KR20090034386A - Method and apparatus for reducing metal containing materials to reducing products - Google Patents
Method and apparatus for reducing metal containing materials to reducing products Download PDFInfo
- Publication number
- KR20090034386A KR20090034386A KR1020097003545A KR20097003545A KR20090034386A KR 20090034386 A KR20090034386 A KR 20090034386A KR 1020097003545 A KR1020097003545 A KR 1020097003545A KR 20097003545 A KR20097003545 A KR 20097003545A KR 20090034386 A KR20090034386 A KR 20090034386A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- reduction
- metal
- fluidized bed
- gas
- product
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 168
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 168
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 135
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 122
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 245
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 237
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 163
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 126
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 124
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 116
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 116
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 96
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 60
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 40
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 32
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 28
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 27
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 21
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 16
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims description 14
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 9
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Chemical class [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 claims description 7
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 6
- -1 nickel ore Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001869 cobalt compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000005243 fluidization Methods 0.000 claims description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000002816 nickel compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000009687 sponge iron process Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 claims description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 2
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 115
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 86
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 86
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 19
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 17
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 15
- 229960004424 carbon dioxide Drugs 0.000 description 13
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 9
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 9
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 8
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 8
- 239000002956 ash Substances 0.000 description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 7
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 7
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 5
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 229910001567 cementite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical class C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N [N].[O] Chemical class [N].[O] OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000002918 Fraxinus excelsior Nutrition 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052595 hematite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011019 hematite Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Fe+3].[Fe+3] LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N oxolead Chemical class [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000010405 reoxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011269 tar Substances 0.000 description 1
- 229940100888 zinc compound Drugs 0.000 description 1
- 150000003752 zinc compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/06—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in multi-storied furnaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
- C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
- C21B13/146—Multi-step reduction without melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/40—Gas purification of exhaust gases to be recirculated or used in other metallurgical processes
- C21B2100/44—Removing particles, e.g. by scrubbing, dedusting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
- C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
- C21B2100/66—Heat exchange
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
- Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
- Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
- Manufacture Of Iron (AREA)
Abstract
본 발명은 금속함유 재료를 환원 생성물로 환원시키는 방법 및 금속함유 재료를 환원 생성물로 환원시키는 장치에 관한 것이 특징이다.The present invention is directed to a method for reducing a metal containing material to a reducing product and an apparatus for reducing a metal containing material to a reducing product.
Description
본 발명은 금속함유 재료(metalliferous material)를 환원 생성물로 환원시키는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 금속함유 재료를 환원 생성물로 환원시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing a metalliferous material to a reducing product. The invention also relates to an apparatus for reducing a metal containing material to a reducing product.
금속함유 재료, 예컨대 금속-산소 화합물, 금속-산화물, 예를 들면 산화철의 환원은 대규모의 환원 노에서 실행한다. 철-산소 화합물의 환원에 있어서 고로(blast furnace)는 1 세기가 넘는 기간 동안 금속함유 재료, 예컨대 철-산소 화합물 또는 철광석으로부터 선철(pig iron)을 제조하기 위한 편리한 장치였다. 이러한 고로에서의 화학적 에너지의 공급원 및 제1 환원제는 코크스(coke)였다.Reduction of metal-containing materials such as metal-oxygen compounds, metal-oxides, for example iron oxides, is carried out in large scale reduction furnaces. The blast furnace in the reduction of iron-oxygen compounds has been a convenient device for producing pig iron from metal-containing materials such as iron-oxygen compounds or iron ores for over a century. The source of chemical energy and the first reducing agent in this blast furnace was coke.
코크스는 휘발성 탄화수소를 제거하고, 안정한 고로 작동을 위한 중요한 특성을 코크스에 부여하기 위해서 산소의 부재하에 석탄(coal)을 베이킹(baking)하여 제조한다. 코크스 제조는 다수의 휘발성 탄화수소가 해롭기 때문에 환경적인 측면에서 문제가 있다. 또한 모든 타입의 석탄이 코크스 제조에 적당한 것은 아니다. 또한 코크스 제조의 부산물에 대한 수요도 감소되었다. 따라서 고로의 코크스 소비와 전체적인 연료 소비를 감소시키는 것이 최근 개발의 주요한 촛점이다. 고로에 석탄을 직접 주입하는 것은 이러한 개발 중의 하나이다. 또한 철광석의 직접 환원법과 같이 고로 공정을 극복하는 새로운 기술이 개발되었다.Coke is produced by baking coal in the absence of oxygen to remove volatile hydrocarbons and to give the coke an important characteristic for stable blast furnace operation. Coke production is problematic from an environmental point of view because many volatile hydrocarbons are harmful. Also, not all types of coal are suitable for coke production. The demand for by-products of coke production has also been reduced. Therefore, reducing coke consumption and overall fuel consumption of blast furnaces is a major focus of recent developments. Direct injection of coal into the blast furnace is one of these developments. In addition, new technologies have been developed to overcome the blast furnace process, such as the direct reduction of iron ore.
직접 환원법은 철의 용융점 이하의 온도에서 기체 환원제 또는 고체 환원제일 수 있는 환원제로 철광석을 환원시킴으로써 철을 제조하는 것이다. 고체 환원제는 코크스 대신에 임의의 크기의 석탄일 수 있다. 기체 환원제의 예로는 천연 가스, 수소 및 일산화탄소(CO)가 있다.The direct reduction method is to produce iron by reducing the iron ore with a reducing agent which may be a gas reducing agent or a solid reducing agent at a temperature below the melting point of iron. The solid reducing agent may be coal of any size instead of coke. Examples of gas reducing agents are natural gas, hydrogen and carbon monoxide (CO).
철광석의 직접 환원법은 고체 직접-환원 철 형태의 최종 환원 생성물, 또는 용융 장치(smelting device)와 결합하여 액체 생성물을 제조할 수 있다. 직접 환원 방법의 최종 환원 생성물은 용용 및 선택적으로 추가의 정련을 위해 제2 반응기로 배출하거나, 또는 이후의 사용을 위해 냉각 및 저장할 수 있다.The direct reduction of iron ore can be combined with the final reduction product in the form of solid direct-reducing iron, or with a melting device to produce a liquid product. The final reduction product of the direct reduction process can be discharged into the second reactor for melting and optionally further refining, or cooled and stored for later use.
현재 통합 강철 작업으로부터의 더스트 및 슬러지는 광석 제조 단계의 원료로서 재생 이용한다. 종종 '미분(fines)'이라고도 하는 이러한 폐기물은 산화철과 같은 철-함유 화합물을 함유할 수 있다. 그러나 상기 미분에 아연 또는 아연-화합물과 같은 금속 함유물, 상기 원소의 축적 및 고로를 충전시키기 위한 상기 금속의 양의 제한 때문에 상기 폐기물은 또 다른 방법으로 재순환시키거나 또는 처분해야 하므로 추가의 비용이 발생하거나 환경적인 부담이 된다.Dust and sludge from integrated steel operations are currently recycled as raw material for the ore manufacturing stage. Often referred to as 'fines', these wastes may contain iron-containing compounds such as iron oxide. However, due to the metal content such as zinc or zinc-compounds in the fines, the accumulation of the element and the limitation of the amount of the metal to fill the blast furnace, the waste has to be recycled or disposed of in another way, thus adding additional cost. Occurs or is an environmental burden.
WO2005/116273에서의 공정은 고체 탄소질 재료, 예컨대 석탄 및 산소-함유 가스를 제1 용기의 유동상에 공급하는 단계, 열을 발생시키는 단계, 석탄을 목 탄(char)으로 전환시키는 단계, 및 상기 목탄을 부분적으로 산화시킴으로써 형성되는 CO를 함유하는 뜨거운 오프-가스 스트림(hot off-gas stream)을 방출시키는 단계를 기본으로 하는 철광석의 환원법으로 알려져 있다. 다음에 CO, 목탄 및 불가피한 잔존 고체 입자(예컨대 애쉬)를 제2 용기에 옮겨, 금속함유 재료를 일부 또는 전부 환원시킨다. 일부 또는 전부 환원된 철광석 미분을 함유하는 고체 환원 생성물은 예를 들면 환원 정도를 높이기 위해서 제2 환원 단계를 위한 유동상에서 필요하다면 추가 처리할 수 있다. 900 ℃ 이상의 높은 처리 온도의 결과로서 철광석 미분은 부착물(accretions) 및 괴상물(agglomerates) 경향을 보인다. 이러한 끈적임 특성(sticking behaviour)은 제1 용기에서 초과량의 목탄을 형성시킴으로써 제어한다. 또 다른 단점은 부피가 큰 복합체 형성 및 위험한 탄화수소의 발생이다. 금속의 재산화를 예방하면서 오프-가스의 제거 또는 후연소(post-combustion)가 필요한 상기 탄화수소의 응축을 피해야 한다. 또한 높은 작동 온도와 결과로서의 열 손실 때문에 직접 환원법의 에너지 효율성은 일반적으로 좋지 않아 결과적으로 탄소 소비율이 높아진다. 또한 높은 작동 온도로 인해서 위험한 질소-산소 화합물(NOx-가스)이 다량으로 형성되거나, 또는 환원 분위기하에서 암모니아타입 화합물이 다량으로 형성된다. 또한 석탄을 직접 사용하는 것을 기본으로 하는 직접 환원 기술은 다량의 황을 다루어야 하며, 이것은 석탄 중에 황이 존재하기 때문이다. The process in WO2005 / 116273 includes supplying solid carbonaceous materials such as coal and oxygen-containing gas to the fluidized bed of the first vessel, generating heat, converting coal to char, and It is known to reduce iron ore based on releasing a hot off-gas stream containing CO which is formed by partially oxidizing the charcoal. CO, charcoal, and unavoidable remaining solid particles (such as ash) are then transferred to a second vessel to reduce some or all of the metal-containing material. Solid reduction products containing some or all reduced iron ore fines can be further treated, if necessary, for example in the fluidized bed for the second reduction step to increase the degree of reduction. As a result of the high processing temperatures above 900 ° C., iron ore fines show a tendency to accretions and agglomerates. This sticking behaviour is controlled by forming excess charcoal in the first container. Another disadvantage is the formation of bulky complexes and the generation of dangerous hydrocarbons. Condensation of the hydrocarbons that requires off-gas removal or post-combustion should be avoided while preventing metal reoxidation. In addition, due to the high operating temperatures and consequent heat losses, the energy efficiency of direct reduction is generally poor, resulting in higher carbon consumption. In addition, due to the high operating temperature, dangerous nitrogen-oxygen compounds (NOx-gases) are formed in large quantities, or ammonia-type compounds are formed in large quantities under a reducing atmosphere. In addition, direct reduction techniques based on the direct use of coal have to deal with large amounts of sulfur because of the presence of sulfur in the coal.
US 3,788,835에서는 고온에서 수소와 CO로 분리되는 예를 들면 메탄 등의 기체 환원제로 대부분의 환원이 이루어지는 철광석 환원 방법을 개시하고 있다. 기체 환원제에 의한 철광석의 환원은 금속화가 약 85 내지 90 % 획득될 때까지 실행 한다. 대부분의 금속화가 획득되는 구역에서 광석이 환원이 되는 동안, 탄소가 광석 상에 피착된다. 금속화 정도가 약 85 내지 90 %까지 획득된 후에 피착된 탄소는 이후에 개별 불활성 단계(separate inert stage)에서 임의의 잔존 산화물과 반응하여 금속화를 0.5 내지 2.5 % 증가시킨다.US 3,788,835 discloses an iron ore reduction process in which most of the reduction is carried out with a gas reducing agent such as methane, which is separated into hydrogen and CO at high temperatures. Reduction of iron ore by gas reducing agent is carried out until metallization is obtained about 85 to 90%. While the ore is reduced in the zone where most metallization is obtained, carbon is deposited on the ore. After the degree of metallization is obtained up to about 85-90%, the deposited carbon is subsequently reacted with any remaining oxide in a separate separate inert stage to increase the metallization by 0.5-2.5%.
EP 1 568 793에서는 환원 반응에서 금속-산소 화합물을 환원시키는 방법을 개시하고 있으며, 금속이 환원 반응용 촉매로서 작용하는 금속-산소 화합물을 환원시키기 위해 탄소를 사용한다. EP 1 568 793에서는 고체 반응물용 운송 수단으로서 압출기 타입 스크류를 포함하는 방법을 실행시키는 반응기 타입을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 환원제로서 고체 탄소를 사용하여 금속함유 재료를 직접 환원시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for directly reducing metal-containing materials using solid carbon as the reducing agent.
또한 본 발명의 목적은 에너지 효율성을 높이거나 및/또는 위험한 오프-가스, 예컨대 탄화수소 및/또는 NOx-가스를 소량으로 생성하기 위한 비교적 낮은 온도에서 작동시킬 수 있는 금속-산소 화합물을 환원시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a method for reducing metal-oxygen compounds that can be operated at relatively low temperatures to increase energy efficiency and / or produce dangerous off-gases such as hydrocarbons and / or NOx-gases in small amounts and To provide a device.
또한 본 발명의 목적은 환원 금속 중량 단위 당 탄소 효율성을 증가시킬 수 있는, 금속-산소 화합물을 환원시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a method and apparatus for reducing metal-oxygen compounds, which can increase carbon efficiency per reduced metal weight unit.
상기 목적 중 하나 또는 그 이상을 획득하기 위해서 금속함유 재료를 환원 생성물로 환원시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계를 포함하고, 환원 생성물의 불완전 환원 부분과 고체 탄소 사이의 실질적인 고체-고체 반응에 의해서 하기 최종 환원 생성물은 추가로 최종 단계 반응기에서 환원되어 금속화 정도를 증가시킨다:In order to achieve one or more of the above objects, a method is provided for reducing a metal-containing material to a reduction product, the method comprising the following steps, wherein the substantially solid-solid reaction between the incomplete reduction portion of the reduction product and the solid carbon The following final reduction product is further reduced in the final stage reactor to increase the degree of metallization:
- 산소 함유 가스 유동을 사용하여 탄소-함유 화합물을 가스화시킴으로써 기체 CO를 포함하는 기체상(gaseous phase)을 제공하는 단계;Providing a gaseous phase comprising gaseous CO by gasifying the carbon-containing compound using an oxygen containing gas flow;
- 유동상 반응기의 반응 챔버에 금속함유 재료를 제공하는 단계;Providing a metal containing material to the reaction chamber of a fluidized bed reactor;
- 상기 기체 CO를 유동상 반응기의 반응 챔버에 제공하고, 상기 기체 CO를 고체 탄소 및 기체 이산화탄소로 전환시켜, 금속함유 재료 및/또는 환원 생성물 상에 고체 탄소를 침전시키는 단계;Providing said gaseous CO to a reaction chamber of a fluidized bed reactor and converting said gaseous CO into solid carbon and gaseous carbon dioxide to precipitate solid carbon onto the metal-containing material and / or the reducing product;
- 고체 탄소에 의해서 금속함유 재료의 일부 또는 전부를 환원 생성물로 환원시켜 기체 CO를 고체 탄소 및 기체 이산화탄소로 전환시키는 촉진제(promoter)로서 금속함유 재료 및/또는 환원 생성물을 사용하는 단계; 및Using the metal-containing material and / or the reducing product as a promoter to reduce some or all of the metal-containing material to the reducing product by means of solid carbon to convert gaseous CO to solid carbon and gaseous carbon dioxide; And
- 반응 챔버로부터 최종 환원 생성물을 배출시키는 단계.Draining the final reduction product from the reaction chamber.
