코크스 오븐 가스를 환원제로 활용한 DRI 생산 최적화

코크스 오븐 가스를 환원제로 이용한 DRI 생산

직접 환원 철(DRI)은 용융하지 않고 철광석이 금속으로 환원된 것으로 기술적으로 정의됩니다. DRI 생산 공정은 고체 철광석으로부터 고체 금속 철을 직접 얻는 공정으로, 광석이나 금속을 용융시키지 않습니다. 주요 DRI 생산 공정은 가스 기반 또는 석탄 기반입니다. DRI 공정의 공급 원료는 10~30mm 크기로 조정된 철광석 또는 철광석 펠렛 공장에서 생산된 철광석 펠렛입니다.

가스 기반 플랜트에서 환원 반응이 일어나는 반응기는 샤프트로(shaft furnace)입니다. 샤프트로는 역류 원리로 작동하며, 철 함유 공급 원료가 중력에 의해 로 내부에서 하향 이동하고 상향 흐르는 환원 가스에 의해 환원됩니다. 가스 기반 공정에서는 기체 연료를 사용합니다. 이러한 연료는 H₂(수소)와 CO(일산화탄소) 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질되거나 분해될 수 있어야 합니다. 메탄 함량이 높은 천연가스가 가장 일반적으로 사용되는 가스입니다. 천연가스는 H₂와 CO 혼합물로 풍부해지도록 개질되며, 이 개질되고 풍부해진 가스 혼합물은 예열됩니다.

코크스 오븐 가스(COG)는 부생 코크스 오븐 배터리에서 코크스 제조 공정의 부산물입니다. COG는 다양한 가스의 복잡한 혼합물로 구성됩니다. 일반적인 조성은 55% H₂, 6% CO, 25% CH₄(메탄), 소량의 CO₂(이산화탄소), H₂O(수분), 중질 타르, 휘발성 탄화수소, 황 불순물입니다. 또한 약간의 N₂(질소)도 포함합니다. COG는 일반적으로 제철소 내 다양한 가열 용도의 연료 가스로 사용되며, 잉여 COG는 증기, 전력 생산에 사용되거나 플레어링됩니다. COG를 DRI 생산에 사용하는 것은 항상 관심사였으나, 메탄을 CO와 H₂로 전환하고 타르 및 휘발성 탄화수소를 정제하는 것이 과제였습니다. 생산된 코크스 1톤당 1톤의 DRI를 생산할 만큼 충분한 COG가 생성됩니다.

이용 가능한 부생 COG를 활용한 통합 제선 루트 기반 DRI 생산은 매우 최근의 현상입니다. COG 사용은 경제적, 환경적 관점 모두에서 여러 이점이 있습니다.

잉여 COG를 환원 가스로 사용하여 DRI를 생산하면 가용 에너지의 97%를 회수할 수 있는 반면, COG를 연소시켜 전력을 생산하면 30~40%만 회수됩니다.

두 주요 공정인 미드렉스(Midrex)와 HYL은 가스 기반 DRI 생산을 위한 COG 사용에 대해 두 가지 다른 접근 방식을 채택했습니다.

미드렉스 공정

미드렉스는 1970년대 직접 환원에서 코크스 오븐 가스 사용 방법을 처음 검토했습니다. 주요 문제는 원료 가스에 불포화 탄화수소, 타르, 액체, 높은 수준의 메탄과 황 화합물이 존재한다는 것이었습니다. 초기 연구는 미드렉스 리포머의 공급 가스 성분으로 사용하기 위해 가스를 조절하는 데 초점을 맞췄습니다.

부분 산화 기술의 발전에 기반하여 미드렉스는 이 기술을 MXCOL 공정용 적절한 환원 가스로 COG를 조절하는 데 사용할 가능성을 조사하기로 결정했습니다. 그러나 부분 산화의 단점은 산소 반응으로 인한 그을음 생성을 줄이기 위해 반응물에 증기 추가가 필요하다는 점이 항상 문제였습니다.

2011년 중반 프렉스에어(Praxair)는 상업적으로 제공하는 부분 산화 기술을 개발했습니다.

이 부분 산화 기술은 증기 주입 없이 탄화수소의 부분 산화를 그을음 없이 수행할 수 있는 독특한 특징을 가집니다. 이 기술이 예열된 코크스 오븐 가스 스트림이 주입되는 연장된 열 반응 챔버와 결합되면, 반응기에서 나오는 생성물 가스는 직접 환원용 환원제 공급원으로 적합합니다. 이 모든 장비 그룹(가스 압축, 예열, 반응)은 열 반응기 시스템(Thermal Reactor System, TRS)을 구성합니다.

TRS는 프렉스에어의 COG 부분 산화 기술을 사용합니다. 이 시스템은 현장에서 고온 극초음속 산소 제트를 생성하여 예열된 COG를 급속히 포집하고, 메탄을 개질하며, 중질 탄화수소를 분해하고, 촉매 없이 타르를 파괴합니다. 개질된 신가스(syngas)는 TRS를 떠나 샤프트로로 공급되어 DRI를 생산합니다.

파일럿 규모 시험에서 96% 이상의 타르 파괴와 최적화된 메탄 개질이 달성되었습니다. 또한 순 그을음 생성을 방지하기 위한 운전 조건이 개발되었습니다.

