탑 가스 재활용 고로 공정

최고 가스 재활용 고로 공정

고로(BF)에 의한 용선(HM) 생산 분야에서 CO2(이산화탄소) 배출을 획기적으로 줄이는 가장 유망한 기술은 고로에서 나오는 CO(일산화탄소)와 H2(수소)를 재활용하는 것입니다. BF 정상을 떠나는 가스. 상부 BF 가스의 CO 및 H2 함량은 환원 가스 원소로 작용할 가능성이 있으므로 BF로의 재순환은 BF 성능을 개선하고 C(탄소) 및 H2의 활용을 향상시키는 효과적인 대안으로 간주됩니다. CO2 배출량을 줄입니다. 이 '탑 가스 재활용'(TGR) 기술은 주로 상부 BF에서 CO2를 제거한 후 환원제(CO 및 H2)를 재사용하여 화석 C(코크스 및 석탄) 사용량을 줄이는 것을 기반으로 합니다. 가스. 이는 에너지 요구 사항을 낮추는 결과를 가져옵니다. 높은 생산성, 높은 PCI(미분탄 분사) 비율, 낮은 연료 비율 및 낮은 CO2 배출량 등의 이점 때문에. , TGR-BF 공정은 미래의 유망한 제철 공정 중 하나로 간주됩니다.

TGR-BF에서는 뜨거운 공기 대신 산소(O2)를 BF에 불어넣어 상부 BF 가스의 질소(N2)를 제거합니다. CO 및 H2를 포함하는 상부 BF 가스의 일부는 BF에서 환원제로 다시 활용됩니다. BF 탑 가스의 CO2는 포집되어 저장됩니다. 여러 재활용 프로세스가 다양한 목적을 위해 제안, 평가 또는 실제로 적용되었습니다. 이러한 공정은 (i) CO2 제거 유무, (ii) 예열 유무, (iii) 주입 위치로 구분됩니다.

TGR-BF(그림 1)의 개념에는 (i) 상부 BF 가스 구성요소인 CO 및 H2를 샤프트와 노상 송풍구에 주입하는 것, (ii) 낮은 코크스로 인한 화석 C 투입량의 감소를 포함하는 많은 기술이 포함됩니다. 비율, (iii) 노로 송풍구에서 열풍 공기 대신 순수한 O2 가스 사용(공정에서 N2 제거), (iv) 지하 저장을 위해 상부 BF 가스에서 순수한 CO2 회수.

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그림 1 TG-BF의 개념

상부 가스 재활용의 개념은 스웨덴 Lulea에 있는 LKAB의 실험적 BF(EBF)에서 실험적으로 테스트되었습니다. EBF가 수정되었고 VPSA(진공 압력 스윙 흡착) 기술에 기반한 가스 분리 플랜트가 EBF 근처에 건설되었습니다.

BF 최고 가스 재활용의 역사

환원제 비율을 낮추고 BF의 생산성을 높이기 위해 기존의 BF 공정에 기반한 몇 가지 새로운 개념이 20세기에 도입되었습니다.

이미 1920년대에 고온 환원 가스를 BF에 주입하는 개념이 개발되었습니다. 용광로의 풍구에서 나오는 더 낮은 가스 부피는 1000℃에서 예열된 환원 가스를 27% CO, 33% H2 및 26% N2와 함께 하부 샤프트 구역으로 주입하여 보상해야 했습니다. 그 결과 코크스의 30%(당시 345kg/tHM)만이 BF 공정에 필요한 것으로 밝혀졌습니다. 1960년대 중반에 이 아이디어가 벨기에에서 다시 채택되었으며 1970년대 초 벨기에의 Cockerill-Seraing에 있는 4.6m의 난로 직경 BF에서 첫 번째 시험이 수행되었습니다. 1000℃까지 예열된 개질 가스의 400N cum/thHM의 특정 양을 BF의 하부 샤프트에 주입하였다. 환원가스 N cum 당 코크스 0.22kg 대 0.26kg의 대체율이 관찰되었다.