상기 고체 탄소는 부도아-탄소(Boudouard-carbon)라고 하며, 매우 높은 표면 대 부피 비율을 갖는 그래파이트의 결정 구조를 갖는 것이 통상적이다. 명확함을 위해서 임의의 다른 형태의 탄소질 화합물, 예컨대 석탄 또는 목탄은 이러한 고체 화합물의 탄소 함량이 매우 높음에도 불구하고 본 상세한 설명의 내용에서 고체 탄소가 아니라는 것을 알아야 한다. 상기 CO는 상당히 순수한 CO일 수 있지만 또한 CO를 포함하는 기체 혼합물의 일부일 수도 있다. 고체 탄소는 하기 부도아 반응에 의한 일산화탄소의 분리에 의해서 발생된다:The solid carbon is called Boudouard-carbon and typically has a crystal structure of graphite with a very high surface to volume ratio. For clarity, it should be understood that any other form of carbonaceous compound, such as coal or charcoal, is not solid carbon in the context of this description, despite the very high carbon content of such solid compounds. The CO may be fairly pure CO but may also be part of a gas mixture comprising CO. Solid carbon is generated by the separation of carbon monoxide by the following budoa reaction:
평형 반응인 상기 반응은 온도 및 압력과 같은 적당한 조건 하에서 오른쪽으로 이동하여 탄소를 형성한다. 게다가 금속함유 재료 또는 환원 생성물은 또한 부도아 반응에 의한 고체 탄소의 형성을 촉진한다는 것을 확인하였다. 본 발명의 내용에서 환원 생성물은 정의된 환원 정도를 갖는 생성물은 아니지만, 환원 정도가 0인 금속함유 재료의 환원 상태와 소망 환원 정도를 갖는 최종 환원 생성물의 환원 상태 사이의 임의의 환원 상태를 표현하기 위해서 사용된다는 것이 중요하다. 이것은 본 발명에 따른 공정 중에 상이한 환원 정도의 환원 생성물들이 공존하는 것을 의미한다. 따라서 최종 환원 생성물의 환원 정도(degree of reduction)는 최종 환원 생성물을 구성하는 환원 생성물의 다양한 분율(fraction)들의 평균 환원 정도이다. 금속함유 개시 재료로서 (비제한적인 예로서의) 철광석을 환원시키는 경우에 환원 생성물의 금속화 정도는 환원 생성물의 철 원자의 총 수에 대한 금속 철과 철-카바이드(iron-carbide)내 철 원자 수 사이의 비율로서 규정한다. 금속 철과 철 카바이드 사이의 비율은 반응 챔버의 공정 조건에 따라서 달라진다.The reaction, which is an equilibrium reaction, moves to the right under suitable conditions such as temperature and pressure to form carbon. In addition, it was found that the metal-containing material or reduction product also promoted the formation of solid carbon by the boudoa reaction. In the context of the present invention, the reduced product is not a product having a defined degree of reduction, but expresses any reduced state between the reduced state of the metal-containing material having a reduced degree of zero and the reduced state of the final reduced product having a desired degree of reduction. It is important to be used. This means that reduction products of different degrees of reduction coexist during the process according to the invention. Thus, the degree of reduction of the final reduction product is the average reduction of the various fractions of the reduction products that make up the final reduction product. In the case of reducing iron ore (as a non-limiting example) as a metal-containing starting material, the degree of metallization of the reduction product is between the number of iron atoms in the iron-carbide and the metal iron relative to the total number of iron atoms in the reduction product. It is prescribed as a ratio. The ratio between metal iron and iron carbide depends on the process conditions of the reaction chamber.
금속함유 재료의 환원은 준안정 카바이드(meta-stable carbide)의 존재와 관련이 있을 수 있다고 믿어진다. 고체 탄소 또는 부도아-탄소는 금속함유 재료와 반응하여 최종적으로 이산화탄소와 금속함유 재료의 금속으로 분리되는 준안정 카바이드가 수득될 수 있다. 따라서 본 발명의 내용에서 고체 탄소는 부도아 탄소와 준안정 금속-카바이드를 포함한다. 본 공정은 하기 반응식 2로 도식적이며, 단순하게 나타낸다:It is believed that the reduction of metal-containing materials may be related to the presence of meta-stable carbides. Solid carbon or budoa-carbon may be reacted with the metal-containing material to yield metastable carbides which finally separate into carbon dioxide and the metal of the metal-containing material. Thus, in the context of the present invention, solid carbon includes buoa carbon and metastable metal-carbide. This process is shown schematically in
반응 챔버에서 적당한 조건의 선택에 관한 한 통상의 지식을 가진 자들의 능력 범위내에서 이러한 적당한 조건을 선택할 수 있을 것으로 생각된다. 소량의 수소가 부도아 반응에 의해 CO로부터 고체-탄소 및 이산화탄소의 형성을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 순수한 CO를 사용하는 경우에 소량의 수소를 CO에 첨가할 수 있다. 본 발명에서 통상적으로는 50 % 이상, 바람직하게는 70 % 이상, 보다 바람직하게는 80 % 이상, 보다 더 바람직하게는 90 % 이상의 금속-산소 화합물의 산소가 최종 단계 반응기에서 최종 환원 후에 피착된 고체 탄소에 결합한다. CO를 포함하는 기체 혼합물이 예를 들어 석탄을 가스화시켜 생성된다면 이러한 기체 혼합물은 또한 수소를 포함할 수 있다.It is contemplated that such suitable conditions may be selected within the capabilities of those skilled in the art as far as the selection of suitable conditions in the reaction chamber is concerned. Small amounts of hydrogen are known to promote the formation of solid-carbon and carbon dioxide from CO by the boudoa reaction. Thus a small amount of hydrogen can be added to the CO when pure CO is used. In the present invention, at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 80%, even more preferably at least 90% of the oxygen of the metal-oxygen compound is deposited after the final reduction in the final stage reactor. Binds to carbon. Such gas mixtures may also comprise hydrogen if a gas mixture comprising CO is produced, for example, by gasifying coal.
바람직하게, 수소의 양은 공업적 순수 산소(technically pure oxygen)를 가스화기(gasifier)에서 산소 함유 가스 유동으로서 사용하는 경우에는 40 부피% 이하, 바람직하게는 30 부피% 이하이며, 가스화기에서 산소 함유 가스 유동으로서 공기를 사용하는 경우에는 바람직하게는 8 부피% 이하, 보다 바람직하게는 6 부피% 이하이다. 수소는 선택된 작동 조건때문에 금속-산소 화합물의 환원에서 중요한 역할을 수행하지 않는다.Preferably, the amount of hydrogen is at most 40% by volume, preferably at most 30% by volume, when technically pure oxygen is used as the oxygen containing gas flow in the gasifier, and the oxygen content in the gasifier. When air is used as the gas flow, the volume is preferably 8% by volume or less, more preferably 6% by volume or less. Hydrogen does not play an important role in the reduction of metal-oxygen compounds due to the selected operating conditions.
바람직하게, 가스화, 환원 및 최종 환원의 전체 공정은 초-대기압(super-atmospheric pressure)에서 실행한다. 본 발명자들은 3 bar(g) 이상, 및 바람직하게는 약 5 bar(g)의 초과압력(overpressure)이 바람직하다는 것을 확인하였다. 공정 중 압력 손실때문에 가스화기의 압력을 8 bar(g)로 작동시켜 FB에서의 초과압력 5 bar(g)를 확보할 수 있다. 이것은 더 작은 반응 용기를 사용할 수 있게하며, 용기에서의 공정 조건에 유리한 효과를 줄 수 있다. 또한 초-대기압에서의 가스화 및 환원 반응을 작동시키고 훨씬 낮은 압력, 바람직하게는 아-대기압(sub-atmospheric pressure)에서의 최종 환원의 실행도 가능하지만 상기의 결과로서 아주 큰 최종 단계 반응기여야 하며, 이에 따라서 자본과 실행 비용이 더 많이 필요하다는 것을 알아야 한다.Preferably, the entire process of gasification, reduction and final reduction is carried out at super-atmospheric pressure. The inventors have found that an overpressure of at least 3 bar (g) and preferably about 5 bar (g) is preferred. Due to the pressure drop during the process, the pressure of the gasifier can be operated at 8 bar (g) to obtain an overpressure of 5 bar (g) at the FB. This allows the use of smaller reaction vessels and can have a beneficial effect on the process conditions in the vessels. It is also possible to operate the gasification and reduction reactions at ultra-atmospheric pressures and to carry out the final reduction at much lower pressures, preferably sub-atmospheric pressures, but as a result of this a very large final stage reactor, It is therefore important to realize that more capital and execution costs are needed.
본 발명에 따른 방법에서 반응 챔버에서 기체 CO로부터 형성되는 탄소를 기체 형태의 반응 챔버에 옮기고, 부도아-반응에 의해서 반응 챔버에서 고체 탄소로 전환시키는 것이 필수적인 것을 알아야 한다. 따라서 본 발명은 고체 탄소를 탄소 산화물로서 기체 상태로 변화시키고, 반응 챔버에 선택적으로 금속함유 재료의 금속의 카바이드 형태로 금속함유 재료의 환원으로 형성되는 환원 생성물 또는 금속함유 재료 상에 바람직하게는 침전되거나, 또는 부도아-반응에 의해 이미 침전된 탄소 상에 침전되는 것을 제외하고 반응 챔버에 고체 형태의 탄소를 첨가하지 않는 것이 특징일 수 있다. 반응을 시작하는 중에 어떠한 환원 생성물도 아직 존재하지 않을 수 있다는 것을 알아야 한다. 금속함유 재료의 어느 정도의 환원이 일어난 후에만 존재할 것이다. 이전에 환원된 환원 생성물을 첨가하여 공정을 신속하게 시작하는데 도움을 줄 수도 있다.It should be noted that in the process according to the invention it is essential to transfer the carbon formed from the gaseous CO in the reaction chamber to the reaction chamber in gaseous form and convert it to solid carbon in the reaction chamber by a budoa-reaction. Accordingly, the present invention preferably precipitates on a reduction product or metal-containing material which is converted into a gaseous state as a carbon oxide and is formed in the reaction chamber by reduction of the metal-containing material, optionally in the form of a carbide of the metal of the metal-containing material. Or do not add carbon in solid form to the reaction chamber, except that it precipitates on carbon that has already been precipitated by the Budoa-reaction. It should be appreciated that no reducing product may yet exist during the start of the reaction. It will only be present after some reduction of the metal-containing material. Previously reduced reduction products may also be added to help start the process quickly.
일산화탄소로부터의 고체 탄소의 형성은 반응 챔버 조건하에서의 발열 반응이다. 발열 반응으로 방출되는 에너지는 환원 생성물을 생성하기 위해 고체 탄소에 의한 금속함유 재료의 반응 챔버에서 환원 반응에 유리하게 이용할 수 있다.The formation of solid carbon from carbon monoxide is an exothermic reaction under reaction chamber conditions. The energy released by the exothermic reaction can advantageously be used for the reduction reaction in the reaction chamber of the metal containing material with solid carbon to produce a reduction product.
유동상을 사용하는 것은 입자의 높은 표면적 대 부피 비율에 의해 여기서 수득될 수 있는 높은 열 및 물질 전달 계수 때문에 중요하다. 본 발명에 따른 방법에서 반응물들은 서로 매우 근접되게 할 수 있으며, 반응성도 크고, 반응물 중의 하나, 즉 고체 탄소의 형성은 금속함유 재료 입자의 환원에 유동상 조건이 최적인 발열 반응이다. 금속함유 재료는 유동화를 위해서 특정 형태(morphology)를 가져야 하는 것은 확실하다. 수용할 수 있는 금속함유 재료의 최대 입자 크기는 유동상의 설계 및 작동 파라메터에 따라 달라진다.The use of a fluidized bed is important because of the high heat and mass transfer coefficients obtainable here by the high surface area to volume ratio of the particles. In the process according to the invention the reactants can be brought into close proximity to one another and are also highly reactive and the formation of one of the reactants, ie solid carbon, is an exothermic reaction in which fluid bed conditions are optimal for the reduction of metal-containing material particles. It is certain that metal-containing materials must have a specific morphology for fluidization. The maximum particle size of the metal-containing material that can be accommodated depends on the fluid bed design and operating parameters.
본 발명에 따른 방법은 금속함유 재료의 환원에 필요한 고체 탄소가 매우 반응성이 높은 형태로 발열 반응에 의해 인시튜(in situ)로 형성되는 이점이 있다. 이것은 반응성이 적은 특성, 심지어 교란시키는 특성을 가진 고체 탄소 함유 재료, 또는 더이상 환원에 도움을 주지 않는 애쉬와 같은 고체 탄소 함유 재료를 반응 챔버에 도입되는 것을 예방한다. 이 교란 특성은 그 자체로 예를 들면 고체 탄소에 의해 금속함유 재료의 환원 반응을 교란시키거나, 또는 고체 탄소의 형성을 교란시킬 수 있는 황에 의한 환원 생성물의 오염을 나타낼 수 있다. 금속함유 재료가 유동상의 반응 챔버에 제공되고, 고체 탄소가 반응 챔버에서 바람직하게는 금속함유 재료 또는 환원 생성물 상에 기체 일산화탄소로부터 침전되므로 부착물 및 괴상물 형성에 대한 위험은 없다.The method according to the invention has the advantage that the solid carbon required for the reduction of the metal containing material is formed in situ by exothermic reaction in a highly reactive form. This prevents the introduction of solid carbon containing materials such as less reactive, even disturbing properties, or solid carbon containing materials such as ash that no longer aid in reduction into the reaction chamber. This disturbing property may itself indicate contamination of the reduction product with sulfur, which may, for example, disturb the reduction reaction of the metal-containing material with solid carbon or disturb the formation of solid carbon. There is no risk for deposits and mass formation since the metal-containing material is provided to the reaction chamber of the fluidized bed and solid carbon precipitates from the gaseous carbon monoxide on the metal-containing material or reducing product, preferably in the reaction chamber.
본 발명의 실시양태에서 유동상 반응기의 반응 챔버에서 배출된 후의 최종 환원 생성물의 환원 정도는 50 % 이상이다. 이 양은 최종 단계 반응기에서 환원을 위한 양호한 개시점을 제공한다.In embodiments of the invention the degree of reduction of the final reduction product after withdrawing from the reaction chamber of the fluidized bed reactor is at least 50%. This amount provides a good starting point for reduction in the final stage reactor.
