고로 가스 정제 최적화로 에너지 효율 극대화

고로(Blast Furnace, BF) 내 액체 철 생산 공정은 고로 상부에서 가스를 생성하는데 이는 BF 공정의 중요한 부산물입니다. 고로 상부 가스(top gas)는 고로 상부 현존 온도와 압력 상태이며 보통 먼지와 물 입자로 오염되어 있습니다. 이 상부 가스는 상당한 발열량을 가지며 원시 BF 가스(raw BF gas) 또는 오염 BF 가스라 부릅니다. 이 상부 가스 조성과 양은 고로 내 기술 공정 성격과 철 생산용 원료 유형 및 품질에 따라 달라집니다. 원시 BF 가스를 추가 이용하려면 고체 입자 함량을 줄이는 특정 공정 시스템으로 정제해야 합니다.

상부 가스는 일산화탄소(CO)를 포함하며 정제 후 고로 가스(BF gas)로 불립니다. 이는 열풍 스토브 열풍 가열용 연료 가스와 제철소 보조 연료로 사용됩니다. BF 가스를 연료 가스로 사용하려면 원시 BF 가스를 정제하고 냉각해 가스량과 수분 함량을 줄여야 합니다. 사전 냉각과 가스량 감소는 제철소 광범위한 배관 시스템 전체에서 수송 비용 대폭 절감에도 필요합니다.

고로 가스 조성과 정제 시스템

분탄 주입(Pulverized Coal Injection, PCI) 운전 고로 가스 대표 분석을 표 1에 정리했습니다. 가스 정제 공정 시스템은 습식 가스 정제 시스템(Wet Gas Cleaning System) 또는 건식 정제 시스템(Dry Cleaning System)입니다. 고효율 가스 정제 시스템은 고온 열풍 시스템 신뢰적 운전과 긴 캠페인 수명, 제철소 BF 가스 네트워크 신뢰 운전에 필수적입니다. 습식 정제 시스템이 BF 가스 정제에 더 흔히 사용됩니다.

표 1 PCI 운전 고로 가스 대표 분석
성분	단위	값
CO	% Vol.	20~24
CO2	% Vol.	18~23
H2	% Vol.	1.5~4.5
N2	% Vol.	52~57
SO2	mg/㎥	10~30
NH3	mg/㎥	5~21
염화물	mg/㎥	50~200
질소 산화물	mg/㎥	3~12

고로 가스 정제 시스템 주기능은 이 가스에서 분진(particulate matter) 제거입니다. 추가로 가스 냉각으로 수분 함량 줄여 발열량 높입니다. 회수된 슬러지/분진은 철과 탄소 함량이 상대적으로 높아 소결플랜트로 재활용 가능.

가스 정제 시스템 적절한 설계와 운전을 위해 고로 공정 지식이 필요합니다. 부담 제조와 광석 부담 유형(펠릿 또는 소결광)은 분진 양과 입자 크기에 영향. 플럭스 재료 선택과 제조도 스크러버 시스템 수질 화학에 영향. 석회석 플럭스로 칼슘이 수계에 유입. 코크스와 연료 주입제는 황, 염화물, 암모니아, 질소 산화물 기여. 가스 분석은 부담 재료와 PCI 유무에 따라 달라짐. 생산 수준과 풍량(wind rate)은 가스 정제 시스템 분진 부하에 영향.

상부 압력과 스크러버 압력 강하(습식 시스템 경우)는 분진 포집 효율과 스크러버 물 용해 가스 흡착에 영향. 상부 가스 정제와 냉각 기본 기능 외에 스크러버와/또는 상부 가스 에너지 회수 터빈도 고로 상부 압력 제어. 원활하고 안정적 고로 운전을 위해 상부 압력은 최대한 일정하게 제어 유지해야 함. 가스 정제 시스템 설계는 고로 운전과 완전히 통합되어야 함.

충전, 탭아웃, 압력 평등화, 스토브 전환 등 운전 중 가스 유량과 압력 변동 불가피. 변동은 보통 단기간이나 진폭 크고 고로 상부와 하류 가스 시스템 전반에서 감지. BF 가스 정제 시스템은 이런 변동 처리와 제어 위해 설계되어야 함.