천연가스의 높은 비용 때문에 경제적인 이유로 추가 조사는 수행되지 않았습니다. 1970년대 후반, 차가운 순수 O2, 연료 및 재활용 가스의 주입이 2개의 송풍구 수준에서 수행되는 새로운 공정에 대한 개발 작업이 독일에서 시작되었습니다. 이 아이디어를 바탕으로 두 번째 송풍구 열이 없는 기존 BF에 대해 1984년 캐나다에서 프로세스가 개발되었습니다. 이 개념의 주요 특징은 코크스를 대체하기 위해 석탄을 주입하는 것이었습니다. 두 개념 모두 실현되지 않았으며 연구로서만 종료되었습니다.

거의 동시에 이 아이디어는 일본의 NKK에서 더 사용했는데, 여기서 두 번째 열의 송풍구가 샤프트 중앙에 설치되었습니다. CO2 제거 없이 재활용된 상부 가스로 구성된 예열된 환원 가스가 이 풍구에 주입되었습니다. 가스는 산소에 의한 부분 연소에 의해 가열되었다. 차가운 O2, 석탄 및 차가운 재활용 탑 가스가 난로의 풍구에 주입되었습니다. NKK는 3개의 송풍구, 3.9 cum의 내부 용적 및 0.95 m의 난로 직경이 있는 실험적 BF에서 공정을 테스트했습니다. 석탄 주입율은 320kg/tHM으로 증가될 수 있는 반면 코크스 비율은 350kg/tHM으로 감소될 수 있다. 일본의 전기 에너지 및 천연 가스 가격이 높았기 때문에 상위 BF 가스 재활용으로 인한 일관제철소의 연료 가스 부족으로 인해 이 공정의 개발이 중단되었습니다.

1980년대 후반에 러시아의 RPA Toulachermet이 BF 2번지에서 1033 cum의 유용한 부피를 가진 12개의 캠페인에서 탑 가스 재활용이 있는 BF의 첫 번째 상업적 운영을 수행했습니다. 이 전체 코크스 BF 공정 개념에서는 CO2가 거의 없는 핫탑 가스를 순수한 O2와 함께 노로 송풍구로 불어넣었습니다. 탄산가스가 제거된 상부 가스는 뜨거운 스토브에서 섭씨 1200도까지 가열되었습니다. 이 새로운 공정으로 거의 250,000톤의 뜨거운 금속(HM)이 생산되었습니다. 달성된 최저 코크스 비율은 367kg/tHM으로 606kg/tHM의 기준과 비교하여 239kg(39%)의 코크스 비율 감소를 의미했습니다. 이 캠페인 동안 심각한 송풍구 소손이 확인되어 송풍구 디자인이 변경되었습니다. CO2 세척 시스템의 어려움으로 인해 마침내 프로세스가 중단되었습니다. 이러한 배경 조사를 고려하여 ULCOS(초저탄소 이산화탄소 제강) TGR-BF의 개념은 2004년에 개발되었습니다.

ULCOS TGR-BF 개발

개발 작업은 두 단계로 수행되었습니다. 2004년부터 2009년까지 진행된 1차 개발단계에서는 이 공정을 'ULCOS 신고로공정'으로 명명했다. 이 단계에서 세 가지 새로운 프로세스 개념이 개발되고 테스트되었습니다. 2009년에 시작되어 'ULCOS 상부 가스 재활용 고로 공정'으로 명명된 두 번째 단계에서 2개의 추가 ULCOS TGR-BF 캠페인이 수행되었습니다.

개발 과정에서 열 및 질량 균형 모델과 BF의 3차원 축대칭 모델이 주요 데이터의 계산과 최상의 작동 매개변수 선택을 위한 프로세스의 내부 상태에 사용되었습니다. 도달 가능한 C 절약과 이러한 새로운 개념에서 BF를 실행하는 가능성에 대해 4가지 대안을 정의하고 조사했습니다. 결론은 대안 1, 3 및 4가 높은 미분탄 주입 수준으로 21% 이상의 화석 C 절감을 달성할 수 있어야 한다는 것이었습니다. 대안 2는 기대되는 탄소 절감이 낮고 먼저 복열기에서 2단계로 재순환 가스를 가열한 다음 부분 산화로 추가 가열하는 도전적인 기술의 필요성 때문에 거부되었습니다. 모든 대안에는 CO2 제거 및 난로 송풍구에 CO가 풍부한 제품 가스 주입, 순수한 O2 사용 및 환원 가스와 함께 석탄 주입이 포함되었습니다. 모든 대안에서 바이오매스, 부분적으로 환원된 광석 및 수소가 풍부한 가스의 사용이 미래의 가능성으로 고려되었습니다.

