FASTMET 및 FASTMELT 제철 공정

FASTMET 및 FASTMELT 제철 공정

FASTMET 공정은 석탄 기반 제철 공정입니다. 그것은 철광석 미분 또는 제철소 야금 폐기물에서 금속 산화물을 금속화된 철로 전환할 수 있습니다. FASTMELT 공정은 액체 철 또는 뜨거운 금속을 생산하기 위해 '전기 철 용해로'(EIF)가 추가된 FASTMET 공정입니다. Kobe Steel은 미국 Kobe Steel의 자회사인 Midrex Technologies, Inc.와 협력하여 이 프로세스를 개발했습니다. FASTMET은 회전 노상로(RHF)를 사용하여 석탄을 함유한 덩어리를 높은 환원율과 높은 생산성으로 환원시키는 독특한 공정입니다. 그림 1은 RHF의 단순화된 단면과 평면도를 보여줍니다.

그림 1 RHF의 단순화된 단면 및 평면도

FASTMET 공정은 미분쇄된 비점결탄을 환원제로 사용하여 철광석 펠릿 공급물, 철광석 미분 및/또는 제철소 야금 폐기물을 직접 환원철(DRI)로 전환합니다. 최종 제품 DRI는 열간 연탄(HBI)을 생산하기 위해 열간 연탄 처리되거나 뜨거운 DRI로 이송 용기에 배출되거나 차가운 DRI가 필요한 경우 냉각될 수 있습니다. Hot DRI는 RHF에서 EIF로 직접 배출되고 용융되어 고온 금속이 생성됩니다. 뜨거운 금속은 선철로 주조될 수 있습니다. 환원된 철/열금속은 1차 제강로에 공급될 수 있습니다.

기본 산소로/전기 아크로 공급으로 야금 폐기물의 재활용을 촉진하는 것 외에도 이 공정의 두 가지 주요 목표가 있습니다. 하나는 산화철의 더 높은 금속화로 용융 공정에 대한 부담을 줄입니다. 다른 하나는 재활용 루프 내에서 아연의 농도를 감소시키는 높은 아연 제거율입니다. 고로 공급을 위해서는 높은 압축강도가 필요하며, 이는 FASTMET 공정으로 바인더와 원료의 혼합비를 조정하여 달성하기도 합니다.

역사적 발전

RHF에서 철광석을 환원하는 것은 Midrex Technologies, Inc.의 전신인 Midland Ross Co.에서 처음 시도했습니다. 'Heat Fast'라고 불리는 이 공정은 철광석과 탄소질 재료로 구성된 복합 펠릿을 포함한다는 점에서 독특했습니다. 화격자에서 예열되고 RHF에서 예열되고 샤프트 쿨러에서 냉각됩니다. 'Heat Fast' 공정은 1965년부터 1966년까지 미네소타주 쿨리에 있는 시간당 2톤(tph) 파일럿 공장에서 성공적으로 테스트되었습니다.

'Heat Fast'의 개발과 동시에 'Heat Fast'보다 더 높은 품질과 낮은 운영비(당시 천연가스 가격이 매우 저렴)를 제공하는 천연가스 기반 Midrex DRI 공정도 개발되고 있었습니다. 당시 천연 가스 공정의 낮은 운영 비용으로 인해 'Heat Fast' 공정 작업이 중단되었고 상업 개발이 수행되지 않았습니다.

Midrex는 1980년대 초반에 직접 환원을 위해 RHF를 사용하는 것에 대한 관심을 되살렸습니다. RHF 기반 공정을 개발하여 매력적인 가격으로 환원철을 직접 생산할 수 있음을 나타내는 여러 연구가 수행되었습니다. 1990년대에 천연 가스 가격이 상승한 후 시간당 160kg의 생산 능력을 갖춘 직경 2.75m의 RHF가 있는 FASTMET 파일럿 플랜트가 Midrex 테크니컬 센터에 건설 및 시운전되었습니다. 1992년부터 1994년까지 100개 이상의 캠페인이 실행되었습니다.