PCI 운전 고로 상부에서 나오는 BF 가스는 정상 입방미터당 약 20~30g 플루 분진(flue dust) 함유해 그대로 사용 불가. 이 분진은 고로 내 반응으로 생성된 코크스, 부담 재료, 화학 화합물 미세 입자 포함. PCI 사용 시 원시 BF 가스 입자 크기 대표 분포를 표 2에 정리.

표 2 PCI 사용 원시 BF 가스 입자 크기 대표 분포
분류	입자 크기(µm)	평균 크기(µm)	분포(%)
1	0~10	5	9
2	11~30	20	8
3	31~60	45	12
4	61~100	80	17
5	101~200	150	17
6	201~400	300	17
7	401~600	500	10
8	601~800	700	10

고로 가스 정제 1차 목적은 제철소 로 연료용 분진 없고 냉각된 가스 생산이므로 가스 정제 시스템은 이 목적 달성을 위해 설계되어야 함.

조잡한 분진과 미세 분진 혼합물을 매우 먼지 많은 가스에서 효과적으로 제거하려면 더스트 캐처(dust catcher)와 멀티 벤투리 스크러빙 시스템(multi venturi scrubbing system) 필요. 효과적 냉각 위해 BF 가스 네트워크 방전 전 가스 냉각 타워(gas cooling tower) 필요. 원시 BF 가스는 1차 가스 정제 단계와 2차 가스 정제 단계 두 단계로 가스 정제 플랜트에서 정제. 전형적 고로 가스 정제 시스템 흐름도를 Fig 1에 표시.

1차 가스 정제 단계

1차 가스 정제는 중력 분리 원리 기반으로 대형 분진 입자 제거용. 고로 상부 가스 중 분진 입자 건식 분리로 습식 스크러빙 전 수행되며 일반적으로 중력 더스트 캐처나 최근 대구경 사이클론으로 수행. 이 단계에서 모든 조대 입자 제거. 목적은 재사용과 재활용 위해 가능한 한 많은 분진을 건식 상태에서 제거. 재활용 분진도 아연과 납 함량이 낮아 고로 아연 밸런스 한도 충족해야. 분리기 분진 제거 효율은 입자 크기 분포, 분리 메커니즘(중력 또는 원심력), 덜하지만 입구 분진 부하에 의존. 분리된 분진은 보통 10µm 초과 크기로 분진 저장 호퍼(dust storage hopper)에 모아지며 보통 1.5일분 분진 축적량 크기로 설계되고 분진 배출 시스템으로 주기적 배출.

더스트 캐처는 보통 대구경 필요 높이 갖춘 대형 원통 구조. 라이닝해 단열하고 BF 가스 수분 응결 방지해 분진 건조 유지해 자유롭게 더스트 캐처 하단 원추부로 흐르게.

가스는 단일 다운코머(down comer)로 더스트 캐처로 보내지며 상단 수직 파이프로 더스트 캐처 내부로 하향 이송. 이 파이프 하단이 역깔때기처럼 벌어져 가스 하향 통과 시 속도(분진 운반 능력) 감소, 조대 분진 대부분 가스 스트림에서 떨어져 더스트 캐처 하단 원추부에 퇴적. 더스트 캐처 바닥은 막혀 있고 가스 출구는 상단 근처에 있어 가스 흐름 방향이 180도 반전. 이 급격한 흐름 방향 반전으로 추가 분진 침강.

전통적 중력 더스트 캐처 운전과 효율은 스토크스 법칙(Stokes' law) 지배. 1851년 조지 스토크스(George Stokes)가 매우 작은 레이놀즈(Re) 수 구형 물체(예: 미세 입자)가 연속 점성 유체에서 받는 마찰력(항력) 표현식 유도. 일반적 나비에-스토크스 방정식 미해결 특성에서 미소 유체 질량 한계 풀어 유도.