하나의 실시양태에서 최종 단계 반응기에서의 환원은 비-불활성 분위기(non-inert atmosphere)에서 실행된다. 상기 비-불활성 분위기는 최종 단계 반응기에서 추가로 환원되는 최종 환원 생성물을 위한 적당한 반응 조건을 공정 마지막에 소망 환원 또는 금속화 정도로 만들기 위해 중요하다. 하나의 실시양태에서 기체 CO를 포함하는 뜨거운 가스 유동을 최종 단계 반응기에 공급한다. 예를 들면 가스화기로부터 유래된 기체 CO, 또는 재순환 공정 기체를 포함하는 뜨거운 가스 유동을 도입시키면 최종 단계 반응기에 적당한 반응 조건이 수득된다는 것을 발견하였다. 하나의 실시양태에서 산소 및/또는 CO/CO2 함유 가스를 최종 단계 반응기에 공급하며, 바람직하게 CO/CO2 함유 가스는 새로운 합성가스(fresh syngas)이거나, 및/또는 재순환 공정 가스이며, 및/또는 산소 함유 기체는 공기 또는 공업적 순수 산소이다. 최종-단계 방응기에는 최종-단계 반응기로 주입되는 공기 또는 공업적 순수 산소 및 CO를 포함하는 재순환 공정 가스 또는 새로운 합성가스와 함께 최종 CFB로부터의 환원 생성물을 공급한다. 최종-단계 반응기에서의 반응은 발열 반응이며, 최종-단계 반응기의 하부에 주입되는 것이 바람직한 산소 주입의 결과로서 방출된 열은 조건을 촉진시켜 공정의 마지막에 소망 환원 또는 금속화 정도에 도달하도록 한다.In one embodiment the reduction in the final stage reactor is carried out in a non-inert atmosphere. The non-inert atmosphere is important for making the desired reaction conditions for the final reduction product further reduced in the final stage reactor to the desired reduction or metallization degree at the end of the process. In one embodiment a hot gas flow comprising gaseous CO is fed to the final stage reactor. It has been found that introducing a hot gas flow comprising, for example, a gaseous CO derived from a gasifier, or a recycle process gas, yields suitable reaction conditions in the final stage reactor. In one embodiment oxygen and / or CO / CO 2 containing gas is fed to the final stage reactor, preferably the CO / CO 2 containing gas is fresh syngas, and / or is a recycle process gas, and And / or the oxygen containing gas is air or industrial pure oxygen. The final-stage reactor is fed with the reduction product from the final CFB together with the fresh synthesis gas or with the recycle process gas comprising air or industrial pure oxygen and CO injected into the final-stage reactor. The reaction in the final-stage reactor is exothermic and the heat released as a result of oxygen injection, which is preferably injected into the bottom of the final-stage reactor, promotes the conditions to reach the desired degree of reduction or metallization at the end of the process. .
본 발명의 실시양태에서 유동상은 신속한 유동화 또는 공기식 운반(pneumatic conveying) 또는 토로이달(toroidal) 유동상 반응기 타입이다. 유동상 반응기의 상기 타입으로 반응을 완료하기 위해 가스화에 있어서의 높은 반응 속도와 고체의 잔류 시간을 충분하게 제공하는 신속한 유동상 형성이 가능하다.In embodiments of the present invention the fluidized bed is of rapid fluidization or pneumatic conveying or toroidal fluidized bed reactor type. This type of fluidized bed reactor enables rapid fluidized bed formation that provides sufficient high reaction rates in gasification and residence time of solids to complete the reaction.
본 발명의 하나의 실시양태에서 금속함유 재료 및 기체 CO를 유동상 반응기의 반응 챔버에 연속적으로 또는 배치식으로 제공하여 환원 생성물을 연속적으로 생성하며, 최종 환원 생성물을 상기 반응 챔버에서 연속적으로 또는 배치식으로 배출시킬 수 있는 연속 공정으로서 방법을 실행한다. 상기 실시양태에서 고체 탄소 형성의 발열 특성을 최적으로 사용할 수 있으며, 상기 공정은 가장 경제적인 방법으로 실행시킬 수 있다. 환원 생성물의 단위 시간 당 단위 질량의 관점에서 반응기의 용량은 최적의 공정 효율성과 이에 의한 공정의 경제성을 확보할 수 있는 파라메터 중의 하나이다. 반응 챔버로부터 방출되는 최종 환원 생성물은 고체 형태이며, 당연한 결과로서 환원 정도는 공급 재료로서 반응 챔버에 제공되는 금속함유 재료의 환원 정도 보다 더 높다. 최종 환원 생성물은 이후에 공정에서 금속함유 재료로서 사용하여 환원 정도를 더 증가시킬 수 있다는 것을 알아야 한다. 후자의 경우에 환원 정도는 일반적으로 0으로 가정되는 제1 환원 공정 이전에 금속함유 재료의 환원 정도에 대하여 측정한다. 환원 생성물 중의 50 % 환원 정도는 금속함유 재료 중 산소 50 %가 금속함유 재료에서 제거되었다는 것을 나타낸다. 금속화 중 50 %는 금속함유 재료에 원래 존재하는 금속 원자 중 50 %가 금속 형태이거나, 및/ 또는 금속-카바이드인 것을 의미한다. 다른 50 %는 여전히 더 산화되거나 또는 덜 산화된 상태이다. 보다 명확하게 50 %의 환원 정도는 (예를 들어) 모든 MeO2가 MeO로 환원되었다면 금속화 정도는 여전히 0인 것을 의미할 수 있다. 본 발명의 이점은 금속함유 개시 재료의 환원 정도가 0 %인 경우에 완전하게 이용된다는 것을 주지해야 하지만, 금속함유 개시 재료의 환원 정도가 예를 들면 환원 개시 정도가 0 보다 더 높을 수 있는 예비 환원 조작때문에 더 높은 경우에도 명백할 것이다. 철 광석의 경우에 100 % Fe2O3는 0 %의 환원 정도를 가질 것이다. 바람직하게 금속함유 재료의 개시 환원 정도는 25 % 이하이며, 바람직하게는 15 이하, 보다 바람직하게는 5 % 이하, 가장 바람직하게는 0 %이다.In one embodiment of the present invention the metal-containing material and gaseous CO are continuously or batchwise provided to the reaction chamber of a fluidized bed reactor to produce a reduction product continuously, and the final reduction product is continuously or batched in the reaction chamber. The method is carried out as a continuous process which can be discharged in a manner. In this embodiment the exothermic properties of solid carbon formation can be optimally used and the process can be carried out in the most economical way. In view of the unit mass per unit time of the reduction product, the capacity of the reactor is one of the parameters that can ensure optimal process efficiency and thereby process efficiency. The final reduction product released from the reaction chamber is in solid form and, as a result, the degree of reduction is higher than the degree of reduction of the metal-containing material provided to the reaction chamber as a feed material. It should be appreciated that the final reduction product can later be used as a metal-containing material in the process to further increase the degree of reduction. In the latter case, the degree of reduction is measured with respect to the degree of reduction of the metal-containing material prior to the first reduction process, which is generally assumed to be zero. The 50% reduction degree in the reduction product indicates that 50% oxygen in the metal-containing material was removed from the metal-containing material. 50% of the metallization means that 50% of the metal atoms originally present in the metal-containing material are in metal form and / or metal-carbide. The other 50% is still more or less oxidized. More specifically, a reduction of 50% may mean that the degree of metallization is still zero if all of the MeO 2 (eg) has been reduced to MeO. It should be noted that the advantages of the present invention are fully utilized when the degree of reduction of the metal-containing starting material is 0%, but the preliminary reduction in which the degree of reduction of the metal-containing starting material can be, for example, higher than zero. It will be clear even if it is higher due to manipulation. In the case of iron ore, 100% Fe 2 O 3 will have a degree of reduction of 0%. Preferably the initial reduction degree of the metal-containing material is 25% or less, preferably 15 or less, more preferably 5% or less, and most preferably 0%.
바람직한 실시양태에서 유동상 반응기의 반응 챔버에서 배출된 후 최종 환원 생성물의 환원 정도는 50 % 이상, 바람직하게는 60 % 이상, 보다 바람직하게는 70 % 이상이다. 최적의 환원 정도는 환원이 완료되는 것, 즉 적어도 환원 정도가 90 또는 95 % 이상, 또는 그 보다 더 높은 정도여야 하고, 실제로 완전한 환원 또는 완전한 금속화는 유동상 반응기에서 기술적으로 획득할 수 있는데도 불구하고, 가장 경제적인 공정은 아니다. 또한 환원 입자의 부착 경향은 금속화 정도가 증가하면 증가한다. 최종 환원 생성물의 환원 정도를 50 % 이상, 바람직하게는 60 % 이상, 보다 바람직하게는 70 % 이상으로 다소 낮게 하고, 최종 단계는 실질적으로 완전한 환원 정도를 최종 단계 반응기의 전용 공정 단계에서 90 또는 95 % 이상으로 실행하는 것을 목적으로 하는 것이 바람직함을 확인하였다.In a preferred embodiment the degree of reduction of the final reduction product after withdrawing from the reaction chamber of the fluidized bed reactor is at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%. The optimum degree of reduction must be such that the reduction is complete, i.e. at least 90 or 95% or higher, and in fact complete reduction or complete metallization can be achieved technically in a fluidized bed reactor. And not the most economical process. In addition, the tendency of adhesion of the reduced particles increases with increasing degree of metallization. The degree of reduction of the final reduction product is somewhat lower, at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%, and the final stage substantially reduces the degree of complete reduction to 90 or 95 in the dedicated process stage of the final stage reactor. It confirmed that it was desirable to aim at the% or more.
본 발명의 바람직한 실시양태에서 금속함유 재료는 철-화합물, 바람직하게는 철광석이다. 본 발명자들은 본 발명에 따른 공정으로 금속함유 재료로서 철-화합물, 바람직하게는 철광석을 사용하여 유리하게 실행시킬 수 있으며, 이것은 기체 CO로부터 고체 탄소를 형성하는 유리한 온도 범위와 철-화합물, 바람직하게는 철 광석을 금속 철로 환원시키기 위한 유리한 온도 범위가 적어도 일부분은 일치하기 때문임을 확인하였다. 상기에 의해서 높은 환원 정도 또는 금속화 정도를 갖는 최종 환원 생성물, 또는 실질적으로 금속 철을 생성하는 매우 경제적인 방법이 수득된다.In a preferred embodiment of the invention the metal-containing material is an iron-compound, preferably iron ore. The inventors can advantageously carry out the process according to the invention using iron-compounds, preferably iron ores, as metal-containing materials, which have advantageous temperature ranges and iron-compounds, preferably forming solid carbon from gaseous CO. Found that the advantageous temperature range for reducing iron ore to metal iron is at least partially consistent. This results in a very economical process for producing a final reduction product, or substantially metal iron, with a high degree of reduction or degree of metallization.
본 발명의 실시양태에서 반응 챔버의 최대 온도, 바람직하게는 금속함유 재료로서 철-화합물을 사용하는 경우의 반응 챔버의 최대 온도는 875 ℃, 바람직하게는 845 ℃, 보다 바람직하게는 825 ℃ 및 보다 더 바람직하게는 800 ℃ 또는 790 ℃이다. 반응 챔버에서의 이러한 낮은 온도에서도 환원 생성물을 생성하기 위해 고체 탄소에 의한 금속함유 재료의 환원을 실행시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 고체 탄소 형성의 발열 반응으로 반응의 한도가 넓게 유지될 수 있으며, 저온은 위험한 질소-산소 화합물(NOx-가스)의 형성을 예방하며, 높은 공정 온도에 의한 에너지 손실을 제한하는 유리한 결과가 얻어진다. 낮은 작동 온도의 또 다른 이점은 금속에서의 다양한 원소의 용해도를 감소시켜 높은 순도를 갖는 금속을 수득할 수 있다는 것이다. 400 ℃ 이하의 반응 챔버 온도에서 현저한 환원이 관찰되지 않는다는 것을 확인하였다. 약 450 ℃ 이상, 예를 들면 500 ℃에서 환원 속도는 현저하게 증가한다. 반응 챔버의 적당한 최소 온도는 640 ℃, 바람직하게는 690 ℃인 것이 확인되었다. 그러나 500 ℃ 이하의 온도에서 현저한 환원이 관찰되지 않았는데도 불구하고 금속함유 재료의 환원에 의해 형성되는 환원 생성물 또는 금속함유 재료의 존재로 선택적으로 금속함유 재료의 금속 카바이드 형태를 통해 또는 부도아-반응에 의해 이미 침전된 탄소 상에서 기체 CO로부터의 고체 탄소의 침전을 촉진시키므로 탄소 피착은 400 내지 500 ℃의 온도에서 매우 용이하게 발생된다. 부도아-반응의 평형 상태는 고온에서 왼쪽(CO-쪽)으로 이동할 것이며, 이러한 이동은 600 ℃ 이상에서 두드러지게 나타난다. 이러한 온도 이상에서 탄소가 이미 고체 탄소가 존재하는 경우에 피착된다는 것을 확인하였다. In embodiments of the invention the maximum temperature of the reaction chamber, preferably the maximum temperature of the reaction chamber when using an iron-compound as the metal-containing material, is 875 ° C., preferably 845 ° C., more preferably 825 ° C. and more. More preferably 800 ° C or 790 ° C. It has been found that even at this low temperature in the reaction chamber, reduction of the metal containing material by solid carbon can be effected to produce a reduction product. The exothermic reaction of the solid carbon formation can maintain a wide range of reactions, and low temperatures prevent the formation of dangerous nitrogen-oxygen compounds (NOx-gases), with favorable results limiting energy losses due to high process temperatures. . Another advantage of low operating temperatures is that the solubility of various elements in the metal can be reduced to obtain metals with high purity. It was confirmed that no significant reduction was observed at the reaction chamber temperature below 400 ° C. At about 450 ° C. or higher, for example 500 ° C., the reduction rate is significantly increased. It was found that a suitable minimum temperature of the reaction chamber was 640 ° C, preferably 690 ° C. However, although no significant reduction was observed at temperatures below 500 ° C., the presence of a reducing product or metal-containing material formed by the reduction of the metal-containing material, optionally through the metal carbide form of the metal-containing material or to Carbon deposition occurs very easily at temperatures between 400 and 500 ° C., as it promotes precipitation of solid carbon from gaseous CO over the carbon that has already been precipitated. The equilibrium state of the boudoa-reaction will move to the left (CO-side) at high temperatures, and this shift is prominent above 600 ° C. Above this temperature it was confirmed that carbon was deposited if solid carbon was already present.
본 발명의 하나의 실시양태에서 기체 CO의 고체 탄소 및 기체 이산화탄소로의 전환 촉진제는 금속함유 재료의 환원의 촉진제로서도 작용한다. 이러한 촉진제는 기체 일산화탄소로부터 고체 탄소의 형성, 및/또는 금속함유 재료의 환원을 촉매 또는 또 다른 반응 기작에 의해서, 보다 신속하게, 보다 완벽하게, 또는 저온에서 (또는 상기의 모든 조건을 결합한 조건에서) 실행시키는 기능을 가진다.In one embodiment of the present invention the promoter for conversion of gaseous CO to solid carbon and gaseous carbon dioxide also acts as an accelerator of the reduction of the metal containing material. Such promoters may be used to catalyze the formation of solid carbon from gaseous carbon monoxide, and / or the reduction of metal-containing materials by catalyst or another reaction mechanism, more rapidly, more completely, or at lower temperatures (or in combination with all of the above conditions). ) Has the function to execute.
본 발명에 따른 방법은 금속함유 재료인 니켈-화합물, 바람직하게는 니켈-광석, 코발트-화합물, 바람직하게는 코발트-광석에서 금속 코발트, 니켈 또는 이의 합금을 생성하는 경제적인 방법으로 수득되는 이의 혼합물인 공정에 적합하다는 것을 알아야 한다.The process according to the invention is an economical process for producing metal cobalt, nickel or alloys thereof from nickel-compounds, preferably nickel-ores, cobalt-compounds, preferably cobalt-ores, which are metal-containing materials. It should be noted that it is suitable for the phosphorus process.
본 발명의 하나의 실시양태에서 금속함유 재료 또는 특히 철-화합물 또는 철광석은 미세 화합물(fine compound) 또는 광석, 바람직하게는 화합물 또는 광석의 결정 크기가 0.1 내지 5000 ㎛인 형태로 제공된다. 적당한 최대 결정 크기(grain size)는 200 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛이다. 바람직하게 결정 크기는 5 ㎛ 이상, 바람직하게는 50 ㎛ 이하, 및 보다 바람직하게는 5 내지 50 ㎛이다. 이러한 타입의 광석을 사용하면 특히 경제적인 관점에서 미세 광석이 일반적으로 덩어리 철보다 저렴하고, 또한 이러한 미세 광석이 유동상 공정에 적당하므로 유리하다.In one embodiment of the invention the metal-containing material or in particular the iron-compound or iron ore is provided in the form of a fine compound or ore, preferably a crystal size of the compound or ore from 0.1 to 5000 μm. Suitable maximum grain size is 200 μm, preferably 100 μm. Preferably the crystal size is at least 5 μm, preferably at most 50 μm, and more preferably 5 to 50 μm. The use of this type of ore is advantageous because, from an economic point of view, fine ore is generally cheaper than agglomerated iron, and this fine ore is also suitable for fluidized bed processing.
