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WO2011081276A1 - 용철 제조 장치 - Google Patents

용철 제조 장치 Download PDF

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WO2011081276A1
WO2011081276A1 PCT/KR2010/005483 KR2010005483W WO2011081276A1 WO 2011081276 A1 WO2011081276 A1 WO 2011081276A1 KR 2010005483 W KR2010005483 W KR 2010005483W WO 2011081276 A1 WO2011081276 A1 WO 2011081276A1
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WO
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molten iron
carbon dioxide
manufacturing apparatus
iron manufacturing
iron ore
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PCT/KR2010/005483
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English (en)
French (fr)
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정종헌
김기현
신명균
이시형
김성만
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Posco Holdings Inc
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Posco Co Ltd
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a molten iron manufacturing apparatus. More specifically, the present invention relates to a molten iron manufacturing apparatus capable of reducing the amount of carbon dioxide generated in the molten iron manufacturing process and producing liquid fuel and electrical energy.
  • carbon dioxide contained in by-product gas is considered to be the cause of climate change, and it needs to be recovered and recycled.
  • the present invention is to provide a molten iron manufacturing apparatus for recycling carbon dioxide generated while reducing the amount of carbon dioxide carbon dioxide generated in the molten iron manufacturing process.
  • the present invention is to provide a molten iron manufacturing apparatus capable of producing liquid fuel and electrical energy in the molten iron manufacturing process.
  • the molten iron manufacturing apparatus is a molten iron production for producing molten iron and generating byproduct gas, and receives a carbon dioxide reforming apparatus for generating hydrogen and carbon monoxide by reforming the byproduct gas and the hydrogen and the carbon monoxide. It may include an iron ore reduction device for reducing iron ore.
  • the molten iron manufacturing apparatus may include a by-product gas purification facility between the molten iron production furnace and the carbon dioxide reforming device, and the by-product gas purification facility may purify harmful components in the by-product gas.
  • the by-product gas purification equipment may include at least one of a cyclone, a filter and a scrubber.
  • the apparatus for producing molten iron includes a gas distribution device between the carbon dioxide reformer and the iron ore reduction device, and the gas distribution device supplies some of the hydrogen and the carbon monoxide generated in the carbon dioxide reformer to the molten iron manufacturing furnace. The rest can be supplied to the iron ore reduction apparatus.
  • the molten iron manufacturing apparatus may include a first heat exchanger, and the first heat exchanger may supply heat generated in the molten iron manufacturing furnace to the carbon dioxide reforming apparatus.
  • the apparatus for producing molten iron may include a water vapor separation device connected to the iron ore reduction device, and the water vapor separation device may separate and remove water generated in the iron ore reduction device.
  • the apparatus for manufacturing molten iron may include a power generation device connected to the steam separation device, and the power generation device may receive electric steam and a mixed gas from the water vapor separation device to produce electric energy.
  • the power generation device may be a turbine.
  • the molten iron manufacturing apparatus includes a steam reforming apparatus between the molten iron manufacturing furnace and the carbon dioxide reforming apparatus, and the steam reforming apparatus may generate hydrogen by reacting water vapor in the by-product gas with carbon monoxide.
  • the apparatus for producing molten iron includes a carbon dioxide separation device between the molten iron production furnace and the carbon dioxide reforming device, and the carbon dioxide separation device separates carbon dioxide from the by-product gas and sends the carbon dioxide to the carbon dioxide reforming device.
  • the carbon dioxide separation device may be a PSA device, or carbon dioxide may be separated using any one of a deep cooling method, an ammonia / amine absorption method, an adsorbent method, a MOF, and a membrane separation method.
  • the apparatus for producing molten iron may include a liquid fuel generating device connected to the iron ore reducing device, and the liquid fuel generating device may generate a liquid fuel by receiving a mixed gas from the iron ore reducing device.
  • the liquid fuel produced in the liquid fuel generating device may include at least one of methanol, dimethyl ether and hydro carbon.
  • the liquid fuel generating device may be a slurry reactor.
  • the molten iron manufacturing apparatus may include a second heat exchanger, and the second heat exchanger may supply heat generated in the liquid fuel generating device to the carbon dioxide reforming device.
  • a compressor may be provided between the iron ore reduction device and the liquid fuel generating device.
  • the apparatus for manufacturing molten iron may include a power generation device connected to the liquid fuel generation device, and the power generation device may generate electric energy by receiving water vapor and a mixed gas from the liquid fuel generation device.
  • the power generation device may be a turbine.
  • the apparatus for manufacturing molten iron may include a carbon dioxide separation device between the liquid fuel generation device and the power generation device, and the carbon dioxide separation device may separate carbon dioxide from the mixed gas and send it to the carbon dioxide reforming device.
