고로 및 이산화탄소 배출에 의한 제철

고로 및 이산화탄소 배출에 의한 제철

대기 중 이산화탄소(CO2)가 온실 효과를 통해 지구 온난화에 영향을 미치는 주성분이라는 것은 널리 알려져 있습니다. 1896년 이후 대기 중 CO2 농도는 25% 증가했습니다. 철강산업은 에너지 집약적 산업으로 CO2를 많이 배출하는 산업으로 알려져 있습니다. 따라서 철강 산업은 기후 변화를 주요 환경 과제로 식별합니다. 2007년 기후 변화에 관한 정부간 패널의 결과가 나오기 훨씬 이전에 주요 철강 생산업체들은 철강 산업에서 배출되는 CO2를 해결하기 위해서는 장기적인 해결책이 필요하다는 사실을 인식했습니다. 따라서 철강 산업은 에너지 소비를 개선하고 온실 가스(GHG) 배출을 줄이는 데 적극 나서고 있습니다.

기후 변화의 현재 환경에서 철강 산업 내에는 에너지 비용을 줄이고, 배출량을 줄이며, 최대한의 폐기물 에너지 재사용을 보장하기 위한 끊임없는 노력이 있습니다. 철과 철강을 생산하는 전통적인 공정에서 CO2의 배출은 불가피하며 특히 고로(BF) 공정에서는 연료로 탄소(C)와 산화철을 금속 상태로 전환하는 환원제를 필요로 하므로 통합 제철소에서 CO2를 생성하는 주요 공정. 기후 정책은 사실 BF의 제철 기술 발전을 위한 중요한 동인입니다.

결정적으로, BF 운영이 직면한 과제 중 하나는 탈탄소화입니다. 철강 산업은 BF 작업의 열 효율을 높이기 위해 상당한 단계를 거쳤지만 궁극적으로 탈탄소화에는 엄격한 한계가 있으며 화학 환원제로서 C가 필요합니다. 1950년대 이후, BF 제철 기술을 보다 효율적으로 만들기 위해 상당한 R&D(연구 및 개발) 노력이 수행되었습니다. 이러한 R&D 노력에는 (i) 코크스 및 소결 품질 개선, (ii) 산소(O2) 농축, (iii) 미분탄 및 천연 가스와 같은 기타 환원제 주입, (iv) 부담 분배, (v) 측정 기술 등이 포함됩니다. 에. 1950년대에 환원제 비율은 열선 1톤당 약 1000kg(kg/tHM)이었고, 그 이후 R&D 노력과 R&D 노력의 결과 구현으로 인해 2배 감소했습니다.

기존 BF에서 환원제 소비는 현재 약 500kg/tHM으로 기존 BF 작동에서 가능한 가장 낮은 열역학적 값보다 5%만 더 높습니다. BF 공정은 이제 효율성의 열역학적 한계에 가깝게 작동하는 고도로 개발된 공정입니다. C 수요를 근본적으로 감소시키거나 열 효율을 크게 향상시킬 것으로 예상되는 명백한 주요 개선 사항은 없지만, BF가 주요 배출 발생원이기 때문에 업계의 환경 영향을 완화하기 위한 노력이 필연적으로 이루어져야 합니다. BF 제철 공정에 중점을 둡니다.

C 소비 또는 CO2 배출량을 더욱 크게 줄이기 위해서는 획기적인 제철 기술이 필요합니다. 화석 C 사용량의 추가 감소와 BF 공정 자체의 CO2 배출 감소를 위해 여러 기술이 제안되었습니다. 여기에는 (i) BF 탑 가스에서 CO 재활용, (ii) 바이오매스 사용, (iii) 환원제로서 H2로 CO 대체, (iv) C-lean DRI(직접환원철) 사용, 고온 연탄(HBI) 또는 저환원철(LRI), (v) C 복합 재료의 사용, (vi) C-희박 전기 에너지의 사용, (vii) CO2 포집 및 저장(CCS) 등 그러나 필요한 접근 방식은 배출량을 줄이기 위한 단계를 제공하거나 현재 프로세스 내에 존재하는 잠재력에서 더 많은 것을 생산하기 위한 단계를 제공하는 점진적 개선을 제안하는 것입니다.