예를 들어 철의 페라이트 형태에서 탄소와 같은 다양한 원소의 용해도가 온도에 따라 강하게 감소하고, 탄소에 있어서는 720 ℃에서 약 0.02 %이므로 철 형태의 수득된 최종 환원 생성물은 매우 소량의 가능한 바람직하지 않은 원소를 함유한다.The solubility of various elements, such as, for example, carbon in the ferrite form of iron is strongly reduced with temperature, and for carbon is about 0.02% at 720 ° C., so the final reduction product obtained in the iron form is a very small amount of possible undesirable elements. It contains.
본 발명의 하나의 실시양태에 따르면 금속함유 재료는 니켈-화합물, 예컨대 니켈-광석, 코발트-화합물, 예컨대 코발트-광석, 철-화합물, 예컨대 철 광석을 포함하는 화합물 군 중에서 2개 이상의 화합물의 혼합물이다. 이러한 화합물의 혼합물을 사용하여 금속함유 재료의 완전한 환원 후에 수득된 (최종) 환원 생성물은 각각의 금속 혼합물이며, 따라서 합금을 생성하기 위한 경제적이며 간단한 방법이 제공된다.According to one embodiment of the invention the metal-containing material is a mixture of two or more compounds from the group of compounds comprising nickel-compounds such as nickel-ores, cobalt-compounds such as cobalt-ores, iron-compounds such as iron ores to be. The (final) reduction product obtained after complete reduction of the metal-containing material using a mixture of these compounds is the respective metal mixture, thus providing an economical and simple method for producing an alloy.
본 발명의 하나의 실시양태에서 고체 탄소는 탄소 나노-튜브 형태로 환원 생성물 상에 및/또는 금속함유 재료 상에 침전된다. 본 발명자들은 기체 CO로부터 형성된 고체 탄소가 탄소 나노-튜브 형태를 가진다는 놀라운 사실을 확인했다. 반응 챔버를 적당하게 설계하고, 공정 파라메터를 적당하게 선택함으로써 금속함유 재료 입자를 환원시켜 환원 생성물로서 금속을 생성하기 위한 대안으로서 본 발명에 따른 공정을 사용하여 탄소 형성 촉진제 및/또는 기재로서 환원 생성물 및/또는 금속함유 재료를 사용하고, 기체 CO로부터 고체 탄소 형성을 지속함으로써 탄소 나노-튜브 형태의 고체 탄소를 생성할 수도 있다. 이후의 공정에서 고체 탄소는 기재로부터 분리시킬 수 있다. 다음에 기재는 공정에 재 사용할 수 있으며, 나노-튜브는 다양한 목적으로 사용할 수 있다.In one embodiment of the invention solid carbon is precipitated on the reduction product and / or on the metal-containing material in the form of carbon nano-tubes. The inventors have found a surprising fact that solid carbon formed from gaseous CO has a carbon nano-tube form. Reduction products as carbon formation promoters and / or substrates using the process according to the invention as an alternative for reducing the metal-containing material particles to produce metals as reducing products by appropriately designing the reaction chamber and appropriately selecting process parameters. And / or solid carbon in the form of carbon nano-tubes may be produced by using metal-containing materials and continuing solid carbon formation from gaseous CO. In subsequent processes the solid carbon may be separated from the substrate. The substrate can then be reused in the process, and the nano-tubes can be used for a variety of purposes.
본 발명의 하나의 실시양태에서 유동상 반응기의 반응 챔버에 제공되는 기체 CO는 산소 함유 가스 유동을 사용하여 탄소-함유 화합물을 가스화시킴으로써 제조하며, 바람직하게 상기 가스 유동은 뜨거운 가스 유동이다. 바람직하게 산소 함유 가스 유동은 공업적 순수 산소이며, 예를 들어 산소 함량은 85 % 이상, 바람직하게는 90 % 이상, 보다 바람직하게는 95 % 이상이다. 공기 보다 산소를 사용하는 이점은 반응기를 더 작게할 수 있으며, 공정을 보다 더 에너지 효율적으로 할 수 있다는 것이며, 이것은 공기가 가열 및 냉각시켜야 할 80 %의 불활성 질소를 함유하기 때문이다. 개별 가스화 단계를 사용하여 반응 챔버에 공급할 기체 CO는 탄소-함유 화합물에 존재하거나 또는 탄소-함유 화합물을 가스화시킴으로써 형성되는 휘발성 탄화수소 또는 황 화합물과 같은 바람직하지 않은 성분을 제거시킬 수 있다. 가스화 단계는 표준 가스화기에서 실행시킬 수 있지만 대부분의 애쉬는 동반류 가스화기(entrained flow gasifier)의 작동 온도가 회용융점(ash fusion temperature) 보다 높으므로 슬래그로서 제거되기 때문에 동반류 가스화기를 사용하는 것이 바람직하다. 가스화기가 동작하는 방법은 가스화기를 이탈하는 기체(즉 가스화기 오프-가스 또는 '합성가스') 중 기체 CO의 양이 실제로 얼마인지에 따라 달라진다는 것은 확실하다. 합성가스는 예를 들면 다양한 농도의 CO, CO2, H2, H2O 및 N2를 포함할 수 있다. 가스화기 오프-가스 중의 기체 CO의 양은 또한 석탄의 가스화를 위해 가스화기에 공급되는 기체의 특성에 따라서도 달라진다. 순수한 산소를 사용한다면 오프-가스 중의 CO의 수준은 공기를 사용하는 경우에서 보다 더 높다. 바람직하게 가스화기 오프-가스 중의 기체 CO의 양은 10 %(부피%) 이상이다. 가스화기 오프-가스 중의 평형 CO/CO2는 2 이상이며, 바람직하게는 5 이상이고, 보다 바람직하게는 10 이상이다. CO/H2는 1 이상, 바람직하게는 3 이상이여야 한다. 탄소-함유 화합물은 코크스, 석탄, 목탄, 오일, 폴리머, 천연가스, 페이퍼, 바이오매스, 타르 샌드 또는 심하게 오염된 탄소-함유 에너지 공급원일 수 있다. 본 발명에 따른 상기 공정은 폐기물 또는 비경제적인 탄소-공급원을 효과적으로 사용하는데 기여한다. 가스화기 오프-가스의 온도는 예컨대 1300 내지 1600 ℃, 또는 약 1500 ℃로 매우 높을 수 있다는 것을 알아야 한다. 금속함유 개시 재료를 환원시키기 위해 유동상 반응기에 도입하기 적당하게 만들기 위해서 가스화기 오프-가스는 냉각시켜야 한다. 가스화기 오프-가스는 냉각기 재순환 공정 기체 또는 냉각된 새로운 합성가스와 혼합시키거나 또는 열 교환 장치에서 냉각시킴으로써 냉각시키는 것이 바람직하다. 수득된 기체상은 약 800 ℃의 온도를 가지며, 기체상이 환원 공정에 들어가는 FB에 공급한다. 기체상의 조성물은 재순환 공정 가스가 FB 중의 금속함유 개시 재료와 상호작용한 후에 FB에서 방출된 후에 세척 및 CO2-세정될 수 있는 기체상이므로 재순환 가스와 혼합한 결과로서 변화될 수 있다는 것이 명백할 것이다.In one embodiment of the invention the gaseous CO provided to the reaction chamber of a fluidized bed reactor is prepared by gasifying a carbon-containing compound using an oxygen containing gas flow, preferably the gas flow is a hot gas flow. Preferably the oxygen containing gas flow is industrial pure oxygen, for example the oxygen content is at least 85%, preferably at least 90%, more preferably at least 95%. The advantage of using oxygen over air is that the reactor can be made smaller and the process more energy efficient, because the air contains 80% of inert nitrogen which needs to be heated and cooled. The gaseous CO to be supplied to the reaction chamber using separate gasification steps can remove undesirable components such as volatile hydrocarbons or sulfur compounds that are present in the carbon-containing compound or are formed by gasifying the carbon-containing compound. The gasification step can be carried out in a standard gasifier, but most ashes are removed as slag because the operating temperature of the entrained flow gasifier is above the ash fusion temperature, so it is recommended to use a gasifier gasifier. desirable. It is evident that the way in which the gasifier operates depends on the actual amount of gaseous CO in the gas leaving the gasifier (ie gasifier off-gas or 'synthetic gas'). Syngas may include, for example, various concentrations of CO, CO 2 , H 2 , H 2 O, and N 2 . The amount of gaseous CO in the gasifier off-gas also depends on the nature of the gas supplied to the gasifier for gasification of coal. If pure oxygen is used, the level of CO in off-gas is higher than with air. Preferably the amount of gaseous CO in the gasifier off-gas is at least 10% (vol%). The equilibrium CO / CO 2 in the gasifier off-gas is at least 2, preferably at least 5, more preferably at least 10. CO / H 2 should be at least 1, preferably at least 3. The carbon-containing compound may be coke, coal, charcoal, oils, polymers, natural gas, paper, biomass, tar sands or heavily contaminated carbon-containing energy sources. The process according to the invention contributes to the effective use of waste or uneconomical carbon-sources. It should be noted that the temperature of the gasifier off-gas can be very high, for example, from 1300 to 1600 ° C, or about 1500 ° C. The gasifier off-gas must be cooled to make it suitable for introduction into the fluidized bed reactor to reduce the metal-containing starting material. The gasifier off-gas is preferably cooled by mixing with a cooler recycle process gas or fresh fresh syngas or by cooling in a heat exchanger. The gas phase obtained has a temperature of about 800 ° C. and is fed to FB where the gas phase enters the reduction process. It will be apparent that the gaseous composition may change as a result of mixing with the recycle gas as the recycle process gas is a gas phase that can be washed and CO 2 -washed after being released from the FB after interacting with the metal-containing starting material in the FB. will be.
본 발명의 하나의 실시양태에서 오프-가스는 반응 챔버에서 배출시키며, 가스화기 반응 챔버에 상기 잔존 기체 CO 및 CO2를 재도입시키기 위해 오프-가스로부터 일부 또는 전부의 잔존 기체 CO 및/또는 CO2를 분리한다. 상기 CO2는 가스화기에서 탄소-함유 화합물의 탄소와 반응시킴으로써 역 부도아 반응에 의해 CO를 제공하기 위한 공급원으로서 사용할 수 있다. 또한 오프-가스로부터 CO-화합물을 재사용할 수도 있다. 이것은 CO가 예를 들어 세정기와 같은 분리 수단을 사용하여 오프-가스로부터 분리될 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 재순환 CO-가스는 가스화기 또는 열 교환 장치를 통과시킨 후에, 또는 직접적으로 가스화기 또는 열 교환 장치에 유동상의 반응 챔버에 재도입될 수 있다.In one embodiment of the invention off-gas exits the reaction chamber and some or all of the remaining gas CO and / or CO from the off-gas to reintroduce the remaining gas CO and CO 2 into the gasifier reaction chamber. Remove 2 The CO 2 can be used as a source for providing CO by a reverse boudoir reaction by reacting with carbon of a carbon-containing compound in a gasifier. It is also possible to reuse CO-compounds from off-gases. This means that the CO must be able to be separated from the off-gas, for example using a separating means such as a scrubber. The recycle CO-gas may be reintroduced into the fluidized bed reaction chamber after passing through the gasifier or heat exchanger, or directly to the gasifier or heat exchanger.
오프-가스에서의 탄소의 재순환 대신에 가스화기로 유입되기 이전에 산소 함유 가스 유동을 재가열시키기 위해 열 교환 장치를 통해 반응 챔버에서 나온 뜨거운 오프-가스를 공급하여 가스화기에 유입되는 산소 함유 가스 유동을 재가열하기 위해 열 에너지를 사용하거나, 및/또는 오프-가스를 태워 오프-가스에 여전히 존재하는 임의의 잔존 열 에너지 및/또는 잔존 화학에너지를 재순환시킬 수도 있다.Instead of recirculating the carbon in the off-gas, the hot off-gas from the reaction chamber is fed through the heat exchange unit to reheat the oxygen-containing gas flow prior to entering the gasifier, thereby reducing the oxygen-containing gas flow entering the gasifier. Thermal energy may be used to reheat, and / or burn off-gas to recycle any remaining thermal energy and / or remaining chemical energy still present in the off-gas.
바람직한 실시양태에서 고체 탄소에 의한 금속함유 재료의 환원은 순환 유동상(CFB) 반응기에서 실행하며, 상기 반응기에는 수직관 부재(riser part)와 리턴 레그(return leg)가 있으며, 금속함유 재료와 기체 CO는 CFB의 수직관 부재에 공급 되며, 기체 CO를 포함하는 가스 스트림은 CFB의 수직관 부재를 통해 실제로 위쪽 방향으로 금속함유 재료를 이동시키며, 고체 탄소와 기체 이산화탄소로 기체 CO를 전환시키는 것은 금속함유 재료와 기체 CO가 실질적으로 위쪽으로 움직이는 중에 일부 또는 전부가 실행된다.In a preferred embodiment the reduction of the metal-containing material by solid carbon is carried out in a circulating fluidized bed (CFB) reactor, where the reactor has a riser part and a return leg, the metal-containing material and gas CO is supplied to the vertical tube member of the CFB, and the gas stream containing gas CO actually moves the metal-containing material upwards through the vertical tube member of the CFB, and converting the gas CO into solid carbon and gaseous carbon dioxide is a metal. Some or all of this is done while the containing material and gaseous CO are moving substantially upwards.
CFB를 사용하여 반응물이 반응 챔버를 통해 순환하도록 하고, 상기 반응 챔버에는 CFB의 리턴 레그와 수직관 부재가 구비되어 있으며, 기체 CO의 고체 탄소와 기체 이산화탄소로의 전환은 일부 또는 전부가 금속함유 재료와 기체 CO가 실질적으로 위쪽으로 움직이는 중에 일어나며, 금속함유 재료의 환원은 수직관 부재에 재도입되기 이전에 리턴 레그에서 실질적으로 보다 더 또는 덜 정체 상(stagnant phase)인 중에 실행된다고 알려져 있다. 따라서 본 발명의 실시양태에서 금속함유 재료와 고체 탄소의 환원으로 수득되는 환원 생성물 및 금속함유 재료를 CFB의 리턴 레그로 방출시키고, 금속함유 재료 및 환원 생성물 및 고체 탄소는 CFB의 리턴 레그를 통해 실질적으로 하부 방향으로 움직이도록 하고, 고체 탄소에 의한 환원 생성물 및 금속함유 재료의 환원은 일부 또는 전부가 바람직하게는 실질적으로 CFB의 리턴 레그에서 실행된다. 고체 탄소에 의한 금속함유 재료의 환원은 고체-고체 반응이므로, 반응 속도는 기체 CO로부터의 고체 탄소 형성의 기체-고체 반응에서보다 더 낮다. 수직관 부재와 리턴 레그에서의 잔류 시간의 차이는 이러한 상이한 반응 속도가 원인이다.CFB is used to allow the reactant to circulate through the reaction chamber, the reaction chamber being equipped with a return leg and a vertical tube member of the CFB, and the conversion of gaseous CO to solid carbon and gaseous carbon dioxide is partially or fully metal-containing. And gas CO occur substantially while moving upwards, and reduction of the metal-containing material is known to be carried out in a substantially more or less stagnant phase in the return leg before being reintroduced into the riser member. Thus in embodiments of the present invention the reduced product and the metal containing material obtained by the reduction of the metal containing material and the solid carbon are discharged to the return leg of the CFB, and the metal containing material and the reducing product and the solid carbon are substantially reduced through the return leg of the CFB. And the reduction of the reduction product and the metal-containing material by the solid carbon is preferably carried out in part or in whole preferably at substantially the return leg of the CFB. Since the reduction of the metal-containing material by solid carbon is a solid-solid reaction, the reaction rate is lower than in the gas-solid reaction of solid carbon formation from gas CO. The difference in residence time in the riser member and the return leg is due to this different reaction rate.