Kobe Steel과 Midrex Technologies, Inc.는 기술 상용화를 목적으로 RHF 석탄 기반 공정의 개발을 다시 시작하기 위해 협력했습니다. 1960년대로 거슬러 올라가는 'Heat Fast' 파일럿 플랜트 작업을 기반으로 기술을 개선하여 생산성, 제품 품질, 공정 유연성 및 공정 효율성을 향상시켰습니다. 최종 결과는 FASTMET 프로세스의 개발이었습니다. Kobe Steel과 Midrex는 FASTMET 공정을 한 단계 더 발전시켜 RHF에서 DRI를 고온으로 방출하고 FASTMET 고온 DRI를 용융하여 고온 금속을 생산하도록 특별히 설계된 용해로인 EIF에 중력에 의해 장입해야 하는 FASTMELT 공정을 개발했습니다.

1995년 Kobe Steel Limited(KSL)의 Kakogawa 공장에 시범 파일럿 공장이 건설되었습니다. 이 공장은 8.5m 직경의 RHF와 2.5tph의 생산 능력을 가지고 있었습니다. 공장은 1995년부터 1998년까지 계속 가동되었습니다. 그곳에서 수행된 다양한 실증 작업을 통해 Kobe Steel과 Midrex Technologies, Inc.는 상용화를 위한 FASTMET 프로세스를 구축했습니다. 2000년에는 제철소 폐기물의 연간(tpa) 190,000톤을 줄이기 위해 Nippon Steel Company(NSC)의 Hirohata 공장에 최초의 상업용 FASTMET 공장이 공급되었습니다. FASTMET 공정은 제철 분진을 효율적으로 재활용하는 능력을 인정받았습니다. 시운전된 처음 5개 공장에 대한 세부 정보는 탭 1에 나와 있습니다.

탭 1 FASTMET 상업용 플랜트
	단위	NSC 히로하타 1번	NSC 히로하타 2번	NSC 히로하타 3번	JFE Steel, 후쿠야마	KSL 카코가와
RHF 이송 속도	tpa	190,000	190,000	190,000	190,000	16,000
원재료		BOF 먼지	BOF 먼지	BOF 먼지	BF 먼지, BOF 먼지	BF 먼지, BOF 먼지, EAF 먼지
제품 신청		BOF 피드, DRI	BOF 피드, DRI	BOF 피드, HBI	BOF 피드, DRI	BF 및 BOF 피드, DRI
RHF 외경	m	21.5	21.5	21.5	27	8.5
시운전 날짜		2000년 4월           2000년 4월	2005년 1월	2008년 12월	2009년 4월         2009년 4월	2001년 4월          2001년 4월

  이 공정은 현재 제철소의 야금폐기물을 활용하기 위해 사용되고 있음을 알 수 있다. 야금 폐기물 외에도 이 공정은 펠릿 공급 크기(45마이크로미터 미만)와 동일한 크기의 철광석 미분을 사용할 수도 있습니다. 이는 프로세스에 내장된 응집 단계가 있기 때문입니다. FASTMET/FASTMELT 공정은 100,000 tpa에서 500,000 tpa 범위의 용량으로 제철에 대한 대체 경로를 제시합니다. FASTMELT 공정은 소형 고로(BF) 기술에 대한 대안을 제공합니다. RHF 및 EIF에 사용되는 내화물은 일반적으로 제철에 사용되는 표준 사양입니다. EIF의 설계는 입증된 EAF(전기 아크로) 및 LF(국자로) 기술의 설계를 기반으로 합니다.

FASTMET 프로세스의 특징

FASTMET 공정은 철광석 또는 제철소 야금폐기물과 석탄으로 구성된 복합 덩어리를 가열 환원한다는 점에서 천연가스에서 생산된 개질 가스를 사용하는 가스 기반 환원 공정과 분명히 다릅니다. 급속 가열을 포함하는 이 간단하고 독특한 공정은 급속한 환원 반응을 달성합니다. 덩어리는 난로 위에 하나 또는 두 개의 균일한 층에 배치되고 복사열을 사용하여 가열됩니다. 이는 상당한 산화 가능성을 갖는 연소 배기 가스의 노내 조건에도 불구하고 덩어리의 산화를 방지합니다.

