ULCORED 프로세스

ULCORED 프로세스

ULCORED는 천연 가스(NG) 또는 석탄을 가스화하여 얻은 환원 가스로부터 용광로에서 DRI(직접 환원철)를 생산하는 직접 환원(DR) 공정입니다. 샤프트의 오프가스는 이산화탄소(CO2)가 포집된 후 공정으로 재활용되며, 이는 DR 플랜트를 농축된 흐름으로 남겨 저장실로 이동합니다. DRI 단계는 전기 아크로(EAF)를 사용하여 용융된 고체 제품을 생성합니다. 이 프로세스는 LKAB, Voest-alpine 및 MEFOS가 이끄는 팀이 2006년에 주로 설계했습니다.

ULCORED 프로세스의 목적은 DRI를 생산하는 데 필요한 NG 소비를 줄이는 것이었습니다. 이는 기존의 개질 기술을 NG의 부분 산화(POx)로 대체하여 달성되었습니다. ULCORED는 CCS 장치와 결합하여 BF 경로의 평균과 비교하여 70%의 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다.

ULCORED 공정의 개념은 공정 가스에서 CO2를 분리하는 것을 포함합니다. CO2 포집 및 저장(CCS) 기술을 사용하여 온실 가스(GHG) 배출을 최소화함과 동시에 에너지 사용을 최소화하기 위해 가스 기반 DR 프로세스를 채택하려는 것이 특징입니다. 이 공정은 CO2의 추출 및 저장을 허용하는 방식으로 설계되었습니다. 따라서 프로세스는 유사한 프로세스 내 캡처가 있는 CCS에도 종속됩니다.

이 공정은 CO2 제거 장치와 함께 샤프트의 일산화탄소(CO) 가스를 수소(H2)로 변환하기 위한 시프터의 활용을 기반으로 합니다. 이것은 프로세스 개념의 새로운 혁신적 진화를 엽니다.

ULCORED DR 공정의 주요 특징은 다음을 포함합니다. NG를 15%에서 20%까지 줄이고 (iii) 석탄, 바이오매스, 바이오 폐기물 가스화 및 H2를 NG의 대안으로 사용할 수 있습니다.

ULCORED의 개념은 DRI 생산을 위한 철광석 및 가스 기반 직접 환원을 사용하여 CO2 배출량 감소 요구를 충족시키는 것입니다. 이 개념에는 100% 산소(O2), 개질기 대신 POx, CO2 없는 환원/과잉 가스 생산을 위한 전환기 및 석탄/바이오매스 가스화에서 천연 가스 또는 합성 가스인 환원제 사용이 포함됩니다. 석탄의 가스화에 의해 생성되는 환원가스도 NG 대신에 사용할 수 있습니다.

NG 기반 ULCORED DR 프로세스

NG를 기반으로 한 ULCORED DR 공정의 주요 특징은 (i) 개질기 없음, (ii) 히터 없음 및 (iii) 고압입니다. 고압 때문에 DR 샤프트의 가스 속도가 적고 유동화가 적고 DR 샤프트를 떠나는 미세 입자가 적습니다. 또한 고압으로 인해 더 작은 CO2 제거 및 POx 장치가 필요하고 재활용 압축기에 필요한 전력 요구량이 적습니다.

개념의 독창성은 공기 대신 O2를 사용한다는 것입니다. 즉, 가스에 질소(N2)가 없거나 낮습니다. 개질은 환원 가스의 컨디셔닝을 위한 POx 장치에 의해 수행됩니다(그림 1). 이 기술은 DRI를 생산하는 데 필요한 NG 소비를 줄이기 위해 가스의 부분 산화로 NG의 기존 개질을 대체합니다. 일어나는 POx 반응은 CH4 + 0.5O2 =CO + 2H2이며 델타 H =– 8.6 Kcal/mol입니다.

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그림 1 부분 산화에 의한 가스 생성 감소

부분 탈산을 위한 파일럿 장치는 H2가 풍부한 공급 가스용으로 새로 설계된 버너를 사용하여 두 가지 캠페인에서 Linde에서 테스트되었습니다. 예열된 가스(60% H2 및 40% CH4)가 있는 튜브 반응기가 사용되었습니다. 파일럿 장치 테스트의 결론은 (i) 버너와 반응기가 문제 없이 작동될 수 있음, (ii) 심각한 소음 발생 없이 안정적인 화염이 얻어질 수 있음, (iii) 그을음이 300mg 미만으로 생성될 것으로 예상된다는 것이었습니다. /N cum ~ 460 mg/N cum 습식 기체 부피, (iv) 대기압으로 인해 CO2 및 CH4 함량은 가정된 평형에 기초하여 사전 계산보다 높았다. 최대 7kg/sq cm의 더 높은 작동 압력은 이 함량을 줄일 수 있습니다.