대안 1(그림 2)에서 탈탄산 생성물 가스는 노상 송풍구에서 순수 O2 및 석탄과 함께 차갑게 주입되고 샤프트 송풍구에서 뜨겁게 주입됩니다. 이 대안의 한 가지 중요한 점은 노상 송풍구 수준에서 낮은 냉기 가스 유량으로 인해 일반 BF 공정에 비해 더 작은 궤도 크기와 더 높은 화염 온도가 발생한다는 것입니다. 또한 가스 유량이 적기 때문에 새로운 풍구 설계가 필요했습니다.

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그림 2 ULCOS 상부 가스 재활용 고로 – 대안 1

대안 3(그림 3)에서 탈탄산 생성물 가스는 O2 및 석탄과 함께 일반 노상 송풍구에서 뜨겁게 주입되었다. 높은 탄소 절감 효과를 얻으려면 낮은 RAFT(레이스웨이 단열 화염 온도)와 동시에 높은 석탄 분사율로 작동해야 했습니다.

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그림 3 ULCOS 상부 가스 재활용 고로 – 대안 3

대안 4(그림 4)에서 탈탄산 생성물 가스는 노상 송풍구에서 뜨겁게 주입되고 하부 샤프트에서 뜨겁게 주입되었습니다. 재활용 가스의 온도는 실온에서 1250℃까지 다양했습니다.

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그림 4 ULCOS 상부 가스 재활용 고로 – 대안 4

대안 1과 4에서는 생산 가스도 송풍구를 통해 주입됩니다. 차이점은 가스 주입 온도와 주입 지점의 위치입니다. 모든 경우에 가스의 최소 부분은 재생 시스템에서 가열되었습니다. 대안 1의 예상 화석 C 절감은 석탄 비율 170kg/tHM에서 21%, 대안 3은 석탄 비율 180kg/tHM에서 24%, 대안 4는 석탄 비율 150kg/tHM에서 25%였습니다. .

그런 다음 궤도 조건에 대한 수학적 모델링과 가스화 테스트가 수행되었으며 재활용 가스, 순수 O2 및 미분탄의 동시 주입 제한 하에 송풍구의 설계 및 엔지니어링에 대해 실험실 및 파일럿 규모 조사가 모두 수행되었습니다. 송풍구의 형상은 작동 중 핫스팟 및 고장을 방지하고 가스 흐름의 충분한 충격을 유지하여 충분한 깊이의 궤도를 형성하도록 계산 결과를 기반으로 개선되었습니다.

실험 BF에서 TGR-BF 과정의 캠페인

시험의 목적은 난로 송풍구에서 순수 O2 및 PCI를 사용하는 완전한 TGR 모드에서 EBF의 작동을 입증하는 것이었습니다. 이것은 세 가지 정의된 대안에 따라 수행되었습니다. 철분은 펠릿 30%, 소결 70%로 구성되어 있다. HM의 생산 속도는 시간당 1.5톤의 일정한 수준으로 유지되었고 PCI 속도는 130kg/tHM에서 170kg/tHM 사이에서 다양했습니다. 다양한 시험 기간 동안 재활용된 탑 가스의 부피는 최대 화석 C 절약을 얻기 위해 최대화되었습니다. 그런 다음 EBF에서 시도하는 동안 얻은 결과를 모델 계산과 비교했습니다.

대안 3과 대안 4는 2007년에 기존 시동 후 첫 번째 캠페인에서 테스트되었습니다. 대안 3은 2009년 가을에 두 번째 캠페인에서 최적화를 위해 테스트되었으며 대안 1의 테스트가 뒤따랐습니다. 2010년의 세 번째이자 마지막 캠페인에서 초점은 900℃에서 대안 4에 있었습니다. 대안 4는 다음과 같은 것으로 간주되었습니다. 산업 규모의 후속 ULCOS BF 시범 프로젝트에 대한 선호되는 대안. 재주입된 가스의 온도에 대한 900℃ 제한은 내화 물질의 H2에 의한 실리카 환원 문제를 피하기 위해 설정되었습니다.

