제철의 Circored 및 Circofer 공정

제철의 원형 및 원형 공정

제철의 Circored 및 Circofer 공정은 유동층 기반 철광석 미분 환원 공정입니다. 이러한 공정은 응집 공정을 완전히 피하고 철광석 미분을 직접 사용합니다. 공정은 비점결탄을 사용하기 때문에 코크스로 배터리의 필요성은 없습니다. 유동층 기술은 높은 열 및 물질 전달 속도를 가능하게 하기 때문에 직접 환원과 같은 에너지 집약적 공정에 이상적으로 적합합니다.

Circored 및 Circofer 공정은 모두 독일 Lurgi Metallurgie GmbH(현재 핀란드 Outotec Oyj)에서 철광석 미분에서 직접 환원철(DRI)을 생산하기 위해 개발했습니다. 두 공정 모두 단일 생산 장치에서 연간 100만 톤 이상의 생산이 가능하므로 규모의 경제가 향상됩니다.

Circored 공정은 수소(H2) 기반 공정이고 Circofer 공정은 석탄 기반 공정입니다. Circored는 90% ~ 95%의 높은 금속화를 달성하기 위해 2단계 구성을 가지고 있는 반면 Circofer는 약 70%의 금속화까지 사전 환원을 달성할 수 있는 단일 단계 구성을 가지고 있습니다. Circofer 석탄 기반 공정은 AusIron 또는 전기 제련로와 같은 제련 환원로를 위한 사전 환원된 공급 재료를 생산하며 최종 제품은 고온 금속 또는 선철입니다.

순환 프로세스

Circored 공정은 Outotec이 다른 응용 분야에 채택한 규모의 유동층을 사용합니다. 공정 개발은 1970년대 후반 스웨덴 ASEA의 ELRED 공장에서 수행된 파일럿 공장 테스트와 함께 시작되었습니다. 테스트는 독일 뒤스부르크의 Thyssen Stahl에 있는 시간당 3톤의 CFB 원자로 시연 장치에서도 수행되었습니다. 이 테스트는 제철소 폐기물 처리에 중점을 두었습니다.

최초의 상업용 Circored 장치는 1998년 Trinidad의 Point Lisas 산업 단지에서 Cliffs and Associates Ltd.에 의해 건설되었습니다. 이 공장의 용량은 HBI 연간 500,000톤입니다. 공장은 현재 작동하지 않습니다.

이 공정은 철광석 미분에서 DRI를 생산하기 위한 천연 가스 기반 공정입니다. 2단계 유동층 공정입니다. 첫 번째 환원 단계는 순환 유동층(CFB)이고 두 번째 환원 단계는 기포 유동층(BFB) 반응기입니다. 미세 입자 DRI 제품을 연탄 온도로 가열하기 위해 플래시 히터가 사용됩니다.

H2 기반 Circored 공정은 제강용 전기로(EAF)에 직접 공급하기 위해 고도로 금속화된 DRI 또는 ​​열간 연탄(HBI)을 생산합니다. 이 프로세스는 에너지 소비와 배출량을 줄이고 제강을 위한 지속 가능한 솔루션을 제공합니다. 이 공정의 특별한 특징은 (i) 펠릿화 또는 소결과 같이 사전 응집 없이 철광석 미분을 직접 사용하고 (ii) 환원 가스로 순수한 수소를 사용하여 매우 낮은 CO2 배출량으로 환원을 가능하게 하고 적용할 수 있다는 것입니다. 점착 경향을 최소화하는 낮은 환원 온도. H2는 천연 가스 개질을 통해 생성되지만 H2는 증기 개질기가 아닌 다른 공급원에서 발생합니다. 물 전기 분해에서 사용할 수도 있습니다.

Circored 공정의 기초가 되는 기본 화학 반응은 철광석에 H2를 첨가하는 것에 의존하며, 철광석은 반응하여 순수한 철과 물(Fe2O3 + 3H2 =2Fe + 3H2O)을 생성합니다.