  • the carbon dioxide separation apparatus may be a PSA apparatus, or carbon dioxide may be separated using any one of a deep cooling method, an ammonia / amine absorption method, an adsorbent method, a MOF, and a membrane separation method.
  • the apparatus for manufacturing molten iron is a first iron ore reduction apparatus for reducing iron ore to produce reduced iron, and manufacturing molten iron for receiving molten iron to produce molten iron and generating byproduct gas. And a second iron ore reduction device for reducing iron ore by receiving the carbon dioxide reforming device for generating hydrogen and carbon monoxide.
  • the molten iron manufacturing apparatus may include a by-product gas purification facility between the molten iron production furnace and the carbon dioxide reforming device, and the by-product gas purification facility may purify harmful components in the by-product gas.
  • the apparatus for manufacturing molten iron includes a gas distribution device between the carbon dioxide reformer and the iron ore reduction device, and the gas distribution device transfers some of the hydrogen and the carbon monoxide generated in the carbon dioxide reformer to the first iron ore reduction device. And the rest can be supplied to the second iron ore reduction apparatus.
  • the first iron ore reduction device or the second iron ore reduction device may be a flow reducing furnace.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the molten iron manufacturing apparatus is a molten iron manufacturing furnace 110, carbon dioxide reforming device 120, iron ore reduction device 130, by-product gas purification equipment 140, steam separation device 150 and power generation device 160.
  • the molten iron manufacturing furnace 110 is an apparatus for producing molten iron and slag using iron-containing raw materials and carbon-containing raw materials and generating by-product gas.
  • the iron-containing raw material may be iron ore and the carbon-containing raw material may be coal.
  • the iron-containing raw material reduction reaction is made by carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) and are represented by the following formulas (1) and (2), respectively.
  • the by-product gas may have a H 2 / CO molar ratio of 0.5 or more at a high temperature of 350 ° C. or more.
  • the by-product gas is supplied to the carbon dioxide reforming apparatus 120 through the by-product gas purification facility 140.
  • the by-product gas purification facility 140 is provided between the molten iron manufacturing furnace 110 and the carbon dioxide reforming unit 120, which is harmful to particulates, nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), mercury, and the like contained in the by-product gas. It is a device that removes ingredients.
  • the by-product gas purification facility 140 includes a cyclone, a filter, a scrubber, or the like to remove harmful components.
  • the carbon dioxide reforming device 120 is a device for generating hydrogen and carbon monoxide by reforming by-product gas. That is, the carbon dioxide reforming device 120 is a device for generating hydrogen and carbon monoxide by reacting methane and carbon dioxide, and the reforming reaction is represented by the following formula (3).
  • Fluidized bed reactors may be used as the carbon dioxide reformer 120. Using a fluidized bed reactor can prevent catalyst deactivation by carbon deposition and improve the yield of hydrogen and carbon monoxide produced.
  • Hydrogen and carbon monoxide generated in the carbon dioxide reformer 120 generates a mixed gas by mixing with a by-product gas, and the ratio of hydrogen to carbon monoxide (H 2 / CO) in the mixed gas is increased.
  • the mixed gas is supplied to the gas distribution device 170.
  • the gas distribution device 170 supplies a part of the mixed gas to the molten iron manufacturing furnace 110 and supplies the rest to the iron ore reduction device 130.
  • molten iron may be further increased.
  • a first heat exchanger 180 may be provided between the molten iron manufacturing furnace 110 and the carbon dioxide reforming apparatus 120.
  • the first heat exchanger 180 supplies heat generated in the molten iron manufacturing furnace 110 to the carbon dioxide reforming apparatus 120.
  • Iron ore reduction device 130 is a device for producing reduced iron by reducing the iron ore by receiving a mixed gas from the carbon dioxide reforming device 120. That is, the mixed gas acts as a reducing agent in the iron ore reduction apparatus 130.
  • Iron ore supplied to the iron ore reduction device 130 may have a smaller average particle size than iron ore supplied to the molten iron manufacturing furnace (110). For example, fine iron ore having an average particle size of 1 mm or less can be supplied to the iron ore reduction device 130.
  • the iron ore reduction apparatus 130 may be a fluidized bed reactor capable of operating at a temperature of 700 ° C. or more and a pressure of 3 bar or more.
  • the fluidized bed reactor may be in the form of bubbling, turbulent or riser.
  • Counter current fluidized bed reactors in which the ultra fine iron ore descends and the syngas for reduction rises may also be used.
  • the steam ore separation device 150 may be connected to the iron ore reduction device 130.
  • the steam separator 150 separates and removes steam generated during iron ore reduction and recovers heat.
  • the power generation device 160 is connected to the water vapor separation device 150 to receive electric steam and mixed gas to produce electric energy.
