이 용철로에 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고로(50) 조업의 경우, 미분탄(pulverized coal)과 같은 고체 연료의 다량 취입에 따른 연소성 저하로 인하여 연소대 끝에 누적되는 버드네스트(bird´s nest) 및 이로 인한 노심 불활성의 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 용철제조방법의 공정도이다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용철제조방법은 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키는 단계(S10), 건조된 상기 탄소함유 물질을 가스화로(20)에 장입한 후 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 단계(S20), 및 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 상기 환원성 가스를 취입하여 환원시키는 단계(S30)를 포함한다.
상기 용철제조방법은 상기 가스화로(20)에 상기 철광석 또는 환원철을 환원시킨후 배출되는 배가스를 취입하는 단계를 더 포함한다.
상기 가스화로(20)에서 생성되는 가스는 열풍로(30)에서 승온되는 열풍(공기)의 온도는 1,000℃~1,200℃이며, 가스화로에서 연소에 의해 발생되는 환원성 가스의 온도는 열풍의 온도보다도 증가하게 되므로, 열손실, 배관상의 문제, 부피의 증가 등 여러가지 기술적인 문제점이 발생할 수 있다.
용철로의 하나인 고로(50)에서 발생하는 배가스는 200℃ 이하이며, 또한 고로(50) 배가스 중에는 이산화탄소(CO2)를 다량으로 포함하고 있으므로 가스화로(20)에 고로(50) 배가스를 취입할 경우, CO2 + C = 2CO 반응이 일어나게 되고, 이는 흡열반응이므로 가스화로(20)에서 배출되는 환원성 가스의 온도를 일정온도로 조절할 수 있다.
또한, 2C + O2 = 2CO 반응에서 2몰(moles)의 탄소를 연소하여 2몰(moles)의 CO를 생성하는 것과 비교하여, 외부로 배출되는 CO2를 재활용하여 탄소 1몰(mole)로 2몰(moles)의 일산화탄소(CO)를 생성할 수 있으므로 철광석 환원에 의해 발생하는 배가스를 가스화로(20)에 공급함으로써 최종 환원성 가스의 온도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 이산화탄소의 재활용 및 CO 가스량을 증폭시킬 수 있다.
상기 탄소함유 물질의 건조는 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질을 제거시키는 것을 특징으로 한다.
저급의 석탄과 같은 탄소함유 물질의 경우, 수분과 함께 휘발성 물질(volatile material; VM)이 일반탄에 비해 높다. 이러한 휘발성 물질은 수소, 메탄 등의 휘발성 물질이 대부분이다.
탄소함유 물질에 상기와 같은 휘발성 물질이 많으면, 탄소함유 물질의 연소시 수소, 메탄 등이 많이 생성되며, 결과적으로 환원성 가스에 수소 함량이 높아지게 된다. 환원성 가스에 수소함량이 높으면 제선공정에 있어 열부족 현상이 발생할 수 있으므로 수소함량을 일정비율 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
제철공정에서 배출되는 배가스는 고로 배가스(Blast Furnace Gas; BFG), 파이넥스 공정에 의한 배가스(FINEX® Off-Gas; FOG), 코렉스 공정에 의한 배가스를 포함한다.
또한, 상기 배가스는 코크스로가스(Coke Oven Gas; COG), 제강공정에서 발생하는 전로가스가 사용될 수 있다.
상기 배가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 부분연소시키면 배가스의 온도가 상승하게 되고 이를 상기 탄소함유 물질에 통과시키게 되면, 탄소함유 물질의 온도가 발화점 이하 온도(석탄의 경우 약 400℃ 부근이며 물질에 따라 다를 수 있음)로 증가하게 되어, 탄소함유 물질내에 함유된 수분 또는 휘발성 물질(volatile matter; VM)이 증발되어 제거될 수 있다.
즉, 휘발성 물질의 주요 성분인 메탄(CH4), 수소(H2) 등의 물질이 소멸됨으로써 탄소함유 물질이 가스화로(20)에 장입된 후 연소에 의해 생성되는 최종 환원성 가스 내의 수소함량을 일정비율 이하로 낮출 수 있는 효과를 가져오게 된다.
