미드렉스(Midrex)는 직접 환원 철(DRI) 생산을 위해 개발된 제철 공정입니다. 이는 천연가스에서 생성된 환원 가스를 사용하여 철광석 펠릿이나 덩어리광을 용융하지 않고 고체 상태에서 환원하는 가스 기반 샤프트로 공정입니다. 환원 가스를 이용한 환원 원리는 그림 1과 같습니다.
미드렉스 공정의 역사는 1966년 서피스 컴버스천(Surface Combustion Corporation)의 도널드 벡스(Donald Beggs)가 미드렉스 직접 환원 공정의 아이디어를 구상하면서 시작되었습니다. 원래 공정은 미들랜드-로스(Midland-Ross Co.)에서 개발되었으며, 이후 미드렉스 테크놀로지스(Midrex Technologies, Inc.)로 발전했고 현재는 고베제강(Kobe Steel)의 완전 자회사입니다. 1967년 오하이오주 톨레도에 파일럿 플랜트가 건설되었고, 1969년 오레곤주 포틀랜드에 연산 15만 톤 규모의 첫 상업 플랜트가 가동되었습니다. 미드렉스 공정의 핵심은 단순함에 있습니다. 도널드 벡스의 스토이키오메트릭 천연가스 개질과 샤프트로 직접 환원의 결합이라는 획기적인 혁신은 시간을 초월해 검증되었습니다.
1969년 이후 미드렉스 공정을 통한 DRI 생산량은 5억 톤을 돌파했습니다. 많은 미드렉스 플랜트가 설계 용량을 초과 생산하고 있으며, 1987년 이후 매년 전 세계 DRI 총생산량의 60% 이상을 미드렉스 공정이 차지하고 있습니다.
1978년 고베제강이 카타르에 연산 40만 톤 규모의 플랜트 건설을 시작했을 때 공정은 아직 미성숙 단계였습니다. 고베제강은 고로 조업 기술을 활용해 설계를 대폭 수정하고 공정을 안정화시켰습니다. 동시에 미드렉스 테크놀로지스도 각국 플랜트에서 다양한 개선을 진행했으며, 이 모든 것이 1980년대 초반에 통합되어 공정이 거의 완성되었습니다.
1984년 단일 미드렉스 유닛의 최대 생산 능력은 연산 60만 톤이었습니다. 이후 샤프트로 직경 5.0m, 5.5m, 6.5m 모델이 각각 연산 80만 톤, 100만 톤, 160만 톤급으로 개발 단계를 거쳤습니다. 지속적인 개선을 통해 2007년에는 연산 180만 톤까지 도달했는데, 이는 중대형 고로와 견줄 만한 규모입니다. 슈퍼 메가모드(Super Megamod) 모듈은 내부 직경 7.5m 샤프트로를 적용해 연산 220만 톤, 시간당 275톤 이상 생산이 가능하며, 현재는 연산 270만 톤까지 확대되었습니다.
1969년 첫 플랜트 가동 이후 공정은 크게 개선되었습니다. 미드렉스 공정의 생산성 향상 요인은 다음과 같습니다.
샤프트로 투입 철광석 원료는 펠릿, 크기 선별된 덩어리광, 또는 둘의 혼합물입니다. 일반적으로 펠릿과 덩어리광을 80:20 비율로 혼합 사용합니다. 원료는 지정된 빈(bin)에 저장되며, 덩어리광 빈에는 낙하 높이로 인한 미분 발생을 방지하기 위한 특수 '래더(ladder)'가 장착됩니다. 빈 하부의 정량 피더로 혼합 비율을 제어하고, 스크린을 통해 과대(+45mm) 및 과소(-6mm) 입자를 제거한 후 샤프트로에 공급합니다.
미드렉스 공정은 조작이 단순하며 세 가지 주요 단위 조작으로 구성됩니다.
공정의 핵심은 샤프트로입니다. 내화물로 라이닝된 원통형 용기로, 직접 환원 공정의 핵심 구성 요소입니다. 유연하고 다용도인 반응기로, 천연가스, 석탄 합성가스, 코크스 오븐 가스, 코렉스(Corex) 공정 배가스 등 다양한 환원 가스를 사용할 수 있습니다. 대기압보다 약간 높은 압력에서 약 950°C 운전하며, 연간 8,000시간 이상의 가동률을 보장합니다.
샤프트로는 가스와 고체의 대향류(counter-current flow) 원리로 설계되어 환원 효율을 극대화합니다. 주요 설계 특징은 다음과 같습니다.
최신 표준 미드렉스 샤프트로에는 다음 기능이 적용됩니다.
공정은 냉각 DRI(CDRI), 고온 DRI(HDRI), 고온 브리켓 철(HBI)을 단독 또는 동시 생산할 수 있습니다. 공정 흐름도는 그림 2와 같습니다.