하지만 스토크스 법칙은 매우 작은 Re 수 구형 물체에만 적용되며 침강 속도가 층류 영역. Re 수 0.2 초과 100,000까지 입자에서는 난류 정도 유의해 추가 항력 발생. 따라서 침강(종단) 속도는 일반적으로 스토크스 법칙 예측보다 낮음. 이 입자 크기에서는 입자 Re 수와 항력 계수 간 상관관계로 헤이우드 표(Haywood tables) 값 사용해 종단 속도 결정. 또는 입자 Re 수와 아르키메데스(Ar) 수 상관관계(Re=0.2~20,000 유효) 사용 가능.

입자가 자체 중량으로 점성 유체 낙하 시 마찰력과 부력이 중력과 정확히 평형 이룰 때 종단 속도(침강 속도) 도달. 결합된 스토크스 법칙과 헤이우드 표로 각 입자 그룹 종단 속도 결정. 입자 종단 속도에서 상승 가스 속도(더스트 캐처 환형부)와 배럴 직경 의존하는 제거 효율 계산 가능.

사이클론 더스트 캐처 경우 운전과 효율은 원심력 기반. 사이클론 더스트 캐처에서 원시 고로 가스 하나 또는 두 개 접선 입구로 유입 속도 줘 분진 입자 벽으로 강제 분리. 사이클론 더스트 캐처는 다양한 내부 구조 가능. 한 유형은 완전히 비어 있고 다른 유형은 복잡한 입구 돔과 교체형 가이드 베인 갖춤.

사이클론 내부 높은 분진 분리는 원심력과 높은 원주 속도와 연관. 더스트 캐처 기술보다 내부 높은 속도 위해 용기 내부 표면 특수 보호 필요. 더스트 캐처는 낮은 가스 속도로 내부 표면 보호 없이 운전되나 사이클론 기술은 마모 방지 위해 표면 보호 필요.

사이클론 더스트 캐처는 보통 보텍스 파인더(vortex finder), 에이펙스(apex), 플로우 콘(flow cone), 이중 분진 출구 가진 분진 수집 호퍼 구성. 사이클론 수집 효율은 입자 크기 분포에 크게 의존. 5µm 미만 입자는 작은 질량 탓 미제거. 5~30µm 입자 부분 분리. 30µm 초과 입자 콘 더스트 캐처에서 완전 분리. 사이클론 더스트 캐처 전체 분리 효율이 중력 더스트 캐처보다 우수. 제거된 건식 분진은 아연과 납 농도 매우 낮아 즉시 재활용 가능. 사이클론 더스트 캐처는 습식 가스 정제인 2차 단계 분진 부하 감소.

더스트 캐처는 대기압 근처에서 배치 단위 분진 덤핑(dumping)용 분진 배출 시스템 장착해 더스트 캐처 내 분진 축적 방지, 분진과 가스 배출 감소. 분진은 보통 지면이나 덤퍼/와건에 직접 배출 전 습윤 처리. 호퍼에 레벨 센싱 장치 설치해 레벨 표시. 레벨 센싱 장치 신호로 분진 축적 모니터링, 분진 덤프 사이클 개시, 저/고 레벨 알람 제공.

2차 가스 정제 단계

더스트 캐처 1차 정제에서 대다수 중량 입자 제거된 BF 가스 2차 가스 정제 단계(스크러버)로 이동. 습식 정제 시스템. 이 단계에서 BF 가스 물과 접촉 정제돼 부유 입자 거의 모두 분리(99% 이상). 일부 플랜트에서 이 가스 추가 전기집진기(electrostatic precipitator) 통과. 2차 정제 후 처리 가스 제철소 BF 가스 네트워크로 이송돼 BF 스토브 가열에도 사용. 시스템 오염수는 500~10,000mg/L 범위 고농도 부유 입자 함유해 침전지/클라리파이어-시크너(clarifier-thickener)로 보내 분진 침전시키고 상부 맑은 물 펌핑 재사용. 스크러버는 다양한 설계, 크기, 성능으로 제공. 주로 입자 포집 위해 설계.