DR 샤프트는 송풍구에서 주입되는 환원가스의 역류를 가지며 철광석은 상부에서 차갑게 공급됩니다. 퍼니스는 6kg/sq cm 압력 및 약 900℃ 온도에서 작동됩니다. 샤프트 오프 가스는 주로 CO, CO2, H2 및 H2O를 포함할 가능성이 높습니다.

주로 CO, CO2 및 H2O를 포함하는 샤프트 배기 가스는 CO를 H2로 변환하는 시프터(1단계 또는 2단계)를 통해 유도됩니다. 수성 가스 시프터를 사용하면 환원 샤프트에서 H2 함량이 높아집니다. 수성 가스 전환 반응은 CO(g) + H2O(g) <–> CO2 + H2입니다. 샤프트 배기 가스의 거의 모든 CO는 H2로 이동되고 CO2는 CO2 제거 장치에서 제거됩니다. 과잉 가스의 생산 증가는 CO2 제거 장치 및 O2 생산을 위한 전력 수요를 증가시킵니다. 과잉 가스의 정확한 수준을 계산하는 것은 반복적인 과정입니다. 이러한 이유로 초과 가스의 예상 수준은 더 높을 것입니다. DRI 1톤당 예상 초과 수준인 2.2기가 칼로리는 추가 전력 수요를 보상할 것으로 예상됩니다. 이것은 일부 가스를 시프터로 직접 우회함으로써 달성할 수 있습니다. 바이패스된 가스의 양은 환원 샤프트로 들어가는 환원 가스의 특성에 따라 결정됩니다. 시스템의 가스 양이 증가하기 때문에 시프터 및 CO2 제거 장치에 추가 투자가 필요합니다.

시프터 장치에서 CO 이동 반응은 발열 반응이며 평형은 높은 증기 대 가스 비율 및 낮은 온도에서 압력의 영향을 받지 않으면서 CO 전환에 유리합니다. 단열 시스템에서 달성 가능한 CO 슬립은 출구 온도에 의해 결정됩니다. 단일 촉매층에서의 전환은 평형이 제한되어 있고 반응이 진행됨에 따라 고온은 결국 추가 반응을 제한합니다. 이 제한은 베드 간 냉각과 함께 고온 이동과 저온 이동으로 구성된 2단계 시스템으로 극복할 수 있습니다. 낮은 작동 온도는 가장 유리한 열역학적 평형을 제공하여 CO의 최소 슬립을 제공합니다. 대부분의 현대식 H2 플랜트는 저온 전환 반응기의 상류에 냉각 시스템을 갖추고 있어 공정 가스의 이슬점 근처에서 작동할 수 있습니다. 이슬점 이상의 안전 여유는 냉각기에서 형성될 수 있는 물방울의 완전한 증발을 보장하는 데 사용됩니다.

증기 비율에 따라 저온 전환 반응기는 응축에 대한 우려 없이 190℃의 낮은 온도에서 작동할 수 있습니다. 개념에서 상단 가스는 열회수와 함께 고온 및 저온 시프터를 통과합니다. 고온 시프터는 CO의 97.2%를 변환하고 저온 시프터는 99.5% 변환을 완료합니다. 열교환기는 재활용된 가스를 가열하고 그 용량은 50℃의 뜨거운 쪽의 설정 온도 차이를 기반으로 계산됩니다. 열교환기의 과도한 열은 응축기/리보일러를 통해 증기 네트워크로 증기를 생성합니다.