샤프트로는 충전층 반응기로, 대향류 흐름을 가지며 고체 물질 처리에 매우 효율적입니다. 효율성의 세 가지 주요 이유는 다음과 같습니다.
철광석 부담은 로 상부의 비례 호퍼를 통해 투입되어 중력에 의해 하강합니다. 상향류 고온 환원 가스(주로 H₂, CO)와 접촉하여 가열 및 환원되어 DRI가 됩니다. 환원 가스는 산화철(Fe₂O₃)과 반응하여 산소를 제거하고 탄소화합니다. CDRI 생산 시 환원된 철은 로 하부에서 역류하는 냉각 가스에 의해 냉각 및 탄소화됩니다. DRI는 고온 상태(HDRI)로 배출하거나 브리케팅기로 보내 HBI를 생산할 수 있습니다. 따라서 CDRI, HDRI, HBI를 동시 생산 가능합니다.
로 상부에서 배출되는 배가스(톱 가스)는 습식 스크러버(톱 가스 스크러버)에서 세정·냉각되어 재순환됩니다. CO₂와 H₂O를 포함한 톱 가스는 압축기에서 가압되어 천연가스와 혼합, 예열된 후 개질로(reformer furnace)로 공급됩니다.
주로 H₂와 CO로 구성된 환원 가스는 다양한 에너지원에서 생성 가능합니다. 천연가스는 주로 메탄(83~96%)과 고급 탄화수소로 구성됩니다. 천연가스는 니켈 촉매가 충전된 합금강 튜브 내화로인 개질로에서 개질됩니다. 개질로 공급 가스는 신선 천연가스와 샤프트로에서 재순환되는 오프가스의 혼합물입니다. 이 혼합 가스를 가열하여 촉매 튜브를 통과시키면 촉매 반응에 의해 개질 가스가 생성됩니다. 건조 기준 H₂+CO 90~92%를 함유한 고온 개질 가스가 샤프트 환원로로 직접 공급됩니다.
미드렉스 공정은 기상 반응에 고체 촉매를 사용합니다. 알루미나 또는 마그네시아가 담체 역할을 하며, 활성 성분은 주로 니켈(일부 코발트 사용)입니다. 황과 할로겐은 대표적인 개질 촉매 독입니다.
개질로 내 주요 반응은 표 1과 같습니다.
| 표 1 개질로 반응 | ||
|---|---|---|
| 번호 | 반응 유형 | 반응식 |
| 1 | 스팀 개질 | CₙH₂ₙ₊₂ + n H₂O = (2n+1)H₂ + nCO |
| 2 | CO₂ 개질 | CₙH₂ₙ₊₂ + n CO₂ = (n+1)H₂ + 2nCO |
| 3 | 수성가스 전환 반응 | CO + H₂O = CO₂ + H₂ |
| 4 | 부두아르 탄소 석출 반응 | 2CO = CO₂ + C |
| 5 | 벡스 탄소 석출 반응 | CO + H₂ = H₂O + C |
| 6 | 고급 탄화수소 분해 | CₙH₂ₙ₊₂ = (n+1)H₂ + nC |
개질로와 촉매 설계는 개질 반응을 촉진하면서 탄소 석출 반응은 억제해야 합니다. 일반적으로 천연가스 개질에 스팀 개질로를 사용하며, 이 경우 천연가스 탈황이 필요합니다. 미드렉스는 스토이키오메트릭 개질로를 사용합니다. 여기서는 스토이키오메트릭 비율(산화제/탄화수소 몰비)이 중요 파라미터입니다. 미드렉스 개질로의 특징은 다음과 같습니다.
미드렉스 개질로에는 수백 개의 니켈 촉매 충전 튜브가 설치되어 있습니다. 톱 가스와 천연가스 혼합물이 이 튜브를 통과하면서 CO와 H₂로 구성된 환원 가스로 개질됩니다. 튜브 내 주요 반응:
미드렉스 개질로는 스팀 개질로와 여러 면에서 다릅니다: (1) CO₂와 수증기를 동시에 개질, (2) 산화제/탄소 비율(미드렉스 스토이키오메트릭 비율) 약 1.4에서 운전, (3) 공급 가스 내 황 존재 하에서 운전, (4) 저압 운전, (5) 독자적 촉매 설계 필요.
열효율은 배가스 현열 회수로 공급 가스 혼합물과 버너 연소 공기 예열에 활용하여 크게 향상됩니다. 경제성에 따라 연료 가스 예열도 가능합니다.
어떤 종류나 회분 함량의 석탄도 가스화하여 환원 가스를 생성할 수 있습니다. 코크스 오븐 가스는 미드렉스 '열 반응기 시스템(Thermal Reactor System)'으로 개질 가능합니다. 코렉스 유닛의 수출 합성가스도 고품질 환원 가스로서 인접한 미드렉스 샤프트로에서 DRI 생산에 활용 가능합니다.