그러한 기술을 고려할 때 경제 및 전체 CO2 배출량에 관한 여러 교차 주제를 고려해야 하는 것은 불가피합니다. 예를 들어, CO2 및 공정 가스를 화학 공급 원료로 사용하려면 재가열로용 연료를 추가로 구매해야 할 수 있으며, 이는 통합 작업 비용, 철강 품질 및 총 CO2 배출량에 영향을 미칠 수 있습니다. 추가로 고려되는 솔루션은 이러한 개별 측면의 다중 구성 요소 최적화를 달성할 수 있는 가능성이 있어야 합니다.

따라서 미래 BF 운영이 직면한 주요 과제는 (i) 자본 지출 및 운영 지출을 크게 줄여 경제 주기 전반에 걸쳐 자본 지출에 대한 지속 가능한 수익을 창출하고 (ii) 유효 CO2 배출량을 기존의 코크스 기반 공정. 이러한 문제에 대처하기 위해서는 많은 기술 기회를 식별하는 것이 필수적입니다. 아래에 설명되어 있습니다.

최고의 가스 재활용 및 탄소 포집 기술

입력 C의 환원은 BF에서 가스의 환원 평형에 의해 제한됩니다. 투입 C의 감소는 탈탄소화를 통해 BF 내부의 가스 환원을 강화하고 노로 주입에 의한 탑 가스의 재순환을 통해 직접 환원율(흡열 반응)을 낮추어 달성할 수 있습니다. 상부 가스 재활용(TGR)이 있는 고로의 일반적인 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 상부 가스 재활용이 있는 고로의 일반적인 흐름도

BF 경로의 탈탄소화를 위한 솔루션에는 일부 C 포집 요소가 필요합니다. 상당한 CO2 감소(50% 이상)를 달성하려면 CCS 기술의 적용이 필요하지만 80% 이상의 감소는 불가능하다는 업계의 일반적인 합의가 있습니다. C 포집에 대한 고무적인 변형 중 하나는 BF 공정에 의한 제철 공정에서 탑 가스 재활용입니다. CO2 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 가장 유망한 기술이며, 상부에서 BF를 떠나는 가스에서 CO와 H2를 재활용하는 것으로 구성되어 있습니다.

TGR 기술은 주로 탑 가스에서 CO2를 제거한 후 환원제(CO 및 H2)를 재사용하여 화석 C(코크스) 사용량을 줄이는 데 기반을 두고 있습니다. 이것은 더 낮은 에너지 요구 사항으로 이어집니다. TGR-BF의 주요 기술은 (i) 상부 가스에서 CO2 제거 및 BF 샤프트 및 노로 송풍구에서 상부 가스 성분 CO 및 H2를 감소시키는 저울 주입, (ii) 낮은 코크스로 인한 낮은 화석 C 투입 비율, (iii) 노상 송풍구에서 뜨거운 공기 분사 대신 순수한 O2 사용, 즉 공정에서 질소(N2) 제거, (iv) 지하 저장을 위한 상부 가스로부터 순수한 CO2 회수.

대부분의 C 캡처 방식은 일반적으로 스토리지와 연결되지만 활용도도 고려할 수 있습니다. C 캡처와 활용 간의 이러한 연결은 현재 관심이 있는 중요한 연구 영역이 프로세스 통합과 관련되어 있음을 강조합니다. 수집, 운송 및 보관과 같은 측면과 비교할 때 기존 BF를 C 캡처 시스템으로 개조하여 프로세스 통합 영역은 거의 고려되지 않았습니다.

BF가 운영되는 대부분의 현장에서 C 캡처는 수십 년 동안 운영된 BF와 함께 위임될 것으로 예상됩니다. 가스 품질, 압력, 운영 프로토콜 및 BF 및 C 활용 플랜트의 상대적 최적화와 같은 측면과 관련된 상당한 수준의 공정 간섭이 발생할 가능성이 있습니다. 기존 자산의 운영 효율성이나 제품 품질을 손상시키지 않으면서 개장 및 후속 운영이 이루어져야 합니다.

이 공정 통합 영역에서는 통합 BF 및 C 캡처 시스템의 조합을 최적화하기 위해 고급 공정 시뮬레이션 및 모델링 기술을 배포해야 합니다. 이와 관련하여 핵심 제철 공정 매개변수에 대한 이해에 맞춰 정렬된 공정 역학 및 공정 경제성 모델링을 통한 열유체 모델링의 조합이 필요합니다. 이러한 초점을 감안할 때 C 캡처를 기존 BF 작업에 적용할 수 있습니다.