특히, 고로 배가스에는 이산화탄소 뿐만 아니라 약 25%의 일산화탄소가 함유되어 있으므로 이를 부분연소시킴으로써 탄소함유 물질의 전처리가 가능하다. 그 결과, 저열량으로 인하여 대부분 버려지는 고로 배가스를 재활용 함으로써 환원성 가스의 조성 조절이 가능하다.
상기 환원성 가스의 생산은 상기 가스화로(20)에 고온의 열풍 또는 산소를 취입하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가스화로(20)는 석탄, 미분탄, 발전용탄, RDF/RPF, 바이오매스 등을 장입한 후 약 1,000℃ 이상의 열풍 또는 산소를 취입하여 연소시킴으로써 환원가스를 생산할 수 있다.
상기와 같이, 탄소함유 물질을 용철로 외부, 즉 고로, 파이넥스 용융가스화로, 코렉스 용융가스화로와 같은 로 외부에서 연소시켜 환원가스를 생성함으로써 미분탄을 직접 취입함에 따른, 석탄 중에 포함된 회분 성분(Al2O3, SiO2 등)이 용철로 내에 유입되지 않고 회분 성분이 많은 저급의 연료를 취입하기 위한 기술적 문제점도 해결할 수 있다.
특히, 고로 조업의 경우, 미분탄을 고로내 직접 취입하지 않고, 외부 가스화로에서 연소시켜 회분 성분을 제거하고 환원성 가스만을 취입할 수 있음으로 인하여, 연소대 내에서 미연소 촤에 의한 버드네스트(bird´s nest) 및 그로 인한 노심 불활성 문제를 저감시킬 수 있다.
상기 용철로는 고로(50), 파이넥스 용융가스화로(60), 코렉스 용융가스화로(70) 중 어느 하나인 것을 특징으로한다.
상기 용철로는 코크스, 소결광 등을 장입한 후 열풍을 취입하여 용선을 제조하는 고로(50), 다단의 유동환원로(65)와 용융가스화로(60)를 이용하여 용철을 제조하는 공정인 파이넥스(FINEX®) 공정의 용융환원로(melter-gasifier), 샤프트로(75)와 용융가스화로(70)를 이용하는 코렉스 공정의 용융가스화로가 사용될 수 있다.
상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 한다.
수소가스에 의한 철광석의 환원반응은 흡열반응이므로 이로 인하여,제선공정 상부에서 열이 부족하게 되는 현상이 발생한다. 따라서, 제선조업에서 사용되는 환원성 가스의 수소함량은 30% 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 가스화로(20)의 압력은 5bar 이상 20 bar 이내인 것을 특징으로 한다. 상기 가스화로(20)에서 발생한 환원성 가스를 고로(50) 또는 파이넥스 용융환원로에 취입할 경우, 고로(50) 하부의 압력은 통상 4기압 이상이며 파이넥스 용융환원로 하부의 압력은 통상 5기압 이상이므로 상기 가스화로(20)의 압력은 5기압(bar) 이상으로 유지하는 것이 바람직하며 20 기압을 초과하는 경우는 가스화로(20)의 안전성 문제와 설비비 과다로 인하여 바람직하지 않다.
상기 가스화로(20)에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 한다. 환원성 가스는 메탄 등의 탄화수소 화합물이 분해되어 일산화탄소, 수소 등을 포함하는 것이 바람직하므로 메탄의 분해온도 이상인 1,000℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 용철로 내부로 미분탄에 포함되어 있는 회분(ash) 성분이 유입되지 않으므로, 슬래그 중에 미분탄에 의해 유입되는 알루미나 성분중 약 10-20%, 실리카 성분의 20-30% 정도가 용철로 내로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
그 결과, 상기 차이만큼 철광석 중의 알루미나, 실리카 함량이 높은저품위의 광석을 사용할 수 있게 됨으로써 원료품질이 저하되어도 제선공정에서 용선생산이 가능하다.