각 캠페인 동안 온도 및 가스 구성의 현장 측정과 부담 물질의 샘플을 두 개의 내 부담 프로브로 EBF에서 가져왔습니다. 새로운 작동 조건에서 부담 재료 거동을 조사하기 위해 캠페인 중단 직전에 소결 및 펠렛 재료가 다른 바구니를 EBF에 충전했습니다. 이러한 바스켓은 질소로 급냉한 후 퍼니스를 해부하는 동안 EBF에서 회수되었습니다. 이것은 2007년과 2010년 캠페인 동안 수행되었습니다. 2009년 두 번째 캠페인에서는 EBF 충전 시스템 문제로 인해 캠페인이 준비되지 않은 종료로 인해 켄칭만 수행할 수 있었고 이에 따라 바스켓이 청구되지 않았습니다.

캠페인 동안 응집 영역에서 샘플을 회수하고 추가 조사를 위해 궤도의 크기와 모양을 측정했습니다. 캠페인은 먼저 가열 및 열 안정화를 위해 소결을 사용한 기존 BF 정상 작동(열풍 분사)의 1주로 시작되었으며, 그 다음 기존 BF 작동에 대한 기준을 설정했습니다. 참조 후, 송풍기를 분리하고 제품 가스를 자갈 히터(재생기)에 연결하기 위해 중지되었습니다. TGR-BF 모드의 시동은 랜스의 차가운 O2와 자갈 히터의 뜨거운 N2로 구성된 인공 폭발로 이루어졌습니다. 점진적인 단계에서 자갈 히터의 N2는 탈탄소화된 상부 가스(생성 가스)로 대체되었습니다.

ULCOS TGR-BF 캠페인 결과

캠페인을 통해 도출된 첫 번째 결론은 ULCOS TGR-BF 프로세스를 운영할 수 있다는 것입니다. 새 프로세스로 캠페인을 진행하는 동안 안전 관련 문제가 발생하지 않았습니다. 두 번째로 중요한 설비인 VPSA 장치의 운영은 큰 장애 없이 순조롭게 진행되었다. VPSA 부서와 결합된 EBF는 캠페인 기간 동안 매우 잘 작동했습니다.

그러나 VPSA 장치의 작동은 상부 가스 조성과 EBF에서 나오는 가스 부피의 변화에 ​​의해 영향을 받았다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 두 부대는 매우 긴밀한 관계에서 운영되어야 했습니다. 캠페인 기간 동안 달성된 재활용 탑 가스의 최대 비율은 약 90%였습니다.

TGR-BF 공정 캠페인 중 부담의 원활한 하강으로 BF의 안정적인 작동을 경험했으며 열적 안정성을 유지하기 쉬웠습니다. BF 샤프트의 가스 효율은 다른 대안에서 안정적이었고 내 하중 샤프트 프로브의 측정에서 볼 수 있는 것처럼 좋은 가스 분포가 있었습니다. 그러나 캠페인 동안 몇 가지 장비 고장이 발생하여 새로운 공정 조건에서 운영하는 동안 EBF를 중지해야 했습니다. 차가운 O2의 인공 열풍과 뜨거운 N2 작업으로 '재래식 작업'의 작업 단계로 돌아가기 위해 몇 가지 긴 중단이 필요했습니다. 소규모 중단에는 가스 주입을 중단하고 추가 코크스 및/또는 석탄을 추가하기만 하면 되었습니다.

N2로 시동한 후 사용 가능한 상부 BF 가스가 없을 때 생성 가스는 약 1시간 이내에 다시 재활용될 수 있습니다. 모든 문제는 예상대로 해결되었으며 BF의 열 안정성은 심각한 위험에 처한 적이 없습니다. 캠페인을 통해 얻은 경험과 증가된 자신감을 통해 점진적으로 EBF 복구를 더 빠르게(생산 수준에서) 만들 수 있었습니다. 대안교체(3에서 4, 3에서 1) 시마다 샤프트 송풍구에 필요한 가스 연결 및 노상 송풍구 교체를 위해 약 8시간 동안 BF를 중단했습니다.