CFB는 (i) 기체와 고체 사이의 높은 슬립 속도, (ii) 우수한 열 및 물질 전달 허용, (iii) 65% ~ 70% 범위의 사전 환원 정도를 달성하기 위해 선택되었습니다. 반응기에서 짧은 체류 시간. 높은 가스 속도는 더 작은 반응기 크기를 허용하므로 자본 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 CFB를 통해 BFB에서 발생하는 먼지가 포함된 오프 가스를 2차 가스로 사용할 수 있어 전체 가스 활용도를 높일 수 있습니다.

BFB는 더 느린 반응 속도 때문에 93% ~ 95%의 최종 금속화를 달성하기 위한 공정의 두 번째 단계로 선택되었습니다. BFB는 더 낮은 가스 속도와 최대 4시간의 더 긴 체류 시간이 특징입니다.

Circored 공정은 낮은 환원 온도에서 작동하며 천연 가스를 사용하여 개질을 통해 환원 가스를 생성합니다. 이 공정은 입자 크기가 0.03mm에서 1mm 범위인 광석을 사용하여 HBI를 생성합니다.

철광석 미분은 먼저 건조되고 유동층 예열기 시스템에서 약 850~900℃로 예열됩니다. 그런 다음 건조되고 예열된 미분은 CFB 반응기에 충전됩니다. 필요한 열은 CFB 반응기로 유입되는 천연 가스와 공기의 연소에 의해 생성됩니다. 미분은 630℃의 추가 CFB에서 약 65% ~ 70% 금속화까지 빠른 사전 환원 단계를 거칩니다. CFB는 20분에서 30분의 머무름 시간을 초래하는 유리한 열 및 물질 전달 조건을 제공합니다. CFB의 가스 속도는 초당 4미터에서 초당 6미터입니다. 상대적으로 작은 직경으로 설계된 CFB에는 높은 가스 속도가 사용됩니다. CFB에서 고체의 우수한 측면 및 수직 혼합은 반응기의 균일한 온도 분포와 균일한 생성물 화학을 보장합니다. 또한 CFB를 통해 BFB에서 발생하는 먼지가 포함된 오프 가스를 2차 가스로 사용할 수 있어 전체 가스 활용도를 높일 수 있습니다.

부분적으로 금속화된 미세분말의 일부는 CFB에서 회수되어 BFB 반응기로 들어갑니다. BFB 반응기는 여러 섹션으로 구획화되어 있으며 초당 0.5미터에서 0.6미터 범위의 가스 속도를 가집니다. BFB는 상대적으로 낮은 가스 속도로 작동하며 2시간에서 4시간의 머무름 시간을 제공합니다. 미분은 650℃에서 두 번째 단계 BFB 반응기에서 최종 감소에 도달합니다. 여기에서 반응은 주로 확산 제어되어 금속화율이 93%에서 95%인 생성물을 생성합니다. BFB 반응기 상단을 떠나는 오프 가스는 CFB로 전달됩니다. 생성물은 약 650℃에서 BFB 반응기를 떠난 다음 플래시 히터에서 가열되어 약 700℃의 브리케팅 온도를 달성하고 브리케팅되어 HBI를 생성합니다.

Circored는 공정에서 유일한 환원제 공급원(즉, CO가 사용되지 않음)으로 천연 가스 개질에서 얻은 H2를 사용하여 탄소가 없는 제품을 만듭니다. 환원된 철광석 미립자의 점착 경향을 피하기 위해 공정에 650℃ 미만의 작동 온도가 선택됩니다. 낮은 작동 온도는 더 높은 특정 공정 가스 볼륨을 필요로 합니다. 따라서 제곱센티미터당 4킬로그램의 작동 압력이 실제 가스 유량을 줄이는 데 사용됩니다.