이 파일럿 규모 시험 결과는 샬럿, NC에 있는 미드렉스 광범위한 연구 시설의 1/20 규모 데모 플랜트에서 스케일업되었습니다. COG 데모 시험 운영에서 얻은 대표적 결과는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 COG 데모 시험 운영에서 얻은 대표적 결과

성분	COG 가스 분석 (TRS 입구)	신가스 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%
Soot	-	0.01 mg/N㎥ 이하

COG 사용을 위한 두 가지 주요 TRS 옵션은 MXCOL 흐름도와 미드렉스 리포머와의 결합입니다.

• MXCOL 공정과 COG 사용 – MXCOL 공정은 원래 석탄 가스화기에서 나오는 신가스를 이용해 DRI를 생산하도록 개발되었습니다. 이 공정은 일반적으로 아민 용액 기반 제거 기술을 사용하는 CO₂ 제거 시스템과 로 버스틀(bustle) 전 환원 가스와 신가스를 가열하는 복사관 공정 히터를 포함합니다. COG를 이용한 MXCOL 공정의 대표적 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.

• 미드렉스 리포머와 COG 사용 – TRS는 DRI 톤당 필요한 신가스 기존 공급을 보충할 수 있습니다. 표준 미드렉스 공정 흐름도에 COG를 직접 추가하는 것은 그림 2의 1과 같이 전이 존(transition zone) 또는 버스틀 가스에 가스를 추가함으로써 달성할 수 있습니다. 이렇게 하면 메트 존(met zone) 온도와 메트 존의 개질 활성이 COG의 타르와 휘발성 탄화수소를 파괴하고 전환시킵니다. 그러나 COG 추가율이 임계점에 도달하면 리포머가 소비할 수 있는 것보다 더 많은 탑 가스 연료가 생성되는 수출 연료 조건에 도달하는 문제가 있습니다. COG를 버너 연료로도 사용할 수 있습니다(2). 하지만 순효과는 COG가 버너에 공급되면 탑 가스 연료 수출량이 발생한다는 것입니다. COG를 버스틀 가스(3) 또는 공급 가스(4)에 TRS를 사용하여 추가할 수도 있으며, 이는 COG 추가로 인한 수출 연료를 제어하기 위해 CO₂ 제거 시스템 추가도 필요합니다.

HYL 공정

현재 기술 상태에 따르면, HYL ZR(자가 개질) 공정은 외부 가스 개질 설비 없이 샤프트로에서 철광석 환원을 가능하게 하기 위해 개발되었습니다. 이 공정 방식은 고탄소 DRI 생산 능력을 가지며, 이는 제강 공정에서 탄소의 최대 이점을 얻을 수 있게 합니다. 테노바 HYL, 테크인트(Techint), 다니엘리(Danieli) 간의 최근 제휴로 이 공정의 새로운 브랜드명이 생겼습니다. 이 공정은 이제 '에너지론(Energiron)'으로 알려져 있습니다.

천연가스가 비싸거나 가용성이 낮은 지역에서는 이 공정을 COG, 석탄 가스화기에서 나오는 신가스, 기타 탄화수소 소스를 사용하도록 쉽게 구성할 수 있습니다.

모든 환원 가스가 환원 섹션에서 생성되며, 샤프트로 내부 금속 철의 촉매 효과를 활용하므로 이 공정에서 최적의 환원 효율을 달성합니다. 따라서 외부 환원 가스 리포머가 필요하지 않습니다.

기본 에너지론 방식은 천연가스 직접 이용을 허용합니다. 물론 에너지론 플랜트는 오랫동안 공정을 특징짓던 기존 증기-천연가스 개질 설비도 사용할 수 있습니다. COG, 수소, 석탄 가스화 가스, 펫콕 및 유사한 화석 연료 등 다른 환원제도 특정 상황과 가용성에 따라 잠재적인 환원 가스 공급원입니다. 공정 흐름도는 그림 3에 나와 있습니다.

또한 DR 플랜트는 고탄소 DRI, 핫 DRI를 생산하도록 설계될 수 있으며, 이는 HYTEMP 시스템을 통해 인접 EAF로 직접 공급되거나 브리케팅 유닛으로 이송되어 HBI를 생산하거나 이들 제품의 조합으로 생산될 수 있습니다.

ZR 공정의 전반적인 에너지 효율은 높은 환원 온도(1,050°C 이상), 샤프트로 내부 '인시투(in-situ)' 개질, 플랜트 내 열설비 이용률 저감에 의해 최적화됩니다. 따라서 제품이 공정에 공급된 에너지의 대부분을 가져가며 환경으로의 에너지 손실이 최소화됩니다.

이 공정은 로 내 가스의 향상된 침탄 잠재력으로 인해 최대 5.5% 탄소 수준 달성을 허용하며, 대부분의 탄소는 철 탄화물 형태로 존재합니다.

COG와 천연가스(NG)의 화학적 조성이 상당히 다르지만, COG는 기본적으로 동일한 구성으로 ZR 공정에 직접 사용될 수 있습니다. 실제로 그림 4에 표시된 바와 같이 NG 기반 ZR 또는 COG 기반 ZR 모두에서 로에 진입하는 가스 조성은 매우 유사합니다. HYL-ZR 공정 기반 DRI 생산을 위한 COG 대표적 소요량은 94% 금속화도, 4% 탄소 DRI 기준 약 9.5 GJ/t DRI입니다.