로터리 하스 노를 이용한 효율적 철 생산: 비코크스탄 이용 직접 환원

로터리 하스 노에서의 제철

로터리 하스 노(RHF)에서의 제철은 비코크스탄을 이용하여 철광석을 환원하는 직접 환원 공정입니다. RHF는 정지된 원형 터널 킬른 내부를 회전하는 평평한 내화물 허스로 구성된 공정 반응로입니다. RHF 내부에서 철광석 또는 철 함유 폐기물이 코크스를 환원제로 사용하여 직접 환원됩니다.

RHF는 새로운 기술이 아닙니다. 열처리, 석유 코크스 소성, 폐기물 처리, 비철 고온 금속 회수 등 다양한 산업 응용 분야에서 성공적으로 사용되어 왔습니다.

RHF 제철 역사는 1960년대 중반 미드렉스(Midrex)의 '히트 패스트(Heat Fast)' 공정 개발로 거슬러 올라갑니다. 이후 RHF 기반 여러 제철 공정이 개발되었습니다. 이에는 상업 운전된 '패스트멧(Fastmet)'/ '패스트멜트(Fastmelt)' 공정, 'ITmk3' 공정이 포함되며 별도 기사(https://www.ispatguru.com/fastmet-and-fastmelt-processes-of-ironmaking/, https://www.ispatguru.com/itmk-3-process-of-making-iron-nuggets/)에서 설명합니다. 기타 RHF 공정으로는 '레드스멜트(Redsmelt)', '인멕코(Inmetco)', '아이언 다이나믹스(Iron Dynamics)', '드라이아이언(DRyIron)', '코멧(Comet)'/'시드코멧(SidComet)', '하이큅(Hi-QIP)' 공정 등이 있습니다.

주요 RHF 기반 제철 공정

레드스멜트 공정

레드스멜트 공정 기술은 전통적 고로 공정 대안으로 저비용 환경 친화적 제철 수요 증대에 부응해 개발되었습니다. 이 공정 플랜트는 연간 30만~100만 톤 선철 생산 능력으로 설계 가능합니다. 제철소에서 발생하는 다양한 철광석 분광과 폐기물 처리 가능.

레드스멜트 공정은 철광석, 환원제 분말, 바인더로 만든 그린 펠릿을 환원하여 뜨거운 금속화 DRI(직접 환원철)를 생산하고 이를 침지 아크로(SAF)에 장입하는 RHF 기반입니다. 공정은 고온 상압에서 운전됩니다.

레드스멜트 노 철산화물 원료는 미분 철광석, 환원제, 바인더로 만든 그린 펠릿 형태입니다. 바인더는 그린 펠릿에 하류 취급 충격을 견딜 충분한 기계적 강도 부여. 펠릿은 롤러 타입 스크린으로 8~16mm 크기로 선별. 미달/초과 입자는 펠릿화 디스크로 재순환. 펠릿은 RHF에 최대 30kg/m² 층으로 분배. 12~18분간 노 통과 중 1370℃까지 가열. 펠릿 건조, 코크스 탈휘발, 철산화물 환원 가열 중 발생. 고온에서 철산화물과 탄소 밀착 접촉으로 매우 빠른 반응 속도. 금속화 철 재산화 방지를 위해 노 최종 구역은 아화학량론 분위기 운전. 뜨거운 DRI 제품은 선철과 슬래그 제련 위해 SAF로 이송.

공정 흐름도는 그림 1에 개략적으로 표시.

그림 1: 레드스멜트 공정 흐름도

인멕코 공정

1978년 캐나다 인터내셔널 니켈 코퍼레이션(INCO)에서 개발. 야금 폐기물 재활용 위해 개발되어 '인멕코'(Inco + met)라 명명. 철광석 분광과 야금 폐기물 조합 환원에도 사용 가능.

인멕코 공정은 철광석 분광, 폐 철 함유 물질, 분쇄 석탄으로 만든 브리켓을 환원하여 뜨거운 금속화 DRI를 생산, 유도로 또는 전기로 직접 장입하는 RHF 기반. 고온, 약간 음압에서 운전.