압축된 공정 가스는 2개의 가스 연소 예열로에서 약 750℃로 예열되어 공정의 각 단계(즉, CFB 및 BFB)에 주입됩니다. BFBB의 오프 가스는 2차 공정 가스로 CFB에 공급됩니다. CFB의 재활용 사이클론에서 나오는 가스는 공정 가스 열교환기에서 냉각되고 다중 클론을 통과하여 먼지 입자의 일부를 회수하고 플래시 히터로 재활용됩니다. 그런 다음 배출 가스는 스크러빙 및 동시에 급냉되어 환원 중에 생성된 먼지와 물의 최종 제거를 수행합니다. 가스는 압축된 다음 공정에 재주입하기 위해 공정 열교환기에서 재가열됩니다.

스크러버 먼지의 회수를 위해 미세 과립 공정이 채택됩니다. 이 미세과립화 과정에서 초미세 입자는 약 350마이크로미터의 평균 크기로 결합제를 첨가하여 미세과립으로 응집된다. Circored 플랜트의 예열 섹션에서 과립의 경화가 일어나기 때문에 추가적인 열 경화 장비가 사용되지 않습니다. 펠렛 사료와 같은 초미세 광석을 가공해야 하는 경우에도 미세 과립화를 적용할 수 있습니다.

냉각 및 세정된 공정 가스는 압축기에서 재압축된 다음 환원로 시스템으로 재도입되기 전에 가스 가열 히터에서 약 750℃의 온도로 예열됩니다. CO2 제거 시스템이 장착된 표준 증기 개질기에서 생성된 신선한 보충 H2는 압축 단계 후에 추가됩니다. 공정 가스는 환원로에 도입되기 전에 예열됩니다. 신선한 가스의 3분의 2는 2차 BFB 원자로에서, 3분의 1은 CFB 원자로에서 사용됩니다.

열간 충전 옵션을 통합하여 열 생산된 DRI를 EAF로 연탄하지 않고 직접 공급할 수 있습니다.

Circored 공정의 공정 흐름도는 그림 1에 있고 연간 500,000톤 공장의 레이아웃은 그림 2에 나와 있습니다.

그림 1 Circored 프로세스의 프로세스 흐름도

그림 2 원형 식물의 일반적인 레이아웃

HBI 톤당 Circored 공정의 일반적인 공정 투입량은 (i) 철광석 미립자(67% Fe) 1470kg, (ii) 전력 100kWh, (iii) 천연 가스 2.75Gcal, (iv) 물 는 0.6 cum이고 (v) man hour는 0.23입니다.

이 공정의 장점은 (i) 펠릿화 또는 소결과 같이 사전 응집 없이 저렴한 철광석 미세분을 직접 사용하고, (ii) 환원제로 H2를 사용하여 매우 낮은 CO2 배출량으로 환원을 가능하게 하고, 점착 경향을 최소화하는 감소 온도, (iii) CFB 반응기의 우수한 열 및 물질 전달 조건, (iv) 낮은 투자 및 운영 비용. 다음은 프로세스의 에너지 절약 가능성입니다.

• 공정의 가스 사용량은 2.75Gcal/ton으로 낮습니다.
• Circored-HBI-EAF 경로를 통해 생산되는 액강 톤당 전력 소비량은 철강 톤당 901kWh입니다.

공정 관련 및 공정의 총(전기 포함) CO2 배출량은 철강 1.2톤 및 2.02톤/톤으로 보고됩니다. Circored-EAF 경로는 기존의 증기 개질에 의해 H2가 생성된다고 가정할 때 기존의 고로-기본 산소로 경로에서 배출되는 CO2의 약 50%만 배출합니다. 물 전기분해로 생성되는 H2와 EAF용 전력이 모두 재생 가능 에너지를 기반으로 하는 경우 CO2 배출량을 최대 90%까지 줄일 수 있습니다.