거친 고로 운전 조건에서도 무고장 스크러버 운전은 고로 경제적 제철 전제 조건. 스크러버 설계는 고신뢰성과 우수성능 위해 최적화. 스크러버 필요 특성: (i) 다중 분진 제거 메커니즘, (ii) 최소 스크러빙 용수 요건, (iii) 우수한 상부 압력 제어, (iv) 검증된 성능과 고효율, (v) 저공간 요건, (vi) 저에너지 소비, (vii) 저소음 배출.

입자 크기는 스크러버 제거 효율 영향 가장 중요한 요소. 큰 입자 훨씬 쉽게 제거, 서브미크론 입자 제거 가장 어려움.

습식 스크러버 분진 제거 메커니즘 관점에서 분진 입자 고로 가스 분리는 입자에 가스 상대 차등 운동 생성하는 힘 적용과 입자가 포집 표면 이동할 충분한 체류 시간 필요.

고로 가스 정제 스크러버는 기본 공기역학 원리 작동. 공기역학 원리 단순 비유: 매우 큰 물방울을 훨씬 작은 가스스트림 입자와 충돌시키면 통계적 충돌 확률 매우 작음. 물방울 크기 가스스트림 입자 크기와 비슷하게 줄이면 충돌 확률 향상. 연구에 따르면 물방울 주변 표면막 두께 약 지름 1/200. 비행 중 가스스트림 입자 물방울 스트림라인 흐름 따라 지름 물방울 지름 1/200 미만이면 충돌 없이 통과. 물방울 지름 훨씬 작으면 충돌 발생. 10µm 표적 입자 적절 포집 위해 2,000µm(200×10) 미만 물방울 필요. 효율적 스크러빙 위해 입자 크기 관련 미세도까지 물 분무해 포집 대상 입자와 최대 접촉 확보. 물방울이 분진 입자 맞을 확률은 분진 농도 비례. 단일 분진 입자 단일 물방울 맞을 확률보다 떼 맞을 확률 높음. 이 요인 균등화 위해 스크러버는 스크러빙할 가스량(가스스트림 압력강하로 측정)과 분사할 물량(분사 노즐 수두압으로 측정) 조절. 스크러빙 챔버 높이와 직경도 가스 알려진 특성 맞춤.

고로 가스 스크러빙 주요 분리 메커니즘: (i) 관성 포착(inertial interception), (ii) 난류(브라운) 확산(turbulent/Brownian diffusion), (iii) 유선 포착(flow-line interception). 작은 입자가 유체에 부유하면 액체 분자 충격 받음. 초미세 입자(콜로이드) 순간 운동량 무작위 변화로 입자 에로틱 경로 이동, 현재 브라운 운동(Brownian motion)으로 알려짐. 관성 포착은 다양한 질량 관성력 차이 특징. 분진 함유 가스 포집 물방울 주위 흐를 때 큰 질량 분진 입자 가스스트림 유선 따르지 않음. 관성력으로 추진돼 물방울 타격 관통해 가스스트림서 제거. 난류 확산은 가스스트림 미세 분진 입자 제거에 고효율. 약 0.3µm 미만 직경 작은 입자 상당한 브라운 운동 보이며 가스스트림라인 따라 균일 이동 안함. 이 입자 가스스트림에서 물방울 표면으로 확산 포집. 이 수집 메커니즘은 가스-액체 혼합물 난류 흐름 촉진, 저속 운전, 충분한 체류 시간 제공 스크러버에서만 작동. 유선 포착은 가스스트림라인이 포집 물방울 반경 1입자 반경 내 통과할 때만 작동. 이 유선 따라 이동 분진 입자 물방울 접촉 포집, 관성이나 난류 확산 영향 없음. 물 스크러빙 중 BF 가스 분진 제거 메커니즘을 Fig 2에 표시.

더스트 캐처는 대형 입자 제거와 벤투리 스크러버 부하 경감용 침전실일 뿐. 가스 1차 벤투리(분리기 포함)와 2차 벤투리 통과해 더 효과적 분진 제거. 이어 엔트레인먼트 세퍼레이터/가스 냉각 타워 조합 통과. 정제 냉각된 가스 제철소 BF 가스 네트워크로 이송. BF 가스 배관과 로 문제 방지 위해 적절 냉각으로 가스 수분 레벨 저감 필요.