인멕코 노 철 원료는 250μm 이하 미분 철광석과 휘발분 25% 미만 미분 코크스/석탄/차로 만든 디스크 펠릿 형태. 피벗팅 벨트 컨베이어로 약 3개 펠릿 깊이 층으로 RHF 분배. 속효성 바인더 사용하여 펠릿이 열화 없이 허스로 이송 가능. 허스 연속 회전, 버너가 허스 둘레에 위치하여 10~15분간 1250~1300℃로 가열. 버너 그룹으로 배치되어 가열대와 환원대 형성. 가열대 약 허스 면적 1/3, 환원대 약 2/3. 버너 내주/외주에 위치. 뜨거운 DRI 제품은 N₂ 퍼지 이송 캔에 수집하거나 직접 전기로로 이송 용해. RHF는 미세 음압 운전, 워터 실 트러프로 밀봉.

공정 흐름도는 그림 2에 개략적으로 표시.

그림 2: 인멕코 공정 흐름도

아이언 다이나믹스 공정

아이언 다이나믹스 제철(IDI) 공정은 탄소 함유 철산화물 장입물을 금속 철 고체로 환원하여 SAF에 장입, 환원 완료 및 환원철 용해/탈황하는 RHF 기반. DRI 용해로 액체 슬래그와 철 상분리 가능.

IDI 공정 5개 공정 영역: (i) 원료 수령, (ii) 광석/환원제(석탄) 분쇄 준비, (iii) 펠릿화, (iv) 로터리 하스 환원, (v) SAF 제련. 광석 수령 후 RHF 배가스로 수분 0.5% 미만 건조. 자기 분리기와 스크린으로 광석 선별하여 강감 물질 감소. 50%가 200메시 이하로 분쇄. 석탄은 코크스/플럭스 스톤 분쇄기로 80% 200메시 이하 크기 조정. 분쇄 광석과 석탄을 바인더, 물과 믹서에서 집중 혼합 후 디스크 펠릿화기에 공급. 습식 펠릿 1% 미만 수분 건조, 원형 그레이트 드라이어에서 150℃ 예열. 펠릿 차저가 건조 그린 볼 수령, 노 허스에 25~40mm 두께 층으로 적층. 천연가스 연소 RHF 8개 반응 구역. 온도, 가스 유량, 가스 조성 제어로 각 구역에서 펠릿 적절 가열, 환원, 보호 조건 제공. 노 배출구 DRI 금속화율 약 85%. 첨가제 설비로 플럭스, 코크스, 실리카 등 DRI 이송 레들에 도입하여 SAF 슬래그 화학 조성 제어. 배기 가스 시스템으로 열, 분진, 이산화황, 아산화질소 제거. 애프터버너로 배가스 수냉 덕트 내 잔여 CO 연소. 가스 냉각, 1차 쿨러에서 NOx 제거. 배기 가스 연소 공기 예열, 광석/석탄/펠릿 드라이어 열공급용 사용. 펠릿 드라이어 후 가스 여과, SOx 제거 후 스택 배출. DRI와 첨가제 중력에 의해 SAF 슬래그 층 낙하, 제련 발생. 평균 금속화율 약 95.8%. 슬래그 탭핑 후 슬래그 팟으로 이송, 슬래그 처리 시설로.

공정 흐름도는 그림 3에 개략적으로 표시.

그림 3: 아이언 다이나믹스 공정 흐름도

드라이아이언 공정

드라이아이언 공정은 모미 리서치 앤 엔지니어링(MR&E)에서 개발. 폐 철산화물 물질과 분쇄 비야금 석탄으로 만든 그린 펠릿/브리켓을 환원하여 뜨거운 금속화 DRI(90% 이상) 생산하는 RHF 기반. 고온 상압 운전, 짧은 체류 시간, 폐 철 함유 물질 재활용 가능.

드라이아이언 노 철산화물 원료는 미분 철산화물과 석탄/코크스로 만든 그린 펠릿/브리켓 형태. 펠릿 사전 건조 불필요. 이상적 고온(약 1300℃) 이론 조건에서 철산화물 고정탄소 반응으로 금속 철 생성, CO₂ 방출. 고정탄소/철산화물 이론비 1.5:1.

드라이아이언 공정은 탄소/산화물 비 6:1로 금속 철 생산 공식화. CO, CO₂ 모두 발생, 잔여 탄소 약 4% 잔존. 핵심은 CO/CO₂ 비 제어로 재산화, 탄소 소비, 노 체류 시간 최소화. 노 통과 중 펠릿 1300℃까지 가열. 펠릿 건조, 석탄 탈휘발, 철산화물 환원 가열 중 발생. 고온에서 철산화물과 탄소 밀착 접촉으로 매우 빠른 반응 속도. 뜨거운 DRI 제품은 여러 옵션으로 제강 공정 공급 가능.

