에너지 회수를 위한 고로 슬래그의 건식 과립화

에너지 회수를 위한 고로 슬래그의 건식 과립화

  고로(BF)에서 1톤의 용선을 생산하는 동안 약 300kg의 액체 슬래그가 부산물로 생성됩니다. 이 슬래그의 온도는 약 1500℃이고 현열은 톤당 약 400M Cal입니다. BF 슬래그는 포틀랜드 시멘트의 성분과 유사한 CaO, SiO2, Al2O3, MgO가 풍부합니다.

고온 액체 BF 슬래그가 충분히 빨리 냉각되면 슬래그는 높은 합착 활성을 가진 유리상 비율이 높기 때문에 특히 포틀랜드 시멘트 대체품으로 더 높은 가치의 제품으로 사용할 수 있습니다. 시멘트 제조에서도 많은 양의 CO2가 발생하기 때문에 이는 CO2 배출을 줄이는 좋은 방법이기도 합니다.

BF 슬래그에서 유리상을 얻기 위해 액체 BF 슬래그는 물 과립화 공정을 거칩니다. 오늘날 폐쇄형 수재 슬래그 과립화 공장에서 액체 슬래그의 급속 냉각은 최첨단 공정입니다. 수중에서 액체 BF 슬래그의 급속 냉각은 슬래그의 결정화를 방지하고 열 응력에 의해 슬래그를 작은 입자로 분해합니다. 액체 BF 슬래그는 과립 BF 슬래그라고 하는 무정형 과립에서 동결됩니다. 물 과립 BF 슬래그의 비결정화율은 95% 수준에 도달할 수 있습니다. 대조적으로, 액체 BF 슬래그가 공기 중에서 천천히 냉각되어 결정화되는 동안 얻어지는 유리상은 상당히 제한적입니다.

그러나 액체 BF 슬래그의 물 과립화는 많은 양의 물(처리된 액체 BF 슬래그 1톤당 1,000~1,500리터의 증발 손실)을 소비하고 대기 오염을 일으키는 산성 안개를 생성할 수 있습니다. 또한 한편으로는 적절한 물 관리가 필요하고 다른 한편으로는 과립 BF 슬래그의 건조가 필요합니다. 따라서 액체 BF 슬래그의 현열이 손실될 뿐만 아니라 시멘트 산업에서 과립 BF 슬래그를 사용하기 위한 상류 슬래그 건조 장치도 필요합니다. 건조 공정은 일반적으로 최대 72M Cal/슬래그 톤의 열 에너지를 소비합니다.

열회수와 함께 액체 BF의 건식 과립화 분야에서는 많은 국가에서 공정이 개발되고 있습니다. 프로세스 개발을 위해 수행 중인 작업은 아래에 설명되어 있습니다.

  유럽에서의 작업 진행 상황

스웨덴의 Merox Ltd는 국영 철강 회사의 자회사에서 개발 중인 공정에서 이전에 응고된 슬래그 입자와 함께 떨어지는 슬래그 필름을 타격하여 슬래그를 과립화합니다. 이것은 필름을 과립으로 분해한 다음 열이 회수되는 다단계 유동층으로 떨어집니다. 슬래그의 현열의 60% 이상이 이 방법으로 증기로 회수될 수 있으며 슬래그 제품은 유리 함량이 높아 시멘트 제조에 적합하다고 주장됩니다.

1990년대에 Redcar(영국)의 British Steel(현재 Tata Steel)에서 건식 슬래그 과립화를 사용한 첫 번째 테스트가 수행되었습니다. 분무 컵에서 챔버 벽까지의 거리는 용융 슬래그가 들러붙는 것을 방지하기 위해 약 10m였습니다. 습식 방식으로 제조된 입상 슬래그와 같은 품질과 비정질 구조를 가진 슬래그 입자를 발견할 수 있어 향후에는 건식 방식이 적합할 것으로 보인다. 하지만 업스케일링은 하지 않았습니다.

2002년에서 2004년 사이에 체코의 비트코비체에서 더 작은 크기의 제립기가 사용되었습니다. 이 테스트도 성공적이었습니다. 이 과립기는 20kg/분의 액체 슬래그의 질량 흐름을 위해 설계되었으며 열 회수도 없습니다.

Siemens VAI는 연구 개발을 위해 열처리 기술 의장 홀에 Montanuniversität Leoben과 협력하여 새로운 건식 슬래그 실험실 장비(줄여서 DSG)를 설치했습니다. 이 프로젝트에는 공동 파트너인 Voestalpine Stahl GmbH, ThyssenKrupp Steel Europe AG 및 Baustoff-Forschung e.V를 위한 FEhS-Institut가 있습니다. 이 프로젝트는 독일 연방 경제 기술부(BMWi)에서 자금을 지원합니다. DSG 장비는 습식 과립화 공정의 부정적인 측면을 피하기 위해 개발되었습니다.

DSG의 주요 목표는 한편으로는 습식 방법과 같이 거의 동일한 특성(> 95% 유리질)을 갖는 시멘트 산업용 과립 슬래그를 생산하고 다른 한편으로는 열 회수를 위해 슬래그 냉각에서 뜨거운 공기를 얻는 것입니다. DSG는 용융 슬래그가 다양한 속도로 회전할 수 있는 컵에 의해 분무되는 '회전 컵' 또는 Davy 원리에 기반합니다. 용융된 입자는 이전에 응고된 입자에 의해 만들어진 발달된 유동층으로 떨어지기 전에 과립기 벽을 향해 비행하는 동안 동결됩니다.

University of Leoben의 실험실 장비는 FEhS-Institut의 실험실 테스트 결과와 Siemens VAI의 모델링을 기반으로 설계되어 고품질 과립 BF 슬래그 및 가능한 가장 높은 공기 배출구 온도를 생성하기 위한 최상의 작동 매개변수를 찾습니다. 따라서 대학 워크샵에서 각 시험에 대해 약 300kg의 슬래그가 '플래시 반응기'에서 녹습니다. 액체 슬래그는 열 손실을 방지하기 위해 내화물이 늘어서 있는 특수 슬래그 냄비에 주입됩니다. 그 후 슬래그 포트는 제립기 가까이에 설치된 틸팅 장치로 조작됩니다. 제립기로 공급되는 액체 슬래그는 로드 셀을 통해 측정 및 제어할 수 있습니다. 그런 다음 액체 슬래그는 슬래그 러너와 수직 내화 파이프를 통과하는 제립기 중앙으로 전달됩니다. 분무 후 슬래그 방울은 고속 회전 컵에 의해 퍼지면 과립기 벽을 향해 비행하는 동안 빠르게 냉각됩니다. 입자의 표면은 과립 입자에 의해 만들어진 발달된 유동층으로 떨어지기 전에 이 짧은 비행 시간 동안 응고되어야 합니다.

호주에서 일하기

호주 CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)의 연구는 실험실 및 파일럿 규모에서 건식 과립화가 시멘트 대체물로 적합한 슬래그를 생성한다는 것을 입증했습니다. 슬래그에서 방출되는 열은 소량의 공기에 의해 포집될 수 있으므로 공정을 고급 열 회수에 적합하게 만듭니다. 건식 과립화 기술을 더욱 개발하기 위한 프로젝트가 계획되었으며, 특히 슬래그 냉각에서 방출되는 폐열을 포착하고 파일럿에서 산업 규모로 규모를 확장하는 방법을 개발하는 수단으로 사용하는 데 중점을 두었습니다. 이 작업은 세계 철강 협회의 CO2 획기적인 프로그램에 대한 호주 철강 산업의 기여의 일부를 형성했습니다. 프로젝트의 전반적인 목표는 고부가가치 슬래그를 생산하고 슬래그 냉각에서 방출되는 폐열의 포집/회수를 가능하게 하는 건식 과립화 공정을 개발하는 동시에 파일럿 규모에서 테크노 경제, 에너지 및 지속 가능성 이점을 입증하는 것이었습니다. 이 프로젝트는 또한 기술을 확장하고 공장 시험을 통해 시연하는 것을 목표로 했습니다.

통합 건식 과립화 및 열 회수의 개념은 CSIRO의 프로토타입 파일럿 시설을 통해 성공적으로 입증되었습니다. 설계된 공정은 다양한 조건과 높은 슬래그 태핑 속도에서 원활한 작동을 제공하여 잘 수행되었습니다. 공업용 고로슬래그를 사용하여 많은 시험을 하여 입상물을 채취하였다. 제품은 시멘트 특성과 관련하여 특성화되고 평가되었습니다. 제3자 실험실의 추가 평가에 따르면 건식 과립 슬래그는 시멘트질 특성이 우수하고 시멘트 생산에 적합합니다.

기술 경제성 평가에 따르면 건식 슬래그 과립화는 자본 및 운영 비용 측면에서 습식 과립화 공정보다 상당한 이점이 있습니다. 공장을 방문하여 One Steel의 Whyalla 제철소와 BlueScope Steel의 Port Kembla 제철소에서 주조 속도에 대한 데이터를 수집하고 용광로에서 나오는 슬래그와 뜨거운 금속의 온도를 측정했습니다. 이러한 데이터는 건식 과립화의 구현과 관련하여 추가로 평가되었으며 결과는 보고서에 문서화되었습니다.

건식 과립화 공정의 고급 전산 유체 역학(CFD) 모델링이 성공적으로 수행되었습니다. 회전 디스크 분무 공정에서 열 전달 및 유체 역학에 대한 CFD 모델이 조립되었고 CSIRO의 파일럿 플랜트에서 얻은 실험 데이터를 사용하여 모델이 검증되었습니다. 프로젝트의 후속 단계를 위한 사업 계획 초안이 개발되었습니다.

일본에서의 취업

  일본에서는 세 가지 별도의 계획이 조사 중입니다. Sumitomo Metals Industries는 슬래그의 흐름이 회전 드럼에 충돌할 때 분해되는 고로 슬래그의 건식 과립화 공정을 개발하고 있습니다. 그런 다음 슬래그 입자는 열이 회수되는 유동층으로 떨어집니다. 이 공정은 강모래를 대체할 미립자 슬래그를 생산하고 뜨거운 공기 흐름에서 용융 슬래그의 열의 약 55%를 회수하는 것을 목표로 합니다. Mitsubishi Heavy Industries와 Nippon Kokan KK는 강력한 공기 분사를 사용하여 슬래그 스트림을 분해하는 기본 산소로 슬래그를 과립화하는 공정을 개발하고 있습니다. 슬래그 입자는 공기를 통해 이동하면서 고형화되고 열은 입자 스프레이 및 입자가 떨어지는 유동층의 복사에 의해 회수됩니다. Kawasaki Steel Corporation은 또한 고로 슬래그로부터 열을 회수하는 공정을 개발하고 있습니다. 여기에는 기계적 교반에 의해 슬래그를 과립화하고 방사선에 의해 과립화 공정에서 열을 회수한 후 유동층에서 과립화된 슬래그 입자로부터 열을 회수하는 것이 포함됩니다. 슬래그 제품은 건설 산업의 골재로 사용됩니다.

회전 컵 에어 블라스트 분무기를 사용한 건식 슬래그 과립화

건식 슬래그 과립화 공정은 본질적으로 액체 슬래그를 분무화한 ​​다음 입자를 빠르게 냉각시켜 유리질 슬래그를 생성하는 것이다. 분무는 회전 컵 공기 분사기를 사용하여 수행됩니다. 입자는 공기를 통해 이동하면서 냉각되고 유동층에서 더 냉각됩니다. 이 두 공정 모두 유리 슬래그 제품의 형성에 필요한 급속 냉각을 제공합니다. 유동층은 급속 냉각을 제공할 뿐만 아니라 뜨거운 입자의 덩어리를 방지하여 슬래그 입자를 함유하는 편리한 방법입니다.

평균 직경이 약 2mm인 슬래그 입자는 분무기에 의해 생성될 수 있으므로 슬래그 제품은 취급하기 쉬운 형태입니다. 테스트에 따르면 슬래그 입자는 제품이 95%를 초과하는 유리 함량을 가질 수 있을 만큼 충분히 빠르게 냉각됩니다. 또한 이 과정에서 매우 적은 양의 슬래그 울이 생성됩니다. 회전식 컵 분무기의 원리는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 회전식 컵 분무기의 원리

회전식 컵 에어 블라스트 분무기는 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 매우 쉽게 미세 제어를 제공합니다. 입자 크기는 회전 컵 속도 또는 공기 분사 흐름을 변경하여 제어할 수 있습니다. 이 분무기는 또한 비교적 좁은 입자 크기 범위를 생성합니다. 회전 컵이 용융 슬래그와 접촉하는 문제는 제한될 필요가 없으며 신중한 설계와 올바른 재료 선택으로 해결할 수 있습니다.
• 이 분무기를 구동하는 데 필요한 전력은 트윈 유체 분무기에 필요한 것보다 상당히 적습니다. 트윈 유체 분무기는 회전식 분무기에 필요한 것보다 유사한 크기의 입자로 슬래그를 분무하기 위해 20배 이상의 전력이 필요합니다. 이는 열 회수 프로세스의 전체 비용 절감에 최대 5%까지 영향을 미칠 수 있습니다.
• 슬래그 입자의 궤적은 바깥쪽과 위쪽입니다. 상향 운동은 일반적으로 7m 높이의 주조실 바닥에서 슬래그를 공급하는 고로와 같이 슬래그 공급 지점과 지반 사이의 높이가 제한된 위치에서 분무기를 사용할 수 있음을 의미합니다. 지상.

  회전식 컵 에어 블라스트 분무기는 컵 립에서 방사상으로 연장되는 얇은 슬래그 필름을 회전시켜 작동합니다. 용융 슬래그의 막이 컵 립에서 확장되면서 저절로 부서집니다. 그러나 컵 주위에 환형 공기 제트가 존재하면 필름에 불안정한 파도를 유도하여 슬래그의 분해를 돕습니다. 공기 분사는 보다 균일한 크기의 작은 입자를 생성하고 입자를 위쪽으로 편향시켜 분무기에서 나오는 원뿔 모양의 스프레이를 생성하는 효과가 있습니다.

슬래그에서 열은 다음과 같은 방법으로 회수됩니다.

• 슬래그 입자의 스프레이가 분무기에서 바깥쪽으로 이동함에 따라 용기에 대한 복사와 용기를 통해 이동하는 공기로의 대류에 의해 열이 손실됩니다. 그러나 비행 시간이 0.1초 정도로 짧기 때문에 온도는 약 100-200도 정도만 떨어집니다.
• 용기 벽과 충돌하면 일부 열이 슬래그에서 벽으로 전달됩니다. 테스트에서 벽이 상대적으로 차갑게 유지되면 슬래그 입자가 벽에 달라붙지 않고 즉시 튕겨 나오거나 매우 짧은 시간 후에 떨어지는 것으로 나타났습니다. 두 경우 모두 슬래그 입자와 용기 벽 사이의 접촉 시간은 0.1초 미만이며 다시 슬래그의 온도 감소는 약 150℃입니다.
• 입자가 벽에서 1차 유동층으로 떨어질 때 복사와 대류에 의해 더 많은 열이 손실됩니다.
• 나머지 열 회수는 유동화 공기로의 열 전달 또는 잠긴 보일러 튜브 또는 기타 열 전달 표면에 의한 열 전달에 의해 유동층에 있습니다. 유동층에서 유동화 공기와 고체는 베드의 고체와 동일한 온도로 베드를 떠납니다. 2차 베드의 온도는 신중하게 선택해야 합니다. 벌크 슬래그 입자 온도가 너무 높으면 슬래그의 회수 가능한 열이 낭비되고 너무 차가우면 공정에서 배출되는 뜨거운 유동화 공기의 유용성이 감소합니다.

실험 작업은 원자화 공정이 작은 슬래그 입자를 생성하는지 여부와 입자가 유리 구조를 갖는지 여부를 조사하는 초기 목적으로 수행되었습니다. 회전 컵, 공기 분사 분무기가 100mm 직경의 컵과 500 -1500 rev/min의 속도 범위로 제작되었습니다. 테스트에 사용된 슬래그 유속은 0.2kg/초에서 0.5kg/초까지 다양했습니다. 실험용 슬래그 용해로의 제한된 용량(약 30kg)으로 인해 테스트 시간이 약 2.5분으로 제한되었습니다.

초기 테스트에서 프로세스가 제대로 작동했음이 입증되었습니다. 유리 함량이 95%인 작은 입자가 생성되었습니다. 그런 다음 분무기에 의해 생성된 입자 크기와 스프레이 궤적을 조사하기 위해 추가 테스트가 수행되었습니다.

1500℃에서 고로를 떠날 때 30℃에 대한 용융 슬래그의 현열은 약 400M Cal/kg입니다. 총 슬래그 흐름 중 약 14%가 위에서 언급한 바와 같이 슬래그 축적기를 넘쳐 낭비됩니다. 나머지 86%에서 32%의 열량은 다음과 같은 이유로 회수되지 않습니다.

• 유리질 슬래그가 형성될 때 결정화 잠열이 방출되지 않음
• 고체 슬래그 생성물은 250℃에서 열회수 공정에서 배출됨
• 슬래그 축적기에서 열 손실 발생

따라서 고로에서 배출되는 슬래그의 현열 함량의 58.5%만 회수할 수 있습니다.

건식 과립화 공정의 주요 과제는 슬래그의 변태점에 매우 빠르게 도달하기 위해 급속한 슬래그 동결을 보장하는 것입니다. 그렇지 않으면 응고된 슬래그는 완전히 유리질이 아니라 부분적으로 결정질이어서 시멘트 산업에서 더 이상 사용하기에 부적합합니다. 공기를 이용한 냉각은 기존의 슬래그 과립화 공장에서 사용되는 물에 비해 열용량이 상당히 낮기 때문에 훨씬 더 어렵습니다. 또한 공기는 교반 베드를 통해 흐르면서 가열됩니다. 따라서 온도 차이는 설정 과정을 악화시킵니다.

초기 캠페인은 유리 함량, 입자 크기 분포 및 입자 모양과 관련하여 유망한 결과를 보여주었습니다. 또한 상당한 오프 가스 온도 증가가 측정될 수 있습니다. 획득한 데이터를 통해 프로세스 최적화를 수행할 수 있으며 향후 추가 조사를 위한 확장을 실현할 수 있습니다. 통합 철강 공장에서 건식 슬래그 과립을 사용하면 고로 슬래그의 현열에 접근할 수 있습니다. 회수된 에너지는 증기 또는 전기 생산 또는 기타 유용한 예열 공정에 사용할 수 있습니다. 분당 1톤의 슬래그 공급에서 20MW 열 에너지 또는 대안적으로 약 6MW 전력 생성을 회수하기 위한 에너지 잠재력을 계산할 수 있습니다. 고로 슬래그 에너지를 위한 상류 건조 시스템이 필요하지 않고 결과적으로 CO2를 절약할 수 있습니다. 요약하자면 고로 슬래그의 건식 과립화는 현대 고로에서 큰 열 회수 잠재력 중 하나에 대해 환경 친화적이고 지속 가능한 후속 처리를 가능하게 합니다.