  • the produced electrical energy can be supplied to each device constituting the molten iron manufacturing device.
  • the power generation device 160 may be a turbine.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the second embodiment of the present invention are the same as those of the first embodiment, but further include a steam reforming device 210.
  • the steam reforming unit 210 is provided between the molten iron manufacturing furnace 110 and the carbon dioxide reforming unit 120.
  • the steam reforming unit 210 generates hydrogen by reacting steam in the by-product gas with carbon monoxide.
  • the reforming reaction is represented by the following formula (4).
  • Adding steam to the steam reformer 210 can increase the amount of hydrogen and reduce carbon deposition.
  • the steam reforming unit 210 not only a fluidized bed reactor but also a fixed bed reactor may be used.
  • a catalyst regeneration reactor may be installed to replenish, circulate and regenerate the catalyst.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the third embodiment of the present invention are the same as those of the second embodiment, but further include a liquid fuel generating device 310.
  • the liquid fuel generating device 310 is connected to the iron ore reduction device 130 to receive a mixed gas to generate a liquid fuel. Water vapor in the mixed gas generated in the iron ore reduction device 130 is separated and removed in the water vapor separation device 150, and the remaining gas is supplied to the liquid fuel generating device (310). The remaining gas may be compressed in the compressor 320 before being supplied to the liquid fuel generating device 310.
  • the resulting liquid fuel may be methanol, dimethyl ether, hydro carbon, or the like.
  • Methanol is finally produced through hydrogenation of carbon monoxide (CO), hydrogenation of carbon dioxide (CO 2 ), and water gas shift reaction.
  • CO carbon monoxide
  • CO 2 hydrogenation of carbon dioxide
  • water gas shift reaction Each reaction is represented by the following formulas (5) to (7).
  • Dimethyl ether can be produced by methanol and is represented by the following formula (8).
  • a slurry reactor which is one of the fluidized bed reactors, may be used to prevent catalyst deactivation due to carbon deposition.
  • Slurry reactor is composed of metal solid phase catalyst, liquid molecular wax (high molecular weight liquid) of hydrocarbon and by-product gas containing carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen.
  • By-product gas reacts with catalyst to produce liquid fuel such as methanol.
  • the liquid wax of the hydrocarbon is a medium for transferring heat and substances, and a second heat exchanger 330 may be installed to recover heat generated by an exothermic reaction.
  • the second heat exchanger 330 recovers heat generated from the liquid fuel generating device 410 and transfers heat to methane gas supplied to the carbon dioxide reforming device 120. Thermal efficiency may be increased by the operation of the second heat exchanger 330.
  • the structure of the liquid fuel generating device 310 is not limited to a slurry reactor, a fixed bed reactor consisting of by-product gas and a catalyst layer may also be used.
  • Liquid fuel such as methanol generated in the liquid fuel generating device 310 and water are separated from each other in the liquid fuel / water separator 340, and the mixed gas generated is supplied to the power generating device 160.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a molten iron manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the fourth embodiment of the present invention are the same as those of the third embodiment, but further include a carbon dioxide separation device 410.
  • the carbon dioxide separation device 410 is provided between the liquid fuel generation device 310 and the power generation device 160.
  • the carbon dioxide separation unit 410 separates carbon dioxide from the mixed gas generated in the liquid fuel generating unit 310 and sends the carbon dioxide to the carbon dioxide distributor 420.
  • the carbon dioxide distributor 420 sends some of the carbon dioxide to the carbon dioxide reformer 120 and the rest to a carbon dioxide enrichment and storage device (not shown).
  • a pressure swing adsorption (PSA) device may be used as the carbon dioxide separation device 410.
  • a device using deep cooling method, ammonia / amine absorption method, adsorbent usage, metal organic framework (MOF), membrane separation method, and the like may also be used as the carbon dioxide separation device 410.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the fifth embodiment of the present invention are the same as those of the first embodiment, but further include a carbon dioxide separation device 510.
  • the carbon dioxide separation unit 510 is provided between the by-product gas purification plant 140 and the carbon dioxide reforming unit 120.
  • the carbon dioxide separation unit 510 recovers only carbon dioxide in the by-product gas and sends the carbon dioxide to the carbon dioxide reforming unit 120, and sends the rest to the molten iron manufacturing furnace 110.
  • the carbon dioxide separation device 510 may be a PSA device.
  • the carbon dioxide separation device 510 may be a device for separating carbon dioxide using any one of a deep cooling method, an ammonia / amine absorption method, an adsorbent method, a MOF, and a membrane separation method.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the sixth embodiment of the present invention are the same as those of the fifth embodiment, but further include a liquid fuel generating device 610.