CO2 제거 장치는 공정으로 반환되는 H2가 풍부한 환원 가스를 생성하는 가스에서 CO2를 제거하는 데 사용됩니다. CO2 제거 단위는 CO2 제거 효율, H2 및 N2 회수에 대한 분포에 의해 결정됩니다. 사용할 수 있는 두 가지 CO2 제거 공정은 VPSA(진공 압력 스윙 흡착) 공정 또는 아민 스크러버 공정입니다. CO2 제거 장치(VPSA 또는 아민)의 선택은 현지 요구 사항에 따라 다릅니다. 잉여 증기가 있는 경우 VPSA에 필요한 전기 대신 공장 내 증기 에너지를 사용하여 CO2 제거를 요구하는 에너지를 만들 수 있습니다. 두 기술 모두 추가 분석이 필요한 장단점이 있습니다. 두 기술 모두 ULCORED 개념과 함께 작동합니다. 공정에서 이미 높은 압력을 사용할 수 있기 때문에 VPSA 장치 대신 CO2 제거를 위해 압력 변동 흡착(PSA)을 사용할 가능성도 있습니다.

선택한 프로세스 유형은 프로세스 흐름도와 레이아웃에 영향을 줍니다. VPSA 공정에는 극저온 및 110kg/sq cm 압력의 압축, 포집된 CO2 톤당 260kWh의 전력이 필요합니다. 고성능 아민(활성화된 메틸디에탄올아민, aMDEA)을 사용하는 아민 스크러버 공정의 경우 전체 공정(아민 및 110kg/sq cm 압력으로 압축)에는 CO2 톤당 약 1.6톤의 저압 증기와 160kWh의 전력이 필요합니다. 캡처했습니다.

N2를 함유한 정화된 H2 농후 가스의 일부는 환원 가스에 축적된 N2에 대응하기 위해 공정에서 빠져 나옵니다. 블리드 가스는 시스템 내에서 증기 생성 또는 가열에 사용할 수 있는 귀중한 가스입니다.

천연 가스를 기반으로 한 ULCORED 공정의 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

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그림 2 천연가스 기반 ULCORED 공정 흐름도

석탄 가스화 기반 ULCORED DR 프로세스

ULCORED의 가장 CO2 절약 옵션은 DR 플랜트용 합성 가스와 모든 플랜트 사용자를 위한 CO2 희박 H2 가스를 생산하는 석탄 가스화기를 사용하는 것입니다. 이 개념은 기존 시스템과 개조된 시스템 모두에 적용할 수 있습니다.

석탄 기반 개념은 기존 석탄 가스화 기술과 저온 탈황(기존 기술 기반) 또는 고온 가스 탈황을 사용하여 환원 가스를 생산하는 것을 기반으로 합니다. 이 개념은 공기 대신 O2를 사용하고 CO2 저장을 포함합니다. 환원 샤프트의 높은 H2 함량은 수성 가스 시프터를 통해 달성됩니다. 초과 H2 가스는 플랜트의 다른 사용자에게 공급됩니다.

석탄 가스화는 잘 알려진 기술로 석유 및 가스 매장량이 고갈된 후 미래 에너지 전환 공정 기술 중 하나로 기대됩니다. 석탄의 가스화를 위해 개발된 몇 가지 기술이 있습니다. 기술 간에 차이가 있지만 일반적으로 80% 이상인 비교적 높은 C 변환 효율로 작동합니다. 석탄 가스화의 큰 장점은 합성 가스(예:황, 수은 등)를 사용 전에 효율적으로 세척할 수 있다는 것입니다.

DRI 생산을 위한 용광로는 6kg/sq cm 압력에서 작동하기 때문에 가스화기의 가스 압력은 전력을 회수하는 팽창 터빈을 통해 감소합니다(30kg/sq cm에서 6kg/sq cm로).

ULCORED DR 공정은 공정 개념의 독창성의 장점을 통합하여 석탄 가스화 장치와 쉽게 통합할 수 있습니다. 석탄은 석탄 가스화 플랜트에 공급됩니다. 황은 고온 또는 저온 탈황에 의해 합성 가스에서 제거됩니다. 청정 합성가스는 DRI 냉각기 또는 고온 및 저온 전환기 사이의 열교환기에서 예열된 세정된 H2가 풍부한 재활용 가스와 혼합됩니다.

가스화기가 ULCORED DR 공정과 통합되는 세 가지 다른 방법이 있습니다. 가스화기는 저온 합성가스로 통합되거나 가스화기의 고온 가스에 있는 열 에너지가 활용되는 방식으로 통합될 수 있습니다. 세 가지 다른 설정이 그림 3에 나와 있습니다. 시스템에 대해 과잉 H2를 생성할 가능성은 세척된 합성 가스를 시프터 장치로 직접 우회함으로써 가능합니다.