이 공정은 RHF의 이상적인 공기-가스 비율에서 덩어리의 가열과 환원을 동시에 효과적으로 달성할 수 있습니다. 또한 덩어리의 탄소에서 발생하는 가연성 가스는 그 위의 2차 연소에서 연소됩니다. 이것은 RHF가 고온 환경을 갖는 로라는 사실에도 불구하고 NOx의 방출을 상당히 억제한다. 이것은 FASTMET 프로세스의 또 다른 기능입니다.

RHF의 난로가 회전함에 따라 펠릿 또는 연탄은 3개의 구역을 통과하여 빠르게 가열됩니다. 각 구역에는 3개의 가스 연소 버너가 있으며, 각 구역에서 원하는 희박 연소 또는 농후 연소를 달성하기 위해 공기/연료 비율을 조정할 수 있습니다. 구역 3의 끝에서 재료는 최종 소성 구역을 배출 구역과 분리하는 분리벽 아래를 통과합니다. 나선형 나사는 뜨거운 DRI 제품을 난로에서 전환 슈트로 운반한 다음 중력에 의해 질소로 퍼지된 DRI 제품 용기 또는 EIF로 운반합니다.

배기가스 처리장치에 설치된 열교환기는 고온의 배기가스에 포함된 에너지를 공기를 가열하는 에너지로 변환하여 원료의 연소 또는 건조에 사용합니다. 이것은 전체 에너지 소비를 줄입니다.

철강 공장 먼지와 같은 원자재는 연소될 때 때때로 다이옥신을 생성할 수 있습니다. 그러나 FASTMET 공정에서는 RHF 온도가 1,300℃ 이상으로 다이옥신 발생을 억제할 수 있을 정도로 높다. RHF의 배기 가스는 다이옥신이 재결합할 수 있는 온도 영역을 통해 빠르게 냉각되어 다이옥신이 재구성되는 것을 방지합니다. 그림 2는 FASTMET / FASTMELT 프로세스의 일반적인 흐름도를 보여줍니다.

그림 2 FASTMET / FASTMELT 프로세스의 일반적인 흐름도

RHF를 떠나는 뜨거운 가스는 열교환기에 들어가기 전에 증발 냉각기를 통해 냉각됩니다. 배기 가스의 현열은 RHF 연소 공기와 그린 볼 건조기 공기를 약 350℃로 예열하는 데 사용됩니다. 예열기를 떠나는 배기 가스는 백 하우스에 들어가기 전에 두 번째 증발식 냉각기에 의해 추가로 냉각됩니다. 산화아연은 ​​회수되어 더스트 사일로로 보내져 저장됩니다. 유도 통풍 팬은 배기 가스 시스템에 필요한 압력 강하를 달성하고 약간 음압에서 RHF를 제어하기 위해 백 하우스 배출구에 배치됩니다.

필요한 유틸리티는 식물 공기, 질소, 증기, 기기 공기, 보충수 및 액화 천연 가스입니다. 공장에는 또한 폐쇄형 기계 냉각수 회로뿐만 아니라 개방형 재순환 공정 용수 회로도 필요합니다.

RHF에서 배출되는 뜨거운 DRI에는 세 가지 배출 옵션이 있습니다. 이 액체 철은 선철을 생산하기 위해 돼지 주조기에서 주조될 수 있습니다.

DRI는 환원 과정 후에 많은 모공이 남아 있습니다. 공기 중에 장기간 노출되면 금속성 철이 산화철로 재산화되어 품질이 저하됩니다. DRI를 용해로 또는 고로의 원료로 즉시 사용하지 않을 경우 DRI를 열간 연탄철(HBI)로 압축 및 치밀화하면 재산화를 방지할 수 있습니다. 이를 통해 환원철을 품질 저하 없이 장기간 보관할 수 있습니다. 저장된 HBI는 1차 제강로 또는 고로에 공급될 수 있습니다. FASTMET 공정으로 생산된 환원철을 Pellet/briquette 형태의 DRI로 사용하거나 HBI 장비를 이용하여 HBI로 성형하는 것은 제품(철원)의 용도와 보관 기간에 따라 결정됩니다.