  • liquid fuel generating device 610 The description of the liquid fuel generating device 610 is omitted because it overlaps with the third embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the basic components of the apparatus for manufacturing molten iron according to the seventh embodiment of the present invention are the same as those of the sixth embodiment, but further include a carbon dioxide separation device 710.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a molten iron manufacturing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the first iron ore reduction device 810 is a device for reducing iron ore to produce reduced iron.
  • the molten iron manufacturing furnace 820 receives molten iron and produces molten iron.
  • the gas distribution device 170 supplies some of the hydrogen and carbon monoxide generated from the carbon dioxide reformer 120 to the first iron ore reduction device 810 and supplies the remaining to the second iron ore reduction device 830.
  • the first iron ore reducing device 810 or the second iron ore reducing device 830 may be a flow reducing furnace.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 용철을 생산하고 부생가스를 발생시키는 용철 제조로, 상기 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 개질 장치 및 상기 수소 및 상기 일산화탄소를 공급 받아 철광석을 환원하는 철광석 환원장치를 포함하는 용철 제조 장치를 제공한다.

Description

용철 제조 장치
본 발명은 용철 제조 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 용철 제조 공정에서 이산화탄소 발생량을 줄이고 액체연료 및 전기 에너지를 생산할 수 있는 용철 제조 장치에 관한 것이다.
용철 제조 공정에서 발생하는 부생가스를 그대로 대기 중으로 방출하면 환경에 유해할 뿐 아니라 재활용할 수 있는 성분을 폐기하는 것으로서 자원 및 에너지 효율 측면에서도 바람직하지 않다.
또한 부생가스에 포함된 이산화탄소는 기후 변화의 원인으로 지목되고 있으며 이를 회수하여 재활용할 필요가 있다.
본 발명은 용철 제조 공정에서 이산화탄소 이산화탄소 발생량을 줄이는 한편 발생한 이산화탄소를 재활용하는 용철 제조 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 용철 제조 공정에서 액체연료 및 전기 에너지를 생산할 수 있는 용철 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치는, 용철을 생산하고 부생가스를 발생시키는 용철 제조로, 상기 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 개질 장치 및 상기 수소 및 상기 일산화탄소를 공급 받아 철광석을 환원하는 철광석 환원장치를 포함할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 부생가스 정제설비를 구비하고, 상기 부생가스 정제설비는 상기 부생가스 중 유해 성분을 정제할 수 있다. 또한, 상기 부생가스 정제설비는 사이클론, 필터 및 스크러버 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 이산화탄소 개질 장치와 상기 철광석 환원 장치 사이에 가스 분배 장치를 구비하고, 상기 가스 분배 장치는 상기 이산화탄소 개질 장치에서 발생한 상기 수소 및 상기 일산화탄소 중 일부를 상기 용철 제조로에 공급하고 나머지를 상기 철광석 환원 장치에 공급할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 제1 열교환기를 구비하고, 상기 제1 열교환기는 상기 용철 제조로에서 발생하는 열을 상기 이산화탄소 개질 장치에 공급할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 철광석 환원 장치에 연결되는 수증기 분리 장치를 구비하고, 상기 수증기 분리 장치는 상기 철광석 환원 장치에서 발생한 물을 분리 및 제거할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 수증기 분리 장치에 연결되는 발전 장치를 구비하고, 상기 발전 장치는 상기 수증기 분리 장치로부터 수증기 및 혼합가스를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다. 또한, 상기 발전 장치는 터빈일 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 수증기 개질 장치를 구비하고, 상기 수증기 개질 장치는, 상기 부생가스 중 수증기를 일산화탄소와 반응시켜 수소를 발생시킬 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 이산화탄소 분리 장치를 구비하고, 상기 이산화탄소 분리 장치는, 상기 부생가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 개질 장치로 보내고 나머지는 상기 용철 제조로로 보낼 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소 분리 장치는 PSA장치이거나, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF 및 막 분리법 중 어느 하나를 사용하여 이산화탄소를 분리할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 철광석 환원 장치에 연결되는 액체연료 생성 장치를 구비하고, 상기 액체연료 생성 장치는, 상기 철광석 환원 장치로부터 혼합가스를 공급받아 액체연료를 생성할 수 있다. 한편, 상기 액체연료 생성 장치에서 생성되는 액체연료는 메탄올, 디메틸에테르 및 하이드로 카본 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 액체연료 생성 장치는 슬러리 반응기일 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 제2 열교환기를 구비하고, 상기 제2 열교환기는 상기 액체연료 생성 장치에서 발생하는 열을 상기 이산화탄소 개질 장치에 공급할 수 있다.