실험실 수준에서 수행된 실험은 기존의 부담 물질이 새로운 공정에 문제가 되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 이것은 캠페인 중에 확인되었습니다. 부담 물질의 특성과 관련된 특별한 공정 문제는 없었습니다. 탐침과 굴착 샘플 모두의 결과는 소결 및 펠릿 샘플 모두에 대해 벽에서 낮은 환원 수준이고 로 중심에서 더 높은 환원 수준인 중앙 작업로의 감소 프로파일을 보여주었습니다. 굴착 샘플에 대한 텀블링 테스트는 실험실 테스트에 해당하는 기존의 BF 공정 중 하나와 유사한 붕해 거동을 나타냈습니다. 부하 테스트 작업을 통해 현재의 기존 BF에서 사용되는 부하 특성이 ULCOS TGR-BF 프로세스에 문제가 없는 것으로 결론지을 수 있습니다.

ULCOS TGR-BF 캠페인 동안 달성된 결과는 C(석탄 및 코크스) 절약과 관련하여 매우 고무적이었습니다. 세 가지 캠페인 모두의 시험은 탈탄소화된 상부 BF 가스 주입에 의해 달성된 환원제 비율의 상당한 감소를 보여주었습니다. 세 번의 캠페인 동안 석탄과 코크스 투입량은 약 530kg/tHM에서 400kg/tHM으로 감소했으며 이는 C의 상당한 절감을 나타냅니다. 탄소 투입량은 470kg/tHM에서 약 350kg/tHM으로 감소하여 결과적으로 약 25%의 C 절감.

대안 1은 두 번째 캠페인의 조기 중단으로 인해 완전히 탐색할 수 없었지만 코크스를 통한 C 투입량의 최대 감소는 기존 BF 운영 하의 기준 기간과 비교하여 21%였습니다. 이 대안을 위해 새로운 송풍구 기술이 개발되었습니다. 송풍구 설계는 미분탄 주입에 사용되는 내부 파이프와 O2 주입을 위한 외부 파이프가 있는 동축 파이프로 구성되었습니다. 설치된 3개의 송풍구는 매우 잘 작동했으며 분해 후에도 손상이나 마모가 관찰되지 않았습니다. VPSA는 BF 탑 가스의 최대 88%를 재활용할 수 있었습니다.

대안 3과 관련하여 C 소비는 약 72%의 최고 가스 재활용 비율로 첫 번째 캠페인에서 최대 15%까지 감소될 수 있습니다. 이 대안의 결과는 열 및 물질 균형 계산(24%)에서 예상한 것보다 낮았습니다(약 15%). 이는 이것이 탑 가스 재활용 모드의 첫 번째 경험이고 공정이 최적화되지 않았기 때문입니다. 두 번째 캠페인에서 이 대안의 결과는 최고 가스 재활용 비율이 최대 90%인 상태에서 약 25%의 C 투입량을 최대로 감소시켰을 때 훨씬 더 좋았습니다.

대안 4의 경우 90%의 최고 가스 재활용 비율로 24%의 탄소 절감을 달성했습니다. 코크스 및 석탄 소비 측면에서 기준 작업 기간과 비교하여 새로운 공정(대안 4)에서 최대 123kg/tHM이 절약되었습니다. 이러한 결과로부터 주입된 가스(CO+H2)의 양과 환원제 비율의 감소 사이의 좋은 상관관계가 결정될 수 있었습니다. 코크스와 석탄을 통한 C 투입량은 주입된 가스(CO+H2) 100N cum당 평균 17kg 감소할 수 있습니다.

EBF의 캠페인은 현재 BF의 소비 수준과 비교할 때 훨씬 낮은 화석 C 소비 수준에서 BF 공정을 실행할 수 있음을 입증했습니다. 25%까지의 C 절감은 환원성 탈탄산 탑 가스의 주입에 의해 입증되었습니다. 이것은 현재 가장 잘 운영되는 BF 공정과 비교할 때 상당한 하락입니다. 사실, 현대식 BF에 BF-TGR 기술을 적용하면 C 소비량을 현재 수준인 약 405kgs C/tHM에서 약 295kgs C/tHM 수준으로 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다.