제철소에서 발생하는 야금폐기물(먼지)은 기존에 펠릿화 또는 자체 소결하여 고로의 원료로 재활용하였다. 그러나 고로 원료는 고로의 고온 영역에서 기화하는 휘발성 성분, 특히 아연을 포함합니다. 그러나 모든 증기가 고로에서 빠져나가는 것은 아닙니다. 증기의 일부는 냉각되고 새로 충전된 재료에 의해 가두어지며 용광로에 남아 있습니다. 축적된 휘발성 성분은 고로의 투자율을 감소시키고 생산성을 크게 저하시킵니다.

FASTMET 공정은 고철의 재활용을 저해했던 아연, 납 등의 중금속을 기화시켜 조아연산화물 등으로 전환시키는 공정이다. 이렇게 하면 이러한 요소를 공정에서 순환시키지 않고 배기 라인으로 배출할 수 있습니다. 배기 가스 처리 시설에는 냉각 및 집진 시스템이 장착되어 있으며 공랭 및 수냉과 결합되어 휘발성 성분이 장비 벽에 부착되는 것을 방지합니다. 이를 통해 장기간 안정적이고 연속적인 운전이 가능하고 백 필터를 이용하여 조아연산화물 등을 포집할 수 있습니다. 수집된 조산화아연은 ​​귀중한 자원이며 환원철과 함께 재활용됩니다.

과정 및 기본 반응

FASTMET 공정은 미분철 또는 제철소 야금 폐기물(산화철 함량이 높음)을 미분탄과 혼합하고, 펠릿타이저 또는 브리켓을 사용하여 혼합물을 펠릿 또는 브리켓으로 덩어리화하고, 건조기에서 덩어리를 건조하는 것으로 시작됩니다. 및 1개 또는 2개의 짝수 층에 있는 RHF의 난로 위에 덩어리를 배치하는 단계를 포함합니다.

펠릿 또는 연탄은 용광로에 들어갈 때 공기로부터 격리되어야 합니다. 이송 속도는 동시에 정확하게 제어됩니다. FASTMET 공정에는 용광로의 크기에 따라 파이프 수를 조정할 수 있는 공급 파이프 시스템이 포함되어 있어 공기로부터의 격리와 체적 제어를 동시에 달성합니다. 덩어리를 하나 또는 두 개의 균일한 층으로 배치하기 위해 나사식 레벨링 시스템이 채택되었습니다.

난로가 회전함에 따라 연탄은 1,300℃ 이상의 RHF 구역 온도에서 복사에 의해 가열되고 산화철은 금속성 철로 환원됩니다. 산화철의 환원은 주로 고정된 원소 탄소가 자철광(Fe3O4) 또는 적철광(Fe2O3)과 반응하여 고체 형태의 금속성 철(Fe) 및 Wustite를 형성하는 동시에 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 가스를 방출함으로써 달성됩니다. . 탄소의 일부는 금속 철과 고용되어 탄화철(Fe3C)을 형성합니다.

야금 폐기물 공급물에 포함된 산화아연, 산화납 및 기타 휘발성 금속 산화물도 금속 형태로 환원되어 기화됩니다. 이러한 금속 증기는 배출구를 통해 퍼니스를 떠나기 전에 배기 가스에서 재산화됩니다.

고베제철의 독자적인 기술인 급속 가열 방식을 채용하여 화로 위에 놓인 펠릿이나 연탄을 1,350℃의 고온으로 빠르게 가열합니다. 이 가열은 산화물과 탄소의 반응을 일으킵니다. 8분에서 16분 동안 체류하면서 덩어리는 1,000℃에서 1,200℃의 온도에서 용광로 밖으로 배출되거나 다운스트림 공정으로 공급되는 DRI로 전환됩니다. 산화물과 산화물 사이에서 일어나는 다양한 반응 탄소는 다음과 같습니다. .

환원 반응의 결과로 펠릿/브리켓에서 배출되는 연소 가스(CO 가스)는 RHF의 연료로 사용될 수 있으며, 이는 버너에 공급되는 연료의 양을 상당히 감소시킵니다.