상기 철광석 환원 장치와 상기 액체연료 생성 장치 사이에는 압축기가 구비될 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 액체연료 생성 장치에 연결되는 발전 장치를 구비하고, 상기 발전 장치는 상기 액체연료 생성 장치로부터 수증기 및 혼합가스를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다. 한편, 상기 발전 장치는 터빈일 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 액체연료 생성 장치와 상기 발전 장치 사이에 이산화탄소 분리 장치를 구비하고, 상기 이산화탄소 분리 장치는 상기 혼합가스에서 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 개질 장치로 보낼 수 있다. 한편, 상기 이산화탄소 분리 장치는 PSA장치이거나, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF 및 막 분리법 중 어느 하나를 사용하여 이산화탄소를 분리할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 용철 제조 장치는, 철광석을 환원하여 환원철을 제조하는 제1 철광석 환원 장치, 상기 환원철을 공급받아 용철을 생산하고 부생가스를 발생시키는 용철 제조로, 상기 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 개질 장치 및 상기 수소 및 상기 일산화탄소를 공급받아 철광석을 환원하는 제2 철광석 환원 장치를 포함할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 부생가스 정제설비를 구비하고, 상기 부생가스 정제설비는 상기 부생가스 중 유해 성분을 정제할 수 있다.
상기 용철 제조 장치는, 상기 이산화탄소 개질 장치와 상기 철광석 환원 장치 사이에 가스 분배 장치를 구비하고, 상기 가스 분배 장치는 상기 이산화탄소 개질 장치에서 발생한 상기 수소 및 상기 일산화탄소 중 일부를 상기 제1 철광석 환원 장치에 공급하고 나머지를 상기 제2 철광석 환원 장치에 공급할 수 있다.
상기 제1 철광석 환원 장치 또는 상기 제2 철광석 환원 장치는 유동 환원로일 수 있다.
본 발명에 의하면, 용철 제조 공정에서 이산화탄소 이산화탄소 발생량을 줄이는 한편 발생한 이산화탄소를 재활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 용철 제조 공정에서 액체연료 및 전기 에너지를 생산할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도2은 본 발명의 제2실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도4은 본 발명의 제4실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도5은 본 발명의 제5실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도6은 본 발명의 제6실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도7은 본 발명의 제7실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도8은 본 발명의 제8실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 명세서 전체에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치을 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 장치는 용철 제조로(110), 이산화탄소 개질 장치(120), 철광석 환원 장치(130), 부생가스 정제설비(140), 수증기 분리 장치(150) 및 발전 장치(160)를 포함한다.
용철 제조로(110)는 철 함유 원료와 탄소 함유 원료를 사용하여 용철 및 슬래그를 생산하고 부생가스를 발생시키는 장치다. 철 함유 원료는 철광석이고 탄소 함유 원료는 석탄일 수 있다.
용철 제조로(110)에서 철 함유 원료 환원 반응은 일산화탄소(CO)와 수소(H2)에 의해 이루어지며 아래 화학식(1)과 (2)로 각각 나타난다.
Figure PCTKR2010005483-appb-I000001
(1)
Figure PCTKR2010005483-appb-I000002
(2)
부생가스는 350℃ 이상 고온에서 H2/CO 몰 비율이 0.5 이상일 수 있다.
부생가스는 부생가스 정제설비(140)를 거쳐 이산화탄소 개질 장치(120)에 공급된다. 부생가스 정제설비(140)는 용철 제조로(110)와 이산화탄소 개질 장치(120) 사이에 구비되는데, 부생가스에 포함된 미립자 분진, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 수은 등의 유해성분을 제거하는 장치다. 부생가스 정제설비(140)는 사이클론, 필터나 스크러버(scrubber) 등을 구비하여 유해성분을 제거한다.
이산화탄소 개질 장치(120)는 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 장치이다. 즉, 이산화탄소 개질 장치(120)는 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 수소와 일산화탄소를 발생시키는 장치이며, 개질 반응은 아래 화학식(3)으로 나타난다.
Figure PCTKR2010005483-appb-I000003
(3)
이산화탄소 개질 장치(120)로 유동층 반응기를 사용할 수 있다. 유동층 반응기를 사용하면, 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화를 방지할 수 있으며 생성되는 수소와 일산화탄소의 수율을 향상시킬 수도 있다.
이산화탄소 개질 장치(120)에서 발생한 수소 및 일산화탄소는 부생가스와 혼합함으로써 혼합가스를 발생시키고, 혼합가스에서 일산화탄소에 대한 수소의 비율(H2/CO)이 높아진다.
혼합가스는 가스 분배 장치(170)에 공급된다. 가스 분배 장치(170)는 혼합가스 중 일부를 용철 제조로(110)에 공급하고 나머지를 철광석 환원 장치(130)에 공급한다.
용철 제조로(110)에 공급되는 혼합가스와 열도 공급되므로 용철 생산량을 더 늘릴 수도 있다.