순환 프로세스

Circofer 프로세스는 Circored 프로세스와 유사합니다. 석탄을 기화시켜 사용하는 환원가스를 생산하는 CFB에서 석탄으로 미세한 광석을 환원시킨다. 이 공정은 과도한 수출 가스가 발생하지 않고 약 950℃의 작동 온도로 설계되었습니다. CFB 기술의 가장 다양한 요소를 일관되게 사용하기 때문에 Circofer 공정은 탁월한 열 및 물질 전달, 전체 원자로 회로에 대한 균일한 온도 분포, 우수한 열 및 가스 활용으로 차별화됩니다.

하루 5톤 용량의 Circofer 공정 파일럿 플랜트가 독일 프랑크푸르트에 설치되었습니다. 파일럿 플랜트는 다양한 철광석과 석탄을 테스트하는 수단을 제공했으며 산업 규모 운영을 위한 설계 매개변수를 개발하는 데 도움이 되도록 공정 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. Circofer 공정(93% 이상 금속화)으로 생산된 DRI는 주로 특수강 생산을 위한 소형 철강 공장 및 합금강 공장에서 사용하는 것으로 간주됩니다. 그러나 일관제철소에서도 사용할 수 있습니다.

Circofer 사전 환원은 본질적으로 CFB로 구성되며, 철광석은 현장 석탄 가스화에서 생성된 일산화탄소(CO) 및 H2 가스에 의해 환원됩니다. CFB에서 나오는 배출 가스는 2단계 서스펜션 예열기에서 철광석을 예열하는 데 사용됩니다. 철광석은 재활용된 숯과 열 발생기에서 산소와 함께 석탄의 부분 연소를 통해 추가로 가열됩니다. 예열 단계 후, 배출 가스는 폐열 보일러(CO2 스크러버용 증기 생성)에서 추가로 냉각되고 최종적으로 벤츄리 스크러버에서 냉각되어 환원 중에 생성된 수증기를 제거합니다. 환원에서 남은 생성물인 CO2는 CO2 스크러버에서 제거되고 CO 및 H2 공정 가스는 환원 단계로 되돌아갑니다.

석탄, 숯, 철광석 미분말(0.1mm ~ 1.0mm)은 공정에 직접 투입되는 주요 원료입니다. 재 융해 온도가 1050℃ 이상이고 휘발성 물질이 10%에서 40% 범위인 모든 종류의 석탄을 사용할 수 있습니다. 그러나 원자로의 순환 부하를 유지하고 제련소에 직접 장입하는 경우 슬래그 부피를 최소로 유지하기 위해 회분 함량이 낮은(15% 미만) 석탄을 사용하는 것이 바람직합니다.

Circofer 공정은 순환 유동층과 고정 유동층의 조합을 활용합니다. 미세 광석은 첫 번째 환원 단계에 들어가기 전에 2단계 통합 예열 장치에서 예열됩니다. 첫 번째 환원 단계는 CFB 반응기로, 열 발생기가 통합되어 있어 석탄을 산소로 부분 산화시켜 시스템에 필요한 에너지를 공급합니다. CFB 시스템과 통합된 이 부분 석탄 연소는 공정에 필요한 열을 생성할 뿐만 아니라 특히 환원탄소 및 점착 방지제로 필요한 숯을 공급합니다. 이 배열을 사용하면 미세 광석이 달라붙지 않고 950℃의 고온에서 CFB 사전 환원을 수행할 수 있습니다.