1차 벤투리에서 수집된 고농도 분진 함유 순환수는 클라리파이어-시크너로 직송. 분리기 수집 순환수 1차 벤투리 스크러버 재순환. 보충수 클라리파이어에서 첨가, 합친 오버플로 2차 벤투리로 재순환. 가장 깨끗한 물 가장 깨끗한 가스 접촉 후 1차 벤투리로 되돌아가 클라리파이어로. 물 시크너에서 스크러버로 재활용하거나 슬래그 담금질 등 다른 용도 사용 가능.

일반 냉각타워로 가스 냉각 타워 물이나 스크러버 물 열 제거. 타워 설계로 냉각수와 벤투리 스크러버 물 분리 가능. 스크러버 물은 고로 부담 라임 분말서 상당한 경도와 알칼리성 함유. 결과적으로 스케일 빈번. 산화철과 미연소 탄소 퇴적도 다수 시스템 우려. 퇴적 문제는 가스 최고 분진 함유 1차 벤투리 노즐과 목(throat) 영역, 시크너 왕복 라인과 펌프에서 가장 빈번.

하지만 퇴적은 두 벤투리 스크러버, 세퍼레이터, 가스 냉각 타워, 스크러버 순환 라인과 펌프 어디든 발생 가능. 클라리파이어(clarification)도 주요 문제 영역으로 불충분 액체/고체 분리는 클라리파이어 오버플로 수질 불량 초래.

최근 신설 및 재건 고로, 특히 중국에서 건식 백필터(bag filter) BF 가스 정제 광범위 적용. 건식 가스 정제는 벤투리 스크러버 이용 습식 가스 정제와 다음 차이점.

• 정제 공정 물 없음으로 고로 수처리 설비 다수 제거/감소: 가스 정제 시스템 슬러지 펌프장, 슬러지 침전조와 플로큘레이터, 슬러리 이송 펌프장, 가스 정제 순환 펌프장 등
• 정제 후 가스 온도 100~120°C 범위로 습식 정제 후 가스 온도보다 50~70°C 높음. 가스 습도 50~60g/㎥ 감소. 이 합이 BF 가스 발열량 50~60kcal/㎥ 증가와 동일
• BF 가스 분진 함량 2~3mg/㎥로 감소해 열풍 스토브 수명 향상, 상부 압력 회수 터빈 성능 향상
• 가스 분진 제거 개선과 슬러지 처리 설비 제거로 제철소 환경 개선

건식 기반 2차 가스 정제 시스템 구성:

• 수십 개 여과백 설치된 여러 섹션 가진 백필터 유닛
• 질소로 펄스 백 분진 청소 시스템
• 지지 및 보호 금속 구조물
• 밸브와 열효과 보상기 갖춘 가스 덕트 시스템
• 포집 분진 세척 재활용 시스템(공압식 또는 스크레이퍼 컨베이어)
• 필터 퍼징과 공압 분진 이송용 질소 공급 시스템
• 백필트 압력 해제 시스템
• 포집 분진 저장 유닛
• 자동화, 검사, 전기 제어 시스템

백필터 보통 8~16섹션, 두 열 배열. 1~2섹션 대기, 1섹션 주기적 질소 퍼지 청소 모드, 나머지 섹션 가스 정제 모드. 여과재로 고내화, 내마모성 등 갖춘 직물 사용. 화학 처리 후 직물 물-오일 발수성 향상돼 퍼지 청소 시 분진 쉽게 제거. 정전기 발생 방지. 최대 여과율 1.0~1.5㎥/분, 가스 온도 50~280°C(시스템 300°C 가스 온도에서도 2시간 안정/신뢰적 운전 가능).

정제 후 고로 가스 정상 분진 함량 보통 3mg/㎥ 이하. 직물 백 수명 일반적으로 2년까지.