CFB에서의 금속함유 입자의 잔류 시간은 많은 순환이 되도록 선택되며, 이것은 소망 환원 또는 금속화 정도에 따라서 달라진다. CFB에는 사이클론과 같은 분 리 수단이 제공되어 고체 부분, 예컨대 금속함유 재료, 금속함유 재료의 환원으로부터 수득되는 환원 생성물, 및 가스 스트림의 상향 움직임으로부터의 고체 탄소를 분리시킬 수 있으며, 상기 가스 스트림은 기체 CO와 기체 이산화탄소를 포함한다. 상기 분리는 바람직하게는 1개 또는 그 이상의 사이클론에 의해 CFB의 수직관 부재의 상부쪽에서 근접하여 실행되는 것이 바람직하다.The residence time of the metal-containing particles in the CFB is chosen to be of many cycles, depending on the degree of reduction or metallization desired. CFB may be provided with separation means such as cyclones to separate solid portions, such as metal-containing materials, reduction products obtained from the reduction of metal-containing materials, and solid carbon from the upward movement of the gas stream, Gas and carbon dioxide. The separation is preferably carried out in close proximity to the upper side of the riser member of the CFB, preferably by one or more cyclones.
본 발명에 따른 공정은 환원 생성물이 소망 정도의 환원 또는 금속화에 도달하는 경우에 최종 환원 생성물로서 반응 챔버로부터 배출되는 배치식 공정으로서 실행될 수 있다. 이러한 최종 환원 생성물은 추가의 환원 또는 금속화를 위해서 이후의 공정에 제공될 수 있다.The process according to the invention can be carried out as a batch process withdrawing from the reaction chamber as the final reducing product when the reduction product reaches the desired degree of reduction or metallization. This final reduction product may be provided in subsequent processes for further reduction or metallization.
본 발명의 하나의 실시양태에서 금속함유 재료의 환원은 복수의 유동상 반응기(즉 2개 이상)에서 실행되며, 선행하는 유동상 반응기(i)의 최종 환원 생성물을 방출시켜 환원 또는 금속화 정도를 더 높게 하기 위한 추가의 환원을 위해 이후의 유동상 반응기(i+1)로 통과시킨다. 상기 (i+1) 유동상 반응기에서의 온도는 i 유동상 반응기에서보다 더 높은 것이 바람직하다. 상기 실시양태에서 공정 조건과 FB-설계를 최적화시켜 최종 환원 생성물의 개개의 환원 또는 금속화 정도를 획득할 수 있다. 또한 선행하는 유동상 반응기 또는 반응기들을 고체 탄소 제조를 위해 최적화시킬 수 있고, 이후의 반응기 또는 반응기들을 금속함유 재료의 환원 또는 금속화를 소망 정도로 획득하기 위해서 최적화시킬 수 있는 방법으로 설계할 수도 있다.In one embodiment of the present invention the reduction of the metal-containing material is carried out in a plurality of fluidized bed reactors (ie two or more), releasing the final reduction product of the preceding fluidized bed reactor (i) to reduce the degree of reduction or metallization. Pass through to subsequent fluid bed reactor (i + 1) for further reduction to be higher. The temperature in the (i + 1) fluidized bed reactor is preferably higher than in the i fluidized bed reactor. In this embodiment the process conditions and the FB-design can be optimized to obtain the individual degree of reduction or metallization of the final reduction product. The preceding fluidized bed reactors or reactors can also be optimized for solid carbon production and subsequent reactors or reactors can be designed in such a way that they can be optimized to achieve the desired reduction or metallization of the metal-containing material.
바람직한 실시양태에서 후속 유동상으로부터 방출되는 기체상을 추가 공정을 위해 선행 유동상 반응기로 배출시킨다. 역류형-공정(counterflow-process)으로 기체상을 획득하여 가스에 존재하는 열 및 기체상의 CO-가스를 보다 경제적으로 획득할 수 있다. 따라서 가장 높은 농도의 CO를 갖는 기체상을 가장 높은 정도의 환원 또는 금속화를 갖는 환원 생성물을 함유하는 유동상 반응기에 도입한다. 따라서 상기 실시양태는 유동상 반응기에서 기체상과 금속함유 입자가 역류하지는 않고 동일한 방향으로 흐르는데도 불구하고 기체상과 금속함유 입자가 전체적으로 역류하는 것이 특징이다.In a preferred embodiment the gaseous phase released from the subsequent fluidized bed is discharged into the preceding fluidized bed reactor for further processing. The gas phase can be obtained in a counterflow-process to more economically obtain heat and gaseous CO-gas present in the gas. The gas phase with the highest concentration of CO is thus introduced into a fluidized bed reactor containing the reduced product with the highest degree of reduction or metallization. Thus, the above embodiment is characterized in that the gas phase and the metal-containing particles are totally flowed back in the fluidized bed reactor even though the gas phase and the metal-containing particles flow in the same direction but not in the reverse direction.
본 발명의 하나의 실시양태에서 최종 환원 생성물을 추가로 환원시켜 환원 생성물의 불완전하게 환원된 부분과 잔존하는 고체 탄소 사이의 실질적으로 고체-고체 반응에 의해서 최종 환원 생성물이 최종 단계 반응기에서의 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 보다 바람직하게는 98 % 이상의 환원 또는 금속화 정도가 더 높아지도록하며, 상기 최종 단계 반응기는 로터리 킬른, 회전로(rotary hearth furnace) 또는 유동상 반응기가 바람직하다. 직접 환원된 금속, 예컨대 DRI로 최종-단계 반응기에서 최종 환원을 획득하기에 적당한 피착된 고체 탄소의 양, 및 환원 또는 금속화 정도의 경제적인 방법으로 개시 환원 정도가 25 % 이하, 바람직하게는 15 이하, 보다 바람직하게는 5 % 이하, 및 가장 바람직하게는 0 %인 금속함유 개시 재료를 환원시키기에는 4개, 바람직하게는 3개의 이후의 유동상을 갖는 공정이 적당하다는 것을 확인하였다.In one embodiment of the present invention, the final reduction product is further reduced to allow 90% of the final reduction product in the final stage reactor by a substantially solid-solid reaction between the incompletely reduced portion of the reduction product and the remaining solid carbon. Above, preferably at least 95%, more preferably at least 98%, the degree of reduction or metallization is higher, with the final stage reactor being preferably a rotary kiln, a rotary hearth furnace or a fluidized bed reactor. The amount of deposited solid carbon suitable for obtaining the final reduction in the final-stage reactor with a directly reduced metal, such as DRI, and the degree of initiation reduction in an economical way of reduction or metallization is preferably 25% or less, preferably 15 It has now been found that a process with four, preferably three subsequent fluid beds is suitable for reducing the metal-containing starting material which is more preferably 5% or less, and most preferably 0%.
상기 실시양태에서 금속함유 재료는 거의 완전하게 개개 금속으로 환원된다. 최종-단계 반응기에서 최종 환원을 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 보다 바람 직하게는 98 % 이상으로 더 높은 정도의 환원 또는 금속화가 되도록 실행하는데 유리하다는 것을 확인하였다. 이상적으로 금속화 정도는 더 높을 수 있으며, 즉 99 % 이상 또는 99.5 % 이상일 수 있다. 로터리 킬른, 회전로 또는 또 다른 유동상 반응기에서의 추가 환원이 유리함이 입증되었다. 또한 환원 생성물을 용해시킴으로써 더 높은 정도의 금속화를 획득할 수도 있다.In this embodiment the metal containing material is reduced almost completely to the individual metal. It has been found that it is advantageous to carry out the final reduction in a final-stage reactor to at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98%, to a higher degree of reduction or metallization. Ideally the degree of metallization may be higher, ie at least 99% or at least 99.5%. Further reduction in rotary kilns, rotary furnaces or another fluidized bed reactor has proven advantageous. It is also possible to obtain higher degrees of metallization by dissolving the reduction product.
본 발명에 따른 공정으로 제공되는 최종 환원 생성물은 공정의 직접적인 결과로서 큰 표면적을 가진다. 철-산소 화합물 또는 철광석을 금속함유 재료로서 사용하는 경우 중간 및/또는 최종 환원 생성물은 금속 철 또는 강하게 환원된 철-산소 화합물을 포함할 것이다. 본 발명에 따른 공정에서 매우 소량의 오염물과 매우 큰 표면적을 갖는 철이 수득된다. 상기에 의해서 환원 생성물은 수소 제조 용의 해면철 공정(Sponge Iron Process, SIP)에 매우 적당하게 된다. 상기 해면철 공정은 수소 제조용으로 잘 알려진 기술이다. 상기는 철 또는 환원된 철-산화물을 스팀으로 재산화시켜 자철광 및 수소를 형성하는 단계를 포함한다. 생성된 수소는 높은 순도의 등급이며, 연료 전지 귀금속 촉매의 요구에 순응한다. 따라서 상기 공정은 고온 및 저온 연료 전지에 사용하기 위한 수소의 제조 및 정제에 매우 유리하다. 물론 상기 수소는 다른 목적으로도 사용할 수 있다.The final reduction product provided by the process according to the invention has a large surface area as a direct result of the process. If an iron-oxygen compound or iron ore is used as the metal-containing material, the intermediate and / or final reduction product will include metal iron or strongly reduced iron-oxygen compounds. In the process according to the invention iron is obtained with very small amounts of contaminants and very large surface areas. This makes the reduction product very suitable for the sponge iron process (SIP) for hydrogen production. The sponge iron process is a well known technique for producing hydrogen. This involves reoxidizing iron or reduced iron-oxides with steam to form magnetite and hydrogen. The hydrogen produced is of high purity grade and meets the requirements of fuel cell precious metal catalysts. The process is therefore very advantageous for the production and purification of hydrogen for use in hot and cold fuel cells. Of course, the hydrogen can also be used for other purposes.
본 발명에 따른 방법으로 제공되는 것과 같이 표면적이 매우 큰 철의 형태 또는 강하게 환원된 철-산소 화합물 형태의 최종 환원 생성물은 차량의 연료로서 사용되며, 환원 생성물은 예를 들어 연료 전지에 동력을 공급하고, 차량에 적당하거나, 또는 엔진 또는 장치를 작동시키기 위해 사용할 수 있는 수소를 형성하기 위 해서 스팀으로 산화시킨다. 본 발명에 따른 방법으로 생성된 철 또는 강하게 환원된 철-산소 화합물 형태의 최종 환원 생성물을 사용하여 제조할 수 있는 수소는 예를 들어 천연 가스로부터 생성되는 것 보다 더 경제적이며, 또한 이산화탄소도 덜 생성한다.The final reduction product in the form of iron with a large surface area or in the form of a strongly reduced iron-oxygen compound, as provided by the process according to the invention, is used as the fuel of a vehicle, which for example powers a fuel cell. And is oxidized with steam to form hydrogen suitable for the vehicle or usable for operating the engine or device. Hydrogen, which can be produced using the final reduction product in the form of iron or strongly reduced iron-oxygen compounds produced by the process according to the invention, is more economical than, for example, from natural gas and also produces less carbon dioxide. do.
최종 환원 생성물을 분리 처리하여 예컨대 맥석 또는 슬래그와 같은 비-금속 부분으로부터 금속 부분을 분리할 수 있다. 상기 분리 처리는 예컨대 중량 측정 처리(gravimetric treatment), 입자 크기 처리(particle size treatment) 또는 자기 처리(magnetic treatment)와 같은 기술을 포함할 수 있다.The final reduction product can be subjected to a separation treatment to separate the metal parts from non-metal parts such as gangue or slag. The separation treatment may include, for example, techniques such as gravimetric treatment, particle size treatment or magnetic treatment.
최종 환원 생성물은 추가로 바람직하게는 단광화(briquetting)로 생성물을 탄탄한 생성물로 압축하거나, 또는 압연 제품(rolled product)으로 압연시킬 수 있다. 상기 단광화 또는 압연 제품을 용해 작업에 사용할 수 있다. 압연 제품은 추가의 압연 작업에서 공급 재료로서 사용할 수 있으며, 또는 직접 사용하기 위해 소망 특성을 갖는 압연 제품을 제공하는 자체 용도로 사용할 수도 있다.The final reduction product may be further compressed into a solid product, or preferably rolled into a rolled product, preferably by briquetting. The briquettes or rolled products can be used for melting operations. The rolled product may be used as feed material in further rolling operations or may be used for its own use to provide a rolled product with the desired properties for direct use.
본 발명에 따른 제2 측면에 따르면 하기를 구비하는, 본 발명의 방법에 따른 금속함유 재료를 환원 생성물로 환원시키기 위한 장치가 제공된다:According to a second aspect according to the invention there is provided an apparatus for reducing a metal-containing material according to the method of the invention to a reducing product, comprising:
- 반응 챔버가 구비된 1개 이상의 유동상 반응기;At least one fluidized bed reactor equipped with a reaction chamber;
- 산소 함유 가스를 제공하기 위한 유입구, 탄소-함유 화합물을 제공하기 위한 유입구, 기체 CO를 포함하는 기체상을 배출하기 위한 배출구 및 슬래그와 같은 고체 폐기물을 배출하기 위한 선택적 배출구가 장착되어 있으며, 상기 산소 함유 가스 유동을 사용하여 상기 탄소-함유 화합물을 가스화시킴으로써 기체 CO를 포함 하는 기체상을 제조하기 위한 가스화기;An inlet for providing an oxygen containing gas, an inlet for providing a carbon-containing compound, an outlet for discharging a gaseous phase comprising gaseous CO and an optional outlet for discharging solid waste such as slag, A gasifier for producing a gas phase comprising gaseous CO by gasifying said carbon-containing compound using an oxygen containing gas flow;
- 금속함유 재료를 도입시키기 위한 반응 챔버로의 제1 유입구;A first inlet to the reaction chamber for introducing the metal containing material;
- 상기 반응 챔버에 상기 기체 CO를 도입시키기 위한 제2 유입구;A second inlet for introducing the gas CO into the reaction chamber;
- 반응 챔버에 상기 금속함유 재료와 기체 CO를 포함하는 유동상을 형성하기 위한 수단;Means for forming a fluidized bed comprising said metal-containing material and gaseous CO in a reaction chamber;
- 기체 CO를 고체 탄소와 기체 이산화탄소로 전환시키고, 상기 고체 탄소를 금속함유 재료 및/또는 환원 생성물 상에 침전시키며, 환원 생성물을 제조하기 위해 상기 고체 탄소에 의해 금속함유 재료를 환원시키기 위해 상기 반응 챔버에 적당한 온도를 제공하기 위한 수단;Converting gaseous CO into solid carbon and gaseous carbon dioxide, precipitating the solid carbon onto the metal-containing material and / or reducing product, and reducing the metal-containing material by the solid carbon to produce a reducing product. Means for providing a suitable temperature to the chamber;
- 상기 유동상으로부터 환원 생성물을 분리시키는 분리 수단 쪽으로 유동상의 구성물의 일부 또는 전부가 향하도록 하는 수단과 선택적으로 상기 유동상으로부터 오프-가스를 재순환 수단으로 향하도록 하는 수단; 및Means for directing some or all of the constituents of the fluidized bed towards the separating means separating the reducing product from the fluidized bed and optionally means for directing off-gas from the fluidized bed to the recycling means; And
- 기체 스트림으로부터 분리된 환원 생성물 중 일부 또는 전부를 상기 반응 챔버로 반환시키기 위한 회귀 부재 및 최종 환원 생성물로서 상기 반응 챔버로부터 잔존 환원 생성물을 배출시키기 위한 배출구.A regression member for returning some or all of the reduction product separated from the gas stream to the reaction chamber and an outlet for withdrawing the residual reduction product from the reaction chamber as a final reduction product.