공정 흐름도는 그림 4에 개략적으로 표시.

그림 4: 드라이아이언 공정 흐름도

코멧 및 시드코멧 공정

코멧 공정은 벨기에 CRM(Centre de Recherches Metallurgiques)에서 개발한 석탄 기반 시스템으로 로터리 하스 노에서 철광석 분광과 석회석으로부터 스펀지 철 생산. 코멧 직접 환원 공정은 철광석과 석탄 분광으로부터 저강감, 저황 DRI 생산. 일련의 실험실 테스트로 공정 실현 가능성과 유연성 입증: 모든 종류의 석탄 또는 기타 고체 환원제(갈탄, 코크스 브리즈 포함) 운전 가능, 철 함유 야금 폐기물 재활용에 매우 적합(철광석 대체 또는 혼합). 1996년 11월 실험실 100kg/h 설비 가동. 성공적 결과 바탕으로 벨기에 겐트 시드마에서 파일럿 1.5톤/h 플랜트 건설. 금속화 결과 실험실 유닛 결과 확인. 생산성, 비용, 가격, 에너지 소비, 환경 영향 확립.

코멧 공정에서 철광석과 석탄 분광은 앞서 언급한 공정들과 달리 혼합 펠릿화하지 않음. 대신 허스에 교대 층 형태로 장입. 석회석 보통 석탄 황 제어 위해 첨가. 환원대 온도 약 1300℃. 천연가스, 코크스 오븐 가스, 분쇄 석탄 등으로 열 발생. 반응 중 방출되는 휘발분과 CO 후연소도 일부 열 공급. DRI 층 고온으로 소결. 그러나 과잉 차는 분말 상태 유지되어 스크린으로 쉽게 분리 가능. 배기 가스 노 외부 추가 후연소, 열 공정 공기 및 장입물 예열 활용. 이 공정 허스 부하 높아서 복합 펠릿 사용 공정보다 처리 시간 보통 훨씬 김.

공정 흐름도는 그림 5에 개략적으로 표시.

그림 5: 코멧 공정 흐름도

시드코멧 공정은 코멧 공정과 유사. 유일한 차이는 철광석과 석탄 분광을 혼합 공급한다는 점. 체류 시간 코멧 공정과 유사. 높은 체류 시간으로 이 공정 생산성은 보통 펠릿 기반 공정보다 낮음.

하이큅 공정

다음 개념들: (i) 천연가스나 코크스탄 불필요, (ii) 공정 철 제품이 강감 성분 없음, (iii) 설비 최대한 단순, (iv) 에너지 회수 시스템 최소화, 실험 결과 바탕으로 '하이큅(High-Quality Iron Pebble)' 공정 개발. 고품질 철 생산 신규 석탄 기반 공정. ITmk3 공정과 유사하게 RHF 내 환원철 용해 가능. 원료 배합 변동 허용. 개발 현재 파일럿 플랜트 단계 도달.

하이큅 공정은 유사 공정 대비 두 가지 독자적 특징: (i) 로터리 하스에 탄소질 물질 층 사용, (ii) 노 내 환원철 용해. 하이큅 주 반응로 로터리 하스 노. 조립/미분 철광석, 석탄, 석회석 원료 사용. 덩어리 재료 사용 불고려. 탄소질 물질(석탄 등) 허스에 깔고 롤러로 이 층에 작은 컵 모양 구멍 형성. 철광석 철원, 석탄 환원제, 석회석 플럭스로 사용. 이 물질들 혼합하여 탄소질 물질 층 위에 장입, 버너로 가열. 공정에서 철광석 환원/용해, 원료층 혼합 석탄 가스화되어 환원제 역할. 석회석 용해하여 슬래그 형성, 혼합물 강감/회분 성분과 반응. 용융 철과 슬래그 구멍으로 흐름, 칠러로 응고되어 페블 형성. 철 페블과 슬래그 페블 스크류 장치로 노 배출.

RHF 제철 주요 일반적 특징

RHF 제철 일반 공정 흐름은 그림 6과 같습니다.