미드렉스 공정에는 네 가지 배출 옵션이 있습니다(그림 1 참조): 냉각 DRI, HBI, 핫 링크(Hot Link) 방식 HDRI, 핫 트랜스포트 컨베이어/용기 방식 HDRI.
1969년 첫 플랜트 가동 이후 수많은 공정 개선이 이루어졌습니다.
펠릿 소결 경향으로 인해 저온 운전이 필요했습니다.
덩어리광 사용으로 샤프트로 부담 소결 방지 효과 확인. 환원 가스 온도 780°C → 850°C로 상승, 시스템 생산성 약 13% 향상.
환원 가스 온도 900°C 초과 달성, 생산성 추가 11% 향상. 이 시기까지 부담 온도 약 40°C 상승.
환원 가스 일부를 O₂로 연소시켜 온도 상승. 환원 가스 품질 저하에도 불구하고 생산 이점 확보. O₂ 주입 설계는 고순도 O₂를 다중 노즐로 고온 환원 가스 스트림에 주입. 환원 가스 온도 1000°C 초과, 부담 온도 추가 70°C 상승. H₂+CO 일부 소비되나 샤프트로 생산성 10~20% 향상. 일반적인 O₂ 소비량 12~15 Nm³/톤 DRI. 덩어리광, 산화철 코팅, O₂ 주입 복합 효과로 1969년 대비 생산성 약 37% 증가.
OXY+는 개질로 외에 연소기(combustor)를 추가. 연료 가스와 O₂를 스토이키오메트릭 비율 ~0.5로 반응시켜 H₂+CO 생성 후 개질로 생성 환원 가스에 혼합. 2단계 연소로 (1) 안정적 연소, (2) 그을음 생성 제거, (3) 연료 가스 → H₂+CO 전환, (4) 극한 온도에서 구조재 보호 달성. 정밀한 O₂/연료 가스 계량 제어가 핵심. 샤프트로 유입 가스 온도 상승 최소화하면서 추가 생산 증대 기회 제공. OXY+ 적용으로 샤프트로 생산성 잠재적 21% 증가 가능.
샤프트로 부담 온도 최대화와 환원 가스 품질 최대화의 두 가지 핵심 요소 독립 제어. O₂ 주입과 OXY+ 시스템 조합, 환원 가스 내 천연가스 유지로 부담 온도와 가스 온도 독립 제어 가능. 샤프트로 내 환원 가스 활용도 극대화로 약 5% 추가 생산 증대 잠재력.
샤프트로 둘레에 두 개의 포트 링으로 환원 가스 분배. 단일 버스틀 대비 가스 분포 개선, 국부적 DRI 유동화 없이 높은 가스 유량 공급 가능 → 생산성 향상.
환원 존 하부, 냉각 존 상부의 전이 존에 천연가스 주입으로 제품 탄소 함량 증대 및 생산 속도 향상. 고온 DRI가 전이 존 진입 시 여열을 탄화수소 분해에 활용 → 탄소 석출 및 H₂ 방출로 추가 환원 촉진. 천연가스 예열 기술 검토 중: 예열 시 더 많은 가스 주입 가능, 환원 존 냉각(quenching) 방지.
| 표 2 대표적 원료 분석 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 항목 | 성분 | 단위 | 철광석 펠릿 | 철광석 덩어리광 |
| 1 | 총 Fe | % | 65-68 | 65.2 |
| 2 | SiO₂ (최대) | % | 3 | 3 |
| 3 | Al₂O₃ (최대) | % | 3 | 3 |
| 4 | Al₂O₃ + SiO₂ (최대) | % | 5 | 5 |
| 5 | CaO + MgO | % | 0.35 | 0.01 |
| 7 | 황(S) | % | 0.005 | 0.012 |
| 8 | 인(P) | % | 0.05 | 0.1 |
| 9 | LOI | % | - | 3 |
| 10 | 공칭 크기 | mm | 6-18 | 10-35 |
| 11 | 6mm 미만 | % | 3 | 5 |
| 12 | 텀블러 강도 | - | - | - |
| +6.73mm 최대 | % | 95 | 90 | |
| −0.595mm 최소 | % | 4 | 7 | |
| 13 | 압축 강도 최소 | kg | 250 | - |
| 표 3 대표적 DRI 분석 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 번호 | 원소 | 단위 | HBI | CDRI | HDRI |
| 1 | 금속 Fe | % | 83-90 | 83-90 | 83-90 |
| 2 | 총 Fe | % | 89-94 | 89-94 | 89-94 |
| 3 | 금속화도 | % | 92-96 | 92-96 | 92-96 |
| 4 | P | % | 0.005-0.09 | 0.005-0.09 | 0.005-0.09 |
| 5 | S | % | 0.001-0.03 | 0.001-0.03 | 0.001-0.03 |
| 6 | C | % | 1.5-4.0 | 1.5-4.0 | 1.5-4.0 |