유동상 반응기는 입자의 표면적 대 부피 비율이 높아서 열 및 물질 전달 계수가 높으므로 고체 탄소가 침전할 수 있는 위치로서의 기능을 금속함유 재료가 갖도록 하는데 매우 효과적인 장치를 제공한다. 반응물들을 서로 아주 밀접하게 만들어 반응성이 높고, 반응물 중 하나, 즉 고체 탄소의 형성은 발열 반응이므로 유동상의 조건은 금속함유 재료 입자의 환원에 최적이다. 금속함유 재료 입자는 또 한 유동화할 수 있도록 일정한 크기여야 한다는 것은 명백하다. 수용할 수 있는 최대 입자 크기는 유동상의 설계 및 작동 파라메터에 따라서 달라진다. 또한 유동상의 반응 챔버 중의 기체 일산화탄소로부터 고체 탄소를 바람직하게는 금속함유 재료 상에 직접, 또는 일부 또는 전부의 환원된 금속함유 재료 상에 침전시키므로 부착물 및 괴상물의 형성 위험은 없다. 가스화기에 탄소-함유 화합물을 제공하는 유입구와 산소 함유 가스를 제공하기 위한 유입구는 하나의 유입구로 통합시킬 수 있다.Fluidized bed reactors have a high surface area-to-volume ratio and high heat and mass transfer coefficients, providing a highly effective device for metal-containing materials to function as a location from which solid carbon can precipitate. The conditions of the fluidized bed are optimal for the reduction of metal-containing material particles because the reactants are made very close to one another and are highly reactive, and the formation of one of the reactants, ie, solid carbon, is exothermic. It is evident that the metal-containing material particles must also be of a constant size to allow fluidization. The maximum particle size that can be accommodated depends on the fluid bed design and operating parameters. In addition, solid carbon is preferably precipitated directly on the metal-containing material or on some or all of the reduced metal-containing material from the gaseous carbon monoxide in the reaction chamber of the fluidized bed, so there is no risk of deposits and mass formation. The inlet for providing the carbonizer to the gasifier and the inlet for providing the oxygen containing gas can be integrated into one inlet.
바람직한 실시양태에서 유동상 반응기는 하기한 구성을 포함하는 순환 유동상(CFB)이다: In a preferred embodiment the fluidized bed reactor is a circulating fluidized bed (CFB) comprising the following configuration:
- 금속함유 물질과 기체 CO를 포함하는 유동상의 실질적인 상향 이동을 허용하는 수직관 부재;A vertical tube member allowing substantial upward movement of the fluidized bed comprising the metal-containing material and gaseous CO;
- 상기 유동상으로부터 환원 생성물을 분리하기 위해서 수직관 부재의 상부에 도달할 때 분리 수단에 유동상의 구성물이 향하도록 하는 수단과 유동상으로부터 기체상을 재순환 수단으로 향하게 하는 수단과 환원 생성물을 리턴 레그로 향하도록 하는 수단;A return leg and a means for directing the fluid phase components to the separation means upon reaching the top of the riser member to separate the reduced product from the fluidized bed and for directing the gaseous phase from the fluidized bed to the recirculation means. Means for facing away;
- 상기 환원 생성물의 실질적인 하부 이동을 허용하는 리턴 레그;A return leg allowing substantial downward movement of said reduction product;
- 추가의 공정을 위해 상기 유동상으로부터 오프-가스를 배출시키기 위한 수단; 및Means for withdrawing off-gas from the fluidized bed for further processing; And
- 상기 리턴 레그로부터 상기 환원 생성물 중 전부 또는 일부를 반응 챔버에 반환시키기 위한 수단(상기 수단은 또한 상기 반응 챔버로부터 최종 환원 생성물로 서 잔존 환원 생성물을 배출시키기 위한 배출구를 구비함).Means for returning all or part of the reduction product from the return leg to the reaction chamber, the means also having an outlet for discharging the remaining reduction product from the reaction chamber as the final reduction product.
많은 순환이 이루어지는 CFB에서 금속함유 입자의 잔류 시간은 환원 생성물의 금속화의 소망 정도에 따라서 달라진다. 상기 CFB는 금속 함유 재료, 환원 생성물 등의 고체 부분을 분리하기 위해 하나 또는 그 이상의 사이클론과 같은 분리 수단을 구비하고, 고체 탄소는 상향 이동 가스 스트림으로부터 분리되며, 가스 스트림은 기체 CO와 기체 이산화탄소를 포함한다. 이러한 분리는 바람직하게는 1개 이상의 사이클론에 의해서 CFB의 수직관 부재의 상부에 근접하여 실행시키는 것이 바람직하다.The residence time of the metal-containing particles in CFB with many cycles depends on the desired degree of metallization of the reduction product. The CFB is provided with separation means such as one or more cyclones to separate the solid portion of the metal containing material, the reducing product, etc., and the solid carbon is separated from the upwardly moving gas stream, and the gas stream separates gaseous CO and gaseous carbon dioxide. Include. This separation is preferably carried out close to the top of the riser member of the CFB by one or more cyclones.
본 발명의 하나의 실시양태에서 리턴 레그에서 환원 생성물 중 일부 또는 전부를 반응 챔버에 반환시키기 위한 수단은 루프 실 또는 루프 실 밸브(loop seal valve)이다. 루프 실의 이점은 환원 공정 중 일부를 반응 챔버로 선택적으로 허용하도록 하는데 사용될 수 있다는 것이다. 복수의 루프 실을 사용하여 환원 생성물 중 일부를 최종 환원 생성물로서 배출시키도록 할 수도 있다.In one embodiment of the invention the means for returning some or all of the reduction product in the return leg to the reaction chamber is a loop seal or a loop seal valve. An advantage of the loop seal is that it can be used to selectively allow some of the reduction process into the reaction chamber. Multiple loop seals may be used to allow some of the reduction product to be discharged as the final reduction product.
하나의 실시양태에서 본 발명에 따른 장치는 환원 정도를 높이기 위한 추가 환원을 위해 후속 유동상 반응기의 반응 챔버에 선행 유동상으로부터의 최종 환원 생성물을 운반하기 위해 제공되는 수단인 복수의 연결 유동상 반응기를 구비한다. 본 상세한 설명의 내용에서 복수는 2개 이상을 의미하는 것으로 이해한다. 따라서 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 연결 유동상 반응기를 사용할 수 있다. 선행 유동상 반응기에서 추가 공정을 위해 후속 유동상으로부터 배출된 기체상을 제공하여 전체적으로 역류 가스 스트림을 만들 수 있도록 하는 수단을 제공할 수도 있다. 하나의 실시양태에서 선행 유동상 반응기의 온도 보다 더 높은 온도에서, 바람직하게는 임의의 후속 반응기는 임의의 선행 유동상 반응기에서보다 더 높은 온도에서 작동되도록 후속 유동상 반응기를 작동시키기 위한 수단을 제공한다.In one embodiment the apparatus according to the invention is a plurality of connected fluidized bed reactors, a means provided for conveying the final reduced product from the preceding fluidized bed to the reaction chamber of the subsequent fluidized bed reactor for further reduction to increase the degree of reduction. It is provided. In the context of the present description, the plural is understood to mean two or more. Thus, two, three, four or more connected fluidized bed reactors can be used. It is also possible to provide a means for providing a gaseous phase withdrawn from a subsequent fluidized bed for further processing in a preceding fluidized bed reactor to make a totally countercurrent gas stream. In one embodiment at a temperature higher than the temperature of the preceding fluidized bed reactor, preferably any subsequent reactor provides a means for operating the subsequent fluidized bed reactor to operate at a higher temperature than in any of the preceding fluidized bed reactors. do.
하나의 실시양태에서 CO 및/또는 CO2를 탄소 공급원으로서 사용하기 위해 가스화기에 재도입시키거나, 장치에 유입되는 기체상을 예열시키기 위한 열로 사용하고, 가연성 성분을 태움으로써 오프-가스에 존재하는 열 또는 화학 에너지 중 일부 또는 전부를 회수하기 위한 열 교환 장치 또는 가스화기 또는 1개 또는 그 이상의 유동상 반응기의 반응 챔버 또는 유동상 반응기의 반응 챔버에 재도입시키기 위해서 오프-가스로부터 잔존하는 기체 CO 및/또는 CO2 중 일부 또는 전부를 분리시키기 위한 재순환 수단을 구비하는 장치를 제공한다. In one embodiment, CO and / or CO 2 is re-introduced into the gasifier for use as a carbon source, used as heat to preheat the gas phase entering the apparatus, and is present in the off-gas by burning combustible components Gas remaining from the off-gas for reintroduction into a heat exchanger or gasifier or a reaction chamber of one or more fluidized bed reactors or a reaction chamber of a fluidized bed reactor to recover some or all of the thermal or chemical energy An apparatus is provided having recirculation means for separating some or all of CO and / or CO 2 .
하나의 실시양태에서 환원 생성물의 불완전한 환원 부분과 고체 탄소의 실질적으로 고체-고체 반응에 의해서 더 높은 정도의 환원 또는 금속화를 위해 최종 환원 생성물을 환원시키기 위한 최종 단계 반응기를 구비된 장치를 제공하며, 바람직하게는 상기 최종 단계 반응기는 로터리 킬른, 회전로 또는 유동상 반응기이다. 최종 단계 반응기를 떠난 후에 최종 환원 생성물의 환원 또는 금속화를 소망 정도로 획득하기 위해서 유동상으로부터 옮겨진 고체 탄소의 양이 불충분할 경우 최종 단계 반응기에 환원 생성물을 도입시키기 이전에 환원 생성물에 고체 탄소를 첨가할 수도 있는데도 불구하고 고체 탄소는 최종 단계 반응기로 환원 생성물과 함께 형성되는 유동상 반응기로부터 전달되는 것이 바람직하다. 하나의 실시양태에서 본 발명에 따른 장치는 중력 측정, 자기 또는 입자 크기 수단에 의해 잔존하는 부분으로부터 최종 환원 생성물의 금속 부분을 분리하기 위한 수단을 구비하고 있다.In one embodiment there is provided an apparatus with a final stage reactor for reducing the final reduction product for a higher degree of reduction or metallization by a substantially solid-solid reaction of the incomplete reducing portion of the reduction product with the solid carbon. Preferably, the final stage reactor is a rotary kiln, rotary furnace or fluidized bed reactor. If the amount of solid carbon removed from the fluidized bed is insufficient to achieve the desired reduction or metallization of the final reduction product after leaving the final stage reactor, add solid carbon to the reduction product before introducing the reduction product into the final stage reactor. Nevertheless, the solid carbon is preferably delivered from a fluidized bed reactor formed with the reduction product to the final stage reactor. In one embodiment the apparatus according to the invention is provided with means for separating the metal part of the final reduction product from the remaining part by gravity measurement, magnetic or particle size means.
바람직한 실시양태에서 본 발명에 따른 공정을 실행하기 위한 장치는 가스화기, 바람직하게는 동반류 타입의 가스화기, 3개 연속 CFB-반응기, 및 FB-타입, 바람직하게는 버블링 FB-타입 또는 회전식 킬른 타입의 최종-단계 반응기를 포함한다. 실시양태는 철광석의 환원용으로 기재되어 있지만 상세한 설명은 단지 공정 파라메터를 최소한으로 보정하는 다른 금속함유 재료의 환원을 위해서도 동일하게 유효하다. 상기 가스화기는 공업적 순수 산소 및 석탄 분말을 포함한다. 동반류 가스화기에서 건조 미분탄(dry pulverized coal)은 병류(co-current flow)에서 공업용 산소(technical oxygen)로 가스화된다. 가스화 반응은 미립자의 짙은 구름속에서 실행된다. 높은 온도와 압력으로 작업 처리량이 높아질 수 있으며, 타르 및 예컨대 메탄과 같은 휘발성 탄화수소가 가스화기 오프-가스에 존재하지 않는 것을 의미한다. 동반류 가스화기는 작동 온도가 회용융점 보다 매우 높은 슬래그처럼 대부분의 애쉬를 제거한다. 애쉬 중 소량은 최종 CFB로 기체 CO와 함께 운반되는 매우 미세한 건조 플라이 애쉬로 제조된다. CO를 포함하는 가스화기 오프-가스는 약 1300 내지 1600 ℃, 바람직하게는 약 1400 내지 1500 ℃의 가스화기 배출구에서 매우 높은 온도를 갖는다. 선택적으로 차가운 CO2 함유 가스는 가스화기에서 온도를 조절하는 조절제(moderator)로서 제공될 수 있다. 종래 사용하는 스팀은 조절제로 바람직하지 않으며, 그 이유는 CO/H2 비율에 역효과를 줄 수 있기 때문이다. 가스화기 오프-가스는 바람직하게 재순환 냉각기 공정 가스 또는 냉각된 합성가스와 혼합하거나 열 교환 유닛에서 냉각시킨다. 수득된 냉각 가스화기 오프-가스는 약 800 ℃의 온도를 가지며, 가스화기 오프-가스(합성가스)가 환원 공정으로 들어가는 최종 CFB에 공급된다. 최종 CFB에 도입되기 이전에 가스화기 오프-가스는 예를 들어 CaS를 제조하기 위해 칼슘으로 처리함으로써 가스로부터 황을 제거하기 위해 처리될 수 있다.In a preferred embodiment the device for carrying out the process according to the invention is a gasifier, preferably a gasifier of the countercurrent type, three continuous CFB-reactors, and an FB-type, preferably bubbling FB-type or rotary. A kiln type end-stage reactor. Embodiments have been described for the reduction of iron ore but the detailed description is equally valid for the reduction of other metal-containing materials that only minimally modify the process parameters. The gasifier includes industrial pure oxygen and coal powder. In a countercurrent gasifier, dry pulverized coal is gasified into technical oxygen in a co-current flow. The gasification reaction is carried out in a dense cloud of particulates. Higher temperatures and pressures can lead to higher throughput, meaning that no tar and volatile hydrocarbons, such as methane, are present in the gasifier off-gas. The countercurrent gasifier removes most of the ash, such as slag, where the operating temperature is much higher than the ash melting point. Small amounts of ash are made of very fine dry fly ash carried with gaseous CO as the final CFB. The gasifier off-gas comprising CO has a very high temperature at the gasifier outlet of about 1300 to 1600 ° C, preferably about 1400 to 1500 ° C. Optionally cold CO 2 containing gas may be provided as a modulator to control the temperature in the gasifier. Conventionally used steam is not preferred as a regulator because it can adversely affect the CO / H 2 ratio. The gasifier off-gas is preferably mixed with the recycle cooler process gas or cooled syngas or cooled in the heat exchange unit. The cold gasifier off-gas obtained has a temperature of about 800 ° C. and the gasifier off-gas (synthetic gas) is fed to the final CFB which enters the reduction process. Prior to introduction into the final CFB, the gasifier off-gas may be treated to remove sulfur from the gas, for example by treating with calcium to produce CaS.