용철 제조로(110)와 이산화탄소 개질 장치(120) 사이에 제1 열교환기(180)를 구비할 수 있다. 제1 열교환기(180)는 용철 제조로(110)에서 발생하는 열을 이산화탄소 개질 장치(120)에 공급한다.
철광석 환원 장치(130)는 이산화탄소 개질 장치(120)로부터 혼합가스를 공급받아 철광석을 환원하여 환원철을 생산하는 장치이다. 즉, 철광석 환원 장치(130) 내에서 혼합가스가 환원제로 작용한다.
철광석 환원 장치(130)에 공급되는 철광석은 용철 제조로(110)에 공급되는 철광석보다 평균 입도가 작을 수 있다. 예를 들면, 평균 입도가 1㎜ 이하인 미분철광석 또는 극미분철광석을 철광석 환원 장치(130)에 공급할 수 있다.
철광석 환원 장치(130)는 온도 700℃ 이상, 압력 3 bar 이상에서 작동할 수 있는 유동층 반응기일 수 있다. 예를 들면, 유동층 반응기는 버블링(bubbling), 난류(turbulent) 또는 라이저(riser) 형태일 수 있다. 극미분철광석이 하강하고 환원용 합성가스가 상승하는 역류(counter current)형 유동층 반응기도 사용될 수 있다.
반응기 여러 개를 병렬 또는 직렬로 연결하여 철광석의 체류 시간을 연장함으로써 환원철의 철 함량을 조절하거나 환원철의 환원율을 높일 수도 있다.
철광석 환원 장치(130)에는 수증기 분리 장치(150)가 연결될 수 있다. 수증기 분리 장치(150)는 철광석 환원 과정에서 발생한 수증기를 분리 및 제거하며, 열도 회수할 수 있다.
발전 장치(160)는 수증기 분리 장치(150)에 연결되어 수증기 및 혼합가스를 공급받아서 전기 에너지를 생산한다. 생산된 전기 에너지는 용철 제조 장치를 구성하는 각 장치에 공급될 수 있다. 발전 장치(160)는 터빈일 수 있다.
도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제1실시예와 동일하나 수증기 개질 장치(210)를 추가로 구비하였다.
수증기 개질 장치(210)는 용철 제조로(110)와 이산화탄소 개질 장치(120) 사이에 구비된다. 수증기 개질 장치(210)는 부생가스 중 수증기를 일산화탄소와 반응시켜 수소를 발생시킨다. 개질 반응은 아래 화학식(4)로 나타난다.
Figure PCTKR2010005483-appb-I000004
(4)
수증기 개질 장치(210) 내에 수증기를 첨가하면 수소의 양을 늘릴 수 있고 탄소 침적(carbon deposition)을 줄일 수도 있다. 수증기 개질 장치(210)로는 유동층 반응기뿐만 아니라 고정층 반응기도 사용될 수 있다. 유동층 반응기를 사용하는 경우, 촉매를 보충, 순환 및 재생하기 위한 촉매 재생 반응기를 설치할 수도 있다.
도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도3을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제2실시예와 동일하나 액체연료 생성 장치(310)를 추가로 구비하였다.
액체연료 생성 장치(310)는 철광석 환원 장치(130)에 연결되어 혼합가스를 공급받아서 액체연료를 생성한다. 철광석 환원 장치(130)에서 발생한 혼합가스 중 수증기는 수증기 분리 장치(150)에서 분리 및 제거되고, 나머지 가스가 액체연료 생성 장치(310)에 공급된다. 나머지 가스가 액체연료 생성 장치(310)에 공급되기 전에 압축기(320)에서 압축될 수도 있다.
생성되는 액체연료는 메탄올이나 디메틸에테르, 하이드로 카본 등일 수 있다.
메탄올은 일산화탄소(CO)의 수소화(hydrogenation) 반응, 이산화탄소(CO2)의 수소화 반응 및 수성가스 이동반응(water gas shift reaction)을 거쳐 최종적으로 생성된다. 각 반응은 아래 화학식(5) 내지 (7)로 표현된다.
Figure PCTKR2010005483-appb-I000005
(5)
Figure PCTKR2010005483-appb-I000006
(6)
Figure PCTKR2010005483-appb-I000007
(7)
디메틸에테르는 메탄올에 의해 생성될 수 있으며 아래 화학식(8)로 표현된다.
Figure PCTKR2010005483-appb-I000008
(8)
액체연료 생성장치(120)로는 유동층 반응기의 하나인 슬러리 반응기를 사용함으로써 탄소 침적(carbon deposition)에 의한 촉매 비활성화를 방지할 수 있다.
슬러리 반응기는 촉매인 금속 고체상, 탄화수소의 액체상 왁스(High molecular weight liquid)와 이산화탄소, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 부생가스로 이루어지며, 부생가스는 촉매와 반응하여 메탄올 등 액체연료를 생성한다.