수소 감소

BF 공정의 중요한 환경 문제는 C를 화학 환원제로 사용하는 것입니다. 이것은 엄격한 열역학적 한계를 가지며, 그 이하에서는 상당한 공정 변화 없이는 C를 더 감소시킬 수 없습니다. 이러한 공정 변화 중 하나는 환원제로서 C에서 수소(H2)로의 부분적 전환입니다. H2 함량이 높은 환원제의 예로는 폐 플라스틱(CnHm) 또는 천연 가스(주성분 CH4 포함)가 있습니다. H2는 이미 DRI 생산을 위한 직접 환원 공정에 사용되고 있으므로 메커니즘 및 화학 열역학에 대한 기본 이해가 있지만 H2 환원과 C 사이의 균형이 어느 정도인지에 대한 추가 공정 연구 및 혁신의 기회가 있습니다. 감소는 퍼니스 내에서 이동할 수 있습니다.

BF의 H2 감소를 촉진하기 위한 폐플라스틱(WP)의 사용은 BF에 WP를 주입하여 수행됩니다. WP는 미분탄(PC)과 유사한 방식으로 송풍구를 통해 고체로 주입됩니다. 일반적으로 WP와 석탄을 BF에 동시 주입하는 방식으로 수행됩니다. WP의 연소 에너지는 일반적으로 일반적으로 일반적으로 주입되는 PC의 연소 에너지만큼 높으며 H2 대 C 비율이 높을수록 연소 및 철광석 환원 공정에서 BF 내에서 생성되는 CO2가 적습니다. 또한 H2는 C보다 환원제에 유리하기 때문에 에너지 소비가 적습니다. WP를 주입하면 보쉬 가스 H2 농도가 증가합니다. H2 환원의 화학 반응 속도가 CO보다 높기 때문에 Boudouard 반응의 정도는 bosh 가스 H2가 증가함에 따라 감소합니다. CO2와 H2O는 산화철의 환원으로 인해 BF 상부에 존재한다.

고로내 H2저감 촉진을 위해 2008년부터 시작된 일본의 COURSE50 프로젝트를 통해 또 다른 방안을 검토하고 있다. 이 프로젝트는 BF에 환원가스를 주입하는 기술을 더욱 발전시켜 CO2 배출량을 줄이기 위한 시도이다. 코크스 오븐 가스를 개질하여 H2 증폭과 함께 샤프트. 본 프로젝트에서 제안하는 H2 저감 기술은 (i) 코크스로 가스 개질에 의한 H2 증가, (ii) H2 광석 환원 기술, (iii) H2 환원 고로 코크스 제조 기술로 구성된다. 이 프로젝트에서 환원 가스는 BF 샤프트에 주입됩니다. 두 가스의 운동량 균형에서 샤프트 주입 가스의 침투 면적은 주입 가스 속도에 비례하고 철광석 환원은 H2에 의해 촉진됨을 발견했습니다. 단, H2환원은 흡열반응이므로 화로 상부의 온도유지에 각별한 주의가 필요하다.

대체 탄소 베어링 재료

대체 C 베어링 재료는 C 복합재 응집체(CCA) 또는 C 철 복합재(CIC)입니다. 이들은 탄소질 물질과 산화철 혼합물의 덩어리로 금속성 철을 함유한 일종의 성형 코크스이다. 탄소질 물질은 코크스 미분, 석탄, 목탄, C가 풍부한 식물 내 미분, 바이오매스, 폐 플라스틱 등이 될 수 있으며 산화철은 저급 철광석, 철분이 풍부한 식물 내 미분 등이 될 수 있습니다. 철 입자의 촉매 효과로 인해 금속 코크스에 비해 CO2 가스와의 반응성이 현저히 높습니다. 일반적으로 C 복합 재료는 야금 코크스보다 약 150°C 낮은 온도에서 CO2 가스와 반응합니다.