철-화합물 또는 철광석은 바람직하게는 결정 크기가 5 내지 200 ㎛인 미세한 화합물 또는 광석 형태로 제공된다. 이러한 재료는 가스화기 오프-가스에 역류로 CFB로 제공되므로 제1 CFB의 장치에 들어간다. 이러한 제1 CFB의 온도는 가장 낮으며, 화합물 또는 광석 상에 고체 탄소를 피착시키는 목적으로 최적이다. 제1 CFB의 온도는 350 내지 600 ℃, 바람직하게는 400 내지 500 ℃로 조절되어 고체 탄소(부도아 탄소 및/또는 철-카바이드)를 제조한다. 철광석의 환원, 특히 헤마타이트의 마그네타이트로의 환원은 이미 이러한 저온에서 개시되며, 철-카바이드(FexC)가 형성되기 시작한다. 철 화합물 및/또는 이의 환원 생성물은 이러한 저온에서 고체 탄소의 형성용 촉매로서 작용한다. CFB의 리턴 레그의 조건은 하기 반응식이 가능하게 되도록 한다:The iron-compound or iron ore is preferably provided in the form of fine compounds or ores having a crystal size of 5 to 200 μm. This material enters the apparatus of the first CFB as it is provided as CFB in countercurrent to the gasifier off-gas. The temperature of this first CFB is the lowest and is optimal for the purpose of depositing solid carbon on the compound or ore. The temperature of the first CFB is adjusted to 350 to 600 ° C., preferably 400 to 500 ° C. to produce solid carbon (budoa carbon and / or iron-carbide). Reduction of iron ore, in particular hematite to magnetite, is already initiated at this low temperature and iron-carbide (Fe x C) begins to form. Iron compounds and / or reduction products thereof serve as catalysts for the formation of solid carbon at these low temperatures. The conditions of the return leg of the CFB enable the following scheme:
최종 CFB(역류 원리때문에 고체 상으로는 첫번째 것이고, 기체상용으로는 마 지막 것임)를 떠나는 경우, 환원 생성물은 50 % 이상, 바람직하게는 60 % 이상, 보다 바람직하게는 70 % 이상의 소망 환원 정도에 도달하며, 및/또는 충분한 고체 탄소를 로딩하여 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 보다 바람직하게는 98 % 이상의 금속화 또는 환원 정도에 최종 단계 반응기의 DRI의 최종 환원을 수득한다. 따라서 철광석이 최종 CFB를 떠나는 경우에 50 %의 소망 환원 정도에 도달하지 못하지만 대신에 충분한 고체 탄소를 로딩하여 90 % 이상의 환원 또는 금속화의 정도로 DRI의 최종 환원이 수득되는 공정 파라메터를 선택할 수 있다. 이러한 경우에 CFB-반응기는 철광석을 환원시키는 것 보다는 철광석을 환원시키기에 필요한 고체 탄소를 제조하기 위해서 사용하며, 철광석의 환원은 이후에 최종 단계 반응기에서 실행된다.When leaving the final CFB (first for solid phase and last for gas phase), the reduction product reaches a desired degree of reduction of at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%. And / or loading sufficient solid carbon to obtain a final reduction of the DRI of the final stage reactor at a degree of metallization or reduction of at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98%. Thus it is possible to select a process parameter in which iron ore does not reach the desired reduction of 50% when leaving the final CFB but instead is loaded with sufficient solid carbon to obtain a final reduction of the DRI to a degree of reduction of 90% or more or metallization. In this case the CFB-reactor is used to produce the solid carbon required to reduce the iron ore rather than to reduce the iron ore, which reduction is then carried out in a final stage reactor.
최종-단계 반응기에는 최종-단계 반응기에 주입되는 공기 또는 공업적 순수 산소, 및 CO를 포함하는 재순환 공정 가스 또는 새로운 합성가스와 함께 최종 CFB에서의 환원 생성물을 공급한다. 최종-단계 반응기의 반응은 발열반응이며, 최종-단계 반응기에서 하부-주입에 의한 것이 바람직한 산소 주입의 결과로서 방출되는 열은 상기에서 언급한 최종 환원 반응이 가능하도록 하는 조건을 촉진시킨다. 최종-단계 반응기가 유동상이므로 국소적인 뜨거운 스팟의 발생이 예방되며, 미세한 입자의 응고에 의한 공정의 클로깅(clogging) 위험이 최소화된다. 클로깅의 위험은 필요하다면 US 3,615,352에 기재되어 있는 것과 같은 유동상에 첨가제를 첨가함으로써 추가로 감소시킬 수 있다. 최종-단계 반응기의 온도는 바람직하게는 680 내지 850 ℃, 예를 들면 약 750 ℃ ± 20 ℃이다. 최종-단계 반응기에서의 대부분 의 환원 반응은 순 고체-고체 반응이며, 기체-고체 반응은 아닌 것으로 생각된다. 기체는 철과 이의 산화물에 있어서의 CO-CO2-T 안정성 다이아그램을 조종함으로써 실행되도록 고체-고체 반응을 가능하게 하는 조건을 만드는데 주로 도움을 주기 위해 존재한다. 본 발명자들은 최종-단계 반응기로 유입되는 기체상의 후 연소 비율이 실제로 최종 환원 중에 CO 발생의 결과로서 최종-단계 반응기에서 방출되는 기체상의 후 연소 비율과 거의 동일하다는 것을 확인하였다. 실시양태를 3 CFB로 기재하였지만 2, 4, 5 또는 그 이상의 CFB의 사용도 또한 가능하다는 것을 알아야 한다. 본 발명자들은 3 또는 4 CFB를 사용하면 금속함유 개시 재료 상에 탄소의 피착을 위한 저온 CFB, 탄소를 추가로 피착시키기 위한 중간 온도 CFB 및 금속함유 개시 재료를 소망 정도의 환원 또는 금속화 및 피착 고체 탄소의 양으로 완전하게 환원시키기 위한 최종 '높은' 온도 CFB의 결합이 양호하게 되어 최종-단계 반응기로의 도입에 양호한 환원 생성물을 제공한다는 것을 확인하였다.The final-stage reactor is fed with reduction products in the final CFB together with air or industrial pure oxygen injected into the final-stage reactor, and the recycle process gas or fresh syngas containing CO. The reaction of the final-stage reactor is exothermic and the heat released as a result of the oxygen injection, which is preferred by bottom-injection in the final-stage reactor, promotes the conditions under which the abovementioned final reduction reaction is possible. Since the last-stage reactor is a fluidized bed, the occurrence of local hot spots is prevented and the risk of clogging of the process by coagulation of fine particles is minimized. The risk of clogging can be further reduced if necessary by adding an additive to the fluid phase, such as described in US 3,615,352. The temperature of the final-stage reactor is preferably between 680 and 850 ° C, for example about 750 ° C ± 20 ° C. Most of the reduction reactions in the final-stage reactors are believed to be pure solid-solid reactions, not gas-solid reactions. Gases are primarily present to help create conditions that enable solid-solid reactions to be performed by manipulating CO-CO 2 -T stability diagrams for iron and its oxides. The inventors have found that the post-combustion rate of gaseous phase entering the final-stage reactor is actually the gaseous post-combustion rate released in the final-stage reactor as a result of CO evolution during final reduction. It is confirmed that it is almost the same as. Although an embodiment is described as 3 CFB, it should be understood that the use of 2, 4, 5 or more CFBs is also possible. Using 3 or 4 CFB, the present inventors have found that a desired amount of reduced or metallized and deposited solids can be prepared by the low temperature CFB for the deposition of carbon on the metal-containing starting material, the intermediate temperature CFB for the additional deposition of carbon and the metal-containing starting material. It was found that the binding of the final 'high' temperature CFB to fully reduce the amount of carbon became good, providing a good reduction product for introduction into the final-stage reactor.
최종-단계 반응기에서 방출되는 최종 환원 생성물은 또한 맥석(gangue), 슬래그, CaS 또는 기타 바람직하지 않은 재료를 포함할 수도 있으며, 이들은 자기 선별 작업으로 금속 상으로부터 분리시킬 수 있다.The final reduction product released in the last-stage reactor may also include gangue, slag, CaS or other undesirable materials, which can be separated from the metal phase in a magnetic sorting operation.
공정에 더이상 도입시킬 수 없는 공정의 최종 오프-가스는 예를 들면 이를 연소시키거나 및/또는 열을 사용함으로써 사용될 수 있는 몇몇 화학에너지 또는 열 에너지를 여전히 보유하고 있을 수 있다.The final off-gas of the process that can no longer be introduced into the process may still have some chemical or thermal energy that can be used, for example, by burning it and / or using heat.
실시양태에서 본 발명에 따른 장치는 Zn 및/또는 Pb 및/또는 Cd 함유 금속함유 재료로부터 Zn 및/또는 Pb 및/또는 Cd를 재순환시키기 위한 재순환 유닛(recycling unit)을 포함하고, 상기 유닛은 즉 Zn-, Pb- 및/또는 Cd-함유 화합물을 고체 탄소에 의해 금속 Zn, Pb 및/또는 Cd로 환원시키고, 및 Zn, Pb 및/또는 Cd를 증발시켜 기체 Zn, Pb 및/또는 Cd를 제조하는 수단을 포함한다.In an embodiment the device according to the invention comprises a recycling unit for recycling Zn and / or Pb and / or Cd from a Zn and / or Pb and / or Cd containing metal-containing material, the unit being ie Reducing the Zn-, Pb- and / or Cd-containing compounds to the metals Zn, Pb and / or Cd by solid carbon, and evaporating Zn, Pb and / or Cd to produce gases Zn, Pb and / or Cd Means for doing so.
실시양태에서 상기 장치는 하기한 구성을 포함한다:In an embodiment the device comprises the following configuration:
- 기체 Zn, Pb 및/또는 Cd를 액체 및/또는 고체 Zn, Pb 및/또는 Cd로 응축 및/또는 고체화시키기 위한 응축 수단; 또는Condensation means for condensing and / or solidifying the gases Zn, Pb and / or Cd to liquid and / or solid Zn, Pb and / or Cd; or
- 기체 Zn, Pb 및/또는 Cd를 아연-산소 화합물, 납-산소 화합물 및/또는 카드뮴-산소 화합물로 산화시키기 위한 산화 수단.Oxidation means for oxidizing the gases Zn, Pb and / or Cd into zinc-oxygen compounds, lead-oxygen compounds and / or cadmium-oxygen compounds.
본 실시양태로 예를 들면 강철 산업으로부터의 철-풍부 폐기 재료의 처리가 가능하다. 이러한 재료, 예컨대 강철 제조로부터의 철이 풍부한 더스트는 본 발명에 따른 장치 및 방법에 금속함유 재료로서 사용될 수 있다. 철-산소 화합물 이외에 이러한 재료는 또한 아연-산소 화합물, 납-산소 화합물 또는 카드뮴-산소 화합물을 포함할 수도 있다. 이러한 화합물은 철-산소 화합물을 철 화합물로 환원시킴으로써 금속함유 재료로부터 재순환된다. Zn, Cd 또는 Pb는 또한 방법의 공정에서 환원되며, 기체 상태가 된다. 아연-산소 화합물, 납-산소 화합물 또는 카드뮴-산소 화합물의 환원은 고체 탄소에 의하거나 또는 기체 CO 또는 H2와 직접 반응시킴으로써 실행될 수 있다. 이후에 Zn, Cd 또는 Pb 금속은 기체 상태로부터 응축될 수 있거나, 또는 아연-산소 화합물, 납-산소 화합물 및/또는 카드뮴-산소로서 산화 및 수집될 수 있다. 바람직한 실시양태에서 본 발명에 따른 장치는 탈아연 유닛(de-zincing unit)을 구비하고 있으며, 상기 탈아연 유닛은 Zn-함유 화합물을 금속 Zn으로 환원시키기 위해 금속함유 재료 또는 환원 생성물 또는 최종 환원 생성물을 가열시키고 기체 Zn을 제조하기 위해 Zn을 증발시키거나 또는 아연-산소 화합물, 예컨대 ZnO 또는 Zn(OH)2를 제조하기 위해 Zn을 산화시키는 가열 수단을 구비하고 있다. 본 실시양태는 Zn-함량이 예를 들어 종래의 철 및 강철 제조에 사용하기에는 너무 높은 Zn-풍부 폐기 재료를 처리하기에 특히 유리하다. 본 공정은 또한 고로와 관련된 종래의 철 제조에서 미립자를 사용하여 미립자로부터 Zn-, Cd 및/또는 Pb를 추출하기 위해 사용될 수도 있다.This embodiment enables the treatment of iron-rich waste material, for example from the steel industry. Such materials, such as iron-rich dust from steel making, can be used as metal-containing materials in the apparatus and method according to the invention. In addition to iron-oxygen compounds, these materials may also include zinc-oxygen compounds, lead-oxygen compounds or cadmium-oxygen compounds. Such compounds are recycled from metal-containing materials by reducing the iron-oxygen compounds to iron compounds. Zn, Cd or Pb are also reduced in the process of the process and become gaseous. Reduction of the zinc-oxygen compound, lead-oxygen compound or cadmium-oxygen compound can be effected by solid carbon or by direct reaction with gaseous CO or H 2 . The Zn, Cd or Pb metal may then be condensed from the gaseous state or may be oxidized and collected as zinc-oxygen compounds, lead-oxygen compounds and / or cadmium-oxygen. In a preferred embodiment the device according to the invention is provided with a de-zincing unit, which is a metal-containing material or a reduction product or a final reduction product for reducing the Zn-containing compound to the metal Zn. Heating means and evaporate Zn to produce gas Zn or oxidize Zn to produce zinc-oxygen compounds such as ZnO or Zn (OH) 2 . This embodiment is particularly advantageous for treating Zn-rich waste materials which are too high for use in the manufacture of conventional iron and steel, for example. The process may also be used to extract Zn-, Cd and / or Pb from the microparticles using the microparticles in conventional iron production associated with the blast furnace.
실시양태에서 본 발명에 따른 장치는 기체 Zn을 액체 및/또는 고체 Zn으로 응축 및/또는 고체화하기 위한 응축 수단이 구비되어 있다.In an embodiment the device according to the invention is equipped with condensation means for condensing and / or solidifying the gas Zn to liquid and / or solid Zn.
본 발명은 하기의 비제한적 도면으로 추가 설명될 것이다. 도 1은 유동상 반응기의 기본 배치도이다. 도 2는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 전체 장치의 기본 배치도이다. 도 3은 2개 이상의 순환 유동상 반응기와 최종 단계 반응기를 구비하고 있는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치의 기본 배치도이다. 도 4는 Zn 함유 금속함유 재료로부터 Zn을 재순환시키기 위한 재순환 유닛을 구비하고 있 는 도 2에 따른 장치의 기본 배치도이다. 도 5 및 도 6은 각각 도 2 및 도 3의 대안적인 실시양태이다.The invention will be further illustrated by the following non-limiting drawings. 1 is a basic layout of a fluidized bed reactor. 2 is a basic layout of the overall apparatus for carrying out the method of the present invention. 3 is a basic layout of an apparatus for carrying out the method of the present invention having two or more circulating fluidized bed reactors and a final stage reactor. 4 is a basic layout of the apparatus according to FIG. 2 with a recycling unit for recycling Zn from a Zn containing metal-containing material. 5 and 6 are alternative embodiments of FIGS. 2 and 3, respectively.