| 7 | Al₂O₃+SiO₂ | % | 2.8-6.0 | 2.8-6.0 | 2.8-6.0 |
| 8 | 겉보기 밀도 | t/m³ | 2.4-2.8 | 1.6-1.9 | 1.6-1.9 |
| 9 | 진밀도 | g/cm³ | 5.0-5.5 | 3.4-3.6 | 3.4-3.6 |
| 10 | 제품 온도 | °C | 100 | 50 | 600-700 |
| 11 | 대표 크기 | mm | 30×50×110 | 4-20 | 4-20 |
| 표 4 대표적 운전 파라미터 | |||
|---|---|---|---|
| 번호 | 항목 | 단위 | 값 |
| 1 | 펠릿/덩어리광 혼합비 | 비율 | 80:20 |
| 2 | 비생산성 | 톤/시간 | 150 |
| 3 | 공정 가스 유량 | Nm³/시간 | 165,000 |
| 4 | 공정 가스 CO₂ | % | 20.0-21.0 |
| 5 | 개질로 박스 온도 | °C | 1,130 |
| 6 | 개질 가스 온도 | °C | 930 |
| 7 | 개질 가스 CH₄ | % | 1.1 |
| 8 | 개질 가스 CO₂ | % | 2.8 |
| 9 | 버스틀 가스 온도 | °C | 830-850 |
| 10 | 버스틀 가스 CH₄ | % | 3.5-4.0 |
| 11 | 환원 존 압력 | kg/cm² | 0.85-0.95 |
| 12 | 천연가스 소비 | Gcal/톤 DRI | 2.4 |
| 13 | 전력 소비 | kWh/톤 DRI | 95 |
| 14 | 산소 소비 | Nm³/톤 DRI | 15 |
| 15 | 용수 소비 | Nm³/톤 DRI | 1.2-1.5 |
| 표 5 개질로 입구/출구 가스 파라미터 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 번호 | 성분 | 단위 | 입구 | 출구 |
| 1 | H₂ | % | 35 | 55 |
| 2 | CO | % | 19 | 35 |
| 3 | CO₂ | % | 15 | 2 |
| 4 | H₂O | % | 13 | 6 |
| 5 | CH₄ | % | 17 | 1 |
| 6 | N₂ | % | 1 | 1 |
| 7 | 온도 | °C | 580 | 980 |
| 표 6 환경 관리 파라미터 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 배출원 | 단위 | 분진 | SO₂ | NOx | CO₂ |
| 차지 호퍼 | kg/톤 DRI | <0.001 | 미량 | <0.004 | - |
| 개질로 스택 | kg/톤 DRI | <0.04 | 0.025 | <0.50 | <500 |
| 집진 시스템 (유닛당 대표값) | kg/톤 DRI | 0.015 | 미량 | <0.006 | - |
| 수질 배출 | |||
|---|---|---|---|
| 배출원 | 단위 | 부유 고형물 | 유량 |
| 플랜트 블로다운 | kg, m³/톤 DRI | 0.01 | 0.2 |
| 소음 수준 | ||
|---|---|---|
| 구역 | 단위 | 값 |
| 송풍기 구역 내부 | 데시벨 | 95-105 |
| 기타 구역 | 데시벨 | 80-90 |
제조공정
맷모어 공정(Matmor Process for Ironmaking) 맷모어 공정은 현재 Environmental Clean Technologies Ltd(ECT)에서 개발 중인 제철 공정입니다. 맷모어 공정 기술은 특허 기술입니다. 이 기술은 갈탄(lignite coal, 갈탄/갈색탄)을 기반으로 하며, 독특한 화학과 로 설계 덕분에 고품위 럼프 철광석을 저비용 대체 원료로 대체할 수 있습니다. 일반적으로 갈탄(갈색탄으로도 알려짐)은 높은 휘발분과 수분 함량 때문에 야금용으로 사용되지 않습니다. Environmental Clean
직접 환원 공정의 이론적 측면 철광석 직접 환원 공정에서 고체 금속 철(Fe)은 철광석을 용융시키지 않고 고체 상태에서 직접 얻습니다. 직접 환원은 철 산화물은 환원시키지만 다른 산화물(MnO, SiO₂ 등.)은 해당 원소로 환원시키지 않는 산소(O₂) 포텐셜에서 고체 상태 환원으로 정의됩니다. 환원이 고체 상태에서 일어나므로 이 원소들이 환원된 철에 용해될 가능성(낮은 열역학적 활성에서)은 매우 적으므로, 철보다 더 안정한 산화물들은 본질적으로 비환원 상태를 유지합니다. 철광석 직접 환원은 상승 가스에 의해 고로 샤프트에서도 일어