FASTMELT 공정의 EIF의 대기는 본질적으로 CO 가스로 구성되어 있으므로 환원성이 높습니다. 이 환원 분위기는 실리콘 환원과 황 제거를 촉진합니다.　

고온에서 RHF 외부로 DRI가 안정적이고 연속적으로 배출되는 것은 환원로의 노로를 승강시키는 KSL의 독자적인 기술에 의해 이루어집니다. FASTMET은 고로와 달리 생산량에 따라 비교적 쉽게 가동을 시작하고 정지할 수 있어 수요에 따른 생산이 가능하다.

감소 메커니즘

직접 환원로에서의 환원 반응 기구학은 일반적으로 외부에서 환원 가스의 확산에 의해 제어됩니다. FASTMET 공정에서는 미분철광석과 미분탄으로 구성된 탄소복합체 펠릿/연탄 내부에서 환원반응이 일어난다. 복합 펠릿 / 연탄이 가열되면 내부의 CO 가스가 산화철의 환원을 촉진합니다. 따라서 기존의 직접환원공정에서 일어나는 환원반응보다 탄소복합 펠릿/브리켓에서 환원반응이 더 빠르게 진행된다. FASTMET 과정에서 일어나는 기본 환원 반응은 (i) FexOy + yC =xFe + y CO(흡열 반응), (ii) CO2 + C =2CO(흡열 반응), (iii) FexOy + yCO입니다. =xFe + yCO2(발열 반응).

철의 융점보다 낮은 온도에서는 미분탄의 고체 탄소와 직접적인 반응이 거의 일어나지 않으므로 식 (i)에 주어진 반응이 반응 운동학을 지배합니다. 1,000℃ 이상의 고온에서는 식 (ii)에 따른 탄소 용액 손실에 의한 CO 가스 발생 반응과 식 (iii)에 따른 산화철과 CO 가스의 반응이 탄소 내부에서 직렬로 일어난다. 복합 펠릿 / 연탄. 이러한 반응에서 CO 가스 생성은 높은 흡열 특성으로 반응 운동학을 제어합니다. 따라서 반응을 촉진시키기 위해서는 1,000℃ 이상의 고온에서 탄소 복합 펠릿/브리켓 내부에 반응에 필요한 열을 공급할 필요가 있다. 이것은 열이 대기에서 펠릿/브리켓 표면으로 복사되고 펠릿/브리켓 표면에서 내부로 전도에 의해 효율적으로 전달되어야 함을 의미합니다. 그림 3은 탄소 복합 펠릿/브리켓의 환원 메커니즘을 보여줍니다.

그림 3 탄소 복합 펠릿/연탄의 환원 메커니즘

RHF에서 펠릿/브리켓은 일반적으로 1,300℃ 이상의 구역 온도로 가열되며 금속성 철로 환원됩니다. 난로에서의 체류 시간은 일반적으로 8분에서 16분입니다. 이것은 처리되는 재료, 펠릿/브리켓의 크기 및 기타 요인에 따라 다릅니다. FASTMET 공정에서 빠른 환원율을 달성할 수 있었던 것은 높은 환원 온도, 높은 열전달율, 그리고 브리켓 내부에 함유된 탄소와 산화철이 밀접하게 접촉했기 때문입니다. RHF에서 일어나는 열 전달과 다양한 환원 반응은 그림 4에 개략적으로 나와 있습니다.

그림 4 RHF의 열 전달 및 환원 반응 개략도

제품

FASTMET / FASTMELT 공정의 최종 제품은 HBI, 이송 용기로 직접 배출되는 고온 DRI, 냉 DRI 또는 ​​액체 철(고온 금속)일 수 있습니다. 공정 동안 달성된 금속화는 85% 이상입니다. FASTMELT 공정에 의해 생성되는 고온 금속의 온도 범위는 1,450°C ~ 1,550°C이며 일반적인 구성은 탄소 - 3% - 5%, 실리콘 - 0.3% - 0.6%, 망간 - 0.6% - 1.2%입니다. , 황 - 0.05% 미만, 인 - 0.03% 미만.

배기가스 처리 및 환경 관리

RHF를 떠나는 배기 가스는 약 2%의 산소를 포함하는 완전히 연소됩니다. 열교환기는 배기 가스의 열 에너지를 사용하여 RHF 버너 및 원료 준비 건조기용 연소 공기를 예열합니다. 배기 가스는 지붕을 통해 회전 노상 노를 떠나 배기 가스 덕트로 연결된 내화물 라인을 통해 흐릅니다. RHF 연소 구역과 관련된 배기 가스 배출구의 적절한 위치는 공급 재료, 환원 동역학 분석에 의해 결정되며 '전산 유체 역학'에 의해 확인됩니다. 희석 공기가 배기 가스 덕트에 주입되어 냉각을 제공하고 배기 가스 흐름에 남아 있는 가연성 물질(수소 및 CO)을 연소시킵니다.

분무수는 NOx 형성을 최소화하고 복열기에 허용 가능한 입구 온도를 제공하기 위해 1,400°C 이상에서 1,000°C로 가스를 냉각하기 위해 1차 냉각기에 추가됩니다. 1차 냉각기에서 배기 가스는 연소 공기 및 건조기 공기 예열기를 통해 흐릅니다. 여기서 배기 가스의 열은 회전식 노상 버너 및 회전식 건조기용 연소 공기를 가열하는 데 사용됩니다. 배기 가스는 연소 예열기를 2차 냉각기로 빠져 나옵니다. 분무수는 백 필터 시스템에 허용 가능한 입구 온도를 제공하기 위해 약 800℃에서 120℃로 가스를 냉각시키기 위해 2차 냉각기에 추가됩니다. 그런 다음 배기 가스는 조 산화아연이 수집되는 제트 패브릭 필터 백 하우스로 흐른 다음 ID 팬으로 이동하여 스택을 통해 대기로 배출됩니다.

대부분의 SO2는 가스 연도 흐름의 금속 산화물과 반응하고 이에 의해 흡수되기 때문에 SO2 제어는 일반적으로 FASTMET 공정에서 필요하지 않습니다. 석회 주입을 사용하여 SO2를 추가로 제어할 수 있습니다. NOx는 낮은 NOx 버너의 사용과 공기 대 연료 비율 및 연소 온도의 긴밀한 작동 제어에 의해 제어됩니다. 다이옥신과 푸란은 고온과 RHF 내부의 긴 체류 시간에 의해 파괴됩니다. 연소가스 냉각 속도는 다이옥신 및 푸란 개질을 최소화하도록 제어됩니다. 미립자는 백 필터 시스템에 의해 연도 가스에서 제거됩니다. 조잡한 산화아연은 ​​백 필터 시스템에 의해 수집되어 사일로에 저장됩니다.

FASTMET 공정은 환경 친화적인 공정입니다. FASTMELT 공정에서 발생하는 CO2 배출량은 소형 고로의 경우 약 2.1 t/tHM CO2 배출량에 비해 용선 톤당 약 1.6 톤(t/tHM)입니다. NOx 배출량은 0.3kg/tHM(열선 금속 톤당)에서 1.5kg/tHM 범위이고 SOx 배출량은 약 2.4kg/tHM입니다.

FASTMET 프로세스의 이점

FASTMET 공정은 제철소 야금 폐기물 처리를 위한 또 다른 옵션을 제공합니다. 제철소에 위치한 FASTMET 공장은 분진을 처리하여 1차 제강로로 피드백하기 위한 DRI와 아연 가공업자에게 판매되는 조아연 산화물의 두 가지 주요 제품을 만들 수 있습니다. 부채를 자산으로 만듭니다. 높은 폐기 비용이 제거되고 철 장치의 저렴한 공급이 가능해집니다.

공정 이점은 (i) 공정에서 매우 낮은 미세분 생성으로 인해 2차 분진의 높은 아연 함량 및 매우 낮은 철 함량, (ii) 높은 금속화 및 높은 아연 제거율로 인해 환원된 철 제품을 1차 제강로에서 재활용 가능하게 하는 것, ( iii) 폐기시 폐기물이 발생하지 않으며, (iv) 고온 처리로 다이옥신이 분해되며, (v) 아연 더스트를 경제적으로 처리할 수 있어 폐기물이 아닌 제품이 됩니다.