도 1에서 유동상 반응기, 본 실시예에서의 순환 유동상(1)은 금속함유 재료 (2) 및 기체 CO를 함유하는 가스 유동 (3)을 포함한다. 금속함유 재료 (2) 및 기체 CO를 포함하는 가스 유동이 순환 유동상 (1)의 수직관 부재를 통해 상부로 이동한 후 재료는 기체와 고체 입자를 분리시키기 위한 수단 (5)로 향하도록 유도된다. 오프-가스는 수단 (5)에서 위쪽으로 향하는 화살표로 나타낸 것과 같이 수단(5)으로부터 유도된다.In FIG. 1 the fluidized bed reactor, the circulating
기체 CO로부터 형성된 고체 탄소를 포함하는 고체 부분은 금속함유 재료가 환원 생성물로 환원되도록 금속 함유 재료와 반응한다. 상기 환원 생성물은 1회 또는 그 이상의 추가 사이클 동안 순환 유동상의 반응 챔버에 환원 생성물의 일부 또는 전부가 반환되도록 하기 위해서 리턴 레그를 통해 루프-실과 같은 수단 (7)로 하강한다. 대안적으로 환원 생성물의 일부 또는 전부는 수단 (7)의 오른쪽 화살표로 나타낸 것과 같이 최종 환원 생성물로서 배출될 수 있다.The solid portion comprising solid carbon formed from gaseous CO reacts with the metal containing material such that the metal containing material is reduced to a reducing product. The reduction product is lowered by means of a loop-silk-like means (7) via a return leg in order to return some or all of the reduction product to the reaction chamber in the circulating fluidized bed for one or more further cycles. Alternatively, some or all of the reduction product may be discharged as the final reduction product as indicated by the right arrow of the means (7).
도 2에서 수단 (7)에서 배출될 수 있는 환원 생성물의 일부는 수단 (4)에 제공된다. 상기 수단 (4)는 로터리 킬른, 회전로 또는 유동상 반응기와 같은 최종 단계 반응기일 수 있다. 대안적으로 수단 (4)는 (1), (5), (6) 및 (7)을 구비하는1 또는 그 이상의 추가 사이클이 될 수 있으며, 부재 (6)은 순환 유동상 반응기의 리턴 레그의 개략적인 표현이며, 부재 (1)은 수직관 부재이고, 및 부재 (5)는 분리 수단, 예컨대 사이클론이다. 이러한 상태는 도 3에 개략적으로 나타내었다. 수단 (4)는 또한 1 또는 그 이상의 순환 유동상 반응기 및 최종 단계 반응기를 나타낼 수도 있다. 도 2 및 도 3에서 가스 유동은 점 또는 대시 화살표('g')로 개략적으로 나타냈으며, 비-가스-유동은 선 화살표('s')로 나타냈다. 수단 (5)에 의해 분리된 기체 생성물은 가스 세정 유닛 (11)으로 유도될 수 있으며, 기체 생성물은 방출되거나 또는 가스를 재사용하거나 및/또는 예열 목적을 위해서 상기 가스 세정 유닛 (11)으로부터 가스 공급원 (12), 예컨대 가스화기로 유도될 수 있다. 도 2에서 기체 CO를 포함하는 가스는 예를 들면 석탄의 가스화에 의해서 가스 공급원 (12)에서 제조되며, 기체 CO를 포함하는 뜨거운 가스 유동 (8)은 수단 (4)를 통해 전체적인 역류(general or overall countercurrent)로 금속함유 재료 및/또는 환원 생성물에 공급된다. 이것을 가스 유동 (3)으로 나타냈다. 순환 유동상의 수직관 부재 내에서 금속함유 재료 및/또는 중간 환원 생성물의 유동은 수진관 부재 (1) 및 (1a)내에 굵은 화살표로 나타낸 것과 같이 가스 유동과 일치한다.In FIG. 2 a part of the reduction product that can be withdrawn from the
도 4에서 도 2의 장치는 Zn 및/또는 Pb 및/또는 Cd 함유 금속함유 재료로부터 Zn 및/또는 Pb 및/또는 Cd를 재순환시키기 위한 유닛과 결합되어 있다. Zn 및/또는 Pb 및/또는 Cd 함유 금속함유 재료를 여전히 포함하는 최종 환원 생성물(9)은 아연-산소 화합물 또는 납-산소 화합물 또는 카드뮴-산소 화합물을 금속 납, 아연 또는 카드뮴으로 환원시키기 위해 사용되는, 기체 CO를 포함하는 뜨거운 가스 유동 (8)과 함께 수단 (13)으로 옮겨진다. 상기 금속 납, 아연 또는 카드뮴은 이후에 기체 상태가 될 수 있으며, 수단 (15)에 제공된다. 수단 (15)에서 금속은 기체 상태로부터 응축될 수 있으며, 아연-산소 화합물, 납-산소 화합물 및/또는 카드뮴-산소로서 산화 및 수집될 수 있다.In FIG. 4 the apparatus of FIG. 2 is combined with a unit for recycling Zn and / or Pb and / or Cd from a Zn and / or Pb and / or Cd containing metal containing material. The
도 5에서는 도 2에서의 것에 대안적인 실시양태를 나타내며, 약 800 ℃로 냉각시킨 후에 가스화기로부터의 합성가스는 CFB에 도입된다. 상기 합성가스는 수단 (5)에서 고체 입자로부터 분리되며, 재순환 가스는 가스 세정 유닛 (11)에서 세정된다. 가스 세정 유닛 후 재순환 공정 가스는 최종 단계 반응기 (4) 또는 가스화기 (12)로 유도될 수 있다. 재순환 가스는 가스화기로 직접 유도될 수 있거나, 또는 가스화기에 의해 제조된 새로운 합성가스를 약 800 ℃로 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 수단 (4)는 도 2에 있어서 나타내는 것과 같은 동일한 대안적인 의미를 가질 수 있다. 도 5에서 나타내는 것과 같은 대안적인 가스 유동은 도 3(도 6 참조) 및 도 4의 실시양태에 적용시킬 수도 있다.FIG. 5 shows an alternative embodiment to that in FIG. 2, after cooling to about 800 ° C., syngas from the gasifier is introduced into the CFB. The syngas is separated from the solid particles in the
Claims (35)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP06015277.4 | 2006-07-21 | ||
| EP06015277 | 2006-07-21 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090034386A true KR20090034386A (en) | 2009-04-07 |
Family
ID=37672250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020097003545A Withdrawn KR20090034386A (en) | 2006-07-21 | 2007-07-18 | Method and apparatus for reducing metal containing materials to reducing products |
Country Status (13)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20090308204A1 (en) |
| EP (1) | EP2046999A2 (en) |
| JP (1) | JP2009544846A (en) |
| KR (1) | KR20090034386A (en) |
| CN (1) | CN101512021B (en) |
| AU (1) | AU2007276431B2 (en) |
| BR (1) | BRPI0715424A2 (en) |
| CA (1) | CA2658524A1 (en) |
| MX (1) | MX2009000735A (en) |
| RU (1) | RU2450057C2 (en) |
| UA (1) | UA97375C2 (en) |
| WO (1) | WO2008009433A2 (en) |
| ZA (1) | ZA200900427B (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101493211B1 (en) * | 2014-07-25 | 2015-02-24 | 한국에너지기술연구원 | Apparatus and methods for smelting rare metal using multi-stage fluidized reaction by hydrogen reduction |
| KR20210023197A (en) * | 2019-08-22 | 2021-03-04 | 신광진 | Direct reduced iron manufacturing plant based on cement manufacturing plant and manufacturing method using the same |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5807786B2 (en) * | 2009-06-10 | 2015-11-10 | ガルダ,ケキ,ホルムスジ | Apparatus and method for producing iron, semi-steel and reducing gas |
| ES2935058T3 (en) | 2010-08-16 | 2023-03-01 | Singularity Energy Tech Llc | Sandwich gasification process for the conversion of high-efficiency carbonaceous fuels into clean syngas with zero residual carbon discharge |
| CN103695588B (en) * | 2013-12-31 | 2015-04-01 | 中国科学院过程工程研究所 | System and method for reducing powdery iron ore by fluidized beds |
| CN103725819B (en) * | 2013-12-31 | 2015-06-03 | 中国科学院过程工程研究所 | Iron ore powder fluidized reduction system and method |
| KR101714995B1 (en) * | 2014-03-11 | 2017-03-09 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | Method and facility for producing reduced iron |
| CN105755196B (en) * | 2016-03-30 | 2018-06-29 | 北京大学 | A kind of Ferrous Metallurgy method of clean and effective |
| CN106086463B (en) * | 2016-08-02 | 2019-04-09 | 中国恩菲工程技术有限公司 | Smelting equipment for lead and zinc ore |
| RU2644892C1 (en) * | 2016-12-29 | 2018-02-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Extraction method of metals at the gasification of solid fuel in a polyfuel gas generator |
| JP7251922B2 (en) * | 2018-03-05 | 2023-04-04 | 住友金属鉱山株式会社 | Fluidized roasting furnace |
| WO2021097363A1 (en) * | 2019-11-15 | 2021-05-20 | Susteon Inc. | Production of high purity particulate silicon carbide by hydrocarbon pyrolysis |
| CN111232956B (en) * | 2020-02-29 | 2023-02-14 | 太原理工大学 | Device for reforming and reducing iron and generating carbon nano tube by methane and carbon dioxide |
| US20230203606A1 (en) * | 2020-05-29 | 2023-06-29 | Technological Resources Pty. Limited | Biomass Direct Reduced Iron |
| AU2021361339A1 (en) * | 2020-10-13 | 2023-05-04 | Roundhill IP Pty Ltd | Process of thermally treating minerals and apparatus therefor |
| EP4039779A1 (en) * | 2021-11-02 | 2022-08-10 | Doosan Lentjes GmbH | Method and system for processing biomass |
| WO2024064293A1 (en) * | 2022-09-21 | 2024-03-28 | Omnis Advanced Technologies, LLC | Ultra-high temperature continuous reduction of metal compound particles with subsequent selective separation |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3246978A (en) * | 1963-04-19 | 1966-04-19 | Exxon Research Engineering Co | Fluid bed process |
| US3637368A (en) * | 1968-10-16 | 1972-01-25 | Exxon Research Engineering Co | Increased metallizations of iron ore from fluidized bed processes |
| US3788835A (en) * | 1970-12-30 | 1974-01-29 | Exxon Research Engineering Co | Iron ore reduction process(nu-9) |
| US4396423A (en) * | 1981-06-22 | 1983-08-02 | Stephens Jr Frank M | Process for recovering iron and zinc from steel making dusts |
| CA2006253C (en) * | 1988-12-20 | 1998-08-11 | Rodney James Dry | Pre-reduced iron oxide |
| US5510201A (en) * | 1992-04-24 | 1996-04-23 | H Power Corporation | Method of operating a fuel cell wherein hydrogen is generated by providing iron in situ |
| US5629102A (en) * | 1992-04-24 | 1997-05-13 | H Power Corporation | Electrical automobile having a fuel cell, and method of powering an electrical automobile with a fuel cell system |
| AT404735B (en) * | 1992-10-22 | 1999-02-25 | Voest Alpine Ind Anlagen | METHOD AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF LIQUID PIPE IRON OR LIQUID STEEL PRE-PRODUCTS |
| KR970003636B1 (en) * | 1994-12-31 | 1997-03-20 | 포항종합제철 주식회사 | A furnace for reduction fine coal in the manufacture of iron melts |
| US5876793A (en) * | 1996-02-21 | 1999-03-02 | Ultramet | Fine powders and method for manufacturing |
| AT407530B (en) * | 1999-07-29 | 2001-04-25 | Voest Alpine Ind Anlagen | METHOD FOR DISTRIBUTING FINE PARTICLE-SHAPED MATERIAL FROM A FLUID BED |
| EP1568793A1 (en) * | 2004-02-23 | 2005-08-31 | Corus Technology BV | Method and apparatus for reducing metal-oxygen compounds |
| JP5000486B2 (en) * | 2004-05-31 | 2012-08-15 | オウトテック オサケイティオ ユルキネン | Direct reduction method and apparatus |
-
2007
- 2007-07-18 CN CN2007800332861A patent/CN101512021B/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-07-18 AU AU2007276431A patent/AU2007276431B2/en not_active Ceased
- 2007-07-18 BR BRPI0715424-0A patent/BRPI0715424A2/en not_active IP Right Cessation
- 2007-07-18 RU RU2009106036/02A patent/RU2450057C2/en not_active IP Right Cessation
- 2007-07-18 EP EP07786150A patent/EP2046999A2/en not_active Withdrawn
- 2007-07-18 ZA ZA200900427A patent/ZA200900427B/en unknown
- 2007-07-18 KR KR1020097003545A patent/KR20090034386A/en not_active Withdrawn
- 2007-07-18 JP JP2009521144A patent/JP2009544846A/en not_active Withdrawn
- 2007-07-18 US US12/373,967 patent/US20090308204A1/en not_active Abandoned
- 2007-07-18 MX MX2009000735A patent/MX2009000735A/en unknown
- 2007-07-18 UA UAA200901345A patent/UA97375C2/en unknown
- 2007-07-18 WO PCT/EP2007/006376 patent/WO2008009433A2/en not_active Ceased
- 2007-07-18 CA CA002658524A patent/CA2658524A1/en not_active Abandoned
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101493211B1 (en) * | 2014-07-25 | 2015-02-24 | 한국에너지기술연구원 | Apparatus and methods for smelting rare metal using multi-stage fluidized reaction by hydrogen reduction |
| KR20210023197A (en) * | 2019-08-22 | 2021-03-04 | 신광진 | Direct reduced iron manufacturing plant based on cement manufacturing plant and manufacturing method using the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101512021B (en) | 2012-03-07 |
| CN101512021A (en) | 2009-08-19 |
| ZA200900427B (en) | 2010-04-28 |
| CA2658524A1 (en) | 2008-01-24 |
| MX2009000735A (en) | 2009-03-06 |
| WO2008009433A3 (en) | 2008-06-12 |
| BRPI0715424A2 (en) | 2013-05-21 |
| RU2450057C2 (en) | 2012-05-10 |
| RU2009106036A (en) | 2010-08-27 |
| JP2009544846A (en) | 2009-12-17 |
| US20090308204A1 (en) | 2009-12-17 |
| UA97375C2 (en) | 2012-02-10 |
| EP2046999A2 (en) | 2009-04-15 |
| WO2008009433A2 (en) | 2008-01-24 |
| AU2007276431A1 (en) | 2008-01-24 |
| AU2007276431B2 (en) | 2011-07-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20090034386A (en) | Method and apparatus for reducing metal containing materials to reducing products | |
| EP0063924B1 (en) | Methods for melting and refining a powdery ore containing metal oxides and apparatuses for melt-refining said ore | |
| Kurunov | The direct production of iron and alternatives to the blast furnace in iron metallurgy for the 21st century | |
| CA2692943A1 (en) | Process and plant for reducing solids containing iron oxide | |
| EP2220197A1 (en) | Process and plant for producing char and fuel gas | |
| US5259865A (en) | Very low slag iron making process | |
| AU2005300680B2 (en) | Process and plant for producing titania slag from ilmenite | |
| CA2566320C (en) | A direct reduction apparatus and process | |
| JP2008501071A (en) | Direct reduction process | |
| AU2004278504B2 (en) | Method and apparatus for reducing metal-oxygen compounds | |
| WO2005116280A1 (en) | Direct reduction process using a single fluidised bed | |
| AU2005248042B2 (en) | Direct reduction process using a single fluidised bed | |
| CN1871366B (en) | Method and apparatus for reducing metal-oxygen compounds | |
| AU2005248041B2 (en) | A direct reduction apparatus and process | |
| WO2025227186A1 (en) | Production of iron and steel | |
| AU2005248040B2 (en) | A direct reduction process | |
| JPS5811707A (en) | Method and device for refining metallic oxide |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0105 | International application |
Patent event date: 20090220 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |