Coke Oven Gas를 환원제로 사용한 DRI 생산

코크스 오븐 가스를 환원제로 사용한 DRI 생산

  직접환원철(DRI)은 기술적으로 녹지 않고 금속으로 환원된 철광석으로 정의됩니다. DRI 생산 공정은 철광석이나 금속을 용융시키지 않고 고체 철광석에서 고체 금속 철을 직접 얻는 공정이다. 주요 DRI 생산 공정은 가스 기반 또는 석탄 기반입니다. DRI 공정의 원료는 10~30mm 크기의 철광석 또는 철광석 펠릿 공장에서 생산되는 철광석 펠릿입니다.

가스 기반 플랜트에서 환원 반응이 일어나는 반응기는 용광로입니다. 샤프트로는 중력에 의해 용광로 내에서 철 함유 공급 재료가 아래쪽으로 이동하고 위로 흐르는 환원 가스에 의해 환원되는 역류 원리로 작동합니다. 가스 기반 공정에서는 가스 연료가 사용됩니다. 이러한 연료는 H2(수소)와 CO(일산화탄소) 가스의 혼합물을 생성하기 위해 개질하거나 분해할 수 있어야 합니다. 천연 가스를 함유한 고 메탄 가스는 가장 일반적으로 사용되는 가스입니다. 천연 가스는 H2 및 CO 혼합물로 농축되도록 개질되며 이 농축 및 개질된 가스 혼합물은 예열됩니다.

코크스 오븐 가스(COG)는 부산물 코크스 오븐 배터리에서 코크스 제조 공정의 부산물입니다. COG는 다양한 가스의 복잡한 혼합물로 구성됩니다. 그 구성은 일반적으로 55% H2, 6% CO, 25% CH4(메탄)와 소량의 CO2(이산화탄소), H2O(수분), 무거운 타르, 휘발성 탄화수소 및 황 불순물로 구성됩니다. 그것은 또한 약간의 N2(질소)를 포함합니다. COG는 일반적으로 제철소 내 다양한 ​​난방 응용 분야의 연료 가스로 사용되며 잉여 COG는 증기, 전력 생산 또는 연소에 사용됩니다. DRI 생산을 위한 COG의 사용은 항상 관심의 대상이었지만 메탄을 CO 및 H2로 전환하고 타르 및 휘발성 탄화수소를 정화하는 것이 과제였습니다. 생산된 코크스 1톤은 DRI 1톤을 생산하기에 충분한 COG를 생성합니다.

가용한 부산물 COG를 활용하여 통합 철강 루트에서 DRI를 생산하는 것은 최근의 현상입니다. COG를 사용하면 경제적 측면과 환경적 측면 모두에서 여러 이점이 있습니다.

잉여 COG를 환원 가스로 사용하여 DRI를 생산하면 COG를 태워 전력을 생산하여 30~40%를 회수하는 데 비해 가용 에너지의 97%를 회수합니다.

Midrex와 HYL이라는 두 가지 주요 공정은 가스 기반 DRI 생산을 위해 COG를 사용하기 위해 두 가지 다른 접근 방식을 채택했습니다.

미드렉스 프로세스

Midrex는 1970년대에 처음으로 직접 환원에 코크스 오븐 가스를 사용하는 방법을 살펴보기 시작했습니다. 관련된 주요 문제는 불포화 탄화수소, 타르 및 액체의 존재뿐 아니라 원료 가스의 높은 수준의 메탄 및 황 화합물이었습니다. 초기 연구는 Midrex 개질기의 공급 가스 구성 요소로 사용하기 위해 가스를 조절하는 데 중점을 두었습니다.

부분 산화 기술의 발전을 바탕으로 Midrex는 MXCOL 공정을 위한 적절한 환원 가스로 COG를 조절하기 위해 이 기술을 사용할 가능성을 조사하기로 결정했습니다. 그러나 부분 산화의 단점은 산소 반응으로 인한 그을음 형성을 줄이기 위해 항상 반응물에 증기를 추가해야 한다는 점이었습니다.

2011년 중반 무렵, Praxair는 부분 산화 기술을 개발하여 상업적으로 제공했습니다.

이 부분 산화 기술은 증기 주입 없이 그을음이 없는 탄화수소의 부분 산화를 수행할 수 있는 가능성을 제공하는 고유한 기능을 가지고 있습니다. 이 기술이 예열된 코크스 오븐 가스의 흐름이 주입되는 확장된 열 반응 챔버와 결합될 때 반응기에서 나오는 생성 가스는 직접 환원을 위한 환원제 소스로 사용하기에 적합합니다. 가스 압축, 예열 및 반응을 포함한 이러한 장비 그룹화는 모두 열 반응기 시스템(TRS)을 구성합니다.

TRS는 COG의 부분 산화를 위해 Praxair의 기술을 사용합니다. 이 시스템은 예열된 COG를 빠르게 동반하고, 메탄을 개질하고, 무거운 탄화수소를 분해하고, 촉매 없이 타르를 파괴하는 고온의 극단적인 속도의 산소 제트를 현장에서 생성합니다. 그런 다음 개질된 합성가스는 TRS를 빠져나와 DRI를 생산하기 위해 용광로로 공급됩니다.

파일럿 규모 테스트 동안 최적화된 메탄 개질과 함께 96% 이상의 타르 파괴가 달성되었습니다. 또한 순 그을음 발생을 방지하기 위해 작동 조건이 개발되었습니다.

이 파일럿 규모 테스트 결과는 노스캐롤라이나 주 샬럿에 있는 Midrex의 광범위한 연구 시설에 있는 1/20 규모의 데모 공장에서 확대되었습니다. COG 데모 테스트 작업에서 얻은 일반적인 결과는 탭 1에 나와 있습니다.

Tab 1 COG 데모 테스트 작업에서 얻은 일반적인 결과

COG 가스 분석 TRS 입구       합성 가스 분석 TRS 출구

CO                             4~6%                                       22 ~ 28%

CO2                          1~3%                                       1 ~ 3%

H2                             55~65%                                 55 ~ 65%

H2O                           0.4~0.8%                                0.5 ~ 2.5%

CH4                          20~30%                                   0.5 ~ 3.0%

N2                            2~4%                                       3 ~ 8%

BTX                          0.3~2.0%                                 0.0 %

HHC                         0.2~0.6%                                  0.0 %

그을음                                                                              ? 0.01 mg/N 정액

COG 사용을 위해 사용 가능한 두 가지 주요 TRS 옵션은 MXCOL 플로우 시트와 Midrex 개질기를 사용하는 것입니다.

• MXCOL 공정과 함께 COG 사용 – MXCOL 공정은 원래 DRI를 생산하기 위해 석탄 가스화기의 합성 가스를 활용하기 위해 개발되었습니다. 이 공정은 일반적으로 아민 용액 기반 제거 기술을 사용하는 CO2 제거 시스템의 사용과 노가 붐비기 전에 환원 가스 및 합성 가스를 가열하기 위한 복사관 공정 히터의 사용을 통합합니다. COG를 사용하는 MXCOL 공정의 일반적인 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림1 COG를 사용한 MXCOL 프로세스의 일반적인 흐름도

• Midrex 개질기와 함께 COG 사용 – TRS는 DRI의 각 톤에 필요한 합성 가스의 기존 공급을 보충할 수 있습니다. 표준 Midrex 공정 흐름도에 COG를 직접 추가하는 것은 그림 2의 1에 표시된 것처럼 전이 영역 또는 버슬 가스에 가스를 추가하여 수행할 수 있습니다. 만난 지역은 COG에 있는 타르와 휘발성 탄화수소를 파괴하고 변환합니다. 그러나 문제는 COG 첨가율이 임계점에 도달하면 플랜트가 개질기가 소비할 수 있는 것보다 더 많은 탑 가스 연료가 생성되는 수출 연료 조건에 도달한다는 것입니다. COG는 버너 연료로 버너로 사용할 수도 있지만(2), 버너에 공급되는 COG가 상위 가스 연료의 수출량을 생성하는 순 효과입니다. 버슬 가스(3) 또는 공급 가스(4)에 COG를 추가하는 것은 TRS를 사용하여 수행할 수 있으며, COG 추가로 인해 발생하는 수출 연료를 제어하기 위해 CO2 제거 시스템을 추가해야 합니다.

그림 2 Midrex 개질기와 COG(TRS)의 사용을 보여주는 일반적인 순서도

HYL 프로세스

  HYL ZR(Self-reforming) 공정은 현재 기술 현황에 따라 외부 가스 개질 장비 없이 고로에서 철광석을 환원할 수 있도록 개발된 공정이다. 이 공정 계획은 고탄소 DRI를 생산할 수 있는 능력이 있어 생산자가 제강 공정에서 탄소의 최대 이점을 얻을 수 있습니다. Tenova HYL, Techint 및 Danieli 간의 최근 제휴는 이 프로세스에 대한 새로운 브랜드 이름을 가져왔습니다. 이 과정은 현재 '에너지론'으로 알려져 있습니다.

  천연 가스가 비싸거나 가용성이 낮은 지역에서는 COG, 석탄 가스화기의 합성 가스 및 기타 탄화수소 공급원을 사용하여 작동하도록 프로세스를 쉽게 구성할 수 있습니다.

환원구간에서는 모든 환원가스가 발생하므로 용광로 내부의 금속철의 촉매효과를 이용하여 이 과정에서 최적의 환원효율을 얻을 수 있다. 따라서 외부 환원 가스 개질기가 필요하지 않습니다.

기본 Energiron 계획은 천연 가스의 직접 활용을 허용합니다. 물론 Energiron 공장은 오랫동안 이 공정을 특성화해 온 기존의 증기-천연 가스 개질 장비를 사용할 수도 있습니다. COG, 수소, 석탄 가스화에서 나오는 가스, 애완용 코크스 및 이와 유사한 화석 연료와 같은 기타 환원제 역시 특정 상황 및 가용성에 따라 환원 가스의 잠재적 소스입니다. 프로세스의 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 HYL-ZR 프로세스의 순서도

또한 DR 플랜트는 HYTEMP 시스템을 통해 인접한 EAF에 직접 공급하거나 생산된 HBI 또는 이들 제품의 조합을 위한 연탄 장치로 공급할 수 있는 고탄소 DRI, 고온 DRI를 생산하도록 설계할 수 있습니다.

ZR 공정의 전체 에너지 효율은 높은 환원 온도(1050℃ 이상), 용광로 내부의 '현장' 개질 및 플랜트의 열 장비 활용도를 낮추어 최적화됩니다. 따라서 제품은 환경에 대한 에너지 손실을 최소화하면서 공정에 공급되는 대부분의 에너지를 사용합니다.

  이 공정은 반응기 내부 가스의 향상된 침탄 가능성으로 인해 최대 5.5%의 탄소 수준을 달성할 수 있으며 대부분의 탄소는 탄화철 형태로 존재합니다.

COG와 천연가스(NG)의 화학 조성은 상당히 다르지만 COG는 동일한 기본 구성으로 ZR 공정에서 직접 사용할 수 있습니다. 천연 가스 기반 ZR 또는 COG 기반 ZR. HYL-ZR 공정을 기반으로 한 DRI 생산을 위한 COG의 일반적인 요구 사항은 94% 금속화 및 4% 탄소의 DRI에 대해 약 9.5GJ/t DRI입니다.

그림 4 COG 및 NG 기반 감소 비교