그림 6: RHF 제철 일반 공정 흐름

RHF에서 철광석/석탄 응집체 환원은 코크스 프리, 환경 친화적 제철 공정. 그러나 얕은 베드 높이, 낮은 반응 온도, 펠릿 내 불충분 탄소질 첨가제로 생산성과 에너지 효율 낮음. 철광석/석탄 응집체 내 철산화물 환원 동역학은 강열 흡수 반응 포함으로 온도 매우 민감. 반면 고온은 새로 생성된 DRI의 CO₂/O₂ 재산화 촉진. 현재 RHF 관행에서 응집체 베드 깊이 얕음(펠릿 2~3개 높이), 고체 환원제 저휘발분. 따라서 펠릿 재산화 방지 가스 흐름 약하고 불안정. CO/CO₂ 비 2 이상 유지 관행은 연료 효율 매우 낮음, 낮은 공정 온도 생산성 제한.

RHF 기술의 철 함유 물질 직접 환원 성공적 활용은 공정 기술이 적절한 공정 엔지니어링을 통해 어떻게 적용되는지에 달려 있음. RHF가 글로벌 공정에 올바르게 통합되고 직접 환원 기술이 올바르게 적용되면 품질 대체 철 생산 위한 에너지 효율적, 환경 친화적, 경제적 시스템 결과.

RHF 이용 석탄 기반 직접 환원 개념은 단순하나 상업적 구현은 쉽게 달성되지 않음.

RHF 제철 공정 개념과 단일층/다층 장입 비교는 그림 7과 같습니다.

그림 7: RHF 공정 개념과 단일층/다층 장입 비교

RHF 내 주요 반응

FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO
FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2CO

RHF 주요 구역

RHF 내 3~4개 주요 구역: (i) 예열대, (ii) 주 환원대, (iii) 최종 환원대, (iv) 냉각대. 노 분위기는 연료와 산소 비 적절 제어로 공정 열적/야금적 요구사항 충족 제어. 예열대에서 연료 연소로 저장된 화학 에너지 최대 추출 위해 높은 산소 포텐셜 필요. 갇힌 수분과 휘발물 제거도 이 구역. 두 환원대는 훨씬 낮은 산소 포텐셜로 환원 펠릿 재산화 방지. 환원대에서 철산화물과 기타 불순물 금속 산화물 금속 형태로 환원. 냉각대에서 DRI 300℃ 이하 냉각 후 배출.

연소 연료 외 RHF 내 다른 열원: 환원 중 생성 CO 가스 후연소로 공정 에너지 요구량 감소. 때때로 2차 공기 주입으로 배기 가스 후연소 촉진. 휘발분 연소도 일부 열 방출. 펠릿/브리켓 내 탄소 연소로 미미한 열 생성도 있음.

비코크스탄, 때때로 폐플라스틱 포함 저급 탄소질 물질 RHF 환원제로 사용 가능. 이들 저급 탄소질 환원제 활용으로 RHF 공정 철산화물 환원으로 금속 철 생산 가능. 단, 탄소질 환원제 휘발분 비율이 RHF 사용에 매우 중요. 급속 가스 발생으로 내부 압력 상승, 펠릿/브리켓 파손 유발. 제품 DRI 덩어리 비율 높게 유지하여 방지 가능.

허스 회전 속도 외부 제어 필요. 속도 원료 반응성에 의존. 일반 관행: 펠릿/브리켓이 높은 금속화도 달성할 충분한 체류 시간 확보.

RHF는 보통 노 가스 외부 누출 방지 위해 미세 음압 운전, 워터 실 트러프로 밀봉.

뜨거운 DRI 현열을 제련로 핫차징으로 활용 일반적으로 유리. 제련 지연 시 통상 DRI를 HBI(핫 브리켓 철)로 전환하여 가용 표면적 감소로 재산화 정도 최소화.

열전달이 하층으로 전달되는 것은 RHF 심각한 단점 중 하나, 특히 단일층 대신 다층 펠릿 베드 사용하여 생산성 향상 시. 복합 펠릿/브리켓 수축이 상층에서 하층 열전달 촉진 예상. 펠릿/브리켓 수축은 화학 반응과 철산화물 소결 결합 효과로 발생. 하층 반응 동역학 향상. 온도와 시간 의존. 일부 수축 현상 연구에 따르면 목탄 복합 펠릿/브리켓이 역청탄 차/흑연 복합 펠릿/브리켓보다 더 좋은 수축 거동 보임.

RHF 배기 가스 보통 추가 공기 이용 완전 후연소. 이 에너지: (i) 연소 공기 예열, (ii) 원료 건조, (iii) 폐열 회수 보일러 증기 발생용.

배기 가스 분진 백필터 포집. 이 분진은 폐기물 재활용으로 인해 아연, 카드뮴 등 휘발성 금속 고농도 함유.