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그림 3 ULCORED DR 플랜트와 석탄 가스화기 통합

산소는 주로 석탄 가스화기에서 소비되지만 샤프트 이전에도 작은 POX에서 소비되어 정확한 환원 가스 온도를 보장합니다. 이동된 가스는 환원 가스의 올바른 조성을 보장하기 위해, 즉 H2 양을 증가시키기 위해 이동기로 우회되어야 하는 가스입니다. 제거된 CO2는 CO2 제거 공정에서 주요 공정 스트림에서 분리된 CO2의 양입니다. 석탄 기반 ULCORED 공정의 흐름도는 그림 4에 나와 있습니다.

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그림 4 석탄 가스화 기반 ULCORED 공정 흐름도

시스템에 석탄 가스화기와 시프터를 사용하면 합성 가스의 일부를 시프터로 직접 우회하여 직접 환원 플랜트에 필요한 것보다 더 많은 가스를 생성할 수 있습니다. 이 기능을 통해 제철소용 CO2 희박 연료를 생성할 수 있습니다. 시스템에서 하나의 CO2 소스를 가질 수 있으므로 기본적으로 제강 시스템에서 생성되는 모든 CO2를 포집하여 저장할 수 있습니다.

ULCORED DR 프로세스 현황

ULCORED DR 프로세스에 대한 심층적인 기본 모델 연구가 완료되었습니다. 이러한 모델 연구에는 펠릿 스케일 모델, 샤프트 모델 및 흐름도 시뮬레이션에 의한 프로세스 모델이 포함됩니다. 모델 연구는 역학을 포함한 DR 프로세스의 근본적인 이해에 도움이 되었습니다. 플로우시트 모델링은 제철소 환경에서 ULCORED DR 프로세스에 맞게 프로세스 레이아웃을 최적화하는 데 도움이 되었습니다. 모델링 연구 동안 채택된 다양한 접근 방식은 유사한 결과를 생성했습니다. 이러한 연구는 다양한 시나리오에서 개념 평가를 위한 신뢰할 수 있는 기반을 만들었습니다. 92% 금속화 및 2.76% C를 포함하는 1톤의 저온 DRI 출력에 대해 재료 균형, 질량 균형, 에너지 균형 및 CO2 배출 계산이 수행되었습니다.

흥미로운 옵션 중 하나는 ULCORED DR 플랜트로 LRI(덜 환원된 철) 및 기존 또는 N2 없는 고로(BF)를 생산하여 CO2 배출량을 추가로 절감하면서 뜨거운 금속(HM)을 생산합니다. LRI는 LKAB 실험 BF에서 수행된 성공적인 테스트를 고려할 때 DRI 대신 대안적인 선택입니다. DR 제품이 금속화 정도를 65%로 감소시킨 LRI 테스트는 200kg/tHM 미만인 매우 안정적인 노 상태와 낮은 코크스 소비량으로 BF에서 매우 긍정적인 반응을 보였습니다.

이러한 연구의 결과는 ULCORED DR 프로세스가 특히 NG가 상대적으로 저렴한 경우 CO2 배출량의 브라운 필드 개선을 위한 '빠른 수정'이 될 수 있다는 것입니다. BF 루트가 있는 일관제철소의 경우 LKAB 실험 BF에서 성공한 테스트를 고려할 때 LRI를 선택할 수 있습니다.

ULCORED DR 공정은 먼저 파일럿 테스트가 필요합니다. 이 단계는 LKAB가 스웨덴 Lulea에 있는 Experimental BF를 보완하기 위해 향후 몇 년 동안 건립할 계획인 EDRP(실험적 직접 환원 파일럿) 용해로의 기회를 사용할 수 있는 단계입니다. EDRP의 사양은 (i) 시간당 1톤의 철 생산, (ii) 상부 가스의 재순환, (iii) 용광로에서 0kg/sq cm ~ 8kg/sq cm의 작동 압력 범위, (iv)입니다. ) 시간당 1700 N cum ~ 3100 N cum 범위의 가스 흐름 및 (v) 900 ℃ ~ 1050 ℃ 범위의 용광로 온도

ULCORED는 파일럿 규모에서 실행 가능성이 입증된 후 10년에서 15년 이상이 소요될 시연 규모로 입증되면 기존 직접 환원 플랜트를 개조하는 후보가 될 것입니다.