광석 환원 반응은 (i) 이들 재료의 높은 반응성 및 (ii) 이들 재료의 용액 손실 반응이 더 낮은 온도에서 시작된다는 사실 때문에 C 복합 재료에 의해 촉진됩니다. 이러한 덩어리를 활용하면 CO2 배출을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 코크스 및 에너지 절약에도 도움이 됩니다. 이러한 덩어리에서 철과 C 사이의 거리가 가까워지면 반응 속도가 크게 향상됩니다. 이러한 덩어리를 사용할 때 가시화될 수 있는 다른 이점은 (i) 철 및/또는 C가 풍부한 식물 내 미세분을 사용할 가능성, (ii) 가스화 반응과 산화철(wustite) 간의 결합 효과로 인한 낮은 가스화 온도입니다. ) 감소, (iii) CO2 및 에너지 집약적 광석 준비 공정에 대한 의존도 감소

C 복합재료의 제조 방법은 값싼 철 함유 재료와 무점결탄 또는 약간 점결점이 있는 석탄을 파쇄, 블렌딩, 단광탄화한 후, 용광로에서 가열 및 탄화하는 방법이다. 이들 재료의 강도는 BF 원료의 중요한 물성이며, 브리켓의 조밀화 효과와 고로내 비교적 고정밀도의 온도제어로 저품질 원료에서도 야금코크스와 같은 수준의 강도를 얻을 수 있다. .

C 베어링 재료는 여러 가지 방법을 통해 BF 공정에 도입될 수도 있습니다. 소결 과정에서 바이오매스나 WP는 부분적으로 코크스 바람을 대체할 수 있습니다. 식물 내 미세분말은 C와 철 모두의 공급원으로 사용할 수 있습니다. 코크스 제조에서 코크스 석탄 혼합물에 WP뿐만 아니라 바이오매스를 추가하려는 시도가 있었습니다. 대체 탄소 베어링 재료는 덩어리로서 부하 재료와 함께 상단에서 BF로 충전되거나 C가 풍부한 식물 내 미세 입자 또는 바이오매스가 송풍구를 통해 BF에 주입될 수 있습니다.

BF 가스 스토브 내 연소 가스 재활용

열풍 스토브에 대한 '연도 가스 재활용'(FGR)으로 알려진 새로운 기술이 개발 중입니다. 이 기술은 스토브를 공기 연료에서 순산소 연소로 전환하여 연도 가스의 CO2 비율을 높이는 것과 관련이 있습니다. 생성된 화염 온도는 스토브 버너로의 폐가스 재순환에 의해 조절될 것입니다. 기존의 공기 연료 스토브 작동과 연도 가스 재활용을 사용하는 향상된 순산소 작동의 도식 비교가 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 기존의 공기 연료 스토브 작동과 연도 가스 재활용을 사용하는 향상된 순산소 작동의 도식 비교

스토브의 FGR 작동은 연소 생성물의 일정한 질량 또는 일정한 체적 흐름을 기반으로 할 수 있습니다. 일정한 질량 흐름은 대류 열 전달이 기존의 공기 연료 작동에 비해 변하지 않도록 하고 뜨거운 연도 가스의 재활용은 스토브의 연소 에너지 요구 사항을 줄입니다. 일정한 체적 유량 옵션은 연도 가스가 재활용될 때 연소 생성물의 밀도가 증가하기 때문에 발생합니다. 이 모드에서 열 회수는 증가된 버너 가스 발생률과 결합될 수 있으며 이는 더 높은 열풍 온도로 전환되고 BF에서 더 낮은 코크스 소비 가능성으로 전환됩니다.

탄소 포집 가능성을 고려할 때, 연도 가스의 CO2 함량은 스토브의 기존 난방 방식과 비교하여 본질적으로 두 배입니다. 질량 측면에서 연도 가스에는 현재 특정 배출 수준의 1/3 이상인 0.8톤의 CO2/온금속(HM)이 포함되어 있습니다. 이를 용이하게 하는 데 필요한 O2 생성은 공기 분리 플랜트를 작동하는 데 소비되는 전력으로 인해 C 포집 이점을 약간 감소시킵니다. 이는 순 배출 감소 잠재력을 약 6%까지 감소시킵니다.

스토브의 연도 가스 재활용은 연소 과정에서 공기와 코크스 오븐 가스의 사용을 모두 제거합니다. 따라서, 황산화물 및 아산화질소의 발생이 실질적으로 감소된다. 개발 중인 이 신기술의 구체적인 목표는 (i) 개질된 배가스에서 40%에서 50%의 CO2 함량 확인, (ii) 스토브의 폐열 회수 및 향상된 열 효율 검증, (iii) 새로운 작동 조건이 BF에 전달되는 열풍의 온도를 유지하거나 증가시켜 BF 작동에 대한 부정적인 영향을 방지하는지 확인합니다.