또한, 현재의 고로조업은 미분탄 중 회분 성분 등의 제약과 발열량을 고려하여 미분탄 취입시 반무연탄 계열을 많이 사용하고 있는데, 본 발명에 따르면 고로 내부로 미분탄이 아닌 환원가스가 취입되므로 저가이고 회분 성분이 높은 갈탄, 발전용탄, 또는 국내에서 산출되는 무연탄 계열, 심지어 바이오매스(biomass)와 RDF/RPF 까지 사용할 수 있다.
그 결과, 미분탄을 취입할 때 보다, 용선 제조시 사용되는 연료비의가격을 획기적으로 낮출 수 있으며 연료의 종류에 따라 이산화탄소의 대폭적인 저감도 가능하다.
또한, 미분탄 대신에 환원가스를 취입함으로써 미분탄의 미연소촤 나 회분 성분이 줄어들게 되므로 연소대에서 버드네스트(bird´s nest)의 생성과 이로 인한 노심 불활성의 문제를 개선할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 건조장치 20 : 가스화로
30 : 열풍로 40 : 배가스 공급장치
50 : 고로 60 : 파이넥스 용융가스화로
65 : 유동환원로 70 : 코렉스 용융가스화로
75 : 샤프트로

Claims (20)

  1. 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키기 위한 건조장치;
    상기 건조장치와 연결된 도관을 통해 상기 건조된 탄소함유 물질을 장입한 후 고온의 열풍 또는 산소에 의해 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 가스화로; 및
    상기 가스화로와 도관을 통해 연결되며, 로내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 풍구를 통해 상기 환원성 가스를 취입하여 용철을 제조하는 용철로를 포함하며,
    상기 건조장치는 상기 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질(volatile material)을 제거 또는 저감시키는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 가스화로에 고온의 열풍을 공급하기 위한 열풍로를 더 포함하는 용철제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에서,
    상기 가스화로에 상기 용철로에서 배출되는 배가스를 공급하기위한 배가스 공급장치를 더 포함하는 용철제조장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용철로는 고로, 파이넥스 용융가스화로 및 코렉스 용융가스화로 중 어느 하나인 것을 특징으로하는 용철제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용철로가 파이넥스 용융가스화로인 경우, 상기 가스화로에서 생성되는 환원성 가스는 상기 파이넥스 용융가스화로 또는 다단의 유동환원로에 취입되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 용철로가 코렉스 용융가스화로인 경우, 상기 가스화로에서 생성되는 환원성 가스는 상기 코렉스 용융가스화로 또는 샤프트로에 취입되는 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화로의 압력은 5bar 이상 20bar 이내인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화로에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소함유 물질은 석탄, 미분탄, 발전용탄, RDF, RPF 및 바이오 매스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 용철제조장치.
  12. 탄소함유 물질을 제철공정에서 배출되는 배가스를 이용하여 건조시키는 단계;
    건조된 상기 탄소함유 물질을 가스화로에 장입한 후 연소시켜 환원성 가스를 생산하는 단계; 및
    로 내에 철광석 또는 환원철을 장입하고 상기 환원성 가스를 취입하여 환원시키는 단계를 포함하며,
    상기 탄소함유 물질의 건조는 제철공정에서 배출되는 배가스를 부분연소시켜 상기 탄소함유 물질에 포함된 수분 또는 휘발성물질을 제거 또는 저감시키는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스화로에 상기 철광석 또는 환원철을 환원시킨후 배출되는 배가스를 취입하는 단계를 더 포함하는 용철제조방법.
  14. 삭제
  15. 제 12 항에서,
    상기 환원성 가스의 생산은 상기 가스화로에 고온의 열풍 또는산소를 취입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 로는 고로, 파이넥스 용융가스화로 및 코렉스 용융가스화로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 환원성 가스의 수소(H2) 함량은 30% 이하인 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스화로의 압력은 5bar 이상 20 bar 이내인 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 가스화로에서 생산되는 상기 환원성 가스의 온도는 1,000℃ 이상인 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소함유 물질은 석탄, 미분탄, 발전용탄, RDF, RPF 및 바이오 매스로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 용철제조방법.
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