탄화수소의 액체상 왁스는 열과 물질을 전달하는 매개체이며 발열반응에 의해 발생한 열을 회수할 수 있도록 제2 열교환기(330)가 설치될 수 있다. 제2열교환기(330)는 액체연료 생성 장치(410)에서 발생하는 열을 회수하는 한편 이산화탄소 개질 장치(120)에 공급되는 메탄가스에 열을 전달하는 장치이다. 제2열교환기(330)의 작동에 의해 열효율이 높아질 수 있다.
한편, 액체연료 생성장치(310)의 구조는 슬러리 반응기로 한정되는 것은 아니며, 부생가스와 촉매층으로 이루어진 고정층 반응기도 사용될 수 있다.
액체연료 생성 장치(310)에서 생성된 메탄올 등 액체연료와 물은 액체연료/물 분리기(340)에서 서로 분리되고, 발생한 혼합가스는 발전 장치(160)에 공급된다.
도4는 본 발명의 제4실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제3실시예와 동일하나 이산화탄소 분리 장치(410)를 추가로 구비하였다.
이산화탄소 분리 장치(410)는 액체연료 생성 장치(310)와 발전 장치(160) 사이에 구비된다. 이산화탄소 분리 장치(410)는 액체연료 생성 장치(310)에서 발생한 혼합가스에서 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 분배기(420)으로 보낸다. 이산화탄소 분배기(420)는 이산화탄소 중 일부를 이산화탄소 개질 장치(120)로 보내고 나머지는 이산화탄소 농축 및 저장 장치(미도시)로 보낸다.
이산화탄소 분리 장치(410)로는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치가 사용될 수 있다. 또한, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF(Metal organic framework) 및 막 분리법 등을 이용하는 장치도 이산화탄소 분리 장치(410)로서 사용될 수 있다.
도5는 본 발명의 제5실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도5를 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제1실시예와 동일하나 이산화탄소 분리 장치(510)를 추가로 구비하였다.
이산화탄소 분리 장치(510)는 부생가스 정제설비(140)와 이산화탄소 개질 장치(120) 사이에 구비된다. 이산화탄소 분리 장치(510)는 부생가스 중 이산화탄소만 회수하여 이산화탄소 개질 장치(120)로 보내고 나머지는 용철 제조로(110)로 보낸다.
이산화탄소 분리 장치(510)는 PSA 장치일 수 있다. 이산화탄소 분리 장치(510)는, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF 및 막 분리법 중 어느 하나를 사용하여 이산화탄소를 분리하는 장치일 수도 있다.
도6은 본 발명의 제6실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도6을 참조하면, 본 발명의 제6실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제5실시예와 동일하나 액체연료 생성 장치(610)를 추가로 구비하였다.
액체연료 생성 장치(610)에 관한 설명은 제3실시예와 중복되므로 생략한다.
도7은 본 발명의 제7실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도7을 참조하면, 본 발명의 제7실시예에 따른 용철 제조 장치의 기본 구성 요소는 제6실시예와 동일하나 이산화탄소 분리 장치(710)를 추가로 구비하였다.
이산화탄소 분리 장치(710)에 관한 설명은 제4 및 제5 실시예와 중복되므로 생략한다.
도8은 본 발명의 제8실시예에 따른 용철 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 제8실시예에 따른 용철 제조 장치의 구성 요소 중 제1실시예와 동일하거나 유사한 것에 관한 설명은 생략한다.
제1 철광석 환원 장치(810)는 철광석을 환원하여 환원철을 제조하는 장치이다. 용철 제조로(820)는 환원철을 공급받아 용철을 생산한다.
가스 분배 장치(170)는 이산화탄소 개질 장치(120)에서 발생한 수소 및 일산화탄소 중 일부를 제1 철광석 환원 장치(810)에 공급하고 나머지를 제2 철광석 환원 장치(830)에 공급한다. 제1 철광석 환원 장치(810) 또는 제2 철광석 환원 장치(830)는 유동 환원로일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (24)

  1. 용철을 생산하고 부생가스를 발생시키는 용철 제조로,
    상기 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 개질 장치 및
    상기 수소 및 상기 일산화탄소를 공급 받아 철광석을 환원하는 철광석 환원장치
    를 포함하는 용철 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 부생가스 정제설비를 구비하고,
    상기 부생가스 정제설비는 상기 부생가스 중 유해 성분을 정제하는 용철 제조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 부생가스 정제설비는 사이클론, 필터 및 스크러버 중 적어도 하나를 구비하는 용철 제조 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 이산화탄소 개질 장치와 상기 철광석 환원 장치 사이에 가스 분배 장치를 구비하고,
    상기 가스 분배 장치는 상기 이산화탄소 개질 장치에서 발생한 상기 수소 및 상기 일산화탄소 중 일부를 상기 용철 제조로에 공급하고 나머지를 상기 철광석 환원 장치에 공급하는 용철 제조 장치.