연탄 처리 전 제품의 자기 분리에서 나온 철광석 미분 및 재활용 숯은 공정에서 나오는 배기 가스 현열을 활용하는 2단계 CFB 시스템에서 약 800℃로 예열됩니다. 예열된 재료는 가스화기를 통해 CFB 반응기에 충전됩니다. 석탄은 약 1000℃의 온도에서 작동하는 가스화기로 직접 충전되며, 여기서 주입된 산소의 도움으로 부분적으로 산화되어 공정에 필요한 열을 생성합니다. 고체와 기체는 CFB로 들어가며 산화철은 약 950℃의 온도에서 약 70%의 금속화 정도까지 환원됩니다. CFB의 고형물은 약 93%의 금속화까지 최종 환원 단계를 위해 FB(유동층) 반응기로 옮겨집니다. 금속화된 생성물, 회분 및 과량의 숯은 FB 반응기에서 배출되고 약 730℃로 냉각되고 자기 분리에 적용된다. 금속화된 제품은 약 680℃에서 열간 연탄 처리됩니다. 비자성 숯은 공정으로 다시 재활용됩니다.

Circofer 프로세스에서 DRI의 일반적인 구성은 Fe(총) – 92.7%, 금속 철 – 85.8%, 금속화 – 92.6%, % C – 1.32, % SiO2 – 1.25, % Al2O3 – 2.62, % CaO – 0.06을 보여줍니다.

최종 환원 후, 제품은 고온 조건에서 자기적으로 분리되며 다양한 방식으로 추가 처리될 수 있습니다. 한 가지 옵션은 대부분의 분리된 숯(비금속 부분을 의미함)을 재활용하고 고온 상태에서 고금속화된 제품을 단광하여 공장에서 고온 연탄(HBI)으로 발송하는 것입니다. 또 다른 옵션은 뜨거운 DRI(AusIron)를 즉시 녹이는 것입니다. 이 경로는 '한 열로' 작동하여 상당한 에너지 절약이 가능하다는 장점이 있습니다. 이 과정에서 잉여 탄소는 용융을 위한 에너지원으로 사용될 수 있습니다.

AusIron 노와 함께 Circofer 공정의 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다. Circofer 공정은 폐쇄 가스 회로가 특징입니다. 석탄 가스화 및 광석 환원으로 생성된 가스는 먼저 냉각된 다음 환원 생성물인 물과 CO2를 제거하기 전에 먼지를 제거합니다. 이렇게 얻은 환원 가능성이 높은 가스는 최종적으로 공정에 재순환되기 전에 압축 및 가열됩니다. 높은 환원 온도와 Boudouard 반응이 일어나기 때문에 가스 이용률이 높아 수출 가스가 발생하지 않는 모드 운전이 가능합니다.

가스는 닫힌 가스 회로에서 흐릅니다. 원자로 부생가스는 광석 예열기에 사용된 다음 폐열 보일러에서 약 220℃로 냉각된다. 가스는 백 필터에서 먼지를 제거하고 급냉 및 세정하여 CO2 제거 장치에 들어가기 전에 공정에서 생성된 수증기를 제거합니다. CO2 제거 장치는 폐열 보일러에서 상승된 증기를 사용하여 배기 가스에서 CO2를 제거합니다. 그런 다음 가스는 압축되어 반응기와 가스화기에 다시 주입됩니다.

그림 3 Ausiron 퍼니스를 사용한 Circofer 공정의 흐름도

다음은 Circofer 프로세스의 중요한 특성입니다.

• 공정에 석탄을 사용
• 미세 철광석은 덩어리 또는 기타 전처리 없이 사용됩니다.
• 프로세스에는 최소한의 재료 준비가 필요합니다.
• 유동층 기술 덕분에 이 공정은 열과 물질 전달이 탁월합니다.
• 공정은 1차 에너지 수요를 최소화한 폐쇄형 에너지 시스템
• 공정에 과도한 에너지가 없음
• 공정에 유해 폐기물이 없습니다
• 저배출량으로 환경 친화적인 프로세스입니다.
• 공정에는 판매 가능한 제품인 HBI를 생산할 수 있는 유연성이 있습니다. 또는 뜨거운 DRI는 용해로로 옮겨 뜨거운 금속을 생산할 수 있습니다.
• 하류 제련(AusIron) 용광로의 용량을 대폭 증가
• 하류 전기 제련소의 전력 소비를 줄입니다.






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