VPSA 장치가 안정적으로 작동했습니다. VPSA 장치는 BF에서 발생하는 상부 가스의 97%를 처리할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 주입된 가스의 평균 CO2 부피 분율은 약 2.67%이고 CO 회수율은 88%로 양 및 품질 요구 사항을 충족했습니다. VPSA 및 CCS 장치와 결합하여 TGR-BF 공정에 의해 감소된 CO2 배출량은 제철 공정에서 총 CO2 배출량의 76%를 차지하는 1270kg/tHM에 도달할 수 있습니다. 감소된 CO2의 24%는 가스 재활용에 의한 것이고 나머지 52%는 CCS에 의해 지하로 운송 및 저장되었습니다.

공정 관점에서 볼 때 HM의 온도와 품질에 관한 한 ULCOS 작업은 기존 BF 작업보다 더 안정적이라고 말할 수 있습니다. 이것은 본질적으로 훨씬 낮은 수준의 직접 환원율(DRR)과 관련된 용액 손실 반응의 영향이 낮기 때문인 것 같습니다. 이 DRR의 가장 낮은 관찰 값은 5%입니다. 운영 결과에는 이것이 실제로 ULCOS TGR-BF에서 도달할 수 있는 최소값이라는 표시가 없었습니다. HM의 품질은 ULCOS TGR-BF의 운영에 크게 영향을 받았습니다. 특히, 규소 함량의 실질적인 감소(절대 1% 초과)와 C 함량의 상관적 증가가 관찰되었다. 그러나 기존 BF 작업의 실리콘 함량은 훨씬 낮기 때문에(기존 BF에서 약 0.5% 대 EBF에서 약 2.0%), 따라서 ULCOS를 적용하는 동안 이러한 큰 변화가 예상되어서는 안 됩니다. 산업적 규모의 BF-TGR 공정

ULCOS TGR-BF의 테스트 캠페인은 새로운 TGR-BF 프로세스가 실행 가능하고 작동하기 쉬운 것으로 나타났습니다. 그것은 좋은 안전성, 고효율 및 강한 안정성으로 작동될 수 있습니다. 테스트 캠페인을 통해 EBF 운영을 4가지 운영 모드(기존, 대안 1, 3, 4) 간에 전환할 수 있음이 입증되었습니다. 또한 BF 공정과 가스 분리 플랜트 VPSA를 폐쇄 루프로 운영할 수 있음을 입증했습니다. 얻어진 C 절감은 흐름도 계산에서 예측한 것과 일치했습니다. 테스트는 또한 기존의 부담 재료 소결, 펠렛 및 코크스가 ULCOS TGR-BF 공정에 적합하다는 것을 보여주었습니다.

EBF 캠페인의 경험에 따르면 ULCOS TGR-BF 공정의 안전하고 지속 가능한 산업 적용을 위해 주의가 필요한 항목은 다음과 같습니다. 화재 방지, (ii) 고온에서 플랜지의 굽힘으로 인한 누출 위험, (iii) 주변의 유독 가스를 피하기 위해 뜨거운 스토브/히터에서 굴뚝의 신장, (iv) 시동 단계에서의 실패 방지 , 작동 요원은 기능 테스트 동안 인공 가스에 대한 교육을 받아야 합니다. (v) 풍구 노즈의 축적/막힘을 방지하기 위해 최적의 분사 매개변수가 중요합니다. (vi) 축적을 피하기 위해 송풍구에 대한 개별 분사 흐름 제어의 중요성 막힘의 경우 송풍구에 과도한 O2 및 미분탄이 있는 경우, (vii) 내화물의 선택 및 내화 품목의 제조를 수정하고 C 강철 앵커의 사용을 가능한 피해야 합니다. C 강철 이외의 다른 재료 또는 알루미나로 코팅된 강철을 사용해야 하며 (viii) 금속 부품을 신중하게 선택하여 금속 먼지가 발생하지 않도록 하는 것이 중요합니다.

테스트 결과에 따르면 대안 4는 배출 감소 효과가 가장 우수하며 다음 단계에서 산업 규모의 BF에 대한 시험의 첫 번째 선택으로 선택되었습니다.