  5. 제1항에서,
    제1 열교환기를 구비하고,
    상기 제1 열교환기는 상기 용철 제조로에서 발생하는 열을 상기 이산화탄소 개질 장치에 공급하는 용철 제조 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 철광석 환원 장치에 연결되는 수증기 분리 장치를 구비하고,
    상기 수증기 분리 장치는 상기 철광석 환원 장치에서 발생한 물을 분리 및 제거하는 용철 제조 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 수증기 분리 장치에 연결되는 발전 장치를 구비하고,
    상기 발전 장치는 상기 수증기 분리 장치로부터 수증기 및 혼합가스를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 용철 제조 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 발전 장치는 터빈인 용철 제조 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 수증기 개질 장치를 구비하고,
    상기 수증기 개질 장치는, 상기 부생가스 중 수증기를 일산화탄소와 반응시켜 수소를 발생시키는 용철 제조 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 이산화탄소 분리 장치를 구비하고,
    상기 이산화탄소 분리 장치는, 상기 부생가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 개질 장치로 보내고 나머지는 상기 용철 제조로로 보내는 용철 제조 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 이산화탄소 분리 장치는 PSA장치이거나, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF 및 막 분리법 중 어느 하나를 사용하여 이산화탄소를 분리하는 용철 제조 장치.
  12. 제1항에서,
    상기 철광석 환원 장치에 연결되는 액체연료 생성 장치를 구비하고,
    상기 액체연료 생성 장치는, 상기 철광석 환원 장치로부터 혼합가스를 공급받아 액체연료를 생성하는 용철 제조 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 액체연료 생성 장치에서 생성되는 액체연료는 메탄올, 디메틸에테르 및 하이드로 카본 중 적어도 어느 하나를 포함하는 용철 제조 장치.
  14. 제12항에서,
    상기 액체연료 생성 장치는 슬러리 반응기인 용철 제조 장치.
  15. 제12항에서,
    제2 열교환기를 구비하고,
    상기 제2 열교환기는 상기 액체연료 생성 장치에서 발생하는 열을 상기 이산화탄소 개질 장치에 공급하는 용철 제조 장치.
  16. 제12항에서,
    상기 철광석 환원 장치와 상기 액체연료 생성 장치 사이에는 압축기가 구비되는 용철 제조 장치.
  17. 제12항에서,
    상기 액체연료 생성 장치에 연결되는 발전 장치를 구비하고,
    상기 발전 장치는 상기 액체연료 생성 장치로부터 수증기 및 혼합가스를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 용철 제조 장치.
  18. 제17항에서,
    상기 발전 장치는 터빈인 용철 제조 장치.
  19. 제17항에서,
    상기 액체연료 생성 장치와 상기 발전 장치 사이에 이산화탄소 분리 장치를 구비하고,
    상기 이산화탄소 분리 장치는 상기 혼합가스에서 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 개질 장치로 보내는 용철 제조 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 이산화탄소 분리 장치는 PSA장치이거나, 심냉법, 암모니아/아민 흡수법, 흡착제 사용법, MOF 및 막 분리법 중 어느 하나를 사용하여 이산화탄소를 분리하는 용철 제조 장치.
  21. 철광석을 환원하여 환원철을 제조하는 제1 철광석 환원 장치,
    상기 환원철을 공급받아 용철을 생산하고 부생가스를 발생시키는 용철 제조로,
    상기 부생가스를 개질하여 수소 및 일산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 개질 장치 및
    상기 수소 및 상기 일산화탄소를 공급받아 철광석을 환원하는 제2 철광석 환원 장치
    를 포함하는 용철 제조 장치.
  22. 제21항에서,
    상기 용철 제조로와 상기 이산화탄소 개질 장치 사이에 부생가스 정제설비를 구비하고,
    상기 부생가스 정제설비는 상기 부생가스 중 유해 성분을 정제하는 용철 제조 장치.
  23. 제22항에서,
    상기 이산화탄소 개질 장치와 상기 철광석 환원 장치 사이에 가스 분배 장치를 구비하고,
    상기 가스 분배 장치는 상기 이산화탄소 개질 장치에서 발생한 상기 수소 및 상기 일산화탄소 중 일부를 상기 제1 철광석 환원 장치에 공급하고 나머지를 상기 제2 철광석 환원 장치에 공급하는 용철 제조 장치.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 철광석 환원 장치 또는 상기 제2 철광석 환원 장치는 유동 환원로인 용철 제조 장치.
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